JP2005135868A - Ceramic heater, gas sensor element and manufacturing methods thereof - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、セラミックヒータ、ガスセンサ素子およびこれらの製造方法に関し、詳しくは自動車排ガス中の酸素濃度検出等に用いられる板状の酸素センサ素子に好適なセラミックヒータ、このセラミックヒータを備えたガスセンサ素子およびこれらの製造方法に関する。 The present invention relates to a ceramic heater, a gas sensor element, and a manufacturing method thereof, and more specifically, a ceramic heater suitable for a plate-like oxygen sensor element used for detecting an oxygen concentration in automobile exhaust gas, a gas sensor element including the ceramic heater, and The present invention relates to these manufacturing methods.
近年、環境問題がクローズアップされ、各業界にて地球環境を最優先とする取り組みがなされている。とりわけ、自動車業界においては、アメリカのカルフォルニア州の排ガス規制に代表されるように、排気ガス中のCO2、CO、HC、NOx量を年々低減していくことが世の中の流れになってきている。その中で、更なる排ガス中の上記ガスを低減するためには、如何に効率よく燃料を燃焼させるかが重要であり、そのためにも排ガス中の残存酸素量を瞬時に測定し、その情報を燃焼系に速くフィードバックすることができる酸素センサの要望が高まりつつある。 In recent years, environmental issues have been highlighted, and efforts are being made to put the global environment as a top priority in each industry. In particular, in the automobile industry, as represented by the exhaust gas regulations of California, USA, it has become a trend to reduce the amount of CO 2 , CO, HC and NOx in exhaust gas year by year. . Among them, in order to further reduce the gas in the exhaust gas, it is important how to burn the fuel efficiently. For that purpose, the residual oxygen amount in the exhaust gas is instantaneously measured and the information is obtained. There is a growing demand for oxygen sensors that can provide fast feedback to the combustion system.
酸素センサはこれまで、排気ガスの熱を利用して、一端が封止された円筒状のセンサを昇温し、センサ機能を発現させてきた。しかし、センサ機能が発現するまでの間、排ガスは垂れ流しの状態にあり、昨今の厳しい排ガス規制には対応しきれなくなってきた。そこで、円筒状のセンサを積極的にヒータで加熱する酸素センサが開発された。このような酸素センサを用いることで、センサ機能を速く発現できるようになり、よりレスポンス良く情報をフィードバックできるようになった。 Up to now, oxygen sensors have used a heat of exhaust gas to raise the temperature of a cylindrical sensor sealed at one end to develop a sensor function. However, until the sensor function appears, the exhaust gas is in a state of running down, and it has become impossible to meet the recent strict exhaust gas regulations. Therefore, an oxygen sensor that actively heats a cylindrical sensor with a heater has been developed. By using such an oxygen sensor, the sensor function can be expressed quickly, and information can be fed back more responsively.
しかしながら、上記のような円筒状のセンサでは、どうしてもサイズが大きくなり、しかもヒータとセンサとの間隔が大きくなるために、センサ機能の発現速度には限界があった。 However, in the cylindrical sensor as described above, the size is inevitably increased, and the distance between the heater and the sensor is increased, so that the speed of the sensor function is limited.
そこで、最近では、センサ部を板状にして小さくし、更にセンサ部とヒータとを一体成形することで昇温速度を高め、より速くセンサ機能を発現できるようにした板状の酸素センサ素子を備えた酸素センサが開発されつつある(例えば、特許文献1参照)。特許文献1に記載の酸素センサには先端幅が4mmで、発熱体中の共材比が約30体積%のセラミックヒータが用いられている。このように近年では、セラミックヒータの先端幅を細くし、発熱体とこれを被覆する絶縁層とで構成される発熱部の体積を小さくすることにより酸素センサの昇温速度を高め、センサ機能を速く発現させる試みがなされている。通常、板状のセラミックヒータや酸素センサ素子は、印刷ペーストを用いて発熱体パターンが印刷されたグリーンシート、印刷ペーストが印刷されていないグリーンシート等を積層密着させ、これを焼成して作製されている。 Therefore, recently, a plate-like oxygen sensor element has been developed in which the sensor part is made into a plate shape, and the temperature rise rate is increased by integrally forming the sensor part and the heater so that the sensor function can be expressed more quickly. An oxygen sensor provided is being developed (see, for example, Patent Document 1). The oxygen sensor described in Patent Document 1 uses a ceramic heater having a tip width of 4 mm and a common material ratio in the heating element of about 30% by volume. As described above, in recent years, the tip width of the ceramic heater is narrowed, and the volume of the heat generating part composed of the heating element and the insulating layer covering the heating element is reduced, thereby increasing the temperature rising rate of the oxygen sensor and improving the sensor function. Attempts have been made to develop it quickly. Usually, plate-shaped ceramic heaters and oxygen sensor elements are produced by stacking and adhering green sheets on which a heating element pattern is printed using printing paste, green sheets on which printing paste is not printed, etc., and firing them. ing.
しかしながら、酸素センサの昇温速度をさらに高めるために、先端幅を2〜3.5mm程度に細くして発熱部の体積をより小さくしたセラミックヒータでは、酸素センサの昇温速度を高めることはできるものの、昇温と降温を繰り返すことによって発熱体の抵抗が次第に変化し、安定してヒータ温度を制御するのが困難になりセンサ性能が低下するという問題があった。
本発明の課題は、昇温と降温の繰り返しに起因する発熱体の抵抗の変化を抑制することができるセラミックヒータ、これを備えたガスセンサ素子およびこれらの製造方法を提供することである。 The subject of this invention is providing the ceramic heater which can suppress the change of the resistance of the heat generating body resulting from repetition of temperature rise and temperature fall, the gas sensor element provided with the same, and these manufacturing methods.
本発明者らは、上記課題を解決すべく鋭意研究した結果、昇温速度を高めるために発熱部の体積を小さくしたセラミックヒータにおいて、発熱体中の共材比を所定の範囲内に調節することによって、昇温と降温の繰り返しに起因する発熱体の抵抗の変化を抑制することができるという新たな事実を見出し、本発明を完成するに至った。 As a result of diligent research to solve the above-mentioned problems, the inventors of the present invention adjust the common material ratio in the heating element within a predetermined range in the ceramic heater in which the volume of the heating part is reduced in order to increase the temperature rising rate. Thus, the present inventors have found a new fact that a change in resistance of the heating element due to repeated temperature increase and decrease can be suppressed, and have completed the present invention.
すなわち、本発明のセラミックヒータ、これを備えたガスセンサ素子およびガスセンサ素子の製造方法は、以下の構成からなる。
(1) 発熱体と、該発熱体に電流を供給するために前記発熱体に接続されたリード部とが、セラミック絶縁層中に埋設されたセラミックヒータであって、前記発熱体と該発熱体を被覆する前記セラミック絶縁層とで構成された発熱部の体積が16〜105mm3であり、前記発熱体中の共材比が36〜46体積%であることを特徴とするセラミックヒータ。
(2) 前記発熱部の外形寸法が、長さ8〜15mm、幅2〜3.5mm、厚み1〜2mmである(1)記載のセラミックヒータ。
(3) 前記共材が前記発熱体とセラミック絶縁層との熱膨張係数の差を小さくするためのセラミックスである(1)または(2)記載のセラミックヒータ。
(4) 前記共材が前記セラミック絶縁層と略同組成である(1)〜(3)のいずれかに記載のセラミックヒータ。
(5) 前記(1)〜(4)のいずれかに記載のセラミックヒータを備えたことを特徴とするガスセンサ素子。
(6) 前記セラミックヒータの発熱体に含まれる導電体が少なくとも白金を含有する(5)記載のガスセンサ素子。
(7) 共材比が36〜46体積%となるように導電体と共材を混合して発熱体用印刷ペーストを作製する工程と、この印刷ペーストを用いてグリーンシート上に発熱体パターンを形成する工程と、前記グリーンシートの発熱体パターン形成面に他のグリーンシートを積層する工程と、得られたグリーンシートの積層体を焼成する工程とを備えたことを特徴とする(1)〜(4)のいずれかに記載のセラミックヒータの製造方法。
(8) 共材比が36〜46体積%となるように導電体と共材を混合して発熱体用印刷ペーストを作製する工程と、この印刷ペーストを用いてグリーンシート上に発熱体パターンを形成する工程と、前記グリーンシート上に、ガス濃度を検知する機能を有するセンサ部が形成されたグリーンシートを積層する工程と、得られたグリーンシートの積層体を焼成する工程とを備えたことを特徴とする(5)または(6)記載のガスセンサ素子の製造方法。
That is, the ceramic heater of this invention, the gas sensor element provided with the same, and the manufacturing method of a gas sensor element consist of the following structures.
(1) A heating element and a lead connected to the heating element for supplying current to the heating element is a ceramic heater embedded in a ceramic insulating layer, the heating element and the heating element The ceramic heater is characterized in that the volume of the heat generating part constituted by the ceramic insulating layer covering the metal is 16 to 105 mm 3 and the common material ratio in the heat generating element is 36 to 46% by volume.
(2) The ceramic heater according to (1), wherein an outer dimension of the heat generating portion is 8 to 15 mm in length, 2 to 3.5 mm in width, and 1 to 2 mm in thickness.
(3) The ceramic heater according to (1) or (2), wherein the common material is ceramic for reducing a difference in thermal expansion coefficient between the heating element and the ceramic insulating layer.
(4) The ceramic heater according to any one of (1) to (3), wherein the common material has substantially the same composition as the ceramic insulating layer.
(5) A gas sensor element comprising the ceramic heater according to any one of (1) to (4).
(6) The gas sensor element according to (5), wherein the conductor contained in the heating element of the ceramic heater contains at least platinum.
(7) A step of preparing a heating element printing paste by mixing the conductor and the common material so that the common material ratio is 36 to 46% by volume, and using this printing paste, a heating element pattern is formed on the green sheet. A step of forming, a step of laminating another green sheet on the heating element pattern forming surface of the green sheet, and a step of firing the laminate of the obtained green sheets (1) to The method for producing a ceramic heater according to any one of (4).
(8) A step of preparing a heating element printing paste by mixing the conductor and the common material so that the common material ratio is 36 to 46% by volume, and using this printing paste, a heating element pattern is formed on the green sheet. A step of forming, a step of laminating a green sheet on which a sensor unit having a function of detecting a gas concentration is formed on the green sheet, and a step of firing the laminate of the obtained green sheets (5) The method for producing a gas sensor element according to (6), wherein
前記(1)および(2)記載のセラミックヒータによれば、発熱体中の共材比を所定の範囲に調節しているので、体積が16〜105mm3の範囲、特に外形寸法が長さ8〜15mm、幅2〜3.5mm、厚み1〜2mmの範囲である従来より小さな発熱部を有している場合であっても、昇温と降温の繰り返しに起因する発熱体の抵抗の変化を抑制することができる。すなわち、本発明では、発熱体中の共材比を従来よりも高くして発熱体と該発熱体を被覆するセラミック絶縁層との熱膨張係数の差を小さくすることにより、昇温時および降温時における発熱体とセラミック絶縁層との膨張・収縮度合いの差を減少させ、クラックの発生および進行を抑制している。これにより、発熱体の抵抗の変化を抑制することができる。 According to the ceramic heater described in the above (1) and (2), since the common material ratio in the heating element is adjusted to a predetermined range, the volume is in the range of 16 to 105 mm 3 , particularly the outer dimension is length 8. Even if it has a smaller heating part than conventional ones in the range of ~ 15mm, width of 2 ~ 3.5mm, thickness of 1 ~ 2mm, the resistance change of the heating element due to repeated heating and cooling Can be suppressed. That is, in the present invention, the ratio of the co-material in the heating element is made higher than before, and the difference in the thermal expansion coefficient between the heating element and the ceramic insulating layer covering the heating element is reduced, so that The difference in the degree of expansion and contraction between the heating element and the ceramic insulating layer at the time is reduced, and the generation and progress of cracks are suppressed. Thereby, the change of resistance of a heat generating body can be suppressed.
したがって、前記(3)記載のように共材がセラミックスであることで、発熱体とセラミック絶縁層との熱膨張係数の差を小さくすることができる。特に、前記(4)記載のように、共材がセラミック絶縁層と略同組成であることにより、発熱体とセラミック絶縁層の熱膨張係数差がより小さくなるので、発熱体の抵抗の変化を抑制する効果をさらに高めることができる。 Therefore, as described in (3) above, the difference in the thermal expansion coefficient between the heating element and the ceramic insulating layer can be reduced because the common material is ceramic. In particular, as described in (4) above, since the common material has substantially the same composition as the ceramic insulating layer, the difference in thermal expansion coefficient between the heating element and the ceramic insulating layer becomes smaller. The suppressing effect can be further enhanced.
前記(5)記載のガスセンサ素子によれば、上記したセラミックヒータを備えているので、長期間繰り返し使用しても発熱体の抵抗が過度に変化することなく、安定したセンサ機能を得ることができる。 According to the gas sensor element of the above (5), since the above-described ceramic heater is provided, a stable sensor function can be obtained without excessively changing the resistance of the heating element even when repeatedly used for a long period of time. .
また、前記(6)記載のように、発熱体に含まれる導電体が少なくとも白金を含有するときには、酸化雰囲気にて焼成することが可能であり、製造工程を簡略化することができる。 Further, as described in (6) above, when the conductor included in the heating element contains at least platinum, it can be fired in an oxidizing atmosphere, and the manufacturing process can be simplified.
前記(7)および(8)記載のように、複数枚のグリーンシート、発熱体等を同時焼成する製造方法によれば、製造工程が簡略化され、コストダウンを図ることができる。 As described in the above (7) and (8), according to the manufacturing method in which a plurality of green sheets, heating elements and the like are simultaneously fired, the manufacturing process is simplified and the cost can be reduced.
以下、本発明のセラミックヒータ、ガスセンサ素子およびその製造方法について、図面を参照して詳細に説明する。図1(a)は、本発明の一実施形態にかかるセラミックヒータを備えた板状酸素センサ素子の長手方向に垂直な断面を示す断面図であり、図1(b)はこの酸素センサ素子の長手方向に平行な断面を示す断面図である。また、図2(a)は図1の酸素センサ素子における発熱体とリード部の配置を説明するための配置図であり、図2(b)は発熱部の他の実施形態を示す配置図である。 Hereinafter, a ceramic heater, a gas sensor element, and a manufacturing method thereof according to the present invention will be described in detail with reference to the drawings. FIG. 1 (a) is a cross-sectional view showing a cross section perpendicular to the longitudinal direction of a plate-like oxygen sensor element provided with a ceramic heater according to an embodiment of the present invention, and FIG. 1 (b) is a cross-sectional view of this oxygen sensor element. It is sectional drawing which shows a cross section parallel to a longitudinal direction. FIG. 2A is an arrangement diagram for explaining the arrangement of the heating element and the lead part in the oxygen sensor element of FIG. 1, and FIG. 2B is an arrangement diagram showing another embodiment of the heating part. is there.
図1(a),(b)および図2(a)に示すように、本実施形態の酸素センサ素子は、酸素濃度を検知する機能を有するセンサ部11と、このセンサ部11を加熱するためのセラミックヒータ21と、セラミック層15,16,25とを備えており、これらが焼成により一体化されている。
As shown in FIGS. 1 (a), 1 (b) and 2 (a), the oxygen sensor element of the present embodiment is provided with a
センサ部11は、酸素イオン導電性を有する固体電解質層12と、この固体電解質層12の上面に設けられた検知電極13と、固体電解質層12の下面に設けられた基準電極14とを備えている。これらの検知電極13および基準電極14にはリード部18,19がそれぞれ接続され、リード部18の端部には電極パッド31(後述する図4参照)が接続され、リード部19の端部には電極パッド32が接続されている。そして、この電極パッド32は、スルーホール37を介して固体電解質層12の上面に設けられた電極パッド33に電気的に接続されている。排気ガスによる検知電極13の被毒を防止する観点から、検知電極13表面に電極保護層として図示しないセラミック多孔質層を設けてもよい。
The
セラミックヒータ21は、発熱体22と、該発熱体22に電流を供給するために発熱体22に接続されたリード部23と、このリード部23の端部に接続された電極パッド34とがセラミック絶縁層24中に埋設されたものである。電極パッド34は、スルーホール36を介してセラミック層25の下面に設けられた電極パッド35に電気的に接続されている。
The
セラミックヒータ21とセンサ部11を構成する固体電解質層12とは、コ字形状のセラミック層15およびセラミック層16を介して接合されている。これにより、この酸素センサ素子には、一端が封止された空洞部(大気導入孔)17が形成されている。セラミックヒータ21の下面にはセラミック層25が積層されている。
The
発熱体22と該発熱体22を被覆するセラミック絶縁層24とで構成された発熱部26は、その体積が16〜105mm3、好ましくは30〜75mm3であるのがよい。また、発熱部22の外形は、長さLが8〜15mm、好ましくは10〜13mmであるのがよく、幅Wが2〜3.5mm、好ましくは2.5〜3.2mmであるのがよく、厚みtが1〜2mm、好ましくは1.2〜1.8mmであるのがよい。これにより、セラミックヒータ21の発熱部26の体積を小さくして酸素センサの昇温速度を高めることができる。ここで、本実施形態において発熱部26とは、セラミックヒータ21のうち発熱体22とリード部23との境界(図1(b)および図2(a)に一点鎖線で示す)よりも発熱体22側(矢印A側)の部位のことである。なお、本発明の酸素センサ素子では、図2(b)に示すような形状の発熱体22’であってもよい。
The
図3は、セラミックヒータ21における発熱体22を構成する主成分およびこれらの分布状態の概略を示す拡大断面図である。図3に示すように、発熱体22は、主として導電体22aと共材22bとから構成されている。本発明では、発熱体22の共材比(発熱体22の中で共材22bの体積が占める割合)が36〜46体積%、好ましくは38〜44体積%であることが重要である。共材比は、例えば電子顕微鏡等により観察した観測視野面積に占める共材22bの面積比で表すことができる。
FIG. 3 is an enlarged cross-sectional view showing the outline of the main components constituting the
共材比が36体積%未満になると、発熱体22とセラミック絶縁層24との熱膨張係数の差が大きくなるため、発熱体22の抵抗の変化を抑制する効果が十分に得られないおそれがある。一方、共材比が46体積%を超えると、発熱体22の抵抗が過度に変化するため、安定してヒータ温度を制御するのが困難になるおそれがある。
また、本発明のセラミックヒータ21では、共材比が上記範囲にあることで、共材22bが発熱体22中に適度に分散して存在しているので、昇温時に導電体22aが粒成長するのを共材22bが阻害するため、発熱体22の抵抗値が変化しにくい。一方、共材比が36体積%未満になると、発熱体22中に存在する共材22bが少なくなるので、昇温時に導電体22aが粒成長しやすくなり、発熱体22の抵抗値が低下することがある。また、共材比が46体積%を超えると、発熱体22中に存在する共材22bが過度に多くなり、導電性が低下するため、昇温時に局部的に高温になることがあるので、その部分で粒成長が過度に進行し、その結果、抵抗値が低下することがある。
If the common material ratio is less than 36% by volume, the difference in the thermal expansion coefficient between the
In the
発熱体22の導電体22aとしては、公知の導電性金属材料を用いることができ、例えば白金、タングステンあるいは白金とロジウム、パラジウム、ルテチウムおよび金からなる群より選ばれる1種との合金などが使用可能である。また、検知電極13,基準電極14、リード部18,19,23および電極パッド31〜35を構成する電極材料としては、導電体22aと同様の材料が使用可能である。特に、導電体22aおよび電極材料としては、固体電解質層12およびセラミック層15,16,25と同時に焼成できる点で、白金、タングステン等が好適である。
As the
セラミック絶縁層24の材料としては、絶縁性を有したセラミックスであれば特に限定されず、例えばアルミナ、フォルステライト等を使用することができる。共材22bとしては、セラミック絶縁層24との熱膨張係数の差を小さくする点で有用な種々のセラミックスを使用でき、特にセラミック絶縁層24と略同組成の材料を使用することができる。共材22bの具体例としては、アルミナ、フォルステライト、ジルコニア、ムライト、チタニア等が挙げられる。
The material of the ceramic insulating
固体電解質層12を構成する材料としては、ジルコニア、チタニア系セラミックス等の固体電解質を用いることができる。この固体電解質としては、安定化剤としてY2O3、Yb2O3、Sc2O3、Sm2O3、Nd2O3、Dy2O3などの希土類酸化物を酸化物換算で3〜15モル%含有する部分安定化ZrO2または安定化ZrO2、アルカリ土類元素を固溶させたZrO2などを用いてもよい。その他のセラミック層15,16,25の材料としては、特に限定されるものではなく、固体電解質層12と同じ固体電解質を用いてもよく、アルミナ含有材料等の種々のセラミック材料を用いることもできる。
As a material constituting the
本実施形態の酸素センサ素子を備えた酸素センサでは、発熱体22に通電して固体電解質層12を400〜1000℃程度に加熱した状態で、空洞部17に基準大気(酸素)が導入され、検知電極13が排ガス等の測定雰囲気中に配置される。そして、検知電極13と基準電極14との間で発生する起電力を測定して、排気ガス中の酸素濃度を測定する。
In the oxygen sensor including the oxygen sensor element of the present embodiment, the reference atmosphere (oxygen) is introduced into the
以下、本発明のセラミックヒータ21を備えた酸素センサ素子を製造する方法の一例について、図4の分解斜視図をもとに説明する。なお、図4では電極接続用のスルーホール36,37は省略してある。
Hereinafter, an example of a method for producing an oxygen sensor element including the
まず、グリーンシート12a,12b,15,16,25a,25b,25cを、例えばドクターブレード法を用いたテープ成形等の公知の成形方法によって作製する。ついで、導電体と共材を混合して発熱体用の印刷ペーストを作製する。この印刷ペーストにおける共材比は36〜46体積%とする。混合方法は、特に限定されるものではなく、例えば3本ロール等のロール混合、ミルを用いたミル混合等を用いることができる。同様に、検知電極用の印刷ペースト、基準電極用の印刷ペースト、セラミック絶縁層用の印刷ペーストおよび電極パッド用の印刷ペーストを、ロール混合等を用いて作製する。
First, the
ついで、グリーンシート12a,12bにスクリーン印刷等により上記印刷ペーストを塗布し、検知電極13および基準電極14の電極パターンを形成する。これらの電極パターンは、1枚のグリーンシートの両面に印刷してもよい。
Next, the printing paste is applied to the
次に、グリーンシート25aに印刷等によりセラミック絶縁層用の印刷ペースト24bを塗布、乾燥し、ついで印刷ペースト24bにスクリーン印刷等により発熱体用の印刷ペースト22、リード部用の印刷ペースト23および電極パッド用の印刷ペースト34を塗布して各パターンを形成し、さらにセラミック絶縁層用の印刷ペースト24aを上記パターン上に塗布、乾燥する。
Next, the
また、グリーンシート25cに印刷等により電極パッド用の印刷ペースト35を塗布し、ヒータの取り出し電極パッド用のパターンを形成する。ついで、各種電極、セラミック絶縁層、ヒータパターン等が形成された各グリーンシート、基準大気と接するようにコ字形状に金型で打ち抜いたグリーンシート15、厚み調整用のグリーンシート16等を、位置決めして密着積層し、グリーン体(グリーンシートの積層体)を得る。なお、酸素センサ素子の厚み調整のために、各種パターンが印刷されていない他のグリーンシートを上記グリーンシート間にさらに介在させても何ら問題なく、図4に限定されるものではない。また、上記のようにセラミック絶縁層用の印刷ペースト24a,24bを用いずに、絶縁性材料からなるグリーンシート内に発熱体22等のヒータ材料を内在させてもよい。
Further, the electrode
次に、上記グリーン体を必要に応じて所定の寸法にカットする。その際、ヒータパターンに応じて、焼成後に発熱部26の体積が16〜105mm3になるようにカットする。特に、先端幅Wが2〜3.5mmとなるようにカットするのが好ましい。焼成後の先端幅Wが2mm未満では、積層時の位置精度合わせ及びカット条件が困難となるおそれがある。また、先端幅Wが3.5mmを越えるとセラミックヒータ自体が大きくなり、迅速に加熱昇温することが困難となるおそれがある。
Next, the green body is cut into a predetermined size as necessary. In that case, according to a heater pattern, it cuts so that the volume of the
次に、各種電極、絶縁層、ヒータパターン等を有するグリーン体を同時焼成する。焼成温度は、セラミック材料及び電極材料等との関係に応じて適宜選択することができる。同時焼成によって、焼成工程を一回にすることができ、コストダウンを図ることができる。 Next, a green body having various electrodes, insulating layers, heater patterns, and the like is fired simultaneously. The firing temperature can be appropriately selected according to the relationship with the ceramic material and the electrode material. By simultaneous firing, the firing step can be performed once, and the cost can be reduced.
なお、本発明の目的を逸脱しない範囲において、セラミックヒータおよび酸素センサ素子の構成は上記実施形態のみに限定されるものではない。例えば、上記実施形態では、本発明を酸素センサ素子に適用した場合について説明したが、本発明は、例えばNOxセンサ、CO2センサ等の類似した構造のガスセンサ素子にも適用可能である。 In addition, in the range which does not deviate from the objective of this invention, the structure of a ceramic heater and an oxygen sensor element is not limited only to the said embodiment. For example, in the above-described embodiment, the case where the present invention is applied to an oxygen sensor element has been described. However, the present invention is also applicable to a gas sensor element having a similar structure such as a NOx sensor and a CO 2 sensor.
以下、実施例および比較例を挙げて本発明をさらに詳細に説明するが、本発明は以下の実施例に限定されるものではない。 EXAMPLES Hereinafter, although an Example and a comparative example are given and this invention is demonstrated further in detail, this invention is not limited to a following example.
<酸素センサ素子の作製>
まず、平均粒径0.8μmのイットリアを添加した部分安定化ジルコニア粉末に、ブチラール系バインダー、溶剤およびメディアを混合し、48時間撹拌してスラリーを得た。その後、ドクターブレード成形にて上記スラリーを成形、乾燥させて、厚さ200μmのグリーンシートを作製した。
<Production of oxygen sensor element>
First, a partially stabilized zirconia powder to which yttria having an average particle diameter of 0.8 μm was added was mixed with a butyral binder, a solvent and a medium, and stirred for 48 hours to obtain a slurry. Thereafter, the slurry was molded and dried by doctor blade molding to produce a green sheet having a thickness of 200 μm.
次に、平均粒径1μmの白金粉末に、ブチラール系バインダーおよびテルピネオールを調合し、3本ロールにて10回パス混合した後、テルピネオールにて希釈し、粘度調整して検知電極用、基準電極用、リード部用および電極パッド用の印刷ペーストをそれぞれ得た。 Next, butyral binder and terpineol are mixed with platinum powder having an average particle diameter of 1 μm, mixed 10 times with three rolls, diluted with terpineol, viscosity adjusted, and for detection electrode and reference electrode Then, printing pastes for lead portions and electrode pads were obtained.
得られた前記電極ペーストを用いて、前記グリーンシートに各種電極パターンをスクリーン印刷にて形成し、その後、乾燥させて、電極が形成されたグリーンシートを得た。 Various electrode patterns were formed on the green sheet by screen printing using the obtained electrode paste, and then dried to obtain a green sheet on which an electrode was formed.
一方、平均粒径0.5μmのアルミナ粉末に、ブチラール系バインダーおよびテルピネオールを調合し、3本ロールにて10回パス混合した後、テルピネオールにて希釈し、粘度調整してセラミック絶縁層用の印刷ペーストを得た。 On the other hand, after mixing butyral binder and terpineol with alumina powder having an average particle size of 0.5 μm, mixing 10 passes with 3 rolls, diluting with terpineol, adjusting viscosity, printing for ceramic insulation layer A paste was obtained.
また、平均粒径1μmの白金粉末に、共材比が表1に示す値となるように部分安定化ジルコニア粉末またはアルミナを混合し、さらにブチラール系バインダーおよびテルピネオールを調合して、3本ロールにて10回パス混合した後、テルピネオールにて希釈し、粘度調整して発熱体用の印刷ペーストを得た。 Further, partially stabilized zirconia powder or alumina is mixed with platinum powder having an average particle diameter of 1 μm so that the co-material ratio becomes the value shown in Table 1, and a butyral binder and terpineol are further mixed into a three roll. After 10 times of mixing, the mixture was diluted with terpineol and the viscosity was adjusted to obtain a printing paste for a heating element.
上記で得られたセラミック絶縁層用の印刷ペーストを用いて、グリーンシート上にセラミック絶縁層の印刷パターンをスクリーン印刷にて形成し、乾燥させた後、上記発熱体用の印刷ペースト、リード部用の印刷ペーストおよび電極パッド用の印刷ペーストをスクリーン印刷にて形成し、乾燥させた後、更にその上にセラミック絶縁層用の印刷パターンをスクリーン印刷にて形成し、乾燥させることにより、ヒータを内在するセラミック絶縁層をグリーンシート上に形成した。 Using the printing paste for the ceramic insulating layer obtained above, a printing pattern of the ceramic insulating layer is formed on the green sheet by screen printing and dried, and then the heating paste printing paste for the lead portion The printing paste for the electrode pad and the electrode pad printing paste are formed by screen printing and dried, and then the printed pattern for the ceramic insulating layer is formed thereon by screen printing and dried. A ceramic insulating layer was formed on the green sheet.
基準大気と接する空洞部に位置するグリーンシートは、金型にて空洞部の幅が1.2mmとなるようにコ字形状に打ち抜いて作製した。ついで、ヒータを内在するセラミック絶縁層を形成したグリーンシートを含む全積層層数10層の各種グリーンシートを位置決めして、密着液を用いて密着積層し、加圧プレスしてグリーン体(酸素センサ素子成形体)を得た。 The green sheet located in the cavity portion in contact with the reference atmosphere was produced by punching in a U shape with a mold so that the width of the cavity portion was 1.2 mm. Next, various green sheets having a total number of laminated layers of 10 including a green sheet on which a ceramic insulating layer with a heater is formed are positioned, adhered and laminated using an adhesion liquid, and pressed to form a green body (oxygen sensor). Element molded body) was obtained.
その後、焼成後に発熱部の外形寸法が表1に示す値となるように、130℃に加熱したホットナイフでグリーン体をカットした。そして、このグリーン体を1400℃にて2時間焼成して、試料No.1〜19の酸素センサ素子をそれぞれ5個ずつ得た。なお、各試料には、加速断続耐久試験においてヒートショックによるクラックが発熱部付近の稜面に発生するのを防止するため、図5に示すように発熱体が内在されている付近の酸素センサ素子下面側角部に、C面加工を施した。
<性能評価>
抵抗変化率:各酸素センサ素子を1分間で1150℃まで昇温し、1分間で30℃まで降温する加速断続耐久試験を10000サイクル行い、試験後のヒータ電極パッド間の抵抗値を測定し、試験後の抵抗値と試験前の抵抗値とから抵抗変化率を算出した。試験は各試料5個ずつ行い、5個の平均を平均抵抗変化率とした。抵抗変化率は、試験後の抵抗値と試験前の抵抗値との差(試験後−試験前)を試験前の抵抗値で除し、100倍したものである。
昇温速度:セラミックヒータに22Vの電圧を印加して30℃以下から900℃まで昇温するのに要する時間を測定した。
強度:上記C面加工時に加工抵抗で素子先端部に破損が生じたものについては表中に「NG」と表示し、破損が生じなかったものについては「OK」と表示した。
<Performance evaluation>
Resistance change rate: Each oxygen sensor element is heated to 1150 ° C. in 1 minute and accelerated intermittent endurance test in which the temperature is lowered to 30 ° C. in 1 minute is performed for 10,000 cycles, and the resistance value between the heater electrode pads after the test is measured. The rate of change in resistance was calculated from the resistance value after the test and the resistance value before the test. The test was performed for five samples, and the average of the five samples was defined as the average resistance change rate. The resistance change rate is obtained by dividing the difference between the resistance value after the test and the resistance value before the test (after the test-before the test) by the resistance value before the test and multiplying by 100.
Rate of temperature increase: A voltage of 22 V was applied to the ceramic heater to measure the time required to raise the temperature from 30 ° C. or lower to 900 ° C.
Strength: “NG” was indicated in the table for those in which the tip of the element was damaged due to processing resistance during the C-surface processing, and “OK” was indicated for those in which no damage occurred.
結果を表1に示す。表1から、共材比が46%を超えている試料No.1はC面加工時に破損が生じたことから、強度に問題があることがわかる。また、共材比が46%を超えている試料No.9は平均抵抗変化率が−3.0であり大きく低下している。共材比が多いと、通電しにくいため、耐久試験中に発熱体中の導電体の粒成長が進行し、抵抗が低くなったと考えられる。また、共材比が36体積%未満の試料No.4は抵抗変化率が−1.0であり大きく低下している。発熱部の体積が105mm3を超えている試料12,13は昇温速度が遅い。一方、本発明の範囲内の試料No.2,3,5〜8,10,11,14〜19は、昇温速度が速く、抵抗変化率も小さく、しかも強度も優れている。
The results are shown in Table 1. From Table 1, it can be seen that the sample No. 1 having a common material ratio exceeding 46% has a problem in strength because breakage occurred during the C-face machining. Sample No. 9 in which the common material ratio exceeds 46% has an average resistance change rate of −3.0, which is greatly reduced. When the common material ratio is large, it is difficult to energize, and it is considered that the grain growth of the conductor in the heating element progressed during the durability test, and the resistance was lowered. Sample No. 4 having a common material ratio of less than 36% by volume has a resistance change rate of −1.0, which is greatly reduced.
11 センサ部
12 固体電解質層
13 検知電極
14 基準電極
15,16,25 セラミック層
17 空洞部
18,19 リード部
21 セラミックヒータ
22 発熱体
22a 導電体
22b 共材
23 リード部
24 セラミック絶縁層
26 発熱部
DESCRIPTION OF
Claims (8)
前記発熱体と該発熱体を被覆する前記セラミック絶縁層とで構成された発熱部の体積が16〜105mm3であり、前記発熱体中の共材比が36〜46体積%であることを特徴とするセラミックヒータ。 A heating element and a lead portion connected to the heating element to supply a current to the heating element is a ceramic heater embedded in a ceramic insulating layer,
The volume of the heat generating part composed of the heat generating element and the ceramic insulating layer covering the heat generating element is 16 to 105 mm 3 , and the common material ratio in the heat generating element is 36 to 46% by volume. Ceramic heater.
A step of mixing a conductor and a common material so that the common material ratio is 36 to 46% by volume to produce a heating element printing paste, and a step of forming a heating element pattern on a green sheet using the printing paste And a step of laminating a green sheet on which a sensor unit having a function of detecting a gas concentration is formed on the green sheet, and a step of firing the obtained green sheet laminate, A method for producing a gas sensor element according to claim 5 or 6.
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