JP7307718B2 - セラミック積層体及びガスセンサ - Google Patents
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Description
L1>L2、L2>L3、L2>L4
第1実施例は、実施例1及び比較例1について、電極リード110の断線率を確認した。
実施例1に係るガスセンサ108は、図3A~図3Cに示すように、上述した本実施の形態に係るガスセンサ100と同様の構成を有する。従って、図7Aに示すように、例えば測定電極62から導出された電極リード110は第1セラミック層12Aにて構成された積層体14内を配線されて図示しない外部端子に電気的に接続される。
一方、比較例1に係るガスセンサ200は、図8A及び図8Bに示すように、第1セラミック層12Aによる積層体14を第2セラミック層12Bで上下及び四方から囲んだ構造を有する。すなわち、第1セラミック層12Aによる積層体14が第2セラミック層12Bに埋め込まれた構造を有する。従って、図7Bに示すように、例えば測定電極62から導出された電極リード110は第1セラミック層12Aと第2セラミック層12Bとの境界線112を跨ぐことになる。
実施例1に係るガスセンサ108のサンプルと比較例1に係るガスセンサ200のサンプルをそれぞれ20個作製し、ガスセンサの製造後と、ガスセンサの耐久試験後の2段階で電極リード110の断線の有無を評価した。
上述した試験結果から、比較例1に係る構造と比べ、実施例1に係る構造の方が、リード断線率が低いことがわかった。
第2実施例は、実施例2及び比較例2について、被水に対する耐久性を評価した。
実施例2に係るガスセンサ120は、図3A~図3C及び図9Aに示すように、上述した本実施の形態に係るガスセンサ100と同様の構成を有する。すなわち、センサ素子20の積層体14の先端から上面全面及び下面全面にかけて第2セラミック層12B(Al2O3)が形成され、積層体14の先端から側面の一部にかけて第2セラミック層12B(Al2O3)が形成された構造を有する。側面における第2セラミック層12Bの長さL2(図3A参照)は、先端から20mm以上である。
一方、比較例2に係るガスセンサ130は、基体部が全てZrO2で構成されたセンサ素子20である。つまり、センサ素子20の先端から側面全体にかけて第1セラミック層12A(ZrO2)がむき出しの構成となっている。
具体的には、実施例2及び比較例2共に、図9A及び図9Bに示すように、定常駆動時のセンサ素子20の側面のうち、素子先端から約5mmの位置に水滴140を滴下し、センサ素子20にクラックが生じるかどうかを確認した。
クラックの検出方法は、外側ポンプ電極46と主内側ポンプ電極44間の電流値を観測することによって行った。センサ素子20の外側ポンプ電極46と主内側ポンプ電極44間は、酸素濃度調整室26の主調整室26a内の酸素が外側にくみ出されるように第1ポンプ電圧Vp1(図2参照)が印加されている。その際、酸素の汲み出し量に応じた第1ポンプ電流Ip1が流れる。このとき、水滴140の滴下に伴う熱応力により、センサ素子20の主調整室26a付近にクラックが生じた場合、そのクラックを通じて外側の酸素O2が主調整室26a内に流入する。このとき、汲み出す酸素量が増大するため、外側ポンプ電極46と主内側ポンプ電極44間の電流(第1ポンプ電流Ip1)は急激に増加する。従って、水滴140を所定量(例えば5μL)だけ滴下する時間内に外側ポンプ電極46と主内側ポンプ電極44間の電流が急激に増加した時点をクラックが発生時点とした。なお、外側ポンプ電極46と主内側ポンプ電極44間の電流が急激に増加した時点は、電流値が予め設定したしきい値を超えた時点とした。
実施例2及び比較例2共に、まず、ヒータ発熱部64(図2参照)に通電して温度を800℃とし、センサ素子20を加熱した。この状態で、大気雰囲気中で主ポンプセル42、補助ポンプセル56、第1酸素分圧検出センサセル50A、第2酸素分圧検出センサセル50B等を作動させて、主調整室26a内の酸素濃度を所定の一定値に保つように制御した。そして、第1ポンプ電流Ip1が安定するのを待った後、素子側面部のうち素子先端から5mmの位置に水滴140を滴下し、センサ素子20にクラックが生じるかどうかを確認した。0.5μLの水滴140を滴下し、第1ポンプ電流Ip1が所定のしきい値を超えた値に変化したか否かに基づいて、センサ素子20のクラックの有無を判定した。
結果、比較例2のセンサ素子20は、20本中20本にクラックが発生したのに対し、実施例2のセンサ素子20は20本中、クラック発生数は0本であった。
Claims (13)
- 2層以上の第1セラミック層(12A)が積層された積層体(14)と、
熱伝導率が前記第1セラミック層(12A)よりも高い第2セラミック層(12B)とを有するセラミック積層体であって、
前記積層体(14)の上部及び下部に、それぞれ前記第2セラミック層(12B)が積層され、
前記積層体(14)の先端部及び側部が前記第2セラミック層(12B)で囲まれ、且つ、前記積層体(14)の後端部は前記第2セラミック層(12B)で囲まれておらず、
前記積層体(14)の前記上部及び前記下部の前記第2セラミック層(12B)は、前記積層体(14)の前記先端部から前記積層体(14)の前記後端部に至る部位にそれぞれ連続的に形成されており、
前記積層体(14)のうちの前記第2セラミック層(12B)で囲まれている部位の幅(Wm)は、前記積層体(14)のうちの前記第2セラミック層(12B)で囲まれていない部位の幅より狭く、
前記積層体(14)の一方の側部を被覆する前記第2セラミック層(12B)の幅(W2)と、前記積層体(14)の他方の側部を被覆する前記第2セラミック層(12B)の幅(W2)と、前記積層体(14)のうちの前記第2セラミック層(12B)で囲まれている部位の幅(Wm)との和は、前記積層体(14)のうちの前記第2セラミック層(12B)で囲まれていない部位の幅と同等である、セラミック積層体。 - 請求項1記載のセラミック積層体において、
前記側部の前記第2セラミック層(12B)の長手方向の長さは、前記積層体(14)の上部及び下部の前記第2セラミック層(12B)の長手方向の長さよりも短いことを特徴とするセラミック積層体。 - 請求項1又は2記載のセラミック積層体において、
前記積層体(14)は、少なくとも複数の空所とヒータ発熱部(64)が形成され、
前記積層体(14)の側部の前記第2セラミック層(12B)の長手方向の終端は、前記積層体(14)に形成される全ての前記空所の後端部及び前記ヒータ発熱部(64)の後端部よりも前記積層体(14)の後端部側に位置している、セラミック積層体。 - 請求項1~3のいずれか1項に記載のセラミック積層体において、
前記積層体(14)の厚みをtm、前記第2セラミック層(12B)の厚みをt2としたとき、1/15(tm/2)≦t2≦5(tm/2)の範囲である、セラミック積層体。 - 請求項1~4のいずれか1項に記載のセラミック積層体において、
前記積層体(14)の側部を被覆する前記第2セラミック層(12B)の幅をW2、前記積層体(14)のうち、前記第2セラミック層(12B)にて囲まれた積層体(14)の幅をWmとしたとき、側部に位置する前記第2セラミック層(12B)の長手方向中心において、前記幅W2は、前記幅Wmに対して0.2~35%の範囲である、セラミック積層体。 - 請求項1~5のいずれか1項に記載のセラミック積層体において、
前記積層体(14)の側部を被覆する前記第2セラミック層(12B)の形状は、前記第2セラミック層(12B)の幅が前記積層体(14)の後部に向かって徐々に小さくなっている、セラミック積層体。 - 請求項1~5のいずれか1項に記載のセラミック積層体において、
前記積層体(14)を囲む前記第2セラミック層(12B)の角部が湾曲形状である、セラミック積層体。 - 請求項1~7のいずれか1項に記載のセラミック積層体において、
前記第2セラミック層(12B)の熱膨張率は、800℃の環境下で、前記第1セラミック層(12A)より小さく、その熱膨張差が1.9×10-6~3.6×10-6[/K]である、セラミック積層体。 - 請求項1~8のいずれか1項に記載のセラミック積層体において、
前記第1セラミック層(12A)の主成分がZrO2であり、
前記第2セラミック層(12B)の熱膨張率は、800℃の環境下で、前記第1セラミック層(12A)より小さく、その熱膨張差が2.2×10-6~3.1×10-6[/K]であることを特徴とするセラミック積層体。 - 請求項1~9のいずれか1項に記載のセラミック積層体において、
前記第2セラミック層(12B)は、Al2O3材、もしくはAl2O3/ZrO2の複合材である、セラミック積層体。 - 請求項10記載のセラミック積層体において、
前記複合材は、Al2O3とZrO2の分量比が、体積比で99:1~50:50(体積%)である、セラミック積層体。 - 請求項1~11のいずれか1項に記載のセラミック積層体において、
前記第1セラミック層(12A)に、少なくともAl2O3が含まれていない、セラミック積層体。 - 請求項1~12のいずれか1項に記載のセラミック積層体を有する、ガスセンサ。
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