JP7629827B2 - Gas sensor element manufacturing method, gas sensor element, and gas sensor - Google Patents
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Description
本発明は、ガスセンサ素子の製造方法、ガスセンサ素子及びガスセンサに関する。 The present invention relates to a method for manufacturing a gas sensor element, a gas sensor element, and a gas sensor.
内燃機関の排気ガス中に含まれる特定成分(酸素等)の濃度を検出するためのガスセンサが知られている。この種のガスセンサは、その内部に、細長く延びた板状のガスセンサ素子を備えている。ガスセンサ素子の先端部には、特定成分を検知するための検知部が設けられている。そして、そのような検知部を被覆する形で、ガスセンサ素子の先端部に多孔質保護層が形成されている(例えば、特許文献1参照)。 Gas sensors for detecting the concentration of specific components (oxygen, etc.) contained in exhaust gas from an internal combustion engine are known. This type of gas sensor has an elongated, plate-like gas sensor element inside. A detection section for detecting the specific component is provided at the tip of the gas sensor element. A porous protective layer is formed at the tip of the gas sensor element to cover the detection section (see, for example, Patent Document 1).
多孔質保護層は、排気ガス中に含まれる水分等に由来する水滴が、ガスセンサ素子に接触した際に、ガスセンサ素子に加えられる熱的な衝撃を緩和する等の目的で設けられている。内燃機関の始動時等において、排気ガス中の水分が凝縮して水滴となり、その水滴が排気ガスと共に、ガスセンサ素子に向かって飛来することがある。ガスセンサ素子は、高温に加熱された状態で使用されるため、そのような状態のガスセンサ素子に水滴が付着すると、水滴が瞬時に蒸発して、ガスセンサ素子に熱的な衝撃が加えられる。なお、多孔質保護層は、排気ガス中に含まれる被毒物質(シリコン、リン等)が、検知部に付着することを抑制する機能も備えている。 The porous protective layer is provided for the purpose of mitigating the thermal shock applied to the gas sensor element when water droplets originating from the moisture contained in the exhaust gas come into contact with the gas sensor element. When starting an internal combustion engine, the moisture in the exhaust gas condenses into water droplets, which may fly toward the gas sensor element along with the exhaust gas. Since the gas sensor element is used in a heated state, if water droplets adhere to the gas sensor element in such a state, the water droplets instantly evaporate, and a thermal shock is applied to the gas sensor element. The porous protective layer also has the function of preventing poisonous substances (silicon, phosphorus, etc.) contained in the exhaust gas from adhering to the detection section.
例えば、特許文献1に示されるように、多層型の多孔質保護層を備えたガスセンサ素子が知られている。この多孔質保護層は、気孔率や密度が互いに異なる内側多孔質保護層と、外側多孔質保護層とを備えている。内側多孔質保護層は、ガスセンサ素子の先端部を覆うように形成され、外側多孔質保護層は、内側多孔質保護層に重ねられるように形成される。外側多孔質保護層は、内側多孔質保護層よりも気孔率が小さく、かつ高密度である。このような外側多孔質保護層及び内側多孔質保護層は、ガスセンサ素子の先端部に、例えば、ディッピング(ディップ法)により形成される。
For example, as shown in
多層型の多孔質保護層を備えるガスセンサ素子を製造する際に、外側多孔質保護層が複数回のディッピング(浸漬工程)を経て、多層状に形成される場合がある。例えば、外側多孔質保護層が、第1保護層と、その第1保護層に重ねられる第2保護層とからなる場合、少なくとも2回のディッピングにより、2層状の外側多孔質保護層が形成される。 When manufacturing a gas sensor element having a multi-layered porous protective layer, the outer porous protective layer may be formed in a multi-layer structure by multiple dipping steps. For example, when the outer porous protective layer is made of a first protective layer and a second protective layer overlying the first protective layer, a two-layered outer porous protective layer is formed by at least two dipping steps.
この場合、先ず、第1保護層を形成するために、ガスセンサ素子の先端部が、所定のスラリーに浸漬されて、ガスセンサ素子の先端部に、第1塗膜が形成される。その後、第1塗膜の厚み等が、適宜、整えられた後、第1塗膜を乾燥して、第1乾燥膜が得られる。続いて、第1乾燥膜が形成されたガスセンサ素子の先端部を、前記スラリーに浸漬して、第1乾燥膜上に、第2塗膜が形成される。その後、第2塗膜の厚み等が、適宜、整えられた後、第2塗膜を乾燥して、第2乾燥膜が得られる。このように第1乾燥膜及び第2乾燥膜が形成された後、それらが焼成されることで、多孔質保護層(外側多孔質保護層)が得られる。 In this case, first, in order to form the first protective layer, the tip of the gas sensor element is immersed in a predetermined slurry, and a first coating film is formed on the tip of the gas sensor element. After that, the thickness of the first coating film is appropriately adjusted, and the first coating film is dried to obtain a first dry film. Next, the tip of the gas sensor element on which the first dry film is formed is immersed in the slurry, and a second coating film is formed on the first dry film. After that, the thickness of the second coating film is appropriately adjusted, and the second coating film is dried to obtain a second dry film. After the first dry film and the second dry film are formed in this way, they are fired to obtain a porous protective layer (outer porous protective layer).
このように複数回のディッピングを経て、多孔質保護層を形成する場合、先に形成された乾燥膜を覆うように、スラリーからなる塗膜が形成されることになる。すると、乾燥膜中に存在していた気泡が、塗膜側へ移動し、その移動した気泡が破泡等することによって、塗膜の表面に凹状(クレーター状)の窪み等の欠陥が発生することがあった。これは、塗膜中に含まれている一部の水分が、乾燥膜中に浸み込むように移動することで、先に乾燥膜中に存在していた気泡が、浸み込んできた水分によって、塗膜側に追いやられるためと推測される。このような欠陥が形成されると、最終的に得られる多孔質保護層の厚み(欠陥が形成された部分の厚み)が不足等して、ガスセンサ素子の耐被水性が低下する虞があった。 When the porous protective layer is formed through multiple dipping processes, a coating film made of slurry is formed to cover the previously formed dry film. As a result, air bubbles present in the dry film move toward the coating film, and the air bubbles that move may break, resulting in defects such as concave (crater-like) depressions on the surface of the coating film. This is presumably because some of the moisture contained in the coating film moves to soak into the dry film, and the air bubbles that were previously in the dry film are pushed toward the coating film by the soaked moisture. If such defects are formed, the thickness of the finally obtained porous protective layer (the thickness of the part where the defects are formed) may be insufficient, and the water resistance of the gas sensor element may be reduced.
本発明の目的は、気泡に由来する欠陥が抑制された、耐被水性に優れる多孔質保護層を備えたガスセンサ素子の製造方法、ガスセンサ素子及びガスセンサを提供することである。 The object of the present invention is to provide a manufacturing method for a gas sensor element having a porous protective layer with excellent water resistance and in which defects caused by air bubbles are suppressed, a gas sensor element, and a gas sensor.
前記課題を解決するための手段は、以下の通りである。即ち、
<1> 先後に延びる棒状をなし、自身の先端部に特定のガス成分を検知する検知部を含む棒状本体部と、前記先端部を被覆する多孔質保護層とを備えるガスセンサ素子の製造方法であって、前記先端部を第1スラリーに浸漬して、前記検知部を内包するように前記先端部に前記第1スラリーからなる第1塗膜を形成する第1浸漬工程と、前記第1塗膜を乾燥して前記先端部に第1乾燥膜を形成する第1乾燥工程と、前記第1乾燥膜が形成された前記先端部を、前記第1スラリーと同じ、又は前記第1スラリーの主成分と同種の分散質を含む第2スラリーに浸漬して、前記第1乾燥膜の後側の端部が露出し、かつ前記検知部を内包するように前記第1乾燥膜上に前記第2スラリーからなる第2塗膜を形成する第2浸漬工程と、前記第2塗膜を乾燥して、前記端部が露出するように前記第1乾燥膜上に第2乾燥膜を形成する第2乾燥工程と、前記第1乾燥膜及び前記第2乾燥膜を焼成して、前記先端部に、前記多孔質保護層を構成する前記第1乾燥膜及び前記第2乾燥膜の焼結体を形成する焼成工程とを備えるガスセンサ素子の製造方法。
The means for solving the above problems are as follows.
<1> A method for manufacturing a gas sensor element including a rod-shaped main body portion having a rod shape extending from front to back and including a detection portion at a tip end thereof for detecting a specific gas component, and a porous protective layer covering the tip end, the method including a first immersion step of immersing the tip end in a first slurry to form a first coating film made of the first slurry on the tip end so as to encapsulate the detection portion, a first drying step of drying the first coating film to form a first dry film on the tip end, and a second drying step of drying the tip end on which the first dry film has been formed, the second drying step being performed by drying the tip end with a solvent having the same main component as the first slurry or the same main component as the first slurry. a second dipping step of dipping the first dry film in a second slurry containing a type of dispersoid to form a second coating film made of the second slurry on the first dry film so that a rear end of the first dry film is exposed and the detection portion is enclosed therein; a second drying step of drying the second coating film to form a second dry film on the first dry film so that the end is exposed; and a firing step of firing the first dry film and the second dry film to form a sintered body of the first dry film and the second dry film that constitute the porous protective layer at the tip portion.
<2> 前記第1浸漬工程において、前記第1塗膜は、前記棒状本体部の先端面と、前記検知部から前記棒状本体部の後端側に向かって所定の第1長さだけ離れた第1基準位置との間を被覆するように形成され、前記第2浸漬工程において、前記第2塗膜は、前記先端面と、前記検知部から前記棒状本体部の後端側に向かって前記第1長さよりも短い第2長さだけ離れた第2基準位置との間を被覆するように形成される前記<1>に記載のガスセンサ素子の製造方法。 <2> The method for manufacturing a gas sensor element described in <1>, in which, in the first immersion step, the first coating is formed so as to cover the area between the tip surface of the rod-shaped main body and a first reference position that is a predetermined first length away from the detection unit toward the rear end side of the rod-shaped main body, and in the second immersion step, the second coating is formed so as to cover the area between the tip surface and a second reference position that is a second length away from the detection unit toward the rear end side of the rod-shaped main body, the second length being shorter than the first length.
<3> 前記第2浸漬工程において、前記第2塗膜は、前記先端部のうち、前記ガスセンサ素子の使用時において、前記端部が形成されている部分よりも温度が高くなる部分を被覆するように形成される前記<1>又は<2>に記載のガスセンサ押素子の製造方法。 <3> The method for manufacturing a gas sensor element according to <1> or <2>, in which, in the second immersion step, the second coating film is formed so as to cover a portion of the tip portion that will be hotter than the portion where the end portion is formed when the gas sensor element is in use.
<4> 前記多孔質保護層は、前記第1乾燥膜及び前記第2乾燥膜の前記焼結体からなる外側多孔質保護層と、前記外側多孔質保護層と前記先端部との間に介在され、かつ前記検知部を内包するように前記先端部に形成される内側多孔質保護層とを有し、前記第1浸漬工程において、前記第1スラリーに浸漬される前記先端部には、前記内側多孔質保護層を形成するための内側乾燥膜が前記検知部を内包するように予め形成されており、前記第1スラリーからなる前記第1塗膜は、前記先端部の前記内側乾燥膜を覆うように形成される前記<1>から<3>の何れか1つに記載のガスセンサ素子の製造方法。 <4> The method for manufacturing a gas sensor element according to any one of <1> to <3>, wherein the porous protective layer has an outer porous protective layer made of the sintered body of the first dry film and the second dry film, and an inner porous protective layer interposed between the outer porous protective layer and the tip portion and formed on the tip portion so as to encapsulate the detection portion, and an inner dry film for forming the inner porous protective layer is formed in advance on the tip portion immersed in the first slurry in the first immersion step so as to encapsulate the detection portion, and the first coating film made of the first slurry is formed so as to cover the inner dry film on the tip portion.
<5> 前記第1乾燥工程の前に、前記第1塗膜の厚みを調整するために前記第1塗膜の一部を除去する第1厚み調整工程を備える前記<1>から<4>の何れか1つに記載のガスセンサ素子の製造方法。 <5> The method for manufacturing a gas sensor element described in any one of <1> to <4>, further comprising a first thickness adjustment step of removing a portion of the first coating film to adjust the thickness of the first coating film before the first drying step.
<6> 前記第2乾燥工程の前に、前記第2塗膜の厚みを調整するために前記第2塗膜の一部を除去する第2厚み調整工程を備える前記<1>から<5>の何れか1つに記載のガスセンサ素子の製造方法。 <6> The method for manufacturing a gas sensor element described in any one of <1> to <5>, further comprising a second thickness adjustment step of removing a portion of the second coating film to adjust the thickness of the second coating film before the second drying step.
<7> 先後に延びる棒状をなし、自身の先端部に特定のガス成分を検知する検知部を含む棒状本体部と、前記先端部を被覆する多孔質保護層とを備えるガスセンサ素子であって、前記多孔質保護層は、少なくとも軸線方向において前記検知部が設けられた領域に全周に亘って形成された第1保護層と、主成分が前記第1保護層と同種であり、少なくとも前記軸線方向において前記検知部が設けられた領域と共に、前記第1保護層の後側の端部が露出するように前記第1保護層の外側に設けられた第2保護層とを有し、前記第1保護層の気孔率と前記第2保護層の気孔率とは、互いに同程度であるガスセンサ素子。 <7> A gas sensor element having a rod-shaped body part extending from front to back and including a detection part at its tip for detecting a specific gas component, and a porous protective layer covering the tip, the porous protective layer having a first protective layer formed over the entire circumference at least in the axial direction in the area where the detection part is provided, and a second protective layer having the same main component as the first protective layer and provided outside the first protective layer so that the rear end of the first protective layer is exposed together with the area where the detection part is provided at least in the axial direction, and the porosity of the first protective layer and the porosity of the second protective layer are approximately the same.
<8> 前記第1保護層は、前記棒状本体部の先端面と、前記検知部から前記棒状本体部の後端側に向かって所定の第1長さだけ離れた第1基準位置との間を被覆するように形成され、前記第2保護層は、前記先端面と、前記検知部から前記棒状本体部の後端側に向かって前記第1長さよりも短い第2長さだけ離れた第2基準位置との間を被覆するように形成される前記<7>に記載のガスセンサ素子。 <8> The gas sensor element described in <7>, in which the first protective layer is formed to cover the area between the tip surface of the rod-shaped main body and a first reference position that is a predetermined first length away from the detection unit toward the rear end side of the rod-shaped main body, and the second protective layer is formed to cover the area between the tip surface and a second reference position that is a second length away from the detection unit toward the rear end side of the rod-shaped main body, the second length being shorter than the first length.
<9> 前記第2保護層は、前記先端部のうち、使用時において、前記端部が形成されている部分よりも温度が高くなる部分を被覆する前記<7>又は<8>に記載のガスセンサ素子。 <9> The gas sensor element according to <7> or <8>, in which the second protective layer covers a portion of the tip portion that becomes hotter than the portion where the end portion is formed during use.
<10> 前記多孔質保護層は、前記第1保護層及び前記第2保護層を含む外側多孔質保護層と、前記外側多孔質保護層と前記先端部との間に介在され、前記検知部を内包するように前記先端部に形成される内側多孔質保護層とを有する前記<7>から<9>の何れか1つに記載のガスセンサ素子。 <10> The gas sensor element described in any one of <7> to <9>, wherein the porous protective layer includes an outer porous protective layer including the first protective layer and the second protective layer, and an inner porous protective layer interposed between the outer porous protective layer and the tip portion and formed on the tip portion so as to enclose the detection portion.
<11> 前記<7>から<10>の何れか1つに記載のガスセンサ素子を備えるガスセンサ。 <11> A gas sensor comprising the gas sensor element according to any one of <7> to <10>.
本発明によれば、気泡に由来する欠陥が抑制された、耐被水性に優れる多孔質保護層を備えたガスセンサ素子の製造方法、ガスセンサ素子及びガスセンサを提供することができる。 The present invention provides a method for manufacturing a gas sensor element having a porous protective layer with excellent water resistance and in which defects caused by air bubbles are suppressed, a gas sensor element, and a gas sensor.
<実施形態1>
以下、本発明の実施形態1を、図1~図17を参照しつつ説明する。先ずは、本実施形態に係るガスセンサ素子の製造方法により製造されるガスセンサ素子100を含むガスセンサ(酸素センサ)1の構成について説明する。図1は、軸線L方向に沿って切断された実施形態1に係るガスセンサ1の断面図であり、図2は、ガスセンサ素子100を構成する検出素子部300及びヒータ部200を模式的に表した分解斜視図である。なお、本明細書では、図1に示されるガスセンサ1の下側を、「先端側」と称し、その反対側(図1の上側)を、「後端側」と称する。
<
A first embodiment of the present invention will be described below with reference to Figs. 1 to 17. First, a configuration of a gas sensor (oxygen sensor) 1 including a
ガスセンサ1は、図1に示されるように、検出素子部300及びヒータ部200の積層体からなるガスセンサ素子100と、そのガスセンサ素子100等を内部に収容する形で保持する主体金具30と、その主体金具30の先端部に装着されるプロテクタ24を備えている。ガスセンサ素子100は、全体的には、細長く延びた板状(棒状)をなしており、その長手方向が、軸線L方向に沿うように配置されている。なお、後述するように、ガスセンサ素子100の先端側には、多孔質保護層60が形成されている。
As shown in FIG. 1, the
図2に示されるように、ヒータ部200は、全体的には、細長く延びた板状をなしており、アルミナを主体とする第1基体101及び第2基体103と、第1基体101と第2基体103とに挟まれ、白金を主体とする発熱体102とを有している。発熱体102は、先端側に位置する発熱部102aと、その発熱部102aから第1基体101の長手方向(軸線L方向)に沿って延びる一対のヒータリード部102bとを有している。そして、ヒータリード部102bの末端は、第1基体101に設けられているヒータ側スルーホール101aに形成された導体を介してヒータ側パッド120と電気的に接続されている。
2, the
検出素子部300は、ヒータ部200と同様、全体的には、細長く延びた板状をなしており、酸素濃度検出セル130と酸素ポンプセル140とを備えている。酸素濃度検出セル130は、第1固体電解質体105と、その第1固体電解質体105の両面に形成された第1電極104及び第2電極106とから構成されている。第1電極104は、第1電極部104aと、その第1電極部104aから第1固体電解質体105の長手方向(軸線L方向)に沿って延びる第1リード部104bとから構成されている。第2電極106は、第2電極部106aと、その第2電極部106aから第1固体電解質体105の長手方向(軸線L方向)に沿って延びる第1リード部104bとから構成されている。第2電極106は、第2電極部106aと、その第2電極部106aから第1固体電解質体105の長手方向(軸線L方向)に沿って延びる第2リード部106bとから構成されている。
The
第1リード部104bの末端は、第1固体電解質体105に設けられる第1スルーホール105a、後述する絶縁層107に設けられる第2スルーホール107a、第2固体電解質体109に設けられる第4スルーホール109a及び保護層111に設けられる第6スルーホール111aのそれぞれに形成される導体を介して検出素子側パッド121と電気的に接続される。第2リード部106bの末端は、後述する絶縁層107に設けられる第3スルーホール107b、第2固体電解質体109に設けられる第5スルーホール1-9b及び保護層111に設けられる第7スルーホール111bのそれぞれに形成される導体を介して検出素子側パッド121と電気的に接続される。
The end of the
酸素ポンプセル140は、第2固体電解質体109と、その第2固体電解質体109の両面に形成された第3電極108及び第4電極110とから構成されている。第3電極108は、第3電極部108aと、この第3電極部108aから第2固体電解質体109の長手方向(軸線L方向)に沿って延びる第3リード部108bとから構成されている。第4電極110は、第4電極部110aと、この第4電極部110aから第2固体電解質体109の長手方向(軸線L方向)に沿って延びる第4リード部110bとから構成されている。
The
第3リード部108bの末端は、第2固体電解質体109に設けられる第5スルーホール109b及び保護層111に設けられる第7スルーホール111bのそれぞれに形成される導体を介して検出素子側パッド121と電気的に接続される。第4リード部110bの末端は、保護層111に設けられる第8スルーホール111cに形成される導体を介して検出素子側パッド121と電気的に接続される。なお、第2リード部106bと第3リード部108bは同電位となっている。
The end of the
第1固体電解質体105及び第2固体電解質体109は、ジルコニア(ZrO2)に安定化剤としてイットリア(Y2O3)又はカルシア(CaO)を添加してなる部分安定化ジルコニア焼結体から構成される。
The first
発熱体102、第1電極104、第2電極106、第3電極108、第4電極110、ヒータ側パッド120及び検出素子側パッド121は、白金族元素で形成することができる。これらを形成する好適な白金族元素としては、Pt、Ph、Pd等が挙げられる。なお、これらの白金族元素は、単独で又は2種以上を組み合わせて用いてもよい。
The
上記発熱体102等は、耐熱性及び耐酸化性の観点より、Ptを主体にして形成することが好ましい。また、上記発熱体102等は、主体となる白金族元素の他にセラミック成分を含有することが好ましい。このセラミック成分は、固着という観点より、積層される側の主体となる材料と同様の成分であることが好ましい。
From the viewpoint of heat resistance and oxidation resistance, it is preferable that the
そして、上述した酸素ポンプセル140と酸素濃度検出セル130との間に、絶縁層107が形成されている。絶縁層107は、絶縁部114と拡散抵抗部115とからなる。この絶縁層107の絶縁部114には、第2電極部106a及び第3電極部108aに対応する位置に中空の測定室107cが形成されている。この測定室107cは、絶縁層107の幅方向で外部と連通しており、その連通した部分には、外部と測定室107cとの間のガス拡散を所定の律速条件下で実現する拡散抵抗部115が配置されている。
The insulating
絶縁部114は、絶縁性を有するセラミック焼結体であれば限定されず、例えば、アルミナやムライト等の酸化物系セラミック等から構成される。
The insulating
拡散抵抗部115は、アルミナからなる多孔質体であり、この多孔質体からなる拡散抵抗部115によって、検出ガスが測定室107cへ流入する際の速度が調整される。
The
また、第2固体電解質体109の表面には、第4電極110を挟み込むようにして、保護層111が形成されている。この保護層111は、第4電極部110aを挟み込むようにして、第4電極部110aを被毒から防御するための多孔質の電極保護部113aと、第4リード部110bを挟み込むようにして、第2固体電解質体109を保護するための補強部112とからなる。なお、本実施形態のガスセンサ素子100は、酸素濃度検出セル130の電極間に生じる電圧(起電力)が所定の値(例えば、450mV)となるように、酸素ポンプセル140の電極間に流れる電流の方向及び大きさが調整され、酸素ポンプセル140に流れる電流に応じた被測定ガス中の酸素濃度をリニアに検出する酸素センサ素子となっている。
A
図1に戻り、主体金具30は、SUS430製であり、ガスセンサ1を排気管に取り付けるための雄ねじ部31と、取り付け時に取り付け工具を宛がう六角部32とを備えている。また、主体金具30には、径方向内側に向かって突出する金具側段部33が設けられており、その金具側段部33はガスセンサ素子100を保持するための金属ホルダ34を支持している。そしてこの金属ホルダ34の内側にはセラミックホルダ35、滑石36が先端側から順に配置されている。この滑石36は、金属ホルダ34内に配置される第1滑石37と、金属ホルダ34の後端に配置される第2滑石38とからなる。金属ホルダ34内で第1滑石37が圧縮充填されることによって、ガスセンサ素子100は金属ホルダ34に対して固定される。また、主体金具30内で第2滑石38が圧縮充填されることによって、ガスセンサ素子100の外面と主体金具30の内面との間のシール性が確保される。そして第2滑石38の後端側には、アルミナ製のスリーブ39が配置されている。このスリーブ39は多段の円筒状に形成されており、軸線Lに沿うように軸孔39aが設けられ、そのような軸孔39aを含むスリーブ39の内部にガスセンサ素子100が挿通される。そして、主体金具30の後端側にある加締め部30aが内側に折り曲げられており、そのような加締め部30aにより、スリーブ39がステンレス製のリング部材40を介して主体金具30の先端側に押圧されている。
Returning to FIG. 1, the
また、主体金具30の先端側外周には、金属製のプロテクタ24が溶接によって取り付けられている。プロテクタ24は、二重構造をなしており、外側には一様な外径を有する有底円筒状の外側プロテクタ41が配置され、内側には後端部42aの外径が先端部42bの外径よりも大きく形成された有底円筒状の内側プロテクタ42が配置されている。このようなプロテクタ24は、主体金具30の先端から突出するガスセンサ素子100の先端部を覆うと共に、複数のガス取り入れ孔24aを有する。
A
主体金具30の後端側には、SUS430製の外筒25の先端側が挿入されている。外筒25は、先端側が拡径した先端部25aを備えており、その先端部25aが、主体金具30にレーザ溶接等で固定されている。外筒25の後端側の内部には、セパレータ50が配置されており、そのセパレータ50と外筒25との間で形成される隙間に、保持部材51が介在されている。保持部材51は、セパレータ50の周面から外側に盛り上がった突出部50aに係合しつつ、加締められた外筒25とセパレータ50との間で固定されている。
The tip side of the
また、セパレータ50には、検出素子部300用やヒータ部200用の各種のリード線11,12,13を挿入するための通孔50bが先端側から後端側に亘って貫通する形で設けられている。なお、図1には、説明の便宜上、3本のリード線11,12,13のみが示され、それら以外のリード線の図示は、省略した。通孔50b内には、上記リード線11等と、検出素子部300の検出素子側パッド121及びヒータ部200のヒータ側パッド120とを接続する接続端子16が収容されている。各リード線11等は、外部において、図示されないコネクタに接続可能な構成となっており、そのようなコネクタを介してECU等の外部機器と各リード線11等との間で、電気信号の入出力が行われる。
In addition, the
更に、セパレータ50の後端側には、外筒25の後端側の開口部25bを閉塞するための略円柱状のゴムキャップ52が配置されている。このゴムキャップ52は、外筒25の後端内に収容された状態で、外筒25が径方向内側に向かって加締められることにより、外筒25に固着される。また、ゴムキャップ52にも、リード線11等をそれぞれ挿入するための通孔52aが先端側から後端側に亘って貫通する形で設けられている。
Furthermore, a generally
図3は、図1に示されるガスセンサ素子100の先端側を模式的に表した拡大図でる。図3に示されるように、ガスセンサ素子100の先端側に、多孔質保護層60が形成されている。なお、本明細書において、多孔質保護層60が形成されていない状態のガスセンサ素子100を、特に、「ガスセンサ素子本体(棒状本体部)100a」と称する。図4は、ガスセンサ素子100を軸線L方向に沿って先端側から見た説明図である。
Figure 3 is an enlarged view showing a schematic diagram of the tip side of the
ガスセンサ素子本体100aは、先後に延びる棒状をなし、自身の先端部に、排気ガス中に含まれる特定のガス成分(酸素等)を検知する検知部150を備えている。検知部150は、主として、検出素子部300が有する各電極部(第1電極部104a、第2電極部106a、第3電極部108a、及び第4電極部110a)、測定室107c、電極保護部113aにより構成される。図3には、検知部150の一部であり、ガスセンサ素子本体100aの厚み方向において、第4電極部110aと重なるように形成された多孔質の電極保護部113aが示されている。そのような検知部150の周りを被覆する形で、ガスセンサ素子本体100aの先端部100bに、多孔質保護層60が形成されている。多孔質保護層60には、ガス透過が可能なように三次元網目構造の気孔が形成されている。
The gas
多孔質保護層60は、図3に示されるように、ガスセンサ素子本体100aの先端部100bにおける先端面100c及び周面100dを被覆するように、ガスセンサ素子本体100aの先端部100bに形成されている。
As shown in FIG. 3, the porous
多孔質保護層60は、例えば、チタニア、アルミナ、スピネル、ジルコニア、ムライト、ジルコン及びコージェライトからなる群より選ばれる1種以上のセラミック粒子を焼成等により結合して形成することができる。これらの粒子を含むスラリーを焼結することで、セラミック粒子間に気孔を形成することができる。なお、上記粒子を含むスラリーに、カーボン、樹脂製ビーズ、有機又は無機バインダ等からなる焼失性の造孔材が添加されてもよい。
The porous
本実施形態の多孔質保護層60は、多層型であり、内側多孔質保護層61と、外側多孔質保護層62とを備えている。図5は、図3のA-A線断面図であり、図6は、図4のB-B線断面図である。内側多孔質保護層61と、外側多孔質保護層62とでは、密度、気孔率(%)、主成分等が異なっている。具体的には、内側多孔質保護層61は、外側多孔質保護層62よりも、低密度であり、気孔率(%)が高い構造となっている。内側多孔質保護層61の気孔率は、例えば、20~50%であり、外側多孔質保護層62の気孔率は、10~20%である。
The porous
内側多孔質保護層61は、検知部150を内包するようにガスセンサ素子本体100aの先端部100bに形成される。
The inner porous
外側多孔質保護層62は、内側多孔質保護層61に重ねて形成される共に、ガスセンサ素子本体100aの先端部100bを被覆するように形成される。このような外側多孔質保護層62は、内側多孔質保護層61を内包するように形成される。特に、本実施形態の外側多孔質保護層62は、多層状であり、後述するように、複数回の浸漬工程を経て形成される。
The outer porous
外側多孔質保護層62は、少なくとも軸線L方向において検知部150が設けられた領域Rに、全周に亘って形成される第1保護層63と、主成分が第1保護層63と同種であり、少なくとも軸線L方向において検知部150が設けられた領域Rと共に、第1保護層63の後側の端部63aが露出するように第1保護層63の外側に設けられる第2保護層64とを備えている。
The outer porous
「軸線L方向において検知部150が設けられえた領域R」とは、図3に示されるように、ガスセンサ素子本体100aを厚み方向から見た場合に、軸線L方向において、検知部150を構成する各部分(第1電極部104a、第2電極部106a、第3電極部108a、第4電極部110a、測定室107c、電極保護部113a)が含まれる最小限の大きさの領域である。
The "region R in the direction of axis L in which the
また、第1保護層63と第2保護層64との間において、「主成分が同種」とは、第1保護層63を構成するセラミック成分が、第2保護層64を構成するセラミック成分と同一又は90%以上同じであることを意味する。
In addition, between the first
第1保護層63の気孔率と第2保護層64の気孔率とは、互いに同程度である。なお、第1保護層63の気孔率及び第2保護層64の気孔率は、内側多孔質保護層61の気孔率よりも低い。
The porosity of the first
第1保護層63の後側の端部63aは、第2保護層64で覆われておらず、露出した状態となっているため、外側多孔質保護層62の後側の部分は、第1保護層63の端部63aと、第2保護層64の端部64aとによって、段差状となっている。そのため、第1保護層63と第2保護層64とは、互いに焼結体の状態で一体化されているものの、第1保護層63の端部63aと、第2保護層64の端部64aとを明確に区別することができる。したがって、第1保護層63と第2保護層64とが互いに重なった部分でも、第1保護層63の端部63aの厚みと、第2保護層64の端部64aの厚みとから、後述する第1塗膜(第1乾燥膜)により形成された第1保護層63と、第2塗膜(第2乾燥膜)により形成された第2保護層64との境界部を推測することができる。
The
なお、図5及び図6の各断面図には、第1保護層63の端部63aと、第2保護層64の端部64aとから推測される、第1保護層63と第2保護層64との境界線が仮想的に示されている。
In addition, in each cross-sectional view of FIG. 5 and FIG. 6, the boundary between the first
以上のようなガスセンサ1に、本実施形態の製造方法で製造されたガスセンサ素子100が使用される。
The
次いで、実施形態1に係るガスセンサ素子の製造方法について説明する。図7は、本実施形態に係るガスセンサ素子の製造方法を示すフロー図である。本実施形態のガスセンサ素子の製造方法は、図7に示されるように、第1浸漬工程S101、第1厚み調整工程S102、第1乾燥工程S103、第2浸漬工程S104、第2厚み調整工程S105、第2乾燥工程S106、焼成工程S107を備えている。 Next, a method for manufacturing the gas sensor element according to the first embodiment will be described. FIG. 7 is a flow diagram showing a method for manufacturing the gas sensor element according to this embodiment. As shown in FIG. 7, the method for manufacturing the gas sensor element according to this embodiment includes a first immersion process S101, a first thickness adjustment process S102, a first drying process S103, a second immersion process S104, a second thickness adjustment process S105, a second drying process S106, and a firing process S107.
第1浸漬工程S101は、外側多孔質保護層62の第1保護層63を形成するための浸漬工程である。このような第1浸漬工程S101は、具体的には、ガスセンサ素子本体100a(ガスセンサ素子100)の先端部100bを、第1スラリーS1に浸漬して、検知部150を内包するように先端部100bに第1スラリーからなる第1塗膜を形成する工程である。
The first immersion step S101 is an immersion step for forming the first
第1スラリーS1は、第1保護層63を形成するためのスラリーであり、第1スラリーS1として、例えば、従来のガスセンサ素子における外側多孔質保護層を形成するためのスラリーが使用される。第1スラリーS1は、例えば、チタニア粉末、スピネル粉末、アルミナゾル、有機バインダ(例えば、アクリル系共重合物)、分散剤(例えば、アニオン性高分子分散剤)、消泡剤(例えば、アマイドワックス系消泡剤)、及び水を、それぞれ所定の割合で配合し、それらを所定時間の間、混合することで得られる。
The first slurry S1 is a slurry for forming the first
図8は、第1浸漬工程S101において、ガスセンサ素子本体100aが、ディッピング槽400の上方で待機している状態を示す説明図である。図8には、第1スラリーS1を収容する上方に開口した容器状のディッピング槽400と、そのディッピング槽400の上方で静止した状態で待機するガスセンサ素子本体100aが示されている。ガスセンサ素子本体100aは、その長手方向(軸線L方向)が鉛直方向に沿い、かつその先端部100bが下側を向く形で、所定の治具(不図示)を利用して固定されている。ガスセンサ素子本体100aの先端部100bは、ディッピング槽400に収容された第1スラリーS1と対向した状態となっている。図8には、ガスセンサ素子本体100aの表面のうち、検知部150の一部である電極保護部113aが形成されている側の表面が、紙面手前側を向く形で示されている。
Figure 8 is an explanatory diagram showing the state in which the gas
なお、図8に示されるように、第1スラリーS1に浸漬されるガスセンサ素子本体100aの先端部100bには、内側多孔質保護層61を形成するための内側乾燥膜610が、検知部150を内包するように予め形成されている。内側乾燥膜610は、ガスセンサ素子本体100aの先端部100bを、内側多孔質保護層61を形成するためのスラリーに浸漬して形成された前記スラリーからなる内側塗膜を、乾燥させたものである。第1浸漬工程S101では、第1スラリーS1からなる第1塗膜630が、先端部100bの内側乾燥膜610を覆うように形成される。図8に示されるように、ガスセンサ素子本体100aがディッピング槽400の上方で静止している位置を、「待機位置」と称する。
As shown in FIG. 8, the
ガスセンサ素子本体100aは、所定の治具に固定された状態で、上下方向(鉛直方向)に沿いつつ、待機位置と、その下方にあるディッピング槽400の内側の位置(後述する浸漬位置)との間を、往復移動できるように構成されている。ガスセンサ素子本体100aを往復移動させる機構としては、本発明の目的を損なわない限り、特に制限はなく、サーボモータ等を利用した公知の往復機構が適用される。
The gas
なお、図8に示されるように、待機位置にあるガスセンサ素子本体100aと、ディッピング槽400との間には、第1浸漬工程後に行われる第1厚み調整工程(第1擦切工程)で使用される擦切型500及び擦切刃600が配置されている。擦切型500は、水平方向に沿うように配される板状の擦切本体部501と、この擦切本体部501の内側に、厚み方向に貫通する形で設けられた貫通孔502と、この貫通孔502を取り囲む開口縁部503とを備えている。貫通孔502及び開口縁部503の大きさは、内側乾燥膜610が形成されたガスセンサ素子本体100aが、開口縁部503内にある貫通孔502を通過できるように設定されている。待機位置において、内側乾燥膜610が形成されたガスセンサ素子本体100aの先端部100bは、平面視した際に、開口縁部503の内側に収まるように配されている。
8, between the gas
擦切刃600は、図8に示されるように、貫通孔502と上下方向で重ならないように、貫通孔502よりも外側の位置に退避しており、その位置を、擦切刃600の「退避位置」と称する。なお、本実施形態の場合、擦切刃600は、擦切型500の上面500a側に配されている。擦切刃600は、擦切型500の上面500aとの間に隙間が形成されるような高さ位置に配置されている。
As shown in FIG. 8, the
図9は、第1浸漬工程S101において、待機位置から下降したガスセンサ素子本体100aの先端部100bが、ディッピング槽400内の第1スラリーS1に浸漬している状態を示す説明図である。待機位置で待機していたガスセンサ素子本体100a(図8参照)が、下方に向かって移動すると、内側乾燥膜610が形成された先端部100bは、擦切型500の開口縁部503内の貫通孔502を上側から下側へ通り抜ける。その際、内側乾燥膜610が形成された先端部100bは、開口縁部503と接触することなく、貫通孔502を通過する。その後、ガスセンサ素子本体100aは、更に、下方へ向かって移動し、先端部100bが、ディッピング槽400内に収容されている第1スラリーS1中に浸漬される。第1スラリーS1中に浸漬する先端部100bの高さ位置は、ディッピング槽400の底と接触せず、かつ第1スラリーS1が、先端部100bに形成された内側乾燥膜610を覆うように設定される。より具体的には、第1スラリーS1が、軸線L方向において、ガスセンサ素子本体(棒状本体部)100aの先端面100cと、検知部150の後端から、ガスセンサ素子本体100aの後端側(つまり、図9の上側)に向かって所定の第1長さL1だけ離れた位置である第1基準位置M1との間R1を被覆するように、第1スラリーS1中に浸漬する先端部100bの高さ位置が設定される。このように設定されたガスセンサ素子本体100aの位置を、「第1浸漬位置」と称する。ガスセンサ素子本体100aは、必要に応じて、所定時間の間、第1浸漬位置で静止してもよいし、第1浸漬位置に到達した後、直ちに引き上げられてもよい。図9には、軸線L方向において、先端面100cに対応する位置が、符号M0で示されている。
9 is an explanatory diagram showing the state in which the
このような第1浸漬工程S101により、ガスセンサ素子本体100aの先端部100bを、第1スラリーS1に浸漬することで、検知部150を内包すると共に、内側乾燥膜610を内包するように、第1スラリーS1からなる第1塗膜630が形成される。
By this first immersion process S101, the
このような第1塗膜630は、軸線L方向において、ガスセンサ素子本体(棒状本体部)100aの先端面100cと、検知部150からガスセンサ素子本体100aの後端側に向かって所定の第1長さL1だけ離れた位置である第1基準位置M1との間R1を被覆するように形成される。「第1長さL1」は、ガスセンサ素子本体100aの長手方向(軸線L方向)において、検知部150の後端から、ガスセンサ素子本体100aの後端側の範囲のうち、耐被水性の確保等の目的で、少なくとも多孔質保護層60を形成する必要のある範囲に基づいて定められる。
Such a
なお、第1スラリーS1中に浸漬されたガスセンサ素子本体100aの先端部100bは、その後、引き上げられ、次の第1厚み調整工程S102に付される。
The
第1厚み調整工程S102は、ガスセンサ素子本体100aの先端部100bに付着した第1スラリーS1からなる第1塗膜630を擦り切って、第1塗膜630の一部を除去することで、第1塗膜630の厚みを調整する工程である。上述したように、第1浸漬工程S101の後、第1スラリーS1からガスセンサ素子本体100aの先端部100bが引き上げられると、その先端部100bには、第1スラリーS1の付着物からなる第1塗膜630が形成される。そして、第1浸漬工程S101の後、先端部100bに形成されている第1塗膜630の厚みが、第1保護層63(外側多孔質保護層62)として必要な厚みを超えていると、その超えた分の塗膜が、第1厚み調整工程S102により除去される。
The first thickness adjustment step S102 is a step of adjusting the thickness of the
本明細書において、第1浸漬工程S101の後に、先端部100bに付着した第1塗膜630のうち、先端部100bの周面100dに形成された塗膜を、「第1周面塗膜631」と称し、また、先端部100bの先端面100cに形成された塗膜を、「第1先端塗膜632」と称する。本明細書では、軸線L方向において、先端部100bの先端面100cよりも先側にある塗膜を、第1先端塗膜632とする。
In this specification, the coating film formed on the
本実施形態の第1厚み調整工程S102は、先端部100bに付着した第1塗膜630のうち、先端部100bの周面100dに形成された第1周面塗膜631の一部(余分な塗膜)631aを、擦切型500を利用して除去する工程(周面擦切工程)と、先端部100bの先端面100cに形成された第1先端塗膜632の一部(余分な塗膜)632aを、擦切刃600を利用して除去する工程(先端面擦切工程)とを備えている。本実施形態では、先に周面擦切工程が行われ、その後、先端面擦切工程が行われる。
The first thickness adjustment process S102 of this embodiment includes a process of removing a part (excess coating) 631a of the first
図10は、第1厚み調整工程S102において、擦切型500を利用して、ガスセンサ素子本体100aの先端部100bの周面100dに形成された第1周面塗膜631の一部(余分な塗膜)631aが除去される様子を示す説明図である。図10には、上述した周面擦切工程の内容が示されている。第1浸漬工程S101の後、引き上げられたガスセンサ素子本体100aの先端部100bに、必要な厚みを超えた第1周面塗膜631が付着していると、その超えた分の塗膜(余分な塗膜)631aが、先端部100bが擦切型500の開口縁部503内(貫通孔502)を下側から上側へ通り抜ける際に、開口縁部503によって擦り切られる。このようにして、先端部100bが、開口縁部503内を通過する際に、余分な塗膜631aが、必要な厚み分の第1周面塗膜631から分離される。
10 is an explanatory diagram showing how a part (excess coating) 631a of the first
なお、分離された余分な塗膜631aの一部は、自重等により落下し、ディッピング槽400内へ戻される。擦切型500は、例えば、金属製の板材が所定形状に加工されたものからなる。擦切型500の開口縁部503の大きさ(貫通孔502の大きさ)は、上述したように、内側乾燥膜610が形成されたガスセンサ素子本体100aの先端部100bが通過できると共に、外側多孔質保護層62の第1保護層63を形成するために必要な厚みの第1塗膜630(第1周面塗膜631)が、周面擦切工程後に先端部100bの内側乾燥膜610の周りに形成されるように設定されている。本実施形態の場合、開口縁部503は、平面視で、矩形状をなしており、図示されない固定装置を利用して固定されている。開口縁部503の長手方向(長辺方向)は、ガスセンサ素子本体100aの短手方向(幅方向)に沿って配され、開口縁部503の短手方向(短辺方向)は、ガスセンサ素子本体100aの厚み方向に沿って配されている。
A part of the separated
図11は、第1厚み調整工程S102において、擦切刃600を利用して、ガスセンサ素子本体100aの先端面100cに形成された第1先端塗膜632の一部(余分な塗膜)632aが除去される様子を示す説明図である。図11には、上述した先端面擦切工程の内容が示されている。周面擦切工程後、擦切型500の開口縁部503内を下側から上側へ通過したガスセンサ素子本体100aは、先端部100bの先端面100cの位置が、先端面擦切工程のために、予め定められた所定の高さ位置となるように上方へ移動する。先端面擦切工程のための先端面100cの所定の高さ位置は、先端面100cに形成される第1先端塗膜632の厚みが、先端面擦切工程後に、外側多孔質保護層62の第1保護層63として必要な厚みとなるように設定される。本実施形態の場合、先端面擦切工程が行われる際の先端面100cの高さ位置は、上述した待機位置で静止したガスセンサ素子本体100aの先端面100cの高さ位置と同じになうように設定されている。他の実施形態においては、先端面擦切工程が行われる際の先端面100cの高さ位置は、待機位置で静止したガスセンサ素子本体100aの先端面100cの高さ位置と異なってもよい。
Figure 11 is an explanatory diagram showing how a part (excess coating) 632a of the
図11には、待機位置で静止した状態のガスセンサ素子本体100aが示されている。その状態のガスセンサ素子本体100aの先端部100bには、余分な塗膜631aが除去されて厚みが調整された第1周面塗膜631を含む第1塗膜630が形成されている。このような第1塗膜630のうち、先端面100cに形成された第1先端塗膜632が、必要な厚みを超えていると、その超えた分の塗膜(余分な塗膜632a)が、擦切刃600により擦り切られる。
Figure 11 shows the gas
擦切刃600は、例えば、金属製の板材が所定形状に加工されたものからなる。擦切刃600は、その先端部601が水平方向に沿って往復移動できるように、公知の往復機構等を利用して構成されている。第1厚み調整工程S102において、擦切刃600の先端部601の高さ位置、及びガスセンサ素子本体100aの先端部100bの高さ位置は、必要な厚み分の第1先端塗膜632が、先端面100cに残されるように設定される。なお、図11等において、ガスセンサ素子本体100aは、その長手方向が、鉛直方向(上下方向)に沿う形で配されている。そのようなガスセンサ素子本体100aの軸線L方向は、鉛直方向に沿った状態となっている。そのため、擦切刃600は、ガスセンサ素子本体100aの軸線L方向に対して垂直に交わる方向に沿って移動すると言える。
The
擦切刃600は、上述した第1浸漬工程の間、及び周面擦切工程の間は、それぞれ図8等に示されるように、退避位置で静止している。ガスセンサ素子本体100aが、周面擦切工程後、待機位置へ戻されて静止すると、擦切刃600は、第1先端塗膜632の余分な塗膜632aを擦り切るように、水平方向に移動する。擦切刃600は、その先端部601が、退避位置から、ガスセンサ素子保体100a側へ水平移動し、更に、開口縁部503の上方において、開口縁部503を長手方向に横切るように水平移動する。擦切刃600は、開口縁部503を横切るように水平移動する際、先端部601が、必要な厚みを超えた余分な塗膜632aを、必要な厚み分の第1先端塗膜632から削り取る形となる。このようにして、先端面100cに形成された第1先端塗膜632が、必要な厚みを超えていると、その超えた分の塗膜(余分な塗膜632a)が、擦切刃600により擦り切られる。擦切刃600は、第1先端塗膜632の余分な塗膜を擦り切った後、再び、退避位置へ戻るように、擦り切り時とは逆向きに水平移動する。
During the first immersion step and the peripheral surface scraping step, the
以上のような第1厚み調整工程S102を経ることで、ガスセンサ素子本体100aの先端部100bに形成された第1塗膜630の厚みが調整される。
By going through the first thickness adjustment process S102 as described above, the thickness of the
第1厚み調整工程S102の後、ガスセンサ素子本体100aの先端部100bに形成された第1塗膜630は、第1乾燥工程S103により乾燥されて、第1乾燥膜633となる。第1乾燥工程S103は、第1塗膜630を乾燥して、ガスセンサ素子本体100aの先端部100bに第1乾燥膜633を形成する工程である。
After the first thickness adjustment process S102, the
第1乾燥工程S103は、例えば、加温槽に収容し、80℃~120℃の温度条件で、1~5分間、加熱することで行われる。図12は、第1乾燥工程S103後のガスセンサ素子本体100aの先端側を模式的に表した説明図である。図12に示されるように、ガスセンサ素子本体100aの先端部100bには、第1乾燥膜633が形成されている。軸線L方向(長手方向)において、ガスセンサ素子本体(棒状本体部)100aの先端面100cと、検知部150の後端からガスセンサ素子本体100aの後端側(つまり、図12の上側)に向かって所定の第1長さL1だけ離れた位置である第1基準位置M1との間R1を被覆するように、第1乾燥膜633が形成されている。図12には、軸線L方向において、先端面100cに対応する位置が符号M0で示されている。また、図12には、第1基準位置M1に、第1乾燥膜633の後側の端部633aが示されている。
The first drying step S103 is performed, for example, by placing the gas
続いて、図7に示されるように、第1乾燥工程S103の後、第2浸漬工程S104が行われる。図13は、第2浸漬工程S104の内容を模式的に表した説明図である。第2浸漬工程S104は、外側多孔質保護層62の第2保護層64を形成するための浸漬工程である。このような第2浸漬工程S104は、具体的には、第1乾燥膜633が形成されたガスセンサ素子本体100a(ガスセンサ素子100)の先端部100bを、第2スラリーS2に浸漬して、第1乾燥膜633の後側の端部633aが露出し、かつ検知部150を内包するように第1乾燥膜633上に第2スラリーS2からなる第2塗膜640を形成する工程である。
As shown in FIG. 7, the first drying step S103 is followed by the second immersion step S104. FIG. 13 is an explanatory diagram showing the contents of the second immersion step S104. The second immersion step S104 is an immersion step for forming the second
本実施形態の第2浸漬工程S104は、第1浸漬工程S101で使用したディッピング槽400とは別に用意された他のディッピング槽400Aを利用して行われる。ディッピング槽400Aの基本的な構成は、ディッピング槽400と同じである。ディッピング槽400Aに収容される第2スラリーS2は、第2保護層64を形成するためのスラリーであり、第2スラリーとしては、「第1スラリーS1と同じスラリー」、又は「第1スラリーS1の主成分と同種の分散質を含むスラリー」からなる。
The second immersion step S104 of this embodiment is performed using another
第2スラリーS2として、第1スラリーS1と同じスラリーを使用する場合、第1浸漬工程S101で使用する第1スラリーS1とは別に、第2スラリーS2として使用する第1スラリーS1が用意される。 When the same slurry as the first slurry S1 is used as the second slurry S2, the first slurry S1 to be used as the second slurry S2 is prepared separately from the first slurry S1 used in the first soaking process S101.
また、本明細書において、「第1スラリーS1の主成分と同種の分散質を含むスラリー」とは、第1スラリーS1を構成する成分のうち、分散媒(水)に分散される物質(分散質)について、同一の又は90%以上同じである分散質を含むスラリーを意味する。 In addition, in this specification, "a slurry containing the same type of dispersoid as the main component of the first slurry S1" means a slurry containing dispersoids that are the same or 90% or more the same as the substances (dispersoids) dispersed in the dispersion medium (water) among the components constituting the first slurry S1.
なお、第2スラリーS2に使用される分散媒は、第1スラリーS2に使用される分散媒と同じ種類であることが好ましい。 It is preferable that the dispersion medium used in the second slurry S2 is the same type as the dispersion medium used in the first slurry S2.
図13は、第2浸漬工程S104において、待機位置から下降したガスセンサ素子本体100aの先端部100bが、ディッピング槽400A内の第2スラリーS2に浸漬している状態を示す説明図である。第2浸漬工程S104が開始される前の状態において、ガスセンサ素子本体100aは、第1浸漬工程S101と同様、ディッピング槽400Aの上方の待機位置で待機している。その際のガスセンサ素子本体100aは、その長手方向(軸線L方向)に沿い、かつその先端部100bが下側を向く形で、所定の治具(不図示)を利用して固定されている。
Figure 13 is an explanatory diagram showing the state in which the
そして、第2浸漬工程S104が開始されると、図13に示されるように、ガスセンサ素子本体100aが下方に向かって移動すると、後述する第2厚み調整工程S105で使用される擦切型500Aの開口縁部503A内の貫通孔502Aを上側から下側へ通り抜ける。その際、第1乾燥膜633が形成された先端部100bは、開口縁部503Aと接触することなく、貫通孔502Aを通過する。その後、ガスセンサ素子本体100aは、更に、下方へ向かって移動し、先端部100bが、ディッピング槽400A内に収容されている第2スラリーS2中に浸漬される。第2スラリーS2中に浸漬する先端部100bの高さ位置は、ディッピング槽400Aの底と接触せず、かつ第1乾燥膜633の後側の端部633aが露出し、かつ検知部150を内包するように第1乾燥膜633上に第2スラリーS2からなる第2塗膜640が形成されるように設定される。より具体的には、第2スラリーS2が、軸線L方向において、ガスセンサ素子本体(棒状本体部)100aの先端面100cと、検知部150の後端からガスセンサ素子本体100aの後端側(つまり、図13の上側)に向かって、上述した第1長さL1よりも短い第2長さL2だけ離れた位置である第2基準位置M2との間R2を被覆するように、第2スラリーS2中に浸漬する先端部100bの高さ位置が設定される。このように設定されたガスセンサ素子本体100aの位置を、「第2浸漬位置」と称する。ガスセンサ素子本体100aは、必要に応じて、所定時間の間、第2浸漬位置で静止してもよいし、第2浸漬位置に到達した後、直ちに引き上げられてもよい。図13には、軸線L方向において、先端面100cに対応する位置が、符号M0で示されている。
When the second immersion step S104 is started, as shown in Fig. 13, the gas
なお、第2浸漬工程S104においても、第1浸漬工程S101と同様、待機位置と、その下方にあるディッピング槽400Aの内側の位置(第2浸漬位置)との間をガスセンサ素子本体100aが往復移動できるように構成されている。
In the second immersion step S104, as in the first immersion step S101, the gas
また、図13に示されるように、ディッピング槽400Aの上方の所定箇所に、第2浸漬工程後に行われる第2厚み調整工程(第2擦切工程)で使用される擦切型500A及び擦切刃600Aが配置されている。
As shown in FIG. 13, a cutting die 500A and a
以上のような第2浸漬工程S104により、ガスセンサ素子本体100aの先端部100bを、第2スラリーS2に浸漬することで、第1乾燥膜633の後側の端部633aが露出し、かつ検知部150を内包するように第1乾燥膜633上に、第2スラリーS2からなる第2塗膜640が形成される。
By the second immersion step S104 as described above, the
このような第2塗膜640は、軸線L方向において、ガスセンサ素子本体(棒状本体部)100aの先端面100cと、検知部150の後端からガスセンサ素子本体100aの後端側に向かって、上述した第1長さL1よりも短い第2長さL2だけ離れた位置である第2基準位置M2との間R2を被覆するように形成される。「第2長さL2」は、ガスセンサ素子本体100aの長手方向(軸線L方向)において、検知部150の後端から、ガスセンサ素子本体100aの後端側の範囲のうち、特に、耐被水性の確保の要求が高い範囲に基づいて定められる。
Such a
なお、第2塗膜640は、先端部100bのうち、ガスセンサ素子100の使用時において、第1乾燥膜633の端部633aが形成されている部分よりも温度が高くなる部分を被覆するように形成されている。
The
第2浸漬工程S104において、第2スラリーS2中に浸漬されたガスセンサ素子本体100aの先端部100bは、その後、引き上げられ、次の第2厚み調整工程S105に付される。
In the second immersion step S104, the
第2厚み調整工程S105は、ガスセンサ素子本体100aの先端部100bに付着した第2スラリーS2からなる第2塗膜640を擦り切って、第2塗膜640の一部を除去することで、第2塗膜640の厚みを調整する工程である。第2浸漬工程S104の後、先端部100bに形成されている第2塗膜640の厚みが、第2保護層64(外側多孔質保護層62)として必要な厚みを超えていると、その超えた分の塗膜が、第2厚み調整工程S105により除去される。
The second thickness adjustment process S105 is a process for adjusting the thickness of the
本明細書において、第2浸漬工程S104の後に、先端部100bに付着した第2塗膜640のうち、先端部100bの周面100dに形成された塗膜を、「第2周面塗膜641」と称し、また、先端部100bの先端面100cに形成された塗膜を、「第2先端塗膜642」と称する。本明細書では、軸線L方向において、先端部100bの先端面100cよりも先側にある塗膜を、第2先端塗膜642とする。
In this specification, the coating film formed on the
本実施形態の第2厚み調整工程S105は、上述した第1厚み調整工程S102と同様、先端部100bに付着した第2塗膜640のうち、先端部100bの周面100dに形成された第2周面塗膜641の一部(余分な塗膜)631aを、擦切型500Aを利用して除去する工程(周面擦切工程)と、先端部100bの先端面100cに形成された第2先端塗膜642の一部(余分な塗膜)を、擦切刃600Aを利用して除去する工程(先端面擦切工程)とを備えている。
The second thickness adjustment process S105 of this embodiment, like the first thickness adjustment process S102 described above, includes a process of removing a part (excess coating) 631a of the second
擦切型500Aの基本的な構成は、上述した第1厚み調整工程における擦切型500と同様であり、水平方向に沿うように配される板状の擦切本体部501Aと、この擦切本体部501Aの内側に、厚み方向に貫通する形で設けられた貫通孔502Aと、この貫通孔502Aを取り囲む開口縁部503Aとを備えている。
The basic configuration of the leveling die 500A is the same as that of the leveling die 500 in the first thickness adjustment process described above, and includes a plate-shaped
擦切刃600Aの基本的な構成も、上述した第1厚み調整工程における擦切刃600と同様である。擦切刃600Aは、図13に示されるように、貫通孔502Aと上下方向に重ならないように、貫通孔502Aよりも外側の位置に退避している。また、擦切刃600Aは、擦切型500Aの上面500Aa側に配されている。
The basic configuration of the
図14は、第2厚み調整工程S105において、擦切型500Aを利用して、ガスセンサ素子本体100aの先端部100bの周面100dに形成された第2周面塗膜641の一部(余分な塗膜)641aが除去される様子を示す説明図である。図14には、第2厚み調整工程S105における周面擦切工程の内容が示されている。第2浸漬工程S104の後、引き上げられたガスセンサ素子本体100aの先端部100bに、必要な厚みを超えた第2周面塗膜641が付着していると、その超えた分の塗膜(余分な塗膜)641aが、先端部100bが擦切型500Aの開口縁部503A内(貫通孔502A)を下側から上側へ通り抜ける際に、開口縁部503Aによって擦り切られる。このようにして、先端部100bが、開口縁部503A内を通過する際に、余分な塗膜641aが、必要な厚み分の第2周面塗膜641から分離される。
14 is an explanatory diagram showing how a part (excess coating) 641a of the second
擦切型500Aの開口縁部503Aの大きさ(貫通孔502Aの大きさ)は、第2浸漬工程S104において待機位置から下降する際に、ガスセンサ素子本体100aの先端部100bが通過できると共に、ガスセンサ素子本体100aを第2スラリーS2から引き上げる際に、第2保護層64を形成するために必要な厚みの第2塗膜640(第2周面塗膜641)が、先端部100bの第1乾燥膜633の周りに形成されるように設定されている。
The size of the opening
その後、ガスセンサ素子本体100aが、更に上方へ引き上げられ、擦切刃600Aを利用して、先端面100cに形成された第2先端塗膜642の一部が除去される。擦切刃600Aを利用して、第2先端塗膜642の厚みを調整する方法は、基本的に、第1厚み調整工程における擦切刃600を利用した第1先端塗膜632の厚みの調整方法と同じである。擦切刃600Aは、その先端部601Aが水平方向に沿って往復移動できるように、公知の往復機構等を利用して構成される。
Then, the gas
図15は、第2厚み調整工程後におけるガスセンサ素子本体100aの先端部100b付近の構成を拡大した縦断面図である。図15に示されるように、先端部100bに形成された内側乾燥膜613を覆うように、第1乾燥膜633が形成されている。そして、その第1乾燥膜633上に重ねるように、第2塗膜640が形成される。上述したように、第1乾燥膜633の後側の端部633aは、第2塗膜640で覆われず、第2塗膜640の端部640aよりも、ガスセンサ素子本体100aの後端側にはみ出した形となっている。
Figure 15 is an enlarged vertical cross-sectional view of the configuration of the gas
このように、第2塗膜640が第1乾燥膜633上に形成されると、第1乾燥膜633中に存在していた気泡が、第2塗膜640側へ移動し、その移動した気泡が第2塗膜640を突き破るように破裂することが抑制される。何故ならば、第2塗膜640中に含まれている一部の水分が、第1乾燥膜633中に浸み込むように移動してきても(符号70で示される矢印参照)、第1乾燥膜633中に存在している気泡は、第1乾燥膜633の後側の端部633aへ向かうように移動して、その端部633aから外部へ放出されるからである。第1乾燥膜633の後側の端部633aは、第2塗膜640で覆われていないため、第1乾燥膜633の端部633aを、第1乾燥膜633で発生した気泡の「放出口」として機能させることができる。
In this way, when the
第2厚み調整工程の後、図7に示されるように、第2乾燥工程S106が行われる。第2乾燥工程は、第2塗膜640を乾燥して、端部633aが露出するように、第1乾燥膜633上に第2乾燥膜643を形成する工程である。この第2乾燥工程S106を経ることにより、第2塗膜640が乾燥して、第2乾燥膜643となる。
After the second thickness adjustment process, a second drying process S106 is performed as shown in FIG. 7. The second drying process is a process of drying the
第2乾燥工程S106は、上述した第1乾燥工程S103と同様、例えば、加温槽に収容し、80~120℃の温度条件で、1~5分間、加熱することで行われる。図16は、第2乾燥工程S106後のガスセンサ素子本体100aの先端側を模式的に表した説明図である。図16に示されるように、ガスセンサ素子本体100aの先端部100bには、第2乾燥膜643が形成されている。軸線L方向(長手方向)において、ガスセンサ素子本体(棒状本体部)100aの先端面100cと、検知部150の後端からガスセンサ素子本体100aの後端側に向かって、上述した第1長さl1よりも短い第2長さL2だけ離れた位置である第2基準位置M2との間R2を被覆するように、第2乾燥膜643が形成される。図16には、軸線L方向において、先端面100cに対応する位置が符号M0で示されている。また、図16には、第2基準位置M2に、第2乾燥膜643の後側の端部643aが示され、第1基準位置M1に、第1乾燥膜633の後側の端部633aが示されている。
The second drying step S106 is performed, for example, by placing the gas
図17は、図16に示される第2乾燥工程S106後のガスセンサ素子本体100aの縦断面図である。図17には、軸線L方向に沿って切断されたガスセンサ素子本体100aの断面構成が模式的に示されている。長手方向(軸線L方向)において、ガスセンサ素子本体100aの先端面100c(位置M0)から、第2基準位置M2までの範囲Haは、第2基準位置M2から第1基準位置M1までの範囲Hbと比べて、ガスセンサ1の使用時に、ヒータ部200の発熱により、温度が高くなる。このような範囲Haを被覆するように、ガスセンサ1の第2保護層64を形成するための第2塗膜640(第2乾燥膜643)が形成される。
Figure 17 is a longitudinal cross-sectional view of the gas
続いて、図7に示されるように、第2乾燥工程S106の後、焼成工程S107が行われる。焼成工程S107は、第1乾燥膜633及び第2乾燥膜643を焼成して、先端部100bに、多孔質保護層60を構成する第1乾燥膜633及び第2乾燥膜643の焼結体を形成する工程である。焼成工程における焼成温度、焼成時間等の諸条件は、第1乾燥膜633及び第2乾燥膜643等が焼結されて、多孔質保護層60が得られるのであれば特に制限はなく、目的に応じて適宜、設定される。焼成工程は、例えば、1080℃で、3時間の条件で実施される。
As shown in FIG. 7, the second drying step S106 is followed by the firing step S107. The firing step S107 is a step of firing the first
この焼成工程S107により、第1乾燥膜633は、焼成後、第1保護層63となり、第2乾燥膜643は、焼成後、第2保護層64となる。つまり、第1乾燥膜633及び第2乾燥膜643が焼成されると、第1保護層63及び第2保護層64からなる外側多孔質保護層62となる。また、焼成工程S107により、内側乾燥膜613は、焼成後、内側多孔質保護層61となる(図3~図6参照)。
By this firing step S107, the first
以上のように、本実施形態のガスセンサ素子の製造方法では、第1浸漬工程S101、第1厚み調整工程S102、第1乾燥工程S103、第2浸漬工程S104、第2厚み調整工程S105、第2乾燥工程S106及び焼成工程S107を経ることで、ガスセンサ素子本体100aの先端部100bに、多孔質保護層60が形成されたガスセンサ素子100が得られる。
As described above, in the manufacturing method of the gas sensor element of this embodiment, the
特に、本実施形態のガスセンサ素子の製造方法では、第2浸漬工程S104において、第2塗膜640を形成する際、第1乾燥膜633の後側の端部633aが露出するように、第1乾燥膜633上に第2塗膜640を形成するため、気泡に由来する欠陥が抑制された、耐被水性に優れる多孔質保護層60を備えたガスセンサ素子100が得られる。
In particular, in the manufacturing method of the gas sensor element of this embodiment, when forming the
<他の実施形態>
本発明は上記記述及び図面によって説明した実施形態に限定されるものではなく、例えば次のような実施形態も本発明の技術的範囲に含まれる。
<Other embodiments>
The present invention is not limited to the embodiments described above and illustrated in the drawings, and the following embodiments, for example, are also included within the technical scope of the present invention.
(1)上記実施形態1では、ガスセンサ素子本体の先端部に形成される多孔質保護層が、内側多孔質保護層を備えるものであったが、本発明の目的を損なわない限り、例えば、他の実施形態においては、第1塗膜が、ガスセンサ素子本体の先端部上に直接、形成されるような構成であってもよい。
(1) In the
(2)上記実施形態1では、第1浸漬工程において、ガスセンサ素子本体の先端部上に、1回のディッピング(浸漬工程)により、第1塗膜を形成していたが、本発明の目的を損なわない限り、例えば、他の実施形態において、第1浸漬工程として、第1塗膜の厚みを確保等する目的で、第1スラリーに対して、ガスセンサ素子本体の先端部を複数回浸漬してもよい。
(2) In the above-mentioned
(3)上記実施形態1では、第2浸漬工程において、ガスセンサ素子本体の先端部上に、1回のディッピング(浸漬工程)により、第2塗膜を形成していたが、本発明の目的を損なわない限り、例えば、他の実施形態において、第2浸漬工程として、第2塗膜の厚みを確保等する目的で、第2スラリーに対して、ガスセンサ素子本体の先端部を複数回浸漬してもよい。
(3) In the
1…ガスセンサ、60…多孔質保護層、61…内側多孔質保護層、62…外側多孔質保護層、63…第1保護層、63a…端部、64…第2保護層、100…ガスセンサ素子、100a…ガスセンサ素子本体(棒状本体部)、100b…先端部、150…検知部、630…第1塗膜、633…第1乾燥膜、633a…端部、640…第2塗膜、643…第2乾燥膜、S1…第1スラリー、S2…第2スラリー、S101…第1浸漬工程、S103…第1乾燥工程、S104…第2浸漬工程、S106…第2乾燥工程、S107…焼成工程 1...gas sensor, 60...porous protective layer, 61...inner porous protective layer, 62...outer porous protective layer, 63...first protective layer, 63a...end, 64...second protective layer, 100...gas sensor element, 100a...gas sensor element body (rod-shaped body), 100b...tip, 150...detection part, 630...first coating film, 633...first dry film, 633a...end, 640...second coating film, 643...second dry film, S1...first slurry, S2...second slurry, S101...first immersion step, S103...first drying step, S104...second immersion step, S106...second drying step, S107...firing step
Claims (11)
前記先端部を第1スラリーに浸漬して、前記検知部を内包するように前記先端部に前記第1スラリーからなる第1塗膜を形成する第1浸漬工程と、
前記第1塗膜を乾燥して前記先端部に第1乾燥膜を形成する第1乾燥工程と、
前記第1乾燥膜が形成された前記先端部を、前記第1スラリーと同じ第2スラリーに浸漬して、前記第1乾燥膜の後側の端部が露出し、かつ前記検知部を内包するように前記第1乾燥膜上に前記第2スラリーからなる第2塗膜を形成する第2浸漬工程と、
前記第2塗膜を乾燥して、前記端部が露出するように前記第1乾燥膜上に第2乾燥膜を形成する第2乾燥工程と、
前記第1乾燥膜及び前記第2乾燥膜を焼成して、前記先端部に、前記多孔質保護層を構成する前記第1乾燥膜及び前記第2乾燥膜の焼結体を形成する焼成工程とを備えるガスセンサ素子の製造方法。 A method for manufacturing a gas sensor element comprising a rod-shaped body portion extending from front to back and including a detection portion at a tip end thereof for detecting a specific gas component, and a porous protective layer covering the tip end, comprising:
a first dipping step of dipping the tip portion into a first slurry to form a first coating film made of the first slurry on the tip portion so as to encapsulate the detection portion;
a first drying step of drying the first coating film to form a first dry film on the tip portion;
a second immersion step of immersing the tip portion on which the first dry film is formed in a second slurry that is the same as the first slurry, to form a second coating film made of the second slurry on the first dry film so that a rear end of the first dry film is exposed and the detection unit is enclosed therein;
a second drying step of drying the second coating film to form a second dry film on the first dry film so that the end portion is exposed;
and a firing step of firing the first dry film and the second dry film to form a sintered body of the first dry film and the second dry film that constitute the porous protective layer at the tip portion.
前記第2浸漬工程において、前記第2塗膜は、前記先端面と、前記検知部から前記棒状本体部の後端側に向かって前記第1長さよりも短い第2長さだけ離れた第2基準位置との間を被覆するように形成される請求項1に記載のガスセンサ素子の製造方法。 In the first immersion step, the first coating film is formed so as to cover an area between a tip surface of the rod-shaped main body and a first reference position that is a predetermined first length away from the detection unit toward a rear end side of the rod-shaped main body,
2. The method for manufacturing a gas sensor element according to claim 1, wherein in the second immersion step, the second coating film is formed so as to cover an area between the tip surface and a second reference position that is spaced from the detection portion by a second length that is shorter than the first length toward a rear end side of the rod-shaped main body.
前記第1浸漬工程において、前記第1スラリーに浸漬される前記先端部には、前記内側多孔質保護層を形成するための内側乾燥膜が前記検知部を内包するように予め形成されており、前記第1スラリーからなる前記第1塗膜は、前記先端部の前記内側乾燥膜を覆うように形成される請求項1から請求項3の何れか一項に記載のガスセンサ素子の製造方法。 the porous protective layer has an outer porous protective layer made of the sintered body of the first dry film and the second dry film, and an inner porous protective layer interposed between the outer porous protective layer and the tip portion and formed on the tip portion so as to enclose the detection portion;
4. The method for manufacturing a gas sensor element according to claim 1, wherein in the first immersion step, an inner dry film for forming the inner porous protective layer is pre-formed on the tip portion immersed in the first slurry so as to enclose the detection portion, and the first coating film made of the first slurry is formed so as to cover the inner dry film of the tip portion.
前記多孔質保護層は、少なくとも軸線方向において前記検知部が設けられた領域に全周に亘って形成された第1保護層と、主成分が前記第1保護層と同種であり、少なくとも前記軸線方向において前記検知部が設けられた領域に設けられると共に、前記第1保護層の後側の端部が露出するように前記第1保護層の外側に設けられた第2保護層とを有し、
前記第1保護層の気孔率と前記第2保護層の気孔率とは、互いに同程度であるガスセンサ素子。 A gas sensor element comprising a rod-shaped body portion extending from front to back and including a detection portion at a tip end thereof for detecting a specific gas component, and a porous protective layer covering the tip end,
the porous protective layer includes a first protective layer formed around the entire circumference at least in the axial direction in a region where the detection section is provided, and a second protective layer having the same main component as the first protective layer, provided at least in the axial direction in a region where the detection section is provided, and provided outside the first protective layer so that a rear end of the first protective layer is exposed;
The gas sensor element, wherein the porosity of the first protective layer and the porosity of the second protective layer are approximately the same.
前記第2保護層は、前記先端面と、前記検知部から前記棒状本体部の後端側に向かって前記第1長さよりも短い第2長さだけ離れた第2基準位置との間を被覆するように形成される請求項7に記載のガスセンサ素子。 the first protective layer is formed so as to cover an area between a tip surface of the rod-shaped main body and a first reference position that is a predetermined first length away from the detection unit toward a rear end side of the rod-shaped main body,
8. The gas sensor element according to claim 7, wherein the second protective layer is formed so as to cover an area between the tip surface and a second reference position that is spaced from the detection portion by a second length that is shorter than the first length toward a rear end side of the rod-shaped main body.
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