JP5387550B2 - Method for manufacturing gas sensor element - Google Patents
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Description
本発明は、被測定ガス中の特定ガス濃度を検出するガスセンサ素子の製造方法に関する。 The present invention relates to a method for manufacturing a gas sensor element for detecting a specific gas concentration in a gas to be measured.
車両用の内燃機関等の排気系には、排ガス等の被測定ガス中における特定ガス濃度(例えば、酸素濃度)を検出するガスセンサが配設されている。
ガスセンサには、例えば、酸素イオン伝導性の固体電解質体と、その固体電解質体の一方の面と他方の面とにそれぞれ設けた被測定ガス側電極及び基準ガス側電極と、被測定ガス側電極を覆うと共に被測定ガスを透過させる多孔質の拡散抵抗層とを有するガスセンサ素子が内蔵されている。
An exhaust system such as an internal combustion engine for a vehicle is provided with a gas sensor that detects a specific gas concentration (for example, oxygen concentration) in a measured gas such as exhaust gas.
Examples of the gas sensor include an oxygen ion conductive solid electrolyte body, a gas side electrode to be measured and a reference gas side electrode provided on one surface and the other surface of the solid electrolyte body, and a gas side electrode to be measured. And a gas sensor element having a porous diffusion resistance layer that allows the gas to be measured to pass therethrough.
ガスセンサ素子には、被測定ガスの導入口となる拡散抵抗層の外表面が多孔質の保護層によって覆われた構造を有するものがある。このような構造とすることにより、被測定ガスである排ガス中の被毒物質(例えば、鉛、ガラス、リン等)を多孔質の保護層においてトラップし、被測定ガス側電極の被毒劣化及びそれに伴うセンサ特性の低下を防止している。 Some gas sensor elements have a structure in which an outer surface of a diffusion resistance layer serving as an inlet for a gas to be measured is covered with a porous protective layer. By adopting such a structure, poisonous substances (for example, lead, glass, phosphorus, etc.) in the exhaust gas that is the gas to be measured are trapped in the porous protective layer, and the gas-side electrode to be measured is deteriorated by poisoning. This prevents the deterioration of sensor characteristics.
上記構造のガスセンサ素子は、例えば、固体電解質体、拡散抵抗層等を構成する複数のセラミックシートを積層して焼成し、素子本体部を作製した後、その素子本体部の拡散抵抗層の外表面にペースト状の保護層形成用材料を塗布して焼成し、保護層を形成することによって製造される(特許文献1、2参照)。
The gas sensor element having the above structure, for example, after laminating and firing a plurality of ceramic sheets constituting a solid electrolyte body, a diffusion resistance layer, etc., and producing an element main body, the outer surface of the diffusion resistance layer of the element main body It is manufactured by applying a paste-like material for forming a protective layer and baking it to form a protective layer (see
しかしながら、従来のガスセンサ素子の製造方法では、予め作製した素子本体部にペースト状の保護層形成用材料を塗布して焼成する。すなわち、保護層形成用材料を焼成して保護層を形成する際には、1度焼成した状態の素子本体部と焼成していない状態の保護層形成用材料とを同時に焼成するため、両者の焼成収縮率が大きく異なってくる。これにより、素子本体部との界面において保護層の剥離が生じるという問題があった。
また、保護層に剥離が生じると、その保護層の機能を十分に発揮することができず、ガスセンサ素子の耐被毒性やセンサ特性が低下してしまうという問題があった。
However, in the conventional method for manufacturing a gas sensor element, a paste-form protective layer forming material is applied to a previously produced element body and fired. That is, when the protective layer forming material is baked to form the protective layer, the element body portion that has been baked once and the protective layer forming material that has not been baked are simultaneously baked. The firing shrinkage varies greatly. As a result, there is a problem that the protective layer is peeled off at the interface with the element body.
Further, when the protective layer is peeled off, the function of the protective layer cannot be fully exhibited, and there is a problem that the poisoning resistance and sensor characteristics of the gas sensor element are deteriorated.
本発明は、かかる問題点に鑑みてなされたもので、保護層の機能を維持しながら、その保護層の剥離を防止することができるガスセンサ素子の製造方法を提供しようとするものである。 This invention is made | formed in view of this problem, and it aims at providing the manufacturing method of the gas sensor element which can prevent peeling of the protective layer, maintaining the function of a protective layer.
本発明は、酸素イオン伝導性の固体電解質体と、該固体電解質体の一方の面と他方の面とにそれぞれ設けられた被測定ガス側電極及び基準ガス側電極と、上記被測定ガス側電極に接触させる被測定ガスを透過させる多孔質の拡散抵抗層とを有する素子本体部と、該素子本体部において上記被測定ガスを導入する上記拡散抵抗層の外表面上に形成された保護層とを備えたガスセンサ素子を製造する方法であって、
上記保護層を形成するに当たっては、少なくとも、セラミック粒子と、アクリル樹脂粒子からなると共に焼成により焼失する焼失性粒子と、水又は有機溶剤からなる溶媒と、該溶媒に可溶性の有機バインダ樹脂とを含有する保護層形成用材料を作製する保護層形成用材料作製工程と、
上記保護層形成用材料を上記素子本体部の上記拡散抵抗層の上記外表面上に塗布する塗布工程と、
該塗布工程後の上記保護層形成用材料を乾燥させ、該保護層形成用材料中の上記溶媒を除去する乾燥工程と、
上記保護層形成用材料を焼成し、上記保護層を形成する焼成工程とを行い、
上記乾燥工程後の上記保護層形成用材料における上記焼失性粒子の含有率は、30〜60体積%であり、
上記保護層形成用材料における上記焼失性粒子の焼失開始温度は、上記有機バインダ樹脂の焼失開始温度よりも高いことを特徴とするガスセンサ素子の製造方法にある(請求項1)。
The present invention provides an oxygen ion conductive solid electrolyte body, a measured gas side electrode and a reference gas side electrode provided on one surface and the other surface of the solid electrolyte body, and the measured gas side electrode, respectively. An element main body having a porous diffusion resistance layer that allows a gas to be measured to be in contact therewith, and a protective layer formed on the outer surface of the diffusion resistance layer that introduces the gas to be measured in the element main body; A method of manufacturing a gas sensor element comprising:
In forming the protective layer, it contains at least ceramic particles, acrylic resin particles and burnt-down particles burned off by firing, water or an organic solvent, and an organic binder resin soluble in the solvent. A protective layer forming material manufacturing step of manufacturing a protective layer forming material to be performed;
An application step of applying the protective layer forming material on the outer surface of the diffusion resistance layer of the element body;
Drying the protective layer forming material after the coating step, and removing the solvent in the protective layer forming material;
Firing the protective layer forming material, and performing a firing step to form the protective layer,
The content of the burnable particles in the protective layer-forming material after the drying step is 30 to 60% by volume,
In the method for producing a gas sensor element, the burning start temperature of the burnable particles in the protective layer forming material is higher than the burning start temperature of the organic binder resin.
上記のガスセンサ素子の製造方法において、上記保護層を形成するに当たっては、上記保護層形成用材料作製工程、上記塗布工程及び上記焼成工程を行う。また、上記保護層形成用材料作製工程において作製する保護層形成用材料には、少なくとも、セラミック粒子、焼成により焼失する焼失性粒子、溶媒及び有機バインダ樹脂が含有されている。そして、上記保護層形成用材料における焼失性粒子の焼失開始温度は、有機バインダ樹脂の焼失開始温度よりも高い。 In the gas sensor element manufacturing method, the protective layer forming material preparation step, the coating step, and the baking step are performed when the protective layer is formed. Further, the protective layer forming material produced in the protective layer forming material producing step contains at least ceramic particles, burnable particles burned off by firing, a solvent, and an organic binder resin. And the burning start temperature of the burnable particles in the protective layer forming material is higher than the burning start temperature of the organic binder resin.
そのため、上記焼成工程において、上記焼失性粒子は、有機バインダ樹脂の焼失が開始される段階で保護層形成用材料中に残留しており、その保護層形成用材料の骨格をセラミック粒子と共に形成している。したがって、保護層形成用材料の骨格がある程度維持された状態で有機バインダ樹脂が焼失することになる。これにより、有機バインダ樹脂の焼失に伴う保護層形成用材料の収縮を抑制することができ、保護層形成用材料の焼成収縮率を低減することができる。その結果、素子本体部とその素子本体部に塗布した保護層形成用材料との焼成収縮率の差を低減することができ、素子本体部からの保護層の剥離を防止することができる。 Therefore, in the firing step, the burnable particles remain in the protective layer forming material at the stage where the organic binder resin starts to be burned out, and the skeleton of the protective layer forming material is formed together with the ceramic particles. ing. Therefore, the organic binder resin is burned out in a state where the skeleton of the protective layer forming material is maintained to some extent. Thereby, shrinkage | contraction of the protective layer forming material accompanying the burning-out of organic binder resin can be suppressed, and the baking shrinkage rate of the protective layer forming material can be reduced. As a result, the difference in firing shrinkage ratio between the element body and the protective layer forming material applied to the element body can be reduced, and peeling of the protective layer from the element body can be prevented.
また、上記焼失性粒子は、最終的に焼成により焼失するため、形成された保護層には存在しない。これにより、上記焼失性粒子によって保護層の機能が損なわれることはない。すなわち、本来得ようとする保護層の機能、例えば被測定ガス中の被毒物質をトラップする等の機能を維持することができる。 In addition, the burnable particles are finally burned off by firing, and thus do not exist in the formed protective layer. Thereby, the function of the protective layer is not impaired by the burnable particles. That is, it is possible to maintain the function of the protective layer to be originally obtained, for example, the function of trapping poisonous substances in the measurement gas.
このように、本発明によれば、保護層の機能を維持しながら、その保護層の剥離を防止することができるガスセンサ素子の製造方法を提供しようとするものである。 Thus, according to the present invention, it is intended to provide a method for manufacturing a gas sensor element that can prevent peeling of the protective layer while maintaining the function of the protective layer.
上記ガスセンサ素子は、例えば、車両用の内燃機関等の排気系に配設され、被測定ガス(排ガス)中の特定ガス濃度(酸素濃度)に依存して電極間を流れる限界電流を基に内燃機関に供給される混合気の空燃比(A/F)を検出するA/Fセンサ素子、被測定ガス(排ガス)と基準ガス(大気)との間の特定ガス濃度(酸素濃度)比に依存して電極間に生じる起電力を基に空燃比を検出する酸素センサ素子等に適用される。 The gas sensor element is disposed in an exhaust system such as an internal combustion engine for a vehicle, for example, and is based on a limiting current flowing between electrodes depending on a specific gas concentration (oxygen concentration) in a measured gas (exhaust gas). A / F sensor element for detecting the air-fuel ratio (A / F) of the air-fuel mixture supplied to the engine, depending on the specific gas concentration (oxygen concentration) ratio between the measured gas (exhaust gas) and the reference gas (atmosphere) Thus, the present invention is applied to an oxygen sensor element that detects an air-fuel ratio based on an electromotive force generated between electrodes.
また、上記ガスセンサ素子は、被測定ガス側電極及び基準ガス側電極を設けた固体電解質体以外に、例えば、基準ガスを導入する基準ガス室の酸素濃度を調整するための酸素ポンプ用の固体電解質体等を備えたものであってもよい。
また、上記ガスセンサ素子は、例えば、固体電解質体、拡散抵抗層等を積層して構成された積層型のガスセンサ素子であってもよいし、先端が閉塞されると共に基端が開放された固体電解質体を有するコップ型のガスセンサ素子であってもよい。
In addition to the solid electrolyte body provided with the gas side electrode to be measured and the reference gas side electrode, the gas sensor element is, for example, a solid electrolyte for an oxygen pump for adjusting the oxygen concentration in a reference gas chamber into which a reference gas is introduced. A body or the like may be provided.
Further, the gas sensor element may be, for example, a stacked gas sensor element formed by laminating a solid electrolyte body, a diffusion resistance layer, or the like, or a solid electrolyte having a closed end and an open base end A cup-type gas sensor element having a body may be used.
また、上記塗布工程では、予め作製しておいた素子本体部の拡散抵抗層の外表面上に保護層形成用材料を塗布する。ここで、上記素子本体部は、例えば、固体電解質体、拡散抵抗層等を構成する複数のセラミックシートを積層し、これを焼成することによって作製することができる。 In the application step, a protective layer forming material is applied on the outer surface of the diffusion resistance layer of the element main body prepared in advance. Here, the element main body can be produced, for example, by laminating a plurality of ceramic sheets constituting a solid electrolyte body, a diffusion resistance layer, and the like, and firing them.
また、上記塗布工程では、例えば、ペースト状の保護層形成用材料をパッド印刷やスクリーン印刷によって塗布したり、スラリー状の保護層形成用材料を吹き付けることによって塗布したり、スラリー状の保護層形成用材料中に素子本体部をディッピングすることによって塗布したりすることができる。
また、上記塗布工程では、保護層形成用材料を少なくとも素子本体部の拡散抵抗層の外表面上に塗布する。例えば、保護層形成用材料を拡散抵抗層の外表面を含む素子本体部の外周面上の一部に塗布したり、全周にわたって塗布したりしてもよい。
In the application step, for example, a paste-like protective layer forming material is applied by pad printing or screen printing, a slurry-like protective layer forming material is applied, or a slurry-like protective layer is formed. It can be applied by dipping the element body in the material.
In the application step, the protective layer forming material is applied at least on the outer surface of the diffusion resistance layer of the element body. For example, the protective layer forming material may be applied to a part of the outer peripheral surface of the element body including the outer surface of the diffusion resistance layer, or may be applied over the entire periphery.
また、上記保護層は、少なくとも、素子本体部において被測定ガスの導入口となる拡散抵抗層の外表面上に形成されており、主な機能としては、被測定ガスである排ガス中の被毒物質(例えば、鉛、ガラス、リン等)をトラップし、被測定ガス側電極の被毒劣化及びそれに伴うセンサ特性の低下を防止することである。 The protective layer is formed at least on the outer surface of the diffusion resistance layer that serves as an inlet for the gas to be measured in the element body, and the main function is poisoning in the exhaust gas that is the gas to be measured. It is to trap substances (for example, lead, glass, phosphorus, etc.) and prevent poisoning deterioration of the gas side electrode to be measured and accompanying sensor characteristics deterioration.
また、上記保護層を例えば拡散抵抗層の外表面を含む素子本体部の外周面上の一部又は全周にわたって形成した場合には、上記保護層は、上述した被毒防止の機能に加えて、被水防止の機能をも併せ持つものとなる。すなわち、高温下で使用されるガスセンサ素子には、被水による熱衝撃の発生によって素子本体部に割れが生じるといった問題があるが、その被水による素子本体部の割れを上記保護層によって防止することができる。 In addition, when the protective layer is formed over a part or the entire circumference of the outer peripheral surface of the element body including the outer surface of the diffusion resistance layer, for example, the protective layer has the above-described poisoning prevention function. It also has the function of preventing water exposure. That is, the gas sensor element used at high temperatures has a problem that the element main body is cracked due to the occurrence of thermal shock due to water exposure, but the cracking of the element main body due to the water exposure is prevented by the protective layer. be able to.
また、上記保護層形成用材料における上記焼失性粒子の焼失開始温度は、上記有機バインダ樹脂の焼失開始温度よりも高い。例えば、焼失性粒子の焼失開始温度が有機バインダ樹脂の焼失開始温度よりも低い場合には、焼失性粒子の存在によって保護層形成用材料の骨格をある程度維持した状態で有機バインダ樹脂を焼失させるという効果を十分に得ることができないおそれがある。 The burning start temperature of the burnable particles in the protective layer forming material is higher than the burning start temperature of the organic binder resin. For example, when the burnout start temperature of the burnable particles is lower than the burnout start temperature of the organic binder resin, the organic binder resin is burned away while maintaining the skeleton of the protective layer forming material to some extent due to the presence of the burnable particles. There is a possibility that the effect cannot be obtained sufficiently.
また、上記焼失性粒子の焼失開始温度は、該焼失性粒子の粒子径を変化させることによって調整することができる。例えば、焼失性粒子の粒子径を大きくすることにより、該焼失性粒子の焼失開始温度を高くすることができる。これにより、使用する上記有機バインダ樹脂の焼失開始温度がわかっていれば、該有機バインダ樹脂の焼失開始温度よりも高くなるように、焼失性粒子の粒子径を調整すればよい。 Moreover, the burning start temperature of the burnable particles can be adjusted by changing the particle size of the burnable particles. For example, by increasing the particle size of the burnable particles, the burning start temperature of the burnable particles can be increased. Accordingly, if the burnout start temperature of the organic binder resin to be used is known, the particle size of the burnable particles may be adjusted so as to be higher than the burnout start temperature of the organic binder resin.
また、上記焼失性粒子及び上記有機バインダ樹脂の焼失開始温度は、例えば、TG/DTA(示差熱/熱重量同時測定法)により示差熱及び熱重量を測定することによって求めることができる。
具体的には、TG/DTAにより、空気雰囲気中、加熱昇温速度10℃/分の条件において、例えば、図12に示すようなTG/DTAの曲線が得られたとする。そして、同図に示すごとく、TG曲線において、減量前のベースライン部分Xの延長線xと、最初の急激な減量部分Yの接線yとの交点Zにおける温度Tを求め、これを焼失開始温度(熱分解開始温度)とする。
Moreover, the burning start temperature of the burnable particles and the organic binder resin can be determined, for example, by measuring differential heat and thermogravimetry by TG / DTA (differential heat / thermogravimetric simultaneous measurement method).
Specifically, it is assumed that, for example, a TG / DTA curve as shown in FIG. 12 is obtained by TG / DTA under the condition of a heating temperature increase rate of 10 ° C./min in an air atmosphere. Then, as shown in the figure, in the TG curve, the temperature T at the intersection Z between the extension line x of the baseline part X before weight reduction and the tangent line y of the first sudden weight loss part Y is obtained, and this is calculated as the burning start temperature. (Pyrolysis start temperature).
また、上記保護層形成用材料の焼成収縮率は、8.0%以下であることが好ましい。
この場合には、素子本体部からの保護層の剥離を防止するという効果を十分に発揮することができる。
なお、上記保護層形成用材料の焼成収縮率は、例えば、保護層形成用材料を用いて四角柱(直方体)状のサンプルを作製し、そのサンプルを所定の条件で焼成した場合の焼成前後の体積変化率を測定することにより求めることができる。
Moreover, it is preferable that the baking shrinkage rate of the said protective layer forming material is 8.0% or less.
In this case, the effect of preventing peeling of the protective layer from the element body can be sufficiently exhibited.
In addition, the firing shrinkage rate of the protective layer forming material is, for example, before and after firing when a square column (cuboid) sample is prepared using the protective layer forming material and the sample is fired under predetermined conditions. It can be determined by measuring the volume change rate.
また、上記焼失性粒子の焼失開始温度は、上記有機バインダ樹脂の焼失開始温度よりも35℃以上高いことが好ましい(請求項2)。
この場合には、焼失性粒子の存在によって保護層形成用材料の骨格をある程度維持した状態で有機バインダ樹脂を焼失させるという効果をより一層確実に得ることができる。
Moreover, it is preferable that the burning start temperature of the burnable particles is 35 ° C. or more higher than the burning start temperature of the organic binder resin.
In this case, the effect of burning out the organic binder resin while maintaining the skeleton of the protective layer forming material to some extent due to the presence of the burnable particles can be obtained more reliably.
また、上記塗布工程の後に、上記保護層形成用材料を乾燥させ、該保護層形成用材料中の上記溶媒を除去する乾燥工程を行い、該乾燥工程後の上記保護層形成用材料における上記焼失性粒子の含有率は、30〜60体積%であることが好ましい。
この場合には、焼失性粒子の存在によって有機バインダ樹脂の焼失に伴う保護層形成用材料の収縮を抑制するという効果を十分に発揮することができる。
In addition, after the coating step, the protective layer forming material is dried, a drying step of removing the solvent in the protective layer forming material is performed, and the burnout in the protective layer forming material after the drying step is performed. The content of the conductive particles is preferably 30 to 60% by volume .
In this case, the presence of the burnable particles can sufficiently exhibit the effect of suppressing the shrinkage of the protective layer forming material accompanying the burnout of the organic binder resin.
上記保護層形成用材料における上記焼失性粒子の含有率が30体積%未満の場合には、焼失性粒子によって保護層形成用材料の骨格を維持するという効果を十分に得ることができず、有機バインダ樹脂の焼失に伴う保護層形成用材料の収縮を抑制することができないおそれがある。一方、上記焼失性粒子の含有率が60体積%を超える場合には、保護層形成用材料中の粒子密度が高くなり、素子本体部に対して保護層形成用材料を塗布することが困難となるおそれがある。 When the content of the burnable particles in the protective layer forming material is less than 30% by volume, the effect of maintaining the skeleton of the protective layer forming material by the burnable particles cannot be sufficiently obtained, and organic There is a possibility that the shrinkage of the protective layer forming material due to the burnout of the binder resin cannot be suppressed. On the other hand, when the content of the burnable particles exceeds 60% by volume, the particle density in the protective layer forming material increases, and it is difficult to apply the protective layer forming material to the element body. There is a risk.
また、上記焼失性粒子の平均粒子径は、上記セラミック粒子の平均粒子径よりも小さいことが好ましい(請求項3)。
この場合には、セラミック粒子によって保護層形成用材料の骨格をある程度維持した状態で、焼失性粒子が焼失されるようにすることができる。これにより、保護層形成用材料の焼成収縮率をさらに低減することができる。
The average particle diameter of the burned particles is preferably smaller than the average particle diameter of the ceramic particles (claim 3).
In this case, the burnable particles can be burned out in a state where the skeleton of the protective layer forming material is maintained to some extent by the ceramic particles. Thereby, the baking shrinkage rate of the protective layer forming material can be further reduced.
上記焼失性粒子の平均粒子径が上記セラミック粒子の平均粒子径よりも大きい場合には、セラミック粒子によって保護層形成用材料の骨格をある程度維持した状態で、焼失性粒子が焼失されるようにすることが困難となるおそれがある。すなわち、焼失性粒子の焼失により、セラミック粒子によって保護層形成用材料の骨格を維持することができないおそれがある。 When the average particle size of the burnable particles is larger than the average particle size of the ceramic particles, the burnable particles are burned out while maintaining the skeleton of the protective layer forming material to some extent by the ceramic particles. May be difficult. That is, there is a possibility that the skeleton of the protective layer forming material cannot be maintained by the ceramic particles due to the burning of the burnable particles.
また、上記焼失性粒子の平均粒子径は、0.5〜4μmであることが好ましい(請求項4)。
この場合には、焼失性粒子の存在によって有機バインダ樹脂の焼失に伴う保護層形成用材料の収縮を抑制するという効果を十分に発揮することができる。
The average particle size of the burnable particles is preferably 0.5 to 4 μm.
In this case, the presence of the burnable particles can sufficiently exhibit the effect of suppressing the shrinkage of the protective layer forming material accompanying the burnout of the organic binder resin.
上記焼失性粒子の平均粒子径が0.5μm未満の場合には、保護層形成用材料の粘度が増大し、該保護層形成用材料の塗布性が低下するおそれがある。一方、上記焼失性粒子の平均粒子径が4μmを超える場合には、セラミック粒子によって保護層形成用材料の骨格をある程度維持した状態で、焼失性粒子が焼失されるようにすることが困難となるおそれがある。 When the average particle size of the burnable particles is less than 0.5 μm, the viscosity of the protective layer forming material increases, and the applicability of the protective layer forming material may decrease. On the other hand, when the average particle diameter of the burnable particles exceeds 4 μm, it is difficult to burn down the burnable particles while maintaining the skeleton of the protective layer forming material to some extent by the ceramic particles. There is a fear.
また、上記焼失性粒子は、アクリル樹脂粒子又はカーボン粒子からなることが好ましい。
この場合には、焼失性粒子の存在によって有機バインダ樹脂の焼失に伴う保護層形成用材料の収縮を抑制するという効果を十分に発揮することができると共に、焼成によって確実に焼失し、保護層本来の機能を維持することができる。
The burnable particles are preferably made of acrylic resin particles or carbon particles .
In this case, the presence of the burnable particles can sufficiently exhibit the effect of suppressing the shrinkage of the protective layer forming material due to the burnout of the organic binder resin, and the burnout is surely burned off, Can maintain the function.
また、上記有機バインダ樹脂としては、例えば、エチルセルロース、メチルセルロース、ポリビニールブチラール等の有機系樹脂であって、分解開始温度が240℃未満までの種類のものを用いることができる。 In addition, as the organic binder resin, for example, organic resins such as ethyl cellulose, methyl cellulose, polyvinyl butyral, and the like whose decomposition start temperature is less than 240 ° C. can be used.
(実施例1)
本発明の実施例にかかるガスセンサ素子の製造方法について、図を用いて説明する。
本例において製造するガスセンサ素子1は、図1〜図3に示すごとく、酸素イオン伝導性の固体電解質体11と、固体電解質体11の一方の面と他方の面とにそれぞれ設けられた被測定ガス側電極12及び基準ガス側電極13と、被測定ガス側電極12に接触させる被測定ガスを透過させる多孔質の拡散抵抗層17とを有する素子本体部10と、素子本体部10において被測定ガスを導入する拡散抵抗層17の外表面171上に形成された保護層2とを備えている。
以下、これを詳説する。
Example 1
The manufacturing method of the gas sensor element concerning the Example of this invention is demonstrated using figures.
As shown in FIGS. 1 to 3, the
This will be described in detail below.
図1に示すごとく、ガスセンサ素子1は、被測定ガス(排ガス)中の特定ガス濃度(酸素濃度)に依存して電極間を流れる限界電流を基にエンジンに供給される混合気の空燃比(A/F)を検出するA/Fセンサ素子である。
ガスセンサ素子1は、素子本体部10を有する。素子本体部10において、ジルコニアからなる酸素イオン伝導性の固体電解質体11の一方の面には、白金からなる被測定ガス側電極12が設けられている。また、固体電解質体11の他方の面には、白金からなる基準ガス側電極13が設けられている。
As shown in FIG. 1, the
The
同図に示すごとく、固体電解質体11の基準ガス側電極13の側には、電気的絶縁性を有し、緻密でガスを透過させないアルミナからなる基準ガス室形成層14が積層されている。基準ガス室形成層14には、溝部141が設けられており、この溝部141によって基準ガス室140が形成されている。基準ガス室140は、基準ガス(大気)を導入することができるよう構成されている。
As shown in the figure, on the side of the reference
基準ガス室形成層14における固体電解質体11とは反対側の面には、ヒータ基板15が積層されている。ヒータ基板15には、通電により発熱する発熱体(ヒータ)151が基準ガス室形成層14と対面するよう設けられている。発熱体151は、通電によって発熱させることにより、ガスセンサ素子1を活性温度まで加熱することができるよう構成されている。
A
同図に示すごとく、固体電解質体11の被測定ガス側電極12の側には、開口部161を有する絶縁層16が積層されている。絶縁層16は、電気的絶縁性を有し、緻密でガスを透過させないアルミナからなる。
絶縁層16における固体電解質体11とは反対側の面には、ガス透過性のアルミナ多孔体からなる多孔質の拡散抵抗層17が積層されている。
As shown in the figure, an insulating
On the surface of the insulating
固体電解質体11と絶縁層16の開口部161と拡散抵抗層17とにより覆われた場所には、被測定ガス室160が形成されている。被測定ガス室160は、被測定ガス(排ガス)を拡散抵抗層17から導入することができるよう構成されている。
拡散抵抗層17における絶縁層16とは反対側の面には、電気的絶縁性を有し、緻密でガスを透過させないアルミナからなる遮蔽層18が積層されている。
A measured
On the surface of the
図2に示すごとく、固体電解質体11の一方の面に設けられた被測定ガス側電極12は、導電性のリード部121、端子部122、遮蔽層18に形成されたスルーホール188を介して、端子部123に電気的に接続されている。
また、固体電解質体11の他方の面に設けられた基準ガス側電極13は、導電性のリード部131、端子部132、133、固体電解質体11、絶縁層16、遮蔽層18にそれぞれ形成されたスルーホール119、169、189を介して、端子部134に電気的に接続されている。
また、ヒータ基板15に設けられた発熱部151は、導電性の一対のリード部152、ヒータ基板15に形成された一対のスルーホール159を介して、端子部153に電気的に接続されている。
As shown in FIG. 2, the measured
Further, the reference
The
図1に示すごとく、素子本体部10において被測定ガスの導入口となる拡散抵抗層17の外表面171上には、保護層2が形成されている。
図3に示すごとく、保護層2は、アルミナを主成分とするセラミック粒子21と、セラミック粒子21に担持されたPt、Pd、Rh等の触媒貴金属粒子29と、ガラス粒子とからなり、気孔率が36〜48%の多孔質の層である。なお、図3では、ガラス粒子の図示を省略している。
As shown in FIG. 1, the
As shown in FIG. 3, the
保護層2は、拡散抵抗層17の外表面171から被測定ガス室160に導入される被測定ガス(排ガス)中の被毒物質(例えば、鉛、ガラス、リン等)をトラップし、被測定ガス側電極12の被毒劣化及びそれに伴うセンサ特性の低下を防止することができるよう構成されている。
また、保護層2は、セラミック粒子21に担持された触媒貴金属粒子29により、被測定ガス(排ガス)中の水素ガスを燃焼させ、水素ガスに起因する出力ずれを防止することができるよう構成されている。
The
Further, the
次に、本例のガスセンサ素子1を備えたガスセンサ8について説明する。
図4に示すごとく、ガスセンサ8は、ガスセンサ素子1と、ガスセンサ素子1を内側に挿通保持する絶縁碍子81と、絶縁碍子81を内側に挿通保持するハウジング82と、ハウジング82の基端側に配設された大気側カバー83と、ハウジング82の先端側に配設されると共にガスセンサ素子1を保護する素子カバー84とを有する。
Next, the gas sensor 8 provided with the
As shown in FIG. 4, the gas sensor 8 is disposed on the base end side of the
同図に示すごとく、素子カバー84は、外側カバー841と内側カバー842とからなる二重構造のカバーにより構成されている。
この外側カバー841及び内側カバー842の側面部や底面部には、被測定ガスを導通させるための導通孔843が設けられている。
As shown in the figure, the
The
次に、本例のガスセンサ素子1の製造方法について説明する。
本例のガスセンサ素子1の製造方法において、保護層2を形成するに当たっては、図5、図6に示すごとく、セラミック粒子21と、焼成により焼失する焼失性粒子22と、有機溶剤からなる溶媒と、溶媒に可溶性の有機バインダ樹脂23とを含有する保護層形成用材料20を作製する保護層形成用材料作製工程と、保護層形成用材料20を素子本体部10の拡散抵抗層17の外表面171上に塗布する塗布工程と、素子本体部10の拡散抵抗層17の外表面171上に塗布した保護層形成用材料20を焼成し、保護層2を形成する焼成工程とを行う。
そして、保護層形成用材料20における焼失性粒子22の焼失開始温度は、有機バインダ樹脂23の焼失開始温度よりも高い。
以下、これを詳説する。
Next, the manufacturing method of the
In forming the
The burning start temperature of the
This will be described in detail below.
本例のガスセンサ素子1を製造するに当たっては、まず、素子本体部10を作製する。具体的には、ヒータ基板15、基準ガス室形成層14、固体電解質体11、絶縁層16、拡散抵抗層17、遮蔽層18を構成する各セラミックシートを順に積層し、素子中間体を作製する。そして、素子中間体を1400〜1500℃、1〜3時間の条件で焼成し、素子本体部10(図1参照)を作製する。
In manufacturing the
次いで、アルミナからなるセラミック粒子21(10.9体積%)と、Pt、Pd、Rh等の貴金属からなる触媒貴金属粒子29(1.1体積%)と、ガラス粒子(5.7体積%)と、アクリル樹脂からなる焼失性粒子22(17体積%)と、有機溶剤としてのターピネオールからなる溶媒(62.3体積%)と、溶媒に可溶性のエチルセルロースからなる有機バインダ樹脂23(3体積%)とを混合・混練し、ペースト状の保護層形成用材料20(図5、図6参照)を作製する(保護層形成用材料作製工程)。
Next, ceramic particles 21 (10.9% by volume) made of alumina, catalytic noble metal particles 29 (1.1% by volume) made of noble metals such as Pt, Pd, Rh, and glass particles (5.7% by volume)
ここで、保護層形成用材料20における焼失性粒子22の焼失開始温度は、有機バインダ樹脂23の焼失開始温度よりも高い。本例では、焼失性粒子22の焼失開始温度は、約
280℃であり、有機バインダ樹脂23の焼失開始温度は、約200℃である。すなわち、焼失性粒子22の焼失開始温度は、有機バインダ樹脂23の焼失開始温度よりも35℃以上高い。
また、焼失性粒子22の平均粒子径は、セラミック粒子21の平均粒子径よりも小さい。本例では、焼失性粒子22の平均粒子径は、約1.0μmであり、セラミック粒子21の平均粒子径は、約4.0μmである。
Here, the burning start temperature of the
Further, the average particle size of the
次いで、図5に示すごとく、ペースト状の保護層形成用材料20を素子本体部10の拡散抵抗層17の外表面171上に塗布する(塗布工程)。本例では、ペースト状の保護層形成用材料20をパッド印刷、スクリーン印刷等の方法によって塗布した。
次いで、素子本体部10の拡散抵抗層17の外表面171上に塗布した保護層形成用材料20を140℃、15分の条件で乾燥させ、保護層形成用材料20中の有機溶剤(溶媒)を蒸発させ、除去する(乾燥工程)。
Next, as shown in FIG. 5, the paste-like protective
Next, the protective
これにより、図6に示すごとく、素子本体部10の拡散抵抗層17の外表面171上に塗布した保護層形成用材料20は、セラミック粒子21及び焼失性粒子22によって骨格が形成されていると共に、その骨格を形成しているセラミック粒子21及び焼失性粒子22の間に有機バインダ樹脂23が存在している状態となっている。このとき、保護層形成用材料20における焼失性粒子22の含有率は、45.1体積%である。なお、図6では、ガラス粒子の図示を省略している。
As a result, as shown in FIG. 6, the protective
その後、素子本体部10の拡散抵抗層17の外表面171上に塗布した保護層形成用材料20を900℃、1時間の条件で焼成する(焼成工程)。
この焼成過程において、最初に、保護層形成用材料20中の有機バインダ樹脂23が焼失を開始する。このとき、保護層形成用材料20は、セラミック粒子21及び焼失性粒子22によって骨格が形成された状態にある。次に、保護層形成用材料20中の焼失性粒子22が焼失を開始する。そして、最終的に、有機バインダ樹脂23及び焼失性粒子22が焼失し、残ったセラミック粒子21及び触媒貴金属29からなる多孔質の保護層2(図3参照)が形成される。
以上により、ガスセンサ素子1(図1参照)を作製する。
Thereafter, the protective
In this firing process, first, the
As described above, the gas sensor element 1 (see FIG. 1) is manufactured.
次に、本例のガスセンサ素子1の製造方法における作用効果について説明する。
本例のガスセンサ素子1の製造方法において、保護層2を形成するに当たっては、保護層形成用材料作製工程、塗布工程及び焼成工程を行う。また、保護層形成用材料作製工程において作製する保護層形成用材料20には、セラミック粒子21、焼成により焼失する焼失性粒子22、溶媒及び有機バインダ樹脂23が含有されている。そして、保護層形成用材料20における焼失性粒子22の焼失開始温度は、有機バインダ樹脂23の焼失開始温度よりも高い。
Next, the effect in the manufacturing method of the
In the manufacturing method of the
そのため、焼成工程において、焼失性粒子22は、有機バインダ樹脂23の焼失が開始される段階で保護層形成用材料20中に残留しており、その保護層形成用材料20の骨格をセラミック粒子21と共に形成している。したがって、保護層形成用材料20の骨格がある程度維持された状態で有機バインダ樹脂23が焼失することになる。これにより、有機バインダ樹脂23の焼失に伴う保護層形成用材料20の収縮を抑制することができ、保護層形成用材料20の焼成収縮率を低減することができる。その結果、素子本体部10とその素子本体部10に塗布した保護層形成用材料20との焼成収縮率の差を低減することができ、素子本体部10からの保護層2の剥離を防止することができる。
Therefore, in the firing step, the
また、焼失性粒子22は、最終的に焼成により焼失するため、形成された保護層2には存在しない。これにより、焼失性粒子22によって保護層2の機能が損なわれることはない。すなわち、本来得ようとする保護層2の機能、例えば本例のような被測定ガス中の被毒物質をトラップするといった機能を維持することができる。
Further, the
また、本例では、塗布工程の後に、保護層形成用材料20を乾燥させ、保護層形成用材料20中の有機溶剤(溶媒)を除去する乾燥工程を行い、乾燥工程後の保護層形成用材料20における焼失性粒子22の含有率は、30〜60体積%の範囲内である。そのため、焼失性粒子22の存在によって有機バインダ樹脂23の焼失に伴う保護層形成用材料20の収縮を抑制するという効果を十分に発揮することができる。
Moreover, in this example, after the coating process, the protective
また、焼失性粒子22の焼失開始温度は、有機バインダ樹脂23の焼失開始温度よりも35℃以上高い。そのため、焼失性粒子22の存在によって保護層形成用材料20の骨格をある程度維持した状態で有機バインダ樹脂23を焼失させるという効果をより一層確実に得ることができる。
Moreover, the burning start temperature of the
また、焼失性粒子22の平均粒子径は、セラミック粒子21の平均粒子径よりも小さい。そのため、セラミック粒子21によって保護層形成用材料20の骨格をある程度維持した状態で、焼失性粒子22が焼失されるようにすることができる。これにより、保護層形成用材料20の焼成収縮率をさらに低減することができる。
Further, the average particle size of the
また、焼失性粒子22の平均粒子径は、0.5〜4μmである。そのため、焼失性粒子22の存在によって有機バインダ樹脂23の焼失に伴う保護層形成用材料20の収縮を抑制するという効果を十分に発揮することができる。
Moreover, the average particle diameter of the
また、焼失性粒子22は、アクリル樹脂粒子からなる。そのため、焼失性粒子22の存在によって有機バインダ樹脂23の焼失に伴う保護層形成用材料20の収縮を抑制するという効果を十分に発揮することができると共に、焼成によって確実に焼失し、保護層2本来の機能を維持することができる。
The
このように、本例の製造方法によれば、保護層2の機能を維持しながら、その保護層2の剥離を防止することができるガスセンサ素子1を得ることができる。
Thus, according to the manufacturing method of this example, it is possible to obtain the
なお、本例では、図1、図5に示すごとく、塗布工程において、保護層形成用材料20を素子本体部10の拡散抵抗層17の外表面171上に塗布し、保護層2を形成しているが、例えば、図7に示すごとく、保護層形成用材料20を拡散抵抗層17の外表面171を含む素子本体部10の外周面100上に全周にわたって塗布し、保護層2を形成することもできる。
この場合には、保護層2は、被毒防止の機能に加えて、被水防止の機能をも併せ持つものとなる。すなわち、被水による素子本体部10の割れを保護層2によって防止することができる。
In this example, as shown in FIGS. 1 and 5, the protective
In this case, the
(実施例2)
本例は、図8、図9に示すごとく、ガスセンサ素子1の構成を変更した例である。
本例では、図8に示すごとく、素子本体部10の拡散抵抗層17の外表面171上に形成された保護層2を覆うように、被覆層3が素子本体部10の外周面100上に全周にわたって形成されている。
(Example 2)
In this example, as shown in FIGS. 8 and 9, the configuration of the
In this example, as shown in FIG. 8, the
図9に示すごとく、被覆層3は、アルミナを主成分とするセラミック粒子31からなり、気孔率が約60%の緻密な層である。被覆層3は、その外表面301が被水による素子本体部10の割れを防止することができるよう構成されている。
その他は、実施例1と同様の構成である。
As shown in FIG. 9, the
Other configurations are the same as those in the first embodiment.
次に、本例のガスセンサ素子1の製造方法について説明する。
本例では、実施例1と同様に、素子本体部10を作製した後、保護層形成用材料作製工程、塗布工程、乾燥工程を順に行う。
Next, the manufacturing method of the
In this example, similarly to Example 1, after the
次いで、素子本体部10の拡散抵抗層17の外表面171上に塗布された保護層形成用材料20を覆うように、被覆層形成用材料を素子本体部10の外周面100上に全周にわたって塗布する。本例では、被覆層形成用材料をディッピングによって塗布した。
ここで、被覆層形成用材料は、アルミナからなるセラミック粒子31(図9参照)と、溶剤としての水からなる溶媒と、溶媒に可溶性の水酸化アルミニウム2水和物からなる無機バインダとを混合・混練して作製したものである。
Next, the covering layer forming material is coated on the outer
Here, the coating layer forming material is a mixture of
次いで、被覆層形成用材料を140℃、15分の条件で乾燥させ、被覆層形成用材料中の溶剤(溶媒)を蒸発させ、除去する。
その後、素子本体部10に塗布した保護層形成用材料20(図5、図6参照)及び被覆層形成用材料を900℃、1時間の条件で焼成する。これにより、ガスセンサ素子1(図8参照)を作製する。
その他は、実施例1と同様の製造方法であり、同様の作用効果を有する。
Next, the coating layer forming material is dried at 140 ° C. for 15 minutes, and the solvent (solvent) in the coating layer forming material is evaporated and removed.
Thereafter, the protective layer forming material 20 (see FIGS. 5 and 6) and the coating layer forming material applied to the
Others are the same manufacturing methods as Example 1, and have the same effect.
(実施例3)
本例は、図10に示すごとく、ガスセンサ素子1の構成を変更した例である。
同図に示すごとく、ガスセンサ素子1は、実施例1と同様に、固体電解質体11、被測定ガス側電極12及び基準ガス側電極13を有する。被測定ガス側電極12は、被測定ガス室160に面して配設されている。
また、固体電解質体11の被測定ガス電極12側には、開口部172を有する多孔質の拡散抵抗層17が積層されている。また、固体電解質体11の基準ガス側電極13側には、絶縁層191及びヒータ基板15が積層されている。また、ヒータ基板15には、発熱体151が設けられている。
(Example 3)
In this example, as shown in FIG. 10, the configuration of the
As shown in the figure, the
A porous
そして、ガスセンサ素子1は、被測定ガス室160内の酸素濃度を調整するポンプセル4を有する。ポンプセル4は、酸素イオン伝導性のポンプ用固体電解質体41と、ポンプ用固体電解質体41の一方の面と他方の面とにそれぞれ設けた一対のポンプ用電極42、43とを有する。一方のポンプ用電極42は、被測定ガス室160に面して配設されている。
The
また、拡散抵抗層17における固体電解質体11とは反対側の面には、ポンプ用固体電解質体41が積層されている。また、一方のポンプ用電極42は、多孔質層44により覆われている。また、多孔質層44の外側には、絶縁層192が配設されている。
また、保護層2は、拡散抵抗層17の外表面171を含む素子本体部10の外周面100上に全周にわたって形成されている。
その他は、実施例1と同様の構成であり、同様の作用効果を有する。
A solid electrolyte body for
Further, the
The other configuration is the same as that of the first embodiment, and has the same operation and effect.
(実施例4)
本例は、図11に示すごとく、有底筒状のコップ型のガスセンサ素子1の例である。
同図に示すごとく、ガスセンサ素子1は、有底筒状の固体電解質体11と、固体電解質体11の外表面に設けた被測定ガス側電極12と、内表面に設けた基準ガス側電極13とを有する。また、固体電解質体11の内側には、基準ガス室140が形成され、その基準ガス室140には、発熱体151が挿入配置されている。
Example 4
This example is an example of a bottomed cylindrical cup-shaped
As shown in the figure, the
同図に示すごとく、固体電解質体11の外表面上には、その外表面全体を覆うように多孔質の拡散抵抗層17が設けられている。また、素子本体部10の拡散抵抗層17の外表面171上には、その外表面171全体を覆うように保護層2が形成されている。
その他は、実施例1と同様の構成であり、同様の作用効果を有する。
As shown in the figure, a porous
The other configuration is the same as that of the first embodiment, and has the same operation and effect.
(実施例5)
本例は、本発明のガスセンサ素子の製造方法における効果を調べたものである。
本例では、表1に示すごとく、保護層形成用材料の成分のうち、セラミック粒子、ガラス粒子、触媒貴金属粒子及び有機溶剤(溶媒)の含有率が一定であり、焼失性粒子及び有機バインダ樹脂の含有率(比率)が異なる複数の保護層形成用材料を用いて保護層を形成し、ガスセンサ素子(試料A1〜A12)を作製した。
そして、作製したガスセンサ(試料A1〜A12)について、保護層の剥離、保護層の形成容易性について評価し、あわせて保護層(保護層形成用材料)の焼成収縮率についても調べた。
(Example 5)
In this example, the effect of the method for producing the gas sensor element of the present invention is examined.
In this example, as shown in Table 1, among the components of the protective layer forming material, the content of ceramic particles, glass particles, catalytic noble metal particles, and organic solvent (solvent) is constant, and burnout particles and organic binder resin. A protective layer was formed using a plurality of protective layer forming materials having different contents (ratio), and gas sensor elements (samples A1 to A12) were produced.
And about the produced gas sensor (sample A1-A12), peeling of a protective layer and the ease of formation of a protective layer were evaluated, and the baking shrinkage rate of the protective layer (protective layer formation material) was also investigated.
なお、本例で作製したガスセンサ素子(試料A1〜A12)の基本的な構成及びその製造方法は、実施例1と同様である。
また、保護層形成用材料の各成分(焼失性粒子、有機バインダ樹脂、セラミック粒子、ガラス粒子、触媒貴金属粒子)を構成する材料は実施例1と同様であり、その含有率は表1に示すとおりである。ただし、表1に示す各成分の含有率は、保護層形成用材料を乾燥させ、保護層形成用材料中の有機溶剤(溶媒)を除去した後(乾燥工程後)の各成分の含有率である。
The basic configuration of the gas sensor elements (samples A1 to A12) manufactured in this example and the manufacturing method thereof are the same as those in the first embodiment.
Moreover, the material which comprises each component (burnable particle | grains, organic binder resin, ceramic particle | grains, glass particle | grains, catalyst noble metal particle | grains) of the material for protective layer formation is the same as that of Example 1, The content rate is shown in Table 1. It is as follows. However, the content rate of each component shown in Table 1 is the content rate of each component after drying the protective layer forming material and removing the organic solvent (solvent) in the protective layer forming material (after the drying step). is there.
次に、各項目の評価方法について説明する。
「保護層の剥離」については、作製したガスセンサ素子の保護層の状態についてSEM(走査型電子顕微鏡)を用いて観察し、保護層の剥離の有無を確認する。
「保護層の剥離」の判定は、素子本体部の拡散抵抗層と保護層との接触面において、両者の間に10μm以上の空隙が生じていない場合には○、10μm以上の剥離が生じている場合には×とした。
Next, an evaluation method for each item will be described.
About "peeling of a protective layer", the state of the protective layer of the produced gas sensor element is observed using SEM (scanning electron microscope), and the presence or absence of peeling of a protective layer is confirmed.
The determination of “peeling of the protective layer” is as follows. When there is no gap of 10 μm or more between the diffusion resistance layer and the protective layer of the element main body part, peeling of 10 μm or more occurs. When it was, it was set as x.
「保護層の形成容易性」については、素子本体部に塗布する前のペースト状の保護層形成用材料の粘度を測定する。すなわち、保護層形成用材料中に有機溶剤(溶媒)が存在している状態での粘度を測定する。そして、測定した粘度の値に基づいて評価を行う。
「保護層の形成容易性」の判定は、パッド印刷等の方法による塗布の容易性を考慮し、保護層形成用材料の粘度A(Pa・s)について、10≦A≦35の場合には◎、5≦A<10又は35<A≦40の場合には○、A<5又はA>40の場合には×とした。
With respect to “ease of forming protective layer”, the viscosity of the paste-like protective layer forming material before being applied to the element body is measured. That is, the viscosity in a state where an organic solvent (solvent) is present in the protective layer forming material is measured. And it evaluates based on the value of the measured viscosity.
The determination of “ease of forming a protective layer” is determined when the viscosity A (Pa · s) of the protective layer forming material is 10 ≦ A ≦ 35 in consideration of the ease of application by a method such as pad printing. A: When 5 ≦ A <10 or 35 <A ≦ 40, it was evaluated as “◯”, and when A <5 or A> 40, it was evaluated as “X”.
「保護層(保護層形成用材料)の焼成収縮率」は、保護層形成用材料を用いて四角柱(直方体)状のサンプルを作製し、そのサンプルを900℃、1時間の条件で焼成する。そして、焼成前後の体積変化率を測定することにより、保護層(保護層形成用材料)の焼成収縮率を求める。 “The firing shrinkage ratio of the protective layer (protective layer forming material)” is a method of preparing a square column (cuboid) sample using the protective layer forming material and firing the sample at 900 ° C. for 1 hour. . Then, by measuring the volume change rate before and after firing, the firing shrinkage rate of the protective layer (protective layer forming material) is obtained.
次に、各項目の評価結果について説明する。
表1に示すごとく、保護層形成用材料中の焼失性粒子の含有率が高いほど、保護層の焼成収縮率が小さくなっていることがわかる。これは、焼失性粒子の存在によって保護層形成用材料の骨格をある程度維持した状態で有機バインダ樹脂を焼失させ、その有機バインダ樹脂の焼失に伴う保護層形成用材料の収縮を抑制することができるということを示している。
Next, the evaluation result of each item will be described.
As shown in Table 1, it can be seen that the higher the content of the burnable particles in the protective layer forming material, the smaller the firing shrinkage rate of the protective layer. This is because the organic binder resin is burned out in a state where the skeleton of the protective layer forming material is maintained to some extent due to the presence of the burnable particles, and the shrinkage of the protective layer forming material accompanying the burning of the organic binder resin can be suppressed. It shows that.
そして、保護層形成用材料中の焼失性粒子の含有率が30体積%以上の試料A4〜A12では、保護層の剥離が見られなかった(保護層の剥離:判定○)。これは、保護層の焼成収縮率の低減により、保護層の剥離を防止することができるということを示している。
一方、保護層形成用材料中の焼失性粒子の含有率が30体積%未満の試料A1〜A3では、保護層の剥離が見られた(保護層の剥離:判定×)。つまり、焼失性粒子の存在によって保護層の剥離を抑制するという効果を十分に得られなかったことを示している。
And in samples A4 to A12 in which the content of burnable particles in the protective layer forming material was 30% by volume or more, no peeling of the protective layer was observed (peeling of the protective layer: determination ○). This indicates that peeling of the protective layer can be prevented by reducing the firing shrinkage rate of the protective layer.
On the other hand, in samples A1 to A3 in which the content of the burnable particles in the protective layer forming material was less than 30% by volume, the protective layer was peeled off (protective layer peeling: judgment x). That is, it is shown that the effect of suppressing the peeling of the protective layer due to the presence of the burnable particles could not be obtained sufficiently.
また、同表から、保護層形成用材料中の焼失性粒子の含有率が60体積%を超えている試料A11、A12では、保護層の形成容易性の判定が×であった。これは、焼失性粒子の含有率が高くなることにより、保護層形成用材料中の粒子密度が高くなり、保護層形成用材料の塗布が困難になることを示している。例えば、パッド印刷の場合には、パッドにペースト状の保護層形成用材料が吸着され難くなり、所望の転写性能が得られなくなってしまう。 Moreover, from the same table, in the samples A11 and A12 in which the content of the burnable particles in the protective layer forming material exceeds 60% by volume, the determination of the ease of forming the protective layer was x. This indicates that the increase in the content of burnable particles increases the particle density in the protective layer forming material, which makes it difficult to apply the protective layer forming material. For example, in the case of pad printing, a paste-like protective layer forming material is hardly adsorbed on the pad, and a desired transfer performance cannot be obtained.
以上の結果により、本発明のガスセンサ素子の製造方法によれば、焼失性粒子の存在によって有機バインダ樹脂の焼失に伴う保護層形成用材料の収縮を抑制することができ、保護層の剥離を防止することができることがわかった。
また、保護層の剥離防止という効果に加えて、保護層の形成の容易性を考慮した場合には、保護層形成用材料を乾燥させ、保護層形成用材料中の有機溶剤(溶媒)を除去した後の焼失性粒子の含有率が30〜60体積%であることが好ましいことがわかった。
Based on the above results, according to the method for manufacturing a gas sensor element of the present invention, the shrinkage of the protective layer forming material due to the burnout of the organic binder resin can be suppressed by the presence of the burnable particles, and the peeling of the protective layer is prevented. I found out that I can do it.
In addition to the effect of preventing the peeling of the protective layer, when considering the ease of forming the protective layer, the protective layer forming material is dried and the organic solvent (solvent) in the protective layer forming material is removed. It turned out that it is preferable that the content rate of the burnable particle | grains after having been 30-30 volume%.
(実施例6)
本例は、本発明のガスセンサ素子の製造方法における効果を調べたものである。
本例では、表2に示すごとく、焼失性粒子の粒子径が異なる(焼失開始温度が異なる)複数の保護層形成用材料を用いて保護層を形成し、ガスセンサ素子(試料B1〜B7)を作製した。
そして、作製したガスセンサ(試料B1〜B7)について、実施例5と同様に、保護層の剥離、保護層の形成容易性について評価し、あわせて保護層(保護層形成用材料)の焼成収縮率についても調べた。
(Example 6)
In this example, the effect of the method for producing the gas sensor element of the present invention is examined.
In this example, as shown in Table 2, a protective layer is formed using a plurality of protective layer forming materials having different burnout particle sizes (different burnout start temperatures), and gas sensor elements (samples B1 to B7) are formed. Produced.
And about the produced gas sensor (sample B1-B7), peeling of a protective layer and the ease of formation of a protective layer were evaluated similarly to Example 5, and the baking shrinkage rate of a protective layer (protective layer forming material) together I also investigated.
なお、本例で作製したガスセンサ素子(試料B1〜B7)の基本的な構成及びその製造方法は、実施例1と同様である。
また、保護層形成用材料の各成分(焼失性粒子、有機バインダ樹脂、セラミック粒子、ガラス粒子、触媒貴金属粒子)を構成する材料は実施例1と同様であり、その含有率は表1に示す試料A4と同様である。特に、焼失性粒子の含有率は30体積%である。
また、各成分の含有率は、保護層形成用材料を乾燥させ、保護層形成用材料中の有機溶剤(溶媒)を除去した後(乾燥工程後)の各成分の含有率である。
また、有機バインダ樹脂(エチルセルロース)の焼失開始温度は約200℃である。
The basic configuration of the gas sensor elements (samples B1 to B7) manufactured in this example and the manufacturing method thereof are the same as those in the first embodiment.
Moreover, the material which comprises each component (burnable particle | grains, organic binder resin, ceramic particle | grains, glass particle | grains, catalyst noble metal particle | grains) of the material for protective layer formation is the same as that of Example 1, The content rate is shown in Table 1. It is the same as sample A4. In particular, the content of burnable particles is 30% by volume.
Moreover, the content rate of each component is a content rate of each component after drying the protective layer forming material and removing the organic solvent (solvent) in the protective layer forming material (after a drying process).
Moreover, the burning start temperature of the organic binder resin (ethyl cellulose) is about 200 ° C.
次に、各項目の評価方法について説明する。
「保護層の剥離」、「保護層の形成容易性」、「保護層(保護層形成用材料)の焼成収縮率」の評価方法、判定等は、実施例5と同様である。
Next, an evaluation method for each item will be described.
Evaluation methods, determinations, and the like of “peeling of protective layer”, “ease of forming protective layer”, and “firing shrinkage rate of protective layer (protective layer forming material)” are the same as in Example 5.
次に、各項目の評価結果について説明する。
表2に示すごとく、保護層形成用材料中の焼失性粒子の粒子径が4μm以下(焼失開始温度差が35℃以上)の試料B1〜B4では、保護層の剥離が見られなかった(保護層の剥離:判定○)。
一方、保護層形成用材料中の焼失性粒子の粒子径が4μmを超えている試料B5〜B7では、保護層の剥離が見られた(保護層の剥離:判定×)。これは、焼失性粒子の粒子径が大きくなると、セラミック粒子によって保護層形成用材料の骨格をある程度維持した状態で、焼失性粒子が焼失されるようにすることが困難となるからである。
Next, the evaluation result of each item will be described.
As shown in Table 2, peeling of the protective layer was not observed in samples B1 to B4 in which the particle size of the burnable particles in the protective layer forming material was 4 μm or less (the difference in burning start temperature was 35 ° C. or more). Layer peeling: Determination ○).
On the other hand, in Samples B5 to B7 in which the particle size of the burnable particles in the protective layer forming material exceeded 4 μm, the protective layer was peeled off (protective layer peeling: judgment x). This is because if the particle size of the burnable particles increases, it becomes difficult to burn the burnable particles while maintaining the skeleton of the protective layer forming material to some extent by the ceramic particles.
また、同表から、保護層形成用材料中の焼失性粒子の粒子径が0.5μm以上の試料B2〜B7では、保護層の形成容易性の判定が○であった。
一方、保護層形成用材料中の焼失性粒子の粒子径が0.5μm未満の試料B1では、保護層の形成容易性の判定が○であった。これは、焼失性粒子の粒子径が小さくなることにより、保護層形成用材料中の粘度が増大し、保護層形成用材料の塗布性が少し低下したことを示している。
Moreover, from the same table, in the samples B2 to B7 in which the particle size of the burnable particles in the protective layer forming material was 0.5 μm or more, the determination of the ease of forming the protective layer was “good”.
On the other hand, in the sample B1 in which the particle size of the burnable particles in the protective layer forming material was less than 0.5 μm, the determination of the ease of forming the protective layer was good. This indicates that, as the particle size of the burnable particles is reduced, the viscosity in the protective layer forming material is increased, and the applicability of the protective layer forming material is slightly reduced.
以上の結果により、保護層の剥離防止という効果を得るためには、保護層形成用材料中の焼失性粒子の粒子径を4μm以下とすることが好ましいことがわかった。また、このことから、焼失性粒子の焼失開始温度が有機バインダ樹脂の焼失開始温度よりも35℃以上
高いことが好ましいことがわかった。
また、保護層の形成の容易性を考慮した場合には、保護層形成用材料中の焼失性粒子の粒子径を0.5μm以上とすることが好ましいことがわかった。
From the above results, it was found that the particle size of the burnable particles in the protective layer forming material is preferably 4 μm or less in order to obtain the effect of preventing the protective layer from peeling off. In addition, this indicates that the burning start temperature of the burnable particles is preferably 35 ° C. or more higher than the burning start temperature of the organic binder resin.
Moreover, when the ease of formation of a protective layer was considered, it turned out that it is preferable to make the particle diameter of the burnable particle | grains in the material for protective layer formation into 0.5 micrometer or more.
1 ガスセンサ素子
10 素子本体部
17 拡散抵抗層
171 外表面(拡散抵抗層の外表面)
20 保護層形成用材料
21 セラミック粒子
22 焼失性粒子
23 有機バインダ樹脂
DESCRIPTION OF
20 Protective
Claims (4)
上記保護層を形成するに当たっては、少なくとも、セラミック粒子と、アクリル樹脂粒子からなると共に焼成により焼失する焼失性粒子と、水又は有機溶剤からなる溶媒と、該溶媒に可溶性の有機バインダ樹脂とを含有する保護層形成用材料を作製する保護層形成用材料作製工程と、
上記保護層形成用材料を上記素子本体部の上記拡散抵抗層の上記外表面上に塗布する塗布工程と、
該塗布工程後の上記保護層形成用材料を乾燥させ、該保護層形成用材料中の上記溶媒を除去する乾燥工程と、
上記保護層形成用材料を焼成し、上記保護層を形成する焼成工程とを行い、
上記乾燥工程後の上記保護層形成用材料における上記焼失性粒子の含有率は、30〜60体積%であり、
上記保護層形成用材料における上記焼失性粒子の焼失開始温度は、上記有機バインダ樹脂の焼失開始温度よりも高いことを特徴とするガスセンサ素子の製造方法。 An oxygen ion conductive solid electrolyte body, a gas side electrode to be measured and a reference gas side electrode respectively provided on one surface and the other surface of the solid electrolyte body, and a surface to be brought into contact with the gas side electrode to be measured A gas sensor comprising an element body having a porous diffusion resistance layer that allows measurement gas to pass therethrough, and a protective layer formed on the outer surface of the diffusion resistance layer through which the gas to be measured is introduced in the element body A method for manufacturing an element, comprising:
In forming the protective layer, it contains at least ceramic particles, acrylic resin particles and burnt-down particles burned off by firing, water or an organic solvent, and an organic binder resin soluble in the solvent. A protective layer forming material manufacturing step of manufacturing a protective layer forming material to be performed;
An application step of applying the protective layer forming material on the outer surface of the diffusion resistance layer of the element body;
Drying the protective layer forming material after the coating step, and removing the solvent in the protective layer forming material;
Firing the protective layer forming material, and performing a firing step to form the protective layer,
The content of the burnable particles in the protective layer-forming material after the drying step is 30 to 60% by volume,
A method for producing a gas sensor element, wherein a burning start temperature of the burnable particles in the protective layer forming material is higher than a burning burning start temperature of the organic binder resin.
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