JP4872565B2 - Gas sensor element - Google Patents

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Description

本発明は、被測定ガス中の特定ガス濃度を検出するためのガスセンサ素子に関する。   The present invention relates to a gas sensor element for detecting a specific gas concentration in a gas to be measured.

従来より、固体電解質体の一方の面に被測定ガス側電極を、他方の面に基準ガス側電極を設けて、排気ガス等の被測定ガス中の特定ガス濃度を検出するためのガスセンサ素子がある。該ガスセンサ素子は、排気ガス等の被測定ガス中に含まれる被毒物から被測定ガス側電極を保護するために、被測定ガスを導入するガス導入口を覆うように、多孔質保護層を設けている。
この多孔質保護層は、ガスセンサ素子の先端部をセラミックのスラリーに浸漬して付着させることによって形成するため、基本的にガスセンサ素子の先端部の全周にわたって形成されることとなる。
Conventionally, a gas sensor element for detecting a specific gas concentration in a measured gas such as exhaust gas by providing a measured gas side electrode on one surface of the solid electrolyte body and a reference gas side electrode on the other surface has been provided. is there. The gas sensor element is provided with a porous protective layer so as to cover a gas inlet for introducing the measurement gas in order to protect the measurement gas side electrode from poisonous substances contained in the measurement gas such as exhaust gas. ing.
Since this porous protective layer is formed by dipping and adhering the tip of the gas sensor element in a ceramic slurry, it is basically formed over the entire circumference of the tip of the gas sensor element.

また、内燃機関の排気ガス中には、燃料の燃焼により発生する水滴が含まれており、この水滴等がガスセンサの使用時に高温になっているセラミックのガスセンサ素子、特にヒータ部に付着すると、付着した部分が急激に温度低下し、周囲との間に温度差が発生する。これによる応力によりセラミックにクラック、亀裂等が入り、発熱体の断線に至る場合がある。   Further, the exhaust gas of the internal combustion engine contains water droplets generated by the combustion of the fuel. If these water droplets or the like adhere to the ceramic gas sensor element, particularly the heater part, which is at a high temperature when the gas sensor is used, it adheres. The temperature of the affected part rapidly decreases, and a temperature difference is generated between it and the surrounding area. The stress due to this may cause cracks, cracks, etc. in the ceramic, leading to disconnection of the heating element.

即ち、ガスセンサ素子は内蔵されたヒータ部によって加熱されるが、そのとき、ガスセンサ素子の表面に被測定ガスと共に飛来した水滴が付着すると、素子割れを招くおそれがある。特に、上記ヒータ部の発熱体に近いヒータ基板の側方角部に被水すると、周囲との間に大きな温度差ができると共に応力が集中しやすく、素子割れを招きやすい。   In other words, the gas sensor element is heated by a built-in heater unit. At this time, if water droplets flying together with the gas to be measured adhere to the surface of the gas sensor element, the element may be cracked. In particular, when the water is applied to the side corners of the heater substrate close to the heating element of the heater part, a large temperature difference can be generated between the heater and the surroundings, and stress is likely to be concentrated, leading to element cracking.

本発明者らが、水滴の付着によるクラックの発生状況を観察したところ、多孔質保護層に付着した水滴が多孔質保護層の保水性により瞬時に吸収、拡散し、付着部周辺の温度が急激に低下しており、多孔質保護層が耐被水性を低下させていることを見出した。そして上記のごとく素子割れが生じやすいヒータ基板の側方角部にも多孔質保護層が形成されていると、上記側方角部に被水したときに特に被水割れを招きやすいと考えられる。   When the present inventors observed the occurrence of cracks due to the adhesion of water droplets, the water droplets adhering to the porous protective layer were instantly absorbed and diffused by the water retention of the porous protective layer, and the temperature around the adhered portion suddenly increased. It was found that the water resistance of the porous protective layer was lowered. If a porous protective layer is also formed on the side corners of the heater substrate where element cracking is likely to occur as described above, it is considered that water cracking is particularly likely to occur when the side corners are covered with water.

また、逆に、多孔質保護層がない方が、耐被水性に優れていることがわかった。多孔質保護層がない場合、センサ素子表面に付着した水滴は、ライデンフロスト現象により、素子表面に殆ど広がることなく、瞬時に弾かれるように素子表面から離れるため、素子温度の低下は、多孔質保護層がある場合に比べて非常に小さく抑えることができ、その結果、水滴が付着した場合にクラックが生じ難いガスセンサ素子とすることができるものと考えられる。
ライデンフロスト現象とは、ガスセンサ素子の表面の高温部に水滴が接触した際に、水滴の表面が瞬時に蒸発し、蒸発した水蒸気層が素子表面と水滴の間に断熱層として作用する現象である。
On the other hand, it was found that the one without the porous protective layer was excellent in water resistance. In the absence of a porous protective layer, the water droplets adhering to the sensor element surface are almost free from spreading on the element surface due to the Leidenfrost phenomenon. Compared with the case where there is a protective layer, it can be suppressed to a very small size, and as a result, it is considered that a gas sensor element in which cracks are unlikely to occur when water droplets adhere thereto is considered.
The Leidenfrost phenomenon is a phenomenon in which when a water droplet comes into contact with the high temperature portion of the surface of the gas sensor element, the surface of the water droplet instantly evaporates and the evaporated water vapor layer acts as a heat insulating layer between the element surface and the water droplet. .

一方、被水割れを防止するために、敢えて、ガスセンサ素子の全周に多孔質保護層を形成したものが開示されている(特許文献1)。しかしながら、上記のごとく、多孔質保護層は、保水効果があることにより、ヒータ基板の側方角部に多孔質保護層を形成することは、かえって被水割れを招きやすくする。
また、多孔質保護層の厚みを大きくすれば、付着した水滴を面方向に分散させて、水滴が素子表面に到達しないようにすることができるために、被水割れを抑制することができる。しかし、この場合には、ガスセンサ素子の熱容量が大きくなってしまい、速熱性が低下してしまう。これにより、ガスセンサ素子の早期活性を妨げることとなり、エンジン始動時における正確なガス濃度検出を行うことが困難となるという問題がある。
On the other hand, in order to prevent water cracking, a gas protective element having a porous protective layer formed all around is disclosed (Patent Document 1). However, as described above, since the porous protective layer has a water retention effect, the formation of the porous protective layer at the side corners of the heater substrate tends to cause water cracking.
Further, if the thickness of the porous protective layer is increased, the attached water droplets can be dispersed in the surface direction so that the water droplets do not reach the element surface, so that water cracking can be suppressed. However, in this case, the heat capacity of the gas sensor element is increased, and the rapid thermal performance is reduced. This hinders early activation of the gas sensor element, and there is a problem that it is difficult to accurately detect the gas concentration when the engine is started.

特開2003−322632号公報JP 2003-322632 A

本発明は、かかる従来の問題点に鑑みてなされたものであり、被水割れを防ぐと共に早期活性を確保するガスセンサ素子を提供しようとするものである。   The present invention has been made in view of such conventional problems, and an object of the present invention is to provide a gas sensor element that prevents water cracking and ensures early activity.

発明は、酸素イオン伝導性の固体電解質体と、該固体電解質体の一方の面に設けた被測定ガス側電極と、上記固体電解質体の他方の面に形成した基準ガス側電極と、上記固体電解質体に積層したヒータ部とを有するガスセンサ素子であって、
上記ヒータ部は、通電によって発熱する発熱体をヒータ基板に形成してなると共に、該ヒータ基板が上記固体電解質体に積層されており、
上記ガスセンサ素子は、上記被測定ガス側電極に被測定ガスを導入するガス導入口を、上記ガスセンサ素子における上記ヒータ基板と反対側の面の側方に位置する角部に形成してなり、
被測定ガスに含まれる被毒物から上記被測定ガス側電極を保護する多孔質保護層が、上記ガス導入口及び上記ガスセンサ素子の側面のうち被測定ガスに暴露される領域を少なくとも覆うように形成されており、
また、上記多孔質保護層を形成しない保護層非形成部を、上記発熱体の軸方向長さに対応する領域における上記ヒータ基板の側方角部である発熱体側方角部の少なくとも一部に配置していることを特徴とするガスセンサ素子にある(請求項1)。
The present invention provides an oxygen ion conductive solid electrolyte body, a gas side electrode to be measured provided on one surface of the solid electrolyte body, a reference gas side electrode formed on the other surface of the solid electrolyte body, A gas sensor element having a heater portion laminated on a solid electrolyte body,
The heater portion is formed by forming a heating element that generates heat upon energization on the heater substrate, and the heater substrate is laminated on the solid electrolyte body.
The gas sensor element is formed by forming a gas introduction port for introducing a measurement gas into the measurement gas side electrode at a corner portion located on a side of a surface opposite to the heater substrate in the gas sensor element,
A porous protective layer for protecting the measured gas side electrode from poisonous substances contained in the measured gas is formed so as to cover at least a region exposed to the measured gas on the side surface of the gas inlet and the gas sensor element. Has been
Further, the porous protective layer protective layer is not formed a non-forming portion, and disposed on at least a portion of the heating side corner portion is a side corner portion of the heater substrate in a region corresponding to the axial length of the heating body It is in the gas sensor element characterized by the above-mentioned (Claim 1).

次に、本発明の作用効果につき説明する。
上記ガスセンサ素子においては、上記ガス導入口のうち被測定ガスに暴露される領域を少なくとも覆うように上記多孔質保護層が形成されている。これにより、被測定ガス中に含まれる被毒物を除去して、被測定ガス側電極の被毒を防ぐことができる。
そして、上記多孔質保護層を形成しない上記保護層非形成部を、上記発熱体側方角部の少なくとも一部に配置している。これにより、被水割れを効果的に抑制することができる。
Next, the effects of the present invention will be described.
In the gas sensor element, the porous protective layer is formed so as to cover at least a region of the gas inlet that is exposed to the gas to be measured. Thereby, the poisoning substance contained in the measurement gas can be removed, and the measurement gas side electrode can be prevented from being poisoned.
And the said protective layer non-formation part which does not form the said porous protective layer is arrange | positioned in the at least one part of the said heat generating body side corner part. Thereby, a moisture crack can be suppressed effectively.

つまり、被水割れの抑制効果のメカニズムとしては、以下のように考えることができる。
上記発熱体側方角部は、上述のごとく、被水した場合に熱応力が特に集中しやすい部分であり、本発明のガスセンサ素子においては、この熱応力が集中しやすい部分に、多孔質保護層を形成しない部分である「保護層非形成部」を設けている。
That is, the mechanism of the effect of suppressing water cracking can be considered as follows.
As described above, the side portion of the heating element is a portion where thermal stress is particularly likely to be concentrated when exposed to water.In the gas sensor element of the present invention, a porous protective layer is provided on the portion where thermal stress is likely to be concentrated. A “protective layer non-formation portion”, which is a portion that is not formed, is provided.

保護層非形成部は、保水性を有しておらず、仮に保護層非形成部に水滴が付着したとしても、上述したライデンフロスト現象により水滴は瞬時に素子表面から離れ、その被水部分の温度低下を抑制することができる。それ故、保護層非形成部を上記発熱体側方角部に配置することにより、被水割れを効果的に防ぐことができる。   The protective layer non-forming portion does not have water retention, and even if water droplets adhere to the protective layer non-forming portion, the water droplets instantaneously leave the surface of the element due to the Leidenfrost phenomenon described above, and Temperature drop can be suppressed. Therefore, water cracking can be effectively prevented by disposing the protective layer non-forming portion in the side portion of the heating element.

また、上記ガスセンサ素子においては、多孔質保護層を全周に設けることもないし、特に多孔質保護層の厚みを大きくする必要もない。それ故、ガスセンサ素子の熱容量を小さく抑えることができ、速熱性を確保することができる。これにより、ガスセンサ素子の早期活性を確保することができる。   In the gas sensor element, the porous protective layer is not provided on the entire circumference, and it is not particularly necessary to increase the thickness of the porous protective layer. Therefore, the heat capacity of the gas sensor element can be kept small, and quick heat performance can be ensured. Thereby, the early activation of a gas sensor element is securable.

以上のごとく、本発明によれば、被水割れを防ぐと共に早期活性を確保するガスセンサ素子を提供することができる。   As described above, according to the present invention, it is possible to provide a gas sensor element that prevents water cracking and ensures early activity.

参考発明は、酸素イオン伝導性の固体電解質体と、該固体電解質体の一方の面に設けた被測定ガス側電極と、上記固体電解質体の他方の面に形成した基準ガス側電極と、上記固体電解質体に積層したヒータ部とを有するガスセンサ素子であって、
上記ヒータ部は、通電によって発熱する発熱体をヒータ基板に形成してなると共に、該ヒータ基板が上記固体電解質体に積層されており、
上記ガスセンサ素子は、上記被測定ガス側電極に被測定ガスを導入するガス導入口のうち被測定ガスに暴露される領域を少なくとも覆うように形成された多孔質保護層を表面に有しており、
また、該多孔質保護層を形成しない保護層非形成部を、上記発熱体の軸方向長さに対応する領域における上記ヒータ部を設けた側とは反対側の表面であって上記ガス導入口を除く部分の少なくとも一部に配置していることを特徴とするガスセンサ素子にある。
The reference invention includes an oxygen ion conductive solid electrolyte body, a measured gas side electrode provided on one surface of the solid electrolyte body, a reference gas side electrode formed on the other surface of the solid electrolyte body, and the above A gas sensor element having a heater portion laminated on a solid electrolyte body,
The heater portion is formed by forming a heating element that generates heat upon energization on the heater substrate, and the heater substrate is laminated on the solid electrolyte body.
The gas sensor element has a porous protective layer formed on the surface so as to cover at least a region exposed to the gas to be measured among gas inlets for introducing the gas to be measured to the gas to be measured side electrode. ,
Further, the protective layer non-forming portion that does not form the porous protective layer is a surface opposite to the side where the heater portion is provided in a region corresponding to the axial length of the heating element, and the gas introduction port Ru gas sensor element near, characterized in that it is disposed on at least a portion of the portion excluding the.

次に、参考発明の作用効果につき説明する。
上記ガスセンサ素子においては、上記ヒータ部を設けた側とは反対側の表面に、多孔質保護層のない保護層非形成部が配されている。それ故、上記ヒータ部を設けた側とは反対側の表面が被水したとき、瞬時に水滴を素子表面から離脱させることができ、素子表面の温度低下を抑制し、素子割れを抑制することができる。また、上記多孔質保護層の形成量が少なくなる分、ガスセンサ素子の熱容量を小さくして、早期活性を容易にすることができる。
Next, the effects of the reference invention will be described.
In the gas sensor element, a protective layer non-forming portion without a porous protective layer is disposed on the surface opposite to the side where the heater portion is provided. Therefore, when the surface opposite to the side where the heater is provided is wetted, water droplets can be instantaneously detached from the element surface, suppressing the temperature drop on the element surface, and suppressing element cracking. Can do. In addition, since the amount of the porous protective layer formed is reduced, the heat capacity of the gas sensor element can be reduced to facilitate early activation.

以上のごとく、参考発明によれば、被水割れを防ぐと共に早期活性を確保するガスセンサ素子を提供することができる。   As described above, according to the reference invention, it is possible to provide a gas sensor element that prevents water cracking and ensures early activity.

発明(請求項1)において、上記ヒータ基板の側方角部とは、上記ヒータ基板における上記固体電解質体とは反対側の面の側端部の角部であって、上記ガスセンサ素子の側方角部でもある。そして、上記側方角部に面取り部が形成されている場合もあるが、この面取り部についても、上記側方角部に含まれる。 In the present invention (Claim 1), the side corner portion of the heater substrate is a corner portion of the side end portion of the heater substrate on the side opposite to the solid electrolyte body, and the side angle of the gas sensor element. It is also a department. In some cases, a chamfered portion is formed in the side corner portion, and the chamfered portion is also included in the side corner portion.

また、上記ガスセンサ素子としては、例えば、自動車エンジン等の各種車両用内燃機関の排気管に設置して、排気ガスフィードバックシステムに使用すべく、排気ガス中の酸素濃度を検出するA/Fセンサ素子やO2センサ素子、或いは排気管に設置する三元触媒の劣化検知等に利用するNOx濃度を検知するNOxセンサ素子等がある。
なお、本明細書において、「先端側」とは、ガスセンサ素子において、排気管等に挿入する側をいい、その反対側を「基端側」という。
In addition, as the gas sensor element, for example, an A / F sensor element that is installed in an exhaust pipe of an internal combustion engine for various vehicles such as an automobile engine and detects an oxygen concentration in the exhaust gas for use in an exhaust gas feedback system. And an O 2 sensor element, or a NOx sensor element for detecting a NOx concentration used for detecting deterioration of a three-way catalyst installed in an exhaust pipe.
In the present specification, the “front end side” refers to the side of the gas sensor element that is inserted into the exhaust pipe or the like, and the opposite side is referred to as the “base end side”.

また、上記多孔質保護層は、上記ガス導入口以外のガスセンサ素子の表面にはなるべく形成されていないことが好ましい。上記多孔質保護層が多く形成されていると、被水割れの確率が高くなり、また、ガスセンサ素子の早期活性を妨げることとなるからである。従って、理想としては、上記多孔質保護層は上記ガス導入口にのみ設けてあることが好ましい。   The porous protective layer is preferably not formed on the surface of the gas sensor element other than the gas inlet as much as possible. If many porous protective layers are formed, the probability of water cracking increases, and the early activation of the gas sensor element is hindered. Therefore, ideally, the porous protective layer is preferably provided only at the gas inlet.

次に、上記参考発明において、上記保護層非形成部を、上記発熱体の軸方向長さに対応する領域における上記ヒータ基板の側方角部である発熱体側方角部の少なくとも一部にも配置していることが好ましい。
この場合には、上記参考発明の作用効果と上記請求項1の発明の作用効果との双方の作用効果を得ることができる。そのため、一層の被水割れ防止及び早期活性を確保するガスセンサ素子を提供することができる。
Next, Oite to the reference invention, the protective layer-free portion, in at least a portion of the heating side corner portion is a side corner portion of the heater substrate in a region corresponding to the axial length of the heating body It has preferred that are arranged.
In this case, both the operational effects of the above-described reference invention and the operational effects of the invention of claim 1 can be obtained. Therefore, it is possible to provide a gas sensor element that ensures further prevention of water cracking and early activation.

また、上記保護層非形成部は、上記発熱体側方角部の全体に配置していることが好ましい(請求項)。
この場合には、被水割れを一層確実に防ぐことができる。即ち、基本的に、上記発熱体側方角部は、被水による熱応力が集中しやすくクラックを発生しやすいため、かかる部分の全体に保護層非形成部を配置することにより、被水割れを一層確実に防ぐことができる。
Moreover, it is preferable that the said protective layer non-formation part is arrange | positioned in the whole said heat generating body side corner part (Claim 2 ).
In this case, water cracking can be prevented more reliably. That is, basically, the heat generating body side corners are liable to concentrate thermal stress due to water and easily generate cracks. It can be surely prevented.

また、上記保護層非形成部は、上記被測定ガスに曝される長さ領域の60%以上における上記ヒータ基板の側方角部に配置することもできる
この場合には、被水割れをより一層確実に防ぐことができる。即ち、被測定ガスに曝される領域については、何れの位置であっても被水の可能性がある。そして、上記発熱体側方角部ばかりでなくヒータ基板の側方角部も、応力集中のしやすい部分である。それ故、被水の可能性のある長さ領域の60%以上におけるヒータ基板の側方角部に、上記保護層非形成部を配置することにより、被水割れをより効果的に防ぐことができる。
In addition, the protective layer non-forming portion may be disposed in a side corner portion of the heater substrate in 60% or more of the length region exposed to the gas to be measured.
In this case, water cracking can be prevented more reliably. That is, there is a possibility that the area exposed to the gas to be measured is exposed to water at any position. And not only the said heat generating body side corner part but the side corner part of a heater board | substrate is a part where stress concentration tends to be easy. Therefore, water cracking can be more effectively prevented by disposing the protective layer non-forming portion in the side corner portion of the heater substrate in 60% or more of the possible length region of water. .

また、上記保護層非形成部は、上記ガスセンサ素子の先端部における上記ヒータ基板の先端角部にも配置していることが好ましい(請求項)。
この場合には、ヒータ基板の先端角部における被水割れを確実に防ぐことができる。
Further, the protective layer-free portion is preferably disposed in front end corner of the heater board at the front end of the gas sensor element (claim 3).
In this case, it is possible to reliably prevent water cracking at the tip corner of the heater substrate.

また、上記発熱体側方角部から上記ガスセンサ素子の側面における上記保護層非形成部の端部までの積層方向距離をa、上記発熱体側方角部から上記ガスセンサ素子における上記ヒータ部とは反対側の表面までの積層方向距離をbとしたとき、a/bは0.05以上であることが好ましい(請求項)。
この場合には、充分に被水割れを防ぐことができる。
上記a/bが0.05未満であると、多孔質保護層が上記発熱体側方角部に近い部分に存在することとなり、多孔質保護層に保持された水滴によって、発熱体側方角部に熱応力がかかり、クラックを生じるおそれがある。そこで、上記保護層非形成部を、上記発熱体側方角部から上記距離bの5%以上離れた位置までの領域に配置することにより、被水割れの防止効果を充分に得ることができる。
Also, the distance in the stacking direction from the heating element side corner to the end of the protective layer non-forming portion on the side surface of the gas sensor element is a, and the surface on the opposite side of the gas sensor element from the heating element side corner is the surface of the gas sensor element. when the stacking direction distance to the b, a / b is preferably 0.05 or more (claim 4).
In this case, water cracking can be sufficiently prevented.
When the a / b is less than 0.05, the porous protective layer is present in a portion close to the side portion of the heating element, and thermal stress is exerted on the side portion of the heating element due to water droplets held in the porous protection layer. May cause cracks. Therefore, the effect of preventing water cracking can be sufficiently obtained by disposing the non-protective layer forming portion in a region from the heating element side corner portion to a position separated by 5% or more of the distance b.

また、上記発熱体側方角部から上記ガスセンサ素子の上記ヒータ部側の表面における上記保護層非形成部の端部までの幅方向距離をc、上記ガスセンサ素子の上記ヒータ部側の表面の幅をdとしたとき、c/dは0.02以上であることが好ましい(請求項)。
この場合にも、上記請求項7の発明と同様に、被水割れの防止効果を充分に得ることができる。
Further, the distance in the width direction from the heating element side corner to the end of the protective layer non-forming portion on the surface of the gas sensor element on the heater portion side is c, and the width of the surface of the gas sensor element on the heater portion side is d. when a, c / d is preferably 0.02 or more (claim 5).
Also in this case, the effect of preventing water cracking can be sufficiently obtained as in the case of the invention of claim 7.

また、上記多孔質保護層は、γ−アルミナ、θ−アルミナ、又はチタニアを主成分としていることが好ましい(請求項)。
この場合には、被測定ガス中の被毒物を効果的にトラップすることができる。
また、多孔質保護層に触媒を含有させる場合にも、比表面積の大きいγ−アルミナ、θ−アルミナ、又はチタニアを上記多孔質保護層の主成分として用いることにより、被毒物のトラップを効果的に行うことができる。また、触媒の耐熱性を確保することができる。比表面積が大きい方が、同じ粒子径および同じ厚みで多孔質保護層を構成した場合、触媒間の距離を大きくでき、且つ、担持力も強くできるため、熱による触媒の凝集を抑制することができ、触媒機能の耐久性を向上させることができる。
The porous protective layer preferably contains γ-alumina, θ-alumina, or titania as a main component (Claim 6 ).
In this case, poisonous substances in the measurement gas can be effectively trapped.
Even when a catalyst is contained in the porous protective layer, trapping poisonous substances is effective by using γ-alumina, θ-alumina, or titania having a large specific surface area as the main component of the porous protective layer. Can be done. Further, the heat resistance of the catalyst can be ensured. When the porous protective layer has the same particle size and the same thickness when the specific surface area is larger, the distance between the catalysts can be increased and the supporting force can be increased, so that the aggregation of the catalyst due to heat can be suppressed. The durability of the catalyst function can be improved.

また、上記多孔質保護層は、複数層形成されており、上記ガスセンサ素子の表面から遠い層ほど粒径が大きいことが好ましい(請求項)。
この場合には、粒径の大きさの異なる種々の被毒物を効果的にトラップすることができる。即ち、粒径の大きい被毒物をガスセンサ素子の表面から遠い層においてトラップし、粒径の小さい被毒物をガスセンサ素子の表面から近い層においてトラップすることにより、効果的なトラップが可能となる。
Further, the porous protective layer is formed in a plurality of layers, it is preferred particle size the farther layer from the surface of the gas sensor element is large (claim 7).
In this case, various poisonous substances having different particle sizes can be effectively trapped. That is, trapping poisonous substances having a large particle diameter in a layer far from the surface of the gas sensor element and trapping poisonous substances having a small particle diameter in a layer near the surface of the gas sensor element enables effective trapping.

また、Zn、Ca、P等の酸化物等の被毒物が被着した場合、多孔質保護層が1層構造であると目詰まりを起こし易いが、複数層構造とすると共に外側層を大粒径として構成することにより、被着した固体状の被毒物が大粒子の表面に被着しトラップされる。そして、この大粒子の粒子空間が大きいため、目詰まりを起こしにくい。これにより、固体状に被着する被毒物の内側層への被着量を大幅に低減できるため、目詰まりを効果的に抑えることができる。
勿論、多孔質保護層が充分に機能を果たす場合は、1層で構成されていても良い。
In addition, when a poisonous substance such as an oxide such as Zn, Ca, and P is deposited, the porous protective layer is likely to be clogged if it has a single layer structure. By configuring the diameter, the deposited solid poison is deposited on the surface of the large particles and trapped. And since the particle space of this large particle is large, it is hard to cause clogging. Thereby, since the amount of deposition on the inner layer of the poisonous substance deposited in a solid state can be greatly reduced, clogging can be effectively suppressed.
Of course, when the porous protective layer sufficiently functions, it may be composed of one layer.

また、上記多孔質保護層は、2層からなり、内側の第1保護層の方が、外側の第2保護層よりも粒度が小さく、上記第1保護層の平均粒径が1〜40μmであり、上記第2保護層の平均粒径が2〜100μmであることができる(請求項)。
この場合には、Pb、S等のガソリン添加物や上記のオイル添加物のガス状被毒物及び、Ca、P、Si、Zn等のオイル添加物の良好な捕集効果を得ることができる。
The porous protective layer is composed of two layers, and the inner first protective layer has a smaller particle size than the outer second protective layer, and the average particle size of the first protective layer is 1 to 40 μm. There, the average particle diameter of the second protective layer can be 2 to 100 m (claim 8).
In this case, it is possible to obtain a good collection effect of gasoline additives such as Pb and S, gaseous poisons of the above oil additives, and oil additives such as Ca, P, Si and Zn.

上記第1保護層の平均粒径が1μmより小さい場合には、粒子間の空間が小さくなるため、ガス状被毒物が被着した場合に、少量の被毒物で目詰まりを起こしやすい。また、ガス透過性が低下するため、初期の応答性が低下するおそれがある。一方、上記第1保護層の平均粒径が40μmより大きい場合には、ガス状被毒物の捕集性が低下し、被毒物が多孔質保護層を通過し、拡散抵抗層の目詰まりを起こしたり、被測定ガス側電極に被着するおそれがある。   When the average particle diameter of the first protective layer is smaller than 1 μm, the space between the particles becomes small, and therefore, when a gaseous poison is deposited, clogging is likely to occur with a small amount of the poison. Moreover, since gas permeability falls, there exists a possibility that an initial response may fall. On the other hand, when the average particle size of the first protective layer is larger than 40 μm, the trapping property of the gaseous poison is lowered, the poison passes through the porous protective layer, and the diffusion resistance layer is clogged. Or may be deposited on the measured gas side electrode.

また、上記第2保護層の平均粒径が2μmよりも小さい場合には、粒子間の空間が小さくなるため、オイル添加物が被着したとき少量の被着量で空間が埋まってしまい、目詰まりを生じやすく、ガス透過性が低下することによりセンサ出力の低下等の不具合が発生するおそれがある。一方、上記第2保護層の平均粒径が100μmを超える場合には、粒子間の空間が大きくなりすぎ、捕集効果が充分に得られ難く、更に上記第1保護層や拡散抵抗層の目詰まりが発生しやすくなるおそれがある。   In addition, when the average particle size of the second protective layer is smaller than 2 μm, the space between the particles becomes small, so when the oil additive is deposited, the space is filled with a small amount of deposition, Clogging is likely to occur, and there is a risk of problems such as a decrease in sensor output due to a decrease in gas permeability. On the other hand, when the average particle diameter of the second protective layer exceeds 100 μm, the space between the particles becomes too large, and it is difficult to obtain a sufficient trapping effect. There is a risk of clogging.

また、上記多孔質保護層の少なくとも1層は、貴金属又は金属酸化物からなる触媒を含有した触媒層とすることが好ましい(請求項)。
この場合には、被測定ガス中の被毒物を多孔質保護層において充分にトラップすることができる。そして、トラップした被毒物を分解することができる。また、被測定ガス中の水素ガスを多孔質保護層において燃焼させることも可能となり、ガスセンサ素子による特定ガス濃度の検出精度を向上させることもできる。
ここで貴金属触媒としては、例えばPt、Rh、Ru、Pd等を用いることができ、金属酸化物触媒としては、例えばチタニア(TiO2)等を用いることができる。
At least one layer of the porous protective layer is preferably a catalyst layer containing a catalyst comprising a noble metal or a metal oxide (claim 9).
In this case, the poisonous substance in the measurement gas can be sufficiently trapped in the porous protective layer. And the trapped poisonous substance can be decomposed. In addition, hydrogen gas in the measurement gas can be burned in the porous protective layer, and the detection accuracy of the specific gas concentration by the gas sensor element can be improved.
Here, for example, Pt, Rh, Ru, Pd and the like can be used as the noble metal catalyst, and for example, titania (TiO 2 ) and the like can be used as the metal oxide catalyst.

また、上記触媒は、Pt、Rh、Pd,Ruのいずれか一種以上の貴金属からなることが好ましい(請求項10)。
この場合には、上記多孔質保護層において、一層効率的に被毒物を捕集することができる。
Further, the catalyst, Pt, Rh, Pd, is preferably made of any one or more noble metals Ru (claim 10).
In this case, poisonous substances can be collected more efficiently in the porous protective layer.

また、上記触媒は、平均粒径が0.01〜5μmの貴金属からなることが好ましい(請求項11)。
この場合には、耐久性に優れ、かつ触媒機能を充分に発揮する触媒層を得ることができる。
上記平均粒径が0.01μm未満の場合には、耐久前後の触媒機能の変化が大きく、ガスセンサ素子のセンサ出力の変動が生じるおそれがある。一方、上記平均粒径が5μmを超えると、触媒の比表面積が小さくなり、触媒機能を充分に発揮することが困難となるおそれがある。
Further, the catalyst has an average particle size is preferably made of a noble metal 0.01 to 5 [mu] m (Claim 11).
In this case, it is possible to obtain a catalyst layer that is excellent in durability and sufficiently exhibits the catalyst function.
When the average particle size is less than 0.01 μm, the change in the catalyst function before and after the endurance is large, and the sensor output of the gas sensor element may vary. On the other hand, when the average particle size exceeds 5 μm, the specific surface area of the catalyst is decreased, and it may be difficult to sufficiently exhibit the catalyst function.

また、上記触媒は、平均粒径が0.1〜2μmの貴金属からなることが好ましい(請求項12)。
この場合には、耐久性に優れ、かつ触媒機能を充分に発揮する触媒層を、より確実に得ることができる。
Further, the catalyst has an average particle size is preferably made of a noble metal 0.1-2 .mu.m (claim 12).
In this case, a catalyst layer that is excellent in durability and sufficiently exhibits a catalyst function can be obtained more reliably.

また、上記触媒は、少なくともチタニアを含むことが好ましい(請求項13)。
この場合には、上記触媒層において、充分に被毒物を捕集することができる。
Further, the catalyst preferably contains at least titania (claim 13).
In this case, poisonous substances can be sufficiently collected in the catalyst layer.

また、上記触媒層は、上記被測定ガス側電極の投影領域における触媒の含有量が、10μg/cm2以上であることが好ましい(請求項14)。
この場合には、上記触媒層において、効率的に被毒物を捕集することができる。
Further, the catalyst layer, the content of the catalyst in the projection area of the measured gas side electrode, is preferably 10 [mu] g / cm 2 or more (claim 14).
In this case, poisonous substances can be efficiently collected in the catalyst layer.

また、上記触媒の含有量は、10〜500μg/cm2であることが好ましい(請求項15)。
この場合には、ガスセンサ素子の応答性を確保しつつ、被毒物の捕集を効率的に行うことができる。
上記含有量が500μg/cm2を超える場合には、上記触媒層におけるガス反応が過剰となり、応答性が低下するおそれがある。
The content of the catalyst is preferably 10~500μg / cm 2 (claim 15).
In this case, it is possible to efficiently collect poisonous substances while ensuring the responsiveness of the gas sensor element.
When the content exceeds 500 μg / cm 2 , the gas reaction in the catalyst layer becomes excessive, and the responsiveness may be lowered.

(実施例1)
本発明の実施例にかかるガスセンサ素子につき、図1〜図8を用いて説明する。
本例のガスセンサ素子1は、図1に示すごとく、酸素イオン伝導性の固体電解質体2と、該固体電解質体2の一方の面に設けた被測定ガス側電極21と、固体電解質体2の他方の面に形成した基準ガス側電極22と、固体電解質体2に積層したヒータ部3とを有する。
Example 1
A gas sensor element according to an embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS.
As shown in FIG. 1, the gas sensor element 1 of this example includes an oxygen ion conductive solid electrolyte body 2, a measured gas side electrode 21 provided on one surface of the solid electrolyte body 2, and a solid electrolyte body 2. A reference gas side electrode 22 formed on the other surface and a heater unit 3 laminated on the solid electrolyte body 2 are provided.

上記ヒータ部3は、通電によって発熱する発熱体31をヒータ基板32に形成してなると共に、該ヒータ基板32が固体電解質体2に積層されている。
上記ガスセンサ素子1は、図1、図2、図4、図5に示すごとく、被測定ガス側電極21に被測定ガスを導入するガス導入口11のうち被測定ガスに暴露される領域を少なくとも覆うように形成された多孔質保護層4を表面に有している。
また、図1〜図3、図5に示すごとく、多孔質保護層4を形成しない保護層非形成部5を、上記発熱体31の軸方向長さに対応する領域におけるヒータ基板32の側方角部である発熱体側方角部33の少なくとも一部に配置している。
The heater section 3 is formed by forming a heating element 31 that generates heat upon energization on a heater substrate 32, and the heater substrate 32 is laminated on the solid electrolyte body 2.
As shown in FIGS. 1, 2, 4, and 5, the gas sensor element 1 includes at least a region exposed to the measurement gas in the gas introduction port 11 that introduces the measurement gas to the measurement gas side electrode 21. The surface has a porous protective layer 4 formed so as to cover it.
Further, as shown in FIGS. 1 to 3 and FIG. 5, the protective layer non-forming portion 5 that does not form the porous protective layer 4 is arranged in the lateral direction of the heater substrate 32 in the region corresponding to the axial length of the heating element 31. It is arranged at least at a part of the heating element side corner portion 33 which is a portion.

本例においては、図2〜図5に示すごとく、保護層非形成部5は、上記発熱体側方角部33の全体に配置しており、また、被測定ガスに曝される長さ領域の60%以上におけるヒータ基板32の側方角部330に配置している。また、図2に示すごとく、ガスセンサ素子1の先端部におけるヒータ基板32の先端角部34にも、保護層非形成部5が配置されている。
なお、ガスセンサ素子1は、その一部を絶縁碍子(図9の符号13参照)に挿通すると共に封止材によって封止された状態で使用されるが、その封止された部分よりも先端側の領域が、上記「被測定ガスに暴露される領域」となる。
In this example, as shown in FIGS. 2 to 5, the protective layer non-forming portion 5 is disposed on the entire heating element side corner portion 33, and 60 in the length region exposed to the gas to be measured. % Or more in the side corner portion 330 of the heater substrate 32. Further, as shown in FIG. 2, the protective layer non-forming portion 5 is also disposed at the tip corner portion 34 of the heater substrate 32 at the tip portion of the gas sensor element 1.
The gas sensor element 1 is used in a state where a part of the gas sensor element 1 is inserted into an insulator (see reference numeral 13 in FIG. 9) and sealed with a sealing material. This region is the “region exposed to the gas to be measured”.

本例のガスセンサ素子1は、自動車エンジン等の各種車両用内燃機関の排気管に設置して、排気ガスフィードバックシステムに使用すべく、排気ガス中の酸素濃度を検出するA/Fセンサ或いはO2センサである。
また、ガスセンサ素子1は、固体電解質体2とヒータ部3との間に、チャンバ形成層121を介在させており、該チャンバ形成層121と固体電解質体2との間に、基準ガスとなる外気を導入するチャンバ122を形成している。そして、該チャンバ122に、基準ガス側電極22が面している。
また、ヒータ基板32の側方角部330は面取り部を有する。
The gas sensor element 1 of this example is installed in an exhaust pipe of an internal combustion engine for various vehicles such as an automobile engine, and is an A / F sensor or O 2 for detecting the oxygen concentration in the exhaust gas for use in an exhaust gas feedback system. It is a sensor.
Further, in the gas sensor element 1, a chamber forming layer 121 is interposed between the solid electrolyte body 2 and the heater unit 3, and the outside air serving as a reference gas is interposed between the chamber forming layer 121 and the solid electrolyte body 2. Is formed. The reference gas side electrode 22 faces the chamber 122.
Further, the side corner portion 330 of the heater substrate 32 has a chamfered portion.

また、固体電解質体2における被測定ガス側電極21を設けた側には、スペーサ層123を介して多孔質の拡散抵抗層124が積層されている。そして、拡散抵抗層124の上には緻密な遮蔽層125が積層されている。また、固体電解質体2と拡散抵抗層124との間には、被測定ガスを導入する被測定ガス室126が形成されており、該被測定ガス室126に上記被測定ガス側電極21が面している。
そして、上記拡散抵抗層124の側端面のうち被測定ガスに曝される部分がガス導入口11となる。そして、このガス導入口11の周辺におけるガスセンサ素子1の角部はテーパ状に形成されている。
In addition, a porous diffusion resistance layer 124 is laminated on the side where the measured gas side electrode 21 is provided in the solid electrolyte body 2 via a spacer layer 123. A dense shielding layer 125 is laminated on the diffusion resistance layer 124. Further, a measured gas chamber 126 for introducing a measured gas is formed between the solid electrolyte body 2 and the diffusion resistance layer 124, and the measured gas side electrode 21 faces the measured gas chamber 126. is doing.
The portion of the side end face of the diffusion resistance layer 124 that is exposed to the gas to be measured becomes the gas inlet 11. And the corner | angular part of the gas sensor element 1 in the periphery of this gas inlet 11 is formed in the taper shape.

また、図3に示すごとく、ヒータ部3は、ヒータ基板32の内部又は上記チャンバ形成層121との接合面にヒータパターン310を設けてなる。そして、該ヒータパターン310はヒータ基板32の先端部付近において蛇行した状態で形成され、この部分が発熱体31となる。また、ヒータパターン310は、ヒータ基板32の基端部に設けられたヒータ端子311に接続されている。
上記固体電解質体2はジルコニア(ZrO2)を主成分としており、他の層は、アルミナ(Al23)を主成分としている。
As shown in FIG. 3, the heater unit 3 is provided with a heater pattern 310 in the heater substrate 32 or on the bonding surface with the chamber forming layer 121. The heater pattern 310 is formed in a meandering state near the tip of the heater substrate 32, and this portion becomes the heating element 31. The heater pattern 310 is connected to a heater terminal 311 provided at the proximal end portion of the heater substrate 32.
The solid electrolyte body 2 has zirconia (ZrO 2 ) as a main component, and the other layers have alumina (Al 2 O 3 ) as a main component.

また、拡散抵抗層124や遮蔽層125は、ガスセンサ素子1の先端部付近、即ちガスセンサ素子1の検知部の周囲に形成されており、それよりも基端側には設けていない。そして、多孔質保護層4は、このガスセンサ素子1の検知部付近に設けてある。また、この部分が被測定ガスに曝される部位である。   Further, the diffusion resistance layer 124 and the shielding layer 125 are formed in the vicinity of the distal end portion of the gas sensor element 1, that is, around the detection portion of the gas sensor element 1, and are not provided on the proximal end side. The porous protective layer 4 is provided in the vicinity of the detection portion of the gas sensor element 1. Further, this part is a part exposed to the gas to be measured.

多孔質保護層4は、図1、図2に示すごとく、被測定ガスに曝される領域において、ヒータ基板32の側方角部330と先端角部34とこれらの周辺部及びヒータ基板32の表面320を除く部分に形成されている。即ち、保護層非形成部5は、被測定ガスに曝される領域においては、側方角部330と先端角部34とこれらの周辺部及びヒータ基板3の表面にのみ配置されている。逆に、多孔質保護層4は、ガス導入口11以外に、ガスセンサ素子1の側面100及び遮蔽層125の表面129にも形成されている。   As shown in FIG. 1 and FIG. 2, the porous protective layer 4 is formed on the side corners 330 and the tip corners 34 of the heater substrate 32, the peripheral portions thereof, and the surface of the heater substrate 32 in the region exposed to the gas to be measured. It is formed in the part except 320. That is, the protective layer non-forming portion 5 is disposed only on the side corner portion 330, the tip corner portion 34, the peripheral portions thereof, and the surface of the heater substrate 3 in the region exposed to the gas to be measured. Conversely, the porous protective layer 4 is also formed on the side surface 100 of the gas sensor element 1 and the surface 129 of the shielding layer 125 in addition to the gas inlet 11.

保護層非形成部5の配置領域としては、具体的には以下の通りである。
即ち、図1に示すごとく、上記発熱体側方角部33(面取り部における側面100側の端部)からガスセンサ素子1の側面100における保護層非形成部5の端部までの積層方向距離をa、発熱体側方角部33からガスセンサ素子1におけるヒータ部31とは反対側の表面(遮蔽層125の表面129)までの積層方向距離をbとしたとき、a/bは0.05以上である。
Specifically, the region where the protective layer non-forming portion 5 is arranged is as follows.
That is, as shown in FIG. 1, the stacking direction distance from the heating element side corner portion 33 (the end portion on the side surface 100 side in the chamfered portion) to the end portion of the protective layer non-forming portion 5 in the side surface 100 of the gas sensor element 1 is a, When the distance in the stacking direction from the heating element side corner portion 33 to the surface of the gas sensor element 1 opposite to the heater portion 31 (the surface 129 of the shielding layer 125) is b, a / b is 0.05 or more.

また、図1に示すごとく、多孔質保護層4は2層形成されており、ガスセンサ素子1の表面に近い第1保護層41と、ガスセンサ素子1の表面から遠い第2保護層42とを有する。そして、第2保護層42の方が、第1保護層41よりも粒径が大きい。
また、多孔質保護層4は、γ−アルミナ又はθ−アルミナを主成分としており、多孔質保護層4のうち上記第1保護層41には、金属又は金属酸化物からなる触媒を含有してなる。これにより、第1保護層41が触媒層として機能する。ここで金属触媒としては、例えばPt、Rh、Ru、Pd等を用いることができ、金属酸化物触媒としては、例えばチタニア(TiO2)等を用いることができる。
As shown in FIG. 1, the porous protective layer 4 is formed in two layers, and has a first protective layer 41 close to the surface of the gas sensor element 1 and a second protective layer 42 far from the surface of the gas sensor element 1. . The second protective layer 42 has a larger particle size than the first protective layer 41.
The porous protective layer 4 is mainly composed of γ-alumina or θ-alumina, and the first protective layer 41 of the porous protective layer 4 contains a catalyst made of metal or metal oxide. Become. Thereby, the 1st protective layer 41 functions as a catalyst layer. Here, as the metal catalyst, for example, Pt, Rh, Ru, Pd or the like can be used, and as the metal oxide catalyst, for example, titania (TiO 2 ) or the like can be used.

なお、上記ガスセンサ素子1は、固体電解質体2を有する検知部と、ヒータ部3とを別々に焼成した後に、両者を接着、または、単に接触させるように構成することにより得ることもできる。   The gas sensor element 1 can also be obtained by separately firing the detection unit having the solid electrolyte body 2 and the heater unit 3 and then bonding or simply contacting them.

次に、多孔質保護層5の形成方法の一例を、図6〜図14を用いて説明する。
即ち、まず、図7に示すごとく、発熱体側方角部33とその周辺部及びヒータ基板32の表面320に、有機材料からなるマスク層61を形成する(ステップS1)。
次いで、図8に示すごとく、ガスセンサ素子1における少なくともガス導入口11が形成されている長さ領域のうち、被測定ガスに曝露される全表面に、マスク層61を覆うように、上記多孔質保護層4を形成するための保護層形成材料40(スラリー)を付着させる(ステップS2〜S5)。
次いで、熱処理を行うことにより、図1に示すごとく、多孔質保護層4を焼成すると共に、上記マスク層61を焼失させて該マスク層61上の多孔質保護層4を除去して、上記保護層非形成部5を設ける(ステップS6、S7)。
Next, an example of a method for forming the porous protective layer 5 will be described with reference to FIGS.
That is, first, as shown in FIG. 7, a mask layer 61 made of an organic material is formed on the heating element side corner portion 33 and its peripheral portion and the surface 320 of the heater substrate 32 (step S1).
Next, as shown in FIG. 8, the porous layer is formed so as to cover the mask layer 61 on the entire surface exposed to the gas to be measured in the length region in which at least the gas introduction port 11 is formed in the gas sensor element 1. A protective layer forming material 40 (slurry) for forming the protective layer 4 is adhered (steps S2 to S5).
Next, by performing a heat treatment, as shown in FIG. 1, the porous protective layer 4 is baked, and the mask layer 61 is burned off to remove the porous protective layer 4 on the mask layer 61, thereby protecting the protective layer. The layer non-formation part 5 is provided (steps S6 and S7).

具体的には、アクリル系、セルロース系等のバインダーを有機溶剤に溶解して、ペースト状にしたマスク材610を、ガスセンサ素子1における保護層非形成部5を設けたい位置(発熱体側方角部33等)に、パッド転写法により塗布、乾燥することにより、マスク層61を形成する(ステップS1)。   Specifically, an acrylic or cellulose binder is dissolved in an organic solvent to form a paste-like mask material 610 at a position where the protective layer non-forming portion 5 in the gas sensor element 1 is to be provided (a heating element side corner portion 33). Etc.) is applied and dried by the pad transfer method to form the mask layer 61 (step S1).

マスク層61は、図9〜図14に示すごとく、柔軟性を有するゴム製のパッド材62に付着させたマスク材610を発熱体側方角部33等に転写することにより形成する。その後、必要に応じて乾燥する。   As shown in FIGS. 9 to 14, the mask layer 61 is formed by transferring a mask material 610 attached to a flexible rubber pad material 62 to the heating element side corner portion 33 or the like. Then, it dries as needed.

次いで、多孔質保護層4のうちの第1保護層41を形成するためのスラリーに、ガスセンサ素子1をディップ(浸漬)して引き上げることにより、ガスセンサ素子1の所定長さ領域における全周に第1保護層用のスラリーを塗布し(ステップS2)、これを乾燥する(ステップS3)。
次いで、第2保護層42を形成するためのスラリーに、ガスセンサ素子1をディップ(浸漬)して引き上げることにより、上記第1保護層41の上に第2保護層用のスラリーを塗布し(ステップS4)、これを乾燥する(ステップS5)。
Next, the gas sensor element 1 is dipped into the slurry for forming the first protective layer 41 of the porous protective layer 4 and pulled up, so that the gas sensor element 1 has the entire circumference in a predetermined length region. The slurry for 1 protective layer is apply | coated (step S2), and this is dried (step S3).
Next, the slurry for forming the second protective layer 42 is applied by applying the slurry for the second protective layer on the first protective layer 41 by dipping (immersing) the gas sensor element 1 and pulling it up (step). S4), this is dried (step S5).

次いで、多孔質保護層4を設けたガスセンサ素子1を500〜1000℃程度で焼成する。これにより樹脂膜からなるマスク層61は熱分解除去される(ステップS6)。そして、マスク層61上にディップ時に付着した多孔質保護層4はガスセンサ素子1とは付着強度を殆どなくすることができ、エア吹き付け、振動等により、容易に除去することができる(ステップS7)。以上により、所望の部分に、多孔質保護層4を精度よく形成することができる(図1)。   Next, the gas sensor element 1 provided with the porous protective layer 4 is fired at about 500 to 1000 ° C. Thereby, the mask layer 61 made of a resin film is thermally decomposed and removed (step S6). The porous protective layer 4 adhered on the mask layer 61 at the time of dipping can have almost no adhesion strength with the gas sensor element 1 and can be easily removed by air blowing, vibration or the like (step S7). . As described above, the porous protective layer 4 can be accurately formed in a desired portion (FIG. 1).

また、マスク材610としては、例えば、アクリル樹脂、テレピネオールを主成分とし、若干の分散剤、粘度安定化剤と、塗布部分の視認性を確保するために染料を添加したものを用いることができる。これにより、塗布形状の目視、または、カメラ等による画像認識による塗布部分の検査等を容易にすることが可能である。
また、マスク層61(マスク材610)としては、紫外線硬化樹脂を含むペーストを用いることもできる。この場合、上記マスク層61を形成するに当っては、上記マスク材610をガスセンサ素子1の所定の表面にパッド転写した後、紫外線を照射することにより、マスク層61を硬化させる。
Further, as the mask material 610, for example, an acrylic resin or terpineol as a main component, a slight dispersant, a viscosity stabilizer, and a dye added to ensure the visibility of the coated portion can be used. . As a result, it is possible to facilitate visual inspection of the coating shape or inspection of the coating portion by image recognition using a camera or the like.
Further, as the mask layer 61 (mask material 610), a paste containing an ultraviolet curable resin can also be used. In this case, when the mask layer 61 is formed, the mask layer 610 is cured by pad-transferring the mask material 610 onto a predetermined surface of the gas sensor element 1 and then irradiating ultraviolet rays.

また、マスク材610のパッド転写方法につき、図9〜図14を用いて説明する。
即ち、パッド転写には、得ようとするマスク層61に対応する大きさ、形状、深さを有する凹部631を設けた凹版63と、該凹版63の上面を摺動するリングブレード641を設けたインクポット64と、パッド材62とを用いる。
まず、図9に示すごとく、マスク材610を充填したインクポット64の下方に、凹版63の凹部631を配置する。これにより、凹部631にマスク材610を充填する。なお、このときの凹版63の位置を原点とする。
Further, a pad transfer method of the mask material 610 will be described with reference to FIGS.
That is, for the pad transfer, an intaglio 63 provided with a recess 631 having a size, shape and depth corresponding to the mask layer 61 to be obtained, and a ring blade 641 sliding on the upper surface of the intaglio 63 are provided. An ink pot 64 and a pad material 62 are used.
First, as shown in FIG. 9, the concave portion 631 of the intaglio 63 is disposed below the ink pot 64 filled with the mask material 610. As a result, the mask material 610 is filled in the recess 631. In addition, let the position of the intaglio 63 at this time be an origin.

次いで、図10に示すごとく、凹版63を水平に移動させることにより、凹部631をインクポット64の下方からずらして、パッド材62の下方に移動させる。これにより、凹部631に所定量のマスク材610が充填された状態となる。
次いで、図11に示すごとく、パッド材62を下降させて凹版63に密着させた後、上昇させることにより、パッド材62に凹部631のマスク材610を転写する。
次いで、図12に示すごとく、凹版63を上記原点に戻す。
Next, as shown in FIG. 10, by moving the intaglio 63 horizontally, the recess 631 is shifted from below the ink pot 64 and moved below the pad material 62. As a result, the concave portion 631 is filled with a predetermined amount of the mask material 610.
Next, as shown in FIG. 11, the pad material 62 is lowered and brought into close contact with the intaglio 63, and then lifted to transfer the mask material 610 of the recess 631 to the pad material 62.
Next, as shown in FIG. 12, the intaglio 63 is returned to the origin.

次いで、図13に示すごとく、マスク材610を付着させているパッド材62をガスセンサ素子1に密着させることにより、ガスセンサ素子1にマスク材610を転写する。
次いで、図14に示すごとく、パッド材62をクリーニングテープ65によって清掃してマスク材610の残渣を除去する。
そして、以上と同様のパッド転写処理を、順次、複数のガスセンサ素子1に対して行う。
なお、図9〜図13に示すごとく、ガスセンサ素子1を絶縁碍子13に挿通固定した状態でマスク層61の形成を行う。
Next, as shown in FIG. 13, the mask material 610 is transferred to the gas sensor element 1 by bringing the pad material 62 to which the mask material 610 is adhered into close contact with the gas sensor element 1.
Next, as shown in FIG. 14, the pad material 62 is cleaned with the cleaning tape 65 to remove the residue of the mask material 610.
Then, the same pad transfer process as described above is sequentially performed on the plurality of gas sensor elements 1.
9 to 13, the mask layer 61 is formed in a state where the gas sensor element 1 is inserted and fixed to the insulator 13.

次に、本例の作用効果につき説明する。
上記ガスセンサ素子1においては、上記ガス導入口11のうち被測定ガスに暴露される領域を少なくとも覆うように上記多孔質保護層5が形成されている。これにより、被測定ガス中に含まれる被毒物を除去して、被測定ガス側電極21の被毒を防ぐことができる。
そして、多孔質保護層5を形成しない上記保護層非形成部4を、上記発熱体側方角部33に配置している。これにより、被水割れを効果的に抑制することができる。
Next, the function and effect of this example will be described.
In the gas sensor element 1, the porous protective layer 5 is formed so as to cover at least a region of the gas inlet 11 exposed to the gas to be measured. As a result, poisonous substances contained in the measurement gas can be removed, and poisoning of the measurement gas side electrode 21 can be prevented.
And the said protective layer non-formation part 4 which does not form the porous protective layer 5 is arrange | positioned in the said heat generating body side corner | angular part 33. FIG. Thereby, a moisture crack can be suppressed effectively.

つまり、被水割れの抑制効果のメカニズムとしては、以下のように考えることができる。
上記発熱体側方角部5は、上述のごとく、被水した場合に熱応力が特に集中しやすい部分であり、本発明のガスセンサ素子1においては、この熱応力が集中しやすい部分に、多孔質保護層4を形成しない部分である「保護層非形成部5」を設けている。
That is, the mechanism of the effect of suppressing water cracking can be considered as follows.
As described above, the heating element side corner 5 is a portion where thermal stress is particularly likely to be concentrated when exposed to water, and in the gas sensor element 1 of the present invention, porous protection is provided at a portion where the thermal stress is likely to concentrate. A “protective layer non-formation portion 5” that is a portion where the layer 4 is not formed is provided.

保護層非形成部5は、保水性を有しておらず、仮に保護層非形成部5に水滴が付着したとしても、上述したライデンフロスト現象により水滴は瞬時に素子表面から離れ、その被水部分の温度低下を抑制することができる。それ故、保護層非形成部5を上記発熱体側方角部33に配置することにより、被水割れを効果的に防ぐことができる。   The protective layer non-forming portion 5 does not have water retention, and even if water droplets adhere to the protective layer non-forming portion 5, the water droplets instantaneously leave the element surface due to the above-mentioned Leidenfrost phenomenon, The temperature drop of the part can be suppressed. Therefore, by arranging the protective layer non-forming portion 5 in the heating element side corner portion 33, water cracking can be effectively prevented.

また、上記ガスセンサ素子1においては、多孔質保護層4を全周に設けることもないし、特に多孔質保護層4の厚みを大きくする必要もない。それ故、ガスセンサ素子1の熱容量を小さく抑えることができ、速熱性を確保することができる。これにより、ガスセンサ素子1の早期活性を確保することができる。   In the gas sensor element 1, the porous protective layer 4 is not provided on the entire circumference, and it is not particularly necessary to increase the thickness of the porous protective layer 4. Therefore, the heat capacity of the gas sensor element 1 can be kept small, and quick heat performance can be ensured. Thereby, the early activation of the gas sensor element 1 can be ensured.

また、上記保護層非形成部5は、上記発熱体側方角部33の全体に配置しているため、被水割れを一層確実に防ぐことができる。即ち、基本的に発熱体側方角部33は、被水による熱応力が集中しやすくクラックを発生しやすいため、かかる部分の全体に保護層非形成部5を配置することにより、被水割れを一層確実に防ぐことができる。
また、保護層非形成部5は、被測定ガスに曝される長さ領域の60%以上におけるヒータ基板32の側方角部330に配置しているため、被水割れをより一層確実に防ぐことができる。即ち、被測定ガスに曝される領域については、何れの位置であっても被水の可能性がある。そして、上記発熱体側方角部33ばかりでなくヒータ基板32の側方角部330も、応力集中のしやすい部分である。それ故、被水の可能性のある長さ領域の60%以上におけるヒータ基板32の側方角部330に、上記保護層非形成部5を配置することにより、被水割れをより効果的に防ぐことができる。
Moreover, since the said protective layer non-formation part 5 is arrange | positioned in the whole said heat generating body side corner | angular part 33, it can prevent a water-proof crack more reliably. In other words, the heat generating body side corner portion 33 basically tends to cause thermal stress due to water to be concentrated and easily generate cracks. Therefore, by disposing the protective layer non-forming portion 5 over the entire portion, water cracking is further reduced. It can be surely prevented.
Moreover, since the protective layer non-formation part 5 is arrange | positioned in the side corner part 330 of the heater board | substrate 32 in 60% or more of the length area | region exposed to to-be-measured gas, it prevents water | moisture-content cracking more reliably. Can do. That is, there is a possibility that the area exposed to the gas to be measured is exposed to water at any position. And not only the said heat generating body side corner | angular part 33 but the side corner | angular part 330 of the heater board | substrate 32 is a part where stress concentration tends to be easy. Therefore, by arranging the protective layer non-forming portion 5 in the side corner portion 330 of the heater substrate 32 in 60% or more of the length region that is likely to be wetted, it is possible to more effectively prevent water cracking. be able to.

また、保護層非形成部5は、ヒータ基板32の先端角部34にも配置しているため、ヒータ基板32の先端角部34における被水割れを確実に防ぐことができる。
また、図1に示すごとく、上記積層方向距離aとbとがa/b≧0.05の関係を有するため、充分に被水割れを防ぐことができる。上記a/bが0.05未満であると、多孔質保護層4が発熱体側方角部33に近い部分に存在することとなり、多孔質保護層4に保持された水滴によって、発熱体側方角部33に熱応力がかかり、クラックを生じるおそれがある。そこで、上記保護層非形成部5を、発熱体側方角部33から上記距離bの5%以上離れた位置までの領域に配置することにより、被水割れの防止効果を充分に得ることができる。
Further, since the protective layer non-forming portion 5 is also disposed at the tip corner portion 34 of the heater substrate 32, it is possible to reliably prevent water cracking at the tip corner portion 34 of the heater substrate 32.
Further, as shown in FIG. 1, the stacking direction distances a and b have a relationship of a / b ≧ 0.05, so that water cracking can be sufficiently prevented. When the a / b is less than 0.05, the porous protective layer 4 is present in a portion close to the heating element side corner portion 33, and water droplets held in the porous protection layer 4 cause the heating element side corner portion 33. There is a risk that thermal stress will be applied to the cracks and cracks will occur. Therefore, by arranging the protective layer non-forming portion 5 in a region from the heating element side corner portion 33 to a position separated by 5% or more of the distance b, a sufficient effect of preventing water cracking can be obtained.

また、多孔質保護層4は、γ−アルミナ又はθ−アルミナを主成分としているため、被測定ガス中の被毒物を効果的にトラップすることができる。
また、多孔質保護層4に触媒を含有させる場合にも、比表面積の大きいγ−アルミナ又はθ−アルミナを多孔質保護層4の主成分として用いることにより、被毒物のトラップを効果的に行うことができる。また、触媒の耐熱性を確保することができる。比表面積が大きい方が、同じ粒子径および同じ厚みで多孔質保護層4を構成した場合、触媒間の距離を大きくでき、且つ、担持力も強くできるため、熱による触媒の凝集を抑制することができ、触媒機能の耐久性を向上させることができる。
Moreover, since the porous protective layer 4 is mainly composed of γ-alumina or θ-alumina, it can effectively trap poisonous substances in the measurement gas.
Further, even when the porous protective layer 4 contains a catalyst, by using γ-alumina or θ-alumina having a large specific surface area as a main component of the porous protective layer 4, poisoning substances can be trapped effectively. be able to. Further, the heat resistance of the catalyst can be ensured. When the porous protective layer 4 is configured with the same particle diameter and the same thickness when the specific surface area is larger, the distance between the catalysts can be increased and the supporting force can be increased, thereby suppressing the aggregation of the catalyst due to heat. And durability of the catalyst function can be improved.

また、多孔質保護層4は、金属又は金属酸化物からなる触媒を含有してなるため、被測定ガス中の被毒物を多孔質保護層4において充分にトラップすることができる。そして、トラップした被毒物を分解することができる。また、被測定ガス中の水素ガスを多孔質保護層4において燃焼させることも可能となり、ガスセンサ素子1による特定ガス濃度の検出精度を向上させることもできる。   Moreover, since the porous protective layer 4 contains the catalyst which consists of a metal or a metal oxide, the poisonous substance in measurement gas can fully be trapped in the porous protective layer 4. And the trapped poisonous substance can be decomposed. In addition, hydrogen gas in the gas to be measured can be burned in the porous protective layer 4, and the detection accuracy of the specific gas concentration by the gas sensor element 1 can be improved.

また、多孔質保護層4は2層形成されており、ガスセンサ素子1の表面から遠い層ほど粒径が大きい。これにより、粒径の大きさの異なる種々の被毒物を効果的にトラップすることができる。即ち、粒径の大きい被毒物を上記第2保護層42においてトラップし、粒径の小さい被毒物を上記第1保護層41においてトラップすることにより、効果的なトラップが可能となる。   The porous protective layer 4 is formed in two layers, and the particle diameter is larger as the layer is farther from the surface of the gas sensor element 1. Thereby, various poisonous substances having different particle sizes can be effectively trapped. That is, by trapping poisonous substances having a large particle diameter in the second protective layer 42 and trapping poisonous substances having a small particle diameter in the first protective layer 41, effective trapping is possible.

以上のごとく、本例によれば、被水割れを防ぐと共に早期活性を確保するガスセンサ素子を提供することができる。   As described above, according to this example, it is possible to provide a gas sensor element that prevents water cracking and ensures early activity.

(実施例2)
本例は、表1〜表3に示すごとく、上記実施例1に示したガスセンサ素子1の効果を確認した例である。
即ち、ガスセンサ素子1の発熱体側方角部33へ水滴を滴下したときに、どの程度の温度低下が起こるか、そして、クラックがどの程度発生するかにつき、試験を行った。
試験に当たっては、まず、発熱体側方角部33に多孔質保護層4を設けていない実施例1のガスセンサ素子1を水準1として用意した。そして、比較のために、発熱体側方角部33に多孔質保護層4を5μm、20μm、50μm、80μmの厚みに形成したものをそれぞれ水準2、3、4、5として用意した。
(Example 2)
In this example, as shown in Tables 1 to 3, the effect of the gas sensor element 1 shown in Example 1 was confirmed.
That is, a test was performed as to how much temperature drop occurs and how much cracking occurs when a water droplet is dropped on the heating element side corner 33 of the gas sensor element 1.
In the test, first, the gas sensor element 1 of Example 1 in which the porous protective layer 4 was not provided in the heating element side corner portion 33 was prepared as Level 1. For comparison, the layers 2, 4, 4, and 5 having the porous protective layer 4 formed at the heating element side corners 33 in thicknesses of 5 μm, 20 μm, 50 μm, and 80 μm were prepared.

各試料に対し、発熱体31の中心にあたる発熱体側方角部33へ、0.1μLの水滴、および0.2μLの水滴をそれぞれ滴下した際の発熱体側方角部33の温度低下を測定した結果を表1に示す。
水滴滴下部のガスセンサ素子の表面温度は700℃とした。表面温度はサーモビューワで測定した。また、水滴滴下による温度低下ΔTは、各水準10個ずつの計測データの最小値〜最大値を示している。また、多孔質保護層4の厚みは、発熱体側方角部33における2層(第1保護層41と第2保護層42)の総厚である。また、ガスセンサ素子の幅は4.5mm、厚みは2.0mmである。
For each sample, the results of measuring the temperature drop of the heating element side corner portion 33 when 0.1 μL water droplets and 0.2 μL water droplet are dropped onto the heating element side corner portion 33 corresponding to the center of the heating element 31 are shown. It is shown in 1.
The surface temperature of the gas sensor element in the water droplet dropping part was 700 ° C. The surface temperature was measured with a thermoviewer. Further, the temperature drop ΔT due to the water droplet dropping indicates the minimum value to the maximum value of 10 pieces of measurement data for each level. The thickness of the porous protective layer 4 is the total thickness of the two layers (the first protective layer 41 and the second protective layer 42) in the heating element side corner portion 33. The gas sensor element has a width of 4.5 mm and a thickness of 2.0 mm.

Figure 0004872565
Figure 0004872565

表1から、多孔質保護層4を形成しない場合は、温度低下量ΔTは、滴下量0.1μL、0.2μLのいずれの場合にも殆ど差異はなく、30℃から80℃であった。これに対して、多孔質保護層を形成した場合は、温度低下量ΔTは大きく、水準2の5μm、水準3の20μm、水準4の50μm形成した場合は、それぞれ、135から220℃、100から170℃、70から100℃であった。   From Table 1, when the porous protective layer 4 was not formed, the temperature drop amount ΔT was almost the same in both cases of the dropping amount of 0.1 μL and 0.2 μL, and was 30 ° C. to 80 ° C. On the other hand, when the porous protective layer is formed, the amount of temperature decrease ΔT is large, and when the level 2 of 5 μm, the level 3 of 20 μm, and the level 4 of 50 μm are formed, from 135 to 220 ° C. and 100 ° C., respectively. 170 ° C. and 70 to 100 ° C.

また、水準5のように多孔質保護層を80μm形成すると、多孔質保護層を形成しない場合(水準1)と同程度の温度低下量となった。即ち、多孔質保護層を厚く形成することで、温度低下量を小さくすることが可能である。しかし、多孔質保護層を厚くすることでガスセンサ素子1の熱容量が増大し、速熱性が低下し、エンジン始動時からセンサ出力が得られるまでの、いわゆる活性時間が長くなってしまう。エミッション規制が厳しくなる中で、特に、エンジン始動時に排出されるTHC(トータル・ハイドロカーボン)の排出量を低下させるためにはこの活性時間を短くすることが必須である。
それ故、早期活性を確保しつつ、被水割れを防ぐためには、水準1のように多孔質保護層を発熱体側方角部に設けない本発明のガスセンサ素子を採用する必要がある。
In addition, when the porous protective layer was formed to 80 μm as in level 5, the amount of temperature decrease was the same as that in the case where the porous protective layer was not formed (level 1). That is, it is possible to reduce the amount of temperature decrease by forming the porous protective layer thick. However, by increasing the thickness of the porous protective layer, the heat capacity of the gas sensor element 1 increases, the rapid thermal performance decreases, and the so-called active time from when the engine is started until sensor output is obtained becomes longer. As emission regulations become stricter, it is essential to shorten this activation time, in particular, in order to reduce the amount of THC (total hydrocarbon) emitted when starting the engine.
Therefore, in order to prevent moisture cracking while ensuring early activity, it is necessary to employ the gas sensor element of the present invention in which a porous protective layer is not provided at the side portion of the heating element as in Level 1.

また、上記の滴下試験におけるガスセンサ素子へのクラック発生率を表2に示す。クラック発生率は、各水準10個の試験結果において、(クラック発生本数/10)×100にて算出される値である。   In addition, Table 2 shows the crack occurrence rate in the gas sensor element in the above drop test. The crack occurrence rate is a value calculated by (number of crack occurrences / 10) × 100 in 10 test results for each level.

Figure 0004872565
Figure 0004872565

表2から分かるように、水滴滴下によるクラックは、水準1の多孔質保護層を形成しない場合は発生しない。多孔質保護層の厚みが薄いほうが表1の水滴滴下による温度低下量の大きさとほぼ相関して、クラックの発生率が高い。水準5のように多孔質保護層の厚みを80μm程度まで厚くすると、クラックは発生しない。これは、被水すると同時に多孔質保護層の面方向への吸水現象が起こり、水滴が素子表面に殆ど到達しないため、素子温度低下が小さく、クラックが発生しなかったと推察される。しかしながら、上述したごとく、活性時間の相当な遅れが生ずる。   As can be seen from Table 2, cracks caused by dropping water droplets do not occur when a level 1 porous protective layer is not formed. The smaller the thickness of the porous protective layer, the higher the occurrence rate of cracks, almost correlating with the magnitude of the temperature drop due to the water droplet dropping shown in Table 1. When the thickness of the porous protective layer is increased to about 80 μm as in Level 5, no cracks are generated. This is presumed that the water absorption phenomenon in the surface direction of the porous protective layer occurred at the same time as the water was applied, and water droplets hardly reached the surface of the device, so that the temperature drop of the device was small and no crack was generated. However, as described above, there is a considerable delay in activation time.

次に、実施例1(図1)において示した、積層方向距離aとbとの比a/bと、水滴滴下によるガスセンサ素子のクラック発生率との関係を調べた。
その結果を表3に示す。クラック発生率は、上記表2に示すものと同様の算出方法によって得られる値である。また、ガスセンサ素子の体格は、上記表1の試験方法において示したものと同じである。また、拡散抵抗層は、発熱体側方角部から0.75b離れた位置に形成されている。
Next, the relationship between the ratio a / b between the stacking direction distances a and b shown in Example 1 (FIG. 1) and the crack generation rate of the gas sensor element due to water droplet dropping was examined.
The results are shown in Table 3. The crack occurrence rate is a value obtained by a calculation method similar to that shown in Table 2 above. The physique of the gas sensor element is the same as that shown in the test method of Table 1 above. The diffusion resistance layer is formed at a position 0.75b away from the side portion of the heating element.

Figure 0004872565
Figure 0004872565

a/bが2%(0.02)以下の場合は、クラックの発生があった。これは、ライデンフロスト現象と同時に、発熱体側方角部に被着した水滴が広がり、発熱体側方角部から僅かしか離れていない多孔質保護層が水滴の一部を保水し、素子表面温度が低下することによりクラックが発生したものと考えられる。一方、a/bを5%以上としたものについては、多孔質保護層への水滴の保水の影響は殆ど、または、全くないため、ライデンフロスト現象により、素子温度低下を小さく抑えることができ、クラックが発生しなかったと考えられる。
この結果から、a/bを5%(0.05)以上とすることにより、被水割れを一層効果的に防ぐことができると考えられる。
(実施例3)
本例は、図15に示すごとく、ヒータ部3の表面にも多孔質保護層5を形成したガスセンサ素子1の例である。
即ち、本例のガスセンサ素子1は、ヒータ部3の側方角部33とその周辺部を除く全周に多孔質保護層4を設けている。つまり、ヒータ部3の側方角部33とその周辺部のみを、保護層非形成部5としている。
When a / b was 2% (0.02) or less, cracks occurred. At the same time as the Leidenfrost phenomenon, water droplets deposited on the side portions of the heating element spread, and the porous protective layer that is only slightly away from the side portions of the heating element retains a part of the water droplets, resulting in a decrease in the element surface temperature. It is thought that cracks were generated. On the other hand, with respect to those having a / b of 5% or more, since there is little or no influence of water retention of water droplets on the porous protective layer, the temperature drop of the element can be suppressed to a low level due to the Leidenfrost phenomenon, It is thought that no cracks occurred.
From this result, it is considered that water cracking can be more effectively prevented by setting a / b to 5% (0.05) or more.
(Example 3)
This example is an example of the gas sensor element 1 in which the porous protective layer 5 is also formed on the surface of the heater section 3 as shown in FIG.
That is, in the gas sensor element 1 of this example, the porous protective layer 4 is provided on the entire periphery excluding the side corner portion 33 of the heater portion 3 and its peripheral portion. That is, only the side corner portion 33 of the heater portion 3 and its peripheral portion are used as the protective layer non-forming portion 5.

また、上記発熱体側方角部33からガスセンサ素子1のヒータ部3側の表面(ヒータ基板32の表面320)における保護層非形成部5の端部までの幅方向距離をc、ガスセンサ素子1のヒータ部3側の表面320の幅をdとしたとき、c/dは0.02以上である(後述する表4参照)。
その他は、実施例1と同様である。
Further, the distance in the width direction from the heating element side corner 33 to the end of the protective layer non-forming part 5 on the surface of the gas sensor element 1 on the heater part 3 side (the surface 320 of the heater substrate 32) is c, and the heater of the gas sensor element 1 When the width of the surface 320 on the part 3 side is d, c / d is 0.02 or more (see Table 4 described later).
Others are the same as in the first embodiment.

本例の場合にも、熱応力が集中しやすい発熱体側方角部33に保護層非形成部5を配置しているため、実施例1と同様に、被水割れを充分に防止することができる。
その他、実施例1と同様の作用効果を有する。
Also in the case of this example, since the protective layer non-formation part 5 is arranged in the heating element side corner part 33 where thermal stress tends to concentrate, it is possible to sufficiently prevent water cracking as in the first example. .
In addition, the same effects as those of the first embodiment are obtained.

次に、上記の比c/dと、水滴滴下によるガスセンサ素子のクラック発生率との関係を調べた。試験方法については、上記実施例2における表3に示したものと同様である。
その結果を表4に示す。
Next, the relationship between the ratio c / d and the crack generation rate of the gas sensor element due to the water droplet dropping was examined. The test method is the same as that shown in Table 3 in Example 2 above.
The results are shown in Table 4.

Figure 0004872565
Figure 0004872565

表4から分かるように、c/dが1%(0.01)以下の場合は、クラックの発生があった。一方、c/dを2%(0.02)以上としたものについては、多孔質保護層への水滴の保水の影響は殆ど、または、全くないため、ライデンフロスト現象により、素子温度低下を小さく抑えることができ、クラックが発生しなかったと考えられる。
この結果から、c/dを2%(0.02)以上とすることにより、被水割れを一層効果的に防ぐことができると考えられる。
As can be seen from Table 4, cracks occurred when c / d was 1% (0.01) or less. On the other hand, when the c / d is 2% (0.02) or more, there is little or no influence of water retention of the water droplets on the porous protective layer. It can be suppressed, and it is considered that cracks did not occur.
From this result, it is considered that water cracking can be more effectively prevented by setting c / d to 2% (0.02) or more.

(実施例4)
本例は、図16に示すごとく、a/bを約50%としたガスセンサ素子1の例である。その他は、実施例1と同様である。
ガスセンサ素子1の側面100は、発熱体側方角部33より耐被水性は強いが、微小な焼成欠陥等、応力集中しやすい部位が亀裂の発生起点となる場合もある。このような場合、なるべく側面にも多孔質保護層を形成しない方が、ライデンフロスト現象により、クラック発生の確率を抑えることができる。そのため、a/bを大きくした本例によれば、クラック抑制効果を向上させることができる。
その他、実施例1と同様の作用効果を有する。
Example 4
This example is an example of the gas sensor element 1 in which a / b is about 50% as shown in FIG. Others are the same as in the first embodiment.
The side surface 100 of the gas sensor element 1 is more resistant to water than the side portion 33 of the heating element, but a portion where stress is likely to concentrate, such as a minute firing defect, may be the starting point of cracking. In such a case, if the porous protective layer is not formed on the side surface as much as possible, the probability of occurrence of cracks can be suppressed due to the Leidenfrost phenomenon. Therefore, according to this example in which a / b is increased, the crack suppression effect can be improved.
In addition, the same effects as those of the first embodiment are obtained.

(実施例5)
本例は、図17に示すごとく、遮蔽層125の表面129とその角部に、多孔質保護層4を形成しない例である。
即ち、多孔質保護層4を形成しない保護層非形成部5を、発熱体31の軸方向長さに対応する領域におけるヒータ部3を設けた側とは反対側の表面であってガス導入口11を除く部分に配置している。
その他は、実施例3と同様である。
(Example 5)
In this example, as shown in FIG. 17, the porous protective layer 4 is not formed on the surface 129 and the corners of the shielding layer 125.
That is, the protective layer non-forming portion 5 that does not form the porous protective layer 4 is the surface opposite to the side where the heater portion 3 is provided in the region corresponding to the axial length of the heating element 31, and the gas inlet port. 11 is arranged in a portion excluding 11.
Others are the same as in the third embodiment.

遮蔽層125の表面129は、発熱体31から離れており、ヒータ部3の表面に対して比較的表面温度が低い。それ故、遮蔽層125の表面129に多孔質保護層4を設けてあっても、発熱体側方角部33に多孔質保護層4を設けなければ、クラックの発生は抑制することができるが、遮蔽層125の表面129にも多孔質保護層4を形成しない方が、水滴の被着量に対するクラック発生率に余裕を持たせることができる。また、ガスセンサ素子の熱容量を小さくして、早期活性を容易にすることができるという利点もある。
その他、実施例1と同様の作用効果を有する。
なお、ヒータ基板32の表面320にも多孔質保護層4を形成しない状態とすることもできる。また、発熱体側方角部33にも多孔質保護層4を形成し、上記表面129とのその角部のみに保護層非形成部5を配置してもよい。
The surface 129 of the shielding layer 125 is away from the heating element 31 and has a relatively low surface temperature relative to the surface of the heater unit 3. Therefore, even if the porous protective layer 4 is provided on the surface 129 of the shielding layer 125, if the porous protective layer 4 is not provided at the heating element side corner portion 33, the generation of cracks can be suppressed. If the porous protective layer 4 is not formed on the surface 129 of the layer 125, the crack generation rate with respect to the deposited amount of water droplets can be given a margin. In addition, there is an advantage that early activation can be facilitated by reducing the heat capacity of the gas sensor element.
In addition, the same effects as those of the first embodiment are obtained.
The porous protective layer 4 may not be formed on the surface 320 of the heater substrate 32. Alternatively, the porous protective layer 4 may be formed also on the heating element side corner portion 33, and the protective layer non-forming portion 5 may be disposed only on the corner portion with the surface 129.

(実施例6)
本例は、図18に示すごとく、多孔質保護層4を拡散抵抗層124のガス導入口11周りのみに形成した例である。
その他は、実施例1と同様である。
(Example 6)
In this example, as shown in FIG. 18, the porous protective layer 4 is formed only around the gas inlet 11 of the diffusion resistance layer 124.
Others are the same as in the first embodiment.

本例の場合には、多孔質保護層4を、被毒物のトラップを行うために最小限必要な範囲に設けて、極力、保護層非形成部5の領域を広げたものである。それ故、被水割れの確率を極力低減することができる。
また、ガスセンサ素子の熱容量を極力小さくすることができるため、一層の早期活性を実現することができる。
その他、実施例1と同様の作用効果を有する。
In the case of this example, the porous protective layer 4 is provided in the minimum necessary range for trapping poisonous substances, and the area of the protective layer non-forming portion 5 is expanded as much as possible. Therefore, the probability of water cracking can be reduced as much as possible.
Moreover, since the heat capacity of the gas sensor element can be reduced as much as possible, further early activation can be realized.
In addition, the same effects as those of the first embodiment are obtained.

(実施例7)
本例は、図19に示すごとく、多孔質保護層4を1層で構成したガスセンサ素子1の例である。その他は、実施例1と同様であり、実施例1と同様の作用効果を奏する。
(Example 7)
This example is an example of the gas sensor element 1 in which the porous protective layer 4 is composed of one layer as shown in FIG. Others are the same as those of the first embodiment, and the same effects as those of the first embodiment are obtained.

(実施例8)
本例は、図20に示すごとく、発熱体31がチャンバ122に近い部分に埋設されたガスセンサ素子1の例である。
また、発熱体31の位置が固体電解質体2に近くなる分、ガスセンサ素子1の側面100において、固体電解質体2に近い位置が高温となる。それ故、この発熱体31の真横の側面には、多孔質保護層4を形成していない。
その他は、実施例3と同様である。
(Example 8)
This example is an example of the gas sensor element 1 in which the heating element 31 is embedded in a portion close to the chamber 122 as shown in FIG.
Further, the position close to the solid electrolyte body 2 on the side surface 100 of the gas sensor element 1 becomes high because the position of the heating element 31 is close to the solid electrolyte body 2. For this reason, the porous protective layer 4 is not formed on the side surface of the heating element 31.
Others are the same as in the third embodiment.

本例によれば、発熱体31を固体電解質体2に近付けることとなるため、ガスセンサ素子1の活性時間を短縮することができる。
その他、実施例3と同様の作用効果を有する。
According to this example, since the heating element 31 is brought close to the solid electrolyte body 2, the activation time of the gas sensor element 1 can be shortened.
In addition, the same effects as those of the third embodiment are obtained.

(実施例9)
本例は、図21に示すごとく、遮蔽層125側及びヒータ部3側の角部に面取りを行っていないガスセンサ素子1の例である。
そして、発熱体側方角部33とその周辺部に、多孔質保護層4を形成しない保護層非形成部5を配置している。また、遮蔽層125側の角部にも多孔質保護層4を設けていない。それ以外の遮蔽層125の表面129、ヒータ基板32の表面320、ガスセンサ素子1の側面100には、多孔質保護層4を設けている。
Example 9
This example is an example of the gas sensor element 1 in which chamfering is not performed on the corners on the shielding layer 125 side and the heater unit 3 side, as shown in FIG.
And the protective layer non-formation part 5 which does not form the porous protective layer 4 is arrange | positioned in the heat generating body side corner | angular part 33 and its peripheral part. Further, the porous protective layer 4 is not provided at the corner portion on the shielding layer 125 side. The porous protective layer 4 is provided on the other surface 129 of the shielding layer 125, the surface 320 of the heater substrate 32, and the side surface 100 of the gas sensor element 1.

また、本例においては、発熱体側方角部33周辺における保護層非形成部5の領域は、a/b=0.2(20%)、c/d=0.1(10%)となるような領域である。
また、遮蔽層125側の側方角部127周辺における保護層非形成部5の領域は、以下の通りである。即ち、上記側方角部127から保護層非形成部5の端部までの幅方向距離をeとし、ガスセンサ素子1の幅をfとしたとき、e/fが0.05(5%)である。また、上記側方角部127から保護層非形成部5の端部までの積層方向距離をgとしたとき、g/bが0.1(10%)である。
その他は、実施例1と同様であり、実施例1と同様の作用効果を有する。
Further, in this example, the regions of the protective layer non-forming portion 5 around the heating element side corner portion 33 are a / b = 0.2 (20%) and c / d = 0.1 (10%). This is an important area.
The region of the protective layer non-forming portion 5 around the side corner portion 127 on the shielding layer 125 side is as follows. That is, when the distance in the width direction from the side corner portion 127 to the end portion of the protective layer non-forming portion 5 is e and the width of the gas sensor element 1 is f, e / f is 0.05 (5%). . Further, g / b is 0.1 (10%), where g is the distance in the stacking direction from the side corner portion 127 to the end portion of the protective layer non-forming portion 5.
Others are the same as those of the first embodiment and have the same effects as the first embodiment.

(実施例10)
本例は、図22に示すごとく、被測定ガス室(図1の符号126)を持たないガスセンサ素子1の例である。即ち、拡散抵抗層124が被測定ガス側電極21に接触した状態で被測定ガス側電極21を覆っている。
その他は、実施例1と同様であり、実施例1と同様の作用効果を有する。
(Example 10)
This example is an example of the gas sensor element 1 having no measured gas chamber (reference numeral 126 in FIG. 1) as shown in FIG. That is, the measured gas side electrode 21 is covered with the diffusion resistance layer 124 in contact with the measured gas side electrode 21.
Others are the same as those of the first embodiment and have the same effects as the first embodiment.

参考例
本例は、図23に示すごとく、ガス拡散律速をピンホール142で機能させるよう構成したガスセンサ素子1の例である。
本例のガスセンサ素子1は、固体電解質体2における被測定ガス室126側に、スペーサ層123を介して緻密層141を積層し、該緻密層141にピンホール142を形成している。そして、ピンホール142は、緻密層141に積層された多孔質層143によって覆われている。
( Reference example )
As shown in FIG. 23, this example is an example of the gas sensor element 1 configured to allow gas diffusion rate control to function in the pinhole 142.
In the gas sensor element 1 of this example, a dense layer 141 is laminated on the measured gas chamber 126 side of the solid electrolyte body 2 via a spacer layer 123, and a pinhole 142 is formed in the dense layer 141. The pinhole 142 is covered with a porous layer 143 laminated on the dense layer 141.

これにより、被測定ガスは、ピンホール142を通って、被測定ガス室126に導入され、ピンホール142の大きさや個数によって、被測定ガスの拡散律速を調整することができる。
そして、多孔質保護層4は、上記多孔質層143の表面144、ヒータ基板32の表面320、及びガスセンサ素子1の側面100に設けられている。また、発熱体側方角部33及び多孔質層143の側方角部145には多孔質保護層4を形成しない保護層非形成部5が配置される。
その他は、実施例1と同様であり、実施例1と同様の作用効果を得ることができる。
As a result, the measurement gas is introduced into the measurement gas chamber 126 through the pinhole 142, and the diffusion-controlled rate of the measurement gas can be adjusted according to the size and number of the pinholes 142.
The porous protective layer 4 is provided on the surface 144 of the porous layer 143, the surface 320 of the heater substrate 32, and the side surface 100 of the gas sensor element 1. In addition, a protective layer non-forming portion 5 that does not form the porous protective layer 4 is disposed in the heat generating body side corner portion 33 and the side corner portion 145 of the porous layer 143.
Others are the same as those of the first embodiment, and the same effects as those of the first embodiment can be obtained.

本発明のガスセンサ素子は、上記各実施例に示した形状のものに限られず、例えば、実施例1に示したガスセンサ素子において、発熱体側方角部33を面取りしていない形状にし、遮蔽層125側の角部は面取りしたままの状態のものなどでも適用することができ、その他、種々の形状のガスセンサ素子に本発明を適用することができる。   The gas sensor element of the present invention is not limited to the shape shown in each of the above embodiments. For example, in the gas sensor element shown in Embodiment 1, the heating element side corner portion 33 is not chamfered, and the shielding layer 125 side is formed. The corners of the surface can be applied even in a chamfered state, and the present invention can be applied to gas sensor elements having various shapes.

実施例1における、ガスセンサ素子の断面図であって、図2のA−A線矢視断面図(上下の向きは逆)。It is sectional drawing of the gas sensor element in Example 1, Comprising: It is AA arrow sectional drawing (up-down direction is reverse) of FIG. 実施例1における、ガスセンサ素子の斜視図。1 is a perspective view of a gas sensor element in Embodiment 1. FIG. 実施例1における、発熱体の位置を示すガスセンサ素子の平面説明図。FIG. 3 is an explanatory plan view of the gas sensor element showing the position of the heating element in the first embodiment. 実施例1における、ガスセンサ素子の平面図。FIG. 3 is a plan view of a gas sensor element in the first embodiment. 実施例1における、ガスセンサ素子の側面図。The side view of the gas sensor element in Example 1. FIG. 実施例1における、多孔質保護層の形成方法を示す工程フロー図。FIG. 3 is a process flow diagram showing a method for forming a porous protective layer in Example 1. 実施例1における、ガスセンサ素子の所定位置にマスク層を形成した状態を示す断面説明図。Sectional explanatory drawing which shows the state in which the mask layer was formed in the predetermined position of the gas sensor element in Example 1. FIG. 実施例1における、マスク層の上から、ガスセンサ素子の全周に多孔質保護層のスラリーを形成した状態を示す断面説明図。Sectional explanatory drawing which shows the state which formed the slurry of the porous protective layer in the perimeter of the gas sensor element from the mask layer in Example 1. FIG. 実施例1における、マスク層のパッド転写方法を示す第1の説明図。FIG. 3 is a first explanatory diagram showing a pad transfer method of a mask layer in Example 1. 実施例1における、マスク層のパッド転写方法を示す第2の説明図。FIG. 6 is a second explanatory diagram showing a pad transfer method of a mask layer in Example 1. 実施例1における、マスク層のパッド転写方法を示す第3の説明図。FIG. 4 is a third explanatory diagram showing a pad transfer method of a mask layer in Example 1. 実施例1における、マスク層のパッド転写方法を示す第4の説明図。FIG. 6 is a fourth explanatory diagram showing a pad transfer method of a mask layer in Example 1. 実施例1における、マスク層のパッド転写方法を示す第5の説明図。FIG. 10 is a fifth explanatory diagram illustrating a pad transfer method for a mask layer in the first embodiment. 実施例1における、マスク層のパッド転写方法を示す第6の説明図。FIG. 6 is a sixth explanatory diagram illustrating a pad transfer method of a mask layer in the first embodiment. 実施例3における、ガスセンサ素子の断面図。Sectional drawing of the gas sensor element in Example 3. FIG. 実施例4における、ガスセンサ素子の断面図。Sectional drawing of the gas sensor element in Example 4. FIG. 実施例5における、ガスセンサ素子の断面図。Sectional drawing of the gas sensor element in Example 5. FIG. 実施例6における、ガスセンサ素子の断面図。Sectional drawing of the gas sensor element in Example 6. FIG. 実施例7における、ガスセンサ素子の断面図。Sectional drawing of the gas sensor element in Example 7. FIG. 実施例8における、ガスセンサ素子の断面図。Sectional drawing of the gas sensor element in Example 8. FIG. 実施例9における、ガスセンサ素子の断面図。Sectional drawing of the gas sensor element in Example 9. FIG. 実施例10における、ガスセンサ素子の断面図。Sectional drawing of the gas sensor element in Example 10. FIG. 参考例における、ガスセンサ素子の断面図。Sectional drawing of the gas sensor element in a reference example .

符号の説明Explanation of symbols

1 ガスセンサ素子
11 ガス導入口
2 固体電解質体
21 被測定ガス側電極
22 基準ガス側電極
3 ヒータ部
31 発熱体
32 ヒータ基板
33 発熱体側方角部
4 多孔質保護層
5 保護層非形成部
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Gas sensor element 11 Gas inlet 2 Solid electrolyte body 21 Gas side electrode 22 to be measured 22 Reference gas side electrode 3 Heater part 31 Heating body 32 Heater board 33 Heating body side corner part 4 Porous protective layer 5 Protection layer non-formation part

Claims (15)

酸素イオン伝導性の固体電解質体と、該固体電解質体の一方の面に設けた被測定ガス側電極と、上記固体電解質体の他方の面に形成した基準ガス側電極と、上記固体電解質体に積層したヒータ部とを有するガスセンサ素子であって、
上記ヒータ部は、通電によって発熱する発熱体をヒータ基板に形成してなると共に、該ヒータ基板が上記固体電解質体に積層されており、
上記ガスセンサ素子は、上記被測定ガス側電極に被測定ガスを導入するガス導入口を、上記ガスセンサ素子における上記ヒータ基板と反対側の面の側方に位置する角部に形成してなり、
被測定ガスに含まれる被毒物から上記被測定ガス側電極を保護する多孔質保護層が、上記ガス導入口及び上記ガスセンサ素子の側面のうち被測定ガスに暴露される領域を少なくとも覆うように形成されており、
また、上記多孔質保護層を形成しない保護層非形成部を、上記発熱体の軸方向長さに対応する領域における上記ヒータ基板の側方角部である発熱体側方角部の少なくとも一部に配置していることを特徴とするガスセンサ素子。
An oxygen ion conductive solid electrolyte body, a gas side electrode to be measured provided on one side of the solid electrolyte body, a reference gas side electrode formed on the other side of the solid electrolyte body, and the solid electrolyte body A gas sensor element having a laminated heater portion,
The heater portion is formed by forming a heating element that generates heat upon energization on the heater substrate, and the heater substrate is laminated on the solid electrolyte body.
The gas sensor element is formed by forming a gas introduction port for introducing a measurement gas into the measurement gas side electrode at a corner portion located on a side of a surface opposite to the heater substrate in the gas sensor element,
A porous protective layer for protecting the measured gas side electrode from poisonous substances contained in the measured gas is formed so as to cover at least a region exposed to the measured gas on the side surface of the gas inlet and the gas sensor element. Has been
In addition, a protective layer non-forming portion that does not form the porous protective layer is disposed on at least a part of a side portion of the heating element that is a side corner portion of the heater substrate in a region corresponding to the axial length of the heating element. A gas sensor element characterized by comprising:
請求項1において、上記保護層非形成部は、上記発熱体側方角部の全体に配置していることを特徴とするガスセンサ素子。   The gas sensor element according to claim 1, wherein the protective layer non-forming portion is disposed on the entire side of the heating element. 請求項1又は2において、上記保護層非形成部は、上記ガスセンサ素子の先端部における上記ヒータ基板の先端角部にも配置していることを特徴とするガスセンサ素子。 3. The gas sensor element according to claim 1, wherein the protective layer non-forming portion is also disposed at a tip corner portion of the heater substrate at a tip portion of the gas sensor element. 請求項1〜のいずれか一項において、上記発熱体側方角部から上記ガスセンサ素子の側面における上記保護層非形成部の端部までの積層方向距離をa、上記発熱体側方角部から上記ガスセンサ素子における上記ヒータ部とは反対側の表面までの積層方向距離をbとしたとき、a/bは0.05以上であることを特徴とするガスセンサ素子。 In any one of claims 1 to 3, wherein the heating side of the stacking direction distance a from the corner portion to the end portion of the protective layer-free portion of the side surface of the gas sensor element, the gas sensor element from the heating side corner portion A gas sensor element, wherein a / b is 0.05 or more, where b is the distance in the stacking direction to the surface on the opposite side of the heater part. 請求項1〜のいずれか一項において、上記発熱体側方角部から上記ガスセンサ素子の上記ヒータ部側の表面における上記保護層非形成部の端部までの幅方向距離をc、上記ガスセンサ素子の上記ヒータ部側の表面の幅をdとしたとき、c/dは0.02以上であることを特徴とするガスセンサ素子。 The width direction distance from the said heat generating body side corner part to the edge part of the said protective layer non-formation part in the surface of the said heater part side of the said gas sensor element in any one of Claims 1-4 WHEREIN: c, The gas sensor element, wherein c / d is 0.02 or more, where d is the width of the surface on the heater portion side. 請求項1〜のいずれか一項において、上記多孔質保護層は、γ−アルミナ、θ−アルミナ、又はチタニアを主成分としていることを特徴とするガスセンサ素子。 In any one of claims 1 to 5, wherein the porous protective layer, .gamma.-alumina, theta-alumina, or a gas sensor element characterized in that it is mainly composed of titania. 請求項1〜のいずれか一項において、上記多孔質保護層は、複数層形成されており、上記ガスセンサ素子の表面から遠い層ほど粒径が大きいことを特徴とするガスセンサ素子。 In any one of claims 1 to 6, wherein the porous protective layer is formed in a plurality of layers, the gas sensor element, wherein the particle size the farther layer from the surface of the gas sensor element is large. 請求項において、上記多孔質保護層は、2層からなり、内側の第1保護層の方が、外側の第2保護層よりも粒度が小さく、上記第1保護層の平均粒径が1〜40μmであり、上記第2保護層の平均粒径が2〜100μmであることを特徴とするガスセンサ素子。 8. The porous protective layer according to claim 7, wherein the porous protective layer includes two layers, and the inner first protective layer has a smaller particle size than the outer second protective layer, and the average particle size of the first protective layer is 1. The gas sensor element according to claim 1, wherein the second protective layer has an average particle diameter of 2 to 100 µm. 請求項1〜のいずれか一項において、上記多孔質保護層の少なくとも1層は、貴金属又は金属酸化物からなる触媒を含有した触媒層とすることを特徴とするガスセンサ素子。 In any one of claims 1-8, the porous least one layer of the protective layer gas sensor element, characterized in that a catalyst layer containing a catalyst comprising a noble metal or metal oxide. 請求項において、上記触媒は、Pt、Rh、Pd,Ruのいずれか一種以上の貴金属からなることを特徴とするガスセンサ素子。 10. The gas sensor element according to claim 9, wherein the catalyst is made of at least one kind of noble metal selected from Pt, Rh, Pd, and Ru. 請求項又は10において、上記触媒は、平均粒径が0.01〜5μmの貴金属からなることを特徴とするガスセンサ素子。 According to claim 9 or 10, the catalyst, a gas sensor element having an average particle diameter is characterized by comprising a noble metal 0.01 to 5 [mu] m. 請求項11において、上記触媒は、平均粒径が0.1〜2μmの貴金属からなることを特徴とするガスセンサ素子。 12. The gas sensor element according to claim 11, wherein the catalyst is made of a noble metal having an average particle diameter of 0.1 to 2 [mu] m. 請求項において、上記触媒は、少なくともチタニアを含むことを特徴とするガスセンサ素子。 The gas sensor element according to claim 9, wherein the catalyst includes at least titania. 請求項9〜13のいずれか一項において、上記触媒層は、上記被測定ガス側電極の投影領域における触媒の含有量が、10μg/cm2以上であることを特徴とするガスセンサ素子。 14. The gas sensor element according to claim 9 , wherein the catalyst layer has a catalyst content of 10 μg / cm 2 or more in a projection region of the gas side electrode to be measured. 請求項14において、上記触媒の含有量は、10〜500μg/cm2であることを特徴とするガスセンサ素子。 The gas sensor element according to claim 14, wherein the catalyst content is 10 to 500 μg / cm 2 .
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