JP6154307B2 - ガスセンサ素子およびガスセンサ - Google Patents
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Description
セルは、板型の固体電解質体と、固体電解質体の外面に形成される一対の電極部と、を備える。絶縁基体は、アルミナを主体に形成されると共にセルに積層されて素子本体部の外表面を構成する。
(3)本発明のさらに他の局面のガスセンサ素子においては、絶縁基体は、素子本体部の外表面のうちセルに対する積層方向の両端となる2つの積層方向外表面を構成してなり、表面層は、素子本体部の外表面のうち2つの積層方向外表面に設けた絶縁基体のそれぞれに積層される。
よって、このガスセンサ素子によれば、素子本体部の強度低下を抑制できると共に、ガスセンサ素子の強度低下を抑制することができる。
よって、このガスセンサ素子によれば、素子本体部の強度低下を抑制できると共に、ガスセンサ素子の強度低下を抑制することができる。
なお、以下に示す実施形態では、ガスセンサの一種である酸素センサのうち全領域空燃比センサ(以下単に、空燃比センサともいう)を例に挙げる。具体的には、自動車や各種内燃機関における空燃比フィードバック制御に使用するために、測定対象となる排ガス中の特定ガス(酸素)を検出するガスセンサ素子(検出素子)が組み付けられるとともに、内燃機関の排気管に装着される空燃比センサを例に挙げて説明する。
[1−1.全体構成]
本実施形態のガスセンサ素子が使用される空燃比センサの全体の構成について、図1に基づいて説明する。図1は、空燃比センサの内部構成を表す断面図である。
[1−2.ガスセンサ素子の構成]
次に、本実施形態の要部であるガスセンサ素子7の構成について、図2〜図3に基づいて詳細に説明する。
図2に示す様に、ガスセンサ素子7は、長手方向(Y軸方向)に延びる長尺の板材である。なお、図2において、長手方向がガスセンサの軸線方向に沿う形態となる。また図2のZ軸方向は、長手方向に垂直な積層方向であり、X軸方向は、長手方向及び積層方向に垂直な幅方向である。
このようなガスセンサ素子7では、第1主面21の後端側(図3における右側)に3個の電極パッド25,27,29が形成され、第2主面23の後端側に2個の電極パッド31、33が形成されている。
第1表面層22は、素子本体部70のうち第1主面21の一部に積層されており、アルミナを主体としつつ、未安定化ジルコニアを含有して形成されている。
第1表面層22および第2表面層24については、次の項目で詳細に説明する。
第1表面層22は、上述のように、素子本体部70のうち第1主面21の一部に積層されている。具体的には、素子本体部70の第1主面21のうち、セラミックスリーブ9,セラミックホルダ41,滑石リング43,滑石リング45に対向する領域に、第1表面層22が積層されている。
また、第1表面層22および第2表面層24に含有されるアルミナの粒径は0.2[μm]であり、第1表面層22および第2表面層24に含有される未安定ジルコニアの粒径は0.3[μm]である。
第1表面層22は、アルミナの隙間に未安定化ジルコニアが配置される構成となる。第1表面層22に対して外力が印加されていない状態では、未安定化ジルコニアは、アルミナからの拘束力を受けて、結晶構造がT相の状態で存在する。
本実施形態の空燃比センサ1の製造方法について、図4〜図5に基づいて説明する。
図4は、ガスセンサ素子の成形体141の製造方法に関する説明図であり、図5は、ガスセンサ素子の製造途中段階を示す説明図である。
未焼成表面層を形成する場合、まず、アルミナを主体とするセラミック粉末に対して、未安定化ジルコニアを加えて、更にブチラール樹脂、ブチルカルビトール、および混合溶媒(メチルエチルケトン)を混合して、スラリーを生成する。そして、このスラリーをスクリーン印刷により未焼成積層体に印刷することで、未焼成表面層が形成される。
次に、この焼成積層体143の長手方向に伸びる4辺(第1辺H1,第2辺H2,第3辺H3,第4辺H4)に対して面取りを行い、第1長辺面取り部121,第2長辺面取り部122,第3長辺面取り部123,第4長辺面取り部を形成する(図2参照)。具体的には、焼成積層体143の長手方向に伸びる4辺(第1辺H1,第2辺H2,第3辺H3,第4辺H4)を回転砥石に当接して、周知のC面取りを行う。これにより、素子本体部70を得る。
即ち、この工程では、上記製造方法で作製されたガスセンサ素子7を金属ホルダ51に挿入し、さらにガスセンサ素子7をセラミックホルダ41、滑石リング43で固定し、組み立て体を作製する。その後、この組み立て体を主体金具5に固定し、ガスセンサ素子7の軸線方向後端部側を滑石リング45、セラミックスリーブ9に挿通させつつ、これらを主体金具5に挿入する。
一方、外筒57、セパレータ13、グロメット61などを組みつけ、上部組立体を作製する。そして、下部組立体と上部組立体とを接合し、空燃比センサ1を得る。
本発明のガスセンサ素子における強度試験の試験結果について説明する。
本試験では、第1表面層22および第2表面層24におけるアルミナおよび未安定化ジルコニアの比率が異なる5種類のガスセンサ素子(実施例1,2、比較例1〜3)について、それぞれの強度を測定した。
試験結果を[表1]に示す。
以上説明したように、本実施形態の空燃比センサ1におけるガスセンサ素子7は、素子本体部70(素子部71)の絶縁基板97のうちガスセンサ素子7を挿通するためのセラミックスリーブ9などに対向する領域において、絶縁基板97に積層される第1表面層22を備える。
素子本体部70のうちヒータ73の近傍は、温度変化に伴う応力が発生しやすい領域となるため、応力に起因した素子本体部の割れが発生しやすくなると考えられる。そこで、ヒータ73側の外表面を構成する絶縁基板103に第2表面層24を積層することで、ヒータ73側の外表面を構成する絶縁基板103を起点とした破損が生じがたくなる。
また、本実施形態の空燃比センサ1は、上記の第1表面層22および第2表面層24を有するガスセンサ素子7を備えることから、アルミナよりも高靱性な材料を主成分とする塗布層を用いることなくガスセンサ素子7の強度低下を抑制することができる。
ここで、特許請求の範囲と本実施形態とにおける文言の対応関係について説明する。
空燃比センサ1がガスセンサの一例に相当し、酸素濃淡電池セル81および酸素ポンプセル89がそれぞれセルの一例に相当し、多孔質電極77および多孔質電極79が一対の電極部の一例に相当し、多孔質電極85および多孔質電極87が一対の電極部の一例に相当し、絶縁基板97および絶縁基板103がそれぞれ絶縁基体の一例に相当する。また、セラミックホルダ41、滑石リング43、滑石リング45、セラミックスリーブ9が、挿通部材の一例に相当する。
[2.他の実施形態]
以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において、様々な態様にて実施することが可能である。
なお、第1表面層22および第2表面層24は、アルミナの含有量および未安定化ジルコニアの含有量が互いに同一となる形態に限られることはなく、アルミナの含有量および未安定化ジルコニアの含有量が互いに異なる形態であってもよい。
Claims (5)
- 測定対象ガスに含まれる特定ガスを検出するガスセンサ素子であって、
板型の固体電解質体および前記固体電解質体の外面に形成される一対の電極部を備えるセルと、アルミナを主体に形成されると共に前記セルに積層されて外表面を構成する絶縁基体と、を有する素子本体部と、
前記素子本体部の前記絶縁基体のうち、少なくとも当該ガスセンサ素子を挿通するための挿通部材に対向する領域において、前記絶縁基体に積層される表面層と、
を備えており、
前記表面層は、アルミナを主体としつつ、未安定化ジルコニアを含有しており、前記未安定化ジルコニアの含有量が17.4vol%以上30.8vol%以下であること、
を特徴とするガスセンサ素子。 - 前記素子本体部は、前記セルを有する素子部と、発熱体を有するヒータ部と、が積層して構成されており、
前記絶縁基体は、前記素子本体部のうち前記ヒータ部側の外表面を構成してなり、
前記表面層は、前記ヒータ部側の外表面を構成する前記絶縁基体に積層されること、
を特徴とする請求項1に記載のガスセンサ素子。 - 前記絶縁基体は、前記素子本体部の外表面のうち前記セルに対する積層方向の両端となる2つの積層方向外表面を構成してなり、
前記表面層は、前記素子本体部の外表面のうち前記2つの積層方向外表面に設けた前記絶縁基体のそれぞれに積層されること、
を特徴とする請求項1または請求項2に記載のガスセンサ素子。 - 前記表面層に含まれるアルミナの粒径は、前記素子本体部の前記絶縁基体に含まれるアルミナの粒径と比べて同一あるいは小さく、
前記表面層に含まれる未安定化ジルコニアの粒径は、前記素子本体部の前記絶縁基体に含まれるアルミナの粒径と比べて同一あるいは小さく、
さらに、前記表面層に含まれるアルミナおよび未安定化ジルコニアのうち、いずれか一方の粒径は、前記素子本体部の前記絶縁基体に含まれるアルミナの粒径よりも小さいこと、
を特徴とする請求項1から請求項3のうちいずれか一項に記載のガスセンサ素子。 - 測定対象ガスに含まれる特定ガスを検出するガスセンサ素子と、前記ガスセンサ素子を挿通する挿通部材と、を備えるガスセンサであって、
前記ガスセンサ素子として、請求項1から請求項4のうちいずれか1項に記載のガスセンサ素子を備えること、
を特徴とするガスセンサ。
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