JP2002174619A - Gas sensor - Google Patents

Gas sensor

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JP2002174619A
JP2002174619A JP2000373035A JP2000373035A JP2002174619A JP 2002174619 A JP2002174619 A JP 2002174619A JP 2000373035 A JP2000373035 A JP 2000373035A JP 2000373035 A JP2000373035 A JP 2000373035A JP 2002174619 A JP2002174619 A JP 2002174619A
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heating
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Hitoshi Matsunosako
等 松之迫
Koji Ono
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a gas sensor having a sealing structure exhibiting a highly hermetic sealing characteristic when being installed to a metallic case while securing excellent durability even in a severe environment. SOLUTION: This gas sensor formed into a cylindrical shape is provided with a detection part constructed of a pair of electrodes 3 and 4, which are formed on both of the outside and inside main faces in the vicinity of the front end of a cylindrical solid electrolyte base body 2, for detecting an environmental condition, a heating part constructed of a heating resistor 8, which is buried inside a ceramic insulating layer 6 formed on the outside surface of the base body 2, for heating the detection part, and terminal parts 11 and 18 arranged in the vicinities of the rear end of the base body 1. Between the detection part and the terminal parts 11 and 18, a ceramic member 21 for hermetically sealing a clearance with respect to a case body housing the gas sensor 1 is formed integrally by simultaneous burning with the detection part and the heating part.

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、ジルコニア固体
電解質と一対の電極とを具備する検知部を具備する、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
サ素子、あるいは窒素酸化物濃度を検出するNOxセン
サ素子を金属製のケース体内に収納してなるガスセンサ
に関し、特に耐熱特性、高信頼性を要求されるガスの気
密封止構造の改良に関するものである。
The present invention relates to an oxygen sensor element for detecting an oxygen concentration in an exhaust gas of an automobile, or a nitrogen oxide concentration, for example, comprising a detection unit having a zirconia solid electrolyte and a pair of electrodes. The present invention relates to a gas sensor in which a NOx sensor element to be detected is housed in a metal case body, and particularly to an improvement in a gas-tight sealing structure for a gas that requires heat resistance and high reliability.

【0002】[0002]

【従来技術】従来のガスセンサの構造を図4を用いて説
明する。図4(a)は、酸素濃度を検知する平板型のヒ
ータ一体型のセンサ素子41の概略断面図を示したもの
である。酸素イオン伝導性の板状の固体電解質42aが
空気導入孔43を囲むように形成され、固体電解質42
aの外表面にはPtからなる測定電極44、空気導入孔
43側にはPtからなる基準電極45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44、45は、互いに固
体電解質42aにより気密に隔離され、電極44、45
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。また、空気導入孔43を挟んで対向する固体電
解質42bには、酸化アルミニウムからなる絶縁層46
に挟まれた発熱抵抗体47が内蔵され、これにより検知
部を加熱する構造となっている。
2. Description of the Related Art The structure of a conventional gas sensor will be described with reference to FIG. FIG. 4A is a schematic cross-sectional view of a flat-plate type heater-integrated sensor element 41 for detecting oxygen concentration. An oxygen ion conductive plate-shaped solid electrolyte 42a is formed so as to surround the air introduction hole 43.
A measuring electrode 44 made of Pt is formed on the outer surface of a, and a reference electrode 45 made of Pt is formed on the side of the air introduction hole 43, and these portions form a detecting portion for detecting the oxygen concentration in the surrounding atmosphere. I have. These electrodes 44, 45 are hermetically isolated from each other by a solid electrolyte 42a, and the electrodes 44, 45
An electromotive force is generated according to the ratio of oxygen concentration between the two. An insulating layer 46 made of aluminum oxide is provided on the solid electrolyte 42b opposed to the air introducing hole 43.
A heating resistor 47 sandwiched between is built in, thereby heating the detection unit.

【0003】また、このような平板型のセンサ素子41
は、金属ケース48内に収納されて自動車などに装着さ
れる。その際、固体電解質42aの外表面に形成された
測定電極44は、大気とは完全に遮断されることが必要
であるために、金属ケース48内でセンサ素子41は大
気と接触しないようなシールが行なわれている。
In addition, such a flat sensor element 41
Is housed in a metal case 48 and mounted on an automobile or the like. At this time, since the measurement electrode 44 formed on the outer surface of the solid electrolyte 42a needs to be completely shut off from the atmosphere, the sensor element 41 is sealed in the metal case 48 so as not to contact the atmosphere. Is being done.

【0004】例えば、特表2000−511645号公
報によれば、図4(b)に示すように、センサ素子41
を通じせしめる2つのセラミック部材49a、49bの
間にセラミック粉末から成るシール材50を充填し、前
記セラミック部材49a、49bを加圧することでガス
気密性を確保する構造が提案されている。
For example, according to Japanese Patent Publication No. 2000-511645, as shown in FIG.
There has been proposed a structure in which a sealing material 50 made of ceramic powder is filled between two ceramic members 49a and 49b to be penetrated, and the ceramic members 49a and 49b are pressurized to secure gas tightness.

【0005】また、他のシール構造としては、Al23
などのセラミックスからなる封止部材をセンサ素子にケ
イ酸塩ガラスなどを用いて接合し、この封止部材を金属
ケースとの間に介在させることが、特表2000−50
9823号などにて提案されている。
As another sealing structure, Al 2 O 3
It is known that a sealing member made of ceramics such as is bonded to the sensor element using silicate glass and the like, and the sealing member is interposed between the sensor element and a metal case.
No. 9823 and the like.

【0006】[0006]

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、図4
(b)のような、セラミック粉末を用いたガスシール構
造では、自動車の走行中の振動により、センサ素子41
とセラミック部材49a、49bとの隙間部から前記加
圧されたセラミック粉末からなるシール材50が漏れ落
ち、その結果、センサ素子に対して、基準用大気と被測
定ガスとが混ざるという測定センサに致命的な問題があ
った。
However, FIG.
In the gas seal structure using the ceramic powder as shown in FIG.
The sealing material 50 made of the pressurized ceramic powder leaks from the gap between the ceramic members 49a and 49b, and as a result, the sensor element mixes the reference atmosphere and the gas to be measured. There was a fatal problem.

【0007】また、ガラスによって接合する方法では、
ガラスによる接合工程が別途必要となるとともに、接合
信頼性を高めるために精度の高い接合技術が必要となる
などの問題があった。
In the method of joining with glass,
There is a problem that a joining process using glass is separately required, and a joining technique with high accuracy is required to enhance joining reliability.

【0008】従って、本発明は、過酷な環境下でも優れ
た耐久性を有するとともに、ケース体に取り付けた場合
に気密封止性の高い封止構造を形成可能なガスセンサを
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 gas sensor having excellent durability even in a severe environment and capable of forming a sealing structure having high hermetic sealing when attached to a case body. Is what you do.

【0009】[0009]

【課題を解決するための手段】本発明のガスセンサは、
円筒型の固体電解質基体の先端付近の内外両主面に一対
の電極を形成してなり環境状態を検知する検知部と、前
記基体の外表面に形成されたセラミック絶縁層内に前記
検知部を加熱するための発熱抵抗体を埋設してなる加熱
部と、前記基体の後端付近に設けられた端子部とを具備
する円筒型のガスセンサにおいて、前記検知部と端子部
との間にこのガスセンサを収納するケース体との隙間を
気密に封止するためのセラミック部材を前記検知部およ
び加熱部との同時焼成によって一体的に形成されてなる
ことを特徴とする。
A gas sensor according to the present invention comprises:
A detection unit for detecting an environmental condition by forming a pair of electrodes on both the inner and outer main surfaces near the tip of the cylindrical solid electrolyte substrate, and the detection unit in a ceramic insulating layer formed on the outer surface of the substrate. In a cylindrical gas sensor comprising a heating portion having a heating resistor embedded therein for heating and a terminal portion provided near a rear end of the base, the gas sensor is provided between the detection portion and the terminal portion. A ceramic member for hermetically sealing a gap with a case body for storing the ceramic member is integrally formed by simultaneous firing with the detection portion and the heating portion.

【0010】なお、同時焼結性の点から前記セラミック
部材は、ZrO2を主成分とするセラミックスからなる
ことが望ましい。また、前記セラミック部材と前記ケー
ス体との接触部分にシール材を介在せしめることによっ
てさらにシール性を高めることができる。
It is desirable that the ceramic member be made of ceramics containing ZrO 2 as a main component from the viewpoint of simultaneous sintering. Further, the sealing property can be further enhanced by interposing a sealing material at a contact portion between the ceramic member and the case body.

【0011】さらに、前記セラミック部材との接合部よ
りも先端側の外全面にセラミック多孔質層を被覆するこ
とによってセンサ素子の耐久性を高めることができる。
Furthermore, the durability of the sensor element can be enhanced by coating the entire outer surface on the tip side of the joint with the ceramic member with a ceramic porous layer.

【0012】[0012]

【発明の実施の形態】本発明のガスセンサの一例を示す
図面を参照しながら本発明を説明する。図1は、ガスセ
ンサの一例を示す概略斜視図(a)と、そのA−A断面
図(b)である。但し、(a)では説明の便宜上、セラ
ミック保護層13を省略した。
DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS The present invention will be described with reference to the drawings showing an example of the gas sensor of the present invention. FIG. 1 is a schematic perspective view (a) showing an example of a gas sensor, and a cross-sectional view (A) of FIG. However, in (a), the ceramic protective layer 13 is omitted for convenience of explanation.

【0013】図1のセンサ素子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4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4によって検知部を形成している。
The sensor element 1 shown in FIG. 1 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.
A reference electrode 3 which is in contact with a reference gas such as air is formed and adhered to a measurement gas such as exhaust gas as a second electrode at a position facing the reference electrode 3 with the cylindrical tube 2 interposed therebetween. The measuring electrode 4 is formed by adhesion. The detection part is formed by the reference electrode 3, the cylindrical tube 2 made of a zirconia solid electrolyte, and the measurement electrode 4.

【0014】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4の
一部または全部が露出するように開口部7が形成されて
いる。
A ceramic insulating layer 6 of Al 2 O 3 or the like is formed on the outer surface of the cylindrical tube 2 having a sealed end. The opening 7 is formed so that a part or the whole is exposed.

【0015】また、上記開口部7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8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8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。
A heating resistor 8 made of Pt or the like for heating the detecting portion is buried in the ceramic insulating layer 6 around the opening 7. 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 8.

【0016】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
設けたセンサ用端子部11a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4は、セラミック
絶縁層6に形成された開口部7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10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11
b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。
Reference electrode 3 formed on the inner surface of cylindrical tube 2
Is connected to the sensor terminal 11a 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 4 formed on the outer surface of the cylindrical tube 2 is connected to a lead portion 10 formed on the surface of the ceramic heat insulating layer 9 via the end face of the opening 7 formed in the ceramic insulating layer 6, and is connected to the ceramic heat insulating layer 9. Terminal portion 11 formed on the surface of layer 9
b. 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.

【0017】なお、セラミック保温層9の表面に形成さ
れたリード部10の表面にはさらにZrO2等からなる
保護層12が形成されている。この保護層12によっ
て、リード部10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12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、少なくとも検知部の表面は、多孔
質のセラミック保護層13によって被覆されている。
A protective layer 12 made of ZrO 2 or the like is further formed on the surface of the lead portion 10 formed on the surface of the ceramic heat insulating layer 9. The protective layer 12 can protect the lead portion 10 from physical destruction such as scratching when assembling the element or collision with foreign matter when the element falls. The ceramic protective layer 12 is preferably made of the same ZrO 2 as the solid electrolyte in order to prevent stress from being generated due to a difference in thermal expansion with the solid electrolyte. Further, at least the surface of the detecting section is covered with a porous ceramic protective layer 13.

【0018】また、センサ用端子部11a,11bに
は、外部回路との接続のための金属部材14がそれぞれ
ロウ材15によってロウ付け固定されている。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1
0、センサ用端子部11a,11bおよび金属部材14
を経由して外部回路に接続される。
A metal member 14 for connection to an external circuit is brazed and fixed to the sensor terminals 11a and 11b by a brazing material 15, respectively. As a result, the detection data generated in the detection unit is transferred to the read unit 1.
0, sensor terminals 11a, 11b and metal member 14
And is connected to an external circuit via.

【0019】一方、セラミック絶縁層6内に形成された
発熱抵抗体8は、同じくセラミック絶縁層6内に形成さ
れたリード部16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(図示せ
ず)によって、セラミック保温層9の外表面に形成され
たヒータ用端子部18と電気的に接続されている。そし
て、端子部18上には発熱用外部電源と接続するための
金属部材19がロウ材20により固定され、これらを通
じて発熱抵抗体8に電流を通ずることにより、発熱抵抗
体8が加熱され、測定電極4、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。
On the other hand, the heating resistor 8 formed in the ceramic insulating layer 6 is formed so as to penetrate the lead portion 16 also formed in the ceramic insulating layer 6 and the ceramic insulating layer 6 and the ceramic heat insulating layer 9. The through conductors (not shown) are electrically connected to the heater terminal portions 18 formed on the outer surface of the ceramic heat insulating layer 9. A metal member 19 for connecting to an external heat-generating power source is fixed on the terminal portion 18 with a brazing material 20, and a current flows through the heat-generating resistor 8 through the metal member 19, whereby the heat-generating resistor 8 is heated and measured. The temperature of the detecting portion including the electrode 4, the cylindrical tube 2, and the reference electrode 3 is rapidly raised to a predetermined temperature.

【0020】さらに、本発明によれば、上記のセンサ素
子1の検知部と端子部11、18との間のほぼ中央部に
は、このセンサ素子1を後述する金属ケースに対して封
止固定するためのセラミック部材21が取り付けられて
いる。なお、このセラミック部材21は、センサ素子1
と同時焼成によって形成されていることが重要であっ
て、これによってセンサ素子1とセラミック部材21と
は強固に、且つセラミック部材21とセンサ素子1との
隙間なく取り付けることができる。
Further, according to the present invention, the sensor element 1 is sealed and fixed to a metal case, which will be described later, at a substantially central portion between the detection portion of the sensor element 1 and the terminal portions 11 and 18. A ceramic member 21 is mounted. Note that this ceramic member 21 is
It is important to form the sensor element 1 and the ceramic member 21 firmly and without gaps between the ceramic member 21 and the sensor element 1.

【0021】そこで、図2に、センサ素子1を金属ケー
スに固定した時の構造を説明するために金属ケースを切
り欠いた概略断面図を示す。図2によれば、金属ケース
22の内部にセンサ素子1を挿入し、センサ素子1をプ
レスにて押し込み、金属ケース22に形成されたフラン
ジ部23の内壁23aに対して、セラミック部材21の
角部24を接触させるとともに、フランジ部材23に形
成された溝部25によって、金属ケース22aをかし
め、固定することで、ガス気密性を廉価に確保すること
が可能となり、測定センサの製造コストを大幅に低減す
ることが可能となるのである。
FIG. 2 is a schematic cross-sectional view of the sensor element 1 with the metal case cut away for explaining the structure when the sensor element 1 is fixed to the metal case. According to FIG. 2, the sensor element 1 is inserted into the metal case 22, the sensor element 1 is pressed by a press, and the corner of the ceramic member 21 is formed with respect to the inner wall 23 a of the flange portion 23 formed on the metal case 22. In addition, the metal case 22a is caulked and fixed by the groove 25 formed in the flange member 23 while the parts 24 are in contact with each other, so that gas tightness can be secured at a low cost, and the manufacturing cost of the measurement sensor is greatly reduced. It is possible to reduce it.

【0022】また、この時のセラミック部材21とフラ
ンジ部材23の内壁23aとの間にアスベストパッキン
や、Ni被覆銅パッキン等の公知のシール材26を介在
させることによって気密封止性を高めることができる。
また、セラミック部材21の角部24は取り扱い時に欠
けなどが発生するのを防止するためにC面などの面取り
を施すことが望ましく、さらに、金属ケース22の内壁
23a側にも同一角度のテーパを形成しそれらを当接、
圧着することによって応力集中を回避でき、前記セラミ
ック部材21の破壊を防止することが可能となる。
In addition, a known sealing material 26 such as asbestos packing or Ni-coated copper packing is interposed between the ceramic member 21 and the inner wall 23a of the flange member 23 at this time to improve hermetic sealing. it can.
Further, it is desirable that the corners 24 of the ceramic member 21 be chamfered such as a C surface in order to prevent chipping or the like from occurring during handling. Form and abut them,
By performing pressure bonding, stress concentration can be avoided, and breakage of the ceramic member 21 can be prevented.

【0023】さらに、本発明のセンサ素子1によれば、
検知部の外表面には、セラミック保護層13が形成され
るが、上記のセンサ素子1の取付け構造から明らかなよ
うに、セラミック部材21よりも先端側は、被測定ガス
に晒されるために、セラミック部材21よりも先端側の
センサ素子1の表面全面に、セラミック保護層13を形
成することが望ましい。これによって、センサ素子1に
おける被測定ガスに晒される部分の耐久性を高めること
ができる。
Further, according to the sensor element 1 of the present invention,
A ceramic protective layer 13 is formed on the outer surface of the detection unit. As is apparent from the mounting structure of the sensor element 1, the tip side of the ceramic member 21 is exposed to the gas to be measured. It is desirable to form the ceramic protective layer 13 on the entire surface of the sensor element 1 on the tip side of the ceramic member 21. Thereby, the durability of the portion of the sensor element 1 exposed to the gas to be measured can be increased.

【0024】本発明によれば、セラミック部材21を前
記センサ素子1の本体と一体焼結して形成されるもので
あるために、セラミック部材21の材質はセンサ本体と
同時焼成可能なセラミック材料からなることが必要であ
る。用いられるセラミック材料としては、ZrO2、S
iO2、MgO、Y23および希土類元素酸化物、Ca
O、Al23のうちの1種以上の金属酸化物系セラミッ
クスが挙げられるが、特にZrO2を主体とするセラミ
ックスからなること、さらには3〜15mol%の希土
類元素酸化物またはMgOまたはCaOで安定化された
ZrO2セラミックスが好適に用いられる。
According to the present invention, since the ceramic member 21 is formed by integrally sintering the main body of the sensor element 1, the material of the ceramic member 21 is made of a ceramic material that can be co-fired with the sensor main body. It is necessary to become. ZrO 2 , S
iO 2 , MgO, Y 2 O 3 and rare earth oxides, Ca
One or more of metal oxide-based ceramics of O and Al 2 O 3 may be mentioned. Particularly, it is made of ceramics mainly composed of ZrO 2 , and 3 to 15 mol% of rare earth element oxide, MgO or CaO. ZrO 2 ceramics stabilized by is preferably used.

【0025】本発明において、円筒管2を形成するのに
用いられるセラミック固体電解質は、ZrO2を含有す
るセラミックスからなり、具体的には、Y23およびY
2 3、Sc23、Sm23、Nd23、Dy23等の
希土類酸化物を酸化物換算で1〜30モル%、好ましく
は3〜15モル%含有する部分安定化ZrO2あるいは
安定化ZrO2が用いられている。
In the present invention, when forming the cylindrical tube 2,
The ceramic solid electrolyte used is ZrOTwoContains
Ceramics, specifically, YTwoOThreeAnd Y
bTwoO Three, ScTwoOThree, SmTwoOThree, NdTwoOThree, DyTwoOThreeEtc.
1 to 30 mol% of rare earth oxide in terms of oxide, preferably
Is a partially stabilized ZrO containing 3 to 15 mol%.TwoOr
Stabilized ZrOTwoIs used.

【0026】また、ZrO2中のZrを1〜20原子%
をCeで置換したZrO2を用いることにより、電子伝
導性が大きくなり、応答性がさらに改善されるといった
効果がある。
Further, the content of Zr in ZrO 2 is 1 to 20 atomic%.
The use of ZrO 2 in which is substituted by Ce has the effect of increasing the electron conductivity and further improving the responsiveness.

【0027】さらに、焼結性を改善する目的で、上記Z
rO2に対して、Al23やSiO2を添加含有させるこ
とができるが、多量に含有させると、高温におけるクリ
ープ特性が悪くなることから、Al23およびSiO2
の添加量は総量で5重量%以下、特に3重量%以下であ
ることが望ましい。
Further, for the purpose of improving sinterability, the above Z
Al 2 O 3 or SiO 2 can be added to and contained in rO 2 , but if it is contained in a large amount, the creep characteristics at high temperatures deteriorate, so that Al 2 O 3 and SiO 2
Is preferably 5% by weight or less, particularly 3% by weight or less in total.

【0028】また、固体電解質中のNaの含有量として
は、固体電解質からセラミック絶縁層への拡散進入を防
止する観点からは200ppm以下、特に100ppm
が望ましい。
The content of Na in the solid electrolyte is 200 ppm or less, particularly 100 ppm, from the viewpoint of preventing diffusion from the solid electrolyte into the ceramic insulating layer.
Is desirable.

【0029】一方、発熱抵抗体8を埋設するセラミック
絶縁層6としては、アルミナおよび/またはマグネシア
を含有する酸化物、特に、アルミナ材料、スピネル材
料、あるいはアルミナとスピネルとの複合化合物材料が
好適に用いられる。この際、セラミック絶縁層の焼結性
を改善する目的で、少量Si成分を添加することが望ま
しいが、その含有率としては酸化物換算で0.1重量%
以上でその効果が見られるが、Siの含有量が、5重量
%を越えるとセラミック絶縁層中のNaの拡散と偏析が
促進され、白金等からなる発熱抵抗体の寿命が低下しや
すいため、Si含有量は0.1〜5重量%の範囲が望ま
しい。Si含有量としては、0.5〜3重量%が望まし
い。特に、0.5〜2重量%がNaの拡散を防止する観
点から望ましい。
On the other hand, as the ceramic insulating layer 6 in which the heating resistor 8 is embedded, an oxide containing alumina and / or magnesia, particularly, an alumina material, a spinel material, or a composite compound material of alumina and spinel is preferably used. Used. At this time, in order to improve the sinterability of the ceramic insulating layer, it is desirable to add a small amount of a Si component, but the content is 0.1% by weight in terms of oxide.
The effect can be seen from the above, but when the content of Si exceeds 5% by weight, diffusion and segregation of Na in the ceramic insulating layer are promoted, and the life of the heating resistor made of platinum or the like is easily reduced. The Si content is desirably in the range of 0.1 to 5% by weight. The Si content is desirably 0.5 to 3% by weight. In particular, 0.5 to 2% by weight is desirable from the viewpoint of preventing the diffusion of Na.

【0030】また、このセラミック絶縁層6は、相対密
度が80%以上、開気孔率が5%以下の緻密質なセラミ
ックスによって構成されていることが望ましい。これ
は、セラミック絶縁層6が緻密質であることにより絶縁
層の強度が高くなる結果、酸素センサ自体の機械的な強
度を高めることができるためである。さらに、セラミッ
ク絶縁層6中のNaの含有量は、50ppm、特に30
ppm以下とすることがヒータの寿命を延ばすために望
ましい。
The ceramic insulating layer 6 is desirably made of a dense ceramic having a relative density of 80% or more and an open porosity of 5% or less. This is because the denseness of the ceramic insulating layer 6 increases the strength of the insulating layer, thereby increasing the mechanical strength of the oxygen sensor itself. Further, the content of Na in the ceramic insulating layer 6 is 50 ppm, particularly 30 ppm.
It is desirable that the content be not more than ppm in order to extend the life of the heater.

【0031】また、上記セラミック絶縁層6の内部に埋
設される発熱抵抗体8としては、白金、ロジウム、パラ
ジウム、ルテニウムの群から選ばれる1種の金属、また
は2種以上の合金からなることが望ましく、特に、セラ
ミック絶縁層6との同時焼結性の点で、そのセラミック
絶縁層6の焼成温度よりも融点の高い金属または合金を
選択することが望ましい。
The heating resistor 8 embedded in the ceramic insulating layer 6 may be made of one kind of metal selected from the group consisting of platinum, rhodium, palladium and ruthenium, or two or more kinds of alloys. Desirably, it is desirable to select a metal or an alloy having a melting point higher than the firing temperature of the ceramic insulating layer 6 in terms of simultaneous sintering with the ceramic insulating layer 6.

【0032】また、発熱抵抗体8中には上記の金属の他
に焼結防止と絶縁層との接着力を高める観点からアルミ
ナ、スピネル、アルミナ/シリカの化合物、フォルステ
ライトあるいは上述の電解質となり得るジルコニア等を
体積比率で10〜80%、特に30〜50%の範囲で混
合することが望ましい。
In addition to the above-mentioned metals, the heating resistor 8 may be alumina, spinel, a compound of alumina / silica, forsterite, or the above-mentioned electrolyte, from the viewpoint of preventing sintering and enhancing the adhesion to the insulating layer. It is desirable to mix zirconia and the like in a volume ratio of 10 to 80%, particularly 30 to 50%.

【0033】発熱抵抗体8を埋設したセラミック絶縁層
6の表面に形成されるセラミック保温層9は、ジルコニ
アセラミックスからなることが望ましい。このジルコニ
アからなるセラミック保温層9は、固体電解質とセラミ
ック絶縁層6間の熱膨張差や焼成収縮差等に起因する応
力を緩和させ、熱応力をできる限り小さくすることがで
きる。この際、円筒管2と発熱抵抗体8の間とセラミッ
ク保温層9と発熱抵抗体8の間の距離はそれぞれ2μm
以上であることが望ましい。
The ceramic heat insulating layer 9 formed on the surface of the ceramic insulating layer 6 in which the heating resistor 8 is embedded is preferably made of zirconia ceramics. The ceramic heat insulating layer 9 made of zirconia can alleviate the stress caused by the difference in thermal expansion and the difference in firing shrinkage between the solid electrolyte and the ceramic insulating layer 6 so that the thermal stress can be minimized. At this time, the distance between the cylindrical tube 2 and the heating resistor 8 and the distance between the ceramic heat insulating layer 9 and the heating resistor 8 are each 2 μm.
It is desirable that this is the case.

【0034】円筒管2の内面および外面に被着形成され
る基準電極3、測定電極4は、いずれも白金、ロジウ
ム、パラジウム、ルテニウムおよび金の群から選ばれる
1種、または2種以上の合金が用いられる。また、セン
サ動作時の電極中の金属の粒成長を防止する目的と、応
答性に係わる金属粒子と固体電解質と気体との、いわゆ
る3相界面の接点を増大する目的で、上述のセラミック
固体電解質成分を1〜50体積%、特に10〜30体積
%の割合で上記電極中に混合してもよい。
Each of the reference electrode 3 and the measuring electrode 4 formed on the inner and outer surfaces of the cylindrical tube 2 is made of one or more alloys selected from the group consisting of platinum, rhodium, palladium, ruthenium and gold. Is used. The ceramic solid electrolyte described above is used for the purpose of preventing grain growth of the metal in the electrode during operation of the sensor and to increase the so-called three-phase interface contact between the metal particles, the solid electrolyte, and the gas related to the response. The components may be mixed in the electrode at a ratio of 1 to 50% by volume, particularly 10 to 30% by volume.

【0035】また、本発明においては、この開口部7に
露出している測定電極4の形状は特に限定するものでは
なく、また、開口部7は、円筒管2における対照な位置
となる2箇所に設けると熱衝撃性を改善することができ
る。開口部7の広がりとしては、円筒管2の断面の中心
に対して30〜90度の範囲とすることにより、開口部
7の周囲への熱応力の発生を抑制し、また、発熱抵抗体
8による加熱効率を高めることができる。この開口部7
は40〜80度の範囲が特に優れる。
In the present invention, the shape of the measurement electrode 4 exposed in the opening 7 is not particularly limited, and the opening 7 is provided at two positions which are opposite positions in the cylindrical tube 2. , The thermal shock resistance can be improved. The expansion of the opening 7 is set in the range of 30 to 90 degrees with respect to the center of the cross section of the cylindrical tube 2, thereby suppressing the generation of thermal stress around the opening 7 and the heating resistor 8. Heating efficiency can be increased. This opening 7
Is particularly excellent in the range of 40 to 80 degrees.

【0036】一方、固体電解質からなる円筒管2の内面
に形成される基準電極3は、測定電極4の前記開口部7
より露出する部分に対向する内面部分に形成されていれ
ばよく、測定電極4の露出部面積よりも大きい面積、例
えば、円筒管2の内面全面に成されていてもよい。
On the other hand, the reference electrode 3 formed on the inner surface of the cylindrical tube 2 made of a solid electrolyte is connected to the opening 7 of the measuring electrode 4.
It may be formed on the inner surface portion facing the more exposed portion, and may be formed on an area larger than the exposed portion area of the measurement electrode 4, for example, on the entire inner surface of the cylindrical tube 2.

【0037】本発明の酸素センサにおいては、図1
(b)に示すように、開口部7内にて露出している測定
電極4の表面に、多孔質のセラミック保護層13が形成
されるが、このセラミック保護層13は、以下の2つの
目的で形成される。第1に、排気ガスによって測定電極
4が被毒して出力電圧が低下するのを防止することを目
的として設けるものであり、露出した測定電極4の表面
にジルコニア、アルミナ、マグネシアあるいはスピネル
等のポーラスな保護層として形成される。このような保
護層を設けた酸素センサは、一般的には理論空燃比セン
サ(λセンサ)素子として用いることができる。この場
合に、セラミック保護層13としては開気孔率が10〜
40%の多孔質体からなることが望ましい。
In the oxygen sensor of the present invention, FIG.
As shown in (b), a porous ceramic protective layer 13 is formed on the surface of the measurement electrode 4 exposed in the opening 7, and the ceramic protective layer 13 has the following two purposes. Is formed. First, it is provided for the purpose of preventing the measurement electrode 4 from being poisoned by the exhaust gas and lowering the output voltage. The surface of the measurement electrode 4 which is exposed is made of zirconia, alumina, magnesia or spinel. It is formed as a porous protective layer. An oxygen sensor provided with such a protective layer can be generally used as a stoichiometric air-fuel ratio sensor (λ sensor). In this case, the ceramic protective layer 13 has an open porosity of 10 to 10.
Desirably, it is made of a 40% porous body.

【0038】第2に、露出した測定電極4の表面に微細
な細孔を有するジルコニア、アルミナ、スピネル、マグ
ネシアまたはγ−アルミナの群から選ばれる少なくとも
1種のガス拡散律速層として機能させる。このようなガ
ス拡散律速層となるセラミック保護層13としては、開
気孔率が5〜30%の多孔質体が望ましい。
Second, it functions as at least one kind of gas diffusion-controlling layer selected from the group consisting of zirconia, alumina, spinel, magnesia and γ-alumina having fine pores on the exposed surface of the measurement electrode 4. As the ceramic protective layer 13 serving as such a gas diffusion controlling layer, a porous body having an open porosity of 5 to 30% is desirable.

【0039】また、このガス拡散律速層となるセラミッ
ク保護層13の表面には、さらに排気ガスの被毒を防止
する観点から、前述したアルミナあるいはスピネルから
なるセラミック保護層を設けることもできる。この様な
ヒーター体型酸素センサは、後で述べる広域空燃比セン
サ素子(A/Fセンサ)として応用することが可能であ
る。
On the surface of the ceramic protective layer 13 serving as the gas diffusion-controlling layer, the above-mentioned ceramic protective layer made of alumina or spinel can be provided from the viewpoint of further preventing poisoning of exhaust gas. Such a heater-type oxygen sensor can be applied as a wide-range air-fuel ratio sensor element (A / F sensor) described later.

【0040】次に、本発明の酸素センサの製造方法につ
いて、図1のガスセンサの製造方法を例にして説明す
る。 (1)まず図3(a)に示すような一端が封止された中
空の円筒管32を作製する。この円筒管32は、ジルコ
ニア等の酸素イオン伝導性を有するセラミック固体電解
質粉末に対して、適宜、成形用有機バインダーを添加し
て押出成形や、静水圧成形(ラバープレス)あるいはプ
レス形成などの周知の方法により作製される。
Next, a method for manufacturing the oxygen sensor according to the present invention will be described with reference to the method for manufacturing the gas sensor shown in FIG. 1 as an example. (1) First, a hollow cylindrical tube 32 having one end sealed as shown in FIG. The cylindrical tube 32 is formed by adding an appropriate organic binder to a ceramic solid electrolyte powder having oxygen ion conductivity, such as zirconia, as appropriate, for example, by extrusion, isostatic pressing (rubber pressing), or press forming. It is produced by the method described above.

【0041】この時、用いられる固体電解質粉末として
は、ジルコニア粉末に対して、安定化剤としてY23
よびYb23、Sc23、Sm23、Nd23、Dy2
3等の希土類酸化物粉末を酸化物換算で1〜30モル
%、好ましくは3〜15モル%の割合で添加した混合粉
末、あるいはジルコニアと上記安定化剤との共沈原料粉
末が用いられる。また、ZrO2中のZrを1〜20原
子%をCeで置換したZrO2粉末、または共沈原料を
用いることもできる。さらに、焼結性を改善する目的
で、上記固体電解質粉末に、Al23やSiO2を5重
量%以下、特に3重量%以下の割合で添加することも可
能である。
At this time, the solid electrolyte powder used was zirconia powder, Y 2 O 3 and Yb 2 O 3 , Sc 2 O 3 , Sm 2 O 3 , Nd 2 O 3 and Dy as stabilizers. Two
A mixed powder obtained by adding a rare earth oxide powder such as O 3 at a ratio of 1 to 30 mol%, preferably 3 to 15 mol% in terms of oxide, or a coprecipitated raw material powder of zirconia and the above stabilizer is used. . It is also possible to use ZrO 2 powder or coprecipitated material, a 1-20 atomic% of Zr in ZrO 2 was replaced by Ce. Further, for the purpose of improving the sinterability, it is possible to add Al 2 O 3 or SiO 2 to the solid electrolyte powder in an amount of 5% by weight or less, particularly 3% by weight or less.

【0042】(2)そして、上記固体電解質からなる円
筒管32の内面および外面に、基準電極および測定電極
となるパターン33、34を例えば、白金を含有する導
電性ペーストを用いてスラリーデッィプ法、あるいはス
クリーン印刷、パット印刷、ロール転写で形成する。こ
の時、円筒管32内面への基準電極33の印刷は、導体
ペーストを充填して排出して、内面全面に塗布形成する
ことが効率がよい。このようにしてセンサ素体Aを作製
する。
(2) Patterns 33 and 34 serving as reference and measurement electrodes are formed on the inner and outer surfaces of the cylindrical tube 32 made of the solid electrolyte by, for example, a slurry dipping method using a conductive paste containing platinum, or Formed by screen printing, pad printing, and roll transfer. At this time, it is efficient to print the reference electrode 33 on the inner surface of the cylindrical tube 32 by filling and discharging the conductive paste and applying the conductive paste to the entire inner surface. Thus, the sensor body A is manufactured.

【0043】(3)次に、図3(b)に示すようなヒー
タ素体Bを形成する。ヒータ素体Bは、まず、ジルコニ
ア粉末を用いて、適宜成形用有機バインダーを添加して
スラリーを調製し、このスラリーを用いてドクターブレ
ード法、押し出し成形法、プレス法などにより所定厚さ
のセラミック絶縁層35を形成するためのグリーンシー
トを作製する。グリーンシート1枚の厚みは、シートの
取り扱いの観点から50〜500μm、特に100〜3
00μmの範囲が特に好ましい。
(3) Next, a heater element B as shown in FIG. 3B is formed. The heater element B is prepared by first preparing a slurry by using zirconia powder and appropriately adding an organic binder for molding, and using the slurry to form a ceramic having a predetermined thickness by a doctor blade method, an extrusion molding method, a pressing method, or the like. A green sheet for forming the insulating layer 35 is manufactured. The thickness of one green sheet is from 50 to 500 μm, particularly from 100 to 3 from the viewpoint of sheet handling.
A range of 00 μm is particularly preferred.

【0044】その後、成形したグリーンシート表面に、
アルミナ、スピネルあるいはアルミナとスピネルの複合
酸化物粉末をスクリーン印刷法、パット印刷法、ロール
転写法等により印刷し、この後、白金粉末を含む導電性
ペーストをスクリーン印刷法、パット印刷法、ロール転
写法等により印刷してリード部を含めた白金ヒータパタ
ーンを塗布した後、その上にさらにもう一度上記のセラ
ミック絶縁層形成粉末を塗布して、セラミック絶縁層3
5内に発熱抵抗体36を埋設したシート状のヒータ積層
体を得る。その後、ヒータ積層体に開口部37をパンチ
ングなどによって形成する。
Then, on the surface of the formed green sheet,
Alumina, spinel or composite oxide powder of alumina and spinel is printed by a screen printing method, a pat printing method, a roll transfer method, etc., and thereafter, a conductive paste containing platinum powder is printed by a screen printing method, a pat printing method, a roll transfer method. After applying a platinum heater pattern including a lead portion by printing by a method or the like, the above-described powder for forming a ceramic insulating layer is further applied thereon again to form a ceramic insulating layer 3.
A sheet-like heater laminated body in which the heating resistor 36 is embedded in 5 is obtained. Thereafter, an opening 37 is formed in the heater laminate by punching or the like.

【0045】(4)次に、図3(c)に示すように、上
記円筒状のセンサ素体Aの表面に、ヒータ素体Bを巻き
付けて円筒状積層体を作製する。この際、ヒータ素体B
をセンサ素体Aに巻き付けるには、ヒータ素体Bとセン
サ素体Aとの間にアクリル樹脂や有機溶媒などの接着剤
を介在させて接着させたり、あるいはローラ等で圧力を
加えながら機械的に接着することができる。この時、巻
き付けされたヒータ素体Bの合わせ目は、焼成時の収縮
を考慮し、シート端部同志を重ねるか、あるいは所定の
間隔をおいて接着してもよい。
(4) Next, as shown in FIG. 3 (c), a heater element B is wound around the surface of the cylindrical sensor element A to form a cylindrical laminate. At this time, the heater element B
Is wound around the sensor body A by bonding an adhesive such as an acrylic resin or an organic solvent between the heater body B and the sensor body A, or by mechanically applying pressure with a roller or the like. Can be adhered to. At this time, the seams of the wound heater element B may be overlapped with each other at the sheet ends or bonded at a predetermined interval in consideration of shrinkage during firing.

【0046】(5)その後、図3(d)に示すように、
このセンサ素体Aにヒータ素体Bを巻き付けた成形体
を、予めZrO2などのセラミック組成物をプレス成形
して作製した円筒状のセラミック部材21用成形体38
の開口39に所定の位置まで差し込み、さらに、両者間
に生じる隙間部にスラリーを充填する。
(5) Thereafter, as shown in FIG.
The molded body obtained by winding the heater body B around the sensor body A is formed in advance by pressing a ceramic composition such as ZrO 2 into a cylindrical molded body 38 for the ceramic member 21.
To a predetermined position into the opening 39, and the gap formed between the two is filled with slurry.

【0047】その際に、両者の隙間部に充填されるスラ
リーとしては、上記セラミック部材21と同一原料の他
に、Y23−SiO2−Al23複合酸化物も好適に利
用される。例えば、重量換算でY2320〜53重量
%、Al2310〜34重量%、SiO224〜60重
量%の組成範囲とすると、融点1500℃以下のガラス
状セラミックスを形成しやすく、ガス気密な接合をもた
らす。また、他の充填用セラミック材料としては、3〜
15mol%の希土類元素酸化物で安定化されたZrO
2総重量100重量部に対し、Y23、Yb23、Sc2
3、Sm23、Gd23、CeO2等の希土類酸化物あ
るいはCaOのうち少なくとも1種以上を0〜50重量
部添加すると、前記セラミック部材21と前記センサ素
子1の本体との接合性がさらに改善され望ましい。ま
た、前記ZrO2総重量100重量部に対して、SiO2
を0〜10重量部添加しても強固な接合を得ることが可
能となる。
At this time, as the slurry to be filled in the gap between the two, in addition to the same raw material as that of the ceramic member 21, a Y 2 O 3 —SiO 2 —Al 2 O 3 composite oxide is preferably used. You. For example, if the composition range is 20 to 53% by weight of Y 2 O 3, 10 to 34% by weight of Al 2 O 3, and 24 to 60% by weight of SiO 2 , it is easy to form a glassy ceramic having a melting point of 1500 ° C. or less. Produces a gas-tight joint. Further, as other ceramic materials for filling, 3 to
ZrO stabilized with 15 mol% rare earth oxide
To 2 total weight 100 parts by weight, Y 2 O 3, Yb 2 O 3, Sc 2
When 0 to 50 parts by weight of at least one of rare earth oxides such as O 3 , Sm 2 O 3 , Gd 2 O 3 , and CeO 2 or CaO is added, the ceramic member 21 and the main body of the sensor element 1 are added. It is desirable that the joining property is further improved. Further, based on 100 parts by weight of the total weight of ZrO 2 , SiO 2
Can be obtained even if 0 to 10 parts by weight is added.

【0048】(6)そして、上記の円筒状積層体を、そ
れぞれの構成要素が同時に焼成可能な温度で焼成するこ
とにより一体化することができる。焼成は、例えば、ア
ルゴンガス等の不活性雰囲気中あるいは大気中1300
〜1700℃で1〜10時間程度焼成することによりヒ
ータ素体Bとセンサ素体Aとを同時焼成することができ
る。
(6) The above-mentioned cylindrical laminate can be integrated by firing at a temperature at which each component can be fired simultaneously. The sintering is performed, for example, in an inert atmosphere such as argon gas or in the air 1300.
By firing at about 1700 ° C. for about 1 to 10 hours, the heater element B and the sensor element A can be simultaneously fired.

【0049】なお、上記の製造方法では、基準電極33
および測定電極34を円筒管32形成時に塗布したが、
これらの電極の形成は、電極を有しない円筒管32の表
面にヒータ素体Bを巻き付けて円筒状積層体を作製した
後、円筒状積層体に対して、電極ペーストをスクリーン
印刷、パット印刷、ロール転写法あるいは浸漬法によっ
て円筒管32の内面およびヒータ素体Bにおける開口部
37内の円筒管32表面に塗布するか、またはスパッタ
法やメッキ法にて形成することもできる。
In the above manufacturing method, the reference electrode 33
And the measurement electrode 34 was applied when the cylindrical tube 32 was formed.
These electrodes are formed by winding a heater element B around the surface of a cylindrical tube 32 having no electrodes to form a cylindrical laminate, and then screen-printing, pad-printing an electrode paste on the cylindrical laminate. It can be applied to the inner surface of the cylindrical tube 32 and the surface of the cylindrical tube 32 in the opening 37 in the heater element B by a roll transfer method or a dipping method, or can be formed by a sputtering method or a plating method.

【0050】さらに、図1のセラミック保護層13を形
成するには、焼成後に、アルミナ、スピネル、ジルコニ
ア等の粉末をゾルゲル法、スラリーディップ法、印刷法
などによって印刷塗布し、焼き付け処理したり、上記セ
ラミックスをスパッタ法あるいはプラズマ溶射法により
被覆して形成するか、または、円筒状積層体を作製する
際に予めセラミック保護層13を形成するスラリーを塗
布した後に、同時に焼成し形成することも可能である。
Further, in order to form the ceramic protective layer 13 shown in FIG. 1, after firing, a powder of alumina, spinel, zirconia, or the like is printed and applied by a sol-gel method, a slurry dipping method, a printing method, or the like, and is baked. It is also possible to form by coating the above ceramics by a sputtering method or a plasma spraying method, or to apply a slurry for forming a ceramic protective layer 13 in advance when producing a cylindrical laminated body and then sinter it at the same time. It is.

【0051】上記の製造方法によれば、1回の焼成工程
でセンサ、ヒータ、セラミック部材の一体物を作製する
ことができ、別途接合工程を必要としないことから、製
造歩留りや製造コストの低減を図ることができるために
非常に好ましい。
According to the above-described manufacturing method, a sensor, a heater, and a ceramic member can be integrally formed in a single firing step, and a separate bonding step is not required, thereby reducing manufacturing yield and manufacturing cost. This is very preferable because

【0052】[0052]

【実施例】ここでは、金属ケース内に設置した本発明の
ガスセンサのガスシール性を調べた。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 b)MgO含有量が10ppm以下の微粒Al23粉末 c)Al23を10体積%含有するPtペースト d)5モル%Y23含有のZrO2粉末を30体積%含
有するPtペースト e)5モル%Y23含有のZrO2粉末を40体積%含
有するPtペースト なお、上記e)のPtペーストに使用されたZrO2
末の粒径は、平均2次粒径(D50)で2μmとした。
EXAMPLE Here, the gas sealing property of the gas sensor of the present invention installed in a metal case was examined. 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 b) Pt paste d) 5 mol% Y 2 O 3 containing 30% by volume of ZrO 2 powder containing the MgO content containing the following fine Al 2 O 3 powder c) Al 2 O 3 10ppm 10 vol% E) Pt paste containing 40 vol% of ZrO 2 powder containing 5 mol% Y 2 O 3 The particle diameter of the ZrO 2 powder used in the Pt paste of the above e) is an average secondary particle diameter. (D50) was set to 2 μm.

【0053】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の円筒管を作製し、
さらに先端にZrO2の坏土を充填して一端が封止され
た円筒管2を作製した。
First, a polyvinyl alcohol solution was added to the ZrO 2 powder of a) to prepare a kneaded material, and a cylindrical tube having an outer diameter of about 4 mm and an inner diameter of 2.3 mm was formed by extrusion molding.
Further, a cylindrical tube 2 having one end sealed was prepared by filling the tip with a clay of ZrO 2 .

【0054】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。
Further, a predetermined amount of an acrylic binder was added to the ZrO 2 powder of a) to prepare a slurry, and then a green sheet for the ZrO 2 ceramic protective layer 9 having a thickness of 200 μm was prepared by a doctor blade method.

【0055】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
成後に約10〜15μmの厚みになるように塗布した。
そして、そのAl23からなるセラミック絶縁層6の表
面に、発熱抵抗体8と抵抗体用のリード部16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。さらにリード部16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。
On the surface of the green sheet for the ceramic protective layer 9, the slurry composed of the Al 2 O 3 powder of b) was applied so as to have a thickness of about 10 to 15 μm after firing.
The heating resistor 8 and the lead 16 for the resistor were formed on the surface of the ceramic insulating layer 6 made of Al 2 O 3 by screen printing using the Pt paste of the above c). Further, a through hole was opened at a predetermined position of the lead portion 16 by punching, and the Pt paste of d) was filled.

【0056】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4と接続されるリード部1
0、測定電極4と接続される端子部11b、ヒータ用端
子部18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4と接続されるリード部10上には、セ
ラミック保護層12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 1 connected to the measuring electrode 4 is turned over.
0, the terminal portion 11b connected to the measurement electrode 4 and the heater terminal portion 18 were respectively formed at predetermined positions by screen printing using the Pt paste of d) or e).
On the lead portion 10 connected to the measurement electrode 4, as the ceramic protective layer 12, the same slurry as the above-mentioned ZrO 2 slurry for forming a green sheet, which is formed into a green sheet, is fired, and has a thickness of about 15 to 20 μm. Screen printed so that

【0057】この後、再度グリーンシートを反転させ、
前記発熱抵抗体8がAl23のセラミック絶縁層6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,
Wherein such heating resistor 8 is enclosed in the ceramic insulating layer 6 of Al 2 O 3, after firing the slurry of Al 2 O 3 powder of the c), was applied to be about 10 to 15 [mu] m.

【0058】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4を形成する領域をパンチングにより開口
し、開口部7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%Y23
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 4 is to be formed is opened by punching to form an opening 7. , On the surface of the cylindrical tube 2,
The adhesive layer was wound using an adhesion liquid in which the above-mentioned ZrO 2 powder containing 5 mol% of Y 2 O 3 was dispersed in an acrylic resin to produce a cylindrical laminate.

【0059】また、5mol%の希土類元素酸化物によ
り安定化されたZrO2セラミック粉末を略円筒形状に
プレス成形してセラミック部材21用成形体を作製し、
この成形体の内壁に沿うように、円筒状積層体を所定の
位置まで差し込み、さらに、両者間に生じる隙間部にこ
のセラミック部材用成形体と同一原料から成るスラリー
を充填した。
Further, a ZrO 2 ceramic powder stabilized by 5 mol% of a rare earth element oxide is press-formed into a substantially cylindrical shape to produce a formed body for the ceramic member 21.
The cylindrical laminated body was inserted to a predetermined position along the inner wall of the molded body, and a gap formed between the two was filled with a slurry made of the same raw material as the ceramic member molded body.

【0060】その後、大気中にて、1400〜1500
℃で2時間焼成し、一体化した。
Thereafter, in the atmosphere, 1400 to 1500
It was baked at 2 ° C. for 2 hours and integrated.

【0061】焼成後、不活性雰囲気中にて所定温度でセ
ンサ用端子部およびヒータ用端子部上にAu−Cuロウ
材によりφ0.6mmのNi線からなる金属部材を、ロ
ウ材曲率半径0.6mmとなるように固定した。
After firing, a metal member made of a Ni wire of φ0.6 mm made of Au-Cu brazing material is placed on the sensor terminal portion and the heater terminal portion at a predetermined temperature in an inert atmosphere at a predetermined temperature. It was fixed to be 6 mm.

【0062】さらに、その後、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%のセラミック保護層
を約100μmの厚みになるように、セラミック部材よ
りも先端側のセンサ素子の全面に被覆して本発明のガス
センサを作製した。なお、焼成後、センサ素子の外径は
3.0〜3.1mmであり、内径は1.7〜1.8mm
であった。
Then, a ceramic protective layer made of spinel and having a porosity of about 30% is coated on the entire surface of the sensor element on the tip side of the ceramic member by plasma spraying so as to have a thickness of about 100 μm. Thus, the gas sensor of the present invention was manufactured. After firing, the outer diameter of the sensor element is 3.0 to 3.1 mm, and the inner diameter is 1.7 to 1.8 mm.
Met.

【0063】かくして得られたガスセンサを、図2に示
すような構造で、アスベストパッキンを介して、金属ケ
ース内に収納し、プレス押し込みをしながら、かしめ固
定することで評価用ガスセンサを得た。
The gas sensor thus obtained was housed in a metal case via an asbestos packing with a structure as shown in FIG. 2, and was fixed by caulking while being pressed in, to obtain a gas sensor for evaluation.

【0064】この評価用ガスセンサを所定のガス加圧治
具に設置し、金属ケースの検知部側からHeガスを2k
gf/cm2の圧力で30分間加圧し、端子部側へのガ
スリーク量を測定した。その結果、最大ガスリーク量で
0.1cc/min以下の優れた気密性を示した。
The gas sensor for evaluation is set on a predetermined gas pressurizing jig, and He gas is supplied from the detecting portion side of the metal case at 2 k.
Pressure was applied at a pressure of gf / cm 2 for 30 minutes, and the amount of gas leak to the terminal portion side was measured. As a result, excellent airtightness with a maximum gas leak amount of 0.1 cc / min or less was exhibited.

【0065】[0065]

【発明の効果】以上詳述したように、本発明のガスセン
サは、ケース体に対して気密封止を担うセラミック部材
をヒータを具備するセンサ素子と同時焼成によって一体
的に形成することによって、セラミック部材とセンサ素
子との間を高い気密性で接合形成できる。しかも、セラ
ミック部材を接合する工程が不要となるためにガスセン
サの製造工程の簡略化と低コスト化を実現することがで
きる。
As described above in detail, the gas sensor of the present invention is formed by integrally forming a ceramic member for hermetically sealing the case with a sensor element having a heater by simultaneous firing. The member and the sensor element can be joined and formed with high airtightness. In addition, since the step of joining the ceramic members is not required, the manufacturing process of the gas sensor can be simplified and the cost can be reduced.

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

【図1】本発明のガスセンサの一実施態様を説明するた
めの(a)概略斜視図と、(b)A−A断面図である。
1A and 1B are a schematic perspective view and a cross-sectional view taken along the line AA for explaining one embodiment of the gas sensor of the present invention.

【図2】図1のガスセンサを金属ケースに収納したとき
の概略断面図である。
FIG. 2 is a schematic sectional view when the gas sensor of FIG. 1 is housed in a metal case.

【図3】本発明のガスセンサを製造する方法の一例を説
明するための工程図である。
FIG. 3 is a process chart illustrating an example of a method for manufacturing a gas sensor according to the present invention.

【図4】従来の(a)平板型センサ素子の概略断面図
と、(b)それを金属ケースに収納した時の構造を説明
するための概略断面図である。
4A is a schematic cross-sectional view of a conventional flat sensor element, and FIG. 4B is a schematic cross-sectional view for explaining a structure when the sensor element is housed in a metal case.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1 センサ素子 2 円筒管(固体電解質基体) 3 基準電極 4 測定電極 6 セラミック絶縁層 7 開口部 8 発熱抵抗体 9 セラミック保温層 13 セラミック保護層 21 セラミック部材 DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Sensor element 2 Cylindrical tube (solid electrolyte base) 3 Reference electrode 4 Measurement electrode 6 Ceramic insulating layer 7 Opening 8 Heating resistor 9 Ceramic heat insulating layer 13 Ceramic protective layer 21 Ceramic member

Claims (4)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】円筒型の固体電解質基体の先端付近の内外
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、前記基体の外表面に形成されたセラミック絶
縁層内に前記検知部を加熱するための発熱抵抗体を埋設
してなる加熱部と、前記基体の後端付近に設けられた端
子部とを具備する円筒型のガスセンサにおいて、前記検
知部と端子部との間にこのガスセンサを収納するケース
体との隙間を気密に封止するためのセラミック部材を前
記検知部および加熱部との同時焼成によって一体的に形
成されてなることを特徴とするガスセンサ。
1. A detecting portion for detecting an environmental condition, comprising a pair of electrodes formed on both inner and outer main surfaces near a front end of a cylindrical solid electrolyte substrate, and a ceramic insulating layer formed on an outer surface of the substrate. In a cylindrical gas sensor comprising a heating unit having a heating resistor for heating the detection unit embedded therein, and a terminal unit provided near the rear end of the base, the detection unit and the terminal unit A gas sensor, wherein a ceramic member for hermetically sealing a gap with a case body accommodating the gas sensor is integrally formed by simultaneous firing of the detection unit and the heating unit.
【請求項2】前記セラミック部材が、ZrO2を主成分
とするセラミックスからなることを特徴とする請求項1
記載のガスセンサ。
2. The ceramic member according to claim 1, wherein said ceramic member is made of a ceramic containing ZrO 2 as a main component.
A gas sensor as described.
【請求項3】前記セラミック部材と前記ケース体との接
触部分にシール材を介在せしめたことを特徴とする請求
項1または請求項2記載のガスセンサ。
3. The gas sensor according to claim 1, wherein a sealing material is interposed at a contact portion between the ceramic member and the case body.
【請求項4】前記ガスセンサにおける前記セラミック部
材との接合部よりも先端側の外全面にセラミック多孔質
層を被覆してなる請求項1乃至請求項3のいずれか記載
のガスセンサ。
4. The gas sensor according to claim 1, wherein a ceramic porous layer is coated on the entire outer surface of the gas sensor on the side closer to the tip than the joint with the ceramic member.
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