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JP7811892B2 - Method for manufacturing electrodes for gas sensors - Google Patents
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JP7811892B2 - Method for manufacturing electrodes for gas sensors - Google Patents

Method for manufacturing electrodes for gas sensors

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JP7811892B2
JP7811892B2 JP2022140492A JP2022140492A JP7811892B2 JP 7811892 B2 JP7811892 B2 JP 7811892B2 JP 2022140492 A JP2022140492 A JP 2022140492A JP 2022140492 A JP2022140492 A JP 2022140492A JP 7811892 B2 JP7811892 B2 JP 7811892B2
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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ガスセンサに好適に用いられるガスセンサ用電極の製造方法に関する。 The present invention relates to a method for manufacturing a gas sensor electrode suitable for use in a gas sensor that detects the concentration of a specific gas contained in combustion gas or exhaust gas from a combustor, internal combustion engine, etc.

自動車等の内燃機関の排気ガス等の被測定ガス中の特定ガス成分の濃度を測定できるガスセンサとして、ジルコニア等の酸素イオン伝導性の固体電解質層の表面に一対の電極を形成してなるセルを1つないし複数備えた構成が知られている(特許文献1参照)。ここで、各電極はPt等の貴金属粒子を含むペーストをスクリーン印刷した後、焼成して形成されている。
又、NOxやアンモニアを検出するガスセンサにおいては、電極にPt及びAuを含ませる必要があるが、Pt粒子の表面にAu粒子を析出、合金化させて白金金粉末を製造する技術が知られている(特許文献2参照)。
A known gas sensor capable of measuring the concentration of a specific gas component in a measurement gas, such as exhaust gas from an internal combustion engine of an automobile, has a configuration including one or more cells, each cell having a pair of electrodes formed on the surface of an oxygen ion conductive solid electrolyte layer made of zirconia or the like (see Patent Document 1). Here, each electrode is formed by screen printing a paste containing precious metal particles such as Pt, followed by firing.
Furthermore, in gas sensors for detecting NOx and ammonia, it is necessary to include Pt and Au in the electrodes, and a technology is known for producing platinum-gold powder by precipitating and alloying Au particles on the surface of Pt particles (see Patent Document 2).

特開2013-96888号公報JP 2013-96888 A 特許第6795841号公報Patent No. 6795841

ところで、電極に含まれるPt粒子の粒径が小さいほど、測定対象のガス成分に対する電極の反応性が向上するが、微細なPt粒子は取り扱いが困難であり、その表面にAu粒子を析出させるのは生産性の点で難しい。また、微細なPt粒子にAu粒子を析出させた後に合金化させると、複数のPt粒子が焼結結合し、粗大化する恐れがある。そして、Pt粒子が粗大化すると、電極の反応性の向上効果が得られなくなる。 However, the smaller the particle size of the Pt particles contained in the electrode, the more reactivity the electrode has with the gas components being measured. However, fine Pt particles are difficult to handle, and precipitating Au particles on their surface is difficult from a productivity standpoint. Furthermore, if Au particles are precipitated on fine Pt particles and then alloyed, there is a risk that multiple Pt particles will sinter and bond, causing them to become coarse. If the Pt particles become coarse, the effect of improving the reactivity of the electrode will not be achieved.

そこで、本発明は、電極にPt及びAuを含ませて電極の反応性を向上させるとともに、生産性の低下を抑制したガスセンサ用電極の製造方法の提供を目的とする。 The present invention aims to provide a method for manufacturing electrodes for gas sensors that incorporate Pt and Au into the electrodes to improve their reactivity while suppressing declines in productivity.

上記課題を解決するため、本発明のガスセンサ用電極の製造方法は、Pt粒子と、Auとを含むガスセンサ用電極の製造方法であって、レーザー回折法により測定した平均粒径がD1(μm)である第1のPt粒子の表面にAuを担持させた後、熱処理して合金化させて合金粒子を調製する合金化工程と、前記合金粒子と、レーザー回折法により測定した平均粒径D2(μm)がD1(μm)より小さい第2のPt粒子とを混合する混合工程と、前記混合工程で得られた混合粒子を含む電極ペーストを調製する電極ペースト調製工程と、前記電極ペーストをセンサ素子の所定の位置に塗布して電極を形成する電極形成工程と、を有することを特徴とする。 To solve the above problem, the present invention provides a method for manufacturing a gas sensor electrode containing Pt particles and Au, and is characterized by comprising the following steps: an alloying step in which Au is supported on the surfaces of first Pt particles having an average particle size D1 (μm) measured by laser diffraction, and then heat-treated to alloy the particles to prepare alloy particles; a mixing step in which the alloy particles are mixed with second Pt particles having an average particle size D2 (μm) measured by laser diffraction that is smaller than D1 (μm); an electrode paste preparation step in which an electrode paste containing the mixed particles obtained in the mixing step is prepared; and an electrode formation step in which the electrode paste is applied to a predetermined position on a sensor element to form an electrode.

このガスセンサ用電極の製造方法によれば、電極にAuを含ませるとともに、2種類の粒径D1及びD2のPt粒子をそれぞれ安定して含むことができるので、電極の反応性を向上させるとともに、生産性の低下を抑制することができる。 This method for manufacturing gas sensor electrodes allows the electrode to contain Au and stably contain two types of Pt particles with particle sizes D1 and D2, thereby improving the reactivity of the electrode and preventing a decline in productivity.

本発明のガスセンサ用電極の製造方法は、前記混合工程において、前記第1のPt粒子と前記第2のPt粒子の合計量に対し、前記第2のPt粒子を5~60質量%の割合で混合してもよい。
このガスセンサ用電極の製造方法によれば、微細な第2のPt粒子による電極の反応性の向上効果を発揮しつつ、微細な第2のPt粒子の取り扱いが困難なことに起因した生産性の低下をさらに抑制することができる。
In the method for manufacturing a gas sensor electrode of the present invention, in the mixing step, the second Pt particles may be mixed in a ratio of 5 to 60 mass % with respect to the total amount of the first Pt particles and the second Pt particles.
This method for manufacturing an electrode for a gas sensor can improve the reactivity of the electrode by using fine second Pt particles, while further suppressing the decrease in productivity caused by the difficulty in handling the fine second Pt particles.

この発明によれば、電極にPt及びAuを含ませて電極の反応性を向上させるとともに、生産性の低下を抑制したガスセンサ用電極を製造することができる。 This invention makes it possible to manufacture gas sensor electrodes that contain Pt and Au, thereby improving the reactivity of the electrode and suppressing declines in productivity.

本発明が適用される一例としてのガスセンサ(NOxセンサ)の長手方向に沿う断面図である。1 is a cross-sectional view taken along the longitudinal direction of a gas sensor (NOx sensor) as an example to which the present invention is applied. 図1のガスセンサにおけるセンサ素子の軸線に沿う断面図である。2 is a cross-sectional view taken along the axis of a sensor element in the gas sensor of FIG. 1. FIG. 本発明の実施形態に係る製造方法により製造したIp2-電極の組成(Au/Pt率)を示す図である。FIG. 10 is a diagram showing the composition (Au/Pt ratio) of the Ip2-electrode manufactured by the manufacturing method according to an embodiment of the present invention.

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一例としてのガスセンサ(NOxセンサ)1の縦断面図(軸線AXに沿った長手方向に切断した断面図)、図2は図1のガスセンサにおけるセンサ素子10の軸線AXに沿う断面図である。
Hereinafter, an embodiment of the present invention will be described.
FIG. 1 is a longitudinal cross-sectional view (a cross-sectional view cut in the longitudinal direction along an axis AX) of a gas sensor (NOx sensor) 1 as an example to which the present invention is applied, and FIG. 2 is a cross-sectional view taken along the axis AX of a sensor element 10 in the gas sensor of FIG. 1.

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

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

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

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

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

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

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

一方、図2に示すように、センサ素子10は、固体電解質体111e、121e、131eと、これらの間に配置された絶縁体140、145とを備え、これらが積層方向に積層された構造を有する。さらに、センサ素子10には、固体電解質体131eの裏面側に、ヒータ161が積層されている。このヒータ161は、アルミナを主体とする板状の絶縁体162、163と、その間に埋設されたヒータパターン164(Ptを主体としている)とを備えている。
なお、固体電解質体111e、121e、131eはそれぞれ略矩形をなし、絶縁層111s、121s、131sの先端側には矩形の開口が設けられている。そして、この開口にそれぞれ固体電解質体111e、121e、131eが埋め込まれている。
2, the sensor element 10 has a structure in which solid electrolyte bodies 111e, 121e, and 131e are stacked in the stacking direction with insulators 140 and 145 disposed therebetween. Furthermore, the sensor element 10 has a heater 161 stacked on the back surface of the solid electrolyte body 131e. The heater 161 includes plate-shaped insulators 162 and 163 primarily made of alumina and a heater pattern 164 (primarily made of Pt) embedded therebetween.
The solid electrolyte bodies 111e, 121e, and 131e are each substantially rectangular, and rectangular openings are provided at the leading ends of the insulating layers 111s, 121s, and 131s, respectively. The solid electrolyte bodies 111e, 121e, and 131e are embedded in these openings.

固体電解質体111e、121e、131eは、固体電解質であるジルコニアからなり、酸素イオン伝導性を有する。固体電解質体111eの表面側には、多孔質のIp1+電極112が設けられている。また、固体電解質体111eの裏面側には、多孔質のIp1-電極113が設けられている。さらに、Ip1+電極112の表面は、多孔質層114Bで覆われている。
又、Ip1+電極112にはIp1+リード(図示せず)が接続されている。又、Ip1-電極113にはIp1-リード117(図示せず)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 114B.
An Ip1+ lead (not shown) is connected to the Ip1+ electrode 112. An Ip1- lead 117 (not shown) is connected to the Ip1- electrode 113.

また、Ip1+電極112及びIp1+リードの表面には、空隙10Gを有し、アルミナ等からなるガス非透過性の第1緻密層118が積層され、空隙10Gから多孔質層114が露出すると共に、Ip1+リードが第1緻密層118の外周側で覆われている。
空隙10Gは、多孔質層114近傍から大気導入口10hに連通する部位までまっすぐに延びている。そして、空隙10Gの後端側の第1緻密層118には、電極端子部13~15と導通するためのスルーホール(図示せず)が設けられている。
In addition, a gas-impermeable first dense layer 118 made of alumina or the like and having a void 10G is laminated on the surfaces of the Ip1+ electrode 112 and the Ip1+ lead, with the porous layer 114 exposed from the void 10G and the Ip1+ lead covered by the outer periphery of the first dense layer 118.
The void 10G extends straight from the vicinity of the porous layer 114 to the portion communicating with the air inlet 10h. A through-hole (not shown) is provided in the first dense layer 118 on the rear end side of the void 10G to establish electrical connection with the electrode terminals 13 to 15.

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

さらに、固体電解質体111eを含む複合層(固体電解質体111eと絶縁層111s)と、第1緻密層118との間に、第3緻密層118Bが介装され、第3緻密層118Bの先端側には矩形の開口118Bhが設けられている。
そして、この開口118Bhに多孔質層114Bが充填され、多孔質層114Bの下面(Ip1+電極112側)にIp1+電極112が形成され、Ip1+電極112は第3緻密層118Bの下面よりも下側に突出している。そして、Ip1+電極112の上記した突出部位は固体電解質体111eに覆われている。
このように、Ip1+電極112の側面は固体電解質体111eで囲まれることになる。
Furthermore, a third dense layer 118B is interposed between the composite layer including the solid electrolyte body 111e (the solid electrolyte body 111e and the insulating layer 111s) and the first dense layer 118, and a rectangular opening 118Bh is provided on the tip side of the third dense layer 118B.
The opening 118Bh is filled with the porous layer 114B, and the Ip1+ electrode 112 is formed on the lower surface (the Ip1+ electrode 112 side) of the porous layer 114B, with the Ip1+ electrode 112 protruding downward from the lower surface of the third dense layer 118B. The protruding portion of the Ip1+ electrode 112 is covered with the solid electrolyte body 111e.
In this way, the side surface of the Ip1 positive electrode 112 is surrounded by the solid electrolyte body 111e.

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

ここで、本実施形態のガスセンサ1によるNOx濃度検知について、簡単に説明する。
センサ素子10の固体電解質体111e、121e、131eは、ヒータパターン164の昇温に伴い加熱され、活性化する。これにより、Ip1セル110、Vsセル120、及びIp2セル130が動作するようになる。
排気通路(図示なし)内を流通する排ガスは、第1多孔質体151による流通量の制限を受けつつ第1測定室150内に導入される。このとき、Vsセル120には、電極123側から電極122側へ微弱な電流Icpが流されている。このため、排ガス中の酸素は、負極側となる第1測定室150内の電極122から電子を受け取ることができ、酸素イオンとなって固体電解質体121e内を流れ、基準酸素室170内に移動する。つまり、電極122、123間で電流Icpが流されることによって、第1測定室150内の酸素が基準酸素室170内に送り込まれる。
Here, the detection of NOx concentration by the gas sensor 1 of this embodiment will be briefly described.
The solid electrolyte bodies 111e, 121e, and 131e of the sensor element 10 are heated and activated as the temperature of the heater pattern 164 rises, thereby causing the Ip1 cell 110, the Vs cell 120, and the Ip2 cell 130 to operate.
Exhaust gas flowing through the exhaust passage (not shown) is introduced into the first measuring chamber 150 while the flow rate is restricted by the first porous body 151. At this time, a weak current Icp flows through the Vs cell 120 from the electrode 123 side to the electrode 122 side. As a result, oxygen in the exhaust gas can receive electrons from the electrode 122 in the first measuring chamber 150, which is the negative electrode, and become oxygen ions, which flow through the solid electrolyte body 121e and migrate into the reference oxygen chamber 170. In other words, the flow of current Icp between the electrodes 122 and 123 sends oxygen from the first measuring chamber 150 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所定値より薄い場合、電極112側が負極となるようにIp1セル110に電流Ip1を流し、センサ素子10の外部から第1測定室150内へ酸素の汲み入れを行う。一方、第1測定室150内に導入された排ガスの酸素濃度が所定値より濃い場合、電極113側が負極となるようにIp1セル110に電流Ip1を流し、第1測定室150内からセンサ素子10外部へ酸素の汲み出しを行う。 If the oxygen concentration of the exhaust gas introduced into the first measuring chamber 150 is lower than a predetermined value, current Ip1 is passed through the Ip1 cell 110 so that electrode 112 becomes negative, and oxygen is pumped into the first measuring chamber 150 from outside the sensor element 10. On the other hand, if the oxygen concentration of the exhaust gas introduced into the first measuring chamber 150 is higher than a predetermined value, current Ip1 is passed through the Ip1 cell 110 so that electrode 113 becomes negative, and oxygen is pumped out of the first measuring chamber 150 to outside the 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内に導入される。第2測定室160内で電極133と接触した排ガス中のNOxは、電極132、133間に電圧Vp2を印加されることで、電極133上で窒素と酸素に分解(還元)され、分解された酸素は、酸素イオンとなって固体電解質体131e内を流れ、基準酸素室170内に移動する。このとき、第1測定室150で汲み残された残留酸素も同様に、Ip2セル130によって基準酸素室170内に移動する。これにより、Ip2セル130には、NOx由来の電流及び残留酸素由来の電流が流れる。なお、基準酸素室170内に移動した酸素は、基準酸素室170内に接するVs+電極123とVsリード及びIp2+電極132とIp2+リードを介して外部(大気)に放出される、このため、Vs+リード及びIp2+リードは多孔質となっている。 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. When NOx in the exhaust gas comes into contact with the electrode 133 in the second measuring chamber 160, a voltage Vp2 is applied between the electrodes 132 and 133, causing it to be decomposed (reduced) into nitrogen and oxygen on the electrode 133. The decomposed oxygen becomes oxygen ions and flows through the solid electrolyte body 131e, migrating into the reference oxygen chamber 170. At this time, residual oxygen 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 NOx and a current derived from the residual oxygen flow through the Ip2 cell 130. The oxygen that moves into the reference oxygen chamber 170 is released to the outside (atmosphere) via the Vs+ electrode 123 and Vs lead, and the Ip2+ electrode 132 and Ip2+ lead, which are in contact with the inside of the reference oxygen chamber 170; for this reason, the Vs+ lead and Ip2+ lead are porous.

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

そして、本実施形態では、Ip1+電極112は緻密層115,118で囲まれた空隙10G内に配置されて被測定ガスとの接触を防止されつつ、大気導入口10hから導入される大気に曝される。
これにより、Ip1+電極112は常に大気を基準雰囲気とするので、被測定ガス中の酸素雰囲気が変化してもIp1+電極112の雰囲気が一定に保たれる。
In this embodiment, the Ip1 positive electrode 112 is disposed in a gap 10G surrounded by the dense layers 115 and 118 to prevent contact with the measurement gas, and is exposed to the atmosphere introduced through the atmosphere inlet 10h.
As a result, the Ip1 positive electrode 112 always uses the air as the reference atmosphere, so that the atmosphere at the Ip1 positive electrode 112 is kept constant even if the oxygen atmosphere in the gas to be measured changes.

次に、本発明の実施形態に係るガスセンサ用電極の製造方法について説明する。なお、一例として、Vsセル(検知セル)120を構成するVs-電極122を、本実施形態により製造するものとする。 Next, we will explain a method for manufacturing a gas sensor electrode according to an embodiment of the present invention. As an example, we will assume that the Vs-electrode 122 that constitutes the Vs cell (detection cell) 120 is manufactured using this embodiment.

まず、レーザー回折法により測定した平均粒径がD1(μm)である第1のPt粒子の表面にAuを担持させた後、熱処理して合金化させて合金粒子を調製する(合金化工程)。
第1のPt粒子の表面にAuを担持させる方法は、例えば特許第6795841号公報に記載の方法を採用することができる。
上記方法では、白金粉末と金化合物溶液を減圧下で(例えば、70℃以下)攪拌しながら溶媒を蒸発乾固させて、白金粉末の粒子表面に金化合物を高分散担持させる。これにより、白金粒子表面に金化合物をコーティングする。金化合物としては、例えば塩化金(III)酸、、亜硫酸金(I)ナトリウムなどを溶解させた水溶液を用いる。
ただし、Auを担持させる方法は、上記方法に限られず、他の公知の方法でもよい。
First, Au is supported on the surface of first Pt particles having an average particle size D1 (μm) measured by laser diffraction, and then the first Pt particles are heat-treated to be alloyed, thereby preparing alloy particles (alloying step).
As a method for supporting Au on the surfaces of the first Pt particles, for example, the method described in Japanese Patent No. 6795841 can be adopted.
In the above method, the platinum powder and gold compound solution are stirred under reduced pressure (e.g., below 70°C) while the solvent is evaporated to dryness, resulting in a highly dispersed gold compound supported on the surface of the platinum powder particles. This results in a coating of the gold compound on the platinum particle surface. The gold compound can be, for example, an aqueous solution containing chloroauric acid, sodium gold(I) sulfite, or the like.
However, the method for supporting Au is not limited to the above method, and other known methods may be used.

次に、上記方法に従い、Au化合物が担持された第1のPt粒子を560~650℃で熱処理する。560~650℃で熱処理すると、金化合物の分解温度(約360℃)を超えるので、金化合物を分解して金属の金になると同時に白金粒子表面と金との結合を強める(合金化する)ことで白金粒子表面に金を高分散担持させ、合金粒子を得ることができる。 Next, according to the method described above, the first Pt particles carrying the Au compound are heat-treated at 560-650°C. Heat treatment at 560-650°C exceeds the decomposition temperature of the gold compound (approximately 360°C), which decomposes the gold compound into metallic gold while simultaneously strengthening the bond between the platinum particle surface and the gold (alloying), resulting in a highly dispersed gold support on the platinum particle surface and the production of alloy particles.

D1(μm)は、例えば2.5~13.5μmとすることができる。D1が2.5μm未満であると、電極が緻密になりすぎ、ポンプ性能が低下する場合がある。D1が13.5μmを超えると、電極膜の凹凸が大きくなり、断線する場合がある。 D1 (μm) can be, for example, 2.5 to 13.5 μm. If D1 is less than 2.5 μm, the electrode may become too dense, resulting in reduced pump performance. If D1 exceeds 13.5 μm, the electrode film may become too uneven, potentially resulting in breakage.

なお、レーザー回折法による粒度分布の測定は、粒子に光を照射した際、粒子径により散乱光量とパターンが異なること(Mie散乱理論)を利用したものである。但し、粒度測定機によって散乱光から粒度分布を算定する方法が異なるため、本発明においては、レーザ回折/散乱式粒度分布測定装置 (堀場製作所製の型番LA-750、光源:He-Neレーザ(632.8nm)、1mW)によって測定する。又、粒度分布の測定方法は、純水中に試料を滴下混合して均一分散体としたものをサンプルに用いて行う。
又、電極は、一般に電極ペーストをスクリーン印刷等により所定位置に塗布して製造するが、電極ペーストは、電極金属材料以外にセラミックス粒子を含むのが一般的なので、電極ペースト中の電極金属材料の粒径を測定する場合は、以下の手順で行う。なお、ペーストにする前の金属材料の粒径を測定しても良い。
1)電極ペーストを加熱(例えば、500℃×1時間保持)してバインダーと溶剤成分を除去する
2)残った固形分の粒度分布を測定する
3)固形分を加熱王水に浸漬し、貴金属成分(電極金属材料)を溶かす
4)残った固形分の粒度分布を測定する
5)2)及び4)の粒度分布の差から、電極金属材料及びセラミックス粒子の平均粒径をそれぞれ算出する
Measurement of particle size distribution by laser diffraction utilizes the fact that when particles are irradiated with light, the amount and pattern of scattered light vary depending on the particle diameter (Mie scattering theory). However, since the method for calculating particle size distribution from scattered light differs depending on the particle size measuring instrument, in the present invention, measurement is performed using a laser diffraction/scattering particle size distribution measuring instrument (Model LA-750, manufactured by Horiba, Ltd., light source: He-Ne laser (632.8 nm), 1 mW). Furthermore, the particle size distribution is measured using a sample prepared by dropwise mixing the sample in pure water to form a uniform dispersion.
In addition, electrodes are generally manufactured by applying an electrode paste to a predetermined position by screen printing or the like, and since the electrode paste generally contains ceramic particles in addition to the electrode metal material, the particle size of the electrode metal material in the electrode paste is measured according to the following procedure. Note that the particle size of the metal material before it is made into a paste may also be measured.
1) Heat the electrode paste (for example, hold at 500°C for 1 hour) to remove the binder and solvent components. 2) Measure the particle size distribution of the remaining solids. 3) Immerse the solids in heated aqua regia to dissolve the precious metal components (electrode metal material). 4) Measure the particle size distribution of the remaining solids. 5) Calculate the average particle size of the electrode metal material and ceramic particles from the difference in particle size distributions between 2) and 4).

次に、合金化工程で得られたPt-Auの合金粒子と、レーザー回折法により測定した平均粒径D2(μm)がD1(μm)より小さい第2のPt粒子とを混合する(混合工程)。
混合には、ハイブリッドミキサ(自転・公転ミキサ)、ロールミル(トリロール)等の撹拌機を用いることが好ましい。撹拌機は、擂潰機(らいかい機)などの粒子をすり潰す方法に比べ、柔らかいAuが潰れることが少なく、粒子径が大きく変動することを抑制できる。
Auが潰れて箔状に大きくなると、後述する電極ペーストに調製してスクリーン印刷して電極を形成する際、スクリーンにAuが引っかかって捕捉されてしまい、電極に含まれるAu量がバラつく恐れがある。
D2(μm)は、例えば0.5~5.0μmとすることができる。D2が0.5μm未満であると、焼成時に焼結が進み過ぎて断線する場合がある。D2が5.0μmを超えると、電極膜の凹凸が大きくなり、断線する場合がある。
Next, the Pt—Au alloy particles obtained in the alloying step are mixed with second Pt particles having an average particle size D2 (μm) smaller than D1 (μm) as measured by laser diffraction (mixing step).
For mixing, it is preferable to use a mixer such as a hybrid mixer (rotating/revolving mixer), a roll mill (tri-roll), etc. Compared to methods that grind particles using a crusher, a mixer is less likely to crush the soft Au and can suppress large fluctuations in particle size.
If the Au is crushed and enlarged into a foil-like shape, when the Au is prepared into an electrode paste described below and screen-printed to form an electrode, the Au may get caught and captured on the screen, which may cause variations in the amount of Au contained in the electrode.
D2 (μm) can be, for example, 0.5 to 5.0 μm. If D2 is less than 0.5 μm, excessive sintering may occur during firing, resulting in disconnection. If D2 exceeds 5.0 μm, the electrode film may become uneven, resulting in disconnection.

混合工程において、第1のPt粒子と第2のPt粒子の合計量に対し、第2のPt粒子を10~60質量%の割合で混合してもよい。
第2のPt粒子の混合割合が10質量%未満であると、微細な第2のPt粒子による電極の反応性の向上効果が得られなくなることがある。
第2のPt粒子の混合割合が60質量%を超えるものは、微細な第2のPt粒子の取り扱いが困難なことに起因して生産性を低下させることがある。
In the mixing step, the second Pt particles may be mixed in an amount of 10 to 60 mass % with respect to the total amount of the first Pt particles and the second Pt particles.
If the mixing ratio of the second Pt particles is less than 10 mass %, the effect of improving the reactivity of the electrode due to the fine second Pt particles may not be obtained.
If the mixing ratio of the second Pt particles exceeds 60 mass %, the productivity may decrease due to the difficulty in handling the fine second Pt particles.

次に、混合工程で得られた混合粒子を含む電極ペーストを調製する(電極ペースト調製工程)。
電極ペーストの組成は、上記混合粒子に加え、例えばセラミックス粒子と、バインダーと、溶剤とを含む。
セラミックス粒子は、固体電解質体に対する電極の密着性を高める共素地として用いられる。セラミックス粒子がアルミナ及び/又はジルコニアからなることが好ましい。ジルコニアとしてはYSZ(イットリア部分安定化ジルコニア)を挙げることができる。
Next, an electrode paste containing the mixed particles obtained in the mixing step is prepared (electrode paste preparation step).
The composition of the electrode paste includes, in addition to the mixed particles, for example, ceramic particles, a binder, and a solvent.
The ceramic particles are used as a co-base to enhance the adhesion of the electrode to the solid electrolyte body. The ceramic particles are preferably made of alumina and/or zirconia. Examples of zirconia include YSZ (yttria-partially stabilized zirconia).

バインダーとしては、エチルセルロース、ポリビニルブチラール、酢酸セルロース、アルキド、フェノール、アクリル、エポキシ、ポリウレタン等が挙げられる。なお、バインダーとは、電極ペーストに含まれる溶剤に溶けるものをいう。
溶剤としては、ブチルカルビトール、ブチルカルビトールアセテート、テルピネオール、テルピネオールアセテート、エチルカルビトール、エチルカルビトールアセテート、ジヒドロテルピネオール、プロピレングリコールジアセテート等が挙げられる。
なお、電極ペーストの固形分は混合粒子とセラミックス粒子であり、バインダーは溶剤に溶けてペーストに所定の粘性を付与する。
Examples of binders include ethyl cellulose, polyvinyl butyral, cellulose acetate, alkyd, phenol, acrylic, epoxy, polyurethane, etc. The binder refers to a material that dissolves in the solvent contained in the electrode paste.
Examples of the solvent include butyl carbitol, butyl carbitol acetate, terpineol, terpineol acetate, ethyl carbitol, ethyl carbitol acetate, dihydroterpineol, and propylene glycol diacetate.
The solid components of the electrode paste are the mixed particles and ceramic particles, and the binder dissolves in the solvent to give the paste a predetermined viscosity.

次に、上記した電極ペーストをセンサ素子10の所定の位置に塗布して電極を形成する(電極形成工程)。なお、本実施形態では、電極ペーストを、それぞれ固体電解質体111e、121eの表面に塗布してIp1-電極113及びVs-電極122を形成する。
電極ペーストの塗布方法は限定されないが、スクリーン印刷が好ましい。スクリーン印刷は、まず所定のスクリーンマスク(メタルマスク等)の上から電極ペーストを対象物に印刷する。次に、印刷した電極パターンを乾燥させ、所定温度(例えば1000℃以上)で焼成して電極を形成する。
なお、「スクリーン印刷」とは、スクリーンマスクと対象物が離間した状態での印刷の他、スクリーンマスクが対象と接するコンタクト印刷も含む。
Next, the electrode paste is applied to predetermined positions of the sensor element 10 to form electrodes (electrode formation step). In this embodiment, the electrode paste is applied to the surfaces of the solid electrolyte bodies 111e and 121e to form the Ip1-electrode 113 and the Vs-electrode 122.
Although the method for applying the electrode paste is not limited, screen printing is preferred. In screen printing, the electrode paste is first printed onto the target object from above a predetermined screen mask (such as a metal mask). The printed electrode pattern is then dried and fired at a predetermined temperature (e.g., 1000°C or higher) to form the electrode.
It should be noted that "screen printing" includes printing in which the screen mask and the target are spaced apart, as well as contact printing in which the screen mask comes into contact with the target.

本発明は上記実施形態に限定されず、本発明の思想と範囲に含まれる様々な変形及び均等物に及ぶことはいうまでもない。例えば、本発明は、NOxセンサの他、全領域空燃比センサ等の酸素センサに適用することができるが、これらの用途に限られない。 The present invention is not limited to the above-described embodiments, and it goes without saying that various modifications and equivalents fall within the spirit and scope of the present invention. For example, the present invention can be applied to oxygen sensors such as full-range air-fuel ratio sensors in addition to NOx sensors, but is not limited to these applications.

以下、実施例を挙げて、本発明を具体的に説明するが、本発明は勿論これらの例に限定されるものではない。 The present invention will be explained in detail below using examples, but the present invention is not limited to these examples.

第1のPt粒子と、塩化金(III)酸溶液を減圧下で攪拌しながら溶媒を蒸発乾固させ、第1のPt粒子表面に金化合物を担持させた。次に、Au化合物が担持された第1のPt粒子を熱処理した。これにより、金化合物を分解して金属の金になると同時に第1のPt粒子と金とを合金化させた。
次に、上記のPt-Auの合金粒子と、第1のPt粒子より粒径の小さい第2のPt粒子とをトリロールを用いて混合した。
The first Pt particles and the chloroauric (III) acid solution were stirred under reduced pressure to evaporate the solvent and dry up, thereby supporting the gold compound on the surface of the first Pt particles. Next, the first Pt particles with the Au compound supported thereon were heat-treated. This decomposed the gold compound into metallic gold, and simultaneously alloyed the first Pt particles with gold.
Next, the Pt--Au alloy particles were mixed with second Pt particles having a particle size smaller than that of the first Pt particles using a tri-roll.

次に、上記混合粒子に加え、ジルコニア粒子と、バインダーと、溶剤とを含む電極ペーストを調製し、図2に示したセンサ素子10の固体電解質体131eの表面に塗布した。塗布後、センサ素子10を1000℃以上で焼成してVs-電極122を形成した。
比較として、第1のPt粒子と、第2のPt粒子と、Au粒子(レーザー回折法により測定した平均粒径が0.6(μm))を単純に混合して電極ペーストの電極材料として用い、同様にVs-電極122を形成した。
Next, an electrode paste containing zirconia particles, a binder, and a solvent in addition to the mixed particles was prepared, and was applied to the surface of the solid electrolyte body 131e of the sensor element 10 shown in Fig. 2. After application, the sensor element 10 was fired at 1000°C or higher to form the Vs-electrode 122.
For comparison, first Pt particles, second Pt particles, and Au particles (average particle size measured by laser diffraction method: 0.6 μm) were simply mixed and used as the electrode material of the electrode paste, and a Vs-electrode 122 was similarly formed.

得られたセンサ素子10におけるVs-電極122の組成(Au/Pt率:質量比)を、TOF-SIMS分析して求めた。
得られた結果を図3に示す。なお、図3は、Au/Pt率の狙い値(図3の破線)を1としたときの各実施例および比較例のセンサ素子10におけるAu/Pt率の相対値である。
The composition (Au/Pt ratio: mass ratio) of the Vs-electrode 122 in the obtained sensor element 10 was determined by TOF-SIMS analysis.
The obtained results are shown in Fig. 3. Fig. 3 shows the relative values of the Au/Pt ratio in the sensor element 10 of each example and comparative example when the target value of the Au/Pt ratio (dashed line in Fig. 3) is set to 1.

図3から明らかなように、実施例1~3の場合、Vs-電極122の組成(Au/Pt率)が目標値の上下限の範囲内に収まり、電極がAu、及び2種類の粒径のPt粒子をそれぞれ安定して含むことがわかる。これにより、電極の反応性を向上させるとともに、生産性の低下を抑制することができる。
一方、比較例の場合、Vs-電極122の組成(Au/Pt率:質量比)が目標値の上下限を外れ、電極に含まれるAuの割合が低下した。これにより、電極の反応性の低下が懸念される。
なお、比較例の場合、Au粒子を各Pt粒子と混合した際、柔らかいAu粒子が潰れて展伸して箔状となり、電極をスクリーン印刷で形成する際に箔状のAuがスクリーンに引っ掛かり、電極に到達しなかったためと考えられる。
3, in Examples 1 to 3, the composition (Au/Pt ratio) of the Vs-electrode 122 falls within the upper and lower limits of the target value, and the electrode stably contains Au and two types of Pt particles with different particle sizes. This improves the reactivity of the electrode and prevents a decrease in productivity.
On the other hand, in the comparative example, the composition (Au/Pt ratio: mass ratio) of the Vs-electrode 122 was outside the upper and lower limits of the target value, and the proportion of Au contained in the electrode decreased. This raises concerns about a decrease in the reactivity of the electrode.
In the comparative example, when the Au particles were mixed with each Pt particle, the soft Au particles were crushed and expanded to form a foil, and when the electrodes were formed by screen printing, the foil-like Au got caught on the screen and did not reach the electrodes.

1 ガスセンサ
10 センサ素子
122 電極(Vs-電極)
1 Gas sensor 10 Sensor element 122 Electrode (Vs-electrode)

Claims (2)

Pt粒子と、Auとを含むガスセンサ用電極の製造方法であって、
レーザー回折法により測定した平均粒径がD1(μm)である第1のPt粒子の表面にAuを担持させた後、熱処理して合金化させて合金粒子を調製する合金化工程と、
前記合金粒子と、レーザー回折法により測定した平均粒径D2(μm)がD1(μm)より小さい第2のPt粒子とを混合する混合工程と、
前記混合工程で得られた混合粒子を含む電極ペーストを調製する電極ペースト調製工程と、
前記電極ペーストをセンサ素子の所定の位置に塗布して電極を形成する電極形成工程と、
を有することを特徴とするガスセンサ用電極の製造方法。
A method for manufacturing an electrode for a gas sensor including Pt particles and Au, comprising the steps of:
an alloying step of supporting Au on the surface of first Pt particles having an average particle size D1 (μm) measured by a laser diffraction method, and then alloying the first Pt particles by heat treatment to prepare alloy particles;
a mixing step of mixing the alloy particles with second Pt particles having an average particle size D2 (μm) measured by a laser diffraction method that is smaller than D1 (μm);
an electrode paste preparation step of preparing an electrode paste containing the mixed particles obtained in the mixing step;
an electrode forming step of applying the electrode paste to predetermined positions of a sensor element to form electrodes;
1. A method for manufacturing an electrode for a gas sensor, comprising:
前記混合工程において、前記第1のPt粒子と前記第2のPt粒子の合計量に対し、前記第2のPt粒子を5~60質量%の割合で混合することを特徴とする請求項1に記載のガスセンサ用電極の製造方法。 The method for manufacturing a gas sensor electrode according to claim 1, characterized in that in the mixing step, the second Pt particles are mixed in a ratio of 5 to 60 mass% relative to the total amount of the first Pt particles and the second Pt particles.
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