JP2016161414A - ガスセンサ素子の製造方法 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】ガスセンサ素子20の製造方法は、素子本体部21と、保護膜23とを有するガスセンサ素子20を製造する方法である。ガスセンサ素子20の製造方法は、本体作製工程と、膜成形工程と、焼成工程とを有している。膜成形工程においては、成形型内においてセラミックス材料、無機バインダー及び凝固剤を有するスラリー状の保護膜形成材料に、素子本体部21の先端側の一部を浸漬し、成形型内において、素子本体部21に付着した保護膜形成材料を仮硬化させる。
【選択図】図2
Description
このようなガスセンサ素子には、例えば、酸素イオン伝導性の固体電解質体と、その固体電解質体の一方の面と他方の面とにそれぞれ設けた被測定ガス側電極及び基準ガス側電極と、被測定ガス側電極を覆うと共に被測定ガスを透過させる多孔質拡散抵抗層とを有するガスセンサ素子が内蔵されている。ガスセンサ素子は、固体電解質体が活性となる高温(例えば、500℃以上)に加熱された状態で使用される。そのため、排ガスに含まれる凝縮水がガスセンサ素子内に浸入し、高温の固体電解質体に付着すると、固体電解質体に大きな熱衝撃が加わり、被水割れが生じるおそれがある。
素子本体部は、軸方向と直交する断面が略矩形状の四角柱状をなしている。この素子本体部に、浸漬によって保護膜形成材料を塗布した際に、平面部における保護膜形成材料の付着量に比べて、角部における保護膜形成材料の付着量が減少する。そのため、角部における保護膜の厚さが薄くなりやすい。また、保護膜形成材料は、粘度の低いスレート状をなしているため、素子本体部に塗布された保護膜形成材料が下方に向かって垂れやすい。そのため、ガスセンサ素子において、保護膜の厚さ不均一となり、厚さの薄い部位において耐被水性能が低下する。
上記素子本体部を作製する本体作製工程と、
上記素子本体部に上記保護膜を形成する保護膜形成材料を付着させると共に成形する膜成形工程と、
上記素子本体部に付着した上記保護膜形成材料を焼成して上記保護膜とする焼成工程とを有し、
上記膜成形工程においては、成形型内においてセラミックス材料、無機バインダー及び凝固剤を有するスラリー状の保護膜形成材料に、上記素子本体部の先端側の一部を浸漬し、上記成形型内において、上記素子本体部に付着した上記保護膜形成材料を仮硬化させることを特徴とするガスセンサ素子の製造方法にある。
上記ガスセンサ素子の製造方法にかかる実施例について、図1〜図9を参照して説明する。
本例のガスセンサ素子20の製造方法は、図1及び図2に示すごとく、固体電解質体211を含む複数のセラミックス層を積層してなる素子本体部21と、素子本体部21の先端側の一部を被覆する多孔質のセラミックスからなる保護膜23とを有するガスセンサ素子20を製造する方法である。
膜成形工程102においては、成形型11内においてセラミックス材料、無機バインダー及び凝固剤を有するスラリー状の保護膜形成材料231に、素子本体部21の先端側の一部を浸漬し、成形型11内において、保護膜形成材料231を仮硬化させる。
図1及び図2に示すごとく、本例のガスセンサ素子20を内蔵したガスセンサ2は、被測定ガス(排ガス)中の特定ガス濃度(酸素濃度)に依存して電極間を流れる限界電流を基にエンジンに供給される混合気の空燃比(A/F)を検出するA/Fセンサとして用いられる。
素子本体部21は、ジルコニアを略板状に成型してなる酸素イオン伝導性を備えた固体電解質体211を備えている。固体電解質体211の一方の面には、白金からなる被測定ガス側電極212が設けられており、固体電解質体211の他方の面には、白金からなる基準ガス側電極213が設けられている。
多孔質拡散抵抗層218における固体電解質体211とは反対側の面には、電気的絶縁性を有し、緻密でガスを透過させないアルミナからなる遮蔽層219が積層されている。つまり、固体電解質体211と遮蔽層219との間に、多孔質拡散抵抗層218が配置されており、被測定ガスを流通可能なガス導入路220が形成されている。ガス導入路220は、素子本体部21の内部に形成された被測定ガス室222との間を連通している。
まず、図3及び図4に示すごとく、本体作製工程101において、固体電解質体211を含む複数のセラミックス層を積層してなる角柱状の素子本体部21を形成する。このとき、素子本体部21を先端側の絶縁碍子311の内側に挿通配置し、素子本体部21と絶縁碍子311とを固定する。
図3、図5〜図8に示すごとく、膜成形工程102においては、成形型11を用いて、素子本体部21の表面に保護膜形成材料231を付着させる。本例の保護膜形成材料231は、セラミックス材料、無機バインダー及び凝固剤を含有している。また、凝固剤は、ゼラチンと、ゼラチンの硬化を促進する架橋剤とからなる。また、保護膜形成材料231は、ゲル化したものを撹拌することによってスラリー状にしてあり、この保護膜形成材料231及び成形型11は、ゼラチンのゲル−ゾル変態温度以上に加熱されている。
成形型11には、完成時の素子本体部21の外形と対応した成形凹部111が形成されている。
図3及び図9に示すごとく、凝固剤の作用により仮硬化した保護膜形成材料231が付着した素子本体部21は、焼成炉内に投入される。焼成炉内は、800℃〜1000℃に昇温されており、保護膜形成材料231が焼成されることで、多孔質の保護膜23が形成される。このとき、ゼラチン及び架橋剤は、蒸散し除去される。
保護膜23が形成された素子本体部21は、他の構成部品と共に組み立てられガスセンサ2が形成される。
ガスセンサ素子20の製造方法は、膜成形工程102を有しており、膜成形工程102においては、凝固剤を含む保護膜形成材料231を成形型11内で仮硬化させることができる。そのため、成形型11内において、保護膜形成材料231は、成形型11の形状に合わせて仮硬化し、保護膜形成材料231を任意の形状に成形することができる。この仮硬化した保護膜形成材料231を焼成工程103において焼成することにより、所望の形状の保護膜23を形成することができる。これにより、均一な厚さの保護膜23を備え、優れた耐被水性及び検出感度を兼ね備えたガスセンサ素子20を得ることができる。
また、凝固剤には、ゼラチンの硬化を早める架橋剤が含まれている。そのため、ゼラチンの硬化時間を短縮し、膜成形工程における生産性を向上することができる。
本確認試験においては、図10及び図11に示すごとく、ガスセンサ素子20の保護膜23の厚さについて確認を行った。
本確認試験においては、実施例1のガスセンサ素子20と、成形型11を用いず浸漬により保護膜形成材料231を付着させた従来のガスセンサ素子とにおける保護膜の厚さをそれぞれ確認した。尚、保護膜の厚さは、いずれのガスセンサ素子においても、340±170μmを目標厚さとして設定している。
図10に示すごとく、保護膜23の測定位置は、ガスセンサ素子20の軸方向と直交する断面における位置P1〜位置P11と、先端部における軸方向の位置P12とを計測した。尚、各ガスセンサ素子は、3つずつ用意し、その平均値を図11に示す。
図11に示すごとく、従来のガスセンサ素子における保護膜の厚さは、最小厚さが400μm、最大厚さが1600μmであり最大約1200μmのばらつきがある。また、計測を行った3つの従来のガスセンサ素子において、各ガスセンサ素子における同位置での保護膜の厚さのばらつきは、最大約400μmである。
本例は、実施例1の素子本体部21の製造方法における膜成形工程102を一部変更した例を示すものである。
本例において、保護膜形成材料231に含まれる凝固剤は、紫外線を照射することにより硬化する紫外線硬化樹脂からなる。膜成形工程102においては、紫外線照射前のスラリー状の保護膜形成材料231を、成形型11の成形凹部111内に注入し、素子本体部21を挿入した後、紫外線を照射することで保護膜形成材料231が仮硬化する。このとき、成形型11は、紫外線を透過する材料によって形成することが好ましく、例えば、石英ガラス、ポリメチルペンテン等を用いることができる。この場合には、成形型11を透過した紫外線によって保護膜形成材料231の全体を速やかに仮硬化させることができる。
本例においては、凝固剤として紫外線硬化樹脂を用いたが、加熱により硬化する熱硬化樹脂を用いてもよい。この場合には、例えば、金属製の成形型11を加熱して、保護膜形成材料231を仮硬化させることができる。
その他の構成は実施例1と同様である。尚、本例又は本例に関する図面において用いた符号のうち、実施例1において用いた符号と同一のものは、特に示さない限り、実施例1と同様の構成要素等を表す。
また、本例においても実施例1と同様の作用効果を得ることができる。
102 膜成形工程
103 焼成工程
11 成形型
20 ガスセンサ素子
21 素子本体部
211 固体電解質体
23 保護膜
231 保護膜形成材料
Claims (7)
- 固体電解質体(211)を含む複数のセラミックス層を積層してなる素子本体部(21)と、素子本体部(21)の先端側の一部を被覆する多孔質のセラミックスからなる保護膜(23)とを有するガスセンサ素子(20)を製造する方法であって、
上記素子本体部(21)を作製する本体作製工程(101)と、
上記素子本体部(21)に上記保護膜(23)を形成する保護膜形成材料(231)を付着させると共に成形する膜成形工程(102)と、
上記素子本体部(21)に付着した上記保護膜形成材料(231)を焼成して上記保護膜(23)とする焼成工程(103)とを有し、
上記膜成形工程102においては、成形型(11)内においてセラミックス材料、無機バインダー及び凝固剤を有するスラリー状の保護膜形成材料(231)に、上記素子本体部(21)の先端側の一部を浸漬し、上記成形型(11)内において、上記素子本体部(21)に付着した上記保護膜形成材料(231)を仮硬化させることを特徴とするガスセンサ素子(20)の製造方法。 - 上記凝固剤は、ゼラチン又は吸水性ポリマーを含んでいることを特徴とする請求項1に記載のガスセンサ素子(20)の製造方法。
- 上記凝固剤には、ゼラチンと、ゼラチンの硬化を早める架橋剤とが含まれていることを特徴とする請求項2に記載のガスセンサ素子(20)の製造方法。
- ゲル状の上記保護膜形成材料(231)を、撹拌することでせん断力を発生させて低粘度化させたスラリー状の上記保護膜形成材料(231)を上記成形型(11)内に注入した後、静置して上記保護膜形成材料(231)を仮硬化させることを特徴とする請求項2又は3に記載のガスセンサ素子(20)の製造方法。
- 上記膜成形工程(102)において、上記保護膜形成材料(231)及び上記成形型(11)をゼラチンのゲル−ゾル変態温度以上に加熱した状態で、上記保護膜形成材料(231)を上記成形型(11)に注入した後、上記保護膜形成材料(231)及び上記成形型(11)をゼラチンのゲル−ゾル変態温度未満に冷却することを特徴とする請求項3に記載のガスセンサ素子(20)の製造方法。
- 上記保護膜形成材料(231)は、加熱又は紫外線照射により仮硬化することを特徴とする請求項1に記載のガスセンサ素子(20)の製造方法。
- 上記凝固剤は、上記焼成工程(103)において蒸散することを特徴とする請求項1〜6のいずれか一項に記載のガスセンサ素子(20)の製造方法。
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