JP6438851B2 - Gas sensor element and gas sensor - Google Patents
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Description
本発明は、例えば燃焼器や内燃機関等の燃焼ガスや排気ガス中に含まれる特定ガスのガス濃度を検出するのに好適に用いられるガスセンサ素子及びガスセンサに関する。 The present invention relates to a gas sensor element and a gas sensor that are suitably used for detecting the gas concentration of a specific gas contained in combustion gas or exhaust gas of, for example, a combustor or an internal combustion engine.
従来から、内燃機関の排気ガス中の特定成分(酸素等)の濃度を検出するためのガスセンサが用いられている。このガスセンサは自身の内部にガスセンサ素子を有し、ガスセンサ素子は、それぞれ固体電解質体と一対の電極とからなる酸素濃度検出セル及び酸素ポンプセルを積層してなる(特許文献1参照)。酸素濃度検出セル及び酸素ポンプセルは、ガスセンサ素子の内部空間をなす測定室内に設けられている。そして、測定室内部の排気ガスの酸素濃度に応じて酸素濃度検出セルの電極間に生じる電圧(起電力)が所定の値となるよう、測定室内の酸素を酸素ポンプセルによりポンピングして測定室内の酸素濃度が調整され、酸素ポンプセルに流れるポンピング電流に応じた排気ガス中の酸素濃度をリニアに検出している。
また、更に、上記測定室に連通して第2測定室を設け、その第2測定室に面するように第2ポンプセルを配置したガスセンサ(代表的なものとしてNOxセンサ)がある。このガスセンサでは、上述のように酸素ポンプセルを動作させて酸素濃度が調整された排気ガスが第2測定室に導入され、第2ポンプセルを流れる電流を測定することによりNOx濃度を検出している。
Conventionally, a gas sensor for detecting the concentration of a specific component (oxygen or the like) in exhaust gas of an internal combustion engine has been used. This gas sensor has a gas sensor element inside itself, and the gas sensor element is formed by stacking an oxygen concentration detection cell and an oxygen pump cell each composed of a solid electrolyte body and a pair of electrodes (see Patent Document 1). The oxygen concentration detection cell and the oxygen pump cell are provided in a measurement chamber that forms an internal space of the gas sensor element. Then, oxygen in the measurement chamber is pumped by the oxygen pump cell so that the voltage (electromotive force) generated between the electrodes of the oxygen concentration detection cell in accordance with the oxygen concentration of the exhaust gas in the measurement chamber becomes a predetermined value. The oxygen concentration is adjusted, and the oxygen concentration in the exhaust gas corresponding to the pumping current flowing through the oxygen pump cell is detected linearly.
Further, there is a gas sensor (typically a NOx sensor) in which a second measurement chamber is provided in communication with the measurement chamber and a second pump cell is disposed so as to face the second measurement chamber. In this gas sensor, the exhaust gas whose oxygen concentration has been adjusted by operating the oxygen pump cell as described above is introduced into the second measurement chamber, and the NOx concentration is detected by measuring the current flowing through the second pump cell.
ところで、ガスセンサの消費電力を低減するためには、酸素濃度検出セル及び酸素ポンプセルに掛かる電圧を低くする、つまり各セルが有する固体電解質体の厚みを薄くすることが要望される。又、固体電解質体の厚みを薄くすると、セルの内部抵抗が低減して応答性が向上する。さらに、セルに掛かる電圧が低くなるほど、ブラックニングと称される固体電解質体の特性劣化を抑制することができる。ブラックニングは、固体電解質体を介して電極反応が生じている状態で、固体電解質体に酸素不足が生じて固体電解質体中の金属酸化物が還元される現象である。ブラックニングが生じると、固体電解質体の特性(イオン伝導性)が劣化し、ポンピング性能が低下する。
一方、固体電解質体の温度により、固体電解質体の酸素イオン伝導性、ひいては酸素濃度検出セルの検出出力が変化するので、検出精度を向上させるためには酸素濃度検出セル(の固体電解質体)を所定温度に保つ必要がある。そして、図5の曲線C1に示すように、固体電解質体の温度と内部抵抗(内部インピーダンス)Rpvsとの間に相関があることから、酸素濃度検出セルの固体電解質体の内部抵抗Rpvsが所定の値になるようにヒータを加熱し、ガスセンサ素子の温度を制御している。
By the way, in order to reduce the power consumption of the gas sensor, it is desired to reduce the voltage applied to the oxygen concentration detection cell and the oxygen pump cell, that is, to reduce the thickness of the solid electrolyte body of each cell. Further, when the thickness of the solid electrolyte body is reduced, the internal resistance of the cell is reduced and the responsiveness is improved. Furthermore, the lower the voltage applied to the cell, the more the characteristic deterioration of the solid electrolyte body called blackening can be suppressed. Blackening is a phenomenon in which the metal oxide in a solid electrolyte body is reduced due to oxygen deficiency in the solid electrolyte body in a state where an electrode reaction occurs through the solid electrolyte body. When blackening occurs, the characteristics (ion conductivity) of the solid electrolyte body deteriorate, and the pumping performance decreases.
On the other hand, since the oxygen ion conductivity of the solid electrolyte body, and consequently the detection output of the oxygen concentration detection cell, changes depending on the temperature of the solid electrolyte body, the oxygen concentration detection cell (solid electrolyte body) is required to improve detection accuracy. It is necessary to keep at a predetermined temperature. As shown by a curve C1 in FIG. 5, since there is a correlation between the temperature of the solid electrolyte body and the internal resistance (internal impedance) Rpvs, the internal resistance Rpvs of the solid electrolyte body of the oxygen concentration detection cell is a predetermined value. The heater is heated so as to have a value, and the temperature of the gas sensor element is controlled.
しかしながら、酸素濃度検出セルの固体電解質体の厚みを薄くすると、固体電解質体の内部抵抗Rpvsの温度変化が大きくなり、図5の曲線C1が固体電解質体の温度軸により近づいたフラットな曲線C2となる。このため、内部抵抗RpvsがΔRだけ変動したとき、曲線C2の温度ゆらぎΔ2が曲線C1の温度ゆらぎΔ1よりも大きくなる。すると、内部抵抗Rpvsを所定の値になるようにヒータを加熱し、内部抵抗RpvsをΔRの範囲に制御できても、曲線C1よりも曲線C2の方が温度ゆらぎは大きくなるので、ヒータによるガスセンサの温度制御が難しくなるという問題がある。
そこで、本発明は、消費電力を低減して酸素ポンピングの応答性を向上させると共に、ブラックニング及び被測定ガスの検出精度の低下を抑制したガスセンサ素子及びガスセンサの提供を目的とする。
However, when the thickness of the solid electrolyte body of the oxygen concentration detection cell is reduced, the temperature change of the internal resistance Rpvs of the solid electrolyte body increases, and the curve C1 in FIG. 5 becomes a flat curve C2 closer to the temperature axis of the solid electrolyte body. Become. For this reason, when the internal resistance Rpvs varies by ΔR, the temperature fluctuation Δ2 of the curve C2 becomes larger than the temperature fluctuation Δ1 of the curve C1. Then, even if the heater is heated so that the internal resistance Rpvs becomes a predetermined value and the internal resistance Rpvs can be controlled within the range of ΔR, the temperature fluctuation in the curve C2 is larger than that in the curve C1, so the gas sensor by the heater There is a problem that it becomes difficult to control the temperature.
Therefore, an object of the present invention is to provide a gas sensor element and a gas sensor that reduce power consumption and improve oxygen pumping responsiveness, and suppress a decrease in blacking and detection accuracy of a gas to be measured.
上記課題を解決するため、本発明のガスセンサ素子は、第1固体電解質体と該第1固体電解質体に配置された検出電極及び基準電極とを有し、外部に連通して被測定ガスが導入される測定室に面して前記検出電極が配置されて、該測定室内の酸素濃度に応じて起電力を発生する酸素濃度検出セルと、第2固体電解質体と該第2固体電解質体に配置された一対の電極とを有し、該一対の電極のうち一方の電極が前記測定室に面して配置されて、前記起電力が一定になるように該測定室内の酸素をポンピングする酸素ポンプセルと、を積層してなるガスセンサ素子であって、前記第2固体電解質体の厚みt2が前記第1固体電解質体の厚みt1より薄くなっている。
このガスセンサ素子によれば、第2固体電解質体を有する酸素ポンプセルに掛かる電圧が低減され、ガスセンサの消費電力を低減することができる。又、酸素ポンプセルの応答性が向上すると共に、酸素ポンプセルのブラックニングを抑制できる。
一方、第1固体電解質体の厚みt1は第2固体電解質体よりも厚い状態に維持されるので、第1固体電解質体の内部抵抗Rpvsに基づくガスセンサ素子の温度制御を精度良く行うことができ、酸素濃度検出セルによる酸素濃度の検出精度を向上させることができる。
なお、酸素濃度検出セルと酸素ポンプセルとを積層した際、酸素濃度検出セルの検出電極が面する測定室を形成するスペーサが、酸素濃度検出セル(及び必要に応じて酸素ポンプセル)と積層される。
In order to solve the above problems, a gas sensor element of the present invention has a first solid electrolyte body, a detection electrode and a reference electrode arranged on the first solid electrolyte body, and introduces a gas to be measured in communication with the outside. The detection electrode is arranged facing the measurement chamber, and the oxygen concentration detection cell that generates electromotive force according to the oxygen concentration in the measurement chamber, the second solid electrolyte body, and the second solid electrolyte body An oxygen pump cell that pumps oxygen in the measurement chamber such that one of the pair of electrodes is disposed facing the measurement chamber and the electromotive force is constant. The thickness t2 of the second solid electrolyte body is thinner than the thickness t1 of the first solid electrolyte body.
According to this gas sensor element, the voltage applied to the oxygen pump cell having the second solid electrolyte body is reduced, and the power consumption of the gas sensor can be reduced. In addition, the responsiveness of the oxygen pump cell is improved and blackening of the oxygen pump cell can be suppressed.
On the other hand, since the thickness t1 of the first solid electrolyte body is maintained thicker than the second solid electrolyte body, the temperature control of the gas sensor element based on the internal resistance Rpvs of the first solid electrolyte body can be accurately performed. The detection accuracy of the oxygen concentration by the oxygen concentration detection cell can be improved.
When the oxygen concentration detection cell and the oxygen pump cell are stacked, a spacer that forms a measurement chamber facing the detection electrode of the oxygen concentration detection cell is stacked with the oxygen concentration detection cell (and oxygen pump cell if necessary). .
本発明のガスセンサ素子は、絶縁セラミック体に通電により発熱する発熱体を有するヒータ部をさらに積層してなり、前記ヒータ部は、前記第1固体電解質体の内部抵抗値Rpvsに基づいて制御されてもよい。
本発明のガスセンサ素子において、前記第2固体電解質体の厚みt2が20μmを超えるとよい。
第2固体電解質体の厚みt2が20μm以下になると、ガスセンサ素子の昇温時の素子の温度勾配に起因し、第2固体電解質体に熱応力が加わって破壊され、第2固体電解質体(酸素ポンプセル)の耐久性が低下する場合がある。そこで、第2固体電解質体の厚みt2が20μmを超えることで、セルの耐久性を向上させることができる。
The gas sensor element of the present invention further includes a heater part having a heating element that generates heat when energized in an insulating ceramic body, and the heater part is controlled based on an internal resistance value Rpvs of the first solid electrolyte body. Also good.
In the gas sensor element of the present invention, it is preferable that the thickness t2 of the second solid electrolyte body exceeds 20 μm.
When the thickness t2 of the second solid electrolyte body is 20 μm or less, the second solid electrolyte body is broken due to thermal stress applied to the second solid electrolyte body due to the temperature gradient of the gas sensor element when the temperature rises. The durability of the pump cell may be reduced. Therefore, when the thickness t2 of the second solid electrolyte body exceeds 20 μm, the durability of the cell can be improved.
請求項1に従属する本発明のガスセンサ素子は、絶縁セラミック体に通電により発熱する発熱体を有するヒータ部をさらに積層してなり、前記ヒータ部は、積層方向に前記第2固体電解質体よりも前記第1固体電解質体に近接して配置されていてもよい。
請求項2に従属する本発明のガスセンサ素子は、前記ヒータ部は、積層方向に前記第2固体電解質体よりも前記第1固体電解質体に近接して配置されていてもよい。
第2固体電解質体に比べて厚みが厚い第1固体電解質体を有する酸素濃度検出セルでは、ヒータ部からの熱伝導性が酸素ポンプセルよりも劣るため、酸素ポンプセルよりも応答性が低くなる傾向にある。そこで、ヒータ部を積層方向に第2固体電解質体側に近付けることにより、ヒータ部から酸素ポンプセルへの熱伝導性を向上させ、酸素ポンプセルの応答性をも向上させることができる。
The gas sensor element of the present invention according to
In the gas sensor element according to the second aspect of the present invention, the heater section may be disposed closer to the first solid electrolyte body than the second solid electrolyte body in the stacking direction.
In the oxygen concentration detection cell having the first solid electrolyte body that is thicker than the second solid electrolyte body, the thermal conductivity from the heater portion is inferior to that of the oxygen pump cell, so that the responsiveness tends to be lower than that of the oxygen pump cell. is there. Therefore, by bringing the heater portion closer to the second solid electrolyte body in the stacking direction, the thermal conductivity from the heater portion to the oxygen pump cell can be improved, and the responsiveness of the oxygen pump cell can also be improved.
本発明のガスセンサ素子において、前記酸素ポンプセルと前記酸素濃度検出セルとの少なくとも一部が積層方向に重なって重なり部を形成してもよい。
このガスセンサ素子によれば、重なり部を形成することで、酸素ポンプセルと酸素濃度検出セルとが被測定ガスの流れる方向である平面方向(積層方向に垂直な方向)に隣接する。このため、測定室に導入される被測定ガスの雰囲気(酸素濃度)や温度の変動に対して両セルをほぼ同じ環境に曝すことができ、酸素濃度検出セルによる酸素濃度の検出精度をさらに向上させることができる。
In the gas sensor element of the present invention, at least a part of the oxygen pump cell and the oxygen concentration detection cell may overlap in the stacking direction to form an overlapping portion.
According to this gas sensor element, by forming the overlapping portion, the oxygen pump cell and the oxygen concentration detection cell are adjacent to each other in the plane direction (direction perpendicular to the stacking direction) in which the gas to be measured flows. For this reason, both cells can be exposed to almost the same environment against changes in the atmosphere (oxygen concentration) and temperature of the gas to be measured introduced into the measurement chamber, further improving the accuracy of oxygen concentration detection by the oxygen concentration detection cell. Can be made.
本発明のガスセンサ素子において、前記第1固体電解質体と前記第2固体電解質体のうち少なくとも一方の固体電解質体は、当該固体電解質体よりも熱伝導率の高い絶縁基板をくり抜いた部位に埋め込まれてもよい。
このガスセンサ素子によれば、ヒータ部等の熱が熱伝導率の高い絶縁基板を介して固体電解質体に伝わり易くなるので、ガスセンサの消費電力をさらに低減することができる。
In the gas sensor element of the present invention, at least one of the first solid electrolyte body and the second solid electrolyte body is embedded in a portion where an insulating substrate having a higher thermal conductivity than the solid electrolyte body is cut out. May be.
According to this gas sensor element, the heat of the heater portion and the like is easily transmitted to the solid electrolyte body through the insulating substrate having a high thermal conductivity, so that the power consumption of the gas sensor can be further reduced.
本発明のガスセンサは、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、前記ガスセンサ素子を用いることを特徴とする。 The gas sensor of the present invention is a gas sensor comprising a sensor element that detects the concentration of a specific gas component in a gas to be measured and a housing that holds the sensor element, wherein the sensor element uses the gas sensor element. To do.
この発明によれば、ガスセンサの消費電力を低減して酸素ポンピングの応答性を向上させると共に、ブラックニング及び被測定ガスの検出精度の低下を抑制することができる。 According to the present invention, the power consumption of the gas sensor can be reduced to improve the response of oxygen pumping, and blacking and a decrease in detection accuracy of the gas to be measured can be suppressed.
以下、本発明の実施形態について説明する。
図1は本発明の第1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はガスセンサ素子100(検出素子300及びヒータ200)の模式分解斜視図、図3は検出素子300の軸線L方向に直交する断面図である。
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described.
FIG. 1 is a sectional view taken along the longitudinal direction (axis L direction) of a gas sensor (oxygen sensor) 1 according to a first embodiment of the present invention, and FIG. 2 is a schematic exploded perspective view of a gas sensor element 100 (
図1に示すように、ガスセンサ1は、検出素子部300及び検出素子部300に積層されるヒータ部200から構成されるガスセンサ素子(酸素センサ素子)100、ガスセンサ素子100等を内部に保持する主体金具(ハウジング)30、主体金具30の先端部に装着されるプロテクタ24等を有している。ガスセンサ素子100は軸線L方向に延びるように配置されている。
As shown in FIG. 1, the
ヒータ部200は、図2に示すように、アルミナを主体とする第1基体101及び第2基体103と、第1基体101と第2基体103とに挟まれ、白金を主体とする発熱体102を有している。発熱体102は、先端側に位置する発熱部102aと、発熱部102aから第1基体101の長手方向に沿って延びる一対のヒータリード部102bとを有している。そして、ヒータリード部102bの端末は、第1基体101に設けられるヒータ側スルーホール101aに形成された導体を介してヒータ側パッド120と電気的に接続している。第1基体101及び第2基体103を積層したものが絶縁セラミック体にあたる。
As shown in FIG. 2, the
検出素子部300は、酸素濃度検出セル130と酸素ポンプセル140とを備える。
酸素濃度検出セル130は、第1固体電解質体105cと、その第1固体電解質体105cの両面に形成された第1電極104及び第2電極106とから形成されている。なお、アルミナを主体とする第1支持体105の先端側が矩形状にくり抜かれ、第1固体電解質体105cは、このくり抜き部に埋め込まれている。又、第1支持体105の外形寸法がガスセンサ1と同一とされ、第1支持体105の後端側に1個の第1スルーホール105aが設けられている。
第1電極104は、第1電極部104aと、第1電極部104aから第1支持体105の長手方向に沿って延びる第1リード部104bとから形成されている。第2電極106は、第2電極部106aと、第2電極部106aから第1支持体105の長手方向に沿って延びる第2リード部106bとから形成されている。
第1電極104、第2電極106がそれぞれ特許請求の範囲の「基準電極」、「検出電極」に相当する。第1支持体105が特許請求の範囲の「絶縁基板」に相当する。
The
The oxygen
The
The
そして、第1リード部104bの端末は、第1スルーホール105a、後述する絶縁層107に設けられる第2スルーホール107a、第2固体電解質体109に設けられる第4スルーホール109a及び保護層111に設けられる第6スルーホール111aのそれぞれに形成される導体を介して検出素子側パッド121と電気的に接続する。一方、第2リード部106bの端末は、後述する絶縁層107に設けられる第3スルーホール107b、後述する第2支持体109に設けられる第5スルーホール109b及び保護層111に設けられる第7スルーホール111bのそれぞれに形成される導体を介して検出素子側パッド121と電気的に接続する。
The terminals of the
一方、酸素ポンプセル140は、第2固体電解質体109cと、その第2固体電解質体109cの両面に形成された第3電極108、第4電極110とから形成されている。なお、アルミナを主体とする第2支持体109の先端側が矩形状にくり抜かれ、第2固体電解質体109cは、このくり抜き部に埋め込まれている。又、第2支持体109の外形寸法がガスセンサ1と同一とされ、第2支持体109の後端側に第4スルーホール109a及び第5スルーホール109bが設けられている。
第3電極108は、第3電極部108aと、この第3電極部108aから第2支持体109の長手方向に沿って延びる第3リード部108bとから形成されている。第4電極110は、第4電極部110aと、この第4電極部110aから第2支持体109の長手方向に沿って延びる第4リード部110bとから形成されている。
第3電極108及び第4電極110が特許請求の範囲の「一対の電極」に相当し、第3電極108が特許請求の範囲の「一方の電極」に相当する。第2支持体109が特許請求の範囲の「絶縁基板」に相当する。
On the other hand, the
The
The
そして、第3リード部108bの端末は、第5スルーホール109b及び保護層111に設けられる第7スルーホール111bのそれぞれに形成される導体を介して検出素子側パッド121と電気的に接続する。一方、第4リード部110bの端末は、後述する保護層111に設けられる第8スルーホール111cに形成される導体を介して検出素子側パッド121と電気的に接続する。なお、第2リード部106bと第3リード部108bは同電位となっている。
Then, the terminal of the
これら第1固体電解質体105c、第2固体電解質体109cは、ジルコニア(ZrO2)に安定化剤としてイットリア(Y2O3)又はカルシア(CaO)を添加してなる部分安定化ジルコニア焼結体から構成されている。
The first
発熱体102、第1電極104、第2電極106、第3電極108、第4電極110、ヒータ側パッド120及び検出素子側パッド121は、白金族元素で形成することができる。これらを形成する好適な白金族元素としては、Pt、Rh、Pd等を挙げることができ、これらはその一種を単独で使用することもできるし、又二種以上を併用することもできる。
The
もっとも、発熱体102、第1電極104、第2電極106、第3電極108、第4電極110、ヒータ側パッド120及び検出素子側パッド121は、耐熱性及び耐酸化性を考慮するとPtを主体にして形成することがより一層好ましい。さらに、発熱体102、第1電極104、第2電極106、第3電極108、第4電極110、ヒータ側パッド120及び検出素子側パッド121は、主体となる白金族元素の他にセラミック成分を含有することが好ましい。このセラミック成分は、固着という観点から、積層される側の主体となる材料(例えば、第1固体電解質体105c、第2固体電解質体109cの主体となる成分)と同様の成分であることが好ましい。
However, the
そして、上記酸素ポンプセル140と酸素濃度検出セル130との間に、絶縁層107が形成されている。絶縁層107は、絶縁部114と拡散律速部115とからなる。この絶縁層107の絶縁部114には、第2電極部106a及び第3電極部108aに対応する位置に中空の測定室107cが形成されている。この測定室107cは、絶縁層107の幅方向で外部と連通しており、該連通部分には、外部と測定室107cとの間のガス拡散を所定の律速条件下で実現する拡散律速部115が配置されている。
An insulating
絶縁部114は、絶縁性を有するセラミック焼結体であれば特に限定されなく、例えば、アルミナやムライト等の酸化物系セラミックを挙げることができる。
The insulating
拡散律速部115は、アルミナからなる多孔質体である。この拡散律速部115によって被測定ガスが測定室107cへ流入する際の律速が行われる。
The
また、第2固体電解質体109cの表面には、第4電極110を挟み込むようにして、保護層111が形成されている。この保護層111は、第4電極部110aを挟み込むようにして、第4電極部110aを被毒から防御するための多孔質の電極保護部113aと、第4リード部110bを挟み込むようにして、第2固体電解質体109cを保護するための補強部112とからなる。なお、本実施の形態のガスセンサ素子100は、酸素濃度検出セル130の電極間に生じる電圧(起電力)が所定の値(例えば、450mV)となるように、酸素ポンプセル140の電極間に流れる電流の方向及び大きさが調整され、測定室107c内の酸素がポンピングされる。そして、ガスセンサ素子100は、酸素ポンプセル140に流れる電流に応じた被測定ガス中の酸素濃度をリニアに検出する酸素センサ素子を構成している。
A
図1に戻り、主体金具30は、SUS430製のものであり、ガスセンサを排気管に取り付けるための雄ねじ部31と、取り付け時に取り付け工具をあてがう六角部32とを有している。また、主体金具30には、径方向内側に向かって突出する金具側段部33が設けられており、この金具側段部33はガスセンサ素子100を保持するための金属ホルダ34を支持している。そしてこの金属ホルダ34の内側にはセラミックホルダ35、滑石36が先端側から順に配置されている。この滑石36は金属ホルダ34内に配置される第1滑石37と金属ホルダ34の後端に渡って配置される第2滑石38とからなる。金属ホルダ34内で第1滑石37が圧縮充填されることによって、ガスセンサ素子100は金属ホルダ34に対して固定される。また、主体金具30内で第2滑石38が圧縮充填されることによって、ガスセンサ素子100の外面と主体金具30の内面との間のシール性が確保される。そして第2滑石38の後端側には、アルミナ製のスリーブ39が配置されている。このスリーブ39は多段の円筒状に形成されており、軸線に沿うように軸孔39aが設けられ、内部にガスセンサ素子100を挿通している。そして、主体金具30の後端側の加締め部30aが内側に折り曲げられており、ステンレス製のリング部材40を介してスリーブ39が主体金具30の先端側に押圧されている。
Returning to FIG. 1, the
また、主体金具30の先端側外周には、主体金具30の先端から突出するガスセンサ素子100の先端部を覆うと共に、複数のガス取り入れ孔24aを有する金属製のプロテクタ24が溶接によって取り付けられている。このプロテクタ24は、二重構造をなしており、外側には一様な外径を有する有底円筒状の外側プロテクタ41、内側には後端部42aの外径が先端部42bの外径よりも大きく形成された有底円筒状の内側プロテクタ42が配置されている。
Further, a
一方、主体金具30の後端側には、SUS430製の外筒25の先端側が挿入されている。この外筒25は先端側の拡径した先端部25aを主体金具30にレーザ溶接等により固定している。外筒25の後端側内部には、セパレータ50が配置され、セパレータ50と外筒25の隙間に保持部材51が介在している。この保持部材51は、後述するセパレータ50の突出部50aに係合し、外筒25を加締めることにより外筒25とセパレータ50とにより固定されている。
On the other hand, on the rear end side of the
また、セパレータ50には、検出素子部300やヒータ部200用のリード線11〜15を挿入するための通孔50bが先端側から後端側にかけて貫設されている(なお、リード線14、15については図示せず)。通孔50b内には、リード線11〜15と、検出素子部300の検出素子側パッド121及びヒータ部200のヒータ側パッド120とを接続する接続端子16が収容されている。各リード線11〜15は、外部において、図示しないコネクタに接続されるようになっている。このコネクタを介してECU等の外部機器と各リード線11〜15とは電気信号の入出力が行われることになる。また、各リード線11〜15は詳細に図示しないが、導線を樹脂からなる絶縁皮膜にて披覆した構造を有している。
The
さらに、セパレータ50の後端側には、外筒25の後端側の開口部25bを閉塞するための略円柱状のゴムキャップ52が配置されている。このゴムキャップ52は、外筒25の後端内に装着された状態で、外筒25の外周を径方向内側に向かって加締めることにより、外筒25に固着されている。ゴムキャップ52にも、リード線11〜15をそれぞれ挿入するための通孔52aが先端側から後端側にかけて貫設されている。
Further, a substantially
図3は、ガスセンサ素子100の軸線L方向に直交する模式断面図である。
図3に示すように、第2固体電解質体109cの厚みt2が第1固体電解質体105cの厚みt1より薄くされている。このため、第2固体電解質体109cを有する酸素ポンプセル140に掛かる電圧が低減され、ガスセンサの消費電力を低減することができる。又、酸素ポンプセル140の応答性が向上すると共に、酸素ポンプセル140のブラックニングを抑制できる。さらに、ガスセンサ素子100がヒータ部200を有する場合には、ヒータ部200から酸素ポンプセル140への熱伝導性が向上し、酸素ポンプセル140がより早く所定温度に加熱されるので、この点でも酸素ポンプセル140の応答性が向上する。
一方、第1固体電解質体105cの厚みt1は第2固体電解質体109cよりも厚い状態に維持されるので、第1固体電解質体105cの内部抵抗Rpvsに基づくガスセンサ素子100の温度制御を精度良く行うことができ、酸素濃度検出セル130による酸素濃度の検出精度を向上させることができる。
FIG. 3 is a schematic cross-sectional view orthogonal to the axis L direction of the
As shown in FIG. 3, the thickness t2 of the second
On the other hand, since the thickness t1 of the first
第2固体電解質体109cの厚みt2が20μmを超えることが好ましい。上述のように第2固体電解質体109cの厚みt2が薄いほど良いが、その厚みt2が20μm以下になると第2固体電解質体109c(酸素ポンプセル140)の耐久性(ヒータ部200によるガスセンサ素子100の昇温時の素子の温度勾配に起因し、第2固体電解質体109cに熱応力が加わることによる破壊)が低下する場合がある。
又、ガスセンサ素子100にヒータ部200が積層されている場合、図3に示すように、ヒータ部200が積層方向に第2固体電解質体109cよりも第1固体電解質体105cに近接して配置されていることが好ましい。第2固体電解質体109cに比べて厚みが厚い第1固体電解質体105cを有する酸素濃度検出セル130では、ヒータ部200からの熱伝導性が酸素ポンプセル140よりも劣るため、酸素ポンプセル140よりも応答性が低くなる傾向にある。そこで、ヒータ部200を積層方向に第2固体電解質体109c側に近付けることにより、ヒータ部200から酸素ポンプセル140への熱伝導性を向上させ、酸素ポンプセル140の応答性をも向上させることができる。
第2固体電解質体109cの厚みt2が20μmを超え120μm以下がより好ましい。第2固体電解質体109cの厚みt2が120μmを超えると、酸素ポンプのために印加する電圧によりブラックニングが発生することがある。又、上述した第1固体電解質体105cの内部抵抗Rpvsを用いて酸素濃度検出セル130の温度制御を行う観点から、酸素濃度検出セル130の厚みt1が150μm以上であることが好ましい。
It is preferable that the thickness t2 of the second
When the
The thickness t2 of the second
又、図3に示すように、酸素ポンプセル140と酸素濃度検出セル130との少なくとも一部が積層方向に重なって重なり部S1を形成することが好ましい。重なり部S1を形成することで、酸素ポンプセル140と酸素濃度検出セル130とが被測定ガスの流れる方向である平面方向(積層方向に垂直な方向)に隣接する。このため、測定室107cに導入される被測定ガスの雰囲気(酸素濃度)や温度の変動に対して両セルをほぼ同じ環境に曝すことができ、酸素濃度検出セル130による酸素濃度の検出精度をさらに向上させることができる。
なお、重なり部S1は、次のように定義される。まず、酸素ポンプセル140の各構成要素(第2固体電解質体109c、第3電極108、第4電極110)の積層方向の重なり部分の外縁を、酸素ポンプセル140の外縁とみなす。同様に、酸素濃度検出セル130の各構成要素(第1固体電解質体105c、第1電極104、第2電極106)の積層方向の重なり部分の外縁を、酸素濃度検出セル130の外縁とみなす。そして、それぞれ酸素ポンプセル140と酸素濃度検出セル130の外縁が積層方向に重なった部位を、重なり部S1とする。
In addition, as shown in FIG. 3, it is preferable that at least a part of the
The overlapping portion S1 is defined as follows. First, the outer edge of the overlapping portion in the stacking direction of each component (second
本発明は上記実施形態に限定されず、酸素ポンプセルと酸素濃度検出セルを有するあらゆるガスセンサ(ガスセンサ素子)に適用可能であり、本実施の形態の酸素センサ(酸素センサ素子)に適用することができるが、これらの用途に限られず、本発明の思想と範囲に含まれる様々な変形及び均等物に及ぶことはいうまでもない。例えば、被測定ガス中のNOx濃度を検出するNOxセンサ(NOxセンサ素子)等に本発明を適用してもよい。 The present invention is not limited to the above embodiment, but can be applied to any gas sensor (gas sensor element) having an oxygen pump cell and an oxygen concentration detection cell, and can be applied to the oxygen sensor (oxygen sensor element) of the present embodiment. However, it is needless to say that the present invention is not limited to these uses, and includes various modifications and equivalents included in the concept and scope of the present invention. For example, the present invention may be applied to a NOx sensor (NOx sensor element) that detects the NOx concentration in the gas to be measured.
図4は、NOxセンサ素子としてのガスセンサ素子100Cの長手方向に沿う断面図である。
ガスセンサ素子(NOxセンサ素子)100Cは細長で長尺な板状をなし、3層の板状の固体電解質体109Z,105Z,151を、これらの間にアルミナ等からなる絶縁体180,185をそれぞれ挟んで層状に形成した構造を有し、これらの積層構造が検出素子部300Cを構成する。また、固体電解質体151側の外層(図4における下方側)には、アルミナを主体とするシート状の絶縁層103C,101Cを積層し、その間にPtを主体とするヒータパターンからなる発熱部102Cを埋設したヒータ部200Cが設けられている。
FIG. 4 is a cross-sectional view along the longitudinal direction of the gas sensor element 100C as the NOx sensor element.
The gas sensor element (NOx sensor element) 100C has an elongated and long plate shape, and has three layers of plate-like
検出素子部300Cは、以下の酸素ポンプセル(Ip1セル)140C、酸素濃度検出セル(Vsセル)130C、第2ポンプセル(Ip2セル)150を備える。
酸素ポンプセル140Cは、第2固体電解質体109Zとその両面に形成された第3電極108Cと第4電極110Cから形成されている。酸素濃度検出セル130Cは、第1固体電解質体105Zとその両面に形成された第1電極104Cと第2電極106Cから形成されている。また、固体電解質体109Zと固体電解質体105Zとの間には小空間としての中空の測定室107c2が形成されており、第2電極106C及び第3電極108Cが測定室107c2内に配置されている。測定室107c2は先端側で外部と連通しており、該連通部分には、拡散律速部115Cが配置されている。
また、第2固体電解質体109Zの表面には、第4電極110Cを挟み込むようにして、保護層111Zが形成されている。又、保護層111Zのうち第4電極部110Cを覆う部分がくり抜かれて多孔質の電極保護部113Cが埋め込まれている。
The
The
A
酸素濃度検出セル130C、酸素ポンプセル140Cは、上述の酸素センサ素子100における酸素濃度検出セル130、酸素ポンプセル140と同等の機能を有するので説明を省略する。なお、酸素濃度検出セル130Cは、測定室107c2と後述する基準酸素室170との間の酸素分圧差に応じて起電力を発生する。
又、図4の例では、固体電解質体109Z,105Z,151の外形寸法がガスセンサ1と同一とされており、上述の酸素センサ素子100のように支持体をくり抜いて埋め込む形態とはなっていない。
Since the oxygen concentration detection cell 130C and the
In the example of FIG. 4, the external dimensions of the
さらに、測定室107c2のガスセンサ素子100Cにおける後端側には、第2測定室(NOx測定室)160につながる開口部181と測定室107c2との仕切りとして、ガスの拡散を調整する第2拡散抵抗部117が設けられている。そして、第3固体電解質体151、第5電極152、第6電極153から第2ポンプセル150が形成されている。ここで、第3固体電解質体151は、絶縁体185を挟んで固体電解質体105Cと対向するように配置されている。又、第5電極152が形成された位置には絶縁体185が配置されておらず、独立した空間としての基準酸素室170が形成されている。この基準酸素室170内には、酸素濃度検出セル130Cの第1電極104Cも配置されている。尚、基準酸素室170内には、セラミック製の多孔質体が充填されている。また、第6電極153が形成された位置にも絶縁体185が配置されておらず、基準酸素室170との間に絶縁体185を隔て、独立した小空間としての中空の第2測定室160が形成されている。そして、この第2測定室160に連通するように、固体電解質体105Zおよび絶縁体180のそれぞれに開口部125,181が設けられており、前述したように、測定室107c2と開口部181とが、これらの間に第2拡散抵抗部117を挟んで接続されている。
第2ポンプセル150は、絶縁体185により隔てられた基準酸素室170と第2測定室160との間で酸素のポンピング(汲み出し)を行うことができる。
Further, on the rear end side of the gas sensor element 100C of the measurement chamber 107c2, a second diffusion resistor that adjusts gas diffusion as a partition between the opening 181 connected to the second measurement chamber (NOx measurement chamber) 160 and the measurement chamber 107c2. A
The
又、酸素ポンプセル140Cと酸素濃度検出セル130Cとの少なくとも一部が積層方向に重なって重なり部S2を形成することが好ましい。重なり部S2を形成することで、酸素ポンプセル140Cと酸素濃度検出セル130Cとが被測定ガスの流れる方向である平面方向(積層方向に垂直な方向)に隣接する。このため、測定室107c2に導入される被測定ガスの雰囲気(酸素濃度)や温度の変動に対して両セルをほぼ同じ環境に曝すことができ、酸素濃度検出セル130Cによる酸素濃度の検出精度をさらに向上させることができる。
なお、重なり部S2は、重なり部S1と同様に次のように定義される。まず、酸素ポンプセル140Cの各構成要素(第2固体電解質体109Z、第3電極108C、第4電極110C)の積層方向の重なり部分の外縁を、酸素ポンプセル140Cの外縁とみなす。同様に、酸素濃度検出セル130Cの各構成要素(第1固体電解質体105Z、第1電極104C、第2電極106C)の積層方向の重なり部分の外縁を、酸素濃度検出セル130Cの外縁とみなす。そして、それぞれ酸素ポンプセル140Cと酸素濃度検出セル130Cの外縁が積層方向に重なった部位を、重なり部S2とする。
In addition, it is preferable that at least a part of the
The overlapping portion S2 is defined as follows in the same manner as the overlapping portion S1. First, the outer edge of the overlapping portion in the stacking direction of each component (second
NOxセンサ素子100Cでは、上述の酸素センサ素子100と同様に酸素濃度検出セル130Cの出力電圧が一定値となるように酸素ポンプセル140Cに流す電流を制御してポンピングを行う。このように酸素濃度が調整された排気ガスは、第2拡散抵抗部117を介し、第2測定室160内に導入され、第2ポンプセル150に一定の電圧を印加しときに第2ポンプセルを流れる電流を測定することにより、NOx濃度を検出している。
具体的には、第2測定室160内の排気ガスは、第2ポンプセル150の第6電極153を触媒としてN2とO2に分解(還元)される。そして分解された酸素は、第6電極153から電子を受け取り、酸素イオンとなって第3固体電解質体151内を流れ、第5電極152に移動する。このとき、測定室107c2で汲み残された残留酸素も同様に、Ip2セル150によって基準酸素室170内に移動する。このため、Ip2セル150を流れる電流は、NOx由来の電流および残留酸素由来の電流となる。
ここで、測定室107c2で汲み残された残留酸素の濃度は上記のように所定値に調整されているため、その残留酸素由来の電流は略一定とみなすことができ、NOx由来の電流の変動に対し影響は小さく、Ip2セル150を流れる電流はNOx濃度に比例することとなる。
In the NOx sensor element 100C, similarly to the
Specifically, the exhaust gas in the
Here, since the concentration of residual oxygen remaining in the measurement chamber 107c2 is adjusted to a predetermined value as described above, the current derived from the residual oxygen can be considered to be substantially constant, and the fluctuation of the current derived from NOx. The current flowing through the
図4のNOxセンサ素子100Cにおいても、第2固体電解質体109Zの厚みt2が第1固体電解質体105Zの厚みt1より薄くされているので、ガスセンサの消費電力を低減することができる。又、酸素ポンプセル140Cの応答性が向上すると共に、酸素ポンプセル140Cのブラックニングを抑制できる。さらに、ガスセンサ素子100の温度制御を精度良く行うことができ、酸素濃度検出セル130Cによる酸素濃度の検出精度を向上させることができる。
なお、NOxセンサ素子100Cにおいて、第2ポンプセル150の第3固体電解質体151の厚みt3も、第1固体電解質体105Zの厚みt1より薄くしてもよい。この場合には、第2ポンプセル150の消費電力が低減すると共に、第2ポンプセル150の応答性が向上し、ブラックニングを抑制できる。
Also in the NOx sensor element 100C of FIG. 4, since the thickness t2 of the second
In the NOx sensor element 100C, the thickness t3 of the third
図1〜図3に示す板状のガスセンサ素子(酸素センサ素子)100を製造し、酸素ポンプセル140の両電極108、110間に表1に示す電圧を印加した。第2固体電解質体109c(酸素ポンプセル140)の耐久性が低いと、電圧印加により固体電解質体109cが破壊されるので、電圧印加後に第2固体電解質体109cを目視して割れの有無を判定した。同一電圧につき10回の試験を行い、一回でも割れが確認された場合を評価×とした。
得られた結果を表1に示す。
The plate-like gas sensor element (oxygen sensor element) 100 shown in FIGS. 1 to 3 was manufactured, and the voltage shown in Table 1 was applied between both
The obtained results are shown in Table 1.
表1から明らかなように、第2固体電解質体140cの厚みt2が20μmを超えた場合、車両等の実使用に相当する16Vの電圧を印加しても第2固体電解質体140cに割れは生じなかった。このことより、第2固体電解質体140cの厚みt2が20μmを超えることが好ましい。 As is clear from Table 1, when the thickness t2 of the second solid electrolyte body 140c exceeds 20 μm, the second solid electrolyte body 140c is cracked even when a voltage of 16V corresponding to actual use of a vehicle or the like is applied. There wasn't. From this, it is preferable that the thickness t2 of the second solid electrolyte body 140c exceeds 20 μm.
1 ガスセンサ
30 ハウジング
100、100C ガスセンサ素子
101、103、101C、103C 絶縁セラミック体(第1基体及び第2基体)
102、102C 発熱体
104、104C 基準電極(第1電極)
105、109 絶縁基板(第1支持体、第2支持体)
106、106C 検出電極(第2電極)
一対の電極
105c、105Z 第1固体電解質体
109c、109Z 第2固体電解質体
107c、107c2 測定室
108、110、108C,110C 一対の電極(第3電極及び第4電極)
108、108C 一方の電極(第3電極)
130、130C 酸素濃度検出セル
140、140C 酸素ポンプセル
200、200C ヒータ部
t1 第1固体電解質体の厚み
t2 第1固体電解質体の厚み
S1,S2 重なり部
DESCRIPTION OF
102,
105, 109 Insulating substrate (first support, second support)
106, 106C Detection electrode (second electrode)
Pair of
108, 108C One electrode (third electrode)
130, 130C Oxygen
Claims (8)
第2固体電解質体と該第2固体電解質体に配置された一対の電極とを有し、該一対の電極のうち一方の電極が前記測定室に面して配置されて、前記起電力が一定になるように該測定室内の酸素をポンピングする酸素ポンプセルと、
を積層してなるガスセンサ素子であって、
前記第2固体電解質体の厚みt2が前記第1固体電解質体の厚みt1より薄くなっているガスセンサ素子。 The detection electrode has a first solid electrolyte body, a detection electrode and a reference electrode arranged on the first solid electrolyte body, and faces the measurement chamber that communicates with the outside and into which the gas to be measured is introduced. An oxygen concentration detection cell that generates an electromotive force according to the oxygen concentration in the measurement chamber;
A second solid electrolyte body and a pair of electrodes disposed on the second solid electrolyte body, wherein one of the pair of electrodes faces the measurement chamber, and the electromotive force is constant An oxygen pump cell for pumping oxygen in the measurement chamber so that
A gas sensor element formed by laminating
A gas sensor element in which a thickness t2 of the second solid electrolyte body is thinner than a thickness t1 of the first solid electrolyte body.
前記ヒータ部は、前記第1固体電解質体の内部抵抗値Rpvsに基づいて制御される請求項1に記載のガスセンサ素子。 A heater part having a heating element that generates heat when energized is further laminated on the insulating ceramic body,
The gas sensor element according to claim 1, wherein the heater section is controlled based on an internal resistance value Rpvs of the first solid electrolyte body.
前記ヒータ部は、積層方向に前記第2固体電解質体よりも前記第1固体電解質体に近接して配置されている請求項1に記載のガスセンサ素子。 A heater part having a heating element that generates heat when energized is further laminated on the insulating ceramic body,
2. The gas sensor element according to claim 1 , wherein the heater unit is disposed closer to the first solid electrolyte body than the second solid electrolyte body in the stacking direction.
前記センサ素子は、請求項1〜7のいずれか一項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。 The gas sensor according to claim 1, wherein the sensor element is the gas sensor element according to claim 1.
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