JP2005351737A - Oxygen concentration detection element - Google Patents

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Shoichi Sakai
祥一 堺
Futoshi Ichiyanagi
太 一柳
Junji Onozuka
準二 小野塚
Yasushi Orimo
康司 織茂
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide an oxygen concentration detection element capable of preventing element crack caused by the pressure rise of oxygen supplied into the element. <P>SOLUTION: This element includes a core rod 2 formed from an insulating material, a heater pattern 3 for generating heat by energization from the outside, a solid electrolyte layer 5 activated by the heat from the heater pattern 3, a detection electrode 7 formed on the outer surface of the solid electrolyte layer 5, and a reference electrode 6 formed inside the solid electrolyte layer 5 oppositely to the detection electrode 7. The reference electrode 6 is formed by mixing a noble metal material with a pore forming agent, and the content of the pore forming agent is 30-50 vol% to the noble metal material. <P>COPYRIGHT: (C)2006,JPO&NCIPI

Description

本発明は、例えば排気ガス中の酸素濃度を検出するための酸素センサに用いられる酸素濃度検出素子に関する。   The present invention relates to an oxygen concentration detection element used for an oxygen sensor for detecting an oxygen concentration in exhaust gas, for example.

従来から一般に自動車用エンジン等では、排気管の途中に酸素センサを配置し、その酸素センサで排気ガス中に含まれる酸素濃度を検出していた。そして、検出した酸素濃度に基づいて燃料と空気との混合比率である空燃比A/Fを所定の理論空燃比(A/F=14.7)とするように吸引空気量をフィードバック制御している。   Conventionally, in general, in an automobile engine or the like, an oxygen sensor is arranged in the middle of an exhaust pipe, and the oxygen concentration contained in the exhaust gas is detected by the oxygen sensor. Based on the detected oxygen concentration, the intake air amount is feedback-controlled so that the air-fuel ratio A / F, which is the mixing ratio of fuel and air, becomes a predetermined theoretical air-fuel ratio (A / F = 14.7). Yes.

このような酸素センサに使用される従来の酸素濃度検出素子として、図6に示すようなものが知られている(例えば、特許文献1参照。)。図6に示すように、酸素濃度検出素子100は、加熱フィルム101と、加熱ミアンダ102と、その周りを取り囲む絶縁層103、104と、参照通路フィルム105で囲まれた参照ガス通路106と、参照ガス通路106に設けられた参照電極107と、固体電解質体から成るネルンストフィルム108と、保護層109によって保護されている測定電極110とを備えている。   As a conventional oxygen concentration detection element used for such an oxygen sensor, one as shown in FIG. 6 is known (for example, see Patent Document 1). As shown in FIG. 6, the oxygen concentration detecting element 100 includes a heating film 101, a heating meander 102, insulating layers 103 and 104 surrounding the heating film 101, a reference gas passage 106 surrounded by a reference passage film 105, and a reference. A reference electrode 107 provided in the gas passage 106, a Nernst film 108 made of a solid electrolyte body, and a measurement electrode 110 protected by a protective layer 109 are provided.

次に、上述した酸素濃度検出素子100による酸素濃度の検出動作を説明する。まず、加熱ミアンダ102と絶縁層103、104とから成るヒータにより加熱が行われると、固体電解質体から成るネルンストフィルム108が活性化される。ここで、排気ガスなどの測定対象となるガス中の酸素は保護層109を透過し、測定電極110を通過してネルンストフィルム108の上面に導入される。一方、基準となる大気ガス中の酸素は参照ガス通路106を通して参照電極107に到達する。   Next, the operation of detecting the oxygen concentration by the oxygen concentration detecting element 100 described above will be described. First, when heating is performed by a heater including the heating meander 102 and the insulating layers 103 and 104, the Nernst film 108 made of a solid electrolyte body is activated. Here, oxygen in a gas to be measured such as exhaust gas passes through the protective layer 109, passes through the measurement electrode 110, and is introduced onto the upper surface of the Nernst film 108. On the other hand, oxygen in the reference atmospheric gas reaches the reference electrode 107 through the reference gas passage 106.

このとき、ネルンストフィルム108の上面と下面において酸素濃度に差があると、酸素イオンがネルンストフィルム108を輸送されることによって、酸素濃度差に応じて参照電極107と測定電極110との間に起電力が発生し、酸素濃度差に応じた出力電圧が得られる。
特開2000−180403号公報
At this time, if there is a difference in oxygen concentration between the upper surface and the lower surface of the Nernst film 108, oxygen ions are transported through the Nernst film 108, thereby causing a difference between the reference electrode 107 and the measurement electrode 110 according to the oxygen concentration difference. Electric power is generated and an output voltage corresponding to the oxygen concentration difference is obtained.
JP 2000-180403 A

しかしながら、図6に示した酸素濃度検出素子100では、参照電極107に輸送されてくる酸素を逃散させるための応力緩和層がないか、あるいは応力緩和層の空孔率が不十分なために、供給された酸素により素子内部の圧力が上昇し、上昇した圧力が素子強度を超えることにより素子割れを発生してしまうという問題点があった。   However, in the oxygen concentration detection element 100 shown in FIG. 6, there is no stress relaxation layer for escaping oxygen transported to the reference electrode 107, or the porosity of the stress relaxation layer is insufficient. The supplied oxygen increases the pressure inside the device, and the increased pressure exceeds the device strength.

さらに、参照電極とするための十分な酸素を溜め込むことができないという問題点もあった。   In addition, there is a problem that sufficient oxygen for the reference electrode cannot be stored.

この発明は、このような従来の課題を解決するためになされたものであり、その目的とするところは、参照電極に供給した酸素の一部をセンサ内部を通してハーネス側へ排出することによって、素子割れを防止することのできる酸素濃度検出素子を提供することにある。   The present invention has been made to solve such a conventional problem. The object of the present invention is to discharge a part of oxygen supplied to the reference electrode to the harness side through the inside of the sensor. An object of the present invention is to provide an oxygen concentration detecting element capable of preventing cracking.

上記目的を達成するために、請求項1記載の発明では、内側電極を貴金属材料に対して30〜50vol%の空孔形成剤を混合して形成しているため、空孔形成剤を焼成時に焼き飛ばすことによって内側電極内に空孔が形成されて内側電極を多孔質構造にすることができ、内側電極に供給された酸素の一部(余剰分)を内側電極から素子端部へ排出することができる。したがって、供給された酸素の圧力上昇による素子割れを防止することが可能になる。   In order to achieve the above object, in the invention according to claim 1, the inner electrode is formed by mixing a pore forming agent of 30 to 50 vol% with respect to the noble metal material. By burning off, voids are formed in the inner electrode, so that the inner electrode can have a porous structure, and a part of oxygen (excess) supplied to the inner electrode is discharged from the inner electrode to the element end. be able to. Therefore, it is possible to prevent element cracking due to an increase in the pressure of the supplied oxygen.

また、請求項2記載の発明では、空孔形成剤の平均粒径を5μm以下に設定している。このため、請求項2記載の発明では、緩和層全体の空孔径の平均値を直径10μm以下にすることができる。したがって、余剰の酸素を排出するのに必要な空孔を確実に形成することが可能になる。   In the invention according to claim 2, the average particle diameter of the pore forming agent is set to 5 μm or less. For this reason, in invention of Claim 2, the average value of the hole diameter of the whole relaxation layer can be 10 micrometers or less in diameter. Therefore, it is possible to reliably form vacancies necessary for discharging excess oxygen.

請求項3記載の発明では、基体をロッド状に形成している。このため、請求項3によれば、ガスの流れ方向等に影響されることを防止することができる。したがって、安定した出力特性を得ることが可能になる。   In the invention described in claim 3, the base is formed in a rod shape. For this reason, according to Claim 3, it can prevent being influenced by the flow direction etc. of gas. Therefore, stable output characteristics can be obtained.

本発明によれば、内側電極内に空孔が形成されて内側電極を多孔質構造にすることができ、内側電極に供給された酸素の一部(余剰分)を内側電極から素子端部へ排出することができる。したがって、供給された酸素の圧力上昇による素子割れを防止することが可能になる。   According to the present invention, pores are formed in the inner electrode so that the inner electrode can have a porous structure, and a part (surplus) of oxygen supplied to the inner electrode is transferred from the inner electrode to the element end. Can be discharged. Therefore, it is possible to prevent element cracking due to an increase in the pressure of the supplied oxygen.

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。図1は、本発明に係る酸素濃度検出素子の一実施形態の構成を示す図である。図1(a)は本実施形態の酸素濃度検出素子1を示す図である。図1(a)に示すように、酸素濃度検出素子1はロッド状に形成されている。この酸素濃度検出素子1のA−A断面図を図1(b)に示す。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. FIG. 1 is a diagram showing a configuration of an embodiment of an oxygen concentration detection element according to the present invention. FIG. 1A is a diagram showing an oxygen concentration detection element 1 of the present embodiment. As shown in FIG. 1A, the oxygen concentration detection element 1 is formed in a rod shape. FIG. 1B shows a cross-sectional view of the oxygen concentration detection element 1 taken along the line AA.

図1(b)に示すように、酸素濃度検出素子1は、基体としての芯ロッド2と、この芯ロッド2の円周面(外面)2aの所定領域(略半周に亘る領域)に形成されたヒータ部としてのヒータパターン3と、このヒータパターン3を覆うヒータ絶縁層4と、芯ロッド2の円周面2a上でヒータパターン3の反対側の位置に形成された酸素イオン伝導性の固体電解質層5と、この固体電解質層5の内面に形成された内側電極となる参照電極6と、固体電解質層5の外面に形成された外側電極となる検出電極7と、参照電極6の内面と芯ロッド2の円周面2aとの間に設けられた応力緩和層8と、固体電解質層5と検出電極7の外面に形成され、電極用窓部9aを有する緻密層9と、この緻密層9やヒータ絶縁層4の外面を全体的に覆う印刷保護層10と、この印刷保護層10の外面全体の領域を覆うスピネル保護層11とから大略構成されている。   As shown in FIG. 1B, the oxygen concentration detection element 1 is formed in a core rod 2 as a base and a predetermined region (a region extending substantially half a circle) of a circumferential surface (outer surface) 2a of the core rod 2. The heater pattern 3 as a heater portion, the heater insulating layer 4 covering the heater pattern 3, and the oxygen ion conductive solid formed on the circumferential surface 2a of the core rod 2 on the opposite side of the heater pattern 3 An electrolyte layer 5, a reference electrode 6 serving as an inner electrode formed on the inner surface of the solid electrolyte layer 5, a detection electrode 7 serving as an outer electrode formed on the outer surface of the solid electrolyte layer 5, and an inner surface of the reference electrode 6 The stress relaxation layer 8 provided between the circumferential surface 2a of the core rod 2, the dense layer 9 formed on the outer surface of the solid electrolyte layer 5 and the detection electrode 7 and having an electrode window 9a, and the dense layer 9 and a print protective layer covering the entire outer surface of the heater insulating layer 4 0 and is largely constituted of spinel protective layer 11 covering the outer surface entire area of the print protective layer 10.

芯ロッド2は、絶縁材料であるアルミナ等のセラミック材料により形成されており、中実円柱形状を有している。このように芯ロッド2を円柱状に形成することにより、取り付け時の方向やガスの流れ方向等による影響を受けなくすることができる。   The core rod 2 is made of a ceramic material such as alumina, which is an insulating material, and has a solid cylindrical shape. Thus, by forming the core rod 2 in a columnar shape, it is possible to eliminate the influence of the mounting direction, the gas flow direction, and the like.

ヒータパターン3は、タングステンや白金等の発熱性導体材料により形成されている。このヒータパターン3には、図示しないリード線部が一体に延設されていて、このリード線部を通じた外部からの通電で発熱することによって固体電解質層5を昇温して活性化させる。   The heater pattern 3 is formed of a heat-generating conductor material such as tungsten or platinum. The heater pattern 3 is integrally extended with a lead wire portion (not shown), and the solid electrolyte layer 5 is heated and activated by generating heat by external energization through the lead wire portion.

ヒータ絶縁層4は、絶縁性材料により形成され、ヒータパターン3の電気的絶縁を確保している。   The heater insulating layer 4 is made of an insulating material and ensures electrical insulation of the heater pattern 3.

固体電解質層5は、例えばジルコニアの粉体中に所定重量%のイットリアの粉体を混合させてペースト状にしたものをパターニングし、それを焼成して形成されている。そして、固体電解質層5は、参照電極6と検出電極7との間で、周囲の酸素濃度差に応じた起電力を発生させ、その厚さ方向に酸素イオンを輸送する。これにより、固体電界質層5と参照電極6及び検出電極7とによって酸素濃度を電気信号として取り出す検出部12を形成する。この検出部12とヒータパターン3とは、芯ロッド2の円周面2a上においてそれぞれ径方向の対向位置に設けられている。   The solid electrolyte layer 5 is formed, for example, by patterning a paste obtained by mixing a predetermined weight% of yttria powder in zirconia powder and firing it. The solid electrolyte layer 5 generates an electromotive force according to a difference in ambient oxygen concentration between the reference electrode 6 and the detection electrode 7, and transports oxygen ions in the thickness direction. Thus, the solid electrolyte layer 5, the reference electrode 6 and the detection electrode 7 form a detection unit 12 that extracts the oxygen concentration as an electrical signal. The detection unit 12 and the heater pattern 3 are provided at opposing positions in the radial direction on the circumferential surface 2 a of the core rod 2.

参照電極6及び検出電極7は、それぞれ導電性を有し、且つ酸素が透過できる例えば白金等の金属材料により形成されている。そして、参照電極6及び検出電極7にはそれぞれ図示しないリード線部が一体的に延設されており、このリード線部によって参照電極6と検出電極7との間に現れた出力電圧を検出できるようになっている。   The reference electrode 6 and the detection electrode 7 are each made of a metal material such as platinum that has conductivity and can transmit oxygen. A lead wire portion (not shown) is integrally extended to each of the reference electrode 6 and the detection electrode 7, and an output voltage appearing between the reference electrode 6 and the detection electrode 7 can be detected by the lead wire portion. It is like that.

さらに、本実施形態の参照電極6は貴金属材料に加えて例えばテオブロミン等の空孔形成剤を混合したものをパターニングし、それを焼成することにより形成されている。このように空孔形成剤を混合して形成することにより、焼成時に空孔形成剤が焼き飛ばされて電極内に空孔ができ、電極を多孔質構造にすることができる。したがって、参照電極6に供給された酸素の一部を素子端部へ排出することができ、素子割れを防止することが可能になる。   Further, the reference electrode 6 of the present embodiment is formed by patterning a mixture of a noble metal material and a hole forming agent such as theobromine, and firing it. Thus, by forming and mixing a pore-forming agent, the pore-forming agent is burned off during firing to form pores in the electrode, and the electrode can have a porous structure. Therefore, a part of oxygen supplied to the reference electrode 6 can be discharged to the end portion of the element, and the element can be prevented from cracking.

また、この空孔形成剤の添加量としては参照電極6を構成する貴金属材料に対して30〜50vol%とすることが望ましい。ここで、図2に基づいて空孔形成剤の添加量の違いによる素子への影響を説明する。図2に示すように、空孔形成剤の添加量を51vol%以上にすると、参照電極6の成形性が悪化し、参照電極6が崩れてしまう可能性がある。一方、空孔形成剤の添加量を30vol%未満にすると、参照電極6に連続透過孔が十分に得られないので、参照電極6を酸素が十分に透過することができず、これにより素子割れを引き起こす可能性が生じてしまう。したがって、空孔形成剤の添加量を貴金属材料に対して30〜50vol%にすることにより、参照電極6の成形性と耐素子割れ性とを両立した酸素濃度検出素子を実現することができる。   Further, the addition amount of the pore forming agent is preferably 30 to 50 vol% with respect to the noble metal material constituting the reference electrode 6. Here, the influence on the element due to the difference in the addition amount of the hole forming agent will be described with reference to FIG. As shown in FIG. 2, when the addition amount of the pore forming agent is 51 vol% or more, the moldability of the reference electrode 6 is deteriorated and the reference electrode 6 may be collapsed. On the other hand, if the addition amount of the pore forming agent is less than 30 vol%, sufficient continuous transmission holes cannot be obtained in the reference electrode 6, so that oxygen cannot sufficiently permeate the reference electrode 6, thereby causing element cracking. That could cause Therefore, an oxygen concentration detecting element that achieves both the moldability of the reference electrode 6 and the element cracking resistance can be realized by setting the amount of the pore forming agent added to 30 to 50 vol% with respect to the noble metal material.

さらに、添加される空孔形成剤の平均粒径は5μm以下とすることが望ましい。このように、空孔形成剤の平均粒径を5μm以下とするのは、平均粒径を5μmより大きくすると空孔形成剤の分散性ばらつきにより酸素の逃げ道が形成されないからである。逆に、平均粒径を5μm以下にすると、形成される空孔径の平均値が10μm以下となり、余剰の酸素を排出するのに必要な空孔を確実に形成することが可能になる。   Furthermore, the average particle diameter of the added pore forming agent is desirably 5 μm or less. Thus, the reason why the average particle diameter of the pore-forming agent is set to 5 μm or less is that when the average particle size is larger than 5 μm, no escape route for oxygen is formed due to dispersion of the dispersibility of the pore-forming agent. On the other hand, when the average particle diameter is 5 μm or less, the average value of the formed pore diameter is 10 μm or less, and it is possible to reliably form vacancies necessary for discharging excess oxygen.

応力緩和層8は、ジルコニアとアルミニウムの混合材料により形成されている。そして、応力緩和層8は固体電解質層5の焼成時における固体電解質層5と芯ロッド2との間の応力差を緩和すると共に、固体電界質層5を通じて参照電極6へ輸送されてくる酸素を図示しない経路によって逃散させるガス逃散路を構成している。   The stress relaxation layer 8 is formed of a mixed material of zirconia and aluminum. The stress relaxation layer 8 relaxes the stress difference between the solid electrolyte layer 5 and the core rod 2 when the solid electrolyte layer 5 is fired, and oxygen transported to the reference electrode 6 through the solid electrolyte layer 5. A gas escape path for escape by a path (not shown) is configured.

緻密層9は、測定ガス中の酸素が内面側に透過できない材料、例えばアルミナ等のセラミック材料により形成されている。緻密層9は、固体電解質層5の外面を覆っており、電極用窓部9aからは検出電極7が露出している。これにより、測定ガス中の酸素が電極用窓部9aのみから検出電極7に入り込むことができるようになっている。   The dense layer 9 is formed of a material that does not allow oxygen in the measurement gas to permeate to the inner surface side, for example, a ceramic material such as alumina. The dense layer 9 covers the outer surface of the solid electrolyte layer 5, and the detection electrode 7 is exposed from the electrode window 9a. As a result, oxygen in the measurement gas can enter the detection electrode 7 only from the electrode window 9a.

印刷保護層10は、緻密層9の電極用窓部9aから外部に露出されている検出電極7とともに、緻密層9、ヒータ絶縁層4の外側全面を覆っている。そして、印刷保護層10は測定ガス中の有毒ガスやダスト等は内面側に通過させないが、測定ガス中の酸素は通過させることのできる材質、例えばアルミナと酸化マグネシウムの混合物のような多孔質構造体によって形成されている。   The print protection layer 10 covers the entire outer surface of the dense layer 9 and the heater insulating layer 4 together with the detection electrode 7 exposed to the outside from the electrode window portion 9 a of the dense layer 9. The print protective layer 10 does not allow the toxic gas or dust in the measurement gas to pass through to the inner surface side, but allows the oxygen in the measurement gas to pass through, for example, a porous structure such as a mixture of alumina and magnesium oxide. Formed by the body.

スピネル保護層11は、素子の外側全面を覆っており、測定ガス中の酸素を通過させることができ、印刷保護層10よりも粗い多孔質体によって形成されている。   The spinel protective layer 11 covers the entire outer surface of the element, allows oxygen in the measurement gas to pass therethrough, and is formed of a porous material coarser than the print protective layer 10.

次に、本発明に係る酸素濃度検出素子1による酸素濃度の検出動作を説明する。例えば、エンジンの排気管内に設置される酸素センサの場合には、測定ガスである排気ガスが酸素濃度検出素子1の外周面を通過して導入され、基準となる大気が応力緩和層8を介して導入されるように設置される。そして、ヒータパターン3に通電して酸素濃度検出素子1全体が所定状態に加熱されると、固体電解質層5が活性化され、これにより検出可能状態となる。   Next, the operation of detecting the oxygen concentration by the oxygen concentration detecting element 1 according to the present invention will be described. For example, in the case of an oxygen sensor installed in the exhaust pipe of an engine, exhaust gas as a measurement gas is introduced through the outer peripheral surface of the oxygen concentration detection element 1, and the reference atmosphere passes through the stress relaxation layer 8. Installed to be introduced. When the heater pattern 3 is energized and the entire oxygen concentration detection element 1 is heated to a predetermined state, the solid electrolyte layer 5 is activated, thereby becoming a detectable state.

この状態で排気ガスが排気管内に排出されると、排気ガス中の酸素はスピネル保護層11、印刷保護層10及び検出電極7を通過して固体電界質層5に導入される。一方、大気中の酸素は応力緩和層8を介して導入され、参照電極6の周囲に溜め込まれる。   When the exhaust gas is discharged into the exhaust pipe in this state, oxygen in the exhaust gas passes through the spinel protective layer 11, the print protective layer 10, and the detection electrode 7 and is introduced into the solid electrolyte layer 5. On the other hand, oxygen in the atmosphere is introduced through the stress relaxation layer 8 and stored around the reference electrode 6.

このとき、参照電極6が多孔質構造をしているので、参照電極6には十分な酸素が溜め込まれるとともに、余分な酸素は素子端部へ排出され、酸素による素子内部の圧力上昇を抑えている。   At this time, since the reference electrode 6 has a porous structure, sufficient oxygen is stored in the reference electrode 6 and excess oxygen is discharged to the end portion of the element, thereby suppressing an increase in pressure inside the element due to oxygen. Yes.

そして、固体電解質層5の内外面で酸素濃度に差が発生すると、酸素イオンが固体電解質層5内を輸送されることによって酸素濃度差に応じた起電力が参照電極6と検出電極7との間に発生し、出力電圧が得られる。   When a difference occurs in the oxygen concentration between the inner and outer surfaces of the solid electrolyte layer 5, oxygen ions are transported through the solid electrolyte layer 5, so that an electromotive force corresponding to the oxygen concentration difference is generated between the reference electrode 6 and the detection electrode 7. An output voltage is obtained.

次に、本発明に係る酸素濃度検出素子1の製造方法を図3のフローチャートと図4に基づいて説明する。図4は酸素濃度検出素子1を各層に分解した図である。   Next, a method for manufacturing the oxygen concentration detection element 1 according to the present invention will be described with reference to the flowchart of FIG. 3 and FIG. FIG. 4 is an exploded view of the oxygen concentration detection element 1 in each layer.

まず、アルミナ等のセラミック材料を射出成形して中実円柱の芯ロッド2を製造する(S301)。この芯ロッド2を回転させつつ、芯ロッド2の円周面2aの略半分領域に、例えば白金またはタングステン等の発熱性材料を曲面スクリーン印刷してヒータパターン3とリード線部3aとを形成する(S302)。そして、このヒータパターン3とリード線部3a上に、アルミナ等を曲面スクリーン印刷してヒータ絶縁層4を形成する(S303)。 First, a solid cylindrical core rod 2 is manufactured by injection molding a ceramic material such as alumina (S301). While the core rod 2 is rotated, a heater pattern 3 and a lead wire portion 3a are formed on a substantially half region of the circumferential surface 2a of the core rod 2 by curved screen printing of a heat-generating material such as platinum or tungsten. (S302). Then, the heater insulating layer 4 is formed on the heater pattern 3 and the lead wire portion 3a by curved screen printing of alumina or the like (S303).

次に、芯ロッド2の円周面2a上で、ヒータパターン3の領域と反対の半分領域に曲面スクリーン印刷によって応力緩和層8を形成し(S304)、その上に白金等からなる導電性ペーストに空孔形成剤を混合したものを曲面スクリーン印刷して参照電極6及びそのリード線部6aを一体に形成する(S305)。   Next, on the circumferential surface 2a of the core rod 2, a stress relaxation layer 8 is formed by curved screen printing in a half region opposite to the region of the heater pattern 3 (S304), and a conductive paste made of platinum or the like thereon. Then, the reference electrode 6 and the lead wire portion 6a thereof are integrally formed by curved screen printing with a mixture of the pore forming agent (S305).

そして、参照電極6及び応力緩和層8等の上面に、例えばジルコニアとイットリアからなるペースト状物を曲面スクリーン印刷して酸素イオン伝導性の固体電界質層5を形成する(S306)。 Then, a paste-like material made of, for example, zirconia and yttria is curved-screen printed on the upper surfaces of the reference electrode 6 and the stress relaxation layer 8 to form the oxygen ion conductive solid electrolyte layer 5 (S306).

次に、固体電界質層5の上面等に、白金等からなる導電性ペーストを曲面スクリーン印刷して検出電極7及びそのリード線部7aを一体に形成し(S307)、形成した検出電極7及び固体電界質層5の上面に、例えばアルミナ等のセラミック材料を曲面スクリーン印刷して電極用窓部9aを有する緻密層9を形成する(S308)。緻密層9の電極用窓部9aからは検出電極7の中央部分が露出され、この露出された検出電極7の部分が電極としての有効部分となる。   Next, a conductive paste made of platinum or the like is curved-screen printed on the upper surface of the solid electrolyte layer 5 to form the detection electrode 7 and its lead wire portion 7a integrally (S307). A dense layer 9 having electrode windows 9a is formed on the upper surface of the solid electrolyte layer 5 by curved screen printing of a ceramic material such as alumina (S308). A central portion of the detection electrode 7 is exposed from the electrode window portion 9a of the dense layer 9, and the exposed portion of the detection electrode 7 becomes an effective portion as an electrode.

次に、芯ロッド2の円周面2aの円周方向の全領域に亘って、例えばアルミナと酸化マグネシウムからなるペースト状物を曲面スクリーン印刷して印刷保護層10を形成する(S309)。同様にして、芯ロッド2の円周面2aの円周方向の全領域に亘ってスピネル保護層11を形成する(S310)。これで、曲面スクリーン印刷工程を終了する。   Next, over the entire area in the circumferential direction of the circumferential surface 2a of the core rod 2, for example, a paste-like material made of alumina and magnesium oxide is subjected to curved screen printing to form the print protective layer 10 (S309). Similarly, the spinel protective layer 11 is formed over the entire area in the circumferential direction of the circumferential surface 2a of the core rod 2 (S310). This completes the curved screen printing process.

次に、曲面スクリーン印刷等を終えた円柱状作成物を高熱で焼成することにより一体的に焼結させる。このとき、空孔形成剤の混合されている参照電極6では、空孔形成剤が焼き飛ばされて空孔が形成され、多孔質構造となる。   Next, the cylindrical product that has been subjected to curved screen printing or the like is integrally sintered by firing with high heat. At this time, in the reference electrode 6 in which the pore-forming agent is mixed, the pore-forming agent is burned off to form pores, thereby forming a porous structure.

こうして焼成されると、酸素濃度検出素子1の製造が完了し、完成した酸素濃度検出素子1は図5に示すように酸素センサ20に組み込むことができる。   When fired in this manner, the production of the oxygen concentration detection element 1 is completed, and the completed oxygen concentration detection element 1 can be incorporated into the oxygen sensor 20 as shown in FIG.

このように、本実施形態に係る酸素濃度検出素子1では、参照電極6を貴金属材料に30〜50vol%の空孔形成剤を混合して形成したので、空孔形成剤を焼成時に焼き飛ばすことによって参照電極6内に空孔を形成して多孔質構造にすることができる。したがって、参照電極6に供給された酸素の一部(余剰分)を素子端部へ排出することができ、これによって供給された酸素の圧力上昇による素子割れを防止することが可能になる。さらに、参照電極6に十分な酸素を溜め込むことも可能になる。   As described above, in the oxygen concentration detection element 1 according to the present embodiment, the reference electrode 6 is formed by mixing the noble metal material with 30 to 50 vol% of the pore forming agent, so that the pore forming agent is burned off during firing. Thus, pores can be formed in the reference electrode 6 to form a porous structure. Therefore, a part (surplus) of oxygen supplied to the reference electrode 6 can be discharged to the end portion of the element, and it is possible to prevent element cracking due to an increase in pressure of the supplied oxygen. Further, sufficient oxygen can be stored in the reference electrode 6.

また、本実施形態に係る酸素濃度検出素子1では、空孔形成剤の平均粒径を5μm以下としたので、緩和層全体の空孔径の平均値を直径10μm以下にすることができる。したがって、余剰の酸素を排出するのに必要な空孔を確実に形成することが可能になる。   Moreover, in the oxygen concentration detection element 1 according to the present embodiment, since the average particle diameter of the pore forming agent is 5 μm or less, the average value of the pore diameters of the entire relaxation layer can be 10 μm or less. Therefore, it is possible to reliably form vacancies necessary for discharging excess oxygen.

さらに、本実施形態に係る酸素濃度検出素子1では、基体としての芯ロッド2をロッド状に形成したので、ガスの流れ方向等に影響されることを防止することができる。したがって、安定した出力特性を得ることが可能になる。   Furthermore, in the oxygen concentration detection element 1 according to the present embodiment, the core rod 2 as the base is formed in a rod shape, so that it can be prevented from being influenced by the gas flow direction and the like. Therefore, stable output characteristics can be obtained.

以上、本発明の酸素濃度検出素子を図示の実施形態に基づいて説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、各部の構成は同様の機能を有する任意の構成のものに置き換えることが可能である。   As described above, the oxygen concentration detection element of the present invention has been described based on the illustrated embodiment. However, the present invention is not limited to this, and the configuration of each part is replaced with an arbitrary configuration having the same function. Is possible.

例えば、上述した実施形態では、緻密層9の電極用窓部9aの形状を方形状としたが、電極用窓部9aを円形状、楕円形状、三角形状などその他の形状にしてもよい。   For example, in the above-described embodiment, the shape of the electrode window 9a of the dense layer 9 is rectangular, but the electrode window 9a may be other shapes such as a circle, an ellipse, and a triangle.

また、上述した実施形態では、円柱形状の芯ロッド2によって形成されているが、円柱形状以外の形状、例えば外面がフラットな形状であっても本発明は同様に適用することが可能である。   Moreover, in embodiment mentioned above, although formed with the column-shaped core rod 2, even if it is shapes other than column shape, for example, the shape where an outer surface is flat, this invention can be applied similarly.

さらに、上述した実施形態では、参照電極6に混合される空孔形成剤の含有量を貴金属材料に対して30〜50vol%としたが、30〜40vol%にさらに限定してもよい。   Furthermore, in embodiment mentioned above, although content of the void | hole formation agent mixed with the reference electrode 6 was 30-50 vol% with respect to the noble metal material, you may further limit to 30-40 vol%.

本発明の酸素濃度検出素子は、排気ガス中の酸素濃度を検出するための酸素センサに用いられ、素子内に供給された酸素の圧力上昇による素子割れを防止するための技術として極めて有用である。   The oxygen concentration detection element of the present invention is used as an oxygen sensor for detecting the oxygen concentration in exhaust gas, and is extremely useful as a technique for preventing element cracking due to an increase in pressure of oxygen supplied into the element. .

(a)は本発明の実施の形態に係る酸素濃度検出素子の側面図、(b)は(a)のA−A断面図である。(A) is a side view of the oxygen concentration detection element according to the embodiment of the present invention, and (b) is a cross-sectional view taken along line AA of (a). 空孔形成剤の添加量の違いによる酸素濃度検出素子への影響を説明するための図である。It is a figure for demonstrating the influence on the oxygen concentration detection element by the difference in the addition amount of a void | hole formation agent. 本発明の実施の形態に係る酸素濃度検出素子の製造方法を示すフローチャートである。It is a flowchart which shows the manufacturing method of the oxygen concentration detection element which concerns on embodiment of this invention. 本発明の実施の形態に係る酸素濃度検出素子を各層に分解した図である。It is the figure which decomposed | disassembled into each layer the oxygen concentration detection element which concerns on embodiment of this invention. 本発明の実施の形態に係る酸素濃度検出素子を適用した酸素センサの一例を示す断面図である。It is sectional drawing which shows an example of the oxygen sensor to which the oxygen concentration detection element which concerns on embodiment of this invention is applied. 従来の酸素濃度検出素子の構成を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the structure of the conventional oxygen concentration detection element.

符号の説明Explanation of symbols

1、100 酸素濃度検出素子
2 芯ロッド
2a 円周面(外面)
3 ヒータパターン
3a、6a、7a リード線部
4 ヒータ絶縁層
5 固体電解質層
6 参照電極
7 検出電極
8 応力緩和層
9 緻密層
9a 電極用窓部
10 印刷保護層
11 スピネル保護層
12 検出部
101 加熱フィルム
102 加熱ミアンダ
103、104 絶縁層
105 参照通路フィルム
106 参照ガス通路
107 参照電極
108 ネルンストフィルム
109 保護層
110 測定電極
1, 100 Oxygen concentration detection element 2 Core rod 2a Circumferential surface (outer surface)
3 Heater pattern 3a, 6a, 7a Lead wire part 4 Heater insulation layer 5 Solid electrolyte layer 6 Reference electrode 7 Detection electrode 8 Stress relaxation layer 9 Dense layer 9a Electrode window part 10 Print protection layer 11 Spinel protection layer 12 Detection part 101 Heating Film 102 Heating meander 103, 104 Insulating layer 105 Reference passage film 106 Reference gas passage 107 Reference electrode 108 Nernst film 109 Protective layer 110 Measuring electrode

Claims (3)

絶縁性材料によって形成された基体と、該基体と同一面上に設けられ、外部からの通電によって発熱するヒータ部と、該ヒータ部とは別の位置の基体同一面上に設けられ、前記ヒータ部からの熱によって活性化される固体電解質層と、該固体電解質層の外面に形成される外側電極と、該外側電極に対向して前記固体電界質層の内側に形成された内側電極とを備えた検出部を形成してなる酸素濃度検出素子であって、
前記内側電極は貴金属材料と空孔形成剤を用いて構成され、該空孔形成剤の含有量は前記貴金属材料に対して30〜50vol%含まれることを特徴とする酸素濃度検出素子。
A base formed of an insulating material; a heater provided on the same surface as the base; and a heater that generates heat when energized from outside; and the heater provided on the same surface of the base at a position different from the heater. A solid electrolyte layer that is activated by heat from a portion; an outer electrode formed on an outer surface of the solid electrolyte layer; and an inner electrode formed on the inner side of the solid electrolyte layer facing the outer electrode. An oxygen concentration detection element comprising a detection unit equipped with,
The oxygen concentration detecting element, wherein the inner electrode is configured using a noble metal material and a pore-forming agent, and the content of the pore-forming agent is 30 to 50 vol% with respect to the noble metal material.
前記空孔形成剤は、平均粒径が5μm以下であることを特徴とする請求項1記載の酸素濃度検出素子。   The oxygen concentration detecting element according to claim 1, wherein the pore forming agent has an average particle diameter of 5 μm or less. 前記基体は、ロッド状に形成されることを特徴とする請求項1又は請求項2に記載された酸素濃度検出素子。   The oxygen concentration detection element according to claim 1, wherein the base is formed in a rod shape.
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