JP5524941B2 - Gas sensor and gas sensor manufacturing method - Google Patents
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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ガスセンサ及びガスセンサの製造方法に関する。 The present invention relates to a gas sensor suitably used for detecting the gas concentration of a specific gas contained in a combustion gas or exhaust gas of a combustor or an internal combustion engine, for example, and a method for manufacturing the gas sensor.
従来から、例えばエンジンの排気管等の排気系に装着され、排気ガス中における特定ガス成分の濃度を検出するガスセンサとして、ガスセンサ素子と、ガスセンサ素子を保持する筒状の主体金具とを有する酸素センサが知られている。ここで、酸素センサの1種である全領域空燃比センサの場合、そのガスセンサ素子は、固体電解質体の表裏面に一対の電極が形成された酸素濃度検出セルと、固体電解質体の表裏面に一対の電極が形成された酸素ポンプセルとを有し、両セル間に測定室が区画されている。又、排気ガスは多孔質部を介して測定室に出入りするようになっており、多孔質部で排気ガスの拡散速度が調整されている。 2. Description of the Related Art Conventionally, an oxygen sensor that is mounted on an exhaust system such as an exhaust pipe of an engine and has a gas sensor element and a cylindrical metal shell that holds the gas sensor element as a gas sensor that detects the concentration of a specific gas component in the exhaust gas. It has been known. Here, in the case of an all-region air-fuel ratio sensor which is a kind of oxygen sensor, the gas sensor element includes an oxygen concentration detection cell in which a pair of electrodes are formed on the front and back surfaces of the solid electrolyte body, and the front and back surfaces of the solid electrolyte body. It has an oxygen pump cell in which a pair of electrodes are formed, and a measurement chamber is defined between the two cells. The exhaust gas enters and exits the measurement chamber through the porous portion, and the diffusion rate of the exhaust gas is adjusted in the porous portion.
一方、ガスセンサ素子のセルを構成する固体電解質体は一般に平板状であるが、固体電解質体を湾曲させて基板との接触角を最適にすることで、基板との接合不良を防止した技術が開発されている(例えば、特許文献1参照)。
又、ガスセンサ素子の小型化に相俟って排気ガスを導入する測定室が小さくなる傾向にあることから、固体電解質体を測定室と反対側に湾曲させて測定室の容積を大きくした技術が開発されている(例えば、特許文献2参照)。
On the other hand, the solid electrolyte body that constitutes the cell of the gas sensor element is generally a flat plate. However, a technology that prevents the bonding failure with the substrate has been developed by bending the solid electrolyte body to optimize the contact angle with the substrate. (For example, refer to Patent Document 1).
In addition, since the measurement chamber for introducing the exhaust gas tends to be small in conjunction with the downsizing of the gas sensor element, there is a technique in which the volume of the measurement chamber is increased by bending the solid electrolyte body to the opposite side of the measurement chamber. It has been developed (see, for example, Patent Document 2).
ところで、酸素濃度検出セルと酸素ポンプセルとをそれぞれ有するガスセンサの場合、被測定ガスの検出精度が高いため、ガスの拡散速度が低下すると応答性が大幅に低下するという問題がある。これに対し、上記特許文献1、2記載のガスセンサは酸素ポンプセルを設けずに、酸素濃度検出セルの一方の電極を大気基準室に臨ませた構成を採っているため、応答性の低下はあまり問題とはならない。そのため、これらガスセンサにおいては、応答性を考慮することなく、セルを構成する固体電解質体を大気基準室側に膨らむように湾曲させている。
従って、本発明は、酸素濃度検出セルと酸素ポンプセルとをそれぞれ有するガスセンサにおいて、応答性を向上させたガスセンサ及びガスセンサの製造方法を提供することを目的とする。
By the way, in the case of a gas sensor having an oxygen concentration detection cell and an oxygen pump cell, since the detection accuracy of the gas to be measured is high, there is a problem that if the gas diffusion rate is lowered, the responsiveness is greatly lowered. On the other hand, the gas sensors described in
Accordingly, an object of the present invention is to provide a gas sensor and a gas sensor manufacturing method with improved responsiveness in a gas sensor having an oxygen concentration detection cell and an oxygen pump cell.
上記課題を解決するため、本発明のガスセンサは、板状の第1固体電解質体及び該第1固体電解質体上に設けられた一対の電極からなる酸素濃度検出セルと、前記酸素濃度検出セルに積層される多孔質部と、板状の第2固体電解質体及び該第2固体電解質体上に設けられた一対の電極からなり、前記多孔質部を介して前記酸素濃度検出セルに積層される酸素ポンプセルと、前記酸素濃度検出セル、前記多孔質部及び前記酸素ポンプセルで区画され、前記酸素濃度検出セルの前記一対の電極のうち一方の電極及び前記酸素ポンプセルの前記一対の電極のうち一方の電極が対向して配置された測定室と、を有するガスセンサ素子と、前記ガスセンサ素子を内部に保持する略筒状の主体金具と、を有するガスセンサであって、前記対向して配置された電極位置における前記第1固体電解質体と前記第2固体電解質体との間の距離は、前記多孔質部の位置における前記第1固体電解質体と前記第2固体電解質体の積層方向の長さより短く、前記対向して配置された電極間の距離は、前記多孔質部の積層方向の長さより短い。 In order to solve the above problems, a gas sensor according to the present invention includes a plate-shaped first solid electrolyte body and an oxygen concentration detection cell comprising a pair of electrodes provided on the first solid electrolyte body, and the oxygen concentration detection cell. It consists of a porous part to be laminated, a plate-like second solid electrolyte body and a pair of electrodes provided on the second solid electrolyte body, and is laminated on the oxygen concentration detection cell via the porous part. One of the pair of electrodes of the oxygen concentration detection cell and one of the pair of electrodes of the oxygen pump cell, which is partitioned by an oxygen pump cell, the oxygen concentration detection cell, the porous portion, and the oxygen pump cell A gas sensor having a measurement chamber having electrodes disposed opposite to each other, and a substantially cylindrical metal shell that holds the gas sensor element therein, the gas sensors being disposed opposite to each other. The distance between the first solid electrolyte body and the second solid electrolyte body at the electrode position is shorter than the length in the stacking direction of the first solid electrolyte body and the second solid electrolyte body at the position of the porous portion. The distance between the opposed electrodes is shorter than the length of the porous portion in the stacking direction.
このガスセンサによれば、対向して配置された電極間の距離を多孔質部の積層方向の長さより短くすることで、対向して配置された電極の近傍で測定室の容積が最も小さくなるので、測定室に出入する被測定ガスの雰囲気の変化をただちに反映して応答性が向上する。なお、例えば対向して配置された電極位置における第1固体電解質体と第2固体電解質体との間の距離を多孔質部の位置における第1固体電解質体と第2固体電解質体の積層方向の長さと同一とし、対向して配置された各電極の厚みを厚くすることによっても対向して配置された電極の近傍で測定室の容積が最も小さくなるが、この場合には各電極でのガス拡散速度が低下して応答性を低下させる。そこで、対向して配置された電極位置における第1固体電解質体と第2固体電解質体との間の距離を、多孔質部の積層方向の長さより短くすることで、電極の厚みを厚くせずに上記効果を実現できる。 According to this gas sensor, since the distance between the electrodes arranged opposite to each other is shorter than the length of the porous portion in the stacking direction, the volume of the measurement chamber is minimized in the vicinity of the electrodes arranged opposite to each other. The responsiveness is improved by immediately reflecting the change in the atmosphere of the gas to be measured entering and exiting the measurement chamber. In addition, for example, the distance between the first solid electrolyte body and the second solid electrolyte body at the electrode positions arranged opposite to each other is set to the stacking direction of the first solid electrolyte body and the second solid electrolyte body at the position of the porous portion. The volume of the measurement chamber becomes the smallest in the vicinity of the electrodes arranged opposite to each other by increasing the thickness of the electrodes arranged opposite to each other, but in this case, the gas at each electrode is reduced. The diffusion rate is lowered and the responsiveness is lowered. Therefore, the distance between the first solid electrolyte body and the second solid electrolyte body at the electrode positions arranged opposite to each other is made shorter than the length of the porous portion in the stacking direction, so that the thickness of the electrode is not increased. The above effects can be realized.
前記対向して配置された電極位置にて、前記第1固体電解質体又は前記第2固体電解質体が互いに向かって周囲よりも段状に突出するようにしてもよい。
このガスセンサによれば、対向して配置された各電極自身が平坦になり、電極の位置によって電極間距離(つまり、応答性)が変化しないので好ましい。
You may make it the said 1st solid electrolyte body or the said 2nd solid electrolyte body protrude in a step shape rather than the periphery toward each other in the electrode position arrange | positioned facing.
This gas sensor is preferable because the electrodes arranged opposite to each other are flat, and the distance between electrodes (that is, responsiveness) does not change depending on the position of the electrodes.
前記対向して配置された電極位置にて、前記第1固体電解質体又は前記第2固体電解質体が互いに近づくよう、当該第1固体電解質体及び第2固体電解質体が前記積層方向に湾曲するようにしてもよい。
このガスセンサによっても、電極の厚みを厚くせずとも、対向して配置された電極の近傍で測定室の容積を最も小さくし、応答性を向上させることができる。
The first solid electrolyte body and the second solid electrolyte body are curved in the stacking direction so that the first solid electrolyte body or the second solid electrolyte body approaches each other at the opposed electrode positions. It may be.
Even with this gas sensor, the volume of the measurement chamber can be minimized in the vicinity of the electrodes arranged opposite to each other without increasing the thickness of the electrodes, and the responsiveness can be improved.
本発明のガスセンサの製造方法は、板状の第1固体電解質体及び該第1固体電解質体上に設けられた一対の電極からなる酸素濃度検出セルと、前記酸素濃度検出セルに積層される多孔質部と、板状の第2固体電解質体及び該第2固体電解質体上に設けられた一対の電極からなり、前記多孔質部を介して前記酸素濃度検出セルに積層される酸素ポンプセルと、前記酸素濃度検出セル、前記多孔質部及び前記酸素ポンプセルで区画され、前記酸素濃度検出セルの前記一対の電極のうち一方の電極及び前記酸素ポンプセルの前記一対の電極のうち一方の電極が対向して配置された測定室と、を有するガスセンサ素子と、前記ガスセンサ素子を内部に保持する略筒状の主体金具と、を有するガスセンサの製造方法であって、焼成前の前記酸素濃度検出セルである未焼成酸素濃度検出セルと、焼成前の前記酸素ポンプセルである未焼成酸素ポンプセルとの間であって、前記測定室となる部位に連通した所定位置に、焼成前の前記多孔質である多孔質ペーストを塗布し、前記測定室となる部位に、カーボンを主体とする焼失性ペーストを前記測定室となる容積より少なく塗布し、前記未焼成酸素濃度検出セルと前記未焼成酸素ポンプセルとをその積層方向に加圧した後、全体を焼成する。 The gas sensor manufacturing method of the present invention includes a plate-like first solid electrolyte body and an oxygen concentration detection cell comprising a pair of electrodes provided on the first solid electrolyte body, and a porous layer stacked on the oxygen concentration detection cell. An oxygen pump cell comprising a mass part, a plate-like second solid electrolyte body and a pair of electrodes provided on the second solid electrolyte body, and stacked on the oxygen concentration detection cell via the porous part, The oxygen concentration detection cell, the porous portion, and the oxygen pump cell are partitioned, and one electrode of the pair of electrodes of the oxygen concentration detection cell and one electrode of the pair of electrodes of the oxygen pump cell face each other. A gas sensor manufacturing method comprising: a gas sensor element having a measurement chamber disposed in a gas chamber; and a substantially cylindrical metal shell that holds the gas sensor element therein, wherein the oxygen concentration detection before firing is performed. Between the unsintered oxygen concentration detection cell, which is a catalyst, and the unsintered oxygen pump cell, which is the oxygen pump cell before firing, at a predetermined position communicating with the site serving as the measurement chamber. A porous paste is applied, and a burnable paste mainly composed of carbon is applied to a site serving as the measurement chamber in less than a volume serving as the measurement chamber, and the unsintered oxygen concentration detection cell and the unsintered oxygen pump cell are provided. Is pressed in the laminating direction, and the whole is fired.
この発明によれば、酸素濃度検出セルと酸素ポンプセルとをそれぞれ有するガスセンサにおいて、応答性を向上させることができる。 According to the present invention, the responsiveness can be improved in the gas sensors each having the oxygen concentration detection cell and the oxygen pump cell.
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(酸素センサ)1の長手方向(軸線L方向)に沿う断面図、図2はガスセンサ素子100(検出素子部300及びヒータ部200)の模式分解斜視図、図3はガスセンサ素子100の軸線L方向に直交する断面図である。
なお、軸線L方向に見て、プロテクタ24側を「先端」とし、ゴムキャップ52側を「後端」とする。
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described.
FIG. 1 is a cross-sectional view taken along the longitudinal direction (axis L direction) of a gas sensor (oxygen sensor) 1 according to an embodiment of the present invention, and FIG. 2 is a schematic exploded perspective view of a gas sensor element 100 (
As viewed in the direction of the axis L, the
図1に示すように、ガスセンサ1は、検出素子部300、検出素子部300に積層されるヒータ部200から構成されるガスセンサ素子100、ガスセンサ素子100を内部に保持する主体金具30、主体金具30の先端部に装着されるプロテクタ24等を有している。ガスセンサ素子100は軸線L方向に延びるように配置されている。
As shown in FIG. 1, the
ヒータ部200は、図2に示すように、アルミナを主体とする第1基体101及び第2基体103と、第1基体101と第2基体103とに挟まれ、白金を主体とする発熱体102を有している。発熱体102は、先端側に位置する発熱部102aと、発熱部102aから第1基体101の長手方向に沿って延びる一対のヒータリード部102bとを有している。そして、ヒータリード部102bの端末は、第1基体101に設けられるヒータ部側スルーホール101aに形成された導体を介してヒータ部側パッド120と電気的に接続している。つまり、ヒータ部200は、第1基体101及び第2基体103を積層した絶縁セラミック体に、通電により発熱するヒータ(発熱体102)を設けてなる。
As shown in FIG. 2, the
検出素子部300は、酸素濃度検出セル130と酸素ポンプセル140とを備える。酸素濃度検出セル130は、ジルコニアを主体とする第1固体電解質体105と、その第1固体電解質体105の両面に形成された基準電極(第2電極)104及び検知電極(第1電極)106とから形成されている。基準電極104は、基準電極部104aと、基準電極部104aから第1固体電解質体105の長手方向に沿って延びる第1リード部104bとから形成されている。検知電極106は、検知電極部106aと、検知電極部106aから第1固体電解質体105の長手方向に沿って延びる第2リード部106bとから形成されている。
なお、基準電極104及び検知電極106が特許請求の範囲の「(酸素濃度検出セルの)一対の電極」に相当する。又、検知電極106が特許請求の範囲の「(酸素濃度検出セルの)一方の電極」に相当する。
The
The
そして、第1リード部104bの端末は、第1固体電解質体105に設けられる第1スルーホール105a、後述する絶縁層107に設けられる第2スルーホール107a、第2固体電解質体109に設けられる第4スルーホール109a及び保護層111に設けられる第6スルーホール111aのそれぞれに形成される導体を介して検出素子部側パッド121と電気的に接続する。一方、第2リード部106bの端末は、後述する絶縁層107に設けられる第3スルーホール107b、第2固体電解質体109に設けられる第5スルーホール109b及び保護層111に設けられる第7スルーホール111bのそれぞれに形成される導体を介して検出素子部側パッド121と電気的に接続する。
The terminals of the
一方、酸素ポンプセル140は、ジルコニアを主体とする第2固体電解質体109と、その第2固体電解質体109の両面に形成された第3電極108、第4電極110とから形成されている。第3電極108は、第3電極部108aと、この第3電極部108aから第2固体電解質体109の長手方向に沿って延びる第3リード部108bとから形成されている。第4電極110は、第4電極部110aと、この第4電極部110aから第2固体電解質体109の長手方向に沿って延びる第4リード部110bとから形成されている。
なお、第3電極108、第4電極110が特許請求の範囲の「(酸素ポンプセルの)一対の電極」に相当する。又、第3電極108が特許請求の範囲の「(酸素ポンプセルの)一方の電極」に相当する。
On the other hand, the
The
そして、第3リード部108bの端末は、第2固体電解質体109に設けられる第5スルーホール109b及び保護層111に設けられる第7スルーホール111bのそれぞれに形成される導体を介して検出素子部側パッド121と電気的に接続する。一方、第4リード部110bの端末は、後述する保護層111に設けられる第8スルーホール111cに形成される導体を介して検出素子部側パッド121と電気的に接続する。なお、第2リード部106bと第3リード部108bは共通の検出素子部側パッド121に接続され、同電位となっている。
And the terminal of the 3rd
これら第1固体電解質体105、第2固体電解質体109は、ジルコニア(ZrO2)に安定化剤としてイットリア(Y2O3)又はカルシア(CaO)を添加してなる部分安定化ジルコニア焼結体から構成されている。
The first
発熱体102、基準電極104、検知電極106、第3電極108、第4電極110、ヒータ部側パッド120及び検出素子部側パッド121は、白金族元素で形成することができる。これらを形成する好適な白金族元素としては、Pt、Rh、Pd等を挙げることができ、これらはその一種を単独で使用することもできるし、又二種以上を併用することもできる。
The
もっとも、発熱体102、基準電極104、検知電極106、第3電極108、第4電極110、ヒータ部側パッド120及び検出素子部側パッド121は、耐熱性及び耐酸化性を考慮するとPtを主体にして形成することがより一層好ましい。さらに、発熱体102、基準電極104、検知電極106、第3電極108、第4電極110、ヒータ部側パッド120及び検出素子部側パッド121は、主体となる白金族元素の他にセラミック成分を含有することが好ましい。このセラミック成分は、固着という観点から、積層される側の主体となる材料(例えば、第1固体電解質体105、第2固体電解質体109の主体となる成分)と同様の成分であることが好ましい。
However, the
そして、上記酸素ポンプセル140と酸素濃度検出セル130との間に、絶縁層107が形成されている。絶縁層107は、絶縁部114と多孔質部115とからなる。この絶縁層107の絶縁部114には、検知電極部106a及び第3電極部108aに対応する位置に中空の測定室107cが形成されている。この測定室107cは、絶縁層107の幅方向で外部と連通しており、該連通部分には、外部と測定室107cとの間のガス拡散を所定の律速条件下で実現する多孔質部115が配置されている。
なお、絶縁層107の表裏には、それぞれ上記酸素ポンプセル140と酸素濃度検出セル130と張り合わせるための接着層116(図3参照)が設けられている。
An insulating
Note that adhesive layers 116 (see FIG. 3) for attaching the
絶縁部114、及び接着層116は、絶縁性を有するセラミック焼結体であれば特に限定されなく、例えば、アルミナやムライト等の酸化物系セラミックを挙げることができる。
The insulating
多孔質部115は、例えばアルミナからなる多孔質体である。この多孔質部115によって排気ガス等の被測定ガスが測定室107cへ流入する際の律速が行われる。
The
また、第2固体電解質体109の表面には、第4電極110を挟み込むようにして、保護層111が形成されている。この保護層111は、第4電極部110aを挟み込むようにして、第4電極部110aを被毒から防御するための多孔質の電極保護部113aと、第4リード部110bを挟み込むようにして、第2固体電解質体109を保護するための補強部112とからなる。なお、本実施の形態のガスセンサ素子100は、酸素濃度検出セル130の電極間に生じる電圧(起電力)が所定の値(例えば、450mV)となるように、酸素ポンプセル140の電極間に流れる電流の方向及び大きさが調整され、酸素ポンプセル140に流れる電流に応じた被測定ガス中の酸素濃度をリニアに検出する酸素センサ素子に相当する。
A
図1に戻り、主体金具30は、SUS430製のものであり、ガスセンサを排気管に取り付けるための雄ねじ部31と、取り付け時に取り付け工具をあてがう六角部32とを有している。また、主体金具30には、径方向内側に向かって突出する金具側段部33が設けられており、この金具側段部33はガスセンサ素子100を保持するための金属ホルダ34を支持している。そしてこの金属ホルダ34の内側にはセラミックホルダ35、滑石36が先端側から順に配置されている。この滑石36は金属ホルダ34内に配置される第1滑石37と金属ホルダ34の後端に渡って配置される第2滑石38とからなる。金属ホルダ34内で第1滑石37が圧縮充填されることによって、ガスセンサ素子100は金属ホルダ34に対して固定される。また、主体金具30内で第2滑石38が圧縮充填されることによって、ガスセンサ素子100の外面と主体金具30の内面との間のシール性が確保される。そして第2滑石38の後端側には、アルミナ製のスリーブ39が配置されている。このスリーブ39は多段の円筒状に形成されており、軸線に沿うように軸孔39aが設けられ、内部にガスセンサ素子100を挿通している。そして、主体金具30の後端側の加締め部30aが内側に折り曲げられており、ステンレス製のリング部材40を介してスリーブ39が主体金具30の先端側に押圧されている。
Returning to FIG. 1, the
また、主体金具30の先端側外周には、主体金具30の先端から突出して、被測定雰囲気(排気ガス)に晒されるガスセンサ素子100の先端部100sを覆うと共に、複数のガス取り入れ孔24aを有する金属製のプロテクタ24が溶接によって取り付けられている。このプロテクタ24は、二重構造をなしており、外側には一様な外径を有する有底円筒状の外側プロテクタ41、内側には後端部42aの外径が先端部42bの外径よりも大きく形成された有底円筒状の内側プロテクタ42が配置されている。
Further, the outer periphery on the front end side of the
一方、主体金具30の後端側には、SUS430製の外筒25の先端側が挿入されている。この外筒25は先端側の拡径した先端部25aを主体金具30にレーザ溶接等により固定している。外筒25の後端側内部には、セパレータ50が配置され、セパレータ50と外筒25の隙間に保持部材51が介在している。この保持部材51は、後述するセパレータ50の突出部50aに係合し、外筒25を加締めることにより外筒25とセパレータ50とにより固定されている。
On the other hand, on the rear end side of the
また、セパレータ50には、検出素子部300やヒータ部200用のリード線11〜15を挿入するための通孔50bが先端側から後端側にかけて貫設されている(なお、リード線14、15については図示せず)。通孔50b内には、リード線11〜15と、検出素子部300の検出素子側パッド121及びヒータ部200のヒータ側パッド120とを接続する接続端子16が収容されている。各リード線11〜15は、外部において、図示しないコネクタに接続されるようになっている。このコネクタを介してECU等の外部機器と各リード線11〜15とは電気信号の入出力が行われることになる。また、各リード線11〜15は詳細に図示しないが、導線を樹脂からなる絶縁皮膜にて披覆した構造を有している。
The
さらに、セパレータ50の後端側には、外筒25の後端側の開口部25bを閉塞するための略円柱状のゴムキャップ52が配置されている。このゴムキャップ52は、外筒25の後端内に装着された状態で、外筒25の外周を径方向内側に向かって加締めることにより、外筒25に固着されている。ゴムキャップ52にも、リード線11〜15をそれぞれ挿入するための通孔52aが先端側から後端側にかけて貫設されている。
Further, a substantially
次に、図3を参照し、本発明の特徴部分である第1固体電解質体105と第2固体電解質体109の間隔について説明する。図3は、図2のA−A線に沿う断面図であり、ガスセンサ素子100の軸線L方向に直交する断面図である。
図3において、検知電極106と第3電極108がそれぞれ測定室107cに臨みつつ対向して配置され、これら各電極の位置における第1固体電解質体105と第2固体電解質体109との間の距離H2は、多孔質部115の位置における第1固体電解質体105と第2固体電解質体109の積層方向の長さH6より短くなっている。さらに、対向して配置された検知電極106と第3電極108との間の距離H3は、多孔質部115の積層方向の長さH1より短い。
ここで、図3の場合、検知電極106と第3電極108のそれぞれの電極位置にて、第1固体電解質体105及び第2固体電解質体109が互いに向かって周囲よりも段状に突出している。
Next, the interval between the first
In FIG. 3, the
Here, in the case of FIG. 3, the first
このように、H3<H1とすることで、対向して配置された検知電極106と第3電極108の近傍で測定室107cの容積が最も小さくなるので、測定室107cに出入する被測定ガスの雰囲気の変化をただちに反映して応答性が向上する。なお、例えばH2=H1として検知電極106と第3電極108の厚みを厚くすることによってもH3<H1となるが、この場合には電極でのガス拡散速度が低下して応答性を低下させる。そこで、H2<H6とすることで、検知電極106と第3電極108の厚みを厚くせずにH3<H1を実現できる。
なお、本発明において、H2、H3は、いずれも検知電極106と第3電極108の中央位置(センサ素子の軸線方向及びその垂直方向の各中心が交わる位置)における値とする。又、H1は、被測定ガスが出入する部位である多孔質部115のうち、測定室107cに面する位置における多孔質部115単体の値とし、被測定ガスが出入しない接着層116の厚みは含まない。又、H6は、被測定ガスが出入する部位である多孔質部115のうち、測定室107cに面する位置における多孔質部115の位置における第1固体電解質体105と第2固体電解質体109の積層方向の長さであるため、多孔質部115の厚みと接着層116の厚みを含んだ長さと同義である。又、「積層方向」とは、各固体電解質体105,109を貫く方向であり、図3の上下方向である。
又、検知電極106と第3電極108の厚みは5〜30μm程度とすることができ、H1−H3を0〜30μm程度とすることができる。
In this way, by setting H 3 <H 1 , the volume of the
In the present invention, H 2 and H 3 are both values at the center position of the
The thickness of the
図4は、図3の変形例であり、検知電極106と第3電極108のそれぞれの電極位置にて、第1固体電解質体105及び第2固体電解質体109が互いに近づくよう、第1固体電解質体105及び第2固体電解質体109が積層方向に湾曲している。
図4の場合においても、H4<H6かつH5<H1となるので、検知電極106と第3電極108の厚みを厚くせずに、応答性を向上させることができる。なお、H4は図3のH2に対応し、H5は図3のH3に対応する寸法である。
但し、図4の例の場合、検知電極106と第3電極108も湾曲しているので、各電極の中央部と周縁部とで電極間距離が変わり、応答性も電極の位置によって若干変わる傾向にある。従って、図3のように、第1固体電解質体105及び第2固体電解質体109を周囲よりも段状に突出させ、検知電極106と第3電極108自身を平坦にすると、電極の位置によって電極間距離(つまり、応答性)が変化しないので好ましい。
FIG. 4 is a modified example of FIG. 3, and the first
Also in the case of FIG. 4, since H 4 <H 6 and H 5 <H 1 , the response can be improved without increasing the thickness of the
However, in the case of the example of FIG. 4, since the
図5は、ガスセンサ1(ガスセンサ素子100)の製造方法の一例を示す工程図である。まず、図5(a)に示すように、未焼成の第1基体の上に未焼成の発熱体(図5では発熱部102axのみ表示)をペースト印刷し、さらに未焼成の第2基体で挟み、未焼成のヒータ部200xを得る。同様に、未焼成の第1固体電解質体105xの表裏にそれぞれ未焼成の基準電極104x及び検知電極106xをペースト印刷し、未焼成の酸素濃度検出セル130xを得る。さらに検知電極106x側の第1固体電解質体105xの長手方向に沿う両端に未焼成の絶縁層(図5では多孔質部となる多孔質ペースト115xのみ表示)をペースト印刷する。なお、多孔質部115xと第1固体電解質体105xとの間には張り合わせペースト116xを塗布する。
FIG. 5 is a process diagram showing an example of a manufacturing method of the gas sensor 1 (gas sensor element 100). First, as shown in FIG. 5A, an unfired heating element (only the heating portion 102ax is shown in FIG. 5) is paste-printed on the unfired first substrate, and further sandwiched between unfired second substrates. An
次に、未焼成の第1固体電解質体105xと、未焼成の絶縁層(図5では多孔質ペースト115xのみ表示)とで区画され測定室となる部位107cxに、カーボンを主体とする焼失性ペースト400を測定室となる容積より少なく塗布する(図5(b))。例えば、測定室となる部位107cxの上面Sより焼失性ペースト400が下側(第1固体電解質体105x側)になるように焼失性ペースト400を塗布する。
次に、未焼成の第2固体電解質体109xの表裏にそれぞれ未焼成の第3電極108x及び第4電極110xをペースト印刷し、未焼成の酸素ポンプセル140xを得る。さらに、第4電極110x側の第2固体電解質体109xに未焼成の保護層111x及び電極保護部113axをペースト印刷する(図5(c))。
なお、未焼成の第1基体、第2基体、第1固体電解質体105x、第2固体電解質体109xは、例えばドクターブレード装置を使用したシート成形法により、これらシートの材料を含むスラリーからシートを成形して切り出すことで作製することができる。又、発熱体、各電極、多孔質等は、これらの材料を含むペーストを用いた印刷法で作製することができる。
Next, a burnout paste mainly composed of carbon is formed in a portion 107cx that is partitioned by the unfired first
Next, the unfired
The unfired first base body, second base body, first
そして、多孔質部115xの上側(酸素ポンプセル140x側)に張り合わせペースト116xを塗布し、未焼成のヒータ部200x、酸素濃度検出セル130x及び酸素ポンプセル140xを積層し、この積層方向に加圧する(図5(d))。このとき、測定室となる容積より焼失性ペースト400の塗布量が少ないため、第1固体電解質体105xと第2固体電解質体109xとが積層方向に互いに近づくように段状に突出する(図3参照)。
具体的には、検知電極106xの反対側に位置する基準電極104xがヒータ部200xの面で押圧されて第1固体電解質体105xに陥入する。そして、それに応じて基準電極104xの陥入した部分の第1固体電解質体105xが上方(第2固体電解質体109x側)に向かって段状に突出する。ここで、基準電極104xと検知電極106xは同一寸法で互いに重なる位置に配置されているので、基準電極104xが陥入した第1固体電解質体105xの部分が、ちょうど検知電極106xの直下となる。
同様に、第3電極108xの反対側に位置する第4電極110xが、電極保護部113axの面で押圧されて第2固体電解質体109xに陥入する。そして、それに応じて第4電極110xの陥入した部分の第2固体電解質体109xが下方(第1固体電解質体105x側)に向かって段状に突出する。ここで、第4電極110xと第3電極108xは同一寸法で互いに重なる位置に配置されているので、第4電極110xが陥入した第2固体電解質体109xの部分が、ちょうど第3電極108xの直下となる。
そして、この状態で全体を焼成してガスセンサ1(ガスセンサ素子100)を製造する。
Then, the
Specifically, the
Similarly, the
And the whole is baked in this state, and the gas sensor 1 (gas sensor element 100) is manufactured.
ここで、測定室となる容積より焼失性ペースト400の塗布量を大幅に低減させると、第1固体電解質体105x及び第2固体電解質体109xが段状に凹み、図3に示すような段状の突出部が形成される。一方、焼失性ペースト400の塗布量を増やすと、基準電極104x及び第4電極110xの陥入による第1固体電解質体105x及び第2固体電解質体109xの張出しが緩やかになり、図4に示すような湾曲部が形成される。
Here, when the application amount of the
なお、図3、図4の例では、それぞれ検知電極106及び第3電極108の反対側に位置する基準電極104及び第4電極110を用い、ガスセンサ素子を製造する際の積層加圧を利用して、第1固体電解質体105及び第2固体電解質体109を変形させている。このため、第1固体電解質体105及び第2固体電解質体109を変形させる別の工程を用意する必要がなく、工程増とならずに製造が可能である。
但し、上記に限らず、例えば未焼成の酸素ポンプセル140xを作製した後、酸素ポンプセル140xを型押しして変形させ、これを酸素濃度検出セル130xと積層し、全体を焼成してもよい。この場合、酸素ポンプセル140側の第2固体電解質体109のみを酸素濃度検出セル130側に向かって突出又は湾曲させ、第1固体電解質体105は平坦としてもよく、その逆としてもよい。
3 and 4, the
However, the present invention is not limited to the above. For example, after the unfired oxygen pump cell 140x is manufactured, the oxygen pump cell 140x may be embossed and deformed, and this may be laminated with the oxygen
本発明は上記実施形態に限定されず、酸素濃度検出セルと、測定室に連通する多孔質部と、酸素ポンプセルを備えたあらゆるガスセンサ(ガスセンサ素子)に適用可能であり、本実施の形態の酸素センサ(酸素センサ素子)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NOx濃度を検出するため、上記の2セルに加えて第2酸素ポンプセルを追加した公知のNOxセンサ(NOx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。
また、上記実施形態では、多孔質部がガスセンサ素子の短手方向(軸線方向に垂直な方向)に設けたが、多孔質部をガスセンサ素子の先端に設けてもよい。但し、ガスセンサ素子の短手方向には固体電解質体が撓み難いので、ガスセンサ素子の短手方向に多孔質部を設ける場合に、本発明は特に有効である。
The present invention is not limited to the above embodiment, and can be applied to any gas sensor (gas sensor element) including an oxygen concentration detection cell, a porous portion communicating with a measurement chamber, and an oxygen pump cell. Although it can be applied to a sensor (oxygen sensor element), it is not limited to these uses, and it goes without saying that the present invention covers various modifications and equivalents included in the concept and scope of the present invention. For example, in order to detect the NOx concentration in the gas to be measured, a known NOx sensor (NOx sensor element) in which a second oxygen pump cell is added in addition to the above two cells, or an HC sensor (HC sensor element) that detects the HC concentration ) Etc., the present invention may be applied.
Moreover, in the said embodiment, although the porous part was provided in the transversal direction (direction perpendicular | vertical to an axial direction) of a gas sensor element, you may provide a porous part in the front-end | tip of a gas sensor element. However, since the solid electrolyte body hardly bends in the short direction of the gas sensor element, the present invention is particularly effective when the porous portion is provided in the short direction of the gas sensor element.
1 ガスセンサ
30 主体金具
100 ガスセンサ素子
105 第1固体電解質体
109 第2固体電解質体
104、106 (酸素濃度検出セル)の一対の電極
108、110 (酸素ポンプセル)の一対の電極
106、108 一方の電極
107c 測定室
107cx 定室となる部位
115 多孔質部
115x 多孔質ペースト
130 酸素濃度検出セル
130x 未焼成酸素濃度検出セル
140 酸素ポンプセル
140x 未焼成酸素ポンプセル
400 焼失性ペースト
L 軸線方向
H1 多孔質部の積層方向の長さ
H2、H4 電極位置における第1固体電解質体と第2固体電解質体との間の距離
H3、H5 対向して配置された電極間の距離
H6 多孔質部の位置における前記第1固体電解質体と前記第2固体電解質体の積層方向の長さ
DESCRIPTION OF
Claims (4)
前記酸素濃度検出セルに積層される多孔質部と、
板状の第2固体電解質体及び該第2固体電解質体上に設けられた一対の電極からなり、前記多孔質部を介して前記酸素濃度検出セルに積層される酸素ポンプセルと、
前記酸素濃度検出セル、前記多孔質部及び前記酸素ポンプセルで区画され、前記酸素濃度検出セルの前記一対の電極のうち一方の電極及び前記酸素ポンプセルの前記一対の電極のうち一方の電極が対向して配置された測定室と、
を有するガスセンサ素子と、
前記ガスセンサ素子を内部に保持する略筒状の主体金具と、を有するガスセンサであって、
前記対向して配置された電極位置における前記第1固体電解質体と前記第2固体電解質体との間の距離は、前記多孔質部の位置における前記第1固体電解質体と前記第2固体電解質体の積層方向の長さより短く、
前記対向して配置された電極間の距離は、前記多孔質部の積層方向の長さより短いガスセンサ。 An oxygen concentration detection cell comprising a plate-like first solid electrolyte body and a pair of electrodes provided on the first solid electrolyte body;
A porous portion laminated on the oxygen concentration detection cell;
An oxygen pump cell comprising a plate-like second solid electrolyte body and a pair of electrodes provided on the second solid electrolyte body, and stacked on the oxygen concentration detection cell via the porous portion;
The oxygen concentration detection cell, the porous portion, and the oxygen pump cell are partitioned, and one electrode of the pair of electrodes of the oxygen concentration detection cell and one electrode of the pair of electrodes of the oxygen pump cell face each other. Measuring chambers
A gas sensor element having
A substantially cylindrical metal shell that holds the gas sensor element therein,
The distance between the first solid electrolyte body and the second solid electrolyte body at the positions of the electrodes arranged opposite to each other is such that the first solid electrolyte body and the second solid electrolyte body at the position of the porous portion are as follows. Shorter than the length in the stacking direction,
A gas sensor in which a distance between the electrodes arranged to face each other is shorter than a length of the porous portion in a stacking direction.
前記酸素濃度検出セルに積層される多孔質部と、
板状の第2固体電解質体及び該第2固体電解質体上に設けられた一対の電極からなり、前記多孔質部を介して前記酸素濃度検出セルに積層される酸素ポンプセルと、
前記酸素濃度検出セル、前記多孔質部及び前記酸素ポンプセルで区画され、前記酸素濃度検出セルの前記一対の電極のうち一方の電極及び前記酸素ポンプセルの前記一対の電極のうち一方の電極が対向して配置された測定室と、
を有するガスセンサ素子と、
前記ガスセンサ素子を内部に保持する略筒状の主体金具と、を有するガスセンサの製造方法であって、
焼成前の前記酸素濃度検出セルである未焼成酸素濃度検出セルと、焼成前の前記酸素ポンプセルである未焼成酸素ポンプセルとの間であって、前記測定室となる部位に連通した所定位置に、焼成前の前記多孔質である多孔質ペーストを塗布し、
前記測定室となる部位に、カーボンを主体とする焼失性ペーストを前記測定室となる容積より少なく塗布し、
前記未焼成酸素濃度検出セルと前記未焼成酸素ポンプセルとをその積層方向に加圧した後、
全体を焼成するガスセンサの製造方法。 An oxygen concentration detection cell comprising a plate-like first solid electrolyte body and a pair of electrodes provided on the first solid electrolyte body;
A porous portion laminated on the oxygen concentration detection cell;
An oxygen pump cell comprising a plate-like second solid electrolyte body and a pair of electrodes provided on the second solid electrolyte body, and stacked on the oxygen concentration detection cell via the porous portion;
The oxygen concentration detection cell, the porous portion, and the oxygen pump cell are partitioned, and one electrode of the pair of electrodes of the oxygen concentration detection cell and one electrode of the pair of electrodes of the oxygen pump cell face each other. Measuring chambers
A gas sensor element having
A substantially cylindrical metal shell for holding the gas sensor element therein, and a gas sensor manufacturing method comprising:
Between the unsintered oxygen concentration detection cell, which is the oxygen concentration detection cell before firing, and the unfired oxygen pump cell, which is the oxygen pump cell before firing, at a predetermined position communicating with the site serving as the measurement chamber, Apply the porous paste that is porous before firing,
Applying a burnable paste mainly composed of carbon to the measurement chamber, less than the volume of the measurement chamber,
After pressurizing the green oxygen concentration detection cell and the green oxygen pump cell in the stacking direction,
A manufacturing method of a gas sensor for firing the whole.
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