JP2766029B2 - セラミックグリーンシート材及び電気化学的素子並びにその製造方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 （技術分野） 本発明は、セラミックグリーンシート材及び電気化学
的素子並びにその製造方法に係り、特に被測定ガス中の
所定のガス成分濃度を検出するために用いられる電気化
学的素子における電極保護層を形成するのに有利に用い
られ得るセラミックグリーンシート材、及びそのような
セラミックグリーンシート材を用いて有利に得られる電
気化学的素子、並びにそれを製造する方法に関するもの
である。

（背景技術） 従来から、相互に連結した多数の気孔の存在によって
多孔質構造となったセラミック体乃至はセラミック層
が、その多孔質構造を利用して、各種の用途に用いられ
ており、例えば、被測定ガス中の所定のガス成分濃度を
検出する酸素センサ素子等の電気化学的素子において
は、内燃機関より排出される排気ガスの如き被測定ガス
に直接晒される電極上には、必ず、ガス透過性のある保
護層として多孔質構造のセラミック層が設けられてい
る。この多孔質な保護層は、被測定ガス中に含まれる
鉛、リン、シリコン、硫黄等の電極に悪影響を及ぼす被
毒（腐食）物質から電極を譲り（電極が被毒物質に冒さ
れると、センサ制御点の変化、センサ出力の低下、応答
性の劣化等の不都合を生じる）、且つ高温下での電極成
分の揮散を防止し、素子の耐久性を向上させるものであ
る。従って、そのような電極保護層にクラックが発生し
たりすると、直接に高温の腐食性ガスが電極に到達し、
電極が腐食されたり、揮散したりして実質的にセンサ機
能を失うこととなる。

ところで、このような電極保護層等の多孔質なセラミ
ック層乃至はセラミック体は、それが形成されるべき電
極や固体電解質体等の基材上に、プラズマ溶射法によ
り、スピネル等の適当なセラミック材料の多孔質溶射層
を形成せしめることによって、実現されたり、所定のセ
ラミック材料からなるグリーンシート層を電極や固体電
解質体等の基材上に積層形成した後、かかるグリーンシ
ート層を焼成して基材と一体化せしめるグリーンシート
積層法等によって、実現されている。なお、かかるグリ
ーンシート積層法により多孔質なセラミック層を設ける
には、（１）グリーンシートを構成するセラミック粉末
の焼結を不充分にする方法、（２）グリーンシート中の
バインダ量を増やす方法、（３）グーリンシート中にバ
インダ以外の有機物を添加して、焼成時にそれぞれ消失
させる方法、等が一般化されている。

しかしながら、前記プラズマ溶射法にて多孔質セラミ
ック層を形成する場合にあっては、熱衝撃により、かか
る多孔質セラミック層に亀裂や層間剥離が惹起され易
く、またその機械的強度も弱い等の問題があり、更に一
般に100μｍ以上の厚さにおいて多孔質セラミック層を
安定的に形成するのが困難である等の問題があった。ま
た、グリーンシート積層法による多孔質セラミック層の
形成手法にあっては、多孔質セラミック層の多孔質構造
を与える多数の気孔によって形成される、ガス等の流体
の流通経路（流体透過パス）の長さが短く、そのため
に、酸素センサ素子等の電気化学的素子における電極保
護層として用いた場合において、被測定ガス中の被毒物
質を充分に除去することが出来ず、それによってセンサ
制御点の変化、センサ出力の低下、応答性の劣化等の問
題を生じ、その耐久性に問題のあるものであった。

（解決課題） ここにおいて、本発明は、かかる事情を背景にして為
されたものであって、その解決課題とするところは、流
体透過パスの長い多孔質構造を有する多孔質セラミック
層乃至は多孔質セラミック体を与えるセラミックグリー
ンシート材を提供することにあり、また、そのようなセ
ラミックグリーンシート材を用いて、耐久性に優れた電
気化学的素子、特に酸素センサ素子を製造する方法、並
びにそのような方法によって有利に製造される、耐久性
の向上した電気化学的素子を提供することにある。

（解決手段） そして、上記の課題を解決するための本発明に係るセ
ラミックグリーンシート材は、焼成によって多孔質構造
を与えるセラミックグリーンシート材にして、セラミッ
ク粉末とバインダと加熱により消失する平板状或いは針
状小片とから主として構成される原料組成物を用いて形
成されてなり、且つ該平板状或いは針状小片がシート面
に実質的に平行な方向に配向せしめられていることを特
徴とするものである。

また、上記課題を解決する本発明に従う電気化学的素
子は、固体電解質体と、この固体電解質体に接して設け
られた複数の電極と、該複数の電極の少なくとも一つの
上に設けられた保護層とを有する電気化学的素子であっ
て、該保護層が連結した多数の気孔を有するセラミック
多孔質層にて構成され、且つ該気孔が概ね平板状或いは
針状を呈して、該保護層表面に対して実質的に平行な方
向に配向していることを特徴とするものである。

さらに、本発明は、かかる電気化学的素子を有利に製
造するために、（ａ）未焼成の固体電解質体に未焼成の
電極を形成した後、該未焼成電極の上に、上記本発明に
従うセラミックグリーンシート材からなる保護層を形成
せしめ、更にその後、該固体電解質体、電極及び保護層
を同時焼成する手法、（ｂ）未焼成の固体電解質体に未
焼成の電極を形成して、焼成した後、焼成電極の上に、
上記本発明に従うセラミックグリーンシート材からなる
保護層を形成せしめ、その後かかる保護層の焼成を行な
う手法、（ｃ）焼成して得られた固体電解質体に未焼成
の電極を形成した後、該未焼成電極の上に、上記本発明
に従うセラミックグリーンシート材からなる保護層を形
成せしめ、その後それら電極及び保護層の焼成を行なう
手法のうちの、何れかの手法を採用するものである。

（作用・効果） 従って、上記のように本発明に従うセラミックグリー
ンシート材にあっては、その内部に、加熱により消失す
る平板状或いは針状小片がシート面に実質的に平行な方
向に配向せしめられた状態において存在せしめられてい
るところから、かかるセラミックグリーンシート材が焼
成されると、バインダと共に、平板状或いは針状小片も
消失せしめられ、以てその部位に、該平板状或いは針状
小片に対応した概ね平板状或いは針状の気孔が生じ、し
かもそのような気孔は、焼成物の表面に実質的に平行な
方向に配向しているところから、特異な多孔質構造のセ
ラミック層乃至はセラミック体となるのである。

すなわち、第１図（ａ）及び（ｂ）に示されるよう
に、本発明に従うセラミックグリーンシート材を焼成し
て得られる多孔質セラミック体（シート）にあっては、
平板状或いは針状小片の消失によって形成される多数の
気孔２が、その表面に対して実質的に平行な方向に配向
した、概ね平板状或いは針状の空隙形態において形成さ
れており、そしてそれら気孔２が相互に連結しているこ
とにより、第１図（ｂ）において矢印にて示される如
く、多孔質セラミック体の一方の面から他方の面に通じ
る流体透過パスの長さが、長くなることとなるのであ
る。

これに対して、従来の方法に従ってセラミックグリー
トシート材を焼成して得られる多孔質セラミック体は、
第２図（ａ）及び（ｂ）に示されるように、その内部に
形成された多数の不定形の気孔４によって多孔質構造を
呈するものであるところから、それら気孔４によって形
成される流体透過パスの多孔質セラミック体表面方向に
平行な方向のパス長さが短く、そのために、多孔質セラ
ミック体の一方の面から他方の面に通じる流体透過パス
の長さも、全体として短くなるのである。

従って、そのような本発明に係るセラミックグリーン
シート材にて有利に形成される、概ね平板状或いは針状
の気孔が表面に平行な方向に配向して、多孔質構造を呈
するセラミック多孔質層にて、電極保護層を形成してな
る電気化学的素子にあっては、従来のものに比べて、電
極に到達するガスの透過経路（パス）の長さが長くな
り、それによって、被測定ガス中の被毒物質が電極に到
達するのが効果的に抑制され得、以てそのような被毒物
質による電極の劣化に起因する、センサ制御点の変化、
センサ出力の低下、応答性の劣化等の不都合の発生も効
果的に抑制せしめられ得て、センサの耐久性が向上され
得ることとなったのである。

また、そのような電気化学的素子は、本発明に従うセ
ラミックグリーンシート材を用いて電極保護層を形成せ
しめ、そしてそれを焼成せしめることによって、その多
孔質構造化を行なうことにより、容易に且つ有利に製造
することが出来るのであり、更にそのような焼成によっ
て、多孔質構造の保護層が電極上に一体的に形成され得
ることとなるところから、その機械的強度を高めること
が出来、また熱衝撃による亀裂や層間剥離の発生も効果
的に抑制せしめるようにすることが出来、更にその厚さ
としても、任意の厚さにおいて安定的に形成することが
出来るのである。

（具体的構成） ところで、かかる本発明に従うセラミックグリーンシ
ート材を形成するための原料組成物を構成する主要成分
たるセラミック粉末としては、目的に応じて、適宜に公
知のものが選択され得、例えば、イットリア、カルシ
ア、イッテルビア等を固溶せしめてなる部分安定化ジル
コニア若しくは完全安全化ジルコニア、アルミナ、スピ
ネル、コーディエライト、チタニア等の粉末若しくはそ
れらを主成分とする粉末またはそれらの混合粉枚が用い
られる。なお、このセラミック粉末には、公知の如く、
焼結助剤として、SiO₂、Al₂O₃、カオリン、粘土等が必
要に応じて30重量％以下の割合で配合せしめられること
となる。なお、それらセラミック粉末の中でも、アルミ
ナ及びイットリア添加ジルコニア（特に立方晶相の多い
部分安定化ジルコニア乃至は立方晶からなる完全安定化
ジルコニア）が好ましく用いられる。

また、かかるセラミック粉末と共に、原料組成物を構
成する重要な成分たる平板状或いは針状小片は、焼成に
際しての加熱により消失、即ち昇華又は熱分解又は燃焼
する平板状或いは針状の粉末乃至は粒子であって、例え
ば黒鉛や二硫化モリブデン等の鱗片状物、或いは針状物
や、澱粉、砂糖等の扁平化若しくは平板状或いは繊維状
有機物等があり、なかでも、板状晶粉末である黒鉛や二
硫化モリブデン等が、本発明においては好ましく用いら
れる。なお、このような平板状小片は、一般に、その平
板面の最長の距離（長さ）と平板面同士の最短の間隔
（厚さ）の比が2/1以上、好ましくは5/1以上のサイズを
有するものである。但し、この平板面は、どのような形
状をしていてもよく、また多少の凹凸があってもよく、
更には必ずしも上下の平板面が同一形状である必要はな
い。また、針状小片は、一般に、長さと直径の比が2/1
以上、好ましくは5/1以上のサイズを有するものであ
る。ここでは、上述したようなものを平板状及び針状小
片と称し、公知概念として平板状及び針状と考えられる
もの全てを対象とするものである。

また、このような平板状或いは針状小片は、セラミッ
ク粉末との合計量において、一般に20〜80容量％程度、
好ましは30〜70容量％程度となるように配合せしめられ
ることとなる。

さらに、かかるセラミック粉末及び平板状或いは針状
小片と共に、原料組成物の主たる構成成分となるバイン
ダは、そのような原料組成物をセラミックグリーンシー
ト材に成形するために配合せしめられるものであって、
従来からセラミック粉末の成形助剤として公知のバイン
ダ類が適宜に選択使用されるものであり、例えば、エチ
ルセルロース、ポリビニルアルコール、ポリビニルブチ
ラール、ポリアクリル酸エステル、ポリメタクリル酸エ
ステル等の天然のバインダ類や合成の樹脂バインダ類等
が用いられることとなる。なお、このバインダ類の種類
により、適当な可塑剤、例えばジオクチルフタレート、
ジブチルフタレート、ジエレングリコール、セバシン酸
ジブチル等が適宜に添加配合せしめられる。また、この
ようなバインダは、可塑剤と合わせて、一般に、上記し
たセラミック粉末と平板状或いは針状小片との合計量の
100重量部に対して、５〜40重量部程度の割合において
配合せしめられるものである。

そして、このようなセラミック粉末とバインダと加熱
により消失する平板状或いは針状小片とから主として構
成される原料組成物を用いて、セラミックグリーンシー
ト材を成形するに際しては、先ず、そのような原料組成
物に対して、適当な溶剤、例えばエタノール、２−プロ
パノール、１−ブタノール等のアルコール類、トルエ
ン、キシレン等の芳香族炭化水素類、トリクロロエチレ
ン、テトラクロロエチレン、酢酸エステル類、テルピオ
ネール、カルビトール類、メチルエチルケトン、水等、
或いはそれらの混合溶剤が、前記バインダ類や可塑剤の
種類に応じて、適宜に選択配合され、従来と同様に、成
形に適した粘度となるように、得られる成形用流動物
（スラリー）の粘度調整が行なわれる。

次いで、この粘度調整された原料組成物の成形用流動
物を用いて、公知のドクタープレード法、カレンダーロ
ール法、スクリーン印刷法、浸漬法、塗布法等の成形手
法によって、所定厚さの自立シート又は所定厚さのシー
ト層として、所定の基板上に、目的とするセラミックグ
リーンシート材が形成される。このようにして得られる
セラミックグリーンシート材にあっては、その成形手法
において、成形用流動物にシート面に平行な方向の力が
作用せしめられることとなるところから、そのような流
動物中に存在する平板状或いは針状小片は、成形方向に
配向するようになるのであり、以て得られるセラミック
グリーンシート材において、平板状或いは針状小片はシ
ート面に実質的に平行な方向に配向せしめられた状態と
なるのである。また、かかる平板状或いは針状小片の積
極的な配向のために、シート状とされた前記成形用流動
物に対して、それが流動状態にある間に、シート面に平
行な力を機械的に或いは物理的に作用させることも有効
である。なお、得られるセラミックグリートシート材に
おける平板状或いは針状小片のよりよい配向性を得るた
めには、ドクタープレード法、カレンダーロール法、又
はスクリーン印刷法を採用することが望ましい。また、
そのようにして成形されるセラミックグリーンシート材
の厚さとしては、一般に、20〜1000μｍ程度、好ましく
は100〜500μｍ程度とされることとなる。

そして、このようにして成形されたセラミックグリー
ンシート材には、必要に応じて、室温下における自然乾
燥や強制的な加熱乾燥が施された後、焼成操作が、大気
中において、或いは酸化、還元若しくは不活性雰囲気中
において実施され、これによって、第１図（ａ）及び
（ｂ）に示される如き、平板状或いは針状の気孔が相互
に連結して、表面に平行な方向に配向した多孔質体（多
孔質セラミック層乃至は多孔質セラミックシート）が得
られるのである。なお、こうして得られた多孔質体は、
一般に、20〜80％程度、好ましくは30〜60％程度の開気
孔率を有するものである。

かくして得られた平板状或いは針状の気孔が配向した
多孔質体は、その特異な多孔質構造を利用して、従来か
らの多孔質体の用途に有利に用いられ得るものであり、
例えば、セラミックフィルタとして、また燃料電池の隔
板等として、各種の用途に用いられる他、酸素センサ素
子等の電気化学的素子における電極の保護層としても、
有利に用いられるものである。

第３図及び第４図には、そのような多孔質体からなる
電極保護層を設けた電気化学的素子の一つである酸素セ
ンサ素子の基本的な構造の一例が示されている。

それらの図において、10は、酸素イオン伝導性の固体
電解質体であり、この固体電解質体10の両側の面にそれ
ぞれ接して、測定電極12及び基準電極14が設けられてお
り、更にかかる固体電解質体10の基準電極14が設けられ
た側の面には、大気等の基準ガスを導く基準ガス導入通
路16を形成するために、基準ガス導入層18及びシール層
20が順次積層せしめられて、一体的な構造とされてい
る。一方、固体電解質体10の測定電極12が設けられた側
の面には、電極保護層22が、本発明に従うセラミックグ
リーンシート材を用いて形成された第１図（ａ），
（ｂ）に示される如き多孔質構造において、一体的に積
層形成されている。なお、この酸素センサ素子を構成す
る固体電解質体10、電極12,14、基準ガス導入層18、シ
ール層20は、何れも、当業者によく知られている材料を
用いて形成されている。

従って、このような酸素センサ素子においては、内燃
機関より排出される排気ガス等の被測定ガスが、電極保
護層22の多孔質構造を通じて導かれて、測定電極12に接
触せしめられる一方、基準電極14には、大気等の基準酸
素濃度の基準ガスが接触せしめられ、それら電極12,14
に接触するガス中の酸素濃度差に基づいて、酸素濃淡電
池の原理により起電力を発生せしめ、それを検出信号と
して取り出し、被測定ガス中の酸素濃度を検出するよう
になっている。

而して、かかる酸素センサ素子においては、被測定ガ
スに接触せしめられる測定電極12の保護層22は、第１図
（ａ）及び（ｂ）に示される如き多孔質構造の多孔質体
とされているところから、被測定ガス中に存在する被毒
物質は、かかる電極保護層22の長いガス透過パス内を通
過する間に、パス内壁面等に吸着されて、測定電極12に
到達するのが阻止されることとなるところから、そのよ
うな被毒物質によって劣化せしめられることがなく、こ
れによりセンサ制御点の変化やセンサ出力の低下、応答
性の劣化等の不都合の発生が効果的に抑制され、以てセ
ンサの耐久性が向上せしめられ得るものである。

ところで、このような酸素センサ素子を作製するに際
しては、先ず、公知の固体電解質材料を用いて形成され
た、厚さが100μｍ〜1mm程度の未焼成の固体電解質体
（10）に対して、未焼成の電極（12,14）が、白金、パ
ラジウム、ロジウム等の導体金属若しくはそのような導
体金属とアルミナ、ジルコニア等のセラミック粉末との
サーメット形成用混合物等の公知の電極形成材料を用い
て、スクリーン印刷法、転写性、噴霧法、塗布法、スピ
ニング法等の公知の手法にて、所定厚さ（３〜30μｍ程
度）で形成される。次いで、それら複数の未焼成電極の
少なくとも一つ（12）の上に、本発明に従うセラミック
グリーンシート材からなる未焼成の電極保護層（22）
を、前述した成形手法によって形成せしめ、また未焼成
の基準ガス導入層（18）やシール層（20）を、公知の材
料（通常、固体電解質体10を与える固体電解質材料と同
様な材料）にて積層形成する。そして、その後、それら
未焼成の固体電解質体（10）、電極（12,14）、電極保
護層（22）、基準ガス導入層（18）及びシール層（20）
からなる一体的な積層物を同時焼成することにより、目
的とする酸素センサ素子が製造されるのである。

また、かかる酸素センサ素子は、次のような手法によ
っても作製することが可能である。即ち、未焼成の固体
電解質体（10）に、未焼成の電極の複数（12,14）を形
成し、また必要に応じて、未焼成の基準ガス導入層（1
8）やシール層（20）を形成して、焼成した後、得られ
た焼成電極（12）上に、本発明に従うセラミックグリー
ンシート材からなる未焼成の電極保護層（22）を前述の
成形手法によって形成せしめ、その後、かかる電極保護
層（22）の焼成を行なうことにより、目的とする酸素セ
ンサ素子を得る方法である。または、未焼成電極の一方
（14）（基準極）を形成し、また必要に応じて、未焼成
の基準ガス導入層（18）やシール層（20）を形成して、
焼成した後、更にもう一方（12）の未焼成電極（測定
極）を形成し、保護層を積層して焼成する方法でもよ
い。

さらに、かかる酸素センサ素子を作製するに際して
は、焼成して得られた固体電解質体10を用い、それに未
焼成の電極の複数（12,14）を形成した後、それら未焼
成電極の少なくとも一つ（12）の上に、本発明に従うセ
ラミックグリーンシート材からなる電極保護層（22）を
形成せしめ、また未焼成の基準ガス導入層（18）やシー
ル層（20）を形成して、一体的な積層体と為し、その
後、かかる積層体の焼成を行なうことにより、それら電
極（12,14）や電極保護層（22）等の焼成を実施する手
法も、採用することが可能である。なお、焼成固体電解
質体10上に未焼成の電極（12,14）を形成するには、上
記未焼成体に対する形成手法の他に、スパッタリング法
や無電解メッキ法、真空蒸着法等の手法も採用され、そ
してそれによって0.3〜５μｍ程度の厚さの電極が形成
される。

なお、このような酸素センサ素子における電極保護層
22は、それを支持する基板である固体電解質体10との一
体化をより向上せしめる上において、かかる固体電解質
体10と同等の熱膨張係数を有することが望ましく、この
ために、該電極保護層22を与えるセラミックグリーンシ
ート材を構成するセラミック粉末としては、有利には、
固体電解質体10を構成する固体電解質材料と同様なもの
が用いられ、中でも、電極保護層22を完全安定化ジルコ
ニアにて構成する一方、固体電解質体10を部分安定化ジ
ルコニアにて構成することが、電極保護層22の熱的安定
性と固体電解質体10の強度とを両立させる上において再
も望ましい。

また、電極保護層22に関して、その多孔質構造を、本
発明に従って、平板状或いは針状の消失小片の配合によ
って生じる平板状或いは針状の気孔にて形成する他に、
電極保護層22の材質自体を固体電解質体10にそれよりも
難焼結体のものとし、電極保護層と固体電解質体との同
時焼成によって、前記平板状或いは針状の気孔の他に、
更に微少な孔を形成して、そのような多孔質構造を実現
することは、本発明において有利な態様である。

さらに、電極保護層22は、単一層ばかりでなく、複数
層にても構成され得、この場合、電極に近い保護層をよ
りポーラスにしてもよく、逆に、遠い保護層をよりポー
ラスにしてもよい。更にまた、本発明に従う電極保護層
22とそれにて保護される測定電極12との間に、気孔率や
気孔径の異なる他の多孔層を更に設けることも可能であ
る。

以上、電気化学的素子の一つである酸素センサ素子の
基本的な構造のものに対する本発明の適用例について説
明してきたが、本発明が、公知の各種の構造の酸素セン
サ素子、更には他の電気化学的素子に何れも適用され得
るものであることは、言うまでもないところである。

例えば、電気化学的素子は、よく知られているよう
に、適当なヒータ手段にて所望の温度に加熱せしめられ
得るような構造となっていても良く、またそのようなヒ
ータ手段が素子に一体的に形成されていても、また素子
とは別体とされていても、何等差支えないのである。

また、素子の形状にあっても、例示の如き板状形状の
他、有底円筒形状や円筒形状等、公知の各種の形状を採
用することが出来、更に素子の構成にあっても、例示の
如く、固体電解質体と複数の電極からなる電気化学的セ
ルの一つにて構成されるものの他、そのような電気化学
的セルの複数を用いて、例えば特開昭60−108745号公報
等に示される如く、電気化学的酸素ポンプセル及び電気
化学的酸素センサセルを含んで構成される一体的な構造
のものであっても、何等差支えないのである。

（実施例） 以下に、本発明の更に具体的な実施例を幾つか示し、
本発明をより一層明らかにすることとするが、本発明
が、そのような実施例の記載によって何等の制約をも受
けるものでないことは、言うまでもないところである。
また、本発明には、以下の実施例の他にも、更には上記
の具体的記述以外にも、本発明の趣旨を逸脱しない限り
において、当業者の知識に基づいて種々なる変更、修
正、改良等を加え得るものであることが、理解されるべ
きである。

実施例 １ ZrO₂粉末（純度:99.5重量％、粒度:2.5μｍ以下のも
のが略90％）と、硫酸イットリウム水溶液（Y₂O₃として
85g/kg水溶液）とを、ZrO₂:Y₂O₃＝93mol％:7mol％とな
るような割合において、ポットミルにて１時間湿式混合
（ZrO₂玉石使用）した後、乾燥せしめ、その後、10000
℃の温度で２時間保持することにより、仮焼した。次い
で、この仮焼物を粉砕して、24メッシュパスと為し、こ
れに粘土（24メッシュパス）の１重量％を添加して、ポ
ットミルで24時間乾式粉砕することにより、60メッシュ
パスのZrO₂粉末原料を得た。

かくして得られたZrO₂粉末原料の70重量部と鱗片状の
小片である黒鉛粉末（純度:99.5重量％以上、粒度:20μ
ｍ以下のものが略90％）の30重量部と、ポリビニルブチ
ラール樹脂の10重量部と、ジブチルフタレートの６重量
部と、トルエン:2−プロパノール＝1:1である混合溶剤
の100重量部とを、ジルコニア玉石（10mmφ）を用い
て、ポットミルにて10時間混合せしめ、140メッシュの
篩を通した後、得られたスラリーを10000cpsに粘度調整
した。

次いで、この得られたスラリーを、ドクターブレード
法により、乾燥後のシート厚みが300μｍとなるように
成形し、更に100℃で２時間保持することにより乾燥せ
しめた後、1400℃で２時間焼成することにより、第１図
（ａ）及び（ｂ）に示される如き、シート面に平行に配
向した気孔を有する、開気孔率が50％の多孔質セラミッ
ク体（シート）を得た。

実施例 ２ Al₂O₃粉末（純度:99.9重量％、粘度:2μｍ以下の粒子
が略90％）に、焼結助剤としてカオリンを３重量％添加
して、アルミナ玉石（10mmφ）を用いて、ポットミルで
24時間乾式粉砕することにより、60メッシュパスのAl₂O
₃粉末原料を調製した。

この得られたAl₂O₃粉末原料の50重量部と、鱗片状の
小片である二硫化モリブデン（MoS₂）粉末（純度:99重
量％、粒度:10μｍ以下の粒子が略90％）の50重量部
と、ポリメタクリル酸ブチルの10重量部と、ジオクチル
フタレートの２重量部と、トルエン（溶剤）の50重量部
とを、アルミナ玉石（10mmφ）を用いてポットミルで10
時間混合した後、140メッシュの篩を通し、得られたス
ラリーを20000cpsに粘度調整した。

次いで、かかるスラリーを、ドクターブレード法によ
り、乾燥後の厚さが300μｍとなるセラミックグリーン
シートに成形した後、アルゴンガス中で1200℃×２時間
焼成することにより、第１図（ａ）及び（ｂ）に示され
る如き、シート面に平行に配向した気孔を有する、開気
孔率が40％の多孔質セラミック体を得た。

実施例 ３ ZrO₂96mol％及びY₂O₃4mol％よりなる粉末（焼結助剤
として粘土を３重量％含有）の100重量部と、ポリビニ
ルブチラール樹脂12重量部と、ジオクチルフタレートの
５重量部とを加えてなる組成物から、厚さ:500μｍの板
状に、ZrO₂セラミックグリーンシートを成形した。

そして、この得られたグリーンシートを、未焼成の固
体電解質体として用いて、第３図及び第４図に示される
如き酸素センサ素子を作製すべく、その両面に、スクリ
ーン印刷法により、白金粉末の80重量％と、Y₂O₃4mol％
含有ZrO₂粉末の20重量部よりなる電極用導体ペーストを
10μｍ厚さにて塗布し、その後、100℃×20分間の乾燥
を行なって、未焼成電極（12,14）を形成した。

その後、かかるZrO₂グリーンシートからなる固体電解
質体（10）の一方の電極（12）上に、実施例１にて作製
した配向性セラミックグリーンシートを電極保護層（2
2）として、また他方の電極（14）上には、上記ZrO₂セ
ラミックグリーンシートからなる未焼成の基準ガス導入
層（18）を、更にその上に上記ZrO₂セラミックグリーン
シートからなるシール層（20）を、それぞれ積層せし
め、加熱加圧一体化して、一体的な積層物と為した後、
それを、大気中において1400℃×２時間の条件下に同時
焼成することにより、平板状の気孔が表面に対して平行
に配向した多孔質構造の電極保護層（22）を有し、耐久
性に優れた、第３図及び第４図に例示の如き構造の酸素
センサ素子（電気化学的素子）を得た。

実施例 ４ 実施例３で作製した板状のZrO₂グリーンシートを固体
電解質体として、その一方の面に、スクリーン印刷法に
より、白金粉末80重量部とY₂O₃4mol含有ZrO₂粉末20重量
部とからなる電極用導体ペーストを、10μｍの厚さで塗
布した後、100℃×20分の条件で乾燥せしめて、未焼成
の基準電極（14）を形成した。更に、かかる基準電極
（14）の上に、第３図及び第４図に示される如き基準ガ
ス導入層（18）及びシール層（20）を積層一体化し、大
気中において、1400℃×20時間の条件下に焼成した。

その後、無電解メッキ手法により、白金からなる測定
電極（12）を、前記板状ZrO₂グリーンシートの他方の面
となる固体電解質体10の表面に１μｍ厚さにおいて形成
し、そしてこの電極（12）上に、実施例２にて作製した
セラミックグリーンシートを積層して、加圧一体化せし
めた。

そして、この加圧一体化された積層体を、アルゴンガ
ス中において、1200℃×２時間焼成することにより、測
定電極（12）上に配向性多孔質電極保護層（22）を有す
る、耐久性に優れた酸素センサ素子を得た。

実施例 ５ 実施例３で作製した板状ZrO₂グリーンシートを未焼成
の固体電解質体（10）として用い、その一方の面に、ス
クリーン印刷法により、白金粉末80重量部とY₂O₃4mol含
有ZrO₂粉末20重量部とからなる電極用導体ペースを塗布
して、100℃で20分乾燥することにより、基準電極（1
4）を形成せしめ、更にその上に、同様な板状ZrO₂グリ
ーンシートを用いて、未焼成の基準ガス導入層（18）及
びシール層（20）を積層一体化して、大気中において、
1400℃×２時間焼成を行なった。

その後、かかる得られた焼成体における固体電解質体
（10）の他方の面に、高周波スパッタリング法により、
白金からなる測定電極（12）を0.7μｍの厚さにおいて
形成し、更にその測定電極（12）上に、スクリーン印刷
法により、後述組成の保護層形成用ペーストを100μｍ
の厚さで塗布して、150℃×30分間乾燥した後、アルゴ
ンガス中において、1200℃の温度で焼成することによ
り、配向性多孔質電極保護層（22）を形成した、耐久性
に優れた酸素センサ素子を得た。

なお、保護層形成用ペーストは、次のようにして調製
した。先ず、セラミック粉末として、Y₂O₃を6mol％含有
するZrO₂粉末（共沈粉末、平均粒度0.3μｍ）を用い、
これに、粘土を３重量％添加して、ZrO₂玉石を用いたポ
ットミルにて、４時間乾式粉砕して60メッシュパスとし
て、ZrO₂原料粉末を調製し、このZrO₂原料粉末の70重量
部に、鱗片状小片であるMoS₂粉末（純度:99重量％、粘
度:20μｍ以下の粒子が略90％）の30重量部を混合せし
め、更にそれらZrO₂原料粉末とMoS₂粉末の100重量部に
対して、ポリメタクリル酸ブチルの12重量部を加え、ま
た溶剤としてテルピネオールの100重量部を加えて、ZrO
₂玉石（10mmφ）を用いて、ポットミルで５時間混合せ
しめ、更に粘度調整して、印刷用ペーストとした。

−素子評価試験− 第３図及び第４図に示される構造の酸素センサ素子を
用いて、以下の耐久評価を行なった。なお、本発明素子
としては、実施例３において作製した酸素センサ素子を
用い、また従来素子Ａとしては、プラズマ溶射法により
100μｍ厚さのスピネル層を電極保護層（22）として形
成した酸素センサ素子を用い、更に従来素子Ｂとして
は、気孔形成材として加熱により消失する通常の不定形
粉末を用いて得られるグリーンシートにて、未焼成の電
極保護層22を形成した後、同時焼成により形成した酸素
センサ素子を用いた。

（１） バーナー冷熱サイクル試験 各素子に対して、バーナーを用いて200℃と1000℃の
温度変化を繰り返し与え、電極保護層のクラック発生、
及び電極保護層と電極との間の層間剥離を調べ、ワイブ
ル確率紙を用いて信頼性を評価した。

（２） エンジンPb耐久試験 2.0のガソリンエンジンを使用し、その排気管の所
定位置に各センサ素子を装着して、排気ガス温度:700℃
にて連続運転して、各素子の起電力急変点を空気過剰率
（λ）により測定し、その変化量で評価した。なお、使
用燃料としては、0.5gPd/gelの有鉛ガソリンを用いた。

上記バーナー冷熱サイクル試験の経過を第５図に、ま
たエンジンPb耐久試験の結果を第６図に、それぞれ示す
が、従来素子Ａは、冷熱サイクルに対する耐久性が著し
く悪く、また従来素子Ｂは、鉛に対する耐久性が著しく
悪いのに対して、本発明素子にあっては、それら従来素
子に比べて、何れにおいても耐久性に優れていることが
認められた。本発明素子においては、電極保護層とし
て、表面に平行な方向に配向した気孔を有し、且つガス
透過パスの長い多孔質構造である多孔質セラミック層が
用いられているところから、固体電解質体や電極との密
着性に優れ、また被毒物質のトラップ効果の大きな素子
となるのである。

【図面の簡単な説明】

第１図（ａ）及び（ｂ）は、それぞれ、本発明に従うセ
ラミックグリーンシート材から得られる多孔質セラミッ
ク体の一例を示す断面図及びその拡大図であり、第２図
（ａ）及び（ｂ）は、それぞれ、従来のセラミックグリ
ーンシート材から形成される多孔質セラミック体の断面
説明図及びその拡大図である。第３図は、本発明に係る
電気化学的素子の一例を示す分解斜視図であり、第４図
は、第３図におけるIV−IV断面説明図である。第５図及
び第６図は、それぞれ、本発明素子と従来素子とのバー
ナー冷熱サイクル試験結果及びPb耐久試験結果を示すグ
ラフである。 2:平板状気孔、4:気孔 10:固体電解質体、12:測定電極 14:基準電極、16:基準ガス導入通路 18:基準ガス導入層、20:シール層 22:電極保護層

Claims (5)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】焼成によって多孔質構造を与えるセラミッ
   クグリーンシート材にして、セラミック粉末とバインダ
   と加熱により消失する平板状或いは針状小片とから主と
   して構成される原料組成物を用いて形成されてなり、且
   つ該平板状或いは針状小片がシート面に実質的に平行な
   方向に配向せしめられていることを特徴とするセラミッ
   クグリーンシート材。
2. 【請求項２】固体電解質体と、この固体電解質体に接し
   て設けられた複数の電極と、該複数の電極の少なくとも
   一つの上に設けられた保護層とを有する電気化学的素子
   であって、該保護層が連結した多数の気孔を有するセラ
   ミック多孔質層にて構成され、且つ該気孔が概ね平板状
   或いは針状を呈して、該保護層表面に対して実質的に平
   行な方向に配向していることを特徴とする電気化学的素
   子。
3. 【請求項３】未焼成の固体電解質体に未焼成の電極を形
   成した後、該未焼成電極の上に、前記請求項（１）記載
   のセラミックグリーンシート材からなる保護層を形成せ
   しめ、更にその後、該固体電解質体、電極及び保護層を
   同時焼成することを特徴とする電気化学的素子の製造方
   法。
4. 【請求項４】未焼成の固体電解質体に未焼成の電極を形
   成して、焼成した後、焼成電極の上に、前記請求項
   （１）記載のセラミックグリーンシート材からなる保護
   層を形成せしめ、その後かかる保護層の焼成を行なうこ
   とを特徴とする電気化学的素子の製造方法。
5. 【請求項５】焼成して得られた固体電解質体に未焼成の
   電極を形成した後、該未焼成電極の上に、前記請求項
   （１）記載のセラミックグリーンシート材からなる保護
   層を形成せしめ、その後それら電極及び保護層の焼成を
   行なうことを特徴とする電気化学的素子の製造方法。