JP7333248B2 - Sensor element and gas sensor - Google Patents

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Description

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

従来、自動車の排気ガスなどの被測定ガスにおけるNOxなどの特定ガスの濃度を検出するセンサ素子を備えたガスセンサが知られている。こうしたガスセンサにおいて、センサ素子の表面を被覆する保護層を備え、さらに保護層が空間を有するものが知られている(例えば、特許文献1)。特許文献1では、素子本体の表面が露出した露出空間を保護層が有している。この露出空間は、保護層の表面に水が付着した場合の素子本体の冷えを抑制して、素子本体の耐被水性を向上させることができる。 2. Description of the Related Art Conventionally, there has been known a gas sensor provided with a sensor element for detecting the concentration of a specific gas such as NOx in a gas to be measured such as automobile exhaust gas. Among such gas sensors, there is known one that includes a protective layer that covers the surface of the sensor element, and that the protective layer has a space (for example, Patent Document 1). In Patent Document 1, the protective layer has an exposed space where the surface of the element body is exposed. This exposed space can suppress cooling of the element body when water adheres to the surface of the protective layer, and can improve water resistance of the element body.

特開2016-188853号公報JP 2016-188853 A

ところで、センサ素子が被測定ガス中の特定ガス濃度を検出する際に、特定ガス濃度が実際には変動していなくても、検出する特定ガス濃度にばらつきが生じる場合があった。 By the way, when the sensor element detects the concentration of the specific gas in the gas to be measured, the concentration of the detected specific gas may vary even if the concentration of the specific gas does not actually fluctuate.

本発明はこのような課題を解決するためになされたものであり、センサ素子が検出する特定ガス濃度のばらつきを抑制することを主目的とする。 SUMMARY OF THE INVENTION The present invention has been made to solve such problems, and a main object of the present invention is to suppress variations in concentration of a specific gas detected by a sensor element.

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

本発明のセンサ素子は、
被測定ガス中の特定ガス濃度を検出するセンサ素子であって、
酸素イオン伝導性の固体電解質体を有し、被測定ガスを導入して流通させる被測定ガス流通部が内部に設けられた素子本体と、
前記被測定ガス流通部の内周面上に配設された測定電極と、
前記素子本体に配設され、前記特定ガス濃度の検出の基準となる基準ガスに晒される基準電極と、
前記素子本体の表面の一部を覆う多孔質の保護層と、
を備え、
前記保護層は、前記素子本体の表面のうち前記被測定ガス流通部の入口であるガス導入口と該ガス導入口が開口している面の少なくとも一部とを覆う導入口保護層を有し、
前記導入口保護層は、内部空間を有し、
前記導入口保護層の内部空間の内周面の算術平均粗さRapが、8μm以上であるか又は前記保護層のうち前記素子本体との接着面の算術平均粗さRacより大きいかの少なくとも一方の条件を満たす、
ものである。
The sensor element of the present invention is
A sensor element for detecting a specific gas concentration in a gas to be measured,
an element main body having an oxygen ion-conducting solid electrolyte body and provided therein with a measured gas flow section for introducing and circulating a measured gas;
a measuring electrode disposed on the inner peripheral surface of the measured gas flow portion;
a reference electrode disposed in the element main body and exposed to a reference gas serving as a reference for detecting the concentration of the specific gas;
a porous protective layer covering part of the surface of the element body;
with
The protective layer has an inlet protective layer that covers a gas inlet serving as an inlet of the gas flow section to be measured and at least a portion of the surface where the gas inlet is open on the surface of the element body. ,
The inlet protective layer has an internal space,
At least one of the arithmetic average roughness Rap of the inner peripheral surface of the inner space of the inlet protective layer being 8 μm or more, or the arithmetic average roughness Rac of the adhesive surface of the protective layer to the element body being greater than satisfies the conditions of
It is.

このセンサ素子は、被測定ガス流通部の内周面上に配設された測定電極と、特定ガス濃度の検出の基準となる基準ガスに晒される基準電極と、を備えている。このセンサ素子では、測定電極と基準電極との間の電圧に基づいて、被測定ガス中の特定ガス濃度を検出することができる。また、このセンサ素子は、素子本体の表面のうち被測定ガス流通部の入口であるガス導入口とそのガス導入口が開口している面の少なくとも一部とを覆う導入口保護層を備えている。そして、導入口保護層が有する内部空間の内周面の算術平均粗さRapが、8μm以上であるか又は前記保護層のうち前記素子本体との接着面の算術平均粗さRacより大きいかの少なくとも一方の条件を満たす。すなわち、導入保護層の内部空間の内周面の算術平均粗さRapが比較的大きくなっており、内周面の凹凸が比較的大きくなっている。これにより、被測定ガスが保護層の外側から導入口保護層の内部空間を通過してガス導入口に到達する際に、内部空間の内周面の凹凸によって内部空間内の被測定ガスに乱流が生じ、乱流によって被測定ガスが攪拌されて、被測定ガス中の特定ガス濃度が均一化される。したがって、被測定ガス流通部内に導入される被測定ガス中の特定ガス濃度のばらつきが抑制されるため、特定ガス濃度のばらつきに起因する測定電極と基準電極との間の電圧の変動が抑制される。これにより、センサ素子が検出する特定ガス濃度のばらつきを抑制できる。 This sensor element includes a measurement electrode disposed on the inner peripheral surface of the gas flow portion to be measured, and a reference electrode exposed to a reference gas serving as a reference for detecting the specific gas concentration. This sensor element can detect the specific gas concentration in the gas to be measured based on the voltage between the measurement electrode and the reference electrode. Further, the sensor element includes an inlet protective layer covering the gas inlet serving as the inlet of the gas flow part to be measured and at least a part of the surface where the gas inlet is open on the surface of the element body. there is Then, whether the arithmetic mean roughness Rap of the inner peripheral surface of the internal space of the inlet protective layer is 8 μm or more or is larger than the arithmetic mean roughness Rac of the adhesive surface of the protective layer with the element body. Satisfy at least one condition. That is, the arithmetic mean roughness Rap of the inner peripheral surface of the internal space of the introduced protective layer is relatively large, and the unevenness of the inner peripheral surface is relatively large. As a result, when the gas to be measured passes through the inner space of the inlet protective layer from the outside of the protective layer and reaches the gas inlet, the unevenness of the inner peripheral surface of the inner space disturbs the gas to be measured in the inner space. A flow is generated, and the gas to be measured is agitated by the turbulent flow, and the specific gas concentration in the gas to be measured is homogenized. Therefore, variations in the specific gas concentration in the measured gas introduced into the measured gas flow section are suppressed, and voltage fluctuations between the measurement electrode and the reference electrode due to variations in the specific gas concentration are suppressed. be. As a result, it is possible to suppress variations in the concentration of the specific gas detected by the sensor element.

この場合において、算術平均粗さRapは100μm以下であってもよい。算術平均粗さRapが100μmより大きいと導入口保護層が有する内部空間の内周面の凹凸によって被測定ガスが流れにくくなり、ガス導入口に被測定ガスが到達しにくくなってセンサ素子の応答性が低下する場合がある。算術平均粗さRapが100μm以下では、そのような応答性の低下を抑制できる。前記ガス導入口は、前記導入口保護層の内部空間に開口していてもよい。前記導入口保護層の内部空間は、前記素子本体の表面が露出している露出空間であってもよい。前記素子本体は、長手方向を有する長尺な形状であってもよい。前記素子本体は、長尺な直方体形状であってもよい。 In this case, the arithmetic mean roughness Rap may be 100 μm or less. If the arithmetic mean roughness Rap is more than 100 μm, the measured gas becomes difficult to flow due to the unevenness of the inner peripheral surface of the inner space of the inlet protective layer, and the gas to be measured becomes difficult to reach the gas inlet, resulting in the response of the sensor element. performance may be reduced. When the arithmetic mean roughness Rap is 100 μm or less, such a decrease in responsiveness can be suppressed. The gas inlet may open into the internal space of the inlet protective layer. The internal space of the inlet protective layer may be an exposed space where the surface of the element body is exposed. The element body may have an elongated shape having a longitudinal direction. The element main body may have an elongated rectangular parallelepiped shape.

本発明のセンサ素子において、前記算術平均粗さRapは、10μm以上であってもよい。算術平均粗さRapが10μm以上では、センサ素子が検出する特定ガス濃度のばらつきを抑制する効果がより高まる。算術平均粗さRapは、20μm以上としてもよいし、30μm以上としてもよい。 In the sensor element of the present invention, the arithmetic mean roughness Rap may be 10 μm or more. When the arithmetic mean roughness Rap is 10 μm or more, the effect of suppressing variations in specific gas concentration detected by the sensor element is enhanced. The arithmetic mean roughness Rap may be 20 μm or more, or may be 30 μm or more.

本発明のセンサ素子において、前記算術平均粗さRacは、0.1μm以上1.0μm以下であってもよい。算術平均粗さRacが0.1μm以上では、素子本体と保護層との密着強度が確保できる。算術平均粗さRacが1.0μm以下では、保護層の強度を確保できる。 In the sensor element of the present invention, the arithmetic mean roughness Rac may be 0.1 μm or more and 1.0 μm or less. When the arithmetic mean roughness Rac is 0.1 μm or more, the adhesion strength between the element main body and the protective layer can be secured. When the arithmetic mean roughness Rac is 1.0 μm or less, the strength of the protective layer can be secured.

本発明のセンサ素子において、前記素子本体の表面は、前記ガス導入口が開口している面と、該面の辺で該面に接する1以上の隣接面と、を有しており、前記保護層は、前記1以上の隣接面の少なくとも一部を覆う隣接面保護層を有しており、前記隣接面保護層は、前記導入口保護層の内部空間と直接的に連通し、且つ、内周面の算術平均粗さRasが8μm以上であるか又は前記算術平均粗さRacより大きいかの少なくとも一方の条件を満たす内部空間を有していてもよい。こうすれば、隣接面保護層が存在することによって素子本体の耐被水性を向上させることができる。しかも、隣接面保護層は内部空間を有するため、隣接面保護層の外側から素子本体へ向かう隣接面保護層の厚さ方向の熱伝導を、この内部空間によって抑制でき、素子本体の耐被水性がより向上する。また、隣接面保護層の内部空間と導入口保護層の内部空間とが直接的に連通していることで、隣接面保護層の内部空間が比較的広くなっており、素子本体の耐被水性がさらに向上する。さらに、隣接面保護層の内部空間の内周面の算術平均粗さRasが、8μm以上であるか又は算術平均粗さRacより大きいかの少なくとも一方の条件を満たしている。すなわち、隣接面保護層は、内周面の算術平均粗さRasが比較的大きい内部空間を有している。これにより、隣接面保護層の内部空間の凹凸によって内部空間内の被測定ガスに乱流が生じ、導入口保護層の内部空間から隣接面保護層の内部空間に被測定ガスが流入しにくくなる。したがって、隣接面保護層の内部空間内の被測定ガスがガス導入口から被測定ガス流通部に流入しやすくなり、センサ素子の応答性が向上する。すなわち、隣接面保護層の内部空間と導入口保護層の内部空間とが直接的に連通していることで素子本体の耐被水性を向上させつつ、算術平均粗さRasを比較的大きくすることで両空間が直接的に連通していることによる応答性の低下を抑制できる。ここで、「直接的に連通する」は、保護層中の気孔を介さずに連通することを意味する。 In the sensor element of the present invention, the surface of the element body has a surface in which the gas introduction port is open and one or more adjacent surfaces that are in contact with the surface at sides of the surface, and the protection The layer has an adjacent surface protective layer covering at least a portion of the one or more adjacent surfaces, the adjacent surface protective layer directly communicating with the internal space of the inlet protective layer, and It may have an internal space that satisfies at least one of the arithmetic mean roughness Ras of the peripheral surface being 8 μm or more and being greater than the arithmetic mean roughness Rac. By doing so, the presence of the adjacent surface protective layer can improve the water resistance of the element body. Moreover, since the adjacent surface protective layer has an internal space, heat conduction in the thickness direction of the adjacent surface protective layer from the outside of the adjacent surface protective layer toward the element body can be suppressed by the internal space, and the element body is water resistant. is better. In addition, since the internal space of the adjacent surface protective layer and the internal space of the inlet protective layer are in direct communication, the internal space of the adjacent surface protective layer is relatively wide, and the element main body is water resistant. is further improved. Further, the arithmetic mean roughness Ras of the inner peripheral surface of the inner space of the adjacent surface protective layer satisfies at least one condition of 8 μm or more or greater than the arithmetic mean roughness Rac. That is, the adjacent surface protective layer has an internal space in which the arithmetic mean roughness Ras of the inner peripheral surface is relatively large. As a result, the unevenness of the inner space of the adjacent surface protective layer causes a turbulent flow in the gas to be measured in the inner space, making it difficult for the gas to be measured to flow from the inner space of the inlet protective layer into the inner space of the adjacent surface protective layer. . Therefore, the gas to be measured in the inner space of the adjacent surface protective layer easily flows into the gas to be measured circulation portion from the gas inlet, thereby improving the responsiveness of the sensor element. That is, the internal space of the adjacent surface protective layer and the internal space of the inlet protective layer are in direct communication with each other, so that the water resistance of the element main body is improved and the arithmetic mean roughness Ras is relatively large. can suppress the decrease in responsiveness due to the direct communication between the two spaces. Here, "directly communicating" means communicating without passing through pores in the protective layer.

本発明のセンサ素子において、前記素子本体は、長手方向を有する長尺な形状をしており、前記ガス導入口が開口している面は、前記長手方向の端面であってもよい。 In the sensor element of the present invention, the element body may have an elongated shape with a longitudinal direction, and the surface on which the gas introduction port is open may be an end surface in the longitudinal direction.

この場合において、前記素子本体は、前記長手方向に垂直な積層方向に前記固体電解質体を複数積層した積層体であり、前記素子本体の表面は、前記端面と、該端面の辺で該端面に接する複数の隣接面と、を有しており、前記保護層は、前記複数の隣接面を覆う隣接面保護層を有しており、前記隣接面保護層は、前記隣接面のうち前記積層方向の両端に位置する上面及び下面を覆う部分に、それぞれ、内部空間と、該内部空間よりも外側に位置する外側保護層と、該内部空間よりも内側に位置し前記素子本体の表面に接着している内側保護層と、を有していてもよい。こうすれば、上面及び下面に接する内側保護層が存在することで、素子本体(正確には素子本体及び内側保護層)の熱容量が大きくなる。したがって、外部から素子本体側に熱衝撃が到達したとしても、素子本体の急激な温度変化が抑制される。その結果、素子本体の耐被水性が向上する。 In this case, the element main body is a laminate in which a plurality of the solid electrolyte bodies are laminated in a lamination direction perpendicular to the longitudinal direction, and the surface of the element main body includes the end face and sides of the end face. and a plurality of adjacent surfaces in contact with each other, the protective layer having an adjacent surface protective layer covering the plurality of adjacent surfaces, and the adjacent surface protective layer covering the adjacent surfaces in the stacking direction An inner space, an outer protective layer positioned outside the inner space, and an outer protective layer positioned outside the inner space and adhered to the surface of the element main body positioned inside the inner space are provided on the portions covering the upper and lower surfaces located at both ends of the and an inner protective layer comprising: By doing so, the presence of the inner protective layer in contact with the upper and lower surfaces increases the heat capacity of the element body (more precisely, the element body and the inner protective layer). Therefore, even if a thermal shock reaches the element main body side from the outside, the rapid temperature change of the element main body is suppressed. As a result, the water resistance of the element body is improved.

本発明のガスセンサは、上述したいずれかの態様のセンサ素子を備えたものである。そのため、このガスセンサは、上述した本発明のセンサ素子と同様の効果、例えばセンサ素子が検出する特定ガス濃度のばらつきを抑制できる効果が得られる。 A gas sensor of the present invention includes the sensor element according to any one of the aspects described above. Therefore, this gas sensor can obtain the same effect as the sensor element of the present invention described above, for example, the effect of suppressing the variation in concentration of the specific gas detected by the sensor element.

センサ素子101の斜視図。3 is a perspective view of the sensor element 101; FIG. ガスセンサ100の構成を概略的に示した断面図。FIG. 2 is a cross-sectional view schematically showing the configuration of the gas sensor 100; 図2の被測定ガス流通部9の周辺の拡大図。FIG. 3 is an enlarged view of the periphery of the measured gas flow section 9 of FIG. 2; 図1のB-B断面図。BB sectional view of FIG. 変形例の保護層184の断面図。Sectional drawing of the protective layer 184 of a modification. 変形例の保護層284の断面図。Sectional drawing of the protective layer 284 of a modification. 変形例の保護層284の断面図。Sectional drawing of the protective layer 284 of a modification. 実験例1~7の算術平均粗さRapとセンサ素子101の検出値のばらつき割合との関係を示すグラフ。7 is a graph showing the relationship between the arithmetic mean roughness Rap and the variation rate of the detected value of the sensor element 101 in Experimental Examples 1 to 7;

次に、本発明の実施形態について、図面を用いて説明する。図1は、本発明の一実施形態であるガスセンサ100が備えるセンサ素子101の斜視図である。図2は、ガスセンサ100の構成を概略的に示した断面図である。図2中のセンサ素子101の断面部分は、図1のA-A断面である。図3は、図2の被測定ガス流通部9の周辺の拡大図である。図4は、図1のB-B断面図である。図4では、素子本体102の断面内部のうち被測定ガス流通部9以外の図示を省略している。センサ素子101は長尺な直方体形状をしており、このセンサ素子101の長手方向(図2の左右方向)を前後方向とし、センサ素子101の厚み方向(図2の上下方向)を上下方向とする。また、センサ素子101の幅方向(前後方向及び上下方向に垂直な方向)を左右方向とする。 Next, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. FIG. 1 is a perspective view of a sensor element 101 included in a gas sensor 100 according to one embodiment of the invention. FIG. 2 is a cross-sectional view schematically showing the configuration of the gas sensor 100. As shown in FIG. The cross-sectional portion of the sensor element 101 in FIG. 2 is the AA cross section in FIG. FIG. 3 is an enlarged view of the periphery of the measured gas circulation section 9 of FIG. FIG. 4 is a cross-sectional view along BB in FIG. In FIG. 4, illustration of the inside of the cross section of the element main body 102 other than the gas flow part 9 to be measured is omitted. The sensor element 101 has a long rectangular parallelepiped shape. do. Also, the width direction of the sensor element 101 (the direction perpendicular to the front-back direction and the up-down direction) is defined as the left-right direction.

ガスセンサ100は、例えば車両の排ガス管などの配管に取り付けられて、被測定ガスとしての排気ガスに含まれるNOxやO2等の特定ガスの濃度を測定するために用いられる。本実施形態では、ガスセンサ100は特定ガス濃度としてNOx濃度を測定するものとした。ガスセンサ100は、センサ素子101を備えている。センサ素子101は、素子本体102と、素子本体102を被覆する多孔質の保護層84と、を備えている。なお、素子本体102は、センサ素子101のうち保護層84以外の部分を指す。 The gas sensor 100 is attached to a pipe such as an exhaust gas pipe of a vehicle, for example, and used to measure the concentration of specific gases such as NOx and O 2 contained in the exhaust gas as the gas to be measured. In this embodiment, the gas sensor 100 measures the NOx concentration as the specific gas concentration. The gas sensor 100 has a sensor element 101 . The sensor element 101 includes an element body 102 and a porous protective layer 84 covering the element body 102 . Note that the element body 102 refers to the portion of the sensor element 101 other than the protective layer 84 .

図2に示すように、センサ素子101は、それぞれがジルコニア(ZrO2)等の酸素イオン伝導性固体電解質層からなる第1基板層1と、第2基板層2と、第3基板層3と、第1固体電解質層4と、スペーサ層5と、第2固体電解質層6との6つの層が、図面視で下側からこの順に積層された構造を有する素子である。また、これら6つの層を形成する固体電解質は緻密な気密のものである。係るセンサ素子101は、例えば、各層に対応するセラミックスグリーンシートに所定の加工および回路パターンの印刷などを行った後にそれらを積層し、さらに、焼成して一体化させることによって製造される。 As shown in FIG. 2, the sensor element 101 includes a first substrate layer 1, a second substrate layer 2, and a third substrate layer 3 each made of an oxygen ion conductive solid electrolyte layer such as zirconia (ZrO 2 ). , a first solid electrolyte layer 4, a spacer layer 5, and a second solid electrolyte layer 6 are stacked in this order from the bottom as viewed in the drawing. Also, the solid electrolyte forming these six layers is dense and airtight. The sensor element 101 is manufactured by, for example, performing predetermined processing and circuit pattern printing on ceramic green sheets corresponding to each layer, laminating them, and firing them to integrate them.

センサ素子101の一先端部(前方向の端部)であって、第2固体電解質層6の下面と第1固体電解質層4の上面との間には、ガス導入口10と、第1拡散律速部11と、緩衝空間12と、第2拡散律速部13と、第1内部空所20と、第3拡散律速部30と、第2内部空所40とが、この順に連通する態様にて隣接形成されてなる。 A gas introduction port 10 and a first diffusion The rate-controlling part 11, the buffer space 12, the second diffusion rate-controlling part 13, the first internal space 20, the third diffusion rate-controlling part 30, and the second internal space 40 communicate with each other in this order. formed adjacent to each other.

ガス導入口10と、緩衝空間12と、第1内部空所20と、第2内部空所40とは、スペーサ層5をくり抜いた態様にて設けられた上部を第2固体電解質層6の下面で、下部を第1固体電解質層4の上面で、側部をスペーサ層5の側面で区画されたセンサ素子101内部の空間である。 The gas introduction port 10 , the buffer space 12 , the first internal space 20 , and the second internal space 40 are formed by hollowing out the spacer layer 5 . The space inside the sensor element 101 is defined by the upper surface of the first solid electrolyte layer 4 at the bottom and the side surface of the spacer layer 5 at the side.

第1拡散律速部11と、第2拡散律速部13と、第3拡散律速部30とはいずれも、2本の横長の(図面に垂直な方向に開口が長手方向を有する)スリットとして設けられる。なお、ガス導入口10から第2内部空所40までの空間を被測定ガス流通部9と称する。被測定ガス流通部9は、略直方体形状に形成されている。被測定ガス流通部9の長手方向は前後方向と平行である。 Each of the first diffusion rate-controlling part 11, the second diffusion rate-controlling part 13, and the third diffusion rate-controlling part 30 is provided as two horizontally long slits (the openings of which have the longitudinal direction in the direction perpendicular to the drawing). . A space from the gas introduction port 10 to the second internal space 40 is called a measured gas flow portion 9 . The measured gas flow portion 9 is formed in a substantially rectangular parallelepiped shape. The longitudinal direction of the measured gas flow portion 9 is parallel to the front-rear direction.

また、被測定ガス流通部9よりも先端側から遠い位置には、第3基板層3の上面と、スペーサ層5の下面との間であって、側部を第1固体電解質層4の側面で区画される位置に基準ガス導入空間43が設けられている。基準ガス導入空間43には、NOx濃度の測定を行う際の基準ガスとして、例えば大気が導入される。 In addition, at a position farther from the tip side than the measured gas circulation portion 9, between the upper surface of the third substrate layer 3 and the lower surface of the spacer layer 5, a side portion of the first solid electrolyte layer 4 is provided. A reference gas introduction space 43 is provided at a position defined by . For example, atmospheric air is introduced into the reference gas introduction space 43 as a reference gas when measuring the NOx concentration.

大気導入層48は、多孔質セラミックスからなる層であって、大気導入層48には基準ガス導入空間43を通じて基準ガスが導入されるようになっている。また、大気導入層48は、基準電極42を被覆するように形成されている。 The atmosphere introduction layer 48 is a layer made of porous ceramics, and the reference gas is introduced into the atmosphere introduction layer 48 through the reference gas introduction space 43 . Also, the atmosphere introduction layer 48 is formed so as to cover the reference electrode 42 .

基準電極42は、第3基板層3の上面と第1固体電解質層4とに挟まれる態様にて形成される電極であり、上述のように、その周囲には、基準ガス導入空間43につながる大気導入層48が設けられている。また、後述するように、基準電極42を用いて第1内部空所20内や第2内部空所40内の酸素濃度(酸素分圧)を測定することが可能となっている。 The reference electrode 42 is an electrode formed in a manner sandwiched between the upper surface of the third substrate layer 3 and the first solid electrolyte layer 4, and as described above, is connected to the reference gas introduction space 43 around it. An atmosphere introduction layer 48 is provided. Further, as will be described later, it is possible to measure the oxygen concentration (oxygen partial pressure) in the first internal space 20 and the second internal space 40 using the reference electrode 42 .

被測定ガス流通部9において、ガス導入口10は、外部空間に対して開口してなる部位であり、該ガス導入口10を通じて外部空間からセンサ素子101内に被測定ガスが取り込まれるようになっている。第1拡散律速部11は、ガス導入口10から取り込まれた被測定ガスに対して、所定の拡散抵抗を付与する部位である。緩衝空間12は、第1拡散律速部11より導入された被測定ガスを第2拡散律速部13へと導くために設けられた空間である。第2拡散律速部13は、緩衝空間12から第1内部空所20に導入される被測定ガスに対して、所定の拡散抵抗を付与する部位である。被測定ガスが、センサ素子101外部から第1内部空所20内まで導入されるにあたって、外部空間における被測定ガスの圧力変動(被測定ガスが自動車の排気ガスの場合であれば排気圧の脈動)によってガス導入口10からセンサ素子101内部に急激に取り込まれた被測定ガスは、直接第1内部空所20へ導入されるのではなく、第1拡散律速部11、緩衝空間12、第2拡散律速部13を通じて被測定ガスの圧力変動が打ち消された後、第1内部空所20へ導入されるようになっている。これによって、第1内部空所20へ導入される被測定ガスの圧力変動はほとんど無視できる程度のものとなる。第1内部空所20は、第2拡散律速部13を通じて導入された被測定ガス中の酸素分圧を調整するための空間として設けられている。係る酸素分圧は、主ポンプセル21が作動することによって調整される。 In the measured gas circulation portion 9, the gas inlet 10 is a portion that is open to the external space, and the gas to be measured is taken into the sensor element 101 from the outer space through the gas inlet 10. ing. The first diffusion control portion 11 is a portion that imparts a predetermined diffusion resistance to the gas to be measured introduced from the gas inlet 10 . The buffer space 12 is a space provided for guiding the gas to be measured introduced from the first diffusion rate controlling section 11 to the second diffusion rate controlling section 13 . The second diffusion control portion 13 is a portion that imparts a predetermined diffusion resistance to the gas to be measured introduced from the buffer space 12 into the first internal space 20 . When the gas to be measured is introduced from the outside of the sensor element 101 into the first internal space 20, the pressure fluctuation of the gas to be measured in the external space (the pulsation of the exhaust pressure if the gas to be measured is automobile exhaust gas) ) is not directly introduced into the first internal space 20, but rather is introduced into the first diffusion rate-determining portion 11, the buffer space 12, the second After pressure fluctuations of the gas to be measured are canceled out through the diffusion control section 13 , the gas is introduced into the first internal cavity 20 . As a result, pressure fluctuations of the gas to be measured introduced into the first internal cavity 20 are almost negligible. The first internal space 20 is provided as a space for adjusting the oxygen partial pressure in the gas to be measured introduced through the second diffusion control section 13 . The oxygen partial pressure is adjusted by operating the main pump cell 21 .

主ポンプセル21は、第1内部空所20に面する第2固体電解質層6の下面のほぼ全面に設けられた天井電極部22aを有する内側ポンプ電極22と、第2固体電解質層6の上面の天井電極部22aと対応する領域に設けられた外側ポンプ電極23と、これらの電極に挟まれた第2固体電解質層6とによって構成されてなる電気化学的ポンプセルである。 The main pump cell 21 includes an inner pump electrode 22 having a ceiling electrode portion 22a provided on substantially the entire lower surface of the second solid electrolyte layer 6 facing the first internal cavity 20, and an upper surface of the second solid electrolyte layer 6. This is an electrochemical pump cell composed of an outer pump electrode 23 provided in a region corresponding to the ceiling electrode portion 22a and a second solid electrolyte layer 6 sandwiched between these electrodes.

内側ポンプ電極22は、第1内部空所20を区画する上下の固体電解質層(第2固体電解質層6および第1固体電解質層4)、および、側壁を与えるスペーサ層5にまたがって形成されている。具体的には、第1内部空所20の天井面を与える第2固体電解質層6の下面には天井電極部22aが形成され、また、底面を与える第1固体電解質層4の上面には底部電極部22bが形成され、そして、それら天井電極部22aと底部電極部22bとを接続するように、側部電極部(図示省略)が第1内部空所20の両側壁部を構成するスペーサ層5の側壁面(内面)に形成されて、該側部電極部の配設部位においてトンネル形態とされた構造において配設されている。 The inner pump electrode 22 is formed across the upper and lower solid electrolyte layers (the second solid electrolyte layer 6 and the first solid electrolyte layer 4) that define the first internal cavity 20 and the spacer layer 5 that provides side walls. there is Specifically, a ceiling electrode portion 22a is formed on the lower surface of the second solid electrolyte layer 6 that provides the ceiling surface of the first internal cavity 20, and a bottom electrode portion 22a is formed on the upper surface of the first solid electrolyte layer 4 that provides the bottom surface. A spacer layer in which electrode portions 22b are formed, and side electrode portions (not shown) constitute both side wall portions of the first internal cavity 20 so as to connect the ceiling electrode portion 22a and the bottom electrode portion 22b. 5, and arranged in a tunnel-shaped structure at the arrangement portion of the side electrode portion.

内側ポンプ電極22と外側ポンプ電極23とは、多孔質サーメット電極(例えば、Auを1%含むPtとZrO2とのサーメット電極)として形成される。なお、被測定ガスに接触する内側ポンプ電極22は、被測定ガス中のNOx成分に対する還元能力を弱めた材料を用いて形成される。 The inner pump electrode 22 and the outer pump electrode 23 are formed as porous cermet electrodes (for example, cermet electrodes of Pt and ZrO 2 containing 1% Au). The inner pump electrode 22 that comes into contact with the gas to be measured is made of a material that has a weakened ability to reduce NOx components in the gas to be measured.

主ポンプセル21においては、内側ポンプ電極22と外側ポンプ電極23との間に所望のポンプ電圧Vp0を印加して、内側ポンプ電極22と外側ポンプ電極23との間に正方向あるいは負方向にポンプ電流Ip0を流すことにより、第1内部空所20内の酸素を外部空間に汲み出し、あるいは、外部空間の酸素を第1内部空所20に汲み入れることが可能となっている。 In the main pump cell 21, a desired pump voltage Vp0 is applied between the inner pump electrode 22 and the outer pump electrode 23 to generate a positive or negative pump current between the inner pump electrode 22 and the outer pump electrode 23. By flowing Ip0, it is possible to pump oxygen in the first internal space 20 to the external space, or to pump oxygen in the external space into the first internal space 20 .

また、第1内部空所20における雰囲気中の酸素濃度(酸素分圧)を検出するために、内側ポンプ電極22と、第2固体電解質層6と、スペーサ層5と、第1固体電解質層4と、第3基板層3と、基準電極42によって、電気化学的なセンサセル、すなわち、主ポンプ制御用酸素分圧検出センサセル80が構成されている。 In order to detect the oxygen concentration (oxygen partial pressure) in the atmosphere in the first internal space 20, the inner pump electrode 22, the second solid electrolyte layer 6, the spacer layer 5, and the first solid electrolyte layer 4 , the third substrate layer 3 and the reference electrode 42 constitute an electrochemical sensor cell, that is, an oxygen partial pressure detection sensor cell 80 for main pump control.

主ポンプ制御用酸素分圧検出センサセル80における起電力V0を測定することで第1内部空所20内の酸素濃度(酸素分圧)がわかるようになっている。さらに、起電力V0が目標値となるように可変電源25のポンプ電圧Vp0をフィードバック制御することでポンプ電流Ip0が制御されている。これによって、第1内部空所20内の酸素濃度は所定の一定値に保つことができる。 By measuring the electromotive force V0 in the oxygen partial pressure detection sensor cell 80 for controlling the main pump, the oxygen concentration (oxygen partial pressure) in the first internal space 20 can be known. Furthermore, the pump current Ip0 is controlled by feedback-controlling the pump voltage Vp0 of the variable power supply 25 so that the electromotive force V0 becomes a target value. Thereby, the oxygen concentration in the first internal space 20 can be maintained at a predetermined constant value.

第3拡散律速部30は、第1内部空所20で主ポンプセル21の動作により酸素濃度(酸素分圧)が制御された被測定ガスに所定の拡散抵抗を付与して、該被測定ガスを第2内部空所40に導く部位である。 The third diffusion control section 30 applies a predetermined diffusion resistance to the gas under measurement whose oxygen concentration (oxygen partial pressure) is controlled by the operation of the main pump cell 21 in the first internal space 20, thereby reducing the gas under measurement. It is a portion that leads to the second internal space 40 .

第2内部空所40は、第3拡散律速部30を通じて導入された被測定ガス中の窒素酸化物(NOx)濃度の測定に係る処理を行うための空間として設けられている。NOx濃度の測定は、主として、補助ポンプセル50により酸素濃度が調整された第2内部空所40において、さらに、測定用ポンプセル41の動作によりNOx濃度が測定される。 The second internal space 40 is provided as a space for performing processing related to measurement of nitrogen oxide (NOx) concentration in the gas under measurement introduced through the third diffusion control section 30 . The NOx concentration is measured mainly in the second internal space 40 where the oxygen concentration is adjusted by the auxiliary pump cell 50 and further by the operation of the measuring pump cell 41 .

第2内部空所40では、あらかじめ第1内部空所20において酸素濃度(酸素分圧)が調整された後、第3拡散律速部30を通じて導入された被測定ガスに対して、さらに補助ポンプセル50による酸素分圧の調整が行われるようになっている。これにより、第2内部空所40内の酸素濃度を高精度に一定に保つことができるため、係るガスセンサ100においては精度の高いNOx濃度測定が可能となる。 In the second internal space 40, after the oxygen concentration (oxygen partial pressure) is adjusted in advance in the first internal space 20, the gas to be measured introduced through the third diffusion control section 30 is further subjected to the auxiliary pump cell 50. The oxygen partial pressure is adjusted by As a result, the oxygen concentration in the second internal space 40 can be kept constant with high accuracy, so that the gas sensor 100 can measure the NOx concentration with high accuracy.

補助ポンプセル50は、第2内部空所40に面する第2固体電解質層6の下面の略全体に設けられた天井電極部51aを有する補助ポンプ電極51と、外側ポンプ電極23(外側ポンプ電極23に限られるものではなく、センサ素子101の外側の適当な電極であれば足りる)と、第2固体電解質層6とによって構成される、補助的な電気化学的ポンプセルである。 The auxiliary pump cell 50 includes an auxiliary pump electrode 51 having a ceiling electrode portion 51a provided over substantially the entire lower surface of the second solid electrolyte layer 6 facing the second internal cavity 40, and an outer pump electrode 23 (outer pump electrode 23 any suitable electrode outside the sensor element 101 ) and the second solid electrolyte layer 6 .

係る補助ポンプ電極51は、先の第1内部空所20内に設けられた内側ポンプ電極22と同様なトンネル形態とされた構造において、第2内部空所40内に配設されている。つまり、第2内部空所40の天井面を与える第2固体電解質層6に対して天井電極部51aが形成され、また、第2内部空所40の底面を与える第1固体電解質層4には、底部電極部51bが形成され、そして、それらの天井電極部51aと底部電極部51bとを連結する側部電極部(図示省略)が、第2内部空所40の側壁を与えるスペーサ層5の両壁面にそれぞれ形成されたトンネル形態の構造となっている。なお、補助ポンプ電極51についても、内側ポンプ電極22と同様に、被測定ガス中のNOx成分に対する還元能力を弱めた材料を用いて形成される。 The auxiliary pump electrode 51 is arranged in the second internal space 40 in the same tunnel-like structure as the inner pump electrode 22 provided in the first internal space 20 . That is, the ceiling electrode portion 51a is formed on the second solid electrolyte layer 6 that provides the ceiling surface of the second internal space 40, and the first solid electrolyte layer 4 that provides the bottom surface of the second internal space 40 has , bottom electrode portions 51b are formed, and side electrode portions (not shown) connecting the ceiling electrode portions 51a and the bottom electrode portions 51b are formed on the spacer layer 5 that provides side walls of the second internal cavity 40. It has a tunnel-like structure formed on both walls. As with the inner pump electrode 22, the auxiliary pump electrode 51 is also made of a material having a weakened ability to reduce NOx components in the gas to be measured.

補助ポンプセル50においては、補助ポンプ電極51と外側ポンプ電極23との間に所望の電圧Vp1を印加することにより、第2内部空所40内の雰囲気中の酸素を外部空間に汲み出し、あるいは、外部空間から第2内部空所40内に汲み入れることが可能となっている。 In the auxiliary pump cell 50, by applying a desired voltage Vp1 between the auxiliary pump electrode 51 and the outer pump electrode 23, oxygen in the atmosphere inside the second internal cavity 40 is pumped out to the external space, or It is possible to pump from the space into the second internal cavity 40 .

また、第2内部空所40内における雰囲気中の酸素分圧を制御するために、補助ポンプ電極51と、基準電極42と、第2固体電解質層6と、スペーサ層5と、第1固体電解質層4と、第3基板層3とによって電気化学的なセンサセル、すなわち、補助ポンプ制御用酸素分圧検出センサセル81が構成されている。 In order to control the oxygen partial pressure in the atmosphere inside the second internal space 40, the auxiliary pump electrode 51, the reference electrode 42, the second solid electrolyte layer 6, the spacer layer 5, and the first solid electrolyte The layer 4 and the third substrate layer 3 constitute an electrochemical sensor cell, that is, an oxygen partial pressure detection sensor cell 81 for controlling the auxiliary pump.

なお、この補助ポンプ制御用酸素分圧検出センサセル81にて検出される起電力V1に基づいて電圧制御される可変電源52にて、補助ポンプセル50がポンピングを行う。これにより第2内部空所40内の雰囲気中の酸素分圧は、NOxの測定に実質的に影響がない低い分圧にまで制御されるようになっている。 The auxiliary pump cell 50 performs pumping with the variable power supply 52 whose voltage is controlled based on the electromotive force V1 detected by the oxygen partial pressure detecting sensor cell 81 for controlling the auxiliary pump. Thereby, the oxygen partial pressure in the atmosphere inside the second internal cavity 40 is controlled to a low partial pressure that does not substantially affect the measurement of NOx.

また、これとともに、そのポンプ電流Ip1が、主ポンプ制御用酸素分圧検出センサセル80の起電力の制御に用いられるようになっている。具体的には、ポンプ電流Ip1は、制御信号として主ポンプ制御用酸素分圧検出センサセル80に入力され、その起電力V0の上述した目標値が制御されることにより、第3拡散律速部30から第2内部空所40内に導入される被測定ガス中の酸素分圧の勾配が常に一定となるように制御されている。NOxセンサとして使用する際は、主ポンプセル21と補助ポンプセル50との働きによって、第2内部空所40内での酸素濃度は約0.001ppm程度の一定の値に保たれる。 Along with this, the pump current Ip1 is used to control the electromotive force of the oxygen partial pressure detection sensor cell 80 for main pump control. Specifically, the pump current Ip1 is input as a control signal to the oxygen partial pressure detection sensor cell 80 for controlling the main pump, and the above-described target value of the electromotive force V0 is controlled, thereby The gradient of the oxygen partial pressure in the gas to be measured introduced into the second internal space 40 is controlled so that it is always constant. When used as a NOx sensor, the main pump cell 21 and the auxiliary pump cell 50 work to keep the oxygen concentration in the second internal cavity 40 at a constant value of approximately 0.001 ppm.

測定用ポンプセル41は、第2内部空所40内において、被測定ガス中のNOx濃度の測定を行う。測定用ポンプセル41は、第2内部空所40に面する第1固体電解質層4の上面であって第3拡散律速部30から離間した位置に設けられた測定電極44と、外側ポンプ電極23と、第2固体電解質層6と、スペーサ層5と、第1固体電解質層4とによって構成された電気化学的ポンプセルである。 The measuring pump cell 41 measures the NOx concentration in the gas to be measured in the second internal space 40 . The measurement pump cell 41 includes a measurement electrode 44 provided on the upper surface of the first solid electrolyte layer 4 facing the second internal space 40 and at a position spaced apart from the third diffusion control section 30 , and an outer pump electrode 23 . , a second solid electrolyte layer 6 , a spacer layer 5 and a first solid electrolyte layer 4 .

測定電極44は、多孔質サーメット電極である。測定電極44は、第2内部空所40内の雰囲気中に存在するNOxを還元するNOx還元触媒としても機能する。さらに、測定電極44は、第4拡散律速部45によって被覆されてなる。 The measurement electrode 44 is a porous cermet electrode. The measurement electrode 44 also functions as a NOx reduction catalyst that reduces NOx present in the atmosphere within the second internal cavity 40 . Furthermore, the measurement electrode 44 is covered with a fourth diffusion control section 45 .

第4拡散律速部45は、セラミックス多孔体にて構成される膜である。第4拡散律速部45は、測定電極44に流入するNOxの量を制限する役割を担うとともに、測定電極44の保護膜としても機能する。測定用ポンプセル41においては、測定電極44の周囲の雰囲気中における窒素酸化物の分解によって生じた酸素を汲み出して、その発生量をポンプ電流Ip2として検出することができる。 The fourth diffusion rate controlling portion 45 is a membrane made of a ceramic porous body. The fourth diffusion control section 45 plays a role of limiting the amount of NOx flowing into the measurement electrode 44 and also functions as a protective film for the measurement electrode 44 . In the measurement pump cell 41, oxygen generated by decomposition of nitrogen oxides in the atmosphere around the measurement electrode 44 can be pumped out, and the amount of oxygen generated can be detected as a pump current Ip2.

また、測定電極44の周囲の酸素分圧を検出するために、第1固体電解質層4と、第3基板層3と、測定電極44と、基準電極42とによって電気化学的なセンサセル、すなわち、測定用ポンプ制御用酸素分圧検出センサセル82が構成されている。測定用ポンプ制御用酸素分圧検出センサセル82にて検出された起電力V2に基づいて可変電源46が制御される。 Also, in order to detect the oxygen partial pressure around the measuring electrode 44, the first solid electrolyte layer 4, the third substrate layer 3, the measuring electrode 44 and the reference electrode 42 form an electrochemical sensor cell, i.e. An oxygen partial pressure detection sensor cell 82 for controlling the measuring pump is configured. The variable power supply 46 is controlled based on the electromotive force V2 detected by the oxygen partial pressure detection sensor cell 82 for controlling the measuring pump.

第2内部空所40内に導かれた被測定ガスは、酸素分圧が制御された状況下で第4拡散律速部45を通じて測定電極44に到達することとなる。測定電極44の周囲の被測定ガス中の窒素酸化物は還元されて(2NO→N2+O2)酸素を発生する。そして、この発生した酸素は測定用ポンプセル41によってポンピングされることとなるが、その際、測定用ポンプ制御用酸素分圧検出センサセル82にて検出された起電力V2が一定(目標値)となるように可変電源46の電圧Vp2が制御される。測定電極44の周囲において発生する酸素の量は、被測定ガス中の窒素酸化物の濃度に比例するものであるから、測定用ポンプセル41におけるポンプ電流Ip2を用いて被測定ガス中の窒素酸化物濃度が算出されることとなる。 The measured gas guided into the second internal space 40 reaches the measuring electrode 44 through the fourth diffusion control section 45 under the condition that the oxygen partial pressure is controlled. Nitrogen oxides in the gas to be measured around the measuring electrode 44 are reduced (2NO→N 2 +O 2 ) to generate oxygen. The generated oxygen is pumped by the measuring pump cell 41. At this time, the electromotive force V2 detected by the measuring pump controlling oxygen partial pressure detecting sensor cell 82 becomes constant (target value). Thus, the voltage Vp2 of the variable power supply 46 is controlled. Since the amount of oxygen generated around the measuring electrode 44 is proportional to the concentration of nitrogen oxides in the gas to be measured, the pump current Ip2 in the pump cell 41 for measurement is used to measure the nitrogen oxides in the gas to be measured. The concentration will be calculated.

また、測定電極44と、第1固体電解質層4と、第3基板層3と基準電極42を組み合わせて、電気化学的センサセルとして酸素分圧検出手段を構成するようにすれば、測定電極44の周りの雰囲気中のNOx成分の還元によって発生した酸素の量と基準大気に含まれる酸素の量との差に応じた起電力を検出することができ、これによって被測定ガス中のNOx成分の濃度を求めることも可能である。 Further, if the measurement electrode 44, the first solid electrolyte layer 4, the third substrate layer 3 and the reference electrode 42 are combined to constitute an oxygen partial pressure detecting means as an electrochemical sensor cell, the measurement electrode 44 can be It is possible to detect the electromotive force corresponding to the difference between the amount of oxygen generated by the reduction of the NOx components in the surrounding atmosphere and the amount of oxygen contained in the reference atmosphere, thereby determining the concentration of the NOx components in the gas to be measured. is also possible.

また、第2固体電解質層6と、スペーサ層5と、第1固体電解質層4と、第3基板層3と、外側ポンプ電極23と、基準電極42とから電気化学的なセンサセル83が構成されており、このセンサセル83によって得られる起電力Vrefによりセンサ外部の被測定ガス中の酸素分圧を検出可能となっている。 An electrochemical sensor cell 83 is composed of the second solid electrolyte layer 6, the spacer layer 5, the first solid electrolyte layer 4, the third substrate layer 3, the outer pump electrode 23, and the reference electrode 42. The oxygen partial pressure in the gas to be measured outside the sensor can be detected from the electromotive force Vref obtained by the sensor cell 83 .

このような構成を有するガスセンサ100においては、主ポンプセル21と補助ポンプセル50とを作動させることによって酸素分圧が常に一定の低い値(NOxの測定に実質的に影響がない値)に保たれた被測定ガスが測定用ポンプセル41に与えられる。したがって、被測定ガス中のNOxの濃度に略比例して、NOxの還元によって発生する酸素が測定用ポンプセル41より汲み出されることによって流れるポンプ電流Ip2に基づいて、被測定ガス中のNOx濃度を知ることができるようになっている。 In the gas sensor 100 having such a configuration, by operating the main pump cell 21 and the auxiliary pump cell 50, the oxygen partial pressure is always kept at a constant low value (a value that does not substantially affect NOx measurement). A gas to be measured is supplied to the measuring pump cell 41 . Therefore, the NOx concentration in the gas to be measured is determined based on the pump current Ip2 that flows when the oxygen generated by the reduction of NOx is pumped out of the measuring pump cell 41 in substantially proportion to the concentration of NOx in the gas to be measured. It is possible to know.

さらに、センサ素子101は、固体電解質の酸素イオン伝導性を高めるために、センサ素子101を加熱して保温する温度調整の役割を担うヒータ部70を備えている。ヒータ部70は、ヒータコネクタ電極71と、ヒータ72と、スルーホール73と、ヒータ絶縁層74と、圧力放散孔75と、を備えている。 Further, the sensor element 101 is provided with a heater section 70 that plays a role of temperature adjustment for heating and keeping the sensor element 101 warm in order to increase the oxygen ion conductivity of the solid electrolyte. The heater section 70 includes heater connector electrodes 71 , heaters 72 , through holes 73 , heater insulating layers 74 , and pressure dissipation holes 75 .

ヒータコネクタ電極71は、第1基板層1の下面に接する態様にて形成されてなる電極である。ヒータコネクタ電極71を外部電源と接続することによって、外部からヒータ部70へ給電することができるようになっている。 The heater connector electrode 71 is an electrode formed so as to be in contact with the lower surface of the first substrate layer 1 . By connecting the heater connector electrode 71 to an external power supply, power can be supplied to the heater section 70 from the outside.

ヒータ72は、第2基板層2と第3基板層3とに上下から挟まれた態様にて形成される電気抵抗体である。ヒータ72は、スルーホール73を介してヒータコネクタ電極71と接続されており、該ヒータコネクタ電極71を通して外部より給電されることにより発熱し、センサ素子101を形成する固体電解質の加熱と保温を行う。 The heater 72 is an electric resistor that is sandwiched between the second substrate layer 2 and the third substrate layer 3 from above and below. The heater 72 is connected to the heater connector electrode 71 through the through hole 73, and generates heat by being supplied with power from the outside through the heater connector electrode 71, thereby heating the solid electrolyte forming the sensor element 101 and keeping it warm. .

また、ヒータ72は、第1内部空所20から第2内部空所40の全域に渡って埋設されており、センサ素子101全体を上記固体電解質が活性化する温度に調整することが可能となっている。 Further, the heater 72 is embedded over the entire area from the first internal space 20 to the second internal space 40, and it is possible to adjust the entire sensor element 101 to a temperature at which the solid electrolyte is activated. ing.

ヒータ絶縁層74は、ヒータ72の上下面に、アルミナ等の絶縁体によって形成されてなる絶縁層である。ヒータ絶縁層74は、第2基板層2とヒータ72との間の電気的絶縁性、および、第3基板層3とヒータ72との間の電気的絶縁性を得る目的で形成されている。 The heater insulating layer 74 is an insulating layer formed on the upper and lower surfaces of the heater 72 with an insulator such as alumina. The heater insulating layer 74 is formed for the purpose of providing electrical insulation between the second substrate layer 2 and the heater 72 and electrical insulation between the third substrate layer 3 and the heater 72 .

圧力放散孔75は、第3基板層3を貫通し、基準ガス導入空間43に連通するように設けられてなる部位であり、ヒータ絶縁層74内の温度上昇に伴う内圧上昇を緩和する目的で形成されてなる。 The pressure dissipation hole 75 is a portion that penetrates the third substrate layer 3 and is provided so as to communicate with the reference gas introduction space 43. The pressure dissipation hole 75 is provided for the purpose of alleviating an increase in internal pressure accompanying a temperature increase in the heater insulating layer 74. formed.

素子本体102は、図1~4に示すように、一部が多孔質の保護層84により被覆されている。ここで、センサ素子101は直方体形状であるため、図1~図4に示すように、素子本体102(より具体的には各層1~6)の外表面として、第1面102a(上面),第2面102b(下面),第3面102c(左側面),第4面102d(右側面),第5面102e(前端面),第6面102f(後端面)、の6面を有している。保護層84は、素子本体102の6個の表面(第1~第6面102a~102f)のうち5面(第1~第5面102a~102e)にそれぞれ形成された第1~第5保護層84a~84eを備えている。第5保護層84e(導入口保護層の一例)は、素子本体102の長手方向(ここでは前後方向)の一端面である第5面102eと、第5面102eに開口しているガス導入口10とを覆っている(図3参照)。第1~第4保護層84a~84d(隣接面保護層の一例)は、第5面102eの辺で第5面102eと接する4個の面(第1~第4面102a~102d,隣接面の一例)を覆っている(図3,4参照)。第1~第5保護層84a~84eを保護層84と総称する。保護層84は、素子本体102の一部を被覆して、その部分を保護する。保護層84は、例えば被測定ガス中の水分等が付着して素子本体102にクラックが生じるのを抑制する役割を果たす。 The element body 102 is partially covered with a porous protective layer 84, as shown in FIGS. Here, since the sensor element 101 has a rectangular parallelepiped shape, as shown in FIGS. 1 to 4, the first surface 102a (upper surface), It has six surfaces: a second surface 102b (lower surface), a third surface 102c (left surface), a fourth surface 102d (right surface), a fifth surface 102e (front end surface), and a sixth surface 102f (rear end surface). ing. The protective layer 84 includes first to fifth protective layers formed on five surfaces (first to fifth surfaces 102a to 102e) of the six surfaces (first to sixth surfaces 102a to 102f) of the element body 102, respectively. It includes layers 84a-84e. The fifth protective layer 84e (an example of an inlet protective layer) includes a fifth surface 102e, which is one end surface in the longitudinal direction (here, the front-rear direction) of the element body 102, and a gas inlet opening in the fifth surface 102e. 10 (see FIG. 3). The first to fourth protective layers 84a to 84d (an example of adjacent surface protective layers) are provided on four surfaces (first to fourth surfaces 102a to 102d, adjacent surface example) is covered (see FIGS. 3 and 4). The first to fifth protective layers 84a to 84e are collectively referred to as a protective layer 84. As shown in FIG. The protective layer 84 covers a portion of the element body 102 to protect that portion. The protective layer 84 plays a role of suppressing cracks in the element body 102 caused by adhesion of moisture or the like in the gas to be measured, for example.

第1保護層84aは、図3,4に示すように、第1内部空間90aと、第1内部空間90aよりも外側に位置する第1外側保護層85aと、第1内部空間90aよりも内側に位置する第1内側保護層86aと、を有している。第1内側保護層86aは第1面102aに接触している。第1内側保護層86aは、外側ポンプ電極23を被覆している。同様に、第2保護層84bは、第2内部空間90bと、第2外側保護層85bと、第2内側保護層86bと、を有している。第2内側保護層86bは、第2面102bに接触している。第3保護層84cは、第3内部空間90cと、第3内部空間90cよりも外側に位置する第3外側保護層85cと、を有している。第3保護層84cは、第3内部空間90cよりも内側には保護層を備えない。そのため、第3内部空間90cには第3面102cが露出している(図4参照)。同様に、第4,第5保護層84d,84eは、第4,第5内部空間90d,90eと、第4,第5外側保護層85d,85eと、を有している。第4,第5内部空間90d,90eには、それぞれ、第4,第5面102d,102eが露出している(図3,4参照)。第5内部空間90eには、ガス導入口10が露出している。第1~第5外側保護層85a~85eを外側保護層85と総称し、第1,第2内側保護層86a,86bを内側保護層86と総称し、第1~第5内部空間90a~90eを内部空間90と総称する。また、第1~第5内部空間90a~90eの各々の内周面を第1~第5内周面94a~94eとし、これらを内周面94と総称する。 As shown in FIGS. 3 and 4, the first protective layer 84a includes a first inner space 90a, a first outer protective layer 85a positioned outside the first inner space 90a, and a first outer protective layer 85a positioned inner than the first inner space 90a. and a first inner protective layer 86a located at . The first inner protective layer 86a is in contact with the first surface 102a. The first inner protective layer 86 a covers the outer pump electrode 23 . Similarly, the second protective layer 84b has a second internal space 90b, a second outer protective layer 85b, and a second inner protective layer 86b. The second inner protective layer 86b is in contact with the second surface 102b. The third protective layer 84c has a third internal space 90c and a third outer protective layer 85c located outside the third internal space 90c. The third protective layer 84c does not have a protective layer inside the third internal space 90c. Therefore, the third surface 102c is exposed in the third internal space 90c (see FIG. 4). Similarly, the fourth and fifth protective layers 84d and 84e have fourth and fifth internal spaces 90d and 90e and fourth and fifth outer protective layers 85d and 85e. The fourth and fifth surfaces 102d and 102e are exposed in the fourth and fifth internal spaces 90d and 90e, respectively (see FIGS. 3 and 4). The gas introduction port 10 is exposed in the fifth internal space 90e. The first to fifth outer protective layers 85a to 85e are collectively referred to as an outer protective layer 85, the first and second inner protective layers 86a and 86b are collectively referred to as an inner protective layer 86, and the first to fifth internal spaces 90a to 90e. are generically called an internal space 90 . The inner peripheral surfaces of the first to fifth internal spaces 90a to 90e are referred to as first to fifth inner peripheral surfaces 94a to 94e, respectively, and are collectively referred to as inner peripheral surfaces 94. As shown in FIG.

第1~第5外側保護層85a~85eは、互いに隣接する層同士が接続されており、外側保護層85全体で素子本体102の先端部分を覆っている。第1,第2内側保護層86a,86bは、それぞれ、第1,第2面102a,102bのうち第1,第2外側保護層85a,85bで覆われる部分を直接覆っている。そのため、第1,第2内部空間90a,90bには第1,第2面102a,102bは露出していない。第1~第5内部空間90a~90eは、互いに隣接する空間同士が直接的に連通しており、内部空間90全体で一つの空間を形成している。「直接的に連通する」は、保護層84(ここでは外側保護層85及び内側保護層86)中の気孔を介さずに連通することを意味する。そして、外側保護層85と内側保護層86とは保護層84の後端部でのみ接触している(図3参照)。より具体的には、第1外側保護層85aと第1内側保護層86aとが後端部で接触し、同様に第2外側保護層85bと第2内側保護層86bとが後端部で接触している。外側保護層85のうち第3,第4外側保護層85c,85dは、後端部でのみ第3,第4面102c,102dと接触している。第5外側保護層85eは、素子本体102とは接触していない。 Adjacent layers of the first to fifth outer protective layers 85a to 85e are connected to each other, and the entire outer protective layer 85 covers the tip portion of the element body 102. FIG. The first and second inner protective layers 86a and 86b directly cover the portions of the first and second surfaces 102a and 102b covered by the first and second outer protective layers 85a and 85b, respectively. Therefore, the first and second surfaces 102a and 102b are not exposed in the first and second internal spaces 90a and 90b. Adjacent spaces of the first to fifth internal spaces 90a to 90e communicate directly with each other, and the internal space 90 as a whole forms one space. "Direct communication" means communication without passing through pores in the protective layer 84 (here, the outer protective layer 85 and the inner protective layer 86). The outer protective layer 85 and the inner protective layer 86 are in contact only at the rear end of the protective layer 84 (see FIG. 3). More specifically, the first outer protective layer 85a and the first inner protective layer 86a are in contact at the rear ends, and similarly the second outer protective layer 85b and the second inner protective layer 86b are in contact at the rear ends. are doing. The third and fourth outer protective layers 85c and 85d of the outer protective layer 85 are in contact with the third and fourth surfaces 102c and 102d only at their rear end portions. The fifth outer protective layer 85e is not in contact with the element body 102. As shown in FIG.

第1保護層84aは、第1面102aに垂直な方向から見たときに、第1面102aのうち素子本体102の前端から後方に向かって距離L(図3参照)までの領域全体と重複している。第2~第4保護層84b~84dについても同様である。また、第1~第4外側保護層85a~85d及び第1,第2内側保護層86a,86bの各々についても同様である。第5保護層84eは、第5面102eに垂直な方向から見たときに(ここでは前から後に向かう方向に沿って見たときに)、第5面102e全体と重複している。すなわち、第5保護層84eは、ガス導入口10を含む第5面102e全体を覆っている。保護層84は多孔質体であるため、被測定ガスは保護層84の内部を流通してガス導入口10及び被測定ガス流通部9の内部に到達可能である。 When viewed in a direction perpendicular to the first surface 102a, the first protective layer 84a overlaps the entire region of the first surface 102a from the front end of the element body 102 toward the rear to a distance L (see FIG. 3). are doing. The same applies to the second to fourth protective layers 84b to 84d. The same applies to each of the first to fourth outer protective layers 85a to 85d and the first and second inner protective layers 86a and 86b. The fifth protective layer 84e overlaps the entire fifth surface 102e when viewed from a direction perpendicular to the fifth surface 102e (here, when viewed along the front-to-back direction). That is, the fifth protective layer 84e covers the entire fifth surface 102e including the gas inlet 10. As shown in FIG. Since the protective layer 84 is a porous body, the gas to be measured can flow through the inside of the protective layer 84 and reach the inside of the gas introduction port 10 and the gas to be measured circulating portion 9 .

図3に示した距離Lは、ガスセンサ100において素子本体102が被測定ガスに晒される範囲や、被測定ガス流通部9の位置などに基づいて、(0<距離L<素子本体102の長手方向の長さ)の範囲で定められている。また、距離Lは、素子本体102の内部に設けられた被測定ガス流通部9の前後方向の長さよりも長くなるように定められていることが好ましい。被測定ガス流通部9は、図2~4に示すように長手方向が素子本体102の長手方向(ここでは前後方向)に沿っており、距離Lは被測定ガス流通部9の長手方向の長さよりも長いことになる。また、本実施形態では、図1に示すように、素子本体102は前後方向の長さと、左右方向の幅と、上下方向の厚さとがそれぞれ異なっており、長さ>幅>厚さとなっている。また、距離Lは素子本体102の幅及び厚さよりも大きい値である。 The distance L shown in FIG. 3 is based on the range in which the element main body 102 is exposed to the gas to be measured in the gas sensor 100, the position of the gas flow part 9 to be measured, and the like (0<distance L<longitudinal direction of the element main body 102 length). Further, it is preferable that the distance L is set to be longer than the longitudinal length of the measured gas flow section 9 provided inside the element main body 102 . As shown in FIGS. 2 to 4, the measured gas circulation portion 9 has a longitudinal direction along the longitudinal direction (here, the front-rear direction) of the element main body 102, and the distance L is the length of the measured gas circulation portion 9 in the longitudinal direction. It will be longer than that. In this embodiment, as shown in FIG. 1, the element body 102 has different lengths in the front-rear direction, widths in the left-right direction, and thicknesses in the up-down direction, and length>width>thickness. there is Also, the distance L is a value larger than the width and thickness of the element body 102 .

保護層84は、例えばアルミナ多孔質体、ジルコニア多孔質体、スピネル多孔質体、コージェライト多孔質体,チタニア多孔質体、マグネシア多孔質体などの多孔質体からなるものである。本実施形態では、保護層84はアルミナ多孔質体からなるものとした。特に限定するものではないが、保護層84の膜厚は例えば100μm~1000μmであり、保護層84の気孔率は例えば5%~85%である。外側保護層85の厚さは、例えば50μm~800μmとしてもよい。内側保護層86の厚さは、例えば5μm~50μmとしてもよい。内部空間90の厚さ(高さ)は、例えば5μm~800μmとしてもよい。外側保護層85と内側保護層86とは気孔率や材質などが異なっていてもよい。外側保護層85及び内側保護層86の少なくとも一方が、複数の層を有していてもよい。 The protective layer 84 is made of porous material such as alumina porous material, zirconia porous material, spinel porous material, cordierite porous material, titania porous material, or magnesia porous material. In this embodiment, the protective layer 84 is made of an alumina porous body. Although not particularly limited, the thickness of the protective layer 84 is, for example, 100 μm to 1000 μm, and the porosity of the protective layer 84 is, for example, 5% to 85%. The thickness of the outer protective layer 85 may be, for example, 50 μm to 800 μm. The thickness of the inner protective layer 86 may be, for example, 5 μm to 50 μm. The thickness (height) of the internal space 90 may be, for example, 5 μm to 800 μm. The outer protective layer 85 and the inner protective layer 86 may have different porosities and materials. At least one of the outer protective layer 85 and the inner protective layer 86 may have multiple layers.

第5内部空間90eの第5内周面94eの算術平均粗さRapは、比較的大きい値になっている。具体的には、算術平均粗さRapは、8μm以上であるか又は保護層84のうち素子本体102との接着面97の算術平均粗さRacより大きいかの少なくとも一方の条件を満たしている。詳細は後述するが、これにより、第5内部空間90e内に乱流が生じて、センサ素子101が検出するNOx濃度のばらつきを抑制できる。本実施形態では、第5内周面94eは、第5外側保護層85eの内側(素子本体102側)の面である第5外側内周面95eのみを有している(図3参照)。そのため、この第5外側内周面95eの算術平均粗さRaの値を、算術平均粗さRapとする。また、本実施形態では、接着面97は、第1内側保護層86aと第1面102aとの接着面である第1接着面97aと、第2内側保護層86bと第2面102bとの接着面である第2接着面97bと、を有している。このため、第1接着面97aの算術平均粗さRaと第2接着面97bの算術平均粗さRaとの平均値を、算術平均粗さRacとする。本実施形態では、算術平均粗さRapは、上述した2つの条件をいずれも満たしているものとした。 The arithmetic average roughness Rap of the fifth inner peripheral surface 94e of the fifth inner space 90e is a relatively large value. Specifically, the arithmetic mean roughness Rap satisfies at least one of the conditions of being 8 μm or more and being greater than the arithmetic mean roughness Rac of the bonding surface 97 of the protective layer 84 with the element body 102 . Although details will be described later, this causes a turbulent flow in the fifth internal space 90e and suppresses variations in the NOx concentration detected by the sensor element 101. FIG. In the present embodiment, the fifth inner peripheral surface 94e has only the fifth outer inner peripheral surface 95e that is the surface on the inner side (the element body 102 side) of the fifth outer protective layer 85e (see FIG. 3). Therefore, the value of the arithmetic mean roughness Ra of the fifth outer inner peripheral surface 95e is defined as the arithmetic mean roughness Rap. Further, in the present embodiment, the bonding surface 97 includes a first bonding surface 97a, which is a bonding surface between the first inner protective layer 86a and the first surface 102a, and a bonding surface between the second inner protective layer 86b and the second surface 102b. and a second adhesive surface 97b, which is a surface. Therefore, the average value of the arithmetic average roughness Ra of the first adhesive surface 97a and the arithmetic average roughness Ra of the second adhesive surface 97b is defined as the arithmetic average roughness Rac. In this embodiment, the arithmetic mean roughness Rap is assumed to satisfy both of the two conditions described above.

算術平均粗さRapは、10μm以上であることが好ましい。算術平均粗さRapが10μm以上では、センサ素子101が検出するNOx濃度のばらつきを抑制する効果がより高まる。算術平均粗さRapは、20μm以上としてもよいし、30μm以上としてもよい。算術平均粗さRapは、100μm以下としてもよい。算術平均粗さRacは、0.1μm以上1.0μm以下であってもよい。算術平均粗さRacが0.1μm以上では、素子本体102と保護層84との密着強度が確保できる。算術平均粗さRacが1.0μm以下では、保護層84の強度を確保できる。 The arithmetic mean roughness Rap is preferably 10 μm or more. When the arithmetic mean roughness Rap is 10 μm or more, the effect of suppressing variations in the NOx concentration detected by the sensor element 101 is enhanced. The arithmetic mean roughness Rap may be 20 μm or more, or may be 30 μm or more. The arithmetic mean roughness Rap may be 100 μm or less. The arithmetic mean roughness Rac may be 0.1 μm or more and 1.0 μm or less. When the arithmetic mean roughness Rac is 0.1 μm or more, the adhesion strength between the element main body 102 and the protective layer 84 can be ensured. When the arithmetic mean roughness Rac is 1.0 μm or less, the strength of the protective layer 84 can be secured.

ここで、算術平均粗さRapは、保護層84を切断して測定対象となる内周面(ここでは第5外側内周面95e)を露出させ、JIS B 0601:2013に準じた方法で光干渉計を用いて測定した値とする。また、算術平均粗さRacは、以下のように測定した値とする。まず、接着面97に垂直な断面を観察面とするようにセンサ素子101を切断し、切断面の樹脂埋め及び研磨を行って観察用試料とする。次に、走査型電子顕微鏡(SEM)の倍率を300倍に設定し、視野をおよそ350μm×250μmの範囲として用意した観察用試料の観察面を撮影する。次に得られた画像の各画素の輝度データに基づき、全ての画素について輝度のヒストグラムを作成する。そして、ヒストグラムに現れる3つの山の間(谷)の部分の輝度値を閾値に設定し、各画素の輝度と閾値とを比較することで、各画素の輝度を3値化する。これにより、各画素が保護層84の構成粒子,保護層84の気孔,素子本体102のいずれであるかを区別する。そして、保護層84の構成粒子と素子本体102との境界線を作図して、この境界線を、JIS B 0601:2013で定義される接着面97の「実表面の断面曲線」とする。そして、この実表面の断面曲線に基づいて、JIS B 0601:2013に準じた方法で画像処理を行って測定した算術平均粗さRaを、算術平均粗さRacとする。 Here, the arithmetic mean roughness Rap is obtained by cutting the protective layer 84 to expose the inner peripheral surface to be measured (here, the fifth outer inner peripheral surface 95e), and applying light by a method according to JIS B 0601:2013. A value measured using an interferometer. Moreover, let the arithmetic mean roughness Rac be the value measured as follows. First, the sensor element 101 is cut so that the cross section perpendicular to the bonding surface 97 serves as an observation surface, and the cut surface is filled with resin and polished to obtain an observation sample. Next, the magnification of the scanning electron microscope (SEM) is set to 300 times, and the observation surface of the prepared observation sample with a field of view of approximately 350 μm×250 μm is photographed. Next, based on the luminance data of each pixel of the obtained image, a luminance histogram is created for all pixels. Then, the brightness of each pixel is tri-valued by setting the brightness value of the portion between the three peaks (troughs) appearing in the histogram as a threshold, and comparing the brightness of each pixel with the threshold. As a result, it is possible to distinguish whether each pixel is a constituent particle of the protective layer 84, a pore of the protective layer 84, or the element main body 102. FIG. Then, a boundary line between the constituent particles of the protective layer 84 and the element body 102 is drawn, and this boundary line is defined as the "real surface cross-sectional curve" of the bonding surface 97 defined in JIS B 0601:2013. Then, based on this cross-sectional curve of the real surface, the arithmetic average roughness Ra measured by performing image processing according to the method according to JIS B 0601:2013 is defined as the arithmetic average roughness Rac.

また、第5内部空間90eに直接的に連通している第1~第4内部空間90a~90dは、内周面の算術平均粗さが比較的大きい値であることが好ましい。具体的には、第1~第4内部空間90a~90dの第1~第4内周面94a~94dの算術平均粗さRasが、8μm以上であるか又は算術平均粗さRacより大きいかの少なくとも一方の条件を満たしていることが好ましい。ここで、第1~第4内周面94a~94dの算術平均粗さRasを、それぞれ算術平均粗さRa1s~Ra4sとする。この場合、算術平均粗さRa1s~Ra4sのうち1以上が、上述した2つの条件の少なくとも一方を満たしていることが好ましい。 Further, it is preferable that the arithmetic average roughness of the inner peripheral surface of the first to fourth internal spaces 90a to 90d directly communicating with the fifth internal space 90e is relatively large. Specifically, the arithmetic average roughness Ras of the first to fourth inner peripheral surfaces 94a to 94d of the first to fourth internal spaces 90a to 90d is 8 μm or more or larger than the arithmetic average roughness Rac. At least one condition is preferably satisfied. Here, the arithmetic mean roughness Ras of the first to fourth inner peripheral surfaces 94a to 94d are defined as arithmetic mean roughnesses Ra1s to Ra4s, respectively. In this case, at least one of the arithmetic mean roughnesses Ra1s to Ra4s preferably satisfies at least one of the above two conditions.

算術平均粗さRa1sについて説明する。本実施形態では、第1内周面94aは、第1外側保護層85aの内側(素子本体102側)の面である第1外側内周面95aと、第1内側保護層86aの外側(第1内部空間90a側)の面である第1内側内周面96aと、を有している(図3参照)。この場合、第1外側内周面95aと第1内側内周面96aとの少なくとも一方の算術平均粗さRaを算術平均粗さRa1sとしたときに、この算術平均粗さRa1sが上述した2つの条件の少なくとも一方を満たしていることが好ましい。言い換えると、第1外側内周面95aと第1内側内周面96aとの少なくとも一方の算術平均粗さRaが、上述した2つの条件の少なくとも一方を満たしていることが好ましい。本実施形態では、第1外側内周面95aの算術平均粗さRa(=Ra1s)が、上述した2つの条件をいずれも満たしているものとした。 Arithmetic mean roughness Ra1s will be described. In the present embodiment, the first inner peripheral surface 94a includes a first outer inner peripheral surface 95a that is a surface on the inner side (on the element body 102 side) of the first outer protective layer 85a, and an outer surface (on the side of the element body 102) on the outer side of the first inner protective layer 86a. 1 inner space 90a side) and a first inner inner peripheral surface 96a (see FIG. 3). In this case, when the arithmetic average roughness Ra of at least one of the first outer inner peripheral surface 95a and the first inner inner peripheral surface 96a is assumed to be the arithmetic average roughness Ra1s, the arithmetic average roughness Ra1s is the above-mentioned two At least one of the conditions is preferably satisfied. In other words, the arithmetic average roughness Ra of at least one of the first outer inner peripheral surface 95a and the first inner inner peripheral surface 96a preferably satisfies at least one of the two conditions described above. In the present embodiment, the arithmetic mean roughness Ra (=Ra1s) of the first outer inner peripheral surface 95a satisfies both of the above two conditions.

算術平均粗さRa2sについて説明する。本実施形態では、第2内周面94bは、第2外側保護層85bの内側(素子本体102側)の面である第2外側内周面95bと、第2内側保護層86bの外側(第2内部空間90b側)の面である第2内側内周面96bと、を有している(図3参照)。この場合、算術平均粗さRa1sと同様に、第2外側内周面95bと第2内側内周面96bとの少なくとも一方の算術平均粗さRaを算術平均粗さRa2sとしたときに、この算術平均粗さRa2sが上述した2つの条件の少なくとも一方を満たしていることが好ましい。本実施形態では、第2外側内周面95bの算術平均粗さRa(=Ra2s)が、上述した2つの条件をいずれも満たしているものとした。 Arithmetic mean roughness Ra2s will be described. In the present embodiment, the second inner peripheral surface 94b includes a second outer inner peripheral surface 95b that is a surface on the inner side (on the element body 102 side) of the second outer protective layer 85b and an outer surface (on the side of the element body 102) on the outer side of the second inner protective layer 86b. 2, a second inner inner peripheral surface 96b which is a surface on the inner space 90b side (see FIG. 3). In this case, similarly to the arithmetic average roughness Ra1s, when the arithmetic average roughness Ra of at least one of the second outer inner peripheral surface 95b and the second inner inner peripheral surface 96b is defined as the arithmetic average roughness Ra2s, this arithmetic Preferably, the average roughness Ra2s satisfies at least one of the two conditions described above. In the present embodiment, the arithmetic mean roughness Ra (=Ra2s) of the second outer inner peripheral surface 95b satisfies both of the above two conditions.

算術平均粗さRa3sについて説明する。本実施形態では、第3内周面94cは、第3外側保護層85cの内側(素子本体102側)の面である第3外側内周面95cのみを有している(図4参照)。そのため、この第3外側内周面95cの算術平均粗さRaの値を、算術平均粗さRa3sとする。同様に、第4内周面94dは、第4外側保護層85dの内側(素子本体102側)の面である第4外側内周面95dのみを有している(図4参照)。そのため、この第4外側内周面95dの算術平均粗さRaの値を、算術平均粗さRa4sとする。本実施形態では、算術平均粗さRa3s,Ra4sの各々が、上述した2つの条件をいずれも満たしているものとした。 Arithmetic mean roughness Ra3s will be described. In the present embodiment, the third inner peripheral surface 94c has only the third outer inner peripheral surface 95c that is the inner side (element body 102 side) of the third outer protective layer 85c (see FIG. 4). Therefore, the value of the arithmetic mean roughness Ra of the third outer inner peripheral surface 95c is defined as the arithmetic mean roughness Ra3s. Similarly, the fourth inner peripheral surface 94d has only the fourth outer inner peripheral surface 95d, which is the inner side (element body 102 side) of the fourth outer protective layer 85d (see FIG. 4). Therefore, the value of the arithmetic mean roughness Ra of the fourth outer inner peripheral surface 95d is defined as the arithmetic mean roughness Ra4s. In this embodiment, each of the arithmetic mean roughnesses Ra3s and Ra4s is assumed to satisfy both of the two conditions described above.

算術平均粗さRa1s~Ra4sは、算術平均粗さRapと同様に、保護層84を切断して測定対象となる内周面(ここでは第1~第4外側内周面95a~94d)を露出させ、JIS B 0601:2013に準じた方法で光干渉計を用いて測定した値とする。 Similar to the arithmetic average roughness Rap, the arithmetic average roughness Ra1s to Ra4s are obtained by cutting the protective layer 84 and exposing the inner peripheral surface to be measured (here, the first to fourth outer inner peripheral surfaces 95a to 94d). and measured using an optical interferometer in accordance with JIS B 0601:2013.

また、図3,4からわかるように、第1~第5内周面94a~94eは、いずれも外側保護層85の内側(素子本体102側)の内周面である。そのため、本実施形態では、算術平均粗さRa1s~Ra4sは同じ値とし、且つこれらと算術平均粗さRapも同じ値とした。ただし、算術平均粗さRap,Ra1s~Ra4sの各々が異なる値であってもよい。また、算術平均粗さRas(より具体的には算術平均粗さRa1s~Ra4sのうち1以上)は、10μm以上としてもよいし、20μm以上としてもよいし、30μm以上としてもよい。算術平均粗さRasは、100μm以下としてもよい。 As can be seen from FIGS. 3 and 4, the first to fifth inner peripheral surfaces 94a to 94e are all inner peripheral surfaces inside the outer protective layer 85 (on the element main body 102 side). Therefore, in the present embodiment, the arithmetic mean roughness Ra1s to Ra4s are set to the same value, and the arithmetic mean roughness Rap is also set to be the same value. However, each of the arithmetic mean roughnesses Rap, Ra1s to Ra4s may have different values. Also, the arithmetic mean roughness Ras (more specifically, one or more of the arithmetic mean roughnesses Ra1s to Ra4s) may be 10 μm or more, 20 μm or more, or 30 μm or more. The arithmetic mean roughness Ras may be 100 μm or less.

こうして構成されたガスセンサ100の製造方法を以下に説明する。ガスセンサ100の製造方法では、まず素子本体102を製造し、次に素子本体102に保護層84を形成してセンサ素子101を製造する。 A method of manufacturing the gas sensor 100 thus configured will be described below. In the method of manufacturing the gas sensor 100 , the element body 102 is first manufactured, and then the protective layer 84 is formed on the element body 102 to manufacture the sensor element 101 .

素子本体102を製造する方法について説明する。まず、6枚の未焼成のセラミックスグリーンシートを用意する。そして、各層1~6のそれぞれに対応して、各グリーンシートには印刷時や積層時の位置決めに用いるシート穴や必要なスルーホール等を予め複数形成しておく。また、スペーサ層5となるグリーンシートには被測定ガス流通部9となる空間を予め打ち抜き処理などによって設けておく。次に、各セラミックスグリーンシートに各電極やヒータ等のパターンを印刷する。このように各種のパターンを形成したあと、グリーンシートを乾燥する。その後、それらを積層して積層体とする。なお、積層体のうち被測定ガス流通部9などの空間となる部分には、焼成時に消失する消失体(例えばカーボン,テオブロミンなどの有機材料)を充填しておいてもよい。こうして得られた積層体は、複数個の素子本体102を包含したものである。その積層体を切断して素子本体102の大きさに切り分け、所定の焼成温度で焼成して、素子本体102を得る。 A method for manufacturing the element body 102 will be described. First, six unsintered ceramic green sheets are prepared. Then, corresponding to each of the layers 1 to 6, each green sheet is provided with a plurality of sheet holes used for positioning during printing and lamination, necessary through holes, etc., in advance. In addition, the green sheet that will be the spacer layer 5 is previously provided with a space that will be the gas flow part 9 to be measured by a punching process or the like. Next, patterns such as electrodes and heaters are printed on each ceramic green sheet. After forming various patterns in this manner, the green sheet is dried. After that, they are laminated to form a laminate. In addition, a part of the laminate that becomes a space such as the measured gas circulation portion 9 may be filled with a vanishing material (for example, an organic material such as carbon or theobromine) that disappears during firing. The laminate thus obtained includes a plurality of element bodies 102 . The laminated body is cut into pieces of the size of the element body 102 and fired at a predetermined firing temperature to obtain the element body 102 .

次に、素子本体102に保護層84を形成する方法について説明する。まず、素子本体102の表面に、内側保護層86を形成する。内側保護層86の形成は、モールドキャスト法,スクリーン印刷,ディッピング,プラズマ溶射などの種々の方法により行うことができる。スクリーン印刷又はプラズマ溶射によって内側保護層86を形成する場合、第1~第5内側保護層86a~86eを1つずつ形成してもよい。次に、内側保護層86上に消失体を塗布及び乾燥することで、内部空間90の形状の消失体を形成する。消失体の塗布は、例えばスクリーン印刷,グラビア印刷,インクジェット印刷などによって行うことができる。また、塗布及び乾燥を複数回繰り返して消失体を形成しても良い。消失体の材料としては、上述したカーボン,テオブロミンなどの有機材料の他、ビニル系樹脂などの熱分解製のポリマーが挙げられる。続いて、内側保護層86及び消失体の外側に外側保護層85を形成する。外側保護層85は、内側保護層86と同様の手法により形成することができる。これにより、内部空間90の形状の消失体を備えた保護層84が形成される。その後、消失体を燃焼により消失させる。これにより、消失体の部分が内部空間90となり、内部空間90を有する保護層84が形成される。このようにして素子本体102に保護層84を形成し、センサ素子101を得る。なお、モールドキャスト法,スクリーン印刷又はディッピングにより保護層84を形成する際には、外側保護層85及び内側保護層86となるスラリーを固化や乾燥させた後に、スラリーを焼成して保護層84とする。この場合、保護層84の焼成と消失体の燃焼とを同時に行ってもよい。また、プラズマ溶射により外側保護層85及び内側保護層86を形成する場合には、両者の形成後に消失体を燃焼により消失させればよい。 Next, a method for forming the protective layer 84 on the element body 102 will be described. First, the inner protective layer 86 is formed on the surface of the element body 102 . The inner protective layer 86 can be formed by various methods such as mold casting, screen printing, dipping, and plasma spraying. When forming the inner protective layer 86 by screen printing or plasma spraying, the first to fifth inner protective layers 86a to 86e may be formed one by one. Next, the disappearing body is formed in the shape of the inner space 90 by applying the disappearing body on the inner protective layer 86 and drying it. Application of the eliminator can be performed by, for example, screen printing, gravure printing, inkjet printing, or the like. Alternatively, the disappearing body may be formed by repeating the application and drying a plurality of times. Examples of the material of the vanishing body include organic materials such as carbon and theobromine described above, as well as thermally decomposed polymers such as vinyl resins. Subsequently, an outer protective layer 85 is formed on the outer side of the inner protective layer 86 and the vanishing body. The outer protective layer 85 can be formed by a method similar to that for the inner protective layer 86 . This forms a protective layer 84 with a vanishing body in the shape of the internal space 90 . After that, the vanishing body is extinguished by burning. As a result, the vanishing body portion becomes the internal space 90, and the protective layer 84 having the internal space 90 is formed. Thus, the protective layer 84 is formed on the element body 102 to obtain the sensor element 101 . When the protective layer 84 is formed by mold casting, screen printing, or dipping, the slurry forming the outer protective layer 85 and the inner protective layer 86 is solidified or dried, and then the slurry is baked to form the protective layer 84. do. In this case, the burning of the protective layer 84 and the burning of the vanishing body may be performed at the same time. Further, when the outer protective layer 85 and the inner protective layer 86 are formed by plasma spraying, the vanishing body may be burnt out after both are formed.

算術平均粗さRap,Rasを比較的大きくするための方法としては、例えば以下が挙げられる。まず、第1~第5外側内周面95a~95eの算術平均粗さRaを大きくすることで算術平均粗さRap,Rasを比較的大きくする場合について説明する。この場合、例えば外側保護層85をプラズマ溶射で形成することとし、プラズマ溶射に用いるプラズマ発生用ガスの量を少なくしたり,プラズマガンと素子本体102との距離を大きくしたりすることによって、外側保護層85の構成粒子が消失体に衝突する速度を比較的弱くする。これにより、消失体への衝突時に外側保護層85の構成粒子がつぶれて平坦になるのを抑制して、第1~第5外側内周面95a~95eの算術平均粗さRaを大きくすることができる。また、消失体に柔らかい材質を用いることによっても、消失体への衝突時に外側保護層85の構成粒子がつぶれるのを抑制でき、同様に第1~第5外側内周面95a~95eの算術平均粗さRaを大きくすることができる。あるいは、プラズマ溶射に用いる粉末溶射材料(外側保護層85の構成粒子となる原料粉末)の粒径を大きくすることによって、第1~第5外側内周面95a~95eの算術平均粗さRaを大きくすることもできる。第1,第2内側内周面96a,96bの算術平均粗さRaを大きくする方法としては、例えば、内側保護層86が厚さ方向に複数の層からなるようにして、素子本体102に接着される層の形成に用いる構成粒子よりも内部空間90に露出する層の形成に用いる構成粒子の粒径を大きくすることが挙げられる。あるいは、内側保護層86を形成した後に、第1,第2内側内周面96a,96bを荒らすことで算術平均粗さRaを大きくしてもよい。 Methods for relatively increasing the arithmetic mean roughness Rap and Ras include, for example, the following. First, a case will be described where the arithmetic mean roughnesses Rap and Ras are relatively increased by increasing the arithmetic mean roughnesses Ra of the first to fifth outer inner peripheral surfaces 95a to 95e. In this case, for example, the outer protective layer 85 is formed by plasma spraying, and the amount of plasma generating gas used for plasma spraying is reduced, or the distance between the plasma gun and the element main body 102 is increased. The speed at which the constituent particles of the protective layer 85 collide with the vanishing body is made relatively weak. This suppresses the constituent particles of the outer protective layer 85 from being crushed and flattened when colliding with the vanishing object, and increases the arithmetic average roughness Ra of the first to fifth outer inner peripheral surfaces 95a to 95e. can be done. Also, by using a soft material for the vanishing body, it is possible to suppress crushing of the constituent particles of the outer protective layer 85 when colliding with the vanishing body. Roughness Ra can be increased. Alternatively, the arithmetic average roughness Ra of the first to fifth outer inner peripheral surfaces 95a to 95e can be reduced by increasing the particle size of the powder thermal spray material (raw material powder constituting the outer protective layer 85) used for plasma spraying. You can also make it bigger. As a method for increasing the arithmetic mean roughness Ra of the first and second inner inner peripheral surfaces 96a and 96b, for example, the inner protective layer 86 is made up of a plurality of layers in the thickness direction and adhered to the element body 102. For example, the particle size of the constituent particles used for forming the layer exposed to the internal space 90 may be made larger than the constituent particles used for forming the layer exposed to the internal space 90 . Alternatively, the arithmetic mean roughness Ra may be increased by roughening the first and second inner peripheral surfaces 96a and 96b after the inner protective layer 86 is formed.

また、保護層84が厚さ方向に複数の層(ここでは外側保護層85及び内側保護層86)を有する場合、最も内側の層(ここでは内側保護層86)は、例えばモールドキャスト法,スクリーン印刷又はディッピングを用いてスラリーを素子本体102の表面上に形成し、素子本体102と一体的にスラリーを焼成して内側保護層86を形成することが好ましい。素子本体102の表面は比較的算術平均粗さRaが小さい場合が多く、素子本体102に直接接着する内側保護層86は素子本体102との密着力が低くなりやすいが、一体的に焼成することで素子本体102と内側保護層86との密着力を高めることができる。また、内側保護層86のうち外側保護層85と接触する面(ここでは内側保護層86の表面のうち後端部分)は、素子本体102の表面と比べて算術平均粗さRaの値が大きいことが好ましい。こうすることで、内側保護層86と外側保護層85との密着力を高めることができる。内側保護層86のうち外側保護層85と接触する面の算術平均粗さRaは、1μm以上10μm以下としてもよいし、1μm以上5μm以下としてもよい。内側保護層86のうち外側保護層85と接触する面だけでなく、内部空間90に露出する第1,第2内側内周面96a,96bも含めて、算術平均粗さRaが1μm以上10μm以下であってもよいし、1μm以上5μm以下であってもよい。 In addition, when the protective layer 84 has a plurality of layers (here, the outer protective layer 85 and the inner protective layer 86) in the thickness direction, the innermost layer (here, the inner protective layer 86) is formed by, for example, a mold casting method, a screen Preferably, a slurry is formed on the surface of the element body 102 using printing or dipping, and the inner protective layer 86 is formed by firing the slurry integrally with the element body 102 . The surface of the element body 102 often has a relatively small arithmetic mean roughness Ra, and the inner protective layer 86 that is directly adhered to the element body 102 tends to have low adhesion to the element body 102. , the adhesion between the element body 102 and the inner protective layer 86 can be enhanced. In addition, the surface of the inner protective layer 86 that contacts the outer protective layer 85 (here, the rear end portion of the surface of the inner protective layer 86) has a larger arithmetic mean roughness Ra than the surface of the element body 102. is preferred. By doing so, the adhesion between the inner protective layer 86 and the outer protective layer 85 can be enhanced. The arithmetic mean roughness Ra of the surface of the inner protective layer 86 that contacts the outer protective layer 85 may be 1 μm or more and 10 μm or less, or 1 μm or more and 5 μm or less. Not only the surface of the inner protective layer 86 that contacts the outer protective layer 85 but also the first and second inner inner peripheral surfaces 96a and 96b exposed to the internal space 90 have an arithmetic mean roughness Ra of 1 μm or more and 10 μm or less. or 1 μm or more and 5 μm or less.

また、外側保護層85を作製する場合には、外側保護層85(第1~第5外側保護層85a~85e)全体を一体的にキャップ状(有底筒状、1面が開口した箱状、とも称する)の保護層として作製してもよい。例えば、モールドキャスト法を用いて外側保護層85の形状をしたキャップ状の未焼成体を作製し、そのキャップ状の未焼成体の内側に素子本体102(内側保護層86を備える場合は素子本体102及び内側保護層86)の先端側を挿入してから未焼成体を焼成することで、外側保護層85を作製してもよい。この場合、未焼成体の形状を内側に柱状部又は段差部などの空間支持部を有する形状としておくことで(したがって焼成後の未焼成体である外側保護層85も空間支持部を有することになる)、内部空間90の形状の消失体を用いずに空間支持部によって外側保護層85と素子本体102との間に内部空間90を形成することもできる。また、キャップ状の未焼成体に素子本体102を挿入する方法で外側保護層85を作製する場合、外側保護層85と素子本体102との間の内部空間90が素子本体102の後端側に向けた開口を有する場合がある。この場合、例えばプラズマ溶射などによりこの開口を塞ぐように目封止部を形成してもよい。目封止部は、外側保護層85と主成分が同じ多孔質体であることが好ましい。また、外側保護層85となる未焼成体を作製する際の成形型の表面の凹凸の形状(表面の粗さ)によって、算術平均粗さRap,Rasを調整することもできる。 Further, when the outer protective layer 85 is manufactured, the outer protective layer 85 (first to fifth outer protective layers 85a to 85e) is integrally formed into a cap shape (cylindrical shape with a bottom, box shape with one side open). , as a protective layer. For example, a cap-shaped unfired body having the shape of the outer protective layer 85 is produced using a mold casting method, and the element body 102 (the element body when the inner protective layer 86 is provided) is placed inside the cap-shaped unfired body. The outer protective layer 85 may be produced by inserting the tip side of 102 and the inner protective layer 86) and then firing the unfired body. In this case, by making the shape of the unfired body into a shape having a space support portion such as a columnar portion or a stepped portion inside (therefore, the outside protective layer 85 which is the unfired body after firing also has a space support portion). ), it is also possible to form the internal space 90 between the outer protective layer 85 and the element body 102 by means of a space supporting portion without using a vanishing body having the shape of the internal space 90 . Further, when the outer protective layer 85 is manufactured by inserting the element body 102 into the cap-shaped unfired body, the internal space 90 between the outer protective layer 85 and the element body 102 is located on the rear end side of the element body 102. It may have an opening facing In this case, plugging portions may be formed so as to block the openings by plasma spraying or the like. The plugging portions are preferably made of a porous material having the same main component as that of the outer protective layer 85 . Further, the arithmetic average roughness Rap and Ras can be adjusted by the shape of the irregularities (surface roughness) on the surface of the molding die when the unfired body to be the outer protective layer 85 is produced.

このようにしてセンサ素子101を得ると、所定のハウジングに収容してガスセンサ100の本体(図示せず)に組み込み、各電源等を接続することで、ガスセンサ100が得られる。 Once the sensor element 101 is obtained in this manner, it is housed in a predetermined housing, incorporated into a main body (not shown) of the gas sensor 100, and connected to various power sources, etc., thereby obtaining the gas sensor 100. FIG.

こうして構成されたガスセンサ100の使用時には、配管内の被測定ガスがセンサ素子101に到達し、保護層84を通過してガス導入口10内に流入する。そして、センサ素子101は、ガス導入口10から被測定ガス流通部9内に流入した被測定ガス中のNOx濃度を、測定電極44と基準電極42との間の電圧(ここでは起電力V2)に基づいて検出する。例えば、起電力V2の値、又は起電力V2が一定となるように電圧Vp2を制御することで流れるポンプ電流Ip2の値をセンサ素子101から出力させる(測定する)ことで、特定ガス濃度を表す値が得られる。 When the gas sensor 100 configured in this manner is used, the gas to be measured in the pipe reaches the sensor element 101, passes through the protective layer 84, and flows into the gas introduction port 10. As shown in FIG. Then, the sensor element 101 measures the concentration of NOx in the measured gas flowing into the measured gas circulation section 9 from the gas introduction port 10 by measuring the voltage between the measuring electrode 44 and the reference electrode 42 (electromotive force V2 in this case). Detect based on For example, the value of the electromotive force V2 or the value of the pump current Ip2 that flows by controlling the voltage Vp2 so that the electromotive force V2 is constant is output (measured) from the sensor element 101, thereby representing the specific gas concentration. value is obtained.

そして、本実施形態のセンサ素子101は、導入口保護層(ここでは第5保護層84e)の第5内周面94e(ここでは第5外側内周面95e)の算術平均粗さRapが、8μm以上であるか又は保護層84のうち素子本体102との接着面97の算術平均粗さRacより大きいかの少なくとも一方の条件を満たしている。すなわち、第5外側内周面95eの算術平均粗さRapが比較的大きくなっており、第5外側内周面95eの凹凸が比較的大きくなっている。これにより、被測定ガスが保護層84の外側から第5内部空間90eを通過してガス導入口10に到達する際に、第5外側内周面95eの凹凸によって第5内部空間90e内の被測定ガスに乱流が生じる。そして、乱流によって被測定ガスが攪拌されて、被測定ガス中のNOx濃度が均一化される。したがって、被測定ガス流通部9内に導入される被測定ガス中のNOx濃度のばらつきが抑制されるため、NOx濃度のばらつきに起因する測定電極44と基準電極42との間の起電力V2の変動が抑制される。これにより、センサ素子101が検出するNOx濃度のばらつきを抑制できる。 In the sensor element 101 of the present embodiment, the arithmetic mean roughness Rap of the fifth inner peripheral surface 94e (here, the fifth outer inner peripheral surface 95e) of the inlet protective layer (here, the fifth protective layer 84e) is At least one of the conditions of being 8 μm or more and being larger than the arithmetic average roughness Rac of the bonding surface 97 of the protective layer 84 to the element body 102 is satisfied. That is, the arithmetic mean roughness Rap of the fifth outer inner peripheral surface 95e is relatively large, and the unevenness of the fifth outer inner peripheral surface 95e is relatively large. As a result, when the gas to be measured passes through the fifth internal space 90e from the outside of the protective layer 84 and reaches the gas introduction port 10, the unevenness of the fifth outer inner peripheral surface 95e causes the measured gas to pass through the fifth internal space 90e. Turbulence occurs in the measurement gas. The gas to be measured is stirred by the turbulent flow, and the NOx concentration in the gas to be measured is made uniform. Therefore, variations in the NOx concentration in the measured gas introduced into the measured gas circulation section 9 are suppressed, so that the electromotive force V2 between the measurement electrode 44 and the reference electrode 42 caused by variations in the NOx concentration is reduced. Fluctuations are suppressed. Thereby, variations in the NOx concentration detected by the sensor element 101 can be suppressed.

以上詳述した本実施形態のガスセンサ100によれば、センサ素子101は、被測定ガス流通部9の内周面上に配設された測定電極44と、特定ガス濃度(ここではNOx濃度)の検出の基準となる基準ガス(ここでは大気)に晒される基準電極42と、を備えている。センサ素子101は、素子本体102の表面のうち被測定ガス流通部9の入口であるガス導入口10とそのガス導入口10が開口している第5面102eの少なくとも一部とを覆う導入口保護層(ここでは第5保護層84e)を備えている。そして、第5保護層84eが有する第5内部空間90eの第5内周面94e(ここでは第5外側内周面95e)の算術平均粗さRapが、8μm以上であるか又は保護層84のうち素子本体102との接着面97の算術平均粗さRacより大きいかの少なくとも一方の条件を満たしている。すなわち、第5外側内周面95eの算術平均粗さRapが比較的大きくなっている。これにより、センサ素子101が検出するNOx濃度のばらつきを抑制できる。 According to the gas sensor 100 of the present embodiment described in detail above, the sensor element 101 includes the measurement electrode 44 arranged on the inner peripheral surface of the measured gas circulation section 9 and the concentration of the specific gas (NOx concentration in this case). and a reference electrode 42 exposed to a reference gas (atmosphere in this case) that serves as a reference for detection. The sensor element 101 has an inlet covering the surface of the element main body 102, the gas introduction port 10 serving as the inlet of the gas flow section 9 to be measured, and at least a portion of the fifth surface 102e where the gas introduction port 10 is open. A protective layer (here, the fifth protective layer 84e) is provided. The fifth inner peripheral surface 94e (here, the fifth outer inner peripheral surface 95e) of the fifth inner space 90e of the fifth protective layer 84e has an arithmetic mean roughness Rap of 8 μm or more, or It satisfies at least one of the conditions that the roughness is larger than the arithmetic mean roughness Rac of the bonding surface 97 with the element main body 102 . That is, the arithmetic average roughness Rap of the fifth outer inner peripheral surface 95e is relatively large. Thereby, variations in the NOx concentration detected by the sensor element 101 can be suppressed.

また、算術平均粗さRapが100μmより大きいと導入口保護層(ここでは第5保護層84e)が有する第5内部空間90eの第5内周面94e(ここでは第5外側内周面95e)の凹凸によって被測定ガスが流れにくくなり、ガス導入口10に被測定ガスが到達しにくくなってセンサ素子101の応答性が低下する場合がある。算術平均粗さRapが100μm以下では、そのような応答性の低下を抑制できる。 Further, when the arithmetic mean roughness Rap is larger than 100 μm, the fifth inner peripheral surface 94e (here, the fifth outer inner peripheral surface 95e) of the fifth internal space 90e possessed by the inlet protective layer (here, the fifth protective layer 84e) Due to the unevenness of the sensor element 101, the flow of the gas to be measured becomes difficult, and it becomes difficult for the gas to be measured to reach the gas introduction port 10, which may reduce the responsiveness of the sensor element 101. When the arithmetic mean roughness Rap is 100 μm or less, such a decrease in responsiveness can be suppressed.

また、算術平均粗さRapが10μm以上であることで、センサ素子101が検出するNOx濃度のばらつきを抑制する効果がより高まる。算術平均粗さRacが0.1μm以上であることで、素子本体102と保護層84との密着強度が確保できる。算術平均粗さRacが1.0μm以下であることで、保護層84の強度を確保できる。 Further, when the arithmetic mean roughness Rap is 10 μm or more, the effect of suppressing variations in the NOx concentration detected by the sensor element 101 is enhanced. When the arithmetic mean roughness Rac is 0.1 μm or more, the adhesion strength between the element main body 102 and the protective layer 84 can be ensured. The strength of the protective layer 84 can be ensured by setting the arithmetic mean roughness Rac to 1.0 μm or less.

さらに、素子本体102の表面は、ガス導入口10が開口している第5面102eと、第5面102eの辺で第5面102eに接する複数の隣接面(ここでは第1~第4面102a~102d)と、を有している。保護層84は、第1~第4面102a~102dを覆う隣接面保護層(ここでは第1~第4保護層84a~84d)を有しており、第1~第4保護層84a~84dは、第5保護層84eの第5内部空間90eと直接的に連通し、且つ、内周面(ここでは第1~第4内周面94a~94d)の算術平均粗さRas(ここではRa1s~Ra4sの各々)が8μm以上であるか又は算術平均粗さRacより大きいかの少なくとも一方の条件を満たす第1~第4内部空間90a~90dを有している。ここで、センサ素子101の使用時には、被測定ガスに含まれる水分がセンサ素子101の表面に付着する場合がある。素子本体102は、上述したようにヒータ72により固体電解質が活性化する温度(例えば800℃など)に調整されており、付着した水分により素子本体102の温度が急激に低下すると、熱衝撃で素子本体102にクラックが生じる場合がある。本実施形態のセンサ素子101では、第1~第4保護層84a~84dが存在することによって、素子本体102の温度の急激な低下を抑制できるため、素子本体102の耐被水性が向上する。しかも、第1~第4保護層84a~84dは第1~第4内部空間90a~90dを有するため、第1~第4保護層84a~84dの外側から素子本体102へ向かう第1~第4保護層84a~84dの各々の厚さ方向の熱伝導を、第1~第4内部空間90a~90dによって抑制でき、素子本体102の耐被水性がより向上する。また、第1~第4内部空間90a~90dと第5内部空間90eとが直接的に連通していることで、第1~第4内部空間90a~90dが比較的広くなっており、素子本体102の耐被水性がさらに向上する。さらに、第1~第4内部空間90a~90dの第1~第4内周面94a~94dの算術平均粗さRasが、8μm以上であるか又は算術平均粗さRacより大きいかの少なくとも一方の条件を満たしている。すなわち、第1~第4保護層84a~84dは、第1~第4内周面94a~94dの算術平均粗さRasが比較的大きい第1~第4内部空間90a~90dを有している。これにより、第1~第4内部空間90a~90dの凹凸によって第1~第4内部空間90a~90d内の被測定ガスに乱流が生じ、第5内部空間90eから第1~第4内部空間90a~90dに被測定ガスが流入しにくくなる。したがって、第5内部空間90e内の被測定ガスがガス導入口10から被測定ガス流通部9に流入しやすくなり、センサ素子101の応答性が向上する。すなわち、第1~第4内部空間90a~90dと第5内部空間90eとが直接的に連通していることで素子本体102の耐被水性を向上させつつ、算術平均粗さRasを比較的大きくすることで両空間が直接的に連通していることによる応答性の低下を抑制できる。 Furthermore, the surface of the element main body 102 includes a fifth surface 102e where the gas inlet 10 is open, and a plurality of adjacent surfaces (here, first to fourth surfaces) that are in contact with the fifth surface 102e on the sides of the fifth surface 102e. 102a-102d). The protective layer 84 has adjacent surface protective layers (here, first to fourth protective layers 84a to 84d) covering the first to fourth surfaces 102a to 102d, and the first to fourth protective layers 84a to 84d. directly communicates with the fifth internal space 90e of the fifth protective layer 84e, and the arithmetic mean roughness Ras (here Ra1s ˜Ra4s) is 8 μm or more or greater than the arithmetic mean roughness Rac. Here, when the sensor element 101 is used, moisture contained in the gas to be measured may adhere to the surface of the sensor element 101 . As described above, the element body 102 is adjusted to a temperature (for example, 800° C.) at which the solid electrolyte is activated by the heater 72. Cracks may occur in the body 102 . In the sensor element 101 of the present embodiment, the existence of the first to fourth protective layers 84a to 84d suppresses a rapid drop in the temperature of the element body 102, thereby improving the water resistance of the element body 102. Moreover, since the first to fourth protective layers 84a to 84d have the first to fourth internal spaces 90a to 90d, the first to fourth protective layers 84a to 84d extend toward the element body 102 from the outside of the first to fourth protective layers 84a to 84d. Heat conduction in the thickness direction of each of the protective layers 84a-84d can be suppressed by the first to fourth internal spaces 90a-90d, and the water resistance of the element body 102 is further improved. In addition, since the first to fourth internal spaces 90a to 90d and the fifth internal space 90e are in direct communication, the first to fourth internal spaces 90a to 90d are relatively wide, and the element main body The water resistance of 102 is further improved. Furthermore, at least one of the arithmetic average roughness Ras of the first to fourth inner peripheral surfaces 94a to 94d of the first to fourth internal spaces 90a to 90d is 8 μm or more or larger than the arithmetic average roughness Rac meet the conditions. That is, the first to fourth protective layers 84a to 84d have first to fourth internal spaces 90a to 90d in which the arithmetic average roughness Ras of the first to fourth inner peripheral surfaces 94a to 94d is relatively large. . As a result, turbulent flow is generated in the gas to be measured in the first to fourth internal spaces 90a to 90d due to the unevenness of the first to fourth internal spaces 90a to 90d, and the flow from the fifth internal space 90e to the first to fourth internal spaces It becomes difficult for the gas to be measured to flow into 90a to 90d. Therefore, the gas to be measured in the fifth internal space 90e easily flows from the gas inlet 10 into the gas-to-be-measured circulation portion 9, and the responsiveness of the sensor element 101 is improved. That is, since the first to fourth internal spaces 90a to 90d and the fifth internal space 90e are in direct communication, the water resistance of the element body 102 is improved, and the arithmetic mean roughness Ras is relatively large. By doing so, it is possible to suppress a decrease in responsiveness due to direct communication between the two spaces.

さらにまた、素子本体102は、長手方向に垂直な積層方向(上下方向)に固体電解質体を複数積層した積層体である。また、素子本体102の表面は、長手方向の端面である第5面102eと、第5面102eの辺で第5面102eに接する複数の隣接面(ここでは第1~第4面102a~102d)と、を有している。そして、保護層84は、第1~第4面102a~102dを覆う隣接面保護層(ここでは第1~第4保護層84a~84d)を有している。第1~第4保護層84a~84dは、第1~第4面102a~102dのうち積層方向の両端に位置する上面(ここでは第1面102a)及び下面(ここでは第2面102b)を覆う部分(ここでは第1,第2保護層84a,84b)に、それぞれ、第1,第2内部空間90a,90bと、第1,第2内部空間90a,90bよりも外側に位置する第1,第2外側保護層85a,85bと、第1,第2内部空間90a,90bよりも内側に位置し素子本体102の表面に接着している第1,第2内側保護層86a,86bと、を有している。このように第1面102a及び第2面102bに接する第1,第2内側保護層86a,86bが存在することで、素子本体102(正確には素子本体102及び第1,第2内側保護層86a,86b)の熱容量が大きくなる。したがって、外部から素子本体102側に熱衝撃が到達したとしても、素子本体102の急激な温度変化が抑制される。その結果、素子本体102の耐被水性が向上する。 Furthermore, the element main body 102 is a laminate in which a plurality of solid electrolyte bodies are laminated in a lamination direction (vertical direction) perpendicular to the longitudinal direction. The surface of the element body 102 includes a fifth surface 102e, which is an end surface in the longitudinal direction, and a plurality of adjacent surfaces (here, first to fourth surfaces 102a to 102d) that are in contact with the fifth surface 102e on the sides of the fifth surface 102e. ) and The protective layer 84 has adjacent surface protective layers (here, first to fourth protective layers 84a to 84d) covering the first to fourth surfaces 102a to 102d. The first to fourth protective layers 84a to 84d cover the upper surface (here, the first surface 102a) and the lower surface (here, the second surface 102b) located at both ends in the stacking direction of the first to fourth surfaces 102a to 102d. The first and second internal spaces 90a and 90b and the first and second internal spaces 90a and 90b located outside the first and second internal spaces 90a and 90b are provided in the covering portions (here, the first and second protective layers 84a and 84b), respectively. , second outer protective layers 85a and 85b, first and second inner protective layers 86a and 86b positioned inside the first and second internal spaces 90a and 90b and adhered to the surface of the element body 102, have. Since the first and second inner protective layers 86a and 86b are in contact with the first surface 102a and the second surface 102b, the element body 102 (more precisely, the element body 102 and the first and second inner protective layers 86a, 86b) are increased in heat capacity. Therefore, even if a thermal shock reaches the element body 102 side from the outside, a rapid temperature change of the element body 102 is suppressed. As a result, the water resistance of the element body 102 is improved.

なお、本発明は上述した実施形態に何ら限定されることはなく、本発明の技術的範囲に属する限り種々の態様で実施し得ることはいうまでもない。 It goes without saying that the present invention is not limited to the above-described embodiments, and can be implemented in various forms as long as they fall within the technical scope of the present invention.

例えば、上述した実施形態では、保護層84は内側保護層86を備えていたが、保護層84は内側保護層86を備えなくてもよい。図5はこの場合の変形例である保護層184の断面図である。保護層184は、外側保護層85と内部空間90とを備えており、素子本体102の表面である第1~第5面102a~102eは内部空間90に露出している。この場合、保護層184の接着面97は、外側保護層85と素子本体102との接着面(例えば図5に示す第1,第2接着面97a,97b)となるため、この接着面97に基づいて算術平均粗さRacが定まる。 For example, while the protective layer 84 includes an inner protective layer 86 in the embodiments described above, the protective layer 84 need not include the inner protective layer 86 . FIG. 5 is a cross-sectional view of a protective layer 184 that is a modified example of this case. The protective layer 184 has an outer protective layer 85 and an internal space 90, and the first to fifth surfaces 102a to 102e, which are the surfaces of the element body 102, are exposed to the internal space 90. FIG. In this case, the bonding surface 97 of the protective layer 184 serves as the bonding surface between the outer protective layer 85 and the element body 102 (for example, the first and second bonding surfaces 97a and 97b shown in FIG. 5). Arithmetic mean roughness Rac is determined based on this.

上述した実施形態では、内側保護層86は第1,第2内側保護層86a,86bを有していたが、これに限られない。内側保護層86は、第1~第5面102a~102eのうち1以上を覆っていればよい。例えば、図6,7に示す変形例の保護層284のように、内側保護層86が第1~第5面102a~102eの各々を覆う第1~第5内側保護層86a~86eを備えていてもよい。保護層284では、第3~第5内周面94c~94eは、第3~第5外側内周面95c~95e及び第3~第5内側内周面96c~96eを有している。また、この場合、保護層284の接着面97は、内側保護層86と素子本体102との接着面(図6,7に示す第1~第5接着面97a~97e)となるため、この接着面97に基づいて算術平均粗さRacが定まる。具体的には、図6,7の例では、第1~第5接着面97a~97eの各々の算術平均粗さRaの平均値を、算術平均粗さRacとする。図6,7の例では、第5面102eは第5内側保護層86eで覆われているため、第5面102e及びガス導入口10はいずれも第5内部空間90eに露出していない。 Although the inner protective layer 86 has the first and second inner protective layers 86a and 86b in the embodiment described above, it is not limited to this. The inner protective layer 86 may cover one or more of the first to fifth surfaces 102a to 102e. For example, like the protective layer 284 of the modified example shown in FIGS. may In the protective layer 284, the third to fifth inner peripheral surfaces 94c to 94e have third to fifth outer inner peripheral surfaces 95c to 95e and third to fifth inner inner peripheral surfaces 96c to 96e. In this case, the bonding surface 97 of the protective layer 284 serves as the bonding surface between the inner protective layer 86 and the element body 102 (the first to fifth bonding surfaces 97a to 97e shown in FIGS. 6 and 7). Arithmetic mean roughness Rac is determined based on surface 97 . Specifically, in the examples of FIGS. 6 and 7, the average value of the arithmetic mean roughness Ra of each of the first to fifth bonding surfaces 97a to 97e is defined as the arithmetic mean roughness Rac. In the example of FIGS. 6 and 7, the fifth surface 102e is covered with the fifth inner protective layer 86e, so neither the fifth surface 102e nor the gas introduction port 10 is exposed to the fifth internal space 90e.

上述した実施形態では、第1~第5内部空間90a~90eが互いに直接的に連通していたが、これに限られない。例えば、第5内部空間90eは、第1~第4内部空間90a~90dの少なくとも1つと直接的に連通していてもよいし、第1~第4内部空間90a~90dのいずれとも直接的には連通していなくてもよい。 Although the first to fifth internal spaces 90a to 90e communicate directly with each other in the above-described embodiment, the present invention is not limited to this. For example, the fifth internal space 90e may directly communicate with at least one of the first to fourth internal spaces 90a to 90d, or directly communicate with any of the first to fourth internal spaces 90a to 90d. may not be in communication.

上述した実施形態では、第1~第5保護層84a~84eはそれぞれ1つの内部空間を有していたが、これに限らず2以上の内部空間を有していてもよい。なお、第5内部空間90eが複数存在する場合、複数の第5内部空間90eのうち最もガス導入口10に近い内部空間の内周面の算術平均粗さRaの値を、算術平均粗さRapとする。 Although each of the first to fifth protective layers 84a to 84e has one internal space in the above-described embodiment, they may have two or more internal spaces. When there are a plurality of fifth internal spaces 90e, the value of the arithmetic mean roughness Ra of the inner peripheral surface of the inner space closest to the gas inlet 10 among the plurality of fifth internal spaces 90e is defined as the arithmetic mean roughness Rap and

上述した実施形態では、保護層84は第1~第5保護層84a~84eを有していたが、保護層84は少なくとも導入口保護層(上述した実施形態では第5保護層84e)を備えていればよい。保護層84は、隣接面保護層(上述した実施形態では第1~第4保護層84a~84d)を有さなくてもよいし、少なくとも1つの隣接面保護層を有していてもよい。 In the embodiment described above, the protective layer 84 had the first to fifth protective layers 84a to 84e, but the protective layer 84 includes at least the inlet protective layer (the fifth protective layer 84e in the embodiment described above). It is good if there is The protective layer 84 may have no adjacent surface protective layer (the first to fourth protective layers 84a to 84d in the embodiment described above), or may have at least one adjacent surface protective layer.

上述した実施形態では、被測定ガス流通部9は長手方向が素子本体102の長手方向と平行であったが、これに限られない。また、被測定ガス流通部9のガス導入口10は第5面102eに開口していたが、第1面102aに開口しているなど、他の面に開口していてもよい。換言すると、導入口保護層は第5保護層84eに限られない。 In the above-described embodiment, the longitudinal direction of the measured gas circulation portion 9 is parallel to the longitudinal direction of the element main body 102, but the present invention is not limited to this. Moreover, although the gas introduction port 10 of the measured gas circulation portion 9 is opened on the fifth surface 102e, it may be opened on another surface such as the first surface 102a. In other words, the inlet protective layer is not limited to the fifth protective layer 84e.

上述した実施形態では、素子本体102は直方体形状としたが、これに限らず、例えば長手方向を有する長尺な形状であってもよい。例えば、素子本体102は、多角柱や円柱の形状をしていてもよい。 In the above-described embodiment, the element body 102 has a rectangular parallelepiped shape. For example, the element body 102 may have the shape of a polygonal prism or cylinder.

上述した実施形態では特に説明しなかったが、保護層84が備える第1~第5内部空間90a~90eの各々は、保護層84の構成材(例えば外側保護層85及び内側保護層86)中の気孔と区別できる大きさである。すなわち、外側保護層85及び内側保護層86中の気孔は、内部空間90には含めない。内部空間90(第1~第5内部空間90a~90eの各々)は、保護層84内の気孔とは異なる気孔より大きい空間である。例えば、第1内部空間90aのうち第1面102aの真上の領域に存在する部分の容積は、0.03mm3以上としてもよいし、0.04mm3以上としてもよいし、0.07mm3以上としてもよいし、0.5mm3以上としてもよいし、1.5mm3以上としてもよい。第2内部空間90bのうち第2面102bの真下の領域に存在する部分の容積は、0.03mm3以上としてもよいし、0.04mm3以上としてもよいし、0.07mm3以上としてもよいし、0.5mm3以上としてもよいし、1.5mm3以上としてもよい。第3内部空間90cのうち第3面102cの左方の領域に存在する部分の容積は、0.015mm3以上としてもよいし、0.2mm3以上としてもよいし、0.4mm3以上としてもよい。第4内部空間90dのうち第4面102dの右方の領域に存在する部分の容積は、0.015mm3以上としてもよいし、0.2mm3以上としてもよいし、0.4mm3以上としてもよい。第5内部空間90eのうち第5面102eの前方の領域に存在する部分の容積は、0.010mm3以上としてもよいし、0.1mm3以上としてもよいし、0.2mm3以上としてもよいし、0.3mm3以上としてもよい。ここで、「第1面102aの真上の領域」は、第1面102aに対して第1面102aに垂直な方向に存在する領域を意味し、第1面102aの左上,右上などは含まない。「第2面102bの真下の領域」,「第3面102cの左方の領域」,「第4面102dの右方の領域」,及び「第5面102eの前方の領域」についても同様である。また、第1内部空間90aが複数の空間を有する場合は、複数の空間のうち少なくとも1つについて、第1面102aの真上の領域に存在する部分の容積が0.03mm3以上、0.04mm3以上、0.07mm3以上、0.5mm3以上、又は1.5mm3以上であってもよいし、複数の空間の合計として、第1面102aの真上の領域に存在する部分の容積が0.03mm3以上、0.04mm3以上、0.07mm3以上、0.5mm3以上、又は1.5mm3以上であってもよい。第2~第5内部空間90b~90eについても同様に、各々が複数の空間を有する場合は、複数の空間のうち少なくとも1つについて上記の容積の数値範囲を満たしていてもよいし、複数の空間の合計について上記の容積の数値範囲を満たしていてもよい。第1内部空間90aの高さは、第1面102aから第1外側保護層85aの上面までの高さの40%以上70%以下としてもよい。同様に、第2内部空間90bの高さは、第2面102bから第2外側保護層85bの下面までの高さの40%以上70%以下としてもよい。第3内部空間90cの高さは、第3面102cから第3外側保護層85cの左面までの高さの40%以上70%以下としてもよい。第4内部空間90dの高さは、第4面102dから第4外側保護層85dの右面までの高さの40%以上70%以下としてもよい。第5内部空間90eの高さは、第5面102eから第5外側保護層85eの前面までの高さの40%以上70%以下としてもよい。第1内部空間90aの高さは、保護層84の平均気孔径(水銀圧入法による)の5倍以上としてもよいし、10倍以上としてもよい。第2~第5内部空間90b~90eの各々の高さについても、同様に、保護層84の平均気孔径の5倍以上としてもよいし、10倍以上としてもよい。 Although not particularly described in the above-described embodiment, each of the first to fifth internal spaces 90a to 90e included in the protective layer 84 is formed in the constituent materials of the protective layer 84 (for example, the outer protective layer 85 and the inner protective layer 86). It is a size that can be distinguished from the pores of That is, pores in the outer protective layer 85 and the inner protective layer 86 are not included in the internal space 90 . The internal space 90 (each of the first to fifth internal spaces 90a to 90e) is a space different from the pores in the protective layer 84 and larger than the pores. For example, the volume of the portion of the first internal space 90a that exists in the region directly above the first surface 102a may be 0.03 mm 3 or more, 0.04 mm 3 or more, or 0.07 mm 3 . 0.5 mm 3 or more, or 1.5 mm 3 or more. The volume of the portion of the second internal space 90b that exists in the area immediately below the second surface 102b may be 0.03 mm 3 or more, 0.04 mm 3 or more, or 0.07 mm 3 or more. It may be 0.5 mm 3 or more, or 1.5 mm 3 or more. The volume of the portion of the third internal space 90c that exists in the region to the left of the third surface 102c may be 0.015 mm 3 or more, 0.2 mm 3 or more, or 0.4 mm 3 or more. good too. The volume of the portion of the fourth internal space 90d that exists in the area to the right of the fourth surface 102d may be 0.015 mm 3 or more, 0.2 mm 3 or more, or 0.4 mm 3 or more. good too. The volume of the portion of the fifth internal space 90e that exists in the area in front of the fifth surface 102e may be 0.010 mm 3 or more, 0.1 mm 3 or more, or 0.2 mm 3 or more. Alternatively, it may be 0.3 mm 3 or more. Here, the “region right above the first surface 102a” means a region existing in a direction perpendicular to the first surface 102a with respect to the first surface 102a, and includes the upper left, upper right, etc. of the first surface 102a. do not have. The same applies to the ``area immediately below the second surface 102b'', the ``left area of the third surface 102c'', the ``right area of the fourth surface 102d'', and the ``area in front of the fifth surface 102e''. be. Further, when the first internal space 90a has a plurality of spaces, at least one of the plurality of spaces has a volume of 0.03 mm 3 or more and 0.03 mm 3 or more of a portion existing in the region right above the first surface 102a. 04 mm 3 or more, 0.07 mm 3 or more, 0.5 mm 3 or more, or 1.5 mm 3 or more. The volume may be 0.03 mm 3 or more, 0.04 mm 3 or more, 0.07 mm 3 or more, 0.5 mm 3 or more, or 1.5 mm 3 or more. Similarly, when each of the second to fifth internal spaces 90b to 90e has a plurality of spaces, at least one of the plurality of spaces may satisfy the above numerical range of volumes, or a plurality of The volumetric numerical ranges described above may be satisfied for the total space. The height of the first internal space 90a may be 40% or more and 70% or less of the height from the first surface 102a to the upper surface of the first outer protective layer 85a. Similarly, the height of the second internal space 90b may be 40% or more and 70% or less of the height from the second surface 102b to the lower surface of the second outer protective layer 85b. The height of the third internal space 90c may be 40% or more and 70% or less of the height from the third surface 102c to the left surface of the third outer protective layer 85c. The height of the fourth internal space 90d may be 40% or more and 70% or less of the height from the fourth surface 102d to the right surface of the fourth outer protective layer 85d. The height of the fifth internal space 90e may be 40% or more and 70% or less of the height from the fifth surface 102e to the front surface of the fifth outer protective layer 85e. The height of the first internal space 90a may be 5 times or more, or 10 times or more, the average pore diameter of the protective layer 84 (according to mercury porosimetry). Similarly, the height of each of the second to fifth internal spaces 90b to 90e may be five times or more, or ten times or more the average pore diameter of the protective layer .

上述した実施形態では、素子本体102は複数の固体電解質層(層1~6)を有する積層体としたが、これに限られない。素子本体102は、酸素イオン伝導性の固体電解質層を少なくとも1つ含んでいればよい。例えば、図2において第2固体電解質層6以外の層1~5は固体電解質以外の材質からなる構造層(例えばアルミナからなる層)としてもよい。この場合、素子本体102が有する各電極は第2固体電解質層6に配設されるようにすればよい。例えば、図2の測定電極44は第2固体電解質層6の下面に配設すればよい。また、基準ガス導入空間43を第1固体電解質層4の代わりにスペーサ層5に設け、大気導入層48を第1固体電解質層4と第3基板層3との間に設ける代わりに第2固体電解質層6とスペーサ層5との間に設け、基準電極42を第2内部空所40よりも後方且つ第2固体電解質層6の下面に設ければよい。 In the above-described embodiment, the element main body 102 is a laminate having a plurality of solid electrolyte layers (layers 1 to 6), but it is not limited to this. The element main body 102 may include at least one oxygen ion conductive solid electrolyte layer. For example, in FIG. 2, the layers 1 to 5 other than the second solid electrolyte layer 6 may be structural layers made of a material other than the solid electrolyte (for example, layers made of alumina). In this case, each electrode of element body 102 may be arranged on second solid electrolyte layer 6 . For example, the measurement electrode 44 in FIG. 2 may be arranged on the bottom surface of the second solid electrolyte layer 6 . Further, the reference gas introduction space 43 is provided in the spacer layer 5 instead of the first solid electrolyte layer 4, and the air introduction layer 48 is provided in the second solid electrolyte layer 4 instead of providing it between the first solid electrolyte layer 4 and the third substrate layer 3. It may be provided between the electrolyte layer 6 and the spacer layer 5 , and the reference electrode 42 may be provided behind the second internal space 40 and on the lower surface of the second solid electrolyte layer 6 .

上述した実施形態では、NOx濃度を検出するガスセンサ100を例示したが、酸素濃度を検出するガスセンサやアンモニア濃度を検出するガスセンサに本発明を適用してもよい。 In the above-described embodiment, the gas sensor 100 that detects the NOx concentration was exemplified, but the present invention may be applied to a gas sensor that detects the oxygen concentration or a gas sensor that detects the ammonia concentration.

以下には、センサ素子を具体的に作製した例を実施例として説明する。実験例2~11が本発明の実施例に相当し、実験例1が比較例に相当する。なお、本発明は以下の実施例に限定されるものではない。 An example in which a sensor element is specifically manufactured will be described below as an example. Experimental Examples 2 to 11 correspond to examples of the present invention, and Experimental Example 1 corresponds to a comparative example. In addition, the present invention is not limited to the following examples.

[実験例1]
図1~4に示した構造のセンサ素子101を以下のように作成して、実験例1とした。まず、長さが67.5mm、幅が4.25mm、厚さが1.45mmの図1~4に示した素子本体102を作製した。素子本体102を作製するにあたり、各層1~6に対応するセラミックスグリーンシートは、安定化剤のイットリアを4mol%添加したジルコニア粒子と有機バインダーと有機溶剤とを混合し、テープ成形により成形した。そして、6枚のグリーンシートの各々に各電極等のパターンを印刷した。6枚のグリーンシートのうち、第2固体電解質層6となるグリーンシートの表面(第1面102aとなる面)及び第1基板層1となるグリーンシートの表面(第2面102bとなる面)には、焼成後に内側保護層86(第1,第2内側保護層86a,86b)となるスラリーをスクリーン印刷にて形成した。内側保護層86を形成するためのスラリーは、以下のように調整した。原料粉末(アルミナ粉末)の粒径をD50=5μm,体積割合を10vol%とし、バインダー溶液(ポリビニルアセタールとブチルカルビトール)を40vol%とし、助溶剤(アセトン)を45vol%とし、分散剤(ポリオキシエチレンスチレン化フェニルエーテル)を5vol%としてこれらを調合し、ポットミル混合機の回転数を200rpmとして3時間混合して、ペーストの調整を行った。各電極等のパターン及び内側保護層86となるスラリーの印刷を行ったあと、6枚のグリーンシートを積層及び焼成して、内側保護層86を備えた素子本体102を作製した。
[Experimental example 1]
A sensor element 101 having the structure shown in FIGS. First, the element body 102 shown in FIGS. 1 to 4 having a length of 67.5 mm, a width of 4.25 mm, and a thickness of 1.45 mm was produced. In fabricating the element main body 102, the ceramic green sheets corresponding to the layers 1 to 6 were formed by tape forming by mixing zirconia particles to which 4 mol % of yttria as a stabilizer was added, an organic binder, and an organic solvent. Patterns of electrodes and the like were printed on each of the six green sheets. Of the six green sheets, the surface of the green sheet that will be the second solid electrolyte layer 6 (the surface that will be the first surface 102a) and the surface of the green sheet that will be the first substrate layer 1 (the surface that will be the second surface 102b) , a slurry that becomes the inner protective layer 86 (the first and second inner protective layers 86a and 86b) after firing was formed by screen printing. A slurry for forming the inner protective layer 86 was prepared as follows. The particle size of the raw material powder (alumina powder) is D50 = 5 µm, the volume ratio is 10 vol%, the binder solution (polyvinyl acetal and butyl carbitol) is 40 vol%, the auxiliary solvent (acetone) is 45 vol%, and the dispersant (poly 5 vol % of oxyethylene styrenated phenyl ether), and mixed for 3 hours at 200 rpm in a pot mill mixer to prepare a paste. After printing the pattern of each electrode and the slurry for the inner protective layer 86, six green sheets were laminated and fired to fabricate the element body 102 having the inner protective layer 86. FIG.

次に、内側保護層86を備えた素子本体102に、内部空間90及び外側保護層85を形成した。具体的には、まず、第1内側保護層86a上,第2内側保護層86b上,素子本体102の第3~第5面102c~102e上の各々にビニル系樹脂からなる消失体をスクリーン印刷により形成した。消失体は、内部空間90(第1~第5内部空間90a~90e)の形状になるように形成した。次に、プラズマ溶射ガン(エリコンメテコ社製のSinplexPro-90)を用いて、消失体の表面上にプラズマ溶射により外側保護層85(第1~第5外側保護層85a~85e)を形成した。第1外側保護層85aを形成するプラズマ溶射の条件は、以下のようにした。プラズマ発生用ガスとして、アルゴンガス(流量50L/min)と水素(流量2L/min)とを混合したものを用いた。プラズマ発生用の印加電圧は、100Vの直流電圧とし、電流は200Aとした。第1外側保護層85aとなる原料粒子(粉末溶射材料)としては、平均粒径が30μmであるアルミナ粉末を用いた。原料粒子の供給に用いるキャリアガスは、アルゴンガス(流量5L/min)とした。プラズマガンの溶射の向きは、第1面102aに対して垂直とし、プラズマガンと第1面102aとの距離は、120mmとした。また、プラズマ溶射は大気及び常温の雰囲気にて行った。第2~第5外側保護層85b~85eについても、第1外側保護層85aと同様にプラズマ溶射を行って形成した。プラズマ溶射の条件はいずれも同じとした。このようにして第1~第5外側保護層85a~85eを形成した後、消失体を燃焼により消失させて、内部空間90を形成した。以上により、実験例1のセンサ素子101を得た。 Next, the inner space 90 and the outer protective layer 85 were formed in the element body 102 having the inner protective layer 86 . Specifically, first, a disappearing body made of a vinyl resin is screen-printed on each of the first inner protective layer 86a, the second inner protective layer 86b, and the third to fifth surfaces 102c to 102e of the element body 102. formed by The vanishing body was formed to have the shape of the internal space 90 (first to fifth internal spaces 90a to 90e). Next, the outer protective layer 85 (first to fifth outer protective layers 85a to 85e) was formed on the surface of the vanishing body by plasma spraying using a plasma spray gun (Simplex Pro-90 manufactured by Oerlikon Metco). The plasma spraying conditions for forming the first outer protective layer 85a were as follows. A mixture of argon gas (flow rate: 50 L/min) and hydrogen (flow rate: 2 L/min) was used as the plasma generation gas. The applied voltage for plasma generation was a DC voltage of 100V and the current was 200A. Alumina powder having an average particle size of 30 μm was used as raw material particles (powder thermal spraying material) for forming the first outer protective layer 85a. Argon gas (flow rate: 5 L/min) was used as the carrier gas for supplying the raw material particles. The thermal spraying direction of the plasma gun was perpendicular to the first surface 102a, and the distance between the plasma gun and the first surface 102a was 120 mm. Plasma spraying was carried out in the air and at room temperature. The second to fifth outer protective layers 85b to 85e are also formed by plasma spraying in the same manner as the first outer protective layer 85a. The plasma spraying conditions were all the same. After forming the first to fifth outer protective layers 85a to 85e in this way, the vanishing body was burnt out to form an internal space 90. As shown in FIG. As described above, the sensor element 101 of Experimental Example 1 was obtained.

実験例1のセンサ素子101において、第1内側保護層86a,86bは、厚さが50μmであり、気孔率が50%であった。第1内側保護層86a,第2内側保護層86bの接着面97の算術平均粗さRacを上述した方法で測定したところ、1μmであった。第1~第5外側保護層85a~85eは、厚さが200μmであり、気孔率が20%であった。第1~第4外側内周面95a~95dの算術平均粗さRas(=Ra1s~Ra4s)を光干渉計(光学計測機器Zygo)を用いて上述した方法で測定したところ、いずれも1μmであった。第5外側内周面95eの算術平均粗さRapについても同様に上述した方法で測定したところ、1μmであった。算術平均粗さRas(=Ra1s~Ra4s)の測定値は、第1~第4外側内周面95a~95dの各々の面内の中央の一点と、そこからセンサ素子101の長手方向(前後方向)に1mm離れた2点と、の合計3点の平均値として算出した。算術平均粗さRapの測定値は、第5外側内周面95e内の中央の1点と、そこから1mm離れた2点と、の合計3点の平均値として算出した。第1,第2内部空間90a,90bの厚さ(外側保護層85と内側保護層86との厚さ方向の距離)は、200μmであった。第3~第5内部空間90c~90eの厚さは、200μmであった。 In the sensor element 101 of Experimental Example 1, the first inner protective layers 86a and 86b had a thickness of 50 μm and a porosity of 50%. The arithmetic average roughness Rac of the bonding surface 97 of the first inner protective layer 86a and the second inner protective layer 86b was measured by the method described above and found to be 1 μm. The first to fifth outer protective layers 85a to 85e had a thickness of 200 μm and a porosity of 20%. When the arithmetic mean roughness Ras (=Ra1s to Ra4s) of the first to fourth outer inner peripheral surfaces 95a to 95d was measured by the method described above using an optical interferometer (optical measuring instrument Zygo), all were 1 μm. Ta. The arithmetic mean roughness Rap of the fifth outer inner peripheral surface 95e was also measured by the above-described method and found to be 1 μm. The measured values of the arithmetic mean roughness Ras (=Ra1s to Ra4s) are measured from one point in the center of each of the first to fourth outer inner peripheral surfaces 95a to 95d and from there in the longitudinal direction (front and back direction) of the sensor element 101. ) and two points 1 mm apart from each other. The measured value of the arithmetic average roughness Rap was calculated as the average value of a total of three points, one point in the center of the fifth outer inner peripheral surface 95e and two points separated therefrom by 1 mm. The thickness of the first and second internal spaces 90a and 90b (the distance in the thickness direction between the outer protective layer 85 and the inner protective layer 86) was 200 μm. The thickness of the third to fifth internal spaces 90c to 90e was 200 μm.

[実験例2~7]
外側保護層85を形成する際のプラズマ溶射の条件を変更して、算術平均粗さRap,Rasが実験例1よりも大きくなるように変更した点以外は、実験例1と同様の方法で実験例2~7のセンサ素子101を作製した。プラズマ溶射の条件は、実験例2では上述した距離を150mmとし、実験例3では距離を180mmとし、実験例4では距離を200mmとし、実験例5では距離を200mm、アルミナ粉末の平均粒径を35μmとし、実験例6では距離を200mm、アルミナ粉末の平均粒径を40μmとし、実験例7では距離を200mm、アルミナ粉末の平均粒径を50μmとした。実験例2~7の各々において、算術平均粗さRapと算術平均粗さRasとは同じ値であった。
[Experimental Examples 2 to 7]
An experiment was conducted in the same manner as in Experimental Example 1, except that the plasma spraying conditions for forming the outer protective layer 85 were changed so that the arithmetic mean roughnesses Rap and Ras were larger than in Experimental Example 1. Sensor elements 101 of Examples 2-7 were fabricated. The conditions of the plasma spraying are as follows: the above distance is 150 mm in Experimental Example 2, the distance is 180 mm in Experimental Example 3, the distance is 200 mm in Experimental Example 4, the distance is 200 mm in Experimental Example 5, and the average particle size of the alumina powder is In Experimental Example 6, the distance was 200 mm and the average particle diameter of the alumina powder was 40 μm, and in Experimental Example 7 the distance was 200 mm and the average particle diameter of the alumina powder was 50 μm. In each of Experimental Examples 2 to 7, the arithmetic mean roughness Rap and the arithmetic mean roughness Ras were the same value.

[検出値のばらつきの評価試験]
実験例1のセンサ素子101を備えたガスセンサを自動車の排ガス管の配管に取り付けた。そして、ヒータ72に通電して温度を800℃とし、センサ素子101を加熱した。次に、自動車のガソリンエンジン(1.8L)を所定の運転条件(エンジンの回転数が4500rpm、空燃費A/Fが値11.0、負荷トルクが130N・m、排ガスのゲージ圧力が60kPa、排ガスの温度が800℃)で運転した。そして、上述した各ポンプセル21,41,50を動作させて、センサ素子101によるNOx濃度の測定を開始した。各ポンプセルの動作開始後から10秒経過後に、ポンプ電流Ip2の値(排ガス中のNOx濃度に相当する値)の測定を開始して、10秒間測定を継続した。そして、測定期間中のポンプ電流Ip2の最大値と最小値との差を、センサ素子101が検出するNOx濃度(センサ素子101の検出値)のばらつき具合を表す値として導出した。実験例2~7についても同様の値を導出した。そして、実験例1で導出された値を100%として、実験例2~7の各々で導出された値を百分率で表した値を、センサ素子101の検出値のばらつき割合とした。
[Evaluation Test of Variation of Detected Values]
A gas sensor provided with the sensor element 101 of Experimental Example 1 was attached to an exhaust pipe of an automobile. Then, the heater 72 was energized to raise the temperature to 800° C., thereby heating the sensor element 101 . Next, the automobile gasoline engine (1.8 L) was operated under predetermined operating conditions (engine speed 4500 rpm, air/fuel A/F value 11.0, load torque 130 Nm, exhaust gas gauge pressure 60 kPa, The temperature of the exhaust gas was 800° C.). Then, each pump cell 21, 41, 50 described above was operated to start measuring the NOx concentration by the sensor element 101. FIG. Measurement of the value of the pump current Ip2 (value corresponding to the NOx concentration in the exhaust gas) was started 10 seconds after the start of operation of each pump cell, and the measurement was continued for 10 seconds. Then, the difference between the maximum value and the minimum value of the pump current Ip2 during the measurement period was derived as a value representing the variation in the NOx concentration detected by the sensor element 101 (detected value of the sensor element 101). Similar values were derived for Experimental Examples 2 to 7 as well. Assuming that the value derived in Experimental Example 1 was 100%, the value derived in each of Experimental Examples 2 to 7 was expressed as a percentage, and the variation ratio of the detection value of the sensor element 101 was obtained.

実験例1~7の各々の算術平均粗さRap,Rac,Ras,及びセンサ素子101の検出値のばらつき割合を、表1に示す。また、図8は、実験例1~7の算術平均粗さRapとセンサ素子101の検出値のばらつき割合との関係を示すグラフである。 Table 1 shows the arithmetic average roughness Rap, Rac, Ras and the variation rate of the detection value of the sensor element 101 in each of Experimental Examples 1 to 7. FIG. 8 is a graph showing the relationship between the arithmetic mean roughness Rap and the variation rate of the detected value of the sensor element 101 in Experimental Examples 1-7.

Figure 0007333248000001
Figure 0007333248000001

表1及び図8からわかるように、算術平均粗さRapが8μm未満であり且つRap=Racである実験例1と比べて、Rap>Racである実験例2~7はいずれもセンサ素子101の検出値のばらつき割合が小さかった。また、実験例1~7では、算術平均粗さRapが大きいほどセンサ素子101の検出値のばらつき割合が小さくなる傾向が見られた。また、算術平均粗さRapが8μm未満である場合(実験例1~4)は、算術平均粗さRapが大きいほどセンサ素子101の検出値のばらつき割合が急激に減少しいく傾向が見られ、算術平均粗さRapが8μm以上である場合(実験例5~7)は、算術平均粗さRapが大きくなっても検出値のばらつき割合は同程度であった。そのため、算術平均粗さRapが8μm以上であれば、センサ素子101が検出するNOx濃度のばらつきを十分抑制できると考えられる。 As can be seen from Table 1 and FIG. 8, in comparison with Experimental Example 1 in which the arithmetic mean roughness Rap is less than 8 μm and Rap=Rac, in Experimental Examples 2 to 7 in which Rap>Rac, the sensor element 101 The variation rate of detected values was small. Moreover, in Experimental Examples 1 to 7, there was a tendency that the larger the arithmetic mean roughness Rap, the smaller the rate of variation in the detected value of the sensor element 101 . Further, when the arithmetic mean roughness Rap is less than 8 μm (Experimental Examples 1 to 4), the larger the arithmetic mean roughness Rap, the more the rate of variation in the detected value of the sensor element 101 tends to decrease rapidly. When the arithmetic mean roughness Rap was 8 μm or more (Experimental Examples 5 to 7), the fluctuation rate of the detected value was almost the same even when the arithmetic mean roughness Rap was increased. Therefore, if the arithmetic mean roughness Rap is 8 μm or more, it is considered that variations in the NOx concentration detected by the sensor element 101 can be sufficiently suppressed.

[実験例8~11]
算術平均粗さRapと算術平均粗さRasとが異なる値になるように第1~第4外側保護層85a~85dと第5外側保護層85eとでプラズマ溶射の条件を変更したセンサ素子101を作製して、実験例8~11とした。実験例8~11では、第1~第4外側保護層85a~85dを形成する際のプラズマ溶射の条件以外は、いずれも実験例5と同じとした。第1~第4外側保護層85a~85dを形成する際のプラズマ溶射の条件に関して、実験例8では実験例2と同じ条件とし、実験例9では実験例4と同じ条件とし、実験例10では実験例5と同じ条件とし、実験例11では実験例6と同じ条件とした。したがって、実験例10は、第1~第4外側保護層85a~85dを形成する際のプラズマ溶射の条件も含めて、実験例5と同一の製造条件でセンサ素子101を作製した。
[Experimental Examples 8 to 11]
The sensor element 101 is obtained by changing plasma spraying conditions for the first to fourth outer protective layers 85a to 85d and the fifth outer protective layer 85e so that the arithmetic mean roughness Rap and the arithmetic mean roughness Ras are different values. They were prepared as Experimental Examples 8 to 11. Experimental Examples 8 to 11 were all the same as Experimental Example 5 except for the plasma spraying conditions when forming the first to fourth outer protective layers 85a to 85d. Regarding the plasma spraying conditions for forming the first to fourth outer protective layers 85a to 85d, Experimental Example 8 is the same as Experimental Example 2, Experimental Example 9 is the same as Experimental Example 4, and Experimental Example 10 is the same. The conditions were the same as in Experimental Example 5, and the conditions in Experimental Example 11 were the same as in Experimental Example 6. Therefore, in Experimental Example 10, the sensor element 101 was produced under the same manufacturing conditions as in Experimental Example 5, including the plasma spraying conditions when forming the first to fourth outer protective layers 85a to 85d.

[応答性の評価試験]
実験例8のセンサ素子101を備えたガスセンサを自動車の排ガス管の配管に取り付けた。そして、ヒータ72に通電して温度を800℃とし、センサ素子101を加熱した。次に、ベースガスを窒素とし、所定濃度の酸素及び70ppmのNOを混合させたモデルガスを被測定ガスとし、この被測定ガスを配管内に流速9m/sで流した。また、上述した各ポンプセル21,41,50を動作させて、センサ素子101によるNOx濃度の測定を開始した。そして、ポンプ電流Ip2の値(被測定ガス中のNOx濃度に相当する値)が安定した後に、配管内に流す被測定ガスのNO濃度を70ppmから500ppmに変化させた場合における、ポンプ電流Ip2の値の時間変化を調べた。NO濃度を変化させる直前のポンプ電流Ip2の値を0%、NO濃度の変化後にポンプ電流Ip2が変化して安定したときの値を100%として、ポンプ電流Ip2の値が10%を越えたときから90%を越えるまでの経過時間をNOx濃度検出の応答時間(sec)とした。この応答時間が短いほどセンサ素子101の応答性が高いことを意味する。実験例8~11についても、同様に応答時間の測定を行った。応答時間の測定は、各実験例について複数回行い、各々の平均値を各実験例についての応答時間とした。
[Responsive evaluation test]
A gas sensor provided with the sensor element 101 of Experimental Example 8 was attached to an automobile exhaust pipe. Then, the heater 72 was energized to raise the temperature to 800° C., thereby heating the sensor element 101 . Next, nitrogen was used as the base gas, and a model gas obtained by mixing a predetermined concentration of oxygen and 70 ppm of NO was used as the gas to be measured. Further, the pump cells 21, 41 and 50 described above were operated to start measuring the NOx concentration by the sensor element 101. FIG. After the value of the pump current Ip2 (the value corresponding to the NOx concentration in the gas to be measured) stabilizes, the NO concentration of the gas to be measured flowing through the pipe is changed from 70 ppm to 500 ppm. We investigated the time change of the value. When the value of the pump current Ip2 exceeds 10%, where the value of the pump current Ip2 immediately before the NO concentration is changed is 0% and the value when the pump current Ip2 changes and stabilizes after the NO concentration is changed is 100%. The response time (sec) for detecting the NOx concentration was the elapsed time from when it exceeded 90%. A shorter response time means a higher response of the sensor element 101 . For Experimental Examples 8 to 11, response times were similarly measured. The measurement of the response time was performed multiple times for each experimental example, and each average value was used as the response time for each experimental example.

実験例8~11の各々の算術平均粗さRap,Rac,Ras,及びセンサ素子101の応答時間を、表2に示す。 Table 2 shows the arithmetic mean roughness Rap, Rac, Ras and the response time of the sensor element 101 in each of Experimental Examples 8-11.

Figure 0007333248000002
Figure 0007333248000002

表2からわかるように、算術平均粗さRasが8μm未満であり且つRas=Racである実験例8と比べて、Ras>Racである実験例9~11はいずれもセンサ素子101の応答時間が短かった。また、実験例8~11では、算術平均粗さRasが大きいほどセンサ素子101の応答時間が短くなる傾向が見られた。また、実験例8~11の比較から、算術平均粗さRasが8μm未満である実験例8,9と比べて、算術平均粗さRasが8μm以上である実験例10,11はセンサ素子101の応答時間が急激に短くなる傾向が見られた。そのため、算術平均粗さRasが8μm以上であれば、センサ素子101の応答性が十分高くなると考えられる。 As can be seen from Table 2, the response time of the sensor element 101 is It was short. Further, in Experimental Examples 8 to 11, there was a tendency that the larger the arithmetic mean roughness Ras, the shorter the response time of the sensor element 101 . Further, from a comparison of Experimental Examples 8 to 11, Experimental Examples 10 and 11, in which the arithmetic mean roughness Ras is 8 μm or more, are superior to Experimental Examples 8 and 9, in which the arithmetic mean roughness Ras is less than 8 μm. A tendency for the response time to shorten rapidly was observed. Therefore, it is considered that the responsiveness of the sensor element 101 is sufficiently high if the arithmetic mean roughness Ras is 8 μm or more.

1 第1基板層、2 第2基板層、3 第3基板層、4 第1固体電解質層、5 スペーサ層、6 第2固体電解質層、9 被測定ガス流通部、10 ガス導入口、11 第1拡散律速部、12 緩衝空間、13 第2拡散律速部、20 第1内部空所、21 主ポンプセル、22 内側ポンプ電極、22a 天井電極部、22b 底部電極部、23 外側ポンプ電極、25 可変電源、30 第3拡散律速部、40 第2内部空所、41 測定用ポンプセル、42 基準電極、43 基準ガス導入空間、44 測定電極、45 第4拡散律速部、46 可変電源、48 大気導入層、50 補助ポンプセル、51 補助ポンプ電極、51a 天井電極部、51b 底部電極部、52 可変電源、70 ヒータ部、71 ヒータコネクタ電極、72 ヒータ、73 スルーホール、74 ヒータ絶縁層、75 圧力放散孔、80 主ポンプ制御用酸素分圧検出センサセル、81 補助ポンプ制御用酸素分圧検出センサセル、82 測定用ポンプ制御用酸素分圧検出センサセル、83 センサセル、84 保護層、84a~84e 第1~第5保護層、85 外側保護層、85a~85e 第1~第5外側保護層、86 内側保護層、86a~86e 第1~第5内側保護層、90 内部空間、90a~90e 第1~第5内部空間、94 内周面、94a~94e 第1~第5内周面、95a~95e 第1~第5外側内周面、96a~96e 第1~第5内側内周面、97 接着面、97a~97e 第1~第5接着面、100 ガスセンサ、101 センサ素子、102 素子本体、102a~102f 第1面~第6面、184,284 保護層。 REFERENCE SIGNS LIST 1 first substrate layer 2 second substrate layer 3 third substrate layer 4 first solid electrolyte layer 5 spacer layer 6 second solid electrolyte layer 9 measured gas flow portion 10 gas introduction port 11 th 1 diffusion control section 12 buffer space 13 second diffusion control section 20 first internal cavity 21 main pump cell 22 inner pump electrode 22a ceiling electrode section 22b bottom electrode section 23 outer pump electrode 25 variable power supply , 30 third diffusion control section, 40 second internal space, 41 pump cell for measurement, 42 reference electrode, 43 reference gas introduction space, 44 measurement electrode, 45 fourth diffusion control section, 46 variable power supply, 48 atmosphere introduction layer, 50 auxiliary pump cell, 51 auxiliary pump electrode, 51a ceiling electrode portion, 51b bottom electrode portion, 52 variable power supply, 70 heater portion, 71 heater connector electrode, 72 heater, 73 through hole, 74 heater insulating layer, 75 pressure dissipation hole, 80 Oxygen partial pressure detection sensor cell for main pump control 81 Oxygen partial pressure detection sensor cell for auxiliary pump control 82 Oxygen partial pressure detection sensor cell for measurement pump control 83 Sensor cell 84 Protective layer 84a to 84e First to fifth protective layers , 85 outer protective layer, 85a to 85e first to fifth outer protective layer, 86 inner protective layer, 86a to 86e first to fifth inner protective layer, 90 inner space, 90a to 90e first to fifth inner space, 94 inner peripheral surface 94a to 94e first to fifth inner peripheral surface 95a to 95e first to fifth outer inner peripheral surface 96a to 96e first to fifth inner inner peripheral surface 97 adhesive surface 97a to 97e First to fifth adhesive surfaces 100 gas sensor 101 sensor element 102 element body 102a to 102f first to sixth surfaces 184, 284 protective layer.

Claims (7)

被測定ガス中の特定ガス濃度を検出するセンサ素子であって、
酸素イオン伝導性の固体電解質体を有し、被測定ガスを導入して流通させる被測定ガス流通部が内部に設けられた素子本体と、
前記被測定ガス流通部の内周面上に配設された測定電極と、
前記素子本体に配設され、前記特定ガス濃度の検出の基準となる基準ガスに晒される基準電極と、
前記素子本体の表面の一部を覆う多孔質の保護層と、
を備え、
前記保護層は、前記素子本体の表面のうち前記被測定ガス流通部の入口であるガス導入口と該ガス導入口が開口している面の少なくとも一部とを覆う導入口保護層を有し、
前記導入口保護層は、内部空間を有し、
前記導入口保護層の内部空間の内周面の算術平均粗さRapが、10μm以上である、
センサ素子。
A sensor element for detecting a specific gas concentration in a gas to be measured,
an element main body having an oxygen ion-conducting solid electrolyte body and provided therein with a measured gas flow section for introducing and circulating a measured gas;
a measuring electrode disposed on the inner peripheral surface of the measured gas flow portion;
a reference electrode disposed in the element main body and exposed to a reference gas serving as a reference for detecting the concentration of the specific gas;
a porous protective layer covering part of the surface of the element body;
with
The protective layer has an inlet protective layer that covers a gas inlet serving as an inlet of the gas flow section to be measured and at least a portion of the surface where the gas inlet is open on the surface of the element body. ,
The inlet protective layer has an internal space,
The arithmetic average roughness Rap of the inner peripheral surface of the inner space of the introduction port protective layer is 10 μm or more .
sensor element.
前記算術平均粗さRapは、前記保護層のうち前記素子本体との接着面の算術平均粗さRacより大きい、
請求項1に記載のセンサ素子。
The arithmetic mean roughness Rap is greater than the arithmetic mean roughness Rac of the surface of the protective layer bonded to the element body,
A sensor element according to claim 1 .
前記算術平均粗さRacは、0.1μm以上1.0μm以下である、
請求項2に記載のセンサ素子。
The arithmetic mean roughness Rac is 0.1 μm or more and 1.0 μm or less.
3. A sensor element according to claim 2 .
前記素子本体の表面は、前記ガス導入口が開口している面と、該面の辺で該面に接する1以上の隣接面と、を有しており、
前記保護層は、前記1以上の隣接面の少なくとも一部を覆う隣接面保護層を有しており、
前記隣接面保護層は、前記導入口保護層の内部空間と直接的に連通し、且つ、内周面の算術平均粗さRasが8μm以上であるか又は前記算術平均粗さRacより大きいかの少なくとも一方の条件を満たす内部空間を有している、
請求項2又は3に記載のセンサ素子。
the surface of the element body has a surface on which the gas introduction port is open and one or more adjacent surfaces that are in contact with the surface at sides of the surface;
The protective layer has an adjacent surface protective layer covering at least a portion of the one or more adjacent surfaces,
The adjacent surface protective layer communicates directly with the internal space of the inlet protective layer, and has an inner peripheral surface with an arithmetic average roughness Ras of 8 μm or more or larger than the arithmetic average roughness Rac. have an interior space that satisfies at least one of the conditions,
4. A sensor element according to claim 2 or 3 .
前記素子本体は、長手方向を有する長尺な形状をしており、
前記ガス導入口が開口している面は、前記長手方向の端面である、
請求項1~4のいずれか1項に記載のセンサ素子。
The element body has an elongated shape with a longitudinal direction,
The surface on which the gas introduction port is open is the end surface in the longitudinal direction,
The sensor element according to any one of claims 1-4.
前記素子本体は、前記長手方向に垂直な積層方向に前記固体電解質体を複数積層した積層体であり、
前記素子本体の表面は、前記端面と、該端面の辺で該端面に接する複数の隣接面と、を有しており、
前記保護層は、前記複数の隣接面を覆う隣接面保護層を有しており、
前記隣接面保護層は、前記隣接面のうち前記積層方向の両端に位置する上面及び下面を覆う部分に、それぞれ、内部空間と、該内部空間よりも外側に位置する外側保護層と、該内部空間よりも内側に位置し前記素子本体の表面に接着している内側保護層と、を有している、
請求項5に記載のセンサ素子。
The element body is a laminate obtained by laminating a plurality of the solid electrolyte bodies in a lamination direction perpendicular to the longitudinal direction,
the surface of the element body has the end surface and a plurality of adjacent surfaces that are in contact with the end surface at sides of the end surface;
The protective layer has an adjacent surface protective layer covering the plurality of adjacent surfaces,
The adjacent surface protective layer has an internal space, an outer protective layer positioned outside the internal space, and an internal an inner protective layer positioned inside the space and adhered to the surface of the element body;
6. A sensor element according to claim 5.
請求項1~6のいずれか1項に記載のセンサ素子を備えたガスセンサ。 A gas sensor comprising the sensor element according to any one of claims 1 to 6.
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