JP2002286680A - Lamination type gas sensor element and its manufacturing method - Google Patents

Lamination type gas sensor element and its manufacturing method

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JP2002286680A
JP2002286680A JP2001089407A JP2001089407A JP2002286680A JP 2002286680 A JP2002286680 A JP 2002286680A JP 2001089407 A JP2001089407 A JP 2001089407A JP 2001089407 A JP2001089407 A JP 2001089407A JP 2002286680 A JP2002286680 A JP 2002286680A
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layer
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a method for efficiently obtaining a lamination type gas sensor element almost not generating a warpage in the element itself by simultaneously burning a non-burned laminate where a non-burned protection layer and a non-burned substrate are laminated so that a non-bumed solid electrolyte layer is pinched. SOLUTION: With the non-burned solid electrolyte layer 15 that becomes a solid electrolyte layer where a pair of electrode patterns 14a and 14a is formed, the non- burned substrate 11 that becomes a ceramic substrate is laminated, a non-burned protection layer 17 that becomes a porous protection layer containing a sublimation powder in a full sphere shape is laminated for forming the non-burned laminated so that at least one of the non-burned electrode patterns 14a and 14b formed on the non-burned solid electrolyte layer is covered, then the non-sintered laminates are burned simultaneously. By using the sublimation powder, the sintering behavior and burning shrinkage of the non-burned protection layer 17 and the non-burned substrate 11 to each sintering temperature can be set nearly equal, thus obtaining the lamination type gas sensor element where the generation of warpage is inhibited having improved manufacturing efficiency without losing the function of the porous protection layer 17.

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、内燃機関から排出
される排ガスといった被測定ガス中の特定成分を検出す
るための積層型ガスセンサ素子の製造方法と、その製造
方法により得られる積層型ガスセンサ素子に関するもの
である。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a method of manufacturing a laminated gas sensor element for detecting a specific component in a gas to be measured such as exhaust gas discharged from an internal combustion engine, and a laminated gas sensor element obtained by the method. It is about.

【0002】[0002]

【従来の技術】従来より、自動車エンジン等の内燃機関
において、その空燃比制御等の指標となる排ガス中の特
定成分の濃度を検出するガスセンサとして、酸素セン
サ、NOxセンサ、HCセンサ等の各種センサが開発さ
れている。このようなガスセンサに組み込まれるガスセ
ンサ素子としては種々の形態のものが知られているが、
一対の電極を形成した板状又は薄膜状の固体電解質層
と、セラミック基体とを積層した積層型ガスセンサ素子
(以下、単に「素子」ともいう)が実用化されている。
この種の素子では、通常、被測定ガスと接触する少なく
とも一方の電極を、多孔質保護層にて覆う構造を有す
る。この多孔質保護層を形成する理由は、例えば被測定
ガス中には電極を被毒する物質(Si、Pb、P又はそ
れら各々の化合物)が含有されており、電極をその被毒
から保護するためである。
2. Description of the Related Art Conventionally, in an internal combustion engine such as an automobile engine, various sensors such as an oxygen sensor, a NOx sensor, and an HC sensor have been used as gas sensors for detecting the concentration of a specific component in exhaust gas which serves as an index for air-fuel ratio control and the like. Is being developed. Various types of gas sensor elements incorporated in such a gas sensor are known,
2. Description of the Related Art A laminated gas sensor element (hereinafter, also simply referred to as an “element”) in which a plate-shaped or thin-film solid electrolyte layer formed with a pair of electrodes and a ceramic substrate are laminated has been put to practical use.
This type of device usually has a structure in which at least one electrode in contact with the gas to be measured is covered with a porous protective layer. The reason for forming this porous protective layer is that, for example, the gas to be measured contains a substance (Si, Pb, P or a compound thereof) that poisons the electrode, and protects the electrode from the poisoning. That's why.

【0003】ここで、このような複数のセラミック層を
積層した積層タイプの素子は、一般的に下記手順により
製造される。 (1)電極となる一対の電極パターンが形成される固体
電解質層となる未焼成固体電解質層を、セラミック基体
となる未焼成基体に積層する。 (2)昇温により昇華して気孔を形成しうる昇華性粉末
を含む未焼成保護層を、未焼成固体電解質層を挟んで未
焼成基体と対向するように、かつ未焼成固体電解質層に
形成される未焼成電極パターンの少なくとも一方を覆う
ように積層することで、未焼成積層体を作製する。 (3)この未焼成積層体を同時焼成する。
[0003] Here, such a laminated element in which a plurality of ceramic layers are laminated is generally manufactured by the following procedure. (1) An unfired solid electrolyte layer serving as a solid electrolyte layer on which a pair of electrode patterns serving as electrodes are formed is laminated on an unfired substrate serving as a ceramic substrate. (2) Forming an unfired protective layer containing a sublimable powder capable of forming pores by sublimation by raising the temperature on the unfired solid electrolyte layer so as to face the unfired substrate with the unfired solid electrolyte layer interposed therebetween An unfired laminated body is manufactured by laminating so as to cover at least one of the unfired electrode patterns. (3) Simultaneously firing this unfired laminate.

【0004】[0004]

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上述の
ように未焼成固体電解質層を挟むように未焼成保護層と
未焼成基体とを積層した未焼成積層体を同時焼成によっ
て素子を得るにあたり、焼成後の素子自体の反りを十分
に抑制し難いといった問題があった。そして、このよう
に素子に反りが生ずることがあると、その反りに起因し
て多孔質保護層にクラックが生じたり、極端なときには
素子自体にクラックが生じるといった問題もあった。
However, as described above, when an element is obtained by simultaneously firing an unsintered laminate in which an unsintered protective layer and an unsintered substrate are stacked so as to sandwich the unsintered solid electrolyte layer, There is a problem that it is difficult to sufficiently suppress the warpage of the element itself later. If the device is warped in this way, there is a problem that the warp causes cracks in the porous protective layer, and in extreme cases, cracks occur in the device itself.

【0005】本発明は、こうした問題点を解決するもの
であり、未焼成固体電解質層を挟むように未焼成保護層
と未焼成基体とを積層した未焼成積層体を同時焼成して
積層型ガスセンサ素子を形成するにあたって、素子自体
に反りがほとんど生じることなく、さらには多孔質保護
層にクラック等が生じ難い、耐久性の良好な積層型ガス
センサ素子を製造することができる積層型ガスセンサ素
子の製造方法、並びに積層型ガスセンサ素子を提供す
る。
SUMMARY OF THE INVENTION The present invention solves such a problem. A laminated gas sensor in which an unsintered laminate in which an unsintered protective layer and an unsintered substrate are stacked so as to sandwich an unsintered solid electrolyte layer is simultaneously fired. In forming an element, the element itself is hardly warped, and the porous protective layer is hardly cracked or the like, and a multilayer gas sensor element with good durability can be manufactured. A method and a stacked gas sensor element are provided.

【0006】[0006]

【課題を解決するための手段、及び発明の効果】本発明
者らは、未焼成固体電解質層を挟むように未焼成保護層
と未焼成基体とを少なくとも積層した未焼成積層体を同
時焼成するにあたり、この同時焼成時における未焼成保
護層と未焼成基体との焼結挙動及び焼成収縮率の関係に
着目し、検討を重ねた。そして、未焼成保護層に含有さ
れる昇華性粉末を特定して、昇華性粉末が昇華した後に
形成される気孔形状を特定しつつ、さらに未焼成保護層
と未焼成基体とを構成する主体のセラミック成分を同種
のものとすることにより、未焼成保護層と未焼成基体と
の焼結挙動及び焼成収縮率の双方が略等しくなることを
見出して、本発明を完成するに至った。さらに、同時焼
結時における未焼成保護層(多孔質保護層)の気孔率の
変化を、特定の焼成温度の範囲内にて所定割合に制限す
ることで、耐久性に優れる素子が得られることを見出し
て、本発明を完成するに至った。
Means for Solving the Problems and Effects of the Invention The present inventors simultaneously fire a green laminate in which at least a green protective layer and a green substrate are laminated so as to sandwich a green solid electrolyte layer. In this regard, attention was paid to the relationship between the sintering behavior of the unfired protective layer and the unfired substrate and the firing shrinkage rate during the simultaneous firing, and the study was repeated. Then, while specifying the sublimable powder contained in the unfired protective layer, while specifying the pore shape formed after the sublimable powder is sublimated, the main component constituting the unfired protective layer and the unfired substrate is further determined. By finding that the ceramic components are of the same type, it has been found that both the sintering behavior and the firing shrinkage of the unfired protective layer and the unfired substrate are substantially equal, and have completed the present invention. Furthermore, by limiting the change in porosity of the unfired protective layer (porous protective layer) during simultaneous sintering to a predetermined ratio within a specific firing temperature range, an element with excellent durability can be obtained. And completed the present invention.

【0007】その解決手段は、一対の電極を配設した固
体電解質層と、この電極の少なくとも一方を覆う多孔質
保護層と、この多孔質保護層を構成する主体のセラミッ
ク成分と同種のセラミック成分を主体に構成されると共
に、上記多孔質保護層と上記固体電解質層を挟んで対向
するセラミック基体とを少なくとも積層してなる積層型
ガスセンサ素子の製造方法であって、上記電極となる一
対の電極パターンが形成される上記固体電解質層となる
未焼成固体電解質層を、上記セラミック基体となる未焼
成基体に積層する第1工程と、真球状の昇華性粉末を含
有する上記多孔質保護層となる未焼成保護層を、上記未
焼成固体電解質層を挟んで上記未焼成基体と対向するよ
うに、かつ上記未焼成固体電解質層に形成される上記未
焼成電極パターンの少なくとも一方を覆うように積層す
ることで、未焼成積層体を形成する第2工程と、この未
焼成積層体を同時焼成する第3工程と、を備える積層型
ガスセンサ素子の製造方法である。
[0007] The solution is to provide a solid electrolyte layer provided with a pair of electrodes, a porous protective layer covering at least one of the electrodes, a ceramic component of the same type as the main ceramic component constituting the porous protective layer. A method of manufacturing a laminated gas sensor element comprising at least a porous protective layer and a ceramic substrate facing each other with the solid electrolyte layer interposed therebetween, wherein the pair of electrodes serving as the electrodes are provided. A first step of laminating an unsintered solid electrolyte layer serving as the solid electrolyte layer on which a pattern is formed on an unsintered substrate serving as the ceramic substrate, and forming the porous protective layer containing a true spherical sublimable powder. The unsintered protective layer, the unsintered electrode pattern formed on the unsintered solid electrolyte layer so as to face the unsintered substrate with the unsintered solid electrolyte layer interposed therebetween By stacking so as to cover at least one, a second step of forming an unfired laminated body, a third step and the method of manufacturing a multilayered gas sensing element comprising a cofiring the unfired laminate.

【0008】また、他の解決手段は、一対の電極を配設
した固体電解質層と、この電極の少なくとも一方を覆う
多孔質保護層と、上記多孔質保護層と上記固体電解質層
を挟んで対向するセラミック基体とを少なくとも積層し
てなる積層型ガスセンサ素子の製造方法であって、上記
セラミック基体となる未焼成基体と、昇華性粉末を含有
する上記多孔質保護層となる未焼成保護層とを、上記固
体電解質層となる未焼成固体電解質層を挟んで対向する
ように、かつ当該未焼成保護層が上記未焼成固体電解質
層に形成される一対の未焼成電極パターンの少なくとも
一方を覆うように積層して未焼成積層体を形成し、この
未焼成積層体を同時焼成するにあたり、上記未焼成保護
層の気孔率の変化が、焼成温度1400〜1600℃の
範囲内において10%以内にある積層型ガスセンサ素子
の製造方法である。
Another solution is to provide a solid electrolyte layer provided with a pair of electrodes, a porous protective layer covering at least one of the electrodes, and a porous protective layer opposed to the porous protective layer with the solid electrolyte layer interposed therebetween. A method of manufacturing a laminated gas sensor element comprising at least a ceramic substrate to be laminated, comprising: an unfired substrate serving as the ceramic substrate; and an unfired protective layer serving as the porous protective layer containing a sublimable powder. As opposed to each other with the unsintered solid electrolyte layer serving as the solid electrolyte layer interposed therebetween, and such that the unsintered protective layer covers at least one of a pair of unsintered electrode patterns formed on the unsintered solid electrolyte layer. Lamination is performed to form an unfired laminate, and when the unfired laminate is simultaneously fired, the change in the porosity of the unfired protective layer is 1 at a firing temperature of 1400 to 1600 ° C. It is a manufacturing method of the multilayered gas sensing element located within%.

【0009】上記「未焼成固体電解質層」は、焼成され
て酸素イオン伝導性を発揮する「固体電解質層」となる
ものである。この未焼成固体電解質層は、固体電解質層
用原料粉末、バインダ、溶剤等を混練した混練物(ペー
スト又はスラリー)を成形することで得ることができ
る。なお、固体電解質層は板状又は薄膜状のものでもよ
い。具体的には、上記成形でスクリーン印刷法を用いる
と薄膜状(厚さ50μm未満)の未焼成固体電解質層が
得られ、焼成された固体電解質層は薄膜状のものとして
得ることができ、上記成形でドクターブレード法を用い
るとシート状(厚さ50μm以上)の未焼成固体電解質
層が得られ、焼成された固体電解質層は板状のものとし
て得ることができる。
The above-mentioned "unfired solid electrolyte layer" is to be fired to become a "solid electrolyte layer" exhibiting oxygen ion conductivity. The unsintered solid electrolyte layer can be obtained by molding a kneaded material (paste or slurry) obtained by kneading a raw material powder for a solid electrolyte layer, a binder, a solvent, and the like. Note that the solid electrolyte layer may be in the form of a plate or a thin film. Specifically, when a screen printing method is used in the above molding, a thin film-shaped (less than 50 μm thick) unsintered solid electrolyte layer is obtained, and the fired solid electrolyte layer can be obtained as a thin film-shaped one. When a doctor blade method is used for molding, a sheet-shaped (50 μm or more in thickness) unfired solid electrolyte layer can be obtained, and the fired solid electrolyte layer can be obtained as a plate-like one.

【0010】この固体電解質層としては、Yない
しCaOを固溶させたジルコニア(ZrO)が代表的
なものであるが、それ以外のアルカリ土類金属ないし希
土類金属の酸化物とZrOとの固溶体を使用してもよ
く、ベースとなるZrOにはHfOが含有されてい
てもよい。なお、固体電解質層の組成は上記のものに限
らず、LaGaO系焼結体を使用することもできる。
また、この固体電解質層に対して積層される層(具体的
には、多孔質保護層及びセラミック基体)に含有される
主体の構成成分(セラミック成分)を、固体電解質層
(未焼成固体電解質層)全体を100重量%とした場合
に、10〜80重量%(好ましくは30〜70重量%、
より好ましくは40〜60重量%)の範囲内で含有させ
るようにして、未焼成固体電解質層を形成してもよい。
これにより得られる素子において、固体電解質層に積層
される他の層との密着性を大幅に向上させることができ
る。
A typical example of the solid electrolyte layer is zirconia (ZrO 2 ) in which Y 2 O 3 or CaO is dissolved, but other oxides of alkaline earth metal or rare earth metal and ZrO 2 2 may be used, and HfO 2 may be contained in ZrO 2 serving as a base. The composition of the solid electrolyte layer is not limited to the above, and a LaGaO 3 -based sintered body can be used.
In addition, a main component (ceramic component) contained in a layer (specifically, a porous protective layer and a ceramic substrate) laminated on the solid electrolyte layer is replaced with a solid electrolyte layer (unfired solid electrolyte layer). 10) to 80% by weight (preferably 30 to 70% by weight,
More preferably, the unsintered solid electrolyte layer may be formed so as to be contained within the range of 40 to 60% by weight).
In the element obtained by this, the adhesion to other layers laminated on the solid electrolyte layer can be greatly improved.

【0011】焼成されて一対の「電極」となる「未焼成
電極パターン」は、未焼成固体電解質層の一面、或いは
両面にそれぞれを形成することができる。この未焼成電
極パターンは、例えばPtを主体とし、Au、Ag、P
d、Ir、Ru、Rh等を含有して形成することができ
る。なお、一対の電極は、具体的には検知電極と基準電
極を構成するものであり、検知電極は、被測定ガスに接
する電極であって、他方基準電極は、基準ガスと接する
電極、酸素ポンプ作用により形成された一定圧力の酸素
雰囲気下におかれる電極、又は被測定ガス中の可燃性ガ
ス成分と接触した場合に検知電極より高い電位を示す電
極である。
The unfired electrode pattern which is fired to form a pair of "electrodes" can be formed on one or both surfaces of the unfired solid electrolyte layer. The unfired electrode pattern is mainly composed of, for example, Pt, and is composed of Au, Ag, P
It can be formed containing d, Ir, Ru, Rh and the like. The pair of electrodes specifically constitutes a detection electrode and a reference electrode. The detection electrode is an electrode in contact with the gas to be measured, and the other reference electrode is an electrode in contact with the reference gas, an oxygen pump. An electrode placed under an oxygen atmosphere at a constant pressure formed by the action, or an electrode having a higher potential than the detection electrode when it comes into contact with a combustible gas component in the gas to be measured.

【0012】上記「未焼成基体」については、焼成され
て「セラミック基体」となる。未焼成基体は、基体用原
料粉末、バインダ、溶剤等を混練して得られた混練物
を、ドクターブレード法等により成形することで得るこ
とができる。なお、未焼成基体には、焼成されて発熱抵
抗体及び発熱抵抗体用リード部となる未焼成導電パター
ンを埋設させた形態で形成することもできる。この場
合、焼成後に得られるセラミック基体中の発熱抵抗体に
電圧を印加することで、固体電解質層を早期に活性化さ
せることができる。
The above-mentioned “green base” is fired to form a “ceramic base”. The unfired substrate can be obtained by molding a kneaded product obtained by kneading a raw material powder for a substrate, a binder, a solvent, and the like by a doctor blade method or the like. The unsintered substrate may be formed in a form in which an unsintered conductive pattern which is to be sintered and becomes a heating resistor lead portion is embedded. In this case, the solid electrolyte layer can be activated early by applying a voltage to the heating resistor in the ceramic substrate obtained after firing.

【0013】未焼成基体は、素子自体の機械的強度を補
強する機能を有し、更に高い絶縁性を発揮しうるものが
好ましい。特に、絶縁性は温度900℃において固体電
解質層の100倍以上の絶縁性を有することが好まし
い。また、セラミック基体が自身の内部に発熱抵抗体を
埋設する場合には、発熱抵抗体を挟持する形態で熱膨張
を緩和する緩衝層といった他の機能を有する層を配設し
た上で、セラミック基体中に介在させてもよい。このセ
ラミック基体としては、アルミナ(Al)、ムラ
イト、マグネシア・アルミナスピネル等のセラミック成
分から形成することができるが、特にアルミナを主体と
することが好ましい。なお、本明細書における「主体」
とは、最も重量含有率の高い成分を意味するものであっ
て、必ずしも50重量%以上を占める成分のことを意味
するものではない。
The unfired substrate preferably has a function of reinforcing the mechanical strength of the element itself, and can exhibit higher insulating properties. In particular, it is preferable that the insulating property at a temperature of 900 ° C. is 100 times or more that of the solid electrolyte layer. When the ceramic substrate embeds a heating resistor inside itself, a layer having another function such as a buffer layer for alleviating thermal expansion is provided by sandwiching the heating resistor. It may be interposed inside. The ceramic substrate can be formed from a ceramic component such as alumina (Al 2 O 3 ), mullite, magnesia-alumina spinel, etc., but it is particularly preferable to mainly use alumina. In addition, "subject" in this specification
The term means the component having the highest weight content, and does not necessarily mean the component occupying 50% by weight or more.

【0014】上記「未焼成保護層」は、焼成されて「多
孔質保護層」となるものである。未焼成多孔質保護層
は、保護層用原料粉末、昇華性粉末、バインダ、溶剤等
を混練して得られた混練物を、スクリーン印刷等(必要
であれば複数回重ねて)により薄膜状に成形することが
できる。また、上記の混練物をドクターブレード法等に
より板状に成形することもできる。なお、このような未
焼成保護層は、未焼成固体電解質層に形成された一対の
電極パターンの少なくとも一方を覆うように積層され
る。
The above-mentioned “unfired protective layer” is to be fired to become a “porous protective layer”. The unfired porous protective layer is formed into a thin film by kneading a kneaded product obtained by kneading the raw material powder for the protective layer, the sublimable powder, the binder, the solvent, and the like, by screen printing or the like (multiply if necessary). Can be molded. Further, the above kneaded material can be formed into a plate shape by a doctor blade method or the like. In addition, such an unfired protective layer is laminated so as to cover at least one of a pair of electrode patterns formed on the unfired solid electrolyte layer.

【0015】ここで、多孔質保護層を形成するにあた
り、未焼成保護層には焼成されて気孔を形成するための
昇華性粉末を含有させる訳だが、本発明では、真球状を
なした昇華性粉末を用いることが注目すべき点である。
Here, when the porous protective layer is formed, the unfired protective layer contains a sublimable powder for firing to form pores. It is noteworthy that powder is used.

【0016】通常、昇華性粉末は、上述したようにバイ
ンダ等と組み合わせて未焼成保護層に含有されるもので
あり、未焼成保護層の昇温過程にてバインダの分解後に
液相を経ずに昇華し、気孔を形成するものである。そし
て、この気孔は、その後の焼成過程において、保護層用
原料粉末の粉体間の反応活性による未焼成保護層の焼成
収縮を受けて収縮を生ずる。このとき、それぞれの気孔
の形状が不定形にあると、気孔の収縮が不均一となるた
めに、焼成温度によっては気孔周りに位置する粒子が気
孔の収縮により接触し、未焼成保護層の焼結が過剰に進
行することがある。また、同じ焼成温度でみたときに、
複数の未焼成保護層の焼成収縮率にばらつきが生ずるこ
ともある。
Usually, the sublimable powder is contained in the unfired protective layer in combination with the binder as described above, and does not pass through the liquid phase after the binder is decomposed during the temperature rise of the unfired protective layer. Sublimates to form pores. The pores shrink in the subsequent firing process due to the firing shrinkage of the unfired protective layer due to the reaction activity between the powders of the raw material powder for the protective layer. At this time, if the shape of each pore is irregular, the pore shrinkage becomes non-uniform.Therefore, depending on the firing temperature, the particles located around the pores come into contact due to the shrinkage of the pore, and the burning of the unfired protective layer occurs. The knots may progress excessively. Also, when viewed at the same firing temperature,
The firing shrinkage of the plurality of unfired protective layers may vary.

【0017】一方、本発明では上述したように真球状の
昇華性粉末を用いており、昇華後における気孔の形状は
昇華前の形状を反映して略球状となる。それより、焼結
過程にて保護層原料粉末の粉体間の反応が進行して焼成
収縮を生じた場合、上記気孔は略球状であるが故に均一
に収縮していく。そのため、各焼成温度に対しても、そ
れぞれの気孔は収縮を生ずるもののその形状を維持する
ように作用し、気孔周りに位置する粒子は気孔の収縮に
より接触し難くなる。それより、各焼成温度に対する焼
成収縮率が安定し、同じ焼成温度でみたときの複数の未
焼成保護層の焼成収縮率も安定する。
On the other hand, in the present invention, as described above, a true spherical sublimable powder is used, and the pore shape after sublimation is substantially spherical, reflecting the shape before sublimation. Accordingly, when the reaction between the powders of the protective layer raw material powder proceeds during the sintering process and shrinkage due to firing occurs, the pores are uniformly spherical and shrink uniformly. Therefore, even at each sintering temperature, each pore acts to maintain its shape although shrinkage occurs, and particles located around the pores hardly come into contact due to shrinkage of the pores. Thereby, the firing shrinkage rate for each firing temperature is stable, and the firing shrinkage rates of the plurality of unfired protective layers when viewed at the same firing temperature are also stable.

【0018】そして、本発明では、真球状の昇華性粉末
を含む多孔質保護層(未焼成保護層)が、固体電解質層
(未焼成固体電解質層)を挟んで対向して積層されるセ
ラミック基体(未焼成基体)と同種のセラミック成分を
主体に構成されている点がさらに注目すべき点である。
かかる構成では、未焼成保護層と未焼成基体とが同種の
セラミック成分を主体に構成されることから、両者の焼
結反応の進行を略等しいものとすることができ、上述し
た真球状の昇華性粉末がもたらす各焼成温度に対する焼
成収縮率の安定化の効果と相俟って、各部焼成温度に対
する未焼成保護層と未焼成基体との焼結挙動と焼成収縮
率との双方を略等しいものとすることができる。その結
果、未焼成積層体を同時焼成したときにも、反りの発生
がなく、さらには多孔質保護層について剥がれやクラッ
クが生じ難い耐久性の良好な積層型ガスセンサ素子を、
製造効率良く得ることが可能となる。
In the present invention, a ceramic substrate is provided in which a porous protective layer (unfired protective layer) containing a spherical sublimable powder is laminated to face each other with a solid electrolyte layer (unfired solid electrolyte layer) interposed therebetween. It should be further noted that the main component is composed mainly of the same type of ceramic component as that of the (unfired substrate).
In such a configuration, since the unsintered protective layer and the unsintered base are mainly composed of the same type of ceramic component, the progress of the sintering reaction of both can be made substantially equal, and the above-described true spherical sublimation is achieved. The sintering behavior of the unfired protective layer and the unfired substrate and the sintering shrinkage of the unfired protective layer with respect to each firing temperature are substantially equal to each other, in combination with the effect of stabilization of the firing shrinkage for each firing temperature provided by the conductive powder It can be. As a result, even when the unfired laminate is fired at the same time, no warpage occurs, and furthermore, the porous protective layer has a highly durable laminated gas sensor element in which peeling and cracking hardly occur.
It becomes possible to obtain with good manufacturing efficiency.

【0019】未焼成保護層と未焼成基体とは、同種のセ
ラミック基体を主体に構成されると共に、未焼成保護層
中の保護層用原料粉末の主体をなすセラミック成分の配
合割合R2が、上記未焼成基体中の基体用原料粉末の主
体をなすセラミック成分の配合割合R1の90%以上で
あることがより好ましい。この配合割合が90%未満と
なると、焼結挙動を略等しくする効果が低減するおそれ
があるからである。この配合割合については、95%以
上であることがより好ましい。なお、保護用原料粉末と
基体用原料粉末とを構成する主体のセラミック成分は同
種である他に、平均粒径、粒度分布、比表面積等をより
近いものとすることが好ましい。
The unfired protective layer and the unfired substrate are mainly composed of the same type of ceramic substrate, and the mixing ratio R2 of the ceramic component which is the main component of the raw material powder for the protective layer in the unfired protective layer is as described above. It is more preferable that the mixing ratio R1 of the ceramic component constituting the main component of the raw material powder for the substrate in the unfired substrate is 90% or more. If the compounding ratio is less than 90%, the effect of making the sintering behavior substantially equal may be reduced. The blending ratio is more preferably 95% or more. It is preferable that the main ceramic components constituting the protective raw material powder and the base raw material powder are of the same kind, and that the average particle size, the particle size distribution, the specific surface area, and the like are closer.

【0020】また、上記「昇華性粉末」としては、球状
カーボン粉末、球状黒鉛粉末、球状のテオブロミン粉末
等を使用することができるが、球状カーボン粉末を用い
ることがハンドリング性等を考慮すると好ましい。な
お、本明細書でいう「真球状」とは、球状であって、一
つの粒子(球状体)における(最大直径)/(最小直
径)の比が1.2以下であることをいう。
Further, as the above-mentioned "sublimable powder", spherical carbon powder, spherical graphite powder, spherical theobromine powder and the like can be used, but it is preferable to use spherical carbon powder in consideration of handling properties and the like. The term “true sphere” as used herein means a spherical shape, and the ratio of (maximum diameter) / (minimum diameter) in one particle (spherical body) is 1.2 or less.

【0021】この真球状の昇華性粉末としては、粒度分
布が2〜30μm、平均粒径が4〜15μmの範囲内に
あることが好ましい。平均粒径が15μmより大きい
と、体積当りの真球が少なくなり、焼成後の多孔質保護
層において本来ガスが通過する障壁の多くが閉気孔とな
りがちで、素子(ガスセンサ)の応答バラツキが大きく
なることがある。一方、平均粒径が4μm未満となる
と、焼成後の多孔質保護層において開気孔が多くなりが
ちで律速が弱くなり、排ガス中のトラップ能力の低下を
きたし、電極の被毒を防止できないことがある。そし
て、昇華性粉末の平均粒径が4〜15μmを満たしつつ
も、粒度分布が2〜30μmの範囲外となると、粗い粒
子が未焼成保護層の断面における厚さ方向に大きく存在
することになるため、焼成後の多孔質保護層の機能が低
下してしまうことがあり、具体的には素子(ガスセン
サ)の応答バラツキが大きくなったり、耐被毒性の保証
が低下を招いてしまうおそれがある。
The spherical sublimable powder preferably has a particle size distribution of 2 to 30 μm and an average particle size of 4 to 15 μm. When the average particle size is larger than 15 μm, the number of true spheres per volume decreases, and most of the barriers through which the gas originally passes in the fired porous protective layer tend to be closed pores, and the response variation of the element (gas sensor) is large. May be. On the other hand, when the average particle diameter is less than 4 μm, the pores tend to increase in the porous protective layer after firing, and the rate control is weakened. As a result, the trapping ability in the exhaust gas is reduced, and the poisoning of the electrode cannot be prevented. is there. When the average particle size of the sublimable powder satisfies 4 to 15 μm but the particle size distribution is out of the range of 2 to 30 μm, coarse particles are largely present in the thickness direction in the cross section of the unfired protective layer. For this reason, the function of the porous protective layer after firing may be reduced, and specifically, the response variation of the element (gas sensor) may be increased, or the assurance of poisoning resistance may be reduced. .

【0022】また、未焼成保護層は、昇華性粉末と該昇
華性粉末を除くセラミック成分を主体とする保護層用原
料粉末との合計を100体積%とした場合に、この昇華
性粉末を35〜65体積%の範囲内で含有していること
が好ましい。昇華性粉末が35体積%未満であると、焼
成(同時焼成)後に十分な気孔(即ち、開気孔)が得ら
れ難く、被測定ガスが検知電極に到達し難くなる。一
方、65体積%を超えると、得られる多孔質保護層の機
械的強度が十分に得られないおそれがあり、またSi、
P、Pb及びこれらの化合物により電極(検知電極)が
被毒されることを十分に防止し難くなる傾向にある。
When the total of the sublimable powder and the raw material powder for the protective layer mainly composed of the ceramic component excluding the sublimable powder is 100% by volume, the unfired protective layer is 35% of the sublimable powder. It is preferable to contain it in the range of 65% by volume. If the sublimable powder is less than 35% by volume, it is difficult to obtain sufficient pores (that is, open pores) after firing (simultaneous firing), and it becomes difficult for the gas to be measured to reach the detection electrode. On the other hand, when the content exceeds 65% by volume, the mechanical strength of the obtained porous protective layer may not be sufficiently obtained, and Si,
There is a tendency that it is difficult to sufficiently prevent the electrode (detection electrode) from being poisoned by P, Pb and these compounds.

【0023】そして、未焼成保護層、未焼成固体電解質
層、未焼成基体とが積層された未焼成積層体を同時焼成
する場合に、好ましい焼成条件としては1400〜16
00℃(より好ましくは1425〜1550℃)の焼成
温度で1〜2時間保持することである。なお、昇華性粉
末を上述にように未焼成保護層に対して35〜65体積
%の範囲内で含有する際には、焼成温度によって得られ
る多孔質保護層の気孔率は変化するものであるが、焼成
後の多孔質保護層の気孔率としては25〜50%の気孔
率を有することが望ましく、このような範囲内の気孔率
を得るべく、焼成温度は、昇華粉末の含有量を考慮して
1400〜1600℃の範囲内で適宜調整すればよい。
When simultaneously firing an unsintered laminate in which the unsintered protective layer, unsintered solid electrolyte layer, and unsintered substrate are stacked, preferred firing conditions are 1400 to 16
It is to hold at a firing temperature of 00 ° C (more preferably 1425 to 1550 ° C) for 1 to 2 hours. When the sublimable powder is contained in the range of 35 to 65% by volume with respect to the unfired protective layer as described above, the porosity of the obtained porous protective layer changes depending on the firing temperature. However, the porosity of the porous protective layer after firing is desirably 25 to 50%. In order to obtain a porosity in such a range, the firing temperature is determined in consideration of the content of the sublimation powder. Then, the temperature may be appropriately adjusted within the range of 1400 to 1600 ° C.

【0024】また、本発明では、昇華性粉末を含有する
未焼成保護層と、未焼成基体とを、未焼成固体電解質層
を挟んで対向するように積層した未焼成積層体を同時焼
成するにあたり、未焼成保護層の気孔率の変化を、焼成
温度1400〜1600℃の範囲内にて10%以内に制
御することが好ましい。つまり、未焼成積層体の同時焼
成にあたっては、上述のように各焼成温度に対する未焼
成保護層の焼成収縮率を安定にすることがポイントとな
るが、各焼成温度に対する未焼成保護層の焼成収縮率の
安定化は、各焼成温度に対する未焼成保護層の気孔率の
変化を安定化させることにつながる。そこで、未焼成積
層体を同時焼成する場合に、未焼成保護層の気孔率の変
化を、上記焼成温度の範囲内にて10%以内とすること
で、反りの発生を抑えた良好な素子を得ることが可能と
なる。なお、このように気孔率の変化を各焼成温度に対
して10%以内に調整するには、具体的に真球状の昇華
性粉末を用いることで達成可能である。
Further, in the present invention, when the unsintered laminate in which the unsintered protective layer containing the sublimable powder and the unsintered substrate are laminated to face each other with the unsintered solid electrolyte layer interposed therebetween, Preferably, the change in the porosity of the unfired protective layer is controlled within 10% within a firing temperature range of 1400 to 1600 ° C. In other words, in the simultaneous firing of the unsintered laminate, the key point is to stabilize the firing shrinkage of the unsintered protective layer at each firing temperature, as described above. Stabilization of the porosity leads to stabilization of a change in porosity of the unfired protective layer with respect to each firing temperature. Therefore, when simultaneously firing the unsintered laminate, the change in the porosity of the unsintered protective layer is made to be within 10% within the above-mentioned sintering temperature, so that a good device in which warpage is suppressed can be obtained. It is possible to obtain. It should be noted that such a change in porosity can be adjusted within 10% with respect to each firing temperature by specifically using a true spherical sublimable powder.

【0025】[0025]

【発明の実施の形態】1.ガスセンサの構造 図1は、本発明の積層型ガスセンサ素子Aが組み込まれ
たガスセンサであり、内燃機関の排気管に取り付けら
れ、排ガス中の酸素濃度の測定に使用される酸素センサ
Bの一例を示した断面図である。
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION FIG. 1 shows an example of an oxygen sensor B, which is a gas sensor incorporating a laminated gas sensor element A of the present invention and is attached to an exhaust pipe of an internal combustion engine and used for measuring the oxygen concentration in exhaust gas. FIG.

【0026】この酸素センサBに組み込まれる積層型ガ
スセンサ素子A(以下、単に「素子A」ともいう)は、
その前方側が主体金具3の先端より突出するように当該
主体金具3に形成された挿通孔32に挿通されると共
に、挿通孔32の内周面と素子Aの外周面との間が、ガ
ラス(例えば結晶化亜鉛シリカほう酸系ガラス)を主体
に構成される封着材層41により封着されている。主体
金具3の先端部外周には、素子Aの突出部分を覆う金属
製の二重のプロテクタ61、62が固着されている。こ
のプロテクタ61、62は、キャップ状を呈するもの
で、その先端や周囲に、排気管内を流れる排ガスをプロ
テクタ61、62内に導くガス導入孔61a、62aが
形成されている。一方、主体金具3の後端部は外筒7の
先端部内側に挿入され、その重なり部分においては、周
方向にレーザー溶接等の接合が施されている。なお、主
体金具3の外周部には、酸素センサB(主体金具3)を
排気管にねじ込んで取り付けるための取り付けねじ部3
1が螺設されている。
The stacked gas sensor element A (hereinafter, also simply referred to as “element A”) incorporated in the oxygen sensor B is
The front side is inserted into an insertion hole 32 formed in the metal shell 3 so as to protrude from the tip of the metal shell 3, and a gap between the inner peripheral surface of the insertion hole 32 and the outer peripheral surface of the element A is formed by glass ( For example, it is sealed by a sealing material layer 41 mainly composed of crystallized zinc silica borate glass). Metallic double protectors 61 and 62 covering the protruding portion of the element A are fixed to the outer periphery of the distal end portion of the metal shell 3. The protectors 61 and 62 have a cap shape, and gas introduction holes 61a and 62a for guiding exhaust gas flowing through the exhaust pipe into the protectors 61 and 62 are formed at the ends and around the caps. On the other hand, the rear end portion of the metal shell 3 is inserted inside the front end portion of the outer cylinder 7, and the overlapped portion is joined by laser welding or the like in the circumferential direction. In addition, on the outer peripheral portion of the metal shell 3, a mounting screw portion 3 for screwing the oxygen sensor B (metal shell 3) into the exhaust pipe and mounting it.
1 is screwed.

【0027】そして、素子Aは、第1コネクタ51、長
手状金属薄板52、第二コネクタ部53及び絶縁板(図
示せず)と、リード線9とを介して、図示しない外部回
路と電気的に接続されている。また、都合4本のリード
線9は、外筒7の後端側に位置するグロメット8を貫通
して延びている。また、素子Aの長手方向(軸線方向)
において、封着材層41の少なくとも一方の側に隣接す
る形で(本実施例では封着材層41の検出部Xに近い端
面側に隣接して)、多孔質無機物質(例えばタルク滑石
の無機物質粉末の圧粉成形体あるいは多孔質仮焼体)で
構成された緩衝層42が形成されている。この緩衝層4
2は、封着材層41から軸方向に突出する素子Aを外側
から包むように支持し、過度の曲げ応力や熱応力が素子
Aに加わるのを抑制する役割を果たす。
The element A is electrically connected to an external circuit (not shown) via the first connector 51, the elongated metal thin plate 52, the second connector portion 53 and an insulating plate (not shown), and the lead wire 9. It is connected to the. The four lead wires 9 extend through the grommet 8 located at the rear end side of the outer cylinder 7. In addition, the longitudinal direction of element A (axial direction)
In this embodiment, a porous inorganic substance (for example, talc talc) is disposed adjacent to at least one side of the sealing material layer 41 (adjacent to the end face of the sealing material layer 41 close to the detection portion X in this embodiment). The buffer layer 42 is formed of a powder compact of inorganic material powder or a porous calcined body. This buffer layer 4
The element 2 supports the element A projecting in the axial direction from the sealing material layer 41 so as to wrap the element A from the outside, and plays a role of suppressing excessive bending stress and thermal stress from being applied to the element A.

【0028】2.積層型ガスセンサ素子の製造、及び構
造 次に、本発明の主である積層型ガスセンサ素子につい
て、図2を用いて説明する。なお、図2は図1に示した
酸素センサBに備えられている素子Aの分解斜視図であ
る。なお、以下の製造方法では、分かり易さのために素
子1個の大きさのシート(未焼成体)に各パターンを印
刷し、積層するかのように説明する。実際の工程では、
10個の素子を製造することができる大きさのグリーン
シート(未焼成セラミックシート)に所要個数分の印刷
を施し、積層した後、素子形状の未焼成積層体を切り出
し、これらを脱脂し、焼成して素子を製造した。さら
に、1回の製造工程では300個の素子を一度に製造し
ている。
2. Manufacturing and Structure of Laminated Gas Sensor Element Next, a laminated gas sensor element which is a main component of the present invention will be described with reference to FIG. FIG. 2 is an exploded perspective view of the element A provided in the oxygen sensor B shown in FIG. In the following manufacturing method, each pattern is printed and laminated on a sheet (unfired body) having a size of one element for easy understanding. In the actual process,
After printing and laminating a required number of green sheets (unfired ceramic sheets) having a size capable of manufacturing ten elements, a green laminate having an element shape is cut out, degreased, and fired. Thus, a device was manufactured. Further, in one manufacturing process, 300 elements are manufactured at a time.

【0029】(1)未焼成基体の作製 基体用原料粉末であるアルミナ粉末(純度99.99%
以上、平均粒径0.4〜0.5μm、比表面積4〜5m
/g)を1000gと、基体用バインダであるブチラ
ール樹脂115g及びジブチルフタレート47.5g
と、トルエン及びメチルエチルケトンとからなる所定量
の混合溶媒とを混合し、スラリーとした後、ドクターブ
レード法により、第1未焼成基体と第2未焼成基体を作
製した。第1未焼成基体は厚さ0.55mm、長手方向
の長さ5.0cm、幅4mmであり、焼成後は第1セラ
ミック基体11aとなる。第2未焼成基体は厚さ0.5
5mm、長手方向の長さ5.0cm、幅4.0mmであ
り、焼成後は第2セラミック基体11bとなる。
(1) Preparation of Unfired Substrate Alumina powder (purity 99.99%
Above, average particle size 0.4 to 0.5 μm, specific surface area 4 to 5 m
2 / g), 115 g of butyral resin as a binder for a substrate, and 47.5 g of dibutyl phthalate.
And a predetermined amount of a mixed solvent consisting of toluene and methyl ethyl ketone to form a slurry, and then a first unfired substrate and a second unfired substrate were produced by a doctor blade method. The first unfired substrate has a thickness of 0.55 mm, a length in the longitudinal direction of 5.0 cm, and a width of 4 mm, and becomes the first ceramic substrate 11a after firing. The second green substrate has a thickness of 0.5
The length is 5 mm, the length in the longitudinal direction is 5.0 cm, and the width is 4.0 mm. After firing, the second ceramic base 11b is obtained.

【0030】(2)ヒータパターンの形成 アルミナ粉末(純度99.99%以上、平均粒径0.3
〜0.4μm)6重量部と白金粉末100重量部を配合
し、バインダと溶媒とを加えて混練した導電層用ペース
トを、第1未焼成基体(焼成後、第1セラミック基体1
1a)の一方の面に蛇行状の発熱部パターン(焼成後、
発熱部121)を印刷、乾燥させ、その後、アルミナ粉
末(純度99.99%以上、平均粒径0.4〜0.5μ
m)2重量部と白金粉末100重量部を配合した導電層
用ペーストにて、一対のヒータリードパターン(焼成
後、ヒータリード部122)を印刷、乾燥させ、ヒータ
パターン(焼成後、発熱抵抗体12)を形成した。
(2) Formation of heater pattern Alumina powder (purity 99.99% or more, average particle size 0.3
6 parts by weight) and 100 parts by weight of platinum powder, a binder and a solvent were added and kneaded to form a paste for a conductive layer on a first green base (after firing, the first ceramic base 1).
1a), a meandering heating element pattern (after firing,
The heating part 121) is printed and dried, and thereafter, alumina powder (purity of 99.99% or more, average particle diameter of 0.4 to 0.5 μm)
m) A pair of heater lead patterns (after firing, heater lead portions 122) are printed and dried with a conductive layer paste containing 2 parts by weight of platinum powder and 100 parts by weight of platinum powder. 12) was formed.

【0031】次いで、第1未焼成基体の一端近傍に、発
熱抵抗体12との導通を図るためのスルーホール(焼成
後、スルーホール111a)を基体の厚み方向に貫通す
るように2個形成し、それぞれのスルーホールの内壁面
にヒータリードパターンと同様の導電層用ペーストを印
刷、乾燥させた。さらに、第2未焼成基体の第1未焼成
基体のヒータパターンに面する側とは反対側の面のスル
ーホールに対応する位置に、同じ導電層用ペーストを用
いて発熱抵抗体用端子パターン(焼成後、発熱抵抗体用
端子19a)を2個印刷、乾燥させた。その後、第1未
焼成基体のヒータパターンが形成された面上に、第2未
焼成基体(焼成後、第2セラミック基体11b)を積層
して、圧着接合し、未焼成基体(焼成されて、セラミッ
ク基体(詳細にはセラミックヒータ)11)を得た。
Next, two through-holes (through-holes 111a after sintering) are formed in the vicinity of one end of the first unsintered base so as to conduct with the heating resistor 12 so as to penetrate in the thickness direction of the base. Then, the same conductive layer paste as that of the heater lead pattern was printed and dried on the inner wall surface of each through hole. Further, the terminal pattern for the heating resistor is formed at the position corresponding to the through hole on the surface of the second unfired substrate opposite to the surface facing the heater pattern of the first unfired substrate by using the same conductive layer paste. After firing, two heating resistor terminals 19a) were printed and dried. After that, the second unfired substrate (after firing, the second ceramic substrate 11b) is laminated on the surface of the first unfired substrate on which the heater pattern is formed, pressure-bonded, and unfired substrate (fired, A ceramic substrate (specifically, a ceramic heater) 11) was obtained.

【0032】(3)緩衝層パターンの形成 (2)で作製した未焼成基体における第2未焼成基体上
に、アルミナ粉末80重量部、ジルコニア粉末20重量
部を配合した緩衝用ペーストを用いて、緩衝層パターン
(焼成後、緩衝層13)を40±10μmの厚さに印
刷、乾燥させた。
(3) Formation of Buffer Layer Pattern On the second green substrate of the green substrate prepared in (2), a buffer paste containing 80 parts by weight of alumina powder and 20 parts by weight of zirconia powder was used. The buffer layer pattern (after baking, buffer layer 13) was printed to a thickness of 40 ± 10 μm and dried.

【0033】(4)基準電極パターンの形成 (3)で形成した緩衝層パターン上に、白金粉末87重
量部と共沈イットリア含有ジルコニア粉末13重量部と
を含有し、バインダと溶媒とを加えて混練した導電層用
ペーストを用いて、基準電極部パターン(焼成後、基準
電極部141a)及び基準電極リード部パターン(焼成
後、基準電極リード部142a)からなる基準電極パタ
ーン(焼成後、基準電極14a)を20±10μmの厚
さに印刷、乾燥させた。
(4) Formation of Reference Electrode Pattern On the buffer layer pattern formed in (3), 87 parts by weight of platinum powder and 13 parts by weight of zirconia powder containing coprecipitated yttria are added, and a binder and a solvent are added. Using the kneaded conductive layer paste, a reference electrode pattern (after firing, the reference electrode portion 142a) and a reference electrode pattern (after firing, the reference electrode portion 142a) comprising a reference electrode portion pattern (after firing, the reference electrode portion 141a). 14a) was printed to a thickness of 20 ± 10 μm and dried.

【0034】(5)未焼成固体電解質層の形成 ジルコニア粉末(純度99.9%以上、平均粒径0.3
〜0.4μm)50重量部とアルミナ粉末(純度99.
9%以上、平均粒径0.4〜0.5μm)50重量部を
分散剤0.5重量部と共に所定量のアセトンの中に混合
し、樹脂製のポットにて3時間混練してスラリーを用意
した。一方、バインダ15重量部とブチルカルビトール
33.3重量部、ジブチルフタレート0.8重量部を所
定のアセトンの中に混合したバインダ溶液を用意した。
このバインダ溶液をスラリーに加えて、混練しながらア
セトンを蒸発させて、固体電解質層用ペーストを調合し
た。なお、調合後のペーストに適宜ブチルカルビトール
をさらに加えてペーストの粘土を調整した。そして、こ
の固体電解質層用ペーストを、緩衝層用パターン上の基
準電極部パターンを少なくとも覆うように、厚さ45±
10μm、長手方向の長さ7.0mm、幅4.0mmに
印刷、乾燥させて、未焼成固体電解質層(焼成後、固体
電解質層15)を形成した。
(5) Formation of unfired solid electrolyte layer Zirconia powder (purity 99.9% or more, average particle diameter 0.3
~ 0.4 μm) and 50 parts by weight of alumina powder (purity: 99.
9% or more, average particle diameter 0.4 to 0.5 μm) 50 parts by weight together with 0.5 part by weight of a dispersant are mixed in a predetermined amount of acetone, and kneaded in a resin pot for 3 hours to form a slurry. Prepared. On the other hand, a binder solution was prepared by mixing 15 parts by weight of a binder, 33.3 parts by weight of butyl carbitol, and 0.8 part by weight of dibutyl phthalate in predetermined acetone.
This binder solution was added to the slurry, and the acetone was evaporated while kneading to prepare a solid electrolyte layer paste. Note that butyl carbitol was further added to the prepared paste to adjust the clay of the paste. Then, the solid electrolyte layer paste is coated with a thickness of 45 ± 5 so as to cover at least the reference electrode pattern on the buffer layer pattern.
An unsintered solid electrolyte layer (sintered, solid electrolyte layer 15) was formed by printing and drying 10 μm, a longitudinal length of 7.0 mm, and a width of 4.0 mm.

【0035】(6)絶縁層パターンの形成 (1)に手順に沿ってだ第1未焼成基体を別途作製し、
この基体にブチルカルビドール45重量部及び所定量の
アセトンを加えて溶解させ、4時間混合した後、アセト
ンを蒸発させて、絶縁層用ペーストを調合した。この絶
縁層用ペーストを、緩衝層パターン上であって、未焼成
固体電解質層が形成されていない部分に45±10μm
の厚さで印刷、乾燥させて、絶縁層パターン(焼成後、
絶縁層16)を形成した。但し、この絶縁層パターン
は、スルーホール(焼成後、スルーホール161)を設
ける形態で形成した。
(6) Formation of Insulating Layer Pattern A first unfired substrate is separately prepared according to the procedure of (1),
To this substrate, 45 parts by weight of butyl carbidol and a predetermined amount of acetone were added and dissolved. After mixing for 4 hours, the acetone was evaporated to prepare an insulating layer paste. This insulating layer paste was applied to a portion on the buffer layer pattern where the unsintered solid electrolyte layer was not formed by 45 ± 10 μm.
Print and dry with the thickness of the insulation layer pattern (after firing,
An insulating layer 16) was formed. However, this insulating layer pattern was formed in a form in which a through hole (through hole 161 after firing) was provided.

【0036】(7)検知電極パターンの形成 (5)及び(6)で形成した未焼成固体電解質層と絶縁
層パターンの上に、(4)で調合した導電層用ペースト
を用いて、検知電極部パターン(焼成後、検知電極部1
41b)及び検知電極リード部パターン(焼成後、検知
電極リード部142b)からなる検知電極パターン(焼
成後、検知電極14b)を20±5μmの厚さで印刷、乾
燥させた。
(7) Forming a sensing electrode pattern On the unsintered solid electrolyte layer and the insulating layer pattern formed in (5) and (6), using the conductive layer paste prepared in (4), the sensing electrode pattern is formed. Pattern (after firing, sensing electrode 1
41b) and the detection electrode lead pattern (after firing, the detection electrode lead 142b) and the detection electrode pattern (after firing, the detection electrode 14b) were printed and dried at a thickness of 20 ± 5 μm.

【0037】(8)補強層用未焼成体の作製 (1)で調合したスラリーを用いてドクターブレード法
により、第1未焼成補強層及び第2未焼成補強層を作製
した。第1未焼成補強層は厚さ0.55mm、長手方向の
長さ4.0cm、幅4.0mmであり、焼成後第1補強
層18aとなる。なお、この第1未焼成補強層の一端近
傍には、基準電極14a及び検知電極14bとの導通を
図るためのスルーホール(焼成後、スルーホール181
a)を基体の厚み方向に貫通するようにそれぞれ形成し
た。また、第2未焼成補強層は厚さ0.55mm、長さ
4.0cm、幅4.0mmであり、焼成後、第2補強層
18bとなる。なお、この第2未焼成補強層の一端近傍
についても、基準電極14a及び検知電極14bとの導
通を図るためのスルーホール(焼成後、スルーホール1
82a)を、未焼成第1補強層のスルーホール(焼成
後、スルーホール181a)と同軸上になるように、か
つ基体の厚み方向を貫通する形でそれぞれ形成した。
(8) Preparation of green body for reinforcing layer A first green reinforcing layer and a second green reinforcing layer were prepared by the doctor blade method using the slurry prepared in (1). The first green reinforcing layer has a thickness of 0.55 mm, a length in the longitudinal direction of 4.0 cm, and a width of 4.0 mm, and becomes the first reinforcing layer 18a after firing. It should be noted that a through-hole (after firing, a through-hole 181 is provided) near one end of the first unsintered reinforcing layer for establishing electrical connection with the reference electrode 14a and the detection electrode 14b.
a) was formed so as to penetrate in the thickness direction of the substrate. The second green reinforcing layer has a thickness of 0.55 mm, a length of 4.0 cm, and a width of 4.0 mm, and after firing, becomes the second reinforcing layer 18b. In addition, also in the vicinity of one end of the second unsintered reinforcing layer, a through hole (after sintering, a through hole 1) for achieving conduction with the reference electrode 14a and the detection electrode 14b is provided.
82a) were formed so as to be coaxial with the through-holes (after-firing, through-holes 181a) of the unfired first reinforcing layer and to penetrate in the thickness direction of the base.

【0038】その後、第1未焼成補強層を(7)で形成
した検知電極パターンの検知電極リード部パターンを覆
うように、かつスルーホール(焼成後、スルーホール1
81a)のうちの1つが絶縁層パターンに設けたスルー
ホールと同軸上になるように積層した。ついで、第2未
焼成補強層を、第1未焼成補強層の検知電極リード部パ
ターンが形成された面とは反対側の面上に、スルーホー
ル(焼成後、スルーホール181b)の両者が第1未焼
成補強層に設けたスルーホールと同軸上になるように積
層した。
Thereafter, a first unsintered reinforcing layer is formed so as to cover the detection electrode lead portion pattern of the detection electrode pattern formed in (7), and to pass through the through-hole (after firing, the through-hole 1).
81a) was laminated so as to be coaxial with the through hole provided in the insulating layer pattern. Next, the second unsintered reinforcing layer is formed by placing both of the through holes (after sintering, the through holes 181b) on the surface of the first unsintered reinforcing layer opposite to the surface on which the detection electrode lead pattern is formed. 1 Laminated so as to be coaxial with the through holes provided in the unsintered reinforcing layer.

【0039】(9)電極端子用パターンの形成 (2)にてヒータリードパターンを形成するために調合
した導電性ペーストを使って、第1未焼成補強層、第2
未焼成補強層、緩衝層パターンの各々に形成されたスル
ーホールの内壁面を印刷、乾燥させた。さらに、ヒータ
リードパターンと同様の導電層用ペーストを用いて、未
焼成第2補強層の未焼成第1補強層と面する側とは反対
側の面のスルーホールに対応する位置に、基準電極14
a及び検知電極14bの各々と信号の入出力を行うため
の電極端子用パターン(焼成後、電極端子19b)を、
2個印刷、乾燥させた。
(9) Formation of Pattern for Electrode Terminal Using the conductive paste prepared for forming the heater lead pattern in (2), the first unfired reinforcing layer and the second
The inner wall surfaces of the through holes formed in each of the green reinforcing layer and the buffer layer pattern were printed and dried. Further, using the same conductive layer paste as that of the heater lead pattern, the reference electrode is placed at a position corresponding to the through hole on the surface of the unfired second reinforcement layer opposite to the surface facing the unfired first reinforcement layer. 14
The electrode terminal pattern (after firing, the electrode terminal 19b) for inputting and outputting a signal to and from each of the detection electrode 14a and the detection electrode 14b,
Two pieces were printed and dried.

【0040】(10)未焼成保護層の作製 保護層原料粉末として(1)の第1、第2未焼成基体と
同様のアルミナ粉末(純度99.99%以上、平均粒径
0.4〜0.5μm、比表面積4〜5m/g)780
gと、真球状の昇華性粉末である球状カーボン粉末(平
均粒径5μm、粒度分布2.27〜17.38μm)2
20gと、分散剤と、トルエン及びメチルエチルケトン
とからなる混合溶媒とを混合し、ついで保護層用バイン
ダであるブチラール樹脂97g及びジブチルフタレート
47gを加えて混合して、スラリーとした。なお、この
とき球状カーボン粉末を除く保護層原料粉末を35〜6
5体積%とした場合に、球状カーボン粉末はその逆の6
5〜35体積%の割合で含有されている(即ち、球状カ
ーボン粉末と保護層原料粉末の合計で100体積%とな
る)。そして、上記スラリーを、ドクターブレード法に
より、厚さ270μm、長手方向の長さ10.0mm、
幅4.0mmの未焼成保護層(焼成後、多孔質保護層1
7)を成形した。そして、得られたこの未焼成保護層を
(7)で形成した検知電極パターンの検知電極部パター
ン(焼成後、検知電極部141b)を覆うように、かつ
未焼成固体電解質層上に第1補強層と重ならないように
積層して、未焼成積層体(焼成後、積層型ガスセンサ素
子A)を得た。
(10) Preparation of Unfired Protective Layer The same alumina powder as the first and second unfired substrates of (1) (purity of 99.99% or more, average particle diameter of 0.4 to 0) was used as the protective layer raw material powder. 0.5 μm, specific surface area 4-5 m 2 / g) 780
g and spherical carbon powder (average particle size: 5 μm, particle size distribution: 2.27 to 17.38 μm), which is a true spherical sublimable powder 2
20 g, a dispersant, and a mixed solvent composed of toluene and methyl ethyl ketone were mixed, and then 97 g of butyral resin and 47 g of dibutyl phthalate as a binder for a protective layer were added and mixed to form a slurry. In this case, the protective layer raw material powder excluding the spherical carbon powder was 35 to 6
When the volume is 5% by volume, the spherical carbon powder has the opposite of 6%.
It is contained at a ratio of 5 to 35% by volume (that is, the total of the spherical carbon powder and the protective layer raw material powder is 100% by volume). Then, the slurry was 270 μm thick and 10.0 mm long in the longitudinal direction by a doctor blade method.
Unfired protective layer having a width of 4.0 mm (after firing, porous protective layer 1)
7) was molded. Then, the obtained unfired protective layer is first reinforced so as to cover the detection electrode portion pattern (detection electrode portion 141b after firing) of the detection electrode pattern formed in (7) and on the unfired solid electrolyte layer. The layers were laminated so as not to overlap with each other to obtain an unfired laminated body (laminated gas sensor element A after firing).

【0041】(11)脱脂及び焼成 (1)〜(10)で得られた未焼成積層体を、大気雰囲
気下において、室温から420℃まで昇温速度10℃/
時間で昇温させ、2時間保持し、脱脂処理(脱バインダ
処理)を行った。その後、大気雰囲気下において、11
00℃まで昇温速度100℃/時間で昇温させ、さらに
は1520℃まで昇温速度60℃/時間で昇温させ、そ
の温度で1時間保持し焼成行い、積層型ガスセンサ素子
Aを得た。そして、得られた積層型ガスセンサ素子Aに
は反りの発生は認められず、多孔質保護層17にクラッ
ク及び剥離も確認されなかった。
(11) Degreasing and firing The unfired laminate obtained in (1) to (10) was heated from room temperature to 420 ° C. in an air atmosphere at a rate of 10 ° C. /
The temperature was raised over a period of time, and the temperature was maintained for 2 hours to perform a degreasing treatment (a debinding process). Then, in an air atmosphere, 11
The temperature was increased to 00 ° C. at a rate of 100 ° C./hour, and further increased to 1520 ° C. at a rate of 60 ° C./hour, and the temperature was maintained for 1 hour and baked to obtain a multilayer gas sensor element A. . No warpage was observed in the obtained laminated gas sensor element A, and neither cracking nor peeling was observed in the porous protective layer 17.

【0042】[0042]

【実験例】焼成挙動と焼成収縮の関係 まず、図2に示す多孔質保護層17となる未焼成保護層
と、セラミック基体11となる未焼成基体との各々の焼
成収縮率がどのような傾向を示すかを、以下に示す手順
にて作製したテストピースを用いて観察した。なお、未
焼成保護層と未焼成基体を構成する保護用原料粉末と基
体用原料粉末の主体をなすセラミック成分としては、焼
成挙動を略等しいものとするために、同一のアルミナ粉
末のみを使用して行った。
[Experimental example] Relationship between firing behavior and firing shrinkage First, what is the tendency of firing shrinkage of each of the unfired protective layer serving as the porous protective layer 17 and the unfired substrate serving as the ceramic substrate 11 shown in FIG. Was observed using a test piece prepared according to the following procedure. In addition, as a ceramic component which is a main component of the raw material powder for protection and the raw material powder for the substrate constituting the unfired protective layer and the green substrate, only the same alumina powder is used in order to make firing behavior substantially equal. I went.

【0043】テストピースは、原料粉末としてアルミナ
粉末(純度99.99%以上、平均粒径0.4〜0.5
μm、比表面積4〜5m/g)780gと、昇華性粉
末であるカーボン粉末と、分散剤と、トルエン及びメチ
ルエチルケトンとからなる混合溶媒とを混合し、ついで
バインダであるブチラール樹脂97g及びジブチルフタ
レート47gを加えて混合して、スラリーとした後、ド
クターブレード法により、厚さ0.27mm、長手方向
の長さ50mm、幅4.0mmのもの(未焼成セラミッ
クシート)を作製することで得た。なお、このテストピ
ースについては3種類のものを9個ずつ準備し、試料番
号1のものは昇華性粉末として、真球状をなした球状カ
ーボン粉末(平均粒径5μm、粒度分布2.27〜1
7.38μm)を45体積%として55体積%、試料番
号2のものは昇華性粉末として、真球状をなした球状カ
ーボン粉末(平均粒径10μm、粒度分布6.72〜2
9.91μm)を上記原料粉末を55体積%として45
体積%、試料番号3のものは昇華性粉末として、不定形
のカーボン粉末(平均粒径3μm、粒度分布0.9〜1
2.0μm)を上記原料粉末を45体積%として55体
積%の割合で含有させて、それぞれ作製した。
The test piece was prepared by using alumina powder (purity of 99.99% or more, average particle diameter of 0.4 to 0.5) as a raw material powder.
μm, specific surface area of 4 to 5 m 2 / g) 780 g, a carbon powder as a sublimable powder, a mixed solvent comprising a dispersant, toluene and methyl ethyl ketone, and then 97 g of a butyral resin as a binder and dibutyl phthalate After adding and mixing 47 g to obtain a slurry, a slurry (unfired ceramic sheet) having a thickness of 0.27 mm, a length of 50 mm in a longitudinal direction, and a width of 4.0 mm was obtained by a doctor blade method. . Nine test pieces of three types were prepared for this test piece. Sample No. 1 was used as a sublimable powder as a spherical carbon powder having a true spherical shape (average particle size of 5 μm, particle size distribution of 2.27-1.
7.38 μm) as 55% by volume assuming 45% by volume, and Sample No. 2 is a sublimable powder as a spherical carbon powder having a true spherical shape (average particle size 10 μm, particle size distribution 6.72 to 2).
9.91 μm) is 45
By volume%, sample No. 3 is an amorphous carbon powder (average particle size 3 μm, particle size distribution 0.9 to 1) as a sublimable powder.
2.0 μm) were contained at a ratio of 55% by volume, based on the above raw material powder at 45% by volume.

【0044】また、これら試料番号1〜3のテストピー
スについては、いずれも多孔質保護層を想定したもので
あるが、これら多孔質保護層を想定したテストピースと
の焼成収縮率の違いを観察すべく、試料番号4として、
図2に示すセラミック基体11を想定したテストピース
を以下の手順で作製した。この試料番号4のテストピー
スとしては、アルミナ粉末(純度99.99%以上、平
均粒径0.4〜0.5μm、比表面積4〜5m/g)
を1000gと、バインダであるブチラール樹脂115
g及びジブチルフタレート47.5gと、トルエン及び
メチルエチルケトンとからなる所定量の混合溶媒とを混
合し、スラリーとした後、ドクターブレード法により、
厚さ0.55mm、長手方向の長さ50mm、幅4.0
mmのもの(未焼成セラミックシート)を9個作製し
た。なお、多孔質保護層を想定した試料番号1〜3と、
セラミック基体を想定した試料番号4は焼成挙動を等し
くするため、互いに原料粉末としてはアルミナ粉末を主
体にして(詳細には、アルミナ粉末100重量%)とし
て作製した。
The test pieces of Sample Nos. 1 to 3 are all assumed to have a porous protective layer. Observe the difference in firing shrinkage rate from the test pieces assuming the porous protective layer. So, as sample number 4,
A test piece assuming the ceramic substrate 11 shown in FIG. 2 was manufactured by the following procedure. As the test piece of sample No. 4, an alumina powder (purity of 99.99% or more, average particle size of 0.4 to 0.5 μm, specific surface area of 4 to 5 m 2 / g)
And butyral resin 115 as a binder.
g and 47.5 g of dibutyl phthalate, and a predetermined amount of a mixed solvent composed of toluene and methyl ethyl ketone were mixed to form a slurry, and then the mixture was subjected to a doctor blade method.
0.55mm thickness, 50mm length in the longitudinal direction, 4.0 width
9 mm (unfired ceramic sheets) were manufactured. In addition, sample numbers 1 to 3 assuming a porous protective layer,
Sample No. 4 assuming a ceramic substrate was prepared by mainly using alumina powder as a raw material powder (specifically, 100% by weight of alumina powder) in order to make firing behaviors equal.

【0045】ついで、これら試料番号1〜4の各焼成温
度における焼成収縮率を測定すべく、各試料番号にあた
るテストピースの長手方向の長さをL1とし、各々炉に
入れて、1100℃まで毎時100℃ずつ昇温させ、こ
の1100℃からは毎時60℃で所定温度(1100
℃、1200℃、1300℃、1350℃、1400
℃、1450℃、1500℃、1550℃、1600
℃)まで昇温させた後、この所定温度で1時間保持し、
ついで炉冷してから取り出した各テストピースの長手方
向の長さをL2とした場合に、下記式〔1〕で示される
割合S(%)を焼成収縮率とする。 S(%)=(L1−L2)/L1×100 〔1〕 そして、試料番号1〜4の各焼成温度における上記
〔1〕の式にて算出された焼成収縮率を、図3のグラフ
にて示す。
Next, in order to measure the firing shrinkage rate at each firing temperature of these sample numbers 1 to 4, the length of the test piece corresponding to each sample number in the longitudinal direction was set to L1, and each test piece was put into a furnace and each hour until 1100 ° C. The temperature was raised by 100 ° C. in increments of 100 ° C.
° C, 1200 ° C, 1300 ° C, 1350 ° C, 1400
℃, 1450 ℃, 1500 ℃, 1550 ℃, 1600
° C), and held at this predetermined temperature for 1 hour.
Next, assuming that the length in the longitudinal direction of each test piece taken out from the furnace after cooling is L2, a ratio S (%) represented by the following formula [1] is defined as a firing shrinkage ratio. S (%) = (L1−L2) / L1 × 100 [1] Then, the firing shrinkage ratio calculated by the above formula [1] at each firing temperature of sample numbers 1 to 4 is shown in the graph of FIG. Shown.

【0046】この図3から分かるように、真球状の球状
カーボン粉末を昇華性粉末として使用した試料番号1及
び2については、同種の原料粉末を主体とし、昇華性粉
末を含有していない試料番号4と比較して、各焼成温度
に対する焼成収縮率が略同等に推移している。一方、不
定形のカーボン粉末を昇華性粉末として使用した試料番
号3は、1450℃以降の焼成温度における焼成収縮率
が試料番号4と異なる推移を示している。このことか
ら、未焼成固体電解質層を挟んで対向して積層される未
焼成基体と同種のセラミック成分を主体に未焼成保護層
を構成し、かつこの未焼成保護層に、真球状をなす昇華
性粉末(球状カーボン粉末)を含有させることにより、
未焼成保護層と未焼成基体との焼成収縮及び焼成挙動の
双方を略同等なものにすることができることが分かる。
As can be seen from FIG. 3, Sample Nos. 1 and 2 using a true spherical spherical carbon powder as the sublimable powder were mainly made of the same kind of raw material powder and contained no sublimable powder. As compared with No. 4, the firing shrinkage ratio at each firing temperature changes substantially the same. On the other hand, Sample No. 3 in which amorphous carbon powder was used as the sublimable powder shows a change in the firing shrinkage at a firing temperature of 1450 ° C. or later different from that of Sample No. 4. From this, the unsintered protective layer is composed mainly of the same type of ceramic component as the unsintered substrate laminated opposite to the unsintered solid electrolyte layer, and the unsintered protective layer has a spherical sublimation. By containing conductive powder (spherical carbon powder)
It can be seen that both the firing shrinkage and firing behavior of the unfired protective layer and the unfired substrate can be made substantially equivalent.

【0047】多孔質保護層の気孔率 上記にて得られた試料番号1〜3のテストピースのう
ち、焼成温度1400℃、1450℃、1500℃、1
550℃、1600℃の各焼成温度における気孔率を測
定した。なお、気孔率は、各テストピースの見掛け体積
(気孔体積を含む)Vと、空気中における重量m1と、
水中に浸漬しただけの重量m2と、水中に浸漬後十分に
気孔に水を含有させた(真空脱泡、沸騰脱泡等による)
重量m3とを用いて、下記式〔2〕にて算出される割合
P(%)とする。 P(%)={(m3−m1)/(m3−m2)}×100 〔2〕 そして、試料番号1〜3の各焼成温度における上記
〔2〕の式にて算出された気孔率を、図4のグラフにて
示す。
Porosity of Porous Protective Layer Of the test pieces of Sample Nos. 1 to 3 obtained above, firing temperatures of 1400 ° C., 1450 ° C., 1500 ° C.,
The porosity at each firing temperature of 550 ° C. and 1600 ° C. was measured. In addition, the porosity is defined as an apparent volume (including a pore volume) V of each test piece, a weight m1 in the air,
Weight m2 just immersed in water and enough water in pores after immersion in water (by vacuum defoaming, boiling defoaming, etc.)
Using the weight m3, a ratio P (%) calculated by the following equation [2] is used. P (%) = {(m3-m1) / (m3-m2)} × 100 [2] Then, the porosity calculated by the above formula [2] at each firing temperature of sample numbers 1 to 3 is This is shown in the graph of FIG.

【0048】この図4から分かるように、真球状の球状
カーボン粉末を昇華性粉末として使用した試料番号1及
び2については、焼成温度1400〜1600℃の範囲
内にて10%以内で変化している。一方、不定形のカー
ボン粉末を昇華性粉末として使用した試料番号3は、上
記焼成温度の範囲内にて30%近くも変化している。こ
のことから、真球状の昇華性粉末(球状カーボン粉末)
を含有させた未焼成保護層では、各焼成温度におけるそ
れぞれの気孔は収縮を生ずるもののその形状を維持する
ように作用しているものと考えられ、各焼成温度に対す
る気孔率の変化が制御されると共に、安定することが分
かる。
As can be seen from FIG. 4, for Sample Nos. 1 and 2 in which a true spherical carbon powder was used as the sublimable powder, the temperature varied within 10% within the firing temperature range of 1400 to 1600 ° C. I have. On the other hand, Sample No. 3 in which amorphous carbon powder was used as the sublimable powder changed nearly 30% within the above-mentioned firing temperature range. From this, a true spherical sublimable powder (spherical carbon powder)
In the unsintered protective layer containing, it is considered that each pore at each sintering temperature acts to maintain its shape although shrinkage occurs, and the change in porosity with respect to each sintering temperature is controlled. At the same time, it can be seen that it is stable.

【0049】電子顕微鏡写真 上述した(1)〜(11)の工程に沿って、2種類の積
層型ガスセンサ素子を作製した。ここで、上記(10)
の工程にて用いられる昇華性粉末として、一方の素子
(以下、実施例素子という)では球状カーボン粉末(平
均粒径5μm、粒度分布2.27〜17.38μm)
を、他方の素子(以下、比較例素子という)では不定形
のカーボン粉末(平均粒径3μm、粒度分布0.9〜1
2.0μm)を使用した。なお、いずれの昇華性粉末
も、保護層原料粉末を45体積%として55体積%の割
合で含有させた。また、上記(11)の工程では、未焼
成積層体の焼成温度を1520℃としたが、この2種類
の素子を作製するにあたっては、焼成温度を1450℃
とした。
Electron micrographs Two types of laminated gas sensor elements were manufactured in accordance with the steps (1) to (11) described above. Here, the above (10)
As a sublimable powder used in the step (1), spherical carbon powder (average particle size 5 μm, particle size distribution 2.27 to 17.38 μm) is used in one element (hereinafter, referred to as an example element).
In the other element (hereinafter, referred to as a comparative element), an amorphous carbon powder (average particle size 3 μm, particle size distribution 0.9 to 1)
2.0 μm). In addition, each sublimation powder contained 55% by volume of the protective layer raw material powder at 45% by volume. In the above step (11), the firing temperature of the unfired laminate was set to 1520 ° C., but in order to manufacture these two types of elements, the firing temperature was set to 1450 ° C.
And

【0050】そして、焼成後を経て得られた実施例素子
と比較例素子について、多孔質保護層を含む形で素子の
積層方向に対し直交する断面をとり、それぞれの多孔質
保護層の表面を、電子顕微鏡(JEOL社(日本電子デ
ータム(株))製、型式JSM−5410)により50
0倍及び5000倍に拡大し、撮影した写真を図5〜図
8に示す。図5は実施例素子の多孔質保護層表面を50
0倍に拡大した写真、図6は実施例素子の多孔質保護層
表面を5000倍に拡大した写真、図7は比較例素子の
多孔質保護層表面を500倍に拡大した写真、図8は比
較例素子の多孔質保護層表面を500倍に拡大した写真
である。
Then, the cross-sections of the example device and the comparative example device obtained after the calcination were taken at right angles to the stacking direction of the devices so as to include the porous protection layer. Using an electron microscope (Model JSM-5410, manufactured by JEOL (JEOL Datum)).
Photos taken at 0x and 5000x magnifications and taken are shown in FIGS. FIG. 5 shows that the surface of the porous protective layer of the device of the example was 50
FIG. 6 is a photograph magnified 5000 times of the surface of the porous protective layer of the device of the example, FIG. 7 is a photo magnified 500 times of the surface of the porous protective layer of the device of the comparative example, and FIG. It is the photograph which expanded the porous protective layer surface of the comparative example element 500 times.

【0051】図5及び図6では、真球状の球状カーボン
粉末を用いたことに反映して、略球状の気孔がそれぞれ
形成されており、気孔同士が隣接した場合には、多孔質
保護層を構成する骨材の壁の一部に孔が開き、連通孔を
形成している。一方、図7及び図8では、不定形カーボ
ンを使用したために元のカーボン粉末の形状は分かり難
く、無数の隙間が存在している断面組織であって、球状
カーボン粉末を用いた場合とでは、気孔径や気孔形状が
明らかに異なる断面組織を示すことが分かる。
In FIGS. 5 and 6, substantially spherical pores are respectively formed, reflecting the use of the spherical spherical carbon powder. When the pores are adjacent to each other, the porous protective layer is formed. A hole is opened in a part of the wall of the constituent aggregate to form a communication hole. On the other hand, in FIGS. 7 and 8, the shape of the original carbon powder is difficult to understand due to the use of amorphous carbon, and the cross-sectional structure has numerous gaps. It can be seen that the pore diameter and the pore shape clearly show cross-sectional structures.

【0052】以上において、本発明を実施例に即して説
明したが、本発明はこの実施例に限定されるものではな
く、その要旨を逸脱しない範囲で適宜変更して適用でき
ることはいうまでもない。例えば積層型ガスセンサ素子
の構成としては、ICP(基準酸素生成)方式にて使用
できるもの、及び基準ガス導入方式にて使用できるもの
等、あらゆる構成の素子に適用可能である。また、多孔
質保護層を形成するにあたり、上記実施例のように1枚
の未焼成保護層を用いて形成せずに、球状カーボン粉末
の含有量が異なる2つの未焼成保護層を成形し、それら
を積層した上で素子を製造することで、得られる多孔質
保護層の気孔率を層状に変化させることも可能である。
In the above, the present invention has been described with reference to the embodiments. However, the present invention is not limited to the embodiments, and it is needless to say that the present invention can be appropriately modified and applied without departing from the gist thereof. Absent. For example, as a configuration of the stacked gas sensor element, it can be applied to elements of any configuration such as an element that can be used in an ICP (reference oxygen generation) method and an element that can be used in a reference gas introduction method. Further, in forming the porous protective layer, instead of using one unfired protective layer as in the above-described example, two unfired protective layers having different spherical carbon powder contents were formed, By manufacturing the device after laminating them, it is possible to change the porosity of the obtained porous protective layer into a layer.

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

【図1】 本発明の積層型酸素センサ素子が組み込まれ
た酸素センサの断面を示す模式図である。
FIG. 1 is a schematic view showing a cross section of an oxygen sensor in which a laminated oxygen sensor element of the present invention is incorporated.

【図2】 本発明の製造方法により得られる素子の分解
斜視図である。
FIG. 2 is an exploded perspective view of an element obtained by the manufacturing method of the present invention.

【図3】 真球状の球状カーボン粉末を含有した未焼成
セラミックシート(本発明の未焼成保護層を想定)にあ
たる試料番号1及び2、不定形のカーボン粉末を含有し
た未焼成セラミックシートにあたる試料番号3、これら
未焼成セラミックシートを構成する主体のセラミック成
分を主体とする未焼成セラミックシートにあたる試料番
号4それぞれに対して、各焼成温度における焼成収縮率
の変化を示したグラフである。
FIG. 3 shows sample numbers 1 and 2 corresponding to an unfired ceramic sheet containing a true spherical carbon powder (assuming the unfired protective layer of the present invention), and a sample number corresponding to an unfired ceramic sheet containing an amorphous carbon powder. 3 is a graph showing the change in firing shrinkage at each firing temperature for each of Sample No. 4 corresponding to an unfired ceramic sheet mainly composed of a ceramic component constituting these unfired ceramic sheets.

【図4】 真球状の球状カーボン粉末を含有した未焼成
セラミックシート(本発明の未焼成保護層を想定)にあ
たる試料番号1及び2、不定形のカーボン粉末を含有し
た未焼成セラミックシートにあたる試料番号3、これら
未焼成セラミックシートを構成する主体のセラミック成
分を主体とする未焼成セラミックシートにあたる試料番
号4それぞれに対して、各焼成温度における気孔率の変
化を示したグラフである。
FIG. 4 shows sample numbers 1 and 2 corresponding to an unfired ceramic sheet containing a true spherical carbon powder (assuming the unfired protective layer of the present invention), and a sample number corresponding to an unfired ceramic sheet containing an amorphous carbon powder. 3 is a graph showing a change in porosity at each firing temperature for each of Sample No. 4 which is an unfired ceramic sheet mainly composed of a ceramic component constituting these unfired ceramic sheets.

【図5】 球状カーボン粉末を含む未焼成多孔質層を用
いて焼成された積層型ガスセンサ素子において、多孔質
保護層の断面を倍率500倍にて拡大した電子顕微鏡写
真である。
FIG. 5 is an electron micrograph showing a cross section of a porous protective layer at a magnification of 500 times in a laminated gas sensor element fired using an unfired porous layer containing spherical carbon powder.

【図6】 球状カーボン粉末を含む未焼成多孔質層を用
いて焼成された積層型ガスセンサ素子において、多孔質
保護層の断面を倍率5000倍にて拡大した電子顕微鏡
写真である。
FIG. 6 is an electron micrograph of a cross section of a porous protective layer of a laminated gas sensor element fired using an unfired porous layer containing spherical carbon powder at a magnification of 5,000.

【図7】 不定形のカーボン粉末を含む未焼成多孔質層
を用いて焼成された積層型ガスセンサ素子において、多
孔質保護層の断面を倍率500倍にて拡大した電子顕微
鏡写真である。
FIG. 7 is an electron micrograph showing a cross section of a porous protective layer at a magnification of 500 times in a laminated gas sensor element fired using an unfired porous layer containing amorphous carbon powder.

【図8】 不定形のカーボン粉末を含む未焼成多孔質層
を用いて焼成された積層型ガスセンサ素子において、多
孔質保護層の断面を倍率5000倍にて拡大した電子顕
微鏡写真である。
FIG. 8 is an electron micrograph showing a cross section of a porous protective layer at a magnification of 5,000 in a laminated gas sensor element fired using an unfired porous layer containing amorphous carbon powder.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

A;積層型ガスセンサ素子、11、セラミック基体(セ
ラミックヒータ)、11a;第1セラミック基体、11
b;第2セラミック基体、111a、161、181
a、181b;スルーホール、12;発熱抵抗体、12
1;発熱部、122;ヒータリード部、13;緩衝層、
14a;基準電極、14b;検知電極、15;固体電解
質層、16;絶縁層、17;多孔質保護層、18a;第
1補強層、18b;第2補強層、B;酸素センサ(ガス
センサ)
A: Laminated gas sensor element, 11, ceramic substrate (ceramic heater), 11a; first ceramic substrate, 11
b; 2nd ceramic base, 111a, 161, 181
a, 181b; Through hole, 12; Heating resistor, 12
1; heating section; 122; heater lead section; 13; buffer layer;
14a; reference electrode, 14b; detection electrode, 15; solid electrolyte layer, 16; insulating layer, 17; porous protective layer, 18a; first reinforcing layer, 18b; second reinforcing layer, B; oxygen sensor (gas sensor)

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 柳 邦夫 名古屋市瑞穂区高辻町14番18号 日本特殊 陶業株式会社内 Fターム(参考) 2G004 BB04 BE19 BF01 BM07  ────────────────────────────────────────────────── ─── Continued on the front page (72) Inventor Kunio Yanagi 14-18 Takatsuji-cho, Mizuho-ku, Nagoya F-term (reference) in Japan Special Ceramics Co., Ltd. 2G004 BB04 BE19 BF01 BM07

Claims (8)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 一対の電極を配設した固体電解質層と、
この電極の少なくとも一方を覆う多孔質保護層と、この
多孔質保護層を構成する主体のセラミック成分と同種の
セラミック成分を主体に構成されると共に、上記多孔質
保護層と上記固体電解質層を挟んで対向するセラミック
基体とを少なくとも積層してなる積層型ガスセンサ素子
の製造方法であって、 上記電極となる一対の電極パターンが形成される上記固
体電解質層となる未焼成固体電解質層を、上記セラミッ
ク基体となる未焼成基体に積層する第1工程と、 真球状の昇華性粉末を含有する上記多孔質保護層となる
未焼成保護層を、上記未焼成固体電解質層を挟んで上記
未焼成基体と対向するように、かつ上記未焼成固体電解
質層に形成される上記未焼成電極パターンの少なくとも
一方を覆うように積層することで、未焼成積層体を形成
する第2工程と、 この未焼成積層体を同時焼成する第3工程と、を備える
ことを特徴とする積層型ガスセンサ素子の製造方法。
A solid electrolyte layer provided with a pair of electrodes;
A porous protective layer covering at least one of the electrodes, and a ceramic component of the same type as the main ceramic component constituting the porous protective layer are mainly formed, and the porous protective layer and the solid electrolyte layer are sandwiched between the porous protective layer and the solid electrolyte layer. A method for manufacturing a laminated gas sensor element comprising at least laminating a ceramic substrate facing the above, wherein the unsintered solid electrolyte layer serving as the solid electrolyte layer on which the pair of electrode patterns serving as the electrodes is formed is formed using the ceramic A first step of laminating an unfired substrate serving as a substrate, and an unfired protective layer serving as the porous protective layer containing a spherical sublimable powder, the unfired substrate being sandwiched between the unfired solid electrolyte layers. An unsintered laminated body is formed by stacking so as to face each other and to cover at least one of the unsintered electrode patterns formed on the unsintered solid electrolyte layer. The second step and the method of manufacturing a multilayered gas sensing element, characterized in that it comprises a third step of the firing an unfired laminate simultaneously, the that.
【請求項2】 上記昇華性粉末は、粒度分布が2〜30
μm、平均粒径が4〜15μmの範囲内にある請求項1
記載の積層型ガスセンサ素子の製造方法。
2. The sublimable powder has a particle size distribution of 2 to 30.
and a mean particle size in the range of 4 to 15 μm.
A manufacturing method of the laminated gas sensor element according to the above.
【請求項3】 上記昇華性粉末は、球状カーボン粉末で
ある請求項1又は2に記載の積層型ガスセンサ素子の製
造方法。
3. The method according to claim 1, wherein the sublimable powder is a spherical carbon powder.
【請求項4】 上記未焼成保護層は、上記昇華性粉末と
該昇華性粉末を除くセラミック成分を主体とする保護層
用原料粉末との合計を100体積%とした場合に、該昇
華性粉末を35〜65体積%の範囲内で含有している請
求項1〜3のいずれか1項に記載の積層型ガスセンサ素
子の製造方法。
4. The unsintered protective layer, when the total of the sublimable powder and the raw material powder for a protective layer mainly composed of a ceramic component excluding the sublimable powder is 100% by volume, the sublimable powder. The method for producing a laminated gas sensor element according to any one of claims 1 to 3, wherein the content is in the range of 35 to 65% by volume.
【請求項5】 上記未焼成保護層中の保護層用原料粉末
の主体をなすセラミック成分の配合割合R2は、上記未
焼成基体中の基体用原料粉末の主体をなすセラミック成
分の配合割合R1の90%以上である請求項1〜4のい
ずれか1項に記載の積層型ガスセンサ素子の製造方法。
5. The compounding ratio R2 of the ceramic component forming the main component of the raw material powder for the protective layer in the unfired protective layer is determined by the mixing ratio R1 of the ceramic component forming the main component of the raw material powder for the base in the green substrate. The method for producing a multilayer gas sensor element according to any one of claims 1 to 4, which is 90% or more.
【請求項6】 上記セラミック成分は、アルミナである
請求項1〜5のいずれか1項に記載の積層型ガスセンサ
素子の製造方法。
6. The method for manufacturing a multilayer gas sensor element according to claim 1, wherein the ceramic component is alumina.
【請求項7】 一対の電極を配設した固体電解質層と、
この電極の少なくとも一方を覆う多孔質保護層と、上記
多孔質保護層と上記固体電解質層を挟んで対向するセラ
ミック基体とを少なくとも積層してなる積層型ガスセン
サ素子の製造方法であって、 上記セラミック基体となる未焼成基体と、昇華性粉末を
含有する上記多孔質保護層となる未焼成保護層とを、上
記固体電解質層となる未焼成固体電解質層を挟んで対向
するように、かつ当該未焼成保護層が上記未焼成固体電
解質層に形成される一対の未焼成電極パターンの少なく
とも一方を覆うように積層して未焼成積層体を形成し、
この未焼成積層体を同時焼成するにあたり、上記未焼成
保護層の気孔率の変化が、焼成温度1400〜1600
℃の範囲内において10%以内にあることを特徴とする
積層型ガスセンサ素子の製造方法。
7. A solid electrolyte layer provided with a pair of electrodes,
A method for manufacturing a laminated gas sensor element, comprising: laminating at least a porous protective layer covering at least one of the electrodes, and a ceramic substrate facing the porous protective layer and the solid electrolyte layer, wherein the ceramic layer comprises: The unfired substrate serving as the substrate and the unfired protective layer serving as the porous protective layer containing the sublimable powder are opposed to each other with the unfired solid electrolyte layer serving as the solid electrolyte layer interposed therebetween. An unfired laminate is formed by laminating the fired protective layer so as to cover at least one of the pair of unfired electrode patterns formed on the unfired solid electrolyte layer,
In firing the unsintered laminate at the same time, the change in the porosity of the unsintered protective layer is caused by the sintering temperature of 1400 to 1600.
A method for manufacturing a laminated gas sensor element, wherein the temperature is within 10% within the range of ° C.
【請求項8】 請求項1〜7のいずれかに記載の積層型
ガスセンサ素子の製造方法により得られる積層型ガスセ
ンサ素子。
8. A multilayer gas sensor element obtained by the method for manufacturing a multilayer gas sensor element according to claim 1.
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