JP2015230178A - Gas sensor element - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、酸素イオン電流を測定するガスセンサ素子に関する。 The present invention relates to a gas sensor element that measures an oxygen ion current.
積層型のガスセンサ素子は、両面に電極が設けられた固体電解質体の一方側に、被測定ガス空間を形成する絶縁体が積層され、固体電解質体の他方側に、固体電解質体を加熱するヒータが積層されて構成されている。ガスセンサ素子においては、ヒータによって固体電解質体及び電極を加熱し、固体電解質体及び電極を酸素分解活性を有する温度にする。そして、電極間に流れる酸素イオン電流を測定して、被測定ガス中の酸素濃度又は特定ガス濃度を検出している。 A laminated gas sensor element is a heater in which an insulator forming a gas space to be measured is laminated on one side of a solid electrolyte body provided with electrodes on both sides, and the solid electrolyte body is heated on the other side of the solid electrolyte body. Are laminated. In the gas sensor element, the solid electrolyte body and the electrode are heated by a heater, and the solid electrolyte body and the electrode are brought to a temperature having oxygen decomposition activity. Then, the oxygen ion current flowing between the electrodes is measured to detect the oxygen concentration or the specific gas concentration in the gas to be measured.
例えば、特許文献1の積層型ガスセンサ素子は、絶縁碍子に固定された幅太部と、フリー状態にある幅細部とを有している。幅細部は、絶縁碍子から突出する先端部分に形成されており、この先端部分には、被測定ガス中の特定ガス濃度を検出するガス検知部が形成されている。特許文献1においては、幅太部と幅細部とを設けることにより、衝撃に強く損傷が生じ難い積層型ガスセンサ素子を形成している。
For example, the laminated gas sensor element of
ところで、ヒータによって固体電解質体を加熱する際には、固体電解質体に対してヒータが積層された側とは反対側に積層された絶縁体の外側面から熱が失われる。そして、固体電解質体に積層された絶縁体の厚みが薄いと、絶縁体の外側面から失われる熱が顕著になり、被測定ガス空間内に温度分布が生じやすくなる。この温度分布が生じると、測定される酸素イオン電流に誤差が生じ、ガスセンサ素子による検出精度を低下させる要因となる。 By the way, when the solid electrolyte body is heated by the heater, heat is lost from the outer surface of the insulator laminated on the side opposite to the side on which the heater is laminated with respect to the solid electrolyte body. And when the thickness of the insulator laminated on the solid electrolyte body is thin, the heat lost from the outer surface of the insulator becomes remarkable, and the temperature distribution is likely to occur in the measured gas space. When this temperature distribution occurs, an error occurs in the measured oxygen ion current, which causes a decrease in detection accuracy by the gas sensor element.
本発明は、かかる背景に鑑みてなされたもので、被測定ガス空間に温度分布が生じにくくし、検出精度を向上させることができるガスセンサ素子を提供しようとして得られたものである。 The present invention has been made in view of such a background, and has been obtained in an attempt to provide a gas sensor element that makes it difficult for temperature distribution to occur in a gas space to be measured and improves detection accuracy.
本発明の一態様は、酸素イオン伝導性を有し、一方の表面としての第1表面と他方の表面としての第2表面とに電極が設けられた固体電解質体と、
該固体電解質体の上記第1表面側に積層され、被測定ガスが拡散抵抗体を通過して導入される被測定ガス空間を形成する絶縁体と、
該固体電解質体の上記第2表面側に積層され、該固体電解質体を加熱するヒータと、を備えるガスセンサ素子であって、
上記固体電解質体に上記電極が設けられた、上記ガスセンサ素子の先端側部分の積層方向において、上記第1表面から上記ヒータの外側面までの厚みT1と、上記第1表面から上記絶縁体の外側面までの厚みT2とは、0.7≦T2/T1≦1.6の関係を有していることを特徴とするガスセンサ素子にある。
One aspect of the present invention is a solid electrolyte body having oxygen ion conductivity and having electrodes provided on a first surface as one surface and a second surface as the other surface;
An insulator that is laminated on the first surface side of the solid electrolyte body, and that forms a measurement gas space into which the measurement gas is introduced through the diffusion resistor;
A gas sensor element comprising: a heater laminated on the second surface side of the solid electrolyte body and heating the solid electrolyte body,
A thickness T1 from the first surface to the outer surface of the heater in the stacking direction of the tip side portion of the gas sensor element where the electrode is provided on the solid electrolyte body, and the outside of the insulator from the first surface. The thickness T2 up to the side surface is a gas sensor element having a relation of 0.7 ≦ T2 / T1 ≦ 1.6.
上記ガスセンサ素子は、固体電解質体の両表面側に絶縁体とヒータとを積層したものである。そして、ガスセンサ素子の先端側部分において、絶縁体の積層方向の厚みとヒータの積層方向の厚みとに工夫をしている。
具体的には、ガスセンサ素子の先端側部分の積層方向において、固体電解質体の第1表面からヒータの外側面までの厚みT1と、第1表面から絶縁体の外側面までの厚みT2とが、0.7≦T2/T1≦1.6の関係を有している。
The gas sensor element is formed by laminating an insulator and a heater on both surface sides of a solid electrolyte body. And in the front end side part of a gas sensor element, the thickness of the lamination direction of an insulator and the thickness of the lamination direction of a heater are devised.
Specifically, in the stacking direction of the tip side portion of the gas sensor element, a thickness T1 from the first surface of the solid electrolyte body to the outer surface of the heater, and a thickness T2 from the first surface to the outer surface of the insulator are: The relationship is 0.7 ≦ T2 / T1 ≦ 1.6.
これにより、絶縁体側の厚みT2が適切に厚くなる。そして、ヒータによって固体電解質体が加熱される際には、絶縁体の外側面から逃げる熱を減少させることができる。その結果、被測定ガス空間内の被測定ガスが冷やされにくくなり、被測定ガス空間に温度分布が生じにくくすることができる。
これにより、固体電解質体における各電極間を流れて測定される酸素イオン電流に誤差が生じにくくなり、ガスセンサ素子による検出精度を向上させることができる。
Thereby, the thickness T2 on the insulator side is appropriately increased. And when a solid electrolyte body is heated with a heater, the heat which escapes from the outer surface of an insulator can be reduced. As a result, the gas to be measured in the gas space to be measured is hardly cooled, and the temperature distribution can be hardly generated in the gas space to be measured.
Thereby, it becomes difficult to produce an error in the oxygen ion current measured by flowing between the electrodes in the solid electrolyte body, and the detection accuracy by the gas sensor element can be improved.
上記ガスセンサ素子によれば、被測定ガス空間に温度分布が生じにくくし、検出精度を向上させることができる。 According to the gas sensor element, a temperature distribution is hardly generated in the gas space to be measured, and detection accuracy can be improved.
上述したガスセンサ素子における好ましい実施の形態について説明する。
上記ガスセンサ素子において、0.7>T2/T1の場合には、第1表面から絶縁体の外側面までの厚みT2が小さくて、絶縁体の外側面から熱が失われやすくなり、被測定ガス空間内に温度分布が生じやすくなる。一方、T2/T1>1.6の場合には、第1表面から絶縁体の外側面までの厚みT2が大きくて、絶縁体の外側面から熱が失われにくくなり過ぎて、被測定ガス空間内に温度分布が生じやすくなる。
A preferred embodiment of the gas sensor element described above will be described.
In the gas sensor element, when 0.7> T2 / T1, the thickness T2 from the first surface to the outer surface of the insulator is small, and heat is easily lost from the outer surface of the insulator, so that the gas to be measured Temperature distribution tends to occur in the space. On the other hand, in the case of T2 / T1> 1.6, the thickness T2 from the first surface to the outer surface of the insulator is large, and it is difficult to lose heat from the outer surface of the insulator, so that the gas space to be measured The temperature distribution tends to occur inside.
また、上記ガスセンサ素子の先端側部分における上記絶縁体の上記積層方向の厚みは、上記ガスセンサ素子の後端側部分における上記絶縁体の上記積層方向の厚みよりも大きくてもよい。
この場合には、固体電解質体に電極が設けられた先端側部分のみ、絶縁体の積層方向の厚みを大きくすることができ、0.7≦T2/T1≦1.6の関係を有するガスセンサ素子を容易に形成することができる。
Moreover, the thickness in the stacking direction of the insulator in the front end portion of the gas sensor element may be larger than the thickness in the stacking direction of the insulator in the rear end portion of the gas sensor element.
In this case, the gas sensor element having a relation of 0.7 ≦ T2 / T1 ≦ 1.6 can be increased only in the thickness of the insulator in the stacking direction only at the tip side portion where the electrode is provided on the solid electrolyte body. Can be easily formed.
また、上記ガスセンサ素子の先端側部分における上記絶縁体は、上記積層方向に複数積層されており、該絶縁体同士の間には、積層界面が形成されていてもよい。
この場合には、絶縁体の積層方向における熱伝導を、積層界面によって弱めることができる。そして、ヒータによって加熱される固体電解質体及び被測定ガス空間内の被測定ガスの熱が、積層界面によって絶縁体の外側面へ逃げ難くすることができる。
Moreover, the said insulator in the front end side part of the said gas sensor element may be laminated | stacked by the said lamination direction, and the lamination | stacking interface may be formed between these insulators.
In this case, the heat conduction in the stacking direction of the insulator can be weakened by the stacking interface. Further, the heat of the gas to be measured in the solid electrolyte body and the gas space to be measured heated by the heater can be made difficult to escape to the outer surface of the insulator by the laminated interface.
また、上記ガスセンサ素子の先端側部分における上記絶縁体には、該絶縁体よりも熱伝導率が低い材料からなる低熱伝導体が積層されていてもよい。
この場合には、絶縁体の積層方向における熱伝導を、低熱伝導体によって弱めることができる。そして、ヒータによって加熱される固体電解質体及び被測定ガス空間内の被測定ガスの熱が、低熱伝導体によって絶縁体の外側面へ逃げ難くすることができる。
絶縁体は、アルミナ等のセラミックスの材料によって構成することができる。低熱伝導体は、窒化珪素、窒化チタン、炭化チタン、イットリア、ムライト、フォルステライト、サイアロン、コージライト、ジルコニア、ステアタイト、二酸化珪素等によって構成することができる。
In addition, a low thermal conductor made of a material having a lower thermal conductivity than the insulator may be laminated on the insulator in the tip side portion of the gas sensor element.
In this case, the heat conduction in the stacking direction of the insulator can be weakened by the low heat conductor. The heat of the gas to be measured in the solid electrolyte body and the gas space to be measured heated by the heater can be made difficult to escape to the outer surface of the insulator by the low thermal conductor.
The insulator can be made of a ceramic material such as alumina. The low thermal conductor can be composed of silicon nitride, titanium nitride, titanium carbide, yttria, mullite, forsterite, sialon, cordierite, zirconia, steatite, silicon dioxide, or the like.
以下に、ガスセンサ素子にかかる実施例について、図面を参照して説明する。
本例のガスセンサ素子1は、図1〜図3に示すように、固体電解質体2、絶縁体4及びヒータ5を備えている。固体電解質体2は、酸素イオン伝導性を有しており、一方の表面としての第1表面201と他方の表面としての第2表面202とに電極21,22,23,25を有している。絶縁体4は、固体電解質体2の第1表面201側に積層されており、被測定ガスGが拡散抵抗体43を通過して導入される被測定ガス空間61を形成している。ヒータ5は、固体電解質体2の第2表面202側に積層されており、固体電解質体2を加熱するよう構成されている。また、固体電解質体2の第2表面202とヒータ5との間には、基準ガスAが導入される基準ガス空間62が形成されている。
固体電解質体2に電極21,22,23,25が設けられた、ガスセンサ素子1の先端側部分11の積層方向Dにおいて、第1表面201からヒータ5の外側面501までの厚みT1と、第1表面201から絶縁体4の外側面401までの厚みT2とは、0.7≦T2/T1≦1.6の関係を有している。
Below, the example concerning a gas sensor element is described with reference to drawings.
As shown in FIGS. 1 to 3, the
A thickness T1 from the
以下に、本例のガスセンサ素子1について、図1〜図5を参照して詳説する。
本例のガスセンサ素子1は、絶縁碍子に保持されるとともに、カバー内に収容された状態でガスセンサを構成する。ガスセンサ素子1は、長尺形状を有しており、先端側部分11を含む先端側が絶縁碍子から突出して被測定ガスGに晒されるようになっている。
ガスセンサは、車両の排気管内に配置されて使用される。被測定ガスGは排気管を通過する排気ガスであり、ガスセンサは、排気ガス中の特定ガスとしてのNOx(窒素酸化物)の濃度を検出するために用いられる。また、ガスセンサは、被測定ガスG中の酸素濃度からA/F(空燃比)を検出することもできる。
Hereinafter, the
The
A gas sensor is disposed and used in an exhaust pipe of a vehicle. The gas G to be measured is exhaust gas that passes through the exhaust pipe, and the gas sensor is used to detect the concentration of NOx (nitrogen oxide) as a specific gas in the exhaust gas. The gas sensor can also detect A / F (air-fuel ratio) from the oxygen concentration in the gas G to be measured.
図2に示すように、拡散抵抗体43は、ガスセンサ素子1の長手方向Lの先端部に設けられている。拡散抵抗体43は、固体電解質体2の第1表面201に隣接して、固体電解質体2と絶縁体4との間に設けられている。被測定ガス空間61は、ガスセンサ素子1の先端側部分11であって、拡散抵抗体43に対する長手方向Lの後端側に隣接して形成されている。拡散抵抗体43は、ガスを透過させる性質を有する多孔質体によって構成されており、被測定ガスGが所定の拡散速度で被測定ガス空間61に導入されるようにする。ガスセンサ素子1における被測定ガスGの流れ方向Fは、長手方向Lの一方側から他方側に向けた方向となる。
As shown in FIG. 2, the
図2、図3に示すように、固体電解質体2は、酸素イオン伝導性を有するジルコニアの基板から構成されている。固体電解質体2には、ポンプセル31、モニタセル32及びセンサセル33が設けられている。ポンプセル31は、固体電解質体2の第1表面201に設けられた電極21と第2表面202に設けられた電極25との間に電圧を印加して、被測定ガス空間61内の酸素濃度を調整するよう構成されている。
As shown in FIGS. 2 and 3, the
モニタセル32は、固体電解質体2の第1表面201に設けられた電極22と第2表面202に設けられた電極25との間に流れる酸素イオン電流を測定して、被測定ガス空間61内における、ポンプセル31によって酸素濃度が調整された後の残留酸素濃度を測定するよう構成されている。センサセル33は、固体電解質体2の第1表面201に設けられた電極23と第2表面202に設けられた電極25との間に流れる酸素イオン電流を測定して、被測定ガス空間61内における、ポンプセル31によって酸素濃度が調整された後の被測定ガスG中の特定ガス濃度を測定するよう構成されている。被測定ガスG中の特定ガス濃度は、センサセル33における酸素イオン電流とモニタセル32における酸素イオン電流との差分に基づいて検出される。
The
ポンプセル31、モニタセル32及びセンサセル33を構成する各電極21,22,23,25は、1枚の固体電解質体2に対して設けられている。モニタセル32及びセンサセル33を構成する電極22,23は、ポンプセル31を構成する電極21に対して、長手方向Lの後端側に隣接して設けられている。ポンプセル31は、一対の電極21,25の間に電圧を印加するための電圧印加手段を有している。モニタセル32は、一対の電極22,25の間に流れる電流を測定するための電流測定手段を有している。センサセル33は、一対の電極23,25の間に流れる電流を測定するための電流測定手段を有している。
Each
図2、図3に示すように、絶縁体4は、アルミナ等の絶縁性物質から構成されている。絶縁体4は、固体電解質体2の第1表面201に対して、アルミナ等の絶縁性物質から構成された第1スペーサ41を挟んで積層されている。固体電解質体2の第1表面201における被測定ガス空間61は、絶縁体4及び第1スペーサ41によって囲まれて形成されている。
As shown in FIGS. 2 and 3, the
ヒータ5は、アルミナ等の絶縁性物質から構成されたセラミック基板51の中に、通電によって発熱する発熱体52を配置して構成されている。発熱体52は、被測定ガス空間61に対して積層方向Dに重なる位置において蛇行して形成されている。ヒータ5は、固体電解質体2の第2表面202に対して、アルミナ等の絶縁性物質から構成された第2スペーサ42を挟んで積層されている。固体電解質体2の第2表面202における基準ガス空間62は、ヒータ5及び第2スペーサ42によって囲まれて形成されている。
The
図1に示すように、ガスセンサ素子1は、その先端側部分11における絶縁体4の積層方向Dの厚みT3を、その後端側部分12における絶縁体4の積層方向Dの厚みT4よりも大きくして形成されている。また、ガスセンサ素子1の先端側部分11と後端側部分12との間には、厚みの違いによる段差44が形成されている。ガスセンサ素子1の先端側部分11における厚みの比T2/T1は、その厚みを大きくすることによって、0.7≦T2/T1≦1.6の関係を満たしている。
As shown in FIG. 1, the
また、図示は省略するが、ガスセンサ素子1の先端側部分11には、電極21,22,23の被毒を抑制するために被測定ガス中の被毒物質をトラップするトラップ層が設けられている。なお、トラップ層は気孔率が40〜50%と高いため、熱の遮蔽効果はほとんど有していない。
Although not shown, the
本例のガスセンサ素子1は、上述したように、ガスセンサ素子1の先端側部分11の積層方向Dにおいて、固体電解質体2の第1表面201からヒータ5の外側面501までの厚みT1と、第1表面201から絶縁体4の外側面401までの厚みT2とが、0.7≦T2/T1≦1.6の関係を有している。
これにより、絶縁体4側の厚みT2が適切に厚くなる。そして、ヒータ5によって固体電解質体2が加熱される際には、絶縁体4の外側面401から逃げる熱を減少させることができる。その結果、被測定ガス空間61内の被測定ガスGが冷やされにくくなり、被測定ガス空間61に温度分布が生じにくくすることができる。
As described above, the
Thereby, thickness T2 by the side of the
それ故、固体電解質体2における各電極間を流れて測定される酸素イオン電流に誤差が生じにくくなり、ガスセンサ素子1による検出精度を向上させることができる。
また、被測定ガス空間61は、ガスセンサ素子1の先端側部分11における積層方向Dの中心部付近に位置することになる。そのため、被測定ガス空間61内の各部における被測定ガスGをできるだけ均一に保温することができる。
Therefore, an error is less likely to occur in the oxygen ion current measured by flowing between the electrodes in the
Further, the
本例のガスセンサ素子1によれば、被測定ガス空間61に温度分布が生じにくくし、検出精度を向上させることができる。
According to the
上記絶縁体4の外側面401から逃げる熱を減少させるためのガスセンサ素子1の先端側部分11の構成は、次のようにすることもできる。
例えば、図4に示すように、ガスセンサ素子1の先端側部分11における絶縁体4は、積層方向Dに複数積層することができる。この場合、絶縁体4同士の間には、微小な隙間による積層界面45が形成されている。この場合には、絶縁体4の積層方向Dにおける熱伝導を、積層界面45によって弱めることができる。そして、ヒータ5によって加熱される固体電解質体2及び被測定ガス空間61内の被測定ガスGの熱が、積層界面45によって絶縁体4の外側面401へ逃げ難くすることができる。
The configuration of the
For example, as shown in FIG. 4, a plurality of
また、図5に示すように、ガスセンサ素子1の先端側部分11における絶縁体4には、絶縁体4よりも熱伝導率が低い材料からなる低熱伝導体46が積層されていてもよい。低熱伝導体46は、絶縁体4の内部に積層されていてもよく、絶縁体4の内側面又は外側面のいずれに積層されていてもよい。この場合には、絶縁体4の積層方向Dにおける熱伝導を、低熱伝導体46によって弱めることができる。そして、ヒータ5によって加熱される固体電解質体2及び被測定ガス空間61内の被測定ガスGの熱が、低熱伝導体46によって絶縁体4の外側面401へ逃げ難くすることができる。
As shown in FIG. 5, a low
1 ガスセンサ素子
11 先端側部分
2 固体電解質体
201 第1表面
202 第2表面
4 絶縁体
401 外側面
43 拡散抵抗体
5 ヒータ
501 外側面501
61 被測定ガス空間
DESCRIPTION OF
61 Gas space to be measured
Claims (4)
該固体電解質体(2)の上記第1表面(201)側に積層され、被測定ガス(G)が拡散抵抗体(43)を通過して導入される被測定ガス空間(61)を形成する絶縁体(4)と、
該固体電解質体(2)の上記第2表面(202)側に積層され、該固体電解質体(2)を加熱するヒータ(5)と、を備えるガスセンサ素子(1)であって、
上記固体電解質体(2)に上記電極(21,22,23,25)が設けられた、上記ガスセンサ素子(1)の先端側部分(11)の積層方向(D)において、上記第1表面(201)から上記ヒータ(5)の外側面(501)までの厚みT1と、上記第1表面(201)から上記絶縁体(4)の外側面(401)までの厚みT2とは、0.7≦T2/T1≦1.6の関係を有していることを特徴とするガスセンサ素子(1)。 Solid electrolyte body having oxygen ion conductivity and having electrodes (21, 22, 23, 25) provided on a first surface (201) as one surface and a second surface (202) as the other surface (2) and
It is laminated on the first surface (201) side of the solid electrolyte body (2) to form a measured gas space (61) into which the measured gas (G) is introduced through the diffusion resistor (43). An insulator (4);
A gas sensor element (1) comprising: a heater (5) that is laminated on the second surface (202) side of the solid electrolyte body (2) and that heats the solid electrolyte body (2),
In the stacking direction (D) of the tip side portion (11) of the gas sensor element (1) in which the electrode (21, 22, 23, 25) is provided on the solid electrolyte body (2), the first surface ( 201) to the outer surface (501) of the heater (5) and the thickness T2 from the first surface (201) to the outer surface (401) of the insulator (4) are 0.7. A gas sensor element (1) having a relationship of ≦ T2 / T1 ≦ 1.6.
該絶縁体(4)同士の間には、積層界面(45)が形成されていることを特徴とする請求項1又は2に記載のガスセンサ素子(1)。 A plurality of the insulators (4) in the tip side portion (11) of the gas sensor element (1) are stacked in the stacking direction (D),
The gas sensor element (1) according to claim 1 or 2, wherein a laminated interface (45) is formed between the insulators (4).
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