JP7772682B2 - Sensor element, gas sensor, and method of manufacturing sensor element - Google Patents
Sensor element, gas sensor, and method of manufacturing sensor elementInfo
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Description
本発明は、例えば燃焼器や内燃機関等の燃焼ガスや排気ガス中に含まれる特定ガスのガス濃度を検出するのに好適に用いられるセンサ素子、ガスセンサ及びセンサ素子の製造方法に関する。 The present invention relates to a sensor element, gas sensor, and method for manufacturing a sensor element that are suitable for use in detecting the concentration of a specific gas contained in combustion gas or exhaust gas from, for example, a combustor or internal combustion engine.
従来から、内燃機関の排気ガス中の特定成分(酸素等)の濃度を検出するためのガスセンサが用いられている。このガスセンサは自身の内部にセンサ素子を有し、センサ素子は、固体電解質体と一対の電極とからなる検出素子部を有している。ここで、センサ素子は排気ガス中に含まれるシリコンやリンなどの被毒物質に晒されたり、排気ガス中の水滴が付着することがあるため、センサ素子の外表面には、被毒物質を捕捉したり、水滴がセンサ素子に直接接触しないよう多孔質保護層が被覆されている。つまり、上記の積層体のうち測定対象ガス(排気ガス)に晒される先端部の全周を、多孔質保護層にて被覆している(特許文献1参照)。 Gas sensors have traditionally been used to detect the concentration of specific components (such as oxygen) in the exhaust gas of internal combustion engines. These gas sensors contain a sensor element, which has a detection element portion consisting of a solid electrolyte and a pair of electrodes. Because the sensor element may be exposed to poisonous substances such as silicon and phosphorus contained in the exhaust gas, or to water droplets in the exhaust gas, the outer surface of the sensor element is coated with a porous protective layer to capture the poisonous substances and prevent water droplets from coming into direct contact with the sensor element. In other words, the entire circumference of the tip portion of the laminate, which is exposed to the gas to be measured (exhaust gas), is coated with a porous protective layer (see Patent Document 1).
なお、センサ素子の内部には、上記一対の電極のうち一方の電極が臨む測定室が形成されており、測定対象ガスは外部から測定室に導入される。又、測定室と外部との間には拡散抵抗部が介在し、測定室に導入される測定対象ガスの拡散速度を調整している。従って、多孔質保護層は拡散抵抗部に直接接することとなる。 A measurement chamber is formed inside the sensor element, facing one of the pair of electrodes, and the measurement target gas is introduced into the measurement chamber from the outside. A diffusion resistance section is interposed between the measurement chamber and the outside, adjusting the diffusion rate of the measurement target gas introduced into the measurement chamber. Therefore, the porous protective layer is in direct contact with the diffusion resistance section.
図8に示すように、多孔質保護層は、セラミック粒子2と焼失性カーボン等の造孔材410とを混合したコート液400xをセンサ素子の拡散抵抗部115付近の外表面に塗布した後、乾燥及び焼成して製造する。造孔材410は焼成時に焼失して気孔となり、一方でセラミック粒子2は結合して多孔質保護層の網目構造の骨格となる。
ここで、コート液400xを塗布すると水分は液透過性の拡散抵抗部115に吸収され、コート液21x中のセラミック粒子2及び造孔材410も、図8の矢印に示すように拡散抵抗部115に向かって凝集する傾向にある。
8, the porous protective layer is produced by applying a coating liquid 400x, which is a mixture of ceramic particles 2 and a pore-forming material 410 such as burnable carbon, to the outer surface of the sensor element in the vicinity of the diffusion resistance portion 115, followed by drying and firing. The pore-forming material 410 is burned away during firing to form pores, while the ceramic particles 2 are bonded together to form the skeleton of the network structure of the porous protective layer.
Here, when the coating liquid 400x is applied, the moisture is absorbed into the liquid-permeable diffusion resistance portion 115, and the ceramic particles 2 and pore-forming material 410 in the coating liquid 21x also tend to aggregate toward the diffusion resistance portion 115, as shown by the arrows in Figure 8.
しかしながら、造孔材410の平均粒径がセラミック粒子2の平均粒径に比べて相対的に大きくなり過ぎると、大径の造孔材410の周囲に形成された大きな隙間G1に、小径のセラミック粒子2が多量に凝集する。一方、他の小さな隙間G2にはセラミック粒子2があまり凝集せず、結果として焼成後に形成される骨格の太さや、骨格間の気孔の分布が不均一になる。これに伴い、多孔質保護層を透過して測定室へ入る排気ガスの流れが局所的にバラつき、検出精度の低下を招くおそれがある。 However, if the average particle size of the pore-forming material 410 becomes too large relative to the average particle size of the ceramic particles 2, a large amount of small-diameter ceramic particles 2 will aggregate in the large gaps G1 formed around the large-diameter pore-forming material 410. Meanwhile, few ceramic particles 2 will aggregate in the other small gaps G2, resulting in unevenness in the thickness of the skeleton formed after firing and the distribution of pores between the skeletons. This can lead to localized variations in the flow of exhaust gas that passes through the porous protective layer and enters the measurement chamber, potentially reducing detection accuracy.
そこで、本発明は、多孔質保護層に起因する検出精度の低下を抑制したセンサ素子、ガスセンサ及びセンサ素子の製造方法の提供を目的とする。 The present invention therefore aims to provide a sensor element, a gas sensor, and a method for manufacturing a sensor element that suppresses the reduction in detection accuracy caused by the porous protective layer.
上記課題を解決するため、本発明のセンサ素子は、固体電解質体と該固体電解質体に配置された一対の電極とを有するセルを少なくとも1つ設けた検出素子部と、前記一対の電極のうち一方の電極が臨む測定室と、測定対象ガスを外部から前記測定室へ導入する拡散抵抗部と、を備えるセンサ素子において、さらに、前記拡散抵抗部に直接接しつつ少なくとも前記拡散抵抗部を被覆する多孔質保護層を備え、前記多孔質保護層は、骨格となるセラミック粒子と、前記セラミック粒子の隙間で形成される気孔とを有し、(前記気孔の平均径D1(nm)/前記セラミック粒子の累積個数が50%となる粒子径D2(nm))で表される径比Rが100以下で、前記気孔の最大径M1(μm)が前記気孔の平均径D1(μm)の2倍未満であることを特徴とする。 In order to achieve the above object, the present invention provides a sensor element comprising: a detection element portion provided with at least one cell having a solid electrolyte body and a pair of electrodes disposed on the solid electrolyte body; a measurement chamber to which one of the pair of electrodes faces; and a diffusion resistance portion for introducing a gas to be measured from the outside into the measurement chamber, the sensor element further comprising a porous protective layer in direct contact with the diffusion resistance portion and covering at least the diffusion resistance portion, the porous protective layer having ceramic particles forming a skeleton and pores formed in the gaps between the ceramic particles, a diameter ratio R expressed as (average diameter D1 (nm) of the pores/particle diameter D2 (nm) at which the cumulative number of the ceramic particles is 50%) being 100 or less , and a maximum diameter M1 (μm) of the pores being less than twice the average diameter D1 (μm) of the pores .
このセンサ素子によれば、径比Rが100以下であるので、多孔質保護層を形成するためのコート液に含まれ、消失して気孔となる造孔材の平均径(D1に相当)がセラミック粒子の粒子径D2に比べて相対的に大きくなり過ぎず、隣接する造孔材の周囲に形成された複数の隙間の大きさが均等になる。すると、セラミック粒子が各隙間に均等に凝集(分散)すると共に、セラミック粒子が存在出来る空間(各隙間)の大きさが制限されるため、セラミック粒子の凝集体が大きくなり難くなる。
その結果、コート液の焼成後に形成される骨格の太さや、骨格間の気孔の分布も均一になる。これにより、多孔質保護層を透過して測定室へ入る測定対象ガスの流れが局所的にバラつかず、検出精度の低下を抑制することができる。
また、このセンサ素子によれば、造孔材の粒度分布がよりシャープとなり、上述の隙間の大きさがさらに均等になるので、気孔の分布もさらに均一になる。
In this sensor element, the diameter ratio R is 100 or less, so that the average diameter (corresponding to D1) of the pore-forming material that is contained in the coating liquid for forming the porous protective layer and disappears to become pores does not become too large relative to the particle diameter D2 of the ceramic particles, and the sizes of the multiple gaps formed around adjacent pore-forming materials become uniform. As a result, the ceramic particles aggregate (disperse) evenly in each gap, and the size of the space (each gap) in which the ceramic particles can exist is limited, making it difficult for the ceramic particle aggregates to become large.
As a result, the thickness of the skeleton formed after baking the coating liquid and the distribution of pores between the skeletons are uniform, which prevents local variations in the flow of the target gas that passes through the porous protective layer and enters the measurement chamber, thereby preventing a decrease in detection accuracy.
Furthermore, with this sensor element, the particle size distribution of the pore-forming material becomes sharper, and the size of the above-mentioned gaps becomes more uniform, so that the distribution of pores also becomes more uniform.
本発明のセンサ素子において、前記気孔の平均径D1が15μm以下、及び/又は前記粒子径D2が150nm以上であってもよい。
粒子径D1が15μmを超えると、得られた多孔質保護層の気孔が大きくなり過ぎ、外部からの被水や被毒を十分に抑制し難くなることがある。又、粒子径D2が150nm未満であると、粒子径が細かくなり過ぎ、粉末としてのハンドリングや、コート液の調製がし難くなることがある。
そこで、このセンサ素子によれば、このような不具合を抑制できる。
In the sensor element of the present invention, the average pore diameter D1 may be 15 μm or less, and/or the particle diameter D2 may be 150 nm or more.
If the particle diameter D1 exceeds 15 μm, the pores of the resulting porous protective layer will be too large, making it difficult to sufficiently suppress water exposure or poisoning from the outside. If the particle diameter D2 is less than 150 nm, the particle diameter will be too small, making it difficult to handle the powder or to prepare a coating liquid.
Therefore, this sensor element can suppress such problems.
本発明のガスセンサは、被測定ガス中の特定ガス成分の濃度を検出するセンサ素子と、該センサ素子を保持するハウジングとを備えるガスセンサにおいて、前記センサ素子は、請求項1~3のいずれかに記載のガスセンサ素子を用いることを特徴とする。 The gas sensor of the present invention comprises a sensor element that detects the concentration of a specific gas component in a gas to be measured and a housing that holds the sensor element, and is characterized in that the sensor element is a gas sensor element described in any one of claims 1 to 3.
本発明のセンサ素子の製造方法は、固体電解質体と該固体電解質体に配置された一対の電極とを有するセルを少なくとも1つ設けた検出素子部と、前記一対の電極のうち一方の電極が臨む測定室と、測定対象ガスを外部から前記測定室へ導入する拡散抵抗部と、を備えるセンサ素子の製造方法において、セラミック粒子と、造孔材とを混合したコート液を調製するコート液調製工程と、前記コート液を、前記拡散抵抗部に直接接しつつ前記センサ素子の外表面で前記検出素子部を被覆するように塗布する塗布工程と、塗布された前記コート液を乾燥及び焼成して前記造孔材を消失させ、骨格となる前記セラミック粒子と、前記造孔材の焼失部位に形成される気孔とを有する多孔質保護層を形成する多孔質保護層形成工程と、を有し、前記コート液として、(前記造孔材の平均径径D3(nm)/前記セラミック粒子の累積個数が50%となる粒子径D2(nm))で表される径比Rを100以下とし、前記造孔材の最大径(μm)を前記造孔材の平均径D3(μm)の2倍未満とすることを特徴とする。 The method for manufacturing a sensor element of the present invention includes a detection element portion provided with at least one cell having a solid electrolyte body and a pair of electrodes disposed on the solid electrolyte body, a measurement chamber to which one of the pair of electrodes faces, and a diffusion resistance portion for introducing a gas to be measured from the outside into the measurement chamber, the method comprising the steps of: preparing a coating liquid by mixing ceramic particles and a pore-forming material; and applying the coating liquid to the outer surface of the sensor element so as to cover the detection element portion with the coating liquid while being in direct contact with the diffusion resistance portion. and a porous protective layer forming step of drying and baking the applied coating liquid to eliminate the pore-forming material and form a porous protective layer having the ceramic particles that form a skeleton and pores that are formed in the burned-out portions of the pore-forming material, wherein the coating liquid has a diameter ratio R expressed as (average diameter D3 (nm) of the pore-forming material/particle diameter D2 (nm) at which the cumulative number of the ceramic particles is 50%) of 100 or less, and the maximum diameter (μm) of the pore-forming material is less than twice the average diameter D3 (μm) of the pore-forming material .
この発明によれば、多孔質保護層に起因する検出精度の低下を抑制したセンサ素子が得られる。 This invention provides a sensor element that suppresses the reduction in detection accuracy caused by the porous protective layer.
以下、本発明の実施形態について説明する。
図1は本発明の実施形態に係るガスセンサ(酸素センサ)1の長手方向(軸線L方向)に沿う断面図、図2は検出素子部300及びヒータ部200の模式分解斜視図、図3は検出素子部300の軸線L方向に直交する断面図である。
Hereinafter, an embodiment of the present invention will be described.
FIG. 1 is a cross-sectional view along the longitudinal direction (axis L direction) of a gas sensor (oxygen sensor) 1 according to an embodiment of the present invention, FIG. 2 is a schematic exploded perspective view of a detection element portion 300 and a heater portion 200, and FIG. 3 is a cross-sectional view perpendicular to the axis L direction of the detection element portion 300.
図1に示すように、ガスセンサ1は、検出素子部300及び検出素子部300に積層されるヒータ部200から構成されるセンサ素子100、センサ素子100等を内部に保持する主体金具(特許請求の範囲の「ハウジング」に相当)30、主体金具30の先端部に装着されるプロテクタ24等を有している。センサ素子100は軸線L方向に延びるように配置されている。 As shown in FIG. 1, the gas sensor 1 includes a sensor element 100 composed of a detection element portion 300 and a heater portion 200 laminated on the detection element portion 300, a metal shell (corresponding to the "housing" in the claims) 30 that holds the sensor element 100 and other components inside, and a protector 24 attached to the tip of the metal shell 30. The sensor element 100 is arranged to extend in the direction of the axis L.
ヒータ部200は、図2に示すように、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を有している。発熱体102は、先端側に位置する発熱部102aと、発熱部102aから第1基体101の長手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の端末は、第1基体101に設けられ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と電気的に接続している。第1基体101及び第2基体102を積層したものが絶縁セラミック体にあたる。 As shown in FIG. 2, the heater section 200 comprises a first base 101 and a second base 103, each made primarily of alumina, and a heating element 102, made primarily of platinum, sandwiched between the first base 101 and the second base 103. The heating element 102 comprises a heating portion 102a located at the tip end and a pair of heater leads 102b extending from the heating portion 102a along the longitudinal direction of the first base 101. The terminals of the heater leads 102b are electrically connected to the heater-side pads 120 via conductors formed in heater-side through holes 101a provided in the first base 101. The laminate of the first base 101 and the second base 102 constitutes an insulating ceramic body.
検出素子部300は、酸素濃度検出セル130と酸素ポンプセル140とを備える。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とから形成されている。第1電極104は、第1電極部104aと、第1電極部104aから第1固体電解質体105の長手方向に沿って延びる第1リード部104bとから形成されている。第2電極106は、第2電極部106aと、第2電極部106aから第1固体電解質体105の長手方向に沿って延びる第2リード部106bとから形成されている。
なお、酸素濃度検出セル130と酸素ポンプセル140とが、それぞれ特許請求の範囲の「セル」に相当する。又、第2電極106及び後述する第3電極108が、それぞれ特許請求の範囲の「一方の電極」に相当する。
The detection element unit 300 includes an oxygen concentration detection cell 130 and an oxygen pump cell 140. The oxygen concentration detection cell 130 is formed from a first solid electrolyte body 105 and a first electrode 104 and a second electrode 106 formed on both sides of the first solid electrolyte body 105. The first electrode 104 is formed from a first electrode portion 104a and a first lead portion 104b extending from the first electrode portion 104a along the longitudinal direction of the first solid electrolyte body 105. The second electrode 106 is formed from a second electrode portion 106a and a second lead portion 106b extending from the second electrode portion 106a along the longitudinal direction of the first solid electrolyte body 105.
The oxygen concentration detection cell 130 and the oxygen pump cell 140 each correspond to a "cell" in the claims. The second electrode 106 and a third electrode 108 (described later) each correspond to a "one electrode" in the claims.
そして、第1リード部104bの端末は、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と電気的に接続する。一方、第2リード部106bの端末は、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と電気的に接続する。 The terminal of the first lead portion 104b is electrically connected to the detection element side pad 121 via conductors formed in the first through hole 105a provided in the first solid electrolyte body 105, the second through hole 107a provided in the insulating layer 107 (described below), the fourth through hole 109a provided in the second solid electrolyte body 109, and the sixth through hole 111a provided in the protective layer 111. On the other hand, the terminal of the second lead portion 106b is electrically connected to the detection element side pad 121 via conductors formed in the third through hole 107b provided in the insulating layer 107 (described below), the fifth through hole 109b provided in the second solid electrolyte body 109, and the seventh through hole 111b provided in the protective layer 111.
一方、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、第4電極110とから形成されている。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の長手方向に沿って延びる第3リード部108bとから形成されている。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の長手方向に沿って延びる第4リード部110bとから形成されている。 On the other hand, the oxygen pump cell 140 is formed from a second solid electrolyte body 109 and a third electrode 108 and a fourth electrode 110 formed on both sides of the second solid electrolyte body 109. The third electrode 108 is formed from a third electrode portion 108a and a third lead portion 108b extending from the third electrode portion 108a along the longitudinal direction of the second solid electrolyte body 109. The fourth electrode 110 is formed from a fourth electrode portion 110a and a fourth lead portion 110b extending from the fourth electrode portion 110a along the longitudinal direction of the second solid electrolyte body 109.
そして、第3リード部108bの端末は、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と電気的に接続する。一方、第4リード部110bの端末は、後述する保護層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と電気的に接続する。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 terminal of the third lead portion 108b is electrically connected to the detection element side pad 121 via conductors formed in the fifth through hole 109b in the second solid electrolyte body 109 and the seventh through hole 111b in the protective layer 111. Meanwhile, the terminal of the fourth lead portion 110b is electrically connected to the detection element side pad 121 via a conductor formed in the eighth through hole 111c in the protective layer 111 (described below). The second lead portion 106b and the third lead portion 108b are at the same potential.
これら第1固体電解質体105、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ている。 The first solid electrolyte body 105 and the second solid electrolyte body 109 are made of a partially stabilized zirconia sintered body obtained by adding yttria (Y 2 O 3 ) or calcia (CaO) as a stabilizer to zirconia (ZrO 2 ).
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、Rh、Pd等を挙げることができ、これらはその一種を単独で使用することもできるし、又二種以上を併用することもできる。 The heating element 102, first electrode 104, second electrode 106, third electrode 108, fourth electrode 110, heater side pad 120, and detection element side pad 121 can be formed from a platinum group element. Suitable platinum group elements for forming these include Pt, Rh, and Pd, and these can be used alone or in combination of two or more.
もっとも、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、耐熱性及び耐酸化性を考慮するとPtを主体にして形成することがより一層好ましい。さらに、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、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、固着という観点から、積層される側の主体となる材料(例えば、第1固体電解質体105、第2固体電解質体109の主体となる成分)と同様の成分であることが好ましい。 However, in consideration of heat resistance and oxidation resistance, it is even more preferable that the heating element 102, first electrode 104, second electrode 106, third electrode 108, fourth electrode 110, heater side pad 120, and detection element side pad 121 be formed primarily from Pt. Furthermore, it is preferable that the heating element 102, first electrode 104, second electrode 106, third electrode 108, fourth electrode 110, heater side pad 120, and detection element side pad 121 contain a ceramic component in addition to the platinum group element that constitutes the primary component. From the standpoint of adhesion, it is preferable that this ceramic component be the same component as the primary material of the laminated side (e.g., the primary component of the first solid electrolyte body 105 and the second solid electrolyte body 109).
そして、上記酸素ポンプセル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、該連通部分には、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。 An insulating layer 107 is formed between the oxygen pump cell 140 and the oxygen concentration detection cell 130. The insulating layer 107 consists of an insulating portion 114 and a diffusion resistance portion 115. A hollow measurement chamber 107c is formed in the insulating portion 114 of the insulating layer 107 at a position corresponding to the second electrode portion 106a and the third electrode portion 108a. This measurement chamber 107c is connected to the outside in the width direction of the insulating layer 107, and a diffusion resistance portion 115 is disposed in this communication portion to realize gas diffusion between the outside and the measurement chamber 107c under predetermined rate-limiting conditions.
絶縁部114は、絶縁性を有するセラミック焼結体であれば特に限定されなく、例えば、アルミナやムライト等の酸化物系セラミックを挙げることができる。 The insulating portion 114 is not particularly limited as long as it is a ceramic sintered body with insulating properties, and examples include oxide ceramics such as alumina and mullite.
拡散抵抗部115は、アルミナからなる多孔質体である。この拡散抵抗部115によって検出ガスが測定室107cへ流入する際の律速が行われる。 The diffusion resistance portion 115 is a porous body made of alumina. This diffusion resistance portion 115 regulates the flow rate of the detection gas into the measurement chamber 107c.
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、本実施の形態のセンサ素子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に相当する。
A protective layer 111 is formed on the surface of the second solid electrolyte body 109 so as to sandwich the fourth electrode 110. This protective layer 111 is composed of a porous electrode protective portion 113a that sandwiches the fourth electrode portion 110a to protect the fourth electrode portion 110a from poisoning, and a reinforcing portion 112 that sandwiches the fourth lead portion 110b to protect the second solid electrolyte body 109.
In addition, the sensor element 100 of this embodiment corresponds to an oxygen sensor element in which the direction and magnitude of the current flowing between the electrodes of the oxygen pump cell 140 are adjusted so that the voltage (electromotive force) generated between the electrodes of the oxygen concentration detection cell 130 becomes a predetermined value (e.g., 450 mV), and the oxygen concentration in the measured gas is linearly detected in accordance with the current flowing through the oxygen pump cell 140.
図1に戻り、主体金具30は、SUS430製のものであり、ガスセンサ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あてがう六角部32とを有している。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、この金具側段部33はセンサ素子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の後端に渡って配置される第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、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、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、軸線に沿うように軸孔39aが設けられ、内部にセンサ素子100を挿通している。そして、主体金具30の後端側の加締め部30aが内側に折り曲げられており、ステンレス製のリング部材40を介してスリーブ39が主体金具30の先端側に押圧されている。 Returning to Figure 1, the metal shell 30 is made of SUS430 stainless steel and has a male threaded portion 31 for attaching the gas sensor to the exhaust pipe and a hexagonal portion 32 to which an installation tool is applied during installation. The metal shell 30 also has a metal-side step 33 that protrudes radially inward. This metal-side step 33 supports a metal holder 34 for holding the sensor element 100. Inside the metal holder 34, a ceramic holder 35 and talc 36 are arranged, in that order from the front end. The talc 36 consists of a first talc 37 arranged within the metal holder 34 and a second talc 38 arranged across the rear end of the metal holder 34. The first talc 37 is compressed and filled within the metal holder 34, thereby fixing the sensor element 100 to the metal holder 34. The second talc 38 is compressed and filled within the metal shell 30, thereby ensuring a seal between the outer surface of the sensor element 100 and the inner surface of the metal shell 30. An alumina sleeve 39 is positioned on the rear end of the second talc 38. This sleeve 39 is formed in a multi-stage cylindrical shape, has an axial hole 39a along its axis, and the sensor element 100 is inserted inside. The crimped portion 30a on the rear end of the metal shell 30 is bent inward, and the sleeve 39 is pressed against the front end of the metal shell 30 via a stainless steel ring member 40.
また、主体金具30の先端側外周には、主体金具30の先端から突出するセンサ素子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。このプロテクタ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、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。 A metal protector 24, which covers the tip of the sensor element 100 protruding from the tip of the metal shell 30 and has multiple gas intake holes 24a, is attached by welding to the outer periphery of the tip of the metal shell 30. This protector 24 has a double structure, with an outer protector 41 on the outside that is cylindrical and has a uniform outer diameter, and an inner protector 42 on the inside that is cylindrical and has a bottom, with the outer diameter of the rear end 42a formed larger than the outer diameter of the tip end 42b.
一方、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。この外筒25は先端側の拡径した先端部25aを主体金具30にレーザ溶接等により固定している。外筒25の後端側内部には、セパレータ50が配置され、セパレータ50と外筒25の隙間に保持部材51が介在している。この保持部材51は、後述するセパレータ50の突出部50aに係合し、外筒25を加締めることにより外筒25とセパレータ50とにより固定されている。 Meanwhile, the front end of an outer tube 25 made of SUS430 is inserted into the rear end of the metal shell 30. The enlarged front end portion 25a of this outer tube 25 is fixed to the metal shell 30 by laser welding or the like. A separator 50 is disposed inside the rear end of the outer tube 25, and a retaining member 51 is interposed in the gap between the separator 50 and the outer tube 25. This retaining member 51 engages with the protruding portion 50a of the separator 50 (described below), and by crimping the outer tube 25, the outer tube 25 and separator 50 are fixed together.
また、セパレータ50には、検出素子部300やヒータ部200用のリード線11~15を挿入するための通孔50bが先端側から後端側にかけて貫設されている(なお、リード線14、15については図示せず)。通孔50b内には、リード線11~15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11~15は、外部において、図示しないコネクタに接続されるようになっている。このコネクタを介してECU等の外部機器と各リード線11~15とは電気信号の入出力が行われることになる。また、各リード線11~15は詳細に図示しないが、導線を樹脂からなる絶縁皮膜にて披覆した構造を有している。 Separator 50 also has through-holes 50b extending from the front to the rear end for inserting lead wires 11-15 for detection element section 300 and heater section 200 (lead wires 14, 15 are not shown). Connection terminals 16 are housed within through-holes 50b, connecting lead wires 11-15 to detection element pads 121 of detection element section 300 and heater pads 120 of heater section 200. Each lead wire 11-15 is externally connected to a connector (not shown). Electrical signals are input and output between each lead wire 11-15 and external devices such as an ECU via this connector. Although not shown in detail, each lead wire 11-15 has a structure in which the conductor is covered with an insulating coating made of resin.
さらに、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の後端内に装着された状態で、外筒25の外周を径方向内側に向かって加締めることにより、外筒25に固着されている。ゴムキャップ52にも、リード線11~15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かけて貫設されている。 Furthermore, a roughly cylindrical rubber cap 52 is disposed at the rear end of the separator 50 to close the opening 25b at the rear end of the outer tube 25. This rubber cap 52 is attached to the rear end of the outer tube 25 by crimping the outer periphery of the outer tube 25 radially inward while it is fitted inside the rear end of the outer tube 25. Through holes 52a are also formed in the rubber cap 52 from the front end to the rear end, through which the lead wires 11-15 are inserted, respectively.
次に、本発明の特徴部分である多孔質保護層21について説明する。
図3は、図1のセンサ素子100の先端側の部分拡大断面図であり、検出素子部300とヒータ部200との積層体の表面(センサ素子100の先端側の外表面)の直上に多孔質保護層21が設けられている。すなわち、多孔質保護層21は、拡散抵抗部115に直接接しつつ少なくとも拡散抵抗部を被覆する。
なお、本例では、多孔質保護層21は、拡散抵抗部115を含むセンサ素子100の外表面で、センサ素子100の先端側部位の全周を覆って設けられている。
Next, the porous protective layer 21, which is a characteristic feature of the present invention, will be described.
3 is a partially enlarged cross-sectional view of the tip end side of the sensor element 100 in Fig. 1, and shows that a porous protective layer 21 is provided directly on the surface (the outer surface of the tip end side of the sensor element 100) of the laminate of the detection element section 300 and the heater section 200. In other words, the porous protective layer 21 is in direct contact with the diffusion resistance section 115 and covers at least the diffusion resistance section.
In this example, the porous protective layer 21 is provided on the outer surface of the sensor element 100 including the diffusion resistance portion 115 so as to cover the entire periphery of the tip end portion of the sensor element 100 .
又、多孔質保護層21の外表面を覆って外側多孔質層23が形成され、これら二層をまとめて、「先端保護層」20と称する。
なお、「センサ素子100の先端側部位」とは、図3に示すように、軸線L方向において、センサ素子100の最先端から、少なくとも測定室107c(NOxセンサ素子のように測定室に連通する第2測定室が存在する場合には、第2測定室をも含む)の後端までをいう。
An outer porous layer 23 is formed to cover the outer surface of the porous protective layer 21 , and these two layers are collectively referred to as the “tip protective layer” 20 .
The "tip end portion of the sensor element 100" refers to the portion in the axial direction L, as shown in Figure 3, from the very tip of the sensor element 100 to at least the rear end of the measuring chamber 107c (including the second measuring chamber if there is a second measuring chamber connected to the measuring chamber, such as in the case of a NOx sensor element).
多孔質保護層21を含む先端保護層20は、センサ素子100の先端面を含み、軸線L方向に沿って後端側に延びるように形成され、かつセンサ素子100(積層体)の表裏面及び両側面の4面を完全に囲んで形成されている(図4参照)。
なお、拡散抵抗部115、多孔質保護層21及び外側多孔質層23は、いずれも骨格となるセラミック粒子と、セラミック粒子の隙間で形成される気孔とを有し、この気孔は、ガス透過が可能なように三次元網目構造をなしている。又、セラミック粒子は焼成等により複数個結合して骨格を形成する。
The tip protective layer 20 including the porous protective layer 21 includes the tip surface of the sensor element 100, is formed to extend toward the rear end along the axis L direction, and is formed to completely surround the four surfaces of the sensor element 100 (laminated body), namely the front, back, and both side surfaces (see Figure 4).
The diffusion resistance portion 115, the porous protective layer 21, and the outer porous layer 23 each have ceramic particles that form a skeleton and pores formed between the ceramic particles, and these pores form a three-dimensional network structure that allows gas to pass through. Furthermore, multiple ceramic particles are bonded together by firing or the like to form the skeleton.
多孔質保護層21において、(気孔の平均径D1(nm)/セラミック粒子の累積個数が50%となる粒子径D2(nm))で表される径比Rが100以下である。
図5に示すように、多孔質保護層21は、セラミック粒子2と焼失性カーボン等の造孔材250とを混合したコート液21xをセンサ素子の拡散抵抗部115付近の外表面に塗布した後、乾燥及び焼成して製造する。造孔材250は焼成時に焼失して気孔となり、一方でセラミック粒子2は結合して多孔質保護層の網目構造の骨格となる。
ここで、コート液21xを塗布すると水分は液透過性の拡散抵抗部115に吸収され、コート液21x中のセラミック粒子2及び造孔材250も拡散抵抗部115に向かって凝集する傾向にある。
In the porous protective layer 21, the diameter ratio R expressed as (average pore diameter D1 (nm)/particle diameter D2 (nm) at which the cumulative number of ceramic particles becomes 50%) is 100 or less.
5, the porous protective layer 21 is produced by applying a coating liquid 21x, which is a mixture of ceramic particles 2 and a pore-forming material 250 such as burnable carbon, to the outer surface of the sensor element in the vicinity of the diffusion resistance portion 115, followed by drying and firing. The pore-forming material 250 is burned away during firing to form pores, while the ceramic particles 2 are bonded together to form the skeleton of the network structure of the porous protective layer.
When the coating liquid 21 x is applied, the moisture is absorbed into the liquid-permeable diffusion resistance portion 115 , and the ceramic particles 2 and pore-forming material 250 in the coating liquid 21 x also tend to aggregate toward the diffusion resistance portion 115 .
そこで、上記した径比Rが100以下であると、造孔材250の平均径D3(nm)(造孔材250が消失した後の気孔の平均径D1(nm)に相当)がセラミック粒子2の粒子径D2に比べて相対的に大きくなり過ぎず、隣接する造孔材250の周囲に形成された複数の隙間G3,G4の大きさが均等になる。すると、セラミック粒子2が各隙間G3,G4に均等に凝集(分散)すると共に、セラミック粒子2が存在出来る空間(各隙間G3,G4)の大きさが制限されるため、セラミック粒子2の凝集体が大きくなり難くなる。
その結果、焼成後に形成される骨格の太さや、骨格間の気孔の分布も均一になる。これにより、多孔質保護層21を透過して測定室107cへ入る測定対象ガス(排気ガス等)の流れが局所的にバラつかず、検出精度の低下を抑制することができる。
Therefore, when the above-mentioned diameter ratio R is 100 or less, the average diameter D3 (nm) of the pore-forming material 250 (corresponding to the average diameter D1 (nm) of the pores after the pore-forming material 250 has disappeared) does not become too large relative to the particle diameter D2 of the ceramic particles 2, and the sizes of the multiple gaps G3, G4 formed around adjacent pore-forming materials 250 become uniform. As a result, the ceramic particles 2 aggregate (disperse) uniformly in each of the gaps G3, G4, and the size of the space in which the ceramic particles 2 can exist (each of the gaps G3, G4) is limited, making it difficult for the aggregates of the ceramic particles 2 to become large.
As a result, the thickness of the skeleton formed after firing and the distribution of pores between the skeletons are uniform, which prevents local variations in the flow of the measurement target gas (exhaust gas, etc.) that passes through the porous protective layer 21 and enters the measurement chamber 107c, thereby preventing a decrease in detection accuracy.
D1の測定は、図6に示すように、拡散抵抗部115直上の多孔質保護層21の断面のSEM(走査型電子顕微鏡)写真にて、50μmに相当する長さの仮想直線Vを引き、その仮想直線Vを通る粒子と粒子の隙間の距離S1、S2,・・・を気孔径として測定する。そして、仮想直線Vを通る全ての隙間の距離(気孔径)S1、S2,・・・を平均した値をD1と定める。なお、500nm以下の隙間は気孔径としないこととする。
なお、図6は実施例群Bの断面SEMである。
6, D1 is measured by drawing an imaginary line V having a length equivalent to 50 μm on an SEM (scanning electron microscope) photograph of the cross section of the porous protective layer 21 directly above the diffusion resistance portion 115, and measuring the distances S1, S2, ... between the gaps between particles passing through the imaginary line V as the pore diameter. The average value of all the gap distances (pore diameters) S1, S2, ... passing through the imaginary line V is then defined as D1. Note that gaps of 500 nm or less are not considered to be the pore diameter.
FIG. 6 is a cross-sectional SEM image of Example Group B.
同様に、上記断面の倍率40000倍のSEM(走査電子顕微鏡)写真にて、ランダムに100個のセラミック粒子を選定し(SEM写真上では、背景となる気孔に対し、セラミック粒子が白い画像として区別される)、画像解析ソフトにて、各粒子の粒子径(粒子面積の円換算径)をそれぞれ測定する。そして、100個の粒子につき、細かい粒子の側をゼロとして粒子の累積個数が50%となる粒子径をD2と定める。 Similarly, 100 ceramic particles were randomly selected from a 40,000x magnification SEM (scanning electron microscope) photograph of the above cross section (in the SEM photograph, the ceramic particles appear as white images against the background pores), and the particle diameter (circular equivalent diameter of the particle area) of each particle was measured using image analysis software. Then, for the 100 particles, the particle diameter at which the cumulative number of particles is 50% was determined to be D2, with the finest particles being zero.
平均径D1が15μm以下、及び/又は粒子径D2が150nm以上であってもよい。
平均径D1が15μmを超えると、外部からの応力に対して多孔質保護層21が脆弱になることがある。
又、平均径D1が15μm以下であると、各造孔材の比表面積が大きくなって、造孔材同士が結合しやすくなる。その結果、得られる気孔も連通孔となりやすく、通気性が良好となる。
The average diameter D1 may be 15 μm or less and/or the particle diameter D2 may be 150 nm or more.
If the average diameter D1 exceeds 15 μm, the porous protective layer 21 may become vulnerable to external stress.
Furthermore, when the average diameter D1 is 15 μm or less, the specific surface area of each pore-forming material increases, making it easier for the pore-forming materials to bond together, and as a result, the resulting pores tend to be interconnected, resulting in good breathability.
粒子径D2が150nm未満であると、粒子径が細かくなり過ぎ、粉末としてのハンドリングや、コート液の調製がし難くなることがある。
なお、上記した径比Rの下限は特に制限されないが、D1=15μm(15000nm)、D2=150nmのとき、径比R=100である。
If the particle diameter D2 is less than 150 nm, the particle diameter becomes too small, which may make it difficult to handle the powder or to prepare a coating liquid.
Although there is no particular lower limit to the diameter ratio R, when D1=15 μm (15,000 nm) and D2=150 nm, the diameter ratio R=100.
気孔の最大径M1(μm)が平均径D1(μm)の2倍未満であってもよい。
このように、M1<(D1×2)とすると、造孔材250の粒度分布がよりシャープとなり、上述の隙間G3,G4の大きさがさらに均等になるので、気孔の分布もさらに均一になる。
なお、最大径M1は、上述のD1の測定のうち、仮想直線に含まれる最大の隙間の距離とする。
The maximum diameter M1 (μm) of the pores may be less than twice the average diameter D1 (μm).
In this way, when M1<(D1×2), the particle size distribution of the pore-forming material 250 becomes sharper, and the sizes of the above-mentioned gaps G3 and G4 become more uniform, so the distribution of the pores also becomes more uniform.
The maximum diameter M1 is the maximum gap distance included in the imaginary line among the measurements of D1 described above.
多孔質保護層21は、例えばアルミナ、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の群から選ばれる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(コート液)を焼結することで皮膜の骨格中に気孔を形成することができるが、上記粒子を含むスラリーに消失性(焼失性)の造孔材を添加したものを焼結すると、造孔材が焼失した部分が気孔となるので、以下に述べるように多孔質保護層21を高い気孔率にすることができ、好ましい。造孔材としては、例えばカーボン、樹脂製ビーズ、有機又は無機バインダの粒子を用いることができる。 The porous protective layer 21 can be formed by bonding, for example, one or more ceramic particles selected from the group consisting of alumina, spinel, zirconia, mullite, zircon, and cordierite, by firing or other methods. Pores can be formed in the skeleton of the coating by sintering a slurry (coating liquid) containing these particles. However, if a dissipative (burnable) pore-forming material is added to a slurry containing the above particles and then sintered, the burned-off pore-forming material becomes pores. This allows the porous protective layer 21 to have a high porosity, as described below, and is therefore preferable. Pore-forming materials that can be used include, for example, carbon, resin beads, and organic or inorganic binder particles.
又、多孔質保護層21の厚みは、20~800μmとすると好ましい。
多孔質保護層21の気孔率(空隙率)は、40~85%とすると好ましい。気孔率は、多孔質保護層21の断面の倍率1000倍のSEM(走査電子顕微鏡)写真にて、画像解析ソフトにて背景となる気孔の暗い画像とそれより明るい画像とに二値化し、気孔の占有面積を測定する。
The thickness of the porous protective layer 21 is preferably 20 to 800 μm.
The porosity (void ratio) of the porous protective layer 21 is preferably 40 to 85%. The porosity is measured by binarizing a 1000x magnification SEM (scanning electron microscope) photograph of the cross section of the porous protective layer 21 using image analysis software into a dark image of the pores in the background and a brighter image, and then measuring the area occupied by the pores.
外側多孔質層23は、例えばアルミナ、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の群から選ばれる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、セラミック粒子間の隙間や、スラリー中の有機又は無機バインダが焼失する際に、皮膜の骨格中に気孔が形成される。
又、外側多孔質層23の厚みは、100~800μmとすると好ましい。
The outer porous layer 23 can be formed by bonding one or more ceramic particles selected from the group consisting of alumina, spinel, zirconia, mullite, zircon, and cordierite by firing, etc. By sintering a slurry containing these particles, pores are formed in the gaps between the ceramic particles and in the skeleton of the coating when the organic or inorganic binder in the slurry is burned away.
The thickness of the outer porous layer 23 is preferably 100 to 800 μm.
拡散抵抗部115も、例えばアルミナ、ジルコニア、の群から選ばれる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、セラミック粒子間の隙間や、スラリー中の有機又は無機バインダが焼失する際に、皮膜の骨格中に気孔が形成される。なお、拡散抵抗部115は、公知の製造方法のように、センサ素子100(検出素子部200)の焼成前に、各層と同時に積層し、一体で焼成することで形成される。
又、拡散抵抗部115の厚みは、10~50μmとすると好ましい。
The diffusion resistance portion 115 can also be formed by bonding one or more ceramic particles selected from the group consisting of alumina and zirconia by firing or the like. By sintering a slurry containing these particles, gaps between the ceramic particles are formed, and pores are formed in the skeleton of the coating when the organic or inorganic binder in the slurry is burned away. Note that the diffusion resistance portion 115 is formed by laminating each layer simultaneously and firing them together before firing the sensor element 100 (detection element portion 200), as in a known manufacturing method.
The thickness of the diffusion resistance portion 115 is preferably 10 to 50 μm.
なお、外側多孔質層23を設けなくてもよく、多孔質保護層21と外側多孔質層23との間に別の多孔質層を設けてもよく、外側多孔質層23より外側に別の多孔質層を設けてもよい。 The outer porous layer 23 does not necessarily have to be provided, and another porous layer may be provided between the porous protective layer 21 and the outer porous layer 23, or another porous layer may be provided outside the outer porous layer 23.
本発明の実施形態に係るセンサ素子の製造方法は、セラミック粒子2と、造孔材250とを混合したコート液21xを調製するコート液調製工程と、コート液21xを、上記したセンサ素子100の拡散抵抗部115に直接接しつつ少なくとも拡散抵抗部115を被覆するように塗布する塗布工程と、塗布されたコート液21xを乾燥及び焼成して造孔材250を消失させ、骨格となるセラミック粒子2と、造孔材250の焼失部位に形成される気孔とを有する多孔質保護層21を形成する多孔質保護層形成工程と、を有し、コート液21xとして、(平均径D3(nm)/粒子径D2(nm))で表される径比Rを100以下とする。
A manufacturing method of a sensor element according to an embodiment of the present invention includes a coating liquid preparation step of preparing a coating liquid 21x by mixing ceramic particles 2 and a pore-forming material 250; an application step of applying the coating liquid 21x so as to be in direct contact with and cover at least the diffusion resistance portion 115 of the sensor element 100 described above; and a porous protective layer formation step of drying and firing the applied coating liquid 21x to eliminate the pore-forming material 250 and form a porous protective layer 21 having ceramic particles 2 as a skeleton and pores formed in the burned-out portions of the pore-forming material 250, wherein the coating liquid 21x has a diameter ratio R expressed as (average diameter D3 (nm)/particle diameter D2 (nm)) of 100 or less.
ここで、「コート液(スラリー)を塗布する」とは、コート液を用いたディップ法、溶射法、印刷法及びスプレー法のいずれかを含むことをいい、塗布方法は制限されない。
又、造孔材250はコート液21xの焼成時に焼失する場合に限らず、例えば樹脂製の造孔材250を焼成前に溶媒で溶解する(消失する)場合も含む。
Here, "applying a coating liquid (slurry)" refers to any of dipping, thermal spraying, printing and spraying methods using a coating liquid, and the application method is not limited.
Furthermore, the pore-forming material 250 is not limited to being burned away when the coating liquid 21x is baked, but may also be made of a resin and dissolved (disappeared) in a solvent before baking.
多孔質保護層21及び外側多孔質層23の製造方法としては、多孔質保護層21及び外側多孔質層23となるスラリーを順にディップ法等で塗布して焼結してもよい。この場合、多孔質保護層21となるスラリー(コート液)を塗布して焼結後に、外側多孔質層23となるスラリーを塗布して焼結してもよい。又、それぞれ多孔質保護層21及び外側多孔質層23となるスラリーを順に塗布して一度に焼結してもよい。
又、溶射法や印刷法、スプレー法によって多孔質保護層21及び外側多孔質層23を製造してもよい。さらには、多孔質保護層21と外側多孔質層23とを、ディップ法、溶射法、印刷法やスプレー法のうち別々の方法にて形成しても良い。
As a method for manufacturing the porous protective layer 21 and the outer porous layer 23, slurries to become the porous protective layer 21 and the outer porous layer 23 may be applied in order by a dipping method or the like and then sintered. In this case, the slurry (coating liquid) to become the porous protective layer 21 may be applied and sintered, and then the slurry to become the outer porous layer 23 may be applied and sintered. Alternatively, the slurries to become the porous protective layer 21 and the outer porous layer 23 may be applied in order and then sintered at the same time.
Alternatively, the porous protective layer 21 and the outer porous layer 23 may be manufactured by a thermal spraying method, a printing method, or a spraying method. Furthermore, the porous protective layer 21 and the outer porous layer 23 may be formed by different methods selected from the dipping method, the thermal spraying method, the printing method, and the spraying method.
本発明は上記実施形態に限定されず、固体電解質体と一対の電極とを有する検出素子部を有するあらゆるガスセンサ(ガスセンサ素子)に適用可能であり、本実施の形態の酸素センサ(酸素センサ素子)に適用することができるが、これらの用途に限られず、本発明の思想と範囲に含まれる様々な変形及び均等物に及ぶことはいうまでもない。例えば、NOxセンサ(NOxセンサ素子)、HC濃度を検出するHCセンサ(HCセンサ素子)等に本発明を適用してもよい。 The present invention is not limited to the above embodiment and can be applied to any gas sensor (gas sensor element) having a detection element portion with a solid electrolyte body and a pair of electrodes, and can be applied to the oxygen sensor (oxygen sensor element) of this embodiment. However, it goes without saying that the present invention is not limited to these uses and extends to various modifications and equivalents that fall within the spirit and scope of the present invention. For example, the present invention may be applied to a NOx sensor (NOx sensor element), an HC sensor (HC sensor element) that detects HC concentration, etc.
図1,2に示す板状のセンサ素子100の先端側の表面(表裏面及び両側面)に、多孔質保護層21となる下記のコート液Aを適当な粘度になるように調整し、ディップ(浸漬)法で200μmの厚みになるよう塗布した。その後、コート液A中の余分な有機溶剤を揮発させるため、200℃に設定した乾燥機で数時間乾燥し、大気中、1100℃で3時間の条件で多孔質保護層21を焼成した。
コート液A:アルミナ粉末40vol%(仕込みD50=150nm)、カーボン粉末(仕込みD50=1.2~13.0μmで変更)60vol%、アルミナゾル(外配合)10wt%を秤量し、さらに有機溶剤を添加して攪拌して調製した。なお、D50径は、レーザ回折散乱法により求めた。コート液A中に分散したアルミナ粉末のD50径は、コート液Aが焼成して得られた多孔質保護層21の断面SEMから測定したD2(上述の測定法)にほぼ相当する。又、多孔質保護層21の断面SEMからM1も求めた。
The following coating liquid A, which will become the porous protective layer 21, was adjusted to an appropriate viscosity and applied to the front surface (front, back, and both side surfaces) of the plate-shaped sensor element 100 shown in Figures 1 and 2 by a dipping method to a thickness of 200 µm. Thereafter, in order to volatilize excess organic solvent in the coating liquid A, the coating liquid A was dried for several hours in a dryer set at 200°C, and the porous protective layer 21 was baked in the atmosphere at 1100°C for 3 hours.
Coating solution A: 40 vol% alumina powder (charge D50 = 150 nm), 60 vol% carbon powder (charge D50 = changed between 1.2 and 13.0 μm), and 10 wt% alumina sol (external blend) were weighed, and an organic solvent was added and stirred to prepare the coating solution A. The D50 diameter was determined by laser diffraction scattering. The D50 diameter of the alumina powder dispersed in coating solution A is approximately equivalent to D2 (measured by the above-mentioned method) measured from a cross-sectional SEM of the porous protective layer 21 obtained by baking coating solution A. M1 was also determined from a cross-sectional SEM of the porous protective layer 21.
次に、多孔質保護層21の表面に、外側多孔質層23となる下記のスラリーBを適当な粘度になるように調整し、ディップ(浸漬)法で150μm以上の厚みになるよう塗布した。その後、スラリーB中の余分な有機溶剤を揮発させるため、200℃に設定した乾燥機で数時間乾燥し、大気中、1100℃で3時間の条件で外側多孔質層23を焼成した。
スラリーB:アルミナ粉末20vol%(平均粒径0.1μm)、スピネル粉末(平均粒径40.0μm)80vol%、アルミナゾル(外配合)10wt%を秤量し、さらに有機溶剤を添加して攪拌して調製した。
Next, the following slurry B, which would become the outer porous layer 23, was adjusted to an appropriate viscosity and applied to the surface of the porous protective layer 21 by a dipping method to a thickness of 150 μm or more. Thereafter, in order to volatilize excess organic solvent in the slurry B, the slurry was dried for several hours in a dryer set at 200° C., and the outer porous layer 23 was fired in the atmosphere at 1100° C. for 3 hours.
Slurry B: 20 vol % alumina powder (average particle size 0.1 μm), 80 vol % spinel powder (average particle size 40.0 μm), and 10 wt % alumina sol (external blend) were weighed, and an organic solvent was added and stirred to prepare the slurry.
なお、拡散抵抗部115Cは、アルミナ粉末100質量%及び可塑剤を湿式混合により分散したスラリーを用意した。可塑剤はブチラール樹脂及びDBPからなる。このスラリーを用い、公知の製造方法と同様に、センサ素子100の焼成前に、各層と同時に積層し、一体で焼成することで形成した。
得られたセンサ素子100を組み付け、ガスセンサ1を製造した。
The diffusion resistor 115C was prepared by wet-mixing 100% alumina powder and a plasticizer. The plasticizer consisted of butyral resin and DBP. This slurry was used to form the sensor element 100. The layers were laminated together and fired together before firing, similar to a known manufacturing method.
The obtained sensor element 100 was assembled to manufacture the gas sensor 1.
得られたガスセンサ1につき、モデルガス検査機を用いて試験を行った。配管にストイキ(λ=1)雰囲気のモデルガスを流し、素子温度が720℃となるように温度制御した状態で、検出出力を示す酸素ポンプセル140に流れる電流Ipを所定時間tの間測定した。時間tの間の電流Ipの平均IpIp-AVEを算出し、時間tの間の各電流Ipの測定値と比較し、IpAVEからの偏移の最大値ΔIp(%)を求めた。ΔIp={|IpAVE-Ipの各測定値|/IpAVE}×100である。
その結果を表1及び図7に示す。
The obtained gas sensor 1 was tested using a model gas testing machine. A stoichiometric (λ=1) model gas was flowed through the piping, and the element temperature was controlled to 720°C. The current Ip flowing through the oxygen pump cell 140, which indicates the detection output, was measured for a predetermined time t. The average IpIp-AVE of the current Ip during time t was calculated, and compared with the measured values of each current Ip during time t to determine the maximum deviation ΔIp (%) from IpAVE. ΔIp = {|IpAVE - each measured value of Ip|/IpAVE} × 100.
The results are shown in Table 1 and FIG.
なお、「実施例群A」において、同一条件で多数の多孔質保護層付センサを製造し、そのうち1つのセンサにつき保護層の断面SEMからD1を測定し、実施例群A全体のD1として採用した。実施例群B、C、比較例群も同様である。
また、D2については、実施例群A~C、比較例群ですべて仕込みD50の値が同一のアルミナ粉末を用いたので、便宜上、実施例群Aのうち1つのセンサにつき保護層の断面SEMからD2を測定し、便宜上、実施例群A~C、比較例群のD2も同一とみなした。
In "Example Group A," a large number of sensors with porous protective layers were manufactured under the same conditions, and D1 was measured from a cross-sectional SEM of the protective layer for one of the sensors, and this was used as D1 for the entire Example Group A. The same applies to Example Groups B and C and the Comparative Example Group.
Furthermore, with regard to D2, since the alumina powders used in Examples A to C and the Comparative Example group all had the same charge D50 value, for convenience, D2 was measured from a cross-sectional SEM of the protective layer for one sensor in Example Group A, and for convenience, D2 was also considered to be the same for Examples A to C and the Comparative Example group.
表1、図7から明らかなように、径比Rが100以下である実施例群A~Cの場合、ΔIpが1%以下に低減し、センサ出力のバラつきが小さくなって検出精度の低下を抑制できた。これは、多孔質保護層を透過する排気ガスの流れが均一になったためと考えられる。
一方、D1を大きくして径比Rが100を超えた比較例群の場合、ΔIpが1%を超え、センサ出力がバラついて検出精度が低下した。
7, in the example groups A to C in which the diameter ratio R was 100 or less, ΔIp was reduced to 1% or less, the variation in sensor output was reduced, and the deterioration of detection accuracy was suppressed. This is thought to be because the flow of exhaust gas passing through the porous protective layer became uniform.
On the other hand, in the comparative example group in which D1 was increased so that the diameter ratio R exceeded 100, ΔIp exceeded 1%, and the sensor output varied, resulting in a decrease in detection accuracy.
1 ガスセンサ
2 セラミック粒子
21 多孔質保護層
30 ハウジング
104、106、108、110 一対の電極
106、108 一方の電極
107c 測定室
105、109 固体電解質体
100 センサ素子
115 拡散抵抗部
130、140 セル
250 造孔材
300 検出素子部
L 軸線
REFERENCE SIGNS LIST 1 gas sensor 2 ceramic particles 21 porous protective layer 30 housing 104, 106, 108, 110 pair of electrodes 106, 108 one electrode 107c measuring chamber 105, 109 solid electrolyte body 100 sensor element 115 diffusion resistance portion 130, 140 cell 250 pore-forming material 300 detection element portion L axis
Claims (4)
さらに、前記拡散抵抗部に直接接しつつ少なくとも前記拡散抵抗部を被覆する多孔質保護層を備え、
前記多孔質保護層は、骨格となるセラミック粒子と、前記セラミック粒子の隙間で形成される気孔とを有し、
(前記気孔の平均径D1(nm)/前記セラミック粒子の累積個数が50%となる粒子径D2(nm))で表される径比Rが100以下で、
前記気孔の最大径M1(μm)が前記気孔の平均径D1(μm)の2倍未満であることを特徴とするセンサ素子。 A sensor element including: a detection element portion provided with at least one cell having a solid electrolyte body and a pair of electrodes disposed on the solid electrolyte body; a measurement chamber facing one of the pair of electrodes; and a diffusion resistance portion for introducing a measurement target gas from the outside into the measurement chamber,
further comprising a porous protective layer that is in direct contact with the diffusion resistance portion and covers at least the diffusion resistance portion,
the porous protective layer has ceramic particles as a skeleton and pores formed between the ceramic particles;
a diameter ratio R expressed as (the average diameter D1 (nm) of the pores/the particle diameter D2 (nm) at which the cumulative number of the ceramic particles becomes 50%) is 100 or less,
A sensor element characterized in that the maximum diameter M1 (μm) of the pores is less than twice the average diameter D1 (μm) of the pores .
前記センサ素子は、請求項1又は2に記載のガスセンサ素子を用いることを特徴とするガスセンサ。 A gas sensor comprising a sensor element for detecting the concentration of a specific gas component in a measurement gas, and a housing for holding the sensor element,
3. A gas sensor comprising the gas sensor element according to claim 1 or 2 .
セラミック粒子と、造孔材とを混合したコート液を調製するコート液調製工程と、
前記コート液を、前記拡散抵抗部に直接接しつつ前記センサ素子の外表面で前記検出素子部を被覆するように塗布する塗布工程と、
塗布された前記コート液を乾燥及び焼成して前記造孔材を消失させ、骨格となる前記セラミック粒子と、前記造孔材の焼失部位に形成される気孔とを有する多孔質保護層を形成する多孔質保護層形成工程と、を有し、
前記コート液として、(前記造孔材の平均径D3(nm)/前記セラミック粒子の累積個数が50%となる粒子径D2(nm))で表される径比Rを100以下とし、前記造孔材の最大径(μm)を前記造孔材の平均径D3(μm)の2倍未満とすることを特徴とするセンサ素子の製造方法。 A method for manufacturing a sensor element including: a detection element portion provided with at least one cell having a solid electrolyte body and a pair of electrodes disposed on the solid electrolyte body; a measurement chamber facing one of the pair of electrodes; and a diffusion resistance portion for introducing a measurement target gas from the outside into the measurement chamber,
a coating solution preparation step of preparing a coating solution by mixing ceramic particles and a pore-forming material;
a coating step of coating the coating liquid on the outer surface of the sensor element so as to cover the detection element portion while being in direct contact with the diffusion resistance portion;
a porous protective layer forming step of drying and baking the applied coating liquid to eliminate the pore-forming material, thereby forming a porous protective layer having the ceramic particles as a skeleton and pores formed in the burnt-out portions of the pore-forming material,
a diameter ratio R of the coating liquid, expressed as (average diameter D3 (nm) of the pore-forming material/particle diameter D2 (nm) at which the cumulative number of the ceramic particles becomes 50%) , is set to 100 or less, and the maximum diameter (μm) of the pore-forming material is set to less than twice the average diameter D3 (μm) of the pore-forming material .
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