JP5935548B2 - Alumina / zirconia laminated sintered body, manufacturing method thereof, and gas sensor element including alumina / zirconia laminated sintered body - Google Patents

Alumina / zirconia laminated sintered body, manufacturing method thereof, and gas sensor element including alumina / zirconia laminated sintered body Download PDF

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Description

本発明は、アルミナ/ジルコニア積層焼結体とその製造方法、並びに、アルミナ/ジルコニア積層焼結体を含むガスセンサ素子に関する。   The present invention relates to an alumina / zirconia laminated sintered body, a method for producing the same, and a gas sensor element including the alumina / zirconia laminated sintered body.

従来、内燃機関の燃焼排気流路等に設けられ、燃焼排気等の被測定ガス中に含まれる酸素濃度等の特定ガス成分を検出するガスセンサが広く用いられている。
酸素センサ、NOxセンサ、アンモニアセンサ等のガスセンサには、酸素イオン、プロトン等の特定のイオンに対して伝導性を呈する固体電解質材料からなる略平板状の固体電解質体の両面に少なくとも一対の対向電極を設け検出セルを構成している。
この種のガスセンサ素子に用いられるジルコニア等の固体電解質体は300℃以上の高温で活性状態となるため、通常は固体電解質体に積層された発熱体により加温された状態で用いられている。
このため、ガスセンサ素子に被測定対ガス中の水滴や油滴が付着すると熱衝撃によりクラックが発生する虞があった。
特に、絶縁体等として用いられているアルミナと固体電解質層として用いられている部分安定化ジルコニア(YSZ)との界面においては、熱膨張率の差による熱ストレスが大きく、クラックが発生しやすくなっている。
Conventionally, a gas sensor that is provided in a combustion exhaust passage of an internal combustion engine and detects a specific gas component such as an oxygen concentration contained in a measurement gas such as combustion exhaust has been widely used.
A gas sensor such as an oxygen sensor, a NOx sensor, or an ammonia sensor has at least a pair of counter electrodes on both sides of a substantially flat solid electrolyte body made of a solid electrolyte material that exhibits conductivity with respect to specific ions such as oxygen ions and protons. To form a detection cell.
Since a solid electrolyte body such as zirconia used for this type of gas sensor element becomes active at a high temperature of 300 ° C. or higher, it is usually used in a state heated by a heating element laminated on the solid electrolyte body.
For this reason, when water droplets or oil droplets in the gas to be measured adhere to the gas sensor element, there is a concern that cracks may occur due to thermal shock.
In particular, at the interface between alumina used as an insulator and partially stabilized zirconia (YSZ) used as a solid electrolyte layer, thermal stress due to the difference in thermal expansion coefficient is large, and cracks are likely to occur. ing.

このような問題に対して、例えば、特許文献1には、絶縁性セラミックからなる基体に対して、固体電解質層が一体に設けられたセラミック積層体であって、該固体電解質層は、ジルコニアと上記絶縁性セラミックとを含有し、該ジルコニアと該絶縁性セラミックの合計量を100質量%とした場合に、該絶縁性セラミックの含有量は10〜80質量%の範囲内であることを特徴とするセラミック積層体が開示されている。
特許文献1では、固体電解質層の表面に接合されるセラミック層の相対密度を60〜99.5%とするのが望ましいとされている。
For such a problem, for example, Patent Document 1 discloses a ceramic laminate in which a solid electrolyte layer is integrally provided on a base made of an insulating ceramic, and the solid electrolyte layer is formed of zirconia and The insulating ceramic is contained, and when the total amount of the zirconia and the insulating ceramic is 100% by mass, the content of the insulating ceramic is in the range of 10 to 80% by mass. A ceramic laminate is disclosed.
In Patent Document 1, it is desirable that the relative density of the ceramic layer bonded to the surface of the solid electrolyte layer is 60 to 99.5%.

また、特許文献2には、ジルコニア固体電解質体とヒータを付与したアルミナ基板とよりなる積層型空燃比センサ素子において、上記ジルコニア固体電解質体は5〜7モル%のイットリアを含み、C相(キュービック相)、M相(モノクリニック相)及びT相(テトラゴナル層)が混在する部分安定化ジルコニアよりなると共に、上記ジルコニア固体電解質体の相対密度は94%以上であり、焼結平均粒子径RZRは0.5〜3.0μmであり、また、上記アルミナ基板の相対密度は95%以上であり、焼結平均粒子径RALは0.5〜4.0μmであり、更に、上記部分安定化ジルコニアのM/C比は0.05〜0.25の範囲内にあることを特徴とする積層型空燃比センサ素子が開示されている。 Patent Document 2 discloses that in a stacked air-fuel ratio sensor element comprising a zirconia solid electrolyte body and an alumina substrate provided with a heater, the zirconia solid electrolyte body contains 5 to 7 mol% of yttria, and a C phase (cubic). Phase), M phase (monoclinic phase) and T phase (tetragonal layer) are mixed, and the relative density of the zirconia solid electrolyte body is 94% or more, and the sintered average particle diameter R ZR Is 0.5 to 3.0 μm, the relative density of the alumina substrate is 95% or more, the sintered average particle diameter R AL is 0.5 to 4.0 μm, and the partial stabilization is A laminated air-fuel ratio sensor element is disclosed in which the M / C ratio of zirconia is in the range of 0.05 to 0.25.

ところが、従来は、アルミナとジルコニアとが一体に積層焼成されたアルミナ/ジルコニア積層焼結体において、ジルコニアの焼結密度を高くすることによって、アルミナ/ジルコニア積層焼結体の強度を高くできると考えられていたが、本発明者等の鋭意試験により、アルミナ/ジルコニア積層焼結体において、アルミナの相対密度が94%以上の時に、ジルコニアの相対密度を95%より高くとすると、ジルコニア単体の機械的強度は高くなるのにも拘わらず、アルミナ/ジルコニア積層焼結体の実効強度は、却って低くなり、ジルコニアの相対密度を84%以上、95%以下の範囲に調整することによってアルミナ/ジルコニア積層焼結体の実効強度を高くできるが判明した。
これは、ジルコニアの相対密度が高くなるにしたがって、理論強度が高くなる反面、内部の残留応力も大きくなり、理論強度と残留応力との差が小さくなるため、却って実強度が低下するためと推察される。
However, conventionally, in an alumina / zirconia laminated sintered body in which alumina and zirconia are integrally laminated and fired, the strength of the alumina / zirconia laminated sintered body can be increased by increasing the sintered density of zirconia. However, as a result of intensive studies by the present inventors, when the relative density of alumina is 94% or more and the relative density of zirconia is higher than 95% in the alumina / zirconia laminated sintered body, The effective strength of the alumina / zirconia laminated sintered body is reduced despite the increase in the mechanical strength, and the alumina / zirconia laminate is adjusted by adjusting the relative density of zirconia to the range of 84% to 95%. It has been found that the effective strength of the sintered body can be increased.
This is presumed to be because the theoretical strength increases as the relative density of zirconia increases, but the internal residual stress also increases and the difference between the theoretical strength and the residual stress decreases, so the actual strength decreases. Is done.

そこで、本発明は、かかる実情に鑑み、実強度の高いアルミナ/ジルコニア積層焼結体とその製造方法、並びに、アルミナ/ジルコニア積層焼結体を含むガスセンサ素子を提供することを目的とする。   Then, an object of this invention is to provide the gas sensor element containing an alumina / zirconia laminated sintered body with high actual strength, its manufacturing method, and an alumina / zirconia laminated sintered body in view of this situation.

請求項1の発明では、少なくとも、アルミナ層とジルコニア層とを積層し、一体に焼結せしめたアルミナ/ジルコニア積層焼結体であって、上記アルミナ層の相対密度が94%以上で、かつ、上記ジルコニア層の相対密度が84%以上、95%以下(ただし、上記ジルコニア層の相対密度94%以上を除く)である。 The invention of claim 1 is an alumina / zirconia laminated sintered body in which at least an alumina layer and a zirconia layer are laminated and sintered together, and the relative density of the alumina layer is 94% or more, and The relative density of the zirconia layer is 84% or more and 95% or less (excluding the relative density of 94% or more of the zirconia layer) .

請求項2の発明では、上記ジルコニア層の相対密度が87.5%以上、92.5%以下である。
請求項の発明では、上記ジルコニア層の相変態温度における上記アルミナ層の熱膨張率と上記ジルコニア層の熱膨張率との差が0.03%以下である。
In the invention of claim 2, the relative density of the zirconia layer is 87.5% or more and 92.5% or less.
In the invention of claim 3 , the difference between the thermal expansion coefficient of the alumina layer and the thermal expansion coefficient of the zirconia layer at the phase transformation temperature of the zirconia layer is 0.03% or less.

請求項の発明では、被測定ガス中の特定の成分を検出すべく、特定のイオンに対して伝導性を有する固体電解質層と、該固体電解質層の対向する面に形成した一対の電極と、内側にヒータを内蔵する絶縁層とを含むガスセンサ素子であって、上記固体電解質層が3〜8mol%のイットリアを含む部分安定化ジルコニアを主成分とするジルコニア層からなり、上記絶縁層がアルミナを主成分とするアルミナ層からなり、上記ジルコニア層と上記アルミナ層とが、請求項1〜3のいずれかに記載のアルミナ/ジルコニア積層焼結体を構成している。 In the invention of claim 4 , in order to detect a specific component in the gas to be measured, a solid electrolyte layer having conductivity with respect to a specific ion, and a pair of electrodes formed on opposing surfaces of the solid electrolyte layer, And a gas sensor element including an insulating layer containing a heater inside, wherein the solid electrolyte layer is composed of a zirconia layer mainly containing partially stabilized zirconia containing 3 to 8 mol% yttria, and the insulating layer is made of alumina. The said zirconia layer and the said alumina layer comprise the alumina / zirconia laminated sintered body in any one of Claims 1-3.

請求項の発明では、請求項1〜3のいずれかのアルミナ/ジルコニア積層焼結体の製造方法であって、少なくとも、アルミナ粉末を主原料とし、所定量の焼結助剤、結合材、可塑剤、分散剤と共に分散媒に分散せしめて、粉砕・混合工程を経て、メジアン径を1μm以下としたアルミナスラリーを用いてアルミナグリーンシートを形成するアルミナシート成形工程と、安定化剤として3〜8mol%のイットリアを含有するジルコニア粉末を主原料とし、所定量の結合材、可塑剤、分散剤と共に分散媒に分散せしめて、粉砕・混合工程を経てメジアン径を1μm以下としたジルコニアスラリーを用いてジルコニアグリーンシートを形成するジルコニアシート成形工程と、得られたアルミナグリーンシートとジルコニアグリーンシートとを積層してアルミナ/ジルコニア積層体を形成するアルミナ/ジルコニア積層工程と、得られたアルミナ/ジルコニア積層体を、1450〜1500℃の焼成温度で、1〜2hの保持時間によって一体に焼成するジルコニア焼結密度範囲限定一体焼成工程とを具備する。 The invention of claim 5 is a method for producing an alumina / zirconia laminated sintered body according to any one of claims 1 to 3 , comprising at least alumina powder as a main raw material, a predetermined amount of a sintering aid, a binder, An alumina sheet forming step of forming an alumina green sheet using an alumina slurry having a median diameter of 1 μm or less after being dispersed in a dispersion medium together with a plasticizer and a dispersing agent, and 3 to 3 as a stabilizer A zirconia slurry containing 8 mol% yttria as a main raw material, dispersed in a dispersion medium together with a predetermined amount of a binder, a plasticizer, and a dispersant, and having a median diameter of 1 μm or less through a pulverization / mixing process is used. The zirconia sheet forming process for forming the zirconia green sheet and the obtained alumina green sheet and zirconia green sheet are stacked. Zirconia sintering in which the alumina / zirconia laminate is formed to form an alumina / zirconia laminate, and the obtained alumina / zirconia laminate is integrally fired at a firing temperature of 1450 to 1500 ° C. for a holding time of 1 to 2 hours. And a density range-limited integrated firing step.

請求項の発明では、900〜1200℃の温度で、1〜2時間保持する熱膨張差緩和用加熱処理を少なくとも1回以上繰り返す熱膨張差緩和用加熱処理工程を具備する。 The invention of claim 6 includes a thermal expansion difference relaxation heat treatment step that repeats at least one thermal expansion difference relaxation heat treatment held at a temperature of 900 to 1200 ° C. for 1 to 2 hours.

本発明者等の鋭意試験により、請求項1の発明によれば、相変態温度Tc前後におけるジルコニア層の熱膨張率とアルミナ層の熱膨張率との差を小さくすると共に、アルミナ/ジルコニア積層焼結体の理論強度と焼結体内部に残留する応力との差を大きくして、実強度の向上を図ることができることが判明した。   According to the present invention, the inventors of the present invention have made it possible to reduce the difference between the thermal expansion coefficient of the zirconia layer and the thermal expansion coefficient of the alumina layer before and after the phase transformation temperature Tc, and It has been found that the actual strength can be improved by increasing the difference between the theoretical strength of the sintered body and the stress remaining in the sintered body.

請求項の発明によれば、熱衝撃に対して高い耐久性を発揮できる。 According to invention of Claim 3 , high durability with respect to a thermal shock can be exhibited.

請求項の発明によれば、熱衝撃に対して耐久性に優れたガスセンサ素子が実現できる。 According to invention of Claim 4 , the gas sensor element excellent in durability with respect to a thermal shock is realizable.

請求項の発明によれば、請求項1、又は2に記載の耐久性に優れたアルミナ/ジルコニア積層焼結体の実現が可能となる。 According to the invention of claim 5 , it is possible to realize the alumina / zirconia laminated sintered body having excellent durability according to claim 1 or 2.

請求項の発明によれば、相変態温度Tc前後におけるジルコニア層の熱膨張率とアルミナ層の熱膨張率との差を更に小さくし、アルミナ/ジルコニア積層焼結体の実強度を更に高くすることができる。 According to the invention of claim 6 , the difference between the thermal expansion coefficient of the zirconia layer and the thermal expansion coefficient of the alumina layer before and after the phase transformation temperature Tc is further reduced, and the actual strength of the alumina / zirconia laminated sintered body is further increased. be able to.

本発明の第1の実施形態におけるアルミナ/ジルコニア積層焼結体を有するガスセンサ素子の概要を示す展開斜視図。The expansion | deployment perspective view which shows the outline | summary of the gas sensor element which has an alumina / zirconia laminated sintered body in the 1st Embodiment of this invention. 本発明の第1の実施形態におけるアルミナ/ジルコニア積層焼結体の基本構成を示す断面模式図。The cross-sectional schematic diagram which shows the basic composition of the alumina / zirconia laminated sintered body in the 1st Embodiment of this invention. 本発明の第1の実施形態におけるアルミナ/ジルコニア積層焼結体の基本構成の変形例を示す断面模式図。The cross-sectional schematic diagram which shows the modification of the basic composition of the alumina / zirconia laminated sintered body in the 1st Embodiment of this invention. 本発明のアルミナ/ジルコニア積層焼結体の製造方法の概要を示すフローチャート。The flowchart which shows the outline | summary of the manufacturing method of the alumina / zirconia laminated sintered body of this invention. 本発明の効果を確認するために行った三点曲強度試験結果を示す特性図。The characteristic view which shows the three-point curvature strength test result performed in order to confirm the effect of this invention. 図4Aの結果のバラツキを示す特性図。The characteristic view which shows the variation of the result of FIG. 4A. 比較例における熱膨張率の変化を示す特性図。The characteristic view which shows the change of the thermal expansion coefficient in a comparative example. 本発明の実施例1における熱膨張率の変化を示す特性図。The characteristic view which shows the change of the thermal expansion coefficient in Example 1 of this invention. 本発明の実施例2における熱膨張率の変化を示す特性図。The characteristic view which shows the change of the thermal expansion coefficient in Example 2 of this invention. 本発明の作用効果を説明するための図であって、ジルコニア層の温度に対する内部応力の変化を示す特性図。It is a figure for demonstrating the effect of this invention, Comprising: The characteristic view which shows the change of the internal stress with respect to the temperature of a zirconia layer. 本発明の作用効果を説明するための図であって、ジルコニア層の相対密度に対する理論強度と残留応力の変化を示す特性図。It is a figure for demonstrating the effect of this invention, Comprising: The characteristic view which shows the change of theoretical strength with respect to the relative density of a zirconia layer, and a residual stress. 本発明の臨界的意義を表し、ジルコニア層の焼結密度と転移温度における熱膨張率差の関係を示す特性図。The characteristic view showing the critical significance of the present invention and showing the relationship between the sintered density of the zirconia layer and the difference in thermal expansion coefficient at the transition temperature. 本発明における二次加熱処理の熱膨張率差低減効果を示す特性図。The characteristic view which shows the thermal expansion coefficient difference reduction effect of the secondary heat processing in this invention.

図1を参照して、本発明の第1の実施形態におけるアルミナ/ジルコニア積層焼結体の例として、少なくとも、イットリア安定化ジルコニアからなり、略平板状に形成した固体電解質層100と、アルミナからなり、略平板状に形成した絶縁層(130、190)とが一体に積層され焼結されたアルミナ/ジルコニア積層焼結体を含み、被測定ガス中の特定成分を検出するガスセンサ素子1の概要について説明する。
ガスセンサ素子1は、図1に示すように、固体電解質層100と、接着層110と、測定電極120と、測定ガス室形成層130と、焼失層140と、拡散抵抗層150a、150bと、遮蔽層160と、基準電極170と、接着層180と、基準ガス室形成層190と、発熱体210、絶縁層200、220とが積層、焼成され一体となっている。
With reference to FIG. 1, as an example of the alumina / zirconia laminated sintered body in the first embodiment of the present invention, at least a solid electrolyte layer 100 made of yttria-stabilized zirconia and formed in a substantially flat plate shape, and alumina. An outline of the gas sensor element 1 including an alumina / zirconia laminated sintered body integrally laminated and sintered with a substantially flat insulating layer (130, 190) and detecting a specific component in a gas to be measured. Will be described.
As shown in FIG. 1, the gas sensor element 1 includes a solid electrolyte layer 100, an adhesive layer 110, a measurement electrode 120, a measurement gas chamber forming layer 130, a burned-out layer 140, diffusion resistance layers 150a and 150b, a shielding layer. The layer 160, the reference electrode 170, the adhesive layer 180, the reference gas chamber forming layer 190, the heating element 210, and the insulating layers 200 and 220 are laminated and fired to be integrated.

固体電解質層100は、イットリア安定化ジルコニアやカルシア安定化ジルコニア等の酸素イオン伝導性の固体電解質材料によって構成されており、84%以上、95%以下の相対密度を有するように焼成されている。
接着層110は、ジルコニアからなる固体電解質層100と、アルミナからなる測定ガス室形成層130との中間的な材質であるアルミナ/ジルコニア混合層をからなり、測定電極120を埋設するための測定電極埋設空間111が区画されており、固体電界質層100と測定ガス室形成層130とを強固に接合している。
The solid electrolyte layer 100 is made of an oxygen ion conductive solid electrolyte material such as yttria stabilized zirconia or calcia stabilized zirconia, and is fired to have a relative density of 84% or more and 95% or less.
The adhesive layer 110 includes an alumina / zirconia mixed layer, which is an intermediate material between the solid electrolyte layer 100 made of zirconia and the measurement gas chamber forming layer 130 made of alumina, and is a measurement electrode for embedding the measurement electrode 120. The embedded space 111 is partitioned, and the solid electrolyte layer 100 and the measurement gas chamber forming layer 130 are firmly joined.

測定電極層120は、Pt等の公知の電極材料から成り、測定ガス室131内に導入された被測定ガスに晒されている。
測定電極層120は、測定電極リード部121、測定側スルーホール電極123、124、測定電極端子122を介して外部に接続されている。
測定ガス室形成層130は、アルミナからなり、略平板状に形成され、94%以上の相対密度を有するように焼成されている。
The measurement electrode layer 120 is made of a known electrode material such as Pt, and is exposed to the measurement gas introduced into the measurement gas chamber 131.
The measurement electrode layer 120 is connected to the outside via the measurement electrode lead 121, the measurement side through-hole electrodes 123 and 124, and the measurement electrode terminal 122.
The measurement gas chamber forming layer 130 is made of alumina, is formed in a substantially flat plate shape, and is fired to have a relative density of 94% or more.

測定ガス室形成層130には、測定ガス室131と、測定ガス室131内に測定ガスを導入する測定ガス導入孔132a、132bとが区画されている。
測定ガス導入孔132a、132bには、所定の拡散抵抗を付与すべく、アルミナ等の多孔質材料を用いた拡散抵抗層150a、150bが形成されている。
In the measurement gas chamber forming layer 130, a measurement gas chamber 131 and measurement gas introduction holes 132a and 132b for introducing the measurement gas into the measurement gas chamber 131 are defined.
Diffusion resistance layers 150a and 150b using a porous material such as alumina are formed in the measurement gas introduction holes 132a and 132b in order to give a predetermined diffusion resistance.

焼失層140は、カーボン等、焼成によって焼失する材料を主成分とし、測定ガス室131を形成する空間内に充填され、積層工程において基準ガス室131周辺にクラックが発生するのを防止する機能を発揮し、ガスセンサ素子1の完成時には焼失している。
遮蔽層160は、アルミナからなり、略平板状に形成され、拡散抵抗層150a、150bを介することなく測定ガス室131内に被測定ガスが導入されないように、測定ガス室形成層130の表面を覆っている。
The burned-out layer 140 is mainly composed of a material that burns down by firing, such as carbon, is filled in the space forming the measurement gas chamber 131, and has a function of preventing cracks from occurring around the reference gas chamber 131 in the stacking process. Demonstrated and burned out when the gas sensor element 1 is completed.
The shielding layer 160 is made of alumina and is formed in a substantially flat plate shape. The surface of the measurement gas chamber forming layer 130 is formed so that the measurement gas is not introduced into the measurement gas chamber 131 without passing through the diffusion resistance layers 150a and 150b. Covering.

基準電極層170は、基準電極リード部171、基準側スルーホール電極173、174、175、176、基準電極端子172を介して外部に接続されている。
接着層180は、接着層110と同様、ジルコニアからなる固体電解質層100と、アルミナからなる基準ガス室形成層190との中間的な材質であるアルミナ/ジルコニア混合層をからなり、固体電解質層100と基準ガス室形成層190とを強固に接合している。
The reference electrode layer 170 is connected to the outside via a reference electrode lead portion 171, reference side through-hole electrodes 173, 174, 175, 176 and a reference electrode terminal 172.
Similar to the adhesive layer 110, the adhesive layer 180 includes an alumina / zirconia mixed layer that is an intermediate material between the solid electrolyte layer 100 made of zirconia and the reference gas chamber forming layer 190 made of alumina. And the reference gas chamber forming layer 190 are firmly bonded.

基準ガス室形成層190は、アルミナからなり、アルミナからなり、略平板状に形成され、94%以上の相対密度を有するように焼成されている。
基準ガス室形成層190には、基準電極層170側に積層され、大気を基準ガスとして素子の内側に導入する基準ガス室191が区画されている。
発熱体120は、Pt等の公知の抵抗発熱体によって形成され、発熱体リード部211a、211b、発熱体スルーホール電極213a、213b、発熱体電極端子212a、212bを介して外部に接続されている。
なお、接着層110、180を省略することもできる。
The reference gas chamber forming layer 190 is made of alumina, is made of alumina, is formed in a substantially flat plate shape, and is fired to have a relative density of 94% or more.
The reference gas chamber forming layer 190 has a reference gas chamber 191 that is laminated on the reference electrode layer 170 side and introduces air into the element as a reference gas.
The heating element 120 is formed of a known resistance heating element such as Pt, and is connected to the outside through heating element lead portions 211a and 211b, heating element through-hole electrodes 213a and 213b, and heating element electrode terminals 212a and 212b. .
Note that the adhesive layers 110 and 180 may be omitted.

本発明は、アルミナ層(130、190)とジルコニア層(100)とが積層され、一体に焼結したアルミナ/ジルコニア積層焼結体1、1aであれば、図2Aに示すような、アルミナ層(130、190)とジルコニア層(100)とを直接積層し、焼結した場合にも、図2Bに示すような、アルミナ層(130、190)とジルコニア層(100)との間に中間的な材質の接着層(アルミナ/ジルコニア混合層)(110、180)を形成した場合にも適宜採用し得るものである。
本発明において最も重要なのは、ジルコニア層の完全焼結を目指すのではなく、ジルコニア層の相対密度が84%以上、95%以下の範囲となるように調整することによって、アルミナ/ジルコニア積層焼結体の実強度の向上を図るものである。
In the present invention, if the alumina layer (130, 190) and the zirconia layer (100) are laminated and integrally sintered, the alumina layer as shown in FIG. Even when the (130, 190) and the zirconia layer (100) are directly laminated and sintered, there is an intermediate between the alumina layer (130, 190) and the zirconia layer (100) as shown in FIG. 2B. It can be appropriately employed even when an adhesive layer (alumina / zirconia mixed layer) (110, 180) made of any material is formed.
The most important thing in the present invention is not to aim for complete sintering of the zirconia layer, but by adjusting the relative density of the zirconia layer to be in the range of 84% or more and 95% or less. It is intended to improve the actual strength of the.

図3を参照して本発明のアルミナ/ジルコニア積層焼結体の製造方法の概要について説明する。
第1の工程(アルミナシート成形工程)P1では、焼成後、絶縁層(130、160、190、200、220)となるアルミナグリーンシートを作製する。
絶縁性セラミックであるアルミナ粉末を主原料とし、イットリア、シリカ、カルシア、マグネシア等を焼結助剤として、所要量のブチラール樹脂等の結合材、ジブチルフタレート等の可塑剤、非イオン性ポリエーテル、カチオン性ポリアルキレンポリアミン、アニオン性カルボン酸等の分散剤を配合する。
このとき、焼成温度1450〜1500℃、保持時間1〜2時間の条件で焼成した時の、相対密度が94%以上となるように、配合比を調整する。
なお、後述する試験においては、アルミナに1〜3内wt%のジルコニアを含有させ、その他のフラックスのような低融点の焼結助剤を特に添加せず、当該原料を水系溶媒によりスラリー化し、さらに噴霧乾燥工程を経て平均顆粒径50〜100μmの顆粒を形成する。
その後、この顆粒の解砕工程によりメジアン径を1μm以下とし、有機溶媒としてカルボン酸エステル系溶液とアルコール系溶液との混合溶液をアルミナに対し80〜90wt%、バインダーとしてボリビニルブチラールをアルミナに対し10〜20wt%、可塑剤としてフタル酸エステル系溶液をアルミナに対し5〜10Wt%の割合で調合し、24時間ボールミル混合してスラリーを作製したものを用いた。
With reference to FIG. 3, the outline | summary of the manufacturing method of the alumina / zirconia laminated sintered body of this invention is demonstrated.
In the first step (alumina sheet forming step) P1, after firing, an alumina green sheet to be an insulating layer (130, 160, 190, 200, 220) is produced.
Alumina powder, which is an insulating ceramic, is used as a main raw material, yttria, silica, calcia, magnesia and the like as a sintering aid, a required amount of a binder such as butyral resin, a plasticizer such as dibutyl phthalate, a nonionic polyether, A dispersing agent such as a cationic polyalkylene polyamine and an anionic carboxylic acid is blended.
At this time, the blending ratio is adjusted so that the relative density becomes 94% or more when fired under conditions of a firing temperature of 1450 to 1500 ° C. and a holding time of 1 to 2 hours.
In the test to be described later, alumina contains 1 to 3 wt% zirconia, and a low melting point sintering aid such as other flux is not particularly added, and the raw material is slurried with an aqueous solvent, Further, granules having an average granule diameter of 50 to 100 μm are formed through a spray drying process.
Thereafter, the median diameter is reduced to 1 μm or less by the granulation step of this granule, a mixed solution of a carboxylic acid ester solution and an alcohol solution as an organic solvent is 80 to 90 wt% with respect to alumina, and polyvinyl butyral as a binder with respect to alumina. 10 to 20 wt%, a phthalate ester solution as a plasticizer was prepared at a ratio of 5 to 10 Wt% with respect to alumina, and a slurry was prepared by ball milling for 24 hours.

ボールミル、転動ミル、高剪断ロータミキサー等の分散手段を用い、上記原料を水又は有機溶剤に分散させ、メジアン径が1μm以下のアルミナスラリーを調製し、真空脱泡により粘度調整した後、ドクターブレード法により、厚さ0.2〜0.3mmのアルミナグリーンシート(焼成により測定ガス室形成層130、遮蔽層160、基準ガス室形成層190、絶縁層200、220となる。)を作製する。
必要に応じて、アルミナグリーンシートを所定の形状に打ち抜き、重ね合わせる等して、焼成後に、測定ガス室形成層130、遮蔽層160、基準ガス室形成層190、絶縁層200、220となる層を区画する。
Using a dispersing means such as a ball mill, a rolling mill, a high shear rotor mixer, etc., the above raw materials are dispersed in water or an organic solvent, an alumina slurry having a median diameter of 1 μm or less is prepared, and the viscosity is adjusted by vacuum defoaming. An alumina green sheet having a thickness of 0.2 to 0.3 mm (by measurement, becomes the measurement gas chamber forming layer 130, the shielding layer 160, the reference gas chamber forming layer 190, and the insulating layers 200 and 220) by the blade method. .
Layers that will become the measurement gas chamber forming layer 130, the shielding layer 160, the reference gas chamber forming layer 190, and the insulating layers 200 and 220 after firing, such as by punching an alumina green sheet into a predetermined shape and overlaying as necessary. Partition.

第2の工程(ジルコニアシート成形工程)P2では、焼成後、固体電解質層(100)となるジルコニアグリーンシートを作製する。
酸素イオン伝導性セラミックであり、イットリアを3〜8mol%含有するイットリア安定化ジルコニア粉末と、所要量のブチラール樹脂等の結合材、ジブチルフタレート等の可塑剤、非イオン性ポリエーテル、カチオン性歩リアルキレンポリアミン、アニオン性カルボン酸等の分散剤を配合する。
このとき、焼成温度1450〜1500℃、保持時間1〜2時間の条件で焼成した時の、相対密度が84%以上、95%以下となり、1500℃より高い温度で焼成した時の相対密度が95%以上となるように、配合比を調整する。
なお、後述する試験においては、ジルコニアに対して、イットリア以外のフラックスのような助剤は特に添加はせず、当該原料を水系溶媒によりスラリー化し、さらに噴霧乾燥工程を経て平均顆粒径50〜100μmの顆粒を形成した。
In the second step (zirconia sheet forming step) P2, after firing, a zirconia green sheet to be a solid electrolyte layer (100) is produced.
Oxygen ion conductive ceramic, yttria-stabilized zirconia powder containing 3 to 8 mol% of yttria, a required amount of a binder such as butyral resin, a plasticizer such as dibutyl phthalate, a nonionic polyether, a cationic binder A dispersant such as an alkylene polyamine or an anionic carboxylic acid is blended.
At this time, the relative density when firing at a firing temperature of 1450 to 1500 ° C. and a holding time of 1 to 2 hours is 84% or more and 95% or less, and the relative density when firing at a temperature higher than 1500 ° C. is 95. The blending ratio is adjusted to be at least%.
In addition, in the test described later, an auxiliary agent such as a flux other than yttria is not added to zirconia, the raw material is slurried with an aqueous solvent, and an average granule diameter of 50 to 100 μm is passed through a spray drying process. Granules were formed.

その後、顆粒の解砕工程によりメジアン径を1μm以下とし、有機溶媒としてカルボン酸エステル系溶液とアルコール系水溶液との混合溶液をジルコニアに対して50〜60Wt%、バインダーとしてボリビニルブチラールをジルコニアに対し5〜10Wt%、可塑剤としてフタル酸エステル系溶液をジルコニアに対し5〜10Wt%、24時間ボールミル混合してスラリーを作製したものを用いた。
ボールミル、転動ミル、高剪断ロータミキサー等の分散手段を用い、上記原料を水又は有機溶剤に分散させ、メジアン径が1μm以下のジルコニアスラリーを調製し、真空脱泡により粘度調整した後、ドクターブレード法により、厚さ0.2〜0.3mmのジルコニアグリーンシートを作製する。
Thereafter, the median diameter is reduced to 1 μm or less by a granulation process, a mixed solution of a carboxylic acid ester-based solution and an alcohol-based aqueous solution as an organic solvent is 50 to 60 Wt% with respect to zirconia, and polyvinyl butyral as a binder with respect to zirconia. The slurry was prepared by ball milling the phthalate ester solution as a plasticizer for 5 to 10 Wt% and zirconia for 5 to 10 Wt% for 24 hours.
Using a dispersing means such as a ball mill, a rolling mill, a high shear rotor mixer, etc., the above raw materials are dispersed in water or an organic solvent, a zirconia slurry having a median diameter of 1 μm or less is prepared, and the viscosity is adjusted by vacuum defoaming. A zirconia green sheet having a thickness of 0.2 to 0.3 mm is produced by a blade method.

ここで、具体的なガスセンサの構成に応じて適宜変更し得る副工程PSUBについて簡単に説明する。
副工程PSUBでは、必要に応じて、測定電極110、基準電極170、測定ガス室形成層130、焼失層140、拡散抵抗層150a、150b、基準ガス室形成層190、発熱体210等の形成を行う。具体的には、以下の手順による。
Here, the sub-process P SUB that can be appropriately changed according to the specific configuration of the gas sensor will be briefly described.
In the sub-process P SUB , the measurement electrode 110, the reference electrode 170, the measurement gas chamber forming layer 130, the burned-out layer 140, the diffusion resistance layers 150a and 150b, the reference gas chamber forming layer 190, the heating element 210, and the like are formed as necessary. I do. Specifically, the following procedure is followed.

発熱体形成工程では、アルミナグリーシート(焼成後に絶縁層200、220となる。)の所定位置に所定のヒータパターン(発熱体210、発熱体リード部211a、211b、スルーホール電極213a、213b、発熱体通電端子212a、212b)を、白金ペースト等公知の導電性材料を用い、厚膜印刷等の公知の方法により形成する。
電極形成工程では、ジルコニアシート(焼成後に固体電解質層100となる。)の対向する表面に、所定の電極パターン(測定電極120、測定電極リード部121、基準電極170、基準電極リード部171、スルーホール電極173)を、白金ペースト等公知の導電性材料を用い、厚膜印刷等の公知の方法により形成する。
測定ガス室形成層成形工程では、アルミナグリーンシートを用いて、測定ガス室131、測定ガス導入孔132a、132bとなる部分を区画した所定形状の測定ガス室形成層130を形成する。
焼失層形成工程では、焼成により焼失するカーボン等の焼失材料と結合材を主成分とする焼失シート140を形成し、測定ガス室形成層130に設けた測定ガス室131となる空間内に埋設する。
拡散抵抗形成工程では、所定の拡散抵抗を有する多孔質の拡散抵抗層150a、150bとなる大粒径のアルミナ粉末と気孔を調整するための焼失材料等を主成分とする拡散抵抗層シートを形成し、測定ガス室形成層130の測定ガス導入孔132a、132bとなる部分に埋設する。
In the heating element forming step, predetermined heater patterns (heating element 210, heating element lead portions 211a and 211b, through-hole electrodes 213a and 213b, heat generation) are formed at predetermined positions on the alumina grease sheet (which becomes the insulating layers 200 and 220 after firing). The body conduction terminals 212a and 212b) are formed by a known method such as thick film printing using a known conductive material such as platinum paste.
In the electrode forming step, a predetermined electrode pattern (measurement electrode 120, measurement electrode lead portion 121, reference electrode 170, reference electrode lead portion 171 and through electrode is formed on the opposing surface of the zirconia sheet (which becomes the solid electrolyte layer 100 after firing). The hole electrode 173) is formed by a known method such as thick film printing using a known conductive material such as platinum paste.
In the measurement gas chamber formation layer forming step, a measurement gas chamber formation layer 130 having a predetermined shape is formed by dividing the portions to be the measurement gas chamber 131 and the measurement gas introduction holes 132a and 132b using an alumina green sheet.
In the burnt-out layer forming step, a burnt-out sheet 140 mainly composed of a burnt-out material such as carbon and a binder that is burnt down by firing is formed and embedded in a space serving as the measurement gas chamber 131 provided in the measurement gas chamber forming layer 130. .
In the diffusion resistance forming step, a diffusion resistance layer sheet mainly composed of a large-diameter alumina powder to become porous diffusion resistance layers 150a and 150b having a predetermined diffusion resistance and a burned-out material for adjusting pores is formed. Then, the measurement gas chamber forming layer 130 is embedded in the portions to be the measurement gas introduction holes 132a and 132b.

中間層形成工程では、上述のアルミナスラリーとジルコニアスラリーとを適宜混合し、アルミナ/ジルコニア混合層(111、180)となるアルミナ/ジルコニア混合スラリー、又は、アルミナ/ジルコニア混合ペーストを作成し、必要に応じて、アルミナ層とジルコニア層との境界となる位置にアルミナ/ジルコニア混合層を形成する。
このとき、ペースト状に調整したアルミナ/ジルコニア混合層を接着剤代わりに、使用しても良いし、シート状に形成したアルミナ/ジルコニア混合層を重ね合わせ、熱圧着するようにしても良い。
In the intermediate layer forming step, the above-described alumina slurry and zirconia slurry are appropriately mixed to prepare an alumina / zirconia mixed slurry or an alumina / zirconia mixed paste to be an alumina / zirconia mixed layer (111, 180). Accordingly, an alumina / zirconia mixed layer is formed at a position serving as a boundary between the alumina layer and the zirconia layer.
At this time, an alumina / zirconia mixed layer prepared in a paste form may be used instead of the adhesive, or an alumina / zirconia mixed layer formed in a sheet form may be superposed and thermocompression bonded.

第3の工程(アルミナ/ジルコニア積層工程)P3では、例えば、図1に示すように、アルミナ層として設けられた、測定ガス形成層130、遮蔽層160、基準ガス室形成層190、絶縁層200、絶縁層220と、ジルコニア層として設けられた、固体電解質層100を積層し、加熱、圧着することにより、一体のアルミナ/ジルコニア積層体であるガスセンサ素子成形体(1)を形成する。   In the third step (alumina / zirconia lamination step) P3, for example, as shown in FIG. 1, the measurement gas formation layer 130, the shielding layer 160, the reference gas chamber formation layer 190, and the insulating layer 200 provided as an alumina layer. Then, the insulating layer 220 and the solid electrolyte layer 100 provided as a zirconia layer are laminated, heated, and pressure-bonded to form a gas sensor element molded body (1) that is an integral alumina / zirconia laminate.

本発明の要部である第4の工程(ジルコニア焼結密度範囲限定一体焼成工程)P4では、得られたアルミナ/ジルコニア積層体を大気雰囲気下で、例えば、420℃で2時間保持し、脱脂した後、大気雰囲気下で、アルミナ層(130、160、190、200、220)の相対密度が94%以上で、ジルコニア層100の相対密度が85%〜95%に維持されるように、1450〜1500℃で、1〜2時間保持することによりアルミナ/ジルコニア積層焼結体であるガスセンサ素子1が得られる。
本工程においては、特に、ジルコニア層100の相対密度が95%を超えないように焼成温度、及び、時間を調整するのが重要である。
このままでも、ジルコニア層100の相対密度が85%〜95%であれば、本発明の効果を発揮し得るが、より望ましくは、後述する熱膨張差緩和用加熱処理工程P5を経ることによって確実に、アルミナ/ジルコニア積層体の実強度を高くすることができる。
In the fourth step (Zirconia sintering density range limited integral firing step) P4 which is the main part of the present invention, the obtained alumina / zirconia laminate is held in an air atmosphere at, for example, 420 ° C. for 2 hours, and degreased. After that, in the air atmosphere, the relative density of the alumina layer (130, 160, 190, 200, 220) is 94% or more, and the relative density of the zirconia layer 100 is maintained at 85% to 95%. The gas sensor element 1 which is an alumina / zirconia laminated sintered body is obtained by holding at ˜1500 ° C. for 1-2 hours.
In this step, it is particularly important to adjust the firing temperature and time so that the relative density of the zirconia layer 100 does not exceed 95%.
Even in this state, if the relative density of the zirconia layer 100 is 85% to 95%, the effect of the present invention can be exhibited, but more desirably, the heat treatment step P5 for thermal expansion difference relaxation described later is more reliably performed. The actual strength of the alumina / zirconia laminate can be increased.

本発明の要部である第5の工程(熱膨張差緩和用加熱処理工程)P5では、焼成の完了したガスセンサ素子1を、大気雰囲気下で、900〜1200℃で、1〜2時間保持する熱膨張差緩和用加熱処理を、少なくとも1回以上行う。
これにより、ジルコニアの相変態温度Tc(=460℃)におけるアルミナ層の熱膨張率とジルコニア層の熱膨張率の差をより一層小さくして(具体的には、0.03%以下とすることができる。)、理論強度と、残留応力の差が大きく高い実強度を有するアルミナ/ジルコニア積層焼結体であるガスセンサ素子1が完成する。
本発明者等の鋭意試験により、当該加熱処理を、3回程度繰り返して行うと、アルミナ層とジルコニア層との熱膨張差が最も小さくなり、5〜8回以上繰り返しても、その効果は変わらず、9回以上繰り返すと、徐々に焼結が進行し、ジルコニアの相対密度が上がってしまい、却って熱膨張差が大きくなることが判明した。
In the fifth step (heat treatment step for thermal expansion difference relaxation) P5 which is the main part of the present invention, the fired gas sensor element 1 is held at 900 to 1200 ° C. for 1 to 2 hours in an air atmosphere. The heat treatment for reducing the thermal expansion difference is performed at least once.
Thereby, the difference between the thermal expansion coefficient of the alumina layer and the thermal expansion coefficient of the zirconia layer at the phase transformation temperature Tc (= 460 ° C.) of zirconia is further reduced (specifically, 0.03% or less). The gas sensor element 1 which is an alumina / zirconia laminated sintered body having a large difference between the theoretical strength and the residual stress and a high actual strength is completed.
When the heat treatment is repeated about 3 times by the present inventors' diligent test, the difference in thermal expansion between the alumina layer and the zirconia layer becomes the smallest, and the effect changes even if the heat treatment is repeated 5 to 8 times or more. On the other hand, when it was repeated 9 times or more, it was found that the sintering progressed gradually, the relative density of zirconia increased, and the thermal expansion difference increased on the contrary.

図4A、図4Bを参照して、本発明の効果を確認するために行った三点曲強度試験結果について説明する。
アルミナグリーシートとジルコニアグリーンシートとを積層圧着し、所定形状に打ち抜いた試験片を各水準に付き10個ずつ用意し、アルミナ層の焼結密度は94%以上で、ジルコニア層の焼結密度が、相対密度で75.0%〜97.5%まで、0.5%間隔となるよう焼成温度を1400℃〜1600℃までの範囲で焼成温度を変えた試料を用意した。得られたアルミナ/ジルコニア積層焼結体について、三点曲げ強度(JIS R1601準拠)の測定を行い、その結果を図4A、図4Bに示す。
なお、図3Bは、各水準のバラツキの評価として変動係数(標準偏差σ/平均値μ)(%)を算出して比較したものである。
With reference to FIG. 4A and FIG. 4B, the result of the three-point bending strength test performed to confirm the effect of the present invention will be described.
Alumina grease sheet and zirconia green sheet are laminated and pressure-bonded, and 10 test pieces punched into a predetermined shape are prepared for each level. The sintered density of the alumina layer is 94% or more, and the sintered density of the zirconia layer is Samples were prepared in which the firing temperature was changed in the range of 1400 ° C. to 1600 ° C. so that the relative density was 75.0% to 97.5% and 0.5% intervals. The obtained alumina / zirconia laminated sintered body was measured for three-point bending strength (based on JIS R1601), and the results are shown in FIGS. 4A and 4B.
Note that FIG. 3B shows a comparison of the coefficient of variation (standard deviation σ / average value μ) (%) calculated as an evaluation of variation at each level.

図3Aに示すように、従来のジルコニア層の焼結密度が95%を超えている場合の三点曲げ強度(220MPa)を比較例とし、比較例のバラツキを考慮して、200MPa(平均値μ+3σ)以上の高い強度を発揮した場合を効果ありと判断した。
その結果、ジルコニアの相対密度を84%以上、95%以下とした場合に、アルミナ/ジルコニア積層焼結体の三点曲げ強度が、比較例よりも大きくなることが判明した。
また、図4Bに示すように、当該範囲において、アルミナ/ジルコニア積層焼結体の三点曲げ強度のバラツキも、比較例のバラツキよりも小さくなることが判明した。
As shown in FIG. 3A, the three-point bending strength (220 MPa) when the sintered density of the conventional zirconia layer exceeds 95% is used as a comparative example, and 200 MPa (average value μ + 3σ) is considered in consideration of variations in the comparative example. ) The case where the above high strength was demonstrated was judged to be effective.
As a result, it was found that when the relative density of zirconia was 84% or more and 95% or less, the three-point bending strength of the alumina / zirconia laminated sintered body was larger than that of the comparative example.
Further, as shown in FIG. 4B, it was found that within this range, the three-point bending strength variation of the alumina / zirconia laminated sintered body was also smaller than the variation of the comparative example.

次いで、図5A、図5B、図5Cを参照して、本発明の熱膨張率に対する効果について説明する。
図5Aは、比較例として、焼結密度が5.59g/cm(相対密度96.4%(YSZの理論密度を5.80とする。))のジルコニア焼結体を、ガスセンサ素子が使用される環境を模して常温から1000℃まで加熱し、1000℃から常温まで冷却した時の熱膨張率の変化と、アルミナ焼結体を常温から1000℃まで加熱し、1000℃から常温まで冷却した時の熱膨張率の変化とを重ね合わせた特性図である。
図5Aに示すように、ジルコニア焼結体の熱膨張率は、昇温時と降温時とで異なる値を示し、ヒステリシス曲線となる。
特に、ジルコニア層において相変態が起きる相変態温度Tc(460℃)前後において、アルミナの熱膨張率との差が大きく、これがストレスとなってアルミナ/ジルコニア積層焼結体にクラックを生じさせる要因となっている。
Next, the effect of the present invention on the coefficient of thermal expansion will be described with reference to FIGS. 5A, 5B, and 5C.
FIG. 5A shows, as a comparative example, a zirconia sintered body having a sintered density of 5.59 g / cm 3 (relative density 96.4% (the theoretical density of YSZ is 5.80)) used for the gas sensor element. Of the thermal expansion coefficient when heating from room temperature to 1000 ° C, and cooling from 1000 ° C to room temperature, and heating the alumina sintered body from room temperature to 1000 ° C and cooling from 1000 ° C to room temperature It is the characteristic view which piled up the change of the thermal expansion coefficient at the time of doing.
As shown in FIG. 5A, the coefficient of thermal expansion of the zirconia sintered body shows different values when the temperature is raised and when the temperature is lowered, and becomes a hysteresis curve.
In particular, before and after the phase transformation temperature Tc (460 ° C.) at which phase transformation occurs in the zirconia layer, there is a large difference from the thermal expansion coefficient of alumina, and this is a factor causing cracks in the alumina / zirconia laminated sintered body due to stress. It has become.

一方、ジルコニア層の焼結密度を相対密度で、84%以上、95%以下の範囲に抑制すると、昇温時の熱膨張率と降温時の熱膨張率との差が少なくなることが判明した。
図5Bに実施例1として示すように、焼結密度が5.34g/cm(相対密度92.4%)のジルコニア焼結体を常温から1000℃まで加熱し、1000℃から常温まで冷却した時の熱膨張率の変化を、アルミナ焼結体を常温から1000℃まで加熱し、1000℃から常温まで冷却した時の熱膨張率の変化とを重ね合わせると、比較例として図4Aに示したジルコニア焼結体の焼結密度が5.59g/cmの時よりも相変態温度Tc前後におけるアルミナの熱膨張率との差が小さくなっていることが判る。
On the other hand, when the sintered density of the zirconia layer is controlled to a relative density in the range of 84% or more and 95% or less, it has been found that the difference between the coefficient of thermal expansion at the time of temperature rise and the coefficient of thermal expansion at the time of temperature decrease decreases. .
As shown in Example 1 in FIG. 5B, a zirconia sintered body having a sintered density of 5.34 g / cm 3 (relative density 92.4%) was heated from room temperature to 1000 ° C. and cooled from 1000 ° C. to room temperature. When the alumina sintered body was heated from room temperature to 1000 ° C. and the change in coefficient of thermal expansion when cooled from 1000 ° C. to room temperature was superimposed, the change in thermal expansion coefficient at the time was shown in FIG. 4A as a comparative example. It can be seen that the difference between the thermal expansion coefficient of alumina around the phase transformation temperature Tc is smaller than when the sintered density of the zirconia sintered body is 5.59 g / cm 3 .

更に、図5Cに実施例2として示すように、焼結密度が5.59g/cm3のジルコニア焼結体を900〜1200℃の温度で1〜2時間保持する熱膨張差緩和用加熱処理を複数回(本実施例では5回)繰り返すと、加熱処理を行っていない比較例よりも相変態温度Tc前後におけるアルミナの熱膨張率との差が小さくなっていることが判明した。   Further, as shown in Example 2 in FIG. 5C, a plurality of heat treatments for reducing the thermal expansion difference are held for holding a zirconia sintered body having a sintered density of 5.59 g / cm 3 at a temperature of 900 to 1200 ° C. for 1 to 2 hours. It was found that the difference between the thermal expansion coefficient of alumina before and after the phase transformation temperature Tc was smaller than that of the comparative example in which the heat treatment was not performed after repeating the process once (5 times in this example).

表1を参照して本発明の効果を調査するために行った急冷試験結果について説明する。上述のアルミナシート成形工程P1及びジルコニアシート成形工程P2によって得られたアルミナグリーンシートとジルコニアグリーシートとを所定の大きさに打ち抜き積層圧着し、テストピースを用意し、所定の温度で脱脂した後、焼成温度を1400〜1600℃の範囲で、ジルコニアの焼結密度が相対密度で75.0%から97.5%までの試料を、各水準につきn=10個ずつ、急冷試験を行い、その結果を表1に示す。
急冷試験は、オートクレーブ内に各試料を置き、オートクレーブ内の温度をジルコニアの相変態温度Tc(460℃)より高い1000℃から相変態温度Tcより低い室温まで急激に変化させ、試料に熱衝撃が加わった時の破損の有無を調べた。
割れ発生数rが、0個の場合を、優れた効果ありと判定して、◎印を付し、割れ発生数rが1から3個までを効果ありと判定して、○印を付し、現状の比較例と同じレベルである割れ発生数rが、4から6個までを効果なしと判定し、△印を付し、比較例よりも悪いレベルである割れ発生数が7個以上を逆効果ありと判定して、×印を付した。

Figure 0005935548
The results of the rapid cooling test conducted for investigating the effects of the present invention with reference to Table 1 will be described. The alumina green sheet and the zirconia green sheet obtained by the above-described alumina sheet forming step P1 and zirconia sheet forming step P2 are punched and laminated and bonded to a predetermined size, a test piece is prepared, and degreased at a predetermined temperature. In the range of 1400 to 1600 ° C., a rapid cooling test was performed with n = 10 samples each having a sintered density of zirconia ranging from 75.0% to 97.5% in terms of relative density. Is shown in Table 1.
In the rapid cooling test, each sample is placed in an autoclave, and the temperature in the autoclave is rapidly changed from 1000 ° C. higher than the phase transformation temperature Tc (460 ° C.) of zirconia to room temperature lower than the phase transformation temperature Tc. The presence or absence of breakage when added was examined.
When the number of cracks r is 0, it is judged that there is an excellent effect, and ◎ is marked, and when the number of cracks r is 1 to 3 is judged to be effective, the mark is marked ○. The crack occurrence number r at the same level as the current comparative example is determined to be ineffective from 4 to 6, and a Δ mark is attached, and the crack occurrence number at a level worse than the comparative example is 7 or more. It was determined that there was an adverse effect, and a cross was marked.
Figure 0005935548

図6A、図6Bを参照して、本発明の作用原理について説明する。
図6Aに示すように、部分安定化ジルコニアの内部応力は、温度の低下と共に大きくなり、例えば、460℃前後で、T相(立方晶)からM相(単斜晶)への相変態が起こり内部応力の急激な変化が見られる。
また常温において、比較的大きな残留応力が存在している。
部分安定化ジルコニアにおいては、相転移に伴う急激な体積変化を不完全な安定化を図ることで、部分的な相変態により亀裂の進展を防止ししている。
図6Bに示すように、ジルコニア層の相対密度が高くなるにしたがって理論強度は高くなるが、同時に残留応力も大きくなり、その結果、高密度な状態では理論強度と残留応力と差が小さく、却って実強度が低くなるものと推察される。
ジルコニア層の相対密度を84%以上、95%以下に抑制すれば、理論強度と残留応力との差を大きくし、実強度を高くできるものと考えられる。
また、この結果は、先に示した実験結果にも良くあっている。
The operation principle of the present invention will be described with reference to FIGS. 6A and 6B.
As shown in FIG. 6A, the internal stress of partially stabilized zirconia increases with a decrease in temperature. For example, a phase transformation from T phase (cubic) to M phase (monoclinic) occurs around 460 ° C. A sudden change in internal stress is observed.
In addition, a relatively large residual stress exists at room temperature.
In partially stabilized zirconia, cracks are prevented from progressing due to partial phase transformation by imperfectly stabilizing rapid volume changes associated with phase transitions.
As shown in FIG. 6B, the theoretical strength increases as the relative density of the zirconia layer increases, but at the same time, the residual stress also increases. As a result, the difference between the theoretical strength and the residual stress is small in a high density state. It is inferred that the actual strength is lowered.
If the relative density of the zirconia layer is suppressed to 84% or more and 95% or less, it is considered that the difference between the theoretical strength and the residual stress can be increased and the actual strength can be increased.
This result is also in good agreement with the experimental results shown above.

図7を参照して、本発明の臨界的意義について説明する。図7は、ジルコニア焼結体の焼結密度が異なる試料を用意し、1000℃から常温まで降温した時の相変態温度Tc(460℃)における熱膨張率とアルミナ焼結体の熱膨張率との差を計測し、ジルコニア焼結密度の違いによる熱膨張率差の違いをプロットしたものである。
本図に示すように、従来の相対密度で95%を超える焼結密度を有するジルコニア焼結体の熱膨張率とアルミナ焼結体の熱膨張率の差は、0.05%程度であるのに対し、相対密度で84%以上、95%以下の焼結密度を有するジルコニア焼結体の熱膨張率と、アルミナ焼結体の熱膨張率との差は、0.01から0.02程度と急激に小さくなっている。
なお、ジルコニア焼結体の相対密度が84%より低い場合にも、熱膨張率差は小さくなり、残留応力の影響は小さくなるものと予想されるが、ジルコニア焼結体の強度自体が低下し、その影響が強くなるためジルコニア焼結体の下限を相対密度で84%とした。
The critical significance of the present invention will be described with reference to FIG. FIG. 7 shows samples having different sintered densities of the zirconia sintered body, and the thermal expansion coefficient at the phase transformation temperature Tc (460 ° C.) and the thermal expansion coefficient of the alumina sintered body when the temperature is lowered from 1000 ° C. to room temperature. The difference in thermal expansion coefficient due to the difference in zirconia sintered density is plotted.
As shown in this figure, the difference between the thermal expansion coefficient of the zirconia sintered body having a sintered density exceeding 95% in the conventional relative density and the thermal expansion coefficient of the alumina sintered body is about 0.05%. On the other hand, the difference between the thermal expansion coefficient of the zirconia sintered body having a relative density of 84% or more and 95% or less and the thermal expansion coefficient of the alumina sintered body is about 0.01 to 0.02. It is getting smaller rapidly.
Even when the relative density of the zirconia sintered body is lower than 84%, the difference in thermal expansion coefficient is expected to be small and the influence of residual stress is expected to be small, but the strength of the zirconia sintered body itself is reduced. In order to increase the effect, the lower limit of the zirconia sintered body was set to 84% in terms of relative density.

図8を参照して、本発明の要部である、900〜1200℃、1〜2時間の熱膨張差低減用加熱処理を行った時の熱膨張率差低減効果について説明する。
焼結密度を相対密度で91.3%としたジルコニア焼結体の熱膨張率とアルミナ焼結体との熱膨張率の差を測定し、これを複数回加熱処理した時の変化を調べた。
図8に示すように、900〜1200℃で保持時間1〜2時間の熱膨張差低減用加熱処理を1回行ったところ、熱膨張率の差は0.05%から、0.005%未満に低減され、再度、熱膨張差低減用加熱処理を行ったところ更に熱膨張率差が小さくなり、3回繰り返したところで、熱膨張率差が0.001%以下となり、最も高い効果が発揮され、それ以上、加熱を繰り返しても、熱膨張率差の低減効果は得られなかった。
しかし、膨張差低減用加熱処理を5〜8回以上繰り返すと、ジルコニア焼結体の焼結が徐々に進行し、熱膨張率差が徐々に大きくなり、9回を超えると、相対密度が95%を超え、却って熱膨張率差が従来よりも大きくなってしまう虞があることが判明した。
With reference to FIG. 8, the thermal expansion coefficient difference reduction effect at the time of performing the heat processing for a thermal expansion difference reduction of 900-1200 degreeC and 1-2 hours which is the principal part of this invention is demonstrated.
The difference between the thermal expansion coefficient of a zirconia sintered body with a sintered density of 91.3% in relative density and the thermal expansion coefficient of an alumina sintered body was measured, and the change when this was heat-treated multiple times was investigated. .
As shown in FIG. 8, when the heat treatment for reducing the thermal expansion difference at 900 to 1200 ° C. for 1 to 2 hours was performed once, the difference in thermal expansion coefficient was from 0.05% to less than 0.005%. When the heat treatment for reducing the thermal expansion difference is performed again, the difference in thermal expansion coefficient is further reduced, and when the heat treatment is repeated three times, the difference in thermal expansion coefficient is 0.001% or less, and the highest effect is exhibited. Further, even when heating was repeated, the effect of reducing the difference in thermal expansion coefficient was not obtained.
However, if the heat treatment for reducing the expansion difference is repeated 5 to 8 times or more, the sintering of the zirconia sintered body gradually proceeds, and the difference in the thermal expansion coefficient gradually increases. On the contrary, it has been found that there is a possibility that the difference in thermal expansion coefficient may be larger than the conventional one.

以上の試験により、以下の知見を得た。
(1)少なくとも、アルミナ粉末を主原料とし、所定量の焼結助剤、結合材、可塑剤、分散剤と共に分散媒に分散せしめて、粉砕・混合工程を経て、メジアン径を1μm以下としたアルミナスラリーを用いて形成したアルミナグリーンシートと、安定化剤として3〜8mol%のイットリアを含有するジルコニア粉末を主原料とし、所定量の結合材、可塑剤、分散剤と共に分散媒に分散せしめて、粉砕・混合工程を経てメジアン径を1μm以下としたジルコニアスラリーを用いて形成したジルコニアグリーンシートとを積層し、一体に焼成したアルミナ/ジルコニア積層焼結体において、焼成温度を1450〜1500℃、保持時間を1〜2hに設定して、アルミナ層の相対密度を94%以上とし、かつ、ジルコニア層の相対密度を84%以上、95%以下とすることによって、相変態温度Tc前後におけるジルコニア層の熱膨張率とアルミナ層の熱膨張率との差を小さくすると共に、アルミナ/ジルコニア積層焼結体の理論強度と焼結体内部に残留する応力との差を大きくして、実強度の向上を図ることができる。
(2)アルミナ/ジルコニア積層焼結体において、900〜1200℃の温度で、1〜2時間保持する熱膨張差緩和用加熱処理を少なくとも1回以上繰り返すことにより相変態温度Tc前後におけるジルコニア層の熱膨張率とアルミナ層の熱膨張率との差を更に小さくし、アルミナ/ジルコニア積層焼結体の実強度を更に高くすることができる。
(3)なお、アルミナ/ジルコニア積層焼結体の実強度の向上に伴い、被水割れの発生も抑制できる。
(4)本発明のアルミナ/ジルコニア積層焼結体を、一部に用いることによって、ジルコニアを主成分とする固体電解質層と、その対向する表面に設けた一対の電極と、ヒータを内蔵し、アルミナを主成分とする絶縁層とを一体に積層した、ガスセンサ素子の耐久性向上を図ることができる。
The following knowledge was acquired by the above test.
(1) At least alumina powder as a main raw material, and a predetermined amount of sintering aid, binder, plasticizer, and dispersant are dispersed in a dispersion medium, and the median diameter is reduced to 1 μm or less through pulverization / mixing steps. Alumina green sheet formed using alumina slurry and zirconia powder containing 3-8 mol% yttria as a stabilizer are the main raw materials, and are dispersed in a dispersion medium together with a predetermined amount of binder, plasticizer, and dispersant. In an alumina / zirconia laminated sintered body obtained by laminating and firing integrally with a zirconia green sheet formed using a zirconia slurry having a median diameter of 1 μm or less after pulverization and mixing steps, the firing temperature is 1450-1500 ° C. The holding time is set to 1 to 2 hours, the relative density of the alumina layer is set to 94% or more, and the relative density of the zirconia layer is set to 84% or more. 95% or less, the difference between the thermal expansion coefficient of the zirconia layer and the thermal expansion coefficient of the alumina layer before and after the phase transformation temperature Tc is reduced, and the theoretical strength and the sintered body of the alumina / zirconia laminated sintered body are reduced. The actual strength can be improved by increasing the difference from the stress remaining inside.
(2) In the alumina / zirconia laminated sintered body, the heat treatment for relaxing the thermal expansion difference, which is maintained at 900 to 1200 ° C. for 1 to 2 hours, is repeated at least once or more so that the zirconia layer before and after the phase transformation temperature Tc. The difference between the thermal expansion coefficient and the thermal expansion coefficient of the alumina layer can be further reduced, and the actual strength of the alumina / zirconia laminated sintered body can be further increased.
(3) As the actual strength of the alumina / zirconia laminated sintered body is improved, the occurrence of water cracking can be suppressed.
(4) By using the alumina / zirconia laminated sintered body of the present invention in part, a solid electrolyte layer mainly composed of zirconia, a pair of electrodes provided on the opposing surface, and a heater are incorporated, It is possible to improve the durability of the gas sensor element in which an insulating layer mainly composed of alumina is laminated.

本発明は、上記実施形態に限定するものではない、例えば、本発明のアルミナ/ジルコニア積層焼結体の実施例として、最も基本的な構造の酸素センサ素子を例に示したが、NOxセンサ、アンモニアセンサ等の種々のガスセンサ素子にも適宜採用することが可能であり、検出セルを複数設けたり、酸素ポンピングセルを設けたりした構造のものでも良い。
また、本発明は、固体電解質層に、櫛歯状に形成した一対の電極を形成し、ヒータを内蔵する絶縁層を積層して一体に焼成したPMセンサ素子等にも適用できる。
さらに、ガスセンサ素子に限定するものではなく、例えば、電極層とジルコニア層と絶縁層とを繰り返し積層した積層型圧電素子等にも適用することができる。
The present invention is not limited to the above embodiment. For example, as an example of the alumina / zirconia laminated sintered body of the present invention, an oxygen sensor element having the most basic structure is shown as an example. Various gas sensor elements such as an ammonia sensor can be used as appropriate, and a structure having a plurality of detection cells or an oxygen pumping cell may be used.
The present invention can also be applied to a PM sensor element or the like in which a pair of electrodes formed in a comb-teeth shape is formed on a solid electrolyte layer, and an insulating layer containing a heater is laminated and baked integrally.
Further, the present invention is not limited to the gas sensor element, and can be applied to, for example, a laminated piezoelectric element in which an electrode layer, a zirconia layer, and an insulating layer are repeatedly laminated.

1 ガスセンサ素子
100 固体電解質層(ジルコニア層)
110 接着層(アルミナ/ジルコニア混合層)
111 電極層埋設空間
120 測定電極層
121 測定電極リード部
122 測定電極端子部
123、124 スルーホール電極
130 測定ガス室形成層(アルミナ層)
131 測定ガス室
132a、132b 測定ガス導入孔
140 焼失層
150a、150b 拡散抵抗層(多孔質セラミック層)
160 遮蔽層(アルミナ層)
170 基準電極層
171 基準電極リード部
172 基準電極端子部
173、174、175、176 スルーホール電極
180 接着層(アルミナ/ジルコニア混合層)
190 基準ガス室形成層(アルミナ層)
191 基準ガス室
200、220 絶縁層(アルミナ層)
210 発熱体
211a、211b 発熱体リード部
212a、212b 発熱体通電端子部
213a、213b スルーホール電極
1 Gas sensor element 100 Solid electrolyte layer (zirconia layer)
110 Adhesive layer (alumina / zirconia mixed layer)
111 Electrode layer embedded space 120 Measurement electrode layer 121 Measurement electrode lead part 122 Measurement electrode terminal part 123, 124 Through-hole electrode 130 Measurement gas chamber forming layer (alumina layer)
131 Measuring gas chambers 132a, 132b Measuring gas introduction hole 140 Burned-out layer 150a, 150b Diffusion resistance layer (porous ceramic layer)
160 Shielding layer (alumina layer)
170 Reference electrode layer 171 Reference electrode lead portion 172 Reference electrode terminal portion 173, 174, 175, 176 Through-hole electrode 180 Adhesive layer (alumina / zirconia mixed layer)
190 Reference gas chamber formation layer (alumina layer)
191 Reference gas chamber 200, 220 Insulating layer (alumina layer)
210 Heating element 211a, 211b Heating element lead part 212a, 212b Heating element energization terminal part 213a, 213b Through-hole electrode

特開2001−66280号公報JP 2001-66280 A 特開平11−316211号公報JP-A-11-316211

Claims (6)

少なくとも、アルミナ層とジルコニア層とを積層し、一体に焼結せしめたアルミナ/ジルコニア積層焼結体であって、
上記アルミナ層の相対密度が94%以上で、かつ、上記ジルコニア層の相対密度が84%以上、95%以下である(ただし、上記ジルコニア層の相対密度94%以上を除く)ことを特徴とするアルミナ/ジルコニア積層焼結体。
At least an alumina / zirconia laminated sintered body in which an alumina layer and a zirconia layer are laminated and sintered together,
The relative density of the alumina layer is 94% or more, and the relative density of the zirconia layer is 84% or more and 95% or less (excluding the relative density of 94% or more of the zirconia layer). Alumina / zirconia laminated sintered body.
上記ジルコニア層の相対密度が87.5%以上、92.5%以下であることを特徴とする請求項1に記載のアルミナ/ジルコニア積層焼結体 2. The alumina / zirconia laminated sintered body according to claim 1, wherein the relative density of the zirconia layer is 87.5% or more and 92.5% or less . 上記ジルコニア層の相変態温度における上記アルミナ層の熱膨張率と上記ジルコニア層の熱膨張率との差が0.03%以下である請求項1又は2に記載のアルミナ/ジルコニア積層焼結体。 The alumina / zirconia laminated sintered body according to claim 1 or 2 , wherein the difference between the thermal expansion coefficient of the alumina layer and the thermal expansion coefficient of the zirconia layer at the phase transformation temperature of the zirconia layer is 0.03% or less. 測定ガス中の特定の成分を検出すべく、特定のイオンに対して伝導性を有する固体電解質層と、該固体電解質層の対向する面に形成した一対の電極と、内側にヒータを内蔵する絶縁層とを含むガスセンサ素子であって、
上記固体電解質層が3〜8mol%のイットリアを含む部分安定化ジルコニアを主成分とするジルコニア層からなり、
上記絶縁層がアルミナを主成分とするアルミナ層からなり、
上記ジルコニア層と上記アルミナ層とが、請求項1〜3のいずれか1項に記載のアルミナ/ジルコニア積層焼結体を構成していることを特徴とするガスセンサ素子。
In order to detect a specific component in the gas to be measured, a solid electrolyte layer having conductivity with respect to specific ions, a pair of electrodes formed on opposite surfaces of the solid electrolyte layer, and a heater inside are incorporated. A gas sensor element including an insulating layer,
The solid electrolyte layer comprises a zirconia layer mainly composed of partially stabilized zirconia containing 3 to 8 mol% yttria,
The insulating layer is made of an alumina layer mainly composed of alumina,
The gas sensor element, wherein the zirconia layer and the alumina layer constitute the alumina / zirconia laminated sintered body according to any one of claims 1 to 3 .
請求項1〜3のいずれか1項に記載のアルミナ/ジルコニア積層焼結体の製造方法であって、
少なくとも、アルミナ粉末を主原料とし、所定量の焼結助剤、結合材、可塑剤、分散剤と共に分散媒に分散せしめて、粉砕・混合工程を経て、メジアン径を1μm以下としたアルミナスラリーを用いてアルミナグリーンシートを形成するアルミナシート成形工程P1と、
安定化剤として3〜8mol%のイットリアを含有するジルコニア粉末を主原料とし、所定量の結合材、可塑剤、分散剤と共に分散媒に分散せしめて、粉砕・混合工程を経てメジアン径を1μm以下としたジルコニアスラリーを用いてジルコニアグリーンシートを形成するジルコニアシート成形工程P2と、
得られたアルミナグリーンシートとジルコニアグリーンシートとを積層してアルミナ/ジルコニア積層体を形成するアルミナ/ジルコニア積層工程P3と、
得られたアルミナ/ジルコニア積層体を、1450〜1500℃の焼成温度で、1〜2hの保持時間によって一体に焼成するジルコニア焼結密度範囲限定一体焼成工程P5と、を具備することを特徴とするアルミナ/ジルコニア積層焼結体の製造方法。
It is a manufacturing method of the alumina / zirconia laminated sintered body according to any one of claims 1 to 3 ,
At least an alumina slurry having alumina powder having a median diameter of 1 μm or less after being dispersed in a dispersion medium together with a predetermined amount of a sintering aid, a binder, a plasticizer, and a dispersing agent using alumina powder as a main raw material. An alumina sheet forming step P1 for forming an alumina green sheet by using,
The main raw material is zirconia powder containing 3-8 mol% yttria as a stabilizer, and it is dispersed in a dispersion medium together with a predetermined amount of a binder, a plasticizer, and a dispersant. A zirconia sheet forming step P2 for forming a zirconia green sheet using the zirconia slurry obtained, and
An alumina / zirconia lamination step P3 in which the obtained alumina green sheet and zirconia green sheet are laminated to form an alumina / zirconia laminate;
And a zirconia sintered density range-limited integrated firing step P5 in which the obtained alumina / zirconia laminate is integrally fired at a firing temperature of 1450 to 1500 ° C. for a holding time of 1 to 2 hours. A method for producing an alumina / zirconia laminated sintered body.
900〜1200℃の温度で、1〜2時間保持する熱膨張差緩和用加熱処理を少なくとも1回以上繰り返す熱膨張差緩和用加熱処理工程を具備する請求項に記載のアルミナ/ジルコニア積層焼結体の製造方法。 The alumina / zirconia laminated sintering according to claim 5 , comprising a thermal expansion difference relaxation heat treatment step that repeats at least one thermal expansion difference relaxation heat treatment held at a temperature of 900 to 1200 ° C for 1 to 2 hours. Body manufacturing method.
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