JP7457664B2 - センサ素子及びガスセンサ - Google Patents
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Description
ここで、一般にヒータによる温度制御は、検知セルを構成する内部抵抗(電極・リードの抵抗、固体電解質体の抵抗、気体の拡散由来の抵抗を含む)を測定することで行われ、予め取得した内部抵抗と検知セル温度との関係に基づいて検知セルの温度を算出し、ヒータを加熱することで温度制御を行っている。
このようなことから、固体電解質体と基準電極との間に多孔質絶縁体を設け、基準電極の反対面にも他の固体電解質体を設けた技術が開発されている(特許文献1)。又、固体電解質体と基準電極との間に空隙を設け、基準電極の周囲を他の固体電解質で覆った技術も開発されている(特許文献2)。
しかしながら、特許文献1記載の技術の場合、固体電解質体と基準電極との間に介在する多孔質絶縁体が基準ガスを溜める機能も有するため、その厚みを比較的厚くする必要があり、検知電極とヒータの積層方向の距離も増える傾向にある。又、絶縁体が多孔質なため、空隙に溜まったガスが断熱効果を生じ、ヒータの熱が検知電極に伝わり難くなる。同様に、特許文献2記載の技術の場合も、固体電解質体と基準電極との間に設けた空隙が断熱効果を生じ、ヒータの熱が検知電極に伝わり難い。
このため、内部抵抗全体における、固体電解質体を介した検知電極と基準電極との間の固体電解質体の抵抗の割合を増大させ、温度制御の精度の低下を抑制できる。
さらに、温度制御では、ヒータを加熱することで検知電極を目標温度に保つようにしているが、絶縁層が緻密であるので、絶縁層が多孔質の場合に比べてその厚みを薄くすることができると共に、多孔質に溜まるガスによる断熱効果も抑制できる。その結果、検知電極とヒータの積層方向の距離を短縮し、ヒータからの熱伝達にも優れるので、温度制御の精度をさらに向上させることができる。
このセンサ素子によれば、積層方向に基準電極の上側又は下側に基準ガスを溜めるための多孔質層や空隙を設ける必要がなく、検知電極とヒータの積層方向の距離をさらに短縮できる。
このセンサ素子によれば、検知電極とヒータの積層方向の距離を確実に短縮でき、ヒータへの温度制御の精度が向上する。 また、素子の機械的強度の観点から検知電極とヒータとの積層方向の距離が0.6mm以上であると望ましい。
センサ素子21のうち、検知セル22が形成された先端側が、セラミックホルダ30及び主体金具11より先端に突出している。このように貫通孔32を通されたセンサ素子21は、セラミックホルダ30の後端面側(図示上側)に配置されたシール材(本例では滑石)41を、絶縁材からなるスリーブ43、リングワッシャ45を介して先後方向に圧縮することによって、主体金具11の内側において先後方向に気密を保持して固定されている。
なお、センサ素子21の検知セル22に、アルミナ又はスピネル等からなる多孔質の保護層23が被覆されている。
一方、主体金具11は、軸線O方向に貫通する内孔18を有している。内孔18の内周面は後端側から先端側に向かって径方向内側に先細るテーパ状の段部17を有している。
一方、貫通孔32は、セラミックホルダ30の中心に設けられると共に、センサ素子21が略隙間なく通るように、センサ素子21の横断面とほぼ同一の寸法の矩形の開口とされている。
一方、センサ素子21の先端部は、一重の有底円筒状のプロテクタ(保護カバー)51で覆われている。プロテクタ51の後端は主体金具11の円筒部12に外嵌され、溶接されている。又、プロテクタ51の後端寄りの部位には、径方向(軸線O方向に垂直な方向)に沿う段部51dが形成され、段部51dより先端側が小径となっている。
そして、段部51dには後端側を向くガス導入孔56が複数個開口している。
なお、図1の例では、プロテクタ51の先端の底部51a中央が平行な2本の切れ目で後端側に切り起こされてカバー51fを形成し、ガス排出孔53は、プロテクタ51の底部51aとカバー51fとの間の隙間に径方向に向いて形成されている。
なお、リード線71は外筒81の後端部の内側に配置されたシール材(例えばゴム)85を通されて外部に引き出されており、この小径筒部83を縮径カシメしてこのシール材85を圧縮することにより、この部位の気密が保持されている。
図2に示すように、センサ素子21の検知セル22は、固体電解質体121と、固体電解質体121の一方の面(図2の上面)に接して配置される検知電極122と、固体電解質体121に埋設されて配置される基準電極123とを備え、酸素濃度を検出する。又、検知セル22の基準電極123側にはヒータ125が積層されている。
なお、固体電解質体121は、図2の上面側の第1固体電解質体121aと、下面側の第2固体電解質体121bと、第1固体電解質体121aと第2固体電解質体121bとの間に積層される第3固体電解質体121cとを一体に有している。第1固体電解質体121a~第3固体電解質体121cは一体となって電気的に接続され、固体電解質体121を構成する。
又、ヒータ125は白金を主体とする発熱体からなる配線パターンが蛇行する構成となっている。積層方向D(図2の上下方向)に見て、ヒータ125は、基準電極123を挟んで固体電解質体121の反対側(図2の下側)に配置されている。
又、ヒータ125は、センサ素子21の外形(外縁)を形成する第4セラミック絶縁層135と第5セラミック絶縁層137の間に挟まれるように配置されている。
なお、センサ素子21の主面に沿う方向を、主面方向Sとする。
一方、検知電極122は平板状をなし、後端側にリード部122Lが接続されている。
より詳しくは、図3に示すように、本例では、絶縁層124は主面方向に基準電極123と重なり、かつ基準電極123より外側にはみ出すように形成されており、絶縁層124もU字型に二股分岐したフォーク形状になっている。
ここで、「緻密」とは、倍率3000倍で絶縁層124の断面のSEM(走査電子顕微鏡)の組成像(二次電子像)を見たとき、絶縁層124を構成するセラミックの組成と異なる暗部(空隙を表す)の占める面積が4%以下の場合をいう。
つまり、第2固体電解質体121bは、第3固体電解質体121cを介して第1固体電解質体121aと電気的に接続する。なお、第3固体電解質体121cを第2固体電解質体121bと一体に形成させ、第2固体電解質体121bが第1固体電解質体121aと直接的に電気的に接続するようにしてもよい。
検知電極122、基準電極123は、貴金属を主成分とすると共にセラミックを含有した組成からなる。貴金属としては白金族元素を用いることができる。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。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(各固体電解質体1)と同様の成分であることが好ましい。
又、リード部122L、123Lも貴金属を主成分とすることができる。
各セラミック絶縁層131~137はアルミナ等から形成することができる。
ヒータ125による検知セル22の温度制御をする際には、検知セル22の各電極122,123間にパルス電流を流し、固体電解質体121の内部抵抗(インピーダンス)を測定する。
このとき、仮に絶縁層124が介在しない場合は各電極122,123間の電流経路は、固体電解質体121(第1固体電解質体121a)の最短距離となる。
一方、図2に示すように、各電極122,123間に絶縁層124が介在すると、基準電極123から第1固体電解質体121aへ直接向かう電流経路が絶縁層124により遮断される。このため、各電極122,123間の電流経路Cは、基準電極123に接する第2固体電解質体121b及び第3固体電解質体121cを通って第1固体電解質体121a、検知電極122へ流れる経路となり、絶縁層124が介在しない場合に比べて迂回して長くなる。
さらに、検知セル22の温度制御では、ヒータ125を加熱することで検知電極122を目標温度に保つようにしているが、絶縁層124が緻密であるので、絶縁層124が多孔質の場合に比べてその厚みを薄くすることができると共に、多孔質に溜まるガスによる断熱効果も抑制できる。その結果、検知電極122とヒータ125の積層方向の距離を短縮し、ヒータ125からの熱伝達にも優れるので、温度制御の精度をさらに向上させることができる。
なお、このような観点からは、検知電極123とヒータ125との積層方向の距離が1.5mm以下であることが好ましい。
例えば、図4に示すように、基準電極127が固体電解質体129に埋設されず、固体電解質体129の他方の面(基準電極123が配置される面と反対の面;図4の下面)に接して配置されてもよい。
なお、図4の例では、基準電極127は検知電極122Bと同様な矩形状をなしている。そして、第1の実施形態と同様、緻密な絶縁層124Bは、積層方向に見て検知電極122Bと基準電極127の間の位置で固体電解質体129に埋設され、主面方向に基準電極127及び検知電極122Bと重なり、かつ基準電極127及び検知電極122Bより主面方向の外側にはみ出すように形成されている。なお、検知電極122Bが絶縁層124Bより主面方向の外側にはみ出してもよい。
なお、固体電解質体129(又はその上層と下層)は平面から見て矩形状であり、センサ素子21の外形(外縁)を形成する第2セラミック絶縁層133Bの矩形開口部に配置されている。
図4の例でも、基準電極127から固体電解質体129の最短距離を経て検知電極122Bへ向かう電流経路が絶縁層124により遮断される。このため、電流経路は、絶縁層124Bが介在しない場合に比べて固体電解質体129内を迂回して長くなる。
基準電極の形状も限定されず、上述のフォーク状でなく、矩形平板状であってもよいし、3又以上に分岐するフォーク状でもよい。
又、本例では、検知電極122及び基準電極123が配置される部位が固体電解質体で、その周囲が枠状のセラミック絶縁層からなる埋め込みタイプの複合体であったが、固体電解質体は、層全体がセンサ素子21の外形(外縁)を形成する板状であってもよい。
11 主体金具
21 センサ素子
121、129 固体電解質体
122、122B 検知電極
123、127 基準電極
124、124B 絶縁層
125 ヒータ
O 軸線
D 積層方向
S 主面方向
Claims (4)
- 固体電解質体と、
前記固体電解質体の一方の面に配置されて外部に連通する検知電極と、
前記固体電解質体に埋設されるか、又は前記固体電解質体の他方の面に接して配置される基準電極と、
ヒータと、を備え、
軸線方向に延びて、被測定ガス中の特定ガス成分の濃度を検知する板状積層型のセンサ素子であって、
積層方向に見て、前記ヒータは、前記基準電極を挟んで前記固体電解質体の反対側に配置され、
さらに、前記積層方向に見て前記検知電極と前記基準電極の間の位置で前記固体電解質体に埋設され、主面方向に前記基準電極の少なくとも一部と重なる、緻密な絶縁層を備えることを特徴とするセンサ素子。 - 前記基準電極は、基準ガスを内部に溜めることが可能な多孔質体からなることを特徴とする請求項1に記載のセンサ素子。
- 前記検知電極と前記ヒータとの積層方向の距離が1.5mm以下であることを特徴とする請求項1又は2に記載のセンサ素子。
- 軸線方向に延び、被測定ガス中の特定ガス成分の濃度を検知する板状積層型のセンサ素子と、前記センサ素子を保持する主体金具とを備えるガスセンサにおいて、
前記センサ素子は請求項1~3のいずれか一項に記載のセンサ素子を用いることを特徴とするガスセンサ。
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