JP6439649B2 - ガスセンサ素子 - Google Patents
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Description
多孔質の拡散層(21)を介して、被測定ガスが導入される被測定ガス室(2)と、
該被測定ガス室の底壁(11a)となる酸素イオン伝導性の固体電解質層(11)と、
該固体電解質層に積層され、上記被測定ガス室の頂壁(2a)及び側壁(2b)となる凹部を有する測定側セラミック層(12)と、
上記被測定ガス室内に導入されるガス流れの上流側において、上記底壁の表面に形成され、被測定ガス中の酸素を排出するポンプ電極(31)と、
上記被測定ガス室内のガス流れの下流側において、上記底壁の表面に形成されるセンサ電極(41)と、を有しており、
上記被測定ガス室は、
上記底壁が、ガス流れ方向を長手方向(X)とする長方形状であり、
少なくとも上記長手方向において、上記底壁の周縁部と積層方向(Z)に対向し、上記頂壁と上記側壁との境界となる隅領域の少なくとも一部がセラミック材で埋められた補強領域(R)を有する、ガスセンサ素子にある。
なお、括弧内の符号は、参考のために付したものであり、本発明はこれら符号により限定されるものではない。
以下に、ガスセンサ素子の実施形態1について、図面を参照しながら説明する。本形態のガスセンサ素子は、内燃機関の排気通路に設置される排気センサ、例えば、NOxセンサに適用され、被測定ガスである排ガスに含まれる特定ガス濃度、例えば、NOx濃度を検出する。
図1、図2において、ガスセンサ素子Sは、複数の平板状のセラミック層を積層した直方体形状のセラミック体1からなる。セラミック体1の内部には、被測定ガス室2が設けられ、多孔質の拡散層21を介して被測定ガスが導入される。拡散層21は、セラミック体1の長手方向X(すなわち、図2の紙面手前から奥行方向)の一端面側に設けられる。被測定ガス室2とセラミック体1の長手方向X、短手方向Y(すなわち、図2における左右方向)は一致しており、被測定ガスは、長手方向Xをガス流れ方向として、被測定ガス室2内を、上流側(すなわち、拡散層21側)から下流側へ移動する。
このとき、被測定ガス室2内の空間は、長手方向の中間領域2cにおいては、第1領域R1の略一定のアーチ状壁面で囲まれる蒲鉾型のチャンバ空間となる。また、長手方向の両端部においては、第1領域R1と第2領域R2のアーチ状壁面で囲まれて、端面側へ向けて徐々にチャンバ空間が狭くなる。これにより、第3領域R3となる4隅部では、略球面状の壁面となる。
さらに、図8左図に示すように、ガス導入口となる拡散層21が底壁11aに近い側に形成され、被測定ガス室2の内部に導入される被測定ガスの上部には、補強領域Rが形成されて、低温のガス溜りが生じにくくなる。このため、内部に導入される被測定ガスが冷却されることがない。また、補強領域Rのアーチ状の壁面に沿ってガスが流れて、速やかに被測定ガス室2の下流側へ拡散するので、良好な応答性とガス検出精度が得られる。
また、このような曲面状の壁面は、導入された被測定ガスの流れを底壁11a側に集めるように作用し、さらに、上流側のポンプセル3から下流側のセンサセル4、モニタセル5へのガス拡散を促進させる。したがって、検出精度と応答性を両立させることができる。
ガスセンサ素子Sは、被測定ガス室2の壁面に形成される補強領域Rの配置や形状を、適宜変更することができる。図10に示す実施形態2の形状例kにおいて、補強領域Rは、実施形態1と同様に、被測定ガス室2の底壁11aの周縁部に対向し、頂壁2aと側壁2bとの境界となる隅領域の全範囲に形成される。ただし、補強領域Rにて、頂壁2aと側壁2bのほぼ全面が覆われている必要はなく、本形態では、補強領域Rを三角形断面形状として、頂壁2aと側壁2bの境界の直角隅部のみを埋めている。図中には、長手方向Xを示すが、短手方向Yも同様に、三角形断面形状となっている。
これにより、補強領域Rの表面が、被測定ガス室2の内方に突出して、頂壁2a側を補強すると共に、内向きの補強領域Rの表面により、ガス流れを底壁11a側へ誘導し、センサセルへ拡散させる同様の効果が得られる。
あるいは、図12に示すように、第2セラミック層122に抜き孔122aを形成する代わりに、第1、第2セラミック層121、122となるセラミックグリーンシートを積層した後、第2セラミック層122側から、掘削刃Bを有する掘削装置を用いて削り出し、所定の凹部形状とすることもできる。
図13〜図15に示すように、ガスセンサ素子Sは、本発明の趣旨を超えない範囲で、被測定ガス室2の壁面に形成される補強領域Rの配置や形状を、任意に変更することができる。図13に示すセラミック体1の短手方向Yの断面において、最上段の被測定ガス室2は、実施形態1の補強領域Rの形状であり(すなわち、図中の形状例l参照)、補強範囲は、頂壁2aと側壁2bのほぼ全面となっている。このとき、補強領域Rは、被測定ガス室2に面する表面の全体が外向きに凸の曲面状であり、図中に矢印で示すガス流れは、補強領域Rのアーチ状の曲面によって向きを変え、ガス検知部となる底壁11aの中心部に向けて集まるので、ガス検出効率が高くなる。
あるいは、形状例nとして示すように、補強範囲が全面でなく、側壁2bの底壁11a側の一部を平坦面とした形状、形状例oとして示すように、形状例m、nを組み合わせ、頂壁2aと側壁2bの両方について、その一部を平坦面とした形状とすることもできる。この場合は、ガス流れが、平坦な側壁2bに当たると、底部11a側へ向かわないことがあることから、平坦面が多いと応答性が低下しやすい。
なお、図13の形状例l〜oは、図中の上段側から下段側へ向けて、補強領域Rとなるセラミック材の埋め込み量が同量であるときに、効果が高い順に並べている。
なお、最下段の被測定ガス室2は、従来構造の被測定ガス室2であり、補強領域Rは形成されていない。これに対して、形状例q〜rのように、少なくとも長手方向Xに沿う第1領域R1を配置することで、チャンバ強度を高め、応答性を向上させる効果が得られる。このように、補強領域Rを、隅領域の全範囲に形成しない場合には、少なくともチャンバ長の1/2以上の範囲に設けるのがよい。
上記構成のガスセンサ素子Sを、以下の方法で作製し、チャンバ強度とセンサ応答性について評価した。まず、遮蔽層12の第1セラミック層121、第2セラミック層122となるアルミナグリーンシートを準備し、第2セラミック層122用のアルミナグリーンシートに、予め、被測定ガス室2となる空間部分を長方形状に打ち抜き形成した。なお、被測定ガス室2内のチャンバ空間の大きさは、例えば、チャンバ長が4.0〜10.0mm程度、チャンバ幅が1.0〜3.0mm程度、チャンバ高さが0.05〜0.2mm程度、チャンバ容積が0.2〜6mm3程度となるように形成される。
優:200%以上
良:150%以上200%未満
可:120%以上150%未満
また、センサ応答性は、ガスセンサ素子Sに、試験用の基準ガスを導入してNOx検出を行い、NOxを含まない基準ガスAからNOxを含む基準ガスBに切り替えたときに、ガス切り替えからガスセンサ素子SがNOxを検出するまでの時間を測定した。従来形状例sである試料9の応答時間を基準値として、応答時間の向上率を、換算式100×((基準値)−(測定値))/(基準値)を用いて求めて、以下のように評価した。
優:30%以上
良:20%以上30%未満
可:10%以上20%未満
さらに、試料7の形状例qのように、補強領域Rが第1領域R1のみであり、被測定ガス室2の長手方向の全長に形成される場合は、試料3と同等の結果となり、試料8の形状例rのように、補強領域Rが第1領域R1のみで、長手方向の中間領域2cに形成される場合は、試料4と同等の結果が得られた。
11 固体電解質層
12 遮蔽層(測定側セラミック層)
13 基準側セラミック層
2 被測定ガス室
21 拡散層
31 ポンプ電極
41 センサ電極
51 基準電極
R 補強領域
Claims (7)
- 被測定ガス中の特定ガス濃度を検出するガスセンサ素子(S)であって、
多孔質の拡散層(21)を介して、被測定ガスが導入される被測定ガス室(2)と、
該被測定ガス室の底壁(11a)となる酸素イオン伝導性の固体電解質層(11)と、
該固体電解質層に積層され、上記被測定ガス室の頂壁(2a)及び側壁(2b)となる凹部を有する測定側セラミック層(12)と、
上記被測定ガス室内に導入されるガス流れの上流側において、上記底壁の表面に形成され、被測定ガス中の酸素を排出するポンプ電極(31)と、
上記被測定ガス室内のガス流れの下流側において、上記底壁の表面に形成されるセンサ電極(41)と、を有しており、
上記被測定ガス室は、
上記底壁が、ガス流れ方向を長手方向(X)とする長方形状であり、
少なくとも上記長手方向において、上記底壁の周縁部と積層方向(Z)に対向し、上記頂壁と上記側壁との境界となる隅領域の少なくとも一部がセラミック材で埋められた補強領域(R)を有する、ガスセンサ素子。 - 上記被測定ガス室は、上記ガス流れ方向の上流側の端部に位置する上記側壁において、上記底壁側の一部を、上記拡散層とする、請求項1に記載のガスセンサ素子。
- 上記補強領域は、少なくとも上記長手方向の上記隅領域において、上記底壁の上記長手方向長の1/2以上の長さで形成される、請求項1又は2に記載のガスセンサ素子。
- 上記補強領域は、上記被測定ガス室に面する表面が、室内方向又は室外方向に凸となる曲面、又は平坦面である、請求項1〜3のいずれか1項に記載のガスセンサ素子。
- 上記被測定ガス室は、上記頂壁と上記側壁との境界となる隅領域の全領域に、上記補強領域を有する、請求項1〜4のいずれか1項に記載のガスセンサ素子。
- 上記固体電解質層に積層され、上記被測定ガス室を設けた側と反対側に、基準ガスが導入される基準ガス室(5)を形成する基準側セラミック層(13)と、
上記基準ガス室内において、上記固体電解質層の表面に形成される基準電極(51)と、を有する、請求項1〜5のいずれか1項に記載のガスセンサ素子。 - 上記基準側セラミック層に積層されるヒータ層(6)を有する、請求項6に記載のガスセンサ素子。
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