JP5472208B2 - Gas sensor element, manufacturing method thereof, and gas sensor - Google Patents
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Description
本発明は、被測定ガス中の特定ガス濃度を検出するガスセンサ素子及びその製造方法に関する。 The present invention relates to a gas sensor element for detecting a specific gas concentration in a gas to be measured and a method for manufacturing the same.
車両用の内燃機関等の排気系には、排ガス等の被測定ガス中における特定ガス濃度(例えば、酸素濃度)を検出するガスセンサ素子を内蔵するガスセンサが配設されている。
ガスセンサ素子としては、例えば、酸素イオン伝導性の固体電解質体と、その固体電解質体の一方の面及び他方の面にそれぞれ設けた被測定ガス側電極及び基準ガス側電極と、被測定ガスを透過させる多孔質の拡散抵抗層とを備えたものが知られている。
An exhaust system such as an internal combustion engine for a vehicle is provided with a gas sensor that includes a gas sensor element that detects a specific gas concentration (for example, oxygen concentration) in a gas to be measured such as exhaust gas.
Examples of the gas sensor element include an oxygen ion conductive solid electrolyte body, a measurement gas side electrode and a reference gas side electrode provided on one surface and the other surface of the solid electrolyte body, and a gas to be measured. A porous diffusion resistance layer is known.
例えば、特許文献1には、図8、図9に示すごとく、固体電解質体91と拡散抵抗層97との間に中間層96を設け、中間層96の内側であって固体電解質体91と拡散抵抗層97との間に、被測定ガス側電極92に接触させる被測定ガスを導入する中空部969を形成したガスセンサ素子9が開示されている。このガスセンサ素子9は、中間層96と拡散抵抗層97とを接着層99によって接着している。
なお、図8、図9では、ガスセンサ素子9のその他の部分の図示を省略している。
For example, in
In FIG. 8 and FIG. 9, illustration of other portions of the gas sensor element 9 is omitted.
上記構成のガスセンサ素子9を製造するに当たっては、例えば、図8(a)に示すごとく、被測定ガス側電極用材料920を塗布した固体電解質体用シート910の一方の面に中間層用材料960及び接着層用材料990を順に塗布し、図8(b)に示すごとく、接着層用材料990の表面に拡散抵抗層用シート970を積層することにより、中空部969を形成している。
In manufacturing the gas sensor element 9 having the above-described configuration, for example, as shown in FIG. 8A, the
また、図9(a)に示すごとく、被測定ガス側電極用材料920を塗布した固体電解質体用シート910の一方の面に中間層用材料960を塗布し、拡散抵抗層用シート970の一方の面に接着層用材料990を塗布し、図9(b)に示すごとく、塗布した面同士が向かい合うように固体電解質体用シート910と拡散抵抗層用シート970とを積層することにより、中空部969を形成することもできる。
Further, as shown in FIG. 9A, the
しかしながら、図8に示すような方法で中空部969を形成した場合には、接着層用材料990における中空部961に露出している露出面991と拡散抵抗層用シート970とが鈍角(β)で接するため、両者の間に切欠き部901が形成される。そのため、ガスセンサ素子9の使用時に応力等が発生すると、接着層99と拡散抵抗層97との間の切欠き部901周辺に応力が集中し(切欠き効果)、割れ等の要因となるおそれがある。
However, when the
一方、図9に示すような方法で中空部969を形成した場合には、中間層用材料960と接着層用材料990とを接合する際に、表面の凹凸の存在等によって接合界面にボイド902が発生する。ここで、中間層96及び接着層99は、両者共に非多孔質である。そのため、ボイド902内に水が浸入した状態でガスセンサ素子9を急速に加熱すると、ボイド902内に発生した蒸気が逃げ場を失い、ボイド902周辺に大きな熱応力が生じ、割れ等を招く要因となるおそれがある。
On the other hand, when the
本発明は、かかる問題点に鑑みてなされたもので、割れ等の発生を防止することができるガスセンサ素子及びその製造方法、並びにガスセンサを提供しようとするものである。 The present invention has been made in view of such problems, and an object of the present invention is to provide a gas sensor element that can prevent the occurrence of cracks, a manufacturing method thereof, and a gas sensor.
第1の発明は、酸素イオン伝導性の固体電解質体と、該固体電解質体の一方の面及び他方の面にそれぞれ設けられた被測定ガス側電極及び基準ガス側電極と、上記被測定ガス側電極を覆うと共に被測定ガスを透過させる多孔質の拡散抵抗層と、上記固体電解質体と上記拡散抵抗層との間に設けられた中間層と、該中間層の内側であって上記固体電解質体と上記拡散抵抗層との間に形成されると共に被測定ガスを導入する中空部とを備えた積層型のガスセンサ素子において、
上記中間層と上記拡散抵抗層との間には、両者を接着するための接着層が設けられており、
該接着層は、上記中間層の上記拡散抵抗層側の面に設けられた第1接着部と、上記拡散抵抗層の上記中間層側の面に設けられた第2接着部とからなり、
上記第1接着部は、その内周部の少なくとも一部が上記第2接着部に接合されていると共に、それよりも外側の部分が上記拡散抵抗層に接合されており、
上記第2接着部は、その内周端部を上記中空部に露出させていると共に、該内周端部の露出面と上記拡散抵抗層の上記中間層側の面との間に形成される接着角が積層方向の断面において鋭角であることを特徴とするガスセンサ素子にある(請求項1)。
According to a first aspect of the present invention, there is provided an oxygen ion conductive solid electrolyte body, a measurement gas side electrode and a reference gas side electrode respectively provided on one surface and the other surface of the solid electrolyte body, and the measurement gas side A porous diffusion resistance layer that covers the electrode and allows the gas to be measured to pass through; an intermediate layer provided between the solid electrolyte body and the diffusion resistance layer; and the solid electrolyte body inside the intermediate layer And a laminated gas sensor element provided with a hollow portion for introducing a gas to be measured, formed between the diffusion resistance layer and the diffusion resistance layer,
Between the intermediate layer and the diffusion resistance layer, there is provided an adhesive layer for adhering both,
The adhesive layer includes a first adhesive portion provided on the surface of the intermediate layer on the diffusion resistance layer side and a second adhesive portion provided on the surface of the diffusion resistance layer on the intermediate layer side,
The first adhesive part has at least a part of its inner periphery joined to the second adhesive part, and an outer part thereof joined to the diffusion resistance layer,
The second adhesive portion has its inner peripheral end exposed to the hollow portion, and is formed between the exposed surface of the inner peripheral end and the surface of the diffusion resistance layer on the intermediate layer side. The gas sensor element is characterized in that the bonding angle is an acute angle in the cross section in the stacking direction.
第2の発明は、上記第1の発明のガスセンサ素子を製造する方法であって、
上記中空部を形成するに当たっては、固体電解質体用シートの一方の面に中間層用材料を塗布する中間層用材料塗布工程と、
上記中間層用材料の表面に、第1接着部用材料を塗布する第1接着部用材料塗布工程と、
拡散抵抗層用シートの一方の面に、第2接着部用材料を塗布する第2接着部用材料塗布工程と、
上記第1接着部用材料と上記第2接着部用材料とが向かい合うように、上記固体電解質体用シートと上記拡散抵抗層用シートとを積層する積層工程とを有し、
該積層工程では、上記第2接着部用材料の内周端部を露出させた状態で、上記第1接着部用材料の内周部の少なくとも一部を上記第2接着部用材料に接合し、それよりも外側の部分を上記拡散抵抗層用シートに接合することを特徴とするガスセンサ素子の製造方法にある(請求項5)。
A second invention is a method of manufacturing the gas sensor element of the first invention,
In forming the hollow portion, the intermediate layer material application step of applying the intermediate layer material on one surface of the solid electrolyte sheet,
A first adhesive portion material application step of applying a first adhesive portion material on the surface of the intermediate layer material;
A second adhesive portion material application step of applying a second adhesive portion material to one surface of the diffusion resistance layer sheet;
A laminating step of laminating the solid electrolyte body sheet and the diffusion resistance layer sheet so that the first adhesive portion material and the second adhesive portion material face each other;
In the laminating step, at least a part of the inner peripheral portion of the first adhesive portion material is bonded to the second adhesive portion material in a state where the inner peripheral end portion of the second adhesive portion material is exposed. The gas sensor element manufacturing method is characterized in that the outer portion is joined to the diffusion resistance layer sheet.
第3の発明は、上記第1の発明のガスセンサ素子を内蔵してなることを特徴とするガスセンサにある(請求項6)。 According to a third aspect of the present invention, there is provided a gas sensor comprising the gas sensor element according to the first aspect of the present invention.
上記第1の発明のガスセンサ素子において、中間層と拡散抵抗層との間には、両者を接着するための接着層が設けられており、該接着層は、中間層に設けられた第1接着部と、拡散抵抗層に設けられた第2接着部とからなる。そして、該第2接着部は、その内周端部を中空部に露出させていると共に、該内周端部の露出面と拡散抵抗層の中間層側の面との間に形成される接着角が積層方向の断面において鋭角である。 In the gas sensor element according to the first aspect of the present invention, an adhesive layer for adhering both is provided between the intermediate layer and the diffusion resistance layer, and the adhesive layer is a first adhesive provided on the intermediate layer. Part and a second adhesive part provided on the diffusion resistance layer. The second adhesive portion has an inner peripheral end portion exposed to the hollow portion, and an adhesive formed between the exposed surface of the inner peripheral end portion and the intermediate layer side surface of the diffusion resistance layer. The corner is an acute angle in the cross section in the stacking direction.
すなわち、接着層(第2接着部の内周端部)の露出面と拡散抵抗層の中間層側の面との間に形成される上記接着角が鋭角となるように、接着層が形成されている。そのため、従来のように上記接着角が鈍角である場合に比べて、接着層の露出面と拡散抵抗層の中間層側の面とが合流する部分周辺に応力が集中しないようにすることができる。これにより、ガスセンサ素子の使用時に発生する応力等に起因する割れ等の発生を防止することができる。 That is, the adhesive layer is formed so that the adhesive angle formed between the exposed surface of the adhesive layer (the inner peripheral end of the second adhesive portion) and the intermediate layer side surface of the diffusion resistance layer is an acute angle. ing. Therefore, stress can be prevented from concentrating around the portion where the exposed surface of the adhesive layer and the surface on the intermediate layer side of the diffusion resistance layer merge, compared to the case where the adhesion angle is obtuse as in the prior art. . Thereby, generation | occurrence | production of the crack etc. resulting from the stress etc. which generate | occur | produce at the time of use of a gas sensor element can be prevented.
また、接着層において、第1接着部は、その内周部の少なくとも一部が第2接着部に接合されていると共に、それよりも外側の部分が拡散抵抗層に接合されている。すなわち、第1接着部には、第2接着部及び拡散抵抗層が接合されている。そのため、第1接着部の接合界面の一部は、多孔質である拡散抵抗層との接合界面となる。これにより、第1接着部と第2接着部との接着部同士の接合界面に形成されるボイドを低減することができる。 In the adhesive layer, the first adhesive portion has at least a part of the inner peripheral portion thereof joined to the second adhesive portion, and the outer portion thereof is joined to the diffusion resistance layer. That is, the second adhesive portion and the diffusion resistance layer are joined to the first adhesive portion. Therefore, a part of the bonding interface of the first bonding portion becomes a bonding interface with the porous diffusion resistance layer. Thereby, the void formed in the joining interface of the adhesion parts of the 1st adhesion part and the 2nd adhesion part can be reduced.
また、第1接着部と拡散抵抗層との接合界面にボイドが形成され、そのボイド内に水が浸入した状態でガスセンサ素子が急速に加熱されたとしても、ボイド内に発生した蒸気を多孔質の拡散抵抗層に存在する気孔を介して逃がしてやることができる。これにより、従来のように、ボイド内で蒸気が逃げ場を失い、ボイド周辺に大きな熱応力が生じることを抑制することができ、ガスセンサ素子の割れ等の発生を防止することができる。 Even if a void is formed at the bonding interface between the first adhesive portion and the diffusion resistance layer, and the gas sensor element is rapidly heated with water entering the void, the vapor generated in the void is made porous. It is possible to escape through pores existing in the diffusion resistance layer. Thereby, it can suppress that a vapor | steam lose | disappears in a void and a big thermal stress arises around a void like the past, and generation | occurrence | production of the crack of a gas sensor element, etc. can be prevented.
上記第2の発明のガスセンサ素子の製造方法において、上記第2接着部用材料塗布工程では、接着層の第2接着部を形成するための第2接着部用材料を拡散抵抗層用シートに塗布する。そして、上記積層工程では、第2接着部用材料の内周端部を露出させた状態で、固体電解質体用シートと拡散抵抗層用シートとを積層する。そのため、第2接着部の内周端部の露出面と拡散抵抗層の中間層側の面との間に形成される上記接着角を鋭角にすることが容易となる。 In the gas sensor element manufacturing method according to the second aspect of the invention, in the second adhesive portion material applying step, the second adhesive portion material for forming the second adhesive portion of the adhesive layer is applied to the diffusion resistance layer sheet. To do. And in the said lamination process, the sheet | seat for solid electrolyte bodies and the sheet | seat for diffused resistance layers are laminated | stacked in the state which exposed the inner peripheral edge part of the material for 2nd adhesion parts. Therefore, it becomes easy to make the said adhesion angle formed between the exposed surface of the inner peripheral edge part of a 2nd adhesion part and the surface by the side of the intermediate layer of a diffused resistance layer into an acute angle.
また、上記積層工程では、第1接着部用材料の内周部の少なくとも一部を第2接着部用材料に接合し、それよりも外側の部分を拡散抵抗層用シートに接合する。そのため、接着層において、第1接着部の接合界面の一部を多孔質である拡散抵抗層との接合界面とすることができる。
これにより、割れ等の発生を防止することができる上記第1の発明のガスセンサ素子を容易に製造することができる。
Moreover, at the said lamination process, at least one part of the inner peripheral part of the 1st adhesion part material is joined to the 2nd adhesion part material, and the part outside it is joined to the sheet | seat for diffused resistance layers. Therefore, in the adhesive layer, a part of the bonding interface of the first bonding portion can be a bonding interface with the porous diffusion resistance layer.
Thereby, the gas sensor element of the first invention capable of preventing the occurrence of cracks and the like can be easily manufactured.
上記第3の発明のガスセンサは、上記第1の発明のガスセンサ素子を内蔵している。すなわち、割れ等の発生を防止することができるガスセンサ素子を内蔵している。そのため、ガスセンサは、耐久性に優れたものとなる。 The gas sensor of the third invention includes the gas sensor element of the first invention. That is, the gas sensor element which can prevent generation | occurrence | production of a crack etc. is incorporated. Therefore, the gas sensor is excellent in durability.
このように、上記第1〜第3の発明によれば、割れ等の発生を防止することができるガスセンサ素子及びその製造方法、並びにガスセンサを提供することができる。 As described above, according to the first to third aspects of the invention, it is possible to provide a gas sensor element that can prevent the occurrence of cracks, a manufacturing method thereof, and a gas sensor.
上記第1の発明において、上記ガスセンサ素子は、例えば、車両用の内燃機関等の排気系に配設され、被測定ガス(排ガス)中の特定ガス濃度(酸素濃度)に依存して電極間を流れる限界電流を基に内燃機関に供給される混合気の空燃比(A/F)を検出するA/Fセンサ素子、被測定ガスと基準ガス(大気)との間の特定ガス濃度(酸素濃度)比に依存して電極間に生じる起電力を基に空燃比を検出する酸素センサ素子等に適用される。 In the first invention, the gas sensor element is disposed in, for example, an exhaust system of a vehicle internal combustion engine or the like, and has a gap between electrodes depending on a specific gas concentration (oxygen concentration) in a gas to be measured (exhaust gas). An A / F sensor element for detecting the air-fuel ratio (A / F) of the air-fuel mixture supplied to the internal combustion engine based on the flowing limit current, a specific gas concentration (oxygen concentration) between the gas to be measured and the reference gas (atmosphere) It is applied to an oxygen sensor element that detects an air-fuel ratio based on an electromotive force generated between electrodes depending on the ratio.
また、上記接着層において、上記第1接着部と上記第2接着部との接合界面は、できるだけ小さいほうが好ましい。
この場合には、第1接着部と多孔質である拡散抵抗層との接合界面を大きくすることができる。これにより、第1接着部と第2接着部との接着部同士の接合界面に形成されるボイドをより一層低減することができる。また、上述したような熱応力に対する割れ等の発生を防止する効果を高めることができる。
Moreover, in the said adhesive layer, it is preferable that the joining interface of the said 1st adhesion part and the said 2nd adhesion part is as small as possible.
In this case, the bonding interface between the first adhesive portion and the porous diffusion resistance layer can be increased. Thereby, the void formed in the joining interface of the adhesion parts of the 1st adhesion part and the 2nd adhesion part can be reduced further. Moreover, the effect which prevents generation | occurrence | production of the crack with respect to the above thermal stress, etc. can be heightened.
また、上記第2接着部の内周端部の露出面と上記拡散抵抗層の中間層側の面との間に形成される接着角が積層方向の断面において鋭角である。
上記接着角は、例えば、積層方向の断面において、第2接着部の内周端部の露出面の曲率が最大となる点において接線を引いたときのその接線と拡散抵抗層の中間層側の面とがなす角度である。
In addition, the bonding angle formed between the exposed surface of the inner peripheral end of the second bonding portion and the intermediate layer side surface of the diffusion resistance layer is an acute angle in the cross section in the stacking direction.
For example, in the cross-section in the stacking direction, the bonding angle is obtained by drawing the tangent at the point where the curvature of the exposed surface of the inner peripheral end of the second bonding portion is maximized and the intermediate layer side of the diffusion resistance layer. The angle formed by the surface.
また、上記接着層において、上記接着角は、80°以下であることが好ましい(請求項2)。
この場合には、ガスセンサ素子の使用時に発生する応力等に起因する割れ等の発生を確実に防止することができる。
In the adhesive layer, the adhesive angle is preferably 80 ° or less.
In this case, it is possible to reliably prevent the occurrence of cracks or the like due to stress or the like generated when the gas sensor element is used.
また、上記接着角は、50°以下であることがより好ましい(請求項3)。
この場合には、ガスセンサ素子の使用時に発生する応力等に起因する割れ等の発生をより一層確実に防止することができる。
The adhesion angle is more preferably 50 ° or less (claim 3).
In this case, it is possible to more reliably prevent the occurrence of cracks and the like due to the stress generated when the gas sensor element is used.
また、上記接着層の上記第1接着部と上記拡散抵抗層との接合界面におけるボイド存在率は、70%以下であることが好ましい(請求項4)。
この場合には、接着界面に形成されたボイド内に水が浸入した状態でガスセンサ素子を急速に加熱しても、ボイド内に発生した蒸気を多孔質の拡散抵抗層に存在する気孔を介して十分に逃がしてやることができる。
なお、上記ボイド存在率が70%を超える場合には、ボイド内に発生した蒸気を多孔質の拡散抵抗層に存在する気孔を介して十分に逃がしてやることができないおそれがある。
Moreover, it is preferable that the void presence rate in the joining interface of the said 1st adhesion part of the said contact bonding layer and the said diffusion resistance layer is 70% or less (Claim 4).
In this case, even if the gas sensor element is rapidly heated in a state where water has entered the void formed at the adhesion interface, the vapor generated in the void is passed through the pores existing in the porous diffusion resistance layer. You can get away enough.
In addition, when the said void presence rate exceeds 70%, there exists a possibility that the vapor | steam generate | occur | produced in the void cannot fully escape through the pore which exists in a porous diffusion resistance layer.
ここで、上記接着層の上記第1接着部と上記拡散抵抗層との接合界面におけるボイド存在率とは、接合界面の面積に対してボイドが存在する面積の比率をいう。
このボイド存在率の測定は、例えば、ガスセンサ素子の断面において、接合界面の長さに対してボイドが形成されている部分の長さ(ボイドが複数の場合には、その複数のボイドの長さの合計)の比率を求めることにより行う。
Here, the void presence rate at the bonding interface between the first bonding portion of the bonding layer and the diffusion resistance layer refers to the ratio of the area where voids exist to the area of the bonding interface.
For example, in the cross section of the gas sensor element, the void existence ratio is measured by measuring the length of the portion where the void is formed with respect to the length of the bonding interface (if there are a plurality of voids, the length of the plurality of voids). By calculating the ratio of the total).
また、多孔質である上記拡散抵抗層の気孔率は、10〜20%であることが好ましい。
この場合には、接着界面に形成されたボイド内に水が浸入した状態でガスセンサ素子を急速に加熱しても、ボイド内に発生した蒸気を多孔質の拡散抵抗層に存在する気孔を介してより効果的に逃がしてやることができる。
Moreover, it is preferable that the porosity of the said diffusion resistance layer which is porous is 10 to 20%.
In this case, even if the gas sensor element is rapidly heated in a state where water has entered the void formed at the adhesion interface, the vapor generated in the void is passed through the pores existing in the porous diffusion resistance layer. You can escape more effectively.
(実施例1)
本発明の実施例にかかるガスセンサ素子及びその製造方法、並びにガスセンサについて、図を用いて説明する。
本例のガスセンサ素子1は、図1、図2に示すごとく、酸素イオン伝導性の固体電解質体11と、固体電解質体11の一方の面(第1表面)111及び他方の面(第2表面)112にそれぞれ設けられた被測定ガス側電極12及び基準ガス側電極13と、被測定ガス側電極12を覆うと共に被測定ガスを透過させる多孔質の拡散抵抗層17と、固体電解質体11と拡散抵抗層17との間に設けられた中間層16と、中間層16の内側であって固体電解質体11と拡散抵抗層17との間に形成されると共に被測定ガスを導入する中空部169とを備えている。
Example 1
A gas sensor element according to an embodiment of the present invention, a manufacturing method thereof, and a gas sensor will be described with reference to the drawings.
As shown in FIG. 1 and FIG. 2, the
中間層16と拡散抵抗層17との間には、両者を接着するための接着層2が設けられており、接着層2は、中間層16の拡散抵抗層17側の面161に設けられた第1接着部21と、拡散抵抗層17の中間層16側の面(第2表面)172に設けられた第2接着部22とからなる。
第1接着部21は、その内周部211の少なくとも一部が第2接着部22に接合されていると共に、それよりも外側の部分が拡散抵抗層17に接合されている。
第2接着部22は、その内周端部221を中空部169に露出させていると共に、内周端部221の露出面222と拡散抵抗層17の中間層16側の面(第2表面)172との間に形成される接着角αが積層方向の断面において鋭角である。
以下、これを詳説する。
An
The
The
This will be described in detail below.
図1に示すごとく、ガスセンサ素子1は、被測定ガス(排ガス)中の特定ガス濃度(酸素濃度)に依存して電極間を流れる限界電流を基にエンジンに供給される混合気の空燃比(A/F)を検出するA/Fセンサ素子である。
また、ガスセンサ素子1は、酸素イオン伝導性の固体電解質体11を有する。固体電解質体11の第1表面111には、白金からなる被測定ガス側電極12が設けられている。また、固体電解質体11の第2表面112には、白金からなる基準ガス側電極13が設けられている。
As shown in FIG. 1, the
Further, the
同図に示すごとく、固体電解質体11の第2表面112には、基準ガス側電極13の外側において、電気的絶縁性を有すると共に緻密でガスを透過させないアルミナからなる基準ガス室形成層14が積層されている。基準ガス室形成層14には、溝部141が設けられており、この溝部141によって基準ガス室140が形成されている。基準ガス室140は、基準ガス(大気)を導入することができるよう構成されている。
As shown in the figure, the
基準ガス室形成層14における固体電解質体11とは反対の側には、ヒータ基板15が積層されている。ヒータ基板15には、通電により発熱する発熱体(ヒータ)151が基準ガス室形成層14と対面するよう設けられている。発熱体151は、通電によって発熱させることにより、ガスセンサ素子1を活性温度まで加熱することができるよう構成されている。
A
同図に示すごとく、固体電解質体11の第1表面111には、被測定ガス側電極12の外側において、開口部168を有する中間層16が積層されている。中間層16は、電気的絶縁性を有すると共に緻密でガスを透過させないアルミナからなる。
また、中間層16における固体電解質体11とは反対の側には、ガス透過性のアルミナ多孔体からなる多孔質の拡散抵抗層17が積層されている。
As shown in the figure, an
On the opposite side of the
また、中間層16の内側であって固体電解質体11と拡散抵抗層17との間に形成される空間、すなわち固体電解質体11と中間層16の開口部168と拡散抵抗層17とにより覆われた空間には、被測定ガス室となる中空部169が形成されている。中空部169は、被測定ガスを拡散抵抗層17から導入することができるよう構成されている。
また、拡散抵抗層17の第2表面172とは反対側の第1表面171には、電気的絶縁性を有すると共に緻密でガスを透過させないアルミナからなる遮蔽層18が積層されている。
Further, it is covered with the space formed between the
Further, on the
同図に示すごとく、中間層16と拡散抵抗層17との間には、両者を接着するための接着層2が設けられている。
接着層2は、中間層16の拡散抵抗層17側の面161に設けられた第1接着部21と、拡散抵抗層17の第2表面172に設けられた第2接着部22とを一部重ね合わせて構成されている。第1接着部21及び第2接着部22は、アルミナ及びバインダを混合したものである。
As shown in the figure, an
The
具体的には、図1、図2に示すごとく、第1接着部21は、中間層16の拡散抵抗層17側の面161において、中間層16と同様に開口部を設けた状態で、被測定ガス側電極12の外側を覆うように形成されている。また、第2接着部22は、第1接着部21の内周部211上において、第1接着部21と同様に開口部を設けた状態で、被測定ガス側電極12の外側を覆うように環状に形成されている。すなわち、第1接着部21の内周部211と第2接着部22とが接合された状態となっている。
Specifically, as shown in FIGS. 1 and 2, the first
また、同図に示すごとく、第1接着部21の外周部212上には、第2接着部22が形成されておらず、第1接着部21の外周部212は、拡散抵抗層17の第2表面172に対して直接接合されている。
また、図1に示すごとく、第2接着部22の内周端部221は、中空部169に露出している。また、内周端部221の露出面222と拡散抵抗層17の第2表面172との間に形成される接着角αは、ガスセンサ素子1の積層方向の断面において鋭角(0°よりも大きく90°よりも小さい角度)である。
Further, as shown in the figure, the second
Further, as shown in FIG. 1, the inner
次に、本例のガスセンサ素子1の製造方法について説明する。
本例のガスセンサ素子1の製造方法において、被測定ガス室となる中空部169を形成するに当たっては、図3、図4に示すごとく、少なくとも、中間層用材料塗布工程、第1接着部用材料塗布工程、第2接着部用材料塗布工程及び積層工程を行う。
Next, the manufacturing method of the
In the manufacturing method of the
中間層用材料塗布工程では、図3(a)に示すごとく、固体電解質体用シート111の一方の面(第1表面)111に中間層用材料160を塗布する。
第1接着部用材料塗布工程では、図3(a)に示すごとく、中間層用材料160の表面に、第1接着部用材料210を塗布する。
第2接着部用塗布工程では、図3(b)に示すごとく、拡散抵抗層用シート170の一方の面(第2表面)172に、第2接着部用材料220を塗布する。
In the intermediate layer material application step, as shown in FIG. 3A, the
In the first adhesive portion material application step, as shown in FIG. 3A, the first
In the second bonding portion application step, as shown in FIG. 3B, the second
積層工程では、図4(a)、(b)に示すごとく、第1接着部用材料210と第2接着部用材料220とが向かい合うように、固体電解質体用シート110と拡散抵抗層用シート170とを積層する。そして、第2接着部用材料220の内周端部221を露出させた状態で、第1接着部用材料210の内周部211を第2接着部材料220に接合し、それよりも外側の部分を拡散抵抗層用シート170に接合する。
以下、これを詳説する。
In the laminating step, as shown in FIGS. 4A and 4B, the
This will be described in detail below.
本例のガスセンサ素子1を製造するに当たっては、まず、ガスセンサ素子1におけるヒータ基板15、基準ガス室形成層14、固体電解質体11、拡散抵抗層17、遮蔽層18をそれぞれ形成するヒータ基板用シート150、基準ガス室形成層用シート140、固体電解質体用シート110、拡散抵抗層用シート170、遮蔽層用シート180の各セラミックシートを作製する(図1参照)。
In manufacturing the
次いで、図3(a)に示すごとく、固体電解質体用シート110の第1表面111に、被測定ガス側電極12を形成するペースト状の被測定ガス側電極用材料120を印刷により塗布する。また、固体電解質体用シート11の第2表面112に、基準ガス側電極13を形成する基準ガス側電極用材料(図示略)を印刷により塗布する。
Next, as shown in FIG. 3A, a paste-like measured gas
次いで、同図に示すごとく、固体電解質体用シート110の第1表面111に、中間層16を形成するペースト状の中間層用材料160を印刷により塗布する。このとき、中間層用材料160は、開口部を設けた状態で、すでに塗布した被測定ガス側電極用材料120の外側を覆うように塗布する。
Next, as shown in the figure, a paste-like
次いで、同図に示すごとく、塗布した中間層用材料160の表面に、接着層2の第1接着部21を形成するペースト状の第1接着部用材料210を印刷により塗布する。このとき、第1接着部用材料210は、複数回印刷することにより塗布する。また、第1接着部用材料210の粘度は、30〜150Pa・sとする。
Next, as shown in the figure, a paste-like first
一方、図3(b)に示すごとく、拡散抵抗層用シート170の第2表面172に、接着層2の第2接着部22を形成するペースト状の第2接着部用材料220を印刷により塗布する。このとき、第2接着部用材料220は、最終的に第1接着部用材料210の内周部211に接合されるように、第1接着部用材料210よりも小さな面積で環状に塗布する。また、第2接着部用材料220の粘度は、30〜150Pa・sとする。
On the other hand, as shown in FIG. 3B, a paste-like second
次いで、図4(a)に示すごとく、固体電解質体用シート110の第1表面111と拡散抵抗層用シート170の第2表面172とが対向するようにして、両者を積層する。そして、第1接着部用材料210の内周部211を第2接着部用材料220に接合する。また、第1接着部用材料210の外周部212を拡散抵抗層用シート170の第2表面172に接合する。このとき、第2接着部用材料220の内周端部221を露出させた状態で、第1接着部用材料210と第2接着部用材料220とを接合する。
これにより、図4(b)に示すごとく、固体電解質体用シート111と拡散抵抗層用シート171との間に、中空部169が形成される。
Next, as shown in FIG. 4A, the
Thereby, as shown in FIG. 4B, a
次いで、固体電解質体用シート110の第2表面112に、基準ガス室形成層用シート140及びヒータ基板用シート150を積層し、さらに拡散抵抗層シート170の第1表面171に、遮蔽層用シート180を積層する。これにより、素子中間体を作製する(図1参照)。
そして、素子中間体を所定の条件で焼成し、ガスセンサ素子1(図1)を得る。
Next, the reference gas chamber forming
And an element intermediate body is baked on predetermined conditions, and the gas sensor element 1 (FIG. 1) is obtained.
次に、本例のガスセンサ素子1を内蔵したガスセンサ8について説明する。
図5に示すごとく、ガスセンサ8は、ガスセンサ素子1と、ガスセンサ素子1を内側に挿通保持する絶縁碍子81と、絶縁碍子81を内側に挿通保持するハウジング82と、ハウジング82の基端側に配設された大気側カバー83と、ハウジング82の先端側に配設されると共にガスセンサ素子1を保護する素子カバー84とを有する。
Next, the
As shown in FIG. 5, the
同図に示すごとく、素子カバー84は、外側カバー841と内側カバー842とからなる二重構造のカバーにより構成されている。
この外側カバー841及び内側カバー842の側面部や底面部には、被測定ガスを導通させるための導通孔843が設けられている。
As shown in the figure, the
The
次に、本例のガスセンサ素子1及びその製造方法、並びにガスセンサ8における作用効果について説明する。
本例のガスセンサ素子1において、中間層16と拡散抵抗層17との間には、両者を接着するための接着層2が設けられており、接着層2は、中間層16に設けられた第1接着部21と、拡散抵抗層17に設けられた第2接着部22とからなる。そして、第2接着部22は、その内周端部221を中空部169に露出させていると共に、内周端部221の露出面222と拡散抵抗層17の第2表面172との間に形成される接着角αが積層方向の断面において鋭角である。
Next, the effects of the
In the
すなわち、接着層2(第2接着部22の内周端部221)の露出面222と拡散抵抗層17の第2表面172との間に形成される接着角αが鋭角となるように、接着層2が形成されている。そのため、従来のように接着角が鈍角である場合に比べて、接着層2の露出面222と拡散抵抗層17の第2表面172とが合流する部分周辺に応力が集中しないようにすることができる。これにより、ガスセンサ素子1の使用時に発生する応力等に起因する割れ等の発生を防止することができる。
That is, the bonding is performed so that the bonding angle α formed between the exposed
また、接着層2において、第1接着部21は、その内周部211が第2接着部22に接合されていると共に、それよりも外側の部分である外周部212が拡散抵抗層17に接合されている。すなわち、第1接着部21には、第2接着部22及び拡散抵抗層17が接合されている。そのため、第1接着部21の接合界面の一部は、多孔質である拡散抵抗層17との接合界面となる。これにより、第1接着部21と第2接着部22との接着部同士の接合界面に形成されるボイドを低減することができる。
In the
また、第1接着部21と拡散抵抗層17との接合界面にボイドが形成され、そのボイド内に水が浸入した状態でガスセンサ素子1が急速に加熱されたとしても、ボイド内に発生した蒸気を多孔質の拡散抵抗層17に存在する気孔を介して逃がしてやることができる。これにより、従来のように、ボイド内で蒸気が逃げ場を失い、ボイド周辺に大きな熱応力が生じることを抑制することができ、ガスセンサ素子の割れ等の発生を防止することができる。
Even if a void is formed at the bonding interface between the first
また、ガスセンサ素子1の製造方法において、第2接着部用材料塗布工程では、接着層2の第2接着部22を形成するための第2接着部用材料220を拡散抵抗層用シート170に塗布する。そして、積層工程では、第2接着部用材料220の内周端部221を露出させた状態で、固体電解質体用シート110と拡散抵抗層用シート170とを積層する。そのため、第2接着部22の内周端部221の露出面222と拡散抵抗層17の第2表面172との間に形成される接着角αを鋭角にすることが容易となる。
In the method for manufacturing the
また、積層工程では、第1接着部用材料210の内周部211を第2接着部材料220に接合し、それよりも外側の部分である外周部212を拡散抵抗層用シート170に接合する。そのため、接着層2において、第1接着部21の接合界面の一部を多孔質である拡散抵抗層17との接合界面とすることができる。
これにより、割れ等の発生を防止することができる本例のガスセンサ素子1を容易に製造することができる。
Further, in the laminating step, the inner
Thereby, the
また、本例のガスセンサ8は、上述したガスセンサ素子1を内蔵している。すなわち、割れ等の発生を防止することができるガスセンサ素子1を内蔵している。そのため、ガスセンサ8は、耐久性に優れたものとなる。
Further, the
このように、本例によれば、割れ等の発生を防止することができるガスセンサ素子1及びその製造方法、並びにガスセンサ8を提供することができる。
Thus, according to this example, it is possible to provide the
(実施例2)
本例は、図6に示すごとく、ガスセンサ素子の性能を評価したものである。
本例では、接着角αが異なるガスセンサ素子を複数作製し、割れの発生を防止する効果を評価した。
なお、ガスセンサ素子の基本的な構成は、実施例1(図1)と同様である。
(Example 2)
In this example, the performance of the gas sensor element is evaluated as shown in FIG.
In this example, a plurality of gas sensor elements having different adhesion angles α were produced, and the effect of preventing the occurrence of cracks was evaluated.
The basic configuration of the gas sensor element is the same as that of the first embodiment (FIG. 1).
次に、評価方法について説明する。
まず、ガスセンサ素子を所定の時間水に浸し、取り出す。次いで、ガスセンサ素子に電圧をかけ、割れが発生するまで電圧を上げていく。そして、ガスセンサ素子に割れが発生したときの電圧を測定する。なお、割れの発生は、割れが発生すると絶縁性が低下することを利用して確認する。
Next, the evaluation method will be described.
First, the gas sensor element is immersed in water for a predetermined time and taken out. Next, a voltage is applied to the gas sensor element, and the voltage is increased until cracking occurs. And the voltage when a crack generate | occur | produces in a gas sensor element is measured. It should be noted that the occurrence of cracks is confirmed by utilizing the fact that the insulating properties decrease when cracks occur.
次に、上記の評価結果を図6に示す。
同図は、縦軸に電圧、横軸に接着角αの角度(°)を示している。縦軸の電圧は、接着角αが鋭角であるガスセンサ素子に対して電圧をかけたときに割れが発生した電圧を1.0としている。
同図に示すごとく、接着角αが鋭角である場合、割れが発生する電圧に変化がない。一方、接着角αが鈍角になると、割れが発生する電圧が著しく低下する。
Next, the above evaluation results are shown in FIG.
In the figure, the vertical axis represents voltage, and the horizontal axis represents the angle (°) of the adhesion angle α. For the voltage on the vertical axis, the voltage at which cracking occurs when a voltage is applied to the gas sensor element having an acute adhesion angle α is 1.0.
As shown in the figure, when the adhesion angle α is an acute angle, there is no change in the voltage at which cracking occurs. On the other hand, when the adhesion angle α becomes an obtuse angle, the voltage at which cracking occurs is significantly reduced.
すなわち、接着角αが鈍角であると、接着層と拡散抵抗層との間に切欠き部が形成される(図9(b)参照)。そのため、ガスセンサ素子に電圧をかけた際に発生した応力が接着層と拡散抵抗層との間の切欠き部に集中する(切欠き効果)。そのため、低電圧でも割れが発生すると考えられる。一方、接着角αが鋭角であると、そのような応力集中が起きないため、割れの発生を防止することができると考えられる。 That is, when the bonding angle α is an obtuse angle, a notch is formed between the bonding layer and the diffusion resistance layer (see FIG. 9B). Therefore, the stress generated when a voltage is applied to the gas sensor element concentrates on the notch between the adhesive layer and the diffusion resistance layer (notch effect). Therefore, it is considered that cracking occurs even at a low voltage. On the other hand, when the bonding angle α is an acute angle, such stress concentration does not occur, so that it is considered that the occurrence of cracks can be prevented.
以上の結果から、接着角αは、鋭角であることが好ましいことがわかった。そして、接着角αを鋭角とすることにより、割れの発生を防止する効果が十分に得られることがわかった。特に、接着角αを50°以下とすると、応力が極端に低減され、割れの発生を防止する効果がより一層高まることがわかった。 From the above results, it was found that the adhesion angle α is preferably an acute angle. And it turned out that the effect which prevents generation | occurrence | production of a crack is fully acquired by making the adhesion angle (alpha) into an acute angle. In particular, it was found that when the bonding angle α is 50 ° or less, the stress is extremely reduced and the effect of preventing the occurrence of cracking is further enhanced.
(実施例3)
本例は、図7に示すごとく、ガスセンサ素子の性能を評価したものである。
本例では、接着層の第1接着部と多孔質である拡散抵抗層との接合界面におけるボイド存在率が異なるガスセンサ素子(試料A)を複数準備し、さらに接着層の第1接着部と非多孔質である中間層との界面におけるボイド存在率が異なるガスセンサ素子(試料B)を複数準備し、それぞれ割れの発生を防止する効果を評価した。
(Example 3)
In this example, the performance of the gas sensor element is evaluated as shown in FIG.
In this example, a plurality of gas sensor elements (samples A) having different void existence ratios at the bonding interface between the first bonding portion of the bonding layer and the porous diffusion resistance layer are prepared. A plurality of gas sensor elements (sample B) having different void existence ratios at the interface with the porous intermediate layer were prepared, and the effects of preventing the occurrence of cracks were evaluated.
ここで、ボイド存在率の測定は、ガスセンサ素子の断面において、接合界面又は界面の長さに対してボイドが形成されている部分の長さ(ボイドが複数の場合には、その複数のボイドの長さの合計)の比率を求めることにより行う。
なお、ガスセンサ素子の基本的な構成は、実施例1(図1)と同様である。
Here, the void presence rate is measured by measuring the length of the bonded interface or the length of the portion where the void is formed with respect to the length of the interface in the cross section of the gas sensor element (if there are a plurality of voids, By calculating the ratio of the total length).
The basic configuration of the gas sensor element is the same as that of the first embodiment (FIG. 1).
次に、評価方法について説明する。
まず、ガスセンサ素子を所定の時間水に浸し、取り出す。次いで、ガスセンサ素子に電圧をかけ、その接合界面又は界面の周辺において割れが発生するまで電圧を上げていく。そして、ガスセンサ素子に割れが発生したときの電圧を測定する。なお、割れの発生は、割れが発生すると絶縁性が低下することを利用して確認する。
Next, the evaluation method will be described.
First, the gas sensor element is immersed in water for a predetermined time and taken out. Next, a voltage is applied to the gas sensor element, and the voltage is increased until a crack occurs at the junction interface or in the vicinity of the interface. And the voltage when a crack generate | occur | produces in a gas sensor element is measured. It should be noted that the occurrence of cracks is confirmed by utilizing the fact that the insulating properties decrease when cracks occur.
次に、上記の評価結果を図7に示す。
同図は、縦軸に電圧、横軸にボイド存在率(%)を示している。縦軸の電圧は、ボイド存在率が0%であるガスセンサ素子に対して電圧をかけたときに割れが発生した電圧を1.0としている。
同図に示すごとく、試料Aは、ボイド存在率が70%以下であれば割れが発生する電圧に変化がない。一方、試料Bは、ボイド存在率が20%以下であれば割れが発生する電圧に変化がないが、20%を超えると割れが発生する電圧が著しく低下する。
Next, the above evaluation results are shown in FIG.
In the figure, the vertical axis represents voltage, and the horizontal axis represents void presence rate (%). As for the voltage on the vertical axis, the voltage at which cracking occurs when a voltage is applied to a gas sensor element having a void presence rate of 0% is 1.0.
As shown in the figure, sample A has no change in the voltage at which cracking occurs if the void abundance ratio is 70% or less. On the other hand, sample B has no change in the voltage at which cracking occurs if the void abundance ratio is 20% or less, but when it exceeds 20%, the voltage at which cracking occurs is significantly reduced.
すなわち、ボイド内に水が浸入して溜まっている状態でガスセンサ素子に電圧をかけると、ガスセンサ素子が加熱され、ボイド内で蒸気が発生する。このとき、接着層の第1接着部と多孔質である拡散抵抗層との接合界面にボイドが存在していても、ボイド内の蒸気を多孔質の拡散抵抗層に存在する気孔を介して逃がしてやることができる。
しかしながら、接着層の第1接着部と非多孔質である中間層との界面にボイドが存在すると、ボイド内の蒸気が逃げ場を失ってしまう。そのため、ボイド周辺に大きな熱応力が生じ、低電圧でも割れが発生すると考えられる。
That is, when a voltage is applied to the gas sensor element while water has entered and accumulated in the void, the gas sensor element is heated and steam is generated in the void. At this time, even if a void exists at the bonding interface between the first adhesion portion of the adhesive layer and the porous diffusion resistance layer, the vapor in the void escapes through the pores existing in the porous diffusion resistance layer. You can do it.
However, if a void exists at the interface between the first adhesive portion of the adhesive layer and the non-porous intermediate layer, the vapor in the void loses the escape field. Therefore, a large thermal stress is generated around the void, and it is considered that cracking occurs even at a low voltage.
以上の結果から、接着層の第1接着部と多孔質である拡散抵抗層との接合界面におけるボイド存在率は、70%以下であることが好ましいことがわかった。そして、ボイド存在率を70%以下とすることにより、割れの発生を防止する効果が十分に得られることがわかった。
また、接着層の第1接着部と非多孔質である中間層との界面におけるボイド存在率は、20%以下であることが好ましいことがわかった。
From the above results, it was found that the void presence rate at the bonding interface between the first adhesive portion of the adhesive layer and the porous diffusion resistance layer is preferably 70% or less. And it turned out that the effect which prevents generation | occurrence | production of a crack is fully acquired by making a void presence rate into 70% or less.
Moreover, it turned out that it is preferable that the void presence rate in the interface of the 1st adhesion part of a contact bonding layer and a non-porous intermediate | middle layer is 20% or less.
1 ガスセンサ素子
11 固体電解質体
12 被測定ガス側電極
13 基準ガス側電極
16 中間層
169 中空部
17 拡散抵抗層
172 第2表面(中間層側の面)
2 接着層
21 第1接着部
211 内周部
22 第2接着部
221 内周端部
222 露出面
DESCRIPTION OF
2
Claims (6)
上記中間層と上記拡散抵抗層との間には、両者を接着するための接着層が設けられており、
該接着層は、上記中間層の上記拡散抵抗層側の面に設けられた第1接着部と、上記拡散抵抗層の上記中間層側の面に設けられた第2接着部とからなり、
上記第1接着部は、その内周部の少なくとも一部が上記第2接着部に接合されていると共に、それよりも外側の部分が上記拡散抵抗層に接合されており、
上記第2接着部は、その内周端部を上記中空部に露出させていると共に、該内周端部の露出面と上記拡散抵抗層の上記中間層側の面との間に形成される接着角が積層方向の断面において鋭角であることを特徴とするガスセンサ素子。 An oxygen ion conductive solid electrolyte body, a measured gas side electrode and a reference gas side electrode provided on one surface and the other surface of the solid electrolyte body, and the measured gas side electrode and the measured gas side electrode A porous diffusion resistance layer that allows gas to permeate; an intermediate layer provided between the solid electrolyte body and the diffusion resistance layer; and the solid electrolyte body and the diffusion resistance layer inside the intermediate layer. In a laminated type gas sensor element that is formed between and having a hollow portion for introducing a gas to be measured,
Between the intermediate layer and the diffusion resistance layer, there is provided an adhesive layer for adhering both,
The adhesive layer includes a first adhesive portion provided on the surface of the intermediate layer on the diffusion resistance layer side and a second adhesive portion provided on the surface of the diffusion resistance layer on the intermediate layer side,
The first adhesive part has at least a part of its inner periphery joined to the second adhesive part, and an outer part thereof joined to the diffusion resistance layer,
The second adhesive portion has its inner peripheral end exposed to the hollow portion, and is formed between the exposed surface of the inner peripheral end and the surface of the diffusion resistance layer on the intermediate layer side. A gas sensor element characterized in that an adhesion angle is an acute angle in a cross section in the stacking direction.
上記中空部を形成するに当たっては、固体電解質体用シートの一方の面に中間層用材料を塗布する中間層用材料塗布工程と、
上記中間層用材料の表面に、第1接着部用材料を塗布する第1接着部用材料塗布工程と、
拡散抵抗層用シートの一方の面に、第2接着部用材料を塗布する第2接着部用材料塗布工程と、
上記第1接着部用材料と上記第2接着部用材料とが向かい合うように、上記固体電解質体用シートと上記拡散抵抗層用シートとを積層する積層工程とを有し、
該積層工程では、上記第2接着部用材料の内周端部を露出させた状態で、上記第1接着部用材料の内周部の少なくとも一部を上記第2接着部用材料に接合し、それよりも外側の部分を上記拡散抵抗層用シートに接合することを特徴とするガスセンサ素子の製造方法。 A method for producing the gas sensor element according to any one of claims 1 to 4,
In forming the hollow portion, the intermediate layer material application step of applying the intermediate layer material on one surface of the solid electrolyte sheet,
A first adhesive portion material application step of applying a first adhesive portion material on the surface of the intermediate layer material;
A second adhesive portion material application step of applying a second adhesive portion material to one surface of the diffusion resistance layer sheet;
A laminating step of laminating the solid electrolyte body sheet and the diffusion resistance layer sheet so that the first adhesive portion material and the second adhesive portion material face each other;
In the laminating step, at least a part of the inner peripheral portion of the first adhesive portion material is bonded to the second adhesive portion material in a state where the inner peripheral end portion of the second adhesive portion material is exposed. A method for producing a gas sensor element, comprising bonding a portion on the outer side to the diffusion resistance layer sheet.
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