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JP7631335B2 - Sensor element - Google Patents

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JP7631335B2
JP7631335B2 JP2022526871A JP2022526871A JP7631335B2 JP 7631335 B2 JP7631335 B2 JP 7631335B2 JP 2022526871 A JP2022526871 A JP 2022526871A JP 2022526871 A JP2022526871 A JP 2022526871A JP 7631335 B2 JP7631335 B2 JP 7631335B2
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康英 幸島
隼実 青田
敏弘 平川
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NGK Insulators Ltd
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Description

本発明は、酸素イオン伝導性の固体電解質を用いたセンサ素子に関する。 The present invention relates to a sensor element using an oxygen ion conductive solid electrolyte.

ガスセンサは、自動車の排気ガス等の被測定ガス中の対象とするガス成分(酸素O、窒素酸化物NOx、アンモニアNH、炭化水素HC、二酸化炭素CO等)の検出や濃度の測定に使用されている。例えば、自動車の排気ガス中の対象とするガス成分濃度を測定し、その測定値に基づいて自動車に搭載されている排気ガス浄化システムを最適に制御することが行われている。 Gas sensors are used to detect and measure the concentration of target gas components (oxygen O2 , nitrogen oxides NOx, ammonia NH3 , hydrocarbons HC, carbon dioxide CO2, etc.) in measurement gases such as automobile exhaust gas. For example, the concentration of target gas components in automobile exhaust gas is measured, and the exhaust gas purification system installed in the automobile is optimally controlled based on the measured value.

このようなガスセンサとしては、ジルコニア(ZrO)等の酸素イオン伝導性の固体電解質を用いたセンサ素子を備えたガスセンサが知られている。ガスセンサは、対象とするガス成分を検知するために、固体電解質の酸素イオン伝導性を発現させる温度まで、センサ素子を加熱して用いられる。そのため、センサ素子内部にヒータが埋設された構造が広く使用されている。しかしながら、使用中にセンサ素子の内部構造に剥離が生じる場合がある。 As such a gas sensor, a gas sensor having a sensor element using an oxygen ion conductive solid electrolyte such as zirconia (ZrO 2 ) is known. In order to detect a target gas component, the gas sensor is used by heating the sensor element to a temperature at which the solid electrolyte exhibits oxygen ion conductivity. For this reason, a structure in which a heater is embedded inside the sensor element is widely used. However, peeling may occur in the internal structure of the sensor element during use.

例えば、WO2018/230703号公報には、積層された酸素イオン伝導性の複数の固体電解質層を有するセンサ素子が開示されている。センサ素子の内部には、被測定ガスを導入して流通させる被測定ガス流通部と、対象とするガス成分を検出するための複数の電極と、基準ガスを導入するための基準ガス導入空間と、センサ素子を加熱・保温するためのヒータ部が備えられていることが開示されている。また、ヒータ部に存在するヒータ絶縁層と基準ガス導入空間とが連通するように形成された圧力放散孔が開示されている。For example, WO2018/230703 discloses a sensor element having multiple stacked oxygen ion conductive solid electrolyte layers. The sensor element is disclosed to include a measurement gas flow section for introducing and flowing a measurement gas, multiple electrodes for detecting the target gas components, a reference gas introduction space for introducing a reference gas, and a heater section for heating and keeping the sensor element warm. The publication also discloses a pressure relief hole formed so that a heater insulating layer present in the heater section communicates with the reference gas introduction space.

特許第4313027号公報には、ヒーター部が発熱体と少なくとも前記発熱体を支持する支持体とを含み、前記発熱体と前記支持体との間に発生する圧力を低減するように設けられた開口部を備えたガスセンサが開示されている。特に、開口部が、大気導入用空所に開口している構造が示されている(図1)。 Japanese Patent Publication No. 4313027 discloses a gas sensor in which the heater section includes a heating element and a support that supports at least the heating element, and the gas sensor has an opening that is provided to reduce the pressure generated between the heating element and the support. In particular, the gas sensor shows a structure in which the opening opens into an air introduction space (Figure 1).

WO2018/230703号公報WO2018/230703 publication 特許第4313027号公報Patent No. 4313027

センサ素子の内部構造に剥離が発生する理由は以下のように考えられる。ヒータ発熱体を取り囲んでいるヒータ絶縁体はアルミナ等の絶縁体からなる多孔体である。センサ素子が加熱されていない時には、多孔体であるヒータ絶縁体それ自体の内部やヒータ発熱体との界面等には、空気等の気体成分以外にも、水分等の液体成分が存在する。センサ素子を加熱するためにヒータを発熱させると、これらの水分等がヒータの発熱により蒸発し、発生した水蒸気等によって局所的に圧力が上昇する。この圧力上昇に起因して、剥離が生じると考えられる。従って、センサ素子の内部構造の剥離は、ガスセンサ始動時に発生することが多い。剥離を抑制するためには、局所的な圧力上昇を抑えることが必要であると考えられる。The reason why peeling occurs in the internal structure of the sensor element is thought to be as follows. The heater insulator surrounding the heater heating element is a porous body made of an insulator such as alumina. When the sensor element is not heated, liquid components such as moisture are present in addition to gas components such as air inside the heater insulator itself, which is a porous body, and at the interface with the heater heating element. When the heater is turned on to heat the sensor element, these moisture components evaporate due to the heat generated by the heater, and the generated water vapor causes a localized pressure increase. It is thought that peeling occurs due to this pressure increase. Therefore, peeling of the internal structure of the sensor element often occurs when the gas sensor is started. In order to suppress peeling, it is thought that it is necessary to suppress the localized pressure increase.

また、ガスセンサは自動車に搭載されている排気ガス浄化システム等に使用され、対象とするガスの濃度を正確に測定することが求められる。ガスセンサの始動時においても、可能な限り早く正確な測定ができるようになることが求められる。本発明者らの検討により、従来のガスセンサは、ガスセンサを始動してから正確な測定が開始できるまでの時間(すなわち、始動時間)が長くなる場合があるという問題が確認された。本発明者らの検討の結果、始動時間が長くなる理由は、以下のように考えられる。基準ガス導入空間は、対象とするガス成分を検知するため、一定の酸素濃度を有する基準ガス(例えば、大気)で満たされている。WO2018/230703号公報によれば、従来のセンサ素子は、ヒータ絶縁体内の温度上昇に伴う内圧上昇を緩和するために、ヒータ絶縁体と基準ガス導入空間とが連通するように圧力放散孔が設けられている。そのため、センサ始動時に、ヒータ絶縁体それ自体の内部やヒータ発熱体との界面等に存在する水分等が蒸発すると、多孔体であるヒータ絶縁体内を通じて、水蒸気等が圧力放散孔から基準ガス導入空間へと流入する。その結果、基準ガス中の酸素濃度が変動するため、被測定ガス中の対象とするガス成分を正確に測定することができない。その後、基準ガス導入空間から水蒸気等が完全に排出されると、基準ガス中の酸素濃度は一定となり、正確な測定ができるようになる。多孔体であるヒータ絶縁体は拡散抵抗が高いため、水蒸気等が基準ガス導入空間に完全に排出され、さらに基準ガス導入空間から完全に排出されるまでに時間を要する。結果として、ガスセンサを始動してから正確な測定が開始できるまでの時間(すなわち、始動時間)が長くなると考えられる。 In addition, gas sensors are used in exhaust gas purification systems mounted on automobiles, and are required to accurately measure the concentration of the target gas. Even when the gas sensor is started, it is required to be able to perform accurate measurement as quickly as possible. Through the study by the present inventors, it has been confirmed that the conventional gas sensor has a problem that the time from starting the gas sensor to starting accurate measurement (i.e., the start-up time) may be long. As a result of the study by the present inventors, the reason for the long start-up time is considered to be as follows. The reference gas introduction space is filled with a reference gas (e.g., air) having a certain oxygen concentration in order to detect the target gas component. According to WO2018/230703, in the conventional sensor element, in order to alleviate the internal pressure increase caused by the temperature increase in the heater insulator, a pressure diffusion hole is provided so that the heater insulator and the reference gas introduction space communicate with each other. Therefore, when moisture or the like present inside the heater insulator itself or at the interface with the heater heating element evaporates when the sensor is started, water vapor or the like flows into the reference gas introduction space from the pressure diffusion hole through the heater insulator, which is a porous body. As a result, the oxygen concentration in the reference gas fluctuates, making it impossible to accurately measure the target gas component in the measured gas. After that, when water vapor and the like are completely discharged from the reference gas introduction space, the oxygen concentration in the reference gas becomes constant, enabling accurate measurement. Because the heater insulator, which is a porous body, has a high diffusion resistance, it takes time for water vapor and the like to be completely discharged into the reference gas introduction space and then completely discharged from the reference gas introduction space. As a result, it is considered that the time from when the gas sensor is started until accurate measurement can begin (i.e., the start-up time) becomes long.

そこで、本発明は、センサ素子の内部構造に剥離が起こることがなく、かつ、ガスセンサを始動してから正確な測定が開始できるまでの始動時間が短いセンサ素子を提供することを目的とする。Therefore, the present invention aims to provide a sensor element that does not cause peeling in the internal structure of the sensor element and has a short start-up time from when the gas sensor is started until accurate measurement can begin.

本発明者らは、センサ素子の固体電解質を含む基体部に埋設された、ヒータ及びヒータ絶縁体とからなるヒータ含有層と、前記基体部との間に圧力緩和空間を形成することにより、センサ素子の内部構造の剥離を抑制し、かつ、ガスセンサの始動時間を短くできることを見出した。The inventors have discovered that by forming a pressure relaxation space between a heater-containing layer consisting of a heater and a heater insulator embedded in a base portion containing a solid electrolyte of the sensor element and the base portion, peeling of the internal structure of the sensor element can be suppressed and the start-up time of the gas sensor can be shortened.

本発明には、以下の発明が含まれる。
(1) 積層された複数の酸素イオン伝導性の固体電解質層を含む長尺板状の基体部と、
前記基体部の長手方向の一方の端部から被測定ガスを導入して流通させる被測定ガス流通部と、
前記被測定ガス流通部とは前記複数の固体電解質層の少なくとも1つの固体電解質層を介して前記基体部に埋設された、ヒータ発熱部及びヒータリード部を含むヒータとヒータ絶縁体とからなるヒータ含有層と、
前記基体部と前記ヒータ含有層との間の少なくとも一部に形成された圧力緩和空間と、
を含む、被測定ガス中の対象とするガスを検出するセンサ素子。
The present invention includes the following inventions.
(1) A long plate-like substrate including a plurality of stacked oxygen ion conductive solid electrolyte layers;
a measurement gas flow section for introducing a measurement gas from one end of the base section in a longitudinal direction thereof and allowing the measurement gas to flow therethrough;
The measurement gas flow portion includes a heater-containing layer including a heater including a heater heat generating portion and a heater lead portion, and a heater insulator, the heater-containing layer being embedded in the base portion via at least one of the plurality of solid electrolyte layers;
a pressure relaxation space formed at least partially between the base portion and the heater-containing layer;
A sensor element for detecting a target gas in a measurement gas, comprising:

(2) 前記圧力緩和空間は、
前記基体部と、
前記ヒータ発熱部が存在している領域の前記ヒータ含有層と、
の間の少なくとも一部に形成されている、上記(1)に記載のセンサ素子。
(2) The pressure relief space is
The base portion;
the heater-containing layer in an area where the heater heat generating portion is present;
The sensor element according to (1) above, wherein the sensor element is formed at least partially between the sensor elements.

(3) 前記圧力緩和空間が、前記ヒータ含有層の、前記被測定ガス流通部と近い側の面に接して形成されている、前記(1)又は(2)に記載のセンサ素子。 (3) A sensor element described in (1) or (2), wherein the pressure relaxation space is formed adjacent to the surface of the heater-containing layer closer to the measured gas flow portion.

(4) 前記圧力緩和空間が、前記ヒータ含有層の、前記被測定ガス流通部と遠い側の面に接して形成されている、上記(1)~(3)のいずれかに記載のセンサ素子。 (4) A sensor element described in any of (1) to (3) above, wherein the pressure relaxation space is formed in contact with the surface of the heater-containing layer that is farther from the measured gas flow portion.

(5) 前記圧力緩和空間が、前記ヒータ含有層の側部に接して形成されている、上記(1)~(4)のいずれかに記載のセンサ素子。 (5) A sensor element described in any of (1) to (4) above, wherein the pressure relaxation space is formed adjacent to the side of the heater-containing layer.

(6) 前記基体部の長手方向に直交する断面において、前記ヒータ含有層の断面積に対する前記圧力緩和空間の断面積の比が0.10以上である、上記(1)~(5)のいずれかに記載のセンサ素子。(6) A sensor element described in any of (1) to (5) above, wherein in a cross section perpendicular to the longitudinal direction of the base portion, the ratio of the cross-sectional area of the pressure relaxation space to the cross-sectional area of the heater-containing layer is 0.10 or more.

(7) 前記基体部の長手方向に直交する断面において、前記ヒータ含有層の断面積に対する前記圧力緩和空間の断面積の比が0.80以下である、上記(1)~(6)のいずれかに記載のセンサ素子。(7) A sensor element described in any of (1) to (6) above, wherein in a cross section perpendicular to the longitudinal direction of the base portion, the ratio of the cross-sectional area of the pressure relaxation space to the cross-sectional area of the heater-containing layer is 0.80 or less.

(8) 前記基体部の長手方向に直交する断面において、前記ヒータ含有層の断面積に対する前記圧力緩和空間の断面積の比が0.3以上0.6以下である、上記(1)~(7)のいずれかに記載のセンサ素子。(8) A sensor element described in any of (1) to (7) above, wherein in a cross section perpendicular to the longitudinal direction of the base portion, the ratio of the cross-sectional area of the pressure relaxation space to the cross-sectional area of the heater-containing layer is 0.3 or more and 0.6 or less.

(9)前記センサ素子は、さらに、前記被測定ガス流通部と前記ヒータ含有層とのそれぞれから離隔して、前記基体部の長手方向の他方の端部に開口部を有し、前記基体部の長手方向に延びるように形成された基準ガス導入空間を含む、上記(1)~(8)のいずれかに記載のセンサ素子。(9) The sensor element described in any of (1) to (8) above further includes a reference gas introduction space that is separated from each of the measured gas flow portion and the heater-containing layer, has an opening at the other longitudinal end of the base portion, and is formed to extend in the longitudinal direction of the base portion.

(10)前記圧力緩和空間が前記基準ガス導入空間に対しては開口していない、上記(9)に記載のセンサ素子。(10) A sensor element described in (9) above, wherein the pressure relaxation space is not open to the reference gas introduction space.

(11)前記圧力緩和空間が、前記基体部の内部に閉じられた空間である、上記(1)~(8)のいずれかに記載のセンサ素子。(11) A sensor element described in any of (1) to (8) above, wherein the pressure relaxation space is a space closed inside the base portion.

(12)前記圧力緩和空間が、前記基準ガス導入空間以外を通じて前記基体部の外部に対して開口している空間である、上記(9)に記載のセンサ素子。(12) A sensor element described in (9) above, wherein the pressure relaxation space is a space that is open to the outside of the base portion through a space other than the reference gas introduction space.

本発明によれば、センサ素子の内部構造の剥離を抑制し、かつ、ガスセンサの始動時間を短くすることができる。多孔体であるヒータ絶縁体それ自体の内部やヒータ発熱体との界面等に水分等の液体成分が存在した状態でガスセンサを始動すると、前記水分等がヒータの発熱により急速に蒸発する。しかしながら、蒸発により発生した水蒸気等の気体成分は、ヒータ絶縁体それ自体の内部やヒータ発熱体との界面等から圧力緩和空間に移動することができるため、ヒータ絶縁体近傍の圧力上昇を抑えることができる。結果として、センサ素子の内部構造の剥離を抑制することができる。従って、本発明に係るセンサ素子を用いれば、センサ素子がその内部構造の剥離によって破壊されにくく、繰り返し使用に耐えることができるため、ガスセンサの耐久性が向上する。According to the present invention, it is possible to suppress peeling of the internal structure of the sensor element and shorten the start-up time of the gas sensor. When the gas sensor is started in a state where liquid components such as moisture are present inside the heater insulator itself, which is a porous body, or at the interface with the heater heating element, the moisture etc. rapidly evaporates due to the heat generated by the heater. However, gas components such as water vapor generated by the evaporation can move from the inside of the heater insulator itself or the interface with the heater heating element to the pressure relaxation space, so that the pressure increase near the heater insulator can be suppressed. As a result, peeling of the internal structure of the sensor element can be suppressed. Therefore, by using the sensor element according to the present invention, the sensor element is less likely to be destroyed by peeling of its internal structure and can withstand repeated use, improving the durability of the gas sensor.

また、本発明によれば、圧力緩和空間はセンサ素子の基体部内部に閉じた空間でよい。従って、ヒータの発熱により発生した水蒸気等の気体成分が基準ガス導入空間に流入することがなく、基準ガス中の酸素濃度を変動させない。その結果、ガスセンサの始動時間を短くすることができる。ゆえに、本発明に係るセンサ素子を用いれば、ガスセンサの始動直後から正確な測定が開始できる。 Furthermore, according to the present invention, the pressure relaxation space may be a closed space inside the base portion of the sensor element. Therefore, gas components such as water vapor generated by the heat of the heater do not flow into the reference gas introduction space, and do not fluctuate the oxygen concentration in the reference gas. As a result, the start-up time of the gas sensor can be shortened. Therefore, by using the sensor element according to the present invention, accurate measurement can be started immediately after the gas sensor is started up.

また、本発明によれば、圧力緩和空間が存在することにより、ヒータと、基体部を構成する固体電解質との間の絶縁性をより向上させることができる。絶縁性のさらなる向上により、ヒータから固体電解質へのリーク電流をより低減することができ、対象とするガスを検出する際の電気信号の信号精度を向上させることもできる。 In addition, according to the present invention, the presence of the pressure relaxation space can further improve the insulation between the heater and the solid electrolyte constituting the base. By further improving the insulation, the leakage current from the heater to the solid electrolyte can be further reduced, and the signal accuracy of the electrical signal when detecting the target gas can also be improved.

ガスセンサ100の概略構成の一例を示す長手方向の垂直断面模式図である。1 is a schematic vertical cross-sectional view showing an example of a schematic configuration of a gas sensor 100 in a longitudinal direction. ガスセンサ100の概略構成の他の例を示す長手方向の垂直断面模式図である。図2におけるセンサ素子101は、図1におけるセンサ素子101と被測定ガス流通部の構成が異なる変形例である。2 is a schematic vertical cross-sectional view in the longitudinal direction showing another example of the schematic configuration of the gas sensor 100. The sensor element 101 in Fig. 2 is a modified example having a measurement gas flow portion having a different configuration from the sensor element 101 in Fig. 1. ヒータ72(ヒータ発熱部72a及びヒータリード部72b)と圧力緩和空間76の概略的な平面配置の例を示す模式図である。2 is a schematic diagram showing an example of a schematic planar arrangement of a heater 72 (heater heat generating portion 72a and heater lead portion 72b) and a pressure relaxation space 76. FIG. ヒータ72(ヒータ発熱部72a及びヒータリード部72b)と圧力緩和空間76の概略的な平面配置の他の例を示す模式図である。13 is a schematic diagram showing another example of a schematic planar arrangement of the heater 72 (heater heat generating portion 72a and heater lead portion 72b) and the pressure relaxation space 76. FIG. 図1のV-V線に沿う断面模式図である。すなわち、センサ素子101の長手方向に直交する垂直断面模式図であり、圧力緩和空間76の一例を示す模式図である。1. That is, it is a schematic vertical cross-sectional view perpendicular to the longitudinal direction of the sensor element 101, and is a schematic view showing an example of a pressure relaxation space 76. センサ素子101の圧力緩和空間76についての他の例を示す模式図である。13 is a schematic diagram showing another example of the pressure relaxation space 76 of the sensor element 101. FIG. センサ素子101の圧力緩和空間76についての他の例を示す模式図である。13 is a schematic diagram showing another example of the pressure relaxation space 76 of the sensor element 101. FIG. センサ素子101の圧力緩和空間76についての他の例を示す模式図である。13 is a schematic diagram showing another example of the pressure relaxation space 76 of the sensor element 101. FIG. 実施例における切断断面の位置を示す、平面模式図である。FIG. 2 is a schematic plan view showing the position of a cut section in an example. 従来のセンサ素子の長手方向に直交する垂直断面模式図である。FIG. 11 is a schematic vertical cross-sectional view perpendicular to the longitudinal direction of a conventional sensor element.

本発明のセンサ素子は、
積層された複数の酸素イオン伝導性の固体電解質層を含む長尺板状の基体部と、
前記基体部の長手方向の一方の端部から被測定ガスを導入して流通させる被測定ガス流通部と、
前記被測定ガス流通部とは前記複数の固体電解質層の少なくとも1つの固体電解質層を介して前記基体部に埋設された、ヒータ発熱部及びヒータリード部を含むヒータとヒータ絶縁体とからなるヒータ含有層と、
前記基体部と前記ヒータ含有層との間の少なくとも一部に形成された圧力緩和空間と、
を含む。
The sensor element of the present invention comprises:
A long plate-like base portion including a plurality of stacked oxygen ion conductive solid electrolyte layers;
a measurement gas flow section for introducing a measurement gas from one end of the base section in a longitudinal direction thereof and allowing the measurement gas to flow therethrough;
The measurement gas flow portion includes a heater-containing layer including a heater including a heater heat generating portion and a heater lead portion, and a heater insulator, the heater-containing layer being embedded in the base portion via at least one of the plurality of solid electrolyte layers;
a pressure relaxation space formed at least partially between the base portion and the heater-containing layer;
Includes.

[ガスセンサの概略構成]
本発明のセンサ素子について、図面を参照して以下に説明する。図1は、センサ素子101を含むガスセンサ100の概略構成の一例を示す長手方向の垂直断面模式図である。以下においては、図1を基準として、上下とは、図1の上側を上、下側を下とし、図1の左側を先端側、右側を後端側とする。
[Outline of gas sensor configuration]
The sensor element of the present invention will be described below with reference to the drawings. Fig. 1 is a schematic vertical cross-sectional view in the longitudinal direction showing an example of a schematic configuration of a gas sensor 100 including a sensor element 101. In the following, with reference to Fig. 1, the upper side of Fig. 1 is referred to as the upper side, the lower side is referred to as the lower side, the left side of Fig. 1 is referred to as the front end side, and the right side is referred to as the rear end side.

図1において、ガスセンサ100は、センサ素子101によって被測定ガス中のNOxを検知し、その濃度を測定する限界電流型のNOxセンサの一例を示している。In Figure 1, the gas sensor 100 shows an example of a limiting current type NOx sensor that detects NOx in the measured gas using a sensor element 101 and measures its concentration.

センサ素子101は、複数の酸素イオン伝導性の固体電解質層が積層された構造を有する基体部102を含む、長尺板状の素子である。長尺板状とは、長板状、あるいは、帯状ともいう。基体部102は、それぞれがジルコニア(ZrO)等の酸素イオン伝導性固体電解質層からなる第1基板層1と、第2基板層2と、第3基板層3と、第1固体電解質層4と、スペーサ層5と、第2固体電解質層6との6つの層が、図面視で下側からこの順に積層された構造を有する。これら6つの層を形成する固体電解質は緻密な気密のものである。前記6つの層は全て同じ厚みであってもよいし、各層毎に異なる厚みであってもよい。各層の間は、固体電解質からなる接着層を介して接着されており、基体部102には前記接着層を含む。図1においては、前記6つの層からなる層構成を例示したが、本発明における層構成はこれに限られるものではなく、任意の層構成としてよい。 The sensor element 101 is a long plate-like element including a base portion 102 having a structure in which a plurality of oxygen ion conductive solid electrolyte layers are laminated. The long plate-like shape is also referred to as a long plate-like shape or a strip-like shape. The base portion 102 has a structure in which six layers, namely a first substrate layer 1, a second substrate layer 2, a third substrate layer 3, a first solid electrolyte layer 4, a spacer layer 5, and a second solid electrolyte layer 6, each of which is made of an oxygen ion conductive solid electrolyte layer such as zirconia (ZrO 2 ), are laminated in this order from the bottom as viewed in the drawing. The solid electrolyte forming these six layers is dense and airtight. The six layers may all have the same thickness, or each layer may have a different thickness. The layers are bonded to each other via an adhesive layer made of a solid electrolyte, and the base portion 102 includes the adhesive layer. In FIG. 1, a layer structure made of the six layers is illustrated as an example, but the layer structure in the present invention is not limited to this and may be any layer structure.

係るセンサ素子101は、例えば、各層に対応するセラミックスグリーンシートに所定の加工および回路パターンの印刷などを行った後にそれらを積層し、さらに、焼成して一体化させることによって製造される。The sensor element 101 is manufactured, for example, by stacking ceramic green sheets corresponding to each layer after carrying out predetermined processing and printing a circuit pattern, and then firing the sheets to integrate them.

センサ素子101の長手方向の一方の端部(以下、先端部という)であって、第2固体電解質層6の下面と第1固体電解質層4の上面との間には、被測定ガス導入口10が形成されている。被測定ガス流通部は、被測定ガス導入口10から長手方向に、第1拡散律速部11と、緩衝空間12と、第2拡散律速部13と、第1内部空所20と、第3拡散律速部30と、第2内部空所40とが、この順に連通する態様にて隣接形成されてなる。A measured gas inlet 10 is formed at one end (hereinafter referred to as the tip) in the longitudinal direction of the sensor element 101, between the lower surface of the second solid electrolyte layer 6 and the upper surface of the first solid electrolyte layer 4. The measured gas flow section is formed by adjacently forming, in the longitudinal direction from the measured gas inlet 10, a first diffusion rate-controlling section 11, a buffer space 12, a second diffusion rate-controlling section 13, a first internal space 20, a third diffusion rate-controlling section 30, and a second internal space 40 in this order in a manner that they are in communication with each other.

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

第1拡散律速部11と、第2拡散律速部13と、第3拡散律速部30とはいずれも、2本の横長の(図1において図面に垂直な方向に開口が長手方向を有する)スリットとして設けられる。The first diffusion rate-controlling section 11, the second diffusion rate-controlling section 13 and the third diffusion rate-controlling section 30 are all provided as two horizontally elongated slits (with the opening having its longitudinal direction perpendicular to the drawing in Figure 1).

また、被測定ガス流通部よりも先端側から遠い位置には、第3基板層3の上面と、スペーサ層5の下面との間であって、側部を第1固体電解質層4の側面で区画される位置に基準ガス導入空間43が設けられている。基準ガス導入空間43は、センサ素子101の他方の端部(以下、後端部という)に開口部を有している。基準ガス導入空間43には、NOx濃度の測定を行う際の基準ガスとして、例えば大気が導入される。Furthermore, a reference gas introduction space 43 is provided at a position farther from the tip side than the measured gas flow portion, between the upper surface of the third substrate layer 3 and the lower surface of the spacer layer 5, and at a position partitioned at the side by the side surface of the first solid electrolyte layer 4. The reference gas introduction space 43 has an opening at the other end (hereinafter referred to as the rear end) of the sensor element 101. For example, air is introduced into the reference gas introduction space 43 as a reference gas when measuring the NOx concentration.

大気導入層48は、多孔質アルミナからなる層であって、大気導入層48には基準ガス導入空間43を通じて基準ガスが導入されるようになっている。また、大気導入層48は、基準電極42を被覆するように形成されている。The air introduction layer 48 is a layer made of porous alumina, and a reference gas is introduced into the air introduction layer 48 through the reference gas introduction space 43. The air introduction layer 48 is also formed to cover the reference electrode 42.

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

被測定ガス流通部において、ガス導入口10は、外部空間に対して開口してなる部位であり、該ガス導入口10を通じて外部空間からセンサ素子101内に被測定ガスが取り込まれるようになっている。In the measured gas flow section, the gas inlet 10 is a portion that opens to the external space, and the measured gas is taken into the sensor element 101 from the external space through the gas inlet 10.

第1拡散律速部11は、ガス導入口10から取り込まれた被測定ガスに対して、所定の拡散抵抗を付与する部位である。The first diffusion rate-controlling section 11 is a section that imparts a predetermined diffusion resistance to the measured gas taken in through the gas inlet 10.

緩衝空間12は、第1拡散律速部11より導入された被測定ガスを第2拡散律速部13へと導くために設けられた空間である。 The buffer space 12 is a space provided to guide the measured gas introduced from the first diffusion rate-controlling section 11 to the second diffusion rate-controlling section 13.

第2拡散律速部13は、緩衝空間12から第1内部空所20に導入される被測定ガスに対して、所定の拡散抵抗を付与する部位である。 The second diffusion rate-controlling section 13 is a section that provides a predetermined diffusion resistance to the measured gas introduced from the buffer space 12 into the first internal space 20.

被測定ガスが、センサ素子101外部から第1内部空所20内まで導入されるにあたって、外部空間における被測定ガスの圧力変動(被測定ガスが自動車の排気ガスの場合であれば排気圧の脈動)によってガス導入口10からセンサ素子101内部に急激に取り込まれた被測定ガスは、直接第1内部空所20へ導入されるのではなく、第1拡散律速部11、緩衝空間12、第2拡散律速部13を通じて被測定ガスの圧力変動が打ち消された後、第1内部空所20へ導入されるようになっている。これによって、第1内部空間へ導入される被測定ガスの圧力変動はほとんど無視できる程度のものとなる。When the measured gas is introduced from the outside of the sensor element 101 into the first internal space 20, the measured gas is suddenly taken into the sensor element 101 from the gas inlet 10 due to pressure fluctuations of the measured gas in the external space (exhaust pressure pulsations if the measured gas is automobile exhaust gas), but is not introduced directly into the first internal space 20. Instead, the pressure fluctuations of the measured gas are canceled through the first diffusion rate-controlling section 11, the buffer space 12, and the second diffusion rate-controlling section 13, and then the measured gas is introduced into the first internal space 20. As a result, the pressure fluctuations of the measured gas introduced into the first internal space are almost negligible.

第1内部空所20は、第2拡散律速部13を通じて導入された被測定ガス中の酸素分圧を調整するための空間として設けられている。係る酸素分圧は、主ポンプセル21が作動することによって調整される。The first internal space 20 is provided as a space for adjusting the oxygen partial pressure in the measurement gas introduced through the second diffusion-controlling section 13. The oxygen partial pressure is adjusted by the operation of the main pump cell 21.

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

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

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

主ポンプセル21においては、内側ポンプ電極22と外側ポンプ電極23との間に所望のポンプ電圧Vp0を可変電源24により印加して、内側ポンプ電極22と外側ポンプ電極23との間に正方向あるいは負方向にポンプ電流Ip0を流すことにより、第1内部空所20内の酸素を外部空間に汲み出し、あるいは、外部空間の酸素を第1内部空所20に汲み入れることが可能となっている。In the main pump cell 21, a desired pump voltage Vp0 is applied between the inner pump electrode 22 and the outer pump electrode 23 by a variable power supply 24, and a pump current Ip0 is passed in a positive or negative direction between the inner pump electrode 22 and the outer pump electrode 23, thereby making it possible to pump oxygen from the first internal space 20 out to the external space, or to pump oxygen from the external space into the first internal space 20.

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

主ポンプ制御用酸素分圧検出センサセル80における起電力V0を測定することで第1内部空所20内の酸素濃度(酸素分圧)がわかるようになっている。さらに、起電力V0が一定となるようにVp0をフィードバック制御することでポンプ電流Ip0が制御されている。これによって、第1内部空所20内の酸素濃度は所定の一定値に保つことができる。 The oxygen concentration (oxygen partial pressure) in the first internal space 20 can be determined by measuring the electromotive force V0 in the oxygen partial pressure detection sensor cell 80 for controlling the main pump. Furthermore, the pump current Ip0 is controlled by feedback controlling Vp0 so that the electromotive force V0 is constant. This allows the oxygen concentration in the first internal space 20 to be maintained at a predetermined constant value.

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

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

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

補助ポンプセル50は、第2内部空所40に面する第2固体電解質層6の下面の略全体に設けられた天井電極部51aを有する補助ポンプ電極51と、外側ポンプ電極23(外側ポンプ電極23に限られるものではなく、センサ素子101外側の適当な電極であれば足りる)と、第2固体電解質層6とによって構成される、補助的な電気化学的ポンプセルである。 The auxiliary pump cell 50 is an auxiliary electrochemical pump cell that is composed of an auxiliary pump electrode 51 having a ceiling electrode portion 51a provided on almost the entire lower surface of the second solid electrolyte layer 6 facing the second internal space 40, an outer pump electrode 23 (not limited to the outer pump electrode 23, but any suitable electrode on the outside of the sensor element 101 will suffice), and the second solid electrolyte layer 6.

係る補助ポンプ電極51は、先の第1内部空所20内に設けられた内側ポンプ電極22と同様なトンネル形態とされた構造において、第2内部空所40内に配設されている。つまり、第2内部空所40の天井面を与える第2固体電解質層6に対して天井電極部51aが形成され、また、第2内部空所40の底面を与える第1固体電解質層4には、底部電極部51bが形成され、そして、それらの天井電極部51aと底部電極部51bとを連結する側部電極部(図示省略)が、第2内部空所40の側壁を与えるスペーサ層5の両壁面にそれぞれ形成されたトンネル形態の構造となっている。The auxiliary pump electrode 51 is disposed in the second internal space 40 in a tunnel-shaped structure similar to the inner pump electrode 22 disposed in the first internal space 20. That is, a ceiling electrode portion 51a is formed on the second solid electrolyte layer 6 that provides the ceiling surface of the second internal space 40, a bottom electrode portion 51b is formed on the first solid electrolyte layer 4 that provides the bottom surface of the second internal space 40, and side electrodes (not shown) connecting the ceiling electrode portion 51a and the bottom electrode portion 51b are formed on both wall surfaces of the spacer layer 5 that provides the side walls of the second internal space 40, forming a tunnel-shaped structure.

なお、補助ポンプ電極51についても、内側ポンプ電極22と同様に、被測定ガス中のNOx成分に対する還元能力を弱めた材料を用いて形成される。 Like the inner pump electrode 22, the auxiliary pump electrode 51 is formed using a material that has a weakened reduction ability for the NOx components in the measured gas.

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

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

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

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

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

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

第4拡散律速部45は、アルミナ(Al)を主成分とする多孔体にて構成される膜である。第4拡散律速部45は、測定電極44に流入するNOxの量を制限する役割を担うとともに、測定電極44の保護膜としても機能する。 The fourth diffusion rate-controlling part 45 is a film made of a porous body mainly composed of alumina (Al 2 O 3 ). The fourth diffusion rate-controlling part 45 serves to limit the amount of NOx flowing into the measurement electrode 44 and also functions as a protective film for the measurement electrode 44.

測定用ポンプセル41においては、測定電極44の周囲の雰囲気中における窒素酸化物の分解によって生じた酸素を汲み出して、その発生量をポンプ電流Ip2として検出することができる。In the measurement pump cell 41, oxygen produced by the decomposition of nitrogen oxides in the atmosphere surrounding the measurement electrode 44 is pumped out, and the amount of oxygen produced can be detected as a pump current Ip2.

また、測定電極44の周囲の酸素分圧を検出するために、第2固体電質層6と、スペーサ層5と、第1固体電解質層4と、第3基板層3と、測定電極44と、基準電極42とによって電気化学的なセンサセル、すなわち、測定用ポンプ制御用酸素分圧検出センサセル82が構成されている。測定用ポンプ制御用酸素分圧検出センサセル82にて検出された起電力V2に基づいて可変電源46が制御される。 In order to detect the oxygen partial pressure around the measurement electrode 44, an electrochemical sensor cell, i.e., an oxygen partial pressure detection sensor cell 82 for controlling the measurement pump, is configured by the second solid electrolyte layer 6, the spacer layer 5, the first solid electrolyte layer 4, the third substrate layer 3, the measurement electrode 44, and the reference electrode 42. The variable power supply 46 is controlled based on the electromotive force V2 detected by the oxygen partial pressure detection sensor cell 82 for controlling the measurement pump.

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

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

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

このような構成を有するガスセンサ100においては、主ポンプセル21と補助ポンプセル50とを作動させることによって酸素分圧が常に一定の低い値(NOxの測定に実質的に影響がない値)に保たれた被測定ガスが測定用ポンプセル41に与えられる。したがって、被測定ガス中のNOxの濃度に略比例して、NOxの還元によって発生する酸素が測定用ポンプセル41より汲み出されることによって流れるポンプ電流Ip2に基づいて、被測定ガス中のNOx濃度を知ることができるようになっている。In the gas sensor 100 having such a configuration, the measurement gas in which the oxygen partial pressure is always kept at a constant low value (a value that has no substantial effect on the measurement of NOx) is supplied to the measurement pump cell 41 by operating the main pump cell 21 and the auxiliary pump cell 50. Therefore, the NOx concentration in the measurement gas can be known based on the pump current Ip2 that flows when oxygen generated by the reduction of NOx is pumped out of the measurement pump cell 41, which is approximately proportional to the concentration of NOx in the measurement gas.

主ポンプセル21、主ポンプ制御用酸素分圧検出センサセル80、補助ポンプセル50、補助ポンプ制御用酸素分圧検出センサセル81、測定用ポンプセル41、測定用ポンプ制御用酸素分圧検出センサセル82、センサセル83、及び被測定ガス流通部をガス検知部と総称する。ガス検知部の構成は特に限定されず、固体電解質の酸素イオン伝導性を利用して対象とするガス成分を検知するように構成されていればよい。The main pump cell 21, the oxygen partial pressure detection sensor cell 80 for controlling the main pump, the auxiliary pump cell 50, the oxygen partial pressure detection sensor cell 81 for controlling the auxiliary pump, the measurement pump cell 41, the oxygen partial pressure detection sensor cell 82 for controlling the measurement pump, the sensor cell 83, and the measurement gas flow section are collectively referred to as the gas detection section. The configuration of the gas detection section is not particularly limited, and it may be configured to detect the target gas component by utilizing the oxygen ion conductivity of the solid electrolyte.

図1においては、被測定ガス流通部は2つの内部空所(第1内部空所20及び第2内部空所40)を有する構造であるが、被測定ガス流通部の構造はこれに限られない。図2は、ガスセンサ100の概略構成の他の例を示す長手方向の垂直断面模式図である。図2におけるセンサ素子101は、図1におけるセンサ素子101と被測定ガス流通部の構成が異なる変形例である。図2に例示するように、第2内部空所40を第5拡散律速部60でさらに2室に分け、第3内部空所61を形成しても良い。この場合、第2内部空所に補助ポンプ電極51を配置し、第3内部空所に測定電極44を配置しても良い。また第3内部空所61を形成する場合(3室構造)には、第4拡散律速部45を設けなくても良い。なお、図2において、図1と同じものには同じ符号を付しているので、説明は省略する。In FIG. 1, the measurement gas flow section has two internal spaces (first internal space 20 and second internal space 40), but the structure of the measurement gas flow section is not limited to this. FIG. 2 is a vertical cross-sectional view showing another example of the general configuration of the gas sensor 100. The sensor element 101 in FIG. 2 is a modified example in which the measurement gas flow section has a different configuration from the sensor element 101 in FIG. 1. As illustrated in FIG. 2, the second internal space 40 may be further divided into two chambers by the fifth diffusion control section 60 to form a third internal space 61. In this case, the auxiliary pump electrode 51 may be disposed in the second internal space, and the measurement electrode 44 may be disposed in the third internal space. In addition, when the third internal space 61 is formed (three-chamber structure), the fourth diffusion control section 45 may not be provided. In FIG. 2, the same reference numerals are used for the same parts as in FIG. 1, and therefore the description will be omitted.

さらに、センサ素子101は、固体電解質の酸素イオン伝導性を高めるために、センサ素子101を加熱して保温する温度調整の役割を担うヒータ部70を備えている。加えて、センサ素子101は、センサ素子の内部構造の剥離の発生を抑制するための圧力緩和空間76を備えている。以下に詳しく説明する。Furthermore, the sensor element 101 is provided with a heater section 70 that adjusts the temperature by heating and keeping the sensor element 101 warm in order to increase the oxygen ion conductivity of the solid electrolyte. In addition, the sensor element 101 is provided with a pressure relief space 76 to suppress the occurrence of peeling of the internal structure of the sensor element. This will be explained in detail below.

[ヒータ部]
ヒータ部70は、ヒータ電極71と、ヒータ72(72a、72b)と、スルーホール73と、ヒータ絶縁体74を備えている。
[Heater section]
The heater section 70 includes a heater electrode 71 , heaters 72 ( 72 a , 72 b ), a through hole 73 , and a heater insulator 74 .

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

図3は、ヒータ72と後述する圧力緩和空間76の概略的な平面配置の例を示す模式図である。ヒータ72は、ヒータ発熱部72aと、ヒータ発熱部72aに接続していて且つセンサ素子101の長手方向後端側に延びているヒータリード部72bとを含んでいる。図1を参照すると、ヒータ発熱部72aは、第2基板層2と第3基板層3とに上下から挟まれた態様にて形成される電気抵抗体である。ヒータ発熱部72aは、ヒータリード部72b及びスルーホール73を介してヒータ電極71と接続されており、該ヒータ電極71を通して外部より給電されることにより発熱し、センサ素子101を形成する固体電解質の加熱と保温を行う。3 is a schematic diagram showing an example of a general planar arrangement of the heater 72 and the pressure relaxation space 76 described later. The heater 72 includes a heater heat generating portion 72a and a heater lead portion 72b connected to the heater heat generating portion 72a and extending to the longitudinal rear end side of the sensor element 101. Referring to FIG. 1, the heater heat generating portion 72a is an electrical resistor formed in a manner sandwiched between the second substrate layer 2 and the third substrate layer 3 from above and below. The heater heat generating portion 72a is connected to the heater electrode 71 via the heater lead portion 72b and the through hole 73, and generates heat when power is supplied from the outside through the heater electrode 71, heating and keeping warm the solid electrolyte that forms the sensor element 101.

ヒータ発熱部72aは、第1内部空所20から第2内部空所40のほぼ全域に渡って、素子厚み方向において前記全域に対向するように埋設されており、センサ素子101のガス検知部を上記固体電解質が活性化する温度に調整することが可能となっている。図3に示されるように、ヒータ発熱部72aは、平面から見て、蛇行した1本の線状の電気抵抗体である。図3において、ヒータ発熱部72aは、ヒータ72の破線で囲まれた部分である。2本のヒータリード部72bは、ヒータ発熱部72aの両端にそれぞれ接続され、センサ素子101の長手方向後端部に向かってが延びている(図3)。ヒータ発熱部72aの蛇行の数や線幅などの形状は、センサ素子101のガス検知部を所定の温度に調整することができるように任意に設定しうる。また、ガス検知部の全域が同じ温度に調整される必要はなく、ガス検知部に温度分布があってもよい。The heater heating portion 72a is embedded so as to face the entire area in the element thickness direction from the first internal space 20 to the second internal space 40 over almost the entire area, and it is possible to adjust the gas detection portion of the sensor element 101 to a temperature at which the solid electrolyte is activated. As shown in FIG. 3, the heater heating portion 72a is a single meandering linear electric resistor when viewed from above. In FIG. 3, the heater heating portion 72a is the portion of the heater 72 surrounded by the dashed line. The two heater lead portions 72b are connected to both ends of the heater heating portion 72a, respectively, and extend toward the longitudinal rear end of the sensor element 101 (FIG. 3). The shape of the heater heating portion 72a, such as the number of meanders and line width, can be set arbitrarily so that the gas detection portion of the sensor element 101 can be adjusted to a predetermined temperature. In addition, it is not necessary for the entire gas detection portion to be adjusted to the same temperature, and there may be a temperature distribution in the gas detection portion.

ヒータ72の変形例を図4に示す。ヒータ発熱部72aとしては、図4に示されるような、いわゆるくし型形状を採用してもよい。ヒータ発熱部72aの両端は、平面視略三角形状に先太りしており、それぞれがヒータリード部72bに接続されている。図4において、ヒータ発熱部72aは、ヒータ72の破線で囲まれた部分である。ヒータ発熱部72aの長さや線幅などの形状は、センサ素子101のガス検知部を所定の温度に調整することができるように任意に設定しうる。また、ガス検知部の全域が同じ温度に調整される必要はなく、ガス検知部に温度分布があってもよい。 A modified example of the heater 72 is shown in FIG. 4. The heater heating portion 72a may have a so-called comb shape as shown in FIG. 4. Both ends of the heater heating portion 72a are thickened in a generally triangular shape in a plan view, and each is connected to a heater lead portion 72b. In FIG. 4, the heater heating portion 72a is the portion of the heater 72 surrounded by a dashed line. The shape of the heater heating portion 72a, such as the length and line width, can be set arbitrarily so that the gas detection portion of the sensor element 101 can be adjusted to a predetermined temperature. In addition, the entire gas detection portion does not need to be adjusted to the same temperature, and there may be a temperature distribution in the gas detection portion.

ヒータ絶縁体74は、ヒータ72の上下面に、アルミナ等の絶縁体によって層状に形成されてなる絶縁層である。ヒータ絶縁体74は、第2基板層2とヒータ72との間の電気的絶縁性、および、第3基板層3とヒータ72との間の電気的絶縁性を得る目的で形成されている。ヒータ絶縁体74は、多孔体である。図3において、図示を省略しているが、ヒータ絶縁体74はヒータ72(ヒータ発熱部72a及びヒータリード部72b)全体を覆う領域に存在しており、その平面形状はほぼ矩形である。The heater insulator 74 is an insulating layer formed of an insulator such as alumina in layers on the upper and lower surfaces of the heater 72. The heater insulator 74 is formed for the purpose of obtaining electrical insulation between the second substrate layer 2 and the heater 72, and between the third substrate layer 3 and the heater 72. The heater insulator 74 is a porous body. Although not shown in FIG. 3, the heater insulator 74 is present in an area that covers the entire heater 72 (heater heat generating portion 72a and heater lead portion 72b), and its planar shape is approximately rectangular.

ヒータ部のうち、第2基板層2と第3基板層3とに上下から挟まれた態様で埋設されているヒータ72とヒータ絶縁体74とを、ヒータ含有層75と称する。Of the heater section, the heater 72 and heater insulator 74 embedded between the second substrate layer 2 and the third substrate layer 3 in a manner sandwiched from above and below are referred to as the heater-containing layer 75.

ヒータ発熱部72aの厚みは、所望の電気抵抗値となるように適宜設定してよい。ヒータ絶縁体74の厚みは、第2基板層2とヒータ72との間の電気的絶縁性、および、第3基板層3とヒータ72との間の電気的絶縁性が保たれる範囲で適宜設定してよい。例えば、ヒータ含有層75の厚みとして、15~50μmとすることができる。ここで、ヒータ含有層75の厚みは、ヒータ72が存在する部分においては、ヒータ72及びヒータ絶縁体74を合わせた厚みである。ヒータ含有層75の長手方向の長さは、センサ素子の長さよりも短ければよく、例えば、40~80mmとすることができる。ヒータ含有層75の長手方向に直交する幅方向の長さは、センサ素子の幅よりも短ければよく、例えば、2~5mmとすることができる。また、ヒータ発熱部72aを含む領域のヒータ含有層75は、長手方向の長さを、例えば、2~15mmとすることができる。The thickness of the heater heating portion 72a may be appropriately set to a desired electrical resistance value. The thickness of the heater insulator 74 may be appropriately set within a range in which electrical insulation between the second substrate layer 2 and the heater 72 and electrical insulation between the third substrate layer 3 and the heater 72 are maintained. For example, the thickness of the heater-containing layer 75 may be 15 to 50 μm. Here, the thickness of the heater-containing layer 75 is the combined thickness of the heater 72 and the heater insulator 74 in the portion where the heater 72 is present. The length of the heater-containing layer 75 in the longitudinal direction may be shorter than the length of the sensor element, and may be, for example, 40 to 80 mm. The length of the heater-containing layer 75 in the width direction perpendicular to the longitudinal direction may be shorter than the width of the sensor element, and may be, for example, 2 to 5 mm. In addition, the heater-containing layer 75 in the region including the heater heating portion 72a may have a longitudinal length of, for example, 2 to 15 mm.

[圧力緩和空間]
センサ素子101は、圧力緩和空間76を備えている。図3は、上述のように、ヒータ72と圧力緩和空間76の概略的な平面配置の例を示す模式図である。図3において、圧力緩和空間76の平面における領域を、破線で例示している。図5は、図1のV-V線に沿う断面模式図である。すなわち、センサ素子101の長手方向に直交する垂直断面模式図であり、圧力緩和空間76の一例を示す模式図である。
[Pressure relief space]
The sensor element 101 includes a pressure relaxation space 76. As described above, Fig. 3 is a schematic diagram showing an example of a general planar arrangement of the heater 72 and the pressure relaxation space 76. In Fig. 3, the area of the pressure relaxation space 76 in a plane is illustrated by a dashed line. Fig. 5 is a schematic cross-sectional view taken along line VV in Fig. 1. That is, it is a schematic vertical cross-sectional view perpendicular to the longitudinal direction of the sensor element 101, and shows an example of the pressure relaxation space 76.

圧力緩和空間76は、センサ素子101の基体部102を構成する第3基板層3の下面とヒータ絶縁体74の上面とに挟まれた態様にて形成されている。すなわち、ヒータ含有層75の被測定ガス流通部に近い側の面75aに接して形成されている。図5に示されるように、ヒータ絶縁体74と圧力緩和空間76の側面はそれぞれ接着層90に接している。接着層90は、第2基板層2と第3基板層3とを接着する気密な層であり、第2基板層2と第3基板層3と同じく、酸素イオン伝導性の固体電解質で構成される層である。図3において破線で示されているように、圧力緩和空間76は、平面においてヒータ発熱部72aの全域をほぼ覆うように、ヒータ絶縁体74(図3において図示省略)の上面に配置されている。圧力緩和空間76は、センサ素子101の長手方向に延びた層状の空間であり、センサ素子101の基体部102の内部に閉じた空間である。The pressure relaxation space 76 is formed in a manner sandwiched between the lower surface of the third substrate layer 3 constituting the base portion 102 of the sensor element 101 and the upper surface of the heater insulator 74. That is, it is formed in contact with the surface 75a of the heater-containing layer 75 that is closer to the measurement gas flow portion. As shown in FIG. 5, the side surfaces of the heater insulator 74 and the pressure relaxation space 76 are each in contact with the adhesive layer 90. The adhesive layer 90 is an airtight layer that bonds the second substrate layer 2 and the third substrate layer 3, and is a layer composed of an oxygen ion conductive solid electrolyte, like the second substrate layer 2 and the third substrate layer 3. As shown by the dashed line in FIG. 3, the pressure relaxation space 76 is arranged on the upper surface of the heater insulator 74 (not shown in FIG. 3) so as to cover almost the entire area of the heater heat generating portion 72a in a plane. The pressure relaxation space 76 is a layered space extending in the longitudinal direction of the sensor element 101 , and is a closed space inside the base portion 102 of the sensor element 101 .

ヒータ絶縁体74は多孔体であるため、その内部やヒータ発熱部72aとの界面等に水分等の液体成分が溜まることがある。ガスセンサ使用中には、ヒータ発熱部72aの発熱によりセンサ素子は高温になるが、ガスセンサが使用されていない時(センサ素子が加熱されていない時)には、センサ素子は雰囲気温度と同じ温度になっている。そのため、多孔体であるヒータ絶縁体74の内部やヒータ発熱部72aとの界面等には、空気等の気体成分以外にも、水分等の液体成分が存在する。ヒータ絶縁体74の内部やヒータ発熱部72aとの界面等に水分等の液体成分が存在した状態で、ガスセンサを始動した場合、ヒータ発熱部72aの発熱によって水分等の液体成分が急速に蒸発する。蒸発により発生した水蒸気等の気体成分は、ヒータ絶縁体74の内部やヒータ発熱部72aとの界面等から圧力緩和空間76に移動することができるため、ヒータ絶縁体74近傍の圧力上昇を抑えることができる。結果として、センサ素子101が、隣り合う2つの固体電解質層の間、主に、第2基板層2と第3基板層3との間で剥離することを抑制することができると考えられる。従って、圧力緩和空間76を有するセンサ素子101を用いれば、センサ素子101がその内部構造の剥離によって破壊されにくく、繰り返し使用に耐えることができるため、ガスセンサ100の耐久性が向上する。Since the heater insulator 74 is a porous body, liquid components such as moisture may accumulate inside the heater insulator 74 or at the interface with the heater heating portion 72a. When the gas sensor is in use, the sensor element becomes hot due to the heat generated by the heater heating portion 72a, but when the gas sensor is not in use (when the sensor element is not heated), the sensor element is at the same temperature as the ambient temperature. Therefore, in addition to gas components such as air, liquid components such as moisture are present inside the heater insulator 74, which is a porous body, and at the interface with the heater heating portion 72a. If liquid components such as moisture are present inside the heater insulator 74 or at the interface with the heater heating portion 72a when the gas sensor is started, the liquid components such as moisture will rapidly evaporate due to the heat generated by the heater heating portion 72a. Gas components such as water vapor generated by evaporation can move from the inside of the heater insulator 74 or the interface with the heater heating portion 72a to the pressure relaxation space 76, so that the pressure rise near the heater insulator 74 can be suppressed. As a result, it is believed that it is possible to suppress peeling of the sensor element 101 between two adjacent solid electrolyte layers, mainly between the second substrate layer 2 and the third substrate layer 3. Therefore, by using the sensor element 101 having the pressure relaxation space 76, the sensor element 101 is less likely to be destroyed due to peeling of its internal structure and can withstand repeated use, thereby improving the durability of the gas sensor 100.

圧力緩和空間76は、ヒータ絶縁体74の内部やヒータ発熱部72aとの界面等に存在する水分等の液体成分の蒸発による圧力を緩和することができればよい。圧力緩和空間76の厚みは、例えば、10~50μmとすることができる。圧力緩和空間76の長手方向の長さは、例えば、2~15mmとすることができる。圧力緩和空間76の長手方向に直交する幅方向の長さは、センサ素子の幅よりも短ければよく、例えば、2~5mmとすることができる。The pressure relief space 76 only needs to be able to relieve pressure caused by evaporation of liquid components such as moisture present inside the heater insulator 74 and at the interface with the heater heat generating portion 72a. The thickness of the pressure relief space 76 can be, for example, 10 to 50 μm. The longitudinal length of the pressure relief space 76 can be, for example, 2 to 15 mm. The widthwise length of the pressure relief space 76 perpendicular to the longitudinal direction only needs to be shorter than the width of the sensor element, and can be, for example, 2 to 5 mm.

圧力緩和空間76は、基体部102を構成する固体電解質とヒータ含有層75との間の少なくとも一部に存在すればよい。圧力緩和空間76は、平面においてヒータ発熱部72aの全域をほぼ覆うように配置されていてもよいし、ヒータ発熱部72aの一部を覆うように配置されていてもよい。ヒータリード部72bの全部又は一部を覆うように配置されていてもよい。圧力緩和空間76は、ヒータ発熱部72aの領域のみに存在してもよいし、ヒータ発熱部72aの領域からさらにヒータリード部72bを含めてセンサ素子101の後端部まで延びていてもよい。あるいは、圧力緩和空間76は、ヒータリード部72bの領域のみに存在してもよい。また、圧力緩和空間76は、連続した1つの空間でもよいし、互いに独立した複数の空間から構成されていてもよい。The pressure relaxation space 76 may be present at least partially between the solid electrolyte constituting the base portion 102 and the heater-containing layer 75. The pressure relaxation space 76 may be arranged so as to cover almost the entire area of the heater heat generating portion 72a in a plane, or may be arranged so as to cover a part of the heater heat generating portion 72a. It may be arranged so as to cover all or a part of the heater lead portion 72b. The pressure relaxation space 76 may be present only in the area of the heater heat generating portion 72a, or may extend from the area of the heater heat generating portion 72a to the rear end of the sensor element 101 including the heater lead portion 72b. Alternatively, the pressure relaxation space 76 may be present only in the area of the heater lead portion 72b. The pressure relaxation space 76 may be a single continuous space, or may be composed of multiple spaces independent of each other.

図5においては、圧力緩和空間76が、ヒータ含有層75の被測定ガス流通部に近い側の面75aに接して形成されている形態について説明した。 In Figure 5, a configuration is described in which the pressure relaxation space 76 is formed adjacent to the surface 75a of the heater-containing layer 75 that is closer to the measured gas flow portion.

圧力緩和空間76の他の形態として、図6に示されるように、第2基板層2の上面とヒータ絶縁体74の下面との間に(すなわち、ヒータ含有層75の被測定ガス流通部から遠い側の面75bに接して)圧力緩和空間76を形成してもよい。この場合の圧力緩和空間76は、センサ素子101の長手方向に延びた層状の空間である。As another form of the pressure relief space 76, as shown in Fig. 6, the pressure relief space 76 may be formed between the upper surface of the second substrate layer 2 and the lower surface of the heater insulator 74 (i.e., in contact with the surface 75b of the heater-containing layer 75 that is farther from the measurement gas flow portion). In this case, the pressure relief space 76 is a layered space extending in the longitudinal direction of the sensor element 101.

このように、圧力緩和空間76を、ヒータ含有層75の、被測定ガス流通部と遠い側の面75bに接して形成した場合は、ガスセンサ使用中(センサ素子が高温に保持されている状態)において、センサ素子101に水が掛かった場合の強度(耐被水性)を向上させることもできる。圧力緩和空間が、高温のセンサ素子表面に水が掛かった時に生じる応力を緩和する働きをすると推察される。In this way, when the pressure relaxation space 76 is formed in contact with the surface 75b of the heater-containing layer 75 that is far from the measurement gas flow portion, the strength (water resistance) of the sensor element 101 when water is splashed on it during use of the gas sensor (when the sensor element is kept at a high temperature) can be improved. It is presumed that the pressure relaxation space acts to relieve stress that occurs when water is splashed on the surface of the high-temperature sensor element.

あるいは、圧力緩和空間76の他の形態として、図7に示されるように、ヒータ含有層75の側部、すなわち、ヒータ含有層75の側面75cと接着層90の内方側面90aとの間に(すなわち、ヒータ含有層75の側面75cに接して)圧力緩和空間76を形成してもよい。この場合の圧力緩和空間76は、長手方向に延びた空間であり、例えば、その長手方向に直交する断面が矩形(図7)やその他のいずれの形状であってもよい。圧力緩和空間76は、ヒータ含有層75の両側面に存在してもよいし、片側のみに存在してもよい。Alternatively, as another form of the pressure relief space 76, as shown in FIG. 7, the pressure relief space 76 may be formed on the side of the heater-containing layer 75, i.e., between the side surface 75c of the heater-containing layer 75 and the inner side surface 90a of the adhesive layer 90 (i.e., in contact with the side surface 75c of the heater-containing layer 75). In this case, the pressure relief space 76 is a space extending in the longitudinal direction, and the cross section perpendicular to the longitudinal direction may be, for example, rectangular (FIG. 7) or any other shape. The pressure relief space 76 may be present on both sides of the heater-containing layer 75, or on only one side.

また、圧力緩和空間76の他の形態として、図8に示されるように、ヒータ発熱部72aの上面及び側面が、圧力緩和空間76に露出するように、圧力緩和空間76を形成してもよい。この場合、ヒータ含有層75はヒータ絶縁体74とヒータ72とから構成される。ヒータ発熱部72aの上面のみが圧力緩和空間76に露出していてもよい。8, the pressure relief space 76 may be formed so that the upper and side surfaces of the heater heat generating portion 72a are exposed to the pressure relief space 76. In this case, the heater-containing layer 75 is composed of a heater insulator 74 and a heater 72. Only the upper surface of the heater heat generating portion 72a may be exposed to the pressure relief space 76.

圧力緩和空間76の大きさ(容積)については、当業者が適宜設定することができる。例えば、センサ素子101の長手方向に直交する垂直断面において、ヒータ含有層75の断面積A75(すなわち、ヒータ72の断面積とヒータ絶縁体74の断面積との和)に対する圧力緩和空間76の断面積A76の比R(A76/A75)を、下限としては、0.10以上としてもよい。0.10以上であれば、ヒータ絶縁体74近傍の圧力上昇を抑制しやすい。好ましくは、断面積比Rが0.30以上としてもよい。一方、上限としては、断面積比Rが0.80以下としてもよい。好ましくは、0.60以下としてもよい。上限は、センサ素子の第2基板層2と第3基板層3との間の密着強度の観点から設定するとよい。好ましい範囲としては、0.10以上0.80以下、あるいは、0.30以上0.80以下としてもよい。より好ましくは、0.30以上0.60以下としてもよい。図5~8に例示されているような、種々の圧力緩和空間76の配置において、上記の断面積比Rを設定してよい。なお、上記垂直断面は、センサ素子101の長手方向に直交するどの位置における垂直断面でもよい。 The size (volume) of the pressure relaxation space 76 can be appropriately set by a person skilled in the art. For example, in a vertical cross section perpendicular to the longitudinal direction of the sensor element 101, the ratio R (A 76 /A 75 ) of the cross-sectional area A 76 of the pressure relaxation space 76 to the cross-sectional area A 75 of the heater-containing layer 75 (i.e., the sum of the cross-sectional area of the heater 72 and the cross - sectional area of the heater insulator 74) may be 0.10 or more as a lower limit. If it is 0.10 or more, it is easy to suppress the pressure rise near the heater insulator 74. Preferably, the cross-sectional area ratio R may be 0.30 or more. On the other hand, the cross-sectional area ratio R may be 0.80 or less as an upper limit. Preferably, it may be 0.60 or less. The upper limit may be set from the viewpoint of the adhesion strength between the second substrate layer 2 and the third substrate layer 3 of the sensor element. A preferable range may be 0.10 or more and 0.80 or less, or 0.30 or more and 0.80 or less. More preferably, it may be set to 0.30 or more and 0.60 or less. The above-mentioned cross-sectional area ratio R may be set in various arrangements of the pressure relaxation space 76 as exemplified in Figures 5 to 8. Note that the above-mentioned vertical cross section may be a vertical cross section at any position perpendicular to the longitudinal direction of the sensor element 101.

ここで、ヒータ含有層75の断面積A75に対する圧力緩和空間76の断面積A76の比R(A76/A75)は、以下のように算出することができる。センサ素子101の長手方向に直交する垂直断面を研磨し、SEMにて撮影する。次に、得られたSEM画像を二値化処理してヒータ含有層75の断面積A75を求める。さらに、二値化処理の条件を変更して圧力緩和空間76の断面積A76を求める。求めたヒータ含有層75の断面積A75と、圧力緩和空間76の断面積A76とから、断面積比R=A76/A75を算出する。 Here, the ratio R (A 76 /A 75 ) of the cross-sectional area A 76 of the pressure relaxation space 76 to the cross-sectional area A 75 of the heater-containing layer 75 can be calculated as follows. A vertical cross section perpendicular to the longitudinal direction of the sensor element 101 is polished and photographed by an SEM. The obtained SEM image is then binarized to obtain the cross-sectional area A 75 of the heater-containing layer 75. Furthermore, the binarization conditions are changed to obtain the cross-sectional area A 76 of the pressure relaxation space 76. The cross-sectional area ratio R=A 76 /A 75 is calculated from the cross-sectional area A 75 of the heater-containing layer 75 and the cross-sectional area A 76 of the pressure relaxation space 76 thus obtained.

図1において、圧力緩和空間76は、センサ素子101の内部に閉じた空間である。従って、ヒータ絶縁体74の内部やヒータ発熱部72aとの界面等に存在する水分等の液体成分が蒸発して水蒸気等の気体成分が発生しても、圧力緩和空間76内に放出されるのみであり、基準ガス導入空間43に対して影響を与えることがない。つまり、ガスセンサを始動してから正確な測定が開始できるまでの始動時間に影響を与えず、ガスセンサの始動時間を短くすることができる。あるいは、圧力緩和空間76は、基準ガス導入空間43以外を通じて基体部102の外部に対して開口していてもよい。圧力緩和空間76が基体部102の外部に対して開口している場合は、発生した水蒸気等の気体成分による圧力をより低減することができる。基準ガス導入空間43以外を通じて開口しているのであれば、発生した水蒸気等の気体成分は、基準ガス導入空間43に対して直接影響を与えない。従って、この場合であっても、ガスセンサの始動時間を短くすることができると考えられる。1, the pressure relaxation space 76 is a closed space inside the sensor element 101. Therefore, even if liquid components such as moisture present inside the heater insulator 74 or at the interface with the heater heat generating portion 72a evaporate and gas components such as water vapor are generated, they are only released into the pressure relaxation space 76 and do not affect the reference gas introduction space 43. In other words, the start-up time from when the gas sensor is started to when accurate measurement can be started is not affected, and the start-up time of the gas sensor can be shortened. Alternatively, the pressure relaxation space 76 may be open to the outside of the base portion 102 through a space other than the reference gas introduction space 43. If the pressure relaxation space 76 is open to the outside of the base portion 102, the pressure due to gas components such as water vapor generated can be further reduced. If it is open through a space other than the reference gas introduction space 43, the gas components such as water vapor generated do not directly affect the reference gas introduction space 43. Therefore, even in this case, it is considered that the start-up time of the gas sensor can be shortened.

圧力緩和空間76によって、さらに、以下の効果を得ることができる。圧力緩和空間76が存在することにより、基体部102を構成する固体電解質とヒータとの間に、ヒータ絶縁体74に加えて空間が介在することになるため、固体電解質とヒータとの間の絶縁性をより向上させることができる。絶縁性のさらなる向上により、ヒータから固体電解質へのリーク電流をより低減することができ、対象とするガスを検出する際の電気信号の信号精度を向上させることができる。The pressure relaxation space 76 can further provide the following effects. The presence of the pressure relaxation space 76 provides a space between the solid electrolyte constituting the base portion 102 and the heater in addition to the heater insulator 74, so that the insulation between the solid electrolyte and the heater can be further improved. This further improvement in insulation can further reduce the leakage current from the heater to the solid electrolyte, improving the signal accuracy of the electrical signal when detecting the target gas.

[センサ素子製造方法]
次に、上述のようなセンサ素子の製造方法の一例を説明する。ジルコニア(ZrO)等の酸素イオン伝導性固体電解質をセラミックス成分として含む複数の未焼成のシート状成形物(いわゆるグリーンシート)に所定の加工および回路パターンの印刷などを行った後に、当該複数のシートを積層し、その積層体を切断した後、焼成することによってセンサ素子101を作製することができる。
[Sensor element manufacturing method]
Next, an example of a method for manufacturing the above-mentioned sensor element will be described. After performing predetermined processing and printing of a circuit pattern on a plurality of unfired sheet-shaped molded products (so-called green sheets) containing an oxygen ion conductive solid electrolyte such as zirconia (ZrO 2 ) as a ceramic component, the plurality of sheets are stacked, the stack is cut, and then fired to produce the sensor element 101.

以下においては、図1に示した6つの層からなるセンサ素子101を作製する場合を例として説明する。 In the following, we will use as an example the case of manufacturing a sensor element 101 consisting of six layers as shown in Figure 1.

まず、ジルコニア(ZrO)等の酸素イオン伝導性固体電解質をセラミックス成分として含む6枚のグリーンシートを準備する。グリーンシートの作製には、公知の成形方法を用いることができる。6枚のグリーンシートは全て同じ厚みでもよいし、形成する層によって厚みが異なってもよい。6枚のグリーンシートそれぞれに、印刷時や積層時の位置決めに用いるシート穴等を、パンチング装置による打ち抜き処理などの公知の方法で、予め形成する(ブランクシート)。スペーサ層5に用いるブランクシートには、内部空所等の貫通部も同様の方法で形成する。その他の層にも必要な貫通部を予め形成する。 First, six green sheets containing an oxygen ion conductive solid electrolyte such as zirconia (ZrO 2 ) as a ceramic component are prepared. A known forming method can be used to prepare the green sheets. All six green sheets may have the same thickness, or the thickness may differ depending on the layer to be formed. Each of the six green sheets is previously formed with sheet holes or the like for positioning during printing or lamination by a known method such as punching processing with a punching device (blank sheet). In the blank sheet used for the spacer layer 5, a through portion such as an internal void is also formed by the same method. Necessary through portions are also previously formed in other layers.

第1基板層1と、第2基板層2と、第3基板層3と、第1固体電解質層4と、スペーサ層5と、第2固体電解質層6との6つの層に用いるブランクシートに、各層毎に必要な種々のパターンの印刷・乾燥処理を行う。パターンの印刷には、公知のスクリーン印刷技術を用いることができる。乾燥処理についても、公知の乾燥手段を用いることができる。 Blank sheets used for the six layers of the first substrate layer 1, the second substrate layer 2, the third substrate layer 3, the first solid electrolyte layer 4, the spacer layer 5, and the second solid electrolyte layer 6 are printed and dried with various patterns required for each layer. A known screen printing technique can be used to print the patterns. A known drying method can also be used for the drying process.

圧力緩和空間76の形成について、図5の形態のセンサ素子101を作製する場合について、詳しく説明する。まず、第2基板層2に用いるブランクシートを準備する。この時、第2基板層2に用いるブランクシートが、第1基板層1に用いるブランクシートと予め積層された態様で準備されていてもよい。The formation of the pressure relaxation space 76 will be described in detail below in the case of producing a sensor element 101 in the form shown in Figure 5. First, prepare a blank sheet to be used for the second substrate layer 2. At this time, the blank sheet to be used for the second substrate layer 2 may be prepared in a state in which it is pre-laminated with the blank sheet to be used for the first substrate layer 1.

第2基板層2に用いるブランクシートに、ヒータ含有層75を印刷により形成する。ヒータ絶縁体74形成用のペースト(ヒータ絶縁体ペースト)を所定のパターンにて印刷・乾燥する。所望の厚みによっては、複数回印刷・乾燥を繰り返してもよい。印刷されたヒータ絶縁体ペーストの上に、ヒータ72形成用のペースト(ヒータペースト)を所定のパターンにて印刷・乾燥する。ヒータ72を形成する場合、ヒータ発熱部72aとヒータリード部72bとが同じヒータペーストで印刷されてもよいし、異なるヒータペーストで印刷されてもよい。また、所望の厚みによっては、複数回印刷・乾燥を繰り返してもよいし、ヒータ発熱部72aとヒータリード部72bとが異なる回数印刷・乾燥されてもよい。さらに、印刷されたヒータペーストの上に、ヒータ絶縁体ペーストを所定のパターンにて印刷・乾燥する。所望の厚みによっては、複数回印刷・乾燥を繰り返してもよい。A heater-containing layer 75 is formed by printing on a blank sheet used for the second substrate layer 2. A paste for forming the heater insulator 74 (heater insulator paste) is printed and dried in a predetermined pattern. Depending on the desired thickness, printing and drying may be repeated multiple times. A paste for forming the heater 72 (heater paste) is printed and dried in a predetermined pattern on the printed heater insulator paste. When forming the heater 72, the heater heat generating portion 72a and the heater lead portion 72b may be printed with the same heater paste or may be printed with different heater pastes. Depending on the desired thickness, printing and drying may be repeated multiple times, or the heater heat generating portion 72a and the heater lead portion 72b may be printed and dried different times. Furthermore, a heater insulator paste is printed and dried in a predetermined pattern on the printed heater paste. Depending on the desired thickness, printing and drying may be repeated multiple times.

次に、圧力緩和空間76を形成する。印刷されたヒータ含有層75の上に、圧力緩和空間76形成用のペースト(後工程の焼成により消失する消失材ペースト)を所定のパターンにて印刷・乾燥する。所望の厚みによっては、複数回印刷・乾燥を繰り返してもよい。Next, the pressure relief space 76 is formed. A paste for forming the pressure relief space 76 (a paste made of a material that disappears when fired in a later process) is printed and dried in a predetermined pattern on the printed heater-containing layer 75. Depending on the desired thickness, printing and drying may be repeated multiple times.

また、第2基板層2に用いるブランクシートに、接着層90形成用のペースト(接着用ペースト)を所定のパターンにて印刷・乾燥する。所望の厚みによっては、複数回印刷・乾燥を繰り返してもよい。接着層90は、第2基板層2と第3基板層3を接着するための層であり、ヒータ含有層75と圧力緩和空間76とを合わせた厚みとほぼ等しい厚みになっていることが好ましい。In addition, a paste for forming adhesive layer 90 (adhesive paste) is printed and dried in a predetermined pattern on a blank sheet used for second substrate layer 2. Depending on the desired thickness, printing and drying may be repeated multiple times. Adhesive layer 90 is a layer for adhering second substrate layer 2 and third substrate layer 3, and preferably has a thickness approximately equal to the combined thickness of heater-containing layer 75 and pressure relief space 76.

ヒータ絶縁体ペーストとしては、Alに樹脂・有機溶剤を混合して所定の粘度に調整したものが用いられる。ヒータペーストとしては、Ptを主成分とし、樹脂・有機溶剤を混合して所定の粘度に調整したものが用いられる。消失材ペーストとしては、後工程の焼成により消失する材料と有機溶剤とを混合して所定の粘度に調整したものが用いられる。消失材ペーストは後工程の焼成により消失するものであればよい。例えば、テオブロミン、アクリル樹脂、カーボン等を用いることができる。接着用ペーストは、固体電解質を含む。第2基板層2及び第3基板層3と同じ固体電解質を用いてもよい。例えば、ZrOを主成分とし、樹脂・有機溶剤を混合して所定の粘度に調整したものが用いられる。 The heater insulator paste is made by mixing Al 2 O 3 with a resin and an organic solvent to adjust the viscosity to a predetermined value. The heater paste is made by mixing Pt as the main component with a resin and an organic solvent to adjust the viscosity to a predetermined value. The vanishing material paste is made by mixing a material that vanishes by firing in a later process with an organic solvent to adjust the viscosity to a predetermined value. The vanishing material paste may be any paste that vanishes by firing in a later process. For example, theobromine, acrylic resin, carbon, etc. may be used. The adhesive paste includes a solid electrolyte. The same solid electrolyte as that of the second substrate layer 2 and the third substrate layer 3 may be used. For example, ZrO 2 is used as the main component with a resin and an organic solvent to adjust the viscosity to a predetermined value.

6枚のブランクシートそれぞれに対する種々のパターンの印刷・乾燥が終わると、6枚の印刷済みブランクシートを、シート穴等で位置決めしつつ所定の順序で積み重ねて、所定の温度・圧力条件で圧着させて積層体とする圧着処理を行う。圧着処理は、公知の油圧プレス機等の積層機で加熱・加圧することにより行う。加熱・加圧する温度、圧力及び時間は、用いる積層機に依存するものであるが、良好な積層が実現できるように、適宜定めることができる。 After printing and drying various patterns on each of the six blank sheets, the six printed blank sheets are stacked in a specified order while being positioned using sheet holes, etc., and then pressed under specified temperature and pressure conditions to form a laminate. The pressing process is carried out by applying heat and pressure using a laminator such as a well-known hydraulic press. The temperature, pressure and time for heating and pressing depend on the laminator used, but can be determined as appropriate to achieve good lamination.

得られた積層体は、複数個のセンサ素子101を包含している。その積層体を切断してセンサ素子101の単位に切り分ける。切り分けられた積層体を所定の焼成温度で焼成し、センサ素子101を得る。焼成温度は、センサ素子101の基体部102を構成する固体電解質が焼結して緻密体となり、かつ、電極等が所望の気孔率を保持する温度であればよい。例えば、1300~1500℃程度の焼成温度で焼成される。上述のとおり、消失材ペーストが焼成によって消失するため、消失材ペーストが存在していた領域が空間となり、圧力緩和空間76を形成することができる。 The obtained laminate contains a plurality of sensor elements 101. The laminate is cut into units of sensor elements 101. The cut laminate is fired at a prescribed firing temperature to obtain the sensor elements 101. The firing temperature may be any temperature at which the solid electrolyte constituting the base portion 102 of the sensor element 101 is sintered into a dense body and the electrodes etc. maintain the desired porosity. For example, firing is performed at a firing temperature of about 1300 to 1500°C. As described above, the vanishing material paste is vanished by firing, and the area where the vanishing material paste was present becomes a space, forming the pressure relaxation space 76.

図6に示されるように、圧力緩和空間76を第2基板層2とヒータ含有層75との間に形成する場合は、第2基板層2に用いるブランクシートに、まず、圧力緩和空間76を形成するための消失材ペーストを所定のパターンにて印刷・乾燥する。その上に、上述のようにヒータ含有層75を印刷により形成する。その後、焼成により圧力緩和空間76を形成する。 As shown in Figure 6, when forming a pressure relief space 76 between the second substrate layer 2 and the heater-containing layer 75, a vanishing material paste for forming the pressure relief space 76 is first printed in a predetermined pattern on a blank sheet used for the second substrate layer 2 and dried. The heater-containing layer 75 is then formed on top of the blank sheet by printing as described above. The pressure relief space 76 is then formed by firing.

図7に示されるように、圧力緩和空間76をヒータ含有層75の側面75cに接して形成する場合は、第2基板層2に用いるブランクシートに、圧力緩和空間76を形成するための消失材ペーストと、ヒータ絶縁体74を形成するためのヒータ絶縁体ペーストをそれぞれ所定のパターンにて印刷・乾燥する。消失材ペーストは、接着層90の内側に沿って、センサ素子101の長手方向に延びるように印刷される。ヒータ絶縁体ペーストの上には、ヒータペーストとヒータ絶縁体ペーストとをさらに印刷・乾燥してヒータ含有層75を形成する。その後、焼成により圧力緩和空間76を形成する。 As shown in Figure 7, when the pressure relief space 76 is formed adjacent to the side surface 75c of the heater-containing layer 75, a vanishing material paste for forming the pressure relief space 76 and a heater insulator paste for forming the heater insulator 74 are printed and dried in a predetermined pattern on a blank sheet used for the second substrate layer 2. The vanishing material paste is printed so as to extend in the longitudinal direction of the sensor element 101 along the inside of the adhesive layer 90. Heater paste and heater insulator paste are further printed and dried on top of the heater insulator paste to form the heater-containing layer 75. The pressure relief space 76 is then formed by firing.

図8に示されるように、圧力緩和空間76にヒータ発熱部72aを露出させた態様の場合は、ヒータ絶縁体ペーストを印刷・乾燥した上に、ヒータペーストを所定のパターンにて印刷・乾燥する。さらにその上に、圧力緩和空間76を形成するための消失材ペーストを印刷・乾燥する。その後、焼成により圧力緩和空間76を形成する。 In the case of an embodiment in which the heater heat generating portion 72a is exposed in the pressure relief space 76 as shown in Figure 8, a heater insulator paste is printed and dried, and then a heater paste is printed and dried in a predetermined pattern. A vanishing material paste for forming the pressure relief space 76 is then printed and dried on top of that. The pressure relief space 76 is then formed by firing.

図5、6、7、及び8において、センサ素子101の内部における圧力緩和空間76の配置の例を示したが、本発明は上記の例に示される形態に限られない。本発明においては、センサ素子の内部構造の剥離を抑制し、かつ、ガスセンサの始動時間を短くするという本発明の目的を達成する範囲であれば、種々の形態の圧力緩和空間76を含むセンサ素子が含まれ得る。5, 6, 7, and 8 show examples of the arrangement of the pressure relief space 76 inside the sensor element 101, but the present invention is not limited to the forms shown in the above examples. The present invention may include sensor elements including pressure relief spaces 76 of various forms as long as the object of the present invention, which is to suppress peeling of the internal structure of the sensor element and to shorten the start-up time of the gas sensor, is achieved.

以下に、センサ素子を具体的に作製して試験を行った例を実施例として説明する。なお、本発明は以下の実施例に限定されるものではない。 Below, we will explain examples of how sensor elements were specifically fabricated and tested. Note that the present invention is not limited to the following examples.

[実施例1~6]
実施例1~6として、上述したセンサ素子101の製造方法に従って、ヒータ絶縁体74と第3基板層3との間(すなわち、ヒータ含有層75の被測定ガス流通部に近い側の面75a)に圧力緩和空間76が形成されたセンサ素子(図5)を作製した。消失材ペーストとしては、テオブロミンと有機溶剤とを混合して所定の粘度に調整したものを使用した。圧力緩和空間76はヒータ発熱部72aのほぼ全域を覆う領域に形成した。圧力緩和空間76とヒータ絶縁体74の幅方向の長さはほぼ同じとした。実施例1~6においては、ヒータ含有層75の厚みは一定とし、圧力緩和空間76の厚みを6種類変化させた。
[Examples 1 to 6]
In Examples 1 to 6, a sensor element (FIG. 5) was fabricated in which a pressure relaxation space 76 was formed between the heater insulator 74 and the third substrate layer 3 (i.e., the surface 75a of the heater-containing layer 75 closer to the measured gas flow portion) according to the manufacturing method of the sensor element 101 described above. The vanishing material paste used was a mixture of theobromine and an organic solvent adjusted to a predetermined viscosity. The pressure relaxation space 76 was formed in an area covering almost the entire heater heat generating portion 72a. The width direction lengths of the pressure relaxation space 76 and the heater insulator 74 were almost the same. In Examples 1 to 6, the thickness of the heater-containing layer 75 was kept constant, and the thickness of the pressure relaxation space 76 was changed to six different values.

センサ素子101の長手方向に直交し、かつ、ヒータ発熱部72aを含む垂直断面において、ヒータ含有層75の断面積A75に対する圧力緩和空間76の断面積A76の比Rは、各々、0.04(実施例1)、0.14(実施例2)、0.24(実施例3)、0.33(実施例4)、0.66(実施例5)、0.79(実施例6)であった。 In a vertical cross section perpendicular to the longitudinal direction of the sensor element 101 and including the heater heat generating portion 72a, the ratios R of the cross-sectional area A76 of the pressure relaxation space 76 to the cross-sectional area A75 of the heater-containing layer 75 were 0.04 (Example 1), 0.14 (Example 2), 0.24 (Example 3), 0.33 (Example 4), 0.66 (Example 5), and 0.79 (Example 6), respectively.

なお、断面積比Rは、以下のように算出した。まず、実施例1について、センサ素子101の長手方向に直交し、かつ、ヒータ発熱部72aを含む3か所における切断断面を研磨した研磨断面を準備した。すなわち、図9を参照して、センサ素子101の長手方向におけるヒータ発熱部72aの先端(S1)、中心(S2)、及び後端(S3)の3つの研磨断面を準備した。3つの研磨断面それぞれのSEM画像(反射電子像、倍率30倍、約130万画素)を撮影した。SEM画像の倍率はセンサ素子101の大きさ等に応じて、適宜変更してもよい。次に、撮影したうちの1枚のSEM画像について、画像処理ソフトウェアPick Map(URL:https://fishers.mydns.jp/software/pickmap/index.html)を用いて、当該SEM画像の中のヒータ含有層75(すなわち、ヒータ発熱部72a及びヒータ絶縁体74)のみが抽出されるように、閾値をRGBの平均値に調整することによって当該SEM画像を二値化した。なお、画像処理ソフトウェアPick Mapは、上記URLより最新版を入手し、使用することができる。さらに、画像処理ソフトウェアPick Mapを用いて、二値化したSEM画像中のヒータ含有層75の断面積A75を算出した。圧力緩和空間76についても、同様に、画像処理ソフトウェアPick Mapを用いて、当該SEM画像を二値化し、断面積A76を算出した。その後、算出したヒータ含有層75の断面積A75と圧力緩和空間76の断面積A76とから、断面積比R:(圧力緩和空間76の断面積A76)/(ヒータ含有層75の断面積A75)を算出した。残り2枚のSEM画像に対しても同じ操作を行い、断面積比Rを算出した。算出した3つの断面積比Rの値を平均した値を、実施例1における断面積比Rとした。実施例2~6についても、同様に断面積比Rを算出した。 The cross-sectional area ratio R was calculated as follows. First, for Example 1, polished cross sections were prepared by polishing cut cross sections at three locations perpendicular to the longitudinal direction of the sensor element 101 and including the heater heat generating portion 72a. That is, referring to FIG. 9, three polished cross sections were prepared at the tip (S1), center (S2), and rear end (S3) of the heater heat generating portion 72a in the longitudinal direction of the sensor element 101. SEM images (backscattered electron images, magnification 30 times, approximately 1.3 million pixels) of each of the three polished cross sections were taken. The magnification of the SEM images may be changed as appropriate depending on the size of the sensor element 101, etc. Next, one of the captured SEM images was binarized by adjusting the threshold to the average value of RGB using image processing software Pick Map (URL: https://fishers.mydns.jp/software/pickmap/index.html) so that only the heater-containing layer 75 (i.e., the heater heat generating portion 72a and the heater insulator 74) in the SEM image was extracted. The latest version of the image processing software Pick Map can be obtained and used from the above URL. Furthermore, the cross-sectional area A 75 of the heater-containing layer 75 in the binarized SEM image was calculated using the image processing software Pick Map. Similarly, the SEM image of the pressure relaxation space 76 was binarized using the image processing software Pick Map to calculate the cross-sectional area A 76 . Thereafter, the cross-sectional area ratio R: (cross-sectional area A 76 of the pressure relaxation space 76)/(cross-sectional area A 75 of the heater-containing layer 75) was calculated from the calculated cross-sectional area A 75 of the heater-containing layer 75 and the cross-sectional area A 76 of the pressure relaxation space 76. The same operation was performed on the remaining two SEM images to calculate the cross-sectional area ratio R. The average value of the three calculated cross-sectional area ratios R was set as the cross-sectional area ratio R in Example 1. The cross-sectional area ratios R were also calculated in the same manner for Examples 2 to 6.

[実施例7]
実施例7として、第2基板層2とヒータ絶縁体74との間(すなわち、ヒータ含有層75の被測定ガス流通部に遠い側の面75b)に圧力緩和空間76が形成されたセンサ素子を作製した(図6)。圧力緩和空間76の平面形状は、実施例1~6と同じとした。圧力緩和空間76の形成以外は、実施例1~6と同じように作製した。センサ素子101の長手方向に直交し、かつ、ヒータ発熱部72aを含む垂直断面において、ヒータ含有層75の断面積A75に対する圧力緩和空間76の断面積A76の比R(断面積比)は、0.31(実施例7)であった。断面積比Rの算出は、実施例1~6と同じように行った。
[Example 7]
As Example 7, a sensor element was fabricated in which a pressure relaxation space 76 was formed between the second substrate layer 2 and the heater insulator 74 (i.e., the surface 75b of the heater-containing layer 75 on the side farther from the measurement gas flow portion) (FIG. 6). The planar shape of the pressure relaxation space 76 was the same as in Examples 1 to 6. Except for the formation of the pressure relaxation space 76, the sensor element was fabricated in the same manner as in Examples 1 to 6. In a vertical cross section perpendicular to the longitudinal direction of the sensor element 101 and including the heater heat generating portion 72a, the ratio R (cross-sectional area ratio) of the cross-sectional area A 76 of the pressure relaxation space 76 to the cross-sectional area A 75 of the heater-containing layer 75 was 0.31 (Example 7). The cross-sectional area ratio R was calculated in the same manner as in Examples 1 to 6.

[実施例8]
実施例8として、接着層90の側面90aとヒータ絶縁体74の側面との間に(すなわち、ヒータ含有層75の側面75cに接して)圧力緩和空間76が形成されたセンサ素子を作製した(図7)。圧力緩和空間76は、ヒータ含有層75の両側面に、センサ素子の長手方向に延びた空間とし、長手方向の長さは実施例1~7の場合と同じとした。圧力緩和空間76の形成以外は、実施例1~6と同じように作製した。センサ素子101の長手方向に直交し、かつ、ヒータ発熱部72aを含む垂直断面において、ヒータ含有層75の断面積A75に対する圧力緩和空間76の断面積A76の比R(断面積比)は、0.40(実施例8)であった。断面積比Rの算出は、実施例1~6と同じように行った。
[Example 8]
As Example 8, a sensor element was fabricated in which a pressure relaxation space 76 was formed between the side surface 90a of the adhesive layer 90 and the side surface of the heater insulator 74 (i.e., in contact with the side surface 75c of the heater-containing layer 75) (FIG. 7). The pressure relaxation space 76 was a space extending in the longitudinal direction of the sensor element on both sides of the heater-containing layer 75, and the longitudinal length was the same as in Examples 1 to 7. Except for the formation of the pressure relaxation space 76, the sensor element was fabricated in the same manner as in Examples 1 to 6. In a vertical cross section perpendicular to the longitudinal direction of the sensor element 101 and including the heater heat generating portion 72a, the ratio R (cross-sectional area ratio) of the cross-sectional area A 76 of the pressure relaxation space 76 to the cross-sectional area A 75 of the heater-containing layer 75 was 0.40 (Example 8). The cross-sectional area ratio R was calculated in the same manner as in Examples 1 to 6.

[比較例1]
比較例1として、圧力緩和空間76がないセンサ素子を作製した(図10)。圧力緩和空間76を形成しなかったことを除いて、実施例1~6と同じように作製した。
[Comparative Example 1]
As Comparative Example 1, a sensor element without a pressure relaxation space 76 was produced (FIG. 10). The sensor element was produced in the same manner as in Examples 1 to 6, except that the pressure relaxation space 76 was not formed.

なお、図5及び図6に示されるように、圧力緩和空間76をヒータ含有層75の上面又は下面に沿ってセンサ素子101の長手方向に延びるように形成した場合(実施例1~7)においては、上記断面積比Rと、図1に示されるようなセンサ素子101の長手方向に沿う垂直断面における断面積比とは実質的にほぼ同じである。 In addition, as shown in Figures 5 and 6, when the pressure relaxation space 76 is formed to extend in the longitudinal direction of the sensor element 101 along the upper or lower surface of the heater-containing layer 75 (Examples 1 to 7), the above-mentioned cross-sectional area ratio R is substantially the same as the cross-sectional area ratio in a vertical cross section along the longitudinal direction of the sensor element 101 as shown in Figure 1.

[剥離発生電圧の測定]
実施例1~8及び比較例1で得られたセンサ素子を用いて、剥離発生電圧の測定を実施した。まず、センサ素子の後端側、すなわちガス導入口がある先端側とは反対側を、水に4時間浸漬した。表面に付着した水分をふき取った後、センサ素子101のヒータ72に6Vの電圧を30秒間印加し、センサ素子の剥離が発生するかを調べた。剥離が発生しなかった場合は、1V刻みで12Vまで印加電圧を上げて、剥離が発生する電圧を調べた。実施例1~8及び比較例1の試験サンプル数は、各々5本とした。結果を表1に示す。
[Measurement of peeling voltage]
Using the sensor elements obtained in Examples 1 to 8 and Comparative Example 1, the peeling voltage was measured. First, the rear end side of the sensor element, i.e., the side opposite to the front end side where the gas inlet is located, was immersed in water for 4 hours. After wiping off the moisture adhering to the surface, a voltage of 6 V was applied to the heater 72 of the sensor element 101 for 30 seconds to check whether peeling of the sensor element occurred. If peeling did not occur, the applied voltage was increased in 1 V increments up to 12 V to check the voltage at which peeling occurred. The number of test samples for Examples 1 to 8 and Comparative Example 1 was 5 each. The results are shown in Table 1.

Figure 0007631335000001
Figure 0007631335000001

表1に、実施例1~8及び比較例1の各水準における圧力緩和空間76の位置と断面積比R(A76/A75)を示す。さらに、各水準について、各印加電圧(6V、7V、8V、9V、10V、11V、及び12V)における剥離発生本数(本)を示している。 Table 1 shows the position of the pressure relaxation space 76 and the cross-sectional area ratio R (A 76 /A 75 ) at each level in Examples 1 to 8 and Comparative Example 1. In addition, for each level, the number of peeled off pieces at each applied voltage (6 V, 7 V, 8 V, 9 V, 10 V, 11 V, and 12 V) is shown.

実施例1~8において、6Vで剥離したサンプルはなかった。実施例2~8においては、10V以下で剥離したサンプルはなかった。実施例3及び実施例6については、6~11Vの印加では5本中1本も剥離が発生せず、12V印加で初めて1本に剥離が生じた。残りの4本は12Vを印加しても剥離が生じなかった。実施例4、5、7及び8の4水準では、6~12Vを印加しても5本すべてに剥離は生じなかった。In Examples 1 to 8, no samples peeled at 6 V. In Examples 2 to 8, no samples peeled at 10 V or less. In Examples 3 and 6, not one of the five samples peeled when 6 to 11 V was applied, and only one sample peeled when 12 V was applied. The remaining four samples did not peel even when 12 V was applied. In the four levels of Examples 4, 5, 7, and 8, none of the five samples peeled even when 6 to 12 V was applied.

比較例1においては、5本のサンプル各々に対して、ヒータに6Vを印加し、1本が6Vの印加によりセンサ素子101に剥離を生じた。6Vで剥離が生じなかった4本のサンプル各々に対して、ヒータに7Vを印加し、4本すべてが7Vの印加により剥離を生じた。In Comparative Example 1, 6 V was applied to the heater for each of the five samples, and in one sample, peeling occurred in the sensor element 101 when 6 V was applied. In the four samples in which no peeling occurred at 6 V, 7 V was applied to the heater for each of the four samples, and all four samples peeled when 7 V was applied.

この剥離電圧の測定試験は、加速試験である。センサ素子後端を水に浸漬することにより、強制的にヒータ絶縁体74の内部又は界面に水を溜める。さらに、通常ヒータ発熱部72aは制御された温度カーブで加熱されるところ、この試験においては、一定電圧をかけることによって、急速にヒータ発熱部72aを加熱し、急速に水蒸気を発生させる。従って、この試験における剥離発生電圧から、実使用時の剥離発生の程度を直接的かつ定量的に推定できるものではない。しかしながら、比較例1と比べて剥離発生電圧が高い、あるいは、印加電圧を上げても剥離が発生しないのであれば、実際の使用中においても、比較例1と比べて剥離の発生が抑制されることが確認されている。This peeling voltage measurement test is an accelerated test. By immersing the rear end of the sensor element in water, water is forcibly accumulated inside or on the interface of the heater insulator 74. Furthermore, while the heater heating part 72a is usually heated with a controlled temperature curve, in this test, a constant voltage is applied to rapidly heat the heater heating part 72a and rapidly generate water vapor. Therefore, the peeling voltage in this test does not directly and quantitatively estimate the degree of peeling during actual use. However, if the peeling voltage is higher than that of Comparative Example 1, or if peeling does not occur even when the applied voltage is increased, it has been confirmed that peeling is suppressed compared to Comparative Example 1 even during actual use.

実施例1~8は、圧力緩和空間76が存在するため、比較例1と比べて剥離発生電圧が高く、センサ素子101の剥離を抑制することができた。また、実施例4、7、及び8の結果から分かるように、圧力緩和空間76の位置によらず、センサ素子101の剥離を抑制することができた。 In Examples 1 to 8, due to the presence of the pressure relaxation space 76, the peeling voltage was higher than in Comparative Example 1, and peeling of the sensor element 101 was suppressed. Furthermore, as can be seen from the results of Examples 4, 7, and 8, peeling of the sensor element 101 was suppressed regardless of the position of the pressure relaxation space 76.

さらに、断面積比の値が大きくなる(すなわち、圧力緩和空間76の容積が大きくなる)につれて、より剥離発生電圧が高くなった(実施例1~5)。ヒータ発熱部72aの発熱によって、ヒータ絶縁体74の内部又は界面から水蒸気が発生するが、圧力緩和空間76の容積が大きいほど圧力の上昇がより抑えられ、センサ素子101の剥離をより抑制することができたと考えられる。一方、断面積比の値が大きくなりすぎると、抑制効果がやや小さくなる傾向がみられた(実施例6)。断面積比の値が大きすぎると、圧力を緩和する効果は十分に得られるが、センサ素子内部の空間が大きすぎるために、センサ素子の構造強度が下がり、より小さい応力で第2基板層2と第3基板層3との間が剥離したものと推察される。 Furthermore, the peeling voltage increased as the cross-sectional area ratio increased (i.e., the volume of the pressure relaxation space 76 increased) (Examples 1 to 5). Heat generated by the heater heating portion 72a generates water vapor from inside or at the interface of the heater insulator 74, and it is believed that the larger the volume of the pressure relaxation space 76, the more the pressure rise is suppressed, and the more the peeling of the sensor element 101 is suppressed. On the other hand, when the cross-sectional area ratio becomes too large, the suppression effect tends to become slightly smaller (Example 6). When the cross-sectional area ratio is too large, the effect of reducing pressure is sufficient, but it is presumed that the space inside the sensor element is too large, which reduces the structural strength of the sensor element and causes peeling between the second substrate layer 2 and the third substrate layer 3 with less stress.

以上のように、圧力緩和空間76が存在することによって、使用中のセンサ素子の剥離の発生を抑制できることが明らかになった。圧力緩和空間76が、ヒータ絶縁体74のいずれの面(上面、下面、又は側面)に接していても、剥離の発生を抑制することができることが示された。As described above, it has become clear that the presence of the pressure relief space 76 can suppress the occurrence of peeling of the sensor element during use. It has been shown that the occurrence of peeling can be suppressed regardless of whether the pressure relief space 76 is in contact with any surface (upper surface, lower surface, or side surface) of the heater insulator 74.

1 第1基板層
2 第2基板層
3 第3基板層
4 第1固体電解質層
5 スペーサ層
6 第2固体電解質層
10 ガス導入口
11 第1拡散律速部
12 緩衝空間
13 第2拡散律速部
20 第1内部空所
21 主ポンプセル
22 内側ポンプ電極
22a (内側ポンプ電極の)天井電極部
22b (内側ポンプ電極の)底部電極部
22c (内側ポンプ電極の)側部電極部
23 外側ポンプ電極
24 (主ポンプセルの)可変電源
30 第3拡散律速部
40 第2内部空所
41 測定用ポンプセル
42 基準電極
43 基準ガス導入空間
44 測定電極
45 第4拡散律速部
46 (測定用ポンプセルの)可変電源
48 大気導入層
50 補助ポンプセル
51 補助ポンプ電極
51a (補助ポンプ電極の)天井電極部
51b (補助ポンプ電極の)底部電極部
52 (補助ポンプセルの)可変電源
60 第5拡散律速部
61 第3内部空所
70 ヒータ部
71 ヒータ電極
72 ヒータ
72a ヒータ発熱部
72b ヒータリード部
73 スルーホール
74 ヒータ絶縁体
75 ヒータ含有層
75a (ヒータ含有層の)上面
75b (ヒータ含有層の)下面
75c (ヒータ含有層の)側面
76 圧力緩和空間
80 主ポンプ制御用酸素分圧検出センサセル
81 補助ポンプ制御用酸素分圧検出センサセル
82 測定用ポンプ制御用酸素分圧検出センサセル
83 センサセル
90 接着層
90a (接着層の)内方側面
100 ガスセンサ
101 センサ素子
102 基体部
1 First substrate layer 2 Second substrate layer 3 Third substrate layer 4 First solid electrolyte layer 5 Spacer layer 6 Second solid electrolyte layer 10 Gas inlet 11 First diffusion rate controlling portion 12 Buffer space 13 Second diffusion rate controlling portion 20 First internal space 21 Main pump cell 22 Inner pump electrode 22a Ceiling electrode portion 22b (of inner pump electrode) Bottom electrode portion 22c (of inner pump electrode) Side electrode portion 23 Outer pump electrode 24 Variable power source 30 (of main pump cell) Third diffusion rate controlling portion 40 Second internal space 41 Measurement pump cell 42 Reference electrode 43 Reference gas introduction space 44 Measurement electrode 45 Fourth diffusion rate controlling portion 46 Variable power source 48 (of measurement pump cell) Air introduction layer 50 Auxiliary pump cell 51 Auxiliary pump electrode 51a Ceiling electrode portion 51b (of auxiliary pump electrode) Bottom electrode portion 52 (of auxiliary pump electrode) Variable power source 60 (of the auxiliary pump cell) Fifth diffusion rate-controlling portion 61 Third internal space 70 Heater portion 71 Heater electrode 72 Heater 72a Heater heat generating portion 72b Heater lead portion 73 Through hole 74 Heater insulator 75 Heater-containing layer 75a Upper surface 75b (of the heater-containing layer) Lower surface 75c (of the heater-containing layer) Side surface 76 (of the heater-containing layer) Pressure relaxation space 80 Oxygen partial pressure detection sensor cell for controlling main pump 81 Oxygen partial pressure detection sensor cell for controlling auxiliary pump 82 Oxygen partial pressure detection sensor cell for controlling measurement pump 83 Sensor cell 90 Adhesive layer 90a Inner side surface 100 (of the adhesive layer) Gas sensor 101 Sensor element 102 Base portion

Claims (8)

積層された複数の酸素イオン伝導性の固体電解質層を含む長尺板状の基体部と、
前記基体部の長手方向の一方の端部から被測定ガスを導入して流通させる被測定ガス流通部と、
前記被測定ガス流通部とは前記複数の固体電解質層の少なくとも1つの固体電解質層を介して前記基体部に埋設された、ヒータ発熱部及びヒータリード部を含むヒータとヒータ絶縁体とからなるヒータ含有層と、
前記基体部と前記ヒータ含有層との間の少なくとも一部に形成された圧力緩和空間と、
を含み、
前記圧力緩和空間が、前記基体部の内部に閉じられた空間である、被測定ガス中の対象とするガスを検出するセンサ素子。
A long plate-like base portion including a plurality of stacked oxygen ion conductive solid electrolyte layers;
a measurement gas flow section for introducing a measurement gas from one end of the base section in a longitudinal direction thereof and allowing the measurement gas to flow therethrough;
The measurement gas flow portion includes a heater-containing layer including a heater including a heater heat generating portion and a heater lead portion, and a heater insulator, the heater-containing layer being embedded in the base portion via at least one of the plurality of solid electrolyte layers;
a pressure relaxation space formed at least partially between the base portion and the heater-containing layer;
Including,
A sensor element for detecting a target gas in a measurement gas , wherein the pressure relaxation space is a space enclosed within the base portion .
前記圧力緩和空間は、
前記基体部と、
前記ヒータ発熱部が存在している領域の前記ヒータ含有層と、
の間の少なくとも一部に形成されている、請求項1に記載のセンサ素子。
The pressure relief space is
The base portion;
the heater-containing layer in an area where the heater heat generating portion is present;
The sensor element according to claim 1 , wherein the sensor element is formed at least partially between the first and second electrodes.
前記圧力緩和空間が、前記ヒータ含有層の、前記被測定ガス流通部と近い側の面に接して形成されている、請求項1又は2に記載のセンサ素子。 The sensor element according to claim 1 or 2, wherein the pressure relaxation space is formed in contact with the surface of the heater-containing layer that is closer to the measurement gas flow section. 前記圧力緩和空間が、前記ヒータ含有層の、前記被測定ガス流通部と遠い側の面に接して形成されている、請求項1~3のいずれかに記載のセンサ素子。 The sensor element according to any one of claims 1 to 3, wherein the pressure relaxation space is formed in contact with the surface of the heater-containing layer that is farther from the measurement gas flow section. 前記圧力緩和空間が、前記ヒータ含有層の側部に接して形成されている、請求項1~4のいずれかに記載のセンサ素子。 The sensor element according to any one of claims 1 to 4, wherein the pressure relief space is formed adjacent to the side of the heater-containing layer. 前記基体部の長手方向に直交する断面において、前記ヒータ含有層の断面積に対する前記圧力緩和空間の断面積の比が0.10以上である、請求項1~5のいずれかに記載のセンサ素子。 The sensor element according to any one of claims 1 to 5, wherein the ratio of the cross-sectional area of the pressure relaxation space to the cross-sectional area of the heater-containing layer in a cross section perpendicular to the longitudinal direction of the base portion is 0.10 or more. 前記基体部の長手方向に直交する断面において、前記ヒータ含有層の断面積に対する前記圧力緩和空間の断面積の比が0.80以下である、請求項1~6のいずれかに記載のセンサ素子。 The sensor element according to any one of claims 1 to 6, wherein the ratio of the cross-sectional area of the pressure relaxation space to the cross-sectional area of the heater-containing layer in a cross section perpendicular to the longitudinal direction of the base portion is 0.80 or less. 前記基体部の長手方向に直交する断面において、前記ヒータ含有層の断面積に対する前記圧力緩和空間の断面積の比が0.3以上0.6以下である、請求項1~7のいずれかに記載のセンサ素子。 The sensor element according to any one of claims 1 to 7, wherein the ratio of the cross-sectional area of the pressure relaxation space to the cross-sectional area of the heater-containing layer in a cross section perpendicular to the longitudinal direction of the base portion is 0.3 to 0.6.
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