(57)【要約】【課題】基準ガス導入口を備えたセンサ素子における耐電圧性を向上させたセンサ素子、及びそれを備えたガスセンサを提供する。【解決手段】軸線方向に延び、少なくとも板状の第１部、第２部、第３部が前記軸線方向に交差する積層方向に積層されてなるセンサ素子であって、発熱部を含む前記軸線方向に垂直ないずれの断面で見たときでも、一対の内側直線状部は、基準ガス導入口と積層方向に重なる領域を避けて配置され、隣接する外側直線状部及び前記内側直線状部間の長さをＬ３、隣接する一対の前記内側直線状部間の長さをＬ４としたとき、Ｌ３＜Ｌ４の関係を満たす。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
軸線方向に延び、少なくとも板状の第１部、第２部、第３部が前記軸線方向に交差する積層方向に積層されてなるセンサ素子であって、
前記第１部は、固体電解質体と、前記固体電解質体の表面に設けられた基準ガス側電極及び被測定ガス側電極と、を含んで構成され、
前記第２部は、前記基準ガス側電極が臨み、かつ、前記軸線方向の後端側に開口する基準ガス導入口を有し、
前記第３部は、一対の外側直線状部と、前記外側直線状部間に配置された一対の内側直線状部と、隣接する前記外側直線状部の先端と前記内側直線状部の先端とを接続する第１接続部と、一対の前記内側直線状部の後端を接続する第２接続部と、からなる発熱部と、一対の前記外側直線状部の後端に接続される一対のリード部と、を含んで構成され、
前記発熱部を含む前記軸線方向に垂直ないずれの断面で見たときでも、一対の前記内側直線状部は、前記基準ガス導入口と積層方向に重なる領域を避けて配置され、
隣接する前記外側直線状部及び前記内側直線状部間の長さをＬ３、隣接する一対の前記内側直線状部間の長さをＬ４としたとき、Ｌ３＜Ｌ４の関係を満たすことを特徴とするセンサ素子。
【請求項２】
前記軸線方向に交差する積層方向に沿った断面でみたとき、前記センサ素子の幅方向における長さをＬ１、前記基準ガス導入口の幅方向における長さをＬ２としたとき、０．２×Ｌ１≦Ｌ２の関係を満たすことを特徴とする請求項１に記載のセンサ素子。
【請求項３】
限界電流式センサ素子を構成することを特徴とする請求項１または請求項２に記載のセンサ素子。
【請求項４】
板状のセンサ素子と、前記センサ素子を保持する主体金具とを備えたガスセンサであって、
前記センサ素子として、請求項１〜３のいずれか一項に記載のセンサ素子を用いるガスセンサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、例えば燃焼器や内燃機関等の燃焼ガスや排気ガス中に含まれる特定ガスのガス濃度を検出するのに好適に用いられるセンサ素子、及びそれを備えたガスセンサに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、内燃機関の排気ガス中の特定成分（酸素等）の濃度を検出するためのガスセンサが用いられている。このガスセンサとして、自身の内部にセンサ素子を有する。そして、センサ素子は、複数のセラミック層を積層した板状であると共に、固体電解質体と該固体電解質体に配置された一対の電極を備えるセンサ部を有し、そのうち一方の電極が素子内部に開口する大気導入孔（基準ガス導入口）に臨む構成が知られている（特許文献１参照）。
また、センサ素子はヒータを備え、当該ヒータが加熱することにより、センサ部が活性化される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００７−４２６１５号公報（図９、図１０）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、上記特許文献１の構成のように基準ガス導入口基準ガス導入口、基準ガス導入口の直下にヒータの最高発熱部が位置すると、ヒータの最高発熱部からセンサ部へとヒータの熱が伝達するにあたり、当該伝達経路中に位置する基準ガスが断熱層として機能するためヒータの熱がセンサ部に伝わりにくく、センサ部の温度勾配が大きくなる。センサ部の温度勾配が大きくなると、冷熱サイクルの繰り返しによりセンサ素子にクラックが生じるなど、センサ素子の耐電圧性能が低下するおそれがある。
そこで、本発明は、基準ガス導入口を備えたセンサ素子における耐電圧性能を向上させたセンサ素子、及びそれを備えたガスセンサの提供を目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
上記課題を解決するため、本発明のセンサ素子は、軸線方向に延び、少なくとも板状の第１部、第２部、第３部が積層方向に積層されてなるセンサ素子であって、前記第１部は、固体電解質体と、前記固体電解質体の表面に設けられた基準ガス側電極及び被測定ガス側電極と、を含んで構成され、前記第２部は、前記軸線方向の後端側に開口する基準ガス導入口を有し、前記第３部は、一対の外側直線状部と、前記外側直線状部間に配置された一対の内側直線状部と、隣接する前記外側直線状部の先端と前記内側直線状部の先端とを接続する第１接続部と、一対の前記内側直線状部の後端を接続する第２接続部と、からなる発熱部と、一対の前記外側直線状部の後端に接続される一対のリード部と、を含んで構成され、前記発熱部を含む前記軸線方向に垂直ないずれの断面で見たときでも、一対の前記内側直線状部は、前記基準ガス導入口と積層方向に重なる領域を避けて配置され、隣接する前記外側直線状部及び前記内側直線状部間の長さをＬ３、隣接する一対の前記内側直線状部間の長さをＬ４としたとき、Ｌ３＜Ｌ４の関係を満たすことを特徴とする。
【０００６】
このセンサ素子によれば、一対の内側直線状部は、基準ガス導入口と積層方向に重なる領域を避けて配置されているため、隣接する外側直線状部と内側直線状部との間に位置する最高発熱部も基準ガス導入口と積層方向に重なる領域を避けて配置される態様となる。
このため、第３部の最高発熱部から第１部へと第３部の熱が伝達するにあたり、当該伝達経路中には第２部の基準ガス導入口が位置しないため、第３部の熱が第１部に伝わりやすくなり、第１部の温度勾配が小さくなる。その結果、センサ素子の耐電圧性能が向上する。
【０００７】
本発明のセンサ素子において、前記軸線方向に交差する積層方向に沿った断面でみたとき、センサ素子の幅方向における長さをＬ１、前記基準ガス導入口の幅方向における長さをＬ２としたとき、０．２×Ｌ１≦Ｌ２の関係を満たすとよい。
このセンサ素子によれば、センサ素子の幅方向における基準ガス導入口の存在割合が大きい傾向になるので、本発明がより有効となる。
【０００８】
本発明のセンサ素子は、限界電流式センサ素子を構成するとよい。
限界電流式センサ素子は基準ガス導入室の大きさが大きい傾向にあるので、本発明がより有効となる。
【０００９】
本発明のガスセンサは、板状のセンサ素子と、該センサ素子を保持する主体金具とを備えたガスセンサであって、前記センサ素子として、本発明のセンサ素子を用いる。
このガスセンサによれば、センサ素子の耐電圧性能が向上するため、ガスセンサとしての信頼性が向上する。
【発明の効果】
【００１０】
この発明によれば、基準ガス導入口を備えたセンサ素子における耐電圧性能を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本発明の実施形態に係るセンサ素子を備えたガスセンサ（酸素センサ）の一例の軸線方向に沿う断面図。
【図２】センサ素子の模式分解斜視図。
【図３】センサ素子の中心軸線Ｏ方向に直交する模式断面図。
【図４】第２層１４０ｂに対し、発熱体１４１を投影させた投影図。
【図５】第２層１４０ｂ、発熱体１４１に対し、基準ガス導入口１３１を投影させた投影図。
【図６】ヒータ層における発熱部とリード部の形状を示す平面図。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下、本発明の実施形態について説明する。
図１は本発明の実施形態に係るセンサ素子を備えたガスセンサ（酸素センサ）１の一例の中心軸線Ｏ方向に沿う断面図、図２はセンサ素子１０の模式分解斜視図、図３はセンサ素子１０の中心軸線Ｏ方向に直交する断面図である。
【００１３】
ガスセンサ１は、センサ素子１０と主体金具２０とを主に備える。センサ素子１０は長尺板状の素子であり、被測定ガスである排気ガス中の酸素濃度を測定するためのセンサセルを有している。センサ素子１０は、センサセルが配置されている先端部１０ｓと、リード線７８、７９と電気的に接続されるセンサ側電極パッド部１４、１５（１５のみ図示）が配置されている後端部１０ｋとを有する。センサ素子１０は、先端部１０ｓが主体金具２０の先端側より突出し、後端部１０ｋが主体金具２０の後端側よりも突出した形態で、主体金具２０によって保持されている。
【００１４】
主体金具２０は、センサ素子１０を内部に保持する筒状をなし、主体金具２０の先端側には金属製筒状の外部プロテクタ３１及び内部プロテクタ３２が配置され、センサ素子１０の先端部１０ｓを覆っている。外部プロテクタ３１及び内部プロテクタ３２は複数のガス導入孔３１ｈ、３２ｈを有し、ガス導入孔３１ｈ、３２ｈを通じて被測定ガスをセンサ素子１０の先端部１０ｓの周囲に導入する。
【００１５】
主体金具２０の内部には、センサ素子１０の外周を取り囲む環状のセラミックホルダ２１と、粉末充填層（以下、滑石リングともいう）２２，２３と、セラミックスリーブ２４とが、この順に先端側から配置されている。セラミックホルダ２１及び滑石リング２２の外周には、金属ホルダ２５が配置され、セラミックスリーブ２４の後端側には加締めパッキン２６が配置されている。そして、主体金具２０の後端部２７は、加締めパッキン２６を介してセラミックスリーブ２４を先端側に押圧するように加締められている。
【００１６】
主体金具２０の後端側には、センサ素子１０の後端部１０ｋを取り囲むように筒状の外筒５１が配置されている。さらに、外筒５１の内側には、セパレータ６０が配置されている。セパレータ６０は、センサ素子１０の後端部１０ｋを取り囲むと共に、４本のリード線７８，７９（図１では２本のみ表示）を互いに離間して収容する。
セパレータ６０は中心軸線Ｏ方向に貫通する挿入孔６２を有し、挿入孔６２にセンサ素子１０の後端部１０ｋが挿入されている。又、挿入孔６２には４個の端子部材７５，７６が互いに離間して配置されており、それぞれセンサ素子１０のセンサ側電極パッド部１４、１５及び図示しない２個のヒータ側電極パッド部１６，１７（１７のみ図示）に接続されている。
一方、外筒５１の後端側には、外筒５１の後端開口部を閉塞するグロメット７３が嵌合され、４本のリード線７８，７９がグロメット７３の挿通孔を貫通して外部に引き出されている。なお、グロメット７３の中心部には、外部の基準ガスをセンサ素子１０の後端部１０ｋ内に導入する一方、水分の進入を防ぐフィルタ部２１０が配置されている。
【００１７】
次に、図２、図３を参照してセンサ素子１０の構成について説明する。
センサ素子１０は厚さ方向（積層方向）に、図２の上方から順に、第１セラミック層１１０、第２セラミック層１２０、第３セラミック層１３０、及びヒータ層１４０を積層してなる。各層１１０〜１４０は、アルミナ等の絶縁性セラミックからなり、外形寸法（少なくとも幅及び長さ）の等しい矩形板状をなしている。
【００１８】
第１セラミック層１１０は、保護層１１０ａと、測定室層１１０ｂとを積層してなり、測定室層１１０ｂの先端側（図２の左側）には測定室１１１が矩形状に開口している。又、測定室層１１０ｂの長辺側の両側面には、測定室１１１を外部と区画する多孔質拡散層１１３が配置されている。一方、測定室１１１の先端側と後端側には、測定室１１１の側壁をなすセラミック絶縁層１１５が配置されている。
測定室１１１は多孔質拡散層１１３を介して外部と連通しており、多孔質拡散層１１３は外部と測定室１１１との間のガス拡散を所定の律速条件下で実現する。これにより、センサ素子１０は限界電流式センサ素子を構成する。又、各多孔質拡散層１１３はセンサ素子１０の長手方向（中心軸線Ｏ方向）に沿う両側壁を構成して外部に臨むようになっている。
【００１９】
第２セラミック層１２０は、矩形板状の固体電解質体１２２を備えたアルミナからなる絶縁性のセル層１２１と、固体電解質体１２２の表裏面にそれぞれ設けられた基準ガス側電極１２３及び被測定ガス側電極１２５とを備えている。セル層１２１の先端側（図２の左側）には矩形状に開口する貫通部１２１ｈが設けられ、貫通部１２１ｈに埋め込まれるように固体電解質体１２２が配置されている。なお、基準ガス側電極１２３及び被測定ガス側電極１２５から後端側へ向かってリード部１２３Ｌ，１２５Ｌがそれぞれ伸びている。
固体電解質体１２２，基準ガス側電極１２３及び被測定ガス側電極１２５は、被測定ガス中の酸素濃度の検出セルを構成し、被測定ガス側電極１２５は測定室１１１に臨み、基準ガス側電極１２３は後述する基準ガス導入室１３１に臨んでいる。
なお、本実施形態ではセル層１２１の貫通部１２１ｈに埋め込まれるように固体電解質体１２２が配置されているが、これに限られず、セル層１２１自体が固体電解質体であってもよい。
【００２０】
リード部１２３Ｌは、セル層１２１、測定室層１１０ｂ及び保護層１１０ａに設けられたスルーホールに形成された導体を介してセンサ側電極パッド部１４と電気的に接続されている。又、リード部１２５Ｌは、測定室層１１０ｂ及び保護層１１０ａに設けられたスルーホールに形成された導体を介してセンサ側電極パッド部１５と電気的に接続されている。
そして、基準ガス側電極１２３及び被測定ガス側電極１２５の検出信号が、センサ側電極パッド部１４，１５から２本のリード線７９を介して外部に出力され、酸素濃度が検出される。
【００２１】
第３セラミック層１３０は、先端側（図２の左側）から後端側へ向かって基準ガス導入室１３１が平面視コの字状に開口する枠体をなしている。従って、基準ガス導入室１３１は後端側の面（図２の右側の面）に開口して外部と連通している。
【００２２】
ヒータ層１４０は、第１層１４０ａ、第２層１４０ｂ、及び第１層１４０ａと第２層１４０ｂの間に配置される発熱体１４１を備えている。第１層１４０ａは第３セラミック層１３０と対向している。図４に示すように、発熱体１４１は、中心軸線Ｏ方向に沿って延びる一対の外側直線状部１４１ｈと、外側直線状部１４１ｈ間に配置された中心軸線Ｏ方向に沿って延びる一対の内側直線状部１４１ｉと、隣接する外側直線状部１４１ｈの先端と内側直線状部１４１ｉの先端とを接続する２つの第１接続部１４１ｊと、一対の内側直線状部１４１ｉの後端同士を接続する１つの第２接続部１４１ｋと、からなる蛇行状のパターンを有する発熱部１４１ｍ、及び一対の外側直線状部１４１ｈの後端に接続される一対のリード部１４１Ｌを備えている。
各リード部１４１Ｌは、第２層１４０ｂに設けられたスルーホールに形成された導体を介してヒータ側電極パッド部１６，１７と電気的に接続されている。そして、２本のリード線７８を介してヒータ側電極パッド部１６，１７から発熱体１４１に通電することで、発熱体１４１が発熱し、固体電解質体１２２を活性化する。
なお、ここでいう直線状部とは、中心軸線Ｏ方向に平行に延びる直線のみに限られず、少なくとも全長の５０％以上が中心軸線Ｏ方向に沿って直線状に延びていればよく、一部にクランクした部位を含んでいてもよい。
【００２３】
固体電解質体１２２は、例えばジルコニア（ＺｒＯ２）に安定化剤としてイットリア（Ｙ２Ｏ３）又はカルシア（ＣａＯ）を添加してなる部分安定化ジルコニア焼結体から構成することができる。
【００２４】
基準ガス側電極１２３及び被測定ガス側電極１２５、発熱体１４１、センサ側電極パッド部１４，１５、ヒータ側電極パッド部１６，１７は、白金族元素で形成することができる。これらを形成する好適な白金族元素としては、Ｐｔ、Ｒｈ、Ｐｄ等を挙げることができ、これらはその一種を単独で使用することもできるし、又二種以上を併用することもできる。
【００２５】
ここで、第２セラミック層１２０が特許請求の範囲の「第１部」に相当する。又、第３セラミック層１３０、ヒータ層１４０がそれぞれ特許請求の範囲の「第２部」、「第３部」に相当する。
基準ガス導入室１３１が特許請求の範囲の「基準ガス導入口」に相当する。
【００２６】
そして、図３に示すように、発熱部１４１ｍを含む中心軸線Ｏ方向に垂直な断面を見たとき、一対の内側直線状部１４１ｉは、基準ガス導入室１３１と積層方向に重なる領域を避けて配置され、隣接する外側直線状部１４１ｈ及び内側直線状部１４１ｉ間の長さをＬ３、隣接する一対の内側直線状部１４１ｉ間の長さをＬ４としたとき、Ｌ３＜Ｌ４の関係を満たしている。
つまり、最高発熱部Ｆは上記関係を満たすことで、隣接する外側直線状部１４１ｈと内側直線状部１４１ｉとの間に位置することとなり、また、当該最高発熱部Ｆも基準ガス導入室１３１と積層方向に重なる領域を避けて配置される態様となる。
【００２７】
このため、最高発熱部Ｆから第２セラミック層１２０へとヒータ層１４０の熱が伝達するにあたり、当該伝達経路中には第３セラミック層１３０の基準ガス導入室１３１が位置しないため、ヒータ層１４０の熱が第２セラミック層１２０に伝わりやすくなり、第２セラミック層１２０の温度勾配が小さくなる。その結果、センサ素子１０にクラックが生じることが抑制できるなど、センサ素子１０の耐電圧性能が向上する。
【００２８】
特に、センサ素子１０の幅方向における最大の長さをＬ１、前記基準ガス導入室１３１の幅方向における最大の長さをＬ２としたとき、０．２×Ｌ１≦Ｌ２の関係を満たすとよい。
このセンサ素子１０によれば、センサ素子１０の幅方向における基準ガス導入室１３１の存在割合が大きい傾向になるので、本発明がより有効となる。
【００２９】
本発明は上記実施形態に限定されず、基準ガス導入口を有するあらゆるガスセンサ（センサ素子）に適用可能であり、本実施の形態の酸素センサ（酸素センサ素子）に適用することができるが、これらの用途に限られず、本発明の思想と範囲に含まれる様々な変形及び均等物に及ぶことはいうまでもない。例えば、被測定ガス中のＮＯｘ濃度を検出するＮＯｘセンサ（ＮＯｘセンサ素子）や、ＨＣ濃度を検出するＨＣセンサ（ＨＣセンサ素子）等に本発明を適用してもよい。すなわち、センシング機能を有する第１部、基準ガス導入口を備える第２部、センサを加熱する第３部が上方から順に積層されたセンサであれば、本発明を適用してもよい。
なお、第１部１２０、第２部１３０、及び第３部１４０はそれぞれ単層でも複数層の積層体でもよい。
【実施例】
【００３０】
以下、実施例を挙げて本発明をさらに詳細に説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。
【００３１】
第３部１４０における内側直線状部１４１ｉの位置を種々変更し、図２、図３に示すセンサ素子１０のサンプル１〜４を製造した。なお、ここでは全てのサンプルにおいて、センサ素子１０の幅方向の長さＬ１を３．３ｍｍとし、基準ガス導入口１３１の幅Ｌ２（センサ素子１０の幅方向の基準ガス導入口１３１の長さ）を０．８８ｍｍとした。すなわち、Ｌ２／Ｌ１≒０．２７であり、０．２×Ｌ１≦Ｌ２の関係を満たしている。
図５は、第３部１４０における第２層１４０ｂ、発熱体１４１に対し、基準ガス導入口１３１を投影させた投影図である。図５に示すように、第３部１４０の中心軸線Ｏ’‐Ｏ’を基準とし、外側直線状部１４１ｈの内側までの長さをＢ１、内側直線状部１４１ｉの外側までの長さをＢ２、内側直線状部１４１ｉの内側までの長さをＢ３、基準ガス導入口１３１の側面までの長さをＢ４とし、図６にＢ１〜Ｂ４、Ｌ１〜Ｌ４の寸法をそれぞれ記載した。なお、図６では寸法の単位（ｍｍ）を省略して記載している。また、図５に示した発熱体１４１、基準ガス導入口１３１は、中心軸線Ｏ’‐Ｏ’を基準として線対称に製造されている。
【００３２】
また、サンプル１〜４に対し、耐電圧試験を行って耐電圧性を評価し、当該評価結果を図６に記載した。耐電圧試験は、センサ素子の外表面が所定の温度（８３０℃）に到達するまで所定の印加電圧（１２Ｖ）をヒータに印加し、所定の温度到達後には電圧の印加を停止して常温になるまで室温で冷却する一連のプロセスを１サイクルとし、このサイクルを１０回繰り返すことで実施した。その後、センサ素子にクラックが生じていない場合には、印加電圧を上げて左記プロセスを繰り返し、センサ素子にクラックが生じた電圧が高い程、耐電圧性は良好であると云える。ここでは、サンプル２でクラックが生じた印加電圧を基準とし、当該印加電圧よりも低い印加電圧でセンサ素子にクラックが生じた場合は×、当該印加電圧でクラックが生じない場合は〇と評価した。
【００３３】
図６に示すように、サンプル１、２において中心軸線Ｏ’‐Ｏ’から内側直線状部１４１ｉの内側までの長さＢ３と、中心軸線Ｏ’‐Ｏ’から基準ガス導入口１３１の側面までの長さＢ４とを比較すると、Ｂ３の方がＢ４よりも短い。これは即ち、内側直線状部１４１ｉの一部が、基準ガス導入口１３１と積層方向に重なる領域に配置されていることを表している。また、サンプル３、４において中心軸線Ｏ’‐Ｏ’から内側直線状部１４１ｉの内側までの長さＢ３と、中心軸線Ｏ’‐Ｏ’から基準ガス導入口１３１の側面までの長さＢ４とを比較すると、Ｂ３の方がＢ４よりも長い。これは即ち、内側直線状部１４１ｉが、基準ガス導入口１３１と積層方向に重ならない領域に配置されていることを表している。
また、サンプル１においてはＬ３＞Ｌ４の関係となっており、サンプル２〜４においてはＬ３＜Ｌ４の関係となっている。
【００３４】
耐電圧試験の結果、サンプル２と比較し、サンプル１ではサンプル２よりも低い印加電圧でクラックが生じた。一方、サンプル３、４ではサンプル２でクラックが生じた印加電圧ではクラックが生じなかった。これは、内側直線状部１４１ｉが基準ガス導入口１３１と積層方向に重ならない領域に配置されることで、最高発熱部Ｆから第２セラミック層１２０へとヒータ層１４０の熱が伝達するにあたり、当該伝達経路中には第３セラミック層１３０の基準ガス導入口１３１が位置しないため、ヒータ層１４０の熱が第２セラミック層１２０に伝わりやすくなり、第２セラミック層１２０の温度勾配が小さくなったことによる影響と考えられる。以上の結果から、内側直線状部１４１ｉが基準ガス導入口１３１と積層方向に重ならない領域に配置されることで、センサ素子１０の耐電圧性能が向上することがわかった。
【符号の説明】
【００３５】
１    ガスセンサ
１０    センサ素子
１０ａ、１０ｂ    センサ素子の上端面
２０    主体金具
１１０    第１セラミック層
１２０    第２セラミック層
１３０    第３セラミック層
１３１    基準ガス導入口
１４０    ヒータ層
Ｏ、Ｏ’    中心軸線
Ｆ    最高発熱部
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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