JP2017198659A - Gas sensor element and gas sensor - Google Patents

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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a gas sensor element and a gas sensor which can detect gas in a low temperature environment (300°C or lower).SOLUTION: A gas sensor element 3 of a gas sensor has a protective layer 31 over an external electrode 27, and the protective layer has a low thermal conductivity layer 32 providing heat insulating effects. This can suppress the temperature drop in an element body 21 through the heat insulating effects of the low thermal conductivity layer 32 even when the temperature of an exhaust gas drops, and the active state can be therefore maintained. The protective layer 31 of the gas sensor element 3 has a catalyst-containing layer 33, whereby a part of exhaust gas which reaches the external electrode 27 via the protective layer 31 will cause a gas equilibration reaction in the catalyst-containing layer 33 and the gas equilibration reaction will be easily generated when the gas reaches the external electrode 27. This makes it possible to detect gas if the active state of the element body 21 becomes lower, and increase in the accuracy of gas detection can be thus allowed.SELECTED DRAWING: Figure 3

Description

本発明は、固体電解質体および一対の電極を備えるガスセンサ素子、およびガスセンサ素子を備えるガスセンサに関する。   The present invention relates to a gas sensor element including a solid electrolyte body and a pair of electrodes, and a gas sensor including the gas sensor element.

測定対象ガス(例えば排気ガス等)に含まれる特定ガス(例えば、酸素、NOx等)を検出するためのガスセンサ素子、およびそのようなガスセンサ素子を備えるガスセンサが知られている。ガスセンサ素子は、固体電解質体と、固体電解質体を挟み込むように配置された一対の電極と、を備える。   A gas sensor element for detecting a specific gas (eg, oxygen, NOx, etc.) contained in a measurement target gas (eg, exhaust gas) and a gas sensor including such a gas sensor element are known. The gas sensor element includes a solid electrolyte body and a pair of electrodes arranged so as to sandwich the solid electrolyte body.

ところで、内燃機関の排気ガスにおけるエミッション(大気汚染物質など)の排出量低減の要求は年々高まっており、エミッション規制の強化が進んでいる。
排気ガスにおけるガス検出に用いられるガスセンサとしては、例えば、ガス検出を行うガスセンサ素子を備えるとともに、ガスセンサ素子を活性化状態にするためのヒータを備えるヒータ付きガスセンサがある。また、ガスセンサは、その用途によっては、低コストが強く求められることがあり、そのような要求に対しては、ヒータを備えていないヒータレスガスセンサを採用する場合がある。
By the way, demands for reducing emissions (such as air pollutants) in exhaust gas from internal combustion engines are increasing year by year, and emission regulations are being strengthened.
As a gas sensor used for gas detection in exhaust gas, for example, there is a gas sensor with a heater including a gas sensor element for detecting gas and a heater for activating the gas sensor element. In addition, the gas sensor may be strongly required to be low in cost depending on the application, and a heaterless gas sensor that does not include a heater may be employed for such a demand.

このようなガスセンサは、ヒータおよび排気ガスのうち少なくとも一方の熱による加熱によってガスセンサ素子が活性化状態になることで、ガス検出が可能となる。このため、ガスセンサにおいては、ガスセンサ素子の特性として、ヒータおよび排気ガスのうち少なくとも一方からの熱を効率よくガスセンサ素子の活性化に活用できる特性(ガス受熱性)に優れていることが重要となる。   Such a gas sensor can detect a gas when the gas sensor element is activated by heating of at least one of the heater and the exhaust gas. For this reason, in the gas sensor, it is important that the gas sensor element has excellent characteristics (gas heat receiving property) that can efficiently use heat from at least one of the heater and the exhaust gas for activation of the gas sensor element. .

このようなガス受熱性の向上要求に対して、ガスセンサ素子の測定電極(測定対象ガスに接触する電極)を覆う保護層に助触媒としての材料(酸化セリウム、酸化ランタン、酸化カルシウム)が添加された構成のガスセンサ素子が提案されている(特許文献1)。このようなガスセンサ素子は、助触媒によって測定電極の触媒活性を向上でき、低温でのガスセンサ素子の特性が向上する。   In response to such a demand for improving gas heat receiving properties, a material (cerium oxide, lanthanum oxide, calcium oxide) as a promoter is added to the protective layer that covers the measurement electrode of the gas sensor element (the electrode that contacts the measurement target gas). A gas sensor element having the above configuration has been proposed (Patent Document 1). In such a gas sensor element, the catalytic activity of the measurement electrode can be improved by the cocatalyst, and the characteristics of the gas sensor element at a low temperature are improved.

特開平06−160332号公報Japanese Patent Laid-Open No. 06-160332

しかし、ガスセンサの用途によっては、より低い温度帯(例えば、300℃以下)でのガス検出が必要となる場合があり、そのようなより厳しい条件下では、上記の助触媒を備えるガスセンサ素子を用いる場合でも、測定電極の活性化が不十分となり、ガス検出ができない場合がある。   However, depending on the application of the gas sensor, gas detection in a lower temperature zone (for example, 300 ° C. or lower) may be required. Under such more severe conditions, the gas sensor element including the above-described promoter is used. Even in this case, activation of the measurement electrode may be insufficient and gas detection may not be possible.

そこで、本発明は、低温(300℃以下)環境下でもガス検出が可能なガスセンサ素子、およびそのようなガスセンサ素子を備えるガスセンサを提供することを目的とする。   Therefore, an object of the present invention is to provide a gas sensor element capable of detecting gas even in a low temperature (300 ° C. or lower) environment, and a gas sensor including such a gas sensor element.

本発明の1つの局面におけるガスセンサ素子は、固体電解質体と、一対の電極と、保護層と、を備える。
一対の電極は、固体電解質体を挟み込むように配置されている。一対の電極は、測定対象ガスに接触する測定電極と、基準ガスに接触する基準電極と、を備える。
A gas sensor element according to one aspect of the present invention includes a solid electrolyte body, a pair of electrodes, and a protective layer.
The pair of electrodes are arranged so as to sandwich the solid electrolyte body. The pair of electrodes includes a measurement electrode in contact with the measurement target gas and a reference electrode in contact with the reference gas.

保護層は、測定電極を覆う多孔質状の材料で構成されている。保護層は、低熱伝導率層と、触媒含有層と、を少なくとも備えている。
低熱伝導率層は、多孔質状に形成されるとともに、熱伝導率が固体電解質体と同じか固体電解質体よりも低いものである。
The protective layer is made of a porous material that covers the measurement electrode. The protective layer includes at least a low thermal conductivity layer and a catalyst-containing layer.
The low thermal conductivity layer is formed in a porous shape, and has a thermal conductivity equal to or lower than that of the solid electrolyte body.

触媒含有層は、多孔質状に形成されるとともに、測定対象ガスのガス平衡化反応を促進する触媒を含有して形成されている。
このガスセンサ素子においては、測定電極を覆う保護層が低熱伝導率層を備えることで、低熱伝導率層による保温効果が得られる。このため、固体電解質体のうち一対の電極が形成される部位に関して、熱量が保護層を介して外部に放出されることを低減でき、活性化状態の固体電解質体における温度低下を抑制できる。つまり、測定対象ガスからの熱量を受け取ることで活性化状態となった固体電解質体は、測定対象ガスの温度が低下した場合でも、低熱伝導率層による保温効果によって自身の温度低下を抑制できるため、活性化状態を維持できる。このため、このガスセンサ素子は、測定対象ガスからの熱を効率よく活用できるため、ガス受熱性を向上できる。
The catalyst-containing layer is formed in a porous shape and contains a catalyst that promotes the gas equilibration reaction of the measurement target gas.
In this gas sensor element, since the protective layer covering the measurement electrode includes the low thermal conductivity layer, the heat retention effect by the low thermal conductivity layer can be obtained. For this reason, about the site | part in which a pair of electrode is formed among solid electrolyte bodies, it can reduce that calorie | heat amount is discharge | released outside via a protective layer, and can suppress the temperature fall in the activated solid electrolyte body. In other words, the solid electrolyte body that has been activated by receiving the amount of heat from the measurement target gas can suppress its own temperature decrease due to the heat retention effect of the low thermal conductivity layer even when the temperature of the measurement target gas decreases. The activated state can be maintained. For this reason, since this gas sensor element can utilize the heat | fever from measurement object gas efficiently, gas heat receiving property can be improved.

また、このガスセンサ素子においては、測定電極を覆う保護層が触媒含有層を備えることで、保護層を介して測定電極に到達する測定対象ガスのうち一部が触媒含有層でガス平衡化反応を起こすことになり、測定電極に到達したときにガス平衡化反応が発生しやすくなる。これにより、固体電解質体の活性化状態が低下した場合であっても、ガス検出が可能となるため、ガス検出精度を向上できる。   In this gas sensor element, the protective layer covering the measurement electrode includes the catalyst-containing layer, so that part of the measurement target gas that reaches the measurement electrode via the protective layer undergoes a gas equilibration reaction in the catalyst-containing layer. The gas equilibration reaction is likely to occur when the measurement electrode is reached. Thereby, even if it is a case where the activation state of a solid electrolyte body falls, since gas detection becomes possible, gas detection accuracy can be improved.

よって、このガスセンサ素子によれば、低温(300℃以下)環境下でもガス検出が可能となる。
次に、上述のガスセンサ素子においては、低熱伝導率層は、保護層において、触媒含有層よりも測定電極に近い位置に配置されてもよい。
Therefore, according to this gas sensor element, gas detection is possible even in a low temperature (300 ° C. or lower) environment.
Next, in the gas sensor element described above, the low thermal conductivity layer may be disposed in the protective layer at a position closer to the measurement electrode than the catalyst-containing layer.

このように、低熱伝導率層が触媒含有層よりも測定電極に近い位置に配置されることで、固体電解質体の温度低下をより一層抑制できる。
また、測定対象ガスが保護層を通過して測定電極に到達するにあたり、低熱伝導率層よりも先に触媒含有層を通過することで、測定対象ガスのガス平衡化反応を十分に促進させることができ、ガス検出精度を向上できる。
Thus, the temperature decrease of the solid electrolyte body can be further suppressed by disposing the low thermal conductivity layer at a position closer to the measurement electrode than the catalyst-containing layer.
In addition, when the measurement target gas passes through the protective layer and reaches the measurement electrode, the gas equilibration reaction of the measurement target gas is sufficiently accelerated by passing through the catalyst-containing layer before the low thermal conductivity layer. Gas detection accuracy can be improved.

次に、上述のガスセンサ素子においては、固体電解質体は、有底筒型または板型に形成されてもよい。
つまり、ガスセンサ素子の具体的な形状としては、例えば、有底筒型または板型が挙げられる。
Next, in the gas sensor element described above, the solid electrolyte body may be formed in a bottomed cylindrical shape or a plate shape.
That is, the specific shape of the gas sensor element includes, for example, a bottomed cylinder type or a plate type.

本発明の別の局面のガスセンサは、測定対象ガスに含まれる特定ガスを検出するガスセンサ素子を備えるガスセンサであって、ガスセンサ素子として、上述のいずれかのガスセンサ素子を備える。   A gas sensor according to another aspect of the present invention is a gas sensor including a gas sensor element that detects a specific gas contained in a measurement target gas, and includes any of the gas sensor elements described above as the gas sensor element.

このように、上述のいずれかのガスセンサ素子を備えるガスセンサは、低温(300℃以下)環境下でもガス検出が可能となる。   As described above, a gas sensor including any one of the gas sensor elements described above can detect a gas even in a low temperature (300 ° C. or lower) environment.

本発明のガスセンサ素子によれば、低温(300℃以下)環境下でもガス検出が可能となる。
また、本発明のガスセンサによれば、低温(300℃以下)環境下でもガス検出が可能となる。
According to the gas sensor element of the present invention, gas detection is possible even in a low temperature (300 ° C. or lower) environment.
Further, according to the gas sensor of the present invention, gas detection is possible even in a low temperature (300 ° C. or lower) environment.

ガスセンサを軸線O方向に破断した状態を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows the state which fractured | ruptured the gas sensor in the axis line O direction. ガスセンサ素子の外観を示す正面図である。It is a front view which shows the external appearance of a gas sensor element. ガスセンサ素子の構成を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the structure of a gas sensor element. 図3に示すガスセンサ素子のうち点線で囲まれた領域D1を拡大した拡大断面図である。It is the expanded sectional view which expanded the area | region D1 enclosed with the dotted line among the gas sensor elements shown in FIG. ガスセンサ素子のガス受熱性を評価するための評価試験の試験結果である。It is a test result of the evaluation test for evaluating the gas heat receiving property of a gas sensor element. 実施例1および比較例1のそれぞれについての、シミュレーションによる伝熱解析により得られる素子温度のシミュレーション結果である。It is the simulation result of the element temperature obtained by the heat-transfer analysis by simulation about each of Example 1 and Comparative Example 1. FIG. ガスセンサの低温作動性を評価するための評価試験の試験結果である。It is a test result of the evaluation test for evaluating the low temperature operability of a gas sensor. 板型ガスセンサ素子の斜視図である。It is a perspective view of a plate type gas sensor element. 板型ガスセンサ素子の模式的な分解斜視図である。It is a typical exploded perspective view of a plate type gas sensor element. 板型ガスセンサ素子の先端側の部分拡大断面図である。It is a partial expanded sectional view of the front end side of a plate type gas sensor element.

以下、本発明が適用された実施形態について、図面を用いて説明する。
尚、本発明は、以下の実施形態に何ら限定されるものではなく、本発明の技術的範囲に属する限り種々の形態を採り得ることはいうまでもない。
Embodiments to which the present invention is applied will be described below with reference to the drawings.
In addition, this invention is not limited to the following embodiment at all, and it cannot be overemphasized that various forms may be taken as long as it belongs to the technical scope of this invention.

[1.第1実施形態]
[1−1.全体構成]
第1実施形態として、内燃機関の排気管に対して先端部分を排気管内に突出させる形態で装着し、排気ガス中の酸素を検出する酸素センサ(以下、ガスセンサ1ともいう)を例に挙げて説明する。なお、ガスセンサ1は、例えば、自動車またはオートバイ等の車両の排気管に備えられる。
[1. First Embodiment]
[1-1. overall structure]
As a first embodiment, an oxygen sensor (hereinafter also referred to as a gas sensor 1) that detects the oxygen in exhaust gas by attaching the tip portion of the exhaust pipe to the exhaust pipe of the internal combustion engine so as to protrude into the exhaust pipe is taken as an example. explain. In addition, the gas sensor 1 is provided in the exhaust pipe of vehicles, such as a motor vehicle or a motorcycle, for example.

まず、本実施形態のガスセンサ1の構成について、図1を用いて説明する。
図1では、図面下方向がガスセンサの先端側であり、図面上方向がガスセンサの後端側である。
First, the structure of the gas sensor 1 of this embodiment is demonstrated using FIG.
In FIG. 1, the downward direction in the drawing is the front end side of the gas sensor, and the upward direction in the drawing is the rear end side of the gas sensor.

ガスセンサ1は、ガスセンサ素子3、セパレータ5、閉塞部材7、端子金具9、リード線11を備える。さらに、ガスセンサ1は、ガスセンサ素子3、セパレータ5、および閉塞部材7の周囲を覆う様に配置される主体金具13、プロテクタ15、外筒16を備えている。なお、外筒16は、内側外筒17および外側外筒19を備えている。   The gas sensor 1 includes a gas sensor element 3, a separator 5, a closing member 7, a terminal fitting 9, and a lead wire 11. Further, the gas sensor 1 includes a metal shell 13, a protector 15, and an outer cylinder 16 that are arranged so as to cover the periphery of the gas sensor element 3, the separator 5, and the closing member 7. The outer cylinder 16 includes an inner outer cylinder 17 and an outer outer cylinder 19.

ガスセンサ1は、ガスセンサ素子3を加熱するためのヒータを備えていない、いわゆるヒータレスのセンサであり、排気ガスの熱を利用してガスセンサ素子3を活性化して酸素を検出するものである。   The gas sensor 1 is a so-called heater-less sensor that does not include a heater for heating the gas sensor element 3, and detects oxygen by activating the gas sensor element 3 using the heat of exhaust gas.

図2は、ガスセンサ素子3の外観を示す正面図である。
ガスセンサ素子3は、酸素イオン伝導性を有する固体電解質体を用いて形成されており、先端部25が閉塞された有底筒型形状であり、軸線O方向に延びる円筒状の素子本体21を有している。この素子本体21の外周には、径方向外向きに突出した素子鍔部23が周設されている。
FIG. 2 is a front view showing the appearance of the gas sensor element 3.
The gas sensor element 3 is formed using a solid electrolyte body having oxygen ion conductivity, has a bottomed cylindrical shape with a closed end 25, and has a cylindrical element body 21 extending in the direction of the axis O. doing. On the outer periphery of the element main body 21, an element collar portion 23 protruding outward in the radial direction is provided.

なお、素子本体21を構成する固体電解質体は、ジルコニア(ZrO)に安定化剤としてイットリア(Y)又はカルシア(CaO)を添加してなる部分安定化ジルコニア焼結体を用いて構成されている。素子本体21を構成する固体電解質体は、これらに限られることはなく、「アルカリ土類金属の酸化物とZrOとの固溶体」、「希土類金属の酸化物とZrOとの固溶体」などを使用しても良い。さらには、これらにHfOが含有されたものを、素子本体21を構成する固体電解質体として用いても良い。 The solid electrolyte body constituting the element body 21 is a partially stabilized zirconia sintered body obtained by adding yttria (Y 2 O 3 ) or calcia (CaO) as a stabilizer to zirconia (ZrO 2 ). It is configured. The solid electrolyte constituting the element body 21 is not limited to these, and includes “solid solution of alkaline earth metal oxide and ZrO 2 ”, “solid solution of rare earth metal oxide and ZrO 2 ”, and the like. May be used. Further, those containing HfO 2 may be used as the solid electrolyte body constituting the element body 21.

ガスセンサ素子3の先端部25には、素子本体21の外周面に外側電極27(後述する図3参照)が形成されている。外側電極27は、PtあるいはPt合金を多孔質に形成したものである。外側電極27は、多孔質状の保護層31で覆われている。このため、図2では、保護層31は図示されるが、外側電極27は図示されていない。   An outer electrode 27 (see FIG. 3 described later) is formed on the outer peripheral surface of the element body 21 at the distal end portion 25 of the gas sensor element 3. The outer electrode 27 is made of porous Pt or Pt alloy. The outer electrode 27 is covered with a porous protective layer 31. Therefore, in FIG. 2, the protective layer 31 is illustrated, but the outer electrode 27 is not illustrated.

素子鍔部23の先端側(図2下方)には、Pt等で形成された環状の環状リード部28が形成されている。
素子本体21の外周面のうち外側電極27と環状リード部28との間には、Pt等で形成された縦リード部29が軸線方向に延びるように形成されている。縦リード部29は、外側電極27と環状リード部28とを電気的に接続している。
An annular lead portion 28 made of Pt or the like is formed on the tip end side (lower side in FIG. 2) of the element flange 23.
A vertical lead portion 29 made of Pt or the like is formed between the outer electrode 27 and the annular lead portion 28 on the outer peripheral surface of the element body 21 so as to extend in the axial direction. The vertical lead portion 29 electrically connects the outer electrode 27 and the annular lead portion 28.

一方、ガスセンサ素子3の素子本体21の内周面には、内側電極30が形成されている。内側電極30は、PtあるいはPt合金を多孔質に形成したものである。ガスセンサ素子3の先端部25(検知部)において、保護層31を介して外側電極27が測定対象ガスに晒され、内側電極30が基準ガス(大気)に晒されることで、測定対象ガス中の酸素濃度を検出している。   On the other hand, an inner electrode 30 is formed on the inner peripheral surface of the element body 21 of the gas sensor element 3. The inner electrode 30 is a porous Pt or Pt alloy. In the front end portion 25 (detection portion) of the gas sensor element 3, the outer electrode 27 is exposed to the measurement target gas via the protective layer 31, and the inner electrode 30 is exposed to the reference gas (atmosphere). The oxygen concentration is detected.

セパレータ5は、電気絶縁性を有する材料(例えばアルミナ)で形成された円筒形状の部材である。セパレータ5は、その軸中心に、リード線11が貫挿される貫通孔35が形成されている。セパレータ5は、その外周側を覆う内側外筒17との間に空隙18が設けられるように配置されている。   The separator 5 is a cylindrical member formed of an electrically insulating material (for example, alumina). The separator 5 has a through hole 35 through which the lead wire 11 is inserted at the center of the axis. The separator 5 is disposed so that a gap 18 is provided between the separator 5 and the inner outer cylinder 17 covering the outer peripheral side.

閉塞部材7は、電気絶縁性を有する材料(例えばフッ素ゴム)で形成された円筒形状のシール部材である。閉塞部材7は、その後端に径方向外向きに突出する突出部36を備える。閉塞部材7は、その軸中心にリード線11が挿通されるリード線挿通孔37を備えている。閉塞部材7の先端面95は、セパレータ5の後端面97に密着し、閉塞部材7のうち突出部36よりも先端側の側方外周面98は、内側外筒17の内面に密着している。即ち、閉塞部材7は、外筒16の後端側を閉塞している。   The closing member 7 is a cylindrical seal member made of an electrically insulating material (for example, fluororubber). The closing member 7 includes a protruding portion 36 that protrudes radially outward at the rear end thereof. The closing member 7 includes a lead wire insertion hole 37 through which the lead wire 11 is inserted at the center of the shaft. The front end surface 95 of the closing member 7 is in close contact with the rear end surface 97 of the separator 5, and the side outer peripheral surface 98 on the front end side of the protruding portion 36 of the closing member 7 is in close contact with the inner surface of the inner outer cylinder 17. . That is, the closing member 7 closes the rear end side of the outer cylinder 16.

閉塞部材7の後端向き面99は、外側外筒19の縮径部19gの先端向き面19aとの間で、リード線保護部材89の鍔部89bを挟持する。
このうち、縮径部19gは、閉塞部材7よりも後端側にて、径方向内側に延びており、縮径部19gの先端向き面19aは、ガスセンサ1の先端側に向く面として備えられている。縮径部19gの中央領域には、リード線11およびリード線保護部材89を挿通するためのリード線挿通部19cが形成されている。
The rear end facing surface 99 of the closing member 7 sandwiches the flange portion 89b of the lead wire protection member 89 between the front end facing surface 19a of the reduced diameter portion 19g of the outer outer cylinder 19.
Among these, the reduced diameter portion 19 g extends radially inward from the rear end side of the closing member 7, and the distal-facing surface 19 a of the reduced diameter portion 19 g is provided as a surface facing the distal end side of the gas sensor 1. ing. A lead wire insertion portion 19c for inserting the lead wire 11 and the lead wire protection member 89 is formed in the central region of the reduced diameter portion 19g.

リード線保護部材89は、リード線11を収容可能な内径寸法を有する筒状部材であり、可撓性、耐熱性および絶縁性を有する材料(例えば、ガラスチューブや樹脂チューブなど)で構成されている。リード線保護部材89は、リード線11を外部からの飛来物(石や水など)から保護するために備えられる。   The lead wire protection member 89 is a cylindrical member having an inner diameter that can accommodate the lead wire 11 and is made of a material having flexibility, heat resistance, and insulation (for example, a glass tube or a resin tube). Yes. The lead wire protection member 89 is provided for protecting the lead wire 11 from flying objects (stone, water, etc.) from the outside.

リード線保護部材89は、先端側端部89aにおいて、軸線方向の垂直方向における外向きに突出する板状の鍔部89bを備える。鍔部89bは、リード線保護部材89の周方向の一部ではなく、全周にわたり形成されている。   The lead wire protection member 89 includes a plate-like flange portion 89b that protrudes outward in the vertical direction in the axial direction at the distal end side end portion 89a. The collar portion 89b is formed not over a part of the lead wire protection member 89 in the circumferential direction but over the entire circumference.

リード線保護部材89の鍔部89bは、外筒16(詳細には、外側外筒19)の縮径部19gの先端向き面19aと閉塞部材7の後端向き面99との間に挟持される。
端子金具9は、導電性材料(例えばインコネル750(英インコネル社、商標名))で形成されており、センサ出力を外部に取り出すための導電性材料で構成される筒状部材である。端子金具9は、リード線11に電気的に接続されると共に、ガスセンサ素子3の内側電極30に電気的に接触するように配置されている。端子金具9は、その後端側に径方向(軸線方向と垂直の方向)の外向きに突出するフランジ部77を備えている。フランジ部77は、3枚の板状のフランジ片75を備えている。
The flange portion 89b of the lead wire protection member 89 is sandwiched between the front end facing surface 19a of the reduced diameter portion 19g of the outer cylinder 16 (specifically, the outer outer cylinder 19) and the rear end facing surface 99 of the closing member 7. The
The terminal fitting 9 is made of a conductive material (for example, Inconel 750 (trade name of Inconel, UK)), and is a cylindrical member made of a conductive material for taking out the sensor output to the outside. The terminal fitting 9 is electrically connected to the lead wire 11 and is disposed so as to be in electrical contact with the inner electrode 30 of the gas sensor element 3. The terminal fitting 9 is provided with a flange portion 77 protruding outward in the radial direction (direction perpendicular to the axial direction) on the rear end side. The flange portion 77 includes three plate-like flange pieces 75.

リード線11は、芯線65と、その芯線65の外周を覆う被覆部67と、を備えて構成されている。
主体金具13は、金属材料(例えば鉄またはSUS430)で形成された円筒状の部材である。主体金具13には、内周面において径方向内側に向かって張り出した段部39が周設されている。段部39は、ガスセンサ素子3の素子鍔部23を支持するために備えられている。
The lead wire 11 includes a core wire 65 and a covering portion 67 that covers the outer periphery of the core wire 65.
The metal shell 13 is a cylindrical member formed of a metal material (for example, iron or SUS430). The metal shell 13 is provided with a stepped portion 39 projecting radially inward on the inner peripheral surface. The step portion 39 is provided to support the element flange 23 of the gas sensor element 3.

主体金具13のうち先端側の外周面には、ガスセンサ1を排気管に取付けるためのネジ部41が形成されている。主体金具13のうちネジ部41の後端側には、ガスセンサ1を排気管に着脱する際に取付工具を係合させる六角部43が形成されている。更に、主体金具13のうち六角部43の後端側には、筒状部45が設けられている。   A threaded portion 41 for attaching the gas sensor 1 to the exhaust pipe is formed on the outer peripheral surface on the distal end side of the metal shell 13. A hexagonal portion 43 is formed on the rear end side of the threaded portion 41 of the metal shell 13 to engage the attachment tool when the gas sensor 1 is attached to or detached from the exhaust pipe. Further, a cylindrical portion 45 is provided on the rear end side of the hexagonal portion 43 in the metal shell 13.

プロテクタ15は、金属材料(例えばSUS310S)で形成されており、ガスセンサ素子3の先端側を覆う保護部材である。プロテクタ15は、その後端縁が、パッキン88を介して、ガスセンサ素子3の素子鍔部23と主体金具13の段部39との間に挟まれるようにして固定されている。   The protector 15 is a protective member that is formed of a metal material (for example, SUS310S) and covers the distal end side of the gas sensor element 3. The protector 15 is fixed so that its rear edge is sandwiched between the element flange 23 of the gas sensor element 3 and the stepped portion 39 of the metal shell 13 via the packing 88.

ガスセンサ素子3のうち素子鍔部23の後端側領域においては、主体金具13とガスセンサ素子3との間に、先端側から後端側にかけて、滑石で形成されたセラミック粉末47と、アルミナで形成されたセラミックスリーブ49と、が配置されている。   In the rear end region of the element flange 23 of the gas sensor element 3, the ceramic powder 47 made of talc and the alumina are formed between the metal shell 13 and the gas sensor element 3 from the front end side to the rear end side. The ceramic sleeve 49 is disposed.

更に、主体金具13の筒状部45の後端部51の内側には、金属材料(例えばSUS430)で形成された金属リング53と、金属材料(例えばSUS304L)で形成された内側外筒17の先端部55と、が配置されている。内側外筒17の先端部55は、径方向外向きに広がる形状に形成されている。つまり、筒状部45の後端部51が加締められることで、内側外筒17の先端部55が、金属リング53を介して筒状部45の後端部51とセラミックスリーブ49との間に挟持されて、内側外筒17が主体金具13に固定される。   Furthermore, on the inner side of the rear end portion 51 of the cylindrical portion 45 of the metal shell 13, there are a metal ring 53 formed of a metal material (for example, SUS430) and an inner outer tube 17 formed of a metal material (for example, SUS304L). The tip portion 55 is disposed. The distal end portion 55 of the inner outer cylinder 17 is formed in a shape that extends radially outward. That is, the rear end portion 51 of the tubular portion 45 is crimped, so that the front end portion 55 of the inner outer tube 17 is interposed between the rear end portion 51 of the tubular portion 45 and the ceramic sleeve 49 via the metal ring 53. The inner outer cylinder 17 is fixed to the metal shell 13.

また、内側外筒17の外周には、樹脂材料(例えばPTFE)で形成された筒状のフィルタ57が配置されると共に、フィルタ57の外周には、例えばSUS304Lで形成された外側外筒19が配置されている。フィルタ57は、通気は可能であるが水分の侵入は抑制できるものである。   A cylindrical filter 57 formed of a resin material (for example, PTFE) is disposed on the outer periphery of the inner outer cylinder 17, and an outer outer cylinder 19 formed of, for example, SUS304L is disposed on the outer periphery of the filter 57. Has been placed. The filter 57 can be ventilated but can suppress the intrusion of moisture.

そして、外側外筒19の加締め部19bが外周側から径方向内向きに加締められることにより、内側外筒17とフィルタ57と外側外筒19とが一体に固定される。また、外側外筒19の加締め部19hが外周側から径方向内向きに加締められることにより、内側外筒17と外側外筒19とが一体に固定され、閉塞部材7の側方外周面98が、内側外筒17の内面に密着することとなる。   Then, the inner outer cylinder 17, the filter 57, and the outer outer cylinder 19 are integrally fixed by caulking the caulking portion 19b of the outer outer cylinder 19 radially inward from the outer peripheral side. Further, the caulking portion 19 h of the outer outer cylinder 19 is caulked inward in the radial direction from the outer peripheral side, whereby the inner outer cylinder 17 and the outer outer cylinder 19 are integrally fixed, and the lateral outer peripheral surface of the closing member 7. 98 comes into close contact with the inner surface of the inner outer cylinder 17.

なお、内側外筒17および外側外筒19は、それぞれ通気孔59、61を備えており、各通気孔59、61及びフィルタ57を介して、ガスセンサ1の内部と外部との通気が可能である。   The inner outer cylinder 17 and the outer outer cylinder 19 are provided with vent holes 59 and 61, respectively, and the inside and outside of the gas sensor 1 can be ventilated through the vent holes 59 and 61 and the filter 57. .

[1−2.ガスセンサ素子]
ガスセンサ素子3の構成について説明する。特に、保護層31が備えられる先端部25の構成を中心に説明する。
[1-2. Gas sensor element]
The configuration of the gas sensor element 3 will be described. In particular, the configuration of the tip portion 25 provided with the protective layer 31 will be mainly described.

ガスセンサ素子3は、上述の通り、素子本体21と、外側電極27と、環状リード部28と、縦リード部29、内側電極30と、保護層31と、を備えている。
図3は、ガスセンサ素子3の構成を示す断面図である。図4は、図3に示すガスセンサ素子3のうち点線で囲まれた領域D1を拡大した拡大断面図である。
As described above, the gas sensor element 3 includes the element body 21, the outer electrode 27, the annular lead portion 28, the vertical lead portion 29, the inner electrode 30, and the protective layer 31.
FIG. 3 is a cross-sectional view showing the configuration of the gas sensor element 3. FIG. 4 is an enlarged cross-sectional view in which a region D1 surrounded by a dotted line in the gas sensor element 3 shown in FIG. 3 is enlarged.

ガスセンサ素子3の先端部25においては、外側電極27および内側電極30が素子本体21を挟み込むように配置されている。
保護層31は、外側電極27を覆うように形成されている。保護層31は、低熱伝導率層32と、触媒含有層33と、を備えている。保護層31においては、低熱伝導率層32が触媒含有層33に比べて外側電極27に近い位置に配置されている。
At the distal end portion 25 of the gas sensor element 3, the outer electrode 27 and the inner electrode 30 are disposed so as to sandwich the element body 21.
The protective layer 31 is formed so as to cover the outer electrode 27. The protective layer 31 includes a low thermal conductivity layer 32 and a catalyst-containing layer 33. In the protective layer 31, the low thermal conductivity layer 32 is disposed closer to the outer electrode 27 than the catalyst-containing layer 33.

低熱伝導率層32は、5mol%のイットリアで安定化されたジルコニア(5YSZ)で形成されている。低熱伝導率層32は、気孔率が13%の多孔質状に形成されている。低熱伝導率層32は、厚さ寸法が80μmである。低熱伝導率層32は、熱伝導率が2.0[W/m・K]である。   The low thermal conductivity layer 32 is made of zirconia (5YSZ) stabilized with 5 mol% yttria. The low thermal conductivity layer 32 is formed in a porous shape with a porosity of 13%. The low thermal conductivity layer 32 has a thickness dimension of 80 μm. The low thermal conductivity layer 32 has a thermal conductivity of 2.0 [W / m · K].

なお、素子本体21は、熱伝導率が、2.5[W/m・K]である。このため、低熱伝導率層32は、素子本体21よりも熱伝導率が低い。
触媒含有層33は、スピネル(MgAl)およびチタニア(TiO)で形成されている。触媒含有層33は、貴金属(Pt,Pd,Rhのうち少なくとも1つ)が担持されている。この貴金属は、排気ガスに含まれる各種ガスのガス平衡化反応を促進するための触媒として機能する。触媒含有層33は、気孔率が52%の多孔質状に形成されている。触媒含有層33は、厚さ寸法が100μmである。
The element body 21 has a thermal conductivity of 2.5 [W / m · K]. For this reason, the low thermal conductivity layer 32 has a lower thermal conductivity than the element body 21.
The catalyst-containing layer 33 is formed of spinel (MgAl 2 O 4 ) and titania (TiO 2 ). The catalyst-containing layer 33 carries a noble metal (at least one of Pt, Pd, and Rh). This noble metal functions as a catalyst for promoting the gas equilibration reaction of various gases contained in the exhaust gas. The catalyst-containing layer 33 is formed in a porous shape with a porosity of 52%. The catalyst-containing layer 33 has a thickness dimension of 100 μm.

なお、素子本体21の厚さ寸法は、500μm(検知部領域)であり、外側電極27の厚さ寸法は、3μmであり、内側電極30の厚さ寸法は、3μmである。
[1−3.ガスセンサ素子の製造方法]
ガスセンサ素子3の製造方法について説明する。
The element body 21 has a thickness dimension of 500 μm (detector region), the outer electrode 27 has a thickness dimension of 3 μm, and the inner electrode 30 has a thickness dimension of 3 μm.
[1-3. Manufacturing method of gas sensor element]
A method for manufacturing the gas sensor element 3 will be described.

まず、素子本体21の材料である固体電解質体の粉末として、ジルコニア(ZrO)に安定化剤としてイットリア(Y)を5mol%添加したもの(「5YSZ」ともいう)に対して、さらにアルミナ粉末を添加したものを用意する。素子本体21の材料粉末全体を100質量%としたとき、5YSZの含有量は99.6質量%であり、アルミナ粉末の含有量は0.4質量%である。この粉末をプレス加工した後、筒型形状となるように切削加工を実施することで、未焼結成形体を得る。 First, as a powder of a solid electrolyte body that is a material of the element body 21, zirconia (ZrO 2 ) added with 5 mol% of yttria (Y 2 O 3 ) as a stabilizer (also referred to as “5YSZ”), Furthermore, what added alumina powder is prepared. When the total material powder of the element body 21 is 100% by mass, the content of 5YSZ is 99.6% by mass, and the content of alumina powder is 0.4% by mass. After the powder is pressed, an unsintered molded body is obtained by cutting the powder so as to have a cylindrical shape.

次に、未焼結成形体のうち、外側電極27、環状リード部28、縦リード部29、内側電極30のそれぞれの形成位置に対して、白金(Pt)およびジルコニアを含有するスラリーを塗布する。   Next, a slurry containing platinum (Pt) and zirconia is applied to each formation position of the outer electrode 27, the annular lead portion 28, the vertical lead portion 29, and the inner electrode 30 in the green compact.

このとき、外側電極27、環状リード部28、縦リード部29を形成するためのスラリーは、白金(Pt)に対して15質量%の単斜晶ジルコニアを添加したものを用いる。内側電極30を形成するためのスラリーは、白金(Pt)に対して、「99.6質量%の5YSZ/0.4質量%アルミナの混合粉末」(素子本体21と同じ組成)を15質量%添加したものを用いる。   At this time, as a slurry for forming the outer electrode 27, the annular lead portion 28, and the vertical lead portion 29, a slurry in which 15% by mass of monoclinic zirconia is added to platinum (Pt) is used. The slurry for forming the inner electrode 30 is 15% by mass of “mixed powder of 99.6% by mass of 5YSZ / 0.4% by mass of alumina” (the same composition as the element body 21) with respect to platinum (Pt). Use the added one.

次に、未焼結成形体のうち外側電極27の全体を覆うように、焼成後に低熱伝導率層32となるスラリーをディップ法により塗布することで、未焼成の低熱伝導率層32を形成する。このスラリーは、5YSZ/0.4質量%アルミナの混合粉末に対して、造孔材(気孔化材)としてカーボンを添加したものである。スラリー中における5YSZ/0.4質量%アルミナの混合粉末およびカーボンの割合は、5YSZ/0.4質量%アルミナの混合粉末が87体積%、カーボンが13体積%である。   Next, the unfired low thermal conductivity layer 32 is formed by applying a slurry that becomes the low thermal conductivity layer 32 after firing so as to cover the entire outer electrode 27 in the green compact, by dipping. This slurry is obtained by adding carbon as a pore forming material (a pore forming material) to a mixed powder of 5YSZ / 0.4 mass% alumina. The ratio of 5YSZ / 0.4% by mass alumina mixed powder and carbon in the slurry is 87% by volume of 5YSZ / 0.4% by mass alumina mixed powder and 13% by volume of carbon.

次に、上記の各スラリーが塗布された未焼結成形体について、乾燥処理を施した後、1350℃で1時間かけて焼成した。
次に、未焼結成形体を焼成して得られた焼成体のうち、低熱伝導率層32の全体を覆うように、焼成後に触媒含有層33となるスラリーをディップ法により塗布することで、未焼成の触媒含有層33を形成する。このスラリーは、スピネル粉末およびチタニア粉末を含んで構成されている。
Next, the unsintered molded body to which each of the above-described slurries was applied was subjected to a drying treatment and then fired at 1350 ° C. for 1 hour.
Next, among the fired bodies obtained by firing the unsintered green body, a slurry that becomes the catalyst-containing layer 33 after firing is applied by a dipping method so as to cover the entire low thermal conductivity layer 32, A catalyst-containing layer 33 for firing is formed. This slurry is composed of spinel powder and titania powder.

次に、上記のスラリーが塗布された焼成体について、乾燥処理を施した後、1000℃で1時間かけて焼成することで、触媒含有層33を形成した。このあと、焼成体のうち触媒含有層33の形成部分を、貴金属を含有する水溶液(塩化Pt酸溶液+硝酸Pd溶液+硝酸Rh溶液)に浸漬した後、乾燥処理を施し、さらに800℃で熱処理した。   Next, the fired body to which the slurry was applied was subjected to a drying treatment, and then fired at 1000 ° C. for 1 hour, whereby the catalyst-containing layer 33 was formed. Thereafter, a portion where the catalyst-containing layer 33 is formed in the fired body is dipped in an aqueous solution containing a noble metal (chlorinated Pt acid solution + nitric acid Pd solution + nitric acid Rh solution), followed by drying treatment, and further heat treatment at 800 ° C. did.

このような製造工程を実施することで、ガスセンサ素子3が得られる。
このようにして製造されたガスセンサ素子3は、セパレータ5、閉塞部材7、端子金具9、リード線11などと組み付けられることで、ガスセンサ1の一部を構成する。
By performing such a manufacturing process, the gas sensor element 3 is obtained.
The gas sensor element 3 thus manufactured constitutes a part of the gas sensor 1 by being assembled with the separator 5, the closing member 7, the terminal fitting 9, the lead wire 11, and the like.

[1−4.ガスセンサ素子の評価試験]
本発明を適用したガスセンサ素子のガス受熱性を評価するために実施した評価試験の試験結果について説明する。
[1-4. Gas sensor element evaluation test]
The test results of the evaluation test carried out for evaluating the gas heat receiving property of the gas sensor element to which the present invention is applied will be described.

なお、ガス受熱性とは、ガスセンサ素子の特性のうち、測定対象ガス(排気ガスなど)からの熱を効率よくガスセンサ素子の活性化に活用できるか否かを示す特性である。
本評価試験では、ガスセンサ素子をガスセンサに組み付けた状態で、公知のバーナー測定装置に取り付けて、バーナー測定法によりガスセンサ素子の内部抵抗を測定し、ガスセンサ素子の活性化状態を判定することで、ガス受熱性を評価した。詳細には、ガス温度300℃で空燃比λ=0.9(リッチ)におけるセンサ出力を、抵抗値が異なる2つの抵抗素子(1MΩ、100kΩ)を用いてオシロスコープで検出し、その出力差に基づいてガスセンサ素子の内部抵抗を算出した。ガスセンサ素子は、活性化状態になるに従い内部抵抗が低下するため、内部抵抗に基づいて活性化状態であるか否かを判定できる。
In addition, gas heat receiving property is a characteristic which shows whether the heat | fever from measurement object gas (exhaust gas etc.) can be utilized efficiently for activation of a gas sensor element among the characteristics of a gas sensor element.
In this evaluation test, the gas sensor element is attached to a known burner measurement device in a state where the gas sensor element is assembled to the gas sensor, the internal resistance of the gas sensor element is measured by a burner measurement method, and the activation state of the gas sensor element is determined. The heat receiving property was evaluated. Specifically, the sensor output at an air-fuel ratio λ = 0.9 (rich) at a gas temperature of 300 ° C. is detected by an oscilloscope using two resistance elements (1 MΩ, 100 kΩ) having different resistance values, and based on the output difference. The internal resistance of the gas sensor element was calculated. Since the internal resistance of the gas sensor element decreases as it enters the activated state, it can be determined whether or not it is in the activated state based on the internal resistance.

なお、本評価試験では、実施例1として、上述の製造方法で製造した本発明のガスセンサ素子を用いており、比較例1として、上記の製造方法とは異なる製造方法で製造したガスセンサ素子を用いており、実施例1および比較例1のそれぞれの内部抵抗を測定することで評価試験を実施した。   In this evaluation test, the gas sensor element of the present invention manufactured by the above manufacturing method is used as Example 1, and the gas sensor element manufactured by a manufacturing method different from the above manufacturing method is used as Comparative Example 1. The evaluation test was conducted by measuring the internal resistances of Example 1 and Comparative Example 1.

比較例1のガスセンサ素子は、未焼結成形体と、焼成後に低熱伝導率層32となるスラリーと、を同時に焼成する製造方法ではなく、先に未焼結成形体を焼成し、その後にスピネル溶射により低熱伝導率層32を形成する製造方法により製造した。   The gas sensor element of Comparative Example 1 is not a manufacturing method in which an unsintered compact and a slurry that becomes the low thermal conductivity layer 32 after firing are fired at the same time. It was manufactured by a manufacturing method for forming the low thermal conductivity layer 32.

なお、実施例1のガスセンサ素子の保護層31の厚さ寸法(低熱伝導率層32および触媒含有層33のそれぞれの厚さ寸法の合計寸法)、および比較例1のガスセンサ素子の保護層31の厚さ寸法(低熱伝導率層32および触媒含有層33のそれぞれの厚さ寸法の合計寸法)は、いずれも180μmとした。   In addition, the thickness dimension of the protective layer 31 of the gas sensor element of Example 1 (the total dimension of the respective thickness dimensions of the low thermal conductivity layer 32 and the catalyst-containing layer 33) and the protective layer 31 of the gas sensor element of Comparative Example 1 The thickness dimension (the total dimension of the thickness dimensions of the low thermal conductivity layer 32 and the catalyst-containing layer 33) was 180 μm.

また、本評価試験では、実施例1のガスセンサ素子として6個の試料を用い、また、比較例1のガスセンサ素子として6個の試料を用いて、ぞれぞれの内部抵抗を測定した。
図5は、ガスセンサ素子のガス受熱性を評価するための評価試験の試験結果である。
In this evaluation test, six samples were used as the gas sensor elements of Example 1, and six samples were used as the gas sensor elements of Comparative Example 1, and the internal resistance of each was measured.
FIG. 5 shows test results of an evaluation test for evaluating the gas heat receiving property of the gas sensor element.

実施例1の内部抵抗は、80kΩ〜100kΩの範囲内に分布しており、比較例1の内部抵抗は、100kΩ〜140kΩの範囲内に分布している。
この試験結果によれば、実施例1の内部抵抗は、比較例1の内部抵抗に比べて、低い値を示しているため、より高い活性化状態であることがわかる。また、6個の各試料における内部抵抗のバラツキに関して、実施例1は、比較例1に比べて、バラツキが小さいため、個体差によるセンサ出力の誤差が生じ難いことがわかる。
The internal resistance of Example 1 is distributed in the range of 80 kΩ to 100 kΩ, and the internal resistance of Comparative Example 1 is distributed in the range of 100 kΩ to 140 kΩ.
According to this test result, it can be seen that the internal resistance of Example 1 is lower than the internal resistance of Comparative Example 1, and thus is in a higher activated state. In addition, regarding the variation in internal resistance in each of the six samples, the variation in Example 1 is smaller than that in Comparative Example 1, and thus it can be seen that an error in sensor output due to individual differences hardly occurs.

ここで、実施例1および比較例1のそれぞれについて、シミュレーションによる伝熱解析により得られる素子温度のシミュレーション結果を、図6に示す。実施例1の素子温度のシミュレーション結果は、293℃であり、比較例1の素子温度のシミュレーション結果は、290℃であった。このことから、実施例1が、比較例1に比べて、内部抵抗が低い値を示した要因として、ガス受熱性の違いによる素子温度の差が挙げられる。なお、このシミュレーションでは、ガス温度が300℃の環境にセンサを晒したときの素子の温度を解析した。   Here, for each of Example 1 and Comparative Example 1, the simulation results of the element temperature obtained by the heat transfer analysis by simulation are shown in FIG. The simulation result of the element temperature of Example 1 was 293 ° C., and the simulation result of the element temperature of Comparative Example 1 was 290 ° C. From this, the difference in element temperature due to the difference in gas heat receiving property can be cited as a factor in which Example 1 showed a low internal resistance compared to Comparative Example 1. In this simulation, the temperature of the element when the sensor was exposed to an environment where the gas temperature was 300 ° C. was analyzed.

実施例1のように未焼結成形体との同時焼成により形成した低熱伝導率層32は、比較例1のようにスピネル溶射で形成した低熱伝導率層32に比べて、熱伝導率が低くなるため、保温効果が高くなる。具体的には、実施例1の低熱伝導率層32の熱伝導率は2.0[W/m・K]であり、比較例1の低熱伝導率層32の熱伝導率は10[W/m・K]である。   The low thermal conductivity layer 32 formed by simultaneous firing with the green compact as in Example 1 has a lower thermal conductivity than the low thermal conductivity layer 32 formed by spinel spraying as in Comparative Example 1. Therefore, the heat retention effect is increased. Specifically, the thermal conductivity of the low thermal conductivity layer 32 of Example 1 is 2.0 [W / m · K], and the thermal conductivity of the low thermal conductivity layer 32 of Comparative Example 1 is 10 [W / m. m · K].

なお、実施例1および比較例1の素子本体21の熱伝導率はいずれも2.5[W/m・K]である。このため、実施例1においては、低熱伝導率層32の熱伝導率は素子本体21の熱伝導率よりも低い値であり、比較例1においては、低熱伝導率層32の熱伝導率は素子本体21の熱伝導率よりも高い値である。   The thermal conductivity of the element body 21 of Example 1 and Comparative Example 1 is 2.5 [W / m · K]. For this reason, in Example 1, the thermal conductivity of the low thermal conductivity layer 32 is a value lower than the thermal conductivity of the element body 21, and in Comparative Example 1, the thermal conductivity of the low thermal conductivity layer 32 is the element. The value is higher than the thermal conductivity of the main body 21.

これにより、実施例1のガスセンサ素子は、比較例1のガスセンサ素子に比べて、測定対象ガスからの熱を効率よく活性化に活用できるため、ガス受熱性に優れたものとなる。このため、実施例1は、比較例1に比べて、測定対象ガスの温度が低い(300℃以下)条件下であっても、素子温度が高くなりガス検出が可能となるため、低温(300℃以下)での活性化性能(低温作動性)に優れたものである。   Thereby, since the gas sensor element of Example 1 can utilize the heat | fever from measurement object gas efficiently for activation compared with the gas sensor element of the comparative example 1, it becomes the thing excellent in gas heat receiving property. For this reason, since the element temperature becomes higher and gas detection is possible in Example 1 even under the condition where the temperature of the gas to be measured is lower (300 ° C. or lower) than that in Comparative Example 1, the temperature is low (300 It is excellent in activation performance (low temperature operability) at ℃ or less).

[1−5.ガスセンサの評価試験]
本発明を適用したガスセンサの低温作動性を評価するために実施した評価試験の試験結果について説明する。
[1-5. Gas sensor evaluation test]
Test results of an evaluation test carried out for evaluating the low temperature operability of the gas sensor to which the present invention is applied will be described.

なお、低温作動性とは、ガスセンサの特性のうち、低温(300℃以下)での活性化性能を示す特性である。
本評価試験では、ガスセンサを二輪車における排気管の最下流位置(詳細には、エンジンヘッドから300mm離れた位置)に組み付けた状態で、二輪車のエンジン始動時点から時間経過に伴うセンサ出力の波形を得ることで、ガスセンサの低温作動性を評価した。詳細には、エンジン始動後、アイドリング状態でのセンサ出力波形を検出した。排気管のうちガスセンサ取付位置の排気ガスの温度は、約250℃であった。
In addition, low temperature operability is a characteristic which shows the activation performance in low temperature (300 degrees C or less) among the characteristics of a gas sensor.
In this evaluation test, the sensor output waveform is obtained with the passage of time from the start of the engine of the two-wheeled vehicle in a state where the gas sensor is assembled at the most downstream position of the exhaust pipe in the two-wheeled vehicle (specifically, a position 300 mm away from the engine head). Thus, the low temperature operability of the gas sensor was evaluated. Specifically, the sensor output waveform in the idling state was detected after the engine was started. The temperature of the exhaust gas at the gas sensor mounting position in the exhaust pipe was about 250 ° C.

なお、本評価試験では、実施例2として、本発明のガスセンサ素子を備えるガスセンサを用いており、比較例2および3として、本発明とは異なるガスセンサ素子を備えるガスセンサを用いており、実施例2、比較例2および3のそれぞれのセンサ出力波形を検出した。   In this evaluation test, a gas sensor including the gas sensor element of the present invention is used as Example 2, and a gas sensor including a gas sensor element different from the present invention is used as Comparative Examples 2 and 3, and Example 2 is used. The sensor output waveforms of Comparative Examples 2 and 3 were detected.

実施例2のガスセンサ素子は、上述の製造方法において、焼成後に低熱伝導率層32となるスラリーとして、5YSZ/0.4質量%アルミナの混合粉末に対して、造孔材としてカーボンを添加したものを用いて製造したガスセンサ素子である。スラリー中における5YSZ/0.4質量%アルミナの混合粉末およびカーボンの割合は、5YSZ/0.4質量%アルミナの混合粉末が87体積%、カーボンが13体積%である。つまり、実施例2のガスセンサ素子は、低熱伝導率層32の気孔率が13%であり、触媒含有層33にPt、Pd、Rhの貴金属触媒が担持されているガスセンサ素子である。   The gas sensor element of Example 2 was obtained by adding carbon as a pore-forming material to the mixed powder of 5YSZ / 0.4 mass% alumina as a slurry that becomes the low thermal conductivity layer 32 after firing in the above manufacturing method. It is the gas sensor element manufactured using. The ratio of 5YSZ / 0.4% by mass alumina mixed powder and carbon in the slurry is 87% by volume of 5YSZ / 0.4% by mass alumina mixed powder and 13% by volume of carbon. In other words, the gas sensor element of Example 2 is a gas sensor element in which the porosity of the low thermal conductivity layer 32 is 13% and the catalyst-containing layer 33 carries a noble metal catalyst of Pt, Pd, and Rh.

比較例2のガスセンサ素子は、上述の製造方法において、焼成後に低熱伝導率層32となるスラリーとして、5YSZ/0.4質量%アルミナの混合粉末に対して、造孔材としてカーボンを添加したものを用い、また、触媒含有層33を形成した後、貴金属を含有する水溶液への浸漬を実施せずに製造したガスセンサ素子である。スラリー中における5YSZ/0.4質量%アルミナの混合粉末およびカーボンの割合は、5YSZ/0.4質量%アルミナの混合粉末が87体積%、カーボンが13体積%である。つまり、比較例2のガスセンサ素子は、低熱伝導率層32の気孔率が13%であり、触媒含有層33に貴金属触媒が担持されていないガスセンサ素子である。   The gas sensor element of Comparative Example 2 was obtained by adding carbon as a pore-forming material to the mixed powder of 5YSZ / 0.4 mass% alumina as a slurry that becomes the low thermal conductivity layer 32 after firing in the above manufacturing method. Further, after forming the catalyst-containing layer 33, the gas sensor element was manufactured without being immersed in an aqueous solution containing a noble metal. The ratio of 5YSZ / 0.4% by mass alumina mixed powder and carbon in the slurry is 87% by volume of 5YSZ / 0.4% by mass alumina mixed powder and 13% by volume of carbon. That is, the gas sensor element of Comparative Example 2 is a gas sensor element in which the porosity of the low thermal conductivity layer 32 is 13% and the noble metal catalyst is not supported on the catalyst-containing layer 33.

比較例3のガスセンサ素子は、上述の製造方法において、焼成後に低熱伝導率層32となるスラリーとして、5YSZ/0.4質量%アルミナの混合粉末に対して、造孔材としてカーボンを添加したものを用いて製造したガスセンサ素子である。スラリー中における5YSZ/0.4質量%アルミナの混合粉末およびカーボンの割合は、5YSZ/0.4質量%アルミナの混合粉末が75体積%、カーボンが25体積%である。つまり、比較例3のガスセンサ素子は、低熱伝導率層32の気孔率が25%であり、触媒含有層33にPt、Pd、Rhの貴金属触媒が担持されているガスセンサ素子である。   The gas sensor element of Comparative Example 3 was obtained by adding carbon as a pore-forming material to a mixed powder of 5YSZ / 0.4 mass% alumina as a slurry that becomes the low thermal conductivity layer 32 after firing in the above manufacturing method. It is the gas sensor element manufactured using. The ratio of 5YSZ / 0.4% by mass alumina mixed powder and carbon in the slurry is 75% by volume of 5YSZ / 0.4% by mass alumina mixed powder and 25% by volume of carbon. That is, the gas sensor element of Comparative Example 3 is a gas sensor element in which the low thermal conductivity layer 32 has a porosity of 25% and the catalyst-containing layer 33 carries a noble metal catalyst of Pt, Pd, and Rh.

図7は、ガスセンサの低温作動性を評価するための評価試験の試験結果である。
この試験結果によれば、実施例2のガスセンサは、エンジン始動時点からの経過時間が118secを経過した後は、センサ出力が排気ガス中の酸素濃度に応じて変動しており、センサ出力波形が正常である。
FIG. 7 shows test results of an evaluation test for evaluating the low temperature operability of the gas sensor.
According to this test result, in the gas sensor of Example 2, the sensor output fluctuates in accordance with the oxygen concentration in the exhaust gas after the elapsed time from the engine start time of 118 seconds, and the sensor output waveform is It is normal.

比較例2のガスセンサは、エンジン始動時点からの経過時間が「0secから207sec」までの期間においては、センサ出力が排気ガス中の酸素濃度に応じて変動しておらず、センサ出力波形が正常ではない。つまり、比較例2においては、エンジン始動時点からの経過時間が「100secから207secまでの期間」は、ガスセンサが正常に作動せず故障と判定されるため、エンジン始動時点からの経過時間が207sec以上にならないと、正常なガス検出が実施できない。   In the gas sensor of Comparative Example 2, the sensor output does not fluctuate according to the oxygen concentration in the exhaust gas during the period from the engine start time to “0 sec to 207 sec”, and the sensor output waveform is normal. Absent. In other words, in Comparative Example 2, the elapsed time from the engine starting time “period from 100 sec to 207 sec” is determined as a failure because the gas sensor does not operate normally, so the elapsed time from the engine starting time is 207 sec or more. Otherwise, normal gas detection cannot be performed.

比較例3のガスセンサは、エンジン始動時点からの経過時間が「100secから162secまでの期間」ではセンサ出力波形が正常となるが、「162secから222secまでの期間」ではセンサ出力波形が正常ではない。つまり、比較例3においては、エンジン始動時点からの経過時間が222sec以上にならないと、正常なガス検出が実施できない。   In the gas sensor of Comparative Example 3, the sensor output waveform is normal when the elapsed time from the engine start time is “a period from 100 sec to 162 sec”, but the sensor output waveform is not normal during the “period from 162 sec to 222 sec”. That is, in Comparative Example 3, normal gas detection cannot be performed unless the elapsed time from the engine start time is 222 seconds or more.

これらの試験結果のうち、実施例2と比較例2との対比によれば、触媒含有層33に貴金属触媒が担持されていることで、触媒含有層33に貴金属触媒が担持されていない場合に比べて、ガスセンサの低温作動性が向上することがわかる。つまり、貴金属触媒が担持された触媒含有層33を備えることで排気ガスのガス平衡化反応を促進できるため、保護層31を介して外側電極27に到達する排気ガスのうち一部が触媒含有層33でガス平衡化反応を起こすことになり、外側電極27に到達したときにガス平衡化反応が発生しやすくなる。これにより、素子本体21(固体電解質体)の活性化状態が低下した場合であっても、ガス検出が可能となるため、実施例2は比較例2に比べて、ガス検出精度を向上できる。   Among these test results, according to the comparison between Example 2 and Comparative Example 2, when the noble metal catalyst is supported on the catalyst-containing layer 33, the noble metal catalyst is supported on the catalyst-containing layer 33. In comparison, it can be seen that the low temperature operability of the gas sensor is improved. That is, since the gas equilibration reaction of the exhaust gas can be promoted by providing the catalyst-containing layer 33 on which the noble metal catalyst is supported, a part of the exhaust gas reaching the outer electrode 27 via the protective layer 31 is a catalyst-containing layer. A gas equilibration reaction occurs at 33, and the gas equilibration reaction is likely to occur when the outer electrode 27 is reached. As a result, even if the activation state of the element body 21 (solid electrolyte body) is lowered, gas detection is possible, so that the gas detection accuracy in Example 2 can be improved as compared with Comparative Example 2.

また、実施例2と比較例3との対比によれば、低熱伝導率層32の気孔率が相対的に小さい場合には、気孔率が相対的に大きい場合に比べて、ガスセンサの低温作動性が向上することがわかる。このように、低熱伝導率層32として相対的に緻密な層を形成することで、外側電極27に到達する排気ガスの量を制限できる。つまり、外側電極27で処理する排気ガスの量を制限することで、排気ガス中の酸素濃度に応じたセンサ出力を安定して得ることができる。   Further, according to the comparison between Example 2 and Comparative Example 3, when the porosity of the low thermal conductivity layer 32 is relatively small, the low temperature operability of the gas sensor is greater than when the porosity is relatively large. Can be seen to improve. Thus, by forming a relatively dense layer as the low thermal conductivity layer 32, the amount of exhaust gas reaching the outer electrode 27 can be limited. That is, by limiting the amount of exhaust gas processed by the outer electrode 27, a sensor output corresponding to the oxygen concentration in the exhaust gas can be stably obtained.

これらのことから、実施例2は、比較例2および3に比べて、低熱伝導率層32の気孔率が相対的に小さいか、または、触媒含有層33に貴金属触媒が担持されているため、ガス検出精度を向上できるとともに、安定したセンサ出力を実現できる。   From these facts, in Example 2, the porosity of the low thermal conductivity layer 32 is relatively small as compared with Comparative Examples 2 and 3, or the noble metal catalyst is supported on the catalyst-containing layer 33. Gas detection accuracy can be improved and stable sensor output can be realized.

[1−6.効果]
以上説明したように、本実施形態のガスセンサ1に備えられるガスセンサ素子3においては、保護層31は、低熱伝導率層32と触媒含有層33とを備えている。低熱伝導率層32は、熱伝導率が素子本体21よりも低い。触媒含有層33は、排気ガスのガス平衡化反応を促進する触媒を含有して形成されている。
[1-6. effect]
As described above, in the gas sensor element 3 provided in the gas sensor 1 of the present embodiment, the protective layer 31 includes the low thermal conductivity layer 32 and the catalyst-containing layer 33. The low thermal conductivity layer 32 has a thermal conductivity lower than that of the element body 21. The catalyst-containing layer 33 is formed to contain a catalyst that promotes the gas equilibration reaction of the exhaust gas.

ガスセンサ素子3においては、外側電極27を覆う保護層31が低熱伝導率層32を備えることで、低熱伝導率層32による保温効果が得られる。このため、素子本体21のうち一対の電極(外側電極27、内側電極30)が形成される部位に関して、熱量が保護層31を介して外部に放出されることを低減でき、活性化状態の素子本体21における温度低下を抑制できる。   In the gas sensor element 3, the protective layer 31 covering the outer electrode 27 includes the low thermal conductivity layer 32, so that the heat retention effect by the low thermal conductivity layer 32 is obtained. For this reason, it is possible to reduce the amount of heat released to the outside through the protective layer 31 with respect to the portion where the pair of electrodes (outer electrode 27, inner electrode 30) is formed in the element body 21, and the activated element. A temperature drop in the main body 21 can be suppressed.

つまり、排気ガスからの熱量を受け取ることで活性化状態となった素子本体21は、排気ガスの温度が低下した場合でも、低熱伝導率層32による保温効果によって自身の温度低下を抑制できるため、活性化状態を維持できる。このため、このガスセンサ素子3は、測定対象ガスからの熱を効率よく活用できるため、ガス受熱性を向上できる。   In other words, the element body 21 that has been activated by receiving the amount of heat from the exhaust gas can suppress a decrease in its temperature due to the heat retention effect of the low thermal conductivity layer 32 even when the temperature of the exhaust gas decreases. The activated state can be maintained. For this reason, since this gas sensor element 3 can utilize the heat | fever from measurement object gas efficiently, gas heat receiving property can be improved.

また、ガスセンサ素子3においては、外側電極27を覆う保護層31が触媒含有層33を備えることで、保護層31を介して外側電極27に到達する排気ガスのうち一部が触媒含有層33でガス平衡化反応を起こすことになり、外側電極27に到達したときにガス平衡化反応が発生しやすくなる。これにより、素子本体21の活性化状態が低下した場合であっても、ガス検出が可能となるため、ガス検出精度を向上できる。   In the gas sensor element 3, the protective layer 31 that covers the outer electrode 27 includes the catalyst-containing layer 33, so that a part of the exhaust gas that reaches the outer electrode 27 through the protective layer 31 is the catalyst-containing layer 33. A gas equilibration reaction occurs, and the gas equilibration reaction is likely to occur when the outer electrode 27 is reached. Thereby, even if it is a case where the activation state of the element main body 21 falls, since gas detection becomes possible, gas detection accuracy can be improved.

よって、ガスセンサ素子3によれば、ヒータによる加熱を行うことなく、低温(300℃以下)環境下でもガス検出が可能となる。
次に、ガスセンサ素子3においては、低熱伝導率層32は、保護層31において、触媒含有層33よりも外側電極27に近い位置に配置されている。
Therefore, according to the gas sensor element 3, gas detection is possible even in a low temperature (300 ° C. or lower) environment without performing heating by a heater.
Next, in the gas sensor element 3, the low thermal conductivity layer 32 is disposed in the protective layer 31 at a position closer to the outer electrode 27 than the catalyst-containing layer 33.

このように、低熱伝導率層32が触媒含有層33よりも外側電極27に近い位置に配置されることで、素子本体21の温度変化をより一層抑制できる。
また、排気ガス(測定対象ガス)が保護層31を通過して外側電極27に到達するにあたり、低熱伝導率層32よりも先に触媒含有層33を通過することで、測定対象ガスのガス平衡化反応を十分に促進させることができ、ガス検出精度を向上できる。
As described above, the temperature change of the element body 21 can be further suppressed by disposing the low thermal conductivity layer 32 at a position closer to the outer electrode 27 than the catalyst-containing layer 33.
Further, when the exhaust gas (measurement target gas) passes through the protective layer 31 and reaches the outer electrode 27, it passes through the catalyst-containing layer 33 before the low thermal conductivity layer 32, so that the gas equilibrium of the measurement target gas is achieved. The chemical reaction can be sufficiently promoted, and the gas detection accuracy can be improved.

[1−7.文言の対応関係]
ここで、本実施形態における文言の対応関係について説明する。
ガスセンサ1がガスセンサの一例に相当し、ガスセンサ素子3がガスセンサ素子の一例に相当し、素子本体21が固体電解質体の一例に相当し、外側電極27が測定電極の一例に相当し、内側電極30が基準電極の一例に相当する。
[1-7. Correspondence of wording]
Here, the correspondence of words in the present embodiment will be described.
The gas sensor 1 corresponds to an example of a gas sensor, the gas sensor element 3 corresponds to an example of a gas sensor element, the element body 21 corresponds to an example of a solid electrolyte body, the outer electrode 27 corresponds to an example of a measurement electrode, and the inner electrode 30 Corresponds to an example of a reference electrode.

保護層31が保護層の一例に相当し、低熱伝導率層32が低熱伝導率層の一例に相当し、触媒含有層33が触媒含有層の一例に相当する。
[2.第2実施形態]
[2−1.板型ガスセンサ素子]
ガスセンサ素子の固体電解質体は、有底筒型に限られることはなく、板型であってもよい。そこで、第2実施形態として、板型ガスセンサ素子100について説明する。
The protective layer 31 corresponds to an example of a protective layer, the low thermal conductivity layer 32 corresponds to an example of a low thermal conductivity layer, and the catalyst-containing layer 33 corresponds to an example of a catalyst-containing layer.
[2. Second Embodiment]
[2-1. Plate type gas sensor element]
The solid electrolyte body of the gas sensor element is not limited to the bottomed cylinder type, and may be a plate type. Therefore, a plate type gas sensor element 100 will be described as a second embodiment.

図8は、板型ガスセンサ素子100の斜視図である。図9は、板型ガスセンサ素子の模式的な分解斜視図である。図10は、板型ガスセンサ素子の先端側の部分拡大断面図である。   FIG. 8 is a perspective view of the plate-type gas sensor element 100. FIG. 9 is a schematic exploded perspective view of a plate-type gas sensor element. FIG. 10 is a partial enlarged cross-sectional view of the front end side of the plate type gas sensor element.

板型ガスセンサ素子100は、素子本体101と、多孔質保護層120と、を備えて構成されている。
図9に示すように、素子本体101は、酸素濃度検出セル130と、補強保護層111と、大気導入孔層107と、下面層103と、を備える。なお、図9では多孔質保護層120の図示を省略している。
The plate type gas sensor element 100 includes an element body 101 and a porous protective layer 120.
As shown in FIG. 9, the element body 101 includes an oxygen concentration detection cell 130, a reinforcing protection layer 111, an air introduction hole layer 107, and a lower surface layer 103. In FIG. 9, the porous protective layer 120 is not shown.

酸素濃度検出セル130は、固体電解質体105と、一対の電極(基準電極104、測定電極106)と、を備える。基準電極104および測定電極106は、固体電解質体105を挟み込むように配置されている。   The oxygen concentration detection cell 130 includes a solid electrolyte body 105 and a pair of electrodes (a reference electrode 104 and a measurement electrode 106). The reference electrode 104 and the measurement electrode 106 are arranged so as to sandwich the solid electrolyte body 105.

基準電極104は、基準電極部104aと、基準リード部104Lと、を備える。基準リード部104Lは、基準電極部104aから固体電解質体105の長手方向に沿って延びるように形成されている。   The reference electrode 104 includes a reference electrode portion 104a and a reference lead portion 104L. The reference lead portion 104L is formed so as to extend from the reference electrode portion 104a along the longitudinal direction of the solid electrolyte body 105.

測定電極106は、測定電極部106aと、検知リード部106Lと、を備える。検知リード部106Lは、測定電極部106aから固体電解質体105の長手方向に沿って延びるように形成されている。   The measurement electrode 106 includes a measurement electrode portion 106a and a detection lead portion 106L. The detection lead portion 106L is formed so as to extend from the measurement electrode portion 106a along the longitudinal direction of the solid electrolyte body 105.

補強保護層111は、補強部112と、電極保護部113aと、を備える。
補強部112は、固体電解質体105との間で検知リード部106Lを挟み込むようにして、固体電解質体105を保護するための板状の部材である。補強部112は、固体電解質体と同じ材料で形成されており、板の厚さ方向に貫通する保護部配置空間112aを備える。
The reinforcement protection layer 111 includes a reinforcement part 112 and an electrode protection part 113a.
The reinforcing portion 112 is a plate-like member for protecting the solid electrolyte body 105 by sandwiching the detection lead portion 106 </ b> L with the solid electrolyte body 105. The reinforcing part 112 is formed of the same material as the solid electrolyte body, and includes a protective part arrangement space 112a that penetrates in the thickness direction of the plate.

電極保護部113aは、多孔質材料で形成されており、保護部配置空間112aに配置される。電極保護部113aは、固体電解質体105との間で測定電極部106aを挟み込むようにして測定電極部106aの昇華を抑制することで、測定電極部106aを保護する。   The electrode protection part 113a is made of a porous material and is arranged in the protection part arrangement space 112a. The electrode protection unit 113a protects the measurement electrode unit 106a by suppressing the sublimation of the measurement electrode unit 106a so as to sandwich the measurement electrode unit 106a with the solid electrolyte body 105.

なお、本実施形態の板型ガスセンサ素子100は、酸素濃度検出セル130の電極間に生じる電圧(起電力)の値を用いて酸素濃度を検出することができる、いわゆる酸素濃淡起電力式のガスセンサ(λセンサ)を構成する。   The plate-type gas sensor element 100 of the present embodiment is a so-called oxygen concentration electromotive force type gas sensor that can detect the oxygen concentration using the value of the voltage (electromotive force) generated between the electrodes of the oxygen concentration detection cell 130. (Λ sensor) is configured.

下面層103および大気導入孔層107は、固体電解質体105との間で基準電極104を挟み込むようにして、基準電極104に積層されている。大気導入孔層107は、後端側が開口する略U字状に形成されている。固体電解質体105、大気導入孔層107および下面層103で囲まれた内部空間は、大気導入孔107hを構成している。基準電極104は、大気導入孔107hに導入される大気(基準ガス)に晒されるように配置されている。   The lower surface layer 103 and the air introduction hole layer 107 are laminated on the reference electrode 104 so as to sandwich the reference electrode 104 with the solid electrolyte body 105. The air introduction hole layer 107 is formed in a substantially U shape with an opening at the rear end side. An internal space surrounded by the solid electrolyte body 105, the air introduction hole layer 107, and the lower surface layer 103 constitutes an air introduction hole 107h. The reference electrode 104 is disposed so as to be exposed to the atmosphere (reference gas) introduced into the atmosphere introduction hole 107h.

このように、素子本体101は、下面層103、大気導入孔層107、基準電極104、固体電解質体105、測定電極106および補強保護層111が積層された積層体である。素子本体101は、板状に形成されている。   Thus, the element main body 101 is a laminated body in which the lower surface layer 103, the air introduction hole layer 107, the reference electrode 104, the solid electrolyte body 105, the measurement electrode 106, and the reinforcing protective layer 111 are laminated. The element body 101 is formed in a plate shape.

基準リード部104Lの端末は、固体電解質体105に設けられるスルーホール105aに形成される導体を介して、固体電解質体105上の検出素子側パッド121と電気的に接続されている。補強保護層111は、検知リード部106Lの端末よりも軸線方向(図9では左右方向)の寸法が短く形成されている。検出素子側パッド121および検知リード部106Lの端末は、補強保護層111の後端から外部に露出し、外部回路接続用の外部端子(図示せず)と電気的に接続される。   The terminal of the reference lead portion 104L is electrically connected to the detection element side pad 121 on the solid electrolyte body 105 through a conductor formed in a through hole 105a provided in the solid electrolyte body 105. The reinforcing protective layer 111 is formed to have a shorter dimension in the axial direction (left-right direction in FIG. 9) than the end of the detection lead portion 106L. The terminals of the detection element side pads 121 and the detection lead portions 106L are exposed to the outside from the rear end of the reinforcing protective layer 111 and are electrically connected to external terminals (not shown) for connecting external circuits.

次に、多孔質保護層120について説明する。図8に示すように、多孔質保護層120は、板型ガスセンサ素子100(素子本体101)の先端側の全周を覆って設けられている。   Next, the porous protective layer 120 will be described. As shown in FIG. 8, the porous protective layer 120 is provided so as to cover the entire circumference on the tip side of the plate-type gas sensor element 100 (element body 101).

図10に示すように、多孔質保護層120は、板型ガスセンサ素子100(素子本体101)の先端面を含み、軸線方向(図における左右方向)に沿って後端側に延びるように形成されている。また、多孔質保護層120は、図8に示すように、素子本体101の板状の4面(表面、裏面、右側面および左側面)を完全に囲んで形成されている。   As shown in FIG. 10, the porous protective layer 120 is formed so as to include the front end surface of the plate-type gas sensor element 100 (element main body 101) and to extend to the rear end side along the axial direction (left-right direction in the figure). ing. Further, as shown in FIG. 8, the porous protective layer 120 is formed so as to completely surround the plate-like four surfaces (front surface, back surface, right side surface, and left side surface) of the element body 101.

さらに、多孔質保護層120は、軸線方向において、素子本体101のうち少なくとも基準電極部104aおよび測定電極部106aを包含する領域(この領域が検知部を構成する)を覆うように形成されている。本実施形態では、多孔質保護層120は、さらにこの領域より後端まで延びている。   Furthermore, the porous protective layer 120 is formed so as to cover at least a region including at least the reference electrode portion 104a and the measurement electrode portion 106a (this region constitutes a detection portion) in the element body 101 in the axial direction. . In the present embodiment, the porous protective layer 120 further extends from this region to the rear end.

板型ガスセンサ素子100には排気ガス中に含まれるシリコンやリンなどの被毒物質に晒されたり、排気ガス中の水滴が付着することがある。そこで、板型ガスセンサ素子100の外表面に多孔質保護層120を被覆することで、被毒物質を捕捉したり、水滴が板型ガスセンサ素子100に直接接触することを抑制できる。   The plate-type gas sensor element 100 may be exposed to poisonous substances such as silicon and phosphorus contained in the exhaust gas, or water droplets in the exhaust gas may adhere. Therefore, by covering the outer surface of the plate-type gas sensor element 100 with the porous protective layer 120, it is possible to prevent poisonous substances from being captured or to prevent water droplets from directly contacting the plate-type gas sensor element 100.

次に、本発明の特徴部分である、固体電解質体、保護層、多孔質保護層などの成分組成について説明する。
固体電解質体105は、第1実施形態の素子本体21と同様に、ジルコニア(ZrO)に安定化剤としてイットリア(Y)又はカルシア(CaO)を添加してなる部分安定化ジルコニア焼結体から構成されている。固体電解質体105は、ジルコニアを主成分とし、該ジルコニアの50〜83.3質量%が正方晶ジルコニアである。
Next, component compositions such as a solid electrolyte body, a protective layer, and a porous protective layer, which are features of the present invention, will be described.
Similarly to the element body 21 of the first embodiment, the solid electrolyte body 105 is a partially stabilized zirconia sintered body obtained by adding yttria (Y 2 O 3 ) or calcia (CaO) as a stabilizer to zirconia (ZrO 2 ). Consists of union. The solid electrolyte body 105 contains zirconia as a main component, and 50 to 83.3 mass% of the zirconia is tetragonal zirconia.

測定電極106はPtを主成分とし、かつ単斜晶ジルコニアを含む。なお、測定電極106は単斜晶ジルコニア以外の他のセラミック成分を含有してもよい。
なお、「主成分」とは、対象となる部位(固体電解質体105、測定電極106など)を構成する全成分に対し、50質量%を超える成分をいう。また、固体電解質体105の厚さ寸法は、200μmであり、測定電極106の厚さ寸法は、3μmであり、基準電極104の厚さ寸法は、3μmである。
The measurement electrode 106 is mainly composed of Pt and contains monoclinic zirconia. The measurement electrode 106 may contain a ceramic component other than monoclinic zirconia.
The “main component” refers to a component that exceeds 50% by mass with respect to all components constituting the target portion (solid electrolyte body 105, measurement electrode 106, etc.). The solid electrolyte body 105 has a thickness dimension of 200 μm, the measurement electrode 106 has a thickness dimension of 3 μm, and the reference electrode 104 has a thickness dimension of 3 μm.

多孔質保護層120のうち、少なくとも測定電極106を覆う部位は、第1実施形態の触媒含有層33と同様に、スピネル(MgAl)およびチタニア(TiO)で形成されているとともに、貴金属(Pt,Pd,Rhのうち少なくとも1つ)が担持されている。この貴金属は、排気ガスに含まれる各種ガスのガス平衡化反応を促進するための触媒として機能する。多孔質保護層120は、気孔率が52%の多孔質状に形成されている。多孔質保護層120のうち測定電極106を覆う部位は、厚さ寸法が100μmである。 The portion of the porous protective layer 120 that covers at least the measurement electrode 106 is formed of spinel (MgAl 2 O 4 ) and titania (TiO 2 ), similar to the catalyst-containing layer 33 of the first embodiment. A noble metal (at least one of Pt, Pd, and Rh) is supported. This noble metal functions as a catalyst for promoting the gas equilibration reaction of various gases contained in the exhaust gas. The porous protective layer 120 is formed in a porous shape with a porosity of 52%. The portion of the porous protective layer 120 that covers the measurement electrode 106 has a thickness dimension of 100 μm.

なお、多孔質保護層120のうち、少なくとも測定電極106を覆う部位とは、素子本体101の積層方向において測定電極106と重なる部位をいう。多孔質保護層120のうち測定電極106を覆う部位は、厚さ寸法が100μmである。   Note that the portion of the porous protective layer 120 that covers at least the measurement electrode 106 refers to a portion that overlaps the measurement electrode 106 in the stacking direction of the element body 101. The portion of the porous protective layer 120 that covers the measurement electrode 106 has a thickness dimension of 100 μm.

電極保護部113aは、第1実施形態の低熱伝導率層32と同様に、5mol%のイットリアで安定化されたジルコニア(5YSZ)で形成されている。電極保護部113aは、気孔率が13%の多孔質状に形成されている。電極保護部113aは、厚さ寸法が80μmである。電極保護部113aは、熱伝導率が2.0[W/m・K]である。   The electrode protection part 113a is formed of zirconia (5YSZ) stabilized with 5 mol% yttria, like the low thermal conductivity layer 32 of the first embodiment. The electrode protection part 113a is formed in a porous shape with a porosity of 13%. The electrode protection part 113a has a thickness dimension of 80 μm. The electrode protection part 113a has a thermal conductivity of 2.0 [W / m · K].

なお、固体電解質体105は、熱伝導率が、2.5[W/m・K]である。このため、電極保護部113aは、固体電解質体105よりも熱伝導率が低い。
[2−2.効果]
以上説明したように、第2実施形態の板型ガスセンサ素子100は、電極保護部113aと、多孔質保護層120と、を備えている。
The solid electrolyte body 105 has a thermal conductivity of 2.5 [W / m · K]. For this reason, the electrode protection part 113 a has a lower thermal conductivity than the solid electrolyte body 105.
[2-2. effect]
As described above, the plate-type gas sensor element 100 of the second embodiment includes the electrode protection part 113a and the porous protection layer 120.

電極保護部113aは、熱伝導率が固体電解質体105よりも低い。多孔質保護層120は、排気ガスのガス平衡化反応を促進する触媒を含有して形成されている。
板型ガスセンサ素子100においては、測定電極106を覆う電極保護部113aを備えることで、電極保護部113aによる保温効果が得られる。このため、固体電解質体105のうち一対の電極(測定電極106、基準電極104)が形成される部位に関して、熱量が電極保護部113aを介して外部に放出されることを低減でき、活性化状態の素子本体101における温度低下を抑制できる。
The electrode protection part 113 a has a thermal conductivity lower than that of the solid electrolyte body 105. The porous protective layer 120 is formed containing a catalyst that promotes the gas equilibration reaction of the exhaust gas.
In the plate-type gas sensor element 100, by providing the electrode protection part 113a that covers the measurement electrode 106, the heat retention effect by the electrode protection part 113a can be obtained. For this reason, it is possible to reduce the amount of heat released to the outside through the electrode protection part 113a in the portion where the pair of electrodes (the measurement electrode 106 and the reference electrode 104) is formed in the solid electrolyte body 105, and the activated state The temperature drop in the element body 101 can be suppressed.

つまり、排気ガスからの熱量を受け取ることで活性化状態となった素子本体101は、排気ガスの温度が低下した場合でも、電極保護部113aによる保温効果によって自身の温度低下を抑制できるため、活性化状態を維持できる。このため、板型ガスセンサ素子100は、測定対象ガスからの熱を効率よく活用できるため、ガス受熱性を向上できる。   In other words, the element body 101 that has been activated by receiving the amount of heat from the exhaust gas can suppress a decrease in its temperature due to the heat retention effect of the electrode protection portion 113a even when the temperature of the exhaust gas is reduced. Can be maintained. For this reason, since the plate-type gas sensor element 100 can efficiently utilize the heat from the measurement target gas, the gas heat receiving property can be improved.

また、板型ガスセンサ素子100においては、電極保護部113aを介して測定電極106を覆う多孔質保護層120を備えることで、多孔質保護層120を介して測定電極106に到達する排気ガスのうち一部が多孔質保護層120でガス平衡化反応を起こすことになり、測定電極106に到達したときにガス平衡化反応が発生しやすくなる。これにより、素子本体101の活性化状態が低下した場合であっても、ガス検出が可能となるため、ガス検出精度を向上できる。   Further, the plate type gas sensor element 100 includes the porous protective layer 120 that covers the measurement electrode 106 via the electrode protection part 113a, so that the exhaust gas that reaches the measurement electrode 106 via the porous protective layer 120 is included. A part of the porous protective layer 120 causes a gas equilibration reaction, and the gas equilibration reaction is likely to occur when the measurement electrode 106 is reached. Thereby, even if it is a case where the activation state of the element main body 101 falls, since gas detection becomes possible, gas detection accuracy can be improved.

よって、板型ガスセンサ素子100によれば、ヒータによる加熱を行うことなく、低温(300℃以下)環境下でもガス検出が可能となる。
[2−3.文言の対応関係]
ここで、本実施形態における文言の対応関係について説明する。
Therefore, according to the plate-type gas sensor element 100, it is possible to detect a gas even in a low temperature (300 ° C. or lower) environment without heating by a heater.
[2-3. Correspondence of wording]
Here, the correspondence of words in the present embodiment will be described.

板型ガスセンサ素子100がガスセンサ素子の一例に相当し、素子本体101が固体電解質体の一例に相当し、測定電極106が測定電極の一例に相当し、基準電極104が基準電極の一例に相当する。   The plate-type gas sensor element 100 corresponds to an example of a gas sensor element, the element body 101 corresponds to an example of a solid electrolyte body, the measurement electrode 106 corresponds to an example of a measurement electrode, and the reference electrode 104 corresponds to an example of a reference electrode. .

電極保護部113aおよび多孔質保護層120が保護層の一例に相当し、電極保護部113aが低熱伝導率層の一例に相当し、多孔質保護層120が触媒含有層の一例に相当する。   The electrode protection part 113a and the porous protection layer 120 correspond to an example of a protection layer, the electrode protection part 113a corresponds to an example of a low thermal conductivity layer, and the porous protection layer 120 corresponds to an example of a catalyst-containing layer.

[3.他の実施形態]
以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において、様々な態様にて実施することが可能である。
[3. Other Embodiments]
As mentioned above, although embodiment of this invention was described, this invention is not limited to the said embodiment, In the range which does not deviate from the summary of this invention, it is possible to implement in various aspects.

上記実施形態では、保護層および素子本体(固体電解質体)などにおける各種数値(熱伝導率、厚さ寸法、気孔率など)が特定されているが、これらの各種数値は、上記数値に限られることはなく、本発明の技術的範囲に含まれる限り、任意の値を採ることができる。例えば、低熱伝導率層の熱伝導率は、素子本体(固体電解質体)の熱伝導率よりも低い値に限られることはなく、素子本体(固体電解質体)と同じ値であってもよい。また、低熱伝導率層の気孔率は、5〜20%の範囲内で、任意の値を採ることができる。さらに、保護層の厚さ寸法(低熱伝導率層および触媒含有層のそれぞれの厚さ寸法の合計寸法)は、30〜300μmの範囲内で、任意の値を採ることができる。   In the above embodiment, various numerical values (thermal conductivity, thickness dimension, porosity, etc.) in the protective layer and the element body (solid electrolyte body) are specified, but these various numerical values are limited to the above numerical values. However, any value can be adopted as long as it is included in the technical scope of the present invention. For example, the thermal conductivity of the low thermal conductivity layer is not limited to a value lower than the thermal conductivity of the element body (solid electrolyte body), and may be the same value as the element body (solid electrolyte body). Further, the porosity of the low thermal conductivity layer can take any value within a range of 5 to 20%. Furthermore, the thickness dimension of the protective layer (the total dimension of the thickness dimensions of the low thermal conductivity layer and the catalyst-containing layer) can take any value within the range of 30 to 300 μm.

次に、保護層における低熱伝導率層と触媒含有層の積層順序は、上記実施形態と同様の順序に限られることはない。例えば、低熱伝導率層と測定電極(外側電極27)との距離が、触媒含有層と測定電極(外側電極27)との距離よりも大きくなるように、触媒含有層が低熱伝導率層よりも測定電極に近い位置に保護層を構成してもよい。このような構成の保護層であっても、低熱伝導率層の保温効果によりガス受熱性を向上できるとともに、触媒含有層の触媒効果により測定対象ガスのガス平衡化反応を促進することでガス検出精度を向上できる。   Next, the stacking order of the low thermal conductivity layer and the catalyst-containing layer in the protective layer is not limited to the same order as in the above embodiment. For example, the catalyst-containing layer is larger than the low-thermal conductivity layer so that the distance between the low thermal conductivity layer and the measurement electrode (outer electrode 27) is larger than the distance between the catalyst-containing layer and the measurement electrode (outer electrode 27). You may comprise a protective layer in the position near a measurement electrode. Even with such a protective layer, gas heat detection can be improved by the heat retention effect of the low thermal conductivity layer, and gas detection can be achieved by promoting the gas equilibration reaction of the gas to be measured by the catalytic effect of the catalyst-containing layer. Accuracy can be improved.

次に、保護層は、低熱伝導率層および触媒含有層のみを備える構成に限られることはなく、さらに別の層を備えてもよい。例えば、第1実施形態の保護層31において、触媒含有層33の全体を覆うように形成される触媒保護層を備えてもよい。この触媒保護層を備えることで、触媒含有層における触媒成分(貴金属成分)の揮発を抑制することができ、触媒成分(貴金属成分)の揮発に伴うガス検出精度の低下を抑制できる。   Next, the protective layer is not limited to the configuration including only the low thermal conductivity layer and the catalyst-containing layer, and may further include another layer. For example, the protective layer 31 of the first embodiment may include a catalyst protective layer formed so as to cover the entire catalyst-containing layer 33. By providing this catalyst protective layer, volatilization of the catalyst component (noble metal component) in the catalyst-containing layer can be suppressed, and a decrease in gas detection accuracy due to volatilization of the catalyst component (noble metal component) can be suppressed.

次に、上記実施形態では、ガスセンサとして、筒型のガスセンサ素子を備えるガスセンサについて説明したが、本発明を適用するガスセンサは、板型ガスセンサ素子を備えるガスセンサであってもよい。なお、板型ガスセンサ素子を備えるガスセンサは公知であるため、詳細な構成についての説明は省略する。   Next, in the above-described embodiment, the gas sensor including the cylindrical gas sensor element has been described as the gas sensor. However, the gas sensor to which the present invention is applied may be a gas sensor including a plate-type gas sensor element. In addition, since the gas sensor provided with a plate type gas sensor element is well-known, the description about a detailed structure is abbreviate | omitted.

次に、ガスセンサ素子の製造方法において、低熱伝導率層の製造にあたり、低熱伝導率層の原料として、素子本体(固体電解質体)の原料と比べて、比表面積が同じか比表面積が大きい原料を使用してもよい。比表面積がこのように規定された原料を用いることで、焼成時における焼結性が向上するため、焼成後に低熱伝導率層の内部に形成される気孔が、造孔材により形成される気孔のみとなる。これにより、低熱伝導率層の気孔率を、造孔材によって精度よく調整することができる。   Next, in the method for producing a gas sensor element, in producing the low thermal conductivity layer, a raw material having the same specific surface area or a larger specific surface area is used as a raw material for the low thermal conductivity layer than the raw material for the element body (solid electrolyte body). May be used. By using the raw material whose specific surface area is defined in this way, the sinterability at the time of firing is improved, so that the pores formed inside the low thermal conductivity layer after firing are only the pores formed by the pore former. It becomes. Thereby, the porosity of the low thermal conductivity layer can be accurately adjusted by the pore former.

次に、上記実施形態では、ガスセンサとしてヒータレスガスセンサについて説明したが、本発明を適用するガスセンサは、ガスセンサ素子を加熱するためのヒータを備えるヒータ付きガスセンサであってもよい。このようなガスセンサは、ヒータによる加熱に加えて排気ガスからの熱を効率よくガスセンサ素子の活性化に利用できるため、低温(300℃以下)環境下でもガス検出が可能となる。   Next, in the above embodiment, the heaterless gas sensor has been described as the gas sensor, but the gas sensor to which the present invention is applied may be a gas sensor with a heater including a heater for heating the gas sensor element. Such a gas sensor can efficiently use the heat from the exhaust gas for the activation of the gas sensor element in addition to the heating by the heater, so that the gas can be detected even in a low temperature (300 ° C. or lower) environment.

なお、ヒータとしては、例えば、棒状に形成されて、有底筒型形状のガスセンサ素子のうち筒状内面に当接する棒状ヒータや、板型ガスセンサ素子に積層される板状ヒータなどが挙げられる。   Examples of the heater include a rod heater that is formed in a rod shape and contacts a cylindrical inner surface of the bottomed cylindrical gas sensor element, and a plate heater stacked on the plate gas sensor element.

1…ガスセンサ、3…ガスセンサ素子、5…セパレータ、7…閉塞部材、9…端子金具、11…リード線、13…主体金具、15…プロテクタ、16…外筒、21…素子本体、23…素子鍔部、25…先端部、27…外側電極、28…環状リード部、29…縦リード部、30…内側電極、31…保護層、32…低熱伝導率層、33…触媒含有層。   DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Gas sensor, 3 ... Gas sensor element, 5 ... Separator, 7 ... Closure member, 9 ... Terminal metal fitting, 11 ... Lead wire, 13 ... Main metal fitting, 15 ... Protector, 16 ... Outer cylinder, 21 ... Element main body, 23 ... Element 25: tip part, 27 ... outer electrode, 28 ... annular lead part, 29 ... longitudinal lead part, 30 ... inner electrode, 31 ... protective layer, 32 ... low thermal conductivity layer, 33 ... catalyst-containing layer.

Claims (4)

固体電解質体と、前記固体電解質体を挟み込むように配置された一対の電極と、を備えるガスセンサ素子であって、
前記一対の電極は、測定対象ガスに接触する測定電極と、基準ガスに接触する基準電極と、を備えており、
前記測定電極を覆う多孔質状の保護層が備えられており、
前記保護層は、低熱伝導率層と、触媒含有層と、を少なくとも備えており、
前記低熱伝導率層は、多孔質状に形成されるとともに、熱伝導率が前記固体電解質体と同じか前記固体電解質体よりも低いものであり、
前記触媒含有層は、多孔質状に形成されるとともに、前記測定対象ガスのガス平衡化反応を促進する触媒を含有して形成されている、
ガスセンサ素子。
A gas sensor element comprising: a solid electrolyte body; and a pair of electrodes arranged to sandwich the solid electrolyte body,
The pair of electrodes includes a measurement electrode that contacts a measurement target gas, and a reference electrode that contacts a reference gas,
A porous protective layer covering the measurement electrode is provided,
The protective layer includes at least a low thermal conductivity layer and a catalyst-containing layer,
The low thermal conductivity layer is formed in a porous shape, and the thermal conductivity is the same as or lower than that of the solid electrolyte body,
The catalyst-containing layer is formed in a porous shape and contains a catalyst that promotes a gas equilibration reaction of the measurement target gas.
Gas sensor element.
前記低熱伝導率層は、前記保護層において、前記触媒含有層よりも前記測定電極に近い位置に配置されている、
請求項1に記載のガスセンサ素子。
The low thermal conductivity layer is disposed in the protective layer at a position closer to the measurement electrode than the catalyst-containing layer.
The gas sensor element according to claim 1.
前記固体電解質体は、有底筒型または板型に形成される、
請求項1または請求項2に記載のガスセンサ素子。
The solid electrolyte body is formed in a bottomed cylindrical shape or a plate shape,
The gas sensor element according to claim 1 or 2.
測定対象ガスに含まれる特定ガスを検出するガスセンサ素子を備えるガスセンサであって、
前記ガスセンサ素子として、請求項1から請求項3のうちいずれか1項に記載のガスセンサ素子を備える、
ガスセンサ。
A gas sensor including a gas sensor element for detecting a specific gas contained in a measurement target gas,
The gas sensor element according to any one of claims 1 to 3 as the gas sensor element.
Gas sensor.
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