JP2879965B2 - Method for manufacturing oxygen sensor element - Google Patents

Method for manufacturing oxygen sensor element

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JP2879965B2 JP2294405A JP29440590A JP2879965B2 JP 2879965 B2 JP2879965 B2 JP 2879965B2 JP 2294405 A JP2294405 A JP 2294405A JP 29440590 A JP29440590 A JP 29440590A JP 2879965 B2 JP2879965 B2 JP 2879965B2
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【発明の詳細な説明】 (技術分野) 本発明は、酸素センサ素子及びその製造方法に係り、
特に内燃機関やボイラー等の排気ガス中に含まれる酸素
量を測定するための酸素センサ素子の低温作動性及び応
答性を向上せしめる技術に関するものである。
Description: TECHNICAL FIELD The present invention relates to an oxygen sensor element and a method for manufacturing the same.
In particular, the present invention relates to a technique for improving low-temperature operability and responsiveness of an oxygen sensor element for measuring an amount of oxygen contained in exhaust gas of an internal combustion engine, a boiler, or the like.

(背景技術) 従来から、酸素イオン伝導性のジルコニア磁器からな
る固体電解質体を用いて、例えば酸素濃淡電池の原理等
により、自動車等の内燃機関や工業炉における燃焼装置
等から排出される被測定ガスとしての排気ガスの酸素濃
度を検知し、かかる内燃機関等の空燃比乃至は燃焼状態
を制御することが知られている。
(Background Art) Conventionally, using a solid electrolyte made of oxygen-ion conductive zirconia porcelain, for example, by the principle of an oxygen concentration cell or the like, the measured object discharged from a combustion device in an internal combustion engine of an automobile or the like or an industrial furnace. It is known to detect the oxygen concentration of exhaust gas as a gas and control the air-fuel ratio or combustion state of such an internal combustion engine or the like.

而して、この種の酸素濃度検出器たる酸素センサにあ
っては、センサ素子として、有底円筒形状や板状等の形
状を有する固体電解質体に白金等の触媒金属からなる或
いはそれを含む電極の少なくとも一対を設け、そしてそ
れら電極のうちの少なくとも一つを排気ガス等の被測定
ガスに接触せしめるようにした構造が採用されている。
In this type of oxygen sensor, which is an oxygen concentration detector of this type, as a sensor element, a solid electrolyte having a bottomed cylindrical shape or a plate-like shape is made of or contains a catalytic metal such as platinum. At least one pair of electrodes is provided, and at least one of the electrodes is brought into contact with a gas to be measured such as exhaust gas.

また、この種の酸素センサ素子において設けられる電
極としては、その長期間の或いは著しい高温というよう
な厳しい使用条件下での耐久性を向上するために、白金
等の触媒金属粉末と固体電解質体と共生地のジルコニア
質粉末とを混合してペーストを調製し、そしてこのペー
ストを安定化或いは部分安定化ジルコニア等からなるセ
ンサ素体(素子本体)にスクリーン印刷して、該センサ
素体と同時一体焼成することにより形成したサーメット
電極が、知られている。
In addition, as an electrode provided in this type of oxygen sensor element, a catalyst metal powder such as platinum and a solid electrolyte body are used in order to improve durability under severe use conditions such as long term or extremely high temperature. A paste is prepared by mixing with the zirconia powder of the co-fabric, and this paste is screen-printed on a sensor element (element body) made of stabilized or partially stabilized zirconia, etc., and simultaneously integrated with the sensor element. Cermet electrodes formed by firing are known.

しかしながら、このようなサーメット電極は、その耐
久性を向上するために、一般に、少なくとも1000℃以
上、有利には1300℃以上の高温でのセンサ素体との同時
一体焼成が、大気中で行なわれるために、電極表面に酸
化が惹起される問題があり、またこの一体焼成による電
極においては、固体電解質原料の焼成温度が比較的高い
ために、白金等の触媒金属の焼結が進行し易い問題があ
り、更に固体電解質原料には、通常、焼結助剤が添加さ
れることとなるところから、かかる焼結助剤が焼結時に
電極層に入り込む、不純物として電極を構成する触媒金
属を覆うようになる問題がある。そして、これらの理由
により、従来の酸素センサ素子におけるサーメット電極
は、触媒活性が低く、また多孔性に欠けるものであっ
て、このために酸素センサ素子の低温作動性や応答性が
悪いという問題を抱えていたのである。
However, such a cermet electrode is generally fired simultaneously with the sensor element at a high temperature of at least 1000 ° C., preferably at least 1300 ° C., in the air in order to improve its durability. Therefore, there is a problem that oxidation is induced on the surface of the electrode, and in the electrode obtained by integrally firing, the firing temperature of the solid electrolyte material is relatively high, so that sintering of a catalyst metal such as platinum is likely to proceed. In addition, since the sintering aid is usually added to the solid electrolyte material, such a sintering aid enters the electrode layer during sintering, and covers the catalytic metal constituting the electrode as an impurity. There is a problem. For these reasons, the cermet electrode in the conventional oxygen sensor element has a low catalytic activity and lacks porosity, which causes a problem that the low-temperature operability and responsiveness of the oxygen sensor element are poor. I was holding it.

特に、近年、排気ガス規制が厳しくなり、自動車にあ
っては、そのアイドリング時においても作動する酸素セ
ンサ素子とか、センサ取付位置等の制約から、排気管後
方の低温部においても安定に作動する酸素センサ素子が
要求されるようになってきているが、従来の酸素センサ
素子では、例えば400℃以下の低温度の排気ガス下での
安定な作動は望むべくもなかったのである。
In particular, in recent years, exhaust gas regulations have become strict, and in automobiles, oxygen sensors that operate even during idling, and oxygen that operates stably even in low-temperature parts behind the exhaust pipe due to restrictions on the sensor mounting position and the like. Although a sensor element has been required, the conventional oxygen sensor element has not been able to operate stably under exhaust gas having a low temperature of, for example, 400 ° C. or less.

(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、その解決すべき課題とするところ
は、低温の被測定ガス中においても安定に作動し、且つ
応答性に優れた酸素センサ素子を実現することにあり、
またそのような優れた特性を有する酸素センサ素子を有
利に製造する方法を提供することにある。
(Problem to be Solved) Here, the present invention has been made in view of such circumstances, and a problem to be solved is to operate stably even in a low-temperature gas to be measured and have a response To realize an oxygen sensor element with excellent
Another object of the present invention is to provide a method for advantageously producing an oxygen sensor element having such excellent characteristics.

(解決手段) そして、本発明は、上記の如き課題を解決するため
に、酸素イオン伝導性のジルコニア固体電解質体に少な
くとも一対の電極を支持せしめてなる酸素センサ素子に
おいて、該少なくとも一対の電極のうち、少なくとも、
被測定ガスに晒される電極を、触媒金属とZrO2を主成分
する多孔質なサーメット電極と為すと共に、該多孔質電
極中に、前記ZrO2成分を、単斜晶ZrO2または部分安定化
ジルコニアからなる、2μm以下の粒径のジルコニア質
粒子として、触媒金属の100重量部当り5〜60重量部の
割合で存在せしめたことを、その特徴とするものであ
る。
(Solution) In order to solve the above-mentioned problems, the present invention provides an oxygen sensor element having at least a pair of electrodes supported by an oxygen ion-conductive zirconia solid electrolyte body. At least,
The electrode exposed to a measurement gas, together make a porous cermet electrode which mainly of catalytic metal and ZrO 2, in the porous electrode, the ZrO 2 component, monoclinic ZrO 2 or partially stabilized zirconia Characterized in that it is present as zirconia particles having a particle diameter of 2 μm or less in a ratio of 5 to 60 parts by weight per 100 parts by weight of the catalyst metal.

なお、かかる本発明に従う酸素センサ素子において、
ジルコニア質粒子を構成する単斜晶ZrO2は、よく知られ
ているように、安定化剤を添加していない純粋なジルコ
ニアから形成されるものであり、また部分安定化ジルコ
ニアは、CaO,Y2O3及びYb2O3のうちの少なくとも1種を
4モル%以下の割合でジルコニアに添加して形成される
ものである。
In the oxygen sensor element according to the present invention,
As is well known, monoclinic ZrO 2 constituting the zirconia particles is formed from pure zirconia without adding a stabilizer, and partially stabilized zirconia is CaO, Y It is formed by adding at least one of 2 O 3 and Yb 2 O 3 to zirconia at a ratio of 4 mol% or less.

また、本発明は、低温作動性及び応答性に優れた酸素
センサ素子を有利に得るべく、酸素イオン伝導性のジル
コニア固体電解質体に少なくとも一対の電極を支持せし
めてなる酸素センサ素子を製造するに際して、該少なく
とも一対の電極のうち、少なくとも、被測定ガスに晒さ
れる電極を、触媒金属粉末と単斜晶ZrO2からなる粒径が
0.2〜2.5μmのジルコニア質粉末若しくは部分安定化ジ
ルコニアからなる粒径が0.2〜2.0μmのジルコニア質粉
末とから調製された電極形成材料を前記固体電解質体に
適用した後、焼成することにより、多孔質なサーメット
電極として形成せしめる工程を含むことを特徴とする酸
素センサ素子の製造方法を、その要旨とするものであ
る。
Further, the present invention relates to a method for manufacturing an oxygen sensor element in which at least a pair of electrodes is supported on an oxygen ion-conductive zirconia solid electrolyte in order to advantageously obtain an oxygen sensor element having excellent low-temperature operability and responsiveness. Of the at least one pair of electrodes, at least one of the electrodes exposed to the gas to be measured has a particle diameter of catalyst metal powder and monoclinic ZrO 2.
After applying an electrode forming material prepared from a zirconia powder having a particle diameter of 0.2 to 2.5 μm or a partially stabilized zirconia having a particle diameter of 0.2 to 2.0 μm to the solid electrolyte body, by firing, the porous SUMMARY OF THE INVENTION The gist of the present invention is a method for manufacturing an oxygen sensor element, including a step of forming a quality cermet electrode.

さらに、本発明にあっては、上記の如くして得られる
酸素センサ素子に対して、その焼成によって形成された
多孔質なサーメット電極を(a)酸処理、及び/又は
(b)還元性ガス雰囲気及び不飽和炭化水素雰囲気のう
ちの少なくとも何れか一つのガス雰囲気下で熱処理する
後処理を施すことをも、その要旨とするものであり、こ
れによって、そのような酸素センサ素子の低温作動性や
応答性の如き特性がより一層高められ得るのである。
Furthermore, in the present invention, the porous cermet electrode formed by firing the oxygen sensor element obtained as described above is treated with (a) an acid treatment and / or (b) a reducing gas. The gist of the present invention is to provide a post-treatment of performing a heat treatment under at least one gas atmosphere of an atmosphere and an unsaturated hydrocarbon atmosphere. Characteristics such as response and responsiveness can be further enhanced.

なお、このような酸素センサ素子の製造方法にあって
も、前記ジルコニア質粉末としては、単斜晶ZrO2或いは
CaO,Y2O3及びYb2O3のうちの少なくとも1種を4モル%
以下の割合で添加して形成される部分安定化ジルコニア
からなるものが、有利に用いられるのである。
Incidentally, even in such a method of manufacturing an oxygen sensor element, the zirconia powder may be monoclinic ZrO 2 or
4 mol% of at least one of CaO, Y 2 O 3 and Yb 2 O 3
What consists of partially stabilized zirconia formed by adding at the following ratios is advantageously used.

(具体的構成・作用) 先ず、第1図は、本発明が適用される酸素センサ素子
の代表的な構造を、酸素濃淡電池の原理に基づくセンサ
構造において示している。
First, FIG. 1 shows a typical structure of an oxygen sensor element to which the present invention is applied in a sensor structure based on the principle of an oxygen concentration cell.

すなわち、この第1図に示される酸素センサ素子は、
公知の積層手法によって一体的に形成された板状形態の
ものであって、所定長さの細幅、板状の固体電解質体2
の両側の面に、それぞれ測定電極4及び基準電極6が設
けられ、そして測定電極4には、多孔質保護層8を通じ
て、排気ガス等の被測定ガスが接触せしめられるように
なっている一方、固体電解質体2の基準電極6が設けら
れた側には、空気通路10を形成するためのスペーサ12及
び板状蓋部材14が積層されて、一体的な構造となってい
る。なお、かかる素子の内部に形成される空気通路10
は、素子の基端部側において開口し、大気に連通せしめ
られようになっており、この空気通路10を通じて導き入
れられる空気が、基準電極6に対して、所定の基準酸素
濃度の基準ガスとして接触せしめられるようになってい
る。
That is, the oxygen sensor element shown in FIG.
A plate-shaped solid electrolyte body 2 formed integrally by a known laminating technique and having a predetermined width and a narrow width.
A measurement electrode 4 and a reference electrode 6 are respectively provided on both sides of the sample, and a measurement gas such as exhaust gas is brought into contact with the measurement electrode 4 through the porous protective layer 8. On the side of the solid electrolyte body 2 on which the reference electrode 6 is provided, a spacer 12 for forming an air passage 10 and a plate-like lid member 14 are laminated to form an integral structure. The air passage 10 formed inside such an element
Is opened at the base end side of the element and is allowed to communicate with the atmosphere. Air introduced through the air passage 10 is supplied to the reference electrode 6 as a reference gas having a predetermined reference oxygen concentration. It can be contacted.

また、このような構造の酸素センサ素子には、蓋部材
14の外側に、ヒータエレメント16がアルミナ等からなる
電気絶縁層18,20にて挟まれてなるヒータ層が、その外
側に位置する気密層22と共に、積層一体化せしめられて
おり、かかるヒータエレメント16への外部からの通電に
よって、該ヒータエレメント16を発熱せしめることによ
り、かかる酸素センサ素子の電極4,6埋設部位が所定の
温度に加熱せしめられるようになっている。
In addition, the oxygen sensor element having such a structure includes a lid member.
Outside the heater element 14, a heater layer in which a heater element 16 is sandwiched between electric insulating layers 18 and 20 made of alumina or the like is laminated and integrated together with an airtight layer 22 located outside the heater element. By causing the heater element 16 to generate heat by externally supplying power to the element 16, the buried portions of the electrodes 4 and 6 of the oxygen sensor element are heated to a predetermined temperature.

そして、このような構造の酸素センサ素子にあって
は、よく知られているように、多孔質保護層8を通じて
測定電極4に接触せしめられる雰囲気(被測定ガス)中
の酸素濃度と、基準電極6に接触せしめられる雰囲気
(基準ガス)中の酸素濃度との差に基づいて惹起される
起電力に従って、目的とする被測定ガス中の酸素濃度が
検出されることとなるのであるが、本発明にあっては、
このような酸素センサ素子における少なくとも被測定ガ
スに接触せしめられる電極4は、多孔質な所定のサーメ
ット電極としたのである。
In the oxygen sensor element having such a structure, as is well known, the oxygen concentration in the atmosphere (gas to be measured) brought into contact with the measurement electrode 4 through the porous protective layer 8 and the reference electrode According to the present invention, the oxygen concentration in the target gas to be measured is detected according to the electromotive force generated based on the difference from the oxygen concentration in the atmosphere (reference gas) brought into contact with 6. In
At least the electrode 4 in such an oxygen sensor element that is brought into contact with the gas to be measured is a predetermined porous cermet electrode.

なお、本発明が、かかる第1図に示される如き構造の
センサ素子にのみ適用されるものではなく、よく知られ
ているように、有底円筒形状を為すジルコニア固体電解
質体を用いたセンサ素子にも同様に適用され得るもので
あり、更には限界電流方式やポーラログラフィー式等の
各種の測定原理に基づくところの公知の構造のセンサ素
子にも、適用可能であることは、言うまでもないところ
である。
The present invention is not limited to the sensor element having the structure as shown in FIG. 1, but as is well known, a sensor element using a zirconia solid electrolyte having a bottomed cylindrical shape. It is needless to say that the present invention can also be applied to a sensor element having a known structure based on various measurement principles such as a limiting current method and a polarographic method. is there.

ところで、かかる酸素センサ素子を構成する酸素イオ
ン伝導性の固体電解質体(2)としては、公知のZrO2
体電解質材料を用いて形成された、上例の如き板状形状
の他、有底円筒形状等の公知の形状のものが採用され
得、例えばCaO,Y2O3,Yb2O3等の所定の安定化剤を1種以
上添加した、ZrO2を主成分としてなる酸素イオン伝導性
の安定化若しくは部分安定化ジルコニア材料から、適宜
の成形手法に従って形成される。なお、このような固体
電解質材料には、また、公知の如く、所定の焼結助剤、
例えばカオリン等の粘土やSiO2,Al2O3,Fe2O3等が適宜に
配合せしめられる。
Incidentally, as the oxygen ion-conductive solid electrolyte body (2) constituting such an oxygen sensor element, in addition to the plate-like shape as described above using a known ZrO 2 solid electrolyte material, A known shape such as a shape can be adopted, for example, CaO, Y 2 O 3 , Yb 2 O 3 or the like, to which one or more predetermined stabilizers are added, oxygen ion conductivity mainly composed of ZrO 2 From a stabilized or partially stabilized zirconia material according to an appropriate molding technique. In addition, such a solid electrolyte material also has a predetermined sintering aid,
For example, clay such as kaolin, SiO 2 , Al 2 O 3 , Fe 2 O 3 or the like is appropriately mixed.

なお、第1図の酸素センサ素子において、スペーサ1
2、蓋部材14、気密層22は、何れも、公知のセラミック
材料を用いて形成され得るが、一般に、固体電解質体2
と同種の材料を用いて形成され、また多孔質保護層8に
あっても、固体電解質体2と同種の材料を用いて公知の
手法に従って形成されることとなるが、その際、焼結助
剤は含まれていても、含まれていなくても、何等差支え
ない。而して、多孔質保護層8の形成には、Yb2O3等の
安定化剤で安定化されたZrO2固体電解質材料を用いるこ
とが特に有効であり、そしてその場合において、多孔質
保護層8におけるYb2O3等の安定化剤の量を固体電解質
体2よりも多くして、多孔質保護層8と固体電解質体2
とのZrO2の結晶相を相違させることが好ましい。より具
体的には、多孔質保護層8におけるZrO2の結晶相が、熱
サイクルや熱衝撃に対して安定な、立方晶のみ、乃至は
大部分が立方晶で、少量の正方晶乃至は単斜晶を含む結
晶相となるようにする一方、固体電解質体2のZrO2は、
その大部分が正方晶或いは正方晶と単斜晶と立方晶との
混和相、或いは単斜晶と立方晶との混和相から構成され
るように為し、機械的強度の高いものとするのが望まし
いのである。
In the oxygen sensor element shown in FIG.
2. The lid member 14 and the airtight layer 22 can be formed by using a known ceramic material.
Although the porous protective layer 8 is formed using the same type of material as the solid electrolyte body 2 in accordance with a known method, The agent may or may not be included at all. Thus, for forming the porous protective layer 8, it is particularly effective to use a ZrO 2 solid electrolyte material stabilized with a stabilizer such as Yb 2 O 3. The amount of the stabilizer such as Yb 2 O 3 in the layer 8 is made larger than that of the solid electrolyte 2 so that the porous protective layer 8 and the solid electrolyte 2
It is preferable to make the crystal phase of ZrO 2 different from that of ZrO 2 . More specifically, the crystalline phase of ZrO 2 in the porous protective layer 8 is cubic only, or mostly cubic, and stable in thermal cycling or thermal shock, and a small amount of tetragonal or monocrystalline. On the other hand, ZrO 2 of the solid electrolyte body 2 is made to have a crystal phase containing a clinic crystal.
Most of them are composed of a tetragonal system, a mixed phase of tetragonal system, monoclinic system and cubic system, or a mixed phase of monoclinic system and cubic system. Is desirable.

また、固体電解質体2上の所定の部位に形成される測
定電極4及び基準電極6のうち、少なくとも被測定ガス
に晒される側の電極(4)を与える電極形成材料は、電
極導体となる触媒金属粉末とジルコニア質粉末とから構
成されている。なお、触媒金属としては公知のものが用
いられ、例えば白金または白金とニッケル、銀、金、ロ
ジウム、パラジウム、イリジウム、ルテニウム等の金属
との合金等が用いられる。また、ジルコニア質粉末とし
ては、有利には、単斜晶ZrO2の粉末またはCaO,Y2O3,Yb2
O3等の成分の1種以上を4モル%以下の割合で添加して
なる部分安定化ジルコニアの粉末が用いられることとな
るが、特に相変態を生じるZrO2、より具体的には、室温
下での結晶相が単晶であるZrO2を用いることが好まし
い。
Further, of the measurement electrode 4 and the reference electrode 6 formed at predetermined positions on the solid electrolyte body 2, an electrode forming material that provides at least the electrode (4) exposed to the gas to be measured is a catalyst that serves as an electrode conductor. It is composed of a metal powder and a zirconia powder. A known catalyst metal is used, for example, platinum or an alloy of platinum with a metal such as nickel, silver, gold, rhodium, palladium, iridium, ruthenium, or the like. Further, as the zirconia powder, advantageously, a monoclinic ZrO 2 powder or CaO, Y 2 O 3 , Yb 2
A partially stabilized zirconia powder obtained by adding one or more components such as O 3 at a ratio of 4 mol% or less will be used. Particularly, ZrO 2 which causes phase transformation, more specifically, room temperature It is preferable to use ZrO 2 whose lower crystal phase is a single crystal.

このような単斜晶ZrO2、即ち安定化剤を加えていない
純粋なZrO2を用いることによる特性向上の理由として
は、純粋なZrO2は、添加物を加えた安定化ジルコニアよ
りも焼結性が低いために、電極を構成する触媒金属の焼
結を抑制することが出来ることに加えて、電極の焼成、
冷却の際に起こるZrO2の相転移に基づくところの体積膨
張の際に、電極を構成するジルコニア(ZrO2)や触媒金
属にクラックが生じ、多孔質で且つ表面積の大きな電極
が形成されるためであると推定されている。
Such monoclinic ZrO 2, ie The reason for characteristic improvement by the use of a pure ZrO 2 without added stabilizing agents, pure ZrO 2 is sintered than stabilized zirconia additive was added Low sintering, in addition to being able to suppress sintering of the catalyst metal constituting the electrode, in addition to firing the electrode,
During volume expansion based on the phase transition of ZrO 2 that occurs during cooling, cracks occur in the zirconia (ZrO 2 ) and catalyst metal that constitute the electrode, and a porous and large surface area electrode is formed. It is estimated that

従って、このような電極形成材料において、それを構
成するジルコニア質粉末の粒径があまりにも小さ過ぎる
と、上記の如き相転移による微細化が生じ難く、またサ
ーメット電極においては、触媒金属粉末との分散性(均
一混合性)が悪く、更にジルコニア質粉末の焼結が進行
し易くなるために、上記の如き相転移による微細化効果
が小さくなる等の問題を生じる。また、逆に、ジルコニ
ア質粉末の粒径が大き過ぎた場合にあっては、焼成して
得られる電極の固体電解質体に対する密着性が悪くなっ
て、かかる電極の耐久性が低下する問題に加えて、電極
中の触媒金属粉末の集結性が高まり、触媒金属の焼結が
進行するという問題が生じる。このため、本発明におい
て、単結晶ZrO2からなるジルコニア質粉末を用いる場合
には、その粒径は0.2〜2.5μmとする必要があり、より
好ましくは0.2〜1.5μmの範囲、特に好ましくは0.6〜
1.2μmの範囲が選択されることとなる。また、部分安
定化ジルコニアからなるジルコニア質粉末を用いる場合
にあっては、その粒径は0.2〜2.0μmとする必要があ
り、より好ましくは0.2〜1.5μmの範囲、特に好ましく
は0.6〜1.2μmの範囲が採用されることとなる。なお、
かかるジルコニア質粉末の粒径は、レーザー散乱法によ
る粒径測定手法に従って測定されることとなる。
Therefore, in such an electrode forming material, if the particle size of the zirconia powder constituting the electrode material is too small, it is difficult to reduce the size by the phase transition as described above. Dispersibility (uniform mixing) is poor, and sintering of the zirconia powder easily proceeds, which causes a problem such as a reduction in the fineness effect due to the phase transition as described above. On the other hand, if the particle diameter of the zirconia powder is too large, the adhesion of the electrode obtained by firing to the solid electrolyte body is deteriorated, and in addition to the problem that the durability of the electrode is reduced. As a result, there arises a problem that the collectivity of the catalyst metal powder in the electrode is increased, and the sintering of the catalyst metal proceeds. Therefore, in the present invention, in the case of using a zirconia powder consisting of single-crystalline ZrO 2, the particle size is required to be 0.2 to 2.5 [mu] m, more preferably in the range of 0.2 and 1.5 .mu.m, particularly preferably 0.6 ~
A range of 1.2 μm will be selected. Further, when using a zirconia powder made of partially stabilized zirconia, the particle size needs to be 0.2 to 2.0 μm, more preferably 0.2 to 1.5 μm, particularly preferably 0.6 to 1.2 μm Will be adopted. In addition,
The particle size of the zirconia powder is measured according to a particle size measuring method using a laser scattering method.

また、かかる電極形成材料における触媒金属粉末とジ
ルコニア質粉末との組成比は焼成温度等の製造条件によ
って異なるが、触媒金属粉末の量が少ないと、電極とし
ての導電性がなくなり、また多過ぎると、触媒金属粉末
の焼結が進行して、電極が緻密化し、多孔性が低下する
という悪影響を及ぼすところから、一般に、触媒金属粉
末の100重量部に対して、ジルコニア質粉末は5〜60重
量部の範囲内において用いられ、より好ましくはジルコ
ニア質粉末が10〜20重量部の割合において用いられる。
In addition, the composition ratio of the catalyst metal powder and the zirconia powder in such an electrode forming material varies depending on the production conditions such as the firing temperature, but if the amount of the catalyst metal powder is small, the conductivity as the electrode is lost, and if the amount is too large, Since the sintering of the catalyst metal powder progresses, the electrode is densified, and the porosity is adversely affected, the zirconia powder is generally 5 to 60 weight parts with respect to 100 parts by weight of the catalyst metal powder. Parts, more preferably 10 to 20 parts by weight of zirconia powder.

そして、このような所定の触媒金属粉末とジルコニア
質粉末とからなる電極形成材料を用いて、固体電解質体
の所定の部位に、少なくとも被測定ガスに晒される電極
を形成すべく、かかる電極形成材料を、該固体電解質体
の所定の部位に付与するに際しては、公知の電極形成方
法が適宜に採用され、例えばスクリーン印刷法やスプレ
ー法等によって所定厚さの電極形成層を、固体電解質体
上に形成した後、加熱、焼成(焼付け)せしめることに
よって、目的とする多孔質なサーメット電極を形成する
ことが出来る。より具体的には、スクリーン印刷法で
は、前記した触媒金属粉末とジルコニア質粉末との混合
ペーストを調製し、これをスクリーン印刷手法にて固体
電解質体上に印刷せしめて、加熱、焼付けするものであ
り、またスプレー法では、所定の触媒金属粉末を含むス
ラリー中にジルコニア質粉末を加え、それを固体電解質
上の所定部位にスプレー塗布した後、加熱することによ
って、目的とする多孔質電極を焼付け形成することが出
来る。
Then, using such an electrode forming material composed of the predetermined catalyst metal powder and the zirconia powder, the electrode forming material is formed at a predetermined portion of the solid electrolyte body at least to form an electrode exposed to the gas to be measured. Is applied to a predetermined portion of the solid electrolyte body, a known electrode formation method is appropriately adopted, for example, an electrode formation layer of a predetermined thickness by a screen printing method, a spray method, or the like, on the solid electrolyte body. After the formation, heating and baking (baking) can form a desired porous cermet electrode. More specifically, in the screen printing method, a mixed paste of the above-described catalyst metal powder and zirconia powder is prepared, printed on a solid electrolyte body by a screen printing method, and heated and baked. In the spray method, a zirconia powder is added to a slurry containing a predetermined catalyst metal powder, and the zirconia powder is spray-coated on a predetermined portion of the solid electrolyte, and then heated to bake a desired porous electrode. Can be formed.

なお、かかる電極形成材料の適用される固体電解質体
としては、既に焼成されたものであっても良いが、本発
明にあっては、好ましくは、焼成前のグリーンシート若
しくはグリーン体の状態であることが望ましく、そして
そのような固体電解質体の焼成操作と同時に、該固体電
解質体上に形成された電極形成層(電極形成材料)の加
熱、焼付け操作を実施することが望ましい。
The solid electrolyte body to which the electrode forming material is applied may be a fired one, but in the present invention, it is preferably a green sheet or green body before firing. It is desirable that the operation of heating and baking the electrode forming layer (electrode forming material) formed on the solid electrolyte body be performed simultaneously with the firing operation of the solid electrolyte body.

また、酸素センサ素子に設けられる電極の中でも、被
測定ガスに晒される電極以外の電極、例えば第1図の如
き構成における基準電極6を形成するには、酸素センサ
素子の構造やその製造方式等に従って、従来から知られ
ている、メッキ法、スパッタリング法、触媒金属等の電
極導体の塩の熱分解による方法、電極導体とセラミック
スとのサーメットペーストを固体電解質体表面に焼き付
けるペースト焼付け法、更にはそのようなサーメットペ
ーストを固体電解質体に印刷若しくは塗布した後、該固
体電解質体と共に焼成するサーメットペーストの同時焼
成法等の種々の方法の中より、適当な方法が選択、採用
されるものであるが、本発明にあっては、測定電極4が
サーメット電極として構成される必要があるために、上
記の電極形成法の中でも、ペースト焼付け法或いはサー
メットペーストの同時焼成法の何れかが有利に採用され
ることとなる。
Further, among the electrodes provided on the oxygen sensor element, to form an electrode other than the electrode exposed to the gas to be measured, for example, the reference electrode 6 in the configuration as shown in FIG. According to the conventionally known, plating method, sputtering method, method by thermal decomposition of salt of electrode conductor such as catalyst metal, paste baking method of baking cermet paste of electrode conductor and ceramics on the surface of solid electrolyte body, and After printing or coating such a cermet paste on the solid electrolyte body, an appropriate method is selected and adopted from various methods such as a simultaneous firing method of the cermet paste which is fired together with the solid electrolyte body. However, in the present invention, since the measuring electrode 4 needs to be configured as a cermet electrode, the above-described electrode forming method is not used. Also, so that the one of the simultaneous firing method of paste printing method or a cermet paste is advantageously employed.

そして、このようにして得られる酸素センサ素子にお
いては、少なくとも被測定ガスに晒される前記測定電極
4の如き電極が、触媒金属とZrO2を主成分とする多孔質
なサーメット電極として形成される一方、かかる多孔質
電極中には、ZrO2成分が、単斜晶ZrO2または部分安定化
ジルコニアからなる2μm以下のジルコニア質粒子とし
て、触媒金属の100重量部当り5〜60重量部の割合で存
在せしめられるものとなるところから、かかる電極の多
孔構造の微細化が有利に実現され、以て表面積の大きな
電極となり、有効な触媒活性が付与され得て、酸素セン
サ素子の低温作動性や応答性が著しく改善され得るので
ある。なお、かかる効果を充分に発揮させる意味におい
て、焼成後の電極中のジルコニア質粉末(粒子)の粒径
は、単結晶ZrO2または部分安定化ジルコニアの何れから
なるものであっても、電極断面のSEM(走査型電子顕微
鏡)像より、2μm以下であることが必要であるのであ
る。また、かかる電極中のジルコニア質粉末が単結晶Zr
O2からなる場合においては、好ましくは1.5μm以下、
更に好ましくは0.6μm以下の粒径であることが望まし
く、更に部分安定化ジルコニアからなる場合において
は、好ましくは1.7μm以下、更に好ましくは1.2μm以
下の粒径であることが望ましい。
In the oxygen sensor element thus obtained, at least an electrode such as the measurement electrode 4 exposed to the gas to be measured is formed as a porous cermet electrode mainly composed of a catalyst metal and ZrO 2. In such a porous electrode, the ZrO 2 component is present as zirconia particles of 2 μm or less composed of monoclinic ZrO 2 or partially stabilized zirconia at a ratio of 5 to 60 parts by weight per 100 parts by weight of the catalyst metal. Therefore, the porous structure of such an electrode can be advantageously miniaturized, so that the electrode has a large surface area, effective catalytic activity can be imparted, and low-temperature operability and responsiveness of the oxygen sensor element can be obtained. Can be significantly improved. In order to sufficiently exhibit such an effect, the particle diameter of the zirconia powder (particles) in the fired electrode is not limited to the single-crystal ZrO 2 or partially stabilized zirconia, According to the SEM (scanning electron microscope) image of the above, it is necessary to be 2 μm or less. Further, the zirconia powder in such an electrode is a single crystal Zr.
In the case of O 2 , preferably 1.5 μm or less,
More preferably, the particle size is 0.6 μm or less, and in the case of partially stabilized zirconia, the particle size is preferably 1.7 μm or less, more preferably 1.2 μm or less.

また、本発明では、このようにして得られた酸素セン
サ素子の焼成によって得られた多孔質なサーメット電極
に対して、(a)酸処理、及び/又は(b)還元性ガス
及び/又は不飽和炭化水素雰囲気下における熱処理を施
すことが、有利に採用され、そのような処理の実施によ
って、多孔質なサーメット電極、即ち被測定ガスに晒さ
れる電極の触媒活性が著しく高められ得て、酸素センサ
素子の低温作動性や応答性のより一層の向上が図られ得
るのである。
In the present invention, the porous cermet electrode obtained by firing the oxygen sensor element thus obtained is subjected to (a) an acid treatment and / or (b) a reducing gas and / or a non-reducing gas. A heat treatment in a saturated hydrocarbon atmosphere is advantageously employed, and the performance of such a treatment can significantly increase the catalytic activity of the porous cermet electrode, i.e., the electrode exposed to the gas to be measured, and It is possible to further improve the low-temperature operability and responsiveness of the sensor element.

なお、上記の酸処理(a)は、多孔質な電極中に浸み
込んだ酸によって、かかる電極を構成する触媒金属の表
面を覆っている不純物を取り除くことにあり、また上記
の熱処理(b)は、その実施によって、多孔質電極の表
面に形成された金属酸化物を除去し、その触媒活性を高
めることにあり、それら酸処理(a)、熱処理(b)を
単独で試みても、そのような処理に伴なう或る程度の効
果は期待され得るが、特にそれら(a)及び(b)の二
つの処理を共に施すことが、本発明においては推奨され
る。けだし、(a)の酸処理を行なわない状態では、不
純物が付着した電極に(b)に熱処理を施すことにな
り、かかる(b)の熱処理が期待する触媒活性効果が低
くなるのであるが、かかる(a)の酸処理によって不純
物を取り除いた後では、電極表面がクリーンとなってい
るために、前記(b)の熱処理を行なうことによって、
充分な触媒活性効果が発揮されるからである。
The above-mentioned acid treatment (a) is to remove impurities covering the surface of the catalyst metal constituting such an electrode by an acid soaked in a porous electrode, and to carry out the above-mentioned heat treatment (b). ) Is to remove the metal oxide formed on the surface of the porous electrode and to increase the catalytic activity by performing the acid treatment (a) and the heat treatment (b) independently, Although some degree of effect associated with such processing can be expected, it is particularly recommended in the present invention to perform both of these processings (a) and (b). However, when the acid treatment of (a) is not performed, the electrode to which impurities are attached is subjected to heat treatment for (b), and the expected catalytic activity of the heat treatment of (b) decreases. After the impurities are removed by the acid treatment of (a), the electrode surface is clean. Therefore, by performing the heat treatment of (b),
This is because a sufficient catalytic activity effect is exhibited.

また、上記のような酸処理(a)や熱処理(b)は、
酸素センサ素子の単体の段階で、それぞれ素子の全体に
対して行なわれてもよく、またかかる素子の多孔質電極
の部分のみに対して、行なわれてもよいのであり、更に
酸素センサ素子を酸素センサとして組み立てた組立品
(完成品)の状態において、それを構成する酸素センサ
素子の被測定ガスに晒される電極部分(多孔質電極)の
みに対して行なっても、何等差支えない。また、かかる
酸処理(a)や熱処理(b)は、第1図に示される如
く、酸素センサ素子の被測定ガスに晒される電極(4)
上に、多孔質保護層(8)が設けられている場合におい
ては、かかる多孔質保護層(8)を通じて、そのような
酸処理(a)や熱処理(b)が施されることとなる。
The acid treatment (a) and the heat treatment (b) as described above
In a single stage of the oxygen sensor element, the measurement may be performed on the entire element, or may be performed only on the porous electrode portion of such an element. In the state of an assembly (finished product) assembled as a sensor, it may be performed at all only for the electrode portion (porous electrode) exposed to the gas to be measured of the oxygen sensor element constituting the sensor. In addition, as shown in FIG. 1, the acid treatment (a) and the heat treatment (b) are performed by the electrode (4) exposed to the gas to be measured of the oxygen sensor element.
When the porous protective layer (8) is provided thereon, such an acid treatment (a) or a heat treatment (b) is performed through the porous protective layer (8).

ところで、かかる酸処理(a)は、一般に、適当な酸
溶液中に酸素センサ素子を浸漬することにより実施され
ることとなるが、また、そのような酸処理のための酸と
しては、リン酸、フッ化水素酸、ホウフッ化水素酸、塩
酸、硝酸、王水等が適宜に選択使用されるが、なかで
も、フッ化水素酸処理またはホウフッ化水素酸処理する
ことが最も望ましい。なお、かかる酸処理を用いられる
酸の濃度としては、電極表面に覆っている不純物を除去
するに適した濃度において適宜に選定されることとなる
が、例えば、フッ化水素酸の場合にあっては、その濃度
は、0.05〜40重量%、好ましくは0.1〜10重量%の範囲
内において用いられることとなる。フッ化水素酸の濃度
が0.05重量%よりも低くなると、電極周囲の不純物を除
去することが困難であり、一方40重量%を越えるように
なると、固体電解質体自体にも、フッ化水素酸が反応す
るようになり、固体電解質体の劣化が惹起されるからで
ある。
Incidentally, the acid treatment (a) is generally carried out by immersing the oxygen sensor element in a suitable acid solution, and the acid for such acid treatment is phosphoric acid. , Hydrofluoric acid, borofluoric acid, hydrochloric acid, nitric acid, aqua regia and the like are appropriately selected and used, and among them, hydrofluoric acid treatment or borofluoric acid treatment is most desirable. The concentration of the acid used in such an acid treatment is appropriately selected at a concentration suitable for removing impurities covering the electrode surface. For example, in the case of hydrofluoric acid, Will be used in the concentration range of 0.05 to 40% by weight, preferably 0.1 to 10% by weight. When the concentration of hydrofluoric acid is lower than 0.05% by weight, it is difficult to remove impurities around the electrode. On the other hand, when the concentration exceeds 40% by weight, hydrofluoric acid is also contained in the solid electrolyte itself. This is because they react and cause deterioration of the solid electrolyte body.

さらに、かかる酸処理に際しての処理温度も、その処
理効果を充分に発揮すべく、酸の種類に応じて適宜に選
択されるものであるが、例えば、フッ化水素酸処理の場
合において、その温度は30〜50℃に保持することが、フ
ッ化水素酸の不純物を除去する効果を安定にするため
に、特に好ましい。また、かかるフッ化水素酸等の酸処
理が施された酸素センサ素子には、そのような酸処理が
施された素子を充分に流水洗浄したり、超音波洗浄を行
なう等の公知の洗浄工程が適宜に実施されることが好ま
しいが、特にフッ化水素酸処理を施した場合にあって
は、Mg(NO3またはCa(NO3等のアルカリ土類金
属塩の溶液により酸素センサ素子を処理すれば、フッ化
物イオンが固定され、フッ化水素酸の不純物を除去する
効果を完全に遮断することが出来るため、かかるフッ化
水素酸の残留による弊害を回避することが出来る。
Further, the treatment temperature at the time of the acid treatment is also appropriately selected according to the kind of the acid in order to sufficiently exert the treatment effect. It is particularly preferable to maintain the temperature at 30 to 50 ° C. in order to stabilize the effect of removing impurities of hydrofluoric acid. In addition, the oxygen sensor element which has been subjected to an acid treatment such as hydrofluoric acid may be subjected to a known cleaning process such as sufficiently washing the element subjected to such an acid treatment with running water or ultrasonic cleaning. Is preferably carried out appropriately, but especially when hydrofluoric acid treatment is performed, the oxygen is dissolved by a solution of an alkaline earth metal salt such as Mg (NO 3 ) 2 or Ca (NO 3 ) 2. By treating the sensor element, fluoride ions are fixed and the effect of removing impurities of hydrofluoric acid can be completely cut off, so that the adverse effect due to the residual hydrofluoric acid can be avoided.

また、本発明に従って多孔質なサーメット電極に対し
て施される、前述の如き熱処理(b)は、還元性ガス及
び不飽和炭化水素のうちの少なくとも何れか一方の雰囲
気下において実施されることとなる。なお、この熱処理
の温度としては、300〜1100℃の範囲が好ましく、500〜
950℃の範囲がより好ましい。また、処理中の温度は一
定である必要はなく、300〜1100℃の間において熱サイ
クルをかけても、何等差支えない。この熱処理温度が30
0℃よりも低くなると、酸素センサ素子の上記した活性
化効果が弱く、得られる製品のバラツキが大きくなる可
能性があり、また熱処理温度が1100℃を越えるようにな
ると、電極に使用した金属の焼結や減耗が急激に進行す
る問題も生じる。また、熱処理時間としては、1〜48時
間程度が好ましく、5〜16時間がより好ましい。この熱
処理時間が1時間未満の場合には、活性化効果が弱く、
得られる製品のバラツキが大きくなり、また熱処理時間
が48時間を越えるようになると、電極に使用した金属の
焼結や減耗が著しくなる。
The heat treatment (b) as described above, which is performed on the porous cermet electrode according to the present invention, is performed in an atmosphere of at least one of a reducing gas and an unsaturated hydrocarbon. Become. The temperature of this heat treatment is preferably in the range of 300 to 1100 ° C.,
A range of 950 ° C. is more preferred. Further, the temperature during the treatment does not need to be constant, and a thermal cycle between 300 and 1100 ° C. does not matter at all. This heat treatment temperature is 30
When the temperature is lower than 0 ° C., the above-described activation effect of the oxygen sensor element is weak, and there is a possibility that the variation in the obtained product is large.Also, when the heat treatment temperature exceeds 1100 ° C., the There is also a problem that sintering and wear rapidly progress. Further, the heat treatment time is preferably about 1 to 48 hours, more preferably 5 to 16 hours. When the heat treatment time is less than 1 hour, the activation effect is weak,
If the resulting product has large variations and the heat treatment time exceeds 48 hours, the metal used for the electrodes will be significantly sintered and worn.

そして、このような熱処理(b)に用いられる還元性
ガスとしては、H2,CO、またはこれらの混合ガスをN2,CO
2若しくはそれらの混合ガスにて希釈したものや、天然
ガス、LPG等を不完全燃焼させて得られたガスが用いら
れることとなるが、特にH2が10〜40容量%、N2が10〜40
容量%、CO2が0.1〜5容量%、及びCOが5〜40容量%の
範囲の組成の混合ガスを用いることが望ましい。
As the reducing gas used in the heat treatment (b), H 2 , CO, or a mixed gas thereof is used as N 2 , CO
2 or a gas obtained by incompletely burning natural gas, LPG, or the like, which is diluted with a mixed gas thereof, or H 2 is 10 to 40% by volume, and N 2 is 10 ~ 40
It is preferable to use a mixed gas having a composition in the range of 0.1% to 5% by volume, CO 2 in the range of 0.1 to 5% by volume, and CO in the range of 5 to 40% by volume.

また、不飽和炭化水素としては、室温で気体状態であ
るアセチレン、エチレン、プロピレン、ブチレン等が用
いられ、H2やHe等の中性ガスをバランスガスとして、そ
のような不飽和炭化水素を100ppm〜10容量%、好ましく
は500ppm〜5容量%の範囲の濃度で含む雰囲気下におい
て、目的とする酸素センサ素子の熱処理が実施されるこ
ととなる。この不飽和炭化水素の濃度が100ppmよりも少
なくなると、酸素センサ素子の前記した活性化効果が弱
く、得られる製品のバラツキが大きくなり、また10容量
%を越えるようになると、熱処理中にカーボンが析出
し、電極を劣化する場合があるからである。
The unsaturated hydrocarbons, acetylene in a gaseous state at room temperature, ethylene, propylene, butylene or the like is used, the neutral gas such as H 2 and He as balance gas, 100 ppm of such unsaturated hydrocarbons The target oxygen sensor element is subjected to a heat treatment in an atmosphere containing a concentration in the range of 10 to 10% by volume, preferably 500 ppm to 5% by volume. When the concentration of the unsaturated hydrocarbon is less than 100 ppm, the above-described activation effect of the oxygen sensor element is weak, the variation in the obtained product is large, and when it exceeds 10% by volume, carbon during the heat treatment is reduced. This is because they may precipitate and deteriorate the electrode.

なお、上記のような熱処理時に採用される還元性ガス
雰囲気や不飽和炭化水素雰囲気は、一定である必要はな
く、例えば還元性ガス雰囲気においては、O2や空気等を
定期的に流入させたりすること等によって、リッチ雰囲
気とリーン雰囲気を交互に実現する雰囲気サイクルを行
なっても、何等差支えない。
Note that the reducing gas atmosphere or the unsaturated hydrocarbon atmosphere employed during the heat treatment as described above does not need to be constant.For example, in a reducing gas atmosphere, O 2 , air, or the like is periodically introduced. By doing so, an atmosphere cycle for alternately realizing a rich atmosphere and a lean atmosphere can be performed.

また、上記の如き還元性ガス雰囲気下における熱処理
及び不飽和炭化水素雰囲気下における熱処理は、それぞ
れ、単独で行なっても所期の効果は得られるが、特にそ
れら二つの処理を併わせて行なうことがより効果的であ
る。そして、これら二つの処理は、酸素センサ素子の製
造上において別々に行なうことも可能であるが、還元性
ガスに所定量の不飽和炭化水素を含有せしめた混合ガス
を熱処理雰囲気として用いることにより、同時に行なう
のが効率的である。なお、その際の不飽和炭化水素の還
元性ガス中の存在量は、不飽和炭化水素単独の場合と同
様に、100ppm〜10容量%、好ましくは500ppm〜5容量%
の範囲内の濃度とされることとなる。
Although the heat treatment in the reducing gas atmosphere and the heat treatment in the unsaturated hydrocarbon atmosphere as described above can achieve the desired effects even if performed independently, it is particularly necessary to perform the two processes together. Is more effective. These two treatments can be performed separately in the production of the oxygen sensor element.However, by using a mixed gas containing a predetermined amount of unsaturated hydrocarbon in a reducing gas as a heat treatment atmosphere, It is efficient to do it at the same time. In this case, the amount of the unsaturated hydrocarbon present in the reducing gas is 100 ppm to 10% by volume, preferably 500 ppm to 5% by volume, as in the case of the unsaturated hydrocarbon alone.
Is set within the range.

(実施例) 以下、本発明を更に具体的に明らかにするために、本
発明に従う代表的な実施例を示すが、本発明が、そのよ
うな実施例の記載によって何等限定的に解釈されもので
ないことは、言うまでもないところである。
(Examples) Hereinafter, in order to clarify the present invention more specifically, representative examples according to the present invention will be described. However, the present invention should not be construed as being limited by the description of such examples. Not that, of course.

また、本発明は、上述した本発明の具体的な説明、並
びに以下の実施例の他にも、各種の態様において実施さ
れ得るものであり、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態様において実
施されるものは、何れも、本発明の範疇に属するもので
あることが、理解されるべきである。
In addition, the present invention can be carried out in various modes in addition to the above-described specific description of the present invention and the following examples. It should be understood that any implementation in various aspects based on knowledge falls within the scope of the present invention.

実施例 1 4モル%のY2O3と96モル%ZrO2からなる混合物の100
重量部に対して、焼結助剤としての粘土を3重量部加え
てなるZrO2原料粉末を乾式粉砕し、次いでこの粉末の10
0重量部に対して、バインダとしてのポリビニルブチラ
ールの10重量部、可塑剤としてのDOPの5重量部を加
え、更に100重量部のトルエン溶剤を加えてスラリーを
調製して、その粘度調整を行なった。その後、この得ら
れたスラリーから、ドクタープレードを使って、厚み:
0.4mmの固体電解質体用ジルコニアグリーンシートを形
成した。
Example 1 100 of a mixture consisting of 4 mol% of Y 2 O 3 and 96 mol% of ZrO 2
ZrO 2 raw material powder obtained by adding 3 parts by weight of clay as a sintering aid to parts by weight is dry-pulverized.
10 parts by weight of polyvinyl butyral as a binder, 5 parts by weight of DOP as a plasticizer, and 100 parts by weight of a toluene solvent were added to 0 parts by weight to prepare a slurry, and the viscosity was adjusted. Was. Then from the resulting slurry, using a doctor blade, thickness:
A 0.4 mm zirconia green sheet for a solid electrolyte body was formed.

一方、上記のグリーンシートの作製方法と同様な手法
によって、昇華性粉末(テオブロミン)の15重量%を含
む8モル%Y2O3−92モル%ZrO2のZrO2原料からなる厚
さ:0.2mmの多孔質保護層用グリーンシートを形成した。
On the other hand, by the same method as the above-mentioned method for producing a green sheet, 8 mol% of Y 2 O 3 containing 15% by weight of the sublimable powder (theobromine) -92 mol% of ZrO 2 and a thickness of ZrO 2 raw material of 0.2% A green sheet for a porous protective layer having a thickness of mm was formed.

次いで、第1図に示される構造の酸素センサ素子を得
るべく、上記の固体電解質体用ジルコニアグリーンシー
トを用い、その上下面の所定の部位に、安定化剤を添加
しなZrO2のみからなる下記第1表に示される各種平均粒
径のZrO2粉末の15重量%と触媒金属たるPtの粉末の85重
量%とからなるサーメットペーストを用いて、それぞ
れ、スクリーン印刷法により、測定電極(4)及び基準
電極(6)を形成せしめ、各種の電極形成固体電解質体
用グリーンシートを得た。また、前記の固体電解質体用
ジルコニアグリーンシートを用い、それぞれ、空気通路
(10)形成用のスペーサ(12)、板状蓋部材(14)を準
備した。
Then, in order to obtain an oxygen sensor element having the structure shown in FIG. 1, the above-mentioned zirconia green sheet for a solid electrolyte body is used, and predetermined portions on the upper and lower surfaces thereof are made of only ZrO 2 to which no stabilizer is added. Using a cermet paste consisting of 15% by weight of ZrO 2 powder having various average particle diameters shown in Table 1 and 85% by weight of Pt powder as a catalyst metal, the measurement electrodes (4 ) And a reference electrode (6) were formed to obtain various green sheets for electrode-formed solid electrolyte bodies. Using the zirconia green sheets for a solid electrolyte body, a spacer (12) for forming an air passage (10) and a plate-like lid member (14) were prepared.

更にまた、気密層(22)を与えるヒータ用グリーンシ
ートとして、上記と同様な固体電解質体用ジルコニアグ
リーンシートを用い、その上に、Al2O3の100重量部に対
してMgO:2重量部を加えてなりAl2O3粉末原料の100重量
部に対して、ポリビニルブチラール:15重量部、DOP:10
重量部及びブチルカルビトール:20重量部を配合してな
るアルミナペーストを用いて、電気絶縁層(20)をスク
リーン印刷し、そしてこの電気絶縁層(20)の上に、P
t:90重量部%−AlO3:10重量%からなるサーメットペー
ストを使って、ヒータエレメント(16)を形成し、更に
このヒータエレメント(16)が埋設されるように、電気
絶縁層(18)を前記電気絶縁層(20)と同様なサーメッ
トペーストにより形成した第四のシートを用意した。
Furthermore, a zirconia green sheet for a solid electrolyte similar to that described above was used as a heater green sheet for providing an airtight layer (22), and MgO: 2 parts by weight with respect to 100 parts by weight of Al 2 O 3. With respect to 100 parts by weight of the Al 2 O 3 powder raw material, polyvinyl butyral: 15 parts by weight, DOP: 10
Parts by weight and butyl carbitol: screen-printing the electrical insulating layer (20) using an alumina paste containing 20 parts by weight, and forming a P on the electrical insulating layer (20).
t: 90 parts by weight% -AlO 3: Using 10% by weight consists of cermet paste to form the heater element (16), as further buried the heater element (16), an electrically insulating layer (18) Was prepared using a cermet paste similar to that for the electric insulating layer (20).

その後、上記の如くして準備された四つのシート(電
極形成固体電解質体用グリーンシート、スペーサ用グリ
ーンシート、板状蓋部材用グリーンシート及び第四のシ
ート)と多孔質保護層用グリーンシート(8)とを積層
して、一体化した後、1400℃の温度で3時間、同時一体
焼成することにより、第1図に示される如き構造の各種
の酸素センサ素子を製造した。
Thereafter, the four sheets prepared as described above (the green sheet for the electrode-formed solid electrolyte body, the green sheet for the spacer, the green sheet for the plate-shaped lid member, and the fourth sheet) and the green sheet for the porous protective layer ( 8) were laminated and integrated, and then simultaneously and integrally fired at a temperature of 1400 ° C. for 3 hours to produce various oxygen sensor elements having a structure as shown in FIG.

実施例 2 実施例1と同様にして得られた各種焼成素子を用い
て、これを30℃に加熱された0.5%のフッ化水素酸水溶
液中に10分間浸漬せしめた後、充分に流水洗浄した。次
いで、かかる処理の施された素子を未乾燥のままで、10
%Ca(NO3水溶液中に浸し、減圧して、Ca(NO3
水溶液を、かかる素子の多孔質保護層中に充分に侵入せ
しめた後、超音波洗浄を施し、更にその後、乾燥するこ
とにより、酸処理の施された酸素センサ素子を作製し
た。
Example 2 Using various fired elements obtained in the same manner as in Example 1, they were immersed in a 0.5% aqueous solution of hydrofluoric acid heated to 30 ° C. for 10 minutes, and then sufficiently washed with running water. . Next, the element subjected to such a treatment was left un-dried for 10 minutes.
% Ca (NO 3 ) 2 aqueous solution and decompressed to obtain Ca (NO 3 ) 2
After sufficiently penetrating the aqueous solution into the porous protective layer of the element, the element was subjected to ultrasonic cleaning, and then dried to produce an oxygen-treated oxygen sensor element.

実施例 3 実施例1と同様にして得られた各種焼成素子を用い
て、そのような素子(測定電極)の還元性ガス及び不飽
和炭化水素中での熱処理を行なった。
Example 3 Using various fired devices obtained in the same manner as in Example 1, such devices (measuring electrodes) were subjected to heat treatment in a reducing gas and unsaturated hydrocarbon.

すなわち、N2,H2及びCO2ガスを触媒変換炉に送入し、
そこで、CO/CO2/H2/N2=10/2/50/38の容積割合に変換し
て、ベースガスを作製した後、このベースガスの100容
量に対して、不飽和炭化水素としてのプロピレンを0.5
容量部の割合にて添加し、還元処理炉内に供給し、この
還元処理炉内において、前記焼成素子に対して、800℃
の温度で5時間の熱処理を施すことにより、目的とする
熱処理の施された酸素センサ素子を作製した。
That is, N 2 , H 2 and CO 2 gas are fed into the catalytic converter,
Therefore, after converting to a volume ratio of CO / CO 2 / H 2 / N 2 = 10/2/50/38 to produce a base gas, 100 volumes of this base gas are converted into unsaturated hydrocarbons. 0.5 of propylene
It is added at a volume ratio and supplied into a reduction treatment furnace.
By performing the heat treatment at the above temperature for 5 hours, an oxygen sensor element subjected to the intended heat treatment was produced.

実施例 4 実施例2と同様にして得られた各種の酸処理素子を用
い、それに対して、実施例3と同様な還元性ガス中での
熱処理を実施することにより、酸処理及び熱処理の施さ
れた酸素センサ素子を作製した。
Example 4 By using various acid-treated elements obtained in the same manner as in Example 2 and performing a heat treatment in a reducing gas similar to that in Example 3, acid treatment and heat treatment were performed. The manufactured oxygen sensor element was manufactured.

実施例 5〜8 実施例1における固体電解質体用ジルコニアグリーン
シートを構成するZrO2原料粉末(4モル%Y2O3−96モル
%ZrO2)を用い、その平均粒径が下記第2表に示される
各種のもの15重量%と、Pt(触媒金属)粉末の85重量%
からなるサーメットペーストを用いて、スクリーン印刷
法により、電極(4,6)を形成する以外は、実施例1と
同様にして、酸素センサ素子を同時一体焼成操作により
作製した。
Examples 5 to 8 The ZrO 2 raw material powder (4 mol% Y 2 O 3 -96 mol% ZrO 2 ) constituting the zirconia green sheet for a solid electrolyte body in Example 1 was used, and the average particle size was as shown in Table 2 below. 15% by weight and 85% by weight of Pt (catalytic metal) powder
An oxygen sensor element was produced by simultaneous firing operation in the same manner as in Example 1 except that electrodes (4, 6) were formed by a screen printing method using a cermet paste made of

次いで、この得られた焼成素子に対して、実施例2〜
4と同様な手法に従って、フッ化水素酸処理及び/又は
還元雰囲気中での熱処理を行なって、目的とする酸処理
及び/又は熱処理の施された酸素センサ素子を作製し
た。
Then, for the obtained fired element, Examples 2 to
In accordance with the same method as in Example 4, a heat treatment in a hydrofluoric acid treatment and / or a reducing atmosphere was performed to produce an oxygen sensor element subjected to a desired acid treatment and / or heat treatment.

このようにして得られた酸素センサ素子のうち、全く
後処理の施されていないものを実施例5の素子とする一
方、酸処理のみ、熱処理のみ、それら両者の施されたも
のを、それぞれ、実施例6,7,8の素子とする。
Of the oxygen sensor elements obtained in this way, those that had not been subjected to any post-treatment were used as the elements of Example 5, while only the acid treatment, only the heat treatment, and those subjected to both of them were: The devices of Examples 6, 7, and 8 were used.

低温作動性及び応答性の評価 上記の各実施例において製造された各種の酸素センサ
素子を用い、従来と同様にして、酸素センサに組み立て
て、それぞれの低温作動性及び応答性の評価を行なっ
た。
Evaluation of low-temperature operability and responsiveness Using various oxygen sensor elements manufactured in each of the above-described examples, as in the conventional case, an oxygen sensor was assembled and each low-temperature operability and responsiveness were evaluated. .

なお、低温作動性の評価は、各センサ素子を、その内
部に内蔵せしめたヒータエレメントに電圧を印加して発
熱せしめることにより、所定の温度下に保持し、CO,H2,
N2及び空気からなる被測定ガス中の空気過剰率を種々変
化させ、その間のセンサ起電力を測定し、センサ起電力
が0.45Vとなった時点の空気過剰率を:λとして、低
温作動性の尺度とした。
The low-temperature operability is evaluated by applying a voltage to each sensor element to generate heat by applying a voltage to a heater element built in the sensor element to maintain CO, H 2 ,
The N 2 and the excess air ratio in the measurement gas consisting of air is changed variously to measure therebetween sensor electromotive force, the air excess ratio at which the sensor electromotive force becomes 0.45 V: as lambda D, low temperature operation It was a measure of gender.

また、応答性の評価は、それぞれ、内蔵したヒータエ
レメントへの電圧の供給による発熱によって、各酸素セ
ンサ素子を所定の温度に保持した状態下において、実際
のエンジンを回転数:1150rpmで駆動させ、かかるセンサ
素子でフィードバック制御した際に、センサ起電力が一
定時間内で0.30〜0.60Vの間に達するフィードバック周
波数:FLCを求め、それを応答性の尺度とした。
In addition, the evaluation of the responsiveness is performed by driving the actual engine at a rotational speed of 1150 rpm while maintaining the respective oxygen sensor elements at a predetermined temperature by generating heat by supplying a voltage to the built-in heater element, when the feedback control in such a sensor element, the feedback frequency sensor electromotive force reaches between 0.30~0.60V within a certain time period: seeking F LC, and that to the response of the measure.

実施例1〜実施例8において得られた酸素センサ素子
の低温作動性及び応答性の評価結果が、それぞれ、下記
第3〜4表並びに第2図乃至第7図に示されている。な
お、第2図及び第3図は、それぞれ、各実施例における
No.3のセンサ素子についての評価結果を示しており、ま
た第4図及び第5図に示される低温作動性の評価結果
は、実施例4において得られた各種の酸素センサ素子に
おける電極原料:単斜晶ZrO2粉末の粒径依存性及び焼成
電極中のジルコニア質粒子の粒径の依存性を示してい
る。更に、第6図及び第7図に示される作動性評価結果
は、実施例8において得られた各種の酸素センサ素子に
ついての空気過剰率(λ)に対する電極原料:ジルコ
ニア質粉末の粒径及び焼成電極中のジルコニア質粒子の
粒径との関係を示している。
The evaluation results of the low-temperature operability and responsiveness of the oxygen sensor elements obtained in Examples 1 to 8 are shown in Tables 3 and 4 below and FIGS. 2 to 7, respectively. FIG. 2 and FIG.
The evaluation results of the sensor element No. 3 are shown, and the evaluation results of the low-temperature operability shown in FIGS. 4 and 5 show the electrode raw materials for the various oxygen sensor elements obtained in Example 4. The graph shows the dependence of the particle size of the monoclinic ZrO 2 powder and the particle size of the zirconia particles in the fired electrode. Furthermore, the operability evaluation results shown in FIGS. 6 and 7 show the particle size of the electrode raw material: zirconia powder and the excess air ratio (λ D ) for the various oxygen sensor elements obtained in Example 8. 4 shows the relationship with the particle size of zirconia particles in a fired electrode.

これら第3〜4表や第2図〜第7図の結果から明らか
なように、本発明に従って、被測定ガスに晒される電極
中のジルコニア質粒子を2μm以下の粒径で分布せしめ
てなる多孔質なサーメット電極とすることにより、また
そのような多孔質電極に対して所定の酸処理や熱処理を
加えることにより、酸素センサ素子の低温作動性及び応
答性が共に大きく改善され得ることが理解される。
As is clear from the results shown in Tables 3 and 4 and FIGS. 2 to 7, the porosity obtained by distributing the zirconia particles in the electrode exposed to the gas to be measured in a particle size of 2 μm or less according to the present invention. It is understood that both the low-temperature operability and the responsiveness of the oxygen sensor element can be greatly improved by using a high quality cermet electrode and by applying a predetermined acid treatment or heat treatment to such a porous electrode. You.

(発明の効果) 以上の説明から明らかなように、本発明に従う酸素セ
ンサ素子においては、被測定ガスに晒される電極が、表
面積の大きな多孔質なサーメット電極構造とされ、触媒
活性が高められているところから、低温作動性及び応答
性に優れるという効果を奏するものであり、また本発明
手法に従えば、そのような低温作動性や応答性に優れた
酸素センサ素子を有利に製造することが出来、更にはそ
のような酸素センサ素子の低温作動性や応答性の如き特
性を更に高め、低温の被測定ガスの検出を有利に行ない
得るという効果を奏するものである。
(Effects of the Invention) As is clear from the above description, in the oxygen sensor element according to the present invention, the electrode exposed to the gas to be measured has a porous cermet electrode structure having a large surface area, and the catalytic activity is enhanced. Therefore, it is possible to produce an oxygen sensor element excellent in low-temperature operation and responsiveness according to the method of the present invention. It is possible to further improve characteristics such as low-temperature operability and responsiveness of the oxygen sensor element, and to advantageously detect a low-temperature gas to be measured.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

第1図は、本発明の適用される酸素センサ素子の代表的
な構造の一例を示す分解斜視図であり、また第2図及び
第4〜7図は、それぞれ、各実施例で作製された酸素セ
ンサ素子についてのセンサ素子温度と空気過剰率との関
係を示すグラフであり、更に第3図は、実施例1〜8に
おいて得られた各種酸素センサ素子についてのセンサ素
子温度と、フィードバック周波数との関係を示すグラフ
である。 2:固体電解質体、4:測定電極 6:基準電極、8:多孔質保護層 10:空気通路、12:スペーサ 14:板状蓋部材、16:ヒータエレメント 18,20:電気絶縁層 22:気密層
FIG. 1 is an exploded perspective view showing an example of a typical structure of an oxygen sensor element to which the present invention is applied, and FIGS. 2 and 4 to 7 are each manufactured in each embodiment. FIG. 3 is a graph showing the relationship between the sensor element temperature and the excess air ratio for the oxygen sensor element, and FIG. 3 further shows the sensor element temperature, the feedback frequency, 6 is a graph showing the relationship of. 2: Solid electrolyte, 4: Measurement electrode 6: Reference electrode, 8: Porous protective layer 10: Air passage, 12: Spacer 14: Plate lid member, 16: Heater element 18, 20: Electrical insulating layer 22: Airtight layer

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 平2−310459(JP,A) 特開 平1−184457(JP,A) 特開 平1−176937(JP,A) 特開 昭54−125084(JP,A) 特開 昭61−120055(JP,A) 特開 昭63−82356(JP,A) (58)調査した分野(Int.Cl.6,DB名) G01N 27/409 ──────────────────────────────────────────────────続 き Continuation of the front page (56) References JP-A-2-31059 (JP, A) JP-A-1-184457 (JP, A) JP-A-1-176937 (JP, A) 125084 (JP, A) JP-A-61-120055 (JP, A) JP-A-63-82356 (JP, A) (58) Fields investigated (Int. Cl. 6 , DB name) G01N 27/409

Claims (4)

(57)【特許請求の範囲】(57) [Claims] 【請求項1】酸素イオン伝導性のジルコニア固体電解質
体に少なくとも一対の電極を支持せしめてなる酸素セン
サ素子を製造するに際して、 該少なくとも一対の電極のうち、少なくとも、被測定ガ
スに晒される電極を、触媒金属粉末と単斜晶ZrO2からな
る粒径が0.2〜2.5μmのジルコニア質粉末とから調製さ
れた電極形成材料を前記固体電解質体に適用した後、焼
成することにより、多孔質なサーメット電極として形成
せしめる工程と、 かかる焼成によって形成された多孔質電極を酸処理する
工程と、 かかる焼成によって形成された多孔質電極を還元性ガス
及び/又は不飽和炭化水素雰囲気下において熱処理する
工程とを、 含むことを特徴とする酸素センサ素子の製造方法。
When manufacturing an oxygen sensor element in which an oxygen ion conductive zirconia solid electrolyte body supports at least a pair of electrodes, at least one of the at least one pair of electrodes exposed to a gas to be measured is used. After applying the electrode forming material prepared from a catalyst metal powder and a zirconia powder having a particle diameter of 0.2 to 2.5 μm comprising monoclinic ZrO 2 to the solid electrolyte body, by firing, the porous cermet A step of forming an electrode, an acid treatment of the porous electrode formed by the firing, and a heat treatment of the porous electrode formed by the firing in a reducing gas and / or unsaturated hydrocarbon atmosphere. A method for manufacturing an oxygen sensor element, comprising:
【請求項2】酸素イオン伝導性のジルコニア固体電解質
体に少なくとも一対の電極を支持せしめてなる酸素セン
サ素子を製造するに際して、 該少なくとも一対の電極のうち、少なくとも、被測定ガ
スに晒される電極を、触媒金属粉末と部分安定化ジルコ
ニいアからなる粒径が0.2〜2.0μmのジルコニア質粉末
とから調製された電極形成材料を前記固体電解質体に適
用した後、焼成することにより、多孔質なサーメット電
極として形成せしめる工程と、 かかる焼成によって形成された多孔質電極を酸処理する
工程と、 かかる焼成によって形成された多孔質電極を還元性ガス
及び/又は不飽和炭化水素雰囲気下において熱処理する
工程とを、 含むことを特徴とする酸素センサ素子の製造方法。
2. A method of manufacturing an oxygen sensor element comprising a zirconia solid electrolyte body having oxygen ion conductivity and supporting at least a pair of electrodes, wherein at least one of the at least one pair of electrodes exposed to a gas to be measured is used. After applying the electrode forming material prepared from a catalyst metal powder and a zirconia-based powder having a particle diameter of 0.2 to 2.0 μm comprising partially stabilized zirconia to the solid electrolyte body, by firing, the porous Forming a cermet electrode, acid-treating the porous electrode formed by the firing, and heat-treating the porous electrode formed by the firing in a reducing gas and / or unsaturated hydrocarbon atmosphere. A method for manufacturing an oxygen sensor element, comprising:
【請求項3】前記ジルコニア質粉末が、CaO,Y2O3及びYb
2O3のうちの少なくとも1種を4モル%以下の割合で添
加して形成される部分安定化ジルコニアにて構成されて
いる請求項(1)または(2)に記載の製造方法。
3. The method according to claim 1, wherein the zirconia powder comprises CaO, Y 2 O 3 and Yb.
3. The production method according to claim 1, wherein the production method comprises partially stabilized zirconia formed by adding at least one of 2 O 3 at a ratio of 4 mol% or less.
【請求項4】前記還元性ガス雰囲気下の熱処理と、前記
不飽和炭化水素雰囲気下における熱処理とが、同時に実
施される請求項(1)または(2)に記載の製造方法。
4. The method according to claim 1, wherein the heat treatment in the reducing gas atmosphere and the heat treatment in the unsaturated hydrocarbon atmosphere are performed simultaneously.
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