JP7011923B2 - Gas sensor - Google Patents

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本発明は、ガス検出を行うためのセンサ素子を備えるガスセンサに関する。 The present invention relates to a gas sensor including a sensor element for performing gas detection.

ガスセンサは、例えば、内燃機関の排気管を流れる排ガスを検出ガスとし、検出ガスに含まれる酸素又は種々の特定ガス成分の濃度を検出するために用いられる。また、ガスセンサに用いられるセンサ素子においては、イオン伝導性を有する固体電解質層に絶縁層を積層して、検出ガスが導入される検出ガス室、及び大気等の基準ガスが導入される基準ガス室を形成することが行われている。検出ガス室には、固体電解質層に設けられた検出電極が配置され、基準ガス室には、固体電解質層に設けられた基準電極が配置される。 The gas sensor is used, for example, to detect the concentration of oxygen contained in the detection gas or various specific gas components by using the exhaust gas flowing through the exhaust pipe of the internal combustion engine as the detection gas. Further, in the sensor element used for the gas sensor, an insulating layer is laminated on the solid electrolyte layer having ionic conductivity, and a detection gas chamber into which the detection gas is introduced and a reference gas chamber in which the reference gas such as the atmosphere is introduced. Is being formed. A detection electrode provided in the solid electrolyte layer is arranged in the detection gas chamber, and a reference electrode provided in the solid electrolyte layer is arranged in the reference gas chamber.

例えば、特許文献1の酸素センサ素子においては、セラミック固体電解質からなる板状の基体における両面の対向位置に検出電極及び基準電極が設けられ、基体の内部には、基準電極を収容するとともに大気が導入される大気導入孔が形成されることが記載されている。そして、大気導入孔には、多孔質セラミックスが充填されることが記載されている。 For example, in the oxygen sensor element of Patent Document 1, a detection electrode and a reference electrode are provided at opposite positions on both sides of a plate-shaped substrate made of a ceramic solid electrolyte, and the reference electrode is housed and the atmosphere is contained inside the substrate. It is stated that an air introduction hole to be introduced is formed. It is described that the atmospheric introduction holes are filled with porous ceramics.

特開2003-344350号公報Japanese Patent Application Laid-Open No. 2003-344350

特許文献1の酸素センサ素子における多孔質セラミックスは、大気導入孔へ空気が導入される際に、空気と共に水分も導入されることを防止するためのものである。また、基体の内部には、検出電極を収容するとともに検出ガスが導入される空間部を形成し、この空間部に、素子の強度を確保するための多孔質セラミックスを充填してもよいことが記載されている。 The porous ceramics in the oxygen sensor element of Patent Document 1 is for preventing the introduction of moisture together with the air when the air is introduced into the atmosphere introduction hole. Further, a space portion for accommodating the detection electrode and introducing the detection gas may be formed inside the substrate, and the space portion may be filled with porous ceramics for ensuring the strength of the device. Are listed.

特許文献1の酸素センサ素子においては、セラミック固体電解質からなる基体は、酸素センサ素子の骨格形状を形成するものである。特に、検出電極及び基準電極が設けられたセラミック固体電解質の板状部位の両側は、同質のセラミック固体電解質の隣接板状部位によって支持されている。そのため、板状部位と隣接板状部位とに線膨張率の差はなく、酸素センサ素子の製造時において、板状部位と隣接板状部位との間に、線膨張率の差に基づく熱応力がほとんど生じない。 In the oxygen sensor element of Patent Document 1, the substrate made of a ceramic solid electrolyte forms the skeleton shape of the oxygen sensor element. In particular, both sides of the plate-shaped portion of the ceramic solid electrolyte provided with the detection electrode and the reference electrode are supported by the adjacent plate-shaped portions of the ceramic solid electrolyte of the same quality. Therefore, there is no difference in the linear expansion rate between the plate-shaped part and the adjacent plate-shaped part, and the thermal stress based on the difference in the linear expansion rate between the plate-shaped part and the adjacent plate-shaped part at the time of manufacturing the oxygen sensor element. Almost never occurs.

一方、イオン伝導性を有する固体電解質層に、絶縁性を有する絶縁層が積層されて形成されるセンサ素子においては、その製造時において、固体電解質層と絶縁層との線膨張率の差に基づく熱応力が生じる。これにより、固体電解質層における、検出電極及び基準電極が設けられた部位であって、検出ガス室と基準ガス室との間において自由状態にある部位に、撓み等の変形が生じるおそれがあることが分かった。特に、固体電解質層の厚みを薄くしたい場合には、この変形が顕著になるおそれがある。この固体電解質層の変形は、検出電極及び基準電極にも及び、センサ素子の性能に影響を与えるおそれがあるため、極力なくすことが好ましい。 On the other hand, in a sensor element formed by laminating an insulating layer having insulating properties on a solid electrolyte layer having ionic conductivity, it is based on the difference in linear expansion rate between the solid electrolyte layer and the insulating layer at the time of manufacture. Thermal stress is generated. As a result, deformation such as bending may occur in the portion of the solid electrolyte layer where the detection electrode and the reference electrode are provided and which is in a free state between the detection gas chamber and the reference gas chamber. I understood. In particular, when it is desired to reduce the thickness of the solid electrolyte layer, this deformation may become remarkable. This deformation of the solid electrolyte layer extends to the detection electrode and the reference electrode and may affect the performance of the sensor element, so it is preferable to eliminate it as much as possible.

本発明は、かかる課題に鑑みてなされたもので、絶縁層と積層された固体電解質層に、撓み等の変形が生じにくくすることができるガスセンサを提供しようとして得られたものである。 The present invention has been made in view of the above problems, and has been obtained in an attempt to provide a gas sensor capable of making it difficult for deformation such as bending to occur in a solid electrolyte layer laminated with an insulating layer.

本発明の一態様は、ガス検出を行うためのセンサ素子(2)を備えるガスセンサ(1)であって、
前記センサ素子は、
検出ガス(G)が導入される検出ガス室(35)と、
基準ガス(A)が導入される基準ガス室(36)と、
前記検出ガス室と前記基準ガス室との間に配置され、前記検出ガス室に面する第1主面(301)と、前記基準ガス室に面する第2主面(302)とを有するとともに、イオン伝導性を有する板状の固体電解質層(31)と、
前記検出ガス室内に配置された状態で前記固体電解質層の前記第1主面に設けられた検出電極(311)と、
前記基準ガス室内に配置された状態で前記固体電解質層の前記第2主面に設けられた基準電極(312)と、
前記固体電解質層の前記第1主面に積層され、前記検出ガス室を形成する第1絶縁層(33A)と、
前記固体電解質層の前記第2主面に積層され、前記基準ガス室を形成する第2絶縁層(33B)と、
前記第2絶縁層に埋設され、通電によって発熱する発熱体(34)と、
前記検出ガス室内における、前記検出電極と前記第1絶縁層との積層方向(D)の第1隙間(351)に配置され、前記第1隙間を維持するための絶縁性の第1多孔質材(51)と、
前記基準ガス室内における、前記基準電極と前記第2絶縁層との前記積層方向の第2隙間(361)に配置され、前記第2隙間を維持するための絶縁性の第2多孔質材(52)と、を備え
前記第1多孔質材の気孔率は、前記第2多孔質材の気孔率よりも大きい、ガスセンサにある。
本発明の他の態様は、ガス検出を行うためのセンサ素子(2)を備えるガスセンサ(1)であって、
前記センサ素子は、
検出ガス(G)が導入される検出ガス室(35)と、
基準ガス(A)が導入される基準ガス室(36)と、
前記検出ガス室と前記基準ガス室との間に配置され、前記検出ガス室に面する第1主面(301)と、前記基準ガス室に面する第2主面(302)とを有するとともに、イオン伝導性を有する板状の固体電解質層(31)と、
前記検出ガス室内に配置された状態で前記固体電解質層の前記第1主面に設けられた検出電極(311)と、
前記基準ガス室内に配置された状態で前記固体電解質層の前記第2主面に設けられた基準電極(312)と、
前記固体電解質層の前記第1主面に積層され、前記検出ガス室を形成する第1絶縁層(33A)と、
前記固体電解質層の前記第2主面に積層され、前記基準ガス室を形成する第2絶縁層(33B)と、
前記第2絶縁層に埋設され、通電によって発熱する発熱体(34)と、
前記検出ガス室内における、前記検出電極と前記第1絶縁層との積層方向(D)の第1隙間(351)に配置され、前記第1隙間を維持するための絶縁性の第1多孔質材(51)と、
前記基準ガス室内における、前記基準電極と前記第2絶縁層との前記積層方向の第2隙間(361)に配置され、前記第2隙間を維持するための絶縁性の第2多孔質材(52)と、を備え、
前記第2多孔質材は、前記積層方向における前記基準電極の側に配置された電極側多孔質層(521)と、前記積層方向における前記発熱体の側に配置された発熱体側多孔質層(522)とを形成しており、
前記電極側多孔質層の気孔率は、前記発熱体側多孔質層の気孔率よりも大きい、ガスセンサにある。
本発明のさらに他の態様は、ガス検出を行うためのセンサ素子(2)を備えるガスセンサ(1)であって、
前記センサ素子は、
検出ガス(G)が導入される検出ガス室(35)と、
基準ガス(A)が導入される基準ガス室(36)と、
前記検出ガス室と前記基準ガス室との間に配置され、前記検出ガス室に面する第1主面(301)と、前記基準ガス室に面する第2主面(302)とを有するとともに、イオン伝導性を有する板状の固体電解質層(31)と、
前記検出ガス室内に配置された状態で前記固体電解質層の前記第1主面に設けられた検出電極(311)と、
前記基準ガス室内に配置された状態で前記固体電解質層の前記第2主面に設けられた基準電極(312)と、
前記固体電解質層の前記第1主面に積層され、前記検出ガス室を形成する第1絶縁層(33A)と、
前記固体電解質層の前記第2主面に積層され、前記基準ガス室を形成する第2絶縁層(33B)と、
前記第2絶縁層に埋設され、通電によって発熱する発熱体(34)と、
前記検出ガス室内における、前記検出電極と前記第1絶縁層との積層方向(D)の第1隙間(351)に配置され、前記第1隙間を維持するための絶縁性の第1多孔質材(51)と、
前記基準ガス室内における、前記基準電極と前記第2絶縁層との前記積層方向の第2隙間(361)に配置され、前記第2隙間を維持するための絶縁性の第2多孔質材(52)と、を備え、
前記固体電解質層は、ランタンガレート系酸化物によって構成されており、
前記第1多孔質材及び前記第2多孔質材は、セリア系酸化物によって構成されている、ガスセンサにある。
One aspect of the present invention is a gas sensor (1) provided with a sensor element (2) for performing gas detection.
The sensor element is
The detection gas chamber (35) into which the detection gas (G) is introduced, and
The reference gas chamber (36) into which the reference gas (A) is introduced, and
It is arranged between the detection gas chamber and the reference gas chamber, and has a first main surface (301) facing the detection gas chamber and a second main surface (302) facing the reference gas chamber. , A plate-shaped solid electrolyte layer (31) having ionic conductivity,
A detection electrode (311) provided on the first main surface of the solid electrolyte layer in a state of being arranged in the detection gas chamber, and a detection electrode (311).
A reference electrode (312) provided on the second main surface of the solid electrolyte layer in a state of being arranged in the reference gas chamber, and a reference electrode (312).
A first insulating layer (33A) laminated on the first main surface of the solid electrolyte layer to form the detection gas chamber, and
A second insulating layer (33B) laminated on the second main surface of the solid electrolyte layer to form the reference gas chamber, and
A heating element (34) embedded in the second insulating layer and generating heat by energization,
Insulating first porous material arranged in the first gap (351) in the stacking direction (D) between the detection electrode and the first insulating layer in the detection gas chamber and for maintaining the first gap. (51) and
An insulating second porous material (52) arranged in the second gap (361) in the stacking direction between the reference electrode and the second insulating layer in the reference gas chamber and for maintaining the second gap. ) And, with
The porosity of the first porous material is in the gas sensor, which is larger than the porosity of the second porous material .
Another aspect of the present invention is a gas sensor (1) provided with a sensor element (2) for performing gas detection.
The sensor element is
The detection gas chamber (35) into which the detection gas (G) is introduced, and
The reference gas chamber (36) into which the reference gas (A) is introduced, and
It is arranged between the detection gas chamber and the reference gas chamber, and has a first main surface (301) facing the detection gas chamber and a second main surface (302) facing the reference gas chamber. , A plate-shaped solid electrolyte layer (31) having ionic conductivity,
A detection electrode (311) provided on the first main surface of the solid electrolyte layer in a state of being arranged in the detection gas chamber, and a detection electrode (311).
A reference electrode (312) provided on the second main surface of the solid electrolyte layer in a state of being arranged in the reference gas chamber, and a reference electrode (312).
A first insulating layer (33A) laminated on the first main surface of the solid electrolyte layer to form the detection gas chamber, and
A second insulating layer (33B) laminated on the second main surface of the solid electrolyte layer to form the reference gas chamber, and
A heating element (34) embedded in the second insulating layer and generating heat by energization,
Insulating first porous material arranged in the first gap (351) in the stacking direction (D) between the detection electrode and the first insulating layer in the detection gas chamber and for maintaining the first gap. (51) and
An insulating second porous material (52) arranged in the second gap (361) in the stacking direction between the reference electrode and the second insulating layer in the reference gas chamber and for maintaining the second gap. ) And, with
The second porous material includes an electrode-side porous layer (521) arranged on the side of the reference electrode in the stacking direction and a heating element-side porous layer (521) arranged on the heating element side in the stacking direction. It forms 522) and
The porosity of the electrode-side porous layer is larger than the porosity of the heating element-side porous layer in the gas sensor.
Yet another aspect of the present invention is a gas sensor (1) provided with a sensor element (2) for performing gas detection.
The sensor element is
The detection gas chamber (35) into which the detection gas (G) is introduced, and
The reference gas chamber (36) into which the reference gas (A) is introduced, and
It is arranged between the detection gas chamber and the reference gas chamber, and has a first main surface (301) facing the detection gas chamber and a second main surface (302) facing the reference gas chamber. , A plate-shaped solid electrolyte layer (31) having ionic conductivity,
A detection electrode (311) provided on the first main surface of the solid electrolyte layer in a state of being arranged in the detection gas chamber, and a detection electrode (311).
A reference electrode (312) provided on the second main surface of the solid electrolyte layer in a state of being arranged in the reference gas chamber, and a reference electrode (312).
A first insulating layer (33A) laminated on the first main surface of the solid electrolyte layer to form the detection gas chamber, and
A second insulating layer (33B) laminated on the second main surface of the solid electrolyte layer to form the reference gas chamber, and
A heating element (34) embedded in the second insulating layer and generating heat by energization,
An insulating first porous material arranged in the first gap (351) in the stacking direction (D) between the detection electrode and the first insulating layer in the detection gas chamber and for maintaining the first gap. (51) and
An insulating second porous material (52) arranged in the second gap (361) in the stacking direction between the reference electrode and the second insulating layer in the reference gas chamber and for maintaining the second gap. ) And, with
The solid electrolyte layer is composed of a lanthanum gallate-based oxide.
The first porous material and the second porous material are in a gas sensor composed of a ceria-based oxide.

前記一態様のガスセンサにおいては、固体電解質層に第1絶縁層及び第2絶縁層が積層されたセンサ素子を用いる場合について、固体電解質層に撓み等の変形が生じにくくする工夫をしている。
具体的には、第1絶縁層と固体電解質層とに囲まれて形成された検出ガス室には第1多孔質材が配置され、第2絶縁層と固体電解質層とに囲まれて形成された基準ガス室には第2多孔質材が配置されている。第1多孔質材は、検出電極と第1絶縁層との積層方向の第1隙間に配置されており、第1隙間が変化しないように維持する。第2多孔質材は、基準電極と第2絶縁層との積層方向の第2隙間に配置されており、第2隙間が変化しないように維持する。
In the gas sensor of the above aspect, when the sensor element in which the first insulating layer and the second insulating layer are laminated on the solid electrolyte layer is used, the solid electrolyte layer is devised so as to be less likely to be deformed such as bending.
Specifically, the first porous material is arranged in the detection gas chamber formed by being surrounded by the first insulating layer and the solid electrolyte layer, and is formed by being surrounded by the second insulating layer and the solid electrolyte layer. A second porous material is arranged in the reference gas chamber. The first porous material is arranged in the first gap in the stacking direction between the detection electrode and the first insulating layer, and the first gap is maintained so as not to change. The second porous material is arranged in the second gap in the stacking direction between the reference electrode and the second insulating layer, and the second gap is maintained so as not to change.

そして、センサ素子の製造時において、センサ素子の積層体が焼結のために加熱される際には、固体電解質層と各絶縁層との線膨張率の差によって、固体電解質層と各絶縁層との境界部に熱応力が生じる。このとき、第1多孔質材によって第1隙間が維持され、第2多孔質材によって第2隙間が維持されることによって、固体電解質層における、検出ガス室と基準ガス室との間に位置する部位に、撓み等の変形が生じにくくすることができる。 Then, at the time of manufacturing the sensor element, when the laminate of the sensor element is heated for sintering, the solid electrolyte layer and each insulating layer are affected by the difference in the linear expansion ratio between the solid electrolyte layer and each insulating layer. Thermal stress is generated at the boundary with. At this time, the first gap is maintained by the first porous material, and the second gap is maintained by the second porous material, so that the solid electrolyte layer is located between the detection gas chamber and the reference gas chamber. It is possible to prevent deformation such as bending from occurring in the portion.

それ故、前記一態様のガスセンサによれば、絶縁層と積層された固体電解質層に、撓み等の変形が生じにくくすることができる。 Therefore, according to the gas sensor of the above aspect, it is possible to prevent the solid electrolyte layer laminated with the insulating layer from being deformed such as bending.

各絶縁層及び各多孔質材は、金属酸化物等のセラミックスによって構成することができる。各絶縁層は、気孔がほとんど形成されていない緻密層として形成することができる。各絶縁層の気孔率は、検出ガス又は基準ガスが透過しないよう、例えば、1体積%以下とすることができる。なお、気孔率とは、材料部分及び気孔部分を含む外形全体の体積における気孔部分の体積の割合のことをいう。 Each insulating layer and each porous material can be made of ceramics such as metal oxides. Each insulating layer can be formed as a dense layer having few pores formed. The porosity of each insulating layer can be, for example, 1% by volume or less so that the detection gas or the reference gas does not permeate. The porosity refers to the ratio of the volume of the pore portion to the volume of the entire outer shape including the material portion and the pore portion.

各多孔質材は、検出ガス又は基準ガスが透過することができる気孔を有する。各多孔質材の気孔率は、例えば、30~80体積%とすることができる。各多孔質材の気孔率が30体積%未満になると、検出電極又は基準電極に検出ガス又は基準ガスが接触しにくくなり、検出電極又は基準電極における反応抵抗が大きくなるおそれがある。一方、各多孔質材の気孔率が80体積%超過になると、各多孔質材の強度が低下して、各多孔質材が第1隙間又は第2隙間を維持することができずに、固体電解質層に撓み等の変形が生じるおそれがある。 Each porous material has pores through which the detection gas or reference gas can pass. The porosity of each porous material can be, for example, 30 to 80% by volume. When the porosity of each porous material is less than 30% by volume, it becomes difficult for the detection gas or the reference gas to come into contact with the detection electrode or the reference electrode, and the reaction resistance at the detection electrode or the reference electrode may increase. On the other hand, when the porosity of each porous material exceeds 80% by volume, the strength of each porous material decreases, and each porous material cannot maintain the first gap or the second gap, and is solid. Deformation such as bending may occur in the electrolyte layer.

「第1主面」及び「第2主面」とは、固体電解質層における最も大きな表面のことをいう。また、「積層方向」とは、固体電解質層に対して第1絶縁層及び第2絶縁層が積層された方向のことをいう。 The "first main surface" and the "second main surface" refer to the largest surface of the solid electrolyte layer. Further, the "lamination direction" means the direction in which the first insulating layer and the second insulating layer are laminated with respect to the solid electrolyte layer.

なお、本発明の一態様において示す各構成要素のカッコ書きの符号は、実施形態における図中の符号との対応関係を示すが、各構成要素を実施形態の内容のみに限定するものではない。 The reference numerals in parentheses of each component shown in one aspect of the present invention indicate the correspondence with the reference numerals in the figure in the embodiment, but each component is not limited to the content of the embodiment.

実施形態1にかかる、ガスセンサを示す断面図。The cross-sectional view which shows the gas sensor which concerns on Embodiment 1. FIG. 実施形態1にかかる、積層前のセンサ素子を示す斜視図。The perspective view which shows the sensor element before stacking which concerns on Embodiment 1. FIG. 実施形態1にかかる、センサ素子を示す断面図。The cross-sectional view which shows the sensor element which concerns on Embodiment 1. FIG. 実施形態1にかかる、センサ素子を示す、図3のIV-IV断面図。FIG. 3 is a sectional view taken along line IV-IV of FIG. 3, showing a sensor element according to the first embodiment. 実施形態1にかかる、他のセンサ素子を示す断面図。FIG. 6 is a cross-sectional view showing another sensor element according to the first embodiment. 実施形態2にかかる、センサ素子を示す断面図。The cross-sectional view which shows the sensor element which concerns on Embodiment 2. 実施形態2にかかる、センサ素子を示す、図6のVII-VII断面図。FIG. 6 is a sectional view taken along the line VII-VII of FIG. 6, showing the sensor element according to the second embodiment. 確認試験1にかかる、センサ素子の撓み度合いを示す説明図。Explanatory drawing which shows the degree of bending of a sensor element which concerns on confirmation test 1. 確認試験1にかかる、センサ素子のインピーダンスについて、複素インピーダンスプロットを行った結果を示すグラフ。The graph which shows the result of having performed the complex impedance plot about the impedance of the sensor element which concerns on confirmation test 1.

前述したガスセンサにかかる好ましい態様について説明する。
前記ガスセンサにおいては、検出ガス室及び基準ガス室にそれぞれ多孔質材を配置する際に、固体電解質層を介する検出電極と基準電極との間においてイオン伝導が行われる際の電極反応抵抗を小さくする工夫をしている。この電極反応抵抗を軽減するために、種々の態様を採用することができる。
A preferred embodiment of the gas sensor described above will be described.
In the gas sensor, when the porous material is arranged in the detection gas chamber and the reference gas chamber, the electrode reaction resistance when ion conduction is performed between the detection electrode and the reference electrode via the solid electrolyte layer is reduced. I am devising. Various embodiments can be adopted to reduce this electrode reaction resistance.

前記一態様の発明においては、前記第1多孔質材の気孔率は、前記第2多孔質材の気孔率よりも大きくする。検出ガス室は、検出ガスが導入される空間部であり、検出ガス室における検出ガスの拡散状態は、ガスセンサの出力特性に影響を与える。検出ガス室に配置する第1多孔質材の気孔率は、第1隙間を維持できることを前提にしてできるだけ大きくすることが好ましい。これにより、第1多孔質材における気孔を介して、検出ガス室内の検出電極に検出ガスが接触しやすくし、検出ガス室における検出ガスの拡散状態を良好に保つことができる。 In the invention of the one aspect, the porosity of the first porous material is made larger than the porosity of the second porous material . The detection gas chamber is a space into which the detection gas is introduced, and the diffusion state of the detection gas in the detection gas chamber affects the output characteristics of the gas sensor. The porosity of the first porous material arranged in the detection gas chamber is preferably as large as possible on the premise that the first gap can be maintained. As a result, the detection gas can easily come into contact with the detection electrode in the detection gas chamber through the pores in the first porous material, and the diffusion state of the detection gas in the detection gas chamber can be kept good.

そして、検出ガス室に配置された第1多孔質材の気孔率を、基準ガス室に配置された第2多孔質材の気孔率よりも大きくすることにより、検出電極に検出ガスが接触しやすくして、センサ素子における電極反応抵抗を小さくすることができる。電極反応抵抗を小さくすることができると、特にガスセンサの応答性が向上する。電極反応抵抗とは、固体電解質層を介して検出電極と基準電極との間を酸素のイオンが伝導する際に、電極における反応を支配する抵抗のことをいう。 Then, by making the porosity of the first porous material arranged in the detection gas chamber larger than the porosity of the second porous material arranged in the reference gas chamber, the detection gas can easily come into contact with the detection electrode. Therefore, the electrode reaction resistance in the sensor element can be reduced. If the electrode reaction resistance can be reduced, the responsiveness of the gas sensor is particularly improved. The electrode reaction resistance refers to the resistance that governs the reaction at the electrode when oxygen ions are conducted between the detection electrode and the reference electrode via the solid electrolyte layer.

また、前記他の態様の発明においては、前記第2多孔質材は、前記積層方向における前記基準電極側に配置された電極側多孔質層と、前記積層方向における前記発熱体側に配置された発熱体側多孔質層とを形成しており、前記電極側多孔質層の気孔率は、前記発熱体側多孔質層の気孔率よりも大きくする。基準ガス室の容積は、検出ガス室の容積よりも大きくすることがほとんどである。そのため、基準ガス室に配置する第2多孔質材は、気孔率が異なる2層以上の状態で設けることが容易になる。 Further, in the invention of the other aspect, the second porous material has a porous layer on the electrode side arranged on the reference electrode side in the stacking direction and heat generation arranged on the heating element side in the stacking direction. It forms a body-side porous layer, and the porosity of the electrode-side porous layer is larger than the porosity of the heating element-side porous layer . In most cases, the volume of the reference gas chamber is larger than the volume of the detection gas chamber. Therefore, the second porous material arranged in the reference gas chamber can be easily provided in a state of two or more layers having different porosities.

電極側多孔質層の気孔率を、発熱体側多孔質層の気孔率よりも大きくすることにより、第2多孔質材における気孔を介して、基準ガス室内の基準電極に基準ガスが接触しやすくし、基準電極の近傍における基準ガスの拡散状態を良好に保つことができる。また、基準ガス室における発熱体側の部位は、発熱体に近く、熱応力が生じやすい部位である。そのため、発熱体側多孔質層の気孔率が小さいことにより、第2多孔質材における熱応力が生じやすい部位の強度を高くすることができる。また、発熱体側多孔質層によって、発熱体による熱を遮蔽しやすくすることができる。 By making the porosity of the porous layer on the electrode side larger than the porosity of the porous layer on the heating element side, the reference gas can easily come into contact with the reference electrode in the reference gas chamber through the pores in the second porous material. , The diffusion state of the reference gas in the vicinity of the reference electrode can be kept good. Further, the portion on the heating element side in the reference gas chamber is close to the heating element and is a portion where thermal stress is likely to occur. Therefore, since the porosity of the porous layer on the heating element side is small, it is possible to increase the strength of the portion of the second porous material where thermal stress is likely to occur. Further, the porous layer on the heating element side can easily shield the heat generated by the heating element.

また、第2多孔質材が電極側多孔質層と発熱体側多孔質層とから形成される場合には、第1多孔質材の気孔率は、電極側多孔質層の気孔率と発熱体側多孔質層の気孔率との平均値よりも大きくすることができる。また、第1多孔質材の気孔率と電極側多孔質層の気孔率とは同程度とし、第1多孔質材の気孔率は、発熱体側多孔質層の気孔率よりも大きくすることができる。 When the second porous material is formed of the electrode-side porous layer and the heating element-side porous layer, the porosity of the first porous material is the porosity of the electrode-side porous layer and the heating element-side porosity. It can be larger than the average value with the porosity of the stratum. Further, the porosity of the first porous material and the porosity of the electrode-side porous layer are set to be about the same, and the porosity of the first porous material can be made larger than the porosity of the heating element-side porous layer. ..

また、前記一態様の発明及び前記他の態様の発明においては、前記固体電解質層は、ジルコニア系酸化物によって構成されており、前記第1多孔質材及び前記第2多孔質材は、セリア系酸化物及びジルコニア系酸化物の少なくとも1種によって構成されていてもよい。固体電解質層がジルコニア系酸化物によって構成される場合に、各多孔質材にアルミナ(酸化アルミニウム)が用いられると、固体電解質層と各多孔質材との間に反応生成物が生成されるおそれがある。そして、反応生成物が生成されると、電極反応抵抗等が大きくなるおそれがある。そこで、ジルコニア系酸化物から構成された固体電解質層と、セリア系酸化物及びジルコニア系酸化物の少なくとも1種から構成された各多孔質材との組み合わせにより、固体電解質層と各多孔質材との間における反応生成物の生成を抑制することができる。 Further, in the invention of the one aspect and the invention of the other aspect, the solid electrolyte layer is composed of a zirconia-based oxide, and the first porous material and the second porous material are ceria-based. It may be composed of at least one of an oxide and a zirconia-based oxide. When the solid electrolyte layer is composed of zirconia oxide and alumina (aluminum oxide) is used for each porous material, a reaction product may be generated between the solid electrolyte layer and each porous material. There is. Then, when the reaction product is generated, the electrode reaction resistance and the like may increase. Therefore, by combining the solid electrolyte layer composed of the zirconia-based oxide and each porous material composed of at least one of the ceria-based oxide and the zirconia-based oxide, the solid electrolyte layer and each porous material can be obtained. The formation of reaction products between them can be suppressed.

また、前記さらに他の態様の発明においては、前記固体電解質層は、ランタンガレート系酸化物によって構成されており、前記第1多孔質材及び前記第2多孔質材は、セリア系酸化物によって構成されてい。固体電解質層がランタンガレート系酸化物によって構成される場合に、各多孔質材にジルコニア(酸化ジルコニウム)が用いられると、固体電解質層と各多孔質材との間に反応生成物が生成されるおそれがある。そこで、ランタンガレート系酸化物から構成された固体電解質層と、セリア系酸化物から構成された各多孔質材との組み合わせにより、固体電解質層と各多孔質材との間における反応生成物の生成を抑制することができる。 Further, in the invention of still another aspect, the solid electrolyte layer is composed of a lanthanum gallate-based oxide, and the first porous material and the second porous material are composed of a ceria-based oxide. Has been done . When zirconia (zirconium oxide) is used for each porous material when the solid electrolyte layer is composed of a lanthanum gallate-based oxide, a reaction product is generated between the solid electrolyte layer and each porous material. There is a risk. Therefore, by combining the solid electrolyte layer composed of the lanthanum gallate-based oxide and each porous material composed of the ceria-based oxide, a reaction product is generated between the solid electrolyte layer and each porous material. Can be suppressed.

前述したガスセンサにかかる好ましい実施形態について、図面を参照して説明する。
<実施形態1>
本形態のガスセンサ1は、図1~図4に示すように、ガス検出を行うためのセンサ素子2を備える。センサ素子2は、セラミックスの焼結体として形成されており、検出ガス室35、基準ガス室36、固体電解質層31、検出電極311、基準電極312、第1絶縁層33A、第2絶縁層33B、拡散律速層32、発熱体34、第1多孔質材51及び第2多孔質材52を備える。検出ガス室35は、検出ガスGが導入される空間部として形成されている。基準ガス室36は、基準ガスAが導入される空間部として形成されている。
A preferred embodiment of the gas sensor described above will be described with reference to the drawings.
<Embodiment 1>
As shown in FIGS. 1 to 4, the gas sensor 1 of the present embodiment includes a sensor element 2 for performing gas detection. The sensor element 2 is formed as a sintered body of ceramics, and has a detection gas chamber 35, a reference gas chamber 36, a solid electrolyte layer 31, a detection electrode 311 and a reference electrode 312, a first insulating layer 33A, and a second insulating layer 33B. , A diffusion rate controlling layer 32, a heating element 34, a first porous material 51 and a second porous material 52. The detection gas chamber 35 is formed as a space into which the detection gas G is introduced. The reference gas chamber 36 is formed as a space portion into which the reference gas A is introduced.

図3及び図4に示すように、固体電解質層31は、イオン伝導性を有するとともに板状に形成されている。固体電解質層31は、検出ガス室35と基準ガス室36とを区画するよう、検出ガス室35と基準ガス室36との間に配置されており、検出ガス室35に面する第1主面301と、基準ガス室36に面する第2主面302とを有する。検出電極311は、検出ガス室35内に配置された状態で固体電解質層31の第1主面301に設けられている。基準電極312は、基準ガス室36内に配置された状態で固体電解質層31の第2主面302に設けられている。第1絶縁層33Aは、固体電解質層31の第1主面301に積層されており、固体電解質層31と共に検出ガス室35を形成する。第2絶縁層33Bは、固体電解質層31の第2主面302に積層されており、固体電解質層31と共に基準ガス室36を形成する。 As shown in FIGS. 3 and 4, the solid electrolyte layer 31 has ionic conductivity and is formed in a plate shape. The solid electrolyte layer 31 is arranged between the detection gas chamber 35 and the reference gas chamber 36 so as to partition the detection gas chamber 35 and the reference gas chamber 36, and is a first main surface facing the detection gas chamber 35. It has a 301 and a second main surface 302 facing the reference gas chamber 36. The detection electrode 311 is provided on the first main surface 301 of the solid electrolyte layer 31 in a state of being arranged in the detection gas chamber 35. The reference electrode 312 is provided on the second main surface 302 of the solid electrolyte layer 31 in a state of being arranged in the reference gas chamber 36. The first insulating layer 33A is laminated on the first main surface 301 of the solid electrolyte layer 31, and forms a detection gas chamber 35 together with the solid electrolyte layer 31. The second insulating layer 33B is laminated on the second main surface 302 of the solid electrolyte layer 31, and forms the reference gas chamber 36 together with the solid electrolyte layer 31.

拡散律速層32は、第1絶縁層33Aの一部と置き換えられて、固体電解質層31及び第1絶縁層33Aと共に検出ガス室35を形成する。拡散律速層32は、検出ガス室35への検出ガスGの拡散を律速するためのものである。発熱体34は、第2絶縁層33Bに埋設されており、通電によって発熱するものである。 The diffusion rate-determining layer 32 is replaced with a part of the first insulating layer 33A to form a detection gas chamber 35 together with the solid electrolyte layer 31 and the first insulating layer 33A. The diffusion rate-determining layer 32 is for controlling the diffusion of the detected gas G into the detection gas chamber 35. The heating element 34 is embedded in the second insulating layer 33B and generates heat when energized.

第1多孔質材51は、絶縁性を有する多孔質のセラミックスによって形成されている。第1多孔質材51は、検出ガス室35内における、検出電極311と第1絶縁層33Aとの積層方向Dの第1隙間351に配置されて、第1隙間351を維持するために用いられる。第2多孔質材52は、絶縁性を有する多孔質のセラミックスによって形成されている。第2多孔質材52は、基準ガス室36内における、基準電極312と第2絶縁層33Bとの積層方向Dの第2隙間361に配置されて、第2隙間361を維持するために用いられる。 The first porous material 51 is formed of a porous ceramic having an insulating property. The first porous material 51 is arranged in the first gap 351 in the stacking direction D between the detection electrode 311 and the first insulating layer 33A in the detection gas chamber 35, and is used to maintain the first gap 351. .. The second porous material 52 is formed of a porous ceramic having an insulating property. The second porous material 52 is arranged in the second gap 361 in the stacking direction D between the reference electrode 312 and the second insulating layer 33B in the reference gas chamber 36, and is used to maintain the second gap 361. ..

以下に、本形態のガスセンサ1について詳説する。
(内燃機関)
図1に示すように、本形態のガスセンサ1は、車両の内燃機関(エンジン)から排気される排ガスが流れる排気管に取り付けられる。ガスセンサ1は、排気管内を流れる排ガスを検出ガスGとするとともに、大気を基準ガスAとして、ガス検出を行うものである。本形態のガスセンサ1は、排ガスの組成から求められる内燃機関の空燃比を求める空燃比センサとして用いられる。以下に、ガスセンサ1によって求める内燃機関の空燃比のことを、排ガスの空燃比ということがある。
The gas sensor 1 of this embodiment will be described in detail below.
(Internal combustion engine)
As shown in FIG. 1, the gas sensor 1 of this embodiment is attached to an exhaust pipe through which exhaust gas exhausted from an internal combustion engine (engine) of a vehicle flows. The gas sensor 1 uses the exhaust gas flowing in the exhaust pipe as the detection gas G and the atmosphere as the reference gas A for gas detection. The gas sensor 1 of this embodiment is used as an air-fuel ratio sensor for obtaining the air-fuel ratio of an internal combustion engine obtained from the composition of exhaust gas. Hereinafter, the air-fuel ratio of the internal combustion engine obtained by the gas sensor 1 may be referred to as the air-fuel ratio of the exhaust gas.

空燃比センサは、理論空燃比と比べて空気に対する燃料の割合が多い燃料リッチの状態から、理論空燃比と比べて空気に対する燃料の割合が少ない燃料リーンの状態まで定量的に連続して空燃比を検出することができるものである。空燃比センサにおいては、拡散律速層32によって検出ガス室35へ導かれる検出ガスGの拡散速度が絞られる際に、検出電極311と基準電極312との間に、酸素イオンの移動量に応じた電流が出力される限界電流特性を示すための所定の電圧が印加される。 The air-fuel ratio sensor quantitatively and continuously ranges from a fuel-rich state in which the ratio of fuel to air is higher than the theoretical air-fuel ratio to a fuel lean state in which the ratio of fuel to air is lower than the theoretical air-fuel ratio. Can be detected. In the air-fuel ratio sensor, when the diffusion rate of the detection gas G guided to the detection gas chamber 35 by the diffusion rate-determining layer 32 is reduced, the amount of oxygen ions transferred between the detection electrode 311 and the reference electrode 312 is adjusted. A predetermined voltage is applied to indicate the critical current characteristic at which the current is output.

空燃比センサにおいて、燃料リーン側の空燃比を検出する際には、検出ガスGに含まれる酸素が、イオンとなって検出電極311から固体電解質層31を介して基準電極312へ移動する際に生じる電流を検出する。また、空燃比センサにおいて、燃料リッチ側の空燃比を検出する際には、検出ガスGに含まれる未燃ガス(炭化水素、一酸化炭素、水素等)を反応させるために、基準電極312から固体電解質層31を介して検出電極311へイオンとなった酸素が移動し、未燃ガスと酸素とが反応する際に生じる電流を検出する。 When the air-fuel ratio sensor detects the air-fuel ratio on the fuel lean side, oxygen contained in the detection gas G becomes ions and moves from the detection electrode 311 to the reference electrode 312 via the solid electrolyte layer 31. Detect the generated current. Further, when the air-fuel ratio sensor detects the air-fuel ratio on the fuel-rich side, the unburned gas (hydrocarbon, carbon monoxide, hydrogen, etc.) contained in the detected gas G is reacted from the reference electrode 312 in order to react. Ionic oxygen moves to the detection electrode 311 via the solid electrolyte layer 31, and the current generated when the unburned gas and oxygen react with each other is detected.

また、ガスセンサ1は、排ガス中の特定ガス成分としてのNOxを検出するNOxセンサとして用いることもできる。この場合には、検出電極311は、基準電極312と共に検出ガスG中の酸素を排出するポンプ電極と、検出ガスG中のNOxを検出するためのNOx検出電極とに分離して用いることができる。 Further, the gas sensor 1 can also be used as a NOx sensor for detecting NOx as a specific gas component in the exhaust gas. In this case, the detection electrode 311 can be used separately as a pump electrode for discharging oxygen in the detection gas G together with the reference electrode 312 and a NOx detection electrode for detecting NOx in the detection gas G. ..

(センサ素子2)
図3及び図4に示すように、センサ素子2は、固体電解質層31に、絶縁層33A,33B及び発熱体34が積層された積層タイプのものである。固体電解質層31は、ジルコニア系酸化物からなり、ジルコニアを主成分とし(50質量%以上含有し)、希土類金属元素又はアルカリ土類金属元素によってジルコニアの一部を置換させた安定化ジルコニア又は部分安定化ジルコニアからなる。固体電解質層31を構成するジルコニアの一部は、イットリア、スカンジア又はカルシアによって置換することができる。
(Sensor element 2)
As shown in FIGS. 3 and 4, the sensor element 2 is a laminated type in which the insulating layers 33A and 33B and the heating element 34 are laminated on the solid electrolyte layer 31. The solid electrolyte layer 31 is composed of a zirconia-based oxide, contains zirconia as a main component (containing 50% by mass or more), and is a stabilized zirconia or a portion obtained by substituting a part of zirconia with a rare earth metal element or an alkaline earth metal element. Consists of stabilized zirconia. A portion of the zirconia constituting the solid electrolyte layer 31 can be replaced by yttria, scandia or calcia.

また、検出電極311及び基準電極312は、酸素に対する触媒活性を示す貴金属としての白金、及び固体電解質層31との共材としてのジルコニア系酸化物を含有している。 Further, the detection electrode 311 and the reference electrode 312 contain platinum as a noble metal exhibiting catalytic activity for oxygen and a zirconia oxide as a co-material with the solid electrolyte layer 31.

センサ素子2は、長尺形状に形成されており、検出電極311、基準電極312、検出ガス室35、拡散律速層32及び発熱体34の発熱部341は、長尺方向Lの先端側部位に配置されている。センサ素子2の長尺方向Lの先端側部位には、検出電極311及び基準電極312と、これらの電極311,312の間に挟まれた固体電解質層31の部分とによる検知部21が形成されている。 The sensor element 2 is formed in a long shape, and the heat generating portion 341 of the detection electrode 311, the reference electrode 312, the detection gas chamber 35, the diffusion rate controlling layer 32, and the heating element 34 is located at the tip end side portion in the long direction L. Have been placed. A detection unit 21 is formed at the tip end side portion of the sensor element 2 in the long direction L by a detection electrode 311 and a reference electrode 312, and a portion of a solid electrolyte layer 31 sandwiched between these electrodes 311, 312. ing.

センサ素子2の長尺方向Lとは、センサ素子2が長尺形状に形成された方向のことをいう。また、長尺方向Lに直交し、固体電解質層31、絶縁層33A,33B及び発熱体34が積層された方向を、積層方向Dという。また、長尺方向Lと積層方向Dとに直交する方向を、幅方向Wという。また、図1~図4においては、長尺方向Lの先端側をL1によって示し、長尺方向Lの基端側をL2によって示す。 The long direction L of the sensor element 2 means the direction in which the sensor element 2 is formed in a long shape. Further, the direction in which the solid electrolyte layer 31, the insulating layers 33A and 33B and the heating element 34 are laminated, which is orthogonal to the long direction L, is referred to as a stacking direction D. Further, the direction orthogonal to the long direction L and the stacking direction D is called the width direction W. Further, in FIGS. 1 to 4, the tip end side in the elongated direction L is indicated by L1, and the proximal end side in the elongated direction L is indicated by L2.

図2に示すように、検出電極311及び基準電極312には、これらの電極311,312をガスセンサ1の外部と電気接続するための電極リード部313,314が接続されており、この電極リード部313,314は、長尺方向Lの基端側部位まで引き出されている。 As shown in FIG. 2, electrode lead portions 313 and 314 for electrically connecting these electrodes 311, 312 to the outside of the gas sensor 1 are connected to the detection electrode 311 and the reference electrode 312, and the electrode lead portions are connected to the detection electrode 311 and the reference electrode 312. The 313 and 314 are pulled out to the base end side portion in the long direction L.

また、発熱体34は、通電によって発熱する発熱部341と、発熱部341に繋がる一対の発熱体リード部342とを有する。発熱体リード部342は、長尺方向Lの基端側部位まで引き出されている。発熱体34は、導電性を有する金属材料を含有している。 Further, the heating element 34 has a heating element 341 that generates heat by energization and a pair of heating element lead portions 342 connected to the heating element 341. The heating element lead portion 342 is pulled out to the proximal end side portion in the long direction L. The heating element 34 contains a conductive metal material.

図2に示すように、発熱部341は、発熱体34における先端部において長尺方向Lに蛇行する形状に形成されている。なお、発熱部341は、幅方向Wに蛇行して形成されていてもよい。発熱部341は、長尺方向Lに直交する積層方向Dにおいて、検出電極311及び基準電極312に対向する位置に配置されており、検出電極311及び基準電極312が目標とする温度になるよう、固体電解質層31、検出電極311、基準電極312、絶縁層33A,33B等を加熱する。 As shown in FIG. 2, the heat generating portion 341 is formed in a shape meandering in the long direction L at the tip portion of the heating element 34. The heat generating portion 341 may be formed so as to meander in the width direction W. The heat generating portion 341 is arranged at a position facing the detection electrode 311 and the reference electrode 312 in the stacking direction D orthogonal to the long direction L so that the detection electrode 311 and the reference electrode 312 reach the target temperature. The solid electrolyte layer 31, the detection electrode 311 and the reference electrode 312, the insulating layers 33A, 33B and the like are heated.

発熱部341の断面積は、発熱体リード部342の断面積よりも小さく、発熱部341の単位長さ当たりの抵抗値は、発熱体リード部342の単位長さ当たりの抵抗値よりも高い。この断面積とは、発熱部341及び発熱体リード部342が延びる方向に直交する面の断面積のことをいう。そして、一対の発熱体リード部342に電圧が印加されると、発熱部341がジュール熱によって発熱し、この発熱によって、検知部21の周辺が加熱される。 The cross-sectional area of the heating element 341 is smaller than the cross-sectional area of the heating element lead portion 342, and the resistance value per unit length of the heating element 341 is higher than the resistance value per unit length of the heating element lead portion 342. This cross-sectional area means the cross-sectional area of the plane orthogonal to the extending direction of the heating element 341 and the heating element lead portion 342. When a voltage is applied to the pair of heating element lead units 342, the heat generating unit 341 generates heat due to Joule heat, and the heat generated heats the periphery of the detection unit 21.

第1絶縁層33A及び第2絶縁層33Bは、アルミナ(酸化アルミニウム)によって形成されている。各絶縁層33A,33Bは、検出ガスG又は基準ガスAが透過することができない緻密層として形成されており、各絶縁層33A,33Bには、気体が通過することができる気孔がほとんど形成されていない。 The first insulating layer 33A and the second insulating layer 33B are formed of alumina (aluminum oxide). The insulating layers 33A and 33B are formed as a dense layer through which the detection gas G or the reference gas A cannot permeate, and the insulating layers 33A and 33B are almost formed with pores through which the gas can pass. Not.

図2に示すように、第1絶縁層33Aは、検出ガス室35を形成するために積層方向Dに貫通された貫通穴332を有する絶縁スペーサ331と、絶縁スペーサ331に積層されて、貫通穴332を閉じるための絶縁プレート334とによって形成されている。本形態の拡散律速層32は、検出ガス室35の長尺方向Lの先端側に隣接して形成されている。拡散律速層32は、第1絶縁層33Aの絶縁スペーサ331において、検出ガス室35の長尺方向Lの先端側に隣接して開口された導入口333内に配置されている。 As shown in FIG. 2, the first insulating layer 33A is laminated with an insulating spacer 331 having a through hole 332 penetrated in the stacking direction D in order to form a detection gas chamber 35, and a through hole 331. It is formed by an insulating plate 334 for closing the 332. The diffusion rate-controlling layer 32 of this embodiment is formed adjacent to the tip end side of the detection gas chamber 35 in the long direction L. The diffusion rate-determining layer 32 is arranged in the introduction port 333 opened adjacent to the tip end side of the detection gas chamber 35 in the long direction L in the insulating spacer 331 of the first insulating layer 33A.

検出ガス室35は、第1絶縁層33Aと拡散律速層32と固体電解質層31とによって閉じられた空間部として形成されている。排気管内を流れる排ガスである検出ガスGは、拡散律速層32を通過して検出ガス室35内に導入される。 The detection gas chamber 35 is formed as a space portion closed by the first insulating layer 33A, the diffusion rate controlling layer 32, and the solid electrolyte layer 31. The detection gas G, which is an exhaust gas flowing in the exhaust pipe, passes through the diffusion rate-determining layer 32 and is introduced into the detection gas chamber 35.

拡散律速層32は、検出ガス室35の幅方向Wの両側に隣接して形成してもよい。この場合には、拡散律速層32は、第1絶縁層33Aの絶縁スペーサ331において、検出ガス室35の幅方向Wの両側に隣接して開口された導入口333内に配置される。 The diffusion rate-determining layer 32 may be formed adjacent to both sides of the detection gas chamber 35 in the width direction W. In this case, the diffusion rate controlling layer 32 is arranged in the introduction port 333 opened adjacent to both sides of the detection gas chamber 35 in the width direction W in the insulating spacer 331 of the first insulating layer 33A.

拡散律速層32は、アルミナ等の多孔質のセラミックスによって形成されている。検出ガス室35に導入される検出ガスGの拡散速度(流量)は、検出ガスGが拡散律速層32における気孔を透過する速度が制限されることによって決定される。拡散律速層32の気孔率は、検出ガス室35内に配置された第1多孔質材51の気孔率よりも小さい。気孔率は、気孔を含む外形全体の体積における気孔の体積の割合として示される。 The diffusion rate-determining layer 32 is formed of porous ceramics such as alumina. The diffusion rate (flow rate) of the detection gas G introduced into the detection gas chamber 35 is determined by limiting the rate at which the detection gas G permeates the pores in the diffusion rate-determining layer 32. The porosity of the diffusion rate-determining layer 32 is smaller than the porosity of the first porous material 51 arranged in the detection gas chamber 35. Porosity is expressed as the ratio of the volume of the pores to the volume of the entire outer shape including the pores.

なお、検出ガス室35への検出ガスGの拡散律速は、拡散律速層32を用いる以外にも、検出ガス室35に連通された小さな貫通穴であるピンホールを用いて形成することもできる。 The diffusion rate-determining of the detection gas G into the detection gas chamber 35 can be formed by using a pinhole which is a small through hole communicated with the detection gas chamber 35, in addition to using the diffusion-controlling layer 32.

図2に示すように、第2絶縁層33Bは、基準ガス室36を形成するために積層方向Dに貫通されるとともに長尺方向Lの基端側に開放された開放穴336を有する絶縁スペーサ335と、絶縁スペーサ335に積層された第1ヒータプレート337と、第1ヒータプレート337との間に発熱体34を挟み込んで第1ヒータプレート337に積層された第2ヒータプレート338とによって形成されている。 As shown in FIG. 2, the second insulating layer 33B is an insulating spacer having an open hole 336 that is penetrated in the stacking direction D to form the reference gas chamber 36 and is opened on the base end side in the long direction L. It is formed by the 335, the first heater plate 337 laminated on the insulating spacer 335, and the second heater plate 338 laminated on the first heater plate 337 with the heating element 34 sandwiched between the first heater plate 337. ing.

基準ガス室36は、長尺方向Lの基端側が開口された、基準ガスAのダクトとして形成されている。基準ガス室36は、センサ素子2の長尺方向Lの基端位置から、固体電解質層31を介して検出ガス室35と対向する位置まで形成されている。基準電極312は、基準ガス室36内における先端側部位に配置されている。基準ガス室36には、基準ガスAとしての大気が、センサ素子2の基端側から導入される。 The reference gas chamber 36 is formed as a duct for the reference gas A with the base end side in the long direction L opened. The reference gas chamber 36 is formed from the base end position of the sensor element 2 in the long direction L to a position facing the detection gas chamber 35 via the solid electrolyte layer 31. The reference electrode 312 is arranged at the tip end side portion in the reference gas chamber 36. Atmosphere as the reference gas A is introduced into the reference gas chamber 36 from the proximal end side of the sensor element 2.

図1に示すように、センサ素子2の長尺方向Lの先端側部位の全周には、検出電極311に対する被毒物質、排気管内に生じる凝縮水等を捕獲するための多孔質保護層37が設けられている。多孔質保護層37は、アルミナ等の多孔質のセラミックスによって形成されている。多孔質保護層37の気孔率は、拡散律速層32の気孔率よりも大きく、多孔質層37を透過することができる検出ガスGの流量は、拡散律速層32を透過することができる検出ガスGの流量よりも多い。 As shown in FIG. 1, a porous protective layer 37 for capturing toxic substances to the detection electrode 311, condensed water generated in the exhaust pipe, and the like is formed on the entire circumference of the tip end side portion of the sensor element 2 in the long direction L. Is provided. The porous protective layer 37 is formed of porous ceramics such as alumina. The porosity of the porous protective layer 37 is larger than the porosity of the diffusion rate-determining layer 32, and the flow rate of the detection gas G that can permeate the porous layer 37 is the detection gas that can permeate the diffusion rate-determining layer 32. More than the flow rate of G.

図3及び図4に示すように、本形態の固体電解質層31は、抵抗を小さくしてセンサ素子2の応答性を高めるために、できるだけ薄く形成されている。固体電解質層31は、0.02~0.3mmの積層方向Dの厚みに形成することができる。厚みが0.02mm未満の固定電解質層31を形成することは困難である。固体電解質層31の厚みが0.1mm以下として薄い場合に、固体電解質層31に撓み等の変形が生じやすい。そのため、この場合に、各多孔質材51,52を配置することによる効果が顕著になる。 As shown in FIGS. 3 and 4, the solid electrolyte layer 31 of the present embodiment is formed as thin as possible in order to reduce the resistance and enhance the responsiveness of the sensor element 2. The solid electrolyte layer 31 can be formed to have a thickness of 0.02 to 0.3 mm in the stacking direction D. It is difficult to form the fixed electrolyte layer 31 having a thickness of less than 0.02 mm. When the thickness of the solid electrolyte layer 31 is as thin as 0.1 mm or less, the solid electrolyte layer 31 is likely to be deformed such as bending. Therefore, in this case, the effect of arranging the porous materials 51 and 52 becomes remarkable.

基準ガス室36の容積は、検出ガス室35の容積よりも大きい。また、基準ガス室36の長尺方向Lの長さは、検出ガス室35の長尺方向Lの長さよりも長く、基準ガス室36の積層方向Dの厚みは、検出ガス室35の積層方向Dの厚みよりも大きい。基準ガス室36の積層方向Dの厚みは、例えば、検出ガス室35の積層方向Dの厚みの1.5~15倍とすることができる。また、基準電極312と第2絶縁層33Bとの積層方向Dの第2隙間361は、検出電極311と第1絶縁層33Aとの積層方向Dの第1隙間351よりも大きい。基準ガス室36は、検出ガス室35とは違って酸素濃度を調整する必要もなく、センサ素子2においてガス検出が行われる際に十分な流量の酸素が通過できるよう、大きな容積を有していることが好ましい。 The volume of the reference gas chamber 36 is larger than the volume of the detection gas chamber 35. Further, the length of the reference gas chamber 36 in the long direction L is longer than the length of the detection gas chamber 35 in the long direction L, and the thickness of the reference gas chamber 36 in the stacking direction D is the stacking direction of the detection gas chamber 35. It is larger than the thickness of D. The thickness of the reference gas chamber 36 in the stacking direction D can be, for example, 1.5 to 15 times the thickness of the detection gas chamber 35 in the stacking direction D. Further, the second gap 361 in the stacking direction D between the reference electrode 312 and the second insulating layer 33B is larger than the first gap 351 in the stacking direction D between the detection electrode 311 and the first insulating layer 33A. Unlike the detection gas chamber 35, the reference gas chamber 36 does not need to adjust the oxygen concentration, and has a large volume so that a sufficient flow rate of oxygen can pass through when gas detection is performed in the sensor element 2. It is preferable to have.

(多孔質材51,52)
図3及び図4に示すように、第1多孔質材51は、検出ガス室35内に充填されており、第2多孔質材52は、基準ガス室36内に充填されている。各多孔質材51,52は、固体電解質層31における各電極311,312の形成部位を各絶縁層33A,33Bに支持することができればよい。そのため、各多孔質材51,52は、各ガス室35,36内に完全に充填されている必要はない。
(Porous medium 51, 52)
As shown in FIGS. 3 and 4, the first porous material 51 is filled in the detection gas chamber 35, and the second porous material 52 is filled in the reference gas chamber 36. The porous materials 51 and 52 may be able to support the formation sites of the electrodes 311, 312 in the solid electrolyte layer 31 on the insulating layers 33A and 33B. Therefore, each of the porous materials 51 and 52 does not need to be completely filled in each of the gas chambers 35 and 36.

図5に示すように、各多孔質材51,52は、各電極311,312と各絶縁層33A,33Bとの各隙間351,361にのみ配置されていてもよい。また、各多孔質材51,52は、各隙間351,361における一部にのみ配置されていてもよい。また、特に、基準ガス室36においては、検出ガス室35と対向する部位にのみ第2多孔質材52を充填し、検出ガス室35と対向しない部位には、第2多孔質材52を充填しないこともできる。 As shown in FIG. 5, the porous materials 51 and 52 may be arranged only in the gaps 351 and 361 between the electrodes 31 and 312 and the insulating layers 33A and 33B. Further, the porous materials 51 and 52 may be arranged only in a part of the gaps 351 and 361. Further, in particular, in the reference gas chamber 36, the second porous material 52 is filled only in the portion facing the detection gas chamber 35, and the second porous material 52 is filled in the portion not facing the detection gas chamber 35. You can also not.

第1多孔質材51及び第2多孔質材52は、多孔質の金属酸化物によって形成されている。本形態の各多孔質材51,52は、セリア系酸化物によって構成されている。セリア系酸化物は、ペロブスカイト構造を有するものであり、ガドリニアドープドセリア(GDC:Ce1-xGdx2-δ)、サマリアドープドセリア(SDC:Ce1-xSmx2-δ)、イットリアドープドセリア(YDC:Ce1-xx2-δ)等とすることができる。ここで、xは0~0.5の値をとり、δは、酸素の欠乏量を示し、0~0.25の値をとる。 The first porous material 51 and the second porous material 52 are formed of a porous metal oxide. Each of the porous materials 51 and 52 of this embodiment is composed of a ceria-based oxide. Ceria-based oxides have a perovskite structure, and are gadlinear-doped ceria (GDC: Ce 1-x Gd x O 2-δ ) and sammalia-doped ceria (SDC: Ce 1-x Sm x O 2-δ ). ), Itria-doped ceria (YDC: Ce 1-x Y x O 2-δ ) and the like. Here, x takes a value of 0 to 0.5, δ indicates the amount of oxygen deficiency, and takes a value of 0 to 0.25.

各多孔質材51,52は、ジルコニア系酸化物によって構成することもできる。ジルコニア系酸化物は、固体電解質層31について示したものと同様に、イットリア安定化ジルコニア(YSZ)、スカンジア安定化ジルコニア(ScSZ)、カルシア安定化ジルコニア(CSZ)等とすることができる。また、各多孔質材51,52は、これらの他にも、チタニア(TiO2)、マグネシア(MgO)、イットリア(Y23)、スカンジア(Sc23)、ハフニア(HfO2)等によって構成してもよい。 Each of the porous materials 51 and 52 can also be composed of a zirconia-based oxide. The zirconia-based oxide can be yttria-stabilized zirconia (YSZ), scandia-stabilized zirconia (ScSZ), calcia-stabilized zirconia (CSZ), or the like, as shown for the solid electrolyte layer 31. In addition to these, the porous materials 51 and 52 include titania (TIO 2 ), magnesia (MgO), ytria (Y 2 O 3 ), scandia (Sc 2 O 3 ), hafnia (HfO 2 ), and the like. It may be configured by.

各多孔質材51,52には、気体が通過することができる多数の気孔が形成されている。各多孔質材51,52は、ガス透過性及び強度の観点から30~80体積%の気孔率で形成することができる。また、第1多孔質材51の気孔率は、第2多孔質材52の気孔率よりも大きい。第1多孔質材51の気孔率は、第2多孔質材52の気孔率に比べて、例えば、5~50体積%大きくすることができる。ここで、気孔率とは、材料部分及び気孔部分を含む、多孔質材の外形全体の体積における、気孔部分の体積の割合のことをいう。 A large number of pores through which gas can pass are formed in each of the porous materials 51 and 52. Each of the porous materials 51 and 52 can be formed with a porosity of 30 to 80% by volume from the viewpoint of gas permeability and strength. Further, the porosity of the first porous material 51 is larger than the porosity of the second porous material 52. The porosity of the first porous material 51 can be increased by, for example, 5 to 50% by volume as compared with the porosity of the second porous material 52. Here, the porosity refers to the ratio of the volume of the pore portion to the volume of the entire outer shape of the porous material including the material portion and the pore portion.

気孔率は、センサ素子2を、各電極311,312を含む位置において、長尺方向Lに直交する状態で切断し、この切断面における各多孔質材51,52をSEM(走査型電子顕微鏡)によって観察して求めることができる。SEMによる観察を行う際には、切断面を画像処理装置に取り込み、画像処理装置におけるソフトウェアによって、各多孔質材51,52における材料部分と気孔部分とを2値化する。そして、材料部分の面積と気孔部分の面積との合計における気孔部分の面積の割合を気孔率とすることができる。気孔率は、比率又は百分率のいずれによって表してもよい。 For the porosity, the sensor element 2 is cut at a position including the electrodes 311, 312 in a state orthogonal to the long direction L, and the porous materials 51 and 52 on the cut surface are SEM (scanning electron microscope). Can be observed and obtained by. When observing by SEM, the cut surface is taken into the image processing apparatus, and the material portion and the pore portion in each of the porous materials 51 and 52 are binarized by the software in the image processing apparatus. Then, the ratio of the area of the pore portion to the total of the area of the material portion and the area of the pore portion can be defined as the porosity. Porosity may be expressed as either a ratio or a percentage.

ところで、各多孔質材51,52における材料部分が粒子の集合体等であるために、多孔質材の外形は定まりにくい。気孔率は、切断面における所定の区画範囲内の面積における、気孔部分の面積の割合として求めてもよい。また、センサ素子2における複数の切断面をSEMによって観察し、気孔率は、複数の切断面について求めた気孔率の平均値としてもよい。 By the way, since the material portion of each of the porous materials 51 and 52 is an aggregate of particles or the like, the outer shape of the porous material is difficult to determine. Porosity may be determined as the ratio of the area of the pore portion to the area within the predetermined section range on the cut surface. Further, a plurality of cut surfaces in the sensor element 2 may be observed by SEM, and the porosity may be an average value of the porosities obtained for the plurality of cut surfaces.

また、各多孔質材51,52は、種々の方法によって形成することができる。例えば、金属酸化物の粒子、樹脂の粒子及び溶媒を含むペースト材料を、検出ガス室35内及び基準ガス室36内に配置する。その後、センサ素子2の積層体を、加熱して焼結する際に、樹脂の粒子及び溶媒を揮発させて、金属酸化物の粒子による各多孔質材51,52を形成することができる。 Further, each of the porous materials 51 and 52 can be formed by various methods. For example, the paste material containing the metal oxide particles, the resin particles and the solvent is arranged in the detection gas chamber 35 and the reference gas chamber 36. After that, when the laminate of the sensor element 2 is heated and sintered, the resin particles and the solvent can be volatilized to form the porous materials 51 and 52 made of the metal oxide particles.

また、各多孔質材51,52は、金属酸化物の粒子が含まれるシート材料を用いて形成することもできる。この場合には、検出ガス室35内及び基準ガス室36内にシート材料を配置し、このシート材料を固体電解質層31、絶縁層33A,33B等とともに焼結することによって、各多孔質材51,52を形成することができる。 Further, each of the porous materials 51 and 52 can also be formed by using a sheet material containing particles of a metal oxide. In this case, the sheet material is arranged in the detection gas chamber 35 and the reference gas chamber 36, and the sheet material is sintered together with the solid electrolyte layer 31, the insulating layers 33A, 33B, etc., so that each porous material 51 is formed. , 52 can be formed.

(ガスセンサ1の他の構成)
図1に示すように、ガスセンサ1は、センサ素子2等の他に、センサ素子2を保持する第1インシュレータ42、第1インシュレータ42を保持するハウジング41、第1インシュレータ42に連結された第2インシュレータ43、第2インシュレータ43に保持されてセンサ素子2に接触する接点端子44を備える。また、ガスセンサ1は、ハウジング41の先端側の部分に装着された先端側カバー45、ハウジング41の基端側の部分に装着されて第2インシュレータ43、接点端子44等を覆う基端側カバー46、接点端子44に繋がるリード線48を基端側カバー46に保持するためのブッシュ47等を備える。
(Other configurations of gas sensor 1)
As shown in FIG. 1, in addition to the sensor element 2 and the like, the gas sensor 1 is connected to a first insulator 42 that holds the sensor element 2, a housing 41 that holds the first insulator 42, and a second insulator 42. A contact terminal 44 that is held by the insulator 43 and the second insulator 43 and comes into contact with the sensor element 2 is provided. Further, the gas sensor 1 is attached to the tip end side cover 45 mounted on the tip end side portion of the housing 41, and is mounted on the base end side portion of the housing 41 to cover the second insulator 43, the contact terminal 44, and the like. A bush 47 or the like for holding the lead wire 48 connected to the contact terminal 44 on the base end side cover 46 is provided.

先端側カバー45は、内燃機関の排気管内に配置される。先端側カバー45には、検出ガスGとしての排ガスを通過させるためのガス通過孔451が形成されている。先端側カバー45は、二重構造のものとすることができ、一重構造のものとすることもできる。先端側カバー45のガス通過孔451から先端側カバー45内に流入する検出ガスGとしての排ガスは、センサ素子2の多孔質層37及び拡散律速層32を通過して検出電極311へと導かれる。 The front end side cover 45 is arranged in the exhaust pipe of the internal combustion engine. The front end side cover 45 is formed with a gas passage hole 451 for passing the exhaust gas as the detection gas G. The tip side cover 45 may have a double structure or a single structure. The exhaust gas as the detection gas G flowing into the tip side cover 45 from the gas passage hole 451 of the tip side cover 45 passes through the porous layer 37 and the diffusion rate controlling layer 32 of the sensor element 2 and is guided to the detection electrode 311. ..

図1に示すように、基端側カバー46は、内燃機関の排気管の外部に配置される。基端側カバー46には、基端側カバー46内へ基準ガスAとしての大気を導入するための大気導入孔461が形成されている。大気導入孔461には、液体を通過させない一方、気体を通過させるフィルタ462が配置されている。大気導入孔461から基端側カバー46内に導入される基準ガスAは、基端側カバー46内の隙間及び基準ガス室36を通過して基準電極312へと導かれる。 As shown in FIG. 1, the base end side cover 46 is arranged outside the exhaust pipe of the internal combustion engine. The base end side cover 46 is formed with an atmosphere introduction hole 461 for introducing the atmosphere as the reference gas A into the base end side cover 46. In the atmosphere introduction hole 461, a filter 462 that does not allow liquid to pass through but allows gas to pass through is arranged. The reference gas A introduced into the base end side cover 46 from the atmosphere introduction hole 461 passes through the gap in the base end side cover 46 and the reference gas chamber 36 and is guided to the reference electrode 312.

図1及び図2に示すように、接点端子44は、検出電極311の電極リード部313、基準電極312の電極リード部314、発熱体34の発熱体リード部342のそれぞれに接続されるよう、第2インシュレータ43に複数配置されている。また、リード線48は、接点端子44のそれぞれに接続されている。 As shown in FIGS. 1 and 2, the contact terminal 44 is connected to each of the electrode lead portion 313 of the detection electrode 311, the electrode lead portion 314 of the reference electrode 312, and the heating element lead portion 342 of the heating element 34. A plurality of them are arranged in the second insulator 43. Further, the lead wire 48 is connected to each of the contact terminals 44.

図1及び図3に示すように、ガスセンサ1におけるリード線48は、ガスセンサ1におけるガス検出の制御を行うセンサ制御装置6に電気接続される。センサ制御装置6は、エンジンにおける燃焼運転を制御するエンジン制御装置と連携してガスセンサ1における電気制御を行うものである。センサ制御装置6には、検出電極311と基準電極312との間に流れる電流を測定する測定回路61、検出電極311と基準電極312との間に電圧を印加する印加回路62、発熱体34に通電を行うための通電回路等が形成されている。なお、センサ制御装置6は、エンジン制御装置内に構築してもよい。 As shown in FIGS. 1 and 3, the lead wire 48 in the gas sensor 1 is electrically connected to the sensor control device 6 that controls the gas detection in the gas sensor 1. The sensor control device 6 performs electrical control on the gas sensor 1 in cooperation with an engine control device that controls combustion operation in the engine. The sensor control device 6 includes a measurement circuit 61 for measuring the current flowing between the detection electrode 311 and the reference electrode 312, an application circuit 62 for applying a voltage between the detection electrode 311 and the reference electrode 312, and a heating element 34. An energization circuit or the like for energizing is formed. The sensor control device 6 may be built in the engine control device.

(製造方法)
センサ素子2の製造においては、固体電解質層31、各絶縁層33A,33B、拡散律速層32、発熱体34等を積層して積層体とし、この積層体を加熱して焼結する。検出電極311及び基準電極312は、白金、固体電解質、溶媒等を含有するペースト材料を固体電解質層31に印刷し、センサ素子2の積層体を焼結する際に、白金及び固体電解質が焼結されて形成される。第1多孔質材51及び第2多孔質材52は、前述した金属酸化物を含むペースト材料又はシート材料を各ガス室35,36に配置し、センサ素子2の積層体を焼結する際に、金属酸化物が焼結されて形成される。
(Production method)
In the manufacture of the sensor element 2, the solid electrolyte layer 31, the insulating layers 33A and 33B, the diffusion rate-determining layer 32, the heating element 34 and the like are laminated to form a laminate, and the laminate is heated and sintered. The detection electrode 311 and the reference electrode 312 print a paste material containing platinum, a solid electrolyte, a solvent, etc. on the solid electrolyte layer 31, and when the laminate of the sensor element 2 is sintered, the platinum and the solid electrolyte are sintered. Is formed. In the first porous material 51 and the second porous material 52, when the paste material or sheet material containing the metal oxide described above is arranged in each of the gas chambers 35 and 36 and the laminate of the sensor element 2 is sintered. , Metal oxides are sintered and formed.

(作用効果)
本形態のガスセンサ1のセンサ素子2においては、検出ガス室35内に第1多孔質材51が充填されるとともに基準ガス室36内に第2多孔質材52が充填されている。そして、検出ガス室35と基準ガス室36との間に配置された固体電解質層31の部分は、各多孔質材51,52によって各絶縁層33A,33Bに支持される。また、各多孔質材51,52によって各電極311,312と各絶縁層33A,33Bとの積層方向Dの各隙間351,361が維持される。
(Action effect)
In the sensor element 2 of the gas sensor 1 of the present embodiment, the detection gas chamber 35 is filled with the first porous material 51, and the reference gas chamber 36 is filled with the second porous material 52. The portion of the solid electrolyte layer 31 arranged between the detection gas chamber 35 and the reference gas chamber 36 is supported by the insulating layers 33A and 33B by the porous materials 51 and 52. Further, the gaps 351 and 361 in the stacking direction D between the electrodes 31 and 312 and the insulating layers 33A and 33B are maintained by the porous materials 51 and 52.

センサ素子2の製造時において、センサ素子2の積層体が焼結のために加熱される際には、固体電解質層31と各絶縁層33A,33Bとの線膨張率の差によって、固体電解質層31と各絶縁層33A,33Bとの境界部に熱応力が生じる。固体電解質層31を構成するジルコニアの線膨張率は、室温~1000℃において、7×10-6~2×10-5[K-1]程度であり、絶縁層を構成するアルミナの線膨張率は、室温~1000℃において、6×10-6~1.5×10-5[K-1]程度である When the laminate of the sensor element 2 is heated for sintering in the manufacturing of the sensor element 2, the solid electrolyte layer is caused by the difference in the linear expansion ratio between the solid electrolyte layer 31 and the insulating layers 33A and 33B. Thermal stress is generated at the boundary between 31 and the insulating layers 33A and 33B. The linear expansion rate of zirconia constituting the solid electrolyte layer 31 is about 7 × 10 -6 to 2 × 10 -5 [K -1 ] at room temperature to 1000 ° C., and the linear expansion rate of alumina constituting the insulating layer. Is about 6 × 10 -6 to 1.5 × 10 -5 [K -1 ] at room temperature to 1000 ° C.

固体電解質層31と各絶縁層33A,33Bとの境界部に熱応力が生じるときには、固体電解質層31における、検出ガス室35と基準ガス室36との間に位置する部位に歪みが生じて、この固体電解質層31の部位が、例えば、基準ガス室36の側に膨らむように撓もうとする。このとき、固体電解質層31の部位は、各多孔質材51,52に支持されることによって、ほとんど撓むことができなくなる。これにより、固体電解質層31に設けられた各電極311,312にも歪みが生じにくく、ガスセンサ1の出力特性を良好に維持することができる。 When thermal stress is generated at the boundary between the solid electrolyte layer 31 and the insulating layers 33A and 33B, the solid electrolyte layer 31 is distorted at a portion located between the detection gas chamber 35 and the reference gas chamber 36. The portion of the solid electrolyte layer 31 tends to bend so as to swell toward, for example, the reference gas chamber 36. At this time, the portion of the solid electrolyte layer 31 is supported by the porous materials 51 and 52 so that it can hardly be bent. As a result, distortion is less likely to occur in the electrodes 311, 312 provided on the solid electrolyte layer 31, and the output characteristics of the gas sensor 1 can be maintained satisfactorily.

また、ガスセンサ1によって、ガス検出としての空燃比の検出を行う際には、検出電極311と基準電極312との間には電圧が印加される。そして、拡散律速層32を経由して検出ガス室35に導入される検出ガスG中の酸素は、固体電解質層31を伝導して基準ガス室36へ排出される。この状態において、検出ガス室35へ供給される検出ガスG中の酸素濃度又は未燃ガス濃度に応じて、固体電解質層31を介して各電極311,312間に電流が生じる。 Further, when the gas sensor 1 detects the air-fuel ratio as gas detection, a voltage is applied between the detection electrode 311 and the reference electrode 312. Then, the oxygen in the detection gas G introduced into the detection gas chamber 35 via the diffusion rate-controlling layer 32 is conducted through the solid electrolyte layer 31 and discharged to the reference gas chamber 36. In this state, a current is generated between the electrodes 311, 312 via the solid electrolyte layer 31 according to the oxygen concentration or the unburned gas concentration in the detection gas G supplied to the detection gas chamber 35.

このとき、検出ガス室35における検出ガスGは第1多孔質材51における気孔を通過して検出電極311に到達する。また、内燃機関の空燃比が燃料リーンな状態にあるときには、固体電解質層31から基準ガス室36へ移動した酸素は第2多孔質材52における気孔を通過して排出される。また、内燃機関の空燃比が燃料リッチな状態にあるときには、基準ガス室36における基準ガスAは第2多孔質材52における気孔を通過して基準電極312に到達する。 At this time, the detection gas G in the detection gas chamber 35 passes through the pores in the first porous material 51 and reaches the detection electrode 311. Further, when the air-fuel ratio of the internal combustion engine is in a fuel lean state, oxygen transferred from the solid electrolyte layer 31 to the reference gas chamber 36 passes through the pores of the second porous material 52 and is discharged. Further, when the air-fuel ratio of the internal combustion engine is in a fuel-rich state, the reference gas A in the reference gas chamber 36 passes through the pores in the second porous material 52 and reaches the reference electrode 312.

ところで、検出ガス室35の容積は基準ガス室36の容積に比べて小さく、検出ガス室35に第1多孔質材51が充填されていることにより、検出電極311へ検出ガスGが到達しにくくなることが想定される。特に、検出ガス室35における検出ガスGの拡散状態は、ガスセンサ1の出力特性に大きく影響する。 By the way, the volume of the detection gas chamber 35 is smaller than the volume of the reference gas chamber 36, and since the detection gas chamber 35 is filled with the first porous material 51, it is difficult for the detection gas G to reach the detection electrode 311. Is expected to be. In particular, the diffusion state of the detected gas G in the detection gas chamber 35 greatly affects the output characteristics of the gas sensor 1.

そこで、本形態のガスセンサ1においては、検出ガス室35に充填された第1多孔質材51の気孔率を、基準ガス室36に充填された第2多孔質材52の気孔率よりも大きくしている。これにより、第1多孔質材51における気孔を介して、検出ガス室35内の検出電極311に検出ガスGが接触しやすくして、検出ガス室35における検出ガスGの拡散状態を良好に保つことができる。 Therefore, in the gas sensor 1 of the present embodiment, the porosity of the first porous material 51 filled in the detection gas chamber 35 is made larger than the porosity of the second porous material 52 filled in the reference gas chamber 36. ing. As a result, the detection gas G easily comes into contact with the detection electrode 311 in the detection gas chamber 35 through the pores in the first porous material 51, and the diffusion state of the detection gas G in the detection gas chamber 35 is kept good. be able to.

また、基準ガス室36の容積は検出ガス室35の容積に比べて大きいため、第2多孔質材52の気孔率が小さくても、基準電極312には基準ガスAが到達しやすい環境にある。また、基準ガス室36と発熱体34との距離は、検出ガス室35と発熱体34との距離に比べて小さい。そして、基準ガス室36における第2多孔質材52は、発熱体34による熱の影響を受けやすい。そのため、第2多孔質材52の気孔率が第1多孔質材51の気孔率よりも小さいことにより、固体電解質層31を、撓み等の変形から、より適切に保護することができる。 Further, since the volume of the reference gas chamber 36 is larger than the volume of the detection gas chamber 35, even if the porosity of the second porous material 52 is small, the reference gas A can easily reach the reference electrode 312. .. Further, the distance between the reference gas chamber 36 and the heating element 34 is smaller than the distance between the detection gas chamber 35 and the heating element 34. The second porous material 52 in the reference gas chamber 36 is easily affected by the heat generated by the heating element 34. Therefore, since the porosity of the second porous material 52 is smaller than the porosity of the first porous material 51, the solid electrolyte layer 31 can be more appropriately protected from deformation such as bending.

それ故、検出電極311に検出ガスGが接触しやすくして、センサ素子2における電極反応抵抗を小さくすることができる。これにより、ガスセンサ1の応答性を向上させることができる。また、各絶縁層33A,33Bと積層された固体電解質層31に、撓み等の変形が生じにくくすることができ、ガスセンサ1の出力特性を良好に維持することができる。 Therefore, the detection gas G can be easily brought into contact with the detection electrode 311, and the electrode reaction resistance in the sensor element 2 can be reduced. Thereby, the responsiveness of the gas sensor 1 can be improved. Further, the solid electrolyte layer 31 laminated with the insulating layers 33A and 33B can be prevented from being deformed such as bending, and the output characteristics of the gas sensor 1 can be well maintained.

また、本形態の固体電解質層31は、ジルコニア系酸化物によって構成され、各多孔質材51,52は、セリア系酸化物又はジルコニア系酸化物によって構成されている。固体電解質層31がジルコニア系酸化物によって構成される場合に、各多孔質材51,52にアルミナが用いられると、固体電解質層31と各多孔質材51,52との間に反応生成物が生成されるおそれがある。反応生成物が生成されると、電極反応抵抗等が大きくなるおそれがある。そこで、ジルコニア系酸化物から構成された固体電解質層31と、セリア系酸化物又はジルコニア系酸化物から構成された各多孔質材51,52との組み合わせにより、固体電解質層31と各多孔質材51,52との間における反応生成物の生成を抑制することができる。 Further, the solid electrolyte layer 31 of the present embodiment is composed of a zirconia-based oxide, and the porous materials 51 and 52 are composed of a ceria-based oxide or a zirconia-based oxide. When the solid electrolyte layer 31 is composed of a zirconia-based oxide and alumina is used for each of the porous materials 51 and 52, a reaction product is generated between the solid electrolyte layer 31 and each of the porous materials 51 and 52. May be generated. When a reaction product is produced, the electrode reaction resistance and the like may increase. Therefore, by combining the solid electrolyte layer 31 composed of the zirconia-based oxide and the porous materials 51 and 52 composed of the ceria-based oxide or the zirconia-based oxide, the solid electrolyte layer 31 and each porous material are combined. The formation of reaction products between 51 and 52 can be suppressed.

また、固体電解質層31は、ランタンガレート系酸化物によって構成し、第1多孔質材51及び第2多孔質材52は、セリア系酸化物によって構成することもできる。ランタンガレート系酸化物は、ペロブスカイト構造を有するものであり、La1-xxGa1-yy3-δの構造式によって示されるものである。ただし、Aは、Sr、Ca、Baのうちの少なくとも1つであり、Bは、Mg、In、Al、Ni、Fe、Coのうちの少なくとも1つであることを示す。また、xは0~0.3の値をとり、yは0~0.3の値をとり、δは、酸素の欠乏量を示し、0~0.5の値をとる。 Further, the solid electrolyte layer 31 may be composed of a lanthanum gallate-based oxide, and the first porous material 51 and the second porous material 52 may be composed of a ceria-based oxide. The lanthanum gallate-based oxide has a perovskite structure and is represented by the structural formula of La 1-x A x Ga 1- y By O 3-δ . However, A indicates that it is at least one of Sr, Ca, and Ba, and B indicates that it is at least one of Mg, In, Al, Ni, Fe, and Co. Further, x has a value of 0 to 0.3, y has a value of 0 to 0.3, and δ has a value of 0 to 0.5, indicating the amount of oxygen deficiency.

ランタンガレート系酸化物は、例えば、LSGM:La1-xSrxGa1-yMgy3-δ、又はLSGMN:La1-xSrxGa1-y-zMgyNiz3-δとすることができる。ただし、zは0~0.2の値をとり、x、y、δの値は、前述したLa1-xxGa1-yy3-δの構造式の場合と同じである。
The lanthanum gallate oxide is, for example, LSGM: La 1-x Sr x Ga 1-y Mg y O 3-δ or LSGMN: La 1-x Sr x Ga 1-yz Mg y Ni z O 3-δ . can do. However, z takes a value of 0 to 0.2, and the values of x, y, and δ are the same as in the case of the above-mentioned structural formula of La 1-x A x Ga 1- y By O 3-δ . ..

固体電解質層31がランタンガレート系酸化物によって構成される場合に、各多孔質材51,52にジルコニア(酸化ジルコニウム)が用いられると、固体電解質層31と各多孔質材51,52との間に反応生成物が生成されるおそれがある。そこで、固体電解質層31がランタンガレート系酸化物から構成される場合には、各多孔質材51,52はセリア系酸化物から構成することにより、固体電解質層31と各多孔質材51,52との間における反応生成物の生成を抑制することができる。 When zirconia (zirconium oxide) is used for each of the porous materials 51 and 52 when the solid electrolyte layer 31 is composed of a lanthanum gallate-based oxide, between the solid electrolyte layer 31 and each of the porous materials 51 and 52. Reaction products may be produced. Therefore, when the solid electrolyte layer 31 is composed of a lanthanum gallate-based oxide, the porous materials 51 and 52 are composed of a ceria-based oxide, whereby the solid electrolyte layer 31 and the porous materials 51 and 52 are formed. It is possible to suppress the formation of reaction products between and.

<実施形態2>
本形態は、図6及び図7に示すように、基準ガス室36内に配置された第2多孔質材52を、積層方向Dに分かれた2層の多孔質層521,522から形成したガスセンサ1について示す。
本形態の第2多孔質材52は、積層方向Dにおける基準電極312の側に配置された電極側多孔質層521と、積層方向Dにおける発熱体34の側に配置された発熱体側多孔質層522との2層の多孔質層521,522からなる。そして、電極側多孔質層521の気孔率は、発熱体側多孔質層522の気孔率よりも大きい。
<Embodiment 2>
In this embodiment, as shown in FIGS. 6 and 7, a gas sensor in which the second porous material 52 arranged in the reference gas chamber 36 is formed from two porous layers 521 and 522 divided in the stacking direction D. 1 is shown.
The second porous material 52 of the present embodiment has an electrode-side porous layer 521 arranged on the side of the reference electrode 312 in the stacking direction D and a heating element-side porous layer arranged on the side of the heating element 34 in the stacking direction D. It is composed of two porous layers 521 and 522 with 522. The porosity of the electrode-side porous layer 521 is larger than the porosity of the heating element-side porous layer 522.

本形態においても、基準ガス室36の容積、長尺方向Lの長さ及び積層方向Dの厚みは、検出ガス室35の容積、長尺方向Lの長さ及び積層方向Dの厚みよりも大きい。そのため、基準ガス室36に配置する第2多孔質材52は、気孔率が異なる2層以上の状態で設けることが容易である。 Also in this embodiment, the volume of the reference gas chamber 36, the length in the elongated direction L, and the thickness in the stacking direction D are larger than the volume of the detection gas chamber 35, the length in the elongated direction L, and the thickness in the stacking direction D. .. Therefore, the second porous material 52 arranged in the reference gas chamber 36 can be easily provided in a state of two or more layers having different porosities.

基準ガス室36内の積層方向Dにおいて、電極側多孔質層521と発熱体側多孔質層522とを設ける厚みの割合は、適宜設定することができる。例えば、電極側多孔質層521を基準ガス室36の積層方向Dの厚みの1/4~3/4の範囲内に設け、残りの厚みの範囲に、発熱体側多孔質層522を設けることができる。また、電極側多孔質層521を基準ガス室36の積層方向Dの厚みの1/2の範囲内に設け、残りの厚みの範囲に、発熱体側多孔質層522を設けることができる。 The ratio of the thickness of the electrode-side porous layer 521 and the heating element-side porous layer 522 in the stacking direction D in the reference gas chamber 36 can be appropriately set. For example, the electrode-side porous layer 521 may be provided within the range of 1/4 to 3/4 of the thickness of the reference gas chamber 36 in the stacking direction D, and the heating element-side porous layer 522 may be provided in the remaining thickness range. can. Further, the electrode-side porous layer 521 can be provided within a range of ½ of the thickness of the reference gas chamber 36 in the stacking direction D, and the heating element-side porous layer 522 can be provided within the range of the remaining thickness.

なお、電極側多孔質層521と発熱体側多孔質層522との間には、電極側多孔質層521の気孔率よりも小さく、かつ発熱体側多孔質層522の気孔率よりも大きな気孔率を有する中間多孔質層が形成されていてもよい。 Between the electrode-side porous layer 521 and the heating element-side porous layer 522, a porosity smaller than the porosity of the electrode-side porous layer 521 and larger than the porosity of the heating element-side porous layer 522 is provided. The intermediate porous layer having may be formed.

本形態においては、電極側多孔質層521の気孔率を、発熱体側多孔質層522の気孔率よりも大きくすることにより、第2多孔質材52における気孔を介して、基準ガス室36内の基準電極312に基準ガスAが接触しやすくし、基準電極312の近傍における基準ガスAの拡散状態を良好に保つことができる。特に、ガスセンサ1を空燃比センサとして用いる場合に、検出電極311に未燃ガスが到達するときには、検出電極311において未燃ガスを反応させるための十分な酸素を、基準電極312から固体電解質層31を経由して検出電極311へ供給することができる。また、検出ガスG中の酸素が排出されるときには、検出電極311から固体電解質層31を経由して基準電極312への酸素の排出を適切に行うことができる。 In this embodiment, the porosity of the electrode-side porous layer 521 is made larger than the porosity of the heating element-side porous layer 522, so that the porosity of the second porous material 52 is increased in the reference gas chamber 36. The reference gas A can be easily brought into contact with the reference electrode 312, and the diffusion state of the reference gas A in the vicinity of the reference electrode 312 can be kept good. In particular, when the gas sensor 1 is used as an air fuel ratio sensor, when the unburned gas reaches the detection electrode 311, sufficient oxygen for reacting the unburned gas at the detection electrode 311 is supplied from the reference electrode 312 to the solid electrolyte layer 31. Can be supplied to the detection electrode 311 via. Further, when the oxygen in the detection gas G is discharged, the oxygen can be appropriately discharged from the detection electrode 311 to the reference electrode 312 via the solid electrolyte layer 31.

また、図7に示すように、基準ガス室36における発熱体34側の部位は、発熱体34に近く、熱応力が生じやすい部位である。特に、基準ガス室36における発熱体34側の角部362は、熱応力による応力集中が生じやすい状態にある。そのため、発熱体側多孔質層522の気孔率が小さいことにより、第2多孔質材52における熱応力が生じやすい部位の強度を高くすることができる。また、発熱体側多孔質層522によって、発熱体34による熱を遮蔽しやすくすることができる。 Further, as shown in FIG. 7, the portion of the reference gas chamber 36 on the heating element 34 side is close to the heating element 34 and is a portion where thermal stress is likely to occur. In particular, the corner portion 362 on the heating element 34 side in the reference gas chamber 36 is in a state where stress concentration due to thermal stress is likely to occur. Therefore, since the porosity of the heat generating body side porous layer 522 is small, it is possible to increase the strength of the portion of the second porous material 52 where thermal stress is likely to occur. Further, the porous layer 522 on the heating element side makes it easy to shield the heat generated by the heating element 34.

本形態のガスセンサ1におけるその他の構成、作用効果等については、実施形態1の場合と同様である。また、本形態においても、実施形態1に示した符号と同一の符号が示す構成要素は、実施形態1の場合と同様である。 Other configurations, actions and effects, etc. of the gas sensor 1 of this embodiment are the same as those of the first embodiment. Further, also in this embodiment, the components indicated by the same reference numerals as those shown in the first embodiment are the same as those in the first embodiment.

<確認試験1>
本確認試験においては、実施形態1に示したガスセンサ1のセンサ素子2について、検出ガス室35内の第1多孔質材51の気孔率と基準ガス室36内の第2多孔質材522の気孔率とを適宜変化させ、固体電解質層31の撓み、センサ素子2の完成率、センサ素子2における電極反応抵抗を確認した。また、検出ガス室35及び基準ガス室36の少なくとも一方に多孔質材51,52が配置されていない場合についても、同様に確認した。
<Confirmation test 1>
In this confirmation test, regarding the sensor element 2 of the gas sensor 1 shown in the first embodiment, the porosity of the first porous material 51 in the detection gas chamber 35 and the porosity of the second porous material 522 in the reference gas chamber 36. The rate was appropriately changed, and the deflection of the solid electrolyte layer 31, the completion rate of the sensor element 2, and the electrode reaction resistance in the sensor element 2 were confirmed. Further, it was also confirmed in the same manner that the porous materials 51 and 52 were not arranged in at least one of the detection gas chamber 35 and the reference gas chamber 36.

図8に示すように、固体電解質層31の撓みは、センサ素子2の積層体を焼結して製造されたセンサ素子2の試験品1~8について、実施形態1に示したSEMによるセンサ素子2の切断面の観察を行って、固体電解質層31の断面における撓み度合いM(-)として測定した。撓み度合いMは、検出ガス室35と基準ガス室36との間に配置された固体電解質層31の部位の積層方向Dにおける最大変位量をd(mm)、固体電解質層31の積層方向Dにおける厚みをt(mm)としたとき、M=d/tによって表される値である。数値が大きいほど撓み量が大きいことを示し、0(ゼロ)の場合には、撓みがなかったことを示す。 As shown in FIG. 8, the deflection of the solid electrolyte layer 31 is the sensor element by SEM shown in the first embodiment for the test products 1 to 8 of the sensor element 2 manufactured by sintering the laminated body of the sensor element 2. The cut surface of No. 2 was observed and measured as the degree of bending M (−) in the cross section of the solid electrolyte layer 31. The degree of deflection M is the maximum displacement amount in the stacking direction D of the portion of the solid electrolyte layer 31 arranged between the detection gas chamber 35 and the reference gas chamber 36 in the stacking direction D, and the bending direction M in the stacking direction D of the solid electrolyte layer 31. It is a value represented by M = d / t when the thickness is t (mm). The larger the value, the larger the amount of deflection, and when it is 0 (zero), it indicates that there was no deflection.

センサ素子2の完成率は、製造後のセンサ素子2の試験品1~8における検出電極311と基準電極312との間の電気的な導通性の良し悪しを確認したものである。十分な導通性があった場合には、0.9となり、0.9から値が小さくなるに連れて導通性が悪化して、0.2の場合には、ほとんど導通性がなかったことを示す。 The completion rate of the sensor element 2 confirms the quality of the electrical conductivity between the detection electrode 311 and the reference electrode 312 in the test products 1 to 8 of the sensor element 2 after manufacturing. When there was sufficient continuity, it became 0.9, and as the value decreased from 0.9, the continuity deteriorated, and when it was 0.2, there was almost no continuity. show.

電極反応抵抗(Ω)は、製造後のセンサ素子2の試験品1~8について、500℃に加熱された状態における値として示す。電極反応抵抗は、交流インピーダンス測定法を用い、検出電極311と基準電極312との間に、周波数を0.01Hz~1MHzまで変化させた交流電圧を印加して、固体電解質層31を介する検出電極311と基準電極312との間のインピーダンスを測定した。 The electrode reaction resistance (Ω) is shown as a value in the state of being heated to 500 ° C. for the test products 1 to 8 of the sensor element 2 after manufacturing. For the electrode reaction resistance, an AC voltage measuring method is used, and an AC voltage whose frequency is changed from 0.01 Hz to 1 MHz is applied between the detection electrode 311 and the reference electrode 312, and the detection electrode is interposed through the solid electrolyte layer 31. The impedance between 311 and the reference electrode 312 was measured.

図9に示すように、このインピーダンスは、実数成分を示す横軸と虚数成分を示す縦軸とを有するグラフにおいて、複素インピーダンスプロットを行って表し、複素インピーダンスプロットに現れた半円状のプロット結果によって解析した。複素インピーダンスプロットにおいては、実数成分の値が小さな位置から順に、固体電解質層31及び各電極311,312の素材成分に基づくオーミック抵抗と、固体電解質層31及び各電極311,312の反応成分に基づく電極反応抵抗と、検出ガスGの拡散速度に基づくガス拡散抵抗とが現れる。そして、電極反応抵抗(Ω)は、複素インピーダンスプロットから抽出して求めた。電極反応抵抗は、大きくなるほど、センサ素子2における反応抵抗が大きく、センサ素子2における応答性が悪くなることを意味する。 As shown in FIG. 9, this impedance is represented by performing a complex impedance plot in a graph having a horizontal axis showing a real number component and a vertical axis showing an imaginary number component, and the result of the semicircular plot appearing in the complex impedance plot. Analyzed by. In the complex impedance plot, the ohmic resistance based on the material component of the solid electrolyte layer 31 and each electrode 311, 312 and the reaction component of the solid electrolyte layer 31 and each electrode 311, 312 are based on the position where the value of the real component is small. The electrode reaction resistance and the gas diffusion resistance based on the diffusion rate of the detected gas G appear. Then, the electrode reaction resistance (Ω) was obtained by extracting from the complex impedance plot. The larger the electrode reaction resistance, the larger the reaction resistance in the sensor element 2, and the worse the responsiveness in the sensor element 2.

なお、固体電解質層31の撓み、センサ素子2の完成率及び電極反応抵抗のいずれも、製造後であって使用前のセンサ素子2について、測定又は確認したものである。 The deflection of the solid electrolyte layer 31, the completion rate of the sensor element 2, and the electrode reaction resistance are all measured or confirmed for the sensor element 2 after manufacturing and before use.

表1には、各多孔質材51,52の気孔率が異なる試験品1~8について、固体電解質層31の撓み、センサ素子2の完成率及び電極反応抵抗を測定又は確認した結果を示す。

Figure 0007011923000001
Table 1 shows the results of measuring or confirming the deflection of the solid electrolyte layer 31, the completion rate of the sensor element 2, and the electrode reaction resistance for the test products 1 to 8 having different porosities of the porous materials 51 and 52.
Figure 0007011923000001

各多孔質材51,52の気孔率は、気孔を含む多孔質材51,52の全体の体積における気孔の体積として示す。試験品1~3において、各多孔質材51,52の気孔率が1である場合は、各ガス室35,36内に各多孔質材51,52が配置されていないことを示す。また、気孔率が0に近いほど、気孔の割合が少ないことを示す。 The porosity of each of the porous materials 51 and 52 is shown as the volume of the pores in the total volume of the porous materials 51 and 52 including the pores. In the test products 1 to 3, when the porosity of each of the porous materials 51 and 52 is 1, it indicates that the porous materials 51 and 52 are not arranged in the gas chambers 35 and 36. Further, the closer the porosity is to 0, the smaller the porosity.

表1の結果より、各多孔質材51,52の気孔率が0.3~0.8(30~80体積%)の範囲内にあり、検出ガス室35内の第1多孔質材51の気孔率が基準ガス室36内の第2多孔質材52の気孔率よりも大きい試験品5,6の場合には、撓み、完成率及び電極反応抵抗のいずれも良好であることが分かった。 From the results in Table 1, the porosity of each of the porous materials 51 and 52 is in the range of 0.3 to 0.8 (30 to 80% by volume), and that of the first porous material 51 in the detection gas chamber 35. In the case of the test products 5 and 6 having a porosity larger than the porosity of the second porous material 52 in the reference gas chamber 36, it was found that the bending, the completion rate and the electrode reaction resistance were all good.

一方、第1多孔質材51又は第2多孔質材52を有さない試験品1~3の場合には、撓みが大きいだけでなく完成率も悪いことが分かった。完成率が悪い理由は、撓みによって、固体電解質層31に設けられた各電極311,312に歪みが生じたためであると考える。また、試験品2,3の結果に示されるように、いずれかのガス室35,36内の多孔質材51,52の気孔率が小さい場合には、電極反応抵抗が大きくなることが分かった。この理由は、多孔質材51,52の気孔率が小さいことにより、いずれかのガス室35,36内の検出ガスG又は基準ガスAの流れが悪いためであると考える。 On the other hand, in the case of the test products 1 to 3 having no first porous material 51 or second porous material 52, it was found that not only the bending was large but also the completion rate was poor. It is considered that the reason why the completion rate is poor is that the electrodes 311, 312 provided on the solid electrolyte layer 31 are distorted due to the bending. Further, as shown in the results of the test products 2 and 3, it was found that the electrode reaction resistance increases when the porosity of the porous materials 51 and 52 in any of the gas chambers 35 and 36 is small. .. It is considered that the reason for this is that the porosity of the porous materials 51 and 52 is small, so that the flow of the detected gas G or the reference gas A in any of the gas chambers 35 and 36 is poor.

また、第1多孔質材51の気孔率が第2多孔質材52の気孔率よりも小さい試験品4の場合には、試験品5,6に比べて電極反応抵抗が大きくなることが分かった。この理由は、第1多孔質材51の気孔率が小さく、検出ガス室35内における検出ガスGの拡散状態が悪くなったためであると考える。 Further, it was found that in the case of the test product 4 in which the porosity of the first porous material 51 is smaller than the porosity of the second porous material 52, the electrode reaction resistance is larger than that of the test products 5 and 6. .. It is considered that the reason for this is that the porosity of the first porous material 51 is small and the diffusion state of the detected gas G in the detected gas chamber 35 is deteriorated.

また、少なくともいずれかの多孔質材51,52の気孔率が大きい実験品7,8の場合には、撓みが大きくなり、試験品5,6に比べて完成率が悪くなることが分かった。この理由は、各多孔質材51,52が固体電解質層31を十分に支持できなくなったためであると考える。 Further, it was found that in the case of the experimental products 7 and 8 having a large porosity of at least one of the porous materials 51 and 52, the bending becomes large and the completion rate is worse than that of the test products 5 and 6. It is considered that the reason for this is that the porous materials 51 and 52 cannot sufficiently support the solid electrolyte layer 31.

なお、表1にはないが、各多孔質材51,52の気孔率が0.3(30体積%)であるときの電極反応抵抗はあまり優れなかった。また、各多孔質材51,52の気孔率が0.8(80体積%)であるとき(試験品7)のセンサ素子2の撓み及び完成率はあまり優れなかった。各多孔質材51,52の気孔率は、単独で、0.3又は0.8の値とすることができるが、両方とも0.3又は0.8とすると、センサ素子2の特性を改善することは難しい。 Although not shown in Table 1, the electrode reaction resistance when the porosity of each of the porous materials 51 and 52 was 0.3 (30% by volume) was not very excellent. Further, when the porosity of each of the porous materials 51 and 52 was 0.8 (80% by volume), the deflection and the completion rate of the sensor element 2 of the sensor element 2 (test product 7) were not very excellent. The porosity of each of the porous materials 51 and 52 can be a value of 0.3 or 0.8 alone, but if both are set to 0.3 or 0.8, the characteristics of the sensor element 2 are improved. It's difficult to do.

より具体的には、第1多孔質材51の気孔率は、0.4~0.8(40~80体積%)とすることが好ましく、第2多孔質材52の気孔率は、第1多孔質材51の気孔率よりも小さく、0.3~0.7(30~70体積%)とすることが好ましいことが分かった。 More specifically, the porosity of the first porous material 51 is preferably 0.4 to 0.8 (40 to 80% by volume), and the porosity of the second porous material 52 is the first. It was found that the porosity of the porous material 51 was smaller than that of the porous material 51, and it was preferably 0.3 to 0.7 (30 to 70% by volume).

<確認試験2>
本確認試験においては、実施形態2に示したガスセンサ1のセンサ素子2について、基準ガス室36内の電極側多孔質層521の気孔率と、基準ガス室36内の発熱体側多孔質層522の気孔率とを適宜変化させ、固体電解質層31の撓み、センサ素子2の完成率、センサ素子2における電極反応抵抗を確認した。また、検出ガス室35内の第1多孔質材51の気孔率は、0.7(70体積%)とした。
<Confirmation test 2>
In this confirmation test, regarding the sensor element 2 of the gas sensor 1 shown in the second embodiment, the pore ratio of the electrode-side porous layer 521 in the reference gas chamber 36 and the heating element-side porous layer 522 in the reference gas chamber 36 The porosity was appropriately changed, and the deflection of the solid electrolyte layer 31, the completion rate of the sensor element 2, and the electrode reaction resistance in the sensor element 2 were confirmed. The porosity of the first porous material 51 in the detection gas chamber 35 was 0.7 (70% by volume).

基準ガス室36の積層方向Dの厚みの範囲内における、電極側多孔質層521を配置する範囲と発熱体側多孔質層522を配置する範囲との割合は、1:1とした。また、固体電解質層31の撓み、センサ素子2の完成率及び電極反応抵抗が示す意味は、確認試験1の場合と同様である。 The ratio of the range in which the electrode-side porous layer 521 is arranged and the range in which the heating element-side porous layer 522 is arranged within the range of the thickness of the reference gas chamber 36 in the stacking direction D is 1: 1. Further, the meanings of the deflection of the solid electrolyte layer 31, the completion rate of the sensor element 2, and the electrode reaction resistance are the same as in the case of the confirmation test 1.

表2には、各多孔質材51,52の気孔率が異なる試験品9~12について、固体電解質層31の撓み、センサ素子2の完成率及び電極反応抵抗を測定又は確認した結果を示す。

Figure 0007011923000002
Table 2 shows the results of measuring or confirming the deflection of the solid electrolyte layer 31, the completion rate of the sensor element 2, and the electrode reaction resistance for the test products 9 to 12 having different porosities of the porous materials 51 and 52.
Figure 0007011923000002

表2の結果より、各多孔質層521,522の気孔率が0.3~0.8(30~80体積%)の範囲内にあり、電極側多孔質層521の気孔率が発熱体側多孔質層522の気孔率よりも大きい試験品10,11の場合には、撓み、完成率及び電極反応抵抗のいずれも良好であることが分かった。 From the results in Table 2, the porosity of each of the porous layers 521 and 522 is in the range of 0.3 to 0.8 (30 to 80% by volume), and the porosity of the electrode-side porous layer 521 is the heating element-side porosity. In the case of the test products 10 and 11 having a porosity larger than that of the layer 522, it was found that the deflection, the completion rate and the electrode reaction resistance were all good.

一方、電極側多孔質層521の気孔率と発熱体側多孔質層522の気孔率との両方が0.8として大きい試験品9の場合には、撓みが大きく、試験品10,11に比べて完成率も悪くなることが分かった。また、電極側多孔質層521の気孔率が0.3と小さい試験品12の場合には、試験品10,11に比べて電極反応抵抗が大きくなることが分かった。 On the other hand, in the case of the test product 9 in which both the porosity of the electrode-side porous layer 521 and the porosity of the heating element-side porous layer 522 are large as 0.8, the deflection is large and compared with the test products 10 and 11. It turned out that the completion rate also deteriorated. Further, it was found that in the case of the test product 12 in which the porosity of the electrode-side porous layer 521 is as small as 0.3, the electrode reaction resistance is larger than that in the test products 10 and 11.

<確認試験3>
本確認試験においては、固体電解質層31及び各多孔質材51,52に用いる材料を変化させたときの、センサ素子2におけるオーミック抵抗(Ω)及び電極反応抵抗(Ω)を測定した。固体電解質層31は、イットリア安定化ジルコニア(YSZ)又はランタンガレート系酸化物(LSGM:La1-xSrxGa1-yMgy3-δ(x=0.2,y=0.2,δ=0.2))とし、各多孔質材51,52は、アルミナ(AlO2)、イットリア安定化ジルコニア(YSZ)又はセリア系酸化物(GDC:Ce0.9Gd0.11.95)とした。
<Confirmation test 3>
In this confirmation test, the ohmic resistance (Ω) and the electrode reaction resistance (Ω) in the sensor element 2 were measured when the materials used for the solid electrolyte layer 31 and the porous materials 51 and 52 were changed. The solid electrolyte layer 31 is composed of yttria-stabilized zirconia (YSZ) or lanthanum gallate oxide (LSGM: La 1-x Sr x Ga 1-y Mg y O 3-δ (x = 0.2, y = 0.2). , Δ = 0.2)), and the porous materials 51 and 52 were alumina (AlO 2 ), yttria-stabilized zirconia (YSZ), or ceria oxide (GDC: Ce 0.9 Gd 0.1 O 1.95 ).

オーミック抵抗及び電極反応抵抗は、500℃における値として、確認試験1に示した複素インピーダンスプロット(図9)に基づいて求めた。 The ohmic resistance and the electrode reaction resistance were determined as values at 500 ° C. based on the complex impedance plot (FIG. 9) shown in Confirmation Test 1.

固体電解質層31及び各多孔質材51,52に用いる材料を変化させた試験品13~19についての測定結果を表3に示す。

Figure 0007011923000003
Table 3 shows the measurement results of the test products 13 to 19 in which the materials used for the solid electrolyte layer 31 and the porous materials 51 and 52 were changed.
Figure 0007011923000003

固体電解質層31がイットリア安定化ジルコニアによって構成された場合であって、各ガス室35,36内に各多孔質材51,52が配置されていない試験品13、各多孔質材51,52がアルミナによって構成された試験品14、各多孔質材51,52がイットリア安定化ジルコニアによって構成された試験品15、各多孔質材51,52がセリア系酸化物によって構成された試験品16については、オーミック抵抗がそれほど小さくならないことが分かった。ただし、これらの場合のオーミック抵抗の値は、実用に十分に耐え得る値として得られた。 When the solid electrolyte layer 31 is composed of yttria-stabilized zirconia, the test products 13 and the porous materials 51 and 52 in which the porous materials 51 and 52 are not arranged in the gas chambers 35 and 36 are provided. Regarding the test product 14 composed of alumina, the test product 15 in which the porous materials 51 and 52 are composed of yttria-stabilized zirconia, and the test product 16 in which the porous materials 51 and 52 are composed of ceria oxide. It turns out that the ohmic resistance does not decrease so much. However, the value of the ohmic resistance in these cases was obtained as a value that can sufficiently withstand practical use.

固体電解質層31がランタンガレート系酸化物によって構成された場合であって、各多孔質材51,52がアルミナによって構成された試験品17、各多孔質材51,52がイットリア安定化ジルコニアによって構成された試験品18については、電極反応抵抗がそれほど小さくならないことが分かった。この理由は、固体電解質層31と多孔質材との間に反応生成物が形成されたためであると考えられる。 When the solid electrolyte layer 31 is composed of a lanthanum gallate-based oxide, each of the porous materials 51 and 52 is composed of a test product 17 composed of alumina, and each of the porous materials 51 and 52 is composed of yttria-stabilized zirconia. It was found that the electrode reaction resistance of the tested product 18 was not so small. It is considered that the reason for this is that a reaction product was formed between the solid electrolyte layer 31 and the porous material.

一方、固体電解質層31がランタンガレート系酸化物によって構成され、各多孔質材51,52がセリア系酸化物によって構成された試験品19については、オーミック抵抗及び電極反応抵抗がともに小さくて良好であることが分かった。この場合の固体電解質層31と各多孔質材51,52との組み合わせは最も適切であると考える。 On the other hand, for the test product 19 in which the solid electrolyte layer 31 is composed of a lanthanum gallate-based oxide and the porous materials 51 and 52 are composed of a ceria-based oxide, both the ohmic resistance and the electrode reaction resistance are small and good. It turned out that there was. In this case, the combination of the solid electrolyte layer 31 and the porous materials 51 and 52 is considered to be the most appropriate.

本発明は、各実施形態のみに限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲においてさらに異なる実施形態を構成することが可能である。また、本発明は、様々な変形例、均等範囲内の変形例等を含む。 The present invention is not limited to each embodiment, and further different embodiments can be configured without departing from the gist thereof. In addition, the present invention includes various modifications, modifications within a uniform range, and the like.

1 ガスセンサ
2 センサ素子
31 固体電解質層
311 検出電極
312 基準電極
33A,33B 絶縁層
34 発熱体
35 検出ガス室
36 基準ガス室
51,52 多孔質材
1 Gas sensor 2 Sensor element 31 Solid electrolyte layer 311 Detection electrode 312 Reference electrode 33A, 33B Insulation layer 34 Heat generator 35 Detection gas chamber 36 Reference gas chamber 51, 52 Porous material

Claims (6)

ガス検出を行うためのセンサ素子(2)を備えるガスセンサ(1)であって、
前記センサ素子は、
検出ガス(G)が導入される検出ガス室(35)と、
基準ガス(A)が導入される基準ガス室(36)と、
前記検出ガス室と前記基準ガス室との間に配置され、前記検出ガス室に面する第1主面(301)と、前記基準ガス室に面する第2主面(302)とを有するとともに、イオン伝導性を有する板状の固体電解質層(31)と、
前記検出ガス室内に配置された状態で前記固体電解質層の前記第1主面に設けられた検出電極(311)と、
前記基準ガス室内に配置された状態で前記固体電解質層の前記第2主面に設けられた基準電極(312)と、
前記固体電解質層の前記第1主面に積層され、前記検出ガス室を形成する第1絶縁層(33A)と、
前記固体電解質層の前記第2主面に積層され、前記基準ガス室を形成する第2絶縁層(33B)と、
前記第2絶縁層に埋設され、通電によって発熱する発熱体(34)と、
前記検出ガス室内における、前記検出電極と前記第1絶縁層との積層方向(D)の第1隙間(351)に配置され、前記第1隙間を維持するための絶縁性の第1多孔質材(51)と、
前記基準ガス室内における、前記基準電極と前記第2絶縁層との前記積層方向の第2隙間(361)に配置され、前記第2隙間を維持するための絶縁性の第2多孔質材(52)と、を備え
前記第1多孔質材の気孔率は、前記第2多孔質材の気孔率よりも大きい、ガスセンサ。
A gas sensor (1) provided with a sensor element (2) for performing gas detection.
The sensor element is
The detection gas chamber (35) into which the detection gas (G) is introduced, and
The reference gas chamber (36) into which the reference gas (A) is introduced, and
It is arranged between the detection gas chamber and the reference gas chamber, and has a first main surface (301) facing the detection gas chamber and a second main surface (302) facing the reference gas chamber. , A plate-shaped solid electrolyte layer (31) having ionic conductivity,
A detection electrode (311) provided on the first main surface of the solid electrolyte layer in a state of being arranged in the detection gas chamber, and a detection electrode (311).
A reference electrode (312) provided on the second main surface of the solid electrolyte layer in a state of being arranged in the reference gas chamber, and a reference electrode (312).
A first insulating layer (33A) laminated on the first main surface of the solid electrolyte layer to form the detection gas chamber, and
A second insulating layer (33B) laminated on the second main surface of the solid electrolyte layer to form the reference gas chamber, and
A heating element (34) embedded in the second insulating layer and generating heat by energization,
Insulating first porous material arranged in the first gap (351) in the stacking direction (D) between the detection electrode and the first insulating layer in the detection gas chamber and for maintaining the first gap. (51) and
An insulating second porous material (52) arranged in the second gap (361) in the stacking direction between the reference electrode and the second insulating layer in the reference gas chamber and for maintaining the second gap. ) And, with
A gas sensor in which the porosity of the first porous material is larger than the porosity of the second porous material .
ガス検出を行うためのセンサ素子(2)を備えるガスセンサ(1)であって、
前記センサ素子は、
検出ガス(G)が導入される検出ガス室(35)と、
基準ガス(A)が導入される基準ガス室(36)と、
前記検出ガス室と前記基準ガス室との間に配置され、前記検出ガス室に面する第1主面(301)と、前記基準ガス室に面する第2主面(302)とを有するとともに、イオン伝導性を有する板状の固体電解質層(31)と、
前記検出ガス室内に配置された状態で前記固体電解質層の前記第1主面に設けられた検出電極(311)と、
前記基準ガス室内に配置された状態で前記固体電解質層の前記第2主面に設けられた基準電極(312)と、
前記固体電解質層の前記第1主面に積層され、前記検出ガス室を形成する第1絶縁層(33A)と、
前記固体電解質層の前記第2主面に積層され、前記基準ガス室を形成する第2絶縁層(33B)と、
前記第2絶縁層に埋設され、通電によって発熱する発熱体(34)と、
前記検出ガス室内における、前記検出電極と前記第1絶縁層との積層方向(D)の第1隙間(351)に配置され、前記第1隙間を維持するための絶縁性の第1多孔質材(51)と、
前記基準ガス室内における、前記基準電極と前記第2絶縁層との前記積層方向の第2隙間(361)に配置され、前記第2隙間を維持するための絶縁性の第2多孔質材(52)と、を備え
前記第2多孔質材は、前記積層方向における前記基準電極の側に配置された電極側多孔質層(521)と、前記積層方向における前記発熱体の側に配置された発熱体側多孔質層(522)とを形成しており、
前記電極側多孔質層の気孔率は、前記発熱体側多孔質層の気孔率よりも大きい、ガスセンサ。
A gas sensor (1) provided with a sensor element (2) for performing gas detection.
The sensor element is
The detection gas chamber (35) into which the detection gas (G) is introduced, and
The reference gas chamber (36) into which the reference gas (A) is introduced, and
It is arranged between the detection gas chamber and the reference gas chamber, and has a first main surface (301) facing the detection gas chamber and a second main surface (302) facing the reference gas chamber. , A plate-shaped solid electrolyte layer (31) having ionic conductivity,
A detection electrode (311) provided on the first main surface of the solid electrolyte layer in a state of being arranged in the detection gas chamber, and a detection electrode (311).
A reference electrode (312) provided on the second main surface of the solid electrolyte layer in a state of being arranged in the reference gas chamber, and a reference electrode (312).
A first insulating layer (33A) laminated on the first main surface of the solid electrolyte layer to form the detection gas chamber, and
A second insulating layer (33B) laminated on the second main surface of the solid electrolyte layer to form the reference gas chamber, and
A heating element (34) embedded in the second insulating layer and generating heat by energization,
Insulating first porous material arranged in the first gap (351) in the stacking direction (D) between the detection electrode and the first insulating layer in the detection gas chamber and for maintaining the first gap. (51) and
An insulating second porous material (52) arranged in the second gap (361) in the stacking direction between the reference electrode and the second insulating layer in the reference gas chamber and for maintaining the second gap. ) And, with
The second porous material includes an electrode-side porous layer (521) arranged on the side of the reference electrode in the stacking direction and a heating element-side porous layer (521) arranged on the heating element side in the stacking direction. It forms 522) and
A gas sensor in which the porosity of the electrode-side porous layer is larger than the porosity of the heating element-side porous layer .
ガス検出を行うためのセンサ素子(2)を備えるガスセンサ(1)であって、
前記センサ素子は、
検出ガス(G)が導入される検出ガス室(35)と、
基準ガス(A)が導入される基準ガス室(36)と、
前記検出ガス室と前記基準ガス室との間に配置され、前記検出ガス室に面する第1主面(301)と、前記基準ガス室に面する第2主面(302)とを有するとともに、イオン伝導性を有する板状の固体電解質層(31)と、
前記検出ガス室内に配置された状態で前記固体電解質層の前記第1主面に設けられた検出電極(311)と、
前記基準ガス室内に配置された状態で前記固体電解質層の前記第2主面に設けられた基準電極(312)と、
前記固体電解質層の前記第1主面に積層され、前記検出ガス室を形成する第1絶縁層(33A)と、
前記固体電解質層の前記第2主面に積層され、前記基準ガス室を形成する第2絶縁層(33B)と、
前記第2絶縁層に埋設され、通電によって発熱する発熱体(34)と、
前記検出ガス室内における、前記検出電極と前記第1絶縁層との積層方向(D)の第1隙間(351)に配置され、前記第1隙間を維持するための絶縁性の第1多孔質材(51)と、
前記基準ガス室内における、前記基準電極と前記第2絶縁層との前記積層方向の第2隙間(361)に配置され、前記第2隙間を維持するための絶縁性の第2多孔質材(52)と、を備え
前記固体電解質層は、ランタンガレート系酸化物によって構成されており、
前記第1多孔質材及び前記第2多孔質材は、セリア系酸化物によって構成されている、ガスセンサ。
A gas sensor (1) provided with a sensor element (2) for performing gas detection.
The sensor element is
The detection gas chamber (35) into which the detection gas (G) is introduced, and
The reference gas chamber (36) into which the reference gas (A) is introduced, and
It is arranged between the detection gas chamber and the reference gas chamber, and has a first main surface (301) facing the detection gas chamber and a second main surface (302) facing the reference gas chamber. , A plate-shaped solid electrolyte layer (31) having ionic conductivity,
A detection electrode (311) provided on the first main surface of the solid electrolyte layer in a state of being arranged in the detection gas chamber, and a detection electrode (311).
A reference electrode (312) provided on the second main surface of the solid electrolyte layer in a state of being arranged in the reference gas chamber, and a reference electrode (312).
A first insulating layer (33A) laminated on the first main surface of the solid electrolyte layer to form the detection gas chamber, and
A second insulating layer (33B) laminated on the second main surface of the solid electrolyte layer to form the reference gas chamber, and
A heating element (34) embedded in the second insulating layer and generating heat by energization,
Insulating first porous material arranged in the first gap (351) in the stacking direction (D) between the detection electrode and the first insulating layer in the detection gas chamber and for maintaining the first gap. (51) and
An insulating second porous material (52) arranged in the second gap (361) in the stacking direction between the reference electrode and the second insulating layer in the reference gas chamber and for maintaining the second gap. ) And, with
The solid electrolyte layer is composed of a lanthanum gallate-based oxide.
The first porous material and the second porous material are gas sensors composed of ceria-based oxides .
前記第1多孔質材は、前記検出ガス室内に充填されており、
前記第2多孔質材は、前記基準ガス室内に充填されている、請求項1~3のいずれか1項に記載のガスセンサ。
The first porous material is filled in the detection gas chamber, and is
The gas sensor according to any one of claims 1 to 3, wherein the second porous material is filled in the reference gas chamber.
前記第2隙間は、前記第1隙間よりも大きい、請求項1~のいずれか1項に記載のガスセンサ。 The gas sensor according to any one of claims 1 to 4 , wherein the second gap is larger than the first gap. 前記固体電解質層は、ジルコニア系酸化物によって構成されており、
前記第1多孔質材及び前記第2多孔質材は、セリア系酸化物及びジルコニア系酸化物の少なくとも1種によって構成されている、請求項1又は2に記載のガスセンサ。
The solid electrolyte layer is composed of a zirconia-based oxide.
The gas sensor according to claim 1 or 2 , wherein the first porous material and the second porous material are composed of at least one of a ceria-based oxide and a zirconia-based oxide.
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