JP2002257771A - Oxygen sensor - Google Patents

Oxygen sensor

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JP2002257771A
JP2002257771A JP2001052407A JP2001052407A JP2002257771A JP 2002257771 A JP2002257771 A JP 2002257771A JP 2001052407 A JP2001052407 A JP 2001052407A JP 2001052407 A JP2001052407 A JP 2001052407A JP 2002257771 A JP2002257771 A JP 2002257771A
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JP
Japan
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zirconia
oxygen sensor
measurement electrode
electrode
gas
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Application number
JP2001052407A
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Japanese (ja)
Inventor
Kenichi Yoneyama
健一 米山
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Kyocera Corp
Original Assignee
Kyocera Corp
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Publication date
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To enhance the responsiveness of an oxygen sensor equipped with a measuring electrode formed by applying a paste containing platinum group metal followed by baking. SOLUTION: This oxygen sensor 1 comprises the measuring electrode 4 and a reference electrode 3 provided on the opposed surfaces of a zirconia solid electrolytic base 2. The measuring electrode 4 contains platinum group metal and zirconia, and the area resistance is set to 0.3-6 Ω/mm<2> , or the total length with thickness of 6 μm or less is set to 50% or more of the whole length with the longest diameter when the section laid along the longest diameter in the plane of the measuring electrode 4 is observed.

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、酸素センサに関
し、特に自動車等の内燃機関における空気と燃料の比率
を制御するための酸素センサに関する。
The present invention relates to an oxygen sensor, and more particularly to an oxygen sensor for controlling the ratio of air to fuel in an internal combustion engine of an automobile or the like.

【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、例えば、図6に示す
ように、ジルコニア固体電解質からなる先端が封止され
た円筒管41の内面に、センサ部として白金からなり空
気などの基準ガスと接触する基準電極42が、また円筒
管41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43が形成され、測定電極43の表面に適宜
セラミック多孔質層44が形成された固体電解質型酸素
センサが用いられる。このような酸素センサは、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)として用い
られ、所定温度で円筒管41両側に発生する酸素濃度差
を検出するものである。また、セラミック多孔質層44
をガス拡散律速層として機能させ、固体電解質からなる
円筒管41に一対の電極42、43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広域空燃比センサ(A/Fセン
サ)とし用いられている。
As shown in FIG. 6, for example, as shown in FIG. 6, a reference portion made of platinum as a sensor portion and in contact with a reference gas such as air is provided on the inner surface of a cylindrical tube 41 having a sealed tip made of a zirconia solid electrolyte. An electrode 42 is formed on the outer surface of the cylindrical tube 41, and a measurement electrode 43 that is in contact with a gas to be measured, such as exhaust gas, is formed on the surface of the measurement electrode 43. A sensor is used. Such an oxygen sensor is generally used as a so-called stoichiometric air-fuel ratio sensor (λ sensor) used for controlling the ratio of air and fuel to around 1, and the oxygen concentration generated on both sides of the cylindrical tube 41 at a predetermined temperature. The difference is detected. The ceramic porous layer 44
Function as a gas diffusion-controlling layer, apply an applied voltage to a cylindrical tube 41 made of a solid electrolyte through a pair of electrodes 42 and 43, measure a limit current value obtained at that time, and control an air-fuel ratio in a lean burn region. It is used as an air-fuel ratio sensor (A / F sensor).

【0004】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41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45が挿
入されている。
[0004] Both the stoichiometric air-fuel ratio sensor and the wide-range air-fuel ratio sensor need to heat the detecting portion to an operating temperature of about 700 ° C.
A rod-shaped heater 45 is inserted to heat the detector to the operating temperature.

【0005】一方、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
が必要になっており、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。)の短縮化が
要求されている。
On the other hand, in recent years, the exhaust gas regulations have been strengthened, and it has become necessary to detect CO, HC, and NOx immediately after the start of the engine, and the time required for the detection unit to reach the activation temperature (hereinafter referred to as activation). ) Is required.

【0006】しかしながら、上述のようにヒータ45を
円筒管41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、活性化時間が遅いためにエンジン始動直後
のCO等の検知が困難であり、排気ガス規制に充分対応
できないという問題があった。そのために、固体電解質
の円筒管の内面および外面に基準電極、測定電極を設け
たセンサ部と、絶縁体の中に白金発熱抵抗体を埋設した
ヒータ部とを焼成一体化した酸素センサが特開平10−
206380号、特開平13−13101号公報に提案
されている。
However, in the indirect heating type cylindrical oxygen sensor in which the heater 45 is inserted into the cylindrical tube 41 as described above, it is difficult to detect CO or the like immediately after the engine is started because the activation time is long. However, there is a problem that it is not possible to sufficiently cope with exhaust gas regulations. To this end, an oxygen sensor is disclosed in Japanese Patent Application Laid-Open No. H10-27083, in which a sensor section having a reference electrode and a measurement electrode provided on the inner and outer surfaces of a solid electrolyte cylindrical tube and a heater section having a platinum heating resistor embedded in an insulator are integrated. 10-
206380 and JP-A-13-13101.

【0007】[0007]

【発明が解決しようとする課題】このようなヒータ一体
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はあるものの、白
金電極からなるセンサ部とヒータ部とを同時焼成して作
製する場合、電極は白金粉末を含有するペーストを固体
電解質成形体の表面に塗布し、焼成することによって形
成されるが、このような白金ペーストを用いて形成され
た電極は、高温度で焼結されるため、白金粒子同士が焼
結し、粒成長して、白金粒子と固体電解質と気相との界
面、いわゆる3重点の数が減少し、被測定ガスに対し
て、ガス応答性が悪くなるという問題があった。
Although such a heater-integrated oxygen sensor differs from the conventional indirect heating system in that it employs a direct heating system, it is possible to rapidly raise the temperature. In the case of manufacturing by simultaneously firing the heater portion and the electrode, the electrode is formed by applying a paste containing platinum powder to the surface of the solid electrolyte molded body and firing the electrode, and is formed using such a platinum paste. Since the electrode is sintered at a high temperature, the platinum particles sinter together and grow, and the interface between the platinum particles, the solid electrolyte, and the gas phase, the number of so-called triple points, is reduced, and the gas to be measured is reduced. However, there is a problem that gas responsiveness is deteriorated.

【0008】従って、本発明は、白金族金属を含むペー
ストを塗布し、焼成して形成された測定電極を具備する
酸素センサのガス応答性を高めることを目的とするもの
である。
Accordingly, an object of the present invention is to improve the gas responsiveness of an oxygen sensor having a measurement electrode formed by applying and firing a paste containing a platinum group metal.

【0009】[0009]

【課題を解決するための手段】本発明者は、測定電極を
白金族金属およびジルコニアとの複合材料によって形成
するとともに、面積抵抗を0.3〜6Ω/mm2に制御
することによってガス応答性が改善できることを見いだ
した。特に、面積抵抗を上記の範囲に設定するために
は、測定電極の平面における最長径に沿う断面を観察し
た時の厚みが6μm以下の総長さが、前記最長径全長の
50%以上であることが望ましい。
Means for Solving the Problems The present inventors formed a measurement electrode from a composite material of a platinum group metal and zirconia, and controlled the gas responsiveness by controlling the sheet resistance to 0.3 to 6 Ω / mm 2 . Can be improved. In particular, in order to set the sheet resistance within the above range, the total length of the thickness of 6 μm or less when observing a cross section along the longest diameter in the plane of the measurement electrode is 50% or more of the total length of the longest diameter. Is desirable.

【0010】また、本発明によれば、このような測定電
極は、白金族金属およびジルコニアを含有するサーメッ
ト粉末をペースト化したものを固体電解質表面に塗布、
焼成して形成されることが望ましい。
According to the present invention, such a measuring electrode is formed by applying a paste of a cermet powder containing a platinum group metal and zirconia to the surface of a solid electrolyte,
It is desirable to form by firing.

【0011】なお、発熱抵抗体が埋設されたセラミック
絶縁層が、一体的に形成されてなることによって酸素セ
ンサの急速昇温が可能となり、酸素センサの性能をさら
に高めることができる。
[0011] By integrally forming the ceramic insulating layer in which the heating resistor is embedded, the temperature of the oxygen sensor can be rapidly increased, and the performance of the oxygen sensor can be further improved.

【0012】通常、白金族金属粉末を含むペーストを塗
布し焼成することによって形成された測定電極におい
て、測定電極と接触する被測定ガスは、測定電極を構成
する白金族金属粒子間を介して、測定電極の表面から内
部に侵入することになるが、白金族金属を含むペースト
を用いて作製した測定電極の厚みが厚いと、測定電極上
部で成分ガス同士の化学反応が先に起こり、そのため白
金族金属粒子と固体電解質基体と気相との界面、即ち本
来、化学反応が起こるべき3重点に供給されたガスは、
被測定ガスの組成がすでに変化しており、その結果、酸
素センサが所定の起電力を示さなかったり、あるいはガ
スに対する応答が見かけ上遅れて観測されることにな
る。
Usually, in a measuring electrode formed by applying and baking a paste containing a platinum group metal powder, a gas to be measured coming into contact with the measuring electrode passes through the platinum group metal particles constituting the measuring electrode. Although it will penetrate from the surface of the measurement electrode to the inside, if the thickness of the measurement electrode made using a paste containing a platinum group metal is thick, a chemical reaction between the component gases occurs first at the upper part of the measurement electrode, so that platinum The gas supplied to the interface between the group metal particles, the solid electrolyte substrate, and the gas phase, ie, the triple point at which a chemical reaction should originally occur,
The composition of the gas to be measured has already changed, and as a result, the oxygen sensor does not show a predetermined electromotive force, or the response to the gas is observed with an apparent delay.

【0013】本発明によれば、測定電極の面積抵抗を
0.3〜6Ω/mm2の範囲に制御することによって、
上記のガス応答性を改善することができる。具体的に
は、測定電極の厚みを制御することによって、被測定ガ
スが白金族金属粒子と固体電解質基体と気相との界面の
3重点に拡散するまでの経路を短くすることができ、し
かも白金族金属粒子の粒成長もなく微細な粒子によって
形成されるために、測定電極内のガスの拡散性に優れる
ために、殆ど変化していない被測定ガスを上記3重点に
多量に供給することができるために、ガス応答性を向上
できる。
According to the present invention, by controlling the sheet resistance of the measuring electrode in the range of 0.3 to 6 Ω / mm 2 ,
The above gas responsiveness can be improved. Specifically, by controlling the thickness of the measurement electrode, it is possible to shorten the path until the gas to be measured diffuses to the triple point of the interface between the platinum group metal particles, the solid electrolyte substrate, and the gas phase, and Since the platinum group metal particles are formed by fine particles without grain growth, and have excellent gas diffusivity in the measurement electrode, a large amount of the gas to be measured which is hardly changed is supplied to the triple point. Gas response can be improved.

【0014】[0014]

【発明の実施の形態】図1に、本発明の酸素センサの一
例として、円筒型酸素センサを示す概略斜視図と、図2
に図1の酸素センサのA−A断面図を示した。但し、図
1では説明の便宜上、セラミック保護層13を省略し
た。
FIG. 1 is a schematic perspective view showing a cylindrical oxygen sensor as an example of the oxygen sensor of the present invention, and FIG.
1 shows a cross-sectional view of the oxygen sensor shown in FIG. However, in FIG. 1, the ceramic protective layer 13 is omitted for convenience of explanation.

【0015】図1、図2の酸素センサ1は、ジルコニア
固体電解質基体として、ジルコニア固体電解質からなる
先端が封止された円筒管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を挟んで基準電極3と対向す
る位置に第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。そして、
これら基準電極3、ジルコニア固体電解質からなる円筒
管2および測定電極4によって検知部を形成している。
The oxygen sensor 1 shown in FIGS. 1 and 2 has a zirconia solid electrolyte substrate, an inner surface of a cylindrical tube 2 having a sealed tip made of a zirconia solid electrolyte, a first electrode and a reference gas such as air. A reference electrode 3 to be contacted is formed and a measurement electrode 4 that is in contact with a gas to be measured such as exhaust gas is deposited as a second electrode at a position facing the reference electrode 3 with the cylindrical tube 2 interposed therebetween. Is formed. And
A detection unit is formed by the reference electrode 3, the cylindrical tube 2 made of a zirconia solid electrolyte, and the measurement electrode 4.

【0016】また、円筒管2の外面には、Al23など
のセラミック絶縁層6が被着形成されており、そのセラ
ミック絶縁層6には、測定電極4の一部または全部が露
出するように開口部7が形成されている。また、セラミ
ック絶縁層6の開口部7の周囲には検知部を加熱するた
めのPt等からなる発熱抵抗体8が埋設されている。
A ceramic insulating layer 6 of Al 2 O 3 or the like is formed on the outer surface of the cylindrical tube 2, and a part or all of the measuring electrode 4 is exposed on the ceramic insulating layer 6. Opening 7 is formed as described above. Further, a heating resistor 8 made of Pt or the like for heating the detecting portion is buried around the opening 7 of the ceramic insulating layer 6.

【0017】また、セラミック絶縁層6の表面には、さ
らに発熱抵抗体8による加熱効率を高めるために、Zr
2やAl23等からなるセラミック保温層9が積層形
成されている。
On the surface of the ceramic insulating layer 6, Zr is added to further increase the heating efficiency of the heating resistor 8.
A ceramic heat insulating layer 9 made of O 2 , Al 2 O 3, or the like is laminated.

【0018】円筒管2の内面に形成された基準電極3
は、円筒管2の内面および円筒管2の開放端の端面を経
由して円筒管2の外表面に設けたセンサ用端子部11a
に接続されている。一方、円筒管2の外面に形成された
測定電極4は、開口部7の端面を経由してセラミック保
温層9の表面に形成されたリード部10に接続され、さ
らにセラミック保温層9の表面に形成された端子部11
bと接続されている。なお、円筒管2において上記の各
端面のエッジ部はC面取りされ、エッジ部で生じる電気
的接続の不良を回避している。
Reference electrode 3 formed on the inner surface of cylindrical tube 2
Is a sensor terminal portion 11a provided on the outer surface of the cylindrical tube 2 via the inner surface of the cylindrical tube 2 and the end surface of the open end of the cylindrical tube 2.
It is connected to the. On the other hand, the measuring electrode 4 formed on the outer surface of the cylindrical tube 2 is connected to the lead 10 formed on the surface of the ceramic heat insulating layer 9 via the end face of the opening 7, and further connected to the surface of the ceramic heat insulating layer 9. Terminal part 11 formed
b. In addition, the edge portion of each end face in the cylindrical tube 2 is chamfered so as to avoid electrical connection failure occurring at the edge portion.

【0019】また、セラミック保温層9の表面に形成さ
れたリード部10の表面にはさらにZrO2等からなる
保護層12が形成されている。この保護層12によっ
て、リード部10を、例えば素子のアッセンブル時の引
っかき、あるいは素子の落下時の異物との衝突等の物理
的な破壊から保護することができる。この保護層12は
固体電解質と同じZrO2で構成することが固体電解質
との熱膨張差による応力の発生を防止する上で好まし
い。
A protective layer 12 made of ZrO 2 or the like is further formed on the surface of the lead portion 10 formed on the surface of the ceramic heat insulating layer 9. The protective layer 12 can protect the lead portion 10 from physical destruction such as scratching when assembling the element or collision with foreign matter when the element falls. This protective layer 12 is preferably made of the same ZrO 2 as the solid electrolyte in order to prevent the occurrence of stress due to a difference in thermal expansion with the solid electrolyte.

【0020】さらに、図2に示すように、検知部および
セラミック保温層9の外表面全体にわたって多孔質のセ
ラミック保護層13が被覆形成されている。
Further, as shown in FIG. 2, a porous ceramic protective layer 13 is formed so as to cover the entire outer surface of the detecting portion and the ceramic heat insulating layer 9.

【0021】また、センサ用端子部11a、11bに
は、外部回路との接続のための金属部材14がそれぞ
れ、例えばAu−Cuロウなどよってロウ付け固定され
ている。これによって、検知部において発生した検知デ
ータがリード部10、センサ用端子部11a、11bお
よび金属部材14を経由して外部回路に伝達される。
Further, metal members 14 for connection to an external circuit are fixed to the sensor terminals 11a and 11b by, for example, Au-Cu brazing. As a result, the detection data generated in the detection section is transmitted to the external circuit via the lead section 10, the sensor terminal sections 11a and 11b, and the metal member 14.

【0022】一方、セラミック絶縁層6内に形成された
発熱抵抗体8は、同じくセラミック絶縁層6内に形成さ
れたリード部16と、セラミック絶縁層6およびセラミ
ック保温層9を貫通して形成された貫通導体(図示せ
ず)によって、セラミック保温層9の外表面に形成され
たヒータ用端子部18と電気的に接続されている。これ
らのヒータ用端子部18上には発熱用外部電源と接続す
るための金属部材19がロウ材により固定され、これら
を通じて発熱抵抗体8に電流を通ずることにより、発熱
抵抗体8が加熱され、測定電極4、円筒管2および基準
電極3からなる検知部が所定の温度に急速昇温される。
On the other hand, the heating resistor 8 formed in the ceramic insulating layer 6 is formed so as to penetrate the lead portion 16 also formed in the ceramic insulating layer 6 and the ceramic insulating layer 6 and the ceramic heat insulating layer 9. The through conductors (not shown) are electrically connected to the heater terminal portions 18 formed on the outer surface of the ceramic heat insulating layer 9. A metal member 19 for connecting to an external heat-generating power supply is fixed on these heater terminal portions 18 with a brazing material, and an electric current is passed through the heat-generating resistor 8 through these, thereby heating the heat-generating resistor 8, The temperature of the detection unit including the measurement electrode 4, the cylindrical tube 2, and the reference electrode 3 is rapidly increased to a predetermined temperature.

【0023】測定電極4の周囲の発熱抵抗体8は、図1
に示すように開口部7の両側に均一に、対称的にパター
ン化して配置されている。発熱抵抗体8は、リード部1
6を経由してヒータ用端子部18と接続されており、こ
れらを通じて発熱抵抗体8に電流を流すことにより発熱
抵抗体8が加熱され、円筒管2、基準電極3および測定
電極4からなる検知部を加熱する仕組みとなっている
が、この際、発熱抵抗体8のリード部16は、幅広い1
本のラインで形成することも可能であるが、2本以上の
ラインで形成することによって、リード部16を挟む上
下のセラミック絶縁層6との結合性を高め、素子の強度
を高めることができる。
The heating resistor 8 around the measuring electrode 4 is shown in FIG.
As shown in the figure, the openings are uniformly and symmetrically patterned on both sides of the opening 7. The heating resistor 8 is connected to the lead 1
6, the heater element 8 is heated by passing a current through the heater element 8 through the heater terminal section 18, and the heating element 8 is detected by the cylindrical tube 2, the reference electrode 3, and the measurement electrode 4. In this case, the lead portion 16 of the heating resistor 8 has a wide 1
Although it is possible to form it with two lines, by forming it with two or more lines, it is possible to enhance the bonding with the upper and lower ceramic insulating layers 6 sandwiching the lead portion 16 and increase the strength of the element. .

【0024】さらに、酸素センサの全体の大きさとして
は、外径が3〜6mm、特に3〜4mmの円筒体によっ
て形成することが、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。
Further, as the overall size of the oxygen sensor, it is preferable that the oxygen sensor be formed of a cylindrical body having an outer diameter of 3 to 6 mm, particularly 3 to 4 mm, thereby reducing power consumption and improving sensing performance.

【0025】本発明の酸素センサにおいては、検知部に
おける測定電極4が白金族金属とジルコニアを含有する
ものであるが、本発明によれば、測定電極4の面積抵抗
を0.3〜6Ω/mm2に制御することが重要である。
これは、この面積抵抗が0.3Ω/mm2よりも小さく
なると、白金族金属粒子同士が焼結して気孔率が減少
し、ガス応答性が悪化するからである。逆に、面積抵抗
が6Ω/mm2を越えると電気伝導性が悪くなり、その
結果ガス応答性が悪くなる。測定電極の面積抵抗として
は、ガス応答性の観点から、0.8〜5Ω/mm2の範
囲が特に優れる。なお、本発明における面積抵抗は、測
定電極の平面における最長径の両端間の電気抵抗を測定
し、その抵抗を電極の面積によって割った値として定義
した。
In the oxygen sensor of the present invention, the measuring electrode 4 in the detecting section contains a platinum group metal and zirconia. According to the present invention, the area resistance of the measuring electrode 4 is 0.3 to 6 Ω /. It is important to control to mm 2 .
This is because, if the sheet resistance is smaller than 0.3 Ω / mm 2 , the platinum group metal particles are sintered with each other, the porosity decreases, and the gas responsiveness deteriorates. Conversely, if the sheet resistance exceeds 6 Ω / mm 2 , the electrical conductivity becomes poor, resulting in poor gas responsiveness. The area resistance of the measurement electrode is particularly excellent in the range of 0.8 to 5 Ω / mm 2 from the viewpoint of gas responsiveness. In the present invention, the sheet resistance is defined as a value obtained by measuring the electric resistance between both ends of the longest diameter on the plane of the measurement electrode and dividing the resistance by the area of the electrode.

【0026】また、本発明によれば、面積抵抗を制御す
る上で、測定電極4の平面における最長径に沿う断面を
観察した時の電極厚みが6μm以下となっている部分の
総長さが、前記最長径全長の50%以上であることが望
ましい。具体的には、図3に示すように、測定電極4の
最長径L0は、測定電極4が長方形の場合には頂点X,
Yを結ぶ対角線に相当する。この対角線X−Yに沿う断
面を観察し、測定電極4の厚みが6μm以下の長さの部
分L1、L2、L3の総長さLz(=L1+L2+L3+・・
・)を最長径L0で割った比率を意味する。
According to the present invention, when controlling the sheet resistance, the total length of the portion where the electrode thickness is 6 μm or less when observing a cross section along the longest diameter in the plane of the measurement electrode 4 is as follows: It is desirable that the length is 50% or more of the total length of the longest diameter. Specifically, as shown in FIG. 3, the longest diameter L 0 of the measurement electrode 4 is a vertex X, when the measurement electrode 4 is rectangular,
This corresponds to a diagonal line connecting Y. The cross section along the diagonal line XY is observed, and the total length Lz (= L 1 + L 2 + L 3 +...) Of the portions L 1 , L 2 , and L 3 where the thickness of the measurement electrode 4 is 6 μm or less.
·) Divided by the longest diameter L 0 .

【0027】これは、上記の長さ比が50%よりも小さ
い、即ち、測定電極の厚みが厚いと、前述した通り、被
測定ガスが、白金族金属粒子と固体電解質基体と気相と
の界面、即ち本来、化学反応が起こるべき3重点に到達
する前に、測定電極上部で被測定ガスの化学反応が生
じ、前記3重点に供給されたガスは、被測定ガスの組成
が変化して酸素センサが所定の起電力を示さなかった
り、あるいはガスに対する応答が見かけ上遅れるなどの
問題が発生するのである。特に、ガス応答性の点から
は、電極厚みが6μm以下となっている部分の総長さが
前記最長径全長の60%以上であることが望ましい。
This is because when the length ratio is less than 50%, that is, when the thickness of the measurement electrode is large, the gas to be measured is, as described above, the gas of the platinum group metal particles, the solid electrolyte substrate, and the gas phase. Before reaching the interface, that is, the triple point where a chemical reaction should originally occur, a chemical reaction of the gas to be measured occurs at the upper part of the measurement electrode, and the gas supplied to the triple point changes in the composition of the gas to be measured. Problems such as the oxygen sensor not exhibiting a predetermined electromotive force or an apparently delayed response to gas occur. In particular, from the viewpoint of gas responsiveness, it is desirable that the total length of the portion where the electrode thickness is 6 μm or less is 60% or more of the total length of the longest diameter.

【0028】上記のように、測定電極の厚みおよび面積
抵抗を制御するには、測定電極を白金族金属粒子とジル
コニアによって形成するとともに、ジルコニアを測定電
極中に均一に分散させることが重要である。即ち、ジル
コニアを均一に分散させることによって、白金族金属間
の焼結、粒成長を妨げ、適当な空隙を形成することによ
って面積抵抗を制御することができる。このように、ジ
ルコニアを均一に分散させるためには、通常の白金族金
属粉末とジルコニア粉末との混合粉末では、ジルコニア
粉末の分散には限界がある。
As described above, in order to control the thickness and the sheet resistance of the measurement electrode, it is important that the measurement electrode is formed of platinum group metal particles and zirconia, and that zirconia is uniformly dispersed in the measurement electrode. . That is, by uniformly dispersing zirconia, sintering and grain growth between platinum group metals are prevented, and the sheet resistance can be controlled by forming appropriate voids. As described above, in order to uniformly disperse zirconia, there is a limit to the dispersion of zirconia powder in a normal mixed powder of a platinum group metal powder and zirconia powder.

【0029】そこで、本発明によれば、白金族金属とジ
ルコニアとの複合物からなるサーメット粉末を用いるこ
とが望ましい。このサーメット粉末は、例えば、白金族
金属粉末とジルコニア粉末との混合物を1600〜17
00℃で焼成した後、粉砕することによって作製され
る。
Therefore, according to the present invention, it is desirable to use a cermet powder composed of a composite of a platinum group metal and zirconia. The cermet powder is prepared, for example, by mixing a mixture of a platinum group metal powder and a zirconia powder with 1600 to 17
After baking at 00 ° C., it is produced by grinding.

【0030】また、本発明によれば、厚みの薄い測定電
極を形成するために、塗布する際の白金族金属およびジ
ルコニアを含む導電性ペースト中の溶媒成分を従来より
も増加させてペーストを調整し、やわらかい筆等を用い
て塗布するか、あるいはその導電性ペーストを噴霧して
固体電解質表面に塗布形成する。その際、ペースト中に
含まれる金属粉末およびジルコニア粉末の平均粒径がい
ずれも2μm以下、特に1.5μm以下の微細な粉末で
あることが望ましい。
Further, according to the present invention, in order to form a thin measuring electrode, the paste is adjusted by increasing the solvent component in the conductive paste containing the platinum group metal and zirconia at the time of coating, as compared with the prior art. Then, it is applied by using a soft brush or the like, or its conductive paste is sprayed to be applied and formed on the surface of the solid electrolyte. At this time, it is desirable that both the metal powder and the zirconia powder contained in the paste are fine powders having an average particle diameter of 2 μm or less, particularly 1.5 μm or less.

【0031】特に平均粒径が0.1〜2μmのサーメッ
ト粉末を用いることが最も望ましい。このような微細な
白金族金属とジルコニアとのサーメットからなる微細な
粉末を含むペーストを塗布し、焼成して測定電極を形成
することによって、焼結過程で均一に分散されたジルコ
ニアが白金族金属の焼結と粒成長とを防止し、また、粒
成長に伴って厚みが大きくなることを防止することがで
きる。その結果、微細な白金族金属粒子とジルコニアか
らなる厚みが薄く、且つ所定の多孔性を有する測定電極
を得ることができる。
In particular, it is most desirable to use a cermet powder having an average particle size of 0.1 to 2 μm. By applying a paste containing a fine powder composed of such a fine cermet of a platinum group metal and zirconia, and baking to form a measurement electrode, the zirconia uniformly dispersed in the sintering process becomes a platinum group metal. Sintering and grain growth can be prevented, and the thickness can be prevented from increasing with the grain growth. As a result, it is possible to obtain a measurement electrode having a small thickness made of fine platinum group metal particles and zirconia and having a predetermined porosity.

【0032】なお、導電性ペーストは、白金族金属とジ
ルコニアとの組成比は、白金族金属とジルコニアとの合
計に対して、ジルコニアを1〜50体積%、特に10〜
30体積%ので含むことが望ましく、ジルコニア量が1
体積%よりも少ないと、面積抵抗が低下し、50体積%
よりも多いと面積抵抗が大きくなってしまうためであ
る。また、ペーストを調製する場合、電極の厚みを薄く
制御する上では、ペースト中の溶媒量を金属およびジル
コニアの合計量100重量部に対して50〜100重量
部とすることが適当である。
In the conductive paste, the composition ratio of the platinum group metal and zirconia is 1 to 50% by volume, preferably 10 to 50% by volume, based on the total of the platinum group metal and zirconia.
It is desirable to include the zirconia in an amount of 30% by volume.
If the volume ratio is less than 50% by volume, the sheet resistance is reduced.
If the number is larger than the above, the sheet resistance increases. Further, when preparing the paste, in order to control the thickness of the electrode to be thin, it is appropriate that the amount of the solvent in the paste is 50 to 100 parts by weight based on 100 parts by weight of the total amount of the metal and zirconia.

【0033】本発明における白金族金属としては、白
金、ロジウム、ルテニウム、オスミウムがあるが、測定
電極としては、特に白金からなることが望ましい。
The platinum group metal in the present invention includes platinum, rhodium, ruthenium and osmium, and the measuring electrode is preferably made of platinum.

【0034】なお、本発明によれば、円筒管2の内面に
被着形成された基準電極3も、測定電極4と同様に白金
族金属から選ばれる1種、または2種以上の合金が用い
られる。特に、ガス応答性の観点からは、白金が最も望
ましい。
According to the present invention, the reference electrode 3 formed on the inner surface of the cylindrical tube 2 is also made of one or more alloys selected from platinum group metals, like the measurement electrode 4. Can be In particular, platinum is most desirable from the viewpoint of gas responsiveness.

【0035】さらに、基準電極3は、測定電極4の前記
開口部7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。
Further, the reference electrode 3 only needs to be formed on the inner surface portion facing the portion exposed from the opening 7 of the measurement electrode 4, and has an area larger than the exposed portion area of the measurement electrode 4, for example, a cylinder. It may be formed on the entire inner surface of the tube 2.

【0036】(固体電解質)本発明において、円筒管2
を形成するのに用いられるジルコニア固体電解質は、Z
rO2を含有するセラミックスからなり、具体的には、
23 Yb23、Sc23、Sm23、Nd23、D
23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Zr
2あるいは安定化ZrO2が用いられている。また、Z
rO2中のZrを1〜20原子%をCeで置換したZr
2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。
(Solid Electrolyte) In the present invention, the cylindrical tube 2
The zirconia solid electrolyte used to form
It is made of ceramics containing rO 2 , and specifically,
Y 2 O 3 , Yb 2 O 3 , Sc 2 O 3 , Sm 2 O 3 , Nd 2 O 3 , D
1 to 30 mol% of rare earth oxide such as y 2 O 3 in terms of oxide, partially stabilized Zr which preferably contains 3 to 15 mol%
O 2 or stabilized ZrO 2 is used. Also, Z
Zr in which 1 to 20 atomic% of Zr in rO 2 is substituted with Ce
Use of O 2 has the effect of increasing the electron conductivity and further improving the responsiveness.

【0037】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, 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 SiO 2
Is preferably 5% by weight or less, particularly 3% by weight or less in total.

【0038】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6への拡散進入を
防止する観点から200ppm以下、特に100ppm
が望ましい。
The content of Na in the solid electrolyte is 200 ppm or less, particularly 100 ppm, from the viewpoint of preventing the diffusion of the solid electrolyte into the ceramic insulating layer 6.
Is desirable.

【0039】(セラミック絶縁層)発熱抵抗体8を埋設
するセラミック絶縁層6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6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ものの、S
iの含有量が、5重量%を越えるとセラミック絶縁層6
中のNaの拡散と偏析が促進され、白金等からなる発熱
抵抗体8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。
(Ceramic Insulating Layer) As the ceramic insulating layer 6 in which the heating resistor 8 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 used. Is preferably used. At this time, in order to improve the sinterability of the ceramic insulating layer 6, it is desirable to add a small amount of a Si component. , S
If the content of i exceeds 5% by weight, the ceramic insulating layer 6
Since the diffusion and segregation of Na in the steel are promoted and the life of the heating resistor 8 made of platinum or the like is easily reduced, the Si content is set to 0.1.
A range of 1 to 5% by weight is desirable. As the Si content,
0.5 to 3% by weight is desirable. In particular, 0.5 to 2% by weight
Is desirable from the viewpoint of preventing the diffusion of Na.

【0040】また、このセラミック絶縁層6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6が緻密質であることにより絶縁
層6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6中のNaの含有量は、50ppm、特に3
0ppm以下とすることがヒータの寿命を延ばすために
望ましい。
The ceramic insulating layer 6 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 denseness of the ceramic insulating layer 6 increases the strength of the insulating layer 6, thereby increasing the mechanical strength of the oxygen sensor itself. Further, the content of Na in the ceramic insulating layer 6 is 50 ppm, particularly 3 ppm.
0 ppm or less is desirable for extending the life of the heater.

【0041】(発熱抵抗体)また、上記セラミック絶縁
層6の内部に埋設される発熱抵抗体8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6との同時焼結性の点で、
そのセラミック絶縁層6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 Resistor) The heating resistor 8 embedded in the ceramic insulating layer 6 is made of platinum,
1 selected from the group of rhodium, palladium and ruthenium
It is desirable to be made of a kind of metal or an alloy of two or more kinds. In particular, in view of co-sintering with the ceramic insulating layer 6,
It is desirable to select a metal or alloy having a melting point higher than the firing temperature of the ceramic insulating layer 6.

【0042】また、発熱抵抗体8中には上記の金属の他
に焼結防止と絶縁層6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
テライトあるいは上述の電解質となり得るジルコニア等
を体積比率で10〜80%、特に30〜50%の範囲で
混合することが望ましい。
The heating resistor 8 contains, in addition to the above-mentioned metals, alumina, spinel, a compound of alumina / silica, forsterite, or the above-mentioned electrolyte from the viewpoint of preventing sintering and increasing the adhesion to the insulating layer 6. It is desirable to mix the obtained zirconia and the like in a volume ratio of 10 to 80%, particularly 30 to 50%.

【0043】発熱抵抗体8を埋設したセラミック絶縁層
6の表面に形成されるセラミック保温層9は、ジルコニ
アセラミックスからなることが望ましい。このジルコニ
アからなるセラミック保温層9は、固体電解質とセラミ
ック絶縁層6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ことがで
きる。この際、円筒管2と発熱抵抗体8の間とセラミッ
ク保温層9と発熱抵抗体8の間の距離はそれぞれ2μm
以上であることが望ましい。
The ceramic heat insulating layer 9 formed on the surface of the ceramic insulating layer 6 in which the heating resistor 8 is embedded is preferably made of zirconia ceramics. The ceramic heat insulating layer 9 made of zirconia can alleviate the stress caused by the difference in thermal expansion and the difference in firing shrinkage between the solid electrolyte and the ceramic insulating layer 6 so that the thermal stress can be minimized. At this time, the distance between the cylindrical tube 2 and the heating resistor 8 and the distance between the ceramic heat insulating layer 9 and the heating resistor 8 are each 2 μm.
It is desirable that this is the case.

【0044】(開口部)また、本発明においては、この
開口部7内に露出している測定電極4の形状は特に限定
するものではなく、また、開口部7は、円筒管2におけ
る対称な位置となる2箇所に設けると熱衝撃性を改善す
ることができる。開口部7の広がりを円筒管2の断面の
中心に対して30〜90度の範囲とすることにより、開
口部の周囲への熱応力の発生を抑制し、また、発熱抵抗
体8による加熱効率を高めることができる。
(Opening) In the present invention, the shape of the measuring electrode 4 exposed in the opening 7 is not particularly limited, and the opening 7 is symmetrical in the cylindrical tube 2. The thermal shock resistance can be improved by providing them at two locations. The expansion of the opening 7 is set in the range of 30 to 90 degrees with respect to the center of the cross section of the cylindrical tube 2, thereby suppressing the generation of thermal stress around the opening and increasing the heating efficiency of the heating resistor 8. Can be increased.

【0045】(多孔質層)本発明の酸素センサにおいて
は、図2に示すように、開口部7内にて露出している測
定電極4の表面に、多孔質のセラミック保護層13が形
成されるが、このセラミック保護層13はジルコニア、
アルミナ、マグネシアあるいはスピネルの群から選ばれ
る少なくとも1種から形成される開気孔率が5〜30%
の多孔質体からなるものである。
(Porous Layer) In the oxygen sensor of the present invention, as shown in FIG. 2, a porous ceramic protective layer 13 is formed on the surface of the measurement electrode 4 exposed in the opening 7. However, this ceramic protective layer 13 is made of zirconia,
The open porosity formed from at least one selected from the group consisting of alumina, magnesia and spinel is 5 to 30%
Of a porous body.

【0046】このセラミック保護層13は、理論空燃比
センサ(λセンサ)においては、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
に設ける。また、広域空燃比センサ(A/Fセンサ)に
おいては、ガス拡散律速層として機能させる。
In the stoichiometric air-fuel ratio sensor (λ sensor), the ceramic protective layer 13 is provided in order to prevent the measurement electrode 4 from being poisoned by the exhaust gas and lowering the output voltage. In a wide area air-fuel ratio sensor (A / F sensor), the sensor functions as a gas diffusion rate-controlling layer.

【0047】次に、本発明の酸素センサの製造方法につ
いて図4をもとに説明する。 (1)まず、ジルコニア固体電解質粉末に成形用有機バ
インダーを添加して押出成形、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、図4
(a)に示すような両端が開放された中空の円筒状成形
体27を作製する。
Next, a method of manufacturing the oxygen sensor according to the present invention will be described with reference to FIG. (1) First, an organic binder for molding is added to the zirconia solid electrolyte powder, and a known method such as extrusion molding, isostatic pressing (rubber press), or press forming is used to form the solid electrolyte shown in FIG.
A hollow cylindrical molded body 27 having both open ends as shown in FIG.

【0048】(2)そして、上記円筒状成形体27の内
面および外面に、基準電極3および測定電極4となるパ
ターン28、29を、前述したような導電性ペーストを
用いて、スラリーデッィプ法、スクリーン印刷、パット
印刷、ロール転写、筆塗り等で形成する。この時、円筒
状成形体27内面への基準電極28の印刷は、円筒状成
形体27内部に導体ペーストを充填して排出し、内面全
面に塗布形成することが効率がよい。
(2) Patterns 28 and 29 to be the reference electrode 3 and the measurement electrode 4 are formed on the inner surface and the outer surface of the cylindrical molded body 27 by using a conductive paste as described above by a slurry dipping method and a screen. It is formed by printing, pad printing, roll transfer, brush painting, or the like. At this time, in printing the reference electrode 28 on the inner surface of the cylindrical molded body 27, it is efficient to fill the inside of the cylindrical molded body 27 with the conductive paste, discharge the paste, and apply the conductive paste to the entire inner surface.

【0049】その後、ジルコニア材料を分散したスラリ
ーを円筒状成形体27の先端側の端部より所定の深さま
で注入し乾燥して一端を封止する。この後、円筒状成形
体27先端を円弧などの所定の形状に加工する。このよ
うにしてセンサ素体Aを作製する。
Thereafter, a slurry in which the zirconia material is dispersed is poured into a predetermined depth from the end on the tip side of the cylindrical molded body 27, dried, and one end is sealed. Thereafter, the tip of the cylindrical molded body 27 is processed into a predetermined shape such as an arc. Thus, the sensor body A is manufactured.

【0050】(3)次に、図4(b)に示すようなヒー
タ素体Bを形成する。まず、上述のジルコニア粉末を含
有するスラリーを用いて50〜500μm、特に100
〜300μmの厚さのセラミック絶縁層を形成するため
のジルコニアからなるグリーンシート33を作製する。
その後、このグリーンシート33表面に、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
ラミック粉末に適宜成形用有機バインダーを添加してな
るスラリーを用いてスクリーン印刷法、パット印刷法、
ロール転写法等により印刷した後、その表面に白金など
の金属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
パターンを含む発熱抵抗体パターン34を形成する。そ
して、再度、セラミック絶縁体からなるスラリーを塗布
する。その後、開口部35をパンチングなどによって形
成することにより、グリーンシート33と発熱抵抗体パ
ターン34と、グリーンシート36との積層体からなる
ヒータ素体Bが得られる。
(3) Next, a heater element B as shown in FIG. 4B is formed. First, using a slurry containing the above-mentioned zirconia powder, 50 to 500 μm, particularly 100 μm.
A green sheet 33 made of zirconia for forming a ceramic insulating layer having a thickness of about 300 μm is prepared.
Thereafter, on the surface of the green sheet 33, using a slurry obtained by appropriately adding an organic binder for molding to a ceramic powder such as alumina, spinel, forsterite, zirconia, or glass, a screen printing method, a pad printing method,
After printing by roll transfer method etc., screen printing method of conductive paste containing metal powder such as platinum on the surface,
The heating resistor pattern 34 including the lead pattern is formed by printing by a pad printing method, a roll transfer method, or the like. Then, the slurry made of the ceramic insulator is applied again. Thereafter, by forming the opening 35 by punching or the like, a heater element B composed of a laminate of the green sheet 33, the heating resistor pattern 34, and the green sheet 36 is obtained.

【0051】(4)次に、図4(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をアク
リル樹脂などの接着剤を介在させて巻き付けて円筒状積
層体を作製する。なお、巻き付けられたヒータ素体Bの
合わせ目は、シート端部同志を重ねたり、所定の間隔を
おいて接着してもよい。
(4) Next, as shown in FIG. 4 (c), the heater element B is wound around the surface of the cylindrical sensor element A with an adhesive such as acrylic resin interposed therebetween. A laminate is produced. Note that the seam of the wound heater element B may overlap the sheet end portions, or may be bonded at a predetermined interval.

【0052】(5)そして、上記の円筒状積層体を、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セ
ンサ素体Aとヒータ素体Bとを同時焼成することができ
る。
(5) Then, the above cylindrical laminate is placed in an inert atmosphere such as argon gas or the
By firing at 〜1700 ° C. for about 1 to 10 hours, the sensor element A and the heater element B can be fired simultaneously.

【0053】さらに、図1のセラミック保護層13を形
成するには、焼成後に、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
被覆して形成するか、または、円筒状積層体を作製する
際に予めセラミック保護層13を形成するスラリーを塗
布した後に、同時に焼成し形成することも可能である。
Further, in order to form the ceramic protective layer 13 shown in FIG. 1, after firing, a powder of alumina, spinel, zirconia or the like is printed and applied by a sol-gel method, a slurry dipping method, a printing method, or the like, and is baked. It is also possible to form by coating the above ceramics by a sputtering method or a plasma spraying method, or to apply a slurry for forming a ceramic protective layer 13 in advance when producing a cylindrical laminated body and then sinter it at the same time. It is.

【0054】上記の製法によれば、1回の焼成工程でセ
ンサ、ヒータ、セラミック部材の一体物を作製すること
ができ、別途接合工程を必要としないことから、製造歩
留りや製造コストの低減を図ることができるために非常
に好ましい。
According to the above-described manufacturing method, an integrated body of the sensor, the heater and the ceramic member can be manufactured in one firing step, and a separate bonding step is not required, so that the manufacturing yield and the manufacturing cost can be reduced. Very preferred because it can be achieved.

【0055】以上、本発明の酸素センサの一例について
説明したが、本発明は、図1の酸素センサに限定された
ものではなく、同時焼成により作製された少なくとも内
外に対向する一対の多孔性の電極を有する酸素センサで
あれば、適応できることは言うまでもない。例えば、A
/Fセンサや、平板型の酸素センサに対しても適用する
ことができる。
Although an example of the oxygen sensor according to the present invention has been described above, the present invention is not limited to the oxygen sensor shown in FIG. It goes without saying that any oxygen sensor having electrodes can be applied. For example, A
/ F sensor and a flat plate type oxygen sensor.

【0056】[0056]

【実施例】市販の純度99.8%でアルミナ粉末と、5
モル%Y23含有のジルコニア粉末と、平均粒径が約1
μmの白金粉末と、平均粒径が1μmであってジルコニ
アを0〜54.3体積%含む白金または白金/ロジウム
とのサーメット粉末を準備した。
EXAMPLE A commercially available 99.8% pure alumina powder and 5
Zirconia powder containing mol% Y 2 O 3 and an average particle size of about 1
A cermet powder of a platinum powder of μm and platinum or platinum / rhodium having an average particle size of 1 μm and containing 0 to 54.3% by volume of zirconia was prepared.

【0057】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の外径が約4mm、内径が2
mmになるように両端が開放された円筒状成形体を作製
し、その表面に、サーメット粉末を95重量%、有機樹
脂成分としてテルピネオールとエチルセルロースを5%
重量含有する粘度が約0.4Pasの導電性ペーストを
用い、噴霧器によりペーストを噴霧して種々の厚みから
なる長方形状の測定電極パターンとリードパターンを形
成すると同時に、円筒状成形体の内部全面にも上記導電
性ペーストを塗布して基準電極パターンを形成した。
First, a clay is prepared by adding a polyvinyl alcohol solution to zirconia powder containing 5 mol% Y 2 O 3, and has an outer diameter of about 4 mm after sintering by extrusion and an inner diameter of 2 mm.
mm, a cylindrical molded body whose both ends are opened is made up of 95% by weight of cermet powder and 5% by weight of terpineol and ethyl cellulose as organic resin components.
Using a conductive paste having a viscosity of about 0.4 Pas by weight, the paste is sprayed by a sprayer to form rectangular measurement electrode patterns and lead patterns having various thicknesses, and at the same time, over the entire inner surface of the cylindrical molded body. Also, the conductive paste was applied to form a reference electrode pattern.

【0058】また、円筒状成形体の先端部をジルコニア
粉末100重量%に対してミネラルスピリッツを20重
量%添加したスラリー中に浸漬した後、乾燥して一端を
封止し、図4(a)円筒状のセンサ素体Aを作製した。
Further, the tip of the cylindrical molded body was immersed in a slurry in which 20% by weight of mineral spirit was added to 100% by weight of zirconia powder, dried, and one end was sealed. A cylindrical sensor body A was produced.

【0059】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パターンの形状と一
致する長方形状の開口部をパンチングによって開けた。
その後、開口部を有するジルコニアグリーンシート表面
に、アルミナ粉末を含むペーストを約20μmの厚みに
塗布した後、平均粒子径が1μmの白金粉末を含む導電
性ペーストを用いてグリーンシート表面に印刷塗布し
て、発熱抵抗体パターンを形成した。この際、発熱抵抗
体パターンの幅や厚みは、焼結後に平均線幅が0.25
mm、平均最大厚みが20μmとなるようにした。そし
て、その発熱抵抗体パターン上に、再度上記のアルミナ
粉末を含むペーストを約20μmの厚みで塗布し、発熱
抵抗体パターンをジルコニアグリーンシート上のアルミ
ナペースト層間に埋設してなる図4(b)に示す構造の
ヒータ素体B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.
A rectangular opening corresponding to the shape of the measurement electrode pattern was opened in the green sheet by punching.
Then, after applying a paste containing alumina powder to a thickness of about 20 μm on the surface of the zirconia green sheet having an opening, printing and coating the surface of the green sheet using a conductive paste containing platinum powder having an average particle diameter of 1 μm. Thus, a heating resistor pattern was formed. At this time, the width and thickness of the heating resistor pattern were set such that the average line width after sintering was 0.25.
mm, and the average maximum thickness was 20 μm. Then, a paste containing the above-mentioned alumina powder is applied again on the heating resistor pattern with a thickness of about 20 μm, and the heating resistor pattern is buried between alumina paste layers on the zirconia green sheet. The heater element B having the structure shown in FIG.

【0060】次に、上記のセンサ素体A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B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。この時、センサ素体Aの端面から、ヒータ素
体Bの巻き付け位置は、焼成後2mmになるようにヒー
タ素体Bの巻き付け位置を設定した。
Next, the heater element B was wound around the surface of the sensor element A using an acrylic resin as an adhesive to form a cylindrical laminate. Thereafter, the cylindrical laminate was fired in the air at 1500 ° C. for 2 hours, and fired and integrated. At this time, the winding position of the heater element B was set such that the winding position of the heater element B from the end face of the sensor element A was 2 mm after firing.

【0061】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
セラミック保護層を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 protective layer of spinel having a porosity of about 30% and a thickness of 100 μm is 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. did.

【0062】(評価)作製した理論空燃比センサに対し
て、測定電極の平面における最長径(つまり長方形の対
角線)に沿う断面を走査型電子顕微鏡を用いて観察した
時の、厚みが6μm以下の総長さを測定し、対角線全長
に対する比率を求め、表1に示した。
(Evaluation) For the manufactured theoretical air-fuel ratio sensor, when the section along the longest diameter (that is, the diagonal line of the rectangle) in the plane of the measurement electrode was observed using a scanning electron microscope, the thickness was 6 μm or less. The total length was measured, and the ratio to the total length of the diagonal line was determined.

【0063】また、測定電極の面積抵抗について、上記
対角線の両端X、Y間の抵抗値を測定し、測定電極の面
積で割って面積抵抗を求め、結果を表1に示した。
The sheet resistance of the measuring electrode was measured by measuring the resistance between both ends X and Y of the diagonal line, and dividing by the area of the measuring electrode to obtain the sheet resistance. The results are shown in Table 1.

【0064】さらに、作製した酸素センサ素子につい
て、600℃においてCO,CO2,H2,N2,C38
のガスを混合して、空燃比を14から15に瞬時に変化
させた時の素子のガス応答時間を求めた。測定原理は、
図5に示すようにw点において空燃比を14から15に
変化させると起電力が急激に低下するが、この起電力差
を100%とした場合、本発明では起電力差が60%に
なる点nまでの時間をガス応答時間と定義した。結果を
表1に示した。
Further, the prepared oxygen sensor element was subjected to CO, CO 2 , H 2 , N 2 , C 3 H 8 at 600 ° C.
And the gas response time of the element when the air-fuel ratio was instantaneously changed from 14 to 15 was determined. The measurement principle is
As shown in FIG. 5, when the air-fuel ratio is changed from 14 to 15 at the point w, the electromotive force sharply decreases. When the electromotive force difference is set to 100%, the electromotive force difference becomes 60% in the present invention. The time to point n was defined as the gas response time. The results are shown in Table 1.

【0065】なお、比較として、市販の平板型のヒータ
一体型の酸素センサ(試料No.27)についても同様
な測定を行った。さらに、測定電極の形成にあたって、
サーメット粉末に代えて、平均粒径が1μmの白金粉末
と、平均粒径が1μmのジルコニア粉末とを、体積比で
70:30の比率で混合した混合粉末を用いて導電性ペ
ーストを作製し、スクリーン印刷法によって形成する以
外は、全く同様にして理論空燃比センサ(試料No.2
8)を作製した。
For comparison, the same measurement was carried out for a commercially available flat plate type heater-integrated oxygen sensor (sample No. 27). Furthermore, in forming the measurement electrode,
In place of the cermet powder, a conductive paste was prepared using a mixed powder obtained by mixing a platinum powder having an average particle size of 1 μm and a zirconia powder having an average particle size of 1 μm at a volume ratio of 70:30, A stoichiometric air-fuel ratio sensor (sample No. 2) is formed in exactly the same manner except that the sensor is formed by a screen printing method.
8) was produced.

【0066】[0066]

【表1】 [Table 1]

【0067】表1の結果から、該測定電極の平面におけ
る最長径に沿う断面を観察した時の厚みが6μm以下の
長さが前記最長径全長の50%以上である試料、および
面積抵抗が0.3〜6Ω/mm2である試料は、いずれ
もガス応答時間が200ms以下と非常に短いことがわ
かる。これに対して、厚みが6μm以下の長さが前記最
長径全長の50%未満である試料、および面積抵抗が
0.3Ω/mm2未満、6Ω/mm2を超える試料は、い
ずれもガス応答時間が200msよりも長いものであっ
た。
From the results shown in Table 1, when the cross section along the longest diameter in the plane of the measurement electrode is observed, the sample whose thickness is 6 μm or less is 50% or more of the total length of the longest diameter, and the sheet resistance is 0% It can be seen that the gas response time of each of the samples having a resistance of 0.3 to 6 Ω / mm 2 is as extremely short as 200 ms or less. In contrast, the sample thickness is less than a length of 6μm less than 50% of the longest diameter full-length, and an area resistance of less than 0.3 [Omega / mm 2, a sample of more than 6 [Omega / mm 2 are both gas response The time was longer than 200 ms.

【0068】[0068]

【発明の効果】以上詳述した通り、本発明の酸素センサ
によれば、測定電極を白金族金属およびジルコニアによ
って形成し、その面積抵抗を0.3〜6Ω/mm2
し、また測定電極の平面における最長径に沿う断面を観
察した時の厚みが6μm以下の長さが、前記最長径全長
の50%以上とすることによって、ガス応答性を向上で
きる。
As described in detail above, according to the oxygen sensor of the present invention, the measuring electrode is formed of a platinum group metal and zirconia, the sheet resistance is 0.3 to 6 Ω / mm 2 , and the measuring electrode is The gas responsiveness can be improved by setting the length of the section having a thickness of 6 μm or less when observing a cross section along the longest diameter in a plane to be 50% or more of the total length of the longest diameter.

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

【図1】本発明のヒータ一体型酸素センサの一例を説明
するための概略斜視図である。
FIG. 1 is a schematic perspective view illustrating an example of a heater-integrated oxygen sensor according to the present invention.

【図2】図1の酸素センサにおけるA−A断面図であ
る。
FIG. 2 is a sectional view taken along line AA in the oxygen sensor of FIG.

【図3】測定電極の一部切り欠き断面図である。FIG. 3 is a partially cutaway sectional view of a measurement electrode.

【図4】本発明のガスセンサを製造する方法の一例を説
明するための工程図である。
FIG. 4 is a process chart for explaining an example of a method for manufacturing a gas sensor of the present invention.

【図5】ガス応答時間の測定法の原理を説明するための
図である。
FIG. 5 is a diagram for explaining the principle of a method for measuring a gas response time.

【図6】従来の酸素センサを示す断面図である。FIG. 6 is a sectional view showing a conventional oxygen sensor.

【符号の説明】 1 酸素センサ 2 円筒管(ジルコニア固体電解質) 3 基準電極 4 測定電極[Description of Signs] 1 Oxygen sensor 2 Cylindrical tube (zirconia solid electrolyte) 3 Reference electrode 4 Measurement electrode

Claims (4)

【特許請求の範囲】[The claims] 【請求項1】ジルコニア固体電解質基体の対向する面
に、測定電極と基準電極をそれぞれ設けてなる酸素セン
サであって、前記測定電極が白金族金属およびジルコニ
アを含有するとともに、面積抵抗が0.3〜6Ω/mm
2であることを特徴とする酸素センサ。
1. An oxygen sensor comprising a zirconia solid electrolyte substrate and a measurement electrode and a reference electrode provided on opposing surfaces of the zirconia solid electrolyte substrate, wherein the measurement electrode contains a platinum group metal and zirconia, and has a sheet resistance of 0. 3-6Ω / mm
An oxygen sensor, which is 2 .
【請求項2】前記測定電極の平面における最長径に沿う
断面を観察した時の厚みが6μm以下の総長さが、前記
最長径全長の50%以上であることを特徴とする請求項
1記載の酸素センサ。
2. The apparatus according to claim 1, wherein a total length of the measurement electrode having a thickness of 6 μm or less when observed in a cross section along the longest diameter in a plane of the measurement electrode is 50% or more of the total length of the longest diameter. Oxygen sensor.
【請求項3】前記測定電極が、白金族金属およびジルコ
ニアを含有するサーメット粉末をペースト化したものを
固体電解質表面に塗布、焼成して形成されたものである
請求項1または請求項2記載の酸素センサ。
3. The measurement electrode according to claim 1, wherein the measurement electrode is formed by applying a paste of a cermet powder containing a platinum group metal and zirconia to the surface of a solid electrolyte and firing it. Oxygen sensor.
【請求項4】発熱抵抗体が埋設されたセラミック絶縁層
が、一体的に形成されてなる請求項1乃至請求項3のい
ずれか記載の酸素センサ。
4. The oxygen sensor according to claim 1, wherein the ceramic insulating layer in which the heating resistor is embedded is formed integrally.
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