JP3874691B2 - Gas sensor element and gas sensor - Google Patents

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【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明はガスセンサ素子及びガスセンサに関する。更に詳しくは、新規な構造のガスセンサ素子及びこれを備えるガスセンサに関する。本発明のガスセンサ素子及びガスセンサは、自動車等の内燃機関の排気ガス中のガス成分を検出するためのガスセンサ素子及びガスセンサとして好適であり、特に窒素酸化物の濃度を検出することができる窒素酸化物センサ素子及び窒素酸化物センサとして好適である。
【0002】
【従来の技術】
従来より、その全体がジルコニア系焼結体からなり、1つの酸素濃度検出セルと、2つの酸素ポンプセルとを備える窒素酸化物センサ素子及びこれを備える窒素酸化物ガスセンサが知られている。
これまでに知られている窒素酸化物センサは、第1酸素ポンプセル、第2ポンプセル及び酸素濃度検出セルの各々を構成する固体電解質体が、連通する2つの拡散室を挟んで積層された構造を呈している。また、窒素酸化物センサでは、この窒素酸化物センサ素子を加熱するためのヒータ素子を備える。このヒータ素子は、急激且つ落差の大きな冷熱間サイクルに晒されるためにアルミナを主成分とする耐熱性板体に発熱抵抗体が挟まれた構造を呈し、窒素酸化物センサ素子とヒータ素子とは耐熱性セメントにより張り合わされている。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】
窒素酸化物センサ素子の酸素濃度検出セル及び酸素ポンプセルを構成する固体電解質体にはジルコニア系材料を用いるが、このガスセンサ素子は落差の大きな冷熱間サイクルに晒されるため、用いる材料間の熱膨張差を小さくしなければ一体に形成できない。このためガスセンサ素子の大部分をジルコニア系材料から形成し、全体としての強度を得るために3つのセルを積層している。
【0004】
しかし、このために各セルの配置は限定され、素子の厚さ等も制約を受けることとなる。また、ヒータ素子はその高い耐熱性の要求からアルミナにより構成されるが、大部分がジルコニア系材料からなるガスセンサ素子とは熱膨張差が大きく、一体に形成することが困難である。このためガスセンサ素子とヒータ素子とを別に製造した後、熱膨張を緩衝する耐熱性セメントなどにより各々を張り合わせて形成している。
【0005】
しかし、このように焼成後に張り合わせる方法を用いると、ガスセンサ素子とヒータ素子(以下、これらを合わせたものを「素子体」という)とを合わせた素子体全体は大きくなり、素子体を加熱して測定を開始できるまでに要する暖気時間が長くなる。このため、内燃機関の始動後早期に測定を開始し、排気ガスの浄化率を更に高めようとする上で障害となっている。また、素子体自体の構造も複雑であることはコスト面においても不利である。
【0006】
本発明は、上記に鑑みてなされたものであり、暖気時間を短くでき、且つより簡便に製造することができるガスセンサ素子及びこのようなガスセンサ素子を備えるガスセンサを提供することを目的とする。
【0007】
【課題を解決するための手段】
本発明のガスセンサ素子は、絶縁性セラミックス内に発熱抵抗体が埋設された絶縁性基部と、該絶縁性基部上に直接的又は他部材を介して間接的に接合された第1酸素ポンプセル及び第2酸素ポンプセルと、被測定ガスを拡散律速させて導入できる被測定ガス拡散室とを備える一体に焼成されたガスセンサ素子であって、該第1酸素ポンプセル及び該第2酸素ポンプセルは各々固体電解質体と一対の電極とを有し、該第1酸素ポンプセル及び該第2酸素ポンプセルは、該絶縁性基部上に並列に配置され、少なくとも、該第1酸素ポンプセルの一方の電極と、該第2酸素ポンプセルの一方の電極とは該被測定ガス拡散室内に配置されていることを特徴とする。
【0008】
また、本発明のガスセンサ素子は、上記被測定ガス拡散室内における上記被測定ガスが導入される上流側に上記第1ポンプセルの上記一方の電極が配置され、下流側に上記第2酸素ポンプセルの上記一方の電極が配置されたものとすることができる。更に、上記絶縁性基部上に直接的又は他部材を介して間接的に接合された酸素濃度検出セルを備え、該酸素濃度検出セルの負電極は上記被測定ガス拡散室内に配置されたものとすることができる。また、上記酸素濃度検出セルの有する上記負電極は、上記第1酸素ポンプセルの上記一方の電極よりも下流側であって、上記第2酸素ポンプセルの上記一方の電極よりも上流側に配置されたものとすることができる。更に、上記絶縁性基部はアルミナを70質量%以上含有するものとすることができる。また、上記絶縁性セラミックスはジルコニアを1〜20質量%含有するものとすることができる。更に、上記固体電解質体の少なくともいずれかは、上記絶縁性セラミックスの主構成絶縁成分を30〜80質量%含有するものとすることができる。
本発明のガスセンサは、本発明のガスセンサ素子を備えることを特徴とするガスセンサ。
【0009】
【発明の効果】
本発明のガスセンサ素子によると、新規で簡易な構造とすることができ、更に必要な構成部分を自由に設計でき、特にセンサ素子全体を薄く設計することが可能である。また、一体に発熱抵抗体を備える場合にも熱膨張差に起因するクラック等の発生が無く高い耐久性が得られる。
また、絶縁性基部上に各固体電解質体を挟んだセルが配置される構成であるため、セル間のリーク電流を小さい値に抑えることができる。
【0010】
更に、絶縁性セラミックスはアルミナを70質量%以上含有するものとすることにより、特に十分に絶縁性及び耐熱性及び耐熱衝撃性等が発揮される。また、絶縁性セラミックスがジルコニアを1〜20質量%含有することにより、ジルコニアを主成分とする固体電解質体として用いるガスセンサ素子では、絶縁性セラミックスからなる部分と固体電解質体との間の熱膨張差を緩和でき、ガスセンサ素子にクラックや割れ等が生じることを効果的に防止できる。更に、上記固体電解質体が絶縁性セラミックスの主構成絶縁成分を30〜80質量%含有することにより、絶縁性セラミックスがジルコニアを1〜20質量%含有する場合と同様に、絶縁性セラミックスからなる部分と固体電解質体との間の熱膨張差を緩和でき、ガスセンサ素子にクラックや割れ等が生じることを効果的に防止できる。
また、本発明のガスセンサは、本発明のガスセンサ素子を備えることにより、小型で且つ高い耐久性を有するものとすることができる。
【0011】
【発明の実施の形態】
上記「絶縁性セラミックス」は、絶縁性基部の主要構成部材である。この絶縁性セラミックスとしては、アルミナ、ムライト及びスピネル等を主成分とするセラミックスを挙げることができる。これらを主成分とする場合には十分な絶縁性及び耐熱性及び耐熱衝撃性等が発揮されるように、絶縁性セラミックス全体に対してアルミナを70質量%以上含有することが好ましい。一方、その残部は、絶縁性セラミックスに直接接して積層される部分を構成する成分(例えば、ジルコニア)を1〜20質量%含有することができる。これにより、双方の熱膨張率差を緩和できる。
【0012】
上記「絶縁性基部」は、主に絶縁性セラミックスから構成され、内部に発熱抵抗体を備える。また、後述する第1酸素ポンプセル(以下、単に「第1Ipセル」ともいう)及び第2酸素ポンプセル(以下、単に「第2Ipセル」ともいう)、更には酸素濃度検出セル(以下、単に「Vsセル」ともいう)が直接又は間接的に一体に焼結されて接合されているものである。このため、熱伝達が早く各セルを早期に活性化させることができる。
また、この絶縁性基体は各セル間を電気的に絶縁する役目も有する。このため、温度800℃においてヒータと各セル間との電気抵抗値が1MΩ(好ましくは10MΩ)以上となる程度の絶縁性を有することが好ましい。また、絶縁性基部は、通常、未焼成の絶縁性セラミックスが層状に積層されて形成された未焼成積層体が焼成されて得られ、各層は異なる組成比の材料から形成されていてもよい。
【0013】
上記「発熱抵抗体」は、通電により発熱できるものであれば特に限定されない。例えば、貴金属、タングステン、モリブデン及びレニウム等を含有する粉末、バインダ及び可塑剤等から調合されたペーストをスクリーン印刷法等により、薄く塗布した後、乾燥させて得られる未焼成体を焼成して得ることができる。更に、この発熱抵抗体にはロジウム等を5〜20質量%程度添加することが好ましい。これにより抵抗温度係数を低減でき、早期に活性温度まで加熱することができる。
【0014】
上記「第1酸素ポンプセル」は、後述する被測定ガス拡散室(以下、単に「拡散室」ともいう)内へ導入された被測定ガス中の酸素(一部の窒素酸化物から解離された酸素を含む)を拡散室外へ汲み出し、拡散室内へ導入された被測定ガスの酸素濃度を低下させる役目を有するセルである。
上記「第2酸素ポンプセル」は、酸素濃度が低下した拡散室内の被測定ガスに、窒素酸化物のみが分解される程度の電圧を印加することにより分解された酸素を固体電解質体を通して拡散室外へ汲み出し、この時の電流値を出力するセルである。
これら第1Ipセルと第2Ipセルとの位置関係は、被測定室内において流入する被測定ガスの上流側に第1Ipセルが配置され、下流側に第2Ipセルが配置されるものであることが好ましい。
【0015】
更に、本発明では第1Ipセル、第2Ipセル以外に、上記「酸素濃度検出セル」を設けることができる。このVsセルを備えることにより、第1Ipセルにより酸素濃度が低下された被測定ガス中の酸素濃度を測定し、第2Ipセルにおいて汲み出す酸素の量から第1Ipセルにより除去しきれなかった酸素濃度を差し引く補正を行うことで、より正確な窒素酸化物濃度を測定することができる。更には、第2Ipセル近傍に拡散する被測定ガス中の酸素濃度を監視し、フィードバックすることで第1Ipセルにより低酸素濃度化された被測定ガス中の酸素濃度を一定に保持することが可能となる。
従って、このVsセルは、被測定ガスの拡散方向において上流側に位置する第1Ipセルと、下流側に位置する第2Ipセルとの間に配置されることが好ましい。
【0016】
これら第1Ipセル、第2Ipセル及びVsセルは各々固体電解質体とこの固体電解質体の表面に形成された一対の電極とを備える。これらの固体電解質体及び電極等は結果的に第1Ipセル、第2Ipセル及びVsセルとして機能していれば、一体物であってもよい。即ち、例えば、第1Ipセル、第2Ipセル及びVsセルの備える各々の負電極は兼用された1つの負電極とすることができる。また、各固体電解質体は各々別体に備えることが好ましい。これにより、各セル間を流れる電流が相互の干渉することを防止でき、より精度の高い濃度測定を行うことができる。
【0017】
この第1Ipセル、第2Ipセル及びVsセルに用いられる固体電解質体としては、ジルコニア系焼結体(イットリア等の安定化剤を含有できる)、LaGaO系焼結体、更には、これらの焼結体にハフニウムを含有するもの等が挙げられる。中でも、酸素導電性に特に優れたイットリアを安定化剤として含有するジルコニア系焼結体を用いることが好ましい。また、固体電解質体は、全体の30〜80質量%(より好ましくは30〜50質量%)に上記絶縁性セラミックスを構成する絶縁性成分を含有することができる。
【0018】
固体電解質体がジルコニア系焼結体である場合には、固体電解質体はジルコニアを20質量%以上(より好ましくは50〜80質量%)含有することが好ましい。
更に、固体電解質体がジルコニア系焼結体であり、絶縁性セラミックスがアルミナを主成分とする場合は、固体電解質体は固体電解質体全体の20質量%以上(より好ましくは50〜80質量%)のジルコニアを含有し、アルミナを20〜80質量%(より好ましくは30〜50質量%)含有することが好ましい。一方、絶縁性セラミックスは絶縁性セラミックス全体の30質量%以下(より好ましくは10〜30質量%)のジルコニアを含有することが好ましい。これにより本発明のガスセンサ素子において一体に焼成される絶縁性基部と第1Ipセル及び第2Ipセルとの接合性が向上し、絶縁性基部と両セル間の熱膨張差は大幅に緩和される。
【0019】
但し、本発明のガスセンサ素子が、後述するVsセルを備える場合には、第1Ipセルに含有される絶縁性セラミックスを構成する絶縁性成分は、Vsセルに含有されるその含有量と同じか又は少ない方が好ましい。第1Ipセル用固体電解質体には、Vsセル用固体電解質体に比べてより大きな電圧を流す場合があり、絶縁性セラミックスの含有量が過度に多いと、過電圧が印加されて、第1Ipセル用固体電解質体が分解し、ブラックニングと称される現象を生じることがある。
【0020】
また、第1Ipセル、第2Ipセル及びVsセルに用いられる電極は特に限定されないが、その電気抵抗率が10−2Ω・cm以下(Ω・cmとは試料の大きさにおいて1×1×1cmあたりの抵抗値を示す)であることが好ましい。更に、耐熱性及び耐食性に優れ、また、固体電解質体との密着性に優れることが好ましい。このような電極を形成できる材料としては、白金族に含まれる金属等を挙げることができ、更に、固体電解質体を構成する主成分を20質量%以下含有することが好ましい。これにより固体電解質体に対する高い密着性を得ることができる。
【0021】
これらの各セルの電極は、上記の一対以外にも備えることができる。例えば、固体電解質体の温度に相関する抵抗値を測定するための電極対を備えることで、別体又は一体に有するヒータにこの抵抗値によるデータをフィードバックし、固体電解質層体の温度を正確に制御することもできる。これにより、常に固体電解質体の導電性を目的の状態に維持することができる。
【0022】
上記「被測定ガス拡散室」は、センサ素子外に存在する被測定ガスを導入でき、その内部で被測定ガスが拡散できる程度に粗密な部位であれば特に限定されない。従って、例えば、緻密なセラミックスにより区切られた内部が空洞の空間であっても、また、緻密なセラミックスにより区切られた空間内が連通孔を有する多孔性セラミックにより充填された部位であってもよい。また、1つの部屋であってもよく、複数の部屋に連通経路を介して区切られていてもよく、更には、一連の所定の形状を有する経路であってよい。
【0023】
この拡散室では、導入された被測定ガスを先ず第1Ipセルにより酸素(一部の窒素酸化物から解離された酸素を含む)を汲み出すことで低酸素濃度化し、同時に又はその後、Vsセルによりこの低酸素濃度化された被測定ガス中の酸素濃度を測定し、酸素濃度測定の後に低酸素濃度化された被測定ガス中の窒素酸化物の濃度を第2Ipセルにより測定できることが好ましい。従って、拡散室は被測定ガスがこの順に拡散できる形状であることが好ましく、例えば、第1Ipセルによるポンピングを行える部屋、Vsセルによる測定を行える部屋、及び第2Ipセルにより窒素酸化物濃度を測定できる部屋の3つの部屋に各部屋を繋ぐ経路により連接された拡散室や、これらを順次行えるような一本の経路であることが好ましい。
【0024】
更に、この拡散室に導入される被測定ガスは、センサ素子外における流速に関係なく略一定の速度で拡散室内に導入できる(このように導入することを以下、単に「律速」という)ことが好ましい。このため、被測定ガスを導入する導入部を有し、この導入部は連通孔を有する多孔性セラミックからなる拡散律速経路であることが好ましい。
また、拡散室とは別に必要あれば基準ガス室等を設けることができるが、この基準ガス室も基準ガス室部として拡散室に連設されていてもよい。
【0025】
本発明のガスセンサ素子としては、例えば、図1〜11に示す断面構造を有するものを挙げることができる。
図1〜図3に示すガスセンサ素子は、絶縁性基部111上に、第1Ipセル用固体電解質体151、第2Ipセル用固体電解質体152及びVsセル用固体電解質体153の各々を有し、各固体電解質体の同一面側の表面に各々2つの電極を備える。また、このガスセンサ素子は拡散室13を備え、更に、この拡散室の側部には被測定ガスを導入するための多孔質体からなる被測定ガス導入部12を備える。
【0026】
この拡散室内には第1Ipセル用正電極1412、Vsセル用負電極1431及び第2Ipセル用負電極1421が配置されている。また、第1Ipセル用負電極1411は被測定ガス室外に配置されている。Vsセル用正電極1432は被測定ガス室内において緻密なセラミックスにより覆われている。これによりVsセル用正電極1432はVsセル用固体電解質体153との界面に一定圧の酸素を充填でき、Vsセルは基準酸素を自己生成する方式により酸素濃度を測定できる。第2Ipセル用正電極1422は拡散室外に配置され、緻密なセラミックスにより覆われている。
【0027】
更に、絶縁性基部111内には発熱抵抗体144が埋設されており、この発熱抵抗体に電力を供給することにより第1Ipセル、第2Ipセル及びVsセルを加熱することができる。
尚、図2は被測定ガス導入部12及び第1Ipセル用正電極1412を含むA−A’における断面図である。また、図3はVsセル用正電極1432を含むB−B’における断面図である。
【0028】
この図1〜図3に示すガスセンサ素子では、被測定ガス導入部12において律速されて導入された被測定ガスは、第1Ipセル用正電極1412上まで拡散され、次いで、Vsセル用負電極1431上まで拡散され、その後、第2Ipセル用負電極上1421まで拡散されることとなる。従って、前記被測定ガスの低酸素濃度化が行われた後、酸素濃度測定が行われ、次いで、窒素酸化物濃度測定が行われることとなる。
【0029】
尚、図1〜図3では第1Ipセル用正電極1412が拡散室内に配置され第1Ipセル用負電極1411が拡散室外に配置されているが、第1Ipセル用正電極が拡散室外に配置され第1Ipセル用負電極が拡散室内に配置されていてもよい。更に、各電極は2つ又は3つの電極が兼用された1つの電極により構成することもできる。即ち、第1Ipセル用負電極、Vsセル用負電極及び第2Ipセル用負電極を同一の1つの電極により兼用することもできる。また、第1Ipセルの備える電極のうち、拡散室外に配置される電極上には被毒防止等の目的で保護層を設けることもできる。
【0030】
図4に示すガスセンサ素子は、図1〜図3に示す第1Ipセル、第2Ipセル及びVsセルの各々は各固体電解質体の一面側にのみ一対の電極を備えるため、各セルの電極間の導通を補助するための導通補助電極145を備えること以外は図1〜図3に示すガスセンサ素子と同様である。
【0031】
図5に示すガスセンサ素子は、第2Ipセル用正電極1422を絶縁性基体111と第2Ipセル用固体電解質体152との界面に形成していること以外は図1〜図3に示すガスセンサ素子と同様である。また、図には示していないが、この図5に示すガスセンサ素子の第1Ipセル及びVsセルにも図4と同様に導通補助電極を設けたガスセンサ素子とすることもできる。
【0032】
図6に示すガスセンサ素子は、第2Ipセル用正電極1422を、第2Ipセル用固体電解質体152を挟んで第2Ipセル用負電極1412に対向させて設けている。この第2Ipセル用正電極1422は基準ガス導入経路17により基準ガスに晒すことができる(図1〜図3では基準酸素を自己生成しているのに対して、大気中から基準酸素を供給できる)。また、図には示していないが、この図6に示すガスセンサ素子の第1Ipセル及びVsセルにも図4と同様に導通補助電極を設けたガスセンサ素子とすることもできる。
【0033】
図7に示すガスセンサ素子は、Vsセル用正電極1432をVsセル用固体電解質体153を挟んでVsセル用負電極1431に対向する面に設けたこと以外は図5に示すガスセンサ素子と同様である。また、図には示していないが、この図7に示すガスセンサ素子の第1Ipセルにも図4と同様に導通補助電極を設けたガスセンサ素子とすることもできる。
【0034】
図8に示すガスセンサ素子は、基準ガス導入経路17を設けることにより第2Ipセル用正電極1422を基準ガスに晒すことができる他は図7に示すガスセンサ素子と同様である。また、図には示していないが、基準ガス導入経路17をVsセル用正電極1432まで延長し、Vsセル用正電極1432を同時に基準ガスに晒すことできるガスセンサ素子とすることもできる。更に、第1Ipセルに図4と同様に導通補助電極を設けたガスセンサ素子とすることもできる。
【0035】
図1〜図8の各ガスセンサ素子では、緻密なセラミックスにより区切られた内部の空洞を拡散室として用いているが、この空洞が連通孔を有する多孔性セラミックにより充填されていてもよい。
【0036】
図9〜11に示すガスセンサ素子は、第1Ipセル、第2Ipセル及びVsセルの全てのセルを各固体電解質体を挟んで電極を対向させたガスセンサ素子である。これらのガスセンサ素子では、緻密なセラミックスにより区切られた空間が連通孔を有する多孔性セラミックにより充填された拡散室13を用いている。
図9は、Vsセル用正電極1432及び第2Ipセル用正電極1422の両方を基準ガス導入経路17により基準ガスに晒すことができるガスセンサ素子である。これに対して図10はVsセル用正電極1432のみを基準ガスに晒すことができ、図11は第2Ipセル用正電極1422のみを基準ガスに晒すことができる。
【0037】
これら図1〜図11に例示するガスセンサ素子は、いずれも各セルが絶縁性基部上に並列に配置されている構造を呈する。参考例として、絶縁性基部上に複数のセルが積層された構造のガスセンサ素子図12及び図13に分解斜視図として示す。但し、図12と図13は、この2つの図面で一つのガスセンサ素子を表すものであり、図12の最下層として示されている第1拡散室25、被測定ガス導入部251及び層間調節層252の各部分は、図13の仮想的な最上層として点線で示されている位置に配置されるものである。
【0038】
図12及び図13に示すガスセンサ素子は、第1絶縁性基部21を有する。この第1絶縁性基部21は、発熱抵抗体213(発熱部214及び発熱抵抗体リード部215を備える)が第1絶縁性基部下層211と第1絶縁性基部上層212とに挟まれてなる第1絶縁性基部21を備える(発熱抵抗体には白金等から形成される発熱抵抗体取出線216により外部回路から電力が供給される)。このうち、第1絶縁性基部下層211及び第1絶縁性基部上層212は、前述の絶縁性セラミックスから形成されている。
また、第1絶縁性基部21上には、第2Ipセル24が積層されている。この第2Ipセルは、第2Ipセル用固体電解質体241と、第2Ipセル用負電極242と、第2Ipセル用正電極243と、高温時に第2Ipセル用負電極242及び第2Ipセル用正電極243間で電流がリークすること等を防止する第2Ipセル内絶縁層244と、を備える。また、第2Ipセル用負電極242及び第2Ipセル用正電極243の各電極リード部の末端部は、白金等から形成される電極取出線2451及び2452と接続されて、外部回路へ酸素のポンピングに必要な電流値を出力することができる。
【0039】
更に、第2Ipセル24上には、第2拡散室及び基準ガス室用の層間調節層28が積層されている。この層間調節層28は、第2拡散室281となる開口部及び基準ガス室282となる開口部を有し、前述の絶縁性セラミックスから形成されている。
また、層間調節層28上には、Vsセル23が形成されている。このVsセル23は、Vsセル用固体電解質体231と、Vsセル用負電極232と、Vsセル用正電極233とを有する。更に、高温時の各電極間のリークを防止するVsセル内絶縁層2351及び2352を有する。また、Vsセル用固体電解質体231の中央部には貫通孔が形成されており、この貫通孔内には中心に貫通孔が形成された多孔質部材からなり、第1拡散室と第2拡散室とを連通するための第1第2拡散室部連通経路234が形成されている。このVsセル23では、白金等から形成される各電極の取出線2361及び2362を通じて第1拡散室内の酸素濃度に対応する電圧を外部へ出力することができる。
【0040】
更に、Vsセル23上には、第1拡散室用の層間調節層252が積層されている。この層間調節層252は、第1拡散室25となる切欠部を有し、前述の絶縁性セラミックスから形成されている。また、この層間調節層252の切欠部の一端側には被測定ガス導入部251が形成されている。この被測定ガス導入部251も上記絶縁性セラミックスから形成することができる。
層間調節層252上には、第1Ipセル22が形成されている。この第1Ipセル22は、第1Ipセル用固体電解質体221と、第1Ipセル用正電極222と、第1Ipセル用負電極223とを有する。更に、高温時の各電極間のリークを防止する第1Ipセル内絶縁層2241及び2242を有する。この第1Ipセル22では、白金等から形成される各電極の取出線2251及び2252を通じて、外部回路へ酸素のポンピングに必要な電流値を出力することができる。
【0041】
また、第1Ipセル22上には、中間層27が形成されている。この中間層は、多孔質部271と非多孔質部272とを備え、後述する第2絶縁性基部の多孔質部261と第2絶縁性基部の非多孔質部262との境界を、第1Ipセル用正電極222に直接接触させないために形成されている。この中間層の多孔質部271及び非多孔質部272は、各々前述の絶縁性セラミックスから形成することができる。
更に、中間層27上には、第2絶縁性基部26が形成されている。この第2絶縁性基部26は、多孔質部261と非多孔質部262とを備え、各々前述の絶縁性セラミックスから形成することができる。
尚、図12及び図13に示した、各絶縁層2241、2242、2351、2352及び244は、各電極間の電流のリークの防止を要しない場合には備える必要はない。また、中間層27も必ずしも必要とするものではない。
【0042】
このようなガスセンサ素子の製造方法は特に限定されないが、例えば、図12に示される部分と図13に示される部分とに分けて各々の未焼成積層体を形成し、これらの2つの未焼成積層体を更に張り合わせて得られる未焼成体を焼成することにより、上記のガスセンサ素子を得ることができる。更に、図12に示される部分は、第2絶縁性基部26となる未焼成体を最下層として、この層の上に各部分を積層して得ることができる。一方、図13に示される部分は、第1絶縁性基部21となる未焼成体を最下層として、この層の上に各部分を積層して得ることができる。即ち、一方の方向からすべての層を積層することなく、2つの積層体に分けて形成することができる。
【0043】
本発明のガスセンサは、本発明のガスセンサ素子を備えることにより、従来のガスセンサ素子に比べて構造を自由に設計でき、特により薄くすることができるためガスセンサ自体の小型化を図ることができる。また、ガスセンサ素子は絶縁性基部中に発熱抵抗体を埋設することができ、ガスセンサ素子全体を一体焼成物として得ることができるため熱伝導性に優れている。従って、このようなガスセンサ素子を備えるガスセンサはエンジン始動直後の早期の活性に優れた特性を有することとなる。即ち、小型で且つ早期活性に優れた特性を有するガスセンサを得ることができる。
【0044】
【実施例】
以下、本発明を図14〜28を用いて更に詳しく説明する。
尚、以下では解かり易さのために各部の符号を焼成前後で同じにした。また、素子1個を製造するかのように説明するが、実際の工程では長さ60mm、幅4mmの未焼成の素子が10個切り出せる大きさの各未焼成シートに10個分の印刷パターンを形成し、積層後に未焼成ガスセンサ素子を切り出している。また、各未焼成シートには周縁部に位置合わせ用の孔を形成し、この孔の各々に固定用ピンと挿通することで各々の未焼成シートの位置合わせを行っている。
【0045】
[1]窒素酸化物センサ素子の製造
〈1〉3種類の未焼成セラミックシートの作製
(1) 第1未焼成セラミックシート
アルミナ粉末と、バインダであるブチラール樹脂及びジブチルフタレートと、溶媒であるトルエン及びメチルエチルケトンとを混合し、スラリー状にした。その後、ドクターブレード法により、厚さ0.4mmのシートに成形した。次いで、このシートの一端側の所定位置には3つのスルーホール3111を設け図14に示す平面形状の第1未焼成セラミックシート311(焼成後、絶縁性基部となる)を得た。
【0046】
(2) 第2未焼成セラミックシート
第1未焼成セラミックシートと同様にしてスラリーを得、その後、ドクターブレード法により、厚さ0.2mmのシートに成形した。次いで、スルーホール3122及び開口部3121を設けて、図15に示す平面形状の第2未焼成セラミックシート312(焼成後、補強部を構成する)を得た。尚、開口部3121は縦1.2mm、幅1.8mmである。
【0047】
(3) 第3未焼成セラミックシート
第1未焼成セラミックシートと同様にしてスラリーを得、その後、ドクターブレード法により第1未焼成セラミックシートと同じ大きさのシートを得た。次いで、開口部3131と3つのスルーホール3132を設けて、図16に示す平面形状の第3未焼成セラミックシート313(焼成後、補強部を構成する)を得た。尚、開口部3131の大きさは第2未焼成セラミックシート312の開口部3121と同じである。
【0048】
〈2〉未焼成積層体形成工程
(1)被測定ガス導入部となる未焼成被測定ガス導入部の形成
アルミナ粉末と、バインダであるブチラール樹脂及び可塑剤であるジブチルフタレートと、溶媒であるトルエン及びメチルエチルケトンとを混合したペーストに、更に、所定量のブチルカルビトール及びアセトンとを加えて、4時間混合してアセトンを蒸発させて得られたペーストに、平均粒径5μmのカーボン粉末をアルミナとの体積比で45体積%混合した多孔質部用ペーストを調製した。この多孔質部用ペーストを第1未焼成セラミックシート上に図17に示す形状にスクリーン印刷し、乾燥させて未焼成被測定ガス導入部32(焼成後、被測定ガス導入部となる)を形成した。
【0049】
(2)拡散室となる焼失部の形成
カーボン粉末と、バインダであるブチラール樹脂及び可塑剤であるジブチルフタレートと、溶媒であるトルエン及びメチルエチルケトンとを混合して焼失部用ペーストを調製した。この焼失部用ペーストを第1未焼成セラミックシート上に図18に示す形状にスクリーン印刷し、乾燥させて焼失部33(331、332、333、334及び335からなり、各々は焼成により焼失し、第1拡散室部331、第2拡散室部332、基準ガス室部333、基準ガス室部に過充填された基準ガスの排出経路334及び第1第2拡散室部連通経路335となる)を形成した。
【0050】
尚、焼成後形成される第1拡散室部331は、第1Ipセルにより被測定ガス中の酸素濃度を低下させるために使用される。更に、この低酸素濃度化された被測定ガスは第1第2拡散室部連通経路335を通過して、第2拡散室部332に拡散され、そこで先ずVsセルにより酸素濃度の測定が行われる。ついで、被測定ガスは第2測定室の更に奥に配置された第2Ipセル用負電極上まで拡散され、ここで窒素酸化物濃度が測定されることとなる。
【0051】
(3)第1Ip第2IpVsセル用未焼成負電極の形成
ジルコニア粉末(共沈法により得られた安定化剤としてYを5.4mol%含有し、平均粒径0.3〜0.4μm)15質量部と白金粉末100質量部とを配合した導電層用ペーストを調製した。
得られた導電層用ペーストを焼失部及び未焼成第1セラミックシート上に図19に示す形状にスクリーン印刷し、乾燥させて第1Ip第2IpVsセル用未焼成負電極341(焼成後は、第1Ipセル用負電極部3411、第2Ipセル用負電極部3412及びVsセル用負電極部3413を備えるものとなる)、第2Ipセル用正電極343(焼成後、第2Ipセル用正電極となる)及びVsセル用未焼成正電極344(焼成後、Vsセル用正電極となる)を形成した。
【0052】
(4)未焼成固体電解質層下部の形成
質量比においてジルコニア粉末(純度99.9%以上)70質量%とアルミナ粉末(純度99.99%以上)30質量%とを配合した混合粉末と分散剤とをアセトン中で混合してスラリーを得た。一方でバインダとブチルカルビトール、ジブチルフタレートとアセトンとを混合したバインダ溶液を用意し、このバインダ溶液を先のスラリーに加え、混練しながらアセトンを蒸散させ、固体電解質体用ペーストを得た。
得られた固体電解質体用ペーストを未焼成電極と接触するように図20に示す形状にスクリーン印刷し、乾燥させて未焼成第1Ipセル用固体電解質体の下部3511(焼成後、第1Ipセル用固体電解質体の下部となる)、未焼成第2Ipセル用固体電解質体の下部3521(焼成後、第2Ipセル用固体電解質体の下部となる)、未焼成Vsセル用固体電解質体の下部3531(焼成後、Vsセル用固体電解質体の下部となる)を形成した。
【0053】
(5)未焼成第1絶縁層の形成
アルミナ粉末と、バインダであるブチラール樹脂及び可塑剤であるジブチルフタレートと、溶媒であるトルエン及びメチルエチルケトンとを混合したペーストに、更に、所定量のブチルカルビトール及びアセトンとを加えて、4時間混合してアセトンを蒸発させ、絶縁層用ペーストを調製した。
得られた絶縁層用ペーストを未焼成固体電解質体下部を除く未焼成第1セラミックシート上に図21に示す形状にスクリーン印刷し、乾燥させて未焼成第1絶縁層361(焼成後、第1絶縁層となる)を形成した。
【0054】
(6)未焼成固体電解質体上部の形成
(4)で用いたと同様な固体電解質体用ペーストを各未焼成固体電解質体の下部上に図22に示す形状にスクリーン印刷し、乾燥させて未焼成第1Ipセル用固体電解質層の上部3512(焼成後、第1Ipセル用固体電解質体の上部となる)、未焼成第2Ipセル用固体電解質層の上部3522(焼成後、第2Ipセル用固体電解質体の上部となる)、未焼成Vsセル用固体電解質層の上部3532(焼成後、Vsセル用固体電解質体の上部3532となる)を形成した。
【0055】
(7)未焼成第2絶縁層の形成
(5)で用いたと同様な絶縁層用ペーストを各未焼成固体電解質体の上部を除く未焼成第1絶縁層361上に図23に示す位置にこの図に示す形状にスクリーン印刷し、乾燥させて未焼成第2絶縁層362(焼成後、第2絶縁層となる)を形成した。
【0056】
(8)第1Ipセル用未焼成電極の形成
(3)で用いたと同様な導電層用ペーストを未焼成第1Ipセル用固体電解質体の上部3512に接するように未焼成第2絶縁層上に図24に示す形状にスクリーン印刷し、乾燥させて第1Ipセル用未焼成正電極342(焼成後、第1Ipセル用正電極となる)を形成した。
【0057】
(9)未焼成第2セラミックシートの積層
〈1〉の(2)で得られた未焼成第2セラミックシート312を(8)で形成した第1Ipセル用未焼成正電極上342に第2ブタノールとブチルカルビトールとの混合液を用いて積層し、圧着した。
【0058】
(10)未焼成発熱抵抗体の形成
白金粉末94質量部とアルミナ粉末6質量部とを配合した混合粉末と、バインダであるブチラール樹脂と、溶媒であるブチルカルビトールとを混合してスラリー状の未焼成発熱抵抗体用ペーストを調製した。
得られた未焼成発熱抵抗体用ペーストを、積層された未焼成第2セラミックシート312上の図25に示す形状で印刷し、乾燥させて未焼成発熱抵抗体345(焼成後、発熱抵抗体)を形成した。
【0059】
(11)未焼成第3セラミックシートの積層
〈1〉の(3)で得られた未焼成第3セラミックシート313を(10)で形成した未焼成発熱抵抗体345上に第2ブタノールとブチルカルビトールとの混合液を用いて積層し、圧着した。
【0060】
(12)未焼成外側導体層の形成
(3)で用いたと同様な導電層用ペーストを未焼成第3セラミックシート上の図26に示す形状にスクリーン印刷し、乾燥させて未焼成発熱抵抗体用外側導電層346(焼成後、発熱抵抗体用外側導電層)を形成した。
次いで、これまでに形成された未焼成積層体の表裏を反転させて、未焼成第1セラミックシート311上の図26に示す形状にスクリーン印刷し、乾燥させて未焼成電極用外側導電層347(焼成後、電極用外側導電層)を形成した。
尚、図27に図14〜図26に示す各層の積層位置を示した。
【0061】
〈3〉脱脂及び焼成
〈2〉までに得られた未焼成積層体を、大気雰囲気において、室温から420℃まで昇温速度10℃/時間で昇温させ、420℃で2時間保持し、脱脂処理を行った。その後、大気雰囲気において、1100℃まで昇温速度100℃/時間で昇温させ、更に、1520℃まで昇温速度60℃/時間で昇温させ、1520℃で1時間保持し焼成し窒素酸化物ガスセンサ素子を得た。
【0062】
〈4〉窒素酸化物センサの製造
予め得た窒素酸化物センサ素子1を用いて図28(紙面上をセンサ素子上方、紙面下をセンサ素子下方とする)に示す窒素酸化物センサ4を製造した。
この窒素酸化物センサ4において、センサ素子1は主体金具42内に収められたセラミックホルダ411、タルク粉末412及びセラミックスリーブ413(センサ素子1とセラミックスリーブ413との間にはリードフレーム45を介し、センサ素子1の上端はセラミックスリーブ413内位置する)に支持されて固定されている。この主体金具42の下部には、センサ素子1の下部を覆う複数の孔を有する2重構造の金属製のプロテクタ43が取設され、主体金具42の上部には外筒44が取設されている。また、外筒44の上部には、センサ素子1を外部回路と接続するためのリード線46を分岐挿通する貫通孔が設けられたセラミックセパレータ47及びグロメット48を備える。この窒素酸化物センサ4は、主体金具42の側面に形成された螺子部421により、例えば、排気管等の管壁に取設することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明のガスセンサ素子の一例の模式的な断面図である。
【図2】図1に示すガスセンサ素子のA−A’断面における模式的な断面図である。
【図3】図1に示すガスセンサ素子のB−B’断面における模式的な断面図である。
【図4】本発明のガスセンサ素子の一例の模式的な断面図である。
【図5】本発明のガスセンサ素子の一例の模式的な断面図である。
【図6】本発明のガスセンサ素子の一例の模式的な断面図である。
【図7】本発明のガスセンサ素子の一例の模式的な断面図である。
【図8】本発明のガスセンサ素子の一例の模式的な断面図である。
【図9】本発明のガスセンサ素子の一例の模式的な断面図である。
【図10】本発明のガスセンサ素子の一例の模式的な断面図である。
【図11】本発明のガスセンサ素子の一例の模式的な断面図である。
【図12】本発明のガスセンサ素子の一例の一部の模式的な分解斜視図であり、図13に示される部分に連続する部分である。
【図13】本発明のガスセンサ素子の一例の一部の模式的な分解斜視図であり、図12に示される部分に連続する部分である。
【図14】実施例で使用する第1未焼成セラミックシートの平面図である。
【図15】実施例で使用する第2未焼成セラミックシートの平面図である。
【図16】実施例で使用する第3未焼成セラミックシートの平面図である。
【図17】実施例で形成した未焼成被測定ガス導入部の平面図である。
【図18】実施例で形成した焼失部の平面図である。
【図19】実施例で形成した未焼成電極の平面図である。
【図20】実施例で形成した未焼成固体電解質体下部の平面図である。
【図21】実施例で形成した未焼成第1絶縁層の平面図である。
【図22】実施例で形成した未焼成固体電解質体上部の平面図である。
【図23】実施例で形成した未焼成第2絶縁層の平面図である。
【図24】実施例で形成した未焼成電極の平面図である。
【図25】実施例で形成した未焼成発熱抵抗体の平面図である。
【図26】実施例で形成した発熱抵抗体用未焼成外部導体層及び電極用未焼成外部導体層の平面図である。
【図27】図14〜図26の各層の積層位置を表す説明図である。
【図28】本発明のガスセンサの一例の断面図である。
【符号の説明】
111;絶縁性基部、12;被測定ガス導入部、13;被測定ガス拡散室、1411;第1Ipセル用負電極、1412;第1Ipセル用正電極、1421;第2Ipセル用負電極、1422;第2Ipセル用正電極、1431;Vsセル用負電極、1432;Vsセル用正電極、144;発熱抵抗体、145;導通補助電極、151;第1Ipセル用固体電解質体、152;第2Ipセル用固体電解質体、153;Vsセル用固体電解質体、161;第1絶縁層、162;第2絶縁層、17;基準ガス導入経路。
21;絶縁性基部(第1絶縁性基部)、214;発熱抵抗体、22;第1Ipセル、221;第1Ipセル用固体電解質体、222;第1Ipセル用正電極、223;第1Ipセル用負電極、23;Vsセル、231;Vsセル用固体電解質体、232;Vsセル用負電極、233;Vsセル用正電極、234;第1第2拡散室部連通経路、24;第2Ipセル、241;第2Ipセル用固体電解質体、242;第2Ipセル用負電極、243;第2Ipセル用正電極、25;被測定ガス拡散室(第1拡散室部)、251;被測定ガス導入部、26;絶縁性基部(第2絶縁性基部)、281;第2拡散室部、282;基準ガス室部。
311;未焼成第1セラミックシート、312;未焼成第2セラミックシート、313;未焼成第3セラミックシート、32;未焼成被測定ガス導入部、33;焼失部、331;焼失部(第1拡散室部)、332;焼失部(第2拡散室部)、333;焼失部(基準ガス室部)、334;焼失部(基準ガス排出経路)、335;焼失部(第1第2拡散室部連通経路)、341;第1Ip第2IpVsセル兼用未焼成負電極、3411;第1Ipセル用未焼成負電極部、3412;第2Ipセル用未焼成負電極部、3413;Vsセル用未焼成負電極部、342;第1Ipセル用未焼成正電極、343;第2Ipセル用未焼成正電極、344;Vsセル用未焼成正電極、345;未焼成発熱抵抗体、346;発熱抵抗体用未焼成外部導体層、347;電極用未焼成外部導体層、3511、3512;第1Ipセル用未焼成固体電解質体、3521、3522;第2Ipセル用未焼成固体電解質体、3531、3532;Vsセル用未焼成固体電解質体、361;未焼成第1絶縁層、362;未焼成第2絶縁層。
4;窒素酸化物センサ、1;窒素酸化物センサ素子、411;セラミックホルダ、412;タルク粉末、413;セラミックスリーブ、42;主体金具、43;プロテクタ、44;外筒、45;リードフレーム、46;リード線、47;セラミックセパレータ、48;グロメット。
[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a gas sensor element and a gas sensor. More specifically, the present invention relates to a gas sensor element having a novel structure and a gas sensor including the same. The gas sensor element and the gas sensor of the present invention are suitable as a gas sensor element and a gas sensor for detecting a gas component in exhaust gas of an internal combustion engine such as an automobile, and in particular, a nitrogen oxide capable of detecting the concentration of nitrogen oxide. It is suitable as a sensor element and a nitrogen oxide sensor.
[0002]
[Prior art]
Conventionally, a nitrogen oxide sensor element comprising a zirconia-based sintered body as a whole and including one oxygen concentration detection cell and two oxygen pump cells and a nitrogen oxide gas sensor including the same are known.
Nitrogen oxide sensors known so far have a structure in which solid electrolyte bodies constituting each of the first oxygen pump cell, the second pump cell, and the oxygen concentration detection cell are stacked with two diffusion chambers in communication with each other. Presents. Further, the nitrogen oxide sensor includes a heater element for heating the nitrogen oxide sensor element. This heater element has a structure in which a heating resistor is sandwiched between heat-resistant plates mainly composed of alumina in order to be exposed to a cold and hot cycle with a large drop, and the nitrogen oxide sensor element and the heater element are Bonded with heat-resistant cement.
[0003]
[Problems to be solved by the invention]
A zirconia-based material is used for the solid electrolyte constituting the oxygen concentration detection cell and oxygen pump cell of the nitrogen oxide sensor element, but since this gas sensor element is exposed to a cold cycle with a large drop, the thermal expansion difference between the materials used If it is not made small, it cannot be formed integrally. For this reason, most of the gas sensor elements are formed from a zirconia-based material, and three cells are stacked in order to obtain overall strength.
[0004]
However, for this reason, the arrangement of each cell is limited, and the thickness of the element is also restricted. The heater element is made of alumina because of its high heat resistance requirement, but it has a large difference in thermal expansion from the gas sensor element mostly made of zirconia-based material, and is difficult to form integrally. For this reason, the gas sensor element and the heater element are manufactured separately and then bonded together with heat-resistant cement or the like that buffers thermal expansion.
[0005]
However, if the method of bonding after firing is used in this way, the entire element body including the gas sensor element and the heater element (hereinafter referred to as “element body”) becomes large, and the element body is heated. The warm-up time required until the measurement can be started is increased. For this reason, it is an obstacle to start measurement at an early stage after the start of the internal combustion engine and to further increase the exhaust gas purification rate. Further, the complicated structure of the element body itself is disadvantageous in terms of cost.
[0006]
The present invention has been made in view of the above, and an object of the present invention is to provide a gas sensor element that can shorten the warm-up time and can be more easily manufactured, and a gas sensor including such a gas sensor element.
[0007]
[Means for Solving the Problems]
The gas sensor element of the present invention includes an insulating base in which a heating resistor is embedded in an insulating ceramic, a first oxygen pump cell and a first oxygen pump cell joined directly or indirectly via another member on the insulating base. A gas sensor element, which is integrally fired, includes a two-oxygen pump cell and a measured gas diffusion chamber into which a measured gas can be introduced by diffusion-determining, wherein each of the first oxygen pump cell and the second oxygen pump cell is a solid electrolyte body And a pair of electrodes, The first oxygen pump cell and the second oxygen pump cell are arranged in parallel on the insulating base, At least one electrode of the first oxygen pump cell and one electrode of the second oxygen pump cell are arranged in the measurement gas diffusion chamber.
[0008]
In the gas sensor element of the present invention, the one electrode of the first pump cell is arranged on the upstream side where the gas to be measured is introduced into the gas diffusion chamber to be measured, and the second oxygen pump cell on the downstream side. One electrode may be disposed. And an oxygen concentration detection cell joined directly or indirectly through another member on the insulating base, and the negative electrode of the oxygen concentration detection cell is disposed in the gas diffusion chamber to be measured. can do. Further, the negative electrode of the oxygen concentration detection cell is disposed downstream of the one electrode of the first oxygen pump cell and upstream of the one electrode of the second oxygen pump cell. Can be. Further, the insulating base portion may contain 70% by mass or more of alumina. Moreover, the said insulating ceramics shall contain 1-20 mass% of zirconia. Furthermore, at least one of the solid electrolyte bodies may contain 30 to 80% by mass of the main constituent insulating component of the insulating ceramic.
The gas sensor of the present invention comprises the gas sensor element of the present invention.
[0009]
【The invention's effect】
According to the gas sensor element of the present invention, a new and simple structure can be obtained, and further necessary components can be freely designed. In particular, the entire sensor element can be designed to be thin. Further, even when the heating resistor is integrally provided, there is no occurrence of cracks due to the difference in thermal expansion, and high durability is obtained.
In addition, since the cells with the respective solid electrolyte bodies sandwiched between the insulating base portions are arranged, the leak current between the cells can be suppressed to a small value.
[0010]
Furthermore, the insulating ceramic contains 70% by mass or more of alumina, so that the insulation, heat resistance, thermal shock resistance, etc. are particularly sufficiently exhibited. Further, when the insulating ceramic contains 1 to 20% by mass of zirconia, in the gas sensor element used as the solid electrolyte body mainly composed of zirconia, the difference in thermal expansion between the portion made of the insulating ceramic and the solid electrolyte body. Can be mitigated, and cracks and cracks can be effectively prevented from occurring in the gas sensor element. Furthermore, when the solid electrolyte contains 30 to 80% by mass of the main constituent insulating component of the insulating ceramic, the portion made of the insulating ceramic is the same as when the insulating ceramic contains 1 to 20% by mass of zirconia. And the thermal expansion difference between the solid electrolyte body and the gas sensor element can be effectively prevented from being cracked or broken.
Moreover, the gas sensor of the present invention can be small and have high durability by including the gas sensor element of the present invention.
[0011]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
The “insulating ceramics” is a main component of the insulating base. Examples of the insulating ceramic include ceramics mainly composed of alumina, mullite, spinel, and the like. When these are the main components, it is preferable to contain 70% by mass or more of alumina with respect to the entire insulating ceramic so that sufficient insulating properties, heat resistance, thermal shock resistance, etc. are exhibited. On the other hand, the remaining part can contain 1 to 20% by mass of a component (for example, zirconia) constituting a portion laminated in direct contact with the insulating ceramic. Thereby, both thermal expansion coefficient differences can be relieved.
[0012]
The “insulating base” is mainly composed of insulating ceramics and includes a heating resistor therein. A first oxygen pump cell (hereinafter also simply referred to as “first Ip cell”) and a second oxygen pump cell (hereinafter also simply referred to as “second Ip cell”), and an oxygen concentration detection cell (hereinafter simply referred to as “Vs”). Cell)) is directly or indirectly sintered and joined together. For this reason, each cell can be activated early with quick heat transfer.
The insulating substrate also has a function of electrically insulating the cells. For this reason, it is preferable to have an insulating property such that the electrical resistance value between the heater and each cell is 1 MΩ (preferably 10 MΩ) or more at a temperature of 800 ° C. The insulating base is usually obtained by firing an unfired laminate formed by laminating unfired insulating ceramics in layers, and each layer may be formed of a material having a different composition ratio.
[0013]
The “heating resistor” is not particularly limited as long as it can generate heat when energized. For example, a paste prepared from a powder containing a noble metal, tungsten, molybdenum, rhenium, etc., a binder, a plasticizer, etc. is thinly applied by a screen printing method, etc., and dried to obtain an unfired body obtained by firing. be able to. Further, it is preferable to add about 5 to 20% by mass of rhodium or the like to this heating resistor. Thereby, a resistance temperature coefficient can be reduced and it can heat to activation temperature at an early stage.
[0014]
The “first oxygen pump cell” includes oxygen in a measurement gas introduced into a measurement gas diffusion chamber (hereinafter also simply referred to as “diffusion chamber”) described later (oxygen dissociated from some nitrogen oxides). Is a cell that serves to reduce the oxygen concentration of the gas to be measured introduced into the diffusion chamber.
The “second oxygen pump cell” is configured to apply oxygen, which is decomposed only to nitrogen oxides, to the gas to be measured in the diffusion chamber in which the oxygen concentration is reduced, and to the outside of the diffusion chamber through the solid electrolyte. It is a cell that pumps out and outputs the current value at this time.
The positional relationship between the first Ip cell and the second Ip cell is preferably such that the first Ip cell is arranged on the upstream side of the gas to be measured flowing in the measurement chamber, and the second Ip cell is arranged on the downstream side. .
[0015]
Furthermore, in the present invention, in addition to the first Ip cell and the second Ip cell, the “oxygen concentration detection cell” can be provided. By providing this Vs cell, the oxygen concentration in the gas under measurement whose oxygen concentration has been lowered by the first Ip cell is measured, and the oxygen concentration that could not be removed by the first Ip cell from the amount of oxygen pumped out by the second Ip cell By performing the correction that subtracts, a more accurate nitrogen oxide concentration can be measured. Furthermore, the oxygen concentration in the measurement gas diffused in the vicinity of the second Ip cell can be monitored and fed back, so that the oxygen concentration in the measurement gas whose oxygen concentration has been reduced by the first Ip cell can be kept constant. It becomes.
Therefore, this Vs cell is preferably arranged between the first Ip cell located on the upstream side in the diffusion direction of the gas to be measured and the second Ip cell located on the downstream side.
[0016]
Each of the first Ip cell, the second Ip cell, and the Vs cell includes a solid electrolyte body and a pair of electrodes formed on the surface of the solid electrolyte body. These solid electrolyte bodies, electrodes, and the like may be integrated as long as they function as the first Ip cell, the second Ip cell, and the Vs cell as a result. That is, for example, each negative electrode included in the first Ip cell, the second Ip cell, and the Vs cell can be used as a single negative electrode. Each solid electrolyte body is preferably provided separately. Thereby, it is possible to prevent the currents flowing between the cells from interfering with each other, and to perform concentration measurement with higher accuracy.
[0017]
Solid electrolyte bodies used for the first Ip cell, the second Ip cell, and the Vs cell include a zirconia-based sintered body (which can contain a stabilizer such as yttria), LaGaO, and the like. 3 Examples of such sintered bodies include those containing hafnium in these sintered bodies. Among them, it is preferable to use a zirconia-based sintered body containing yttria that is particularly excellent in oxygen conductivity as a stabilizer. Moreover, the solid electrolyte body can contain the insulating component which comprises the said insulating ceramic in 30-80 mass% (more preferably 30-50 mass%) of the whole.
[0018]
When the solid electrolyte body is a zirconia-based sintered body, the solid electrolyte body preferably contains 20% by mass or more (more preferably 50 to 80% by mass) of zirconia.
Furthermore, when the solid electrolyte body is a zirconia-based sintered body and the insulating ceramic is mainly composed of alumina, the solid electrolyte body is 20% by mass or more (more preferably 50 to 80% by mass) of the entire solid electrolyte body. It is preferable to contain 20-80 mass% (more preferably 30-50 mass%) of alumina. On the other hand, the insulating ceramic preferably contains 30% by mass or less (more preferably 10 to 30% by mass) of zirconia based on the entire insulating ceramic. As a result, the bondability between the insulating base portion integrally fired in the gas sensor element of the present invention and the first Ip cell and the second Ip cell is improved, and the difference in thermal expansion between the insulating base portion and both cells is greatly reduced.
[0019]
However, when the gas sensor element of the present invention includes a Vs cell described later, the insulating component constituting the insulating ceramic contained in the first Ip cell is the same as the content contained in the Vs cell, or Less is preferable. The first Ip cell solid electrolyte body may flow a larger voltage compared to the Vs cell solid electrolyte body. If the content of the insulating ceramics is excessively large, an overvoltage is applied to the first Ip cell solid electrolyte body. The solid electrolyte body may decompose and cause a phenomenon called blackening.
[0020]
The electrodes used in the first Ip cell, the second Ip cell, and the Vs cell are not particularly limited, but the electrical resistivity is 10 -2 Ω · cm or less (Ω · cm is 1 × 1 × 1 cm in the size of the sample 3 It is preferable that the resistance value per unit is shown). Furthermore, it is preferable that it is excellent in heat resistance and corrosion resistance, and is excellent in adhesiveness with a solid electrolyte body. Examples of the material capable of forming such an electrode include metals contained in the platinum group, and it is preferable to contain 20% by mass or less of the main component constituting the solid electrolyte body. Thereby, the high adhesiveness with respect to a solid electrolyte body can be obtained.
[0021]
The electrodes of these cells can be provided in addition to the above pair. For example, by providing an electrode pair for measuring a resistance value that correlates with the temperature of the solid electrolyte body, data on the resistance value is fed back to a separate or integral heater to accurately determine the temperature of the solid electrolyte layer body. It can also be controlled. Thereby, the electroconductivity of a solid electrolyte body can always be maintained in the target state.
[0022]
The “measurement gas diffusion chamber” is not particularly limited as long as the measurement gas existing outside the sensor element can be introduced and the measurement gas can be diffused therein. Therefore, for example, the inside of the space partitioned by the dense ceramic may be a hollow space, or the space partitioned by the dense ceramic may be a portion filled with a porous ceramic having communication holes. . Moreover, it may be one room, may be divided into a plurality of rooms via a communication path, and may be a path having a series of predetermined shapes.
[0023]
In this diffusion chamber, first, oxygen (including oxygen dissociated from some nitrogen oxides) is pumped out from the introduced gas to be measured by the first Ip cell, and at the same time or thereafter, by the Vs cell. It is preferable that the oxygen concentration in the measurement gas having a reduced oxygen concentration is measured, and the nitrogen oxide concentration in the measurement gas having the reduced oxygen concentration can be measured by the second Ip cell after the oxygen concentration measurement. Therefore, it is preferable that the diffusion chamber has a shape in which the gas to be measured can diffuse in this order. For example, the nitrogen oxide concentration can be measured by the room in which pumping can be performed by the first Ip cell, the room in which measurement can be performed by the Vs cell, and the second Ip cell. It is preferable that the diffusion chambers are connected by a path connecting the three rooms to the three rooms, or a single path for sequentially performing these.
[0024]
Furthermore, the gas to be measured introduced into the diffusion chamber can be introduced into the diffusion chamber at a substantially constant speed regardless of the flow velocity outside the sensor element (this introduction is hereinafter simply referred to as “rate-limiting”). preferable. For this reason, it is preferable to have an introduction part for introducing the gas to be measured, and this introduction part is a diffusion-controlled path made of porous ceramic having communication holes.
Further, if necessary, a reference gas chamber or the like can be provided separately from the diffusion chamber, but this reference gas chamber may also be connected to the diffusion chamber as a reference gas chamber.
[0025]
Examples of the gas sensor element of the present invention include those having a cross-sectional structure shown in FIGS.
The gas sensor element shown in FIGS. 1 to 3 includes, on the insulating base 111, each of the first Ip cell solid electrolyte body 151, the second Ip cell solid electrolyte body 152, and the Vs cell solid electrolyte body 153, Two electrodes are provided on the same surface of the solid electrolyte body. Further, the gas sensor element includes a diffusion chamber 13, and further includes a measurement gas introduction portion 12 made of a porous body for introducing the measurement gas at a side portion of the diffusion chamber.
[0026]
A first Ip cell positive electrode 1412, a Vs cell negative electrode 1431, and a second Ip cell negative electrode 1421 are arranged in the diffusion chamber. The first Ip cell negative electrode 1411 is disposed outside the gas chamber to be measured. The Vs cell positive electrode 1432 is covered with dense ceramics in the gas chamber to be measured. Thus, the positive electrode 1432 for the Vs cell can fill the interface with the solid electrolyte body 153 for the Vs cell with a constant pressure of oxygen, and the Vs cell can measure the oxygen concentration by a method of self-generating reference oxygen. The second Ip cell positive electrode 1422 is disposed outside the diffusion chamber and covered with dense ceramics.
[0027]
Further, a heating resistor 144 is embedded in the insulating base 111, and the first Ip cell, the second Ip cell, and the Vs cell can be heated by supplying power to the heating resistor.
FIG. 2 is a cross-sectional view taken along the line AA ′ including the measured gas introduction part 12 and the first Ip cell positive electrode 1412. FIG. 3 is a cross-sectional view taken along the line BB ′ including the positive electrode 1432 for the Vs cell.
[0028]
In the gas sensor element shown in FIGS. 1 to 3, the gas to be measured introduced by being controlled by the gas to be measured introduction unit 12 is diffused onto the positive electrode 1412 for the first Ip cell, and then the negative electrode 1431 for the Vs cell. It diffuses to the top, and then diffuses to the second Ip cell negative electrode 1421. Therefore, after the oxygen concentration of the measurement gas is reduced, the oxygen concentration measurement is performed, and then the nitrogen oxide concentration measurement is performed.
[0029]
1 to 3, the first Ip cell positive electrode 1412 is arranged in the diffusion chamber and the first Ip cell negative electrode 1411 is arranged outside the diffusion chamber. However, the first Ip cell positive electrode is arranged outside the diffusion chamber. The negative electrode for the first Ip cell may be disposed in the diffusion chamber. Furthermore, each electrode can also be constituted by one electrode in which two or three electrodes are combined. That is, the negative electrode for the first Ip cell, the negative electrode for the Vs cell, and the negative electrode for the second Ip cell can be shared by the same one electrode. In addition, a protective layer may be provided on the electrode arranged outside the diffusion chamber among the electrodes provided in the first Ip cell for the purpose of preventing poisoning.
[0030]
In the gas sensor element shown in FIG. 4, each of the first Ip cell, the second Ip cell, and the Vs cell shown in FIGS. 1 to 3 includes a pair of electrodes only on one surface side of each solid electrolyte body. The gas sensor element shown in FIGS. 1 to 3 is the same as that shown in FIGS.
[0031]
The gas sensor element shown in FIG. 5 is the same as the gas sensor element shown in FIGS. 1 to 3 except that the second Ip cell positive electrode 1422 is formed at the interface between the insulating base 111 and the second Ip cell solid electrolyte body 152. It is the same. Although not shown in the drawing, the first Ip cell and the Vs cell of the gas sensor element shown in FIG. 5 may be a gas sensor element provided with a conduction auxiliary electrode as in FIG.
[0032]
In the gas sensor element shown in FIG. 6, the second Ip cell positive electrode 1422 is provided to face the second Ip cell negative electrode 1412 with the second Ip cell solid electrolyte body 152 interposed therebetween. The positive electrode 1422 for the second Ip cell can be exposed to the reference gas through the reference gas introduction path 17 (the reference oxygen is self-generated in FIGS. 1 to 3, whereas the reference oxygen can be supplied from the atmosphere. ). Although not shown in the drawing, the first Ip cell and the Vs cell of the gas sensor element shown in FIG. 6 may be a gas sensor element provided with a conduction auxiliary electrode as in FIG.
[0033]
The gas sensor element shown in FIG. 7 is the same as the gas sensor element shown in FIG. 5 except that the Vs cell positive electrode 1432 is provided on the surface facing the Vs cell negative electrode 1431 with the Vs cell solid electrolyte body 153 interposed therebetween. is there. Further, although not shown in the figure, the gas sensor element in which the first auxiliary cell of the gas sensor element shown in FIG.
[0034]
The gas sensor element shown in FIG. 8 is the same as the gas sensor element shown in FIG. 7, except that the second Ip cell positive electrode 1422 can be exposed to the reference gas by providing the reference gas introduction path 17. Although not shown in the figure, the gas sensor element can be configured such that the reference gas introduction path 17 is extended to the positive electrode 1432 for the Vs cell and the positive electrode 1432 for the Vs cell can be simultaneously exposed to the reference gas. Furthermore, a gas sensor element in which a conduction auxiliary electrode is provided in the first Ip cell as in FIG.
[0035]
In each gas sensor element of FIGS. 1 to 8, an internal cavity partitioned by dense ceramics is used as a diffusion chamber, but this cavity may be filled with a porous ceramic having communication holes.
[0036]
The gas sensor elements shown in FIGS. 9 to 11 are gas sensor elements in which all the cells of the first Ip cell, the second Ip cell, and the Vs cell are opposed to each other with each solid electrolyte body interposed therebetween. These gas sensor elements use a diffusion chamber 13 in which a space partitioned by dense ceramics is filled with porous ceramics having communication holes.
FIG. 9 shows a gas sensor element that can expose both the Vs cell positive electrode 1432 and the second Ip cell positive electrode 1422 to the reference gas through the reference gas introduction path 17. On the other hand, FIG. 10 can expose only the Vs cell positive electrode 1432 to the reference gas, and FIG. 11 can expose only the second Ip cell positive electrode 1422 to the reference gas.
[0037]
Each of the gas sensor elements illustrated in FIGS. 1 to 11 has a structure in which each cell is arranged in parallel on an insulating base. . As a reference example, Gas sensor element having a structure in which a plurality of cells are stacked on an insulating base The 12 and 13 are exploded perspective views. However, FIG. 12 and FIG. 13 show one gas sensor element in these two drawings. The first diffusion chamber 25, the measured gas introduction part 251 and the interlayer adjustment layer shown as the lowermost layer in FIG. Each part 252 is arranged at a position indicated by a dotted line as a virtual uppermost layer in FIG.
[0038]
The gas sensor element shown in FIGS. 12 and 13 has a first insulating base 21. The first insulating base portion 21 includes a heating resistor 213 (including a heating portion 214 and a heating resistor lead portion 215) sandwiched between a first insulating base lower layer 211 and a first insulating base upper layer 212. 1 An insulating base 21 is provided (the heating resistor is supplied with electric power from an external circuit through a heating resistor lead-out line 216 formed of platinum or the like). Among these, the 1st insulating base lower layer 211 and the 1st insulating base upper layer 212 are formed from the above-mentioned insulating ceramics.
A second Ip cell 24 is stacked on the first insulating base 21. The second Ip cell includes a second Ip cell solid electrolyte body 241, a second Ip cell negative electrode 242, a second Ip cell positive electrode 243, a second Ip cell negative electrode 242 and a second Ip cell positive electrode at high temperatures. And a second Ip cell insulating layer 244 for preventing current from leaking between 243. In addition, the terminal portions of the electrode lead portions of the second Ip cell negative electrode 242 and the second Ip cell positive electrode 243 are connected to electrode lead wires 2451 and 2452 formed of platinum or the like to pump oxygen to an external circuit. The current value necessary for the output can be output.
[0039]
Further, an interlayer adjustment layer 28 for the second diffusion chamber and the reference gas chamber is laminated on the second Ip cell 24. The interlayer adjustment layer 28 has an opening to be the second diffusion chamber 281 and an opening to be the reference gas chamber 282, and is formed of the above-described insulating ceramic.
A Vs cell 23 is formed on the interlayer adjustment layer 28. The Vs cell 23 includes a Vs cell solid electrolyte body 231, a Vs cell negative electrode 232, and a Vs cell positive electrode 233. Furthermore, Vs cell insulating layers 2351 and 2352 are provided to prevent leakage between the electrodes at high temperatures. In addition, a through hole is formed at the center of the solid electrolyte body 231 for the Vs cell. The through hole is formed of a porous member having a through hole at the center. The first diffusion chamber and the second diffusion are formed in the through hole. A first second diffusion chamber communication path 234 is formed for communicating with the chamber. In the Vs cell 23, a voltage corresponding to the oxygen concentration in the first diffusion chamber can be output to the outside through lead-out lines 2361 and 2362 of each electrode formed of platinum or the like.
[0040]
Further, an interlayer adjustment layer 252 for the first diffusion chamber is laminated on the Vs cell 23. The interlayer adjustment layer 252 has a notch that becomes the first diffusion chamber 25 and is formed of the above-described insulating ceramic. In addition, a measured gas introduction part 251 is formed on one end side of the notch part of the interlayer adjustment layer 252. This measured gas introduction part 251 can also be formed from the above insulating ceramics.
A first Ip cell 22 is formed on the interlayer adjustment layer 252. The first Ip cell 22 includes a first Ip cell solid electrolyte body 221, a first Ip cell positive electrode 222, and a first Ip cell negative electrode 223. Furthermore, it has 1st Ip cell insulating layers 2241 and 2242 which prevent the leak between each electrode at the time of high temperature. In the first Ip cell 22, a current value necessary for pumping oxygen can be output to an external circuit through lead wires 2251 and 2252 of each electrode formed of platinum or the like.
[0041]
An intermediate layer 27 is formed on the first Ip cell 22. The intermediate layer includes a porous portion 271 and a non-porous portion 272, and defines a boundary between a porous portion 261 of the second insulating base and a non-porous portion 262 of the second insulating base, which will be described later, as a first Ip. It is formed so as not to be in direct contact with the cell positive electrode 222. The porous portion 271 and the non-porous portion 272 of the intermediate layer can be formed from the aforementioned insulating ceramics.
Further, a second insulating base portion 26 is formed on the intermediate layer 27. The second insulating base portion 26 includes a porous portion 261 and a non-porous portion 262, each of which can be formed from the aforementioned insulating ceramics.
Note that the insulating layers 2241, 2242, 2351, 2352, and 244 shown in FIGS. 12 and 13 do not need to be provided when it is not necessary to prevent current leakage between the electrodes. Further, the intermediate layer 27 is not necessarily required.
[0042]
The manufacturing method of such a gas sensor element is not particularly limited. For example, each of the unfired laminates is formed by dividing into a part shown in FIG. 12 and a part shown in FIG. The gas sensor element can be obtained by firing an unfired body obtained by further bonding the bodies. Furthermore, the portion shown in FIG. 12 can be obtained by stacking each portion on this layer, with the unfired body serving as the second insulating base 26 as the bottom layer. On the other hand, the portion shown in FIG. 13 can be obtained by stacking each portion on this layer, with the unfired body serving as the first insulating base 21 as the bottom layer. That is, it is possible to divide and form two stacked bodies without stacking all layers from one direction.
[0043]
Since the gas sensor of the present invention includes the gas sensor element of the present invention, the structure can be freely designed as compared with the conventional gas sensor element, and the gas sensor can be made thinner, so that the gas sensor itself can be downsized. Moreover, since the gas sensor element can embed a heating resistor in the insulating base and the entire gas sensor element can be obtained as an integrally fired product, it has excellent thermal conductivity. Therefore, a gas sensor including such a gas sensor element has a characteristic excellent in early activity immediately after the engine is started. That is, it is possible to obtain a gas sensor having a small size and excellent early activity characteristics.
[0044]
【Example】
Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to FIGS.
In addition, below, the code | symbol of each part was made the same before and behind baking for easy understanding. Further, although it will be described as if one element is manufactured, in an actual process, a printing pattern for 10 pieces is printed on each unfired sheet having a size capable of cutting out 10 unfired elements having a length of 60 mm and a width of 4 mm. After firing, the unsintered gas sensor element is cut out. In addition, each unfired sheet is formed with an alignment hole in the peripheral portion, and the fixing sheet is inserted into each hole to align each unfired sheet.
[0045]
[1] Manufacture of nitrogen oxide sensor element
<1> Preparation of three types of unfired ceramic sheets
(1) First unfired ceramic sheet
Alumina powder, butyral resin and dibutyl phthalate as a binder, and toluene and methyl ethyl ketone as solvents were mixed to form a slurry. Thereafter, it was formed into a sheet having a thickness of 0.4 mm by a doctor blade method. Next, three through holes 3111 were provided at a predetermined position on one end side of the sheet to obtain a first unfired ceramic sheet 311 having a planar shape shown in FIG. 14 (which becomes an insulating base after firing).
[0046]
(2) Second unfired ceramic sheet
A slurry was obtained in the same manner as the first unfired ceramic sheet, and then formed into a sheet having a thickness of 0.2 mm by the doctor blade method. Next, a through-hole 3122 and an opening 3121 were provided to obtain a second non-fired ceramic sheet 312 having a planar shape shown in FIG. The opening 3121 has a length of 1.2 mm and a width of 1.8 mm.
[0047]
(3) Third unfired ceramic sheet
A slurry was obtained in the same manner as the first unfired ceramic sheet, and then a sheet having the same size as the first unfired ceramic sheet was obtained by the doctor blade method. Next, an opening 3131 and three through-holes 3132 were provided to obtain a third non-fired ceramic sheet 313 having a planar shape shown in FIG. The size of the opening 3131 is the same as the opening 3121 of the second unfired ceramic sheet 312.
[0048]
<2> Unfired laminate formation process
(1) Formation of an unfired measured gas introduction part to be a measured gas introduction part
To a paste in which alumina powder, butyral resin as a binder and dibutyl phthalate as a plasticizer, and toluene and methyl ethyl ketone as solvents are mixed, a predetermined amount of butyl carbitol and acetone are further added and mixed for 4 hours. Then, the paste obtained by evaporating acetone was mixed with 45% by volume of carbon powder having an average particle diameter of 5 μm in a volume ratio with alumina to prepare a porous part paste. This porous portion paste is screen-printed on the first unfired ceramic sheet in the shape shown in FIG. 17 and dried to form an unfired measured gas introducing portion 32 (which becomes the measured gas introducing portion after firing). did.
[0049]
(2) Formation of a burned-out part that becomes a diffusion chamber
Carbon powder, butyral resin as a binder and dibutyl phthalate as a plasticizer, and toluene and methyl ethyl ketone as solvents were mixed to prepare a burnt-out paste. This burnt portion paste is screen-printed in the shape shown in FIG. 18 on the first unfired ceramic sheet and dried to form burnt portions 33 (331, 332, 333, 334 and 335, each burned by firing, A first diffusion chamber section 331, a second diffusion chamber section 332, a reference gas chamber section 333, a discharge path 334 of a reference gas overfilled in the reference gas chamber section, and a first second diffusion chamber section communication path 335). Formed.
[0050]
The first diffusion chamber portion 331 formed after firing is used to reduce the oxygen concentration in the gas to be measured by the first Ip cell. Further, the gas to be measured whose oxygen concentration has been lowered passes through the first second diffusion chamber communication path 335 and is diffused into the second diffusion chamber 332, where the oxygen concentration is first measured by the Vs cell. . Next, the gas to be measured is diffused to the negative electrode for the second Ip cell disposed further in the second measurement chamber, and the nitrogen oxide concentration is measured here.
[0051]
(3) Formation of unfired negative electrode for first Ip second IpVs cell
Zirconia powder (Y as a stabilizer obtained by coprecipitation method) 2 O 3 Of 5.4 mol%, an average particle size of 0.3 to 0.4 μm) and 15 parts by mass of platinum powder and 100 parts by mass of platinum powder were prepared.
The obtained paste for the conductive layer is screen-printed in the shape shown in FIG. 19 on the burned-out portion and the unfired first ceramic sheet, and dried to obtain the unfired negative electrode 341 for the first Ip2IpVs cell (after firing, the first Ip A negative electrode portion for cell 3411, a negative electrode portion for second Ip cell 3412 and a negative electrode portion for Vs cell 3413), a positive electrode for second Ip cell 343 (after firing, becomes a positive electrode for second Ip cell) And an unfired positive electrode 344 for a Vs cell (which becomes a positive electrode for a Vs cell after firing).
[0052]
(4) Formation of the lower part of the unfired solid electrolyte layer
In a mass ratio, a mixed powder containing 70% by mass of zirconia powder (purity 99.9% or more) and 30% by mass of alumina powder (purity 99.99% or more) and a dispersant are mixed in acetone to obtain a slurry. It was. On the other hand, a binder solution in which a binder and butyl carbitol, dibutyl phthalate and acetone were mixed was prepared. The binder solution was added to the previous slurry, and acetone was evaporated while kneading to obtain a solid electrolyte paste.
The obtained paste for a solid electrolyte body is screen-printed in a shape shown in FIG. 20 so as to be in contact with an unfired electrode, and dried to form a lower portion 3511 of the solid electrolyte body for an unfired first Ip cell (after firing, for the first Ip cell) A lower portion 3521 of the solid electrolyte body for the unfired second Ip cell (becomes the lower portion of the solid electrolyte body for the second Ip cell after firing), a lower portion 3531 of the solid electrolyte body for the unfired Vs cell After firing, a lower part of the solid electrolyte body for the Vs cell was formed.
[0053]
(5) Formation of unfired first insulating layer
To a paste in which alumina powder, butyral resin as a binder and dibutyl phthalate as a plasticizer, and toluene and methyl ethyl ketone as solvents are mixed, a predetermined amount of butyl carbitol and acetone are further added and mixed for 4 hours. Acetone was evaporated to prepare an insulating layer paste.
The obtained paste for insulating layer is screen-printed in the shape shown in FIG. 21 on the unfired first ceramic sheet excluding the lower portion of the unfired solid electrolyte body, dried, and unfired first insulating layer 361 (after firing, To be an insulating layer).
[0054]
(6) Formation of upper part of unsintered solid electrolyte body
A solid electrolyte body paste similar to that used in (4) is screen-printed in the shape shown in FIG. 22 on the lower portion of each unfired solid electrolyte body, and dried to be an upper portion 3512 of an unfired first Ip cell solid electrolyte layer ( After firing, it becomes the upper part of the solid electrolyte body for the first Ip cell), upper part 3522 of the solid electrolyte layer for the unfired second Ip cell (after firing, it becomes the upper part of the solid electrolyte body for the second Ip cell), for the unfired Vs cell An upper portion 3532 of the solid electrolyte layer (after firing, becomes the upper portion 3532 of the solid electrolyte body for a Vs cell) was formed.
[0055]
(7) Formation of unfired second insulating layer
The same insulating layer paste as used in (5) is screen-printed in the shape shown in FIG. 23 on the unfired first insulating layer 361 except for the upper part of each unfired solid electrolyte body and dried. Thus, an unfired second insulating layer 362 (which becomes the second insulating layer after firing) was formed.
[0056]
(8) Formation of unfired electrode for first Ip cell
The same conductive layer paste as used in (3) is screen-printed in the shape shown in FIG. 24 on the unfired second insulating layer so as to be in contact with the upper part 3512 of the solid electrolyte body for unfired first Ip cells, and dried. An unfired positive electrode 342 for the first Ip cell (which becomes the positive electrode for the first Ip cell after firing) was formed.
[0057]
(9) Lamination of unfired second ceramic sheet
Using a mixed liquid of second butanol and butyl carbitol on the unfired positive electrode for the first Ip cell formed in (8) of the unfired second ceramic sheet 312 obtained in (2) of <1>. Laminated and crimped.
[0058]
(10) Formation of an unfired heating resistor
A mixed powder containing 94 parts by mass of platinum powder and 6 parts by mass of alumina powder, a butyral resin as a binder, and butyl carbitol as a solvent were mixed to prepare a slurry-like paste for an unfired heating resistor. .
The obtained paste for unfired heating resistor is printed in the shape shown in FIG. 25 on the laminated unfired second ceramic sheet 312 and dried to unfired heating resistor 345 (after firing, heating resistor) Formed.
[0059]
(11) Lamination of unfired third ceramic sheet
The unfired third ceramic sheet 313 obtained in (3) of <1> is laminated on the unfired heating resistor 345 formed in (10) using a mixed solution of second butanol and butyl carbitol, Crimped.
[0060]
(12) Formation of unfired outer conductor layer
The conductive layer paste similar to that used in (3) is screen-printed in the shape shown in FIG. 26 on the unfired third ceramic sheet and dried to form an unfired heating resistor outer conductive layer 346 (after firing, heating resistance) Body outer conductive layer) was formed.
Next, the front and back of the unfired laminate formed so far are reversed, screen-printed in the shape shown in FIG. 26 on the unfired first ceramic sheet 311, and dried to be the outer conductive layer 347 for unfired electrodes ( After firing, an outer conductive layer for electrodes) was formed.
In addition, in FIG. 27, the lamination position of each layer shown in FIGS. 14-26 was shown.
[0061]
<3> Degreasing and firing
The unfired laminate obtained up to <2> was heated from room temperature to 420 ° C. at a rate of temperature increase of 10 ° C./hour in an air atmosphere, held at 420 ° C. for 2 hours, and degreased. Thereafter, the temperature is increased to 1100 ° C. at a temperature increase rate of 100 ° C./hour, and further increased to 1520 ° C. at a temperature increase rate of 60 ° C./hour, held at 1520 ° C. for 1 hour, and then fired. A gas sensor element was obtained.
[0062]
<4> Manufacture of nitrogen oxide sensor
Using the nitrogen oxide sensor element 1 obtained in advance, the nitrogen oxide sensor 4 shown in FIG. 28 (with the paper surface above the sensor element and the paper surface below the sensor element) was manufactured.
In this nitrogen oxide sensor 4, the sensor element 1 includes a ceramic holder 411, a talc powder 412 and a ceramic sleeve 413 (a lead frame 45 between the sensor element 1 and the ceramic sleeve 413, The upper end of the sensor element 1 is supported and fixed by a ceramic sleeve 413. A metal protector 43 having a double structure having a plurality of holes covering the lower portion of the sensor element 1 is installed at the lower portion of the metal shell 42, and an outer cylinder 44 is installed at the upper portion of the metal shell 42. Yes. In addition, a ceramic separator 47 and a grommet 48 provided with a through hole for branching and inserting a lead wire 46 for connecting the sensor element 1 to an external circuit are provided on the upper portion of the outer cylinder 44. The nitrogen oxide sensor 4 can be installed on a pipe wall such as an exhaust pipe by a screw portion 421 formed on the side surface of the metal shell 42.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a schematic cross-sectional view of an example of a gas sensor element of the present invention.
2 is a schematic cross-sectional view taken along the line AA ′ of the gas sensor element shown in FIG. 1. FIG.
3 is a schematic cross-sectional view taken along the line BB ′ of the gas sensor element shown in FIG. 1. FIG.
FIG. 4 is a schematic cross-sectional view of an example of a gas sensor element of the present invention.
FIG. 5 is a schematic cross-sectional view of an example of a gas sensor element of the present invention.
FIG. 6 is a schematic cross-sectional view of an example of a gas sensor element of the present invention.
FIG. 7 is a schematic cross-sectional view of an example of a gas sensor element of the present invention.
FIG. 8 is a schematic cross-sectional view of an example of a gas sensor element of the present invention.
FIG. 9 is a schematic cross-sectional view of an example of a gas sensor element of the present invention.
FIG. 10 is a schematic cross-sectional view of an example of a gas sensor element of the present invention.
FIG. 11 is a schematic cross-sectional view of an example of a gas sensor element of the present invention.
12 is a schematic exploded perspective view of a part of an example of the gas sensor element of the present invention, and is a part continuous with the part shown in FIG. 13;
13 is a schematic exploded perspective view of a part of an example of the gas sensor element of the present invention, and is a part continuous with the part shown in FIG.
FIG. 14 is a plan view of a first green ceramic sheet used in Examples.
FIG. 15 is a plan view of a second green ceramic sheet used in Examples.
FIG. 16 is a plan view of a third green ceramic sheet used in Examples.
FIG. 17 is a plan view of an unfired measurement gas introduction part formed in an example.
FIG. 18 is a plan view of a burned-out portion formed in an example.
FIG. 19 is a plan view of an unfired electrode formed in an example.
FIG. 20 is a plan view of a lower part of an unsintered solid electrolyte body formed in an example.
FIG. 21 is a plan view of an unfired first insulating layer formed in an example.
FIG. 22 is a plan view of an upper part of an unsintered solid electrolyte body formed in an example.
FIG. 23 is a plan view of an unfired second insulating layer formed in the example.
FIG. 24 is a plan view of an unfired electrode formed in an example.
FIG. 25 is a plan view of an unfired heating resistor formed in an example.
FIG. 26 is a plan view of an unfired outer conductor layer for a heating resistor and an unfired outer conductor layer for an electrode formed in an example.
FIG. 27 is an explanatory diagram showing the stacking position of each layer in FIGS. 14 to 26;
FIG. 28 is a cross-sectional view of an example of the gas sensor of the present invention.
[Explanation of symbols]
111; Insulating base, 12; Measurement gas introduction part, 13; Measurement gas diffusion chamber, 1411; Negative electrode for first Ip cell, 1412; Positive electrode for first Ip cell, 1421; Negative electrode for second Ip cell, 1422 A positive electrode for the second Ip cell, 1431; a negative electrode for the Vs cell, 1432; a positive electrode for the Vs cell, 144; a heating resistor, 145; a conduction auxiliary electrode, 151; a solid electrolyte for the first Ip cell, 152; Solid electrolyte body for cell, 153; Solid electrolyte body for Vs cell, 161; First insulating layer, 162; Second insulating layer, 17; Reference gas introduction path.
21; insulating base (first insulating base), 214; heating resistor, 22; first Ip cell, 221; solid electrolyte for first Ip cell, 222; positive electrode for first Ip cell, 223; for first Ip cell Negative electrode, 23; Vs cell, 231; Solid electrolyte body for Vs cell, 232; Negative electrode for Vs cell, 233; Positive electrode for Vs cell, 234; First second diffusion chamber communication path, 24; Second Ip cell 241; solid electrolyte body for second Ip cell, 242; negative electrode for second Ip cell, 243; positive electrode for second Ip cell, 25; measured gas diffusion chamber (first diffusion chamber), 251; Part, 26; insulating base (second insulating base), 281; second diffusion chamber part, 282; reference gas chamber part.
311; unsintered first ceramic sheet, 312; unsintered second ceramic sheet, 313; unsintered third ceramic sheet, 32; unsintered measured gas introduction part, 33; burnt part, 331; burnt part (first diffusion) Chamber part), 332; burnt part (second diffusion chamber part), 333; burnt part (reference gas chamber part), 334; burnt part (reference gas discharge path), 335; burnt part (first second diffusion chamber part) Communication path), 341; first Ip second IpVs cell unfired negative electrode, 3411; first Ip cell unfired negative electrode part, 3412; second Ip cell unfired negative electrode part, 3413; Vs cell unfired negative electrode Part, 342; unsintered positive electrode for first Ip cell, 343; unsintered positive electrode for second Ip cell, 344; unsintered positive electrode for Vs cell, 345; unsintered heating resistor, 346; unsintered for heating resistor External conductor layer, 34 Unsintered outer conductor layer for electrodes, 3511, 3512; unsintered solid electrolyte for first Ip cell, 3521, 3522; unsintered solid electrolyte for second Ip cell, 3531, 3532; unsintered solid electrolyte for Vs cell, 361; unsintered first insulating layer; 362; unsintered second insulating layer.
4; nitrogen oxide sensor, 1; nitrogen oxide sensor element, 411; ceramic holder, 412; talc powder, 413; ceramic sleeve, 42; metal shell, 43; protector, 44; Lead wire 47; ceramic separator 48; grommet.

Claims (8)

絶縁性セラミックス内に発熱抵抗体が埋設された絶縁性基部と、該絶縁性基部上に直接的又は他部材を介して間接的に接合された第1酸素ポンプセル及び第2酸素ポンプセルと、被測定ガスを拡散律速させて導入できる被測定ガス拡散室とを備える一体に焼成されたガスセンサ素子であって、
該第1酸素ポンプセル及び該第2酸素ポンプセルは各々固体電解質体と一対の電極とを有し、該第1酸素ポンプセル及び該第2酸素ポンプセルは、該絶縁性基部上に並列に配置され、少なくとも、該第1酸素ポンプセルの一方の電極と、該第2酸素ポンプセルの一方の電極とは該被測定ガス拡散室内に配置されていることを特徴とするガスセンサ素子。
An insulating base in which a heating resistor is embedded in an insulating ceramic, a first oxygen pump cell and a second oxygen pump cell joined directly or indirectly via another member on the insulating base, and a measurement target A gas sensor element that is integrally fired with a gas diffusion chamber to be measured that can be introduced by diffusion-limiting gas.
The first oxygen pump cell and the second oxygen pump cell each have a solid electrolyte body and a pair of electrodes, and the first oxygen pump cell and the second oxygen pump cell are arranged in parallel on the insulating base, and at least The gas sensor element, wherein one electrode of the first oxygen pump cell and one electrode of the second oxygen pump cell are arranged in the gas diffusion chamber to be measured.
上記被測定ガス拡散室内における上記被測定ガスが導入される上流側に上記第1ポンプセルの上記一方の電極が配置され、下流側に上記第2酸素ポンプセルの上記一方の電極が配置されている請求項1記載のガスセンサ素子。  The one electrode of the first pump cell is disposed upstream of the measurement gas diffusion chamber into which the gas to be measured is introduced, and the one electrode of the second oxygen pump cell is disposed on the downstream side. Item 2. The gas sensor element according to Item 1. 上記絶縁性基部上に直接的又は他部材を介して間接的に接合された酸素濃度検出セルを備え、該酸素濃度検出セルの負電極は上記被測定ガス拡散室内に配置されている請求項1又は2記載のガスセンサ素子。  2. An oxygen concentration detection cell joined directly or indirectly through another member on the insulating base, and a negative electrode of the oxygen concentration detection cell is disposed in the gas diffusion chamber to be measured. Or the gas sensor element of 2. 上記絶縁性基部上に直接的又は他部材を介して間接的に接合された酸素濃度検出セルを備え、該酸素濃度検出セルの負電極は上記被測定ガス拡散室内に配置され、上記酸素濃度検出セルの有する上記負電極は、上記第1酸素ポンプセルの上記一方の電極よりも下流側であって、上記第2酸素ポンプセルの上記一方の電極よりも上流側に配置されている請求項記載のガスセンサ素子。 An oxygen concentration detection cell joined directly or indirectly through another member on the insulating base, and the negative electrode of the oxygen concentration detection cell is disposed in the measured gas diffusion chamber, and the oxygen concentration detection the negative electrode having the cell, rather than the one electrode of the first oxygen pump cell a downstream side, according to claim 2, wherein disposed upstream of said one electrode of said second oxygen pumping cell Gas sensor element. 上記第1酸素ポンプセル及び第2酸素ポンプセルは、上記絶縁性基部上に直接的に接合されている請求項1乃至4のいずれか1項に記載のガスセンサ素子。 The gas sensor element according to any one of claims 1 to 4, wherein the first oxygen pump cell and the second oxygen pump cell are directly joined on the insulating base . 上記絶縁性セラミックスはジルコニアを1〜20質量%含有する請求項1乃至5のうちのいずれか1項に記載のガスセンサ素子。  The gas sensor element according to any one of claims 1 to 5, wherein the insulating ceramic contains 1 to 20 mass% of zirconia. 上記固体電解質体の少なくともいずれかは、上記絶縁性セラミックスの主構成絶縁成分を30〜80質量%含有する請求項1乃至6のうちのいずれか1項に記載のガスセンサ素子。  The gas sensor element according to any one of claims 1 to 6, wherein at least one of the solid electrolyte bodies contains 30 to 80% by mass of a main constituent insulating component of the insulating ceramic. 請求項1乃至7のうちのいずれか1項に記載のガスセンサ素子を備えることを特徴とするガスセンサ。  A gas sensor comprising the gas sensor element according to claim 1.
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