JP2002164153A - Ceramic heater and oxygen sensor using the same - Google Patents

Ceramic heater and oxygen sensor using the same

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JP2002164153A
JP2002164153A JP2000361751A JP2000361751A JP2002164153A JP 2002164153 A JP2002164153 A JP 2002164153A JP 2000361751 A JP2000361751 A JP 2000361751A JP 2000361751 A JP2000361751 A JP 2000361751A JP 2002164153 A JP2002164153 A JP 2002164153A
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To obtain a ceramic heater with an excellent property against heat shock like an abrupt temperature increase, and to obtain an oxygen sensor integrally composed of the ceramic heater and an oxygen concentration detection part or the like, with an excellent property against heat shock like an abrupt temperature increase, and with long life. SOLUTION: For the oxygen sensor comprising a ceramic heater embedding platinum heater inside a ceramic insulation layer, a detection part having a pair of porous platinum electrodes 3, 4 located at opposed positions of inner surface and outer surface of zirconia solid electrolyte base body 2 respectively, and a heating part embedding a platinum heater 7 inside the ceramic insulation layer 5 integrated with the solid electrolyte base body 2, the content of Na in the ceramic insulation layer 5 and the platinum heater 7 are made less than 50 ppm respectively.

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、セラミックヒータ
と、自動車等の内燃機関における空気と燃料の比率等を
制御するためのもので、加熱部と検知部が一体化されて
なる加熱部の寿命の長い酸素センサに関する。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention is for controlling the ratio of air to fuel in a ceramic heater and an internal combustion engine of an automobile or the like. Related to a long oxygen sensor.

【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5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 this detecting element, 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. 5, 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. A reference electrode 32 is formed, and a measurement electrode 33 is formed on the outer surface of the cylindrical tube 31 to be in contact with a gas to be measured such as exhaust gas. Various ceramic porous layers 34 are formed on the surface of the measurement electrode 33.

【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、保護層となるセラミック多孔質層34
が設けられており、所定温度で円筒管両側に発生する酸
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 and fuel to around 1, a ceramic porous layer 34 serving as a protective layer is provided on the surface of the measurement electrode 33.
Is provided to detect an oxygen concentration difference generated on both sides of the cylindrical tube at a predetermined temperature, and to control an air-fuel ratio of an engine intake system.

【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
ンサとも検知部を約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、円筒管の内側には、検知
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。
In both the above stoichiometric air-fuel ratio sensor and the wide area air-fuel ratio sensor, it is necessary to heat the detecting portion to an operating temperature of about 700 ° C. Therefore, inside the cylindrical tube, the detecting portion is heated to the operating temperature. Therefore, the bar-shaped heater 35 is inserted.

【0007】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、NO
x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、検知部が
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 CO, HC, NO
It has become necessary to detect x. In response to such a request, 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 detection 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、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
非透過層中に白金ヒータを設けた円筒型の酸素センサも
特開平10−206380号に記載されている。
As a method for avoiding the above problem, a reference electrode and a measurement electrode are provided on the inner and outer surfaces of a cylindrical tube made of a solid electrolyte, and a gas-permeable porous insulating layer is provided on the surface of the measurement electrode. A cylindrical oxygen sensor provided with a platinum heater in a gas non-permeable layer having a low gas permeability therein is also described in JP-A-10-206380.

【0009】一方、本出願人は、先にセラミック固体電
解質からなり一端が封止された円筒管の内面および外面
に基準電極および測定電極を形成してなる検知部と、測
定電極が露出するように前記円筒管の外面に測定電極形
成部に開口を設けたセラミック絶縁層を積層形成し、測
定電極がその開口部から露出するようにし、その少なく
とも露出している前記測定電極の周囲のセラミック絶縁
層中に白金ヒータを埋設してなる加熱部を一体的に形成
した酸素センサを提案した。
On the other hand, the applicant of the present invention has disclosed a detecting section in which a reference electrode and a measuring electrode are formed on the inner surface and the outer surface of a cylindrical tube which is made of a ceramic solid electrolyte and one end of which is sealed. On the outer surface of the cylindrical tube, a ceramic insulating layer provided with an opening in the measurement electrode forming portion is laminated and formed so that the measurement electrode is exposed from the opening, and at least the ceramic insulation around the exposed measurement electrode is formed. An oxygen sensor was proposed, in which a heating section in which a platinum heater was embedded in the layer was integrally formed.

【0010】[0010]

【発明が解決しようとする課題】この酸素センサは、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るという長所を有する。しかしなが
ら、酸素センサの寿命は、検知部の劣化のみならず、上
記のように加熱部を一体化した酸素センサでは、加熱部
の劣化も寿命を縮める大きな要因となっている。
This oxygen sensor has the advantage that it can be rapidly heated because it is a direct heating system, unlike the conventional indirect heating system. However, the life of the oxygen sensor is a major factor in shortening the life of the oxygen sensor in which the heating unit is integrated as described above, in addition to the deterioration of the detection unit.

【0011】この加熱部の劣化の要因としては、繰り返
し加熱によって、徐々にPtヒータの抵抗が高くなり、
最終的にPtヒータによる加熱ができなくなり、最終的
にはPtヒータが断線するという問題があった。
[0011] The cause of the deterioration of the heating section is that the resistance of the Pt heater gradually increases due to repeated heating,
Eventually, the heating by the Pt heater becomes impossible, and there is a problem that the Pt heater is finally disconnected.

【0012】この問題を解決する方法として、特開20
00−221158号において白金ヒータを埋設するセ
ラミック絶縁体中のNaの含有量を50ppm以下に制
御することによってPtヒータの長寿命化が改善される
ことが提案されている。しかしながら、さらなる酸素セ
ンサの長寿命化が要求される中においては、このように
セラミック絶縁体中のNaの含有量を低下させるだけで
はPtヒータの長寿命化は充分とは言えず、さらなる改
善が求められている。
As a method for solving this problem, Japanese Patent Laid-Open Publication No.
No. 00-22158 proposes that the life of the Pt heater is improved by controlling the content of Na in the ceramic insulator in which the platinum heater is embedded to 50 ppm or less. However, as the life of the oxygen sensor is required to be further extended, it is not sufficient to extend the life of the Pt heater simply by reducing the content of Na in the ceramic insulator, and further improvement is required. It has been demanded.

【0013】従って、本発明は、急速昇温などの熱衝撃
性に優れた長寿命のセラミックヒータと、これを酸素濃
度などの検知部と一体的に形成してなり、急速昇温など
の熱衝撃性に優れると同時に、ヒータ寿命の長い酸素セ
ンサを提供することを目的とするものである。
Accordingly, the present invention provides a long-life ceramic heater excellent in thermal shock resistance such as rapid temperature rise and the like and integrally formed with a detecting portion for detecting oxygen concentration and the like, so It is an object of the present invention to provide an oxygen sensor having excellent impact resistance and a long heater life.

【0014】[0014]

【課題を解決するための手段】本発明者は、上記の問題
について検討した結果、セラミック絶縁層を形成するセ
ラミック組成物としてNa量を低減したものを使用する
ことによってPtヒータの長寿命化が図られるが、この
Ptヒータを形成するPt原料にも不可避的にNaが含
まれており、このNa量を低減することによって、寿命
が飛躍的に向上することが判明し本発明に至った。
The present inventor has studied the above problems and found that the use of a ceramic composition having a reduced amount of Na as the ceramic composition for forming the ceramic insulating layer can extend the life of the Pt heater. As can be seen, the Pt raw material forming the Pt heater also inevitably contains Na, and it has been found that the life is dramatically improved by reducing the amount of Na, leading to the present invention.

【0015】即ち、本発明のセラミックヒータは、セラ
ミック絶縁層中に白金ヒータを埋設してなるセラミック
ヒータであって、前記セラミック絶縁層および白金ヒー
タ中のNaの含有量がそれぞれ50ppm以下であるこ
とを特徴とするものである。
That is, the ceramic heater according to the present invention is a ceramic heater in which a platinum heater is embedded in a ceramic insulating layer, and the content of Na in the ceramic insulating layer and the content of Na in the platinum heater are each 50 ppm or less. It is characterized by the following.

【0016】また、酸素センサとしては、ジルコニア固
体電解質基体の少なくとも内外面の対向する位置に一対
の多孔性の白金電極を有する検知部と、前記固体電解質
基体と一体化されたセラミック絶縁層中に白金ヒータを
埋設してなる加熱部とを具備する酸素センサであって、
前記セラミック絶縁層および白金ヒータ中のNaの含有
量がそれぞれ50ppm以下であることを特徴とする。
Further, as the oxygen sensor, a detecting portion having a pair of porous platinum electrodes at least at positions on the inner and outer surfaces of the zirconia solid electrolyte substrate facing each other, and a ceramic insulating layer integrated with the solid electrolyte substrate are provided. An oxygen sensor comprising a heating unit having a platinum heater embedded therein,
The content of Na in each of the ceramic insulating layer and the platinum heater is 50 ppm or less.

【0017】本発明によれば、セラミック絶縁層および
白金ヒータ中のNaは、ヒータの通電により周囲に発生
する電場により容易にセラミック絶縁層中を拡散してマ
イナス極側の高温部に移動、濃縮して、セラミック絶縁
層の電気抵抗を低下させるばかりでなく、白金ヒータの
電気抵抗を増大させ、その結果酸素センサ自体の寿命を
著しく低下させる。そこで、本発明によれば、セラミッ
ク絶縁層のみならず、Ptヒータ中のNa量を50pp
m以下に制御することによって、長期使用時においても
セラミック絶縁層および白金ヒータの電気抵抗を安定化
させることができる結果、セラミックヒータや酸素セン
サの長寿命化を図ることができる。
According to the present invention, Na in the ceramic insulating layer and the platinum heater is easily diffused in the ceramic insulating layer by an electric field generated around the heater by energization of the heater, and moves to the high temperature portion on the negative electrode side, where it is concentrated. As a result, not only does the electric resistance of the ceramic insulating layer decrease, but also the electric resistance of the platinum heater increases, and as a result, the life of the oxygen sensor itself is significantly reduced. Therefore, according to the present invention, not only the ceramic insulating layer but also the amount of Na in the Pt heater is reduced to 50 pp.
By controlling the resistance to m or less, the electric resistance of the ceramic insulating layer and the platinum heater can be stabilized even during long-term use. As a result, the life of the ceramic heater and the oxygen sensor can be extended.

【0018】なお、上記の構成において、前記セラミッ
ク絶縁層をアルミナおよび/またはマグネシアを含有す
る酸化物によって形成することにより、高い電気絶縁性
を保持できるばかりでなく、耐熱性を向上させることが
できる。
In the above structure, by forming the ceramic insulating layer from an oxide containing alumina and / or magnesia, not only high electrical insulation can be maintained, but also heat resistance can be improved. .

【0019】また、前記セラミック絶縁層の焼結性を改
善する目的でSi成分を添加することが望ましいが、そ
れらセラミック絶縁層中のSi含有量としては酸化物換
算で5重量%以下が好ましい。セラミック絶縁層中のS
i含有量が5重量%を越えると、ヒータへの通電の際、
セラミック絶縁層中のNaのマイナス極への拡散が促進
されヒータの寿命が低下しやすいため、セラミック絶縁
層中のSiの含有量としては酸化物換算で5重量%以下
とすることが好ましい。
It is desirable to add a Si component for the purpose of improving the sinterability of the ceramic insulating layer. However, the content of Si in the ceramic insulating layer is preferably 5% by weight or less in terms of oxide. S in ceramic insulating layer
When the i content exceeds 5% by weight, when the heater is energized,
Since the diffusion of Na to the negative electrode in the ceramic insulating layer is promoted and the life of the heater is easily reduced, the content of Si in the ceramic insulating layer is preferably 5% by weight or less in terms of oxide.

【0020】さらに、本発明によれば、円筒管内面に基
準電極が形成され、円筒管の外面に測定電極が形成され
てなり、前記円筒管表面に白金ヒータを埋設したセラミ
ック絶縁層を被覆形成するとともに、前記セラミック絶
縁層に開口部を設け、その開口部から前記測定電極の一
部または全部を露出せしめることによって、加熱部によ
る検知部の加熱効率を高めることができ、酸素センサの
センサ活性化時間を短縮することができる。
Further, according to the present invention, a reference electrode is formed on the inner surface of the cylindrical tube, a measurement electrode is formed on the outer surface of the cylindrical tube, and a ceramic insulating layer in which a platinum heater is embedded is formed on the surface of the cylindrical tube. In addition, by providing an opening in the ceramic insulating layer and exposing a part or all of the measurement electrode from the opening, the heating efficiency of the detection unit by the heating unit can be increased, and the sensor activity of the oxygen sensor can be improved. Time can be shortened.

【0021】[0021]

【発明の実施の形態】以下、本発明の酸素センサの一例
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。
DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS Hereinafter, an example of an oxygen sensor of the present invention schematic perspective view of FIG. 1 (a) and X 1 -X 1 cross-sectional view (b)
It is explained based on.

【0022】図1の酸素センサ1は、一般的に理論空撚
比センサ(λセンサ)と呼ばれるもので、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、即ち縦断面が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が形成されている。
The oxygen sensor 1 shown in FIG. 1 is generally called a theoretical air-twist ratio sensor (λ sensor), is made of a ceramic solid electrolyte having oxygen ion conductivity, and has one end sealed, that is, a longitudinal section. On the inner surface of the U-shaped cylindrical tube 2, a reference electrode 3 that is in contact with a reference gas such as air is formed as a first electrode, and on the outer surface of the cylindrical tube 2 facing the reference electrode 3. Has a measurement electrode 4 that is in contact with a gas to be measured such as exhaust gas as a second electrode.

【0023】また、本発明によれば、一端が封止された
円筒管2の外面に形成された測定電極4の周囲にはセラ
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が露出するように開
口部6が形成されており、さらに開口部6の周囲のセラ
ミック絶縁層5中には白金ヒータ7が埋設されており加
熱部を形成している。
According to the present invention, the ceramic insulating layer 5 is formed around the measuring electrode 4 formed on the outer surface of the cylindrical tube 2 having one end sealed. An opening 6 is formed in the ceramic insulating layer 5 so that the measurement electrode 4 is exposed, and a platinum heater 7 is buried in the ceramic insulating layer 5 around the opening 6 so that heating is performed. Part is formed.

【0024】本発明においては、セラミック絶縁層5お
よび白金ヒータ7中のNaが50ppm以下、望ましく
は30ppm以下、さらには20ppm以下であること
が重要である。このセラミック絶縁層5および白金ヒー
タ7中のNa含有量が50ppmを越えると、ヒータ加
熱時においてNaがマイナス極側に移動して、白金ヒー
タの抵抗を増大させてヒータの寿命を低下させてしまう
ためである。
In the present invention, it is important that Na in the ceramic insulating layer 5 and the platinum heater 7 is 50 ppm or less, preferably 30 ppm or less, and more preferably 20 ppm or less. If the Na content in the ceramic insulating layer 5 and the platinum heater 7 exceeds 50 ppm, Na moves to the minus pole side during heating of the heater, increasing the resistance of the platinum heater and shortening the life of the heater. That's why.

【0025】次に、上記の白金ヒータ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
じて白金ヒータ7に電流を流すことにより加熱され、円
筒管2、基準電極3、測定電極4からなる検知部を加熱
する仕組みとなっている。
Next, the platinum heater 7 is connected to a terminal electrode 9 via a lead electrode 8 and is heated by passing an electric current through the platinum heater 7 through the lead electrode 8 so that the cylindrical tube 2 and the reference electrode 3 are heated. , And a mechanism for heating the detection unit including the measurement electrode 4.

【0026】なお、上記の酸素センサにおいては、開口
部6の反対側の対照な位置に第二の開口部を設けてもよ
いし、またセンシングの感度を向上するためこの開口部
にもう一つの被測定電極を形成することもできる。
In the oxygen sensor described above, a second opening may be provided at a symmetrical position opposite to the opening 6, and another opening may be provided at this opening to improve the sensitivity of sensing. An electrode to be measured can also be formed.

【0027】この際、素子全体の大きさとしては、酸素
センサ全体の外径を3〜6mm、特に3〜4mmとする
ことにより、消費電力を低減するとともに、センシング
性能を高めることができる。 (固体電解質材質)本発明において、円筒管2を形成す
るのに用いられるセラミック固体電解質は、ZrO2
含有するセラミックスからなり、具体的には、Y23
よびYb2 3、Sc23、Sm23、Nd23、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。
At this time, the size of the whole element is oxygen.
The outer diameter of the entire sensor is 3-6 mm, especially 3-4 mm
Power consumption and sensing
Performance can be enhanced. (Solid electrolyte material) In the present invention, the cylindrical tube 2 is formed.
The ceramic solid electrolyte used forTwoTo
Containing ceramics, specifically, YTwoOThreeYou
And YbTwoO Three, ScTwoOThree, SmTwoOThree, NdTwoOThree, DyTwo
OThree1 to 30 mol% of a rare earth oxide such as
Partially stabilized ZrO preferably containing 3 to 15 mol%Two
Or stabilized ZrOTwoIs used.

【0028】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.

【0029】さらに、焼結性を改善する目的で、上記Z
rO2に対して、Al23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、Al23およびSiO2
の添加量は総量で5重量%以下、特に3重量%以下であ
ることが望ましい。
Further, for the purpose of improving 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 SiO 2
Is preferably 5% by weight or less, particularly 3% by weight or less in total.

【0030】また、固体電解質中のNaの含有量として
は、固体電解質からセラミック絶縁層への拡散進入を防
止する観点からは200ppm以下、特に100ppm
が望ましい。 (セラミック絶縁層)一方、白金ヒータ7を埋設するセ
ラミック絶縁層5としては、アルミナおよび/またはマ
グネシアを含有する酸化物、特に、アルミナ材料、スピ
ネル材料、あるいはアルミナとスピネルとの複合化合物
材料が好適に用いられる。この際、セラミック絶縁層の
焼結性を改善する目的で、少量Si成分を添加すること
が望ましいが、その含有率としては酸化物換算で0.1
重量%以上でその効果が見られるが、Siの含有量が、
5重量%を越えるとセラミック絶縁層中のNaの拡散と
編析が促進され、白金ヒータの寿命が低下しやすいた
め、Si含有量は0.1〜5重量%の範囲が望ましい。
Si含有量としては、0.5〜3重量%が望ましい。特
に、0.5〜2重量%がNaの拡散を防止する観点から
望ましい。
The content of Na in the solid electrolyte is 200 ppm or less, particularly 100 ppm, from the viewpoint of preventing diffusion from the solid electrolyte into the ceramic insulating layer.
Is desirable. (Ceramic insulating layer) On the other hand, as the ceramic insulating layer 5 in which the platinum heater 7 is embedded, an oxide containing alumina and / or magnesia, particularly, an alumina material, a spinel material, or a composite compound material of alumina and spinel is preferable. Used for At this time, for the purpose of improving the sinterability of the ceramic insulating layer, it is desirable to add a small amount of a Si component.
The effect can be seen at weight% or more, but the content of Si is
If it exceeds 5% by weight, diffusion and knitting of Na in the ceramic insulating layer are promoted, and the life of the platinum heater is easily reduced. Therefore, the Si content is desirably in the range of 0.1 to 5% by weight.
The Si content is desirably 0.5 to 3% by weight. In particular, 0.5 to 2% by weight is desirable from the viewpoint of preventing the diffusion of Na.

【0031】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、酸素センサ自体の機械的な強
度を高めることができるためである。さらに、セラミッ
ク絶縁層5中のNaの含有量は、前述した理由から50
ppm、特に30ppm以下とすることがヒータの寿命
を延ばすために不可欠である。 (白金ヒータ)また、上記セラミック絶縁層5の内部に
埋設されるヒータ7としては、白金が用いられるが、場
合によっては、白金と、ロジウム、パラジウム、ルテニ
ウムの群から選ばれる少なくとも1種との合金を用いる
こともできる。白金単体のヒータおよび合金のヒータと
も100重量%に対してNaの含有量を50ppm以下
にする必要がある。Naの含有量が50ppmを越える
とヒータの寿命が悪くなる。Naの含有量としては、特
に30ppm以下にすることが望ましい。また、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。
The ceramic insulating layer 5 is preferably made of a dense ceramic having a relative density of 80% or more and an open porosity of 5% or less. This is because the denseness of the ceramic insulating layer 5 increases the strength of the insulating layer, thereby increasing the mechanical strength of the oxygen sensor itself. Further, the content of Na in the ceramic insulating layer 5 is 50
It is indispensable to reduce the heater life to 30 ppm or less, especially 30 ppm or less. (Platinum heater) Platinum is used as the heater 7 embedded in the ceramic insulating layer 5. In some cases, platinum and at least one selected from the group consisting of rhodium, palladium and ruthenium are used. Alloys can also be used. It is necessary to make the content of Na 50 ppm or less with respect to 100% by weight for both the platinum simple heater and the alloy heater. When the content of Na exceeds 50 ppm, the life of the heater is deteriorated. It is particularly desirable that the content of Na be 30 ppm or less. Further, it is desirable to select a metal or an alloy having a melting point higher than the firing temperature of the ceramic insulating layer 5 from the viewpoint of simultaneous sintering with the ceramic insulating layer 5.

【0032】また、ヒータ7中には上記の金属の他に焼
結防止と絶縁層との接着力を高める観点からアルミナ、
スピネル、アルミナ/シリカの化合物、フォルステライ
ト、上述の電解質となり得るジルコニアの群から選ばれ
る少なくとも1種のセラミックスを体積比率で10〜8
0%、特に30〜50%の範囲で混合することができる
が、この際、混合するセラミックスに対しても、Naの
含有量は50ppm以下とし、ヒータ全体としてNa量
が上記範囲を満足することが必要である。
Further, in addition to the above metals, the heater 7 contains alumina, from the viewpoint of preventing sintering and increasing the adhesive strength with the insulating layer.
Spinel, alumina / silica compound, forsterite, and at least one ceramic selected from the group consisting of zirconia that can be the above-mentioned electrolyte, in a volume ratio of 10 to 8
0%, especially 30 to 50%, can be mixed. At this time, the content of Na should be 50 ppm or less with respect to the ceramics to be mixed, and the Na content of the entire heater should satisfy the above range. is necessary.

【0033】セラミック絶縁層5の内部に白金ヒータ7
を埋設してなる発熱部は、図2の断面図に示すように、
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
くするとともに、保温層としても機能しヒータ7による
加熱効率を高めることができる。
A platinum heater 7 is provided inside the ceramic insulating layer 5.
As shown in the cross-sectional view of FIG.
A zirconia layer 10 can be formed on the outer surface of the ceramic insulating layer 5. The zirconia layer 10 reduces stress caused by a difference in thermal expansion and a difference in firing shrinkage between the solid electrolyte and the ceramic insulating layer 5 so that the thermal stress is reduced as much as possible. Efficiency can be increased.

【0034】この際、円筒管2とヒータ7の間とジルコ
ニア層10とヒータ7の間のセラミック絶縁層5の厚み
は、それぞれ少なくとも2μm以上であることが望まし
い。 (電極)円筒管2の内面および外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。
At this time, the thickness of the ceramic insulating layer 5 between the cylindrical tube 2 and the heater 7 and between the zirconia layer 10 and the heater 7 is preferably at least 2 μm or more. (Electrode) Each of the reference electrode 3 and the measurement electrode 4 formed on the inner surface and the outer surface of the cylindrical tube 2 is one selected from the group consisting of platinum, rhodium, palladium, ruthenium and gold.
Alternatively, 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. The components may be mixed in the electrode at a ratio of 1 to 50% by volume, particularly 10 to 30% by volume.

【0035】また、本発明においては、この第1の開口
部6に露出している測定電極4の形状としては、図1
(a)に示すような縦長の長方形状、楕円形状から構成
されていることが望ましい。
In the present invention, the shape of the measurement electrode 4 exposed in the first opening 6 is as shown in FIG.
It is desirable to be composed of a vertically long rectangular or elliptical shape as shown in FIG.

【0036】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、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内面部分に形成されていれ
ばよく、測定電極4の露出部面積よりも大きい面積、例
えば、円筒管2の内面全面に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 is connected to the opening 6 of the measuring electrode 4.
It may be formed on the inner surface portion facing the more exposed portion, and may be formed on an area larger than the exposed portion area of the measurement electrode 4, for example, on the entire inner surface of the cylindrical tube 2.

【0037】(開口部)開口部6の形状としては、上述
のように長方形状あるいは楕円形状であることが好まし
い。セラミック絶縁層5の開口部6が形状が長方形状の
場合は、その角部は緩やかな曲線とするかc面をとった
構造とすることが、開口部6の角部への熱応力の集中を
緩和する観点から好ましい。
(Opening) The shape of the opening 6 is preferably a rectangle or an ellipse as described above. When the opening 6 of the ceramic insulating layer 5 has a rectangular shape, the corner may have a gentle curve or a c-shaped structure, so that thermal stress is concentrated on the corner of the opening 6. From the viewpoint of alleviating the above.

【0038】(多孔質層)本発明の酸素センサにおいて
は、図2の要部拡大断面図に示すように、セラミック絶
縁層5の開口部6内にて露出している測定電極4の表面
に、セラミック多孔質層11を形成することができる。
このセラミック多孔質層11は、以下の2つの目的で形
成される。
(Porous Layer) In the oxygen sensor of the present invention, as shown in the enlarged sectional view of the main part of FIG. 2, the surface of the measuring electrode 4 exposed in the opening 6 of the ceramic insulating layer 5 The ceramic porous layer 11 can be formed.
The ceramic porous layer 11 is formed for the following two purposes.

【0039】第1に、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ことを目的とし
て設けるものであり、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形成される。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、
セラミック多孔質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。
First, it is provided for the purpose of preventing the measurement electrode 4 from being poisoned by the exhaust gas and lowering the output voltage. Zirconia, alumina, magnesia or magnesia is formed on the exposed surface of the measurement electrode 4. It is formed as a porous protective layer such as spinel. An oxygen sensor provided with such a protective layer is generally a stoichiometric air-fuel ratio sensor (λ
Sensor) element. In this case,
Open porosity of ceramic porous 11 is 10 to 40%
It is desirable to be composed of a porous body.

【0040】第2に、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機能させる。このようなガ
ス拡散律速層となるセラミック絶縁層11としては、開
気孔率が5〜30%の多孔質体が望ましい。
Second, it functions as at least one kind of gas diffusion-controlling layer selected from the group consisting of zirconia, alumina, spinel, magnesia and γ-alumina having fine pores on the exposed surface of the measurement electrode 4. As the ceramic insulating layer 11 serving as such a gas diffusion controlling layer, a porous body having an open porosity of 5 to 30% is desirable.

【0041】また、このガス拡散律速層となるセラミッ
ク多孔質層11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は、後で述べる広域空
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。 (製造方法)次に、本発明の酸素センサの製造方法につ
いて、図1の酸素センサの製造方法を例にして説明す
る。 (1)まず図3(a)に示すような一端が封止された中
空の円筒管2を作製する。この円筒管2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作製される。
From the viewpoint of further preventing the exhaust gas from being poisoned, it is desirable to provide the ceramic protective layer made of alumina or spinel described above on the surface of the ceramic porous layer 11 serving as the gas diffusion-controlling layer. .
Such a heater-embedded oxygen sensor can be applied as a wide-range air-fuel ratio sensor element (A / F sensor) described later. (Manufacturing Method) Next, a method for manufacturing the oxygen sensor according to the present invention will be described with reference to the method for manufacturing the oxygen sensor in FIG. 1 as an example. (1) First, a hollow cylindrical tube 2 having one end sealed as shown in FIG. The cylindrical tube 2 is formed by adding an appropriate organic binder to a ceramic solid electrolyte powder having oxygen ion conductivity, such as zirconia, or the like, by extrusion molding, isostatic pressing (rubber pressing), or press forming. It is produced by the method described above.

【0042】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Y23
よびYb23、Sc23、Sm23、Nd23、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。さらに、焼結性を改善する目的
で、上記固体電解質粉末に、Al23やSiO2を5重
量%以下、特に3重量%以下の割合で添加することも可
能である。
At this time, the solid electrolyte powder used was Y 2 O 3 and Yb 2 O 3 , Sc 2 O 3 , Sm 2 O 3 , Nd 2 O 3 , Dy as stabilizers with respect to zirconia powder. Two
A mixed powder obtained by adding a rare earth oxide powder such as O 3 at a ratio of 1 to 30 mol%, preferably 3 to 15 mol% in terms of oxide, or a coprecipitated raw material powder of zirconia and the above 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. Further, for the purpose of improving the sinterability, it is possible to add Al 2 O 3 or SiO 2 to the solid electrolyte powder in an amount of 5% by weight or less, particularly 3% by weight or less.

【0043】(2)そして、上記固体電解質からなる円
筒管2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3、4を例えば、白金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2内面への基準電極の印刷は、導体ペーストを充
填して排出して、内面全面に塗布形成することが効率が
よい。このようにしてセンサ素体Aを作製する。
(2) On the inner and outer surfaces of the cylindrical tube 2 made of the solid electrolyte, patterns 3 and 4 serving as a reference electrode and a measurement electrode are formed by a slurry dipping method using a conductive paste containing platinum, for example. Formed by screen printing, pad printing, and roll transfer. At this time,
For printing the reference electrode on the inner surface of the cylindrical tube 2, it is efficient to fill and discharge the conductive paste and apply and form the entire surface of the inner surface. Thus, the sensor body A is manufactured.

【0044】(3)次に、図3(b)に示すようなヒー
タ素体Bを形成する。ヒータ素体Bは、まず、ジルコニ
ア粉末を用いて、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
のセラミック絶縁層を形成するためのグリーンシート2
を作製する。グリーンシート1枚の厚みは、シートの取
り扱いの観点から50〜500μm、特に100〜30
0μmの範囲が特に好ましい。
(3) Next, a heater element B as shown in FIG. 3B is formed. The heater element B is prepared by first preparing a slurry by using zirconia powder and appropriately adding an organic binder for molding, and using the slurry to form a ceramic having a predetermined thickness by a doctor blade method, an extrusion molding method, a pressing method, or the like. Green sheet 2 for forming insulating layer
Is prepared. The thickness of one green sheet is 50 to 500 μm, particularly 100 to 30 μm, from the viewpoint of sheet handling.
A range of 0 μm is particularly preferred.

【0045】その後、成形したグリーンシート2表面
に、Na量を低減したアルミナ、スピネルあるいはアル
ミナとスピネルの複合酸化物粉末をスクリーン印刷法、
パット印刷法、ロール転写法等により印刷してセラミッ
ク絶縁層5aを形成する。この後、同様に本発明におけ
るNa量を低減した白金粉末を含む導電性ペーストをス
クリーン印刷法、パット印刷法、ロール転写法等により
印刷してリード部を含めた白金ヒータパターン7を塗布
した後、その上にさらにもう一度上記のセラミック絶縁
層形成粉末を塗布してセラミック絶縁層5b、白金ヒー
タパターン7を埋設したシート状の積層体を得る。その
後、開口部6は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, alumina, spinel or a composite oxide powder of alumina and spinel with a reduced Na content is screen-printed on the surface of the green sheet 2 by molding,
The ceramic insulating layer 5a is formed by printing using a pad printing method, a roll transfer method, or the like. Thereafter, a conductive paste containing platinum powder with a reduced amount of Na according to the present invention is similarly printed by a screen printing method, a pad printing method, a roll transfer method, etc., and a platinum heater pattern 7 including a lead portion is applied. The above-mentioned ceramic insulating layer forming powder is further applied thereon to obtain a sheet-like laminate in which the ceramic insulating layer 5b and the platinum heater pattern 7 are embedded. After that, the opening 6 is manufactured by forming by punching or the like.

【0046】(4)次に、図3(c)に示すように、上
記円筒状のセンサ素体Aの表面に、ヒータ素体Bを巻き
付けて円筒状積層体を作製する。この際、ヒータ素体B
をセンサ素体Aに巻き付けるには、ヒータ素体Bとセン
サ素体A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。この時、巻
き付けされたヒータ素体B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。
(4) Next, as shown in FIG. 3 (c), the heater element B is wound around the surface of the cylindrical sensor element A to form a cylindrical laminate. At this time, the heater element B
Is wound around the sensor body A by bonding an adhesive such as an acrylic resin or an organic solvent between the heater body B and the sensor body A, or by mechanically applying pressure with a roller or the like. Can be adhered to. At this time, the seams of the wound heater element B may be overlapped with each other at the sheet ends or bonded at a predetermined interval in consideration of shrinkage during firing.

【0047】(5)そして、上記の円筒状積層体を、そ
れぞれの構成要素が同時に焼成可能な温度で焼成するこ
とにより、センサ素体Aとヒータ素体Bとを一体化する
ことができる。焼成は、例えば、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時間程度焼成することによりヒータ素体Bとセンサ
素体Aとを同時焼成することができる。 (他の製造方法)なお、他の製造方法としては、電極を
有しない円筒管2の表面に上記(3)によって形成した
ヒータ素体Bを巻き付けて円筒状積層体を作製した後、
円筒状積層体に対して、電極ペーストをスクリーン印
刷、パット印刷、ロール転写法あるいは浸漬法によって
円筒管2の内面およびヒータ素体Bにおける開口部6内
の円筒管表面に塗布した後、上記(5)のようにして同
時焼成することもできる。
(5) The sensor body A and the heater body B can be integrated by firing the cylindrical laminate at a temperature at which the respective components can be fired simultaneously. The firing is performed, for example, at 1300 to 1700 ° C. in an inert atmosphere such as an argon gas or in the air.
By firing for about 10 hours, the heater element B and the sensor element A can be simultaneously fired. (Other manufacturing method) As another manufacturing method, after the heater element B formed by the above (3) is wound around the surface of the cylindrical tube 2 having no electrode, a cylindrical laminated body is manufactured.
The electrode paste is applied to the inner surface of the cylindrical tube 2 and the surface of the cylindrical tube in the opening 6 of the heater element B by screen printing, pad printing, a roll transfer method or an immersion method on the cylindrical laminated body. Co-firing can also be performed as in 5).

【0048】また、他の方法としては、電極を有しない
円筒管2の表面に上記(3)によって形成したヒータ素
体Bを巻き付けて円筒状積層体を作製した後、これを円
筒管2の内面およびヒータ素体Bにおける開口部6の中
に電極ペーストを印刷して焼き付け処理するか、または
スパッタ法やメッキ法にて形成することもできる。 (多孔質層の形成法)なお、前述の理論空燃比センサや
後で述べる広域空燃比酸素センサを作製する場合には、
円筒状積層体を焼成後、測定電極の表面に、アルミナ、
スピネル、ジルコニア等の粉末をゾルゲル法、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多孔質層やガス
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
多孔質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。 (他のセンサ構造)本発明は、空燃比センサ素子にも応
用することができる。本発明の他の応用例として図4
(a)に空燃比センサ素子の概略斜視図、および図4
(b)に(a)のX1−X1断面図をそれぞれ示した。
As another method, the heater element B formed by the above (3) is wound around the surface of the cylindrical tube 2 having no electrode to form a cylindrical laminated body. The electrode paste may be printed and baked in the inner surface and the opening 6 in the heater element B, or may be formed by a sputtering method or a plating method. (Method for Forming Porous Layer) In the case of manufacturing the above-described theoretical air-fuel ratio sensor and the wide-range air-fuel ratio oxygen sensor described later,
After firing the cylindrical laminate, alumina,
A powder such as spinel or zirconia is printed and applied by a sol-gel method, a slurry dipping method, a printing method, etc., and baked, or the ceramic is coated by a sputtering method or a plasma spraying method to form a ceramic porous layer or a gas diffusion-limiting layer. Form. As another method, it is also possible to form a ceramic porous layer or a gas diffusion-controlling layer on the surface of the measurement electrode in advance and manufacture the cylindrical laminated body by firing simultaneously with the cylindrical laminated body. (Other Sensor Structures) The present invention can be applied to an air-fuel ratio sensor element. FIG. 4 shows another application example of the present invention.
FIG. 4A is a schematic perspective view of an air-fuel ratio sensor element, and FIG.
(B) shows an X1-X1 cross-sectional view of (a).

【0049】図4の空燃比センサ素子20によれば、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、言い換えれば縦断面がU字状の円筒
管2には、センサ素子を構成するための第1の電極対が
形成されている。具体的には、円筒管2の内面に、空気
などの基準ガスと接触される基準電極3が形成され、ま
た円筒管2の基準電極3と対向する外面には排気ガスな
どの被測定ガスと接触する測定電極4が形成されてい
る。
According to the air-fuel ratio sensor element 20 shown in FIG. 4, the sensor element is formed in a cylindrical tube 2 made of a ceramic solid electrolyte having oxygen ion conductivity and having one end sealed, in other words, a U-shaped vertical section. Is formed. Specifically, a reference electrode 3 that is in contact with a reference gas such as air is formed on an inner surface of the cylindrical tube 2, and a measurement target gas such as exhaust gas is formed on an outer surface of the cylindrical tube 2 that faces the reference electrode 3. A measuring electrode 4 to be in contact is formed.

【0050】また、円筒管2の外側表面には、測定電極
4の一部または全部が露出するような空間部6が形成さ
れており、且つその空間部6の周囲に本発明の白金ヒー
タ7が埋設されたセラミック絶縁層5が設けられてい
る。
A space 6 is formed on the outer surface of the cylindrical tube 2 so that part or all of the measurement electrode 4 is exposed, and the platinum heater 7 of the present invention is provided around the space 6. Are embedded in the ceramic insulating layer 5.

【0051】そして、この空間部6の上面には、この空
間部6を閉塞するように、酸素イオン導電性を有する固
体電解質層21が形成されており、この固体電解質層2
1の空間部6側の内面と、それに対向する固体電解質層
21外面には内側電極22と外側電極23からなる第2
の電極対が形成されている。かかる固体電解質層21と
第2の電極対22、23によって、空間部6の酸素濃度
を所定の濃度に制御するためのポンプセルとして機能を
果たしている。また、外側電極23の表面には、ジルコ
ニア、アルミナ、マグネシアおよびスピネルの群から選
ばれる少なくとも1種からなる開気孔率10〜40%の
厚さ10〜200μmの保護層となるセラミック多孔質
層26が形成されている。さらに、空間部6内には、多
孔質セラミックスや、粒子の大きいセラミックス粉末の
充填物を充填することもできる。
On the upper surface of the space 6, a solid electrolyte layer 21 having oxygen ion conductivity is formed so as to close the space 6.
The inner surface on the side of the first space portion 6 and the outer surface of the solid electrolyte layer 21 opposed thereto have a second
Are formed. The solid electrolyte layer 21 and the second pair of electrodes 22 and 23 function as a pump cell for controlling the oxygen concentration in the space 6 to a predetermined concentration. Further, on the surface of the outer electrode 23, a ceramic porous layer 26 serving as a protective layer having an open porosity of 10 to 40% and a thickness of 10 to 200 μm and made of at least one selected from the group consisting of zirconia, alumina, magnesia and spinel. Are formed. Further, the space 6 can be filled with a porous ceramic or a filler of ceramic powder having a large particle size.

【0052】また、第2の電極対22、23を具備する
固体電解質層21には、被測定ガスとなる排気ガスを取
りこむための小さな拡散孔25が形成されており、その
拡散孔25の空間部6内の周囲には、拡散律速体27が
形成されている。
Further, a small diffusion hole 25 for taking in an exhaust gas to be measured is formed in the solid electrolyte layer 21 having the second pair of electrodes 22 and 23, and the space of the diffusion hole 25 is formed. A diffusion controlling body 27 is formed around the inside of the portion 6.

【0053】また、セラミック絶縁層5中に配設された
白金ヒータ7は、図1の酸素センサと同様に、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
通じてヒータ7に電流を流すことによりヒータ7が加熱
され、基準電極3および測定電極4を具備する固体電解
質からなる円筒管2および上述の第2の電極対22、2
3を具備する固体電解質層21からなる検知部を加熱す
る仕組みとなっている。
Further, the platinum heater 7 disposed in the ceramic insulating layer 5 is connected to the terminal electrode 9 via the lead electrode 8 as in the oxygen sensor of FIG. The heater 7 is heated by passing an electric current, and the cylindrical tube 2 made of a solid electrolyte including the reference electrode 3 and the measurement electrode 4 and the above-described second electrode pair 22, 2
This is a mechanism for heating the detection section composed of the solid electrolyte layer 21 having the structure 3.

【0054】以上、本発明のセラミックヒータを用いた
一例として酸素センサを具体的に説明したが、本発明
は、セラミック絶縁層中に白金ヒータを埋設してなるあ
らゆる形状のセラミックヒータに適用できるものであ
り、またその応用例としての酸素センサも上記の構造に
限定されたものではなく、素子構造が袋管状、あるいは
平板型の酸素センサなど、少なくとも固体電解質の内外
に対向する一対の多孔性の白金電極を有する検知部と、
さらにセラミック絶縁層中に埋設された白金ヒータとを
具備する酸素センサの全てと他のガスセンサで白金ヒー
タが内蔵された素子に関してもに適応できることは言う
までもない。
Although the oxygen sensor has been specifically described as an example using the ceramic heater of the present invention, the present invention can be applied to any shape ceramic heater in which a platinum heater is embedded in a ceramic insulating layer. In addition, the oxygen sensor as an application example is not limited to the above-described structure, and the element structure is a bag-like tube, or a flat plate-type oxygen sensor. A detection unit having a platinum electrode;
Further, it goes without saying that the present invention can be applied to all oxygen sensors having a platinum heater embedded in a ceramic insulating layer and to other gas sensors having a platinum heater incorporated therein.

【0055】[0055]

【実施例】(実施例1)図に示す酸素センサを例に、本
発明の実施例を説明する。市販の純度99.8%でNa
を約10〜200ppm、SiO2を0〜7重量%含有
するアルミナ粉末およびスピネル粉末(MgAlO4
と、5モル%Y2 3含有のジルコニア粉末と、Naを約
8〜200ppm含有する白金粉末をそれぞれ準備し
た。まず、5モル%Y23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
形により焼結後外径が約3〜5mm、内径が1mmにな
るように一端が封じた円筒状成形体を作製し、その表面
に、白金ペーストからなる表1に示すような形状の長方
形状の測定電極パターンおよびリードパターンを印刷塗
布するとともに、成形体の内部全面にも白金ペーストを
塗布して基準電極を形成した。なお、測定電極および基
準電極の厚みは焼成後に約5μmとなるように調整し
た。
(Embodiment 1) An example of an oxygen sensor shown in FIG.
An embodiment of the present invention will be described. Na with commercial purity of 99.8%
About 10 to 200 ppm, SiOTwo0 to 7% by weight
Alumina powder and spinel powder (MgAlOFour)
And 5 mol% YTwoO ThreeContaining zirconia powder and Na
Prepare platinum powder containing 8 to 200 ppm
Was. First, 5 mol% YTwoOThreeZirconia powder containing poly
A clay is prepared by adding a vinyl alcohol solution and extruded.
After sintering, the outer diameter becomes about 3-5mm and inner diameter becomes 1mm depending on the shape.
To make a cylindrical molded body with one end sealed
And a rectangular shape as shown in Table 1 made of platinum paste
Print the measurement electrode pattern and lead pattern
Cloth and also apply platinum paste to the entire inside of the molded body.
It was applied to form a reference electrode. The measurement electrode and the base
Adjust the thickness of the quasi-electrode so that it becomes about 5 μm after firing.
Was.

【0056】また、5モル%Y23含有のジルコニア粉
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、厚みが約200μmのグリーンシートを作製した。
このグリーンシートに前記測定電極の形状と一致する長
方形状の種々の大きさを有する第一開口部と反対側に位
置するように同じ大きさと同じ形状の第二開口部をパン
チングによってそれぞれ開けた。その後、開口部以外の
部分に上記アルミナ粉末またはスピネル粉末を約20μ
mの厚みに塗布した後、白金粉末を含む導体ペーストを
開口部の周囲に発熱体パターンを厚みが約20μmにな
るようにスクリーン印刷し、さらにその上にアルミナ粉
末またはスピネル粉末を約20μmとなるように塗布し
発熱体を埋設した図3に示す構造のヒータ素体を作製し
た。
A slurry was prepared by adding a polyvinyl alcohol solution to zirconia powder containing 5 mol% of Y 2 O 3, and a green sheet having a thickness of about 200 μm was prepared.
In the green sheet, second openings having the same size and the same shape were opened by punching so as to be located on opposite sides of the first openings having various rectangular shapes corresponding to the shape of the measurement electrode. Thereafter, the above-mentioned alumina powder or spinel powder was applied to a portion other than the opening by about 20 μm.
m, a conductor paste containing platinum powder is screen-printed around the opening to form a heating element pattern having a thickness of about 20 μm, and an alumina powder or a spinel powder is further formed thereon to about 20 μm. A heater element having the structure shown in FIG.

【0057】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、絶縁層にSiO2を含まない
試料については、1500℃で2時間、SiO2を含有
した試料については1350℃で2時間焼成した。
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 laminate. Thereafter, the cylindrical laminate was fired in air at 1500 ° C. for 2 hours for a sample containing no SiO 2 in the insulating layer, and 2 hours at 1350 ° C. for a sample containing SiO 2 in the insulating layer.

【0058】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約30%の
セラミック多孔質層を100μm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。
Thereafter, a ceramic porous layer having a porosity of about 30% and having a porosity of about 30% was formed by plasma spraying on the surface of the measurement electrode in the opening to a thickness of 100 μm.
The stoichiometric air-fuel ratio sensor shown in FIG.

【0059】作製した酸素センサのセラミック絶縁層お
よび白金ヒータ中のNa含有量はNaの検量線を用いた
EPMA分析によった。また、評価試験は、素子を大気
中900℃に加熱し、ヒータが断線するまでの時間を測
定した。結果を表1に示す。なお、表1では、比較のた
めに市販のヒータ一体型平板型酸素センサについて同様
の評価を行なった。
The Na content in the ceramic insulating layer and the platinum heater of the manufactured oxygen sensor was determined by EPMA analysis using a calibration curve of Na. In the evaluation test, the element was heated to 900 ° C. in the atmosphere, and the time until the heater was disconnected was measured. Table 1 shows the results. In Table 1, the same evaluation was performed for a commercially available heater-integrated flat plate type oxygen sensor for comparison.

【0060】[0060]

【表1】 [Table 1]

【0061】表1より、セラミック絶縁層がアルミナお
よびSiO2含有のアルミナの場合、セラミック絶縁層
または白金ヒータ中の含有量が50ppmを越える試料
No.7、8、9、14および15ではヒータ断線に至
る時間が3000時間よりも短かった。また、セラミッ
ク絶縁層がスピネルの場合も、同様にセラミック絶縁層
または白金ヒータ中のNaが50ppmを越える試料N
o.18,19および20でもヒータ断線までの時間が
短かった。また、いずれの試料ともマイナス極側のヒー
タが破損し,EPMA分析によると、破損からNaの編
析が見られた。
As shown in Table 1, when the ceramic insulating layer was made of alumina and SiO 2 -containing alumina, the content of Sample No. 50 in the ceramic insulating layer or the platinum heater exceeded 50 ppm. In 7, 8, 9, 14, and 15, the time required for heater disconnection was shorter than 3000 hours. Similarly, when the ceramic insulating layer is spinel, the sample N in which the Na in the ceramic insulating layer or the platinum heater exceeds 50 ppm is also used.
o. Also in 18, 19 and 20, the time until heater disconnection was short. In addition, the heater on the minus pole side was broken in all samples, and according to EPMA analysis, Na was segregated due to the breakage.

【0062】それに対して、セラミック絶縁層または白
金ヒータ中のNaの含有量が50ppm以下の試料は全
てヒータ断線に至る時間が3500時間以上と耐久性に
優れたものであった。特に、セラミック絶縁層または白
金ヒータ中のNaの含有量が30ppm以下、セラミッ
ク絶縁層中のSiO2の含有量が5重量%以下の試料は
ヒータの耐久時間が5000時間以上と極めて優れた性
能を示した。
On the other hand, all of the samples in which the content of Na in the ceramic insulating layer or the platinum heater was 50 ppm or less were excellent in durability, with the time to heater disconnection being 3500 hours or more. In particular, a sample in which the content of Na in the ceramic insulating layer or the platinum heater is 30 ppm or less and the content of SiO 2 in the ceramic insulating layer is 5% by weight or less has extremely excellent heater durability of 5000 hours or more. Indicated.

【0063】[0063]

【発明の効果】以上詳述した通り、本発明によれば、セ
ラミック絶縁層中に白金ヒータを内蔵するセラミックヒ
ータにおいて、セラミック絶縁層中および白金ヒータ中
のNa量を所定の範囲に制御することにより、白金ヒー
タの耐久性を飛躍的に向上させることができる結果、急
速昇温などの熱衝撃性に優れた長寿命のセラミックヒー
タ、およびこれを酸素濃度などの検知部と一体的に形成
してなり、急速昇温などの熱衝撃性に優れると同時に、
ヒータ寿命の長い酸素センサを提供することができる。
As described above in detail, according to the present invention, in a ceramic heater having a platinum heater built in the ceramic insulating layer, the amount of Na in the ceramic insulating layer and the platinum heater is controlled to a predetermined range. As a result, the durability of the platinum heater can be dramatically improved, and as a result, a long-life ceramic heater with excellent thermal shock resistance, such as rapid temperature rise, and this can be formed integrally with the detection unit for oxygen concentration, etc. And has excellent thermal shock properties such as rapid temperature rise.
An oxygen sensor having a long heater life can be provided.

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

【図1】本発明の酸素センサの一例の概略斜視図(a)
およびX1−X1断面図(b)である。
FIG. 1 is a schematic perspective view of an example of an oxygen sensor of the present invention (a).
And X 1 -X 1 sectional view (b).

【図2】本発明の酸素センサの他の構造における要部断
面図である。
FIG. 2 is a sectional view of a main part of another structure of the oxygen sensor of the present invention.

【図3】(a)〜(c)は図1の酸素センサを製造する
ための工程図である。
FIGS. 3A to 3C are process diagrams for manufacturing the oxygen sensor of FIG.

【図4】本発明の酸素センサの他の例を説明するための
概略斜視図(a)およびX−X断面図(b)である。
FIGS. 4A and 4B are a schematic perspective view and a sectional view taken along line XX for explaining another example of the oxygen sensor of the present invention.

【図5】従来の酸素センサの構造を説明するための概略
断面図である。
FIG. 5 is a schematic sectional view for explaining the structure of a conventional oxygen sensor.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1 酸素センサ 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 白金ヒータ 8 リード電極 9 端子電極 DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Oxygen sensor 2 Cylindrical tube 3 Reference electrode 4 Measurement electrode 5 Ceramic insulating layer 6 Opening 7 Platinum heater 8 Lead electrode 9 Terminal electrode

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.7 識別記号 FI テーマコート゛(参考) H05B 3/03 H05B 3/44 3/12 C04B 35/04 A 3/18 35/10 D 3/44 G01N 27/58 B Fターム(参考) 2G004 BB01 BC02 BD05 BE13 BE22 BF03 BF09 BJ02 BK02 BL08 3K092 PP16 PP20 QA02 QB02 QB26 QB45 QB76 QC02 QC20 QC26 QC31 QC38 QC49 RB03 RB04 RB05 RB23 RB27 RD09 RD16 RD25 RD41 RD47 TT37 UA06 UA17 UB02 VV31 VV34 4G030 AA07 AA36 AA37 BA12 ──────────────────────────────────────────────────続 き Continued on the front page (51) Int.Cl. 7 Identification symbol FI Theme coat ゛ (Reference) H05B 3/03 H05B 3/44 3/12 C04B 35/04 A 3/18 35/10 D 3/44 G01N 27/58 BF term (for reference) 2G004 BB01 BC02 BD05 BE13 BE22 BF03 BF09 BJ02 BK02 BL08 3K092 PP16 PP20 QA02 QB02 QB26 QB45 QB76 QC02 QC20 QC26 QC31 QC38 QC49 RB03 RB04 RB17 RB23 RB17 RB23 RB17 RB23 RB17 RD23 4G030 AA07 AA36 AA37 BA12

Claims (8)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】セラミック絶縁層中に白金ヒータを埋設し
てなるセラミックヒータであって、前記セラミック絶縁
層および白金ヒータ中のNaの含有量がそれぞれ50p
pm以下であることを特徴とするセラミックヒータ。
1. A ceramic heater having a platinum heater embedded in a ceramic insulating layer, wherein each of the ceramic insulating layer and the platinum heater has a Na content of 50 p.
pm or less.
【請求項2】前記セラミック絶縁層が、アルミナおよび
/またはマグネシアを含有する酸化物からなることを特
徴とする請求項1記載のセラミックヒータ。
2. The ceramic heater according to claim 1, wherein said ceramic insulating layer is made of an oxide containing alumina and / or magnesia.
【請求項3】前記セラミック絶縁層中のSiの含有量が
酸化物換算で5重量%以下であることを特徴とする請求
項1または請求項2記載のセラミックヒータ。
3. The ceramic heater according to claim 1, wherein the content of Si in the ceramic insulating layer is 5% by weight or less in terms of oxide.
【請求項4】ジルコニア固体電解質基体の少なくとも内
外面の対向する位置に一対の多孔性の白金電極を有する
検知部と、前記固体電解質基体と一体化されたセラミッ
ク絶縁層中に白金ヒータを埋設してなる加熱部とを具備
する酸素センサであって、前記セラミック絶縁層および
白金ヒータ中のNaの含有量がそれぞれ50ppm以下
であることを特徴とする酸素センサ。
4. A detection section having a pair of porous platinum electrodes at least at positions facing the inner and outer surfaces of a zirconia solid electrolyte substrate, and a platinum heater embedded in a ceramic insulating layer integrated with the solid electrolyte substrate. An oxygen sensor comprising: a heating unit comprising: a ceramic insulating layer; and a platinum heater, wherein each of the contents of Na in the platinum heater is 50 ppm or less.
【請求項5】前記セラミック絶縁層が、アルミナおよび
/またはマグネシアを含有する酸化物からなることを特
徴とする請求項4記載の酸素センサ。
5. The oxygen sensor according to claim 4, wherein said ceramic insulating layer is made of an oxide containing alumina and / or magnesia.
【請求項6】前記セラミック絶縁層中のSiの含有量が
酸化物換算で5重量%以下であることを特徴とする請求
項4または請求項5記載の酸素センサ。
6. The oxygen sensor according to claim 4, wherein the content of Si in the ceramic insulating layer is 5% by weight or less in terms of oxide.
【請求項7】前記ジルコニア固体電解質基体が、一端が
封止された円筒管からなることを特徴とする請求項4乃
至請求項6のいずれか記載の酸素センサ。
7. The oxygen sensor according to claim 4, wherein said zirconia solid electrolyte substrate is formed of a cylindrical tube having one end sealed.
【請求項8】前記円筒管内面に基準電極が形成され、円
筒管の外面に測定電極が形成されてなり、前記円筒管表
面に白金ヒータを埋設したセラミック絶縁層を被覆形成
するとともに、前記セラミック絶縁層に開口部を設け、
その開口部から前記測定電極の一部または全部を露出せ
しめたことを特徴とする請求項4乃至請求項7のいずれ
か記載の酸素センサ。
8. A cylindrical electrode having a reference electrode formed on an inner surface thereof, a measurement electrode formed on an outer surface of the cylindrical tube, and a ceramic insulating layer having a platinum heater embedded therein formed on the surface of the cylindrical tube. Providing an opening in the insulating layer,
8. The oxygen sensor according to claim 4, wherein a part or the whole of the measurement electrode is exposed from the opening.
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