JP6577408B2 - Gas sensor element and gas sensor - Google Patents

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    • G01N27/00Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means
    • G01N27/26Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating electrochemical variables; by using electrolysis or electrophoresis
    • G01N27/403Cells and electrode assemblies
    • G01N27/406Cells and probes with solid electrolytes
    • G01N27/407Cells and probes with solid electrolytes for investigating or analysing gases
    • G01N27/4075Composition or fabrication of the electrodes and coatings thereon, e.g. catalysts

Description

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

ガスセンサとして、被測定ガス中の特定ガス成分の濃度に応じて電気的特性が変化するガスセンサ素子を備えるセンサが知られている。
例えば、特許文献1には、先端が閉じた有底筒状の固体電解質体と、この固体電解質体の内表面に形成された内側電極(基準電極)と、固体電解質体の外表面の先端部に形成された外側電極(検知電極)と、を備えるガスセンサ素子が開示されている。このようなガスセンサは、例えば、燃焼器や内燃機関から排出される排気ガス中に含まれる特定ガスのガス濃度を検出するために好適に用いられる。
As a gas sensor, a sensor is known that includes a gas sensor element whose electrical characteristics change according to the concentration of a specific gas component in a gas to be measured.
For example, Patent Document 1 discloses a bottomed cylindrical solid electrolyte body with a closed tip, an inner electrode (reference electrode) formed on the inner surface of the solid electrolyte body, and a tip portion of the outer surface of the solid electrolyte body. A gas sensor element is disclosed that includes an outer electrode (detection electrode) formed on the substrate. Such a gas sensor is suitably used, for example, for detecting the gas concentration of a specific gas contained in exhaust gas discharged from a combustor or an internal combustion engine.

また、特許文献2,3には、各種の導電性酸化物が開示されている。これらの導電性酸化物は、ガスセンサ素子の電極材料として利用することが可能である。ガスセンサ素子の電極材料として特許文献2,3に開示された導電性酸化物を利用すれば、電気抵抗値が十分に低い電極が得られることでガス検出精度が向上するガスセンサ素子が得られる。また、ガスセンサ素子の電極材料として特許文献2,3に開示された導電性酸化物を利用することで、電極材料として貴金属のみを用いる場合に比べて安価なガスセンサ素子が得られる。   Patent Documents 2 and 3 disclose various conductive oxides. These conductive oxides can be used as electrode materials for gas sensor elements. If the conductive oxide disclosed in Patent Documents 2 and 3 is used as the electrode material of the gas sensor element, an electrode having a sufficiently low electric resistance value can be obtained, whereby a gas sensor element with improved gas detection accuracy can be obtained. Further, by using the conductive oxide disclosed in Patent Documents 2 and 3 as the electrode material of the gas sensor element, a cheaper gas sensor element can be obtained as compared with the case where only the noble metal is used as the electrode material.

特開2009−63330号公報JP 2009-63330 A 特許第3417090号公報Japanese Patent No. 3417090 国際公開第2013/150779号公報International Publication No. 2013/1507779

しかし、ガスセンサ(ガスセンサ素子)は、用途によってはより低い温度帯(例えば、300℃以下)でのガス検出が必要となる場合があり、上記のガスセンサ素子を用いても、電極の活性化が不十分となり、ガス検出ができない場合がある。   However, the gas sensor (gas sensor element) may require gas detection in a lower temperature zone (for example, 300 ° C. or lower) depending on the application. Even if the gas sensor element described above is used, activation of the electrode is not possible. In some cases, gas detection may not be possible.

また、ガスセンサ(ガスセンサ素子)は、用途によっては温度変化の激しい環境下で利用される場合があり、上記のガスセンサ素子では、温度変化により生じる熱衝撃に対する耐性(冷熱サイクル耐性)が不十分であるために、熱衝撃によりガスセンサ素子の破損が生じる場合がある。   In addition, gas sensors (gas sensor elements) may be used in an environment where temperature changes are severe depending on applications, and the above gas sensor elements are insufficient in resistance to thermal shock caused by temperature changes (cooling cycle resistance). Therefore, the gas sensor element may be damaged due to thermal shock.

そこで、本発明は、低温(300℃以下)環境下でもガス検出が可能であり、温度変化により生じる熱衝撃による破損が生じ難いガスセンサ素子、およびそのようなガスセンサ素子を備えるガスセンサを提供することを目的とする。   Accordingly, the present invention provides a gas sensor element that can detect a gas even in a low temperature (300 ° C. or lower) environment and is less likely to be damaged by a thermal shock caused by a temperature change, and a gas sensor including such a gas sensor element. Objective.

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

測定電極および基準電極のうち少なくとも一方は、固体電解質体に近い側から順に、反応防止層、電極層、リード層が積層された多層構造である。
反応防止層および電極層は、それぞれ、希土類添加セリアが含まれている。
At least one of the measurement electrode and the reference electrode has a multilayer structure in which a reaction preventing layer, an electrode layer, and a lead layer are laminated in order from the side close to the solid electrolyte body.
The reaction preventing layer and the electrode layer each contain rare earth-added ceria.

電極層およびリード層は、それぞれ、導電性酸化物層を含んで形成される。この導電性酸化物層は、組成式:LaaMbNicOx(MはCoとFeのうちの一種以上、a+b+c=1、1.25≦x≦1.75)で表されペロブスカイト型結晶構造を有するペロブスカイト相を含有する。前記組成式におけるa,b,cは、0.459≦a≦0.535、0.200≦b≦0.475、0.025≦c≦0.350を満たしている。   Each of the electrode layer and the lead layer is formed including a conductive oxide layer. This conductive oxide layer has a perovskite phase represented by a composition formula: LaaMbNicOx (M is one or more of Co and Fe, a + b + c = 1, 1.25 ≦ x ≦ 1.75) and has a perovskite crystal structure. contains. A, b, and c in the composition formula satisfy 0.459 ≦ a ≦ 0.535, 0.200 ≦ b ≦ 0.475, and 0.025 ≦ c ≦ 0.350.

反応防止層の厚さ寸法は、リード層の厚さ寸法よりも小さい。電極層の厚さ寸法は、反応防止層の厚さ寸法以上で、かつ、リード層の厚さ寸法以下である。
このガスセンサ素子は、電極層およびリード層が上述のペロブスカイト相を含有する導電性酸化物層を含んで構成されることから、電極層およびリード層が貴金属を用いて構成される場合に比べて、安価に製造できる。
The thickness dimension of the reaction preventing layer is smaller than the thickness dimension of the lead layer. The thickness dimension of the electrode layer is not less than the thickness dimension of the reaction preventing layer and not more than the thickness dimension of the lead layer.
In this gas sensor element, since the electrode layer and the lead layer are configured to include the conductive oxide layer containing the perovskite phase described above, compared to the case where the electrode layer and the lead layer are configured using a noble metal, Can be manufactured at low cost.

反応防止層は、その厚さ寸法がリード層の厚さ寸法よりも小さく、かつ、その厚さ寸法が電極層の厚さ寸法以下に形成されている。このような構成の反応防止層は、厚さ寸法がリード層および電極層よりも大きく形成された反応防止層に場合に比べて、冷熱サイクルでの耐熱衝撃性が高くなる。   The reaction preventing layer has a thickness dimension smaller than the thickness dimension of the lead layer, and the thickness dimension is less than or equal to the thickness dimension of the electrode layer. The reaction preventing layer having such a configuration has higher thermal shock resistance in the cooling and heating cycle than the reaction preventing layer formed with a thickness dimension larger than that of the lead layer and the electrode layer.

リード層の厚さ寸法が反応防止層の厚さ寸法よりも大きいことで、リード層における電気抵抗値を低減でき、ガスセンサ素子としての内部抵抗値を低減できるため、固体電解質体の活性化状態が低い低温(300℃以下)環境下でも、ガス検出が可能となる。   Since the thickness dimension of the lead layer is larger than the thickness dimension of the reaction preventing layer, the electrical resistance value in the lead layer can be reduced, and the internal resistance value as a gas sensor element can be reduced. Gas detection is possible even in a low temperature (300 ° C. or lower) environment.

よって、このガスセンサ素子は、安価であり、耐熱衝撃性を有し、低温作動性を有する、という有利な作用効果を奏する。
なお、電極層およびリード層が上述のペロブスカイト相を主成分とする導電性酸化物層を含んで構成されることにより、電極層およびリード層をさらに安価に製造できる。ここで「ペロブスカイト相を主成分とする」とは、導電性酸化物層において、ペロブスカイト相が最も多く含まれていることを意味する。
Therefore, this gas sensor element is advantageous in that it is inexpensive, has thermal shock resistance, and has low temperature operability.
In addition, an electrode layer and a lead layer can be manufactured further cheaply by comprising the conductive oxide layer which has the above-mentioned perovskite phase as a main component. Here, “having a perovskite phase as a main component” means that the conductive oxide layer contains the most perovskite phase.

次に、上述のガスセンサ素子においては、反応防止層、電極層、リード層のそれぞれの気孔率のうち反応防止層の気孔率が最も低くなるように、反応防止層、電極層、リード層を形成してもよい。   Next, in the gas sensor element described above, the reaction preventing layer, the electrode layer, and the lead layer are formed so that the reaction preventing layer has the lowest porosity among the porosity of the reaction preventing layer, the electrode layer, and the lead layer. May be.

反応防止層の気孔率が最も低いことで、反応防止層の緻密度が高くなるため、固体電解質体と電極層との間の界面抵抗値を小さくすることができる。
次に、上述のガスセンサ素子においては、反応防止層の厚さ寸法、電極層の厚さ寸法、リード層の厚さ寸法は、それぞれ前記の大小関係を満たすと共に、反応防止層の厚さ寸法は、1〜10μmの範囲内であり、電極層の厚さ寸法は、3〜30μmの範囲内であり、リード層の厚さ寸法は、5〜40μmの範囲内であってもよい。
Since the porosity of the reaction preventing layer is the lowest, the density of the reaction preventing layer is increased, so that the interface resistance value between the solid electrolyte body and the electrode layer can be reduced.
Next, in the gas sensor element described above, the thickness dimension of the reaction preventing layer, the thickness dimension of the electrode layer, and the thickness dimension of the lead layer satisfy the above-mentioned magnitude relationship, and the thickness dimension of the reaction preventing layer is It may be in the range of 1 to 10 μm, the thickness dimension of the electrode layer may be in the range of 3 to 30 μm, and the thickness dimension of the lead layer may be in the range of 5 to 40 μm.

反応防止層、電極層、リード層のそれぞれの厚さ寸法を、このように設定することで、熱衝撃によるガスセンサ素子の破損を抑制できるとともに、ガスセンサ素子の低温作動性が良好となる。   By setting the thickness dimensions of the reaction preventing layer, the electrode layer, and the lead layer in this way, the gas sensor element can be prevented from being damaged by thermal shock, and the low temperature operability of the gas sensor element is improved.

次に、上述のガスセンサ素子においては、反応防止層の気孔率は、0〜10%の範囲内であり、電極層の気孔率は、10〜30%の範囲内であり、リード層の気孔率は、35〜60%の範囲内であってもよい。   Next, in the gas sensor element described above, the porosity of the reaction preventing layer is in the range of 0 to 10%, the porosity of the electrode layer is in the range of 10 to 30%, and the porosity of the lead layer is May be in the range of 35-60%.

反応防止層、電極層、リード層のそれぞれの気孔率を、このように設定することで、熱衝撃によるガスセンサ素子の破損を抑制できるとともに、ガスセンサ素子の低温作動性が良好となる。   By setting the respective porosities of the reaction preventing layer, the electrode layer, and the lead layer in this manner, the gas sensor element can be prevented from being damaged by thermal shock, and the low temperature operability of the gas sensor element is improved.

次に、上述のガスセンサ素子においては、基準電極が、反応防止層、電極層、リード層が積層された多層構造であってもよい。
固体電解質体および一対の電極(基準電極、測定電極)は、ガス検出時には高温(例えば、300℃を超える温度)となるが、このうち基準電極は、ガス検出時に低温の基準ガス(大気)に接触するため、熱衝撃による破損が生じやすい。
Next, in the gas sensor element described above, the reference electrode may have a multilayer structure in which a reaction preventing layer, an electrode layer, and a lead layer are laminated.
The solid electrolyte body and the pair of electrodes (reference electrode, measurement electrode) are at a high temperature (for example, a temperature exceeding 300 ° C.) at the time of gas detection. Among these, the reference electrode becomes a low temperature reference gas (atmosphere) at the time of gas detection Because of contact, damage due to thermal shock is likely to occur.

これに対して、基準電極が、反応防止層、電極層、リード層が積層された多層構造となることで、熱衝撃による基準電極の破損を抑制でき、ガスセンサ素子としての耐熱衝撃性が向上する。   On the other hand, since the reference electrode has a multilayer structure in which a reaction preventing layer, an electrode layer, and a lead layer are laminated, damage to the reference electrode due to thermal shock can be suppressed, and thermal shock resistance as a gas sensor element is improved. .

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

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

上述のいずれかのガスセンサ素子を備えるガスセンサは、安価であり、耐熱衝撃性を有し、低温作動性を有する、という有利な作用効果を奏する。   A gas sensor including any one of the gas sensor elements described above is advantageous in that it is inexpensive, has thermal shock resistance, and has low temperature operability.

本発明のガスセンサ素子およびガスセンサによれば、安価であり、耐熱衝撃性を有し、低温作動性を有する、という有利な作用効果を奏する。   According to the gas sensor element and the gas sensor of the present invention, there are advantageous effects such as low cost, thermal shock resistance, and low temperature operability.

ガスセンサを軸線O方向に破断した状態を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows the state which fractured | ruptured the gas sensor in the axis line O direction. ガスセンサ素子の外観を示す正面図である。It is a front view which shows the external appearance of a gas sensor element. ガスセンサ素子の構成を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the structure of a gas sensor element. 図3に示すガスセンサ素子のうち点線で囲まれた領域D1および領域D2を拡大した拡大断面図である。It is the expanded sectional view which expanded the area | region D1 and the area | region D2 enclosed with the dotted line among the gas sensor elements shown in FIG. 実施例1のガスセンサ素子における冷熱サイクル試験前および試験後の断面SEM画像を表す説明図である。It is explanatory drawing showing the cross-sectional SEM image before and after the thermal cycle test in the gas sensor element of Example 1. FIG. 比較例のガスセンサ素子における冷熱サイクル試験前および試験後の断面SEM画像を表す説明図である。It is explanatory drawing showing the cross-sectional SEM image before and after the thermal cycle test in the gas sensor element of a comparative example. 板型ガスセンサ素子の斜視図である。It is a perspective view of a plate type gas sensor element. 板型ガスセンサ素子の模式的な分解斜視図である。It is a typical exploded perspective view of a plate type gas sensor element. 板型ガスセンサ素子の先端側の部分拡大断面図である。It is a partial expanded sectional view of the front end side of a plate type gas sensor element. 板型ガスセンサ素子のうち基準電極の基準電極部が形成される領域の部分拡大断面図である。It is a partial expanded sectional view of the area | region in which the reference electrode part of a reference electrode is formed among plate-type gas sensor elements.

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

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

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

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

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

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

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

ガスセンサ素子3の先端部25には、素子本体21の外周面に外側電極27が形成されている。外側電極27は、PtあるいはPt合金を多孔質に形成したものである。
素子鍔部23の先端側(図2下方)には、Pt等で形成された環状の環状リード部28が形成されている。
An outer electrode 27 is formed on the outer peripheral surface of the element body 21 at the distal end portion 25 of the gas sensor element 3. The outer electrode 27 is made of porous Pt or Pt alloy.
An annular lead portion 28 made of Pt or the like is formed on the tip end side (lower side in FIG. 2) of the element flange 23.

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

一方、図1に示すとおり、ガスセンサ素子3の素子本体21の内周面には、内側電極30が形成されている。内側電極30は、希土類添加セリアやペロブスカイト相等を含む材料を多孔質に形成したものである。ガスセンサ素子3の先端部25(検知部)において、外側電極27が測定対象ガスに晒され、内側電極30が基準ガス(大気)に晒されることで、測定対象ガス中の酸素濃度を検出している。   On the other hand, as shown in FIG. 1, an inner electrode 30 is formed on the inner peripheral surface of the element body 21 of the gas sensor element 3. The inner electrode 30 is formed by forming a porous material including a rare earth-added ceria, a perovskite phase, and the like. At the front end portion 25 (detection unit) of the gas sensor element 3, the outer electrode 27 is exposed to the measurement target gas, and the inner electrode 30 is exposed to the reference gas (atmosphere), thereby detecting the oxygen concentration in the measurement target gas. Yes.

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

[1−2.ガスセンサ素子]
ガスセンサ素子3の構成について説明する。
ガスセンサ素子3は、上述の通り、素子本体21と、外側電極27と、環状リード部28と、縦リード部29、内側電極30と、を備えている。
[1-2. Gas sensor element]
The configuration of the gas sensor element 3 will be described.
As described above, the gas sensor element 3 includes the element body 21, the outer electrode 27, the annular lead portion 28, the vertical lead portion 29, and the inner electrode 30.

図3は、ガスセンサ素子3の構成を示す断面図である。図4は、図3に示すガスセンサ素子3のうち点線で囲まれた領域D1および領域D2を拡大した拡大断面図である。
ガスセンサ素子3の先端部25においては、外側電極27および内側電極30が素子本体21を挟み込むように配置されている。素子本体21および一対の電極(外側電極27および内側電極30)は、酸素濃淡電池を構成して、測定対象ガスのガス濃度に応じた起電力(電圧)を発生する。つまり、ガスセンサ素子3の先端部25(検知部)において、外側電極27が測定対象ガスに晒され、内側電極30が基準ガス(大気)に晒されることで、測定対象ガス中の酸素濃度を検出している。
FIG. 3 is a cross-sectional view showing the configuration of the gas sensor element 3. 4 is an enlarged cross-sectional view in which the region D1 and the region D2 surrounded by the dotted line in the gas sensor element 3 shown in FIG. 3 are enlarged.
At the distal end portion 25 of the gas sensor element 3, the outer electrode 27 and the inner electrode 30 are disposed so as to sandwich the element body 21. The element body 21 and the pair of electrodes (the outer electrode 27 and the inner electrode 30) constitute an oxygen concentration cell and generate an electromotive force (voltage) corresponding to the gas concentration of the measurement target gas. That is, the oxygen concentration in the measurement target gas is detected by exposing the outer electrode 27 to the measurement target gas and the inner electrode 30 to the reference gas (atmosphere) at the tip 25 (detection unit) of the gas sensor element 3. is doing.

外側電極27は、上述の通り、縦リード部29を介して環状リード部28に電気的に接続されている。環状リード部28は、導電性材料で形成されたパッキン88およびプロテクタ15を介して、主体金具13に電気的に接続されている。なお、外側電極27を覆うように、外側電極27を保護するための電極保護層(図示省略)を形成してもよい。なお、外側電極27の形状や配置は単なる一例であり、これ以外の種々の形状や配置を採用可能である。   As described above, the outer electrode 27 is electrically connected to the annular lead portion 28 via the vertical lead portion 29. The annular lead portion 28 is electrically connected to the metal shell 13 via a packing 88 made of a conductive material and the protector 15. An electrode protective layer (not shown) for protecting the outer electrode 27 may be formed so as to cover the outer electrode 27. Note that the shape and arrangement of the outer electrode 27 are merely examples, and various other shapes and arrangements can be employed.

一方、ガスセンサ素子3の素子本体21の内周面には、内側電極30が形成されている。内側電極30は、希土類添加セリアやペロブスカイト相等を含む材料を多孔質に形成したものである。内側電極30は、内側検知電極部30aと、内側リード部30bと、を有している。   On the other hand, an inner electrode 30 is formed on the inner peripheral surface of the element body 21 of the gas sensor element 3. The inner electrode 30 is formed by forming a porous material including a rare earth-added ceria, a perovskite phase, and the like. The inner electrode 30 has an inner detection electrode part 30a and an inner lead part 30b.

内側検知電極部30aは、素子本体21の先端部25の内表面を覆うように形成されている。内側リード部30bは、内側検知電極部30aの後端側に接続されており、端子金具9(図1参照)と電気的に接続される。内側検知電極部30aおよび内側リード部30bは、全体として素子本体21の内面の全面を覆うように形成されている。   The inner detection electrode part 30 a is formed so as to cover the inner surface of the tip part 25 of the element body 21. The inner lead portion 30b is connected to the rear end side of the inner detection electrode portion 30a and is electrically connected to the terminal fitting 9 (see FIG. 1). The inner detection electrode part 30a and the inner lead part 30b are formed so as to cover the entire inner surface of the element body 21 as a whole.

つまり、ガスセンサ素子3の素子本体21は、先端側領域F1に外側電極27および内側検知電極部30aが形成され、後端側領域F2に内側リード部30bが形成されている。素子本体21の先端側領域F1は、素子本体21の先端部25に相当する。   That is, the element body 21 of the gas sensor element 3 has the outer electrode 27 and the inner detection electrode portion 30a formed in the front end side region F1, and the inner lead portion 30b formed in the rear end side region F2. The tip end region F1 of the element body 21 corresponds to the tip portion 25 of the element body 21.

図4に示すように、内側検知電極部30aは、素子本体21に近い側から順に、反応防止層31、電極層32、先端リード層33a(リード層33)が積層された多層構造である。   As shown in FIG. 4, the inner detection electrode portion 30 a has a multilayer structure in which a reaction preventing layer 31, an electrode layer 32, and a tip lead layer 33 a (lead layer 33) are laminated in order from the side closer to the element body 21.

なお、先端リード層33aは、後述する後端リード層33bとともにリード層33を形成する。つまり、リード層33は、先端リード層33aと、後端リード層33bと、を備える。   The leading lead layer 33a forms the lead layer 33 together with a trailing lead layer 33b described later. That is, the lead layer 33 includes a leading end lead layer 33a and a trailing end lead layer 33b.

反応防止層31は、希土類添加セリアで形成された酸化物層である。希土類添加セリアは、セリア以外の希土類酸化物が添加されたセリアである。「セリア以外の希土類酸化物」としては、La、Gd、Sm、Y等を利用することができる。このような希土類添加セリアにおける希土類元素REの含有割合は、セリウムと希土類元素REのモル分率{RE/(Ce+RE)}に換算して、例えば、10mol%以上50mol%以下の範囲とすることができる。このような希土類添加セリアは、低温(室温)では絶縁体であるが、高温(ガスセンサ1の使用温度)では酸素イオン伝導性を有する固体電解質として機能する。このため、反応防止層31は、ガスセンサ1の使用時(ガスセンサ素子3の使用時)には、電極層32と素子本体21とを電気的に接続するための層として機能する。なお、反応防止層31は、ガスセンサ素子3の製造時(焼成時)には、電極層32のLaと素子本体21のZrOとの反応を生じ難くする機能を有する。このような反応防止層31を設けることで、電極層32のLaと素子本体21のZrOとの反応によりランタンジルコネート層(反応層)が形成されるのを抑制できる。 The reaction preventing layer 31 is an oxide layer formed of rare earth-added ceria. The rare earth-added ceria is a ceria to which a rare earth oxide other than ceria is added. As the “rare earth oxide other than ceria”, La 2 O 3 , Gd 2 O 3 , Sm 2 O 3 , Y 2 O 3 and the like can be used. The content ratio of the rare earth element RE in such rare earth-added ceria is, for example, in the range of 10 mol% or more and 50 mol% or less in terms of the molar fraction {RE / (Ce + RE)} of cerium and the rare earth element RE. it can. Such rare earth-added ceria is an insulator at a low temperature (room temperature), but functions as a solid electrolyte having oxygen ion conductivity at a high temperature (use temperature of the gas sensor 1). For this reason, the reaction preventing layer 31 functions as a layer for electrically connecting the electrode layer 32 and the element body 21 when the gas sensor 1 is used (when the gas sensor element 3 is used). The reaction preventing layer 31 has a function of making it difficult for the reaction between La of the electrode layer 32 and ZrO 2 of the element body 21 to occur during the manufacturing (firing) of the gas sensor element 3. By providing such a reaction preventing layer 31, it is possible to suppress the formation of a lanthanum zirconate layer (reaction layer) due to the reaction between La of the electrode layer 32 and ZrO 2 of the element body 21.

電極層32およびリード層33は、以下の組成式を満たすペロブスカイト型酸化物結晶構造を有する結晶相(ペロブスカイト相)を含んで構成されている。
LaaMbNicOx …(1)
ここで、元素MはCoとFeのうちの一種以上を表し、a+b+c=1、1.25≦x≦1.75である。係数a,b,cは以下の関係を満たすことが好ましい。
The electrode layer 32 and the lead layer 33 are configured to include a crystal phase (perovskite phase) having a perovskite oxide crystal structure that satisfies the following composition formula.
LaaMbNicOx (1)
Here, the element M represents one or more of Co and Fe, and a + b + c = 1 and 1.25 ≦ x ≦ 1.75. The coefficients a, b, and c preferably satisfy the following relationship.

0.459≦a≦0.535 …(2a)
0.200≦b≦0.475 …(2b)
0.025≦c≦0.350 …(2c)
上記組成式で表される組成を有するペロブスカイト型導電性酸化物は、室温(25℃)での導電率が250S/cm以上で、かつB定数が600K以下となり、これらの関係を満たさない場合に比べて導電率が高くB定数が小さいという良好な特性を有する。また、このペロブスカイト型導電性酸化物は、貴金属電極に比べて界面抵抗の活性化エネルギーが小さいので、低温においても界面抵抗を十分に小さくすることができる。なお、大気中で約600℃の環境で放置すると、Pt電極は酸化して界面抵抗が上昇するのに対して、ペロブスカイト型導電性酸化物ではこのような経時変化が起こり難いという利点もある。
0.459 ≦ a ≦ 0.535 (2a)
0.200 ≦ b ≦ 0.475 (2b)
0.025 ≦ c ≦ 0.350 (2c)
The perovskite-type conductive oxide having the composition represented by the above composition formula has a conductivity of 250 S / cm or more at room temperature (25 ° C.) and a B constant of 600 K or less, and does not satisfy these relationships. Compared to this, it has good characteristics such as high conductivity and small B constant. In addition, since the perovskite type conductive oxide has a lower activation energy of the interface resistance than the noble metal electrode, the interface resistance can be sufficiently reduced even at a low temperature. If the Pt electrode is left in an atmosphere of about 600 ° C. in the atmosphere, the Pt electrode is oxidized and the interface resistance is increased. On the other hand, the perovskite type conductive oxide has an advantage that such a change with time hardly occurs.

係数b,cに関しては、上記(2b),(2c)の代わりに下記の(3b),(3c)を満足するようにしてもよい。
0.200≦b≦0.375 …(3b)
0.125≦c≦0.300 …(3c)
この場合、導電率を更に高くするとともに、B定数を更に小さくすることができる。
Regarding the coefficients b and c, the following (3b) and (3c) may be satisfied instead of the above (2b) and (2c).
0.200 ≦ b ≦ 0.375 (3b)
0.125 ≦ c ≦ 0.300 (3c)
In this case, the conductivity can be further increased and the B constant can be further decreased.

上記(1)式のO(酸素)の係数xに関しては、上記組成を有する導電性酸化物がすべてペロブスカイト相からなる場合には、理論上はx=1.5となる。但し、酸素が量論組成からずれることがあるので、典型的な例として、xの範囲を1.25≦x≦1.75と規定している。   Regarding the coefficient x of O (oxygen) in the above formula (1), when all the conductive oxides having the above composition are composed of a perovskite phase, theoretically, x = 1.5. However, since oxygen may deviate from the stoichiometric composition, as a typical example, the range of x is defined as 1.25 ≦ x ≦ 1.75.

電極層32は、上記のペロブスカイト相および希土類添加セリアを含んで構成されている。このような電極層32は、高温(ガスセンサ1の使用時)においてイオン導電性と電子導電性の両方の性質を有しているので、十分に低い界面抵抗値を示す。   The electrode layer 32 includes the perovskite phase and the rare earth-added ceria. Since such an electrode layer 32 has both ionic conductivity and electronic conductivity properties at a high temperature (when the gas sensor 1 is used), it exhibits a sufficiently low interface resistance value.

リード層33は、上記のペロブスカイト相を主成分とし、希土類添加セリアを含まないで構成されている。
反応防止層31の厚さ寸法T1は2μmであり、電極層32の厚さ寸法T2は11μmであり、リード層33の厚さ寸法T3は16μmである。また、反応防止層31の気孔率B1は1%であり、電極層32の気孔率B2は21%であり、リード層33の気孔率B3は46%である。
The lead layer 33 is composed of the above-described perovskite phase as a main component and does not contain rare earth-added ceria.
The thickness dimension T1 of the reaction preventing layer 31 is 2 μm, the thickness dimension T2 of the electrode layer 32 is 11 μm, and the thickness dimension T3 of the lead layer 33 is 16 μm. Further, the porosity B1 of the reaction preventing layer 31 is 1%, the porosity B2 of the electrode layer 32 is 21%, and the porosity B3 of the lead layer 33 is 46%.

内側リード部30bは、後端リード層33b(リード層33)と、ランタンジルコネート層34と、を含む多層構造を有する。ランタンジルコネート層34は、後端リード層33bよりも素子本体21に近い側に配置されている。   The inner lead portion 30 b has a multilayer structure including a rear end lead layer 33 b (lead layer 33) and a lanthanum zirconate layer 34. The lanthanum zirconate layer 34 is disposed closer to the element body 21 than the rear end lead layer 33b.

後端リード層33bは、上述した内側検知電極部30aの先端リード層33aと同様の組成で形成されている。
但し、内側検知電極部30aを構成する先端リード層33aにおけるペロブスカイト相の含有割合は、内側リード部30bを構成する後端リード層33bにおけるペロブスカイト相の含有割合と同じか、又は、それよりも多くてもよい。
The rear end lead layer 33b is formed with the same composition as the front end lead layer 33a of the inner detection electrode portion 30a described above.
However, the content ratio of the perovskite phase in the front lead layer 33a constituting the inner detection electrode portion 30a is the same as or more than the content ratio of the perovskite phase in the rear lead layer 33b constituting the inner lead portion 30b. May be.

ランタンジルコネート層34は、内側リード部30bの焼成時に、後端リード層33bに含まれるランタン(La)と、素子本体21に含まれるZrOとが反応して形成された層である。このようなランタンジルコネート層34を、以下では「反応層34」とも呼ぶ。ランタンジルコネート層34が形成されると、ランタンジルコネート層34と後端リード層33bとの間、及び、ランタンジルコネート層34と素子本体21との間の密着性が高まるので、機械的な耐衝撃性が向上する。従って、内側リード部30bが存在する部分では、後端リード層33bと素子本体21との間にランタンジルコネート層34が形成されることで、機械的な耐衝撃性を向上できる。 The lanthanum zirconate layer 34 is a layer formed by a reaction between lanthanum (La) contained in the rear end lead layer 33b and ZrO 2 contained in the element body 21 during the firing of the inner lead portion 30b. Such a lanthanum zirconate layer 34 is also referred to as “reaction layer 34” below. When the lanthanum zirconate layer 34 is formed, the adhesion between the lanthanum zirconate layer 34 and the rear end lead layer 33b and between the lanthanum zirconate layer 34 and the element body 21 is increased. Improves impact resistance. Therefore, in the portion where the inner lead portion 30b exists, the mechanical impact resistance can be improved by forming the lanthanum zirconate layer 34 between the rear end lead layer 33b and the element body 21.

[1−3.ガスセンサ素子の製造方法]
ガスセンサ素子3の製造方法について説明する。
第1工程では、未焼結成形体を作製する。
[1-3. Manufacturing method of gas sensor element]
A method for manufacturing the gas sensor element 3 will be described.
In the first step, a green compact is produced.

第1工程では、まず、素子本体21の材料である固体電解質体の粉末として、ジルコニア(ZrO)に安定化剤としてイットリア(Y)を5mol%添加したもの(「5YSZ」ともいう)に対して、さらにアルミナ粉末を添加したものを用意する。素子本体21の材料粉末全体を100質量%としたとき、5YSZの含有量は99.6質量%であり、アルミナ粉末の含有量は0.4質量%である。この粉末をプレス加工した後、筒型形状となるように切削加工を実施することで、未焼結成形体を得る。 In the first step, first, as a powder of a solid electrolyte body that is a material of the element body 21, zirconia (ZrO 2 ) is added with 5 mol% of yttria (Y 2 O 3 ) as a stabilizer (also referred to as “5YSZ”). ) To which alumina powder is further added. When the total material powder of the element body 21 is 100% by mass, the content of 5YSZ is 99.6% by mass, and the content of alumina powder is 0.4% by mass. After the powder is pressed, an unsintered molded body is obtained by cutting the powder so as to have a cylindrical shape.

次に、第2工程では、導電性酸化物(セリア有)のスラリー(電極層32のスラリー)と、導電性酸化物(セリア無)のスラリー(リード層33のスラリー)と、反応防止層のスラリーと、を作製する。   Next, in the second step, a slurry of conductive oxide (with ceria) (slurry of electrode layer 32), slurry of conductive oxide (without ceria) (slurry of lead layer 33), and reaction preventing layer Slurry.

導電性酸化物(セリア有)のスラリー(電極層32のスラリー)の作製においては、例えば、導電性酸化物の原料粉末を秤量した後、湿式混合して乾燥することにより、原料粉末混合物を調整する。このとき、ペロブスカイト相の原料粉末としては、例えば、La(OH)又はLa、並びに、Co、Fe、及びNiOを用いることができる。また、希土類添加セリアの原料粉末としては、CeOの他に、La、Gd、Sm、Y等を利用することができる。これらの原料粉末混合物を、大気雰囲気下、700〜1200℃で1〜5時間仮焼して仮焼粉末を作製する。そして、この仮焼粉末を、湿式ボールミル等による粉砕を行い所定の粒度に調整した後、ターピネオールやブチルカルビトール等の溶媒に、エチルセルロース等のバインダとともに溶解することにより、スラリーを作製する。 In the production of a slurry of conductive oxide (with ceria) (slurry of electrode layer 32), for example, the raw material powder mixture is weighed and then wet mixed and dried to adjust the raw material powder mixture. To do. At this time, for example, La (OH) 3 or La 2 O 3 , Co 3 O 4 , Fe 2 O 3 , and NiO can be used as the raw powder for the perovskite phase. In addition to CeO 2 , La 2 O 3 , Gd 2 O 3 , Sm 2 O 3 , Y 2 O 3 and the like can be used as the rare earth-added ceria raw material powder. These raw material powder mixtures are calcined at 700 to 1200 ° C. for 1 to 5 hours in an air atmosphere to prepare calcined powder. Then, the calcined powder is pulverized by a wet ball mill or the like and adjusted to a predetermined particle size, and then dissolved in a solvent such as terpineol or butyl carbitol together with a binder such as ethyl cellulose to produce a slurry.

なお、本実施形態では、ペロブスカイト相の原料粉末としては、比表面積が8.0[m/g]のLFN(LaFe0.5Ni0.5)粉末を用い、希土類添加セリアの原料粉末としては、比表面積が30.0[m/g]のGDC(20mol%Gd−CeO)粉末を用いた。また、本実施形態では、LFN粉末およびGDC粉末がそれぞれ50体積%となるように調合した原料粉末混合物を用いた。 In this embodiment, LFN (LaFe 0.5 Ni 0.5 O 3 ) powder having a specific surface area of 8.0 [m 2 / g] is used as the raw material powder for the perovskite phase, and the raw material for rare earth-added ceria is used. As the powder, GDC (20 mol% Gd—CeO 2 ) powder having a specific surface area of 30.0 [m 2 / g] was used. Moreover, in this embodiment, the raw material powder mixture prepared so that LFN powder and GDC powder might each be 50 volume% was used.

導電性酸化物(セリア無)のスラリー(リード層33のスラリー)の作製工程は、導電性酸化物(セリア有)のスラリーの作製工程と比べて、少なくとも希土類添加セリアの原料粉末を混合しない点と、造孔材を添加する点、が異なる。導電性酸化物(セリア無)のスラリーの作製においては、例えば、導電性酸化物の原料粉末を秤量した後、湿式混合して乾燥することにより、原料粉末混合物を調整する。本実施形態では、ペロブスカイト相の原料粉末として、比表面積が1.5[m/g]のLFN(LaFe0.5Ni0.5)粉末を用いた。この粉末に対してカーボンを30体積%添加したものを、ターピネオールやブチルカルビトール等の溶媒に、エチルセルロース等のバインダとともに溶解することにより、スラリーを作製した。 The production step of the conductive oxide (without ceria) slurry (slurry of the lead layer 33) does not mix at least the rare earth-added ceria raw material powder compared to the production step of the conductive oxide (with ceria) slurry. The difference is that a pore former is added. In the production of the slurry of conductive oxide (without ceria), for example, the raw material powder mixture is prepared by weighing the raw material powder of the conductive oxide and then wet-mixing and drying. In the present embodiment, LFN (LaFe 0.5 Ni 0.5 O 3 ) powder having a specific surface area of 1.5 [m 2 / g] was used as the raw material powder for the perovskite phase. A slurry obtained by adding 30% by volume of carbon to this powder was dissolved in a solvent such as terpineol or butyl carbitol together with a binder such as ethyl cellulose.

反応防止層のスラリーの作製においては、希土類添加セリアの原料粉末を、ターピネオールやブチルカルビトール等の溶媒に、エチルセルロース等のバインダとともに溶解することにより、スラリーを作製する。希土類添加セリアの原料粉末としては、CeOの他に、La、Gd、Sm、Y等を利用することができる。本実施形態では、希土類添加セリアとして、比表面積が10[m/g]のGDC(20mol%Gd−CeO)粉末を用いた。前述したように、反応防止層31は、希土類添加セリアで形成されている。 In the preparation of the slurry for the reaction preventing layer, the raw material powder of the rare earth-added ceria is dissolved in a solvent such as terpineol or butyl carbitol together with a binder such as ethyl cellulose to prepare a slurry. In addition to CeO 2 , La 2 O 3 , Gd 2 O 3 , Sm 2 O 3 , Y 2 O 3 and the like can be used as the rare earth-added ceria raw material powder. In the present embodiment, GDC (20 mol% Gd—CeO 2 ) powder having a specific surface area of 10 [m 2 / g] was used as the rare earth-added ceria. As described above, the reaction preventing layer 31 is formed of rare earth-added ceria.

次に、第3工程では、未焼結成形体のうち、外側電極27、内側検知電極部30a、内側リード部30bの形成部分に、それぞれのスラリーを塗布する。
まず、外側電極27の形成部分にPtペースト等の貴金属のスラリーを塗布し、反応防止層31の形成部分に希土類添加セリアのスラリーを塗布する。反応防止層31のスラリーの塗布の後に、電極層32のスラリーを塗布し、その後、リード層33(内側検知電極部30aの先端リード層33a、内側リード部30bの後端リード層33b)のスラリーを塗布する。
Next, in a 3rd process, each slurry is apply | coated to the formation part of the outer side electrode 27, the inner side detection electrode part 30a, and the inner side lead part 30b among unsintered molded objects.
First, a noble metal slurry such as a Pt paste is applied to the formation part of the outer electrode 27, and a rare earth-added ceria slurry is applied to the formation part of the reaction preventing layer 31. After application of the slurry for the reaction preventing layer 31, the slurry for the electrode layer 32 is applied, and then the slurry for the lead layer 33 (the tip lead layer 33a of the inner detection electrode portion 30a, the rear end lead layer 33b of the inner lead portion 30b). Apply.

前述の通り、電極層32は、ペロブスカイト相と、希土類添加セリアとを含むものである。一方、リード層33(先端リード層33a、後端リード層33b)は、希土類添加セリアを含まず、ペロブスカイト相のみで構成されたものである。そこで、第3工程では、第2工程で作製された2種類(セリア有、セリア無)の導電性酸化物のスラリーと、反応防止層31のスラリーとを用いて、それぞれの部分に適したスラリーを塗布する。   As described above, the electrode layer 32 includes a perovskite phase and a rare earth-added ceria. On the other hand, the lead layer 33 (front end lead layer 33a, rear end lead layer 33b) does not contain rare earth-added ceria and is composed only of a perovskite phase. Therefore, in the third step, the slurry suitable for each part is prepared by using the two types of conductive oxide slurry (with ceria and without ceria) produced in the second step and the slurry of the reaction preventing layer 31. Apply.

つまり、電極層32のスラリーの塗布に際しては、電極層32の形成部分(反応防止層31のスラリーの塗布部分)に、導電性酸化物(セリア有)のスラリーを塗布する。
また、リード層33(先端リード層33a、後端リード層33b)のスラリーの塗布に際しては、内側検知電極部30aの形成部分(電極層32ののスラリーの塗布部分)および内側リード部30bの形成部分のそれぞれに、導電性酸化物(セリア無)のスラリーを塗布する。本実施形態は、先端リード層33aおよび後端リード層33bは、同じ導電性酸化物で形成される。なお、先端リード層33aおよび後端リード層33bのそれぞれの導電性酸化物の組成を異ならせる場合には、異なる組成のスラリーをそれぞれの部分に塗布すればよい。
That is, when applying the slurry of the electrode layer 32, the conductive oxide (ceria-containing) slurry is applied to the portion where the electrode layer 32 is formed (the portion where the slurry of the reaction preventing layer 31 is applied).
Further, when applying the slurry of the lead layer 33 (the tip lead layer 33a and the rear lead layer 33b), the inner detection electrode portion 30a formation portion (the slurry application portion of the electrode layer 32) and the inner lead portion 30b are formed. A slurry of conductive oxide (without ceria) is applied to each of the portions. In the present embodiment, the leading end lead layer 33a and the trailing end lead layer 33b are formed of the same conductive oxide. In addition, what is necessary is just to apply | coat the slurry of a different composition to each part, when making the composition of each conductive oxide of the front-end lead layer 33a and the rear-end lead layer 33b differ.

次の第4工程では、各スラリーが塗布された未焼結成形体について、乾燥を行った後、所定の焼成温度(例えば、1250℃以上1450℃以下(好ましくは1350±50℃))で焼成する。この焼成工程では、内側リード部30bの後端リード層33bと素子本体21との間には、反応層34が形成されるが、内側検知電極部30aの電極層32と素子本体21との間には、反応防止層31が形成されているので、反応層34は形成されない。   In the next fourth step, the green compact coated with each slurry is dried and then fired at a predetermined firing temperature (for example, 1250 ° C. or higher and 1450 ° C. or lower (preferably 1350 ± 50 ° C.)). . In this firing step, a reaction layer 34 is formed between the rear end lead layer 33b of the inner lead portion 30b and the element main body 21, but between the electrode layer 32 of the inner detection electrode portion 30a and the element main body 21. Since the reaction preventing layer 31 is formed, the reaction layer 34 is not formed.

前述したように、反応層34は、内側リード部30bに含まれるランタン(La)と、素子本体21に含まれるZrOとが反応して形成された層である。なお、反応層34の厚み寸法は、焼成温度が高いほど大きくなり、また、希土類添加セリアの含有割合が低いほど大きくなる。従って、これらのパラメーター(焼成温度、希土類添加セリアの含有割合)を調整することによって、反応層34の厚みを調整することが可能である。 As described above, the reaction layer 34 is a layer formed by a reaction between lanthanum (La) contained in the inner lead portion 30 b and ZrO 2 contained in the element body 21. The thickness dimension of the reaction layer 34 increases as the firing temperature increases, and increases as the content ratio of the rare earth-added ceria decreases. Therefore, it is possible to adjust the thickness of the reaction layer 34 by adjusting these parameters (firing temperature, content ratio of rare earth-added ceria).

上記の各工程を実施することで、ガスセンサ素子3を製造できる。
[1−4.ガスセンサ素子の評価試験]
本発明を適用したガスセンサ素子の耐熱衝撃性および低温作動性を評価するために実施した評価試験の試験結果について説明する。
The gas sensor element 3 can be manufactured by performing each of the above steps.
[1-4. Gas sensor element evaluation test]
Test results of an evaluation test carried out to evaluate the thermal shock resistance and low temperature operability of the gas sensor element to which the present invention is applied will be described.

なお、耐熱衝撃性とは、温度変化に伴い発生する熱衝撃(応力)に対する耐性を表す指標であり、ガスセンサ素子のうち、熱衝撃による破損が生じ易いものほど耐熱衝撃性が劣るものであり、熱衝撃による破損が生じ難いものほど耐熱衝撃性が優れるものである。   The thermal shock resistance is an index representing the resistance to the thermal shock (stress) generated with temperature change, and among the gas sensor elements, the thermal shock resistance is inferior as the gas sensor element is easily damaged. The more resistant to thermal shock, the better the thermal shock resistance.

また、低温作動性とは、低温(例えば、300℃以下)環境下でもガス検出が可能であることを示す指標である。ガスセンサ素子のうち、外側電極と内側電極との間の内部抵抗値が高いものほど低温作動性が劣るものであり、外側電極と内側電極との間の内部抵抗値が低いものほど低温作動性が優れるものである。   The low temperature operability is an index indicating that gas detection is possible even in a low temperature (for example, 300 ° C. or lower) environment. Among the gas sensor elements, the higher the internal resistance value between the outer electrode and the inner electrode, the lower the low temperature operability, and the lower the internal resistance value between the outer electrode and the inner electrode, the lower the temperature operability. It is excellent.

本評価試験では、ガスセンサ素子のうち、反応防止層31の厚さ寸法T1、電極層32の厚さ寸法T2、リード層33の厚さ寸法T3、反応防止層31の気孔率B1、電極層32の気孔率B2、リード層33の気孔率B3をそれぞれ変化させて、ガスセンサ素子の耐熱衝撃性および低温作動性を評価した。各層における厚さ寸法の制御は、製造時におけるスラリーの塗布回数、固形分濃度などを変更することで実現できる。また、各層における気孔率の制御は、製造時における造孔材の添加量を調整することで実現できる。   In this evaluation test, among the gas sensor elements, the thickness dimension T1 of the reaction prevention layer 31, the thickness dimension T2 of the electrode layer 32, the thickness dimension T3 of the lead layer 33, the porosity B1 of the reaction prevention layer 31, and the electrode layer 32 The thermal shock resistance and the low temperature operability of the gas sensor element were evaluated by changing the porosity B2 and the porosity B3 of the lead layer 33, respectively. Control of the thickness dimension in each layer can be realized by changing the number of times the slurry is applied at the time of production, the solid content concentration, and the like. Moreover, the control of the porosity in each layer can be realized by adjusting the amount of pore-forming material added during production.

耐熱衝撃性の試験に関しては、ガスセンサ素子に対して冷熱サイクル試験を行い、ガスセンサ素子におけるクラック(破損)発生の有無に基づいて耐熱衝撃性を評価した。
本試験では、ガスセンサ素子3の温度を室温(20℃)から970℃まで上昇させて再び室温まで低下させる一連の温度変化を1サイクルとして、100サイクルおよび300サイクルの温度変化を実施した後に、ガスセンサ素子の断面SEM画像に基づいて、ガスセンサ素子3に破損が生じたか否かを判定した。
Regarding the thermal shock resistance test, a thermal cycle test was performed on the gas sensor element, and the thermal shock resistance was evaluated based on whether or not a crack (breakage) occurred in the gas sensor element.
In this test, the gas sensor element 3 was changed from room temperature (20 ° C.) to 970 ° C. and then lowered to room temperature as one cycle. Based on the cross-sectional SEM image of the element, it was determined whether or not the gas sensor element 3 was damaged.

低温作動性の試験に関しては、ガスセンサ素子の外側電極27と内側電極30との間の内部抵抗値を測定し、内部抵抗値に基づいてガスセンサ素子の低温作動性を評価した。
本試験では、ガスセンサ素子をガスセンサに組み付けた状態で、そのガスセンサを公知のバーナー測定装置に取り付けて、バーナー測定法によりガスセンサ素子の内部抵抗値を測定した。詳細には、素子温度300℃で空燃比λ=0.9(リッチ)におけるセンサ出力を、抵抗値が異なる2つの抵抗素子(1MΩ、100kΩ)を用いてオシロスコープで検出し、その出力差に基づいてガスセンサ素子の内部抵抗値を算出した。内部抵抗値がガス検出可能範囲(本実施形態では、100[kΩ]以下)であるガスセンサ素子を低温作動性が良好であると判定し、内部抵抗値がガス検出可能範囲を逸脱するガスセンサ素子を低温作動性が不良であると判定した。
Regarding the low temperature operability test, the internal resistance value between the outer electrode 27 and the inner electrode 30 of the gas sensor element was measured, and the low temperature operability of the gas sensor element was evaluated based on the internal resistance value.
In this test, with the gas sensor element assembled to the gas sensor, the gas sensor was attached to a known burner measuring apparatus, and the internal resistance value of the gas sensor element was measured by a burner measurement method. Specifically, sensor output at an element temperature of 300 ° C. at an air-fuel ratio λ = 0.9 (rich) is detected with an oscilloscope using two resistance elements (1 MΩ, 100 kΩ) having different resistance values, and based on the output difference. The internal resistance value of the gas sensor element was calculated. A gas sensor element whose internal resistance value is in a gas detectable range (in this embodiment, 100 [kΩ] or less) is determined to have good low-temperature operability, and a gas sensor element whose internal resistance value deviates from the gas detectable range is selected. It was determined that the low temperature operability was poor.

実施例1〜5のガスセンサ素子、および比較例のガスセンサ素子として、反応防止層31の厚さ寸法T1、電極層32の厚さ寸法T2、リード層33の厚さ寸法T3、反応防止層31の気孔率B1、電極層32の気孔率B2、リード層33の気孔率B3が、それぞれ[表1]に示す数値であるガスセンサ素子を用いた。それぞれのガスセンサ素子において、冷熱サイクル試験後(100サイクル後、300サイクル後)におけるクラック(破損)の有無の評価結果と、低温作動性の評価結果を[表1]に記載した。   As the gas sensor elements of Examples 1 to 5 and the gas sensor element of the comparative example, the thickness dimension T1 of the reaction preventing layer 31, the thickness dimension T2 of the electrode layer 32, the thickness dimension T3 of the lead layer 33, and the reaction preventing layer 31 The gas sensor elements having the porosity B1, the porosity B2 of the electrode layer 32, and the porosity B3 of the lead layer 33, which are values shown in [Table 1], were used. In each gas sensor element, the evaluation results of the presence or absence of cracks (breakage) after the cooling / heating cycle test (after 100 cycles and 300 cycles) and the evaluation results of low temperature operability are shown in [Table 1].

図5は、実施例1のガスセンサ素子3における冷熱サイクル試験前および試験後の断面SEM画像を表す説明図である。図6は、比較例のガスセンサ素子における冷熱サイクル試験前および試験後の断面SEM画像を表す説明図である。 FIG. 5 is an explanatory diagram showing cross-sectional SEM images before and after the cooling cycle test in the gas sensor element 3 of Example 1. FIG. 6 is an explanatory diagram showing cross-sectional SEM images before and after the cooling cycle test in the gas sensor element of the comparative example.

断面SEM画像から分かるように、実施例1のガスセンサ素子3では、冷熱サイクル試験後において、反応防止層、電極層、リード層のいずれにも破損が生じていないのに対して、比較例のガスセンサ素子3では、冷熱サイクル試験後において、リード層から電極層および反応防止層を介して固体電解質体(素子本体)に至るクラック(破損)が生じている。   As can be seen from the cross-sectional SEM image, in the gas sensor element 3 of Example 1, no damage occurred in any of the reaction prevention layer, the electrode layer, and the lead layer after the thermal cycle test, whereas the gas sensor of the comparative example In the element 3, after the thermal cycle test, a crack (breakage) from the lead layer to the solid electrolyte body (element body) via the electrode layer and the reaction preventing layer occurs.

この試験結果のうち、実施例1〜5と比較例との対比によれば、反応防止層の厚さ寸法がリード層の厚さ寸法よりも小さく、かつ、電極層の厚さ寸法が反応防止層の厚さ寸法以上に設定されたガスセンサ素子は、冷熱サイクル試験後(300サイクル後)の評価結果から分かるように、クラック(破損)が発生し難くなる。   Among these test results, according to the comparison between Examples 1 to 5 and the comparative example, the thickness dimension of the reaction prevention layer is smaller than the thickness dimension of the lead layer, and the thickness dimension of the electrode layer is reaction prevention. As can be seen from the evaluation results after the thermal cycle test (after 300 cycles), the gas sensor element set to be equal to or greater than the thickness dimension of the layer is less susceptible to cracking (breakage).

また、この試験結果のうち、実施例1〜5および比較例によれば、リード層の厚さ寸法が反応防止層の厚さ寸法よりも大きいガスセンサ素子は、低温作動性の評価結果から分かるように、リード層における電気抵抗値を低減でき、ガスセンサ素子としての内部抵抗値を低減できるため、固体電解質体の活性化状態が低い低温(300℃以下)環境下でも、ガス検出が可能となる。   Of these test results, according to Examples 1 to 5 and the comparative example, the gas sensor element in which the thickness dimension of the lead layer is larger than the thickness dimension of the reaction preventing layer can be understood from the evaluation result of the low temperature operability. In addition, since the electrical resistance value in the lead layer can be reduced and the internal resistance value as the gas sensor element can be reduced, gas detection is possible even in a low temperature (300 ° C. or lower) environment where the activation state of the solid electrolyte body is low.

さらに、この試験結果のうち、実施例1〜5および比較例によれば、反応防止層、電極層、リード層のそれぞれの気孔率のうち、反応防止層の気孔率が最も低く設定されたガスセンサ素子は、低温作動性の評価結果から分かるように、固体電解質体と電極層との間の界面抵抗値を小さくすることができ、その結果、ガスセンサ素子としての内部抵抗値をより小さくすることができる。このため、固体電解質体の活性化状態が低い低温(300℃以下)環境下でもガス検出が可能となり、ガスセンサ素子の低温作動性がより向上する。   Further, among the test results, according to Examples 1 to 5 and the comparative example, the gas sensor in which the porosity of the reaction preventing layer is set to the lowest among the porosities of the reaction preventing layer, the electrode layer, and the lead layer. As can be seen from the evaluation result of the low temperature operability, the element can reduce the interface resistance value between the solid electrolyte body and the electrode layer, and as a result, the internal resistance value as the gas sensor element can be further reduced. it can. For this reason, gas detection is possible even in a low temperature (300 ° C. or lower) environment where the activated state of the solid electrolyte body is low, and the low temperature operability of the gas sensor element is further improved.

また、試験結果によれば、「反応防止層の厚さ寸法がリード層の厚さ寸法よりも小さく」、「電極層の厚さ寸法が反応防止層の厚さ寸法以上で、かつ、リード層の厚さ寸法以下である」という関係を満たすと共に、反応防止層31の厚さ寸法T1は1〜10μmの範囲内であり、電極層32の厚さ寸法T2は3〜30μmの範囲内であり、リード層33の厚さ寸法T3は5〜40μmの範囲内であるガスセンサ素子3は、熱衝撃によるガスセンサ素子の破損を抑制できるとともに、ガスセンサ素子の低温作動性が良好となる。   Further, according to the test results, “the thickness dimension of the reaction preventing layer is smaller than the thickness dimension of the lead layer”, “the thickness dimension of the electrode layer is equal to or larger than the thickness dimension of the reaction preventing layer, and the lead layer The thickness dimension T1 of the reaction preventing layer 31 is in the range of 1 to 10 μm, and the thickness dimension T2 of the electrode layer 32 is in the range of 3 to 30 μm. The gas sensor element 3 having the thickness dimension T3 of the lead layer 33 in the range of 5 to 40 μm can suppress the damage of the gas sensor element due to thermal shock, and the low temperature operability of the gas sensor element is improved.

さらに、試験結果によれば、反応防止層31の気孔率B1は0〜10%の範囲内であり、電極層32の気孔率B2は10〜30%の範囲内であり、リード層33の気孔率B3は35〜60%の範囲内であるガスセンサ素子3は、熱衝撃によるガスセンサ素子の破損を抑制できるとともに、ガスセンサ素子の低温作動性が良好となる。   Furthermore, according to the test results, the porosity B1 of the reaction preventing layer 31 is in the range of 0 to 10%, the porosity B2 of the electrode layer 32 is in the range of 10 to 30%, and the porosity of the lead layer 33 is The gas sensor element 3 in which the rate B3 is in the range of 35 to 60% can suppress damage to the gas sensor element due to thermal shock, and the low temperature operability of the gas sensor element is improved.

[1−5.効果]
以上説明したように、本実施形態のガスセンサ1に備えられるガスセンサ素子3においては、内側電極30は、素子本体21に近い側から順に、反応防止層31、電極層32、リード層33(先端リード層33a)が積層された多層構造である。反応防止層31および電極層32は、それぞれ、希土類添加セリアが含まれている。電極層32およびリード層33は、それぞれ、上述のペロブスカイト相を含有する導電性酸化物層を含んで形成される。
[1-5. effect]
As described above, in the gas sensor element 3 provided in the gas sensor 1 of the present embodiment, the inner electrode 30 has the reaction preventing layer 31, the electrode layer 32, the lead layer 33 (the tip lead 33) in order from the side closer to the element body 21. It is a multilayer structure in which layers 33a) are stacked. The reaction preventing layer 31 and the electrode layer 32 each contain rare earth-added ceria. The electrode layer 32 and the lead layer 33 are each formed to include a conductive oxide layer containing the above-described perovskite phase.

このように、ガスセンサ素子3は、電極層32およびリード層33が上述のペロブスカイト相を含有する導電性酸化物層を含んで構成されることから、電極層およびリード層が貴金属を用いて構成される場合に比べて、安価に製造できる。   As described above, in the gas sensor element 3, since the electrode layer 32 and the lead layer 33 are configured to include the conductive oxide layer containing the perovskite phase, the electrode layer and the lead layer are configured using a noble metal. Compared to the case of manufacturing, it can be manufactured at a low cost.

ガスセンサ素子3においては、反応防止層31の厚さ寸法T1(=2μm)は、リード層33の厚さ寸法T3(=16μm)よりも小さく、電極層32の厚さ寸法T2(=11μm)は、反応防止層31の厚さ寸法T1以上で、かつ、リード層33の厚さ寸法T3以下である。   In the gas sensor element 3, the thickness dimension T1 (= 2 μm) of the reaction preventing layer 31 is smaller than the thickness dimension T3 (= 16 μm) of the lead layer 33, and the thickness dimension T2 (= 11 μm) of the electrode layer 32 is The reaction prevention layer 31 has a thickness dimension T1 or more and the lead layer 33 has a thickness dimension T3 or less.

つまり、ガスセンサ素子3は、反応防止層31の厚さ寸法T1がリード層33の厚さ寸法T3よりも小さく、かつ、電極層32の厚さ寸法T2が反応防止層31の厚さ寸法T1以上に設定されている。このようなガスセンサ素子3は、上述の[表1]に示す試験結果(詳細には、実施例1〜5と比較例との対比)によれば、反応防止層の厚さ寸法がリード層および電極層の各厚さ寸法よりも大きく形成される構成に比べて、冷熱サイクルでの耐熱衝撃性が高くなる。   That is, in the gas sensor element 3, the thickness dimension T1 of the reaction preventing layer 31 is smaller than the thickness dimension T3 of the lead layer 33, and the thickness dimension T2 of the electrode layer 32 is equal to or larger than the thickness dimension T1 of the reaction preventing layer 31. Is set to According to the test results shown in the above [Table 1] (specifically, the comparison between Examples 1 to 5 and the comparative example), the gas sensor element 3 has a thickness dimension of the reaction preventing layer of the lead layer and The thermal shock resistance in the cooling / heating cycle is higher than that of the configuration in which the electrode layer is formed larger than each thickness dimension.

このガスセンサ素子3は、リード層33の厚さ寸法T3が反応防止層31の厚さ寸法T1よりも大きい構成であり、上述の[表1]に示す試験結果(詳細には、実施例1〜5および比較例)によれば、リード層33における電気抵抗値を低減できる。これにより、ガスセンサ素子3は、ガスセンサ素子としての内部抵抗値を低減できるため、素子本体21(固体電解質体)の活性化状態が低い低温(300℃以下)環境下でも、ガス検出が可能となる。   The gas sensor element 3 has a configuration in which the thickness dimension T3 of the lead layer 33 is larger than the thickness dimension T1 of the reaction preventing layer 31, and the test results shown in the above [Table 1] 5 and Comparative Example), the electrical resistance value in the lead layer 33 can be reduced. Thereby, since the gas sensor element 3 can reduce the internal resistance value as a gas sensor element, gas detection is possible even in a low temperature (300 ° C. or lower) environment where the activation state of the element body 21 (solid electrolyte body) is low. .

よって、このガスセンサ素子3は、安価であり、耐熱衝撃性を有し、低温作動性を有する、という有利な作用効果を奏する。
次に、ガスセンサ素子3においては、反応防止層31、電極層32、リード層33のそれぞれの気孔率(B1=1%,B2=21%,B3=46%)のうち反応防止層31の気孔率B1が最も低くなるように、反応防止層31、電極層32、リード層33が形成されている。
Therefore, this gas sensor element 3 is advantageous in that it is inexpensive, has thermal shock resistance, and has low temperature operability.
Next, in the gas sensor element 3, the pores of the reaction preventing layer 31 out of the respective porosities (B1 = 1%, B2 = 21%, B3 = 46%) of the reaction preventing layer 31, the electrode layer 32, and the lead layer 33. The reaction preventing layer 31, the electrode layer 32, and the lead layer 33 are formed so that the rate B1 is the lowest.

反応防止層31の気孔率B1が最も低いことで、反応防止層31の緻密度が高くなるため、素子本体21と電極層32との間の界面抵抗値を小さくすることができる。
このようなガスセンサ素子3を備えるガスセンサ1は、安価であり、耐熱衝撃性を有し、低温作動性を有する、という有利な作用効果を奏する。
Since the porosity B1 of the reaction preventing layer 31 is the lowest, the density of the reaction preventing layer 31 is increased, so that the interface resistance value between the element body 21 and the electrode layer 32 can be reduced.
The gas sensor 1 including such a gas sensor element 3 is advantageous in that it is inexpensive, has thermal shock resistance, and has low temperature operability.

[1−6.文言の対応関係]
ここで、本実施形態における文言の対応関係について説明する。
ガスセンサ1がガスセンサの一例に相当し、ガスセンサ素子3がガスセンサ素子の一例に相当し、素子本体21が固体電解質体の一例に相当し、外側電極27が測定電極の一例に相当し、内側電極30が基準電極の一例に相当する。
[1-6. Correspondence of wording]
Here, the correspondence of words in the present embodiment will be described.
The gas sensor 1 corresponds to an example of a gas sensor, the gas sensor element 3 corresponds to an example of a gas sensor element, the element body 21 corresponds to an example of a solid electrolyte body, the outer electrode 27 corresponds to an example of a measurement electrode, and the inner electrode 30 Corresponds to an example of a reference electrode.

反応防止層31が反応防止層の一例に相当し、電極層32が電極層の一例に相当し、リード層33(先端リード層33a)がリード層の一例に相当する。
[2.第2実施形態]
[2−1.板型ガスセンサ素子]
ガスセンサ素子の固体電解質体は、有底筒型に限られることはなく、板型であってもよい。そこで、第2実施形態として、板型ガスセンサ素子100について説明する。
The reaction preventing layer 31 corresponds to an example of a reaction preventing layer, the electrode layer 32 corresponds to an example of an electrode layer, and the lead layer 33 (tip lead layer 33a) corresponds to an example of a lead layer.
[2. Second Embodiment]
[2-1. Plate type gas sensor element]
The solid electrolyte body of the gas sensor element is not limited to the bottomed cylinder type, and may be a plate type. Therefore, a plate type gas sensor element 100 will be described as a second embodiment.

図7は、板型ガスセンサ素子100の斜視図である。図8は、板型ガスセンサ素子100の模式的な分解斜視図である。図9は、板型ガスセンサ素子100の先端側の部分拡大断面図である。図10は、板型ガスセンサ素子100のうち基準電極104の基準電極部104aが形成される領域の部分拡大断面図である。   FIG. 7 is a perspective view of the plate-type gas sensor element 100. FIG. 8 is a schematic exploded perspective view of the plate-type gas sensor element 100. FIG. 9 is a partial enlarged cross-sectional view of the distal end side of the plate type gas sensor element 100. FIG. 10 is a partially enlarged cross-sectional view of a region where the reference electrode portion 104a of the reference electrode 104 is formed in the plate-type gas sensor element 100.

板型ガスセンサ素子100は、素子本体101と、多孔質保護層120と、を備えて構成されている。
図8に示すように、素子本体101は、酸素濃度検出セル130と、補強保護層111と、大気導入孔層107と、下面層103と、を備える。なお、図8では多孔質保護層120の図示を省略している。
The plate type gas sensor element 100 includes an element body 101 and a porous protective layer 120.
As shown in FIG. 8, the element body 101 includes an oxygen concentration detection cell 130, a reinforcing protection layer 111, an air introduction hole layer 107, and a lower surface layer 103. In addition, illustration of the porous protective layer 120 is abbreviate | omitted in FIG.

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

基準電極104は、基準電極部104aと、基準リード部104Lと、を備える。基準電極部104aは、図10に示すように、固体電解質体105に近い側から順に、反応防止層104b、電極層104c、リード層104dが積層された多層構造である。基準リード部104Lは、基準電極部104aから固体電解質体105の長手方向に沿って延びるように形成されている。   The reference electrode 104 includes a reference electrode portion 104a and a reference lead portion 104L. As shown in FIG. 10, the reference electrode portion 104a has a multilayer structure in which a reaction preventing layer 104b, an electrode layer 104c, and a lead layer 104d are stacked in this order from the side closer to the solid electrolyte body 105. The reference lead portion 104L is formed so as to extend from the reference electrode portion 104a along the longitudinal direction of the solid electrolyte body 105.

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

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

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

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

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

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

基準リード部104Lの端末は、固体電解質体105に設けられるスルーホール105aに形成される導体を介して、固体電解質体105上の検出素子側パッド121と電気的に接続されている。補強保護層111は、検知リード部106Lの端末よりも軸線方向(図8では左右方向)の寸法が短く形成されている。検出素子側パッド121および検知リード部106Lの端末は、補強保護層111の後端から外部に露出し、外部回路接続用の外部端子(図示せず)と電気的に接続される。   The terminal of the reference lead portion 104L is electrically connected to the detection element side pad 121 on the solid electrolyte body 105 through a conductor formed in a through hole 105a provided in the solid electrolyte body 105. The reinforcing protective layer 111 is formed to have a shorter dimension in the axial direction (left-right direction in FIG. 8) than the end of the detection lead portion 106L. The terminals of the detection element side pads 121 and the detection lead portions 106L are exposed to the outside from the rear end of the reinforcing protective layer 111 and are electrically connected to external terminals (not shown) for connecting external circuits.

次に、図7に示すように、多孔質保護層120は、板型ガスセンサ素子100(素子本体101)の先端側の全周を覆って設けられている。
図9に示すように、多孔質保護層120は、板型ガスセンサ素子100(素子本体101)の先端面を含み、軸線方向(図における左右方向)に沿って後端側に延びるように形成されている。また、多孔質保護層120は、図7に示すように、素子本体101の板状の4面(表面、裏面、右側面および左側面)を完全に囲んで形成されている。
Next, as shown in FIG. 7, the porous protective layer 120 is provided so as to cover the entire circumference on the tip side of the plate-type gas sensor element 100 (element body 101).
As shown in FIG. 9, the porous protective layer 120 is formed so as to include the front end surface of the plate-type gas sensor element 100 (element main body 101) and extend to the rear end side along the axial direction (left-right direction in the figure). ing. Further, as shown in FIG. 7, the porous protective layer 120 is formed so as to completely surround the plate-like four surfaces (front surface, back surface, right side surface, and left side surface) of the element body 101.

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

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

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

測定電極106はPtを主成分とし、かつ単斜晶ジルコニアを含む。なお、測定電極106はセラミック成分を含有してもよい。
なお、「主成分」とは、対象となる部位(固体電解質体105、測定電極106など)を構成する全成分に対し、50質量%を超える成分をいう。
The measurement electrode 106 is mainly composed of Pt and contains monoclinic zirconia. The measurement electrode 106 may contain a ceramic component.
The “main component” refers to a component that exceeds 50% by mass with respect to all components constituting the target portion (solid electrolyte body 105, measurement electrode 106, etc.).

基準電極104の基準電極部104aのうち、反応防止層104bは、希土類添加セリアで形成された酸化物層である。希土類添加セリアは、セリア以外の希土類酸化物が添加されたセリアである。「セリア以外の希土類酸化物」としては、La、Gd、Sm、Y等を利用することができる。このような反応防止層104bは、低温(室温)では絶縁体であるが、高温(板型ガスセンサ素子100の使用時)においては、酸素イオン導電性を有しており、電極層104cと固体電解質体105とを電気的に接続するための層として機能する。なお、反応防止層104bは、板型ガスセンサ素子100の製造時(焼成時)には、電極層104cのLaと固体電解質体105のZrOとの反応を生じ難くする機能を有する。このような反応防止層104bを設けることで、電極層104cのLaと固体電解質体105のZrOとの反応によりランタンジルコネート層(反応層)が形成されるのを抑制できる。 Of the reference electrode portion 104a of the reference electrode 104, the reaction preventing layer 104b is an oxide layer formed of rare earth-added ceria. The rare earth-added ceria is a ceria to which a rare earth oxide other than ceria is added. As the “rare earth oxide other than ceria”, La 2 O 3 , Gd 2 O 3 , Sm 2 O 3 , Y 2 O 3 and the like can be used. Such a reaction preventing layer 104b is an insulator at a low temperature (room temperature), but has an oxygen ion conductivity at a high temperature (when the plate-type gas sensor element 100 is used), and the electrode layer 104c and the solid electrolyte. It functions as a layer for electrically connecting the body 105. The reaction preventing layer 104b has a function of making it difficult to cause a reaction between La of the electrode layer 104c and ZrO 2 of the solid electrolyte body 105 when the plate-type gas sensor element 100 is manufactured (at the time of firing). By providing such a reaction preventing layer 104b, it is possible to suppress the formation of a lanthanum zirconate layer (reaction layer) due to the reaction between La of the electrode layer 104c and ZrO 2 of the solid electrolyte body 105.

電極層104cは、ペロブスカイト相および希土類添加セリアを含んで構成されている。電極層104cに含まれるペロブスカイト相は、第1実施形態の電極層32と同様に、上述の(1)、(2a)、(2b)、(2c)の各条件を満たすペロブスカイト型酸化物結晶構造を有する結晶相(ペロブスカイト相)である。このような電極層104cは、高温(板型ガスセンサ素子100の使用時)においてイオン導電性と電子導電性の両方の性質を有しているので、十分に低い界面抵抗値を示す。   The electrode layer 104c includes a perovskite phase and a rare earth-added ceria. The perovskite phase contained in the electrode layer 104c has a perovskite-type oxide crystal structure that satisfies the above conditions (1), (2a), (2b), and (2c) as in the electrode layer 32 of the first embodiment. It is a crystal phase (perovskite phase) having Since such an electrode layer 104c has both ionic conductivity and electronic conductivity properties at a high temperature (when the plate-type gas sensor element 100 is used), it exhibits a sufficiently low interface resistance value.

リード層104dは、第1実施形態のリード層33と同様に、上述の(1)、(2a)、(2b)、(2c)の各条件を満たすペロブスカイト型酸化物結晶構造を有する結晶相(ペロブスカイト相)を主成分として含んで構成されている。なお、本実施形態のリード層104dは、希土類添加セリアを含んでいない。   Similar to the lead layer 33 of the first embodiment, the lead layer 104d has a crystal phase having a perovskite oxide crystal structure that satisfies the above conditions (1), (2a), (2b), and (2c) ( Perovskite phase) as a main component. Note that the lead layer 104d of this embodiment does not contain rare earth-doped ceria.

基準リード部104Lは、リード層104dと同じ材料で形成されている。
なお、固体電解質体105の厚さ寸法は200μmであり、測定電極106の厚さ寸法は3μmであり、基準電極104の基準電極部104aにおける反応防止層104bの厚さ寸法T4は2μmであり、電極層104cの厚さ寸法T5は11μmであり、リード層104dの厚さ寸法T6は、16μmである。
The reference lead portion 104L is formed of the same material as the lead layer 104d.
The thickness dimension of the solid electrolyte body 105 is 200 μm, the thickness dimension of the measurement electrode 106 is 3 μm, the thickness dimension T4 of the reaction preventing layer 104b in the reference electrode portion 104a of the reference electrode 104 is 2 μm, The electrode layer 104c has a thickness dimension T5 of 11 μm, and the lead layer 104d has a thickness dimension T6 of 16 μm.

また、反応防止層104bの気孔率B4は1%であり、電極層104cの気孔率B5は21%であり、リード層104dの気孔率B6は46%である。
多孔質保護層120のうち、少なくとも測定電極106を覆う部位は、スピネル(MgAl)およびチタニア(TiO)で形成されているとともに、貴金属(Pt,Pd,Rhのうち少なくとも1つ)が担持されている。この貴金属は、排気ガスに含まれる酸素の化学反応を促進するための触媒として機能する。多孔質保護層120は、気孔率が52%の多孔質状に形成されている。
Further, the porosity B4 of the reaction preventing layer 104b is 1%, the porosity B5 of the electrode layer 104c is 21%, and the porosity B6 of the lead layer 104d is 46%.
In the porous protective layer 120, at least a portion covering the measurement electrode 106 is formed of spinel (MgAl 2 O 4 ) and titania (TiO 2 ), and at least one of noble metals (Pt, Pd, Rh). Is carried. This noble metal functions as a catalyst for promoting the chemical reaction of oxygen contained in the exhaust gas. The porous protective layer 120 is formed in a porous shape with a porosity of 52%.

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

電極保護部113aは、5mol%のイットリアで安定化されたジルコニア(5YSZ)で形成されている。電極保護部113aは、気孔率が13%の多孔質状に形成されている。電極保護部113aは、厚さ寸法が80μmである。   The electrode protection part 113a is made of zirconia (5YSZ) stabilized with 5 mol% yttria. The electrode protection part 113a is formed in a porous shape with a porosity of 13%. The electrode protection part 113a has a thickness dimension of 80 μm.

[2−2.効果]
以上説明したように、第2実施形態の板型ガスセンサ素子100においては、基準電極104の基準電極部104aは、固体電解質体105に近い側から順に、反応防止層104b、電極層104c、リード層104dが積層された多層構造である。反応防止層104bおよび電極層104cは、それぞれ、希土類添加セリアが含まれている。電極層104cおよびリード層104dは、それぞれ、上述のペロブスカイト相を含有する導電性酸化物層を含んで形成される。
[2-2. effect]
As described above, in the plate-type gas sensor element 100 of the second embodiment, the reference electrode portion 104a of the reference electrode 104 is in order from the side closer to the solid electrolyte body 105, the reaction preventing layer 104b, the electrode layer 104c, and the lead layer. This is a multilayer structure in which 104d are stacked. The reaction preventing layer 104b and the electrode layer 104c each contain rare earth-added ceria. The electrode layer 104c and the lead layer 104d are each formed including the conductive oxide layer containing the above-described perovskite phase.

このように、板型ガスセンサ素子100は、電極層104cおよびリード層104dが上述のペロブスカイト相を含有する導電性酸化物層を含んで構成されることから、電極層およびリード層が貴金属を用いて構成される場合に比べて、安価に製造できる。   Thus, in the plate-type gas sensor element 100, since the electrode layer 104c and the lead layer 104d are configured to include the conductive oxide layer containing the above-described perovskite phase, the electrode layer and the lead layer are made of a noble metal. Compared with the case where it comprises, it can manufacture cheaply.

板型ガスセンサ素子100においては、反応防止層104bの厚さ寸法T4(=2μm)は、リード層104dの厚さ寸法T6(=16μm)よりも小さく、電極層104cの厚さ寸法T5(=11μm)は、反応防止層104bの厚さ寸法T4以上で、かつ、リード層104dの厚さ寸法T6以下である。   In the plate-type gas sensor element 100, the thickness dimension T4 (= 2 μm) of the reaction preventing layer 104b is smaller than the thickness dimension T6 (= 16 μm) of the lead layer 104d, and the thickness dimension T5 (= 11 μm) of the electrode layer 104c. ) Is not less than the thickness dimension T4 of the reaction preventing layer 104b and not more than the thickness dimension T6 of the lead layer 104d.

つまり、板型ガスセンサ素子100は、反応防止層104bの厚さ寸法T4がリード層104dの厚さ寸法T6よりも小さく、かつ、電極層104cの厚さ寸法T5が反応防止層104bの厚さ寸法T4以上に設定されている。このような板型ガスセンサ素子100は、反応防止層の厚さ寸法がリード層および電極層の各厚さ寸法よりも大きく形成される構成に比べて、冷熱サイクルでの耐熱衝撃性が高くなる。   That is, in the plate type gas sensor element 100, the thickness dimension T4 of the reaction preventing layer 104b is smaller than the thickness dimension T6 of the lead layer 104d, and the thickness dimension T5 of the electrode layer 104c is the thickness dimension of the reaction preventing layer 104b. It is set to T4 or more. Such a plate-type gas sensor element 100 has higher thermal shock resistance in a cooling cycle than a configuration in which the thickness dimension of the reaction preventing layer is formed larger than the thickness dimensions of the lead layer and the electrode layer.

この板型ガスセンサ素子100は、リード層104dの厚さ寸法T6が反応防止層104bの厚さ寸法T4よりも大きい構成であり、リード層104dにおける電気抵抗値を低減できる。これにより、板型ガスセンサ素子100は、ガスセンサ素子としての内部抵抗値を低減できるため、固体電解質体105の活性化状態が低い低温(300℃以下)環境下でも、ガス検出が可能となる。   The plate type gas sensor element 100 has a configuration in which the thickness dimension T6 of the lead layer 104d is larger than the thickness dimension T4 of the reaction preventing layer 104b, and can reduce the electric resistance value in the lead layer 104d. Thereby, since the plate-type gas sensor element 100 can reduce the internal resistance value as a gas sensor element, gas detection is possible even in a low temperature (300 ° C. or lower) environment where the activation state of the solid electrolyte body 105 is low.

よって、この板型ガスセンサ素子100は、安価であり、耐熱衝撃性を有し、低温作動性を有する、という有利な作用効果を奏する。
次に、板型ガスセンサ素子100においては、反応防止層104b、電極層104c、リード層104dのそれぞれの気孔率(B4=1%,B5=21%,B6=46%)のうち反応防止層104bの気孔率B4が最も低くなるように、反応防止層104b、電極層104c、リード層104dが形成されている。
Therefore, the plate-type gas sensor element 100 is advantageous in that it is inexpensive, has thermal shock resistance, and has low temperature operability.
Next, in the plate-type gas sensor element 100, the reaction preventing layer 104b out of the respective porosity (B4 = 1%, B5 = 21%, B6 = 46%) of the reaction preventing layer 104b, the electrode layer 104c, and the lead layer 104d. The reaction preventing layer 104b, the electrode layer 104c, and the lead layer 104d are formed so that the porosity B4 of the layer is the lowest.

反応防止層104bの気孔率B4が最も低いことで、反応防止層104bの緻密度が高くなるため、固体電解質体105と電極層104cとの間の界面抵抗値を小さくすることができる。   Since the porosity B4 of the reaction preventing layer 104b is the lowest, the density of the reaction preventing layer 104b is increased, so that the interface resistance value between the solid electrolyte body 105 and the electrode layer 104c can be reduced.

このような板型ガスセンサ素子100を備えるガスセンサは、安価であり、耐熱衝撃性を有し、低温作動性を有する、という有利な作用効果を奏する。
[2−3.文言の対応関係]
ここで、本実施形態における文言の対応関係について説明する。
A gas sensor including such a plate-type gas sensor element 100 is advantageous in that it is inexpensive, has thermal shock resistance, and has low temperature operability.
[2-3. Correspondence of wording]
Here, the correspondence of words in the present embodiment will be described.

板型ガスセンサ素子100がガスセンサ素子の一例に相当し、固体電解質体105が固体電解質体の一例に相当し、測定電極106が測定電極の一例に相当し、基準電極104が基準電極の一例に相当する。   The plate-type gas sensor element 100 corresponds to an example of a gas sensor element, the solid electrolyte body 105 corresponds to an example of a solid electrolyte body, the measurement electrode 106 corresponds to an example of a measurement electrode, and the reference electrode 104 corresponds to an example of a reference electrode. To do.

反応防止層104bが反応防止層の一例に相当し、電極層104cが電極層の一例に相当し、リード層104dがリード層の一例に相当する。
[3.他の実施形態]
以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において、様々な態様にて実施することが可能である。
The reaction preventing layer 104b corresponds to an example of a reaction preventing layer, the electrode layer 104c corresponds to an example of an electrode layer, and the lead layer 104d corresponds to an example of a lead layer.
[3. Other Embodiments]
As mentioned above, although embodiment of this invention was described, this invention is not limited to the said embodiment, In the range which does not deviate from the summary of this invention, it is possible to implement in various aspects.

上記実施形態では、測定電極(外側電極)、基準電極(内側電極)、固体電解質体(素子本体)などにおける各種数値(厚さ寸法、気孔率など)が特定されているが、これらの各種数値は、上記数値に限られることはなく、本発明の技術的範囲に含まれる限り、任意の値を採ることができる。   In the above embodiment, various numerical values (thickness dimension, porosity, etc.) in the measurement electrode (outer electrode), the reference electrode (inner electrode), the solid electrolyte body (element body), etc. are specified. Is not limited to the above numerical values, and can take any value as long as it is included in the technical scope of the present invention.

また、上記実施形態では、基準電極(内側電極)が多層構造(反応防止層、電極層、リード層が積層された多層構造)であるガスセンサ素子について説明したが、本発明は、このような構成に限られることはない。本発明が適用されるガスセンサ素子は、例えば、測定電極(外側電極)が多層構造(反応防止層、電極層、リード層が積層された多層構造)であるガスセンサ素子でもよく、あるいは、基準電極(内側電極)および測定電極(外側電極)がそれぞれ多層構造であるガスセンサ素子でもよい。   In the above embodiment, the gas sensor element has been described in which the reference electrode (inner electrode) has a multilayer structure (a multilayer structure in which a reaction preventing layer, an electrode layer, and a lead layer are laminated). It is not limited to. The gas sensor element to which the present invention is applied may be, for example, a gas sensor element in which the measurement electrode (outer electrode) has a multilayer structure (a multilayer structure in which a reaction preventing layer, an electrode layer, and a lead layer are laminated), or a reference electrode ( A gas sensor element in which each of the inner electrode) and the measurement electrode (outer electrode) has a multilayer structure may be used.

次に、上記実施形態では、ガスセンサとして、筒型のガスセンサ素子を備えるガスセンサについて説明したが、本発明を適用するガスセンサは、上記第2実施形態の板型ガスセンサ素子を備えるガスセンサであってもよい。なお、板型ガスセンサ素子を備えるガスセンサは公知であるため、詳細な構成についての説明は省略する。   Next, in the above embodiment, the gas sensor including the cylindrical gas sensor element has been described as the gas sensor. However, the gas sensor to which the present invention is applied may be a gas sensor including the plate type gas sensor element of the above second embodiment. . In addition, since the gas sensor provided with a plate type gas sensor element is well-known, the description about a detailed structure is abbreviate | omitted.

次に、上記実施形態では、リード層として、上記のペロブスカイト相を主成分とし、希土類添加セリアを含まない構成のリード層を備えるガスセンサ素子について説明したが、リード層はこのような構成に限られることはない。例えば、リード層は、希土類添加セリアを含む構成を採ってもよく、そのような構成のリード層は、ガスセンサ素子の使用時において外側電極と内側電極との間の内部抵抗値を低下させることが可能である。但し、室温におけるリード層の電気抵抗値を低下させるためには、希土類添加セリアを含まない構成を採るとよい。   Next, in the above-described embodiment, the gas sensor element including the lead layer having the above-described perovskite phase as a main component and including no rare earth-added ceria has been described as the lead layer. However, the lead layer is limited to such a configuration. There is nothing. For example, the lead layer may have a configuration including rare earth-doped ceria, and the lead layer having such a configuration may reduce the internal resistance value between the outer electrode and the inner electrode when the gas sensor element is used. Is possible. However, in order to reduce the electrical resistance value of the lead layer at room temperature, it is preferable to adopt a configuration that does not include rare earth-doped ceria.

次に、上記実施形態では、ペロブスカイト相として、MがFeである材料を用いる形態について説明したが、本発明はこのような形態に限られることはない。例えば、ペロブスカイト相として、MがCoである材料やMがFeとCoとの混合物である材料を用いる形態であっても、上記実施形態と同様な作用効果が得られる。   Next, in the above-described embodiment, the form using the material in which M is Fe as the perovskite phase has been described, but the present invention is not limited to such a form. For example, even if the perovskite phase uses a material in which M is Co or a material in which M is a mixture of Fe and Co, the same effects as those in the above embodiment can be obtained.

1…ガスセンサ、3…ガスセンサ素子、13…主体金具、15…プロテクタ、21…素子本体、23…素子鍔部、25…先端部、27…外側電極、28…環状リード部、29…縦リード部、30…内側電極、30a…内側検知電極部、30b…内側リード部、31…反応防止層、32…電極層、33…リード層、33a…先端リード層、33b…後端リード層、34…ランタンジルコネート層(反応層)、100…板型ガスセンサ素子、101…素子本体、104…基準電極、104a…基準電極部、104b…反応防止層、104c…電極層、104d…リード層、104L…基準リード部、105…固体電解質体、106…測定電極、106a…測定電極部、106L…検知リード部、130…酸素濃度検出セル。   DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Gas sensor, 3 ... Gas sensor element, 13 ... Main metal fitting, 15 ... Protector, 21 ... Element main body, 23 ... Element collar part, 25 ... Tip part, 27 ... Outer electrode, 28 ... Annular lead part, 29 ... Vertical lead part 30 ... Inner electrode, 30a ... Inner sensing electrode part, 30b ... Inner lead part, 31 ... Reaction prevention layer, 32 ... Electrode layer, 33 ... Lead layer, 33a ... Front lead layer, 33b ... Rear end lead layer, 34 ... Lanthanum zirconate layer (reaction layer), 100 ... plate type gas sensor element, 101 ... element body, 104 ... reference electrode, 104a ... reference electrode portion, 104b ... reaction prevention layer, 104c ... electrode layer, 104d ... lead layer, 104L ... Reference lead 105, solid electrolyte body 106, measurement electrode 106a, measurement electrode 106L, detection lead 130, oxygen concentration detection cell.

Claims (7)

固体電解質体と、前記固体電解質体を挟み込むように配置された一対の電極と、を備えるガスセンサ素子であって、
前記一対の電極は、測定対象ガスに接触する測定電極と、基準ガスに接触する基準電極と、を備えており、
前記測定電極および前記基準電極のうち少なくとも一方は、前記固体電解質体に近い側から順に、反応防止層、電極層、リード層が積層された多層構造であり、
前記反応防止層および前記電極層は、それぞれ、希土類添加セリアが含まれており、
前記電極層および前記リード層は、それぞれ、組成式:LaaMbNicOx(MはCoとFeのうちの一種以上、a+b+c=1、1.25≦x≦1.75)で表されペロブスカイト型結晶構造を有するペロブスカイト相を含有する導電性酸化物層を含み、前記a,b,cが、0.459≦a≦0.535、0.200≦b≦0.475、0.025≦c≦0.350を満たしており、
前記反応防止層の厚さ寸法は、前記リード層の厚さ寸法よりも小さく、
前記電極層の厚さ寸法は、前記反応防止層の厚さ寸法以上で、かつ、前記リード層の厚さ寸法以下である、
ガスセンサ素子。
A gas sensor element comprising: a solid electrolyte body; and a pair of electrodes arranged to sandwich the solid electrolyte body,
The pair of electrodes includes a measurement electrode that contacts a measurement target gas, and a reference electrode that contacts a reference gas,
At least one of the measurement electrode and the reference electrode has a multilayer structure in which a reaction preventing layer, an electrode layer, and a lead layer are laminated in order from the side close to the solid electrolyte body,
The reaction preventing layer and the electrode layer each contain rare earth-added ceria,
Each of the electrode layer and the lead layer has a perovskite crystal structure represented by a composition formula: LaaMbNicOx (M is one or more of Co and Fe, a + b + c = 1, 1.25 ≦ x ≦ 1.75). A conductive oxide layer containing a perovskite phase, wherein a, b, c are 0.459 ≦ a ≦ 0.535, 0.200 ≦ b ≦ 0.475, 0.025 ≦ c ≦ 0.350 Meets
The thickness dimension of the reaction preventing layer is smaller than the thickness dimension of the lead layer,
The thickness dimension of the electrode layer is not less than the thickness dimension of the reaction preventing layer and not more than the thickness dimension of the lead layer.
Gas sensor element.
前記反応防止層、前記電極層、前記リード層のそれぞれの気孔率のうち、前記反応防止層の気孔率が最も低い、
請求項1に記載のガスセンサ素子。
Of the porosity of the reaction preventing layer, the electrode layer, and the lead layer, the porosity of the reaction preventing layer is the lowest,
The gas sensor element according to claim 1.
前記反応防止層の厚さ寸法、前記電極層の厚さ寸法、前記リード層の厚さ寸法は、それぞれ前記の大小関係を満たすと共に、
前記反応防止層の厚さ寸法は、1〜10μmの範囲内であり、
前記電極層の厚さ寸法は、3〜30μmの範囲内であり、
前記リード層の厚さ寸法は、5〜40μmの範囲内である、
請求項1または請求項2に記載のガスセンサ素子。
The thickness dimension of the reaction preventing layer, the thickness dimension of the electrode layer, and the thickness dimension of the lead layer each satisfy the above-mentioned magnitude relationship,
The thickness of the reaction preventing layer is in the range of 1 to 10 μm,
The thickness dimension of the electrode layer is in the range of 3 to 30 μm,
The thickness dimension of the lead layer is in the range of 5 to 40 μm.
The gas sensor element according to claim 1 or 2.
前記反応防止層の気孔率は、0〜10%の範囲内であり、
前記電極層の気孔率は、10〜30%の範囲内であり、
前記リード層の気孔率は、35〜60%の範囲内である、
請求項1から請求項3のうちいずれか一項に記載のガスセンサ素子。
The porosity of the reaction preventing layer is in the range of 0 to 10%,
The porosity of the electrode layer is in the range of 10-30%,
The porosity of the lead layer is in the range of 35-60%,
The gas sensor element according to any one of claims 1 to 3.
前記基準電極は、前記反応防止層、前記電極層、前記リード層が積層された多層構造である、
請求項1から請求項4のうちいずれか一項に記載のガスセンサ素子。
The reference electrode has a multilayer structure in which the reaction preventing layer, the electrode layer, and the lead layer are laminated.
The gas sensor element according to any one of claims 1 to 4.
前記固体電解質体は、有底筒型または板型である、
請求項1から請求項5のうちいずれか一項に記載のガスセンサ素子。
The solid electrolyte body is a bottomed cylinder type or a plate type,
The gas sensor element according to any one of claims 1 to 5.
測定対象ガスに含まれる特定ガスを検出するガスセンサ素子を備えるガスセンサであって、
前記ガスセンサ素子として、請求項1から請求項6のうちいずれか1項に記載のガスセンサ素子を備える、
ガスセンサ。
A gas sensor including a gas sensor element for detecting a specific gas contained in a measurement target gas,
As the gas sensor element, comprising the gas sensor element according to any one of claims 1 to 6,
Gas sensor.
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