JPWO2020071246A1 - センサ素子 - Google Patents
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Abstract
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、係る外側先端保護層2と内側先端保護層180との間に、同種のアルミナからなる多孔質層である中間先端保護層3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および中間先端保護層3を付設する(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中間先端保護層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中間先端保護層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、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)および気孔率と中間先端保護層3の厚み(第1部分3aおよび第2部分3bの厚み)および気孔率との組み合わせを違えた8種類のセンサ素子10(実施例1〜実施例8)を作製し、その耐被水性について試験した。
外側先端保護層2と内側先端保護層180との気孔率差が耐被水性や外側先端保護層2および中間先端保護層3と素子基体1との密着性に与える影響を確認する試験を行った。具体的には、外側先端保護層2の気孔率を15%〜30%の範囲から設定し、中間先端保護層3の気孔率を25%〜80%の範囲から設定し、内側先端保護層180の気孔率を30%〜65%の範囲から設定するとともに、それらの値の組み合わせを種々に違えた8種類のセンサ素子(実施例9〜実施例16)を作製し、それぞれを対象として、耐被水性と保護層の密着性について評価した。ただし、いずれのセンサ素子についても、外側先端保護層2の気孔率と内側先端保護層180との気孔率が10%以上50%以下の範囲内に収まるようにした。
ガス空気比λ:1.05;
振動条件:50Hz→100Hz→150Hz→250Hzを30分掃引;
加速度 :30G、40G、50G;
試験時間:150時間。
外側先端保護層と素子基体との間に中間先端保護層を介在させることで耐被水性を確保しつつ、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。
Claims (7)
- 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1つの内部空室と、
前記セラミックス体において前記少なくとも1つの内部空室以外の箇所に形成された外側ポンプ電極と、前記少なくとも1つの内部空室に面して設けられた内側ポンプ電極と、前記外側ポンプ電極と前記内側ポンプ電極の間に存在する固体電解質からなり、前記少なくとも1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1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、
を有するとともに、
気孔率が30%〜65%の多孔質からなる内側先端保護層、
を、少なくとも、前記一方端部側の対向する2つの主面上に備える素子基体と、
気孔率が25%〜80%であって前記内側先端保護層の気孔率以下である多孔質からなる中間先端保護層と、
前記センサ素子の前記一方端部側の最外周部において前記素子基体を囲繞してなり、気孔率が15%〜30%であって前記中間先端保護層の気孔率よりも小さい多孔質からなる外側先端保護層と、
を備え、
前記素子基体のうち少なくとも前記少なくとも1つの内部空室が設けられてなる範囲において、前記2つの主面上に前記内側先端保護層と前記中間先端保護層と前記外側先端保護層とがこの順に積層されてなり、
前記素子基体のうち少なくとも前記少なくとも1つの内部空室が設けられていない範囲において、前記外側先端保護層が前記内側先端保護層と接触してなり、
前記内側先端保護層と前記外側先端保護層との気孔率差が10%〜50%である、
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、
前記中間先端保護層が、前記素子基体のうち、あらかじめ特定された被水割れ要対処領域に接触させて設けられてなり、
前記外側先端保護層が、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おいて、前記内側先端保護層と接触してなる、
ことを特徴とするセンサ素子。 - 請求項2に記載のセンサ素子であって、
前記被水割れ要対処領域が、前記素子基体のうち、前記ガスセンサの使用時に500℃以上に加熱される領域であり、
前記外側先端保護層と前記内側先端保護層との接触部分が、前記ガスセンサの使用時に500℃以下に保たれる部分に配置されてなる、
ことを特徴とするセンサ素子。 - 請求項2または請求項3に記載のセンサ素子であって、
前記中間先端保護層が、前記内側先端保護層の外面の一部と、前記素子基体の先端面とに接触してなり、
前記外側先端保護層が、前記素子基体の先端面側においても前記中間先端保護層と接触してなる、
ことを特徴とするセンサ素子。 - 請求項2または請求項3に記載のセンサ素子であって、
前記中間先端保護層が、前記内側先端保護層の外面の一部に接触してなり、
前記外側先端保護層が、前記素子基体の先端面側において当該先端面と接触してなる、
ことを特徴とするセンサ素子。 - 請求項1ないし請求項5のいずれかに記載のセンサ素子であって、
前記内側先端保護層の厚みが20μm〜50μmであり、
前記中間先端保護層の厚みが100μm〜400μmであり、
前記外側先端保護層の厚みが100μm〜400μm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6のいずれかに記載のセンサ素子であって、
前記外側先端保護層と前記内側先端保護層との接触部分の面積が、前記素子基体のうち前記外側先端保護層によって囲繞される範囲の面積の10%以上50%以下である、
ことを特徴とするセンサ素子。
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