JP7011923B2 - ガスセンサ - Google Patents
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前記センサ素子は、
検出ガス(G)が導入される検出ガス室(35)と、
基準ガス(A)が導入される基準ガス室(36)と、
前記検出ガス室と前記基準ガス室との間に配置され、前記検出ガス室に面する第1主面(301)と、前記基準ガス室に面する第2主面(302)とを有するとともに、イオン伝導性を有する板状の固体電解質層(31)と、
前記検出ガス室内に配置された状態で前記固体電解質層の前記第1主面に設けられた検出電極(311)と、
前記基準ガス室内に配置された状態で前記固体電解質層の前記第2主面に設けられた基準電極(312)と、
前記固体電解質層の前記第1主面に積層され、前記検出ガス室を形成する第1絶縁層(33A)と、
前記固体電解質層の前記第2主面に積層され、前記基準ガス室を形成する第2絶縁層(33B)と、
前記第2絶縁層に埋設され、通電によって発熱する発熱体(34)と、
前記検出ガス室内における、前記検出電極と前記第1絶縁層との積層方向(D)の第1隙間(351)に配置され、前記第1隙間を維持するための絶縁性の第1多孔質材(51)と、
前記基準ガス室内における、前記基準電極と前記第2絶縁層との前記積層方向の第2隙間(361)に配置され、前記第2隙間を維持するための絶縁性の第2多孔質材(52)と、を備え、
前記第1多孔質材の気孔率は、前記第2多孔質材の気孔率よりも大きい、ガスセンサにある。
本発明の他の態様は、ガス検出を行うためのセンサ素子(2)を備えるガスセンサ(1)であって、
前記センサ素子は、
検出ガス(G)が導入される検出ガス室(35)と、
基準ガス(A)が導入される基準ガス室(36)と、
前記検出ガス室と前記基準ガス室との間に配置され、前記検出ガス室に面する第1主面(301)と、前記基準ガス室に面する第2主面(302)とを有するとともに、イオン伝導性を有する板状の固体電解質層(31)と、
前記検出ガス室内に配置された状態で前記固体電解質層の前記第1主面に設けられた検出電極(311)と、
前記基準ガス室内に配置された状態で前記固体電解質層の前記第2主面に設けられた基準電極(312)と、
前記固体電解質層の前記第1主面に積層され、前記検出ガス室を形成する第1絶縁層(33A)と、
前記固体電解質層の前記第2主面に積層され、前記基準ガス室を形成する第2絶縁層(33B)と、
前記第2絶縁層に埋設され、通電によって発熱する発熱体(34)と、
前記検出ガス室内における、前記検出電極と前記第1絶縁層との積層方向(D)の第1隙間(351)に配置され、前記第1隙間を維持するための絶縁性の第1多孔質材(51)と、
前記基準ガス室内における、前記基準電極と前記第2絶縁層との前記積層方向の第2隙間(361)に配置され、前記第2隙間を維持するための絶縁性の第2多孔質材(52)と、を備え、
前記第2多孔質材は、前記積層方向における前記基準電極の側に配置された電極側多孔質層(521)と、前記積層方向における前記発熱体の側に配置された発熱体側多孔質層(522)とを形成しており、
前記電極側多孔質層の気孔率は、前記発熱体側多孔質層の気孔率よりも大きい、ガスセンサにある。
本発明のさらに他の態様は、ガス検出を行うためのセンサ素子(2)を備えるガスセンサ(1)であって、
前記センサ素子は、
検出ガス(G)が導入される検出ガス室(35)と、
基準ガス(A)が導入される基準ガス室(36)と、
前記検出ガス室と前記基準ガス室との間に配置され、前記検出ガス室に面する第1主面(301)と、前記基準ガス室に面する第2主面(302)とを有するとともに、イオン伝導性を有する板状の固体電解質層(31)と、
前記検出ガス室内に配置された状態で前記固体電解質層の前記第1主面に設けられた検出電極(311)と、
前記基準ガス室内に配置された状態で前記固体電解質層の前記第2主面に設けられた基準電極(312)と、
前記固体電解質層の前記第1主面に積層され、前記検出ガス室を形成する第1絶縁層(33A)と、
前記固体電解質層の前記第2主面に積層され、前記基準ガス室を形成する第2絶縁層(33B)と、
前記第2絶縁層に埋設され、通電によって発熱する発熱体(34)と、
前記検出ガス室内における、前記検出電極と前記第1絶縁層との積層方向(D)の第1隙間(351)に配置され、前記第1隙間を維持するための絶縁性の第1多孔質材(51)と、
前記基準ガス室内における、前記基準電極と前記第2絶縁層との前記積層方向の第2隙間(361)に配置され、前記第2隙間を維持するための絶縁性の第2多孔質材(52)と、を備え、
前記固体電解質層は、ランタンガレート系酸化物によって構成されており、
前記第1多孔質材及び前記第2多孔質材は、セリア系酸化物によって構成されている、ガスセンサにある。
具体的には、第1絶縁層と固体電解質層とに囲まれて形成された検出ガス室には第1多孔質材が配置され、第2絶縁層と固体電解質層とに囲まれて形成された基準ガス室には第2多孔質材が配置されている。第1多孔質材は、検出電極と第1絶縁層との積層方向の第1隙間に配置されており、第1隙間が変化しないように維持する。第2多孔質材は、基準電極と第2絶縁層との積層方向の第2隙間に配置されており、第2隙間が変化しないように維持する。
前記ガスセンサにおいては、検出ガス室及び基準ガス室にそれぞれ多孔質材を配置する際に、固体電解質層を介する検出電極と基準電極との間においてイオン伝導が行われる際の電極反応抵抗を小さくする工夫をしている。この電極反応抵抗を軽減するために、種々の態様を採用することができる。
<実施形態1>
本形態のガスセンサ1は、図1~図4に示すように、ガス検出を行うためのセンサ素子2を備える。センサ素子2は、セラミックスの焼結体として形成されており、検出ガス室35、基準ガス室36、固体電解質層31、検出電極311、基準電極312、第1絶縁層33A、第2絶縁層33B、拡散律速層32、発熱体34、第1多孔質材51及び第2多孔質材52を備える。検出ガス室35は、検出ガスGが導入される空間部として形成されている。基準ガス室36は、基準ガスAが導入される空間部として形成されている。
(内燃機関)
図1に示すように、本形態のガスセンサ1は、車両の内燃機関(エンジン)から排気される排ガスが流れる排気管に取り付けられる。ガスセンサ1は、排気管内を流れる排ガスを検出ガスGとするとともに、大気を基準ガスAとして、ガス検出を行うものである。本形態のガスセンサ1は、排ガスの組成から求められる内燃機関の空燃比を求める空燃比センサとして用いられる。以下に、ガスセンサ1によって求める内燃機関の空燃比のことを、排ガスの空燃比ということがある。
図3及び図4に示すように、センサ素子2は、固体電解質層31に、絶縁層33A,33B及び発熱体34が積層された積層タイプのものである。固体電解質層31は、ジルコニア系酸化物からなり、ジルコニアを主成分とし(50質量%以上含有し)、希土類金属元素又はアルカリ土類金属元素によってジルコニアの一部を置換させた安定化ジルコニア又は部分安定化ジルコニアからなる。固体電解質層31を構成するジルコニアの一部は、イットリア、スカンジア又はカルシアによって置換することができる。
図3及び図4に示すように、第1多孔質材51は、検出ガス室35内に充填されており、第2多孔質材52は、基準ガス室36内に充填されている。各多孔質材51,52は、固体電解質層31における各電極311,312の形成部位を各絶縁層33A,33Bに支持することができればよい。そのため、各多孔質材51,52は、各ガス室35,36内に完全に充填されている必要はない。
図1に示すように、ガスセンサ1は、センサ素子2等の他に、センサ素子2を保持する第1インシュレータ42、第1インシュレータ42を保持するハウジング41、第1インシュレータ42に連結された第2インシュレータ43、第2インシュレータ43に保持されてセンサ素子2に接触する接点端子44を備える。また、ガスセンサ1は、ハウジング41の先端側の部分に装着された先端側カバー45、ハウジング41の基端側の部分に装着されて第2インシュレータ43、接点端子44等を覆う基端側カバー46、接点端子44に繋がるリード線48を基端側カバー46に保持するためのブッシュ47等を備える。
センサ素子2の製造においては、固体電解質層31、各絶縁層33A,33B、拡散律速層32、発熱体34等を積層して積層体とし、この積層体を加熱して焼結する。検出電極311及び基準電極312は、白金、固体電解質、溶媒等を含有するペースト材料を固体電解質層31に印刷し、センサ素子2の積層体を焼結する際に、白金及び固体電解質が焼結されて形成される。第1多孔質材51及び第2多孔質材52は、前述した金属酸化物を含むペースト材料又はシート材料を各ガス室35,36に配置し、センサ素子2の積層体を焼結する際に、金属酸化物が焼結されて形成される。
本形態のガスセンサ1のセンサ素子2においては、検出ガス室35内に第1多孔質材51が充填されるとともに基準ガス室36内に第2多孔質材52が充填されている。そして、検出ガス室35と基準ガス室36との間に配置された固体電解質層31の部分は、各多孔質材51,52によって各絶縁層33A,33Bに支持される。また、各多孔質材51,52によって各電極311,312と各絶縁層33A,33Bとの積層方向Dの各隙間351,361が維持される。
本形態は、図6及び図7に示すように、基準ガス室36内に配置された第2多孔質材52を、積層方向Dに分かれた2層の多孔質層521,522から形成したガスセンサ1について示す。
本形態の第2多孔質材52は、積層方向Dにおける基準電極312の側に配置された電極側多孔質層521と、積層方向Dにおける発熱体34の側に配置された発熱体側多孔質層522との2層の多孔質層521,522からなる。そして、電極側多孔質層521の気孔率は、発熱体側多孔質層522の気孔率よりも大きい。
本確認試験においては、実施形態1に示したガスセンサ1のセンサ素子2について、検出ガス室35内の第1多孔質材51の気孔率と基準ガス室36内の第2多孔質材522の気孔率とを適宜変化させ、固体電解質層31の撓み、センサ素子2の完成率、センサ素子2における電極反応抵抗を確認した。また、検出ガス室35及び基準ガス室36の少なくとも一方に多孔質材51,52が配置されていない場合についても、同様に確認した。
本確認試験においては、実施形態2に示したガスセンサ1のセンサ素子2について、基準ガス室36内の電極側多孔質層521の気孔率と、基準ガス室36内の発熱体側多孔質層522の気孔率とを適宜変化させ、固体電解質層31の撓み、センサ素子2の完成率、センサ素子2における電極反応抵抗を確認した。また、検出ガス室35内の第1多孔質材51の気孔率は、0.7(70体積%)とした。
本確認試験においては、固体電解質層31及び各多孔質材51,52に用いる材料を変化させたときの、センサ素子2におけるオーミック抵抗(Ω)及び電極反応抵抗(Ω)を測定した。固体電解質層31は、イットリア安定化ジルコニア(YSZ)又はランタンガレート系酸化物(LSGM:La1-xSrxGa1-yMgyO3-δ(x=0.2,y=0.2,δ=0.2))とし、各多孔質材51,52は、アルミナ(AlO2)、イットリア安定化ジルコニア(YSZ)又はセリア系酸化物(GDC:Ce0.9Gd0.1O1.95)とした。
2 センサ素子
31 固体電解質層
311 検出電極
312 基準電極
33A,33B 絶縁層
34 発熱体
35 検出ガス室
36 基準ガス室
51,52 多孔質材
Claims (6)
- ガス検出を行うためのセンサ素子(2)を備えるガスセンサ(1)であって、
前記センサ素子は、
検出ガス(G)が導入される検出ガス室(35)と、
基準ガス(A)が導入される基準ガス室(36)と、
前記検出ガス室と前記基準ガス室との間に配置され、前記検出ガス室に面する第1主面(301)と、前記基準ガス室に面する第2主面(302)とを有するとともに、イオン伝導性を有する板状の固体電解質層(31)と、
前記検出ガス室内に配置された状態で前記固体電解質層の前記第1主面に設けられた検出電極(311)と、
前記基準ガス室内に配置された状態で前記固体電解質層の前記第2主面に設けられた基準電極(312)と、
前記固体電解質層の前記第1主面に積層され、前記検出ガス室を形成する第1絶縁層(33A)と、
前記固体電解質層の前記第2主面に積層され、前記基準ガス室を形成する第2絶縁層(33B)と、
前記第2絶縁層に埋設され、通電によって発熱する発熱体(34)と、
前記検出ガス室内における、前記検出電極と前記第1絶縁層との積層方向(D)の第1隙間(351)に配置され、前記第1隙間を維持するための絶縁性の第1多孔質材(51)と、
前記基準ガス室内における、前記基準電極と前記第2絶縁層との前記積層方向の第2隙間(361)に配置され、前記第2隙間を維持するための絶縁性の第2多孔質材(52)と、を備え、
前記第1多孔質材の気孔率は、前記第2多孔質材の気孔率よりも大きい、ガスセンサ。 - ガス検出を行うためのセンサ素子(2)を備えるガスセンサ(1)であって、
前記センサ素子は、
検出ガス(G)が導入される検出ガス室(35)と、
基準ガス(A)が導入される基準ガス室(36)と、
前記検出ガス室と前記基準ガス室との間に配置され、前記検出ガス室に面する第1主面(301)と、前記基準ガス室に面する第2主面(302)とを有するとともに、イオン伝導性を有する板状の固体電解質層(31)と、
前記検出ガス室内に配置された状態で前記固体電解質層の前記第1主面に設けられた検出電極(311)と、
前記基準ガス室内に配置された状態で前記固体電解質層の前記第2主面に設けられた基準電極(312)と、
前記固体電解質層の前記第1主面に積層され、前記検出ガス室を形成する第1絶縁層(33A)と、
前記固体電解質層の前記第2主面に積層され、前記基準ガス室を形成する第2絶縁層(33B)と、
前記第2絶縁層に埋設され、通電によって発熱する発熱体(34)と、
前記検出ガス室内における、前記検出電極と前記第1絶縁層との積層方向(D)の第1隙間(351)に配置され、前記第1隙間を維持するための絶縁性の第1多孔質材(51)と、
前記基準ガス室内における、前記基準電極と前記第2絶縁層との前記積層方向の第2隙間(361)に配置され、前記第2隙間を維持するための絶縁性の第2多孔質材(52)と、を備え、
前記第2多孔質材は、前記積層方向における前記基準電極の側に配置された電極側多孔質層(521)と、前記積層方向における前記発熱体の側に配置された発熱体側多孔質層(522)とを形成しており、
前記電極側多孔質層の気孔率は、前記発熱体側多孔質層の気孔率よりも大きい、ガスセンサ。 - ガス検出を行うためのセンサ素子(2)を備えるガスセンサ(1)であって、
前記センサ素子は、
検出ガス(G)が導入される検出ガス室(35)と、
基準ガス(A)が導入される基準ガス室(36)と、
前記検出ガス室と前記基準ガス室との間に配置され、前記検出ガス室に面する第1主面(301)と、前記基準ガス室に面する第2主面(302)とを有するとともに、イオン伝導性を有する板状の固体電解質層(31)と、
前記検出ガス室内に配置された状態で前記固体電解質層の前記第1主面に設けられた検出電極(311)と、
前記基準ガス室内に配置された状態で前記固体電解質層の前記第2主面に設けられた基準電極(312)と、
前記固体電解質層の前記第1主面に積層され、前記検出ガス室を形成する第1絶縁層(33A)と、
前記固体電解質層の前記第2主面に積層され、前記基準ガス室を形成する第2絶縁層(33B)と、
前記第2絶縁層に埋設され、通電によって発熱する発熱体(34)と、
前記検出ガス室内における、前記検出電極と前記第1絶縁層との積層方向(D)の第1隙間(351)に配置され、前記第1隙間を維持するための絶縁性の第1多孔質材(51)と、
前記基準ガス室内における、前記基準電極と前記第2絶縁層との前記積層方向の第2隙間(361)に配置され、前記第2隙間を維持するための絶縁性の第2多孔質材(52)と、を備え、
前記固体電解質層は、ランタンガレート系酸化物によって構成されており、
前記第1多孔質材及び前記第2多孔質材は、セリア系酸化物によって構成されている、ガスセンサ。 - 前記第1多孔質材は、前記検出ガス室内に充填されており、
前記第2多孔質材は、前記基準ガス室内に充填されている、請求項1~3のいずれか1項に記載のガスセンサ。 - 前記第2隙間は、前記第1隙間よりも大きい、請求項1~4のいずれか1項に記載のガスセンサ。
- 前記固体電解質層は、ジルコニア系酸化物によって構成されており、
前記第1多孔質材及び前記第2多孔質材は、セリア系酸化物及びジルコニア系酸化物の少なくとも1種によって構成されている、請求項1又は2に記載のガスセンサ。
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