JP6718332B2 - ガスセンサ素子およびガスセンサ素子の製造方法 - Google Patents
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Description
測定室には、被測定ガスが導入される。ポンピングセルは、酸素イオン伝導性の第1固体電解質体と、第1固体電解質体上に形成された一対のポンピング電極とを有し、一対のポンピング電極の間でポンピング電流を流すことにより、測定室に導入された被測定ガス中の酸素の汲み出し又は汲み入れを行う。
そして、本開示のガスセンサ素子は、板状セル部材の下面においてスルーホールとスルーホールの周辺とを覆う空間が形成されて、板状セル部材の下面側で板状セル部材と対向するように配置された絶縁層を備える。さらに、本開示のガスセンサ素子では、第1リード部は、板状セル部材の下面側において空間に対して露出している部分が存在し、第2リード部は、空間を挟んで絶縁層と離間し、第1リード部とガスセンサ素子の外部は空間を介して連通している。
本開示のガスセンサ素子の製造方法では、気体が板状セル部材の下面側から、板状セル部材に形成されたスルーホールを通って板状セル部材の上面側へ抜けるように真空引きを行いながら、板状セル部材の下面において基準電極とスルーホールとの間で延びる酸素透過性の第1リード部の配線パターンを印刷する。
そして、本開示のガスセンサ素子の製造方法では、下側絶縁層の上面に板状セル部材を積層する。
本実施形態のガスセンサ1は、内燃機関の排気管に取り付けられ、排気ガス中の酸素濃度の測定に使用される酸素センサである。
そして、セラミックスリーブ29とセラミックホルダ25には、軸線Oに沿うように軸孔35が設けられ、それらの内部(すなわち、保持部9の内部)にガスセンサ素子7が挿入されている。
プロテクタ5は、主体金具3の先端から突出するガスセンサ素子7の先端部37を覆うとともに、複数のガス取入孔40が設けられた金属製の筒状の部材であり、主体金具3の先端側外周に溶接により接合されている。
このセパレータ13には、ガスセンサ素子7に電気的に接続される複数のリード線43を挿入するための貫通孔45が形成されている。また、貫通孔45内には、各リード線43とガスセンサ素子7とを電気的に接続する複数の接続端子51が収容されている。
検知素子71は、酸素濃度検出セル81と、酸素ポンプセル89と、絶縁スペーサ93と、絶縁基板97とを備える。
絶縁部材76は、アルミナを主体とした板型形状の部材であり、厚さ方向に貫通する貫通孔76aを備える。固体電解質体75は、絶縁部材76の貫通孔76a内に配置される。一対の多孔質電極77,79は、固体電解質体75を挟み込むように、固体電解質体75の上面および下面に配置される。
絶縁部材84は、アルミナを主体とした板型形状の部材であり、厚さ方向に貫通する貫通孔84aを備える。固体電解質体83は、絶縁部材84の貫通孔84a内に配置される。一対の多孔質電極85,87は、固体電解質体83を挟み込むように、固体電解質体83の上面および下面に配置される。
絶縁スペーサ93は、アルミナを主体とした板型形状の部材であり、中空のガス測定室91を備える。絶縁スペーサ93は、酸素濃度検出セル81と酸素ポンプセル89との間に積層される。酸素濃度検出セル81の多孔質電極77と、酸素ポンプセル89の多孔質電極87とは、ガス測定室91内で露出するように配置されている。
ガスセンサ素子7の第1主面61の後端側(すなわち、図2における右側)に3個の電極パッド111,113,115が形成され、第2主面63の後端側に2個の電極パッド117,119が形成されている。
ガスセンサ1に接続されたセンサ制御装置は、まず、発熱抵抗体パターン105の両端に電圧を供給することによりヒータ素子73を発熱させ、酸素濃度検出セル81と酸素ポンプセル89を加熱する。
なお、酸素濃度を検出する際に起電力Vsと比較される基準電圧Vaは予め定められている。つまり、酸素濃度を検出する場合には、起電力Vsが基準電圧Vaに近づくように、酸素ポンプセル89の動作が制御される。これにより、センサ制御装置は、ポンプ電流Ipに基づいて、排ガス中の酸素濃度を算出することができる。なお、基準電圧Vaは、ガス測定室91の内部に導入された排気ガス中の水分が実質的に解離しないような電圧値(例えば450mV)に設定される。
まず、検知素子71の絶縁部材76,84および絶縁基板97となる未焼成絶縁シートと、検知素子71の固体電解質体75,83となる未焼成固体電解質シートと、ヒータ素子73の絶縁基板101,103となる未焼成絶縁シートを作製する。
また、絶縁基板103となる未焼成絶縁シートには、スルーホール181,182となる孔を形成し、この孔の内周面にはメタライズインクを塗布する。
次に、絶縁部材76となる未焼成絶縁シートにおける貫通孔76aに、固体電解質体75となる未焼成固体電解質シートを埋め込む。さらに、絶縁部材76となる未焼成絶縁シートの上面に、白金のメタライズインクを用いたスクリーン印刷によって、多孔質電極77となる電極パターンを形成する。また、白金にアルミナを加えたペーストを用いたスクリーン印刷によって、リード部77aとなるリードパターンを形成する。一方、絶縁部材76となる未焼成絶縁シートの下面には、上面の多孔質電極77とリード部77aと同様のスクリーン印刷によって、多孔質電極79となる電極パターンと、リード部79aとなるリードパターンを形成する。
さらに、絶縁部材76となる未焼成絶縁シートの上面に、アルミナスラリーを用いて、絶縁スペーサ93となる層を印刷する。この層には、拡散律速部95を形成する位置に第1の開口を設けるとともに、第1測定室121となる位置にも第2の開口を設けておく。そして、第1の開口には、拡散抵抗体122となる多孔質スラリーを印刷する。また、ガス測定室91となる第2の開口には、カーボンペーストを印刷する。なお、第1の開口と第2の開口とは、ガスが流通可能となるように繋がっている。
そして、絶縁部材84となる未焼成絶縁シートの上面に、上記の多孔質電極77,79およびリード部77a,79aと同様のスクリーン印刷によって、多孔質電極85となる電極パターンと、リード部85aとなるリードパターンを形成する。一方、絶縁部材84となる未焼成絶縁シートの下面には、上記の多孔質電極77,79およびリード部77a,79aと同様のスクリーン印刷によって、多孔質電極87となる電極パターンと、リード部87aとなるリードパターンを形成する。
図3に示すように、まず、絶縁部材76となる未焼成絶縁シートにおいてリード部79aとなるリードパターンを形成する面76bを上側に向けて、未焼成絶縁シートの上側から気体がスルーホール176を通って下側へ抜けるように真空引きを行う。なお、図3における矢印Vc1は、この真空引きによってスルーホール176内を流れる気体の向きを示す。
そして、上記の未焼成積層体を得た後に焼成することにより、カーボンペースト210が昇華し、カーボンペースト210が配置されていた領域に、空間230が形成される。これにより、矢印R1,R2で示すように、出力取り出し用リード部79bと絶縁基板101とが離間した状態となる。また、矢印R3,R4で示すように、リード部79aにおいて、空間230に対して露出している部分が存在するようになる。
そしてガスセンサ素子7は、絶縁部材76の下面においてスルーホール176とスルーホール176の周辺とを覆う空間230が形成されて、絶縁部材76の下面側で絶縁部材76と対向するように配置された絶縁基板101および絶縁層220を備える。さらに、ガスセンサ素子7では、リード部79aは、絶縁部材76の下面側において空間230に対して露出している部分が存在し、出力取り出し用リード部79bは、空間230を挟んで絶縁基板101と離間し、リード部79aとガスセンサ素子7の外部は空間230を介して連通している。
また、空間230は空間に相当し、絶縁基板101および絶縁層220は絶縁層に相当し、絶縁基板101は下側絶縁層に相当する。
例えば上記実施形態では、ガス測定室91と酸素ポンプセル89と酸素濃度検出セル81とを備える酸素センサを示したが、酸素ポンプセルと酸素濃度検出セルとを備えて窒素酸化物の濃度を検出するNOxセンサにおいて本開示を適用してもよい。
Claims (2)
- 被測定ガスが導入される測定室と、
酸素イオン伝導性の第1固体電解質体と、前記第1固体電解質体上に形成された一対のポンピング電極とを有し、前記一対のポンピング電極の間でポンピング電流を流すことにより、前記測定室に導入された前記被測定ガス中の酸素の汲み出し又は汲み入れを行うポンピングセルと、
酸素イオン伝導性の第2固体電解質体を少なくとも含んで板状に形成された板状セル部材と、前記第2固体電解質体の上面に形成された検知電極と、前記第2固体電解質体の下面に形成された酸素透過性の基準電極とを有し、前記検知電極が前記測定室に面して配置され、前記検知電極と前記基準電極との間の酸素濃度の差に応じた起電力を発生させる酸素濃度検出セルと、
前記板状セル部材の下面において、前記基準電極と、前記板状セル部材に形成されたスルーホールとの間で延びて、前記スルーホールの内周壁を、前記板状セル部材の下面から上面に巻き込むように形成された酸素透過性の第1リード部と、
前記スルーホールの内周壁に沿って前記第1リード部を覆うとともに、前記板状セル部材の上面から下面に巻き込むように形成された第2リード部と
を備えたガスセンサ素子であって、
前記板状セル部材の下面において前記スルーホールと前記スルーホールの周辺とを覆う空間が形成されて、前記板状セル部材の下面側で前記板状セル部材と対向するように配置された絶縁層を備え、
前記第1リード部は、前記板状セル部材の下面側において前記空間に対して露出している部分が存在し、
前記第2リード部は、前記空間を挟んで前記絶縁層と離間し、
前記第1リード部と前記ガスセンサ素子の外部は前記空間及び前記スルーホールを介して連通しているガスセンサ素子。 - 被測定ガスが導入される測定室と、
酸素イオン伝導性の第1固体電解質体と、前記第1固体電解質体上に形成された一対のポンピング電極とを有し、前記一対のポンピング電極の間でポンピング電流を流すことにより、前記測定室に導入された前記被測定ガス中の酸素の汲み出し又は汲み入れを行うポンピングセルと、
酸素イオン伝導性の第2固体電解質体を少なくとも含んで板状に形成された板状セル部材と、前記第2固体電解質体の上面に形成された検知電極と、前記第2固体電解質体の下面に形成された酸素透過性の基準電極とを有し、前記検知電極が前記測定室に面して配置され、前記検知電極と前記基準電極との間の酸素濃度の差に応じた起電力を発生させる酸素濃度検出セルとを備えるガスセンサ素子の製造方法であって、
気体が前記板状セル部材の下面側から、前記板状セル部材に形成されたスルーホールを通って前記板状セル部材の上面側へ抜けるように真空引きを行いながら、前記板状セル部材の下面において前記基準電極と前記スルーホールとの間で延びる酸素透過性の第1リード部の配線パターンを印刷する工程と、
気体が前記板状セル部材の上面側から前記スルーホールを通って前記板状セル部材の下面側へ抜けるように真空引きを行いながら、前記板状セル部材の上面側から前記スルーホールを覆う第2リード部の配線パターンを印刷する工程と、
前記板状セル部材の下面側で前記板状セル部材と対向するように配置される下側絶縁層の上面において、前記スルーホールと対向するスルーホール対向領域と前記スルーホール対向領域の周辺の領域とに加熱分解性ペーストを印刷する工程と、
前記下側絶縁層の上面において前記加熱分解性ペーストが配置されている領域を除外して、アルミナペーストを印刷する工程と、
前記下側絶縁層の上面に前記板状セル部材を積層する工程と、
積層された未焼成積層体を焼成し、前記加熱分解性ペーストを除去することで、前記第1リード部が露出し、自身と前記スルーホールとを経て外部に連通する空間を形成する工程と
を備えるガスセンサ素子の製造方法。
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