JP2001013101A - Heater integrated oxygen sensor element and its manufacture - Google Patents

Heater integrated oxygen sensor element and its manufacture

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JP2001013101A
JP2001013101A JP11218058A JP21805899A JP2001013101A JP 2001013101 A JP2001013101 A JP 2001013101A JP 11218058 A JP11218058 A JP 11218058A JP 21805899 A JP21805899 A JP 21805899A JP 2001013101 A JP2001013101 A JP 2001013101A
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cylindrical tube
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solid electrolyte
electrode
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雅英 秋山
Koji Ono
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide an oxygen sensor element and its manufacturing method in which a heater is integrated with a cylindrical oxygen sensor, and whose activation time is short and whose durability and heat resistance is excellent. SOLUTION: An oxygen sensor is equipped with a cylindrical tube 2 which is made of a ceramic solid electrolyte having oxygen ion conductivity and whose one end is closed, and a standard electrode 3 and a measuring electrode 4 which are respectively formed at face-to-face positions on an inner surface and an outer surface of the cylindrical tube 2. A ceramic insulating layer 5 is layered so that a portion or the whole of the measuring electrode 4 is exposed on the outer surface of the cylindrical tube 2. A heating body 7 is set at least close to the measuring electrode 4 of the ceramic insulating layer 5. The cylindrical tube 2 and the ceramic insulating layer 5 in which the heating body 7 is set, are simultaneously formed by baking, and a ceramic porous layer 11 is depositely formed on the surface of the measuring electrode 4.

Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【0001】[0001]

【発明の属する技術分野】本発明は、自動車等の内燃機
関における空気と燃料の比率を制御するためのヒータ一
体型酸素センサ素子とその製造方法に関するものであ
り、発熱体と一体化されてなり、酸素濃度検出までの時
間を早くするための改良に関する。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a heater-integrated oxygen sensor element for controlling the ratio of air to fuel in an internal combustion engine of an automobile or the like, and a method of manufacturing the same. To improve the time required to detect the oxygen concentration.

【0002】[0002]

【従来技術】現在、自動車等の内燃機関においては、排
出ガス中の酸素濃度を検出して、その検出値に基づいて
内燃機関に供給する空気および燃料供給量を制御するこ
とにより、内燃機関からの有害物質、例えばCO、H
C、NOxを低減させる方法が採用されている。
2. Description of the Related Art At present, in an internal combustion engine of an automobile or the like, the oxygen concentration in exhaust gas is detected, and the amount of air and fuel supplied to the internal combustion engine is controlled based on the detected value. Hazardous substances such as CO, H
A method of reducing C and NOx has been adopted.

【0003】この検出素子として、主として酸素イオン
導電性を有するジルコニアを主成分とする固体電解質か
らなり、一端が封止された円筒管の外面および内面にそ
れぞれ一対の電極層が形成された固体電解質型の酸素セ
ンサが用いられている。この酸素センサの代表的なもの
としては、図11に示すように、ZrO2 固体電解質か
らなり、先端が封止された円筒管31の内面には、白金
からなり空気などの基準ガスと接触する基準電極32
が、また円筒管31の外面には排気ガスなどの被測定ガ
スと接触される測定電極33が形成されている。また、
測定電極33の表面には種々のセラミック多孔質層34
が形成されている。
As the detection element, a solid electrolyte mainly composed of a solid electrolyte mainly composed of zirconia having oxygen ion conductivity and having a pair of electrode layers formed on an outer surface and an inner surface of a cylindrical tube having one end sealed. Type oxygen sensors are used. As a typical example of this oxygen sensor, as shown in FIG. 11, the inner surface of a cylindrical tube 31 made of a ZrO 2 solid electrolyte and having a sealed end is made of platinum and comes into contact with a reference gas such as air. Reference electrode 32
However, on the outer surface of the cylindrical tube 31, a measuring electrode 33 which is in contact with a gas to be measured such as exhaust gas is formed. Also,
Various ceramic porous layers 34 are provided on the surface of the measurement electrode 33.
Are formed.

【0004】このような酸素センサにおいて、一般に、
空気と燃料の比率が1付近の制御に用いられている、い
わゆる理論空燃比センサ(λセンサ)としては、測定電
極33の表面に、保護層となる多孔質層34が設けられ
ており、所定温度で円筒管31両側に発生する酸素濃度
差を検出し、エンジン吸気系の空燃比の制御が行われて
いる。
In such an oxygen sensor, generally,
As a so-called stoichiometric air-fuel ratio sensor (λ sensor) used for controlling the ratio of air to fuel near 1, a porous layer 34 serving as a protective layer is provided on the surface of a measurement electrode 33. The oxygen concentration difference generated on both sides of the cylindrical tube 31 at the temperature is detected, and the air-fuel ratio of the engine intake system is controlled.

【0005】一方、広範囲の空燃比を制御するために用
いられている、いわゆる広域空燃比センサ(A/Fセン
サ)は、測定電極33の表面に微細な細孔を有するガス
拡散律速層となるセラミック多孔質層34を設け、固体
電解質からなる円筒管31に一対の電極32、33を通
じて印加電圧を加え、その際得られる限界電流値を測定
して希薄燃焼領域の空燃比を制御するものである。
On the other hand, a so-called wide-range air-fuel ratio sensor (A / F sensor) used to control a wide range of air-fuel ratio is a gas diffusion-controlling layer having fine pores on the surface of a measurement electrode 33. A ceramic porous layer 34 is provided, an applied voltage is applied to a cylindrical tube 31 made of a solid electrolyte through a pair of electrodes 32, 33, and a limit current value obtained at that time is measured to control an air-fuel ratio in a lean burn region. is there.

【0006】上記理論空燃比センサおよび広域空燃比セ
ンサともセンシング部を約700℃付近の作動温度まで
に加熱する必要があり、そのために、円筒管31の内側
には、センシング部を作動温度まで加熱するため棒状ヒ
ータ35が挿入されている。
[0006] In both the stoichiometric air-fuel ratio sensor and the wide area air-fuel ratio sensor, it is necessary to heat the sensing section to an operating temperature of about 700 ° C. Therefore, inside the cylindrical tube 31, the sensing section is heated to the operating temperature. For this purpose, a rod-shaped heater 35 is inserted.

【0007】[0007]

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、近年排
気ガス規制の強化傾向が強まり、エンジン始動直後から
のCO、HC、NOxの検出が必要になってきた。この
ような要求に対して、上述のように、ヒータ35を円筒
管31内に挿入してなる間接加熱方式の円筒型酸素セン
サでは、センシング部が活性化温度に達するまでに要す
る時間(以下、活性化時間という。)が遅いために排気
ガス規制に充分対応できないという問題があった。
However, in recent years, the exhaust gas regulations have been strengthened, and it has become necessary to detect CO, HC and NOx immediately after the engine is started. In response to such a demand, as described above, in the cylindrical oxygen sensor of the indirect heating system in which the heater 35 is inserted into the cylindrical tube 31, the time required for the sensing unit to reach the activation temperature (hereinafter, referred to as “the activation temperature”). There is a problem that the exhaust gas control cannot be sufficiently performed because the activation time is long.

【0008】その問題を回避する方法として、図12に
示すように、平板型の固体電解質36の表面に測定電極
37、基準電極38を形成した酸素センサ素子39に対
して平板型のセラミック絶縁基板40の内部発熱体41
を埋設したヒータ42を積層一体化してなる平板型の積
層型酸素センサ素子が実開昭61−199666号公報
等にて提案されている。
As a method of avoiding this problem, as shown in FIG. 12, a flat ceramic insulating substrate is provided for an oxygen sensor element 39 having a measurement electrode 37 and a reference electrode 38 formed on the surface of a flat solid electrolyte 36. 40 internal heating elements 41
Is proposed in Japanese Utility Model Laid-Open Publication No. 61-199666 and the like.

【0009】また、最近では、固体電解質からなる円筒
管の内面および外面に基準電極、測定電極が設けられ、
測定電極の表面に、ガス透過性の多孔性の絶縁層を設
け、さらにその中のガス透過性の低いガス非透過層中に
白金発熱体を設けた円筒状のヒータ一体型の酸素センサ
素子も特開平10−206380号公報に記載されてい
る。
Recently, a reference electrode and a measurement electrode are provided on the inner and outer surfaces of a cylindrical tube made of a solid electrolyte.
A cylindrical heater-integrated oxygen sensor element in which a gas-permeable porous insulating layer is provided on the surface of the measurement electrode, and a platinum heating element is provided in a gas-impermeable layer having a low gas permeability therein. It is described in JP-A-10-206380.

【0010】これらのヒータと一体型酸素センサは、従
来の間接加熱方式と異なり、直接加熱方式であるために
急速昇温が可能であり、センシング部の活性化時間が早
いという特徴を有する。
[0010] Unlike the conventional indirect heating method, these heaters and the integrated oxygen sensor are of the direct heating method, so that the temperature can be rapidly raised and the activation time of the sensing section is short.

【0011】ところが、上述の平板型の積層型酸素セン
サ素子は、形状が平板形状であるために、耐久性、耐熱
性が悪く、その結果作動時においてセンサが破壊すると
いう問題があった。
[0011] However, the above-mentioned flat-plate type oxygen sensor element has poor durability and heat resistance because of its flat shape, and as a result, there is a problem that the sensor is broken during operation.

【0012】また、特開平10−206380号公報に
記載されるように、固体電解質部を焼成により、電極を
メッキまたはスパッタ法により、電極保護層をプラズマ
溶射また、絶縁体層をプラズマ溶射法により順次形成し
て作製される円筒状のヒータ一体型の酸素センサ素子
は、製造方法が複雑で、且つ工程数が多く、その結果、
歩留りが悪く、製造コストが高いという問題がある。こ
れに加えて、測定電極の全面に多孔質の絶縁層が形成さ
れ、さらにその絶縁層中に発熱体が埋設された構造のた
めに、ヒータ部の接合強度が弱く、耐久性、耐熱性に欠
けるという問題があった。
Further, as described in JP-A-10-206380, the solid electrolyte portion is fired, the electrode is plated or sputtered, the electrode protective layer is plasma-sprayed, and the insulator layer is plasma-sprayed. The cylindrical heater-integrated oxygen sensor element manufactured by forming sequentially has a complicated manufacturing method and a large number of steps.
There is a problem that the yield is low and the manufacturing cost is high. In addition, a porous insulating layer is formed on the entire surface of the measuring electrode, and the heating element is buried in the insulating layer. There was a problem of chipping.

【0013】従って、本発明は、円筒型の酸素センサに
対してヒータが一体化されてなるとともに、活性化時間
が短く、且つ耐久性、耐熱性に優れたヒータ一体型酸素
センサ素子と、それを容易に作製するための製造方法を
提供することを目的とするものである。
Accordingly, the present invention provides a heater-integrated oxygen sensor element in which a heater is integrated with a cylindrical oxygen sensor, the activation time is short, and durability and heat resistance are excellent. It is an object of the present invention to provide a production method for easily producing a.

【0014】[0014]

【課題を解決するための手段】本発明のヒータ一体型酸
素センサは、酸素イオン導電性を有するセラミック固体
電解質からなり一端が封止された円筒管と、該円筒管の
内面および外面の対向する位置にそれぞれ形成された基
準電極および測定電極とを具備する酸素センサに対し
て、前記円筒管の外面に前記測定電極の一部または全部
が露出するようにセラミック絶縁層を積層するととも
に、該セラミック絶縁層の少なくとも前記測定電極の近
傍に発熱体を埋設してなることを特徴とするものであ
り、かかる酸素センサは、前記円筒管と前記発熱体が埋
設されたセラミック絶縁層とを同時焼成してなること、
また、前記測定電極の表面には、セラミック多孔質層を
被着形成してなり、理論空燃比センサ、または広域空燃
比センサとして用いられるものである。
A heater-integrated oxygen sensor according to the present invention comprises a cylindrical tube made of a ceramic solid electrolyte having oxygen ion conductivity, one end of which is sealed, and an inner surface and an outer surface of the cylindrical tube facing each other. For an oxygen sensor including a reference electrode and a measurement electrode formed at respective positions, a ceramic insulating layer is laminated on the outer surface of the cylindrical tube so that a part or all of the measurement electrode is exposed, and the ceramic A heating element is buried at least in the vicinity of the measurement electrode of the insulating layer, and such an oxygen sensor simultaneously fires the cylindrical tube and the ceramic insulating layer in which the heating element is buried. That
A ceramic porous layer is formed on the surface of the measurement electrode, and is used as a stoichiometric air-fuel ratio sensor or a wide area air-fuel ratio sensor.

【0015】また、上記ヒータ一体型酸素センサ素子の
製造方法としては、セラミック固体電解質からなる一端
が封止された円筒管を作製する工程と、所定箇所に開口
部が形成され、且つ該開口部近傍に発熱体を埋設してな
る絶縁性セラミックグリーンシートを作製する工程と、
前記円筒管の外表面に前記絶縁性セラミックグリーンシ
ートを巻き付けて円筒状積層体を作製する工程と、前記
円筒状積層体を焼成する工程と、前記円筒管の前記開口
部内の表面に測定電極を、およびそれに対向する円筒管
内面に基準電極をそれぞれ形成する工程と、を具備する
ことを特徴とするものである。
The method for manufacturing the heater-integrated oxygen sensor element includes the steps of manufacturing a cylindrical tube made of a ceramic solid electrolyte and having one end sealed, forming an opening at a predetermined location, and forming the opening. Producing an insulating ceramic green sheet having a heating element embedded in the vicinity,
A step of winding the insulating ceramic green sheet around the outer surface of the cylindrical tube to produce a cylindrical laminate, a step of firing the cylindrical laminate, and a measurement electrode on the surface inside the opening of the cylindrical tube. And a step of forming a reference electrode on the inner surface of the cylindrical tube facing the same, respectively.

【0016】また、他の製造方法としては、セラミック
固体電解質からなる一端が封止された円筒管を作製する
工程と、前記セラミック固体電解質からなるグリーンシ
ートを作製する工程と、前記セラミック固体電解質グリ
ーンシートの一表面側に、所定箇所に開口部が形成され
且つ該開口部近傍に発熱体を埋設してなる絶縁性セラミ
ック層を積層する工程と、前記円筒管の外表面に、前記
セラミック固体電解質グリーンシートの他方面側を巻き
付けて円筒状積層体を作製する工程と、前記円筒状積層
体を焼成する工程と、前記開口部内のセラミック固体電
解質表面に測定電極を、およびそれに対向する円筒管内
面に基準電極をそれぞれ形成する工程と、を具備するこ
とを特徴とするものである。
Further, as another manufacturing method, a step of producing a cylindrical tube made of a ceramic solid electrolyte and having one end sealed, a step of producing a green sheet composed of the ceramic solid electrolyte, a step of producing a green sheet composed of the ceramic solid electrolyte, A step of laminating an insulating ceramic layer in which an opening is formed at a predetermined location on one surface side of the sheet and a heating element is buried in the vicinity of the opening; and forming the ceramic solid electrolyte on the outer surface of the cylindrical tube. A step of winding the other side of the green sheet to form a cylindrical laminate, a step of firing the cylindrical laminate, a measurement electrode on the surface of the ceramic solid electrolyte in the opening, and an inner surface of the cylindrical tube opposed thereto; And forming a reference electrode respectively.

【0017】なお、上記の製造方法においては、前記測
定電極の表面にセラミック多孔質層を形成する工程を具
備することが望ましい。
It is preferable that the above-mentioned manufacturing method includes a step of forming a ceramic porous layer on the surface of the measurement electrode.

【0018】[0018]

【作用】本発明のヒータ一体型酸素センサ素子によれ
ば、円筒型の固体電解質の外面に発熱体を内蔵したセラ
ミック絶縁層を被覆し、しかもその発熱体を測定電極の
近傍に配置したことによって、発熱体によるセンシング
部の加熱効率を高め、急速昇温を行うことができる結
果、センサ活性化時間を短縮することができる。しかも
従来の平板型に比較しても、発熱体をセンシング部近傍
に形成できるため、センサ活性化時間を短縮でき、優れ
たセンサ応答性を有する。
According to the heater-integrated oxygen sensor element of the present invention, the outer surface of the cylindrical solid electrolyte is coated with the ceramic insulating layer having the built-in heating element, and the heating element is arranged near the measuring electrode. As a result, the heating efficiency of the sensing unit by the heating element can be increased, and the temperature can be rapidly increased. As a result, the sensor activation time can be shortened. Furthermore, since the heating element can be formed in the vicinity of the sensing part, the sensor activation time can be shortened, and excellent sensor responsiveness can be obtained as compared with the conventional flat plate type.

【0019】しかも、本発明の酸素センサ素子は、ヒー
タが一体化された円筒形状を有するため、平板形状の積
層型酸素センサ素子に比較して、あらゆる方向からの応
力に対して高い強度を有するとともに応力の集中が少な
いことから、熱性および耐久性に優れる。
Moreover, since the oxygen sensor element of the present invention has a cylindrical shape in which a heater is integrated, it has higher strength against stresses from all directions as compared with a flat plate type oxygen sensor element. In addition, since the concentration of stress is small, the heat resistance and durability are excellent.

【0020】また、本発明のヒータ一体型酸素センサ素
子の製造方法によれば、固体電解質からなる円筒管と、
発熱体を内蔵するセラミック絶縁層とを同時焼成して作
製するために、従来のように、酸素センサとヒータとを
それぞれ個別に作製した後、酸素センサ内にヒータを勘
合して使用する酸素センサ素子に比べて製造コストが極
めて安価になり、経済性の観点からも優れている。
Further, according to the method of manufacturing a heater-integrated oxygen sensor element of the present invention, a cylindrical tube made of a solid electrolyte,
In order to manufacture by simultaneously firing a ceramic insulating layer containing a heating element, an oxygen sensor and a heater are separately manufactured as in the related art, and then the oxygen sensor is used by fitting the heater into the oxygen sensor. The manufacturing cost is extremely low as compared with the element, and it is excellent from the viewpoint of economy.

【0021】[0021]

【発明の実施の形態】以下、本発明の酸素センサ素子の
一例を図1の概略斜視図(a)およびX1 −X1 断面図
(b)をもとに説明する。図1の酸素センサ素子1は、
酸素イオン導電性を有するセラミック固体電解質からな
り、先端が封止された円筒管2、即ち断面がU字状の円
筒管2の内面に、第1の電極として、空気などの基準ガ
スと接触される基準電極3が被着形成され、また、円筒
管2の基準電極3と対向する外面には、第2の電極とし
て、排気ガスなどの被測定ガスと接触する測定電極4が
被着形成されている。
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION Hereinafter, an example of an oxygen sensor element of the present invention schematic perspective view of FIG. 1 (a) and X 1 -X 1 cross-sectional view of (b) based. The oxygen sensor element 1 of FIG.
The inner surface of a cylindrical tube 2 made of a ceramic solid electrolyte having oxygen ion conductivity and having a sealed end, that is, a cylindrical tube 2 having a U-shaped cross section is brought into contact with a reference gas such as air as a first electrode. A reference electrode 3 is formed on the outer surface of the cylindrical tube 2 facing the reference electrode 3, and a measurement electrode 4 is formed as a second electrode in contact with a gas to be measured such as exhaust gas. ing.

【0022】また、本発明によれば、先端が封止された
円筒管2の外面に形成された測定電極4の表面またはそ
の近傍にはセラミック絶縁層5が被着形成されている。
そして、このセラミック絶縁層5には、測定電極4の一
部または全部が露出するように所定の開口部6が形成さ
れており、開口部6の近傍のセラミック絶縁層5中には
発熱体7が埋設されている。また、発熱体7は、リード
電極8を経由して端子電極9と接続されており、これら
を通じて発熱体7に電流を印加することにより、発熱体
7が加熱され、測定電極4、円筒管2および基準電極3
からなるセンシング部を所定の温度に急速昇温できるよ
うに構成されている。
Further, according to the present invention, the ceramic insulating layer 5 is formed on the surface of the measuring electrode 4 formed on the outer surface of the cylindrical tube 2 whose end is sealed or in the vicinity thereof.
A predetermined opening 6 is formed in the ceramic insulating layer 5 so that a part or the whole of the measurement electrode 4 is exposed, and a heating element 7 is provided in the ceramic insulating layer 5 near the opening 6. Is buried. The heating element 7 is connected to a terminal electrode 9 via a lead electrode 8, and by applying a current to the heating element 7 through these, the heating element 7 is heated, and the measurement electrode 4 and the cylindrical tube 2 are heated. And reference electrode 3
The sensing section made of is configured to be rapidly heated to a predetermined temperature.

【0023】(固体電解質)本発明において用いられる
セラミック固体電解質は、ZrO2 を含有するセラミッ
クスからなり、具体的には、Y2 3 およびYb
2 3 、Sc2 3 、Sm2 3 、Nd2 3 、Dy2
3 等の希土類酸化物を酸化物換算で1〜30モル%、
好ましくは3〜15モル%含有する部分安定化ZrO2
あるいは安定化ZrO2 が用いられている。
(Solid Electrolyte) The ceramic solid electrolyte used in the present invention is made of a ceramic containing ZrO 2 , specifically, Y 2 O 3 and Yb
2 O 3 , Sc 2 O 3 , Sm 2 O 3 , Nd 2 O 3 , Dy 2
1 to 30 mol% of a rare earth oxide such as O 3 in terms of oxide;
Partially stabilized ZrO 2 containing preferably 3 to 15 mol%
Alternatively, stabilized ZrO 2 is used.

【0024】また、ZrO2 中のZrを1〜20原子%
をCeで置換したZrO2 を用いることにより、電子伝
導性が大きくなり、応答性がさらに改善されるといった
効果がある。
Further, the content of Zr in ZrO 2 is 1 to 20 atomic%.
The use of ZrO 2 in which is substituted by Ce has the effect of increasing the electron conductivity and further improving the responsiveness.

【0025】さらに、焼結性を改善する目的で、上記Z
rO2 に対して、Al2 3 やSiO2 を添加含有させ
ることができるが、多量に含有させると、高温における
クリープ特性が悪くなることから、Al2 3 およびS
iO2 の添加量は総量で5重量%以下、特に2重量%以
下であることが望ましい。
Further, in order to improve the sinterability, the above Z
Al 2 O 3 or SiO 2 can be added to and contained in rO 2 , but if it is contained in a large amount, the creep characteristics at high temperatures deteriorate, so that Al 2 O 3 and S 2
It is desirable that the total amount of iO 2 be 5% by weight or less, particularly 2% by weight or less.

【0026】(電極)円筒管2の表面に被着形成される
基準電極3、測定電極4は、いずれも白金、ロジウム、
パラジウム、ルテニウムおよび金の群から選ばれる1
種、または2種以上の合金が用いられる。また、センサ
動作時の電極中の金属の粒成長を防止する目的と、応答
性に係わる金属粒子と固体電解質と気体との、いわゆる
3相界面の接点を増大する目的で、上述のセラミック固
体電解質成分を1〜50体積%、特に10〜30体積%
の割合で上記電極中に混合してもよい。
(Electrode) The reference electrode 3 and the measuring electrode 4 formed on the surface of the cylindrical tube 2 are made of platinum, rhodium,
1 selected from the group consisting of palladium, ruthenium and gold
Seeds, or two or more alloys are used. The ceramic solid electrolyte described above is used for the purpose of preventing grain growth of the metal in the electrode during operation of the sensor and to increase the so-called three-phase interface contact between the metal particles, the solid electrolyte, and the gas related to the response. 1 to 50% by volume, especially 10 to 30% by volume
May be mixed in the above electrode.

【0027】(セラミック絶縁層)一方、発熱体7を埋
設するセラミック絶縁層5としては、アルミナ、スピネ
ル、フォルステライト、ジルコニア、ガラス等のセラミ
ック材料が好適に用いられる。この時、セラミック絶縁
層としてジルコニアを用いる場合には、ジルコニア自体
が固体電解質であり、発熱体7からのもれ電流が酸素濃
度検知に影響を及ぼすことがないように、円筒管2との
間に、アルミナ、スピネル、フォルステライトなどの中
間層を形成することが望ましい。さらに、セラミック絶
縁層5としてガラス絶縁層にはガラスを用いることがで
きるが、この場合は耐熱性の観点から、BaO、Pb
O、SrO、CaO、CdOのうちの少なくとも1種を
5重量%以上含有するガラス、特に、結晶化ガラスであ
ることが望ましい。
(Ceramic Insulating Layer) On the other hand, as the ceramic insulating layer 5 in which the heating element 7 is embedded, a ceramic material such as alumina, spinel, forsterite, zirconia, or glass is preferably used. At this time, when zirconia is used as the ceramic insulating layer, the zirconia itself is a solid electrolyte, and the zirconia is connected to the cylindrical tube 2 so that the leakage current from the heating element 7 does not affect the oxygen concentration detection. It is desirable to form an intermediate layer of alumina, spinel, forsterite, or the like. Furthermore, glass can be used for the glass insulating layer as the ceramic insulating layer 5, but in this case, from the viewpoint of heat resistance, BaO, Pb
A glass containing at least one of O, SrO, CaO, and CdO in an amount of 5% by weight or more, particularly, a crystallized glass is desirable.

【0028】また、このセラミック絶縁層5は、相対密
度が80%以上、開気孔率が5%以下の緻密質なセラミ
ックスによって構成されていることが望ましい。これ
は、セラミック絶縁層5が緻密質であることにより絶縁
層の強度が高くなる結果、酸素センサ素子1自体の機械
的な強度を高めることができるためである。
The ceramic insulating layer 5 is desirably made of dense ceramic having a relative density of 80% or more and an open porosity of 5% or less. This is because the mechanical strength of the oxygen sensor element 1 itself can be increased as a result of the strength of the insulating layer being increased when the ceramic insulating layer 5 is dense.

【0029】(発熱体)また、上記セラミック絶縁層5
の内部に埋設される発熱体7としては、白金、ロジウ
ム、パラジウム、ルテニウムの群から選ばれる1種の金
属、または2種以上の合金からなることが望ましく、特
に、セラミック絶縁層5との同時焼結性の点で、そのセ
ラミック絶縁層5の焼成温度よりも融点の高い金属また
は合金を選択することが望ましい。
(Heating Element) The ceramic insulating layer 5
It is preferable that the heating element 7 embedded in the inside is made of one kind of metal selected from the group consisting of platinum, rhodium, palladium and ruthenium, or two or more kinds of alloys. In terms of sinterability, it is desirable to select a metal or alloy having a melting point higher than the firing temperature of the ceramic insulating layer 5.

【0030】なお、セラミック絶縁層5の内部に発熱体
7を埋設してなるヒータ部の構造は、図1(b)の断面
図に示すように、固体電解質からなる円筒管2の表面に
内部に発熱体7が埋設されたセラミック絶縁層5を積層
した構造の他に、図2の要部断面図(a)に示すよう
に、円筒管2の外面に、内部に発熱体7が埋設されたア
ルミナ、スピネル、フォルステライト等のセラミック絶
縁層5を形成し、さらにそのセラミック絶縁層5の外面
に、ジルコニア層10を形成することができる。このジ
ルコニア層10は、固体電解質とセラミック絶縁層5間
の熱膨張差や焼成収縮差等に起因する応力を緩和させ、
熱応力をできる限り小さくしたり、セラミック絶縁層5
内に埋設されている発熱体7による熱を保温し、酸素セ
ンサ素子全体の急激な温度の変化を防止するためのもの
である。
The structure of the heater section in which the heating element 7 is embedded in the ceramic insulating layer 5 is, as shown in the sectional view of FIG. 1B, formed on the surface of the cylindrical tube 2 made of a solid electrolyte. In addition to the structure in which the ceramic insulating layer 5 having the heating element 7 embedded therein is laminated, the heating element 7 is embedded inside the outer surface of the cylindrical tube 2 as shown in FIG. A ceramic insulating layer 5 of alumina, spinel, forsterite, or the like is formed, and a zirconia layer 10 can be formed on the outer surface of the ceramic insulating layer 5. The zirconia layer 10 relieves stress caused by a difference in thermal expansion and a difference in firing shrinkage between the solid electrolyte and the ceramic insulating layer 5,
To minimize the thermal stress as much as possible,
This is for keeping the heat generated by the heating element 7 buried therein to prevent a sudden change in temperature of the entire oxygen sensor element.

【0031】なお、かかる構成において、発熱体7は、
図2(a)のように、セラミック絶縁層5内部に埋設で
きる他、図2(b)に示すように、ジルコニア層10中
に埋設したり、図2(c)に示すように、セラミック絶
縁層5とジルコニア層10との間に配設することもでき
る。
In this configuration, the heating element 7 is
As shown in FIG. 2A, it can be buried inside the ceramic insulating layer 5; as shown in FIG. 2B, it can be buried in the zirconia layer 10, or as shown in FIG. It can be disposed between the layer 5 and the zirconia layer 10.

【0032】いずれの場合においても、発熱体7は、円
筒管2や電極に対して直接接することなく、アルミナな
どの固体電解質性能を有さないセラミック絶縁層5を介
して配設されていることが必要であって、円筒管2と発
熱体7間のセラミック絶縁層5の厚みは少なくとも2μ
m以上であることが望ましい。
In any case, the heating element 7 is provided without being in direct contact with the cylindrical tube 2 or the electrode via the ceramic insulating layer 5 having no solid electrolyte performance such as alumina. Is required, and the thickness of the ceramic insulating layer 5 between the cylindrical tube 2 and the heating element 7 is at least 2 μm.
m or more.

【0033】また、本発明においては、上記発熱体7
は、セラミック絶縁層5に設けられた開口部6の近傍に
埋設されているものであるが、この開口部6の形状とし
ては、図1では、円筒管の側面において測定電極4が露
出するように、縦長の開口部6が設けられているが、こ
の開口部6としては、図3の他の例の斜視図(a)およ
びX2 −X2 断面図に示すように、固体電解質からなる
円筒管2の先端の封止部表面に測定電極4を形成し、先
端近傍の側面部に、発熱体7を埋設したセラミック絶縁
層5を設けてもよい。この場合、先端部が開口部6とな
る。なお、開口部6の形状は、円形状あるいは四角形状
のいずれであっても構わない。
In the present invention, the heating element 7
Is buried in the vicinity of an opening 6 provided in the ceramic insulating layer 5. The shape of the opening 6 is such that the measurement electrode 4 is exposed on the side surface of the cylindrical tube in FIG. 3 is provided with a vertically long opening 6, which is made of a solid electrolyte as shown in a perspective view (a) of another example in FIG. 3 and a cross-sectional view taken along line X 2 -X 2 in FIG. The measurement electrode 4 may be formed on the surface of the sealing portion at the tip of the cylindrical tube 2, and the ceramic insulating layer 5 in which the heating element 7 is embedded may be provided on the side surface near the tip. In this case, the leading end becomes the opening 6. Note that the shape of the opening 6 may be any of a circular shape and a square shape.

【0034】さらに、図4の他の例の斜視図(a)およ
びX3 −X3 断面図に示すように、セラミック絶縁層5
に多数の開口部6を設けて、それぞれの開口部6から測
定電極4を露出させ、その開口部6の近傍に発熱体7を
埋設することも可能である。また、測定電極4は、前記
円筒管2の外面に大面積で形成し、その表面に積層され
たセラミック絶縁層5に設けられた開口部6より一部の
電極部分を露出させてもよいし、セラミック絶縁層5の
開口部6に位置する部分のみに測定電極4を形成して測
定電極4の全部を開口部6より露出させてもよい。
Furthermore, as shown in a perspective view (a) and X 3 -X 3 cross-sectional view of another example of FIG. 4, the ceramic insulating layer 5
It is also possible to provide a large number of openings 6 in such a manner that the measurement electrode 4 is exposed from each of the openings 6 and a heating element 7 is buried in the vicinity of the openings 6. Further, the measuring electrode 4 may be formed in a large area on the outer surface of the cylindrical tube 2, and a part of the electrode portion may be exposed through an opening 6 provided in the ceramic insulating layer 5 laminated on the surface. Alternatively, the measurement electrode 4 may be formed only in the portion of the ceramic insulating layer 5 located at the opening 6, and the entire measurement electrode 4 may be exposed from the opening 6.

【0035】一方、固体電解質からなる円筒管2の内面
に形成される基準電極3は、内面に測定電極4の前記開
口部6より露出する部分に対向する部分に形成されてい
ればよいが、測定電極4の露出部分に対向する部分を含
む大面積、例えば、内面全面に形成されていてもよい。
On the other hand, the reference electrode 3 formed on the inner surface of the cylindrical tube 2 made of a solid electrolyte may be formed on the inner surface at a portion facing the portion of the measurement electrode 4 exposed from the opening 6. It may be formed over a large area including a portion facing the exposed portion of the measurement electrode 4, for example, over the entire inner surface.

【0036】(多孔質層)本発明の酸素センサ素子にお
いては、図5の要部拡大断面図に示すように、測定電極
4のセラミック絶縁層5に形成された開口部6を通じて
露出している部分に、セラミック多孔質層11を形成す
ることができる。
(Porous Layer) In the oxygen sensor element of the present invention, as shown in an enlarged sectional view of a main part of FIG. 5, the oxygen sensor element is exposed through an opening 6 formed in the ceramic insulating layer 5 of the measuring electrode 4. The ceramic porous layer 11 can be formed in the portion.

【0037】セラミック多孔質層11は、排気ガスによ
って測定電極4が被毒して出力電圧が低下するのを防止
するために、露出した測定電極4の表面にジルコニア、
アルミナ、マグネシアあるいはスピネル等のポーラスな
保護層として設けることができる。このような保護層を
設けた酸素センサは、一般的には理論空燃比センサ(λ
センサ)素子として用いることができる。この場合に、
セラミック保護層11としては開気孔率が10〜40%
の多孔質体からなることが望ましい。
The ceramic porous layer 11 is provided on the exposed surface of the measurement electrode 4 with zirconia, in order to prevent the measurement electrode 4 from being poisoned by the exhaust gas and lowering the output voltage.
It can be provided as a porous protective layer of alumina, magnesia or spinel. An oxygen sensor provided with such a protective layer is generally a stoichiometric air-fuel ratio sensor (λ
Sensor) element. In this case,
The open porosity of the ceramic protective layer 11 is 10 to 40%.
It is desirable to be composed of a porous body.

【0038】他の形態として、露出した測定電極4の表
面に微細な細孔を有するジルコニア、アルミナ、スピネ
ル、マグネシアまたはγ−アルミナの群から選ばれる少
なくとも1種のガス拡散律速層として、セラミック多孔
質層11を形成する。このようなガス拡散律速層として
は、開気孔率が5〜30%の多孔質体が望ましい。ま
た、このガス拡散律速層の表面には、さらに排気ガスの
被毒を防止する観点から、前述したアルミナあるいはス
ピネルからなる前記セラミック保護層を設けることが望
ましい。この様なヒーター体化酸素センサ素子は、広域
空燃比センサ素子(A/Fセンサ)として応用すること
が可能である。
In another embodiment, at least one type of gas diffusion-controlling layer selected from the group consisting of zirconia, alumina, spinel, magnesia, and γ-alumina having fine pores on the surface of the exposed measurement electrode 4 is formed of ceramic porous material. The quality layer 11 is formed. As such a gas diffusion controlling layer, a porous body having an open porosity of 5 to 30% is desirable. In addition, from the viewpoint of further preventing poisoning of the exhaust gas, it is desirable to provide the above-mentioned ceramic protective layer made of alumina or spinel on the surface of the gas diffusion control layer. Such a heater-formed oxygen sensor element can be applied as a wide-range air-fuel ratio sensor element (A / F sensor).

【0039】(第1の製造方法)次に、本発明の酸素セ
ンサ素子の第1の製造方法について、図1の酸素センサ
素子をの製造方法を例にして図6をもとに説明する。図
1の酸素センサ素子を作製するには、まず図6(a)に
示すような円筒管12を作製する。この円筒管12は、
ジルコニア等の酸素イオン伝導性を有するセラミック固
体電解質粉末に対して、適宜、成形用有機バインダーを
添加して押出成形や、静水圧成形(ラバープレス)ある
いはプレス形成などの周知の方法により一端が封止され
た直径1〜10mmの円筒状成形体を作製することによ
り作製される。
(First Manufacturing Method) Next, a first manufacturing method of the oxygen sensor element of the present invention will be described with reference to FIG. 6 by taking the method of manufacturing the oxygen sensor element of FIG. 1 as an example. In order to manufacture the oxygen sensor element of FIG. 1, first, a cylindrical tube 12 as shown in FIG. This cylindrical tube 12
An organic binder for molding is appropriately added to a ceramic solid electrolyte powder having oxygen ion conductivity such as zirconia, and one end is sealed by a known method such as extrusion molding, isostatic pressing (rubber pressing) or press forming. It is produced by producing a stopped cylindrical molded body having a diameter of 1 to 10 mm.

【0040】この時、用いられる固体電解質粉末として
は、ジルコニア粉末に対して、安定化剤としてY2 3
およびYb2 3 、Sc2 3 、Sm2 3 、Nd2
3 、Dy2 3 等の希土類酸化物粉末を酸化物換算で1
〜30モル%、好ましくは3〜15モル%の割合で添加
した混合粉末、あるいはジルコニアと上記安定化剤との
共沈原料粉末が用いられる。また、ZrO2 中のZrを
1〜20原子%をCeで置換したZrO2 粉末、または
共沈原料を用いることもできる。
At this time, the solid electrolyte powder used was Y 2 O 3 as a stabilizer with respect to zirconia powder.
And Yb 2 O 3 , Sc 2 O 3 , Sm 2 O 3 , Nd 2 O
3 , a rare earth oxide powder such as Dy 2 O 3
A mixed powder added at a ratio of 3030 mol%, preferably 3-15 mol%, or a coprecipitated raw material powder of zirconia and the above-mentioned stabilizer is used. It is also possible to use ZrO 2 powder or coprecipitated material, a 1-20 atomic% of Zr in ZrO 2 was replaced by Ce.

【0041】さらに、焼結性を改善する目的で、上記固
体電解質粉末に、Al2 3 やSiO2 を5重量%以
下、特に2重量%以下の割合で添加することも可能であ
る。
Further, for the purpose of improving the sinterability, Al 2 O 3 or SiO 2 may be added to the solid electrolyte powder at a ratio of 5% by weight or less, particularly 2% by weight or less.

【0042】次に、上記固体電解質からなる円筒管12
の内面および外面に、基準電極および測定電極となるパ
ターン13、14を、白金等を含有する導電性ペースト
を用いてスラリーデッィプ法、あるいはスクリーン印
刷、パット印刷、ロール転写で形成する。この時、円筒
管12内面への印刷は、導体ペーストを充填して排出し
てして、内面全面に塗布形成してもよい。
Next, the cylindrical tube 12 made of the solid electrolyte is used.
On the inner and outer surfaces of the substrate, patterns 13 and 14 serving as reference electrodes and measurement electrodes are formed by a slurry dipping method using a conductive paste containing platinum or the like, or by screen printing, pad printing, or roll transfer. At this time, for printing on the inner surface of the cylindrical tube 12, the conductive paste may be filled and discharged, and may be applied and formed on the entire inner surface.

【0043】次に、図6(b)に示すように、開口部1
7を有し、開口部17の近傍に発熱体16が埋設された
絶縁性セラミックグリーンシート15を形成する。絶縁
性セラミックグリーンシート15は、まず、セラミック
絶縁層を形成するためのアルミナ、スピネル、フォルス
テライト、ジルコニア、ガラス等のセラミック粉末を用
いて、適宜成形用有機バインダーを添加してスラリーを
調製し、このスラリーを用いてドクターブレード法、押
し出し成形法、プレス法などにより所定厚さのグリーン
シートを作製する。グリーンシートの厚みは、シートの
取り扱いの観点から50〜500μm、特に100〜3
00μmの範囲が特に好ましい。
Next, as shown in FIG.
7 and an insulating ceramic green sheet 15 in which a heating element 16 is buried near an opening 17 is formed. The insulating ceramic green sheet 15 is prepared by first using a ceramic powder such as alumina, spinel, forsterite, zirconia, or glass for forming a ceramic insulating layer, and appropriately adding a forming organic binder to prepare a slurry. Using this slurry, a green sheet having a predetermined thickness is produced by a doctor blade method, an extrusion molding method, a pressing method, or the like. The thickness of the green sheet is from 50 to 500 μm, especially from 100 to 3 from the viewpoint of handling of the sheet.
A range of 00 μm is particularly preferred.

【0044】その後、成形したグリーンシート表面に発
熱体16として白金粉末を含む導電性ペーストを発熱体
パターンにスクリーン印刷法、パット印刷法、ロール転
写法等により印刷した後、その上にさらにもう1枚の上
記グリーンシートを積層するか、またはセラミック粉末
のスラリーを印刷法あるいは転写法で塗布して、発熱体
16を埋設する。開口部17は、発熱体16形成後、あ
るいは形成前にパンチングなどによって形成することに
より作製される。
Thereafter, a conductive paste containing platinum powder is printed as a heating element 16 on the surface of the formed green sheet on the heating element pattern by a screen printing method, a pad printing method, a roll transfer method, or the like. The heating element 16 is embedded by stacking the above-mentioned green sheets or applying a slurry of ceramic powder by a printing method or a transfer method. The opening 17 is formed by punching or the like after or before the formation of the heating element 16.

【0045】次に、図6(c)に示すように、上記円筒
管12の表面に、上記絶縁性セラミックグリーンシート
15を巻き付けて円筒状積層体18を作製する。この
際、上記絶縁性セラミックグリーンシート15を上記円
筒管12の表面に巻き付けるには、上記絶縁性セラミッ
クグリーンシート15と円筒管12との間にアクリル樹
脂や有機溶媒などの接着剤を介在させて接着させたり、
あるいはローラ等で圧力を加えながら機械的に接着する
ことができる。
Next, as shown in FIG. 6C, the insulating ceramic green sheet 15 is wound around the surface of the cylindrical tube 12 to form a cylindrical laminate 18. At this time, in order to wind the insulating ceramic green sheet 15 around the surface of the cylindrical tube 12, an adhesive such as an acrylic resin or an organic solvent is interposed between the insulating ceramic green sheet 15 and the cylindrical tube 12. Glue it,
Alternatively, they can be mechanically bonded while applying pressure with a roller or the like.

【0046】この時、巻き付けされた絶縁性セラミック
グリーンシート15の合わせ目は、焼成時の収縮を考慮
し、シート端部同志を重ねるか、あるいは所定の間隔を
おいて接着してもよい。
At this time, the seams of the wound insulating ceramic green sheet 15 may be overlapped with each other at the ends of the sheet or bonded at a predetermined interval in consideration of shrinkage during firing.

【0047】そして、上記円筒状積層体18を円筒管1
2を構成する固体電解質および絶縁性セラミックグリー
ンシート15とを同時に焼成することにより一体化する
ことができる。前記ヒータ素体15とセンサ素体12と
が一体化された焼結体を作製する。
Then, the cylindrical laminate 18 is transferred to the cylindrical tube 1.
The solid electrolyte and the insulating ceramic green sheet 15 constituting the two can be integrated by firing simultaneously. A sintered body in which the heater element 15 and the sensor element 12 are integrated is manufactured.

【0048】具体的には、固体電解質としてジルコニア
を用いた場合には、アルゴンガス等の不活性雰囲気中あ
るいは大気中1300〜1700℃で1〜10時間程度
焼成すればよい。
More specifically, when zirconia is used as the solid electrolyte, firing may be performed at 1300 to 1700 ° C. for about 1 to 10 hours in an inert atmosphere such as argon gas or the atmosphere.

【0049】なお、上記の製造方法においては、測定電
極および基準電極の形成を絶縁性セラミックグリーンシ
ート15を巻き付ける前の円筒管12に対して形成した
が、測定電極および基準電極の形成は、これに限られる
ことなく、円筒管12の表面に上記絶縁性セラミックグ
リーンシート15を巻き付けた円筒状積層体18に対し
て電極ペーストをデッィプ法、あるいはスクリーン印
刷、パット印刷、ロール転写で円筒管12の内面および
絶縁性セラミックグリーンシート15における開口部1
7内の円筒管12の表面に印刷した後、上記のような条
件で焼成してもよい。
In the above-mentioned manufacturing method, the measurement electrode and the reference electrode are formed on the cylindrical tube 12 before the insulating ceramic green sheet 15 is wound. The electrode paste is not limited to the cylindrical tube 12 but is applied to the cylindrical laminate 18 by winding the insulating ceramic green sheet 15 around the surface of the cylindrical tube 12 by a dipping method, screen printing, pad printing, or roll transfer. Opening 1 in inner surface and insulating ceramic green sheet 15
After printing on the surface of the cylindrical tube 12 in 7, it may be fired under the above conditions.

【0050】さらには、測定電極および基準電極を形成
することなく、上記の方法に従い、円筒状積層体18を
作成し、これを焼成した後に、円筒管12の内面および
セラミック絶縁層における開口部17内に電極ペースト
を印刷して焼き付け処理するか、あるいはスパッタ法や
メッキ法などの薄膜法によって形成することもできる。
Further, without forming the measurement electrode and the reference electrode, a cylindrical laminate 18 is formed according to the above-described method, and after firing, the opening 18 is formed on the inner surface of the cylindrical tube 12 and the ceramic insulating layer. The electrode paste may be printed and baked therein, or may be formed by a thin film method such as a sputtering method or a plating method.

【0051】(第2の製造方法)次に、本発明の酸素セ
ンサ素子の第2の製造方法について、図1の酸素センサ
素子の製造方法を例にして図7をもとに説明する。ま
ず、第1の製造方法と同様にして図7(a)に示すよう
な円筒管20を作製する。なお、この円筒管20の内面
には、基準電極(図示せず)を白金等を含有する導電性
ペーストを用いてスラリーデッィプ法、あるいはスクリ
ーン印刷、パット印刷、ロール転写で形成してもよい。
この時、円筒管20内面への基準電極の印刷は上記導体
ペーストを円筒管20内に充填後、排出して、内面全面
に塗布形成してもよい。
(Second Manufacturing Method) Next, a second manufacturing method of the oxygen sensor element of the present invention will be described with reference to FIG. 7 by taking the manufacturing method of the oxygen sensor element of FIG. 1 as an example. First, a cylindrical tube 20 as shown in FIG. 7A is manufactured in the same manner as in the first manufacturing method. A reference electrode (not shown) may be formed on the inner surface of the cylindrical tube 20 by a slurry dipping method using a conductive paste containing platinum or the like, or by screen printing, pad printing, or roll transfer.
At this time, the reference electrode may be printed on the inner surface of the cylindrical tube 20 by filling the above-mentioned conductive paste into the cylindrical tube 20, discharging the paste, and applying the conductive paste to the entire inner surface.

【0052】次に、円筒管20と同様な組成物からなる
固体電解質を用いて図7(b)に示すような固体電解質
グリーンシート21を作製する。このグリーンシート
は、固体電解質粉末を用いて、適宜成形用有機バインダ
ーを添加してスラリーを調製し、このスラリーを用いて
ドクターブレード法、押し出し成形法、プレス法などに
より作製できる。なお、この固体電解質グリーンシート
の厚みは、シートの取り扱いの観点から50〜500μ
m、特に100〜300μmの範囲が特に好ましい。
Next, a solid electrolyte green sheet 21 as shown in FIG. 7B is prepared using a solid electrolyte having the same composition as that of the cylindrical tube 20. The green sheet can be prepared by using a solid electrolyte powder, appropriately adding a forming organic binder to prepare a slurry, and using this slurry by a doctor blade method, an extrusion forming method, a pressing method, or the like. The thickness of the solid electrolyte green sheet is 50 to 500 μm from the viewpoint of handling of the sheet.
m, particularly preferably in the range of 100 to 300 μm.

【0053】なお、図7(b)に示すように、この固体
電解質グリーンシート21の表面の所定箇所に白金など
の導電ペーストを印刷塗布して測定電極22を形成して
もよい。
As shown in FIG. 7B, the measurement electrode 22 may be formed by printing and applying a conductive paste such as platinum on a predetermined portion of the surface of the solid electrolyte green sheet 21.

【0054】そして、図7(c)に示すように、上記の
固体電解質グリーンシート21の一表面側に、所定箇所
に開口部23が形成され且つ開口部23近傍に発熱体2
4を埋設してなる絶縁性セラミック層25を積層する。
As shown in FIG. 7C, an opening 23 is formed at a predetermined location on one surface side of the solid electrolyte green sheet 21 and a heating element 2 is provided near the opening 23.
4 are laminated.

【0055】例えば、前記第1の製造方法における絶縁
性セラミックグリーンシート15と同様な方法によって
絶縁性セラミックグリーンシート25aを作製する。こ
の絶縁性セラミックグリーンシート25aの厚みは、シ
ートの取り扱いの観点から50〜500μm、特に10
0〜300μmの範囲が特に好ましい。そして、このグ
リーンシート25aの所定箇所に開口部23をパンチン
グ等によって形成する。
For example, the insulating ceramic green sheet 25a is manufactured by the same method as the insulating ceramic green sheet 15 in the first manufacturing method. The thickness of the insulating ceramic green sheet 25a is 50 to 500 μm, particularly 10 μm, from the viewpoint of sheet handling.
The range of 0 to 300 μm is particularly preferred. Then, an opening 23 is formed at a predetermined position of the green sheet 25a by punching or the like.

【0056】その後、グリーンシート25aの開口部2
3の近傍に発熱体24として白金粉末を含む導電性ペー
ストを発熱体パターンにスクリーン印刷法、パット印刷
法、ロール転写法等により印刷した後、その上にさらに
もう1枚の上記グリーンシート25bを積層するか、ま
たはセラミック粉末のスラリーを印刷法あるいは転写法
で塗布することにより、発熱体24を絶縁性セラミック
層25内に埋設する。開口部23は、発熱体24を埋設
後に形成してもよい。
Thereafter, the opening 2 of the green sheet 25a is formed.
After printing a conductive paste containing platinum powder as a heating element 24 in the vicinity of 3 on the heating element pattern by a screen printing method, a pad printing method, a roll transfer method or the like, another green sheet 25b is further placed thereon. The heating element 24 is embedded in the insulating ceramic layer 25 by stacking or applying a slurry of ceramic powder by a printing method or a transfer method. The opening 23 may be formed after the heating element 24 is embedded.

【0057】そして、この発熱体24が埋設された絶縁
性セラミック層25を、固体電解質グリーンシート21
の表面に形成されている測定電極22が開口部23から
露出するように積層することによって、図7(c)に示
すような積層体を作製することができる。
Then, the insulating ceramic layer 25 in which the heating element 24 is embedded is replaced with the solid electrolyte green sheet 21.
By laminating the electrodes so that the measurement electrodes 22 formed on the surfaces thereof are exposed from the openings 23, a laminate as shown in FIG. 7C can be manufactured.

【0058】(巻き付け)次に、図7(d)に示すよう
に、上記円筒管20の表面に固体電解質グリーンシート
21の他方面側を巻き付けて円筒状積層体26を作製す
る。この際、上記固体電解質グリーンシート21を上記
円筒管20の表面に巻き付けるには、上記固体電解質グ
リーンシート21と円筒管20との間にアクリル樹脂や
有機溶媒などの接着剤を介在させて接着させたり、ある
いはローラ等で圧力を加えながら機械的に接着すること
ができる。
(Winding) Next, as shown in FIG. 7D, the other side of the solid electrolyte green sheet 21 is wound around the surface of the cylindrical tube 20 to form a cylindrical laminate 26. At this time, in order to wind the solid electrolyte green sheet 21 around the surface of the cylindrical tube 20, an adhesive such as an acrylic resin or an organic solvent is interposed between the solid electrolyte green sheet 21 and the cylindrical tube 20 to be bonded. Or by mechanical bonding while applying pressure with a roller or the like.

【0059】この時、巻き付けされた固体電解質グリー
ンシート21の合わせ目は、焼成時の収縮を考慮し、シ
ート端部同志を重ねるか、あるいは所定の間隔をおいて
接着してもよい。
At this time, the seams of the wound solid electrolyte green sheet 21 may be overlapped with each other at the end of the sheet or bonded at a predetermined interval in consideration of shrinkage during firing.

【0060】(同時焼成)そして、上記円筒状積層体2
6を円筒管20や固体電解質グリーンシート21を構成
する固体電解質および絶縁性セラミック層25とを同時
に焼成することにより一体化することができる。
(Simultaneous firing) Then, the cylindrical laminate 2
6 can be integrated by simultaneously firing the solid electrolyte constituting the cylindrical tube 20 and the solid electrolyte green sheet 21 and the insulating ceramic layer 25.

【0061】具体的には、固体電解質としてジルコニア
を用いた場合には、アルゴンガス等の不活性雰囲気中あ
るいは大気中1300〜1700℃で1〜10時間程度
焼成すればよい。
Specifically, when zirconia is used as the solid electrolyte, firing may be performed at 1300 to 1700 ° C. for about 1 to 10 hours in an inert atmosphere such as argon gas or the atmosphere.

【0062】(他の電極形成法)なお、上記の第2の製
造方法においては、測定電極および基準電極の形成は、
上記の方法に限定されず、円筒管20の表面に上記固体
電解質グリーンシート21を巻き付けた円筒状積層体2
6に対して白金などの電極ペーストをデッィプ法、ある
いはスクリーン印刷、パット印刷、ロール転写によっ
て、円筒管20の内面および絶縁性セラミック層25に
おける開口部23内の固体電解質グリーンシート21の
表面に印刷した後、上記のような条件で焼成してもよ
い。
(Other Method of Forming Electrodes) In the above-described second manufacturing method, the formation of the measurement electrode and the reference electrode is performed in the following manner.
The method is not limited to the above method, and the cylindrical laminate 2 in which the solid electrolyte green sheet 21 is wound around the surface of the cylindrical tube 20 is used.
An electrode paste such as platinum is applied to the inner surface of the cylindrical tube 20 and the surface of the solid electrolyte green sheet 21 in the opening 23 in the insulating ceramic layer 25 by a dipping method, screen printing, pad printing, or roll transfer. After that, baking may be performed under the above conditions.

【0063】さらには、測定電極および基準電極を形成
することなく、上記の方法に従い、円筒状積層体26を
作製し、これを焼成した後に、円筒管21の内面および
セラミック絶縁層における開口部23内に電極ペースト
を印刷して焼き付け処理するか、あるいはスパッタ法や
メッキ法などの薄膜法によって形成することもできる。
Further, without forming the measuring electrode and the reference electrode, a cylindrical laminated body 26 is formed according to the above-described method, and after firing, the cylindrical laminated body 26 is opened, and the opening 23 in the inner surface of the cylindrical tube 21 and the ceramic insulating layer is formed. The electrode paste may be printed and baked therein, or may be formed by a thin film method such as a sputtering method or a plating method.

【0064】(多孔質層の形成法)なお、前述の理論空
燃比センサや広域空燃比酸素センサを作製する場合に
は、第1および第2の方法において、測定電極の表面
に、アルミナ、スピネル、ジルコニア等のセラミック粉
末をゾルゲル法、スラリーディップ法、印刷法などによ
って印刷塗布し、焼き付け処理したり、上記セラミック
スをスパッタ法あるいはプラズマ溶射法により被覆して
セラミック保護層やガス拡散律速層を形成する。また、
他の方法としては、円筒状積層体を作製する際に予め測
定電極表面にセラミック保護層やガス拡散律速層を形成
し、円筒状積層体と、同時に焼成し形成することも可能
である。
(Method of Forming Porous Layer) When the above-described stoichiometric air-fuel ratio sensor or wide-range air-fuel ratio oxygen sensor is manufactured, in the first and second methods, alumina, spinel, , Zirconia and other ceramic powders are printed and coated by sol-gel method, slurry dipping method, printing method, etc. and baked, or the above ceramics are coated by sputtering method or plasma spraying method to form ceramic protective layer and gas diffusion controlling layer I do. Also,
As another method, it is also possible to form a ceramic protective layer or a gas diffusion-controlling layer on the surface of the measurement electrode in advance when producing the cylindrical laminate, and to form the same by firing simultaneously with the cylindrical laminate.

【0065】また、第1および第2の製造方法におい
て、上記焼成前に、発熱体を埋設した絶縁性セラミック
層の表面に、ジルコニア粉末のスラリーを塗布したり、
ジルコニア粉末を用いて作製されたグリーンシートをさ
らに積層した後に、焼成することによって図2で示した
ようなジルコニア層10を形成することができる。
In the first and second manufacturing methods, before the firing, a slurry of zirconia powder is applied to the surface of the insulating ceramic layer in which the heating element is embedded,
The zirconia layer 10 as shown in FIG. 2 can be formed by further laminating green sheets produced using zirconia powder and then firing.

【0066】(他の構造)なお、本発明の酸素センサ素
子は、固体電解質からなる円筒管の形状において、封止
された一端は、先端が球状でも良いし、円柱状であって
もよく、またセンサ強度や作製の容易性から円筒管は先
端に向かってテーパ状に細くなるような構造のものであ
ってもよい。
(Other Structure) In the oxygen sensor element of the present invention, in the shape of a cylindrical tube made of a solid electrolyte, the sealed one end may have a spherical tip or a cylindrical shape. In addition, the cylindrical tube may have a structure in which the cylindrical tube becomes thinner in a tapered shape toward the tip from the viewpoint of sensor strength and ease of manufacture.

【0067】[0067]

【実施例】(実施例1)市販のスピネル粉末と、アルミ
ナ粉末と、5モル%Y2 3 含有のジルコニア粉末と、
白金粉末をそれぞれ準備した。まず、5モル%Y2 3
含有のジルコニア粉末にポリビニルアルコール溶液を添
加して坏土を作製し、押出成形により外径が約5mm、
内径が3mmの一端が封じた円筒状成形体を作製した。
EXAMPLES Example 1 Commercially available spinel powder, alumina powder, zirconia powder containing 5 mol% Y 2 O 3 ,
Each platinum powder was prepared. First, 5 mol% Y 2 O 3
A polyvinyl alcohol solution was added to the containing zirconia powder to prepare a kneaded material, and the outer diameter was about 5 mm by extrusion molding.
A cylindrical molded body having an inner diameter of 3 mm and sealed at one end was prepared.

【0068】また、スピネル粉末にポリビニルアルコー
ル溶液を加えてスラリーを作製し、約200μmのグリ
ーンシートを作製した。このスピネル粉末からなるグリ
ーンシートに開口部をパンチングによって形成した後、
その開口部の近傍に白金粉末を含む導体ペーストを発熱
体パターン状にスクリーン印刷した後、その上に、さら
にスピネル粉末を塗布し発熱体を埋設したヒータ素体を
作製した。
A slurry was prepared by adding a polyvinyl alcohol solution to the spinel powder, and a green sheet of about 200 μm was prepared. After forming an opening in a green sheet made of this spinel powder by punching,
A conductor paste containing platinum powder was screen-printed in the vicinity of the opening in the form of a heating element pattern, and then a spinel powder was further applied thereon to produce a heater element in which the heating element was embedded.

【0069】次に、上記の円筒状のセンサ素体の表面
に、接着剤としてアクリル系樹脂を用いて上記ヒータ素
体を巻き付け円筒状積層体を作製した。その後、この円
筒状積層体を大気中にて、1500℃で2時間焼成し、
焼成一体化した。
Next, the heater element was wound around the surface of the cylindrical sensor element using an acrylic resin as an adhesive to form a cylindrical laminated body. Thereafter, the cylindrical laminate is fired in the air at 1500 ° C. for 2 hours,
Fired and integrated.

【0070】その後、円筒管の開口部内の表面と、円筒
管の内面全面に白金からなる多孔質の基準電極および測
定電極を無電解メッキによって2μmの厚さが形成し
た。
Thereafter, a porous reference electrode and a measuring electrode made of platinum were formed by electroless plating to a thickness of 2 μm on the surface inside the opening of the cylindrical tube and the entire inner surface of the cylindrical tube.

【0071】その後、開口部内の測定電極の表面に、プ
ラズマ溶射によりスピネルからなる気孔率が30%のセ
ラミック保護層を200μmの厚みで形成して図1に示
すような理論空燃比センサを作製した。
Then, a ceramic protective layer made of spinel and having a porosity of 30% and having a porosity of 200 μm was formed on the surface of the measurement electrode in the opening by plasma spraying to produce a stoichiometric air-fuel ratio sensor as shown in FIG. .

【0072】作製した酸素センサの評価には、基準電極
に空気を、測定電極にHC、CO、H2 および空気(O
2 )を所定の空気過剰率になるように供給した。700
℃において空気過剰率が0.95になるように上記の混
合ガスを供給した時のセンサ素子の活性化時間を測定し
た結果を図8に示す。この際、比較のために市販の円筒
管の内部にヒータが挿入されたコップ形状の酸素センサ
の活性化時間も合わせて測定した。
To evaluate the manufactured oxygen sensor, air was used as the reference electrode, and HC, CO, H 2 and air (O 2) were used as the measurement electrodes.
2 ) was supplied so as to have a predetermined excess air ratio. 700
FIG. 8 shows the result of measuring the activation time of the sensor element when the above-mentioned mixed gas was supplied such that the excess air ratio was 0.95 at ° C. At this time, the activation time of a cup-shaped oxygen sensor in which a heater was inserted inside a commercially available cylindrical tube was also measured for comparison.

【0073】図8の結果より、市販のコップ形状の酸素
センサ素子は、センサ素子の活性化に約50秒を要する
のに対して、本発明のヒータ一体型の酸素センサ素子は
15秒で作動することが分かる。
From the results shown in FIG. 8, the activation of the sensor element of the commercially available cup-shaped oxygen sensor element requires about 50 seconds, whereas the oxygen sensor element with the heater of the present invention operates in 15 seconds. You can see that

【0074】また、図9に本発明のヒータ一体型酸素セ
ンサ素子の700℃における出力電圧と空気過剰率との
関係を示す。これより出力電圧が空気過剰率が1付近で
出力電圧が急激に変化することがわかる。これより発明
の理論空燃比センサとして、理論空燃比近傍の燃料と空
気の混合比率を制御するに充分な機能を有することが明
らかである。
FIG. 9 shows the relationship between the output voltage at 700 ° C. and the excess air ratio of the heater-integrated oxygen sensor element of the present invention. This shows that the output voltage changes rapidly when the excess air ratio is around 1. It is apparent from this that the stoichiometric air-fuel ratio sensor of the present invention has a function sufficient to control the mixture ratio of fuel and air near the stoichiometric air-fuel ratio.

【0075】また、ここで作製したヒータ一体化酸素セ
ンサ素子と、図12に示したように、平板型のジルコニ
ア固体電解質による酸素センサと、アルミナセラミック
スを絶縁基板として、白金からなる発熱体が埋設された
ヒータとが積層一体化された平板型のヒータ一体型酸素
センサ素子に対して温度サイクルを加えた際の信頼性の
比較を行った。この際、試料数はそれぞれ20個とし
た。信頼性の評価は室温から700℃まで20秒で立ち
上げ、その後、室温まで急冷した。これを1サイクルと
し、10万回行った後のセンサ中に埋設したヒータの抵
抗値の初期値に対する増加率を調べた。
Further, the heater-integrated oxygen sensor element manufactured here, an oxygen sensor made of a flat zirconia solid electrolyte as shown in FIG. 12, and a heating element made of platinum are embedded with alumina ceramics as an insulating substrate. The reliability when a temperature cycle was applied to a flat-plate-type heater-integrated oxygen sensor element in which stacked heaters were integrated was compared. At this time, the number of samples was 20 each. The reliability was evaluated from room temperature to 700 ° C. in 20 seconds, and then rapidly cooled to room temperature. This was defined as one cycle, and the rate of increase in the resistance value of the heater embedded in the sensor after the test was performed 100,000 times with respect to the initial value was examined.

【0076】その結果、平板形状のヒータ一体型酸素セ
ンサのヒーターの抵抗値の増加率の平均値は3.5%で
あった。それに比較して、本発明品の抵抗の増加率の平
均値は0.4%であり、優れた耐熱サイクル性を有する
ことが確認された。
As a result, the average value of the rate of increase in the resistance value of the heater of the flat plate-shaped heater-integrated oxygen sensor was 3.5%. In comparison, the average value of the rate of increase in resistance of the product of the present invention was 0.4%, and it was confirmed that the product had excellent heat cycle resistance.

【0077】(実施例2)実施例1におけるセンサ素子
において、測定電極の表面へのスピネルの溶射に代え
て、測定電極の表面にスラリーディップ法によりジルコ
ニア粉末を塗布し、1000℃で1時間焼き付けて、気
孔率が約15%のガス拡散律速層を形成し、広域空燃比
センサ素子を作製した。
(Example 2) In the sensor element of Example 1, instead of spraying spinel on the surface of the measurement electrode, zirconia powder was applied to the surface of the measurement electrode by a slurry dipping method and baked at 1000 ° C for 1 hour. Thus, a gas diffusion controlling layer having a porosity of about 15% was formed, and a wide-range air-fuel ratio sensor element was manufactured.

【0078】広域空燃比センサ素子の700℃における
限界電流値と空燃比の関係を図10に示した。この図1
0より限界電流値と空燃比が単一の曲線で表わされるこ
とがわかる。これにより本発明の酸素センサは希薄燃焼
領域においても空気と燃料の比率を検出する充分な機能
を有することが分かる。また、ガス拡散律速層を設けた
本発明の酸素センサの700℃までの立ち上げ時間は同
様に15秒であった。
FIG. 10 shows the relationship between the limit current value at 700 ° C. and the air-fuel ratio of the wide-range air-fuel ratio sensor element. This figure 1
From 0, it can be seen that the limit current value and the air-fuel ratio are represented by a single curve. This indicates that the oxygen sensor of the present invention has a sufficient function of detecting the ratio of air to fuel even in the lean burn region. The rise time of the oxygen sensor of the present invention provided with the gas diffusion-controlling layer up to 700 ° C. was similarly 15 seconds.

【0079】(実施例3)実施例1の5モル%Y2 3
含有の共沈法によるジルコニア粉末にポリビニルアルコ
ールを添加し押し出し成形法により厚み約300μmの
グリーンシートを作製した。このグリーンシートの表面
にスクリーン印刷法によりアルミナからなる絶縁体層を
塗布した その後、開口部をパンチングによって形成し
た後、開口部の近傍に白金粉末を含有する導電性ペース
トを発熱体パターンにスクリーン印刷し、さらに白金製
発熱体パターンの表面にスクリーン印刷で絶縁層として
アルミナ粉末を含有するペーストを塗布乾燥してヒータ
素体を作製した。
Example 3 5 mol% Y 2 O 3 of Example 1
Polyvinyl alcohol was added to the zirconia powder obtained by the coprecipitation method, and a green sheet having a thickness of about 300 μm was produced by an extrusion molding method. An insulating layer made of alumina was applied to the surface of the green sheet by a screen printing method. After that, an opening was formed by punching, and a conductive paste containing platinum powder was screen-printed on the heating element pattern near the opening. Then, a paste containing alumina powder as an insulating layer was applied to the surface of the platinum heating element pattern by screen printing and dried to prepare a heater element.

【0080】次に、実施例1で作製した円筒状のセンサ
素体の表面に、上記のヒータ素体を巻き付けて円筒状積
層体を作製した後、この円筒状積層体を大気中、150
0℃で2時間焼成した。
Next, the above-mentioned heater element was wound around the surface of the cylindrical sensor element produced in Example 1 to produce a cylindrical laminated body.
It was baked at 0 ° C. for 2 hours.

【0081】その後、実施例1と同様にして固体電解質
からなる円筒管の封止された先端の内面および外面にそ
れぞれ白金からなる基準電極と測定電極とをメッキによ
って形成した後、プラズマ溶射により測定電極の表面に
スピネルからなる気孔率が28%のセラミック保護層を
200μmの厚みで形成し理論空燃比センサを作製し
た。
Thereafter, in the same manner as in Example 1, a reference electrode and a measurement electrode made of platinum were formed on the inner and outer surfaces of the sealed distal end of the cylindrical tube made of the solid electrolyte by plating, and then measured by plasma spraying. A 200 μm-thick ceramic protective layer made of spinel and having a porosity of 28% was formed on the surface of the electrode to produce a theoretical air-fuel ratio sensor.

【0082】さらに、焼成後の円筒状積層体に対して、
実施例1と同様にして固体電解質からなる円筒管の内面
および開口部内の外面にそれぞれ白金からなる基準電極
と測定電極とをメッキによって形成した後、測定電極の
表面にジルコニア粉末を含有するスラリーを塗布した
後、1100℃で焼き付けて気孔率が約15%のガス拡
散律速層を50μmの厚みで形成し、図1と同様な形状
の広域空燃比センサ素子を作製した。
Further, with respect to the cylindrical laminate after firing,
After forming a reference electrode and a measurement electrode made of platinum on the inner surface of the cylindrical tube made of the solid electrolyte and the outer surface inside the opening by plating in the same manner as in Example 1, a slurry containing zirconia powder was formed on the surface of the measurement electrode. After the application, the coating was baked at 1100 ° C. to form a gas diffusion-controlling layer having a porosity of about 15% with a thickness of 50 μm. Thus, a wide-area air-fuel ratio sensor element having the same shape as that of FIG.

【0083】この後、実施例1に従い、センサ特性の評
価を行った結果、本発明のヒータ一体型酸素センサ素子
の700℃までの活性時間は、理論空燃比センサで17
秒、広域空燃比センサで16秒であった。
Thereafter, the sensor characteristics were evaluated in accordance with Example 1. As a result, the activation time of the oxygen sensor element with heater of the present invention up to 700 ° C. was 17 times with the stoichiometric air-fuel ratio sensor.
It was 16 seconds with the wide area air-fuel ratio sensor.

【0084】また、本発明の広域空燃比センサの700
℃における出力電圧と空気過剰率との関係については、
図9と同様な結果が得られた。また、ガス拡散律速層を
設けた広域空燃比センサの700℃における限界電流値
と空燃比との関係については図10と同様な結果が得ら
れた。
The wide-range air-fuel ratio sensor 700 of the present invention
For the relationship between the output voltage and the excess air ratio in ° C,
The same result as in FIG. 9 was obtained. The relationship between the limiting current value at 700 ° C. and the air-fuel ratio of the wide-range air-fuel ratio sensor provided with the gas diffusion-controlling layer was similar to that shown in FIG.

【0085】信頼性の評価は、実施例1に従い室温から
700℃まで20秒で立ち上げ、その後室温まで急冷す
るという熱処理を1サイクルとしこれを20万回行った
後のセンサ中のヒータの抵抗値の初期値に対する増加率
を100個の理論空燃比センサ素子、および広域空燃比
センサについてそれぞれ調べた。その結果、抵抗率の増
加率は理論空燃比センサが0.5%、広域空燃比センサ
が0.4%と小さい値であった。
The reliability was evaluated in the same manner as in Example 1 except that the heat treatment was started up from room temperature to 700 ° C. in 20 seconds and then rapidly cooled down to room temperature in one cycle, and this was performed 200,000 times. The increase rate of the value with respect to the initial value was examined for each of 100 theoretical air-fuel ratio sensor elements and the wide area air-fuel ratio sensor. As a result, the rate of increase in resistivity was as small as 0.5% for the stoichiometric air-fuel ratio sensor and 0.4% for the wide-range air-fuel ratio sensor.

【0086】[0086]

【発明の効果】以上詳述した通り、本発明の酸素センサ
素子によれば、円筒型をなし、且つ酸素センサとヒータ
とを同時焼成して一体化した構造を有することから、平
板型のヒータ一体型酸素センサよりも高い強度を有する
ために、熱性および耐久性に優れ、また、従来のヒータ
を円筒管内部に内蔵する円筒型の酸素センサに比較し
て、電極に隣接してヒータを設けたために、昇温速度が
早くなり、平板形状の積層型センサ素子と同等以上にセ
ンサ応答性に優れる。しかも製造工程を簡略化できるた
めに製造コストが安価になり、経済性の観点からも優れ
ている。
As described in detail above, according to the oxygen sensor element of the present invention, since it has a cylindrical shape and has a structure in which the oxygen sensor and the heater are simultaneously fired and integrated, a flat plate type heater is provided. Because it has higher strength than the integrated oxygen sensor, it is superior in heat resistance and durability, and a heater is provided adjacent to the electrode compared to the conventional oxygen sensor with a built-in heater inside the cylindrical tube. Therefore, the rate of temperature rise is increased, and the sensor response is superior to or higher than that of a flat-plate stacked sensor element. In addition, since the manufacturing process can be simplified, the manufacturing cost is reduced, and the manufacturing cost is excellent.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

【図1】本発明の酸素センサ素子の一例を説明するため
の(a)概略斜視図と(b)X1 −X1 断面図を示す。
1 shows a (a) a schematic perspective view and (b) X 1 -X 1 cross-sectional view for explaining an example of an oxygen sensor element of the present invention.

【図2】ヒータ部の種々の構造を説明するための要部拡
大断面図である。
FIG. 2 is an enlarged sectional view of a main part for explaining various structures of a heater unit.

【図3】本発明の酸素センサ素子の他の例を説明するた
めの(a)概略斜視図と(b)X2 −X2 断面図を示
す。
FIG. 3 shows (a) a schematic perspective view and (b) a sectional view taken along line X 2 -X 2 for explaining another example of the oxygen sensor element of the present invention.

【図4】本発明の酸素センサ素子の他の例を説明するた
めの(a)概略斜視図と(b)X3 −X3 断面図を示
す。
FIG. 4 shows (a) a schematic perspective view and (b) a sectional view taken along line X 3 -X 3 for explaining another example of the oxygen sensor element of the present invention.

【図5】図1の酸素センサ素子の測定電極表面に多孔質
層を形成した場合の概略断面図である。
FIG. 5 is a schematic cross-sectional view of a case where a porous layer is formed on a measurement electrode surface of the oxygen sensor element of FIG.

【図6】本発明の酸素センサ素子の製造方法の一例とし
て、図1のセンサ素子を製造する方法の工程図を示す。
FIG. 6 shows a process chart of a method of manufacturing the sensor element of FIG. 1 as an example of a method of manufacturing the oxygen sensor element of the present invention.

【図7】本発明の酸素センサ素子の製造方法の他の例と
して、図1のセンサ素子を製造する方法の工程図を示
す。
FIG. 7 shows a process chart of a method for manufacturing the sensor element of FIG. 1 as another example of the method for manufacturing the oxygen sensor element of the present invention.

【図8】実施例1において、700℃において空気過剰
率が0.95になるように混合ガスを供給した時のセン
サ素子の活性化時間を測定した結果を示す。
FIG. 8 shows the result of measuring the activation time of the sensor element when the mixed gas was supplied at 700 ° C. so that the excess air ratio was 0.95 in Example 1.

【図9】実施例1のヒータ一体型酸素濃度センサ素子の
700℃における出力電圧と空気過剰率との関係を示
す。
FIG. 9 shows the relationship between the output voltage at 700 ° C. and the excess air ratio of the heater-integrated oxygen concentration sensor element of Example 1.

【図10】広域空燃比センサの700℃における限界電
流値と空燃比の関係を示す。
FIG. 10 shows a relationship between a limit current value at 700 ° C. and an air-fuel ratio of a wide area air-fuel ratio sensor.

【図11】従来の円筒型酸素センサの概略断面図を示
す。
FIG. 11 is a schematic sectional view of a conventional cylindrical oxygen sensor.

【図12】従来のヒータ一体型の平板型酸素センサの概
略斜視図を示す。
FIG. 12 is a schematic perspective view of a conventional heater-integrated flat plate type oxygen sensor.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1 酸素センサ素子 2 円筒管 3 基準電極 4 測定電極 5 セラミック絶縁層 6 開口部 7 発熱体 11 多孔質層 DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Oxygen sensor element 2 Cylindrical tube 3 Reference electrode 4 Measurement electrode 5 Ceramic insulating layer 6 Opening 7 Heating element 11 Porous layer

Claims (6)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】酸素イオン導電性を有するセラミック固体
電解質からなり一端が封止された円筒管と、該円筒管の
内面および外面の対向する位置にそれぞれ形成された基
準電極および測定電極とを具備する酸素センサに対し
て、前記円筒管の外面に前記測定電極の一部または全部
が露出するようにセラミック絶縁層を積層するととも
に、該セラミック絶縁層の少なくとも前記測定電極の近
傍に発熱体を埋設してなることを特徴とするヒータ一体
型酸素センサ素子。
1. A cylindrical tube made of a ceramic solid electrolyte having oxygen ion conductivity and sealed at one end, and a reference electrode and a measurement electrode formed at opposing positions on an inner surface and an outer surface of the cylindrical tube. A ceramic insulating layer is laminated on the outer surface of the cylindrical tube so that part or all of the measuring electrode is exposed, and a heating element is embedded at least in the vicinity of the measuring electrode in the ceramic insulating layer. A heater-integrated oxygen sensor element comprising:
【請求項2】前記円筒管と前記発熱体が埋設されたセラ
ミック絶縁層とを同時焼成してなることを特徴とする請
求項1記載のヒータ一体型酸素センサ素子。
2. The heater-integrated oxygen sensor element according to claim 1, wherein the cylindrical tube and the ceramic insulating layer in which the heating element is embedded are simultaneously fired.
【請求項3】前記測定電極の表面に、セラミック多孔質
層を被着形成してなることを特徴とする請求項1記載の
ヒータ一体型酸素センサ素子。
3. The heater-integrated oxygen sensor element according to claim 1, wherein a ceramic porous layer is formed on the surface of the measurement electrode.
【請求項4】セラミック固体電解質からなる一端が封止
された円筒管を作製する工程と、 所定箇所に開口部が形成され、且つ該開口部近傍に発熱
体を埋設してなる絶縁性セラミックグリーンシートを作
製する工程と、 前記円筒管の外表面に前記絶縁性セラミックグリーンシ
ートを巻き付けて円筒状積層体を作製する工程と、 前記円筒状積層体を焼成する工程と、 前記円筒管の前記開口部内の表面に測定電極を、および
それに対向する円筒管内面に基準電極をそれぞれ形成す
る工程と、を具備することを特徴とするヒータ一体型酸
素センサ素子の製造方法。
4. A process for producing a cylindrical tube made of a ceramic solid electrolyte and having one end sealed, an insulating ceramic green having an opening formed in a predetermined location and a heating element embedded near the opening. A step of producing a sheet; a step of winding the insulating ceramic green sheet around the outer surface of the cylindrical tube to produce a cylindrical laminate; a step of firing the cylindrical laminate; and the opening of the cylindrical tube Forming a measurement electrode on the inner surface of the portion and a reference electrode on the inner surface of the cylindrical tube opposed to the measurement electrode, respectively.
【請求項5】セラミック固体電解質からなる一端が封止
された円筒管を作製する工程と、 前記セラミック固体電解質からなるグリーンシートを作
製する工程と、 前記セラミック固体電解質グリーンシートの一表面側
に、所定箇所に開口部が形成され且つ該開口部近傍に発
熱体を埋設してなる絶縁性セラミック層を積層する工程
と、 前記円筒管の外表面に、前記セラミック固体電解質グリ
ーンシートの他方面側を巻き付けて円筒状積層体を作製
する工程と、 前記円筒状積層体を焼成する工程と、 前記開口部内のセラミック固体電解質表面に測定電極
を、およびそれに対向する円筒管内面に基準電極をそれ
ぞれ形成する工程と、を具備することを特徴とするヒー
タ一体型酸素センサ素子の製造方法。
5. A step of forming a cylindrical tube having one end made of a ceramic solid electrolyte and sealing the cylindrical tube, a step of forming a green sheet made of the ceramic solid electrolyte, and one surface side of the ceramic solid electrolyte green sheet. A step of laminating an insulating ceramic layer in which an opening is formed at a predetermined location and a heating element is buried in the vicinity of the opening; and Forming a cylindrical laminate by winding; baking the cylindrical laminate; forming a measurement electrode on the surface of the ceramic solid electrolyte in the opening, and forming a reference electrode on the inner surface of the cylindrical tube opposed thereto. And a method for manufacturing a heater-integrated oxygen sensor element.
【請求項6】前記測定電極の表面にセラミック多孔質層
を形成する工程を具備する請求項4または請求項5記載
のヒータ一体型酸素センサ素子の製造方法。
6. The method for manufacturing a heater-integrated oxygen sensor element according to claim 4, further comprising the step of forming a ceramic porous layer on the surface of said measurement electrode.
JP21805899A 1999-04-28 1999-07-30 Method for manufacturing heater-integrated oxygen sensor element Expired - Fee Related JP3668059B2 (en)

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