JP6323181B2

JP6323181B2 - ガスセンサ素子

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Publication number: JP6323181B2
Application number: JP2014114950A
Authority: JP
Inventors: 重和日高
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 2014-06-03
Filing date: 2014-06-03
Publication date: 2018-05-16
Anticipated expiration: 2034-06-03
Also published as: JP2015230178A

Description

本発明は、酸素イオン電流を測定するガスセンサ素子に関する。

積層型のガスセンサ素子は、両面に電極が設けられた固体電解質体の一方側に、被測定ガス空間を形成する絶縁体が積層され、固体電解質体の他方側に、固体電解質体を加熱するヒータが積層されて構成されている。ガスセンサ素子においては、ヒータによって固体電解質体及び電極を加熱し、固体電解質体及び電極を酸素分解活性を有する温度にする。そして、電極間に流れる酸素イオン電流を測定して、被測定ガス中の酸素濃度又は特定ガス濃度を検出している。

例えば、特許文献１の積層型ガスセンサ素子は、絶縁碍子に固定された幅太部と、フリー状態にある幅細部とを有している。幅細部は、絶縁碍子から突出する先端部分に形成されており、この先端部分には、被測定ガス中の特定ガス濃度を検出するガス検知部が形成されている。特許文献１においては、幅太部と幅細部とを設けることにより、衝撃に強く損傷が生じ難い積層型ガスセンサ素子を形成している。

特開２００４−３９６３号公報

ところで、ヒータによって固体電解質体を加熱する際には、固体電解質体に対してヒータが積層された側とは反対側に積層された絶縁体の外側面から熱が失われる。そして、固体電解質体に積層された絶縁体の厚みが薄いと、絶縁体の外側面から失われる熱が顕著になり、被測定ガス空間内に温度分布が生じやすくなる。この温度分布が生じると、測定される酸素イオン電流に誤差が生じ、ガスセンサ素子による検出精度を低下させる要因となる。

本発明は、かかる背景に鑑みてなされたもので、被測定ガス空間に温度分布が生じにくくし、検出精度を向上させることができるガスセンサ素子を提供しようとして得られたものである。

本発明の一態様は、酸素イオン伝導性を有し、一方の表面としての第１表面と他方の表面としての第２表面とに電極が設けられた固体電解質体と、
該固体電解質体の上記第１表面側に積層され、被測定ガスが拡散抵抗体を通過して導入される被測定ガス空間を形成する絶縁体と、
該固体電解質体の上記第２表面側に積層され、該固体電解質体を加熱するヒータと、を備えるガスセンサ素子であって、
上記固体電解質体に上記電極及び上記被測定ガス空間が設けられた、上記ガスセンサ素子の先端側部分の積層方向において、上記固体電解質体の厚みを含む上記第１表面から上記ヒータの外側面までの厚みＴ１と、上記絶縁体の厚み及び上記拡散抵抗体の厚みによる上記第１表面から上記絶縁体の外側面までの厚みＴ２とは、０．７≦Ｔ２／Ｔ１≦１．６の関係を有しており、
上記ガスセンサ素子の先端側部分における上記絶縁体の上記積層方向の厚みは、上記ガスセンサ素子の後端側部分における上記絶縁体の上記積層方向の厚みよりも大きいことを特徴とするガスセンサ素子にある。

上記ガスセンサ素子は、固体電解質体の両表面側に絶縁体とヒータとを積層したものである。そして、ガスセンサ素子の先端側部分において、絶縁体の積層方向の厚みとヒータの積層方向の厚みとに工夫をしている。
具体的には、ガスセンサ素子の先端側部分の積層方向において、固体電解質体の第１表面からヒータの外側面までの厚みＴ１と、第１表面から絶縁体の外側面までの厚みＴ２とが、０．７≦Ｔ２／Ｔ１≦１．６の関係を有している。

これにより、絶縁体側の厚みＴ２が適切に厚くなる。そして、ヒータによって固体電解質体が加熱される際には、絶縁体の外側面から逃げる熱を減少させることができる。その結果、被測定ガス空間内の被測定ガスが冷やされにくくなり、被測定ガス空間に温度分布が生じにくくすることができる。
これにより、固体電解質体における各電極間を流れて測定される酸素イオン電流に誤差が生じにくくなり、ガスセンサ素子による検出精度を向上させることができる。

上記ガスセンサ素子によれば、被測定ガス空間に温度分布が生じにくくし、検出精度を向上させることができる。

実施例にかかる、ガスセンサ素子を示す断面説明図。実施例にかかる、ガスセンサ素子の先端側部分を示す断面説明図。実施例にかかる、ガスセンサ素子の先端側部分を示す図で、図２のI−I矢視線断面説明図。実施例にかかる、他のガスセンサ素子の先端側部分を示す断面説明図。実施例にかかる、他のガスセンサ素子の先端側部分を示す断面説明図。

上述したガスセンサ素子における好ましい実施の形態について説明する。
上記ガスセンサ素子において、０．７＞Ｔ２／Ｔ１の場合には、第１表面から絶縁体の外側面までの厚みＴ２が小さくて、絶縁体の外側面から熱が失われやすくなり、被測定ガス空間内に温度分布が生じやすくなる。一方、Ｔ２／Ｔ１＞１．６の場合には、第１表面から絶縁体の外側面までの厚みＴ２が大きくて、絶縁体の外側面から熱が失われにくくなり過ぎて、被測定ガス空間内に温度分布が生じやすくなる。

また、上記ガスセンサ素子の先端側部分における上記絶縁体の上記積層方向の厚みは、上記ガスセンサ素子の後端側部分における上記絶縁体の上記積層方向の厚みよりも大きい。
これにより、固体電解質体に電極が設けられた先端側部分のみ、絶縁体の積層方向の厚みを大きくすることができ、０．７≦Ｔ２／Ｔ１≦１．６の関係を有するガスセンサ素子を容易に形成することができる。

また、上記ガスセンサ素子の先端側部分における上記絶縁体は、上記積層方向に複数積層されており、該絶縁体同士の間には、積層界面が形成されていてもよい。
この場合には、絶縁体の積層方向における熱伝導を、積層界面によって弱めることができる。そして、ヒータによって加熱される固体電解質体及び被測定ガス空間内の被測定ガスの熱が、積層界面によって絶縁体の外側面へ逃げ難くすることができる。

また、上記ガスセンサ素子の先端側部分における上記絶縁体には、該絶縁体よりも熱伝導率が低い材料からなる低熱伝導体が積層されていてもよい。
この場合には、絶縁体の積層方向における熱伝導を、低熱伝導体によって弱めることができる。そして、ヒータによって加熱される固体電解質体及び被測定ガス空間内の被測定ガスの熱が、低熱伝導体によって絶縁体の外側面へ逃げ難くすることができる。
絶縁体は、アルミナ等のセラミックスの材料によって構成することができる。低熱伝導体は、窒化珪素、窒化チタン、炭化チタン、イットリア、ムライト、フォルステライト、サイアロン、コージライト、ジルコニア、ステアタイト、二酸化珪素等によって構成することができる。

以下に、ガスセンサ素子にかかる実施例について、図面を参照して説明する。
本例のガスセンサ素子１は、図１〜図３に示すように、固体電解質体２、絶縁体４及びヒータ５を備えている。固体電解質体２は、酸素イオン伝導性を有しており、一方の表面としての第１表面２０１と他方の表面としての第２表面２０２とに電極２１，２２，２３，２５を有している。絶縁体４は、固体電解質体２の第１表面２０１側に積層されており、被測定ガスＧが拡散抵抗体４３を通過して導入される被測定ガス空間６１を形成している。ヒータ５は、固体電解質体２の第２表面２０２側に積層されており、固体電解質体２を加熱するよう構成されている。また、固体電解質体２の第２表面２０２とヒータ５との間には、基準ガスＡが導入される基準ガス空間６２が形成されている。
固体電解質体２に電極２１，２２，２３，２５が設けられた、ガスセンサ素子１の先端側部分１１の積層方向Ｄにおいて、第１表面２０１からヒータ５の外側面５０１までの厚みＴ１と、第１表面２０１から絶縁体４の外側面４０１までの厚みＴ２とは、０．７≦Ｔ２／Ｔ１≦１．６の関係を有している。

以下に、本例のガスセンサ素子１について、図１〜図５を参照して詳説する。
本例のガスセンサ素子１は、絶縁碍子に保持されるとともに、カバー内に収容された状態でガスセンサを構成する。ガスセンサ素子１は、長尺形状を有しており、先端側部分１１を含む先端側が絶縁碍子から突出して被測定ガスＧに晒されるようになっている。
ガスセンサは、車両の排気管内に配置されて使用される。被測定ガスＧは排気管を通過する排気ガスであり、ガスセンサは、排気ガス中の特定ガスとしてのＮＯｘ（窒素酸化物）の濃度を検出するために用いられる。また、ガスセンサは、被測定ガスＧ中の酸素濃度からＡ／Ｆ（空燃比）を検出することもできる。

図２に示すように、拡散抵抗体４３は、ガスセンサ素子１の長手方向Ｌの先端部に設けられている。拡散抵抗体４３は、固体電解質体２の第１表面２０１に隣接して、固体電解質体２と絶縁体４との間に設けられている。被測定ガス空間６１は、ガスセンサ素子１の先端側部分１１であって、拡散抵抗体４３に対する長手方向Ｌの後端側に隣接して形成されている。拡散抵抗体４３は、ガスを透過させる性質を有する多孔質体によって構成されており、被測定ガスＧが所定の拡散速度で被測定ガス空間６１に導入されるようにする。ガスセンサ素子１における被測定ガスＧの流れ方向Ｆは、長手方向Ｌの一方側から他方側に向けた方向となる。

図２、図３に示すように、固体電解質体２は、酸素イオン伝導性を有するジルコニアの基板から構成されている。固体電解質体２には、ポンプセル３１、モニタセル３２及びセンサセル３３が設けられている。ポンプセル３１は、固体電解質体２の第１表面２０１に設けられた電極２１と第２表面２０２に設けられた電極２５との間に電圧を印加して、被測定ガス空間６１内の酸素濃度を調整するよう構成されている。

モニタセル３２は、固体電解質体２の第１表面２０１に設けられた電極２２と第２表面２０２に設けられた電極２５との間に流れる酸素イオン電流を測定して、被測定ガス空間６１内における、ポンプセル３１によって酸素濃度が調整された後の残留酸素濃度を測定するよう構成されている。センサセル３３は、固体電解質体２の第１表面２０１に設けられた電極２３と第２表面２０２に設けられた電極２５との間に流れる酸素イオン電流を測定して、被測定ガス空間６１内における、ポンプセル３１によって酸素濃度が調整された後の被測定ガスＧ中の特定ガス濃度を測定するよう構成されている。被測定ガスＧ中の特定ガス濃度は、センサセル３３における酸素イオン電流とモニタセル３２における酸素イオン電流との差分に基づいて検出される。

ポンプセル３１、モニタセル３２及びセンサセル３３を構成する各電極２１，２２，２３，２５は、１枚の固体電解質体２に対して設けられている。モニタセル３２及びセンサセル３３を構成する電極２２，２３は、ポンプセル３１を構成する電極２１に対して、長手方向Ｌの後端側に隣接して設けられている。ポンプセル３１は、一対の電極２１，２５の間に電圧を印加するための電圧印加手段を有している。モニタセル３２は、一対の電極２２，２５の間に流れる電流を測定するための電流測定手段を有している。センサセル３３は、一対の電極２３，２５の間に流れる電流を測定するための電流測定手段を有している。

図２、図３に示すように、絶縁体４は、アルミナ等の絶縁性物質から構成されている。絶縁体４は、固体電解質体２の第１表面２０１に対して、アルミナ等の絶縁性物質から構成された第１スペーサ４１を挟んで積層されている。固体電解質体２の第１表面２０１における被測定ガス空間６１は、絶縁体４及び第１スペーサ４１によって囲まれて形成されている。

ヒータ５は、アルミナ等の絶縁性物質から構成されたセラミック基板５１の中に、通電によって発熱する発熱体５２を配置して構成されている。発熱体５２は、被測定ガス空間６１に対して積層方向Ｄに重なる位置において蛇行して形成されている。ヒータ５は、固体電解質体２の第２表面２０２に対して、アルミナ等の絶縁性物質から構成された第２スペーサ４２を挟んで積層されている。固体電解質体２の第２表面２０２における基準ガス空間６２は、ヒータ５及び第２スペーサ４２によって囲まれて形成されている。

図１に示すように、ガスセンサ素子１は、その先端側部分１１における絶縁体４の積層方向Ｄの厚みＴ３を、その後端側部分１２における絶縁体４の積層方向Ｄの厚みＴ４よりも大きくして形成されている。また、ガスセンサ素子１の先端側部分１１と後端側部分１２との間には、厚みの違いによる段差４４が形成されている。ガスセンサ素子１の先端側部分１１における厚みの比Ｔ２/Ｔ１は、その厚みを大きくすることによって、０．７≦Ｔ２／Ｔ１≦１．６の関係を満たしている。

また、図示は省略するが、ガスセンサ素子１の先端側部分１１には、電極２１，２２，２３の被毒を抑制するために被測定ガス中の被毒物質をトラップするトラップ層が設けられている。なお、トラップ層は気孔率が４０〜５０％と高いため、熱の遮蔽効果はほとんど有していない。

本例のガスセンサ素子１は、上述したように、ガスセンサ素子１の先端側部分１１の積層方向Ｄにおいて、固体電解質体２の第１表面２０１からヒータ５の外側面５０１までの厚みＴ１と、第１表面２０１から絶縁体４の外側面４０１までの厚みＴ２とが、０．７≦Ｔ２／Ｔ１≦１．６の関係を有している。
これにより、絶縁体４側の厚みＴ２が適切に厚くなる。そして、ヒータ５によって固体電解質体２が加熱される際には、絶縁体４の外側面４０１から逃げる熱を減少させることができる。その結果、被測定ガス空間６１内の被測定ガスＧが冷やされにくくなり、被測定ガス空間６１に温度分布が生じにくくすることができる。

それ故、固体電解質体２における各電極間を流れて測定される酸素イオン電流に誤差が生じにくくなり、ガスセンサ素子１による検出精度を向上させることができる。
また、被測定ガス空間６１は、ガスセンサ素子１の先端側部分１１における積層方向Ｄの中心部付近に位置することになる。そのため、被測定ガス空間６１内の各部における被測定ガスＧをできるだけ均一に保温することができる。

本例のガスセンサ素子１によれば、被測定ガス空間６１に温度分布が生じにくくし、検出精度を向上させることができる。

上記絶縁体４の外側面４０１から逃げる熱を減少させるためのガスセンサ素子１の先端側部分１１の構成は、次のようにすることもできる。
例えば、図４に示すように、ガスセンサ素子１の先端側部分１１における絶縁体４は、積層方向Ｄに複数積層することができる。この場合、絶縁体４同士の間には、微小な隙間による積層界面４５が形成されている。この場合には、絶縁体４の積層方向Ｄにおける熱伝導を、積層界面４５によって弱めることができる。そして、ヒータ５によって加熱される固体電解質体２及び被測定ガス空間６１内の被測定ガスＧの熱が、積層界面４５によって絶縁体４の外側面４０１へ逃げ難くすることができる。

また、図５に示すように、ガスセンサ素子１の先端側部分１１における絶縁体４には、絶縁体４よりも熱伝導率が低い材料からなる低熱伝導体４６が積層されていてもよい。低熱伝導体４６は、絶縁体４の内部に積層されていてもよく、絶縁体４の内側面又は外側面のいずれに積層されていてもよい。この場合には、絶縁体４の積層方向Ｄにおける熱伝導を、低熱伝導体４６によって弱めることができる。そして、ヒータ５によって加熱される固体電解質体２及び被測定ガス空間６１内の被測定ガスＧの熱が、低熱伝導体４６によって絶縁体４の外側面４０１へ逃げ難くすることができる。

１ガスセンサ素子
１１先端側部分
２固体電解質体
２０１第１表面
２０２第２表面
４絶縁体
４０１外側面
４３拡散抵抗体
５ヒータ
５０１外側面５０１
６１被測定ガス空間

Claims

酸素イオン伝導性を有し、一方の表面としての第１表面（２０１）と他方の表面としての第２表面（２０２）とに電極（２１，２２，２３，２５）が設けられた固体電解質体（２）と、
該固体電解質体（２）の上記第１表面（２０１）側に積層され、被測定ガス（Ｇ）が拡散抵抗体（４３）を通過して導入される被測定ガス空間（６１）を形成する絶縁体（４）と、
該固体電解質体（２）の上記第２表面（２０２）側に積層され、該固体電解質体（２）を加熱するヒータ（５）と、を備えるガスセンサ素子（１）であって、
上記固体電解質体（２）に上記電極（２１，２２，２３，２５）及び上記被測定ガス空間（６１）が設けられた、上記ガスセンサ素子（１）の先端側部分（１１）の積層方向（Ｄ）において、上記固体電解質体（２）の厚みを含む上記第１表面（２０１）から上記ヒータ（５）の外側面（５０１）までの厚みＴ１と、上記絶縁体（４）の厚み及び上記拡散抵抗体（４３）の厚みによる上記第１表面（２０１）から上記絶縁体（４）の外側面（４０１）までの厚みＴ２とは、０．７≦Ｔ２／Ｔ１≦１．６の関係を有しており、
上記ガスセンサ素子（１）の先端側部分（１１）における上記絶縁体（４）の上記積層方向（Ｄ）の厚み（Ｔ３）は、上記ガスセンサ素子（１）の後端側部分（１２）における上記絶縁体（４）の上記積層方向（Ｄ）の厚み（Ｔ４）よりも大きいことを特徴とするガスセンサ素子（１）。
上記拡散抵抗体（４３）は、上記固体電解質体（２）の上記第１表面（２０１）において、上記固体電解質体（２）と上記絶縁体（４）との間に設けられていることを特徴とする請求項１に記載のガスセンサ素子（１）。
上記ガスセンサ素子（１）の先端側部分（１１）における上記絶縁体（４）は、上記積層方向（Ｄ）に複数積層されており、
該絶縁体（４）同士の間には、積層界面（４５）が形成されていることを特徴とする請求項１又は２に記載のガスセンサ素子（１）。
上記ガスセンサ素子（１）の先端側部分（１１）における上記絶縁体（４）には、該絶縁体（４）よりも熱伝導率が低い材料からなる低熱伝導体（４６）が積層されていることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載のガスセンサ素子（１）。