JP6684650B2 - ガスセンサ素子およびガスセンサ - Google Patents
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Description
本発明の一形態は、固体電解質層と、前記固体電解質層の一方の面に設けられて被測定ガスに晒される検知電極と、前記固体電解質層の他方の面に設けられて基準ガスに晒される基準電極と、前記基準電極に前記基準ガスを導入する基準ガス流路を形成するための第1の層と、を含む複数の層が積層されているガスセンサ素子であって、前記基準ガス流路は、前記第1の層と、該第1の層に隣接する層と、の間に形成されており、前記基準ガス流路の内壁面のうち、前記ガスセンサ素子の積層方向において互いに対向する2つの内壁面の一方の面であって、前記隣接する層における前記第1の層と接する側の面に、正方晶ジルコニアを含む補強層が設けられている。
このような形態であれば、ガスセンサ素子において、第1の層を用いて基準ガス流路を形成することによりガスセンサ素子の強度が低下する部位の強度を高め、ガスセンサ素子の抗折強度を高めることができる。また、上記隣接する層における第1の層と接する側の面に、補強層を設けることにより、容易に補強層を形成することができる。
その他、本発明は、以下のような形態として実現することも可能である。
この形態のガスセンサ素子によれば、ガスセンサ素子において、第1の層を用いて基準ガス流路を形成することによりガスセンサ素子の強度が低下する部位の強度を高め、ガスセンサ素子の抗折強度を高めることができる。
A−1.ガスセンサの構成:
図1は、本発明の第1実施形態としてのガスセンサ2の全体構成を示す断面図である。このガスセンサ2は、図示しない内燃機関(エンジン)の排気管に固定されて、被測定ガスである排気ガス中に含まれる特定ガスの濃度を測定する。本実施形態のガスセンサ2は酸素ガス濃度を測定するセンサである。図1は、ガスセンサ2の軸線CLを含み、軸線CLに平行な方向である軸線方向CDと平行な断面を示している。軸線CLは、ガスセンサ2の中心において、ガスセンサ2の長手方向に延びる。以下の説明では、図1の紙面に対して下側を「先端側AS」と呼び、上側を「後端側BS」と呼び、軸線CLを通過して軸線CLに垂直な方向を「径方向」と呼ぶ。
図2は、センサ素子4の分解斜視図である。図2に示した軸線方向CD、先端側AS、後端側BS、および積層方向LDは、それぞれ図1に示した方向と対応している。センサ素子4は、絶縁層421と、検知電極441と、固体電解質層430と、補強層80と、基準電極442と、ガス流路形成層422と、絶縁層423と、ヒータ450と、絶縁層424と、を備え、これらの構成部材は積層方向LDに沿って、この順で積層されている。絶縁層421、固体電解質層430、ガス流路形成層422、および絶縁層423,424は、矩形のシート状部材であり、略同一の外形形状を有している。
図3は、センサ素子4を第1板面21側から見た平面図である。また、図4は、図3に示すA−A断面におけるセンサ素子4の断面図である。図3では、絶縁層421の第1板面21上に表われている構造は実線で表わしており、センサ素子4の内部構造は破線で表わしている。なお、図3では積層方向LDを図示していないが、図3においては、積層方向LDは紙面に垂直な方向となる。また、図4では幅方向WDを図示していないが、図4においては、幅方向WDは紙面に垂直な方向となる。
補強層80は、図2に示すように、略矩形形状に形成されている。また、補強層80は、図3に示すように積層方向LDに投影したときに、通気孔70bと重なるように設けられている。具体的には、補強層80は、図3に示すように積層方向LDに投影したときに、軸線方向CDに関しては、通気孔70bと基準室孔70aとの境界近傍から、導入流路IPの外周における先端側ASの端部の近傍まで設けられている。そして、幅方向WDに関しては、通気孔70bの外周を超えて、通気孔70bよりも幅広に形成されている。
図5は、第2実施形態のセンサ素子104を第1板面21側から見た様子を図3と同様に示す平面図である。第2実施形態のセンサ素子104は、第1実施形態のセンサ素子4に代えてガスセンサ2に用いられるものであり、第1実施形態と共通する部分には同じ参照番号を付して、詳しい説明を省略する。
図6は、第3実施形態のセンサ素子204を第1板面21側から見た様子を図3と同様に示す平面図である。第3実施形態のセンサ素子204は、第1実施形態のセンサ素子4に代えてガスセンサ2に用いられるものであり、第1実施形態と共通する部分には同じ参照番号を付して、詳しい説明を省略する。
図7は、第4実施形態のセンサ素子304の断面の様子を図4と同様に示す断面図である。第4実施形態のセンサ素子304は、第1実施形態のセンサ素子4に代えてガスセンサ2に用いられるものであり、第1実施形態と共通する部分には同じ参照番号を付して、詳しい説明を省略する。
・変形例1:
上記各実施形態では、センサ素子を、図2に示す複数のシート状部材により構成しているが、異なる構成としてもよく、例えば、さらに他のシート状部材を加えた積層体としてもよい。センサ素子を構成するシート状部材の構成にかかわらず、補強層を、基準ガス流路CPの内壁面のうち、積層方向LDにおいて互いに対向する2つの内壁面の一方のみに設ければよい。その際には、補強層は、補強層からセンサ素子の外表面までの距離が短くなる側の面に設けることが好ましい。すなわち、上記2つの内壁面のうち、2つの内壁面のそれぞれからガスセンサ素子の外表面までの、積層方向LDに互いに離間する方向の厚みが小さい方の面に設けることが望ましい。具体的には、図4では、基準ガス流路CPの内壁面を構成する固体電解質層430上の面から第1板面21までの距離をDA、基準ガス流路CPの内壁面を構成する絶縁層423上の面から第2板面23までの距離をDBと表わしている。このとき、補強層を固体電解質層430上に設ける場合には、DA<DBが成立することが望ましい。このような構成とすれば、センサ素子内に設けた中空部分までの厚みが薄い側、すなわち、強度がより不足する側に補強層を設けることにより、センサ素子4の強度を高める効果を顕著に得ることができる。
上記各実施形態では、基準ガス流路CPは、ガス流路形成層422に設けた貫通孔である導入孔70によって形成しているが、異なる構成としてもよい。例えば、ガス流路形成層422に設ける導入孔70を、貫通孔ではなく、絶縁層423側に貫通しない凹部としてもよい。
上記各実施形態では、基準ガス流路CPは、センサ素子内に形成された中空部分によって形成しているが、基準ガス流路CP(導入孔70)内の少なくとも一部に、多孔質体を充填することとしてもよい。導入孔70内に多孔質体を充填する場合であっても、導入孔70を設けることによりセンサ素子の強度は低下し得るが、補強層を設けることにより、センサ素子の強度低下を抑える同様の効果が得られる。なお、基準ガス流路CP内に多孔質体を充填する場合には、基準ガス流路CPの内壁面とは、ガス流路形成層422に設けられた導入孔70の内壁面であって、多孔質体を充填する空間を区画する面を指す。
上記各実施形態では、センサ素子の外表面から基準ガス流路CPへと基準ガスを導く導入流路IPは、センサ素子内を積層方向に延びる形状としたが、異なる構成としてもよい。例えば、ガス流路形成層422の側面422aあるいは側面422b(図2参照)に、導入流路IPの開口部を設け、ガス流路形成層422の面内において導入流路IPを形成することとしてもよい。この場合には、導入流路IPの内壁面のうち、積層方向LDに対向する2つの内壁面の少なくとも一方に、補強層80と同様の補強層を設けることにより、導入流路IPに起因するセンサ素子の強度低下を抑えることができる。
上記各実施形態では、ガスセンサは酸素濃度センサとしたが、異なる構成としても良い。排気ガス中のNOx等、異なる種類のガスを検出するセンサとしてもよい。イオン伝導性を有する固体電解質の両面に積層された一対の電極を有し、各電極上の特定ガス成分の濃度差(分圧差)により起電力を生じる濃淡電池を備えるセンサであれば、本願発明を適用することにより、同様の効果が得られる。
4,104,204,304,404…センサ素子
6…セラミックスリーブ
8…検出部
10…金属端子部材
21…第1板面
21a,21b,21c…スルーホール
23…第2板面
23d…スルーホール
30,31〜34…電極端子部
30a,30c…スルーホール
38…主体金具
39…ネジ部
40…後端部
41a…第1電極部
41b…第1リード部
42a…第2電極部
42b…第2リード部
43…内部プロテクタ
44…外筒
45…外部プロテクタ
46…リード線
50…グロメット
52…棚部
53…セラミックホルダ
54…貫通孔
56…粉末充填層
57…加締パッキン
58…貫通孔
59…フィルタユニット
61…リード線挿通孔
62…後端側端面
63…後端側セパレータ
65a…挿通部
65b…溝部
66…先端側セパレータ
67…鍔部
68…先端側端面
69…保持部材
70…導入孔
70a…基準室孔
70b…通気孔
80,180,281a,281b,380,480…補強層
421,423,424…絶縁層
422…ガス流路形成層
422a,422b…側面
430…固体電解質層
441…検知電極
442…基準電極
450…ヒータ
450a…加熱部
450b…ヒータリード部
460…多孔質保護層
Claims (10)
- 固体電解質層と、前記固体電解質層の一方の面に設けられて被測定ガスに晒される検知電極と、前記固体電解質層の他方の面に設けられて基準ガスに晒される基準電極と、前記基準電極に前記基準ガスを導入する基準ガス流路を形成するための第1の層と、を含む複数の層が積層されているガスセンサ素子であって、
前記基準ガス流路は、前記第1の層と、該第1の層に隣接する層と、の間に形成されており、
前記基準ガス流路の内壁面のうち、前記ガスセンサ素子の積層方向において互いに対向する2つの内壁面の一方の面であって、前記隣接する層における前記第1の層と接する側の面に、正方晶ジルコニアを含む補強層が設けられていることを特徴とする
ガスセンサ素子。 - 請求項1に記載のガスセンサ素子であって、
前記ガスセンサ素子には、該ガスセンサ素子の外表面から前記基準ガス流路に向かって前記積層方向に延びると共に前記基準ガス流路に前記基準ガスを導入するための流路を形成する第1の貫通孔が設けられており、
前記補強層は、前記積層方向に投影したときに、前記第1の貫通孔と重なる領域に形成されていることを特徴とする
ガスセンサ素子。 - 請求項1または請求項2に記載のガスセンサ素子であって、
前記ガスセンサ素子には、前記検知電極、前記基準電極、および、前記固体電解質層を加熱するためのヒータから選択される少なくとも一つと、前記ガスセンサ素子の外表面に設けた電極端子部と、を電気的に導通させる経路を形成するための、前記積層方向に延びる第2の貫通孔が形成されており、
前記補強層は、前記積層方向に投影したときに、前記第2の貫通孔と重なる領域に形成されていることを特徴とする
ガスセンサ素子。 - 請求項1から請求項3までのいずれか一項に記載のガスセンサ素子であって、
前記補強層は、前記基準ガス流路における前記互いに対向する2つの内壁面のうち、該2つの内壁面のそれぞれから前記ガスセンサ素子の外表面までの、前記積層方向に互いに離間する方向の厚みが小さい方の面に設けられることを特徴とする
ガスセンサ素子。 - 請求項1から請求項4までのいずれか一項に記載のガスセンサ素子であって、
前記補強層は、該補強層および前記基準ガス流路を前記積層方向に投影したときに、前記基準ガス流路の延びる方向と直交する幅方向に前記基準ガス流路の外縁を超える領域にわたって形成されていることを特徴とする
ガスセンサ素子。 - 請求項1から請求項5までのいずれか一項に記載のガスセンサ素子であって、
前記補強層は、前記ガスセンサ素子の外表面に露出しないように設けられていることを特徴とする
ガスセンサ素子。 - 請求項1から請求項6までのいずれか一項に記載のガスセンサ素子であって、
前記ガスセンサ素子は、前記固体電解質層と共に積層される基材層として、アルミナを50質量%以上含有する層を備えることを特徴とする
ガスセンサ素子。 - 被測定ガス中の特定ガスを検出するためのガスセンサ素子と、該ガスセンサ素子を保持する主体金具と、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7までのいずれか一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。 - 請求項8に記載のガスセンサであって、さらに、
前記ガスセンサ素子を押圧保持する保持部を備え、
前記補強層は、少なくとも、前記保持部によって前記ガスセンサ素子が押圧保持される部位に設けられていることを特徴とする
ガスセンサ。 - 請求項8または9に記載のガスセンサであって、
前記補強層は、前記ガスセンサ素子の外表面における前記被測定ガスと接触する領域に露出しないように設けられていることを特徴とする
ガスセンサ。
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