JP2009080111A - Gas concentration detecting element and method of manufacturing the same - Google Patents

Gas concentration detecting element and method of manufacturing the same Download PDF

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a gas concentration detecting element which is equipped with a porous protection layer having high water resistance, can be activated earlier and is excellent in response, and to provide a method of manufacturing the same. <P>SOLUTION: The gas concentration detecting element 10 is configured to detect a concentration of a specific gas component in a gas to be measured. The gas concentration detecting element 10 includes the porous protection layer 170 for covering the surface of the gas concentration detecting element 10 exposed to the gas to be measured. In the porous protection layer 170, at least one recess P<SB>MAC</SB>is disposed, which is made recessed so that its surface may face the element side, and opens to the surface of the porous protection layer 170. Since the aperture part P<SB>MAC</SB>is disposed therein, droplets are speedily spread in the porous protection layer 170 when being under water, thereby absorbing a thermal shock. Since the thickness of the porous protection layer 170 can be made thin to keep its heat capacity lowered, a solid electrolyte layer 100 can be activated early. <P>COPYRIGHT: (C)2009,JPO&INPIT

Description

本発明は、車両用エンジン等の内燃機関の燃焼排気中に含まれる特定ガス成分の濃度を測定するガスセンサに用いられるガス濃度検出素子の被水強度向上に関するものである。   The present invention relates to an improvement in water exposure strength of a gas concentration detection element used in a gas sensor for measuring the concentration of a specific gas component contained in combustion exhaust of an internal combustion engine such as a vehicle engine.

従来、車両用エンジン等の内燃機関の燃焼排気流路に、該燃焼排気中に含まれる酸素、窒素酸化物等の特定ガス成分の濃度を検知するガスセンサを配設して、内燃機関の燃焼制御を行っている。
この様なガスセンサには、例えば、平板状に形成された酸素イオン導伝性の固体電解質層と、該固体電解質層の一方の表面に形成されて被測定ガスに接する測定電極層と、該測定電極層側に形成されて上記被測定ガスを透過する多孔質拡散抵抗層と、上記固体電解質層の他方の表面に形成されて基準ガスに接する基準電極層と、該基準電極層側に形成されて上記基準ガスを導入する基準ガス室を有する基準ガス室形成層と、発熱体を内部に有する絶縁性の基体とを積層してなる積層型ガス濃度検出素子が内蔵されている。
Conventionally, a combustion sensor for an internal combustion engine has been provided with a gas sensor for detecting the concentration of a specific gas component such as oxygen or nitrogen oxide contained in the combustion exhaust gas in a combustion exhaust flow path of an internal combustion engine such as a vehicle engine. It is carried out.
Such a gas sensor includes, for example, an oxygen ion conductive solid electrolyte layer formed in a flat plate shape, a measurement electrode layer formed on one surface of the solid electrolyte layer and in contact with the gas to be measured, and the measurement A porous diffusion resistance layer that is formed on the electrode layer side and transmits the gas to be measured, a reference electrode layer that is formed on the other surface of the solid electrolyte layer and is in contact with the reference gas, and is formed on the reference electrode layer side. A laminated gas concentration detecting element is built in which a reference gas chamber forming layer having a reference gas chamber for introducing the reference gas and an insulating substrate having a heating element are laminated.

燃焼排気中には、P、Ca、Zn、Si等のオイル含有成分やK、Na、Pb等のガソリン添加成分からなる被毒物質が含まれており、上記積層型ガス濃度検出素子の測定電極層や多孔質拡散層がこれらの被毒物質に汚染されて劣化する虞があり、ガスセンサの応答性劣化や出力異常等の問題を引き起こす虞がある。
このため、ガス濃度検出素子の多孔質拡散層の外周面に、上記被毒物質を捕獲する多孔質保護層を形成することが知られている(特許文献1参照)。
The combustion exhaust contains poisonous substances composed of oil-containing components such as P, Ca, Zn, and Si and gasoline-added components such as K, Na, and Pb. There is a possibility that the layer and the porous diffusion layer may be contaminated and deteriorated by these poisoning substances, which may cause problems such as deterioration in response of the gas sensor and abnormal output.
For this reason, it is known to form a porous protective layer for capturing the poisonous substance on the outer peripheral surface of the porous diffusion layer of the gas concentration detecting element (see Patent Document 1).

また、燃焼排気中には、水蒸気も含まれており、これが凝縮して水滴となり積層型ガス濃度検出素子に付着する虞がある。一方、積層型ガス濃度検出素子は、発熱体によって700℃以上の高温に加熱され固体電解質層が活性化された状態で使用されている。このため、水滴の付着(被水)によって、積層型ガス濃度検出素子には、大きな熱衝撃が加わり被水割れを生じる虞がある。   The combustion exhaust gas also contains water vapor, which condenses into water droplets and may adhere to the stacked gas concentration detection element. On the other hand, the laminated gas concentration detecting element is used in a state where the solid electrolyte layer is activated by being heated to a high temperature of 700 ° C. or higher by a heating element. For this reason, there is a possibility that a large thermal shock is applied to the stacked gas concentration detection element due to the adhesion (water exposure) of water droplets, resulting in water cracking.

そこで、多孔質保護層は所定膜厚以上の膜厚に形成して、水滴が付着したときには、水滴を多孔質保護層内に分散させて素子全体にクラックが発生するのを防止する技術が開示されている(特許文献2及び3参照)。
特開平06−174683号公報 特開2006−171013号公報 特開2006−250537号公報
Therefore, a technology is disclosed in which the porous protective layer is formed to a thickness equal to or greater than a predetermined thickness, and when water droplets adhere, the water droplets are dispersed in the porous protective layer to prevent cracks from occurring in the entire device. (See Patent Documents 2 and 3).
Japanese Patent Laid-Open No. 06-174683 JP 2006-171013 A JP 2006-250537 A

ところが、多孔質保護層の膜厚を厚くすると、被水に伴う熱衝撃に対する耐久性は向上するが、熱容量が大きくなるので、早期の活性化が困難となり、ガス濃度検出素子の応答性が低下する虞がある。
また、被毒物質を捕獲しつつ、被測定ガスの透過性を確保すべく、多孔質保護層は、スピネルやアルミナ等の耐熱性セラミック材料からなり、比較的粗い粒子を低温で仮焼して形成している。従って、粒子間の結合力は緻密な焼結体に比べ遙かに弱い。このため、多孔質保護層の膜厚を厚くすると積層型ガス濃度検出素子との密着強度はかえって弱くなり、素子表面から剥離する虞があることが判明した。
However, increasing the thickness of the porous protective layer improves the durability against thermal shock caused by water exposure, but increases the heat capacity, making early activation difficult and reducing the response of the gas concentration detection element. There is a risk of doing.
In addition, the porous protective layer is made of a heat-resistant ceramic material such as spinel or alumina to capture poisonous substances and ensure the permeability of the gas to be measured. Forming. Therefore, the bonding force between the particles is much weaker than that of a dense sintered body. For this reason, when the film thickness of the porous protective layer is increased, it has been found that the adhesion strength with the stacked gas concentration detection element becomes weaker and may peel from the element surface.

そこで、本願発明は、かかる実情に鑑み、被水に対する耐久性の高い多孔質保護層を備え、かつ早期に活性化し応答性に優れたガス濃度検出素子とその製造方法とを提供することを目的とするものである。   Therefore, in view of such circumstances, the present invention has an object to provide a gas concentration detecting element that has a porous protective layer with high durability against water and is activated at an early stage and excellent in responsiveness, and a manufacturing method thereof. It is what.

第1の発明は、被測定ガス中の特定ガス成分の濃度を検出するガス濃度検出素子において、
該ガス濃度検出素子は、上記被測定ガスに晒される上記ガス濃度検出素子の表面を覆う多孔質保護層を具備し、
該多孔質保護層の表面を素子側に向かって窪ませてなり、上記多孔質保護層の表面に開口する凹部を少なくとも1ケ箇所以上設けたことを特徴とするガス濃度検出素子にある(請求項1)。
A first invention provides a gas concentration detecting element for detecting the concentration of a specific gas component in a gas to be measured.
The gas concentration detection element comprises a porous protective layer covering the surface of the gas concentration detection element exposed to the gas to be measured,
The gas concentration detecting element is characterized in that the surface of the porous protective layer is recessed toward the element side, and at least one recess is formed in the surface of the porous protective layer. Item 1).

一般的には、多孔質保護層は均一に形成するのが良いと考えられていた。ところが、従来の多孔質保護層を備えたガス濃度検出素子では、使用時に素子の表面は極めて高い温度に加熱された状態であるので、小さな水滴が多孔質保護層の表面に接触しても、水滴の表面張力が小さいので、均一な多孔質保護層表面には濡れを起こさず、その表面上をはじかれるように転がり、小さな水滴が集まって大きな水滴となり表面張力が大きくなった時に、多孔質保護層表面に濡れ広がり、瞬間的に一気に多孔質保護層内部に浸透するため、熱衝撃が大きくなり、素子の被水割れを起こしていたことが判明した。   In general, it has been considered that the porous protective layer should be formed uniformly. However, in the gas concentration detection element having the conventional porous protective layer, since the surface of the element is heated to an extremely high temperature during use, even if a small water droplet contacts the surface of the porous protective layer, Since the surface tension of the water droplets is small, the surface of the uniform porous protective layer does not get wet, rolls so that it is repelled on the surface, and when the small water droplets gather and become large water droplets, the surface tension increases. It was found that the surface of the protective layer wets and spreads, and instantaneously penetrates into the porous protective layer at a stroke, so that the thermal shock increases and the device is subject to water cracking.

第1の発明によれば、上記ガス濃度検出素子の表面に、飛来してきた水滴が接触したときに上記凹部によって水滴を捕らえ、小さな水滴でも表面張力のバランスを崩し、速やかに上記多孔質保護層に拡散させ、直ちに乾燥することができる。また、水滴を捕らえた凹部の側壁においては、ある確率で水滴が多孔質保護層に接触するため、比較的熱衝撃が小さくなり、被水割れを起こし難くできる。すなわち、上記多孔質保護層に接触する被測定ガス中の水分は、ガス濃度検出素子の表面に到達する前に、ガス濃度検出素子の内部に向けて窪む凹部の側面に吸収され、多孔質保護層において、ガス濃度検出素子の面方向に広がることができる。これにより、多孔質保護層にガス濃度検出素子の面方向への吸水性を持たせることができ、ガス濃度検出素子が被水割れを起こし難くすることができる。
又、上記凹部によって、速やかに水滴を捕らえることができるので、上記多孔質保護層全体の体積小さくすることが可能となる。
従って、上記多孔質層全体の熱容量が下がり、センサとしての活性化速度が早くなるので応答性が格段に向上できる。
According to the first aspect of the present invention, when the water droplets that have come into contact with the surface of the gas concentration detection element are caught by the concave portions, the surface tension balance is lost even with small water droplets, and the porous protective layer is quickly obtained. Can be diffused and immediately dried. In addition, since the water droplets contact the porous protective layer with a certain probability on the side wall of the concave portion where the water droplets are captured, the thermal shock is relatively small and it is difficult to cause water cracking. That is, the moisture in the gas to be measured that comes into contact with the porous protective layer is absorbed by the side surface of the recess that is recessed toward the inside of the gas concentration detection element before reaching the surface of the gas concentration detection element. In the protective layer, it can spread in the surface direction of the gas concentration detecting element. Thereby, the porous protective layer can be provided with water absorption in the surface direction of the gas concentration detecting element, and the gas concentration detecting element can be hardly caused to undergo water cracking.
In addition, since the water droplets can be quickly captured by the concave portion, the volume of the entire porous protective layer can be reduced.
Accordingly, the heat capacity of the entire porous layer is lowered, and the activation speed as a sensor is increased, so that the response can be remarkably improved.

第2の発明は、上記第1の発明のガス濃度検出素子を製造する方法において、該ガス濃度検出素子を、耐熱性のセラミック粒子を分散せしめたスラリーに浸漬し、これを乾燥・仮焼して上記ガス濃度検出素子の表面を覆う多孔質保護層とする多孔質保護層形成工程を具備することを特徴とするガス濃度検出素子の製造方法にある(請求項17)。   According to a second invention, in the method for producing the gas concentration detecting element of the first invention, the gas concentration detecting element is immersed in a slurry in which heat-resistant ceramic particles are dispersed, and this is dried and calcined. And a porous protective layer forming step for forming a porous protective layer covering the surface of the gas concentration detecting element. (17) A method for producing a gas concentration detecting element.

上記第2の発明によれば、従来と大幅な工程の変更を要することなく、極めて簡易な方法で、上記多孔質保護層を備えて、応答に優れ、かつ被水に対する耐久性にすぐれた上記ガス濃度検出素子を製造できる。   According to the second aspect of the present invention, the porous protective layer is provided in an extremely simple manner without requiring a significant process change from the conventional one, and is excellent in response and excellent in durability against water. A gas concentration detecting element can be manufactured.

第3の発明は、上記第1の発明のガス濃度検出素子を製造する方法において、セラミック粒子を溶媒に含有させてなるスラリー中に上記ガス濃度検出素子を浸漬する浸漬工程と、上記ガス濃度検出素子の表面に付着したセラミックス材料を乾燥させる乾燥工程とを繰り返し行い、その後、乾燥させた上記セラミックス材料を熱処理し上記ガス濃度検出素子の表面に多孔質保護層を形成する熱処理工程を行って、上記多孔質保護層を形成するにあたり、
2回目以降の上記乾燥工程を行うときに、上記セラミックス材料の表面に上記凹部を発生させることを特徴とするガス濃度検出素子の製造方法にある(請求項19)
According to a third aspect of the present invention, there is provided a method for manufacturing the gas concentration detection element according to the first aspect, wherein the gas concentration detection element is immersed in a slurry containing ceramic particles in a solvent, and the gas concentration detection is performed. Repeatedly performing a drying step of drying the ceramic material adhering to the surface of the element, and then performing a heat treatment step of heat-treating the dried ceramic material to form a porous protective layer on the surface of the gas concentration detecting element, In forming the porous protective layer,
In the method of manufacturing a gas concentration detecting element, the concave portion is generated on the surface of the ceramic material when performing the second and subsequent drying steps (claim 19).

上記第3の発明の発明のガス濃度検出素子の製造方法は、上記多孔質保護層における上記凹部を効果的に形成することができる方法である。
本発明の製造方法においては、上記浸漬工程と乾燥工程とを繰り返す過程において、2回目以降の乾燥工程を行うときに、ガス濃度検出素子の表面に付着したセラミックス材料の表面に上記凹部を発生させることができる。これにより、凹部を形成するために特別な工法を必要とせず、簡単に凹部を形成することができる。
The method for producing a gas concentration detecting element according to the third aspect of the invention is a method capable of effectively forming the recesses in the porous protective layer.
In the manufacturing method of the present invention, in the process of repeating the dipping process and the drying process, the concave portion is generated on the surface of the ceramic material adhering to the surface of the gas concentration detecting element when the second and subsequent drying processes are performed. be able to. Thereby, a special construction method is not required to form the recess, and the recess can be easily formed.

それ故、上記ガス濃度検出素子の製造方法によれば、耐久性及び応答性を効果的に向上させることができるガス濃度検出素子を容易に製造することができる。   Therefore, according to the method for manufacturing the gas concentration detecting element, it is possible to easily manufacture a gas concentration detecting element that can effectively improve durability and responsiveness.

上述した本発明のガス濃度検出素子及びその製造方法における好ましい実施の形態につき説明する。
上記多孔質保護層は、セラミックス粒子として、アルミナ、スピネル、チタニア、ジルコニア、ムライトの粒子のうちの1種又は2種以上から構成することができる。
A preferred embodiment of the above-described gas concentration detecting element of the present invention and the method for manufacturing the same will be described.
The porous protective layer may be composed of one or more of alumina, spinel, titania, zirconia, and mullite particles as ceramic particles.

上記凹部の開口部は、肉眼で視認可能であることが好ましい(請求項2)。
この場合には、上記凹部による被水割れ抑制効果をより顕著に発揮させることができる。
また、同様の観点から、より好ましくは、上記凹部の開口部は、その円相当径が0.1(mm)以上であることがよい(請求項3)。
円相当径が0.1(mm)未満の場合には、上記凹部を形成する意義が低下し、熱容量を十分に低下させることが困難になるおそれがある。
上記円相当径は、上記凹部の上記多孔質保護層表面に開口する部分(開口部)の面積と同一面積を持つ円の直径のことである。
It is preferable that the opening of the recess is visible with the naked eye (Claim 2).
In this case, the water cracking suppressing effect by the concave portion can be more remarkably exhibited.
From the same viewpoint, more preferably, the opening of the recess has an equivalent circle diameter of 0.1 (mm) or more.
When the equivalent circle diameter is less than 0.1 (mm), the significance of forming the concave portion is lowered, and it may be difficult to sufficiently reduce the heat capacity.
The circle-equivalent diameter is a diameter of a circle having the same area as the area (opening) of the recess that opens on the surface of the porous protective layer.

また、上記凹部は、該凹部の開口部に外接する最小正方形SQ1の一辺をa(mm)とし、上記凹部の深さDPをb(mm)としたとき、数式1の関係を満たす範囲で形成することが望ましい(請求項4)。
i=(b/0.008+1)、{(1−0.27/a)2}≦0.0027・・・数式1
The concave portion is a range satisfying the relationship of Formula 1 when one side of the minimum square S Q1 circumscribing the opening of the concave portion is a (mm) and the depth D P of the concave portion is b (mm). It is desirable to form by (claim 4).
i = (b / 0.008 + 1), {(1−0.27 / a) 2 } i ≦ 0.0027 (Equation 1)

本発明者の試験により、上記数式1の関係を満たす範囲で上記凹部を形成すれば、該凹部によって素子の被水割れを招き得る0.01(mm3)〜3(mm3)の水滴を捕らえ、被水した水滴が上記濃度検出素子の表面に到達することなく、速やかに上記多孔質保護層内に拡散させ蒸発させることが可能となり、被水割れを効果的に抑制できることが判明した。
尚、水滴の容積が0.01mm3以下であれば、発生する熱衝撃はガス濃度検出素子自体の耐熱強度以下のストレスとなり素子の破壊は起こらず、又、センサの構造上、3(mm3)以上の水滴が被水することはないことが判明している。
If the concave portion is formed within the range satisfying the relationship of the above mathematical formula 1 according to the test of the present inventor, water droplets of 0.01 (mm 3 ) to 3 (mm 3 ) that may cause water cracking of the element due to the concave portion. It has been found that water droplets captured and wetted can be quickly diffused and evaporated in the porous protective layer without reaching the surface of the concentration detection element, and water cracking can be effectively suppressed.
Incidentally, if the volume of the water droplets 0.01 mm 3 or less, thermal shock that occurs not occur the destruction of the element becomes less stress heat resistance of the gas concentration detecting element itself also on the structure of the sensor, 3 (mm 3 ) It has been found that the above water droplets do not get wet.

また、上記凹部の形成部位における上記多孔質保護層の厚さT3をc(μm)としたとき、数式2の関係を満たすことが好ましい(請求項5)。
C≧25・・・数式2
In addition, when the thickness T 3 of the porous protective layer at the formation site of the recess is c (μm), it is preferable that the relationship of Formula 2 is satisfied (Claim 5).
C ≧ 25 Formula 2

上記数式2の範囲で上記凹部を設定すれば、該凹部の底部分に多孔質層が存在し、上記凹部の開口部から侵入した水滴は、上記凹部の内周壁表面に存在する多孔質に拡散し、直ちに乾燥される。このため、熱衝撃が緩和され小さくなり、被水割れを起こし難くできる。従って、上記多孔質保護層全体の膜厚を薄くし、熱容量を下げて、素子の活性化速度を高めた高い応答性のガスセンサの実現が可能となる。又、上記凹部の形成された部位における上記多孔質保護層の膜厚が本発明の範囲より薄い場合、水滴が多孔質内部に拡散することができず素子表面に到達してしまい、被水割れを起こす虞がある。   If the concave portion is set in the range of the mathematical formula 2, a porous layer exists at the bottom portion of the concave portion, and water droplets entering from the opening portion of the concave portion diffuse into the porous surface existing on the inner peripheral wall surface of the concave portion. And immediately dried. For this reason, a thermal shock is relieve | moderated and becomes small, and it can make it hard to raise | generate a water-proof crack. Therefore, it is possible to realize a highly responsive gas sensor in which the thickness of the entire porous protective layer is reduced, the heat capacity is lowered, and the activation speed of the element is increased. In addition, when the thickness of the porous protective layer in the portion where the concave portion is formed is thinner than the range of the present invention, water droplets cannot diffuse into the porous interior and reach the element surface, resulting in water cracking. There is a risk of causing.

また、上記凹部の開口部に外接する最小正方形SQ1の一辺をa(mm)としたとき、数式3の関係を満たすことが好ましい(請求項6)。
0.27≦a≦1.8・・・数式3
Further, when one side of the minimum square S Q1 circumscribing the opening of the recess is defined as a (mm), it is preferable that the relationship of Formula 3 is satisfied (Claim 6).
0.27 ≦ a ≦ 1.8 Formula 3

上記凹部の開口部が大きくなればその深さDPを深くすることで、水滴が素子表面に到達する確率を低くできることが判明し、上記数式3の範囲で開口部を形成すれば、0.01(mm3)から3(mm3)の水滴を最も効果的に水滴を捕らえることができることが判明した。 By the opening of the recess is deeper the depth D P The larger water droplets are found to be lower the probability of reaching the surface of the device, by forming an opening in the range of the equation 3, 0. It has been found that water droplets from 01 (mm 3 ) to 3 (mm 3 ) can be captured most effectively.

また、上記凹部を複数設け、該凹部間の距離Lpをd(mm)としたとき、数式4の関係を満たすことが好ましい(請求項7)。
d≧1.8・・・数式4
Moreover, it is preferable that the relationship of Formula 4 is satisfied when a plurality of the recesses are provided and the distance L p between the recesses is d (mm).
d ≧ 1.8 Formula 4

この場合には、複数の凹部によって水滴を捕らえることができるので更に被水割れが起こり難くなる。上記数式4の範囲に上記凹部間の距離LPを設ければ、複数の開口部が互い重ならず、それぞれが独立して水滴を捕らえることができるので更に効果的に水滴を捕らえることができる。 In this case, since water droplets can be captured by the plurality of recesses, water cracking is less likely to occur. If the distance L P between the recesses is provided in the range of Equation 4, the plurality of openings do not overlap each other, and each can catch water droplets independently, so that water droplets can be captured more effectively. .

上記多孔質保護層においては、上記凹部が連なって伸びる皺状の溝が形成されていることが好ましい(請求項8)。
この場合には、上記多孔質保護層の表面に広がる上記皺状の溝によってより確実に水滴を捕らえることができるので更に被水割れが起こり難くなる。即ち、この場合には、上記凹部は、上記皺状の溝を形成する方向に直交する断面において、一対の傾斜状の側面を有する溝形状に形成される。そして、多孔質保護層における上記皺状の溝に接触する被測定ガス中の水分を、一対の傾斜状の側面における多孔質保護層に吸収させることができ、より迅速にガス濃度検出素子の面方向に広がらせることができる。そのため、凹部による吸水性を向上させることができる。
In the porous protective layer, it is preferable that a bowl-shaped groove is formed in which the concave portions extend continuously.
In this case, water droplets can be more reliably captured by the ridge-shaped grooves spreading on the surface of the porous protective layer, so that water cracking is less likely to occur. That is, in this case, the recess is formed in a groove shape having a pair of inclined side surfaces in a cross section orthogonal to the direction in which the bowl-shaped groove is formed. Then, the moisture in the gas to be measured that contacts the bowl-shaped groove in the porous protective layer can be absorbed by the porous protective layer on the pair of inclined side surfaces, and the surface of the gas concentration detecting element can be more quickly Can spread in the direction. Therefore, the water absorption by a recessed part can be improved.

上記皺状の溝を形成する方向に直交する断面における一対の山頂点同士の間の平均幅aが、0.05〜0.8(mm)であり、上記皺状の溝を形成する方向全体における一対の山頂点同士の間に位置する底部の平均深さbが、0.05〜1(mm)であることが好ましい(請求項9)。
この場合には、凹部の大きさ、形状が適切であり、その吸水性をより効果的に向上させることができる。
なお、上記平均幅aは、凹部の形成方向の複数箇所における一対の山頂点同士の間の幅の平均値として決定する。また、上記平均深さは、一対の山頂点のうち低い方の山頂点から底部までの深さであって、凹部の形成方向の複数箇所における深さの平均値として決定する。
The average width a between a pair of peak vertices in a cross section orthogonal to the direction in which the bowl-shaped groove is formed is 0.05 to 0.8 (mm), and the entire direction in which the bowl-shaped groove is formed It is preferable that the average depth b of the bottom part located between a pair of mountain vertices is 0.05-1 (mm).
In this case, the size and shape of the recess are appropriate, and the water absorption can be improved more effectively.
The average width a is determined as the average value of the widths between a pair of mountain vertices at a plurality of locations in the direction of forming the recesses. The average depth is a depth from the lower peak to the bottom of the pair of peaks, and is determined as an average value of the depths at a plurality of locations in the direction of forming the recesses.

上記平均幅aが0.05(mm)未満の場合、及び上記平均深さbが、0.05(mm)未満の場合には、凹部による吸水性を十分に発揮できないおそれがある。また、上記平均幅aが0.8(mm)を超える場合、及び上記平均深さbが、1(mm)を超える場合には、上記多孔質保護層の膜厚を厚くする必要が生じ、ガス濃度検出素子の応答性を確保できないおそれがある。
また、上記凹部は、上記ガス濃度検出素子の長手方向に投影した投影長さが1(mm)以上であることが好ましい。また、この投影長さは、多孔質保護層の長手方向長さより制限を受け、例えば、15(mm)以下とすることができる。
また、上記凹部は、上記底部から1/3の長さの部分における一対の山部同士の間の平均幅e(mm)が、上記平均幅aよりも小さくなる形状に形成することができる。
When the average width a is less than 0.05 (mm) and the average depth b is less than 0.05 (mm), there is a possibility that the water absorption by the recesses cannot be sufficiently exhibited. Further, when the average width a exceeds 0.8 (mm) and the average depth b exceeds 1 (mm), it is necessary to increase the thickness of the porous protective layer, There is a possibility that the responsiveness of the gas concentration detecting element cannot be secured.
Moreover, it is preferable that the projection length projected to the longitudinal direction of the said gas concentration detection element is 1 (mm) or more. Moreover, this projection length receives a restriction | limiting from the longitudinal direction length of a porous protective layer, for example, can be 15 (mm) or less.
Moreover, the said recessed part can be formed in the shape where the average width e (mm) between a pair of peak parts in the part of 1/3 length from the said bottom part becomes smaller than the said average width a.

上記ガス濃度検出素子としては、所謂積層型のガス濃度検出素子を採用することができる。
即ち、例えば、上記ガス濃度検出素子は、少なくとも平板状に形成された酸素イオン導伝性の固体電解質層と、該固体電解質層の一方の表面に形成されて被測定ガスに接する測定電極層と、該測定電極層側に形成されて上記被測定ガスを透過する多孔質拡散抵抗層と、上記固体電解質層の他方の表面に形成されて基準ガスに接する基準電極層と、該基準電極層側に形成されて基準ガスを導入する基準ガス室を有する基準ガス室形成層と、通電により発熱する発熱体を内部に有する絶縁性の基体とを積層してなる積層型のガス濃度検出素子とすることができる(請求項10)。
As the gas concentration detection element, a so-called stacked gas concentration detection element can be employed.
That is, for example, the gas concentration detecting element includes at least an oxygen ion conductive solid electrolyte layer formed in a flat plate shape, and a measurement electrode layer formed on one surface of the solid electrolyte layer and in contact with the gas to be measured. A porous diffusion resistance layer that is formed on the measurement electrode layer side and transmits the gas to be measured; a reference electrode layer that is formed on the other surface of the solid electrolyte layer and is in contact with the reference gas; and the reference electrode layer side A laminated gas concentration detecting element in which a reference gas chamber forming layer having a reference gas chamber for introducing a reference gas and an insulating substrate having a heating element that generates heat when energized is laminated. (Claim 10).

かかる積層型のガス濃度検出素子は、酸素イオン導伝性の固体電解質からなるセラミック粉末を分散したスラリーを用いて平板状の固体電解質層を形成する固体電解質層形成工程と、該固体電解質層の一方の表面に測定電極層を印刷形成する測定電極層形成工程と、上記固体電解質層の他方の表面に基準電極層を印刷形成する測定電極層形成工程と、絶縁性材料を分散したスラリーを用いて平板状の絶縁性基体を形成する絶縁性基体形成工程と、該絶縁性基体の一部を切り欠いて基準ガスを導入する基準ガス室形成層を形成する基準ガス室形成工程と、上記絶縁性基体の表面に発熱体を印刷形成する発熱体形成工程と、これらを積層してガス濃度検出素子部材積層体を形成する積層工程と、該ガス濃度検出素子部材積層体を焼成して一体のガス濃度検出素子を得る焼成工程とを具備する製造方法により製造することができる。   Such a laminated gas concentration detecting element includes a solid electrolyte layer forming step of forming a flat solid electrolyte layer using a slurry in which ceramic powder made of an oxygen ion conductive solid electrolyte is dispersed, and the solid electrolyte layer Using a measurement electrode layer forming step of printing a measurement electrode layer on one surface, a measurement electrode layer forming step of printing a reference electrode layer on the other surface of the solid electrolyte layer, and a slurry in which an insulating material is dispersed An insulating substrate forming step for forming a flat insulating substrate, a reference gas chamber forming step for forming a reference gas chamber forming layer for introducing a reference gas by cutting out a part of the insulating substrate, and the insulating A heating element forming step of printing a heating element on the surface of the conductive substrate, a stacking step of stacking these to form a gas concentration detecting element member stack, and firing the gas concentration detecting element member stack Ga It can be produced by a production method comprising a sintering step of obtaining a concentration detection element.

また、例えば、上記ガス濃度検出素子は、酸素イオン導電性を有する固体電解質体の両表面に一対の電極を設けてなるセンサ基板と、電気絶縁性を有するセラミックス体に通電により発熱する発熱体を設けてなるヒータ基板と、上記一対の電極のうちの一方に接触させる被測定ガスを透過させる多孔質体からなる拡散抵抗層とを積層してなると共に、該拡散抵抗層を上記センサ基板の一方側の表面に積層し、上記ヒータ基板を上記センサ基板の他方側の表面に積層してなる積層型のガス濃度検出素子とすることもできる(請求項11)。   Further, for example, the gas concentration detection element includes a sensor substrate having a pair of electrodes on both surfaces of a solid electrolyte body having oxygen ion conductivity, and a heating element that generates heat by energizing a ceramic body having electrical insulation. A heater substrate provided and a diffusion resistance layer made of a porous body that allows a gas to be measured to be in contact with one of the pair of electrodes to pass through are laminated, and the diffusion resistance layer is formed on one of the sensor substrates. It is also possible to make a laminated gas concentration detecting element which is laminated on the surface on the side and the heater substrate is laminated on the surface on the other side of the sensor substrate.

上記発熱体は、導体を蛇行させて形成した発熱部と、該発熱部の両端から引き出した導体によるリード部とを有しており、上記ガス濃度検出素子は、その長手方向の一方側に、上記発熱部と上記センサ基板とが対向する加熱領域を有しており、該加熱領域の全体を上記多孔質保護層によって被覆してあることが好ましい(請求項12)。
上記のように、加熱領域を被覆する上記多孔質保護層は、上述の被水割れの問題を起こしやすい。そのため、この場合には、凹部を形成することによる被水割れの防止という本発明の作用効果をより顕著に発揮することができる。
The heating element has a heating part formed by meandering a conductor, and a lead part by a conductor drawn out from both ends of the heating part, and the gas concentration detection element is on one side in the longitudinal direction, It is preferable that the heating portion and the sensor substrate have a heating area facing each other, and the entire heating area is covered with the porous protective layer.
As described above, the porous protective layer covering the heating region is liable to cause the above-described problem of water cracking. Therefore, in this case, the effect of the present invention, that is, prevention of water cracking by forming the concave portion, can be exhibited more remarkably.

上記凹部は、その少なくとも一部が上記加熱領域に対向する部位に形成されていることが好ましい(請求項13)。
この場合には、被水による熱衝撃を受け易い部位に上記凹部を形成することができ、この凹部により多孔質保護層及びガス濃度検出素子の耐久性をより向上させることができる。
It is preferable that at least a part of the concave portion is formed in a portion facing the heating region.
In this case, the concave portion can be formed in a portion that is susceptible to a thermal shock due to water, and the durability of the porous protective layer and the gas concentration detecting element can be further improved by the concave portion.

上記凹部は、上記センサ基板と上記ヒータ基板とが積層された積層方向の表面の1箇所又は複数箇所に形成されていることが好ましい(請求項14)。
この場合には、凹部の形成が容易であると共に、多孔質保護層の吸水性をより効果的に発揮することができる。
It is preferable that the concave portion is formed at one or a plurality of locations on the surface in the stacking direction in which the sensor substrate and the heater substrate are stacked.
In this case, the recesses can be easily formed and the water absorption of the porous protective layer can be more effectively exhibited.

また、上記ガス濃度検出素子としては、所謂コップ型のガス濃度検出素子を採用することもできる。
即ち、上記ガス濃度検出素子は、一方が閉塞され、内部に基準ガス室が設けてあるコップ型の酸素イオン導伝性の固体電解質体と、該固体電解質体の外側面に設け、かつ被測定ガスと接触する測定電極と、上記固体電解質体の内側面に設けた基準電極とよりなると共に、上記基準ガス室には、通電により発熱する発熱体を内部に有する絶縁性の基体が挿入配置してあるコップ型のガス濃度検出素子とすることができる(請求項15)。
Further, as the gas concentration detection element, a so-called cup-type gas concentration detection element may be employed.
That is, the gas concentration detection element is provided on the outer surface of the cup-type oxygen ion conductive solid electrolyte body, one of which is closed and a reference gas chamber is provided inside, and to be measured. It consists of a measurement electrode that comes into contact with the gas and a reference electrode provided on the inner surface of the solid electrolyte body, and an insulating base that has a heating element that generates heat when energized is inserted and disposed in the reference gas chamber. A cup-shaped gas concentration detecting element can be obtained.

次に、上記第2の発明の製造方法において、上記スラリーに、気泡又は仮焼時に焼失可能な有機物粒子若しくはエマルジョンのいずれかからなる前駆体を分散せしめて上記多孔質保護層表面に上記凹部を形成する形成工程を具備することが好ましい(請求項17)。   Next, in the production method of the second invention, a precursor made of either air bubbles or organic particles or an emulsion that can be burned down during calcination is dispersed in the slurry, and the concave portion is formed on the surface of the porous protective layer. Preferably, a forming step of forming is provided (claim 17).

この場合には、上記前駆体が仮焼後に凹部を形成し、極めて容易に、応答に優れ、かつ、被水に対する耐久性に優れたガス濃度検出素子を製造できる。   In this case, the precursor forms a concave portion after calcination, and a gas concentration detecting element excellent in response and durability against water can be manufactured very easily.

次に、上記第2及び第3の発明の製造方法において、上記セラミック粒子は、平均粒径25(μm)以下であるアルミナ粒子からなることが好ましい(請求項19)。
この場合には、多孔質保護層の表面に、上記凹部をより効果的に形成することができる。
なお、上記セラミックス粒子の平均粒径は、20(μm)以下とすることがより好ましい。また、上記セラミックス粒子の平均粒径の下限値は、凹部を発生させるのに適した粒径として、例えば、10(μm)以上とすることができる。より好ましくは、12(μm)以上、さらに好ましくは、15(μm)以上がよい。
Next, in the manufacturing methods of the second and third inventions, the ceramic particles are preferably made of alumina particles having an average particle size of 25 (μm) or less.
In this case, the concave portion can be more effectively formed on the surface of the porous protective layer.
The average particle size of the ceramic particles is more preferably 20 (μm) or less. Moreover, the lower limit value of the average particle diameter of the ceramic particles can be set to, for example, 10 (μm) or more as a particle diameter suitable for generating a recess. More preferably, it is 12 (μm) or more, and more preferably 15 (μm) or more.

上記多孔質保護層の形成にあたっては、粘度200〜1200(mPa・s)の上記スラリーを用いて行うことが好ましい(請求項20)。
この場合には、上記多孔質保護層の表面に凹部を形成することが容易になる。特に粘度を大きくすると、凹部を形成し易くなり、上述の前駆体等を用いなくとも、上記スラリーに上記ガス濃度検出素子を浸漬し、乾燥し、焼成することにより、簡単に上記凹部を形成することができる。
上記スラリーの粘度が200(mPa・s)未満の場合には、上記多孔質保護層の表面に凹部を形成することが困難になるおそれがある。より好ましくは、400(mPa・s)以上がよい。一方、上記スラリーの粘度が1200(mPa・s)を越える場合には、上記多孔質保護層の密着性が低下し、剥がれ易くなるおそれがある。より好ましくは700(mPa・s)以下がよい。
The porous protective layer is preferably formed using the slurry having a viscosity of 200 to 1200 (mPa · s).
In this case, it becomes easy to form a recess in the surface of the porous protective layer. In particular, when the viscosity is increased, it becomes easier to form the recesses, and the recesses can be easily formed by immersing the gas concentration detecting element in the slurry, drying, and firing without using the above-described precursor or the like. be able to.
When the viscosity of the slurry is less than 200 (mPa · s), it may be difficult to form a recess on the surface of the porous protective layer. More preferably, it is 400 (mPa · s) or more. On the other hand, when the viscosity of the slurry exceeds 1200 (mPa · s), the adhesion of the porous protective layer is lowered, and there is a possibility that the slurry is easily peeled off. More preferably, it is 700 (mPa · s) or less.

上記多孔質保護層の形成の前に、平均粒径1〜9(μm)のセラミック粒子を含有する微粒子多孔質層形成用スラリーに上記ガス濃度検出素子を浸漬し、乾燥させた後、上記多孔質保護層形成用の上記スラリーとして、平均粒径13〜25(μm)のセラミック粒子を含有する多孔質保護層形成用スラリーを用いて上記多孔質保護層を形成することにより、微粒子多孔質保護層上に上記多孔質保護層を積層形成することが好ましい(請求項21)。
この場合には、比較的微細なセラミック粒子からなる上記微粒子多孔質層上に比較的粗いセラミック粒子からなる上記多孔質保護層が積層形成された上記ガス濃度検出素子を製造することができる。かかるガス濃度検出素子においては、主として上記多孔質保護層が被水性能の向上効果を担い、上記微粒子多孔質層が被毒物のトラップ効果を担うことができる。上記微粒子多孔質層を形成することにより、上記凹部を通って上記多孔質保護層を通過してしまった被毒物についても、上記微粒子多孔質層により確実にトラップすることができる。
Before the porous protective layer is formed, the gas concentration detecting element is immersed in a slurry for forming a fine particle porous layer containing ceramic particles having an average particle diameter of 1 to 9 (μm) and dried. By forming the porous protective layer using a slurry for forming a porous protective layer containing ceramic particles having an average particle size of 13 to 25 (μm) as the slurry for forming a porous protective layer, fine particle porous protection is achieved. Preferably, the porous protective layer is laminated on the layer (claim 21).
In this case, the gas concentration detecting element in which the porous protective layer made of relatively coarse ceramic particles is laminated on the fine particle porous layer made of relatively fine ceramic particles can be manufactured. In such a gas concentration detecting element, the porous protective layer can be mainly responsible for improving the water-repellent performance, and the fine-particle porous layer can be responsible for trapping poisonous substances. By forming the fine particle porous layer, the poisoned substance that has passed through the recess and passed through the porous protective layer can be reliably trapped by the fine particle porous layer.

上記微粒子多孔質層形成用スラリーのセラミック粒子の平均粒径が1μm未満の場合には、目詰まりを起こすおそれがある。一方、9μmを越える場合には、上記微粒子多孔質層形成用スラリーの被毒物に対するトラップ効果が低下するおそれがある。
上記多孔質保護層形成用スラリーのセラミック粒子が13μm未満の場合には、凹部を十分に形成させることが困難になるおそれがある。一方、25μmを越える場合には、多孔質保護層同士や多孔質保護層と素子との密着強度が低下し、剥がれが起こり易くなるおそれがある。
When the average particle size of the ceramic particles of the fine particle porous layer forming slurry is less than 1 μm, clogging may occur. On the other hand, if it exceeds 9 μm, the trap effect of the fine particle porous layer forming slurry on poisonous substances may be reduced.
When the ceramic particles of the slurry for forming a porous protective layer are less than 13 μm, it may be difficult to sufficiently form the recesses. On the other hand, when it exceeds 25 μm, the adhesion strength between the porous protective layers or between the porous protective layer and the element is lowered, and there is a possibility that peeling easily occurs.

上記微粒子多孔質層形成用スラリーとしては、粘度11〜600mPa・sのものを採用することができる(請求項22)。
上記範囲において、200mPa・s以上の粘度のものを採用すると、上記微粒子多孔質層にも凹部を容易に形成させることができる。
粘度が11mPa・s未満の場合には、浸漬により、上記微粒子多孔質層形成用スラリーをガス濃度検出素子に十分に付着させることが困難になるおそれがある。一方、600mPa・sを越える場合には、上記微粒子多孔質層の被毒効果が低下するおそれがある。また、上記微粒子多孔質層の密着性が低下してしまうおそれがある。より好ましくは、150mPa・s以下がよく、さらに好ましくは100mPa・s以下がよい。
As the slurry for forming the fine particle porous layer, one having a viscosity of 11 to 600 mPa · s can be employed.
When a material having a viscosity of 200 mPa · s or more is employed within the above range, the concave portion can be easily formed in the fine particle porous layer.
When the viscosity is less than 11 mPa · s, it may be difficult to sufficiently adhere the slurry for forming the fine particle porous layer to the gas concentration detecting element by dipping. On the other hand, if it exceeds 600 mPa · s, the poisoning effect of the fine particle porous layer may be reduced. Moreover, there exists a possibility that the adhesiveness of the said fine particle porous layer may fall. More preferably, it is 150 mPa · s or less, and more preferably 100 mPa · s or less.

上述のスラリーの平均粒径は、例えばレーザ回折式粒度分布計により測定することができる。また、粘度は、例えばB型回転粘度計により測定することができる。   The average particle diameter of the above-mentioned slurry can be measured by, for example, a laser diffraction type particle size distribution meter. The viscosity can be measured by, for example, a B-type rotational viscometer.

(実施例1)
以下、本発明の第1の実施形態におけるガス濃度度検出素子10及びそれを有するガスセンサ1について図面に基づいて説明する。図1は本発明を適用したガス濃度検出素子10の要部を示す断面模式図である。図2(a)、(b)は、凹部PMACの大きさを定義するための理論説明図、図3(a)、(b)は、本発明の効果を示す特性図、図4は、本発明のガス濃度検出素子10を適用したガスセンサ1の全体構成を示すものである。
(Example 1)
Hereinafter, a gas concentration degree detection element 10 and a gas sensor 1 having the same according to a first embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings. FIG. 1 is a schematic cross-sectional view showing a main part of a gas concentration detecting element 10 to which the present invention is applied. 2 (a) and 2 (b) are theoretical explanatory diagrams for defining the size of the recess PMAC , FIGS. 3 (a) and 3 (b) are characteristic diagrams showing the effects of the present invention, and FIG. 1 shows an overall configuration of a gas sensor 1 to which a gas concentration detection element 10 of the present invention is applied.

図1に示すように、ガス濃度検出素子10は、例えば、ジルコニア等の酸素イオン導伝性のセラミック材料ならなる固体電解質層100が平板状に形成され、その一方の表面に、被測定ガスに晒される測定電極層110が形成され、固体電解質層100の他方の表面には、大気等の基準ガスに晒される基準電極層120が形成されている。更に、基準電極層120側に積層して、基準ガスを導入する基準ガス室140を形成する基準ガス室形成層141が形成され、更に発熱体151を内部に有する絶縁性基体150が形成されている。固体電解質層100の測定電極層110側には、測定電極層100を覆うように拡散抵抗層130が形成されている。更にガス濃度検出素子10の外周をサブミクロンの微少な粒子により構成された微粒子多孔質層160が形成され、更にその表面を覆い、多孔質保護層170が形成され、多孔質保護層170の表面を素子側に向かって窪ませた凹部PMACが少なくとも1ヶ所以上設けられている。 As shown in FIG. 1, in the gas concentration detecting element 10, a solid electrolyte layer 100 made of an oxygen ion conductive ceramic material such as zirconia is formed in a flat plate shape, and a gas to be measured is formed on one surface thereof. A measurement electrode layer 110 to be exposed is formed, and a reference electrode layer 120 to be exposed to a reference gas such as the atmosphere is formed on the other surface of the solid electrolyte layer 100. Further, a reference gas chamber forming layer 141 for forming a reference gas chamber 140 for introducing a reference gas is formed on the reference electrode layer 120 side, and an insulating base 150 having a heating element 151 inside is formed. Yes. A diffusion resistance layer 130 is formed on the measurement electrode layer 110 side of the solid electrolyte layer 100 so as to cover the measurement electrode layer 100. Further, the outer periphery of the gas concentration detecting element 10 is formed with a fine particle porous layer 160 composed of fine submicron particles, and further covers the surface to form a porous protective layer 170. The surface of the porous protective layer 170 recess P MAC that is recessed toward the device side is provided at least one place or more.

本実施形態において、多孔質保護層170は、平均粒径20μm程度のアルミナからなり、開口径OMICが20μm程度の気孔PMICが分散した多孔質膜で、その膜厚T1は、約400μm程度に形成されている。
更に、本発明の要部である凹部PMACは、その開口部の径、即ち開口径OMACが約0.27mm〜1.8mmで、深さDPは約60μm〜400μmのピンホール状または、連続体となる皺形状にに形成され、凹部PMACが形成されている部位の底の多孔質保護層170の膜厚T3は、25μm以上である。
気孔PMICの開口径OMICは、被測定ガスは通過可能であるが、燃焼排気中に含まれる比較的粒径の大きなP、Ca、Zn、Siのオイル含有成分、K、Na、Pb等のガソリン添加物、PM(球状物質)、燃料の不完全燃焼物質等の被毒物質は捕獲する大きさなので、ガス濃度検出素子10の表面に被毒物質が到達することがない。
また、凹部PMACの開口部の径は、円相当径で0.1mm以上となっており、肉眼で十分に視認できる。
In the present embodiment, the porous protective layer 170 is a porous film made of alumina having an average particle diameter of about 20 μm and dispersed with pores P MIC having an opening diameter O MIC of about 20 μm, and the film thickness T1 thereof is about 400 μm. Is formed.
Further, the concave portion P MAC which is the main part of the present invention has a pinhole shape having an opening diameter, that is, an opening diameter O MAC of about 0.27 mm to 1.8 mm and a depth DP of about 60 μm to 400 μm, or The film thickness T3 of the porous protective layer 170 at the bottom of the portion where the concave portion PMAC is formed, which is formed into a continuous ridge shape, is 25 μm or more.
Opening diameter O MIC pores P MIC is the measurement gas can be passed through a relatively having a large grain size P, Ca, Zn, oil-containing component of Si contained in the combustion exhaust gas, K, Na, Pb, etc. Since the poisoning substances such as gasoline additives, PM (spherical substances), and incomplete combustion substances of fuel are captured, the poisoning substances do not reach the surface of the gas concentration detecting element 10.
The diameter of the opening of the recess P MAC is a 0.1mm over a circle equivalent diameter can be sufficiently visible to the naked eye.

ここで、本発明の要部である凹部PMACについて詳述する。
図2(a)に示すように、凹部の開口部PMACに外接する仮想外接正方形SQ1を作図し、その一辺をa(mm)とする。次いで、(b)に示すように、半径Rの水分子の球状粒子が仮想外接正方形SQ1内に侵入してきたとき、粒子の中心が2点鎖線で示した一辺がa−2R(mm)の仮想正方形SQ2内に完全に含まれる水分子Wd1と水分子Wd2とは、凹部PMACの内周壁面に触れることなくガス濃度検出素子10の表面に到達する虞がある。
一方、水滴が、深さDPを持った凹部PMACの中を素子の表面に向かって到達するためには、凹部PMACの壁面に接触せずに通過する確率を考慮する必要がある。
中心が仮想正方形SQ2の外側に位置する水滴Wd3は、多孔質保護層の凹部PMACの壁面に接触し、その表面に開口する多孔質内に水滴は拡散するので素子の被水割れを起こさない。
Here it will be described in detail recess P MAC is an essential part of the present invention.
As shown in FIG. 2 (a), drawing a virtual circumscribing square S Q1 circumscribing the opening P MAC recess, the one side and a (mm). Then, the (b), the case where spherical particles of a water molecule with a radius R is invading into the virtual circumscribing square S Q1, one side where the center of the particles indicated by two-dot chain line a-2R (mm) The water molecules W d1 and water molecules W d2 completely contained in the virtual square S Q2 may reach the surface of the gas concentration detection element 10 without touching the inner peripheral wall surface of the recess P MAC .
On the other hand, water droplets, to reach toward the inside of the recess P MAC having a depth D P to the surface of the device, it is necessary to consider the probability of passing without contacting the surfaces of the recess portion P MAC.
Water drop W d3 center is located outside of the imaginary square S Q2 is in contact with the wall surface of the recess P MAC porous protective layer, to be water cracking device since the water droplets in the porous open to the surface thereof to diffuse Do not wake up.

水滴量をV(mm3)としたとき、水滴の粒子径R(mm)は、V=(4/3)πR3であらわされる。その水滴が開口部PMACを通過して素子表面にまで到達する確率Piとすると、水滴到達確率Piは、凹部の深さDPに依存し、凹部の深さDPをb(mm)とすると、以下の関係が成り立つ。
i={(1−2R/a)2} i=(b/0.008+1)
When the water droplet amount is V (mm 3 ), the particle diameter R (mm) of the water droplet is expressed as V = (4/3) πR 3 . When the probability P i that water droplets reach the surface of the device through the opening P MAC, water droplets arrival probability P i is dependent on the depth D P of the concave portion, the depth D P of the concave portion b (mm ), The following relationship holds.
P i = {(1-2R / a) 2 } i i = (b / 0.008 + 1)

被水する最大水滴量をV(mm3)としたとき、0.01mm3から3mm3の水滴を捕らえ、速やかに多孔質保護層170内に拡散できる性能を持つ必要がある。水滴の粒子径R(mm)は、V=(4/3)πR3であらわされる。水滴が仮想外接正方形SQ1を通過できる確率Pは、開口面積a2に対する通過可能範囲の面積(a―2R)2の比で表わされることがゴーダンの確率として認知されており、以下の数式が成り立つ。
P=(a―2R)2/a2=(1−2R/a)2
When the maximum amount of water droplets to be wet is V (mm 3 ), it is necessary to have the performance of catching water droplets of 0.01 mm 3 to 3 mm 3 and quickly diffusing into the porous protective layer 170. The particle diameter R (mm) of the water droplet is expressed as V = (4/3) πR 3 . The probability P that water droplets can pass through the virtual circumscribed square S Q1 is recognized as the probability of Gordan being expressed by the ratio of the area (a−2R) 2 of the passable range to the opening area a 2 . It holds.
P = (a-2R) 2 / a 2 = (1-2R / a) 2

水滴の到達距離は仮想正方形aの穴の開いたふるいの網を深さ方向に多層に重なった状態で模試でき、ふるい分けをする網の枚数と回数iが同様な関係があると考える。
今、等しい半径Rの水滴N個がそれぞれ網に接触しないとするとN・P個の水滴がこの網を通過できる。その通過したN・P個の水滴が次の網を通ると(N・P)(N・P)が通過できる。同様にi回目には(N・P)i個の水滴が通過することになる。
即ち、i回目の網を水滴が通過して素子に到達する確率Piは、次式となる。
i={(1−2R/a)2}i
変数iは凹部の深さDP方向に対する関数としてその関係を実験より求めた。
実験は多孔質保護層にφ1.5mmのマクロポアをドリルであけ、その多孔質保護層の厚さをマクロポア深さ相当にまで削り試験サンプルとした。
そのマクロポアに水滴を10mm上空から500回滴下し、その底に水滴が到達しているかを電気的に確認した到達率を図3に示す。実験は水滴量を0.01mm3から0.1mm3まで変化させて行った。
The reach of the water droplets can be tested in a state where the mesh of the sieve having the hole of the virtual square a is overlapped in the depth direction, and the number of meshes to be screened and the number of times i have the same relationship.
Now, assuming that N water droplets having the same radius R do not contact the net, N · P water droplets can pass through the net. When the passed N · P water droplets pass through the next net, (N · P) (N · P) can pass. Similarly, (N · P) i water droplets pass through the i-th time.
That is, the probability Pi that a water droplet passes through the i-th net and reaches the element is expressed by the following equation.
P i = {(1-2R / a) 2 } i
The relationship of the variable i as a function with respect to the direction of the depth D P of the recess was obtained by experiments.
In the experiment, a φ1.5 mm macropore was drilled in the porous protective layer, and the thickness of the porous protective layer was cut to the macropore depth to obtain a test sample.
FIG. 3 shows the arrival rate obtained by electrically checking whether or not water droplets were dropped 500 times from 10 mm above the macropores and the water droplets reached the bottom. The experiment was performed by changing the amount of water droplets from 0.01 mm 3 to 0.1 mm 3 .

次に凹部の深さDP方向に関する変数iを凹部の深さDPの幾何学的な距離関数で近似した結果、図3に示すように、i=(b/0.008+1)の関係が成り立ち、実験データとほぼ一致することがわかった。
図3において点は実験値を示し、曲線は計算値を示す。
以上により、開口部PMACが大きくなればその深さDPを深くすることで、水滴が素子表面に到達する確率Piを低くできることが判明した。
Next, as a result of approximating the variable i related to the depth D P direction of the concave portion with a geometric distance function of the depth D P of the concave portion, as shown in FIG. 3, the relationship of i = (b / 0.008 + 1) is obtained. It was found that it was almost consistent with the experimental data.
In FIG. 3, points indicate experimental values, and curves indicate calculated values.
Thus, by opening P MAC is deeper the depth D P if large, water droplets were found to be lowered a probability Pi that reaches the surface of the device.

素子が被水割れを起こさないためには、水滴が素子表面に到達しない確率が、99.73%を確保する必要がある。即ち、水滴が素子表面に到達する確率Piは0.27%以下とする必要がある。
また本実施例においては、最大被水量は、後述するカバー外筒410とカバー内筒400によって0.1mm3以下に抑えられている。
図3に示すように、開口部および水滴の大きさが小さいほど素子への到達率が高くなることが計算と実験により明確になった。
従って、素子は被水カバー400と410により水滴より保護され、素子がこわれはじめる水滴として最小水滴の0.01mm3であるRの値は、0.134mmを採用する。
In order for the element not to cause water cracking, it is necessary to ensure 99.73% of the probability that the water droplet does not reach the element surface. That is, the probability P i that a water droplet reaches the element surface needs to be 0.27% or less.
In the present embodiment, the maximum amount of water is suppressed to 0.1 mm 3 or less by a cover outer cylinder 410 and a cover inner cylinder 400 described later.
As shown in FIG. 3, it was clarified by calculation and experiment that the smaller the size of the opening and the water droplet, the higher the arrival rate to the element.
Therefore, the element is protected from water droplets by the water-covered covers 400 and 410, and the value of R which is 0.01 mm 3 of the smallest water droplet is 0.134 mm as the water droplet that starts to break the device.

以上により、水滴が素子表面に到達しないためには、凹部の開口部PMACの開口径OMACに外接する仮想外接正方形SQ1の辺をa(mm)とし、凹部の深さDPをb(mm)とすると、a、bは数式1の関係を満たす。
i=(b/0.008+1)、{(1−0.27/a)2}≦0.0027・・・数式1
As described above, in order to prevent water droplets from reaching the element surface, the side of the virtual circumscribed square S Q1 circumscribing the opening diameter O MAC of the opening P MAC of the recess is defined as a (mm), and the depth D P of the recess is defined as b. Assuming (mm), a and b satisfy the relationship of Equation 1.
i = (b / 0.008 + 1), {(1−0.27 / a) 2 } i ≦ 0.0027 (Equation 1)

更に、凹部の深さDPが数式1を満たす時、その凹部の底部における多孔質保護層170の厚さT3をc(μm)としたとき、数式2の関係を満たすように凹部を設定すれば、大きな水滴が凹部の開口部PMACを通過できる確率は小さく、小さい水滴ほど底部分の多孔質に到達する。しかし、小さい水滴は、開口部底面にある多孔質に拡散するため素子表面には直接到達できず、素子自体に熱衝撃が伝わりにくい。
凹部の底部に存在する多孔質は水滴を内部に拡散し、直ちに乾燥され、熱衝撃が小さくなり、被水割れを起こし難くできることが実験により判明した。
凹部の底部における多孔質保護層170の厚さT3がこの範囲より薄い場合、水滴が多孔質に拡散する前に素子の表面に到達してしまい、被水割れを起こす虞がある。
c≧25・・・数式2
Further, when the depth D P of the recess satisfies Equation 1, the recess is set so as to satisfy the relationship of Equation 2 when the thickness T 3 of the porous protective layer 170 at the bottom of the recess is c (μm). if the probability that a large water droplets can pass through the opening P MAC recess small, reaches the porous bottom portion smaller water droplets. However, small water droplets diffuse into the porous material at the bottom of the opening and therefore cannot reach the element surface directly, and thermal shock is not easily transmitted to the element itself.
It has been experimentally found that the porous material present at the bottom of the recesses diffuses water droplets inside and is immediately dried, reducing thermal shock and making it difficult to cause water cracking.
If the thickness T 3 of the porous protective layer 170 at the bottom of the recess is smaller than this range, the water droplets may reach the surface of the element before being diffused into the porous body, which may cause water cracking.
c ≧ 25 Formula 2

凹部における開口部PMACに外接する仮想外接正方形SQ1の一辺をa(mm)としたとき、数式3の関係を満たす範囲で開口部PMACを形成すれば、0.01(mm3)から3(mm3)の範囲の水滴を凹部の側面に存在する多孔質で捕らえることが可能となる。
0.27≦a≦1.8・・・数式3
When one side of the virtual circumscribed square S Q1 circumscribing the opening P MAC in the recess is a (mm), if the opening P MAC is formed in a range satisfying the relationship of Formula 3, from 0.01 (mm 3 ) It is possible to catch water droplets in the range of 3 (mm 3 ) with the porous existing on the side surface of the recess.
0.27 ≦ a ≦ 1.8 Formula 3

凹部を複数設けたり、凹部が連続的に連なってなる皺状の溝にすれば、複数の開口部PMACによって水滴を捕らえることができるので更に被水割れが起こり難くなる。また、凹部や皺状の溝の距離LPをd(mm)とし、数式4を満たす範囲で設ければ、複数の凹部や皺状の溝が互い重ならず、それぞれが独立して水滴を捕らえることができるので更に幅広く効果的に水滴を捕らえることができる。それにより多孔質の体積を小さくできる。
皺状の溝は、開口部を有する凹部が連続的に連なったものであり、最小幅aの2倍以上の連続した開口部をもった溝である。
d≧1.8・・・数式4
Or providing a plurality of recesses, if the wrinkle-shaped groove recess is continuous with the continuous, it becomes more difficult to be water cracking occurs it is possible to capture water droplets by a plurality of openings P MAC. If the distance L P between the recesses and the bowl-shaped grooves is d (mm) and provided within a range satisfying Equation 4, the plurality of recesses and the bowl-shaped grooves do not overlap each other, and each of them independently receives water droplets. Since it can be captured, water droplets can be captured more widely and effectively. Thereby, the porous volume can be reduced.
The bowl-shaped groove is a groove having a continuous opening having a continuous width of at least twice the minimum width a.
d ≧ 1.8 Formula 4

図4に本発明の積層型のガス濃度検出素子10を備えたガスセンサ1の全体構成を示す。
ガスセンサ1は、積層型のガス濃度検出素子10と、保持部材200を介してその内側にガス濃度検出素子10を保持するハウジング300とガス濃度検出素子10の被測定ガスに晒される部分を覆うカバー体400、410とガス濃度検出素子10の発熱部への給電を行う一対の通電線210、220とガス濃度検出素子10からの出力信号を取り出す一対の信号線230、240を保持するケーシング310とによって構成されている。
ハウジング300は、ステンレス等の金属製で、略筒型に形成されており、基端側のボス部304にはケーシング310が嵌着され、先端側301にはカバー体400、410が固定されている。ハウジング300の中腹外周部にはネジ部302が形成され、図略の排気流路壁500にガスケット340を介して螺結されることにより、ガス濃度検出素子10の先端側が被測定ガス流路内にカバー体400、410で覆われた状態で固定されている。
ハウジング300には、ネジ部302を締め付けるための六角部303が形成されている。
FIG. 4 shows an overall configuration of the gas sensor 1 including the stacked gas concentration detecting element 10 of the present invention.
The gas sensor 1 includes a laminated gas concentration detection element 10, a housing 300 that holds the gas concentration detection element 10 inside the holding member 200, and a cover that covers a portion of the gas concentration detection element 10 that is exposed to the gas to be measured. A casing 310 for holding a pair of energization wires 210 and 220 for supplying power to the heat generating part of the bodies 400 and 410 and the gas concentration detecting element 10 and a pair of signal wires 230 and 240 for taking out an output signal from the gas concentration detecting element 10 It is constituted by.
The housing 300 is made of a metal such as stainless steel and is formed in a substantially cylindrical shape. A casing 310 is fitted on the boss 304 on the proximal end side, and cover bodies 400 and 410 are fixed on the distal end side 301. Yes. A screw portion 302 is formed on the middle outer peripheral portion of the housing 300 and is screwed to an exhaust flow channel wall 500 (not shown) via a gasket 340 so that the distal end side of the gas concentration detection element 10 is in the measured gas flow channel. It is fixed in a state covered with the cover bodies 400 and 410.
The housing 300 is formed with a hexagonal portion 303 for tightening the screw portion 302.

カバー体400、410は、ステンレス等の耐熱性金属製で、略有底円筒状のインナカバー400とアウタカバー410とからなる2重筒構造をしている。
インナカバー400とアウタカバー410とにはそれぞれ被測定ガスをその内部に導入しつつガス濃度検出素子の被水の防止を図る開口401、402、411、412が形成され、基端側に設けられたフランジ部403、413によってハウジング300の加締め部301に加締め固定されている。
The cover bodies 400 and 410 are made of a heat-resistant metal such as stainless steel and have a double cylinder structure composed of a substantially bottomed cylindrical inner cover 400 and an outer cover 410.
The inner cover 400 and the outer cover 410 are respectively provided with openings 401, 402, 411, and 412 for introducing water to be measured into the gas and detecting the water concentration of the gas concentration detection element. The flange portions 403 and 413 are fixed to the crimping portion 301 of the housing 300 by caulking.

ガス濃度検出素子10は、インシュレータ200によってハウジング300との絶縁性を確保しつつハウジング300の内部に固定されている。
また、インシュレータ200とハウジング300との間には、シール部材202が介装され、ガス濃度検出素子10とインシュレータ200とは、ガラス等の封止部材で固定され、被測定ガス側と基準ガス側とが隔絶されている。ガス濃度検出素子10の被測定ガスに晒される部位は本発明の要部である多孔質保護層170で覆われ、多孔質保護層170の先端部180、即ち多孔質保護層170におけるガス濃度検出素子の長手方向の端部180には凹部PMACが形成されている。
アウタカバー410の底部に設けられた開口402からの水滴の侵入によるガス濃度検出素子10の被水が発生しやすいので、凹部PMACを多孔質保護層170の先端部に設けると効果的である。また、凹部MACは、上記先端部以外の多孔質保護層170の表面、例えばガス濃度検出素子の長手方向と直交する方向における多孔質保護層170の表面等にも形成しておくことができる。これにより、アウターカバー410の開口401からの水滴の侵入によるガス濃度検出素子10の被水を効果的に抑制することができる。
The gas concentration detecting element 10 is fixed inside the housing 300 while ensuring insulation with the housing 300 by the insulator 200.
Further, a seal member 202 is interposed between the insulator 200 and the housing 300, and the gas concentration detection element 10 and the insulator 200 are fixed by a sealing member such as glass, and the measured gas side and the reference gas side And is isolated. The portion of the gas concentration detection element 10 exposed to the gas to be measured is covered with the porous protective layer 170 which is the main part of the present invention, and the gas concentration detection in the tip portion 180 of the porous protective layer 170, that is, the porous protective layer 170. A concave portion PMAC is formed in the end portion 180 in the longitudinal direction of the element.
Since the water gas concentration detecting device 10 according to the entering of water drops from the opening 402 provided in the bottom portion of the outer cover 410 is likely to occur, it is effective to provide a recess P MAC to the distal end of the porous protective layer 170. The concave portion MAC can also be formed on the surface of the porous protective layer 170 other than the tip, for example, the surface of the porous protective layer 170 in a direction orthogonal to the longitudinal direction of the gas concentration detecting element. Thereby, it is possible to effectively suppress the water concentration of the gas concentration detection element 10 due to the intrusion of water droplets from the opening 401 of the outer cover 410.

一対の通電線210、220と一対の信号線230、240とは、基端部絶縁封止材320、330によってケーシング310の基端側に保持され、接続金具211、221、231、241によって端子金具212、222、232、242に接続され、後述するガス濃度検出素子10の発熱体通電端子153a、153b、出力信号端子112、122に接続されている。   The pair of energizing wires 210 and 220 and the pair of signal wires 230 and 240 are held on the base end side of the casing 310 by the base end insulating sealing materials 320 and 330, and terminals are connected by the connection fittings 211, 221, 231, and 241. Connected to the metal fittings 212, 222, 232, 242 and connected to heating element energizing terminals 153a, 153b and output signal terminals 112, 122 of the gas concentration detecting element 10 described later.

基端部絶縁封止材320、330には、基準ガス導入口312が形成され、基準ガス導入口312から撥水フィルタ330を介して導入された大気が、ガス濃度検出素子10の基準ガス室に導入されている。   A reference gas inlet 312 is formed in the base end insulating sealing materials 320 and 330, and the atmosphere introduced from the reference gas inlet 312 through the water repellent filter 330 is the reference gas chamber of the gas concentration detection element 10. Has been introduced.

図略の通電制御装置によって発熱体151に通電され、発熱体151によって、固体電解質層100が活性化されると、拡散抵抗層130を介して測定電極層110に接する被測定ガス中の酸素濃度と基準電極層120に接する基準ガス室140に導入された大気中の酸素濃度との差によって両電極間に電位差が生じ、これを測定する事によって、被測定ガス中の酸素濃度を検出できる。   When the heating element 151 is energized by an energization control device (not shown) and the solid electrolyte layer 100 is activated by the heating element 151, the oxygen concentration in the measurement gas in contact with the measurement electrode layer 110 via the diffusion resistance layer 130. And the difference in oxygen concentration in the atmosphere introduced into the reference gas chamber 140 in contact with the reference electrode layer 120 causes a potential difference between the electrodes, and by measuring this, the oxygen concentration in the gas to be measured can be detected.

図5に本発明の効果を従来の多孔質保護層を設けたガス濃度検出素子を用いた比較例とともに示す。本図中(a)は、被水割れの発生率をワイブルプロットで示し、(b)は、多孔質保護層の膜厚を示し、(c)は、理論空燃比λ0を1として空燃比λを0.9から1.1に交互に変化させて63%変化時間を測定したステップ応答性を示す。 FIG. 5 shows the effect of the present invention together with a comparative example using a conventional gas concentration detecting element provided with a porous protective layer. In this figure, (a) shows the occurrence rate of water cracking in a Weibull plot, (b) shows the film thickness of the porous protective layer, and (c) shows the air-fuel ratio with the theoretical air-fuel ratio λ 0 as 1. The step response is shown in which 63% change time is measured by alternately changing λ from 0.9 to 1.1.

図5(a)に示すように、従来の比較例1と本発明の実施例1とは、被水割れ発生率はほぼ同程度でありながら、(b)に示すように、比較例1よりも実施例1は、多孔質保護層の重量を17%程度の低減が可能となり、これにより(c)に示すようにステップ応答性が極めて良好となった。   As shown in FIG. 5A, the conventional comparative example 1 and the first embodiment of the present invention have substantially the same water cracking incidence, but as shown in FIG. In Example 1, it was possible to reduce the weight of the porous protective layer by about 17%, and as a result, step response was very good as shown in (c).

以下に本発明のガス濃度検出素子10の製造方法について説明する。
図6は、最も基本的なガス濃度検出素子10の構成を示す展開斜視図であり、本発明の適用可能なガス濃度検出素子10の一例として説明する。
固体電解質層100は、ジルコニア等の酸素イオン伝導性セラミック材料をポリビニルブチラール(PVB)等の結合材、ジブチルフタレート(DBP)等の可塑剤、分散剤とともにトルエン、エタノール等の分散媒に分散させたスラリーを配合し、これを用いてドクターブレード法等により所定の板厚の平板状に形成して得られる。
A method for manufacturing the gas concentration detection element 10 of the present invention will be described below.
FIG. 6 is a developed perspective view showing the configuration of the most basic gas concentration detecting element 10 and will be described as an example of the gas concentration detecting element 10 to which the present invention can be applied.
In the solid electrolyte layer 100, an oxygen ion conductive ceramic material such as zirconia is dispersed in a dispersion medium such as toluene and ethanol together with a binder such as polyvinyl butyral (PVB), a plasticizer such as dibutyl phthalate (DBP), and a dispersant. It is obtained by blending the slurry and using it to form a flat plate having a predetermined thickness by the doctor blade method or the like.

白金ペーストと上記固体電解質層用スラリーとの混合ペーストを用いて、固体電解質層100の一方の表面101に、測定電極層110、測定電極層リード部111、測定電極層端子部112、基準電極層端子部122を印刷形成し、他方の表面102に、基準電極層120、基準電極層リード部121を印刷形成し、固体電解質層100に穿設したスルーホール103内に基準電極層リード部121と基準電極層端子部122とを導通形成するスルーホール電極を吸引印刷等により形成する。   A measurement electrode layer 110, a measurement electrode layer lead portion 111, a measurement electrode layer terminal portion 112, and a reference electrode layer are formed on one surface 101 of the solid electrolyte layer 100 using a mixed paste of platinum paste and the solid electrolyte layer slurry. The terminal portion 122 is printed and the reference electrode layer 120 and the reference electrode layer lead portion 121 are printed and formed on the other surface 102. The reference electrode layer lead portion 121 and the through hole 103 formed in the solid electrolyte layer 100 are formed. A through-hole electrode that is electrically connected to the reference electrode layer terminal portion 122 is formed by suction printing or the like.

基準ガス室140は、例えばアルミナ等の絶縁性セラミック材料をPBV、DBP、分散剤等とともに分散媒に分散させたスラリーを用いてドクターブレード法によりシート状に形成し、これを金型等で略U字形に打ち抜いた基準ガス室縦壁形成層142と、矩形に打ち抜いた基準ガス室基部形成層141とを複数枚積層して形成する。   The reference gas chamber 140 is formed into a sheet shape by a doctor blade method using a slurry in which an insulating ceramic material such as alumina is dispersed in a dispersion medium together with PBV, DBP, a dispersing agent, etc. A plurality of reference gas chamber vertical wall forming layers 142 punched into a U shape and a plurality of reference gas chamber base forming layers 141 punched into a rectangle are stacked.

上述したアルミナシートを用いて平板状の絶縁性基体150とし、この一方の表面に白金ペーストとアルミナスラリーとを混合したペーストを用いて発熱体191、一対の発熱体リード部152を印刷形成し、他方の表面に一対の発熱体端子部153を印刷形成し、絶縁性基体150に穿設した一対のスルーホール154内に発熱体リード部152と発熱体端子部153とを導通するスルーホール電極を吸引印刷等により形成する。   The above-described alumina sheet is used to form a flat insulating base 150, and a heating element 191 and a pair of heating element lead portions 152 are printed on one surface using a paste obtained by mixing platinum paste and alumina slurry, A pair of heating element terminal portions 153 are printed on the other surface, and through-hole electrodes for conducting the heating element lead portions 152 and the heating element terminal portions 153 are provided in a pair of through-holes 154 formed in the insulating base 150. It is formed by suction printing or the like.

拡散抵抗層130は、上述したアルミナシートよりも粒径の粗いアルミナ等の耐熱性セラミック材料を結合材とともに分散媒に分散させたペーストを用いて、測定電極層110を覆うように印刷形成する。   The diffusion resistance layer 130 is printed and formed so as to cover the measurement electrode layer 110 using a paste in which a heat-resistant ceramic material such as alumina having a particle diameter larger than that of the above-described alumina sheet is dispersed in a dispersion medium together with a binder.

これらを積層して加熱圧着、接着等により一体の積層体を形成し、これを脱脂・焼結して、ガス濃度検出素子10が形成される。   These are laminated to form an integral laminated body by thermocompression bonding, adhesion, or the like, and this is degreased and sintered to form the gas concentration detecting element 10.

図7に、微粒子多孔質層160の形成方法を(a)〜(c)の順を追って示す。サブミクロン級の極めて粒径の細かいアルミナを無機バインダーとともに水、アルコールなどの分散媒に分散させて微粒子スラリー(微粒子多孔質層形成用スラリー)161とし、これに上述の工程により得られたガス濃度検出素子10の被測定ガスに晒される部位(図中にL1で示す範囲)を浸漬し、これを乾燥する。
なお、微粒子スラリー161は、内部欠陥を少なくするため、脱泡、エージング等の処理を施し均質化するのが良い。
本例においては、微粒子スラリーとして、アルミナ粒子の平均粒径4μm、粘度13mPa・sのものを用いた。
平均粒径は、レーザ回折式粒度分布計(マイクロトラック社製の MT3000)により測定した。
また、粘度は、B型回転粘度計(東機産業社製のRB−85L)を用いて測定した。具体的には、測定は、ロータNo.3、速度60rpm、温度25℃という条件で行い、ポットローラ撹拌を70rpmで5時間以上して3分後を粘度とした。
FIG. 7 shows the method of forming the fine particle porous layer 160 in the order of (a) to (c). Submicron-class alumina having a very small particle diameter is dispersed in a dispersion medium such as water or alcohol together with an inorganic binder to obtain a fine particle slurry (slurry for forming a fine particle porous layer) 161. The gas concentration obtained by the above-described steps A portion of the detection element 10 exposed to the gas to be measured (range indicated by L1 in the figure) is immersed and dried.
The fine particle slurry 161 is preferably homogenized by performing a process such as defoaming and aging in order to reduce internal defects.
In this example, as the fine particle slurry, an alumina particle having an average particle diameter of 4 μm and a viscosity of 13 mPa · s was used.
The average particle size was measured with a laser diffraction particle size distribution meter (MT3000 manufactured by Microtrac).
The viscosity was measured using a B-type rotational viscometer (RB-85L manufactured by Toki Sangyo Co., Ltd.). Specifically, the measurement is performed using the rotor No. 3. It was performed under conditions of a speed of 60 rpm and a temperature of 25 ° C., pot roller stirring was performed at 70 rpm for 5 hours or more, and the viscosity after 3 minutes.

図8に、本発明の要部である粗粒子によって構成した多孔質保護層170の形成方法を(a)〜(c)の順を追って示す。平均粒径20μm程度の粗いアルミナ等を無機バインダーとともに水、アルコールなどの分散媒に分散させて粗粒子スラリー(多孔質保護層形成用スラリー)172とし、これに、上述したガス濃度検出素子10の微粒子多孔質層160を形成した部位(図中にL2で示す範囲)を浸積し、乾燥する。未焼粗粒子多孔質層171の膜厚が所定の厚さになるまでこの浸漬(a)と乾燥(b)とを複数回繰り返す。これを乾燥した後、900℃程度の低い温度で仮焼すると本発明の多孔質保護層170が完成する。
本例においては、粗粒子スラリー172としては、アルミナ粒子の平均粒径20μm、粘度500mPa・sのものを用いた。平均粒径及び粘度は、上述の微粒子スラリーの場合と同様にして測定できる。
粗粒子スラリー172中には気泡または仮焼によって焼失可能な有機物からなる粒状物もしくはエマルジョン等の前駆体PREPが分散させてある。この前駆体PREPは、仮焼によって空隙となり開口部を有する凹部PMACを形成する。なお、本例においては、前駆体PREPを用いてあるが、前駆体を含有していなくても、上述のごとく、比較的粘度の大きなスラリーを用いることにより、凹部を形成することができる。
また、前駆体PREPの粗粒子スラリー172中の分散濃度は、複数の開口部間、開口部が連続的に連なってなる皺状の溝部間、及び開口部と溝部間の距離LPが1.8mm以上となるように調整するのが望ましい。
In FIG. 8, the formation method of the porous protective layer 170 comprised with the coarse particle which is the principal part of this invention is shown in order of (a)-(c). Coarse alumina or the like having an average particle size of about 20 μm is dispersed in a dispersion medium such as water or alcohol together with an inorganic binder to obtain a coarse particle slurry (slurry for forming a porous protective layer) 172. The portion where the fine particle porous layer 160 is formed (range indicated by L2 in the figure) is immersed and dried. This immersion (a) and drying (b) are repeated a plurality of times until the film thickness of the unfired coarse particle porous layer 171 reaches a predetermined thickness. When this is dried and then calcined at a low temperature of about 900 ° C., the porous protective layer 170 of the present invention is completed.
In this example, as the coarse particle slurry 172, an alumina particle having an average particle diameter of 20 μm and a viscosity of 500 mPa · s was used. The average particle diameter and viscosity can be measured in the same manner as in the case of the above-described fine particle slurry.
During the coarse particle slurry 172 precursor P REP such granules or emulsions comprising a burned possible organic by bubbles or calcination are dispersed. This precursor P REP becomes a void by calcination to form a recess P MAC having an opening. In this example, the precursor PREP is used. However, as described above, the concave portion can be formed by using a slurry having a relatively high viscosity even if the precursor PREP is not contained.
The dispersion concentration of the precursor PREP in the coarse particle slurry 172 is such that the distance L P between the plurality of openings, between the bowl-shaped grooves where the openings are continuously connected, and between the openings and the grooves is 1. It is desirable to adjust so that it may become 8 mm or more.

以上の工程によって、本発明の第1の実施形態であるガスセンサ1に用いられるガス濃度検出素子10が完成する。
本発明によれば、酸素イオン導伝性の固体電解質層100と、測定電極層110と、多孔質拡散抵抗層130と、基準電極層120と、基準ガス室140を有する基準ガス室形成層と、発熱体151を内部に有する絶縁性の基体150とを積層してなるガス濃度検出素子10の表面を覆い、多孔質保護層170を具備し、多孔質保護層170の表面を素子側に向かって窪ませた凹部PMACを少なくとも1以上設けたガス濃度検出素子10は、凹部PMACの存在により、被水した時に速やかに水滴が多孔質保護層170内に拡散され、熱衝撃を緩和する。多孔質保護層170の膜厚を薄くし、熱容量を小さくできるので、早期に固体電解質層100の活性化が可能となる。
The gas concentration detection element 10 used for the gas sensor 1 which is the 1st Embodiment of this invention is completed according to the above process.
According to the present invention, the oxygen ion conductive solid electrolyte layer 100, the measurement electrode layer 110, the porous diffusion resistance layer 130, the reference electrode layer 120, and the reference gas chamber forming layer having the reference gas chamber 140 are provided. And covering the surface of the gas concentration detecting element 10 formed by laminating the insulating base 150 having the heat generating element 151 inside, the porous protective layer 170 is provided, and the surface of the porous protective layer 170 faces the element side. recess P MAC at least 1 or more provided a gas concentration detecting device 10 is recessed Te is due to the presence of the recess P MAC, rapidly water droplets when Himizu is diffused into the porous protective layer 170, to reduce thermal shock . Since the thickness of the porous protective layer 170 can be reduced and the heat capacity can be reduced, the solid electrolyte layer 100 can be activated at an early stage.

なお、本発明は上記実施形態に示した最も基本的な構造のガス濃度検出素子およびその製造方法に限定するものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で各種変更が可能である。
例えば、上記実施形態においては、測定部が1セルのみで構成される単純な酸素センサに用いられるガス濃度検出素子について説明したが、異なる電極材料を用いて形成された複数のセルを設けた高精度なガス濃度検出素子等にも適用可能である。
また、本発明のガス濃度検出素子を備えたガスセンサを適用し得る内燃機関は、燃焼排気中に水分及び被毒物質を含み、ガス濃度検出素子を保護する必要があるものであれば、ガソリンエンジン、ディーゼルエンジン等の液体燃料機関に限らず、天然ガス等の気体燃料機関等にも適用し得るものである。
The present invention is not limited to the gas concentration detecting element having the most basic structure shown in the above embodiment and the manufacturing method thereof, and various modifications can be made without departing from the spirit of the present invention.
For example, in the above-described embodiment, the gas concentration detection element used in a simple oxygen sensor in which the measurement unit includes only one cell has been described. It can also be applied to an accurate gas concentration detection element or the like.
An internal combustion engine to which the gas sensor provided with the gas concentration detection element of the present invention can be applied is a gasoline engine as long as it contains moisture and poisonous substances in the combustion exhaust and needs to protect the gas concentration detection element. The present invention can be applied not only to liquid fuel engines such as diesel engines but also to gas fuel engines such as natural gas.

(実施例2)
次に、ガス濃度検出素子の別実施例につき、図面と共に説明する。
本例のガス濃度検出素子7は、図10に示すごとく、センサ基板8と、ヒータ基板9と、拡散抵抗層83とを積層して焼成してなる。センサ基板8は、酸素イオン導電性を有する固体電解質体81の一方の表面に、被測定ガスに接触する被測定ガス側電極82Aを有し、固体電解質体81の他方の表面に、基準ガスに接触する基準ガス側電極82Bを有している。ヒータ基板9は、電気絶縁性を有するセラミックス体91に通電により発熱する発熱体92を設けてなる。拡散抵抗層83は、被測定ガス側電極82Aに接触させる被測定ガスを透過させる多孔質体からなる。また、拡散抵抗層83は、センサ基板8の被測定ガス側電極82Aを設けた表面に積層してあり、ヒータ基板9は、センサ基板8の基準ガス側電極82Bを設けた表面に積層してある。
(Example 2)
Next, another embodiment of the gas concentration detecting element will be described with reference to the drawings.
As shown in FIG. 10, the gas concentration detection element 7 of this example is formed by laminating a sensor substrate 8, a heater substrate 9, and a diffusion resistance layer 83 and firing them. The sensor substrate 8 has a measured gas side electrode 82A in contact with the measured gas on one surface of the solid electrolyte body 81 having oxygen ion conductivity. The sensor substrate 8 is used as a reference gas on the other surface of the solid electrolyte body 81. It has a reference gas side electrode 82B in contact therewith. The heater substrate 9 is provided with a heating element 92 that generates heat by energizing a ceramic body 91 having electrical insulation. The diffusion resistance layer 83 is made of a porous body that allows the gas to be measured to be brought into contact with the gas to be measured-side electrode 82A. Further, the diffusion resistance layer 83 is laminated on the surface of the sensor substrate 8 provided with the gas side electrode 82A to be measured, and the heater substrate 9 is laminated on the surface of the sensor substrate 8 provided with the reference gas side electrode 82B. is there.

図11に示すごとく、ヒータ基板9における発熱体92は、導体を蛇行させて形成した発熱部901と、この発熱部901の両端から引き出した導体によるリード部902とを有している。ガス濃度検出素子7は、その長手方向Lの一端側L1に、発熱部901とセンサ基板8とが対向する加熱領域を有している。この加熱領域の全体は、多孔質保護層75によって被覆してある。この多孔質保護層75は、セラミックス粒子によって形成した多数の微細な気孔Pによって被測定ガスを透過させるよう構成してある。
図10、図12に示すごとく、多孔質保護層75の表面には、ガス濃度検出素子7の内部に向けて窪む溝によって、肉眼で視認可能な皺状の溝部を構成する凹部Mが形成されている。
As shown in FIG. 11, the heating element 92 in the heater substrate 9 has a heating part 901 formed by meandering conductors, and lead parts 902 made of conductors drawn from both ends of the heating part 901. The gas concentration detection element 7 has a heating region where the heat generating portion 901 and the sensor substrate 8 face each other on one end side L1 in the longitudinal direction L. The entire heating region is covered with a porous protective layer 75. The porous protective layer 75 is configured to allow the gas to be measured to permeate through a large number of fine pores P formed of ceramic particles.
As shown in FIGS. 10 and 12, the surface of the porous protective layer 75 is formed with a recess M that forms a bowl-shaped groove that is visible to the naked eye by a groove that is recessed toward the inside of the gas concentration detection element 7. Has been.

以下に、本例のガス濃度検出素子7につき、図9〜図14と共に詳説する。
図9に示すごとく、本例のガスセンサ6は、車載用の限界電流式のガスセンサであり、被測定ガスとしての排ガス中の酸素濃度を測定するものである。また、本例のガスセンサ6は、図10に示すごとく、固体電解質体81の両表面に設けた一対の電極82A、B間に、限界電流特性を生じる電圧を印加し、一方の電極である被測定ガス側電極82Aに接触する被測定ガスと、他方の電極である基準ガス側電極82Bに接触する基準ガス(大気等)との酸素濃度の差に応じて、一対の電極82A、B間に生じる電流を検出して、エンジンにおける空燃比を求めることができるものである。
また、本例のガス濃度検出素子7のセンサ基板8は、固体電解質体81の両表面に設けた一対の電極82A、Bによって、被測定ガス中の酸素濃度を調整するポンピングセルの機能と、被測定ガス中の酸素濃度を測定するセンシングセルの機能とを併有させた1セル構造を有している。
Hereinafter, the gas concentration detection element 7 of this example will be described in detail with reference to FIGS.
As shown in FIG. 9, the gas sensor 6 of this example is a vehicle-mounted limiting current type gas sensor, and measures the oxygen concentration in the exhaust gas as the gas to be measured. In addition, as shown in FIG. 10, the gas sensor 6 of the present example applies a voltage that generates a limit current characteristic between a pair of electrodes 82A and 82B provided on both surfaces of the solid electrolyte body 81, so Depending on the difference in oxygen concentration between the measurement gas in contact with the measurement gas side electrode 82A and the reference gas (atmosphere etc.) in contact with the reference gas side electrode 82B, which is the other electrode, between the pair of electrodes 82A, 82B It is possible to determine the air-fuel ratio in the engine by detecting the generated current.
Further, the sensor substrate 8 of the gas concentration detecting element 7 of the present example has a function of a pumping cell that adjusts the oxygen concentration in the gas to be measured by a pair of electrodes 82A, B provided on both surfaces of the solid electrolyte body 81, and It has a one-cell structure that combines the function of a sensing cell that measures the oxygen concentration in the gas to be measured.

同図に示すごとく、被測定ガス側電極82Aを設けた固体電解質体81の表面には、被測定ガスを拡散してその流れを律速させるための拡散抵抗層83が積層してある。また、拡散抵抗層83の表面には、遮蔽層84が積層してある。拡散抵抗層83、遮蔽層84は、アルミナ等より形成することができる。また、一対の電極82A、Bは、白金等より形成することができる。
また、固体電解質体81は、酸素イオン導電性の固体電解質からなるセラミック粉末を溶媒中に分散したスラリーを用いて、平板状に形成してある。一対の電極82A、Bは、固体電解質体81の両表面における互いに対向する位置に、印刷を行って形成してある。セラミックス体91は、絶縁性材料を溶媒中に分散したスラリーを用いて、平板状に形成してある。
As shown in the figure, a diffusion resistance layer 83 for diffusing the gas to be measured and controlling the flow thereof is laminated on the surface of the solid electrolyte body 81 provided with the gas side electrode 82A to be measured. A shielding layer 84 is laminated on the surface of the diffusion resistance layer 83. The diffusion resistance layer 83 and the shielding layer 84 can be formed of alumina or the like. Further, the pair of electrodes 82A and 82B can be formed of platinum or the like.
The solid electrolyte body 81 is formed in a flat plate shape using a slurry in which ceramic powder made of an oxygen ion conductive solid electrolyte is dispersed in a solvent. The pair of electrodes 82 </ b> A and 82 </ b> B is formed by printing at positions facing each other on both surfaces of the solid electrolyte body 81. The ceramic body 91 is formed in a flat plate shape using a slurry in which an insulating material is dispersed in a solvent.

図10に示すごとく、基準ガス側電極82Bを設けた固体電解質体81の表面には、ヒータ基板9が積層してある。ヒータ基板9は、基準ガス側電極82Bの周囲に基準ガス室95を形成するための一方のセラミックス体91Aと、他方のセラミックス体91Bとの間に、発熱体92を挟み込んで形成されている。発熱体92は、白金等による導体をいずれかのセラミックス体91にパターン印刷して形成されている。
また、固体電解質体81における一対の電極82A、Bは、発熱体92による発熱部901(加熱領域)に対向する位置に形成されている。
As shown in FIG. 10, the heater substrate 9 is laminated on the surface of the solid electrolyte body 81 provided with the reference gas side electrode 82B. The heater substrate 9 is formed by sandwiching a heating element 92 between one ceramic body 91A for forming the reference gas chamber 95 around the reference gas side electrode 82B and the other ceramic body 91B. The heating element 92 is formed by pattern-printing a conductor made of platinum or the like on any ceramic body 91.
Further, the pair of electrodes 82 </ b> A and B in the solid electrolyte body 81 are formed at positions facing a heat generating portion 901 (heating region) by the heat generating body 92.

図11に示すごとく、ヒータ基板9において、発熱体92による発熱部901は、ガス濃度検出素子7の長手方向Lに蛇行して形成することができ、図13に示すごとく、ガス濃度検出素子7の横方向W(長手方向Lに直交する方向)に蛇行して形成することもできる。
なお、ガス濃度検出素子2においては、ヒータ基板9における発熱部901とセンサ基板8とが対向する加熱領域と、ヒータ基板9におけるリード部902とセンサ基板8とが対向する通電領域とが形成されている。
As shown in FIG. 11, in the heater substrate 9, the heat generating portion 901 by the heat generating element 92 can be formed meandering in the longitudinal direction L of the gas concentration detecting element 7, and as shown in FIG. 13, the gas concentration detecting element 7 Can be formed by meandering in the horizontal direction W (direction perpendicular to the longitudinal direction L).
In the gas concentration detection element 2, a heating region where the heat generating portion 901 and the sensor substrate 8 in the heater substrate 9 face each other and a current-carrying region where the lead portion 902 and the sensor substrate 8 in the heater substrate 9 face each other are formed. ing.

図9に示すごとく、ガス濃度検出素子7の後端側部分(他端側L2の部分)702は、電気絶縁性を有する碍子部64を介して金属製のハウジング61に固定されており、ガス濃度検出素子7の先端側部分(一端側L1の部分)701は、ハウジング61の先端部に固定した素子カバー62によって覆われている。素子カバー62は、ガス濃度検出素子7の先端側部分701を覆うインナーカバー62Aと、インナーカバー62Aを覆うアウターカバー62Bとによって構成されている。インナーカバー62A及びアウターカバー62Bには、被測定ガス導入口63A、Bが、長手方向Lの互いに異なる位置に形成してある。
ガス濃度検出素子7の後端側部分702には、一対の電極82A、B及び発熱体92のリード部902における一対の導体を、ガスセンサ6の外部と電気接続するための導通金具65及びリード線66が接続されている。
As shown in FIG. 9, the rear end side portion (the other end L2 portion) 702 of the gas concentration detecting element 7 is fixed to a metal housing 61 via an insulator 64 having electrical insulation, The front end side portion (the end L1 portion) 701 of the concentration detection element 7 is covered with an element cover 62 fixed to the front end portion of the housing 61. The element cover 62 includes an inner cover 62A that covers the distal end portion 701 of the gas concentration detection element 7 and an outer cover 62B that covers the inner cover 62A. In the inner cover 62A and the outer cover 62B, measured gas inlets 63A and 63B are formed at different positions in the longitudinal direction L.
The rear end portion 702 of the gas concentration detection element 7 has a pair of electrodes 82A and 82B and a pair of conductors in the lead portion 902 of the heating element 92, and a conductive fitting 65 and a lead wire for electrically connecting the outside of the gas sensor 6. 66 is connected.

図10に示すごとく、本例のガス濃度検出素子7は、長手方向Lに直交する横断面において、四角形状の4つの角部にC面を形成した形状を有しており、遮蔽層84及び拡散抵抗層83における両側部には、被測定ガスを拡散抵抗層83へ導くための切欠面(C面)86が形成されている。
また、ガス濃度検出素子7の横断面形状は、センサ基板8及びヒータ基板9の積層方向Dに薄い略長方形状を有している。
As shown in FIG. 10, the gas concentration detection element 7 of this example has a shape in which a C surface is formed at four corners of a quadrangular shape in a cross section orthogonal to the longitudinal direction L. On both sides of the diffusion resistance layer 83, notched surfaces (C surface) 86 for guiding the gas to be measured to the diffusion resistance layer 83 are formed.
Further, the cross-sectional shape of the gas concentration detection element 7 has a substantially rectangular shape that is thin in the stacking direction D of the sensor substrate 8 and the heater substrate 9.

また、ガス濃度検出素子7の表面(センサ基板8、ヒータ基板9、遮蔽層84等の各表面)には、セラミックス粒子によって多数の気孔を形成してなる下地層を形成することができる。この下地層は、ガス濃度検出素子7と同時に焼成を行って形成することができる。   In addition, on the surface of the gas concentration detecting element 7 (each surface of the sensor substrate 8, the heater substrate 9, the shielding layer 84, etc.), an underlayer formed by forming a large number of pores with ceramic particles can be formed. This underlayer can be formed by firing at the same time as the gas concentration detecting element 7.

図10に示すごとく、多孔質保護層75は、長手方向Lに直交する横断面において、センサ基板8とヒータ基板9との積層方向Dの表面の中心部分における膜厚(厚み)が、最も厚くなっており、すべての角部における膜厚が、最も薄くなっている。また、本例の多孔質保護層75は、最も厚い部位で、500(μm)程度の膜厚に形成されている。
また、多孔質保護層75は、平均粒径が20(μm)程度のアルミナ粒子(セラミックス粒子)からなり、アルミナ粒子による微細な気孔Pは、20(μm)程度の開口径に形成されている。
なお、多孔質保護層75は、複数種類の被毒物のトラップ性能を向上させるために、複数層(本例では2層)にセラミックス粒子を積層し、上層(多孔質保護層)のセラミックス粒子751Bの平均粒径を、下層(微粒子多孔質層)のセラミックス粒子751Aの平均粒径よりも大きくして形成することができる(図16参照)。
As shown in FIG. 10, the porous protective layer 75 has the largest film thickness (thickness) at the center portion of the surface in the stacking direction D of the sensor substrate 8 and the heater substrate 9 in the cross section orthogonal to the longitudinal direction L. The film thickness at all corners is the thinnest. The porous protective layer 75 of this example is the thickest part and is formed to a thickness of about 500 (μm).
The porous protective layer 75 is made of alumina particles (ceramic particles) having an average particle diameter of about 20 (μm), and the fine pores P formed by the alumina particles are formed with an opening diameter of about 20 (μm). .
The porous protective layer 75 is formed by laminating ceramic particles in a plurality of layers (two layers in this example) and improving the trapping performance of a plurality of types of poisonous substances, and ceramic particles 751B in the upper layer (porous protective layer). Can be formed larger than the average particle diameter of the ceramic particles 751A of the lower layer (fine particle porous layer) (see FIG. 16).

本例のガス濃度検出素子7は、センサ基板8、ヒータ基板9、拡散抵抗層53、遮蔽層54を積層した状態で、焼成を行って形成してある。そして、多孔質保護層75は、ガス濃度検出素子7を、多数のセラミックス粒子を溶媒としての水に含有させてなるスラリー状のセラミックス材料中に浸漬して、ガス濃度検出素子7の表面にセラミックス材料を付着させる工程と、この付着させたセラミックス材料を乾燥させる工程とを繰り返した後、仮焼き(熱処理)を行って形成してある。   The gas concentration detection element 7 of this example is formed by firing in a state where the sensor substrate 8, the heater substrate 9, the diffusion resistance layer 53, and the shielding layer 54 are laminated. The porous protective layer 75 is formed by immersing the gas concentration detecting element 7 in a slurry-like ceramic material containing a large number of ceramic particles in water as a solvent, so that the ceramic is formed on the surface of the gas concentration detecting element 7. After repeating the step of attaching the material and the step of drying the attached ceramic material, calcining (heat treatment) is performed.

次に、上記多孔質保護層75に形成した凹部Mにつき詳説する。
図10、図11に示すごとく、本例の凹部Mは、センサ基板8とヒータ基板9とが積層された積層方向Dの表面に形成されている。また、多孔質保護層75における凹部Mは、ガス濃度検出素子7の加熱領域に対向する部位に形成されている。また、凹部Mは、皺状の溝部を形成する方向に直交する断面において、多孔質保護層75の表面側に位置する部分の幅が、多孔質保護層75の内部側に位置する部分の幅よりも大きくなる断面形状に形成されており、一対の傾斜状の側面M1を有する溝形状に形成されている。この傾斜状の側面M1は、必ずしも平坦ではなく、複雑な凹凸を有する部分も存在すると考える。
また、凹部Mは、種々の形に形成される場合があり、図11に示すごとく、1つの溝による皺として形成される場合、図12に示すごとく、溝が複数に分岐した皺として形成される場合等がある。
Next, the recess M formed in the porous protective layer 75 will be described in detail.
As shown in FIGS. 10 and 11, the recess M of this example is formed on the surface in the stacking direction D in which the sensor substrate 8 and the heater substrate 9 are stacked. Further, the concave portion M in the porous protective layer 75 is formed in a portion facing the heating region of the gas concentration detection element 7. Further, in the cross section perpendicular to the direction in which the ridge-shaped groove is formed, the concave portion M is such that the width of the portion located on the surface side of the porous protective layer 75 is the width of the portion located on the inner side of the porous protective layer 75. It is formed in a groove shape having a pair of inclined side surfaces M1. It is considered that the inclined side surface M1 is not necessarily flat, and there is a portion having complicated unevenness.
In addition, the recess M may be formed in various shapes. When the recess M is formed as a ridge by one groove as shown in FIG. 11, the groove is formed as a ridge having a plurality of branches as shown in FIG. There are cases.

図14は、多孔質保護層5における凹部Mの形成状態を、溝を形成する方向に直交する断面として模式的に示す図である。
同図に示すごとく、凹部Mにおいて、溝を形成する方向に直交する断面における一対の山頂点T同士の間の平均幅aは、0.05〜0.8(mm)の範囲内にある。この平均幅aは、凹部Mの形成方向の複数箇所における一対の山頂点T同士の間の幅の平均値として決定する。凹部Mにおいて、溝を形成する方向全体における一対の山頂点T同士の間に位置する底部の平均深さbは、0.05〜1(mm)の範囲内にある。この平均深さbは、一対の山頂点Tのうち低い方の山頂点Tから底部までの深さであって、凹部Mの形成方向の複数箇所における底部の深さの平均値として決定する。また、凹部Mの長手方向Lに投影した投影長さは、1〜15(mm)の範囲内にある。また、凹部Mの底部に対応する部分の多孔質保護層75の平均膜厚(平均厚み)d(mm)は、0.02(mm)以上である。この平均膜厚dは、凹部Mの形成方向の複数箇所に対応する多孔質保護層75の膜厚の平均値として決定する。
FIG. 14 is a diagram schematically illustrating the formation state of the recess M in the porous protective layer 5 as a cross section orthogonal to the direction in which the groove is formed.
As shown in the figure, in the recess M, the average width a between a pair of peak vertices T in a cross section perpendicular to the direction in which the groove is formed is in the range of 0.05 to 0.8 (mm). This average width a is determined as an average value of the width between a pair of peak vertices T at a plurality of locations in the formation direction of the recess M. In the recessed part M, the average depth b of the bottom part located between a pair of peak vertices T in the whole groove forming direction is in the range of 0.05 to 1 (mm). This average depth b is the depth from the lower peak apex T to the bottom of the pair of peak apexes T, and is determined as the average value of the depths of the bottoms at a plurality of locations in the formation direction of the recesses M. Moreover, the projection length projected on the longitudinal direction L of the recessed part M exists in the range of 1-15 (mm). The average film thickness (average thickness) d (mm) of the porous protective layer 75 corresponding to the bottom of the recess M is 0.02 (mm) or more. This average film thickness d is determined as an average value of the film thickness of the porous protective layer 75 corresponding to a plurality of locations in the formation direction of the recesses M.

また、凹部Mは、JIS B0631(2003年)のうねりモチーフに倣って特定することができる。
すなわち、上記平均幅aは、2個の局部山に挟まれた曲線部分であるモチーフ長さAWi(i=1〜n)の平均値AWによって表すことができ、上記平均深さbは、2個の山頂から谷底までの深さであるモチーフ深さHWi(i=1〜n)の平均値Wで表すことができる。
In addition, the recess M can be specified following the swell motif of JIS B0631 (2003).
That is, the average width a can be represented by an average value AW of the motif length AWi (i = 1 to n) which is a curved portion sandwiched between two local mountains, and the average depth b is 2 It can be represented by the average value W of the motif depth HWi (i = 1 to n) which is the depth from the top of each mountain to the bottom of the valley.

本例のガス濃度検出素子7においては、多孔質保護層75の表面に、凹部Mを積極的に形成している。そして、多孔質保護層75の表面に凹部Mが存在することにより、多孔質保護層75の膜厚を厚くしなくても、水滴に対する被水強度を効果的に向上できることが確認できた。   In the gas concentration detection element 7 of this example, the concave portion M is positively formed on the surface of the porous protective layer 75. Further, it was confirmed that the presence of the recesses M on the surface of the porous protective layer 75 can effectively improve the wet strength against water droplets without increasing the film thickness of the porous protective layer 75.

凹部Mの存在により、被水強度を向上できる理由は以下のように考える。
すなわち、多孔質保護層75に接触する被測定ガス中の水分は、ガス濃度検出素子7の表面に到達する前に、凹部Mの一対の傾斜状の側面M1における多数の微細な気孔Pに吸収され、多孔質保護層75において、ガス濃度検出素子7の面方向に広がることができる。これにより、多孔質保護層75にガス濃度検出素子7の面方向への吸水性を持たせることができ、ガス濃度検出素子7が被水割れを起こし難くすることができると考える。
The reason why the wet strength can be improved due to the presence of the recess M is considered as follows.
That is, moisture in the gas to be measured that contacts the porous protective layer 75 is absorbed by a number of fine pores P on the pair of inclined side surfaces M1 of the recess M before reaching the surface of the gas concentration detecting element 7. In the porous protective layer 75, it can spread in the surface direction of the gas concentration detection element 7. Thereby, it is considered that the porous protective layer 75 can be provided with water absorption in the surface direction of the gas concentration detecting element 7, and the gas concentration detecting element 7 can hardly cause water cracking.

また、一般的には、多孔質保護層75は均一に形成するのが良いと考えられていた。ところが、従来の凹部Mが存在しない多孔質保護層75を備えたガス濃度検出素子7においては、高温に加熱された使用時において、多孔質保護層75の表面に接触した小さな水滴は、その表面張力が小さいので、多孔質保護層75の表面に濡れを起こさなかった。この小さな水滴は、多孔質保護層75の表面上を弾かれるように転がり、沢山集まって大きな水滴となる。そして、この大きな水滴として表面張力が大きくなった時に、多孔質保護層75の表面に濡れ広がり、瞬間的に多孔質保護層75の内部に浸透していた。そのため、被水による熱衝撃が大きくなり、ガス濃度検出素子7の被水割れを起こしていたことが判明した。   In general, it was considered that the porous protective layer 75 should be formed uniformly. However, in the conventional gas concentration detecting element 7 having the porous protective layer 75 having no concave portion M, small water droplets that are in contact with the surface of the porous protective layer 75 during use heated to a high temperature Since the tension was small, the surface of the porous protective layer 75 did not get wet. These small water droplets roll so as to be repelled on the surface of the porous protective layer 75, and gather a lot to form large water droplets. Then, when the surface tension increased as these large water droplets, the surface of the porous protective layer 75 wets and spreads, and instantaneously penetrates into the porous protective layer 75. For this reason, it was found that the thermal shock due to the water was increased, and the gas concentration detecting element 7 was cracked by water.

これに対し、凹部Mが存在する多孔質保護層75を備えたガス濃度検出素子7においては、高温に加熱された使用時において、多孔質保護層75の表面に接触した小さな水滴は、凹部Mによって捕獲され、小さな水滴のままでも表面張力のバランスを崩すことがわかった。そして、小さな水滴は、速やかに多孔質保護層75における面方向に広がって蒸発することができ、直ちに乾燥することができる。そのため、被水による熱衝撃を小さくすることができ、ガス濃度検出素子7の被水割れを起こし難くできることがわかった。   On the other hand, in the gas concentration detecting element 7 including the porous protective layer 75 in which the concave portion M is present, small water droplets that are in contact with the surface of the porous protective layer 75 during use when heated to a high temperature, It was found that the balance of surface tension was lost even with small water droplets. And a small water droplet can spread quickly in the surface direction in the porous protective layer 75, can evaporate, and can be dried immediately. For this reason, it was found that the thermal shock caused by water exposure can be reduced, and the water concentration cracking of the gas concentration detection element 7 can hardly occur.

また、本例の多孔質保護層75によれば、被水による熱衝撃を小さくできることにより、多孔質保護層75の膜厚を薄くすることができ、ガス濃度検出素子7全体の熱容量が大きくなることを抑制することができる。そのため、上記発熱体82によるガス濃度検出素子7の早期の活性化が可能になり、その応答性を向上させることができる。
さらに、多孔質保護層75に凹部Mが形成されていることにより、被水による熱衝撃を受けたときの熱応力の発生を緩和することができ、多孔質保護層75の耐久性も向上させることができる。
In addition, according to the porous protective layer 75 of this example, the thermal shock caused by water can be reduced, so that the thickness of the porous protective layer 75 can be reduced, and the heat capacity of the entire gas concentration detecting element 7 is increased. This can be suppressed. Therefore, the gas concentration detecting element 7 can be activated early by the heating element 82, and the responsiveness can be improved.
Furthermore, since the concave portion M is formed in the porous protective layer 75, it is possible to reduce the generation of thermal stress when subjected to a thermal shock due to moisture, and to improve the durability of the porous protective layer 75. be able to.

それ故、本例の多孔質保護層75によれば、ガス濃度検出素子7の耐久性及び応答性を効果的に向上させることができる。   Therefore, according to the porous protective layer 75 of this example, the durability and responsiveness of the gas concentration detecting element 7 can be effectively improved.

(実施例3)
本例は、上記実施例2に示したガス濃度検出素子7の表面に多孔質保護層75を効果的に形成することができるガス濃度検出素子7の製造方法を示す例である。
具体的には、本例においては、以下の浸漬工程及び乾燥工程を繰り返し行った後、熱処理工程を行い、ガス濃度検出素子7の表面に多孔質保護層75を形成する。
浸漬工程においては、セラミックス粒子を溶媒としての水に含有させたセラミックス材料中に、ガス濃度検出素子7の長手方向Lの先端側部分701(加熱領域を形成した部分)を浸漬する。そして、スラリー状のセラミックス材料からガス濃度検出素子7を引き上げて、ガス濃度検出素子7の先端側部分701の表面にセラミックス材料を付着させる。なお、ガス濃度検出素子2は、絶縁碍子に装着した状態で、この絶縁碍子よりも突出した先端側部分701をスラリー状のセラミックス材料中に浸漬させる。
また、スラリー状のセラミックス材料におけるセラミックス粒子は、平均粒径が20(μm)であるアルミナ粒子とする。また、スラリー状のセラミック材料としては、粘度500mPa・sのものを採用した。平均粒径及び粘度は、実施例1と同様にして測定した。
Example 3
This example is an example showing a manufacturing method of the gas concentration detecting element 7 capable of effectively forming the porous protective layer 75 on the surface of the gas concentration detecting element 7 shown in the second embodiment.
Specifically, in this example, the following immersion process and drying process are repeated, and then a heat treatment process is performed to form the porous protective layer 75 on the surface of the gas concentration detection element 7.
In the dipping step, the tip side portion 701 (the portion where the heating region is formed) in the longitudinal direction L of the gas concentration detecting element 7 is dipped in a ceramic material containing ceramic particles in water as a solvent. Then, the gas concentration detecting element 7 is pulled up from the slurry-like ceramic material, and the ceramic material is adhered to the surface of the tip side portion 701 of the gas concentration detecting element 7. In addition, the gas concentration detection element 2 is immersed in the slurry-like ceramic material in a state where the gas concentration detection element 2 is attached to the insulator, and the tip side portion 701 protruding from the insulator.
The ceramic particles in the slurry-like ceramic material are alumina particles having an average particle size of 20 (μm). A slurry ceramic material having a viscosity of 500 mPa · s was employed. The average particle diameter and viscosity were measured in the same manner as in Example 1.

次いで、乾燥工程においては、ガス濃度検出素子7に付着させたセラミックス材料を乾燥させる。本例の乾燥工程においては、加熱した空気を吹き付けて乾燥させる。そして、最終回以外の乾燥工程においては、ガス濃度検出素子7に付着させたセラミックス材料の含水率が17wt%程度以下(例えば10〜17wt%)になるところで乾燥をやめる。そして、再び浸漬工程を行った後、2回目以降の乾燥工程を行うとき、セラミックス材料の表面には、肉眼で視認可能な皺状の溝部を構成する凹部Mを発生させることができる。これにより、本例においては、凹部Mを形成するために特別な工法を必要とせず、簡単に凹部Mを形成することができる。   Next, in the drying step, the ceramic material attached to the gas concentration detection element 7 is dried. In the drying process of this example, heated air is blown to dry. Then, in the drying process other than the final round, the drying is stopped when the moisture content of the ceramic material adhered to the gas concentration detecting element 7 is about 17 wt% or less (for example, 10 to 17 wt%). And after performing an immersion process again, when performing the drying process after the 2nd time, the recessed part M which comprises the bowl-shaped groove part visually recognizable with the naked eye can be generated on the surface of ceramic material. Thereby, in this example, in order to form the recessed part M, a special construction method is not required, but the recessed part M can be formed easily.

本例においては、ガス濃度検出素子7の表面に、浸漬工程として、セラミックス粒子の粒径が10μm以下である1層目のセラミックス材料を付着させ、乾燥工程を行う。次いで、1層目のセラミックス材料の上に、セラミックス粒子の粒径が1層目のセラミックス材料よりも大きい2層目のセラミックス材料を付着させ、乾燥工程を行う。次いで、セラミックス粒子の粒径が2層目のセラミックス材料と同等である3層目のセラミックス材料を付着させ、乾燥工程を行う。
こうして、本例においては、1層目のセラミックス粒子751Aによって膜厚が薄い下層の多孔質保護層75を形成し、2層目、3層目のセラミックス粒子751Bによって膜厚が厚い上層の多孔質保護層75を形成する(図16参照)。
なお、上記2層目以降のセラミックス材料の浸漬工程と乾燥工程とは、2〜5回繰り返すことができる。
In this example, as a dipping process, a first ceramic material having a particle size of ceramic particles of 10 μm or less is attached to the surface of the gas concentration detecting element 7 and a drying process is performed. Next, a second ceramic material having a particle size of ceramic particles larger than that of the first ceramic material is adhered on the first ceramic material, and a drying process is performed. Next, a third layer ceramic material having a particle size of ceramic particles equivalent to that of the second layer ceramic material is adhered, and a drying process is performed.
Thus, in this example, the lower porous protective layer 75 having a thin film thickness is formed by the first ceramic particles 751A, and the upper porous film having a thick film thickness by the second and third ceramic particles 751B. A protective layer 75 is formed (see FIG. 16).
In addition, the immersion process and drying process of the ceramic material after the second layer can be repeated 2 to 5 times.

また、浸漬工程と乾燥工程とを繰り返し行った後、本乾燥工程として、含水率がほぼ0wt%になるまで、ガス濃度検出素子7の表面におけるセラミックス材料を乾燥させる。
その後、熱処理工程においては、ほぼ完全に乾燥させたセラミックス材料(セラミックス粒子)を熱処理し、ガス濃度検出素子7の表面に多孔質保護層75を形成する。
なお、浸漬工程を行う前のガス濃度検出素子7の表面には、ガス濃度検出素子7と同時に焼成を行った下地層を設けておくことができる。
In addition, after the immersion process and the drying process are repeatedly performed, the ceramic material on the surface of the gas concentration detection element 7 is dried until the water content becomes approximately 0 wt% as the main drying process.
Thereafter, in the heat treatment step, the ceramic material (ceramic particles) that has been almost completely dried is heat-treated to form a porous protective layer 75 on the surface of the gas concentration detecting element 7.
In addition, the base layer which baked simultaneously with the gas concentration detection element 7 can be provided in the surface of the gas concentration detection element 7 before performing an immersion process.

上記乾燥工程を行うことにより、凹部Mを発生させることができる理由は、以下のように考える。
すなわち、図15に示すごとく、乾燥度合いが少ない下層のセラミックス材料750Aの上に、上層のセラミックス材料750Bを浸漬(ディッピング)によって付着させるときには、ガス濃度検出素子7の表面におけるセラミックス材料750の長手方向Lの膜厚の分布が大きくなる。また、ガス濃度検出素子2の先端側部分701を、スラリー状のセラミックス材料中に浸漬させたとき、ガス濃度検出素子7の遮蔽層84を積層した表面とヒータ基板9を積層した表面において、横断面における中心付近のセラミックス材料750の膜厚は、他の部分の膜厚に比べて厚くなる。なお、同図において、セラミックス材料中の水分をSで示す。
The reason why the concave portion M can be generated by performing the drying step is considered as follows.
That is, as shown in FIG. 15, when the upper ceramic material 750B is attached by dipping onto the lower ceramic material 750A with a low degree of drying, the longitudinal direction of the ceramic material 750 on the surface of the gas concentration detecting element 7 The film thickness distribution of L becomes large. Further, when the tip side portion 701 of the gas concentration detecting element 2 is immersed in a slurry-like ceramic material, the gas concentration detecting element 2 crosses the surface where the shielding layer 84 of the gas concentration detecting element 7 is laminated and the surface where the heater substrate 9 is laminated. The film thickness of the ceramic material 750 near the center of the surface is thicker than the film thickness of other portions. In the figure, moisture in the ceramic material is indicated by S.

そして、図16に示すごとく、再び乾燥工程を行う際に、下層のセラミックス材料750Aの膜厚が厚い部分に残った水分が蒸発するときに、上層及び下層、又はいずれかの層のセラミックス材料750におけるセラミックス粒子751が引き寄せられることにより、凹部Mが生じると考えられる。また、水分が蒸発するときに生じる収縮力を矢印F1によって示し、凹部Mが形成される部分に生じる分断力を矢印F2で示す。   Then, as shown in FIG. 16, when the drying process is performed again, when the moisture remaining in the thick part of the lower ceramic material 750A evaporates, the upper and / or lower ceramic material 750 is removed. It is considered that the concave portion M is generated by attracting the ceramic particles 751 in FIG. Further, the contraction force generated when the water evaporates is indicated by an arrow F1, and the breaking force generated in the portion where the recess M is formed is indicated by an arrow F2.

それ故、本例のガス濃度検出素子7の製造方法によれば、耐久性及び応答性を効果的に向上させることができるガス濃度検出素子7を容易に製造することができる。
本例においても、ガス濃度検出素子7の構成は上記実施例1と同様であり、その他、上記実施例1と同様の作用効果を得ることができる。
Therefore, according to the manufacturing method of the gas concentration detecting element 7 of this example, the gas concentration detecting element 7 capable of effectively improving durability and responsiveness can be easily manufactured.
Also in this example, the configuration of the gas concentration detecting element 7 is the same as that of the first embodiment, and the same effects as those of the first embodiment can be obtained.

(確認試験)
本確認試験においては、実施例3と同様にして、ガス濃度検出素子7の表面における多孔質保護層75に凹部Mを形成し、この凹部Mの平均深さbと平均幅aとが変化したときに、どれだけの量の水滴によってガス濃度検出素子7が被水割れを起すかを確認した。
図17は、横軸に凹部Mの平均深さb(mm)をとると共に、縦軸にガス濃度検出素子7が被水割れを起した水滴量(μl)をとり、凹部Mの平均幅a(mm)をパラメータとして変化させたときの関係を示すグラフである。
凹部Mの平均幅aは、0.8mm、0.5mm、0.05mmと変化させた。また、凹部Mが形成されていない場合についても、上記平均深さbと水滴量との関係を測定した。また、多孔質保護層75は、アルミナ粒子の浸漬、乾燥、熱処理を行って形成した。また、凹部Mの長手方向Lへの投影長さcは、1mmとし、測定に用いた凹部Mは、ヒータ面側(センサ基板8に対してヒータ基板9を積層した側)の多孔質保護層75に形成されたものとした。
(Confirmation test)
In this confirmation test, in the same manner as in Example 3, a concave portion M was formed in the porous protective layer 75 on the surface of the gas concentration detecting element 7, and the average depth b and average width a of the concave portion M were changed. In some cases, it was confirmed how much water droplets caused the water concentration cracking of the gas concentration detecting element 7.
In FIG. 17, the horizontal axis represents the average depth b (mm) of the recess M, and the vertical axis represents the amount of water droplets (μl) in which the gas concentration detection element 7 caused water cracking. It is a graph which shows the relationship when changing (mm) as a parameter.
The average width a of the recesses M was changed to 0.8 mm, 0.5 mm, and 0.05 mm. Moreover, the relationship between the said average depth b and the amount of water droplets was measured also about the case where the recessed part M is not formed. The porous protective layer 75 was formed by immersing alumina particles, drying, and heat treatment. The projection length c of the concave portion M in the longitudinal direction L is 1 mm, and the concave portion M used for the measurement is a porous protective layer on the heater surface side (side where the heater substrate 9 is laminated on the sensor substrate 8). 75.

同図において、特に、凹部Mの平均深さbが0.05mmよりも大きいときには、凹部Mがない場合に比べて、凹部Mがある場合の方が被水割れを起し難いことがわかった。
この結果より、凹部Mの平均深さbは、0.05mm以上とすることが好ましいことがわかった。また、平均深さbの上限値は、熱容量の増大化を抑制するために、1mm以下とすることが好ましいことがわかった。
また、凹部Mの平均幅aは、0.05〜0.8mmの範囲内にすることが好ましいことがわかった。
In the same figure, it was found that when the average depth b of the recesses M is larger than 0.05 mm, water cracking is less likely to occur when there is the recesses M than when there is no recesses M. .
From this result, it was found that the average depth b of the recesses M is preferably 0.05 mm or more. Moreover, it turned out that it is preferable to set the upper limit of the average depth b to 1 mm or less in order to suppress the increase in heat capacity.
Moreover, it turned out that it is preferable to make the average width a of the recessed part M into the range of 0.05-0.8 mm.

また、図18は、凹部Mがない場合(比較品)と凹部Mがある場合(発明品)とについて、多孔質保護層75の重量の違いを示すグラフである。同図に示すごとく、凹部Mがない場合に比べて、凹部Mがある場合には、多孔質保護層75の重量を約6%低減できることがわかった。そのため、多孔質保護層75に凹部Mを形成することにより、多孔質保護層75の熱容量を低減できることがわかった。   FIG. 18 is a graph showing the difference in weight of the porous protective layer 75 when there is no recess M (comparative product) and when there is a recess M (invention product). As shown in the figure, it was found that the weight of the porous protective layer 75 can be reduced by about 6% when the recess M is present, compared to the case where the recess M is not present. Therefore, it was found that the heat capacity of the porous protective layer 75 can be reduced by forming the recess M in the porous protective layer 75.

また、図19は、凹部Mがない場合(比較品)と凹部Mがある場合(発明品)とについて、ガス濃度検出素子7のステップ応答性の違いを示すグラフである。同図に示すごとく、凹部Mがない場合に比べて、凹部Mがある場合には、ガス濃度検出素子7のステップ応答性を約8%短縮できることがわかった。そのため、多孔質保護層75に凹部Mを形成することにより、ガス濃度検出素子7を加熱して活性化させるための時間を短縮できることがわかった。   FIG. 19 is a graph showing the difference in step response of the gas concentration detection element 7 when there is no recess M (comparative product) and when there is a recess M (invention product). As shown in the figure, it was found that the step response of the gas concentration detecting element 7 can be shortened by about 8% when there is a recess M compared to when there is no recess M. Therefore, it was found that the time for heating and activating the gas concentration detecting element 7 can be shortened by forming the recess M in the porous protective layer 75.

は、実施例1におけるガス濃度検出素子の要部を示し、一部を拡大した断面模式図。These are the cross-sectional schematic diagrams which showed the principal part of the gas concentration detection element in Example 1, and expanded one part. (a)、(b)は、本発明の要部である開口部の寸法定義とその理論説明図。(A), (b) is the dimension definition of the opening part which is the principal part of this invention, and its theoretical explanatory drawing. は、本発明の要部である開口部の深さ方向に関する変数iの実験値と計算値とを示す特性図。These are the characteristic views which show the experimental value and calculated value of the variable i regarding the depth direction of the opening part which are the principal parts of this invention. は、実施例1におけるガスセンサの全体構成を示す一部切り欠き断面図。FIG. 2 is a partially cutaway cross-sectional view showing the overall configuration of the gas sensor in Example 1. (a)、(b)、(c)は、実施例1における具体的な効果を比較例とともに示す特性図。(A), (b), (c) is a characteristic view which shows the specific effect in Example 1 with a comparative example. は、実施例1におけるガスセンサに用いられるガス濃度検出素子の構成を示す斜視展開図。BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS FIG. 1 is a perspective developed view showing a configuration of a gas concentration detection element used for a gas sensor in Example 1. 微粒子多孔質保護層の形成工程を(a)〜(c)の順を追って示す模式図。The schematic diagram which shows the formation process of a fine particle porous protective layer later on in order of (a)-(c). 本発明の要部である粗粒子多孔質保護層の形成工程を(a)〜(c)の順を追って示す模式図。The schematic diagram which shows the formation process of the coarse particle porous protective layer which is the principal part of this invention later on in order of (a)-(c). 実施例2における、ガス濃度検出素子を用いるガスセンサを示す断面説明図。Sectional explanatory drawing which shows the gas sensor which uses the gas concentration detection element in Example 2. FIG. 実施例2における、ガス濃度検出素子の加熱領域の横断面を模式的に示す断面説明図。Sectional explanatory drawing which shows typically the cross section of the heating area | region of the gas concentration detection element in Example 2. FIG. 実施例2における、ガス濃度検出素子における加熱領域の形成状態を模式的に示す説明図。FIG. 6 is an explanatory diagram schematically showing a heating region formation state in the gas concentration detection element in Example 2. 実施例2における、ガス濃度検出素子の多孔質保護層における凹部の形成状態を模式的に示す説明図。FIG. 4 is an explanatory diagram schematically showing a formation state of a recess in a porous protective layer of a gas concentration detection element in Example 2. 実施例2における、他のガス濃度検出素子における加熱領域の形成状態を模式的に示す説明図。Explanatory drawing which shows typically the formation state of the heating area | region in the other gas concentration detection element in Example 2. FIG. 実施例2における、多孔質保護層における凹部の形成状態を、溝を形成する方向に直交する断面として模式的に示す断面説明図。Cross-sectional explanatory drawing which shows typically the formation state of the recessed part in the porous protective layer in Example 2 as a cross section orthogonal to the direction which forms a groove | channel. 実施例3における、乾燥度合いが少ない下層のセラミックス材料の上に上層のセラミックス材料を付着させた状態を模式的に示す断面説明図。Sectional explanatory drawing which shows typically the state which made the upper-layer ceramic material adhere on the lower-layer ceramic material with a little dry degree in Example 3. FIG. 実施例3における、ガス濃度検出素子の表面におけるセラミックス材料に凹部を発生させる状態を示す断面説明図。Sectional explanatory drawing which shows the state which produces a recessed part in the ceramic material in the surface of the gas concentration detection element in Example 3. FIG. 確認試験における、横軸に凹部の平均深さb(mm)をとり、縦軸にガス濃度検出素子が被水割れを起した水滴量(μl)をとって、両者の関係を示すグラフ。The graph which shows the relationship between both by taking the average depth b (mm) of a recessed part on a horizontal axis | shaft in a confirmation test, and taking the amount (microliter) of water droplets in which the gas concentration detection element caused water cracking on the vertical axis. 確認試験における、凹部がない場合と凹部がある場合とについて、多孔質保護層の重量の違いを示すグラフ。The graph which shows the difference in the weight of a porous protective layer about the case where there is no recessed part and the case where there is a recessed part in a confirmation test. 確認試験における、凹部がない場合と凹部がある場合とについて、ガス濃度検出素子のステップ応答性の違いを示すグラフ。The graph which shows the difference in the step responsiveness of a gas concentration detection element about the case where there is no recessed part and the case where there is a recessed part in a confirmation test.

符号の説明Explanation of symbols

10 ガス濃度検出素子
100 固体電解質層
110 測定電極層
120 基準電極層
130 多孔質拡散抵抗層
140 基準ガス室
141 基準ガス室形成層
150 絶縁性基体
151 発熱体
170 多孔質保護層
MIC 気孔
MAC 開口部(凹部)
DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 Gas concentration detection element 100 Solid electrolyte layer 110 Measurement electrode layer 120 Reference electrode layer 130 Porous diffusion resistance layer 140 Reference gas chamber 141 Reference gas chamber formation layer 150 Insulating substrate 151 Heating element 170 Porous protective layer P MIC pore P MAC Opening (concave)

Claims (22)

被測定ガス中の特定ガス成分の濃度を検出するガス濃度検出素子において、
該ガス濃度検出素子は、上記被測定ガスに晒される上記ガス濃度検出素子の表面を覆う多孔質保護層を具備し、
該多孔質保護層の表面を素子側に向かって窪ませてなり、上記多孔質保護層の表面に開口する凹部を少なくとも1ケ箇所以上設けたことを特徴とするガス濃度検出素子。
In the gas concentration detection element that detects the concentration of the specific gas component in the gas to be measured,
The gas concentration detection element comprises a porous protective layer covering the surface of the gas concentration detection element exposed to the gas to be measured,
A gas concentration detecting element characterized in that the surface of the porous protective layer is recessed toward the element side, and at least one or more concave portions are provided in the surface of the porous protective layer.
請求項1において、上記凹部の開口部は、肉眼で視認可能であることを特徴とするガス濃度検出素子。   The gas concentration detection element according to claim 1, wherein the opening of the recess is visible with the naked eye. 請求項1又は2において、上記凹部の開口部は、その円相当径が0.1mm以上であることを特徴とするガス濃度検出素子。   3. The gas concentration detecting element according to claim 1, wherein the opening of the recess has an equivalent circle diameter of 0.1 mm or more. 請求項1又は2において、上記凹部は、該凹部の開口部に外接する最小正方形SQ1の一辺をa(mm)とし、上記凹部の深さDPをb(mm)としたとき、数式1の関係を満たす範囲で形成することを特徴とするガス濃度検出素子。
i=(b/0.008+1)、{(1−0.27/a)2}≦0.0027・・・数式1
3. The concave portion according to claim 1, wherein one side of the minimum square S Q1 circumscribing the opening of the concave portion is a (mm) and the depth D P of the concave portion is b (mm). A gas concentration detecting element formed in a range satisfying the above relationship.
i = (b / 0.008 + 1), {(1−0.27 / a) 2 } i ≦ 0.0027 (Equation 1)
請求項1〜4のいずれか一項において、上記凹部の形成部位における上記多孔質保護層の厚さT3をc(μm)としたとき、数式2の関係を満たすことを特徴とするガス濃度検出素子。
c≧25・・・数式2
5. The gas concentration according to claim 1, wherein when the thickness T 3 of the porous protective layer in the formation portion of the recess is c (μm), the relationship of Formula 2 is satisfied. Detection element.
c ≧ 25 Formula 2
請求項1〜5のいずれか一項において、上記凹部の開口部に外接する最小正方形SQ1の一辺をa(mm)としたとき、数式3の関係を満たすことを特徴とするガス濃度検出素子。
0.27≦a≦1.8・・・数式3
6. The gas concentration detecting element according to claim 1, wherein a relationship of Formula 3 is satisfied when one side of the minimum square S Q1 circumscribing the opening of the concave portion is a (mm). .
0.27 ≦ a ≦ 1.8 Formula 3
請求項1〜6のいずれか一項において、上記凹部を複数設け、該凹部間の距離Lpをd(mm)としたとき、数式4の関係を満たすことを特徴とするガス濃度検出素子。
d≧1.8・・・数式4
7. The gas concentration detection element according to claim 1, wherein a plurality of the recesses are provided, and the relationship of Formula 4 is satisfied when a distance L p between the recesses is d (mm).
d ≧ 1.8 Formula 4
請求項1〜7のいずれか一項において、上記多孔質保護層においては、上記凹部が連なって伸びる皺状の溝が形成されていることを特徴とするガス濃度検出素子。   8. The gas concentration detection element according to claim 1, wherein the porous protective layer is formed with a bowl-shaped groove extending continuously from the concave portion. 9. 請求項8において、上記皺状の溝を形成する方向に直交する断面における一対の山頂点同士の間の平均幅aが、0.05〜0.8(mm)であり、上記皺状の溝を形成する方向全体における一対の山頂点同士の間に位置する底部の平均深さbが、0.05〜1(mm)であることを特徴とするガス濃度検出素子。   In Claim 8, average width a between a pair of mountain peaks in a section orthogonal to the direction which forms the above-mentioned bowl-like groove is 0.05-0.8 (mm), and said bowl-like groove A gas concentration detecting element, wherein an average depth b of a bottom portion located between a pair of peak vertices in a whole direction in which the distance is formed is 0.05 to 1 (mm). 請求項1〜9のいずれか一項において、上記ガス濃度検出素子は、少なくとも平板状に形成された酸素イオン導伝性の固体電解質層と、該固体電解質層の一方の表面に形成されて被測定ガスに接する測定電極層と、該測定電極層側に形成されて上記被測定ガスを透過する多孔質拡散抵抗層と、上記固体電解質層の他方の表面に形成されて基準ガスに接する基準電極層と、該基準電極層側に形成されて基準ガスを導入する基準ガス室を有する基準ガス室形成層と、通電により発熱する発熱体を内部に有する絶縁性の基体とを積層してなる積層型のガス濃度検出素子であることを特徴とするガス濃度検出素子。   10. The gas concentration detection element according to claim 1, wherein the gas concentration detection element is formed on at least an oxygen ion conductive solid electrolyte layer formed in a flat plate shape and one surface of the solid electrolyte layer. A measurement electrode layer in contact with the measurement gas, a porous diffusion resistance layer that is formed on the measurement electrode layer side and transmits the gas to be measured, and a reference electrode that is formed on the other surface of the solid electrolyte layer and is in contact with the reference gas A laminate formed by laminating a layer, a reference gas chamber forming layer having a reference gas chamber that is formed on the reference electrode layer side and that introduces a reference gas, and an insulating base that has a heating element that generates heat when energized. A gas concentration detecting element characterized by being a gas concentration detecting element of the type. 請求項1〜9のいずれか一項において、上記ガス濃度検出素子は、酸素イオン導電性を有する固体電解質体の両表面に一対の電極を設けてなるセンサ基板と、電気絶縁性を有するセラミックス体に通電により発熱する発熱体を設けてなるヒータ基板と、上記一対の電極のうちの一方に接触させる被測定ガスを透過させる多孔質体からなる拡散抵抗層とを積層してなると共に、該拡散抵抗層を上記センサ基板の一方側の表面に積層し、上記ヒータ基板を上記センサ基板の他方側の表面に積層してなる積層型のガス濃度検出素子であることを特徴とするガス濃度検出素子。   10. The gas concentration detection element according to claim 1, wherein the gas concentration detection element includes a sensor substrate provided with a pair of electrodes on both surfaces of a solid electrolyte body having oxygen ion conductivity, and a ceramic body having electrical insulation. A heater substrate provided with a heating element that generates heat when energized, and a diffusion resistance layer made of a porous body that transmits a gas to be measured that is in contact with one of the pair of electrodes. A gas concentration detecting element comprising a resistance layer laminated on one surface of the sensor substrate and a heater substrate laminated on the other surface of the sensor substrate. . 請求項11において、上記発熱体は、導体を蛇行させて形成した発熱部と、該発熱部の両端から引き出した導体によるリード部とを有しており、
上記ガス濃度検出素子は、その長手方向の一方側に、上記発熱部と上記センサ基板とが対向する加熱領域を有しており、該加熱領域の全体を上記多孔質保護層によって被覆してあることを特徴とするガス濃度検出素子。
In claim 11, the heating element has a heat generating portion formed by meandering a conductor, and a lead portion by a conductor drawn from both ends of the heat generating portion,
The gas concentration detecting element has a heating region where the heat generating portion and the sensor substrate face each other on one side in the longitudinal direction, and the entire heating region is covered with the porous protective layer. A gas concentration detecting element.
請求項12において、上記凹部は、その少なくとも一部が上記加熱領域に対向する部位に形成されていることを特徴とするガス濃度検出素子。   13. The gas concentration detecting element according to claim 12, wherein at least a part of the concave portion is formed at a portion facing the heating region. 請求項11〜13のいずれか一項において、上記凹部は、上記センサ基板と上記ヒータ基板とが積層された積層方向の表面の1箇所又は複数箇所に形成されていることを特徴とするガス濃度検出素子。   14. The gas concentration according to claim 11, wherein the recess is formed at one or a plurality of locations on a surface in a stacking direction in which the sensor substrate and the heater substrate are stacked. Detection element. 請求項1〜9のいずれか一項において、上記ガス濃度検出素子は、一方が閉塞され、内部に基準ガス室が設けてあるコップ型の酸素イオン導伝性の固体電解質体と、該固体電解質体の外側面に設け、かつ被測定ガスと接触する測定電極と、上記固体電解質体の内側面に設けた基準電極とよりなると共に、上記基準ガス室には、通電により発熱する発熱体を内部に有する絶縁性の基体が挿入配置してあるコップ型のガス濃度検出素子であることを特徴とするガス濃度検出素子。   10. The cup-type oxygen ion conductive solid electrolyte body according to claim 1, wherein one of the gas concentration detecting elements is closed and a reference gas chamber is provided therein, and the solid electrolyte. A measuring electrode provided on the outer surface of the body and in contact with the gas to be measured, and a reference electrode provided on the inner surface of the solid electrolyte body. A gas concentration detection element comprising a cup-type gas concentration detection element in which an insulating substrate is inserted and disposed. 請求項1〜15のいずれか一項に記載のガス濃度検出素子を製造する方法において、
該ガス濃度検出素子を、耐熱性のセラミック粒子を分散せしめたスラリーに浸漬し、これを乾燥・仮焼して上記ガス濃度検出素子の表面を覆う多孔質保護層とする多孔質保護層形成工程を具備することを特徴とするガス濃度検出素子の製造方法。
In the method for manufacturing the gas concentration detection element according to any one of claims 1 to 15,
A porous protective layer forming step in which the gas concentration detecting element is immersed in a slurry in which heat-resistant ceramic particles are dispersed, and this is dried and calcined to form a porous protective layer covering the surface of the gas concentration detecting element A method for manufacturing a gas concentration detecting element, comprising:
請求項16において、上記スラリーに、気泡又は仮焼時に焼失可能な有機物粒子若しくはエマルジョンのいずれかからなる前駆体を分散せしめて上記多孔質保護層表面に上記凹部を形成する形成工程を具備することを特徴とするガス濃度検出素子の製造方法。   17. The method according to claim 16, further comprising the step of forming the recesses on the surface of the porous protective layer by dispersing a precursor composed of bubbles, organic particles or an emulsion that can be burned down during calcination, in the slurry. A method for manufacturing a gas concentration detecting element. 請求項1〜15のいずれか一項に記載のガス濃度検出素子を製造する方法において、
セラミック粒子を溶媒に含有させてなるスラリー中に上記ガス濃度検出素子を浸漬する浸漬工程と、上記ガス濃度検出素子の表面に付着したセラミックス材料を乾燥させる乾燥工程とを繰り返し行い、その後、乾燥させた上記セラミックス材料を熱処理し上記ガス濃度検出素子の表面に多孔質保護層を形成する熱処理工程を行って、上記多孔質保護層を形成するにあたり、
2回目以降の上記乾燥工程を行うときに、上記セラミックス材料の表面に上記凹部を発生させることを特徴とするガス濃度検出素子の製造方法。
In the method for manufacturing the gas concentration detection element according to any one of claims 1 to 15,
A dipping step of immersing the gas concentration detection element in a slurry containing ceramic particles in a solvent and a drying step of drying the ceramic material adhering to the surface of the gas concentration detection element are repeated, and then dried. In performing the heat treatment step of forming a porous protective layer on the surface of the gas concentration detecting element by heat-treating the ceramic material, the porous protective layer is formed.
A manufacturing method of a gas concentration detecting element, wherein the concave portion is generated on the surface of the ceramic material when performing the second and subsequent drying steps.
請求項16〜18のいずれか一項において、上記セラミック粒子は、平均粒径25(μm)以下であるアルミナ粒子からなることを特徴とするガス濃度検出素子の製造方法。   The method for manufacturing a gas concentration detecting element according to any one of claims 16 to 18, wherein the ceramic particles are made of alumina particles having an average particle size of 25 (µm) or less. 請求項16〜19のいずれか一項において、上記多孔質保護層の形成にあたっては、粘度200〜1200(mPa・s)の上記スラリーを用いて行うことを特徴とするガス濃度検出素子の製造方法。   20. The method of manufacturing a gas concentration detecting element according to claim 16, wherein the porous protective layer is formed using the slurry having a viscosity of 200 to 1200 (mPa · s). . 請求項16〜19のいずれか一項において、上記多孔質保護層の形成の前に、平均粒径1〜9(μm)のセラミック粒子を含有する微粒子多孔質層形成用スラリーに上記ガス濃度検出素子を浸漬し、乾燥させた後、上記多孔質保護層形成用の上記スラリーとして、平均粒径13〜25(μm)のセラミック粒子を含有する多孔質保護層形成用スラリーを用いて上記多孔質保護層を形成することにより、微粒子多孔質保護層上に上記多孔質保護層を積層形成することを特徴とするガス濃度検出素子の製造方法。   The gas concentration detection according to any one of claims 16 to 19, wherein the gas concentration is detected in a slurry for forming a fine particle porous layer containing ceramic particles having an average particle diameter of 1 to 9 (µm) before the formation of the porous protective layer. After the element is immersed and dried, the porous protective layer forming slurry containing ceramic particles having an average particle size of 13 to 25 (μm) is used as the porous protective layer forming slurry. A method for producing a gas concentration detecting element, comprising forming the protective layer to form the porous protective layer on the fine particle porous protective layer. 請求項21において、上記微粒子多孔質層形成用スラリーとしては、粘度11〜600(mPa・s)のものを採用することを特徴とするガス濃度検出素子の製造方法。   The method for manufacturing a gas concentration detecting element according to claim 21, wherein the fine particle porous layer forming slurry has a viscosity of 11 to 600 (mPa · s).
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