JP4223471B2 - ガスセンサ素子 - Google Patents

Description

本発明は、例えば自動車の排気ガス中の酸素濃度やＮＯｘ濃度、空燃比等、被測定ガス中の所定のガス濃度を検出するためのガスセンサ素子に関する。

従来から、例えば自動車の排気ガス中の酸素濃度やＮＯｘ濃度、空燃比等、被測定ガス中の所定のガスの濃度を検出するための各種のガスセンサ素子が知られている。

例えば、ＮＯｘ濃度を測定するためのＮＯｘセンサ素子として次のようなガスセンサ素子が知られている。すなわち、このＮＯｘセンサ素子は、第１拡散抵抗を介して被測定ガスが導入される第１測定室と、この第１測定室に第２拡散抵抗を介して連通する第２測定室を有している。また、第１測定室に面するように第１酸素ポンプセル及び酸素濃度検知セルが形成され、第２測定室に面するように第２酸素ポンプセルが形成されている。上記の各測定室は、間隔を設けて積層配置された２つの板状の固体電解質体と、これら固体電解質体に挟まれ測定室の側壁を形成する絶縁部材からなる側壁部とによって形成されている。そして、これらの測定室内に位置するように固体電解質体には酸素ポンプセル等を構成する電極が形成されている（例えば、特許文献１参照。）。
特開２００４−１５１０１８号公報

このようなガスセンサ素子においては、固体電解質体にクラックが発生してガスセンサ素子の機能が損なわれる場合がある。このようなクラックの発生について本発明者等が詳査したところ、次のような原因でクラックが発生する場合があることが判明した。

すなわち、固体電解質体となる未焼成固体電解質シートに、電極となる未焼成電極、測定室の側壁となる未焼成側壁シート等を印刷及び積層し、積層体を形成した後、脱脂工程において加熱した際等に、積層体を構成する未焼成固体電解質シートに生切れが発生する。そして、このように生切れが発生すると、生切れが発生した部位が熱衝撃下においてクラック起点となり、焼成後の固体電解質体にクラックが発生する。なお、後述する図５に示されように、このような生切れ３０は、特に測定室の周縁部で絶縁部材（側壁部）との接触部分周辺において発生する。

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、未焼成固体電解質シートに生切れが発生することを防止して、生切れに起因する固体電解質体のクラックの発生を防止することができ、従来に比べて信頼性の向上を図ることのできるガスセンサ素子を提供することを目的とする。

（請求項１）
上記目的を達成するために本発明のガスセンサ素子は、２つの固体電解質体の間に側壁部を形成する絶縁体が介在することにより、前記２つの固体電解質体の間に被測定ガスを導入する測定室が形成され、かつ、前記２つの固体電解質体のうちの少くとも一方の固体電解質体の表面に、前記測定室に面するように電極が形成されたガスセンサ素子であって、前記電極の端部のうちの少くともと一部が、前記絶縁体と重なるように配置され、前記電極のうちの前記絶縁体と重なるように配置されている部分の少くとも一部は、自身の厚さ方向両面が前記絶縁体によって挟まれるように構成されていることを特徴とする。

電極の端部が側壁部を構成する絶縁体と重なっていないと、ガスセンサ素子となる積層体を加熱した際に、未焼成電極は自由に収縮でき、一方未焼成固体電解質シートは側壁部によって収縮を抑制される。このため、未焼成固体電解質シートが未焼成電極の収縮によって引っ張られて、生切れが発生する。本発明のガスセンサ素子では、固体電解質体となる未焼成固体電解質シートを脱脂工程において加熱した際等に、この未焼成固体電解質シートと電極となる未焼成電極とが、側壁部（絶縁体）によって共に収縮を抑制され、未焼成固体電解質シートに生切れが発生することを防止することができる。また、電極のうちの前記絶縁体と重なるように配置されている部分の少くとも一部は、自身の厚さ方向両面が前記絶縁体によって挟まれるように構成されているので絶縁体と固体電解質体との接着代を確保することができる。

（請求項２）
また、本発明のガスセンサ素子は、前記電極が四角形状に形成され、対向する２辺が、前記絶縁体と重なるように配置されていることを特徴とする。このように、四角形状の電極の対向する２辺において、加熱時の収縮を抑制することにより、より確実に未焼成固体電解質シートに生切れが発生することを防止することができる。

（請求項３）
また、本発明のガスセンサ素子は、前記絶縁体の一部に、前記一方の固体電解質体と前記電極との間に介在するように前記測定室内部に向かって突出する突出部が形成されていることを特徴とする。このような構成とすることにより、測定室の容積減少を抑制しつつ絶縁体と固体電解質体との接着代を確保することができる。

（請求項４，５）
また、本発明のガスセンサ素子は、第１拡散抵抗体を介して被測定ガスを導入する第１測定室と、前記第１測定室内から外部に被測定ガス中の酸素を汲み出す、又は、外部から前記第１測定室内に酸素を汲み入れる第１酸素ポンプセルと、前記第１測定室内の被測定ガス中の酸素濃度を検出する酸素分圧検知セルと、前記第１測定室に第２拡散抵抗体を介して接続された第２測定室と、前記第２測定室内の被測定ガス中の窒素酸化物が分解して発生した酸素の移動を検出してＮＯｘ濃度を検出する第２酸素ポンプセルと、を具備したことを特徴とする。また、このようなガスセンサ素子において、前記電極は、前記酸素分圧検知セルを構成するために前記第１測定室内に配置されていることを特徴とする。本発明のガスセンサ素子は、かかる構成のＮＯｘセンサ素子に適用することができ、未焼成固体電解質シートに生切れが発生することを防止して、生切れに起因する固体電解質体のクラックの発生を防止することができる。

本発明によれば、未焼成固体電解質シートに生切れが発生することを防止して、生切れに起因する固体電解質体のクラックの発生を防止することができ、従来に比べて信頼性の向上を図ることのできるガスセンサ素子を提供することができる。

以下、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。図１は、本発明の一実施形態に係るＮＯｘセンサ素子の要部概略構成を示す断面図である。図１に示すように、ＮＯｘセンサ素子は、互いに積層配置された第１酸素ポンプセル１、第２酸素ポンプセル２及び酸素分圧検知セル３を具備している。また、このＮＯｘセンサ素子に隣接して、ＮＯｘセンサ素子を所定の作動温度に加熱するためのヒータ４が設けられている。

第１酸素ポンプセル１と酸素分圧検知セル３の間には、第１測定室５が形成されている。この第１測定室５には、第１拡散孔７を介して、被測定ガスが導入される。第１測定室５は、第２拡散孔８を通じて、第２測定室６と連通している。

第１酸素ポンプセル１は、ジルコニアのような酸素イオン伝導性を有する板状の固体電解質体１７と、固体電解質体１７上に形成された一対の電極９，１０から構成されている。電極１０は第１測定室５内に位置するよう配置され、電極９は第１測定室５の外部に位置するように配置されている。第１酸素ポンプセル１では、電極１０上で第１測定室５内の酸素等が解離され生成された酸素イオンが固体電解質体１７を通って電極９側に汲み出される。このとき固体電解質体１７を通じて流れる電流が第１酸素ポンプ電流Ｉｐ１である。

第２酸素ポンプセル２は、ジルコニアのような酸素イオン伝導性を有する板状の固体電解質体１８と、固体電解質体１８上に形成された一対の電極１３，１４から構成されている。電極１３は第２測定室６内に位置するように配置されている。電極１４は第２測定室６外に位置するように配置されると共に酸素濃度が安定した雰囲気に晒されている。電極１３上で第２測定室６内のＮＯｘ等が解離され生成された酸素イオンが固体電解質体１８を通って電極１４側に汲み出される。このとき固体電解質体１８を通じて流れる電流が第２酸素ポンプ電流Ｉｐ２である。

酸素分圧検知セル３は、ジルコニアのような酸素イオン伝導性を有する板状の固体電解質体１９と、固体電解質体１９上に形成された一対の電極１１，１２から構成されている。電極１１は第１測定室５内に位置するように配置されている。酸素分圧検知セル３を通じて電極１１，１２間に一定に制御された電流Ｉcpを流すことにより、酸素分圧検知セル３を通じて電極１２側に汲み込まれる酸素イオン量は一定となる。これによって、電極１２は酸素濃度が安定した雰囲気に晒された状態となる。したがって、電極１１と電極１２の間に発生する電位差に基づいて、第１測定室５内の酸素濃度、すなわち、被測定ガス中の酸素濃度を検出することができる。

また、図１において、２０は第１酸素ポンプセル制御手段、２１は酸素分圧検知セル制御手段、２２は第２酸素ポンプセル制御手段である。酸素分圧セル制御手段２１は、酸素分圧検知セル３に現れる第１測定室５内の酸素濃度を検出すると共に、第１測定室５外に設けられた電極１２上の酸素濃度を制御する。第１酸素ポンプセル制御手段２０は、酸素分圧検知セル３の検出出力に基づいて第１酸素ポンプ電流Ｉｐ１を制御することにより、第１測定室５内の酸素濃度を可及的に一定に制御する。第２酸素ポンプセル制御手段２２は、第２酸素ポンプセル２に可及的に一定な所定の電圧を印加することにより、ＮＯｘ濃度に応じた第２酸素ポンプ電流Ｉｐ２が流れるように第２酸素ポンプセル２を制御する。なお、第１酸素ポンプ電流Ｉｐ１は、抵抗１２０から取り出すことができ、第２酸素ポンプ電流Ｉｐ２は、抵抗１２２から取り出すことができる。

上記構成のＮＯｘセンサ素子において、酸素分圧検知セル３を構成する電極１１は、図２に示すように、第１測定室５内に矩形状に形成されている。そして、電極１１の両側端部（図中上下方向端部）１１１は、第１測定室５の側壁部を形成するアルミナ等からなる絶縁性セラミック１５の部分にまで延在し、絶縁性セラミック１５と重なる（ラップする）ように配置されている。なお、図２において１６は、第１測定室５の内部を所定間隔に保持するための柱の役割を果たす柱状の多孔質体であり、１１２は、電極１１からＮＯｘセンサ素子の基端側（図中右側）に導出されたリード部である。

図３は、図２のＡ−Ａ断面の構成を拡大して示すものである。同図に示すように、第１測定室５の側壁部を形成する絶縁性セラミック１５の内側端部には、電極１１と固体電解質体１９との間に介在するように第１測定室５内部に向かって突出する突出部１５１が形成されている。そして、電極１１の端部１１１は、突出部１５１の上に配置されると共に、端部１１１の一部が絶縁性セラミック１５内に埋設されるように、つまり、その両面が絶縁性セラミック１５によって挟まれるように配置されている。このような構成とすることにより、ＮＯｘセンサ素子の積層方向から見たときの電極１１と絶縁性セラミック１５の重なり部分の面積（ラップ量）を増大させることができ、かつ、絶縁性セラミック１５と固体電解質体１９との接着代及び第１測定室５の容積を確保することができる。

すなわち、単に電極１１の端部を、固体電解質体１９と絶縁性セラミック１５との間に延在させると、固体電解質体１９と絶縁性セラミック１５との接着代が減少し、これらの接着性に問題が生じる可能性がある。また、単に絶縁性セラミック１５側を電極１１の端部と重なるように延在させると第１測定室５の容積が減少してしまう。このような問題を解消しつつ、ラップ量を増大させるために、図３に示した構成を採用している。

上記のような構成とすることにより、未焼成の段階で脱脂工程等で加熱した際に、固体電解質体１９となる未焼成固体電解質シートと電極１１となる未焼成電極とが、側壁部によって共に収縮を抑制され、未焼成固体電解質シートに生切れが発生することを防止することができる。

すなわち、例えば図５に示すように、電極１１の端部が側壁部を構成する絶縁性セラミック１５と重なっていない構成の場合、脱脂工程等においてガスセンサ素子となる積層体を加熱した際に、電極１１となる未焼成電極は自由に収縮でき、一方固体電解質体１９となる未焼成固体電解質シートは側壁部によって収縮を抑制される。このため、未焼成固体電解質シートが未焼成電極の収縮によって引っ張られて、生切れ３０が発生する可能性が生じる。このような生切れ３０が発生する可能性は、特に電極１１の端部が側壁部の近傍にまで延在している場合に高くなる。このような未焼成固体電解質シートの生切れ３０の発生を、図２，３に示す構成とすることにより防止することができる。

実際に、電極１１を、図２，３に示す構成として製作したＮＯｘセンサ素子（サンプル数５００）について、脱脂工程において保持温度約４００℃で約４時間加熱した後、未焼成固体電解質シートの生切れの発生の有無を観察したところ、生切れの発生率は０％であった。一方、電極１１を、図５に示す構成として製作したＮＯｘセンサ素子（サンプル数５００）について、同様な脱脂工程による加熱を行ったところ、未焼成固体電解質シートの生切れの発生率は約７０％であった。この結果から明らかなとおり、本実施形態によれば、未焼成固体電解質シートの生切れの発生を確実に防止することができる。したがって、生切れに起因する固体電解質体のクラックの発生を防止して、信頼性の向上を図ることができる。

なお、本実施形態においては、図４に示すように、固体電解質体１９に形成された電極１２、及び固体電解質体１８に形成された電極１４についても上記の電極１１と同様な構成となっている。さらに、図１に示した固体電解質体１７に形成された電極１０、固体電解質体１８に形成された電極１３についても同様な構成となっている。

上記の実施形態では、ＮＯｘセンサ素子の矩形状の電極１１の１方向の両側端部を側壁部を構成する絶縁性セラミックとラップさせた構成とした場合について説明したが、本発明はかかる実施形態に限定されるものではない。例えば、電極が４辺とも側壁部と近接して配置されたものについては、４辺とも側壁部とラップさせた構成としても良い。また、電極の１辺のみが側壁部と近接して配置されたものについては、１辺のみ側壁部とラップさせた構成としても良い。また、ＮＯｘセンサ素子に限らず、他のガスセンサ素子、例えば、空燃比センサ素子等についても同様にして適用することができる。

本発明の一実施形態に係るＮＯｘセンサ素子の全体の断面概略構成を示す図。 図１のＮＯｘセンサ素子の第１測定室の内部断面構成を示す図。 図２のＡ−Ａ断面構成を拡大して示す図。 図１のＮＯｘセンサ素子の要部断面構成を示す図。 従来のＮＯｘセンサ素子の断面構成を拡大して示す図。

符号の説明

１……第１酸素ポンプセル、２……第２酸素ポンプセル、３……酸素分圧検知セル、４……ヒータ、５……第１測定室、６……第２測定室、７……第１拡散孔、８……第２拡散孔、９〜１４……電極、１５……絶縁性セラミック、１６……多孔質体、１７〜１９……固体電解質体、２０……第１酸素ポンプセル制御手段、２１……酸素分圧検知セル制御手段、２２……第２酸素ポンプセル制御手段。

Claims (5)

1. ２つの固体電解質体の間に側壁部を形成する絶縁体が介在することにより、前記２つの固体電解質体の間に被測定ガスを導入する測定室が形成され、かつ、前記２つの固体電解質体のうちの少くとも一方の固体電解質体の表面に、前記測定室に面するように電極が形成されたガスセンサ素子であって、
   前記電極の端部のうちの少くともと一部が、前記絶縁体と重なるように配置され、
   前記電極のうちの前記絶縁体と重なるように配置されている部分の少くとも一部は、自身の厚さ方向両面が前記絶縁体によって挟まれるように構成されていることを特徴とするガスセンサ素子。
2. 請求項１記載のガスセンサ素子であって、
   前記電極が四角形状に形成され、対向する２辺が、前記絶縁体と重なるように配置されていることを特徴とするガスセンサ素子。
3. 請求項１又は２記載のガスセンサ素子であって、
   前記絶縁体の一部に、前記一方の固体電解質体と前記電極との間に介在するように前記測定室内部に向かって突出する突出部が形成されていることを特徴とするガスセンサ素子。
4. 請求項１〜３いずれか１項記載のガスセンサ素子であって、
   前記ガスセンサ素子は、
   第１拡散抵抗体を介して被測定ガスを導入する第１測定室と、
   前記第１測定室内から外部に被測定ガス中の酸素を汲み出す、又は、外部から前記第１測定室内に酸素を汲み入れる第１酸素ポンプセルと、
   前記第１測定室内の被測定ガス中の酸素濃度を検出する酸素分圧検知セルと、
   前記第１測定室に第２拡散抵抗体を介して接続された第２測定室と、
   前記第２測定室内の被測定ガス中の窒素酸化物が分解して発生した酸素の移動を検出してＮＯｘ濃度を検出する第２酸素ポンプセルと、
   を具備したことを特徴とするガスセンサ素子。
5. 請求項４記載のガスセンサ素子であって、
   前記電極は、前記酸素分圧検知セルを構成するために前記第１測定室内に配置されていることを特徴とするガスセンサ素子。

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