JP2006250925A - Gas sensor and manufacturing method therefor - Google Patents

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a gas sensor of excellent durability by obtaining a gas sensor element capable of restraining blackening from being generated. <P>SOLUTION: A layered body 100 is formed to include the first two unburnt solid electrolytes 103, 107 serving as the first two solid electrolytes 103, 107 after burnt, and the first-fourth unburnt electrodes 102, 104, 106a, 106b, 108 serving as the electrodes 102, 104, 106a, 106b, 108 after burnt, in a layered body forming process. A molding 200 provided with an unburnt dense insulation layer 110 formed by applying paste comprising aluminum as a main component repeatedly a plurality of times, and serving as the dense insulation layer 110 after burnt is formed in an exposed part brought into a temperature condition of 600°C or less when at least the gas sensor element 300 of the layered body 100 is used, and exposed with the first two unburnt solid electrolytes 103, 107, in a molding forming process. The molding 200 is burnt to obtain the gas sensor element 300, in a burning process. <P>COPYRIGHT: (C)2006,JPO&NCIPI

Description

本発明は、ガスセンサ及びその製造方法に関する。   The present invention relates to a gas sensor and a manufacturing method thereof.

特許文献1に従来のガスセンサが開示されている。このガスセンサは、軸方向に延び、先端側が測定対象ガスに晒されることが予定される検出部をもつガスセンサ素子と、ガスセンサ素子の後端側に接続され、検出部の出力信号を取り出すためのリード部材と、主体金具と、外筒と、プロテクタとを備えている。   Patent Document 1 discloses a conventional gas sensor. This gas sensor has a gas sensor element having a detection part that extends in the axial direction and whose tip side is expected to be exposed to the gas to be measured, and a lead that is connected to the rear end side of the gas sensor element and extracts an output signal of the detection part. A member, a metal shell, an outer cylinder, and a protector are provided.

ガスセンサ素子は、矩形の固体電解質体及び電極が積層されて形成された板状のものである。主体金具は、筒状をなして自身の内側にガスセンサ素子を挿通し、少なくとも検出部が先端側に露出するようにガスセンサ素子を保持している。外筒は、主体金具の後端側に接続され、リード部材を内部に収容している。プロテクタは、主体金具の先端側に接続され、ガスセンサ素子の検出部を覆っている。   The gas sensor element is a plate-like element formed by stacking rectangular solid electrolyte bodies and electrodes. The metal shell has a cylindrical shape, and the gas sensor element is inserted into the metal shell, and holds the gas sensor element so that at least the detection portion is exposed to the tip side. The outer cylinder is connected to the rear end side of the metal shell and accommodates the lead member therein. The protector is connected to the front end side of the metal shell and covers the detection part of the gas sensor element.

このガスセンサは、以下のように製造され得る。まず、積層体形成工程として、焼成後に固体電解質体となる未焼成固体電解質体及び焼成後に電極となる未焼成電極を積層し、積層体を形成する。   This gas sensor can be manufactured as follows. First, as a laminated body forming step, an unfired solid electrolyte body that becomes a solid electrolyte body after firing and an unfired electrode that becomes an electrode after firing are laminated to form a laminated body.

次いで、成形体形成工程として、焼成後に絶縁層となる未焼成絶縁層を積層体上に形成して成形体を形成する。この未焼成絶縁層は、積層体の外周面にアルミナ(Al23)を主成分とするペーストを用いて形成される。 Next, as a formed body forming step, an unfired insulating layer that becomes an insulating layer after firing is formed on the laminate to form a formed body. This unsintered insulating layer is formed on the outer peripheral surface of the laminate using a paste mainly composed of alumina (Al 2 O 3 ).

そして、焼成工程として、成形体を焼成し、ガスセンサ素子を得る。そして、このガスセンサ素子とセラミックヒータとを貼り合わせる。なお、このセラミックヒータは、ガスセンサ素子が一般に600°C以上の高温で活性状態となることから、検出部を加熱して検出部の活性化を図るために設けられる。また、主体金具、外筒、プロテクタ等が用意され、これらを組付ける。   And as a baking process, a molded object is baked and a gas sensor element is obtained. And this gas sensor element and a ceramic heater are bonded together. This ceramic heater is provided to heat the detection unit and to activate the detection unit because the gas sensor element is generally activated at a high temperature of 600 ° C. or higher. Moreover, a metal shell, an outer cylinder, a protector, etc. are prepared and assembled.

こうして得られたガスセンサは、例えばエンジンの排気管等の排気系に装着され、排気ガス中における測定対象ガスを検出するために用いられる。   The gas sensor thus obtained is attached to an exhaust system such as an exhaust pipe of an engine, for example, and is used for detecting a measurement target gas in the exhaust gas.

この際、排気ガス中には水滴や油滴等が含まれるため、例えガスセンサ素子の検出部をプロテクタによって覆っていたとしても、その水滴等の一部がガスセンサ素子に付着することがある。また、ガスセンサの装着位置によっては、プロテクタの壁面に凝縮していた凝縮水がガスセンサ素子に付着することもある。これらの場合、ガスセンサ素子は、排気ガスに晒されたり、セラミックヒータにより加熱されたりすることから、水滴等が付着した部分とその周囲との間に大きな温度差を生じ、これに起因する熱衝撃によってクラックが発生する虞があるが、外周面に形成された絶縁層がこのクラックの発生を防止する。   At this time, since the exhaust gas contains water droplets, oil droplets, and the like, even if the detection part of the gas sensor element is covered with the protector, some of the water droplets may adhere to the gas sensor element. Further, depending on the mounting position of the gas sensor, the condensed water condensed on the wall surface of the protector may adhere to the gas sensor element. In these cases, since the gas sensor element is exposed to exhaust gas or heated by a ceramic heater, a large temperature difference is generated between the portion where water droplets or the like are attached and its surroundings, and the thermal shock caused by this difference. May cause cracks, but the insulating layer formed on the outer peripheral surface prevents the cracks from occurring.

特開2003−322632号公報JP 2003-322632 A

近年、特許文献1のようなガスセンサは、ディーゼルエンジンの排気管等にも装着され、排気ガス中の測定対象ガスを検出するために用いられる。このディーゼルエンジンの排気ガス中には、水滴や油滴のほか、煤やカーボン等が多く含まれている。すると、ガスセンサ素子にブラックニング(blackning)が発生し、ガスセンサ素子の割れや出力の異常等が発生する虞があった。   In recent years, a gas sensor such as that disclosed in Patent Document 1 is also mounted on an exhaust pipe of a diesel engine, and is used to detect a measurement target gas in the exhaust gas. The exhaust gas of this diesel engine contains a lot of soot and carbon in addition to water droplets and oil droplets. As a result, blackning occurs in the gas sensor element, and there is a possibility that the gas sensor element may be cracked or output may be abnormal.

すなわち、排気ガス中の煤やカーボン等がガスセンサ素子に付着し、それ自身が導体となる。このとき、特許文献1のようなガスセンサ素子には絶縁層が設けられており、主体金具とガスセンサ素子とは通常は絶縁が図られているものの、積層体に未焼成絶縁層を形成する際、未焼成絶縁層を形成する位置に対してズレが発生し、未焼成固体電解質体が外部に剥き出しとなることがある。また、未焼成絶縁層にピンホール等が発生していると、同様に未焼成固体電解質体が外部に剥き出しとなることがある。すると、ガスセンサ素子の内部に位置された電極と主体金具とが固体電解質体及び煤やカーボンにより導通してしまい、ガスセンサ素子が電位を有していることから、その両者に電流が流れる。すると、固体電解質体中のジルコニアがジルコニウムに還元されるブラックニング(黒色化)が発生するのである。こうしてブラックニングが発生したガスセンサ素子は、脆くなって割れを生じやすく、特性の変化によってガスセンサの出力に異常が生じるのである。   That is, soot or carbon in the exhaust gas adheres to the gas sensor element and itself becomes a conductor. At this time, an insulating layer is provided in the gas sensor element as in Patent Document 1, and the metal shell and the gas sensor element are normally insulated, but when forming an unfired insulating layer in the laminate, Deviation may occur with respect to the position where the unsintered insulating layer is formed, and the unsintered solid electrolyte body may be exposed to the outside. In addition, when pinholes or the like are generated in the unsintered insulating layer, the unsintered solid electrolyte body may be exposed to the outside. Then, the electrode located inside the gas sensor element and the metal shell are electrically connected to each other by the solid electrolyte body, the bag, and the carbon, and since the gas sensor element has a potential, a current flows through both of them. Then, blackening (blackening) occurs in which zirconia in the solid electrolyte body is reduced to zirconium. The gas sensor element in which blackening has occurred in this way becomes brittle and easily cracks, and an abnormality occurs in the output of the gas sensor due to a change in characteristics.

本発明は、上記従来の実情に鑑みてなされたものであって、ブラックニングの発生を抑えたガスセンサ素子を得、優れた耐久性を有するガスセンサ及びその製造方法を提供することを解決すべき課題としている。   The present invention has been made in view of the above-described conventional situation, and obtains a gas sensor element that suppresses the occurrence of blackening, and provides a gas sensor having excellent durability and a method for manufacturing the same. It is said.

本発明のガスセンサの製造方法は、固体電解質体及び電極が積層された板状のガスセンサ素子と、   The gas sensor manufacturing method of the present invention includes a plate-like gas sensor element in which a solid electrolyte body and an electrode are laminated,

該ガスセンサ素子の周囲を取り囲むケーシングと、を有するガスセンサの製造方法において、   A gas sensor manufacturing method comprising: a casing surrounding the periphery of the gas sensor element;

焼成後に前記固体電解質体となる未焼成固体電解質体及び焼成後に前記電極となる未焼成電極を含む積層体を形成する積層体形成工程と、   A laminate forming step of forming a laminate including an unsintered solid electrolyte body to be the solid electrolyte body after firing and an unsintered electrode to be the electrode after firing;

該積層体の少なくとも前記ガスセンサ素子の使用時に600°C未満の温度状態となり、且つ該未焼成固体電解質体が露出する露出部に、アルミナを主成分とするペーストを複数回繰り返して塗布して形成され、焼成後に緻密絶縁層となる未焼成緻密絶縁層を備える成形体を形成する成形体形成工程と、   Formed by repeatedly applying a paste containing alumina as a main component a plurality of times to an exposed portion where the temperature of the laminate is less than 600 ° C. when the gas sensor element is used and the unsintered solid electrolyte body is exposed. A molded body forming step of forming a molded body having an unfired dense insulating layer that becomes a dense insulating layer after firing,

該成形体を焼成して該ガスセンサ素子を得る焼成工程とを備えたことを特徴とする。   And a firing step of firing the molded body to obtain the gas sensor element.

本発明の製造方法は、積層体形成工程と成形体形成工程と焼成工程とを備えている。   The manufacturing method of this invention is equipped with the laminated body formation process, the molded object formation process, and the baking process.

積層体形成工程では、焼成後に固体電解質体となる未焼成固体電解質体及び焼成後に電極となる未焼成電極を含む積層体を形成する。なお、未焼成固体電解質体にはジルコニアが主成分として含有されている。なお、本明細書において、「主成分」とはその成分の含有量が最も多いことをいう。   In the laminated body forming step, a laminated body including an unfired solid electrolyte body that becomes a solid electrolyte body after firing and an unfired electrode that becomes an electrode after firing is formed. The unsintered solid electrolyte body contains zirconia as a main component. In the present specification, the “main component” means that the content of the component is the largest.

成形体形成工程では、積層体の少なくとも未焼成固体電解質体が露出する露出部に、焼成後に緻密絶縁層となるアルミナを主成分とする未焼成緻密絶縁層を備える成形体を形成する。特に、未焼成緻密絶縁層は、アルミナを主成分とするペーストを複数回繰り返して塗布する。これにより、積層体に未焼成緻密絶縁層を形成する際、本来未焼成緻密絶縁層が形成される位置に対してズレが発生したとしても、複数回塗布されることで、未焼成固体電解質体が外部に剥き出しとなることを抑制できる。また、複数回塗布されることで、前に形成された未焼成緻密絶縁層にピンホール等が発生しても、後に形成される未焼成緻密絶縁層がそのピンホールを埋めて未焼成固体電解質体が外部に剥き出しとなることを抑制できる。   In the molded body forming step, a molded body including an unfired dense insulating layer mainly composed of alumina that becomes a dense insulating layer after firing is formed on at least an exposed portion of the laminated body where the unfired solid electrolyte body is exposed. In particular, the unfired dense insulating layer is repeatedly applied with a paste mainly composed of alumina a plurality of times. As a result, when the green dense insulating layer is formed on the laminate, even if a deviation occurs from the position where the green dense insulating layer is originally formed, the green solid electrolyte body is applied multiple times. Can be prevented from being exposed to the outside. Moreover, even if pinholes or the like are generated in the previously formed unfired dense insulating layer by being applied multiple times, the unfired dense insulating layer that is formed later fills the pinholes and unfired solid electrolyte The body can be prevented from being exposed to the outside.

発明者らの試験結果によれば、ガスセンサ素子の表面に煤やカーボンが蓄積されるのは、ガスセンサ素子の使用時に煤が燃焼され難い600°C未満の温度状態となる部位である。つまり、ガスセンサ素子は排気ガスやセラミックヒータにより加熱されているが、600°C未満の温度状態となる部位では、煤やカーボンが燃焼されず、蓄積すると考えられる。   According to the test results of the inventors, soot and carbon are accumulated on the surface of the gas sensor element in a part where the soot is hardly combusted during use of the gas sensor element and is in a temperature state of less than 600 ° C. In other words, the gas sensor element is heated by the exhaust gas or the ceramic heater, but it is considered that soot and carbon are not burned and accumulated in a portion where the temperature is less than 600 ° C.

煤が600°C未満で燃焼され難いことは特開2003−80031号公報、特開2003−166412号公報、特開2003−106205号公報、特開2003−35129号公報、特開2004−293416号公報、特開2004−162611号公報等でも公知のことである。そして、ガスセンサにおいては、ガスセンサ素子のその部位が主体金具やプロテクタ等のケーシングと最も近接する。そこで、本発明の製造方法では、少なくともガスセンサ素子の使用時に600°C未満の温度状態となる積層体の露出部に、未焼成緻密絶縁層を形成する。これにより、少なくともガスセンサ素子の煤やカーボンが燃焼せずに蓄積される部位にのみ未焼成緻密絶縁層が形成され、未焼成固体電解質体が外部に剥き出しとなることを抑制できる。   It is difficult for soot to be burned at less than 600 ° C as disclosed in JP2003-80031, JP20031666412, JP2003-106205, JP2003-35129, and JP2004-293416. This is also known in Japanese Patent Laid-Open No. 2004-162611. In the gas sensor, the portion of the gas sensor element is closest to a casing such as a metal shell or a protector. Therefore, in the manufacturing method of the present invention, an unfired dense insulating layer is formed at least on the exposed portion of the laminate that is in a temperature state of less than 600 ° C. when the gas sensor element is used. Thereby, an unfired dense insulating layer is formed only at a portion where the soot and carbon of the gas sensor element are accumulated without burning, and the unfired solid electrolyte body can be suppressed from being exposed to the outside.

なお、本発明に係る未焼成緻密絶縁層は、ガスセンサ素子の測定対象ガスに晒されることが予定される先端側にも形成することができる。つまり、未焼成緻密絶縁層は、積層体全体に形成されていてもよい。この場合、ブラックニングだけでなく、被水によるガスセンサ素子のクラックの発生も防止することができる。   Note that the unfired dense insulating layer according to the present invention can also be formed on the tip side where the gas sensor element is expected to be exposed to the measurement target gas. That is, the unfired dense insulating layer may be formed on the entire laminate. In this case, it is possible to prevent not only blackening but also generation of cracks in the gas sensor element due to moisture.

そして、焼成工程では、成形体を焼成してガスセンサ素子を得る。   And in a baking process, a molded object is baked and a gas sensor element is obtained.

こうして得られたガスセンサ素子は、ガスセンサ素子の周囲を取り囲むケーシングに取り付けられ、ガスセンサの一部として、エンジンの排気系に装着され、測定対象ガス中における特定ガスを検出するために用いられる。この際、ガスセンサ素子は、使用時に600°C未満の温度状態とされる部分に煤やカーボンが蓄積しても、ガスセンサ素子の内部に配置された電極とケーシングとが導通することを抑制できる。このため、ガスセンサ素子にブラックニングが生じ難い。   The gas sensor element thus obtained is attached to a casing that surrounds the gas sensor element, is attached to the exhaust system of the engine as a part of the gas sensor, and is used to detect a specific gas in the measurement target gas. In this case, the gas sensor element can suppress conduction between the electrode disposed inside the gas sensor element and the casing even if soot or carbon accumulates in a portion where the temperature is lower than 600 ° C. during use. For this reason, blackening hardly occurs in the gas sensor element.

したがって、本発明の製造方法によれば、ブラックニングの発生を抑えたガスセンサ素子を製造することができる。こうして得られるガスセンサ素子は、ブラックニングが発生し難いことから、優れた耐久性を発揮するガスセンサを得ることができる。   Therefore, according to the manufacturing method of the present invention, it is possible to manufacture a gas sensor element that suppresses the occurrence of blackening. Since the gas sensor element thus obtained does not easily generate blackening, a gas sensor exhibiting excellent durability can be obtained.

成形体形成工程の未焼成緻密絶縁層の形成方法としては、スクリーン印刷、浸漬(ディップ)、刷毛塗り、転写、グリーンシートの貼付等を採用することができる。   As a method for forming the unfired dense insulating layer in the molded body forming step, screen printing, dipping (dip), brush coating, transfer, green sheet sticking, and the like can be employed.

未焼成緻密絶縁層はアルミナを主成分とする。具体的には、アセトン、トルエン等の溶剤と、ポリビニルブチラール、CMC等のバインダとを混合したものとすることができる。溶剤及びバインダは1種のみでも良いし、2種以上を併用しても良い。   The unfired dense insulating layer is mainly composed of alumina. Specifically, a solvent such as acetone or toluene and a binder such as polyvinyl butyral or CMC can be mixed. Only one type of solvent and binder may be used, or two or more types may be used in combination.

さらに、本発明の製造方法は、成形体形成工程ではスクリーン印刷を行うことにより緻密絶縁層を形成する場合に顕著な効果を発揮する。未焼成緻密絶縁層をスクリーン印刷にて形成することでその形成が容易になる。この際、スクリーン印刷には網材が用いられるが、この網材を構成する線材の交点が未焼成緻密絶縁層にピンホールを生じさせやすい。そこで、このスクリーン印刷において、未焼成緻密絶縁層の形成を複数回行なえば、各回での線材の交点が重なり難く、ピンホールが生じ難いので、外部に未焼成固体電解質体が剥き出しとなることを抑制でき、ブラックニングの発生を抑制できる。   Furthermore, the production method of the present invention exhibits a remarkable effect when a dense insulating layer is formed by screen printing in the formed body forming step. Formation of the unfired dense insulating layer is facilitated by screen printing. At this time, a net is used for screen printing, but the intersection of the wires constituting the net tends to cause pinholes in the unfired dense insulating layer. Therefore, in this screen printing, if the unfired dense insulating layer is formed a plurality of times, the intersections of the wires at each time are difficult to overlap and pinholes are unlikely to occur, so that the unfired solid electrolyte body is exposed to the outside. It can suppress and generation | occurrence | production of blackening can be suppressed.

また、本発明の製造方法では、未焼成緻密絶縁層は厚みが2μm以上であることが好ましい。厚みが2μm未満では固体電解質体とケーシングとの通電を防止することができ難く、本発明の効果を奏し難い。なお、厚みが2μm以上の緻密絶縁層は十分な絶縁抵抗を発揮する。実用的には、未焼成緻密絶縁層の厚みを30μm程度までにはすることが可能である。   In the production method of the present invention, the unfired dense insulating layer preferably has a thickness of 2 μm or more. If the thickness is less than 2 μm, it is difficult to prevent current flow between the solid electrolyte body and the casing, and it is difficult to achieve the effects of the present invention. A dense insulating layer having a thickness of 2 μm or more exhibits a sufficient insulation resistance. Practically, the thickness of the unfired dense insulating layer can be reduced to about 30 μm.

成形体形成工程は、未焼成緻密絶縁層のうち初回に形成される第1未焼成緻密絶縁層の厚みを2μm以上とすることが好ましい。ピンホールやズレが重ならないことを条件とすれば、初回の厚みが2μm以上あれば、初回に生じたピンホール等を次回の塗布によってその厚みまで埋めることができるため、例え2回の塗布であっても、合計で最低2μmの厚みの未焼成緻密絶縁層が得られ、上記によって本発明の効果が得られるからである。   In the molded body forming step, it is preferable that the thickness of the first unfired dense insulating layer formed for the first time among the unfired dense insulating layers is 2 μm or more. If pinholes and misalignment do not overlap, if the initial thickness is 2 μm or more, the pinhole that occurred first time can be filled up to that thickness by the next application. This is because an unfired dense insulating layer having a total thickness of at least 2 μm can be obtained, and the effects of the present invention can be obtained as described above.

また、本発明のガスセンサは、固体電解質体及び電極が積層された板状のガスセンサ素子と、   The gas sensor of the present invention includes a plate-like gas sensor element in which a solid electrolyte body and an electrode are laminated,

該ガスセンサ素子の周囲を取り囲むケーシングと、を有するガスセンサにおいて、   A gas sensor having a casing surrounding the gas sensor element;

前記ガスセンサ素子は、素子本体と、該素子本体の積層方向に延びるとともに前記ケーシングの内周面に対して間隙を介して向かい合う両側面であって、且つ少なくとも該ガスセンサ素子の使用時に600°C未満の温度状態となる該両側面上に設けられ、該素子本体と一体焼成されるとともに自身の表面から該素子本体の該両側面が視認できないアルミナを主成分とする緻密絶縁層とを有することを特徴とする。   The gas sensor element is an element main body and both side surfaces extending in the stacking direction of the element main body and facing the inner peripheral surface of the casing via a gap, and at least less than 600 ° C. when the gas sensor element is used. And a dense insulating layer mainly composed of alumina, which is provided on both side surfaces which are in a temperature state, and is integrally fired with the element main body and the both side surfaces of the element main body cannot be visually recognized from its own surface. Features.

本発明のガスセンサは、素子本体のうち、積層方向に延びるとともにケーシングの内周面に対して間隙を介して向かい合う両側面上に、素子本体と一体焼成されるとともに自身の表面から素子本体の両側面が視認できないアルミナを主成分とする緻密絶縁層が設けられている。これにより、緻密絶縁層上に煤やカーボンが蓄積しても、ガスセンサ素子の内部に配置された電極とケーシングとが導通することを抑制できる。このため、ガスセンサ素子にブラックニングが生じ難く、優れた耐久性を発揮するガスセンサを得ることができる。   The gas sensor of the present invention is integrally fired with the element body on both side surfaces of the element body that extend in the stacking direction and face the inner peripheral surface of the casing via a gap, and from both surfaces of the element body. A dense insulating layer whose main component is alumina whose surface is not visible is provided. Thereby, even if soot or carbon accumulates on the dense insulating layer, it is possible to suppress conduction between the electrode disposed inside the gas sensor element and the casing. For this reason, it is difficult to cause blackening in the gas sensor element, and a gas sensor that exhibits excellent durability can be obtained.

さらに、この緻密絶縁層は、アルミナを主成分とし、素子本体と一体焼成されているので、緻密絶縁層が素子本体に強固に固着している。   Further, since the dense insulating layer is mainly composed of alumina and is integrally fired with the element body, the dense insulating layer is firmly fixed to the element body.

特に、発明者らの試験結果によれば、ガスセンサ素子の表面に煤やカーボンが蓄積されるのは、ガスセンサ素子の使用時に煤が燃焼され難い600°C未満の温度状態となる部位である。つまり、ガスセンサ素子は排気ガスやセラミックヒータにより加熱されているが、600°C未満の温度状態となる部位では、煤やカーボンが燃焼されず、蓄積すると考えられる。   In particular, according to the test results of the inventors, soot and carbon are accumulated on the surface of the gas sensor element in a region where the soot is not easily burned when the gas sensor element is used and the temperature is less than 600 ° C. In other words, the gas sensor element is heated by the exhaust gas or the ceramic heater, but it is considered that soot and carbon are not burned and accumulated in a portion where the temperature is less than 600 ° C.

煤が600°C未満で燃焼され難いことは特開2003−80031号公報、特開2003−166412号公報、特開2003−106205号公報、特開2003−35129号公報、特開2004−293416号公報、特開2004−162611号公報等でも公知のことである。そして、ガスセンサにおいては、ガスセンサ素子のその部位が主体金具やプロテクタ等のケーシングと最も近接する。そこで、本発明のガスセンサでは、少なくともガスセンサ素子の使用時に600°C未満の温度状態となる素子本体の両側面に緻密絶縁層を形成している。   It is difficult for soot to be burned at less than 600 ° C as disclosed in JP2003-80031, JP20031666412, JP2003-106205, JP2003-35129, and JP2004-293416. This is also known in Japanese Patent Laid-Open No. 2004-162611. In the gas sensor, the portion of the gas sensor element is closest to a casing such as a metal shell or a protector. Therefore, in the gas sensor of the present invention, dense insulating layers are formed on both side surfaces of the element body that is at a temperature lower than 600 ° C. at least when the gas sensor element is used.

なお、自身の表面から素子本体の表面が視認できない緻密絶縁層は、ガスセンサ素子をSEM写真にて撮影し、そのSEM写真にて素子本体に向かう貫通孔が形成されているかどうかで判断することができる。さらには、ケーシングと緻密絶縁層表面との抵抗が20kΩとなるように緻密絶縁層表面にカーボンを付着させ、ガスセンサをリッチ雰囲気でガスセンサ素子温が780°Cとなるように加熱したとき、電極とケーシングとの抵抗が500kΩ以上となることで判断しても良い。   In addition, the dense insulating layer in which the surface of the element body cannot be visually recognized from its own surface can be determined by taking a gas sensor element with an SEM photograph and determining whether or not a through-hole toward the element body is formed in the SEM photograph. it can. Further, when carbon is attached to the surface of the dense insulating layer so that the resistance between the casing and the surface of the dense insulating layer is 20 kΩ, and the gas sensor is heated in a rich atmosphere so that the gas sensor element temperature is 780 ° C., You may judge by resistance with a casing becoming 500 kohm or more.

なお、本発明に係る緻密絶縁層は、ガスセンサ素子の測定対象ガスに晒されることが予定される先端側にも形成することができる。つまり、緻密絶縁層は、ガスセンサ素子全体に形成されていてもよい。この場合、ブラックニングだけでなく、被水によるガスセンサ素子のクラックの発生も防止することができる。   It should be noted that the dense insulating layer according to the present invention can also be formed on the tip side where the gas sensor element is expected to be exposed to the measurement target gas. That is, the dense insulating layer may be formed on the entire gas sensor element. In this case, it is possible to prevent not only blackening but also generation of cracks in the gas sensor element due to moisture.

また、本発明のガスセンサでは、緻密絶縁層は厚みが2μm以上であることが好ましい。厚みが2μm未満では固体電解質体とケーシングとの通電を防止することができにくく、本発明の効果を奏し難い。なお、厚みが2μm以上の緻密絶縁層は十分な絶縁抵抗を発揮する。実用的には、緻密絶縁層の厚みを30μm程度までにはすることが可能である。   In the gas sensor of the present invention, the dense insulating layer preferably has a thickness of 2 μm or more. If the thickness is less than 2 μm, it is difficult to prevent the solid electrolyte body and the casing from being energized, and it is difficult to achieve the effects of the present invention. A dense insulating layer having a thickness of 2 μm or more exhibits a sufficient insulation resistance. Practically, it is possible to reduce the thickness of the dense insulating layer to about 30 μm.

以下、本発明を具体化した実施例1、2を比較例1、2と比較しつつ説明する。実施例1、2及び比較例1、2のガスセンサは酸素センサである。     Hereinafter, Examples 1 and 2 embodying the present invention will be described in comparison with Comparative Examples 1 and 2. The gas sensors of Examples 1 and 2 and Comparative Examples 1 and 2 are oxygen sensors.

まず、積層体形成工程として、図1に構造を示す積層体100を成形した。この際、成形型内には、下方から順に第1未焼成保護層150、未焼成基体101、第1未焼成電極102、第1外部電極301、第1未焼成固体電解質体103、第2未焼成電極104、未焼成絶縁層105、第2、3外部端子302、303、第3未焼成電極106a、106b、第2未焼成固体電解質体107、第4未焼成電極108及び第2未焼成保護層109が設けられる。   First, as a laminate forming process, a laminate 100 having a structure shown in FIG. 1 was formed. At this time, the first unfired protective layer 150, the unfired substrate 101, the first unfired electrode 102, the first external electrode 301, the first unfired solid electrolyte body 103, and the second unfired layer are disposed in the mold in order from the bottom. Sintered electrode 104, unsintered insulating layer 105, second and third external terminals 302 and 303, third unsintered electrodes 106a and 106b, second unsintered solid electrolyte body 107, fourth unsintered electrode 108 and second unsintered protection Layer 109 is provided.

第1未焼成保護層150は、アルミナ粉末とシリカ粉末との混合粉末97質量%(内訳は、アルミナ粉末99.7質量%、シリカ粉末0.3質量%)と、焼結調整剤(SiO2−MgO−CaO系フラックス)3質量%とを湿式混合により分散したスラリーからなる。ドクターブレード装置を使用したシート成形法により、このスラリーを厚さ0.4mmのシート状物に成形し、第1未焼成保護層150を得た。そして、この第1未焼成保護層150を140mm×140mmにし、成形型内に設けた。 The first unsintered protective layer 150 is composed of 97% by mass of a mixed powder of alumina powder and silica powder (the breakdown is 99.7% by mass of alumina powder and 0.3% by mass of silica powder) and a sintering regulator (SiO 2 -MgO-CaO-based flux) 3% by mass of the slurry dispersed by wet mixing. This slurry was formed into a sheet-like material having a thickness of 0.4 mm by a sheet forming method using a doctor blade device, and a first unfired protective layer 150 was obtained. And this 1st unbaking protective layer 150 was 140 mm x 140 mm, and it provided in the shaping | molding die.

未焼成基体101は原料粉末と可塑剤とを湿式混合により分散したスラリーからなる。原料粉末は、ジルコニア粉末97質量%と、焼結調整剤としてシリカ(SiO2)粉末及びアルミナ粉末合計3質量%とからなる。可塑剤は、この原料粉末100質量部に対して加えたブチラール樹脂11質量部、ジブチルフタレート(DBP)6質量部からなる。第1未焼成保護層150と同様の大きさで、未焼成基体101を成形型内に設けた。 The unfired substrate 101 is made of a slurry in which raw material powder and a plasticizer are dispersed by wet mixing. The raw material powder is composed of 97% by mass of zirconia powder and a total of 3% by mass of silica (SiO 2 ) powder and alumina powder as a sintering regulator. The plasticizer consists of 11 parts by weight of butyral resin and 6 parts by weight of dibutyl phthalate (DBP) added to 100 parts by weight of the raw material powder. An unfired substrate 101 having the same size as the first unfired protective layer 150 was provided in the mold.

第1未焼成電極102は白金90質量%及びジルコニア粉末10質量%の白金ペーストからなる。この白金ペーストを用いたスクリーン印刷法により、第1未焼成電極102を成形した。この第1未焼成電極102は、先端側に形成された電極部102aと、この電極部102aと一体をなして軸方向後方に延びるリード部102bと、リード部102bと一体をなして軸方向後端側に形成された接続部102cとからなる。   The first unsintered electrode 102 is made of platinum paste of 90% by mass of platinum and 10% by mass of zirconia powder. The first green electrode 102 was formed by screen printing using this platinum paste. The first unsintered electrode 102 includes an electrode portion 102a formed on the front end side, a lead portion 102b that is integral with the electrode portion 102a and extends rearward in the axial direction, and an axial rear portion that is integral with the lead portion 102b. It consists of the connection part 102c formed in the end side.

第1未焼成固体電解質体103は未焼成基体101と同様のスラリーからなる。第1未焼成保護層150及び未焼成基体101と同様の大きさで、第1未焼成固体電解質体103を成形型内に設けた。   The first unsintered solid electrolyte body 103 is made of the same slurry as the unsintered substrate 101. The first green solid electrolyte body 103 having the same size as the first green protective layer 150 and the green substrate 101 was provided in the mold.

第2未焼成電極104は第1未焼成電極102と同様の材料である。この第2未焼成電極104は、先端側に形成された電極部104aと、この電極部104aと一体をなして軸方向後方に延びるリード部104bと、リード部104bと一体をなして軸方向後端側に形成された接続部104cとからなる。   The second green electrode 104 is the same material as the first green electrode 102. The second unsintered electrode 104 includes an electrode portion 104a formed on the front end side, a lead portion 104b that is integral with the electrode portion 104a and extends rearward in the axial direction, and an axially rear portion that is integral with the lead portion 104b. It consists of the connection part 104c formed in the end side.

未焼成絶縁層105は未焼成本体105aと未焼成拡散体105bとからなる。未焼成本体105aは第1未焼成保護層150と同様のスラリーからなる。そして、未焼成本体105aには、第1、2未焼成電極102、104の電極部102a、104aと高さ方向で同一の位置にガス検出室105cを形成する。このガス検出室105cが未焼成拡散体105bを介して幅方向両側で外部に連通するようにする。未焼成拡散体105bはアルミナ粉末100質量%を湿式混合により分散したスラリーからなる。   The unsintered insulating layer 105 includes an unsintered main body 105a and an unsintered diffuser 105b. The unfired main body 105 a is made of the same slurry as the first unfired protective layer 150. In the unfired main body 105a, a gas detection chamber 105c is formed at the same position in the height direction as the electrode portions 102a and 104a of the first and second unfired electrodes 102 and 104. The gas detection chamber 105c communicates with the outside on both sides in the width direction through the unsintered diffuser 105b. The unsintered diffuser 105b is made of a slurry in which 100% by mass of alumina powder is dispersed by wet mixing.

第3未焼成電極106a、106bは第1、2未焼成電極102、104と同様の材料である。第3未焼成電極106aは、先端側に形成された電極部106cと、この電極部106cと一体をなして軸方向後方に延びるリード部106dと、リード部106dと一体をなして軸方向後端側に形成された接続部106eとからなる。第3未焼成電極106bは第3未焼成電極106aの接続部106eと幅方向で平行に形成されている。   The third green electrodes 106a and 106b are made of the same material as the first and second green electrodes 102 and 104. The third unsintered electrode 106a includes an electrode portion 106c formed on the front end side, a lead portion 106d that is integral with the electrode portion 106c and extends rearward in the axial direction, and an axial rear end that is integral with the lead portion 106d. And a connecting portion 106e formed on the side. The third green electrode 106b is formed in parallel with the connecting portion 106e of the third green electrode 106a in the width direction.

第2未焼成固体電解質体107は第1未焼成固体電解質体103と同様の材料である。第2未焼成固体電解質体107の後端側には挿通孔107aが厚さ方向に貫設されている。第1未焼成保護層150、未焼成基体101、第1未焼成固体電解質体103及び未焼成絶縁層105と同様の大きさで、第2未焼成固体電解質体107を成形型内に設けた。   The second green solid electrolyte body 107 is the same material as the first green solid electrolyte body 103. An insertion hole 107 a is provided in the thickness direction on the rear end side of the second unsintered solid electrolyte body 107. A second unfired solid electrolyte body 107 having the same size as the first unfired protective layer 150, unfired substrate 101, first unfired solid electrolyte body 103, and unfired insulating layer 105 was provided in the mold.

第4未焼成電極108は第1〜3未焼成電極102、104、106と同様の材料である。第4未焼成電極108は、先端側に形成された電極部108aと、この電極部108aと一体をなして軸方向後方に延びるリード部108bと、リード部108bと一体をなして軸方向後端側に形成された接続部108cとからなる。   The fourth green electrode 108 is the same material as the first to third green electrodes 102, 104, 106. The fourth unsintered electrode 108 includes an electrode portion 108a formed on the front end side, a lead portion 108b that is integral with the electrode portion 108a and extends rearward in the axial direction, and an axial rear end that is integral with the lead portion 108b. And a connecting portion 108c formed on the side.

第2未焼成保護層109は未焼成本体109aと未焼成多孔体109bとからなる。未焼成本体109aは、第1未焼成保護層150及び未焼成絶縁層105の未焼成本体105aと同様のスラリーからなる。第2未焼成保護層109を成形型内に設けた。未焼成本体109aの先端には、検出部としてのガス検出室105c、未焼成電極106、108の電極部106c、108aと高さ方向で同一の位置に未焼成多孔体109bが設けられる。未焼成多孔体109bはアルミナ粉末83質量%と、焼結調整剤としてのシリカ3質量%と、白金粉末14質量%を湿式混合により分散したスラリーからなる。これにより、第1未焼成保護層150、未焼成基体101、第1未焼成固体電解質体103、未焼成絶縁層105及び第2未焼成固体電解質体107と同様の大きさとされる。   The second unsintered protective layer 109 includes an unsintered body 109a and an unsintered porous body 109b. The unfired main body 109 a is made of the same slurry as the unfired main body 105 a of the first unfired protective layer 150 and the unfired insulating layer 105. A second unfired protective layer 109 was provided in the mold. An unfired porous body 109b is provided at the tip of the unfired main body 109a at the same position in the height direction as the gas detection chamber 105c serving as a detection portion and the electrode portions 106c and 108a of the unfired electrodes 106 and 108. The unsintered porous body 109b is made of a slurry in which 83% by mass of alumina powder, 3% by mass of silica as a sintering regulator, and 14% by mass of platinum powder are dispersed by wet mixing. As a result, the same size as that of the first unfired protective layer 150, the unfired substrate 101, the first unfired solid electrolyte body 103, the unfired insulating layer 105, and the second unfired solid electrolyte body 107 is obtained.

そして、これらを150MPaで加圧して圧着後、図1に示す大きさで切断し、1成形型から8個の積層体100を得た。   And these were pressurized by 150 MPa, and after crimping | bonding, it cut | disconnected by the magnitude | size shown in FIG. 1, and obtained the 8 laminated bodies 100 from 1 shaping | molding die.

次いで、成形体形成工程を行なった。すなわち、アルミナ粉末とシリカ粉末との混合粉末97質量%(内訳は、アルミナ粉末99.7質量%、シリカ粉末0.3質量%)と、焼結調整剤(SiO2−MgO−CaO系フラックス)3質量%とを湿式混合により分散したペーストを用意し、積層体100にこのペーストを用いて2回のスクリーン印刷を行い、図2に示すように、未焼成緻密絶縁層110を形成した。 Next, a molded body forming step was performed. That is, 97% by mass of mixed powder of alumina powder and silica powder (the breakdown is 99.7% by mass of alumina powder and 0.3% by mass of silica powder) and a sintering regulator (SiO 2 —MgO—CaO based flux) A paste in which 3% by mass was dispersed by wet mixing was prepared, and this paste was used to screen-print twice on the laminate 100 to form an unfired dense insulating layer 110 as shown in FIG.

まず、1回目のスクリーン印刷は、未焼成拡散体105bをマスキングで覆い、図3に示すように、積層体100の側面全体に厚さ10〜20μmの第1未焼成緻密絶縁層111を形成した。   First, in the first screen printing, the unsintered diffuser 105b was covered with masking, and as shown in FIG. 3, the first unsintered dense insulating layer 111 having a thickness of 10 to 20 μm was formed on the entire side surface of the laminate 100. .

さらに、2回目のスクリーン印刷は、先端から8mmまでをマスキングで覆い、より後方側の側面の部分に厚さ10〜20μmの第2未焼成緻密絶縁層112を形成した。先端から8mmより後方側に第2未焼成緻密絶縁層112を形成したのは、後述するガスセンサ素子300の使用時に600°C未満の温度状態となる部位が含まれるからである。こうして、図2に示すように、積層体100上に未焼成緻密絶縁層110を形成し、成形体200とした。   Furthermore, in the second screen printing, 8 mm from the tip was covered with masking, and a second unfired dense insulating layer 112 having a thickness of 10 to 20 μm was formed on the side portion on the rear side. The reason why the second unfired dense insulating layer 112 is formed on the rear side from 8 mm from the tip is that it includes a portion that is in a temperature state of less than 600 ° C. when the gas sensor element 300 described later is used. In this way, as shown in FIG. 2, an unfired dense insulating layer 110 was formed on the laminated body 100 to obtain a molded body 200.

そして、焼成工程として、成形体200を1350〜1550°Cで焼成する。こうして、図3に示すように、排気ガス中の酸素濃度を検出するガスセンサ素子300を得る。なお、焼成後のガスセンサ素子300に形成された第2緻密絶縁層112は、収縮して先端から6.5mmまでの部分に形成されている。   And as a baking process, the molded object 200 is baked at 1350-1550 degreeC. Thus, as shown in FIG. 3, a gas sensor element 300 for detecting the oxygen concentration in the exhaust gas is obtained. Note that the second dense insulating layer 112 formed in the fired gas sensor element 300 is formed in a portion from the tip to 6.5 mm by shrinking.

焼成工程により、図1に示す第1未焼成保護層150は第1保護層150となる。未焼成基体101はガスセンサ素子300の強度を保つための基体101となる。未焼成電極102は、電極部102aとリード部102bと接続部102cとからなる基準電極102となる。基準電極102の接続部102cは第1外部端子301に接続される。第1未焼成固体電解質体103は第1固体電解質体103となる。第2未焼成電極104は、電極部104aとリード部104bと接続部104cとからなる測定電極104となる。未焼成絶縁層105の未焼成本体105aは絶縁層105aとなり、未焼成絶縁層105の未焼成拡散体105bは多孔質の拡散律速体105bとなる。絶縁層105aのガス検出室105cは絶縁層105の幅方向両側で拡散律速体105bを介して外部と連通している。拡散律速体105bは外部とガス検出室105cとの間のガス拡散を所定の律速条件下で実現する。第3未焼成電極106aは、電極部106cとリード部106dと接続部106eとからなるポンピング電極106aとなる。ポンピング電極106aの接続部106eは第2外部端子302と接続される。第3未焼成電極106bは信号取り出し用端子106bとなる。信号取り出し用端子106bは第3外部端子303と接続される。第2未焼成固体電解質体107は第2固体電解質体107となる。第4未焼成電極108は、電極部108aとリード部108bと接続部108cとからなるポンピング電極108となる。ポンピング電極108の接続部108cは、第2固体電解質体107の挿通孔107aを介して、信号取り出し用端子106bと接続される。第2未焼成保護層109の未焼成本体109aは第2固体電解質体107を保護するための絶縁保護層109aとなり、第2未焼成保護層109の未焼成多孔体109bはポンピング電極108を被毒から防御するための多孔質の電極保護層109bとなる。また、図2に示す未焼成緻密絶縁層110は緻密絶縁層110となる。   The first unsintered protective layer 150 shown in FIG. 1 becomes the first protective layer 150 by the firing process. The unfired substrate 101 becomes the substrate 101 for maintaining the strength of the gas sensor element 300. The unsintered electrode 102 becomes the reference electrode 102 including the electrode portion 102a, the lead portion 102b, and the connection portion 102c. The connection part 102 c of the reference electrode 102 is connected to the first external terminal 301. The first unsintered solid electrolyte body 103 becomes the first solid electrolyte body 103. The second unsintered electrode 104 becomes the measurement electrode 104 including the electrode part 104a, the lead part 104b, and the connection part 104c. The unsintered body 105a of the unsintered insulating layer 105 becomes the insulating layer 105a, and the unsintered diffuser 105b of the unsintered insulating layer 105 becomes the porous diffusion rate limiting body 105b. The gas detection chamber 105c of the insulating layer 105a communicates with the outside through the diffusion rate limiting body 105b on both sides of the insulating layer 105 in the width direction. The diffusion rate limiting body 105b realizes gas diffusion between the outside and the gas detection chamber 105c under a predetermined rate limiting condition. The third unsintered electrode 106a becomes a pumping electrode 106a including an electrode portion 106c, a lead portion 106d, and a connecting portion 106e. The connection part 106 e of the pumping electrode 106 a is connected to the second external terminal 302. The third unsintered electrode 106b becomes a signal extraction terminal 106b. The signal extraction terminal 106 b is connected to the third external terminal 303. The second unsintered solid electrolyte body 107 becomes the second solid electrolyte body 107. The fourth unsintered electrode 108 becomes a pumping electrode 108 including an electrode portion 108a, a lead portion 108b, and a connection portion 108c. The connecting portion 108 c of the pumping electrode 108 is connected to the signal extraction terminal 106 b through the insertion hole 107 a of the second solid electrolyte body 107. The green body 109a of the second green protective layer 109 becomes an insulating protective layer 109a for protecting the second solid electrolyte body 107, and the green porous body 109b of the second green protective layer 109 poisons the pumping electrode 108. It becomes the porous electrode protective layer 109b for protecting from. Further, the green dense insulating layer 110 shown in FIG. 2 becomes the dense insulating layer 110.

また、主体金具3、外筒8、プロテクタ4等が用意され、これらを組付ける。こうして、図4に示すガスセンサが得られる。このガスセンサは、ガスセンサ素子300、ガスセンサ素子300に積層されるセラミックヒータ2、ガスセンサ素子300等を内部に保持する主体金具3、主体金具3の先端部に装着されるプロテクタ4等を有している。なお、実施例1において、図4に示すガスセンサ素子300の軸に沿う方向のうち、測定ガス(排気ガス)に晒される側(図中の下側)を「先端側」とし、これと反対方向(図中の上側)に向かう側を「後端側」として説明する。   Moreover, the metal shell 3, the outer cylinder 8, the protector 4, etc. are prepared and assembled. In this way, the gas sensor shown in FIG. 4 is obtained. The gas sensor includes a gas sensor element 300, a ceramic heater 2 stacked on the gas sensor element 300, a metal shell 3 that holds the gas sensor element 300 and the like inside, a protector 4 that is attached to the tip of the metal shell 3, and the like. . In Example 1, among the directions along the axis of the gas sensor element 300 shown in FIG. 4, the side exposed to the measurement gas (exhaust gas) (the lower side in the figure) is the “tip side”, and the opposite direction. The side toward (the upper side in the figure) will be described as the “rear end side”.

ガスセンサ素子300は軸線方向に延びるように配置されている。このガスセンサ素子300に貼り合わせ層(図示せず)を介してセラミックヒータ2が積層されている。セラミックヒータ2は、軸線方向に延びるように配置されており、複数のアルミナグリーンシートの内部にPtを主体とする発熱抵抗体を備えている。このセラミックヒータ2は、ヒータ用リード線11、12を介して通電されることにより、発熱抵抗体が発熱してガスセンサ素子300を活性化させる。   The gas sensor element 300 is arranged so as to extend in the axial direction. The ceramic heater 2 is laminated on the gas sensor element 300 via a bonding layer (not shown). The ceramic heater 2 is disposed so as to extend in the axial direction, and includes a heating resistor mainly composed of Pt inside a plurality of alumina green sheets. When the ceramic heater 2 is energized through the heater lead wires 11 and 12, the heating resistor generates heat and activates the gas sensor element 300.

ガスセンサ素子300の後端側には支持碍管19が接着されている。この支持碍管19は、ガスセンサ素子300の軸線方向と平行に延設され、その延設された軸線方向と直交する方向の断面が略コ字形状を有する部材である。支持碍管19の凹面側がガスセンサ素子300の側面側に向けて接着されている。この支持碍管19の材質としては、シール部材65を構成するガラス成分の熱膨張率に近い材質、具体的にはアルミナが使用される。支持碍管19はガスセンサ素子300とシール部材65との熱膨張差によるガスセンサ素子300のクラックの発生を抑制するために設けられている。   A support rod 19 is bonded to the rear end side of the gas sensor element 300. The support rod 19 is a member that extends in parallel with the axial direction of the gas sensor element 300 and has a substantially U-shaped cross section in a direction orthogonal to the extended axial direction. The concave surface side of the supporting soot tube 19 is bonded toward the side surface side of the gas sensor element 300. As the material of the support rod 19, a material close to the thermal expansion coefficient of the glass component constituting the seal member 65, specifically, alumina is used. The supporting soot tube 19 is provided to suppress the occurrence of cracks in the gas sensor element 300 due to a difference in thermal expansion between the gas sensor element 300 and the seal member 65.

主体金具3は、SUS430製のものであり、ガスセンサを排気管に取り付けるための雄ねじ31と、取り付け時に取り付け工具をあてがう六角部32とを有している。また、主体金具3には、径方向内側に向かって突出する金具側段部33が設けられており、この金具側段部33にパッキン5を介してガスセンサ素子300と絶縁を図るためのアルミナ製の円筒部材6が支持されている。具体的には、円筒部材6の径方向外側に向かって突出する突出部61が金具側段部33に支持されている。一方、突出部61の後端側における主体金具3の内面と円筒部材6の外面との間には、滑石粉末からなる充填部材34が配設され、さらにこの充填部材34の後端側にスリーブ35が主体金具3に内挿された状態で配置されている。   The metal shell 3 is made of SUS430, and has a male screw 31 for attaching the gas sensor to the exhaust pipe, and a hexagonal portion 32 to which an attachment tool is applied at the time of attachment. Further, the metal shell 3 is provided with a metal side step portion 33 projecting radially inward, and this metal side step portion 33 is made of alumina for insulation from the gas sensor element 300 via the packing 5. The cylindrical member 6 is supported. Specifically, a protruding portion 61 that protrudes radially outward of the cylindrical member 6 is supported by the metal fitting side step portion 33. On the other hand, a filling member 34 made of talc powder is disposed between the inner surface of the metal shell 3 and the outer surface of the cylindrical member 6 on the rear end side of the protruding portion 61, and a sleeve on the rear end side of the filling member 34. 35 is arranged in a state of being inserted into the metal shell 3.

また、円筒部材6の内部には、アルミナ製のホルダ62と、ホルダ62とガスセンサ素子300及びセラミックヒータ2とを固定するための接着部材63とが先端側から順に配置されている。さらに、円筒部材6とガスセンサ素子300及びセラミックヒータ2との間に充填される滑石粉末からなる第2充填部材64と、その後端側において、センサ素子300及びセラミックヒータ2を取り囲むように配置されるガラスシールからなるシール部材65とを有している。第2充填部材64は、ガラス成分を12質量%含有する活性混合粉末を溶融、固化させたものである。また、シール部材65は、結晶化ガラス粉末(シリカ、ホウ酸亜鉛マグネシウム系ガラス)を溶融、固化することで形成されている。   Inside the cylindrical member 6, an alumina holder 62 and an adhesive member 63 for fixing the holder 62, the gas sensor element 300, and the ceramic heater 2 are disposed in order from the tip side. Further, the second filling member 64 made of talc powder is filled between the cylindrical member 6 and the gas sensor element 300 and the ceramic heater 2, and arranged at the rear end side so as to surround the sensor element 300 and the ceramic heater 2. And a sealing member 65 made of a glass seal. The second filling member 64 is obtained by melting and solidifying an active mixed powder containing 12% by mass of a glass component. The sealing member 65 is formed by melting and solidifying crystallized glass powder (silica, zinc magnesium borate glass).

さらに、主体金具3の後端側内側には、SUS304製の内筒7の先端側が挿入されている。この内筒7は、先端側の拡径した開口端部71を主体金具3の後端側内部に挿入した状態で主体金具3の後端部36を内側先端方向に加締めることで、主体金具3に固定されている。また、主体金具3の後端部36を加締めることを通じ、充填部材34がスリーブ35を介して圧縮充填される構造になっている。また、内筒7は、円筒部材6の後端部を保護している。さらに、内筒7は、後端側に配置されるセパレータ9を先端側から支持している。   Furthermore, the front end side of the inner cylinder 7 made of SUS304 is inserted inside the rear end side of the metal shell 3. The inner cylinder 7 is formed by caulking the rear end portion 36 of the metal shell 3 in the inner front end direction with the opening end 71 having an enlarged diameter on the front end inserted in the rear end side inside the metal shell 3. 3 is fixed. Further, the filling member 34 is compressed and filled through the sleeve 35 by crimping the rear end portion 36 of the metal shell 3. The inner cylinder 7 protects the rear end portion of the cylindrical member 6. Further, the inner cylinder 7 supports a separator 9 disposed on the rear end side from the front end side.

外筒8は、筒状に形成されたSUS304製のものであり、先端側が内筒7に対して同軸状に連結されている。外筒8と内筒7とは外側から重なりを生じるように配置されており、その重なり部の少なくとも一部が周方向の内側に向けて加締められることで、互いに連結されている。   The outer cylinder 8 is made of SUS304 formed in a cylindrical shape, and the distal end side is coaxially connected to the inner cylinder 7. The outer cylinder 8 and the inner cylinder 7 are arranged so as to overlap from the outside, and at least a part of the overlapping portion is caulked toward the inner side in the circumferential direction, thereby being connected to each other.

一方、主体金具3の先端側外周には、図5に示すように、主体金具3の先端から突出するガスセンサ素子300の先端部を覆うとともに、複数のガス取り入れ孔4aを有する金属製のプロテクタ4が溶接によって取り付けられている。このプロテタタ4は、二重構造をなしており、外側には一様な外径を有する有底円筒状の外側プロテクタ41、内側には後端部の外径が先端部の外径よりも大きく形成された有底円筒状の内側プロテタタ42が配置されている。内側フロテクタ42の底部の外面は、外側プロテクタ41の底部の内面にスポット溶接されており、外側プロテクタ41と内側プロテクタ42とは一体化されている。   On the other hand, as shown in FIG. 5, a metal protector 4 having a plurality of gas intake holes 4a is provided on the outer periphery on the front end side of the metallic shell 3 to cover the distal end portion of the gas sensor element 300 protruding from the distal end of the metallic shell 3. Are attached by welding. This protector 4 has a double structure, and has a bottomed cylindrical outer protector 41 having a uniform outer diameter on the outer side, and the outer diameter of the rear end is larger than the outer diameter of the front end on the inner side. The formed bottomed cylindrical inner protector 42 is disposed. The outer surface of the bottom portion of the inner protector 42 is spot welded to the inner surface of the bottom portion of the outer protector 41, and the outer protector 41 and the inner protector 42 are integrated.

また、外筒8内にはセパレータ9が挿入配置されている。セパレータ9には、ヒータ用リード線11、12と素子用リード線13〜15とを挿入するための挿通孔91が先端側から後端側にかけて貫設されている。   A separator 9 is inserted into the outer cylinder 8. The separator 9 has an insertion hole 91 through which the heater lead wires 11 and 12 and the element lead wires 13 to 15 are inserted from the front end side to the rear end side.

挿入孔91内には、ヒータ用リード線11、12及び素子用リード線13〜15と、ガスセンサ素子300の外部端子301〜303及びセラミッタヒータ2の外部端子に接続される接続端子16とを接続する接続部材17が収容されている。これらヒータ用リード線11、12及び素子用リード線13〜15は、外部において、図示しないコネクタに接続されるようになっている。このコネクタを介してECU等の外部機器と各リード線11、12、13〜15とは電気信号の入出力が行われことになる。また、各リード線11、12、13〜15は詳細に図示しないが、導線を樹脂からなる絶縁皮膜にて披覆した構造を有している。   In the insertion hole 91, heater lead wires 11 and 12 and element lead wires 13 to 15, and external terminals 301 to 303 of the gas sensor element 300 and connection terminals 16 connected to external terminals of the ceramic heater 2 are provided. A connecting member 17 to be connected is accommodated. These heater lead wires 11 and 12 and element lead wires 13 to 15 are externally connected to a connector (not shown). Electric signals are input and output between the external devices such as the ECU and the lead wires 11, 12, 13 to 15 through this connector. Moreover, although not shown in detail in each lead wire 11, 12, 13-15, it has the structure which showed the conducting wire with the insulating film which consists of resin.

さらに、セパレータ9の後端側には、外筒8の後端側の開口部を閉塞するための略円柱状のゴムキャップ18が配置されている。このゴムキャップ18は、外筒8の後端内に装着された状態で、外筒8の外周を径方向内側に向かって加締めることにより、外筒8に固着されている。ゴムキャップ18にも、ヒータ用リード線11、12と素子用リード線13〜15とを挿入するための挿通孔18aが先端側から後端側にかけて貫設されている。   Furthermore, a substantially cylindrical rubber cap 18 for closing the opening on the rear end side of the outer cylinder 8 is disposed on the rear end side of the separator 9. The rubber cap 18 is fixed to the outer cylinder 8 by caulking the outer periphery of the outer cylinder 8 toward the radially inner side in a state where the rubber cap 18 is mounted in the rear end of the outer cylinder 8. An insertion hole 18a for inserting the heater lead wires 11 and 12 and the element lead wires 13 to 15 is also provided in the rubber cap 18 from the front end side to the rear end side.

以上の構成のガスセンサにおいて、ガスセンサ素子300の先端からの距離(mm)と使用時の温度(°C)とを測定した。結果を図6に示す。   In the gas sensor having the above configuration, the distance (mm) from the tip of the gas sensor element 300 and the temperature during use (° C.) were measured. The results are shown in FIG.

図6より、ガスセンサ素子300は、先端から6.5mm付近が使用時に600°C以上の温度状態とされる部分であることがわかる。このため、ガスセンサ素子300のより後方側は、使用時に600°C未満の温度状態とされ、煤が蓄積されてブラックニングを生じ易い環境であることがわかる。   From FIG. 6, it can be seen that the gas sensor element 300 has a portion around 6.5 mm from the tip that is in a temperature state of 600 ° C. or higher during use. For this reason, it can be seen that the rear side of the gas sensor element 300 is in an environment in which the temperature is less than 600 ° C. during use, and soot is accumulated and blackening is likely to occur.

次に、このガスセンサにおいて、ブラックニングしやすい条件下で現実にブラックニングするかどうかを確認する耐久試験を行った。はじめに、実施例1にて作成されたガスセンサ素子300の緻密絶縁層110をSEM写真にて撮影した。結果を図7に示す。図7には、緻密絶縁層110にピンホールが生じていないことが示されている。次に、ガスセンサ素子300に、先端より8mmまでをマスキングテープでマスクしてカーボンスプレーを吹き付けた。この時、ガスセンサ素子300の表面と主体金具3との間が導通状態(1kΩ以下)になるまで、カーボンスプレーを吹き付けた。そして、ガスセンサ素子300の先端のマスキングテープを剥がし、プロテクタ4を留めた。   Next, in this gas sensor, an endurance test was performed to confirm whether or not actual blackening was performed under conditions that facilitate blackening. First, the dense insulating layer 110 of the gas sensor element 300 created in Example 1 was photographed with an SEM photograph. The results are shown in FIG. FIG. 7 shows that no pinhole is generated in the dense insulating layer 110. Next, the gas sensor element 300 was masked with a masking tape up to 8 mm from the tip and sprayed with carbon spray. At this time, carbon spray was sprayed until the surface of the gas sensor element 300 and the metal shell 3 became conductive (1 kΩ or less). And the masking tape of the front-end | tip of the gas sensor element 300 was peeled off, and the protector 4 was fastened.

A/F(空燃比)=11.5(リッチ)、炉温450°Cの炉にガスセンサを取付け、14時間制御を行なった。リッチで試験を行うのは、カーボンが燃焼してサンプル状態が変化しないようにするためである。制御終了後、ガスセンサのガスセンサ素子300を取り出し、超音波洗浄器を用いてカーボンを剥がした。そして、ガスセンサ素子300のブラックニングを金属顕微鏡で確認した。結果を表1に示す。   A gas sensor was attached to a furnace having A / F (air-fuel ratio) = 11.5 (rich) and a furnace temperature of 450 ° C., and control was performed for 14 hours. The rich test is done to prevent carbon from burning and changing the sample state. After completion of the control, the gas sensor element 300 of the gas sensor was taken out, and the carbon was peeled off using an ultrasonic cleaner. And the blackening of the gas sensor element 300 was confirmed with the metal microscope. The results are shown in Table 1.

表1より、実施例1のガスセンサはガスセンサ素子300にブラックニングを生じないことがわかる。   Table 1 shows that the gas sensor of Example 1 does not blacken the gas sensor element 300.

実施例2のガスセンサは、上述の積層体100にスクリーン印刷を4回行なった。なお、1回目のスクリーン印刷は、未焼成拡散体105bをマスキングで覆い、成形体100に第1未焼成緻密絶縁層111を形成した。そして、2回目以降のスクリーン印刷は、先端から8mmまでをマスキングで覆い、より後方側の部分に第2未焼成緻密絶縁層112を形成した。他の構成は実施例1と同様である。実施例2のガスセンサも実施例1と同様に耐久試験に供した。結果を表1に示す。   In the gas sensor of Example 2, screen printing was performed four times on the laminate 100 described above. In the first screen printing, the unsintered diffuser 105 b was covered with masking, and the first unsintered dense insulating layer 111 was formed on the molded body 100. In the second and subsequent screen printings, 8 mm from the tip was covered with masking, and the second unfired dense insulating layer 112 was formed on the rear side. Other configurations are the same as those of the first embodiment. The gas sensor of Example 2 was also subjected to an endurance test as in Example 1. The results are shown in Table 1.

表1より、実施例2のガスセンサもガスセンサ素子300にブラックニングを生じないことがわかる。   From Table 1, it can be seen that the gas sensor of Example 2 also does not blacken the gas sensor element 300.

比較例1Comparative Example 1

一方、比較例1のガスセンサは、積層体100にスクリーン印刷を1回行った。つまり、実施例1、2の1回目と同様のスクリーン印刷を行っている。他の構成は実施例1と同様である。そして、比較例1にて作成されたガスセンサ素子300の緻密絶縁層110をSEM写真にて撮影した。結果を図8に示す。図8には、緻密絶縁層110にピンホールが生じていることが示されており、これらのピンホールにより第1固体絶縁層103又は第2個体電解質層が剥き出しになっていることがわかる。次に、比較例1のガスセンサも実施例1と同様に耐久試験に供した。結果を表1に示す。   On the other hand, the gas sensor of Comparative Example 1 performed screen printing once on the laminate 100. That is, the same screen printing as the first time in the first and second embodiments is performed. Other configurations are the same as those of the first embodiment. And the dense insulating layer 110 of the gas sensor element 300 produced in the comparative example 1 was image | photographed with the SEM photograph. The results are shown in FIG. FIG. 8 shows that pinholes are generated in the dense insulating layer 110, and it can be seen that the first solid insulating layer 103 or the second solid electrolyte layer is exposed by these pinholes. Next, the gas sensor of Comparative Example 1 was also subjected to an endurance test as in Example 1. The results are shown in Table 1.

表1より、比較例1のガスセンサはガスセンサ素子300にブラックニングを生じることがわかる。   From Table 1, it can be seen that the gas sensor of Comparative Example 1 causes blacking in the gas sensor element 300.

比較例2Comparative Example 2

比較例2のガスセンサは、積層体100の側面にスクリーン印刷を行わなかった。他の構成は実施例1と同様である。比較例2のガスセンサも実施例1と同様に耐久試験に供した。結果を表1に示す。   In the gas sensor of Comparative Example 2, screen printing was not performed on the side surface of the laminate 100. Other configurations are the same as those of the first embodiment. The gas sensor of Comparative Example 2 was also subjected to an endurance test as in Example 1. The results are shown in Table 1.

表1より、比較例2のガスセンサはガスセンサ素子300にブラックニングを生じることがわかる。これは、ガスセンサ素子300が第1未焼成固体電解質体103又は第2未焼成固体電解質体107を直接剥き出しにしているからである。   From Table 1, it can be seen that the gas sensor of Comparative Example 2 causes blacking in the gas sensor element 300. This is because the gas sensor element 300 directly exposes the first unsintered solid electrolyte body 103 or the second unsintered solid electrolyte body 107.

以上より、ガスセンサ素子300の側面へのアルミナの印刷を複数回数行えば、緻密絶縁層110にピンホールが形成されず、ガスセンサ素子300にブラックニングが発生しないことがわかる。   From the above, it can be seen that if alumina is printed on the side surface of the gas sensor element 300 a plurality of times, pinholes are not formed in the dense insulating layer 110 and blackening does not occur in the gas sensor element 300.

本発明に係るガスセンサは、エンジン、特にディーゼルエンジンの排ガスセンサ(酸素センサ、炭化水素センサ、NOxセンサ等)及び他の各種センサ等に広く利用され得る。   The gas sensor according to the present invention can be widely used for exhaust gas sensors (oxygen sensors, hydrocarbon sensors, NOx sensors, etc.) of engines, particularly diesel engines, and other various sensors.

実施例1等のガスセンサ素子用積層体の模式分解斜視図である。It is a model exploded perspective view of the laminated body for gas sensor elements of Example 1 grade | etc.,. 実施例1等のガスセンサ素子用成形体の模式斜視図である。It is a model perspective view of the molded object for gas sensor elements of Example 1 grade | etc.,. 実施例1等のガスセンサ素子用積層体を図1のIII−III線で切断した場合の焼成後のガスセンサ素子の模式断面図である。FIG. 3 is a schematic cross-sectional view of a gas sensor element after firing when the gas sensor element laminate of Example 1 or the like is cut along the line III-III in FIG. 1. 実施例1等のガスセンサの断面図である。It is sectional drawing of the gas sensor of Example 1 grade | etc.,. 実施例1等のガスセンサの要部拡大断面図である。It is a principal part expanded sectional view of gas sensors, such as Example 1. FIG. 実施例1のガスセンサ素子における先端からの距離と温度との関係を示すグラフである。It is a graph which shows the relationship between the distance from the front-end | tip in the gas sensor element of Example 1, and temperature. 実施例1のガスセンサ素子の耐久試験後のSEM写真である。It is a SEM photograph after the endurance test of the gas sensor element of Example 1. 比較例1のガスセンサ素子の耐久試験後のSEM写真である。It is a SEM photograph after the endurance test of the gas sensor element of comparative example 1.

符号の説明Explanation of symbols

103…第1未焼成固体電解質体、第1固体電解質体
107…第2未焼成固体電解質体、第2固体電解質体
102…第1未焼成電極、基準電極
104…第2未焼成電極、測定電極
106a…第3未焼成電極、ポンピング電極
106b…第3未焼成電極、信号取り出し用端子
108…第4未焼成電極、ポンピング電極
100…積層体
110…未焼成緻密絶縁層、緻密絶縁層
200…成形体
300…ガスセンサ素子
DESCRIPTION OF SYMBOLS 103 ... 1st unbaked solid electrolyte body, 1st solid electrolyte body 107 ... 2nd unbaked solid electrolyte body, 2nd solid electrolyte body 102 ... 1st unbaked electrode, reference electrode 104 ... 2nd unbaked electrode, measuring electrode 106a ... third unsintered electrode, pumping electrode 106b ... third unsintered electrode, signal extraction terminal 108 ... fourth unsintered electrode, pumping electrode 100 ... laminated body 110 ... unsintered dense insulating layer, dense insulating layer 200 ... molding Body 300 ... Gas sensor element

Claims (6)

固体電解質体及び電極が積層された板状のガスセンサ素子と、
該ガスセンサ素子の周囲を取り囲むケーシングと、を有するガスセンサの製造方法において、
焼成後に前記固体電解質体となる未焼成固体電解質体及び焼成後に前記電極となる未焼成電極を含む積層体を形成する積層体形成工程と、
該積層体の少なくとも前記ガスセンサ素子の使用時に600°C未満の温度状態となり、且つ該未焼成固体電解質体が露出する露出部に、アルミナを主成分とするペーストを複数回繰り返して塗布して形成され、焼成後に緻密絶縁層となる未焼成緻密絶縁層を備える成形体を形成する成形体形成工程と、
該成形体を焼成して該ガスセンサ素子を得る焼成工程とを備えたことを特徴とするガスセンサの製造方法。
A plate-like gas sensor element in which a solid electrolyte body and an electrode are laminated;
A gas sensor manufacturing method comprising: a casing surrounding the periphery of the gas sensor element;
A laminate forming step of forming a laminate including an unsintered solid electrolyte body to be the solid electrolyte body after firing and an unsintered electrode to be the electrode after firing;
Formed by repeatedly applying a paste containing alumina as a main component a plurality of times to an exposed portion where the temperature of the laminate is less than 600 ° C. when the gas sensor element is used and the unsintered solid electrolyte body is exposed. A molded body forming step of forming a molded body having an unfired dense insulating layer that becomes a dense insulating layer after firing,
And a firing step of firing the molded body to obtain the gas sensor element.
前記成形体形成工程では、スクリーン印刷を行うことにより、前記未焼成緻密絶縁層を形成することを特徴とする請求項1記載のガスセンサの製造方法。   The method for manufacturing a gas sensor according to claim 1, wherein the green compact insulating layer is formed by screen printing in the molded body forming step. 前記未焼成緻密絶縁層は厚みが2μm以上であることを特徴とする請求項2記載のガスセンサの製造方法。   3. The method of manufacturing a gas sensor according to claim 2, wherein the green dense insulating layer has a thickness of 2 [mu] m or more. 前記成形体形成工程では、前記未焼成緻密絶縁層のうち初回に形成される第1未焼成緻密絶縁層の厚みを2μm以上とすることを特徴とする請求項2又は3記載のガスセンサの製造方法。   4. The method for manufacturing a gas sensor according to claim 2, wherein, in the formed body forming step, a thickness of the first unfired dense insulating layer formed for the first time among the unfired dense insulating layers is 2 μm or more. 5. . 固体電解質体及び電極が積層された板状のガスセンサ素子と、
該ガスセンサ素子の周囲を取り囲むケーシングと、を有するガスセンサにおいて、
前記ガスセンサ素子は、素子本体と、該素子本体の積層方向に延びるとともに前記ケーシングの内周面に対して間隙を介して向かい合う両側面であって、且つ少なくとも該ガスセンサ素子の使用時に600°C未満の温度状態となる該両側面上に設けられ、該素子本体と一体焼成されるとともに自身の表面から該素子本体の該両側面が視認できないアルミナを主成分とする緻密絶縁層とを有することを特徴とするガスセンサ。
A plate-like gas sensor element in which a solid electrolyte body and an electrode are laminated;
A gas sensor having a casing surrounding the gas sensor element;
The gas sensor element is an element main body and both side surfaces extending in the stacking direction of the element main body and facing the inner peripheral surface of the casing via a gap, and at least less than 600 ° C. when the gas sensor element is used. And a dense insulating layer mainly composed of alumina, which is provided on both side surfaces which are in a temperature state, and is integrally fired with the element main body and the both side surfaces of the element main body cannot be visually recognized from its own surface. Characteristic gas sensor.
前記緻密絶縁層は、厚みが2μm以上であることを特徴とする請求項5記載のガスセンサ。   The gas sensor according to claim 5, wherein the dense insulating layer has a thickness of 2 μm or more.
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