JP4430591B2 - ガスセンサ素子及びガスセンサ - Google Patents

Description

本発明は、測定対象ガス中の特定ガス成分の濃度を検出するためのガスセンサ素子及びガスセンサに関する。

従来から、例えば自動車から排出される排気ガス等の被測定ガス中の特定ガス成分の濃度を検出するガスセンサが知られている。このようなガスセンサでは、被測定ガス中の特定ガス成分の濃度に応じて電気的特性が変化するガスセンサ素子を用いている。このガスセンサ素子は、例えば、ジルコニアを主体とする固体電解質体を具備しており、１又は複数の固体電解質体と、電極、絶縁層、ヒータ等を積層し、全体として板状の外径を有するよう構成したものが知られている。なお、ヒータは、例えば、アルミナを主体としたセラミック層（絶縁層）と発熱抵抗体等を積層した構造とされている。

上記のようなガスセンサ素子では、板状の長手方向における一方の端部（先端部）が被測定ガスに晒される検知部とされ、他端側（後端側）が主体金具に固定される固定部とされている。このため、板状に形成された固体電解質体の先端側の両面に、基準電極部及び検知電極部等が設けられ、これらの電極部を引き出すためのリード部（基準リード部及び検知リード部）が、固体電解質体の長手方向に沿って形成された構造とすることが知られている（例えば、特許文献１参照。）。

また、このようなガスセンサ素子において、検知電極部の面積を基準電極部の面積の１．２５倍以上とすることにより、ライトオフタイム（電源の供給を開始してからセンサが活性するまでの時間）を短くできるようにすることも知られている（例えば、特許文献２参照。）。
特開２００３−２９４６８７号公報 特開２００２−２０２２８０号公報

しかしながら、上記のようなガスセンサ素子では、製造工程における公差等により、固体電解質体の表裏に形成される一対の電極部（基準電極部と検知電極部と）が互いに僅かに位置ずれした状態で形成される場合がある。そして、このように基準電極部と検知電極部とが位置ずれした状態で形成されると、特定ガスの検出に寄与する電極部の有効面積（電極部が対向する部位の面積）がガスセンサ毎に変わるため、ガスセンサとしての性能にばらつきが生じるという問題があった。

本発明は、上記課題を解決するためになされたものである。本発明は、ガスセンサ毎の電極の有効面積を一定に維持することができ、性能の均一化を図ることのできるガスセンサ素子及びガスセンサを提供することを目的とする。

本発明のガスセンサ素子は、板状に形成され、被測定ガス中の特定ガスの濃度に応じて電気的特性が変化する固体電解質体と、前記固体電解質体の一方の面と他方の面に形成され、該固体電解質体を介して対向し、当該固体電解質体と共に検知部を構成する一対の電極本体部であって、一方が前記被測定ガスに晒される検知電極部、他方が基準電極部である一対の電極本体部と、前記固体電解質体の一方の面若しくは他方の面のうち、少なくとも前記基準電極部と前記固体電解質体との間に設けられ、当該電極本体部の外縁から延出した絶縁層とを具備し、前記絶縁層を前記電極本体部の対向方向に投影したときに、該電極本体部の対応する位置に当該電極本体部より小さい開口部が設けられていることを特徴とする。

上記構成の本発明のガスセンサ素子では、固体電解質体の一方の面若しくは他方の面のうち、少なくとも前記基準電極部と前記固体電解質体との間に電極本体部の外縁から延出した絶縁層が設けられ、この絶縁層を電極本体部の対向方向に投影したときに、該電極本体部の対向する位置に電極本体部より小さな開口部を有している。これにより、この絶縁層で、電極の有効面積を開口部の面積に制限することができる。例えば、一方の電極本体部側に絶縁層を設けた場合、一方の電極本体部と反対面側の他方の電極本体部とに位置ずれが生じても、有効面積は一方側に設けられた絶縁層の開口部の面積となる。つまり、ガスセンサ毎に一対の電極本体部に位置ずれが生じたとしてもこれらの電極間における有効面積を一定にすることが可能となる。このように、絶縁層を設けることによって、電極の有効面積を一定にすることができ、ガスセンサ毎の性能のばらつきを少なくすることができる。特に、前記一対の電極本体部のうち、一方が前記被測定ガスに晒される検知電極部、他方が基準電極部であり、前記絶縁層は前記基準電極部と前記固体電解質体との間に設けられている。検知電極部は被測定ガスに晒されるため劣化の進行が基準電極部に対して早い。そこで、検知電極部に絶縁層を設けるよりも、基準電極部に絶縁層を設けることで、被測定ガスに晒される検知電極部の面積が大きくなり、劣化の影響を軽減することができる。

なお、絶縁層は一対の電極本体部側のうち、一方の電極本体部側に設けても良いし、両方の電極本体部側に設けても良い。また、絶縁層を両方の電極本体部側に設ける場合、それぞれの開口部の大きさ（面積）は同一の大きさであっても良いし、開口部の位置ずれを考慮して一方の開口部の大きさと他方の開口部の大きさとが異なっていても良い。さらに、開口部の大きさは、電極本体部よりも小さい所定の大きさであれば良いが、製造工程での公差等を考慮して小さくする一方、少なくとも特定ガスの検出ができる大きさを必要とすることは言うまでもない。

前記電極本体部には、前記固体電解質体の長手方向に延び、該電極本体部から信号を取り出す電極リード部が接続されてなり、前記絶縁層は、前記電極リード部と前記固体電解質体との間にまで延在していることが好ましい。一方の電極本体部と反対側の電極本体部に位置ずれが生じた場合、電極本体部に接続する電極リード部と重なり部分が生じてしまい有効面積が変わり、ガスセンサとしての性能にばらつきが生じてしまうことがある。また、電極リード部同士でも電気的なリークが発生し、更にガスセンサの性能がばらつくことがある。そこで、電極リード部と固体電解質体との間に絶縁層を設けることで、電極リード部による有効面積の変化が抑制でき、更には、電極リード部同士の電気的なリークも防止でき、ガスセンサとしての性能のばらつきを抑えることができる。また、電極本体部から延在することで、電極本体部に形成する絶縁層と同時に作成することができる。

また、前記基準電極部は、多孔質体から構成されると共に、該基準電極部は前記固体電解質体及び遮蔽体に覆われてなり、当該基準電極部側に酸素が汲み込まれ、その汲み込まれた酸素により自身の内部に所定レベルの基準酸素濃度が形成される自己生成型基準電極とされているガスセンサ素子に、本発明を適用することができる。この場合、絶縁層を設けて有効面積を減少させることにより、絶縁層を設けない場合に比べて基準酸素濃度が形成されるまでの時間を短縮することができ、ライトオフタイムを短縮することができる。また、電極の有効面積を一定とすることにより、ライトオフタイムのばらつきも少なくすることができる。

また、上記構成のガスセンサ素子を、主体金具に組み込んでガスセンサを構成することにより、電極の有効面積を一定にすることができ、性能のばらつきの少ないガスセンサを得ることができる。

本発明のガスセンサ素子及びガスセンサによれば、ガスセンサ毎の電極の有効面積を一定に維持することができ、性能の均一化を図ることができる。

以下、本発明の実施形態に係る積層型のガスセンサ素子１００を、図面を参照して説明する。図１は、全体形状が板状とされたガスセンサ素子１００の構造を示す分解斜視図であり、ガスセンサ素子１００は、ガスセンサ素子本体１と、ヒータ２を積層させて構成されている。

上記ガスセンサ素子本体１は、例えば、安定化剤としてイットリア（Ｙ_２Ｏ_３）あるいはカルシア（ＣａＯ）を添加したジルコニア（ＺｒＯ_２）系焼結体やＬａＧａＯ_３系焼結体等から構成された酸素濃淡電池用の固体電解質体１１を備えている。本実施形態では、イットリアを安定化剤として添加したジルコニアにアルミナが１０〜８０質量％含有された固体電解質体１１が構成されている。

上記固体電解質体１１のヒータ２と面する側には、多孔質体からなる基準電極１３が形成されている。また、固体電解質体１１の基準電極１３と反対側に位置する面には、同様に多孔質体からなる検知電極１４が形成されている。基準電極１３及び検知電極１４は、固体電解質体１１と共に検知部１０１（図３参照）を構成する基準電極部１３２と検知電極部１４２とが対向するように設けられ、さらに基準電極部１３２及び検知電極部１４２から、固体電解質体１１の長手方向に沿って基準電極リード部１３１及び検知電極リード部１４１がそれぞれ延設されている。これらの基準電極部１３２、検知電極部１４２、基準電極リード部１３１、検知電極リード部１４１は、例えばＰｔ等から構成されている。

上記固体電解質体１１と基準電極１３との間には、絶縁層１５が設けられている。この絶縁層１５は、基準電極部１３２の外縁から延出しており（固体電解質体１１と略同等の大きさ）、図２にも示すように、基準電極部１３２に対応する位置に、基準電極部１３２より小さな開口部１５１が設けられている。

上記のように、絶縁層１５を設けることによって、基準電極部１３２の有効面積を、開口部１５１の面積に制限する。これによって、例えば、基準電極部１３２と反対面側の検知電極部１４２とに位置ずれが生じても、これらの電極間における有効面積を一定にすることが可能となる。基準電極部１３２と開口部１５１の大きさの関係は、基準電極部１３２と検知電極部１４２との位置ずれが最大になった場合であっても、開口部１５１が基準電極部１３２及び検知電極部１４２から外れることのない大きさとすればよい。なお、通常の場合、印刷する際の上記の位置ずれ量は、０．２ｍｍ〜０．３ｍｍ程度であるので、基準電極部１３２の外形に対して、開口部の大きさを例えば、縦、横とも数ミリ程度小さくすれば、上記の条件を満たすためには十分である。

このように、絶縁層１５を設けることによって、電極本体部の有効面積を一定にすることができ、性能のばらつきを少なくすることができる。すなわち、電極本体部の有効面積を一定にすることによって、出力が一定になり、また、電極本体部間の抵抗が一定になるため抵抗に基づいて温度制御した際の温度の制御精度も向上できる。

又、絶縁層１５は、基準電極部１３２の有効部分の面積を削減することによって、ライトオフタイムを短縮する作用もある。すなわち、自己生成型の場合、基準電極部１３２と検知電極部１４２との間に、基準電極部１３２側に酸素が汲み込まれる方向にポンピング電流が印加され、その汲み込まれた酸素により基準電極部１３２の内部に所定レベルの基準酸素濃度が形成される。上記絶縁層１５を設けることによって、この基準酸素濃度が形成されるまでの時間を短縮することができ、ライトオフタイムを短縮することができる。また、ライトオフタイムのばらつきも少なくすることができる

なお、上記のように絶縁層１５を設けずに、例えば、基準電極部１３２の大きさを検知電極部１４２より小さくした場合、位置ずれによる基準電極部１３２と検知電極部１４２との重なり部分の面積の変動は防止できるが、リード部分と電極との重なり部分の影響が出てしまい、有効面積を一定にすることはできない。

本実施形態では、絶縁層１５は、固体電解質体１１と基準電極リード部１３１との間にも介在するように設けられており、基準電極リード部１３１の部分における電気的なリークの発生を防止するようになっている。すなわち、絶縁層１５は、基準電極部１３２の周縁部分と基準電極リード部１３１の部分とを覆うように一体に形成されている。

検知電極リード部１４１の末端は、後述する保護層１２を貫通するスルーホール１２４を介して、外部端子と接続されるための信号取出し用端子１２６と接続される。また、基準電極リード部１３１の末端は、固体電解質体１１及び絶縁層１５を貫通するスルーホール１１０，１５２及び保護層１２を貫通するスルーホール１２３を介して、外部端子と接続されるための信号取出し用端子１２６と接続される。

また、保護層１２は、検知電極部１４２の表面上形成され検知電極部１４２自身を被毒から防護するための多孔質状の電極保護層１２２と、検知電極リード部１４１の表面上に形成され固体電解質体１１を保護するための強化保護層１２１とを具備している。

一方、ヒータ２は、抵抗発熱体２１を備え、この抵抗発熱体２１は、絶縁性に優れるセラミック焼結体から構成される第１基層２２及び第２基層２３に挟持されている。この抵抗発熱体２１は、蛇行状に形成される発熱部２１２と、この発熱部２１２の端部とそれぞれ接続され、長手方向に沿って延びる一対のヒータリード部２１３とを有している。また、このヒータリード部２１３の発熱部２１２と接続される側とは反対側の端部は、第２基層２３を貫通する２つのスルーホール２３１を介して、外部回路接続用の外部端子と接続される一対のヒータ通電端子２３２とそれぞれ電気的に接続されている。

上記第１基層２２及び第２基層２３は、セラミック焼結体であれば特に限定されず、このセラミックとしては、例えば、アルミナ、スピネル、ムライト、ジルコニア等を使用することができる。これらのうちの１種のみを用いることもでき、また２種以上を併用することもできる。

抵抗発熱体２１としては、貴金属、タングステン、モリブデン等を使用することができる。貴金属としては、Ｐｔ、Ａｕ、Ａｇ、Ｐｄ、Ｉｒ、Ｒｕ、Ｒｈ等が挙げられ、これらのうちの１種のみを使用しても良いし、２種以上を併用しても良い。なお、抵抗発熱体２１は、耐熱性、耐酸化性等を考慮して貴金属を主体に構成することが好ましく、Ｐｔを主体に構成することがより好ましい。また、この抵抗体発熱体２１には、主体となる貴金属にセラミック成分を含有させると良い。このセラミック成分は、抵抗発熱体２１が埋設されることになるセラミック製の第１基層２２及び第２基層２３の主体となる成分と同成分を含有することが、固着強度の観点から好ましい。

また、抵抗発熱体２１において、発熱部２１２は通電により発熱する部位であり、リード部２１３は、外部から供給される直流電圧をこの発熱部２１２まで通電し自身はほとんど発熱しない部位である。これら発熱部２１２及びリード部２１３の形状は各々特に限定されないが、例えば、発熱部２１２をリード部２１３より幅細とし、リード部２１３より密なパターンとなるように蛇行させた形状を採用することができる。

そして、このようにガスセンサ素子本体１とヒータ２を積層して構成されるガスセンサ素子１００のうちで測定対象ガスに晒される先端側の部分には、周囲の全周に亘って、多孔質保護層（図示せず）が形成される。

図３は、上述したガスセンサ素子１００が組み込まれたガスセンサであり、具体的には内燃機関の排気管に取り付けられ、排ガス中の酸素濃度の測定に使用されるガスセンサ６００の一例を示した全体断面図である。

図３に示す主体金具３０は、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。また、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、この金具側段部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。そしてこの金属ホルダ３４の内側にはガスセンサ素子１００を所定位置に配置するセラミックホルダ３５、滑石３６が先端側から順に配置されている。

この滑石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とからなる。そして第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。このスリーブ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３９１が設けられ、内部にガスセンサ素子１００を挿通している。そして、主体金具３０の後端側の加締め部３０１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。

また、主体金具３０の先端側外周には、主体金具３０の先端から突出するガスセンサ素子１００の先端部を覆うと共に、複数のガス取り入れ孔２４１を有する金属製のプロテクタ２４が溶接により取り付けられている。このプロテクタ２４は、二重構造をなしており、外側には一様な外径を有する有底円筒状の外側プロテクタ４１、内側には後端部４２１の外径が先端部４２２の外径よりも大きく形成された有底円筒状の内側プロテクタ４２が配置されている。

一方、主体金具３０の後端側には、外筒２５の先端側が挿入されている。この外筒２５は、先端側の拡径した先端部２５１を主体金具３０にレーザ溶接等により固定されている。外筒２５の後端側内部には、セパレータ５０が配置され、セパレータ５０と外筒２５の隙間に保持部材５１が介在している。この保持部材５１は、後述するセパレータ５０の突出部５０１に係合し、外筒２５を加締めることにより外筒２５とセパレータ５０とにより固定されている。

また、セパレータ５０には、ガスセンサ素子１００のリード線１１１〜１１４を挿入するための通孔５０２が先端側から後端側にかけて貫設されている（なお、リード線１１４は図示せず。）。通孔５０２内には、リード線１１１〜１１４とガスセンサ素子１００の外部端子とを接続する接続端子１１６が収容されている。各リード線１１１〜１１４は、外部において、図示しないコネクタに接続されるようになっている。このコネクタを介してＥＣＵ等の外部機器と各リード線１１１〜１１４とは電気信号の入出力が行われることになる。また、各リード線１１１〜１１４は詳細に図示しないが、導線を樹脂からなる絶縁皮膜にて被覆した構造を有している。

さらに、セパレータ５０の後端側には、外筒２５の後端側の開口部２５２を閉塞するための略円柱状のゴムキャップ５２が配置されている。このゴムキャップ５２は、外筒２５の後端内に装着された状態で、外筒２５の外周を径方向内側に向かって加締めることにより、外筒２５に固着されている。ゴムキャップ５２にも、リード線１１１〜１１４を挿入するための通孔５２１が先端側から後端側にかけて貫設されている。

以上のように構成されたガスセンサ素子１００が組み込まれたガスセンサ６００によれば、電極本体部の有効面積を一定にすることができ、性能のばらつきを少なくすることができる。すなわち、電極本体部の有効面積を一定にすることによって、出力が一定になる。また、電極本体部間の抵抗が一定になるため抵抗に基づいて温度制御した際の温度の制御精度も向上できる。さらに、ライトオフタイムを短縮することができる。また、ライトオフタイムのばらつきも少なくすることができる。

図４は、他の実施形態に係るガスセンサ素子４００の構成を示すもので、図１に示した前述のガスセンサ素子１００と対応する部分には、同一符号を付して重複した説明は省略する。本実施形態のガスセンサ素子４００は、ヒータ２と、ガスセンサ素子本体３とを積層して構成されている。

ガスセンサ素子本体３は、酸素濃度検出セル１３０と酸素ポンプセル１４０とを備える。酸素濃度検出セル１３０と酸素ポンプセル１４０との間には、ガス検出室形成層１６０が設けられ、酸素ポンプセル１４０の外側（図中上側）に、保護層１２が設けられている。

酸素濃度検出セル１３０は、固体電解質体１１と、その固体電解質体１１の両面に形成された基準電極１３及び検知電極１４とを具備し、固体電解質体１１と基準電極１３との間には、前述したと同様な絶縁層１５が形成されている。

一方、酸素ポンプセル１４０は、第２固体電解質体１８１と、その第２固体電解質体１８１の両面に形成された第３電極１７０、第４電極１９０とから構成されている。第３電極１７０及び第４電極１９０は、第２固体電解質体１８１と共に検知部（図示せず。）を構成する第３電極部１７２と第４電極部１９２とが対向するように設けられている。第３電極部１７２には、第２固体電解質体１８１の長手方向に延びる第３リード部１７１が設けられている。また、第４電極部１９２には、第２固体電解質体１８１の長手方向に延びる第４リード部１９１が設けられている。

上記酸素ポンプセル１４０と酸素濃度検出セル１３０との間に形成されたガス検出室形成層１６０は、絶縁部１６１と拡散律速部１６３とからなる。このガス検出室形成層１６０の絶縁部１６１には、検知電極部１４２及び第３電極部１７２に対応する位置にガス検出室１６２が形成されている。このガス検出室１６２は、ガス検出室形成層１６０の幅方向で外部と連通しており、該連通部には、外部とガス検出室１６２との間のガス拡散を所定の律速条件下で実現する拡散律速部１６３が配置されている。

絶縁部１６１は、絶縁性を有するセラミック焼結体であれば特に限定されなく、例えば、アルミナやムライト等の酸化物系セラミックを挙げることができる。拡散律速部１６３は、アルミナからなる多孔質体である。この拡散律速部１６３によって検出ガスがガス検出室１６２へ流入する際の律速が行われる。

なお、基準電極リード部１３１の末端は、固体電解質体１１及び絶縁層１５に設けられたスルーホール１１０，１５２、絶縁層１６０に設けられたスルーホール１６４、第２固体電解質体１８１に設けられたスルーホール１８２及び保護層１２に設けられたスルーホール１２３を介して３個設けられた信号取出し用端子１２６のうちの１つと電気的に接続されている。検知電極リード部１４１の末端は、絶縁層１６０に設けられたスルーホール１６５、第２固体電解質体１８１に設けられたスルーホール１８３及び保護層１２に設けられたスルーホール１２４を介して信号取出し用端子１２６のうちの１つと電気的に接続されている。

また、第３リード部１７１の末端は、第２固体電解質体１８１に設けられたスルーホール１８３及び保護層１２に設けられたスルーホール１２４を介して１つの信号取出し用端子１２６と電気的に接続されている。第４リード部１９１の末端は、保護層１２に設けられたスルーホール１２５を介して１つの信号取出し用端子１２６と電気的に接続されている。なお、検知電極リード部１４１と第３リード部１７１は、スルーホール１６５を介して同電位となっている。

以上のように、酸素ポンプセル１４０と酸素濃度検出セル１３０とを備えたガスセンサ素子４００では、酸素ポンプセル１４０の酸素ポンプ作用により、ガス検出室１６２内の被測定ガス中に含まれる酸素を導入及び導出でき、酸素濃度検出セル１３０の濃淡電池作用により酸素濃度を測定できるようになっており、空燃比センサ等として用いることができる。このようなガスセンサ素子４００についても、前述したガスセンサ素子１００の場合と同様にして、本発明を適用することができ、同様な効果を得ることができる。

以上において、本発明を実施形態に即して説明したが、本発明は上記実施形態等に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で、適宜変更して適用できることは言うまでもない。例えば、酸素センサ、空燃比センサ以外のガスセンサ、例えばＨＣセンサ、ＣＯセンサ、ＮＯｘセンサに使用する積層型ガスセンサ素子に対しても、上記と同様にして適用することができる。

本発明の実施形態に係るガスセンサ素子の構成を模式的に示す分解斜視図。 図１のガスセンサ素子の要部構成を拡大して示す図。 本発明の実施形態に係るガスセンサの構成を示す断面図。 本発明の他の実施形態に係るガスセンサ素子の構成を模式的に示す分解斜視図。

符号の説明

１……ガスセンサ素子本体、２……ヒータ、１１……固体電解質体、１３……基準電極、１４……検知電極、１５……絶縁層、１００……ガスセンサ素子、１５１……開口部。

Claims (4)

1. 板状に形成され、被測定ガス中の特定ガスの濃度に応じて電気的特性が変化する固体電解質体と、
   前記固体電解質体の一方の面と他方の面に形成され、該固体電解質体を介して対向し、当該固体電解質体と共に検知部を構成する一対の電極本体部であって、一方が前記被測定ガスに晒される検知電極部、他方が基準電極部である一対の電極本体部と、
   前記固体電解質体の一方の面若しくは他方の面のうち、少なくとも前記基準電極部と前記固体電解質体との間に設けられ、当該電極本体部の外縁から延出した絶縁層とを具備し、
   前記絶縁層を前記電極本体部の対向方向に投影したときに、該電極本体部の対応する位置に当該電極本体部より小さい開口部が設けられていることを特徴とするガスセンサ素子。
2. 前記電極本体部には、前記固体電解質体の長手方向に延び、該電極本体部から信号を取り出す電極リード部が接続されており、前記絶縁層は、前記電極リード部と前記固体電解質体との間にまで延在していることを特徴とする請求項１記載のガスセンサ素子。
3. 前記基準電極部は、多孔質体から構成されると共に、該基準電極部は前記固体電解質体及び遮蔽体に覆われてなり、当該基準電極部側に酸素が汲み込まれ、その汲み込まれた酸素により自身の内部に所定レベルの基準酸素濃度が形成される自己生成型基準電極とされていることを特徴とする請求項１又は２記載のガスセンサ素子。
4. 請求項１〜３いずれか１項記載のガスセンサ素子を、主体金具に組み込んだことを特徴とするガスセンサ。

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