JP5373837B2 - ガスセンサ素子及びガスセンサ - Google Patents
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このような構成のガスセンサ素子のうち排気ガスに晒される先端側においては、側面に複数の固体電解質体が露出しており、排気ガスに含まれる煤等の導電性物質が露出した固体電解質体に付着することがある。この場合、複数の固体電解質体を跨ぐようにして煤が付着すると、煤が焼失する温度(600℃程度)より低い部分では、煤が焼失せずに残留するため、当該煤によるリーク電流が固体電解質体間で生じ、ガス濃度の検出性能が低下する。
そこで、ガスセンサ素子の使用時に600℃未満の温度状態となる固体電解質体の露出部に、アルミナを主成分とするペーストを塗布して絶縁する技術が開発されている(例えば、特許文献1参照)。
又、絶縁被膜の先端部と多孔質保護層とを重ねる(重なり領域を形成する)ことで、多孔質保護層のうち厚みが薄い後端部が、絶縁被膜と重なって全体の厚みが厚くなるので、多孔質保護層の後端部の耐被水性が向上し、ひいてはガスセンサ素子の耐被水性が向上する。
このガスセンサ素子によれば、多孔質保護層における水分のバリア性を確保しつつガス透過性を低下させないとともに、ガス透過性が不要な絶縁被膜においては煤が固体電解質体の側面に付着するのを良好に抑えられるため好ましい。
図1は本発明の実施形態に係るガスセンサ(酸素センサ)1の長手方向(軸線L方向)に沿う断面図、図2は検出素子部300及びヒータ部200の模式分解斜視図、図3は検出素子部300の軸線L方向に直交する断面図である。
なお、軸線L方向に見て、プロテクタ24側を「先端」とし、ゴムキャップ52側を「後端」とする。
なお、ヒータ部200に通電した際、発熱部102aのうち最も高温となる部分を最高発熱温度位置HMとする。図2の例では、最高発熱温度位置HMは、発熱部102aのほぼ中央に位置すると共に後述するガス検出室107の略中央に位置する。
一方、検出素子部300及びヒータ部200の表面であって検出素子部300の積層方向に沿う側面のうち、検出素子部300及びヒータ部200の軸線L方向に沿って最高発熱温度位置HMより後端側の領域が、絶縁被膜23で被覆されている。なお、本実施形態では、絶縁被膜23はガス検出室107c(拡散律速部115)よりも後端に形成されている。
なお、このように検出素子部300とヒータ部200は一体に積層されているので、通常、検出素子部300とヒータ部200とを区別せずに、ガスセンサ素子100の側面のうち上記位置に絶縁被膜23を被覆してよい。つまり、絶縁被膜23が、複数の固体電解質体(第1固体電解質体109,第2固体電解質体105の側面に跨って形成されるのに加え、ヒータ部200を構成する絶縁セラミック体の側面にまで跨って形成されていてよい。もちろん、ガスセンサ素子100の側面のうち検出素子部300のみに絶縁被膜23を被覆していてもよい。なお、「積層方向」とは、各固体電解質体105,109を貫く方向であり、図3の上下方向である。
又、後述する画像解析で求めた多孔質保護層20の気孔率を10〜50%とすると、被毒物質や水滴のバリア性を確保しつつガス透過性を低下させないので好ましい。多孔質保護層20の気孔率が10%未満であると被毒物質によって目詰まりし易く、50%を超えると水が多孔質保護層20内部に浸入して耐被水性が低下することがある。
又、多孔質保護層20の厚みを100〜600μmとすると好ましい。なお、上記したように、多孔質保護層20は後端部20bの厚みが先端側に比較して薄いため、多孔質保護層20の最大厚み部分を厚みとみなす。
絶縁被膜23の厚みは特に制限されないが、ガスセンサ素子100の積層方向の厚みの1/10〜1/500程度とすることができる。又、後述するように、絶縁被膜23は検出素子部300の側面を絶縁し、露出した第1,第2固体電解質体105、109間の煤等の付着に起因したリーク電流の発生を防止することを目的として形成され、ガス透過性は要求されない。このため、絶縁被膜23の気孔率が多孔質保護層20の気孔率より小さい(換言すれば、絶縁被膜23が多孔質保護層20よりも緻密に構成されている)ことが煤等の付着を良好に抑制する観点から好ましい。特に、絶縁被膜23に開気孔(検出素子部300の側面に連通する孔)が無い、つまり気孔率が0%であることがガスセンサ素子100の側面への煤の付着を確実に防止し、リーク電流の発生を効果的に防止する点でより好ましい。絶縁被膜23の気孔率については、絶縁被膜23がアルミナ被膜等の絶縁セラミック被膜である場合には、上述した多孔質保護層20の気孔率測定と同様の手法により決定することができる。一方、絶縁被膜23がガラス被膜である場合には、拡大鏡を用いて被膜の表面に開気孔が存在するか否かを確認し、開気孔が存在しなければ気孔率が0%とみなすことができる。なお、絶縁被膜23が多孔質保護層20よりも緻密に構成されていることは、ガス透過性の度合いを比較することで確認することができる。
従って、最高発熱温度位置HMよりも後端側に形成される絶縁被膜23の先端部23aの位置は、検出素子部300の活性温度等に応じて、絶縁被膜23の耐熱性との兼ね合いで調整すればよい。
このように、絶縁被膜23の先端部23aと多孔質保護層20の後端部20bとを重ねることで、多孔質保護層20のうち厚みが薄い後端部20bは、絶縁被膜23と重なって全体の厚みが厚くなるので、多孔質保護層20による検出素子部300の耐被水性が向上する。
図5の場合も、重なり領域Rを設けることで、多孔質保護層20のうち厚みが薄い後端部20bは、絶縁被膜23と重なって全体の厚みが厚くなり、多孔質保護層20の後端部20bの耐被水性を高めることが可能となる。
次に、検出素子部300先端側の表面(表裏面及び両側面)であって、絶縁被膜23の先端と重なる領域に、多孔質保護層20となる下記のスラリーAを適当な粘度になるように調整し、ディップ(浸漬)法で所定厚みになるよう塗布した。その後、スラリーA中の余分な有機溶剤を揮発させるため、200℃に設定した乾燥機で数時間乾燥し、大気中、1100℃で3時間の条件で多孔質保護層20(厚み420μm)を焼成した。
スラリーA:スピネル粉末60vol%、アルミナ粉末40vol%、アルミナゾル(外配合)10wt%を秤量し、さらにエタノールを添加して攪拌して調製した。
まず、重なり領域Rが約750℃になるようにヒータ部200へ通電し、温度が約750℃で安定したところで、マイクロシリンジで重なり領域Rに水の滴下を開始した。そして、第1酸素ポンプセル140に流れるポンピング電流が初期値から1%を超えた時点で被水を停止し、水の総滴下量を記録するとともに、重なり領域Rの多孔質保護層20、絶縁被膜23を削り、検出素子部300を含めたガスセンサ素子100のクラックの有無を判定した。なお、下記比較例1においては、絶縁被膜であるガラス被膜を形成していないため、重なり領域Rに対応する位置に水の滴下を行った。
図7は、実施例1の被水量が6μLのとき、重なり領域Rの多孔質保護層20を削って露出した部分のSEM像を示す。露出部の先端側に検出素子部300の第1,第2固体電解質体105,109の積層面を観察することができる。又、露出部の後端側に絶縁被膜23が形成されているが、この絶縁被膜23にクラックは見られなかった。また、絶縁被膜23を削った後のガスセンサ素子100を観察したときにクラックの発生は見られなかった。
得られた結果を表1に示す。
一方、多孔質保護層20のみを形成した比較例1の場合、重なり領域Rに相当する位置に被水すると、被水量が2.5μLでクラックが2本以上生じてNG(使用不可)となり、耐被水性に劣った。
20 多孔質保護層
23 絶縁被膜
23a 絶縁被膜の先端部
30 ハウジング
100 ガスセンサ素子
105 第2固体電解質体
109 第1固体電解質体
200 ヒータ部
102a 発熱部
300 検出素子部
L 軸線方向
HM ヒータ部の発熱部の最高発熱温度位置
R 重なり領域
Claims (5)
- 先端側が被測定雰囲気に晒されると共に、複数の固体電解質体を積層した構成をなし、前記被測定雰囲気に含まれる特定ガス成分の濃度に応じた信号を出力する検出素子部と、
前記検出素子部に積層され、前記検出素子部を加熱する発熱部を有するヒータ部と、を備え、長手方向に延びるガスセンサ素子であって、
前記ガスセンサ素子のうち前記被測定雰囲気に晒される表面であって、且つ前記複数の固体電解質体の積層方向に沿う側面のうち、長手方向に沿って前記ヒータ部の発熱部の最高発熱温度位置より後端側の領域の少なくとも一部に、前記複数の固体電解質体を跨ぐように絶縁被膜が被覆されており、
前記ガスセンサ素子のうち前記絶縁被膜が形成された位置よりも先端側の領域には、自身の後端部が長手方向に沿って前記絶縁被膜の先端部と重なりつつ、前記検出素子部の外部に露出する表面全体を覆う多孔質保護層が形成されているガスセンサ素子。 - 前記絶縁被膜は、前記多孔質保護層よりも緻密に構成されている請求項1に記載のガスセンサ素子。
- 前記絶縁被膜がガラス被膜である請求項1又は2に記載のガスセンサ素子。
- 前記多孔質保護層の後端部は前記絶縁被膜の先端部上を覆っている請求項1〜3のいずれかに記載のガスセンサ素子。
- 被測定ガス中の特定ガス成分の濃度を検出するセンサ素子と、該センサ素子の先端側を被測定雰囲気に晒すようにして当該センサ素子を保持するハウジングとを備えるガスセンサにおいて、
前記センサ素子は、請求項1〜4のいずれかに記載のガスセンサ素子を用いることを特徴とするガスセンサ。
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