JP6877219B2 - センサ素子 - Google Patents
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Description
初めに、本実施の形態に係るセンサ素子101を含む、ガスセンサ100の概略構成について説明する。本実施の形態においては、ガスセンサ100が、センサ素子101によってNOxを検知し、その濃度を測定する、限界電流型のNOxセンサである場合を例として説明を行う。
センサ素子101は、さらに、基体部を構成する固体電解質の酸素イオン伝導性を高めるために、センサ素子101を加熱して保温する温度調整の役割を担うヒータ部70を備えている。図3は、ヒータ部70の要部の概略的な平面配置を示す図である。
RH=R1−R2 ・・・・(1)
なる式にて算出される。ヒータ抵抗値は、ヒータエレメント72により加熱を行う際の加熱温度の制御に用いられる。
ヒータ抵抗値は、一方のヒータ電極71から他方のヒータ電極71に至るまでのヒータ電流の経路における電気抵抗値であるが、その変動要因は主としてヒータエレメント72からのPtの拡散であることが、あらかじめ確認されている。それゆえ、使用初期と使用後の双方においてヒータ抵抗値を測定し、(2)式にて算出される抵抗上昇率が、所定の閾値を超えているか否かを判断することで、センサ素子101を破壊せずとも、センサ素子101を使用することでヒータエレメント72からPtが拡散しているか否かを判断することができる。
次に、上述のような構成および特徴を有するセンサ素子101を製造するプロセスについて説明する。本実施の形態においては、ジルコニアなどの酸素イオン伝導性固体電解質をセラミックス成分として含むグリーンシートからなる積層体を形成し、該積層体を切断・焼成することによってセンサ素子101を作製する。
MgAl2O4:32.0wt%〜56.0wt%;
Nb2O5:0.3wt%〜10.0wt%;
SiO2およびBaCO3:合計で3wt%以下。
上述の実施の形態においては、センサ素子101が、限界電流型のNOxセンサに備わる、直列2室構造型の平板状のセンサ素子である場合を例として説明を行っている。しかしながら、ヒータ絶縁層を、気孔率が4.0%以下でかつ熱膨張係数が周囲の固体電解質層と同程度となるように設けることによって、センサ素子の長寿命化を図るという態様は、同様の構成を有しかつ他のガス種を検知するセンサ素子はもとより、センサ部とヒータ部とが一体に構成された種々の平板状のセンサ素子に適用が可能である。
耐久試験は、ヒータエレメント72による加熱を900℃で2000時間継続するという条件で行った。係る耐久試験後のセンサ素子101について、クラックの発生有無の確認と、SEM像に基づくヒータ絶縁層74におけるPtの拡散の有無の確認とを行ったほか、試験前後においてヒータ抵抗値を測定し、当該測定結果を(2)式に代入することにより試験後における抵抗上昇率を算出した。
2 第2基板層
3 第3基板層
4 第1固体電解質層
5 スペーサ層
6 第2固体電解質層
10 ガス導入口
11 第1拡散律速部
12 緩衝空間
13 第2拡散律速部
20 第1内部空所
21 主ポンプセル
22 内側ポンプ電極
23 外側ポンプ電極
30 第3拡散律速部
40 第2内部空所
41 測定用ポンプセル
42 基準電極
43 基準ガス導入空間
44 測定電極
45 第4拡散律速部
48 大気導入層
50 補助ポンプセル
51 補助ポンプ電極
70 ヒータ部
71(71a、71b、71c) ヒータ電極
72 ヒータエレメント
72a(72a1、72a2) ヒータリード
72b 抵抗検出リード
73 スルーホール
74 ヒータ絶縁層
75 接続部
100 ガスセンサ
101 センサ素子
Claims (3)
- 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、平板状のセンサ素子であって、
酸素イオン伝導性の固体電解質であるジルコニアからなる基体部と、
前記センサ素子を加熱するヒータ部と、
を備え、
前記ヒータ部は、
外部から給電されることによって発熱する、Ptを含むヒータエレメントと、
前記ヒータエレメントを覆う絶縁層と、
前記センサ素子の主面に露出して備わり、前記ヒータエレメントと電気的に接続されているヒータ電極と、
を有し、前記ヒータ電極を除く部分が前記基体部に埋設されてなり、
前記絶縁層が少なくともMgOとMgAl2O4とMg4Nb2O9とを合計で97wt%〜100wt%の重量比で含んでなり、
MgOの重量比が30wt%〜60wt%であり、
MgAl2O4の重量比が30wt%〜60wt%であり、
Mg4Nb2O9の重量比が0.5wt%〜15wt%であり、
前記絶縁層の気孔率が4%以下である、
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、
前記絶縁層の少なくとも900℃における熱膨張係数が10.3〜12.3(×10−6/℃)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、
前記基体部の一方端部に設けられたガス導入口と、
前記基体部の内部に設けられ、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つの内部空所と、
前記基体部の外面に設けられた外側ポンプ電極と、前記少なくとも1つの内部空所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少なくとも1つの内側ポンプ電極の間に存在する前記固体電解質からなり、前記少なくとも1つの内部空所と外部との間で酸素の汲み入れあるいは汲み出しを行う、少なくとも1つの電気化学的ポンプセルと、
を備え、
前記ヒータ電極を除く前記ヒータ部が、前記ガス導入口から前記少なくとも1つの内部空所に至るガス流通部の下方位置において、前記固体電解質によって前記ガス流通部と離隔させられつつ前記ガス流通部の延在方向に沿って配置されてなる、
ことを特徴とするセンサ素子。
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