JP2002296225A - Heater-integrated type oxygen sensor element - Google Patents

Heater-integrated type oxygen sensor element

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JP2002296225A
JP2002296225A JP2001102218A JP2001102218A JP2002296225A JP 2002296225 A JP2002296225 A JP 2002296225A JP 2001102218 A JP2001102218 A JP 2001102218A JP 2001102218 A JP2001102218 A JP 2001102218A JP 2002296225 A JP2002296225 A JP 2002296225A
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等 松之迫
Masahide Akiyama
雅英 秋山
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a heater-integrated type oxygen sensor element capable of rapidly raising temperature, having a ceramic porous layer with high adherence, and having an electrode prevented from being poisoned by an exhaust gas. SOLUTION: This heater-integrated type oxygen sensor element is provided with a cylindrical tube 2 formed of a ceramic solid electrolyte and having one end sealed, a reference electrode 3 and a measurement electrode 4 formed at opposite positions of the inside surface and the outside surface of the cylindrical tube 2, respectively, a ceramic insulation layer 5 having an opening 6 formed so as to expose part or the whole part of the measurement electrode 4 with a heating element 7 embedded around the opening 6, a dense ceramic solid electrolyte layer 8 formed on the surface of the insulation layer 5, and the ceramic porous layer 11 overlaid so as to cover at least the opening 6 and the electrolyte layer 8 around it. A ceramic intermediate layer 12 having a thickness of 5-100 μm and a surface roughness Ra of 1.5-4 μm is formed between the electrolyte layer 8 and the porous layer 11.

Description

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

【0001】[0001]

【発明の属する技術分野】本発明は、自動車等の内燃機
関における空気と燃料の比率を制御するためのヒータ一
体型酸素センサ素子に関し、より詳しくは発熱体とセン
サ部とが一体化されてなり、耐久性に優れた電極を有す
るヒータ一体型酸素センサ素子に関する。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a heater-integrated oxygen sensor element for controlling the ratio of air to fuel in an internal combustion engine of an automobile or the like, and more particularly, to an integrated heating element and a sensor section. The present invention relates to a heater-integrated oxygen sensor element having electrodes having excellent durability.

【0002】[0002]

【従来の技術】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 internal combustion engines such as automobiles,
By detecting the oxygen concentration in the exhaust gas and controlling the amount of air and fuel supplied to the internal combustion engine based on the detected value, harmful substances such as CO, H
A method of reducing C and NOx has been adopted.

【0003】この検出素子として、主として酸素イオン
導電性を有するジルコニアを主成分とする固体電解質か
らなり、一端が封止された円筒管の外面および内面にそ
れぞれ一対の電極層が形成された固体電解質型の酸素セ
ンサが用いられている。この酸素センサの代表的なもの
としては、図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、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が形成されたものが知られている。
また、測定電極33の表面には種々のセラミック多孔質
層34が形成されている。
As the detection element, a solid electrolyte mainly composed of a solid electrolyte mainly composed of zirconia having oxygen ion conductivity and having a pair of electrode layers formed on an outer surface and an inner surface of a cylindrical tube having one end sealed. Type oxygen sensors are used. As a typical example of this oxygen sensor, as shown in FIG. 5, a reference electrode made of platinum and in contact with a reference gas such as air is formed on the inner surface of a cylindrical tube 31 made of a ZrO2 solid electrolyte and having a sealed end. In addition, there is known a cylindrical tube 31 in which a measurement electrode 33 is formed on the outer surface of a cylindrical tube 31 so as 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 to fuel near 1, a porous layer 34 serving as a protective layer is provided on the surface of a measurement electrode 33. The air-fuel ratio of the engine intake system is controlled by detecting the difference in oxygen concentration generated on both sides of the cylindrical tube at the temperature.

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

【0006】[0006]

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、近年排
気ガス規制の強化傾向が強まり、エンジン始動直後から
のCO、HC、NOxの検出が必要になってきた。この
ような要求に対して、上述のように、ヒータ35を円筒
管31内に挿入してなる間接加熱方式の円筒型酸素セン
サでは、センシング部が活性化温度に達するまでに要す
る時間(活性化時間)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。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発熱体を設け
た円筒型のヒータ一体型酸素センサ素子が特開平10−
206380号公報に記載されている。
However, in recent years, the exhaust gas regulations have been strengthened, and it has become necessary to detect CO, HC and NOx immediately after the engine is started. In response to such a request, as described above, in the cylindrical oxygen sensor of the indirect heating type in which the heater 35 is inserted into the cylindrical tube 31, the time required for the sensing unit to reach the activation temperature (activation time) Time) is too slow to meet exhaust gas regulations. As a method of avoiding the problem, a reference electrode and a measurement electrode are provided on the inner surface and the outer surface 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, and further, A cylindrical heater-integrated oxygen sensor element provided with a platinum heating element in a gas non-permeable layer having low gas permeability is disclosed in
No. 206380.

【0007】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センサ素子
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測定電極の周囲のセラミック絶
縁層内に発熱体を埋設すると共に、排気ガスから電極を
保護するために測定電極表面に多孔質なセラミック多孔
質層を形成したヒータ一体型酸素センサ素子を提案し
た。しかしながら、この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が、セラミック多孔質層の付着
力が弱いためにセラミック多孔質層が剥離し易く、その
結果、電極が被毒を受け電極の寿命が短いという欠点が
あった。
On the other hand, the present applicant has disclosed a sensor element in which a reference electrode and a measurement electrode are formed on the inner surface and the outer surface of a cylindrical tube made of a ceramic solid electrolyte and one end of which is sealed, and the measurement electrode is exposed. A ceramic insulating layer provided with an opening in a measurement electrode forming portion is formed on the outer surface of the cylindrical tube so that the measurement electrode is exposed from the opening, and at least the ceramic insulation layer around the exposed measurement electrode is formed. We have proposed a heater-integrated oxygen sensor element in which a heating element is buried inside and a porous ceramic layer is formed on the surface of the measurement electrode to protect the electrode from exhaust gas. However, unlike the conventional indirect heating method, the heater-integrated oxygen sensor is a direct heating method and thus can rapidly raise the temperature. However, the adhesion of the ceramic porous layer is weak, so that the ceramic porous layer cannot be used. It is easy to peel off, and as a result, there is a disadvantage that the electrode is poisoned and the life of the electrode is short.

【0008】すなわち、セラミック絶縁層の表面には、
通常、固体電解質である円筒管とセラミック絶縁層との
間での熱膨張差や焼成収縮差等に起因する応力を緩和
し、熱応力をできる限り小さくするために、ジルコニア
からなる緻密なセラミック固体電解質層が設けられる。
一方、セラミック多孔質層は、生産性等を考慮して、測
定電極表面を含む素子全周面に形成されることが多い
が、このセラミック多孔質層とセラミック固体電解質層
との付着力が弱いためにセラミック多孔質層が剥離する
という問題が生じるのである。従って、本発明は、急速
昇温が可能で、且つセラミック多孔質層の付着力が強
く、電極が排気ガスに被毒するのを防止したヒータ一体
型酸素センサ素子を提供することを目的とする。
That is, on the surface of the ceramic insulating layer,
Normally, a dense ceramic solid made of zirconia is used to reduce the stress caused by the difference in thermal expansion and firing shrinkage between the cylindrical tube, which is a solid electrolyte, and the ceramic insulating layer, and to minimize the thermal stress as much as possible. An electrolyte layer is provided.
On the other hand, the ceramic porous layer is often formed on the entire peripheral surface of the element including the measurement electrode surface in consideration of productivity and the like, but the adhesion between the ceramic porous layer and the ceramic solid electrolyte layer is weak. This causes a problem that the ceramic porous layer peels off. Accordingly, an object of the present invention is to provide a heater-integrated oxygen sensor element capable of rapidly raising the temperature, having a strong adhesion of the ceramic porous layer, and preventing the electrodes from being poisoned by the exhaust gas. .

【0009】[0009]

【課題を解決するための手段】本発明者らは、上記の問
題について鋭意検討を重ねた結果、セラミック多孔質層
とセラミック固体電解質層との間に特定の厚みと表面粗
さを有する中間層を介在させることにより、セラミック
多孔質層の付着力が向上し、容易に剥離することがない
ので、排気ガスによる被毒から電極を有効に保護するこ
とができるという新たな事実を見出し、本発明を完成す
るに至った。
Means for Solving the Problems As a result of intensive studies on the above problems, the present inventors have found that an intermediate layer having a specific thickness and a specific surface roughness is provided between a ceramic porous layer and a ceramic solid electrolyte layer. The present invention has found a new fact that the electrode can be effectively protected from poisoning by exhaust gas since the adhesive force of the ceramic porous layer is improved by intervening, and the electrode is not easily peeled off. Was completed.

【0010】すなわち、本発明のヒータ一体型酸素セン
サ素子は、酸素イオン導電性を有するセラミック固体電
解質からなり一端が封止された円筒管と、この円筒管の
内面および外面の対向する位置にそれぞれ形成された基
準電極および測定電極と、この測定電極の一部または全
部が露出するように開口部が形成され且つ開口部の周囲
に発熱体を埋設してなるセラミック絶縁層と、このセラ
ミック絶縁層の表面に形成された緻密質のセラミック固
体電解質層と、少なくとも前記開口部とその周辺のセラ
ミック固体電解質層を覆うように被着形成された多孔質
のセラミック多孔質層とを備えたものであって、前記セ
ラミック固体電解質層とセラミック多孔質層との間に、
厚みが5〜100μmで表面粗さRaが1.5〜4μm
のセラミック中間層を設けたことを特徴とする。前記セ
ラミック中間層は、具体的には、ジルコニアからなる多
孔質層であるのが好ましい。
That is, the heater-integrated oxygen sensor element of the present invention comprises a cylindrical tube made of a ceramic solid electrolyte having oxygen ion conductivity and one end of which is sealed, and an inner surface and an outer surface of the cylindrical tube which are opposed to each other. A reference electrode and a measurement electrode formed, a ceramic insulating layer having an opening formed so as to expose a part or the entirety of the measurement electrode, and a heating element buried around the opening; A dense ceramic solid electrolyte layer formed on the surface of the substrate, and a porous ceramic porous layer formed so as to cover at least the opening and the surrounding ceramic solid electrolyte layer. Between the ceramic solid electrolyte layer and the ceramic porous layer,
The thickness is 5 to 100 μm and the surface roughness Ra is 1.5 to 4 μm
Wherein the ceramic intermediate layer is provided. Specifically, the ceramic intermediate layer is preferably a porous layer made of zirconia.

【0011】なお、本発明のヒータ一体型酸素センサ素
子は、製造にあたって、固体電解質からなる円筒管を具
備するセンサ素体の表面に、セラミック絶縁層内に発熱
体を埋設したヒータ素体を巻き付け、ヒータ素体とセン
サ素体とを同時焼成して作製できるため、従来のよう
に、酸素センサとヒータとをそれぞれ個別に作製した
後、酸素センサ内にヒータを嵌合して使用する酸素セン
サ素子に比べて製造コストが極めて安価になり、経済性
の観点からも優れている。
In the heater-integrated oxygen sensor element of the present invention, a heater element in which a heating element is embedded in a ceramic insulating layer is wound around the surface of a sensor element having a cylindrical tube made of a solid electrolyte. Since the heater element and the sensor element can be manufactured by simultaneous firing, the oxygen sensor is manufactured by separately manufacturing the oxygen sensor and the heater and then fitting the heater in the oxygen sensor. The manufacturing cost is extremely low as compared with the element, and it is excellent from the viewpoint of economy.

【0012】[0012]

【発明の実施の形態】以下、本発明のヒータ一体型広域
空燃比センサ素子の一例を図1(a)の概略斜視図と、
そのX1−X1断面図である同図(b)および図2の要部
拡大図に基づいて説明する。図1のヒータ一体型酸素セ
ンサ素子1は、酸素イオン導電性を有するセラミック固
体電解質からなり、先端が封止された、即ち断面がU字
状の円筒管2の内面に、第1の電極として、空気などの
基準ガスと接触される基準電極3が被着形成され、また
円筒管2の基準電極3と対向する外面には、第2の電極
として、排気ガスなどの被測定ガスと接触する測定電極
4が形成されている。
FIG. 1A is a schematic perspective view showing one example of a heater-integrated wide-range air-fuel ratio sensor element according to the present invention.
This will be described with reference to FIG. 2B, which is a cross-sectional view taken along the line X 1 -X 1, and an enlarged view of a main part of FIG. The heater-integrated oxygen sensor element 1 shown in FIG. 1 is made of a ceramic solid electrolyte having oxygen ion conductivity, and has a tip sealed, that is, as a first electrode on the inner surface of a cylindrical tube 2 having a U-shaped cross section. A reference electrode 3 which is in contact with a reference gas such as air is formed on the outer surface of the cylindrical tube 2 which faces the reference electrode 3 and which, as a second electrode, comes into contact with a gas to be measured such as exhaust gas. A measurement electrode 4 is formed.

【0013】先端が封止された円筒管2の外面には、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、開口部6の周囲のセラミッ
ク絶縁層5中には発熱体7(白金ヒータ等の発熱抵抗
体)が埋設されている。また、発熱体7は、リード電極
9を経由して端子電極10と接続されており、これらを
通じて発熱体7に電流を流すことにより発熱体7が加熱
され、円筒管2、基準電極3および測定電極4を、発熱
体7を埋設した緻密質なセラミック絶縁層5によって加
熱する仕組みとなっている。
A ceramic insulating layer 5 is formed on the outer surface of the cylindrical tube 2 having a sealed end. An opening 6 is formed in the ceramic insulating layer 5 so that the measurement electrode 4 is exposed, and a heating element 7 (a heating resistor such as a platinum heater) is provided in the ceramic insulating layer 5 around the opening 6. Body) is buried. The heating element 7 is connected to the terminal electrodes 10 via the lead electrodes 9, and the heating element 7 is heated by passing an electric current through the heating element 7 through the lead electrodes 9. The electrode 4 is heated by the dense ceramic insulating layer 5 in which the heating element 7 is embedded.

【0014】また、セラミック絶縁層5の表面には、発
熱体7による加熱効率を高めるために、保温層としてセ
ラミック固体電解質層8が積層形成されている。上記の
開口部6の表面には、この開口部6を覆うようにして溶
射等によってセラミック多孔質層11が被着形成されて
いる。この多孔質層11は、開口部6および固体電解質
層8を含む全周面に形成されている。
On the surface of the ceramic insulating layer 5, a ceramic solid electrolyte layer 8 is formed as a heat insulating layer in order to increase the heating efficiency of the heating element 7. A ceramic porous layer 11 is formed on the surface of the opening 6 by thermal spraying or the like so as to cover the opening 6. The porous layer 11 is formed on the entire peripheral surface including the opening 6 and the solid electrolyte layer 8.

【0015】このセラミック多孔質層11と固体電解質
層8の間には、図1(b)および図2に示すように、表面
粗さRaが1.5〜3μmで厚みが5〜100μmのジル
コニアからなるセラミック中間層12が設けられてい
る。これにより、その表面に形成されるセラミック多孔
質層11の付着力を高めている。セラミック中間層12
の表面粗さRaが1.5μmより小さいか、あるいは4
μmより大きいとセラミック多孔質層11の付着力が弱
い。また、セラミック中間層12の厚みが10μmより
薄くても、あるいは100μmより厚くても、同様にセ
ラミック多孔質層11の付着力が弱くなる。特に、セラ
ミック中間層12の表面粗Raとしては、2〜3μm、
厚みとしては20〜50μmが好ましい。
As shown in FIGS. 1B and 2, a zirconia layer having a surface roughness Ra of 1.5 to 3 μm and a thickness of 5 to 100 μm is provided between the ceramic porous layer 11 and the solid electrolyte layer 8. Is provided. Thereby, the adhesive force of the ceramic porous layer 11 formed on the surface is increased. Ceramic intermediate layer 12
Has a surface roughness Ra smaller than 1.5 μm or 4
If it is larger than μm, the adhesion of the ceramic porous layer 11 is weak. Also, if the thickness of the ceramic intermediate layer 12 is smaller than 10 μm or larger than 100 μm, the adhesive force of the ceramic porous layer 11 similarly becomes weak. In particular, the surface roughness Ra of the ceramic intermediate layer 12 is 2 to 3 μm,
The thickness is preferably 20 to 50 μm.

【0016】また、この開口部6内の測定電極4を被覆
するセラミック多孔質層11の厚みは測定電極4の全部
の領域で40〜600μmであることが測定電極4によ
る検出精度を高めるうえで望ましい。また、素子全体の
大きさとしては、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。以下、本発明の各構成
部材を説明する。
The thickness of the ceramic porous layer 11 covering the measurement electrode 4 in the opening 6 is preferably 40 to 600 μm in the entire area of the measurement electrode 4 in order to enhance the detection accuracy by the measurement electrode 4. desirable. By setting the outer diameter of the entire element to 3 to 6 mm, particularly 3 to 4 mm, the power consumption can be reduced and the sensing performance can be improved. Hereinafter, each component of the present invention will be described.

【0017】(固体電解質材質)本発明における円筒管
2および固体電解質層8を形成するために用いられるセ
ラミック固体電解質としては、例えば、ZrO2を含有
するセラミックスからなり、具体的には、Y23および
Yb23、Sc23、Sm23、Nd23、Dy 23
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等が用いられている。また、ZrO2
のZrを1〜20原子%をCeで置換したZrO2を用
いることにより、酸素イオン導電性が大きくなり、応答
性がさらに改善されるといった効果がある。さらに、焼
結性を改善する目的で、上記ZrO2に対して、Al2
3やSiO2を添加含有させることができるが、多量に含
有させると、高温におけるクリープ特性が悪くなること
から、Al23およびSiO2の添加量は総量で5重量
%以下、特に2重量%以下であることが望ましい。
(Solid Electrolyte Material) Cylindrical tube in the present invention
2 and a cell used to form the solid electrolyte layer 8.
Examples of the lamic solid electrolyte include ZrOTwoContains
Ceramics, specifically, YTwoOThreeand
YbTwoOThree, ScTwoOThree, SmTwoOThree, NdTwoOThree, Dy TwoOThreeetc
1 to 30 mol% of rare earth oxide in terms of oxide, preferably
Or partially stabilized ZrO containing 3 to 15 mol%TwoThere
Is stabilized ZrOTwoEtc. are used. In addition, ZrOTwoDuring ~
In which 1 to 20 atomic% of Zr is substituted with CeTwoFor
By increasing the oxygen ion conductivity, the response
There is an effect that the property is further improved. In addition,
In order to improve the binding properties, the above ZrOTwoFor AlTwoO
ThreeAnd SiOTwoCan be added and contained.
The creep characteristics at high temperature
From AlTwoOThreeAnd SiOTwo5 weight in total
%, Particularly preferably 2% by weight or less.

【0018】(セラミック中間層12)本発明のセラミ
ック層の材料としては、上述の固体電解質と同じ材料を
用いることができるが、その中でもY23およびYb2
3安定化ジルコニアが望ましい。
(Ceramic Intermediate Layer 12) As the material of the ceramic layer of the present invention, the same material as the above-mentioned solid electrolyte can be used. Among them, Y 2 O 3 and Yb 2
O 3 -stabilized zirconia is preferred.

【0019】(セラミック絶縁層5)発熱体7を埋設す
るセラミック絶縁層5としては、例えばアルミナ、スピ
ネル、フォルステライト、ジルコニア、ガラス等のセラ
ミック材料が好適に用いられる。この時、セラミック絶
縁層5としてジルコニアを用いる場合には、ジルコニア
自体が固体電解質であるため、発熱体7からのもれ電流
が酸素濃度検知に影響を及ぼすことがないように、円筒
管2との間に、アルミナ、スピネル、フォルステライト
などの中間層を形成することが望ましい。さらに、セラ
ミック絶縁層5としてのガラス絶縁層にはガラスを用い
ることができるが、この場合は耐熱性の観点から、Ba
O、PbO、SrO、CaO、CdOのうちの少なくと
も1種を5重量%以上含有するガラス、特に、結晶化ガ
ラスであることが望ましい。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、広域空燃比セン
サ素子自体の機械的な強度を高めることができるためで
ある。
(Ceramic Insulating Layer 5) As the ceramic insulating layer 5 in which the heating element 7 is embedded, for example, a ceramic material such as alumina, spinel, forsterite, zirconia, or glass is preferably used. At this time, when zirconia is used as the ceramic insulating layer 5, the zirconia itself is a solid electrolyte, so that the leakage current from the heating element 7 does not affect the detection of oxygen concentration. In between, it is desirable to form an intermediate layer of alumina, spinel, forsterite, or the like. Further, glass can be used for the glass insulating layer as the ceramic insulating layer 5, but in this case, from the viewpoint of heat resistance, Ba is used.
A glass containing at least one of O, PbO, SrO, CaO, and CdO in an amount of 5% by weight or more, particularly, a crystallized glass is desirable. The ceramic insulating layer 5 is desirably made of dense ceramics 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 wide-range air-fuel ratio sensor element itself.

【0020】(発熱体7)上記セラミック絶縁層5の内
部に埋設される発熱体7としては、白金、ロジウム、パ
ラジウム、ルテニウムの群から選ばれる1種の金属、ま
たは2種以上の合金からなることが望ましく、特に、セ
ラミック絶縁層5との同時焼結性の点で、そのセラミッ
ク絶縁層5の焼成温度よりも融点の高い金属または合金
を選択することが望ましい。また、発熱体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。
(Heating Element 7) The heating element 7 embedded in the ceramic insulating layer 5 is made of one kind of metal selected from the group consisting of platinum, rhodium, palladium and ruthenium, or two or more kinds of alloys. In particular, 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 in terms of co-sintering with the ceramic insulating layer 5. In addition to the above metals, alumina, spinel, a compound of alumina / silica,
Forsterite or zirconia, which can be the above-mentioned electrolyte, is 10 to 80% by volume, especially 30 to 50%.
It is desirable to mix within the range.

【0021】(ヒータ部構造)セラミック絶縁層5の内
部に発熱体7を埋設してなるヒータ部の構造は、図1
(b)の断面図に示すように、固体電解質からなる円筒
管2の表面に内部に発熱体7が埋設されたセラミック絶
縁層5を積層したものである。発熱体7は、円筒管2や
電極3,4に対して直接接することなく、アルミナなど
の固体電解質性能を有さないセラミック絶縁層5を介し
て配設されていることが必要であって、円筒管2と発熱
体7の間のセラミック絶縁層5の厚みは少なくとも2μ
m以上であることが望ましい。
(Heater Structure) FIG. 1 shows the structure of a heater in which a heating element 7 is embedded in a ceramic insulating layer 5.
As shown in the sectional view of (b), a ceramic insulating layer 5 in which a heating element 7 is embedded inside is laminated on the surface of a cylindrical tube 2 made of a solid electrolyte. The heating element 7 needs to be provided via the ceramic insulating layer 5 having no solid electrolyte performance such as alumina without directly contacting the cylindrical tube 2 and the electrodes 3 and 4, The thickness of the ceramic insulating layer 5 between the cylindrical tube 2 and the heating element 7 is at least 2 μm.
m or more.

【0022】(電極)円筒管2の表面に被着形成される
基準電極3および測定電極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、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。また、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、または楕円形状から構成
されていることが望ましい。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、少なくとも
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
形成されていてもよい。
(Electrode) Each of the reference electrode 3 and the measurement electrode 4 formed on the surface of the cylindrical tube 2 is at least one selected from the group consisting of platinum, rhodium, palladium, ruthenium and gold. An alloy is used. In addition, during the operation of the sensor, the above-mentioned ceramic solid electrolyte component is used for the purpose of preventing grain growth of the metal in the electrode and for increasing the contact point at the so-called three-phase interface between the metal particles, the solid electrolyte and the gas related to the response. 1 to 50% by volume, especially 10 to 30% by volume
May be mixed in the above electrode. The opening 6
FIG. 1 (a) shows the shape of the measurement electrode 4 exposed to
It is desirable to be formed in a vertically long rectangular shape or an elliptical shape as shown in FIG. On the other hand, the reference electrode 3 formed on the inner surface of the cylindrical tube 2 made of a solid electrolyte only needs to be formed at least on the inner surface portion facing the portion of the measurement electrode 4 exposed from the opening 6. It may be formed over an area larger than the exposed area, for example, over the entire inner surface of the cylindrical tube 2.

【0023】(開口部6)開口部6の形状としては、上
述のように長方形あるいは楕円形でもよいが、開口部6
の形状が長方形の場合は、その開口部角部は緩やかな曲
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 6) The shape of the opening 6 may be rectangular or elliptical as described above.
Is rectangular, it is preferable that the corners of the opening have a gentle curve or have a c-shaped structure from the viewpoint of reducing the concentration of thermal stress on the corners of the opening 6.

【0024】(セラミック多孔質層11)セラミック多
孔質層11は、気孔率が5〜30%、特に10〜20%
の微細な細孔を有するジルコニア、アルミナ、スピネ
ル、マグネシアおよびγ−アルミナから選ばれる少なく
とも1種によって形成することが望ましい。これらの中
でも特にスピネルが熱的安定性の点で望ましい。このよ
うな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、ジルコニア、アルミナ、
スピネル、マグネシアおよびγ−アルミナから選ばれる
少なくとも1種からなるセラミック保護層を設けること
が望ましい。セラミック多孔質層11は、図1(b)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
表面に形成されるが、このセラミック保護層13は、以
下の2つの目的で形成される。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、セラミック多孔質層11としては開気
孔率が10〜40%の多孔質体からなることが望まし
い。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多孔質層11としては、開気孔率
が5〜30%の多孔質体が望ましい。また、このガス拡
散律速層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
設けることもできる。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(A/Fセンサ)とし
て応用することが可能である。
(Ceramic porous layer 11) The porosity of the ceramic porous layer 11 is 5 to 30%, particularly 10 to 20%.
It is desirable to form by at least one kind selected from zirconia, alumina, spinel, magnesia and γ-alumina having fine pores. Among these, spinel is particularly desirable in terms of thermal stability. From the viewpoint of further preventing exhaust gas poisoning, zirconia, alumina,
It is desirable to provide a ceramic protective layer made of at least one selected from spinel, magnesia and γ-alumina. The ceramic porous layer 11 is formed on the surface of the measurement electrode 4 exposed in the opening 7 as shown in FIG. 1B, and the ceramic protective layer 13 serves the following two purposes. Is formed. 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. The surface of the measurement electrode 4 which is exposed is made of zirconia, alumina, magnesia or spinel. It is formed as a porous protective layer. An oxygen sensor provided with such a protective layer can be generally used as a stoichiometric air-fuel ratio sensor (λ sensor) element. In this case, the ceramic porous layer 11 is preferably made of a porous material having an open porosity of 10 to 40%. 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 porous layer 11 serving as such a gas diffusion controlling layer, a porous body having an open porosity of 5 to 30% is desirable. The ceramic protective layer made of alumina or spinel described above may be provided on the surface of the ceramic porous layer 11 serving as the gas diffusion control layer, from the viewpoint of further preventing poisoning of exhaust gas. Such a heater-embedded oxygen sensor can be applied as a wide-range air-fuel ratio sensor (A / F sensor) described later.

【0025】(製造方法)次に、本発明の酸素センサ素
子の製造方法について、図1のヒータ一体型酸素センサ
素子の製造方法を例にして図3に基づいて説明する。 (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12を作製する。この円筒管12は、ジルコニア
等の酸素イオン伝導性を有するセラミック固体電解質粉
末に対して、適宜、成形用有機バインダーを添加して押
出成形や、静水圧成形(ラバープレス)あるいはプレス
形成などの周知の方法により作製される。使用される固
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およびYb23、Sc23、Sm
23、Nd23、Dy23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
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、Al2
3やSiO2を5重量%以下、特に2重量%以下の割合
で添加することも可能である。
(Manufacturing Method) Next, a method of manufacturing the oxygen sensor element of the present invention will be described with reference to FIG. 3 by taking the manufacturing method of the heater-integrated oxygen sensor element of FIG. 1 as an example. (1) First, a hollow cylindrical tube 12 whose one end is sealed as shown in FIG. This cylindrical tube 12 is formed by adding an organic binder for molding to a ceramic solid electrolyte powder having oxygen ion conductivity such as zirconia, etc., as appropriate, for example, extrusion molding, isostatic pressing (rubber pressing), or press forming. It is produced by the method described above. As the solid electrolyte powder to be used, Y 2 O 3 and Yb 2 O 3 , Sc 2 O 3 , and Sm are used as stabilizers with respect to zirconia powder.
A mixed powder obtained by adding a rare earth oxide powder such as 2 O 3 , Nd 2 O 3 , Dy 2 O 3 in an amount of 1 to 30 mol%, preferably 3 to 15 mol% in terms of oxide, or zirconia and the above-mentioned stable powder. Coprecipitated raw material powder with an agent is used. In addition, ZrO 2
ZrO 2 powder in which 1 to 20 atomic% of Zr is substituted by Ce, or a coprecipitated raw material can also be used. Further, for the purpose of improving sinterability, Al 2 O 3 is added to the solid electrolyte powder.
It is also possible to add O 3 or SiO 2 at a ratio of 5% by weight or less, particularly 2% by weight or less.

【0026】(2)そして、上記固体電解質からなる円筒
管12の相対向する内面および外面に、基準電極および
測定電極となるパターン13,14を、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ィップ法、
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。このとき、円筒管12内面への基準電極の印刷
は、導体ペーストを充填し次いで排出して、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Xを作製する。
(2) Patterns 13 and 14 serving as a reference electrode and a measurement electrode are formed on opposing inner and outer surfaces of the cylindrical tube 12 made of the solid electrolyte by using, for example, a conductive paste containing platinum. Slurry dip method,
Alternatively, it is formed by screen printing, pad printing, or roll transfer. At this time, it is efficient that the reference electrode is printed on the inner surface of the cylindrical tube 12 by filling the conductive paste, discharging the paste, and applying the conductive paste to the entire inner surface. Thus, the sensor body X is manufactured.

【0027】(3)次に、図3(b)に示すようなヒータ
素体Yを形成する。ヒータ素体Yは、まず、上記のジル
コニア粉末を用いて、これに成形用有機バインダーを適
宜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固体電解質層を形成するための
グリーンシート15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50〜500μ
m、特に100〜300μmの範囲が特に好ましい。こ
のグリーンシート15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5を形成するためのグリーンシート18
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。その後、成形したグリー
ンシート18表面に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
印刷してリードパターンを含む発熱体パターン16を塗
布した後、その上にさらにもう1枚の上記グリーンシー
ト19を積層するか、またはセラミック粉末のスラリー
を印刷法あるいは転写法で塗布して、発熱体を埋設した
シート状の積層体を得る。ついで、発熱体パターン16
を形成した反対の面に、気孔形成剤を添加したジルコニ
アまたは、結晶粒子径が0.5〜10μmの粉末を適時
混合したジルコニアからなるセラミック中間層形成粉末
からなるセラミック中間層20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所定の厚みに印刷す
る。その後、適宜、開口部17を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。
(3) Next, a heater element Y as shown in FIG. 3B is formed. The heater element Y is prepared by first preparing a slurry by using the zirconia powder described above and appropriately adding an organic binder for molding to the slurry, and using this slurry by a doctor blade method, an extrusion molding method, a pressing method, or the like. A green sheet 15 for forming a ceramic solid electrolyte layer having a thickness is prepared. The thickness of one green sheet is 50 to 500 μm from the viewpoint of sheet handling.
m, particularly preferably in the range of 100 to 300 μm. A slurry is prepared on the surface of the green sheet 15 by using a ceramic powder such as alumina, spinel, forsterite, zirconia, or glass and appropriately adding an organic binder for molding, and using this slurry, a doctor blade method and extrusion molding are performed. Sheet 18 for forming the ceramic insulating layer 5 having a predetermined thickness by a pressing method, a pressing method or the like.
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. Thereafter, a conductive paste containing platinum powder is printed on the surface of the formed green sheet 18 by a screen printing method, a pad printing method, a roll transfer method, or the like, and a heating element pattern 16 including a lead pattern is applied. Another green sheet 19 is laminated or a slurry of ceramic powder is applied by a printing method or a transfer method to obtain a sheet-like laminated body in which a heating element is embedded. Then, the heating element pattern 16
A ceramic intermediate layer 20 composed of zirconia to which a pore-forming agent is added or zirconia mixed with a powder having a crystal particle diameter of 0.5 to 10 μm as appropriate is screen-printed on the opposite surface where Printing is performed to a predetermined thickness by a pad printing method, a roll transfer method, or the like. Thereafter, the opening 17 is appropriately formed by punching or the like.

【0028】(4)次に、図3(c)に示すように、上記
円筒状のセンサ素体Xの表面に、ヒータ素体Yを巻き付
けて円筒状積層体を作製する。ヒータ素体Yをセンサ素
体Xに巻き付けるには、ヒータ素体Yとセンサ素体X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、巻き付けられ
たヒータ素体Y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), a heater element Y is wound around the surface of the cylindrical sensor element X to form a cylindrical laminate. In order to wind the heater element Y around the sensor element X, the heater element Y and the sensor element X are bonded together with an adhesive such as an acrylic resin or an organic solvent interposed therebetween, or a pressure is applied by a roller or the like. In addition, it can be mechanically bonded. At this time, the seam of the wound heater element Y takes into account shrinkage during firing,
The sheet ends may be overlapped or bonded at a predetermined interval.

【0029】(5)上記のセンサ素体Xを構成する固体電
解質からなる円筒管12およびヒータ素体Yにおけるセ
ラミック絶縁層を形成するグリーンシート18,19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X
とセンサ素体Yとを一体化することができる。例えば、
固体電解質としてジルコニアを用いた場合には、アルゴ
ンガス等の不活性雰囲気中あるいは大気中1300〜1
700℃で1〜10時間程度焼成することによりヒータ
素体Yとセンサ素体Xとを同時焼成することができる。
(5) The cylindrical tube 12 made of the solid electrolyte and the green sheets 18 and 19 forming the ceramic insulating layer of the heater element Y constituting the sensor element X are fired simultaneously at a temperature at which firing is possible. , Sensor element X
And the sensor element Y can be integrated. For example,
In the case where zirconia is used as the solid electrolyte, 1300 to 1 in an inert atmosphere such as argon gas or the atmosphere.
By firing at 700 ° C. for about 1 to 10 hours, the heater element Y and the sensor element X can be simultaneously fired.

【0030】(他の製造方法)他の製造方法としては、
電極を有しない円筒管12の表面に上記(3)によって形
成したヒータ素体Y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12の内面およびヒータ素体Yにおける開口
部17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。また、さらに他の方法
としては、電極を有しない円筒管12の表面に上記(3)
によって形成したヒータ素体Yを巻き付けて円筒状積層
体を作製した後、これを円筒管12の内面およびヒータ
素体Yにおける開口部17内に電極ペーストを印刷して
焼き付け処理するか、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。
(Other Manufacturing Methods) Other manufacturing methods include:
After winding the heater element Y formed by the above (3) on the surface of the cylindrical tube 12 having no electrodes to form a cylindrical laminate, an electrode paste is screen-printed, putt-printed on the cylindrical laminate, After being applied to the inner surface of the cylindrical tube 12 and the surface of the cylindrical tube in the opening 17 of the heater element Y by a roll transfer method or a dipping method, simultaneous firing can be performed as described in (5) above. Further, as still another method, (3)
Is wound around the heater element Y formed by the above-described process to produce a cylindrical laminated body, and then the electrode paste is printed on the inner surface of the cylindrical tube 12 and the opening 17 in the heater element Y to be baked or sputtered. It can also be formed by a method or a plating method.

【0031】(セラミック多孔質層の形成法)次に、上
記のようにして作製したセンサ素子に対してセラミック
多孔質層を形成するが、この多孔質を形成する方法とし
ては、以下の方法が挙げられる。 (1)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、焼き付け処理する。特にスピネルは耐熱衝撃性
の向上効果に優れる。 (2)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を形成する。
特にプラズマ溶射法がセラミック多孔質層形成の容易性
の点で望ましい。これらの方法では、円筒状のセンサ素
子の少なくとも開口部6とその周辺を覆うように形成す
るが、生産性を考慮すれば、円筒状のセンサ素子の開口
部6を含む周面全体に拡散抵抗層を形成することが測定
電極表面におけるセラミック多孔質層11の厚みを一定
にする上で望ましい。スラリーディップ法によれば、セ
ンサ素子をスラリー中に浸漬して引き上げした後、焼き
付け処理する。なお、セラミック多孔質層の測定電極表
面の厚みは、スラリーの粘度によって容易に制御でき
る。また、スパッタ法によれば、センサ素子を低速で円
筒管の長手方向の軸を中心に回転させながら、蒸着源に
対して円筒管の側面が対向するように配置してスパッタ
を行なう。拡散抵抗層の厚みはスパッタ時間によって容
易に制御できる。さらに、溶射法によれば、図3(d)
に示すように、センサ素子21を高速で円筒管の長手方
向の軸Aを中心に回転させながら、センサ素子21の表
面にセラミック粒子をプラズマ溶射することにより形成
することもできる。セラミック多孔質層11の厚みは溶
射時間によって容易に制御できる。
(Method for Forming Ceramic Porous Layer) Next, a ceramic porous layer is formed on the sensor element manufactured as described above. The method for forming the porous layer is as follows. No. (1) 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. In particular, spinel is excellent in improving the thermal shock resistance. (2) The ceramic is coated by a sputtering method or a plasma spraying method to form a ceramic porous layer.
In particular, the plasma spraying method is desirable in terms of ease of forming the ceramic porous layer. In these methods, the sensor element is formed so as to cover at least the opening 6 of the cylindrical sensor element and its periphery. However, in consideration of productivity, the diffusion resistance is formed on the entire peripheral surface including the opening 6 of the cylindrical sensor element. It is desirable to form a layer in order to make the thickness of the ceramic porous layer 11 on the measurement electrode surface constant. According to the slurry dipping method, the sensor element is immersed in a slurry, pulled up, and then baked. In addition, the thickness of the measurement electrode surface of the ceramic porous layer can be easily controlled by the viscosity of the slurry. Further, according to the sputtering method, sputtering is performed while the sensor element is rotated at a low speed about the longitudinal axis of the cylindrical tube so that the side surface of the cylindrical tube faces the evaporation source. The thickness of the diffusion resistance layer can be easily controlled by the sputtering time. Further, according to the thermal spraying method, FIG.
As shown in (1), the sensor element 21 can be formed by plasma spraying ceramic particles on the surface of the sensor element 21 while rotating the sensor element 21 around the longitudinal axis A of the cylindrical tube at a high speed. The thickness of the ceramic porous layer 11 can be easily controlled by the spraying time.

【0032】(他の素子構造)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
して空燃比センサ素子を図4の概略斜視図(a)と、そ
のX2−X2断面における要部拡大図(b)を用いて説
明する。なお、図1に示したと同じ構成部材には同一符
号を付し説明を省略する。図4の空燃比センサ素子25
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。
(Other Element Structure) The present invention can be applied to an air-fuel ratio sensor element. As another application example of the present invention, an air-fuel ratio sensor element will be described with reference to a schematic perspective view (a) of FIG. 4 and an enlarged view (b) of a main part in a X2-X2 section thereof. The same components as those shown in FIG. 1 are denoted by the same reference numerals, and description thereof will be omitted. Air-fuel ratio sensor element 25 of FIG.
According to the above, the first electrode pair for constituting the sensor element is provided in the cylindrical tube 2 having a sealed U-shaped vertical section made of a ceramic solid electrolyte having oxygen ion conductivity. 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.

【0033】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26が形成
されており、且つその空間部26の周囲に発熱体7(白
金ヒータ)が埋設されたセラミック絶縁層5が設けられ
ている。空間部26の上面には、この空間部26を閉塞
するように、酸素イオン導電性を有するセラミック固体
電解質層28が形成されており、この固体電解質層28
の空間部26側の内面と、それに対向する固体電解質層
28外面には内側電極29と外側電極30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28と
第2の電極対29、30によって、空間部26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。
A space 26 is formed on the outer surface of the cylindrical tube 2 so that a part or the whole of the measuring electrode 4 is exposed, and the heating element 7 (platinum heater) is formed around the space 26. ) Are provided. On the upper surface of the space 26, a ceramic solid electrolyte layer 28 having oxygen ion conductivity is formed so as to close the space 26.
The inner surface on the side of the space 26 and the outer surface of the solid electrolyte layer 28 facing the inner surface have a second
Are formed. The solid electrolyte layer 28 and the second pair of electrodes 29 and 30 function as a pump cell for controlling the oxygen concentration in the space 26 to a predetermined concentration.

【0034】また、第2の電極対29、30を具備する
固体電解質層28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31が形成されている。ま
た、空間部26には、拡散を律速させるためにセラミッ
ク多孔質体27が設けられている。また、セラミック絶
縁層5中に配設された発熱体7は、リード電極32を経
由して端子電極33と接続されており、これらを通じて
発熱体7に電流を流すことにより発熱体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29,30を具
備する固体電解質層28からなるセンシング部を加熱す
る仕組みとなっている。
The solid electrolyte layer 28 having the second pair of electrodes 29 and 30 is formed with a small diffusion hole 31 for taking in the exhaust gas to be measured. In the space 26, a ceramic porous body 27 is provided to control the diffusion. Further, the heating element 7 disposed in the ceramic insulating layer 5 is connected to the terminal electrode 33 via the lead electrode 32, and the heating element 7 is heated by passing a current to the heating element 7 through these. ,
The structure is such that the cylindrical tube 2 made of the solid electrolyte having the reference electrode 3 and the measuring electrode 4 and the sensing part made up of the solid electrolyte layer 28 having the second electrode pair 29 and 30 are heated.

【0035】この実施形態においては、緻密質のセラミ
ック固体電解質層28の表面に前記と同様なセラミック
多孔質層34が設けられる。そして、固体電解質層28
と多孔質層34との間に、厚みが5〜100μmで表面
粗さRaが1.5〜4μmである、ジルコニアからなる
セラミック中間層35が形成され、セラミック多孔質層
34の付着力を向上させている。
In this embodiment, a ceramic porous layer 34 similar to the above is provided on the surface of the dense ceramic solid electrolyte layer 28. Then, the solid electrolyte layer 28
A ceramic intermediate layer 35 made of zirconia having a thickness of 5 to 100 μm and a surface roughness Ra of 1.5 to 4 μm is formed between the ceramic intermediate layer 35 and the porous layer 34 to improve the adhesion of the ceramic porous layer 34. Let me.

【0036】以上、本発明の一例について説明したが、
本発明は、少なくとも内外に対向する一対の多孔性の白
金電極を有するセンシング部と、さらにセラミック絶縁
層中に埋設された発熱体(白金ヒータ)とを具備するヒ
ータ一体型酸素センサの全てと他のガスセンサで発熱体
が内蔵された素子に関しても同様に適応できることは言
うまでもない。
As described above, an example of the present invention has been described.
The present invention relates to all heater-integrated oxygen sensors including at least a sensing unit having a pair of porous platinum electrodes facing inside and outside, and a heating element (platinum heater) embedded in a ceramic insulating layer. Needless to say, the present invention can be similarly applied to an element having a built-in heating element in the gas sensor.

【0037】[0037]

【実施例】以下、実施例を挙げて本発明を詳細に説明す
るが、本発明は以下の実施例に限定されるものではな
い。 (実施例)市販のアルミナ粉末と、5モル%Y23含有
のジルコニア粉末と、8モル%Y 23含有のジルコニア
粉末と白金粉末をそれぞれ準備した。まず、5モル%Y
23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4mm、内径が1mmになるように一端が封止された
円筒状成形体を作製し、その相対向する位置の表面に、
白金ペーストからなる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。また、5モル%Y23
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の固体電解質
層形成用グリーンシートを作製した。この後、発熱体を
印刷する反対の面に、8モル%Y23含有のジルコニア
粉末に、表1に示すように20〜50体積%の割合で気
孔形成剤(粒径5μmのポリエチレンビーズ)を添加し
てスラリーを作製し、焼成後厚みが約2〜160μmに
なるようにセラミック中間層を印刷した(表1に示す試
料No.2〜15)。このグリーンシートに前記測定電極の形
状と一致する大きさを有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、開口部以外の部分にアル
ミナ粉末を焼成後約10μmの厚みになるように塗布し
た後、白金粉末を含む導体ペーストを開口部の周囲に発
熱体パターンの厚みが焼成後約10μm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を、同様
に焼成後約10μmとなるように塗布し発熱体を埋設し
た図3(b)に示す構造のヒータ素体Yを作製した。次
に、上記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、1400〜1500℃で所定時間焼成し、焼成
一体化した円筒型のヒータ一体型センサ素子を作製し
た。その後、表面粗さ計で、セラミック中間層の表面粗
さを測定した後、センサ素子を円筒管の中心軸を中心に
1000rpmの速度で回転させながら、センサ素子の
開口部を含む周面全体にプラズマ溶射により、厚みが約
100μmで気孔率が約30%のスピネルからなるセラ
ミック多孔質層を形成した。この後、大気中室温から1
000℃まで15秒で昇温し、室温まで空冷するという
温度サイクルを1サイクルとし、これを5000回繰り
返した時の電極面におけるセラミック多孔質層の剥離を
調べた。結果を表1に示す。なお、セラミック中間層の
厚みは走査型電子顕微鏡で、また表面粗さは表面粗さ計
でそれぞれ測定した。
The present invention will now be described in detail with reference to examples.
However, the present invention is not limited to the following examples.
No. (Example) Commercially available alumina powder and 5 mol% YTwoOThreeContained
Zirconia powder and 8 mol% Y TwoOThreeContaining zirconia
Powder and platinum powder were prepared respectively. First, 5 mol% Y
TwoOThreeZirconia powder containing polyvinyl alcohol solution
To form a kneaded clay, and after sintering by extrusion molding, the outer diameter becomes
One end sealed so that about 4 mm, inner diameter is 1 mm
Create a cylindrical molded body, on the surface of the position opposed to the
A rectangular measuring electrode pattern made of platinum paste and
And lead pattern are printed and applied.
Apply platinum paste to the entire surface to form a reference electrode
Was. The thickness of the measurement electrode and the reference electrode is about
It was adjusted to be 5 μm. Also, 5 mol% YTwoOThreeIncluding
Add polyvinyl alcohol solution to zirconia powder
A solid electrolyte with a thickness of about 200 μm
A green sheet for forming a layer was prepared. After this, the heating element
8 mol% Y on the opposite side to printTwoOThreeContaining zirconia
As shown in Table 1, powder was added at a rate of 20 to 50% by volume.
Add a pore-forming agent (polyethylene beads with a particle size of 5 μm)
To make a slurry, and the thickness after firing is about 2 to 160 μm
The ceramic intermediate layer was printed as shown in FIG.
Nos. 2 to 15). The shape of the measuring electrode is
Punch a rectangular opening with a size that matches the shape
Opened by the ring. After that, the parts other than the opening
Mina powder is applied to a thickness of about 10μm after firing.
And then apply a conductive paste containing platinum powder around the opening.
Adjust so that the thickness of the heat pattern is about 10 μm after firing.
Clean print, and further alumina powder on it, as well
After sintering, apply so that the thickness becomes about 10 μm and bury the heating element
A heater element Y having the structure shown in FIG. Next
Then, an adhesive is applied to the surface of the cylindrical sensor body as an adhesive.
Wrap the heater element using a cryl resin,
A laminate was prepared. Then, the cylindrical laminate is placed in the atmosphere.
Baking at 1400-1500 ° C for a predetermined time in
An integrated cylindrical heater-integrated sensor element was fabricated.
Was. Then, use a surface roughness meter to measure the surface roughness of the ceramic intermediate layer.
After measuring the height, move the sensor element around the center axis of the cylindrical tube.
While rotating at a speed of 1000 rpm, the sensor element
The thickness is reduced by plasma spraying on the entire peripheral surface including the opening.
Sera consisting of spinel with a porosity of about 30% at 100 μm
A mic porous layer was formed. After this, it is 1
It is said that the temperature is raised to 000 ° C in 15 seconds and air-cooled to room temperature
The temperature cycle is one cycle, and this is repeated 5000 times
The peeling of the ceramic porous layer on the electrode surface when turned over
Examined. Table 1 shows the results. The ceramic intermediate layer
The thickness is measured with a scanning electron microscope, and the surface roughness is measured with a surface roughness meter.
Was measured respectively.

【表1】 表1より、セラミック中間層の厚みが5μmより薄い試
料No.2、セラミック中間層の厚みが100μmを越
える試料No.8では温度サイクルによりセラミック多
孔質層が剥離した。また、表面粗さが1.5μmより小
さな試料No.9および表面粗さが4μmを越える試料
No.15でもセラミック多孔質層の剥離が生じた。こ
れに対して、本発明の試料では全てセラミック多孔質層
の剥離が見られなかった。特に、セラミック中間層の厚
みが約10〜50μmのもの、および表面粗さが約2〜
3μmの範囲のものは、さらに5000サイクル温度サ
イクルを繰り返してもセラミック多孔質層の剥離は起こ
らなかった。
[Table 1] From Table 1, it can be seen that Sample No. 1 in which the thickness of the ceramic intermediate layer is less than 5 μm. 2. Sample No. 2 in which the thickness of the ceramic intermediate layer exceeds 100 μm. In No. 8, the ceramic porous layer was peeled off by the temperature cycle. Sample No. having a surface roughness smaller than 1.5 μm. Sample No. 9 and Sample No. having a surface roughness of more than 4 μm. Even in No. 15, peeling of the ceramic porous layer occurred. On the other hand, no peeling of the ceramic porous layer was observed in all of the samples of the present invention. In particular, the thickness of the ceramic intermediate layer is about 10 to 50 μm, and the surface roughness is about 2 to 50 μm.
In the case of 3 μm, the ceramic porous layer did not peel off even when the temperature cycle was further repeated 5000 cycles.

【0038】[0038]

【発明の効果】本発明によれば、セラミック多孔質層と
セラミック固体電解質層との間に特定の表面粗さと厚み
を有する中間層を介在させることにより、セラミック多
孔質層の付着力が向上し、容易に剥離することがないの
で、排気ガスによる被毒から電極を有効に保護すること
ができるという効果がある。
According to the present invention, the adhesion of the ceramic porous layer is improved by interposing an intermediate layer having a specific surface roughness and thickness between the ceramic porous layer and the ceramic solid electrolyte layer. Since the electrode is not easily peeled off, the electrode can be effectively protected from poisoning by exhaust gas.

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

【図1】(a)は本発明の第1の実施形態にかかるヒータ
一体化酸素センサ素子を示す概略斜視図であり、(b)
はそのX1 −X1断面図である。
FIG. 1A is a schematic perspective view showing a heater-integrated oxygen sensor element according to a first embodiment of the present invention, and FIG.
Is a sectional view taken along the line X1-X1.

【図2】本発明の概念を示す説明図である。FIG. 2 is an explanatory diagram showing the concept of the present invention.

【図3】図1に示すヒータ一体化酸素センサ素子の製造
方法を示す説明図である。
FIG. 3 is an explanatory view showing a method of manufacturing the heater-integrated oxygen sensor element shown in FIG.

【図4】(a)は本発明にかかる他のヒータ一体化酸素セ
ンサ素子を示す断面図、(b)はそのX2 −X2断面
の部分拡大図である。
FIG. 4A is a cross-sectional view showing another heater-integrated oxygen sensor element according to the present invention, and FIG. 4B is a partially enlarged view of a X2-X2 cross section thereof.

【図5】従来のヒータ一体化酸素センサ素子を示す断面
図である。
FIG. 5 is a sectional view showing a conventional heater-integrated oxygen sensor element.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1…ヒータ一体化酸素センサ素子、2…円筒管、3…基
準電極、4…測定電極、5…セラミック絶縁層、6…開
口部、7…白金ヒータ、8…固体電解質層、11…セラ
ミック多孔質層、12…セラミック中間層
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Oxygen sensor element integrated with a heater, 2 ... Cylindrical tube, 3 ... Reference electrode, 4 ... Measurement electrode, 5 ... Ceramic insulating layer, 6 ... Opening, 7 ... Platinum heater, 8 ... Solid electrolyte layer, 11 ... Ceramic porous Layer, 12 ceramic intermediate layer

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き Fターム(参考) 2G004 BB07 BC02 BD04 BE04 BE10 BE12 BE13 BE15 BE16 BE22 BE23 BE25 BF03 BF09 BJ02 BL08 BM04 BM10 4G031 AA08 AA12 AA29 BA03 BA07 CA07 CA09 GA06 GA18  ──────────────────────────────────────────────────続 き Continued on the front page F term (reference) 2G004 BB07 BC02 BD04 BE04 BE10 BE12 BE13 BE15 BE16 BE22 BE23 BE25 BF03 BF09 BJ02 BL08 BM04 BM10 4G031 AA08 AA12 AA29 BA03 BA07 CA07 CA09 GA06 GA18

Claims (4)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】酸素イオン導電性を有するセラミック固体
電解質からなり、一端が封止された円筒管と、 この円筒管の内面および外面の対向する位置にそれぞれ
形成された基準電極および測定電極と、 この測定電極の一部または全部が露出するように開口部
が形成され、且つ開口部の周囲に発熱体を埋設してなる
セラミック絶縁層と、 このセラミック絶縁層の表面に形成された緻密質のセラ
ミック固体電解質層と、 少なくとも前記開口部とその周辺のセラミック固体電解
質層とを覆うように被着形成されたセラミック多孔質層
とを備えたヒータ一体型酸素センサであって、 前記セラミック固体電解質層とセラミック多孔質層との
間に、厚みが5〜100μmで表面粗さRaが1.5〜
4μmのセラミック中間層を設けたことを特徴とするヒ
ータ一体型酸素センサ素子。
1. A cylindrical tube made of a ceramic solid electrolyte having oxygen ion conductivity, one end of which is sealed, a reference electrode and a measurement electrode formed at opposing positions on an inner surface and an outer surface of the cylindrical tube, respectively. An opening is formed so that part or all of the measurement electrode is exposed, and a ceramic insulating layer in which a heating element is buried around the opening, and a dense material formed on the surface of the ceramic insulating layer. A heater-integrated oxygen sensor comprising: a ceramic solid electrolyte layer; and a ceramic porous layer adhered and formed so as to cover at least the opening and the ceramic solid electrolyte layer around the opening. And a ceramic porous layer having a thickness of 5 to 100 μm and a surface roughness Ra of 1.5 to
A heater-integrated oxygen sensor element comprising a 4 μm ceramic intermediate layer.
【請求項2】前記セラミック中間層がジルコニアからな
る多孔質層である請求項1記載のヒータ一体型酸素セン
サ素子。
2. A heater-integrated oxygen sensor element according to claim 1, wherein said ceramic intermediate layer is a porous layer made of zirconia.
【請求項3】前記セラミック多孔質層が溶射法によって
形成されている請求項1または2記載のヒータ一体型酸
素センサ素子。
3. The heater-integrated oxygen sensor element according to claim 1, wherein the ceramic porous layer is formed by a thermal spraying method.
【請求項4】前記セラミック多孔質層がスピネルからな
る請求項1〜3のいずれかに記載のヒータ一体型酸素セ
ンサ素子。
4. The heater-integrated oxygen sensor element according to claim 1, wherein said ceramic porous layer is made of spinel.
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