JP7319214B2 - SENSOR ELEMENT, GAS SENSOR, AND SENSOR ELEMENT MANUFACTURING METHOD - Google Patents

SENSOR ELEMENT, GAS SENSOR, AND SENSOR ELEMENT MANUFACTURING METHOD Download PDF

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Description

本発明は、例えば燃焼器や内燃機関等の燃焼ガスや排気ガス中に含まれる特定ガスのガス濃度を検出するのに好適に用いられるセンサ素子、ガスセンサ及びセンサ素子の製造方法に関する。 The present invention relates to a sensor element, a gas sensor, and a method of manufacturing the sensor element, which are preferably used for detecting the gas concentration of a specific gas contained in combustion gas or exhaust gas of a combustor or an internal combustion engine, for example.

従来から、内燃機関の排気ガス中の特定成分(酸素等)の濃度を検出するためのガスセンサが用いられている。このガスセンサとして、自身の内部にセンサ素子を有し、センサ素子は、複数のセラミック層を積層した板状であると共に、固体電解質体と該固体電解質体に配置された一対の電極を有し、そのうち一方の電極が素子内部に開口する空気(大気)導入孔に臨む構成が知られている(特許文献1参照)。
図8に示すように、この大気導入孔510はセンサ素子の後端面に開口し、センサ素子の寸法の第1層501と第2層502との間に、例えば積層方向から見て上記端面に向かってコ字状に切り欠かれた隙間を有する第3層503を積層して形成することができる。
2. Description of the Related Art Conventionally, gas sensors have been used to detect the concentration of specific components (such as oxygen) in exhaust gas from internal combustion engines. This gas sensor has a sensor element inside itself, and the sensor element has a plate-like shape in which a plurality of ceramic layers are laminated, and has a solid electrolyte body and a pair of electrodes arranged on the solid electrolyte body, A configuration is known in which one of the electrodes faces an air (atmosphere) introduction hole that opens inside the element (see Patent Document 1).
As shown in FIG. 8, the air introduction hole 510 is opened at the rear end surface of the sensor element, and between the first layer 501 and the second layer 502 having dimensions of the sensor element, for example, at the end surface when viewed from the stacking direction. A third layer 503 having a U-shaped notched gap can be formed by laminating the third layer 503 .

特開2019-2739号公報JP 2019-2739 A

しかしながら、特に素子の幅方向に沿って、第1層501と第3層503との間、及び第2層502と第3層503との間に、大気導入孔510から外側に向かってクラックKが生じることがある。
このクラックKが大気導入孔510から外側に貫通すると、大気導入孔510としての機能が失われる。又、小さなクラックKであっても、素子に冷熱サイクルのような熱衝撃が加わると、クラックKが進行して外側に貫通するおそれがある。
However, especially along the width direction of the device, cracks K are formed between the first layer 501 and the third layer 503 and between the second layer 502 and the third layer 503 from the air introduction hole 510 toward the outside. may occur.
If the crack K penetrates from the atmosphere introduction hole 510 to the outside, the function as the atmosphere introduction hole 510 is lost. Further, even if the crack K is small, there is a possibility that the crack K may progress and penetrate outward when the element is subjected to a thermal shock such as a thermal cycle.

このようなクラックKが生じる理由として以下が考えられる。つまり、図9に示すように、大気導入孔510を形成する際に、大気導入孔510の形成領域となる第3層グリーンシート503Gの隙間に焼失性カーボンを含むペースト505を充填した後、第3層グリーンシート503Gの上に第1層グリーンシート501Gを積層し、全体を焼成してペースト505を焼失させて大気導入孔510とする。このようにペースト505を用いることで、第1層グリーンシート501Gと第2層グリーンシート50G2の間に荷重が掛かって隙間が変形し、大気導入孔510が形成不良となることを抑制している。 The reason why such a crack K occurs is considered as follows. That is, as shown in FIG. 9, when forming the atmosphere introduction hole 510, after filling the gap of the third layer green sheet 503G, which becomes the formation region of the atmosphere introduction hole 510, with the paste 505 containing the burnable carbon, The first-layer green sheet 501G is laminated on the three-layer green sheet 503G, and the entire structure is fired to burn off the paste 505 to form the atmosphere introduction holes 510. FIG. By using the paste 505 in this way, it is possible to prevent the air introduction hole 510 from becoming defective due to deformation of the gap caused by a load applied between the first layer green sheet 501G and the second layer green sheet 50G2. .

ここで、焼成の際、第1層グリーンシート501Gと第2層グリーンシート502Gは制限を受けずに収縮することができる(図の矢印F1)。ところが、第3層グリーンシート503Gが収縮しようとしても、ペースト505が焼失し切るまでは、ペースト505に阻害されて十分に収縮できない(図の矢印F2)。従って、F1とF2の収縮度の違いによって、各層間に応力が掛かり、上述のクラックKが生じるものと考えられる。
この課題は、焼失性ペーストに限らず、焼失材のシートを用いた場合においても発生する。
Here, during firing, the first layer green sheet 501G and the second layer green sheet 502G can be shrunk without restriction (arrow F1 in the figure). However, even if the third layer green sheet 503G tries to shrink, it cannot shrink sufficiently because of the interference of the paste 505 until the paste 505 is burned out (arrow F2 in the figure). Therefore, it is considered that stress is applied between the layers due to the difference in degree of contraction between F1 and F2, and the above-mentioned crack K occurs.
This problem occurs not only when using a burnt-off paste but also when using a burnt-off material sheet.

そこで、本発明は、セラミック層を積層して形成された内部空間を有する積層型のセンサ素子において、内部空間に接するセラミック層間のクラックを抑制したセンサ素子、ガスセンサ及びセンサ素子の製造方法の提供を目的とする。 Accordingly, the present invention provides a sensor element, a gas sensor, and a method for manufacturing the sensor element in which cracks between ceramic layers in contact with the internal space are suppressed in a laminated sensor element having an internal space formed by stacking ceramic layers. aim.

上記課題を解決するため、本発明のセンサ素子は、積層方向に間隔を開けて配置される第1セラミック層及び第2セラミック層と、前記積層方向に前記第1セラミック層及び前記第2セラミック層の間に介装され、内部に空隙を有する第3セラミック層と、前記第1セラミック層、前記第2セラミック層及び前記第3セラミック層に囲まれる前記空隙を内部空間として備え、軸線方向に延びる積層型のセンサ素子であって、前記内部空間の周縁において、前記内部空間に接する前記第1セラミック層と前記第3セラミック層との間に、前記第1セラミック層及び前記第3セラミック層の主成分のセラミック材料とは異なるセラミック材料を主成分とする第4セラミック層が介装され、前記第4セラミック層は、前記第1セラミック層及び前記第3セラミック層よりも収縮開始温度が低いことを特徴とする。 In order to solve the above-mentioned problems, the sensor element of the present invention comprises: a first ceramic layer and a second ceramic layer which are spaced apart in the stacking direction; and the first ceramic layer and the second ceramic layer in the stacking direction. A third ceramic layer interposed between and having a gap therein, and the gap surrounded by the first ceramic layer, the second ceramic layer and the third ceramic layer as an internal space, extending in the axial direction. In the laminated sensor element, main portions of the first ceramic layer and the third ceramic layer are disposed between the first ceramic layer and the third ceramic layer contacting the internal space at the periphery of the internal space. A fourth ceramic layer whose main component is a ceramic material different from the component ceramic material is interposed , and the fourth ceramic layer has a lower shrinkage start temperature than the first ceramic layer and the third ceramic layer. Characterized by

センサ素子の製造において、焼失性材料を用いて内部空間を形成する場合、第1セラミック層及び第2セラミック層となる各グリーンシートは制限を受けずに収縮することができる。一方、第3セラミック層となるグリーンシートの空隙には焼失性材料が充填されているため、このグリーンシートが収縮しようとしても、焼失性材料が焼失し切るまでは焼失性材料に阻害されて十分に収縮できない。その結果、積層方向に隣接するグリーンシートとの間で収縮度が異なるために各層間に応力が掛かってクラックが生じるおそれがある。
そこで、このセンサ素子によれば、第1セラミック層及び第3セラミック層となる各グリーンシートの間に、主成分のセラミック材料が異なり、より低い温度で収縮が始まる(収縮開始温度が低い)ようにした第4セラミック層のペースト(又はシート)が介在することで、第4セラミック層ペースト(又はシート)が焼失性材料側に収縮して第3セラミック層のグリーンシートの収縮を補助し、隣接するグリーンシート間の収縮度の違いを小さくする。これにより、第1セラミック層及び第3セラミック層間に応力が掛かることを抑制し、クラックを抑制することができる。
In the manufacture of the sensor element, if a burnable material is used to form the internal space, the green sheets that become the first ceramic layer and the second ceramic layer can shrink without restriction. On the other hand, since the voids of the green sheet that serves as the third ceramic layer are filled with the burn-off material, even if the green sheet tries to shrink, the burn-off material will sufficiently hinder it until the burn-off material is completely burned out. cannot shrink to As a result, since the green sheets adjacent to each other in the stacking direction have different degrees of shrinkage, stress may be applied between the layers and cracks may occur.
Therefore, according to this sensor element, the main component ceramic material is different between the green sheets serving as the first ceramic layer and the third ceramic layer, so that the shrinkage starts at a lower temperature (shrinkage start temperature is low). Since the fourth ceramic layer paste (or sheet) is interposed, the fourth ceramic layer paste (or sheet) shrinks toward the burnable material side to assist the shrinkage of the green sheet of the third ceramic layer, and the adjacent Reduce the difference in shrinkage between green sheets. As a result, application of stress between the first ceramic layer and the third ceramic layer can be suppressed, and cracks can be suppressed.

また、本発明のセンサ素子によれば、クラックを確実に抑制することができる。 Moreover, according to the sensor element of the present invention, cracks can be reliably suppressed.

本発明のセンサ素子において、前記内部空間の周縁において、前記内部空間に接する前記第2セラミック層と前記第3セラミック層との間に、前記第2セラミック層及び前記第3セラミック層の主成分のセラミック材料とは異なるセラミック材料を主成分とする第5セラミック層が介装され、前記第5セラミック層は、前記第2セラミック層及び前記第3セラミック層よりも収縮開始温度が低くてもよい。
このセンサ素子によれば、第2セラミック層及び第3セラミック層となる各グリーンシートの間に、主成分のセラミック材料が異なり、より低い温度で収縮が始まる(収縮開始温度が低い)ようにした第5セラミック層のペースト(又はシート)が介在することで、第5セラミック層ペースト(又はシート)が焼失性材料側に収縮して第3セラミック層のグリーンシートの収縮を補助し、隣接するグリーンシート間の収縮度の違いを小さくする。これにより、第2セラミック層及び第3セラミック層間に応力が掛かることを抑制し、クラックを抑制することができる。
In the sensor element of the present invention, at the periphery of the internal space, between the second ceramic layer and the third ceramic layer contacting the internal space, the main component of the second ceramic layer and the third ceramic layer A fifth ceramic layer containing a ceramic material different from the ceramic material as a main component may be interposed , and the fifth ceramic layer may have a lower shrinkage start temperature than the second ceramic layer and the third ceramic layer.
According to this sensor element, the ceramic material as the main component is different between the green sheets serving as the second ceramic layer and the third ceramic layer, and shrinkage starts at a lower temperature (shrinkage start temperature is low). With the paste (or sheet) of the fifth ceramic layer interposed, the paste (or sheet) of the fifth ceramic layer shrinks toward the burnable material side to assist the shrinkage of the green sheet of the third ceramic layer, and the adjacent green To reduce the difference in shrinkage between sheets. As a result, it is possible to suppress stress from being applied between the second ceramic layer and the third ceramic layer, thereby suppressing cracks.

本発明のセンサ素子において、前記第4セラミック層が前記内部空間の周縁を跨いで延びてもよい。
このセンサ素子によれば、第4セラミック層のペーストの収縮力をより確実に第3セラミック層のグリーンシートに伝えるので、クラックを抑制する効果が大きくなる。
In the sensor element of the present invention, the fourth ceramic layer may extend across the periphery of the internal space.
According to this sensor element, since the contraction force of the paste of the fourth ceramic layer is more reliably transmitted to the green sheet of the third ceramic layer, the effect of suppressing cracks is enhanced.

本発明のセンサ素子において、前記第4セラミック層が多孔質層であってもよい。
このセンサ素子によれば、第4セラミック層が多孔質層の表面に形成されている場合、多孔質層の通気を阻害しない。
In the sensor element of the present invention, the fourth ceramic layer may be a porous layer.
According to this sensor element, when the fourth ceramic layer is formed on the surface of the porous layer, it does not impede ventilation of the porous layer.

本発明のセンサ素子において、前記第1セラミック層及び前記第3セラミック層はAlを50質量%を超えて含み、前記第4セラミック層が、ZrOを50質量%を超えて含んでもよい。
このセンサ素子によれば、第4セラミック層の収縮開始温度を確実に低くすることができる。
In the sensor element of the present invention, the first ceramic layer and the third ceramic layer may contain more than 50% by mass of Al2O3 , and the fourth ceramic layer may contain more than 50% by mass of ZrO2 . good.
According to this sensor element, the shrinkage start temperature of the fourth ceramic layer can be reliably lowered.

本発明のセンサ素子において、前記第4セラミック層が、前記第1セラミック層及び前記第3セラミック層の外表面に露出しなくてもよい。
第4セラミック層が第1セラミック層及び第3セラミック層の外表面に露出すると、外部の水が第4セラミック層に掛かったり、熱衝撃が第4セラミック層に加わって第4セラミック層にクラックが生じる場合がある。
そこで、第4セラミック層が第1セラミック層及び第3セラミック層の外表面に露出しないようにすることで、被水や熱衝撃によるクラックを抑制できる。
In the sensor element of the present invention, the fourth ceramic layer may not be exposed on the outer surfaces of the first ceramic layer and the third ceramic layer.
When the fourth ceramic layer is exposed on the outer surfaces of the first ceramic layer and the third ceramic layer, the fourth ceramic layer may be exposed to water or thermal shock may cause cracks in the fourth ceramic layer. may occur.
Therefore, by preventing the fourth ceramic layer from being exposed on the outer surfaces of the first ceramic layer and the third ceramic layer, it is possible to suppress cracks due to exposure to water or thermal shock.

本発明のセンサ素子において、前記第5セラミック層が前記内部空間の周縁を跨いで延びてもよい。
このセンサ素子によれば、第5セラミック層のペーストの収縮力をより確実に第3セラミック層のグリーンシートに伝えるので、クラックを抑制する効果が大きくなる。
In the sensor element of the present invention, the fifth ceramic layer may extend across the periphery of the internal space.
According to this sensor element, since the shrinkage force of the paste of the fifth ceramic layer is more reliably transmitted to the green sheet of the third ceramic layer, the effect of suppressing cracks is enhanced.

本発明のセンサ素子において、前記第5セラミック層が多孔質層であってもよい。
このセンサ素子によれば、第5セラミック層が多孔質層の表面に形成されている場合、多孔質層の通気を阻害しない。
In the sensor element of the present invention, the fifth ceramic layer may be a porous layer.
According to this sensor element, when the fifth ceramic layer is formed on the surface of the porous layer, it does not impede ventilation of the porous layer.

本発明のセンサ素子において、前記第2セラミック層及び前記第3セラミック層はAlを50質量%を超えて含み、前記第5セラミック層が、ZrOを50質量%を超えて含んでもよい。
このセンサ素子によれば、第5セラミック層の収縮開始温度を確実に低くすることができる。
In the sensor element of the present invention, the second ceramic layer and the third ceramic layer may contain more than 50% by mass of Al2O3 , and the fifth ceramic layer may contain more than 50% by mass of ZrO2 . good.
According to this sensor element, the shrinkage start temperature of the fifth ceramic layer can be reliably lowered.

本発明のセンサ素子において、前記第5セラミック層が、前記第2セラミック層及び前記第3セラミック層の外表面に露出しなくてもよい。
第5セラミック層が第2セラミック層及び第3セラミック層の外表面に露出すると、外部の水が第5セラミック層に掛かったり、熱衝撃が第5セラミック層に加わって第5セラミック層にクラックが生じる場合がある。
そこで、第5セラミック層が第2セラミック層及び第3セラミック層の外表面に露出しないようにすることで、被水や熱衝撃によるクラックを抑制できる。
In the sensor element of the present invention, the fifth ceramic layer may not be exposed on the outer surfaces of the second ceramic layer and the third ceramic layer.
When the fifth ceramic layer is exposed on the outer surfaces of the second ceramic layer and the third ceramic layer, the fifth ceramic layer may be exposed to external water or thermal shock may be applied to the fifth ceramic layer, causing cracks in the fifth ceramic layer. may occur.
Therefore, by not exposing the fifth ceramic layer to the outer surfaces of the second ceramic layer and the third ceramic layer, it is possible to suppress cracks due to exposure to water or thermal shock.

本発明のガスセンサは、前記センサ素子と、前記センサ素子を保持する主体金具と、を備えてなる。 A gas sensor of the present invention comprises the sensor element and a metal shell for holding the sensor element.

本発明のセンサ素子の製造方法は、内部に空隙を有する第3セラミックグリーンシートを第1セラミックグリーンシートの表面に積層し、前記空隙に焼失性材料を充填し、第2セラミックグリーンシートを前記第3セラミックグリーンシートの表面に積層して全体を焼成し、前記焼失性材料を焼失させて、第1セラミックグリーンシートが焼成された前記第1セラミック層、前記第2セラミックグリーンシートが焼成された第2セラミック層及び前記第3セラミックグリーンシートが焼成された第3セラミック層に囲まれる前記空隙を内部空間として備え、軸線方向に延びる積層型のセンサ素子の製造方法であって、前記第3セラミックグリーンシートを前記第1セラミックグリーンシートの表面に積層する前に、前記内部空間の周縁において、前記焼失性材料に接する前記第1セラミックグリーンシートと前記第3セラミックグリーンシートとの間となる部位に、前記第1セラミックグリーンシート及び前記第3セラミックグリーンシートの主成分のセラミック材料とは異なるセラミック材料を主成分とする第4セラミックを含む第4ペースト又はシートを配置し、前記第4ペースト又はシートは、前記第1セラミックグリーンシート及び前記第3セラミックグリーンシートよりも収縮開始温度が低いことを特徴とする。 A method for manufacturing a sensor element according to the present invention includes: laminating a third ceramic green sheet having a void inside on the surface of a first ceramic green sheet; 3. The first ceramic layer is laminated on the surface of the ceramic green sheet and fired as a whole, the burnable material is burned off, and the first ceramic green sheet is fired, and the second ceramic green sheet is fired . A method for manufacturing a laminated sensor element extending in an axial direction and having, as an internal space, the gap surrounded by the second ceramic layer and the third ceramic layer obtained by firing the third ceramic green sheet, wherein the third ceramic green sheet Before laminating the sheet on the surface of the first ceramic green sheet, at the peripheral edge of the internal space, at a portion between the first ceramic green sheet and the third ceramic green sheet that are in contact with the burn-out material, Disposing a fourth paste or sheet containing a fourth ceramic whose main component is a ceramic material different from the main component ceramic material of the first ceramic green sheet and the third ceramic green sheet, wherein the fourth paste or sheet is and a shrinkage start temperature lower than that of the first ceramic green sheet and the third ceramic green sheet .

本発明のセンサ素子の製造方法において、前記内部空間の周縁において、前記焼失性材料に接する前記第2セラミックグリーンシートと前記第3セラミックグリーンシートとの間に、前記第2セラミックグリーンシート及び前記第3セラミックグリーンシートの主成分のセラミック材料とは異なるセラミック材料を主成分とし、前記第2セラミックグリーンシート及び前記第3セラミックグリーンシートよりも収縮開始温度が低い第5セラミックを含む第5ペースト又はシートを配置した後、前記焼成を行ってもよい。 In the method for manufacturing a sensor element of the present invention, the second ceramic green sheet and the third 3. A fifth paste containing a fifth ceramic whose main component is a ceramic material different from the ceramic material as the main component of the ceramic green sheets and whose shrinkage start temperature is lower than that of the second ceramic green sheet and the third ceramic green sheet, or The baking may be performed after placing the sheet.

この発明によれば、セラミック層を積層して形成された内部空間を有する積層型のセンサ素子において、内部空間に接するセラミック層間のクラックを抑制することができる。 According to the present invention, in a laminated sensor element having an internal space formed by stacking ceramic layers, cracks between ceramic layers contacting the internal space can be suppressed.

本発明の実施形態に係るガスセンサ(NOxセンサ)の長手方向に沿う断面図である。1 is a longitudinal sectional view of a gas sensor (NOx sensor) according to an embodiment of the present invention; FIG. センサ素子の斜視図である。1 is a perspective view of a sensor element; FIG. 図2のB-B線に沿う断面図である。FIG. 3 is a cross-sectional view taken along line BB of FIG. 2; センサ素子の分解斜視図である。3 is an exploded perspective view of the sensor element; FIG. 図2のC-C線に沿う断面図である。FIG. 3 is a cross-sectional view taken along line CC of FIG. 2; 内部空間の周縁を示す図である。It is a figure which shows the periphery of internal space. センサ素子の製造の際、焼失性ペーストを用いて内部空間を形成する方法を示す図である。FIG. 10 is a diagram showing a method of forming an internal space using a burnable paste when manufacturing a sensor element; 従来の大気導入孔を備えたセンサ素子の幅方向に沿う断面図である。FIG. 3 is a cross-sectional view along the width direction of a conventional sensor element provided with air introduction holes. 図8のセンサ素子の製造において、焼失性ペーストを用いて大気導入孔を形成した場合にクラックが生じるメカニズムを示す図である。FIG. 9 is a diagram showing the mechanism by which cracks occur when an air introduction hole is formed using a burnable paste in manufacturing the sensor element of FIG. 8 ;

以下、本発明の実施形態について説明する。
図1は、本発明の実施形態に係るガスセンサ(NOxセンサ)1の縦断面図(軸線AXに沿った長手方向に切断した断面図)、図2はセンサ素子10の斜視図、図3は図2のB-B線(軸線AX)に沿う断面図、図4はセンサ素子10の分解斜視図、図5は図2のC-C線(軸線AXの直交する線)に沿う断面図である。
なお、センサ素子の軸線AXに沿う方向(軸線方向)を適宜「長手方向」と称する。センサ素子の「幅方向」は、「長手方向(軸線方向)」と垂直な方向である。
Embodiments of the present invention will be described below.
FIG. 1 is a vertical cross-sectional view of a gas sensor (NOx sensor) 1 according to an embodiment of the present invention (cross-sectional view cut in the longitudinal direction along the axis AX), FIG. 2 is a perspective view of a sensor element 10, and FIG. 2, FIG. 4 is an exploded perspective view of the sensor element 10, and FIG. 5 is a cross-sectional view along the line CC of FIG. 2 (a line perpendicular to the axis AX). .
A direction (axial direction) along the axis AX of the sensor element is appropriately referred to as a “longitudinal direction”. The “width direction” of the sensor element is a direction perpendicular to the “longitudinal direction (axial direction)”.

ガスセンサ1は、測定対象ガスである排ガス中の特定ガス(NOx)の濃度を検出可能なセンサ素子10を備え、内燃機関の排気管(図示なし)に装着されて使用されるNOxセンサである。このガスセンサ1は、排気管に固定するためのネジ部21が外表面の所定位置に形成された筒状の主体金具20を備える。センサ素子10は、軸線AX方向に延びる細長板状をなし、主体金具20の内側に保持されている。
さらに詳しくは、ガスセンサ1は、センサ素子10の後端部10k(図1において上端の部位)が挿入される挿入孔62を有する保持部材60と、この保持部材60の内側に保持された6個の端子部材とを備える。なお、図1では、6個の端子部材のうち2個の端子部材(具体的には、端子部材75,76)のみを図示している。
The gas sensor 1 is a NOx sensor equipped with a sensor element 10 capable of detecting the concentration of a specific gas (NOx) in the exhaust gas, which is the gas to be measured, and attached to an exhaust pipe (not shown) of an internal combustion engine. The gas sensor 1 includes a cylindrical metal shell 20 having a threaded portion 21 formed at a predetermined position on the outer surface thereof for fixing to an exhaust pipe. The sensor element 10 has an elongated plate shape extending in the direction of the axis AX and is held inside the metal shell 20 .
More specifically, the gas sensor 1 includes a holding member 60 having an insertion hole 62 into which the rear end portion 10k (upper end portion in FIG. 1) of the sensor element 10 is inserted, and six sensors held inside the holding member 60. and terminal members. Note that FIG. 1 shows only two terminal members (specifically, terminal members 75 and 76) out of the six terminal members.

センサ素子10の後端部10kには、平面視矩形状の電極端子部13~18(図1では、電極端子部14、17のみ図示)が合計6個形成されている。電極端子部13~18には、それぞれ、前述の端子部材が弾性的に当接して電気的に接続している。例えば、電極端子部14には、端子部材75の素子当接部75bが弾性的に当接して電気的に接続している。また、電極端子部17には、端子部材76の素子当接部76bが弾性的に当接して電気的に接続している。
さらに、6個の端子部材(端子部材75,76など)には、それぞれ、異なるリード線71が電気的に接続されている。例えば、図1に示すように、端子部材75のリード線把持部77によって、リード線71の芯線が加締められて把持される。また、端子部材76のリード線把持部78によって、他のリード線71の芯線が加締められて把持される。
At the rear end portion 10k of the sensor element 10, a total of six electrode terminal portions 13 to 18 (only the electrode terminal portions 14 and 17 are shown in FIG. 1) which are rectangular in plan view are formed. The electrode terminal portions 13 to 18 are electrically connected to the electrode terminal portions 13 to 18 by elastically contacting the aforementioned terminal members. For example, the element contacting portion 75b of the terminal member 75 is in elastic contact with the electrode terminal portion 14 and electrically connected thereto. Further, the element contact portion 76b of the terminal member 76 elastically contacts the electrode terminal portion 17 to electrically connect the same.
Further, different lead wires 71 are electrically connected to the six terminal members (terminal members 75, 76, etc.), respectively. For example, as shown in FIG. 1, the core wire of the lead wire 71 is crimped and gripped by the lead wire gripping portion 77 of the terminal member 75 . Further, the lead wire gripping portion 78 of the terminal member 76 crimps and grips the core wire of the other lead wire 71 .

また、センサ素子10の後端部10kの主面の一方には、電極端子部13~15よりも先端側で、後述するセラミックスリーブ45よりも後端側に大気導入口10hが開口しており(図2参照)、大気導入口10hは保持部材60の挿入孔62内に配置されている。
これにより、後述する外筒51の内部に閉じ込められた基準大気が大気導入口10hからセンサ素子10の内部に導入される。
Also, on one of the main surfaces of the rear end portion 10k of the sensor element 10, an air inlet 10h is opened on the front end side of the electrode terminal portions 13 to 15 and on the rear end side of a later-described ceramic sleeve 45. (See FIG. 2), the air inlet 10h is arranged in the insertion hole 62 of the holding member 60. As shown in FIG.
As a result, the reference atmosphere confined inside the outer cylinder 51, which will be described later, is introduced into the sensor element 10 through the atmosphere introduction port 10h.

主体金具20は、軸線AX方向に貫通する貫通孔23を有する筒状部材である。この主体金具20は、径方向内側に突出する形態で貫通孔23の一部を構成する棚部25を有している。主体金具20は、センサ素子10の先端部10sを自身の先端側外部(図1において下方)に突出させると共に、センサ素子10の後端部10kを自身の後端側外部(図1において上方)に突出させた状態で、センサ素子10を貫通孔23内に保持している。
また、主体金具20の貫通孔23の内部には、環状のセラミックホルダ42、滑石粉末を環状に充填してなる2つの滑石リング43,44、及びセラミックスリーブ45が配置されている。詳細には、センサ素子10の径方向周囲を取り囲む状態で、セラミックホルダ42、滑石リング43,44、及びセラミックスリーブ45が、この順に、主体金具20の軸線方向先端側(図1において下端側)から軸線方向後端側(図1において上端側)にわたって重ねて配置されている。
The metal shell 20 is a tubular member having a through hole 23 penetrating in the direction of the axis AX. The metallic shell 20 has a shelf portion 25 that protrudes radially inward and constitutes a part of the through hole 23 . The metal shell 20 projects the front end portion 10s of the sensor element 10 to the outside of its front end side (downward in FIG. 1), and the rear end portion 10k of the sensor element 10 to the outside of its rear end side (upward in FIG. 1). The sensor element 10 is held in the through hole 23 with the sensor element 10 projecting outward.
Further, an annular ceramic holder 42 , two talc rings 43 and 44 annularly filled with talc powder, and a ceramic sleeve 45 are arranged inside the through hole 23 of the metallic shell 20 . Specifically, the ceramic holder 42, the talc rings 43 and 44, and the ceramic sleeve 45 surround the sensor element 10 in the radial direction. to the rear end side in the axial direction (upper end side in FIG. 1).

また、セラミックホルダ42と主体金具20の棚部25との間には、金属カップ41が配置されている。また、セラミックスリーブ45と主体金具20のカシメ部22との間には、加締リング46が配置されている。なお、主体金具20のカシメ部22が、加締リング46を介してセラミックスリーブ45を先端側に押し付けるように、加締められている。
主体金具20の先端部20bには、センサ素子10の先端部10sを覆うように、複数の孔を有する金属製(具体的にはステンレス)の外部プロテクタ31及び内部プロテクタ32が、溶接によって取り付けられている。一方、主体金具20の後端部には、外筒51が溶接によって取り付けられている。外筒51は、軸線AX方向に延びる筒状をなし、センサ素子10を包囲している。
A metal cup 41 is arranged between the ceramic holder 42 and the shelf 25 of the metal shell 20 . A crimping ring 46 is arranged between the ceramic sleeve 45 and the crimped portion 22 of the metallic shell 20 . The crimped portion 22 of the metal shell 20 is crimped via a crimp ring 46 so as to press the ceramic sleeve 45 toward the distal end side.
An outer protector 31 and an inner protector 32 made of metal (specifically, stainless steel) having a plurality of holes are attached to the front end 20b of the metal shell 20 by welding so as to cover the front end 10s of the sensor element 10. ing. On the other hand, an outer cylinder 51 is attached to the rear end portion of the metal shell 20 by welding. The outer cylinder 51 has a tubular shape extending in the direction of the axis AX and surrounds the sensor element 10 .

保持部材60は、絶縁性材料(具体的にはアルミナ)からなり、軸線AX方向に貫通する挿入孔62を有する筒状部材である。挿入孔62内には、前述した6個の端子部材(端子部材75,76など)が配置されている(図1参照)。保持部材60の後端部には、径方向外側に突出する鍔部65が形成されている。保持部材60は、鍔部65が内部支持部材53に当接する態様で、内部支持部材53に保持されている。なお、内部支持部材53は、外筒51のうち径方向内側に向けて加締められた加締部51gにより、外筒51に保持されている。
保持部材60の後端面61上には、絶縁部材90が配置されている。絶縁部材90は、電気絶縁性材料(具体的にはアルミナ)からなり、円筒状をなす。この絶縁部材90には、軸線AX方向に貫通する貫通孔91が合計6個形成されている。この貫通孔91には、前述した端子部材のリード線把持部(リード線把持部77,78など)が配置されている。
The holding member 60 is a cylindrical member made of an insulating material (specifically, alumina) and having an insertion hole 62 penetrating in the direction of the axis AX. The six terminal members (terminal members 75, 76, etc.) described above are arranged in the insertion hole 62 (see FIG. 1). A rear end portion of the holding member 60 is formed with a flange portion 65 protruding radially outward. The holding member 60 is held by the internal support member 53 in such a manner that the flange portion 65 contacts the internal support member 53 . The internal support member 53 is held by the outer cylinder 51 by a crimped portion 51g that is crimped radially inward of the outer cylinder 51 .
An insulating member 90 is arranged on the rear end surface 61 of the holding member 60 . The insulating member 90 is made of an electrically insulating material (specifically, alumina) and has a cylindrical shape. A total of six through-holes 91 are formed through the insulating member 90 in the direction of the axis AX. The lead wire gripping portions (the lead wire gripping portions 77 and 78, etc.) of the terminal member described above are arranged in the through holes 91 .

また、外筒51のうち軸線方向後端部(図1において上端部)に位置する後端開口部51cの径方向内側には、フッ素ゴムからなる弾性シール部材73が配置されている。この弾性シール部材73には、軸線AX方向に延びる円筒状の挿通孔73cが、合計6個形成されている。各々の挿通孔73cは、弾性シール部材73の挿通孔面73b(円筒状の内壁面)によって構成されている。各々の挿通孔73cには、リード線71が1本ずつ挿通されている。各々のリード線71は、弾性シール部材73の挿通孔73cを通じて、ガスセンサ1の外部に延出している。弾性シール部材73は、外筒51の後端開口部51cを径方向内側に加締めることで径方向に弾性圧縮変形し、これにより、挿通孔面73bとリード線71の外周面71bとを密着させて、挿通孔面73bとリード線71の外周面71bとの間を水密に封止している。 An elastic seal member 73 made of fluororubber is arranged radially inside the rear end opening 51c located at the rear end (upper end in FIG. 1) of the outer cylinder 51 in the axial direction. A total of six cylindrical insertion holes 73c extending in the direction of the axis AX are formed in the elastic seal member 73 . Each insertion hole 73 c is formed by an insertion hole surface 73 b (cylindrical inner wall surface) of the elastic seal member 73 . One lead wire 71 is inserted through each insertion hole 73c. Each lead wire 71 extends outside the gas sensor 1 through an insertion hole 73 c of the elastic seal member 73 . The elastic sealing member 73 is elastically deformed in the radial direction by crimping the rear end opening 51c of the outer cylinder 51 inward in the radial direction. The gap between the insertion hole surface 73b and the outer peripheral surface 71b of the lead wire 71 is watertightly sealed.

一方、図3に示すように、センサ素子10は、板状の絶縁層111s、121s、131s内にそれぞれ形成された固体電解質体111e、121e、131eと、これらの間に配置された絶縁体140、145とを備え、これらが積層方向に積層された構造を有する。さらに、センサ素子10には、固体電解質体131eの裏面側に、ヒータ161が積層されている。このヒータ161は、アルミナを主体とする板状の絶縁体162、163と、その間に埋設されたヒータパターン164(Ptを主体としている)とを備えている。
なお、固体電解質体111e、121e、131eはそれぞれ略矩形をなし、絶縁層111s、121s、131sの先端側に設けられた矩形の開口内にそれぞれ形成されている。ここで、本例では、固体電解質体111e、131eはシート状の部材を所定位置に転写しているが、固体電解質体111e、131eの材料を開口に埋め込んでもよい。
On the other hand, as shown in FIG. 3, the sensor element 10 includes solid electrolyte bodies 111e, 121e, and 131e formed in plate-like insulating layers 111s, 121s, and 131s, respectively, and an insulator 140 disposed therebetween. , 145, which are stacked in the stacking direction. Furthermore, in the sensor element 10, a heater 161 is laminated on the back side of the solid electrolyte body 131e. This heater 161 includes plate-shaped insulators 162 and 163 mainly made of alumina, and a heater pattern 164 (mainly made of Pt) embedded therebetween.
The solid electrolyte bodies 111e, 121e, and 131e are substantially rectangular, respectively, and are formed in rectangular openings provided on the tip side of the insulating layers 111s, 121s, and 131s, respectively. Here, in this example, the solid electrolyte bodies 111e and 131e are sheet-like members transferred to predetermined positions, but the material of the solid electrolyte bodies 111e and 131e may be embedded in the openings.

固体電解質体111e、121e、131eは、固体電解質であるジルコニアからなり、酸素イオン伝導性を有する。固体電解質体111eの表面側には、多孔質のIp1+電極112が設けられている。また、固体電解質体111eの裏面側には、多孔質のIp1-電極113が設けられている。さらに、Ip1+電極112の表面は、多孔質層114Bで覆われている。
又、Ip1+電極112にはIp1+リード116が接続されている(図2、図4参照)。又、Ip1-電極113にはIp1-リード117(図4)が接続されている。
The solid electrolyte bodies 111e, 121e, and 131e are made of zirconia, which is a solid electrolyte, and have oxygen ion conductivity. A porous Ip1+ electrode 112 is provided on the surface side of the solid electrolyte body 111e. A porous Ip1-electrode 113 is provided on the back side of the solid electrolyte body 111e. Furthermore, the surface of the Ip1+ electrode 112 is covered with a porous layer 114B.
An Ip1+ lead 116 is connected to the Ip1+ electrode 112 (see FIGS. 2 and 4). Also, the Ip1-lead 117 (FIG. 4) is connected to the Ip1-electrode 113 .

また、図4に示すように、Ip1+電極112及びIp1+リード116の表面には第3緻密層118Bが積層され、第3緻密層118Bの先端側には矩形の開口118Bhが設けられている。そして、この開口118Bhに多孔質層114Bが充填されている。 Further, as shown in FIG. 4, a third dense layer 118B is laminated on the surfaces of the Ip1+ electrode 112 and the Ip1+ lead 116, and a rectangular opening 118Bh is provided on the tip side of the third dense layer 118B. The opening 118Bh is filled with the porous layer 114B.

なお、図4に示すように、第3緻密層118Bの表面には、空隙10Gを有し、アルミナ等からなるガス非透過性の第1緻密層118が積層される。空隙10Gから多孔質層114Bの一部が露出する。そして、Ip1+電極112の側面は第3緻密層118Bで覆われるとともに、各緻密層115、118、118Bで囲まれている。
空隙10Gは、多孔質層114B近傍から大気導入口10hに連通する部位までまっすぐに延びている。そして、空隙10Gの後端側の第1緻密層118には、電極端子部13~15と導通するためのスルーホールが設けられている。
なお、大気導入口10hは空隙10Gよりも幅方向の寸法が短くなっている(図5参照)。
As shown in FIG. 4, a gas-impermeable first dense layer 118 made of alumina or the like and having voids 10G is laminated on the surface of the third dense layer 118B. Part of the porous layer 114B is exposed from the gap 10G. The side surface of the Ip1+ electrode 112 is covered with the third dense layer 118B and surrounded by the dense layers 115, 118 and 118B.
The gap 10G extends straight from the vicinity of the porous layer 114B to a portion communicating with the atmosphere inlet 10h. Through holes for electrical connection with the electrode terminal portions 13 to 15 are provided in the first dense layer 118 on the rear end side of the gap 10G.
The air inlet 10h is shorter in width than the gap 10G (see FIG. 5).

さらに、第1緻密層118の表面には、アルミナ等からなるガス非透過性の第2緻密層115が積層され、空隙10Gを閉塞している。これにより、多孔質層114Bで覆われたIp1+電極112が、緻密層115,118で囲まれた空隙10G内に配置されて被測定ガスとの接触を防止するようになっている。
そして、第2緻密層115のうち、空隙10Gの後端と重なる位置が矩形状に開口して大気導入口10hを形成し、空隙10Gは大気導入口10hに連通している。大気導入口10hは、後述する第1多孔質体151よりも後端側に開口しており、排ガスでなく、大気を導入することができる。これにより、Ip1+電極112は、多孔質層114Bを介して大気導入口10hから導入される大気に曝されるようになっている。
Furthermore, a gas-impermeable second dense layer 115 made of alumina or the like is laminated on the surface of the first dense layer 118 to close the gap 10G. Thereby, the Ip1+ electrode 112 covered with the porous layer 114B is arranged in the gap 10G surrounded by the dense layers 115 and 118 to prevent contact with the gas to be measured.
In the second dense layer 115, the position overlapping the rear end of the gap 10G is opened in a rectangular shape to form the air inlet 10h, and the gap 10G communicates with the air inlet 10h. The air introduction port 10h is open on the rear end side of a first porous body 151, which will be described later, and can introduce air instead of exhaust gas. Thereby, the Ip1+ electrode 112 is exposed to the air introduced from the air inlet 10h through the porous layer 114B.

固体電解質体111e及び電極112、113は、Ip1セル110(ポンプセル)を構成する。このIp1セル110は、電極112、113間に流すポンプ電流Ip1に応じて、電極112の接する雰囲気(センサ素子10の外部の被測定ガスとは異なる、空隙10G内の大気)と、電極113の接する雰囲気(後述する第1測定室150内の雰囲気、つまりセンサ素子10の外部の被測定ガス)との間で酸素の汲み出し及び汲み入れ(いわゆる酸素ポンピング)を行う。 The solid electrolyte body 111e and electrodes 112 and 113 constitute an Ip1 cell 110 (pump cell). In the Ip1 cell 110, the atmosphere in contact with the electrode 112 (the atmosphere in the gap 10G, which is different from the measured gas outside the sensor element 10) and the Oxygen is pumped in and out (so-called oxygen pumping) with the atmosphere (the atmosphere in the first measurement chamber 150 to be described later, that is, the gas to be measured outside the sensor element 10).

固体電解質体121eは、絶縁体140を挟んで、固体電解質体111eと積層方向に対向するように配置されている。固体電解質体121eの表面側(図2において上面側)には、多孔質のVs-電極122が設けられている。また、固体電解質体121eの裏面側(図2において下面側)には、多孔質のVs+電極123が設けられている。 Solid electrolyte body 121e is arranged so as to face solid electrolyte body 111e in the stacking direction with insulator 140 interposed therebetween. A porous Vs-electrode 122 is provided on the surface side (top side in FIG. 2) of the solid electrolyte body 121e. A porous Vs+ electrode 123 is provided on the back surface side (lower surface side in FIG. 2) of the solid electrolyte body 121e.

固体電解質体111eと固体電解質体121eとの間には、センサ素子の内部空間としての第1測定室150が形成されている。この第1測定室150は、排気通路内を流通する被測定ガス(排ガス)が、センサ素子10内に最初に導入される内部空間であり、ガス透過性及び透水性を有する第1多孔質体(拡散抵抗部)151(図2、図4参照)を通じてセンサ素子10の外部と連通している。第1多孔質体151は、センサ素子10の外部との仕切りとして、第1測定室150の側方に設けられており、第1測定室150内への排ガスの単位時間あたりの流通量(拡散速度)を制限する。
第1測定室150の後端側(図2において右側)には、第1測定室150と後述する第2測定室160との間の仕切りとして、排ガスの単位時間あたりの流通量を制限する第2多孔質体152が設けられている。
A first measurement chamber 150 as an internal space of the sensor element is formed between the solid electrolyte body 111e and the solid electrolyte body 121e. The first measurement chamber 150 is an internal space where the gas to be measured (exhaust gas) flowing through the exhaust passage is first introduced into the sensor element 10, and is a first porous body having gas permeability and water permeability. It communicates with the outside of the sensor element 10 through a (diffusion resistor) 151 (see FIGS. 2 and 4). The first porous body 151 is provided on the side of the first measurement chamber 150 as a partition between the sensor element 10 and the outside. speed).
On the rear end side of the first measurement chamber 150 (on the right side in FIG. 2), as a partition between the first measurement chamber 150 and a second measurement chamber 160, which will be described later, is a second measurement chamber that limits the flow rate of the exhaust gas per unit time. A biporous body 152 is provided.

固体電解質体121e及び電極122、123は、Vsセル(検知セル)120を構成する。このVsセル120は、主として、固体電解質体121eにより隔てられた雰囲気(電極122の接する第1測定室150内の雰囲気と、電極123の接する基準酸素室170内の雰囲気)間の酸素分圧差に応じて起電力を発生する。 The solid electrolyte body 121e and the electrodes 122, 123 constitute a Vs cell (detection cell) 120. As shown in FIG. This Vs cell 120 is mainly affected by the oxygen partial pressure difference between the atmospheres separated by the solid electrolyte body 121e (the atmosphere in the first measurement chamber 150 in contact with the electrode 122 and the atmosphere in the reference oxygen chamber 170 in contact with the electrode 123). An electromotive force is generated accordingly.

固体電解質体131eは、絶縁体145を挟んで、固体電解質体121と積層方向に対向するように配置されている。固体電解質体131eの表面側(図2において上面側)には、多孔質のIp2+電極132と多孔質のIp2-電極133が設けられている。 Solid electrolyte body 131e is arranged to face solid electrolyte body 121 in the stacking direction with insulator 145 interposed therebetween. A porous Ip2+ electrode 132 and a porous Ip2− electrode 133 are provided on the surface side (upper surface side in FIG. 2) of the solid electrolyte body 131e.

Ip2+電極132とVs+電極123との間には、孤立した小空間としての基準酸素室170が形成されている。この基準酸素室170は、絶縁体145に形成されている開口部145bにより構成されている。なお、基準酸素室170内のうちIp2+電極132側には、セラミックス製の多孔質体が配置されている。
また、Ip2-電極133と積層方向に対向する位置には、センサ素子の内部空間としての第2測定室160が形成されている。この第2測定室160は、絶縁体145を積層方向に貫通する開口部145cと、固体電解質体121を積層方向に貫通する開口部125と、絶縁体140を積層方向に貫通する開口部141とにより構成されている。
第1測定室150と第2測定室160とは、ガス透過性及び透水性を有する第2多孔質体152を通じて連通している。従って、第2測定室160は、第1多孔質体151、第1測定室150、及び第2多孔質体152を通じて、センサ素子10の外部と連通している。
A reference oxygen chamber 170 as an isolated small space is formed between the Ip2+ electrode 132 and the Vs+ electrode 123 . This reference oxygen chamber 170 is constituted by an opening 145 b formed in the insulator 145 . A ceramic porous body is arranged in the reference oxygen chamber 170 on the side of the Ip2+ electrode 132 .
A second measurement chamber 160 is formed as an internal space of the sensor element at a position facing the Ip2-electrode 133 in the stacking direction. The second measurement chamber 160 includes an opening 145c passing through the insulator 145 in the stacking direction, an opening 125 passing through the solid electrolyte body 121 in the stacking direction, and an opening 141 passing through the insulator 140 in the stacking direction. It is composed of
The first measurement chamber 150 and the second measurement chamber 160 are communicated through a second porous body 152 having gas permeability and water permeability. Therefore, the second measurement chamber 160 communicates with the outside of the sensor element 10 through the first porous body 151 , the first measurement chamber 150 and the second porous body 152 .

固体電解質体131e及び電極132、133は、NOx濃度を検知するためのIp2セル130(第2ポンプセル)を構成する。このIp2セル130は、第2測定室160内で分解されたNOx由来の酸素(酸素イオン)を、固体電解質体131eを通じて、基準酸素室170に移動させる。このとき、電極132及び電極133の間には、第2測定室160内に導入された排ガス(測定対象ガス)に含まれるNOxの濃度に応じた電流が流れる。 The solid electrolyte body 131e and the electrodes 132, 133 constitute an Ip2 cell 130 (second pump cell) for detecting the NOx concentration. The Ip2 cell 130 moves oxygen (oxygen ions) derived from NOx decomposed in the second measurement chamber 160 to the reference oxygen chamber 170 through the solid electrolyte body 131e. At this time, a current flows between the electrodes 132 and 133 according to the concentration of NOx contained in the exhaust gas (gas to be measured) introduced into the second measurement chamber 160 .

ここで、第3緻密層118B、第2緻密層115、及び第1緻密層118がそれぞれ特許請求の範囲の「第1セラミック層」、「第2セラミック層」及び「第3セラミック層」に相当する。又、各層115,118B、118に対し、空隙10Gが特許請求の範囲の「内部空間」に相当する。
同様に、絶縁層121s、絶縁層111s、及び絶縁体140がそれぞれ特許請求の範囲の「第1セラミック層」、「第2セラミック層」及び「第3セラミック層」に相当する。又、各層111s、121s、140に対し、第1測定室150が特許請求の範囲の「内部空間」に相当する。
Here, the third dense layer 118B, the second dense layer 115, and the first dense layer 118 correspond to the "first ceramic layer,""second ceramic layer," and "third ceramic layer," respectively. do. In addition, for each layer 115, 118B, 118, the gap 10G corresponds to the "internal space" in the claims.
Similarly, the insulating layer 121s, the insulating layer 111s, and the insulator 140 correspond to the "first ceramic layer,""second ceramic layer," and "third ceramic layer," respectively. Also, the first measurement chamber 150 corresponds to the "internal space" in the claims for each of the layers 111s, 121s, and 140. As shown in FIG.

次に、図4、図5を参照し、本発明の特徴部分について説明する。
図4、図5に示すように、内部空間をなす空隙10Gの周縁において、空隙10Gに接する第3緻密層118Bと第1緻密層118との間に、第4セラミック層181が介装されている。又、空隙10Gに接する第2緻密層115と第1緻密層118との間に、第5セラミック層191が介装されている。
同様に、内部空間をなす第1測定室150の周縁において、第1測定室150に接する絶縁層121sと絶縁体140との間に、第4セラミック層182が介装されている。又、第1測定室150に接する絶縁層111sと絶縁体140との間に、第5セラミック層191が介装されている。
Next, features of the present invention will be described with reference to FIGS. 4 and 5. FIG.
As shown in FIGS. 4 and 5, a fourth ceramic layer 181 is interposed between the first dense layer 118 and the third dense layer 118B in contact with the void 10G at the periphery of the void 10G forming the internal space. there is A fifth ceramic layer 191 is interposed between the second dense layer 115 and the first dense layer 118 which are in contact with the gap 10G.
Similarly, a fourth ceramic layer 182 is interposed between the insulator 140 and the insulating layer 121s in contact with the first measuring chamber 150 at the periphery of the first measuring chamber 150 forming the internal space. A fifth ceramic layer 191 is interposed between the insulating layer 111 s in contact with the first measurement chamber 150 and the insulator 140 .

ここで、「内部空間の周縁において」とは、図6に示すように、例えば内部空間をなす空隙10Gの周縁10fを含んで周縁10fより外側の領域R1、又は周縁10fを含んで周縁10fより内側の領域R2のいずれか、又は両方の領域R1,R2を意味する。
本実施形態では、第4セラミック層181及び第5セラミック層191は、空隙10Gの周縁を跨いでセンサ素子10の幅方向及び軸線AX方向に延びている。
又、第4セラミック層182は、第1測定室150の周縁を跨いでセンサ素子10の幅方向及び軸線AX方向に延びている。第5セラミック層192は、第1測定室150の周縁を含み、この周縁より外側の領域に形成されている。
Here, "at the periphery of the internal space" means, for example, a region R1 outside the periphery 10f including the periphery 10f of the gap 10G forming the internal space, or It means either the inner region R2 or both regions R1, R2.
In this embodiment, the fourth ceramic layer 181 and the fifth ceramic layer 191 extend in the width direction of the sensor element 10 and in the direction of the axis AX across the periphery of the gap 10G.
Further, the fourth ceramic layer 182 extends across the periphery of the first measurement chamber 150 in the width direction of the sensor element 10 and in the direction of the axis AX. The fifth ceramic layer 192 is formed in a region including the periphery of the first measurement chamber 150 and outside the periphery.

そして、第4セラミック層181は、これに接する第3緻密層118Bと第1緻密層118の主成分のセラミック材料とは異なるセラミック材料を主成分とし、第5セラミック層191は、これに接する第2緻密層115と第1緻密層118の主成分のセラミック材料とは異なるセラミック材料を主成分とする。
同様に、第4セラミック層182は、これに接する絶縁層121sと絶縁体140の主成分のセラミック材料とは異なるセラミック材料を主成分とし、第5セラミック層192は、これに接する絶縁層111sと絶縁体140の主成分のセラミック材料とは異なるセラミック材料を主成分とする。
The fourth ceramic layer 181 is mainly composed of a ceramic material different from the ceramic material of the main component of the third dense layer 118B and the first dense layer 118 in contact therewith, and the fifth ceramic layer 191 is in contact with the third dense layer 118B. The second dense layer 115 and the first dense layer 118 are mainly composed of a ceramic material different from that of the main component.
Similarly, the fourth ceramic layer 182 is mainly composed of a ceramic material different from the ceramic material of the insulating layer 121s and the insulator 140 in contact therewith, and the fifth ceramic layer 192 is composed of the insulating layer 111s in contact therewith. The main component is a ceramic material that is different from the ceramic material that is the main component of the insulator 140 .

以上のように、第4セラミック層181が第3緻密層118Bと第1緻密層118の主成分のセラミック材料とは異なるセラミック材料を主成分とし、第5セラミック層191が第2緻密層115と第1緻密層118の主成分のセラミック材料とは異なるセラミック材料を主成分とし、第4セラミック層181や第5セラミック層191がより低い温度で収縮が始まる(収縮開始温度が低い)ようにすれば、空隙10Gに接するセラミック層115,118、118B間のクラックを抑制できる。 As described above, the fourth ceramic layer 181 is mainly composed of a ceramic material different from the ceramic material that is the main component of the third dense layer 118B and the first dense layer 118, and the fifth ceramic layer 191 is the second dense layer 115. The main component is a ceramic material different from the main component ceramic material of the first dense layer 118, and the fourth ceramic layer 181 and the fifth ceramic layer 191 start shrinking at a lower temperature (shrinkage start temperature is low). can suppress cracks between the ceramic layers 115, 118, and 118B in contact with the gap 10G.

すなわち、図7に示すように、空隙10Gを形成する際に、第3緻密層グリーンシート118BGの上に第1緻密層グリーンシート118Gを積層し、さらに空隙10Gの形成領域となる第1緻密層グリーンシート118Gの隙間に焼失性粒子(カーボン等)を含むシート10pを充填した後、第1緻密層グリーンシート118Gの上に第2緻密層グリーンシート115Gを積層し、全体を焼成してシート10pを焼失させて空隙10Gとする。
この焼成の際、第3緻密層グリーンシート118BG及び第2緻密層グリーンシート115Gは制限を受けずに収縮することができる(図7の矢印F1)。一方、第1緻密層グリーンシート118Gが収縮しようとしても、シート10pが焼失し切るまでは、シート10pに阻害されて十分に収縮できない(図7の矢印F2)。
That is, as shown in FIG. 7, when forming the voids 10G, the first dense layer green sheet 118G is laminated on the third dense layer green sheet 118BG, and the first dense layer serving as the formation region of the voids 10G. After filling the gaps between the green sheets 118G with the sheets 10p containing burn-off particles (such as carbon), the second dense layer green sheets 115G are laminated on the first dense layer green sheets 118G, and the whole is fired to form the sheet 10p. is burnt out to form a gap of 10G .
During this firing, the third dense layer green sheet 118BG and the second dense layer green sheet 115G can shrink without restriction (arrow F1 in FIG. 7). On the other hand, even if the first dense layer green sheet 118G tries to shrink, it cannot shrink sufficiently because it is hindered by the sheet 10p until the sheet 10p is completely burned out (arrow F2 in FIG. 7).

そこで、第3緻密層グリーンシート118BGと第1緻密層グリーンシート118Gとの間に、主成分であるセラミック材料が異なるために、より低い温度で収縮が始まる(収縮開始温度が低い)第4セラミック層ペースト181pが介在することで、第4セラミック層ペースト181pがシート10p側に収縮して第1緻密層グリーンシート118Gの収縮を補助し、F1とF2の収縮度の違いを小さくすることで、各層118BG,118G間に応力が掛かることを抑制し、クラックを抑制する。
同様に、第2緻密層グリーンシート115Gと第1緻密層グリーンシート118Gとの間に、主成分であるセラミック材料が異なるために、より低い温度で収縮が始まる(収縮開始温度が低い)第5セラミック層ペースト191pが介在することで、第5セラミック層ペースト191pがシート10p側に収縮して第1緻密層グリーンシート118Gの収縮を補助し、F1とF2の収縮度の違いを小さくすることで、各層115G,118G間に応力が掛かることを抑制し、クラックを抑制する。
第1測定室150における第4セラミック層182、第5セラミック層192についても同様であるので、説明を省略する。
Therefore, since the main component ceramic material is different between the third dense layer green sheet 118BG and the first dense layer green sheet 118G, shrinkage starts at a lower temperature (shrinkage start temperature is low). By interposing the layer paste 181p, the fourth ceramic layer paste 181p shrinks toward the sheet 10p side, assists the shrinkage of the first dense layer green sheet 118G, and reduces the difference in degree of shrinkage between F1 and F2. It suppresses stress from being applied between the layers 118BG and 118G and suppresses cracks.
Similarly, since the main component ceramic material is different between the second dense layer green sheet 115G and the first dense layer green sheet 118G, shrinkage starts at a lower temperature (shrinkage start temperature is low). By interposing the ceramic layer paste 191p, the fifth ceramic layer paste 191p shrinks toward the sheet 10p side, assists the shrinkage of the first dense layer green sheet 118G, and reduces the difference in degree of shrinkage between F1 and F2. , the application of stress between the layers 115G and 118G is suppressed, and cracks are suppressed.
The same applies to the fourth ceramic layer 182 and the fifth ceramic layer 192 in the first measurement chamber 150, so the description is omitted.

なお、収縮開始温度とは、各セラミック層と同一組成のグリーンシートをそれぞれ用意し、大気雰囲気下で昇温して焼成を進行させ、各セラミック層としたときの割り掛け率が1.05になったときの温度をいう。割り掛け率は、焼成収縮率ともいい、焼成後のセラミック層の縦又は横の寸法を1としたときの、焼成前のグリーンシートの縦又は横の寸法で算出する。
つまり、割り掛け率=(焼成前のグリーンシートの縦又は横の寸法)/(焼成後のセラミック層の同方向の寸法)である。
The shrinkage start temperature is defined by preparing a green sheet having the same composition as that of each ceramic layer, heating it in an air atmosphere to proceed with firing, and setting the ratio of each ceramic layer to 1.05. It means the temperature when it becomes The shrinkage ratio is also called firing shrinkage, and is calculated from the vertical or horizontal dimension of the green sheet before firing when the vertical or horizontal dimension of the ceramic layer after firing is set to 1.
In other words, the split ratio=(the vertical or horizontal dimension of the green sheet before firing)/(the same direction dimension of the ceramic layer after firing).

第1セラミック層~第3セラミック層をなす各層115,118B,118、111s、121s、140としては、アルミナを用いることができる。第1セラミック層~第3セラミック層は同一組成でなくてもよいが、略同一組成であると、素子の各部の強度等の特性が均一になるので好ましい。
各第4セラミック層、第5セラミック層としては、例えばZrOを50質量%を超えて含み、残部を第1セラミック層~第3セラミック層の組成(アルミナ)とするものを用いることができる。ZrOを50質量%を超えて含むと、収縮開始温度を確実に低くすることができる。
第1セラミック層~第3セラミック層としては、ZrOを第4セラミック層、第5セラミック層よりも少ない含有量(例えば、Alを50質量%を超えて含み、ZrOを50質量%未満含む)とする組成が挙げられる。
具体的には、第1セラミック層~第3セラミック層がアルミナを98質量%、ZrOを2質量%含有し、第4セラミック層及び第5セラミック層がZrOを80質量%、アルミナを20質量%含有するものを例示することができる。
Alumina can be used for the layers 115, 118B, 118, 111s, 121s and 140 forming the first to third ceramic layers. Although the first to third ceramic layers do not have to have the same composition, it is preferable that they have substantially the same composition because the strength and other characteristics of each part of the element are uniform.
As the fourth ceramic layer and the fifth ceramic layer, for example, one containing more than 50% by mass of ZrO 2 and the balance being the composition (alumina) of the first to third ceramic layers can be used. If the ZrO 2 content exceeds 50% by mass, the shrinkage initiation temperature can be reliably lowered.
The first to third ceramic layers contain less ZrO 2 than the fourth ceramic layer and the fifth ceramic layer (for example, more than 50% by mass of Al 2 O 3 and 50% by mass of ZrO 2 %).
Specifically, the first to third ceramic layers contain 98% by mass of alumina and 2% by mass of ZrO2 , and the fourth and fifth ceramic layers contain 80% by mass of ZrO2 and 20% by mass of alumina. What is contained by mass % can be exemplified.

図5に示すように、第4セラミック層181、第5セラミック層191の少なくとも一方が、空隙10Gの周縁を跨いで延びていると、図7に示す第4セラミック層ペースト181pや第5セラミック層ペースト191pの収縮力をより確実に第1緻密層グリーンシート118Gに伝えるので、クラックを抑制する効果が大きくなる。
なお、「周縁を跨ぐ」とは、センサ素子10の幅方向と軸線AX方向の少なくとも一方に跨ぐものであればよいが、両方の方向に跨ぐとより好ましい。
As shown in FIG. 5, if at least one of the fourth ceramic layer 181 and the fifth ceramic layer 191 extends across the periphery of the gap 10G, the fourth ceramic layer paste 181p and the fifth ceramic layer shown in FIG. Since the shrinkage force of the paste 191p is more reliably transmitted to the first dense layer green sheet 118G, the effect of suppressing cracks is enhanced.
It should be noted that "straddling the periphery" means straddling at least one of the width direction of the sensor element 10 and the direction of the axis AX, but it is more preferable to straddle both directions.

但し、図5に示す第5セラミック層192の場合、第1測定室150の周縁より内側にIp1-電極113が配置されているので、Ip1-電極113の機能を阻害しないよう、第5セラミック層192は第1測定室150の周縁より外側に形成している。
第5セラミック層192を第1測定室150の周縁より外側に形成する代わりに、第5セラミック層192を第1測定室150の周縁を跨ぎつつ、第1測定室150の周縁より内側ではIp1-電極113から離間して(浮いて)いるように形成してもよい。
However, in the case of the fifth ceramic layer 192 shown in FIG. 5, the Ip1-electrode 113 is arranged inside the periphery of the first measurement chamber 150, so that the function of the Ip1-electrode 113 is not hindered. 192 is formed outside the periphery of the first measurement chamber 150 .
Instead of forming the fifth ceramic layer 192 outside the periphery of the first measurement chamber 150, the fifth ceramic layer 192 straddles the periphery of the first measurement chamber 150, and the inside of the periphery of the first measurement chamber 150 is Ip1- It may be formed so as to be spaced (floating) from the electrode 113 .

又、図5に示す第4セラミック層181は、多孔質層114Bの表面に形成されている。このような場合、多孔質層114Bの通気を阻害しないよう、第4セラミック層181は多孔質層であることが好ましい。
第4セラミック層181を多孔質層とするには、第4セラミック層181のペースト中に、焼失性粒子(カーボン等)を含有させればよい。
A fourth ceramic layer 181 shown in FIG. 5 is formed on the surface of the porous layer 114B. In such a case, the fourth ceramic layer 181 is preferably a porous layer so as not to block the ventilation of the porous layer 114B.
In order to make the fourth ceramic layer 181 a porous layer, the paste of the fourth ceramic layer 181 may contain burnt-off particles (such as carbon).

又、第4セラミック層181が第2緻密層115及び第1緻密層118の外表面に露出すると、外部の水が第4セラミック層181に掛かったり、熱衝撃が第4セラミック層181に加わって第4セラミック層181にクラックが生じる場合がある。
そこで、図5に示すように、第4セラミック層181が第2緻密層115及び第1緻密層118の外表面に露出しないようにすると好ましい。
第4セラミック層182、及び第5セラミック層191、192についても同様である。
Also, when the fourth ceramic layer 181 is exposed on the outer surfaces of the second dense layer 115 and the first dense layer 118, the fourth ceramic layer 181 may be exposed to external water or thermal shock. Cracks may occur in the fourth ceramic layer 181 .
Therefore, as shown in FIG. 5, it is preferable to prevent the fourth ceramic layer 181 from being exposed to the outer surfaces of the second dense layer 115 and the first dense layer 118 .
The same is true for the fourth ceramic layer 182 and the fifth ceramic layers 191 and 192 .

ここで、本実施形態のガスセンサ1によるNOx濃度検知について、簡単に説明する。
センサ素子10の固体電解質体111e、121e、131eは、ヒータパターン164の昇温に伴い加熱され、活性化する。これにより、Ip1セル110、Vsセル120、及びIp2セル130が動作するようになる。
排気通路(図示なし)内を流通する排ガスは、第1多孔質体151による流通量の制限を受けつつ第1測定室150内に導入される。このとき、Vsセル120には、電極123側から電極122側へ微弱な電流Icpが流されている。このため、排ガス中の酸素は、負極側となる第1測定室150内の電極122から電子を受け取ることができ、酸素イオンとなって固体電解質体121内を流れ、基準酸素室170内に移動する。つまり、電極122、123間で電流Icpが流されることによって、第1測定室150内の酸素が基準酸素室170内に送り込まれる。
Here, the NOx concentration detection by the gas sensor 1 of this embodiment will be briefly described.
As the temperature of the heater pattern 164 rises, the solid electrolyte bodies 111e, 121e, and 131e of the sensor element 10 are heated and activated. This enables the Ip1 cell 110, the Vs cell 120, and the Ip2 cell 130 to operate.
Exhaust gas flowing through the exhaust passage (not shown) is introduced into the first measurement chamber 150 while being restricted by the first porous body 151 . At this time, a weak current Icp flows through the Vs cell 120 from the electrode 123 side to the electrode 122 side. Therefore, the oxygen in the exhaust gas can receive electrons from the electrode 122 in the first measurement chamber 150 on the negative electrode side, become oxygen ions, flow through the solid electrolyte body 121, and move into the reference oxygen chamber 170. do. In other words, the oxygen in the first measurement chamber 150 is sent into the reference oxygen chamber 170 by applying the current Icp between the electrodes 122 and 123 .

第1測定室150内に導入された排ガスの酸素濃度が所定値より薄い場合、電極112側が負極となるようにIp1セル110に電流Ip1を流し、センサ素子10の外部から第1測定室150内へ酸素の汲み入れを行う。一方、第1測定室150内に導入された排ガスの酸素濃度が所定値より濃い場合、電極113側が負極となるようにIp1セル110に電流Ip1を流し、第1測定室150内からセンサ素子10外部へ酸素の汲み出しを行う。 When the oxygen concentration of the exhaust gas introduced into the first measurement chamber 150 is lower than a predetermined value, the current Ip1 is passed through the Ip1 cell 110 so that the electrode 112 side becomes the negative electrode, and oxygen is pumped into the On the other hand, when the oxygen concentration of the exhaust gas introduced into the first measurement chamber 150 is higher than the predetermined value, the current Ip1 is passed through the Ip1 cell 110 so that the electrode 113 side becomes the negative electrode, and the sensor element 10 is supplied from the first measurement chamber 150. Oxygen is pumped to the outside.

このように、第1測定室150において酸素濃度が調整された排ガスは、第2多孔質体152を通じて、第2測定室160内に導入される。第2測定室160内で電極133と接触した排ガス中のNOxは、電極132、133間に電圧Vp2を印加されることで、電極133上で窒素と酸素に分解(還元)され、分解された酸素は、酸素イオンとなって固体電解質体131内を流れ、基準酸素室170内に移動する。このとき、第1測定室150で汲み残された残留酸素も同様に、Ip2セル130によって基準酸素室170内に移動する。これにより、Ip2セル130には、NOx由来の電流及び残留酸素由来の電流が流れる。なお、基準酸素室170内に移動した酸素は、基準酸素室170内に接するVs+電極123とVsリード及びIp2+電極132とIp2+リードを介して外部(大気)に放出される、このため、Vs+リード及びIp2+リードは多孔質となっている。 Thus, the exhaust gas whose oxygen concentration has been adjusted in the first measurement chamber 150 is introduced into the second measurement chamber 160 through the second porous body 152 . NOx in the exhaust gas in contact with the electrode 133 in the second measurement chamber 160 is decomposed (reduced) into nitrogen and oxygen on the electrode 133 by applying a voltage Vp2 between the electrodes 132 and 133, and decomposed. Oxygen becomes oxygen ions, flows through the solid electrolyte body 131 , and moves into the reference oxygen chamber 170 . At this time, residual oxygen remaining in the first measurement chamber 150 is similarly moved into the reference oxygen chamber 170 by the Ip2 cell 130 . As a result, a current derived from NOx and a current derived from residual oxygen flow through the Ip2 cell 130 . The oxygen that has moved into the reference oxygen chamber 170 is released to the outside (atmosphere) through the Vs+ electrode 123 and the Vs lead and the Ip2+ electrode 132 and the Ip2+ lead that are in contact with the reference oxygen chamber 170. and Ip2+ leads are porous.

ここで、第1測定室150で汲み残された残留酸素の濃度は、上記のように所定値に調整されているため、その残留酸素由来の電流は略一定とみなすことができ、NOx由来の電流の変動に対し影響は小さく、Ip2セル130を流れる電流は、NOx濃度に比例することとなる。従って、Ip2セル130を流れる電流Ip2を検出し、その電流値に基づいて、排ガス中のNOx濃度を検知することができる。 Here, since the concentration of residual oxygen left unpumped in the first measurement chamber 150 is adjusted to a predetermined value as described above, the current derived from the residual oxygen can be regarded as substantially constant, and the current derived from NOx can be regarded as It has little effect on current fluctuations, and the current flowing through the Ip2 cell 130 will be proportional to the NOx concentration. Therefore, the current Ip2 flowing through the Ip2 cell 130 can be detected, and the NOx concentration in the exhaust gas can be detected based on the current value.

なお、本実施形態では、絶縁層111sの裏面上のIp1-電極113を除く部位には、アルミナ絶縁層119が形成され、Ip1-電極113はアルミナ絶縁層119を積層方向に貫通する貫通孔119b(図4参照)を通じて、固体電解質体111eと接触する。 In this embodiment, an alumina insulating layer 119 is formed on the back surface of the insulating layer 111s except for the Ip1-electrode 113, and the Ip1-electrode 113 has a through hole 119b penetrating the alumina insulating layer 119 in the stacking direction. (see FIG. 4), it contacts with the solid electrolyte body 111e.

さらに、本実施形態では、絶縁層121sの表面上のVs-電極122を除く部位に、アルミナ絶縁層128が形成され、Vs-電極122はアルミナ絶縁層128を積層方向に貫通する貫通孔(図示せず)を通じて、固体電解質体121eと接触する。
さらに、絶縁層121sの裏面上のVs+電極123を除く部位に、アルミナ絶縁層129が形成され、Vs+電極123はアルミナ絶縁層129を積層方向に貫通する貫通孔(図示せず)を通じて、固体電解質体121eと接触する。
Furthermore, in this embodiment, an alumina insulating layer 128 is formed on the surface of the insulating layer 121s except for the Vs-electrode 122, and the Vs-electrode 122 penetrates the alumina insulating layer 128 in the stacking direction through a through hole (see FIG. (not shown) to contact the solid electrolyte body 121e.
Furthermore, an alumina insulating layer 129 is formed on the back surface of the insulating layer 121s except for the Vs+ electrode 123, and the Vs+ electrode 123 is connected to the solid electrolyte through a through hole (not shown) penetrating the alumina insulating layer 129 in the stacking direction. Contact with body 121e.

さらに、本実施形態では、絶縁層131sの表面上のIp2+電極132を除く部位に、アルミナ絶縁層138が形成され、Ip2+電極132はアルミナ絶縁層138を積層方向に貫通する貫通孔(図示せず)を通じて、固体電解質体131eと接触する。さらに、絶縁層131sの表面上のIp2-電極133を除く部位にも、アルミナ絶縁層138が形成され、電極133はアルミナ絶縁層138を積層方向に貫通する貫通孔(図示せず)を通じて、固体電解質体131eと接触する。 Furthermore, in the present embodiment, an alumina insulating layer 138 is formed on the surface of the insulating layer 131s except for the Ip2+ electrode 132, and the Ip2+ electrode 132 penetrates the alumina insulating layer 138 in the stacking direction through a through hole (not shown). ) to contact the solid electrolyte body 131e. Furthermore, an alumina insulating layer 138 is also formed on the surface of the insulating layer 131s except for the Ip2-electrode 133, and the electrode 133 passes through a through hole (not shown) passing through the alumina insulating layer 138 in the stacking direction. It contacts the electrolyte body 131e.

次に、本発明の実施形態に係るセンサ素子の製造方法について説明する。
図7に示すように、本発明の実施形態に係るセンサ素子の製造方法によると、プレス加工等によって内部に空隙を設けた第3セラミックグリーンシート(第1緻密層グリーンシート118G)を用意し、第3セラミックグリーンシートの空隙に焼失性材料を含むシート10pを埋め込んだものを、第1セラミックグリーンシート(第3緻密層グリーンシート118BG)の表面に積層し、第2セラミックグリーンシート(第2緻密層グリーンシート115G)を第3セラミックグリーンシートの表面に積層して全体を焼成し、シート10pを焼失させて、第1セラミック層、第2セラミック層及び第3セラミック層に囲まれる空隙10Gを内部空間として備え、軸線AX方向に延びる積層型のセンサ素子10が得られる。
Next, a method for manufacturing a sensor element according to an embodiment of the invention will be described.
As shown in FIG. 7, according to the method for manufacturing a sensor element according to the embodiment of the present invention, a third ceramic green sheet (first dense layer green sheet 118G) having voids formed therein by press working or the like is prepared, A sheet 10p containing a burn-out material embedded in the voids of the third ceramic green sheet is laminated on the surface of the first ceramic green sheet (third dense layer green sheet 118BG), and the second ceramic green sheet (second dense layer green sheet 118BG) is laminated. The layer green sheet 115G) is laminated on the surface of the third ceramic green sheet and the whole is fired, the sheet 10p is burned out, and the void 10G surrounded by the first ceramic layer, the second ceramic layer and the third ceramic layer is formed inside. A laminated sensor element 10 provided as a space and extending in the direction of the axis AX is obtained.

そして、内部空間10Gの周縁において、シート10pに接する第1セラミックグリーンシートと第3セラミックグリーンシートとの間に、第1セラミックグリーンシート及び第3セラミックグリーンシートの主成分のセラミック材料とは異なるセラミック材料を主成分とする第4セラミックを含む第4ペースト181pを塗布した後、焼成を行う。
第4ペースト181pが、第1セラミックグリーンシート及び第3セラミックグリーンシートより低い温度で収縮が始まる(収縮開始温度が低い)ようにすれば、上述のようにクラックを抑制できる。
At the periphery of the internal space 10G, between the first ceramic green sheet and the third ceramic green sheet in contact with the sheet 10p, a ceramic material different from the main component ceramic material of the first ceramic green sheet and the third ceramic green sheet is provided. After applying the fourth paste 181p containing the fourth ceramic whose main component is the material, firing is performed.
If the fourth paste 181p starts shrinking at a temperature lower than that of the first ceramic green sheet and the third ceramic green sheet (lower shrinkage starting temperature), cracks can be suppressed as described above.

本発明の実施形態に係るセンサ素子の製造方法において、さらに、空隙10Gの周縁において、シート10pに接する第2セラミックグリーンシートと第3セラミックグリーンシートとの間に、第2セラミックグリーンシート及び第3セラミックグリーンシートの主成分のセラミック材料とは異なるセラミック材料を主成分とする第5セラミックを含む第5ペースト191pを塗布した後、全体を焼成してもよい。この場合、焼成は、第4ペースト181p及び第5ペースト191pを塗布した後に行う。
第5ペースト191pが、第2セラミックグリーンシート及び第3セラミックグリーンシートより低い温度で収縮が始まる(収縮開始温度が低い)ようにすれば、上述のようにクラックを抑制できる。
In the method for manufacturing a sensor element according to the embodiment of the present invention, the second ceramic green sheet and the third After applying the fifth paste 191p containing a fifth ceramic whose main component is a ceramic material different from the ceramic material that is the main component of the ceramic green sheets, the whole may be fired. In this case, firing is performed after applying the fourth paste 181p and the fifth paste 191p.
If the fifth paste 191p starts shrinking at a temperature lower than that of the second ceramic green sheet and the third ceramic green sheet (lower shrinkage starting temperature), cracks can be suppressed as described above.

本発明は上記実施形態に限定されず、本発明の思想と範囲に含まれる様々な変形及び均等物に及ぶことはいうまでもない。
センサ素子の内部空間は、空隙であればよく、大気導入孔や、各種測定室が挙げられる。内部空間の形状も限定されない。
焼失性材料はシート状のほか、ペーストでもよい。
又、本発明は、少なくとも検知セルを有する(1セル以上の)センサ素子(ガスセンサ)に適用可能であり、本実施の形態のNOxセンサ素子(NOxセンサ)に適用することができるが、これらの用途に限られず、本発明の思想と範囲に含まれる様々な変形及び均等物に及ぶことはいうまでもない。例えば、被測定ガス中の酸素濃度を検出する酸素センサ(酸素センサ素子)や、HC濃度を検出するHCセンサ(HCセンサ素子)等に本発明を適用してもよい。
It goes without saying that the present invention is not limited to the above-described embodiments, but extends to various modifications and equivalents within the spirit and scope of the present invention.
The internal space of the sensor element may be a gap, and examples thereof include an air introduction hole and various measurement chambers. The shape of the internal space is also not limited.
The burn-out material may be in the form of a sheet or a paste.
Further, the present invention can be applied to a sensor element (gas sensor) having at least one detection cell (one or more cells), and can be applied to the NOx sensor element (NOx sensor) of the present embodiment. It goes without saying that the present invention is not limited to specific applications, and that various modifications and equivalents are included within the spirit and scope of the present invention. For example, the present invention may be applied to an oxygen sensor (oxygen sensor element) that detects the oxygen concentration in the gas to be measured, an HC sensor (HC sensor element) that detects the HC concentration, and the like.

1 ガスセンサ
10 センサ素子
10f 内部空間の周縁
10G 内部空間(空隙)
150 内部空間(第1測定室)
10p 焼失性材料を含むシート
20 主体金具
118B 第1セラミック層(第3緻密層)
121s 第1セラミック層(絶縁層)
115 第2セラミック層(第2緻密層)
111s 第2セラミック層(絶縁層)
118 第3セラミック層(第1緻密層)
140 第3セラミック層(絶縁体)
181、182 第4セラミック層
191、192 第5セラミック層
118BG 第1セラミック層グリーンシート
115G 第2セラミック層グリーンシート
118G 第3セラミック層グリーンシート
181p 第4ペースト
191p 第5ペースト
AX 長手方向(軸線)
Reference Signs List 1 gas sensor 10 sensor element 10f peripheral edge of internal space 10G internal space (gap)
150 Internal space (first measurement room)
10p Sheet containing burn-out material 20 Metal shell 118B First ceramic layer (third dense layer)
121s First ceramic layer (insulating layer)
115 Second ceramic layer (second dense layer)
111s Second ceramic layer (insulating layer)
118 third ceramic layer (first dense layer)
140 third ceramic layer (insulator)
181, 182 fourth ceramic layer 191, 192 fifth ceramic layer 118BG first ceramic layer green sheet 115G second ceramic layer green sheet 118G third ceramic layer green sheet 181p fourth paste 191p fifth paste AX longitudinal direction (axis)

Claims (13)

積層方向に間隔を開けて配置される第1セラミック層及び第2セラミック層と、
前記積層方向に前記第1セラミック層及び前記第2セラミック層の間に介装され、内部に空隙を有する第3セラミック層と、
前記第1セラミック層、前記第2セラミック層及び前記第3セラミック層に囲まれる前記空隙を内部空間として備え、軸線方向に延びる積層型のセンサ素子であって、
前記内部空間の周縁において、前記内部空間に接する前記第1セラミック層と前記第3セラミック層との間に、前記第1セラミック層及び前記第3セラミック層の主成分のセラミック材料とは異なるセラミック材料を主成分とする第4セラミック層が介装され
前記第4セラミック層は、前記第1セラミック層及び前記第3セラミック層よりも収縮開始温度が低いことを特徴とするセンサ素子。
a first ceramic layer and a second ceramic layer spaced apart in the stacking direction;
a third ceramic layer interposed between the first ceramic layer and the second ceramic layer in the stacking direction and having a void therein;
A laminated sensor element extending in an axial direction and having the gap surrounded by the first ceramic layer, the second ceramic layer, and the third ceramic layer as an internal space, the sensor element comprising:
A ceramic material different from the main component ceramic material of the first ceramic layer and the third ceramic layer is placed between the first ceramic layer and the third ceramic layer in contact with the internal space at the periphery of the internal space. A fourth ceramic layer containing as a main component is interposed ,
The sensor element , wherein the fourth ceramic layer has a shrinkage start temperature lower than that of the first ceramic layer and the third ceramic layer .
前記内部空間の周縁において、前記内部空間に接する前記第2セラミック層と前記第3セラミック層との間に、前記第2セラミック層及び前記第3セラミック層の主成分のセラミック材料とは異なるセラミック材料を主成分とする第5セラミック層が介装され、
前記第5セラミック層は、前記第2セラミック層及び前記第3セラミック層よりも収縮開始温度が低いことを特徴とする請求項1に記載のセンサ素子。
A ceramic material different from the main component ceramic material of the second ceramic layer and the third ceramic layer is placed between the second ceramic layer and the third ceramic layer in contact with the internal space at the periphery of the internal space. A fifth ceramic layer containing as a main component is interposed,
2. The sensor element according to claim 1 , wherein the fifth ceramic layer has a shrinkage start temperature lower than that of the second ceramic layer and the third ceramic layer .
前記第4セラミック層が前記内部空間の周縁を跨いで延びることを特徴とする請求項1又は2に記載のセンサ素子。 3. The sensor element according to claim 1 , wherein said fourth ceramic layer extends across the periphery of said internal space . 前記第4セラミック層が多孔質層であることを特徴とする請求項1~3のいずれか一項に記載のセンサ素子。 A sensor element according to any one of claims 1 to 3, characterized in that said fourth ceramic layer is a porous layer . 前記第1セラミック層及び前記第3セラミック層はAl を50質量%を超えて含み、
前記第4セラミック層が、ZrO を50質量%を超えて含むことを特徴とする請求項1~4のいずれか一項に記載のセンサ素子。
The first ceramic layer and the third ceramic layer contain more than 50% by mass of Al 2 O 3 ,
Sensor element according to any one of the preceding claims, characterized in that the fourth ceramic layer comprises more than 50% by weight of ZrO 2 .
前記第4セラミック層が、前記第1セラミック層及び前記第3セラミック層の外表面に露出しないことを特徴とする請求項1~5のいずれか一項に記載のセンサ素子。 The sensor element according to any one of claims 1 to 5 , wherein the fourth ceramic layer is not exposed on the outer surfaces of the first ceramic layer and the third ceramic layer . 前記第5セラミック層が前記内部空間の周縁を跨いで延びることを特徴とする請求項2、又は請求項2に従属する請求項3~6のいずれか一項に記載のセンサ素子。 The sensor element according to claim 2 or any one of claims 3 to 6 depending on claim 2, wherein the fifth ceramic layer extends across the periphery of the internal space. 前記第5セラミック層が多孔質層であることを特徴とする請求項2、又は請求項2に従属する請求項3~7のいずれか一項に記載のセンサ素子。 A sensor element according to claim 2 or any one of claims 3 to 7 depending on claim 2, characterized in that said fifth ceramic layer is a porous layer . 前記第2セラミック層及び前記第3セラミック層はAl を50質量%を超えて含み、
前記第5セラミック層が、ZrO を50質量%を超えて含むことを特徴とする請求項2、又は請求項2に従属する請求項3~8のいずれか一項に記載のセンサ素子。
The second ceramic layer and the third ceramic layer contain more than 50% by mass of Al 2 O 3 ,
Sensor element according to claim 2 or any one of claims 3 to 8 depending on claim 2, characterized in that the fifth ceramic layer comprises more than 50% by weight of ZrO 2 .
前記第5セラミック層が、前記第2セラミック層及び前記第3セラミック層の外表面に露出しないことを特徴とする請求項2、又は請求項2に従属する請求項3~9のいずれか一項に記載のセンサ素子。 Claim 2 or any one of Claims 3 to 9 depending on Claim 2, wherein the fifth ceramic layer is not exposed to the outer surfaces of the second ceramic layer and the third ceramic layer. A sensor element as described in . 請求項1~10のいずれか一項に記載のセンサ素子と、前記センサ素子を保持する主体金具と、を備えてなるガスセンサ。 A gas sensor comprising the sensor element according to any one of claims 1 to 10 and a metal shell for holding the sensor element. 内部に空隙を有する第3セラミックグリーンシートを第1セラミックグリーンシートの表面に積層し、 Laminating a third ceramic green sheet having voids inside on the surface of the first ceramic green sheet,
前記空隙に焼失性材料を充填し、 filling the void with a burnable material;
第2セラミックグリーンシートを前記第3セラミックグリーンシートの表面に積層して全体を焼成し、前記焼失性材料を焼失させて、前記第1セラミックグリーンシートが焼成された第1セラミック層、前記第2セラミックグリーンシートが焼成された第2セラミック層及び前記第3セラミックグリーンシートが焼成された第3セラミック層に囲まれる前記空隙を内部空間として備え、軸線方向に延びる積層型のセンサ素子の製造方法であって、 A first ceramic layer obtained by laminating a second ceramic green sheet on the surface of the third ceramic green sheet and firing the whole, burning off the burnable material, and firing the first ceramic green sheet; A method for manufacturing a stacked sensor element extending in the axial direction, wherein the void surrounded by the second ceramic layer formed by firing the ceramic green sheets and the third ceramic layer formed by firing the third ceramic green sheets is provided as an internal space. There is
前記第3セラミックグリーンシートを前記第1セラミックグリーンシートの表面に積層する前に、前記内部空間の周縁において、前記焼失性材料に接する前記第1セラミックグリーンシートと前記第3セラミックグリーンシートとの間となる部位に、前記第1セラミックグリーンシート及び前記第3セラミックグリーンシートの主成分のセラミック材料とは異なるセラミック材料を主成分とする第4セラミックを含む第4ペースト又はシートを配置し、 Before laminating the third ceramic green sheet on the surface of the first ceramic green sheet, at the periphery of the internal space, between the first ceramic green sheet and the third ceramic green sheet that are in contact with the burn-out material. a fourth paste or sheet containing a fourth ceramic whose main component is a ceramic material different from the main component ceramic material of the first ceramic green sheet and the third ceramic green sheet,
前記第4ペースト又はシートは、前記第1セラミックグリーンシート及び前記第3セラミックグリーンシートよりも収縮開始温度が低いことを特徴とするセンサ素子の製造方法。 The method for manufacturing a sensor element, wherein the fourth paste or sheet has a shrinkage start temperature lower than that of the first ceramic green sheet and the third ceramic green sheet.
前記内部空間の周縁において、前記焼失性材料に接する前記第2セラミックグリーンシートと前記第3セラミックグリーンシートとの間に、前記第2セラミックグリーンシート及び前記第3セラミックグリーンシートの主成分のセラミック材料とは異なるセラミック材料を主成分とし、前記第2セラミックグリーンシート及び前記第3セラミックグリーンシートよりも収縮開始温度が低い第5セラミックを含む第5ペースト又はシートを配置した後、前記焼成を行うことを特徴とする請求項12に記載のセンサ素子の製造方法。 A ceramic material, which is the main component of the second ceramic green sheet and the third ceramic green sheet, is placed between the second ceramic green sheet and the third ceramic green sheet in contact with the burn-out material at the periphery of the internal space. After arranging a fifth paste or sheet containing a fifth ceramic having a lower shrinkage start temperature than the second ceramic green sheet and the third ceramic green sheet, the baking is performed. A method for manufacturing a sensor element according to claim 12, characterized by :
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