JP4579636B2 - Manufacturing method of gas sensor - Google Patents
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Description
本発明はガスセンサの製造方法に関し、詳細には、焼成後に固体電解質体となるジルコニアを主成分とする固体電解質シートに、焼成後に基体となる絶縁性セラミックを主成分とする基体シートを積層させて焼成されたガスセンサ素子を有するガスセンサの製造方法に関するものである。 The present invention relates to a method of manufacturing a gas sensor, and more specifically, a base sheet mainly composed of an insulating ceramic that becomes a base after firing is laminated on a solid electrolyte sheet mainly composed of zirconia that becomes a solid electrolyte body after firing. The present invention relates to a method for manufacturing a gas sensor having a fired gas sensor element.
従来、自動車等に用いられる各種内燃機関からの排気ガス中の酸素等の濃度に応じた電気信号を出力するガスセンサの積層型ガスセンサ素子が知られている(例えば、特許文献1,特許文献2参照)。この積層型ガスセンサ素子は、ジルコニアを主成分とする板状の第1固体電解質体に一対の電極を設けた第1セル部(特許文献2では第1イオン導入部)と、同じくジルコニアを主成分とする板状の第2固体電解質体に一対の電極を設けた第2セル部(特許文献2では第2イオン導入部)とが、検知室(特許文献2では空間、特許請求の範囲における「測定室」に相当)を介して積層されている。
Conventionally, a gas sensor stack type gas sensor element that outputs an electric signal corresponding to the concentration of oxygen or the like in exhaust gas from various internal combustion engines used in automobiles or the like has been known (see, for example,
そして、第1セル部と第2セル部の間には、外部の被測定ガスを律速させて検知室内に導入できる程度の通気性を有する律速導入用多孔質部(以下、多孔質部とも言う。)が設けられており、さらに、第1セル部と第2セル部との層間を多孔質部と同じ高さに保つためのアルミナを主成分とする層間調節層(基体とも言う)が設けられている。尚、第1セル部と、第2セル部と、多孔質部と、層間調節層とで囲まれた空間により検知室が形成されている。また、第1セル部の電極の一方は検知室に面して配置され、第2セル部の電極の一方も検知室に面して配置されている。 And between the 1st cell part and the 2nd cell part, the porous part for rate-limiting introduction | transduction (henceforth a porous part) which has the air permeability of the grade which can rate-control the external measurement gas and can introduce into a detection chamber In addition, an interlayer adjustment layer (also referred to as a substrate) mainly composed of alumina is provided to keep the interlayer between the first cell portion and the second cell portion at the same height as the porous portion. It has been. The detection chamber is formed by a space surrounded by the first cell portion, the second cell portion, the porous portion, and the interlayer adjustment layer. In addition, one of the electrodes of the first cell portion is disposed facing the detection chamber, and one of the electrodes of the second cell portion is disposed facing the detection chamber.
ところで、このような積層型ガスセンサ素子は、以下のようにして製造される。まず、焼成後に第1固体電解質体または第2固体電解質体となる所定形状の固体電解質シートを作成する。そして、それぞれの固体電解質シートに電極用ペーストを所定のパターンに印刷し、焼成後に電極となる未焼成電極を形成する。そして、一方の固体電解質シート上に、多孔質部用ペースト、層間調整層用ペーストを所定形状に印刷し、焼成後に多孔質部となる未焼成多孔質部、焼成後に層間調整層となる未焼成層間調整層を形成する。また、焼成後に検知室となるように、所定形状の検知室用ペーストを印刷する。なお、この検知室用ペーストは焼成後に焼成、昇華するものである。その後、一方の固体電解質シートに形成された未焼成多孔質部、未焼成層間調整層を挟むようにして他方の固体電解質シートを積層し、減圧圧着を行い、その後焼成する。
ところで、固体電解質シートに未焼成層間調整層を形成する際、層間調節層の厚みが検知室及び多孔質部の厚み(例えば、70μm〜100μm)と略同一となる必要がある。すると、層間調整層用ペーストを用いて1回のスクリーン印刷のみで上記厚みを形成することは難しく、複数回数スクリーン印刷を施さなければならない。よって、工程が嵩むという問題点がある。そこで、本発明者等は未焼成層間調節層をスクリーン印刷により形成するのではなく、アルミナを主成分とした層間調整層用シートを用いて形成することを検討した。つまり、層間調整層用シートを第1固体電解質シートに積層、圧着を行い、焼成することで、上記厚みを有する層間調整層に形成することができると考えた。 By the way, when forming an unbaked interlayer adjustment layer on the solid electrolyte sheet, the thickness of the interlayer adjustment layer needs to be substantially the same as the thickness of the detection chamber and the porous portion (for example, 70 μm to 100 μm). Then, it is difficult to form the thickness by only one screen printing using the interlayer adjustment layer paste, and it is necessary to perform screen printing a plurality of times. Therefore, there is a problem that the process is bulky. Therefore, the present inventors have examined the formation of an unsintered interlayer adjustment layer by using an interlayer adjustment layer sheet mainly composed of alumina, rather than by screen printing. That is, it was considered that the interlayer adjustment layer sheet can be formed on the interlayer adjustment layer having the above thickness by laminating, pressing and firing the interlayer adjustment layer sheet on the first solid electrolyte sheet.
しかしながら、第1固体電解質体、さらには、層間調整層と接する第2固体電解質体に割れ目(クラック)が発生してしまうという問題が発生した。特に、本発明者等の検討により、層間調整層と検知室との境界に接する第1固体電解質体及び第2固体電解質体の部位により発生していることが分かった。 However, there has been a problem that a crack (crack) occurs in the first solid electrolyte body and further in the second solid electrolyte body in contact with the interlayer adjustment layer. In particular, as a result of studies by the present inventors, it has been found that the occurrence is caused by the first solid electrolyte body and the second solid electrolyte body in contact with the boundary between the interlayer adjustment layer and the detection chamber.
本発明は、上述の問題点を解決するためになされたものであり、焼成後に固体電解質体となるジルコニアを主成分とする固体電解質体に、絶縁性セラミックを主成分とする基体が直接接するセンサ素子において、基体と開空間との境界に対する固体電解質体に起こるクラックの発生を抑制するガスセンサの製造方法を提供しようとするものである。 The present invention has been made in order to solve the above-described problems, and a sensor in which a base mainly composed of an insulating ceramic is in direct contact with a solid electrolyte mainly composed of zirconia that becomes a solid electrolyte body after firing. An element of the present invention is to provide a gas sensor manufacturing method that suppresses the occurrence of cracks in a solid electrolyte body with respect to the boundary between a substrate and an open space.
上記課題を解決するため、請求項1に係る発明のガスセンサの製造方法では、酸素イオン電導性を有するジルコニアを主成分とする板状の固体電解質体と、該固体電解質体上に配置された一対の電極と、絶縁性セラミックを主成分とし、該固体電解質体に直接接するように積層された板状の基体とを有し、該基体の少なくとも一部に、該基体の積層方向に開空間が形成されたガスセンサ素子を有するガスセンサの製造方法において、焼成後に固体電解質体となる固体電解質シートに、焼成後に基体となる基体シートを貼り合わせる積層工程と、前記固体電解質シートと前記基体シートとを同時に所定の焼成温度にて焼成する焼成工程とを備え、前記積層工程に先立って、前記固体電解質シートからなる焼成前サンプルシートを準備し、該焼成前サンプルシートの焼成前の寸法をA、前記所定の焼成温度による焼成が完了した時点での寸法をBとし、該焼成前サンプルシートの前記所定の焼成温度による焼成が完了したときの収縮寸法は、寸法Aを1としたときの寸法Aに対する割合で1−1/(A/B)で求められ、寸法Aに対する収縮寸法の割合が0である前記焼成前サンプルシートの焼成前の時点を0%とし、寸法Aに対する収縮寸法の割合が1−1/(A/B)となって前記焼成前サンプルシートの焼成が完了した時点を100%として、前記焼成前サンプルシートの焼成の過程において、寸法Aに対する収縮寸法の割合が0から変化していき1−1/(A/B)となって完成に至るまでの焼成の完成の度合いを百分率で示したものを、焼成完成率として定義したときに、前記焼成前サンプルシートを用いて前記焼成完成率が50%となるときの焼成収縮率の値を求める一方、前記焼成完成率が50%となるときの焼成収縮率の値と同一の値の焼成収縮率を示す前記基体シートの温度が、前記焼成完成率50%のときの前記焼成前サンプルシートの温度よりも35℃以上高くなるように、前記基体シートを作製することを特徴とする構成となっている。 In order to solve the above-described problem, in the gas sensor manufacturing method according to the first aspect of the present invention, a plate-shaped solid electrolyte body mainly composed of zirconia having oxygen ion conductivity and a pair disposed on the solid electrolyte body. And a plate-like substrate that is mainly composed of an insulating ceramic and laminated so as to be in direct contact with the solid electrolyte body, and an open space is formed in at least a part of the substrate in the lamination direction of the substrate. In the method of manufacturing a gas sensor having a formed gas sensor element, a laminating step of bonding a base sheet that becomes a base after firing to a solid electrolyte sheet that becomes a solid electrolyte body after firing, and the solid electrolyte sheet and the base sheet simultaneously and a firing step of firing at a predetermined firing temperature, prior to said laminating step, to prepare a pre-fired sample sheet consisting of the solid electrolyte sheet, the firing The dimensions before firing the sample sheet A, shrinkage dimension of the dimension at the time of firing is completed by a predetermined firing temperature is B, when fired by the predetermined firing temperature of calcination before the sample sheet is completed, When the dimension A is 1, the ratio of the dimension A to the dimension A is calculated by 1-1 / (A / B), and the ratio of the shrinkage dimension to the dimension A is 0. In the process of firing the pre-firing sample sheet, the ratio of the shrinkage dimension to the dimension A is 1-1 / (A / B) and the firing of the pre-firing sample sheet is 100%. When the ratio of shrinkage dimension with respect to A is changed from 0 to 1-1 / (A / B) and the degree of completion of firing until completion is defined as a percentage, the firing completion rate is defined to, before While calculating | requiring the value of a baking shrinkage rate when the said baking completion rate will be 50% using the sample sheet | seat before baking, the baking shrinkage of the same value as the value of the baking shrinkage rate when the said baking completion rate will be 50% The base sheet is manufactured so that the temperature of the base sheet showing the rate is 35 ° C. or more higher than the temperature of the pre-fired sample sheet when the firing completion rate is 50%. ing.
また、請求項2に係る発明のガスセンサの製造方法では、請求項1に記載の発明の構成に加えて、前記積層工程に先立って、前記焼成前サンプルシートを用いて前記焼成完成率が90%となるときの焼成収縮率の値を求める一方、前記焼成完成率が90%となるときの焼成収縮率の値と同一の値の焼成収縮率を示す前記基体シートの温度が、前記焼成完成率90%のときの前記焼成前サンプルシートの温度よりも50℃以上高くなるように、前記基体シートを作製することを特徴とする構成となっている。
In addition, in the gas sensor manufacturing method of the invention according to claim 2, in addition to the configuration of the invention of
また、請求項3に係る発明のガスセンサの製造方法では、請求項1又は2に記載の発明の構成に加えて、前記ガスセンサ素子は第1固体電解質体と第2固体電解質体とを有し、前記基体が、該第1固体電解質体と該第2固体電解質体とに挟まれた層間調整層であり、前記開空間が該第1固体電解質体、該第2固体電解質体及び該層間調整層により形成された測定室であることを特徴とする構成となっている。
Moreover, in the gas sensor manufacturing method of the invention according to claim 3, in addition to the configuration of the invention of
発明者等の検討によると、ジルコニアを主成分とする固体電解質体と絶縁性セラミックを主成分とする基体という異素材が直接接合されて同時に焼成する際に生じる固体電解質体と基体との収縮の差により、クラックが発生することが分かった。そこで、固体電解質体の焼成挙動(焼成温度に対する焼成収縮率のことを指す)と基体の焼成挙動とを略同一にすることを検討した。しかし、単純に固体電解質体の焼成挙動と基体の焼成挙動とを略同一にしても固体電解質体のクラックの発生が抑制できなかった。 According to the study by the inventors, the shrinkage between the solid electrolyte body and the base body that occurs when the solid electrolyte body mainly composed of zirconia and the base body mainly composed of insulating ceramic are directly bonded and fired simultaneously. It was found that cracks occurred due to the difference. Therefore, it was examined to make the firing behavior of the solid electrolyte body (referring to the firing shrinkage ratio relative to the firing temperature) and the firing behavior of the substrate substantially the same. However, even if the firing behavior of the solid electrolyte body and the firing behavior of the substrate are substantially the same, the generation of cracks in the solid electrolyte body could not be suppressed.
そこで、請求項1に係る発明のガスセンサの製造方法は、焼成後に固体電解質体となる固体電解質シートと焼成後に基体となる基体シートとを同時に焼成する際に、前記固体電解質シートの焼成完成率が50%となるときの焼成温度よりも、前記固体電解質シートの焼成完成率50%での焼成収縮率の値と前記基体シートの焼成収縮率の値とが同一となるときの前記基体シートの焼成温度が35℃以上高くなるように焼成する。これにより、焼成後の固体電解質体へのクラックの発生を防ぐことができる。 Therefore, in the gas sensor manufacturing method according to the first aspect of the present invention, when the solid electrolyte sheet that becomes a solid electrolyte body after firing and the base sheet that becomes a base after firing are fired simultaneously, the firing completion rate of the solid electrolyte sheet is The firing of the substrate sheet when the firing shrinkage value at the firing completion rate of 50% of the solid electrolyte sheet is equal to the firing shrinkage value of the substrate sheet than the firing temperature at 50% Bake so that the temperature is higher by 35 ° C. or more. Thereby, generation | occurrence | production of the crack to the solid electrolyte body after baking can be prevented.
尚、絶縁性セラミックとは、アルミナ、ムライト、スピネル、窒化アルミのいずれか一種のことである。さらに、本発明において、「主成分」とは、その成分が50質量%含有されていることを指す。 The insulating ceramic is any one of alumina, mullite, spinel, and aluminum nitride. Furthermore, in the present invention, the “main component” means that 50% by mass of the component is contained.
また、請求項2に係る発明のガスセンサの製造方法では、請求項1に記載の発明の効果に加えて、前記固体電解質シートの焼成完成率が90%となるときの焼成温度よりも、前記固体電解質シートの焼成完成率90%での焼成収縮率の値と前記基体シートの焼成収縮率の値とが同一となるときの前記基体シートの焼成温度が50℃以上高くなるように焼成する。これにより、焼成後の固体電解質体へのクラックの発生をさらに防ぐことができる。 In addition, in the gas sensor manufacturing method according to the second aspect of the invention, in addition to the effect of the first aspect of the invention, the solid electrolyte sheet has a solid temperature higher than the firing temperature when the firing rate of the solid electrolyte sheet is 90%. Baking is performed so that the firing temperature of the base sheet becomes higher by 50 ° C. or more when the value of the firing shrinkage rate at the firing completion rate of 90% of the electrolyte sheet is equal to the value of the firing shrinkage rate of the base sheet. Thereby, generation | occurrence | production of the crack to the solid electrolyte body after baking can further be prevented.
また、請求項3に係る発明のガスセンサの製造方法では、請求項1又は2に記載の発明の効果に加えて、ガスセンサ素子が第1固体電解質体と第2固体電解質体と、第1固体電解質体と第2固体電解質体に挟まれた層間調整層と、第1固体電解質体、第2固体電解質体及び層間調整層により形成された測定室とを有するガスセンサに用いることができる。この製造方法を用いた上記ガスセンサは、第1固体電解質体のみでなく、第2固体電解質体に発生するクラックを抑制することができる。
In addition, in the gas sensor manufacturing method of the invention according to claim 3, in addition to the effect of the invention of
以下、本発明を具体化したガスセンサの製造方法の一実施の形態について、図面を参照して説明する。まず、図1を参照して本実施の形態におけるガスセンサ2の構造について説明する。図1は、ガスセンサ2の模式的な断面図である。尚、本発明のガスセンサの構成については特に限定されない。図1に示すように、ガスセンサ2は、積層型のガスセンサ素子1を備えている。ガスセンサ素子1は、ホルダ211、タルク粉末等からなる緩衝材212及びスリーブ213(ガスセンサ素子1とスリーブ213との間に、ガスセンサ素子1と後述するリード線26とを電気的に接続するリードフレーム25を介する)等の熱による膨張収縮を緩和できる治具類に固定され、更に、これら全体が主体金具22に固定されている。また、主体金具22の一端側には被測定ガスを導入できる複数の孔を有し、且つガスセンサ素子1の検知部(図1においては第1セル部用固体電解質体112及び第2セル部用固体電解質体132等を備える一端側部)近傍を覆ってガスセンサ2の一端側を保護するプロテクタ23を配設し、主体金具22の他端側にはガスセンサ2の他端側を保護する外筒24を配設している。更に、外筒24の一端側からは、ガスセンサ素子1を外部回路へと接続するためのリード線26を分岐挿通する貫通孔が設けられたセパレータ27及びガスセンサ2内への水等の侵入を防止するグロメット28を備えている。
Hereinafter, an embodiment of a gas sensor manufacturing method embodying the present invention will be described with reference to the drawings. First, the structure of the gas sensor 2 in the present embodiment will be described with reference to FIG. FIG. 1 is a schematic cross-sectional view of the gas sensor 2. The configuration of the gas sensor of the present invention is not particularly limited. As shown in FIG. 1, the gas sensor 2 includes a stacked
このようなガスセンサ2を用いて内燃機関から排出される排気ガスを測定しようとする場合には、例えば、主体金具22の側面に螺子形状などのねじ部221を設けることにより排気ガスの流通する排気管にガスセンサ素子1の測定部が突出するように取り付け、ガスセンサ素子1の検知部を被測定ガスに曝して測定を行うことができる。
When the exhaust gas discharged from the internal combustion engine is to be measured using such a gas sensor 2, for example, an exhaust gas in which the exhaust gas flows is provided by providing a
次に、図2乃至図5を参照して、ガスセンサ素子1について説明する。図2は、ガスセンサ素子1の模式的な斜視図であり、図3は、ガスセンサ素子1の一部を示す模式的な分解斜視図であり、図4は、図2におけるA−A'線の模式的な断面図であり、図5は、図2におけるB−B'線の模式的な断面図である。図2に示すように、ガスセンサ素子1は幅細な略長方形の板状をしており、図3に示すように、第1絶縁性基部10、第1セル部11、第2セル部13、第2絶縁性基部14等が形成されている。
Next, the
ここで、まず第1絶縁性基部10について説明する。第1絶縁性基部10は、ガスセンサ素子1の全体の強度を保障する部分であり、ヒータ102を内部に有している。第1絶縁性基部10の形状及び大きさ等は特に限定されないが、通常、その厚さは0.1mm以上(好ましくは0.2〜1.5mm、更に好ましくは0.5〜1.0mm、通常2.0mm以下)である。但し、ヒータ102を内部に有するためには、厚さは0.2mm以上であることが好ましい。この厚さが0.1mm未満であると第1セル部111の支持や素子強度の保障を十分に行うことが困難となる場合がある。また、特に製造時に第1絶縁性基部10となる未焼成体に他部材を積層する工程を行うことが困難となる場合がある。尚、第1絶縁性基部10は単層であっても複層であってもよい。
Here, the first insulating
また、第1絶縁性基部10は絶縁性セラミックスにより構成されて十分な絶縁性を発揮できる。例えば、温度800℃においてヒータ102と第1セル部用電極111,113及び第2セル部用電極131,133のうちのいずれもの電極との間の電気抵抗値が1MΩ(好ましくは10MΩ)以上となる程度の絶縁性を発揮できることが好ましい。このような絶縁性を発揮させることができる絶縁性セラミックスとしては、アルミナ、ムライト、スピネル、ステアタイト及び窒化アルミニウムのうちの1種又は2種以上を主成分とするものを挙げることができる。また、低温においては十分な絶縁性を発揮できるが、例えば800℃以上の高温においては十分な絶縁性を発揮できないジルコニア等は絶縁性セラミックスには含まれない。但し、上記の絶縁性が発揮される範囲内で副成分として含有されていてもよい。
Moreover, the 1st insulating
これらの絶縁性セラミックスを構成する成分の中でもアルミナは安価であり、加工が比較的容易であるため好ましい。このアルミナを用いる場合は十分な絶縁性及び耐熱性(耐熱衝撃性等)が発揮されるように、第1絶縁性基部10は、その全体に対してアルミナを70質量%以上(より好ましくは80質量%以上、更に好ましく90質量%)含有するものであることが好ましい。一方、残部として第1絶縁性基部10に直接接して積層される部位(例えば、第1セル部用固体電解質体112等)を構成する成分を1〜20質量%含有することができる。これにより第1絶縁性基部10は、直接接して積層される部位との間の熱膨張差を緩和できる。
Among the components constituting these insulating ceramics, alumina is preferable because it is inexpensive and relatively easy to process. When this alumina is used, the first insulating
しかし、第1絶縁性基部10が、特に高い絶縁性を要する場合には、絶縁性セラミックス全体に対してアルミナを90質量%以上(より好ましくは95質量%以上、更に好ましくは99.99質量%以上)含有し、且つシリカを10000ppm以下(より好ましくは1000ppm以下、更に好ましくは50ppm以下)含有するか又はシリカを含有しない(測定限界以下)ものであることが好ましい。このような第1絶縁性基部10であることにより、ヒータ102から第1セル部用電極111,113及び第2セル部用電極131,133のうちのいずれもの電極への電流のリークを確実に防止できる。
However, when the first insulating
また、ヒータ102は発熱部102aとヒータリード部102bとを備えることができる。このうち発熱部102aは電力の供給により実際に昇温する部位であり、ヒータリード部102bは外部回路からの電力を発熱部102aまで導く部位である。これらの形状は特に限定されないが、例えば、発熱部102aはヒータリード部102bと比較して幅細に形成することができる。これら発熱部102a及びヒータリード部102bを構成する材質は特に限定されないが、例えば、Pt、Pd、Rh、Ir等の貴金属、モリブデン及びレニウムの少なくとも1種により構成することができる。また、発熱部102aとヒータリード部102bとは同じ材質からなっていてもよく、異なる材質からなっていてもよい。
The
次に、第1セル部11について説明する。第1セル部11は、第1絶縁性基部10に直接又は他部材を介して間接的に積層されて支持されている。また、第1セル部用固体電解質体112と一対の電極である第1セル部用電極111,113とを備え、所定のイオン又は気体を一方の電極の側から他方の電極の側へ移動させることができる部分である。この第1セル部11は、例えば、被測定ガスの濃度を電位差として出力できる濃度検知セルや、一対の電極へ電圧を印加することにより一方の電極の側から他方の電極の側へ所定のイオン又は気体等を移動させることができるポンプセル等として機能させることができる。この第1セル部11は、第1セル部用固体電解質体112と一対の第1セル部用電極111,113のみからなっていてもよいが、その他にも例えば、第1セル部用固体電解質体112の内部抵抗を測定するための内部抵抗測定用電極等の他の部分を備えることができる。尚、被測定ガスは、被測定雰囲気を構成するガスであって、本発明の素子又は他の本発明の素子による測定目的ガスであり、1種又は2種以上の成分からなるものである。
Next, the
第1セル部用固体電解質体112は、ジルコニアを主成分とし、イットリア等の安定化剤を含有するジルコニア系焼結体からなり、イオン導電性を有するものである。その形状、大きさ及び厚さ等は特に限定されないが、その厚さは300μm以下(好ましくは200μm以下、更に好ましくは150μm以下、特に好ましくは50μm以下、通常20μm以上)にすることができる。第1セル部用固体電解質体112は300μmを超えて厚い場合であっても素子としての機能は失われないが、第1セル部用固体電解質体112を薄くすることによる効果は得られ難くなる。一方、20μmより薄い場合には作製が困難となると共にイオン導電性が十分に得られ難くなる傾向にある。尚、この第1セル部用固体電解質体112が「第1固体電解質体」に該当する。
The first cell portion
第1セル部用電極111,113は、第1セル部用固体電解質体112の表面に形成された電極である。この第1セル部用電極111,113のうちの一方の第1セル部用電極113は、後述する測定室15内の被測定ガスに接する電極である。また、他方の第1セル部用電極111は、一方の第1セル部用電極113に対向して配置され、通常、大気雰囲気や参照ガスと接し、後述する測定室15内の被測定ガスとは接しない電極である。これら第1セル部用電極111,113の形状、大きさ及び厚さ等は特に限定されないが、例えば、幅広に形成された電極部111a,113aと、幅細に形成された電極リード部111b、113bとから構成することができる。
The first
これら第1セル部用電極111,113を構成する材質は特に限定されないが、例えば、Pt、Au、Ag、Pd、Ir、Ru及びRhのうちの少なくとも1種を主成分(通常、各電極全体の70質量%以上)にすることができ、通常、Ptを主成分とすることが好ましい。また、第1セル部用固体電解質体112を構成する主成分(ジルコニア)を含有していてもよい。これら第1セル部用固体電解質体112とは異なる材質からなるものであっても、同じ材質からなるものであってもよい。
The material constituting the
次に、第2セル部13について説明する。第2セル部13は、第2セル部用固体電解質体132と一対の電極である第2セル部用電極131,133とを備え、所定のイオン又は気体を一方の電極の側から他方の電極の側へ移動させることができる部分である。この第2セル部13も、第1セル部11と同様に濃度検知セルや、ポンプセル等として機能させることができる。この第2セル部13は、第2セル部用固体電解質体132と一対の第2セル部用電極131,133のみからなっていてもよいが、その他にも例えば、第2セル部用固体電解質体132の内部抵抗を測定するための内部抵抗測定用電極等の他の部分を備えることができる。
Next, the
第2セル部用固体電解質体132も第1セル部用固体電解質体112と同様にジルコニアを主成分とし、イットリア等の安定化剤を含有するジルコニア系焼結体からなり、イオン導電性を有するものである。その形状、大きさ及び厚さ等は特に限定されないが、その厚さは300μm以下(好ましくは200μm以下、更に好ましくは150μm以下、特に好ましくは50μm以下、通常20μm以上)にすることができる。第2セル部用固体電解質体132は300μmを超えて厚い場合であっても素子としての機能は失われないが、固体電解質体を薄くすることによる効果は得られ難くなる。一方、20μmより薄い場合には作製が困難となると共にイオン導電性が十分に得られ難くなる傾向にある。尚、この第2セル部用固体電解質体132が「第2固体電解質体」に該当する。
Similarly to the first cell part
但し、第2セル部用固体電解質体132に他部材を含有させる場合には、第2セル部用固体電解質体132の一対の第2セル部用電極131,133の間で測定される抵抗が、第1セル部用固体電解質体112の一対の第1セル部用電極111,113の間で測定される抵抗に比べて大きくならないように含有させることが好ましい。第2セル部用固体電解質体132には、第1セル部用固体電解質体112に比べてより大きな電流を流す場合があり、固体電解質体の内部抵抗が過度に高いと、過電圧により第2セル部用固体電解質体132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ためである。
However, when the second cell part
第2セル部用電極131,133は、第2セル部用固体電解質体132の表面に形成された電極である。この第2セル部用電極133は、外部の被測定ガスと接する電極である。また、第2セル部用電極131は、測定室内の被測定ガスと接するように測定室に面し、第2セル部用電極133と対向して配置された電極である。これら第2セル部用電極131,133の形状、大きさ及び厚さ等は特に限定されないが、例えば、幅広に形成された電極部131a,133aと、幅細に形成された電極リード部131b,133bとから構成することができる。更に、これら第2セル部用電極131,133を構成する材質も特に限定されないが、第1セル部用電極111,113と同様なものとすることができる。これら第2セル部用電極131,133の各々の電極はそれぞれ異なる材質からなるものであっても、同じ材質からなるものであってもよく、また、第2セル部用固体電解質体132を構成する主成分(ジルコニア)を含有していてもよい。
The second
次に、第2絶縁性基部14について説明する。第2絶縁性基部14は、多孔質部141と非多孔質部142とからなる絶縁性セラミックスからなる部分を備え、第2セル部13を直接又は他部材(本実施の形態では、第2セル部用固体電解質体132と第2絶縁性基部14との距離を保つための中間層134が設けられている。)を介して間接的に支持する部分であり、素子全体の強度を第1絶縁性基部10と共に保障する部分である。この第2絶縁性基部14の形状及び大きさ等は特に限定されないが、通常、その厚さは0.1mm以上(好ましくは0.2〜1.5mm、更に好ましくは0.5〜1.0mm、通常2.0mm以下)である。この厚さが0.1mm未満であると素子強度の保障を十分に行うことが困難となる場合がある。また、第1絶縁性基部10と同様に製造時の積層が困難となる場合がある。また、この第2絶縁性基部14は単層であってもよく、複層であってもよい。
Next, the second insulating
第2絶縁性基部14を構成する多孔質部141及び非多孔質部142は、第1絶縁性基部10を構成する絶縁性セラミックスと同様な絶縁性及び耐熱性を十分に発揮できる絶縁性セラミックスから形成されているものであることが好ましい。但し、第1絶縁性基部10を形成する絶縁性セラミックスと、第2絶縁性基部14を形成する絶縁性セラミックスとは、同じ組成であっても、異なる組成であってもよい。
The
多孔質部141は、第2絶縁性基部14の一部であって、第2セル部13を構成する第2セル部用電極133と外部の被測定ガスとを接触させるための部分である。この多孔質部141は、電極を構成する金属がリン、鉛及びケイ素等により被毒されることを防止する作用や、素子外における被測定ガスの流速に関わらず電極に接触する時点での被測定ガスの流速を略一定にする律速作用等を発揮することができる。この多孔質部141はこれらの作用を十分に発揮するために、気孔率5%以上(より好ましくは20%以上、更に好ましくは40%以上、通常80%以下)であることが好ましい。気孔率が5%未満であると、十分な気孔率の多孔質部141を備える素子に比べると応答性が十分に向上しない傾向にある。尚、この気孔率は、水中に浸して気孔に十分に水を含有させた含水質量m2から空気中における質量m1を引いた差を、見掛け体積(気孔体積を含む)Vで割った商に100を剰することにより算出される。
The
また、本発明の積層型ガスセンサ素子では、この多孔質部141は、その側面の一部又は全部が第2絶縁性基部14を構成する非多孔質部142により囲まれている。このような多孔質部141の側面の一部又は全面を取り囲む枠部の幅は0.2mm以上であることが好ましい(素子の幅が2〜7mm程度において)。この枠部の最狭部における幅が0.2mm未満となると、焼成時や使用時の冷熱間サイクルや衝撃等に対する耐久性が十分に得られ難くなる傾向にある。また、製造時における未焼成体の取り扱いも難しくなる場合がある。
In the multilayer gas sensor element of the present invention, the
そして、第1セル部11と第2セル部13との間には、律速導入用多孔質部121及び層間調整層123が形成されており、第1セル部用固体電解質体112、第2セル部用固体電解質体132、律速導入用多孔質部121及び層間調整層123に囲まれた開空間には、測定室15が形成されている。尚、具体的に測定室15は、第1セル部用固体電解質体112の長手方向に添った側壁が、律速導入用多孔質部121により形成され、短手方向にそった側壁が層間調整層123により形成されている。尚、この層間調整層123が「基体」に該当する。
The rate limiting introduction
尚、測定室15の形状及び大きさは特に限定されないが、第1セル部用固体電解質体112と後述する第2セル部用固体電解質体132との間(通常、測定室15に面する第1セル部用電極113と測定室15に面する第2セル部用電極131との間)が1.0mm以下(より好ましくは0.5mm以下、更に好ましくは0.1mm以下、通常0.02mm以上)となるものであることが好ましい。
The shape and size of the
測定室15は、ガスセンサ素子1外の被測定ガスに含まれる特定の気体(例えば、酸素等)を第2セル部13の作用により導入でき、且つ、ガスセンサ素子1外の被測定ガスを、ガスセンサ素子1外における流速に関係なく略一定の速度で(このように導入することを以下、単に「律速」という)導入できる空間である。本実施の形態のガスセンサ素子1では、律速導入用多孔質部121により被測定雰囲気をガスセンサ素子1内に律速導入できる。また、測定室15内の雰囲気に含まれる上記特定の気体は第2セル部13の作用によりガスセンサ素子1外へ導出できる。
The
また、層間調整層123は本発明の要部であり、測定室15を形成し、さらに、律速導入用多孔質部121と共に測定室15の高さを保つために設けられている。また、層間調整層123の材質はアルミナを主成分としている。
The
[実施例1]
このような積層型ガスセンサ素子1において、アルミナ材の平均粒径やイットリア安定化ジルコニア粉末の含有量の異なる層間調整層123を用いて焼成を行い、第1セル部用固体電解質体112のクラックの発生の防止に効果が現れるか否かの評価試験を行った。尚、以下では解りやすさのために、各部の符号を焼成前と焼成後とで同じとした。本評価試験では、サンプル番号A〜Fの6種類の層間調整層用シート123(焼成前の層間調整層123)を用い、クラックの発生数を調べた。また、さらに固体電解質体及び各サンプルの焼成挙動も調べた。表1は、サンプルA〜Fのアルミナ材の平均粒径及びジルコニア添加量と、クラック発生数を示しており、さらに、これらのサンプルA〜F及び第1セル部用固体電解質シート112(焼成前の第1セル部用固体電解質体112)の焼成収縮率が所定の焼成温度ごとに示されている。
[Example 1]
In such a multilayer
層間調整層用シート123は、アルミナ粉末とイットリア安定化ジルコニア粉末をポットミルへ入れ、さらに有機溶媒としてトルエンとMEK(メチルエチルケトン)との混合溶液、バインダーとしてポリビニルプチラール樹脂、可塑剤としてジブチフタレート、圧着溶剤のステアリルアルコールを加え、スラリーとしている。そして、このスラリーをドクターブレード法により厚さ0.1mmのシート状に形成する。そして、測定室15を形成するために3mm×50mmの穴を設ける。
For the interlayer
そして、焼成後に第1絶縁性基部10となる第1絶縁性シート10と焼成後に第1セル部11となる未焼成第1セル11とが積層された基板上に、層間調整層用シート123を乗せ、熱圧着を行う。この熱圧着は、温度約60℃で約60秒間、50〜60MPaの圧力にて行われる。その後、焼成後に律速導入用多孔質部121となる律速導入用多孔質ペーストが、層間調整層用シート123の穴の短手方向の端に印刷され、さらに、焼成後に測定室15となるように昇華材料からなる測定室用ペーストを印刷し、焼成後に第2セル部13となる未焼成第2セル13及び焼成後に第2絶縁性基部14となる第2絶縁性シート14とを積層し、熱圧着する。
And the sheet |
そして、第1絶縁性基部10,第1セル部11,第2セル部13,第2絶縁性基部14とをすべて圧着した後に、四方を切断して形成し、所定の温度で樹脂抜き、焼成を行う。そして焼成完了後、ガスセンサ素子1の断面を研磨し、染色試験を行う。すなわち、カラーチェック液を塗付し、実体顕微鏡を用いて、拡大倍率40倍にて目視でクラックの有無を確認する。
Then, after all of the first insulating
尚、クラックは第1セル部用固体電解質シート112及び第2セル部用固体電解質シート132(焼成前の第2セル部用固体電解質体132)に、焼成中に発生する。特に、層間調整層用シート123の端と接している部分に発生する。これは、第1セル部用固体電解質シート112及び第2セル部用固体電解質シート132と層間調整層用シート123とが異素材であり、第1セル部用固体電解質シート112及び第2セル部用固体電解質シート132の焼成時に生じる収縮と層間調整層用シート123の焼成時に生じる収縮とが完全に合致しないため、応力が集中しやすく、第1セル部用固体電解質シート112及び第2固体電解質シート132に亀裂が入ると考えられる。
The cracks are generated in the first cell part
そこで、第1セル部用固体電解質シート112及び第2固体電解質シート132の焼成を進行させ、十分強度を確保した後、層間調整層用シート123を焼成させることを考える。つまり、第1セル部用固体電解質シート112及び第2セル部用固体電解質シート1312の焼成よりも層間調整層用シート123の焼成を遅らせる。層間調整層用シート123の焼成を遅らせる1つの方法としては、ジルコニア等の焼結抑制剤を添加する。また、別の方法としては、焼成を過度に進めないために添加される、低融点のガラスなどの焼成助剤の量を減らす。また、可塑剤やバインダー等の有機物成分を混ぜることにより、層間調整層用シート123中のアルミナの粒と粒との密度を疎にし、互いに結びつく速度を遅らせることによって、焼成を遅らせる方法もある。また、アルミナは通常、表面活性が高いほど焼成しやすくなるので、表面活性を高めないような方法をとり、焼成を遅らせる方法もある。表面活性を高める方法としては、比表面積をより高くする方法、より純度の高いアルミナを使用する方法、より粒径を細かくする方法がある。そこで、逆に、アルミナの比表面積をなるべく低くしたり、純度の低いアルミナを使用したり、より粒径の大きなアルミナを使用したりすることにより表面活性を高めさせず、焼成を遅らせる。
Accordingly, it is considered that the firing of the first cell part
そこで、本試験では、アルミナ材の粒径を0.3μmと0.5μmの2種類設け、イットリア安定化ジルコニアの添加量を1wt%,3wt%,5wt%の3種類設けた。尚イットリア安定化ジルコニアは焼成抑制剤であり、これを添加しない場合には約1300℃において、アルミナの焼成は完了する。
ここで、表1を参照して、サンプルA〜Fのアルミナ材の平均粒径及びイットリア安定化ジルコニア粉末の添加量について説明する。サンプルAはアルミナ材の平均粒径が0.3μm、ジルコニア添加量1wt%であり、サンプルBはアルミナ材の平均粒径が0.3μm、ジルコニア添加量3wt%であり、サンプルCはアルミナ材の平均粒径が0.3μm、ジルコニア添加量5wt%であり、サンプルDはアルミナ材の平均粒径が0.5μm、ジルコニア添加量1wt%であり、サンプルEはアルミナ材の平均粒径が0.5μm、ジルコニア添加量3wt%であり、サンプルFはアルミナ材の平均粒径が0.5μm、ジルコニア添加量5wt%である。 Here, with reference to Table 1, the average particle diameter of the alumina material of samples A to F and the amount of yttria-stabilized zirconia powder added will be described. Sample A has an average particle size of alumina material of 0.3 μm and zirconia added amount of 1 wt%, Sample B has an average particle size of alumina material of 0.3 μm and zirconia added amount of 3 wt%, and Sample C is made of alumina material. The average particle size is 0.3 μm, the zirconia addition amount is 5 wt%, the sample D has an average particle size of the alumina material of 0.5 μm and the zirconia addition amount is 1 wt%, and the sample E has an average particle size of 0. 5 μm, zirconia addition amount is 3 wt%, and sample F has an average particle size of alumina material of 0.5 μm and zirconia addition amount of 5 wt%.
次いで、クラック発生数について説明する。サンプルAでは10個中10個にクラックが発生し、サンプルBでは10個中10個にクラックが発生し、サンプルCでは10個中10個にクラックが発生し、サンプルDでは30個中1つもクラックが発生せず、サンプルEでは30個中1つもクラックが発生せず、サンプルFにおいても30個中1つもクラックが発生していない。 Next, the number of cracks will be described. In sample A, 10 out of 10 cracks occurred. In sample B, 10 out of 10 cracks occurred. In sample C, 10 out of 10 cracks occurred. In sample D, 1 out of 30 cracks occurred. In the sample E, no crack was generated in 30 samples, and in the sample F, no crack was generated in 30 samples.
また、それぞれのサンプルについて、その焼成挙動を調べるために、第1セル部用固体電解質シート112及び層間調整層用シート123を30mm×50mmに切断し、焼成前の寸法(寸法A)を計測する。尚、以下は第1セル部用固体電解質シート112と第2セル部用固体電解質シート132とは同一のものであり、第1セル部用固体電解質シート112のみの説明を行う。そして、焼成前サンプルシートの脱脂を行った後に、50℃/1時間の昇温速度で焼成を実施する。ここで、所定の焼成温度に達した時点で、その温度を1時間保持し、その後のサンプルシートの寸法(寸法B)を計測する。所定の温度は、1200℃,1300℃,1400℃,1450℃,1475℃,1500℃,1525℃とし、各温度について同様の調査を実施する。
Further, in order to examine the firing behavior of each sample, the first cell part
図6は、表1の焼成収縮率を折れ線グラフにしたものであり、x軸は焼成温度、y軸は焼成収縮率を示している。そして、太い実線は第1セル部用固体電解質シート112を示し、間隔の広い一点鎖線はサンプルA、間隔の広い点線はサンプルB、間隔の狭い一点鎖線はサンプルC、間隔の広い二点鎖線はサンプルD,間隔の狭い二点鎖線はサンプルE、間隔の狭い点線はサンプルFを示している。尚、ここでの焼成収縮率は、寸法A(焼成前の寸法)を寸法B(焼成後の寸法)で割った値である。
FIG. 6 is a line graph of the firing shrinkage rate in Table 1. The x axis represents the firing temperature and the y axis represents the firing shrinkage rate. The thick solid line indicates the
固体電解質体の焼成温度1200℃での焼成収縮率は1.019、焼成温度1300℃での焼成収縮率は1.077、焼成温度1400℃での焼成収縮率は1.147、焼成温度1450℃での焼成収縮率は1.197、焼成温度1475℃での焼成収縮率は1.210、焼成温度1500℃での焼成収縮率は1.221、焼成温度1525℃での焼成収縮率は1.227である。 The firing shrinkage rate of the solid electrolyte body at a firing temperature of 1200 ° C. is 1.019, the firing shrinkage rate at a firing temperature of 1300 ° C. is 1.077, the firing shrinkage rate at a firing temperature of 1400 ° C. is 1.147, and the firing temperature is 1450 ° C. The firing shrinkage rate is 1.197, the firing shrinkage rate is 1.210 at a firing temperature of 1475 ° C., the firing shrinkage rate is 1.221 at a firing temperature of 1500 ° C., and the firing shrinkage rate at a firing temperature of 1525 ° C. is 1. 227.
サンプルAの焼成温度1200℃での焼成収縮率は1.055、焼成温度1300℃での焼成収縮率は1.087、焼成温度1400℃での焼成収縮率は1.150、焼成温度1450℃での焼成収縮率は1.201、焼成温度1475℃での焼成収縮率は1.214、焼成温度1500℃での焼成収縮率は1.221、焼成温度1525℃での焼成収縮率は1.225である。サンプルBの焼成温度1200℃での焼成収縮率は1.040、焼成温度1300℃での焼成収縮率は1.079、焼成温度1400℃での焼成収縮率は1.146、焼成温度1450℃での焼成収縮率は1.199、焼成温度1475℃での焼成収縮率は1.216、焼成温度1500℃での焼成収縮率は1.221、焼成温度1525℃での焼成収縮率は1.225である。サンプルCの焼成温度1200℃での焼成収縮率は1.028、焼成温度1300℃での焼成収縮率は1.054、焼成温度1400℃での焼成収縮率は1.134、焼成温度1450℃での焼成収縮率は1.194、焼成温度1475℃での焼成収縮率は1.215、焼成温度1500℃での焼成収縮率は1.220、焼成温度1525℃での焼成収縮率は1.224である。 The firing shrinkage rate of Sample A at a firing temperature of 1200 ° C. is 1.055, the firing shrinkage rate at a firing temperature of 1300 ° C. is 1.087, the firing shrinkage rate at a firing temperature of 1400 ° C. is 1.150, and the firing temperature is 1450 ° C. Has a firing shrinkage of 1.201, a firing shrinkage of 1.214 at a firing temperature of 1475 ° C., a firing shrinkage of 1.221 at a firing temperature of 1500 ° C., and a firing shrinkage of 1.225 at a firing temperature of 1525 ° C. It is. Sample B had a firing shrinkage of 1.040 at a firing temperature of 1200 ° C., a firing shrinkage of 1.079 at a firing temperature of 1300 ° C., a firing shrinkage of 1.146 at a firing temperature of 1400 ° C., and a firing temperature of 1450 ° C. The firing shrinkage ratio is 1.199, the firing shrinkage ratio is 1.216 at a firing temperature of 1475 ° C., the firing shrinkage ratio is 1.221 at a firing temperature of 1500 ° C., and the firing shrinkage ratio is 1.225 at a firing temperature of 1525 ° C. It is. Sample C had a firing shrinkage of 1.028 at a firing temperature of 1200 ° C., a firing shrinkage of 1.054 at a firing temperature of 1300 ° C., a firing shrinkage of 1.134 at a firing temperature of 1400 ° C., and a firing temperature of 1450 ° C. Has a firing shrinkage ratio of 1.194, a firing shrinkage ratio of 1.215 at a firing temperature of 1475 ° C., a firing shrinkage ratio of 1.220 at a firing temperature of 1500 ° C., and a firing shrinkage ratio of 1.224 at a firing temperature of 1525 ° C. It is.
サンプルDの焼成温度1200℃での焼成収縮率は1.044、焼成温度1300℃での焼成収縮率は1.072、焼成温度1400℃での焼成収縮率は1.113、焼成温度1450℃での焼成収縮率は1.156、焼成温度1475℃での焼成収縮率は1.168、焼成温度1500℃での焼成収縮率は1.185、焼成温度1525℃での焼成収縮率は1.196である。サンプルEの焼成温度1200℃での焼成収縮率は1.029、焼成温度1300℃での焼成収縮率は1.046、焼成温度1400℃での焼成収縮率は1.094、焼成温度1450℃での焼成収縮率は1.159、焼成温度1475℃での焼成収縮率は1.173、焼成温度1500℃での焼成収縮率は1.188、焼成温度1525℃での焼成収縮率は1.202である。サンプルFの焼成温度1200℃での焼成収縮率は1.025、焼成温度1300℃での焼成収縮率は1.047、焼成温度1400℃での焼成収縮率は1.090、焼成温度1450℃での焼成収縮率は1.151、焼成温度1475℃での焼成収縮率は1.167、焼成温度1500℃での焼成収縮率は1.180、焼成温度1525℃での焼成収縮率は1.188である。 Sample D had a firing shrinkage of 1.044 at a firing temperature of 1200 ° C., a firing shrinkage of 1.072 at a firing temperature of 1300 ° C., a firing shrinkage of 1.113 at a firing temperature of 1400 ° C., and a firing temperature of 1450 ° C. Has a firing shrinkage of 1.156, a firing shrinkage of 1.168 at a firing temperature of 1475 ° C., a firing shrinkage of 1.185 at a firing temperature of 1500 ° C., and a firing shrinkage of 1.196 at a firing temperature of 1525 ° C. It is. Sample E had a firing shrinkage of 1.029 at a firing temperature of 1200 ° C., a firing shrinkage of 1.046 at a firing temperature of 1300 ° C., a firing shrinkage of 1.094 at a firing temperature of 1400 ° C., and a firing temperature of 1450 ° C. Has a firing shrinkage of 1.159, a firing shrinkage of 1.173 at a firing temperature of 1475 ° C., a firing shrinkage of 1.188 at a firing temperature of 1500 ° C., and a firing shrinkage of 1.202 at a firing temperature of 1525 ° C. It is. Sample F had a firing shrinkage of 1.025 at a firing temperature of 1200 ° C, a firing shrinkage of 1.047 at a firing temperature of 1300 ° C, a firing shrinkage of 1.090 at a firing temperature of 1400 ° C, and a firing temperature of 1450 ° C. Has a firing shrinkage of 1.151, a firing shrinkage of 1.167 at a firing temperature of 1475 ° C., a firing shrinkage of 1.180 at a firing temperature of 1500 ° C., and a firing shrinkage of 1.188 at a firing temperature of 1525 ° C. It is.
ここで、図6のグラフを読み取り、第1セル部用固体電解質シート112の焼成挙動を各サンプルの焼成挙動と比較する。サンプルA及びサンプルBの焼成挙動は、1200℃〜1300℃辺りにおいてやや焼成が進んでいるものの、第1セル部用固体電解質シート112の焼成挙動にほぼ一致している。また、サンプルCの焼成挙動は、1200℃の段階では第1セル部用固体電解質シート112よりも焼成が進んでいるが、1300℃〜1400℃では焼成がやや抑制されており、1450℃〜1525℃においては第1セル部用固体電解質シート112の焼成挙動と一致している。サンプルDの焼成挙動は、1200℃の段階では第1セル部用固体電解質シート112よりも焼成が進んでいるが、1300℃以上では第1セル部用固体電解質シート112よりも焼成が抑制されている。サンプルEは、1200℃の段階では第1セル部用固体電解質シート112よりも焼成が進んでいるが、1300℃以上においてサンプルDよりもさらに焼成が抑制されている。そして、サンプルFは、1200℃の段階では第1セル部用固体電解質シート112よりも焼成が進んでいるが、1300℃以上においてサンプルEよりもさらに焼成が抑制されている。
Here, the graph of FIG. 6 is read and the firing behavior of the
ここで、クラック発生数と焼成挙動とを比較する。図6のグラフより、サンプルBの焼成挙動は第1セル部用固体電解質シート112の焼成挙動とほぼ合致しているが、10個中10個にクラックが発生している。そこで、第1セル部用固体電解質シート112の焼成挙動と合致した焼成挙動では望ましくないことがわかる。また、グラフにおける高温側において第1セル部用固体電解質シート112の焼成挙動とほぼ一致しているサンプルA及びサンプルCも、10個中10個にクラックが発生しており、望ましくない焼成挙動であることがわかる。つまり、焼成温度が1450℃以上の高温時に第1セル部用固体電解質シート112とほぼ一致するような焼成挙動は望ましくない。逆に、サンプルD,E,Fはクラックが発生しておらず、望ましい焼成挙動であることがわかる。つまり、1450℃以上の高温時に第1セル部用固体電解質シート112の焼成温度よりも抑制されているような焼成挙動が望ましい。尚、この際に1200℃の段階のようにほとんど焼成が進んでいない状態では、第1セル部用固体電解質シート112よりも、焼成収縮が進んでいても問題はない。
Here, the number of cracks generated and firing behavior are compared. From the graph of FIG. 6, the firing behavior of sample B substantially matches the firing behavior of the
ここで、第1セル部用固体電解質シート112の焼成挙動とサンプルの焼成挙動とを、その焼成途中における焼成収縮率を基準に比較する。具体的には、第1セル部用固体電解質シート112の焼成が完了した時点を焼成完成率100%とし、図6に示すグラフから、第1セル部用固体電解質シート112の焼成完成率が90%の時点及び50%の時点の焼成収縮率を求める。そして、その焼成収縮率を基準とし、図6に示すグラフから、第1セル部用固体電解質シート112及び各サンプルがその焼成収縮率となる際の温度を求め比較する。
Here, the firing behavior of the
表1より、第1セル部用固体電解質シート112の焼成が完了した時点の焼成収縮率(すなわちA/B)は1.227である。したがって、A/(A/B)で与えられる寸法B(焼成後寸法)について、寸法A(焼成前の寸法)を1とすると、寸法Aに対する寸法B(焼成後寸法)の割合は1/(A/B)=1/1.227となる。すなわち、第1セル部用固体電解質シート112は寸法Aに対する割合で「1−(1/1.227)≒0.185」収縮したことになる。
From Table 1, the firing shrinkage rate (ie, A / B) at the time when firing of the
ここで、50%の焼成が完了した時点での収縮寸法を考えると、寸法Aに対する割合で「0.185×0.5=0.0925」となる。よって、この時点での第1セル部用固体電解質シート112の寸法は、寸法Aに対する割合で「1−0.0925=0.9075」となる。したがって、焼成完成率が50%の時点での焼成収縮率は「1/0.9075≒1.102」となる。焼成収縮率が1.102となる焼成温度は、グラフより1300℃と1400℃との間である。そこで、表2より1300℃の焼成収縮率は1.077、1400℃の焼成収縮率は1.147であるので、(1300,1.077)、(1400,1.147)の2点を通る直線から、yの値が1.102となるxを求めて、焼成収縮率1.102となる焼成温度を求める。すると、直線の方程式は、「y=0.0007x+0.167」となるので、焼成温度は約1336℃となる。
Here, considering the shrinkage dimension at the time when 50% firing is completed, the ratio to the dimension A is “0.185 × 0.5 = 0.0925”. Therefore, the dimension of the
次に、50%の場合と同様に、90%の焼成が完了した時点での収縮を考える。90%の焼成完成率の場合の寸法は、寸法Aに対する割合で「1−0.185×0.9≒0.834」となり、焼成収縮率は、寸法Aに対する割合で「1/0.834≒1.199」となる。この際の焼成温度は、1450℃と1475℃との間である。50%の場合と同様に図6のグラフから算出すると、約1454℃となる。 Next, as in the case of 50%, the shrinkage at the time when 90% firing is completed is considered. The dimension in the case of 90% firing completion rate is “1-0.185 × 0.9≈0.834” in proportion to the dimension A , and the firing shrinkage ratio is “1 / 0.834 in proportion to the dimension A. ≒ 1.199 ". The firing temperature at this time is between 1450 ° C. and 1475 ° C. When calculated from the graph of FIG. 6 as in the case of 50%, it is about 1454 ° C.
次いで、クラックが発生しなかったサンプルD,E,Fについて、焼成収縮率が「1.102」,「1.199」となる焼成温度を求める。サンプルDにおいて、焼成収縮率が「1.102」となるのは、1300℃〜1400℃の間である。そこで、グラフから焼成温度を算出すると、約1373℃となる。また、焼成収縮率が「1.119」となるのは、1525℃以上である。そこで、1500℃〜1525℃の直線を延長してグラフから焼成温度を算出すると、約1532℃となる。サンプルEにおいて、焼成収縮率が「1.102」となるのは、1400℃〜1450℃の間である。そこで、グラフから焼成温度を算出すると、約1406℃となる。また、焼成収縮率が「1.119」となるのは、1500℃〜1525℃の間である。そこで、グラフから焼成温度を算出すると、約1520℃となる。サンプルFにおいて、焼成収縮率が「1.102」となるのは、1400℃〜1450℃の間である。そこで、グラフから焼成温度を算出すると、約1410℃となる。また、焼成収縮率が「1.119」となるのは、1525℃以上である。そこで、1500℃〜1525℃の直線を延長してグラフから焼成温度を算出すると、約1559℃となる。 Next, for the samples D, E, and F in which no cracks occurred, the firing temperatures at which the firing shrinkage rates are “1.102” and “1.199” are obtained. In Sample D, the firing shrinkage ratio is “1.102” between 1300 ° C. and 1400 ° C. Therefore, when the firing temperature is calculated from the graph, it is about 1373 ° C. Moreover, it is 1525 degreeC or more that a baking shrinkage rate will be "1.119." Therefore, when the firing temperature is calculated from the graph by extending the 1500 ° C. to 1525 ° C. straight line, it is about 1532 ° C. In Sample E, the firing shrinkage ratio is “1.102” between 1400 ° C. and 1450 ° C. Therefore, when the firing temperature is calculated from the graph, it is about 1406 ° C. Moreover, it is between 1500 degreeC-1525 degreeC that a baking shrinkage rate will be "1.119." Therefore, when the firing temperature is calculated from the graph, it is about 1520 ° C. In sample F, the firing shrinkage ratio is “1.102” between 1400 ° C. and 1450 ° C. Therefore, when the firing temperature is calculated from the graph, it is about 1410 ° C. Moreover, it is 1525 degreeC or more that a baking shrinkage rate will be "1.119." Therefore, when the firing temperature is calculated from the graph by extending the straight line of 1500 ° C. to 1525 ° C., it is about 1559 ° C.
サンプルDにおいて、焼成収縮率が「1.102」の際の温度差は、37℃であり、焼成収縮率が「1.119」の際の温度差は、78℃である。サンプルEにおいて、焼成収縮率が「1.102」の際の温度差は、70℃であり、焼成収縮率が「1.119」の際の温度差は、66℃である。サンプルFにおいて、焼成収縮率が「1.102」の際の温度差は、74℃であり、焼成収縮率が「1.119」の際の温度差は、105℃である。 In Sample D, the temperature difference when the firing shrinkage rate is “1.102” is 37 ° C., and the temperature difference when the firing shrinkage rate is “1.119” is 78 ° C. In sample E, the temperature difference when the firing shrinkage rate is “1.102” is 70 ° C., and the temperature difference when the firing shrinkage rate is “1.119” is 66 ° C. In Sample F, the temperature difference when the firing shrinkage rate is “1.102” is 74 ° C., and the temperature difference when the firing shrinkage rate is “1.119” is 105 ° C.
したがって、クラックの発生しないサンプルD,E,Fにおいて、第1セル部用固体電解質シート112の焼成完成率が50%となるときの焼成温度1336℃よりも35℃以上上昇した後に、層間調整層用シート123の焼成収縮率が第1セル部用固体電解質シート112の焼成完成率が50%となった際の焼成収縮率「1.102」となっている。さらに、第1セル部用固体電解質シート112の焼成完成率が90%となるときの焼成温度1454℃よりも50℃以上上昇した後に、層間調整層用シート123の焼成収縮率が第1セル部用固体電解質シート112の焼成完成率が90%となった際の焼成収縮率「1.119」となっている。
Therefore, in the samples D, E, and F in which no cracks occur, the interlayer adjustment layer is increased after the firing temperature of 1336 ° C. when the firing complete rate of the first cell part
尚、圧着溶剤として加えられるステアリルアルコール量はスラリーの20%を上限とする。これは、ステアリルアルコール量が多い場合には、層間調整層123が緻密に焼成しないためである。緻密な焼成が行われないと、層間調整層123が水分を吸収し、急冷や急熱により破裂したり、電流がリークして正確な計測値が得られなかったりする。そこで、加えるステアリルアルコール量をそれぞれ0%,2%,4%,6%,10%,15%,20%,30%としたサンプルを焼成し、その後染色試験を行ったところ、0%〜20%のサンプルではカラーチェック液の染みが見られなかったが、30%のサンプルでは染みが存在した。すなわち、ステアリルアルコール量が20%以下であれば緻密に焼成するが、30%であると緻密に焼成しないことがわかる。
The upper limit of the amount of stearyl alcohol added as a pressure-bonding solvent is 20% of the slurry. This is because when the amount of stearyl alcohol is large, the
本発明のガスセンサは、焼成後に固体電解質体となる固体電解質シートに、絶縁性セラミックを主成分とする基体シートを積層させて焼成し、さらに積層方向に開空間を有するガスセンサ素子を有するガスセンサに適応可能である。 The gas sensor of the present invention is suitable for a gas sensor having a gas sensor element having an open space in the stacking direction by laminating a base sheet mainly composed of an insulating ceramic on a solid electrolyte sheet that becomes a solid electrolyte body after firing. Is possible.
1 ガスセンサ素子
2 ガスセンサ
10 第1絶縁性シート
10 第1絶縁性基部
11 未焼成第1セル
11 第1セル部
13 未焼成第2セル
13 第2セル部
14 第2絶縁性基シート
14 第2絶縁性基部
15 測定室
112 第1セル部用固体電解質体
123 層間調整層
123 層間調整層用シート
DESCRIPTION OF
Claims (3)
該固体電解質体上に配置された一対の電極と、
絶縁性セラミックを主成分とし、該固体電解質体に直接接するように積層された板状の基体とを有し、
該基体の少なくとも一部に、該基体の積層方向に開空間が形成されたガスセンサ素子を有するガスセンサの製造方法において、
焼成後に固体電解質体となる固体電解質シートに、焼成後に基体となる基体シートを貼り合わせる積層工程と、
前記固体電解質シートと前記基体シートとを同時に所定の焼成温度にて焼成する焼成工程とを備え、
前記積層工程に先立って、
前記固体電解質シートからなる焼成前サンプルシートを準備し、
該焼成前サンプルシートの焼成前の寸法をA、前記所定の焼成温度による焼成が完了した時点での寸法をBとし、
該焼成前サンプルシートの前記所定の焼成温度による焼成が完了したときの収縮寸法は、寸法Aを1としたときの寸法Aに対する割合で1−1/(A/B)で求められ、
寸法Aに対する収縮寸法の割合が0である前記焼成前サンプルシートの焼成前の時点を0%とし、寸法Aに対する収縮寸法の割合が1−1/(A/B)となって前記焼成前サンプルシートの焼成が完了した時点を100%として、前記焼成前サンプルシートの焼成の過程において、寸法Aに対する収縮寸法の割合が0から変化していき1−1/(A/B)となって完成に至るまでの焼成の完成の度合いを百分率で示したものを、焼成完成率として定義したときに、前記焼成前サンプルシートを用いて前記焼成完成率が50%となるときの焼成収縮率の値を求める一方、
前記焼成完成率が50%となるときの焼成収縮率の値と同一の値の焼成収縮率を示す前記基体シートの温度が、前記焼成完成率50%のときの前記焼成前サンプルシートの温度よりも35℃以上高くなるように、前記基体シートを作製することを特徴とするガスセンサの製造方法。 A plate-like solid electrolyte body mainly composed of zirconia having oxygen ion conductivity;
A pair of electrodes disposed on the solid electrolyte body;
It has a plate-like base material mainly composed of an insulating ceramic and laminated so as to be in direct contact with the solid electrolyte body,
In a gas sensor manufacturing method having a gas sensor element having an open space formed in at least a part of the base body in the stacking direction of the base body,
A laminating step of bonding a base sheet that becomes a base after firing to a solid electrolyte sheet that becomes a solid electrolyte body after firing;
A firing step of firing the solid electrolyte sheet and the base sheet simultaneously at a predetermined firing temperature,
Prior to the lamination step,
Prepare a pre-firing sample sheet consisting of the solid electrolyte sheet,
The dimension before firing of the sample sheet before firing is A, and the dimension when firing at the predetermined firing temperature is completed is B,
The shrinkage dimension when the firing at the predetermined firing temperature of the sample sheet before firing is completed is obtained by 1-1 / (A / B) as a ratio to the dimension A when the dimension A is 1.
The pre-firing sample sheet whose ratio of shrinkage dimension to dimension A is 0 is set to 0%, and the ratio of shrinkage dimension to dimension A is 1-1 / (A / B). When the firing of the sheet is completed as 100%, in the process of firing the sample sheet before firing, the ratio of the shrinkage dimension to the dimension A is changed from 0 to be completed as 1-1 / (A / B). The value of the firing shrinkage rate when the firing completion rate is 50% using the sample sheet before firing , when the percentage of the degree of completion of firing up to is defined as the firing completion rate While seeking
The temperature of the base sheet exhibiting the firing shrinkage rate of the same value as the firing shrinkage rate when the firing completion rate is 50% is higher than the temperature of the sample sheet before firing when the firing completion rate is 50%. The method for producing a gas sensor is characterized in that the base sheet is produced so that the temperature is 35 ° C. or higher.
前記焼成前サンプルシートを用いて前記焼成完成率が90%となるときの焼成収縮率の値を求める一方、
前記焼成完成率が90%となるときの焼成収縮率の値と同一の値の焼成収縮率を示す前記基体シートの温度が、前記焼成完成率90%のときの前記焼成前サンプルシートの温度よりも50℃以上高くなるように、前記基体シートを作製することを特徴とする請求項1に記載のガスセンサの製造方法。 Prior to the lamination step,
While obtaining the value of the firing shrinkage rate when the firing completion rate is 90% using the sample sheet before firing,
The temperature of the base sheet exhibiting the firing shrinkage rate of the same value as the firing shrinkage rate when the firing completion rate is 90% is higher than the temperature of the sample sheet before firing when the firing completion rate is 90%. The method for producing a gas sensor according to claim 1, wherein the base sheet is produced so that the temperature of the substrate is higher by 50 ° C. or more.
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