JP2003344348A - Oxygen sensor element - Google Patents
Oxygen sensor elementInfo
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Abstract
Description
【0001】[0001]
【発明の属する技術分野】本発明は、板状の酸素センサ
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 a plate-shaped oxygen sensor element.
【0002】[0002]
【従来技術】近年、環境問題がクローズアップされ、各
業界にて地球環境を最優先とする取り組みがなされてい
る。とりわけ、自動車業界においては、排ガス規制に代
表されるように年々、排気ガス中のCO2、CO、H
C、NOx量を低減していくことが求められている。そ
の中で、更なる排ガス中の上記ガスを低減するために
は、熱機関の内部で燃料を効率よく燃焼させてやること
が重要であり、そのためにも排ガス中の残存酸素量を瞬
時に測定し、その情報を燃焼系に速くフィードバックし
てやることができる酸素センサ素子の要望が高まりつつ
ある。2. Description of the Related Art In recent years, environmental problems have been highlighted, and efforts have been made in each industry to prioritize the global environment. Especially, in the automobile industry, as represented by exhaust gas regulations, CO 2 , CO, and H in exhaust gas are changed year by year.
It is required to reduce the amounts of C and NOx. Among them, in order to further reduce the above-mentioned gas in the exhaust gas, it is important to efficiently burn the fuel inside the heat engine, and for that purpose the residual oxygen amount in the exhaust gas is measured instantaneously. However, there is an increasing demand for an oxygen sensor element that can quickly feed back the information to the combustion system.
【0003】このような酸素センサ素子は、これまで排
気ガスの熱を利用して、コップ型の酸素センサ素子を昇
温し、センサ機能を出現させてきた。しかし、センサ機
能が出現するまでの間の、排ガスは垂れ流しの状態にあ
り、昨今の厳しい排ガス規制には対応しきれなくなって
きた。そこで、コップ型の酸素センサ素子の内部にヒー
タを設け、このヒータによって積極的に加熱することに
よって、速くセンサ機能を出現できるようになり、より
レスポンス良く、情報をフィードバックできるようにな
ってきた。しかしながら、コップ型の酸素センサ素子
は、サイズが大きく、しかもセンサ部とヒータとが離間
しているために、より速くセンサ機能を出現させるため
にも限界があった。Such an oxygen sensor element has hitherto used the heat of the exhaust gas to raise the temperature of the cup-type oxygen sensor element and bring out the sensor function. However, exhaust gas is in a state of being discharged until the sensor function appears, and it has become impossible to comply with the recent strict exhaust gas regulations. Therefore, by providing a heater inside the cup-type oxygen sensor element and positively heating by this heater, the sensor function can be made to appear faster, and information can be fed back more responsively. However, since the cup-type oxygen sensor element is large in size and the sensor portion and the heater are separated from each other, there is a limit in making the sensor function appear faster.
【0004】そこで、最近では、板状の酸素センサ素子
と板状のセラミックヒータとを焼成一体化することによ
って、小型化とともに、コップ型より昇温スピードを高
めることができる結果、より速くセンサ機能を出現でき
るようになりつつある。Therefore, recently, by integrating a plate-shaped oxygen sensor element and a plate-shaped ceramic heater by firing, the size can be reduced and the temperature rising speed can be increased as compared with the cup type, resulting in faster sensor function. Is emerging.
【0005】[0005]
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記の
板状酸素センサ素子においては、センサ部を形成するジ
ルコニアなどの固体電解質のセラミックグリーンシート
と、タングステンなどの発熱体を埋設したアルミナなど
のセラミックグリーンシートとを積層密着して、脱脂、
焼成すると、焼成時に反りが発生するという課題があっ
た。また、反りに伴い、製造歩留まりが低下し、セラミ
ック材料、電極材料等を無駄にすることになり、コスト
アップにつながるという課題があった。さらには、昇温
降温の繰り返しによって応力が発生しこれによって従っ
て、本発明の目的は、反りの発生を抑制するとともに、
熱サイクルに対しても優れた耐久性を有する酸素センサ
素子を提供することにある。However, in the above plate-shaped oxygen sensor element, a ceramic green sheet of solid electrolyte such as zirconia forming the sensor portion and a ceramic green such as alumina in which a heating element such as tungsten is embedded. Laminate and adhere to the sheet, degreasing,
When firing, there was a problem that warpage occurred during firing. Further, there is a problem in that the manufacturing yield is reduced due to the warp, the ceramic material, the electrode material, and the like are wasted, which leads to an increase in cost. Further, stress is generated by repeating temperature rising and cooling, and therefore the object of the present invention is to suppress the occurrence of warp and
An object of the present invention is to provide an oxygen sensor element having excellent durability even in heat cycles.
【0006】[0006]
【課題を解決するための手段】本発明によれば、大気導
入孔を有するセラミック固体電解質からなる板状の基体
と、前記大気導入孔の内壁に形成された基準電極と、該
基準電極と対向する基体外表面に形成された測定電極
と、前記基体内部に設けられた第1のセラミック絶縁層
と、該セラミック絶縁層内に設けられた発熱体と、前記
固体電解質からなる基体の前記第1のセラミック絶縁層
と略対称的な位置に設けられた第2のセラミック絶縁層
とを具備する酸素センサ素子によって上記目的が達成で
きる。According to the present invention, a plate-shaped substrate made of a ceramic solid electrolyte having an air introduction hole, a reference electrode formed on the inner wall of the air introduction hole, and a reference electrode facing the reference electrode. The measurement electrode formed on the outer surface of the base body, the first ceramic insulating layer provided inside the base body, the heating element provided inside the ceramic insulating layer, and the first base body made of the solid electrolyte. The above object can be achieved by the oxygen sensor element including the ceramic insulating layer and the second ceramic insulating layer provided in a substantially symmetrical position.
【0007】特に、前記第1のセラミック絶縁層と第2
のセラミック絶縁層の主成分が同じであることが焼成条
件や応力のバランスの調整などが容易である。In particular, the first ceramic insulating layer and the second ceramic insulating layer
When the main components of the ceramic insulating layer are the same, it is easy to adjust the firing conditions and stress balance.
【0008】また、前記第2のセラミック絶縁層の形成
位置が、前記基準電極と前記測定電極との間に挟まれて
おらず、特に前記大気導入孔を形成した部分であること
が、センサ部のセンサ性能に影響を与えることがない。Further, the position where the second ceramic insulating layer is formed is not sandwiched between the reference electrode and the measurement electrode, and particularly the portion where the air introduction hole is formed is the sensor portion. It does not affect the sensor performance of.
【0009】[0009]
【発明の実施の形態】本発明の酸素センサ素子の一例に
ついて、図1の(a)概略平面図と、(b)X−X断面
図をもとに説明する。図1の酸素センサ素子1によれ
ば、板状の固体電解質からなる基体2は一端が封止され
た中空の大気導入孔3が設けられており、その大気導入
孔3の内壁の一部には基準電極4が被着形成され、その
基準電極4と対向する固体電解質基体2の外側表面に
は、被測定ガスと接触する測定電極5が形成されてお
り、センサ部Aを形成している。また、基体2の表面ま
たは大気導入孔3の内壁には、一端が基準電極4や測定
電極5と電気的に接続された電極リード51や電極パッ
ド52が形成されている。BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION An example of the oxygen sensor element of the present invention will be described with reference to FIG. 1 (a) schematic plan view and (b) XX sectional view. According to the oxygen sensor element 1 of FIG. 1, the substrate 2 made of a plate-shaped solid electrolyte is provided with a hollow atmosphere introduction hole 3 whose one end is sealed, and a part of the inner wall of the atmosphere introduction hole 3 is provided. The reference electrode 4 is adhered and formed, and the measurement electrode 5 that comes into contact with the gas to be measured is formed on the outer surface of the solid electrolyte substrate 2 facing the reference electrode 4 to form the sensor portion A. . Further, on the surface of the substrate 2 or on the inner wall of the air introduction hole 3, an electrode lead 51 and an electrode pad 52 whose one end is electrically connected to the reference electrode 4 and the measurement electrode 5 are formed.
【0010】一方、基体2の大気導入孔3の基準電極3
が形成されていない側の基体2の内部には、発熱体6を
内蔵したセラミック絶縁層7が設けられており、この発
熱体6およびセラミック絶縁層7によってヒータ部Bを
形成している。On the other hand, the reference electrode 3 of the air introduction hole 3 of the substrate 2
A ceramic insulating layer 7 containing a heating element 6 is provided inside the base body 2 on which the heating element 6 is not formed, and the heating section 6 and the ceramic insulating layer 7 form a heater portion B.
【0011】本発明においては、発熱体6を内蔵するセ
ラミック絶縁層7と略対称的な位置にセラミック絶縁層
8が設けられている。従来、セラミック絶縁層8を設け
ない場合、発熱体6を内蔵するセラミック絶縁層7は酸
素センサ素子1の大気導入孔3の一方側に形成されるた
めに、セラミック絶縁層7は、酸素センサ素子1全体か
らみると偏った箇所に形成されている。そのために、焼
成時の固体電解質からなる基体2とセラミック絶縁層7
との焼成収縮挙動や、熱膨張係数の違いによって酸素セ
ンサ素子1全体からみると、センサ部Aを形成した付近
とヒータ部Bを形成した付近との間で歪が発生し、この
歪によって反りが発生したり、繰り返し熱サイクルによ
って破損などが発生しやすくなる。In the present invention, the ceramic insulating layer 8 is provided at a position substantially symmetrical to the ceramic insulating layer 7 containing the heating element 6. Conventionally, when the ceramic insulating layer 8 is not provided, the ceramic insulating layer 7 containing the heating element 6 is formed on one side of the air introducing hole 3 of the oxygen sensor element 1, so that the ceramic insulating layer 7 is not formed. When viewed from the whole, it is formed in a biased position. Therefore, the base body 2 and the ceramic insulating layer 7 made of the solid electrolyte during firing are used.
When viewed from the whole of the oxygen sensor element 1 due to the difference in firing shrinkage behavior and the coefficient of thermal expansion, strain occurs between the vicinity where the sensor part A is formed and the vicinity where the heater part B is formed, and this distortion causes warpage. Is likely to occur, and damage is likely to occur due to repeated heat cycles.
【0012】これに対して、セラミック絶縁層8を形成
することによってセラミック絶縁層7によって発生した
歪をセラミック絶縁層8の形成によって発生する歪によ
って互いに相殺することによって、反りの発生や熱サイ
クル時における破損の発生を有効に防止することができ
る。On the other hand, when the ceramic insulating layer 8 is formed, the strains generated by the ceramic insulating layer 7 are canceled by the strains generated by the formation of the ceramic insulating layer 8, so that warpage occurs and thermal cycling occurs. It is possible to effectively prevent the occurrence of breakage in the.
【0013】なお、セラミック絶縁層8を形成する場所
は、セラミック絶縁層7を形成した箇所と略対称的な位
置に形成されるが、略対称的な位置とは、酸素センサ素
子1の断面図における中心線pに対して対称的な位置を
意味するが、例えば、図1(b)に示すように、セラミ
ック絶縁層7が中心線pよりも下側の領域に形成されて
いる場合、セラミック絶縁層8は、中心線pよりも上側
の領域に形成されていればよい。The location where the ceramic insulating layer 8 is formed is substantially symmetrical to the location where the ceramic insulating layer 7 is formed. The substantially symmetrical position is a sectional view of the oxygen sensor element 1. In the case where the ceramic insulating layer 7 is formed in a region lower than the center line p, as shown in FIG. The insulating layer 8 may be formed in a region above the center line p.
【0014】また、本発明によれば、このセラミック絶
縁層8は、発熱体6を内蔵したセラミック絶縁層7と主
成分が同じであることが望ましく、特に実質的に同一組
成物からなることが最も望ましい。これによって両者の
焼成収縮挙動や熱膨張特性が同じまたは近似することに
よって酸素センサ素子1の設計や制御を容易に行なうこ
とができるためである。Further, according to the present invention, it is desirable that the ceramic insulating layer 8 has the same main component as the ceramic insulating layer 7 having the heating element 6 built therein, and in particular, the ceramic insulating layer 8 is made of substantially the same composition. Most desirable. This is because it is possible to easily design and control the oxygen sensor element 1 by making the firing shrinkage behavior and the thermal expansion characteristics of the two the same or similar.
【0015】また、セラミック絶縁層7、8は、発熱体
6を内蔵するために絶縁体であることが必要であるため
に、このセラミック絶縁層8は、測定電極5、基準電極
4間には形成することはできない。そこで、本発明によ
れば、このセラミック絶縁層8を大気導入孔3を形成す
る部分の一部に設けることによってセンサ部Aのセンサ
性能を影響を与えることがないことから最も望ましい。Further, since the ceramic insulating layers 7 and 8 need to be insulators in order to incorporate the heating element 6, the ceramic insulating layer 8 is provided between the measurement electrode 5 and the reference electrode 4. It cannot be formed. Therefore, according to the present invention, since the ceramic insulating layer 8 is provided in a part of the portion where the air introduction hole 3 is formed, the sensor performance of the sensor unit A is not affected, which is most desirable.
【0016】なお、発熱体6を内蔵したセラミック絶縁
層7の全体厚みtは、通常、5〜100μm、特に10
〜50μmであることが望ましく、セラミック絶縁層8
は、セラミック絶縁層7の厚みtに対して0.8t〜
1.5tが適当である。The total thickness t of the ceramic insulating layer 7 containing the heating element 6 is usually 5 to 100 μm, especially 10 μm.
˜50 μm, ceramic insulating layer 8
Is 0.8t to the thickness t of the ceramic insulating layer 7.
1.5t is suitable.
【0017】また、このセラミック絶縁層8は、必ずし
も1層である必要はなく、例えば、図2の概略断面図に
示すように、2層以上の複数の層8a、8bによって形
成することも可能である。かかる場合においても、セラ
ミック絶縁層8a、8bの合計厚みが上記の範囲である
ことが望ましい。Further, the ceramic insulating layer 8 does not necessarily have to be one layer, and may be formed of, for example, a plurality of layers 8a and 8b of two or more layers as shown in the schematic sectional view of FIG. Is. Even in such a case, it is desirable that the total thickness of the ceramic insulating layers 8a and 8b be within the above range.
【0018】上記の図1では、理論空燃比酸素センサ
(λセンサ)について例示したが、本発明は、ワイドレ
ンジセンサ素子に対しても適用される。図3は、その代
表的な構造を説明するための概略断面図である。この図
3の酸素センサ素子によれば、基体2aの対向する面に
基準電極4、測定電極5の電極対が形成され、測定電極
5の上側には基体2bによって空間部10が形成されて
いる。また、この空間部10は、基体2cによって閉塞
されており、この基体2cには、排気ガスを取り込むた
めの0.1〜0.5mmの大きさの拡散孔11が開けら
れている。このような構成によれば、拡散孔11を通過
した排気ガス中の酸素濃度に対応して電極対間に流れる
電流を制御して排気ガス中の空燃比を制御する。Although the theoretical air-fuel ratio oxygen sensor (λ sensor) is illustrated in FIG. 1 above, the present invention is also applicable to a wide range sensor element. FIG. 3 is a schematic cross-sectional view for explaining the typical structure thereof. According to the oxygen sensor element of FIG. 3, the electrode pair of the reference electrode 4 and the measurement electrode 5 is formed on the opposing surfaces of the base 2a, and the space 10 is formed above the measurement electrode 5 by the base 2b. . The space 10 is closed by a base body 2c, and a diffusion hole 11 having a size of 0.1 to 0.5 mm for taking in exhaust gas is formed in the base body 2c. With such a configuration, the air-fuel ratio in the exhaust gas is controlled by controlling the current flowing between the electrode pair according to the oxygen concentration in the exhaust gas that has passed through the diffusion hole 11.
【0019】なお、かかる酸素センサにおいては、基体
2cを挟む両面に一対の電極を形成してこれをポンピン
グセルとして機能させてもよい。In addition, in such an oxygen sensor, a pair of electrodes may be formed on both surfaces sandwiching the base body 2c to function as a pumping cell.
【0020】なお、上記空間部10内には素子の強度を
持たせるため多孔質のセラミックスを充填することもで
きる。また、上記の拡散孔11は、素子上面の他、側面
や先端に形成することもできる。さらには、拡散孔11
は空間内に一定の排気ガスを取り込むための孔として機
能すればよく、そのため、拡散孔11は、多数個の孔で
形成してもよいし、またセラミック多孔質層で形成して
もよい。It should be noted that the space 10 may be filled with porous ceramics in order to give the element strength. Further, the diffusion hole 11 can be formed not only on the upper surface of the element but also on the side surface and the tip. Furthermore, the diffusion hole 11
Need only function as a hole for taking in a certain amount of exhaust gas into the space. Therefore, the diffusion hole 11 may be formed of a large number of holes or may be formed of a ceramic porous layer.
【0021】本発明によれば、図3に示すような酸素セ
ンサ素子においても、発熱体6を内蔵したセラミック絶
縁層7と略対称的な位置にセラミック絶縁層8を形成す
る。この場合、セラミック絶縁層8は、図3に示すよう
に、空間部10を形成する基体2bをセラミック絶縁層
8として置き換えることが望ましい。さらには、大気導
入孔3を形成する基体2dの一部または全部をセラミッ
ク絶縁層8によって置き換えてもよい。
(固体電解質)本発明の酸素センサ素子1において基体
2として用いられる固体電解質は、ZrO2やTiO2な
ど、公知のセラミック固体電解質によって形成できる
が、その性能の点からジルコニア系固体電解質からなる
ことが望ましい。ジルコニア固体電解質は、安定化剤と
して、Y2O3およびYb2O3、Sc2O3、Sm2O3、N
d 2O3、Dy2O3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、酸素イオン導電性が
大きくなり、応答性がさらに改善されるといった効果が
ある。さらに、焼結性を改善する目的で、上記ZrO2
に対して、Al2O3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、Al2O3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)固体電解質基体2の表面または大気導入孔3の
内壁に被着形成される基準電極4、測定電極5、さらに
は電極リード51、電極パッド52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
10〜30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5〜10μmが好ましい。
(セラミック絶縁層)一方、発熱体6を埋設するセラミ
ック絶縁層7やセラミック絶縁層8としては、Al
2O3、ムライト、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く、特にAl2O3セラミックス
が望ましい。上記セラミックス中には、焼結性を改善す
る目的で種々の焼結助剤、例えばAl2O3セラミックス
の場合、Mg、Ca、Siの酸化物を総和で1〜10質
量%含有していてもよいが、このセラミック絶縁層7、
8中において、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B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。
(多孔質層)また、測定電極5の表面には、図1(b)
に示すように、保護のためにセラミック多孔質層9を形
成することが望ましい。このセラミック多孔質層9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9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場
合がある。それに対して、多孔質層9の厚さが800μ
m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9中の拡散速度が遅くなり、電極のガ
ス応答性が悪くなる場合がある。特に、多孔質層9の厚
さとしては気孔率にもよるが、100〜500μmが適
当である。
(ヒータ)ヒータ部Bにおけるセラミック絶縁層7内に
埋設された発熱体6や発熱体6へのリード(図示せず)
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 the present invention, an oxygen cell as shown in FIG.
Also in the sensor element, the ceramic insulation with the built-in heating element 6
The ceramic insulating layer 8 is formed at a position substantially symmetrical to the edge layer 7.
It In this case, the ceramic insulating layer 8 is as shown in FIG.
Then, the base body 2b forming the space 10 is attached to the ceramic insulating layer.
8 is desirable. In addition,
A part or all of the base body 2d forming the entry hole 3 is ceramic
It may be replaced by the insulating layer 8.
(Solid Electrolyte) Base in Oxygen Sensor Element 1 of the Present Invention
The solid electrolyte used as 2 is ZrO 2.2And TiO2Na
, Which can be formed by a known ceramic solid electrolyte
However, in terms of its performance, it consists of a zirconia-based solid electrolyte
Is desirable. Zirconia solid electrolyte and stabilizer
And then Y2O3And Yb2O3, Sc2O3, Sm2O3, N
d 2O3, Dy2O31 to 1 of rare earth oxides such as
30% by mol, preferably 3-15% by mol
Standardized ZrO2Or stabilized ZrO2Is used.
In addition, ZrO2Replace 1 to 20 atomic% of Zr with Ce
ZrO2Oxygen ion conductivity by using
The effect is that it becomes larger and the responsiveness is further improved.
is there. Further, for the purpose of improving the sinterability, the above ZrO2
Against Al2O3And SiO2Can be added
Yes, but if contained in a large amount, creep at high temperature
Since the characteristics deteriorate, Al2O3And SiO2Nozono
The total amount added should be 5% by weight or less, especially 2% by weight or less.
And is desirable.
(Electrode) The surface of the solid electrolyte substrate 2 or the air introduction hole 3
The reference electrode 4, the measurement electrode 5 and the electrode formed on the inner wall,
The electrode lead 51 and the electrode pad 52 are both platinum,
Or platinum, rhodium, palladium, ruthenium,
And an alloy with one selected from the group of gold and gold. Well
Also, prevents metal grain growth in the electrode during sensor operation.
Purpose, the responsiveness of platinum particles, solid electrolyte and gas
For the purpose of increasing the contact point at the so-called three-phase interface with the body,
1-50% by volume of the above-mentioned ceramic solid electrolyte component, especially
Mix in the above electrodes 4 and 5 at a ratio of 10 to 30% by volume.
Good. The electrode shape can be square or elliptical.
Good. The thickness of the electrodes 4 and 5 is 3 to 20 μm, and
It is preferably 5 to 10 μm.
(Ceramic insulating layer) On the other hand, a ceramic for embedding the heating element 6
The insulating layer 7 and the ceramic insulating layer 8 are made of Al
2O3At least selected from the group of mullite, spinel
If the relative density of one type of ceramic is 80% or more,
Composed of dense ceramics with a porosity of 5% or less
Is desirable, especially Al2O3Ceramics
Is desirable. Sinterability is improved in the above ceramics.
Various sintering aids, such as Al2O3Ceramics
In the case of, the total amount of oxides of Mg, Ca and Si is 1 to 10
The ceramic insulating layer 7, which may be contained in an amount of
In 8, the content of alkali metals such as Na and K
As a result of migration,
In order to reduce the electrical insulation between the heaters, in terms of oxide weight
It is desirable to control it to 50 ppm or less. Also relative
By setting the density within the above range, the substrate strength is high.
As a result, increasing the mechanical strength of the oxygen sensor itself
This is because you can
(Porous layer) In addition, the surface of the measurement electrode 5 is shown in FIG.
Form a ceramic porous layer 9 for protection, as shown in FIG.
Is desirable. This ceramic porous layer 9 is
Zircon having a thickness of 10 to 800 μm and a porosity of 10 to 50%
Is it a group of konia, alumina, γ-alumina and spinel?
Be formed of at least one selected from
Is desirable. The thickness of the porous layer 9 is thinner than 10 μm
Or if the porosity exceeds 50%, electrode poisoning substance
When P, Si, etc. easily reach the electrode and the electrode performance deteriorates.
There is a match. On the other hand, the thickness of the porous layer 9 is 800μ
m or the porosity is less than 10%
The diffusion rate of gas and gas in the porous layer 9 becomes slow, and
The response may be poor. In particular, the thickness of the porous layer 9
Although it depends on the porosity, 100 to 500 μm is suitable.
It is right.
(Heater) In the ceramic insulating layer 7 in the heater section B
Embedded heating element 6 and leads to heating element 6 (not shown)
Is platinum alone as the metal, or platinum and rhodium,
An alloy with one selected from the group of radium and ruthenium
Can be used. In this case, the resistance between the heating element 8 and the lead is
The anti-ratio should be controlled in the range of 9: 1 to 7: 3 at room temperature.
Preferably.
【0022】また、本発明の酸素センサ素子1は、素子
全体の厚さとしては、0.8〜2.0mm、特に1.0
〜1.7mm、素子の長さとしては40〜60mm、特
に45〜55mm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。
(製造方法)次に、本発明の酸素センサ素子の製造方法
について、図1の酸素センサ素子を例にとってその製造
方法を図4の分解斜視図をもとに説明する。In the oxygen sensor element 1 of the present invention, the total thickness of the element is 0.8 to 2.0 mm, particularly 1.0.
.About.1.7 mm, and the length of the element is preferably 40 to 60 mm, and particularly preferably 45 to 55 mm in view of the rapid temperature rising property and the mounting condition of the element in the engine. (Manufacturing Method) Next, the manufacturing method of the oxygen sensor element of the present invention will be described with reference to the exploded perspective view of FIG. 4 by taking the oxygen sensor element of FIG. 1 as an example.
【0023】まず、固体電解質のグリーンシート20を
作製する。このグリーンシート20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
作製する。尚、薄く作製したグリーンシートを所定の厚
みになるように複数枚重ねて積層したものを使用するこ
ともできる。First, a solid electrolyte green sheet 20 is prepared. This green sheet 20 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, it is manufactured by a known method such as press forming. It is also possible to use a plurality of thin green sheets that are stacked to have a predetermined thickness.
【0024】次に、上記のグリーンシート20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21やリードパターン22や電極パッドパターン23
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する。また、グリーンシー
ト20には適宜、スルーホール(図示せず)等を形成し
て導電性ペーストを充填し、シート表裏間の電極等を接
続を行う。Next, on both surfaces of the green sheet 20, the pattern 21, the lead pattern 22 and the electrode pad pattern 23 which will be the measurement electrode 5 and the reference electrode 4, respectively.
For example, a conductive paste containing platinum is used to print and form the slurry by a dip method, screen printing, pad printing, or roll transfer. Further, through holes (not shown) and the like are appropriately formed in the green sheet 20 and filled with a conductive paste to connect electrodes and the like between the front and back of the sheet.
【0025】次に、大気導入孔24を形成したグリーン
シートを作製する。この時、本発明によれば、大気導入
孔24を形成したジルコニアグリーンシート25の表面
に、例えば、アルミナ、ムライト、スピネルの群から選
ばれる少なくとも1種のセラミックスのスラリーを所定
の厚みで塗布してセラミック絶縁層26を塗布する。大
気導入孔24は、パンチング等によって開口するか、ま
たはプレス成形によって大気導入孔24を形成した型を
用いてプレス成形する。また、前記グリーンシート20
と同一の材質からなる大気導入孔24の反対側を塞ぐた
めのグリーンシート27を作製する。Next, a green sheet having the air introduction hole 24 formed therein is prepared. At this time, according to the present invention, a slurry of at least one ceramic selected from the group consisting of alumina, mullite, and spinel is applied to the surface of the zirconia green sheet 25 having the air introduction hole 24 in a predetermined thickness. Then, the ceramic insulating layer 26 is applied. The air introduction hole 24 is opened by punching or the like, or is press-molded using a mold in which the air introduction hole 24 is formed by press molding. In addition, the green sheet 20
A green sheet 27 made of the same material as that for closing the opposite side of the air introduction hole 24 is prepared.
【0026】そして、上記のグリーンシート20、2
5、27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
に積層、接着する。Then, the green sheets 20 and 2 described above.
5 and 27 are mechanically laminated and bonded while interposing an adhesive such as an acrylic resin or an organic solvent, or while applying pressure with a roller or the like.
【0027】なお、この時に測定電極5となるパターン
21の表面には、図1のセラミック多孔質層9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 9 shown in FIG. 1 may be applied by printing on the surface of the pattern 21 which becomes the measuring electrode 5.
【0028】次に、図4に示すように、グリーンシート
20と同様にして作製されたジルコニアグリーンシート
28表面に、セラミック絶縁体、例えば、アルミナ、ム
ライト、スピネルの群から選ばれる少なくとも1種のセ
ラミックスを含む絶縁性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29aを形成する。Next, as shown in FIG. 4, on the surface of the zirconia green sheet 28 produced in the same manner as the green sheet 20, at least one selected from the group consisting of ceramic insulators such as alumina, mullite and spinel. An insulating paste containing ceramics is printed by a slurry dip method, screen printing, pad printing, or roll transfer to form a ceramic insulating layer 29a.
【0029】次に、このセラミック絶縁層29aの表面
に、発熱体6を形成するためのヒータパターン30を印
刷塗布する。そして、再度、ヒータパターン30の上
に、前記絶縁性ペーストを塗布してセラミック絶縁層2
9bを形成することにより、ヒータ部Bの積層体を作製
する。Next, a heater pattern 30 for forming the heating element 6 is printed and applied on the surface of the ceramic insulating layer 29a. Then, again, the insulating paste is applied onto the heater pattern 30 to form the ceramic insulating layer 2
By forming 9b, a laminated body of the heater part B is manufactured.
【0030】また、ジルコニアグリーンシート28、セ
ラミック絶縁層29a、29bには、ヒータパターンを
外部に導出するための電極パッド(図示せず)と接続す
るために導体ビアを形成することもできる。Further, conductor vias may be formed in the zirconia green sheet 28 and the ceramic insulating layers 29a and 29b so as to connect with electrode pads (not shown) for leading out the heater pattern to the outside.
【0031】なお、上記のヒータ部Bを作製するにあた
り、セラミック絶縁層29a、29bは、上記のように
絶縁性スラリーの印刷塗布によって形成する他に、絶縁
性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。When the heater B is manufactured, the ceramic insulating layers 29a and 29b are formed by printing and applying the insulating slurry as described above, or by using the insulating slurry by a doctor blade method or the like. An insulating sheet may be formed by a sheet forming method and laminated.
【0032】この後、上記の各グリーンシートをアクリ
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、これらを同時に焼成す
る。焼成は、大気中または不活性ガス雰囲気中、130
0℃〜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をさらに低減することができる。Thereafter, the above green sheets are bonded and integrated by interposing an adhesive such as an acrylic resin or an organic solvent or by mechanically bonding the two while applying pressure with a roller or the like. Are fired at the same time. Firing is performed in air or in an inert gas atmosphere at 130
Baking is performed at a temperature range of 0 ° C to 1700 ° C for 1 to 10 hours.
During the firing, in order to suppress the warpage of the sensor portion during firing, it is possible to further reduce the warpage by placing a smooth substrate such as alumina as a weight on the laminate.
【0033】その後、必要に応じて、焼成後の測定電極
21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
多孔質セラミック層を形成することによって、センサ部
と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 kind of porous ceramic layer selected from the group consisting of alumina, zirconia, and spinel is formed on the surface of the measurement electrode 21 after firing by a plasma spraying method or the like. An oxygen sensor element in which the sensor unit and the heater unit are integrated can be formed.
【0034】[0034]
【実施例】(実施例1)まず、平均粒径0.8μmのジ
ルコニア粉末に対して、アクリル系バインダー、溶剤お
よびメディアを混合し、48時間撹拌してスラリーを得
た。その後、ドクターブレード成形にて前記スラリーを
成形、乾燥させて、厚さ180μmのジルコニアグリー
ンシートを作製し、密着液にて積層して、所定厚みのジ
ルコニアグリーンシートA、B、C、Dを作製した。EXAMPLES Example 1 First, an acrylic binder, a solvent and a medium were mixed with zirconia powder having an average particle size of 0.8 μm and stirred for 48 hours to obtain a slurry. Then, the slurry is formed by doctor blade forming and dried to produce a zirconia green sheet having a thickness of 180 μm, which is laminated with a contact liquid to produce zirconia green sheets A, B, C and D having a predetermined thickness. did.
【0035】また、平均粒径0.5μmのアルミナ粉末
に対して、アクリル系バインダーおよびテルピネオール
を調合し、3本ロールにて10回パス混合した後、テル
ピネオールにて希釈し、粘度調整した絶縁性ペーストA
を調製した。An acrylic binder and terpineol were mixed with alumina powder having an average particle size of 0.5 μm, and the mixture was mixed with a three-roll roll for 10 times and then diluted with terpineol to adjust the viscosity. Paste A
Was prepared.
【0036】さらに、平均粒径1μmの白金粉末に対し
て、アクリル系バインダーおよびテルピネオールを調合
し、3本ロールにて10回パス混合した後、テルピネオ
ールにて希釈し、粘度調整した電極用ペーストおよびヒ
ータ用ペーストを調製した。Furthermore, an acrylic binder and terpineol were mixed with platinum powder having an average particle size of 1 μm, and the mixture was mixed with a triple roll for 10 passes, and then diluted with terpineol to adjust the viscosity of the electrode paste and A heater paste was prepared.
【0037】まず、ジルコニアグリーンシートAに上記
電極用ペーストを用いて、基準電極や測定電極および電
極リード、電極パッドなどのパターンをスクリーン印刷
にて形成した。First, a pattern of a reference electrode, a measurement electrode, an electrode lead, an electrode pad, etc. was formed by screen printing on the zirconia green sheet A using the above electrode paste.
【0038】また、ジルコニアグリーンシートBの表面
に、前記絶縁性ペーストAを用いて、ドクターブレード
法によって厚さ30μmのセラミック絶縁層を形成し
た。そして、このジルコニアグリーンシートBに金型に
て検知部分が幅1.6mm、長さ11mmを有する溝形
状に打ち抜き、大気導入孔を形成した。On the surface of the zirconia green sheet B, the insulating paste A was used to form a ceramic insulating layer having a thickness of 30 μm by the doctor blade method. Then, the zirconia green sheet B was punched into a groove shape having a detection portion having a width of 1.6 mm and a length of 11 mm with a die to form an air introduction hole.
【0039】さらに、ジルコニアグリーンシートCの表
面に、前記絶縁性ペーストAをスクリーン印刷塗布して
厚さ15μmのセラミック絶縁層を形成した。そしてこ
のセラミック絶縁層の表面に、前記ヒータ用ペーストを
用いてスクリーン印刷にて厚さ15μmの発熱体やリー
ドパターン等を印刷塗布した後、更にその上に前記絶縁
性ペーストをスクリーン印刷、乾燥させて、全体厚みが
30μmのセラミック絶縁層を形成し、ジルコニアグリ
ーンシートCの表面に、発熱体を内在するセラミック絶
縁層を形成した。Further, the insulating paste A was applied on the surface of the zirconia green sheet C by screen printing to form a ceramic insulating layer having a thickness of 15 μm. Then, on the surface of the ceramic insulating layer, a heater having a thickness of 15 μm, a lead pattern or the like is printed and applied by screen printing using the heater paste, and then the insulating paste is further screen printed and dried. Then, a ceramic insulating layer having a total thickness of 30 μm was formed, and a ceramic insulating layer having a heating element therein was formed on the surface of the zirconia green sheet C.
【0040】その後、上記電極パターンを形成したジル
コニアグリーンシートA、大気導入孔を形成し、セラミ
ック絶縁層が形成されたジルコニアグリーンシートB、
ジルコニアグリーンシートD、発熱体を内在したセラミ
ック絶縁層を形成したジルコニアグリーンシートCをこ
の順序で位置決めして、密着液を用いて密着積層し、加
圧プレスしてグリーン積層体を得た。そして、このグリ
ーン積層体を1400℃にて2時間焼成して、酸素セン
サ素子を作製した。作製した酸素センサ素子は、長さが
46mm、幅が3mm、厚みが1.5mmのものであ
る。Thereafter, the zirconia green sheet A having the electrode pattern formed thereon, the zirconia green sheet B having the air introduction hole formed therein and the ceramic insulating layer formed thereon,
The zirconia green sheet D and the zirconia green sheet C on which a ceramic insulating layer having a heating element were formed were positioned in this order, and they were laminated in close contact with a contact liquid, and pressed to obtain a green laminate. Then, this green laminate was fired at 1400 ° C. for 2 hours to produce an oxygen sensor element. The produced oxygen sensor element has a length of 46 mm, a width of 3 mm, and a thickness of 1.5 mm.
【0041】この作製した酸素センサ素子50個につい
て、表面粗さ計にて反りを測定した。反りは、測定電極
を上にしてセットした時、素子の長手方向に表面粗さ計
の触針を作動させ、測定し、その50個の平均を算出し
た。その結果、反りは35μmであった。With respect to the 50 oxygen sensor elements thus produced, the warpage was measured with a surface roughness meter. The warp was measured by operating the stylus of a surface roughness meter in the longitudinal direction of the device when the warp was set with the measurement electrode facing upward, and calculating the average of 50 of them. As a result, the warp was 35 μm.
【0042】また、この酸素センサ素子を、室温から約
20秒で1000℃まで昇温した後、ファンで強制的に
室温まで急冷するという温度サイクルを1サイクルとし
て、これを2万回行った後、クラックの発生率を測定し
た結果、20個のいずれもクラックの発生は全く認めら
れなかった。
(実施例2)実施例1のドクターブレード法によって形
成した厚さ180μmのジルコニアのグリーンシートE
1、E2の表面に、実施例1の絶縁性ペーストAを塗布
して厚さ15μmのセラミック絶縁層をそれぞれ形成し
た。そして、このセラミック絶縁層を形成した各ジルコ
ニアグリーンシートE1、E2を密着液を用いて積層し
た後、金型にて幅1.6mm、長さ11mmを有する溝
形状に打ち抜き、大気導入孔を形成した。After the temperature of this oxygen sensor element was raised from room temperature to 1000 ° C. in about 20 seconds and then forcedly cooled to room temperature by a fan, the temperature cycle was defined as one cycle, which was repeated 20,000 times. As a result of measuring the rate of occurrence of cracks, no occurrence of cracks was observed in any of the 20 cracks. (Example 2) Green sheet E of zirconia having a thickness of 180 μm formed by the doctor blade method of Example 1
The insulating paste A of Example 1 was applied to the surfaces of Nos. 1 and E2 to form ceramic insulating layers each having a thickness of 15 μm. Then, the zirconia green sheets E1 and E2 on which the ceramic insulating layer is formed are laminated using a contact liquid, and then punched into a groove shape having a width of 1.6 mm and a length of 11 mm with a die to form an air introduction hole. did.
【0043】そして、上記のようにして作製した大気導
入孔を形成したグリーンシートE1、E2の積層体を、
実施例1の大気導入孔を形成し、且つセラミック絶縁層
を形成したジルコニアシートBと置き換える以外は、実
施例1と全く同様にして酸素センサ素子を作製し、同様
の評価を行なった。その結果、反りは38μmであり、
クラックの発生も全く認められなかった。
(実施例3)平均粒径0.5μmのフォルステライト粉
末に対して、アクリル系バインダーおよびテルピネオー
ルを調合し、3本ロールにて10回パス混合した後、テ
ルピネオールにて希釈し、粘度調整した絶縁性ペースト
Bを得た。Then, the laminated body of the green sheets E1 and E2 having the air introduction holes formed as described above is
An oxygen sensor element was prepared and evaluated in the same manner as in Example 1 except that the air introducing hole of Example 1 was replaced with the zirconia sheet B on which the ceramic insulating layer was formed. As a result, the warp is 38 μm,
No cracks were found at all. Example 3 An acrylic binder and terpineol were mixed with forsterite powder having an average particle size of 0.5 μm, and the mixture was mixed 10 times with a three-roll mill, and then diluted with terpineol to adjust the viscosity. Sex paste B was obtained.
【0044】そして、実施例1の絶縁性ペーストAに代
えて、実施例1のジルコニアグリーンシートBの表面に
この絶縁性ペーストBを塗布して厚さ30μmのセラミ
ック絶縁層を形成した。そして、このセラミック絶縁層
を形成したジルコニアグリーンシートBに実施例1と同
じ大きさの溝形状に打ち抜き、大気導入孔を形成した。
これを実施例1の大気導入孔を形成したジルコニアグリ
ーンシートBに置き換える以外は、実施例1と全く同様
にして酸素センサ素子を作製し、同様の評価を行なっ
た。その結果、反りは42μmであり、クラックの発生
も全く認められなかった。
(比較例)実施例1にて前記別の絶縁層を形成したグリ
ーンシートを用いず、絶縁層が形成されていないグリー
ンシートに換える以外は実施例1同様に行った。その結
果、反りは105μmであった。また、熱サイクル試験
後、20個中、15個の酸素センサにクラックの発生が
認められた。Then, instead of the insulating paste A of Example 1, this insulating paste B was applied to the surface of the zirconia green sheet B of Example 1 to form a ceramic insulating layer having a thickness of 30 μm. Then, the zirconia green sheet B on which the ceramic insulating layer was formed was punched into a groove having the same size as in Example 1 to form an air introduction hole.
An oxygen sensor element was prepared and evaluated in the same manner as in Example 1 except that this was replaced with the zirconia green sheet B having the air introduction holes of Example 1. As a result, the warp was 42 μm, and no crack was observed. (Comparative Example) The same procedure as in Example 1 was carried out except that the green sheet having the insulating layer formed thereon was not used in Example 1 and the green sheet having no insulating layer was used. As a result, the warpage was 105 μm. Further, after the thermal cycle test, the generation of cracks was observed in 15 of the 20 oxygen sensors.
【0045】[0045]
【発明の効果】以上詳述したとおり、本発明によれば、
発熱体を内在したセラミック絶縁層とは別に、このセラ
ミック絶縁層と略対称的な位置に、第2のセラミック絶
縁層とを形成することによって、センサ素子の反りの発
生を抑制するとともに、熱サイクルに対する耐久性を高
めることができる。As described in detail above, according to the present invention,
By forming a second ceramic insulating layer at a position substantially symmetrical to this ceramic insulating layer in addition to the ceramic insulating layer having a heating element therein, generation of warpage of the sensor element is suppressed and thermal cycle is performed. The durability against can be increased.
【図1】本発明の酸素センサ素子の一例を説明するため
の(a)概略平面図、(b)x−x断面図である。1A is a schematic plan view and FIG. 1B is a sectional view taken along line xx 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
めの概略断面図である。FIG. 2 is a schematic sectional view for explaining another example of the oxygen sensor element of the present invention.
【図3】本発明の酸素センサ素子の他の例を説明するた
めの概略断面図である。FIG. 3 is a schematic cross-sectional view for explaining another example of the oxygen sensor element of the present invention.
【図4】本発明の酸素センサ素子の製造方法として、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。FIG. 4 is an exploded perspective view for explaining a method of manufacturing the oxygen sensor element of FIG. 1 as a method of manufacturing the oxygen sensor element of the present invention.
1 酸素センサ素子 2 基体 3 大気導入孔 4 基準電極 5 測定電極 6 発熱体 7、8 セラミック絶縁層 1 Oxygen sensor element 2 base 3 Atmosphere introduction hole 4 Reference electrode 5 measuring electrodes 6 heating element 7, 8 Ceramic insulation layer
Claims (4)
からなる板状の基体と、前記大気導入孔の内壁に形成さ
れた基準電極と、該基準電極と対向する基体外表面に形
成された測定電極と、前記基体内部に設けられた第1の
セラミック絶縁層と、該絶縁層内に設けられた発熱体
と、前記固体電解質からなる基体の前記第1のセラミッ
ク絶縁層と略対称的な位置に設けられた第2のセラミッ
ク絶縁層とを具備することを特徴とする酸素センサ素
子。1. A plate-shaped substrate made of a ceramic solid electrolyte having an air introduction hole, a reference electrode formed on the inner wall of the air introduction hole, and a measurement electrode formed on the outer surface of the substrate facing the reference electrode. A first ceramic insulating layer provided inside the base, a heating element provided inside the insulating layer, and a base made of the solid electrolyte at a position substantially symmetrical to the first ceramic insulating layer. An oxygen sensor element, comprising: a second ceramic insulating layer provided.
ミック絶縁層の主成分が同じ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 oxygen sensor element according to claim 1, wherein the first ceramic insulating layer and the second ceramic insulating layer have the same main component.
が、前記基準電極と前記測定電極との間に挟まれていな
いことを特徴とする請求項1または請求項2記載の酸素
センサ素子。3. The oxygen sensor element according to claim 1, wherein the formation position of the second ceramic insulating layer is not sandwiched between the reference electrode and the measurement electrode.
が、前記大気導入孔を形成した部分であることを特徴と
する請求項3記載の酸素センサ素子。4. The oxygen sensor element according to claim 3, wherein a position where the second ceramic insulating layer is formed is a portion where the air introduction hole is formed.
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