JP2019138641A - ガスセンサ素子 - Google Patents
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Abstract
Description
(1)少なくとも一対の電極を両側に備えた固体電解質体と、発熱源を含む発熱体とが積層されて検知部を成し、この検知部の周囲に多孔質保護層が形成されてなるガスセンサ素子であって、
前記多孔質保護層は、アルミナを含む骨材と、シリカを含むコート材とから形成されており、
前記多孔質保護層は、前記骨材及び前記コート材の合計重量に対する前記コート材の重量濃度x(重量%)と、気孔率y(%)とが、下記の式(1)
y≦0.0058x2−1.2666x+68 (1)
を満たし、
前記多孔質保護層は、100nm以下の細孔径の細孔容積が0.02mL/g以下である、
ガスセンサ素子。
(2)前記多孔質保護層の前記コート材の重量濃度が、10重量%以上である、前記(1)に記載のガスセンサ素子。
(3)前記多孔質保護層の前記気孔率が25%以上である、前記(1)又は(2)に記載のガスセンサ素子。
(4)前記(1)〜(3)のいずれかに記載のガスセンサ素子の製造方法であって、
前記検知部の周囲に、前記アルミナを含む骨材と、前記シリカを含むコート材とから形成される多孔質保護層を形成する工程と、
形成された多孔質保護層を1000℃以上で焼成する工程と
を含む、ガスセンサ素子の製造方法。
y≦0.0058x2−1.2666x+68 (1)
を満たす。なお、気孔率は0%ではない(y≠0)。
骨材としてアルミナ(Al2O3)を用い、コート材としてシリカ(SiO2)を用いて多孔質保護層を製作し、これをガスセンサ素子の検知部の周囲に製膜して、図1に示すガスセンサ素子を製作した。ここで、骨材のアルミナはNTC特性を示し、コート材のシリカはPTC特性を示し、また、気孔率に影響を与えるため、アルミナとシリカの構成割合と、気孔率を変化させた実施例1及び比較例1〜2の多孔質保護層を製作し、多孔質保護層をNTC特性とするための関係式を求めた。
アルミナ粉末(平均粒径10μm)とシリカ粉末(平均粒径15nm)を、分散剤を用いて水に分散させてスラリーを生成した。スラリー中の、アルミナとシリカの固形分の合計重量に対するシリカの固形分の重量濃度は、21重量%とした。生成したスラリーを、ディップ法によってガスセンサ素子の検知部の周囲に付着量60mgで付着させ、大気中、1100℃で2時間焼成して多孔質保護層を製作した。水銀圧入法によって測定した多孔質保護層の気孔率は37%であった。
シリカ粉末(平均粒径10nm)を、分散剤を用いて水に分散させてスラリーを生成し、生成したスラリーを、ディップ法によってガスセンサ素子の検知部の周囲に付着量60mgで付着させ、大気中、1100℃で4時間焼成して多孔質保護層を製作した。多孔質保護層の気孔率は0.7%であった。
スラリー中のアルミナとシリカの量を変更して、スラリー中のアルミナとシリカの固形分の合計重量に対するシリカの固形分の重量濃度を22重量%とし、多孔質保護層の気孔率を49%とした以外は実施例1と同様にして多孔質保護層を製作した。
実施例1及び比較例1〜2の多孔質保護層について、温度と熱伝導率の関係を測定した。図2に、実施例1及び比較例1の多孔質保護層について、温度と熱伝導率の関係を示す。図2に示す通り、実施例1の多孔質保護層は、温度の低下に伴って熱伝導率が高くなるNTC特性を示し、一方、比較例1の多孔質保護層は、温度の低下に伴って熱伝導率が低くなるPTC特性を示した。また、図示していないが、比較例2の多孔質保護層は、PTC特性を示した。
y≦0.0058x2−1.2666x+68 (1)
を満たすと、材料がNTC特性となった。
実施例1及び比較例1〜2の多孔質保護層について、滴下量2μLの水滴を高温(700℃)の多孔質保護層表面に連続滴下し、その撥水回数を測定した。図4に、実施例1及び比較例1〜2の多孔質保護層の撥水試験の結果を示す。図4より、NTC特性を示す実施例1の多孔質保護層は、PTC特性を示す比較例1〜2の多孔質保護層と比較して、連続撥水回数が大幅に増加した。したがって、コート材の重量濃度x(重量%)と、多孔質保護層の気孔率y(%)を前記の式(1)を満たすように制御して、多孔質保護層をNTC特性とすることで、PTC特性を示すものと比較して連続被水時の撥水性が有意に向上することが示された。
スラリー中の、アルミナとシリカの固形分の合計重量に対するシリカの重量濃度を変化させて、多孔質保護層中のシリカの重量濃度を変化させたガスセンサ素子を前記の実施例1と同様にして製作し、多孔質保護層と、アルミナで主に構成される素子基材との接合強度を測定した。シリカの重量濃度は、2.8重量%、5.8重量%、12.1重量%、19.1重量%とした。図5に、シリカの重量濃度と接合強度の関係を示す。図5より、多孔質保護層中のシリカの重量濃度が10重量%以上の範囲において、多孔質保護層の安定した接合強度が確保されることが示された。
多孔質保護層の気孔率を変化させたガスセンサ素子を実施例1と同様にして製作した。多孔質保護層の気孔率は、10%、35%、69%とした。なお、気孔率30%以下の場合には、ディップ法に代えて溶射法を用いた。
多孔質保護層製作時の焼成温度による影響を調べた。ディップ法で多孔質保護層を形成し、1100℃で焼成した多孔質保護層(実施例1)と、ディップ法で多孔質保護層を形成し、900℃で焼成した多孔質保護層(比較例3)を比較した。比較例3の多孔質保護層は、実施例1において、焼成温度を900℃に変更して製作した。実施例1及び比較例3の多孔質保護層の走査電子顕微鏡(SEM)写真を図7に示す。図7Aは実施例1の多孔質保護層のSEM写真を示し、図7Bは比較例3の多孔質保護層のSEM写真を示す。また、図8に、実施例1及び比較例3の多孔質保護層について、ガス吸着法により測定した細孔径と細孔容積の関係を示す。図7A、図7B及び図8より、1100℃で焼成した実施例1の多孔質保護層では、コート材のシリカ粒子が溶融し、100nm以下の細孔径の細孔容積が0.02mL/g以下であったが、一方、900℃で焼成した比較例3の多孔質保護層では、コート材のシリカ粒子は十分に溶融しておらず、100nm以下の細孔径の細孔容積は、実施例1の多孔質保護層よりも大幅に大きかった。
Claims (4)
- 少なくとも一対の電極を両側に備えた固体電解質体と、発熱源を含む発熱体とが積層されて検知部を成し、この検知部の周囲に多孔質保護層が形成されてなるガスセンサ素子であって、
前記多孔質保護層は、アルミナを含む骨材と、シリカを含むコート材とから形成されており、
前記多孔質保護層は、前記骨材及び前記コート材の合計重量に対する前記コート材の重量濃度x(重量%)と、気孔率y(%)とが、下記の式(1)
y≦0.0058x2−1.2666x+68 (1)
を満たし、
前記多孔質保護層は、100nm以下の細孔径の細孔容積が0.02mL/g以下である、
ガスセンサ素子。 - 前記多孔質保護層の前記コート材の重量濃度が、10重量%以上である、請求項1に記載のガスセンサ素子。
- 前記多孔質保護層の前記気孔率が25%以上である、請求項1又は2に記載のガスセンサ素子。
- 請求項1〜3のいずれか1項に記載のガスセンサ素子の製造方法であって、
前記検知部の周囲に、前記アルミナを含む骨材と、前記シリカを含むコート材とから形成される多孔質保護層を形成する工程と、
形成された多孔質保護層を1000℃以上で焼成する工程と
を含む、ガスセンサ素子の製造方法。
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