气体传感器元件
阅读：820发布：2021-10-21
专利汇可以提供气体传感器元件专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且气体 传感器 元件(1)具备：主体(10)，具有设有被测定气体侧 电极 (12)及基准气体侧电极(13)的固体 电解 质体(11)；捕获层(2)， 覆盖 主体(10)的外周面(152)，捕获被测定气体(G)中含有的中毒物质；以及防 水 性的保护层(3)，覆盖捕获层(2)的外周面。在保护层(3)形成有用于经由捕获层(2)向被测定气体侧电极(12)导入被测定气体(G)的至少1个被测定气体导入口(31)。，下面是气体传感器元件专利的具体信息内容。
1.一种气体传感器元件(1)，其特征在于，具备：
主体(10)，具有氧离子传导性的固体电解质体(11)、设置于该固体电解质体(11)的一个面的被测定气体侧电极(12)、以及设置于上述固体电解质体(11)的另一个面的基准气体侧电极(13)；
由多孔质材料构成的捕获层(2)，覆盖该主体(10)的外周面(152)，并且捕获被测定气体(G)中含有的中毒物质并使该被测定气体(G)透过；以及
气孔率为5％以下的保护层(3)，覆盖该捕获层(2)的外周面，并且具有不使水分透过的性质；
在该保护层(3)形成有至少1个被测定气体导入口(31)，该被测定气体导入口(31)用于经由上述捕获层(2)向上述被测定气体侧电极(12)导入上述被测定气体(G)。
2.如权利要求1所述的气体传感器元件(1)，其特征在于，
上述固体电解质体(11)形成为板形状，
上述主体(10)还具有用于向上述被测定气体侧电极(12)导入上述被测定气体(G)的气体导入路(15)、以及配置于该气体导入路(15)的多孔质扩散电阻层(14)；
上述气体导入路(15)具有在上述主体(10)的外周面(152)上开口的主体侧导入口(151)；
上述保护层(3)的上述至少1个被测定气体导入口(31)在与上述主体侧导入口(151)从外侧对置的位置贯通上述保护层(3)而形成。
3.如权利要求1或2所述的气体传感器元件(1)，其特征在于，
上述至少1个被测定气体导入口(31)在0.5mm～2.0mm的宽度(W2)的范围内形成。
气体传感器元件
[0001] 相关申请的交叉引用
[0002] 本申请基于2014年11月19日提出的日本专利申请第2014－234948号和2015年7月13日提出的日本专利申请第2015－139917号主张优先权，其全部内容通过参照而引用到本申请中。
技术领域
背景技术
[0005] 在这样的气体传感器中，例如内置有气体传感器元件，该气体传感器元件具有氧离子传导性的固体电解质体、分别在该固体电解质体的一个面和另一个面设置的被测定气体侧电极及基准气体侧电极、和覆盖被测定气体侧电极并供被测定气体透过的多孔质扩散电阻层。气体传感器元件在被加热到固体电解质体成为活性的高温(例如500℃以上)的状态下使用。因此，如果排气中包含的冷凝水渗入到气体传感器元件内而附着于高温的固体电解质体，则固体电解质体被施加较大的热冲击，有可能发生水致破裂。
[0006] 为了解决上述问题，例如在专利文献1中，公开了一种具有提高耐浸水性的构造的气体传感器元件。具体而言，该气体传感器元件的外周面被由能够使排气透过的致密的多孔质材料形成的保护层覆盖。通过使该保护层的表面粗糙度Ra成为3.0μm以下，该保护层在常温下具有亲水性，在高温时具有疏水性。由此，防止高温时的水滴向气体传感器元件的附着，实现了水致破裂的抑制。
[0007] 现有技术文献
[0008] 专利文献1：日本特许第5287807号公报
[0009] 但是，本申请的发明者们发现，在专利文献1所公开的气体传感器元件中有以下的问题。
[0010] 在内燃机中燃烧的燃料的性状较差的情况下，燃料中较多地含有Mn、Fe、Ca等中毒(催化剂中毒)物质。如果这些中毒物质与排气一起被排出并附着到保护层，则不能将保护层的表面粗糙度Ra维持为3.0μm以下，在高温时保护层有可能无法发挥疏水性。结果，气体传感器元件的耐浸水性能下降，有可能水分会渗入到气体传感器元件内。
[0011] 此外，近年来，随着排气限制的强化，希望在内燃机启动时由气体传感器元件迅速地检测排气中的特定成分的浓度。因此，需要使固体电解质体较早地成为活性温度，进行基于加热器的急速升温。这里，在水分渗入到了气体传感器元件的内部的情况下，通过急速升温被加热的水分气化膨胀而成为水蒸气。在专利文献1中公开的气体传感器元件的保护层虽然能够使排气等的气体透过，但在气体透过时产生通气阻力。因而，如果由水分的气化膨胀带来的压力上升的速度相对于水蒸气透过保护层而被排出的速度大，则气体传感器元件的内部成为高压，气体传感器元件有可能损坏。
发明内容
[0012] 本申请是鉴于这样的背景而做出的，目的是提供一种耐浸水性及耐中毒性良好、能够抑制急速升温时的损坏的气体传感器元件。
[0013] 在本申请的一技术方案中，气体传感器元件具备：主体，具有氧离子传导性的固体电解质体、设置于该固体电解质体的一个面的被测定气体侧电极、和设置于上述固体电解质体的另一个面的基准气体侧电极；由多孔质材料构成的捕获层，将该主体的外周面覆盖，并且捕获被测定气体中含有的中毒物质，使该被测定气体透过；以及保护层，将该捕获层的外周面覆盖，并且具有不使水分透过的性质；在该保护层形成有至少1个被测定气体导入口，该被测定气体导入口用于经由上述捕获层向上述被测定气体侧电极导入上述被测定气体。
[0014] 根据上述结构，上述气体传感器元件具备将上述主体的外周面覆盖的上述捕获层和将该捕获层的外周面覆盖的上述保护层。因此，能够提高气体传感器元件的耐浸水性及耐中毒性，抑制急速升温时的损坏。
[0015] 具体而言，上述保护层由具有不使水分透过的性质的材料、例如气孔率极小而致密的陶瓷层等形成，所以不论其表面性状如何都能够发挥防水性。因而，即使排气中含有的中毒物质附着在上述保护层上，该保护层的防水性也不会下降而被维持。由此，能够防止水分向上述主体的内部渗入，提高上述固体电解质体的耐浸水性及耐中毒性。
[0016] 此外，在上述保护层形成有上述被测定气体导入口。因此，能够将连接上述气体传感器元件的内部和外部的路径限定于上述被测定气体导入口。由此，能够有效地抑制中毒物质及水分等异物向上述气体传感器元件的内部的渗入。此外，当渗入到上述气体传感器元件的内部的水分气化膨胀而成为了水蒸气时，能够将该水蒸气从上述被测定气体导入口迅速地排出。即，上述被测定气体导入口能够高效地进行从外部的被测定气体的导入和内部的水蒸气的排出双方。由此，能够抑制上述气体传感器元件的内部的压力上升，防止上述气体传感器元件的损坏。
[0017] 此外，在上述保护层与上述主体之间形成有上述捕获层。因此，经由上述被测定气体导入口而与上述捕获层接触的被测定气体中的中毒物质及水分等异物能够通过该捕获层从被测定气体分离。此外，经由上述被测定气体导入口而与捕获层接触的水分被保持在由多孔质材料构成的捕获层的气孔内。这样，通过将中毒物质及水分等异物利用捕获层捕获，能够防止这些异物到达上述固体电解质体。由此，能够抑制固体电解质体的中毒及水致破裂。
[0018] 如以上这样，根据本申请，能够提供一种耐浸水性及耐中毒性良好、能够抑制急速升温时的损坏的气体传感器元件。
[0019] 此外，在上述气体传感器元件中，优选的是，上述主体还具有使向被测定气体侧电极引导的被测定气体透过的多孔质扩散电阻层；在上述主体形成有用于经由上述多孔质扩散电阻层向上述被测定气体侧电极导入上述被测定气体的气体导入路；该气体导入路具有在上述主体的外周面上开口的主体侧导入口；上述保护层的上述至少1个被测定气体导入口形成在与上述主体侧导入口从外侧对置的位置。在此情况下，能够在上述主体侧导入口的附近形成上述至少1个被测定气体导入口。由此，能够缩短从上述至少1个被测定气体导入口到上述主体侧导入口之间的上述被测定气体的流通路径，提高上述气体传感器元件的灵敏度。附图说明
[0020] 图1是表示有关实施方式1的气体传感器元件的说明图。
[0021] 图2是图1的II向视图。
[0022] 图3是具备有关实施方式1的气体传感器元件的气体传感器的剖视图。
[0023] 图4是表示有关实施方式2的气体传感器元件的说明图。
[0024] 图5是表示有关实施方式3的气体传感器元件的说明图。
[0025] 图6是表示有关实施方式4的气体传感器元件的说明图。
[0026] 图7是表示有关实施方式4的另一气体传感器元件的说明图。
具体实施方式
[0027] (实施方式1)
[0028] 参照图1～图3对有关实施方式1的气体传感器元件1进行说明。
[0029] 如图1所示，气体传感器元件1具有主体10、将主体10的外周面152覆盖的捕获层2、和将捕获层2的外周面覆盖的保护层3。
[0030] 主体10具有氧离子传导性的固体电解质体11、设置于固体电解质体11的一个面的被测定气体侧电极12、设置于固体电解质体11的另一个面的基准气体侧电极13、和使向被测定气体侧电极12引导的被测定气体G透过的多孔质扩散电阻层14。
[0031] 捕获层2由使被测定气体G透过的多孔质材料构成，且捕获被测定气体G中含有的中毒(催化剂中毒)物质。
[0032] 保护层3具有不使水分透过的性质(防水性)，在保护层3，形成有用于向主体10的内部、具体而言经由捕获层2及多孔质扩散电阻层14向被测定气体侧电极12导入被测定气体G的一对被测定气体导入口31。
[0033] 以下，对气体传感器元件1的结构更详细地说明。
[0034] 如图3所示，气体传感器元件1被用在气体传感器100。气体传感器100例如构成为：基于依赖于来自车辆的内燃机的排气(即，被测定气体G)中的氧浓度而在电极12、13之间流过的临界电流来检测向内燃机供给的混合气的空燃比(A/F比)的A/F比传感器。
[0035] 气体传感器100具有气体传感器元件1、在内侧插通保持气体传感器元件1的绝缘子101、在内侧插通保持绝缘子101的壳体102、配设在壳体102的基端侧的大气侧罩103、和配设在壳体102的前端侧并保护气体传感器元件1的元件罩104。
[0036] 元件罩104通过由外侧罩105和内侧罩106形成的双重构造的罩构成。在该外侧罩105及内侧罩106的侧壁及底壁设有用于供被测定气体G导通的导通孔107。
[0037] 如图1所示，气体传感器元件1的固体电解质体11是将氧化锆成形为板形状的结构。被测定气体侧电极12及基准气体侧电极13含有白金。
[0038] 在固体电解质体11的设有基准气体侧电极13的面，层叠有具有电绝缘性、致密而不使气体透过的由氧化铝构成的基准气体室形成层18。在基准气体室形成层18形成有将基准气体(例如大气)A导入的槽状的基准气体室181。
[0039] 在基准气体室形成层18的与配置有固体电解质体11的面相反侧的面，层叠有由氧化铝构成的加热器基板19。在基准气体室形成层18与加热器基板19之间，埋设有通过通电而发热的发热体191。并且，通过通电使发热体191发热，从而能够将气体传感器元件1急速加热到活性温度。
[0040] 在固体电解质体11的配置有被测定气体侧电极12的面，在被测定气体侧电极12的两侧层叠有多孔质扩散电阻层14。多孔质扩散电阻层14由气体透过性的氧化铝多孔体构成。
[0041] 在多孔质扩散电阻层14的与配置有固体电解质体11的面相反侧的面，层叠有具有电绝缘性、致密而不使气体透过的由氧化铝构成的遮蔽层17。即，多孔质扩散电阻层14配置在固体电解质体11与遮蔽层17之间。
[0042] 在固体电解质体11的设有被测定气体侧电极12的面，形成有作为配置被测定气体侧电极12的空间的被测定气体室16、和连通到被测定气体室16且向被测定气体室16引导被测定气体G的气体导入路15。多孔质扩散电阻层14配置在气体导入路15内。位于气体导入路15的端部的主体侧导入口151在主体10的外周面152上开口。被测定气体室16被遮蔽层17、多孔质扩散电阻层14和固体电解质体11包围而形成。
[0043] 在气体导入路15的主体侧导入口151，设有用于将被测定气体G中含有的氢除去的催化剂层153。催化剂层153由白金类催化剂构成。
[0044] 将主体10的外周面152覆盖的捕获层2是由以γ－氧化铝或θ－氧化铝为主成分的陶瓷粒子构成的多孔质的层。此外，捕获层2构成为，能够捕获被测定气体G中的中毒成分、例如由油中含有的P、Si、Ca、Zn等成分生成的化合物等。
[0045] 捕获层2具有粒径及气孔率相互不同的第1捕获层21和第2捕获层22的2层构造。另外，捕获层2也可以具有1层构造，也可以具有3层以上的构造。
[0046] 第1捕获层21由粒径为约20μm～40μm的陶瓷粒子构成，气孔率是约40％～80％，形成为将第2捕获层22的外周面的整面覆盖。第1捕获层21的截面形状为大致矩形环状。
[0047] 第2捕获层22由粒径为约2μm～8μm的陶瓷粒子构成，气孔率是约20％～70％，形成为，将主体10的外周面152的整面覆盖。第2捕获层22形成为，在主体10的4个角部，局部地厚度变大。
[0048] 在第1捕获层21中，将中毒物等异物中的比较大的异物、有粘性的异物从被测定气体G分离。并且，在第2捕获层22中，将穿过了第1捕获层21的较小的异物从被测定气体G分离。由此，能够防止捕获层2中的网眼堵塞，高效地将被测定气体G向被测定气体室16导入。
[0049] 在捕获层2的更外侧，以将捕获层2覆盖的方式形成有保护层3。保护层3是由以α－氧化铝为主成分的陶瓷粒子构成、气孔率为5％以下的致密的层。
[0050] 在保护层3形成有一对被测定气体导入口31。被测定气体导入口31形成在与气体导入路15的主体侧导入口151从外侧对置的位置。
[0051] 此外，如图2所示，保护层3的被测定气体导入口31以0.5mm的宽度W2形成。被测定气体导入口31沿着气体传感器元件1的长度方向Z形成得较长，宽度W2表示与长度方向Z正交的方向的宽度。被测定气体导入口31可以以0.5mm～2.0mm的宽度W2形成。在被测定气体导入口31的宽度W2小于0.5mm的情况下，向被测定气体室16导入的被测定气体G的通气阻力变大，有可能阻碍被测定气体G的流通。另一方面，在被测定气体导入口31的宽度W2超过2.0mm的情况下，对于发挥气体传感器元件1的耐浸水性是不充分的。
[0052] 此外，气体导入路15的主体侧导入口151以0.07mm的宽度W1形成。主体侧导入口151沿着气体传感器元件1的长度方向Z形成得较长，宽度W1表示与长度方向Z正交的方向的宽度。主体侧导入口151在形成有被测定气体导入口31的宽度W2的范围内形成。
[0053] 接着，对通过本实施方式得到的作用效果进行说明。
[0054] 在本实施方式中，气体传感器元件1具备将主体10的外周面152覆盖的捕获层2和将该捕获层2的外周面覆盖的保护层3。因此，能够提高气体传感器元件1的耐浸水性及耐中毒性，抑制急速升温时的损坏。
[0055] 具体而言，保护层3由于由具有不使水分透过的性质的材料形成，所以不论其表面性状如何，都能够发挥防水性。因而，即使排气中含有的中毒物质附着在保护层3，保护层3的防水性也不会下降而维持。由此，能够防止水分向主体10的内部的渗入，提高固体电解质体11的耐浸水性及耐中毒性。
[0056] 此外，在保护层3形成有被测定气体导入口31。因此，能够将连接气体传感器元件1的内部和外部的路径限定于被测定气体导入口31。由此，能够有效地抑制中毒物质及水分等异物向气体传感器元件1的内部的渗入。此外，当渗入到气体传感器元件1的内部的水分气化膨胀而成为了水蒸气时，能够将该水蒸气从被测定气体导入口31迅速地排出。即，被测定气体导入口31能够高效地进行从外部的被测定气体G的导入和内部的水蒸气的排出双方。由此，能够抑制气体传感器元件1的内部的压力上升，防止气体传感器元件1的损坏。
[0057] 此外，在保护层3与主体10之间形成有捕获层2。因此，经由被测定气体导入口31而与捕获层2接触的被测定气体G中的中毒物质及水分等异物能够被该捕获层2从被测定气体G分离。此外，经由被测定气体导入口31而与捕获层2接触的水分被保持在由多孔质材料构成的捕获层2的气孔内。这样，通过将中毒物质、水分等异物利用捕获层2捕获，能够防止这些异物到达固体电解质体11。由此，能够抑制固体电解质体11的中毒、水致破裂。
[0058] 在本实施方式中，在主体10形成有用于经由多孔质扩散电阻层14向被测定气体侧电极12导入被测定气体G的气体导入路15，气体导入路15具有在主体10的外周面152上开口的主体侧导入口151，保护层3的被测定气体导入口31形成在与主体侧导入口151从外侧对置的位置。因此，能够在主体侧导入口151的附近形成被测定气体导入口31。由此，能够缩短从被测定气体导入口31到主体侧导入口151之间的被测定气体G的流通路径，提高气体传感器元件1的灵敏度。
[0059] 在本实施方式中，被测定气体导入口31在0.5mm～2.0mm的宽度W2的范围内形成。因此，能够有效地抑制水分向气体传感器元件1内的渗入，并且容易地进行被测定气体G及水蒸气的导入及排出。由此，能够进一步提高气体传感器元件1的耐浸水性，并且有效地抑制气体传感器元件1内的压力上升。
[0060] 如以上这样，根据本实施方式，能够提供一种耐浸水性及耐中毒性良好、能够抑制急速升温时的损坏的气体传感器元件1。
[0061] (实施方式2)
[0062] 在本实施方式中，如图4所示，变更了实施方式1的气体传感器元件1的保护层3的一对被测定气体导入口31的形成位置。具体而言，在本实施方式中，保护层3的一对被测定气体导入口31形成在从气体导入路15的主体侧导入口151离开的位置。更具体地讲，被测定气体导入口31形成在与主体10的没有形成主体侧导入口151的角部对置的位置。
[0063] 在本实施方式中，其他结构及图中的标号所示的内容也与实施方式1相同。
[0064] 在有关本实施方式的气体传感器元件1中，从被测定气体导入口31到主体侧导入口151的距离相比实施方式1的情况长。并且，被测定气体G从被测定气体导入口31到主体侧导入口151为止在更长的距离上穿过捕获层2。因此，能够更有效地抑制水分及中毒物向被测定气体室16的渗入。
[0065] 另外，被测定气体导入口31能够对应于气体传感器元件1的设计条件而形成在主体10的各种各样的位置。
[0066] 此外，通过本实施方式，也能够得到与实施方式1同样的作用效果。
[0067] (实施方式3)
[0068] 在本实施方式中，如图5所示，变更了实施方式1的气体传感器元件1的保护层3的一对被测定气体导入口31的形成状态。具体而言，在本实施方式中，保护层3的各被测定气体导入口31由φ0.01mm～φ1.5mm的许多贯通孔形成。此外，保护层3的各被测定气体导入口31的形成位置与实施方式1的情况同样，是与主体侧导入口151对置的位置。另外，由许多贯通孔形成的被测定气体导入口31的形成位置也可以为不与主体侧导入口151对置的各种各样的位置。
[0069] 在本实施方式中，其他结构及图中的标号所示的内容也与实施方式1相同。此外，通过本实施方式，也能够得到与实施方式1同样的作用效果。
[0070] (实施方式4)
[0071] 本实施方式如图6、图7所示，例示代替使用板形状的固体电解质体11而使用杯形状的固体电解质体11A的气体传感器元件1A。
[0072] 杯形状的固体电解质体11A是圆筒形状的部分111的端部被半球形状的部分112闭塞而形成的。被测定气体侧电极12设置在固体电解质体11A的圆筒形状的部分111的外周，基准气体侧电极13设置在固体电解质体11A的圆筒形状的部分111的内周。
[0073] 在固体电解质体11A的外侧，设有用于将被测定气体侧电极12覆盖而保护的、由缓冲件等构成的内部保护层23。此外，在内部保护层23的外侧，设有由第1捕获层21及第2捕获层22构成的捕获层2。进而，在捕获层2的外侧设有保护层3，在保护层3的与被测定气体侧电极12对置的位置形成有被测定气体导入口31。
[0074] 被测定气体侧电极12可以设置在固体电解质体11A的外周的整周上，被测定气体导入口31可以设置在与固体电解质体11A的外周对置的周向的多个部位。被测定气体导入口31可以形成为各种各样的形状，例如如图6所示，可以形成为在固体电解质体11A的轴线方向L上较长的形状，或者，也可以如图7所示，由φ0.01mm～φ1.5mm的大小的许多贯通孔形成。在用许多贯通孔形成被测定气体导入口31的情况下，该许多贯通孔可以在与固体电解质体11A的外周对置的周向的全范围中分散形成。
[0075] 在本实施方式中，被测定气体导入口31形成在与被测定气体侧电极12从外侧对置的位置。另外，被测定气体导入口31也可以形成在不与被测定气体侧电极12从外侧对置的位置。
[0076] 此外，在本实施方式中，设有通过通电而发热的发热体191A的由氧化铝构成的加热器部件19A配置在固体电解质体11A的内侧。
[0077] 在有关本实施方式的气体传感器元件1A中，也通过设置保护层3及被测定气体导入口31，能得到与有关实施方式1的气体传感器元件1同样的作用效果。
[0078] 另外，在本实施方式中，其他结构及图中的标号所示的内容也与实施方式1相同。
[0079] 另外，本申请并不限定于上述实施方式，在不脱离本申请的主旨的范围内当然能够实施各种各样的变更。
高效检索全球专利专利汇是专利免费检索,专利查询,专利分析-国家发明专利查询检索分析平台，是提供专利分析，专利查询，专利检索等数据服务功能的知识产权数据服务商。
我们的产品包含105个国家的1.26亿组数据，免费查、免费专利分析。
分析报告
专利汇分析报告产品可以对行业情报数据进行梳理分析，涉及维度包括行业专利基本状况分析、地域分析、技术分析、发明人分析、申请人分析、专利权人分析、失效分析、核心专利分析、法律分析、研发重点分析、企业专利处境分析、技术处境分析、专利寿命分析、企业定位分析、引证分析等超过60个分析角度，系统通过AI智能系统对图表进行解读，只需1分钟，一键生成行业专利分析报告。
传感器热门专利
QQ群二维码
意见反馈
意见反馈