JP2002168827A - Detecting element - Google Patents

Detecting element

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JP2002168827A
JP2002168827A JP2000361748A JP2000361748A JP2002168827A JP 2002168827 A JP2002168827 A JP 2002168827A JP 2000361748 A JP2000361748 A JP 2000361748A JP 2000361748 A JP2000361748 A JP 2000361748A JP 2002168827 A JP2002168827 A JP 2002168827A
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To solve the problem that, when metal members are brazed to surfaces of terminal parts formed at a solid electrolyte forming a detecting element, brazed parts in the terminal parts are broken down in the tensile test in the vertical direction of the metal members. SOLUTION: The detecting element 1 is provided with a detection part which is composed by forming a pair of electrodes 3, 10 on both main faces of a zirconia solid electrolyte substrate and which detects an environmental state, the terminal parts 4a, 4b which are formed on the surface of the substrate and which are electrically connected to the electrodes 3, 10 and the metal members 13a, 13b which are brazed to the terminal parts 4a, 4b by a brazing material. The terminal parts 4a, 4b are composed of composite conductor layers which are composed of metal phases and metal oxide phases, and the maximum distance between the adjacent metal phases in a reflection electron micrograph on the surfaces of the composite conductor layers is controlled to 10 μm or less.

Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【0001】[0001]

【発明の属する技術分野】 本発明は、基本構造がジル
コニア固体電解質と一対の電極を具備する検知部と、端
子部と、該端子部にロウ付けされた金属部材とを具備す
る検出素子、例えば自動車の排気ガス中の酸素濃度を検
出する酸素センサ、あるいは窒素酸化物濃度を検出する
NOxセンサのように、特に耐熱特性、高信頼性を要求
される検出素子の改良に関する。
TECHNICAL FIELD The present invention relates to a detection element having a basic structure including a zirconia solid electrolyte and a detection section including a pair of electrodes, a terminal section, and a metal member brazed to the terminal section. The present invention relates to an improvement in a detection element that requires particularly heat-resistant characteristics and high reliability, such as an oxygen sensor for detecting an oxygen concentration in exhaust gas of an automobile or a NOx sensor for detecting a nitrogen oxide concentration.

【0002】[0002]

【従来技術】まず、従来の検出素子の構造を図9を用い
て説明する。図9は、酸素濃度を検知する平板状のヒー
タ一体型の検出素子31を示したものである。この検出
素子31によれば、ジルコニアなどの酸素イオン伝導性
の板状の固体電解質32が空気導入孔37を囲むように
形成され、前記固体電解質32の外表面には測定電極3
3、空気導入孔37側にはPtからなる基準電極34が
形成され、これらの部分が周囲の雰囲気中の酸素濃度を
検知する検知部を形成している。これらの電極33、3
4は、互いに固体電解質32aにより隔離され、電極間
の酸素濃度の比に従った起電力が発生するようになって
いる。これらの電極33、34は、生の固体電解質シー
トの表面に、固体電解質粉末を分散させた金属ペースト
を塗布し同時焼成するか、固体電解質板状体を焼成後、
無電解メッキを施すことにより形成することができる。
2. Description of the Related Art First, the structure of a conventional detecting element will be described with reference to FIG. FIG. 9 shows a flat heater-integrated detection element 31 for detecting the oxygen concentration. According to the detection element 31, a plate-shaped solid electrolyte 32 of oxygen ion conductivity such as zirconia is formed so as to surround the air introduction hole 37, and the measurement electrode 3 is formed on the outer surface of the solid electrolyte 32.
3. A reference electrode 34 made of Pt is formed on the side of the air introduction hole 37, and these parts form a detection unit for detecting the oxygen concentration in the surrounding atmosphere. These electrodes 33, 3
Numerals 4 are separated from each other by a solid electrolyte 32a, so that an electromotive force is generated according to the ratio of the oxygen concentration between the electrodes. These electrodes 33 and 34 are coated on a surface of a raw solid electrolyte sheet with a metal paste in which solid electrolyte powder is dispersed and fired simultaneously, or after firing a solid electrolyte plate,
It can be formed by performing electroless plating.

【0003】そして、空気導入孔37を挟んで対向する
固体電解質32bの内部には、酸化アルミニウムからな
る絶縁層36に挟まれた発熱抵抗体35が内蔵され、こ
れにより検出素子31の検知部を加熱する構造となって
いる。
[0005] A heating resistor 35 sandwiched between insulating layers 36 made of aluminum oxide is built in the solid electrolyte 32 b opposed to the air inlet 37 with the air introducing hole 37 interposed therebetween. It has a heating structure.

【0004】この酸素濃度を検知する検出素子31は、
500℃以上の大気中に晒される場合があるため、測定
電極33および基準電極34用の金属材料としては、主
としてPtが使用されている。
[0004] The detecting element 31 for detecting the oxygen concentration comprises:
Pt is mainly used as a metal material for the measurement electrode 33 and the reference electrode 34 because it may be exposed to the atmosphere of 500 ° C. or more.

【0005】また、外部との電気的接続に関しては、ジ
ルコニア固体電解質を母材磁器とした検出素子31とし
ては、特開昭58−100746号公報に記載のよう
に、検出素子の端部に電極取出部を設けてここに金属部
材をバネ等により圧接する端子構造を有するものが知ら
れている。
Regarding the electrical connection with the outside, as described in Japanese Patent Application Laid-Open No. 58-100746, as a detecting element 31 using a zirconia solid electrolyte as a base material porcelain, an electrode is provided at an end of the detecting element. There is known a terminal having a terminal structure in which an extraction portion is provided and a metal member is pressed against the metal member by a spring or the like.

【0006】この方法では端子部の接続や金属部材間で
の絶縁性の確保のために構造が複雑となり、検出素子3
1の信頼性が低下するという課題があった。
In this method, the structure is complicated to connect the terminals and to ensure insulation between the metal members, and the detecting element 3
There was a problem that the reliability of (1) was reduced.

【0007】このため、金属部材を直接、検出素子31
に接続する方法が提案されている。例えば、特開平1−
257256号では、検出素子の白金電極の一部を端子
部とし、その端子部に直接Ni線をPtペーストの焼き
付けによってメタライズ接合する方法が提案されてい
る。また、特開平2−124456号では、白金電極か
らなる端子部にリード線をAg−Cuロウ材でロウ付け
することが記載されている。
For this reason, the metal member is directly connected to the detecting element 31.
There has been proposed a method of connecting to. For example, Japanese Unexamined Patent Publication No.
No. 257,256 proposes a method in which a part of a platinum electrode of a detection element is used as a terminal portion, and a Ni wire is directly metallized to the terminal portion by baking Pt paste. JP-A-2-124456 describes that a lead wire is brazed to a terminal portion made of a platinum electrode with an Ag-Cu brazing material.

【0008】また、白金電極の表面に、めっきなどの薄
膜形成法によって金属膜を形成しロウ付けすることも行
なわれている。
Further, a metal film is formed on the surface of the platinum electrode by a thin film forming method such as plating and brazed.

【0009】[0009]

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記の
ような端子部表面がめっきからなる場合は、めっきとジ
ルコニア固体電解質間の接合強度が本質的に弱いため、
自動車のような高振動を伴う負荷条件下では端子部の剥
離が生じるという課題があった。
However, when the surface of the terminal portion is made of plating, the bonding strength between the plating and the zirconia solid electrolyte is essentially low.
There has been a problem that the terminal portion peels off under a load condition with high vibration such as an automobile.

【0010】一方、端子部を金属ペーストの塗布、焼成
によって形成する場合、金属ペースト中には固体電解質
との熱膨張差などを整合させるために、ジルコニアなど
のセラミック成分を含有させる必要があるが、このよう
なジルコニアなどのセラミックスを含む金属ペーストを
固体電解質表面に厚膜印刷し同時焼成した場合は、端子
部は、セラミックスの骨格の中に金属粒子が絡まった構
造となるが、端子部表面においてPtなどの金属粒子が
露出している部分はロウ材とのAu−Pt接合は形成さ
れるものの、本質的にジルコニアとPt粒子間の濡れが
悪いため、アルミナセラミックスとタングステンとの組
み合わせで得られるような高い接合強度が確保し難く、
前記金属部材の垂直方向引っ張り試験で端子部のうちロ
ウ付け部分が破壊するという問題があった。
On the other hand, when the terminal portion is formed by applying and firing a metal paste, it is necessary to contain a ceramic component such as zirconia in the metal paste in order to match a difference in thermal expansion with the solid electrolyte. When a metal paste containing ceramics such as zirconia is printed on the solid electrolyte surface in a thick film and simultaneously fired, the terminal portion has a structure in which metal particles are entangled in the skeleton of the ceramic. In the portion where the metal particles such as Pt are exposed, although the Au-Pt junction with the brazing material is formed, the wettability between the zirconia and the Pt particles is essentially poor. It is difficult to secure high joining strength
There is a problem that a brazed portion of the terminal portion is broken in a vertical tensile test of the metal member.

【0011】従って、本発明は、端子部と金属部材との
ロウ付けの強度が高く、過酷な環境下でも優れた耐久性
を有する検出素子を提供することを目的とするものであ
る。
Accordingly, an object of the present invention is to provide a detection element having a high brazing strength between a terminal portion and a metal member and having excellent durability even in a severe environment.

【0012】[0012]

【課題を解決するための手段】本発明者は、上記事情に
鑑みて鋭意研究に努めた結果、ジルコニア固体電解質基
体の両主面に一対の電極を形成してなり環境状態を検知
する検知部と、前記基体の表面に形成され、前記電極と
電気的に接続された一対の端子部と、該端子部にロウ材
によりロウ付けされた金属部材とを具備してなる検出素
子において、前記端子部が、金属相と金属酸化物相とか
らなる複合導体層からなり、前記複合導体層表面の反射
電子顕微鏡写真において隣り合う金属相間の最大距離を
10μm以下とすることによって、端子部内で金属相が
3次元的に骨格を形成し、金属相と金属酸化物相が複雑
に絡み合い、その結果、ロウ材−金属成分間の接合強度
を確保しつつ、金属酸化物相とジルコニア固体電解質と
の接合が立体的に支持可能となり、金属部材の引っ張り
試験に十分耐える高強度な端子部を有する検出素子が得
られることを見出した。
Means for Solving the Problems The present inventor has made intensive studies in view of the above circumstances, and as a result, has formed a pair of electrodes on both main surfaces of a zirconia solid electrolyte substrate, and has a detecting section for detecting an environmental state. And a pair of terminal portions formed on the surface of the base body and electrically connected to the electrodes, and a metal member brazed to the terminal portions with a brazing material. Part is formed of a composite conductor layer composed of a metal phase and a metal oxide phase, and the maximum distance between adjacent metal phases in a reflection electron micrograph of the surface of the composite conductor layer is set to 10 μm or less, so that the metal phase Forms a skeleton three-dimensionally, and the metal phase and the metal oxide phase are intricately entangled. As a result, the bonding between the metal oxide phase and the zirconia solid electrolyte is ensured while securing the bonding strength between the brazing material and the metal component. Is three-dimensional Enabling lifting, it found that detector elements having a high strength terminal portions sufficiently withstand tensile test of the metal member is obtained.

【0013】かかる構成において、前記複合導体層は、
金属相20〜95体積%と、金属酸化物相5〜80体積
%重量%とからなることが接合強度を高める上で好適で
あり、さらに、前記端子部を形成する複合導体層中の金
属相が、Pt、Rh、Pd、Ru、Auのうち少なくと
も1種からなること、前記金属酸化物相が、Al、S
i、Zr、アルカリ土類元素、希土類元素の群から選ば
れる少なくとも1種を含有することが接合強度をさらに
高める上で望ましい。また前記ロウ材としては、Pd、
Ni、Auのうち少なくとも1種を含有することが端子
部と金属部材との接合強度を高めるとともに、マイグレ
ーションなどの発生を抑制し耐久性、安定性を高める上
で望ましい。
[0013] In such a configuration, the composite conductor layer includes:
It is preferable that the metal phase is composed of 20 to 95% by volume and the metal oxide phase is composed of 5 to 80% by volume in order to increase the bonding strength. Further, the metal phase in the composite conductor layer forming the terminal portion is preferably used. Is made of at least one of Pt, Rh, Pd, Ru, and Au, and the metal oxide phase is Al, S
It is desirable to contain at least one selected from the group consisting of i, Zr, an alkaline earth element, and a rare earth element in order to further increase the bonding strength. Further, as the brazing material, Pd,
It is desirable to contain at least one of Ni and Au in order to increase the bonding strength between the terminal portion and the metal member, suppress occurrence of migration and the like, and increase durability and stability.

【0014】また、端子部にロウ付けされた金属部材
の、金属部材と端子部の間に介在するロウ材の曲率半径
rが0.05≦r≦4mmの場合、または、前記端子部
を形成する複合導体層表面の接線と、前記複合導体層に
ロウ材を介して接続された前記金属部材となす角度が2
0〜45度である場合、前記金属部材の引っ張り試験時
に金属部材と端子部間に存在するロウ材のメニスカス部
に生じる応力集中を効果的に回避できる。
Further, when the curvature radius r of the brazing material interposed between the metal member and the terminal portion of the metal member brazed to the terminal portion is 0.05 ≦ r ≦ 4 mm, or the terminal portion is formed. The angle between the tangent to the composite conductor layer surface and the metal member connected to the composite conductor layer via a brazing material is 2
When the angle is 0 to 45 degrees, stress concentration occurring in the meniscus portion of the brazing material existing between the metal member and the terminal portion during the tensile test of the metal member can be effectively avoided.

【0015】さらにメニスカス部に端子部の基体との接
続端部が存在しないようにすることによって、引っ張り
試験時に端子部のめくれ、剥離を効果的に回避できる。
Further, by eliminating the connection end of the terminal portion with the base in the meniscus portion, the terminal portion can be effectively prevented from being turned up or peeled off during the tensile test.

【0016】また、固体電解質基体の一方の表面に端子
部と、他方の表面に形成された電極とが、前記固体電解
質基体の端面を経由して電気的に接続することによっ
て、前記金属部材のロウ付け位置を精度よく確保するこ
とができる。
Further, a terminal portion on one surface of the solid electrolyte substrate and an electrode formed on the other surface are electrically connected to each other through an end surface of the solid electrolyte substrate, so that the metal member is formed. The brazing position can be secured with high accuracy.

【0017】なお、本発明の検出素子は、前記ジルコニ
ア固体電解質基体が、一端が封止された円筒管からなる
場合に特に好適に採用される。
The detection element of the present invention is particularly preferably employed when the zirconia solid electrolyte substrate is formed of a cylindrical tube having one end sealed.

【0018】[0018]

【発明の実施の形態】本発明の検出素子の一例を示す図
面を参照しながら本発明を説明する。図1は、検出素子
の一例を示す概略斜視図である。図2(a)は、図1の
検出素子のA−A断面図、(b)は同じくB−B断面
図、(c)は同じくC−C断面図である。但し、図1
(a)では、説明の便宜上、セラミック保護層14を省
略した。 (全体構造)図1、図2の検出素子1は、酸素イオン導
電性を有するジルコニアセラミック固体電解質からな
り、先端が封止された円筒管2の内面に、第1の電極と
して、空気などの基準ガスと接触される基準電極3が被
着形成され、また、円筒管2を挟んで基準電極3と対向
する位置に第2の電極として、排気ガスなどの被測定ガ
スと接触する測定電極5が被着形成されている。そし
て、基準電極3、ジルコニア固体電解質からなる円筒管
2および測定電極5によって検知部を形成している。
DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS The present invention will be described with reference to the drawings showing an example of a detecting element of the present invention. FIG. 1 is a schematic perspective view showing an example of the detection element. 2A is a sectional view taken along line AA of the detection element in FIG. 1, FIG. 2B is a sectional view taken along line BB, and FIG. 2C is a sectional view taken along line CC. However, FIG.
In (a), the ceramic protective layer 14 is omitted for convenience of explanation. (Overall Structure) The detection element 1 shown in FIGS. 1 and 2 is made of a zirconia ceramic solid electrolyte having oxygen ion conductivity, and a first electrode is formed on the inner surface of a cylindrical tube 2 having a sealed end, as a first electrode. A reference electrode 3 to be in contact with the reference gas is formed and adhered to the reference electrode 3 with the cylindrical tube 2 interposed therebetween. Are formed. The detection part is formed by the reference electrode 3, the cylindrical tube 2 made of a zirconia solid electrolyte, and the measurement electrode 5.

【0019】そして、先端が封止された円筒管2の外面
には、Al23などのセラミック絶縁層6が被着形成さ
れており、そのセラミック絶縁層6には、測定電極5の
一部または全部が露出するように開口部11が形成され
ている。
On the outer surface of the cylindrical tube 2 whose end is sealed, a ceramic insulating layer 6 of Al 2 O 3 or the like is adhered and formed. The opening 11 is formed so that a part or the whole is exposed.

【0020】また、上記のセラミック絶縁層開口部11
の周囲のセラミック絶縁層6中には検知部を加熱するた
めのPt等からなる発熱抵抗体7が埋設されている。ま
た、セラミック絶縁層6の表面には、発熱抵抗体7によ
る加熱効率を高めるために、Al23等からなるセラミ
ック保温層9が形成されている。
The above-mentioned ceramic insulating layer opening 11
A heating resistor 7 made of Pt or the like for heating the detection unit is embedded in the ceramic insulating layer 6 around the above. On the surface of the ceramic insulating layer 6, a ceramic heat insulating layer 9 made of Al 2 O 3 or the like is formed in order to increase the heating efficiency of the heating resistor 7.

【0021】前記電極部のうち円筒管2の内面に形成さ
れた基準電極3は、円筒管2の開口端面を経由して円筒
管2の外表面に設けた端子部4aに接続されている。一
方、円筒管2の外面に形成された測定電極5は、セラミ
ック絶縁層6に形成された開口部11の端面を経由して
セラミック保温層9の表面に形成されたリード部12に
接続され、セラミック保温層9の表面に形成された端子
部4bと接続されている。なお、円筒管2において上記
端面に存在するエッジ部は、C面取りされ、エッジ部で
生じる電気的接続の不良を回避している。
The reference electrode 3 formed on the inner surface of the cylindrical tube 2 of the electrode portion is connected to a terminal portion 4 a provided on the outer surface of the cylindrical tube 2 via the open end surface of the cylindrical tube 2. On the other hand, the measurement electrode 5 formed on the outer surface of the cylindrical tube 2 is connected to a lead portion 12 formed on the surface of the ceramic heat insulating layer 9 via an end surface of an opening 11 formed in the ceramic insulating layer 6, It is connected to the terminal portion 4b formed on the surface of the ceramic heat insulating layer 9. In addition, the edge part which exists in the said end surface in the cylindrical pipe 2 is chamfered C, and the defect of the electrical connection which arises in an edge part is avoided.

【0022】なお、セラミック保温層9の表面に形成さ
れたリード部12の表面にはさらにZrO2等からなる
保護層122が形成されている。この保護層122によ
って、リード部12を、例えば素子のアッセンブル時の
引っかき、あるいは素子の落下時の異物との衝突等の物
理的な破壊から保護することができる。このセラミック
保護層122は固体電解質と同じZrO2で構成するこ
とが固体電解質との熱膨張差による応力の発生を防止す
る上で好ましい。さらに、検知部の表面は、多孔質のセ
ラミック保護層14によって被覆されている。
A protective layer 122 made of ZrO 2 or the like is further formed on the surface of the lead portion 12 formed on the surface of the ceramic heat insulating layer 9. The protective layer 122 can protect the lead portion 12 from physical destruction such as scratching when assembling the element or collision with foreign matter when the element falls. This ceramic protective layer 122 is preferably made of the same ZrO 2 as the solid electrolyte in order to prevent the occurrence of stress due to the difference in thermal expansion between the ceramic electrolyte and the solid electrolyte. Further, the surface of the detection unit is covered with a porous ceramic protective layer 14.

【0023】セラミック保温層9の表面に形成された端
子部4a、4bには、外部回路との接続のための金属部
材13がそれぞれロウ材17によってロウ付け固定され
ている。
Metal members 13 for connection to an external circuit are fixed to the terminal portions 4a and 4b formed on the surface of the ceramic heat insulating layer 9 by brazing material 17, respectively.

【0024】これによって、検知部において発生した検
知データをリード部12、端子部4a、4bおよび金属
部材13を経由して外部回路に接続される。
Thus, the detection data generated in the detection section is connected to an external circuit via the lead section 12, the terminal sections 4a and 4b, and the metal member 13.

【0025】一方、セラミック絶縁層6内に形成された
発熱抵抗体7は、同じくセラミック絶縁層6内に形成さ
れたリード部8と、セラミック絶縁層6およびセラミッ
ク保温層9を貫通して形成された貫通導体18によっ
て、セラミック保温層9の外表面に形成された端子部2
4と電気的に接続されている。そして、端子部24上に
は発熱用外部電源と接続するための金属部材23がロウ
材17により固定され、これらを通じて発熱抵抗体7に
電流を通ずることにより、発熱抵抗体7が加熱され、測
定電極5、円筒管2および基準電極3からなる検知部を
所定の温度に急速昇温される。 (端子部組織)本発明によれば、上記の検出素子1にお
ける少なくとも電極3、5と接続される端子部4a、4
bが、さらに望ましくは、発熱抵抗体7と接続される端
子部24が、いずれも金属相と金属酸化物相とからなる
複合導体層によって形成することが重要である。図3に
示すように、この複合導体層16は、金属酸化物相20
と金属相19とが複雑に入り組んだ組織からなるもの
で、粒状もしくは箔状の金属粒子が互いに少なくとも1
点以上で接触して金属相をなし、これが3次元的な網目
構造、例えばスポンジ状構造体を形成しており、その隙
間に金属酸化物相20が存在している。
On the other hand, the heating resistor 7 formed in the ceramic insulating layer 6 is formed so as to penetrate the lead portion 8 also formed in the ceramic insulating layer 6 and the ceramic insulating layer 6 and the ceramic heat insulating layer 9. The terminal portion 2 formed on the outer surface of the ceramic heat insulating layer 9 by the penetrating conductor 18
4 is electrically connected. A metal member 23 for connection to an external power source for heat generation is fixed on the terminal portion 24 by a brazing material 17, and an electric current is passed through the heat generation resistor 7 through these members, whereby the heat generation resistor 7 is heated and measured. The temperature of the detection unit including the electrode 5, the cylindrical tube 2, and the reference electrode 3 is rapidly increased to a predetermined temperature. (Terminal Structure) According to the present invention, the terminals 4a, 4a connected to at least the electrodes 3, 5 in the detection element 1 described above.
More preferably, it is important that the terminal portion 24 connected to the heating resistor 7 is formed of a composite conductor layer composed of a metal phase and a metal oxide phase. As shown in FIG. 3, the composite conductor layer 16 has a metal oxide phase 20
And a metal phase 19 having a complicated intricate structure.
A metal phase is formed by contact at points or more, and this forms a three-dimensional network structure, for example, a sponge-like structure, and a metal oxide phase 20 is present in the gap.

【0026】このような組織からなる複合導体層16に
よって端子部を形成することによって、金属酸化物相2
0は金属相19の粒成長を防止し、かつ端子部4a、4
bと下地層となる円筒管2との接合強度を改善すること
が可能となる。
By forming the terminal portion with the composite conductor layer 16 having such a structure, the metal oxide phase 2 is formed.
0 prevents grain growth of the metal phase 19, and prevents the terminal portions 4a, 4a
It is possible to improve the bonding strength between b and the cylindrical tube 2 serving as the underlayer.

【0027】かかる点についてさらに詳細に説明する
と、図3(b)の反射電子顕微鏡写真の模写図に示すよ
うに、端子部4a、4bの複合導体層16表面におい
て、前記金属相19は、複雑な稜線を有する島状組織と
して観察される。この島状組織の金属相19は、マトリ
クスとなる金属酸化物相20に隔てられながら無数に点
在しており、スポンジ状骨格の端部近傍をあらわしてい
る。
This point will be described in more detail. As shown in a reflection electron micrograph of FIG. 3B, on the surface of the composite conductor layer 16 of the terminal portions 4a and 4b, the metal phase 19 is complicated. It is observed as an island-like structure having a sharp ridge. The insular metal phases 19 are scattered innumerably while being separated by the metal oxide phases 20 serving as a matrix, and represent the vicinity of the end of the sponge-like skeleton.

【0028】さらに詳細に検討するため、複合導体層1
6において酸処理により金属相19のみを溶出し、該複
合導体層16の内部の金属相の骨格を観察した結果、図
4に示すように、スポンジ状構造体内部の金属相19間
の距離は、端子部4表面で観察される隣り合う島状組織
の金属相における最大距離以下であることが明らかとな
った。
For more detailed consideration, the composite conductor layer 1
In FIG. 6, only the metal phase 19 was eluted by the acid treatment, and the skeleton of the metal phase inside the composite conductor layer 16 was observed. As shown in FIG. 4, the distance between the metal phases 19 inside the sponge-like structure was It was clarified that the distance was less than or equal to the maximum distance in the metal phase between adjacent islands observed on the surface of the terminal portion 4.

【0029】このとき、金属相19の隣り合う島状組織
間の最大距離が10μm以下の場合に、端子部4a、4
bの内部において、金属相19が3次元的なスポンジ状
骨格を形成し、特に、最大距離が5μm以下の場合で
は、金属相19がさらに緻密なスポンジ状構造体を形成
し好ましい。
At this time, when the maximum distance between the adjacent island-like structures of the metal phase 19 is 10 μm or less, the terminal portions 4a, 4
Inside b, the metal phase 19 forms a three-dimensional sponge-like skeleton, and particularly when the maximum distance is 5 μm or less, the metal phase 19 preferably forms a more dense sponge-like structure.

【0030】このような金属相19によるスポンジ状骨
格において、金属相19は立体的に支持されており、金
属酸化物相20に対して効果的にアンカー効果を発現可
能となるのである。また、金属相19は、金属酸化物相
20と円筒管2やセラミック保護層9をなす固体電解質
との界面に偏在し例えば粗大な塊状粒となることもない
ために、金属酸化物相20と前記固体電解質間の接合状
態は良好となる。これらの結果、端子部4a、4b上に
ロウ付けされた金属部材13の引っ張り強度が著しく向
上されるのである。
In such a sponge-like skeleton of the metal phase 19, the metal phase 19 is supported three-dimensionally, and the anchor effect can be effectively exerted on the metal oxide phase 20. In addition, the metal phase 19 is unevenly distributed at the interface between the metal oxide phase 20 and the solid electrolyte forming the cylindrical tube 2 and the ceramic protective layer 9 and does not become, for example, coarse massive particles. The bonding state between the solid electrolytes is good. As a result, the tensile strength of the metal member 13 brazed on the terminal portions 4a and 4b is significantly improved.

【0031】これに対して、上記の最大距離が10μm
を越えると、複合導体層の内部においてスポンジ状構造
体に関与しない遊離の金属相が粒状に存在するようにな
る。この遊離の金属相は、端子部4a、4b表面におけ
る前記反射電子顕微鏡写真でも明らかに観察でき、これ
らは立体的に支持されていないためアンカー効果が機能
せず、金属部材13の引っ張り強度は著しく低下する。
また、金属相19と固体電解質は、前述の通り本質的に
濡れが悪いため、複合導体層の内部において遊離した金
属相同士が粗大な凝集粒を形成しやすい。この粗大な凝
集粒は、金属部材13の引っ張り評価時は、欠陥として
作用するため、端子部4a、4bは破壊しやすくなる。
On the other hand, the maximum distance is 10 μm
Is exceeded, a free metal phase which does not participate in the sponge-like structure is present inside the composite conductor layer in a granular form. This free metal phase can be clearly observed in the reflection electron micrographs on the surfaces of the terminal portions 4a and 4b. Since these are not supported three-dimensionally, the anchor effect does not function, and the tensile strength of the metal member 13 is remarkably large. descend.
In addition, since the metal phase 19 and the solid electrolyte have essentially poor wettability as described above, the separated metal phases easily form coarse aggregated particles inside the composite conductor layer. The coarse aggregates act as defects when the metal member 13 is evaluated for tensile strength, so that the terminal portions 4a and 4b are easily broken.

【0032】本発明によれば、上記の金属相19は、P
t、Rh、Pd、Ru、Auのうち少なくとも1種から
選択され、特にPtが高温環境下における耐酸化性の点
で優れる。これらの金属相は、500℃の使用環境下で
酸化等の反応を生じず安定に存在するので好ましい。形
状、粒径については特に制約は無いが、上記の如く、隣
り合う金属相の島状組織間の距離を制御する目的で、状
況に応じて適度な粒度配合、金属成分の形状選択等の手
法を採用しても良い。
According to the present invention, the metal phase 19 comprises P
It is selected from at least one of t, Rh, Pd, Ru, and Au, and Pt is particularly excellent in oxidation resistance under a high temperature environment. These metal phases are preferable because they exist stably without causing a reaction such as oxidation under a use environment of 500 ° C. The shape and particle size are not particularly limited, but as described above, for the purpose of controlling the distance between the island-like structures of adjacent metal phases, a method such as appropriate mixing of the particle size and selection of the shape of the metal component depending on the situation. May be adopted.

【0033】また、金属酸化物相20は、Al、Si、
Zr、アルカリ土類元素、希土類元素(Yを含む)の群
から選ばれる少なくとも1種の酸化物を含む複合酸化物
からなることが望ましい。具体的には、複合酸化物とし
ては、フォルステライト、ステアタイト、スピネル、希
土類元素酸化物−SiO2−Al23、ZrO2−(希土
類元素酸化物、CaO、SiO2)の群から選ばれる少
なくとも1種の複合酸化物が挙げられる。
The metal oxide phase 20 is composed of Al, Si,
It is desirable to be made of a composite oxide containing at least one oxide selected from the group consisting of Zr, alkaline earth elements, and rare earth elements (including Y). Specifically, the composite oxide, forsterite, steatite, spinel, rare earth oxides -SiO 2 -Al 2 O 3, ZrO 2 - selected (rare earth oxide, CaO, SiO 2) from the group of At least one composite oxide.

【0034】より具体的には、Y23−SiO2−Al2
3複合系としては、Y2320〜53重量%、Al2
310〜34重量%、SiO224〜60重量%の組成物
によって形成すると、融点1500℃以下のガラス状セ
ラミックスを形成しやすく好ましい。特に、Y23
2.3重量%、Al2321.8重量%、SiO2
5.9重量%の組成点では、ガラス状セラミックスの融
点が1400℃近傍に設定できるため、端子部4a、4
bを構成する複合導体層中の金属相の粒成長を抑制でき
望ましい。
More specifically, Y 2 O 3 —SiO 2 —Al 2
As an O 3 composite system, Y 2 O 3 20 to 53% by weight, Al 2 O
3 10 to 34 wt%, when formed by SiO 2 24 to 60% by weight of the composition, preferably easily formed melting point 1500 ° C. or less glassy ceramic. In particular, Y 2 O 3 3
2.3% by weight, 21.8% by weight of Al 2 O 3 , SiO 2 4
At the composition point of 5.9% by weight, the melting point of the glassy ceramic can be set to around 1400 ° C., so that the terminal portions 4a, 4
This is desirable because the grain growth of the metal phase in the composite conductor layer constituting b can be suppressed.

【0035】ZrO2−(希土類元素酸化物、CaO、
SiO2)系では、3〜15mol%の希土類元素酸化
物で安定化されたZrO2に対し、希土類酸化物のうち
少なくとも1種を添加した組成物、あるいは金属成分と
前記安定化ZrO2の総量100重量部に対しCaOを
50重量部以下の割合で添加した組成物を用いることに
よって複合導体層16と固体電解質との密着性が好適に
改善される。
ZrO 2 — (Rare earth element oxide, CaO,
In the case of SiO 2 ), a composition in which at least one of rare earth oxides is added to ZrO 2 stabilized with 3 to 15 mol% of rare earth element oxide, or the total amount of the metal component and the stabilized ZrO 2 By using a composition in which CaO is added at a ratio of 50 parts by weight or less to 100 parts by weight, the adhesion between the composite conductor layer 16 and the solid electrolyte is suitably improved.

【0036】また、金属成分と、安定化ZrO2の総量
100重量部に対して、SiO2を10重量%以下の割
合で添加すると、SiO2が固体電解質のZrO2粒界に
侵入しアンカー効果を発現するようになるために、端子
部と固体電解質との密着性をさらに改善することができ
る。
Further, a metal component, based on 100 parts by weight of stabilized ZrO 2, when the SiO 2 is added in a proportion of 10 wt% or less, SiO 2 enters the ZrO 2 grain boundary of the solid electrolyte anchor effect Therefore, the adhesion between the terminal portion and the solid electrolyte can be further improved.

【0037】なお、上記の組成物中で使用される希土類
元素酸化物としては、Y23、Yb 23、Sc23、S
23、Gd23、CeO2の群から選ばれる少なくと
も1種が好適に使用される。
The rare earth used in the above composition
As an element oxide, YTwoOThree, Yb TwoOThree, ScTwoOThree, S
mTwoOThree, GdTwoOThree, CeOTwoAt least selected from the group of
One of them is preferably used.

【0038】また、端子部4a、4bを形成する複合導
体層16における金属相19:金属酸化物相20の存在
比率は、体積換算で95:5〜20:80体積%の範囲
にするとよい。特に95:5〜60:40体積%の範囲
では、端子部4a、4bの固体電解質への接合強度を確
保しつつ、低抵抗化でき大変好ましい。金属相19が9
5体積%よりも多いと、金属酸化物相20と固体電解質
との接合が弱くなりやすい。また、金属相19が20体
積%よりも少ないと、比抵抗が飛躍的に増加しリード部
8、12との導通がとれなくなる不具合が生じやすい。
The ratio of the metal phase 19 to the metal oxide phase 20 in the composite conductor layer 16 forming the terminals 4a and 4b is preferably in the range of 95: 5 to 20: 80% by volume in terms of volume. Particularly, in the range of 95: 5 to 60: 40% by volume, the resistance can be reduced while securing the bonding strength of the terminal portions 4a and 4b to the solid electrolyte, which is very preferable. Metal phase 19 is 9
If it is more than 5% by volume, the bonding between the metal oxide phase 20 and the solid electrolyte tends to be weak. If the content of the metal phase 19 is less than 20% by volume, the specific resistance increases dramatically, so that a problem that conduction with the leads 8 and 12 cannot be obtained easily occurs.

【0039】また、端子部4a、4bの厚みは3μm以
上が好適である。3μm未満の厚みでは、円筒管2やセ
ラミック保温層9上へのスクリーン印刷時、スクリーン
のメッシュ跡等の欠陥が生じやすく、この欠陥がロウ流
れに対しピンホール等の不良原因となりやすい。端子部
4a、4bの厚みの上限は特に制約はないが、図1に示
すような円筒形状の検出素子の場合、100μmを超え
ると、端子部4a、4bと円筒管2やセラミック保温層
9との接合界面の曲率と、端子部4a、4bの表面での
曲率との差が大きくなり破壊しやすいため、100μm
以下であることが望ましい。
The thickness of the terminal portions 4a and 4b is preferably 3 μm or more. If the thickness is less than 3 μm, defects such as traces of the mesh of the screen are likely to occur during screen printing on the cylindrical tube 2 or the ceramic heat-insulating layer 9, and these defects tend to cause defects such as pinholes in the wax flow. The upper limit of the thickness of the terminal portions 4a and 4b is not particularly limited, but in the case of a cylindrical detection element as shown in FIG. 1, if it exceeds 100 μm, the terminal portions 4a and 4b and the cylindrical tube 2 or the ceramic heat insulating layer 9 The difference between the curvature of the bonding interface and the curvature of the surface of the terminal portions 4a and 4b becomes large and the terminal is easily broken.
It is desirable that:

【0040】また、上記端子部4a、4bに対して接合
される金属部材13としては、Ni、コバール、インコ
ネル、Ptの群から選ばれる少なくとも1種の耐熱・耐
酸化性を有する金属を選択すればよい。
As the metal member 13 to be joined to the terminal portions 4a and 4b, at least one kind of metal having heat resistance and oxidation resistance selected from the group consisting of Ni, Kovar, Inconel and Pt is selected. I just need.

【0041】そして、上記の金属部材13を端子部4
a、4bに接続するためのロウ材としては、Pd、N
i、Au、Agの群から選ばれる少なくとも1種を含有
するロウ材の中から使用環境等に適合しえる耐熱温度を
有するロウ材を選択すればよい。例えば、Auの含有率
が35〜90重量%であるAu−Cuロウ材17で固定
する場合、端子部4が500℃以下であるように発熱抵
抗体を調節した検出素子1のロウ付けに好適に使用され
る。但し、Agはマイグレーションを発生しやすいため
に、できる限り、Agを含まないことが望ましい。
Then, the metal member 13 is connected to the terminal portion 4.
Pd, N as the brazing material for connecting to a, 4b
From among the brazing materials containing at least one selected from the group consisting of i, Au, and Ag, a brazing material having a heat-resistant temperature compatible with the use environment or the like may be selected. For example, when fixing with the Au-Cu brazing material 17 having an Au content of 35 to 90% by weight, it is suitable for brazing the detecting element 1 in which the heating resistor is adjusted so that the terminal portion 4 is 500 ° C. or less. Used for However, since Ag easily causes migration, it is preferable that Ag is not contained as much as possible.

【0042】ところで、金属部材13が棒状である場
合、図5に示すように、側面からみた時の端子部4との
間において形成されるロウ材17のメニスカス部の曲率
半径rは0.05≦r≦4mmであるとき、金属部材1
3の引っ張り評価時、ロウ材曲率部(メニスカス)が応
力拡大点とならずに好ましい。また、r<0.05mm
の場合は、金属部材13の引っ張り時に、曲率部の応力
拡大(てこの原理)効果が著しく、端子部4が破壊に至
る。一方、4mm<rの場合は、金属部材13を支持す
るロウ材量が著しく減少し、金属部材13のみがとれる
等のロウ付け不良が多発しやすい。
When the metal member 13 has a rod shape, as shown in FIG. 5, the curvature radius r of the meniscus portion of the brazing material 17 formed between the metal member 13 and the terminal portion 4 when viewed from the side is 0.05. When ≦ r ≦ 4 mm, the metal member 1
In the tensile evaluation of No. 3, the brazing material curvature portion (meniscus) is preferable without being a stress expansion point. Also, r <0.05 mm
In the case of (1), when the metal member 13 is pulled, the effect of increasing the stress at the curvature portion (the principle of leverage) is remarkable, and the terminal portion 4 is broken. On the other hand, when 4 mm <r, the amount of brazing material supporting the metal member 13 is significantly reduced, and brazing defects such as removal of only the metal member 13 are likely to occur.

【0043】また、言い換えれば、端子部4の金属部材
接合部表面における接線と、端子部4にロウ材17のメ
ニスカスを介して接続された金属部材13となす角度が
20〜45度することが望ましい。特に、上記の角度を
30〜40度とするとメニスカス部の曲率半径rを0.
5mm≦r≦1mmとなり、ロウ材使用量を低減可能で
コスト低減に大変有効である。
In other words, the angle between the tangent line on the surface of the metal member joint of the terminal portion 4 and the metal member 13 connected to the terminal portion 4 through the meniscus of the brazing material 17 may be 20 to 45 degrees. desirable. In particular, when the above angle is 30 to 40 degrees, the radius of curvature r of the meniscus portion is set to 0.
5 mm ≦ r ≦ 1 mm, the amount of brazing material used can be reduced, which is very effective for cost reduction.

【0044】また、図5に示すように、前記メニスカス
部内に端子部4a、4bの基体との接続端部が存在しな
いロウ付け構造とすることで、引っ張り試験時に端子部
4を構成する複合導体層16と円筒管2あるいはセラミ
ック保温層9をなす固体電解質との間に生じる応力拡大
を効果的に回避し、その結果、端子部4のめくれ、剥離
を回避可能となるのである。
Also, as shown in FIG. 5, the composite conductor constituting the terminal portion 4 at the time of the tensile test is formed by using a brazing structure in which the terminal end portions of the terminal portions 4a and 4b do not exist in the meniscus portion. It is possible to effectively avoid stress expansion occurring between the layer 16 and the solid electrolyte constituting the cylindrical tube 2 or the ceramic heat insulating layer 9, and as a result, it is possible to avoid turning up and peeling of the terminal portion 4.

【0045】なお、基準電極3と接続される端子部4a
は、円筒管2の外表面あるいは内表面のどちらでも形成
することができるが、外表面に形成した方が、金属部材
13とロウ材17を円筒管2の外表面に治具を用いて固
定し易く、内表面に形成する場合に比べロウ付け工程の
歩留まりが著しく向上するため非常に好ましい。 (他の態様)本発明は、図1のみならず、検出部の電極
と電気的に接続された端子部に金属部材をロウ付けする
部分を具備する検出素子であれば、あらゆる素子に適用
できる。
The terminal 4a connected to the reference electrode 3
Can be formed on either the outer surface or the inner surface of the cylindrical tube 2. However, the metal member 13 and the brazing material 17 can be formed on the outer surface of the cylindrical tube 2 using a jig. This is very preferable because the yield in the brazing step is significantly improved as compared with the case where the film is formed on the inner surface. (Other Embodiments) The present invention can be applied not only to FIG. 1 but also to any other detecting element provided with a portion for brazing a metal member to a terminal portion electrically connected to an electrode of the detecting portion. .

【0046】そこで、本発明の検出素子の他の実施態様
について、図6乃至図8に基づき説明する。なお、図1
〜図2と同じ機能を具備する箇所については同じ符号を
付して説明する。
Therefore, another embodiment of the detecting element of the present invention will be described with reference to FIGS. FIG.
2 will be described with the same reference numerals.

【0047】まず、図1では、測定電極5と端子部4b
とを接続するリード部12をセラミック保温層9の表面
に形成したが、図1におけるB−B断面図の他の実施態
様である図6(a)に示すように、リード部12をセラ
ミック絶縁層6内に形成し、そのリード部12とセラミ
ック保温層9の表面に形成された端子部4bとをセラミ
ック絶縁層6およびセラミック保温層9を貫通して形成
された貫通導体18によって接続することができる。こ
の場合、リード部12と端子部4bとの接続は、図6
(b)の側断面図に示すように、セラミック絶縁層6と
セラミック保温層9との端面から端子部4bを引き回し
て接続することもできる。
First, in FIG. 1, the measuring electrode 5 and the terminal 4b
1 is formed on the surface of the ceramic heat-insulating layer 9, but as shown in FIG. 6A, which is another embodiment of the sectional view taken along the line BB in FIG. The lead portion 12 formed in the layer 6 and the terminal portion 4b formed on the surface of the ceramic heat insulating layer 9 are connected by a through conductor 18 formed through the ceramic insulating layer 6 and the ceramic heat insulating layer 9. Can be. In this case, the connection between the lead portion 12 and the terminal portion 4b is as shown in FIG.
As shown in the side sectional view of (b), the terminal portion 4b can be routed from the end surfaces of the ceramic insulating layer 6 and the ceramic heat insulating layer 9 for connection.

【0048】また、図1の検出素子においては、検知部
を1箇所形成しているが、図7の(a)概略斜視図、お
よび(b)そのD−D断面図に示すように、検知部が円
筒体の互いに対向する箇所に2つ設けられている。この
ように、検知部を複数箇所形成すれば、アッセンブル金
具内での排気ガスに対する検出素子1の指向性をなくす
ることができる。かかる図7においても少なくとも検知
部表面を多孔質のセラミック保護層14によって被覆さ
れるが、説明の便宜上、図7(a)では省略した。
Further, in the detecting element of FIG. 1, one detecting portion is formed, but as shown in FIG. 7A, a schematic perspective view and FIG. Two portions are provided at locations of the cylindrical body facing each other. As described above, if a plurality of detecting portions are formed, the directivity of the detecting element 1 with respect to the exhaust gas in the assembling fitting can be eliminated. In FIG. 7 as well, at least the surface of the detecting portion is covered with the porous ceramic protective layer 14, but is omitted in FIG. 7A for convenience of explanation.

【0049】この際、測定電極5と端子部4bとの接続
にあたっては、2つの測定電極5を直列的に接続し、リ
ード部12を介して端子部4bに接続することもできる
が、各測定電極5に対してそれぞれリード部12を形成
し、端子部4bに対してそれぞれ接続するか、あるいは
図7(a)に示すように、途中でリード部12同士を接
続して端子部4bに接続すればよい。また、基準電極3
は、各検知部に合わせて2つ形成してもよいし円筒管2
の内面全面に基準電極3を形成すれば基準電極3を共有
化することもできる。
At this time, when connecting the measuring electrode 5 and the terminal portion 4b, two measuring electrodes 5 can be connected in series and connected to the terminal portion 4b via the lead portion 12. A lead portion 12 is formed for each electrode 5 and connected to the terminal portion 4b, or as shown in FIG. 7A, the lead portions 12 are connected to each other and connected to the terminal portion 4b as shown in FIG. do it. In addition, the reference electrode 3
May be formed two in accordance with each detecting part, or two cylindrical tubes 2
By forming the reference electrode 3 on the entire inner surface of the substrate, the reference electrode 3 can be shared.

【0050】また、本発明の検出素子は、上記のように
円筒形状のみならず、平板型の検出素子における端子構
造に対しても適用できる。そこで、図8に平板型の検出
素子を示した。(a)は斜視図、(b)はE−E断面
図、(c)はF−F断面図である。この検出素子は、図
上から検知部、空気導入孔、ヒータ部が積層された構造
となっている。固体電解質基体2の外面に測定電極5、
大気導入孔25側の内面には基準電極3が形成されてい
る。
The detecting element of the present invention can be applied not only to the cylindrical shape as described above, but also to the terminal structure of a flat type detecting element. FIG. 8 shows a flat detection element. (A) is a perspective view, (b) is an EE sectional view, and (c) is an FF sectional view. This detection element has a structure in which a detection unit, an air introduction hole, and a heater unit are stacked from the top of the figure. A measuring electrode 5 on the outer surface of the solid electrolyte substrate 2;
The reference electrode 3 is formed on the inner surface on the air introduction hole 25 side.

【0051】そして、測定電極5は固体電解質基体2の
外面に形成されたリード部12を経由して同じく固体電
解質基体2の外面に形成された端子部4a、4bに接続
されている。また、空気導入孔25内壁に形成された基
準電極3は端子部4aの真下に引き出され、垂直導体2
6によってにより端子部4aに接続され、これらの端子
部4a、4bには、本発明に従い、ロウ材17により金
属部材13a、13bがロウ付けされる。
The measurement electrode 5 is connected to terminals 4a and 4b formed on the outer surface of the solid electrolyte substrate 2 via lead portions 12 formed on the outer surface of the solid electrolyte substrate 2. Further, the reference electrode 3 formed on the inner wall of the air introduction hole 25 is drawn out just below the terminal portion 4a, and
6, the metal members 13a and 13b are brazed to the terminal portions 4a and 4b by the brazing material 17 according to the present invention.

【0052】一方、固体電解質基体2の大気導入孔25
を挟んで検知部と対向する部分には、アルミナ等のセラ
ミックスからなる絶縁層6を介して発熱抵抗体7が内蔵
されている。発熱抵抗体7は、図8(c)に示すように
リード部8が端子部24の真下まで延長され垂直導体2
7によりヒータ用端子部24に接続されており、この端
子部24には、金属部材23が本発明に従って接続され
る。
On the other hand, the air introduction hole 25 of the solid electrolyte substrate 2
A heating resistor 7 is built in a portion opposed to the detection unit with the insulating layer 6 made of ceramic such as alumina interposed therebetween. As shown in FIG. 8C, the heating resistor 7 has the lead portion 8 extended to just below the terminal portion 24 and the vertical conductor 2.
7, a metal member 23 is connected to the heater terminal 24 according to the present invention.

【0053】[0053]

【実施例】(実施例1)図5の構造における端子部4の
ZrO2からなるセラミック保温層9への引っ張り強度
と、端子部4表面の任意の位置で観察される金属成分の
島状組織の隣り合う距離との相関関係を調べた。
(Example 1) Tensile strength of the terminal portion 4 to the ceramic insulating layer 9 made of ZrO 2 in the structure of FIG. 5 and an island-like structure of a metal component observed at an arbitrary position on the surface of the terminal portion 4 Was examined for correlation with adjacent distance.

【0054】まず、評価用サンプルの作製にあたり、以
下のものを準備した。 a)共沈法により作製した5モル%Y23含有のZrO
2粉末(円筒管用、セラミック保温層用) b)MgO含有量が10ppm以下の微粒Al23粉末
(セラミック絶縁層用) c)Al23を10体積%含有するPtペースト(発熱
抵抗体7、リード部8) d)5モル%Y23含有のZrO2粉末を30体積%含
有するPtペースト(基準電極2、測定電極5、電極ま
たは抵抗体リード部8、12用) e)5モル%Y23含有のZrO2粉末を40体積%含
有するPtペースト(電極用端子部4、抵抗体用端子部
24) なお、上記e)のPtペーストに使用されたZrO2
末の粒径は、端子部4の複合導体層において隣り合う金
属相19の距離を制御する目的で、平均2次粒径(D5
0)で0.5〜5.0μmとした。
First, the following materials were prepared for producing evaluation samples. a) ZrO containing 5 mol% Y 2 O 3 prepared by a coprecipitation method
2 powder (for tubulars, ceramic heat insulating layer) b) for the following fine Al 2 O 3 powder MgO content is 10 ppm (ceramic insulating layer) c) Al 2 O 3 10% by volume content to Pt paste (heating resistor 7. Lead part 8) d) Pt paste containing 30% by volume of ZrO 2 powder containing 5 mol% Y 2 O 3 (for reference electrode 2, measurement electrode 5, electrode or resistor lead parts 8, 12) e) Pt paste containing 40 vol% of ZrO 2 powder containing 5 mol% Y 2 O 3 (terminal part 4 for electrode, terminal part 24 for resistor) Note that the ZrO 2 powder used in the Pt paste of the above e) was used. The average secondary particle diameter (D5) is used to control the distance between adjacent metal phases 19 in the composite conductor layer of the terminal portion 4.
0) was set to 0.5 to 5.0 μm.

【0055】まず、a)のZrO2粉末にポリビニルア
ルコール溶液を添加して坏土を作製し、押出成形により
外径が約4mm、内径が2.3mmの円筒管2を作製し
た。また、a)のZrO2粉末に、アクリル系のバイン
ダーを所定量添加しスラリーを作製した後、ドクターブ
レード法により200μm厚みのZrO2のセラミック
保護層9用のグリーンシートを作製した。
First, a polyvinyl alcohol solution was added to the ZrO 2 powder of a) to prepare a clay, and a cylindrical tube 2 having an outer diameter of about 4 mm and an inner diameter of 2.3 mm was prepared by extrusion molding. Also, after a predetermined amount of an acrylic binder was added to the ZrO 2 powder of a) to prepare a slurry, a 200 μm-thick green sheet for the ZrO 2 ceramic protective layer 9 was formed by a doctor blade method.

【0056】セラミック保護層9用のグリーンシートの
表面に、上記b)のAl23粉末からなるスラリーを焼
成後、約10〜15μmの厚みになるように塗布した。
そしれ、そのAl23層の表面に、発熱抵抗体7と抵抗
体用のリード部8を上記c)のPtペーストを用いてス
クリーン印刷により形成した。さらに抵抗体リード部8
の所定の位置に、パンチングにより貫通孔を開け、d)
のPtペーストを充填した。
After baking the slurry of the above b) Al 2 O 3 powder, the slurry was applied to the surface of the green sheet for the ceramic protective layer 9 so as to have a thickness of about 10 to 15 μm.
Then, on the surface of the Al 2 O 3 layer, the heating resistor 7 and the lead 8 for the resistor were formed by screen printing using the Pt paste of the above c). Furthermore, the resistor lead 8
A through hole is punched in a predetermined position of d.
Of Pt paste.

【0057】次に、セラミック保護層9用のグリーンシ
ートを反転させ、測定電極と接続されるリード部12、
測定電極と接続される端子部4b、抵抗体リード8の端
子部24をそれぞれd)あるいはe)のPtペーストを
用いて、所定の位置にスクリーン印刷により形成した。
なお、測定電極と接続されるリード部12上には、セラ
ミック保護層122として、グリーンシートを形成する
前述のa)のZrO2スラリーと同一のスラリーを、焼
成後、約15〜20μmの厚みとなるようにスクリーン
印刷した。
Next, the green sheet for the ceramic protective layer 9 is turned over, and the lead portions 12 connected to the measurement electrodes,
The terminal portion 4b connected to the measurement electrode and the terminal portion 24 of the resistor lead 8 were formed at predetermined positions by screen printing using the Pt paste of d) or e).
On the lead portion 12 connected to the measurement electrode, the same slurry as the above-mentioned a) ZrO 2 slurry for forming a green sheet as the ceramic protective layer 122 was fired to a thickness of about 15 to 20 μm as a ceramic protective layer 122. It was screen-printed.

【0058】この後、再度グリーンシートを反転させ、
前記発熱抵抗体がAl23層に内包されるように、前記
c)のAl23粉末からなるスラリーを焼成後、約10
〜15μmとなるように塗布した。
After that, the green sheet is again turned over,
After sintering the slurry composed of the Al 2 O 3 powder of the above c), so that the heating resistor is included in the Al 2 O 3 layer, about 10
1515 μm.

【0059】以上、各印刷体が積層したグリーンシート
(以下、シート状積層体と称する)シート状積層体のう
ち、測定電極5を形成する領域をパンチングにより開口
し、開口部11を形成した後、上記の円筒管2の表面
に、接着層としてアクリル系樹脂に上記の5モル%Y2
3含有のZrO2粉末を分散させた密着液を用いて巻き
付け、円筒状積層体を作製した。
As described above, in the green sheet (hereinafter, referred to as a sheet-like laminate) in which the respective prints are laminated, a region where the measurement electrode 5 is formed is opened by punching, and after the opening 11 is formed. On the surface of the cylindrical tube 2, an acrylic resin is added as an adhesive layer to the 5 mol% Y 2
Winding was performed using an adhesion liquid in which O 3 -containing ZrO 2 powder was dispersed, to produce a cylindrical laminate.

【0060】次に、d)のPtペーストを用い、円筒状
積層体において円筒管2の内側に基準電極3を、また、
開口部11内に測定電極5を、それぞれ焼成後に10μ
mの厚みになるようにそれぞれ曲面印刷法により形成し
た。その後、この円筒状積層体を大気中にて1400〜
1500℃で2時間焼成し一体化した。なお、焼成後、
本検出素子1において円筒管2の外径は3.0〜3.1
mmであり、内径は1.7〜1.8mmであった。
Next, using the Pt paste of d), the reference electrode 3 was placed inside the cylindrical tube 2 in the cylindrical laminate, and
The measuring electrode 5 was placed in the opening 11 by 10 μm after firing.
Each of them was formed by a curved surface printing method so as to have a thickness of m. Thereafter, the cylindrical laminate was placed in the atmosphere at 1400 to 1400.
It was baked at 1500 ° C. for 2 hours and integrated. After firing,
In the present detection element 1, the outer diameter of the cylindrical tube 2 is 3.0 to 3.1.
mm, and the inner diameter was 1.7 to 1.8 mm.

【0061】焼成後、不活性雰囲気中にて所定温度で端
子部上にAu−Cu(Au50重量%、Cu50重量
%)のロウ材17によりφ0.6mmのNi線からなる
金属部材13、23を、ロウ材のメニスカスの曲率半径
rが0.6mmとなるように固定した。また、ロウ材の
メニスカス部には端子部4の基体との接続端部が含まれ
ないように、端子部の頂部付近で金属部材をロウ付けし
た。
After sintering, the metal members 13 and 23 made of a 0.6 mm-diameter Ni wire are brazed on the terminal portion at a predetermined temperature in an inert atmosphere with a brazing material 17 of Au-Cu (Au 50% by weight, Cu 50% by weight). Then, the curvature radius r of the meniscus of the brazing material was fixed to be 0.6 mm. In addition, a metal member was brazed near the top of the terminal so that the meniscus portion of the brazing material did not include the connection end of the terminal portion 4 with the base.

【0062】さらに、その後、測定電極5の表面に、プ
ラズマ溶射法を用いてスピネルからなる気孔率が約30
%のセラミック多孔質層を約100μmの厚みになるよ
う形成して検出素子1を作製した。
After that, the surface of the measuring electrode 5 is made to have a porosity of about 30
% Of the ceramic porous layer was formed so as to have a thickness of about 100 μm, whereby the detection element 1 was produced.

【0063】かくして得られた検出素子1において、端
子部に対して垂直方向の金属部材13の引っ張り強度を
測定し、さらに、端子部4の表面における任意の位置で
の反射電子顕微鏡写真(BEM)から、隣り合う金属相
の島状組織50間の距離の最大値を見積もった。結果を
表1に示す。
In the detection element 1 thus obtained, the tensile strength of the metal member 13 in the direction perpendicular to the terminal was measured, and further a reflection electron micrograph (BEM) at an arbitrary position on the surface of the terminal 4 From the above, the maximum value of the distance between the island structures 50 of the adjacent metal phases was estimated. Table 1 shows the results.

【0064】[0064]

【表1】 [Table 1]

【0065】表1によれば、No.5およびNo.8〜
10を見ると明らかなように、端子部を形成する複合金
属材料において、隣り合う金属相の島状組織50間の距
離の最大値が10μm以上のものは0.3MPa未満の
引っ張り強度しか得られなかった。これらの試料の破断
部を観察すると、端子部のロウ材17が密着している部
分が、その直下にある導体を伴って剥離しているが、剥
離面は端子部における複合導体層内部であった。また、
破断面を電子顕微鏡観察により観察した結果、剥離面に
金属骨格に関与していない粒状のPt粗大粒が認められ
た。
According to Table 1, no. 5 and No. 5 8 ~
As is clear from FIG. 10, in the composite metal material forming the terminal portion, those having a maximum value of the distance between the island-like structures 50 of adjacent metal phases of 10 μm or more have a tensile strength of less than 0.3 MPa. Did not. Observation of the fractured portions of these samples shows that the portion of the terminal portion where the brazing material 17 is in close contact is peeled off with the conductor immediately below it, but the peeled surface is inside the composite conductor layer in the terminal portion. Was. Also,
As a result of observing the fractured surface with an electron microscope, granular Pt coarse grains not involved in the metal skeleton were observed on the peeled surface.

【0066】これに対し、金属相による島状組織50間
の距離が10μm以下の試料は、いずれも引っ張り強度
は1.0MPa以上と非常に良好であった。なお、これ
らの試料は全て、端子部のロウ材17が密着している部
分が、その直下にある導体を伴って剥離しているが、剥
離面は端子部4とセラミック保護層9の界面であった。
On the other hand, all the samples in which the distance between the island-like structures 50 due to the metal phase was 10 μm or less had a very good tensile strength of 1.0 MPa or more. In all of these samples, the portion of the terminal portion where the brazing material 17 is in close contact is peeled off with the conductor immediately below it, but the peeled surface is at the interface between the terminal portion 4 and the ceramic protective layer 9. there were.

【0067】(実施例2)実施例1と同様の手法にて得
られる検出素子1について、複合金属材料からなる端子
部上にAu−Cuロウ材によりNi線からなる金属部材
を固定した。なお、このNi線はφ0.6mmで、端子
部と15〜50度の角度をなす屈曲部を有する。これら
の試料について、図5で示される構造を解析するため、
投影機もしくは写真を用いて、端子部と金属部材間に形
成されるロウ材のメニスカス部の曲率半径rを測定し
た。この後、実施例1と同様に金属部材13の引っ張り
強度を測定した。また、ロウ材によるメニスカス部内に
端子部の端部が存在する場合と、存在しない場合につい
ても同様に評価した。結果を表2に示す。
(Example 2) With respect to the detecting element 1 obtained by the same method as in Example 1, a metal member made of a Ni wire was fixed on a terminal part made of a composite metal material with an Au-Cu brazing material. The Ni wire is φ0.6 mm and has a bent portion that forms an angle of 15 to 50 degrees with the terminal portion. In order to analyze the structure shown in FIG. 5 for these samples,
The radius of curvature r of the meniscus portion of the brazing material formed between the terminal portion and the metal member was measured using a projector or a photograph. Thereafter, the tensile strength of the metal member 13 was measured in the same manner as in Example 1. The same evaluation was performed for the case where the end portion of the terminal portion was present in the meniscus portion formed of the brazing material and the case where the end portion was not present. Table 2 shows the results.

【0068】[0068]

【表2】 [Table 2]

【0069】表2より、ロウ材のメニスカス部の曲率半
径rが0.05mm≦r≦4mmのものが、1.0MP
a以上の引っ張り強度を示し非常に良好であることが明
らかである。このことより、上記の曲率半径では引っ張
り時の応力拡大が曲率部において生じないことが判る。
また、メニスカス部内に端子部の端部が存在するNo.
20〜21では、端子部のセラミック保護層からの剥離
が生じており、端子部とセラミック保護層9間で、引っ
張り時の応力拡大が生じたことが判る。 (実施例3)実施例1と同様の手法にて得られる検出素
子1について、基準電極3に接続する端子部4を円筒管
2の内部に形成した試料と、円筒管2の外表面に形成し
た試料を1ロット各々30本、計3ロット作製し、実施
例1と同様に金属部材13の引っ張り強度を全試料につ
いて測定した。その後、引っ張り強度が1.0MPa以
上のものを良品とし、製品歩留まりを求めた。表3に結
果を示す。
As shown in Table 2, the brazing material having a meniscus portion having a radius of curvature r of 0.05 mm ≦ r ≦ 4 mm was 1.0 MP
It is clear that it shows a tensile strength of a or more and is very good. From this, it can be seen that with the above-mentioned radius of curvature, stress expansion during pulling does not occur at the curvature portion.
In addition, in the case where the end portion of the terminal portion exists in the meniscus portion, No.
In the case of Nos. 20 to 21, it is found that the terminal portion was peeled off from the ceramic protective layer, and the stress was increased between the terminal portion and the ceramic protective layer 9 at the time of pulling. (Embodiment 3) Regarding a detection element 1 obtained by the same method as in Embodiment 1, a terminal portion 4 connected to a reference electrode 3 is formed inside a cylindrical tube 2 and a terminal portion 4 is formed on an outer surface of the cylindrical tube 2 A total of three lots of 30 samples each were produced, and the tensile strength of the metal member 13 was measured for all the samples in the same manner as in Example 1. Thereafter, those having a tensile strength of 1.0 MPa or more were regarded as good products, and the product yield was determined. Table 3 shows the results.

【0070】[0070]

【表3】 [Table 3]

【0071】表3より明らかなように、基準電極3の端
子部4を円筒管2の外表面に設けた場合のほうが製品歩
留まりは非常に良好である。円筒管2の内面に端子部4
を形成した試料について、不合格品全てのロウ付け構造
を詳細に調べたところ、その全てについて、前述のロウ
材によるメニスカスの円弧内に端子部の基体との接続端
子が存在していた。これは、円筒管2の内径が1.7〜
1.8mmと非常に小さいことにより、ロウ付け処理の
前準備時、Ni線を治具で位置精度良く固定することが
非常に困難であることによる。
As is apparent from Table 3, the product yield is much better when the terminal portion 4 of the reference electrode 3 is provided on the outer surface of the cylindrical tube 2. A terminal part 4 is provided on the inner surface of the cylindrical tube 2.
When the brazing structures of all the rejected products were examined in detail for the samples in which was formed, the connection terminals to the base of the terminal portion were present in the meniscus arc formed of the brazing material for all of them. This is because the inner diameter of the cylindrical tube 2 is 1.7 to
Due to its extremely small size of 1.8 mm, it is very difficult to fix the Ni wire with a jig with high positional accuracy during preparation for brazing.

【0072】[0072]

【発明の効果】以上詳述したように、本発明の検出素子
は、金属部材をロウ付けする端子部を金属相と金属酸化
物相とが所定の組織構造からなる複合導体層によって形
成することによって、金属相を3次元的な網目構造(ス
ポンジ状構造)とし、該金属網目構造体が金属酸化物相
からなるマトリクス部に埋設され、いわゆるアンカー効
果を有効に発現させることが可能となる。また、ロウ材
が金属部材と複合導体層間に形成する曲率(メニスカ
ス)の半径を制御することで、さらに金属部材の引っ張
り時に曲率部に応力集中が生じないロウ付け構造とする
ことが可能となる。これらの結果、安定した信頼性の高
い検知信号の取り出し構造が可能となり、検知部の出力
信号を迅速に、かつ長期にわたり安定して検出できる信
頼性の高い検出素子を提供できる。
As described in detail above, in the detection element of the present invention, the terminal portion to which the metal member is brazed is formed by the composite conductor layer in which the metal phase and the metal oxide phase have a predetermined structure. Thereby, the metal phase is formed into a three-dimensional network structure (sponge-like structure), and the metal network structure is embedded in the matrix portion made of the metal oxide phase, so that the so-called anchor effect can be effectively exhibited. Further, by controlling the radius of the curvature (meniscus) formed between the metal member and the composite conductor layer by the brazing material, it is possible to achieve a brazing structure in which stress concentration does not occur at the curvature portion when the metal member is pulled. . As a result, a stable and highly reliable detection signal extraction structure can be obtained, and a highly reliable detection element that can quickly and stably detect the output signal of the detection unit for a long time can be provided.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

【図1】本発明の検出素子の一実施態様を説明するため
の概略斜視図である。
FIG. 1 is a schematic perspective view for explaining one embodiment of a detection element of the present invention.

【図2】図1の検出素子の(a)A−A断面図、(b)
B−B断面図、(c)C−C断面図である。
2A is a cross-sectional view of the detection element of FIG. 1 along AA, and FIG.
It is BB sectional drawing, (c) It is CC sectional drawing.

【図3】本発明の検出素子における端子部の構造を説明
するための(a)概略断面図および(b)端子部を形成
する複合導体層の反射電子顕微鏡写真の模式図である。
FIGS. 3A and 3B are a schematic cross-sectional view for explaining the structure of a terminal portion in the detection element of the present invention and a schematic diagram of a reflection electron micrograph of a composite conductor layer forming the terminal portion.

【図4】本発明における複合導体層内部の金属相間距離
と、複合導体層表面の金属相間距離との関係を示す図で
ある。
FIG. 4 is a diagram showing the relationship between the distance between metal phases inside the composite conductor layer and the distance between metal phases on the surface of the composite conductor layer in the present invention.

【図5】本発明における端子部と金属部材との接続構造
の概略断面図である。
FIG. 5 is a schematic sectional view of a connection structure between a terminal portion and a metal member according to the present invention.

【図6】本発明の検出素子の他の実施態様を説明するた
めの端子部付近の(a)縦断面図と、(b)さらに他の
実施態様における横断面図である。
FIGS. 6A and 6B are a vertical cross-sectional view and a cross-sectional view of a further alternative embodiment, respectively, for explaining a detection element according to another embodiment of the present invention.

【図7】本発明の検出素子の他の実施態様を説明するた
めの検知部付近の(a)縦断面図と、(b)D−D概略
斜視図である。
FIGS. 7A and 7B are a vertical sectional view and a schematic perspective view taken along the line (a) of FIG. 7 for explaining another embodiment of the detection element of the present invention.

【図8】本発明の検出素子の他の実施態様を説明するた
めの検知部付近の(a)概略斜視図と、(b)E−E断
面図、(b)F−F断面図である。
8A and 8B are a schematic perspective view, (b) a cross-sectional view taken along the line EE, and (b) a cross-sectional view taken along the line FF for explaining another embodiment of the detection element of the present invention. .

【図9】従来の検出素子の(a)概略平面図と、(b)
そのG−G断面図である。
FIG. 9A is a schematic plan view of a conventional detection element, and FIG.
It is GG sectional drawing.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1 検出素子 2 円筒管(固体電解質基体) 3 基準電極 4a,4b 端子部 5 測定電極 6 セラミック絶縁層 7 発熱抵抗体 DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Detection element 2 Cylindrical tube (solid electrolyte base) 3 Reference electrode 4a, 4b Terminal part 5 Measurement electrode 6 Ceramic insulating layer 7 Heating resistor

Claims (10)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】ジルコニア固体電解質基体の両主面に一対
の電極を形成してなり環境状態を検知する検知部と、前
記基体の表面に形成され、前記電極と電気的に接続され
た端子部と、該端子部にロウ材によりロウ付けされた金
属部材とを具備してなる検出素子において、前記端子部
が、金属相と金属酸化物相とからなる複合導体層からな
り、該複合導体層表面の反射電子顕微鏡写真において隣
り合う金属相間の最大距離が10μm以下であることを
特徴とする検出素子。
1. A detecting portion for detecting an environmental condition, comprising a pair of electrodes formed on both main surfaces of a zirconia solid electrolyte substrate, and a terminal portion formed on a surface of the substrate and electrically connected to the electrodes. And a metal member brazed to the terminal portion with a brazing material, wherein the terminal portion comprises a composite conductor layer composed of a metal phase and a metal oxide phase, and the composite conductor layer A detecting element wherein the maximum distance between adjacent metal phases in a reflection electron micrograph of the surface is 10 μm or less.
【請求項2】前記端子部を形成する複合導体層中の金属
相が、Pt、Rh、Pd、Ru、Auのうち少なくとも
1種からなることを特徴とする請求項1記載の検出素
子。
2. The detecting element according to claim 1, wherein the metal phase in the composite conductor layer forming the terminal portion is at least one of Pt, Rh, Pd, Ru, and Au.
【請求項3】前記端子部を形成する複合導体層中の前記
金属酸化物相が、Zr、Al、Si、アルカリ土類、希
土類元素の群から選ばれる少なくとも1種を含有する請
求項1または請求項2記載の検出素子。
3. The metal oxide phase in the composite conductor layer forming the terminal portion contains at least one selected from the group consisting of Zr, Al, Si, alkaline earth, and rare earth elements. The detection element according to claim 2.
【請求項4】前記ロウ材が、少なくともAu、Pd、N
iの群から選ばれる少なくとも1種を含有することを特
徴とする請求項1乃至請求項3のいずれか記載の検出素
子。
4. The method according to claim 1, wherein the brazing material is at least Au, Pd, N
The detection element according to any one of claims 1 to 3, comprising at least one selected from the group of i.
【請求項5】前記複合導体層が、金属相20〜95体積
%と、金属酸化物相5〜80体積%とからなることを特
徴とする請求項1乃至請求項4のいずれか記載の検出素
子。
5. The detection according to claim 1, wherein the composite conductor layer comprises a metal phase of 20 to 95% by volume and a metal oxide phase of 5 to 80% by volume. element.
【請求項6】前記金属部材と前記端子部の間に介在する
ロウ材のメニスカス部の曲率半径rが、0.05mm≦
r≦4mmであり、かつ該メニスカス部内に端子部の端
部が存在しないロウ付け構造を有することを特徴とする
請求項1記載の検出素子。
6. A curvature radius r of a meniscus portion of a brazing material interposed between said metal member and said terminal portion is 0.05 mm ≦.
2. The detecting element according to claim 1, wherein r ≦ 4 mm and a brazing structure in which an end of the terminal portion does not exist in the meniscus portion.
【請求項7】前記端子部における複合導体層表面の接線
と、前記複合導体層にロウ材を介して接続された前記金
属部材となす角度が20〜45度であることを特徴とす
る請求項1または請求項6記載の検出素子。
7. An angle between a tangent to the surface of the composite conductor layer at the terminal portion and the metal member connected to the composite conductor layer via a brazing material is 20 to 45 degrees. The detection element according to claim 1 or 6.
【請求項8】前記金属部材と前記複合導体層の間に介在
するロウ材のメニスカス部内に前記端子部の基体との接
続端部が存在しないことを特徴とする請求項1記載の検
出素子。
8. The detecting element according to claim 1, wherein no connection end of the terminal portion with the base exists in a meniscus portion of the brazing material interposed between the metal member and the composite conductor layer.
【請求項9】前記固体電解質基体の一方の表面に端子部
と、他方の表面に形成された電極とが、前記固体電解質
基体の端面を経由して電気的に接続されてなることを特
徴とする請求項1記載の検出素子。
9. The solid electrolyte substrate is characterized in that a terminal portion on one surface of the solid electrolyte substrate and an electrode formed on the other surface are electrically connected via an end surface of the solid electrolyte substrate. The detection element according to claim 1, wherein
【請求項10】前記ジルコニア固体電解質基体が、一端
が封止された円筒管からなることを特徴とする請求項1
乃至請求項9のいずれか記載の検出素子。
10. The zirconia solid electrolyte substrate comprises a cylindrical tube having one end sealed.
The detecting element according to claim 9.
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