JP2008020331A - ガスセンサ素子及びその製造方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】早期活性を図ることができるガスセンサ素子及びその製造方法を提供すること。
【解決手段】酸素イオン伝導性の固体電解質体2と、該固体電解質体2の一方の面に設けた被測定ガス側電極21と、固体電解質体2の他方の面に形成した基準ガス側電極22と、固体電解質体2を加熱するための発熱部30を有するヒータ3とを有する積層型のガスセンサ素子1。該ガスセンサ素子1の積層方向の一対の主面10のうち固体電解質体2に対して上記ヒータ3が配設されている側の表面であるヒータ側表面100と固体電解質体2との間の距離をD、発熱部20のうち固体電解質体2に最も近い発熱部30と固体電解質体2との間の距離をd1としたとき、0.04≦d1/D≦0.70の関係が成り立つ。
【選択図】図1
【解決手段】酸素イオン伝導性の固体電解質体2と、該固体電解質体2の一方の面に設けた被測定ガス側電極21と、固体電解質体2の他方の面に形成した基準ガス側電極22と、固体電解質体2を加熱するための発熱部30を有するヒータ3とを有する積層型のガスセンサ素子1。該ガスセンサ素子1の積層方向の一対の主面10のうち固体電解質体2に対して上記ヒータ3が配設されている側の表面であるヒータ側表面100と固体電解質体2との間の距離をD、発熱部20のうち固体電解質体2に最も近い発熱部30と固体電解質体2との間の距離をd1としたとき、0.04≦d1/D≦0.70の関係が成り立つ。
【選択図】図1
Description
本発明は、自動車等の内燃機関の燃焼制御等に利用されるガスセンサ素子及びその製造方法に関する。
従来より、自動車エンジンの排気管内等に配設されて排ガス中の特定ガス濃度を検出するガスセンサがある。かかるガスセンサに内蔵されるガスセンサ素子9は、例えば、図10に示すごとく、酸素イオン伝導性の固体電解質体92と、該固体電解質体92の一方の面に設けた被測定ガス側電極921と、固体電解質体92の他方の面に形成した基準ガス側電極922と、固体電解質体92を加熱するための発熱部930を有するヒータ93とを有する(特許文献1参照)。
近年、上記ガスセンサ素子9は、自動車エンジンの始動時からより一層速やかに空燃比等を検知して燃焼制御機構を働かせることができるよう、より早い時間で活性温度に到達(早期活性)することが求められるようになってきている。ところが、上記従来のガスセンサ素子9は、図10に示すごとく、ヒータ93が、固体電解質体92と離隔して配置されている。即ち、基準ガスを導入するための基準ガス空間940を形成する基準ガス空間形成層94を固体電解質体92とヒータ93との間に介在させている。そのため、発熱部930と固体電解質体92との間の距離が大きくなり、発熱部930の熱を固体電解質体92に効率的に伝達することが困難となり、固体電解質体2を早期に昇温することが困難となるおそれがある。
その結果、ガスセンサ素子9の早期活性を図ることが困難となるおそれがある。
その結果、ガスセンサ素子9の早期活性を図ることが困難となるおそれがある。
また、早期活性を図るために発熱部を基準ガス空間形成層に埋め込み、固体電解質体に近付けることも考えられるが、固体電解質体と基準ガス空間形成層との界面に発熱部を近付け過ぎると以下のような問題が生じるおそれがある。即ち、固体電解質体とヒータとの接合部は異種材料の接合部となるため、この接合部付近が発熱部によって急速加熱されると、それぞれの材料における膨張量の差により、上記接合部でクラックが発生するおそれがある。
本発明は、かかる従来の問題点に鑑みてなされたもので、早期活性を図ることができると共に、耐久性に優れたガスセンサ素子及びその製造方法を提供しようとするものである。
第1の発明は、酸素イオン伝導性の固体電解質体と、該固体電解質体の一方の面に設けた被測定ガス側電極と、上記固体電解質体の他方の面に形成した基準ガス側電極と、上記固体電解質体を加熱するための発熱部を有するヒータとを有する積層型のガスセンサ素子であって、
該ガスセンサ素子の積層方向の一対の主面のうち上記固体電解質体に対して上記ヒータが配設されている側の表面であるヒータ側表面と上記固体電解質体との間の距離をD、上記発熱部のうち上記固体電解質体に最も近い発熱部と上記固体電解質体との間の距離をd1としたとき、0.04≦d1/D≦0.70の関係が成り立つことを特徴とするガスセンサ素子にある(請求項1)。
該ガスセンサ素子の積層方向の一対の主面のうち上記固体電解質体に対して上記ヒータが配設されている側の表面であるヒータ側表面と上記固体電解質体との間の距離をD、上記発熱部のうち上記固体電解質体に最も近い発熱部と上記固体電解質体との間の距離をd1としたとき、0.04≦d1/D≦0.70の関係が成り立つことを特徴とするガスセンサ素子にある(請求項1)。
次に、本発明の作用効果につき説明する。
上記距離Dと上記距離d1との間において、0.04≦d1/D≦0.70の関係が成り立つ。これにより、ガスセンサ素子の早期活性を図ることができる。
即ち、d1/D≦0.70であるため、上記固体電解質体に最も近い発熱部を上記固体電解質体に充分に近付けることとなる。そのため、上記発熱部の熱を上記固体電解質体に効率的に伝達することができ、上記固体電解質体を早期に活性温度に到達させることができる。
上記距離Dと上記距離d1との間において、0.04≦d1/D≦0.70の関係が成り立つ。これにより、ガスセンサ素子の早期活性を図ることができる。
即ち、d1/D≦0.70であるため、上記固体電解質体に最も近い発熱部を上記固体電解質体に充分に近付けることとなる。そのため、上記発熱部の熱を上記固体電解質体に効率的に伝達することができ、上記固体電解質体を早期に活性温度に到達させることができる。
また、d1/D≧0.04であるため、耐久性に優れたガスセンサ素子を得ることができる。即ち、上記固体電解質体と上記ヒータとの接合部は、異種材料の接合部となる。そのため、該接合部に発熱部を近付け過ぎると接合部が急速加熱され、それぞれの材料における膨張量の差により、上記接合部でクラックが発生するおそれがある。ここで、上記のようにd1/D≧0.04とすることにより、上記接合部付近が上記発熱部によって急速加熱されることを防ぐことができる程度に上記発熱部と上記接合部とを離隔配置することができる。それ故、上記接合部でのクラックの発生を防ぐことができる。
その結果、耐久性に優れたガスセンサ素子を得ることができる。
その結果、耐久性に優れたガスセンサ素子を得ることができる。
以上のごとく、本発明によれば、早期活性を図ることができると共に、耐久性に優れたガスセンサ素子を提供することができる。
第2の発明は、酸素イオン伝導性の固体電解質体と、該固体電解質体の一方の面に設けた被測定ガス側電極と、上記固体電解質体の他方の面に形成した基準ガス側電極と、上記固体電解質体を加熱するための発熱部を有するヒータと、上記基準ガス側電極に面し外部から基準ガスを導入する基準ガス空間を形成するための溝部を有する基準ガス空間形成層とを有する積層型のガスセンサ素子の製造方法であって、
上記基準ガス空間形成層を形成するに当たっては、セラミックスラリーをフィルム上に塗布した後乾燥することによりセラミックシートを複数成形するシート成形工程と、
上記複数のセラミックシートのうちの一部のセラミックシートであるヒータ用シートの表面に上記発熱部を形成するための発熱部形成用ペーストを塗布する塗布工程と、
上記発熱部形成用ペーストの少なくとも一部が上記基準ガス空間形成層の溝部の底面よりも上記固体電解質体に近い位置に配されるように上記複数のセラミックシートを積層して未焼積層体を得る積層工程と、
上記未焼積層体を焼成する焼成工程とを有することを特徴とするガスセンサ素子の製造方法にある(請求項4)。
上記基準ガス空間形成層を形成するに当たっては、セラミックスラリーをフィルム上に塗布した後乾燥することによりセラミックシートを複数成形するシート成形工程と、
上記複数のセラミックシートのうちの一部のセラミックシートであるヒータ用シートの表面に上記発熱部を形成するための発熱部形成用ペーストを塗布する塗布工程と、
上記発熱部形成用ペーストの少なくとも一部が上記基準ガス空間形成層の溝部の底面よりも上記固体電解質体に近い位置に配されるように上記複数のセラミックシートを積層して未焼積層体を得る積層工程と、
上記未焼積層体を焼成する焼成工程とを有することを特徴とするガスセンサ素子の製造方法にある(請求項4)。
次に、本発明の作用効果につき説明する。
上記ガスセンサ素子の製造方法は、上記発熱部形成用ペーストの少なくとも一部が上記底面よりも上記固体電解質体に近い位置に配されるように上記複数のセラミックシートを積層して未焼積層体を得る積層工程を有する。そのため、上記製造方法によれば、早期活性を図ることができるガスセンサ素子を得ることができる。
即ち、上記積層工程を経ることにより、最終的に得られる上記ガスセンサ素子の上記発熱部を、上記固体電解質体に充分に近付けることができる。その結果、上記第1の発明(請求項1)と同様、ガスセンサ素子の早期活性を図ることができる。
上記ガスセンサ素子の製造方法は、上記発熱部形成用ペーストの少なくとも一部が上記底面よりも上記固体電解質体に近い位置に配されるように上記複数のセラミックシートを積層して未焼積層体を得る積層工程を有する。そのため、上記製造方法によれば、早期活性を図ることができるガスセンサ素子を得ることができる。
即ち、上記積層工程を経ることにより、最終的に得られる上記ガスセンサ素子の上記発熱部を、上記固体電解質体に充分に近付けることができる。その結果、上記第1の発明(請求項1)と同様、ガスセンサ素子の早期活性を図ることができる。
以上のごとく、本発明によれば、早期活性を図ることができるガスセンサ素子の製造方法を提供することができる。
上記第1の発明(請求項1)及び上記第2の発明(請求項4)において、ガスセンサ素子として、例えば、A/Fセンサ素子、O2センサ素子、NOxセンサ素子がある。
上記第1の発明において、d1/D<0.04である場合には、以下のような問題が生じるおそれがある。即ち、固体電解質体とヒータとの接合部は、異種材料の接合部となるため、この接合部付近が発熱部によって急速加熱されると、それぞれの材料における膨張量の差により、上記異種材料同士の接合部でクラックが発生するおそれがある。
また、d1/D>0.70である場合には、上記発熱部が上記固体電解質体から離れ過ぎ、ガスセンサ素子の早期活性を図ることが困難となるおそれがある。
また、d1/D>0.70である場合には、上記発熱部が上記固体電解質体から離れ過ぎ、ガスセンサ素子の早期活性を図ることが困難となるおそれがある。
また、上記発熱部のうち上記固体電解質体から最も遠い発熱部と上記固体電解質体との間の距離をd2としたとき、d2/D≦0.82の関係が成り立つことが好ましい(請求項2)。
この場合には、早期活性を充分に図ることができると共に、耐久性に充分優れたガスセンサ素子を得ることができる。
一方、d2/D>0.82である場合には、ガスセンサ素子のヒータ側表面に発熱部が近付き過ぎ、発熱部の急速加熱による熱応力に起因して、ガスセンサ素子のヒータ側表面側の角部にクラックが生じるおそれがある。その結果、耐久性に優れたガスセンサ素子を得ることが困難となるおそれがある。
この場合には、早期活性を充分に図ることができると共に、耐久性に充分優れたガスセンサ素子を得ることができる。
一方、d2/D>0.82である場合には、ガスセンサ素子のヒータ側表面に発熱部が近付き過ぎ、発熱部の急速加熱による熱応力に起因して、ガスセンサ素子のヒータ側表面側の角部にクラックが生じるおそれがある。その結果、耐久性に優れたガスセンサ素子を得ることが困難となるおそれがある。
また、上記ガスセンサ素子は、上記基準ガス側電極に面し外部から基準ガスを導入する基準ガス空間を形成するための溝部を有する基準ガス空間形成層を有し、上記発熱部の少なくとも一つは、上記基準ガス空間形成層の内部であって上記溝部の底面よりも上記固体電解質体に近い位置に埋設されていることが好ましい(請求項3)。
この場合には、上記発熱部を、上記固体電解質体に近付けることが容易となるため、上記ガスセンサ素子の早期活性を容易に図ることができる。
尚、上述した位置に、発熱部が少なくとも一つ配設されていれば、上記作用効果を充分に発揮することができる。
この場合には、上記発熱部を、上記固体電解質体に近付けることが容易となるため、上記ガスセンサ素子の早期活性を容易に図ることができる。
尚、上述した位置に、発熱部が少なくとも一つ配設されていれば、上記作用効果を充分に発揮することができる。
また、上記第2の発明(請求項4)において、上記積層工程においては、最終的に得られる上記ガスセンサ素子の積層方向の一対の主面のうち上記固体電解質体に対して上記ヒータが配設される側の表面であるヒータ側表面と上記固体電解質体との間の距離をD、上記発熱部のうち上記固体電解質体に最も近い発熱部と上記固体電解質体との間の距離をd1としたとき、0.04≦d1/D≦0.70の関係が成り立つよう上記セラミックシートを積層することが好ましい(請求項5)。
この場合には、第1の発明(請求項1)と同様、上記ガスセンサ素子の早期活性を充分に図ることができると共に、耐久性に充分優れたガスセンサ素子を得ることができる。
この場合には、第1の発明(請求項1)と同様、上記ガスセンサ素子の早期活性を充分に図ることができると共に、耐久性に充分優れたガスセンサ素子を得ることができる。
一方、d1/D<0.04となる位置に、上記固体電解質体に最も近い発熱部形成用ペーストが配されるようセラミックシートが積層される場合には、以下のような問題が生じるおそれがある。即ち、上記第1の発明で検討したように、固体電解質体とヒータとにおける膨張量の差により、固体電解質体とヒータとの接合部でクラックが発生するおそれがある。
また、d1/D>0.70となる位置に上記固体電解質体に最も近い発熱部形成用ペーストが配されるようセラミックシートが積層される場合には、上記第1の発明で検討したように、ガスセンサ素子の早期活性を図ることが困難となるおそれがある。
また、上記発熱部のうち上記固体電解質体から最も遠い発熱部と上記固体電解質体との間の距離をd2としたとき、d2/D≦0.82の関係が成り立つよう上記セラミックシートを積層することが好ましい(請求項6)。
この場合には、請求項2と同様に、早期活性を充分に図ることができると共に、耐久性に充分優れたガスセンサ素子を得ることができる。
一方、d2/D>0.82となる位置に上記固体電解質体から最も遠い発熱部が配されるようセラミックシートが積層される場合には、上記請求項2で検討したように、耐久性に優れるガスセンサ素子を得ることが困難となるおそれがある。
この場合には、請求項2と同様に、早期活性を充分に図ることができると共に、耐久性に充分優れたガスセンサ素子を得ることができる。
一方、d2/D>0.82となる位置に上記固体電解質体から最も遠い発熱部が配されるようセラミックシートが積層される場合には、上記請求項2で検討したように、耐久性に優れるガスセンサ素子を得ることが困難となるおそれがある。
また、最終的に得られる上記ガスセンサ素子の積層方向の一対の主面のうち上記固体電解質体に対して上記ヒータが配設される側の表面であるヒータ側表面と上記固体電解質体との間の距離をDとしたとき、上記セラミックシートの一枚の厚みは、0.02D〜0.82Dであることが好ましい(請求項7)。
この場合には、上記セラミックシートの成形を容易に行うことができる。
尚、本明細書において、上記セラミックシート一枚の厚みは、焼成後の厚みをいうものとする。
この場合には、上記セラミックシートの成形を容易に行うことができる。
尚、本明細書において、上記セラミックシート一枚の厚みは、焼成後の厚みをいうものとする。
一方、上記セラミックシートの一枚の厚みが0.02D未満である場合には、上記セラミックシートの成形が困難となると共に、その生産効率が低下するおそれがある。
また、上記セラミックシートの一枚の厚みが0.82Dを超える場合には、最終的に得られるガスセンサ素子において発熱部を固体電解質体に充分に近付けることが困難となる。その結果、ガスセンサ素子の早期活性を図ることが困難となるおそれがある。
また、上記セラミックシートの一枚の厚みが0.82Dを超える場合には、最終的に得られるガスセンサ素子において発熱部を固体電解質体に充分に近付けることが困難となる。その結果、ガスセンサ素子の早期活性を図ることが困難となるおそれがある。
(実施例1)
本発明の実施例にかかる積層型のガスセンサ素子及びその製造方法につき、図1〜図3を用いて説明する。
本発明の積層型のガスセンサ素子1は、図1、図2に示すごとく、酸素イオン伝導性の固体電解質体2と、該固体電解質体2の一方の面に設けた被測定ガス側電極21と、固体電解質体2の他方の面に形成した基準ガス側電極22と、固体電解質体2を加熱するための発熱部30を有するヒータ3とを有する。
本発明の実施例にかかる積層型のガスセンサ素子及びその製造方法につき、図1〜図3を用いて説明する。
本発明の積層型のガスセンサ素子1は、図1、図2に示すごとく、酸素イオン伝導性の固体電解質体2と、該固体電解質体2の一方の面に設けた被測定ガス側電極21と、固体電解質体2の他方の面に形成した基準ガス側電極22と、固体電解質体2を加熱するための発熱部30を有するヒータ3とを有する。
ここで、図1に示すごとく、ガスセンサ素子1の積層方向の一対の主面10のうち固体電解質体2に対してヒータ3が配設されている側の表面であるヒータ側表面100と固体電解質体2との間の距離をDとする。また、発熱部30のうち固体電解質体2に最も近い発熱部30(以下、発熱部30aという)と固体電解質体3との間の距離をd1としたとき、上記距離Dと上記距離d1とは、0.04≦d1/D≦0.70の関係を有する。
また、発熱部30のうち固体電解質体2から最も遠い発熱部30(以下、発熱部30bという)と固体電解質体2との間の距離をd2としたとき、d2/D≦0.82の関係が成立する。
尚、以下で単に発熱部30という場合には、上記発熱部30a及び上記発熱部30bの両者を示すものとする。
また、図1における発熱部30は、説明の便宜上、若干大きく表現してある。
尚、以下で単に発熱部30という場合には、上記発熱部30a及び上記発熱部30bの両者を示すものとする。
また、図1における発熱部30は、説明の便宜上、若干大きく表現してある。
本例のガスセンサ素子1につき詳細に説明する。
ガスセンサ素子1としては、例えば、A/Fセンサ素子、O2センサ素子、NOxセンサ素子がある。
ガスセンサ素子1としては、例えば、A/Fセンサ素子、O2センサ素子、NOxセンサ素子がある。
本例において、固体電解質体2の一方の面には、図1、図2に示すごとく、基準ガス空間形成層4が積層されている。また、固体電解質体2の他方の面には、保護層5が積層されている。
また、固体電解質体2の保護層5側の面には、被測定ガス側電極21が配設されている。また、固体電解質体2の基準ガス空間形成層4側の面には、基準ガス側電極22が配設されている。
また、固体電解質体2の保護層5側の面には、被測定ガス側電極21が配設されている。また、固体電解質体2の基準ガス空間形成層4側の面には、基準ガス側電極22が配設されている。
また、ガスセンサ素子1は、基準ガス側電極22に面し外部から基準ガスを導入する基準ガス空間40を形成するための溝部400を有する基準ガス空間形成層4を有する。そして、該基準ガス空間40を挟み込むように配された二対の発熱部30は共に、基準ガス空間形成層4の内部であって溝部400の底面401よりも固体電解質体2に近い位置に埋設されている。
次に、本例のガスセンサ素子1の製造方法につき説明する。
基準ガス空間形成層4を形成するに当たっては、少なくとも以下のシート成形工程と塗布工程と積層工程と焼成工程とを行う。
シート成形工程においては、図3に示すドクターブレード法によりセラミックシート8を成形する。即ち、同図に示すごとく、セラミックスラリー60をフィルム660上に塗布した後乾燥する。これにより、基準ガス空間形成層4を形成するためのセラミックシート8を複数成形する。
基準ガス空間形成層4を形成するに当たっては、少なくとも以下のシート成形工程と塗布工程と積層工程と焼成工程とを行う。
シート成形工程においては、図3に示すドクターブレード法によりセラミックシート8を成形する。即ち、同図に示すごとく、セラミックスラリー60をフィルム660上に塗布した後乾燥する。これにより、基準ガス空間形成層4を形成するためのセラミックシート8を複数成形する。
該セラミックシート8の一枚の厚みは、0.02D〜0.82Dである。ここで、Dは、上述したごとく、ヒータ側表面100と固体電解質体2との間の距離である。具体的には、上記セラミックシート一枚の厚みは、例えば、25〜1250μmとすることができる。以下では、セラミックシート8を、適宜、ガスセンサ素子1の軸方向に沿ってスリット部840を有するスペーサシート841と、平板状に成形される平板シート842との二種類に分けて説明する。
塗布工程においては、上記複数のセラミックシート8のうちの一部のセラミックシートであるヒータ用シート843の表面に発熱部30を形成するための発熱部用ペースト83を塗布する。本例においては、ヒータ3の一部を構成するための上記ヒータ用シート843は、スペーサシート841でもある。
積層工程においては、発熱部用ペースト83が基準ガス空間形成層4の溝部400の底面401よりも固体電解質体2に近い位置に配されるようにヒータ用シート843等を積層して未焼積層体81を得る。
焼成工程においては、未焼積層体81を焼成する。
焼成工程においては、未焼積層体81を焼成する。
以下に、シート成形工程におけるスペーサシート841の作製方法(ドクターブレード法)につき説明する。
スペーサシート841を成形するに当たっては、例えば、平均粒径0.3μmのα−アルミナ98重量部と、6モル%のイットリアを含有する部分安定化ジルコニア3重量部と、ポリビニルブチラール10重量部と、ジブチルフタレート10重量部と、エタノール30重量部と、トルエン30重量部とからなるセラミック混合物を調整する。
スペーサシート841を成形するに当たっては、例えば、平均粒径0.3μmのα−アルミナ98重量部と、6モル%のイットリアを含有する部分安定化ジルコニア3重量部と、ポリビニルブチラール10重量部と、ジブチルフタレート10重量部と、エタノール30重量部と、トルエン30重量部とからなるセラミック混合物を調整する。
次に、上記混合物を、図3に示すごとく、媒体攪拌ミル61中で混合して真空脱泡してセラミックスラリー60とする。そして、該セラミックスラリー60を圧送してフィルタ63を介して貯留槽64へと送る。
ここで、液面センサ621は、貯留槽64から溢れ出たセラミックスラリー60の高さを測定する。そして、その測定結果を基にセラミックスラリー60の量を調節するためにバルブ622の開閉が制御されている。
ここで、液面センサ621は、貯留槽64から溢れ出たセラミックスラリー60の高さを測定する。そして、その測定結果を基にセラミックスラリー60の量を調節するためにバルブ622の開閉が制御されている。
そして、図3に示すごとく、セラミックスラリー60を貯留槽64から溢れ出させた後、ローラー66によって送られてきた、例えばPET(ポリエチレンテレフタレート)からなるフィルム660にセラミックスラリー60を塗布していく。そして、ブレード65の下を通過させることにより、セラミックスラリー60の厚みを調節する。
その後、乾燥室67を通過させて上記セラミックスラリー60を乾燥させ、乾燥生シートを得る。本例では、該乾燥生シートの厚みを200μmとした。
その後、乾燥室67を通過させて上記セラミックスラリー60を乾燥させ、乾燥生シートを得る。本例では、該乾燥生シートの厚みを200μmとした。
更に、上記乾燥生シートを、幅が5mm、長さが70mmのサイズに切断する。そして、上記乾燥生シートに、例えば、幅が2mm、長さが67mmの長方形の切欠部を設けることにより、溝部400を構成することとなるスリット部840を有する本例のスペーサシート841を得る。尚、上記切断作業は、積層後に行っても良い。
また、上記切断作業と同時に、三枚のスペーサシート841のうちの二枚、即ちヒータ用シート843に、後述するヒータリード部301とヒータ端子302とを電気的に導通させるためのヒータ用スルーホール303をその端部に穿設する。
また、上記切断作業と同時に、三枚のスペーサシート841のうちの二枚、即ちヒータ用シート843に、後述するヒータリード部301とヒータ端子302とを電気的に導通させるためのヒータ用スルーホール303をその端部に穿設する。
また、本例では、平板シート842も上記スペーサシート841と同じ材料、同じ方法で成形する。そして、平板シート842の大きさは、幅が5mm、長さが70mm、乾燥厚みが200μmである。
固体電解質体2及び保護層5を作製するに当たっても、例えば、それぞれについての所定の材料を混合してセラミックスラリー60を作製する。そして、上記と同様に、ドクターブレード法によって所望の厚みを有する固体電解質体用シート82及び保護層用シート85を成形することができる。
次に、塗布工程においては、上記二枚のヒータ用シート843に上記発熱部用ペースト83を塗布してスクリーン印刷を行った。具体的には、図2に示すごとく、ヒータ用シート843に白金の発熱部用ペースト83を用いて、発熱部30と、外部と電気的に接続するためのヒータ端子302と、発熱部30とヒータ端子302とをつなぐヒータリード部301とをスクリーン印刷する。そして、上記ヒータ用シート843を焼成したものがヒータ3となる。
次いで、積層工程においては、図2に示すごとく、発熱部用ペースト83が基準ガス空間形成層4の溝部400の底面401よりも固体電解質体2に近い位置に配されるようにヒータ用シート843を積層する。具体的には、図1に示すごとく、発熱部30のうち固体電解質体2に最も近い発熱部30と固体電解質体2との間の距離をd1としたとき、0.04≦d1/D≦0.70の関係が成り立つようヒータ用シート843を積層する。
更に、図1に示すごとく、発熱部30のうち固体電解質体3から最も遠い発熱部30と固体電解質体2との間の距離をd2としたとき、d2/D≦0.82の関係が成り立つようヒータ用シート843を積層する。
また、これに平板シート842、固体電解質体用シート82及び保護層用シート85も積層して未焼積層体81を得る。その後、該未焼積層体81を圧着する。
また、これに平板シート842、固体電解質体用シート82及び保護層用シート85も積層して未焼積層体81を得る。その後、該未焼積層体81を圧着する。
次いで、焼成工程において、上記圧着後の未焼積層体81を150℃/時間の昇温速度にて、1300〜1600℃の環境下で2時間焼成する。その後、それを150℃/時間の冷却速度にて室温まで冷却する。これにより、本例のガスセンサ素子1が得られる。尚、スペーサシート841と平板シート842とを焼成することにより、両者が一体化して基準ガス空間形成層4が形成される。
次に、本例の作用効果につき説明する。
距離Dと距離d1とは、0.04≦d1/D≦0.70の関係を有する。これにより、ガスセンサ素子1の早期活性を図ることができる。
即ち、d1/D≦0.70であるため、図1、図2に示すごとく、発熱部30aを固体電解質体2に充分に近付けることとなる。そのため、発熱部30aの熱を固体電解質体2に効率的に伝達することができ、固体電解質体2を早期に活性温度に到達させることができる。
距離Dと距離d1とは、0.04≦d1/D≦0.70の関係を有する。これにより、ガスセンサ素子1の早期活性を図ることができる。
即ち、d1/D≦0.70であるため、図1、図2に示すごとく、発熱部30aを固体電解質体2に充分に近付けることとなる。そのため、発熱部30aの熱を固体電解質体2に効率的に伝達することができ、固体電解質体2を早期に活性温度に到達させることができる。
また、d1/D≧0.04であるため、耐久性に優れたガスセンサ素子1を得ることができる。即ち、固体電解質体2とヒータ3との接合部(図1における符号7参照)は、異種材料の接合部7となる。そのため、該接合部7に発熱部30aを近付け過ぎると接合部7が急速加熱され、それぞれの材料における膨張量の差により、接合部7でクラックが発生するおそれがある。ここで、上記のようにd1/D≧0.04とすることにより、上記接合部7付近が発熱部30aによって急速加熱されることを防ぐことができる程度に発熱部30aと接合部7とを離隔配置することができる。それ故、上記接合部7でのクラックの発生を防ぐことができる。
その結果、耐久性に優れたガスセンサ素子1を得ることができる。
その結果、耐久性に優れたガスセンサ素子1を得ることができる。
また、発熱部30のうち固体電解質体2から最も遠い発熱部30bと固体電解質体2との間の距離をd2としたとき、d2/D≦0.82の関係が成立する。これにより、早期活性を充分に図ることができると共に、耐久性に充分に優れたガスセンサ素子1を得ることができる。
また、発熱部30は、図1、図2に示すごとく、基準ガス空間形成層4の内部であって溝部400の底面401よりも固体電解質体2に近い位置に埋設されている。これにより、発熱部30を、固体電解質体2に近付けることが容易となるため、ガスセンサ素子1の早期活性を容易に図ることができる。
また、セラミックシート8の一枚の厚みは、0.02D〜0.82Dである。これにより、セラミックシート8の成形を容易に行うことができる。
また、セラミックシート8の一枚の厚みは、0.02D〜0.82Dである。これにより、セラミックシート8の成形を容易に行うことができる。
以上のごとく、本例によれば、早期活性を図ることができると共に、耐久性に優れたガスセンサ素子及びその製造方法を提供することができる。
尚、本発明は、上記実施例1の構成に限られるものではない。即ち、例えば、上記実施例1においては、スペーサシートに発熱部用ペーストを塗布してヒータ用シートとしたが、ヒータ用シートを、スペーサシートと別材料にて別個に成形することもできる。また、平板シートを用いてヒータ用シートを形成することもできる。
また、平板シートを、スペーサシートと別材料にて成形することもできる。
また、平板シートを、スペーサシートと別材料にて成形することもできる。
(実施例2)
本例は、図4〜図6に示すごとく、上記実施例1のガスセンサ素子1の変形例である。
図4に示すガスセンサ素子1においては、積層方向における二対の発熱部30のうち固体電解質体2に近い方の二本の発熱部30aが基準ガス空間形成層4の内部であって溝部400の底面401と固体電解質体2との間において基準ガス空間40を挟み込むように配設されている。そして、固体電解質体2から遠い方の二本の発熱部30bは、基準ガス空間形成層4の内部であってヒータ側表面100と上記底面401との間におけるヒータ側表面100に近い位置に配設されている。
本例は、図4〜図6に示すごとく、上記実施例1のガスセンサ素子1の変形例である。
図4に示すガスセンサ素子1においては、積層方向における二対の発熱部30のうち固体電解質体2に近い方の二本の発熱部30aが基準ガス空間形成層4の内部であって溝部400の底面401と固体電解質体2との間において基準ガス空間40を挟み込むように配設されている。そして、固体電解質体2から遠い方の二本の発熱部30bは、基準ガス空間形成層4の内部であってヒータ側表面100と上記底面401との間におけるヒータ側表面100に近い位置に配設されている。
図5に示すガスセンサ素子1においては、積層方向における二対の発熱部30のうち固体電解質体2に近い方の二本の発熱部30aが基準ガス空間形成層4の内部であって溝部400の底面401と固体電解質体2との間において基準ガス空間40を挟み込むように配設されている。そして、固体電解質体2から遠い方の二本の発熱部30bは、基準ガス空間形成層4の内部であってヒータ側表面100と上記底面401との間における該底面401に近い位置に配設されている。
図6に示すガスセンサ素子1においては、二本の発熱部30が基準ガス空間形成層4の溝部40の底面401と固体電解質体2との間において基準ガス空間40を挟み込むように配設されている。そして、ヒータ側表面100と上記底面401との間における基準ガス空間形成層4には発熱部30が配設されていない。
その他は、実施例1と同様の構成及び作用効果を有する。
その他は、実施例1と同様の構成及び作用効果を有する。
(実験例1)
本例は、図7に示すごとく、上記実施例1におけるd1/Dの値と、ガスセンサ素子におけるクラックの発生との関係を調べた例である。
尚、上記d1/Dは、ガスセンサ素子の積層方向の一対の主面10のうち固体電解質体2に対してヒータ3が配設されている側の表面であるヒータ側表面100と固体電解質体2との間の距離Dに対する、固体電解質体2に最も近い発熱部30aと固体電解質体2との間の距離d1の比を示すものである。
また、本例において使用する符号は、図1において使用した符号に準ずる。
本例は、図7に示すごとく、上記実施例1におけるd1/Dの値と、ガスセンサ素子におけるクラックの発生との関係を調べた例である。
尚、上記d1/Dは、ガスセンサ素子の積層方向の一対の主面10のうち固体電解質体2に対してヒータ3が配設されている側の表面であるヒータ側表面100と固体電解質体2との間の距離Dに対する、固体電解質体2に最も近い発熱部30aと固体電解質体2との間の距離d1の比を示すものである。
また、本例において使用する符号は、図1において使用した符号に準ずる。
本例では、試料として、上記d1/Dの値を0.02〜0.12の範囲で種々変更させたガスセンサ素子を作製した。また、上記試料は、それぞれ10個作製した。
そして、各試料について、ヒータ3に通電してから通電を停止するまでを一回として、これを複数回繰り返す耐久試験を行った。そして、ガスセンサ素子にクラックが発生したときの耐久試験の回数(以下、耐久回数という)を測定した。
尚、上記耐久試験は、ヒータ3への通電電圧が16V、通電時間が10秒、通電間隔が180秒の試験条件で行った。
そして、各試料について、ヒータ3に通電してから通電を停止するまでを一回として、これを複数回繰り返す耐久試験を行った。そして、ガスセンサ素子にクラックが発生したときの耐久試験の回数(以下、耐久回数という)を測定した。
尚、上記耐久試験は、ヒータ3への通電電圧が16V、通電時間が10秒、通電間隔が180秒の試験条件で行った。
測定結果を図7に示す。同図からわかるように、d1/D≧0.04の場合には、耐久回数が5000回を超えなければ、ガスセンサ素子にクラックが発生することがない。これに対して、d1/D<0.04の場合には、耐久回数が5000回以下であってもガスセンサ素子にクラックが発生している。
以上により、ガスセンサ素子の耐久性の観点から、d1/D≧0.04の関係が成り立つことが好ましいことがわかる。
以上により、ガスセンサ素子の耐久性の観点から、d1/D≧0.04の関係が成り立つことが好ましいことがわかる。
(実験例2)
本例は、図8に示すごとく、上記実施例1におけるd1/Dの値と、ヒータ3に通電してからガスセンサ素子が活性温度に達するまでの時間(以下、活性時間という)との関係を調べた例である。
本例では、試料として、上記d1/Dの値を0.6〜0.8の範囲で種々変更させたガスセンサ素子を作製した。また、上記試料は、それぞれ3個作製した。
尚、本例において使用する符号は、図1において使用した符号に準ずる。
本例は、図8に示すごとく、上記実施例1におけるd1/Dの値と、ヒータ3に通電してからガスセンサ素子が活性温度に達するまでの時間(以下、活性時間という)との関係を調べた例である。
本例では、試料として、上記d1/Dの値を0.6〜0.8の範囲で種々変更させたガスセンサ素子を作製した。また、上記試料は、それぞれ3個作製した。
尚、本例において使用する符号は、図1において使用した符号に準ずる。
測定結果を図8に示す。同図からわかるように、d1/D≦0.7の場合には、活性時間が20秒を充分に下回り、ガスセンサ素子の早期活性を充分に図ることができる。これに対して、d1/D>0.7の場合には、活性時間が20秒を上回り大きくなっている。
以上により、ガスセンサ素子の早期活性の観点から、d1/D≦0.7の関係が成り立つことが好ましいことがわかる。
以上により、ガスセンサ素子の早期活性の観点から、d1/D≦0.7の関係が成り立つことが好ましいことがわかる。
(実験例3)
本例は、図9に示すごとく、上記実施例1におけるd2/Dの値と、ガスセンサ素子におけるクラックの発生との関係を調べた例である。
上記d2/Dは、上記実施例1におけるDに対する、固体電解質体2から最も遠い発熱部30bと固体電解質体2との間の距離d2の比を示すものである。
尚、本例において使用する符号は、図1において使用した符号に準ずる。
本例は、図9に示すごとく、上記実施例1におけるd2/Dの値と、ガスセンサ素子におけるクラックの発生との関係を調べた例である。
上記d2/Dは、上記実施例1におけるDに対する、固体電解質体2から最も遠い発熱部30bと固体電解質体2との間の距離d2の比を示すものである。
尚、本例において使用する符号は、図1において使用した符号に準ずる。
本例では、試料として、上記d2/Dの値を0.78〜0.88の範囲で種々変更させたガスセンサ素子を作製した。また、上記試料は、それぞれ10個作製した。
そして、各試料について、上記実験例1と同様の方法で、耐久回数を測定した。
そして、各試料について、上記実験例1と同様の方法で、耐久回数を測定した。
測定結果を図9に示す。同図からわかるように、d2/D≦0.82の場合には、耐久回数が5000回を超えなければ、ガスセンサ素子にクラックが発生することがない。これに対して、d2/D>0.82の場合には、耐久回数が5000回以下であってもガスセンサ素子にクラックが発生している。
以上により、ガスセンサ素子の耐久性の観点から、上記d2/D≦0.82の関係が成り立つことが好ましいことがわかる。
以上により、ガスセンサ素子の耐久性の観点から、上記d2/D≦0.82の関係が成り立つことが好ましいことがわかる。
1 ガスセンサ素子
10 主面
100 ヒータ側表面
20 固体電解質体
21 被測定ガス側電極
22 基準ガス側電極
3 ヒータ
30 発熱部
10 主面
100 ヒータ側表面
20 固体電解質体
21 被測定ガス側電極
22 基準ガス側電極
3 ヒータ
30 発熱部
Claims (7)
- 酸素イオン伝導性の固体電解質体と、該固体電解質体の一方の面に設けた被測定ガス側電極と、上記固体電解質体の他方の面に形成した基準ガス側電極と、上記固体電解質体を加熱するための発熱部を有するヒータとを有する積層型のガスセンサ素子であって、
該ガスセンサ素子の積層方向の一対の主面のうち上記固体電解質体に対して上記ヒータが配設されている側の表面であるヒータ側表面と上記固体電解質体との間の距離をD、上記発熱部のうち上記固体電解質体に最も近い発熱部と上記固体電解質体との間の距離をd1としたとき、0.04≦d1/D≦0.70の関係が成り立つことを特徴とするガスセンサ素子。 - 請求項1において、上記発熱部のうち上記固体電解質体から最も遠い発熱部と上記固体電解質体との間の距離をd2としたとき、d2/D≦0.82の関係が成り立つことを特徴とするガスセンサ。
- 請求項1又は2において、上記基準ガス側電極に面し外部から基準ガスを導入する基準ガス空間を形成するための溝部を有する基準ガス空間形成層を有し、上記発熱部の少なくとも一つは、上記基準ガス空間形成層の内部であって上記溝部の底面よりも上記固体電解質体に近い位置に埋設されていることを特徴とするガスセンサ素子。
- 酸素イオン伝導性の固体電解質体と、該固体電解質体の一方の面に設けた被測定ガス側電極と、上記固体電解質体の他方の面に形成した基準ガス側電極と、上記固体電解質体を加熱するための発熱部を有するヒータと、上記基準ガス側電極に面し外部から基準ガスを導入する基準ガス空間を形成するための溝部を有する基準ガス空間形成層とを有する積層型のガスセンサ素子の製造方法であって、
上記基準ガス空間形成層を形成するに当たっては、セラミックスラリーをフィルム上に塗布した後乾燥することによりセラミックシートを複数成形するシート成形工程と、
上記複数のセラミックシートのうちの一部のセラミックシートであるヒータ用シートの表面に上記発熱部を形成するための発熱部形成用ペーストを塗布する塗布工程と、
上記発熱部形成用ペーストの少なくとも一部が上記基準ガス空間形成層の溝部の底面よりも上記固体電解質体に近い位置に配されるように上記複数のセラミックシートを積層して未焼積層体を得る積層工程と、
上記未焼積層体を焼成する焼成工程とを有することを特徴とするガスセンサ素子の製造方法。 - 請求項4において、上記積層工程においては、最終的に得られる上記ガスセンサ素子の積層方向の一対の主面のうち上記固体電解質体に対して上記ヒータが配設される側の表面であるヒータ側表面と上記固体電解質体との間の距離をD、上記発熱部のうち上記固体電解質体に最も近い発熱部と上記固体電解質体との間の距離をd1としたとき、0.04≦d1/D≦0.70の関係が成り立つよう上記セラミックシートを積層することを特徴とするガスセンサ素子の製造方法。
- 請求項5において、上記発熱部のうち上記固体電解質体から最も遠い発熱部と上記固体電解質体との間の距離をd2としたとき、d2/D≦0.82の関係が成り立つよう上記セラミックシートを積層することを特徴とするガスセンサ素子の製造方法。
- 請求項4〜6のいずれか一項において、最終的に得られる上記ガスセンサ素子の積層方向の一対の主面のうち上記固体電解質体に対して上記ヒータが配設される側の表面であるヒータ側表面と上記固体電解質体との間の距離をDとしたとき、上記セラミックシートの一枚の厚みは、0.02D〜0.82Dであることを特徴とするガスセンサ素子の製造方法。
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Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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WO2012030132A2 (ko) * | 2010-09-03 | 2012-03-08 | 일진머티리얼즈 주식회사 | 질소산화물 가스센서 |
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-
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- 2006-07-13 JP JP2006192528A patent/JP2008020331A/ja active Pending
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