JP7002610B2 - Gas sensor element - Google Patents

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Description

本発明は、ガスセンサ素子及びガスセンサに関する。 The present invention relates to a gas sensor element and a gas sensor.

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、例えば被測定ガス中の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 for detecting the concentration of a predetermined gas such as NOx in a gas to be measured such as an exhaust gas of an automobile is known. Further, 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 that heat-resistant particles such as alumina are attached to the surface of a sensor element by plasma spraying to form a porous protective layer. By forming this porous protective layer, for example, it is possible to suppress cracking of the sensor element due to adhesion of moisture in the gas to be measured.

特開2013-54025号公報Japanese Unexamined Patent Publication No. 2013-54025 特許第3766572号Patent No. 3766572

このようなガスセンサのセンサ素子は、通常駆動時の温度が高温(例えば800℃など)であり、水分の付着で急激に冷えることによるセンサ素子の割れをさらに抑制することが望まれていた。 It has been desired that the sensor element of such a gas sensor has a high temperature (for example, 800 ° C.) during normal driving, and further suppresses cracking of the sensor element due to rapid cooling due to adhesion of moisture.

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、ガスセンサ素子の耐被水性を向上させることを主目的とする。 The present invention has been made to solve such a problem, and an object of the present invention is to improve the water resistance of a gas sensor element.

本発明は、上述した主目的を達成するために以下の手段を採った。 The present invention has taken the following measures to achieve the above-mentioned main object.

本発明の第1のガスセンサ素子は、
酸素イオン伝導性の固体電解質層を備えた素子本体と、
前記素子本体の少なくとも一部を被覆し、厚さ方向100μmあたりの構成粒子の粒子界面数である単位厚さ方向界面数が値15以上250以下である保護層と、
を備えたものである。
The first gas sensor element of the present invention is
A device body with an oxygen ion conductive solid electrolyte layer and
A protective layer that covers at least a part of the element body and has a unit thickness direction interface number of 15 or more and 250 or less, which is the number of particle interfaces of constituent particles per 100 μm in the thickness direction.
It is equipped with.

この第1のガスセンサ素子では、素子本体の少なくとも一部が保護層で被覆されている。ここで、保護層の厚さ方向100μmあたりの構成粒子の粒子界面数である単位厚さ方向界面数が多いほど、保護層の厚さ方向への熱伝導が生じにくい傾向にある。すなわち、保護層の表面に水分が付着した場合の素子本体の冷えが抑制される傾向にある。この理由は、構成粒子内の熱伝導と比べて構成粒子間の熱伝導が生じにくいためと考えられる。そして、単位厚さ方向界面数が値15以上であることで、素子本体の冷えを抑制する効果、すなわちガスセンサ素子の耐被水性を向上させる効果が得られる。なお、単位厚さ方向界面数が多いほど、単位厚さあたりの構成粒子数が多いことになり、被測定ガスが保護層を通過して素子本体に到達しにくくなる。単位厚さ方向界面数が値250以下であれば、ガスが保護層を通過できる。この第1のガスセンサ素子において、前記保護層の厚さが50μm以上であってもよいし、前記保護層の厚さが100μm以上であってもよい。また、前記保護層は、前記単位厚さ方向界面数が値17以上としてもよい。前記保護層は、前記単位厚さ方向界面数が値200以下,値150以下,値100以下,値50以下としてもよい。 In this first gas sensor element, at least a part of the element body is covered with a protective layer. Here, the larger the number of interface in the unit thickness direction, which is the number of particle interfaces of the constituent particles per 100 μm in the thickness direction of the protective layer, the less likely it is that heat conduction occurs in the thickness direction of the protective layer. That is, there is a tendency that the cooling of the element body when moisture adheres to the surface of the protective layer is suppressed. The reason for this is considered to be that heat conduction between the constituent particles is less likely to occur than heat conduction within the constituent particles. When the number of interfaces in the unit thickness direction is 15 or more, the effect of suppressing the cooling of the element body, that is, the effect of improving the water resistance of the gas sensor element can be obtained. The larger the number of interfaces in the unit thickness direction, the larger the number of constituent particles per unit thickness, and the more difficult it is for the gas to be measured to pass through the protective layer and reach the element body. If the number of interfaces in the unit thickness direction is 250 or less, the gas can pass through the protective layer. In this first gas sensor element, the thickness of the protective layer may be 50 μm or more, or the thickness of the protective layer may be 100 μm or more. Further, the protective layer may have the number of interfaces in the unit thickness direction of 17 or more. The protective layer may have the number of interfaces in the unit thickness direction of 200 or less, 150 or less, 100 or less, and 50 or less.

本発明の第2のガスセンサ素子は、
酸素イオン伝導性の固体電解質層を備えた素子本体と、
前記素子本体の少なくとも一部を被覆し、厚さ方向100μmあたりの構成粒子の粒子界面数である単位厚さ方向界面数と、該厚さ方向に垂直な表面方向100μmあたりの構成粒子の粒子界面数である単位表面方向界面数と、の界面数比(=単位表面方向界面数/単位厚さ方向界面数)が値0超過0.7以下である保護層と、
を備えたものである。
The second gas sensor element of the present invention is
A device body with an oxygen ion conductive solid electrolyte layer and
At least a part of the element body is covered, and the number of interface in the unit thickness direction, which is the number of interface of constituent particles per 100 μm in the thickness direction, and the particle interface of the constituent particles per 100 μm in the surface direction perpendicular to the thickness direction. A protective layer in which the ratio of the number of interfaces in the unit surface direction (= the number of interfaces in the unit surface direction / the number of interfaces in the unit thickness direction) is more than 0 and 0.7 or less.
It is equipped with.

この第2のガスセンサ素子では、素子本体の少なくとも一部が保護層で被覆されている。ここで、保護層の界面数比(=単位表面方向界面数/単位厚さ方向界面数)が小さいほど、保護層の厚さ方向への熱伝導よりも保護層の表面方向(厚さ方向に垂直な方向)への熱伝導が生じやすい傾向にある。この理由は、構成粒子内の熱伝導と比べて構成粒子間の熱伝導が生じにくいためと考えられる。これにより、界面数比が小さいほど、保護層の表面に水分が付着した場合に素子本体の一部のみが急激に冷えることが抑制される傾向にある。そして、界面数比が0.7以下であることで、素子本体の一部のみが急激に冷えることによるクラックの発生を抑制する効果、すなわちガスセンサ素子の耐被水性を向上させる効果が得られる。なお、界面数比は値0.6以下としてもよく、値0.4以下,0.3以下とすることが好ましい。界面数比は値0.15以上としてもよい。また、この第2のガスセンサ素子において、前記保護層の厚さが50μm以上であってもよいし、前記保護層の厚さが100μm以上であってもよい。また、前記単位厚さ方向界面数が値15以上であってもよいし、値250以下であってもよい。前記単位表面方向界面数が値5以上であってもよいし、値10.5以下,値10以下であってもよい。 In this second gas sensor element, at least a part of the element body is covered with a protective layer. Here, the smaller the interface number ratio of the protective layer (= the number of interfaces in the unit surface direction / the number of interfaces in the unit thickness direction), the more the surface direction (thickness direction) of the protective layer rather than the heat conduction in the thickness direction of the protective layer. Heat conduction in the vertical direction) tends to occur. The reason for this is considered to be that heat conduction between the constituent particles is less likely to occur than heat conduction within the constituent particles. As a result, the smaller the interface number ratio, the more it tends to be suppressed that only a part of the element main body is rapidly cooled when moisture adheres to the surface of the protective layer. When the interface number ratio is 0.7 or less, the effect of suppressing the generation of cracks due to the rapid cooling of only a part of the element main body, that is, the effect of improving the water resistance of the gas sensor element can be obtained. The interface number ratio may be a value of 0.6 or less, preferably a value of 0.4 or less and 0.3 or less. The interface number ratio may be a value of 0.15 or more. Further, in the second gas sensor element, the thickness of the protective layer may be 50 μm or more, or the thickness of the protective layer may be 100 μm or more. Further, the number of interfaces in the unit thickness direction may be a value of 15 or more, or may be a value of 250 or less. The number of interfaces in the unit surface direction may be a value of 5 or more, a value of 10.5 or less, and a value of 10 or less.

本発明の第1,第2のガスセンサ素子において、前記保護層は、前記単位厚さ方向界面数が値30以上であってもよい。こうすれば、ガスセンサ素子の耐被水性がより向上する。 In the first and second gas sensor elements of the present invention, the protective layer may have the number of interfaces in the unit thickness direction of 30 or more. By doing so, the water resistance of the gas sensor element is further improved.

本発明の第1,第2のガスセンサ素子において、前記保護層は、厚さが500μm以下であってもよい。ここで、保護層の厚さが500μm以下と比較的薄い場合はガスセンサ素子の耐被水性が不十分になりやすい。本発明の第1のガスセンサ素子は、保護層の単位厚さ方向界面数が値15以上であることで耐被水性を向上できるため、このような比較的薄い保護層に本発明を適用する意義が高い。本発明の第2のガスセンサ素子についても、界面数比を0.7以下とすることで耐被水性を向上できるため、このような比較的薄い保護層に本発明を適用する意義が高い。 In the first and second gas sensor elements of the present invention, the protective layer may have a thickness of 500 μm or less. Here, when the thickness of the protective layer is as thin as 500 μm or less, the water resistance of the gas sensor element tends to be insufficient. Since the first gas sensor element of the present invention can improve the water resistance when the number of interfaces in the unit thickness direction of the protective layer is 15 or more, the significance of applying the present invention to such a relatively thin protective layer is significant. Is high. As for the second gas sensor element of the present invention, the water resistance can be improved by setting the interface number ratio to 0.7 or less, so that it is highly significant to apply the present invention to such a relatively thin protective layer.

本発明の第1,第2のガスセンサ素子において、前記保護層は、前記構成粒子としてセラミックス粒子を含んでいてもよい。セラミックス粒子は強度・耐熱性・耐食性の少なくとも1以上の観点から、ガスセンサ素子の保護層に適している。 In the first and second gas sensor elements of the present invention, the protective layer may contain ceramic particles as the constituent particles. Ceramic particles are suitable as a protective layer for gas sensor elements from the viewpoint of strength, heat resistance, and corrosion resistance of at least one.

本発明の第1,第2のガスセンサ素子において、前記保護層は、前記構成粒子としてアルミナ,ジルコニア,スピネル,コージェライト,チタニア,及びマグネシアの少なくともいずれかの粒子を含んでもよい。これらの材質は耐熱性が高いため、ガスセンサ素子の保護層に適している。 In the first and second gas sensor elements of the present invention, the protective layer may contain at least one of alumina, zirconia, spinel, cordierite, titania, and magnesia as the constituent particles. Since these materials have high heat resistance, they are suitable as a protective layer for gas sensor elements.

本発明の第1,第2のガスセンサ素子において、前記素子本体は、長尺な直方体形状であり、前記保護層は、前記素子本体のうち長手方向の一端面と、該一端面に垂直な4つの面の前記一端面側から該素子本体の前記長手方向で距離Lまでの領域と、を被覆していてもよい(ただし、0<距離L<素子本体の長手方向の長さ)。このように保護層が5つの面を被覆することで、例えば保護層が4面以下の面しか被覆しない場合と比べて、保護層により素子本体を保護する効果が高まる。 In the first and second gas sensor elements of the present invention, the element body has a long rectangular parallelepiped shape, and the protective layer has a longitudinal end surface of the element body and 4 perpendicular to the end surface. The region from the one end surface side of one surface to the distance L in the longitudinal direction of the element body may be covered (however, 0 <distance L <length in the longitudinal direction of the element body). By covering the five surfaces with the protective layer in this way, the effect of protecting the element main body by the protective layer is enhanced as compared with the case where the protective layer covers only four or less surfaces, for example.

本発明のガスセンサは、
上述したいずれかの態様のガスセンサ素子、
を備えたものである。
The gas sensor of the present invention
The gas sensor element of any of the above embodiments,
It is equipped with.

このガスセンサは、本発明の第1,第2のガスセンサ素子のうち上述したいずれかの態様のガスセンサ素子を備えている。そのため、上述した本発明の第1,第2ガスセンサ素子と同様の効果、例えばガスセンサ素子の耐被水性が向上する効果が得られる。この場合において、前記ガスセンサ素子は、前記素子本体が長尺な直方体形状であってもよい。また、本発明のガスセンサは、前記ガスセンサ素子を固定する固定部材と、前記ガスセンサ素子の長手方向の一端を覆う保護カバーと、を備えていてもよい。 This gas sensor includes the gas sensor element of any of the above-described embodiments of the first and second gas sensor elements of the present invention. Therefore, the same effect as that of the first and second gas sensor elements of the present invention described above, for example, the effect of improving the water resistance of the gas sensor element can be obtained. In this case, the gas sensor element may have a rectangular parallelepiped shape in which the element body is long. Further, the gas sensor of the present invention may include a fixing member for fixing the gas sensor element and a protective cover for covering one end of the gas sensor element in the longitudinal direction.

ガスセンサ100の縦断面図。A vertical sectional view of the gas sensor 100. センサ素子101の構成の一例を概略的に示した斜視図。The perspective view which showed the example of the structure of the sensor element 101 schematically. 図2のA-A断面図。FIG. 2 is a sectional view taken along the line AA of FIG. 単位厚さ方向界面数等を測定する様子を示す概念図。A conceptual diagram showing how to measure the number of interfaces in the unit thickness direction. プラズマガン170を用いたプラズマ溶射の説明図。Explanatory drawing of plasma spraying using plasma gun 170.

次に、本発明の実施形態について、図面を用いて説明する。図1は、本発明の一実施形態であるガスセンサ100の縦断面図である。図2は、センサ素子101の構成の一例を概略的に示した斜視図である。図3は、図2のA-A断面図である。なお、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2の左右方向)を前後方向とし、センサ素子101の厚み方向(図2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。また、図1に示したようなガスセンサ100の構造は公知であり、例えば特開2012-210637号公報に記載されている。 Next, an embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings. FIG. 1 is a vertical sectional view of a gas sensor 100 according to an embodiment of the present invention. FIG. 2 is a perspective view schematically showing an example of the configuration of the sensor element 101. FIG. 3 is a sectional view taken along the line AA of FIG. The sensor element 101 has a long rectangular shape, the longitudinal direction of the sensor element 101 (horizontal direction in FIG. 2) is the front-rear direction, and the thickness direction of the sensor element 101 (vertical direction in FIG. 2) is up and down. The direction. Further, the width direction (direction perpendicular to the front-rear direction and the vertical direction) of the sensor element 101 is defined as the left-right direction. Further, the structure of the gas sensor 100 as shown in FIG. 1 is known and is described in, for example, Japanese Patent Application Laid-Open No. 2012-210637.

ガスセンサ100は、センサ素子101と、センサ素子101の長手方向の一端側である前端側(図1の下端側)を覆って保護する保護カバー110と、センサ素子101を封入固定する素子封止体120と、素子封止体120に取り付けられたナット130と、を備えている。このガスセンサ100は、図示するように例えば車両の排ガス管などの配管140に取り付けられて、被測定ガスとしての排気ガスに含まれるNOxやO2等の特定ガスの濃度を測定するために用いられる。本実施形態では、ガスセンサ100は特定ガス濃度としてNOx濃度を測定するものとした。センサ素子101は、センサ素子本体101aと、センサ素子本体101aを被覆する多孔質保護層91と、を備えている。なお、センサ素子本体101aは、センサ素子101のうち多孔質保護層91以外の部分を指す。 The gas sensor 100 includes a sensor element 101, a protective cover 110 that covers and protects the front end side (lower end side in FIG. 1) which is one end side in the longitudinal direction of the sensor element 101, and an element sealing body that encloses and fixes the sensor element 101. It includes a 120 and a nut 130 attached to the element encapsulant 120. As shown in the figure, the gas sensor 100 is attached to a pipe 140 such as an exhaust gas pipe of a vehicle, and is used to measure the concentration of a specific gas such as NOx or O 2 contained in the exhaust gas as a gas to be measured. .. In the present embodiment, the gas sensor 100 measures the NOx concentration as the specific gas concentration. The sensor element 101 includes a sensor element main body 101a and a porous protective layer 91 that covers the sensor element main body 101a. The sensor element main body 101a refers to a portion of the sensor element 101 other than the porous protective layer 91.

保護カバー110は、センサ素子101の一端を覆う有底筒状の内側保護カバー111と、この内側保護カバー111を覆う有底筒状の外側保護カバー112とを備えている。内側保護カバー111及び外側保護カバー112には、被測定ガスを保護カバー110内に流通させるための複数の孔が形成されている。センサ素子101の一端は、内側保護カバー111で囲まれた空間内に配置されている。 The protective cover 110 includes a bottomed tubular inner protective cover 111 that covers one end of the sensor element 101, and a bottomed tubular outer protective cover 112 that covers the inner protective cover 111. The inner protective cover 111 and the outer protective cover 112 are formed with a plurality of holes for allowing the gas to be measured to flow in the protective cover 110. One end of the sensor element 101 is arranged in a space surrounded by the inner protective cover 111.

素子封止体120は、円筒状の主体金具122と、主体金具122の内側の貫通孔内に封入されたセラミックス製のサポーター124と、主体金具122の内側の貫通孔内に封入されタルクなどのセラミックス粉末を成形した圧粉体126と、を備えている。センサ素子101は素子封止体120の中心軸上に位置しており、素子封止体120を前後方向に貫通している。圧粉体126は主体金具122とセンサ素子101との間で圧縮されている。これにより、圧粉体126が主体金具122内の貫通孔を封止すると共にセンサ素子101を固定している。 The element sealing body 120 includes a cylindrical main metal fitting 122, a ceramic supporter 124 enclosed in a through hole inside the main metal fitting 122, and a talc or the like enclosed in the through hole inside the main metal fitting 122. It is provided with a green compact 126 formed by molding a ceramic powder. The sensor element 101 is located on the central axis of the element encapsulant 120 and penetrates the element encapsulant 120 in the front-rear direction. The green compact 126 is compressed between the main metal fitting 122 and the sensor element 101. As a result, the green compact 126 seals the through hole in the main metal fitting 122 and fixes the sensor element 101.

ナット130は、主体金具122と同軸に固定されており、外周面に雄ネジ部が形成されている。ナット130の雄ネジ部は、配管140に溶接され内周面に雌ネジ部が設けられた取付用部材141内に挿入されている。これにより、ガスセンサ100は、センサ素子101の一端や保護カバー110の部分が配管140内に突出した状態で、配管140に固定できるようになっている。 The nut 130 is fixed coaxially with the main metal fitting 122, and a male screw portion is formed on the outer peripheral surface. The male threaded portion of the nut 130 is inserted into a mounting member 141 welded to the pipe 140 and provided with a female threaded portion on the inner peripheral surface. As a result, the gas sensor 100 can be fixed to the pipe 140 with one end of the sensor element 101 and the portion of the protective cover 110 protruding into the pipe 140.

図3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. 3, the sensor element 101 includes a first substrate layer 1, a second substrate layer 2, and a third substrate layer 3, each of which is composed of an oxygen ion conductive solid electrolyte layer such as zirconia (ZrO 2 ). , The element has a structure in which six layers of the first solid electrolyte layer 4, the spacer layer 5, and the second solid electrolyte layer 6 are laminated in this order from the lower side in the drawing. Further, the solid electrolyte forming these six layers is a dense airtight one. The sensor element 101 is manufactured, for example, by performing predetermined processing, printing of a circuit pattern, or the like on a ceramic green sheet corresponding to each layer, laminating them, and further 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。 A gas inlet 10 and a first diffusion between the lower surface of the second solid electrolyte layer 6 and the upper surface of the first solid electrolyte layer 4 which is one tip portion (end portion in the front direction) of the sensor element 101. In a manner in which the rate-determining section 11, the buffer space 12, the second diffusion rate-controlling section 13, the first internal vacant space 20, the third diffusion rate-controlling section 30, and the second internal vacant space 40 communicate in this order. It is formed adjacent to each other.

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 vacant space 20, and the second internal vacant space 40 are provided in such a manner that the spacer layer 5 is hollowed out, and the upper portion thereof is the lower surface of the second solid electrolyte layer 6. The lower part is the upper surface of the first solid electrolyte layer 4, and the side part is the space inside the sensor element 101 partitioned by the side surface 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。 The first diffusion rate control section 11, the second diffusion rate control section 13, and the third diffusion rate control section 30 are all provided as two horizontally long slits (openings have a longitudinal direction in the direction perpendicular to the drawing). .. The portion from the gas introduction port 10 to the second internal vacant space 40 is also referred to as a gas distribution section.

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 far from the tip side of the gas flow portion, the side portion is partitioned between the upper surface of the third substrate layer 3 and the lower surface of the spacer layer 5 by the side surface of the first solid electrolyte layer 4. A reference gas introduction space 43 is provided at such a position. For example, the atmosphere is introduced into the reference gas introduction space 43 as a reference gas for 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 atmosphere introduction layer 48 is a layer made of porous ceramics, and the reference gas is introduced into the atmosphere introduction layer 48 through the reference gas introduction space 43. Further, the atmosphere 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, and as described above, the reference electrode 42 is connected to the reference gas introduction space 43 around the reference electrode 42. An atmosphere 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 flow section, the gas introduction port 10 is a portion that is open to the external space, and the gas to be measured is taken into the sensor element 101 from the external space through the gas introduction port 10. The first diffusion rate-controlling unit 11 is a portion that imparts a predetermined diffusion resistance to the gas to be measured taken in from the gas introduction port 10. The buffer space 12 is a space provided for guiding the gas to be measured introduced from the first diffusion rate control unit 11 to the second diffusion rate control unit 13. The second diffusion rate controlling unit 13 is a portion 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 (if the gas to be measured is the exhaust gas of an automobile, the pulsation of the exhaust pressure). ), The gas to be measured that is suddenly taken into the inside of the sensor element 101 from the gas introduction port 10 is not directly introduced into the first internal vacant space 20, but the first diffusion rate controlling unit 11, the buffer space 12, and the second. After the fluctuation in the concentration of the gas to be measured is canceled through the diffusion rate controlling unit 13, the gas is introduced into the first internal vacant space 20. As a result, the concentration fluctuation of the measured gas introduced into the first internal space 20 becomes almost negligible. The first internal space 20 is provided as a space for adjusting the oxygen partial pressure in the gas to be measured introduced through the second diffusion rate controlling unit 13. The oxygen partial pressure is adjusted by operating 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 has an inner pump electrode 22 having a ceiling electrode portion 22a provided on substantially the entire lower surface of the lower surface of the second solid electrolyte layer 6 facing the first internal space 20, and the upper surface of the second solid electrolyte layer 6. An electrochemical pump cell composed of an outer pump electrode 23 provided in a region corresponding to the ceiling electrode portion 22a so as to be exposed to an external space, and a second solid electrolyte layer 6 sandwiched between these electrodes. be.

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 so as to straddle the upper and lower solid electrolyte layers (second solid electrolyte layer 6 and first solid electrolyte layer 4) that partition the first internal space 20 and the spacer layer 5 that provides the side wall. There is. 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. The electrode portion 22b is formed, and the side electrode portion (not shown) constitutes a spacer layer on both side walls of the first internal space 20 so as to connect the ceiling electrode portion 22a and the bottom electrode portion 22b. It is formed on the side wall surface (inner surface) of 5, and is arranged in a structure in the form of a tunnel at the arrangement portion of the side electrode portion.

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 containing 1% Au and ZrO 2 ). The inner pump electrode 22 that comes into contact with the gas to be measured is formed by using a material having a weakened reducing 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 Vp0 is applied between the inner pump electrode 22 and the outer pump electrode 23, and a pump current is applied in the positive or negative direction between the inner pump electrode 22 and the outer pump electrode 23. By flowing Ip0, the oxygen in the first internal space 20 can be pumped into the external space, or the 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 are used. The third substrate layer 3 and the reference electrode 42 constitute an electrochemical sensor cell, that is, an oxygen partial pressure detection sensor cell 80 for controlling a main pump.

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 oxygen partial pressure detection sensor cell 80 for controlling the main pump, 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 supply 25 so that the electromotive force V0 becomes constant. As a result, the oxygen concentration in the first internal space 20 can be maintained 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 rate controlling unit 30 imparts a predetermined diffusion resistance to the measured gas whose oxygen concentration (oxygen partial pressure) is controlled by the operation of the main pump cell 21 in the first internal space 20, and transfers the measured gas. It is a part leading to the second internal vacant 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 rate controlling unit 30. The NOx concentration is mainly measured in the second internal vacant space 40 in which the oxygen concentration is adjusted by the auxiliary pump cell 50, and further, the NOx concentration is measured by the operation of the measurement pump cell 41.

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30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 advance in the first internal space 20, the auxiliary pump cell 50 is further applied to the gas to be measured introduced through the third diffusion rate controlling unit 30. The oxygen partial pressure is adjusted by. As a result, the oxygen concentration in the second internal space 40 can be kept constant with high accuracy, so that the NOx concentration can be measured with high accuracy in the gas sensor 100.

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 has 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). It is an auxiliary electrochemical pump cell composed of a sensor element 101 and an appropriate electrode on the outside) and a second solid electrolyte layer 6.

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 arranged in the second internal space 40 in a structure having a tunnel shape similar to that of the inner pump electrode 22 provided in the first internal space 20. That is, the ceiling electrode portion 51a 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. , The bottom electrode portion 51b is formed, and the side electrode portion (not shown) connecting the ceiling electrode portion 51a and the bottom electrode portion 51b provides a side wall of the second internal space 40 of the spacer layer 5. It has a tunnel-like structure formed on both walls. The auxiliary pump electrode 51 is also formed by using a material having a weakened reducing ability for the NOx component in the gas to be measured, similarly to 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 out to the external space or outside. It is possible to pump from the space into the second internal space 40.

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 are used. The layer 4 and the third substrate layer 3 constitute an electrochemical sensor cell, that is, an oxygen partial pressure detection sensor cell 81 for controlling an auxiliary pump.

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 pumps at the variable power supply 52 whose voltage is controlled based on the electromotive force V1 detected by the auxiliary pump control oxygen partial pressure detection sensor cell 81. As a result, 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 controlling the main pump. Specifically, the pump current Ip1 is input to the oxygen partial pressure detection sensor cell 80 for main pump control as a control signal, and the electromotive force V0 is controlled, so that the third diffusion rate control unit 30 to the second internal space are vacant. The gradient of the oxygen partial pressure in the gas to be measured introduced into the 40 is controlled 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 the upper surface of the first solid electrolyte layer 4 facing the second internal space 40 and at a position separated from the third diffusion rate controlling unit 30, and an outer pump electrode 23. , The electrochemical pump cell composed of 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 measuring electrode 44 is a porous cermet electrode. The measurement electrode 44 also functions as a NOx reduction catalyst that reduces NOx existing in the atmosphere in the second internal space 40. Further, the measurement electrode 44 is covered with the fourth diffusion rate controlling portion 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 fourth diffusion rate controlling unit 45 is a film made of a porous ceramic body. The fourth diffusion rate controlling unit 45 plays a role of limiting the amount of NOx flowing into the measuring electrode 44, and also functions as a protective film of the measuring 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 amount generated 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。 Further, in order to detect the oxygen partial pressure around the measurement electrode 44, an electrochemical sensor cell, that is, a reference electrode 42 is provided by the first solid electrolyte layer 4, the third substrate layer 3, the measurement electrode 44, and the reference electrode 42. The oxygen partial pressure detection sensor cell 82 for controlling the measurement pump is configured. The variable power supply 46 is controlled based on the electromotive force V2 detected by the oxygen partial pressure detection sensor cell 82 for controlling the measurement pump.

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 guided into the second internal space 40 reaches the measurement electrode 44 through the fourth diffusion rate controlling unit 45 under the condition that the oxygen partial pressure is controlled. Nitrogen oxides in the gas to be measured around the measurement electrode 44 are reduced (2NO → N 2 + O 2 ) to generate oxygen. The generated oxygen is pumped by the measurement pump cell 41, and at that time, a variable power source is used so that the control voltage V2 detected by the measurement pump control oxygen partial pressure detection sensor cell 82 becomes constant. The voltage Vp2 of 46 is controlled. Since the amount of oxygen generated around the measurement electrode 44 is proportional to the concentration of nitrogen oxides in the gas to be measured, the nitrogen oxides in the gas to be measured are used by using the pump current Ip2 in the pump cell 41 for measurement. 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。 Further, 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 measurement electrode 44 can be formed. It is possible to detect 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, thereby the concentration of the NOx component in the measured gas. It is also possible to ask for.

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。 Further, the electrochemical sensor cell 83 is composed of 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. The electromotive force Vref obtained by the sensor cell 83 makes it possible to detect the oxygen partial pressure in the measured gas outside the sensor.

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, the oxygen partial pressure is always kept at a constant low value (a value that does not substantially affect the measurement of NOx) by operating the main pump cell 21 and the auxiliary pump cell 50. The gas to be measured is supplied to the measurement pump cell 41. Therefore, the NOx concentration in the measured gas is determined based on the pump current Ip2 that flows when oxygen generated by the reduction of NOx is pumped out from the measurement pump cell 41 in substantially proportional to the concentration of NOx in the measured gas. You can know it.

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。 Further, the sensor element 101 includes a heater unit 70 which plays a role of temperature adjustment for heating and retaining the temperature of the sensor element 101 in order to enhance 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 by being 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 via a through hole 73, and generates heat by being supplied with power from the outside through the heater connector electrode 71 to heat and retain heat of 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。 Further, 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 dissipation hole 75 is a portion provided so as to penetrate the third substrate layer 3 and communicate with the reference gas introduction space 43, and for the purpose of alleviating the increase in internal pressure due to the temperature rise in the heater insulating layer 74. It is formed.

また、センサ素子本体101aは、図2,3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、センサ素子本体101aの上面側(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、センサ素子本体101aの下面側(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24は、例えばアルミナ、ジルコニア、スピネル、コージェライト,マグネシアなどの多孔質セラミックスからなるものである。本実施形態では、コーティング層24はアルミナからなる多孔質セラミックスであるものとした。特に限定するものではないが、コーティング層24の膜厚は例えば5~50μmであり、コーティング層24の気孔率は例えば10体積%~60体積%である。また、コーティング層24の表面(コーティング層24aの上面及びコーティング層24bの下面)の算術平均粗さRaは2.0~5.0μmとすることが好ましい。なお、特に限定するものではないが、コーティング層24が形成されるセンサ素子101の本体の表面(第2固体電解質層6の上面及び第1基板層1の下面)の算術平均粗さRaは、例えば0.3~1.0μmである。 Further, as shown in FIGS. 2 and 3, the sensor element main body 101a includes a coating layer 24. The coating layer 24 is a coating that covers the upper surface side (upper surface of the second solid electrolyte layer 6) of the sensor element main body 101a and the lower surface side (lower surface of the first substrate layer 1) of the sensor element main body 101a. The layer 24b and the like are provided. The coating layer 24a also covers the surface of the outer pump electrode 23. 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 made of porous ceramics made of alumina. Although not particularly limited, the film thickness of the coating layer 24 is, for example, 5 to 50 μm, and the porosity of the coating layer 24 is, for example, 10% by volume to 60% by volume. Further, the arithmetic mean roughness Ra of the surface of the coating layer 24 (the upper surface of the coating layer 24a and the lower surface of the coating layer 24b) is preferably 2.0 to 5.0 μm. Although not particularly limited, the arithmetic mean 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 determined. For example, it is 0.3 to 1.0 μm.

また、センサ素子本体101aは、図2,3に示すように、一部が多孔質保護層91により被覆されている。多孔質保護層91は、センサ素子本体101a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、センサ素子本体101a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、センサ素子本体101a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、センサ素子本体101aの左面の一部を被覆している。多孔質保護層91dは、センサ素子本体101aの右面の一部を被覆している。多孔質保護層91eは、センサ素子本体101a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本体101aの表面のうち、センサ素子本体101aの前端面から後方に向かって距離L(図3参照)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。多孔質保護層91は、センサ素子本体101aの一部(センサ素子本体101aの前端面を含む、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。多孔質保護層91は、例えば被測定ガス中の水分等が付着してセンサ素子本体101a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本体101a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<センサ素子本体101aの長手方向の長さ)の範囲で定められている。 Further, as shown in FIGS. 2 and 3, the sensor element main body 101a is partially covered with the porous protective layer 91. The porous protective layer 91 includes porous protective layers 91a to 91e formed on five of the six surfaces of the sensor element main body 101a, respectively. The porous protective layer 91a covers a part of the upper surface (upper surface of the coating layer 24a) of the sensor element main body 101a. The porous protective layer 91b covers a part of the lower surface (lower surface of the coating layer 24b) of the sensor element main body 101a. The porous protective layer 91c covers a part of the left surface of the sensor element main body 101a. The porous protective layer 91d covers a part of the right surface of the sensor element main body 101a. The porous protective layer 91e covers the entire front end surface of the sensor element main body 101a. Each of the porous protective layers 91a to 91d is a region of the surface of the sensor element main body 101a on which the porous protective layers 91a to 91d are formed, from the front end surface of the sensor element main body 101a to the rearward distance L (see FIG. 3). Covers everything. Further, 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 inside of the porous protective layer 91e and reaches the gas inlet. It is possible. The porous protective layer 91 covers a part of the sensor element main body 101a (a part from the front end surface to the distance L including the front end surface of the sensor element main body 101a) to protect the part. The porous protective layer 91 plays a role of suppressing, for example, moisture in the gas to be measured from adhering to the sensor element main body 101a to cause cracks. Further, the porous protective layer 91a plays a role of suppressing deterioration of the outer pump electrode 23 by suppressing the oil component and the like contained in the gas to be measured from adhering to the outer pump electrode 23. The distance L is (0 <distance L <length in the longitudinal direction of the sensor element main body 101a ) based on the range in which the sensor element main body 101a is exposed to the gas to be measured in the gas sensor 100, the position of the outer pump electrode 23, and the like. ) Is defined.

多孔質保護層91は、多孔質体であり、構成粒子としてセラミックス粒子を含むことが好ましく、アルミナ,ジルコニア,スピネル,コージェライト,チタニア,及びマグネシアの少なくともいずれかの粒子を含むことがより好ましい。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。多孔質保護層91の気孔率は例えば5体積%~40体積%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 a porous body and preferably contains ceramic particles as constituent particles, and more preferably contains at least one of alumina, zirconia, spinel, cordierite, titania, and magnesia. In the present embodiment, the porous protective layer 91 is made of an alumina porous body. The porosity of the porous protective layer 91 is, for example, 5% by volume to 40% by volume. Since the adhesion is high, it is preferable that the coating layers 24a and 24b and the porous protective layers 91a and 91b formed on the surface thereof are made of the same material.

多孔質保護層91は、厚さ方向100μmあたりの構成粒子の粒子界面数である単位厚さ方向界面数が値15以上250以下となっている。以下、単位厚さ方向界面数について説明する。単位厚さ方向界面数は、多孔質保護層91を走査型電子顕微鏡(SEM)を用いて観察して得られた画像(SEM画像)を用いて測定する。図4は、多孔質保護層91aの単位厚さ方向界面数等を測定する様子を示す概念図である。図4の上段に、SEM画像の概念図を示した。このような画像は、次のようにして得ることができる。まず、センサ素子101の左右方向(幅方向)に沿った断面(図4下段参照)を観察面とするようにセンサ素子101を切断する。次に、切断面の樹脂埋め及び研磨を行って観察用試料とする。そして、SEMの倍率を3000倍に設定して観察用試料の観察面を撮影することで図4上段のようなSEM画像を得る。 The porous protective layer 91 has a unit thickness direction interface number of 15 or more and 250 or less, which is the number of particle interfaces of the constituent particles per 100 μm in the thickness direction. Hereinafter, the number of interfaces in the unit thickness direction will be described. The number of interfaces in the unit thickness direction is measured using an image (SEM image) obtained by observing the porous protective layer 91 with a scanning electron microscope (SEM). FIG. 4 is a conceptual diagram showing how the number of interfaces in the unit thickness direction of the porous protective layer 91a is measured. A conceptual diagram of the SEM image is shown in the upper part of FIG. Such an image can be obtained as follows. First, the sensor element 101 is cut so that the cross section (see the lower part of FIG. 4) along the left-right direction (width direction) of the sensor element 101 is the observation surface. Next, the cut surface is filled with resin and polished to prepare a sample for observation. Then, by setting the magnification of SEM to 3000 times and photographing the observation surface of the observation sample, an SEM image as shown in the upper part of FIG. 4 is obtained.

次に、このSEM画像中に、厚さ方向の基準線を描画する。厚さ方向は、SEM画像中の多孔質保護層91が形成された固体電解質層の表面に垂直な方向として定める。この厚さ方向に沿った直線を、厚さ方向の基準線として描画する。図4では第2固体電解質層6の上面に垂直な方向(上下方向)が厚さ方向となる。なお、図4では第2固体電解質層6の上面と多孔質保護層91aとを共に含むSEM画像の例を示しているが、多孔質保護層91のSEM画像に厚さ方向の基準線を描画できれば(SEM画像中の厚さ方向が定まれば)よい。例えば、第2固体電解質層6と多孔質保護層91aとが別々のSEM画像として撮影されていてもよい。続いて、SEM画像中で、厚さ方向の基準線に沿って厚さ方向100μmの領域を定め、多孔質保護層91の構成粒子のうちこの領域内で厚さ方向の基準線と交差している粒子を特定する。なお、多孔質保護層91が複数種類の構成粒子を含んでいる場合でも、構成粒子の種類は特に区別することなく、厚さ方向の基準線と交差している粒子を全て特定する。そして、特定した粒子間の界面の数を単位厚さ方向界面数とする。図4では、厚さ方向100μmの領域内で、多孔質保護層91aの構成粒子のうち9つの粒子A~Iが厚さ方向の基準線と交差している。そのため、図4の例では、粒子A~I間の界面(粒子A,B間の界面,粒子B,C間の界面,・・・,粒子H,I間の界面)の数である値8が、多孔質保護層91aの単位厚さ方向界面数となる。なお、図4に示す粒子A,B間のようにSEM画像中で粒子同士が離れている場合も、粒子A,B間の1つの界面として計算する。そのため、単位厚さ方向界面数は、厚さ方向100μmの領域内で厚さ方向の基準線と交差している粒子の数(図4では9個)から値1を減じた数となる。なお、多孔質保護層91aの厚さが100μm未満の場合は、厚さ方向の基準線に沿って多孔質保護層91aの厚さ方向の全体についての構成粒子間の界面数を測定する。そして、測定した値を厚さ100μmあたりに換算した値を、単位厚さ方向界面数とする。 Next, a reference line in the thickness direction is drawn in this SEM image. The thickness direction is defined as the direction perpendicular to the surface of the solid electrolyte layer on which the porous protective layer 91 is formed in the SEM image. A straight line along the thickness direction is drawn as a reference line in the thickness direction. In FIG. 4, the direction (vertical direction) perpendicular to the upper surface of the second solid electrolyte layer 6 is the thickness direction. Although FIG. 4 shows an example of an SEM image including both the upper surface of the second solid electrolyte layer 6 and the porous protective layer 91a, a reference line in the thickness direction is drawn on the SEM image of the porous protective layer 91. If possible (if the thickness direction in the SEM image is determined). For example, the second solid electrolyte layer 6 and the porous protective layer 91a may be photographed as separate SEM images. Subsequently, in the SEM image, a region of 100 μm in the thickness direction is defined along the reference line in the thickness direction, and the constituent particles of the porous protective layer 91 intersect with the reference line in the thickness direction in this region. Identify the particles that are present. Even when the porous protective layer 91 contains a plurality of types of constituent particles, all the particles intersecting the reference line in the thickness direction are specified without particularly distinguishing the types of the constituent particles. Then, the number of interfaces between the specified particles is defined as the number of interfaces in the unit thickness direction. In FIG. 4, nine particles A to I among the constituent particles of the porous protective layer 91a intersect the reference line in the thickness direction within the region of 100 μm in the thickness direction. Therefore, in the example of FIG. 4, the value 8 is the number of interfaces between particles A and I (interfaces between particles A and B, interfaces between particles B and C, ..., Interfaces between particles H and I). Is the number of interfaces in the unit thickness direction of the porous protective layer 91a. Even when the particles are separated from each other in the SEM image as between the particles A and B shown in FIG. 4, the calculation is performed as one interface between the particles A and B. Therefore, the number of interfaces in the unit thickness direction is the number obtained by subtracting the value 1 from the number of particles (9 in FIG. 4) that intersect the reference line in the thickness direction within the region of 100 μm in the thickness direction. When the thickness of the porous protective layer 91a is less than 100 μm, the number of interfaces between the constituent particles in the entire thickness direction of the porous protective layer 91a is measured along the reference line in the thickness direction. Then, the value obtained by converting the measured value per 100 μm thickness is defined as the number of interfaces in the unit thickness direction.

多孔質保護層91b~91eについても、上記と同様にして単位厚さ方向界面数をそれぞれ導出することができる。なお、厚さ方向は多孔質保護層91b~91eの各々のSEM画像から定める。例えば、多孔質保護層91cの厚さ方向は左右方向となる。また、多孔質保護層91eの単位厚さ方向界面数を測定する際は、センサ素子101の前後方向(長手方向)に沿った断面を観察面とする。 For the porous protective layers 91b to 91e, the number of interfaces in the unit thickness direction can be derived in the same manner as described above. The thickness direction is determined from the SEM images of the porous protective layers 91b to 91e. For example, the thickness direction of the porous protective layer 91c is the left-right direction. When measuring the number of interfaces in the unit thickness direction of the porous protective layer 91e, the cross section of the sensor element 101 along the front-rear direction (longitudinal direction) is used as the observation surface.

本実施形態では、多孔質保護層91a~91eのいずれも(すなわち多孔質保護層91全体)が上述した「単位厚さ方向界面数が値15以上250以下」という条件(以下、第1条件とも称する)を満たしているものとした。多孔質保護層91a~91eのいずれか1以上の単位厚さ方向界面数は値17以上としてもよく、値30以上であることがより好ましい。多孔質保護層91a~91eのいずれか1以上の単位厚さ方向界面数は値200以下,値150以下,値100以下,値50以下としてもよい。なお、特にこれに限定するものではないが、多孔質保護層91の厚さは例えば1000μm以下であり、700μm以下,500μm以下,250μm以下,200μm以下,150μm以下としてもよい。また、多孔質保護層91の厚さは50μm以上、100μm以上としてもよい。ここで、多孔質保護層91aの厚さ方向の構成粒子の分布に偏りがない場合、多孔質保護層91aの厚さ方向全体に亘っての構成粒子の粒子界面数を厚さ方向総界面数とすると、厚さ方向総界面数=単位厚さ方向界面数×多孔質保護層91aの厚さ(μm)/100μmとして導出できる。また、厚さが50μm以上であり且つ第1条件を満たしている多孔質保護層91aは、厚さ方向総界面数が値7.5以上であることになる。多孔質保護層91b~91eについても、同様である。 In the present embodiment, the condition that all of the porous protective layers 91a to 91e (that is, the entire porous protective layer 91) has the above-mentioned "number of interfaces in the unit thickness direction is a value of 15 or more and 250 or less" (hereinafter, both the first condition). It is assumed that the condition (referred to as) is satisfied. The number of interfaces in the unit thickness direction of any one or more of the porous protective layers 91a to 91e may be a value of 17 or more, and more preferably a value of 30 or more. The number of interfaces in the unit thickness direction of any one or more of the porous protective layers 91a to 91e may be 200 or less, 150 or less, 100 or less, and 50 or less. Although not particularly limited to this, the thickness of the porous protective layer 91 is, for example, 1000 μm or less, and may be 700 μm or less, 500 μm or less, 250 μm or less, 200 μm or less, 150 μm or less. Further, the thickness of the porous protective layer 91 may be 50 μm or more and 100 μm or more. Here, when the distribution of the constituent particles in the thickness direction of the porous protective layer 91a is not biased, the number of particle interfaces of the constituent particles over the entire thickness direction of the porous protective layer 91a is the total number of interfaces in the thickness direction. Then, it can be derived as the total number of interfaces in the thickness direction = the number of interfaces in the unit thickness direction × the thickness (μm) of the porous protective layer 91a / 100 μm. Further, the porous protective layer 91a having a thickness of 50 μm or more and satisfying the first condition has a total number of interfaces in the thickness direction of 7.5 or more. The same applies to the porous protective layers 91b to 91e.

また、多孔質保護層91は、単位厚さ方向界面数と、厚さ方向に垂直な表面方向100μmあたりの構成粒子の粒子界面数である単位表面方向界面数と、の界面数比(=単位表面方向界面数/単位厚さ方向界面数)が値0超過0.7以下となっている。単位表面方向界面数は、単位厚さ方向界面数と同様に測定する。まず、図4に示すように、SEM画像中の上述した厚さ方向の基準線に垂直な直線を、表面方向の基準線として描画する。続いて、SEM画像中で、表面方向の基準線に沿って表面方向100μmの領域を定める。なお、表面方向100μmの領域の表面方向(図の左右方向)の中央に厚さ方向の基準線が位置するように、表面方向100μmの領域を定める。そして、多孔質保護層91の構成粒子のうちこの領域内で表面方向の基準線と交差している粒子を特定し、特定した粒子間の界面の数を単位表面方向界面数とする。単位表面方向界面数は、表面方向100μmの領域内で表面方向の基準線と交差している粒子の数(図4では6個)から値1を減じた数となる。なお、図4の粒子J,K間のように、2つの粒子の間に表面方向の基準線と交差している界面が複数(図4では2つ)ある場合も、粒子J,K間の界面は1つとして計算する。この考え方は単位厚さ方向界面数の測定時も同様とする。 Further, the porous protective layer 91 has an interface number ratio (= unit) of the number of interfaces in the unit thickness direction and the number of interfaces in the unit surface direction, which is the number of interface of constituent particles per 100 μm in the surface direction perpendicular to the thickness direction. The number of interfaces in the surface direction / the number of interfaces in the unit thickness direction) is greater than 0 and 0.7 or less. The number of interfaces in the unit surface direction is measured in the same manner as the number of interfaces in the unit thickness direction. First, as shown in FIG. 4, a straight line perpendicular to the above-mentioned reference line in the thickness direction in the SEM image is drawn as a reference line in the surface direction. Subsequently, in the SEM image, a region of 100 μm in the surface direction is defined along the reference line in the surface direction. The region of 100 μm in the surface direction is defined so that the reference line in the thickness direction is located at the center of the region of 100 μm in the surface direction in the surface direction (left-right direction in the figure). Then, among the constituent particles of the porous protective layer 91, the particles that intersect the reference line in the surface direction in this region are specified, and the number of interfaces between the specified particles is defined as the number of interfaces in the unit surface direction. The unit surface-direction interface number is the number obtained by subtracting the value 1 from the number of particles (6 in FIG. 4) that intersect the surface-direction reference line in the region of 100 μm in the surface direction. Even when there are a plurality of interfaces (two in FIG. 4) intersecting the reference line in the surface direction between the two particles, such as between the particles J and K in FIG. 4, the space between the particles J and K is reached. The interface is calculated as one. This idea is the same when measuring the number of interfaces in the unit thickness direction.

本実施形態では、多孔質保護層91a~91eのいずれも(すなわち多孔質保護層91全体)が上述した「界面数比が値0超過0.7以下」という条件(以下、第2条件とも称する)を満たしているものとした。なお、多孔質保護層91a~91eのいずれか1以上の界面数比は値0.6以下としてもよく、値0.4以下,0.3以下とすることが好ましい。多孔質保護層91a~91eのいずれか1以上の界面数比は値0.15以上としてもよい。多孔質保護層91a~91eのいずれか1以上の単位表面方向界面数は値5以上であってもよいし、値10.5以下,値10以下であってもよい。なお、多孔質保護層91aの界面数比が値1未満である場合、図4に示したように、多孔質保護層91aの構成粒子が厚さ方向につぶれた形状(構成粒子の厚さ方向の大きさが厚さ方向に垂直な方向の大きさよりも小さい形状)をしている傾向にあることになる。多孔質保護層91b~91eについても、同様である。 In the present embodiment, the condition that all of the porous protective layers 91a to 91e (that is, the entire porous protective layer 91) has the above-mentioned "interface number ratio of more than 0 and 0.7 or less" (hereinafter, also referred to as a second condition). ) Satisfied. The interface number ratio of any one or more of the porous protective layers 91a to 91e may be a value of 0.6 or less, preferably 0.4 or less and 0.3 or less. The interface number ratio of any one or more of the porous protective layers 91a to 91e may be a value of 0.15 or more. The number of interfaces in the unit surface direction of any one or more of the porous protective layers 91a to 91e may be a value of 5 or more, a value of 10.5 or less, and a value of 10 or less. When the interface number ratio of the porous protective layer 91a is less than 1, as shown in FIG. 4, the constituent particles of the porous protective layer 91a are crushed in the thickness direction (thickness direction of the constituent particles). The size of the particles is smaller than the size in the direction perpendicular to the thickness direction). The same applies to the porous protective layers 91b to 91e.

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、まずセンサ素子本体101aを製造し、次にセンサ素子本体101aに多孔質保護層91を形成してセンサ素子101を製造する。 Next, a method of manufacturing such a gas sensor 100 will be described. In the method of manufacturing the gas sensor 100, first, the sensor element main body 101a is manufactured, and then the porous protective layer 91 is formed on the sensor element main body 101a to manufacture the sensor element 101.

最初に、センサ素子本体101a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(センサ素子本体101a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(センサ素子本体101aの下面となる面)には、焼成後にコーティング層24bとなるペーストをスクリーン印刷する。なお、コーティング層24a,24bとなるペーストは、上述したコーティング層24の材質からなる原料粉末(本実施形態ではアルミナの粉末)と、有機バインダー及び有機溶剤等を混合したものを用いる。また、このペーストは、焼成後のコーティング層24の表面の算術平均粗さRaが2.0~5.0μmとなるように、予め調整しておくことが好ましい。特にこれに限定するものではないが、例えば、原料粉末の粒径をD50=2~20μm,体積割合を5~20vol%とし、バインダー溶液を20~40vol%とし、助溶剤を30~50vol%とし、分散剤を1~5vol%としてこれらを調合し、回転数を50~250rpmとして2~6時間混合したペーストを用いることで、焼成後のコーティング層24の表面の算術平均粗さRaを2.0~5.0μmとすることができる。このように各種のパターンを形成したあと、グリーンシートを乾燥する。その後、それらを積層して積層体とする。こうして得られた積層体は、複数個のセンサ素子本体101a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本体101aの大きさに切り分け、所定の焼成温度で焼成して、センサ素子本体101a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本体101a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 of manufacturing the sensor element main body 101a will be described. First, six unfired ceramic green sheets are prepared. Then, corresponding to 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, respectively. Print patterns such as electrodes, insulating layers, and resistance heating elements on a ceramic green sheet. Further, a paste to be the coating layer 24a after firing is screen-printed on the surface of the ceramic green sheet to be the second solid electrolyte layer 6 (the surface to be the upper surface of the sensor element main body 101a). Similarly, a paste to be the coating layer 24b after firing is screen-printed on the surface of the ceramic green sheet to be the first substrate layer 1 (the surface to be the lower surface of the sensor element main body 101a). As the paste to be the coating layers 24a and 24b, a mixture of a 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 is used. Further, it is preferable that this paste is 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 to this, 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 auxiliary solvent is 30 to 50 vol%. The arithmetic mean roughness Ra of the surface of the coating layer 24 after firing was determined by using a paste prepared by blending these with a dispersant of 1 to 5 vol% and mixing at a rotation speed of 50 to 250 rpm for 2 to 6 hours. It can be 0 to 5.0 μm. After forming various patterns in this way, the green sheet is dried. Then, they are laminated to form a laminated body. The laminated body thus obtained includes a plurality of sensor element main bodies 101a. The laminate is cut into pieces of the size of the sensor element main body 101a and fired at a predetermined firing temperature to obtain the sensor element main body 101a. A method for manufacturing a sensor element main body 101a by laminating a plurality of green sheets is known, and is described in, for example, JP-A-2008-164411, JP-A-2009-175099 and the like.

次に、センサ素子本体101aに多孔質保護層91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層91a~91eを1層ずつ形成していくものとした。図5は、プラズマガン170を用いたプラズマ溶射の説明図である。なお、図5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170を断面で示している。プラズマガン170は、プラズマを発生させる電極となるアノード176及びカソード178と、それらを覆う略円筒状の外周部172と、を備えている。外周部172は、アノード176と絶縁するための絶縁部(インシュレータ)173を備えている。外周部172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184を供給するための粉末供給部182が形成されている。外周部172とアノード176との間には水冷ジャケット174が設けられており、これによりアノード176を冷却可能となっている。アノード176は筒状に形成されており、下方に向けて開口したノズル176aを有している。アノード176とカソード178との間には、上方からプラズマ発生用ガス180が供給される。なお、このようなプラズマガン170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 of forming the porous protective layer 91 on the sensor element main body 101a will be described. In the present embodiment, the porous protective layers 91a to 91e are formed one by one by plasma spraying. FIG. 5 is an explanatory diagram of plasma spraying using a plasma gun 170. Note that FIG. 5 shows the formation of the porous protective layer 91a as an example, and the plasma gun 170 is shown in cross section. The plasma gun 170 includes an anode 176 and a cathode 178 that serve as electrodes for generating plasma, and a substantially cylindrical outer peripheral portion 172 that covers them. The outer peripheral portion 172 includes an insulating portion (insulator) 173 for insulating the anode 176. At the lower end of the outer peripheral portion 172, a powder supply portion 182 for supplying the powder spraying material 184, which is a material for forming the porous protective layer 91, is formed. A water-cooled jacket 174 is provided between the outer peripheral portion 172 and the anode 176, whereby the anode 176 can be cooled. The anode 176 is formed in a cylindrical shape and has a nozzle 176a that opens downward. A plasma generating gas 180 is supplied from above between the anode 176 and the cathode 178. Such a plasma gun 170 is known and is described in, for example, the above-mentioned Patent Document 1.

多孔質保護層91aを形成する際には、プラズマガン170のアノード176とカソード178との間に電圧を印加し、供給されたプラズマ発生用ガス180の存在下でアーク放電を行って、プラズマ発生用ガス180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176aから図5の下方へ噴出する。一方、粉末供給部182からは、キャリアガスと共に粉末溶射材料184を供給する。これにより、粉末溶射材料184はプラズマにより加熱溶融及び加速されてセンサ素子本体101a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170の溶射の向き(ノズル176a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、センサ素子本体101a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、センサ素子本体101aの固体電解質層(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。多孔質保護層91c~91eを1層ずつ作成する場合、コーティング層24上に形成する多孔質保護層91a,91bを先に形成し、多孔質保護層91c~91eは形成済みの多孔質保護層と端部が接続されるように形成することが好ましい。また、多孔質保護層91a~91eのうち2以上を同時に形成してもよい。以上により、センサ素子本体101a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層91となり、センサ素子101を得る。 When forming the porous protective layer 91a, a voltage is applied between the anode 176 and the cathode 178 of the plasma gun 170, and an arc discharge is performed in the presence of the supplied plasma generation gas 180 to generate plasma. Put the gas 180 in a high temperature plasma state. The gas in the plasma state is ejected from the nozzle 176a to the lower part of FIG. 5 as a high-temperature and high-speed plasma jet. On the other hand, the powder spraying material 184 is supplied together with the carrier gas from the powder supply unit 182. As a result, the powder sprayed material 184 is heated, melted and accelerated by plasma, collides with the surface (upper surface) of the sensor element main body 101a, and rapidly solidifies, thereby forming the porous protective layer 91a. The direction of thermal spraying of the plasma gun 170 (direction of the nozzle 176a) is not particularly limited, and it is sufficient that 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 surfaces formed on the sensor element main body 101a are different. The porous protective layers 91a and 91b are formed on the surfaces of the coating layers 24a and 24b, respectively, as described above. The porous protective layers 91c to 91e are directly formed on the surface of the solid electrolyte layer (each layer 1 to 6) of the sensor element main body 101a. Plasma spraying is performed, for example, in an atmosphere or an atmosphere at room temperature. When the porous protective layers 91c to 91e are prepared one by one, the porous protective layers 91a and 91b to be formed on the coating layer 24 are formed first, and the porous protective layers 91c to 91e are the formed porous protective layers. It is preferable to form so that the end portion is connected to the. Further, two or more of the porous protective layers 91a to 91e may be formed at the same time. As a result, the porous protective layers 91a to 91e are formed on the upper, lower, left and right surfaces and the front end surface of the sensor element main body 101a, respectively, to form the porous protective layer 91, and the sensor element 101 is obtained.

ここで、プラズマ発生用ガス180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180とすることが好ましい。アルゴンと窒素とを混合したものをプラズマ発生用ガス180としてもよい。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,供給圧力は例えば0.5~0.6MPaであり、水素の流量は例えば9~11L/min,供給圧力は例えば0.5~0.6MPaである。アノード176とカソード178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。なお、プラズマ発生時の条件(プラズマ発生用ガス180の流量,供給圧力や、印加電圧,電流)を調整することで、多孔質保護層91の単位厚さ方向界面数や界面数比を調整することができる。プラズマ発生時の条件は、多孔質保護層91の構成粒子が厚さ方向につぶれた形状(図4参照)となるように調整することが好ましい。構成粒子が厚さ方向につぶれた形状になれば単位厚さ方向界面数が大きくなりやすいため、単位厚さ方向界面数を比較的容易に値15以上とすることができる。また、構成粒子が厚さ方向につぶれた形状になれば界面数比が小さくなりやすいため、界面数比を比較的容易に値0超過0.7以下とすることができる。例えば、印加電圧や電流を上記のように比較的高い値に設定することで、粉末溶射材料184が溶融しやすくなり、構成粒子がセンサ素子本体101aの表面に衝突した際に厚さ方向につぶれた形状になりやすい。同様に、プラズマ発生用ガス180の流量や供給圧力も上記のように比較的高い値に設定することが好ましい。 Here, as the plasma generating gas 180, an inert gas such as argon gas can be used. Further, since plasma is likely to be generated, it is preferable to use a mixture of argon and hydrogen as the plasma generation gas 180. A mixture of argon and nitrogen may be used as the plasma generating gas 180. Although not particularly limited, the flow rate of argon gas is, for example, 40 to 50 L / min, the supply pressure is, for example, 0.5 to 0.6 MPa, the flow rate of hydrogen is, for example, 9 to 11 L / min, and the supply pressure is, for example, 0. It is .5 to 0.6 MPa. The voltage applied between the anode 176 and the cathode 178 is, for example, a DC voltage of 50 to 70 V, and the current is, for example, 500 to 550 A. By adjusting the conditions at the time of plasma generation (flow rate of plasma generation gas 180, supply pressure, applied voltage, current), the number of interfaces and the number of interfaces in the unit thickness direction of the porous protective layer 91 can be adjusted. be able to. The conditions at the time of plasma generation are preferably adjusted so that the constituent particles of the porous protective layer 91 are crushed in the thickness direction (see FIG. 4). If the constituent particles are crushed in the thickness direction, the number of interfaces in the unit thickness direction tends to increase, so that the number of interfaces in the unit thickness direction can be relatively easily set to a value of 15 or more. Further, since the interface number ratio tends to be small if the constituent particles are crushed in the thickness direction, the interface number ratio can be relatively easily set to a value of more than 0 and 0.7 or less. For example, by setting the applied voltage and current to relatively high values as described above, the powder spraying material 184 is likely to melt, and when the constituent particles collide with the surface of the sensor element main body 101a, they are crushed in the thickness direction. It tends to have a different shape. Similarly, it is preferable to set the flow rate and the supply pressure of the plasma generating gas 180 to relatively high values as described above.

粉末溶射材料184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184の粒径は例えば1μm~50μmであり、1μm~20μmがより好ましい。粉末溶射材料184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180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であり、供給圧力は例えば0.5~0.6MPaである。なお、粉末溶射材料184の粒径を調整することで、多孔質保護層91の単位厚さ方向界面数や単位表面方向界面数を調整することができる。粒径が小さいほど、単位厚さ方向界面数や単位表面方向界面数が大きくなりやすい。ただし、粒径が小さ過ぎると粉末供給部182が詰まりやすくなるため、粉末溶射材料184の粒子の真球度を高くしたり、キャリアガスの供給圧力を大きくしたりすることが好ましい。 The powder spraying material 184 is a powder that is a material for the above-mentioned porous protective layer 91, and is an alumina powder in the present embodiment. Although not particularly limited, the particle size of the powder sprayed material 184 is, for example, 1 μm to 50 μm, more preferably 1 μm to 20 μm. As the carrier gas used for supplying the powder spraying material 184, for example, the same argon gas as the plasma generating gas 180 can be used. Although not particularly limited, the flow rate of the carrier gas is, for example, 3 to 4 L / min, and the supply pressure is, for example, 0.5 to 0.6 MPa. By adjusting the particle size of the powder sprayed material 184, the number of interfaces in the unit thickness direction and the number of interfaces in the unit surface direction of the porous protective layer 91 can be adjusted. The smaller the particle size, the larger the number of interfaces in the unit thickness direction and the number of interfaces in the unit surface direction. However, if the particle size is too small, the powder supply unit 182 is likely to be clogged, so it is preferable to increase the sphericity of the particles of the powder spraying material 184 or increase the supply pressure of the carrier gas.

プラズマ溶射を行う際は、プラズマガン170におけるプラズマガスの出口であるノズル176aとセンサ素子本体101aにおける多孔質保護層91を形成する面(図5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170を移動(図5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、センサ素子本体101a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 176a, which is the outlet of the plasma gas in the plasma gun 170, and the surface (upper surface of the coating layer 24a in FIG. 5) forming the porous protective layer 91 in the sensor element main body 101a is set. It is preferably 50 mm 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 170 (moving in the left-right direction in FIG. 5) according to the area forming the porous protective layer 91, but the distance W is also in the above-mentioned range. It is preferable to keep it at. 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. When the porous protective layer 91 is formed on a part of the surface of the sensor element main body 101a (the region from the front end to the rear to a distance L) such as the porous protective layer 91a to the porous protective layer 91d. May cover the region that does not form the porous protective layer 91 with a mask.

センサ素子101を得ると、用意したサポーター124,厚粉体126内にこのセンサ素子101を貫通させ、図1の上側から主体金具122の内側の貫通孔内にこれらを挿入して、センサ素子101を素子封止体120で固定する。そして、ナット130や保護カバー110などを取り付けることで、ガスセンサ100が得られる。なお、このようなガスセンサの製造方法は公知であり、例えば国際公開2013/005491号に記載されている。 When the sensor element 101 is obtained, the sensor element 101 is passed through the prepared supporter 124 and the thick powder 126, and these are inserted into the through holes inside the main metal fitting 122 from the upper side of FIG. 1, and the sensor element 101 is obtained. Is fixed with the element sealant 120. Then, by attaching the nut 130, the protective cover 110, or the like, the gas sensor 100 can be obtained. A method for manufacturing such a gas sensor is known and is described in, for example, International Publication No. 2013/005491.

こうして構成されたガスセンサ100の使用時には、配管140内の被測定ガスが保護カバー110内に流入してセンサ素子101に到達し、多孔質保護層91を通過してガス導入口10内に流入する。そして、センサ素子101は、ガス導入口10内に流入した被測定ガス中のNOx濃度を検出する。このとき、被測定ガスに含まれる水分も保護カバー110内に侵入して、多孔質保護層91の表面に付着する場合がある。センサ素子本体101aは、上述したようにヒータ72により固体電解質が活性化する温度(例えば800℃など)に調整されており、センサ素子101に水分が付着すると温度が急激に低下してセンサ素子本体101aにクラックが生じる場合がある。ここで、本実施形態の多孔質保護層91は、単位厚さ方向界面数が値15以上となっている。この単位厚さ方向界面数が多いほど、多孔質保護層91の厚さ方向への熱伝導が生じにくい傾向にある。すなわち、多孔質保護層91の表面に水分が付着した場合のセンサ素子本体101aの冷えが抑制される傾向にある。この理由は、構成粒子内の熱伝導と比べて構成粒子間の熱伝導が生じにくいためと考えられる。そして、単位厚さ方向界面数が値15以上であることで、センサ素子本体101aの冷えを抑制する効果すなわちセンサ素子101の耐被水性を向上させる効果が得られ、クラックの発生を抑制できる。なお、単位厚さ方向界面数が多いほど、多孔質保護層91中の単位厚さあたりの構成粒子数が多いことになり、被測定ガスが多孔質保護層91を通過してセンサ素子本体101aに到達しにくくなる。単位厚さ方向界面数が値250以下であれば、被測定ガスが多孔質保護層91を通過できる。また、多孔質保護層91の単位厚さ方向界面数を値100以下,50以下とすることで、被測定ガスが多孔質保護層91をより通過しやすくなり、センサ素子101の応答性の低下を抑制できる。 When the gas sensor 100 configured in this way is used, the gas to be measured in the pipe 140 flows into the protective cover 110, reaches the sensor element 101, passes through the porous protective layer 91, and flows into the gas introduction port 10. .. Then, the sensor element 101 detects the NOx concentration in the gas to be measured that has flowed into the gas introduction port 10. At this time, the moisture contained in the gas to be measured may also enter the protective cover 110 and adhere to the surface of the porous protective layer 91. As described above, the sensor element main body 101a is adjusted to a temperature at which the solid electrolyte is activated by the heater 72 (for example, 800 ° C.), and when moisture adheres to the sensor element 101, the temperature drops sharply and the sensor element main body 101a. Cracks may occur in 101a. Here, the porous protective layer 91 of the present embodiment has a value of 15 or more interfaces in the unit thickness direction. As the number of interfaces in the unit thickness direction increases, heat conduction in the thickness direction of the porous protective layer 91 tends to be less likely to occur. That is, there is a tendency that the cooling of the sensor element main body 101a when moisture adheres to the surface of the porous protective layer 91 is suppressed. The reason for this is considered to be that heat conduction between the constituent particles is less likely to occur than heat conduction within the constituent particles. When the number of interfaces in the unit thickness direction is 15 or more, the effect of suppressing the cooling of the sensor element main body 101a, that is, the effect of improving the water resistance of the sensor element 101 can be obtained, and the occurrence of cracks can be suppressed. As the number of interfaces in the unit thickness direction increases, the number of constituent particles per unit thickness in the porous protective layer 91 increases, and the gas to be measured passes through the porous protective layer 91 and the sensor element main body 101a. It becomes difficult to reach. When the number of interfaces in the unit thickness direction is 250 or less, the gas to be measured can pass through the porous protective layer 91. Further, by setting the number of interfaces in the unit thickness direction of the porous protective layer 91 to a value of 100 or less and 50 or less, the gas to be measured can more easily pass through the porous protective layer 91, and the responsiveness of the sensor element 101 is lowered. Can be suppressed.

また、界面数比が小さいほど、多孔質保護層91の厚さ方向への熱伝導よりも多孔質保護層91の表面方向(厚さ方向に垂直な方向)への熱伝導が生じやすい傾向にある。この理由は、構成粒子内の熱伝導と比べて構成粒子間の熱伝導が生じにくいためと考えられる。これにより、界面数比が小さいほど、多孔質保護層91の表面に水分が付着した場合にセンサ素子本体101aの一部のみが急激に冷えることが抑制される傾向にある。そして、界面数比が0.7以下であることで、センサ素子本体101aの一部(水分が付着した部分)のみが急激に冷えることによるクラックの発生を抑制する効果、すなわちセンサ素子101の耐被水性を向上させる効果が得られる。 Further, the smaller the interface number ratio, the more likely it is that heat conduction in the surface direction (direction perpendicular to the thickness direction) of the porous protective layer 91 occurs rather than heat conduction in the thickness direction of the porous protective layer 91. be. The reason for this is considered to be that heat conduction between the constituent particles is less likely to occur than heat conduction within the constituent particles. As a result, the smaller the interface number ratio, the more it tends to be suppressed that only a part of the sensor element main body 101a is rapidly cooled when moisture adheres to the surface of the porous protective layer 91. When the interface number ratio is 0.7 or less, the effect of suppressing the generation of cracks due to the rapid cooling of only a part (the portion to which moisture adheres) of the sensor element body 101a, that is, the resistance of the sensor element 101. The effect of improving water coverage can be obtained.

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が本発明のガスセンサ素子に相当し、センサ素子本体101aが素子本体に相当し、多孔質保護層91が保護層に相当する。また、素子封止体120が固定部に相当する。 Here, the correspondence between the constituent elements of the present embodiment and the constituent elements of the present invention will be clarified. The sensor element 101 of the present embodiment corresponds to the gas sensor element of the present invention, the sensor element main body 101a corresponds to the element main body, and the porous protective layer 91 corresponds to the protective layer. Further, the element sealing body 120 corresponds to the fixing member .

以上説明した本実施形態のガスセンサ100によれば、センサ素子101は、酸素イオン伝導性の固体電解質層(各層1~6)を備えたセンサ素子本体101aと、センサ素子本体101aの少なくとも一部を被覆する多孔質保護層91と、を備えている。そして、多孔質保護層91の単位厚さ方向界面数が値15以上であることで、センサ素子101の耐被水性を向上させることができる。また、多孔質保護層91の単位厚さ方向界面数が値250以下であることで、ガスが多孔質保護層91を通過できる。 According to the gas sensor 100 of the present embodiment described above, the sensor element 101 includes a sensor element main body 101a provided with an oxygen ion conductive solid electrolyte layer (each layer 1 to 6) and at least a part of the sensor element main body 101a. A porous protective layer 91 for covering is provided. When the number of interfaces in the unit thickness direction of the porous protective layer 91 is 15 or more, the water resistance of the sensor element 101 can be improved. Further, when the number of interfaces in the unit thickness direction of the porous protective layer 91 is 250 or less, the gas can pass through the porous protective layer 91.

また、多孔質保護層91の界面数比(=単位表面方向界面数/単位厚さ方向界面数)が値0超過0.7以下であることで、センサ素子101の耐被水性を向上させることができる。 Further, the water resistance of the sensor element 101 is improved by setting the interface number ratio (= number of interface in the unit surface direction / number of interfaces in the unit thickness direction) of the porous protective layer 91 to be more than 0 and 0.7 or less. Can be done.

また、多孔質保護層91の単位厚さ方向界面数を値30以上とすることで、センサ素子101の耐被水性をより向上させることができる。さらに、多孔質保護層91の厚さが500μm以下であっても、センサ素子101の耐被水性を向上させる効果が得られる。ここで、多孔質保護層91の厚さが500μm以下と比較的薄い場合はセンサ素子101の耐被水性が不十分になりやすい。多孔質保護層91が第1条件と第2条件との少なくとも一方を満たすことでセンサ素子101の耐被水性が向上するため、このような比較的薄い多孔質保護層91に本発明を適用する意義が高い。 Further, by setting the number of interfaces in the unit thickness direction of the porous protective layer 91 to a value of 30 or more, the water resistance of the sensor element 101 can be further improved. Further, even if the thickness of the porous protective layer 91 is 500 μm or less, the effect of improving the water resistance of the sensor element 101 can be obtained. Here, when the thickness of the porous protective layer 91 is as thin as 500 μm or less, the water resistance of the sensor element 101 tends to be insufficient. Since the water resistance of the sensor element 101 is improved by satisfying at least one of the first condition and the second condition of the porous protective layer 91, the present invention is applied to such a relatively thin porous protective layer 91. Significant.

さらに、多孔質保護層91は構成粒子としてセラミックス粒子を含んでいる。セラミックス粒子は強度・耐熱性・耐食性の少なくとも1以上の観点から、センサ素子101の保護層に適している。また、多孔質保護層91は、構成粒子としてアルミナ,ジルコニア,スピネル,コージェライト,チタニア,及びマグネシアの少なくともいずれかの粒子を含んでいる。これらの材質は耐熱性が高いため、センサ素子101の保護層に適している。 Further, the porous protective layer 91 contains ceramic particles as constituent particles. The ceramic particles are suitable for the protective layer of the sensor element 101 from the viewpoint of at least one of strength, heat resistance, and corrosion resistance. Further, the porous protective layer 91 contains at least one of alumina, zirconia, spinel, cordierite, titania, and magnesia as constituent particles. Since these materials have high heat resistance, they are suitable for the protective layer of the sensor element 101.

さらにまた、センサ素子本体101aは、長尺な直方体形状であり、多孔質保護層91は、センサ素子本体101aのうち長手方向の一端面(前端面)と、一端面に垂直な4つの面(上下左右の面)の一端面側からセンサ素子本体101aの長手方向で距離Lまでの領域と、を被覆している(ただし、0<距離L<センサ素子本体101aの長手方向の長さ)。このように多孔質保護層91が5つの面を被覆することで、例えば多孔質保護層91が4面以下の面しか被覆しない場合と比べて、多孔質保護層91によりセンサ素子本体101aを保護する効果が高まる。 Furthermore, the sensor element body 101a has a long rectangular shape, and the porous protective layer 91 has one end surface (front end surface) in the longitudinal direction of the sensor element body 101a and four surfaces perpendicular to one end surface (the front end surface). It covers a region from one end surface side of the upper, lower, left, and right surfaces to a distance L in the longitudinal direction of the sensor element main body 101a (however, 0 <distance L <length of the sensor element main body 101a in the longitudinal direction). By covering the five surfaces of the porous protective layer 91 in this way, for example, the porous protective layer 91 protects the sensor element main body 101a as compared with the case where the porous protective layer 91 covers only four or less surfaces. The effect of

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 carried out in various embodiments 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、多孔質保護層91は第1条件と第2条件とを共に満たしていたが、少なくともいずれか一方の条件を満たしていればよい。 For example, in the above-described embodiment, the porous protective layer 91 satisfies both the first condition and the second condition, but at least one of the conditions may be satisfied.

上述した実施形態では、多孔質保護層91a~91eのいずれもが第1条件を満たしているが、多孔質保護層91a~91eのうち少なくとも1以上が第1条件を満たしていればよい。多孔質保護層91a~91eのうち1つでも第1条件を満たしていれば、少なくとも第1条件を満たした多孔質保護層については上述した効果が得られる。そのため、例えば多孔質保護層91a~91eのいずれかの単位厚さ方向界面数が値15未満又は250超過であってもよい。ただし、多孔質保護層91a~91eのうち第1条件を満たす多孔質保護層は多い方が好ましく、多孔質保護層91a~91eのいずれも(すなわち多孔質保護層91全体)が第1条件を満たしていることがより好ましい。同様に、多孔質保護層91a~91eのうち少なくとも1以上が第2条件を満たしていれば、第2条件を満たした多孔質保護層については上述した効果が得られる。 In the above-described embodiment, all of the porous protective layers 91a to 91e satisfy the first condition, but at least one or more of the porous protective layers 91a to 91e may satisfy the first condition. If at least one of the porous protective layers 91a to 91e satisfies the first condition, the above-mentioned effect can be obtained for the porous protective layer satisfying at least the first condition. Therefore, for example, the number of interfaces in the unit thickness direction of any of the porous protective layers 91a to 91e may be less than 15 or more than 250. However, among the porous protective layers 91a to 91e, it is preferable that there are many porous protective layers satisfying the first condition, and all of the porous protective layers 91a to 91e (that is, the entire porous protective layer 91) satisfy the first condition. It is more preferable to satisfy. Similarly, if at least one or more of the porous protective layers 91a to 91e satisfy the second condition, the above-mentioned effect can be obtained for the porous protective layer satisfying the second condition.

上述した実施形態では、例えば多孔質保護層91aのいずれの箇所で単位厚さ方向界面数を測定するかについて言及しなかったが、これについて説明する。なお、以下の説明は多孔質保護層91b~91eについても同様である。多孔質保護層91aのうちいずれか1箇所でも、第1条件を満たす箇所があれば、第1条件を満たす箇所が全くない場合と比べて、上述した効果が得られる。ただし、表面方向の異なる複数箇所で第1条件を満たしていることが好ましい。例えば、多孔質保護層91aにおける表面方向にある程度離れた任意の5箇所で単位厚さ方向界面数を測定し、その平均値が値15以上250以下であることが好ましい。界面数比についても同様に、多孔質保護層91aのうちいずれか1箇所でも、第2条件を満たす箇所があれば、第2条件を満たす箇所が全くない場合と比べて、上述した効果が得られる。ただし、表面方向の異なる複数箇所で第2条件を満たしていることが好ましい。例えば、多孔質保護層91aにおける表面方向にある程度離れた任意の5箇所で界面数比を測定し、その平均値が値0超過0.7以下であることが好ましい。また、多孔質保護層91aが構成粒子の態様(例えば構成粒子の材質,割合,平均粒径など)が異なる複数の部分を有している場合には、いずれか1以上の部分で第1条件,第2条件の少なくとも一方を満たせばよい。例えば多孔質保護層91aが厚さ方向に複数の層を備えている場合には、いずれか1以上の層で第1条件,第2条件の少なくとも一方を満たせばよい。多孔質保護層91aが表面方向(前後左右方向)で構成粒子の態様が異なる複数の部分を備えている場合についても同様である。 In the above-described embodiment, for example, it has not been mentioned at which point in the porous protective layer 91a the number of interfaces in the unit thickness direction is measured, but this will be described. The following description is the same for the porous protective layers 91b to 91e. If any one of the porous protective layers 91a has a portion satisfying the first condition, the above-mentioned effect can be obtained as compared with the case where there is no portion satisfying the first condition. However, it is preferable that the first condition is satisfied at a plurality of locations having different surface directions. For example, it is preferable that the number of interfaces in the unit thickness direction is measured at any five points in the porous protective layer 91a separated from each other to some extent in the surface direction, and the average value thereof is 15 or more and 250 or less. Similarly, regarding the interface number ratio, if there is a portion satisfying the second condition in any one of the porous protective layers 91a, the above-mentioned effect can be obtained as compared with the case where there is no portion satisfying the second condition. Be done. However, it is preferable that the second condition is satisfied at a plurality of locations having different surface directions. For example, it is preferable that the interface number ratio is measured at any five points in the porous protective layer 91a separated from each other to some extent in the surface direction, and the average value thereof is more than 0 and 0.7 or less. When the porous protective layer 91a has a plurality of portions having different modes of constituent particles (for example, the material, ratio, average particle size, etc. of the constituent particles), the first condition is one or more of the portions. , At least one of the second conditions may be satisfied. For example, when the porous protective layer 91a includes a plurality of layers in the thickness direction, at least one of the first condition and the second condition may be satisfied by any one or more layers. The same applies to the case where the porous protective layer 91a includes a plurality of portions having different modes of constituent particles in the surface direction (front-back and left-right directions).

上述した実施形態では、多孔質保護層91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。多孔質保護層91はセンサ素子本体101aの少なくとも一部を被覆していればよい。例えば、多孔質保護層91が多孔質保護層91a~91eのうち1以上を備えなくてもよい。また、多孔質保護層91は多孔質体としたが、これに限られない。 In the above-described embodiment, the porous protective layer 91 has the porous protective layers 91a to 91e, but the present invention is not limited to this. The porous protective layer 91 may cover at least a part of the sensor element main body 101a. For example, the porous protective layer 91 may not include one or more of the porous protective layers 91a to 91e. Further, the porous protective layer 91 is a porous body, but the present invention is not limited to this.

上述した実施形態では、プラズマ溶射により多孔質保護層91を形成したが、これに限られない。例えば、高速フレーム溶射,アーク溶射,レーザー溶射などの他の溶射により多孔質保護層91を形成してもよい。あるいは、溶射に限らず他の製法(例えばスクリーン印刷,ディッピング,ゲルキャスト法など)によってセンサ素子本体101aの表面にスラリーを用いて塗膜を形成し、塗膜を焼成することで多孔質保護層91を形成してもよい。このようなスラリーは、例えば多孔質保護層91の原料粉末(セラミックス粒子など)を溶媒に分散させて作成することができる。また、スラリーには焼結助剤(バインダー)と造孔材との少なくとも一方を添加することが好ましい。ゲルキャスト法を用いる場合は、スラリーにさらに有機溶媒、分散剤及びゲル化剤(例えばイソシアネート類とポリオール類)を添加する。なお、塗膜を焼成して多孔質保護層91を形成する場合は、塗膜の焼成とセンサ素子本体101aの焼成とを同時に行ってもよい。 In the above-described embodiment, the porous protective layer 91 is formed by plasma spraying, but the present invention is not limited to this. For example, the porous protective layer 91 may be formed by other thermal spraying such as high-speed frame spraying, arc spraying, and laser spraying. Alternatively, a porous protective layer is formed by forming a coating film on the surface of the sensor element main body 101a using a slurry by another manufacturing method (for example, screen printing, dipping, gel casting method, etc.), not limited to thermal spraying, and firing the coating film. 91 may be formed. Such a slurry can be prepared, for example, by dispersing the raw material powder (ceramic particles or the like) of the porous protective layer 91 in a solvent. Further, it is preferable to add at least one of a sintering aid (binder) and a pore-forming material to the slurry. When the gel casting method is used, an organic solvent, a dispersant and a gelling agent (for example, isocyanates and polyols) are further added to the slurry. When the coating film is fired to form the porous protective layer 91, the coating film may be fired and the sensor element main body 101a may be fired at the same time.

上述した実施形態では、多孔質保護層91の構成粒子は図4に示すようにつぶれた形状をしている傾向にあるが、これに限られない。構成粒子がつぶれていなくとも、単位厚さ方向界面数が値15以上であれば、これによる上述した効果が得られる。また、上述した実施形態ではプラズマ発生時の条件を調節して多孔質保護層91の構成粒子がつぶれるようにしたが、これに限られない。例えば、多孔質保護層91の構成粒子となる原料の粒子について、粒子の断面が楕円状になるように予めロール等を用いたせん断,押しつぶし,研磨等を行っておいてもよい。なお、例えばスクリーン印刷により多孔質保護層91を形成する場合、原料粒子を楕円状にしておけば、スキージ圧によるせん断応力で原料粒子の向きは楕円の長辺が表面方向に沿った向きになりやすいため、多孔質保護層91の構成粒子を厚さ方向につぶれた形状となる傾向にすることができる。ディッピングにより多孔質保護層91を形成する場合は、原料粒子を楕円状にしておけば、引きずり(スラリーからのセンサ素子本体101aの引き上げ)やスラリーの表面張力にるせん断応力で原料粒子の向きは楕円の長辺が表面方向に沿った向きになりやすい。なお、多孔質保護層91a~91dをディッピングで形成するときには、前後方向(センサ素子本体101aの長手方向)に沿ってスラリーからセンサ素子本体101aを引き上げることが好ましい。多孔質保護層91eをディッピングで形成するときには、上下方向や左右方向(センサ素子本体101aの長手方向に垂直な方向)に沿ってスラリーからセンサ素子本体101aを引き上げることが好ましい。また、ゲルキャスト法により多孔質保護層91を形成する場合、例えばセンサ素子本体101aを被覆するスラリーが固化する前にスラリーを厚さ方向に押圧すれば、多孔質保護層91の構成粒子を厚さ方向につぶれた形状となる傾向にしやすい。 In the above-described embodiment, the constituent particles of the porous protective layer 91 tend to have a crushed shape as shown in FIG. 4, but the present invention is not limited to this. Even if the constituent particles are not crushed, if the number of interfaces in the unit thickness direction is 15 or more, the above-mentioned effect can be obtained. Further, in the above-described embodiment, the conditions at the time of plasma generation are adjusted so that the constituent particles of the porous protective layer 91 are crushed, but the present invention is not limited to this. For example, the raw material particles that are the constituent particles of the porous protective layer 91 may be previously sheared, crushed, polished, or the like using a roll or the like so that the cross section of the particles becomes elliptical. For example, when the porous protective layer 91 is formed by screen printing, if the raw material particles are made elliptical, the direction of the raw material particles becomes the direction along the surface direction due to the shear stress due to the squeegee pressure. Since it is easy, the constituent particles of the porous protective layer 91 can tend to be crushed in the thickness direction. When forming the porous protective layer 91 by dipping, if the raw material particles are made elliptical, the direction of the raw material particles will be changed by dragging (pulling the sensor element main body 101a from the slurry) or shear stress due to the surface tension of the slurry. The long side of the ellipse tends to be oriented along the surface direction. When the porous protective layers 91a to 91d are formed by dipping, it is preferable to pull up the sensor element body 101a from the slurry along the front-rear direction (longitudinal direction of the sensor element body 101a). When the porous protective layer 91e is formed by dipping, it is preferable to pull up the sensor element body 101a from the slurry along the vertical direction and the horizontal direction (the direction perpendicular to the longitudinal direction of the sensor element body 101a). Further, when the porous protective layer 91 is formed by the gel casting method, for example, if the slurry covering the sensor element main body 101a is pressed in the thickness direction before the slurry is solidified, the constituent particles of the porous protective layer 91 are thickened. It tends to have a shape that is crushed in the vertical direction.

上述した実施形態では、センサ素子本体101aはコーティング層24a,24bを有するものとしたが、これに限られない。コーティング層24は、センサ素子本体101aの表面のうち多孔質保護層91に被覆される領域の少なくとも一部に形成されていればよい。例えば、コーティング層24a,24bの一方を備えなくてもよいし、センサ素子本体101aの上下面以外の面を覆うコーティング層をさらに備えてもよい。また、センサ素子本体101aはコーティング層を備えなくてもよい。 In the above-described embodiment, the sensor element main body 101a has coating layers 24a and 24b, but the present invention is not limited to this. The coating layer 24 may be formed on at least a part of the surface of the sensor element main body 101a covered with the porous protective layer 91. For example, one of the coating layers 24a and 24b may not be provided, or a coating layer that covers a surface other than the upper and lower surfaces of the sensor element main body 101a may be further provided. Further, the sensor element main body 101a does not have to be provided with a coating layer.

以下には、センサ素子を具体的に作製した例を実施例として説明する。実験例3~11,16~19,22~25が本発明の第1のガスセンサ素子の実施例に相当し、実験例3~9,12~13,16~19,22~25が本発明の第2のガスセンサ素子の実施例に相当し、実験例1,2,14,15,20,21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るものではない。 Hereinafter, an example in which the sensor element is specifically manufactured will be described as an example. Experimental Examples 3 to 11, 16 to 19, 22 to 25 correspond to the first embodiment of the gas sensor element of the present invention, and Experimental Examples 3 to 9, 12 to 13, 16 to 19, 22 to 25 of the present invention correspond to the first embodiment of the present invention. Examples of the second gas sensor element correspond to Examples, and Experimental Examples 1, 2, 14, 15, 20, and 21 correspond to Comparative Examples. The present invention is not limited to the following examples.

[実験例1]
上述した実施形態のセンサ素子101の製造方法に従って、図2,3に示したセンサ素子101を作成して実験例1とした。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のセンサ素子本体101aを作製した。なお、センサ素子本体101aを作製するにあたり、セラミックスグリーンシートは、安定化剤のイットリアを4mol%添加したジルコニア粒子と有機バインダーと有機溶剤とを混合し、テープ成形により成形した。また、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。
[Experimental Example 1]
According to the method for manufacturing the sensor element 101 of the above-described embodiment, the sensor element 101 shown in FIGS. 2 and 3 was created and used as Experimental Example 1. Specifically, first, a sensor element main body 101a having a length of 67.5 mm in the front-rear direction, a width of 4.25 mm in the left-right direction, and a thickness of 1.45 mm in the up-down direction was manufactured. In manufacturing the sensor element main body 101a, the ceramic green sheet was formed by mixing zirconia particles to which 4 mol% of yttria, a stabilizer was added, an organic binder, and an organic solvent, and tape forming. 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 auxiliary solvent (acetone) is 45 vol%, and the dispersant (poly). Oxyethylene styrene phenyl ether) was prepared at 5 vol%, and the mixture was mixed at a pot mill mixer rotation speed of 200 rpm for 3 hours to adjust the paste.

続いて、センサ素子本体101aの表面に、多孔質保護層91a,91b,91c,91d,91eをこの順で形成して多孔質保護層91とし、実験例1のセンサ素子101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180として、アルゴンガス(流量50L/min,供給圧力0.5MPa)と水素(流量10L/min,供給圧力0.5MPa)とを混合したものを用いた。アノード176とカソード178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184としては、平均粒径が30μmであるアルミナ粉末を用いた。粉末溶射材料184の供給に用いるキャリアガスは、アルゴンガス(流量4L/min,供給圧力0.5MPa)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170の溶射の向き(ノズル176a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の厚さをマイクロメータにより測定したところ、いずれも100μmであった。また、多孔質保護層91a~91eの単位厚さ方向界面数を上述した方法で測定したところ、いずれも値10であった。多孔質保護層91a~91eの単位表面方向界面数を上述した方法で測定したところ、いずれも値13であった。多孔質保護層91a~91eの界面数比は、いずれも値1.30であった。 Subsequently, the porous protective layers 91a, 91b, 91c, 91d, 91e were formed in this order on the surface of the sensor element main body 101a to form the porous protective layer 91, which was used as the sensor element 101 of Experimental Example 1. The conditions for plasma spraying to form the porous protective layer 91 were as follows. As the plasma generation gas 180, a mixture of argon gas (flow rate 50 L / min, supply pressure 0.5 MPa) and hydrogen (flow rate 10 L / min, supply pressure 0.5 MPa) was used. The voltage applied between the anode 176 and the cathode 178 was a DC voltage of 70 V. The current was 500A. As the powder spraying material 184, alumina powder having an average particle size of 30 μm was used. The carrier gas used for supplying the powder spraying material 184 was argon gas (flow rate 4 L / min, supply pressure 0.5 MPa). The distance W was set to 150 mm. The distance L was set to 10 mm. Plasma spraying was performed in the atmosphere and the atmosphere at room temperature. The direction of thermal spraying of the plasma gun 170 (direction of the nozzle 176a) was perpendicular to the formation surface of the porous protective layer 91 in the sensor element 101. When the thicknesses of the formed porous protective layers 91a to 91e were measured with a micrometer, they were all 100 μm. Moreover, when the number of interfaces in the unit thickness direction of the porous protective layers 91a to 91e was measured by the above-mentioned method, all of them had a value of 10. When the number of interfaces in the unit surface direction of the porous protective layers 91a to 91e was measured by the above-mentioned method, all of them had a value of 13. The interface number ratio of the porous protective layers 91a to 91e was 1.30 in each case.

[実験例2~9]
プラズマ溶射の条件(粉末溶射材料184の平均粒径,距離W,印加電圧,電流)を表1に示すように種々変更した点以外は、実験例1と同様にしてセンサ素子101を作成し、実験例2~9とした。実験例2~9のいずれにおいても、多孔質保護層91a~91eの厚さはいずれも100μmであった。
[Experimental Examples 2-9]
The sensor element 101 was created in the same manner as in Experimental Example 1 except that the conditions for plasma spraying (average particle size of powder spraying material 184, distance W, applied voltage, current) were variously changed as shown in Table 1. Experimental examples 2 to 9 were used. In each of Experimental Examples 2 to 9, the thickness of the porous protective layers 91a to 91e was 100 μm.

[耐被水性の評価]
実験例1~9のセンサ素子について、多孔質保護層91の性能(センサ素子101の耐被水性)を評価した。具体的には、まず、ヒータ72に通電して温度を800℃とし、センサ素子101を加熱した。この状態で、大気雰囲気中で主ポンプセル21,補助ポンプセル50,主ポンプ制御用酸素分圧検出センサセル80,補助ポンプ制御用酸素分圧検出センサセル81等を作動させて、第1内部空所内20内の酸素濃度を所定の一定値に保つように制御した。そして、ポンプ電流Ip0が安定するのを待った後、多孔質保護層91に水滴をたらし、ポンプ電流Ip0が所定の閾値を超えた値に変化したか否かに基づいて、センサ素子101のクラックの有無を判定した。なお、水滴による熱衝撃でセンサ素子101にクラックが生じると、クラック部分を通過して第1内部空所内20内に酸素が流入しやすくなるため、ポンプ電流Ip0の値が大きくなる。そのため、ポンプ電流Ip0が実験で定められる所定の閾値を超えている場合に、水滴でセンサ素子101にクラックが生じたと判定した。また、水滴の量を30μLまで徐々に増やして複数回の試験を行い、クラックが生じなかった最大の水滴の量を耐被水量とした。そして、実験例1~9のセンサ素子101を5本ずつ用意し、5本の耐被水量の平均値を実験例1~9の各々について導出した。この耐被水量の平均値が10μL未満は不良,10μL以上は良好,30μL(=1本もクラックが発生しなかった)は非常に良好として、実験例1~9のセンサ素子101の耐被水性を評価した。
[Evaluation of water resistance]
The performance of the porous protective layer 91 (water resistance of the sensor element 101) was evaluated for the sensor elements of Experimental Examples 1 to 9. Specifically, first, the heater 72 was energized to set the temperature to 800 ° C., and the sensor element 101 was heated. In this state, the main pump cell 21, the auxiliary pump cell 50, the oxygen partial pressure detection sensor cell 80 for main pump control, the oxygen partial pressure detection sensor cell 81 for auxiliary pump control, etc. are operated in the atmospheric atmosphere, and the inside of the first internal vacant space 20 is operated. The oxygen concentration of the water was controlled to be kept at a predetermined constant value. Then, after waiting for the pump current Ip0 to stabilize, water droplets are dropped on the porous protective layer 91, and the crack of the sensor element 101 is based on whether the pump current Ip0 changes to a value exceeding a predetermined threshold value. The presence or absence of was determined. When a crack occurs in the sensor element 101 due to a thermal shock caused by a water droplet, oxygen easily flows into the first internal space 20 through the crack portion, so that the value of the pump current Ip0 becomes large. Therefore, when the pump current Ip0 exceeds a predetermined threshold value determined in the experiment, it is determined that the sensor element 101 is cracked by water droplets. Further, the amount of water droplets was gradually increased to 30 μL and a plurality of tests were performed, and the maximum amount of water droplets in which cracks did not occur was defined as the water resistance. Then, five sensor elements 101 of Experimental Examples 1 to 9 were prepared, and the average value of the water resistance of the five sensors was derived for each of Experimental Examples 1 to 9. When the average value of the water resistance is less than 10 μL, it is defective, when it is 10 μL or more, it is good, and when it is 30 μL (= no cracks occur), it is very good. Was evaluated.

実験例1~9のプラズマ溶射の条件(粉末溶射材料184の平均粒径,距離W,印加電圧,電流),測定結果(単位厚さ方向界面数,単位表面方向界面数,界面数比),及び評価結果(耐被水量の平均値,耐被水性の評価)を、表1にまとめて示す。なお、×は不良,○は良好,◎は非常に良好を意味する。また、実験例1と同様に、実験例2の多孔質保護層91a~91eの単位厚さ方向界面数はいずれも同じ値であり、実験例2の多孔質保護層91a~91eの単位表面方向界面数はいずれも同じ値であった。実験例3~9についても同様であった。 Conditions for plasma spraying of Experimental Examples 1 to 9 (mean particle size, distance W, applied voltage, current of powder spraying material 184), measurement results (number of interfaces in the unit thickness direction, number of interfaces in the unit surface direction, ratio of the number of interfaces), And the evaluation results (average value of water resistance, evaluation of water resistance) are summarized in Table 1. Note that x means defective, ○ means good, and ◎ means very good. Further, as in Experimental Example 1, the number of interfaces in the unit thickness direction of the porous protective layers 91a to 91e of Experimental Example 2 is the same value, and the unit surface direction of the porous protective layers 91a to 91e of Experimental Example 2 The number of interfaces was the same in all cases. The same was true for Experimental Examples 3 to 9.

Figure 0007002610000001
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表1からわかるように、実験例1~9の結果から、多孔質保護層91の単位厚さ方向界面数が値15以上、17以上であれば、クラックの発生が抑制でき耐被水性が向上していることが確認できた。また、多孔質保護層91の単位厚さ方向界面数が値30以上であれば、耐被水性がさらに向上していることが確認できた。 As can be seen from Table 1, from the results of Experimental Examples 1 to 9, when the number of interfaces in the unit thickness direction of the porous protective layer 91 is 15 or more and 17 or more, the generation of cracks can be suppressed and the water resistance is improved. I was able to confirm that it was done. Further, it was confirmed that the water resistance was further improved when the number of interfaces in the unit thickness direction of the porous protective layer 91 was 30 or more.

また、多孔質保護層91の界面数比が0.7以下,0.6以下であれば、クラックの発生が抑制でき耐被水性が向上していることが確認できた。また、多孔質保護層91の界面数比が0.4以下,0.3以下であれば、耐被水性がさらに向上していることが確認できた。 Further, when the interface number ratio of the porous protective layer 91 was 0.7 or less and 0.6 or less, it was confirmed that the generation of cracks could be suppressed and the water resistance was improved. Further, when the interface number ratio of the porous protective layer 91 was 0.4 or less and 0.3 or less, it was confirmed that the water resistance was further improved.

[実験例10~13]
プラズマ溶射の条件を表2に示すように種々変更した点以外は、実験例1と同様にしてセンサ素子101を作成し、実験例10~13とした。実験例10~13のいずれにおいても、多孔質保護層91a~91eの厚さはいずれも100μmであった。実験例10~13についても実験例1~9と同様に耐被水性を評価した。実験例10~13のプラズマ溶射の条件,測定結果,及び評価結果を表2にまとめて示す。実験例10,11の結果から、多孔質保護層91が第1条件を満たしていれば、第2条件を満たしていなくても、第1,第2条件を共に満たさない実験例1,2と比べて耐被水性が向上することが確認できた。また、実験例12,13の結果から、多孔質保護層91が第2条件を満たしていれば、第1条件を満たしていなくても、第1,第2条件を共に満たさない実験例1,2と比べて耐被水性が向上することが確認できた。
[Experimental Examples 10 to 13]
The sensor element 101 was created in the same manner as in Experimental Example 1 except that the conditions for plasma spraying were variously changed as shown in Table 2, and used as Experimental Examples 10 to 13. In all of Experimental Examples 10 to 13, the thickness of the porous protective layers 91a to 91e was 100 μm. The water resistance of Experimental Examples 10 to 13 was evaluated in the same manner as in Experimental Examples 1 to 9. Table 2 summarizes the plasma spraying conditions, measurement results, and evaluation results of Experimental Examples 10 to 13. From the results of Experimental Examples 10 and 11, if the porous protective layer 91 satisfies the first condition, even if the second condition is not satisfied, the first and second conditions are not satisfied together with Experimental Examples 1 and 2. It was confirmed that the water resistance was improved in comparison with the above. Further, from the results of Experimental Examples 12 and 13, if the porous protective layer 91 satisfies the second condition, even if the first condition is not satisfied, both the first and second conditions are not satisfied. It was confirmed that the water resistance was improved as compared with 2.

Figure 0007002610000002
Figure 0007002610000002

[実験例14~19]
多孔質保護層91a~91eの厚さをいずれも50μmとした点以外は、実験例1~4,7,9と同様にしてセンサ素子101を作成し、実験例14~19とした。実験例14~19についても実験例1~9と同様に耐被水性を評価した。実験例14~19のプラズマ溶射の条件,測定結果,及び評価結果を表3にまとめて示す。なお、実験例14~19における単位厚さ方向界面数の値は、厚さ方向の基準線に沿った厚さ方向50μmの領域内で構成粒子間の界面数を測定し、測定値から換算した値(測定値の2倍の値)である。多孔質保護層91の厚さが50μmであっても、実験例16~19では耐被水性の評価が良好であり、本発明の効果が得られることが確認できた。また、実験例16~19は、厚さが100μmである実験例1,2と比べても耐被水性が向上することが確認できた。
[Experimental Examples 14-19]
Sensor elements 101 were prepared in the same manner as in Experimental Examples 1 to 4, 7 and 9, except that the thicknesses of the porous protective layers 91a to 91e were all 50 μm, and used as Experimental Examples 14 to 19. The water resistance of Experimental Examples 14 to 19 was evaluated in the same manner as in Experimental Examples 1 to 9. Table 3 summarizes the plasma spraying conditions, measurement results, and evaluation results of Experimental Examples 14 to 19. The value of the number of interfaces in the unit thickness direction in Experimental Examples 14 to 19 was converted from the measured value by measuring the number of interfaces between the constituent particles in the region of 50 μm in the thickness direction along the reference line in the thickness direction. It is a value (a value twice the measured value). Even if the thickness of the porous protective layer 91 was 50 μm, the evaluation of water resistance was good in Experimental Examples 16 to 19, and it was confirmed that the effect of the present invention could be obtained. Further, it was confirmed that the water resistance of Experimental Examples 16 to 19 was improved as compared with Experimental Examples 1 and 2 having a thickness of 100 μm.

Figure 0007002610000003
Figure 0007002610000003

[実験例20~25]
多孔質保護層91a~91eの厚さをいずれも500μmとした点以外は、実験例1~4,7,9と同様にしてセンサ素子101を作成し、実験例20~25とした。実験例20~25についても実験例1~9と同様に耐被水性を評価した。実験例20~25のプラズマ溶射の条件,測定結果,及び評価結果を表4にまとめて示す。実験例20~25は多孔質保護層91の厚さが500μmであるため、厚さが100μmである実験例1~4,7,9と比較して全体に耐被水量の平均値が大きくなったが、第1,第2条件を共に満たさない実験例20,21の耐被水性は不良であった。一方、実験例22,23は耐被水性が良好であり、実験例24,25は耐被水性が非常に良好であった。
[Experimental Examples 20 to 25]
Sensor elements 101 were prepared in the same manner as in Experimental Examples 1 to 4, 7 and 9, except that the thicknesses of the porous protective layers 91a to 91e were all set to 500 μm, and used as Experimental Examples 20 to 25. The water resistance of Experimental Examples 20 to 25 was evaluated in the same manner as in Experimental Examples 1 to 9. Table 4 summarizes the plasma spraying conditions, measurement results, and evaluation results of Experimental Examples 20 to 25. In Experimental Examples 20 to 25, the thickness of the porous protective layer 91 is 500 μm, so that the average value of the water resistance is larger as a whole as compared with Experimental Examples 1 to 4, 7, and 9 having a thickness of 100 μm. However, the water resistance of Experimental Examples 20 and 21 which did not satisfy both the first and second conditions was poor. On the other hand, Experimental Examples 22 and 23 had good water resistance, and Experimental Examples 24 and 25 had very good water resistance.

Figure 0007002610000004
Figure 0007002610000004

1 第1基板層、2 第2基板層、3 第3基板層、4 第1固体電解質層、5 スペーサ層、6 第2固体電解質層、7a~7e 接着層、10 ガス導入口、11 第1拡散律速部、12 緩衝空間、13 第2拡散律速部、20 第1内部空所、21 主ポンプセル、22 内側ポンプ電極、22a 天井電極部、22b 底部電極部、23 外側ポンプ電極、24,24a,24b コーティング層、25 可変電源、30 第3拡散律速部、40 第2内部空所、41 測定用ポンプセル、42 基準電極、43 基準ガス導入空間、44 測定電極、45 第4拡散律速部、46 可変電源、48 大気導入層、50 補助ポンプセル、51 補助ポンプ電極、51a 天井電極部、51b 底部電極部、52 可変電源、70 ヒータ部、71 ヒータコネクタ電極、72 ヒータ、73 スルーホール、74 ヒータ絶縁層、75 圧力放散孔、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、91,91a~91e 多孔質保護層、100 ガスセンサ、101 センサ素子、101a センサ素子本体、110 保護カバー、111 内側保護カバー、112 外側保護カバー、120 素子封止体、122 主体金具、124 サポーター、126 圧粉体、130 ナット、140 配管、141 取付用部材、170 プラズマガン、172 外周部、173 絶縁部、174 水冷ジャケット、176 アノード、176a ノズル、178 カソード、180 プラズマ発生用ガス、182 粉末供給部、184 粉末溶射材料。 1 1st substrate layer, 2 2nd substrate layer, 3 3rd substrate layer, 4 1st solid electrolyte layer, 5 spacer layer, 6 2nd solid electrolyte layer, 7a-7e adhesive layer, 10 gas inlet, 11 1st Diffusion rate control section, 12 buffer space, 13 second diffusion rate control section, 20 first internal space, 21 main pump cell, 22 inner pump electrode, 22a ceiling electrode section, 22b bottom electrode section, 23 outer pump electrode, 24, 24a, 24b coating layer, 25 variable power supply, 30 third diffusion rate control section, 40 second internal space, 41 measurement pump cell, 42 reference electrode, 43 reference gas introduction space, 44 measurement electrode, 45 fourth diffusion rate control section, 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, 70 heater part, 71 heater connector electrode, 72 heater, 73 through hole, 74 heater insulation layer , 75 pressure dissipation hole, 80 oxygen partial pressure detection sensor cell for main pump control, 81 oxygen partial pressure detection sensor cell for auxiliary pump control, 82 oxygen partial pressure detection sensor cell for measurement pump control, 83 sensor cell, 91, 91a to 91e porous Protective layer, 100 gas sensor, 101 sensor element, 101a sensor element body, 110 protective cover, 111 inner protective cover, 112 outer protective cover, 120 element sealant, 122 main metal fittings, 124 supporters, 126 powder powder, 130 nuts, 140 piping, 141 mounting members, 170 plasma gun, 172 outer circumference, 173 insulation, 174 water-cooled jacket, 176 anode, 176a nozzle, 178 cathode, 180 plasma generating gas, 182 powder supply, 184 powder spray material.

Claims (1)

酸素イオン伝導性の固体電解質層を備えた素子本体と、
前記素子本体の少なくとも一部を被覆し、厚さ方向100μmあたりの構成粒子の粒子界面数である単位厚さ方向界面数と、該厚さ方向に垂直な表面方向100μmあたりの構成粒子の粒子界面数である単位表面方向界面数と、の界面数比(=単位表面方向界面数/単位厚さ方向界面数)が値0超過0.7以下である保護層と、
を備えたガスセンサ素子。
A device body with an oxygen ion conductive solid electrolyte layer and
At least a part of the element body is covered, and the number of interface in the unit thickness direction, which is the number of interface of constituent particles per 100 μm in the thickness direction, and the particle interface of the constituent particles per 100 μm in the surface direction perpendicular to the thickness direction. A protective layer in which the ratio of the number of interfaces in the unit surface direction (= the number of interfaces in the unit surface direction / the number of interfaces in the unit thickness direction) is more than 0 and 0.7 or less.
Gas sensor element equipped with.
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