(57)【要約】【課題】被水割れによる保護層内に生じ得るクラックの発生を許容しながら、このクラックの素子本体への進展を抑止することのできるガスセンサ素子とこれを備えたガスセンサを提供する。【解決手段】固体電解質体２とその両側の一対の電極とからなる検知部３と、発熱源５が発熱体４の内部に埋設されてなる加熱部６と、が積層されて素子本体１０を形成し、この素子本体１０の周囲に保護層２０が形成されてなるガスセンサ素子１００であって、素子本体１０と保護層２０の間に緩衝層３０が介在しており、この緩衝層３０のヤング率が素子本体１０のヤング率の１／４以下となっている。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
固体電解質体とその両側の一対の電極とからなる検知部と、発熱源が発熱体の内部に埋設されてなる加熱部と、が積層されて素子本体を形成し、該素子本体の周囲に保護層が形成されてなるガスセンサ素子であって、
前記素子本体と前記保護層の間に緩衝層が介在しており、該緩衝層のヤング率が該素子本体のヤング率の１／４以下となっているガスセンサ素子。
【請求項２】
前記素子本体のヤング率は、前記検知部と前記加熱部を形成するそれぞれのセラミックス素材のうちで低い方のヤング率である請求項１に記載のガスセンサ素子。
【請求項３】
前記素子本体のヤング率がアルミナのヤング率で規定され、緩衝層が窒化ホウ素もしくはアルミナとシリカの混合材のいずれか一方から形成されている請求項１または２に記載のガスセンサ素子。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれかに記載のガスセンサ素子を備えたガスセンサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、たとえば車両に搭載されて排気ガス中の酸素濃度を検出するガスセンサとこれを構成するガスセンサ素子に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
各種産業界においては、環境影響負荷低減に向けた様々な取り組みが世界規模でおこなわれており、中でも、自動車産業においては、燃費性能に優れたガソリンエンジン車は勿論のこと、ハイブリッド車や電気自動車等のいわゆるエコカーの普及およびそのさらなる性能向上に向けた開発が日々進められている。
【０００３】
車両の燃費性能の測定に関しては、排気ガス等の被測定ガス中の酸素濃度をガスセンサにて検知し、大気中の酸素を基準ガスとしてこの酸素濃度との差を求めることによっておこなわれている。
【０００４】
このガスセンサは、７００℃以上もの高温雰囲気下で排気ガス中の酸素濃度を検知することから、この排気ガス中の水滴がガスセンサを構成するガスセンサ素子の素子本体に衝突すると部分急冷による熱衝撃が生じ、温度変化に伴う体積変化によってこの素子本体に被水割れが発生し、センシング機能が損なわれるといった課題を有している。
【０００５】
この課題に対して、たとえば特許文献１で開示のガスセンサ素子においては、アルミナからなる多孔質保護層で素子の周囲を包囲して水滴の衝突を抑制することとしている。
【０００６】
このようにガスセンサ素子の周囲に多孔質保護層を設けることでその耐被水性は向上するものの、本発明者等によれば、被水割れによって多孔質保護層に一度クラックが生じてしまうと、このクラックはその進行方向を変えずに素子本体内にまで進展し易いことが特定されている。
【０００７】
そこで、特許文献２に開示の技術を適用し、素子本体の弾性率（ヤング率）よりも小さな弾性率の中間層を素子本体と保護層の間に介在させることにより、クラックが素子本体に伝播するのを抑止するといったアプローチが考えられる。
【０００８】
しかし、このアプローチのように単に素子本体に対して相対的に低弾性率の中間層を設けただけでは、クラックをこの中間層内に留めて素子本体への進展を確実に抑止することはできないとの知見が本発明者等によって得られている。
【０００９】
したがって、その被水割れによる保護層内に生じ得るクラックの発生を許容しながら、このクラックの素子本体への進展を確実に抑止できるガスセンサ素子とこれを備えたガスセンサの開発が当該技術分野において切望されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１０】
【特許文献１】特開２００９−８０１１０号公報
【特許文献２】特開２００７−２３１４２０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
本発明は上記する問題に鑑みてなされたものであり、被水割れによる保護層内に生じ得るクラックの発生を許容しながら、このクラックの素子本体への進展を抑止することのできるガスセンサ素子とこれを備えたガスセンサを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
前記目的を達成すべく、本発明によるガスセンサ素子は、固体電解質体とその両側の一対の電極とからなる検知部と、発熱源が発熱体の内部に埋設されてなる加熱部と、が積層されて素子本体を形成し、該素子本体の周囲に保護層が形成されてなるガスセンサ素子であって、前記素子本体と前記保護層の間に緩衝層が介在しており、該緩衝層のヤング率が該素子本体のヤング率の１／４以下となっているものである。
【００１３】
本発明のガスセンサ素子は、素子本体と保護層の間にこの素子本体のヤング率の１／４以下のヤング率を有する緩衝層を介在させたものであり、この緩衝層により、保護層に生じてその内部を進展した亀裂をこの緩衝層内でその進展方向を変化させ、素子本体に向かう方向と異なる方向へ亀裂の進行を誘導することで素子本体への亀裂の進展を回避することのできるものである。
【００１４】
ガスセンサ素子を構成する素子本体と、その周囲の保護層、より具体的には、素子本体を構成する検知部と加熱部、およびその周囲の保護層は、検知部の電極を除いてほぼすべての構成部材がセラミックスから構成されており、しかもこのセラミックスは一般にアルミナである。
【００１５】
そこで、たとえば素子本体のセラミックスからなる構成部材がすべてアルミナからなると仮定することもでき、このアルミナのヤング率の１／４のヤング率を有する緩衝層を素子本体と保護層の間に介在させればよいことになる。
【００１６】
なお、素子本体を形成するそれぞれの構成部材の素材をアルミナで代表させることができない場合、すなわち、多様なセラミックス素材から各構成部材が形成されている場合には、検知部と加熱部を形成するそれぞれのセラミックス素材のヤング率の中で最も低いヤング率を素子本体のヤング率に規定し、この規定されたヤング率の１／４のヤング率を有する緩衝層を設けるようにすればよい。
【００１７】
ここで、緩衝層のヤング率を素子本体のヤング率の１／４以下とすることにより、保護層から緩衝内に進展してきた亀裂の進行方向を素子本体へ向かう方向とは異なる方向へ変化させ、この緩衝層内で亀裂が留まるようにその進行方向を誘導できる理由を以下に述べる。
【００１８】
たとえばセラミックス内における亀裂は、そのエネルギ解放率Ｇ（亀裂が一定長さ進展する際に解放されるひずみエネルギ量）が最大となる方向へ進展する傾向にある。
【００１９】
このときのエネルギ解放率Ｇは一般に、ヤング率Ｅ、応力拡大係数Ｋ、亀裂が進行するなす角度θの関数である以下の２式で表すことができる。
【００２０】
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【００２１】
上式１，２より、進行角度θによってエネルギ解放率Ｇは変化し、θが０度のとき、すなわち緩衝層から素子本体へ直進するときにＧは最大となり、θが大きくなるにつれてＧは低下する（したがって、なす角度θが９０度のときにエネルギ解放率が最も大きくなることから、亀裂はこの方向へ進行し難い）。
【００２２】
そのため、亀裂の進行を素子本体からそらす方向へ誘導するには、緩衝層内で亀裂が素子本体に対して垂直に進行してきた場合（θが０度の場合であって、素子本体へ直進する方向）で、かつこのときに９０度の方向へ亀裂の進行方向を誘導する場合が進行方向制御として最も厳しい条件となる。なぜなら、素子本体に対して任意の傾斜角度で亀裂が進行してきた場合には、この進行方向を素子本体方向からそらすに当たり、この進行方向をそらすに要する角度は９０度未満となるからである。
【００２３】
そして、上式１，２より、エネルギ解放率Ｇはヤング率Ｅに反比例する。そして、なす角度θが９０度のときのＧは、θが０度のときのＧの１／４となることが分かる（式２のθに０度、９０度をそれぞれ代入してｈ１(0)、ｈ２(90)をもとめ、これらを式１に代入する）。
【００２４】
したがって、緩衝層のヤング率を素子本体のヤング率の１／４以下にしておくことで、緩衝層内を進行する亀裂の進行方向が素子本体へ向かう方向として想定され得る０度〜９０度のすべての進行方向の場合において、常にＧを最大とする条件を設定できることになるのである。
【００２５】
また、本発明の検証によれば、前記素子本体のヤング率がアルミナのヤング率で規定される場合に、緩衝層が窒化ホウ素もしくはアルミナとシリカの混合材のいずれか一方から形成されている形態の場合に、素子本体と緩衝層の間に上記ヤング率比が満足されることが実証されている。
【００２６】
そして、この検証では、ガスセンサ素子に対して滴下される排気ガス中の水滴の最大量である１μＬ（マイクロリットル）までの範囲の滴下量において、保護層内で被水割れが生じてこの内部を進展し、さらに緩衝層内を進展する亀裂が素子本体へ到達しないことが実証されている。
【００２７】
上記する本発明のガスセンサ素子を備えたガスセンサによれば、ガスセンサ素子の素子本体が排気ガス中の水滴によって被水割れを生じることが効果的に抑止されることから、耐久性に優れたガスセンサとなる。
【発明の効果】
【００２８】
以上の説明から理解できるように、本発明のガスセンサ素子とこれを具備するガスセンサによれば、素子本体と保護層の間に素子本体のヤング率の１／４以下のヤング率を備えた緩衝層を介在させることにより、被水割れによって保護層内を進展し、さらに緩衝層内を進展する亀裂の進行方向を素子本体へ向かう方向からそらして素子本体へ到達しないように誘導することができ、もって素子本体のセンシング機能維持を保証できることから、耐久性に優れたガスセンサとなる。
【図面の簡単な説明】
【００２９】
【図１】本発明のガスセンサ素子を説明した模式図である。
【図２】（ａ）は、被水割れによって保護層に生じた亀裂が素子本体に対して垂直に進展してきている状態を説明した模式図であり、（ｂ）は、亀裂が緩衝層内で９０度方向に誘導されて進展している状態を説明した模式図である。
【図３】（ａ）は、誘導された亀裂の進行方向のなす角度θを模擬した図であり、（ｂ）は、進行方向のなす角度と見かけ靭性比（割れ難さの比）の関係を示したグラフである。
【図４】素子本体の割れの有無と割れた場合における滴下量と割れ確率を求めた実験結果を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００３０】
以下、図面を参照して本発明の実施の形態を説明する。図１は、本発明のガスセンサ素子を説明した模式図であり、その横断面を示したものである。
【００３１】
図１で示すガスセンサ素子１００は、排気ガス中の酸素濃度を検知する素子本体１０と、この素子本体１０の周囲を排気ガス中の水分から防護して、この水分（水滴）が素子本体１０に到達してこれが被水割れするのを抑制する保護層２０と、これら素子本体１０と保護層２０の間に介在して保護層２０内を進行してきた亀裂の進行方向を素子本体１０側からそらして誘導する緩衝層３０と、から大略構成されている。
【００３２】
素子本体１０は検知部３と加熱部６から構成されており、検知部３は、不図示の一対の電極で挟持される固体電解質体２と、その一方側に配されて一方の電極に被測定ガスを透過させる多孔質の拡散抵抗体１から構成され、加熱部６は、セラミックスからなる発熱体４と、その内部にある発熱源であるヒータ５から構成される。
【００３３】
なお、素子本体１０は、図示する横断面形状において、その隅角部がテーパー状に切欠かれており、この切欠きによって、素子本体１０の当該箇所における保護層２０の厚みを保証している。
【００３４】
不図示の一対の電極に対し、酸素濃度差と電流がリニアな相間を有する電圧を印加し、一方の電極に被測定ガスを接触させ、他方の電極には大気等の基準ガスを接触させ、双方の酸素濃度差に応じて電極間に生じる電流値を測定し、測定電流に基づいて車両エンジンの空燃比を特定することができる。
【００３５】
図示するガスセンサ素子１００がたとえば絶縁素材の碍子を介してハウジング内に固定され、このハウジングの先端に素子カバーが設けられてガスセンサが形成される。
【００３６】
ここで、検知部３を構成する固体電解質体２や拡散抵抗体１、加熱部６を構成する発熱体４はいずれもアルミナから形成されているのが一般的である。
【００３７】
一方、緩衝層３０は、素子本体１０のヤング率、すなわち、構成するセラミックス素材の構成部材のほぼすべてがアルミナからなる場合は、このアルミナのヤング率（およそ４００ＧＰａ）の１／４以下のヤング率を有するセラミックスから形成される。具体的には、窒化ホウ素（ヤング率が５０ＧＰａ程度）や、アルミナとシリカの混合材（双方の混合割合でヤング率が変化するが、４０〜１００ＧＰａの範囲）などから形成することができる。
【００３８】
ここで、保護層内で進行する亀裂は、仮に緩衝層が素子本体と同程度かそれ以上の大きさのヤング率を有している場合にはその進行方向を変えることなく素子本体に向かって進行することになる。
【００３９】
一方、緩衝層３０が素子本体１０のヤング率の１／４以下のヤング率を有する場合には、図２ａで示すように保護層２０内を進行し、さらに緩衝層３０内を素子本体１０に向かって進行してきた亀裂Ｋは（進行方向：Ｘ１）、図２ｂで示すように、緩衝層３０内でその進行方向：θを９０度変更するように誘導され、素子本体１０に衝突することなく緩衝層３０内を進行する（進行方向：Ｘ２）。
【００４０】
このように緩衝層３０内で亀裂の進行方向が素子本体１０へ向かう方向からそらされるように誘導されることで、仮に保護層２０内で被水割れが生じて亀裂が緩衝層３０内へ進展した場合でも、この亀裂を素子本体には到達させないようにすることができ、少なくともガスセンサ素子１００のセンシング機能は維持することができる。
【００４１】
ここで、上記する素子本体１０および緩衝層３０のヤング率の関係を図３を参照して以下に説明する。ここで、図３ａは、誘導された亀裂の進行方向のなす角度θを模擬した図であり、図３ｂは、進行方向のなす角度と見かけ靭性比（割れ難さの比）の関係を示したグラフである。
【００４２】
緩衝層内を進行する亀裂に対して、亀裂のその後の進行方向のなす角度θによって、その方向への進行のし難さが決定される。たとえば、図３ａで示すように、保護層および緩衝層内をＸ１方向に進行してきた亀裂Ｋに対しては、図３ｂで示すように、亀裂のその後の進行方向のなす角度が０度の方向、すなわち、そのままの進行方向で素子本体へ向かう方向へ亀裂は進み易い（図３ｂで、割れ難さは１である）。
【００４３】
その一方で、図２ｂで示すように、進行する亀裂が緩衝層内でその進行方向を９０度方向に方向変更して進行するには、図３ｂを参照すれば、０度の場合よりもおよそ２倍もこの方向へ進行し難いことが分かる。
【００４４】
亀裂は最も割れ易い方向へ進展することから、亀裂の進行方向の上流側となる緩衝層と下流側となる素子本体の材質や構造が一様の場合には亀裂は緩衝層から素子本体へ直進する可能性が高い（上記する進行方向のなす角度が０度で最も進行し易いため）。
【００４５】
これに対して、緩衝層内で亀裂の進行方向を９０度曲げて誘導させるためには、この９０度方向が亀裂にとって最も進行し易い状態を形成しておけばよく、そのためには、図３ｂより、この緩衝層の靭性（割れ難さ）を素子本体の靭性の１／２に調整すればよい。
ここで、既述するエネルギ解放率の式を以下に記載する。
【００４６】
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【００４７】
一方、図３ｂで示す見かけ靭性比を示すグラフは以下の式３に基づくものであり、靭性（割れ難さ）は以下の式４で表すことができる。
【００４８】
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【００４９】
ここで、ＫＩθＣはなす角度がθ度の方向の靭性であり、ＫＩはなす角度が０度（直進）の靭性であり、Ｅはヤング率である。
【００５０】
上記するように、緩衝層内における進行方向のなす角度θが９０度のときの見かけ靭性比がおよそ２であることより、この緩衝層内で亀裂を９０度の方向に進行させ易くするためには、この緩衝層のヤング率を上記するように素子本体の１／２とすればよいことになる。
【００５１】
一方、上記する式４より、靭性はヤング率の平方根に比例することを勘案すれば、緩衝層のヤング率が素子本体のそれの１／４以下であれば亀裂を緩衝層内で９０度方向に誘導できることとなる。
【００５２】
そして、既述するように、図２で示すように保護層２０内で素子本体１０に対して垂直に亀裂が進行してきて、これを緩衝層３０内で９０度方向へ誘導する場合が亀裂誘導にとって最も厳しい条件であることから、緩衝層のヤング率を素子本体のそれの１／４以下としておくことにより、あらゆる方向で進行してきた亀裂に対しても、この緩衝層内で亀裂の進行方向を素子本体へ向かう方向と異なる方向へ誘導することが可能となる。
【００５３】
［素子本体の割れの有無と、割れた場合における滴下量と割れ確率を求めた実験とその結果］
本発明者等は、駆動温度がおよそ７００℃のガスセンサ素子に対して水滴を滴下し、割れが生じなければ水滴量を増やすようにし、ガスセンサ素子に対して滴下される排気ガス中の水滴の最大量である１μＬ（マイクロリットル）までの範囲でこの実験を繰り返した。
【００５４】
ここで、素子本体の各構成部材および保護層のヤング率はアルミナの４００ＧＰａに設定し、緩衝層を備えていない従来構造のものを比較例１、緩衝層がアルミナからなるもの（ヤング率が４００ＧＰａで素子本体のヤング率の１／４より大きいもの）を比較例２、緩衝層がジルコニアからなるもの（ヤング率が２１０ＧＰａで素子本体のヤング率の１／４より大きいもの）を比較例３、緩衝層が窒化ホウ素からなるもの（ヤング率が５０ＧＰａで素子本体のヤング率の１／４以下のもの）を実施例１、緩衝層がアルミナとシリカの混合材からなるもの（ヤング率が４０〜１００ＧＰａで素子本体のヤング率の１／４以下のもの）を実施例２として、各比較例、実施例ともに１０基のテストピースに対して上記実験をおこなった。
実験結果を以下の表１および図４に示す。なお、表中の数字はテストピースの数である。
【表１】
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【００５５】
表１および図４より、比較例１〜３の各テストピースは、０．１〜０．７の滴下量範囲で素子本体に亀裂が到達する一方で、実施例１，２はいずれも、ガスセンサ素子に対して滴下される排気ガス中の水滴の最大量である１μＬ（マイクロリットル）までの範囲において、素子本体へ亀裂が到達しないことが実証されている。
【００５６】
なお、素子本体がアルミナやジルコニア（ヤング率が２１０ＧＰａ）、炭化ケイ素（ヤング率が３８０ＧＰａ）からなる場合に、それらのヤング率の１／４以下のヤング率である窒化ホウ素やシリカ（ヤング率が８０ＧＰａ）、シリカとアルミナの混合材、ガラス質中にこれらの無機化合物を分散析出させた素材などから緩衝層を形成してもよい。
【００５７】
以上、本発明の実施の形態を図面を用いて詳述してきたが、具体的な構成はこの実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲における設計変更等があっても、それらは本発明に含まれるものである。
【符号の説明】
【００５８】
１…拡散抵抗体、２…固体電解質体、３…検知部、４…発熱体、５…発熱源（ヒータ）、６…加熱部、１０…素子本体、２０…保護層、３０…緩衝層、１００…ガスセンサ素子、Ｋ…保護層および緩衝層を進行する亀裂、Ｋ’…緩衝層内で進行方向が変化された後の亀裂
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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