JP6937167B2 - Manufacturing method of gas sensor element - 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素子の製造方法に関する。 The present invention relates to a method for manufacturing a gas sensor element that is suitably used for detecting the gas concentration of a specific gas contained in combustion gas or exhaust gas of, for example, a combustor or an internal combustion engine.
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。このガスセンサは、自身の内部にガスセンサ素子を有している。このガスセンサ素子として、固体電解質体のシートと該固体電解質体に配置された一対の電極とを有するセル、該セルと積層される絶縁シート、及びヒータ等を備えた板状素子が用いられている。
そして、板状素子の内部の電極やヒータを外部装置と電気的に接続するため、これら電極やヒータが形成されたシートと、このシートに積層される他のシートにスルーホールを設け、このスルーホールの内壁に導体ペーストを印刷することが一般に行われている。
Conventionally, a gas sensor for detecting the concentration of a specific component (oxygen or the like) in the exhaust gas of an internal combustion engine has been used. This gas sensor has a gas sensor element inside itself. As this gas sensor element, a cell having a sheet of a solid electrolyte body and a pair of electrodes arranged on the solid electrolyte body, an insulating sheet laminated with the cell, and a plate-shaped element having a heater and the like are used. ..
Then, in order to electrically connect the electrodes and heaters inside the plate-shaped element to the external device, through holes are provided in the sheet on which these electrodes and heaters are formed and other sheets laminated on this sheet, and the through holes are provided. It is common practice to print conductor paste on the inner walls of the holes.
ところで、図4に示すように、シート500に設けたスルーホール500hの角部500pでは、導体ペースト600の厚みが薄くなり、断線するおそれがある。そこで、従来から導体ペースト600を2回塗りすることが行われている。また、角部500pを囲むシート500の表裏面に環状凸部を形成させて角部500pに導体ペースト600が厚く乗るようにさせた技術が開発されている(特許文献1参照)。
By the way, as shown in FIG. 4, at the
しかしながら、スルーホールに導体ペーストを2回塗りすると、生産性やコストが劣ると共に、スルーホール内に導体ペーストが詰まり、導体ペーストの供給側と反対面の角部が十分に導体ペーストで覆れない場合がある。
また、特許文献1記載の技術の場合、シートに環状凸部を形成させる余分な工程が必要となり、生産性の低下やコストアップを招く。
そこで、本発明は、スルーホール導体を確実かつ容易に形成できるガスセンサ素子の製造方法の提供を目的とする。
However, if the conductor paste is applied twice to the through holes, the productivity and cost are inferior, and the conductor paste is clogged in the through holes, and the corners on the opposite surface to the supply side of the conductor paste are not sufficiently covered with the conductor paste. In some cases.
Further, in the case of the technique described in Patent Document 1, an extra step of forming an annular convex portion on the sheet is required, which leads to a decrease in productivity and an increase in cost.
Therefore, an object of the present invention is to provide a method for manufacturing a gas sensor element capable of forming a through-hole conductor reliably and easily.
上記課題を解決するため、本発明のガスセンサ素子の製造方法は、セラミック製のグリーンシート、又は該グリーンシートと他部材との積層体にスルーホールを形成した後、前記スルーホールの内壁にスルーホール導体を形成するガスセンサ素子の製造方法であって、前記グリーンシート又は前記積層体の両面にそれぞれ所定の導体部であって、一方の面側の外部の接続端子に接続されるパッドをなす第1導体部と、他の面側の第2導体部とを形成する導体部形成工程と、前記第1及び第2導体部をそれぞれ含むように前記スルーホールを形成するスルーホール形成工程と、前記スルーホール導体の材料となる導体ペーストを、前記グリーンシート又は前記積層体の前記一方の面側の前記第1導体部に形成された前記スルーホールから供給する導体ペースト供給工程と、前記スルーホールを挟んで前記導体ペーストと反対側を負圧状態とする事で、該導体ペーストを前記スルーホールの前記内壁から前記グリーンシート又は前記積層体の前記他の面側の前記第2導体部から突出させる導体供給工程と、を有することを特徴とする。 In order to solve the above problems, in the method for manufacturing a gas sensor element of the present invention, a through hole is formed in a ceramic green sheet or a laminate of the green sheet and another member, and then a through hole is formed in the inner wall of the through hole. A first method for manufacturing a gas sensor element that forms a conductor, the first is a method of manufacturing a gas sensor element, which is a predetermined conductor portion on both sides of the green sheet or the laminate and forms a pad connected to an external connection terminal on one surface side. A conductor portion forming step of forming the conductor portion and the second conductor portion on the other surface side, a through hole forming step of forming the through hole so as to include the first and second conductor portions, respectively, and the through hole forming step. the conductor paste which is a material of the hole conductor, and the conductor paste supplying step of supplying from the green sheet or the through hole formed in said first conductor portion of one side of the laminate, sandwiching the through hole in said conductor paste opposite by a negative pressure state, the conductor projecting the conductor paste from said second conductor portion of the other surface side of the green sheet or the laminate from the inner wall of the through hole It is characterized by having a supply process.
このガスセンサ素子の製造方法によれば、一方の面側のスルーホールの角部では、導体ペーストの厚みが薄くなっているが、角部に予め導体部が形成されている。このため、導体ペーストの厚みが薄い分を導体部が補い、角部における導体ペースト、ひいてはスルーホール導体の断線を抑制し、導通を確実にすることができる。
一方、反対面側のスルーホールの角部では、負圧により導体ペーストが導体部の表面から負圧で吸い出されて突出し、突出部を形成するため、角部でも導体ペースト101sの厚みが薄くならない。その結果、角部における導体ペースト、ひいてはスルーホール導体の断線を抑制し、導通を確実にすることができる。
According to this method of manufacturing a gas sensor element, the thickness of the conductor paste is thin at the corners of the through holes on one surface side, but the conductors are formed in advance at the corners. Therefore, the conductor portion compensates for the thinness of the conductor paste, and the disconnection of the conductor paste at the corner portion and the through-hole conductor can be suppressed to ensure continuity.
On the other hand, at the corners of the through holes on the opposite surface side, the conductor paste is sucked out from the surface of the conductors under negative pressure and protrudes to form the protrusions, so that the thickness of the
前記導体ペースト供給工程と、前記導体供給工程とが重複してもよい。
このガスセンサ素子の製造方法によれば、導体ペースト供給工程と導体供給工程とが重複する、つまりスルーホールに導体ペーストを供給している途中から、スルーホールの反対面側を負圧にするので、導体ペーストを負圧で確実に吸い出すことができる。
The conductor paste supply step and the conductor supply step may overlap.
According to this method of manufacturing the gas sensor element, the conductor paste supply process and the conductor supply process overlap, that is, the pressure on the opposite side of the through hole is negative while the conductor paste is being supplied to the through hole. The conductor paste can be reliably sucked out with negative pressure.
前記導体ペースト供給工程の開始よりも前に、前記スルーホールを挟んで前記導体部と反対側を負圧状態とする工程をさらに有してもよい。
このガスセンサ素子の製造方法によれば、導体ペーストを負圧でより確実に吸い出すことができる。
Prior to the start of the conductor paste supply step, there may be further a step of putting the side opposite to the conductor portion into a negative pressure state with the through hole interposed therebetween.
According to this method of manufacturing the gas sensor element, the conductor paste can be sucked out more reliably with a negative pressure.
この発明によれば、ガスセンサ素子のスルーホール導体を確実かつ容易に形成できる。 According to the present invention, the through-hole conductor of the gas sensor element can be formed reliably and easily.
以下、本発明の実施形態について説明する。
図1は本発明が適用されるガスセンサ(酸素センサ)1の一例を示す、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の模式分解斜視図である。
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described.
FIG. 1 is a cross-sectional view taken along the longitudinal direction (axis L direction) showing an example of the gas sensor (oxygen sensor) 1 to which the present invention is applied, and FIG. 2 is a schematic exploded perspective view of the gas sensor element 100.
図1に示すように、ガスセンサ1は、ガスセンサ素子100、板状素子300等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、板状素子300、及び板状素子300に積層されるヒータ200から構成されている。
As shown in FIG. 1, the gas sensor 1 has a
ヒータ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側スルーホール101aに形成されたスルーホール導体を介してヒータ側パッド120と電気的に接続している。
As shown in FIG. 2, the
板状素子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、第1固体電解質体105と、その第1固体電解質105の両面に形成された第1電極104及び第2電極106とから形成されている。第1電極104は、第1電極部104aと、第1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。第2電極106は、第2電極部106aと、第2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。
The plate-
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スルーホール導体を介して板状素子側パッド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スルーホール導体を介して板状素子側パッド121と電気的に接続する。
The terminal of the
一方、酸素ポンプセル140は、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。
On the other hand, 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スルーホール導体を介して板状素子側パッド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に形成されるスルーホール導体を介して板状素子側パッド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は同電位となっている。
The terminal of the
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。
These first
発熱体102、第1電極104、第2電極106、第3電極108、第4電極110、ヒータ側パッド120及び板状素子側パッド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
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と拡散律速部115とからなる。この絶縁層107の絶縁部114には、第2電極部106a及び第3電極部108aに対応する位置に中空部のガス検出室107cが形成されている。このガス検出室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、外部とガス検出室107cとの間のガス拡散を所定の律速条件下で実現する拡散律速部115が配置されている。
絶縁部114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。
拡散律速部115は、アルミナからなる多孔質体である。この拡散律速部115によって検出ガスがガス検出室107cへ流入する際の律速が行われる。
An
The insulating
The diffusion rate-determining
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、ガスセンサ100は、酸素濃度検知セル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に相当する。
Further, a
In the gas sensor 100, the direction and magnitude of the current flowing between the electrodes of the
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。
Returning to FIG. 1, the main metal fitting 30 is made of SUS430, and has a
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。
An
また、主体金具30の先端側外周には、主体金具30の先端から突出するガスセンサ素子100の先端部を覆うと共に、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, on the outer periphery on the tip end side of the main metal fitting 30, a
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, the tip end side of the
また、セパレータ50には、板状素子300やヒータ200用のリード線11〜15を挿入するための挿通孔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)。挿通孔50b内には、リード線11〜15と、板状素子300の板状素子側パッド121及びヒータ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、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。
Further, 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挿通孔52aが先端側から後端側にかけて貫設されている。
Further, on the rear end side of the
次に、本発明の実施形態に係るガスセンサ素子の製造方法について説明する。
図2の例では、本発明は、ヒータ200に適用される。以下、図3を参照して本発明の実施形態に係るガスセンサ素子の製造方法の各工程を説明する。
まず、未焼成第1基体101xの片面に、未焼成発熱体102xをペースト印刷する。次に、未焼成第1基体101xをひっくり返し、その反対面に未焼成ヒータ側パッド120xをペースト印刷する(図3(a)、(b):導体部形成工程)
次に、積層方向に未焼成ヒータ側パッド120x及び未焼成発熱体102xを含むように、スルーホール101aを形成する(図3(c):スルーホール形成工程)。
Next, a method of manufacturing the gas sensor element according to the embodiment of the present invention will be described.
In the example of FIG. 2, the present invention applies to the
First, the
Next, a through
さらに、スルーホール導体の材料となる導体ペースト101sを未焼成ヒータ側パッド120x側(図3の上側)のスルーホール101aから供給(充填)する(図3(d):導体ペースト供給工程)。
そして、スルーホール101aを挟んで未焼成ヒータ側パッド120xと反対の未焼成発熱体102x側が負圧NPの状態下で、スルーホール101aに供給した導体ペースト101sを、スルーホール101aから未焼成ヒータ側パッド120xと反対側(図3の下側)の未焼成発熱体102xの表面から突出させる(図3(d):導体供給工程)。
Further, the
Then, under a state where the
このとき、未焼成ヒータ側パッド120x側(図3の上側)のスルーホール101aの角部101p1では、導体ペースト101sの厚みが薄くなっているが、角部101p1に予め未焼成ヒータ側パッド120xが形成されている。このため、導体ペースト101sの厚みが薄い分を未焼成ヒータ側パッド120xが補い、角部101p1における導体ペースト101sの断線を抑制し、導通を確実にすることができる。
一方、未焼成ヒータ側パッド120xと反対の未焼成発熱体102x側(図3の下側)のスルーホール101aの角部101p2では、負圧NPにより導体ペースト101sが未焼成発熱体102xの表面から負圧NPで吸い出されて突出し、突出部101eを形成するため、角部101p2でも導体ペースト101sの厚みが薄くならない。その結果、角部101p2における導体ペースト101sの断線を抑制し、導通を確実にすることができる。
At this time, in the corner portion 101p1 of the through
On the other hand, at the
さらに、未焼成発熱体102x側に、図示しない未焼成第2基体103を積層し、全体を焼成することでヒータ200が完成し、導体ペースト101sはスルーホール導体となる。
以上のように、本実施形態によれば、スルーホールに導体ペーストを2回塗りしたり、シートに環状凸部を形成させる必要がなく、スルーホール導体を確実かつ容易に形成でき、生産性やコストにも優れる。
なお、未焼成第1基体101xが特許請求の範囲の「グリーンシート」に相当する。又、未焼成発熱体102x及び未焼成ヒータ側パッド120xが特許請求の範囲の「導体部」に相当する。
Further, the unfired second substrate 103 (not shown) is laminated on the
As described above, according to the present embodiment, it is not necessary to apply the conductor paste twice to the through hole or to form the annular convex portion on the sheet, and the through hole conductor can be formed reliably and easily, and the productivity can be improved. It is also excellent in cost.
The unfired
ここで、上記実施形態では、スルーホール101aに導体ペースト101sを供給(充填)した後、スルーホール101aの未焼成発熱体102x側を排圧して負圧NPとしたが、導体ペースト供給工程と導体供給工程とが重複する、つまりスルーホール101aに導体ペースト101sを供給している途中から、スルーホール101aの未焼成発熱体102x側を負圧NPにしてもよい。この場合、導体ペースト101sを負圧NPで確実に吸い出すことができる。
又、導体ペースト供給工程の開始よりも前に、スルーホール101aの未焼成発熱体102x側を負圧NP状態にしてもよい。この場合、導体ペースト101sを負圧NPでより確実に吸い出すことができる。
Here, in the above embodiment, after the
Further, the
本発明は上記実施形態に限定されず、グリーンシートを焼成し、導体ペーストをスルーホールに供給してスルーホール導体を形成する板状のあらゆるガスセンサ素子に適用可能であり、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。 The present invention is not limited to the above embodiment, and can be applied to any plate-shaped gas sensor element that forms a through-hole conductor by firing a green sheet and supplying a conductor paste to the through-hole. Needless to say, it extends to various deformations and equivalents contained in. For example, the present invention may be applied to a NOx sensor (NOx sensor element) that detects the NOx concentration in the gas to be measured, an HC sensor (HC sensor element) that detects the HC concentration, and the like.
100 ガスセンサ素子
101a スルーホール
101s 導体ペースト
101x グリーンシート
102x、120x 導体部
NP 負圧
100
Claims (3)
前記グリーンシート又は前記積層体の両面にそれぞれ所定の導体部であって、一方の面側の外部の接続端子に接続されるパッドをなす第1導体部と、他の面側の第2導体部とを形成する導体部形成工程と、
前記第1及び第2導体部をそれぞれ含むように前記スルーホールを形成するスルーホール形成工程と、
前記スルーホール導体の材料となる導体ペーストを、前記グリーンシート又は前記積層体の前記一方の面側の前記第1導体部に形成された前記スルーホールから供給する導体ペースト供給工程と、
前記スルーホールを挟んで前記導体ペーストと反対側を負圧状態とする事で、該導体ペーストを前記スルーホールの前記内壁から前記グリーンシート又は前記積層体の前記他の面側の前記第2導体部から突出させる導体供給工程と、
を有することを特徴とするガスセンサ素子の製造方法。 A method for manufacturing a gas sensor element in which a through hole is formed in a ceramic green sheet or a laminate of the green sheet and another member, and then a through hole conductor is formed in the inner wall of the through hole.
A first conductor portion that is a predetermined conductor portion on both sides of the green sheet or the laminate and forms a pad connected to an external connection terminal on one surface side, and a second conductor portion on the other surface side. And the process of forming the conductor part that forms
A through-hole forming step of forming the through-hole so as to include the first and second conductor portions, respectively.
The conductor paste which is a material of the through-hole conductor, and the conductor paste supplying step of supplying from the green sheet or the through hole formed in said first conductor portion of one side of the laminate,
Wherein the opposite side of the conductive paste across the through holes By a negative pressure state, the other surface side of the second conductor of the conductor paste wherein the inner wall of the through-hole green sheet or the laminate The conductor supply process that projects from the part and
A method for manufacturing a gas sensor element.
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