JP7709906B2 - Gas sensor element, gas sensor, and method of manufacturing gas sensor element - Google Patents
Gas sensor element, gas sensor, and method of manufacturing gas sensor elementInfo
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Description
本発明は、ガスセンサ素子、ガスセンサ及びガスセンサ素子の製造方法に関する。 The present invention relates to a gas sensor element, a gas sensor, and a method for manufacturing a gas sensor element.
内燃機関の排ガス中の特定成分の濃度(NOx等)を測定するためのガスセンサが知られている。この種のガスセンサは、セラミックを主体として構成されたガスセンサ素子を備えている。ガスセンサ素子は、Ip1セル、Vsセル、Ip2セル、第1測定室、基準酸素室、第2測定室等を備える(例えば、特許文献1参照)。 There is known a gas sensor for measuring the concentration of a specific component (such as NOx ) in exhaust gas from an internal combustion engine. This type of gas sensor includes a gas sensor element mainly made of ceramic. The gas sensor element includes an Ip1 cell, a Vs cell, an Ip2 cell, a first measurement chamber, a reference oxygen chamber, a second measurement chamber, etc. (See, for example, Japanese Patent Application Laid-Open No. 2003-233994).
Ip1セル(第1ポンプセル)は、第1測定室と外部との間で排ガス中の酸素の汲み出し又は汲み入れ(所謂、ポンピング)を行うものである。 The Ip1 cell (first pump cell) pumps oxygen in the exhaust gas between the first measurement chamber and the outside (so-called pumping).
Vsセル(検知セル)は、第1測定室と基準酸素室とを隔てる固体電解質体と、第1測定室内の雰囲気に晒されると共に固体電解質体の一方の表面に形成される検知電極(Vs-電極)と、基準酸素室内の雰囲気に晒されると共に固体電解質体の他方の表面に形成される基準電極(Vs+電極)とを備える。Vsセルでは、検知電極(Vs-電極)側から基準電極(Vs+電極)側に向かって一定の微小電流が流されることにより、基準酸素室内に、一定量の酸素が溜められている。なお、基準酸素室内に溜まり過ぎた酸素は、上述した基準電極(Vs+電極)及びそれに接続したリード線を介して、外部に放出される。基準電極(Vs+電極)及びリード線は、多孔質セラミックからなり、ガス透過性を備えている。 The Vs cell (detection cell) comprises a solid electrolyte body separating the first measurement chamber and the reference oxygen chamber, a detection electrode (Vs- electrode) exposed to the atmosphere in the first measurement chamber and formed on one surface of the solid electrolyte body, and a reference electrode (Vs+ electrode) exposed to the atmosphere in the reference oxygen chamber and formed on the other surface of the solid electrolyte body. In the Vs cell, a constant minute current is passed from the detection electrode (Vs- electrode) side to the reference electrode (Vs+ electrode) side, so that a constant amount of oxygen is stored in the reference oxygen chamber. Note that excess oxygen that has accumulated in the reference oxygen chamber is released to the outside via the above-mentioned reference electrode (Vs+ electrode) and the lead wire connected thereto. The reference electrode (Vs+ electrode) and the lead wire are made of porous ceramic and are gas permeable.
Ip2セル(第2ポンプセル)は、NOx濃度を検知するためのものであり、固体電解質体と、その固体電解質体の一方の表面に形成される1組の電極(Ip2+電極、Ip2-電極)とを備える。Ip2セルの一方の電極(Ip2+電極)は、基準酸素室を間に置きつつVsセルの基準電極(Vs+電極)と対向している。第2ポンプセルの他方の電極(Ip2-電極)は、第2測定室内に収容されている。このような1組の電極は、平面視で互いに離された状態で固体電解質体の前記表面に配置されている。 The Ip2 cell (second pump cell) is for detecting the NOx concentration, and includes a solid electrolyte body and a pair of electrodes (Ip2+ electrode, Ip2- electrode) formed on one surface of the solid electrolyte body. One electrode (Ip2+ electrode) of the Ip2 cell faces the reference electrode (Vs+ electrode) of the Vs cell with the reference oxygen chamber therebetween. The other electrode (Ip2- electrode) of the second pump cell is housed in the second measurement chamber. Such a pair of electrodes is arranged on the surface of the solid electrolyte body while being separated from each other in a plan view.
なお、Ip2セルにおける固体電解質体の前記表面と、Vsセルの基準電極(Vs+電極)とは、間に絶縁性の接着剤層を置きつつ、互いに対向している。特に、基準電極(Vs+電極)は、平面視で、Ip2セルの1組の電極(Ip2+電極、Ip2-電極)の間の領域(電極が形成されていない領域)と重なりつつ、第2ポンプセルの固体電解質の周端部と重なるように、ガスセンサ素子の先端側から後端側に向かって延びた部分(以下、重なり部)を備えている。 The surface of the solid electrolyte body in the Ip2 cell and the reference electrode (Vs+ electrode) of the Vs cell face each other with an insulating adhesive layer between them. In particular, the reference electrode (Vs+ electrode) has a portion (hereinafter, overlapping portion) that extends from the front end side to the rear end side of the gas sensor element so as to overlap the peripheral edge of the solid electrolyte of the second pump cell while overlapping the area (area where no electrodes are formed) between a pair of electrodes (Ip2+ electrode, Ip2- electrode) of the Ip2 cell in a plan view.
このようなガスセンサ素子では、VsセルとIp2セルとの間に介在される絶縁性の接着層のうち、Vsセルの基準電極(Vs+電極)の重なり部と、第2ポンプセルにおける1組の電極間に配される固体電解質体の周端部とで、挟まれた部分に、厚み方向(積層方向)に沿ってクラックが発生することがあった。 In such a gas sensor element, cracks sometimes occurred along the thickness direction (stacking direction) of the insulating adhesive layer interposed between the Vs cell and the Ip2 cell in a portion sandwiched between the overlapping portion of the reference electrode (Vs+ electrode) of the Vs cell and the peripheral edge of the solid electrolyte body disposed between a pair of electrodes in the second pump cell.
上記のようなクラックが発生すると、基準酸素室と第2測定室とが空間的に繋がって、基準酸素室に溜められていた酸素が、第2測定室内へ流れ込む虞がある。第2測定室内に酸素が流れ込むと、Ip2セルの1組の電極が、通常よりも大きな電流値を検出してしまい、NOx濃度の誤検知が発生する。 When such a crack occurs, the reference oxygen chamber and the second measurement chamber are spatially connected, and there is a risk that the oxygen stored in the reference oxygen chamber will flow into the second measurement chamber. If oxygen flows into the second measurement chamber, one set of electrodes in the Ip2 cell will detect a current value larger than normal, resulting in an erroneous detection of the NOx concentration.
このようなクラックは、ガスセンサ素子の製造時に、Vsセルの前記重なり部側が起点となって、第2ポンプセルの前記電極間の領域側に向かって成長するように形成される。クラックが発生する原因としては、Vsセルの基準電極(Vs+電極)を形成するための未焼成の基準電極の厚みが大きいため、その焼成時の収縮量が大きくなること、及び焼成時に、未焼成の前記基準電極に接触している、前記接着層を形成するための未焼成の接着層が、未焼成の前記基準電極と比べて早く収縮すること等が挙げられる。 These cracks are formed during the manufacture of the gas sensor element, starting from the overlapping portion of the Vs cell and growing toward the region between the electrodes of the second pump cell. The causes of the cracks include the fact that the unfired reference electrode for forming the reference electrode (Vs+ electrode) of the Vs cell is thick, resulting in a large amount of shrinkage during firing, and that the unfired adhesive layer for forming the adhesive layer, which is in contact with the unfired reference electrode, shrinks faster than the unfired reference electrode during firing.
また、Ip2セルがVsセルと対向する表面のうち、1組の電極の間にある領域(電極が形成されていない領域)や、固体電解質体の周端部付近は、その他の箇所と比べて、表面形状の起伏が激しい。このような起伏の激しい表面形状に追従させつつ、VsセルとIp2セルとの間に接着層を形成すると、前記表面形状に対応した部分の接着層の存在量が相対的に少なくなり易い。接着層の大部分は、通常、厚みの均一な未焼成のグリーンシート等を利用して形成されるため、起伏の激しい表面形状に追従させた部分の接着層の厚み(密度)が、相対的に小さくなり易い。このように、接着層の厚み(密度)が相対的に小さくなり易いことも、上述したクラックの発生原因の一つと推測される。 In addition, the surface of the Ip2 cell facing the Vs cell has a more undulating surface shape in the region between a pair of electrodes (region where no electrodes are formed) and near the peripheral edge of the solid electrolyte body than in other locations. If an adhesive layer is formed between the Vs cell and the Ip2 cell while conforming to such a undulating surface shape, the amount of adhesive layer present in the portion corresponding to the surface shape tends to be relatively small. Since most of the adhesive layer is usually formed using an unfired green sheet or the like with a uniform thickness, the thickness (density) of the adhesive layer in the portion conforming to the undulating surface shape tends to be relatively small. It is presumed that the relatively small thickness (density) of the adhesive layer is one of the causes of the above-mentioned cracks.
本発明の目的は、第1セル(Ip2セル)と第2セル(Vsセル)との間に介在される絶縁性の接着層に、NOx濃度の誤検知の原因となるクラックが発生することが抑制されたガスセンサ素子等を提供することである。 An object of the present invention is to provide a gas sensor element etc. in which the occurrence of cracks that cause erroneous detection of NOx concentration is suppressed in an insulating adhesive layer interposed between a first cell (Ip2 cell) and a second cell (Vs cell).
前記課題を解決するための手段は、以下の通りである。即ち、
<1> 第1絶縁層と、周端部が平面視で前記第1絶縁層の表面からはみ出さないように前記表面側に配置される第1固体電解質体と、各々が平面視で互いに離された状態で前記第1固体電解質体の表面に配置される一対の第1電極及び第2電極とを有する第1セルと、前記第1絶縁層の前記表面と対向する対向面、及び前記対向面の反対側にある反対面を含む第2固体電解質体と、前記対向面に配置されると共に、前記周端部と平面視で重なるように配置される第3電極と、前記反対面に配置される第4電極とを有する第2セルと、前記第1セルと前記第2セルとの間に介在され、前記第1電極及び前記第2電極が、前記第3電極に対して導通しないように離された状態で、前記第1セルと前記第2セルとを接着する絶縁性の接着層と、を備えるセンサ素子であって、前記接着層を形成するための材料よりも収縮開始温度が低い材料からなるセラミックからなり、平面視で、前記第1電極と前記第2電極との間の領域と重なりつつ、前記第1固体電解質体の前記周端部と重なるように、前記第3電極の表面に形成される緩衝部を備えるガスセンサ素子。
The means for solving the above problems are as follows.
a first cell having a pair of first and second electrodes arranged on the surface of the first solid electrolyte body while being separated from each other in a plan view; a second solid electrolyte body including an opposing surface facing the surface of the first insulating layer and an opposite surface on the opposite side of the opposing surface; a second cell having a third electrode arranged on the opposing surface and arranged so as to overlap the peripheral edge in a plan view, and a fourth electrode arranged on the opposite surface; and an insulating adhesive layer interposed between the first cell and the second cell, the first cell and the second cell being separated so as not to be conductive to the third electrode, the gas sensor element comprising: a first insulating layer;
<2> 前記第3電極は、ガス透過性を有する多孔質セラミックからなり、前記緩衝部は、非ガス透過性の緻密なセラミックからなる前記<1>に記載のガスセンサ素子。 <2> The gas sensor element described in <1>, in which the third electrode is made of a gas-permeable porous ceramic, and the buffer portion is made of a non-gas-permeable dense ceramic.
<3> 前記緩衝部は、主成分としてジルコニアを含むセラミックからなる前記<1>又は<2>に記載のガスセンサ素子。 <3> The gas sensor element according to <1> or <2>, wherein the buffer portion is made of a ceramic containing zirconia as a main component.
<4> 前記第3電極は、白金粉末とセラミック粉末とを含むサーメットからなる前記<1>から<3>の何れか1つに記載のガスセンサ素子。 <4> The gas sensor element according to any one of <1> to <3>, wherein the third electrode is made of a cermet containing platinum powder and ceramic powder.
<5> 前記<1>から<4>の何れか1つに記載のガスセンサ素子を備えるガスセンサ。 <5> A gas sensor comprising the gas sensor element described in any one of <1> to <4>.
<6> 第1絶縁層と、周端部が平面視で前記第1絶縁層の表面からはみ出さないように前記表面側に配置される第1固体電解質体と、各々が平面視で互いに離された状態で前記第1固体電解質体の表面に配置される一対の第1電極及び第2電極とを有する第1セルと、前記第1絶縁層の前記表面と対向する対向面、及び前記対向面の反対側にある反対面を含む第2固体電解質体と、前記対向面に配置されると共に、前記周端部と平面視で重なるように配置される第3電極と、前記反対面に配置される第4電極とを有する第2セルと、前記第1セルと前記第2セルとの間に介在され、前記第1電極及び前記第2電極が、前記第3電極に対して導通しないように離された状態で、前記第1セルと前記第2セルとを接着する絶縁性の接着層と、を備えるセンサ素子の製造方法であって、前記第1絶縁層を形成するための第1グリーンシートと、前記第1グリーンシートの表面側に配置される前記第1固体電解質体を形成するための未焼成第1固体電解質体と、各々が平面視で互いに離された状態で前記未焼成第1固体電解質の表面に配置される、前記第1電極及び前記第2電極を形成するための一対の未焼成第1電極及び未焼成第2電極とを備える未焼成第1セルを作製する第1作製工程と、 前記第1グリーンシートの表面と対向する未焼成対向面、及び前記未焼成対向面の反対側にある未焼成反対面を含む前記第2固体電解質体を形成するための第2グリーンシートと、前記未焼成第1電極及び前記未焼成第2電極よりも厚みが大きく、前記未焼成対向面に配置される前記第3電極を形成するための未焼成第3電極と、前記未焼成反対面に配置される前記第4電極を形成するための未焼成第4電極とを有する未焼成第2セルを作製する第2作製工程と、前記未焼成第1電極及び前記未焼成第2電極が、前記未焼成第3電極に対して離された状態であり、かつ平面視で前記未焼成第3電極が前記未焼成第1固体電解質体の未焼成周端部と重なるように、前記未焼成第1セルと前記未焼成第2セルとの間に、前記接着層を形成するための未焼成接着シートを介在させて、前記未焼成第1セルと前記未焼成第2セルとを接着する接着工程と、前記接着工程後に得られる積層物を焼成する焼成工程とを備え、前記第2作製工程において、前記平面視で、前記未焼成第1電極と前記未焼成第2電極との間の領域と重なりつつ、前記未焼成周端部と重なるように、前記未焼成第3電極の表面に、前記接着層を形成するための材料よりも収縮開始温度が低い材料からなる、前記緩衝部を形成するための未焼成緩衝部を形成するガスセンサ素子の製造方法。 <6> A first cell having a first insulating layer, a first solid electrolyte body arranged on the surface side of the first insulating layer so that the peripheral end does not protrude from the surface of the first insulating layer in a plan view, a pair of first and second electrodes arranged on the surface of the first solid electrolyte body while being separated from each other in a plan view, a second solid electrolyte body including an opposing surface facing the surface of the first insulating layer and an opposite surface on the opposite side of the opposing surface, a third electrode arranged on the opposing surface and arranged so as to overlap the peripheral end in a plan view, and a fourth electrode arranged on the opposite surface, and a second cell interposed between the first cell and the second cell and including the first electrode and a first manufacturing step of manufacturing an unsintered first cell including a first green sheet for forming the first insulating layer, an unsintered first solid electrolyte body for forming the first solid electrolyte body arranged on a surface side of the first green sheet, and a pair of unsintered first and second electrodes for forming the first and second electrodes, the pair being arranged on a surface of the unsintered first solid electrolyte body in a state where the pair are separated from each other in a plan view; a second manufacturing step of manufacturing an unsintered second cell having a second green sheet for forming the second solid electrolyte body, the second green sheet including an unsintered opposing surface facing a surface of the first green sheet and an unsintered opposite surface on the opposite side of the unsintered opposing surface, an unsintered third electrode having a thickness greater than that of the unsintered first electrode and the unsintered second electrode and for forming the third electrode disposed on the unsintered opposing surface, and an unsintered fourth electrode for forming the fourth electrode disposed on the unsintered opposite surface; A method for manufacturing a gas sensor element, comprising: a bonding step of bonding the unsintered first cell and the unsintered second cell with an unsintered adhesive sheet for forming the adhesive layer between the unsintered first cell and the unsintered second cell so as to overlap the unsintered peripheral end of the body; and a firing step of firing the laminate obtained after the bonding step, in which an unsintered buffer portion for forming the buffer portion is formed on the surface of the unsintered third electrode in the second manufacturing step, the buffer portion being made of a material having a lower shrinkage start temperature than the material for forming the adhesive layer, so as to overlap the unsintered peripheral end while overlapping the area between the unsintered first electrode and the unsintered second electrode in the plan view.
本発明によれば、第1セル(Ip2セル)と第2セル(Vsセル)との間に介在される絶縁性の接着層に、NOx濃度の誤検知の原因となるクラックが発生することが抑制されたガスセンサ素子等を提供することができる。 According to the present invention, it is possible to provide a gas sensor element or the like in which the occurrence of cracks that cause erroneous detection of NOx concentration is suppressed in the insulating adhesive layer interposed between the first cell (Ip2 cell) and the second cell (Vs cell).
<実施形態1>
以下、本発明の実施形態1を、図1~図10を参照しつつ説明する。図1は、実施形態1に係るガスセンサ1の縦断面図であり、図2は、実施形態1に係るガスセンサ素子10の斜視図であり、図3は、図2のA-A線断面図であり、図4は、ガスセンサ素子10の分解斜視図である。
<Embodiment 1>
A first embodiment of the present invention will be described below with reference to Fig. 1 to Fig. 10. Fig. 1 is a vertical cross-sectional view of a gas sensor 1 according to the first embodiment, Fig. 2 is a perspective view of a gas sensor element 10 according to the first embodiment, Fig. 3 is a cross-sectional view taken along line A-A in Fig. 2, and Fig. 4 is an exploded perspective view of the gas sensor element 10.
図1には、ガスセンサ1の軸線AXが、上下方向に沿った直線(一点鎖線)として示されている。本明細書では、ガスセンサ1の軸線AX方向に沿った方向を、「長手方向」と称し、軸線AXに対して垂直に交わる方向を、「幅方向」と称する場合がある。また、本明細書では、図1に示されるガスセンサ1の下側を、「先端側」と称し、その反対側(図1の上側)を、「後端側」と称する。また、説明の便宜上、図2~図4の上側を、ガスセンサ素子10の「表側(表面側)」と称し、それらの下側を、ガスセンサ素子10の「裏側(裏面側)」と称する。 In FIG. 1, the axis AX of the gas sensor 1 is shown as a straight line (dotted line) along the vertical direction. In this specification, the direction along the axis AX of the gas sensor 1 may be referred to as the "longitudinal direction", and the direction perpendicular to the axis AX may be referred to as the "width direction". In this specification, the lower side of the gas sensor 1 shown in FIG. 1 is referred to as the "tip side", and the opposite side (the upper side of FIG. 1) is referred to as the "rear side". For ease of explanation, the upper sides of FIGS. 2 to 4 are referred to as the "front side (front surface side)" of the gas sensor element 10, and the lower sides thereof are referred to as the "rear side (back surface side)" of the gas sensor element 10.
ガスセンサ1は、測定対象ガス(被検出ガス)である排ガス中のNOx等の濃度を検出可能なガスセンサ素子10を備えている。このガスセンサ1は、内燃機関の排気管(不図示)に装着されて使用されるものであり、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を備えている。ガスセンサ素子10は、全体的には、軸線AX方向に沿って延びた細長い板状をなしており、そのようなガスセンサ素子10が主体金具20の内側で保持されている。 The gas sensor 1 includes a gas sensor element 10 capable of detecting the concentration of NOx and the like in exhaust gas, which is a gas to be measured (a gas to be detected). The gas sensor 1 is attached to an exhaust pipe (not shown) of an internal combustion engine when in use, and includes a cylindrical metal shell 20 having a threaded portion 21 formed at a predetermined position on its outer surface for fixing to the exhaust pipe. The gas sensor element 10 is generally in the form of a long and narrow plate extending along the axis AX, and the gas sensor element 10 is held inside the metal shell 20.
ガスセンサ1は、ガスセンサ素子10の後端部10kが挿入される挿入孔62を有する筒状の保持部材60と、この保持部材60の内側で保持される6個の端子部材とを備えている。なお、図1には、説明の便宜上、6個の端子部材のうち2個の端子部材75,76のみが示されている。 The gas sensor 1 comprises a cylindrical holding member 60 having an insertion hole 62 into which the rear end 10k of the gas sensor element 10 is inserted, and six terminal members held inside the holding member 60. For ease of explanation, only two of the six terminal members, terminal members 75 and 76, are shown in FIG. 1.
ガスセンサ素子10の後端部10kには、図2に示されるように、平面視で矩形状をなした電極端子部13~18が合計6個形成されている。なお、図1では、電極端子部14,17のみが図示される。これらの電極端子部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、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。 As shown in FIG. 2, a total of six electrode terminals 13-18 having a rectangular shape in plan view are formed on the rear end 10k of the gas sensor element 10. Note that FIG. 1 shows only the electrode terminals 14 and 17. The aforementioned terminal members elastically abut and electrically connect to these electrode terminals 13-18, respectively. For example, the element abutment portion 75b of the terminal member 75 elastically abuts and electrically connects to the electrode terminal 14, and the element abutment portion 76b of the terminal member 76 elastically abuts and electrically connects to the electrode terminal 17.
また、6個の端子部材(端子部材75,76等)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に示されるように、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の芯線が加締めされて把持される。
In addition, the six terminal members (terminal members 75, 76, etc.) are each connected to a different lead wire 71.
1 , the core wire of the lead wire 71 is crimped and held by the lead wire gripping portion 77 of the terminal member 75. Also, the core wire of the other lead wire 71 is crimped and held by the lead wire gripping portion 78 of the terminal member 76.
図2に示されるように、ガスセンサ素子10の後端部10kにおける2つの主面10a,10bのうち、一方の(表側の)主面10aには、電極端子部13~15よりも先端側であり、かつ後述するセラミックスリーブ45(図1参照)よりも後端側の箇所に、開口状の大気導入口10hが設けられている。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。 As shown in FIG. 2, one of the two main surfaces 10a, 10b at the rear end 10k of the gas sensor element 10 (the front side) has an open air inlet 10h at a location on the tip side of the electrode terminals 13-15 and on the rear side of the ceramic sleeve 45 (see FIG. 1) described below. The air inlet 10h is disposed within the insertion hole 62 of the holding member 60.
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で、貫通孔23の一部を構成する棚部25を備えている。主体金具20は、ガスセンサ素子10の先端部10sを、自身の先端側外部(図1の下方)に突出させると共に、ガスセンサ素子10の後端部10kを自身の後端側外部(図1の上方)に突出させた状態で、ガスセンサ素子10を貫通孔23内で保持する。 The metal shell 20 is a tubular member having a through hole 23 that penetrates in the direction of the axis AX. The metal shell 20 has a shelf portion 25 that protrudes radially inward and constitutes part of the through hole 23. The metal shell 20 holds the gas sensor element 10 in the through hole 23 with the tip end 10s of the gas sensor element 10 protruding outside its own tip end side (downward in FIG. 1) and the rear end 10k of the gas sensor element 10 protruding outside its own rear end side (upward in FIG. 1).
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。より詳細には、軸線AX方向に延びたガスセンサ素子10の周りを取り囲む形で、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がこの順で、主体金具20の先端側から後端側に重ねられている。 In addition, an annular ceramic holder 42, two talc rings 43, 44 filled with talc powder in an annular shape, and a ceramic sleeve 45 are arranged inside the through hole 23 of the metal shell 20. More specifically, the ceramic holder 42, the talc rings 43, 44, and the ceramic sleeve 45 are stacked in this order from the front end to the rear end of the metal shell 20, surrounding the gas sensor element 10 extending in the direction of the axis AX.
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の加締め部22との間には、加締めリング46が配置されている。なお、主体金具20の加締め部22は、加締めリング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。 A metal cup 41 is disposed between the ceramic holder 42 and the shelf portion 25 of the metal shell 20. A crimping ring 46 is disposed between the ceramic sleeve 45 and the crimped portion 22 of the metal shell 20. The crimped portion 22 of the metal shell 20 is crimped so as to press the ceramic sleeve 45 against the tip side via the crimping ring 46.
主体金具20の先端部20bには、ガスセンサ素子10の先端部10sを覆うように、複数の孔を有する金属製(例えば、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。また、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、全体的には、軸線AX方向に延びた筒状をなしており、ガスセンサ素子10を包囲している。 A metal (e.g., stainless steel) external protector 31 and internal protector 32 having multiple holes are attached by welding to the tip 20b of the metal shell 20 so as to cover the tip 10s of the gas sensor element 10. An outer cylinder 51 is also attached by welding to the rear end of the metal shell 20. The outer cylinder 51 is generally cylindrical and extends in the direction of the axis AX, and surrounds the gas sensor element 10.
保持部材60は、絶縁性材料(例えば、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、上述した6個の端子部材(端子部材75,76等)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に当接する形で、内部支持部材53によって保持されている。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め部51gによって保持されている。 The holding member 60 is made of an insulating material (e.g., alumina) and is a cylindrical member 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 flange portion 65 that protrudes radially outward is formed at the rear end of the holding member 60. The holding member 60 is held by the internal support member 53 with the flange portion 65 abutting against the internal support member 53. The internal support member 53 is held by a crimped portion 51g of the outer tube 51 that is crimped radially inward.
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、絶縁性材料(例えば、アルミナ)からなり、全体的には、円環状をなしている。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、上述した端子部材のリード線把持部77,78等が配置されている。 An insulating member 90 is disposed on the rear end surface 61 of the holding member 60. The insulating member 90 is made of an insulating material (e.g., alumina) and has an overall annular shape. A total of six through holes 91 are formed in the insulating member 90, penetrating in the direction of the axis AX. The lead wire gripping portions 77, 78 of the terminal members described above are disposed in the through holes 91.
また、外筒51のうち、後端側に配される後端開口部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。 In addition, an elastic seal member 73 made of fluororubber is disposed on the radially inner side of the rear end opening 51c disposed on the rear end side of the outer tube 51. A total of six cylindrical insertion holes 73c extending in the axial direction AX are formed in this elastic seal member 73. Each insertion hole 73c is formed by the insertion hole surface 73b (cylindrical inner wall surface) of the elastic seal member 73. One lead wire 71 is inserted into each insertion hole 73c. Each lead wire 71 extends to the outside of the gas sensor 1 through the insertion hole 73c of the elastic seal member 73. The elastic seal member 73 elastically compresses and deforms in the radial direction by crimping the rear end opening 51c of the outer tube 51 radially inward, thereby tightly contacting the insertion hole surface 73b and the outer peripheral surface 71b of the lead wire 71, thereby sealing the insertion hole surface 73b and the outer peripheral surface 71b of the lead wire 71 watertightly.
図3に示されるように、ガスセンサ素子10は、板状の絶縁層111s,121s,131sと、固体電解質体111e,121e,131eと、絶縁体140,145とを備える。絶縁体140,145は、それぞれ緻密なセラミック(例えば、アルミナ)からなる。絶縁体140は、絶縁層111sと絶縁層121sとの間に配され、絶縁体145は、絶縁層121sと、絶縁層131sとの間に配される。更に、ガスセンサ素子10は、固体電解質体131eの裏面側に、配置されるヒータ161を備える。ヒータ161は、アルミナを主体とする板状の2つの絶縁体162,163と、それらの間に埋設されたヒータパターン164とを備える。ヒータパターン164は、白金(Pt)を主体とする膜状のパターンからなる。 3, the gas sensor element 10 includes plate-shaped insulating layers 111s, 121s, and 131s, solid electrolyte bodies 111e, 121e, and 131e, and insulators 140 and 145. The insulators 140 and 145 are each made of dense ceramic (e.g., alumina). The insulator 140 is disposed between the insulating layer 111s and the insulating layer 121s, and the insulator 145 is disposed between the insulating layer 121s and the insulating layer 131s. Furthermore, the gas sensor element 10 includes a heater 161 disposed on the back side of the solid electrolyte body 131e. The heater 161 includes two plate-shaped insulators 162 and 163 mainly made of alumina, and a heater pattern 164 embedded between them. The heater pattern 164 is made of a film-shaped pattern mainly made of platinum (Pt).
なお、固体電解質体111e,121e,131eは、それぞれ平面視で略矩形状をなしている。固体電解質体111eは、軸線AX方向に延びた板状の絶縁層111sのうち、先端側(図4の左側)に設けられた開口部111aと重なるように形成されている。固体電解質体121eは、軸線AX方向に延びた板状の絶縁層121sのうち、先端側(図4の左側)に設けられた開口部121aと重なるように形成されている。固体電解質体131eは、軸線AX方向に延びた板状の絶縁層131sの表面に形成される。絶縁層131sは、本発明の「第1絶縁層」に対応する。なお、各固体電解質体111e,121eは、対応する開口部111a,121aに対して、それぞれ埋め込まれるように形成されてもよいし、別途、用意されたシート状の部材を所定箇所に転写するよう形成されてもよい。 The solid electrolyte bodies 111e, 121e, and 131e each have a substantially rectangular shape in plan view. The solid electrolyte body 111e is formed so as to overlap the opening 111a provided at the tip side (left side in FIG. 4) of the plate-shaped insulating layer 111s extending in the axis AX direction. The solid electrolyte body 121e is formed so as to overlap the opening 121a provided at the tip side (left side in FIG. 4) of the plate-shaped insulating layer 121s extending in the axis AX direction. The solid electrolyte body 131e is formed on the surface of the plate-shaped insulating layer 131s extending in the axis AX direction. The insulating layer 131s corresponds to the "first insulating layer" of the present invention. The solid electrolyte bodies 111e and 121e may be formed so as to be embedded in the corresponding openings 111a and 121a, respectively, or may be formed so as to transfer a separately prepared sheet-shaped member to a predetermined location.
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。更に、Ip1+電極112の表面は、多孔質層114で覆われている。なお、Ip1+電極112には、Ip1+リード116が接続されている。また、Ip1-電極113には、Ip1-リード117が接続されている。 The solid electrolyte bodies 111e, 121e, and 131e are made of zirconia, a solid electrolyte, and have oxygen ion conductivity. A porous Ip1+ electrode 112 is provided on the front 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 front side of the Ip1+ electrode 112 is covered with a porous layer 114. An Ip1+ lead 116 is connected to the Ip1+ electrode 112. An Ip1- lead 117 is connected to the Ip1- electrode 113.
図4に示されるように、Ip1+電極112及びIp1+リード116の各表面には、軸線AX方向に延びた板状の緻密層118Bが積層されている。緻密層118Bは、アルミナ等からなるガス非透過性の材料からなる。緻密層118Bの先端側には、平面視で矩形状をなした開口部118Baが設けられている。そして、この開口部118Baを埋めるように、上述した多孔質層114が形成される。 As shown in FIG. 4, a plate-shaped dense layer 118B extending in the direction of the axis AX is laminated on each surface of the Ip1+ electrode 112 and the Ip1+ lead 116. The dense layer 118B is made of a gas-impermeable material such as alumina. An opening 118Ba having a rectangular shape in a plan view is provided on the tip side of the dense layer 118B. The porous layer 114 described above is then formed to fill this opening 118Ba.
なお、図4に示されるように、緻密層118Bの表面側には、空隙10Gを含むと共に、アルミナ等からなるガス非透過性の緻密層118が配置される。空隙10Gは、長手方向(軸線AX方向)に延びた溝部の内側に形成される。その空隙10Gからは、多孔質層114の一部が露出した状態となっている。空隙10Gは、軸線AX方向に延びた板状の緻密層118において、多孔質層114近傍から大気導入口10hに連通する部位まで真っ直ぐに延びている。そして、軸線AX方向に延びた板状の緻密層118のうち、後端側には、電極端子部13,14,15と導通するためのスルーホールが設けられている。 As shown in FIG. 4, a gas-impermeable dense layer 118 made of alumina or the like is disposed on the surface side of the dense layer 118B, and includes voids 10G. The voids 10G are formed inside a groove extending in the longitudinal direction (axis AX direction). A part of the porous layer 114 is exposed from the voids 10G. The voids 10G extend straight from the vicinity of the porous layer 114 to a portion communicating with the air inlet 10h in the plate-shaped dense layer 118 extending in the axis AX direction. A through hole is provided on the rear end side of the plate-shaped dense layer 118 extending in the axis AX direction to provide electrical continuity with the electrode terminals 13, 14, and 15.
また、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緻密層115が積層されている。緻密層115がこのように積層されることで、緻密層115により空隙10Gが閉塞される。 In addition, a gas-impermeable dense layer 115 made of alumina or the like is laminated on the surface of the dense layer 118. By laminating the dense layer 115 in this manner, the gap 10G is blocked by the dense layer 115.
緻密層115のうち、長手方向(軸線AX方向)に延びた空隙10Gの後端と重なる位置に大気導入口10hが形成されている。大気導入口10hは、緻密層115を厚み方向に貫通する形で設けられた開口部からなる。このような大気導入口10hは、空隙10Gと繋がっている。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、排ガスではなく、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114を介して大気導入口10hから導入される大気に晒される。 An air inlet 10h is formed in the dense layer 115 at a position that overlaps with the rear end of the gap 10G extending in the longitudinal direction (axis AX direction). The air inlet 10h is an opening that penetrates the dense layer 115 in the thickness direction. Such an air inlet 10h is connected to the gap 10G. The air inlet 10h opens toward the rear end side of the first porous body 151 described later, and can introduce air rather than exhaust gas. As a result, the Ip1+ electrode 112 is exposed to the air introduced from the air inlet 10h through the porous layer 114.
固体電解質体111e、Ip1+電極112、及びIp1-電極113は、Ip1セル(第1ポンプセル)110を構成する(図3参照)。このIp1セル110は、Ip1+電極112とIp1-電極113との間に流されるポンプ電流Ip1(第1ポンプ電流)に応じて、Ip1+電極112の接する雰囲気(空隙10G内の大気)と、Ip1-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、ガスセンサ素子10の外部の測定対象ガス)との間で酸素の汲み出し及び汲み入れ(所謂、酸素ポンピング)を行う。 The solid electrolyte body 111e, the Ip1+ electrode 112, and the Ip1- electrode 113 constitute the Ip1 cell (first pump cell) 110 (see FIG. 3). This Ip1 cell 110 pumps oxygen in and out (so-called oxygen pumping) between the atmosphere in contact with the Ip1+ electrode 112 (the atmosphere in the gap 10G) and the atmosphere in contact with the Ip1- electrode 113 (the atmosphere in the first measurement chamber 150 described below; in other words, the measurement target gas outside the gas sensor element 10) in response to the pump current Ip1 (first pump current) flowing between the Ip1+ electrode 112 and the Ip1- electrode 113.
固体電解質体121eの表面側には、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の裏面側には、多孔質のVs+電極(基準電極)123が設けられている。Vs-電極122は、本発明の「第4電極」に対応し、Vs+電極123は、本発明の「第3電極」に対応する。また、固体電解質体121eは、本発明の「第2固体電解質体」に対応する。 A porous Vs- electrode 122 is provided on the front side of the solid electrolyte body 121e. A porous Vs+ electrode (reference electrode) 123 is provided on the back side of the solid electrolyte body 121e. The Vs- electrode 122 corresponds to the "fourth electrode" of the present invention, and the Vs+ electrode 123 corresponds to the "third electrode" of the present invention. The solid electrolyte body 121e corresponds to the "second solid electrolyte body" of the present invention.
積層方向において、固体電解質体111eと固体電解質体121eとの間には、第1測定室150が形成されている。この第1測定室150は、排気管内の排気通路を流れる測定対象ガス(排ガス)が、ガスセンサ素子10内に最初に導入される内部空間からなり、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)を通じてガスセンサ素子10の外部と連通している。第1多孔質体151は、ガスセンサ素子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いる。このような第1多孔質体151は、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多孔質体151は、多孔質セラミックからなる。 In the stacking direction, a first measurement chamber 150 is formed between the solid electrolyte body 111e and the solid electrolyte body 121e. This first measurement chamber 150 is an internal space into which the measurement target gas (exhaust gas) flowing through the exhaust passage in the exhaust pipe is first introduced into the gas sensor element 10, and is connected to the outside of the gas sensor element 10 through a first porous body (diffusion resistance portion) 151 (see Figures 2 and 4) that has gas permeability and water permeability. The first porous body 151 is provided on the side of the first measurement chamber 150 as a partition from the outside of the gas sensor element 10. Such a first porous body 151 limits the flow amount (diffusion speed) of exhaust gas into the first measurement chamber 150 per unit time. The first porous body 151 is made of porous ceramic.
第1測定室150の後端側(図3の右側)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。 At the rear end side of the first measuring chamber 150 (the right side in FIG. 3), a second porous body 152 is provided as a partition between the first measuring chamber 150 and the second measuring chamber 160 described later, which limits the amount of exhaust gas flowing per unit time.
固体電解質体121e、Vs-電極122及びVs+電極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(Vs-電極122の接する第1測定室150内の雰囲気と、Vs+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。Vsセル120は、本発明の「第2セル」に対応する。 The solid electrolyte body 121e, the Vs- electrode 122, and the Vs+ electrode 123 constitute the Vs cell (detection cell) 120. This Vs cell 120 generates an electromotive force mainly in response to the oxygen partial pressure difference between the atmospheres separated by the solid electrolyte body 121e (the atmosphere in the first measurement chamber 150 to which the Vs- electrode 122 contacts, and the atmosphere in the reference oxygen chamber 170 to which the Vs+ electrode 123 contacts). The Vs cell 120 corresponds to the "second cell" of the present invention.
固体電解質体131eの表面側には、多孔質のIp2+電極132と、多孔質のIp2-電極133とが設けられている。なお、Ip2+電極132は、本発明の「第1電極」に対応し、Ip2-電極133は、本発明の「第2電極」に対応する。また、固体電解質体131eは、本発明の「第1固体電解質体」に対応する。 A porous Ip2+ electrode 132 and a porous Ip2- electrode 133 are provided on the surface side of the solid electrolyte body 131e. The Ip2+ electrode 132 corresponds to the "first electrode" of the present invention, and the Ip2- electrode 133 corresponds to the "second electrode" of the present invention. The solid electrolyte body 131e corresponds to the "first solid electrolyte body" of the present invention.
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のうち、Ip2+電極132側には、セラミックス製の多孔質体171が配置されている(図3参照)。 A reference oxygen chamber 170 is formed as an isolated small space between the Ip2+ electrode 132 and the Vs+ electrode 123. This reference oxygen chamber 170 is formed by an opening 145b formed in the insulator 145. In addition, a ceramic porous body 171 is arranged on the Ip2+ electrode 132 side of the reference oxygen chamber 170 (see Figure 3).
また、積層方向において、Ip2-電極133と対向する位置には、第2測定室160が形成されている。この第2測定室160は、主として、絶縁体145を積層方向(厚み方向)に貫通する開口部145cと、絶縁層121sを積層方向(厚み方向)に貫通する開口部125と、第2多孔質体152を積層方向(厚み方向)に貫通する開口部152aとにより構成されている。 A second measurement chamber 160 is formed at a position facing the Ip2-electrode 133 in the stacking direction. This second measurement chamber 160 is mainly composed of an opening 145c that penetrates the insulator 145 in the stacking direction (thickness direction), an opening 125 that penetrates the insulating layer 121s in the stacking direction (thickness direction), and an opening 152a that penetrates the second porous body 152 in the stacking direction (thickness direction).
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を介して連通している。したがって、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、ガスセンサ素子10の外部と連通している。 The first measuring chamber 150 and the second measuring chamber 160 are in communication with each other via the second porous body 152, which has gas permeability and water permeability. Therefore, the second measuring chamber 160 is in communication with the outside of the gas sensor element 10 through the first porous body 151, the first measuring chamber 150, and the second porous body 152.
固体電解質体131e、Ip2+電極132及びIp2-電極133は、NOx濃度を検出するための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。その際に、Ip2+電極132とIp2-電極133との間には、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の濃度に応じて電流(第2ポンプ電流)が流れる。なお、Ip2セルは、本発明の「第1セル」に対応する。 The solid electrolyte body 131e, the Ip2+ electrode 132, and the Ip2- electrode 133 constitute an Ip2 cell 130 (second pump cell) for detecting the NOx concentration. This 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 that time, a current (second pump current) flows between the Ip2+ electrode 132 and the Ip2- electrode 133 according to the concentration of NOx contained in the exhaust gas (measurement target gas) introduced into the second measurement chamber 160. The Ip2 cell corresponds to the "first cell" of the present invention.
本実施形態では、絶縁層111sの裏面のうち、Ip1-電極113等を除く部位に、アルミナ絶縁層119が形成されている。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 rear surface of the insulating layer 111s, except for the Ip1-electrode 113 and the like. The Ip1-electrode 113 contacts the solid electrolyte body 111e through a through hole 119b (see FIG. 4) that penetrates the alumina insulating layer 119 in the stacking direction.
また、絶縁層121sの表面のうち、Vs-電極122等を除く部位に、アルミナ絶縁層128(図3参照)が形成されている。なお、図4では、説明の便宜上、アルミナ絶縁層128は省略されている。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(不図示)を通じて、固体電解質体121eと接触する。 An alumina insulating layer 128 (see FIG. 3) is formed on the surface of the insulating layer 121s, except for the Vs-electrode 122 and the like. For ease of explanation, the alumina insulating layer 128 is omitted from FIG. 4. The Vs-electrode 122 contacts the solid electrolyte body 121e through a through hole (not shown) that penetrates the alumina insulating layer 128 in the stacking direction.
また、絶縁層121sの裏面のうち、Vs+電極123等を除く部位に、アルミナ絶縁層129(図3参照)が形成されている。なお、図4では、説明の便宜上、アルミナ絶縁層129は省略されている。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(不図示)を通じて、固体電解質体121eと接触する。 An alumina insulating layer 129 (see FIG. 3) is formed on the back surface of the insulating layer 121s, except for the Vs+ electrode 123 and the like. For ease of explanation, the alumina insulating layer 129 is omitted in FIG. 4. The Vs+ electrode 123 contacts the solid electrolyte body 121e through a through hole (not shown) that penetrates the alumina insulating layer 129 in the stacking direction.
ここで、図5~図8等を参照しつつ、Ip2セル130が備えるIp2+電極132及びIp2-電極133と、Vsセル120が備えるVs+電極123との配置関係等について説明する。図5は、Ip2+電極132、Ip2-電極133及びVs+電極123の配置関係を平面視の状態で示した説明図であり、図6は、Ip2セル130を平面視の状態で示した説明図であり、図7は、軸線方向に沿って切断されたIp2セル130とVsセル120とを含む積層物Lの断面図であり、図8は、幅方向に沿って切断されたIp2セル130とVsセル120とを含む積層物Lの断面図である。 Now, with reference to Figures 5 to 8, the positional relationship between the Ip2+ electrode 132 and Ip2- electrode 133 of the Ip2 cell 130 and the Vs+ electrode 123 of the Vs cell 120 will be described. Figure 5 is an explanatory diagram showing the positional relationship between the Ip2+ electrode 132, the Ip2- electrode 133, and the Vs+ electrode 123 in a plan view, Figure 6 is an explanatory diagram showing the Ip2 cell 130 in a plan view, Figure 7 is a cross-sectional view of the laminate L including the Ip2 cell 130 and the Vs cell 120 cut along the axial direction, and Figure 8 is a cross-sectional view of the laminate L including the Ip2 cell 130 and the Vs cell 120 cut along the width direction.
積層物Lは、ガスセンサ素子10の一部を構成するものであり、少なくともIp2セル130と、Vsセル120と、絶縁体145とを含む。絶縁体145は、本発明の「接着層」に対応する。なお、図7に示される断面図の切断方向は、図5のB-B線方向に対応し、図8に示される切断面の切断方向は、図5のC-C線方向に対応する。 The laminate L constitutes a part of the gas sensor element 10, and includes at least the Ip2 cell 130, the Vs cell 120, and the insulator 145. The insulator 145 corresponds to the "adhesive layer" of the present invention. The cutting direction of the cross-sectional view shown in FIG. 7 corresponds to the line B-B direction of FIG. 5, and the cutting direction of the cut surface shown in FIG. 8 corresponds to the line C-C direction of FIG. 5.
Ip2セル(第1セル)130は、絶縁層(第1絶縁層)131sと、周端部131e2が平面視で絶縁層131sの表面131s1からはみ出さないように表面131s1側に配置される固体電解質体(第1固体電解質体)131eと、各々が平面視で互いに離された状態で固体電解質体131eの表面131e1に配置される一対のIp2+電極(第1電極)132及びIp2-電極(第2電極)133とを有する。図5及び図6において、Ip2+電極132に接続する長手状のリード線132b(図4参照)と、Ip2-電極133に接続する長手状のリード線133b(図4参照)とは省略されている。固体電解質体131eは、絶縁層131sの表面131s1上に形成されている。つまり、固体電解質体131eは、絶縁層131sの表面側に配置されている。 The Ip2 cell (first cell) 130 has an insulating layer (first insulating layer) 131s, a solid electrolyte body (first solid electrolyte body) 131e arranged on the surface 131s1 side so that the peripheral end 131e2 does not protrude from the surface 131s1 of the insulating layer 131s in a plan view, and a pair of Ip2+ electrodes (first electrodes) 132 and Ip2- electrodes (second electrodes) 133 arranged on the surface 131e1 of the solid electrolyte body 131e while being separated from each other in a plan view. In Figs. 5 and 6, the longitudinal lead wire 132b (see Fig. 4) connected to the Ip2+ electrode 132 and the longitudinal lead wire 133b (see Fig. 4) connected to the Ip2- electrode 133 are omitted. The solid electrolyte body 131e is formed on the surface 131s1 of the insulating layer 131s. In other words, the solid electrolyte body 131e is arranged on the surface side of the insulating layer 131s.
図6に示されるように、Ip2セル(第1セル)130を表側から平面視した際に、Ip2+電極132とIp2-電極133との間には、電極が形成されていない領域Rが存在している。なお、Ip2+電極132とIp2-電極133との間の領域Rには、最終的に、絶縁体145の一部が充填される。 As shown in FIG. 6, when the Ip2 cell (first cell) 130 is viewed in plan from the front side, there is a region R between the Ip2+ electrode 132 and the Ip2- electrode 133 where no electrodes are formed. Note that the region R between the Ip2+ electrode 132 and the Ip2- electrode 133 will eventually be filled with a portion of the insulator 145.
Vsセル(第2セル)120は、絶縁層(第1絶縁層)131sの表面131s1と対向する対向面121e1と、その対向面121e1の反対側にある反対面121e2を含む固体電解質体(第2固体電解質体)121eと、対向面121e1に配置されると共に、周端部131e2と平面視で重なるように配置されるVs+電極(第3電極)123と、反対面121e2に配置されるVs-電極(第4電極)122(図3及び図4参照)とを有する。なお、図5、図7及び図8において、Vs-電極(第4電極)122は省略されている。 The Vs cell (second cell) 120 has a solid electrolyte body (second solid electrolyte body) 121e including an opposing surface 121e1 that faces the surface 131s1 of the insulating layer (first insulating layer) 131s and an opposite surface 121e2 on the opposite side of the opposing surface 121e1, a Vs+ electrode (third electrode) 123 that is arranged on the opposing surface 121e1 and overlaps with the peripheral end portion 131e2 in a plan view, and a Vs- electrode (fourth electrode) 122 (see Figures 3 and 4) that is arranged on the opposite surface 121e2. Note that the Vs- electrode (fourth electrode) 122 is omitted in Figures 5, 7, and 8.
固体電解質体(第2固体電解質体)121eは、図3に示されるように、ガスセンサ素子10内において、第1測定室150と基準酸素室170とを隔てている。Vs+電極(第3電極)123は、基準酸素室170内の雰囲気に晒され、Vs-電極(第4電極)122は、第1測定室150内の雰囲気に晒される。Vs+電極(第3電極)123は、ガス透過性を有する多孔質セラミックからなる。Vs+電極(第3電極)123は、例えば、白金粉末とセラミック粉末とを含むサーメットからなる。また、Vs-電極(第4電極)122も、ガス透過性を有する多孔質セラミックからなる。Vs-電極(第4電極)122は、例えば、白金粉末とセラミック粉末とを含むサーメットからなる。 As shown in FIG. 3, the solid electrolyte body (second solid electrolyte body) 121e separates the first measurement chamber 150 and the reference oxygen chamber 170 in the gas sensor element 10. The Vs+ electrode (third electrode) 123 is exposed to the atmosphere in the reference oxygen chamber 170, and the Vs- electrode (fourth electrode) 122 is exposed to the atmosphere in the first measurement chamber 150. The Vs+ electrode (third electrode) 123 is made of a porous ceramic having gas permeability. The Vs+ electrode (third electrode) 123 is made of a cermet containing, for example, platinum powder and ceramic powder. The Vs- electrode (fourth electrode) 122 is also made of a porous ceramic having gas permeability. The Vs- electrode (fourth electrode) 122 is made of a cermet containing, for example, platinum powder and ceramic powder.
図5に示されるように、Vsセル120のVs+電極(第3電極)123は、積層方向において、Ip2セル130における固体電解質体131eと対向している。特に、Vs+電極123は、平面視で、固体電解質体131e上のIp2+電極132とIp2-電極133との間の領域R(電極が形成されていない領域)と重なりつつ、Ip2セル130の固体電解質体131eの周端部131e2と重なるように、ガスセンサ素子10の先端側から後端側に向かって延びた部分(重なり部)123aを備えている。 As shown in FIG. 5, the Vs+ electrode (third electrode) 123 of the Vs cell 120 faces the solid electrolyte body 131e of the Ip2 cell 130 in the stacking direction. In particular, the Vs+ electrode 123 has a portion (overlapping portion) 123a that extends from the front end side toward the rear end side of the gas sensor element 10 so as to overlap the peripheral end portion 131e2 of the solid electrolyte body 131e of the Ip2 cell 130 while overlapping the region R (region where no electrodes are formed) between the Ip2+ electrode 132 and the Ip2- electrode 133 on the solid electrolyte body 131e in a plan view.
Vsセル(第2セル)120では、Vs-電極122側からVs+電極123側に向かって一定の微小電流が流されることにより、基準酸素室170内に、一定量の酸素が溜められる。基準酸素室170内に溜まり過ぎた酸素は、Vs+電極123の内部に進入すると共に、そのVs+電極123に接続する長手状のリード線123bの内部を通ってガスセンサ素子10の後端側へ移動する。そして、酸素は、リード線123bの後端123b1から外部へ放出される(図4参照)。Vs+電極123とリード線123bは、ガス透過性を有する多孔質セラミックからなる。 In the Vs cell (second cell) 120, a constant amount of oxygen is stored in the reference oxygen chamber 170 by passing a constant minute current from the Vs- electrode 122 side to the Vs+ electrode 123 side. Any excess oxygen stored in the reference oxygen chamber 170 enters the inside of the Vs+ electrode 123 and travels through the inside of the elongated lead wire 123b connected to the Vs+ electrode 123 toward the rear end side of the gas sensor element 10. The oxygen is then released to the outside from the rear end 123b1 of the lead wire 123b (see FIG. 4). The Vs+ electrode 123 and the lead wire 123b are made of gas-permeable porous ceramic.
絶縁体(接着層)145は、上述したように、緻密なセラミック(例えば、アルミナ)からなり、絶縁性を備える。このような絶縁体(接着層)145は、Ip2セル(第1セル)130とVsセル(第2セル)120との間に介在され、Ip2+電極(第1電極)132及びIp2-電極(第2電極)133が、Vs+電極(第3電極)123に対して導通しないように離された状態で、Ip2セル(第1セル)130とVsセル(第2セル)120とを接着する。 As described above, the insulator (adhesive layer) 145 is made of dense ceramic (e.g., alumina) and has insulating properties. Such an insulator (adhesive layer) 145 is interposed between the Ip2 cell (first cell) 130 and the Vs cell (second cell) 120, and bonds the Ip2 cell (first cell) 130 and the Vs cell (second cell) 120 together while the Ip2+ electrode (first electrode) 132 and the Ip2- electrode (second electrode) 133 are separated so as not to be conductive to the Vs+ electrode (third electrode) 123.
本実施形態のガスセンサ素子10は、図5に示されるように、平面視で、Ip2+電極132とIp2-電極133との間の領域Rと重なりつつ、固体電解質体131eの周端部131e2と重なるように、Vs+電極123の表面に形成される緩衝部200を備える。緩衝部200は、上述したVs+電極123の重なり部123aを少なくとも覆うように形成される。本実施形態の緩衝部200は、概ね前後方向に延びたVs+電極123に沿うように帯状に形成されている。緩衝部200の幅(図5の左右方向の長さ)は、Vs+電極123の幅(図5の左右方向の長さ)よりも大きく、幅方向において、緩衝部200は、Vs+電極123が外側にはみ出さないように設けられている。なお、緩衝部200は、上述したように、Vs+電極123の重なり部123aを少なくとも覆うように形成されればよく、他の実施形態においては、例えば、概ね前後方向に延びたVs+電極123のうち、平面視で、Ip2-電極133に近い方の縁部に沿うように帯状に形成されてもよい(この場合、幅方向において、Ip2-電極133に遠い方のVs+電極123の縁部は、緩衝部200よりも外側にはみ出してもよい)。緩衝部200は、絶縁体(接着層)145を形成するための材料よりも収縮開始温度が低い材料からなるセラミックからなる。 As shown in FIG. 5, the gas sensor element 10 of this embodiment includes a buffer portion 200 formed on the surface of the Vs+ electrode 123 so as to overlap the region R between the Ip2+ electrode 132 and the Ip2- electrode 133 in a plan view and to overlap the peripheral end portion 131e2 of the solid electrolyte body 131e. The buffer portion 200 is formed so as to cover at least the overlapping portion 123a of the Vs+ electrode 123 described above. The buffer portion 200 of this embodiment is formed in a band shape so as to follow the Vs+ electrode 123 extending in the front-rear direction. The width of the buffer portion 200 (length in the left-right direction in FIG. 5) is larger than the width of the Vs+ electrode 123 (length in the left-right direction in FIG. 5), and the buffer portion 200 is provided in the width direction so that the Vs+ electrode 123 does not protrude outward. As described above, the buffer section 200 is formed so as to cover at least the overlapping section 123a of the Vs+ electrode 123. In other embodiments, for example, the buffer section 200 may be formed in a band shape along the edge of the Vs+ electrode 123 that extends roughly in the front-rear direction and is closer to the Ip2- electrode 133 in a plan view (in this case, the edge of the Vs+ electrode 123 that is farther from the Ip2- electrode 133 in the width direction may extend outside the buffer section 200). The buffer section 200 is made of a ceramic material that has a lower shrinkage start temperature than the material used to form the insulator (adhesive layer) 145.
なお、本明細書において、「収縮開始温度」とは、各セラミック層(例えば、緩衝部200、絶縁体145)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。
In this specification, the "shrinkage start temperature" refers to the temperature at which the spreading factor reaches 1.05 when green sheets having the same composition as each ceramic layer (e.g., buffer section 200, insulator 145) are prepared and heated in an air atmosphere to proceed with firing to form each ceramic layer. The spreading factor is also called the firing shrinkage factor, and is calculated by taking the vertical or horizontal dimension of the green sheet before firing as 1 when the vertical or horizontal dimension of the ceramic layer after firing is taken as 1.
That is, the allocation ratio=(longitudinal or lateral dimension of the green sheet before firing)/(dimension in the same direction of the ceramic layer after firing).
緩衝部200は、後述するように印刷により形成される。本実施形態のガスセンサ素子10は、このような緩衝部200を備えることにより、ガスセンサ素子10の製造時において、Ip2セル(第1セル)130とVsセル(第2セル)120との間に介在される絶縁性の接着層(絶縁体)145に、クラックが発生することが抑制される。 The buffer section 200 is formed by printing as described below. By providing the gas sensor element 10 of this embodiment with such a buffer section 200, the occurrence of cracks in the insulating adhesive layer (insulator) 145 interposed between the Ip2 cell (first cell) 130 and the Vs cell (second cell) 120 during the manufacture of the gas sensor element 10 is suppressed.
緩衝部200は、非ガス透過性の緻密なセラミックからなる。そのため、多孔質セラミックからなるVs+電極123に接触していても、Vs+電極123の内部を通過する酸素が緩衝部200内へ進入することが抑制される。つまり、酸素がVs+電極123やリード線123bの内部を移動する際の単位時間当たりの流通量が、緩衝部200によって影響を受けて低下することが抑制される。 The buffer section 200 is made of dense, gas-impermeable ceramic. Therefore, even if it is in contact with the Vs+ electrode 123 made of porous ceramic, oxygen passing through the inside of the Vs+ electrode 123 is prevented from entering the buffer section 200. In other words, the amount of oxygen flowing per unit time through the Vs+ electrode 123 and lead wire 123b is prevented from decreasing due to the influence of the buffer section 200.
緩衝部200を形成するための材料は、主成分としてジルコニアを含みセラミックからなる。本明細書において、「主成分」とは、各構成中において、含有量(含有割合)が50質量%以上の成分である。つまり、本実施形態では、緩衝部200は、50質量%以上のジルコニアを含有する。 The material for forming the buffer section 200 is made of ceramic containing zirconia as the main component. In this specification, the "main component" refers to a component whose content (content ratio) in each component is 50% by mass or more. In other words, in this embodiment, the buffer section 200 contains 50% by mass or more of zirconia.
次いで、本実施形態のガスセンサ1によるNOx濃度の検出方法について、簡単に説明する。ガスセンサ素子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て、活性化する。これにより、Ip1セル110、Vsセル120及びIp2セル130がそれぞれ作動する。 Next, a brief description will be given of a method for detecting a NOx concentration using the gas sensor 1 of this embodiment. The solid electrolyte bodies 111e, 121e, and 131e of the gas sensor element 10 are heated and activated as the temperature of the heater pattern 164 rises. This causes the Ip1 cell 110, the Vs cell 120, and the Ip2 cell 130 to operate.
排気管内の排気通路(不図示)を流れる排ガスは、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、Vs+電極123側から、Vs-電極122側へ微弱な電流(微小電流)Icpが流されている。そのため、排ガス中の酸素は、負極側となる第1測定室150内のVs-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121e内を流れ、基準酸素室170内に移動する。つまり、Vs-電極122とVs+電極123との間で、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内へ送り込まれる。 The exhaust gas flowing through the exhaust passage (not shown) in the exhaust pipe is introduced into the first measurement chamber 150 while the flow rate is restricted by the first porous body 151. At this time, a weak current (microcurrent) Icp is flowing from the Vs+ electrode 123 side to the Vs- electrode 122 side in the Vs cell 120. Therefore, the oxygen in the exhaust gas can receive electrons from the Vs- electrode 122 in the first measurement chamber 150, which is the negative electrode side, and becomes oxygen ions, flows through the solid electrolyte body 121e, and moves into the reference oxygen chamber 170. In other words, the current Icp is flowed between the Vs- electrode 122 and the Vs+ electrode 123, and the oxygen in the first measurement chamber 150 is sent into the reference oxygen chamber 170.
第1測定室150内に導入された排ガスの酸素濃度が、予め定められている所定値より低い場合、Ip1+電極112側が負極となるようにIp1セル110に電流Ip1が流され、ガスセンサ素子10の外部から第1測定室150内へ酸素の汲み入れが行われる。 When the oxygen concentration of the exhaust gas introduced into the first measuring chamber 150 is lower than a predetermined value, a current Ip1 is passed through the Ip1 cell 110 so that the Ip1+ electrode 112 becomes the negative electrode, and oxygen is pumped from outside the gas sensor element 10 into the first measuring chamber 150.
これに対して、第1測定室150内に導入された排ガスの酸素濃度が、前記所定値よりも高い場合、Ip1-電極113側が負極となるようにIp1セル110に電流Ip1が流され、第1測定室150内からガスセンサ素子10の外部へ酸素の汲み出しが行われる。 In contrast, if the oxygen concentration of the exhaust gas introduced into the first measuring chamber 150 is higher than the predetermined value, a current Ip1 is passed through the Ip1 cell 110 so that the Ip1-electrode 113 side becomes the negative electrode, and oxygen is pumped from inside the first measuring chamber 150 to the outside of the gas sensor element 10.
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内へ導入される。第2測定室160内でIp2-電極133と接触した排ガス中のNOxは、Ip2+電極132と、Ip2-電極133との間に電圧Vp2が印加されることで、Ip2-電極133上で、窒素と酸素とに分解(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131e内を流れ、基準酸素室170内へ移動する。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内へ移動される。これにより、Ip2セル130には、NOx由来の電流と残留酸素由来の電流とが流れる。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(リード線123b)を介して外部(大気)へ放出される。このため、Vs+リードは多孔質となっている。 In this way, the exhaust gas whose oxygen concentration has been adjusted in the first measuring chamber 150 is introduced into the second measuring chamber 160 through the second porous body 152. The NO x in the exhaust gas that has come into contact with the Ip2-electrode 133 in the second measuring chamber 160 is decomposed (reduced) into nitrogen and oxygen on the Ip2-electrode 133 by applying a voltage Vp2 between the Ip2+electrode 132 and the Ip2-electrode 133, and the decomposed oxygen becomes oxygen ions and flows through the solid electrolyte body 131e, and moves into the reference oxygen chamber 170. At this time, the residual oxygen that has been left behind in the first measuring chamber 150 is also moved into the reference oxygen chamber 170 by the Ip2 cell 130. As a result, a current derived from NO x 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) via the Vs+ electrode 123 and the Vs+ lead (lead wire 123b) that are in contact with the inside of the reference oxygen chamber 170. For this reason, the Vs+ lead is made porous.
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る。つまり、残留酸素由来の電流は、NOx由来の電流の変動に対して影響は小さく、Ip2セル130を流れる電流(第2ポンプ電流)は、NOx濃度に比例することとなる。したがって、Ip2セル130を流れる電流Ip2(第2ポンプ電流)を測定し、その電流値に基づいて、排ガス中のNOx濃度が検出される。 Since the concentration of the residual oxygen left behind in the first measurement chamber 150 is adjusted to a predetermined value as described above, the current derived from the residual oxygen can be considered to be approximately constant. In other words, the current derived from the residual oxygen is little affected by fluctuations in the current derived from NOx , and the current flowing through the Ip2 cell 130 (second pump current) is proportional to the NOx concentration. Therefore, the current Ip2 (second pump current) flowing through the Ip2 cell 130 is measured, and the NOx concentration in the exhaust gas is detected based on the current value.
続いて、図9~図11等を参照しつつ、上述したガスセンサ素子10の製造方法について説明する。図9は、ガスセンサ素子10の製造方法における各工程を示すフロー図である。図9に示されるように、本実施形態のガスセンサ素子10の製造方法は、少なくとも、第1作製工程S11、第2作製工程S12、接着工程S13、及び焼成工程S14を備える。なお、ガスセンサ素子10の製造方法は、これらの工程以外に、Ip1セル110を作製する工程等の公知の工程を備えている。本明細書では、公知の工程の説明は省略する。図10は、ガスセンサ素子10の製造方法の内容を模式的に表した説明図である。 Next, a method for manufacturing the above-mentioned gas sensor element 10 will be described with reference to Figures 9 to 11. Figure 9 is a flow diagram showing each process in the method for manufacturing the gas sensor element 10. As shown in Figure 9, the method for manufacturing the gas sensor element 10 of this embodiment includes at least a first manufacturing process S11, a second manufacturing process S12, an adhesion process S13, and a firing process S14. In addition to these processes, the method for manufacturing the gas sensor element 10 includes known processes such as a process for manufacturing the Ip1 cell 110. In this specification, a description of the known processes will be omitted. Figure 10 is an explanatory diagram that shows a schematic representation of the contents of the method for manufacturing the gas sensor element 10.
第1作製工程S11は、絶縁層(第1絶縁層)131sを形成するための第1グリーンシート131sUと、第1グリーンシート131sUの表面側に配置される固体電解質体(第1固体電解質体)131eを形成するための未焼成第1固体電解質体131eUと、各々が平面視で互いに離された状態で未焼成第1固体電解質体131eUの表面に配置される、第1電極132及び第2電極133を形成するための一対の未焼成第1電極132U及び未焼成第2電極133Uとを備える未焼成第1セル130Uを作製する工程である。 The first manufacturing process S11 is a process for manufacturing an unfired first cell 130U including a first green sheet 131sU for forming an insulating layer (first insulating layer) 131s, an unfired first solid electrolyte body 131eU for forming a solid electrolyte body (first solid electrolyte body) 131e arranged on the front side of the first green sheet 131sU, and a pair of unfired first electrodes 132U and unfired second electrodes 133U for forming a first electrode 132 and a second electrode 133, each of which is arranged on the surface of the unfired first solid electrolyte body 131eU while being separated from each other in a planar view.
未焼成第1固体電解質体131eUは、別途、用意されたシート状の部材上に予め形成しておき、その部材上の未焼成第1固体電解質体131eUを転写する形で、第1グリーンシート131sUの表面131sU1側に配置される。 The unsintered first solid electrolyte body 131eU is formed in advance on a separately prepared sheet-like member, and the unsintered first solid electrolyte body 131eU on that member is transferred to the surface 131sU1 side of the first green sheet 131sU.
なお、未焼成第1セル130Uの表面には、未焼成第1電極132U、未焼成第1固体電解質体131eU等を覆うように、アルミナを主成分とする保護層210Uが形成されている。未焼成第1セル130Uの表面において、未焼成第2電極133Uは、保護層210Uで覆われず、保護層210Uの開口部210Uaから露出している。保護層210Uは、未焼成第1セル130Uの表面形状(凹凸等)に追従する形で、設けられる。保護層210Uは、焼成されると、最終的に、絶縁体145の一部となる。 A protective layer 210U, mainly composed of alumina, is formed on the surface of the unsintered first cell 130U so as to cover the unsintered first electrode 132U, the unsintered first solid electrolyte body 131eU, etc. On the surface of the unsintered first cell 130U, the unsintered second electrode 133U is not covered by the protective layer 210U and is exposed from an opening 210Ua of the protective layer 210U. The protective layer 210U is provided in a form that follows the surface shape (unevenness, etc.) of the unsintered first cell 130U. When the protective layer 210U is sintered, it eventually becomes part of the insulator 145.
第2作製工程S12は、第1グリーンシート131sUの表面と対向する未焼成対向面121eU1、及び未焼成対向面121eU1の反対側にある未焼成反対面121eU2を含む固体電解質体(第2固体電解質体)121eを形成するための第2グリーンシート(未焼成第2固体電解質体)121eUと、未焼成対向面121eU1に配置されるVs+電極123を形成するための未焼成第3電極123Uと、未焼成反対面に配置されるVs-電極122を形成するための未焼成第4電極122Uとを有する未焼成第2セル120Uを作製する工程である。 The second manufacturing process S12 is a process for manufacturing an unsintered second cell 120U having a second green sheet (unsintered second solid electrolyte body) 121eU for forming a solid electrolyte body (second solid electrolyte body) 121e including an unsintered opposing surface 121eU1 that faces the surface of the first green sheet 131sU and an unsintered opposite surface 121eU2 on the opposite side of the unsintered opposing surface 121eU1, an unsintered third electrode 123U for forming a Vs+ electrode 123 disposed on the unsintered opposing surface 121eU1, and an unsintered fourth electrode 122U for forming a Vs- electrode 122 disposed on the unsintered opposite surface.
このような第2作製工程S12において、平面視で、未焼成第1電極132Uと未焼成第2電極133Uとの間の領域RUと重なりつつ、未焼成周端部131eU2と重なるように、未焼成第3電極123Uの表面に、緩衝部200を形成するための未焼成緩衝部200Uが形成される。未焼成緩衝部200Uは、絶縁体(接着層)145を形成するための材料よりも収縮開始温度が低い材料からなる。このような未焼成緩衝部200Uは、印刷により、未焼成第3電極123Uの表面に所定の厚みで形成される。 In this second manufacturing process S12, an unsintered buffer section 200U for forming the buffer section 200 is formed on the surface of the unsintered third electrode 123U so as to overlap the region RU between the unsintered first electrode 132U and the unsintered second electrode 133U in a plan view, and to overlap the unsintered peripheral end section 131eU2. The unsintered buffer section 200U is made of a material that has a lower shrinkage start temperature than the material for forming the insulator (adhesive layer) 145. Such an unsintered buffer section 200U is formed to a predetermined thickness on the surface of the unsintered third electrode 123U by printing.
第2グリーンシート(未焼成第2固体電解質体)121eUは、絶縁層121sを形成するためのグリーンシート121sUの開口部121aU内に設けられている。第2グリーンシート121eUは、平面視で、焼成第2電極133Uと重なる部分に開口部121eUaを有する。なお、未焼成第2セル120Uの未焼成対向面121eU1側の表面には、未焼成第3電極123U、未焼成緩衝部200U、グリーンシート121sU等を覆うように、アルミナを主成分とする保護層220Uが形成されている。保護層220Uは、未焼成第2セル120Uの表面形状に追従する形で、設けられる。保護層220Uは、平面視で、未焼成第2電極133Uと重なる部分に開口部220Uaを有する。保護層220Uは、焼成されると、最終的に、絶縁体145の一部となる。 The second green sheet (unfired second solid electrolyte body) 121eU is provided in the opening 121aU of the green sheet 121sU for forming the insulating layer 121s. The second green sheet 121eU has an opening 121eUa at a portion overlapping the fired second electrode 133U in a plan view. In addition, a protective layer 220U mainly composed of alumina is formed on the surface of the unfired opposing surface 121eU1 side of the unfired second cell 120U so as to cover the unfired third electrode 123U, the unfired buffer portion 200U, the green sheet 121sU, etc. The protective layer 220U is provided in a form that follows the surface shape of the unfired second cell 120U. The protective layer 220U has an opening 220Ua at a portion overlapping the unfired second electrode 133U in a plan view. When the protective layer 220U is fired, it eventually becomes part of the insulator 145.
接着工程S13は、未焼成第1電極132U及び未焼成第2電極133Uが、未焼成第3電極123Uに対して離された状態であり、かつ平面視で未焼成第3電極123Uが未焼成第1固体電解質体131eUの未焼成周端部131eU2と重なるように、未焼成第1セル130Uと未焼成第2セル120Uとの間に、絶縁体(接着層)145を形成するための未焼成接着シート145Uを介在させて、未焼成第1セル132Uと未焼成第2セル133Uとを接着する工程である。なお、未焼成接着シート145Uは、平面視で、未焼成第2電極133Uと重なる部分に開口部145Uaを有する。 The bonding process S13 is a process of bonding the unsintered first cell 132U and the unsintered second cell 133U with an unsintered adhesive sheet 145U interposed between the unsintered first cell 130U and the unsintered second cell 120U to form an insulator (adhesive layer) 145, so that the unsintered first electrode 132U and the unsintered second electrode 133U are separated from the unsintered third electrode 123U and the unsintered third electrode 123U overlaps the unsintered peripheral end portion 131eU2 of the unsintered first solid electrolyte body 131eU in a planar view. The unsintered adhesive sheet 145U has an opening 145Ua in the portion that overlaps the unsintered second electrode 133U in a planar view.
焼成工程S14は、接着工程S13後に得られる積層物を焼成する工程である。焼成工程S14において、前記積層物が所定の温度条件で焼成されることにより、ガスセンサ素子10が得られる。 The firing step S14 is a step of firing the laminate obtained after the bonding step S13. In the firing step S14, the laminate is fired under predetermined temperature conditions to obtain the gas sensor element 10.
上述したように、未焼成緩衝部200Uは、絶縁体(接着層)145を形成するための材料よりも収縮開始温度が低い材料からなる。そのため、未焼成緩衝部200Uは、焼成工程S14において、未焼成接着シート145Uとは独立して、未未焼成接着シート145Uよりも、先に収縮し始める。しかも、未焼成緩衝部200Uは、未焼成接着シート145Uと比べて、大きさ(サイズ)がかなり小さく、収縮量が小さいと言える。そのため、このような未焼成緩衝部200Uが、未焼成第3電極123Uと接触していても、焼成工程S14において、未焼成緩衝部200Uの収縮時に、未焼成第3電極123Uにクラックが発生することが抑制される。また、未未焼成接着シート145Uと未焼成第3電極123Uとが、それぞれ収縮する時も、未焼成緩衝部200Uの存在により、焼成第3電極123Uにクラックが発生することが抑制される。 As described above, the unsintered buffer section 200U is made of a material that has a lower shrinkage start temperature than the material for forming the insulator (adhesive layer) 145. Therefore, in the firing step S14, the unsintered buffer section 200U starts to shrink before the unsintered adhesive sheet 145U, independently of the unsintered adhesive sheet 145U. Moreover, the unsintered buffer section 200U is considerably smaller in size than the unsintered adhesive sheet 145U, and the amount of shrinkage is smaller. Therefore, even if such an unsintered buffer section 200U is in contact with the unsintered third electrode 123U, the occurrence of cracks in the unsintered third electrode 123U during the shrinkage of the unsintered buffer section 200U in the firing step S14 is suppressed. In addition, even when the unsintered adhesive sheet 145U and the unsintered third electrode 123U each shrink, the presence of the unsintered buffer portion 200U prevents cracks from occurring in the sintered third electrode 123U.
したがって、本実施形態のガスセンサ素子の製造方法により得られたガスセンサ素子10では、第1セル(Ip2セル)130と第2セル(Vsセル)120との間に介在される絶縁性の接着層(絶縁体)145に、NOx濃度の誤検知の原因となるクラックが発生することが抑制される。 Therefore, in the gas sensor element 10 obtained by the manufacturing method of the gas sensor element of this embodiment, the occurrence of cracks that may cause erroneous detection of the NOx concentration is suppressed in the insulating adhesive layer (insulator) 145 interposed between the first cell (Ip2 cell) 130 and the second cell (Vs cell) 120.
<従来例>
次いで、図11を参照しつつ、従来例のガスセンサ素子10Pの構成について、簡単に説明する。図11は、軸線方向に沿って切断された従来例のガスセンサ素子10Pの一部の断面図である。図11には、従来例のガスセンサ素子10Pの一部として、Ip2セル130とVsセル120とを含む積層物LPが示されている。従来例のガスセンサ素子10Pは、実施形態1のガスセンサ素子10のとは異なり、緩衝部200を備えていない。つまり、従来例のガスセンサ素子10Pでは、Vs+電極123Pに対して、絶縁体(接着層)145Pが直に接触している。なお、従来のガスセンサ素子10Pは、緩衝部200を備えていないこと以外は、実施形態1のガスセンサ素子10と同じ構成を備えている。
<Conventional Example>
Next, the configuration of the conventional gas sensor element 10P will be briefly described with reference to FIG. 11. FIG. 11 is a cross-sectional view of a part of the conventional gas sensor element 10P cut along the axial direction. FIG. 11 shows a laminate LP including the Ip2 cell 130 and the Vs cell 120 as a part of the conventional gas sensor element 10P. The conventional gas sensor element 10P does not include a buffer portion 200, unlike the gas sensor element 10 of the first embodiment. That is, in the conventional gas sensor element 10P, the insulator (adhesive layer) 145P is in direct contact with the Vs+ electrode 123P. The conventional gas sensor element 10P has the same configuration as the gas sensor element 10 of the first embodiment, except that it does not include the buffer portion 200.
Ip2セル130Pは、絶縁層131sPと、周端部131eP2が平面視で絶縁層131sPの表面131sP1からはみ出さないように表面131sP1側に配置される固体電解質体131ePと、各々が平面視で互いに離された状態で固体電解質体131ePの表面131eP1に配置される一対のIp2+電極132P及びIp2-電極(不図示)とを有する。Ip2セル130を表側から平面視した際に、Ip2+電極132とIp2-電極(不図示)との間には、実施形態1と同様、電極が形成されていない領域RPが存在している。 The Ip2 cell 130P has an insulating layer 131sP, a solid electrolyte body 131eP arranged on the surface 131sP1 side so that the peripheral end portion 131eP2 does not protrude from the surface 131sP1 of the insulating layer 131sP in a planar view, and a pair of Ip2+ electrode 132P and Ip2- electrode (not shown) arranged on the surface 131eP1 of the solid electrolyte body 131eP while being separated from each other in a planar view. When the Ip2 cell 130 is viewed from the front side in a planar view, there is a region RP between the Ip2+ electrode 132 and the Ip2- electrode (not shown) where no electrodes are formed, as in the first embodiment.
Vsセル120Pは、絶縁層131sPの表面131sP1と対向する対向面121eP1と、その対向面121eP1の反対側にある反対面121eP2を含む固体電解質体121ePと、Ip2+電極132P及びIp2-電極(不図示)よりも厚みが大きく、対向面121eP1に配置されると共に、周端部131Peと平面視で重なるように配置されるVs+電極123Pと、反対面121eP2に配置されるVs-電極(不図示)とを有する。Vs+電極123Pには、長手状のリード線123bPが接続されている。 The Vs cell 120P has a solid electrolyte body 121eP including an opposing surface 121eP1 facing the surface 131sP1 of the insulating layer 131sP and an opposite surface 121eP2 on the opposite side of the opposing surface 121eP1, a Vs+ electrode 123P that is thicker than the Ip2+ electrode 132P and the Ip2- electrode (not shown) and is disposed on the opposing surface 121eP1 and is disposed so as to overlap the peripheral end portion 131Pe in a plan view, and a Vs- electrode (not shown) that is disposed on the opposite surface 121eP2. A longitudinal lead wire 123bP is connected to the Vs+ electrode 123P.
このような従来例のガスセンサ素子10Pでは、図11に示されるように、Vsセル120PとIp2セル130Pとの間に介在される絶縁性の接着層(絶縁体)145Pのうち、Vsセル120PのVs+電極123Pと、Ip2セル130PにおけるIp2+電極132PとIp2-電極(不図示)との間の領域RP付近に配される固体電解質体131ePの周端部131eP2とで、挟まれた部分に、厚み方向(積層方向)に沿ってクラックXが発生することがあった。 As shown in FIG. 11, in such a conventional gas sensor element 10P, cracks X sometimes occurred along the thickness direction (stacking direction) in the insulating adhesive layer (insulator) 145P interposed between the Vs cell 120P and the Ip2 cell 130P, in a portion sandwiched between the Vs+ electrode 123P of the Vs cell 120P and the peripheral end portion 131eP2 of the solid electrolyte body 131eP disposed near the region RP between the Ip2+ electrode 132P and the Ip2- electrode (not shown) in the Ip2 cell 130P.
1…ガスセンサ、10…ガスセンサ素子、120…第2セル、121e…第2固体電解質体、121e1…対向面、121e2…反対面、123…第3電極、124…第4電極、130…第1セル、131s…第1絶縁層、131e…第1固体電解質体、131e2…周端部、132…第1電極、133…第2電極、145…接着層、200…緩衝部 1...gas sensor, 10...gas sensor element, 120...second cell, 121e...second solid electrolyte body, 121e1...opposing surface, 121e2...opposite surface, 123...third electrode, 124...fourth electrode, 130...first cell, 131s...first insulating layer, 131e...first solid electrolyte body, 131e2...peripheral end, 132...first electrode, 133...second electrode, 145...adhesive layer, 200...buffer section
Claims (6)
前記第1絶縁層の前記表面と対向する対向面、及び前記対向面の反対側にある反対面を含む第2固体電解質体と、前記対向面に配置されると共に、前記周端部と平面視で重なるように配置される第3電極と、前記反対面に配置される第4電極とを有する第2セルと、
前記第1セルと前記第2セルとの間に介在され、前記第1電極及び前記第2電極が、前記第3電極に対して導通しないように離された状態で、前記第1セルと前記第2セルとを接着する絶縁性の接着層と、を備えるセンサ素子であって、
前記接着層を形成するための材料よりも収縮開始温度が低い材料からなるセラミックからなり、平面視で、前記第1電極と前記第2電極との間の領域と重なりつつ、前記第1固体電解質体の前記周端部と重なるように、前記第3電極の表面に形成される緩衝部を備えるガスセンサ素子。 a first cell including a first insulating layer, a first solid electrolyte body arranged on the surface side of the first insulating layer such that a peripheral end portion does not protrude from the surface of the first insulating layer in a plan view, and a pair of first and second electrodes arranged on the surface of the first solid electrolyte body while being spaced apart from each other in a plan view;
a second cell including a second solid electrolyte body including an opposing surface facing the surface of the first insulating layer and an opposite surface on the opposite side of the opposing surface, a third electrode disposed on the opposing surface and overlapping with the peripheral edge in a plan view, and a fourth electrode disposed on the opposite surface;
a sensor element including an insulating adhesive layer interposed between the first cell and the second cell, the insulating adhesive layer adhering the first cell and the second cell in a state in which the first electrode and the second electrode are separated from each other so as not to be electrically connected to the third electrode,
a buffer portion formed on a surface of the third electrode so as to overlap with the peripheral end portion of the first solid electrolyte body while overlapping with a region between the first electrode and the second electrode in a plan view.
前記緩衝部は、非ガス透過性の緻密なセラミックからなる請求項1に記載のガスセンサ素子。 the third electrode is made of a gas-permeable porous ceramic;
2. The gas sensor element according to claim 1, wherein the buffer portion is made of a gas-impermeable dense ceramic.
前記第1絶縁層を形成するための第1グリーンシートと、前記第1グリーンシートの表面側に配置される前記第1固体電解質体を形成するための未焼成第1固体電解質体と、各々が平面視で互いに離された状態で前記未焼成第1固体電解質体の表面に配置される、前記第1電極及び前記第2電極を形成するための一対の未焼成第1電極及び未焼成第2電極とを備える未焼成第1セルを作製する第1作製工程と、
前記第1グリーンシートの表面と対向する未焼成対向面、及び前記未焼成対向面の反対側にある未焼成反対面を含む前記第2固体電解質体を形成するための第2グリーンシートと、前記未焼成対向面に配置される前記第3電極を形成するための未焼成第3電極と、前記未焼成反対面に配置される前記第4電極を形成するための未焼成第4電極とを有する未焼成第2セルを作製する第2作製工程と、
前記未焼成第1電極及び前記未焼成第2電極が、前記未焼成第3電極に対して離された状態であり、かつ平面視で前記未焼成第3電極が前記未焼成第1固体電解質体の未焼成周端部と重なるように、前記未焼成第1セルと前記未焼成第2セルとの間に、前記接着層を形成するための未焼成接着シートを介在させて、前記未焼成第1セルと前記未焼成第2セルとを接着する接着工程と、
前記接着工程後に得られる積層物を焼成する焼成工程とを備え、
前記第2作製工程において、前記平面視で、前記未焼成第1電極と前記未焼成第2電極との間の領域と重なりつつ、前記未焼成周端部と重なるように、前記未焼成第3電極の表面に、前記接着層を形成するための材料よりも収縮開始温度が低い材料からなる、緩衝部を形成するための未焼成緩衝部を形成するガスセンサ素子の製造方法。 a first cell having a pair of first and second electrodes arranged on the surface of the first solid electrolyte body while being separated from each other in a plan view; a second solid electrolyte body including an opposing surface facing the surface of the first insulating layer and an opposite surface on the opposite side of the opposing surface; a second cell having a third electrode arranged on the opposing surface and arranged so as to overlap with the peripheral edge in a plan view, and a fourth electrode arranged on the opposite surface; and an insulating adhesive layer interposed between the first cell and the second cell, and bonding the first cell and the second cell together while the first electrode and the second electrode are separated so as not to be conductive to the third electrode,
a first manufacturing step of manufacturing an unsintered first cell including: a first green sheet for forming the first insulating layer; an unsintered first solid electrolyte body for forming the first solid electrolyte body disposed on a surface side of the first green sheet; and a pair of unsintered first and second electrodes for forming the first and second electrodes, the pair being disposed on a surface of the unsintered first solid electrolyte body while being separated from each other in a plan view;
a second production step of producing an unsintered second cell having a second green sheet for forming the second solid electrolyte body including an unsintered opposing surface opposing a surface of the first green sheet and an unsintered opposite surface on the opposite side of the unsintered opposing surface, an unsintered third electrode for forming the third electrode disposed on the unsintered opposing surface, and an unsintered fourth electrode for forming the fourth electrode disposed on the unsintered opposite surface;
a bonding step of bonding the unsintered first cell and the unsintered second cell by interposing an unsintered adhesive sheet for forming the adhesive layer between the unsintered first cell and the unsintered second cell such that the unsintered first electrode and the unsintered second electrode are separated from the unsintered third electrode and the unsintered third electrode overlaps with the unsintered peripheral end of the unsintered first solid electrolyte body in a plan view;
and a firing step of firing the laminate obtained after the bonding step,
In the second manufacturing step, an unsintered buffer portion for forming a buffer portion is formed on a surface of the unsintered third electrode so as to overlap with the unsintered peripheral end portion while overlapping with an area between the unsintered first electrode and the unsintered second electrode in the planar view. The unsintered buffer portion is made of a material having a lower shrinkage starting temperature than a material for forming the adhesive layer .
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