JP7184561B2 - センサ素子 - Google Patents
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Description
<センサ素子およびガスセンサの概要>
図1は、本発明の第1の実施の形態に係るセンサ素子(ガスセンサ素子)10の概略的な外観斜視図である。また、図2は、センサ素子10の長手方向に沿った断面図を含むガスセンサ100の構成の概略図である。センサ素子10は、被測定ガス中の所定ガス成分を検知し、その濃度を測定するガスセンサ100の主たる構成要素である。センサ素子10は、いわゆる限界電流型のガスセンサ素子である。
センサ素子10においては、上述のような構成を有する素子基体1の一方端部E1側から所定範囲の最外周部に、純度99.0%以上のアルミナからなる多孔質層である外側先端保護層2が設けられてなる。
次に、上述のような構成および特徴を有するセンサ素子10を製造するプロセスの一例について説明する。図5は、センサ素子10を作製する際の処理の流れを示す図である。図5に示すように、本実施の形態においては概略、公知のグリーンシートプロセスを利用することにより、セラミックス体101を複数の固体電解質層の積層体として含む素子基体1を作製(ステップSa)したうえで、係る素子基体1に対し、外側先端保護層2を付設することにより断熱空間4を形成する(ステップSb)という手順により、センサ素子10を作製するものとする。それゆえ、ゾーンA、ゾーンB、およびゾーンCとなる範囲については既知であるとする。
外側先端保護層と素子基体との間に断熱空間を介在させることで被耐水性を確保しつつ、外側先端保護層の剥離および脱離を抑制するセンサ素子の構成は、第1の実施の形態に示すものに限られない。本実施の形態においては、第1の実施の形態に係るセンサ素子10よりも低温側にシフトした温度プロファイルに従って加熱されるセンサ素子20の構成について説明する。
上述の実施の形態においては、3つの内部空室を備えたセンサ素子を対象としているが、3室構造であることは必須ではない。すなわち、素子基体のうち、少なくともガス流通部が備わる端部側の最外面を気孔率の大きな内側先端保護層とし、さらにその外側に、素子基体のうち少なくとも使用時に500℃以上となる部分との間に(断熱)空間を介在させる態様にて、内側先端保護層よりも気孔率の小さい多孔質層である外側先端保護層を設ける構成は、内部空室が2つあるいは1つのセンサ素子にも適用可能である。
第1の実施の形態に係るセンサ素子10として、断熱空間4の第1空間4aの厚みと、外側先端保護層2の厚み(側面部202および端面部203の厚み)との組み合わせを違えた6種類のセンサ素子10(実施例1~実施例6)を作製し、その耐被水性について試験した。
被水割れ要対処領域と断熱空間4および外側先端保護層2の配置位置との関係が耐被水性に与える影響を確認する試験を行った。なお、係る試験は本来的には、同じ温度プロファイルのもと加熱される素子基体に対し、異なる位置に外側先端保護層2を設けることにより行うべきであるが、以下においては、用意の簡単のため、第1の実施の形態に係るセンサ素子に関しては、断熱空間4の厚みが100μmであり、外側先端保護層2の厚み300μmであり、固着面積比が30%であり、端部角θが10°であるという、共通の条件にて作製されたものを複数用意し、それらに対するヒータ150の加熱条件を意図的に違えることにより、センサ素子における温度分布と断熱空間4および外側先端保護層2の配置位置との組み合わせを4通り(実施例7~実施例10)に違えるようにした。
2、12 外側先端保護層
2a 溶射膜
4 断熱空間
4a (断熱空間の)第一空間
4b (断熱空間の)第二空間
5 消失材ペースト
5a 消失材パターン
10、20 センサ素子
30 ポンプセル電源
40 ヒータ電源
50 コントローラ
100 ガスセンサ
101 セラミックス体
102~104 第一~第三の内部空室
105 ガス導入口
110 第一の拡散律速部
115 緩衝空間
120 第二の拡散律速部
130 第三の拡散律速部
140 第四の拡散律速部
141 外部ポンプ電極
142 内部ポンプ電極
143 補助ポンプ電極
145 測定電極
147 基準電極
150 ヒータ
151 絶縁層
160 電極端子
170(170a、170b) 主面保護層
180 内側先端保護層
201 (外側先端保護層の)固着部
202 (外側先端保護層の)側面部
203、204 (外側先端保護層の)端面部
301 印刷版
E1 一方端部
E2 他方端部
P1 主ポンプセル
P2 補助ポンプセル
P3 測定用ポンプセル
Claims (10)
- 被測定ガス中の所定ガス成分を検知するガスセンサに備わるセンサ素子であって、
酸素イオン伝導性の固体電解質からなり、一方端部にガス導入口を備える長尺板状のセラミックス体と、
前記セラミックス体の内部に備わり、前記ガス導入口と所定の拡散抵抗の下で連通する少なくとも2つの内部空室と、
前記セラミックス体の外面に形成された外側ポンプ電極と、前記少なくとも2つの内部空室のそれぞれに面して設けられた少なくとも2つの内側ポンプ電極と、前記外側ポンプ電極と前記少なくとも2つの内側ポンプ電極のそれぞれの間に存在する固体電解質からなり、前記少なくとも2つの内部空室と外部との間で酸素の汲み入れおよび汲み出しを行う、少なくとも2つの電気化学的ポンプセルと、
前記セラミックス体の前記一方端部側の所定範囲に埋設されてなるヒータと、
を有する素子基体と、
前記素子基体の前記一方端部側のうち、少なくとも、先端面から前記ガス導入口に近い前記2つの内部空室までを含む第1の範囲を囲繞する、多孔質の第1の先端保護層と、
を備え、
前記第1の先端保護層と、前記素子基体のうち少なくとも前記ガス導入口に近い2つの内部空室が備わる部分との間に、一の断熱空間が介在してなり、
前記断熱空間が少なくとも前記先端面に沿った部分を含む、
ことを特徴とするセンサ素子。 - 請求項1に記載のセンサ素子であって、
前記第1の先端保護層の厚みが、150μm以上600μm以下である、
ことを特徴とするセンサ素子。 - 請求項1または請求項2に記載のセンサ素子であって、
前記一の断熱空間の厚みが、30μm以上150μm以下である、
ことを特徴とするセンサ素子。 - 請求項1ないし請求項3のいずれかに記載のセンサ素子であって、
前記素子基体のうち少なくとも前記第1の範囲における側面全体に、前記第1の先端保護層よりも気孔率が大きい多孔質からなる第2の先端保護層、
をさらに備え、
前記第1の先端保護層の前記一方端部側とは反対側の端部が、前記第1の先端保護層の前記第2の先端保護層に対し固着された固着部である、
ことを特徴とするセンサ素子。 - 請求項4に記載のセンサ素子であって、
前記一の断熱空間が、前記第1の先端保護層によって囲繞された前記第1の範囲の全体にわたって存在する、
ことを特徴とするセンサ素子。 - 請求項4または請求項5に記載のセンサ素子であって、
前記固着部が、前記素子基体のうち、あらかじめ特定された被水割れ不発生領域に設けられてなる、
ことを特徴とするセンサ素子。 - 請求項6に記載のセンサ素子であって、
前記固着部が、前記素子基体のうち、前記ガスセンサの使用時に500℃以下に保たれる第2の範囲に設けられてなる、
ことを特徴とするセンサ素子。 - 請求項4ないし請求項7のいずれかに記載のセンサ素子であって、
前記第1の先端保護層の気孔率が15%以上30%以下であり、
前記第2の先端保護層の気孔率が30%以上50%以下である、
ことを特徴とするセンサ素子。 - 請求項4ないし請求項8のいずれかに記載のセンサ素子であって、
前記第1の先端保護層の前記固着部と前記第2の先端保護層との接触部分の面積が、前記第1の範囲の面積の10%以上50%以下である、
ことを特徴とするセンサ素子。 - 請求項1ないし請求項9のいずれかに記載のセンサ素子であって、
前記少なくとも2つの内部空室が3つの内部空室であり、
前記少なくとも2つの電気化学的ポンプセルが、
前記外側ポンプ電極と、前記3つの内部空室のそれぞれに面して設けられた3つの内側ポンプ電極と、前記外側ポンプ電極と前記3つの内側ポンプ電極のそれぞれの間に存在する固体電解質からなり、前記3つの内部空室と外部との間で酸素の汲み入れおよび汲み出しを行う、3つの電気化学的ポンプセルであり、
前記第1の先端保護層が囲繞する前記第1の範囲が、前記素子基体の前記一方端部側のうち、少なくとも、先端面から前記3つの内部空室を含む、
ことを特徴とするセンサ素子。
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