JP6891143B2 - ガスセンサ素子及びガスセンサ - Google Patents
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Description
固体電解質体と、前記固体電解質体の一方側の面及び他方側の面にそれぞれ配置された一対の電極と、を有する検知部を1つ以上含んでなる素子本体と、
前記検知部を被覆する構成で前記素子本体と一体的に設けられる多孔質状の保護層と、
を備え、
前記素子本体は、通電によって発熱する発熱体であって、前記検知部を加熱するヒータを内包し、
前記保護層は、
白色系セラミックを主成分とする担体に貴金属触媒が担持されてなる第1保護層と、
白色系セラミックを主成分とし、貴金属触媒が担持されていない層、もしくは、貴金属触媒の担持量が前記第1保護層よりも少なく且つ貴金属触媒が最外表面において5μm四方以内に平均1粒以下含まれる層として前記第1保護層の外側を覆い、自身の表面の少なくとも一部が前記保護層の最外表面として構成され、前記第1保護層よりも厚さが小さい第2保護層と、
を有する。
一方で、第2保護層に覆われる第1保護層は、貴金属触媒が担体に担持され、相対的に黒色度合いが高い層であるため、放熱性が高くなっている。このように放熱性が高い第1保護層を覆うように第2保護層が接触していると、第2保護層の構成によっては、第1保護層の熱を第2保護層が吸収しすぎてしまうことが懸念されるが、第2保護層の厚さが第1保護層の厚さよりも小さく抑えられているため、第2保護層が第1保護層の熱を吸収しすぎることが抑制される。よって、第1保護層の熱が外側に逃げることが抑えられ、第1保護層の内側に配置された検知部の加熱がより一層促進される。
このように、第2保護層の存在によって外部空間への放熱が抑えられ、しかも、第2保護層が第1保護層の熱を吸収しすぎることも抑えられるため、検知部がより効率的に加熱されることになり、その結果、消費電力の低減効果がより一層高まる。
このように、第1保護層の内側に第3保護層が設けられていれば、素子本体を保護する効果がより高まる。特に、第3保護層は、より内側に配置される層であり且つ白色度合いが高い層であるため、加熱されやすく放熱性が低いという特徴がある。従って、仮に外側から保護層内に侵入した水が第1保護層を透過して第3保護層まで入り込んだとしても、その水は第3保護層内で揮発しやすい。ゆえに、素子本体付近まで水が浸入することを確実に抑えることができる。また、第3保護層よりも第1保護層のほうが厚く構成されているため、第1保護層において触媒の効果がより得られやすくなる。更に、第3保護層よりも第2保護層のほうが薄く構成されているため、第2保護層において第1保護層からの吸熱をより抑えることができる。
このように、第1保護層及び第2保護層の主成分となるセラミック材料が同一に揃えられていれば、第2保護層が第1保護層から剥がれることを防止する効果が高まる。
このように、第1保護層、第2保護層、及び第3保護層の主成分となるセラミック材料が同一に揃えられていれば、第1保護層、第2保護層、及び第3保護層の各々が剥がれにくくなり、これらの積層状態がより安定的に維持されやすくなる。
このように、第3保護層の平均気孔径が第1保護層の平均気孔径よりも大きい構成であれば、第3保護層を、第1保護層よりも毛細管現象が生じにくい構成とすることができ、第3保護層において排水性を高めることができる。よって、第1保護層から第3保護層への水が浸入しにくくなり、防水性が一層高まる。
このガスセンサは、上記いずれかのガスセンサ素子を含むので、ガスセンサ素子において第1保護層から第2保護層への放熱が抑えられ、第2保護層から外部空間への放熱も抑えられることになる。よって、検知部がより効率的に加熱されることになり、その結果、消費電力の低減効果がより一層高まる。
A1.ガスセンサの構成
図1に示すガスセンサ1は、内燃機関の排気ガス等に含まれる特定ガスのガス濃度を検出するセンサである。ガスセンサ1は、ガス濃度を検出する機能を有するガスセンサ素子100、ガスセンサ素子100等を内部に保持する主体金具30、主体金具30の先端部に装着されるプロテクタ24、等を備える。ガスセンサ1は、軸線Lの方向に沿って長手状に構成され、全体として軸状の形態をなす。なお、本明細書では、軸線Lの方向がガスセンサ1の長手方向であり、以下の説明では、軸線Lの方向を「軸線方向」ともいう。
ガスセンサ素子100は、図1に示すように、軸線方向(ガスセンサ1の長手方向)に延びるように配置され、図2に示すように、素子本体400と、多孔質保護層20と、を備える。素子本体400は、検知部の一例に相当する酸素濃度検出セル130及び酸素ポンプセル140を含んでなる部分であり、主として、検出素子部300と、ヒータ部200と、を備える。検出素子部300は、被測定ガス中の特定ガス(例えば酸素)の濃度を検出するように機能する部分である。ヒータ部200は、ヒータの一例に相当し、素子本体400に内包されるとともに通電によって発熱する発熱体として構成され、検知部(酸素濃度検出セル130及び酸素ポンプセル140)を加熱する機能を有する。多孔質保護層20は、保護層の一例に相当し、素子本体400を被覆する構成で素子本体400と一体的に設けられる。以下、ガスセンサ素子100を構成する各要素について詳述する。なお、多孔質保護層20は、保護層20ともいう。
図1に示す主体金具30は、ハウジングの一例に相当するものである。主体金具30は、SUS430製のものであり、ガスセンサを排気管に取り付けるための雄ねじ部31と、取り付け時に取り付け工具をあてがう六角部32と、を有している。主体金具30には、径方向内側に向かって突出する金具側段部33が設けられており、金具側段部33は、ガスセンサ素子100を保持するための金属ホルダ34を支持している。金属ホルダ34の内側にはセラミックホルダ35、滑石36が先端側から順に配置されている。滑石36は、金属ホルダ34内に配置される第1滑石37と、金属ホルダ34の後端に渡って配置される第2滑石38と、から構成される。金属ホルダ34内で第1滑石37が圧縮充填されることによって、ガスセンサ素子100は金属ホルダ34に対して固定される。主体金具30内で第2滑石38が圧縮充填されることによって、ガスセンサ素子100の外面と主体金具30の内面との間のシール性が確保される。第2滑石38の後端側には、アルミナ製のスリーブ39が配置されている。スリーブ39は多段の円筒状に形成されており、軸線に沿うように軸孔39aが設けられ、内部にガスセンサ素子100を挿通している。主体金具30の後端側の加締め部30aが内側に折り曲げられており、ステンレス製のリング部材40を介してスリーブ39が主体金具30の先端側に押圧されている。
図2、図4に示すように、ガスセンサ素子100の先端側には、多孔質状の保護層20が設けられている。保護層20は、素子本体400の先端側の全体(先端面400a、及び先端面400aに連なる4つの側面400b,400c,400d,400e)を囲む形態で形成されている。図2に示すように、保護層20は、軸線方向において素子本体400の先端面400aから所定範囲の領域Rに形成されている。領域Rは、軸線方向において、基準電極部104a、検知電極部106a、内側第1ポンプ電極部108a、外側第1ポンプ電極部110aが重なる領域より後端に至っている。なお、以下の説明では、軸線方向と直交する方向のうち、ヒータ部200、酸素濃度検出セル130及び酸素ポンプセル140が積層される方向を上下方向とする。更に、軸線方向及び上下方向と直交する方向を横方向とする。
未焼成のヒータ部200としては、未焼成の第1基体101及び第2基体103を、アルミナ等の原料粉末、バインダ及び可塑剤等から調合されたペーストをドクターブレード法等により、シート状に成形した後乾燥させたグリーンシートを所定の大きさに切り出して形成する。第1基体101上にPt等の原料粉末、バインダ及び可塑剤等から調合されたペーストをスクリーン印刷法等により塗布後、乾燥させて未焼成の発熱体102を形成する。発熱体102を挟むようにして未焼成の第1基体101と第2基体103を積層する。
ガスセンサ素子100は、貴金属触媒が担持されていない層として第2保護層22が構成され、この第2保護層22が、保護層20の最外表面として構成される。つまり、白色度合いが極めて高い第2保護層22が保護層20の最外表面の全部を構成するため、第2保護層22から外側の領域(図1の例では第2保護層22の外側の空間)への放熱が抑えられ、その分、保護層20の内部(即ち、第2保護層22に被覆される検知部(酸素濃度検出セル130、酸素ポンプセル140))の加熱が促進される。一方、第2保護層22に覆われる第1保護層21は、貴金属触媒が担体に担持され、相対的に黒色度合いが高い黒色層であるため、放熱性が高い。このように放熱性が高い第1保護層21を覆うように第2保護層22が接触していると、第1保護層21の熱を第2保護層22が吸収してしまうことが懸念されるが、第2保護層22の厚さが第1保護層21の厚さよりも小さい程度に抑えられているため、第2保護層22が第1保護層21の熱を吸収しすぎることが抑えられる。よって、第1保護層21の熱が外側に逃げることが抑えられ、第1保護層21の内側に配置された検知部(酸素濃度検出セル130、酸素ポンプセル140)の加熱がより一層促進される。このように、第2保護層22の存在によって外部空間への放熱が抑えられ、第2保護層22が第1保護層21の熱を吸収しすぎることも抑えられるため、検知部(酸素濃度検出セル130、酸素ポンプセル140)がより効率的に加熱されることになり、その結果、消費電力の低減効果がより一層高まる。
本発明は上記記述及び図面によって説明した実施形態に限定されるものではなく、例えば次のような例も本発明の技術的範囲に含まれる。
20…保護層
21…第1保護層
22…第2保護層
23…第3保護層
30…主体金具(ハウジング)
100…ガスセンサ素子
104…基準電極(電極)
105c…第1固体電解質体(固体電解質体)
106…検知電極(電極)
108…内側第1ポンプ電極(電極)
109c…第2固体電解質体(固体電解質体)
110…外側第1ポンプ電極(電極)
130…酸素濃度検出セル(検知部)
140…酸素ポンプセル(検知部)
200…ヒータ部(ヒータ)
400…素子本体
Claims (8)
- 固体電解質体と、前記固体電解質体の一方側の面及び他方側の面にそれぞれ配置された一対の電極と、を有する検知部を1つ以上含んでなる素子本体と、
前記検知部を被覆する構成で前記素子本体と一体的に設けられる多孔質状の保護層と、
を備え、
前記素子本体は、通電によって発熱する発熱体であって、前記検知部を加熱するヒータを内包し、
前記保護層は、
白色系セラミックを主成分とする担体に貴金属触媒が担持されてなる第1保護層と、
白色系セラミックを主成分とし、貴金属触媒が担持されていない層、もしくは、貴金属触媒の担持量が前記第1保護層よりも少なく且つ貴金属触媒が最外表面において5μm四方以内に平均1粒以下含まれる層として前記第1保護層の外側を覆い、自身の表面の少なくとも一部が前記保護層の最外表面として構成され、前記第1保護層よりも厚さが小さい第2保護層と、
を有し、
前記第2保護層の平均気孔径は、前記第1保護層の平均気孔径よりも大きい、
ガスセンサ素子。 - 固体電解質体と、前記固体電解質体の一方側の面及び他方側の面にそれぞれ配置された一対の電極と、を有する検知部を1つ以上含んでなる素子本体と、
前記検知部を被覆する構成で前記素子本体と一体的に設けられる多孔質状の保護層と、
を備え、
前記素子本体は、通電によって発熱する発熱体であって、前記検知部を加熱するヒータを内包し、
前記保護層は、
白色系セラミックを主成分とする担体に貴金属触媒が担持されてなる第1保護層と、
白色系セラミックを主成分とし、貴金属触媒が担持されていない層、もしくは、貴金属触媒の担持量が前記第1保護層よりも少なく且つ貴金属触媒が最外表面において5μm四方以内に平均1粒以下含まれる層として前記第1保護層の外側を覆い、自身の表面の少なくとも一部が前記保護層の最外表面として構成され、前記第1保護層よりも厚さが小さい第2保護層と、
を有し、
前記第2保護層の白色度合いは、前記第1保護層の白色度合いよりも高い、
ガスセンサ素子。 - 固体電解質体と、前記固体電解質体の一方側の面及び他方側の面にそれぞれ配置された一対の電極と、を有する検知部を1つ以上含んでなる素子本体と、
前記検知部を被覆する構成で前記素子本体と一体的に設けられる多孔質状の保護層と、
を備え、
前記素子本体は、通電によって発熱する発熱体であって、前記検知部を加熱するヒータを内包し、
前記保護層は、
白色系セラミックを主成分とする担体に貴金属触媒が担持されてなる第1保護層と、
白色系セラミックを主成分とし、貴金属触媒が担持されていない層、もしくは、貴金属触媒の担持量が前記第1保護層よりも少なく且つ貴金属触媒が最外表面において5μm四方以内に平均1粒以下含まれる層として前記第1保護層の外側を覆い、自身の表面の少なくとも一部が前記保護層の最外表面として構成され、前記第1保護層よりも厚さが小さい第2保護層と、
白色系セラミックを主成分とし、貴金属触媒が担持されていない層、もしくは、貴金属触媒の担持量が前記第1保護層よりも少なく且つ貴金属触媒が最外表面において5μm四方以内に平均1粒以下含まれる層として前記第1保護層の内側に配置される第3保護層と、
を有し、
前記第3保護層は、前記第1保護層よりも厚さが小さく、前記第2保護層よりも厚さが大きい、
ガスセンサ素子。 - 固体電解質体と、前記固体電解質体の一方側の面及び他方側の面にそれぞれ配置された一対の電極と、を有する検知部を1つ以上含んでなる素子本体と、
前記検知部を被覆する構成で前記素子本体と一体的に設けられる多孔質状の保護層と、
を備え、
前記素子本体は、通電によって発熱する発熱体であって、前記検知部を加熱するヒータを内包し、
前記保護層は、
白色系セラミックを主成分とする担体に貴金属触媒が担持されてなる第1保護層と、
白色系セラミックを主成分とし、貴金属触媒が担持されていない層、もしくは、貴金属触媒の担持量が前記第1保護層よりも少なく且つ貴金属触媒が最外表面において5μm四方以内に平均1粒以下含まれる層として前記第1保護層の外側を覆い、自身の表面の少なくとも一部が前記保護層の最外表面として構成され、前記第1保護層よりも厚さが小さい第2保護層と、
を有し、
前記第1保護層及び前記第2保護層はいずれも、同一のセラミック材料を主成分とする、
ガスセンサ素子。 - 前記第1保護層、前記第2保護層、及び前記第3保護層はいずれも、同一のセラミック材料を主成分とする、
請求項3に記載のガスセンサ素子。 - 前記第3保護層の平均気孔径は、前記第1保護層の平均気孔径よりも大きい、
請求項3又は請求項5に記載のガスセンサ素子。 - 前記保護層の白色系セラミックは、アルミナ(Al 2 O 3 )、チタニア(TiO 2 )、ジルコニア(ZrO 2 )、マグネシア(MgO)、ムライト(Al 2 O 3 −SiO 2 )、スピネル(MgAl 2 O 4 )、コージェライト(MgO−Al 2 O 3 −SiO 2 )の内の1つ、若しくはこれらの内の2つ以上を含む混合物である、
請求項1から請求項6のいずれか一項に記載のガスセンサ素子。 - 請求項1から請求項7のいずれか一項に記載のガスセンサ素子と、
前記ガスセンサ素子を保持するハウジングと、
を備える、
ガスセンサ。
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