JP6600143B2 - Gas sensor and manufacturing method thereof - Google Patents
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Description
本発明は、ガスセンサ及びその製造方法に関する。 The present invention relates to a gas sensor and a manufacturing method thereof.
従来、自動車の排気ガスなどの被測定ガスにおけるNOxなどの所定のガスの濃度を検出するセンサ素子を備えたガスセンサが知られている。また、こうしたガスセンサにおいて、センサ素子の表面に多孔質保護層を形成することが知られている。例えば、特許文献1,2では、プラズマ溶射によりアルミナ等の耐熱性粒子をセンサ素子の表面に付着させて、多孔質保護層を形成することが記載されている。この多孔質保護層を形成することで、例えばセンサ素子表面の測定電極の劣化や、水分の付着によるセンサ素子の割れ等を抑制できるとしている。 Conventionally, a gas sensor including a sensor element that detects a concentration of a predetermined gas such as NOx in a gas to be measured such as an exhaust gas of an automobile is known. In such a gas sensor, it is known to form a porous protective layer on the surface of the sensor element. For example, Patent Documents 1 and 2 describe forming a porous protective layer by attaching heat-resistant particles such as alumina to the surface of a sensor element by plasma spraying. By forming this porous protective layer, for example, deterioration of the measurement electrode on the surface of the sensor element, cracking of the sensor element due to moisture adhesion, and the like can be suppressed.
ところで、このような多孔質保護層をセンサ素子の表面に形成するにあたり、多孔質保護層とセンサ素子表面との密着性が悪く、形成後に多孔質保護層が剥離してしまう場合があった。 By the way, in forming such a porous protective layer on the surface of the sensor element, the adhesion between the porous protective layer and the sensor element surface is poor, and the porous protective layer may peel off after the formation.
本発明はこのような課題を解決するためになされたものであり、多孔質保護部の剥離をより抑制することを主目的とする。 This invention is made | formed in order to solve such a subject, and it aims at suppressing peeling of a porous protection part more.
本発明のガスセンサは、
酸素イオン伝導性の固体電解質からなり、外部から被測定ガスを導入するガス導入口が表面に設けられた基体、を有するセンサ素子と、
前記センサ素子の表面を覆う多孔質保護部と、
前記ガス導入口を除く前記センサ素子の表面の少なくとも一部に配設されて前記多孔質保護部と前記センサ素子とを接着するコーティング層と、
を備えたものである。
The gas sensor of the present invention is
A sensor element comprising a base made of an oxygen ion conductive solid electrolyte and provided with a gas inlet for introducing a gas to be measured from the outside;
A porous protective portion covering the surface of the sensor element;
A coating layer disposed on at least a part of the surface of the sensor element excluding the gas inlet and bonding the porous protective part and the sensor element;
It is equipped with.
この本発明のガスセンサでは、コーティング層が多孔質保護部とセンサ素子とを接着している。これにより、コーティング層がない場合と比較して多孔質保護部の剥離をより抑制できる。なお、コーティング層はガス導入口を覆っていない。そのため、コーティング層が被測定ガスの導入を妨げることも抑制されている。 In the gas sensor of the present invention, the coating layer bonds the porous protective part and the sensor element. Thereby, peeling of a porous protection part can be suppressed more compared with the case where there is no coating layer. The coating layer does not cover the gas inlet. Therefore, it is also suppressed that the coating layer prevents introduction of the gas to be measured.
本発明のガスセンサにおいて、前記基体は、直方体形状であり、前記コーティング層は、前記基体の6つの表面のうち互いに反対側に位置する2面に少なくとも配設されており、前記多孔質保護部は、前記2面に配設されたコーティング層の各々を介して前記センサ素子に接着された第1,第2多孔質保護層と、該第1,第2多孔質保護層と接続され前記基体のうち前記2面以外の1以上の表面を覆う第3多孔質保護層と、を有していてもよい。こうすれば、多孔質保護部のうち第1,第2多孔質保護層については、それぞれコーティング層を介してセンサ素子に接着されているため、剥離がより抑制される。また、第3多孔質保護層は剥離しにくい第1,第2多孔質保護層と接続されている。そのため、第3多孔質保護層についても剥離がより抑制される。このように、コーティング層を互いに反対側に位置する2面に少なくとも形成することで、基体の3面以上に形成された各多孔質保護層の剥離を抑制できる。 In the gas sensor according to the aspect of the invention, the base body has a rectangular parallelepiped shape, and the coating layer is disposed on at least two surfaces located on opposite sides of the six surfaces of the base body, and the porous protective portion is The first and second porous protective layers bonded to the sensor element through each of the coating layers disposed on the two surfaces, and connected to the first and second porous protective layers, Of these, a third porous protective layer covering one or more surfaces other than the two surfaces may be included. If it carries out like this, about the 1st and 2nd porous protection layer among the porous protection parts, since it has adhered to the sensor element through the coating layer, peeling is controlled more. The third porous protective layer is connected to the first and second porous protective layers that are difficult to peel off. Therefore, peeling is further suppressed for the third porous protective layer. Thus, by forming the coating layer on at least two surfaces located on the opposite sides, it is possible to suppress the peeling of the porous protective layers formed on the three or more surfaces of the substrate.
本発明のガスセンサにおいて、前記基体は、1辺が他の2辺よりも長い直方体形状であり、前記コーティング層は、前記基体の6つの表面のうち最も面積の小さい2面以外の4面に少なくとも配設されており、前記多孔質保護部は、前記4面に配設されたコーティング層の各々を介して前記センサ素子に接着された4つの多孔質保護層を有し、且つ、該4つの多孔質保護層は隣接する前記表面に形成された多孔質保護層同士が互いに接続されていてもよい。こうすれば、4つの多孔質保護層とセンサ素子との密着性が高まり、多孔質保護部の剥離がより抑制される。 In the gas sensor of the present invention, the base has a rectangular parallelepiped shape in which one side is longer than the other two sides, and the coating layer is at least on four surfaces other than the two surfaces having the smallest area among the six surfaces of the base. The porous protective part has four porous protective layers adhered to the sensor element via each of the coating layers disposed on the four surfaces, and the four In the porous protective layer, the porous protective layers formed on the adjacent surfaces may be connected to each other. If it carries out like this, the adhesiveness of four porous protective layers and a sensor element will increase, and peeling of a porous protective part will be suppressed more.
本発明のガスセンサにおいて、前記基体は、酸素イオン伝導性の複数の固体電解質層を積層してなり、前記コーティング層は、前記固体電解質層の積層方向を上下方向として、前記基体の上下面以外を覆っていなくてもよい。ここで、ガスセンサの製造時において、焼成前の基体の表面にペースト状の焼成前のコーティング層を形成して基体とコーティング層とを同時に焼成する場合がある。このような場合に、焼成前の基体の上下面以外に焼成前のコーティング層を形成すると、ペースト(焼成前のコーティング層)が固体電解質層間の隙間に入り込んで固体電解質層間の剥離が生じる場合がある。基体の上下面以外にコーティング層を形成しないようにすることで、そのような固体電解質層間の剥離をより抑制できる。 In the gas sensor according to the aspect of the invention, the base is formed by stacking a plurality of solid electrolyte layers having oxygen ion conductivity, and the coating layer is formed in a direction other than the top and bottom surfaces of the base with the stacking direction of the solid electrolyte layers being the vertical direction. It does not have to be covered. Here, when the gas sensor is manufactured, there are cases where a paste-like coating layer before baking is formed on the surface of the substrate before baking, and the substrate and the coating layer are simultaneously fired. In such a case, if a coating layer before firing is formed on the substrate other than the upper and lower surfaces of the substrate before firing, the paste (coating layer before firing) may enter the gap between the solid electrolyte layers to cause separation between the solid electrolyte layers. is there. By preventing the coating layer from being formed on portions other than the upper and lower surfaces of the substrate, such peeling between the solid electrolyte layers can be further suppressed.
本発明のガスセンサにおいて、前記基体は、直方体形状であり、前記コーティング層は、前記基体の6つの表面のうち前記ガス導入口が形成された面には配設されていなくてもよい。こうすれば、ガスセンサの製造時にコーティング層がガス導入口を塞いでしまうことがなく、コーティング層が被測定ガスの導入を妨げることがない。 In the gas sensor of the present invention, the base body has a rectangular parallelepiped shape, and the coating layer may not be disposed on a surface of the six surfaces of the base body on which the gas introduction port is formed. In this way, the coating layer does not block the gas inlet when the gas sensor is manufactured, and the coating layer does not hinder the introduction of the gas to be measured.
本発明のガスセンサにおいて、前記基体は、直方体形状であり、前記基体の6つの表面のうち前記コーティング層が配設された少なくとも1つの表面において、前記多孔質保護部が前記センサ素子を覆う面積S1に対する前記多孔質保護部が前記コーティング層を覆う面積S2の比である面積比R(=S2/S1×100)が14%〜100%としてもよい。面積比Rが14%以上であれば、コーティング層を介した多孔質保護部とセンサ素子との密着性が十分高くなりやすく、多孔質保護部の剥離をより抑制できる。面積比Rが大きいほど、多孔質保護部とセンサ素子との密着性は高くなる傾向にある。 In the gas sensor of the present invention, the base body has a rectangular parallelepiped shape, and an area S1 where the porous protection portion covers the sensor element on at least one surface on which the coating layer is disposed among the six surfaces of the base body. The area ratio R (= S2 / S1 × 100), which is the ratio of the area S2 where the porous protective part covers the coating layer, may be 14% to 100%. If the area ratio R is 14% or more, the adhesion between the porous protective part and the sensor element via the coating layer is likely to be sufficiently high, and peeling of the porous protective part can be further suppressed. The larger the area ratio R, the higher the adhesion between the porous protective part and the sensor element.
本発明のガスセンサにおいて、前記コーティング層は、厚さが1μm〜30μmとしてもよい。厚さが1μm以上であれば、コーティング層を介した多孔質保護部とセンサ素子との密着性が十分高くなりやすいため、多孔質保護部の剥離をより抑制できる。また、厚さが30μmを超えても密着性はそれほど高くならないため、厚さを30μm以下とすることでコーティング層の材料の使用量を少なくすることができる。 In the gas sensor of the present invention, the coating layer may have a thickness of 1 μm to 30 μm. If the thickness is 1 μm or more, the adhesion between the porous protective part and the sensor element via the coating layer tends to be sufficiently high, and therefore the peeling of the porous protective part can be further suppressed. Moreover, since the adhesiveness is not so high even if the thickness exceeds 30 μm, the amount of coating layer material used can be reduced by setting the thickness to 30 μm or less.
本発明のガスセンサにおいて、前記コーティング層は、前記多孔質保護部との接触面の算術平均粗さRaが1.0μm〜5.0μmとしてもよい。この範囲では、コーティング層を介した多孔質保護部とセンサ素子との密着性が十分高くなりやすいため、多孔質保護部の剥離をより抑制できる。 In the gas sensor of the present invention, the coating layer may have an arithmetic average roughness Ra of a contact surface with the porous protective portion of 1.0 μm to 5.0 μm. In this range, since the adhesion between the porous protective part and the sensor element via the coating layer is likely to be sufficiently high, peeling of the porous protective part can be further suppressed.
本発明のガスセンサにおいて、前記コーティング層は、気孔率が10〜71%であってもよい。コーティング層の気孔率を10%以上とすることで、多孔質保護層の形成時に多孔質保護層がコーティング層の気孔内に一部入り込んでセンサ素子の表面(=コーティング層の表面)に密着しやすくなる。コーティング層の気孔率を71%以下とすることで、コーティング層の強度が十分となり、コーティング層の剥離が抑制できる。 In the gas sensor of the present invention, the coating layer may have a porosity of 10 to 71%. By setting the porosity of the coating layer to 10% or more, the porous protective layer partially enters the pores of the coating layer when the porous protective layer is formed, and adheres closely to the surface of the sensor element (= the surface of the coating layer). It becomes easy. By setting the porosity of the coating layer to 71% or less, the strength of the coating layer becomes sufficient, and peeling of the coating layer can be suppressed.
本発明のガスセンサにおいて、前記基体は、前記ガス導入口と連通して外部から被測定ガスを内部に導入するガス流通部が形成されており、前記センサ素子は、前記基体の表面に配設された外側ポンプ電極と、前記ガス流通部の一部に露出して配設された測定電極と、を有しており、前記コーティング層は、前記外側ポンプ電極表面には配設されておらず、前記多孔質保護部は、前記外側ポンプ電極表面を覆っていてもよい。このガスセンサでは、測定電極と外側ポンプ電極とこれらの電極に挟まれた固体電解質とで電気化学的ポンプセルを構成することができる。そして、コーティング層が外側ポンプ電極表面には配設されていないため、この電気化学的ポンプセルとしての外側ポンプ電極の機能をコーティング層が阻害することをより抑制できる。また、多孔質保護部は外側ポンプ電極表面を覆っているため、外側ポンプ電極を保護することができる。 In the gas sensor of the present invention, the base is formed with a gas flow part that communicates with the gas inlet and introduces a gas to be measured from the outside, and the sensor element is disposed on the surface of the base. The outer pump electrode, and a measurement electrode that is exposed and disposed in a part of the gas flow part, and the coating layer is not disposed on the outer pump electrode surface, The porous protection part may cover the outer pump electrode surface. In this gas sensor, an electrochemical pump cell can be constituted by a measurement electrode, an outer pump electrode, and a solid electrolyte sandwiched between these electrodes. And since the coating layer is not arrange | positioned on the outer surface pump electrode surface, it can suppress more that a coating layer inhibits the function of the outer side pump electrode as this electrochemical pump cell. Moreover, since the porous protection part covers the outer pump electrode surface, the outer pump electrode can be protected.
本発明のガスセンサの製造方法は、上述したガスセンサを製造する方法であって、
(1)焼成後に前記センサ素子となる焼成前センサ素子と、前記焼成前センサ素子のうち焼成後に前記ガス導入口となる部分を除く前記焼成前センサ素子の表面の少なくとも一部に配設され焼成後に前記コーティング層となる焼成前コーティング層と、を備えた未焼成体を用意する工程と、
(2)前記未焼成体を焼成して前記センサ素子と前記コーティング層とを備えた焼成体とする工程と、
(3)前記コーティング層の表面の少なくとも一部を含む前記センサ素子の表面を覆うように前記多孔質保護部を形成する工程と、
を含むものである。
The gas sensor manufacturing method of the present invention is a method of manufacturing the above-described gas sensor,
(1) A pre-firing sensor element that becomes the sensor element after firing, and firing disposed on at least a part of the surface of the pre-firing sensor element excluding a portion that becomes the gas inlet after firing in the pre-firing sensor element. A step of preparing an unfired body provided with a pre-fired coating layer to be the coating layer later;
(2) A step of firing the green body to form a fired body including the sensor element and the coating layer;
(3) forming the porous protective portion so as to cover the surface of the sensor element including at least a part of the surface of the coating layer;
Is included.
この本発明のガスセンサの製造方法では、センサ素子とコーティング層とを備えた焼成体を作製し、その後、コーティング層の表面の少なくとも一部を含むセンサ素子の表面を覆うように多孔質保護部を形成する。こうすることで、コーティング層により多孔質保護部とセンサ素子とを接着することができ、コーティング層がない場合と比較して多孔質保護部の剥離をより抑制できる。また、焼成前コーティング層はガス導入口となる部分を除く焼成前センサ素子の表面に配設されているため、焼成後のコーティング層はガス導入口を覆わない。そのため、コーティング層が被測定ガスの導入を妨げることも抑制できる。また、焼成前センサ素子及び焼成前コーティング層の焼成を同時に行うことで両者の接着力を高めることができ、且つ、未焼成体と多孔質保護部の形成とを別工程で行うため、多孔質保護部の形成方法の自由度が高くなる。 In this gas sensor manufacturing method of the present invention, a fired body including a sensor element and a coating layer is produced, and then a porous protective portion is provided so as to cover the surface of the sensor element including at least a part of the surface of the coating layer. Form. By carrying out like this, a porous protection part and a sensor element can be adhere | attached with a coating layer, and peeling of a porous protection part can be suppressed more compared with the case where there is no coating layer. Moreover, since the coating layer before baking is arrange | positioned on the surface of the sensor element before baking except the part used as a gas inlet, the coating layer after baking does not cover a gas inlet. Therefore, it can also be suppressed that the coating layer prevents introduction of the gas to be measured. In addition, since the pre-firing sensor element and the pre-firing coating layer are fired at the same time, the adhesive force between them can be increased, and the formation of the unfired body and the porous protective part is performed in separate steps, so that the porous body is porous. The degree of freedom of the method for forming the protective part is increased.
次に、本発明の実施の形態の一例であるセンサ素子101を備えたガスセンサ100の概略構成について説明する。図1は、ガスセンサ100の構成の一例を概略的に示した斜視図である。図2は、図1のA−A断面図である。なお、ガスセンサ100は、例えば自動車の排気ガスなどの被測定ガスにおけるNOxなどの所定のガスの濃度を、センサ素子101により検出するものである。また、センサ素子101は長尺な直方体形状をしており、このセンサ素子101の長手方向(図1の左右方向)を前後方向とし、センサ素子101の厚み方向(図1の上下方向)を上下方向とする。また、センサ素子101の幅方向(前後方向及び上下方向に垂直な方向)を左右方向とする。なお、図1は、センサ素子101を右上前方からみた様子を示している。また、図2は、センサ素子101の左右方向の中心に沿った断面図である。 Next, a schematic configuration of the gas sensor 100 including the sensor element 101 which is an example of the embodiment of the present invention will be described. FIG. 1 is a perspective view schematically showing an example of the configuration of the gas sensor 100. FIG. 2 is a cross-sectional view taken along the line AA of FIG. The gas sensor 100 detects the concentration of a predetermined gas such as NOx in a gas to be measured such as an exhaust gas of an automobile by the sensor element 101. The sensor element 101 has a long rectangular parallelepiped shape. The longitudinal direction of the sensor element 101 (left-right direction in FIG. 1) is the front-rear direction, and the thickness direction of the sensor element 101 (up-down direction in FIG. 1) is vertical. The direction. The width direction of sensor element 101 (the direction perpendicular to the front-rear direction and the up-down direction) is the left-right direction. FIG. 1 shows the sensor element 101 as viewed from the upper right front. FIG. 2 is a cross-sectional view of the sensor element 101 taken along the center in the left-right direction.
図2に示すように、センサ素子101は、それぞれがジルコニア(ZrO2)等の酸素イオン伝導性固体電解質層からなる第1基板層1と、第2基板層2と、第3基板層3と、第1固体電解質層4と、スペーサ層5と、第2固体電解質層6との6つの層が、図面視で下側からこの順に積層された構造を有する素子である。また、これら6つの層を形成する固体電解質は緻密な気密のものである。係るセンサ素子101は、例えば、各層に対応するセラミックスグリーンシートに所定の加工および回路パターンの印刷などを行った後にそれらを積層し、さらに、焼成して一体化させることによって製造される。 As shown in FIG. 2, the sensor element 101 includes a first substrate layer 1, a second substrate layer 2, and a third substrate layer 3 each made of an oxygen ion conductive solid electrolyte layer such as zirconia (ZrO 2 ). The first solid electrolyte layer 4, the spacer layer 5, and the second solid electrolyte layer 6 are elements having a structure in which the layers are laminated in this order from the bottom in the drawing. The solid electrolyte forming these six layers is dense and airtight. The sensor element 101 is manufactured, for example, by performing predetermined processing and circuit pattern printing on a ceramic green sheet corresponding to each layer, stacking them, and firing and integrating them.
センサ素子101の一先端部(前方向の端部)であって、第2固体電解質層6の下面と第1固体電解質層4の上面との間には、ガス導入口10と、第1拡散律速部11と、緩衝空間12と、第2拡散律速部13と、第1内部空所20と、第3拡散律速部30と、第2内部空所40とが、この順に連通する態様にて隣接形成されてなる。 One end portion (front end portion) of the sensor element 101, and between the lower surface of the second solid electrolyte layer 6 and the upper surface of the first solid electrolyte layer 4, the gas inlet 10 and the first diffusion In a mode in which the rate-limiting portion 11, the buffer space 12, the second diffusion-controlling portion 13, the first internal space 20, the third diffusion-controlling portion 30, and the second internal space 40 are communicated in this order. Adjacently formed.
ガス導入口10と、緩衝空間12と、第1内部空所20と、第2内部空所40とは、スペーサ層5をくり抜いた態様にて設けられた上部を第2固体電解質層6の下面で、下部を第1固体電解質層4の上面で、側部をスペーサ層5の側面で区画されたセンサ素子101内部の空間である。 The gas introduction port 10, the buffer space 12, the first internal space 20, and the second internal space 40 are provided on the lower surface of the second solid electrolyte layer 6 with the upper portion provided in a state in which the spacer layer 5 is cut out. The space inside the sensor element 101 is defined by the lower part being the upper surface of the first solid electrolyte layer 4 and the side parts being the side surfaces of the spacer layer 5.
第1拡散律速部11と、第2拡散律速部13と、第3拡散律速部30とはいずれも、2本の横長の(図面に垂直な方向に開口が長手方向を有する)スリットとして設けられる。なお、ガス導入口10から第2内部空所40に至る部位をガス流通部とも称する。 Each of the first diffusion rate controlling unit 11, the second diffusion rate controlling unit 13, and the third diffusion rate controlling unit 30 is provided as two horizontally long slits (the opening has a longitudinal direction in a direction perpendicular to the drawing). . In addition, the site | part from the gas inlet 10 to the 2nd internal space 40 is also called a gas distribution part.
また、ガス流通部よりも先端側から遠い位置には、第3基板層3の上面と、スペーサ層5の下面との間であって、側部を第1固体電解質層4の側面で区画される位置に基準ガス導入空間43が設けられている。基準ガス導入空間43には、NOx濃度の測定を行う際の基準ガスとして、例えば大気が導入される。 Further, at a position farther from the front end side than the gas circulation part, the side part is partitioned by the side surface of the first solid electrolyte layer 4 between the upper surface of the third substrate layer 3 and the lower surface of the spacer layer 5. The reference gas introduction space 43 is provided at the position. For example, the atmosphere is introduced into the reference gas introduction space 43 as a reference gas when measuring the NOx concentration.
大気導入層48は、多孔質セラミックスからなる層であって、大気導入層48には基準ガス導入空間43を通じて基準ガスが導入されるようになっている。また、大気導入層48は、基準電極42を被覆するように形成されている。 The air introduction layer 48 is a layer made of porous ceramics, and a reference gas is introduced into the air introduction layer 48 through the reference gas introduction space 43. The air introduction layer 48 is formed so as to cover the reference electrode 42.
基準電極42は、第3基板層3の上面と第1固体電解質層4とに挟まれる態様にて形成される電極であり、上述のように、その周囲には、基準ガス導入空間43につながる大気導入層48が設けられている。また、後述するように、基準電極42を用いて第1内部空所20内や第2内部空所40内の酸素濃度(酸素分圧)を測定することが可能となっている。 The reference electrode 42 is an electrode formed in such a manner that it is sandwiched between the upper surface of the third substrate layer 3 and the first solid electrolyte layer 4. As described above, the reference electrode 42 leads to the reference gas introduction space 43. An air introduction layer 48 is provided. Further, as will be described later, it is possible to measure the oxygen concentration (oxygen partial pressure) in the first internal space 20 and the second internal space 40 using the reference electrode 42.
ガス流通部において、ガス導入口10は、外部空間に対して開口してなる部位であり、該ガス導入口10を通じて外部空間からセンサ素子101内に被測定ガスが取り込まれるようになっている。第1拡散律速部11は、ガス導入口10から取り込まれた被測定ガスに対して、所定の拡散抵抗を付与する部位である。緩衝空間12は、第1拡散律速部11より導入された被測定ガスを第2拡散律速部13へと導くために設けられた空間である。第2拡散律速部13は、緩衝空間12から第1内部空所20に導入される被測定ガスに対して、所定の拡散抵抗を付与する部位である。被測定ガスが、センサ素子101外部から第1内部空所20内まで導入されるにあたって、外部空間における被測定ガスの圧力変動(被測定ガスが自動車の排気ガスの場合であれば排気圧の脈動)によってガス導入口10からセンサ素子101内部に急激に取り込まれた被測定ガスは、直接第1内部空所20へ導入されるのではなく、第1拡散律速部11、緩衝空間12、第2拡散律速部13を通じて被測定ガスの濃度変動が打ち消された後、第1内部空所20へ導入されるようになっている。これによって、第1内部空所20へ導入される被測定ガスの濃度変動はほとんど無視できる程度のものとなる。第1内部空所20は、第2拡散律速部13を通じて導入された被測定ガス中の酸素分圧を調整するための空間として設けられている。係る酸素分圧は、主ポンプセル21が作動することによって調整される。 In the gas circulation part, the gas inlet 10 is a part opened to the external space, and the gas to be measured is taken into the sensor element 101 from the external space through the gas inlet 10. The first diffusion control unit 11 is a part that provides a predetermined diffusion resistance to the gas to be measured taken from the gas inlet 10. The buffer space 12 is a space provided to guide the gas to be measured introduced from the first diffusion rate controlling unit 11 to the second diffusion rate controlling unit 13. The second diffusion rate limiting unit 13 is a part that imparts a predetermined diffusion resistance to the gas to be measured introduced from the buffer space 12 into the first internal space 20. When the gas to be measured is introduced from the outside of the sensor element 101 to the inside of the first internal space 20, the pressure fluctuation of the gas to be measured in the external space (exhaust pressure pulsation if the gas to be measured is an automobile exhaust gas) ), The gas to be measured that is suddenly taken into the sensor element 101 from the gas inlet 10 is not directly introduced into the first internal space 20, but the first diffusion control unit 11, the buffer space 12, the second After the concentration variation of the gas to be measured is canceled through the diffusion control unit 13, the gas is introduced into the first internal space 20. As a result, the concentration fluctuation of the gas to be measured introduced into the first internal space 20 becomes almost negligible. The first internal space 20 is provided as a space for adjusting the partial pressure of oxygen in the gas to be measured introduced through the second diffusion rate limiting unit 13. The oxygen partial pressure is adjusted by the operation of the main pump cell 21.
主ポンプセル21は、第1内部空所20に面する第2固体電解質層6の下面のほぼ全面に設けられた天井電極部22aを有する内側ポンプ電極22と、第2固体電解質層6の上面の天井電極部22aと対応する領域に外部空間に露出する態様にて設けられた外側ポンプ電極23と、これらの電極に挟まれた第2固体電解質層6とによって構成されてなる電気化学的ポンプセルである。 The main pump cell 21 includes an inner pump electrode 22 having a ceiling electrode portion 22a provided on substantially the entire lower surface of the second solid electrolyte layer 6 facing the first internal space 20, and an upper surface of the second solid electrolyte layer 6. An electrochemical pump cell comprising an outer pump electrode 23 provided in a manner exposed to the external space in a region corresponding to the ceiling electrode portion 22a, and a second solid electrolyte layer 6 sandwiched between these electrodes. is there.
内側ポンプ電極22は、第1内部空所20を区画する上下の固体電解質層(第2固体電解質層6および第1固体電解質層4)、および、側壁を与えるスペーサ層5にまたがって形成されている。具体的には、第1内部空所20の天井面を与える第2固体電解質層6の下面には天井電極部22aが形成され、また、底面を与える第1固体電解質層4の上面には底部電極部22bが形成され、そして、それら天井電極部22aと底部電極部22bとを接続するように、側部電極部(図示省略)が第1内部空所20の両側壁部を構成するスペーサ層5の側壁面(内面)に形成されて、該側部電極部の配設部位においてトンネル形態とされた構造において配設されている。 The inner pump electrode 22 is formed across the upper and lower solid electrolyte layers (the second solid electrolyte layer 6 and the first solid electrolyte layer 4) that define the first inner space 20, and the spacer layer 5 that provides side walls. Yes. Specifically, a ceiling electrode portion 22a is formed on the lower surface of the second solid electrolyte layer 6 that provides the ceiling surface of the first internal space 20, and a bottom portion is formed on the upper surface of the first solid electrolyte layer 4 that provides the bottom surface. Spacer layers in which the electrode portions 22b are formed and the side electrode portions (not shown) constitute both side walls of the first internal space 20 so as to connect the ceiling electrode portions 22a and the bottom electrode portions 22b. 5 is formed on the side wall surface (inner surface), and is disposed in a tunnel-shaped structure at the portion where the side electrode portion is disposed.
内側ポンプ電極22と外側ポンプ電極23とは、多孔質サーメット電極(例えば、Auを1%含むPtとZrO2とのサーメット電極)として形成される。なお、被測定ガスに接触する内側ポンプ電極22は、被測定ガス中のNOx成分に対する還元能力を弱めた材料を用いて形成される。 The inner pump electrode 22 and the outer pump electrode 23 are formed as a porous cermet electrode (for example, a cermet electrode of Pt and ZrO 2 containing 1% of Au). The inner pump electrode 22 in contact with the gas to be measured is formed using a material that has a reduced reduction ability for the NOx component in the gas to be measured.
主ポンプセル21においては、内側ポンプ電極22と外側ポンプ電極23との間に所望のポンプ電圧Vp0を印加して、内側ポンプ電極22と外側ポンプ電極23との間に正方向あるいは負方向にポンプ電流Ip0を流すことにより、第1内部空所20内の酸素を外部空間に汲み出し、あるいは、外部空間の酸素を第1内部空所20に汲み入れることが可能となっている。 In the main pump cell 21, a desired pump voltage Vp 0 is applied between the inner pump electrode 22 and the outer pump electrode 23, and the pump current is positive or negative between the inner pump electrode 22 and the outer pump electrode 23. By flowing Ip0, oxygen in the first internal space 20 can be pumped into the external space, or oxygen in the external space can be pumped into the first internal space 20.
また、第1内部空所20における雰囲気中の酸素濃度(酸素分圧)を検出するために、内側ポンプ電極22と、第2固体電解質層6と、スペーサ層5と、第1固体電解質層4と、第3基板層3と、基準電極42によって、電気化学的なセンサセル、すなわち、主ポンプ制御用酸素分圧検出センサセル80が構成されている。 Further, in order to detect the oxygen concentration (oxygen partial pressure) in the atmosphere in the first internal space 20, the inner pump electrode 22, the second solid electrolyte layer 6, the spacer layer 5, and the first solid electrolyte layer 4. The third substrate layer 3 and the reference electrode 42 constitute an electrochemical sensor cell, that is, a main pump control oxygen partial pressure detection sensor cell 80.
主ポンプ制御用酸素分圧検出センサセル80における起電力V0を測定することで第1内部空所20内の酸素濃度(酸素分圧)がわかるようになっている。さらに、起電力V0が一定となるように可変電源25のポンプ電圧Vp0をフィードバック制御することでポンプ電流Ip0が制御されている。これによって、第1内部空所内20内の酸素濃度は所定の一定値に保つことができる。 By measuring the electromotive force V0 in the main pump control oxygen partial pressure detection sensor cell 80, the oxygen concentration (oxygen partial pressure) in the first internal space 20 can be known. Further, the pump current Ip0 is controlled by feedback-controlling the pump voltage Vp0 of the variable power source 25 so that the electromotive force V0 is constant. Thereby, the oxygen concentration in the first internal space 20 can be kept at a predetermined constant value.
第3拡散律速部30は、第1内部空所20で主ポンプセル21の動作により酸素濃度(酸素分圧)が制御された被測定ガスに所定の拡散抵抗を付与して、該被測定ガスを第2内部空所40に導く部位である。 The third diffusion control unit 30 provides a predetermined diffusion resistance to the gas under measurement whose oxygen concentration (oxygen partial pressure) is controlled by the operation of the main pump cell 21 in the first internal space 20, and the gas under measurement is supplied to the gas under measurement. This is the part that leads to the second internal space 40.
第2内部空所40は、第3拡散律速部30を通じて導入された被測定ガス中の窒素酸化物(NOx)濃度の測定に係る処理を行うための空間として設けられている。NOx濃度の測定は、主として、補助ポンプセル50により酸素濃度が調整された第2内部空所40において、さらに、測定用ポンプセル41の動作によりNOx濃度が測定される。 The second internal space 40 is provided as a space for performing a process related to the measurement of the nitrogen oxide (NOx) concentration in the gas to be measured introduced through the third diffusion control unit 30. The NOx concentration is measured mainly in the second internal space 40 in which the oxygen concentration is adjusted by the auxiliary pump cell 50, and further by measuring the pump cell 41 for measurement.
第2内部空所40では、あらかじめ第1内部空所20において酸素濃度(酸素分圧)が調整された後、第3拡散律速部を通じて導入された被測定ガスに対して、さらに補助ポンプセル50による酸素分圧の調整が行われるようになっている。これにより、第2内部空所40内の酸素濃度を高精度に一定に保つことができるため、係るガスセンサ100においては精度の高いNOx濃度測定が可能となる。 In the second internal space 40, after the oxygen concentration (oxygen partial pressure) is adjusted in the first internal space 20 in advance, the auxiliary pump cell 50 further supplies the gas to be measured introduced through the third diffusion control unit. The oxygen partial pressure is adjusted. Thereby, since the oxygen concentration in the second internal space 40 can be kept constant with high accuracy, the gas sensor 100 can measure the NOx concentration with high accuracy.
補助ポンプセル50は、第2内部空所40に面する第2固体電解質層6の下面の略全体に設けられた天井電極部51aを有する補助ポンプ電極51と、外側ポンプ電極23(外側ポンプ電極23に限られるものではなく、センサ素子101と外側の適当な電極であれば足りる)と、第2固体電解質層6とによって構成される、補助的な電気化学的ポンプセルである。 The auxiliary pump cell 50 includes an auxiliary pump electrode 51 having a ceiling electrode portion 51a provided on substantially the entire lower surface of the second solid electrolyte layer 6 facing the second internal space 40, and an outer pump electrode 23 (outer pump electrode 23). The auxiliary electrochemical pump cell is configured by the second solid electrolyte layer 6 and the sensor element 101 and an appropriate electrode on the outside.
係る補助ポンプ電極51は、先の第1内部空所20内に設けられた内側ポンプ電極22と同様なトンネル形態とされた構造において、第2内部空所40内に配設されている。つまり、第2内部空所40の天井面を与える第2固体電解質層6に対して天井電極部51aが形成され、また、第2内部空所40の底面を与える第1固体電解質層4には、底部電極部51bが形成され、そして、それらの天井電極部51aと底部電極部51bとを連結する側部電極部(図示省略)が、第2内部空所40の側壁を与えるスペーサ層5の両壁面にそれぞれ形成されたトンネル形態の構造となっている。なお、補助ポンプ電極51についても、内側ポンプ電極22と同様に、被測定ガス中のNOx成分に対する還元能力を弱めた材料を用いて形成される。 The auxiliary pump electrode 51 is disposed in the second internal space 40 in the same tunnel configuration as the inner pump electrode 22 provided in the first internal space 20. That is, the ceiling electrode portion 51 a is formed on the second solid electrolyte layer 6 that provides the ceiling surface of the second internal space 40, and the first solid electrolyte layer 4 that provides the bottom surface of the second internal space 40 is formed on the first solid electrolyte layer 4. The bottom electrode part 51b is formed, and the side electrode part (not shown) connecting the ceiling electrode part 51a and the bottom electrode part 51b is provided on the spacer layer 5 that provides the side wall of the second internal space 40. It has a tunnel-type structure formed on both wall surfaces. Note that the auxiliary pump electrode 51 is also formed using a material having a reduced reducing ability with respect to the NOx component in the gas to be measured, like the inner pump electrode 22.
補助ポンプセル50においては、補助ポンプ電極51と外側ポンプ電極23との間に所望の電圧Vp1を印加することにより、第2内部空所40内の雰囲気中の酸素を外部空間に汲み出し、あるいは、外部空間から第2内部空所40内に汲み入れることが可能となっている。 In the auxiliary pump cell 50, by applying a desired voltage Vp1 between the auxiliary pump electrode 51 and the outer pump electrode 23, oxygen in the atmosphere in the second internal space 40 is pumped to the external space, or It is possible to pump into the second internal space 40 from the space.
また、第2内部空所40内における雰囲気中の酸素分圧を制御するために、補助ポンプ電極51と、基準電極42と、第2固体電解質層6と、スペーサ層5と、第1固体電解質層4と、第3基板層3とによって電気化学的なセンサセル、すなわち、補助ポンプ制御用酸素分圧検出センサセル81が構成されている。 Further, in order to control the oxygen partial pressure in the atmosphere in the second internal space 40, the auxiliary pump electrode 51, the reference electrode 42, the second solid electrolyte layer 6, the spacer layer 5, and the first solid electrolyte. The layer 4 and the third substrate layer 3 constitute an electrochemical sensor cell, that is, an auxiliary pump control oxygen partial pressure detection sensor cell 81.
なお、この補助ポンプ制御用酸素分圧検出センサセル81にて検出される起電力V1に基づいて電圧制御される可変電源52にて、補助ポンプセル50がポンピングを行う。これにより第2内部空所40内の雰囲気中の酸素分圧は、NOxの測定に実質的に影響がない低い分圧にまで制御されるようになっている。 The auxiliary pump cell 50 performs pumping by the variable power source 52 that is voltage-controlled based on the electromotive force V1 detected by the auxiliary pump control oxygen partial pressure detection sensor cell 81. Thereby, the oxygen partial pressure in the atmosphere in the second internal space 40 is controlled to a low partial pressure that does not substantially affect the measurement of NOx.
また、これとともに、そのポンプ電流Ip1が、主ポンプ制御用酸素分圧検出センサセル80の起電力の制御に用いられるようになっている。具体的には、ポンプ電流Ip1は、制御信号として主ポンプ制御用酸素分圧検出センサセル80に入力され、その起電力V0が制御されることにより、第3拡散律速部30から第2内部空所40内に導入される被測定ガス中の酸素分圧の勾配が常に一定となるように制御されている。NOxセンサとして使用する際は、主ポンプセル21と補助ポンプセル50との働きによって、第2内部空所40内での酸素濃度は約0.001ppm程度の一定の値に保たれる。 At the same time, the pump current Ip1 is used to control the electromotive force of the oxygen partial pressure detection sensor cell 80 for main pump control. Specifically, the pump current Ip1 is input as a control signal to the main pump control oxygen partial pressure detection sensor cell 80, and the electromotive force V0 is controlled, so that the third diffusion rate limiting unit 30 controls the second internal space. The gradient of the oxygen partial pressure in the gas to be measured introduced into the gas 40 is controlled so as to be always constant. When used as a NOx sensor, the oxygen concentration in the second internal space 40 is maintained at a constant value of about 0.001 ppm by the action of the main pump cell 21 and the auxiliary pump cell 50.
測定用ポンプセル41は、第2内部空所40内において、被測定ガス中のNOx濃度の測定を行う。測定用ポンプセル41は、第2内部空所40に面する第1固体電解質層4の上面であって第3拡散律速部30から離間した位置に設けられた測定電極44と、外側ポンプ電極23と、第2固体電解質層6と、スペーサ層5と、第1固体電解質層4とによって構成された電気化学的ポンプセルである。 The measurement pump cell 41 measures the NOx concentration in the gas to be measured in the second internal space 40. The measurement pump cell 41 includes a measurement electrode 44 provided on a top surface of the first solid electrolyte layer 4 facing the second internal space 40 and spaced from the third diffusion rate-determining portion 30, an outer pump electrode 23, The electrochemical pump cell is constituted by the second solid electrolyte layer 6, the spacer layer 5, and the first solid electrolyte layer 4.
測定電極44は、多孔質サーメット電極である。測定電極44は、第2内部空所40内の雰囲気中に存在するNOxを還元するNOx還元触媒としても機能する。さらに、測定電極44は、第4拡散律速部45によって被覆されてなる。 The measurement electrode 44 is a porous cermet electrode. The measurement electrode 44 also functions as a NOx reduction catalyst that reduces NOx present in the atmosphere in the second internal space 40. Further, the measurement electrode 44 is covered with a fourth diffusion rate controlling part 45.
第4拡散律速部45は、セラミックス多孔体にて構成される膜である。第4拡散律速部45は、測定電極44に流入するNOxの量を制限する役割を担うとともに、測定電極44の保護膜としても機能する。測定用ポンプセル41においては、測定電極44の周囲の雰囲気中における窒素酸化物の分解によって生じた酸素を汲み出して、その発生量をポンプ電流Ip2として検出することができる。 The 4th diffusion control part 45 is a film | membrane comprised with a ceramic porous body. The fourth diffusion control unit 45 plays a role of limiting the amount of NOx flowing into the measurement electrode 44 and also functions as a protective film for the measurement electrode 44. In the measurement pump cell 41, oxygen generated by the decomposition of nitrogen oxides in the atmosphere around the measurement electrode 44 can be pumped out, and the generated amount can be detected as the pump current Ip2.
また、測定電極44の周囲の酸素分圧を検出するために、第1固体電解質層4と、第3基板層3と、測定電極44と、基準電極42とによって電気化学的なセンサセル、すなわち、測定用ポンプ制御用酸素分圧検出センサセル82が構成されている。測定用ポンプ制御用酸素分圧検出センサセル82にて検出された起電力V2に基づいて可変電源46が制御される。 In order to detect the oxygen partial pressure around the measurement electrode 44, an electrochemical sensor cell, that is, a first solid electrolyte layer 4, a third substrate layer 3, a measurement electrode 44, and a reference electrode 42, that is, A measurement pump control oxygen partial pressure detection sensor cell 82 is configured. The variable power supply 46 is controlled on the basis of the electromotive force V2 detected by the measurement pump control oxygen partial pressure detection sensor cell 82.
第2内部空所40内に導かれた被測定ガスは、酸素分圧が制御された状況下で第4拡散律速部45を通じて測定電極44に到達することとなる。測定電極44の周囲の被測定ガス中の窒素酸化物は還元されて(2NO→N2+O2)酸素を発生する。そして、この発生した酸素は測定用ポンプセル41によってポンピングされることとなるが、その際、測定用ポンプ制御用酸素分圧検出センサセル82にて検出された制御電圧V2が一定となるように可変電源46の電圧Vp2が制御される。測定電極44の周囲において発生する酸素の量は、被測定ガス中の窒素酸化物の濃度に比例するものであるから、測定用ポンプセル41におけるポンプ電流Ip2を用いて被測定ガス中の窒素酸化物濃度が算出されることとなる。 The gas to be measured introduced into the second internal space 40 reaches the measurement electrode 44 through the fourth diffusion rate-determining unit 45 under the condition where the oxygen partial pressure is controlled. Nitrogen oxide in the gas to be measured around the measurement electrode 44 is reduced (2NO → N 2 + O 2 ) to generate oxygen. The generated oxygen is pumped by the measurement pump cell 41. At this time, the variable power source is set so that the control voltage V2 detected by the measurement pump control oxygen partial pressure detection sensor cell 82 becomes constant. 46 voltage Vp2 is controlled. Since the amount of oxygen generated around the measurement electrode 44 is proportional to the concentration of nitrogen oxide in the gas to be measured, the nitrogen oxide in the gas to be measured using the pump current Ip2 in the measurement pump cell 41. The concentration will be calculated.
また、測定電極44と、第1固体電解質層4と、第3基板層3と基準電極42を組み合わせて、電気化学的センサセルとして酸素分圧検出手段を構成するようにすれば、測定電極44の周りの雰囲気中のNOx成分の還元によって発生した酸素の量と基準大気に含まれる酸素の量との差に応じた起電力を検出することができ、これによって被測定ガス中のNOx成分の濃度を求めることも可能である。 In addition, if the measurement electrode 44, the first solid electrolyte layer 4, the third substrate layer 3, and the reference electrode 42 are combined to form an oxygen partial pressure detecting means as an electrochemical sensor cell, The electromotive force according to the difference between the amount of oxygen generated by the reduction of the NOx component in the surrounding atmosphere and the amount of oxygen contained in the reference atmosphere can be detected, thereby the concentration of the NOx component in the gas to be measured Is also possible.
また、第2固体電解質層6と、スペーサ層5と、第1固体電解質層4と、第3基板層3と、外側ポンプ電極23と、基準電極42とから電気化学的なセンサセル83が構成されており、このセンサセル83によって得られる起電力Vrefによりセンサ外部の被測定ガス中の酸素分圧を検出可能となっている。 The second solid electrolyte layer 6, the spacer layer 5, the first solid electrolyte layer 4, the third substrate layer 3, the outer pump electrode 23, and the reference electrode 42 constitute an electrochemical sensor cell 83. The oxygen partial pressure in the gas to be measured outside the sensor can be detected by the electromotive force Vref obtained by the sensor cell 83.
このような構成を有するガスセンサ100においては、主ポンプセル21と補助ポンプセル50とを作動させることによって酸素分圧が常に一定の低い値(NOxの測定に実質的に影響がない値)に保たれた被測定ガスが測定用ポンプセル41に与えられる。したがって、被測定ガス中のNOxの濃度に略比例して、NOxの還元によって発生する酸素が測定用ポンプセル41より汲み出されることによって流れるポンプ電流Ip2に基づいて、被測定ガス中のNOx濃度を知ることができるようになっている。 In the gas sensor 100 having such a configuration, by operating the main pump cell 21 and the auxiliary pump cell 50, the oxygen partial pressure is always kept at a constant low value (a value that does not substantially affect the measurement of NOx). A gas to be measured is supplied to the measurement pump cell 41. Therefore, the NOx concentration in the measurement gas is determined based on the pump current Ip2 that flows when oxygen generated by the reduction of NOx is pumped out of the measurement pump cell 41 in proportion to the NOx concentration in the measurement gas. You can know.
さらに、センサ素子101は、固体電解質の酸素イオン伝導性を高めるために、センサ素子101を加熱して保温する温度調整の役割を担うヒータ部70を備えている。ヒータ部70は、ヒータコネクタ電極71と、ヒータ72と、スルーホール73と、ヒータ絶縁層74と、圧力放散孔75と、を備えている。 Furthermore, the sensor element 101 includes a heater unit 70 that plays a role of temperature adjustment for heating and maintaining the sensor element 101 in order to increase the oxygen ion conductivity of the solid electrolyte. The heater unit 70 includes a heater connector electrode 71, a heater 72, a through hole 73, a heater insulating layer 74, and a pressure dissipation hole 75.
ヒータコネクタ電極71は、第1基板層1の下面に接する態様にて形成されてなる電極である。ヒータコネクタ電極71を外部電源と接続することによって、外部からヒータ部70へ給電することができるようになっている。 The heater connector electrode 71 is an electrode formed so as to be in contact with the lower surface of the first substrate layer 1. By connecting the heater connector electrode 71 to an external power source, power can be supplied to the heater unit 70 from the outside.
ヒータ72は、第2基板層2と第3基板層3とに上下から挟まれた態様にて形成される電気抵抗体である。ヒータ72は、スルーホール73を介してヒータコネクタ電極71と接続されており、該ヒータコネクタ電極71を通して外部より給電されることにより発熱し、センサ素子101を形成する固体電解質の加熱と保温を行う。 The heater 72 is an electric resistor formed in a form sandwiched between the second substrate layer 2 and the third substrate layer 3 from above and below. The heater 72 is connected to the heater connector electrode 71 through the through-hole 73, and generates heat when power is supplied from the outside through the heater connector electrode 71, thereby heating and keeping the solid electrolyte forming the sensor element 101. .
また、ヒータ72は、第1内部空所20から第2内部空所40の全域に渡って埋設されており、センサ素子101全体を上記固体電解質が活性化する温度に調整することが可能となっている。 The heater 72 is embedded over the entire area from the first internal space 20 to the second internal space 40, and the entire sensor element 101 can be adjusted to a temperature at which the solid electrolyte is activated. ing.
ヒータ絶縁層74は、ヒータ72の上下面に、アルミナ等の絶縁体によって形成されてなる絶縁層である。ヒータ絶縁層74は、第2基板層2とヒータ72との間の電気的絶縁性、および、第3基板層3とヒータ72との間の電気的絶縁性を得る目的で形成されている。 The heater insulating layer 74 is an insulating layer formed on the upper and lower surfaces of the heater 72 by an insulator such as alumina. The heater insulating layer 74 is formed for the purpose of obtaining electrical insulation between the second substrate layer 2 and the heater 72 and electrical insulation between the third substrate layer 3 and the heater 72.
圧力放散孔75は、第3基板層3を貫通し、基準ガス導入空間43に連通するように設けられてなる部位であり、ヒータ絶縁層74内の温度上昇に伴う内圧上昇を緩和する目的で形成されてなる。 The pressure dissipating hole 75 is a portion that is provided so as to penetrate the third substrate layer 3 and communicate with the reference gas introduction space 43, and is for the purpose of alleviating the increase in internal pressure accompanying the temperature increase in the heater insulating layer 74. Formed.
また、センサ素子101は、図1,2に示すように、コーティング層24を備えている。コーティング層24は、センサ素子101の上面(第2固体電解質層6の上面)を被覆するコーティング層24aと、センサ素子101の下面(第1基板層1の下面)を被覆するコーティング層24bと、を備えている。なお、コーティング層24aは、外側ポンプ電極23の表面も被覆している。コーティング層24bは、センサ素子101の下面のヒータコネクタ電極71は被覆していない。そのため、コーティング層24bは、外部からヒータコネクタ電極71への電力を供給を妨げないようになっている。コーティング層24は、例えばアルミナ、ジルコニア、スピネル、コージェライト,マグネシアなどの多孔質セラミックスからなるものである。本実施形態では、コーティング層24はアルミナからなる多孔質セラミックスであるものとした。特に限定するものではないが、コーティング層24の膜厚は例えば5〜50μmである。コーティング層24の気孔率は、10%〜71%とすることが好ましい。コーティング層24の気孔率は、70%以下としてもよいし、60%以下としてもよい。また、コーティング層24の表面(コーティング層24aの上面及びコーティング層24bの下面)の算術平均粗さRaは2.0〜5.0μmとすることが好ましい。なお、特に限定するものではないが、コーティング層24が形成されるセンサ素子101の本体の表面(第2固体電解質層6の上面及び第1基板層1の下面)の算術平均粗さRaは、例えば0.3〜1.0μmである。 The sensor element 101 includes a coating layer 24 as shown in FIGS. The coating layer 24 includes a coating layer 24a that covers the upper surface of the sensor element 101 (the upper surface of the second solid electrolyte layer 6), a coating layer 24b that covers the lower surface of the sensor element 101 (the lower surface of the first substrate layer 1), It has. Note that the coating layer 24 a also covers the surface of the outer pump electrode 23. The coating layer 24 b does not cover the heater connector electrode 71 on the lower surface of the sensor element 101. Therefore, the coating layer 24b does not prevent the supply of electric power to the heater connector electrode 71 from the outside. The coating layer 24 is made of porous ceramics such as alumina, zirconia, spinel, cordierite, and magnesia. In the present embodiment, the coating layer 24 is a porous ceramic made of alumina. Although it does not specifically limit, the film thickness of the coating layer 24 is 5-50 micrometers, for example. The porosity of the coating layer 24 is preferably 10% to 71%. The porosity of the coating layer 24 may be 70% or less, or 60% or less. Moreover, it is preferable that arithmetic mean roughness Ra of the surface (the upper surface of the coating layer 24a, and the lower surface of the coating layer 24b) of the coating layer 24 shall be 2.0-5.0 micrometers. Although not particularly limited, the arithmetic average roughness Ra of the surface of the main body of the sensor element 101 on which the coating layer 24 is formed (the upper surface of the second solid electrolyte layer 6 and the lower surface of the first substrate layer 1) is: For example, it is 0.3 to 1.0 μm.
また、センサ素子101は、図1,2に示すように、一部が多孔質保護部90により被覆されている。多孔質保護部90は、センサ素子101の6個の表面のうち5面にそれぞれ形成された多孔質保護層91a〜91eを備えている。多孔質保護層91aは、センサ素子101の上面(コーティング層24aの上面)の一部を被覆している。多孔質保護層91bは、センサ素子101の下面(コーティング層24bの下面)の一部を被覆している。多孔質保護層91cは、センサ素子101の左面の一部を被覆している。多孔質保護層91dは、センサ素子101の右面の一部を被覆している。多孔質保護層91eは、センサ素子101の前端面の全面を被覆している。なお、多孔質保護層91a〜91dの各々は、自身が形成されているセンサ素子101の表面のうち、センサ素子101の前端面から後方に向かって距離L(図2参照)までの領域を全て覆っている。また、多孔質保護層91aは、外側ポンプ電極23が形成された部分も被覆している。多孔質保護層91eは、ガス導入口10も覆っているが、多孔質保護層91eが多孔質体であるため、被測定ガスは多孔質保護層91eの内部を流通してガス導入口に到達可能である。多孔質保護部90は、センサ素子101の一部(センサ素子101の前端面から距離Lまでの部分)を被覆して、その部分を保護するものである。多孔質保護部90は、例えば被測定ガス中の水分等が付着してセンサ素子101にクラックが生じるのを抑制する役割を果たす。また、多孔質保護層91aは、被測定ガスに含まれるオイル成分等が外側ポンプ電極23に付着するのを抑制して、外側ポンプ電極23の劣化を抑制する役割を果たす。なお、距離Lは、ガスセンサ100においてセンサ素子101が被測定ガスに晒される範囲や、外側ポンプ電極23の位置などに基づいて、(0<距離L<センサ素子の長手方向の長さ)の範囲で定められている。以下では、多孔質保護層91a〜91eを特に区別しない場合には多孔質保護層91と表記する場合がある。 Further, as shown in FIGS. 1 and 2, the sensor element 101 is partially covered with a porous protective part 90. The porous protection part 90 includes porous protection layers 91a to 91e formed on five surfaces of the six surfaces of the sensor element 101, respectively. The porous protective layer 91a covers a part of the upper surface of the sensor element 101 (the upper surface of the coating layer 24a). The porous protective layer 91b covers a part of the lower surface of the sensor element 101 (the lower surface of the coating layer 24b). The porous protective layer 91 c covers a part of the left surface of the sensor element 101. The porous protective layer 91d covers a part of the right surface of the sensor element 101. The porous protective layer 91e covers the entire front end surface of the sensor element 101. In addition, each of the porous protective layers 91a to 91d is the entire surface from the front end face of the sensor element 101 to the distance L (see FIG. 2) in the surface of the sensor element 101 on which the porous protective layers 91a to 91d are formed. Covering. The porous protective layer 91a also covers the portion where the outer pump electrode 23 is formed. The porous protective layer 91e also covers the gas inlet 10, but since the porous protective layer 91e is a porous body, the gas to be measured flows through the porous protective layer 91e and reaches the gas inlet. Is possible. The porous protection part 90 covers a part of the sensor element 101 (a part from the front end surface of the sensor element 101 to the distance L) and protects the part. The porous protection unit 90 plays a role of suppressing the occurrence of cracks in the sensor element 101 due to, for example, moisture in the gas to be measured attached thereto. Further, the porous protective layer 91a plays a role of suppressing deterioration of the outer pump electrode 23 by suppressing oil components and the like contained in the measurement gas from adhering to the outer pump electrode 23. The distance L is a range of (0 <distance L <length in the longitudinal direction of the sensor element) based on the range in which the sensor element 101 is exposed to the gas to be measured in the gas sensor 100, the position of the outer pump electrode 23, and the like. Stipulated in Hereinafter, the porous protective layers 91a to 91e may be referred to as the porous protective layer 91 unless particularly distinguished.
なお、本実施形態では、図1に示すように、センサ素子101は前後方向の長さと、左右方向の幅と、上下方向の厚さとがそれぞれ異なっており、長さ>幅>厚さとなっている。また、距離Lはセンサ素子101の幅及び厚さよりも大きい値であるものとした。そのため、多孔質保護層91a〜91eのうち、多孔質保護層91a,91bの形成面積(=距離L×センサ素子101の幅)が最も広く、次に多孔質保護層91c,91dの形成面積(=距離L×センサ素子101の厚さ)が広く、多孔質保護層91eの形成面積(=センサ素子101の幅×厚さ)が最も狭い。 In the present embodiment, as shown in FIG. 1, the sensor element 101 has a length in the front-rear direction, a width in the left-right direction, and a thickness in the vertical direction, and length> width> thickness. Yes. Further, the distance L is assumed to be larger than the width and thickness of the sensor element 101. Therefore, among the porous protection layers 91a to 91e, the formation area of the porous protection layers 91a and 91b (= distance L × width of the sensor element 101) is the largest, and then the formation area of the porous protection layers 91c and 91d ( = Distance L × thickness of sensor element 101) is wide, and the formation area of porous protective layer 91e (= width of sensor element 101 × thickness) is the narrowest.
多孔質保護層91は、例えばアルミナ多孔質体、ジルコニア多孔質体、スピネル多孔質体、コージェライト多孔質体,チタニア多孔質体、マグネシア多孔質体などの多孔質体からなるものである。本実施形態では、多孔質保護層91はアルミナ多孔質体からなるものとした。特に限定するものではないが、多孔質保護層91の膜厚は例えば100〜700μmであり、多孔質保護層91の気孔率は例えば10%〜40%である。なお、密着力が高くなるため、コーティング層24a,24bと、その表面に形成される多孔質保護層91a,91bとは、同じ材質であることが好ましい。 The porous protective layer 91 is made of a porous material such as an alumina porous material, a zirconia porous material, a spinel porous material, a cordierite porous material, a titania porous material, or a magnesia porous material. In the present embodiment, the porous protective layer 91 is made of an alumina porous body. Although not particularly limited, the thickness of the porous protective layer 91 is, for example, 100 to 700 μm, and the porosity of the porous protective layer 91 is, for example, 10% to 40%. In addition, since adhesive force becomes high, it is preferable that coating layer 24a, 24b and the porous protective layers 91a and 91b formed in the surface are the same materials.
次に、こうしたガスセンサ100の製造方法について説明する。ガスセンサ100の製造方法では、まずセンサ素子101を製造し、次にセンサ素子101に多孔質保護部90を形成する。 Next, a method for manufacturing the gas sensor 100 will be described. In the manufacturing method of the gas sensor 100, first, the sensor element 101 is manufactured, and then the porous protection part 90 is formed on the sensor element 101.
最初に、多孔質保護部90を形成する前のセンサ素子101を製造する方法について説明する。まず、6枚の未焼成のセラミックスグリーンシートを用意する。そして、第1基板層1と、第2基板層2と、第3基板層3と、第1固体電解質層4と、スペーサ層5と、第2固体電解質層6のそれぞれに対応して、各セラミックスグリーンシートに電極や絶縁層、抵抗発熱体等のパターンを印刷する。また、第2固体電解質層6となるセラミックスグリーンシートの表面(センサ素子101の上面となる面)には、焼成後にコーティング層24aとなるペーストをスクリーン印刷する。同様に、第1基板層1となるセラミックスグリーンシートの表面(センサ素子101の下面となる面)には、焼成後にコーティング層24bとなるペーストをスクリーン印刷する。なお、コーティング層24a,24bとなるペーストは、上述したコーティング層24の材質からなる原料粉末(本実施形態ではアルミナの粉末)と、有機バインダー及び有機溶剤等を混合したものを用いる。また、このペーストは、焼成後のコーティング層24の表面の算術平均粗さRaが2.0〜5.0μmとなるように、予め調整しておくことが好ましい。特にこれに限定するものではないが、例えば、原料粉末の粒径をD50=2〜20μm,体積割合を5〜20vol%とし、バインダー溶液を20〜40vol%とし、助溶剤を30〜50vol%とし、分散剤を1〜5vol%としてこれらを調合し、回転数を50〜250rpmとして2〜6時間混合したペーストを用いることで、焼成後のコーティング層24の表面の算術平均粗さRaを2.0〜5.0μmとすることができる。また、このペーストは、焼成後のコーティング層24の気孔率が10%〜71%となるように、予め調整しておくことが好ましい。例えばペーストに含有させる造孔材の配合割合を調整したり、原料粉末の粒径を調整したり、バインダー溶液の配合割合を調整したりすることで、焼成後のコーティング層24の気孔率が10%〜71%となるように調整することができる。このように各種のパターンを形成したあと、グリーンシートを乾燥する。その後、それらを積層して積層体とする。こうして得られた積層体は、複数個のセンサ素子101を包含したものである。その積層体を切断してセンサ素子101の大きさに切り分け、所定の焼成温度で焼成して、センサ素子101を得る。なお、複数のグリーンシートを積層してセンサ素子101を製造する方法は公知であり、例えば特開2008−164411号公報,特開2009−175099号公報などに記載されている。 First, a method for manufacturing the sensor element 101 before forming the porous protection part 90 will be described. First, six green ceramic green sheets are prepared. And each corresponding to each of the 1st substrate layer 1, the 2nd substrate layer 2, the 3rd substrate layer 3, the 1st solid electrolyte layer 4, the spacer layer 5, and the 2nd solid electrolyte layer 6, A pattern such as an electrode, an insulating layer, and a resistance heating element is printed on the ceramic green sheet. Further, a paste that becomes the coating layer 24a after firing is screen-printed on the surface of the ceramic green sheet that becomes the second solid electrolyte layer 6 (the surface that becomes the upper surface of the sensor element 101). Similarly, a paste that becomes the coating layer 24b after firing is screen-printed on the surface of the ceramic green sheet that becomes the first substrate layer 1 (the surface that becomes the lower surface of the sensor element 101). The paste used as the coating layers 24a and 24b is a mixture of the raw material powder (alumina powder in this embodiment) made of the material of the coating layer 24 described above, an organic binder, an organic solvent, and the like. The paste is preferably adjusted in advance so that the arithmetic average roughness Ra of the surface of the coating layer 24 after firing is 2.0 to 5.0 μm. Although not particularly limited thereto, for example, the particle size of the raw material powder is D50 = 2 to 20 μm, the volume ratio is 5 to 20 vol%, the binder solution is 20 to 40 vol%, and the cosolvent is 30 to 50 vol%. The paste is prepared by mixing 1 to 5 vol% of the dispersant and mixing the mixture for 2 to 6 hours at a rotation speed of 50 to 250 rpm, so that the arithmetic average roughness Ra of the surface of the coating layer 24 after firing is 2. It can be set to 0-5.0 micrometers. The paste is preferably adjusted in advance so that the porosity of the coating layer 24 after firing is 10% to 71%. For example, the porosity of the coating layer 24 after firing is 10 by adjusting the blending ratio of the pore former to be included in the paste, adjusting the particle size of the raw material powder, or adjusting the blending ratio of the binder solution. It can adjust so that it may become% -71%. After forming various patterns in this way, the green sheet is dried. Then, they are laminated to form a laminate. The laminated body thus obtained includes a plurality of sensor elements 101. The laminate is cut into pieces of the sensor element 101 and fired at a predetermined firing temperature to obtain the sensor element 101. A method of manufacturing the sensor element 101 by laminating a plurality of green sheets is known, and is described in, for example, Japanese Patent Application Laid-Open Nos. 2008-164411 and 2009-175099.
次に、センサ素子101に多孔質保護部90を形成する方法について説明する。本実施形態では、プラズマ溶射により多孔質保護部90の多孔質保護層91a〜91eを1層ずつ形成していくものとした。図3は、プラズマガン120を用いたプラズマ溶射の説明図である。なお、図3では、例として多孔質保護層91aを形成する様子を示しており、プラズマガン120を断面で示している。プラズマガン120は、プラズマを発生させる電極となるアノード126及びカソード128と、それらを覆う略円筒状の外周部122と、を備えている。外周部122は、アノード126と絶縁するための絶縁部(インシュレータ)123を備えている。外周部122の下端には、多孔質保護層91の形成材料である粉末溶射材料134を供給するための粉末供給部132が形成されている。外周部122とアノード126との間には水冷ジャケット124が設けられており、これによりアノード126を冷却可能となっている。アノード126は筒状に形成されており、下方に向けて開口したノズル126aを有している。アノード126とカソード128との間には、上方からプラズマ発生用ガス130が供給される。なお、このようなプラズマガン120は公知であり、例えば上述した特許文献1に記載されている。 Next, a method for forming the porous protection part 90 on the sensor element 101 will be described. In the present embodiment, the porous protective layers 91a to 91e of the porous protective portion 90 are formed one by one by plasma spraying. FIG. 3 is an explanatory diagram of plasma spraying using the plasma gun 120. FIG. 3 shows a state where the porous protective layer 91a is formed as an example, and the plasma gun 120 is shown in cross section. The plasma gun 120 includes an anode 126 and a cathode 128 that serve as electrodes for generating plasma, and a substantially cylindrical outer peripheral portion 122 that covers them. The outer peripheral portion 122 includes an insulating portion (insulator) 123 for insulating from the anode 126. At the lower end of the outer peripheral portion 122, a powder supply portion 132 for supplying a powder sprayed material 134 that is a material for forming the porous protective layer 91 is formed. A water cooling jacket 124 is provided between the outer peripheral portion 122 and the anode 126, thereby enabling the anode 126 to be cooled. The anode 126 is formed in a cylindrical shape, and has a nozzle 126a that opens downward. A plasma generating gas 130 is supplied between the anode 126 and the cathode 128 from above. Such a plasma gun 120 is known and is described in, for example, Patent Document 1 described above.
多孔質保護層91aを形成する際には、プラズマガン120のアノード126とカソード128との間に電圧を印加し、供給されたプラズマ発生用ガス130の存在下でアーク放電を行って、プラズマ発生用ガス130を高温のプラズマ状態にする。プラズマ状態となったガスは、高温且つ高速のプラズマジェットとしてノズル126aから図3の下方へ噴出する。一方、粉末供給部132からは、キャリアガスと共に粉末溶射材料134を供給する。これにより、粉末溶射材料134はプラズマにより加熱溶融及び加速されてセンサ素子101の表面(上面)に衝突し、急速固化することで、多孔質保護層91aが形成される。なお、プラズマガン120の溶射の向き(ノズル126aの向き)は、特に限定されるものではなく、多孔質保護層91aを形成できればよい。多孔質保護層91b〜91eについても、センサ素子101に形成する面が異なる点以外は同様にして1層ずつ形成する。なお、多孔質保護層91a,91bは、上述したようにコーティング層24a,24bの表面にそれぞれ形成する。多孔質保護層91c〜91eは、センサ素子101の本体(各層1〜6)の表面に直接形成する。なお、プラズマ溶射は、例えば大気及び常温の雰囲気にて行う。 When the porous protective layer 91a is formed, a voltage is applied between the anode 126 and the cathode 128 of the plasma gun 120, and arc discharge is performed in the presence of the supplied plasma generating gas 130 to generate plasma. The working gas 130 is brought into a high temperature plasma state. The gas in the plasma state is ejected from the nozzle 126a downward in FIG. 3 as a high-temperature and high-speed plasma jet. On the other hand, the powder spraying material 134 is supplied from the powder supply unit 132 together with the carrier gas. Accordingly, the powder sprayed material 134 is heated and melted and accelerated by the plasma, collides with the surface (upper surface) of the sensor element 101, and rapidly solidifies to form the porous protective layer 91a. The direction of thermal spraying of the plasma gun 120 (the direction of the nozzle 126a) is not particularly limited as long as the porous protective layer 91a can be formed. The porous protective layers 91b to 91e are also formed one by one in the same manner except that the surface to be formed on the sensor element 101 is different. The porous protective layers 91a and 91b are respectively formed on the surfaces of the coating layers 24a and 24b as described above. The porous protective layers 91c to 91e are directly formed on the surface of the main body (each layer 1 to 6) of the sensor element 101. Note that the plasma spraying is performed, for example, in an atmosphere of air and room temperature.
ここで、プラズマ発生用ガス130としては、例えばアルゴンガスなどの不活性ガスを用いることができる。また、プラズマが発生しやすくなるため、アルゴンと水素とを混合したものをプラズマ発生用ガス130とすることが好ましい。特に限定するものではないが、アルゴンガスの流量は例えば40〜50L/minであり、水素の流量は例えば9〜11L/minである。アノード126とカソード128との間に印加する電圧は、例えば50〜70Vの直流電圧であり、電流は例えば500〜550Aである。 Here, as the plasma generating gas 130, for example, an inert gas such as an argon gas can be used. Further, since plasma is easily generated, it is preferable to use a mixture of argon and hydrogen as the plasma generating gas 130. Although not particularly limited, the flow rate of argon gas is, for example, 40 to 50 L / min, and the flow rate of hydrogen is, for example, 9 to 11 L / min. The voltage applied between the anode 126 and the cathode 128 is a DC voltage of 50 to 70 V, for example, and the current is 500 to 550 A, for example.
粉末溶射材料134は、上述した多孔質保護層91の材料となる粉末であり、本実施形態ではアルミナ粉末とした。特に限定するものではないが、粉末溶射材料134の粒径は例えば10μm〜30μmである。粉末溶射材料134の供給に用いるキャリアガスとしては、例えばプラズマ発生用ガス130と同じアルゴンガスを用いることができる。特に限定するものではないが、キャリアガスの流量は例えば3〜4L/minである。 The powder sprayed material 134 is a powder that becomes the material of the porous protective layer 91 described above, and is alumina powder in this embodiment. Although it does not specifically limit, the particle size of the powder spraying material 134 is 10 micrometers-30 micrometers, for example. As the carrier gas used for supplying the powder spray material 134, for example, the same argon gas as the plasma generating gas 130 can be used. Although not particularly limited, the flow rate of the carrier gas is, for example, 3 to 4 L / min.
プラズマ溶射を行う際は、プラズマガン120におけるプラズマガスの出口であるノズル126aとセンサ素子101における多孔質保護層91を形成する面(図3ではコーティング層24aの上面)との距離Wを、50mm〜300mmとすることが好ましい。距離Wは120mm〜250mmとしてもよい。また、多孔質保護層91を形成する面積に応じて、適宜プラズマガン120を移動(図3では左右方向に移動)させながらプラズマ溶射を行ってもよいが、その場合も距離Wは上述した範囲に保つことが好ましい。プラズマ溶射を行う時間は、形成する多孔質保護層91の膜厚や面積に応じて、適宜定めればよい。なお、多孔質保護層91a〜多孔質保護層91dのように、センサ素子101の表面の一部(前端から後方に向かって距離Lまでの領域)に多孔質保護層91を形成する場合には、多孔質保護層91を形成しない領域をマスクで覆っておいてもよい。 When performing plasma spraying, the distance W between the nozzle 126a, which is the plasma gas outlet in the plasma gun 120, and the surface on which the porous protective layer 91 is formed in the sensor element 101 (the upper surface of the coating layer 24a in FIG. 3) is 50 mm. It is preferable to set it to -300 mm. The distance W may be 120 mm to 250 mm. Further, plasma spraying may be performed while appropriately moving the plasma gun 120 (moving left and right in FIG. 3) according to the area where the porous protective layer 91 is formed. In this case, the distance W is within the above-described range. Is preferably maintained. The time for plasma spraying may be appropriately determined according to the film thickness and area of the porous protective layer 91 to be formed. In the case where the porous protective layer 91 is formed on a part of the surface of the sensor element 101 (region from the front end to the distance L) like the porous protective layer 91a to the porous protective layer 91d. A region where the porous protective layer 91 is not formed may be covered with a mask.
次に、多孔質保護層91a〜91eの形成順序について説明する。図4は、センサ素子101に多孔質保護部90を形成する様子を示す説明図である。まず、上記のようにして用意したセンサ素子101(図4(a))に対して、多孔質保護部90のうち形成面積の最も広い2つの多孔質保護層91である多孔質保護層91a,91bを先行形成する(図4(b))。なお、多孔質保護層91aと多孔質保護層91bとは、いずれを先に形成してもよい。これにより、センサ素子101の上面及び下面のうち、前端から後方に向かって距離Lまでの領域が多孔質保護層91a,91bで覆われる。 Next, the formation order of the porous protective layers 91a to 91e will be described. FIG. 4 is an explanatory view showing a state in which the porous protection part 90 is formed on the sensor element 101. First, with respect to the sensor element 101 (FIG. 4A) prepared as described above, the porous protective layer 91a, which is the two porous protective layers 91 having the largest formation area among the porous protective portions 90, 91b is formed in advance (FIG. 4B). Note that either the porous protective layer 91a or the porous protective layer 91b may be formed first. Thereby, the area | region from the front end to the distance L is covered with the porous protective layers 91a and 91b among the upper surface and lower surface of the sensor element 101. FIG.
続いて、多孔質保護部90のうち未形成の多孔質保護層91である多孔質保護層91c〜91eをプラズマ溶射により形成する。本実施形態では、まずセンサ素子101の左面及び右面にそれぞれ多孔質保護層91c,91dを形成するものとした(図4(c))。多孔質保護層91cと多孔質保護層91dとは、いずれを先に形成してもよい。これにより、センサ素子101の左面及び右面のうち、前端から後方に向かって距離Lまでの領域が多孔質保護層91c,91dで覆われる。なお、先に多孔質保護層91a,91bが形成済みであるため、例えば多孔質保護層91dを形成する際には、センサ素子101の右面の上端(前後方向に沿った辺部分)には多孔質保護層91a(の右端部分)が存在し、右面の下端(前後方向に沿った辺部分)には多孔質保護層91b(の右端部分)が存在する。多孔質保護層91dは、センサ素子101の右面を覆うと共に、この多孔質保護層91a,91bと接続されるように(多孔質保護層91a,91b間に跨がるように)形成する。同様に、多孔質保護層91cは、多孔質保護層91a(の左端部分)と多孔質保護層91b(の左端部分)とに接続されるように形成する。 Subsequently, porous protective layers 91c to 91e, which are unformed porous protective layers 91 in the porous protective portion 90, are formed by plasma spraying. In the present embodiment, the porous protective layers 91c and 91d are first formed on the left and right surfaces of the sensor element 101, respectively (FIG. 4C). Any of the porous protective layer 91c and the porous protective layer 91d may be formed first. Thereby, the area | region from the front end to the distance L is covered with the porous protective layers 91c and 91d among the left surface and the right surface of the sensor element 101. FIG. Since the porous protective layers 91a and 91b are already formed, for example, when the porous protective layer 91d is formed, the upper end (side portion along the front-rear direction) of the right surface of the sensor element 101 is porous. The protective layer 91a (the right end portion thereof) is present, and the porous protective layer 91b (the right end portion thereof) is present at the lower end (side portion along the front-rear direction) of the right surface. The porous protective layer 91d covers the right surface of the sensor element 101 and is formed so as to be connected to the porous protective layers 91a and 91b (between the porous protective layers 91a and 91b). Similarly, the porous protective layer 91c is formed so as to be connected to the porous protective layer 91a (the left end portion thereof) and the porous protective layer 91b (the left end portion thereof).
次に、多孔質保護部90のうち未形成の多孔質保護層91eをプラズマ溶射により形成する(図3(d))。これにより、センサ素子101の前端面が多孔質保護層91eで覆われる。なお、先に多孔質保護層91a〜91dが形成されており、多孔質保護層91eは、多孔質保護層91a〜91d(の前端部分)と接続されるように形成する。以上により、センサ素子101の上下左右の面及び前端面には多孔質保護層91a〜91eがそれぞれ形成されて多孔質保護部90となり、ガスセンサ100を得る。 Next, an unformed porous protective layer 91e in the porous protective portion 90 is formed by plasma spraying (FIG. 3D). Thereby, the front end surface of the sensor element 101 is covered with the porous protective layer 91e. The porous protective layers 91a to 91d are formed in advance, and the porous protective layer 91e is formed so as to be connected to the porous protective layers 91a to 91d (front end portions thereof). As described above, the porous protective layers 91 a to 91 e are respectively formed on the upper, lower, left, and right surfaces and the front end surface of the sensor element 101 to form the porous protective portion 90, thereby obtaining the gas sensor 100.
ここで、本実施形態の構成要素と本発明の構成要素との対応関係を明らかにする。本実施形態のセンサ素子101が本発明のセンサ素子に相当し、ガス導入口10がガス導入口に相当し、センサ素子101の本体(各層1〜6)が基体に相当し、多孔質保護部90が多孔質保護部に相当し、コーティング層24がコーティング層に相当する。また、多孔質保護層91a,91bが第1,第2多孔質保護層に相当し、多孔質保護層91c〜91eが第3多孔質保護層に相当する。また、コーティング層24となるペーストを含む各種のパターンを形成したグリーンシートの積層体が未焼成体に相当する。 Here, the correspondence between the components of the present embodiment and the components of the present invention will be clarified. The sensor element 101 of the present embodiment corresponds to the sensor element of the present invention, the gas inlet 10 corresponds to the gas inlet, the main body (each layer 1 to 6) of the sensor element 101 corresponds to the base, and the porous protective portion 90 corresponds to the porous protective part, and the coating layer 24 corresponds to the coating layer. The porous protective layers 91a and 91b correspond to the first and second porous protective layers, and the porous protective layers 91c to 91e correspond to the third porous protective layer. In addition, a laminate of green sheets on which various patterns including a paste that becomes the coating layer 24 are formed corresponds to an unfired body.
以上詳述した本実施形態のガスセンサ100では、コーティング層24が、ガス導入口10を除くセンサ素子101の表面の少なくとも一部に配設されて、多孔質保護部90とセンサ素子101とを接着している。これにより、コーティング層24がない場合と比較して多孔質保護部90の剥離をより抑制できる。なお、コーティング層24はガス導入口10を覆っていないため、コーティング層24が被測定ガスの導入を妨げることも抑制されている。 In the gas sensor 100 of the present embodiment described in detail above, the coating layer 24 is disposed on at least a part of the surface of the sensor element 101 excluding the gas inlet 10, and the porous protection part 90 and the sensor element 101 are bonded. is doing. Thereby, compared with the case where there is no coating layer 24, peeling of the porous protection part 90 can be suppressed more. In addition, since the coating layer 24 does not cover the gas inlet 10, it is also suppressed that the coating layer 24 prevents introduction of the gas to be measured.
また、センサ素子101の本体(各層1〜6)は、直方体形状であり、コーティング層24a,24bは、センサ素子101の本体の上下左右前後の6つの表面のうち互いに反対側に位置する2面(上面及び下面)に配設されている。そして、多孔質保護部90は、その2面(上面及び下面)に配設されたコーティング層24a,24bの各々を介してセンサ素子101に接着された多孔質保護層91a,91bと、多孔質保護層91a,91bと接続されセンサ素子101の本体のうち上面及び下面以外の1以上の表面を覆う多孔質保護層91c〜91eと、を有している。これにより、多孔質保護部90のうち多孔質保護層91a,91bについては、それぞれコーティング層24a,24bを介してセンサ素子101に接着されているため、剥離がより抑制される。また、多孔質保護層91c〜91eは剥離しにくい多孔質保護層91a,91bと接続されている。そのため、多孔質保護層91c〜91eについても剥離がより抑制される。このように、コーティング層24を互いに反対側に位置する2面に少なくとも形成することで、センサ素子101の本体の3面以上に形成された各多孔質保護層91a〜91eの剥離を抑制できる。 Moreover, the main body (each layer 1-6) of the sensor element 101 is a rectangular parallelepiped shape, and the coating layers 24a and 24b are two surfaces which are located on the opposite sides of the upper, lower, left, and right front and rear surfaces of the main body of the sensor element 101. (Upper surface and lower surface). The porous protective part 90 includes a porous protective layer 91a, 91b bonded to the sensor element 101 via each of the coating layers 24a, 24b disposed on the two surfaces (upper surface and lower surface), and a porous material. And porous protective layers 91c to 91e that are connected to the protective layers 91a and 91b and cover one or more surfaces other than the upper surface and the lower surface of the main body of the sensor element 101. Thereby, since the porous protective layers 91a and 91b of the porous protective portion 90 are bonded to the sensor element 101 via the coating layers 24a and 24b, respectively, peeling is further suppressed. The porous protective layers 91c to 91e are connected to the porous protective layers 91a and 91b that are difficult to peel off. Therefore, peeling is further suppressed for the porous protective layers 91c to 91e. Thus, by forming the coating layer 24 on at least two surfaces located on the opposite sides, it is possible to suppress the peeling of the porous protective layers 91a to 91e formed on three or more surfaces of the main body of the sensor element 101.
さらに、センサ素子101の本体は、酸素イオン伝導性の複数の固体電解質層(各層1〜6)を積層してなり、コーティング層24は、固体電解質層(各層1〜6)の積層方向を上下方向として、センサ素子101の本体の上下面以外を覆っていない。ここで、上述した実施形態では、ガスセンサ100の製造時に、焼成前のセンサ素子101の本体の表面にペースト状の焼成前のコーティング層24を形成して、焼成前のセンサ素子101の本体と焼成前のコーティング層24とを同時に焼成している。このような場合に、焼成前のセンサ素子101の本体の上下面以外(すなわち前後左右の面)に焼成前のコーティング層24を形成すると、ペースト(焼成前のコーティング層24)が固体電解質層間の隙間に入り込んで固体電解質層間の剥離が生じる場合がある。センサ素子101の本体の上下面以外にコーティング層24を形成しないようにすることで、そのような固体電解質層間の剥離をより抑制できる。 Furthermore, the main body of the sensor element 101 is formed by laminating a plurality of solid electrolyte layers (each of layers 1 to 6) having oxygen ion conductivity, and the coating layer 24 is formed by moving the solid electrolyte layers (each of layers 1 to 6) vertically The direction is not covered except for the upper and lower surfaces of the main body of the sensor element 101. Here, in the above-described embodiment, when the gas sensor 100 is manufactured, the paste-like coating layer 24 before firing is formed on the surface of the body of the sensor element 101 before firing, and the body of the sensor element 101 before firing and firing. The previous coating layer 24 is fired simultaneously. In such a case, when the coating layer 24 before firing is formed on the sensor element 101 before firing other than the upper and lower surfaces (that is, the front, back, left, and right surfaces), the paste (the coating layer 24 before firing) is placed between the solid electrolyte layers There is a case where the solid electrolyte layers are separated by entering the gap. By preventing the coating layer 24 from being formed on portions other than the upper and lower surfaces of the main body of the sensor element 101, such peeling between the solid electrolyte layers can be further suppressed.
さらにまた、センサ素子101の本体は、直方体形状であり、コーティング層24は、センサ素子101の本体の6つの表面のうちガス導入口10が形成された面(前面)には配設されていない。そのため、ガスセンサ100の製造時にコーティング層24がガス導入口10を塞いでしまうことがなく、コーティング層24が被測定ガスの導入を妨げることがない。 Furthermore, the main body of the sensor element 101 has a rectangular parallelepiped shape, and the coating layer 24 is not disposed on the surface (front surface) where the gas inlet 10 is formed among the six surfaces of the main body of the sensor element 101. . Therefore, the coating layer 24 does not block the gas inlet 10 when the gas sensor 100 is manufactured, and the coating layer 24 does not prevent introduction of the gas to be measured.
そしてまた、本実施形態のガスセンサ100の製造方法は、焼成後にセンサ素子101となる焼成前センサ素子(6枚の未焼成セラミックスグリーンシートを積層したもの)と、焼成前センサ素子のうち焼成後にガス導入口10となる部分を除く焼成前センサ素子の表面の少なくとも一部に配設され焼成後にコーティング層24となる焼成前コーティング層(セラミックスグリーンシートの表面にスクリーン印刷されたペースト)と、を備えた未焼成体(積層体)を用意する工程(1)と、積層体を焼成してセンサ素子101とコーティング層24とを備えた焼成体とする工程(2)と、コーティング層24の表面の少なくとも一部を含むセンサ素子101の表面を覆うように多孔質保護部90を形成する工程(3)と、を含む。このように、焼成前センサ素子及び焼成前コーティング層の焼成を同時に行うため、両者の接着力を高めることができる。また、焼成前センサ素子及び焼成前コーティング層の焼成と多孔質保護部90の形成とを別工程で行うため、多孔質保護部90の形成方法の自由度が高くなる。そのため、例えば多孔質保護部90の膜厚や気孔率を所望の値に調整しやすい。 In addition, the manufacturing method of the gas sensor 100 according to the present embodiment includes a pre-fired sensor element (a laminate of six unfired ceramic green sheets) that becomes the sensor element 101 after firing, and a gas after firing among the sensor elements before firing. A pre-firing coating layer (a paste printed on the surface of the ceramic green sheet) that is disposed on at least a part of the surface of the pre-firing sensor element excluding the portion that becomes the introduction port 10 and becomes the coating layer 24 after firing. A step (1) of preparing an unfired body (laminated body), a step (2) of firing the laminated body to form a fired body including the sensor element 101 and the coating layer 24, and a surface of the coating layer 24. And (3) forming a porous protective part 90 so as to cover the surface of the sensor element 101 including at least a part thereof. Thus, since the pre-firing sensor element and the pre-firing coating layer are fired at the same time, the adhesive force between them can be increased. In addition, since the firing of the sensor element before firing and the coating layer before firing and the formation of the porous protective portion 90 are performed in separate steps, the degree of freedom in the method of forming the porous protective portion 90 is increased. Therefore, for example, it is easy to adjust the film thickness and porosity of the porous protection part 90 to desired values.
以上詳述した本実施形態のガスセンサ100の製造方法では、長尺な直方体形状のセンサ素子の6個の表面のうち5面にそれぞれ形成された多孔質保護層91a〜91eを有する多孔質保護部90を形成するにあたり、形成面積の最も広い2つの多孔質保護層91a,91bを先行形成する。このように、まず形成面積の最も広い2つの多孔質保護層91a,91bを形成するから、形成面積の狭い他の多孔質保護層91c〜91eを形成する場合と比べて、多孔質保護層91a,91bはセンサ素子101と密着しやすい。そして、形成済みの少なくとも2つの多孔質保護層91(91a,91b)と接続されるように、多孔質保護部90のうち未形成の多孔質保護層91c〜91eを形成する。これにより、後から形成した多孔質保護層91c〜91eは、形成済みの少なくとも2つの多孔質保護層91と接続されることで、形成面積が狭くともセンサ素子101から剥離しにくくなる。以上により、多孔質保護層91の剥離をより抑制できる。 In the manufacturing method of the gas sensor 100 according to the present embodiment described in detail above, the porous protective portion having the porous protective layers 91a to 91e formed on the five surfaces among the six surfaces of the long rectangular parallelepiped sensor element. In forming 90, two porous protective layers 91a and 91b having the largest formation area are formed in advance. Thus, since the two porous protective layers 91a and 91b having the largest formation area are first formed, the porous protective layer 91a is formed as compared with the case of forming the other porous protective layers 91c to 91e having a narrow formation area. , 91b are easily in close contact with the sensor element 101. And unformed porous protective layers 91c-91e are formed among porous protective parts 90 so that it may connect with at least two porous protective layers 91 (91a, 91b) which have been formed. Thereby, the porous protective layers 91c to 91e formed later are connected to at least two porous protective layers 91 that have been formed, so that the porous protective layers 91c to 91e are hardly peeled off from the sensor element 101 even if the formation area is small. As described above, peeling of the porous protective layer 91 can be further suppressed.
また、先行形成される2つの多孔質保護層91a,91bが、センサ素子101の6個の表面のうち互いに反対側の面である上下面に位置している。そのため、先行形成された2つの多孔質保護層91a,91bと接続されるように形成される多孔質保護層91c〜91eは、形成面の両側で2つの多孔質保護層91a,91bに接続されるため、剥離を抑制する効果が高まる。 The two porous protective layers 91 a and 91 b formed in advance are positioned on the upper and lower surfaces which are surfaces opposite to each other among the six surfaces of the sensor element 101. Therefore, the porous protective layers 91c to 91e formed to be connected to the two previously formed porous protective layers 91a and 91b are connected to the two porous protective layers 91a and 91b on both sides of the formation surface. Therefore, the effect of suppressing peeling is enhanced.
さらに、2つの多孔質保護層91a,91bを形成する各々の面(上下面)のうち、多孔質保護層91c〜91eが形成される面側の端部(右端,左端,前端)を含む領域に、多孔質保護層91a,91bを先行形成する。そのため、先行形成された2つの多孔質保護層91a,91bと、後から形成する多孔質保護層91c〜91eとを接続しやすくなる。 Further, of each surface (upper and lower surfaces) forming the two porous protective layers 91a and 91b, a region including the end portion (right end, left end, front end) on the surface side where the porous protective layers 91c to 91e are formed. The porous protective layers 91a and 91b are formed in advance. Therefore, it becomes easy to connect the two previously formed porous protective layers 91a and 91b and the porous protective layers 91c to 91e to be formed later.
さらにまた、センサ素子の表面のうち多孔質保護層91a,91bが形成される領域を含む上下面にコーティング層24a,24bが形成されている。このコーティング層24a,24bの表面の算術平均粗さRaを2.0〜5.0μmとすることで、多孔質保護層91a,91bがセンサ素子101の表面(コーティング層24の表面)に密着しやすくなり、多孔質保護層91a,91bの剥離をより抑制できる。 Furthermore, coating layers 24a and 24b are formed on the upper and lower surfaces of the sensor element surface including the region where the porous protective layers 91a and 91b are formed. By setting the arithmetic average roughness Ra of the surfaces of the coating layers 24 a and 24 b to 2.0 to 5.0 μm, the porous protective layers 91 a and 91 b are in close contact with the surface of the sensor element 101 (the surface of the coating layer 24). It becomes easy and peeling of porous protective layers 91a and 91b can be controlled more.
そしてまた、センサ素子の表面のうち多孔質保護層91a,91bが形成される領域を含む上下面にコーティング層24a,24bが形成されている。このコーティング層24の気孔率を10%以上とすることで、多孔質保護層91a,91bがコーティング層24の気孔内に一部入り込んでセンサ素子101の表面(=コーティング層24の表面)に密着しやすくなる。また、このコーティング層24の気孔率を71%以下とすることで、コーティング層24の強度が十分となり、コーティング層24の剥離が抑制できる。 Also, coating layers 24a and 24b are formed on the upper and lower surfaces of the sensor element surface including the region where the porous protective layers 91a and 91b are formed. By setting the porosity of the coating layer 24 to 10% or more, the porous protective layers 91a and 91b partially enter the pores of the coating layer 24 and adhere to the surface of the sensor element 101 (= the surface of the coating layer 24). It becomes easy to do. Further, by setting the porosity of the coating layer 24 to 71% or less, the strength of the coating layer 24 becomes sufficient, and peeling of the coating layer 24 can be suppressed.
そしてまた、センサ素子101の表面のうち長手方向の一端面である前端面と、前端面に垂直な4つの面である上下左右面と、にそれぞれ多孔質保護層91を形成して、センサ素子101の長手方向の一端から、センサ素子101の長手方向で距離Lまでの領域を覆う多孔質保護部90を形成する。このように5つの面に多孔質保護層91を形成することで、例えば4面以下の面にしか多孔質保護層91を形成しない場合と比べて、多孔質保護部90によりセンサ素子101を保護する効果が高まる。 In addition, a porous protective layer 91 is formed on each of the front end surface which is one end surface in the longitudinal direction of the surface of the sensor element 101 and the upper, lower, left and right surfaces which are four surfaces perpendicular to the front end surface. A porous protective portion 90 is formed to cover a region from one end in the longitudinal direction of 101 to a distance L in the longitudinal direction of the sensor element 101. Thus, by forming the porous protective layer 91 on the five surfaces, the sensor element 101 is protected by the porous protective portion 90 as compared with the case where the porous protective layer 91 is formed only on the four or less surfaces, for example. The effect to do increases.
なお、本発明は上述した実施形態に何ら限定されることはなく、本発明の技術的範囲に属する限り種々の態様で実施し得ることはいうまでもない。 It should be noted that the present invention is not limited to the above-described embodiment, and it goes without saying that the present invention can be implemented in various modes as long as it belongs to the technical scope of the present invention.
例えば、上述した実施形態では、コーティング層24a,24bは、センサ素子101の本体の上下左右前後の6つの表面のうち上面及び下面に配設されているものとしたが、これに限られない。例えば、図5に示すようにコーティング層24がセンサ素子101の本体の左面及び右面に配設されていてもよい。図5は、センサ素子101を長手方向(前後方向)に垂直に切断した断面を模式的に示している。図5では、コーティング層24として、センサ素子101の本体の互いに反対側の2面(左面及び右面)にコーティング層24c,24dが配設されている。この場合も、多孔質保護層91c,91dがそれぞれコーティング層24c,24dを介してセンサ素子101に接着されているため、剥離がより抑制される。また、多孔質保護層91a,91b,91e(図示省略)は剥離しにくい多孔質保護層91c,91dと接続されている。そのため、多孔質保護層91a,91b,91e(図示省略)についても剥離がより抑制される。また、互いに反対側の2面に限らず、互いに反対側に位置しない2面にコーティング層24が形成されていてもよい。例えば、コーティング層24として、図2に示したコーティング層24aと図5に示したコーティング層24cとを形成してもよい。また、コーティング層24はガス導入口10を除くセンサ素子101の表面の少なくとも一部に配設されていてばよく、センサ素子101の1面のみに形成したり、3面以上に形成したりしてもよい。 For example, in the above-described embodiment, the coating layers 24a and 24b are disposed on the upper surface and the lower surface among the six surfaces on the top, bottom, left, and right of the main body of the sensor element 101. However, the present invention is not limited to this. For example, as shown in FIG. 5, the coating layer 24 may be disposed on the left and right surfaces of the main body of the sensor element 101. FIG. 5 schematically shows a cross section of the sensor element 101 cut perpendicularly to the longitudinal direction (front-rear direction). In FIG. 5, as the coating layer 24, coating layers 24 c and 24 d are disposed on two surfaces (left surface and right surface) opposite to each other of the main body of the sensor element 101. Also in this case, since the porous protective layers 91c and 91d are bonded to the sensor element 101 via the coating layers 24c and 24d, respectively, peeling is further suppressed. Also, the porous protective layers 91a, 91b, 91e (not shown) are connected to the porous protective layers 91c, 91d that are difficult to peel off. Therefore, peeling is further suppressed for the porous protective layers 91a, 91b, 91e (not shown). Moreover, the coating layer 24 may be formed on two surfaces that are not located on the opposite sides, not limited to the two opposite sides. For example, as the coating layer 24, the coating layer 24a shown in FIG. 2 and the coating layer 24c shown in FIG. 5 may be formed. The coating layer 24 may be disposed on at least a part of the surface of the sensor element 101 excluding the gas inlet 10 and may be formed on only one surface of the sensor element 101 or formed on three or more surfaces. May be.
例えば、図6に示すようにコーティング層24がセンサ素子101の本体の上下左右の4面に配設されていてもよい。図6は、図5と同様の断面を模式的に示している。図6では、コーティング層24として、センサ素子101の本体の上下左右の4面にコーティング層24a〜24dがそれぞれ配設されている。すなわち、コーティング層24は、センサ素子101の本体の6つの表面のうち最も面積の小さい2面(前面及び後面)以外の4面に配設されている。また、図6では、多孔質保護部90は、4面に配設されたコーティング層24a〜24dの各々を介してセンサ素子101に接着された4つの多孔質保護層91a〜91dを有し、且つ、4つの多孔質保護層91a〜91dのうち隣接するセンサ素子の表面に形成されたもの同士が互いに接続されている。例えば、多孔質保護層91aは隣接する多孔質保護層91c,91dと接続されている。これにより、4つの多孔質保護層91a〜91dとセンサ素子101との密着性が高まり、多孔質保護部90の剥離がより抑制される。ただし、上述したように、コーティング層24がセンサ素子101の本体の上下方向(積層方向)の面以外を覆っている場合には、ガスセンサ100の製造時にペースト(焼成前のコーティング層24)が固体電解質層間の隙間に入り込んで固体電解質層間の剥離が生じる場合がある。そのため、センサ素子101の本体の上下面以外にコーティング層24を形成する場合には、焼成によりセンサ素子101の本体を先に形成し、その後にコーティング層24の形成(例えばスクリーン印刷及び焼成)を行うことが好ましい。 For example, as shown in FIG. 6, the coating layer 24 may be provided on four surfaces on the top, bottom, left, and right of the main body of the sensor element 101. FIG. 6 schematically shows a cross section similar to FIG. In FIG. 6, as the coating layer 24, coating layers 24 a to 24 d are respectively disposed on the upper, lower, left and right surfaces of the sensor element 101. That is, the coating layer 24 is disposed on four surfaces other than the two surfaces (front surface and rear surface) having the smallest area among the six surfaces of the main body of the sensor element 101. Moreover, in FIG. 6, the porous protective part 90 has four porous protective layers 91a to 91d bonded to the sensor element 101 through each of the coating layers 24a to 24d disposed on the four surfaces. In addition, the four porous protective layers 91a to 91d formed on the surface of the adjacent sensor element are connected to each other. For example, the porous protective layer 91a is connected to the adjacent porous protective layers 91c and 91d. Thereby, the adhesiveness of the four porous protective layers 91a-91d and the sensor element 101 increases, and peeling of the porous protective part 90 is further suppressed. However, as described above, when the coating layer 24 covers the surface other than the vertical direction (stacking direction) of the main body of the sensor element 101, the paste (the coating layer 24 before firing) is solid at the time of manufacturing the gas sensor 100. In some cases, the solid electrolyte layers may be separated by entering the gaps between the electrolyte layers. Therefore, when forming the coating layer 24 on the upper and lower surfaces of the main body of the sensor element 101, the main body of the sensor element 101 is first formed by baking, and then the coating layer 24 is formed (for example, screen printing and baking). Preferably it is done.
上述した実施形態では、コーティング層24は、センサ素子101の本体の6つの表面のうちガス導入口10が形成された面(前面)には配設されていないものとしたが、ガス導入口10を除く領域に配設されていればよい。例えば、図7に示すように、コーティング層24が、センサ素子101の本体の前面のうちガス導入口10を除く領域に配設されたコーティング層24eを備えていてもよい。この場合でも、コーティング層24が被測定ガスの導入を妨げることは抑制できる。なお、例えばスクリーン印刷でコーティング層24eを形成する際には、コーティング層24eがガス導入口10を避ける形状になるように、スクリーン印刷のパターンを調整すればよい。あるいは、例えばコーティング層24eをディッピングで形成する場合には、予めガス導入口10をマスクで覆っておけばよい。 In the above-described embodiment, the coating layer 24 is not disposed on the surface (front surface) where the gas inlet 10 is formed among the six surfaces of the main body of the sensor element 101, but the gas inlet 10 What is necessary is just to be arrange | positioned in the area | region except. For example, as shown in FIG. 7, the coating layer 24 may include a coating layer 24 e disposed in a region excluding the gas inlet 10 on the front surface of the main body of the sensor element 101. Even in this case, it can be suppressed that the coating layer 24 prevents introduction of the gas to be measured. For example, when the coating layer 24 e is formed by screen printing, the screen printing pattern may be adjusted so that the coating layer 24 e has a shape that avoids the gas inlet 10. Alternatively, for example, when the coating layer 24e is formed by dipping, the gas inlet 10 may be covered with a mask in advance.
上述した実施形態では、ガス導入口10は、センサ素子101の前面に配設されているものとしたが、これに限られない。例えば、ガス導入口10がセンサ素子101の上面に配設されて第2内部空所40などのガス流通部と連通していてもよい。この場合も、ガス導入口10を除くセンサ素子101の表面の少なくとも一部にコーティング層24を配設すればよい。 In the above-described embodiment, the gas inlet 10 is disposed on the front surface of the sensor element 101, but is not limited thereto. For example, the gas inlet 10 may be disposed on the upper surface of the sensor element 101 and communicated with a gas circulation part such as the second internal space 40. Also in this case, the coating layer 24 may be disposed on at least a part of the surface of the sensor element 101 excluding the gas inlet 10.
上述した実施形態では、コーティング層24aは、図2に示したように外側ポンプ電極23の表面(上面)も覆っているが、これに限られない。図8に示すように、コーティング層24aは外側ポンプ電極23の表面には配設されていないものとしてもよい。こうすれば、電気化学的ポンプセル(例えば測定用ポンプセル41)としての外側ポンプ電極23の機能をコーティング層24aが阻害することをより抑制できる。また、図8では、多孔質保護層91aは、外側ポンプ電極23の表面を覆っている。そのため、多孔質保護層91aが外側ポンプ電極23を保護することができる。 In the embodiment described above, the coating layer 24a also covers the surface (upper surface) of the outer pump electrode 23 as shown in FIG. 2, but the present invention is not limited to this. As shown in FIG. 8, the coating layer 24 a may not be disposed on the surface of the outer pump electrode 23. By doing so, it is possible to further suppress the coating layer 24a from inhibiting the function of the outer pump electrode 23 as an electrochemical pump cell (for example, the measurement pump cell 41). In FIG. 8, the porous protective layer 91 a covers the surface of the outer pump electrode 23. Therefore, the porous protective layer 91a can protect the outer pump electrode 23.
例えば、上述した実施形態では、コーティング層24は、センサ素子101の上面及び下面のうち多孔質保護層91a,91bが形成されない領域も覆っているものとしたが、これに限られない。コーティング層24a,24bは、それぞれ少なくとも多孔質保護層91a,91bが形成される領域を覆っていればよい。また、センサ素子101の表面のうち、多孔質保護層91c〜91eが形成される領域のうち1以上にコーティング層が形成されていてもよい。 For example, in the above-described embodiment, the coating layer 24 covers the region where the porous protective layers 91a and 91b are not formed on the upper surface and the lower surface of the sensor element 101. However, the present invention is not limited to this. The coating layers 24a and 24b only need to cover at least the regions where the porous protective layers 91a and 91b are formed. In addition, a coating layer may be formed on one or more of the regions where the porous protective layers 91c to 91e are formed on the surface of the sensor element 101.
上述した実施形態では、センサ素子101の本体の6つの表面のうちコーティング層24が配設された少なくとも1つの表面において、多孔質保護部90がセンサ素子101を覆う面積S1に対する多孔質保護部90がコーティング層24を覆う面積S2の比である面積比R(=S2/S1×100)が14%〜100%であることが好ましい。図9は、面積S1及び面積S2の説明図である。図9では、センサ素子101の本体の上面(第2固体電解質層6の上面側)を示している。図示するように、センサ素子101の本体の6つの表面のうちコーティング層24aが配設された上面において、多孔質保護層91aがセンサ素子101を覆う面積が面積S1である。また、多孔質保護層91aがコーティング層24aを覆う面積が面積S2である。なお、図9では、コーティング層24aが多孔質保護層91aとセンサ素子101の表面との間の一部にしか存在しない場合を示しており(破線部参照)、面積S2はコーティング層24aがセンサ素子101を覆う面積と等しい。また、面積S1は面積S2を含むため、常に面積S1≧面積S2となる。この面積S1に対する面積S2の比である面積比Rが14%以上であれば、コーティング層24aを介した多孔質保護層91aとセンサ素子101との密着性が十分高くなりやすく、多孔質保護部90の剥離をより抑制できる。面積比Rが大きいほど、多孔質保護部90とセンサ素子101との密着性は高くなる傾向にある。また、コーティング層24が複数の面に形成されている場合、面積比Rが14%以上である面が多いほど好ましい。なお、上述した実施形態では、多孔質保護層91a,91bとセンサ素子101の本体との間には必ずコーティング層24a,24bが存在し、コーティング層24a,24bはセンサ素子101の上面及び下面のうち多孔質保護層91a,91bが形成されない領域もさらに覆っている。そのため、センサ素子101の本体の6つの表面のうち上面及び下面において、いずれも面積比Rは100%である。 In the above-described embodiment, the porous protective portion 90 for the area S1 where the porous protective portion 90 covers the sensor element 101 on at least one surface on which the coating layer 24 is disposed among the six surfaces of the main body of the sensor element 101. The area ratio R (= S2 / S1 × 100), which is the ratio of the area S2 covering the coating layer 24, is preferably 14% to 100%. FIG. 9 is an explanatory diagram of the area S1 and the area S2. In FIG. 9, the upper surface of the main body of the sensor element 101 (the upper surface side of the second solid electrolyte layer 6) is shown. As shown in the drawing, the area where the porous protective layer 91a covers the sensor element 101 on the upper surface where the coating layer 24a is disposed among the six surfaces of the main body of the sensor element 101 is the area S1. The area where the porous protective layer 91a covers the coating layer 24a is the area S2. FIG. 9 shows a case where the coating layer 24a exists only in a portion between the porous protective layer 91a and the surface of the sensor element 101 (see the broken line portion), and the area S2 is the area where the coating layer 24a is the sensor. It is equal to the area covering the element 101. Further, since the area S1 includes the area S2, the area S1 always satisfies the area S2. If the area ratio R, which is the ratio of the area S2 to the area S1, is 14% or more, the adhesion between the porous protective layer 91a and the sensor element 101 via the coating layer 24a is likely to be sufficiently high, and the porous protective portion 90 peeling can be further suppressed. As the area ratio R is larger, the adhesion between the porous protection part 90 and the sensor element 101 tends to be higher. Further, when the coating layer 24 is formed on a plurality of surfaces, it is preferable that the number of surfaces having an area ratio R of 14% or more is larger. In the above-described embodiment, the coating layers 24a and 24b always exist between the porous protective layers 91a and 91b and the main body of the sensor element 101, and the coating layers 24a and 24b are formed on the upper surface and the lower surface of the sensor element 101. Of these, the region where the porous protective layers 91a and 91b are not formed is further covered. Therefore, the area ratio R is 100% on the upper surface and the lower surface among the six surfaces of the main body of the sensor element 101.
上述した実施形態では、コーティング層24a,24bと、その表面に形成される多孔質保護層91a,91bとは、同じ材質であることが好ましい旨を記載したが、コーティング層24a,24bが、多孔質保護層91a,91bと同じ材料を含んでいてもよい。この場合、コーティング層24a,24bは、自身が形成される固体電解質層(上述した実施形態における第2固体電解質層6,第1基板層1)と同じ材料(例えばジルコニア(ZrO2))をさらに含むことが好ましい。コーティング層24a,24bが、自身が形成される固体電解質層と同じ材料を含み、且つ自身の表面に形成される多孔質保護層91と同じ材料を含むことで、コーティング層24a,24bが固体電解質層と多孔質保護層91とをより接着しやすくなる。ただし、これに限らずコーティング層24は多孔質保護層91とセンサ素子101とを接着できればよい。例えばコーティング層24は多孔質セラミックス以外のセラミックスとしてもよい。 In the above-described embodiment, it is described that the coating layers 24a and 24b and the porous protective layers 91a and 91b formed on the surfaces thereof are preferably the same material. However, the coating layers 24a and 24b are porous. The same material as the quality protective layers 91a and 91b may be included. In this case, the coating layers 24a and 24b are made of the same material (for example, zirconia (ZrO 2 )) as the solid electrolyte layer (the second solid electrolyte layer 6 and the first substrate layer 1 in the above-described embodiment) on which the coating layers 24a and 24b are formed. It is preferable to include. The coating layers 24a and 24b include the same material as the solid electrolyte layer on which the coating layers 24a and 24b are formed, and the same material as the porous protective layer 91 formed on the surface of the coating layers 24a and 24b. It becomes easier to bond the layer and the porous protective layer 91. However, the coating layer 24 is not limited to this, and it is sufficient that the porous protective layer 91 and the sensor element 101 can be bonded. For example, the coating layer 24 may be ceramics other than porous ceramics.
上述した実施形態において、コーティング層24の膜厚は例えば5μm〜50μmとしたが、1μm〜100μmとしてもよい。厚さが1μm以上であれば、コーティング層24を介した多孔質保護部90とセンサ素子101との密着性が十分高くなりやすいため、多孔質保護部の剥離をより抑制できる。また、コーティング層24の膜厚は30μm以下としてもよいし、20μm以下,10μm以下,10μm未満としてもよい。コーティング層24の厚さが30μmを超えても密着性はそれほど高くならないため、厚さを30μm以下とすることでコーティング層24の材料の使用量を少なくすることができる。また、コーティング層24の厚さを20μm以下,10μm以下,10μm未満などさらに小さくすれば、その分だけコーティング層24の材料の使用量を少なくすることができる。 In the embodiment described above, the thickness of the coating layer 24 is, for example, 5 μm to 50 μm, but may be 1 μm to 100 μm. If the thickness is 1 μm or more, the adhesion between the porous protective part 90 and the sensor element 101 via the coating layer 24 tends to be sufficiently high, and therefore the peeling of the porous protective part can be further suppressed. The film thickness of the coating layer 24 may be 30 μm or less, or 20 μm or less, 10 μm or less, or less than 10 μm. Even if the thickness of the coating layer 24 exceeds 30 μm, the adhesion is not so high. Therefore, the amount of the coating layer 24 used can be reduced by setting the thickness to 30 μm or less. Further, if the thickness of the coating layer 24 is further reduced, such as 20 μm or less, 10 μm or less, or less than 10 μm, the amount of material used for the coating layer 24 can be reduced accordingly.
上述した実施形態では、コーティング層24の表面の算術平均粗さRaを2.0〜5.0μmとすることで、多孔質保護層91a,91bがセンサ素子101と密着しやすくなることを説明したが、センサ素子101の表面のうち多孔質保護層91が形成される領域の算術平均粗さRaが2.0〜5.0μmであればよい。例えば、コーティング層24を備えない面に多孔質保護層91を形成する場合でも、センサ素子101の本体(層1〜層6)の表面のうち多孔質保護層91が形成される領域の算術平均粗さRaが2.0〜5.0μmであればよい。この場合、例えばセンサ素子101の本体の表面をサンドブラストなどで荒らすことで、算術平均粗さRaを2.0〜5.0μmとしてもよい。なお、コーティング層24の表面やセンサ素子101の表面などの多孔質保護部90との接触面の算術平均粗さRaが2.0〜5.0μmである場合に限らず、算術平均粗さRaが1.0μm〜5.0μmとしても、多孔質保護部90の剥離をより抑制できる効果は得られる。例えば、原料粉末の粒径をD50=0.1μm〜2μmとする点以外は上述した実施形態と同様にしてペーストを調整することで、焼成後のコーティング層24の表面の算術平均粗さRaを1.0μm〜2.0μmとすることができる。また、コーティング層24のうち多孔質保護部90との接触面の算術平均粗さRaがこれらの範囲になくともよい。 In the above-described embodiment, it has been described that the porous protective layers 91a and 91b are easily adhered to the sensor element 101 by setting the arithmetic average roughness Ra of the surface of the coating layer 24 to 2.0 to 5.0 μm. However, the arithmetic average roughness Ra of the region where the porous protective layer 91 is formed in the surface of the sensor element 101 may be 2.0 to 5.0 μm. For example, even when the porous protective layer 91 is formed on the surface not provided with the coating layer 24, the arithmetic average of the region where the porous protective layer 91 is formed on the surface of the main body (layer 1 to layer 6) of the sensor element 101. Roughness Ra should just be 2.0-5.0 micrometers. In this case, the arithmetic average roughness Ra may be set to 2.0 to 5.0 μm, for example, by roughening the surface of the main body of the sensor element 101 with sandblasting or the like. The arithmetic average roughness Ra is not limited to the case where the arithmetic average roughness Ra of the contact surface with the porous protective part 90 such as the surface of the coating layer 24 or the surface of the sensor element 101 is 2.0 to 5.0 μm. Even if it is 1.0 micrometer-5.0 micrometers, the effect which can suppress peeling of the porous protection part 90 more is acquired. For example, the arithmetic mean roughness Ra of the surface of the coating layer 24 after firing is adjusted by adjusting the paste in the same manner as in the above-described embodiment except that the particle diameter of the raw material powder is D50 = 0.1 μm to 2 μm. It can be set to 1.0 μm to 2.0 μm. Further, the arithmetic average roughness Ra of the contact surface of the coating layer 24 with the porous protective part 90 may not be within these ranges.
上述した実施形態では、多孔質保護部90の多孔質保護層91はプラズマ溶射により形成するものとしたが、これに限られない。他の形成方法であっても、上述した順序で多孔質保護層91a〜91eを形成することで、本実施形態と同様に多孔質保護層91の剥離をより抑制する効果が得られる。例えば、コーティング層24と同様にスクリーン印刷で多孔質保護層91を形成してもよい。この場合、ペーストをスクリーン印刷し、乾燥及び焼成することによって多孔質保護層91a,91bを先行形成し、その後に多孔質保護層91c〜91eの印刷,乾燥及び焼成を行えばよい。また、多孔質保護層91a〜91eのうち1以上を、他と異なる方法や材料で形成してもよい。例えば、焼成後に多孔質保護層91となるペースト(例えば、多孔質保護層91の原料粉末を溶剤に分散させたもの)を用いてディッピングにより多孔質保護層91を形成してもよい。あるいは、ゲルキャスト法を用いて多孔質保護層91を形成してもよい。なお、ゲルキャスト法は、スラリーを、スラリー自身の化学反応により固化して成形体とする方法である。例えば、成形型の内部に形成される空間にセンサ素子101の一部(被覆したい部分)を露出させ、成形型とセンサ素子101との隙間にスラリーを流し込み、固化させる。これにより、上述した実施形態と同様に、多孔質保護層91でセンサ素子101を被覆することができる。なお、ゲルキャスト法を用いる場合、スラリーには、上述した多孔質保護層91の原料粉末や溶剤に加えてさらにゲル化剤を添加することが好ましい。ゲル化剤は、化学反応することで固化反応を引き起こすものであり、これによりスラリーが固化する。ゲル化剤としては、例えばイソシアネート類,ポリオール類及び触媒を含むものが挙げられる。 In the embodiment described above, the porous protective layer 91 of the porous protective part 90 is formed by plasma spraying, but is not limited thereto. Even if it is another formation method, the effect which suppresses peeling of the porous protective layer 91 more similarly to this embodiment is acquired by forming the porous protective layers 91a-91e in the order mentioned above. For example, the porous protective layer 91 may be formed by screen printing in the same manner as the coating layer 24. In this case, the porous protective layers 91a and 91b may be formed in advance by screen printing the paste, drying and baking, and then the porous protective layers 91c to 91e may be printed, dried and fired. Moreover, you may form one or more among the porous protective layers 91a-91e with a method and material different from others. For example, the porous protective layer 91 may be formed by dipping using a paste that becomes the porous protective layer 91 after firing (for example, a material in which the raw material powder of the porous protective layer 91 is dispersed in a solvent). Alternatively, the porous protective layer 91 may be formed using a gel cast method. The gel casting method is a method in which a slurry is solidified by a chemical reaction of the slurry itself to form a molded body. For example, a part of sensor element 101 (part to be covered) is exposed in a space formed inside the mold, and slurry is poured into a gap between the mold and sensor element 101 to be solidified. Thereby, the sensor element 101 can be covered with the porous protective layer 91 as in the above-described embodiment. In addition, when using a gel cast method, it is preferable to add a gelatinizer to a slurry in addition to the raw material powder and solvent of the porous protective layer 91 which were mentioned above. The gelling agent causes a solidification reaction by a chemical reaction, and thereby the slurry is solidified. Examples of the gelling agent include those containing isocyanates, polyols and a catalyst.
なお、多孔質保護層91a〜91eの形成順序は、上述した実施形態に限られない。コーティング層24が多孔質保護部90とセンサ素子101とを接着していれば、多孔質保護層91の剥離をより抑制する効果が得られる。例えば、焼成後に多孔質保護層91a〜91eとなるペーストをスクリーン印刷,ディッピング又はゲルキャスト法により形成し、焼成により多孔質保護層91a〜91eを同時に形成してもよい。なお、複数の多孔質保護層91a〜91eを順次形成する場合には、コーティング層24a,24bと接着される多孔質保護層91a,91bの少なくともいずれかを先に形成することが好ましい。また、センサ素子101の表面のうちコーティング層24のない面に多孔質保護層91を形成する際には、形成済みの多孔質保護層91と接続されるように形成することが好ましく、形成済み且つコーティング層24と接着されている多孔質保護層91a,91bの少なくとも一方と接続されるように形成することがより好ましい。 In addition, the formation order of the porous protective layers 91a-91e is not restricted to embodiment mentioned above. If the coating layer 24 has adhered the porous protection part 90 and the sensor element 101, the effect which suppresses peeling of the porous protection layer 91 will be acquired. For example, a paste that becomes the porous protective layers 91a to 91e after firing may be formed by screen printing, dipping or gel casting, and the porous protective layers 91a to 91e may be simultaneously formed by firing. In addition, when forming several porous protective layers 91a-91e sequentially, it is preferable to form at least any one of the porous protective layers 91a and 91b adhere | attached on the coating layers 24a and 24b previously. Further, when the porous protective layer 91 is formed on the surface of the sensor element 101 on the surface without the coating layer 24, it is preferably formed so as to be connected to the formed porous protective layer 91. In addition, it is more preferable that it is formed so as to be connected to at least one of the porous protective layers 91a and 91b bonded to the coating layer 24.
上述した実施形態では、コーティング層24はスクリーン印刷及び焼成により形成するものとしたが、これに限られない。例えば、焼成後にコーティング層24となるとなるペーストを用いてディッピング及び焼成により形成してもよい。焼成後にコーティング層24となるペーストをディッピングにより形成する場合には、センサ素子101(又は焼成前センサ素子)のうちコーティング層24を形成しない部分をマスクで覆ってもよい。 In the embodiment described above, the coating layer 24 is formed by screen printing and baking, but is not limited thereto. For example, you may form by dipping and baking using the paste used as the coating layer 24 after baking. When the paste that becomes the coating layer 24 after baking is formed by dipping, the portion of the sensor element 101 (or sensor element before baking) where the coating layer 24 is not formed may be covered with a mask.
上述した実施形態では、焼成前センサ素子及び焼成前コーティング層の焼成を工程(2)で同時に行い、多孔質保護部90の形成は別の工程(3)で行うこととしたが、これに限られない。例えば、焼成前センサ素子を焼成してセンサ素子101を得た後に、コーティング層24の形成を行ってもよい。あるいは、焼成前センサ素子に焼成前コーティング層を形成し、さらにスクリーン印刷,ディッピングにより焼成前の多孔質保護部90を形成したあと、焼成前センサ素子,焼成前コーティング層及び焼成前の多孔質保護部90を同時に焼成してもよい。 In the embodiment described above, the pre-firing sensor element and the pre-firing coating layer are fired simultaneously in the step (2), and the formation of the porous protective part 90 is performed in another step (3). I can't. For example, the coating layer 24 may be formed after firing the sensor element before firing to obtain the sensor element 101. Alternatively, a pre-firing coating layer is formed on the pre-firing sensor element, and further, the porous protective part 90 before firing is formed by screen printing and dipping, and then the pre-firing sensor element, the pre-firing coating layer, and the porous protection before firing. The part 90 may be fired simultaneously.
上述した実施形態では、多孔質保護層91a,91bを先行形成した後に、まず多孔質保護層91c,91dを形成するものとしたが、これに限られない。多孔質保護層91a,91bを先行形成した後に、まず多孔質保護層91eを形成してもよい。ただし、上述した実施形態の順序では、多孔質保護層91eを形成する際には多孔質保護層91a〜91dの4つの多孔質保護層91と接続されるように形成することができる。一方、多孔質保護層91a,91bを先行形成した後に、まず多孔質保護層91eを形成すると、多孔質保護層91a,91bのみが形成済みであるため、多孔質保護層91eの形成時には2つの多孔質保護層91と接続されることになる。ここで、形成面積の小さい多孔質保護層91ほど、センサ素子101との密着力が低い傾向にある。そのため、形成面積の最も小さい多孔質保護層91eは、なるべく多くの形成済みの多孔質保護層91と接続されるようにするべく形成順を最後にすることが好ましい。すなわち、多孔質保護部90のうち先行積層したあとの残りの多孔質保護層91を形成する順序は、形成面積の小さい多孔質保護層91ほど、形成時により多くの形成済みの多孔質保護層91と接続される傾向となるような順序とすることが好ましい。 In the above-described embodiment, the porous protective layers 91c and 91d are first formed after the porous protective layers 91a and 91b are formed in advance. However, the present invention is not limited to this. After the porous protective layers 91a and 91b are formed in advance, the porous protective layer 91e may be formed first. However, in the order of the above-described embodiment, when the porous protective layer 91e is formed, the porous protective layer 91e can be formed so as to be connected to the four porous protective layers 91a to 91d. On the other hand, after forming the porous protective layers 91a and 91b in advance, when the porous protective layer 91e is first formed, only the porous protective layers 91a and 91b are already formed. The porous protective layer 91 is connected. Here, the porous protective layer 91 having a smaller formation area tends to have a lower adhesion with the sensor element 101. For this reason, the porous protective layer 91e having the smallest formation area is preferably formed last in order to be connected to as many porous protective layers 91 as possible. That is, the order of forming the remaining porous protective layer 91 after the prior lamination in the porous protective portion 90 is such that the porous protective layer 91 having a smaller formation area has a larger number of formed porous protective layers at the time of formation. It is preferable to set the order so as to tend to be connected to 91.
上述した実施形態では、多孔質保護部90は多孔質保護層91a〜91eを有するものとしたが、これに限られない。多孔質保護部90は、センサ素子101の表面の少なくとも一部に配設されたコーティング層24によりセンサ素子101と接着されていればよい。例えば、上述した実施形態において多孔質保護層91eを備えないものとしてもよい。また、多孔質保護層91a〜91dはいずれもセンサ素子101の前端から距離Lまでを覆うものとしたが、これに限られない。例えば、多孔質保護層91a〜91dのうち1以上が、他とは長手方向の形成長さ(本実施形態における距離L)が異なっていてもよい。 In the embodiment described above, the porous protection part 90 includes the porous protection layers 91a to 91e, but is not limited thereto. The porous protection part 90 may be bonded to the sensor element 101 by the coating layer 24 disposed on at least a part of the surface of the sensor element 101. For example, the porous protective layer 91e may not be provided in the above-described embodiment. Moreover, although all the porous protective layers 91a-91d shall cover the distance L from the front end of the sensor element 101, it is not restricted to this. For example, one or more of the porous protective layers 91a to 91d may be different in length in the longitudinal direction (distance L in the present embodiment) from the other.
上述した実施形態では、多孔質保護層91aは、センサ素子101の上面のうち前端から距離Lまでの領域を覆っており、センサ素子101の上面のうち左端,右端,前端にも多孔質保護層91aが存在するものとしたが、これに限られない。例えば、多孔質保護層91aがセンサ素子101の上面のうち右端(センサ素子101の上面のうち前後方向に沿った辺部分)までは形成されていなくてもよい(例えば多孔質保護層91aが右端から少し離れた位置まで形成されているなど)。このような場合でも、多孔質保護層91dが少しセンサ素子101の上面側まではみ出すように形成するなどにより、多孔質保護層91dが多孔質保護層91aと接続されるように形成することはできる。多孔質保護層91aにおいて、センサ素子101の上面の左端や前端などに関しても同様である。また、多孔質保護層91bについても同様である。 In the embodiment described above, the porous protective layer 91a covers a region from the front end to the distance L in the upper surface of the sensor element 101, and the porous protective layer is also formed on the left end, right end, and front end of the upper surface of the sensor element 101. Although 91a is assumed to exist, the present invention is not limited to this. For example, the porous protective layer 91a may not be formed up to the right end of the upper surface of the sensor element 101 (the side portion along the front-rear direction of the upper surface of the sensor element 101) (for example, the porous protective layer 91a is the right end). Etc.). Even in such a case, the porous protective layer 91d can be formed so as to be connected to the porous protective layer 91a by forming the porous protective layer 91d so as to protrude slightly to the upper surface side of the sensor element 101. . The same applies to the left end and the front end of the upper surface of the sensor element 101 in the porous protective layer 91a. The same applies to the porous protective layer 91b.
上述した実施形態では、センサ素子101のうち互いに反対側の面である上下面に位置する多孔質保護層91a,91bを先行形成するものとしたが、これに限られない。例えば、センサ素子101の上下の厚さと左右の幅とが同じであり、多孔質保護層91a〜91dの形成面積がいずれも同じ且つ最も広い場合を考える。このような場合、多孔質保護層91a〜91dのうちいずれの2つを先行形成してもよい。例えば、多孔質保護層91a,91cを先行形成してもよい。なお、この場合、多孔質保護層91b,91dでは多孔質保護層91a,91cと接続されるように形成できないため、多孔質保護層91a,91cを形成した後にはまず多孔質保護層91eを形成することになる。その後は、多孔質保護層91a,91eと接続されるように多孔質保護層91dを形成するか、又は多孔質保護層91c,91eと接続されるように多孔質保護層91bを形成する。最後に、残った多孔質保護層91(91b又は91d)を、形成済みの少なくとも2つの多孔質保護層91を接続するように形成する。ただし、剥離を抑制する効果が高まるため、互いに反対側の面に位置する2つの多孔質保護層91を先行形成することが好ましい。 In the above-described embodiment, the porous protective layers 91a and 91b positioned on the upper and lower surfaces, which are surfaces opposite to each other, of the sensor element 101 are formed in advance, but the present invention is not limited to this. For example, a case is considered in which the upper and lower thicknesses and the left and right widths of the sensor element 101 are the same, and the formation areas of the porous protective layers 91a to 91d are the same and widest. In such a case, any two of the porous protective layers 91a to 91d may be formed in advance. For example, the porous protective layers 91a and 91c may be formed in advance. In this case, since the porous protective layers 91b and 91d cannot be formed so as to be connected to the porous protective layers 91a and 91c, the porous protective layer 91e is first formed after the porous protective layers 91a and 91c are formed. Will do. Thereafter, the porous protective layer 91d is formed so as to be connected to the porous protective layers 91a and 91e, or the porous protective layer 91b is formed so as to be connected to the porous protective layers 91c and 91e. Finally, the remaining porous protective layer 91 (91b or 91d) is formed so as to connect at least two porous protective layers 91 that have been formed. However, in order to increase the effect of suppressing peeling, it is preferable that the two porous protective layers 91 positioned on the opposite surfaces are formed in advance.
上述した実施形態では、距離Lはセンサ素子101の幅及び厚さよりも大きい値であるものとしたが、これに限られない。例えば距離Lがセンサ素子101の幅及び厚さよりも小さい場合には、多孔質保護層91eの形成面積が最も大きくなる。この場合、多孔質保護層91eと、その次に形成面積の大きい多孔質保護層91と、を先行形成することになる。 In the embodiment described above, the distance L is larger than the width and thickness of the sensor element 101, but is not limited thereto. For example, when the distance L is smaller than the width and thickness of the sensor element 101, the formation area of the porous protective layer 91e is the largest. In this case, the porous protective layer 91e and the porous protective layer 91 having the next largest formation area are formed in advance.
上述した実施形態では、ガスセンサ100のセンサ素子101は第1内部空所20,第2内部空所40を備えるものとしたが、これに限られない。例えば、さらに第3内部空所を備えていてもよい。この場合の変形例のガスセンサ100の断面図を図10に示す。図示するように、この変形例のガスセンサ100では、測定電極44が第4拡散律速部45で被覆されていない。代わりに、補助ポンプ電極51と測定電極44との間には、第3拡散律速部30と同様の第4拡散律速部60が形成されている。これにより、第2内部空所40と、第4拡散律速部60と、第3内部空所61とが、この順に連通する態様にて隣接形成されており、ガス流通部の一部を構成している。そして、補助ポンプ電極51は第2内部空所40内に配設されており、測定電極44は第3内部空所61に面する第1固体電解質層4の上面に配設されている。この変形例のガスセンサ100は、第4拡散律速部60が図2の第4拡散律速部45と同様の働きをするため、上述した実施形態と同様に被測定ガス中のNOx濃度を検出することができる。また、この変形例のガスセンサ100も、上述した実施形態と同様の構成や製造方法を採用することで、上述した実施形態と同様の効果が得られる。例えば、変形例のガスセンサ100がコーティング層24を有することで、多孔質保護部90の剥離をより抑制できる。 In the above-described embodiment, the sensor element 101 of the gas sensor 100 includes the first internal space 20 and the second internal space 40, but is not limited thereto. For example, a third internal space may be further provided. FIG. 10 shows a cross-sectional view of a gas sensor 100 according to a modification in this case. As shown in the figure, in the gas sensor 100 of this modification, the measurement electrode 44 is not covered with the fourth diffusion rate-determining part 45. Instead, between the auxiliary pump electrode 51 and the measurement electrode 44, a fourth diffusion rate controlling unit 60 similar to the third diffusion rate controlling unit 30 is formed. As a result, the second internal space 40, the fourth diffusion-controlling portion 60, and the third internal space 61 are formed adjacent to each other in this order, and constitute a part of the gas circulation portion. ing. The auxiliary pump electrode 51 is disposed in the second internal space 40, and the measurement electrode 44 is disposed on the upper surface of the first solid electrolyte layer 4 facing the third internal space 61. In the gas sensor 100 of this modification, since the fourth diffusion rate controlling unit 60 functions in the same manner as the fourth diffusion rate controlling unit 45 in FIG. 2, the NOx concentration in the gas to be measured is detected as in the above-described embodiment. Can do. In addition, the gas sensor 100 of this modification can also obtain the same effect as that of the above-described embodiment by adopting the same configuration and manufacturing method as those of the above-described embodiment. For example, since the gas sensor 100 according to the modified example includes the coating layer 24, the peeling of the porous protective part 90 can be further suppressed.
上述した実施形態では、本発明のガスセンサを、可変電源25,46,52などを備えたガスセンサ100に具体化した例を示したが、本発明のガスセンサは、これら可変電源25,46,52や外部配線などの構成を除いたガスセンサ(例えばセンサ素子101,コーティング層24,及び多孔質保護部90を備えるガスセンサ)として具体化してもよい。 In the above-described embodiment, the gas sensor of the present invention is embodied in the gas sensor 100 including the variable power sources 25, 46, 52, etc., but the gas sensor of the present invention includes these variable power sources 25, 46, 52, You may embody as a gas sensor (For example, the gas sensor provided with the sensor element 101, the coating layer 24, and the porous protection part 90) except structures, such as external wiring.
以下には、ガスセンサ100を具体的に作製した例を実験例として説明する。実験例1,2,4〜7,8〜17が本発明の実施例に相当し、実験例3が比較例に相当する。なお、本発明は、以下の実施例に限定されない。 Hereinafter, an example in which the gas sensor 100 is specifically manufactured will be described as an experimental example. Experimental Examples 1, 2, 4 to 7, and 8 to 17 correspond to examples of the present invention, and Experimental Example 3 corresponds to a comparative example. In addition, this invention is not limited to a following example.
[実験例1]
実験例1として、図1,2に示したガスセンサ100を10本作製した。具体的には、工程(1)では、まず、安定化剤のイットリアを4mol%添加したジルコニア粉末をテープ状に成形してセラミックスグリーンシートを6枚作製した。スペーサ層5となるセラミックスグリーンシートにはガス導入口10やガス流通部となる空間を予め打ち抜き処理などによって設けておいた。第1固体電解質層4となるセラミックスグリーンシートにも、同様に基準ガス導入空間43となる空間を設けておいた。そして、上述したガスセンサ100の第1基板層1と、第2基板層2と、第3基板層3と、第1固体電解質層4と、スペーサ層5と、第2固体電解質層6のそれぞれに対応して、電極や絶縁層等のパターンをスクリーン印刷により形成した。また、第2固体電解質層6,第1基板層1となるセラミックスグリーンシートの表面には、焼成後にコーティング層24a,24bとなるペーストをスクリーン印刷した。その後、それらを乾燥したあと積層し一体化して積層体とした。その積層体を切断してガスセンサ100の大きさに切り分けた。この切り分けた後の積層体が、焼成後にセンサ素子101となる焼成前センサ素子と、焼成後にコーティング層24となる焼成前コーティング層と、を備えた未焼成体である。このように工程(1)を行って積層体を用意した。
[Experimental Example 1]
As Experimental Example 1, ten gas sensors 100 shown in FIGS. Specifically, in step (1), first, 6 ceramic green sheets were produced by forming a zirconia powder to which 4 mol% of the stabilizer yttria was added into a tape shape. The ceramic green sheet used as the spacer layer 5 was previously provided with a space serving as a gas inlet 10 and a gas distribution part by a punching process or the like. Similarly, the ceramic green sheet serving as the first solid electrolyte layer 4 was provided with a space serving as the reference gas introduction space 43. Then, in each of the first substrate layer 1, the second substrate layer 2, the third substrate layer 3, the first solid electrolyte layer 4, the spacer layer 5, and the second solid electrolyte layer 6 of the gas sensor 100 described above. Correspondingly, patterns such as electrodes and insulating layers were formed by screen printing. Moreover, the paste which becomes coating layer 24a, 24b after baking was screen-printed on the surface of the ceramic green sheet used as the 2nd solid electrolyte layer 6 and the 1st board | substrate layer 1. FIG. Then, after drying them, they were laminated and integrated into a laminate. The laminated body was cut and cut into the size of the gas sensor 100. The laminated body after the separation is an unfired body including a pre-fired sensor element that becomes the sensor element 101 after firing, and a pre-fired coating layer that becomes the coating layer 24 after firing. Thus, the process (1) was performed and the laminated body was prepared.
なお、コーティング層24を形成するためのペーストは、以下のように調整した。まず、原料粉末として、粒径D50=5μmのアルミナ粉末を用意した。そして、アルミナ粉末の体積割合を10vol%とし、バインダー溶液(ポリビニルアセタールとブチルカルビトール)を40vol%とし、助溶剤(アセトン)を45vol%とし、分散剤(ポリオキシエチレンスチレン化フェニルエーテル)を5vol%としてこれらを調合し、ポットミル混合機の回転数を200rpmとして3時間混合して、ペーストの調整を行った。 In addition, the paste for forming the coating layer 24 was adjusted as follows. First, alumina powder having a particle size D50 = 5 μm was prepared as a raw material powder. The volume ratio of the alumina powder is 10 vol%, the binder solution (polyvinyl acetal and butyl carbitol) is 40 vol%, the cosolvent (acetone) is 45 vol%, and the dispersant (polyoxyethylene styrenated phenyl ether) is 5 vol. These were mixed as%, and the paste was adjusted by mixing for 3 hours at a rotation speed of a pot mill mixer of 200 rpm.
次に、工程(2)では、積層体を大気雰囲気下、1400℃で焼成し、コーティング層24を備えたセンサ素子101を得た。なお、作製したセンサ素子101についてコーティング層24の膜厚を測定したところ、コーティング層24a,24bのいずれも約5μm〜10μmであった。また、コーティング層24a,24bの表面の算術平均粗さRaはいずれも約2μmであった。また、コーティング層24を含んだセンサ素子101の寸法は、前後方向の長さが67.5mm、左右方向の幅が4.25mm、上下方向の厚さが1.45mmであった。コーティング層24の気孔率は、約20%であった。 Next, in the step (2), the laminate was baked at 1400 ° C. in an air atmosphere to obtain the sensor element 101 provided with the coating layer 24. In addition, when the film thickness of the coating layer 24 was measured about the produced sensor element 101, all the coating layers 24a and 24b were about 5 micrometers-10 micrometers. The arithmetic average roughness Ra of the surfaces of the coating layers 24a and 24b was about 2 μm. The sensor element 101 including the coating layer 24 had a length in the front-rear direction of 67.5 mm, a width in the left-right direction of 4.25 mm, and a thickness in the up-down direction of 1.45 mm. The porosity of the coating layer 24 was about 20%.
続いて、工程(3)では、センサ素子101の表面に、多孔質保護層91a,91b,91c,91d,91eの順で多孔質保護層91を形成して多孔質保護部90とし、多孔質保護部90,コーティング層24,センサ素子101を備えた実験例1のガスセンサ100を得た。多孔質保護層91を形成するプラズマ溶射の条件は、以下のようにした。プラズマ発生用ガス130として、アルゴンガス(流量50L/min)と水素(流量10L/min)とを混合したものを用いた。アノード126とカソード128との間に印加する電圧は、70Vの直流電圧とした。電流は500Aであった。粉末溶射材料134としては、粒径分布が10μm〜30μmの範囲であるアルミナ粉末を用いた。粉末溶射材料134の供給に用いるキャリアガスは、アルゴンガス(流量4L/min)とした。距離Wは、150mmとした。距離Lは、11.8mmとした。また、プラズマ溶射は、大気及び常温の雰囲気にて行った。プラズマガン120の溶射の向き(ノズル126aの向き)は、センサ素子101における多孔質保護層91の形成面に対して垂直とした。なお、形成された多孔質保護層91a〜91eは、いずれも膜厚が約450μm、気孔率が約20%であった。また、センサ素子101の上面における面積S1は50mm2、面積S2は50mm2(コーティング層24aの形成面積は、287mm2)であり、面積比Rは100%であった。センサ素子101の下面についても、同じく面積比Rは100%であった。実験例1の10本のガスセンサ100は、いずれも多孔質保護層91の剥離が生じていなかった。 Subsequently, in the step (3), the porous protective layer 91 is formed on the surface of the sensor element 101 in the order of the porous protective layers 91a, 91b, 91c, 91d, and 91e to form the porous protective portion 90. The gas sensor 100 of Experimental example 1 provided with the protection part 90, the coating layer 24, and the sensor element 101 was obtained. The plasma spraying conditions for forming the porous protective layer 91 were as follows. As the plasma generating gas 130, a mixture of argon gas (flow rate 50 L / min) and hydrogen (flow rate 10 L / min) was used. The voltage applied between the anode 126 and the cathode 128 was a DC voltage of 70V. The current was 500A. As the powder spray material 134, an alumina powder having a particle size distribution in the range of 10 μm to 30 μm was used. The carrier gas used to supply the powder spray material 134 was argon gas (flow rate 4 L / min). The distance W was 150 mm. The distance L was 11.8 mm. Moreover, plasma spraying was performed in the atmosphere of air and room temperature. The direction of thermal spraying of the plasma gun 120 (the direction of the nozzle 126a) was set perpendicular to the formation surface of the porous protective layer 91 in the sensor element 101. Each of the formed porous protective layers 91a to 91e had a film thickness of about 450 μm and a porosity of about 20%. The area S1 of the upper surface of the sensor element 101 is 50 mm 2, (the formation area of the coating layer 24a, 287mm 2) the area S2 50 mm 2 is, the area ratio R is 100%. Similarly, the area ratio R of the lower surface of the sensor element 101 was 100%. None of the ten gas sensors 100 of Experimental Example 1 caused the porous protective layer 91 to peel off.
[実験例2]
コーティング層24として、コーティング層24a,24bに加えて図7に示したコーティング層24eも形成した点以外は、実験例1と同様にして実験例2のガスセンサ100を10本作製した。なお、コーティング層24eとなるペーストのスクリーン印刷は、ガスセンサ100の大きさに切り分けた積層体の作製後に、積層体の前面に対して行った。また、ペーストがガス導入口10を避ける形状になるように、スクリーン印刷のパターンを調整しておいた。実験例2の10本のガスセンサ100は、いずれも多孔質保護層91の剥離が生じていなかった。
[Experiment 2]
Ten gas sensors 100 of Experimental Example 2 were produced in the same manner as Experimental Example 1 except that the coating layer 24e shown in FIG. 7 was also formed as the coating layer 24 in addition to the coating layers 24a and 24b. In addition, the screen printing of the paste used as the coating layer 24e was performed with respect to the front surface of the laminated body after producing the laminated body cut into the size of the gas sensor 100. Further, the screen printing pattern was adjusted so that the paste would have a shape that avoids the gas inlet 10. In all of the ten gas sensors 100 of Experimental Example 2, the porous protective layer 91 was not peeled off.
[実験例3]
コーティング層24を形成しない点以外は、実験例1と同様にして実験例3のガスセンサ100を10本作製した。実験例3の10本のガスセンサ100のうち、6本については、多孔質保護層91a〜91eのいずれも剥離が生じていた。
[Experiment 3]
Ten gas sensors 100 of Experimental Example 3 were produced in the same manner as Experimental Example 1 except that the coating layer 24 was not formed. Of the ten gas sensors 100 of Experimental Example 3, all of the porous protective layers 91a to 91e were peeled off.
実験例1〜3の結果から、コーティング層24を配設して多孔質保護部90とセンサ素子101とを接着した実験例1,2は、コーティング層24を配設しない実験例3と比較して多孔質保護部90の剥離をより抑制できることが確認できた。 From the results of Experimental Examples 1 to 3, Experimental Examples 1 and 2 in which the coating layer 24 is disposed and the porous protective portion 90 and the sensor element 101 are adhered are compared with Experimental Example 3 in which the coating layer 24 is not disposed. It was confirmed that the peeling of the porous protective part 90 can be further suppressed.
[評価試験]
実験例1,2のガスセンサ100について、センサ静特性を評価した。具体的には、センサ素子101を所定の雰囲気中(窒素ベース,酸素濃度=0%,NO濃度=500ppm,水分=3%)に配置してヒータ72により通常駆動時の温度(800℃)に保ち、所定時間経過させて安定したあとのセンサ信号(測定用ポンプセル41のポンプ電流Ip2)の値を測定した。実験例1,2のいずれについても6本のガスセンサ100について測定を行い、センサ信号の最大値,最小値,平均値をそれぞれ導出した。結果を図11に示す。なお、図11では、実験例1のセンサ信号の平均値を値1としたときの実験例1,2のセンサ信号の値を縦軸で示している。図11に示したように、実験例1のセンサ信号の平均値を1とすると、実験例2のセンサ信号の平均値は0.7であり、実験例2の方が実験例1よりもセンサ信号が全体的に低下していた。また、実験例2の方が最大値と最小値との差が大きく、個体差によるセンサ信号のバラツキが大きかった。実験例1のガスセンサ100は、ガス導入口10が配設されたセンサ素子101の前端面にコーティング層24を形成していない。これにより、実験例1のガスセンサ100ではガス導入口10内へのコーティング層24の侵入が実験例2よりも抑制されて、実験例2と比べてセンサ静特定が向上(被測定ガスの検出感度が高い)し、個体差によるセンサ静特性のばらつきも抑制されていると考えられる。
[Evaluation test]
The sensor static characteristics of the gas sensors 100 of Experimental Examples 1 and 2 were evaluated. Specifically, the sensor element 101 is arranged in a predetermined atmosphere (nitrogen base, oxygen concentration = 0%, NO concentration = 500 ppm, moisture = 3%) and is heated to a normal driving temperature (800 ° C.) by the heater 72. The value of the sensor signal (pump current Ip2 of the measurement pump cell 41) after being kept and stabilized for a predetermined time was measured. In each of Experimental Examples 1 and 2, measurement was performed on six gas sensors 100, and the maximum value, minimum value, and average value of the sensor signal were derived, respectively. The results are shown in FIG. In FIG. 11, the vertical axis indicates the value of the sensor signal in Experimental Examples 1 and 2 when the average value of the sensor signal in Experimental Example 1 is 1. As shown in FIG. 11, when the average value of the sensor signal of Experimental Example 1 is 1, the average value of the sensor signal of Experimental Example 2 is 0.7, and the sensor of Experimental Example 2 is more sensory than Experimental Example 1. The signal was declining overall. Further, the difference between the maximum value and the minimum value was larger in Experimental Example 2, and the variation of the sensor signal due to the individual difference was larger. In the gas sensor 100 of Experimental Example 1, the coating layer 24 is not formed on the front end surface of the sensor element 101 in which the gas inlet 10 is disposed. Thereby, in the gas sensor 100 of Experimental Example 1, the penetration of the coating layer 24 into the gas inlet 10 is suppressed as compared with Experimental Example 2, and the sensor static identification is improved compared to Experimental Example 2 (detection sensitivity of the gas to be measured) It is considered that variations in sensor static characteristics due to individual differences are also suppressed.
[実験例4]
実験例4として、上述した実施形態のガスセンサ100の製造方法に従って、ガスセンサ100を20本作製した。具体的には、まず、前後方向の長さが67.5mm、左右方向の幅が4.25mm、上下方向の厚さが1.45mmのセンサ素子101を作製した。なお、センサ素子101を作製するにあたり、コーティング層24を形成するためのペーストは、以下のように調整した。原料粉末(アルミナ粉末)の粒径をD50=5μm,体積割合を10vol%とし、バインダー溶液(ポリビニルアセタールとブチルカルビトール)を40vol%とし、助溶剤(アセトン)を45vol%とし、分散剤(ポリオキシエチレンスチレン化フェニルエーテル)を5vol%としてこれらを調合し、ポットミル混合機の回転数を200rpmとして3時間混合して、ペーストの調整を行った。また、作製したセンサ素子101についてコーティング層24の膜厚を測定したところ、いずれも約10〜20μmであった。また、コーティング層24a,24bの表面の算術平均粗さRaはいずれも約2.4μmであった。なお、上記のセンサ素子101の寸法は、コーティング層24を含んだ寸法である。コーティング層24の気孔率は、約20%であった。
[Experimental Example 4]
As Experimental Example 4, 20 gas sensors 100 were manufactured according to the method for manufacturing the gas sensor 100 of the above-described embodiment. Specifically, first, the sensor element 101 having a length in the front-rear direction of 67.5 mm, a width in the left-right direction of 4.25 mm, and a thickness in the vertical direction of 1.45 mm was manufactured. In preparing the sensor element 101, the paste for forming the coating layer 24 was adjusted as follows. The particle size of the raw material powder (alumina powder) is D50 = 5 μm, the volume ratio is 10 vol%, the binder solution (polyvinyl acetal and butyl carbitol) is 40 vol%, the co-solvent (acetone) is 45 vol%, the dispersant (poly These were prepared with 5 vol% of oxyethylene styrenated phenyl ether) and mixed for 3 hours with a pot mill mixer at 200 rpm to prepare a paste. Moreover, when the film thickness of the coating layer 24 was measured about the produced sensor element 101, all were about 10-20 micrometers. Further, the arithmetic average roughness Ra of the surfaces of the coating layers 24a and 24b was about 2.4 μm. The dimension of the sensor element 101 is a dimension including the coating layer 24. The porosity of the coating layer 24 was about 20%.
続いて、センサ素子101の表面に、多孔質保護層91a,91b,91c,91d,91eの順で多孔質保護層91を形成して多孔質保護部90とし、ガスセンサ100とした。多孔質保護層91を形成するプラズマ溶射の条件は、以下のようにした。プラズマ発生用ガス130として、アルゴンガス(流量50L/min)と水素(流量10L/min)とを混合したものを用いた。アノード126とカソード128との間に印加する電圧は、70Vの直流電圧とした。電流は500Aであった。粉末溶射材料134としては、粒径分布が10μm〜30μmの範囲であるアルミナ粉末を用いた。粉末溶射材料134の供給に用いるキャリアガスは、アルゴンガス(流量4L/min)とした。距離Wは、150mmとした。距離Lは、10mmとした。また、プラズマ溶射は、大気及び常温の雰囲気にて行った。プラズマガン120の溶射の向き(ノズル126aの向き)は、センサ素子101における多孔質保護層91の形成面に対して垂直とした。形成された多孔質保護層91a〜91eの膜厚は、いずれも約450μmであった。実験例4の20本のガスセンサ100は、いずれも多孔質保護層91の剥離が生じていなかった。 Subsequently, the porous protective layer 91 was formed in the order of the porous protective layers 91 a, 91 b, 91 c, 91 d, 91 e on the surface of the sensor element 101 to form the porous protective portion 90, thereby providing the gas sensor 100. The plasma spraying conditions for forming the porous protective layer 91 were as follows. As the plasma generating gas 130, a mixture of argon gas (flow rate 50 L / min) and hydrogen (flow rate 10 L / min) was used. The voltage applied between the anode 126 and the cathode 128 was a DC voltage of 70V. The current was 500A. As the powder spray material 134, an alumina powder having a particle size distribution in the range of 10 μm to 30 μm was used. The carrier gas used to supply the powder spray material 134 was argon gas (flow rate 4 L / min). The distance W was 150 mm. The distance L was 10 mm. Moreover, plasma spraying was performed in the atmosphere of air and room temperature. The direction of thermal spraying of the plasma gun 120 (the direction of the nozzle 126a) was set perpendicular to the formation surface of the porous protective layer 91 in the sensor element 101. The film thicknesses of the formed porous protective layers 91a to 91e were all about 450 μm. In all of the 20 gas sensors 100 of Experimental Example 4, peeling of the porous protective layer 91 did not occur.
[実験例5]
実験例4における多孔質保護層91aと多孔質保護層91bとの形成順序を逆にした点以外は、実験例4と同様にして20本のガスセンサ100を作製した。すなわち、実験例5では、多孔質保護層91の形成順序を、多孔質保護層91b,91a,91c,91d,91eの順とした。実験例5の20本のガスセンサ100は、いずれも多孔質保護層91の剥離が生じていなかった。
[Experimental Example 5]
Twenty gas sensors 100 were produced in the same manner as in Experimental Example 4 except that the formation order of the porous protective layer 91a and the porous protective layer 91b in Experimental Example 4 was reversed. That is, in Experimental Example 5, the porous protective layer 91 was formed in the order of the porous protective layers 91b, 91a, 91c, 91d, and 91e. In all of the 20 gas sensors 100 of Experimental Example 5, the porous protective layer 91 was not peeled off.
[実験例6]
多孔質保護層91a〜91eのうち多孔質保護層91c,91dを最初に形成した点以外は、実験例4と同様にして20本のガスセンサ100を作製した。すなわち、実験例6では、多孔質保護層91の形成順序を、多孔質保護層91c,91d,91a,91b,91eの順とした。実験例6の20本のガスセンサ100のうち、2本については、多孔質保護層91a,91dの剥離が生じていた。なお、多孔質保護層91aは、多孔質保護層91dの剥離に伴って剥離したと考えられる。
[Experimental Example 6]
Twenty gas sensors 100 were produced in the same manner as in Experimental Example 4 except that the porous protective layers 91c and 91d were first formed among the porous protective layers 91a to 91e. That is, in Experimental Example 6, the porous protective layer 91 was formed in the order of the porous protective layers 91c, 91d, 91a, 91b, and 91e. Of the 20 gas sensors 100 of Experimental Example 6, two of the porous protective layers 91a and 91d were peeled off. In addition, it is thought that the porous protective layer 91a peeled with peeling of the porous protective layer 91d.
[実験例7]
多孔質保護層91a〜91eのうち多孔質保護層91eを最初に形成した点以外は、実験例4と同様にして20本のガスセンサ100を作製した。すなわち、実験例7では、多孔質保護層91の形成順序を、多孔質保護層91e,91a,91b,91c,91dの順とした。実験例7の20本のガスセンサ100のうち、3本については、多孔質保護層91eの剥離が生じていた。
[Experimental Example 7]
Twenty gas sensors 100 were produced in the same manner as in Experimental Example 4 except that the porous protective layer 91e was first formed among the porous protective layers 91a to 91e. That is, in Experimental Example 7, the porous protective layer 91 was formed in the order of the porous protective layers 91e, 91a, 91b, 91c, and 91d. Of the 20 gas sensors 100 of Experimental Example 7, peeling of the porous protective layer 91e occurred in three of them.
実験例4〜7の結果から、形成面積の最も広い多孔質保護層91a,91bを先行形成し、その後に、形成済みの少なくとも2つの多孔質保護層91を接続するように多孔質保護層91c〜91eを形成することで、多孔質保護層91の剥離をより抑制できることが確認できた。また、コーティング層24a,24bと接着される多孔質保護層91a,91bを先に形成し、その後に、形成済み且つコーティング層24と接着されている多孔質保護層91a,91bの少なくとも一方と接続されるように多孔質保護層91c〜91eを形成することで、多孔質保護層91の剥離をより抑制できることが確認できた。 From the results of Experimental Examples 4 to 7, the porous protective layers 91a and 91b having the widest formation area are formed in advance, and then the porous protective layer 91c is connected so that at least two formed porous protective layers 91 are connected. It was confirmed that the peeling of the porous protective layer 91 can be further suppressed by forming ~ 91e. Further, the porous protective layers 91a and 91b to be bonded to the coating layers 24a and 24b are formed first, and then connected to at least one of the porous protective layers 91a and 91b that have been formed and bonded to the coating layer 24. It was confirmed that the peeling of the porous protective layer 91 can be further suppressed by forming the porous protective layers 91c to 91e as described above.
[実験例8〜17]
実験例8〜17では、コーティング層24の気孔率を種々変更した点以外は、実験例4と同様にしてガスセンサ100を20本ずつ作製した。具体的には、コーティング層24を形成するためのペーストの調整において、以下の点以外は実験例4と同様にして実験例11〜20のセンサ素子101を作製した。実験例8では、原料粉末(アルミナ粉末)を粉砕して粒径をD50=0.5μmとした粉末を用い、バインダーの体積割合を1/4(=10vol%)とした。実験例9では、バインダーの体積割合を1/4(=10vol%)とした。実験例10では、バインダーの体積割合を半分(=20vol%)とした。実験例11では、実験例4と同様にしてセンサ素子101を作製した。実験例12では、ペーストに造孔材(テオブロミン)を0.225vol%添加した。実験例13では、ペーストに造孔材(テオブロミン)を0.85vol%添加した。実験例14では、ペーストに造孔材(テオブロミン)を1.75vol%添加した。実験例15では、ペーストに造孔材(テオブロミン)を4.25vol%添加した。実験例16では、ペーストに造孔材(テオブロミン)を6.5vol%添加した。実験例17では、ペーストに造孔材(テオブロミン)を10vol%添加した。実験例8〜17のコーティング層24の気孔率は、それぞれ、5.3%、10.24%,15.36%,20.78%,37.2%,51.1%,60.7%,64.86%,70.1%,75%であった。また、実験例8〜17のセンサ素子101についてコーティング層24の膜厚を測定したところ、いずれも約10μmであった。また、実験例8〜17のコーティング層24a,24bの表面の算術平均粗さRaはいずれも約2μmであった。
[Experimental Examples 8 to 17]
In Experimental Examples 8 to 17, 20 gas sensors 100 were produced in the same manner as in Experimental Example 4 except that the porosity of the coating layer 24 was variously changed. Specifically, in the adjustment of the paste for forming the coating layer 24, the sensor elements 101 of Experimental Examples 11 to 20 were manufactured in the same manner as Experimental Example 4 except for the following points. In Experimental Example 8, the raw material powder (alumina powder) was pulverized and the particle size was D50 = 0.5 μm, and the volume ratio of the binder was ¼ (= 10 vol%). In Experimental Example 9, the binder volume ratio was set to 1/4 (= 10 vol%). In Experimental Example 10, the volume ratio of the binder was halved (= 20 vol%). In Experimental Example 11, the sensor element 101 was produced in the same manner as in Experimental Example 4. In Experimental Example 12, 0.225 vol% of a pore former (theobromine) was added to the paste. In Experimental Example 13, 0.85 vol% of a pore former (theobromine) was added to the paste. In Experimental Example 14, 1.75 vol% of a pore former (theobromine) was added to the paste. In Experimental Example 15, 4.25 vol% of a pore former (theobromine) was added to the paste. In Experimental Example 16, 6.5 vol% of a pore former (theobromine) was added to the paste. In Experimental Example 17, 10 vol% of a pore former (theobromine) was added to the paste. The porosity of the coating layer 24 of Experimental Examples 8 to 17 is 5.3%, 10.24%, 15.36%, 20.78%, 37.2%, 51.1%, and 60.7%, respectively. 64.86%, 70.1% and 75%. Moreover, when the film thickness of the coating layer 24 was measured about the sensor element 101 of Experimental example 8-17, all were about 10 micrometers. In addition, the arithmetic average roughness Ra of the surfaces of the coating layers 24a and 24b in Experimental Examples 8 to 17 were both about 2 μm.
実験例8〜17でのコーティング層24を形成するためのペーストの調整における原料粉末の体積割合,原料粉末の粒径,造孔材の体積割合,バインダーの体積割合,コーティング層の気孔率,及び20本中の多孔質保護層91又はコーティング層24の剥離本数を表1にまとめて示す。 The volume ratio of the raw material powder, the particle diameter of the raw material powder, the volume ratio of the pore former, the volume ratio of the binder, the porosity of the coating layer in the preparation of the paste for forming the coating layer 24 in Experimental Examples 8 to 17, and Table 1 summarizes the number of peeled porous protective layers 91 or coating layers 24 out of 20.
表1に示すように、コーティング層24の気孔率が10%未満である実験例8では、20本中2本について、多孔質保護層24の剥離が生じていた。また、コーティング層24の気孔率が71%超過である実験例17では、20本中2本について、コーティング層24の剥離が生じていた。なお、実験例17では、プラズマ溶射時のアルミナ粉末の衝突によってコーティング層24の剥離が生じており、コーティング層24の強度が低かったことが原因で剥離が生じたと考えられる。一方、実験例9〜16は、それぞれ20本のいずれについても多孔質保護層91やコーティング層24の剥離は生じていなかった。以上の結果から、コーティング層の気孔率を10%以上とすることで、多孔質保護層91の剥離を抑制できると考えられる。また、コーティング層24の気孔率を71%以下とすることで、コーティング層24の剥離が抑制でき、ひいては多孔質保護層91の剥離を抑制できると考えられる。 As shown in Table 1, in Experimental Example 8 in which the porosity of the coating layer 24 was less than 10%, the porous protective layer 24 was peeled off for 2 out of 20 samples. Further, in Experimental Example 17 in which the porosity of the coating layer 24 was over 71%, the coating layer 24 was peeled off for two of the twenty. In Experimental Example 17, it is considered that the coating layer 24 was peeled off by the collision of the alumina powder during plasma spraying, and the peeling was caused due to the low strength of the coating layer 24. On the other hand, in each of Experimental Examples 9 to 16, no peeling of the porous protective layer 91 or the coating layer 24 occurred in any of the 20 samples. From the above results, it is considered that peeling of the porous protective layer 91 can be suppressed by setting the porosity of the coating layer to 10% or more. In addition, it is considered that when the porosity of the coating layer 24 is 71% or less, peeling of the coating layer 24 can be suppressed, and consequently peeling of the porous protective layer 91 can be suppressed.
1 第1基板層、2 第2基板層、3 第3基板層、4 第1固体電解質層、5 スペーサ層、6 第2固体電解質層、10 ガス導入口、11 第1拡散律速部、12 緩衝空間、13 第2拡散律速部、20 第1内部空所、21 主ポンプセル、22 内側ポンプ電極、22a 天井電極部、22b 底部電極部、23 外側ポンプ電極、24,24a〜24e コーティング層、25 可変電源、30 第3拡散律速部、40 第2内部空所、41 測定用ポンプセル、42 基準電極、43 基準ガス導入空間、44 測定電極、45 第4拡散律速部、46 可変電源、48 大気導入層、50 補助ポンプセル、51 補助ポンプ電極、51a 天井電極部、51b 底部電極部、52 可変電源、60 第4拡散律速部、61 第3内部空所、70 ヒータ部、71 ヒータコネクタ電極、72 ヒータ、73 スルーホール、74 ヒータ絶縁層、75 圧力放散孔、76,76a〜76c ヒータ用リード線、80 主ポンプ制御用酸素分圧検出センサセル、81 補助ポンプ制御用酸素分圧検出センサセル、82 測定用ポンプ制御用酸素分圧検出センサセル、83 センサセル、90 多孔質保護部、91,91a〜91e 多孔質保護層、100 ガスセンサ、101 センサ素子、120 プラズマガン、122 外周部、123 絶縁部、124 水冷ジャケット、126 アノード、126a ノズル、128 カソード、130 プラズマ発生用ガス、132 粉末供給部、134 粉末溶射材料。 DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 1st board | substrate layer, 2nd board | substrate layer, 3rd board | substrate layer, 4th 1st solid electrolyte layer, 5 spacer layer, 6 2nd solid electrolyte layer, 10 gas inlet, 11 1st diffusion control part, 12 buffer Space, 13 Second diffusion limiting part, 20 First internal space, 21 Main pump cell, 22 Inner pump electrode, 22a Ceiling electrode part, 22b Bottom electrode part, 23 Outer pump electrode, 24, 24a-24e Coating layer, 25 Variable Power source, 30 3rd diffusion rate limiting part, 40 2nd internal space, 41 measurement pump cell, 42 reference electrode, 43 reference gas introduction space, 44 measurement electrode, 45 4th diffusion rate limiting part, 46 variable power supply, 48 atmosphere introduction layer , 50 Auxiliary pump cell, 51 Auxiliary pump electrode, 51a Ceiling electrode part, 51b Bottom electrode part, 52 Variable power supply, 60 4th diffusion rate limiting part, 61 3rd internal space, 70 Heater part, 71 Heater connector electrode, 72 Heater, 73 Through hole, 74 Heater insulation layer, 75 Pressure diffusion hole, 76, 76a-76c Heater lead wire, 80 Main pump control oxygen partial pressure detection sensor cell, 81 Auxiliary pump control Oxygen partial pressure detection sensor cell, 82 Oxygen partial pressure detection sensor cell for measurement pump control, 83 Sensor cell, 90 Porous protective part, 91, 91a to 91e Porous protective layer, 100 Gas sensor, 101 Sensor element, 120 Plasma gun, 122 Outer peripheral part, 123 insulating part, 124 water cooling jacket, 126 anode, 126a nozzle, 128 cathode, 130 gas for generating plasma, 132 powder supply part, 134 powder spraying material.
Claims (10)
前記センサ素子の表面を覆う多孔質保護部と、
前記ガス導入口を除く前記センサ素子の表面の少なくとも一部に配設されて前記多孔質保護部と前記センサ素子とを接着するコーティング層と、
を備え、
前記基体は、直方体形状であり、
前記コーティング層は、前記基体の6つの表面のうち互いに反対側に位置する2面に少なくとも配設されており、
前記多孔質保護部は、前記2面に配設されたコーティング層の各々を介して前記センサ素子に接着された第1,第2多孔質保護層と、該第1,第2多孔質保護層と接続され前記基体のうち前記2面以外の1以上の表面を覆う第3多孔質保護層と、を有しており、
前記第3多孔質保護層と前記基体との間には前記コーティング層が存在しない、
ガスセンサ。 A sensor element comprising a base made of an oxygen ion conductive solid electrolyte and provided with a gas inlet for introducing a gas to be measured from the outside;
A porous protective portion covering the surface of the sensor element;
A coating layer disposed on at least a part of the surface of the sensor element excluding the gas inlet and bonding the porous protective part and the sensor element;
Equipped with a,
The base body has a rectangular parallelepiped shape,
The coating layer is disposed at least on two surfaces located on opposite sides of the six surfaces of the substrate,
The porous protective portion includes first and second porous protective layers bonded to the sensor element via each of the coating layers disposed on the two surfaces, and the first and second porous protective layers. And a third porous protective layer that covers one or more surfaces other than the two surfaces of the base body,
The coating layer does not exist between the third porous protective layer and the substrate;
Gas sensor.
前記コーティング層は、前記基体の6つの表面のうち最も面積の小さい2面以外の4面に少なくとも配設されており、
前記多孔質保護部は、前記4面に配設されたコーティング層の各々を介して前記センサ素子に接着された前記第1,第2多孔質保護層を含む4つの多孔質保護層と、前記基体の6つの表面のうち前記最も面積の小さい2面のうち一方の面を覆う前記第3多孔質保護層と、を有し、且つ、該4つの多孔質保護層は隣接する前記表面に形成された多孔質保護層同士が互いに接続されている、
請求項1に記載のガスセンサ。 The base body has a rectangular parallelepiped shape in which one side is longer than the other two sides,
The coating layer is disposed at least on four surfaces other than the two surfaces having the smallest area among the six surfaces of the substrate,
The porous protective part includes four porous protective layers including the first and second porous protective layers bonded to the sensor element through each of the coating layers disposed on the four surfaces ; anda third porous protective layer covering the one surface of the two surfaces smaller the largest area among the six surfaces of the substrate, and, the four porous protective layer is formed on said surface adjacent The porous protective layers made are connected to each other,
The gas sensor according to claim 1 .
前記コーティング層は、前記固体電解質層の積層方向を上下方向として、前記基体の上下面以外を覆っていない、
請求項1に記載のガスセンサ。 The substrate is formed by laminating a plurality of oxygen ion conductive solid electrolyte layers,
The coating layer does not cover other than the upper and lower surfaces of the substrate, with the stacking direction of the solid electrolyte layer being the vertical direction,
The gas sensor according to claim 1 .
前記コーティング層は、前記基体の6つの表面のうち前記ガス導入口が形成された面には配設されていない、
請求項1〜3のいずれか1項に記載のガスセンサ。 The base body has a rectangular parallelepiped shape,
The coating layer is not disposed on the surface where the gas introduction port is formed among the six surfaces of the base body.
The gas sensor according to any one of claims 1-3.
前記基体の6つの表面のうち前記コーティング層が配設された少なくとも1つの表面において、前記多孔質保護部が前記センサ素子を覆う面積S1に対する前記多孔質保護部が前記コーティング層を覆う面積S2の比である面積比R(=S2/S1×100)が14%〜100%である、
請求項1〜4のいずれか1項に記載のガスセンサ。 The base body has a rectangular parallelepiped shape,
Of at least one surface of the six surfaces of the substrate on which the coating layer is disposed, the porous protective portion has an area S2 where the porous protective portion covers the coating layer with respect to the area S1 where the porous protective portion covers the sensor element. The area ratio R (= S2 / S1 × 100) as a ratio is 14% to 100%.
The gas sensor of any one of Claims 1-4 .
請求項1〜5のいずれか1項に記載のガスセンサ。 The coating layer has a thickness of 1 μm to 30 μm.
The gas sensor of any one of Claims 1-5 .
請求項1〜6のいずれか1項に記載のガスセンサ。 The coating layer has an arithmetic average roughness Ra of a contact surface with the porous protective part of 1.0 μm to 5.0 μm.
The gas sensor of any one of Claims 1-6 .
請求項1〜7のいずれか1項に記載のガスセンサ。 The coating layer has a porosity of 10 to 71%.
The gas sensor according to any one of claims 1-7.
前記センサ素子は、前記基体の表面に配設された外側ポンプ電極と、前記ガス流通部の一部に露出して配設された測定電極と、を有しており、
前記コーティング層は、前記外側ポンプ電極表面には配設されておらず、
前記多孔質保護部は、前記外側ポンプ電極表面を覆っている、
請求項1〜8のいずれか1項に記載のガスセンサ。 The base is formed with a gas flow part that communicates with the gas inlet and introduces a gas to be measured from the outside to the inside.
The sensor element has an outer pump electrode disposed on the surface of the base body, and a measurement electrode disposed to be exposed at a part of the gas flow part,
The coating layer is not disposed on the outer pump electrode surface,
The porous protection part covers the outer pump electrode surface,
The gas sensor of any one of Claims 1-8 .
(1)焼成後に前記センサ素子となる焼成前センサ素子と、前記焼成前センサ素子のうち焼成後に前記ガス導入口となる部分を除く前記焼成前センサ素子の表面の少なくとも一部に配設され焼成後に前記コーティング層となる焼成前コーティング層と、を備えた未焼成体を用意する工程と、
(2)前記未焼成体を焼成して前記センサ素子と前記コーティング層とを備えた焼成体とする工程と、
(3)前記コーティング層の表面の少なくとも一部を含む前記センサ素子の表面を覆うように前記多孔質保護部を形成する工程と、
を含むガスセンサの製造方法。 A method for manufacturing a gas sensor according to any one of claims 1 to 9
(1) A pre-firing sensor element that becomes the sensor element after firing, and firing disposed on at least a part of the surface of the pre-firing sensor element excluding a portion that becomes the gas inlet after firing in the pre-firing sensor element. A step of preparing an unfired body provided with a pre-fired coating layer to be the coating layer later;
(2) A step of firing the green body to form a fired body including the sensor element and the coating layer;
(3) forming the porous protective portion so as to cover the surface of the sensor element including at least a part of the surface of the coating layer;
The manufacturing method of the gas sensor containing this.
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