JP2003279527A - Oxygen sensor element - Google Patents

Oxygen sensor element

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JP2003279527A
JP2003279527A JP2002087277A JP2002087277A JP2003279527A JP 2003279527 A JP2003279527 A JP 2003279527A JP 2002087277 A JP2002087277 A JP 2002087277A JP 2002087277 A JP2002087277 A JP 2002087277A JP 2003279527 A JP2003279527 A JP 2003279527A
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sensor element
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a compact oxygen sensor element superior in gas responsivity and capable of raising temperature at a high speed. <P>SOLUTION: The oxygen sensor element is provided with a sensor, and the sensor is provided with a measuring electrode and a reference electrode made of platinum each on both opposite surfaces of a long solid electrolyte substrate in the vicinity of its tip. The oxygen sensor element is provided with a pair of electrode pads on the surfaces of the substrate in the vicinity of its rear end. The electrode area of the measuring electrode is between 8-18 mm<SP>2</SP>, and its width in the direction which intersects, at right angles, the longitudinal direction of the measuring electrode is between 2.0-3.5 mm. The calorific values of heating elements are lower at the center than at both ends in a unit length in the longitudinal direction of the heating elements, and calorific distribution of the heating elements in the longitudinal direction is made uniform to heighten the gas responsivity. <P>COPYRIGHT: (C)2004,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11の概略断面図に示すように、ZrO2
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4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5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. 11, 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. Is formed on the outer surface of the cylindrical tube 31, and a measurement electrode 5 is formed on the outer surface of the cylindrical tube 31 to be in contact with a measured gas such as exhaust gas.

【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4の表面に、保護層としてセラミック多孔質層6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,
As a so-called theoretical air-fuel ratio sensor (λ sensor) used for controlling the ratio of air to fuel near 1, a ceramic porous layer 6 is provided as a protective layer on the surface of the measuring electrode 4, and a predetermined amount is provided. The oxygen concentration difference generated on both sides of the cylindrical pipe 31 is detected by the temperature, and the air-fuel ratio of the engine intake system is controlled. At this time, the stoichiometric air-fuel ratio sensor needs to be heated up to an operating temperature of about 700 ° C. Therefore,
A rod-shaped heater 35 is inserted inside the cylindrical tube 31 in order to heat the sensor unit to an operating temperature.

【0005】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。
In recent years, the tendency to tighten exhaust gas regulations has become stronger,
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, It is called activation time.)
However, there was a problem that the exhaust gas regulations could not be fully met due to the slow speed.

【0006】近年、この問題を回避する方法として、図
12(a)概略断面図、(b)概略平面図に示すように
平板状の固体電解質基板36の外面および内面に測定電
極37と基準電極38をそれぞれ設けると同時に、セラ
ミック絶縁層39の内部に発熱体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。また、かか
る酸素センサ素子においては、センサ素子の他端には、
リード41を介して接続された電極パッド42が形成さ
れ、この電極パッド42には、コネクタや金属ピン等が
ロウ付けされる。
In recent years, as a method for avoiding this problem, as shown in a schematic sectional view of FIG. 12A and a schematic plan view of FIG. 12B, a measuring electrode 37 and a reference electrode are formed on the outer and inner surfaces of a flat solid electrolyte substrate 36. There has been proposed an oxygen sensor element integrated with a heater in which a heating element 40 is embedded inside a ceramic insulating layer 39 at the same time when each of the oxygen sensor elements 38 is provided. Further, in such an oxygen sensor element, at the other end of the sensor element,
An electrode pad 42 connected via the lead 41 is formed, and a connector, a metal pin, or the like is brazed to the electrode pad 42.

【0007】[0007]

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、従来の
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
はあるものの、その昇温速度をさらに早くすることが望
まれているが、素子自体が大きいために、急速昇温化に
対しても限界があり、その結果、活性化時間の短縮がで
きないなどの問題があった。
However, unlike the above-mentioned conventional indirect heating method, the conventional heater-integrated oxygen sensor is a direct heating method, so that the temperature can be rapidly raised. However, since the device itself is large, there is a limit to rapid temperature rise, and as a result, there is a problem that the activation time cannot be shortened.

【0008】本発明は、小型で、且つガス応答性の優れ
急速昇温が可能な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。
An object of the present invention is to provide an oxygen sensor element which is small in size, has excellent gas responsiveness, and can rapidly raise temperature.

【0009】[0009]

【課題を解決するための手段】本発明の酸素センサ素子
は、長尺状の固体電解質基板の先端部付近における対向
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と、セラミック絶縁層内部に長手方
向に沿って発熱体を配設してなるヒータ部を具備してな
り、前記基板の後端部付近の表面に電極パッドを形成し
てなるものであって、前記測定電極の電極面積を8〜1
8mm2、前記測定電極形成部の長手方向に対して直交
する方向の幅を2.0〜3.5mmとするとともに、前
記発熱体の長手方向の単位長さ当たりの発熱量を両端部
よりも中央部を低くすることによって、センサ素子の小
型化とともに、測定電極の均熱化を図ることができるた
めに、活性化時間を短縮することができる。
The oxygen sensor element of the present invention comprises a sensor portion in which a measurement electrode made of platinum and a reference electrode are provided on opposite surfaces in the vicinity of the tip of a long solid electrolyte substrate. A ceramic insulating layer having a heater portion arranged along a longitudinal direction inside the ceramic insulating layer, wherein an electrode pad is formed on a surface near a rear end portion of the substrate, The electrode area of the measurement electrode is 8 to 1
8 mm 2 , the width in the direction orthogonal to the longitudinal direction of the measurement electrode forming portion is 2.0 to 3.5 mm, and the heat generation amount per unit length in the longitudinal direction of the heating element is higher than that at both ends. By lowering the central portion, it is possible to reduce the size of the sensor element and to equalize the temperature of the measurement electrode, and thus it is possible to shorten the activation time.

【0010】また、本発明においては、前記発熱体が長
手方向に進行するミアンダパターンからなり、該パター
ンを長手方向に均等に3分割した時、中央部に位置する
部分の一山の内側面積をa、両端部に位置する部分の一
山の内側面積をbとした時、a>bであることが望まし
く、この場合、前記発熱体パターンの前記中央部におけ
る一山の内側面積a、両端部における一山の面積bによ
るa/bが1.1〜1.5であることが適当である。
Further, in the present invention, the heating element is composed of a meander pattern which advances in the longitudinal direction, and when the pattern is equally divided into three parts in the longitudinal direction, the inner area of one mountain in the central portion is determined. a, it is desirable that a> b, where b is the inner area of one mountain located at both ends, and in this case, the inner area of one mountain in the central portion of the heating element pattern is It is appropriate that a / b according to the area b of one mountain in is 1.1 to 1.5.

【0011】また、前記発熱体が長手方向に進行するミ
アンダパターンからなり、該パターンを長手方向に均等
に3分割した時、中央部に位置する部分の振幅が両端部
に位置する部分の振幅よりも大きくすることによって中
央部の発熱量を両端よりも低減することができる。
Further, when the heating element is formed of a meander pattern which advances in the longitudinal direction, and when the pattern is equally divided into three in the longitudinal direction, the amplitude of the portion located at the central portion is larger than the amplitude of the portions located at both end portions. By also increasing the value, the amount of heat generated in the central portion can be reduced more than at both ends.

【0012】また、小型化に伴い、前記ヒータ部におい
て、一対の発熱体がセラミック絶縁層を介して上下に形
成することにより、さらに小型化を図ることができる。
Further, with the miniaturization, the pair of heating elements are formed in the upper and lower portions in the heater portion with the ceramic insulating layer interposed therebetween, whereby the miniaturization can be further achieved.

【0013】さらに、本発明によれば、小型化に伴い、
素子の長手方向に対して直行する方向の幅が、後端部か
ら先端部に向かって連続的、または段階的に小さくなっ
ており、前記一対の電極パッドの形成幅を前記測定電極
形成部の幅よりも大きくすることによって、電極パッド
へのコネクタや金属ピンの取付けを確保することができ
る。
Further, according to the present invention, as the size is reduced,
The width in the direction orthogonal to the longitudinal direction of the element is continuously or stepwise reduced from the rear end portion to the front end portion, and the formation width of the pair of electrode pads is set to the measurement electrode formation portion. By making the width larger than the width, it is possible to secure the attachment of the connector or the metal pin to the electrode pad.

【0014】また、本発明の酸素センサ素子において
は、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, in the oxygen sensor element of the present invention, the heater portion is formed by co-firing with the sensor portion, or is formed separately from each other and then joined and joined by a joining material. It may be a thing.

【0015】[0015]

【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で
あり、図2は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, and FIG. 2 is a schematic sectional view for explaining another example. These are generally called theoretical air-twisting ratio sensor elements, and in the examples of FIGS.
And a heater unit 2.

【0016】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セラミック固体
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 ceramic solid electrolyte substrate 3 made of zirconia and having oxygen ion conductivity, a reference electrode 4 in contact with air, and an exhaust gas on both surfaces of the solid electrolyte substrate 3 facing each other. A measurement electrode 5 that is in contact with is formed, forming the sensor unit 1 having a function of detecting the oxygen concentration.

【0017】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 a sealed tip, and this hollow portion forms an air introduction hole 3a. Then, a reference electrode 4 that comes into contact with a reference gas such as air is adhered and formed on the hollow inner wall,
On the outer surface of the solid electrolyte substrate 3 facing the reference electrode 4,
A measuring electrode 5 is formed which is in contact with a gas to be measured such as exhaust gas.

【0018】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.

【0019】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に発熱体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 heating element 8 is embedded in a ceramic insulating layer 7 having electrical insulation properties. In the oxygen sensor element of FIG.
In the oxygen sensor element of FIG. 2, the sensor part 1 and the heater part 2 are formed separately from each other, and have a bonding material 10.
It consists of the structure joined by.

【0020】特に、センサ部1の固体電解質基板3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、発熱体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、例えばセンサ部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。
Particularly, when the difference in thermal expansion coefficient between the solid electrolyte substrate 3 of the sensor portion 1 and the ceramic insulating layer 7 of the heater portion 2 is large, the structure shown in FIG.
In particular, it is desirable that the joining portion is joined at a low temperature portion when the heating element 8 and the electrodes 4 and 5 are not formed during use. In the case where the entire surface is bonded, stress due to a difference in thermal expansion coefficient between the sensor unit 1 and the heater unit 2 is relaxed, so that, for example, the zirconia solid electrolyte substrate 3 of the sensor unit 1 and the alumina ceramic insulation of the heater unit 2 are insulated. It is also possible to interpose a composite compound layer of a composite material with the layer 7 and alumina and zirconia.

【0021】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 portion 2 has a heat insulating property so that the heating efficiency of the heater portion 2 is improved and the heater portion 2 reduces the stress due to the heat insulating material 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.

【0022】また、本発明の酸素センサ素子は、図1の
概略平面図に示すように、固体電解質基板3の先端部付
近にセンサ部1やヒータ部2が形成されており、基板3
の後端部付近の表面に測定電極5や基準電極4とリード
10を介して接続された一対の電極パッド11が形成さ
れている。そして、この電極パッド11には、適宜、白
金ヒータ8への電力の印加や、センサ部1の電極4、5
からの信号の外部への取り出しを行なうために金属製の
コネクタが用いられるが、場合によっては電圧の印加
や、信号の取り出しはNi等の金属ピンをパッド部にロ
ウ付けして用いられることもある。
Further, in the oxygen sensor element of the present invention, as shown in the schematic plan view of FIG. 1, the sensor portion 1 and the heater portion 2 are formed near the tip portion of the solid electrolyte substrate 3, and the substrate 3
A pair of electrode pads 11 connected to the measurement electrode 5 and the reference electrode 4 via leads 10 are formed on the surface near the rear end portion. Then, the electrode pad 11 is appropriately applied with electric power to the platinum heater 8 and the electrodes 4, 5 of the sensor section 1 are appropriately applied.
A metal connector is used to take out a signal from the outside to the outside, but in some cases, a voltage is applied or a signal is taken out by brazing a metal pin such as Ni to a pad portion. is there.

【0023】本発明によれば、素子の小型化とともに優
れたガス応答性を図る上で、測定電極5の電極面積が8
〜18mm2であり、測定電極5を形成した部分の幅
が、2.0〜3.5mmであることが重要である。これ
は、測定電極5の面積が8mm 2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, the device is miniaturized and excellent
The electrode area of the measuring electrode 5 is 8
~ 18 mm2And the width of the portion where the measurement electrode 5 is formed
However, it is important that it is 2.0 to 3.5 mm. this
Has an area of the measuring electrode 5 of 8 mm 2Less than or
If the element width is smaller than 2 mm, the element itself becomes smaller
Since the temperature of the element does not rise in the engine,
The answer is poor. 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. Measurement electrode surface
The product is 10 to 15 mm2, The width of the element is 2.
The range of 8 to 3.2 mm is particularly excellent.

【0024】本発明の酸素センサ素子においては、素子
の長手方向に対して直交する方向の幅が、後端部から先
端部に向かって連続的、または段階的に小さくすること
が望ましい。具体的には、図3(a)に示すように、素
子の先端部から後端部にわたって連続して幅が大きくな
るように、言い換えれば幅が広くなるようなもの、図3
(b)に示すように、先端部から後端部の間で段差部v
を境に素子の幅が広くなるようなもの、図3(c)に示
すように、先端部から後端部の間でテーパ部pを設け、
部分的に連続して幅が広くなるもの等が挙げられる。
In the oxygen sensor element of the present invention, it is desirable that the width in the direction orthogonal to the longitudinal direction of the element be reduced continuously or stepwise from the rear end portion to the front end portion. Specifically, as shown in FIG. 3A, the width of the element is continuously increased from the front end portion to the rear end portion, in other words, the width is widened.
As shown in (b), a stepped portion v is formed between the front end portion and the rear end portion.
The width of the element becomes wider at the boundary, as shown in FIG. 3C, a tapered portion p is provided between the front end portion and the rear end portion,
Examples thereof include those that are partially continuously widened.

【0025】このように、電極パッド11が設けられる
部分の幅を広くし、電極パッド11を形成している部分
の幅Lを素子先端部の幅wよりも大きくすることによっ
て、センサ部の小型化とともに、電極パッド11にコネ
クタや金属ピンなどを容易に且つ強固に取り付けること
ができる。
As described above, the width of the portion where the electrode pad 11 is provided is widened, and the width L of the portion where the electrode pad 11 is formed is made larger than the width w of the tip of the element. With this, the connector and the metal pin can be easily and firmly attached to the electrode pad 11.

【0026】本発明によれば、測定電極5の面積および
素子の幅を上記の範囲に制御することによって、ヒータ
による急速昇温性を高め、センサによるガス応答性を改
善することができる。
According to the present invention, by controlling the area of the measuring electrode 5 and the width of the element within the above range, it is possible to enhance the rapid temperature rise property by the heater and improve the gas responsiveness by the sensor.

【0027】一方、電極パッド11が形成される後端部
における最大幅は、3.7〜6mm、特に4.0〜5m
mであることが適当である。
On the other hand, the maximum width at the rear end where the electrode pad 11 is formed is 3.7 to 6 mm, especially 4.0 to 5 m.
Suitably m.

【0028】また、ヒータ部2の構造として、通常、図
2に示すように、発熱体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。
Further, as the structure of the heater portion 2, as shown in FIG. 2, the heating elements 8 may be usually formed in the same plane. The shape of the pattern is very constrained.

【0029】そこで、図1に示す通り、ヒータ部2の長
手方向に対して直交する方向の断面における一対の発熱
体8をセラミック絶縁層7aを介して形成すると、ヒー
タ部の小型化を図ることができる。
Therefore, as shown in FIG. 1, by forming a pair of heating elements 8 in a cross section in a direction orthogonal to the longitudinal direction of the heater section 2 via the ceramic insulating layer 7a, the size of the heater section can be reduced. You can

【0030】より具体的には、図4の発熱体パターンの
構造を説明する概略透過図に示すように、長尺状のセラ
ミック絶縁層7内において、一端側からリード8a1が
長手方向に伸び、セラミック絶縁層7の他端部付近のセ
ンサ部1の電極形成部と対向する部分に発熱部8b1が
形成され、素子の他端部で折り返された後、発熱部8b
2を経由してリード8a2に接続されている。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7aを貫通するビア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 transmission diagram for explaining the structure of the heating element pattern of FIG. 4, the lead 8a1 extends in the longitudinal direction from one end side in the elongated ceramic insulating layer 7. A heat generating portion 8b1 is formed near the other end of the ceramic insulating layer 7 in a portion facing the electrode forming portion of the sensor portion 1, and after being folded back at the other end of the element, the heat generating portion 8b is formed.
2 to the lead 8a2. 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 have the other end such as the via 8c penetrating the ceramic insulating layer 7a. It is electrically connected by the connecting body.

【0031】図4の発熱体パターンは、ミアンダ構造
(波形)のパターンから構成され、発熱体の幅をxとし
た場合、図4のミアンダ構造では、発熱体8の幅xは、
その波形の最大振幅に相当する。この発熱部8b1、8
b2がそれぞれ所定の幅xを有する場合、一般に、これ
らを同一平面内に形成すると、素子全体の幅wは、発熱
部8b1、8b2を絶縁層7内に埋設するためのしろ部
分や発熱体8b1、8b2間のショートを防止するため
に、素子全体の幅wは、w≧3x程度は必要となる。
The heating element pattern of FIG. 4 is composed of a meander structure (waveform) pattern. When the width of the heating element is x, the width x of the heating element 8 in the meander structure of FIG.
It corresponds to the maximum amplitude of the waveform. The heat generating parts 8b1 and 8
In the case where each of b2 has a predetermined width x, generally, when they are formed in the same plane, the width w of the entire element is such that a margin for embedding the heat generating portions 8b1 and 8b2 in the insulating layer 7 and the heat generating element 8b1. , 8b2 to prevent a short circuit between them, the width w of the entire element needs to be w ≧ 3x.

【0032】これに対して、発熱部8b1、8b2をそ
れぞれ異なる層間に形成すると、平面的にみて、発熱部
8b1、8b2が重なっていてもセラミック絶縁層7a
によって絶縁性が保たれているために、図1および図2
に示したように、素子全体の幅wは、3xよりも小さく
できる。特に小型化を図る上で、w≦2.5x、さらに
はw≦2.3xを満足することが望ましい。
On the other hand, when the heat generating portions 8b1 and 8b2 are formed between different layers, the ceramic insulating layer 7a is formed even if the heat generating portions 8b1 and 8b2 are overlapped in plan view.
1 and 2 because the insulation is maintained by
As shown in, the width w of the entire device can be smaller than 3x. In particular, in order to reduce the size, it is preferable that w ≦ 2.5x, and further, w ≦ 2.3x be satisfied.

【0033】なお、上下の発熱部8a1、8b2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、特に5〜100μm、さらには、
5〜50μmが好ましい。
The thickness of the ceramic insulating layer 7a between the upper and lower heat generating portions 8a1 and 8b2 is 1 to 300 μm, particularly 5 to 100 μm, from the viewpoint of electrical insulation.
It is preferably 5 to 50 μm.

【0034】なお、図4の例では、発熱体8は、素子の
長手方向に直交する方向で折り返しを有するミアンダ
(波形)形パターンからなるものであったが、この発熱
体パターンは、これに限定されるものではなく、例え
ば、図5の発熱体のパターン図に示すように、素子の長
手方向で折り返しを有するミアンダ形パターンであって
もよい。
In the example shown in FIG. 4, the heating element 8 has a meander (corrugated) shape pattern having folds in a direction orthogonal to the longitudinal direction of the element. For example, as shown in the pattern diagram of the heating element in FIG. 5, the meandering pattern may be folded in the longitudinal direction of the element.

【0035】さらに、本発明によれば、前記図3(c)
の酸素センサ素子を用いて、例えば、図6に示すよう
に、酸素センサ素子をホルダーに取り付ける場合の取り
付け治具12をテーパ部pの部分に取り付けることがで
きる。
Further, according to the present invention, the structure shown in FIG.
Using the oxygen sensor element of No. 2, for example, as shown in FIG. 6, the mounting jig 12 for mounting the oxygen sensor element on the holder can be mounted on the tapered portion p.

【0036】また、本発明においては、発熱体8の長手
方向の単位長さ当たりの発熱量を両端部よりも中央部を
低くすることが重要である。これは、上記のように素子
の小型化に伴い、測定電極の面積が小さくなった場合、
発熱体8による加熱によって測定電極5の表面の温度分
布のバラツキが発生しやすくなる。発熱体による熱の引
けが発生しても、測定電極の面積が大きい場合には均熱
部分が大きいものの、測定電極の面積が小さい場合に
は、測定電極の中央部が両端部よりも温度が高くなりや
すく、その両端部では熱引けによって低温化しやすく、
測定電極5内で温度分布のバラツキが発生しやすくな
る。
Further, in the present invention, it is important that the amount of heat generated per unit length in the longitudinal direction of the heating element 8 is lower in the central portion than in both end portions. This is because when the area of the measurement electrode becomes smaller due to the miniaturization of the element as described above,
Due to the heating by the heating element 8, variations in the temperature distribution on the surface of the measuring electrode 5 are likely to occur. Even if heat shrinkage occurs due to the heating element, the soaking area is large when the area of the measuring electrode is large, but when the area of the measuring electrode is small, the temperature of the central portion of the measuring electrode is lower than that of both ends. It tends to be high, and at both ends it is easy to lower the temperature by heat sink,
Variations in temperature distribution are likely to occur in the measuring electrode 5.

【0037】本発明によれば、かかる問題に対して、発
熱パターンにおける中央部の発熱量を両端部よりも低く
することによって、言い換えれば、両端部の発熱量を中
央部よりも高くすることによって、測定電極5表面の均
熱化を図ることができる結果、活性化時間を短縮するこ
とができる。
According to the present invention, in order to solve the above problem, the heat generation amount in the central portion of the heat generation pattern is made lower than that in both end portions, in other words, the heat generation amount in both end portions is made higher than that in the central portion. As a result, the temperature of the surface of the measurement electrode 5 can be soaked, so that the activation time can be shortened.

【0038】発熱体8の長手方向の単位長さ当たりの発
熱量を両端部よりも中央部を低くするには、図7に示す
ように、具体的には、発熱体8を長手方向に進行するミ
アンダ状のパターンによって形成し、該パターンを長手
方向に均等に3分割した時、中央部に位置する部分の一
山の内側面積(図7(c)の斜線部)をY1、両端部に
位置する部分の一山の内側面積(図7(a)の斜線部)
をY2とした時、Y1>Y2となるようにパターンを形
成する。特に、前記Y1、Y2とは、Y1/Y2が1.
1〜1.5であることが適当である。即ち、一山の内側
面積が大きいほど発熱量が小さくなることを意味してい
る。
In order to lower the amount of heat generated per unit length in the longitudinal direction of the heating element 8 in the central portion from both ends, as shown in FIG. 7, specifically, the heating element 8 is advanced in the longitudinal direction. When the pattern is formed by a meander-shaped pattern, and the pattern is equally divided into three in the longitudinal direction, the inner area of one mountain located in the central portion (hatched portion in FIG. 7C) is Y1, and both ends are Inner surface area of the mountain where it is located (shaded area in Figure 7 (a))
Is defined as Y2, the pattern is formed so that Y1> Y2. In particular, Y1 / Y2 means that Y1 / Y2 is 1.
A value of 1 to 1.5 is suitable. That is, it means that the larger the inner area of one mountain, the smaller the amount of heat generation.

【0039】また、かかるパターンを言い変えるなら
ば、中央部に位置する部分の振幅v2が両端部に位置す
る部分の振幅v1、v3よりも大きいといえる。
In other words, the amplitude v2 of the central portion is larger than the amplitudes v1 and v3 of the central portions.

【0040】また、他の構造としては、図5の発熱体の
パターン図に示すように、素子の長手方向で折り返しを
有するミアンダ形パターンの場合には、図8に示すよう
に、中央部の線幅を両端部よりも太くすることによっ
て、中央部の発熱量を低減することができる。
As another structure, as shown in the pattern diagram of the heating element of FIG. 5, in the case of a meander type pattern having a turn back in the longitudinal direction of the element, as shown in FIG. By making the line width thicker than both ends, it is possible to reduce the heat generation amount in the central portion.

【0041】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、Sc2
3、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の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。
The solid electrolyte used in the oxygen sensor element of the present invention is made of a ceramic containing ZrO 2 , and Y 2 O 3 and Yb 2 O 3 , Sc 2 are used as stabilizers.
Partially stabilized ZrO 2 or stabilized containing 1 to 30 mol%, preferably 3 to 15 mol% of rare earth oxide such as O 3 , Sm 2 O 3 , Nd 2 O 3 , and Dy 2 O 3 in terms of oxide. ZrO 2
Is used. Further, 1 to 20 of Zr in ZrO 2
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.

【0042】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
動作時における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10〜3
0体積%の割合で上記電極4、5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4、5の厚さは、3〜20μm、特に5〜1
0μmが好ましい。
The reference electrode 4 and the measuring 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, the purpose of preventing the particle growth of the metal in the electrode during sensor operation, the platinum particles, the solid electrolyte and the gas related to the response,
For the purpose of increasing the number of contacts at the so-called three-phase interface, the above-mentioned ceramic solid electrolyte component is contained in an amount of 1 to 50% by volume, particularly 10 to 3%.
You may mix in the said electrodes 4 and 5 in the ratio of 0 volume%.
Further, the electrode shape may be square or elliptical.
The thickness of the electrodes 4 and 5 is 3 to 20 μm, and particularly 5 to 1
0 μm is preferable.

【0043】一方、発熱体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における一対のヒータ間の電気絶縁性を悪くするた
め酸化物重量換算で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。
On the other hand, it is desirable that the ceramic insulating layer 7 in which the heating element 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. On this occasion,
In order to improve the sinterability, the total of Mg, Ca and Si is 1 to
The content of alkali metals such as Na and K may be 10% by mass, but the content of alkali metals such as Na and K is 50 ppm or less in terms of oxide weight in order to migrate and deteriorate the electrical insulation between the pair of heaters in the heater part 2. It is desirable to control to. Further, 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.

【0044】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。特に、多孔質層6の
厚さとしては気孔率にもよるが、100〜500μmが
適当である。
The ceramic porous layer 6 formed on the surface of the measuring electrode 5 is selected from the group consisting of zirconia, alumina, γ-alumina and spinel having a thickness of 10 to 800 μm and a porosity of 10 to 50%. It is desirable to be formed of at least one kind. In particular, the thickness of the porous layer 6 is preferably 100 to 500 μm, though it depends on the porosity.

【0045】ヒータ部2におけるセラミック絶縁層7内
に埋設された発熱体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、発熱体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。
The heating element 8 and the leads 8a1 and 8a2 embedded in the ceramic insulating layer 7 of the heater portion 2 are
As the metal, platinum alone or an alloy of platinum and one kind selected from the group of rhodium, palladium and ruthenium can be used. In this case, the heating element 8 and the lead 8a1,
The resistance ratio of 8a2 is preferably controlled in the range of 9: 1 to 7: 3 at room temperature.

【0046】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 1.5 mm.
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.

【0047】さらに、本発明によれば、素子の先端部を
半径が100mm以下の曲面によって形成するか、また
は角部を0.1mm以上のC面加工することによって、
耐熱衝撃性を高めることができる。
Further, according to the present invention, the tip of the element is formed by a curved surface having a radius of 100 mm or less, or the corner is C-face processed by 0.1 mm or more.
The thermal shock resistance can be improved.

【0048】次に、本発明の酸素センサ素子の製造方法
について、図3(b)の酸素センサ素子の製造方法を例
にして図9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. 9 by taking the method of manufacturing the oxygen sensor element of FIG. 3 (b) as an example.

【0049】まず、固体電解質のグリーンシート13を
作製する。このグリーンシート13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、さらにはパンチング等によって図7のような
先端部の幅が後端部から先端部に向かって段階的に小さ
いグリーンシートを作製する。
First, the solid electrolyte green sheet 13 is prepared. This green sheet 13 is obtained by, for example, appropriately adding a molding organic binder to a ceramic solid electrolyte powder having oxygen ion conductivity of zirconia, a doctor blade method, an extrusion molding, or a hydrostatic molding (rubber press). Alternatively, a green sheet is manufactured by a known method such as press forming, and further, by punching or the like, a green sheet in which the width of the front end is gradually reduced from the rear end toward the front end as shown in FIG.

【0050】次に、上記のグリーンシート13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14やリードパターン15や電極パッドパターン16
やスルーホール(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17を形成したグリーンシート1
8およびグリーンシート19をアクリル樹脂や有機溶媒
などの接着材を介在させるか、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1の
積層体Aを作製する。
Next, on both surfaces of the green sheet 13, the pattern 14, the lead pattern 15 and the electrode pad pattern 16 which will be the measurement electrode 5 and the reference electrode 4, respectively.
Or a through hole (not shown) is formed by, for example, using a conductive paste containing platinum by a slurry dip method, screen printing, pad printing, or roll transfer, and then an air introduction hole 17 is formed in the green sheet 1
8 and the green sheet 19 are made to interpose an adhesive such as an acrylic resin or an organic solvent, or are mechanically adhered while applying pressure with a roller or the like to produce the laminated body A of the sensor unit 1.

【0051】なお、この時に測定電極5となるパターン
14の表面には、図1の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。
At this time, a porous slurry for forming the ceramic porous layer 6 shown in FIG. 1 may be applied by printing on the surface of the pattern 14 to be the measuring electrode 5.

【0052】次に、図9に示すようにジルコニアグリー
ンシート20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21aを形
成する。
Next, as shown in FIG. 9, a paste made of alumina powder is printed on the surface of the zirconia green sheet 20 by a slurry dip method, screen printing, pad printing or roll transfer to form a ceramic insulating layer 21a.

【0053】次に、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21aの表面に、図7、図8に示すよう
な下側のヒータパターン22aおよびリードパターン2
3a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21bを形成し、そ
のセラミック絶縁層21bの表面に上側のヒータパター
ン22bおよびリードパターン23b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
21c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。
Next, as shown in FIG. 1, when the platinum heaters are vertically formed with the ceramic insulating layer interposed therebetween, first, the lower surface as shown in FIGS. 7 and 8 is formed on the surface of the ceramic insulating layer 21a. Heater pattern 22a and lead pattern 2
3a is applied by printing. Then, an insulating paste such as alumina is applied to form the ceramic insulating layer 21b, and the upper heater pattern 22b and the lead pattern 23b are printed and applied on the surface of the ceramic insulating layer 21b.
Then, the ceramic insulating layer 21c is printed again using the insulating paste to produce the laminated body B of the heater unit 2.

【0054】この際、下側のヒータパターン22aと上
側ヒータパターン22bとを接続するためには、セラミ
ック絶縁層21bを形成した後に、セラミック絶縁層2
1bに表面から下側のヒータパターンに至る貫通孔を形
成し、上側ヒータパターンを形成するときに、この貫通
孔内に導電性ペーストを充填してビア導体24を形成す
る。または、下側のヒータパターン22aの一部が露出
するようにセラミック絶縁層21b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上下の
ヒータパターンを接続し、一本に繋がった発熱体を形成
することができる。
At this time, in order to connect the lower heater pattern 22a and the upper heater pattern 22b, after forming the ceramic insulating layer 21b, the ceramic insulating layer 2 is formed.
A through hole extending from the surface to the lower heater pattern is formed in 1b, and when forming the upper heater pattern, a conductive paste is filled in the through hole to form the via conductor 24. Alternatively, the front end of the ceramic insulating layer 21b is cut out so that a part of the lower heater pattern 22a is exposed, and a conductive paste is applied to the cutout to connect the upper and lower heater patterns to each other. A connected heating element can be formed.

【0055】また、ジルコニアシート20の下面には、
ヒータ用電極パッドパターン25を前記導電性ペースト
を用いて印刷塗布し、ヒータ用リードパターン23a、
23bとは、ビア導体24と同様にして形成されたビア
導体26によって電気的に接続する。
On the lower surface of the zirconia sheet 20,
The heater electrode pad pattern 25 is applied by printing using the conductive paste, and the heater lead pattern 23a,
23b is electrically connected by a via conductor 26 formed in the same manner as the via conductor 24.

【0056】なお、上記のヒータ部の積層体B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。
In producing the laminated body B of the heater portion, the ceramic insulating layers 18a, 18b, 18c are used.
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.

【0057】この後、センサ部の積層体Aとヒータ部の
積層体Bをアクリル樹脂や有機溶媒などの接着材を介在
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。
Thereafter, the laminated body A of the sensor portion and the laminated body B of the heater portion are made to interpose an adhesive such as an acrylic resin or an organic solvent, or they are mechanically adhered while applying pressure with a roller or the like. After they are bonded and integrated with each other, they are fired. The firing is performed in the air or an inert gas atmosphere at a temperature range of 1300 ° C to 1700 ° C for 1 to 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.

【0058】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 stress due to the difference in thermal expansion coefficient between the two, 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.

【0059】その後、必要に応じて、焼成後の測定電極
14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 14 after firing by a plasma spraying method or the like, whereby the heater portion is integrated. An oxygen sensor element can be formed.

【0060】なお、上記の方法では、ヒータ部はセンサ
部と同時焼成して形成した場合について説明したが、セ
ンサ部とヒータ部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着材で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 portion and the sensor portion are simultaneously fired has been described. However, after the sensor portion and the heater portion are fired separately, a suitable inorganic adhesive such as glass is used. It is also possible to integrate them by joining them with a material.

【0061】[0061]

【実施例】図1に示すλセンサを、図9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.

【0062】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
イットリアを含むジルコニアを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 containing yttria in a crystal and a platinum powder containing 20% by volume of alumina powder were prepared.

【0063】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13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 zirconia green sheet having a thickness after sintering of 0.4 mm was obtained by extrusion molding. 13 was produced.

【0064】その後、グリーンシート13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14、リードパター
ン15および電極パッドパターン16を印刷形成した
後、大気導入孔17を形成したグリーンシート18、お
よびグリーンシート19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6〜30mm2となるように面積を変化させた。
Then, a conductive paste containing platinum powder is screen-printed on both surfaces of the green sheet 13 to form the measurement electrode and reference electrode patterns 14, the lead patterns 15 and the electrode pad patterns 16, and then the atmosphere. A green sheet 18 having the introduction hole 17 formed therein and a green sheet 19 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 6 to 30 mm 2 after firing.

【0065】次に、ジルコニアグリーンシート20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21a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22
aおよびリードパターン23a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焼成後の厚み
が25μmとなるようにセラミック絶縁層21bを形成
した。この後、さらに他方のヒータパターン22bおよ
びヒータリード23bおよびグリーンシート20の下面
にヒータ電極パッド25を、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、さらにもう
一度セラミック絶縁層21c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2
2a、22b間はセラミック絶縁層21bに形成したビ
ア導体24によって、またヒータリード23a,23b
とヒータ電極パッド25とはセラミック絶縁層20、2
1a、21bに形成したビア導体26によって接続し
た。
Next, the surface of the zirconia green sheet 20 is screen-printed with the above-mentioned paste made of alumina powder to burn the ceramic insulating layer 21a, and then the ceramic insulating layer 21a is burned to about 10 μm.
m, and then one heater pattern 22
a and the lead pattern 23a 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 have a thickness of 25 μm after firing. The ceramic insulating layer 21b was formed so that. Thereafter, the heater electrode pad 25 is printed on the lower surface of the other heater pattern 22b, the heater lead 23b, and the green sheet 20 by screen printing using a conductive paste containing platinum, and the ceramic insulating layer 21c is formed again. By forming, the laminated body B for heater parts was produced. The heater pattern 2
The space between 2a and 22b is formed by the via conductor 24 formed in the ceramic insulating layer 21b, and the heater leads 23a and 23b.
And heater electrode pad 25 are ceramic insulating layers 20, 2
Connection was made by via conductors 26 formed in 1a and 21b.

【0066】この後、前述の製造方法に従いセンサ部用
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wが1.
8〜3.8mm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。なお、各酸素センサ素子
のセンサ用の電極パッドおよびヒータ用電極パッドを形
成する部分の素子の幅は、すべて5mmとし、パッドの
形成幅Lは4.5mmとした。
Thereafter, the laminated body A for the sensor portion and the laminated body B for the heater portion are joined according to the above-described manufacturing method, and the laminated body of the heater integrated sensor element is fired at 1500 ° C. for 1 hour to form the heater integrated sensor element. 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 w is 1.
A theoretical air-fuel ratio type (λ type) heater integrated oxygen sensor element of 8 to 3.8 mm was produced. The width of each element of the oxygen sensor element where the sensor electrode pad and the heater electrode pad are formed was 5 mm, and the pad formation width L was 4.5 mm.

【0067】さらに、各センサ用の電極パッドおよびヒ
ータ用電極パッドにNiからなる金属ピンをロウ付けし
酸素センサ素子を作製した。
Further, a metal pin made of Ni was brazed to the electrode pad for each sensor and the electrode pad for the heater to manufacture an oxygen sensor element.

【0068】この後、作製した酸素センサ素子に対し
て、発熱体に対して12Vの電圧を印加し、測定電極の
表面の温度が一定となったところで、測定電極の中央
部、両端部における中心部に熱電対を用いて温度を測定
した。そして、中央部における温度T1と両端部の温度
T2,T3との最大差T1−(T2 or T3)を表
1に示した。
Thereafter, a voltage of 12 V was applied to the heating element with respect to the produced oxygen sensor element, and when the temperature of the surface of the measuring electrode became constant, the center of the measuring electrode and the center of both ends were measured. The temperature was measured using a thermocouple on the part. Table 1 shows the maximum difference T1- (T2 or T3) between the temperature T1 at the center and the temperatures T2 and T3 at both ends.

【0069】また、酸素センサ素子に対して、水素、メ
タン、窒素、酸素の混合ガスを用いて空燃比が11と2
3の混合ガスを0.5秒間隔で交互にセンサ素子に吹き
付けながら、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10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11で0.6Vを示し、次に空燃比23で0.3V
を示すまでの時間tを素子の活性化時間とした。
Further, for the oxygen sensor element, a mixed gas of hydrogen, methane, nitrogen and oxygen was used, and the air-fuel ratio was set to 11 and 2.
12 V was applied to the heater of the element while alternately spraying the mixed gas of 3 onto the sensor element at intervals of 0.5 seconds, and the activation time of the element was measured. At this time, as shown in FIG. 10, the time when the voltage was applied to the heater was set to zero, and the element first showed 0.6 V at an air-fuel ratio of 11, and then 0.3 V at an air-fuel ratio of 23.
The time t required to show is defined as the activation time of the device.

【0070】[0070]

【表1】 [Table 1]

【0071】表1の結果より、素子の大きさにおいて
は、素子の測定電極の面積が8〜20mm2、素子の幅
が2〜3.5mmの範囲とし、さらに発熱体における発
熱量を中央部を両端部より小さくすることによって、測
定電極における中央部と両端部との温度差を±3℃以内
とすることができ、その結果、活性化時間を10秒以下
と小型な素子であり且つ優れた特性を有するセンサ素子
を得ることができた。
From the results shown in Table 1, the size of the element is such that the area of the measuring electrode of the element is 8 to 20 mm 2 and the width of the element is 2 to 3.5 mm. Is smaller than both ends, the temperature difference between the central part and both ends of the measuring electrode can be kept within ± 3 ° C., and as a result, the activation time is 10 seconds or less, which is a small element and excellent. It was possible to obtain a sensor element having excellent characteristics.

【0072】また、本発明の酸素センサ素子は、いずれ
もなんら支障なく電極パッドに金属ピンを取り付けるこ
とが可能であった。
Further, in any of the oxygen sensor elements of the present invention, metal pins could be attached to the electrode pads without any trouble.

【0073】[0073]

【発明の効果】以上詳述したとおり、本発明によれば、
測定電極の電極面積および測定電極形成部の幅を特定範
囲に制御するとともに、発熱体の長手方向の単位長さ当
たりの発熱量を両端部よりも中央部を低くすることによ
って、素子の小型化とともに測定電極表面での均熱化を
図ることができる結果、素子の活性化時間を短縮でき、
ガス応答性に優れた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,
Miniaturization of the element by controlling the electrode area of the measurement electrode and the width of the measurement electrode formation part to a specific range and lowering the heat generation amount per unit length in the longitudinal direction of the heating element from the center part rather than at both ends. At the same time, the temperature of the measuring electrode surface can be equalized, and as a result, the activation time of the element can be shortened,
It is possible to provide an oxygen sensor element having excellent gas responsiveness.

【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】本発明における酸素センサ素子の概略平面図で
ある。
FIG. 3 is a schematic plan view of an oxygen sensor element according to the present invention.

【図4】本発明における発熱体パターンの構造を説明す
るための概略斜視図である。
FIG. 4 is a schematic perspective view for explaining the structure of a heating element pattern in the present invention.

【図5】本発明における発熱体パターンの他の構造を説
明するための概略斜視図である。
FIG. 5 is a schematic perspective view for explaining another structure of the heating element pattern according to the present invention.

【図6】本発明の酸素センサ素子の応用例を説明するた
めの概略斜視図である。
FIG. 6 is a schematic perspective view for explaining an application example of the oxygen sensor element of the present invention.

【図7】本発明の酸素センサ素子における発熱体パター
ンの一例を示すもので、(a)が全体パターン、(b)
が両端部、(c)が中央部の拡大図である。
FIG. 7 shows an example of a heating element pattern in the oxygen sensor element of the present invention, where (a) is the overall pattern and (b) is a pattern.
Is an enlarged view of both end portions and (c) is a central portion.

【図8】本発明の酸素センサ素子における発熱体パター
ンの他の例を示すものである。
FIG. 8 shows another example of a heating element pattern in the oxygen sensor element of the present invention.

【図9】図3(b)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。
FIG. 9 is an exploded perspective view for explaining the method for manufacturing the oxygen sensor element of FIG. 3 (b).

【図10】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. 10 is a graph for explaining a method for measuring activation time.

【図11】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. 11 is a schematic cross-sectional view for explaining the structure of a conventional heater-integrated oxygen sensor element.

【図12】従来のヒータ一体型酸素センサ素子の他の構
造を説明するための(a)概略断面図、(b)概略平面
図である。
FIG. 12 is (a) a schematic cross-sectional view and (b) a schematic plan view for explaining another structure of a 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 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 発熱体 9 セラミック保温層 1 sensor 2 heater part 3 Solid electrolyte 4 Reference electrode 5 measuring electrodes 6 Ceramic porous layer 7 Ceramic insulation layer 8 heating element 9 Ceramic insulation layer

Claims (8)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】長尺状の固体電解質基板の先端部付近にお
ける対向する両面に、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と、セラミック絶縁層内部
に長手方向に沿って発熱体を配設してなるヒータ部を具
備してなり、前記基板の後端部付近の表面に一対の電極
パッドを形成してなる酸素センサ素子において、前記測
定電極の電極面積が8〜18mm2、前記測定電極形成
部の長手方向に対して直交する方向の幅が2.0〜3.
5mmであり、且つ前記発熱体の長手方向の単位長さ当
たりの発熱量を両端部よりも中央部を低くしたことを特
徴とする酸素センサ素子。
1. A sensor portion having a measuring electrode and a reference electrode made of platinum respectively provided on opposite surfaces of a long solid electrolyte substrate in the vicinity of a front end portion thereof, and heat generation along a longitudinal direction inside a ceramic insulating layer. In an oxygen sensor element comprising a heater part having a body and a pair of electrode pads formed on the surface near the rear end of the substrate, the electrode area of the measurement electrode is 8 to 18 mm 2. , The width in the direction orthogonal to the longitudinal direction of the measurement electrode forming portion is 2.0 to 3.
An oxygen sensor element having a length of 5 mm and a heat generation amount per unit length in the longitudinal direction of the heating element is lower in the central portion than in both end portions.
【請求項2】前記発熱体が長手方向に進行するミアンダ
状のパターンからなり、該パターンを長手方向に均等に
3分割した時、中央部に位置する部分の一山の内側面積
をY1、両端部に位置する部分の一山の内側面積をY2
とした時、Y1>Y2であることを特徴とする請求項1
記載の酸素センサ素子。
2. The heating element is composed of a meandering pattern that advances in the longitudinal direction, and when the pattern is divided into three even parts in the longitudinal direction, the inner area of one mountain located in the central portion is Y1, and both ends are Y2 for the inner area of one mountain
When it is set, it is Y1> Y2, It is characterized by the above-mentioned.
The oxygen sensor element described.
【請求項3】前記発熱体パターンの前記中央部における
一山の内側面積Y1、両端部における一山の面積Y2に
よるY1/Y2が1.1〜1.5であることを特徴とす
る請求項2記載の酸素センサ素子。
3. The area Y1 of one mountain in the central portion of the heating element pattern, and the area Y2 of one mountain in both ends Y1 / Y2 is 1.1 to 1.5. 2. The oxygen sensor element according to 2.
【請求項4】前記発熱体が長手方向に進行するミアンダ
パターンからなり、該パターンを長手方向に均等に3分
割した時、中央部に位置する部分の振幅が両端部に位置
する部分の振幅よりも大きいことを特徴とする請求項1
記載の酸素センサ素子。
4. The heating element is composed of a meander pattern that advances in the longitudinal direction, and when the pattern is equally divided into three parts in the longitudinal direction, the amplitude of the portion located at the central portion is greater than the amplitude of the portions located at both end portions. Claim 1 is also large.
The oxygen sensor element described.
【請求項5】前記ヒータ部において、一対の発熱体がセ
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1乃至請求項4記載のいずれか記載の酸
素センサ素子。
5. The oxygen sensor element according to claim 1, wherein in the heater portion, a pair of heating elements are vertically formed with a ceramic insulating layer interposed therebetween.
【請求項6】素子の長手方向に対して直行する方向の幅
が、後端部から先端部に向かって連続的、または段階的
に小さくなっており、前記一対の電極パッドの形成幅
が、前記測定電極形成部の幅よりも大きいことを特徴と
する請求項1乃至請求項5のいずれか記載の酸素センサ
素子。
6. The width of the element in a direction perpendicular to the longitudinal direction is reduced continuously or stepwise from the rear end portion to the front end portion, and the formation width of the pair of electrode pads is The oxygen sensor element according to any one of claims 1 to 5, wherein the oxygen sensor element has a width larger than a width of the measurement electrode forming portion.
【請求項7】前記センサ部と前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1乃至請求項
6のいずれか記載の酸素センサ素子。
7. The oxygen sensor element according to claim 1, wherein the sensor portion and the front heater portion are formed by simultaneous firing.
【請求項8】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1乃至請求項6のいずれ
か記載の酸素センサ素子。
8. The sensor part and the heater part are formed separately from each other, and are then bonded and integrated by a bonding material. Oxygen sensor element.
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JP2011232291A (en) * 2010-04-30 2011-11-17 Tdk Corp Gas sensor
CN111886494A (en) * 2018-03-23 2020-11-03 兴亚株式会社 Gas sensor and method for manufacturing the same
CN111886494B (en) * 2018-03-23 2024-06-04 兴亚株式会社 Gas sensor and method for manufacturing the same

Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US7887684B2 (en) 2005-07-06 2011-02-15 Ngk Spark Plug Co., Ltd. Lamination-type gas sensor element and gas sensor
JP2011232291A (en) * 2010-04-30 2011-11-17 Tdk Corp Gas sensor
CN111886494A (en) * 2018-03-23 2020-11-03 兴亚株式会社 Gas sensor and method for manufacturing the same
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