JP2002340845A - ガスセンサ素子及びその製造方法 - Google Patents
ガスセンサ素子及びその製造方法Info
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Abstract
難く,耐久性に優れ,応答性,早期活性に優れたガスセ
ンサ素子及びその製造方法を提供すること。 【解決手段】 固体電解質板13と基準ガス室10を備
えたスペーサー板14とヒータ基板15とが積層されて
なる。基準ガス室10の閉塞端102における角部10
0は曲面によって構成され,幅方向中心を通り,幅方向
と垂直に交わる長手方向に平行な平面に沿った切断面に
おいて,角部100の曲率半径は1mm〜20mmであ
る。
Description
焼制御に利用される各種のガスセンサ素子及びその製造
方法に関する。
用するためのガスセンサが設けてあり,ここに内蔵され
るガスセンサ素子として,特開平9−26409号に示
されるような構成の素子が知られている。
9は,被測定ガスに接する被測定ガス側電極11と基準
ガスに接する基準ガス側電極12とを備えた固体電解質
板93に対し,基準ガス室をアルミナ基板95と共に構
成するスペーサー板94が積層されることで形成され
る。同図に示すごとく,上記スペーサー板94はコ字形
状で,基準ガス室形成用の窓部940を有する。
端が閉塞端で,他端がガスセンサ素子の外部に対して開
口した開口端として構成され,上記開口端から基準ガス
となる大気等が導入されるよう構成されている。なお,
図示を略したが,アルミナ基板95に対し,発熱体を備
えたヒータ基板が積層される。
は中空なので機械的強度が弱く,ガスセンサ素子製造や
ガスセンサへの組み付け時に,衝撃による損傷が生じや
すい。また,内燃機関の排気系で使用する際には,内燃
機関始動前と始動後の温度差による熱応力から損傷する
こともある。
おいて,スペーサー板94とアルミナ基板95とが,製
造工程中やガスセンサ素子使用中に剥離する等して,不
良やトラブルが発生することがあった。
早期活性に優れたガスセンサ素子に対する要求が高まっ
ており,従来構成のガスセンサ素子では,どちらの性能
についても一層の改善が望まれていた。
されたもので,機械的応力や熱応力による損傷や不良が
生じ難く,耐久性に優れ,応答性,早期活性に優れたガ
スセンサ素子及びその製造方法を提供しようとするもの
である。
スに接する被測定ガス側電極と基準ガスに接する基準ガ
ス側電極とを備えた固体電解質板と,上記基準ガス側電
極と対面し,一端が閉塞端で,他端がガスセンサ素子の
外部に対して開口した開口端として構成された溝状であ
り,基準ガスを導入するよう構成された基準ガス室を備
えたスペーサー板と,通電により発熱する発熱体を備え
たヒータ基板とが積層されたガスセンサ素子であって,
上記基準ガス室の閉塞端における角部は曲面によって構
成され,上記基準ガス室の幅方向中心を通り,幅方向と
垂直に交わる長手方向に平行な平面に沿った切断面にお
いて,上記角部の曲率半径は1mm〜20mmであるこ
とを特徴とするガスセンサ素子にある。
にかかるガスセンサ素子は,溝状の基準ガス室の閉塞端
における角部が曲面状で曲率半径が1mm〜20mmと
なるように構成されている。仮に曲率半径が1mm未満
である場合は,角部が十分丸みを帯びた形状とならず,
本発明にかかる効果が得難く,優れた耐久性が得がたく
なるおそれがある。また,曲率半径が20mmを越えた
場合は,供給,排出酸素量が低くなり,特に本発明にか
かるガスセンサ素子をA/Fセンサとして使用する場合
等に,リッチ側の検出限界が低くなるおそれがある。
サー板に設けた溝により構成されている。また,上記角
部はガスセンサ素子基準ガス側電極付近,つまり基準ガ
ス室の閉塞端側に形成される終端である(図1等参
照)。
に交わる長手方向については,後述する図3等に具体的
に記載した。およそ長手方向はガスセンサ素子の中心軸
方向であり,幅方向はガスセンサ素子の径方向と見なす
ことができる。
室は,角部の曲面が上述した範囲の曲率半径を有するた
め,熱的,機械的応力が生じた場合,これらの応力が角
部に集中し難くなる。そのため,熱応力による損傷が生
じ難く,幅広い温度範囲の冷熱サイクルに耐えられるガ
スセンサ素子を得ることができる。同様の理由から機械
的応力による損傷が生じ難く,衝撃に強いガスセンサ素
子を得ることができる。
における基準ガスの淀みが生じ難くなり,ガスセンサ素
子の応答性を高めることができる。更に,角部が曲面状
となった分,図1等より明らかであるが,発熱体から基
準ガス側電極に至る伝熱経路がより長くスペーサー板を
通ることとなる。よって,発熱体の熱が基準ガス側電極
に伝導しやすくなる。このため,ガスセンサ素子を素子
活性温度に昇温する時間を短くすることができ,早期活
性に優れるガスセンサ素子を得ることができる。
力による損傷や不良が生じ難く,耐久性に優れ,応答
性,早期活性に優れたガスセンサ素子を提供することが
できる。
基準ガス室は,切削加工で形成する際は,ほぼ一度の切
削加工で基準ガス室の加工を終えることができる。仮
に,基準ガス室が直角に近い角部を有する場合,これを
作製する際は,複数回の切削加工を所望の形状となるま
で繰り返す必要がある。つまり,本発明にかかる基準ガ
ス室はより少ない工程数で作製可能である。また,基準
ガス室をプレス加工で作製する際は,角部が曲面状であ
ることから,金型の抜き工程が容易となる。すなわち,
本発明にかかるガスセンサ素子は製造容易である。
型であり,通常の酸素センサ素子として用いる他,自動
車エンジンの排気系に設置する空燃比センサ素子として
使用することもできる。その他,電極の数を増やす等し
て,NOxセンサ素子,複合センサ素子等として用いる
こともできる。
スに接する被測定ガス側電極と基準ガスに接する基準ガ
ス側電極とを備えた固体電解質板と,上記基準ガス側電
極と対面し,一端が閉塞端で,他端がガスセンサ素子の
外部に対して開口した開口端として構成された溝状であ
り,基準ガスを導入するよう構成された基準ガス室を備
えたスペーサー板と,通電により発熱する発熱体を備え
たヒータ基板とが積層されてなると共に,上記基準ガス
室の閉塞端における角部は曲面によって構成されたガス
センサ素子を製造するにあたり,固体電解質板用生シー
ト,スペーサー板用生シート,ヒータ基板用生シートを
それぞれ準備し,固体電解質板用生シートに電極形成用
の印刷部を,ヒータ基板用生シートに発熱体用の印刷部
をそれぞれ設け,スペーサー板用生シートに溝加工を施
して,基準ガス室となる閉塞端と開放端とを備え,閉塞
端の角部が曲面によって構成された溝部を形成し,ヒー
タ基板用生シートにスペーサー板用生シートを積層し,
これらに対し更に固体電解質板用生シートを積層し,接
着剤にて貼り合わせて未焼積層体となし,その後,未焼
積層体を焼成することを特徴とするガスセンサ素子の製
造方法にある。
サー板用生シートは基準ガス室形成用の溝部が設けてあ
る。この溝部より形成された基準ガス室の一例は後述す
る図2,図3等に示されているが,貫通しない凹所とし
てスペーサー板用生シートに形成される。前述した図1
6に示される従来構成と異なり,基準ガス室をスペーサ
ー用生シートに溝部として設けてあるため,従来構成で
起こりうるスペーサー板−アルミナ基板の剥離による各
種の不良,トラブルをなくすことができる。また,各生
シートは接着剤にて貼り合わされているため,シート間
が強く接合されており,他のシート間における剥離によ
る各種の不良,トラブルも生じ難い。
め,熱的,機械的応力が角部に集中し難い。そのため,
熱応力による損傷が生じ難く,幅広い温度範囲の冷熱サ
イクルに耐えられるガスセンサ素子を得ることができ
る。また,機械的応力による損傷が生じ難く,衝撃に強
いガスセンサ素子を製造することができる。
部での基準ガスの淀みが生じ難くなり,ガスセンサ素子
の応答性を高めることができる。更に,角部が曲面状と
なった分,図1等より明らかであるが,発熱体から基準
ガス側電極に至る伝熱経路がより長くスペーサー板を通
ることとなる。よって,発熱体の熱が基準ガス側電極に
伝導しやすくなる。このため,ガスセンサ素子を素子活
性温度に昇温する時間を短くすることができ,早期活性
に優れるガスセンサ素子を製造することができる。
力による損傷や不良が生じ難く,耐久性に優れ,応答
性,早期活性に優れたガスセンサ素子の製造方法を提供
することができる。
り可能な大きさで作製することもできるが,製造効率の
観点から,ガスセンサ素子を複数個取り可能な大きさに
各生シートを構成し,各印刷部を複数個形成し,積層し
た後,切断等によりガスセンサ素子1個分に個片化して
製造することが好ましい(詳細は実施形態例3参照)。
記溝加工は切削加工により行なうことが好ましい。これ
により,溝ピッチ−溝形状を精度よく加工することがで
きる。
溝加工はプレス加工により行なうことが好ましい。これ
により,1度のプレス加工で多数の溝を同時に形成する
ことができるため,加工機具類の消耗も少なくコストを
安価とすることができる。
1〜図6を用いて説明する。本例のガスセンサ素子1
は,図1に示すごとく,被測定ガスに接する被測定ガス
側電極11と基準ガスに接する基準ガス側電極12とを
備えた固体電解質板13と,上記基準ガス側電極11と
対面し,基準ガスを導入するよう構成された基準ガス室
10を備えたスペーサー板14と,通電により発熱する
発熱体150を備えたヒータ基板15とが積層されて構
成される。上記基準ガス室10は,基準ガス側電極12
が設けられた一端が閉塞端102で,他端がガスセンサ
素子1の外部に対して開口した開口端101として構成
された溝状である。
10の閉塞端102における角部100は曲面によって
構成され,上記基準ガス室10の幅方向中心を通る軸方
向に平行な平面で切った軸方向断面形状において(図3
にかかる破線C参照),上記角部100の曲率半径は1
mm〜20mmの範囲内にある。
素子1は,図4に示すごときガスセンサ2に内蔵され,
自動車エンジンの排気系に取付け,エンジンの燃焼制御
に利用される。図1〜図3に示すごとく,本例のガスセ
ンサ素子1は,酸素イオン導電性のジルコニア系の固体
電解質板13と,アルミナ製の絶縁体よりなるスペーサ
ー板14と,アルミナ製のヒータ基板15とが積層され
ている。
側電極11と基準ガス側電極12が設けてある。また,
被測定ガス側電極11は電極保護層135で覆われてい
る。なお,図示は略したが,被測定ガス側電極11,基
準ガス側電極12と電気的に導通した出力取出し用の端
子部とリード部とが,上記固体電解質板13に設けてあ
る。また,上記ヒータ基板15には,発熱体150と電
気的に導通されたリード部151が共に設けてある。
サ素子1の長手方向について湾曲した形状を有し,その
曲率半径は,図3にかかる破線Cに沿って測った値が採
用される。本例にかかるガスセンサ素子1の曲率半径は
10mmである。なお,上記破線Cは,ガスセンサ素子
1の幅方向(図3参照)の中心Oを通り,ガスセンサ素
子1の長手方向(図1及び図3参照)に平行な平面に沿
った切断面である。
ガスセンサ2について説明する。図4に示すごとく,本
例のガスセンサ2は,筒状のハウジング20と該ハウジ
ング20の先端側に設けられた二重の被測定ガス側カバ
ー21と,基端側に設けられた大気側カバー22とを有
する。大気側カバー22の基端側には,撥水フィルタ2
20を介して外側カバー221が設けてある。ハウジン
グ20の内側には,先端側絶縁碍子241に挿通された
ガスセンサ素子1が挿通配置され,またガスセンサ素子
1の基端側で大気側カバーの内部には基端側絶縁碍子2
42が配置されている。
素子1の出力取出し用の端子231が配置され,この端
子231は接続金具232を介して,ガスセンサ1の外
部に引き出されるリード線233に接続されている。ま
た,大気側カバー22の最も基端側の内部には弾性絶縁
部材25が設けてあって,ここにリード線233が挿通
される。
本例に示した基準ガス室10は,角部100の曲面が上
述した範囲の曲率半径を有するため,熱応力による損傷
が生じ難く,幅広い温度範囲の冷熱サイクルに耐えられ
るガスセンサ素子1を得ることができる。また,機械的
応力による損傷が生じ難く,衝撃に強いガスセンサ素子
1を得ることができる。
部100での基準ガスの淀みが生じ難くなる。すなわ
ち,開口端101から入った基準ガスは基準ガス室10
の形状に沿って移動して,角部100の曲面形状によ
り,スムーズに基準ガス側電極12に対しガイドされ
る。このため,応答性に優れたガスセンサ素子1を得る
ことができる。更に,角部100が曲面状となった分,
図1より明らかであるが,発熱体150から基準ガス電
極12に至る伝熱経路がより長くスペーサー板14内部
を通ることとなる。よって,発熱体150の熱が基準ガ
ス側電極12に伝導しやすく,早期活性に優れるガスセ
ンサ素子1を得ることができる。
による損傷や不良が生じ難く,耐久性に優れ,応答性,
早期活性に優れたガスセンサ素子を提供することができ
る。
異なる構成の素子として,内燃機関の排気系に設置して
A/Fセンサ素子として利用できるものが挙げられる。
このものは,図1に示した電極保護層135のかわり
に,図5に示すごとく,被測定ガス側電極11が拡散抵
抗層136と遮閉層137に覆われている。このものに
ついても,本例と同様に基準ガス室10の角部100を
曲面状とすることで,本例と同様の効果を得ることがで
きる。
1であって,基準ガス室100の形状が,ガスセンサ素
子1の長手方向だけでなく,幅方向についても曲面状と
なった例である。図5及び図6に示すごとく,本例のガ
スセンサ素子1は,角部100が曲面状の基準ガス室1
0を有する。角部100は,図6(b)より明らかであ
るが,ガスセンサ素子1の幅方向についても曲面状とな
っている。その他は実施形態例1と同様であり,同様の
作用効果を有する。
1の製造方法について詳細に説明する。まず,製造方法
の概略について記載する。図7に示すごとく,電極保護
層用生シート535,固体電解質板用生シート53,ス
ペーサー板用生シート54,ヒータ基板用生シート55
をそれぞれ準備する。
ち,図8に示すごとく,固体電解質板用生シート53に
電極形成用の印刷部530を,ヒータ基板用生シート5
5に発熱体用の印刷部550をそれぞれ設ける。また,
スペーサー板用生シート54に溝加工を施して,基準ガ
ス室100となる一端が閉塞し,他端が開放された溝部
540を形成する。
生シート55にスペーサー板用生シート55を積層し,
これらに対し更に固体電解質板用生シート53及び電極
保護層用生シート535を積層し,図9(a)に示すご
とく,接着剤にて貼り合わせて未焼積層体とする。得ら
れた未焼積層体をガスセンサ素子単位に,図9(b)に
示すごとく,個片化し,得られた個片56を焼成して,
図9(c)に示すごとく,ガスセンサ素子1を得る。
各生シート535,53,54,55を押出成形装置
(図示略)で作成する。図7には,図面上から順に,電
極保護層用生シート535(アルミナ組成厚さ0.15
mm),固体電解質板用生シート53(ジルコニア組成
厚さ0.2mm),スペーサー板用生シート54(アル
ミナ組成厚さ1.5mm),ヒータ基板用生シート55
(アルミナ組成厚さ0.2mm)が記載されている。
ーサー板用生シート54,ヒータ基板用生シート55の
寸法は70mm×90mmで,保護層用生シート535
の寸法は70mmmm×35mmである。なお,上記ス
ペーサー板用生シート54は,下記に記載した溝加工を
施した後に上記寸法に調整する。
溝加工を施して,基準ガス室100用の溝部540を形
成する詳細について説明する。まず,押出成形された直
後のスペーサー板用生シート54の水分量を調整する。
上記生シート54を,図10に示すごとく,パンチング
メタルからなる足つきトレイ549の上に載置して,最
大でトレイ549を10段重ねとして,温度を50度に
維持したオーブン内に置いて乾燥する。この乾燥によ
り,生シート54の水分量を11±0.5%に設定す
る。なお,水分量が少なすぎると生シート54に割れが
発生するおそれがあり,水分量が多いと形が安定しない
おそれがある。乾燥終了後,生シート54を所定の寸法
に切断する。
ついて説明する。図11に示すごとく,金型は上型61
と下型62とよりなり,上型61の型面610に溝形成
用の凸部611が設けてある。下型62の周囲には下補
助具629が配置され,上型61の型面610と反対側
には上補助具619が取付けてある。また,下型62の
型面620の周囲には,パッキン628が配置される。
面620に対し,離型シート545をはさんで,上記生
シート54をセットする。続いて,上型61を下型62
に対してセットし,プレス成形を行なう。この時,金型
温度は80℃,成形圧力は77MPa,成形時間は15
秒とした。成形終了後,型開きし,溝が形成された生シ
ート54を取り出し,離型シート545をはがす。
らなる足つきトレイ(図10と同様のトレイ549を使
用する)に載置して,最大でトレイを10段重ねとし
た。これを温度95℃に保持したオーブン内に2時間お
いて乾燥させる。乾燥終了後の生シート54は全体にう
ねりが生じ,その表面は凹凸が形成されている。上記う
ねりと凹凸を除去するために,次の手順で平滑化プレス
を生シート54に施す。
上下の両面を離型シート545で挟み,平プレス型にセ
ットする。この平プレス型は,上型63,下型64の型
面630,640がそれぞれ平面に構成されている。そ
して,下型64の型面640に離型シート545で挟ん
だ生シート54を配置し,上型63をセットして,平プ
レスを施す。この時,金型温度は80℃,圧力は8.5
MPa,時間は15秒とした。平プレス終了後,型開き
し,離型シート545をはがして,スペーサー用生シー
ト54を取り出す。その後,溝ピッチ,溝形状,シート
反り(1mm以下とする必要がある),シート表面荒さ
(5μm以下とする必要がある),外観検査を行って,
不良品を除去する。
対し,被測定ガス側電極及び基準ガス側電極用,また各
端子部用,端子部と電極とを結ぶリード部用等の印刷部
530を設ける。この印刷部は導電性ペーストであるP
tペーストを生シート53に対しスクリーン印刷するこ
とにより形成した。また,同様に,上記ヒータ基板用生
シート55に対し,発熱体用,発熱体に通電する際に利
用されるリード部用,端子部用の印刷部550を,導電
性ペーストであるPtペーストを生シート55に対しス
クリーン印刷することにより形成した。
53,54,55に対し接着剤を全面塗布して,図9
(a)に示すごとく積層する。これにより得られた未焼
積層体を切断し,図9(b)に示すごとく,ガスセンサ
素子1個分に個片化する。得られた個片56を1470
℃,2時間で焼成し,ガスセンサ素子1を得る。
た製造方法において,スペーサー板用生シート54は基
準ガス室形成用の溝部が設けてある。この溝部は貫通し
ない凹所としてスペーサー板用生シート54に形成され
る。前述した図16に示される従来構成と異なり,基準
ガス室をスペーサー用生シート54に設けた溝より構成
してあるため,スペーサー板−アルミナ基板の剥離によ
る各種の不良,トラブルをなくすことができる。また,
各生シート535,53,54,55は接着剤にて貼り
合わされているため,シート間が強く接合されており,
シート間剥離による各種の不良,トラブルも生じ難い。
方法において,生シート54に対する溝加工の方法とし
て切削加工を選択した場合について説明する。図13に
本例において使用する切削加工用の切削刃7を示す。切
削刃7は,12角形の本体部70と,該本体部70の周
方向側面に設けた4箇所の突起部71と,該突起部71
に対し設けたダイヤモンド刃711とよりなる。図14
はダイヤモンド刃711を図13に示す方向Sからみた
形状を示した図面である。
く,生シート54の一端から,他端に向けて,切削刃7
を矢線T1方向に回転させながら,T2の方向へと移動
させる。そして,所望の位置,すなわち,基準ガス室と
して必要な長さの溝を切削形成した時点で切削刃7を停
止,生シート54上方へ切削刃7を引上げる。
く,ガスセンサ素子を複数個取り可能な大きさに生シー
トを作成した場合は,各溝を作製するに当り,1つの切
削刃7を何度か用いて,所望の個数の溝加工を施すこと
もできるが,図示は略したが,連動して稼働可能に構成
した所望の個数の切削刃7を用いて,複数の溝加工を同
時に行なうほうがよい。生シート54の溝加工以外は実
施形態例3と同様である。
刃7を用いた切削加工で行なっているため,溝ピッチ,
溝形状を精度よく加工することができる。その他は実施
形態例3と同様の作用効果を有する。
説明図(図2にかかるB−B矢視断面図)。
説明図(図1にかかるA−A矢視断面図)。
部説明図。
図。
て利用可能なガスセンサ素子の説明図。
部の要部説明図,(b)ガスセンサ素子の断面説明図。
た各生シートの斜視図。
片化,焼成し,ガスセンサ素子を作製した際の説明図。
なう際の説明図。
ける際の説明図。
トを平プレスする際の説明図。
いる切削刃を示す説明図。
ド刃について示す説明図。
の加工について示す説明図。
図。
Claims (4)
- 【請求項1】 被測定ガスに接する被測定ガス側電極と
基準ガスに接する基準ガス側電極とを備えた固体電解質
板と,上記基準ガス側電極と対面し,一端が閉塞端で,
他端がガスセンサ素子の外部に対して開口した開口端と
して構成された溝状であり,基準ガスを導入するよう構
成された基準ガス室を備えたスペーサー板と,通電によ
り発熱する発熱体を備えたヒータ基板とが積層されたガ
スセンサ素子であって,上記基準ガス室の閉塞端におけ
る角部は曲面によって構成され,上記基準ガス室の幅方
向中心を通り,幅方向と垂直に交わる長手方向に平行な
平面に沿った切断面において,上記角部の曲率半径は1
mm〜20mmであることを特徴とするガスセンサ素
子。 - 【請求項2】 被測定ガスに接する被測定ガス側電極と
基準ガスに接する基準ガス側電極とを備えた固体電解質
板と,上記基準ガス側電極と対面し,一端が閉塞端で,
他端がガスセンサ素子の外部に対して開口した開口端と
して構成された溝状であり,基準ガスを導入するよう構
成された基準ガス室を備えたスペーサー板と,通電によ
り発熱する発熱体を備えたヒータ基板とが積層されてな
ると共に,上記基準ガス室の閉塞端における角部は曲面
によって構成されたガスセンサ素子を製造するにあた
り,固体電解質板用生シート,スペーサー板用生シー
ト,ヒータ基板用生シートをそれぞれ準備し,固体電解
質板用生シートに電極形成用の印刷部を,ヒータ基板用
生シートに発熱体用の印刷部をそれぞれ設け,スペーサ
ー板用生シートに溝加工を施して,基準ガス室となる閉
塞端と開放端とを備え,閉塞端の角部が曲面によって構
成された溝部を形成し,ヒータ基板用生シートにスペー
サー板用生シートを積層し,これらに対し更に固体電解
質板用生シートを積層し,接着剤にて貼り合わせて未焼
積層体となし,その後,未焼積層体を焼成することを特
徴とするガスセンサ素子の製造方法。 - 【請求項3】 請求項2において,上記溝加工は切削加
工により行なうことを特徴とするガスセンサ素子の製造
方法。 - 【請求項4】 請求項2または3のいずれか一項におい
て,上記溝加工はプレス加工により行なうことを特徴と
するガスセンサ素子の製造方法。
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2001148305A JP4572486B2 (ja) | 2001-05-17 | 2001-05-17 | ガスセンサ素子及びその製造方法 |
Applications Claiming Priority (1)
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