JP6488146B2 - Coating method and gas sensor manufacturing method - Google Patents
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Description
本発明は、被膜の製造方法及びガスセンサの製造方法に関する。 The present invention relates to a film manufacturing method and a gas sensor manufacturing method.
従来、自動車の排気ガスなどの被測定ガスにおけるNOxなどの所定のガスの濃度を検出するセンサ素子を備えたガスセンサが知られている。また、こうしたガスセンサにおいて、センサ素子の表面に保護層などの被膜を形成することが知られている。例えば、特許文献1,2では、プラズマ溶射によりアルミナ等の耐熱性粒子をセンサ素子の表面に付着させて、多孔質保護層を形成することが記載されている。この多孔質保護層を形成することで、例えばセンサ素子表面の測定電極の劣化や、水分の付着によるセンサ素子の割れ等を抑制できるとしている。 Conventionally, a gas sensor including a sensor element that detects a concentration of a predetermined gas such as NOx in a gas to be measured such as an exhaust gas of an automobile is known. In such a gas sensor, it is known to form a film such as a protective layer on the surface of the sensor element. For example, Patent Documents 1 and 2 describe forming a porous protective layer by attaching heat-resistant particles such as alumina to the surface of a sensor element by plasma spraying. By forming this porous protective layer, for example, deterioration of the measurement electrode on the surface of the sensor element, cracking of the sensor element due to moisture adhesion, and the like can be suppressed.
ところで、被膜を対象物の表面の一部に形成したい場合がある。このような場合、被膜を形成したい領域以外をマスクで覆った上で、プラズマ溶射により被膜を形成することが考えられる。しかし、例えば図11(a)に示すように、対象物901の上面に形成した被膜991の端部が、マスク910と接着してしまう場合があった。これにより、例えば図11(b)に示すように、マスク910を取り外す際に被膜991が剥離してしまう場合があった。 By the way, there is a case where it is desired to form a film on a part of the surface of the object. In such a case, it is conceivable to form a film by plasma spraying after covering a region other than the region where the film is to be formed with a mask. However, for example, as shown in FIG. 11A, the end portion of the coating 991 formed on the upper surface of the object 901 may adhere to the mask 910. As a result, for example, as shown in FIG. 11B, the coating 991 may be peeled off when the mask 910 is removed.
本発明はこのような課題を解決するためになされたものであり、マスクを取り外す際の被膜の剥離をより抑制することを主目的とする。 The present invention has been made to solve such a problem, and has as its main object to further suppress the peeling of the coating film when the mask is removed.
本発明は、上述の主目的を達成するために以下の手段を採った。 The present invention adopts the following means in order to achieve the main object described above.
本発明の被膜の製造方法は、
プラズマ溶射による被膜の製造方法であって、
(a)前記被膜の形成領域と隣接する非形成領域を覆うようにマスクを配置する工程と、(b)プラズマ溶射により前記形成領域に前記被膜を形成する工程と、
(c)前記マスクを取り外す工程と、
を含み、
前記マスクは、前記工程(a)で配置されたときに前記非形成領域のうち前記形成領域側の端部で該形成領域側に開口した隙間を形成する隙間形成部を有しており、
前記隙間の開口の高さTが、前記工程(b)で形成される被膜の膜厚tよりも大きい、
ものである。
The method for producing the coating of the present invention comprises:
A method for producing a coating by plasma spraying, comprising:
(A) arranging a mask so as to cover a non-formation area adjacent to the formation area of the film; (b) forming the film in the formation area by plasma spraying;
(C) removing the mask;
Including
The mask has a gap forming portion that forms a gap opened to the formation region side at an end of the non-formation region when the mask is arranged in the step (a).
The height T of the opening of the gap is larger than the film thickness t of the coating formed in the step (b).
Is.
この本発明の被膜の製造方法では、被膜の形成領域と隣接する非形成領域を覆うマスクが隙間形成部を有している。この隙間形成部により、非形成領域を覆うようにマスクを配置したときに、非形成領域のうち形成領域側の端部で形成領域側に開口した隙間が形成される。また、隙間の開口の高さTは、形成される被膜の膜厚tよりも大きい。そのため、プラズマ溶射により形成領域に形成される被膜のうちマスク側の端部と、マスクのうち形成領域側の端部とが、接触しにくくなる。これにより、マスクを取り外す際の被膜の剥離をより抑制することができる。この場合において、前記被膜は多孔質体としてもよい。 In this method for producing a coating film of the present invention, the mask covering the non-formation area adjacent to the film formation area has a gap forming portion. When the mask is disposed so as to cover the non-forming region, the gap forming portion forms a gap that opens to the forming region side at the end of the non-forming region on the forming region side. Moreover, the height T of the opening of the gap is larger than the film thickness t of the coating film to be formed. Therefore, it becomes difficult for the edge part by the side of a mask among the coatings formed in a formation area by plasma spraying, and the edge part by the side of the formation area among masks. Thereby, peeling of the film when removing the mask can be further suppressed. In this case, the coating film may be a porous body.
本発明の被膜の製造方法において、前記高さTが前記膜厚tの2倍以上としてもよい。こうすれば、被膜のうちマスク側の端部とマスクのうち形成領域側の端部とがより接触しにくくなるため、マスクを取り外す際の被膜の剥離をさらに抑制できる。 In the film manufacturing method of the present invention, the height T may be twice or more the film thickness t. If it carries out like this, since the edge part by the side of a mask among coatings will become more difficult to contact the edge part by the side of a formation area among masks, peeling of the film at the time of removing a mask can further be suppressed.
本発明の被膜の製造方法において、前記隙間形成部は、前記工程(a)で前記マスクを配置した状態で、前記隙間の開口面に垂直且つ前記工程(b)で形成する被膜の厚さ方向に平行な断面でみたときに、前記隙間の面積Sが0.2mm2以上となる形状をしていてもよい。こうすれば、隙間の大きさが十分なものとなり、被膜の端部が隙間の中に入り込むように形成されたとしても、被膜とマスクとが接触しにくい。そのため、マスクを取り外す際の被膜の剥離をより抑制できる。 In the coating film manufacturing method of the present invention, the gap forming portion is perpendicular to the opening surface of the gap and is formed in the step (b) with the mask disposed in the step (a). The area S of the gap may be 0.2 mm 2 or more when viewed in a cross section parallel to. In this way, the gap is sufficiently large, and even if the end of the film is formed so as to enter the gap, the film and the mask are unlikely to contact each other. Therefore, peeling of the coating film when removing the mask can be further suppressed.
本発明の被膜の製造方法において、前記隙間形成部は、前記工程(a)で前記マスクを配置した状態で、前記隙間の開口面に垂直且つ前記工程(b)で形成する被膜の厚さ方向に平行な断面でみたときに、前記非形成領域のうち前記隙間に露出している部分の長さMが1mm以上となる形状をしていてもよい。こうすれば、隙間内における非形成領域の露出部分(=マスクが直に接していない部分)の大きさが十分なものとなり、被膜の端部が隙間の中に入り込むように形成されたとしても、被膜とマスクとが接触しにくい。そのため、マスクを取り外す際の被膜の剥離をより抑制できる。 In the coating film manufacturing method of the present invention, the gap forming portion is perpendicular to the opening surface of the gap and is formed in the step (b) with the mask disposed in the step (a). The length M of the portion exposed to the gap in the non-formed region may be 1 mm or more when viewed in a cross section parallel to the surface. In this way, even if the exposed portion of the non-formation region in the gap (= the portion where the mask is not in direct contact) is sufficient, and the end of the film is formed so as to enter the gap. The film and the mask are difficult to contact. Therefore, peeling of the coating film when removing the mask can be further suppressed.
本発明の被膜の製造方法において、前記隙間形成部は、前記工程(a)で前記マスクを配置した状態で、前記非形成領域から離間し且つ前記形成領域側に向けて突出する形状をしていてもよい。 In the coating film manufacturing method of the present invention, the gap forming portion has a shape that is spaced apart from the non-formation region and protrudes toward the formation region with the mask disposed in the step (a). May be.
本発明の被膜の製造方法において、前記マスクは、金属製又は樹脂製であってもよい。この場合において、前記マスクは、耐熱性樹脂製としてもよいし、撥水性樹脂製としてもよいし、耐熱性及び撥水性を有する樹脂製としてもよい。 In the film manufacturing method of the present invention, the mask may be made of metal or resin. In this case, the mask may be made of a heat resistant resin, a water repellent resin, or a resin having heat resistance and water repellency.
本発明の被膜の製造方法において、前記マスクは、撥水性樹脂製であるか又は撥水コーティングされていてもよい。こうすれば、工程(b)において被膜の形成材料がマスクに付着することを抑制できる。したがって、工程(c)でマスクを取り外す際の被膜の剥離をより抑制できる。 In the method for producing a film of the present invention, the mask may be made of a water-repellent resin or may be coated with a water-repellent coating. If it carries out like this, it can suppress that the formation material of a film adheres to a mask in a process (b). Therefore, peeling of the film when removing the mask in the step (c) can be further suppressed.
本発明のガスセンサの製造方法は、
センサ素子と、該センサ素子の表面に形成された被膜と、を備えたガスセンサの製造方法であって、
前記センサ素子を用意する第1工程と、
請求項1〜5のいずれか1項に記載の被膜の製造方法により、前記センサ素子の表面の一部を前記形成領域として、該形成領域に前記被膜を形成する第2工程と、
を含むものである。
The manufacturing method of the gas sensor of the present invention includes:
A gas sensor manufacturing method comprising: a sensor element; and a film formed on a surface of the sensor element,
A first step of preparing the sensor element;
A second step of forming the coating film in the formation region by using a part of the surface of the sensor element as the formation region by the method for manufacturing a coating film according to any one of claims 1 to 5;
Is included.
この本発明のガスセンサの製造方法では、上述したいずれかの態様の本発明の被膜の製造方法により、センサ素子の表面の一部に被膜を形成する。そのため、上述した被膜の製造方法と同様に、マスクを取り外す際の被膜の剥離をより抑制する効果が得られる。これにより、ガスセンサの歩留まりが向上する。 In this gas sensor manufacturing method of the present invention, a coating film is formed on a part of the surface of the sensor element by any one of the above-described coating film manufacturing methods of the present invention. Therefore, the effect which suppresses peeling of the film at the time of removing a mask similarly to the manufacturing method of the film mentioned above is acquired. Thereby, the yield of a gas sensor improves.
次に、本発明の実施の形態の一例であるセンサ素子101を備えたガスセンサ100の概略構成について説明する。図1は、ガスセンサ100の構成の一例を概略的に示した斜視図である。図2は、図1のA−A断面図である。なお、ガスセンサ100は、例えば自動車の排気ガスなどの被測定ガスにおけるNOxなどの所定のガスの濃度を、センサ素子101により検出するものである。また、センサ素子101は長尺な直方体形状をしており、このセンサ素子101の長手方向(図1の左右方向)を前後方向とし、センサ素子101の厚み方向(図1の上下方向)を上下方向とする。また、センサ素子101の幅方向(前後方向及び上下方向に垂直な方向)を左右方向とする。なお、図1は、センサ素子101を右上前方からみた様子を示している。また、図2は、センサ素子101の左右方向の中心に沿った断面図である。 Next, a schematic configuration of the gas sensor 100 including the sensor element 101 which is an example of the embodiment of the present invention will be described. FIG. 1 is a perspective view schematically showing an example of the configuration of the gas sensor 100. FIG. 2 is a cross-sectional view taken along the line AA of FIG. The gas sensor 100 detects the concentration of a predetermined gas such as NOx in a gas to be measured such as an exhaust gas of an automobile by the sensor element 101. The sensor element 101 has a long rectangular parallelepiped shape. The longitudinal direction of the sensor element 101 (left-right direction in FIG. 1) is the front-rear direction, and the thickness direction of the sensor element 101 (up-down direction in FIG. 1) is vertical. The direction. The width direction of sensor element 101 (the direction perpendicular to the front-rear direction and the up-down direction) is the left-right direction. FIG. 1 shows the sensor element 101 as viewed from the upper right front. FIG. 2 is a cross-sectional view of the sensor element 101 taken along the center in the left-right direction.
図2に示すように、センサ素子101は、それぞれがジルコニア(ZrO2)等の酸素イオン伝導性固体電解質層からなる第1基板層1と、第2基板層2と、第3基板層3と、第1固体電解質層4と、スペーサ層5と、第2固体電解質層6との6つの層が、図面視で下側からこの順に積層された構造を有する素子である。また、これら6つの層を形成する固体電解質は緻密な気密のものである。係るセンサ素子101は、例えば、各層に対応するセラミックスグリーンシートに所定の加工および回路パターンの印刷などを行った後にそれらを積層し、さらに、焼成して一体化させることによって製造される。 As shown in FIG. 2, the sensor element 101 includes a first substrate layer 1, a second substrate layer 2, and a third substrate layer 3 each made of an oxygen ion conductive solid electrolyte layer such as zirconia (ZrO 2 ). The first solid electrolyte layer 4, the spacer layer 5, and the second solid electrolyte layer 6 are elements having a structure in which the layers are laminated in this order from the bottom in the drawing. The solid electrolyte forming these six layers is dense and airtight. The sensor element 101 is manufactured, for example, by performing predetermined processing and circuit pattern printing on a ceramic green sheet corresponding to each layer, stacking them, and firing and integrating them.
センサ素子101の一先端部(前方向の端部)であって、第2固体電解質層6の下面と第1固体電解質層4の上面との間には、ガス導入口10と、第1拡散律速部11と、緩衝空間12と、第2拡散律速部13と、第1内部空所20と、第3拡散律速部30と、第2内部空所40とが、この順に連通する態様にて隣接形成されてなる。 One end portion (front end portion) of the sensor element 101, and between the lower surface of the second solid electrolyte layer 6 and the upper surface of the first solid electrolyte layer 4, the gas inlet 10 and the first diffusion In a mode in which the rate-limiting portion 11, the buffer space 12, the second diffusion-controlling portion 13, the first internal space 20, the third diffusion-controlling portion 30, and the second internal space 40 are communicated in this order. Adjacently formed.
ガス導入口10と、緩衝空間12と、第1内部空所20と、第2内部空所40とは、スペーサ層5をくり抜いた態様にて設けられた上部を第2固体電解質層6の下面で、下部を第1固体電解質層4の上面で、側部をスペーサ層5の側面で区画されたセンサ素子101内部の空間である。 The gas introduction port 10, the buffer space 12, the first internal space 20, and the second internal space 40 are provided on the lower surface of the second solid electrolyte layer 6 with the upper portion provided in a state in which the spacer layer 5 is cut out. The space inside the sensor element 101 is defined by the lower part being the upper surface of the first solid electrolyte layer 4 and the side parts being the side surfaces of the spacer layer 5.
第1拡散律速部11と、第2拡散律速部13と、第3拡散律速部30とはいずれも、2本の横長の(図面に垂直な方向に開口が長手方向を有する)スリットとして設けられる。なお、ガス導入口10から第2内部空所40に至る部位をガス流通部とも称する。 Each of the first diffusion rate controlling unit 11, the second diffusion rate controlling unit 13, and the third diffusion rate controlling unit 30 is provided as two horizontally long slits (the opening has a longitudinal direction in a direction perpendicular to the drawing). . In addition, the site | part from the gas inlet 10 to the 2nd internal space 40 is also called a gas distribution part.
また、ガス流通部よりも先端側から遠い位置には、第3基板層3の上面と、スペーサ層5の下面との間であって、側部を第1固体電解質層4の側面で区画される位置に基準ガス導入空間43が設けられている。基準ガス導入空間43には、NOx濃度の測定を行う際の基準ガスとして、例えば大気が導入される。 Further, at a position farther from the front end side than the gas circulation part, the side part is partitioned by the side surface of the first solid electrolyte layer 4 between the upper surface of the third substrate layer 3 and the lower surface of the spacer layer 5. The reference gas introduction space 43 is provided at the position. For example, the atmosphere is introduced into the reference gas introduction space 43 as a reference gas when measuring the NOx concentration.
大気導入層48は、多孔質セラミックスからなる層であって、大気導入層48には基準ガス導入空間43を通じて基準ガスが導入されるようになっている。また、大気導入層48は、基準電極42を被覆するように形成されている。 The air introduction layer 48 is a layer made of porous ceramics, and a reference gas is introduced into the air introduction layer 48 through the reference gas introduction space 43. The air introduction layer 48 is formed so as to cover the reference electrode 42.
基準電極42は、第3基板層3の上面と第1固体電解質層4とに挟まれる態様にて形成される電極であり、上述のように、その周囲には、基準ガス導入空間43につながる大気導入層48が設けられている。また、後述するように、基準電極42を用いて第1内部空所20内や第2内部空所40内の酸素濃度(酸素分圧)を測定することが可能となっている。 The reference electrode 42 is an electrode formed in such a manner that it is sandwiched between the upper surface of the third substrate layer 3 and the first solid electrolyte layer 4. As described above, the reference electrode 42 leads to the reference gas introduction space 43. An air introduction layer 48 is provided. Further, as will be described later, it is possible to measure the oxygen concentration (oxygen partial pressure) in the first internal space 20 and the second internal space 40 using the reference electrode 42.
ガス流通部において、ガス導入口10は、外部空間に対して開口してなる部位であり、該ガス導入口10を通じて外部空間からセンサ素子101内に被測定ガスが取り込まれるようになっている。第1拡散律速部11は、ガス導入口10から取り込まれた被測定ガスに対して、所定の拡散抵抗を付与する部位である。緩衝空間12は、第1拡散律速部11より導入された被測定ガスを第2拡散律速部13へと導くために設けられた空間である。
第2拡散律速部13は、緩衝空間12から第1内部空所20に導入される被測定ガスに対して、所定の拡散抵抗を付与する部位である。被測定ガスが、センサ素子101外部から第1内部空所20内まで導入されるにあたって、外部空間における被測定ガスの圧力変動(被測定ガスが自動車の排気ガスの場合であれば排気圧の脈動)によってガス導入口10からセンサ素子101内部に急激に取り込まれた被測定ガスは、直接第1内部空所20へ導入されるのではなく、第1拡散律速部11、緩衝空間12、第2拡散律速部13を通じて被測定ガスの濃度変動が打ち消された後、第1内部空所20へ導入されるようになっている。これによって、第1内部空間へ導入される被測定ガスの濃度変動はほとんど無視できる程度のものとなる。第1内部空所20は、第2拡散律速部13を通じて導入された被測定ガス中の酸素分圧を調整するための空間として設けられている。係る酸素分圧は、主ポンプセル21が作動することによって調整される。
In the gas circulation part, the gas inlet 10 is a part opened to the external space, and the gas to be measured is taken into the sensor element 101 from the external space through the gas inlet 10. The first diffusion control unit 11 is a part that provides a predetermined diffusion resistance to the gas to be measured taken from the gas inlet 10. The buffer space 12 is a space provided to guide the gas to be measured introduced from the first diffusion rate controlling unit 11 to the second diffusion rate controlling unit 13.
The second diffusion rate limiting unit 13 is a part that imparts a predetermined diffusion resistance to the gas to be measured introduced from the buffer space 12 into the first internal space 20. When the gas to be measured is introduced from the outside of the sensor element 101 to the inside of the first internal space 20, the pressure fluctuation of the gas to be measured in the external space (exhaust pressure pulsation if the gas to be measured is an automobile exhaust gas) ), The gas to be measured that is suddenly taken into the sensor element 101 from the gas inlet 10 is not directly introduced into the first internal space 20, but the first diffusion control unit 11, the buffer space 12, the second After the concentration variation of the gas to be measured is canceled through the diffusion control unit 13, the gas is introduced into the first internal space 20. As a result, the concentration fluctuation of the gas to be measured introduced into the first internal space is almost negligible. The first internal space 20 is provided as a space for adjusting the partial pressure of oxygen in the gas to be measured introduced through the second diffusion rate limiting unit 13. The oxygen partial pressure is adjusted by the operation of the main pump cell 21.
主ポンプセル21は、第1内部空所20に面する第2固体電解質層6の下面のほぼ全面に設けられた天井電極部22aを有する内側ポンプ電極22と、第2固体電解質層6の上面の天井電極部22aと対応する領域に外部空間に露出する態様にて設けられた外側ポンプ電極23と、これらの電極に挟まれた第2固体電解質層6とによって構成されてなる電気化学的ポンプセルである。 The main pump cell 21 includes an inner pump electrode 22 having a ceiling electrode portion 22a provided on substantially the entire lower surface of the second solid electrolyte layer 6 facing the first internal space 20, and an upper surface of the second solid electrolyte layer 6. An electrochemical pump cell comprising an outer pump electrode 23 provided in a manner exposed to the external space in a region corresponding to the ceiling electrode portion 22a, and a second solid electrolyte layer 6 sandwiched between these electrodes. is there.
内側ポンプ電極22は、第1内部空所20を区画する上下の固体電解質層(第2固体電解質層6および第1固体電解質層4)、および、側壁を与えるスペーサ層5にまたがって形成されている。具体的には、第1内部空所20の天井面を与える第2固体電解質層6の下面には天井電極部22aが形成され、また、底面を与える第1固体電解質層4の上面には底部電極部22bが形成され、そして、それら天井電極部22aと底部電極部22bとを接続するように、側部電極部(図示省略)が第1内部空所20の両側壁部を構成するスペーサ層5の側壁面(内面)に形成されて、該側部電極部の配設部位においてトンネル形態とされた構造において配設されている。 The inner pump electrode 22 is formed across the upper and lower solid electrolyte layers (the second solid electrolyte layer 6 and the first solid electrolyte layer 4) that define the first inner space 20, and the spacer layer 5 that provides side walls. Yes. Specifically, a ceiling electrode portion 22a is formed on the lower surface of the second solid electrolyte layer 6 that provides the ceiling surface of the first internal space 20, and a bottom portion is formed on the upper surface of the first solid electrolyte layer 4 that provides the bottom surface. Spacer layers in which the electrode portions 22b are formed and the side electrode portions (not shown) constitute both side walls of the first internal space 20 so as to connect the ceiling electrode portions 22a and the bottom electrode portions 22b. 5 is formed on the side wall surface (inner surface), and is disposed in a tunnel-shaped structure at the portion where the side electrode portion is disposed.
内側ポンプ電極22と外側ポンプ電極23とは、多孔質サーメット電極(例えば、Auを1%含むPtとZrO2とのサーメット電極)として形成される。なお、被測定ガスに接触する内側ポンプ電極22は、被測定ガス中のNOx成分に対する還元能力を弱めた材料を用いて形成される。 The inner pump electrode 22 and the outer pump electrode 23 are formed as a porous cermet electrode (for example, a cermet electrode of Pt and ZrO 2 containing 1% of Au). The inner pump electrode 22 in contact with the gas to be measured is formed using a material that has a reduced reduction ability for the NOx component in the gas to be measured.
主ポンプセル21においては、内側ポンプ電極22と外側ポンプ電極23との間に所望のポンプ電圧Vp0を印加して、内側ポンプ電極22と外側ポンプ電極23との間に正方向あるいは負方向にポンプ電流Ip0を流すことにより、第1内部空所20内の酸素を外部空間に汲み出し、あるいは、外部空間の酸素を第1内部空所20に汲み入れることが可能となっている。 In the main pump cell 21, a desired pump voltage Vp 0 is applied between the inner pump electrode 22 and the outer pump electrode 23, and the pump current is positive or negative between the inner pump electrode 22 and the outer pump electrode 23. By flowing Ip0, oxygen in the first internal space 20 can be pumped into the external space, or oxygen in the external space can be pumped into the first internal space 20.
また、第1内部空所20における雰囲気中の酸素濃度(酸素分圧)を検出するために、内側ポンプ電極22と、第2固体電解質層6と、スペーサ層5と、第1固体電解質層4と、第3基板層3と、基準電極42によって、電気化学的なセンサセル、すなわち、主ポンプ制御用酸素分圧検出センサセル80が構成されている。 Further, in order to detect the oxygen concentration (oxygen partial pressure) in the atmosphere in the first internal space 20, the inner pump electrode 22, the second solid electrolyte layer 6, the spacer layer 5, and the first solid electrolyte layer 4. The third substrate layer 3 and the reference electrode 42 constitute an electrochemical sensor cell, that is, a main pump control oxygen partial pressure detection sensor cell 80.
主ポンプ制御用酸素分圧検出センサセル80における起電力V0を測定することで第1内部空所20内の酸素濃度(酸素分圧)がわかるようになっている。さらに、起電力V0が一定となるように可変電源25のポンプ電圧Vp0をフィードバック制御することでポンプ電流Ip0が制御されている。これによって、第1内部空所内20内の酸素濃度は所定の一定値に保つことができる。 By measuring the electromotive force V0 in the main pump control oxygen partial pressure detection sensor cell 80, the oxygen concentration (oxygen partial pressure) in the first internal space 20 can be known. Further, the pump current Ip0 is controlled by feedback-controlling the pump voltage Vp0 of the variable power source 25 so that the electromotive force V0 is constant. Thereby, the oxygen concentration in the first internal space 20 can be kept at a predetermined constant value.
第3拡散律速部30は、第1内部空所20で主ポンプセル21の動作により酸素濃度(酸素分圧)が制御された被測定ガスに所定の拡散抵抗を付与して、該被測定ガスを第2内部空所40に導く部位である。 The third diffusion control unit 30 provides a predetermined diffusion resistance to the gas under measurement whose oxygen concentration (oxygen partial pressure) is controlled by the operation of the main pump cell 21 in the first internal space 20, and the gas under measurement is supplied to the gas under measurement. This is the part that leads to the second internal space 40.
第2内部空所40は、第3拡散律速部30を通じて導入された被測定ガス中の窒素酸化物(NOx)濃度の測定に係る処理を行うための空間として設けられている。NOx濃度の測定は、主として、補助ポンプセル50により酸素濃度が調整された第2内部空所40において、さらに、測定用ポンプセル41の動作によりNOx濃度が測定される。 The second internal space 40 is provided as a space for performing a process related to the measurement of the nitrogen oxide (NOx) concentration in the gas to be measured introduced through the third diffusion control unit 30. The NOx concentration is measured mainly in the second internal space 40 in which the oxygen concentration is adjusted by the auxiliary pump cell 50, and further by measuring the pump cell 41 for measurement.
第2内部空所40では、あらかじめ第1内部空所20において酸素濃度(酸素分圧)が調整された後、第3拡散律速部を通じて導入された被測定ガスに対して、さらに補助ポンプセル50による酸素分圧の調整が行われるようになっている。これにより、第2内部空所40内の酸素濃度を高精度に一定に保つことができるため、係るガスセンサ100においては精度の高いNOx濃度測定が可能となる。 In the second internal space 40, after the oxygen concentration (oxygen partial pressure) is adjusted in the first internal space 20 in advance, the auxiliary pump cell 50 further supplies the gas to be measured introduced through the third diffusion control unit. The oxygen partial pressure is adjusted. Thereby, since the oxygen concentration in the second internal space 40 can be kept constant with high accuracy, the gas sensor 100 can measure the NOx concentration with high accuracy.
補助ポンプセル50は、第2内部空所40に面する第2固体電解質層6の下面の略全体に設けられた天井電極部51aを有する補助ポンプ電極51と、外側ポンプ電極23(外側ポンプ電極23に限られるものではなく、センサ素子101と外側の適当な電極であれば足りる)と、第2固体電解質層6とによって構成される、補助的な電気化学的ポンプセルである。 The auxiliary pump cell 50 includes an auxiliary pump electrode 51 having a ceiling electrode portion 51a provided on substantially the entire lower surface of the second solid electrolyte layer 6 facing the second internal space 40, and an outer pump electrode 23 (outer pump electrode 23). The auxiliary electrochemical pump cell is configured by the second solid electrolyte layer 6 and the sensor element 101 and an appropriate electrode on the outside.
係る補助ポンプ電極51は、先の第1内部空所20内に設けられた内側ポンプ電極22と同様なトンネル形態とされた構造において、第2内部空所40内に配設されている。つまり、第2内部空所40の天井面を与える第2固体電解質層6に対して天井電極部51aが形成され、また、第2内部空所40の底面を与える第1固体電解質層4には、底部電極部51bが形成され、そして、それらの天井電極部51aと底部電極部51bとを連結する側部電極部(図示省略)が、第2内部空所40の側壁を与えるスペーサ層5の両壁面にそれぞれ形成されたトンネル形態の構造となっている。なお、補助ポンプ電極51についても、内側ポンプ電極22と同様に、被測定ガス中のNOx成分に対する還元能力を弱めた材料を用いて形成される。 The auxiliary pump electrode 51 is disposed in the second internal space 40 in the same tunnel configuration as the inner pump electrode 22 provided in the first internal space 20. That is, the ceiling electrode portion 51 a is formed on the second solid electrolyte layer 6 that provides the ceiling surface of the second internal space 40, and the first solid electrolyte layer 4 that provides the bottom surface of the second internal space 40 is formed on the first solid electrolyte layer 4. The bottom electrode part 51b is formed, and the side electrode part (not shown) connecting the ceiling electrode part 51a and the bottom electrode part 51b is provided on the spacer layer 5 that provides the side wall of the second internal space 40. It has a tunnel-type structure formed on both wall surfaces. Note that the auxiliary pump electrode 51 is also formed using a material having a reduced reducing ability with respect to the NOx component in the gas to be measured, like the inner pump electrode 22.
補助ポンプセル50においては、補助ポンプ電極51と外側ポンプ電極23との間に所望の電圧Vp1を印加することにより、第2内部空所40内の雰囲気中の酸素を外部空間に汲み出し、あるいは、外部空間から第2内部空所40内に汲み入れることが可能となっている。 In the auxiliary pump cell 50, by applying a desired voltage Vp1 between the auxiliary pump electrode 51 and the outer pump electrode 23, oxygen in the atmosphere in the second internal space 40 is pumped to the external space, or It is possible to pump into the second internal space 40 from the space.
また、第2内部空所40内における雰囲気中の酸素分圧を制御するために、補助ポンプ電極51と、基準電極42と、第2固体電解質層6と、スペーサ層5と、第1固体電解質層4と、第3基板層3とによって電気化学的なセンサセル、すなわち、補助ポンプ制御用酸素分圧検出センサセル81が構成されている。 Further, in order to control the oxygen partial pressure in the atmosphere in the second internal space 40, the auxiliary pump electrode 51, the reference electrode 42, the second solid electrolyte layer 6, the spacer layer 5, and the first solid electrolyte. The layer 4 and the third substrate layer 3 constitute an electrochemical sensor cell, that is, an auxiliary pump control oxygen partial pressure detection sensor cell 81.
なお、この補助ポンプ制御用酸素分圧検出センサセル81にて検出される起電力V1に基づいて電圧制御される可変電源52にて、補助ポンプセル50がポンピングを行う。これにより第2内部空所40内の雰囲気中の酸素分圧は、NOxの測定に実質的に影響がない低い分圧にまで制御されるようになっている。 The auxiliary pump cell 50 performs pumping by the variable power source 52 that is voltage-controlled based on the electromotive force V1 detected by the auxiliary pump control oxygen partial pressure detection sensor cell 81. Thereby, the oxygen partial pressure in the atmosphere in the second internal space 40 is controlled to a low partial pressure that does not substantially affect the measurement of NOx.
また、これとともに、そのポンプ電流Ip1が、主ポンプ制御用酸素分圧検出センサセル80の起電力の制御に用いられるようになっている。具体的には、ポンプ電流Ip1は、制御信号として主ポンプ制御用酸素分圧検出センサセル80に入力され、その起電力V0が制御されることにより、第3拡散律速部30から第2内部空所40内に導入される被測定ガス中の酸素分圧の勾配が常に一定となるように制御されている。NOxセンサとして使用する際は、主ポンプセル21と補助ポンプセル50との働きによって、第2内部空所40内での酸素濃度は約0.001ppm程度の一定の値に保たれる。 At the same time, the pump current Ip1 is used to control the electromotive force of the oxygen partial pressure detection sensor cell 80 for main pump control. Specifically, the pump current Ip1 is input as a control signal to the main pump control oxygen partial pressure detection sensor cell 80, and the electromotive force V0 is controlled, so that the third diffusion rate limiting unit 30 controls the second internal space. The gradient of the oxygen partial pressure in the gas to be measured introduced into the gas 40 is controlled so as to be always constant. When used as a NOx sensor, the oxygen concentration in the second internal space 40 is maintained at a constant value of about 0.001 ppm by the action of the main pump cell 21 and the auxiliary pump cell 50.
測定用ポンプセル41は、第2内部空所40内において、被測定ガス中のNOx濃度の測定を行う。測定用ポンプセル41は、第2内部空所40に面する第1固体電解質層4の上面であって第3拡散律速部30から離間した位置に設けられた測定電極44と、外側ポンプ電極23と、第2固体電解質層6と、スペーサ層5と、第1固体電解質層4とによって構成された電気化学的ポンプセルである。 The measurement pump cell 41 measures the NOx concentration in the gas to be measured in the second internal space 40. The measurement pump cell 41 includes a measurement electrode 44 provided on a top surface of the first solid electrolyte layer 4 facing the second internal space 40 and spaced from the third diffusion rate-determining portion 30, an outer pump electrode 23, The electrochemical pump cell is constituted by the second solid electrolyte layer 6, the spacer layer 5, and the first solid electrolyte layer 4.
測定電極44は、多孔質サーメット電極である。測定電極44は、第2内部空所40内の雰囲気中に存在するNOxを還元するNOx還元触媒としても機能する。さらに、測定電極44は、第4拡散律速部45によって被覆されてなる。 The measurement electrode 44 is a porous cermet electrode. The measurement electrode 44 also functions as a NOx reduction catalyst that reduces NOx present in the atmosphere in the second internal space 40. Further, the measurement electrode 44 is covered with a fourth diffusion rate controlling part 45.
第4拡散律速部45は、セラミックス多孔体にて構成される膜である。第4拡散律速部45は、測定電極44に流入するNOxの量を制限する役割を担うとともに、測定電極44の保護膜としても機能する。測定用ポンプセル41においては、測定電極44の周囲の雰囲気中における窒素酸化物の分解によって生じた酸素を汲み出して、その発生量をポンプ電流Ip2として検出することができる。 The 4th diffusion control part 45 is a film | membrane comprised with a ceramic porous body. The fourth diffusion control unit 45 plays a role of limiting the amount of NOx flowing into the measurement electrode 44 and also functions as a protective film for the measurement electrode 44. In the measurement pump cell 41, oxygen generated by the decomposition of nitrogen oxides in the atmosphere around the measurement electrode 44 can be pumped out, and the generated amount can be detected as the pump current Ip2.
また、測定電極44の周囲の酸素分圧を検出するために、第1固体電解質層4と、第3基板層3と、測定電極44と、基準電極42とによって電気化学的なセンサセル、すなわち、測定用ポンプ制御用酸素分圧検出センサセル82が構成されている。測定用ポンプ制御用酸素分圧検出センサセル82にて検出された起電力V2に基づいて可変電源46が制御される。 In order to detect the oxygen partial pressure around the measurement electrode 44, an electrochemical sensor cell, that is, a first solid electrolyte layer 4, a third substrate layer 3, a measurement electrode 44, and a reference electrode 42, that is, A measurement pump control oxygen partial pressure detection sensor cell 82 is configured. The variable power supply 46 is controlled on the basis of the electromotive force V2 detected by the measurement pump control oxygen partial pressure detection sensor cell 82.
第2内部空所40内に導かれた被測定ガスは、酸素分圧が制御された状況下で第4拡散律速部45を通じて測定電極44に到達することとなる。測定電極44の周囲の被測定ガス中の窒素酸化物は還元されて(2NO→N2+O2)酸素を発生する。そして、この発生した酸素は測定用ポンプセル41によってポンピングされることとなるが、その際、測定用ポンプ制御用酸素分圧検出センサセル82にて検出された制御電圧V2が一定となるように可変電源46の電圧Vp2が制御される。測定電極44の周囲において発生する酸素の量は、被測定ガス中の窒素酸化物の濃度に比例するものであるから、測定用ポンプセル41におけるポンプ電流Ip2を用いて被測定ガス中の窒素酸化物濃度が算出されることとなる。 The gas to be measured introduced into the second internal space 40 reaches the measurement electrode 44 through the fourth diffusion rate-determining unit 45 under the condition where the oxygen partial pressure is controlled. Nitrogen oxide in the gas to be measured around the measurement electrode 44 is reduced (2NO → N 2 + O 2 ) to generate oxygen. The generated oxygen is pumped by the measurement pump cell 41. At this time, the variable power source is set so that the control voltage V2 detected by the measurement pump control oxygen partial pressure detection sensor cell 82 becomes constant. 46 voltage Vp2 is controlled. Since the amount of oxygen generated around the measurement electrode 44 is proportional to the concentration of nitrogen oxide in the gas to be measured, the nitrogen oxide in the gas to be measured using the pump current Ip2 in the measurement pump cell 41. The concentration will be calculated.
また、測定電極44と、第1固体電解質層4と、第3基板層3と基準電極42を組み合わせて、電気化学的センサセルとして酸素分圧検出手段を構成するようにすれば、測定電極44の周りの雰囲気中のNOx成分の還元によって発生した酸素の量と基準大気に含まれる酸素の量との差に応じた起電力を検出することができ、これによって被測定ガス中のNOx成分の濃度を求めることも可能である。 In addition, if the measurement electrode 44, the first solid electrolyte layer 4, the third substrate layer 3, and the reference electrode 42 are combined to form an oxygen partial pressure detecting means as an electrochemical sensor cell, The electromotive force according to the difference between the amount of oxygen generated by the reduction of the NOx component in the surrounding atmosphere and the amount of oxygen contained in the reference atmosphere can be detected, thereby the concentration of the NOx component in the gas to be measured Is also possible.
また、第2固体電解質層6と、スペーサ層5と、第1固体電解質層4と、第3基板層3と、外側ポンプ電極23と、基準電極42とから電気化学的なセンサセル83が構成されており、このセンサセル83によって得られる起電力Vrefによりセンサ外部の被測定ガス中の酸素分圧を検出可能となっている。 The second solid electrolyte layer 6, the spacer layer 5, the first solid electrolyte layer 4, the third substrate layer 3, the outer pump electrode 23, and the reference electrode 42 constitute an electrochemical sensor cell 83. The oxygen partial pressure in the gas to be measured outside the sensor can be detected by the electromotive force Vref obtained by the sensor cell 83.
このような構成を有するガスセンサ100においては、主ポンプセル21と補助ポンプセル50とを作動させることによって酸素分圧が常に一定の低い値(NOxの測定に実質的に影響がない値)に保たれた被測定ガスが測定用ポンプセル41に与えられる。したがって、被測定ガス中のNOxの濃度に略比例して、NOxの還元によって発生する酸素が測定用ポンプセル41より汲み出されることによって流れるポンプ電流Ip2に基づいて、被測定ガス中のNOx濃度を知ることができるようになっている。 In the gas sensor 100 having such a configuration, by operating the main pump cell 21 and the auxiliary pump cell 50, the oxygen partial pressure is always kept at a constant low value (a value that does not substantially affect the measurement of NOx). A gas to be measured is supplied to the measurement pump cell 41. Therefore, the NOx concentration in the measurement gas is determined based on the pump current Ip2 that flows when oxygen generated by the reduction of NOx is pumped out of the measurement pump cell 41 in proportion to the NOx concentration in the measurement gas. You can know.
さらに、センサ素子101は、固体電解質の酸素イオン伝導性を高めるために、センサ素子101を加熱して保温する温度調整の役割を担うヒータ部70を備えている。ヒータ部70は、ヒータコネクタ電極71と、ヒータ72と、スルーホール73と、ヒータ絶縁層74と、圧力放散孔75と、を備えている。 Furthermore, the sensor element 101 includes a heater unit 70 that plays a role of temperature adjustment for heating and maintaining the sensor element 101 in order to increase the oxygen ion conductivity of the solid electrolyte. The heater unit 70 includes a heater connector electrode 71, a heater 72, a through hole 73, a heater insulating layer 74, and a pressure dissipation hole 75.
ヒータコネクタ電極71は、第1基板層1の下面に接する態様にて形成されてなる電極である。ヒータコネクタ電極71を外部電源と接続することによって、外部からヒータ部70へ給電することができるようになっている。 The heater connector electrode 71 is an electrode formed so as to be in contact with the lower surface of the first substrate layer 1. By connecting the heater connector electrode 71 to an external power source, power can be supplied to the heater unit 70 from the outside.
ヒータ72は、第2基板層2と第3基板層3とに上下から挟まれた態様にて形成される電気抵抗体である。ヒータ72は、スルーホール73を介してヒータコネクタ電極71と接続されており、該ヒータコネクタ電極71を通して外部より給電されることにより発熱し、センサ素子101を形成する固体電解質の加熱と保温を行う。 The heater 72 is an electric resistor formed in a form sandwiched between the second substrate layer 2 and the third substrate layer 3 from above and below. The heater 72 is connected to the heater connector electrode 71 through the through-hole 73, and generates heat when power is supplied from the outside through the heater connector electrode 71, thereby heating and keeping the solid electrolyte forming the sensor element 101. .
また、ヒータ72は、第1内部空所20から第2内部空所40の全域に渡って埋設されており、センサ素子101全体を上記固体電解質が活性化する温度に調整することが可能となっている。 The heater 72 is embedded over the entire area from the first internal space 20 to the second internal space 40, and the entire sensor element 101 can be adjusted to a temperature at which the solid electrolyte is activated. ing.
ヒータ絶縁層74は、ヒータ72の上下面に、アルミナ等の絶縁体によって形成されてなる絶縁層である。ヒータ絶縁層74は、第2基板層2とヒータ72との間の電気的絶縁性、および、第3基板層3とヒータ72との間の電気的絶縁性を得る目的で形成されている。 The heater insulating layer 74 is an insulating layer formed on the upper and lower surfaces of the heater 72 by an insulator such as alumina. The heater insulating layer 74 is formed for the purpose of obtaining electrical insulation between the second substrate layer 2 and the heater 72 and electrical insulation between the third substrate layer 3 and the heater 72.
圧力放散孔75は、第3基板層3を貫通し、基準ガス導入空間43に連通するように設けられてなる部位であり、ヒータ絶縁層74内の温度上昇に伴う内圧上昇を緩和する目的で形成されてなる。 The pressure dissipating hole 75 is a portion that is provided so as to penetrate the third substrate layer 3 and communicate with the reference gas introduction space 43, and is for the purpose of alleviating the increase in internal pressure accompanying the temperature increase in the heater insulating layer 74. Formed.
また、センサ素子101は、図1,2に示すように、コーティング層24を備えている。コーティング層24は、センサ素子101の上面(第2固体電解質層6の上面)を被覆するコーティング層24aと、センサ素子101の下面(第1基板層1の下面)を被覆するコーティング層24bと、を備えている。なお、コーティング層24aは、外側ポンプ電極23の表面も被覆している。コーティング層24bは、センサ素子101の下面のヒータコネクタ電極71は被覆していない。そのため、コーティング層24bは、外部からヒータコネクタ電極71への電力を供給を妨げないようになっている。コーティング層24は、例えばアルミナ、ジルコニア、スピネル、コージェライト、マグネシアなどの多孔質セラミックスからなるものである。本実施形態では、コーティング層24はアルミナからなる多孔質セラミックスであるものとした。特に限定するものではないが、コーティング層24の膜厚は例えば5〜50μmであり、コーティング層24の気孔率は例えば10%〜60%である。また、コーティング層24の表面(コーティング層24aの上面及びコーティング層24bの下面)の算術平均粗さRaは2.0〜5.0μmとすることが好ましい。なお、特に限定するものではないが、コーティング層24が形成されるセンサ素子101の本体の表面(第2固体電解質層6の上面及び第1基板層1の下面)の算術平均粗さRaは、例えば0.3〜1.0μmである。 The sensor element 101 includes a coating layer 24 as shown in FIGS. The coating layer 24 includes a coating layer 24a that covers the upper surface of the sensor element 101 (the upper surface of the second solid electrolyte layer 6), a coating layer 24b that covers the lower surface of the sensor element 101 (the lower surface of the first substrate layer 1), It has. Note that the coating layer 24 a also covers the surface of the outer pump electrode 23. The coating layer 24 b does not cover the heater connector electrode 71 on the lower surface of the sensor element 101. Therefore, the coating layer 24b does not prevent the supply of electric power to the heater connector electrode 71 from the outside. The coating layer 24 is made of porous ceramics such as alumina, zirconia, spinel, cordierite, and magnesia. In the present embodiment, the coating layer 24 is a porous ceramic made of alumina. Although it does not specifically limit, the film thickness of the coating layer 24 is 5-50 micrometers, for example, and the porosity of the coating layer 24 is 10%-60%, for example. Moreover, it is preferable that arithmetic mean roughness Ra of the surface (the upper surface of the coating layer 24a, and the lower surface of the coating layer 24b) of the coating layer 24 shall be 2.0-5.0 micrometers. Although not particularly limited, the arithmetic average roughness Ra of the surface of the main body of the sensor element 101 on which the coating layer 24 is formed (the upper surface of the second solid electrolyte layer 6 and the lower surface of the first substrate layer 1) is: For example, it is 0.3 to 1.0 μm.
また、センサ素子101は、図1,2に示すように、一部が多孔質保護部90により被覆されている。多孔質保護部90は、センサ素子101の6個の表面のうち5面にそれぞれ形成された多孔質保護層91a〜91eを備えている。多孔質保護層91aは、センサ素子101の上面(コーティング層24aの上面)の一部を被覆している。多孔質保護層91bは、センサ素子101の下面(コーティング層24bの下面)の一部を被覆している。多孔質保護層91cは、センサ素子101の左面の一部を被覆している。多孔質保護層91dは、センサ素子101の右面の一部を被覆している。多孔質保護層91eは、センサ素子101の前端面の全面を被覆している。なお、多孔質保護層91a〜91dの各々は、自身が形成されているセンサ素子101の表面のうち、センサ素子101の前端面から後方に向かって距離L(図2参照)までの領域を全て覆っている。また、多孔質保護層91aは、外側ポンプ電極23が形成された部分も被覆している。多孔質保護層91eは、ガス導入口10も覆っているが、多孔質保護層91eが多孔質体であるため、被測定ガスは多孔質保護層91eの内部を流通してガス導入口に到達可能である。多孔質保護部90は、センサ素子101の一部(センサ素子101の前端面から距離Lまでの部分)を被覆して、その部分を保護するものである。多孔質保護部90は、例えば被測定ガス中の水分等が付着してセンサ素子101にクラックが生じるのを抑制する役割を果たす。また、多孔質保護層91aは、被測定ガスに含まれるオイル成分等が外側ポンプ電極23に付着するのを抑制して、外側ポンプ電極23の劣化を抑制する役割を果たす。なお、距離Lは、ガスセンサ100においてセンサ素子101が被測定ガスに晒される範囲や、外側ポンプ電極23の位置などに基づいて、(0<距離L<センサ素子の長手方向の長さ)の範囲で定められている。以下では、多孔質保護層91a〜91eを特に区別しない場合には多孔質保護層91と表記する場合がある。 Further, as shown in FIGS. 1 and 2, the sensor element 101 is partially covered with a porous protective part 90. The porous protection part 90 includes porous protection layers 91a to 91e formed on five surfaces of the six surfaces of the sensor element 101, respectively. The porous protective layer 91a covers a part of the upper surface of the sensor element 101 (the upper surface of the coating layer 24a). The porous protective layer 91b covers a part of the lower surface of the sensor element 101 (the lower surface of the coating layer 24b). The porous protective layer 91 c covers a part of the left surface of the sensor element 101. The porous protective layer 91d covers a part of the right surface of the sensor element 101. The porous protective layer 91e covers the entire front end surface of the sensor element 101. In addition, each of the porous protective layers 91a to 91d is the entire surface from the front end face of the sensor element 101 to the distance L (see FIG. 2) in the surface of the sensor element 101 on which the porous protective layers 91a to 91d are formed. Covering. The porous protective layer 91a also covers the portion where the outer pump electrode 23 is formed. The porous protective layer 91e also covers the gas inlet 10, but since the porous protective layer 91e is a porous body, the gas to be measured flows through the porous protective layer 91e and reaches the gas inlet. Is possible. The porous protection part 90 covers a part of the sensor element 101 (a part from the front end surface of the sensor element 101 to the distance L) and protects the part. The porous protection unit 90 plays a role of suppressing the occurrence of cracks in the sensor element 101 due to, for example, moisture in the gas to be measured attached thereto. Further, the porous protective layer 91a plays a role of suppressing deterioration of the outer pump electrode 23 by suppressing oil components and the like contained in the measurement gas from adhering to the outer pump electrode 23. The distance L is a range of (0 <distance L <length in the longitudinal direction of the sensor element) based on the range in which the sensor element 101 is exposed to the gas to be measured in the gas sensor 100, the position of the outer pump electrode 23, and the like. Stipulated in Hereinafter, the porous protective layers 91a to 91e may be referred to as the porous protective layer 91 unless particularly distinguished.
なお、本実施形態では、図1に示すように、センサ素子101は前後方向の長さと、左右方向の幅と、上下方向の厚さとがそれぞれ異なっており、長さ>幅>厚さとなっている。また、距離Lはセンサ素子101の幅及び厚さよりも大きい値であるものとした。そのため、多孔質保護層91a〜91eのうち、多孔質保護層91a,91bの形成面積(=距離L×センサ素子101の幅)が最も広く、次に多孔質保護層91c,91dの形成面積(=距離L×センサ素子101の厚さ)が広く、多孔質保護層91eの形成面積(=センサ素子101の幅×厚さ)が最も狭い。 In the present embodiment, as shown in FIG. 1, the sensor element 101 has a length in the front-rear direction, a width in the left-right direction, and a thickness in the vertical direction, and length> width> thickness. Yes. Further, the distance L is assumed to be larger than the width and thickness of the sensor element 101. Therefore, among the porous protection layers 91a to 91e, the formation area of the porous protection layers 91a and 91b (= distance L × width of the sensor element 101) is the largest, and then the formation area of the porous protection layers 91c and 91d ( = Distance L × thickness of sensor element 101) is wide, and the formation area of porous protective layer 91e (= width of sensor element 101 × thickness) is the narrowest.
多孔質保護層91は、例えばアルミナ多孔質体、ジルコニア多孔質体、スピネル多孔質体、コージェライト多孔質体、チタニア多孔質体、マグネシア多孔質体などの多孔質体からなるものである。本実施形態では、多孔質保護層91はアルミナ多孔質体からなるものとした。特に限定するものではないが、多孔質保護層91の膜厚t(図2参照)は例えば100〜700μmであり、多孔質保護層91の気孔率は例えば10%〜40%である。なお、密着力が高くなるため、コーティング層24a,24bと、その表面に形成される多孔質保護層91a,91bとは、同じ材質であることが好ましい。また、本実施形態では、多孔質保護層91a〜91eの膜厚tはいずれも同じ値とした。 The porous protective layer 91 is made of a porous material such as an alumina porous material, a zirconia porous material, a spinel porous material, a cordierite porous material, a titania porous material, or a magnesia porous material. In the present embodiment, the porous protective layer 91 is made of an alumina porous body. Although not particularly limited, the thickness t (see FIG. 2) of the porous protective layer 91 is, for example, 100 to 700 μm, and the porosity of the porous protective layer 91 is, for example, 10% to 40%. In addition, since adhesive force becomes high, it is preferable that coating layer 24a, 24b and the porous protective layers 91a and 91b formed in the surface are the same materials. In the present embodiment, the thickness t of the porous protective layers 91a to 91e is the same value.
次に、こうしたガスセンサ100の製造方法について説明する。ガスセンサ100の製造方法は、センサ素子101を用意する第1工程と、センサ素子101の表面の一部を形成領域102として、形成領域102に被膜としての多孔質保護層91a〜91dを形成する第2工程と、を含む。 Next, a method for manufacturing the gas sensor 100 will be described. The manufacturing method of the gas sensor 100 includes a first step of preparing the sensor element 101, a first step of forming porous protective layers 91 a to 91 d as coatings in the formation region 102 using a part of the surface of the sensor element 101 as the formation region 102. 2 steps.
最初に、第1工程について説明する。第1工程では、多孔質保護部90を形成する前のセンサ素子101を製造することで、センサ素子101を用意する。まず、6枚の未焼成のセラミックスグリーンシートを用意する。そして、第1基板層1と、第2基板層2と、第3基板層3と、第1固体電解質層4と、スペーサ層5と、第2固体電解質層6のそれぞれに対応して、各セラミックスグリーンシートに電極や絶縁層、抵抗発熱体等のパターンを印刷する。また、第2固体電解質層6となるセラミックスグリーンシートの表面(センサ素子101の上面となる面)には、焼成後にコーティング層24aとなるペーストをスクリーン印刷する。同様に、第1基板層1となるセラミックスグリーンシートの表面(センサ素子101の下面となる面)には、焼成後にコーティング層24bとなるペーストをスクリーン印刷する。なお、コーティング層24a,24bとなるペーストは、上述したコーティング層24の材質からなる原料粉末(本実施形態ではアルミナの粉末)と、有機バインダー及び有機溶剤等を混合したものを用いる。また、このペーストは、焼成後のコーティング層24の表面の算術平均粗さRaが2.0〜5.0μmとなるように、予め調整しておくことが好ましい。特にこれに限定するものではないが、例えば、原料粉末の粒径をD50=2〜20μm,体積割合を5〜20vol%とし、バインダー溶液を20〜40vol%とし、助溶剤を30〜50vol%とし、分散剤を1〜5vol%としてこれらを調合し、回転数を50〜250rpmとして2〜6時間混合したペーストを用いることで、焼成後のコーティング層24の表面の算術平均粗さRaを2.0〜5.0μmとすることができる。このように各種のパターンを形成したあと、グリーンシートを乾燥する。その後、それらを積層して積層体とする。こうして得られた積層体は、複数個のセンサ素子101を包含したものである。その積層体を切断してセンサ素子101の大きさに切り分け、所定の焼成温度で焼成して、センサ素子101を得る。なお、複数のグリーンシートを積層してセンサ素子101を製造する方法は公知であり、例えば特開2008−164411号公報,特開2009−175099号公報などに記載されている。なお、第1工程では、センサ素子101を製造する代わりに、製造済みのセンサ素子101を用意してもよい。 First, the first step will be described. In the first step, the sensor element 101 is prepared by manufacturing the sensor element 101 before forming the porous protection part 90. First, six green ceramic green sheets are prepared. And each corresponding to each of the 1st substrate layer 1, the 2nd substrate layer 2, the 3rd substrate layer 3, the 1st solid electrolyte layer 4, the spacer layer 5, and the 2nd solid electrolyte layer 6, A pattern such as an electrode, an insulating layer, and a resistance heating element is printed on the ceramic green sheet. Further, a paste that becomes the coating layer 24a after firing is screen-printed on the surface of the ceramic green sheet that becomes the second solid electrolyte layer 6 (the surface that becomes the upper surface of the sensor element 101). Similarly, a paste that becomes the coating layer 24b after firing is screen-printed on the surface of the ceramic green sheet that becomes the first substrate layer 1 (the surface that becomes the lower surface of the sensor element 101). The paste used as the coating layers 24a and 24b is a mixture of the raw material powder (alumina powder in this embodiment) made of the material of the coating layer 24 described above, an organic binder, an organic solvent, and the like. The paste is preferably adjusted in advance so that the arithmetic average roughness Ra of the surface of the coating layer 24 after firing is 2.0 to 5.0 μm. Although not particularly limited thereto, for example, the particle size of the raw material powder is D50 = 2 to 20 μm, the volume ratio is 5 to 20 vol%, the binder solution is 20 to 40 vol%, and the cosolvent is 30 to 50 vol%. The paste is prepared by mixing 1 to 5 vol% of the dispersant and mixing the mixture for 2 to 6 hours at a rotation speed of 50 to 250 rpm, so that the arithmetic average roughness Ra of the surface of the coating layer 24 after firing is 2. It can be set to 0-5.0 micrometers. After forming various patterns in this way, the green sheet is dried. Then, they are laminated to form a laminate. The laminated body thus obtained includes a plurality of sensor elements 101. The laminate is cut into pieces of the sensor element 101 and fired at a predetermined firing temperature to obtain the sensor element 101. A method of manufacturing the sensor element 101 by laminating a plurality of green sheets is known, and is described in, for example, Japanese Patent Application Laid-Open Nos. 2008-164411 and 2009-175099. In the first step, the manufactured sensor element 101 may be prepared instead of manufacturing the sensor element 101.
次に、第2工程について説明する。第2工程は、(a)多孔質保護層91a〜91dの形成領域102と隣接する非形成領域103を覆うようにマスク110を配置する工程と、(b)プラズマ溶射により形成領域102に多孔質保護層91a〜91dを形成する工程と、(c)マスク110を取り外す工程と、を含む。 Next, the second step will be described. The second step includes (a) a step of disposing a mask 110 so as to cover the non-formation region 103 adjacent to the formation region 102 of the porous protective layers 91a to 91d, and (b) porous in the formation region 102 by plasma spraying. Forming the protective layers 91a to 91d, and (c) removing the mask 110.
まず、工程(a)で用いるマスク110について説明する。図3は、マスク110の説明図である。図3(a)は、マスク110を右上前方からみた斜視図であり、図3(b)は、図3(a)のB視図である。マスク110は、内部空間112cにセンサ素子101を挿入することで、センサ素子101のうち多孔質保護層91a〜91dを形成する形成領域102以外の非形成領域103を覆うための部材である。マスク110は、略直方体の箱状の部材であり、本体部112と、底部113と、隙間形成部114と、を備えている。本体部112は、前方の端面である本体部端面112aと、本体部端面112aに形成された本体部開口112bと、本体部開口112bから底部113まで形成された略直方体の内部空間112cと、を備えている。本体部開口112bの上下高さ及び左右幅はセンサ素子101とほぼ同じ寸法になっており、内部空間112cはこの本体部開口112bからセンサ素子101を挿入可能になっている。底部113は、本体部112の後端に接続された板状の部材であり、内部空間112cの後端を塞いでいる。隙間形成部114は、本体部112の本体部端面112aよりも前方に形成されている。また、隙間形成部114は、本体部112から前方に突出する四角い枠形状の部材であり、前端面に隙間形成部開口115を形成している。隙間形成部114は、本体部112の前端のうち本体部端面112aよりも上側から前方に突出した隙間形成部114aと、本体部112の前端のうち本体部端面112aよりも下側から前方に突出した隙間形成部114bと、本体部112の前端のうち本体部端面112aよりも左側から前方に突出した隙間形成部114cと、本体部112の前端のうち本体部端面112aよりも右側から前方に突出した隙間形成部114dと、を備えている。この隙間形成部114a〜114dと本体部端面112aとで囲まれた空間は隙間形成部開口115で外部に開口していると共に、本体部開口112bを介して内部空間112cと連通している。なお、隙間形成部開口115は本体部開口112bよりも面積が広い。隙間形成部114aの上面は、本体部112の上面と同一平面上に位置している。隙間形成部114b,114c,114dの下面,左面,右面についても、それぞれ同様に本体部112の下面,左面,右面と同一平面上に位置している。隙間形成部114aの下面(隙間形成部114の内周面のうちの上側の面)は、本体部開口112bよりも高さTだけ上方に位置している(図3(b)参照)。隙間形成部114b,114c,114dの上面,右面,左面についても、それぞれ同様に本体部開口112bよりも高さTだけ下方,左方,右方に位置している。また、隙間形成部114a〜114dの前端面は同一平面上にあり、前端面から本体部端面112aまでが長さMだけ離れている(図3(a)参照)。 First, the mask 110 used in the step (a) will be described. FIG. 3 is an explanatory diagram of the mask 110. FIG. 3A is a perspective view of the mask 110 as viewed from the upper right front, and FIG. 3B is a B view of FIG. 3A. The mask 110 is a member for covering the non-formation region 103 other than the formation region 102 in which the porous protective layers 91a to 91d are formed in the sensor element 101 by inserting the sensor element 101 into the internal space 112c. The mask 110 is a substantially rectangular parallelepiped box-shaped member, and includes a main body portion 112, a bottom portion 113, and a gap forming portion 114. The main body 112 includes a main body end surface 112a which is a front end surface, a main body opening 112b formed in the main body end surface 112a, and a substantially rectangular parallelepiped internal space 112c formed from the main body opening 112b to the bottom 113. I have. The main body opening 112b has substantially the same height and width as the sensor element 101, and the internal space 112c can be inserted into the sensor element 101 through the main body opening 112b. The bottom 113 is a plate-like member connected to the rear end of the main body 112, and closes the rear end of the internal space 112c. The gap forming portion 114 is formed in front of the main body portion end surface 112 a of the main body portion 112. The gap forming portion 114 is a square frame-shaped member that protrudes forward from the main body portion 112, and forms a gap forming portion opening 115 on the front end surface. The gap forming part 114 protrudes forward from the front side of the main body part 112 from the upper side of the main body part end surface 112a, and the front part of the main body part 112 protrudes from the lower side to the front side of the main body part end surface 112a. The gap forming portion 114b, the gap forming portion 114c protruding forward from the left side of the main body portion end surface 112a among the front ends of the main body portion 112, and the front end of the main body portion 112 protruding forward from the right side of the main body portion end surface 112a. 114d. A space surrounded by the gap forming portions 114a to 114d and the main body end surface 112a is opened to the outside through the gap forming portion opening 115 and communicates with the internal space 112c through the main body portion opening 112b. The gap forming portion opening 115 has a larger area than the main body portion opening 112b. The upper surface of the gap forming portion 114 a is located on the same plane as the upper surface of the main body portion 112. Similarly, the lower surface, the left surface, and the right surface of the gap forming portions 114b, 114c, and 114d are located on the same plane as the lower surface, the left surface, and the right surface of the main body portion 112, respectively. The lower surface of the gap forming portion 114a (the upper surface of the inner peripheral surface of the gap forming portion 114) is positioned above the main body opening 112b by a height T (see FIG. 3B). Similarly, the upper surface, the right surface, and the left surface of the gap forming portions 114b, 114c, and 114d are respectively positioned below, left, and right by a height T from the main body opening 112b. The front end surfaces of the gap forming portions 114a to 114d are on the same plane, and the length from the front end surface to the main body end surface 112a is separated by a length M (see FIG. 3A).
なお、マスク110の材質は、例えばSUS(ステンレス鋼),炭素鋼,クロムモリブデン鋼などの金属製の部材である。マスク110は、樹脂製の部材としてもよい。マスク110に用いる樹脂としては、プラズマ溶射に使用できる耐熱性を有する耐熱性樹脂が好ましく、例えばテフロン(登録商標)(ポリテトラフルオロエチレン)などのフッ素樹脂,ナイロン(登録商標)などが挙げられる。また、マスク110に用いる樹脂としては、撥水性樹脂が好ましく、例えばテフロンなどのフッ素樹脂,ナイロンなどが挙げられる。また、マスク110は、表面が撥水コーティングされていてもよい。撥水コーティングの材質としては、耐熱性を有するものが好ましく、例えばテフロンやナイロンなどの撥水性樹脂,DLC(ダイヤモンドライクカーボン),Si含有DLCなどが挙げられる。マスク110が撥水性樹脂製であるか又はマスク110が撥水コーティングされていることで、工程(b)における多孔質保護層91の形成材料である粉末溶射材料134(後述)のマスク110への付着が抑制されるため、工程(c)でマスク110を取り外す際の多孔質保護層91の剥離をより抑制することができる。また、本実施形態では、本体部112と隙間形成部114とは一体形成された部材であり、本体部112に底部113を例えば溶接やボルト等で取り付けたものとした。ただし、これに限らず本体部112と隙間形成部114とが別部材であってもよいし、本体部112と底部113とが一体形成された部材であってもよい。また、隙間形成部114a〜114dが一体形成されておらず互いに別の部材であってもよい。 The material of the mask 110 is a metal member such as SUS (stainless steel), carbon steel, or chromium molybdenum steel. The mask 110 may be a resin member. The resin used for the mask 110 is preferably a heat-resistant resin having heat resistance that can be used for plasma spraying, and examples thereof include fluororesins such as Teflon (registered trademark) (polytetrafluoroethylene), nylon (registered trademark), and the like. The resin used for the mask 110 is preferably a water-repellent resin, and examples thereof include fluororesins such as Teflon and nylon. Further, the surface of the mask 110 may be water repellent coated. The material of the water-repellent coating is preferably one having heat resistance, and examples thereof include water-repellent resins such as Teflon and nylon, DLC (diamond-like carbon), Si-containing DLC, and the like. Since the mask 110 is made of water-repellent resin or the mask 110 is coated with water-repellent coating, a powder sprayed material 134 (described later), which is a material for forming the porous protective layer 91 in the step (b), is applied to the mask 110. Since adhesion is suppressed, peeling of the porous protective layer 91 when removing the mask 110 in the step (c) can be further suppressed. Further, in the present embodiment, the main body 112 and the gap forming portion 114 are integrally formed members, and the bottom 113 is attached to the main body 112 with, for example, welding or bolts. However, the present invention is not limited thereto, and the main body portion 112 and the gap forming portion 114 may be separate members, or a member in which the main body portion 112 and the bottom portion 113 are integrally formed. Further, the gap forming portions 114a to 114d are not integrally formed and may be members different from each other.
次に、マスク110を用いた第2工程について説明する。図4,5は、マスク110を用いた第2工程の説明図である。まず、工程(a)では、第1工程で用意したセンサ素子101とマスク110とを用意し(図4(a))、マスク110の本体部開口112bから内部空間112c内にセンサ素子101の後端を挿入して、マスク110を位置決めする(図4(b))。 Next, the second process using the mask 110 will be described. 4 and 5 are explanatory diagrams of the second process using the mask 110. FIG. First, in the step (a), the sensor element 101 and the mask 110 prepared in the first step are prepared (FIG. 4A), and the sensor element 101 is inserted into the internal space 112c from the main body opening 112b of the mask 110. The end is inserted to position the mask 110 (FIG. 4B).
工程(a)によりマスク110を配置した状態におけるセンサ素子101とマスク110との位置関係について説明する。図6は、図4(b)のC−C断面図であり、図7は、図4(b)のD−D断面図である。なお、図6は、センサ素子101の左右方向の中心に沿った断面図であり、隙間形成部開口115に垂直且つ上下方向に平行な断面でみたときの様子を示している。また、図6にはプラズマ溶射に用いるプラズマガン120や多孔質保護層91aも示しているが、これについては後述する。図7は、センサ素子101の上下方向の中心に沿った断面図であり、隙間形成部開口115に垂直且つ左右方向に平行な断面でみたときの様子を示している。図6,7に示すように、工程(a)では、センサ素子101の後端が底部113に接するようにセンサ素子101を内部空間112c内に挿入して、マスク110を位置決め(配置)する。ここで、マスク110の前端面から内部空間112c(図3参照)の後端までの距離は、(センサ素子の長手方向の長さ−距離L)となるように予め定められている。これにより、図6に示すように、センサ素子101の上面のうち前端面から後方に向かって距離Lまでの領域である形成領域102aはマスク110に覆われず、上面のうちそれ以外の領域である非形成領域103aがマスク110に覆われる。同様に、センサ素子101の下面のうち前端面から後方に向かって距離Lまでの領域である形成領域102bはマスク110に覆われず、下面のうちそれ以外の領域である非形成領域103bがマスク110に覆われる。センサ素子101の左面及び右面についても同様に、形成領域102c,102dはマスク110に覆われず、非形成領域103c,103dがマスク110に覆われる。(図7参照)。なお、形成領域102a〜102d,非形成領域103a〜103dを特に区別しない場合にはそれぞれ形成領域102,非形成領域103と表記する場合がある。 A positional relationship between the sensor element 101 and the mask 110 in a state where the mask 110 is arranged in the step (a) will be described. 6 is a cross-sectional view taken along the line CC in FIG. 4B, and FIG. 7 is a cross-sectional view taken along the line DD in FIG. FIG. 6 is a cross-sectional view taken along the center in the left-right direction of the sensor element 101, and shows a state when viewed in a cross section perpendicular to the gap forming portion opening 115 and parallel to the vertical direction. FIG. 6 also shows a plasma gun 120 and a porous protective layer 91a used for plasma spraying, which will be described later. FIG. 7 is a cross-sectional view taken along the vertical center of the sensor element 101, and shows a state when viewed in a cross-section perpendicular to the gap forming portion opening 115 and parallel to the left-right direction. As shown in FIGS. 6 and 7, in step (a), the sensor element 101 is inserted into the internal space 112c so that the rear end of the sensor element 101 is in contact with the bottom 113, and the mask 110 is positioned (arranged). Here, the distance from the front end face of the mask 110 to the rear end of the internal space 112c (see FIG. 3) is predetermined so as to be (length of sensor element in the longitudinal direction−distance L). As a result, as shown in FIG. 6, the formation region 102 a, which is a region from the front end surface to the distance L in the rear surface of the upper surface of the sensor element 101, is not covered with the mask 110. A certain non-formation region 103 a is covered with the mask 110. Similarly, the formation region 102b that is the region from the front end surface to the distance L toward the rear side of the lower surface of the sensor element 101 is not covered with the mask 110, and the non-formation region 103b that is the other region of the lower surface is masked 110. Similarly, on the left surface and the right surface of the sensor element 101, the formation regions 102c and 102d are not covered with the mask 110, and the non-formation regions 103c and 103d are covered with the mask 110. (See FIG. 7). Note that the formation regions 102a to 102d and the non-formation regions 103a to 103d may be referred to as the formation region 102 and the non-formation region 103, respectively, unless otherwise distinguished.
また、マスク110は、上述した隙間形成部114aを有しており、図6の状態では隙間形成部114aは形成領域102a側(前側)に突出している。これにより、隙間形成部114aの下面とセンサ素子101の上面(非形成領域103a)とで挟まれた隙間116aが形成されている。この隙間116aは、非形成領域103aのうち形成領域102a側の端部(前端)で形成領域102a側に開口した隙間開口117aを有する隙間(空間)である。この隙間116aの前端部の隙間開口117aの高さ、すなわち、隙間形成部114aの前下端とセンサ素子101の上面との距離は、上述した高さTと同じである。また、図6の断面における、非形成領域103aのうち隙間116aに露出している部分の前後方向の長さは、上述した長さMと同じである。隙間116aは、図6の断面において面積S(=高さT×長さM)を有する四角形状の領域である。このように、工程(a)では、隙間形成部114aにより、高さT,長さM,面積Sの隙間116aを形成するように、センサ素子101にマスク110を配置するのである。同様に、隙間形成部114bにより、非形成領域103bのうち形成領域102b側の端部(前端)で形成領域102b側に開口した隙間開口117bを有する隙間116bが形成される。また、図7に示すように、隙間形成部114c,114dにより、非形成領域103c,103dのうち形成領域102c,102d側の端部(前端)で形成領域102c,102d側に開口した隙間開口117c,117dを有する隙間116c,116dがそれぞれ形成される。隙間開口117a〜117dは、図3で示した隙間形成部開口115の一部である。本実施形態では、図6,7の断面における隙間116b〜116dは、いずれも高さT,長さM,面積Sの値が隙間116aと同じであるものとした。なお、隙間116a〜116d、隙間開口117a〜117dを特に区別しない場合にはそれぞれ隙間116,隙間開口117と表記する場合がある。 Further, the mask 110 has the above-described gap forming portion 114a. In the state shown in FIG. 6, the gap forming portion 114a protrudes toward the forming region 102a (front side). Thus, a gap 116a is formed that is sandwiched between the lower surface of the gap forming portion 114a and the upper surface (non-forming region 103a) of the sensor element 101. The gap 116a is a gap (space) having a gap opening 117a that opens toward the formation region 102a at the end (front end) on the formation region 102a side of the non-formation region 103a. The height of the gap opening 117a at the front end portion of the gap 116a, that is, the distance between the front lower end of the gap forming portion 114a and the upper surface of the sensor element 101 is the same as the height T described above. In the cross section of FIG. 6, the length in the front-rear direction of the portion exposed to the gap 116 a in the non-forming region 103 a is the same as the length M described above. The gap 116a is a quadrangular region having an area S (= height T × length M) in the cross section of FIG. Thus, in the step (a), the mask 110 is arranged on the sensor element 101 so that the gap 116a having the height T, the length M, and the area S is formed by the gap forming portion 114a. Similarly, the gap forming portion 114b forms a gap 116b having a gap opening 117b opened to the forming region 102b side at the end (front end) on the forming region 102b side of the non-forming region 103b. Further, as shown in FIG. 7, the gap forming portions 114c and 114d allow the gap opening 117c opened to the forming regions 102c and 102d at the end (front end) on the forming regions 102c and 102d side of the non-forming regions 103c and 103d. , 117d having gaps 116c, 116d, respectively, are formed. The gap openings 117a to 117d are a part of the gap forming part opening 115 shown in FIG. In the present embodiment, the gaps 116b to 116d in the cross sections of FIGS. 6 and 7 are all the same in height T, length M, and area S as the gap 116a. Note that the gaps 116a to 116d and the gap openings 117a to 117d may be referred to as the gap 116 and the gap opening 117, respectively, unless they are particularly distinguished.
ここで、隙間116aの高さTは、工程(b)で形成する多孔質保護層91aの膜厚tよりも大きい。隙間116b〜116dについても同様に、対応する多孔質保護層91b〜91dのそれぞれの膜厚tよりも大きい。また、隙間116の高さTは膜厚tの2倍以上であることが好ましい。また、長さMは1mm以上であり、面積Sは0.2mm2以上である。 Here, the height T of the gap 116a is larger than the film thickness t of the porous protective layer 91a formed in the step (b). Similarly, the gaps 116b to 116d are larger than the film thickness t of the corresponding porous protective layers 91b to 91d. Further, the height T of the gap 116 is preferably at least twice the film thickness t. The length M is 1 mm or more, and the area S is 0.2 mm 2 or more.
工程(a)を行うと、次に、プラズマ溶射により形成領域102a〜102dに多孔質保護層91a〜91dを形成する工程(b)を行う。プラズマガン120を用いたプラズマ溶射について、図6を用いて説明する。図6では、例として多孔質保護層91aを形成する様子を示しており、プラズマガン120を断面で示している。プラズマガン120は、プラズマを発生させる電極となるアノード126及びカソード128と、それらを覆う略円筒状の外周部122と、を備えている。外周部122は、アノード126と絶縁するための絶縁部(インシュレータ)123を備えている。外周部122の下端には、多孔質保護層91の形成材料である粉末溶射材料134を供給するための粉末供給部132が形成されている。外周部122とアノード126との間には水冷ジャケット124が設けられており、これによりアノード126を冷却可能となっている。アノード126は筒状に形成されており、下方に向けて開口したノズル126aを有している。アノード126とカソード128との間には、上方からプラズマ発生用ガス130が供給される。なお、このようなプラズマガン120は公知であり、例えば上述した特許文献1に記載されている。 Once the step (a) is performed, the step (b) of forming the porous protective layers 91a to 91d in the formation regions 102a to 102d by plasma spraying is then performed. Plasma spraying using the plasma gun 120 will be described with reference to FIG. FIG. 6 shows a state in which the porous protective layer 91a is formed as an example, and the plasma gun 120 is shown in cross section. The plasma gun 120 includes an anode 126 and a cathode 128 that serve as electrodes for generating plasma, and a substantially cylindrical outer peripheral portion 122 that covers them. The outer peripheral portion 122 includes an insulating portion (insulator) 123 for insulating from the anode 126. At the lower end of the outer peripheral portion 122, a powder supply portion 132 for supplying a powder sprayed material 134 that is a material for forming the porous protective layer 91 is formed. A water cooling jacket 124 is provided between the outer peripheral portion 122 and the anode 126, thereby enabling the anode 126 to be cooled. The anode 126 is formed in a cylindrical shape, and has a nozzle 126a that opens downward. A plasma generating gas 130 is supplied between the anode 126 and the cathode 128 from above. Such a plasma gun 120 is known and is described in, for example, Patent Document 1 described above.
多孔質保護層91aを形成する際には、プラズマガン120のアノード126とカソード128との間に電圧を印加し、供給されたプラズマ発生用ガス130の存在下でアーク放電を行って、プラズマ発生用ガス130を高温のプラズマ状態にする。プラズマ状態となったガスは、高温且つ高速のプラズマジェットとしてノズル126aから図6の下方へ噴出する。一方、粉末供給部132からは、キャリアガスと共に粉末溶射材料134を供給する。これにより、粉末溶射材料134はプラズマにより加熱溶融及び加速されてセンサ素子101の表面(上面)に衝突し、急速固化することで、多孔質保護層91aが形成される。なお、プラズマ溶射は、例えば大気及び常温の雰囲気にて行う。また、特に限定するものではないが、プラズマガン120の溶射の向き(ノズル126aの向き)は、センサ素子101における多孔質保護層91aの形成面(形成領域102a)に対して30°〜90°である。本実施形態では90°(ノズル126aの向きがセンサ素子101の上面に対して垂直)とした。 When the porous protective layer 91a is formed, a voltage is applied between the anode 126 and the cathode 128 of the plasma gun 120, and arc discharge is performed in the presence of the supplied plasma generating gas 130 to generate plasma. The working gas 130 is brought into a high temperature plasma state. The gas in a plasma state is ejected from the nozzle 126a downward as shown in FIG. 6 as a high-temperature and high-speed plasma jet. On the other hand, the powder spraying material 134 is supplied from the powder supply unit 132 together with the carrier gas. Accordingly, the powder sprayed material 134 is heated and melted and accelerated by the plasma, collides with the surface (upper surface) of the sensor element 101, and rapidly solidifies to form the porous protective layer 91a. Note that the plasma spraying is performed, for example, in an atmosphere of air and room temperature. Although not particularly limited, the direction of thermal spraying of the plasma gun 120 (the direction of the nozzle 126a) is 30 ° to 90 ° with respect to the formation surface (formation region 102a) of the porous protective layer 91a in the sensor element 101. It is. In this embodiment, the angle is 90 ° (the direction of the nozzle 126a is perpendicular to the upper surface of the sensor element 101).
ここで、プラズマ発生用ガス130としては、例えばアルゴンガスなどの不活性ガスを用いることができる。また、プラズマが発生しやすくなるため、アルゴンと水素とを混合したものをプラズマ発生用ガス130とすることが好ましい。特に限定するものではないが、アルゴンガスの流量は例えば40〜50L/minであり、水素の流量は例えば9〜11L/minである。アノード126とカソード128との間に印加する電圧は、例えば50〜70Vの直流電圧であり、電流は例えば500〜550Aである。 Here, as the plasma generating gas 130, for example, an inert gas such as an argon gas can be used. Further, since plasma is easily generated, it is preferable to use a mixture of argon and hydrogen as the plasma generating gas 130. Although not particularly limited, the flow rate of argon gas is, for example, 40 to 50 L / min, and the flow rate of hydrogen is, for example, 9 to 11 L / min. The voltage applied between the anode 126 and the cathode 128 is a DC voltage of 50 to 70 V, for example, and the current is 500 to 550 A, for example.
粉末溶射材料134は、上述した多孔質保護層91の材料となる粉末であり、本実施形態ではアルミナ粉末とした。特に限定するものではないが、粉末溶射材料134の粒径は例えば10μm〜30μmである。粉末溶射材料134の供給に用いるキャリアガスとしては、例えばプラズマ発生用ガス130と同じアルゴンガスを用いることができる。特に限定するものではないが、キャリアガスの流量は例えば3〜4L/minである。 The powder sprayed material 134 is a powder that becomes the material of the porous protective layer 91 described above, and is alumina powder in this embodiment. Although it does not specifically limit, the particle size of the powder spraying material 134 is 10 micrometers-30 micrometers, for example. As the carrier gas used for supplying the powder spray material 134, for example, the same argon gas as the plasma generating gas 130 can be used. Although not particularly limited, the flow rate of the carrier gas is, for example, 3 to 4 L / min.
プラズマ溶射を行う際は、プラズマガン120におけるプラズマガスの出口であるノズル126aとセンサ素子101における多孔質保護層91を形成する面(図6ではコーティング層24aの上面)との距離Wを、50mm〜300mmとすることが好ましい。距離Wは120mm〜250mmとしてもよい。また、多孔質保護層91を形成する面積に応じて、適宜プラズマガン120を移動(図6では左右方向に移動)させながらプラズマ溶射を行ってもよいが、その場合も距離Wは上述した範囲に保つことが好ましい。プラズマ溶射を行う時間は、形成する多孔質保護層91の膜厚tや面積に応じて、適宜定めればよい。 When performing plasma spraying, the distance W between the nozzle 126a, which is the plasma gas outlet in the plasma gun 120, and the surface of the sensor element 101 on which the porous protective layer 91 is formed (the upper surface of the coating layer 24a in FIG. 6) is 50 mm. It is preferable to set it to -300 mm. The distance W may be 120 mm to 250 mm. Further, plasma spraying may be performed while appropriately moving the plasma gun 120 (moving left and right in FIG. 6) according to the area where the porous protective layer 91 is formed. In this case, the distance W is within the above-mentioned range. Is preferably maintained. The time for plasma spraying may be appropriately determined according to the film thickness t and area of the porous protective layer 91 to be formed.
以上のようにしてセンサ素子101の上面(コーティング層24aの上面)に対してプラズマ溶射を行うと、図6に示すようにマスク110が非形成領域103aを覆っているため、形成領域102aに粉末溶射材料134が付着して膜厚tの多孔質保護層91aが形成される。このとき、上述したように隙間116aの隙間開口117aの高さTは膜厚tより大きい。そのため、形成領域102aと非形成領域103aとの境界上において、隙間形成部114aと多孔質保護層91aとは多孔質保護層91aの厚さ方向(上下方向)に離間しやすい。したがって、形成された多孔質保護層91aのうちマスク110側の端部(後端)は、マスク110のうち形成領域102a側の端部(隙間形成部114aの前端)には接触しにくくなる。 When plasma spraying is performed on the upper surface of the sensor element 101 (upper surface of the coating layer 24a) as described above, the mask 110 covers the non-formation region 103a as shown in FIG. The thermal spray material 134 adheres to form a porous protective layer 91a having a film thickness t. At this time, as described above, the height T of the gap opening 117a of the gap 116a is larger than the film thickness t. Therefore, on the boundary between the formation region 102a and the non-formation region 103a, the gap forming portion 114a and the porous protective layer 91a are likely to be separated in the thickness direction (vertical direction) of the porous protective layer 91a. Therefore, the end (rear end) on the mask 110 side of the formed porous protective layer 91a is less likely to contact the end on the formation region 102a side (front end of the gap forming portion 114a) of the mask 110.
工程(b)では、多孔質保護層91b〜91dについても、センサ素子101に形成する面が異なる点以外は同様にして1層ずつ形成する。なお、多孔質保護層91bは、上述したようにコーティング層24bの表面に形成する。多孔質保護層91c〜91dは、センサ素子101の本体(各層1〜6)の表面に直接形成する。ここで、マスク110が非形成領域103b〜103dを覆っているため、多孔質保護層91aと同様に、膜厚tの多孔質保護層91b〜91dは形成領域102b〜102dに形成される。また、隙間116b〜116dの隙間開口117b〜117dの高さTは膜厚tより大きい。そのため、形成された多孔質保護層91b〜91dのうちマスク110側の端部(後端)は、マスク110のうち形成領域102b〜102d側の端部(隙間形成部114b〜114dの前端)には接触しにくい。なお、工程(b)においてまず多孔質保護層91a,91bを形成した状態が図4(c)であり、その後に多孔質保護層91c,91dを形成した状態が図5(a)である。図5(a)に示すように、形成された多孔質保護層91a〜91dは互いに隣接する層と接続された状態になる。 In the step (b), the porous protective layers 91b to 91d are also formed one by one in the same manner except that the surfaces to be formed on the sensor element 101 are different. The porous protective layer 91b is formed on the surface of the coating layer 24b as described above. The porous protective layers 91c to 91d are directly formed on the surface of the main body (each layer 1 to 6) of the sensor element 101. Here, since the mask 110 covers the non-formation regions 103b to 103d, the porous protection layers 91b to 91d having a film thickness t are formed in the formation regions 102b to 102d, similarly to the porous protection layer 91a. Further, the height T of the gap openings 117b to 117d of the gaps 116b to 116d is larger than the film thickness t. Therefore, the end portion (rear end) on the mask 110 side of the formed porous protective layers 91b to 91d is the end portion on the formation region 102b to 102d side (front end of the gap forming portions 114b to 114d) of the mask 110. Is difficult to touch. In the step (b), the state in which the porous protective layers 91a and 91b are first formed is FIG. 4C, and the state in which the porous protective layers 91c and 91d are subsequently formed is FIG. 5A. As shown to Fig.5 (a), the formed porous protective layers 91a-91d will be in the state connected with the mutually adjacent layer.
なお、本実施形態では、工程(b)において、多孔質保護層91eも形成するものとした。多孔質保護層91eの形成は、センサ素子101の前端面に形成する点以外は、上述した多孔質保護層91a〜91dの形成と同様にして行う。ただし、センサ素子101の前端面はマスク110で覆われていないため、多孔質保護層91eはセンサ素子101の前端面の全面を被覆するように形成される。また、多孔質保護層91eは、隣接する多孔質保護層91a〜91dと接続された状態になる。以上により、センサ素子101の上下左右の面及び前端面には多孔質保護層91a〜91eがそれぞれ形成されて多孔質保護部90となる。その後、工程(c)においてセンサ素子101を内部空間112cから引き抜いて、マスク110を取り外す(図5(b))。以上のように、工程(a)〜(c)を含む第2工程を行って、ガスセンサ100を得る。 In the present embodiment, the porous protective layer 91e is also formed in the step (b). The porous protective layer 91e is formed in the same manner as the porous protective layers 91a to 91d described above, except that the porous protective layer 91e is formed on the front end surface of the sensor element 101. However, since the front end surface of the sensor element 101 is not covered with the mask 110, the porous protective layer 91 e is formed so as to cover the entire front end surface of the sensor element 101. Further, the porous protective layer 91e is connected to the adjacent porous protective layers 91a to 91d. As described above, the porous protective layers 91 a to 91 e are formed on the top, bottom, left, and right surfaces and the front end surface of the sensor element 101 to form the porous protection portion 90. Thereafter, in step (c), the sensor element 101 is pulled out from the internal space 112c, and the mask 110 is removed (FIG. 5B). As described above, the gas sensor 100 is obtained by performing the second step including the steps (a) to (c).
以上詳述した本実施形態のガスセンサ100の製造方法では、多孔質保護層91(91a〜91d)の形成領域102と隣接する非形成領域103を覆うマスク110が隙間形成部114を有している。この隙間形成部114により、非形成領域103を覆うようにマスク110を工程(a)で配置したときに、非形成領域103のうち形成領域102側の端部(前端)で形成領域102側に開口した隙間116が形成される。また、隙間形成部114の内周面が本体部開口112bよりも高さTだけ上下左右に離れて位置しており、隙間116の開口の高さTは、形成される多孔質保護層91の膜厚tよりも大きい。そのため、プラズマ溶射により形成領域102に形成される多孔質保護層91のうちマスク110側の端部(後端)と、マスク110のうち形成領域102側の端部(前端)とが、接触しにくくなる。これにより、工程(c)でマスク110を取り外す際の多孔質保護層91の剥離をより抑制することができる。また、高さTを膜厚tの2倍以上とすることで、形成領域102に形成される多孔質保護層91のうちマスク110側の端部とマスク110のうち形成領域102側の端部とがより接触しにくくなるため、マスク110を取り外す際の多孔質保護層91の剥離をさらに抑制できる。なお、高さTが大きいほど多孔質保護層91と隙間形成部114とが多孔質保護層91の厚さ方向に離間するため、多孔質保護層91とマスク110とが接触しにくくなる効果が高まる。また、高さTは距離W未満であればよいが、例えば距離Wの10%以下としてもよいし、膜厚tの40倍以下としてもよい。 In the manufacturing method of the gas sensor 100 of the present embodiment described in detail above, the mask 110 covering the non-formation region 103 adjacent to the formation region 102 of the porous protective layer 91 (91a to 91d) has the gap formation portion 114. . When the mask 110 is disposed in the step (a) so as to cover the non-forming region 103 by the gap forming portion 114, the end (front end) on the forming region 102 side of the non-forming region 103 is moved to the forming region 102 side. An open gap 116 is formed. Further, the inner peripheral surface of the gap forming portion 114 is positioned up and down and left and right by a height T from the main body portion opening 112b, and the height T of the opening of the gap 116 is the height of the porous protective layer 91 to be formed. It is larger than the film thickness t. Therefore, the end (rear end) on the mask 110 side of the porous protective layer 91 formed in the formation region 102 by plasma spraying and the end (front end) on the formation region 102 side of the mask 110 are in contact with each other. It becomes difficult. Thereby, peeling of the porous protective layer 91 at the time of removing the mask 110 at a process (c) can be suppressed more. Further, by setting the height T to be twice or more the film thickness t, the end of the porous protective layer 91 formed in the formation region 102 on the mask 110 side and the end of the mask 110 on the formation region 102 side. Since it becomes more difficult to contact, the peeling of the porous protective layer 91 when removing the mask 110 can be further suppressed. In addition, since the porous protective layer 91 and the gap forming portion 114 are separated in the thickness direction of the porous protective layer 91 as the height T is larger, the effect that the porous protective layer 91 and the mask 110 are less likely to contact each other. Rise. The height T may be less than the distance W, but may be, for example, 10% or less of the distance W, or 40 times or less of the film thickness t.
また、隙間形成部114は、工程(a)でマスク110を配置した状態で、隙間116の開口面に垂直且つ工程(b)で形成する多孔質保護層91の厚さ方向に平行な断面でみたときに、面積Sが0.2mm2以上となる形状をしている。そのため、隙間116の大きさが十分なものとなり、多孔質保護層91の端部が隙間116の中に入り込むように形成されたとしても、多孔質保護層91とマスク110とが接触しにくい。例えば、図6において粉末溶射材料134の一部が隙間116a内に入り込むことで、多孔質保護層91aが非形成領域103aの一部も被覆する場合がある。このような場合でも、面積Sが大きいほど、多孔質保護層91とマスク110(例えば本体部端面112a)とが接触しにくい。面積Sが0.2mm2以上であれば、接触しにくい効果が十分なものとなり、工程(c)でマスク110を取り外す際の多孔質保護層91の剥離をより抑制できる。 The gap forming portion 114 is a cross section perpendicular to the opening surface of the gap 116 and parallel to the thickness direction of the porous protective layer 91 formed in the step (b) with the mask 110 disposed in the step (a). When viewed, the shape is such that the area S is 0.2 mm 2 or more. Therefore, even if the gap 116 has a sufficient size and is formed so that the end portion of the porous protective layer 91 enters the gap 116, the porous protective layer 91 and the mask 110 are not easily in contact with each other. For example, in FIG. 6, a part of the powder sprayed material 134 may enter the gap 116 a, so that the porous protective layer 91 a may also cover a part of the non-formation region 103 a. Even in such a case, the larger the area S, the less the porous protective layer 91 and the mask 110 (for example, the main body end surface 112a) are in contact with each other. If the area S is 0.2 mm 2 or more, the effect of being difficult to contact is sufficient, and the peeling of the porous protective layer 91 when removing the mask 110 in the step (c) can be further suppressed.
さらに、隙間形成部114は、前端面から本体部端面112aまでが長さMだけ離れており、工程(a)でマスク110を配置した状態で、隙間116の開口面に垂直且つ工程(b)で形成する多孔質保護層91の厚さ方向に平行な断面でみたときに、長さMが1mm以上となる形状をしている。そのため、隙間116内における非形成領域103の露出部分(=マスク110が直に接していない部分)の大きさが十分なものとなり、多孔質保護層91の端部が隙間116の中に入り込むように形成されたとしても、多孔質保護層91とマスク110とが接触しにくい。そのため、面積Sが大きい場合と同様に、マスク110を取り外す際の多孔質保護層91の剥離をより抑制できる。 Further, the gap forming portion 114 is separated from the front end face by a length M from the main body end face 112a, and is perpendicular to the opening surface of the gap 116 with the mask 110 disposed in the step (a). The length M is 1 mm or more when viewed in a cross-section parallel to the thickness direction of the porous protective layer 91 formed in (1). Therefore, the exposed portion of the non-formation region 103 in the gap 116 (= the portion where the mask 110 is not in direct contact) is sufficiently large, so that the end of the porous protective layer 91 enters the gap 116. Even if formed, the porous protective layer 91 and the mask 110 are difficult to contact. Therefore, similarly to the case where the area S is large, peeling of the porous protective layer 91 when removing the mask 110 can be further suppressed.
さらにまた、隙間形成部114は、工程(a)でマスク110を配置した状態で、非形成領域103から離間し且つ形成領域102側(前側)に向けて突出する形状をしていてる。そのため、隙間116をより確実に形成することができる。 Furthermore, the gap forming portion 114 has a shape that is separated from the non-forming region 103 and protrudes toward the forming region 102 (front side) in a state where the mask 110 is disposed in the step (a). Therefore, the gap 116 can be formed more reliably.
そしてまた、工程(a)〜(c)を行うことでマスク110を取り外す際の多孔質保護層91の剥離をより抑制するから、ガスセンサ100の歩留まりが向上する。 Moreover, since the steps (a) to (c) are performed to further prevent the porous protective layer 91 from being peeled off when the mask 110 is removed, the yield of the gas sensor 100 is improved.
なお、本発明は上述した実施形態に何ら限定されることはなく、本発明の技術的範囲に属する限り種々の態様で実施し得ることはいうまでもない。 It should be noted that the present invention is not limited to the above-described embodiment, and it goes without saying that the present invention can be implemented in various modes as long as it belongs to the technical scope of the present invention.
例えば、上述した実施形態では、隙間116a〜116dは図6,7の断面において四角形状の領域としたが、これに限られない。図8〜10は、変形例のマスク210,310,410の部分断面図である。なお、マスク210〜410は、隙間形成部214〜314の形状が隙間形成部114と異なる点以外は、上述したマスク110と同じ構成をしている。そのため、マスク210〜410のうちマスク110と同じ構成要素については同じ符号を付して、詳細な説明を省略する。また、図8〜10は、いずれも図6と同じ断面の断面図であり、センサ素子101の上面における形成領域102aと非形成領域103aとの境界周辺を図示している。 For example, in the embodiment described above, the gaps 116a to 116d are rectangular regions in the cross sections of FIGS. 8 to 10 are partial cross-sectional views of masks 210, 310, and 410 according to modified examples. The masks 210 to 410 have the same configuration as the mask 110 described above except that the shape of the gap forming portions 214 to 314 is different from that of the gap forming portion 114. Therefore, the same components as those of the mask 110 in the masks 210 to 410 are denoted by the same reference numerals, and detailed description thereof is omitted. FIGS. 8 to 10 are all cross-sectional views of the same cross section as FIG. 6 and illustrate the vicinity of the boundary between the formation region 102 a and the non-formation region 103 a on the upper surface of the sensor element 101.
図8に示すように、変形例のマスク210の隙間形成部214aは、本体部112から前方に突出しており、その下面は断面が楕円(又は円)の円弧状をした曲面に形成されている。なお、隙間形成部214aの下面は下側前方に膨らんだ形状をしている。このマスク210が工程(a)で配置されると、隙間形成部214aにより、非形成領域103aのうち形成領域102a側の端部(前端)で形成領域102a側に開口した隙間開口217aを有する隙間216aが形成される。なお、この隙間216aの面積Sは、高さT×長さMの四角形の領域から、楕円の1/4形状の部分を除いた面積となるため、面積S=(高さT×長さM)−(π×高さT×長さM×1/4)となる。 As shown in FIG. 8, the gap forming portion 214a of the mask 210 of the modified example protrudes forward from the main body portion 112, and the lower surface thereof is formed in an arcuate curved surface having an elliptical (or circular) cross section. . Note that the lower surface of the gap forming portion 214a has a shape that bulges downward and forward. When the mask 210 is disposed in the step (a), the gap forming portion 214a causes the gap having the gap opening 217a opened to the formation area 102a side at the end (front end) on the formation area 102a side of the non-formation area 103a. 216a is formed. The area S of the gap 216a is an area obtained by removing a quarter-shaped portion of an ellipse from a rectangular region having a height T × a length M, so that the area S = (height T × length M). ) − (Π × height T × length M × 1/4).
図9に示すように、変形例のマスク310の隙間形成部314aは、本体部112から前方に突出しており、その下面は断面が楕円(又は円)の円弧状をした曲面に形成されている。なお、隙間形成部314aの下面は、隙間形成部214aとは逆に上側後方に窪んだ形状をしている。このマスク310が工程(a)で配置されると、隙間形成部314aにより、非形成領域103aのうち形成領域102a側の端部(前端)で形成領域102a側に開口した隙間開口317aを有する隙間316aが形成される。なお、この隙間216aの面積Sは、楕円の1/4形状の面積となるため、面積S=(π×高さT×長さM×1/4)となる。 As shown in FIG. 9, the gap forming portion 314a of the mask 310 according to the modified example protrudes forward from the main body portion 112, and the lower surface thereof is formed into an arcuate curved surface having an elliptical (or circular) cross section. . Note that the lower surface of the gap forming portion 314a has a shape recessed toward the upper rear, contrary to the gap forming portion 214a. When the mask 310 is disposed in the step (a), the gap forming portion 314a causes the gap having the gap opening 317a opened to the formation area 102a side at the end (front end) on the formation area 102a side of the non-formation area 103a. 316a is formed. The area S of the gap 216a is an elliptical quarter-shaped area, and therefore, the area S = (π × height T × length M × 1/4).
図10に示すように、変形例のマスク410の隙間形成部414aの下面は、断面が上側前方から下側後方に向かう直線状をした平面(斜面)に形成されている。このマスク410が工程(a)で配置されると、隙間形成部414aにより、非形成領域103aのうち形成領域102a側の端部(前端)で形成領域102a側に開口した隙間開口417aを有する隙間416aが形成される。なお、この隙間416aの面積Sは、三角形の面積となるため、面積S=(高さT×長さM×1/2)となる。 As shown in FIG. 10, the lower surface of the gap forming portion 414a of the mask 410 of the modified example is formed in a flat plane (slope) whose cross section is a straight line from the upper front to the lower rear. When the mask 410 is disposed in the step (a), the gap forming portion 414a causes a gap having a gap opening 417a opened to the formation area 102a side at the end (front end) on the formation area 102a side of the non-formation area 103a. 416a is formed. Since the area S of the gap 416a is a triangular area, the area S = (height T × length M × 1/2).
図8〜図10に示した変形例のマスク210〜410においても、高さT、長さM、面積Sをそれぞれ上述したマスク110と同様に調整すれば、上述した実施形態と同様に、それぞれに対応した効果が得られる。なお、図示は省略したが、変形例のマスク210〜410では、センサ素子101の下面側や左右面側に形成される隙間(上述した実施形態の隙間116b〜116dに相当)も、それぞれ隙間216a〜416aと同じ形状をしている。 Also in the masks 210 to 410 of the modified examples shown in FIGS. 8 to 10, if the height T, the length M, and the area S are adjusted in the same manner as the above-described mask 110, respectively, The effect corresponding to is obtained. Although not shown in the drawings, in the masks 210 to 410 of the modified example, gaps (corresponding to the gaps 116b to 116d in the above-described embodiment) formed on the lower surface side and the left and right surface sides of the sensor element 101 are also gaps 216a. It has the same shape as ˜416a.
図8〜10に示した変形例のマスク210〜410以外でも、少なくとも高さTが膜厚tより大きくなるような隙間を形成できれば、マスク110はどのような形状であってもよい。例えば図8,9における隙間形成部214a,314aの下面は断面視で楕円の円弧状としたが、他の曲線状としてもよい。あるいは、隙間形成部のうち非形成領域103に対向する面(例えば隙間形成部114a〜414aの場合は下面)が断面視で直線と曲線との組み合わせからなる形状としてもよい。また、マスク210〜410では、隙間形成部214a〜414aの下面の非形成領域103aからの高さが、後端に向かうほど小さくなる傾向にあるものとしたが、これに限られない。例えば、隙間形成部の下面の非形成領域103aからの高さが、後端に向かうほど大きくなる傾向にあってもよい。すなわち、隙間の形状が、隙間の開口の高さTよりも高い部分が存在するような形状をしていてもよい。また、隙間形成部の下面の非形成領域103aからの高さが、後端に向かう途中で大きくなり(又は小さくなり)さらに後端に向かうと小さくなる(又は大きくなる)傾向にあってもよい。 Other than the masks 210 to 410 of the modification shown in FIGS. 8 to 10, the mask 110 may have any shape as long as a gap can be formed so that at least the height T is larger than the film thickness t. For example, the lower surfaces of the gap forming portions 214a and 314a in FIGS. 8 and 9 have an elliptical arc shape in cross-sectional view, but may have other curved shapes. Alternatively, a surface of the gap forming portion that faces the non-forming region 103 (for example, a lower surface in the case of the gap forming portions 114a to 414a) may have a shape formed by a combination of a straight line and a curved line in a sectional view. Further, in the masks 210 to 410, the height from the non-formation region 103a on the lower surfaces of the gap forming portions 214a to 414a tends to decrease toward the rear end, but is not limited thereto. For example, the height from the non-formation region 103a on the lower surface of the gap forming portion may tend to increase toward the rear end. That is, the shape of the gap may be such that there is a portion that is higher than the height T of the opening of the gap. In addition, the height from the non-formation region 103a of the lower surface of the gap forming portion may tend to increase (or decrease) on the way to the rear end and decrease (or increase) toward the rear end. .
上述した実施形態では、面積Sが0.2mm2以上としたが、これに限らず面積Sは0mm2超過であればよい。ただし、上述した効果が得られるため、0.2mm2以上とすることが好ましい。また、0.3mm2以上、0.4mm2以上としてもよい。特に限定するものではないが、面積Sは例えば100mm2以下としてもよい。 In the embodiment described above, the area S is 0.2 mm 2 or more. However, the present invention is not limited to this, and the area S only needs to exceed 0 mm 2 . However, since the above-described effects can be obtained, the thickness is preferably 0.2 mm 2 or more. Moreover, it is good also as 0.3 mm < 2 > or more and 0.4 mm < 2 > or more. Although not particularly limited, the area S may be 100 mm 2 or less, for example.
上述した実施形態では、長さMは1mm以上としたが、これに限らず長さMは0mm超過であればよい。ただし、上述した効果が得られるため、1mm以上とすることが好ましく、2mm以上、3mm以上としてもよい。長さMは、本体部112とセンサ素子101の非形成領域103とが十分接触して互いの位置関係が安定するよう、非形成領域103の長手方向の長さ未満の範囲で適宜定めることができる。特に限定するものではないが、長さMは例えば30mm以下としてもよい。 In the above-described embodiment, the length M is set to 1 mm or more. However, the length M is not limited to this, and it is sufficient that the length M exceeds 0 mm. However, since the above-described effects can be obtained, the thickness is preferably 1 mm or more, and may be 2 mm or more and 3 mm or more. The length M may be appropriately determined within a range less than the length in the longitudinal direction of the non-formation region 103 so that the main body 112 and the non-formation region 103 of the sensor element 101 are in sufficient contact and the mutual positional relationship is stabilized. it can. Although not particularly limited, the length M may be, for example, 30 mm or less.
上述した実施形態では、工程(b)で多孔質保護層91a,91bを形成し、多孔質保護層91c,91dを形成し、多孔質保護層91eを形成するものとしたが、多孔質保護層91a〜91eの形成順はこれに限らず、どのような順序で形成してもよい。また、工程(b)では多孔質保護層91a〜91dを形成し、工程(c)でマスク110を取り外した後に、多孔質保護層91eを形成してもよい。 In the embodiment described above, the porous protective layers 91a and 91b are formed in the step (b), the porous protective layers 91c and 91d are formed, and the porous protective layer 91e is formed. The order of forming 91a to 91e is not limited to this, and any order may be used. Moreover, after forming the porous protective layers 91a to 91d in the step (b) and removing the mask 110 in the step (c), the porous protective layer 91e may be formed.
上述した実施形態では、工程(a)でマスク110を配置した状態で形成される隙間116a〜116dは、いずれも高さT,長さM,面積Sの値が同じであるものとしたが、これに限られない。また、図6,7における隙間116a〜116dの形状はいずれも同じ四角形状としたが、これに限らず隙間116a〜116dのうち1以上が他と異なる形状であってもよい。また、膜厚tについても、多孔質保護層91a〜91dのうち1以上が他と異なる値であってもよい。 In the embodiment described above, the gaps 116a to 116d formed in the state in which the mask 110 is arranged in the step (a) are all assumed to have the same values of height T, length M, and area S. It is not limited to this. 6 and 7, the gaps 116a to 116d have the same rectangular shape. However, the shape is not limited to this, and one or more of the gaps 116a to 116d may have a different shape. Also, regarding the film thickness t, one or more of the porous protective layers 91a to 91d may have different values.
上述した実施形態では、マスク110を用いてプラズマ溶射により多孔質保護層91を形成するものとしたが、被膜を形成するものであればよい。例えば、形成する被膜は多孔質体に限られない。また、外側ポンプ電極23など保護層以外の被膜を形成してもよい。 In the above-described embodiment, the porous protective layer 91 is formed by plasma spraying using the mask 110. However, any material that forms a coating film may be used. For example, the film to be formed is not limited to a porous body. Further, a film other than the protective layer such as the outer pump electrode 23 may be formed.
上述した実施形態では、マスク110は隙間形成部114a〜114dを有するものとしたが、これに限らず隙間形成部114a〜114dのうち少なくとも1つを有するものであればよい。また、マスク110は底部113を有するものとしたが、底部113を備えず内部空間112cが後端側に開口していてもよい。なお、この場合、マスク110が非形成領域103の全てを覆う必要はなく、例えば工程(a)でセンサ素子101がマスク110の内部空間112cを貫通するように配置してもよい。このとき、103の後端側の領域の一部がマスク110よりも後方に露出することになるが、露出した部分は形成領域102から遠い領域である。そのため、プラズマガン120のノズル126aの形状や向き、マスク110の前後方向の長さなどによっては、露出していても問題にはならない。 In the embodiment described above, the mask 110 has the gap forming portions 114a to 114d. However, the present invention is not limited to this, and any mask having at least one of the gap forming portions 114a to 114d may be used. Further, the mask 110 has the bottom portion 113, but the bottom portion 113 may not be provided, and the internal space 112c may open to the rear end side. In this case, it is not necessary for the mask 110 to cover the entire non-formation region 103. For example, the sensor element 101 may be disposed so as to penetrate the internal space 112c of the mask 110 in the step (a). At this time, a part of the region on the rear end side 103 is exposed behind the mask 110, but the exposed portion is a region far from the formation region 102. Therefore, depending on the shape and orientation of the nozzle 126a of the plasma gun 120 and the length of the mask 110 in the front-rear direction, there is no problem even if it is exposed.
上述した実施形態では、マスク110は内部空間112cにセンサ素子101が挿入されてセンサ素子101を固定でき、センサ素子101の上下左右の非形成領域103a〜103dを同時に覆うものとしたが、これに限られない。例えば、マスク110が隙間形成部とそれよりも厚い平板状の部材とを有する略板状の部材であってもよい。この場合、工程(a)では、非形成領域103a〜103dのいずれか1つを覆うように、センサ素子101の表面上にマスクを載置して、工程(b)で対応する多孔質保護層91を形成すればよい。そして、多孔質保護層91を2面以上に形成する場合には、マスクの載置面を変更して工程(a),(b)を適宜繰り返せばよい。 In the above-described embodiment, the mask 110 can fix the sensor element 101 by inserting the sensor element 101 into the internal space 112c, and simultaneously covers the upper, lower, left, and right non-formation regions 103a to 103d of the sensor element 101. Not limited. For example, the mask 110 may be a substantially plate-like member having a gap forming portion and a thicker flat plate-like member. In this case, in the step (a), a mask is placed on the surface of the sensor element 101 so as to cover any one of the non-forming regions 103a to 103d, and the corresponding porous protective layer in the step (b). 91 may be formed. And when forming the porous protective layer 91 in two or more surfaces, what is necessary is just to change the mounting surface of a mask and to repeat process (a), (b) suitably.
上述した実施形態では、コーティング層24は、センサ素子101の上面及び下面に形成されているものとしたが、これに限られない。センサ素子101の表面のうち、多孔質保護層91c〜91eが形成される領域のうち1以上にコーティング層が形成されていてもよい。あるいは、センサ素子101がコーティング層24を備えないものとしてもよい。 In the above-described embodiment, the coating layer 24 is formed on the upper surface and the lower surface of the sensor element 101, but is not limited thereto. Of the surface of the sensor element 101, a coating layer may be formed in one or more of the regions where the porous protective layers 91c to 91e are formed. Alternatively, the sensor element 101 may not include the coating layer 24.
上述した実施形態では、コーティング層24の表面の算術平均粗さRaを2.0〜5.0μmとすることで、多孔質保護層91a,91bがセンサ素子101と密着しやすくなることを説明したが、センサ素子101の表面のうち多孔質保護層91が形成される領域の算術平均粗さRaが2.0〜5.0μmであればよい。例えば、センサ素子101がコーティング層24を備えない場合でも、センサ素子101の本体(層1〜層6)の表面の算術平均粗さRaが2.0〜5.0μmであればよい。この場合、例えばセンサ素子101の本体の表面をサンドブラストなどで荒らすことで、算術平均粗さRaを2.0〜5.0μmとしてもよい。 In the above-described embodiment, it has been described that the porous protective layers 91a and 91b are easily adhered to the sensor element 101 by setting the arithmetic average roughness Ra of the surface of the coating layer 24 to 2.0 to 5.0 μm. However, the arithmetic average roughness Ra of the region where the porous protective layer 91 is formed in the surface of the sensor element 101 may be 2.0 to 5.0 μm. For example, even when the sensor element 101 does not include the coating layer 24, the arithmetic average roughness Ra of the surface of the main body (layer 1 to layer 6) of the sensor element 101 may be 2.0 to 5.0 μm. In this case, the arithmetic average roughness Ra may be set to 2.0 to 5.0 μm, for example, by roughening the surface of the main body of the sensor element 101 with sandblasting or the like.
上述した実施形態では、多孔質保護部90は多孔質保護層91a〜91eを有するものとしたが、これに限られない。多孔質保護部90は多孔質保護層91a〜91dのうち1以上を有すればよい。例えば、上述した実施形態において多孔質保護層91eを備えないものとしてもよい。また、また、多孔質保護層91a〜91dはいずれもセンサ素子101の前端から距離Lまでを覆うものとしたが、これに限られない。例えば、多孔質保護層91a〜91dのうち1以上が、他とは長手方向の形成長さ(本実施形態における距離L)が異なっていてもよい。この場合でも、工程(a)でマスク110を配置したときに上述した隙間116と同様の隙間が非形成領域103のうち形成領域102側に形成されるように、マスク110の形状を調整すればよい。 In the embodiment described above, the porous protection part 90 includes the porous protection layers 91a to 91e, but is not limited thereto. The porous protection part 90 should just have 1 or more among the porous protection layers 91a-91d. For example, the porous protective layer 91e may not be provided in the above-described embodiment. Moreover, although all the porous protective layers 91a-91d shall cover the distance L from the front end of the sensor element 101, it is not restricted to this. For example, one or more of the porous protective layers 91a to 91d may be different in length in the longitudinal direction (distance L in the present embodiment) from the other. Even in this case, if the shape of the mask 110 is adjusted so that a gap similar to the gap 116 described above is formed on the formation region 102 side in the non-formation region 103 when the mask 110 is arranged in the step (a). Good.
上述した実施形態では、距離Lはセンサ素子101の幅及び厚さよりも大きい値であるものとしたが、これに限られない。例えば距離Lがセンサ素子101の幅及び厚さの少なくとも一方よりも小さくてもよい。 In the embodiment described above, the distance L is larger than the width and thickness of the sensor element 101, but is not limited thereto. For example, the distance L may be smaller than at least one of the width and thickness of the sensor element 101.
上述した実施形態では、ガスセンサ100の製造方法として説明したが、被膜の製造方法としてもよい。 In the above-described embodiment, the method for manufacturing the gas sensor 100 has been described. However, a method for manufacturing a film may be used.
以下には、ガスセンサを具体的に作製した例を実験例として説明する。実験例1〜6が本発明の実施例に相当し、実験例7が比較例に相当する。なお、本発明は、以下の実施例に限定されない。 Below, the example which produced the gas sensor concretely is demonstrated as an experiment example. Experimental examples 1 to 6 correspond to examples of the present invention, and experimental example 7 corresponds to a comparative example. In addition, this invention is not limited to a following example.
[実験例1]
実験例1として、多孔質保護部90が多孔質保護層91aのみを備える点以外は上述した実施形態のガスセンサ100と同様のガスセンサを作製した。まず、第1工程では、上述した実施形態のガスセンサ100の製造方法に従って、前後方向の長さが67.5mm、左右方向の幅が4.25mm、上下方向の厚さが1.45mmのセンサ素子101を作製した。なお、センサ素子101を作製するにあたり、コーティング層24を形成するためのペーストは、以下のように調整した。原料粉末(アルミナ粉末)の粒径をD50=5μm,体積割合を10vol%とし、バインダー溶液(ポリビニルアセタールとブチルカルビトール)を40vol%とし、助溶剤(アセトン)を45vol%とし、分散剤(ポリオキシエチレンスチレン化フェニルエーテル)を5vol%としてこれらを調合し、ポットミル混合機の回転数を200rpmとして3時間混合して、ペーストの調整を行った。また、作製したセンサ素子101についてコーティング層24の膜厚を測定したところ、いずれも約10〜20μmであった。また、コーティング層24a,24bの表面の算術平均粗さRaはいずれも約2.4μmであった。なお、上記のセンサ素子101の寸法は、コーティング層24を含んだ寸法である。
[Experimental Example 1]
As Experimental Example 1, a gas sensor similar to the gas sensor 100 of the above-described embodiment was manufactured except that the porous protective part 90 includes only the porous protective layer 91a. First, in the first step, a sensor element having a length in the front-rear direction of 67.5 mm, a width in the left-right direction of 4.25 mm, and a thickness in the up-down direction of 1.45 mm according to the method for manufacturing the gas sensor 100 of the embodiment described above. 101 was produced. In preparing the sensor element 101, the paste for forming the coating layer 24 was adjusted as follows. The particle size of the raw material powder (alumina powder) is D50 = 5 μm, the volume ratio is 10 vol%, the binder solution (polyvinyl acetal and butyl carbitol) is 40 vol%, the co-solvent (acetone) is 45 vol%, the dispersant (poly These were prepared with 5 vol% of oxyethylene styrenated phenyl ether) and mixed for 3 hours with a pot mill mixer at 200 rpm to prepare a paste. Moreover, when the film thickness of the coating layer 24 was measured about the produced sensor element 101, all were about 10-20 micrometers. Further, the arithmetic average roughness Ra of the surfaces of the coating layers 24a and 24b was about 2.4 μm. The dimension of the sensor element 101 is a dimension including the coating layer 24.
第2工程では、センサ素子101の表面に、多孔質保護層91aを形成し、実験例1のガスセンサとした。具体的には、まず、工程(a)で上述した実施形態と同様にセンサ素子101の非形成領域103aを覆うようにマスク110を配置した。なお、距離Lは、10mmとした。このとき、隙間形成部114aにより、図6と同じ断面で高さT=5.0mm、長さM=3.0mm、面積S=15.0mm2の四角形状の隙間116aが形成された。なお、マスク110の材質は、金属とした。 In the second step, the porous protective layer 91a was formed on the surface of the sensor element 101, and the gas sensor of Experimental Example 1 was obtained. Specifically, first, the mask 110 was disposed so as to cover the non-formation region 103a of the sensor element 101 as in the above-described embodiment in the step (a). The distance L was 10 mm. At this time, a rectangular gap 116a having a height T = 5.0 mm, a length M = 3.0 mm, and an area S = 15.0 mm 2 was formed by the gap forming portion 114a in the same cross section as FIG. The material of the mask 110 was metal.
次に、工程(b)でプラズマガン120を用いて多孔質保護層91aを形成領域102aに形成した。多孔質保護層91aを形成するプラズマ溶射の条件は、以下のようにした。プラズマ発生用ガス130として、アルゴンガス(流量50L/min)と水素(流量10L/min)とを混合したものを用いた。アノード126とカソード128との間に印加する電圧は、70Vの直流電圧とした。電流は500Aであった。粉末溶射材料134としては、粒径分布が10μm〜30μmの範囲であるアルミナ粉末を用いた。粉末溶射材料134の供給に用いるキャリアガスは、アルゴンガス(流量4L/min)とした。距離Wは、200mmとした。また、プラズマ溶射は、大気及び常温の雰囲気にて行った。プラズマガン120の溶射の向き(ノズル126aの向き)は、センサ素子101における多孔質保護層91aの形成面に対して垂直とした。形成された多孔質保護層91aの膜厚tは、0.5mmであった。 Next, the porous protective layer 91a was formed in the formation region 102a using the plasma gun 120 in the step (b). The plasma spraying conditions for forming the porous protective layer 91a were as follows. As the plasma generating gas 130, a mixture of argon gas (flow rate 50 L / min) and hydrogen (flow rate 10 L / min) was used. The voltage applied between the anode 126 and the cathode 128 was a DC voltage of 70V. The current was 500A. As the powder spray material 134, an alumina powder having a particle size distribution in the range of 10 μm to 30 μm was used. The carrier gas used to supply the powder spray material 134 was argon gas (flow rate 4 L / min). The distance W was 200 mm. Moreover, plasma spraying was performed in the atmosphere of air and room temperature. The direction of thermal spraying of the plasma gun 120 (the direction of the nozzle 126a) was set perpendicular to the formation surface of the porous protective layer 91a in the sensor element 101. The film thickness t of the formed porous protective layer 91a was 0.5 mm.
そして、工程(c)でマスク110を取り外して、実験例1のガスセンサを得た。工程(c)の後の多孔質保護層91aにおけるマスク110近傍に位置していた部分(形成領域102aのうち非形成領域103a付近)を確認したところ、剥離は生じていなかった。 And the mask 110 was removed at the process (c), and the gas sensor of Experimental example 1 was obtained. When a portion (near the non-formation region 103a in the formation region 102a) located in the vicinity of the mask 110 in the porous protective layer 91a after the step (c) was confirmed, no peeling occurred.
[実験例2]
実験例1における隙間形成部114aの形状を変更して、工程(a)でマスク110を配置した状態で、図6と同じ断面で高さT=3.0mm、長さM=5.0mm、面積S=15.0mm2の四角形状の隙間116aが形成されるようにした点以外は、実験例1と同様の工程を行い、実験例2のガスセンサを得た。実験例2においても、実験例1と同様に多孔質保護層91aの剥離の有無を調べたところ、剥離は生じていなかった。
[Experiment 2]
With the shape of the gap forming portion 114a in Experimental Example 1 changed and the mask 110 placed in the step (a), the height T = 3.0 mm and the length M = 5.0 mm in the same cross section as FIG. A gas sensor of Experimental Example 2 was obtained by performing the same process as in Experimental Example 1 except that a rectangular gap 116a having an area S = 15.0 mm 2 was formed. Also in Experimental Example 2, when the presence or absence of the peeling of the porous protective layer 91a was examined in the same manner as in Experimental Example 1, no peeling occurred.
[実験例3]
実験例1における隙間形成部114aの形状を変更して、工程(a)でマスク110を配置した状態で、図6と同じ断面で高さT=1.0mm、長さM=3.0mm、面積S=3.0mm2の四角形状の隙間116aが形成されるようにした点以外は、実験例1と同様の工程を行い、実験例3のガスセンサを得た。実験例3においても、実験例1と同様に多孔質保護層91aの剥離の有無を調べたところ、剥離は生じていなかった。
[Experiment 3]
With the shape of the gap forming portion 114a in Experimental Example 1 changed and the mask 110 placed in the step (a), the height T = 1.0 mm and the length M = 3.0 mm in the same cross section as FIG. A gas sensor of Experimental Example 3 was obtained by performing the same process as in Experimental Example 1 except that a rectangular gap 116a having an area S = 3.0 mm 2 was formed. Also in Experimental Example 3, when the presence or absence of the peeling of the porous protective layer 91a was examined in the same manner as in Experimental Example 1, no peeling occurred.
[実験例4]
図10に示したマスク410を用いた点以外は、実験例1と同様の工程を行い、実験例3のガスセンサを得た。なお、工程(a)でマスク410を配置した状態で、隙間形成部414aにより、図10と同じ断面で高さT=1.0mm、長さM=3.0mm、面積S=1.5mm2の三角形状の隙間416aが形成された。実験例4においても、実験例1と同様に多孔質保護層91aの剥離の有無を調べたところ、剥離は生じていなかった。
[Experimental Example 4]
Except for using the mask 410 shown in FIG. 10, the same process as in Experimental Example 1 was performed to obtain a gas sensor of Experimental Example 3. In the state where the mask 410 is disposed in the step (a), the gap forming portion 414a has a height T = 1.0 mm, a length M = 3.0 mm, and an area S = 1.5 mm 2 in the same cross section as FIG. The triangular gap 416a was formed. Also in Experimental Example 4, when the presence or absence of peeling of the porous protective layer 91a was examined in the same manner as in Experimental Example 1, no peeling occurred.
[実験例5]
図9に示したマスク310を用いた点以外は、実験例1と同様の工程を行い、実験例5のガスセンサを得た。なお、工程(a)でマスク310を配置した状態で、隙間形成部314aにより、図9と同じ断面で高さT=1.0mm、長さM=3.0mm、面積S=約2.4mm2の隙間316aが形成された。実験例5においても、実験例1と同様に多孔質保護層91aの剥離の有無を調べたところ、剥離は生じていなかった。
[Experimental Example 5]
Except for using the mask 310 shown in FIG. 9, the same process as in Experimental Example 1 was performed to obtain a gas sensor of Experimental Example 5. In the state where the mask 310 is disposed in the step (a), the gap forming portion 314a causes the same cross section as FIG. 9 to have a height T = 1.0 mm, a length M = 3.0 mm, and an area S = about 2.4 mm. Two gaps 316a were formed. Also in Experimental Example 5, when the presence or absence of peeling of the porous protective layer 91a was examined in the same manner as in Experimental Example 1, peeling did not occur.
[実験例6]
図8に示したマスク210を用いた点以外は、実験例1と同様の工程を行い、実験例6のガスセンサを得た。なお、工程(a)でマスク210を配置した状態で、隙間形成部214aにより、図8と同じ断面で高さT=1.0mm、長さM=3.0mm、面積S=約0.6mm2の隙間216aが形成された。実験例6においても、実験例1と同様に多孔質保護層91aの剥離の有無を調べたところ、剥離は生じていなかった。
[Experimental Example 6]
Except for using the mask 210 shown in FIG. 8, the same process as in Experimental Example 1 was performed to obtain a gas sensor of Experimental Example 6. In the state where the mask 210 is arranged in the step (a), the gap forming portion 214a causes the same cross section as FIG. 8 to have a height T = 1.0 mm, a length M = 3.0 mm, and an area S = about 0.6 mm. Two gaps 216a were formed. Also in Experimental Example 6, when the presence or absence of peeling of the porous protective layer 91a was examined in the same manner as in Experimental Example 1, peeling did not occur.
[実験例7]
実験例1における隙間形成部114aの形状を変更して、工程(a)でマスクを配置した状態で、図6と同じ断面で隙間116aが形成されない(高さT=0mm、長さM=0mm、面積S=0mm2)ようにした点以外は、実験例1と同様の工程を行い、実験例7のガスセンサを得た。実験例7では、工程(c)でマスクを取り外した際に、多孔質保護層91aのうちマスクの前端と接していた部分が剥離した。
[Experimental Example 7]
With the shape of the gap forming portion 114a in Experimental Example 1 changed and the mask placed in step (a), the gap 116a is not formed in the same cross section as in FIG. 6 (height T = 0 mm, length M = 0 mm). , Area S = 0 mm 2 ) The same process as in Experimental Example 1 was performed except that the gas sensor of Experimental Example 7 was obtained. In Experimental Example 7, when the mask was removed in step (c), the portion of the porous protective layer 91a that was in contact with the front end of the mask was peeled off.
実験例1〜7における膜厚t,高さT,長さM,面積S,多孔質保護層91aの剥離の有無を表1にまとめて示す。なお、表1では、実験例1〜6における隙間の形状に対応する図番号も併せて示した。 Table 1 summarizes the film thickness t, height T, length M, area S, and presence / absence of peeling of the porous protective layer 91a in Experimental Examples 1 to 7. In Table 1, the figure numbers corresponding to the shapes of the gaps in Experimental Examples 1 to 6 are also shown.
実験例1〜7の結果から、非形成領域103aのうち形成領域102a側の端部で形成領域102a側に開口した隙間を形成するようにマスクを配置し、且つ隙間の開口の高さT>膜厚tであることで、マスクを取り外す際の多孔質保護層91aの剥離をより抑制できることが確認できた。 From the results of Experimental Examples 1 to 7, a mask is arranged so as to form a gap opened to the formation region 102a side at the end of the non-formation region 103a on the formation region 102a side, and the height T of the opening of the gap T> It was confirmed that the peeling of the porous protective layer 91a when removing the mask can be further suppressed by the film thickness t.
なお、マスクの材質をテフロンとした点以外は実験例1〜6の各々と同様にしてガスセンサを作製した場合も、実験例1〜6と同様に多孔質保護層91aの剥離は生じなかった。また、マスクの材質をテフロンコーティングしたステンレス鋼とした点以外は実験例1〜6の各々と同様にしてガスセンサを作製した場合も、実験例1〜6と同様に多孔質保護層91aの剥離は生じていなかった。 Even when the gas sensor was produced in the same manner as in each of Experimental Examples 1 to 6 except that the mask material was Teflon, the porous protective layer 91a was not peeled off as in Experimental Examples 1 to 6. In addition, when the gas sensor was produced in the same manner as in each of Experimental Examples 1 to 6 except that the mask material was stainless steel coated with Teflon, the porous protective layer 91a was peeled off in the same manner as in Experimental Examples 1 to 6. It did not occur.
1 第1基板層、2 第2基板層、3 第3基板層、4 第1固体電解質層、5 スペーサ層、6 第2固体電解質層、7a〜7e 接着層、10 ガス導入口、11 第1拡散律速部、12 緩衝空間、13 第2拡散律速部、20 第1内部空所、21 主ポンプセル、22 内側ポンプ電極、22a 天井電極部、22b 底部電極部、23 外側ポンプ電極、24,24a,24b コーティング層、25 可変電源、30 第3拡散律速部、40 第2内部空所、41 測定用ポンプセル、42 基準電極、43 基準ガス導入空間、44 測定電極、45 第4拡散律速部、46 可変電源、48 大気導入層、50 補助ポンプセル、51 補助ポンプ電極、51a 天井電極部、51b 底部電極部、52 可変電源、70 ヒータ部、71 ヒータコネクタ電極、72 ヒータ、73 スルーホール、74 ヒータ絶縁層、75 圧力放散孔、76,76a〜76c ヒータ用リード線、80 主ポンプ制御用酸素分圧検出センサセル、81 補助ポンプ制御用酸素分圧検出センサセル、82 測定用ポンプ制御用酸素分圧検出センサセル、83 センサセル、90 多孔質保護部、91,91a〜91e 多孔質保護層、100 ガスセンサ、101 センサ素子、102,102a〜102d 形成領域、103,103a〜103d 非形成領域、110 マスク、112 本体部、112a 本体部端面、112b 本体部開口、112c 内部空間、113 底部、114,114a〜114d 隙間形成部、115 隙間形成部開口、116,116a〜116d 隙間、117,117a〜117d 隙間開口、120 プラズマガン、122 外周部、123 絶縁部、124 水冷ジャケット、126 アノード、126a ノズル、128 カソード、130 プラズマ発生用ガス、132 粉末供給部、134 粉末溶射材料、210,310,410 マスク、214,314,414,214a,314a,414a 隙間形成部、216a,316a,416a 隙間、217a,317a,417a 隙間開口、901 対象物、910 マスク、991 被膜。 DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 1st board | substrate layer, 2nd board | substrate layer, 3rd board | substrate layer, 4th 1st solid electrolyte layer, 5 spacer layer, 6 2nd solid electrolyte layer, 7a-7e contact bonding layer, 10 gas inlet, 11 1st Diffusion limiting part, 12 Buffer space, 13 Second diffusion limiting part, 20 First internal space, 21 Main pump cell, 22 Inner pump electrode, 22a Ceiling electrode part, 22b Bottom electrode part, 23 Outer pump electrode, 24, 24a, 24b Coating layer, 25 Variable power source, 30 Third diffusion rate limiting unit, 40 Second internal space, 41 Measurement pump cell, 42 Reference electrode, 43 Reference gas introduction space, 44 Measurement electrode, 45 Fourth diffusion rate limiting unit, 46 Variable Power supply, 48 Air introduction layer, 50 Auxiliary pump cell, 51 Auxiliary pump electrode, 51a Ceiling electrode part, 51b Bottom electrode part, 52 Variable power supply, 70 Heater part, 71 Heater Connector electrode, 72 heater, 73 through hole, 74 heater insulation layer, 75 pressure dissipation hole, 76, 76a to 76c heater lead wire, 80 oxygen partial pressure detection sensor cell for main pump control, 81 oxygen partial pressure detection for auxiliary pump control Sensor cell, 82 Oxygen partial pressure detection sensor cell for controlling pump for measurement, 83 Sensor cell, 90 Porous protective part, 91, 91a to 91e Porous protective layer, 100 Gas sensor, 101 Sensor element, 102, 102a to 102d Formation region, 103, 103a-103d non-formation region, 110 mask, 112 body part, 112a body part end face, 112b body part opening, 112c internal space, 113 bottom part, 114, 114a-114d gap formation part, 115 gap formation part opening, 116, 116a- 116d clearance, 117, 117a- 17d Clearance opening, 120 Plasma gun, 122 Outer peripheral part, 123 Insulating part, 124 Water cooling jacket, 126 Anode, 126a Nozzle, 128 Cathode, 130 Plasma generating gas, 132 Powder supply part, 134 Powder sprayed material, 210, 310, 410 Mask, 214, 314, 414, 214a, 314a, 414a Gap forming part, 216a, 316a, 416a Gap, 217a, 317a, 417a Gap opening, 901 Object, 910 Mask, 991 Coating.
Claims (8)
(a)前記センサ素子の表面のうち該センサ素子の長手方向に沿った4つの面の各々の一部を前記被膜の形成領域として、該4つの形成領域とそれぞれ隣接する4つの非形成領域を同時に覆うようにマスクを配置する工程と、
(b)プラズマ溶射により前記4つの形成領域に前記被膜を形成する工程と、
(c)前記マスクを取り外す工程と、
を含み、
前記マスクは、前記工程(a)で配置されたときに、前記4つの面の各々について、前記非形成領域のうち前記形成領域側の端部で該形成領域側に開口した隙間を形成する隙間形成部を有しており、
前記4つの面の各々について、前記隙間の開口の高さTが、前記工程(b)で形成される被膜の膜厚tよりも大きい、
被膜の製造方法。 A method for producing a coating by plasma spraying on a long rectangular parallelepiped sensor element ,
(A) Of the surface of the sensor element, a part of each of the four surfaces along the longitudinal direction of the sensor element is defined as the film formation region, and four non-formation regions adjacent to the four formation regions, respectively. Arranging a mask to cover at the same time ;
(B) forming the coating film on the four formation regions by plasma spraying;
(C) removing the mask;
Including
When the mask is disposed in the step (a), a gap that forms a gap opened to the formation region side at an end portion of the non-formation region on the formation region side for each of the four surfaces. Has a forming part,
For each of the four surfaces, the opening height T of the gap is larger than the film thickness t of the coating formed in the step (b).
A method for producing a coating.
請求項1に記載の被膜の製造方法。 For one or more of the four surfaces, the height T is twice or more the film thickness t.
The manufacturing method of the film of Claim 1.
請求項1又は2に記載の被膜の製造方法。 With respect to one or more of the four surfaces, the gap forming portion is a film formed perpendicularly to the opening surface of the gap and formed in the step (b) with the mask disposed in the step (a). When viewed in a cross section parallel to the thickness direction, the area S of the gap is 0.2 mm 2 or more,
The manufacturing method of the film of Claim 1 or 2.
請求項1〜3のいずれか1項に記載の被膜の製造方法。 With respect to one or more of the four surfaces, the gap forming portion is a film formed perpendicularly to the opening surface of the gap and formed in the step (b) with the mask disposed in the step (a). When viewed in a cross-section parallel to the thickness direction, the length M of the portion exposed to the gap in the non-formed region is 1 mm or more,
The manufacturing method of the film of any one of Claims 1-3.
請求項1〜4のいずれか1項に記載の被膜の製造方法。 For each of the four surfaces, the gap forming portion has a shape that is spaced apart from the non-forming region and protrudes toward the forming region with the mask disposed in the step (a). ,
The manufacturing method of the film of any one of Claims 1-4.
請求項1〜5のいずれか1項に記載の被膜の製造方法。 The mask is made of metal or resin.
The manufacturing method of the film of any one of Claims 1-5.
請求項1〜6のいずれか1項に記載の被膜の製造方法。 The mask is made of water repellent resin or is coated with water repellent,
The manufacturing method of the film of any one of Claims 1-6.
前記センサ素子を用意する第1工程と、
請求項1〜7のいずれか1項に記載の被膜の製造方法により、前記センサ素子の表面のうち該センサ素子の長手方向に沿った4つの面の各々の一部を前記形成領域として、該4つの形成領域に前記被膜を形成する第2工程と、
を含むガスセンサの製造方法。 A gas sensor manufacturing method comprising a long rectangular parallelepiped sensor element and a film formed on the surface of the sensor element,
A first step of preparing the sensor element;
By the method for manufacturing a coating film according to any one of claims 1 to 7, a part of each of four surfaces along the longitudinal direction of the sensor element among the surface of the sensor element is used as the formation region. A second step of forming the film in four formation regions;
The manufacturing method of the gas sensor containing this.
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