JP2017170725A - Paste for the space formation of ceramic component, method for filling the same and method for producing ceramic component - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、セラミック部品の空間形成用ペースト,その充填方法,及びセラミック部品の製造方法に関する。 The present invention relates to a ceramic component space forming paste, a filling method thereof, and a ceramic component manufacturing method.
従来、センサ素子などのセラミック部品の製造方法として、複数のセラミックスグリーンシートを用意し、それらに所定の配線パターンを形成した上でそれらを積層し、得られた積層体を焼結させる方法が知られている。また、このようなセラミック部品の内部に空間を形成する場合、セラミックスグリーンシートにパンチングによって打ち抜き箇所を形成し、打ち抜き箇所に内部空間形成部材を埋め込んでおくことが知られている(例えば、特許文献1)。内部空間形成部材は、焼成時に昇華する昇華性材料で形成されており、焼成後には内部空間形成部材の埋め込み箇所が空間となる。セラミックスグリーンシートの打ち抜き箇所に内部空間形成部材を埋め込む方法としては、ドクターブレード法やスクリーン印刷などにより形成した内部空間形成部材のシートを用いることが知られている(例えば、特許文献1,2)。特許文献2には、内部空間形成部材のシートから所定サイズのシート片を打ち抜き成型し、得られたシート片を吸着盤に吸着させて打ち抜き箇所に埋め込む方法が記載されている。また、他の方法として、打ち抜き箇所が形成されているグリーンシートをセット台に載置し、その上に内部空間形成部材のシートを配置し、シートの上から打ち抜き箇所と同じ平面形状のポンチを下降させる方法も記載されている。この方法では、ポンチによりシートを打ち抜く処理と、打ち抜かれたシート片を打ち抜き箇所に充填する処理とが継続して行われる。
Conventionally, as a method of manufacturing a ceramic component such as a sensor element, a method is known in which a plurality of ceramic green sheets are prepared, a predetermined wiring pattern is formed on them, the layers are laminated, and the obtained laminate is sintered. It has been. In addition, when forming a space inside such a ceramic component, it is known that a punched portion is formed in a ceramic green sheet by punching, and an internal space forming member is embedded in the punched portion (for example, Patent Documents). 1). The internal space forming member is formed of a sublimable material that sublimes during firing, and the embedded portion of the internal space forming member becomes a space after firing. As a method of embedding the internal space forming member in the punched portion of the ceramic green sheet, it is known to use a sheet of the internal space forming member formed by a doctor blade method or screen printing (for example,
しかし、特許文献2のように内部空間形成部材のシートからシート片を打ち抜き成型すると、シートのうち打ち抜かれなかった部分が廃棄ロスになるという問題があった。この問題点を解決するため、内部空間形成部材のシートを用いるのではなく、ディスペンサ(液体定量吐出装置)を用いて内部空間形成用のペーストを吐出して打ち抜き箇所への充填を行うことが考えられる。しかし、このような用途に適したペーストは知られていなかった。
However, when a sheet piece is punched and molded from the sheet of the internal space forming member as in
本発明はこのような課題を解決するためになされたものであり、ディスペンサでの吐出に適したセラミック部品の空間形成用ペーストを提供することを主目的とする。 The present invention has been made to solve such problems, and a main object of the present invention is to provide a ceramic component space forming paste suitable for discharging with a dispenser.
本発明は、上述した主目的を達成するために以下の手段を採った。 The present invention employs the following means in order to achieve the main object described above.
本発明のセラミック部品の空間形成用ペーストは、
消失性材料と、樹脂と、溶剤と、可塑剤とを含み、25℃における粘度が500Pa・s以上4500Pa・s以下、且つ全体に占める前記溶剤の割合が6体積%以上17体積%以下である、
ものである。
The ceramic component space forming paste of the present invention is:
Including a disappearing material, a resin, a solvent, and a plasticizer, the viscosity at 25 ° C. is 500 Pa · s or more and 4500 Pa · s or less, and the ratio of the solvent in the whole is 6 vol% or more and 17 vol% or less. ,
Is.
本発明の空間形成用ペーストの充填方法は、
(a)開口部を有するセラミックスグリーンシートを所定の下地の上に載置された状態にするステップと、
(b)上述した本発明のセラミック部品の空間形成用ペーストを、ディスペンサを用いて吐出させて前記開口部に充填するステップと、
(c)前記充填された空間形成用ペーストを乾燥させるステップと、
を含むものである。
The space forming paste filling method of the present invention includes:
(A) a step of placing a ceramic green sheet having an opening on a predetermined substrate;
(B) discharging the space forming paste of the ceramic component of the present invention described above using a dispenser to fill the opening;
(C) drying the filled space forming paste;
Is included.
本発明のセラミック部品の製造方法は、
3以上のセラミックスグリーンシートを用意する準備工程と、
前記3以上のセラミックスグリーンシートのうち1以上に開口部を形成する開口部形成工程と、
前記開口部が形成されたセラミックスグリーンシートの少なくとも1つに上述しアット本発明の空間形成用ペーストの充填方法を行って該開口部に空間形成用ペーストを充填する充填工程と、
前記充填工程後のセラミックスグリーンシートが挟まれるように、該セラミックスグリーンシートを含む前記3以上のセラミックグリーンシートを積層し加圧して積層体とする積層工程と、
前記積層体を焼成する焼成工程と、
を含むものである。
The method for producing the ceramic component of the present invention comprises:
A preparation step of preparing three or more ceramic green sheets;
An opening forming step of forming an opening in one or more of the three or more ceramic green sheets;
Filling the space forming paste into the opening by performing the above-described space forming paste filling method of the present invention on at least one of the ceramic green sheets in which the opening is formed;
A laminating step of laminating and pressing the three or more ceramic green sheets including the ceramic green sheet so that the ceramic green sheet after the filling step is sandwiched; and
A firing step of firing the laminate;
Is included.
本発明のセラミック部品の空間形成用ペーストは、粘度が500Pa・s以上であることで、ディスペンサから吐出させる際の過剰吐出を抑制できる。また、粘度が4500Pa・s以下であることで、粘度が高すぎてディスペンサから吐出不能になるのを抑制できる。また、溶剤の割合が6体積%以上であることで、空間形成用ペースト中の樹脂の析出が低減され、ディスペンサの目詰まりを抑制できる。以上のことから、本発明のセラミック部品の空間形成用ペーストは、ディスペンサでの吐出に適している。また、本発明のセラミック部品の空間形成用ペーストは、溶剤の割合が17体積%以下であることで、乾燥収縮率が17体積%以下となっている。乾燥収縮率が17%以下では、空間形成用ペーストが収縮しすぎてセラミックスグリーンシートの開口部への充填が乾燥後に不十分になることを抑制できる。そのため、本発明の空間形成用ペーストは、セラミック部品の空間形成に適している。また、本発明の空間形成用ペーストの充填方法及び本発明のセラミック部品の製造方法では、上述した本発明のセラミック部品の空間形成用ペーストを用いて開口部への充填を行い、その後に乾燥を行うため、上述した効果と同様の効果が得られる。また、本発明の空間形成用ペーストの充填方法及び本発明のセラミック部品の製造方法では、空間形成用ペーストを用いてディスペンサにより開口部への充填を行うため、例えば空間形成用のシートから打ち抜いたシート片を開口部に埋め込む場合と比べて、廃棄ロスを少なくすることができる。 The paste for forming a space of the ceramic component of the present invention has a viscosity of 500 Pa · s or more, so that excessive discharge when discharged from the dispenser can be suppressed. Moreover, it can suppress that a viscosity is too high and it becomes impossible to discharge from a dispenser because a viscosity is 4500 Pa.s or less. Moreover, precipitation of resin in the paste for space formation is reduced and the clogging of a dispenser can be suppressed because the ratio of a solvent is 6 volume% or more. From the foregoing, the ceramic component space forming paste of the present invention is suitable for discharging with a dispenser. Moreover, the space forming paste of the ceramic component of the present invention has a drying shrinkage rate of 17% by volume or less because the solvent ratio is 17% by volume or less. When the drying shrinkage rate is 17% or less, it can be suppressed that the space forming paste shrinks too much and the filling of the opening of the ceramic green sheet becomes insufficient after drying. Therefore, the paste for forming a space of the present invention is suitable for forming a space of a ceramic part. Further, in the method for filling the space forming paste of the present invention and the method for manufacturing the ceramic component of the present invention, the space forming paste of the ceramic component of the present invention described above is used to fill the opening, and then dried. Therefore, the same effect as described above can be obtained. Moreover, in the filling method of the space forming paste of the present invention and the ceramic component manufacturing method of the present invention, the space forming paste is used to fill the opening with a dispenser. For example, the space forming paste is punched from the space forming sheet. Compared with the case where the sheet piece is embedded in the opening, the waste loss can be reduced.
次に、本発明の実施形態について、図面を用いて説明する。まず、セラミック部品の一実施形態であるセンサ素子101について説明する。図1は、センサ素子101を備えたガスセンサ100の構成の一例を概略的に示した断面模式図である。なお、センサ素子101は長尺な直方体形状をしており、このセンサ素子101の長手方向(図1の左右方向)を前後方向とし、センサ素子101の厚み方向(図1の上下方向)を上下方向とする。また、センサ素子101の幅方向(前後方向及び上下方向に垂直な方向)を左右方向とする。
Next, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. First, the
センサ素子101は、それぞれがジルコニア(ZrO2)等の酸素イオン伝導性固体電解質層からなる第1基板層1と、第2基板層2と、第3基板層3と、第1固体電解質層4と、スペーサ層5と、第2固体電解質層6との6つの層が、図面視で下側からこの順に積層された構造を有する素子である。また、これら6つの層を形成する固体電解質は緻密な気密のものである。係るセンサ素子101は、例えば、各層に対応するセラミックスグリーンシートに所定の加工および回路パターンの印刷などを行った後にそれらを積層し、さらに、焼成して一体化させることによって製造される。
The
センサ素子101の一先端部であって、第2固体電解質層6の下面と第1固体電解質層4の上面との間には、ガス導入口10と、第1拡散律速部11と、緩衝空間12と、第2拡散律速部13と、第1内部空所20と、第3拡散律速部30と、第2内部空所40とが、この順に連通する態様にて隣接形成されてなる。
One end of the
ガス導入口10と、緩衝空間12と、第1内部空所20と、第2内部空所40とは、スペーサ層5をくり抜いた態様にて設けられた上部を第2固体電解質層6の下面で、下部を第1固体電解質層4の上面で、側部をスペーサ層5の側面で区画されたセンサ素子101内部の空間である。
The
第1拡散律速部11と、第2拡散律速部13と、第3拡散律速部30とはいずれも、2本の横長の(図面に垂直な方向に開口が長手方向を有する)スリットとして設けられる。なお、ガス導入口10から第2内部空所40に至る部位をガス流通部とも称する。
Each of the first diffusion
また、ガス流通部よりも先端側から遠い位置には、第3基板層3の上面と、スペーサ層5の下面との間であって、側部を第1固体電解質層4の側面で区画される位置に基準ガス導入空間43が設けられている。基準ガス導入空間43には、NOx濃度の測定を行う際の基準ガスとして、例えば大気が導入される。
Further, at a position farther from the front end side than the gas circulation part, the side part is partitioned by the side surface of the first
大気導入層48は、多孔質セラミックスからなる層であって、大気導入層48には基準ガス導入空間43を通じて基準ガスが導入されるようになっている。また、大気導入層48は、基準電極42を被覆するように形成されている。
The
基準電極42は、第3基板層3の上面と第1固体電解質層4とに挟まれる態様にて形成される電極であり、上述のように、その周囲には、基準ガス導入空間43につながる大気導入層48が設けられている。また、後述するように、基準電極42を用いて第1内部空所20内や第2内部空所40内の酸素濃度(酸素分圧)を測定することが可能となっている。
The
ガス流通部において、ガス導入口10は、外部空間に対して開口してなる部位であり、該ガス導入口10を通じて外部空間からセンサ素子101内に被測定ガスが取り込まれるようになっている。第1拡散律速部11は、ガス導入口10から取り込まれた被測定ガスに対して、所定の拡散抵抗を付与する部位である。緩衝空間12は、第1拡散律速部11より導入された被測定ガスを第2拡散律速部13へと導くために設けられた空間である。第2拡散律速部13は、緩衝空間12から第1内部空所20に導入される被測定ガスに対して、所定の拡散抵抗を付与する部位である。被測定ガスが、センサ素子101外部から第1内部空所20内まで導入されるにあたって、外部空間における被測定ガスの圧力変動(被測定ガスが自動車の排気ガスの場合であれば排気圧の脈動)によってガス導入口10からセンサ素子101内部に急激に取り込まれた被測定ガスは、直接第1内部空所20へ導入されるのではなく、第1拡散律速部11、緩衝空間12、第2拡散律速部13を通じて被測定ガスの濃度変動が打ち消された後、第1内部空所20へ導入されるようになっている。これによって、第1内部空所20へ導入される被測定ガスの濃度変動はほとんど無視できる程度のものとなる。第1内部空所20は、第2拡散律速部13を通じて導入された被測定ガス中の酸素分圧を調整するための空間として設けられている。係る酸素分圧は、主ポンプセル21が作動することによって調整される。
In the gas circulation part, the
主ポンプセル21は、第1内部空所20に面する第2固体電解質層6の下面のほぼ全面に設けられた天井電極部22aを有する内側ポンプ電極22と、第2固体電解質層6の上面の天井電極部22aと対応する領域に外部空間に露出する態様にて設けられた外側ポンプ電極23と、これらの電極に挟まれた第2固体電解質層6とによって構成されてなる電気化学的ポンプセルである。
The
内側ポンプ電極22は、第1内部空所20を区画する上下の固体電解質層(第2固体電解質層6および第1固体電解質層4)、および、側壁を与えるスペーサ層5にまたがって形成されている。具体的には、第1内部空所20の天井面を与える第2固体電解質層6の下面には天井電極部22aが形成され、また、底面を与える第1固体電解質層4の上面には底部電極部22bが形成され、そして、それら天井電極部22aと底部電極部22bとを接続するように、側部電極部(図示省略)が第1内部空所20の両側壁部を構成するスペーサ層5の側壁面(内面)に形成されて、該側部電極部の配設部位においてトンネル形態とされた構造において配設されている。
The
内側ポンプ電極22と外側ポンプ電極23とは、多孔質サーメット電極(例えば、Auを1%含むPtとZrO2とのサーメット電極)として形成される。なお、被測定ガスに接触する内側ポンプ電極22は、被測定ガス中のNOx成分に対する還元能力を弱めた材料を用いて形成される。
The
主ポンプセル21においては、内側ポンプ電極22と外側ポンプ電極23との間に所望のポンプ電圧Vp0を印加して、内側ポンプ電極22と外側ポンプ電極23との間に正方向あるいは負方向にポンプ電流Ip0を流すことにより、第1内部空所20内の酸素を外部空間に汲み出し、あるいは、外部空間の酸素を第1内部空所20に汲み入れることが可能となっている。
In the
また、第1内部空所20における雰囲気中の酸素濃度(酸素分圧)を検出するために、内側ポンプ電極22と、第2固体電解質層6と、スペーサ層5と、第1固体電解質層4と、第3基板層3と、基準電極42によって、電気化学的なセンサセル、すなわち、主ポンプ制御用酸素分圧検出センサセル80が構成されている。
Further, in order to detect the oxygen concentration (oxygen partial pressure) in the atmosphere in the first internal space 20, the
主ポンプ制御用酸素分圧検出センサセル80における起電力V0を測定することで第1内部空所20内の酸素濃度(酸素分圧)がわかるようになっている。さらに、起電力V0が一定となるように可変電源24のポンプ電圧Vp0をフィードバック制御することでポンプ電流Ip0が制御されている。これによって、第1内部空所内20内の酸素濃度は所定の一定値に保つことができる。
By measuring the electromotive force V0 in the main pump control oxygen partial pressure
第3拡散律速部30は、第1内部空所20で主ポンプセル21の動作により酸素濃度(酸素分圧)が制御された被測定ガスに所定の拡散抵抗を付与して、該被測定ガスを第2内部空所40に導く部位である。
The third
第2内部空所40は、第3拡散律速部30を通じて導入された被測定ガス中の窒素酸化物(NOx)濃度の測定に係る処理を行うための空間として設けられている。NOx濃度の測定は、主として、補助ポンプセル50により酸素濃度が調整された第2内部空所40において、さらに、測定用ポンプセル41の動作によりNOx濃度が測定される。
The second internal space 40 is provided as a space for performing a process related to the measurement of the nitrogen oxide (NOx) concentration in the gas to be measured introduced through the third
第2内部空所40では、あらかじめ第1内部空所20において酸素濃度(酸素分圧)が調整された後、第3拡散律速部30を通じて導入された被測定ガスに対して、さらに補助ポンプセル50による酸素分圧の調整が行われるようになっている。これにより、第2内部空所40内の酸素濃度を高精度に一定に保つことができるため、係るガスセンサ100においては精度の高いNOx濃度測定が可能となる。
In the second internal space 40, after the oxygen concentration (oxygen partial pressure) is adjusted in advance in the first internal space 20, the
補助ポンプセル50は、第2内部空所40に面する第2固体電解質層6の下面の略全体に設けられた天井電極部51aを有する補助ポンプ電極51と、外側ポンプ電極23(外側ポンプ電極23に限られるものではなく、センサ素子101の外側の適当な電極であれば足りる)と、第2固体電解質層6とによって構成される、補助的な電気化学的ポンプセルである。
The
係る補助ポンプ電極51は、先の第1内部空所20内に設けられた内側ポンプ電極22と同様なトンネル形態とされた構造において、第2内部空所40内に配設されている。つまり、第2内部空所40の天井面を与える第2固体電解質層6に対して天井電極部51aが形成され、また、第2内部空所40の底面を与える第1固体電解質層4には、底部電極部51bが形成され、そして、それらの天井電極部51aと底部電極部51bとを連結する側部電極部(図示省略)が、第2内部空所40の側壁を与えるスペーサ層5の両壁面にそれぞれ形成されたトンネル形態の構造となっている。なお、補助ポンプ電極51についても、内側ポンプ電極22と同様に、被測定ガス中のNOx成分に対する還元能力を弱めた材料を用いて形成される。
The
補助ポンプセル50においては、補助ポンプ電極51と外側ポンプ電極23との間に所望の電圧Vp1を印加することにより、第2内部空所40内の雰囲気中の酸素を外部空間に汲み出し、あるいは、外部空間から第2内部空所40内に汲み入れることが可能となっている。
In the
また、第2内部空所40内における雰囲気中の酸素分圧を制御するために、補助ポンプ電極51と、基準電極42と、第2固体電解質層6と、スペーサ層5と、第1固体電解質層4と、第3基板層3とによって電気化学的なセンサセル、すなわち、補助ポンプ制御用酸素分圧検出センサセル81が構成されている。
Further, in order to control the oxygen partial pressure in the atmosphere in the second internal space 40, the
なお、この補助ポンプ制御用酸素分圧検出センサセル81にて検出される起電力V1に基づいて電圧制御される可変電源52にて、補助ポンプセル50がポンピングを行う。これにより第2内部空所40内の雰囲気中の酸素分圧は、NOxの測定に実質的に影響がない低い分圧にまで制御されるようになっている。
The
また、これとともに、そのポンプ電流Ip1が、主ポンプ制御用酸素分圧検出センサセル80の起電力の制御に用いられるようになっている。具体的には、ポンプ電流Ip1は、制御信号として主ポンプ制御用酸素分圧検出センサセル80に入力され、その起電力V0が制御されることにより、第3拡散律速部30から第2内部空所40内に導入される被測定ガス中の酸素分圧の勾配が常に一定となるように制御されている。NOxセンサとして使用する際は、主ポンプセル21と補助ポンプセル50との働きによって、第2内部空所40内での酸素濃度は約0.001ppm程度の一定の値に保たれる。
At the same time, the pump current Ip1 is used to control the electromotive force of the oxygen partial pressure
測定用ポンプセル41は、第2内部空所40内において、被測定ガス中のNOx濃度の測定を行う。測定用ポンプセル41は、第2内部空所40に面する第1固体電解質層4の上面であって第3拡散律速部30から離間した位置に設けられた測定電極44と、外側ポンプ電極23と、第2固体電解質層6と、スペーサ層5と、第1固体電解質層4とによって構成された電気化学的ポンプセルである。
The
測定電極44は、多孔質サーメット電極である。測定電極44は、第2内部空所40内の雰囲気中に存在するNOxを還元するNOx還元触媒としても機能する。さらに、測定電極44は、第4拡散律速部45によって被覆されてなる。
The measurement electrode 44 is a porous cermet electrode. The measurement electrode 44 also functions as a NOx reduction catalyst that reduces NOx present in the atmosphere in the second internal space 40. Further, the measurement electrode 44 is covered with a fourth diffusion
第4拡散律速部45は、セラミックス多孔体にて構成される膜である。第4拡散律速部45は、測定電極44に流入するNOxの量を制限する役割を担うとともに、測定電極44の保護膜としても機能する。測定用ポンプセル41においては、測定電極44の周囲の雰囲気中における窒素酸化物の分解によって生じた酸素を汲み出して、その発生量をポンプ電流Ip2として検出することができる。
The 4th
また、測定電極44の周囲の酸素分圧を検出するために、第1固体電解質層4と、第3基板層3と、測定電極44と、基準電極42とによって電気化学的なセンサセル、すなわち、測定用ポンプ制御用酸素分圧検出センサセル82が構成されている。測定用ポンプ制御用酸素分圧検出センサセル82にて検出された起電力V2に基づいて可変電源46が制御される。
In order to detect the oxygen partial pressure around the measurement electrode 44, an electrochemical sensor cell, that is, a first
第2内部空所40内に導かれた被測定ガスは、酸素分圧が制御された状況下で第4拡散律速部45を通じて測定電極44に到達することとなる。測定電極44の周囲の被測定ガス中の窒素酸化物は還元されて(2NO→N2+O2)酸素を発生する。そして、この発生した酸素は測定用ポンプセル41によってポンピングされることとなるが、その際、測定用ポンプ制御用酸素分圧検出センサセル82にて検出された起電力V2が一定となるように可変電源46の電圧Vp2が制御される。測定電極44の周囲において発生する酸素の量は、被測定ガス中の窒素酸化物の濃度に比例するものであるから、測定用ポンプセル41におけるポンプ電流Ip2を用いて被測定ガス中の窒素酸化物濃度が算出されることとなる。
The gas to be measured introduced into the second internal space 40 reaches the measurement electrode 44 through the fourth diffusion rate-determining
また、測定電極44と、第1固体電解質層4と、第3基板層3と、基準電極42とを組み合わせて、電気化学的センサセルとして酸素分圧検出手段を構成するようにすれば、測定電極44の周りの雰囲気中のNOx成分の還元によって発生した酸素の量と基準大気に含まれる酸素の量との差に応じた起電力を検出することができ、これによって被測定ガス中のNOx成分の濃度を求めることも可能である。
If the measurement electrode 44, the first
また、第2固体電解質層6と、スペーサ層5と、第1固体電解質層4と、第3基板層3と、外側ポンプ電極23と、基準電極42とから電気化学的なセンサセル83が構成されており、このセンサセル83によって得られる起電力Vrefによりセンサ外部の被測定ガス中の酸素分圧を検出可能となっている。
The second
このような構成を有するガスセンサ100においては、主ポンプセル21と補助ポンプセル50とを作動させることによって酸素分圧が常に一定の低い値(NOxの測定に実質的に影響がない値)に保たれた被測定ガスが測定用ポンプセル41に与えられる。したがって、被測定ガス中のNOxの濃度に略比例して、NOxの還元によって発生する酸素が測定用ポンプセル41より汲み出されることによって流れるポンプ電流Ip2に基づいて、被測定ガス中のNOx濃度を知ることができるようになっている。
In the
さらに、センサ素子101は、固体電解質の酸素イオン伝導性を高めるために、センサ素子101を加熱して保温する温度調整の役割を担うヒータ部70を備えている。ヒータ部70は、ヒータコネクタ電極71と、ヒータ72と、スルーホール73と、ヒータ絶縁層74と、圧力放散孔75とを備えている。
Furthermore, the
ヒータコネクタ電極71は、第1基板層1の下面に接する態様にて形成されてなる電極である。ヒータコネクタ電極71を外部電源と接続することによって、外部からヒータ部70へ給電することができるようになっている。
The
ヒータ72は、第2基板層2と第3基板層3とに上下から挟まれた態様にて形成される電気抵抗体である。ヒータ72は、スルーホール73を介してヒータコネクタ電極71と接続されており、該ヒータコネクタ電極71を通して外部より給電されることにより発熱し、センサ素子101を形成する固体電解質の加熱と保温を行う。
The
また、ヒータ72は、第1内部空所20から第2内部空所40の全域に渡って埋設されており、センサ素子101全体を上記固体電解質が活性化する温度に調整することが可能となっている。
The
ヒータ絶縁層74は、ヒータ72の上下面に、アルミナ等の絶縁体によって形成されてなる絶縁層である。ヒータ絶縁層74は、第2基板層2とヒータ72との間の電気的絶縁性、および、第3基板層3とヒータ72との間の電気的絶縁性を得る目的で形成されている。
The
圧力放散孔75は、第3基板層3を貫通し、基準ガス導入空間43に連通するように設けられてなる部位であり、ヒータ絶縁層74内の温度上昇に伴う内圧上昇を緩和する目的で形成されてなる。
The
次に、こうして構成されたセンサ素子101の製造方法を以下に説明する。図2及び図3は、センサ素子101の製造工程の説明図である。なお、図2,図3では、センサ素子101の内部空間としての基準ガス導入空間43及び圧力放散孔75を形成する様子を主に示している。また、以下では、セラミックスグリーンシートを単にグリーンシートと称する。
Next, a method for manufacturing the
本実施形態のセンサ素子101の製造方法は、
3以上のグリーンシートを用意する準備工程と、
3以上のグリーンシートのうち1以上に開口部を形成する開口部形成工程と、
開口部が形成されたグリーンシートの少なくとも1つについて、その開口部に空間形成用ペーストを充填する充填工程と、
充填工程後のセラミックスグリーンシートが挟まれるように、そのセラミックスグリーンシートを含む3以上のセラミックグリーンシートを積層し加圧して積層体とする積層工程と、
積層体を焼成する焼成工程と、
を含んでいる。
The manufacturing method of the
A preparation step of preparing three or more green sheets;
An opening forming step of forming an opening in one or more of the three or more green sheets;
For at least one of the green sheets in which the opening is formed, a filling step of filling the opening with a space-forming paste;
A lamination step in which three or more ceramic green sheets including the ceramic green sheet are laminated and pressed to form a laminate so that the ceramic green sheets after the filling step are sandwiched;
A firing step of firing the laminate;
Is included.
[準備工程]
準備工程では、3以上のグリーンシートを用意する。本実施形態では、酸素イオン伝導性の固体電解質であるセラミックス(本実施形態ではジルコニア)を主成分とするグリーンシートを複数用意する。本実施形態では、センサ素子101は第1〜第3基板層1〜3,第1固体電解質層4,スペーサ層5,第2固体電解質層6の6つの層から構成されている。そのため、各層に対応させた6枚のグリーンシート201〜206(後述する図2(a)及び図3(c)参照)を用意する。準備工程では、予め作製されたグリーンシート201〜206を用意してもよいし、グリーンシート201〜206を作製することで用意してもよい。グリーンシート201〜206を作製する場合、例えば、安定化したジルコニアの粉末と、有機バインダーと、有機溶剤とを混合してペーストとし、このペーストを用いてドクターブレード法などにより作製する。
[Preparation process]
In the preparation step, three or more green sheets are prepared. In this embodiment, a plurality of green sheets whose main component is ceramics (zirconia in this embodiment), which is a solid electrolyte having oxygen ion conductivity, are prepared. In the present embodiment, the
[開口部形成工程]
開口部形成工程では、用意したグリーンシート201〜206のうち1以上に開口部を形成する。開口部を形成するのは、対応する層が空間を有しているグリーンシートである。本実施形態では、基準ガス導入空間43を有する第1固体電解質層4に対応するグリーンシート204と、圧力放散孔75を有する第3基板層3に対応するグリーンシート203と、緩衝空間12及び第1,第2内部空所20,40を有するスペーサ層5に対応するグリーンシート205と、にそれぞれ開口部を形成する。開口部の形成は、例えばプレス機のパンチを用いた打ち抜き加工により行う。図2(a)には、基準ガス導入空間43に対応する矩形状の開口部243が形成されたグリーンシート204と、圧力放散孔75に対応する開口部275が形成されたグリーンシート203と、を断面で示した。
[Opening Step]
In the opening forming step, an opening is formed in one or more of the prepared
なお、本実施形態では、複数のセンサ素子101をまとめて製造するものとした。そのため、グリーンシート201〜206の各々には、焼成後にセンサ素子101内の対応する層となる領域が複数含まれている。従って、開口部形成工程では、例えばグリーンシート204に複数の開口部275を形成する。
In the present embodiment, the plurality of
なお、スルーホール73を有する第1,第2基板層1,2に対応するグリーンシート201,202にも、スルーホール73に対応する孔を形成する。また、積層時の複数のグリーンシートの位置決めに用いる孔を形成してもよい。これらの孔の形成は開口部形成工程で行ってもよいし、その前後で行ってもよい。
A hole corresponding to the through
[パターン形成工程]
開口部形成工程の後、本実施形態では、充填工程の前にパターン形成工程を行う。パターン形成工程では、準備工程で用意した3以上のグリーンシート(本実施形態ではグリーンシート201〜206)の1以上に対して、ペーストからなる所定のパターンを形成して乾燥させる。パターンとは、具体的には、センサ素子101の各電極、リード線,及びヒータなどを形成するためのパターンである。各々のパターンの形成は、それぞれの形成対象に要求される特性に応じて用意したパターン形成用ペーストを、形成対象を形成すべき層に対応するグリーンシートに塗布することにより行われる。パターンの形成は、例えばスクリーン印刷により行ってもよい。形成後の乾燥処理については、公知の乾燥技術を利用可能であり、例えば75〜90℃の温度で大気雰囲気にて行うのが一般的である。図2(b)には、グリーンシート203の上面に、焼成後に大気導入層48となるパターンである焼成前大気導入層248を形成した様子を示した。
[Pattern formation process]
In the present embodiment, after the opening forming process, the pattern forming process is performed before the filling process. In the pattern forming step, a predetermined pattern made of a paste is formed and dried on one or more of the three or more green sheets (
[充填工程]
開口部形成工程及びパターン形成工程の後、充填工程では、開口部が形成されたグリーンシートの少なくとも1つについて、その開口部に空間形成用ペーストを充填する。充填工程で行う空間形成用ペーストの充填方法は、
(a)開口部を有するグリーンシートを所定の下地の上に載置された状態にするステップと、
(b)空間形成用ペーストを、ディスペンサを用いて吐出させて開口部に充填するステップと、
(c)充填された空間形成用ペーストを乾燥させるステップと、
を含む。
[Filling process]
After the opening forming step and the pattern forming step, in the filling step, the space forming paste is filled into the opening of at least one of the green sheets on which the opening is formed. The space forming paste filling method performed in the filling step is as follows:
(A) a step of placing a green sheet having an opening on a predetermined substrate;
(B) discharging the space forming paste using a dispenser and filling the openings;
(C) drying the filled space-forming paste;
including.
以下、充填工程で開口部243及び開口部275に空間形成用ペースト98を充填する場合について、図2(c)〜(f)及び図3(a),(b)を用いて説明する。まず、ステップ(a)では、開口部275を有するグリーンシート204を所定の下地の上に載置された状態にする。本実施形態では、充填対象のグリーンシート204の下地としてグリーンシート203を用いることとし、グリーンシート203上にグリーンシート204を載置する(図2(c))。なお、グリーンシート204が対応する第1固体電解質層4と、グリーンシート203が対応する第3基板層3とは、センサ素子101中で互いに隣接しており、後述する積層工程でもグリーンシート203,204は隣接して積層した状態にする必要がある(後述する図3(c)参照)。そこで、本実施形態では、対応する層が互いに隣接するグリーンシート203,204を先行して積層し、両者の一方を他方の下地として用いる。なお、グリーンシート203,204を積層する際には、予め図示しない接着用ペーストのパターンを両者の少なくとも一方に形成する。そして、この接着用ペーストを介してグリーンシート203,204を積層して接着する。
Hereinafter, the case where the
続いて、ステップ(b)では、空間形成用ペースト98を、ディスペンサ90を用いて吐出させて開口部243に充填する(図2(d))。ここで、空間形成用ペースト98について説明する。空間形成用ペースト98は、消失性材料と、樹脂と、溶剤と、可塑剤とを含み、25℃における粘度が500Pa・s以上4500Pa・s以下、且つ全体に占める前記溶剤の割合が6体積%以上17体積%以下であるものである。
Subsequently, in step (b), the
消失性材料としては、後述する焼成工程によって消失(例えば昇華)する材料を用いることができる。消失性材料としては、例えば、活性炭,メラミン樹脂等の高分子ビーズ,カフェイン,インジゴ,ヘキサブロムベンゼン,ナフタセン,又はテオブロミンなどが挙げられ、これらのうち2以上を混合して用いてもよい。消失性材料は、グリーンシートに用いられる有機溶媒(例えばエーテルなど)に対して難溶であることが好ましい。本実施形態では、消失性材料はテオブロミンとした。 As the extinguishing material, a material that disappears (for example, sublimates) by a baking process described later can be used. Examples of the disappearing material include polymer beads such as activated carbon and melamine resin, caffeine, indigo, hexabromobenzene, naphthacene, or theobromine, and two or more of these may be used in combination. The disappearing material is preferably hardly soluble in an organic solvent (such as ether) used for the green sheet. In this embodiment, the disappearing material is theobromine.
樹脂としては、例えば、エチルセルロース又はポリビニルブチラールなどが挙げられ、これらを混合して用いてもよい。本実施形態では、樹脂はポリビニルブチラールとした。樹脂は、溶剤及び可塑剤と共に空間形成用ペースト98の粘度を調整する役割を果たす。
Examples of the resin include ethyl cellulose and polyvinyl butyral, and these may be mixed and used. In this embodiment, the resin is polyvinyl butyral. The resin plays a role of adjusting the viscosity of the
溶剤としては、例えば、2−エチルヘキサノール、ブチルカルビトール、ブチルカルビトールアセテート、テルピネオール、又は水素添加テルピネオールなどが挙げられ、これらのうち2以上を混合して用いてもよい。本実施形態では、溶剤は2−エチルヘキサノールとした。 Examples of the solvent include 2-ethylhexanol, butyl carbitol, butyl carbitol acetate, terpineol, hydrogenated terpineol, and the like, and two or more of these may be used as a mixture. In this embodiment, the solvent was 2-ethylhexanol.
可塑剤としては、例えば、フタル酸ジオクチル、フタル酸ジブチルなどが挙げられ、これらを混合して用いてもよい。本実施形態では、可塑剤はフタル酸ジオクチルとした。 Examples of the plasticizer include dioctyl phthalate and dibutyl phthalate, and these may be used in combination. In this embodiment, the plasticizer is dioctyl phthalate.
空間形成用ペースト98は分散剤を含んでいてもよいし、含まなくてもよい。分散剤を配合する場合には、可塑剤の一部を分散剤に置き換えることとする。分散剤としては、セラミックペーストで一般的に使用される分散剤を用いることができ、そのような分散剤2以上を混合して用いてもよい。
The
空間形成用ペースト98は、上述した消失性材料と、樹脂と、溶剤と、可塑剤とを含む各原料を混合して調整する。混合は、例えば、各原料をポットミルやボールミル、ビーズミル、トロンメル、遊星ミル、アトライター、トリロールミル、又は自公転攪拌機などを用いて行うことができる。また、空間形成用ペースト98は、25℃における粘度が500Pa・s以上4500Pa・s以下、且つ全体に占める前記溶剤の割合が6体積%以上17体積%以下となるように、各原料の配合を調整して混合する。配合割合は、例えば、空間形成用ペースト98全体に占める消失性材料の割合を25wt%以上80wt%以下としてもよく、50wt%以上65wt%以下とすることが好ましい。空間形成用ペースト98全体に占める樹脂の割合を1wt%以上20wt%以下としてもよく、1.7wt%以上5.5wt%以下とすることが好ましい。空間形成用ペースト98全体に占める溶剤の割合を5wt%以上13wt%以下としてもよい。空間形成用ペースト98全体に占める可塑剤と分散剤との合計割合を2wt%以上50wt%以下としてもよく、20wt%以上35wt%以下であることが好ましい(ただし、可塑剤は2wt%以上とし、分散剤は0wt%以上とする)。これらの数値範囲の1以上を満たすことで、比較的容易に空間形成用ペースト98の25℃における粘度を500Pa・s以上4500Pa・s以下とすることができる。また、消失性材料は例えば粉末状であり、平均粒径は1μm以上40μm以下としてもよい。なお、平均粒径は、レーザ光回折法を用いて測定されたメディアン径(D50)をいうものとする。
The
空間形成用ペースト98を吐出するディスペンサ90は、本実施形態ではジェットディスペンサとした。図2(d)に示すように、ディスペンサ90は、貯留室形成部材91と、液剤経路94と、ピストン95と、スプリング96とを備えている。貯留室形成部材91は、内部の空間である貯留室92と、貯留室92からの空間形成用ペースト98の出口となる下方に開口した吐出口93とを有している。液剤経路94は、貯留室92への空間形成用ペースト98の経路となる空間である。液剤経路94は、図示しない供給源と接続されており、例えばエアーなどの圧力によって空間形成用ペースト98が液剤経路94を介して貯留室92に供給される。ピストン95は、通常位置では吐出口93を封止及び貯留室92の上方を封止しつつ、自身が上下動することで貯留室92の容積を増減させながら吐出口93の開閉を実施する部材である。ピストン95は、貯留室形成部材91との間に配置されたスプリング96の弾性力によって下方に付勢されている。ピストン95は、図示しないピエゾアクチュエータなどの動力源からの動力により、スプリング96の付勢力に抗して上方に移動する。ピストン95が通常位置から上方に移動すると、その移動量に応じて貯留室92の容積が増加し、液剤経路94側からの圧力によって貯留室92内の空間形成用ペースト98が吐出口93から下方に吐出される。その後、ピストン95がスプリング96の弾性力で下降すると、ピストン95が貯留室92内の空間形成用ペースト98を吐出口93から完全に吐出させ、その後ピストン95が通常位置に戻ることで吐出口93を封止する。このようにピストン95が通常位置から上方に移動して再び通常位置に戻るまでを吐出サイクルと称する。ディスペンサ90は、この吐出サイクルを繰り返すことで空間形成用ペースト98を連続的に吐出口93から吐出する。
The
ステップ(b)では、このディスペンサ90を用いて、空間形成用ペースト98を開口部243に充填する。具体的には、図示しない移動機構によりワーク(ここではグリーンシート204,203)とディスペンサ90との少なくとも一方を移動させながら、ディスペンサ90の吐出口93から所定時間の吐出サイクルで連続的に空間形成用ペースト98を吐出させて、開口部243に空間形成用ペースト98を充填していく(図2(d),(e))。ワークとディスペンサ90との相対移動速度、吐出口93の口径、液剤経路94から供給される空間形成用ペースト98の圧力及び温度、1回の吐出サイクルに要する時間、吐出サイクルの繰り返し間隔(吐出サイクルの開始時から、次の吐出サイクルの開始時までの時間)、などの充填条件は、開口部243の形状(前後左右の大きさや上下の高さ)に応じて適宜定めればよい。例えば、開口部243の高さが深いほど(必要な空間形成用ペースト98の厚みが大きいほど)、1回の空間形成用ペースト98の吐出量を大きくしたり、空間形成用ペースト98の粘度を高くしたり、1回の吐出サイクルの間の相対移動距離を小さくしたりするように充填条件を設定してもよい。また、本実施形態では、下地として用いられているグリーンシート203が開口部243と連通する開口部275を有している。このような場合、図2(d)に示すように、開口部275の開口面積よりも1回に吐出される空間形成用ペースト98の液滴の直径が大きくなるように、1回の空間形成用ペースト98の吐出量を調整することが好ましい。こうすれば、開口部243のうち開口部275の上方部分についても空間形成用ペースト98を充填しやすくなる。また、開口部243の上方でディスペンサ90が相対的に前後左右に移動して1回の走査を行う間に開口部243の充填が完了するように充填条件を定めることが好ましい。また、空間形成用ペースト98が乾燥により収縮する分などを考慮して、空間形成用ペースト98がグリーンシート204の上面(開口部243の上部開口面)より上方まで存在するように空間形成用ペースト98の充填を行ってもよい。
In step (b), the
なお、空間形成用ペースト98は、25℃における粘度が500Pa・s以上であることで、ディスペンサ90から吐出させる際の過剰吐出を抑制できる。また、空間形成用ペースト98は、粘度が4500Pa・s以下であることで、粘度が高すぎてディスペンサ98から吐出不能になるのを抑制できる。また、空間形成用ペースト98は、溶剤の割合が6体積%以上であることで、空間形成用ペースト98中の樹脂の析出が低減され、ディスペンサ90の目詰まりを抑制できる。以上のことから、空間形成用ペースト98は、ディスペンサ90での吐出に適している。
The
また、ステップ(b)では、上述した充填条件のうち液剤経路94から供給される空間形成用ペースト98の温度に関して、吐出される空間形成用ペースト98の温度を20℃超過とすることが好ましく、30℃以上とすることがより好ましい。空間形成用ペースト98を20℃超過とすることで、例えば空間形成用ペースト98の粘度が高くなって1回(1滴)の吐出量が不十分になることを抑制できる。空間形成用ペースト98を30℃以上とすることで、ステップ(c)における乾燥のための加熱処理を不要とすることができる。また、ステップ(b)では、吐出される空間形成用ペースト98の温度を90℃未満とすることが好ましく、80℃以下とすることがより好ましい。空間形成用ペースト98を90℃未満とすることで、例えば空間形成用ペースト98の粘度が低くなって1回(1滴)の吐出量が過剰になることを抑制できる。空間形成用ペースト98を80℃以下とすることで、空間形成用ペースト98中の樹脂の変性が生じにくくなる。
In step (b), it is preferable that the temperature of the
次に、ステップ(c)では、充填された空間形成用ペースト98を乾燥させる。これにより、空間形成用ペースト98から溶剤が除去されて空間形成部材243aとなる(図2(f))。乾燥は、空間形成用ペースト98を例えば30℃以上80℃以下の状態にすることで行う。なお、ステップ(b)で吐出される空間形成用ペースト98を30℃以上としている場合には、加熱処理を行わず充填後の空間形成用ペースト98をそのまま自然乾燥させてもよい。こうすれば、ステップ(c)で加熱処理を行わずに空間形成用ペースト98を空間形成部材243aとすることができる。なお、ステップ(b)で空間形成用ペースト98を30℃未満とした場合には、ステップ(c)において空間形成部材243aに充填された空間形成用ペースト98を30℃以上まで加熱すればよい。
Next, in step (c), the filled
なお、空間形成部材243aは、充填後の空間形成用ペースト98から乾燥により溶剤が減少した分だけ体積が減少(収縮)している。空間形成用ペースト98は、全体に占める溶剤の割合が6体積%以上17体積%以下であるため、空間形成部材243a(乾燥後の空間形成用ペースト98)の乾燥収縮率は6体積%以上17体積%以下となっている。乾燥収縮率が17体積%以下では、空間形成用ペースト98が収縮しすぎて空間形成部材243aへの充填が乾燥後に不十分になることを抑制できる。すなわち空間形成部材243aの容積に対して空間形成部材243aの体積が不足することを抑制できる。
Note that the volume of the
充填工程では、以上のようにステップ(a)〜(c)を行うことで、開口部243に空間形成用ペースト98(空間形成部材243a)を充填する。本実施形態の充填工程では、他の開口部についても、同様にステップ(a)〜(c)を行って空間形成用ペースト98を充填する。例えば、開口部275への空間形成用ペースト98の充填は以下のように行う。まず、ステップ(a)では、図2(f)のグリーンシート203,204の上下を逆にして、開口部275を有するグリーンシート203を下地としてのグリーンシート204上に載置された状態にする(図3(a))。続いて、ステップ(b)でディスペンサ90を用いて空間形成用ペースト98を吐出させて開口部275に充填し、ステップ(c)で空間形成用ペースト98を乾燥させて空間形成部材275aとする(図3(b))。図示は省略するが、スペーサ層5に対応するグリーンシート205についても、緩衝空間12及び第1,第2内部空所20,40に対応する開口部に、同様にステップ(a)〜(c)を行って空間形成用ペースト98を充填する。なお、充填工程では、充填する対象の開口部に応じて、空間形成用ペースト98の各原料の材質,配合割合、及び充填条件の少なくとも1つを異ならせてもよい。例えば、開口部275に空間形成用ペースト98を充填する際には、開口部243に空間形成用ペースト98を充填する場合と比べて、1回に吐出される空間形成用ペースト98の液滴の直径が小さくなるように充填条件を異ならせることが好ましい。
In the filling step, by performing steps (a) to (c) as described above, the
[積層工程]
積層工程では、充填工程後のグリーンシート(ここではグリーンシート203〜205)が挟まれるように、そのグリーンシートを含む準備工程で用意した3以上のグリーンシート201〜206を積層し加圧して積層体とする。なお、空間形成部材243a,275aはセンサ素子101の内部空間に対応する部材であるから、積層する際にはこれらが充填されたグリーンシート203,204の各々は他のグリーンシートに上下から挟まれている状態にする。すなわち、グリーンシート203,204は積層の最上段や最下段には位置しないようにする。図示しない空間形成部材が充填されたグリーンシート205についても同様である。この積層工程では、まず、上述した充填工程のステップ(a)と同様に接着用ペーストのパターンをグリーンシート201〜206に形成する。続いて、グリーンシート201〜206がこの順で積層されるように積み重ねて所定の温度で所定の圧力を加えることで圧着させ、1つの積層体とする(図3(c))。具体的には、例えば、図示しない所定の積層治具に積層対象となるグリーンシート201〜206をシート孔などを用いて位置決めしつつ積み重ねて保持し、公知の油圧プレス機などの積層機によって積層治具ごと加熱・加圧することによって積層体を得る。図3(c)は、積層体のうち空間形成部材243a,275a周辺を示しており、焼成後にヒータ72,ヒータ絶縁層74となるパターンである焼成前ヒータ272,焼成前ヒータ絶縁層274についても図示した。なお、例えばセンサ素子101の内部空間に対応する開口部243,275に空間形成部材243a,275aが存在しない場合は、積層されたグリーンシート201〜206を加圧する際に開口部243,275の形状が保てなくなったり、グリーンシート201〜206のうち開口部243,275の上下に位置する領域の加圧が不十分になったりする場合がある。開口部243,275に空間形成部材243a,275aを充填しておくことで、そのような不具合が生じるのを抑制することができる。また、空間形成用ペースト98の乾燥時の乾燥収縮率が大きすぎる場合には、開口部243,275への空間形成部材243a,275aの充填が不十分になり空間形成部材243a,275aの上下に隙間ができるなどにより上記の不具合が生じる場合がある。本実施形態では、空間形成用ペースト98の乾燥収縮率が17体積%以下であることで、このような不具合が生じるのをより抑制することができる。グリーンシート205の緩衝空間12及び第1,第2内部空所20,40に対応する開口部に充填された空間形成用ペースト98(空間形成部材)についても同様である。
[Lamination process]
In the laminating step, three or more
[切り出し工程]
積層工程の後、本実施形態では、焼成工程の前に切り出し工程を行う。上述したように、本実施形態では、グリーンシート201〜206の各々には、焼成後にセンサ素子101内の対応する層となる領域が複数含まれているため、積層工程で得られた積層体は、複数の未焼成センサ素子を内包している。そこで、切り出し工程では、積層体を切断して複数の未焼成センサ素子を切り出す。
[Cutout process]
In the present embodiment, after the stacking process, the cutting process is performed before the firing process. As described above, in the present embodiment, each of the
[焼成工程]
焼成工程では、切り出し工程で得られた複数の未焼成センサ素子(積層体)を焼成する。焼成は、例えば、大気雰囲気下で予め定められた一定の水蒸気分圧となるように調整しながら、1350〜1400℃の焼成温度で行う。この焼成工程の間に、空間形成部材243a,275a及びグリーンシート205に充填された図示しない空間形成部材が消失し、センサ素子101が得られる(図3(d))。
[Baking process]
In the firing step, the plurality of unfired sensor elements (laminates) obtained in the cutting step are fired. Firing is performed, for example, at a firing temperature of 1350 to 1400 ° C. while adjusting so as to have a predetermined water vapor partial pressure in an air atmosphere. During this firing step, the
以上詳述した本実施形態のセンサ素子101の製造方法では、センサ素子101の空間形成用ペースト98が、25℃における粘度が500Pa・s以上4500Pa・s以下、且つ全体に占める前記溶剤の割合が6体積%以上17体積%以下である。粘度が500Pa・s以上であることで、ディスペンサ90から吐出させる際の過剰吐出を抑制できる。また、粘度が4500Pa・s以下であることで、粘度が高すぎてディスペンサ90から吐出不能になるのを抑制できる。また、溶剤の割合が6体積%以上であることで、空間形成用ペースト中の樹脂の析出が低減され、ディスペンサ90の目詰まりを抑制できる。以上のことから、空間形成用ペースト98は、ディスペンサ90での吐出に適している。また、空間形成用ペースト98は、溶剤の割合が17体積%以下であることで、乾燥収縮率が17体積%以下となっており、空間形成用ペースト98が収縮しすぎて開口部243,275などへの充填が乾燥後に不十分になることを抑制できる。そのため、空間形成用ペースト98はセンサ素子101の空間形成に適している。
In the manufacturing method of the
また、空間形成用ペースト98全体に占める各原料の割合として、消失性材料の割合を50wt%以上65wt%以下とするか、樹脂の割合を1.7wt%以上5.5wt%以下とするか、溶剤の割合を5wt%以上13wt%以下とするか、可塑剤と分散剤との合計割合を20wt%以上35wt%以下とするか、の少なくとも1以上を満たすようにすることで、比較的容易に空間形成用ペースト98の25℃における粘度を500Pa・s以上4500Pa・s以下とすることができる。
Further, as a ratio of each raw material in the entire
さらに、本実施形態の充填工程では、上述した空間形成用ペースト98を用いて、ディスペンサ90により開口部243,275などへの充填を行い、その後に乾燥を行う。そのため、例えば空間形成用のシートから打ち抜いたシート片を開口部に埋め込む場合と比べて、廃棄ロスを少なくすることができる。また、吐出される空間形成用ペースト98を20℃超過とすることで、ディスペンサ90からの1回(1滴)の吐出量が不十分になることを抑制できる。吐出される空間形成用ペースト98を30℃以上とすることで、充填された空間形成用ペースト98の乾燥のための加熱処理を不要とすることができる。吐出される空間形成用ペースト98の温度を90℃未満とすることで、空間形成用ペースト98からの1回(1滴)の吐出量が過剰になることを抑制できる。吐出される空間形成用ペースト98を80℃以下とすることで、空間形成用ペースト98中の樹脂の変性が生じにくくなる。
Further, in the filling step of the present embodiment, the
なお、本発明は上述した実施形態に何ら限定されることはなく、本発明の技術的範囲に属する限り種々の態様で実施し得ることはいうまでもない。 It should be noted that the present invention is not limited to the above-described embodiment, and it goes without saying that the present invention can be implemented in various modes as long as it belongs to the technical scope of the present invention.
例えば、上述した実施形態では、ジェットディスペンサとして構成されたディスペンサ90を用いて空間形成用ペースト98を吐出させたが、ジェットディスペンサに限られない。例えば、ジェットディスペンサのような非接触式のディスペンサに限らず、スクリューディスペンサ又はモノポンプディスペンサなどの接触式のディスペンサを用いてもよい。上述した実施形態の空間形成用ペースト98は、ジェットディスペンサに限らずディスペンサでの吐出用として適している。ただし、充填対象のグリーンシートの上面のうねりなどを考慮する必要がないため、非接触式のディスペンサを用いることが好ましい。
For example, in the above-described embodiment, the
上述した実施形態では、グリーンシート204の開口部243に空間形成用ペースト98を充填する際には、グリーンシート203を下地として用いたが、これに限られない。例えば、積層工程で隣接して積層された状態にするグリーンシートであればよく、グリーンシート204の下地としてグリーンシート202を用いてもよい。あるいは、積層工程で積層されるグリーンシートとは別の部材を下地として用いてもよい。この場合、充填工程において、空間形成用ペースト98を充填して乾燥させた後に、充填対象のグリーンシートから下地を剥離するステップを行えばよい。この場合の下地としては、乾燥後の空間形成用ペースト98(空間形成部材)やグリーンシートから剥離の容易な材質を用いることが好ましい。この場合の下地としては、例えばPET(ポリエチレンテレフタレート)のシートが挙げられる。
In the above-described embodiment, when the
上述した実施形態では、開口部形成工程の後、充填工程の前にパターン形成工程を行ったが、これに限られない。開口部形成工程の後に充填工程を行えばよく、パターン形成工程と行うタイミングは、例えば開口部形成工程の前に行ってもよいし、充填工程の後に行ってもよい。また、開口部形成工程及び充填工程の少なくとも一方と並行してパターン形成工程を行ってもよい。また、パターン形成工程を行うタイミングが複数のタイミングに分かれていてもよい。ただし、積層工程で隣接して積層された状態にするグリーンシートを充填工程における下地として用いる場合には、少なくとも充填対象のグリーンシートと下地となるグリーンシートとの間に形成すべきパターンについては、充填工程の前に形成する必要がある。一方、積層工程で積層されるグリーンシートとは別の部材を下地として用いる場合は、このような制限はない。 In the above-described embodiment, the pattern forming process is performed after the opening forming process and before the filling process, but the present invention is not limited thereto. What is necessary is just to perform a filling process after an opening part formation process, and the timing performed with a pattern formation process may be performed before an opening part formation process, for example, and may be performed after a filling process. Moreover, you may perform a pattern formation process in parallel with at least one of an opening part formation process and a filling process. Moreover, the timing for performing the pattern forming step may be divided into a plurality of timings. However, when using a green sheet that is laminated adjacently in the laminating process as a base in the filling process, at least a pattern to be formed between the green sheet to be filled and the green sheet that is the base, It must be formed before the filling process. On the other hand, when using a member other than the green sheet laminated in the laminating process as a base, there is no such limitation.
上述した実施形態では、積層体が複数の未焼成センサ素子を内包しているものとしたが、1以上の未焼成センサ素子を内包していればよい。また、積層体をそのまま焼成してセンサ素子101などのセラミック部品を得ることができる場合には、切り出し工程は省略すればよい。
In the embodiment described above, the laminated body includes a plurality of unfired sensor elements, but it is only necessary to include one or more unburned sensor elements. In addition, when the ceramic body such as the
上述した実施形態では、被測定ガス中の特定ガス濃度(NOx濃度、酸素濃度など)を検出するセンサ素子101を製造する場合について説明したが、センサ素子101に限らず他のセラミック部品の製造に本発明を適用してもよい。なお、セラミック部品を製造するにあたり形成すべきパターンがない場合には、パターン形成処理は省略すればよい。また、セラミック部品の製造に限らず、空間形成用ペーストの充填方法に本発明を適用してもよい。
In the above-described embodiment, the case of manufacturing the
以下には、空間形成用ペーストを具体的に作製して開口部に充填した例を実施例として説明する。なお、本発明は以下の実施例に限定されるものではない。 Hereinafter, an example in which a space forming paste is specifically prepared and filled in the opening will be described as an example. In addition, this invention is not limited to a following example.
[実施例1]
上述した実施形態のセンサ素子101の製造方法のうち積層工程までを行って積層体を製造して実施例1とした。準備工程では、安定化剤のイットリアを4mol%添加したジルコニア粒子と有機バインダーと有機溶剤とを混合し、テープ成形によりグリーンシート201〜206を得た。開口部形成工程で形成した開口部243の大きさは、左右の幅が620μm、前後の長さが73mm、高さ(=グリーンシート204の厚み)が300μmとした。充填工程で用いる空間形成用ペースト98は、消失性材料(テオブロミン)と、樹脂(ポリビニルブチラール)と、溶剤(2−エチルヘキサノール)と、可塑剤(フタル酸ジオクチル)とを下記の表1に示す配合割合で混合し、ポットミルにより2.5時間混合して調整した。空間形成用ペースト98の25℃における粘度を測定したところ、2500Pa・sであった。充填工程で用いたディスペンサは、PICO PV−100(ノードソン株式会社製)とした。充填工程における充填条件は、ワーク(グリーンシート204,203)の移動速度を100mm/secとし、吐出口93の口径を0.012インチとし、空間形成用ペースト98の供給の圧力を3.5MPaとし、吐出される空間形成用ペースト98の温度を60℃とした。また、1回の吐出サイクルに要する時間は0.5msecとし、吐出サイクルの繰り返し間隔を4msec/回とした。充填後の乾燥は、空間形成用ペースト98の温度が常温になるまで自然乾燥することで行った。空間形成用ペースト98(空間形成部材243a)の乾燥収縮率は10体積%であった。積層工程では、グリーンシート201〜206を積層して上下から1.26kg/cm2の圧力で加圧して積層体とした。
[Example 1]
In the manufacturing method of the
[実施例2〜4]
表1に示すように空間形成用ペースト98の樹脂及び可塑剤の配合割合を変化させて25℃における粘度を変化させた点以外は実施例1と同様にして、実施例2〜4の積層体を作製した。
[Examples 2 to 4]
As shown in Table 1, the laminates of Examples 2 to 4 were the same as Example 1 except that the blending ratio of the resin and plasticizer in the
[実施例5,6]
表1に示すように空間形成用ペースト98の溶剤及び可塑剤の配合割合を変化させて乾燥収縮率を6体積%,17体積%にした点以外は実施例1と同様にして、実施例5,6の積層体を作製した。
[Examples 5 and 6]
As shown in Table 1, Example 5 was carried out in the same manner as in Example 1 except that the mixing ratio of the solvent and the plasticizer in the
[実施例7,8]
表1に示すように吐出される空間形成用ペースト98の温度(充填時ペースト温度)を30℃,80℃にした点以外は実施例1と同様にして、実施例7,8の積層体を作製した。
[Examples 7 and 8]
As shown in Table 1, the laminated bodies of Examples 7 and 8 were formed in the same manner as in Example 1 except that the temperature of the discharged space forming paste 98 (filling paste temperature) was 30 ° C. and 80 ° C. Produced.
[比較例1]
空間形成用ペースト98の25℃における粘度及び乾燥収縮率が表1に示す値になるように各原料の配合割合を変更した点以外は実施例1と同様にして、比較例1とした。比較例1では、空間形成用ペースト98の25℃における粘度が20Pa・sと低すぎることで、ディスペンサ90からの吐出量が過剰となって開口部243から空間形成用ペースト98が溢れすぎてしまい、適切に充填できなかった。
[Comparative Example 1]
Comparative Example 1 was made in the same manner as in Example 1 except that the blending ratio of each raw material was changed so that the viscosity at 25 ° C. and the drying shrinkage rate of the
[比較例2,3]
空間形成用ペースト98の25℃における粘度が表1に示す値になるようにの各原料の配合割合を変更した点以外は実施例1と同様にして、比較例2,3とした。比較例2では、空間形成用ペースト98の25℃における粘度が300Pa・sと低すぎることで、比較例1と同様にディスペンサ90からの吐出量が過剰となり、適切に充填できなかった。比較例3では、空間形成用ペースト98の25℃における粘度が6500Pa・sと高すぎることで、ディスペンサ90からの吐出ができなかった。
[Comparative Examples 2 and 3]
Comparative Examples 2 and 3 were made in the same manner as Example 1 except that the blending ratio of each raw material was changed so that the viscosity at 25 ° C. of the
[比較例4,5]
空間形成用ペースト98の乾燥収縮率が表1に示す値になるように各原料の配合割合を変更した点以外は実施例1と同様にして、比較例4,5の積層体を作製した。
[Comparative Examples 4 and 5]
Laminates of Comparative Examples 4 and 5 were produced in the same manner as in Example 1 except that the blending ratio of each raw material was changed so that the drying shrinkage of the
[比較例6,7]
表1に示すように充填時ペースト温度を20℃,90℃にした点以外は実施例1と同様にして、比較例6,7とした。比較例7では、比較例1,2と同様にディスペンサ90からの吐出量が過剰となり適切に充填できなかった。充填時ペースト温度が90℃であることで、吐出時の空間形成用ペースト98の粘度が低くなりすぎたためと考えられる。
[Comparative Examples 6 and 7]
As shown in Table 1, Comparative Examples 6 and 7 were made in the same manner as in Example 1 except that the paste temperature during filling was 20 ° C. and 90 ° C. In Comparative Example 7, as in Comparative Examples 1 and 2, the discharge amount from the
[充填状態の評価]
実施例1〜8,比較例4〜6の積層体を、図1の上下方向及び前後方向に平行に切断して、空間形成部材243aを切断すると共に図3(c)のように断面に露出させた。そして、この断面を観察して空間形成部材243aの上下の空隙の有無を調べ、空隙がない場合に良好と判定した。
[Evaluation of filling condition]
The laminates of Examples 1 to 8 and Comparative Examples 4 to 6 were cut in parallel to the vertical direction and the front-rear direction of FIG. 1 to cut the
表1に、実施例1〜8,比較例1〜7のそれぞれの空間形成用ペースト98の各原料の配合割合、ペースト特定(25℃における粘度及び乾燥収縮率)、充填時ペースト温度、及び充填状態の評価結果をまとめて示す。表1には、溶剤の配合割合(wt%)の他に体積%についても示した。なお、粘度の測定は、MCR−102(アントンパール製)を用いて行い、500Pa・s以上の粘度域の測定はφ8PP(パラレルプレート)にて測定し、500未満の粘度域の測定はφ25CP(コーンプレート)にて測定した。
In Table 1, the mixing ratio of each raw material of each
表1からわかるように、空間形成用ペースト98の25℃における粘度が500Pa・s以上4500Pa・s以下、且つ全体に占める溶剤の割合が6体積%以上17体積%以下である実施例1〜8は、いずれもディスペンサ90を用いて適切に開口部243に空間形成用ペースト98を充填できた。また、積層体中の空間形成部材243aの上下に空隙がなく良好な結果が得られた。これに対し、25℃における粘度が500Pa・s未満の空間形成用ペースト98を用いた比較例1,2では、過剰吐出となり適切に充填できなかった。また、25℃における粘度が4500P・sを超えている空間形成用ペースト98を用いた比較例3では、吐出不能となり充填できなかった。乾燥収縮率が17%を超えている空間形成用ペースト98を用いた比較例4,5では、乾燥収縮率が大きいことで積層体中の空間形成部材243aの上下に空隙が生じていた。充填時ペースト温度を20℃とした比較例6では、ディスペンサ90からの1回の空間形成用ペースト98の吐出量が不足しており、実施例1〜8と同じ充填条件(充填時ペースト温度を除く)では開口部243を十分充填することができなかった。その結果、比較例6では積層体中の空間形成部材243aの上下に空隙が生じていた。そのため、充填時ペースト温度は20℃超過が好ましいと考えられる。充填時ペースト温度を90℃とした比較例7では、空間形成用ペースト98の粘度が低くなりすぎ、実施例1〜8と同じ充填条件(充填時ペースト温度を除く)では過剰吐出となっていた。そのため、充填時ペースト温度は90℃未満が好ましいと考えられる。
As can be seen from Table 1, Examples 1 to 8 in which the viscosity at 25 ° C. of the space-forming
1 第1基板層、2 第2基板層、3 第3基板層、4 第1固体電解質層、5 スペーサ層、6 第2固体電解質層、10 ガス導入口、11 第1拡散律速部、12 緩衝空間、13 第2拡散律速部、20 第1内部空所、21 主ポンプセル、22 内側ポンプ電極、22a 天井電極部、22b 底部電極部、23 外側ポンプ電極、24 可変電源、30 第3拡散律速部、40 第2内部空所、41 測定用ポンプセル、42 基準電極、43 基準ガス導入空間、44 測定電極、45 第4拡散律速部、46 可変電源、48 大気導入層、50 補助ポンプセル、51 補助ポンプ電極、51a 天井電極部、51b 底部電極部、52 可変電源、70 ヒータ部、71 ヒータコネクタ電極、72 ヒータ、73 スルーホール、74 ヒータ絶縁層、75 圧力放散孔、80 主ポンプ制御用酸素分圧検出センサセル、81 補助ポンプ制御用酸素分圧検出センサセル、82 測定用ポンプ制御用酸素分圧検出センサセル、83 センサセル、90 ディスペンサ、91 貯留室形成部材、92 貯留室、93 吐出口、94 液剤経路、95 ピストン、96 スプリング、98 空間形成用ペースト、100 ガスセンサ、101 センサ素子、201〜206 グリーンシート、243 開口部、243a 空間形成部材、248 焼成前大気導入層、272 焼成前ヒータ、274 焼成前ヒータ絶縁層、275 開口部、275a 空間形成部材。 DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 1st board | substrate layer, 2nd board | substrate layer, 3rd board | substrate layer, 4th 1st solid electrolyte layer, 5 spacer layer, 6 2nd solid electrolyte layer, 10 gas inlet, 11 1st diffusion control part, 12 buffer Space, 13 Second diffusion limiting part, 20 First internal space, 21 Main pump cell, 22 Inner pump electrode, 22a Ceiling electrode part, 22b Bottom electrode part, 23 Outer pump electrode, 24 Variable power supply, 30 Third diffusion limiting part , 40 2nd internal space, 41 Measurement pump cell, 42 Reference electrode, 43 Reference gas introduction space, 44 Measurement electrode, 45 4th diffusion control part, 46 Variable power supply, 48 Air introduction layer, 50 Auxiliary pump cell, 51 Auxiliary pump Electrode, 51a Ceiling electrode part, 51b Bottom electrode part, 52 Variable power supply, 70 Heater part, 71 Heater connector electrode, 72 Heater, 73 Through hole, 74 Heat Insulating layer, 75 pressure diffusion hole, 80 oxygen partial pressure detection sensor cell for main pump control, 81 oxygen partial pressure detection sensor cell for auxiliary pump control, 82 oxygen partial pressure detection sensor cell for measurement pump control, 83 sensor cell, 90 dispenser, 91 storage Chamber forming member, 92 storage chamber, 93 discharge port, 94 liquid agent path, 95 piston, 96 spring, 98 space forming paste, 100 gas sensor, 101 sensor element, 201-206 green sheet, 243 opening, 243a space forming member, 248 Air introduction layer before firing, 272 Heater before firing, 274 Heater insulation layer before firing, 275 opening, 275a space forming member.
Claims (10)
請求項1に記載のセラミック部品の空間形成用ペースト。 The proportion of the disappearing material in the whole is 50 wt% or more and 65 wt% or less,
The paste for forming a space of a ceramic part according to claim 1.
請求項1又は2に記載のセラミック部品の空間形成用ペースト。 The proportion of the resin in the whole is 1.7 wt% or more and 5.5 wt% or less.
The paste for forming a space of a ceramic part according to claim 1 or 2.
請求項1〜3のいずれか1項に記載のセラミック部品の空間形成用ペースト。 The proportion of the solvent in the whole is 5 wt% or more and 13 wt% or less,
The paste for space formation of the ceramic component of any one of Claims 1-3.
分散剤を0wt%以上含み、
全体に占める前記可塑剤と前記分散剤との合計割合が20wt%以上35wt%以下である、
セラミック部品の空間形成用ペースト。 It is the paste for space formation of the ceramic components of any one of Claims 1-4,
Containing 0 wt% or more dispersant,
The total proportion of the plasticizer and the dispersant in the whole is 20 wt% or more and 35 wt% or less,
Space forming paste for ceramic parts.
(b)請求項1〜5のいずれか1項に記載のセラミック部品の空間形成用ペーストを、ディスペンサを用いて吐出させて前記開口部に充填するステップと、
(c)前記充填された空間形成用ペーストを乾燥させるステップと、
を含む空間形成用ペーストの充填方法。 (A) a step of placing a ceramic green sheet having an opening on a predetermined substrate;
(B) discharging the space forming paste of the ceramic component according to any one of claims 1 to 5 using a dispenser to fill the opening;
(C) drying the filled space forming paste;
A method of filling a paste for forming a space.
請求項6に記載の空間形成用ペーストの充填方法。 In the step (b), the space forming paste having a temperature exceeding 20 ° C. and less than 90 ° C. is discharged.
The space forming paste filling method according to claim 6.
請求項7に記載の空間形成用ペーストの充填方法。 In the step (b), the space forming paste at 30 ° C. or higher is discharged.
A method for filling the space forming paste according to claim 7.
請求項7又は8に記載の空間形成用ペーストの充填方法。 In the step (b), the space forming paste at 80 ° C. or lower is discharged.
The filling method of the space formation paste of Claim 7 or 8.
前記3以上のセラミックスグリーンシートのうち1以上に開口部を形成する開口部形成工程と、
前記開口部が形成されたセラミックスグリーンシートの少なくとも1つに請求項6〜9のいずれか1項に記載の空間形成用ペーストの充填方法を行って該開口部に空間形成用ペーストを充填する充填工程と、
前記充填工程後のセラミックスグリーンシートが挟まれるように、該セラミックスグリーンシートを含む前記3以上のセラミックグリーンシートを積層し加圧して積層体とする積層工程と、
前記積層体を焼成する焼成工程と、
を含むセラミック部品の製造方法。 A preparation step of preparing three or more ceramic green sheets;
An opening forming step of forming an opening in one or more of the three or more ceramic green sheets;
Filling at least one of the ceramic green sheets having the openings formed therein by filling the openings with the space forming paste according to any one of claims 6 to 9. Process,
A laminating step of laminating and pressing the three or more ceramic green sheets including the ceramic green sheet so that the ceramic green sheet after the filling step is sandwiched; and
A firing step of firing the laminate;
A method for manufacturing a ceramic part including:
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