JP4808977B2 - Ceramic heater, gas sensor element and electrode pattern, ceramic heater, gas sensor element manufacturing method - Google Patents
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Description
本発明は、セラミックヒーター、ガスセンサー素子およびこれらの製造方法に関し、詳しくは自動車排ガス中の酸素濃度検出等に用いられる板状の酸素センサー素子に好適な電極パターンを内在したセラミックヒーター、このセラミックヒーターを備えたガスセンサー素子および電極パターン、セラミックヒーター、ガスセンサー素子の製造方法に関する。
The present invention, Se la Mick heaters relates to gas sensor element and a process for their production, details ceramic heater inherent suitable electrode pattern on a plate-shaped oxygen sensor element used in the oxygen concentration detection, etc. in the automobile exhaust gas, the The present invention relates to a gas sensor element provided with a ceramic heater, an electrode pattern, a ceramic heater, and a method for manufacturing the gas sensor element .
近年、環境問題がクローズアップされ、各業界にて地球環境を最優先とする取り組みがなされている。とりわけ、自動車業界においては、アメリカのカリフォルニア州の排ガス規制に代表されるように、排気ガス中のCO2、CO、HC、NOx量を年々低減していくことが世の中の流れになってきている。排ガス中の上記ガスを低減するためには、如何に効率よく燃料を燃焼させるかが重要であり、そのためには排ガス中の残存酸素量を瞬時に測定し、その情報を燃焼系に速くフィードバックすることができる酸素センサー等のガスセンサーの要望が高まりつつある。 In recent years, environmental issues have been highlighted, and efforts are being made to put the global environment as a top priority in each industry. In particular, in the automobile industry, as represented by the exhaust gas regulations of California in the United States, reducing the amount of CO 2 , CO, HC and NOx in exhaust gas year by year has become a trend of the world. . In order to reduce the above gas in the exhaust gas, it is important how efficiently the fuel is burned. For that purpose, the amount of residual oxygen in the exhaust gas is instantaneously measured and the information is fed back quickly to the combustion system. There is a growing demand for gas sensors such as oxygen sensors.
ガスセンサーはこれまで、排気ガスの熱を利用して、コップ状のセンサーを昇温し、センサー機能を発現させてきた。しかし、センサー機能が出現するまでの間、排ガスは垂れ流しの状態にあり、昨今の厳しい排ガス規制には対応しきれなくなってきた。そこで、コップ状のセンサーを積極的にヒーターで加熱するガスセンサーが開発された。このようなガスセンサーを用いることで、センサー機能を速く発現できるようになり、レスポンス良く、情報をフィードバックできるようになった。 Up to now, gas sensors have used the heat of exhaust gas to raise the temperature of a cup-shaped sensor and develop the sensor function. However, until the sensor function appeared, the exhaust gas was flowing down, and it has become impossible to meet the recent strict exhaust gas regulations. Therefore, a gas sensor that actively heats the cup-shaped sensor with a heater was developed. By using such a gas sensor, the sensor function can be expressed quickly, and information can be fed back with good response.
しかしながら、上記のようなコップ状のセンサーでは、サイズが大きくなり、しかもヒーターとセンサーとの間隔が大きくなるために、センサー機能の発現速度には限界があった。そこで、最近では、センサー部を板状にして小さくし、更にセンサー部とヒーターとを一体成形することで昇温速度を高め、より速くセンサー機能を発現できるようにした板状のセンサー素子を備えたガスセンサー(板状ガスセンサー)が開発されつつある。 However, in the cup-shaped sensor as described above, the size is increased and the distance between the heater and the sensor is increased, so that the speed of the sensor function is limited. Therefore, recently, the sensor part has a plate-like sensor element that has a plate-like shape and is made smaller, and the sensor part and the heater are integrally molded to increase the rate of temperature rise so that the sensor function can be expressed more quickly. Gas sensors (plate gas sensors) are being developed.
特許文献1には、アルミナを主成分とするセラミック焼結体中に、所定の高融点金属の発熱体パターンを埋設したセラミックヒーターが記載されている。このセラミックヒーターは、金属ペーストを第1のグリーンシート上に所定形状の厚膜パターンに印刷して発熱体パターンを形成し、このグリーンシートの発熱体パターンが形成された面に第2のグリーンシートを重ねて圧着して発熱体パターンを被覆し、同時焼成して形成されている。そして、このセラミックヒーターは、板状酸素センサー素子に用いることができると記載されている。 Patent Document 1 describes a ceramic heater in which a predetermined refractory metal heating element pattern is embedded in a ceramic sintered body mainly composed of alumina. In this ceramic heater, a metal paste is printed on a first green sheet in a thick film pattern having a predetermined shape to form a heating element pattern, and the second green sheet is formed on the surface of the green sheet on which the heating element pattern is formed. The heating element pattern is covered by overlapping and pressure-bonding, and is simultaneously fired. And it is described that this ceramic heater can be used for a plate-like oxygen sensor element.
特許文献2には、少なくとも1個の測定セル及び少なくとも1個の加熱素子を有し、該測定セル及び該加熱素子が所定の電気絶縁層を介して結合している、内燃機関の排ガス中の酸素含量を測定するための板状のセンサー素子が記載されている。このセンサー素子は、測定セルおよび加熱素子を積層して形成されている。
図7は、特許文献1や特許文献2に記載のような従来の(板状)酸素センサー素子を示す概略断面図である。図7に示すように、酸素センサー素子41は、固体電解質層45の両面にそれぞれ検知電極46および基準電極47が形成されたセンサー部48と、このセンサー部48を加熱するためのヒーター電極パターン42がヒーター基体43に埋設されたヒーター部44とで構成されており、これらが焼成により一体化され、基準大気と接するように中空にした空洞部49が形成されている。
FIG. 7 is a schematic cross-sectional view showing a conventional (plate-like) oxygen sensor element as described in Patent Document 1 and
一般に、上記ヒーター電極パターン42は、グリーンシート(図示せず)上にヒーター電極パターン用の印刷ペーストを所定の方法で印刷して形成される。そして、酸素センサー素子41は、電極パターン42が形成されたグリーンシートを内在した複数のグリーンシートを積層して形成されたヒーター部44と、センサー部48とを積層密着し、同時焼成することによって作製している。
Generally, the
しかしながら、積層密着条件や脱脂焼成条件等の選択が容易ではなく、積層密着時および脱脂焼成後に電極パターンが形成された積層面においてセラミック層が剥離する積層不良の問題があった。さらに、この積層不良に伴い、セラミックヒーターやガスセンサー素子の製造歩留まりが低下し、セラミック材料や電極材料等が無駄になり、コストアップにつながるという問題があった。 However, it is not easy to select a lamination adhesion condition, a degreasing firing condition, and the like, and there is a problem of a lamination failure in which a ceramic layer is peeled off on a lamination surface on which an electrode pattern is formed during lamination adhesion and after a degreasing firing. Furthermore, with this stacking failure, the manufacturing yield of ceramic heaters and gas sensor elements is reduced, and ceramic materials and electrode materials are wasted, leading to an increase in cost.
本発明の課題は、積層密着時および脱脂焼成後における電極パターンが形成された積層面のセラミック層の剥離を抑制することができるセラミックヒーター、ガスセンサー素子および電極パターン、セラミックヒーター、ガスセンサー素子の製造方法を提供することである。
An object of the present invention, Rousset La Mick heater can suppress separation of the laminated adhesion during and ceramic layer of the laminate faces the electrode patterns are formed after the degreasing firing, gas sensor element and the electrode pattern, a ceramic heater, a gas sensor It is providing the manufacturing method of an element .
本発明者らは、上記課題を解決すべく鋭意検討を重ねた結果、積層体に内在される電極パターンの断面が複数の凸部を含む形状を有する場合には、剥離強度が向上するので、積層密着時および脱脂焼成後におけるセラミック層の剥離を抑制することができるという新たな知見を見出し、本発明を完成するに至った。 As a result of intensive studies to solve the above problems, the present inventors have improved the peel strength when the cross section of the electrode pattern contained in the laminate has a shape including a plurality of convex portions. The inventors have found a new finding that it is possible to suppress peeling of the ceramic layer at the time of stacking adhesion and after degreasing firing, and have completed the present invention.
すなわち、本発明におけるセラミックヒーター、ガスセンサー素子および電極パターン、セラミックヒーター、ガスセンサー素子の製造方法は、以下の構成からなる。
(1)ヒータ基体である積層体と該積層体に内在されたヒーター電極パターンとを有するセラミックヒーターであって、前記ヒーター電極パターンは、その幅方向に対する断面が複数の凸部を含む形状であり、前記複数の凸部の間の凹部からの前記複数の凸部の高さが5μm以上であることを特徴とするセラミックヒーター。
(2)断面が2つの凸部を有する前記(1)記載のセラミックヒーター。
(3)前記(1)または(2)記載のセラミックヒーターを備えたガスセンサー素子。
(4)酸素センサー素子である前記(3)記載のガスセンサー素子。
(5)電極パターンをグリーンシートに形成する工程と、前記電極パターンの表面に型を押圧し、前記電極パターンを、前記電極パターンの断面が複数の凸部を含む形状に形成する工程と、前記グリーンシートと他のグリーンシートとを積層して積層体を形成する工程と、前記積層体を同時焼成する工程とを含むことを特徴とする電極パターンの製造方法。
(6)ヒーター電極パターンをグリーンシートに形成する工程と、前記ヒーター電極パターンを、前記ヒーター電極パターンの断面が複数の凸部を含む形状に形成する工程と、前記グリーンシートと他のグリーンシートとを積層して積層体を形成する工程と、前記積層体を同時焼成する工程とを含むことを特徴とするセラミックヒーターの製造方法。
(7)ヒーター電極パターンをグリーンシートに形成する工程と、前記ヒーター電極パターンを、前記ヒーター電極パターンの断面が複数の凸部を含む形状に形成する工程と、前記グリーンシートとガス濃度を検知する機能を有するセンサー部が形成されたグリーンシートとを積層して積層体を形成する工程と、前記積層体を同時焼成する工程とを含むことを特徴とするガスセンサー素子の製造方法。
That is, the ceramic heater, gas sensor element and electrode pattern, ceramic heater, and gas sensor element manufacturing method according to the present invention have the following configurations.
(1) A ceramic heater having a laminate as a heater base and a heater electrode pattern embedded in the laminate, wherein the heater electrode pattern has a shape including a plurality of convex portions in a cross section in the width direction . The ceramic heater is characterized in that the height of the plurality of projections from the recesses between the plurality of projections is 5 μm or more.
(2) The ceramic heater according to (1), wherein the cross section has two convex portions.
(3) A gas sensor element comprising the ceramic heater according to (1) or (2).
(4) The gas sensor element according to (3), which is an oxygen sensor element.
(5) forming an electrode pattern on a green sheet, pressing a mold on the surface of the electrode pattern, forming the electrode pattern in a shape in which a cross section of the electrode pattern includes a plurality of convex portions, A method for producing an electrode pattern, comprising: a step of laminating a green sheet and another green sheet to form a laminate; and a step of simultaneously firing the laminate.
(6) A step of forming a heater electrode pattern on a green sheet, a step of forming the heater electrode pattern in a shape in which a cross section of the heater electrode pattern includes a plurality of convex portions, the green sheet and another green sheet, A method of manufacturing a ceramic heater, comprising: a step of forming a laminated body by laminating layers; and a step of simultaneously firing the laminated body.
(7) A step of forming a heater electrode pattern on a green sheet, a step of forming the heater electrode pattern in a shape in which a cross section of the heater electrode pattern includes a plurality of convex portions, and detecting the green sheet and gas concentration A method for producing a gas sensor element, comprising: a step of laminating a green sheet on which a sensor portion having a function is formed to form a laminate; and a step of simultaneously firing the laminate.
本発明のセラミックヒーター、ガスセンサー素子および電極パターン、セラミックヒーター、ガスセンサー素子の製造方法によれば、積層体に内在される電極パターンの断面を所定の形状とするので、剥離強度が向上し、積層密着時および脱脂焼成後における電極パターンが形成された積層面のセラミック層の剥離を抑制することができるという効果がある。さらに、製造歩留まりが向上すると共に、複数枚のグリーンシートを同時焼成するので焼成回数が1回で済み、コストダウンを図ることができる。 Se la Mick heater of the present invention, the gas sensor element and the electrode pattern, a ceramic heater, according to the method of manufacturing a gas sensor element, since the cross section of the electrode pattern inherent in the laminated body with a predetermined shape, the peel strength is improved There is an effect that it is possible to suppress peeling of the ceramic layer on the laminated surface on which the electrode pattern is formed at the time of adhesion and after degreasing and firing. Furthermore, the manufacturing yield is improved and a plurality of green sheets are fired at the same time, so that the number of times of firing is one and the cost can be reduced.
以下、本発明の電極パターン、セラミックヒーター、ガスセンサー素子およびこれらの製造方法について、図面を参照して詳細に説明する。
<電極パターン・セラミックヒーター>
図1は、本発明の一実施形態にかかるセラミックヒーターを示す概略断面図であり、図2は、そのセラミックヒーターにおけるヒーター電極パターンの拡大断面図である。また、図4は、セラミックヒーターの積層分解図である。図1に示すように、セラミックヒーター1は、ヒーター電極パターン2と、このヒーター電極パターン2がグリーンシート(セラミック層)3a,3b間に内在され、焼成により一体化されたヒーター基体3とで構成されている。
Hereinafter, an electrode pattern, a ceramic heater, a gas sensor element, and a manufacturing method thereof according to the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
<Electrode pattern / ceramic heater>
FIG. 1 is a schematic cross-sectional view showing a ceramic heater according to an embodiment of the present invention, and FIG. 2 is an enlarged cross-sectional view of a heater electrode pattern in the ceramic heater. FIG. 4 is an exploded view of the ceramic heater. As shown in FIG. 1, a ceramic heater 1 includes a
ヒーター電極パターン2は、図4に示すようにヒーター電極2a,ヒーター電極リード2bから構成されており、その断面が複数の凸部を含む形状を有する。これにより、剥離強度が向上し、積層密着時および脱脂焼成後におけるグリーンシート(セラミック層)3a,3bの剥離を抑制することができる。この剥離強度の向上は、電極パターン2が前記した形状を有することにより、電極パターン2と、この電極パターン2を内在するグリーンシート(セラミック層)3a,3bとの接触面積が増大し、接合面積が増加して、接合強度が向上することによると推察される。前記凸部を含む形状を有するのは、ヒーター電極2a,ヒーター電極リード2bのうち、いずれか一方のみであってもよい。
As shown in FIG. 4, the
電極パターン2の凸部の数は、特に限定されるものではなく、用途に応じて任意に選択すればよいが、本発明では、特に、凸部の形成のしやすさの上で、図1および図2に示すように、2つの凸部を含む形状であるのが好ましい。
The number of the convex portions of the
図2に示すように、電極パターン2にかかる凸部の厚みH1は10〜50μm、凹部の厚みH2は4〜48μm、ヒータリード幅Wは100〜1500μmであるのが好ましく、この範囲内で、電極パターン2が前記した形状を有するように形成するのが好ましい。特に、凸部の厚みH1と、凹部の厚みH2との差ΔH(=H1−H2)が大きいほど好ましい。
As shown in FIG. 2, the thickness H1 of the protrusions on the
ヒーター電極パターン2は、導電材料とセラミックス共材とからなる。前記導電材料としては、各種の公知の導電性を有する金属材料を用いることができ、例えば白金、タングステンあるいは白金とロジウム、パラジウム、ルテチウムおよび金からなる群より選ばれる1種との合金などが使用可能である。本発明では、特に、ヒーター基体3等のセラミック材料と同時に焼結できる点から、白金、タングステン等を好適に使用することができる。セラミックス共材としては、例えばアルミナ、フォルステライト、マグネシア、ジルコニア、ムライト、チタニア、窒化珪素、炭化珪素等が挙げられる。セラミックス共材は、前記導電材料およびセラミックス共材の総量に対して20〜60体積%の割合で電極パターン2に含有されるのが好ましい。また、導電材料とセラミックス共材の平均粒径は、0.1〜2.0μmであるのが好ましい。
The
セラミック絶縁層であるヒーター基体3の材料としては、絶縁性を有したセラミックスであれば特に限定されず、例えばアルミナ、フォルステライト等を使用することができる。前記材料の平均粒径は、0.1〜2.0μmであるのが好ましい。また、基体3は前記材料に共材を併用してもよい。この共材としては、基体3との熱膨張係数の差を小さくする点で有用な種々のセラミックスを使用でき、特に基部3と略同組成の材料を使用するのが好ましい。共材の具体例としては、例えば前記したセラミックス共材が挙げられる。
The material of the
本発明におけるセラミックヒーターは、種々の構造部品における加熱手段の他、後述する(板状)酸素センサー、NOxセンサー、COセンサー等の各種素子を高温に加熱するために、他の部材と一体化したガスセンサー(セラミックヒーター構造体)として好適に用いることができる。 The ceramic heater in the present invention is integrated with other members in order to heat various elements such as a (plate-like) oxygen sensor, a NOx sensor, and a CO sensor, which will be described later, in addition to heating means in various structural parts. It can be suitably used as a gas sensor (ceramic heater structure).
<ガスセンサー素子(酸素センサー素子)>
図3は、本発明の他の実施形態にかかる板状酸素センサー素子を示す概略断面図である。図3に示すように、板状酸素センサー素子10は、酸素濃度を検知する機能を有するセンサー部11と、このセンサー部11を加熱するためのヒーター部12とを備えており、これらが焼成により一体化され、基準大気と接するように中空にした空洞部19が形成されている。
<Gas sensor element (oxygen sensor element)>
FIG. 3 is a schematic cross-sectional view showing a plate-like oxygen sensor element according to another embodiment of the present invention. As shown in FIG. 3, the plate-like
センサー部11は、酸素イオン導電性を有する固体電解質層13と、この固体電解質層13の上面に設けられた検知電極14と、固体電解質層13の下面に設けられた基準電極15とを備えている。また、検知電極14の表面には、排気ガスによる検知電極14の被毒を防止する観点から、電極保護層として保護層16が設けられている。
The
ヒーター部12は、ヒーター基体17が基準電極15側の固体電解質層13と接面して一体に形成されている以外は、前記したセラミックヒーターと同様であるので、同じ符号を付して説明を省略する。
The
固体電解質層13を構成する材料としては、ジルコニア、チタニア系セラミックス等の固体電解質を用いることができる。前記固体電解質の平均粒径は、0.1〜2.0μmであるのが好ましい。前記固体電解質としては、安定化剤としてY2O3、Yb2O3、Sc2O3、Sm2O3、Nd2O3、Dy2O3などの希土類酸化物を酸化物換算で3〜15モル%含有する部分安定化ZrO2または安定化ZrO2、アルカリ土類元素を固溶させたZrO2などを用いてもよい。
As a material constituting the
検知電極14,基準電極15を構成する電極材料としては、ヒーター電極パターン2と同様の導電材料が使用可能である。特に、固体電解質層13および基体17と同時に焼成できる点で、白金、タングステン等が好適である。上記した導電材料の平均粒径は0.1〜2.0μmであるのが好ましい。保護層16は、例えばジルコニア、アルミナ、マグネシア、スピネル等からなるセラミック多孔質層等が挙げられる。
As an electrode material constituting the
酸素センサー素子10は、ヒーター電極パターン2に通電して固体電解質層13を400〜1000℃程度に加熱した状態で、空洞部19に基準大気(酸素)が導入され、検知電極14が排ガス等の測定雰囲気中に配置される。そして、検知電極14と基準電極15との間で発生する起電力を測定して、排気ガス中の酸素濃度を測定する。なお、測定方式としては、例えば検知電極14と基準電極15との間で発生する起電力を測定して排気ガス中の酸素濃度を測定する濃淡電池型、一定電圧を印加し電流を検出して酸素濃度を測定する限界電流型などが挙げられる。
In the
<電極パターン・セラミックヒーターの製造方法>
次に本発明の一実施形態にかかるセラミックヒーターの製造方法について、図4の積層分解図、および図5の概略図をもとに説明する。なお、図4では電極接続用のスルーホール等は省略してある。
<Electrode pattern / ceramic heater manufacturing method>
Next, the manufacturing method of the ceramic heater concerning one Embodiment of this invention is demonstrated based on the lamination | stacking exploded view of FIG. 4, and the schematic of FIG. In FIG. 4, through holes for electrode connection and the like are omitted.
まず、前記したヒーター基体を構成するセラミックス材料と、ブチラール樹脂等の有機バインダー、有機溶剤およびメディア等をそれぞれ混合してスラリーを調製し、このスラリーを、例えばドクターブレード法を用いたテープ成形等の公知の成形方法によって成形、乾燥してグリーンシート21,22を得る。グリーンシート21,22の厚さは、50〜500μmであるのが好ましい。
First, a ceramic material constituting the heater base and an organic binder such as a butyral resin, an organic solvent, a medium, and the like are mixed to prepare a slurry, and the slurry is formed by, for example, tape molding using a doctor blade method.
ついで、前記したヒーター電極パターンを構成する導電材料とセラミックス共材とを混合してヒータ電極パターン用の印刷ペーストを作製する。このペーストを作成する際には、ブチラール樹脂等の有機バインダー、テレピネオール等の有機溶剤を用いるのが好ましい。また、混合方法は、特に限定されるものではなく、例えば3本ロール等のロール混合、ミルを用いたミル混合等を用いることができる。 Next, the conductive material constituting the heater electrode pattern and the ceramic co-material are mixed to produce a print paste for the heater electrode pattern. When preparing this paste, it is preferable to use an organic binder such as butyral resin and an organic solvent such as terpineol. Further, the mixing method is not particularly limited, and for example, roll mixing such as three rolls, mill mixing using a mill, or the like can be used.
上記で作成したヒータ電極パターン用の印刷ペーストをグリーンシート22の片面にスクリーン印刷等の方法で印刷し、ヒーター電極2a,ヒーター電極リード2bからなるヒーター電極パターン2を形成する。ついで、図5に示すように、前記ヒーター電極パターン2の表面に型24を押圧し、ヒーター電極パターン2を、その断面が2つの凸部を含む形状に形成する。このとき、型24におけるヒーター電極パターン2の表面を押圧する部分には、ヒーター電極パターン2の凸部に対応する凹部が形成されている。このような形状の型24を用いることにより、電極パターン2を所定の形状に形成することができる。型24を押圧する際の押圧力は、特に限定されるものではなく、例えば0.1〜20MPa程度の押圧力で押圧すればよく、型24の材質は、特に制限されるものではなく、例えば金型、樹脂型等が挙げられる。
The heater electrode pattern printing paste prepared above is printed on one side of the
また、型24においては、ヒーター電極パターン2に対応する部分以外にも凹部が形成されていてもよいことは言うまでもなく、この場合には、正確な位置合わせが不要になると共に、種々の形態の電極パターン2に用いることができる。さらに、ヒーター基体にも凸部を形成することができるので、このヒーター基体に他の部材を積層する場合には、密着性をさらに向上させることができる。
In the
なお、電極パターン2を所定の形状に形成する方法は、電極パターンの断面形状として複数の凸部を含む形状を有することができればよく、特に限定されるものではない。型24を用いて形成する他、例えば印刷条件を最適化して形成する方法等が挙げられる。
The method for forming the
そして、取り出し電極用の電極パッド25を、グリーンシート22の他面にスルーホールを介して、公知の手法により形成する。ついで、グリーンシート22の電極パターン2を形成した面に、グリーンシート21を密着積層し、グリーン体(グリーンシートの積層体)を得る。なお、密着積層は、30〜50MPa程度で圧着するのが好ましく、圧着しながら加熱してもよい。これにより、セラミックスの接合不良の発生を抑制することができる。また、セラミックヒーターの厚さを調整するために、電極パターンが印刷されていないグリーンシートを上記グリーン体にさらに積層させてもよい。
Then, an
前記グリーン体を所定の寸法にホットナイフ等でカットした後、前記グリーン体を同時焼成してセラミックヒーターを得る。これにより、焼成工程を一回にすることができ、コストダウンを図ることができる。なお、焼成温度は、セラミック材料および電極材料等との関係により適宜選択することができる。 After the green body is cut into a predetermined size with a hot knife or the like, the green body is simultaneously fired to obtain a ceramic heater. Thereby, a baking process can be carried out once and cost reduction can be aimed at. The firing temperature can be appropriately selected depending on the relationship with the ceramic material, the electrode material, and the like.
<ガスセンサー素子(酸素センサー素子)の製造方法>
次に、本発明の他の実施形態にかかる酸素センサー素子の製造方法について、図6の積層分解図をもとに説明する。なお、図6では電極接続用のスルーホール等は省略してある。
(センサー部)
前記したセラミックヒーターの製造方法と同様の成形法により、前記した固体電解質層を構成するセラミックス材料を用いて、固体電解質層用グリーンシート31を得る。この固体電解質層用グリーンシート31の厚さは、50〜500μmであるのが好ましい。また、前記したヒーター電極パターン用の印刷ペーストと同様の調製方法により、前記した検知電極、基準電極を構成する導電材料、および保護層を構成する材料を用いて、電極ペーストおよび保護層ペーストを作製する。
<Method for manufacturing gas sensor element (oxygen sensor element)>
Next, a method for manufacturing an oxygen sensor element according to another embodiment of the present invention will be described with reference to the exploded view of FIG. In FIG. 6, through holes for electrode connection and the like are omitted.
(Sensor part)
The
上記で作成した電極ペーストを用いて、前記したセラミックヒーターの製造方法と同様の方法で、グリーンシート31の片面に検知電極パターン32を形成し、他面に基準電極パターン33を形成してセンサー部を得ることができる。センサー部の検知電極パターン32の表面には、保護層ペーストを用いて保護層34が形成されている。なお、センサー部の厚さを調整するために、固体電解質層用グリーンシート31を複数枚積層して所定の厚さとした上で、このグリーンシート上に検知電極パターン等を形成し、センサー部を構成してもよい。
Using the electrode paste prepared above, the
(ヒーター部)
前記したセラミックヒーターの製造方法と同様にして3枚のグリーンシートを得る。これらのグリーンシートのうち、グリーンシート35は、基準大気と接するような形状に金型で打ち抜いて、溝付きのグリーンシートに形成する。
上記した以外は、前記したセラミックヒーターと同様であるので、同じ符号を付して説明を省略する。
(Heater part)
Three green sheets are obtained in the same manner as the ceramic heater manufacturing method described above. Among these green sheets, the
Since it is the same as that of an above described ceramic heater except having mentioned above, the same code | symbol is attached | subjected and description is abbreviate | omitted.
(酸素センサー素子)
ヒーター部を、センサー部を形成する基準電極パターン33側の固体電解質層用グリーンシート31に積層して、酸素センサーグリーン体(積層体)を形成することができる。なお、前記積層の際には密着液を用いてもよく、この密着液としては、例えば各種の公知の有機溶剤からなる接着剤等が挙げられる。また、密着液中にセラミック粉を含有させてもよい。また、酸素センサー素子の厚み調整のために、各種パターンが印刷されていない他のグリーンシートを上記グリーンシート間にさらに介在させても何ら問題なく、図6に限定されるものではない。
(Oxygen sensor element)
The oxygen sensor green body (laminated body) can be formed by laminating the heater part on the solid electrolyte layer
そして、前記酸素センサーグリーン体を同時焼成して酸素センサー素子(ガスセンサー素子)を得る。これにより、焼成工程を一回にすることができ、コストダウンを図ることができる。なお、焼成温度は、セラミック材料および電極材料等との関係により適宜選択することができる。
なお、本発明にかかるガスセンサー素子は、上記酸素センサー素子に限定されるものではなく、例えばNOxセンサ、CO2センサ等の類似した構造のガスセンサー素子にも適用可能である。
Then, the oxygen sensor green body is simultaneously fired to obtain an oxygen sensor element (gas sensor element). Thereby, a baking process can be carried out once and cost reduction can be aimed at. The firing temperature can be appropriately selected depending on the relationship with the ceramic material, the electrode material, and the like.
The gas sensor element according to the present invention is not intended to be limited to the oxygen sensor element, for example NOx sensor, it is also applicable to a gas sensor element of similar structure, such as a CO 2 sensor.
以下、実施例および比較例を挙げて本発明の電極パターン、セラミックヒーター、ガスセンサー素子およびこれらの製造方法について、さらに詳細に説明するが、本発明は以下の実施例に限定されるものではない。 Hereinafter, the electrode pattern, the ceramic heater, the gas sensor element and the manufacturing method thereof according to the present invention will be described in more detail with reference to examples and comparative examples, but the present invention is not limited to the following examples. .
[実施例1〜4]
<セラミックヒーターの作製>
(グリーンシート)
平均粒径0.3μmのアルミナ粉末に対して、ブチラール系バインダー、溶剤およびメディアを混合し、48時間撹拌して、スラリーを得た。その後、ドクターブレード成形にて前記スラリーを成形、乾燥させて、厚さ200μmのグリーンシートを作製した。
[Examples 1 to 4]
<Production of ceramic heater>
(Green sheet)
A butyral binder, solvent and media were mixed with alumina powder having an average particle size of 0.3 μm and stirred for 48 hours to obtain a slurry. Thereafter, the slurry was molded by doctor blade molding and dried to prepare a green sheet having a thickness of 200 μm.
(ヒーター電極パターン)
平均粒径1μmの白金粉末60体積%と、平均粒径0.3μmのアルミナ粉末40体積%との混合物に対して、ブチラール系バインダーおよびテルピネオールを混合し、この混合物を3本ロールで10回パスして混合した後、テルピネオールで希釈し、粘度調整したヒーター電極パターン印刷用ペーストを得た。このペーストを、前記で得られたグリーンシートにスクリーン印刷にて形成し、乾燥させてヒーター電極パターンを形成したグリーンシートを得た。形成されたヒーター電極パターンの断面の形状は、1つの凸部を有する形状であった。
(Heater electrode pattern)
Butylal binder and terpineol were mixed into a mixture of 60% by volume of platinum powder having an average particle size of 1 μm and 40% by volume of alumina powder having an average particle size of 0.3 μm, and this mixture was passed 10 times with 3 rolls. Then, the mixture was diluted with terpineol to obtain a heater electrode pattern printing paste with viscosity adjusted. This paste was formed on the green sheet obtained above by screen printing and dried to obtain a green sheet on which a heater electrode pattern was formed. The shape of the cross section of the formed heater electrode pattern was a shape having one convex portion.
ついで、ヒーター電極パターンの断面形状として、ヒーターリード部の断面形状が表1に示す断面形状(凸部の厚みH1、凹部の厚みH2およびヒーターリード幅W)で、2つの凸部を形成し得る金型を、前記で形成したヒーター電極パターンの表面に0.5MPaの押圧力で押圧し、その断面の形状が2つの凸部を有するヒーター電極パターンを形成した。 Next, as the cross-sectional shape of the heater electrode pattern, the cross-sectional shape of the heater lead portion is the cross-sectional shape shown in Table 1 (the convex portion thickness H1, the concave portion thickness H2 and the heater lead width W), and two convex portions can be formed. The mold was pressed against the surface of the heater electrode pattern formed above with a pressing force of 0.5 MPa to form a heater electrode pattern whose cross-sectional shape had two convex portions.
(セラミックヒーター)
前記ヒーター電極を形成したグリーンシートを含む全積層層数6層の各種グリーンシートを位置決めして、熱圧着にて、加熱加圧プレスしてヒーターグリーン体(積層体)を得た。その後、ホットナイフでカットし、前記ヒーターグリーン体を1450℃で2時間焼成し、セラミックヒーターを作製した。
(Ceramic heater)
Various green sheets having a total number of laminated layers of 6 including the green sheet on which the heater electrode was formed were positioned and heated and pressed by thermocompression to obtain a heater green body (laminated body). Then, it cut with the hot knife, the said heater green body was baked at 1450 degreeC for 2 hours, and the ceramic heater was produced.
<剥離強度>
焼成して得られたセラミックヒーターは、いずれも剥離しにくかったため、上記で得られたヒーターグリーン体(積層体)について、その表裏面を引張り、剥離強度を実測した。その結果を表1に併せて示す。なお、評価はヒーターグリーン体10個で行い、その平均値で表した。
<Peel strength>
Since all the ceramic heaters obtained by firing were difficult to peel off, the front and back surfaces of the heater green body (laminated body) obtained above were pulled and the peel strength was measured. The results are also shown in Table 1. In addition, evaluation was performed with 10 heater green bodies and represented by the average value.
[比較例1]
ヒーター電極パターンの表面を前記型で押圧しなかった以外は、実施例1〜4と同様にしてセラミックヒーターを作製した。ついで、実施例1〜4と同様にヒーターグリーン体10個について、実施例1〜4と同様にして、剥離強度を評価した。その結果を表1に併せて示す。
[Comparative Example 1]
Ceramic heaters were produced in the same manner as in Examples 1 to 4, except that the surface of the heater electrode pattern was not pressed with the mold. Next, the peel strength was evaluated in the same manner as in Examples 1 to 4 for 10 heater green bodies as in Examples 1 to 4. The results are also shown in Table 1.
[実施例5〜8]
<ガスセンサー素子の作製>
(センサー部)
部分安定化ジルコニア粉末(Y2O35モル添加、平均粒径0.3μm)に対して、ブチラール系バインダー、溶剤およびメディアを混合し、48時間撹拌して、スラリーを得た。その後、ドクターブレード成形にて前記スラリーを成形、乾燥させて、厚さ180μmの固体電解質層用グリーンシートを作製した。
[Examples 5 to 8]
<Production of gas sensor element>
(Sensor part)
A butyral binder, solvent and media were mixed with partially stabilized zirconia powder (5 mol of Y 2 O 3 added, average particle size 0.3 μm) and stirred for 48 hours to obtain a slurry. Then, the said slurry was shape | molded and dried by doctor blade shaping | molding, and the green sheet for solid electrolyte layers of thickness 180 micrometers was produced.
次に、平均粒径1μmの白金粉末に対して、ブチラール系バインダーおよびテルピネオールを調合し、3本ロールにて10回パス混合した後、テルピネオールにて希釈し、粘度調整して電極用の印刷ペーストを得た。この印刷ペーストを用いて、前記固体電解質層用グリーンシートに各種電極パターンをスクリーン印刷にて形成し、その後、乾燥させて、電極パターンが形成された固体電解質層用グリーンシート(センサー部)を得た。 Next, butyral binder and terpineol are mixed with platinum powder having an average particle diameter of 1 μm, mixed with ten rolls by three rolls, diluted with terpineol, viscosity adjusted, and printing paste for electrodes. Got. Using this printing paste, various electrode patterns are formed by screen printing on the solid electrolyte layer green sheet, and then dried to obtain a solid electrolyte layer green sheet (sensor part) on which the electrode pattern is formed. It was.
(ヒーター部)
実施例1〜4と同様にして、厚さ200μmのグリーンシートを作製した。基準大気と接する空洞部を形成する溝付きグリーンシートは、前記グリーンシートを金型にて幅1.6mmを有する溝形状に打ち抜いて作製した。ついで、実施例1および2と同様にして、ヒーター電極パターンを形成したグリーンシートを得た。
(Heater part)
A green sheet having a thickness of 200 μm was produced in the same manner as in Examples 1 to 4. A grooved green sheet forming a cavity in contact with the reference atmosphere was produced by punching the green sheet into a groove shape having a width of 1.6 mm using a mold. Next, a green sheet on which a heater electrode pattern was formed was obtained in the same manner as in Examples 1 and 2.
そして、ヒーター電極パターンの断面形状として、ヒーターリード部の断面形状が表1に示す断面形状(凸部の厚みH1、凹部の厚みH2およびヒーターリード幅W)で、2つの凸部を形成し得る金型を、前記ヒーター電極パターンの表面に0.5MPaの押圧力で押圧し、その断面の形状が2つの凸部を有するヒーター電極パターンを形成した。そして、ヒーター電極を形成したグリーンシートおよび溝付きグリーンシートと共に、各種グリーンシートを位置決めし、熱圧着して積層し、ヒーター電極を内在したヒーターグリーン体(積層体)を得た。 And as a cross-sectional shape of a heater electrode pattern, the cross-sectional shape of a heater lead part can form two convex parts by the cross-sectional shape (thickness H1 of a convex part, thickness H2 of a recessed part, and heater lead width W) shown in Table 1. The mold was pressed against the surface of the heater electrode pattern with a pressing force of 0.5 MPa to form a heater electrode pattern whose cross-sectional shape had two convex portions. Then, together with the green sheet on which the heater electrode was formed and the green sheet with a groove, various green sheets were positioned and thermocompression bonded to obtain a heater green body (laminated body) in which the heater electrode was embedded.
(ガスセンサー素子)
上記で得られたセンサー部およびヒーター部を位置決めして、密着液を用いて密着積層し、加圧プレスしてセンサーグリーン体(積層体)を得た。このセンサーグリーン体をホットナイフでカットし、1450℃にて2時間焼成して、ヒーターを内在したガスセンサー素子を作製した。
(Gas sensor element)
The sensor part and the heater part obtained above were positioned, adhered and laminated using an adhesion liquid, and pressed to obtain a sensor green body (laminate). The sensor green body was cut with a hot knife and baked at 1450 ° C. for 2 hours to produce a gas sensor element having a heater.
<剥離強度>
焼成して得られたガスセンサー素子は、いずれも剥離しにくかったため、上記で得られたセンサーグリーン体(積層体)10個について、実施例1〜4と同様にして、剥離強度を評価した。その結果を表1に併せて示す。
<Peel strength>
Since all the gas sensor elements obtained by firing were difficult to peel, the peel strength was evaluated in the same manner as in Examples 1 to 4 for 10 sensor green bodies (laminated bodies) obtained above. The results are also shown in Table 1.
[比較例2]
ヒーター電極パターンの表面を前記型で押圧しなかった以外は、実施例5〜8と同様にしてガスセンサー素子を作製した。ついで、実施例5〜8と同様にセンサーグリーン体10個について、実施例5〜8と同様にして、剥離強度を評価した。その結果を表1に併せて示す。
[Comparative Example 2]
Gas sensor elements were produced in the same manner as in Examples 5 to 8, except that the surface of the heater electrode pattern was not pressed with the mold. Then, peel strength was evaluated for 10 sensor green bodies in the same manner as in Examples 5 to 8 in the same manner as in Examples 5 to 8. The results are also shown in Table 1.
1 セラミックヒーター
2,42 ヒーター電極パターン
2a ヒーター電極
2b ヒーター電極リード
3,17 ヒーター基体
3a,3b,21,22,35 グリーンシート
10,41 酸素センサー素子
11,48 センサー部
12,44 ヒーター部
13,45 固体電解質層
14,46 検知電極
15,47 基準電極
16,34 保護層
19,49 空洞部
24 型
25 電極パッド
31 固体電解質層用グリーンシート
32 検知電極パターン
33 基準電極パターン
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1
Claims (7)
前記ヒーター電極パターンは、その幅方向に対する断面が複数の凸部を含む形状であり、前記複数の凸部の間の凹部からの前記複数の凸部の高さが5μm以上であることを特徴とするセラミックヒーター。 A ceramic heater having a laminate as a heater base and a heater electrode pattern contained in the laminate,
The heater electrode pattern has a shape in which a cross section in the width direction includes a plurality of protrusions, and the height of the plurality of protrusions from the recesses between the plurality of protrusions is 5 μm or more. Ceramic heater to do.
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