JP2020094831A - ガスセンサ素子の製造方法、ガスセンサ素子およびガスセンサ - Google Patents
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Abstract
Description
有底筒状のガスセンサ素子には、固体電解質体と、その表面に設けられた電極と、を備えるものがある。なお、電極としては、例えば、固体電解質体の外表面に設けられた外側電極と、固体電解質体の内表面に設けられた内側電極と、が挙げられる。
ガスセンサ素子は、有底筒型の固体電解質体と、電極と、を備える。電極は、固体電解質体の表面に設けられ、導電性金属材料で形成されている。固体電解質体は、固体電解質体の表面のうち電極の形成領域において多孔質層を備えている。多孔質層は、自身の表面のうち少なくとも2箇所で多孔質層の外部に連通するように形成された孔部を備えている。
このように多孔質層の厚さ寸法が規定されたガスセンサ素子においては、多孔質層のうち深い部分まで電極が入り込んだ状態となるため、多孔質層からの電極の剥離をより好適に抑制できる。
この製造方法により製造されるガスセンサ素子は、多孔質層の一部が露出した状態で電極が形成されるため、三相界面(電極、多孔質層、測定対象ガスの三者が接する界面)を広く形成でき、ガス検出精度を向上できる。
電極は、固体電解質体の表面に設けられ、導電性金属材料で形成されている。多孔質層は、固体電解質体の表面のうち電極の形成領域に形成される。多孔質層は、自身の表面のうち少なくとも2箇所で多孔質層の外部に連通するように形成された孔部を備えている。電極は、多孔質層のうち孔部の内部に電極の一部が配置されている。電極は、多孔質層の表面において、多孔質層の一部が露出する状態で形成されている。
尚、本開示は、以下の実施形態に何ら限定されるものではなく、本開示の技術的範囲に属する限り種々の形態を採り得ることはいうまでもない。
[1−1.全体構成]
第1実施形態として、内燃機関の排気管に対して先端部分を排気管内に突出させる形態で装着し、排気ガス中の酸素を検出する酸素センサ(以下、ガスセンサ1ともいう)を例に挙げて説明する。なお、ガスセンサ1は、例えば、自動車またはオートバイ等の車両の排気管に取り付けられ、排気管内の排気ガスに含まれる酸素濃度を検出する。
図1では、図面下方向がガスセンサの先端側であり、図面上方向がガスセンサの後端側である。
素子本体21の外周面のうち外側電極27と環状リード部28との間には、Pt等で形成された縦リード部29が軸線方向に延びるように形成されている。縦リード部29は、外側電極27と環状リード部28とを電気的に接続している。
このうち、縮径部19gは、閉塞部材7よりも後端側にて、径方向内側に延びており、縮径部19gの先端向き面19aは、ガスセンサ1の先端側に向く面として備えられている。縮径部19gの中央領域には、リード線11およびリード線保護部材89を挿通するためのリード線挿通部19cが形成されている。
端子金具9は、導電性材料(例えばインコネル750(英インコネル社、商標名))で形成されており、センサ出力を外部に取り出すための導電性材料で構成される筒状部材である。端子金具9は、リード線11に電気的に接続されると共に、ガスセンサ素子3の内側電極30に電気的に接触するように配置されている。端子金具9は、その後端側に径方向(軸線方向と垂直の方向)の外向きに突出するフランジ部77を備えている。フランジ部77は、3枚の板状のフランジ片75を備えている。
主体金具13は、金属材料(例えば鉄またはSUS430)で形成された円筒状の部材である。主体金具13には、内周面において径方向内側に向かって張り出した段部39が周設されている。段部39は、ガスセンサ素子3の素子鍔部23を支持するために備えられている。
ガスセンサ素子3の構成について説明する。
ガスセンサ素子3は、上述の通り、素子本体21と、外側電極27と、環状リード部28と、縦リード部29と、内側電極30と、保護層31と、を備えている。
ガスセンサ素子3の先端部25においては、外側電極27および内側電極30が素子本体21を挟み込むように配置されている。
なお、図3では、各層や電極の積層構造を説明するために模式的に表したものであり、各層や電極における厚さ寸法の相対的な比率は、実際の比率とは異なる。また、図4では、多孔質層21aおよび外側電極27を厳密に表すことが難しいため、多孔質層21aおよび外側電極27を同一層として模式的に表している。ここでの「厚さ寸法」とは、素子本体21の表面に対する垂直方向の寸法を意味している。例えば、厚さ寸法T1は、多孔質層21aにおける内面から外面までの寸法であって、素子本体21の表面に対する垂直方向の寸法である。
ガスセンサ素子3の製造方法について説明する。
本実施形態のガスセンサ素子の製造方法では、少なくとも、未焼結成形体製造工程、多孔質層用スラリー塗布工程、乾燥工程、多孔質層形成工程、メッキ工程、電極形成工程、保護層形成工程の各工程を実行する。
このあと、焼成体のうち保護層31の形成部分を、貴金属を含有する水溶液(塩化Pt酸溶液+硝酸Pd溶液+硝酸Rh溶液)に浸漬した後、乾燥処理を施し、さらに800℃で熱処理した。
このようにして製造されたガスセンサ素子3は、セパレータ5、閉塞部材7、端子金具9、リード線11などと組み付けられることで、ガスセンサ1の一部を構成する。
以上説明したように、本実施形態のガスセンサ1に備えられるガスセンサ素子3の製造方法は、多孔質層形成工程と、メッキ工程と、電極形成工程と、を有する。
ここで、本実施形態における文言の対応関係について説明する。
ガスセンサ1がガスセンサの一例に相当し、ガスセンサ素子3がガスセンサ素子の一例に相当し、素子本体21が固体電解質体の一例に相当し、外側電極27が電極の一例に相当する。多孔質層21aが多孔質層の一例に相当し、孔部21bが孔部の一例に相当し、造孔剤115が気孔化剤の一例に相当する。主体金具13が支持部の一例に相当する。
以上、本開示の実施形態について説明したが、本開示は上記実施形態に限定されるものではなく、本開示の要旨を逸脱しない範囲において、様々な態様にて実施することが可能である。
例えば、多孔質層形成工程は、未焼成固体電解質材料のうち多孔質層の形成領域における未焼成固体電解質材料として、未焼成固体電解質材料のうち他の部位よりも焼成し難い材料を用いて、未焼成固体電解質材料を焼成することで、孔部を有する前記多孔質層を形成する工程であってもよい。なお、焼成し難い材料とは、焼成温度が高い材料と同義である。
多孔質層形成工程は、素子本体(未焼結成形体)を所定の焼成温度で焼成することで実現できる。これにより、孔部を有する内側多孔質層を形成できるとともに、内側多孔質層を有する素子本体が得られる。
Claims (11)
- 有底筒型の固体電解質体と、
前記固体電解質体の表面に設けられた導電性金属材料で形成された電極と、
を備えるガスセンサ素子の製造方法であって、
前記固体電解質体は、前記固体電解質体の表面のうち前記電極の形成領域において多孔質層を備え、
前記多孔質層は、自身の表面のうち少なくとも2箇所で前記多孔質層の外部に連通するように形成された孔部を備えており、
予め定められた焼成温度で有底筒型の未焼成固体電解質材料を焼成して前記固体電解質体を形成するとともに、前記多孔質層を形成する多孔質層形成工程と、
前記多孔質層形成工程の後、前記多孔質層の前記孔部に導電性金属材料を析出させるメッキ工程と、
前記メッキ工程の後、前記焼成温度よりも低い熱処理温度で前記孔部に析出した前記導電性金属材料の熱処理を行い、前記電極を形成する電極形成工程と、
を有するガスセンサ素子の製造方法。 - 前記多孔質層形成工程は、前記未焼成固体電解質材料のうち前記多孔質層の形成領域に気孔化剤を含有させて前記未焼成固体電解質材料を焼成することで、前記孔部を有する前記多孔質層を形成する工程である、
請求項1に記載のガスセンサ素子の製造方法。 - 前記多孔質層形成工程は、前記未焼成固体電解質材料のうち前記多孔質層の形成領域における未焼成固体電解質材料として、前記未焼成固体電解質材料のうち他の部位よりも焼成し難い材料を用いて、前記未焼成固体電解質材料を焼成することで、前記孔部を有する前記多孔質層を形成する工程である、
請求項1に記載のガスセンサ素子の製造方法。 - 前記多孔質層形成工程は、前記未焼成固体電解質材料のうち前記多孔質層の形成領域に溶融剤を含有させて前記未焼成固体電解質材料を焼成した後、前記溶融剤を溶融させて除去することで、前記孔部を有する前記多孔質層を形成する工程である、
請求項1に記載のガスセンサ素子の製造方法。 - 前記電極の前記導電性金属材料は、PtまたはPt合金である、
請求項1から請求項4のうちいずれか一項に記載のガスセンサ素子の製造方法。 - 前記多孔質層の厚さ寸法は、前記電極のうち前記多孔質層の外側に形成される部位の最大厚さ寸法の2倍以上である、
請求項1から請求項5のうちいずれか一項に記載のガスセンサ素子の製造方法。 - 前記電極は、前記多孔質層の表面において、前記多孔質層の一部が露出する状態で形成されている、
請求項1から請求項6のうちいずれか一項に記載のガスセンサ素子の製造方法。 - 前記電極は、前記固体電解質体の外表面に設けられた外側電極である、
請求項1から請求項7のうちいずれか一項に記載のガスセンサ素子の製造方法。 - 有底筒型の固体電解質体と、
前記固体電解質体の表面に設けられた導電性金属材料で形成された電極と、
を備えるガスセンサ素子であって、
前記固体電解質体は、前記固体電解質体の表面のうち前記電極の形成領域において多孔質層を備え、
前記多孔質層は、自身の表面のうち少なくとも2箇所で前記多孔質層の外部に連通するように形成された孔部を備えており、
前記電極は、前記多孔質層のうち前記孔部の内部に前記電極の一部が配置されており、
前記電極は、前記多孔質層の表面において、前記多孔質層の一部が露出する状態で形成されている、
ガスセンサ素子。 - 前記電極は、前記固体電解質体の外表面に設けられた外側電極である、
請求項9に記載のガスセンサ素子。 - 測定対象ガスに含まれる特定ガスを検出するガスセンサ素子と、
前記ガスセンサ素子を支持する支持部と、
を備えるガスセンサであって、
前記ガスセンサ素子は、請求項9または請求項10に記載のガスセンサ素子である、
ガスセンサ。
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