JP2003227810A - Oxygen sensor element - Google Patents

Oxygen sensor element

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JP2003227810A
JP2003227810A JP2002028530A JP2002028530A JP2003227810A JP 2003227810 A JP2003227810 A JP 2003227810A JP 2002028530 A JP2002028530 A JP 2002028530A JP 2002028530 A JP2002028530 A JP 2002028530A JP 2003227810 A JP2003227810 A JP 2003227810A
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a compact oxygen sensor element that has improved gas responsiveness and can rapidly be raised in temperature. <P>SOLUTION: The oxygen sensor element provided with a sensor section 1 where a measurement a measurement electrode 5 made of platinum and a reference electrode 4 are provided on at least both mutually opposed surfaces of a long ceramic solid electrolyte substrate 3, and a heater section 2 where a platinum heater 8 is buried into a ceramic insulating layer 7, is characterized in that the electrode area of a measurement electrode 5 is 8-18 mm<SP>2</SP>, and width in a direction for orthogonally crossing the longitudinal direction of an element is 2.0-3.5 mm, and further, in a heater section 2, a pair of platinum heaters 8 is formed up and down via a ceramic insulating layer 7a, the lower end section of a platinum particle for composing at least the measurement electrode 5 is buried into the surface of the ceramic solid electrolyte substrate 3, and a zirconia film is formed at one portion of an exposure surface where no platinum particles are buried. <P>COPYRIGHT: (C)2003,JPO

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、酸素センサ素子に
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素子に関するものであ
る。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to an oxygen sensor element, and more particularly to an oxygen sensor element for controlling the ratio of air to fuel in an internal combustion engine such as an automobile.

【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 Currently, in an internal combustion engine of an automobile or the like, the oxygen concentration in the exhaust gas is detected, and the amount of air and fuel supplied to the internal combustion engine is controlled based on the detected value so that Harmful substances such as CO, H
A method of reducing C and NOx is adopted.

【0003】この検出素子として、主として酸素イオン
導電性を有するジルコニアを主分とする固体電解質から
なり、一端が封止された円筒管の外面および内面にそれ
ぞれ一対の電極層が形成された固体電解質型の酸素セン
サが用いられている。この酸素センサの代表的なものと
しては、図7の概略断面図に示すように、ZrO2固体
電解質からなり、先端が封止された円筒管31の内面に
は、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32が、また円筒管31の外面には排
気ガスなどの被測定ガスと接触される測定電極33が形
成されている。
As the detecting element, a solid electrolyte mainly composed of zirconia having oxygen ion conductivity is formed, and a pair of electrode layers are formed on the outer and inner surfaces of a cylindrical tube having one end sealed. Type oxygen sensor is used. As a typical example of this oxygen sensor, as shown in the schematic cross-sectional view of FIG. 7, an inner surface of the cylindrical tube 31 made of ZrO 2 solid electrolyte and having a sealed tip is made of platinum as a sensor portion and air. A reference electrode 32 that is in contact with a reference gas such as the above, and a measurement electrode 33 that is in contact with a measured gas such as exhaust gas is formed on the outer surface of the cylindrical tube 31.

【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、保護層としてセラミック多孔質層34
が設けられており、所定温度で円筒管31両側に発生す
る酸素濃度差を検出し、エンジン吸気系の空燃比の制御
が行われている。この際、理論空燃比センサは約700
℃付近の作動温度までに加熱する必要があり、そのため
に、円筒管31の内側には、センサ部を作動温度まで加
熱するため棒状ヒータ35が挿入されている。
In such an oxygen sensor, generally,
A so-called theoretical air-fuel ratio sensor (λ sensor) used for controlling the ratio of air to fuel near 1 is a ceramic porous layer 34 as a protective layer on the surface of the measuring electrode 33.
Is provided, the oxygen concentration difference generated on both sides of the cylindrical pipe 31 at a predetermined temperature is detected, and the air-fuel ratio of the engine intake system is controlled. At this time, the theoretical air-fuel ratio sensor is about 700
It is necessary to heat up to an operating temperature near 0 ° C. Therefore, a rod-shaped heater 35 is inserted inside the cylindrical tube 31 in order to heat the sensor unit up to the operating temperature.

【0005】[0005]

【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、センサ部が活性化温度に達するまでに要する時
間(以下、活性化時間という。)が遅いために排気ガス
規制に充分対応できないという問題があった。
However, in recent years, the tendency to tighten exhaust gas regulations has become stronger, and it has become necessary to detect CO, HC, and NOx immediately after the engine is started. In response to such a demand, as described above, in the indirect heating type cylindrical oxygen sensor in which the heater 35 is inserted into the cylindrical tube 31, the time required for the sensor unit to reach the activation temperature (hereinafter, There is a problem that exhaust gas regulations cannot be fully met because the activation time) is slow.

【0006】近年、この問題を回避する方法として、図
8の概略断面図に示すように平板状の固体電解質基板3
6の外面および内面に基準電極38と測定電極37をそ
れぞれ設けると同時に、セラミック絶縁層39の内部に
白金ヒータ40を埋設したヒータ一体型の酸素センサ素
子が提案されている。
In recent years, as a method for avoiding this problem, as shown in the schematic sectional view of FIG.
There is proposed a heater-integrated oxygen sensor element in which a reference electrode 38 and a measurement electrode 37 are provided on the outer surface and the inner surface of 6 respectively, and a platinum heater 40 is embedded inside a ceramic insulating layer 39.

【0007】しかしながら、このヒータ一体型酸素セン
サは、上述の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、まだ素子が
大きく充分な急速昇温性が確保できないという問題があ
った。
However, unlike the above-mentioned conventional indirect heating method, this heater-integrated oxygen sensor is capable of rapid heating because it is a direct heating method, but the element is still large and has a sufficient rapid temperature rising property. There was a problem that it could not be secured.

【0008】本発明は、ガス応答性の優れ急速昇温が可
能な小型の酸素センサ素子を提供することを目的とする
ものである。
It is an object of the present invention to provide a small oxygen sensor element having excellent gas responsiveness and capable of rapid temperature rise.

【0009】[0009]

【課題を解決するための手段】本発明者は、上記の問題
について検討した結果、ガス応答性は、測定電極の面積
と、酸素センサ素子の幅と非常に密接な関係にあること
が判明しこれらを所定の大きさに制御することによっ
て、ガス応答性を高めるとともに、小型化をも図れるこ
とを見出し、本発明に至った。
As a result of studying the above problems, the present inventor has found that the gas responsiveness is very closely related to the area of the measuring electrode and the width of the oxygen sensor element. The inventors have found that by controlling these to have a predetermined size, the gas responsiveness can be enhanced and the size can be reduced, and the present invention has been completed.

【0010】即ち、本発明の酸素センサ素子は、長尺状
のジルコニア固体電解質基板平板の少なくとも対向する
両面に、白金から成る測定電極と基準電極とをそれぞれ
設けたセンサ部を具備する酸素センサ素子において、前
記測定電極の電極面積を8〜18mm2、素子の長手方
向に対して直交する方向の幅を2.0〜3.5mmとす
ることによって、上記目的が達成できることを見出し
た。
That is, the oxygen sensor element of the present invention comprises a long zirconia solid electrolyte substrate flat plate on which at least two opposing surfaces are provided with a measuring portion and a reference electrode made of platinum, respectively. In the above, it was found that the above object can be achieved by setting the electrode area of the measurement electrode to 8 to 18 mm 2 and the width in the direction orthogonal to the longitudinal direction of the element to 2.0 to 3.5 mm.

【0011】かかる酸素センサ素子においては、少なく
とも測定電極を構成する白金粒子の下端部が前記ジルコ
ニア固体電解質基板の表面に埋設されており、且つ白金
粒子の埋設されていない露出面の一部に、ジルコニア膜
が形成されていること、さらには、前記測定電極を構成
する白金粒子内にジルコニア相が存在することによっ
て、ガス応答性を高めることができ、小さい電極面積で
も高い感度を得ることができる。
In such an oxygen sensor element, at least the lower end portion of the platinum particles constituting the measurement electrode is embedded in the surface of the zirconia solid electrolyte substrate, and at a part of the exposed surface where the platinum particles are not embedded, Since the zirconia film is formed, and further, the zirconia phase is present in the platinum particles forming the measurement electrode, the gas responsiveness can be enhanced, and high sensitivity can be obtained even with a small electrode area. .

【0012】また、本発明の酸素センサ素子において
は、セラミック絶縁層中に白金ヒータを埋設したヒータ
部を具備することが望ましく、このヒータ部は、前記セ
ンサ部と同時焼成して形成されてなるか、またはそれぞ
れ別体で形成された後、接合材によって接合し一体化さ
れたものでもよい。
Further, the oxygen sensor element of the present invention preferably comprises a heater part in which a platinum heater is embedded in a ceramic insulating layer, and the heater part is formed by co-firing with the sensor part. Alternatively, they may be formed separately and then joined and integrated by a joining material.

【0013】また、このヒータ部においては、一対の白
金ヒータがセラミック絶縁層を介して上下に形成されて
いることによって、素子の幅を小さくした場合において
も発熱量を大きくすることができ、素子の急速昇温を容
易に行うことができる。
Further, in this heater portion, since the pair of platinum heaters are vertically formed with the ceramic insulating layer interposed therebetween, the heat generation amount can be increased even when the width of the element is reduced, and the element can be heated. The rapid temperature rise can be easily performed.

【0014】[0014]

【発明の実施の形態】以下、本発明の酸素センサ素子の
基本構造の例を図面をもとに説明する。図1は、本発明
の酸素センサ素子の一例を説明するための概略断面図、
図2に他の例を説明するための概略断面図である。これ
らは、一般的に理論空撚比センサ素子と呼ばれるもので
あり、図1、図2の例ではいずれもセンサ部1とヒータ
部2を具備するものである。
DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS An example of the basic structure of the oxygen sensor element of the present invention will be described below with reference to the drawings. FIG. 1 is a schematic sectional view for explaining an example of the oxygen sensor element of the present invention,
It is a schematic sectional drawing for demonstrating another example in FIG. These are generally called theoretical air-twisting ratio sensor elements, and each of them includes the sensor unit 1 and the heater unit 2 in the examples of FIGS.

【0015】図1の酸素センサ素子においては、ジルコ
ニアからなる酸素イオン導電性を有する固体電解質基板
3と、この固体電解質基板3の対向する両面には、空気
に接する基準電極4と、排気ガスと接する測定電極5と
が形成されており、酸素濃度を検知する機能を有するセ
ンサ部1を形成している。
In the oxygen sensor element of FIG. 1, a solid electrolyte substrate 3 made of zirconia and having oxygen ion conductivity, and a reference electrode 4 in contact with air and exhaust gas on both surfaces of the solid electrolyte substrate 3 facing each other. The measurement electrode 5 in contact therewith is formed to form the sensor unit 1 having a function of detecting the oxygen concentration.

【0016】即ち、固体電解質基板3は先端が封止され
た平板状の中空形状からなり、この中空部が大気導入孔
3aを形成している。そして、この中空内壁に、空気な
どの基準ガスと接触する基準電極4が被着形成され、こ
の基準電極4と対向する固体電解質基板3の外面に、排
気ガスなどの被測定ガスと接触する測定電極5が形成さ
れている。
That is, the solid electrolyte substrate 3 has a flat plate-like hollow shape with its tip sealed, and this hollow portion forms the air introduction hole 3a. Then, a reference electrode 4 that contacts a reference gas such as air is adhered to the inner wall of the hollow, and the outer surface of the solid electrolyte substrate 3 that faces the reference electrode 4 is in contact with a measured gas such as exhaust gas. The electrode 5 is formed.

【0017】また、排気ガスによる電極の被毒を防止す
る観点から、測定電極5表面には電極保護層としてセラ
ミック多孔質層6が形成されている。
From the viewpoint of preventing poisoning of the electrode by exhaust gas, a ceramic porous layer 6 is formed on the surface of the measuring electrode 5 as an electrode protective layer.

【0018】本発明によれば、かかる酸素センサ素子に
おいて、測定電極5の電極面積Sが8〜18mm2で、
かつ素子の長手方向に対して直交する方向の幅wが2.
0〜3.5mmであることが重要である。本発明によれ
ば、測定電極5の面積が8mm2より小さいか、または
素子の幅が2mmより小さくなると、素子自身が小さく
なりエンジン中で素子の温度が上がらないため、ガス応
答性が悪くなる。逆に、測定電極5の面積が18mm2
を越えるか、または素子の幅が3.5mmを越えると、
素子が大きいため急速昇温性が悪くなる。測定電極の面
積としては、10〜15mm2、素子の幅としては2.
8〜3.2mmの範囲が特に優れる。
According to the present invention, in such an oxygen sensor element, the electrode area S of the measuring electrode 5 is 8 to 18 mm 2 ,
And the width w in the direction orthogonal to the longitudinal direction of the element is 2.
It is important that it is between 0 and 3.5 mm. According to the present invention, when the area of the measuring electrode 5 is smaller than 8 mm 2 or the width of the element is smaller than 2 mm, the element itself becomes small and the temperature of the element does not rise in the engine, resulting in poor gas response. . On the contrary, the area of the measuring electrode 5 is 18 mm 2
Or the width of the element exceeds 3.5 mm,
Since the device is large, the rapid temperature rise property deteriorates. The area of the measuring electrode is 10 to 15 mm 2 , and the width of the element is 2.
The range of 8 to 3.2 mm is particularly excellent.

【0019】本発明においては、基準電極4および測定
電極5はいずれも多孔質の白金からなるが、図3に示す
ように、少なくとも測定電極5を構成する白金粒子21
の下端部がジルコニア固体電解質基板3に埋設されてお
り、且つ白金粒子21のジルコニア固体電解質基板3に
埋設されていない露出面の一部に、ジルコニア膜22が
形成されていることが望ましい。また、白金粒子21内
にはジルコニア相26が存在するとともに、白金粒子2
1内にジルコニア相26が0.1〜10体積%含有され
ていることが望ましい。このように、測定電極5におけ
る白金粒子21が上記の構造からなることによって、電
極粒子の粒成長を抑制することができる結果、これによ
って小さい面積で性能のよい測定電極5を形成すること
ができる。
In the present invention, both the reference electrode 4 and the measuring electrode 5 are made of porous platinum, but as shown in FIG. 3, at least the platinum particles 21 constituting the measuring electrode 5 are formed.
It is desirable that the lower end portion of the is embedded in the zirconia solid electrolyte substrate 3, and that the zirconia film 22 is formed on a part of the exposed surface of the platinum particles 21 that is not embedded in the zirconia solid electrolyte substrate 3. Further, the zirconia phase 26 exists in the platinum particles 21 and the platinum particles 2
It is desirable that the zirconia phase 26 is contained in the No. 1 in an amount of 0.1 to 10% by volume. As described above, since the platinum particles 21 in the measurement electrode 5 have the above structure, the particle growth of the electrode particles can be suppressed. As a result, the measurement electrode 5 having a small area and good performance can be formed. .

【0020】一方、ヒータ部2は、電気絶縁性を有する
セラミック絶縁層7に白金ヒータ8が埋設された構造か
らなり、図1の酸素センサ素子においては、ヒータ部2
は、センサ部1とともに焼成によって一体化された構造
からなり、図2の酸素センサ素子においては、センサ部
1とヒータ部2とは、それぞれ別体で形成され、接合材
10によって接合された構造からなる。
On the other hand, the heater portion 2 has a structure in which a platinum heater 8 is embedded in a ceramic insulating layer 7 having an electric insulation property. In the oxygen sensor element of FIG.
2 has a structure integrated with the sensor unit 1 by firing. In the oxygen sensor element of FIG. 2, the sensor unit 1 and the heater unit 2 are separately formed and bonded by the bonding material 10. Consists of.

【0021】特に、センサ部1の固体電解質とヒータ部
2のセラミック絶縁層7との熱膨張係数膨張差が大きい
場合には、図2の構造からなることが望ましく、特に、
接合箇所は、白金ヒータ8や電極4、5が形成されてい
ない使用時において、温度の低い部分にて接合すること
が望ましい。また、全面にて接合する場合には、センサ
部1とヒータ部2との熱膨張係数の違いによる応力を緩
和するため、センサ部1のジルコニア固体電解質基板3
とヒータ部2のアルミナセラミック絶縁層7との複合材
料、アルミナとジルコニアとを複合化合物層を介在させ
ることもできる。
In particular, when the difference in thermal expansion coefficient between the solid electrolyte of the sensor part 1 and the ceramic insulating layer 7 of the heater part 2 is large, it is desirable that the structure of FIG.
It is desirable that the joining portion is joined at a portion having a low temperature when the platinum heater 8 and the electrodes 4 and 5 are not formed and used. In the case where the entire surface is joined, the zirconia solid electrolyte substrate 3 of the sensor unit 1 is used in order to relieve the stress due to the difference in thermal expansion coefficient between the sensor unit 1 and the heater unit 2.
It is also possible to interpose a composite material of alumina and the alumina ceramic insulating layer 7 of the heater portion 2, or a composite compound layer of alumina and zirconia.

【0022】なお、ヒータ部2における白金ヒータ8の
パターンは、素子の長手方向に伸び、長手方向の端部で
折り返した構造でも、あるいは長手方向と直交する方向
の端部で折り返した波形(ミアンダ)構造でもよい。
Incidentally, the pattern of the platinum heater 8 in the heater portion 2 has a structure that extends in the longitudinal direction of the element and is folded at the end portion in the longitudinal direction, or a waveform (meaner that is folded at the end portion in the direction orthogonal to the longitudinal direction). ) The structure may be used.

【0023】なお、このヒータ部2は、図1では、保温
性をヒータ部2による加熱効率を高めヒータ部2は、保
温と材料間の熱膨張係数の差に起因する応力を低減する
ために、センサ部1と接する側と反対側に固体電解質基
板3と同一または類似の熱膨張係数を有するセラミック
層9を形成することが望ましい。
In addition, in FIG. 1, the heater section 2 enhances the heat retaining property to improve the heating efficiency of the heater section 2, and the heater section 2 reduces the stress due to the heat retaining and the difference in the coefficient of thermal expansion between the materials. It is desirable to form the ceramic layer 9 having the same or similar coefficient of thermal expansion as the solid electrolyte substrate 3 on the side opposite to the side in contact with the sensor unit 1.

【0024】また、ヒータ部2の構造として、本発明に
基づき、測定電極5の面積および素子の幅を満足する限
りにおいては、特に限定するものではなく、通常、図2
に示すように、白金ヒータ8は、同一平面内に形成して
もよいが、同一平面の場合には、小型化に伴い、ヒータ
パターンの形状が非常に制約される。そこで、図1に示
すように、セラミック絶縁層7内に埋設されている一対
の白金ヒータ8をセラミック絶縁層7aを介して上下
に、言い換えれば異なる層間に形成することが望まし
い。
The structure of the heater portion 2 is not particularly limited as long as it satisfies the area of the measuring electrode 5 and the width of the element according to the present invention.
As shown in, the platinum heater 8 may be formed in the same plane, but in the case of the same plane, the shape of the heater pattern is extremely restricted due to miniaturization. Therefore, as shown in FIG. 1, it is desirable to form a pair of platinum heaters 8 embedded in the ceramic insulating layer 7 above and below, in other words, between different layers via the ceramic insulating layer 7a.

【0025】より具体的には、図4の白金ヒータ8パタ
ーンの概略透過図に示すように、白金ヒータ8のパター
ンは、長尺状のセラミック絶縁層7内において、一端側
に形成されたリード8a1が長手方向に伸び、セラミッ
ク絶縁層7の他端部付近に発熱部8b1が形成され、他
端部で折り返された後、発熱部8b2を経由してリード
8a2に接続されたパターンからなるが、本発明におい
ては、少なくとも発熱部8b1と8b2とがセラミック
絶縁層7aを介して上下に形成されており、この発熱部
8b1、8b2は、他端部においてセラミック絶縁層7
aを関するビア8cなどの接続体によって電気的に接続
されている。
More specifically, as shown in the schematic view of the platinum heater 8 pattern in FIG. 4, the pattern of the platinum heater 8 has leads formed on one end side in the elongated ceramic insulating layer 7. 8a1 extends in the longitudinal direction, a heat generating portion 8b1 is formed near the other end of the ceramic insulating layer 7, is folded back at the other end, and is then connected to the lead 8a2 via the heat generating portion 8b2. In the present invention, at least the heat generating portions 8b1 and 8b2 are formed above and below via the ceramic insulating layer 7a, and the heat generating portions 8b1 and 8b2 are formed at the other end of the ceramic insulating layer 7a.
It is electrically connected by a connecting body such as a via 8c relating to a.

【0026】かかる構造によれば、加熱効率を高める上
で、発熱部8b1、8b2は、図4に示される通り、ミ
アンダ構造(波形)のパターンから構成されることが望
ましいが、その場合、発熱部8b1、8b2はそれぞれ
所定の幅xを必要とするが、同一平面内に形成すると必
然的に、素子全体の幅wは、w>2xであることが必要
であるが、図3に示すように、発熱部8b1、8b2を
それぞれ異なる層間に形成することによって、素子全体
の幅wは、w>xと制限が緩和されることから、素子全
体の幅を小さくできると同時に発熱量も大きくすること
ができる。特に、w≦2.5x、さらにはw≦2xであ
ることが望ましい。なお、上下の白金ヒータ8間のセラ
ミック絶縁層7aの厚みとしては、電気絶縁性の観点か
ら1〜300μm以上、特に5〜100μm、さらには
5〜50μmが好ましい。 (固体電解質)本発明の酸素センサ素子において用いら
れる固体電解質は、ZrO2を含有するセラミックスか
らなり、安定化剤として、Y23およびYb23、Sc
23、Sm23、Nd23、Dy23等の希土類酸化物
を酸化物換算で1〜30モル%、好ましくは3〜15モ
ル%含有する部分安定化ZrO2あるいは安定化ZrO2
が用いられている。また、ZrO2中のZrを1〜20
原子%をCeで置換したZrO2を用いることにより、
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、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2重量
%以下であることが望ましい。 (電極)固体電解質基板3の表面に被着形成される基準
電極4、測定電極5は、いずれも白金、あるいは白金
と、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種との合金が用いられる。また、センサ動
作時の電極中の金属の粒成長を防止する目的と、応答性
に係わる白金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、電極形状と
しては、四角形でも楕円形でもよい。また、電極の厚さ
は、3〜20μm、特に5〜10μmが好ましい。 (セラミック絶縁体)一方、白金ヒータ8を埋設するセ
ラミック絶縁層7としては、アルミナセラミックスから
なる相対密度が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。この際、焼結性を改善する目的でMg、Ca、Si
を総和で1〜10質量%含有していてもよいが、Na、
K等のアルカリ金属の含有量としては、マイグレーショ
ンしてヒータ部2の電気絶縁性を悪くするため酸化物換
算で50ppm以下に制御することが望ましい。また、
相対密度を上記の範囲とすることによって、基板強度が
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。 (セラミック多孔質層)また、測定電極5の表面に形成
されるセラミック多孔質層6は、厚さ10〜800μm
で、気孔率が10〜50%のジルコニア、アルミナ、γ
−アルミナおよびスピネルの群から選ばれる少なくとも
1種によって形成されていることが望ましい。この多孔
質層6の厚さが10μmより薄いか、あるいは気孔率が
50%を超えると、電極被毒物質P、Si等が容易に電
極に達して電極性能が低下する。それに対して、多孔質
層6の厚さが800μmを超えるか、あるいは気孔率が
10%より小さくなるとガスの多孔質層6中の拡散速度
が遅くなり、電極のガス応答性が悪くなる。特に、多孔
質層6の厚さとしては気孔率にもよるが100〜500
μmが適当である。 (発熱体)ヒータ部2におけるセラミック絶縁層7内に
埋設された白金ヒータ8およびリード8a1、8a2
は、金属として白金単味、あるいは白金とロジウム、パ
ラジウム、ルテニウムの群から選ばれる1種との合金を
用いることができる。この場合、白金ヒータ8とリード
8a1,8a2の抵抗比率は室温において、9:1〜
7:3の範囲に制御することが好ましい。
According to this structure, in order to improve the heating efficiency, it is desirable that the heat generating portions 8b1 and 8b2 have a meander structure (waveform) pattern as shown in FIG. The portions 8b1 and 8b2 each require a predetermined width x, but when formed in the same plane, the width w of the entire element must necessarily be w> 2x, but as shown in FIG. In addition, by forming the heat generating portions 8b1 and 8b2 between different layers, the width w of the entire element is relaxed by the restriction that w> x. Therefore, the width of the entire element can be reduced and at the same time the amount of heat generation can be increased. be able to. In particular, it is desirable that w ≦ 2.5x, and further, w ≦ 2x. The thickness of the ceramic insulating layer 7a between the upper and lower platinum heaters 8 is preferably 1 to 300 μm or more, particularly 5 to 100 μm, and further preferably 5 to 50 μm from the viewpoint of electrical insulation. (Solid Electrolyte) The solid electrolyte used in the oxygen sensor element of the present invention is made of a ceramic containing ZrO 2, and contains Y 2 O 3 and Yb 2 O 3 , Sc as a stabilizer.
Partially stabilized ZrO 2 containing 1 to 30 mol%, preferably 3 to 15 mol% of a rare earth oxide such as 2 O 3 , Sm 2 O 3 , Nd 2 O 3 , and Dy 2 O 3 in terms of oxide, or stable. ZrO 2
Is used. In addition, Zr in ZrO 2 is 1 to 20
By using ZrO 2 with atomic% substituted by Ce,
The ionic conductivity is increased, and the response is further improved. Further, for the purpose of improving the sinterability, Al 2 O 3 or SiO 2 can be added to the ZrO 2 as described above, but if a large amount is contained, the creep characteristics at high temperatures deteriorate. The total amount of Al 2 O 3 and SiO 2 added is preferably 5% by weight or less, more preferably 2% by weight or less. (Electrode) The reference electrode 4 and the measurement electrode 5 deposited on the surface of the solid electrolyte substrate 3 are both platinum, or an alloy of platinum and one alloy selected from the group of rhodium, palladium, ruthenium and gold. Used. In addition, for the purpose of preventing grain growth of metal in the electrode during sensor operation, there is a so-called 3
The above-mentioned ceramic solid electrolyte component may be mixed in the electrode in an amount of 1 to 50% by volume, particularly 10 to 30% by volume for the purpose of increasing the contact points at the phase interface. Further, the electrode shape may be square or elliptical. Further, the thickness of the electrode is preferably 3 to 20 μm, and particularly preferably 5 to 10 μm. (Ceramic Insulator) On the other hand, the ceramic insulating layer 7 in which the platinum heater 8 is embedded is made of a dense ceramic made of alumina ceramics having a relative density of 80% or more and an open porosity of 5% or less. desirable. At this time, Mg, Ca, Si for the purpose of improving the sinterability.
May be contained in a total amount of 1 to 10% by mass, but Na,
The content of the alkali metal such as K is preferably controlled to 50 ppm or less in terms of oxide in order to migrate and deteriorate the electric insulation of the heater section 2. Also,
This is because by setting the relative density within the above range, the strength of the substrate increases, and as a result, the mechanical strength of the oxygen sensor itself can be increased. (Ceramic porous layer) The ceramic porous layer 6 formed on the surface of the measuring electrode 5 has a thickness of 10 to 800 μm.
And zirconia, alumina, γ with a porosity of 10 to 50%
-It is desirable to be formed of at least one selected from the group of alumina and spinel. If the thickness of the porous layer 6 is less than 10 μm or the porosity exceeds 50%, the electrode poisoning substances P, Si, etc. easily reach the electrode and the electrode performance deteriorates. On the other hand, when the thickness of the porous layer 6 exceeds 800 μm or the porosity becomes smaller than 10%, the gas diffusion rate in the porous layer 6 becomes slow, and the gas responsiveness of the electrode deteriorates. In particular, the thickness of the porous layer 6 is 100 to 500 depending on the porosity.
μm is suitable. (Heating element) Platinum heater 8 and leads 8a1 and 8a2 embedded in ceramic insulating layer 7 of heater portion 2
As the metal, platinum alone or a metal alloy of platinum and one kind selected from the group of rhodium, palladium and ruthenium can be used. In this case, the resistance ratio between the platinum heater 8 and the leads 8a1 and 8a2 is 9: 1 to 1 at room temperature.
It is preferable to control in the range of 7: 3.

【0027】なお、ヒータ部2における発熱体8の発熱
パターンとしては、後述する図3に示されるように、長
手方向に伸び、長手方向の端部で折り返した構造のみな
らず、図4に示すようなミアンダ構造であってもよい。
The heating pattern of the heating element 8 in the heater portion 2 is shown in FIG. 4 as well as the structure extending in the longitudinal direction and being folded back at the end portion in the longitudinal direction, as shown in FIG. 3 described later. Such a meander structure may be used.

【0028】また、本発明の酸素センサ素子は、素子全
体の厚さとしては、0.8〜1.5mm、特に1.0〜
1.2mm、素子の長さとしては45〜55mm、特に
45〜50mmが急速昇温性と素子のエンジン中への取
付け具合との関係から好ましい。
The oxygen sensor element of the present invention has a total element thickness of 0.8 to 1.5 mm, particularly 1.0 to
1.2 mm and the length of the element is preferably 45 to 55 mm, and particularly preferably 45 to 50 mm in view of the relationship between the rapid temperature rising property and the mounting condition of the element in the engine.

【0029】次に、本発明の酸素センサ素子の製造方法
について、図1の酸素センサ素子の製造方法を例にして
図5の分解斜視図をもとに説明する。
Next, a method of manufacturing the oxygen sensor element of the present invention will be described with reference to the exploded perspective view of FIG. 5 by taking the method of manufacturing the oxygen sensor element of FIG. 1 as an example.

【0030】まず、固体電解質のグリーンシート11を
作製する。このグリーンシート11は、例えば、ジルコ
ニアの酸素イオン導電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
ドクターブレード法や、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。
First, the solid electrolyte green sheet 11 is prepared. The green sheet 11 is obtained, for example, by adding a molding organic binder to a ceramic solid electrolyte powder having zirconia oxygen ion conductivity, a doctor blade method, an extrusion molding, or a hydrostatic molding (rubber press). Alternatively, it is produced by a known method such as press forming.

【0031】次に、上記のグリーンシート11の両面
に、それぞれ測定電極5および基準電極4となるパター
ン12やリードパターン13やスルホール(図示せず)
などを例えば、白金を含有する導電性ペーストを用いて
スラリーデッィプ法、あるいはスクリーン印刷、パット
印刷、ロール転写で印刷形成した後、大気導入孔14を
形成したグリーンシート15およびグリーンシート16
をアクリル樹脂や有機溶媒などの接着剤を介在させる
か、あるいはローラ等で圧力を加えながら機械的に接着
することによりセンサ部用の積層体Aを作製する。この
時、測定電極パターン12は、焼成後において、電極面
積が8〜18mm2となるように印刷面積を制御する。
Next, on both surfaces of the green sheet 11, the pattern 12, the lead pattern 13, and the through hole (not shown) that will be the measurement electrode 5 and the reference electrode 4, respectively.
For example, the green sheet 15 and the green sheet 16 in which the air introduction holes 14 are formed after the conductive paste containing platinum is formed by a slurry dip method, screen printing, pad printing, or roll transfer.
A laminate A for the sensor unit is manufactured by interposing an adhesive such as an acrylic resin or an organic solvent, or by mechanically adhering while applying pressure with a roller or the like. At this time, the measurement electrode pattern 12 controls the printing area such that the electrode area after firing is 8 to 18 mm 2 .

【0032】さらに、この時に使用する白金を含有する
導電性ペーストとしては、図3に示したような特殊な構
造の電極を形成するためには、上述のセラミック固体電
解質成分からなるジルコニアを1〜50体積%、特に1
0〜30体積%の割合で包含する白金粒子を用いて、そ
の他に、エチルセルロース等の有機樹脂成分を含有する
ものが望ましい。
Further, as the platinum-containing conductive paste used at this time, in order to form an electrode having a special structure as shown in FIG. 3, 1 to 1 of zirconia composed of the above-mentioned ceramic solid electrolyte component is used. 50% by volume, especially 1
It is preferable to use platinum particles included in a proportion of 0 to 30% by volume and additionally contain an organic resin component such as ethyl cellulose.

【0033】このような内部にジルコニア相を包含した
白金粒子を作製するには、例えば、白金粉末と、例えば
比表面積がBET値で30m2/g以上のジルコニア微
粉末と、バインダーを加え3本ロールなどを用いて、2
4時間以上混合することにより白金粉末内にジルコニア
を収容することができる。
In order to prepare such platinum particles containing a zirconia phase inside, for example, platinum powder, zirconia fine powder having a specific surface area of 30 m 2 / g or more as a BET value, and a binder are added and three particles are added. 2 using rolls
By mixing for 4 hours or more, zirconia can be contained in the platinum powder.

【0034】このような白金粒子21を用いて、ジルコ
ニア固体電解質成形体とともに焼成すると、白金粒子2
1内のジルコニア相26の一部が白金粒子21の表面に
拡散し、白金粒子21の表面を被覆するが、この白金粒
子21表面のジルコニアは、ジルコニア固体電解質基板
3に近い部分では、ジルコニア固体電解質基板3に付着
してその一部を構成する。即ち、ジルコニア固体電解質
基板3上には、白金粒子21と、析出したジルコニア粒
子23との多孔質な複合体層24が形成され、ジルコニ
ア粒子23はジルコニア固体電解質基板3と一体となっ
ており、これにより、白金粒子21の下部がジルコニア
固体電解質基板3に埋設されている。複合体層24のジ
ルコニア粒子23の平均粒径は、緻密なジルコニア固体
電解質基板3のジルコニア粒子25よりも小さくなって
いる。さらに、ジルコニア固体電解質基板3から遠い部
分に存在する白金粒子21表面のジルコニアはそのまま
存在し、白金粒子21の露出面の頂部にジルコニア膜2
2が形成されることになる。
When such a platinum particle 21 is used and fired together with a zirconia solid electrolyte compact, the platinum particle 2
Part of the zirconia phase 26 in 1 diffuses to the surface of the platinum particle 21 and covers the surface of the platinum particle 21. The zirconia on the surface of the platinum particle 21 is solid at the portion close to the zirconia solid electrolyte substrate 3. It adheres to the electrolyte substrate 3 and constitutes a part thereof. That is, a porous composite layer 24 of platinum particles 21 and precipitated zirconia particles 23 is formed on the zirconia solid electrolyte substrate 3, and the zirconia particles 23 are integrated with the zirconia solid electrolyte substrate 3. As a result, the lower part of the platinum particle 21 is embedded in the zirconia solid electrolyte substrate 3. The average particle size of the zirconia particles 23 of the composite layer 24 is smaller than that of the zirconia particles 25 of the dense zirconia solid electrolyte substrate 3. Furthermore, the zirconia on the surface of the platinum particles 21 existing in the part far from the zirconia solid electrolyte substrate 3 exists as it is, and the zirconia film 2 is formed on the top of the exposed surface of the platinum particles 21.
2 will be formed.

【0035】また、白金粒子21内には、ジルコニア相
26が存在しており、このジルコニア相は、白金粒子2
1中0.1〜10体積%とされている。本発明では、白
金粒子21がジルコニア相26を包含することにより、
センサを高温度で使用する場合、白金粒子21の焼結を
抑制することが出来るので、安定したセンシング機能を
保持することが出来るのである。この白金粒子21内の
ジルコニア相26は、上記したように、白金粒子21内
のジルコニア相26が温度と時間が不十分なため白金粒
子21表面に拡散しきれず、白金粒子21内部に残留し
たものである。
A zirconia phase 26 exists in the platinum particles 21, and the zirconia phase is the platinum particles 2
0.1 to 10% by volume. In the present invention, since the platinum particles 21 include the zirconia phase 26,
When the sensor is used at a high temperature, it is possible to suppress the sintering of the platinum particles 21, so that it is possible to maintain a stable sensing function. As described above, the zirconia phase 26 in the platinum particles 21 cannot be diffused to the surface of the platinum particles 21 because the zirconia phase 26 in the platinum particles 21 is insufficient in temperature and time, and remains in the platinum particles 21. Is.

【0036】白金粒子21中におけるジルコニア相26
の含有量を0.1〜10体積%、特に3〜7体積%とし
たのは、この範囲においては、上述のように白金粒子2
1を固体電解質基板3に埋設すると同時に、表面の頂部
にジルコニア膜22を形成し、且つセンサを高温度で使
用する場合、白金粒子21の焼結を充分抑制出来るため
である。
Zirconia phase 26 in platinum particles 21
The content of 0.1 to 10% by volume, and particularly 3 to 7% by volume, means that in this range, the platinum particles 2
This is because when 1 is embedded in the solid electrolyte substrate 3 and at the same time the zirconia film 22 is formed on the top of the surface and the sensor is used at high temperature, the sintering of the platinum particles 21 can be sufficiently suppressed.

【0037】なお、この時に測定電極5となるパターン
の表面に、セラミック多孔質層6を形成するための多孔
質スラリーを印刷塗布形成してもよい。 (ヒータ部)次に、図5に示すようにジルコニアグリー
ンシート17表面にアルミナ粉末からなるペーストをス
ラリーデッィプ法、あるいはスクリーン印刷、パット印
刷、ロール転写で印刷し、セラミック絶縁層18aを形
成する。
At this time, a porous slurry for forming the ceramic porous layer 6 may be applied by printing on the surface of the pattern to be the measurement electrode 5. (Heater part) Next, as shown in FIG. 5, a paste made of alumina powder is printed on the surface of the zirconia green sheet 17 by a slurry dip method, screen printing, pad printing, or roll transfer to form a ceramic insulating layer 18a.

【0038】次に、図2の酸素センサ素子のように、白
金ヒータを同一平面に形成する場合には、白金を含有す
る導電性ペーストを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、ロール転写で全体に印刷形成
した後、セラミック絶縁層を被覆すればよい。
Next, when forming a platinum heater on the same plane as in the oxygen sensor element of FIG. 2, a conductive paste containing platinum is formed by a slurry dip method, screen printing, pad printing, or roll transfer. After the printing is formed on the entire surface, the ceramic insulating layer may be coated.

【0039】一方、図1のように、白金ヒータをセラミ
ック絶縁層を介して上下に形成する場合には、まず、セ
ラミック絶縁層18aの表面に、下側のヒータパターン
19aおよびリードパターン20aを印刷塗布する。そ
して、アルミナなどの絶縁性ペーストを塗布してセラミ
ック絶縁層18bを形成し、その絶縁層18bの表面に
上側のヒータパターン19bおよびリードパターン20
bを印刷塗布する。そして再度、絶縁性ペーストを用い
てセラミック絶縁層18cを印刷形成することにより、
ヒータ部2の積層体Bを作製する。
On the other hand, as shown in FIG. 1, when the platinum heater is formed vertically with the ceramic insulating layer interposed therebetween, first, the lower heater pattern 19a and the lead pattern 20a are printed on the surface of the ceramic insulating layer 18a. Apply. Then, an insulating paste such as alumina is applied to form a ceramic insulating layer 18b, and the upper heater pattern 19b and the lead pattern 20 are formed on the surface of the insulating layer 18b.
Print coating b. Then, by again forming the ceramic insulating layer 18c by printing using the insulating paste,
A laminated body B of the heater unit 2 is produced.

【0040】この際、下側のヒータパターン19aと上
側ヒータパターン20bとを接続するためには、セラミ
ック絶縁層18bに表面から下側のヒータパターン19
aに至る貫通孔21を形成し、上側ヒータパターン19
bを形成するときに、この貫通孔21内に導電性ペース
トを充填する。または、セラミック絶縁層18bの先端
部を切り欠き、その切り欠き部に導電性ペーストを塗布
して接続し、一本に繋がった白金ヒータを形成すること
ができる。
At this time, in order to connect the lower heater pattern 19a and the upper heater pattern 20b, the lower heater pattern 19 from the surface is formed on the ceramic insulating layer 18b.
a through hole 21 up to a is formed, and the upper heater pattern 19 is formed.
When forming b, the through hole 21 is filled with a conductive paste. Alternatively, the tip end of the ceramic insulating layer 18b may be cut out, and a conductive paste may be applied to and connected to the cutout to form a continuous platinum heater.

【0041】なお、上記のヒータ部2の積層体を作製す
るにあたり、セラミック絶縁層18a、18b、18c
は、上記のように絶縁性ペーストの印刷塗布によって形
成する他に、アルミナなどのセラミックスラリーを用い
てドクターブレード法などのシート成形方法によって絶
縁性シートを形成して積層することもできる。 (一体化,焼成)この後、センサ部1の積層体Aとヒー
タ部2の積層体Bをアクリル樹脂や有機溶媒などの接着
剤を介在させるか、あるいはローラ等で圧力を加えなが
ら両者を機械的に接着することにより接着一体化した
後、これらを焼成する。焼成は、大気中または不活性ガ
ス雰囲気中、1300℃〜1700℃の温度範囲で1〜
10時間焼成する。なお、焼成時には、焼成時のセンサ
部Aの反りを抑制するため、錘として平滑なアルミナ等
の基板を積層体の上に置くことにより反り量を低減する
ことができる。
When manufacturing the above-mentioned laminated body of the heater part 2, the ceramic insulating layers 18a, 18b, 18c are formed.
In addition to forming the insulating paste by printing as described above, an insulating sheet may be formed and laminated by a sheet forming method such as a doctor blade method using a ceramic slurry such as alumina. (Integration and firing) After that, the laminated body A of the sensor unit 1 and the laminated body B of the heater unit 2 are machined by interposing an adhesive such as an acrylic resin or an organic solvent, or by applying pressure with a roller or the like. These are fired after they are integrally bonded by physically adhering. The firing is performed in the temperature range of 1300 ° C. to 1700 ° C.
Bake for 10 hours. In addition, in order to suppress the warpage of the sensor unit A during firing, the amount of warpage can be reduced by placing a smooth substrate such as alumina as a weight on the laminate.

【0042】また、センサ部の積層体Aとヒータ部の積
層体Bとを同時焼成して一体化する場合には、両者の熱
膨張係数差による応力の発生を低減するために、例え
ば、センサ部を形成する固体電解質成分とヒータ部のセ
ラミック絶縁層を形成する絶縁成分との複合材料を介在
させることが望ましい。
When the laminated body A of the sensor portion and the laminated body B of the heater portion are simultaneously fired and integrated, in order to reduce the generation of stress due to the difference in thermal expansion coefficient between them, for example, a sensor is used. It is desirable to interpose a composite material of a solid electrolyte component forming the part and an insulating component forming the ceramic insulating layer of the heater part.

【0043】その後、必要に応じて、焼成後の測定電極
の表面に、プラズマ溶射法等により,アルミナ、ジルコ
ニア、スピネルの群から選ばれる少なくとも1種のセラ
ミックスを形成することによってヒータ部が一体化され
た酸素センサ素子を形成することができる。
Thereafter, if necessary, at least one ceramic selected from the group consisting of alumina, zirconia, and spinel is formed on the surface of the measurement electrode after firing by a plasma spraying method or the like to integrate the heater portion. Oxygen sensor elements can be formed.

【0044】なお、上記の方法では、ヒータ部1はセン
サ部2と同時焼成して形成した場合について説明した
が、センサ部1とヒータ部2とはそれぞれ別体で焼成し
た後、ガラスなどの適当な無機接合材によって接合する
ことによって一体化することも可能である。
In the above method, the case where the heater part 1 and the sensor part 2 are simultaneously fired has been described. However, after the sensor part 1 and the heater part 2 are fired separately, they are made of glass or the like. It is also possible to integrate them by joining with a suitable inorganic joining material.

【0045】[0045]

【実施例】図1に示すλセンサを、図5に従い以下のよ
うにして作製した。
EXAMPLE A λ sensor shown in FIG. 1 was manufactured as follows according to FIG.

【0046】まず、市販の純度が99.9%アルミナ粉
末と、Siを0.1重量%含む5モル%Y23含有のジ
ルコニア粉末と、平均粒子径が0.1μmで8モル%の
イットリアからなるジルコニアを30体積%結晶内に含
有する白金粉末と、アルミナ粉末を20体積%含有す
る白金粉末をそれぞれ準備した。
First, commercially available alumina powder having a purity of 99.9%, zirconia powder containing 5% by weight of Y 2 O 3 containing 0.1% by weight of Si, and 8% by mole of an average particle diameter of 0.1 μm. A platinum powder containing 30% by volume of zirconia composed of yttria and a platinum powder containing 20% by volume of alumina powder were prepared.

【0047】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スラリーを作
製し、押出成形により焼結後の厚さが0.4mmになる
ようなジルコニアのグリーンシート11を作製した。
First, a polyvinyl alcohol solution was added to zirconia powder containing 5 mol% Y 2 O 3 to prepare a slurry, and a green sheet of zirconia having a thickness after sintering of 0.4 mm was obtained by extrusion molding. 11 was produced.

【0048】その後、グリーンシート11の両面に、白
金粉末を含有する導電性ペーストをスクリーン印刷し
て、測定電極と基準電極のパターン12、リードパター
ン13を印刷形成した後、大気導入孔14を形成したグ
リーンシート15、およびグリーンシート16をアクリ
ル樹脂の接着剤により積層しセンサ部用積層体Aを得
た。この際、測定電極は焼成後5〜30mm2となるよ
うに面積を変化させた。
After that, a conductive paste containing platinum powder is screen-printed on both surfaces of the green sheet 11 to form the measurement electrode and reference electrode patterns 12 and the lead pattern 13, and then the air introduction hole 14 is formed. The green sheet 15 and the green sheet 16 were laminated with an acrylic resin adhesive to obtain a sensor unit laminate A. At this time, the area of the measurement electrode was changed so as to be 5 to 30 mm 2 after firing.

【0049】次に、ジルコニアグリーンシート17表面
に上述のアルミナ粉末からなるペーストを用いてスクリ
ーン印刷してセラミック絶縁層18aを焼成後約10μ
mになるように形成した後、一方のヒータパターン19
aおよびリード部20aを、アルミナを含有する白金を
含有する導電性ペーストを用いてスクリーン印刷で印刷
形成し、さらにこの表面にもう一度アルミナ粉末からな
るペーストをスクリーン印刷してセラミック絶縁層18
bを形成した。この後、さらに他方のヒータパターン1
9bおよびリード部20bを、白金を含有する導電性ペ
ーストを用いてスラリーデッィプ法、あるいはスクリー
ン印刷、パット印刷、ロール転写で印刷形成し、さらに
もう一度セラミック絶縁層18cを形成することによ
り、ヒータ部用積層体Bを作製した。なお、ヒータパタ
ーン19a、19bとはセラミック絶縁層18bに形成
したビア導体によって接続した。
Next, the surface of the zirconia green sheet 17 is screen-printed with the paste made of the above-mentioned alumina powder to burn the ceramic insulating layer 18a, and then the ceramic insulating layer 18a is baked to about 10 μm.
m of the heater pattern 19
a and the lead portion 20a are formed by screen-printing using a conductive paste containing platinum containing alumina, and a paste made of alumina powder is screen-printed again on this surface to form the ceramic insulating layer 18
b was formed. After this, the other heater pattern 1
9b and the lead portion 20b are formed by a slurry dip method using a conductive paste containing platinum, or by screen printing, pad printing, or roll transfer, and the ceramic insulating layer 18c is formed again to form a laminate for the heater portion. Body B was produced. The heater patterns 19a and 19b were connected by via conductors formed in the ceramic insulating layer 18b.

【0050】この後、前述の製造方法1に従いセンサ部
用積層体Aとヒータ部用積層体Bを接合してヒータ一体
化センサ素子の積層体を1500℃、1時間焼成してヒ
ータ一体化センサ素子を作製した。この際、センサ部用
積層体とヒータ部用積層体の幅を変化させて、幅が1.
8〜4.5mmの理論空燃比型(λ型)のヒータ一体化
の酸素センサ素子を作製した。
Thereafter, the laminated body A for the sensor portion and the laminated body B for the heater portion are joined according to the manufacturing method 1 described above, and the laminated body of the heater integrated sensor element is fired at 1500 ° C. for 1 hour to form the heater integrated sensor. A device was produced. At this time, the widths of the sensor unit laminated body and the heater unit laminated body are changed so that the width becomes 1.
An oxygen sensor element integrated with a heater having a theoretical air-fuel ratio type (λ type) of 8 to 4.5 mm was produced.

【0051】作製した酸素センサ素子について、測定電
極5の微細構造を調査した結果、図3に示したような構
造を有するものであった。
As a result of investigating the fine structure of the measuring electrode 5 in the produced oxygen sensor element, it was found to have a structure as shown in FIG.

【0052】この後、水素、メタン、窒素、酸素の混合
ガスを用いて空燃比を12と23の混合ガスをを0.5
秒間隔で交互にセンサ素子に吹き付けがら、素子のヒー
タに12V印加させて素子の活性化時間の測定を行っ
た。この際、図6に示すようにヒータに電圧を印加した
時間をゼロとし、まず素子が空燃比12で0.6Vを示
し、次に空燃比12で0.3Vを示すまでの時間tを素
子の活性化時間とした。また、比較のため市販の素子の
幅が4.5mmの平板型ヒータ一体化センサ素子を比較
に用いた。結果を表1に示す。
Thereafter, a mixed gas of hydrogen, methane, nitrogen, and oxygen is used to generate a mixed gas having an air-fuel ratio of 12 and 23 of 0.5.
The sensor element was alternately sprayed at an interval of 2 seconds, and 12 V was applied to the heater of the element to measure the activation time of the element. At this time, as shown in FIG. 6, the time when the voltage is applied to the heater is set to zero, and the time t until the element first shows 0.6 V at the air-fuel ratio 12 and then 0.3 V at the air-fuel ratio 12 Activation time. For comparison, a commercially available flat-plate heater integrated sensor element having a width of 4.5 mm was used for comparison. The results are shown in Table 1.

【0053】[0053]

【表1】 [Table 1]

【0054】表1の結果より、素子の測定電極の面積が
8〜20mm2、または素子の幅が2〜3.5mmの範
囲を逸脱する試料No.1〜4、10、11、18はい
ずれも活性化時間が長かったのに対して、本発明品はい
ずれも活性化時間は、10秒以下と小型な素子であり且
つ優れた特性を有するものであった。
From the results shown in Table 1, the sample No. in which the area of the measuring electrode of the element is 8 to 20 mm 2 or the width of the element is out of the range of 2 to 3.5 mm. 1 to 4, 10, 11, and 18 all had a long activation time, whereas all of the products of the present invention had a small activation time of 10 seconds or less and had excellent characteristics. Met.

【0055】[0055]

【発明の効果】以上詳述したとおり、本発明によれば、
測定電極の面積と素子の幅を特定範囲に制御することに
よって、ガス応答性の優れ急速昇温が可能な小型の酸素
センサ素子を提供することができる。
As described in detail above, according to the present invention,
By controlling the area of the measurement electrode and the width of the element within a specific range, it is possible to provide a small oxygen sensor element having excellent gas responsiveness and capable of rapid temperature rise.

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

【図1】本発明の酸素センサ素子の一例を説明するため
の概略断面図である。
FIG. 1 is a schematic sectional view for explaining an example of an oxygen sensor element of the present invention.

【図2】本発明の酸素センサ素子の他の例を説明するた
めに概略断面図である。
FIG. 2 is a schematic cross-sectional view for explaining another example of the oxygen sensor element of the present invention.

【図3】本発明における測定電極の微細構造を説明する
ための図である。
FIG. 3 is a diagram for explaining a fine structure of a measurement electrode in the present invention.

【図4】図1の酸素センサ素子におけるヒータ部の構造
を説明するための概略透過図である。
FIG. 4 is a schematic transparent view for explaining the structure of a heater section in the oxygen sensor element of FIG.

【図5】図1の酸素センサ素子の製造方法を説明するた
めの分解斜視図である。
5 is an exploded perspective view for explaining a method of manufacturing the oxygen sensor element of FIG.

【図6】活性化時間の測定方法を説明するためのグラフ
である。
FIG. 6 is a graph for explaining a method for measuring activation time.

【図7】従来のヒータ一体型酸素センサ素子の構造を説
明するための概略断面図である。
FIG. 7 is a schematic cross-sectional view for explaining the structure of a conventional heater-integrated oxygen sensor element.

【図8】従来の他のヒータ一体型酸素センサ素子の構造
を説明するための概略断面図である。
FIG. 8 is a schematic cross-sectional view for explaining the structure of another conventional heater-integrated oxygen sensor element.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1 センサ部 2 ヒータ部 3 固体電解質基板 4 基準電極 5 測定電極 6 セラミック多孔質層 7 セラミック絶縁層 8 白金ヒータ 1 sensor 2 heater part 3 Solid electrolyte substrate 4 Reference electrode 5 measuring electrodes 6 Ceramic porous layer 7 Ceramic insulation layer 8 Platinum heater

Claims (7)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】長尺状のジルコニア固体電解質基板平板の
少なくとも対向する両面に、白金から成る測定電極と基
準電極とをそれぞれ設けたセンサ部を具備する酸素セン
サ素子において、前記測定電極の電極面積が8〜18m
2であり、かつ素子の長手方向に対して直交する方向
の幅が2.0〜3.5mmであることを特徴とする酸素
センサ素子。
1. An oxygen sensor element comprising a long zirconia solid electrolyte substrate flat plate, and a sensor section provided with a measurement electrode and a reference electrode made of platinum, respectively, on at least opposite surfaces of the flat plate, the electrode area of the measurement electrode. Is 8-18m
oxygen sensor element, wherein m 2, and and the width perpendicular to the longitudinal direction of the element is 2.0~3.5Mm.
【請求項2】セラミック絶縁層中に白金ヒータを埋設し
たヒータ部を具備する請求項1記載の酸素センサ素子。
2. The oxygen sensor element according to claim 1, further comprising a heater portion in which a platinum heater is embedded in a ceramic insulating layer.
【請求項3】前記ヒータ部において、一対の白金ヒータ
がセラミック絶縁層を介して上下に形成されていること
を特徴とする請求項2記載の酸素センサ素子。
3. The oxygen sensor element according to claim 2, wherein in the heater portion, a pair of platinum heaters are vertically formed with a ceramic insulating layer interposed therebetween.
【請求項4】少なくとも測定電極を構成する白金粒子の
下端部が前記ジルコニア固体電解質基板の表面に埋設さ
れており、且つ白金粒子の埋設されていない露出面の一
部に、ジルコニア膜が形成されていることを特徴とする
請求項1乃至請求項3のいずれか記載の酸素センサ素
子。
4. A zirconia film is formed on a part of an exposed surface where at least the lower end of platinum particles constituting a measurement electrode is embedded in the surface of the zirconia solid electrolyte substrate and the platinum particles are not embedded. The oxygen sensor element according to any one of claims 1 to 3, wherein:
【請求項5】前記測定電極を構成する白金粒子内にジル
コニア相が存在することを特徴とする請求項4記載の酸
素センサ素子。
5. The oxygen sensor element according to claim 4, wherein a zirconia phase is present in the platinum particles forming the measuring electrode.
【請求項6】前記センサ部と前記ヒータ部とが同時焼成
して形成されてなることを特徴とする請求項2乃至請求
項5のいずれか記載の酸素センサ素子。
6. The oxygen sensor element according to claim 2, wherein the sensor portion and the heater portion are formed by simultaneous firing.
【請求項7】前記センサ部と、前記ヒータ部とそれぞれ
別体で形成された後、接合材によって接合し一体化され
ていることを特徴とする請求項2乃至請求項6のいずれ
か記載の酸素センサ素子。
7. The sensor part and the heater part are formed separately from each other, and then bonded and integrated by a bonding material. Oxygen sensor element.
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