JP5693421B2 - Laminated gas sensor element and laminated gas sensor - Google Patents

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Description

本発明は、内燃機関等からの排気ガスに含まれる特定ガス成分を測定するための積層型ガスセンサ素子およびそれを用いた積層型ガスセンサに関するもので、特に、ジルコニア系固体電解質板とアルミナ系絶縁板を接合した積層型ガスセンサ素子の信頼性向上に関するものである。   The present invention relates to a laminated gas sensor element for measuring a specific gas component contained in exhaust gas from an internal combustion engine or the like, and a laminated gas sensor using the same, and more particularly to a zirconia solid electrolyte plate and an alumina insulating plate. It is related with the reliability improvement of the laminated | stacked type gas sensor element which joined.

内燃機関用の排気ガスセンサは、一般に、イオン導電性固体電解質板の両面に、一対の測定電極を形成し、ガス導入通路やヒータ部を形成する絶縁板を接合した積層型ガスセンサ素子にて構成される。一般に、固体電解質板にはジルコニア系材料が、絶縁板にはアルミナ系材料が用いられるが、異種材料の接合となることから、熱膨張率差により層間に発生する応力への対応が課題となっている。   An exhaust gas sensor for an internal combustion engine is generally composed of a laminated gas sensor element in which a pair of measurement electrodes are formed on both surfaces of an ion conductive solid electrolyte plate and an insulating plate that forms a gas introduction passage and a heater is joined. The In general, zirconia-based materials are used for solid electrolyte plates and alumina-based materials are used for insulating plates. However, since different materials are joined, it is necessary to cope with the stress generated between the layers due to the difference in thermal expansion coefficient. ing.

このような積層型ガスセンサ素子の従来技術として、特許文献1には、固体電解質板と通気路形成板と絶縁層とヒータ基体を一体焼成する際に、平均粒径が2.0μm以下のジルコニア粉末と該ジルコニア粉末に対して5〜7mol%のイットリアと0〜5wt%のアルミナからなるジルコニア系固体電解質板の生シートと、平均粒径1.0μm以下のアルミナ粉末と該アルミナ粉末に対して0〜10wt%のジルコニアまたはイットリア部分安定化ジルコニアからなるアルミナ系ヒータ基体の生シートを用い、これらの間に通気路形成板と絶縁層を挟み込んで、焼成することが開示されている。   As a prior art of such a laminated gas sensor element, Patent Document 1 discloses a zirconia powder having an average particle size of 2.0 μm or less when integrally firing a solid electrolyte plate, an air passage forming plate, an insulating layer, and a heater base. And a raw sheet of a zirconia-based solid electrolyte plate composed of 5-7 mol% yttria and 0-5 wt% alumina with respect to the zirconia powder, an alumina powder having an average particle size of 1.0 μm or less, and 0 with respect to the alumina powder. It is disclosed that a raw sheet of an alumina heater base made of -10 wt% zirconia or yttria partially stabilized zirconia is used, and an air passage forming plate and an insulating layer are sandwiched between them to be fired.

ガスセンサ素子に用いられる複合材料として、特許文献2には、平均粒径が0.7〜1.8μmのアルミナ粒子のマトリクスに、粒径0.15μm以下のナノジルコニア粒子を分散させてなり、両者の含有量比が80:20〜95:5であり、相対密度が93%以上の複合セラミック体が開示されている。この複合セラミック体は、例えば、ガスセンサ素子の、ガス室形成板、拡散層、ヒータシート、絶縁層、接着層を構成する。   As a composite material used for a gas sensor element, in Patent Document 2, nano zirconia particles having a particle size of 0.15 μm or less are dispersed in a matrix of alumina particles having an average particle size of 0.7 to 1.8 μm. A composite ceramic body having a content ratio of 80:20 to 95: 5 and a relative density of 93% or more is disclosed. This composite ceramic body constitutes, for example, a gas chamber forming plate, a diffusion layer, a heater sheet, an insulating layer, and an adhesive layer of a gas sensor element.

特許文献3には、固体電解質体と、絶縁体と、固体電解質体を挟むように形成された一対の電極を備え、固体電解質体または絶縁体が100nm以下のナノ粒子を0.1〜20wt%含むガスセンサ素子が開示されている。絶縁体は、ガス室、拡散層、ヒータ等を構成するシートおよびシートに印刷形成される絶縁層、接着層を含む。   Patent Document 3 includes a solid electrolyte body, an insulator, and a pair of electrodes formed so as to sandwich the solid electrolyte body, and the solid electrolyte body or the insulator has 0.1 to 20 wt% of nanoparticles having a size of 100 nm or less. A gas sensor element is disclosed. The insulator includes a sheet constituting a gas chamber, a diffusion layer, a heater, and the like, an insulating layer printed on the sheet, and an adhesive layer.

特開平6−300731号公報JP-A-6-300731 特開2010−24128号公報JP 2010-24128 A 特開2007−298490号公報JP 2007-298490 A

特許文献1のガスセンサ素子は、ジルコニア系固体電解質板にアルミナを、アルミナ系ヒータ基体にジルコニアまたはイットリア部分安定化ジルコニアを添加することにより、熱膨張率差を小さくして、応力の発生を抑制している。ところが、アルミナ系ヒータ基体にイットリア部分安定化ジルコニアを添加すると、イットリア部分安定化ジルコニアが導電性を有するために、ヒータ部の耐電圧が低下する問題がある。   In the gas sensor element of Patent Document 1, alumina is added to a zirconia solid electrolyte plate, and zirconia or yttria partially stabilized zirconia is added to an alumina heater base, thereby reducing the difference in thermal expansion and suppressing the generation of stress. ing. However, when yttria partially stabilized zirconia is added to the alumina-based heater base, yttria partially stabilized zirconia has conductivity, which causes a problem that the withstand voltage of the heater portion is lowered.

一方、安定化剤を添加しないジルコニアは、単斜晶、正方晶、立方晶の3つの結晶系を有し、昇降温時に相変態に伴う体積変化を起こすことが知られている。このため、ジルコニアをアルミナ系ヒータ基体に添加すると、ジルコニアの相変態に伴う体積変化で、アルミナ系ヒータ基体に亀裂が発生する要因となる。   On the other hand, zirconia to which no stabilizer is added has three crystal systems of monoclinic, tetragonal and cubic crystals, and is known to cause a volume change due to phase transformation when the temperature is raised and lowered. For this reason, when zirconia is added to the alumina heater substrate, the volume change accompanying the phase transformation of zirconia causes a crack in the alumina heater substrate.

さらに、ヒータ基体と積層される絶縁層は、電気絶縁性の観点からアルミナで構成されているものの、ジルコニアで構成される通気路形成板と隣接しているため、これら層間に熱膨張率差による応力が発生する。通気路形成板をアルミナで構成することも可能であるが、この場合には、ジルコニア系固体電解質板との間に、同様の問題が発生することになる。   Furthermore, although the insulating layer laminated with the heater base is made of alumina from the viewpoint of electrical insulation, it is adjacent to the air passage forming plate made of zirconia, and therefore, due to the difference in thermal expansion coefficient between these layers. Stress is generated. Although the air passage forming plate can be made of alumina, in this case, the same problem occurs with the zirconia solid electrolyte plate.

特許文献2は、ガスセンサ素子のヒータシート、絶縁層等を構成するアルミナ粒子のマトリクスに、粒界強度を向上させるために、ナノジルコニア粒子を分散させており、また、特許文献3は、固体電解質体または絶縁セラミックスのいずれかにナノ粒子を分散させて、被水時の応力に対する耐性を高めている。ところが、これらは個々の層の強度を向上する効果を得るもので、層間の剥離を防止するために各層間に接着層を介設する必要があり、構成が複雑となりやすい。   In Patent Document 2, nano-zirconia particles are dispersed in a matrix of alumina particles constituting a heater sheet of a gas sensor element, an insulating layer, etc., in order to improve the grain boundary strength, and Patent Document 3 describes a solid electrolyte. Nanoparticles are dispersed in either the body or the insulating ceramic to increase the resistance to stress when exposed to water. However, these obtain the effect of improving the strength of the individual layers, and it is necessary to interpose an adhesive layer between the layers in order to prevent delamination between layers, and the configuration tends to be complicated.

そこで、本願発明は、ジルコニア系固体電解質板とアルミナ系絶縁板の接合の信頼性を向上し、アルミナ系絶縁板の絶縁性の低下および亀裂の発生を防止することで、高品質な積層型ガスセンサ素子およびそれを用いた積層型ガスセンサを実現することを目的とする。   Therefore, the present invention improves the reliability of the joining of the zirconia solid electrolyte plate and the alumina insulating plate, and prevents the deterioration of the insulating property of the alumina insulating plate and the occurrence of cracks, thereby providing a high quality multilayer gas sensor. An object is to realize an element and a stacked gas sensor using the element.

本願請求項1の発明は、ジルコニア系固体電解質板の表面に一対の電極を設けたセンサ部を有し、上記ジルコニア系固体電解質板の少なくとも一方の面にアルミナ系絶縁板を積層して接合することにより構成された積層型ガスセンサ素子において、
上記アルミナ系絶縁板は、平均粒径が0.5〜1μmのアルミナ粒子を主成分とする基材中に、平均粒径が0.15μmより大きく0.3μm以下である結晶性のジルコニア粒子を分散させてなり、
このジルコニア粒子のうち、上記ジルコニア系固体電解質板との界面近傍に存在するジルコニア粒子の少なくとも一部が、上記ジルコニア系固体電解質板と上記アルミナ系絶縁板との接合界面層を超えてジルコニア系固体電解質板におけるジルコニア粒子と結合していることを特徴とする。
The invention of claim 1 of the present application has a sensor part in which a pair of electrodes is provided on the surface of a zirconia solid electrolyte plate, and an alumina insulating plate is laminated and bonded to at least one surface of the zirconia solid electrolyte plate. In the laminated gas sensor element constituted by
The alumina-based insulating plate includes crystalline zirconia particles having an average particle size of more than 0.15 μm and not more than 0.3 μm in a base material mainly composed of alumina particles having an average particle size of 0.5 to 1 μm. Decentralized,
Among the zirconia particles, at least a part of the zirconia particles present in the vicinity of the interface with the zirconia solid electrolyte plate exceeds the bonding interface layer between the zirconia solid electrolyte plate and the alumina insulating plate, and thus the zirconia solid. It is combined with zirconia particles in the electrolyte plate.

本願請求項2の発明は、上記アルミナ系絶縁板に分散させるジルコニア粒子の添加量を5〜20重量%としている。   In the invention of claim 2 of the present application, the amount of zirconia particles added to the alumina insulating plate is 5 to 20% by weight.

本願請求項3の発明は、上記ジルコニア系固体電解質板が、酸素イオン導電性を有する安定化ジルコニアからなり、上記結晶性のジルコニア粒子は、導電性を有しない。 In the invention of claim 3, the zirconia-based solid electrolyte plate is made of stabilized zirconia having oxygen ion conductivity, and the crystalline zirconia particles have no conductivity.

本願請求項4の発明は、上記センサ部を、上記ジルコニア系固体電解質板の一方の表面に設けた上記一対の電極の一方に基準ガスを導入し、他方の表面に設けた上記一対の電極の他方に、検出対象となる特定ガス成分を含む被測定ガスを導入する構成としている。   The invention of claim 4 of the present application introduces a reference gas into one of the pair of electrodes provided on one surface of the zirconia solid electrolyte plate, and the pair of electrodes provided on the other surface. On the other hand, it is set as the structure which introduces the to-be-measured gas containing the specific gas component used as detection object.

本願請求項5の発明は、上記請求項4の発明において、上記ジルコニア系固体電解質板の一方の表面に接する基準ガス室を設けて上記一対の電極の一方を配置するとともに、上記基準ガス室を、上記ジルコニア系固体電解質板の上記一方の表面に接合した上記アルミナ系絶縁板にて構成する。   The invention of claim 5 of the present application is the invention of claim 4 wherein a reference gas chamber in contact with one surface of the zirconia-based solid electrolyte plate is provided and one of the pair of electrodes is disposed, and the reference gas chamber is The alumina insulating plate joined to the one surface of the zirconia solid electrolyte plate.

本願請求項6の発明は、上記請求項4または5の発明において、上記ジルコニア系固体電解質板の他方の表面に接する被測定ガス室を設けて上記一対の電極の他方を配置するとともに、上記被測定ガス室を、上記ジルコニア系固体電解質板の上記他方の表面に接合した上記アルミナ系絶縁板にて構成する。   The invention of claim 6 of the present application is the invention of claim 4 or 5, wherein a gas chamber to be measured is provided in contact with the other surface of the zirconia solid electrolyte plate and the other of the pair of electrodes is disposed. The measurement gas chamber is constituted by the alumina insulating plate bonded to the other surface of the zirconia solid electrolyte plate.

本願請求項7の発明は、上記センサ部にヒータ部を積層した構成とし、上記センサ部に接するヒータ基体を、上記アルミナ系絶縁板にて構成する。   The invention of claim 7 of the present application is configured such that a heater portion is laminated on the sensor portion, and a heater base in contact with the sensor portion is constituted by the alumina insulating plate.

本願請求項8の発明は、請求項1ないし7の上記積層型ガスセンサ素子を用いたことを特徴とする積層型ガスセンサである。   The invention of claim 8 of the present application is a laminated gas sensor characterized by using the laminated gas sensor element of claims 1 to 7.

本発明者等は、アルミナ系絶縁板に分散させるジルコニアの粒径に着目し、鋭意検討を行って、請求項1の発明に到達した。すなわち、純粋なジルコニアは高温から室温に冷却する過程で、高温安定型の正方晶から低温安定型の単斜晶へ相変態する。この相変態は4%の体積膨張を伴うため、クラックが発生することが知られ、一般には、イットリア等の安定化剤を添加して室温まで正方晶を保持させることで、クラックの発生を抑え、安定化させている。   The inventors of the present invention focused on the particle size of zirconia dispersed in the alumina-based insulating plate, and conducted intensive studies to arrive at the invention of claim 1. That is, pure zirconia undergoes a phase transformation from a high temperature stable tetragonal crystal to a low temperature stable monoclinic crystal in the process of cooling from high temperature to room temperature. This phase transformation is accompanied by a volume expansion of 4%, and it is known that cracks are generated. In general, a stabilizer such as yttria is added to keep the tetragonal crystals at room temperature, thereby suppressing the generation of cracks. , Have stabilized.

この現象は、アルミナに添加したジルコニアにおいても同様である。ただし、アルミナに添加した場合は、ジルコニア粒子がアルミナ中にまばらに存在するため、ジルコニア粒子を小さくすることが可能となる。特に、ジルコニア粒子径が0.3μm以下である場合に、室温まで正方晶を保持させることが可能となり、クラックの発生が抑えられることを見出した。このメカニズムは必ずしも明確になっていないが、ジルコニア粒子径が小さくなることで、相変態により発生する応力が、周りのアルミナから受ける圧縮応力より小さいため、相変態できないものと考えられる。   This phenomenon is the same for zirconia added to alumina. However, when added to alumina, the zirconia particles are sparsely present in the alumina, so that the zirconia particles can be made smaller. In particular, it has been found that when the zirconia particle size is 0.3 μm or less, tetragonal crystals can be retained up to room temperature, and the occurrence of cracks can be suppressed. Although this mechanism is not necessarily clarified, it is considered that the phase transformation cannot be performed because the stress generated by the phase transformation is smaller than the compressive stress received from the surrounding alumina due to the small zirconia particle diameter.

さらに、アルミナに添加したジルコニア粒子は、隣接するジルコニア系固体電解質板との接合界面層を超えてジルコニア粒子が分散し、ジルコニア系固体電解質板におけるジルコニア粒子と結合する。このアンカー効果は、ジルコニア粒子径が0.15μm以下では見られず、0.15μmを超えるジルコニア粒子を用いることで、十分な接合強度が得られることが判明した。また、アルミナ系絶縁板のアルミナ粒子を、平均粒径が0.5〜1μmとすることで、原料コストを増大させることなくジルコニア粒子の相変態を抑制する十分な効果が得られる。 Furthermore, the zirconia particles added to the alumina are dispersed beyond the bonding interface layer with the adjacent zirconia solid electrolyte plate, and bonded to the zirconia particles in the zirconia solid electrolyte plate. This anchor effect is not observed when the zirconia particle diameter is 0.15 μm or less, and it has been found that sufficient bonding strength can be obtained by using zirconia particles exceeding 0.15 μm. In addition, when the alumina particles of the alumina insulating plate have an average particle size of 0.5 to 1 μm, a sufficient effect of suppressing the phase transformation of the zirconia particles can be obtained without increasing the raw material cost.

よって、本願請求項1の発明によれば、導電性のないジルコニア粒子を用いるので、アルミナ系絶縁板に耐電圧を低下させることがない。しかも、特定の粒子径範囲で分散させることで、アルミナ系絶縁板に亀裂を発生させず、かつアルミナ系絶縁板とジルコニア系固体電解質板との接合強度を向上させることができる。したがって、信頼性に優れる高品質の積層型ガスセンサ素子が得られる。   Therefore, according to the invention of claim 1 of the present application, since the non-conductive zirconia particles are used, the withstand voltage of the alumina insulating plate is not lowered. In addition, by dispersing in a specific particle size range, cracks are not generated in the alumina insulating plate, and the bonding strength between the alumina insulating plate and the zirconia solid electrolyte plate can be improved. Therefore, a high-quality multilayer gas sensor element excellent in reliability can be obtained.

本願請求項2の発明によれば、アルミナ系絶縁板に分散させるジルコニア粒子を、添加量が5〜20重量%とすることで、亀裂を発生させることなく十分な接合強度を得る効果が高まる。   According to the second aspect of the present invention, the effect of obtaining sufficient bonding strength without generating cracks is enhanced by adding 5 to 20% by weight of the zirconia particles dispersed in the alumina insulating plate.

本願請求項4の発明のように、具体的には、センサ部となるジルコニア系固体電解質板の両表面に一対の電極を配置し、その一方に基準ガス、例えば大気を導入し、他方に被測定ガスを導入する。この時、両電極に挟まれたジルコニア系固体電解質内を酸素イオンが移動する特性を利用して、被測定ガス中の特定ガス成分濃度を知ることができる。   Specifically, as in claim 4 of the present application, specifically, a pair of electrodes are arranged on both surfaces of a zirconia-based solid electrolyte plate serving as a sensor portion, a reference gas, for example, the atmosphere is introduced into one of them, and the other is covered. Introduce measurement gas. At this time, the concentration of the specific gas component in the gas to be measured can be known by utilizing the characteristic that oxygen ions move in the zirconia solid electrolyte sandwiched between both electrodes.

本願請求項5の発明のように、具体的には、ジルコニア系固体電解質板の一方の表面に接して、特定粒径のジルコニア粒子を分散させたアルミナ系絶縁板を配置し、基準ガス室を形成することで、アルミナ系絶縁板の亀裂を防止し接合強度を高める上記効果が得られる。   Specifically, as in claim 5 of the present application, specifically, an alumina insulating plate in which zirconia particles having a specific particle diameter are dispersed is disposed in contact with one surface of the zirconia solid electrolyte plate, and the reference gas chamber is formed. By forming, the above-mentioned effect of preventing cracking of the alumina insulating plate and increasing the bonding strength can be obtained.

本願請求項6の発明のように、さらには、ジルコニア系固体電解質板の他方の表面に接して、特定粒径のジルコニア粒子を分散させたアルミナ系絶縁板を配置し、被測定ガス室を形成することで、アルミナ系絶縁板の亀裂を防止し接合強度を高める同様の効果が得られる。   As in the invention of claim 6 of the present application, an alumina insulating plate in which zirconia particles having a specific particle diameter are dispersed is disposed in contact with the other surface of the zirconia solid electrolyte plate to form a gas chamber to be measured. By doing so, the same effect can be obtained that prevents cracking of the alumina insulating plate and increases the bonding strength.

本願請求項7の発明のように、センサ部にヒータ部を積層した構成とすることができ、センサ部を早期に活性化することができる。この時、センサ部に接するヒータ基体を、特定粒径のジルコニア粒子を分散させたアルミナ系絶縁板とすれば、センサ部のアルミナ系絶縁板と一体的に構成することができ、応力の発生を抑制する効果が高い。   As in the invention of claim 7 of the present application, the heater can be laminated on the sensor unit, and the sensor unit can be activated at an early stage. At this time, if the heater base in contact with the sensor unit is an alumina insulating plate in which zirconia particles having a specific particle size are dispersed, it can be configured integrally with the alumina insulating plate of the sensor unit, and stress generation can be prevented. High suppression effect.

本願請求項8の発明のように、このような積層型ガスセンサ素子は、積層型ガスセンサとして、例えば内燃機関の排気ガスセンサ等に好適に用いられる。   As in the invention of claim 8 of the present application, such a stacked gas sensor element is suitably used as a stacked gas sensor, for example, an exhaust gas sensor of an internal combustion engine.

本発明の第1の実施形態における積層型ガスセンサ素子の主要部構成を示す拡大断面図である。It is an expanded sectional view showing the principal part composition of the lamination type gas sensor element in a 1st embodiment of the present invention. 積層型ガスセンサ素子が適用される排気ガスセンサの全体構成を示す図である。It is a figure which shows the whole structure of the exhaust gas sensor to which a laminated | stacked gas sensor element is applied. (a)は、本発明実施例で作製した試料におけるアルミナ系絶縁板へのジルコニア粒子の分散状態を示す模式図であり、(b)は、比較試料におけるアルミナ系絶縁板へのジルコニア粒子の分散状態を示す模式図である。(A) is a schematic diagram which shows the dispersion | distribution state of the zirconia particle to the alumina type insulation board in the sample produced in the Example of this invention, (b) is a dispersion | distribution of the zirconia particle to the alumina type insulation board in a comparative sample. It is a schematic diagram which shows a state. 本発明実施例で作製した積層型ガスセンサ素子におけるアルミナ系絶縁板とジルコニア系固体電解質板の界面近傍の粒子状態を示す走査型電子顕微鏡(SEM)による図面代用写真である。It is a drawing substitute photograph by the scanning electron microscope (SEM) which shows the particle | grain state of the interface vicinity of the alumina type insulation board and zirconia type solid electrolyte board in the multilayer gas sensor element produced in this invention Example.

以下に、本発明を、図面を参照しながら詳細に説明する。図1は、本発明の第1の実施形態における積層型ガスセンサ素子1の概略構成を示す図であり、図2は、積層型ガスセンサ素子1を含む排気ガスセンサSの全体構成を示す図である。積層型ガスセンサとしての排気ガスセンサSは、例えば、内燃機関としての自動車エンジンの排気管に設置されて、被測定ガスである排気ガス中に含まれる特定ガス成分濃度、例えば、酸素濃度、空燃比、NOx濃度等を検出するセンサとして使用することができる。   Hereinafter, the present invention will be described in detail with reference to the drawings. FIG. 1 is a diagram showing a schematic configuration of a multilayer gas sensor element 1 according to the first embodiment of the present invention, and FIG. 2 is a diagram showing an overall configuration of an exhaust gas sensor S including the multilayer gas sensor element 1. The exhaust gas sensor S as the stacked gas sensor is installed in, for example, an exhaust pipe of an automobile engine as an internal combustion engine, and a specific gas component concentration contained in the exhaust gas that is a measurement gas, for example, oxygen concentration, air-fuel ratio, It can be used as a sensor for detecting NOx concentration and the like.

図2において、排気ガスセンサSは、図示しない排気管壁に取り付けられる筒状ハウジングH1と、ハウジングH1内に絶縁保持される積層型ガスセンサ素子1を有している。積層型ガスセンサ素子1は、細長い板状で、中央部がハウジングH1内に配置した筒状絶縁体H2内に保持され、積層型ガスセンサ素子1の先端部(図の下端部)は、ハウジングH1下端に固定される素子カバーH3内に収容されている。ハウジングH1上端には大気カバーH3が固定され、図示しない外部の制御回路に接続されるリード線S1が大気カバーH4内に延出している。   In FIG. 2, the exhaust gas sensor S has a cylindrical housing H1 attached to an exhaust pipe wall (not shown) and a laminated gas sensor element 1 insulated and held in the housing H1. The laminated gas sensor element 1 has a long and narrow plate shape, and a central portion is held in a cylindrical insulator H2 disposed in the housing H1. It is accommodated in the element cover H3 fixed to. An atmospheric cover H3 is fixed to the upper end of the housing H1, and a lead wire S1 connected to an external control circuit (not shown) extends into the atmospheric cover H4.

リード線S1の延出端に設けられる金属端子は、積層型ガスセンサ素子1の基端部(図の上端部)を両側から挟むように保持している。これにより、積層型ガスセンサ素子1の基端部に設けた端子部S2と導通して、センサ信号の入出力を可能にしている。大気カバーH4と積層型ガスセンサ素子1の基端部との間には、筒状絶縁体H5が充填されている。   The metal terminal provided at the extending end of the lead wire S1 holds the base end portion (upper end portion in the figure) of the multilayer gas sensor element 1 so as to sandwich it from both sides. Thereby, it conducts with terminal part S2 provided in the base end part of lamination type gas sensor element 1, and enables input and output of a sensor signal. A cylindrical insulator H5 is filled between the air cover H4 and the base end portion of the multilayer gas sensor element 1.

排気管内に突出する素子カバーH3は内外二重の有底筒構造で、内筒H6、外筒H7の側壁および底壁にそれぞれ排気口H61、H71が設けられる。これにより、排気管内を流通する特定ガスを含む排気ガスを、積層型ガスセンサ素子1の先端部が位置する素子カバーH3の内部に取り込むことができる。一方、排気管外部に露出する筒状部材H4の上端部には、側壁に大気口H8が形成されており、積層型ガスセンサ素子1の基端側から内部に大気を導入可能となっている。   The element cover H3 projecting into the exhaust pipe has an inner / outer double bottomed cylinder structure, and exhaust ports H61 and H71 are provided on the side wall and the bottom wall of the inner cylinder H6 and the outer cylinder H7, respectively. Thereby, the exhaust gas containing the specific gas flowing through the exhaust pipe can be taken into the element cover H3 where the tip of the stacked gas sensor element 1 is located. On the other hand, an air inlet H8 is formed in the side wall at the upper end of the cylindrical member H4 exposed to the outside of the exhaust pipe, and the air can be introduced into the inside from the base end side of the laminated gas sensor element 1.

図1は、積層型ガスセンサ素子1の先端部を拡大して示すもので、積層型ガスセンサ素子1は、ジルコニア系固体電解質板11を有するセンサ部2と、センサ部2を加熱するためのヒータ部3と、センサ部2に導入される被測定ガスの量を制御するための拡散抵抗層4からなる。センサ部2は、ジルコニア系固体電解質板11の一方の面側(図の下側)表面に、基準ガス側電極12を形成するとともに、他方の面側(図の上側)表面に、被測定ガス側電極13を形成して、一対の電極としている。ヒータ部3は、センサ部2の下面側に積層され、拡散抵抗層4は、センサ部2の上面側に積層されている。   FIG. 1 is an enlarged view of a tip portion of a multilayer gas sensor element 1. The multilayer gas sensor element 1 includes a sensor unit 2 having a zirconia-based solid electrolyte plate 11 and a heater unit for heating the sensor unit 2. 3 and a diffusion resistance layer 4 for controlling the amount of gas to be measured introduced into the sensor unit 2. The sensor unit 2 forms a reference gas side electrode 12 on one surface side (lower side in the figure) surface of the zirconia-based solid electrolyte plate 11, and the gas to be measured on the other side (upper side in the figure) surface. The side electrode 13 is formed as a pair of electrodes. The heater unit 3 is stacked on the lower surface side of the sensor unit 2, and the diffusion resistance layer 4 is stacked on the upper surface side of the sensor unit 2.

ジルコニア系固体電解質板11は、酸素イオン導電性を有する部分安定化ジルコニア等をシート状としたもので、その両面の対向位置に、一対の電極となる基準ガス側電極12と被測定ガス側電極13が形成される。部分安定化ジルコニアとしては、例えば、ジルコニア(ZrO)にイットリア(Y)等の安定化剤を添加したイットリア部分安定化ジルコニアが好適に使用される。ジルコニア系固体電解質板11の下側表面には、アルミナ系絶縁板であるセラミック体21が積層される。セラミック体21は、中央部に基準ガス室22を形成する溝部を有し、基準ガス室22に面して基準ガス側電極12が配置される。一方、ジルコニア系固体電解質板11の上側表面には、アルミナ系絶縁板であるスペーサ層23が積層される。スペーサ層23は、中央部に設けた溝部が被測定ガス室24を形成し、被測定ガス室24に面して被測定ガス側電極13が配置される。 The zirconia-based solid electrolyte plate 11 is a sheet of partially stabilized zirconia having oxygen ion conductivity, and a reference gas side electrode 12 and a measured gas side electrode that form a pair of electrodes at opposite positions on both sides thereof. 13 is formed. As the partially stabilized zirconia, for example, yttria partially stabilized zirconia obtained by adding a stabilizer such as yttria (Y 2 O 3 ) to zirconia (ZrO 2 ) is preferably used. A ceramic body 21 that is an alumina insulating plate is laminated on the lower surface of the zirconia solid electrolyte plate 11. The ceramic body 21 has a groove portion that forms a reference gas chamber 22 in the center, and the reference gas side electrode 12 is disposed facing the reference gas chamber 22. On the other hand, a spacer layer 23 which is an alumina insulating plate is laminated on the upper surface of the zirconia solid electrolyte plate 11. In the spacer layer 23, a groove portion provided in the center portion forms a measured gas chamber 24, and the measured gas side electrode 13 is disposed facing the measured gas chamber 24.

この時、ジルコニア系固体電解質板11の両面に、一対の電極である基準ガス側電極12および被測定ガス側電極13を設けることで、基準ガス室22と被測定ガス室24の酸素濃度差に応じた起電力が生じることから、被測定ガス中の酸素濃度を検出することができる。あるいは、基準ガス側電極12および被測定ガス側電極13間に所定の電圧を印加した時に流れる限界電流から、空燃比を検出することができる。   At this time, by providing the reference gas side electrode 12 and the measured gas side electrode 13 as a pair of electrodes on both surfaces of the zirconia-based solid electrolyte plate 11, the difference in oxygen concentration between the reference gas chamber 22 and the measured gas chamber 24 is obtained. Since a corresponding electromotive force is generated, the oxygen concentration in the gas to be measured can be detected. Alternatively, the air-fuel ratio can be detected from the limit current that flows when a predetermined voltage is applied between the reference gas side electrode 12 and the measured gas side electrode 13.

ヒータ部3は、絶縁体であるヒータ基体31に、発熱体よりなるヒータ32を埋設して構成される。本実施形態では、ヒータ基体31をアルミナ系絶縁板として、セラミック体21の下面側に一体的に設けている。また、拡散抵抗層4は、スペーサ層23の上面側に、多孔質拡散抵抗層41と、遮蔽層42を順次積層して構成される。多孔質拡散抵抗層41は、アルミナを主成分とする多孔質の焼結体であり、被測定ガスが拡散により透過できるよう構成されている。遮蔽層42は、アルミナを主成分とする緻密な焼結体である。これにより、拡散抵抗層4を通過して被測定ガス室24に導入される被測定ガス量を適切に調整することができる。   The heater unit 3 is configured by embedding a heater 32 made of a heating element in a heater base 31 that is an insulator. In the present embodiment, the heater base 31 is integrally provided on the lower surface side of the ceramic body 21 as an alumina insulating plate. The diffusion resistance layer 4 is configured by sequentially laminating a porous diffusion resistance layer 41 and a shielding layer 42 on the upper surface side of the spacer layer 23. The porous diffusion resistance layer 41 is a porous sintered body whose main component is alumina, and is configured so that the gas to be measured can permeate through diffusion. The shielding layer 42 is a dense sintered body mainly composed of alumina. As a result, the amount of gas to be measured that passes through the diffusion resistance layer 4 and is introduced into the gas chamber 24 to be measured can be adjusted appropriately.

本発明の積層型ガスセンサ素子1は、センサ部2のジルコニア系固体電解質板11の少なくとも一方の面に、特定の粒径のジルコニア粒子を分散させたアルミナ系絶縁板を積層して接合した構成とする。本実施形態では、ジルコニア系固体電解質板11の両面に接合されるセラミック体21およびスペーサ層23、さらにセラミック体21と一体的に設けられるヒータ基体31を、このような特定の粒径のジルコニア粒子を分散させたアルミナ系絶縁板としている。   The laminated gas sensor element 1 of the present invention has a configuration in which an alumina insulating plate in which zirconia particles having a specific particle size are dispersed is laminated and bonded to at least one surface of a zirconia solid electrolyte plate 11 of the sensor unit 2. To do. In this embodiment, the ceramic body 21 and the spacer layer 23 bonded to both surfaces of the zirconia-based solid electrolyte plate 11, and the heater base 31 provided integrally with the ceramic body 21 are made of zirconia particles having such a specific particle size. An alumina insulating plate in which is dispersed.

アルミナ系絶縁板は、具体的には、アルミナ(Al)を主成分とする基材中に、平均粒径が0.15μmより大きく0.3μm以下であるジルコニア粒子を分散させてなる。ここで、アルミナ基材中のジルコニア粒子は、ジルコニア系固体電解質板との界面を超えて分散し、同材質のジルコニア系固体電解質板におけるジルコニア粒子と結合するアンカー効果を示す。ジルコニア粒子の平均粒径が0.15μm以下であると、十分なアンカー効果が得られず、熱サイクルを繰り返すことにより、剥離が生じるので好ましくない。また、平均粒径が0.3μmを超えると、ジルコニア粒子の相変態を抑制することができず、亀裂が生じるおそれがある。 Specifically, the alumina-based insulating plate is obtained by dispersing zirconia particles having an average particle size of more than 0.15 μm and not more than 0.3 μm in a base material mainly composed of alumina (Al 2 O 3 ). . Here, the zirconia particles in the alumina base material are dispersed beyond the interface with the zirconia solid electrolyte plate, and exhibit an anchoring effect that bonds with the zirconia particles in the zirconia solid electrolyte plate of the same material. When the average particle diameter of the zirconia particles is 0.15 μm or less, a sufficient anchor effect cannot be obtained, and peeling is caused by repeating the thermal cycle, which is not preferable. On the other hand, if the average particle size exceeds 0.3 μm, the phase transformation of zirconia particles cannot be suppressed, and cracks may occur.

アルミナ系絶縁板に添加する分散粒子は絶縁性が必要であり、本発明では、導電性がない純粋なジルコニアを用いる。イットリア等の安定化剤で部分あるいは完全安定化されたジルコニアは導電性があるため、本発明で添加する分散粒子には使用できない。ただし、純粋なジルコニアは、単斜晶と正方晶の相変態に伴い体積変化することから、アルミナ系絶縁板に亀裂が発生する要因となる。本発明では、ジルコニア粒径を0.3μm以下とすることで、この体積変化を抑制し、亀裂の発生を抑制する。   The dispersed particles added to the alumina-based insulating plate must have insulating properties. In the present invention, pure zirconia having no electrical conductivity is used. Since zirconia partially or completely stabilized with a stabilizer such as yttria is electrically conductive, it cannot be used for the dispersed particles added in the present invention. However, since pure zirconia changes in volume with monoclinic and tetragonal phase transformation, it causes cracks in the alumina insulating plate. In the present invention, by setting the zirconia particle size to 0.3 μm or less, this volume change is suppressed and the generation of cracks is suppressed.

一方、ジルコニア粒径を小さくしすぎると、アルミナ系絶縁板とジルコニア系固体電解質板を接合させる際に、アルミナ系絶縁板内のジルコニア粒子とジルコニア系固体電解質との結合によるアンカー効果が小さくなる。アンカー効果を大きくするためには、ジルコニア粒径が0.15μmを超える必要があり、本発明では、十分な接合強度が得ることで、剥離の発生を抑制する。十分な接合強度を得るためには、ジルコニア粒径を0.15μmを超える粒径が必要である。 On the other hand, if the zirconia particle size is too small, the anchor effect due to the bonding between the zirconia particles in the alumina insulating plate and the zirconia solid electrolyte is reduced when the alumina insulating plate and the zirconia solid electrolyte plate are joined. In order to increase the anchor effect, the zirconia particle size needs to exceed 0.15 μm. In the present invention, the occurrence of peeling is suppressed by obtaining sufficient bonding strength . To obtain a sufficient bonding strength, it is necessary particle size of more than 0.15μm zirconia particle size.

アルミナ系絶縁板の基材となるアルミナは、好適には、平均粒径が0.5μm〜1.0μmの範囲にあるアルミナ粒子を用いる。平均粒径が1.0μm超えると、アルミナ粒子の粒界に存在するジルコニア粒径が大きくなりやすく、相変態の抑制効果が不十分となるおそれがある。相変態の抑制効果に関しては、アルミナの平均粒径が0.5μmより小さくてもかまわないが、使用原料を微粒にする必要があるため、コストが急激に高くなる。   As alumina used as the base material of the alumina-based insulating plate, alumina particles having an average particle diameter in the range of 0.5 μm to 1.0 μm are preferably used. When the average particle size exceeds 1.0 μm, the zirconia particle size present at the grain boundaries of the alumina particles tends to be large, and the effect of suppressing phase transformation may be insufficient. Regarding the effect of suppressing the phase transformation, the average particle diameter of alumina may be smaller than 0.5 μm, but the cost increases rapidly because the raw material used needs to be made fine.

アルミナ系絶縁板の基材に添加されるジルコニア粒子は、好適には、添加量が5〜20重量%の範囲にあるとよい。添加量が5重量%よりと少ないと、ジルコニア系固体電解質板との界面層において十分なアンカー効果が得られず、熱サイクルを繰り返すことにより剥離するおそれがある。一方、ジルコニア粒子の添加量が20重量%を超えると、ジルコニア粒径が大きくなりやすいため、相変態の抑制効果が得られない。   The zirconia particles added to the substrate of the alumina insulating plate preferably have an addition amount in the range of 5 to 20% by weight. When the addition amount is less than 5% by weight, a sufficient anchor effect cannot be obtained in the interface layer with the zirconia solid electrolyte plate, and there is a possibility of peeling by repeating the thermal cycle. On the other hand, if the amount of zirconia particles added exceeds 20% by weight, the zirconia particle size tends to be large, and the effect of suppressing phase transformation cannot be obtained.

本発明の積層型ガスセンサ素子1を製造する場合、例えば、セラミック体21、スペーサ層23またはヒータ基体31となるアルミナ系絶縁板のグリーンシートは、次のようにして作製する。まず、原料となるアルミナに溶媒を添加して所定時間粉砕した後、所定量のジルコニアと、公知の分散剤、バインダ等を添加した混合スラリーを得る。この混合スラリーを真空脱泡器で脱泡し、スラリー粘度を所定の粘度に調整して、公知のドクターブレード法により、アルミナ系シートに成形する。   When manufacturing the laminated gas sensor element 1 of the present invention, for example, a green sheet of an alumina insulating plate that becomes the ceramic body 21, the spacer layer 23, or the heater base 31 is manufactured as follows. First, after adding a solvent to the raw material alumina and pulverizing it for a predetermined time, a mixed slurry is obtained in which a predetermined amount of zirconia, a known dispersant, a binder and the like are added. The mixed slurry is defoamed with a vacuum defoamer, the slurry viscosity is adjusted to a predetermined viscosity, and the mixture is formed into an alumina sheet by a known doctor blade method.

また、ジルコニア系固体電解質板11のグリーンシートを作製するには、まず、原料のジルコニアにイットリアを添加して、乾式で混合、粉砕する。次に、このジルコニア粉末に溶媒を添加して、混合粉砕し、さらに分散剤、バインダ等を添加した混合スラリーを得る。この混合スラリーを真空脱泡器で脱泡し、スラリー粘度を所定の粘度に調整して、公知のドクターブレード法により、ジルコニア系シートに成形する。   In order to produce a green sheet of the zirconia-based solid electrolyte plate 11, first, yttria is added to the raw material zirconia, followed by dry mixing and pulverization. Next, a solvent is added to the zirconia powder, mixed and pulverized, and a mixed slurry in which a dispersant, a binder, and the like are further added is obtained. The mixed slurry is defoamed with a vacuum defoamer, the slurry viscosity is adjusted to a predetermined viscosity, and the mixture slurry is formed into a zirconia-based sheet by a known doctor blade method.

このようにして得たジルコニア系固体電解質板11のグリーンシートに、基準ガス側電極12および被測定ガス側電極13となる白金(Pt)等の電極ペーストを印刷形成した後、各層を構成するアルミナ系絶縁板その他のグリーンシートを積層して、未焼成の積層体を作製する。この未焼成積層体を脱脂した後、所定温度まで昇温して所定時間焼成することにより、積層型ガスセンサ素子1とすることができる。   The green sheet of the zirconia-based solid electrolyte plate 11 thus obtained is printed and formed with an electrode paste such as platinum (Pt) to be the reference gas side electrode 12 and the gas side electrode 13 to be measured, and then the alumina constituting each layer. An unsintered laminate is produced by laminating a system insulating plate and other green sheets. After degreasing the unfired laminate, the laminated gas sensor element 1 can be obtained by heating to a predetermined temperature and firing for a predetermined time.

本願発明の積層型ガスセンサ素子1は、ジルコニア系固体電解質板11と接合されるセラミック体21、スペーサ層23が、特定の粒径のジルコニア粒子を分散させたアルミナ系絶縁板からなるので、基材の亀裂を抑制しながら、ジルコニア系固体電解質板11との接合強度を確保することができる。また、導電性のないジルコニア粒子を分散させているので、耐電圧を低下させることがない。   In the laminated gas sensor element 1 of the present invention, the ceramic body 21 joined to the zirconia solid electrolyte plate 11 and the spacer layer 23 are made of an alumina insulating plate in which zirconia particles having a specific particle size are dispersed. The bonding strength with the zirconia solid electrolyte plate 11 can be ensured while suppressing cracks. Moreover, since the non-conductive zirconia particles are dispersed, the withstand voltage is not lowered.

さらに、セラミック体21とヒータ部3のヒータ基体31を一体的に設けており、ジルコニアより安価で、熱伝導率の高いアルミナをヒータ基材とすることで、センサ部2が活性温度に達するまでの時間を短くし、早期活性化する効果が得られる。したがって、簡易な構成で低コストであり、信頼性の高い積層型ガスセンサ素子1とすることができる。   Furthermore, the ceramic body 21 and the heater base 31 of the heater part 3 are integrally provided, and the sensor part 2 reaches the activation temperature by using alumina, which is cheaper than zirconia and has high thermal conductivity, as the heater base material. The effect of shortening the period of time and activating early is obtained. Therefore, the stacked gas sensor element 1 having a simple configuration, low cost, and high reliability can be obtained.

(実施例1〜4、比較例1〜5)
本発明の効果を確認するために、以下の方法で、ジルコニア系固体電解質板とアルミナ系絶縁板を接合した種々の試験片を作製して、分散ジルコニア粒子による接合界面の剥離およびアルミナ系絶縁板の亀裂に対する効果を調べた。
(Examples 1-4, Comparative Examples 1-5)
In order to confirm the effect of the present invention, various test pieces in which a zirconia-based solid electrolyte plate and an alumina-based insulating plate are bonded are prepared by the following method, and the separation of the bonded interface by dispersed zirconia particles and the alumina-based insulating plate are performed. The effect on the cracks was investigated.

1)ジルコニア系固体電解質板グリーンシートの製造
原料のジルコニア粉末にイットリアを約6モル%添加して、乾式で混合、粉砕した。次に、このイットリア添加ジルコニア粉末に、エタノール等の溶媒を添加し、ボールミルで24時間混合すると同時に粗大粒子を粉砕した。さらに、分散剤(ED216;楠本化成(株)製)をジルコニアに対して2重量%、バインダ(PVB;ポリビニルブチラール)7.5重量%、可塑剤(フタル酸ベンジルブチル)4.5重量%を添加して、高圧ホモジナイザで1時間混合してスラリーを得た。
1) Manufacture of zirconia-based solid electrolyte plate green sheet About 6 mol% of yttria was added to the raw material zirconia powder, and it was mixed and pulverized by a dry method. Next, a solvent such as ethanol was added to the yttria-added zirconia powder, and the coarse particles were pulverized at the same time with a ball mill for 24 hours. Furthermore, a dispersant (ED216; manufactured by Enomoto Kasei Co., Ltd.) is 2% by weight based on zirconia, a binder (PVB: polyvinyl butyral) 7.5% by weight, and a plasticizer (benzylbutyl phthalate) 4.5% by weight. The slurry was added and mixed with a high-pressure homogenizer for 1 hour to obtain a slurry.

得られた混合スラリーを真空脱泡器で脱泡し、スラリー粘度を所定の粘度に調整した。この混合スラリーを用いて、ドクターブレード法によりシート状に成形して、イットリア添加ジルコニア固体電解質板となるジルコニア系グリーンシートを得た。   The obtained mixed slurry was defoamed with a vacuum defoamer, and the slurry viscosity was adjusted to a predetermined viscosity. Using this mixed slurry, it was formed into a sheet by a doctor blade method to obtain a zirconia green sheet to be a yttria-added zirconia solid electrolyte plate.

2)アルミナ系絶縁板グリーンシートの製造
原料のアルミナ粉末(LS-412;日本軽金属(株)製)に、エタノール等の溶媒を添加したものに、サブミクロンジルコニア(平均粒径0.2μm)を、ジルコニア添加量が所定量となるように加えた。この原料粉末をボールミルで24時間混合すると同時に、粗大粒子を粉砕した。さらに、アルミナおよびジルコニアを一次粒子レベルに分散できる分散剤(ED216;楠本化成(株)製)を、アルミナとジルコニアの合計重量に対して2重量%、バインダ(PVB;ポリビニルブチラール)12.5重量%、可塑剤(フタル酸ベンジルブチル)7.5重量%を添加して、高圧ホモジナイザで1時間混合してスラリーを得た。
2) Manufacture of Alumina-based Insulating Plate Green Sheet Submicron zirconia (average particle size 0.2 μm) is added to the raw material alumina powder (LS-412; manufactured by Nippon Light Metal Co., Ltd.) and a solvent such as ethanol. The zirconia addition amount was added so as to be a predetermined amount. The raw material powder was mixed with a ball mill for 24 hours, and at the same time, coarse particles were pulverized. Further, a dispersant (ED216; manufactured by Enomoto Kasei Co., Ltd.) capable of dispersing alumina and zirconia at the primary particle level is 2% by weight based on the total weight of alumina and zirconia, and binder (PVB; polyvinyl butyral) 12.5%. % And a plasticizer (benzylbutyl phthalate) 7.5% by weight were added and mixed with a high-pressure homogenizer for 1 hour to obtain a slurry.

得られた混合スラリーを真空脱泡器で脱泡し、スラリー粘度を所定の粘度に調整した。この混合スラリーを用いて、ドクターブレード法によりシート状に成形して、アルミナ基材にジルコニア粒子を分散させたアルミナ系グリーンシートを得た。   The obtained mixed slurry was defoamed with a vacuum defoamer, and the slurry viscosity was adjusted to a predetermined viscosity. Using this mixed slurry, it was molded into a sheet by a doctor blade method to obtain an alumina green sheet in which zirconia particles were dispersed in an alumina base material.

3)試験片の製造と評価
1)で作製したジルコニア系固体電解質板のグリーンシート1枚と、2)で作製したアルミナ系絶縁板のグリーンシート1枚を、冷間等方圧プレス(CIP)で85℃、50MPaで接着した。これを20mm×10mmに切断したものを、1450℃で焼成して、表1に示す種々の試験片を作製した(実施例1〜4、比較例1〜5)。なお、表1において、ジルコニア粒径、ジルコニア添加量は、アルミナ系絶縁板に分散するジルコニア粒子の平均粒径、添加量であり、アルミナ粒径は、アルミナ系絶縁板の基材となるアルミナ粒子の平均粒径である。
3) Manufacture and evaluation of test piece Cold isostatic pressing (CIP) with one green sheet of zirconia solid electrolyte plate prepared in 1) and one green sheet of alumina insulating plate prepared in 2) Was bonded at 85 ° C. and 50 MPa. What cut | disconnected this to 20 mm x 10 mm was baked at 1450 degreeC, and the various test pieces shown in Table 1 were produced (Examples 1-4, Comparative Examples 1-5). In Table 1, the zirconia particle size and the added amount of zirconia are the average particle size and added amount of zirconia particles dispersed in the alumina-based insulating plate, and the alumina particle size is the alumina particles serving as the base material of the alumina-based insulating plate. The average particle size.

これら試験片を用い、分散ジルコニア粒子によるアンカー効果、相変態に対する効果を、以下のように評価した。実施例1〜4、比較例1〜5の試験片を、炉内で室温から1000℃まで温度を上げ(昇温速度150℃/h)、その後、炉冷で室温まで冷却する熱サイクルを50回繰り返した。熱サイクル後のアンカー効果を確認するため、超音波探傷計(50MHz)を用い、ジルコニア系固体電解質板とアルミナ系絶縁板の接合界面における剥離の有無を調べた。剥離が認められない場合を○、剥離が認められた場合を×として、それぞれ結果を表1に併記した。   Using these test pieces, the anchor effect and phase transformation effect of the dispersed zirconia particles were evaluated as follows. The heat cycle which raises temperature from Example 1-4 to Comparative Example 1-5 from room temperature to 1000 degreeC in a furnace (temperature increase rate of 150 degreeC / h), and cools to room temperature by furnace cooling after that is 50. Repeated times. In order to confirm the anchor effect after the thermal cycle, an ultrasonic flaw meter (50 MHz) was used to examine the presence or absence of peeling at the joint interface between the zirconia solid electrolyte plate and the alumina insulating plate. The results are also shown in Table 1 with ◯ when no peeling was observed and x when peeling was observed.

また、相変態に対する効果は、熱サイクル後の各試験片を染色液に浸し、真空脱気した後に、水洗、乾燥したものについて、電子顕微鏡観察により亀裂の有無を調べた。亀裂が認められない場合を○、亀裂が認められた場合を×として、それぞれ結果を表1に併記した。   In addition, the effect on the phase transformation was examined by observing with an electron microscope whether or not each test piece after thermal cycling was immersed in a dyeing solution, vacuum degassed, washed with water and dried. The results are also shown in Table 1, with ◯ indicating no cracks and x indicating cracks.

表1に明らかなように、ジルコニア粒径が0.15μmの比較例1では、熱サイクル後に剥離が見られ、十分なアンカー効果が得られていない。これに対して、ジルコニア粒径が0.16〜0.30μmの実施例1〜4では、熱サイクル後に剥離、亀裂とも観察されなかった。また、ジルコニア粒径が0.41μmの比較例2では、剥離は見られないものの、亀裂が確認され、相変態の抑制効果が得られなかった。   As is apparent from Table 1, in Comparative Example 1 having a zirconia particle size of 0.15 μm, peeling was observed after the thermal cycle, and a sufficient anchor effect was not obtained. In contrast, in Examples 1 to 4 having a zirconia particle size of 0.16 to 0.30 μm, neither peeling nor cracking was observed after the thermal cycle. In Comparative Example 2 having a zirconia particle size of 0.41 μm, no peeling was observed, but cracks were confirmed, and the effect of suppressing phase transformation was not obtained.

また、表1において、また、ジルコニア添加量が2重量%と少ない比較例3では、熱サイクル後に剥離が見られ、アンカー効果が不十分であることがわかった。一方、ジルコニア添加量が25重量%と多い比較例4では、熱サイクル後に亀裂が観察された。これは添加量が多いとジルコニア粒径が大きくなるために、相変態の抑制効果が得られないものと推測される。さらに、アルミナ粒径が1.3μmと大きい比較例5においても、ジルコニア粒径が大きくなっており、このため、相変態の抑制効果が得られない。   Further, in Table 1, in Comparative Example 3 where the amount of zirconia added was as small as 2% by weight, peeling was observed after the thermal cycle, indicating that the anchor effect was insufficient. On the other hand, in Comparative Example 4 where the amount of zirconia added was as large as 25% by weight, cracks were observed after the thermal cycle. This is presumed that the effect of suppressing the phase transformation cannot be obtained because the zirconia particle size becomes large when the addition amount is large. Further, in Comparative Example 5 where the alumina particle size is as large as 1.3 μm, the zirconia particle size is large, so that the effect of suppressing the phase transformation cannot be obtained.

以上の結果から、アルミナ系絶縁板に添加されるジルコニア粒径が0.15μmより大きく0.30μm以下となるようにすれば、アンカー効果と相変態の抑制効果が両立可能であることがわかる。図3(a)、(b)は、実施例1のアルミナ系絶縁板および比較例2のアルミナ系絶縁板について、それぞれ電子顕微鏡観察により、アルミナ基材に分散するジルコニア粒子の状態を模式図に表したものである。図3(a)に明らかなように、本発明の実施例1の構成では、ジルコニア粒子がアルミナ粒子の粒界に分散して存在しており、亀裂の発生も見られない。これに対して、図3(b)の比較例2の構成では、粒界に存在するジルコニア粒径が大きく、基材であるアルミナ粒子に亀裂が発生している。   From the above results, it can be seen that if the zirconia particle size added to the alumina insulating plate is greater than 0.15 μm and less than or equal to 0.30 μm, both the anchor effect and the effect of suppressing phase transformation can be achieved. FIGS. 3A and 3B are schematic views showing the state of the zirconia particles dispersed in the alumina base material by observation with an electron microscope for the alumina insulating plate of Example 1 and the alumina insulating plate of Comparative Example 2, respectively. It is a representation. As is clear from FIG. 3A, in the configuration of Example 1 of the present invention, the zirconia particles are dispersed in the grain boundaries of the alumina particles, and no cracks are observed. On the other hand, in the structure of the comparative example 2 of FIG.3 (b), the zirconia particle size which exists in a grain boundary is large, and the crack has generate | occur | produced in the alumina particle | grains which are base materials.

純粋なジルコニアは、高温から室温に冷却する過程で、高温安定型の正方晶から低温安定型の単斜晶へ相変態する際に、4%程度の体積膨張を起こす。この現象は、アルミナに添加したジルコニアにおいても同様であり、図3(b)の比較例2では、相変態により発生する応力で、周りのアルミナに亀裂が発生したと考えられる。一方、図3(a)の実施例1では、ジルコニア粒子径が0.16μmと小さいために、相変態により発生する応力が、周りのアルミナから受ける圧縮応力より小さく、結果的に相変態が抑制されるものと考えられる。   Pure zirconia causes a volume expansion of about 4% during phase transformation from a high temperature stable tetragonal crystal to a low temperature stable monoclinic crystal in the process of cooling from high temperature to room temperature. This phenomenon is the same for zirconia added to alumina. In Comparative Example 2 in FIG. 3B, it is considered that cracks occurred in the surrounding alumina due to the stress generated by the phase transformation. On the other hand, in Example 1 of FIG. 3A, since the zirconia particle diameter is as small as 0.16 μm, the stress generated by the phase transformation is smaller than the compressive stress received from the surrounding alumina, and consequently the phase transformation is suppressed. It is considered to be done.

また、図4は、実施例1の試験片について、ジルコニア系固体電解質板とアルミナ系絶縁板の接合界面の状態を示す電子顕微鏡写真である。図4に明らかなように、接合界面の近傍では、アルミナ系絶縁板に添加されたジルコニア粒子が、接合界面を超えてジルコニア系固体電解質板の基材と結合している。これにより、接合強度を向上させて、熱サイクルを繰り返しても剥離を抑制できるものと考えられる。   FIG. 4 is an electron micrograph showing the state of the bonding interface between the zirconia solid electrolyte plate and the alumina insulating plate for the test piece of Example 1. As is clear from FIG. 4, in the vicinity of the bonding interface, the zirconia particles added to the alumina insulating plate are bonded to the base material of the zirconia solid electrolyte plate beyond the bonding interface. Thereby, it is considered that the bonding strength can be improved and peeling can be suppressed even if the heat cycle is repeated.

本願発明の積層型ガスセンサ素子1は、上記図1の実施形態の構成に限らず、ジルコニア系固体電解質板とアルミナ系絶縁板を接合して構成されるガスセンサ素子に適用することができる。また、センサ部2、ヒータ部3、拡散抵抗層4の構成を変更したり、他の構成を追加することもできる。   The laminated gas sensor element 1 of the present invention is not limited to the configuration of the embodiment of FIG. 1 but can be applied to a gas sensor element configured by joining a zirconia solid electrolyte plate and an alumina insulating plate. Moreover, the structure of the sensor part 2, the heater part 3, and the diffused resistance layer 4 can be changed, and another structure can also be added.

本発明の積層型ガスセンサ素子は、内燃機関の排気ガスセンサとして、例えば排気ガス中の酸素濃度、空燃比、NOx濃度等を検出するために使用することができる。この時、排気管のように温度変化の激しい環境に配置されても、長期に渡り高い信頼性を発揮するので、利用価値が高い。また、内燃機関に限らず、種々の分野において特定ガス成分を検出するための積層型ガスセンサに利用することももちろんできる。   The laminated gas sensor element of the present invention can be used as an exhaust gas sensor for an internal combustion engine, for example, to detect oxygen concentration, air-fuel ratio, NOx concentration, etc. in exhaust gas. At this time, even if it is placed in an environment where the temperature changes drastically, such as an exhaust pipe, it exhibits high reliability over a long period of time, and thus has high utility value. Of course, the present invention can be applied to a stacked gas sensor for detecting a specific gas component in various fields as well as the internal combustion engine.

S 排気ガスセンサ(積層型ガスセンサ)
H ハウジング
1 積層型ガスセンサ素子
11 ジルコニア系固体電解質板
12 基準ガス側電極
13.被測定ガス側電極
2 センサ部
21 セラミック体(アルミナ系絶縁板)
22 基準ガス室
23 スペーサ層(アルミナ系絶縁板)
24 被測定ガス室
3 ヒータ部
31 ヒータ基体(アルミナ系絶縁板)
32 ヒータ
4 拡散抵抗層
41 多孔質拡散抵抗層
42 遮蔽層
S Exhaust gas sensor (stacked gas sensor)
H Housing 1 Multilayer Gas Sensor Element 11 Zirconia Solid Electrolyte Plate 12 Reference Gas Side Electrode 13. Measured gas side electrode 2 Sensor part 21 Ceramic body (alumina insulating plate)
22 Reference gas chamber 23 Spacer layer (alumina insulating plate)
24 Gas chamber to be measured 3 Heater section 31 Heater base (alumina insulating plate)
32 Heater 4 Diffusion resistance layer 41 Porous diffusion resistance layer 42 Shielding layer

Claims (8)

ジルコニア系固体電解質板の表面に一対の電極を設けたセンサ部を有し、上記ジルコニア系固体電解質板の少なくとも一方の面にアルミナ系絶縁板を積層して接合することにより構成された積層型ガスセンサ素子において、
上記アルミナ系絶縁板は、平均粒径が0.5〜1μmのアルミナ粒子を主成分とする基材中に、平均粒径が0.15μmより大きく0.3μm以下である結晶性のジルコニア粒子を分散させてなり、
このジルコニア粒子のうち、上記ジルコニア系固体電解質板との界面近傍に存在するジルコニア粒子の少なくとも一部が、上記ジルコニア系固体電解質板と上記アルミナ系絶縁板との接合界面層を超えてジルコニア系固体電解質板におけるジルコニア粒子と結合していることを特徴とする積層型ガスセンサ素子。
A laminated gas sensor having a sensor portion having a pair of electrodes provided on the surface of a zirconia solid electrolyte plate and laminating and bonding an alumina insulating plate on at least one surface of the zirconia solid electrolyte plate. In the element
The alumina-based insulating plate includes crystalline zirconia particles having an average particle size of more than 0.15 μm and not more than 0.3 μm in a base material mainly composed of alumina particles having an average particle size of 0.5 to 1 μm. Decentralized,
Among the zirconia particles, at least a part of the zirconia particles present in the vicinity of the interface with the zirconia solid electrolyte plate exceeds the bonding interface layer between the zirconia solid electrolyte plate and the alumina insulating plate, and thus the zirconia solid. A laminated gas sensor element characterized by being bonded to zirconia particles in an electrolyte plate.
上記アルミナ系絶縁板に分散させるジルコニア粒子の添加量が5〜20重量%である請求項1記載の積層型ガスセンサ素子。   2. The laminated gas sensor element according to claim 1, wherein the amount of zirconia particles dispersed in the alumina insulating plate is 5 to 20% by weight. 上記ジルコニア系固体電解質板は、酸素イオン導電性を有する安定化ジルコニアからなり、上記結晶性のジルコニア粒子は、導電性を有しない請求項1または2記載の積層型ガスセンサ素子。 The stacked gas sensor element according to claim 1 or 2 , wherein the zirconia-based solid electrolyte plate is made of stabilized zirconia having oxygen ion conductivity, and the crystalline zirconia particles have no conductivity . 上記センサ部を、上記ジルコニア系固体電解質板の一方の表面に設けた上記一対の電極の一方に基準ガスを導入し、他方の表面に設けた上記一対の電極の他方に、検出対象となる特定ガス成分を含む被測定ガスを導入する構成とする請求項1ないし3のいずれか1項に記載の積層型ガスセンサ素子。   A reference gas is introduced into one of the pair of electrodes provided on one surface of the zirconia-based solid electrolyte plate, and the sensor unit is identified as a detection target on the other of the pair of electrodes provided on the other surface. The stacked gas sensor element according to any one of claims 1 to 3, wherein a measurement gas containing a gas component is introduced. 上記ジルコニア系固体電解質板の一方の表面に接する基準ガス室を設けて上記一対の電極の一方を配置するとともに、上記基準ガス室を、上記ジルコニア系固体電解質板の上記一方の表面に接合した上記アルミナ系絶縁板にて構成する請求項4記載の積層型ガスセンサ素子。   The reference gas chamber is provided in contact with one surface of the zirconia solid electrolyte plate, and one of the pair of electrodes is disposed, and the reference gas chamber is joined to the one surface of the zirconia solid electrolyte plate. The multi-layer gas sensor element according to claim 4, wherein the multi-layer gas sensor element is composed of an alumina insulating plate. 上記ジルコニア系固体電解質板の他方の表面に接する被測定ガス室を設けて上記一対の電極の他方を配置するとともに、上記被測定ガス室を、上記ジルコニア系固体電解質板の上記他方の表面に接合した上記アルミナ系絶縁板にて構成する請求項4または5記載の積層型ガスセンサ素子。   A gas chamber to be measured is provided in contact with the other surface of the zirconia solid electrolyte plate, the other of the pair of electrodes is disposed, and the gas chamber to be measured is joined to the other surface of the zirconia solid electrolyte plate. 6. The laminated gas sensor element according to claim 4, wherein the laminated gas sensor element is constituted by the alumina-based insulating plate. 上記センサ部にヒータ部を積層した構成とし、上記センサ部に接するヒータ基体を、上記アルミナ系絶縁板にて構成する請求項1ないし5のいずれか1項に記載の積層型ガスセンサ素子。   The multilayer gas sensor element according to any one of claims 1 to 5, wherein a heater part is laminated on the sensor part, and a heater base in contact with the sensor part is constituted by the alumina insulating plate. 上記積層型ガスセンサ素子を用いたことを特徴とする請求項1ないし7のいずれか1項に記載の積層型ガスセンサ。   The stacked gas sensor according to claim 1, wherein the stacked gas sensor element is used.
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