JP2004325196A - Oxygen sensor element - Google Patents
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Abstract
Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、自動車等の内燃機関における空気と燃料の比率を制御するための酸素センサ素子に関するものである。
【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、HC、NOxを低減させる方法が採用されている。
【0003】
この検出素子として、主として酸素イオン導電性を有するジルコニアを主成分とする固体電解質からなり、一端が封止された円筒管の外面および内面にそれぞれ一対の電極層が形成された固体電解質型の酸素センサが用いられている。この酸素センサの代表的なものとしては、図6の概略断面図に示すように、ZrO2固体電解質からなり、先端が封止された円筒管41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42が、また円筒管41の外面には排気ガスなどの被測定ガスと接触される測定電極43が形成されている。
【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43の表面に、保護層としてセラミック多孔質セラミック絶縁層44が設けられており、所定温度で円筒管41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41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45が挿入されている。
【0005】
しかしながら、近年排気ガス規制の強化傾向が強まり、エンジン始動直後からのCO、HC、NOxの検出が必要になってきた。このような要求に対して、上述のように、棒状ヒータ45を円筒管41内に挿入してなる間接加熱方式の円筒型酸素センサでは、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。
【0006】
近年、この問題を回避する方法として、図7の概略断面図に示すように、ジルコニア固体電解質からなる平板状の基板46の外面および内面に基準電極48と測定電極47をそれぞれ設けると同時に、アルミナセラミックスからなるセラミック絶縁層49の内部に白金やタングステンのヒータ50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(特許文献1、2、3参照)。
【0007】
【特許文献1】
特開2002−540399号公報
【0008】
【特許文献2】
特開2002−236104号公報
【0009】
【特許文献3】
特開2002−71628号公報
【0010】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、図7に示すような平板状のヒータ一体型酸素センサは、図6の間接加熱方式と異なり、直接加熱方式であるために、ヒータ50によるセンサ部の急速昇温が可能ではあるが、形状が平板形状であり、またジルコニア固体電解質の基板46とアルミナセラミック絶縁層49との熱膨張係数が異なる、また発熱体とアルミナセラミック絶縁層49との熱膨張係数が異なるため、このような急速昇温の繰り返しによって、ジルコニア固体電解質基板46とアルミナセラミック絶縁層49の界面や、アルミナセラミック絶縁層49にクラックが発生し、このクラックの進展によって最終的には破壊に至る場合が発生するなどの問題があった。
【0011】
このような問題に対して、特許文献3では、セラミック絶縁層49を多孔質セラミック絶縁層によって形成することによって、アルミナセラミック絶縁層49と発熱体50との熱膨張差によって生じる応力を緩和させることが提案されている。
【0012】
しかしながら、特許文献3では、従来の酸素センサに比べて熱的な特性の改善は見られるものの、セラミック絶縁層49を多孔質化することにより,新たにセラミック絶縁層49の絶対強度が低下すると同時に、セラミック絶縁層49とジルコニア固体電解質基板46との接合強度が低下するという現象が見られた。
【0013】
そのため、果急速昇温などの熱サイクルが加えられるとセラミック絶縁層49にクラックが生じ、素子が破壊するといういう問題があった。
【0014】
また、かかる問題は、素子の小型化によって、さらにはジルコニア固体電解質基板46やアルミナセラミック絶縁層49の絶対強度が低下する傾向を有するため、クラックや破壊の発生が非常に顕著になりつつあり、素子の小型化を阻害する大きな要因となっている。
【0015】
また、特許文献3においては、セラミック絶縁層49の強度が低いため、素子を金属製のハウジングに組み込む作業において、素子が破損しやすいという問題も発生した。
【0016】
従って、本発明は、平板形状からなり、耐久性、耐熱性に優れ、且つ長時間運転に対してもクラックの発生や破壊することのない優れた安定性を有する平板状の酸素センサ素子を提供することを目的とするものである。
【0017】
【課題を解決するための手段】
本発明者は、上記の問題について検討した結果、長尺平板状のジルコニア固体電解質基体の一部に、ジルコニア固体電解質層を介して一対の電極を形成してなるセンサ部と、セラミック絶縁層内に発熱体を埋設したヒータ部を具備する酸素センサ素子において、前記ヒータ部における白金発熱体が多孔質セラミック絶縁層で覆われ、さらに多孔質セラミック絶縁層の周囲の一部または全周が緻密質セラミック絶縁層によって覆われて形成されており、該ヒータ部が前記ジルコニア固体電解質基体の内部に埋め込まれて一体化されていることによって、発熱体とセラミック絶縁層との熱膨張係数の差に起因する熱応力を緩和するとともに、セラミック絶縁層の絶対強度、およびセラミック絶縁層と固体電解質の接合力を高め、平板形状のセンサ素子の問題点である急速昇温時の素子の破壊を防止するとともに、耐熱性、耐久性に優れた素子を提供できることを見出した。
【0018】
また、本発明においてはセラミック絶縁層が高い強度を有するため、センサの製造工程において素子が破損する頻度が極めて低く、その結果製造歩留まりが向上する。
【0019】
なお、前記発熱体を覆う多孔質セラミック絶縁層の気孔率が5〜20%であること、前記発熱体を覆う多孔質セラミック絶縁層の厚みが5〜200μmであることが効果的である。
【0020】
また、前記発熱体を覆う多孔質セラミック絶縁層中の、Siの含有量が酸化物換算で0.7重量%以下、特に0.4重量%以下であることによってNa、K等のマイグレーションを防止することができる。
【0021】
また、本発明の酸素センサ素子は、前記センサ部と前記ヒータ部とが同時焼成して形成されてなる場合に好適である。
【0022】
さらに、本発明の酸素センサ素子は、前記センサ部における一対の電極対のうち、被測定ガスと接触する電極の面積が8〜18mm2であり、且つ素子の長手方向に対して直交する方向の幅が、素子先端から少なくとも5mm以上が2.0〜3.5mmと小型化を図る上で好適であり、これによってセンサ部の小型化とともに耐久性を高めることができる。
【0023】
なお、小型化を図る上で、素子の先端付近にセンサ部の一対の電極対が形成され、素子の後端付近に端子を接続するための電極パッドを備えており、前記電極パッド形成部分における長手方向に対して直交する方向の幅が、素子先端の幅よりも大きいことが望ましい。
【0024】
【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以下に説明する。
【0025】
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。
【0026】
図1の酸素センサ素子においては、ジルコニア固体電解質からなる酸素イオン導電性を有し、内部に先端が封止された大気導入孔3aが形成されたジルコニア固体電解質基体3と、大気導入孔3aの内壁を構成するジルコニア固体電解質層3bを介する対向面に、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。
【0027】
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が形成されていてもよい。
【0028】
一方、ヒータ部2は、セラミック絶縁層7の内部に、白金からなる発熱体8が埋設されており、図1の酸素センサ素子においては、このヒータ部2はジルコニア固体電解質基体3の内部に埋設されている。
【0029】
本発明によれば、上記のヒータ部の構造において、セラミック絶縁層7が、少なくとも2層構造から形成されており、発熱体8が多孔質セラミック絶縁層7aによって覆われており、さらにこの多孔質セラミック絶縁層7aの周囲の一部または全周が緻密質セラミック絶縁層7bによって覆われていることが大きな特徴である。そして、このヒータ部2は、ジルコニア固体電解質層9で覆われることで、ジルコニア固体電解質基体3の内部に埋め込まれている。
【0030】
このようにセラミック絶縁層7を上記のような2層構造とすることによって、セラミック絶縁層7の絶対強度が向上すると同時に、ジルコニア固体電解質層9とセラミック絶縁層7との接合強度も向上し、その結果素子の破壊を防止することができる。また、セラミック絶縁層7をジルコニア固体電解質基体3中に埋設することにより、万一セラミック絶縁層7中にクラックが入っても、周囲を基体3の一部をなすジルコニア固体電解質層9で覆われていることにより、素子の破壊が防止される。
【0031】
多孔質セラミック絶縁層7aとしては、気孔率が5〜20%、特に10〜15%であることによって、応力の緩和効果が十分に発揮できるとともに、クラックの発生や破壊を防止することができるとともに、多孔質セラミック絶縁層7a自体の強度の低下を防止することができ、酸素センサ素子自体の強度の低下を抑制することができる。この気孔率としては、多孔質セラミック絶縁層7aにおける縦断面に占める気孔の占める面積比率と定義する。
【0032】
また、多孔質セラミック絶縁層7aの厚み,即ち、発熱体8から緻密質セラミック絶縁層7bまでの厚さt1は、5〜200μm、特に10〜50μmの範囲とすることによってジルコニア固体電解質基体3とセラミック絶縁層7との熱膨張係数の差に起因する熱応力を小さくすることができる。また、気孔の平均的な大きさとしては、直径が1〜10μm、特に3〜5μmの範囲が効果的である。
【0033】
なお、この多孔質セラミック絶縁層7aは、セラミック絶縁層組成物に対して、樹脂ビーズなどの気孔形成剤を3〜30体積%の割合で配合したスラリーを塗布したり、スラリーをドクターブレード法等によってシート化して、発熱体8を挟持するように配置し、焼成することによって形成することができる。気孔率や気孔径は、気孔形成剤の粒径や配合量によって容易に制御することができる。
【0034】
また、緻密質セラミック絶縁層7bは、相対密度が80%以上、特に90%以上、さらには95%以上、気孔率が3%以下、特に1%以下で、かつ平均気孔径が3μm以下の緻密質なセラミック焼結体によって構成することによって、セラミック絶縁層7の強度およびセラミック絶縁層7とジルコニア固体電解質基体3との接合強度を高める。また、セラミック絶縁層7を介したヒータ部2の強度を高め、素子全体の強度を高めることができる。
【0035】
なおこの緻密質セラミック絶縁層7bの厚みt2は、5〜100μm、特に10〜50μmであることが望ましい。これによりセラミック絶縁層の絶対強度とセラミック絶縁層とジルコニア固体電解質との接合強度を高めることができる。
【0036】
本発明においては、このヒータ部2を形成するセラミック絶縁層7a,7bは、a)アルミナを主体とする焼結体、b)少なくともAlとMgとを含む複合酸化物を主体とする焼結体、c)Alと、Yおよび希土類元素の群から選ばれる少なくとも1種との複合酸化物を主体とする焼結体の群から選ばれる少なくとも1種の焼結体によって構成することが望ましい。
【0037】
a)アルミナを主体とする焼結体としては、アルミナを90質量%以上含有し、さらには、焼結性を改善する目的で、前記主成分以外の成分として、Mg、Caなどのアルカリ土類金属の酸化物や、SiO2の群から選ばれる少なくとも1種を総和で1〜10質量%含有していることが望ましい。
【0038】
また、b)AlとMgとの複合酸化物を主成分とする焼結体は、AlとMgとの酸化物換算による2成分基準で、Alを酸化物換算で20〜90モル%、Mgを酸化物換算で10〜80モル%の割合で含有することが望ましい。
【0039】
この場合、用いる組成と焼成温度にもよるが、得られるセラミック絶縁層4中の結晶相としては、Al2O3相、MgO・Al2O3(スピネル)相、MgO相のうちの2種または3種の結晶から構成されている。上記の組成範囲のうち、Al量が酸化物換算50〜80モル%、Mg量が酸化物換算で20〜50モル%の範囲が特に好ましい。
【0040】
さらに、c)Alと、Yおよび希土類元素の群から選ばれる少なくとも1種との複合酸化物としては、Yおよび希土類元素量と、Alとの酸化物換算による2成分基準で、Alを酸化物換算で20〜90モル%、Yおよび希土類元素を10〜80モル%の範囲からなることが望ましい。上記の範囲の中で、Al量が50〜80モル%、Yおよび希土類元素の群から選ばれる少なくとも1種を20〜50モル%からなることが望ましい。希土類元素としては、具体的にLa、Yb、Nd、Dy、Sc、Sm、Scが好適に用いられる。
【0041】
また、この時の結晶相としては、Al2O3と、AlとYまたは希土類元素との複合酸化物、Yまたは希土類元素酸化物のうちの2種または3種から構成される。例えば、複合酸化物としては、例えば、Al2O3とY2O3を用いた場合、3Y2O3・5Al2O3、2Y2O3・Al2O3、およびY2O3等の結晶を組み合わせた結晶相からなる。
【0042】
また、この多孔質セラミック絶縁層7a、緻密質セラミック絶縁層7b中には、Na、K等のアルカリ金属は、マイグレーションしてヒータ部2の電気絶縁性を悪くするため酸化物換算で総量で50ppm以下に制御することが望ましい
本発明の酸素センサ素子におけるジルコニア固体電解質基体3やジルコニア固体電解質層9、9’並びに、アルミナを含有するジルコニア固体電解質層10中のジルコニア固体電解質は、ZrO2を含有するセラミックスからなり、安定化剤として、Y2O3およびYb2O3、Sc2O3、Sm2O3、Nd2O3、Dy2O3の群から選ばれる少なくとも1種を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が用いられる。さらに、焼結性を改善する目的で、上記ZrO2に対して、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、SiO2の添加量は総量で5質量%以下、特に2質量%以下であることが望ましい。
【0043】
さらに、本発明においては、ヒータ部2を覆うジルコニア固体電解質層9の最小厚さSが20μm以上、特に50μm以上、さらには100μm以上とすることが望ましい。これは、ジルコニア固体電解質層9の内部に気孔が存在する場合があり、この気孔を経由して水蒸気が浸入することを防止すると同時に、固体電解質間の接合力を強化する目的で形成される。
【0044】
なお、ジルコニア固体電解質基体3の一部を形成するジルコニア固体電解質層9、ジルコニア固体電解質層3bは、いずれも同じ材質からなることが望ましく、相対密度が90%以上、特に95%以上の緻密体からなることが望ましい。
【0045】
基体3の表面に被着形成される基準電極4、測定電極5は、いずれも白金、あるいは白金と、ロジウム、パラジウム、ルテニウムおよび金の群から選ばれる1種との合金が用いられる。また、センサ動作時の電極中の金属の粒成長を防止する目的と、応答性に係わる白金粒子と固体電解質と気体との、いわゆる3相界面の接点を増大する目的で、上述のセラミック固体電解質成分を1〜50体積%、特に10〜30体積%の割合で上記電極中に混合してもよい。また、電極形状としては、四角形でも楕円形でもよい。また、電極の厚さは、3〜20μm、特に5〜10μmが好ましい。
【0046】
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(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、またはW単体、あるいはWとMo、Reの群から選ばれる1種の合金を用いることができる。
【0047】
発熱体8として白金を用いる場合は、焼成中の白金の粒成長を防止する観点からアルミナの他に、セラミック絶縁層を形成する同じセラミック粉末を全量に対して、10〜40体積%、特に20〜30体積%添加することが好ましい。この場合、ヒータ8とリードの抵抗比率は、いずれの場合も室温において、9:1〜7:3の範囲に制御することが好ましい。
【0048】
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、特に100〜500μm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。
【0049】
また、本発明の酸素センサ素子は、小型の酸素センサ素子に最も好適に用いられる。具体的には、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、素子の先端から5mm以上、特に10mm以上の部分における長手方向に対して直交する方向の幅が、2.0〜3.5mmであることが望ましい。本発明によれば、測定電極5の面積および先端部の幅を上記の範囲に制御することによって、ヒータによる測定電極5の急速昇温性を高め、センサによるガス応答性を改善することができる。
【0050】
また、本発明の酸素センサ素子は、図2の平面図に示すように、素子の先端付近にセンサ部1の一対の電極対5が形成され、素子の後端付近に端子を接続するための電極パッド11を備えているが、電極面積および幅を上記の範囲に設定する上で、前記素子後端の長手方向に対して直交する方向の幅L1が、素子先端の幅L2よりも大きいことが、あるいは、前記センサ素子の幅が、素子先端から後端に向かって連続的、または不連続的に大きくなっていることが望ましい。特に、電極パッド11が形成される後端部の長手方向に対して直交する方向の最大幅L1は、3.7〜5mm、特に4.0〜4.5mmであることが適当である。
【0051】
この場合の、酸素センサ素子の具体的な構造としては、具体的には、図2(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2(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2(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。
【0052】
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L1を素子先端部の幅L2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。
【0053】
さらに、本発明によれば、上記図2(c)の酸素センサ素子を用いて、例えば、図3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を素子の一部に取り付けることができる。
【0054】
また、本発明の酸素センサ素子は、素子強度の観点から、素子全体の厚さとしては、0.8〜3mm、特に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。
【0055】
また、本発明の酸素センサ素子は、図4のようなワイドレンジセンサ素子に対しても適用される。図4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4の酸素センサ素子によれば、基体3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の上側には基板13によって空間部14が形成されており、この基板13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15が開けられている。
【0056】
かかる酸素センサにおいては、ジルコニア固体電解質層3bを挟む一対の電極対4、5によってポンピングセルが形成されており、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。
【0057】
なお、上記空間部14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15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15は空間内に一定の排気ガスを取り込むための孔として作用する。そのため、拡散孔15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セラミック絶縁層で形成してもよい。
【0058】
また、基体3の下面に形成された基準電極4は、大気導入孔3aの内壁に形成されている。大気導入孔3aの直下には、さらにWあるいはPtからなる発熱体8を埋設したアルミナセラミック絶縁層7がジルコニア固体電解質層9によって覆われている。この発熱体8を加熱することにより、センサ部1を加熱する仕組みとなっている。本発明の酸素センサにおいては、他の例として、上記の基板13の両面にポンピング電極を形成することもできる。
【0059】
かかる酸素センサ素子においても、セラミック絶縁層7を多孔質セラミック絶縁層7aと緻密質セラミック絶縁層7bによって形成することによって、前述しのと同様な効果を発揮させることができる。
【0060】
次に、本発明の酸素センサ素子の製造方法を、図1の酸素センサ素子の製造方法を例にして、発熱体としてPtを、またセラミック絶縁層として、アルミナを用いた場合について、図5の分解斜視図をもとに説明する。
【0061】
まず、固体電解質のグリーンシート21を作製する。このグリーンシート21は、例えば、ジルコニアの酸素イオン導電性を有するセラミック固体電解質粉末に対して、適宜、成形用有機バインダーを添加してドクターブレード法や、押出成形や、静水圧成形(ラバープレス)あるいはプレス形成などの周知の方法により作製される。
【0062】
次に、上記のグリーンシート21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22やリードパターン23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24を形成したグリーンシート25およびグリーンシート26をアクリル樹脂や有機溶媒などの接着剤を介在させるか、あるいはローラ等で圧力を加えながら機械的に接着することによりセンサ部用の積層体Aを作製する
さらに、この時に使用する白金を含有する導電性ペーストとしては、ジルコニアを1〜50体積%、特に10〜30体積%の割合で包含する白金粒子に、エチルセルロース等の有機樹脂成分を含有するものを用いることによって、電極の感度を高めることできる。なお、この時に測定電極5となるパターンの表面には、多孔質セラミック絶縁層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。
【0063】
次に、ジルコニアグリーンシート27表面にAl2O3粉末に有機樹脂および溶剤を加え混合した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、緻密質セラミック絶縁層28aを形成する。
【0064】
次に、セラミック粉末組成物に、平均粒径が1〜10μmの樹脂ビーズや炭素粉末などの気孔形成剤を3〜30体積%添加混合した絶縁性ペーストを用いて、スラリーディップ法、あるいはスクリーン印刷、パット印刷、ロール転写で印刷して多孔質セラミック絶縁層29aを形成する。
【0065】
次に、図2のように、多孔質セラミック絶縁層29aの表面に、ヒータパターン30およびリードパターン31を印刷塗布する。そして、ヒータパターン30およびリードパターン31上に前記と同様にして多孔質セラミック絶縁層29bを形成する。その後、再度、前記と同様にして緻密質セラミック絶縁層28bを印刷形成する。
【0066】
また、これら多孔質セラミック絶縁層29a、29b、緻密質セラミック絶縁層28a、28bをジルコニア固体電解質基体中に埋設するために、これらの絶縁層の周囲に、グリーンシート21を形成するのに用いたジルコニア固体電解質のペーストを印刷塗布して、ジルコニア固体電解質層32を形成する。
【0067】
そして、再度、ジルコニアグリーンシート33を積層して、ヒータ部2の積層体Bを作製する。
【0068】
この後、センサ部1の積層体Aとヒータ部2の積層体Bをアクリル樹脂や有機溶媒などの接着剤を介在させるか、あるいはローラ等で圧力を加えながら両者を機械的に接着することにより接着一体化した後、これらを焼成する。焼成は、大気中または不活性ガス雰囲気中、1300℃〜1700℃の温度範囲で1〜10時間焼成する。
【0069】
その後、必要に応じて、焼成後の測定電極の表面に、プラズマ溶射法等により,アルミナ、ジルコニア、スピネルの群から選ばれる少なくとも1種のセラミックスを形成することによってヒータ部が一体化された酸素センサ素子を形成することができる。
【0070】
なお、図5の例では、発熱体パターン30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、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。
【0071】
また、図1の例では、緻密質セラミック絶縁層7bは多孔質セラミック絶縁層7aの上下にのみ形成したものであるが、この緻密質セラミック絶縁層7bは、もちろん多孔質セラミック絶縁層7aの側面も含め全周に形成しても同様の効果が得られるものである。
【0072】
【実施例】
図1に示す理論空燃比センサ素子を、図5に従い以下のようにして作製した。
【0073】
まず、アルミナとシリカをそれぞれ0.1重量%含む5モル%Y2O3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グリーンシート21を作製した。
【0074】
その後、ジルコニアグリーンシート21の両面に、平均粒子径が0.1μmで8モル%のイットリアからなるジルコニアを30体積%結晶内に含有する白金粉末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22、リードパターン23を印刷形成した後、大気導入孔24を形成したジルコニアグリーンシート25、およびジルコニアグリーンシート26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。
【0075】
次に、上記と同様にして作製したジルコニアグリーンシート27表面に、緻密なセラミック絶縁層は、平均粒径が0.3μmのアルミナ粉末からなる絶縁性ペーストを印刷塗布して焼成後の厚みが3〜140μmになるようにセラミック絶縁層28aを形成した。その後、多孔質セラミック絶縁層は、上記絶縁性ペーストに気孔形成剤(フロービーズ;平均粒子径約4μm)を5〜40体積%添加したペーストを焼成後3〜320μmとなるように形成した。そして、その表面にアルミナを10体積%含有する白金粉末のペーストを用いてヒータパターン30およびリードパターン31をスクリーン印刷した。
【0076】
その後、これらのパターンの上に、再度、上記のように各絶縁性ペーストを用いて多孔質セラミック絶縁層29b、緻密質セラミック絶縁層29aを印刷形成した。
【0077】
そして、この積層体の周囲に、5モル%Y2O3含有のジルコニア粉末からなるペーストを用い、スクリーン印刷により積層体と同じ高さとなるように塗布してジルコニア固体電解質層32を形成した。そして、さらにジルコニアグリーンシート33を積層して、多孔質セラミック絶縁層29a、29b間にヒータパターン30を埋設したヒータ部用積層体を作製した。
【0078】
その後、センサ部積層体とヒータ部積層体とを積層し、1500℃で1時間焼成して、ヒータを一体化したセンサ素子を作製した。
【0079】
なお、作製した酸素センサ素子は、図2(b)にもとづき、すべて測定電極の面積を12mm2、素子の長さ50mm、素子の先端部から20mmまでの部分の幅を3mm(L2=3mm)とし、電極パッド形成部分の最大幅L2を4.5mm、長さを10mmとした。なお、素子の厚みは1.5mmとした。
【0080】
また、ヒータ部を覆うジルコニア固体電解質層の厚みSはすべて200μmとした。
【0081】
上記の方法により多孔質体の気孔率およびその厚みの異なるセンサ素子をそれぞれ20個ずつ作製し、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20万回程度行った後の破損率を求めた。この際、ヒータ部における多孔質セラミック絶縁層および緻密質セラミック絶縁層の鏡面研磨した面を、2000倍の走査型電子顕微鏡写真を10点測定して、断面積に占め気孔の面積比率を測定しその平均値を気孔率とした。また、多孔質の固体電解質層の厚みも同様に走査型電子顕微鏡写真により測定した。結果を表1に示す。
【0082】
また、電極面を下面(引っ張り面)として,素子10個に対して先端部も用いてスパン10mmで3点曲げ試験を行ない、素子強度の平均値を求めた。
【0083】
また、比較のために、ヒータ部のセラミック絶縁層として、多孔質セラミック絶縁層のみ、および緻密質セラミック絶縁層のみなどの酸素センサも上記に順じて作製し、上記の特性をそれぞれ測定した。
【0084】
【表1】
【0085】
表1より、発熱体を取り巻く絶縁層が、多孔質セラミック絶縁層のみ、または緻密質セラミック絶縁層のみからなる場合、破損率が80%以上と高いことがわかる。
【0086】
これに対して、発熱体の周囲に多孔質セラミック絶縁層および緻密質セラミック絶縁層を設けた本発明の素子においては破損率が60%以下まで低下することがわかる。また、表1から分かるように、本発明品は多孔質セラミック絶縁層を有するが、その周囲を緻密質セラミック絶縁層およびジルコニア固体電解質基体内に埋設されているため素子強度が35MPa以上と優れる。このことは製造工程において、不注意による素子の破損を防止し。歩留まりを向上させるなど大きな製造上の利点でもある。
【0087】
特に、多孔質セラミック絶縁層の気孔率が3〜20%、厚みが5〜200μm、さらには緻密質セラミック絶縁層の気孔率が1%以下、厚みが5〜100μmの素子は、破損率が50%以下、素子強度が40MPa以上の優れたものであった。
【0088】
以上の結果から、多孔質セラミック絶縁層および緻密質セラミック絶縁層を設けた本発明品は、急激な熱サイクルを受けても優れた耐熱性、および耐久性を有するセンサ素子であることが容易に理解できる。
【0089】
【発明の効果】
以上詳述した通り、本発明によれば、ヒータ部における発熱体を多孔質セラミック絶縁層で、さらに緻密質セラミック絶縁層によって覆うことによって、長時間運転に対してもクラックの発生や破壊することのない優れた安定性を有する平板状の酸素センサ素子を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【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。
【図2】本発明における酸素センサ素子の概略平面図である。
【図3】図3(c)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。
【図4】本発明の酸素センサ素子のさらに他の例を説明するために概略断面図である。
【図5】図1の酸素センサ素子の製造方法を説明するための分解斜視図である。
【図6】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。
【図7】従来の他のヒータ一体型酸素センサ素子の構造を説明するための概略断面図である。
【符号の説明】
1 センサ部
2 ヒータ部
3 ジルコニア固体電解質基体
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
7a 多孔質セラミック絶縁層
7b 緻密質セラミック絶縁層
8 発熱体
9 ジルコニア固体電解質層[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to an oxygen sensor element for controlling the ratio of air to fuel in an internal combustion engine such as an automobile.
[0002]
[Prior art]
Currently, in internal combustion engines such as automobiles, by detecting the oxygen concentration in the exhaust gas and controlling the amount of air and fuel supplied to the internal combustion engine based on the detected value, harmful substances from the internal combustion engine, For example, a method of reducing CO, HC, and NOx has been adopted.
[0003]
As the detection element, a solid electrolyte type oxygen mainly composed of a solid electrolyte mainly composed of zirconia having oxygen ion conductivity and having a pair of electrode layers formed on an outer surface and an inner surface of a cylindrical tube having one end sealed. Sensors are used. As a representative example of this oxygen sensor, as shown in a schematic sectional view of FIG. 2 A
[0004]
In such an oxygen sensor, a so-called stoichiometric air-fuel ratio sensor (λ sensor), which is generally used for controlling the ratio of air to fuel near 1, is a ceramic porous layer as a protective layer on the surface of the
[0005]
However, in recent years, the exhaust gas regulations have been strengthened, and it has become necessary to detect CO, HC, and NOx immediately after starting the engine. In response to such a demand, as described above, in the indirect heating type cylindrical oxygen sensor in which the rod-
[0006]
In recent years, as a method of avoiding this problem, as shown in a schematic sectional view of FIG. 7, a
[0007]
[Patent Document 1]
JP-A-2002-540399
[0008]
[Patent Document 2]
JP 2002-236104 A
[0009]
[Patent Document 3]
JP-A-2002-71628
[0010]
[Problems to be solved by the invention]
However, the flat heater integrated oxygen sensor as shown in FIG. 7 is a direct heating system, unlike the indirect heating system of FIG. 6, so that the
[0011]
In order to solve such a problem,
[0012]
However, in
[0013]
Therefore, when a thermal cycle such as rapid temperature rise is applied, cracks occur in the
[0014]
In addition, such a problem tends to decrease the absolute strength of the zirconia
[0015]
Further, in
[0016]
Accordingly, the present invention provides a flat oxygen sensor element having a flat shape, having excellent durability and heat resistance, and having excellent stability without cracking or breakage even during long-time operation. It is intended to do so.
[0017]
[Means for Solving the Problems]
As a result of studying the above problem, the present inventor has found that a sensor portion formed by forming a pair of electrodes via a zirconia solid electrolyte layer on a part of a long flat zirconia solid electrolyte substrate, In a oxygen sensor element having a heater section in which a heating element is embedded, a platinum heating element in the heater section is covered with a porous ceramic insulating layer, and a part or the entire periphery of the porous ceramic insulating layer is dense. Since the heater portion is formed so as to be covered with the ceramic insulating layer, and the heater portion is embedded and integrated inside the zirconia solid electrolyte substrate, a difference in thermal expansion coefficient between the heating element and the ceramic insulating layer is caused. In addition to relieving thermal stress, the absolute strength of the ceramic insulating layer and the bonding strength between the ceramic insulating layer and the solid electrolyte are increased, resulting in a flat sensor. Thereby preventing breakage of the element in the rapid Atsushi Nobori is a problem of the child, the heat resistance was found to be able to provide an excellent device durability.
[0018]
Further, in the present invention, since the ceramic insulating layer has a high strength, the frequency of element breakage in the sensor manufacturing process is extremely low, and as a result, the manufacturing yield is improved.
[0019]
It is effective that the porosity of the porous ceramic insulating layer covering the heating element is 5 to 20%, and the thickness of the porous ceramic insulating layer covering the heating element is 5 to 200 μm.
[0020]
The migration of Na, K, etc. is prevented by the content of Si in the porous ceramic insulating layer covering the heating element being 0.7% by weight or less, particularly 0.4% by weight or less in terms of oxide. can do.
[0021]
Further, the oxygen sensor element of the present invention is suitable when the sensor section and the heater section are formed by simultaneous firing.
[0022]
Further, in the oxygen sensor element of the present invention, the area of the electrode in contact with the gas to be measured is 8 to 18 mm among the pair of electrodes in the sensor section. 2 In addition, the width in the direction orthogonal to the longitudinal direction of the element is preferably at least 5 mm or more from the tip of the element, which is suitable for downsizing to 2.0 to 3.5 mm. In addition, the durability can be improved.
[0023]
In order to reduce the size, a pair of electrodes of the sensor section is formed near the front end of the element, and an electrode pad for connecting a terminal is provided near the rear end of the element. It is desirable that the width in the direction orthogonal to the longitudinal direction is larger than the width of the element tip.
[0024]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Hereinafter, examples of the basic structure of the oxygen sensor element of the present invention will be described below with reference to the drawings.
[0025]
FIG. 1 is a schematic sectional view for explaining one example of the oxygen sensor element of the present invention. These are generally called theoretical air twist ratio sensor elements, and each of the examples in FIG. 1 includes a
[0026]
In the oxygen sensor element of FIG. 1, a zirconia
[0027]
Further, from the viewpoint of preventing the electrode from being poisoned by exhaust gas, a ceramic
[0028]
On the other hand, the
[0029]
According to the present invention, in the above-described structure of the heater section, the ceramic insulating
[0030]
By thus forming the ceramic insulating
[0031]
When the porosity of the porous ceramic
[0032]
The thickness of the porous ceramic
[0033]
The porous ceramic
[0034]
The dense ceramic
[0035]
The thickness t2 of the dense ceramic
[0036]
In the present invention, the ceramic insulating
[0037]
a) The sintered body mainly composed of alumina contains alumina in an amount of 90% by mass or more. Further, in order to improve sinterability, alkaline earth elements such as Mg and Ca are used as components other than the main components. Metal oxide, SiO 2 At least one selected from the group of 1 to 10% by mass in total.
[0038]
Also, b) a sintered body containing a composite oxide of Al and Mg as a main component is 20 to 90 mol% of Al in terms of oxide and Mg in terms of two components based on oxide of Al and Mg. It is desirable to contain it at a ratio of 10 to 80 mol% in terms of oxide.
[0039]
In this case, although depending on the composition to be used and the firing temperature, the crystal phase in the obtained ceramic insulating
[0040]
Further, c) as a composite oxide of Al and at least one selected from the group consisting of Y and a rare earth element, Al is an oxide based on two components based on the amount of Y and the rare earth element and the conversion of Al to the oxide. It is desirable that the amount of Y and the rare earth element be in the range of 10 to 80 mol% in conversion. Within the above range, it is desirable that the Al content be 50 to 80 mol%, and that at least one selected from the group consisting of Y and rare earth elements be 20 to 50 mol%. As the rare earth element, specifically, La, Yb, Nd, Dy, Sc, Sm, and Sc are suitably used.
[0041]
The crystal phase at this time is Al 2 O 3 And a composite oxide of Al and Y or a rare earth element, or two or three of Y or a rare earth element oxide. For example, as the composite oxide, for example, Al 2 O 3 And Y 2 O 3 When using 3Y 2 O 3 ・ 5Al 2 O 3 , 2Y 2 O 3 ・ Al 2 O 3 , And Y 2 O 3 And the like.
[0042]
Further, in the porous ceramic
The zirconia solid electrolyte in the zirconia
[0043]
Furthermore, in the present invention, it is desirable that the minimum thickness S of the zirconia
[0044]
The zirconia
[0045]
Each of the
[0046]
The
[0047]
When platinum is used as the
[0048]
The ceramic
[0049]
Further, the oxygen sensor element of the present invention is most suitably used for a small-sized oxygen sensor element. Specifically, in order to achieve excellent gas responsiveness as well as miniaturization of the element, the electrode area of the
[0050]
In the oxygen sensor element of the present invention, as shown in the plan view of FIG. 2, a pair of electrode pairs 5 of the
[0051]
In this case, as a specific structure of the oxygen sensor element, specifically, as shown in FIG. 2A, in other words, the width continuously increases from the front end to the rear end of the element. FIG. 2C shows a case where the width of the element becomes wider, as shown in FIG. 2B, and a case where the width of the element becomes wider at the step portion v between the front end and the rear end. As shown, a tapered portion p is provided between the front end portion and the rear end portion, and the width thereof is partially continuous and widened.
[0052]
As described above, by increasing the width of the portion where the
[0053]
Further, according to the present invention, using the oxygen sensor element shown in FIG. 2C, for example, as shown in FIG. 3, a mounting
[0054]
Further, from the viewpoint of element strength, the oxygen sensor element of the present invention has a thickness of the entire element of 0.8 to 3 mm, particularly 1 to 2 mm, and an element length of 45 to 55 mm, particularly 45 to 50 mm. This is preferable from the relationship between the rapid temperature rise and the degree of attachment of the element to the engine.
[0055]
Further, the oxygen sensor element of the present invention is also applied to a wide-range sensor element as shown in FIG. FIG. 4 is a schematic cross-sectional view for explaining a typical structure. According to the oxygen sensor element of FIG. 4, an electrode pair of the
[0056]
In such an oxygen sensor, a pumping cell is formed by a pair of
[0057]
The
[0058]
The
[0059]
Also in such an oxygen sensor element, by forming the ceramic insulating
[0060]
Next, the manufacturing method of the oxygen sensor element of the present invention will be described with reference to the manufacturing method of the oxygen sensor element of FIG. 1 using Pt as the heating element and alumina as the ceramic insulating layer. Description will be made based on an exploded perspective view.
[0061]
First, a
[0062]
Next, on both surfaces of the
Further, as the conductive paste containing platinum used at this time, a paste containing an organic resin component such as ethyl cellulose in platinum particles containing 1 to 50% by volume, particularly 10 to 30% by volume of zirconia is used. By using this, the sensitivity of the electrode can be increased. At this time, a porous slurry for forming the porous ceramic
[0063]
Next, the surface of the zirconia
[0064]
Next, a slurry dip method or screen printing is performed by using an insulating paste obtained by adding 3 to 30% by volume of a pore forming agent such as resin beads or carbon powder having an average particle diameter of 1 to 10 μm to the ceramic powder composition. The porous ceramic
[0065]
Next, as shown in FIG. 2, a
[0066]
In order to embed the porous ceramic insulating
[0067]
Then, the zirconia
[0068]
Thereafter, the laminate A of the
[0069]
Thereafter, if necessary, at least one type of ceramic selected from the group consisting of alumina, zirconia, and spinel is formed on the surface of the fired measurement electrode by a plasma spraying method or the like, so that the heater unit is integrated. A sensor element can be formed.
[0070]
In the example of FIG. 5, the
[0071]
In the example of FIG. 1, the dense ceramic
[0072]
【Example】
The stoichiometric air-fuel ratio sensor element shown in FIG. 1 was manufactured as follows according to FIG.
[0073]
First, 5 mol% Y containing 0.1 wt% each of alumina and silica 2 O 3 A slurry was prepared by adding a polyvinyl alcohol solution to the contained zirconia powder, and a zirconia
[0074]
Thereafter, on both surfaces of the zirconia
[0075]
Next, on the surface of the zirconia
[0076]
Thereafter, a porous ceramic
[0077]
Then, around this laminate, 5 mol% Y 2 O 3 The zirconia
[0078]
Thereafter, the sensor section laminate and the heater section laminate were laminated and baked at 1500 ° C. for 1 hour to produce a sensor element with an integrated heater.
[0079]
In addition, based on FIG. 2 (b), the manufactured oxygen sensor elements all had a measurement electrode area of 12 mm. 2 The length of the element was 50 mm, the width of the portion from the tip of the element to 20 mm was 3 mm (L2 = 3 mm), the maximum width L2 of the electrode pad formation portion was 4.5 mm, and the length was 10 mm. In addition, the thickness of the element was 1.5 mm.
[0080]
The thickness S of the zirconia solid electrolyte layer covering the heater was 200 μm.
[0081]
According to the above-described method, 20 sensor elements each having a different porosity of the porous body and a different thickness are produced, and the temperature is raised from room temperature to 1000 ° C. in about 20 seconds, and then rapidly cooled to room temperature by a fan. The cycle was defined as one cycle, and the damage rate after about 200,000 times was obtained. At this time, the mirror-polished surfaces of the porous ceramic insulating layer and the dense ceramic insulating layer in the heater portion were measured at 10 points of a 2000 × scanning electron microscope photograph, and the area ratio of pores in the cross-sectional area was measured. The average value was defined as the porosity. In addition, the thickness of the porous solid electrolyte layer was similarly measured by a scanning electron microscope photograph. Table 1 shows the results.
[0082]
With the electrode surface as the lower surface (tensile surface), a three-point bending test was performed on 10 elements at a span of 10 mm using the tip portions, and the average value of the element strength was determined.
[0083]
For comparison, an oxygen sensor including only a porous ceramic insulating layer and only a dense ceramic insulating layer as a ceramic insulating layer of the heater portion was manufactured in the same manner as above, and the above characteristics were measured.
[0084]
[Table 1]
[0085]
Table 1 shows that when the insulating layer surrounding the heating element is composed of only the porous ceramic insulating layer or only the dense ceramic insulating layer, the breakage rate is as high as 80% or more.
[0086]
On the other hand, in the device of the present invention in which the porous ceramic insulating layer and the dense ceramic insulating layer are provided around the heating element, the breakage rate is reduced to 60% or less. Further, as can be seen from Table 1, the product of the present invention has a porous ceramic insulating layer, but since the periphery thereof is embedded in the dense ceramic insulating layer and the zirconia solid electrolyte substrate, the element strength is excellent at 35 MPa or more. This prevents inadvertent damage to the device during the manufacturing process. This is also a major manufacturing advantage such as improving the yield.
[0087]
In particular, an element having a porous ceramic insulating layer having a porosity of 3 to 20% and a thickness of 5 to 200 μm, and a dense ceramic insulating layer having a porosity of 1% or less and a thickness of 5 to 100 μm, has a failure rate of 50%. % Or less, and the element strength was excellent at 40 MPa or more.
[0088]
From the above results, the product of the present invention provided with the porous ceramic insulating layer and the dense ceramic insulating layer can easily be a sensor element having excellent heat resistance and durability even when subjected to a rapid thermal cycle. It can be understood.
[0089]
【The invention's effect】
As described in detail above, according to the present invention, the heating element in the heater section is covered with the porous ceramic insulating layer and further covered with the dense ceramic insulating layer, so that cracks are generated or broken even for long-time operation. It is possible to provide a flat oxygen sensor element having excellent stability without any problem.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a schematic sectional view for explaining an example of an oxygen sensor element of the present invention.
FIG. 2 is a schematic plan view of an oxygen sensor element according to the present invention.
FIG. 3 is a schematic perspective view for explaining an application example of the oxygen sensor element of FIG. 3 (c).
FIG. 4 is a schematic sectional view for explaining still another example of the oxygen sensor element of the present invention.
FIG. 5 is an exploded perspective view for explaining a method of manufacturing the oxygen sensor element of FIG.
FIG. 6 is a schematic sectional view for explaining the structure of a conventional heater-integrated oxygen sensor element.
FIG. 7 is a schematic cross-sectional view for explaining the structure of another conventional heater-integrated oxygen sensor element.
[Explanation of symbols]
1 Sensor section
2 Heater section
3 Zirconia solid electrolyte substrate
4 Reference electrode
5 measuring electrode
6. Ceramic porous layer
7 Ceramic insulation layer
7a Porous ceramic insulating layer
7b Dense ceramic insulating layer
8 Heating element
9 Zirconia solid electrolyte layer
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