JP3677480B2 - Oxygen sensor element - Google Patents

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【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、酸素センサ素子に関し、特に自動車等の内燃機関における空気と燃料の比率を制御するための酸素センサ素子に関するものである。
【0002】
【従来技術】
現在、自動車等の内燃機関においては、排出ガス中の酸素濃度を検出して、その検出値に基づいて内燃機関に供給する空気および燃料供給量を制御することにより、内燃機関からの有害物質、例えばCO、HC、NOxを低減させる方法が採用されている。
【0003】
この検出素子として、主として酸素イオン導電性を有するジルコニアを主分とする固体電解質からなり、一端が封止された円筒管の外面および内面にそれぞれ一対の電極層が形成された固体電解質型の酸素センサが用いられている。この酸素センサの代表的なものとしては、図7の概略断面図に示すように、ZrO2固体電解質からなり、先端が封止された円筒管31の内面には、センサ部として白金からなり空気などの基準ガスと接触する基準電極32が、また円筒管31の外面には排気ガスなどの被測定ガスと接触される測定電極33が形成されている。
【0004】
このような酸素センサにおいて、一般に、空気と燃料の比率が1付近の制御に用いられている、いわゆる理論空燃比センサ(λセンサ)としては、測定電極33の表面に、保護層としてセラミック多孔質層34が設けられており、所定温度で円筒管31両側に発生する酸素濃度差を検出し、エンジン吸気系の空燃比の制御が行われている。この際、理論空燃比センサは約700℃付近の作動温度までに加熱する必要があり、そのために、円筒管31の内側には、センサ部を作動温度まで加熱するため棒状ヒータ35が挿入されている。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、近年排気ガス規制の強化傾向が強まり、エンジン始動直後からのCO、HC、NOxの検出が必要になってきた。このような要求に対して、上述のように、ヒータ35を円筒管31内に挿入してなる間接加熱方式の円筒型酸素センサでは、センサ部が活性化温度に達するまでに要する時間(以下、活性化時間という。)が遅いために排気ガス規制に充分対応できないという問題があった。
【0006】
近年、この問題を回避する方法として、図10の概略断面図に示すように平板状の固体電解質基板36の外面および内面に測定電極37と基準電極38をそれぞれ設けると同時に、セラミック絶縁層39の内部に発熱体40を埋設したヒータ一体型の酸素センサ素子が提案されている。また、かかる酸素センサ素子においては、センサ素子の他端には、リード41を介して接続された電極パッド42が形成され、この電極パッド42には、コネクタや金属ピン等がロウ付けされる。
【0007】
しかしながら、従来のヒータ一体型酸素センサは、上述の従来の間接加熱方式と異なり、直接加熱方式であるために急速昇温が可能ではあるが、その昇温速度をさらに早くすることが望まれているが、素子自体が大きいために、急速昇温化に対しても限界があり、その結果、活性化時間の短縮ができないなどの問題があった。
【0008】
本発明は、小型で、且つガス応答性の優れ急速昇温が可能な酸素センサ素子を提供することを目的とするものである。
【0009】
【課題を解決するための手段】
本発明の酸素センサ素子は、長尺状のジルコニア固体電解質基板平板の一方の端部付近における対向する両面に、白金から成る測定電極と基準電極とをそれぞれ設けたセンサ部を具備し、他方の端部付近に端子電極を具備してなる酸素センサ素子において、該素子の長手方向に対して直交する方向の幅が、後端部から先端部に向かって連続的、または段階的に小さく、且つ前記一対の電極パッドの形成幅が、先端部の幅よりも大きいことによって、電極パッドへのコネクタや金属ピンの取付けを確保しつつ、センサ部やヒータ部の小型化を図り、センサ部のガス応答性、急速昇温性を高めることができる。
【0010】
また、センサ部の小型化に当たっては、測定電極の電極面積が8〜18mmであること、また、素子の先端から5mm以上の部分における長手方向に対して直交する方向の素子の幅が、2.0〜3.5mmであることが重要である
【0011】
また、本発明の酸素センサ素子においては、セラミック絶縁層中に発熱体を埋設したヒータ部を具備することが望ましく、このヒータ部は、前記センサ部と同時焼成して形成されてなるか、またはそれぞれ別体で形成された後、接合材によって接合し一体化されたものでもよい。
【0012】
また、このヒータ部においては、一対の発熱体をセラミック絶縁層を介して上下に形成する、より好適には1つの発熱体の長手方向に対して直交する方向の最大幅xと、酸素センサ素子の長手方向に対して直交する方向の最大幅wとが、w≦2.5xの関係とすることによって、素子の幅を小さくした場合においても発熱量を大きくすることができ、素子の急速昇温を容易に行うことができる。
【0013】
なお、前記センサ部と前記ヒータ部とは、同時焼成して形成されていても、また前記センサ部と、前記ヒータ部とそれぞれ別体で形成された後、接合材によって接合し一体化してもよい。
【0014】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の酸素センサ素子の基本構造の例を図面をもとに説明する。図1は、本発明の酸素センサ素子の一例を説明するための概略断面図であり、図2は他の例を説明するための概略断面図である。これらは、一般的に理論空撚比センサ素子と呼ばれるものであり、図1、図2の例ではいずれもセンサ部1とヒータ部2を具備するものである。
【0015】
図1の酸素センサ素子においては、ジルコニアからなる酸素イオン導電性を有するセラミック固体電解質基板3と、この固体電解質基板3の対向する両面には、空気に接する基準電極4と、排気ガスと接する測定電極5とが形成されており、酸素濃度を検知する機能を有するセンサ部1を形成している。
【0016】
即ち、固体電解質基板3は、先端が封止された平板状の中空形状からなり、この中空部が大気導入孔3aを形成している。そして、この中空内壁に、空気などの基準ガスと接触する基準電極4が被着形成され、この基準電極4と対向する固体電解質基板3の外面に、排気ガスなどの被測定ガスと接触する測定電極5が形成されている。
【0017】
また、排気ガスによる電極の被毒を防止する観点から、測定電極5表面には電極保護層としてセラミック多孔質層6が形成されている。
【0018】
一方、ヒータ部2は、電気絶縁性を有するセラミック絶縁層7に発熱体8が埋設された構造からなり、図1の酸素センサ素子においては、ヒータ部2は、センサ部1とともに焼成によって一体化された構造からなり、図2の酸素センサ素子においては、センサ部1とヒータ部2とは、それぞれ別体で形成され、接合材10によって接合された構造からなる。
【0019】
特に、センサ部1の固体電解質基板3とヒータ部2のセラミック絶縁層7との熱膨張係数差が大きい場合には、図2の構造からなることが望ましく、特に、接合箇所は、発熱体8や電極4、5が形成されていない使用時において、温度の低い部分にて接合することが望ましい。また、全面にて接合する場合には、センサ部1とヒータ部2との熱膨張係数の違いによる応力を緩和するため、例えばセンサ部1のジルコニア固体電解質基板3とヒータ部2のアルミナセラミック絶縁層7との複合材料、アルミナとジルコニアとを複合化合物層を介在させることもできる。
【0020】
なお、このヒータ部2は、図1では、保温性をヒータ部2による加熱効率を高めヒータ部2は、保温と材料間の熱膨張係数の差に起因する応力を低減するために、センサ部1と接する側と反対側に固体電解質基板3と同一または類似の熱膨張係数を有するセラミック層9を形成することが望ましい。
【0021】
また、本発明の酸素センサ素子は、図3の概略平面図に示すように、固体電解質基板3の先端部付近にセンサ部1やヒータ部2が形成されており、基板3の後端部付近の表面に測定電極5や基準電極4とリード10を介して接続された一対の電極パッド11が形成されている。そして、この電極パッド11には、適宜、白金ヒータ8への電力の印加や、センサ部1の電極4、5からの信号の外部への取り出しを行なうために金属製のコネクタが用いられるが、場合によっては電圧の印加や、信号の取り出しはNi等の金属ピンをパッド部にロウ付けして用いられることもある。
【0022】
本発明の酸素センサ素子においては、素子の長手方向に対して直交する方向の幅が、後端部から先端部に向かって連続的、または段階的に小さいことを特徴とする。具体的には、図3(a)に示すように、素子の先端部から後端部にわたって連続して幅が大きくなるように、言い換えれば幅が広くなるようなもの、図3(b)に示すように、先端部から後端部の間で段差部vを境に素子の幅が広くなるようなもの、図3(c)に示すように、先端部から後端部の間でテーパ部pを設け、部分的に連続して幅が広くなるもの等が挙げられる。
【0023】
このように、電極パッド11が設けられる部分の幅を広くし、電極パッド11を形成している部分の幅L1を素子先端部の幅L2よりも大きくすることによって、センサ部の小型化とともに、電極パッド11にコネクタや金属ピンなどを容易に且つ強固に取り付けることができる。
【0024】
また、本発明によれば、素子の小型化とともに優れたガス応答性を図る上で、測定電極5の電極面積が8〜18mm2であり、素子の先端から5mm以上、特に10mm以上の部分における長手方向に対して直交する方向の幅が、2.0〜3.5mmであることが望ましい。一方、電極パッド11が形成される後端部における最大幅は、3.7〜5mm、特に4.0〜4.5mmであることが適当である。
【0025】
本発明によれば、測定電極5の面積および先端部の幅を上記の範囲に制御することによって、ヒータによる急速昇温性を高め、センサによるガス応答性を改善することができる。
【0026】
また、ヒータ部2の構造として、本発明に基づき、測定電極5の面積および素子の幅を満足する限りにおいては、特に限定するものではなく、通常、図2に示すように、白金ヒータ8は、同一平面内に形成してもよいが、同一平面の場合には、小型化に伴い、ヒータパターンの形状が非常に制約される。
【0027】
そこで、図1に示す通り、ヒータ部2の長手方向に対して直交する方向の断面における一対の発熱体8がセラミック絶縁層7aを介して形成すると、ヒータ部の小型化を図ることができる。
【0028】
より具体的には、図4の発熱体パターンの構造を説明する概略透過図に示すように、長尺状のセラミック絶縁層7内において、一端側からリード8a1が長手方向に伸び、セラミック絶縁層7の他端部付近のセンサ部1の電極形成部と対向する部分に発熱部8b1が形成され、素子の他端部で折り返された後、発熱部8b2を経由してリード8a2に接続されている。本発明においては、少なくとも発熱部8b1と8b2とがセラミック絶縁層7aを介して上下に形成されており、この発熱部8b1、8b2は、他端部においてセラミック絶縁層7aを貫通するビア8cなどの接続体によって電気的に接続されている。
【0029】
図4の発熱体パターンは、ミアンダ構造(波形)のパターンから構成され、発熱体の幅をxとした場合、図4のミアンダ構造では、発熱体8の幅xは、その波形の最大振幅に相当する。この発熱部8b1、8b2がそれぞれ所定の幅xを有する場合、一般に、これらを同一平面内に形成すると、素子全体の幅wは、発熱部8b1、8b2を絶縁層7内に埋設するためのしろ部分や発熱体8b1、8b2間のショートを防止するために、素子全体の幅wは、w≧3x程度は必要となる。
【0030】
これに対して、発熱部8b1、8b2をそれぞれ異なる層間に形成すると、平面的にみて、発熱部8b1、8b2が重なっていてもセラミック絶縁層7aによって絶縁性が保たれているために、図1および図2に示したように、素子全体の幅wは、3xよりも小さくできる。特に小型化を図る上で、w≦2.5x、さらにはw≦2xを満足することが望ましい。
【0031】
なお、上下の発熱部8a1、8b2間のセラミック絶縁層7aの厚みとしては、電気絶縁性の観点から1〜300μm、特に5〜100μm、さらには、5〜50μmが好ましい。
【0032】
なお、図4の例では、発熱体8は、素子の長手方向に直交する方向で折り返しを有するミアンダ(波形)形パターンからなるものであったが、この発熱体パターンは、これに限定されるものではなく、例えば、図5の発熱体のパターン図に示すように、素子の長手方向で折り返しを有するミアンダ形パターンであってもよい。
【0033】
さらに、本発明によれば、上記図3(c)の酸素センサ素子を用いて、例えば、図6に示すように、酸素センサ素子をホルダーに取り付ける場合の取り付け治具12をテーパ部pの部分に取り付けることができる。
【0034】
本発明の酸素センサ素子において用いられる固体電解質は、ZrO2を含有するセラミックスからなり、安定化剤として、Y23およびYb23、Sc23、Sm23、Nd23、Dy23等の希土類酸化物を酸化物換算で1〜30モル%、好ましくは3〜15モル%含有する部分安定化ZrO2あるいは安定化ZrO2が用いられている。また、ZrO2中のZrの1〜20原子%をCeで置換したZrO2を用いることにより、イオン導電性が大きくなり、応答性がさらに改善されるといった効果がある。さらに、焼結性を改善する目的で、上記ZrO2に対して、Al23やSiO2を添加含有させることができるが、多量に含有させると、高温におけるクリープ特性が悪くなることから、Al23およびSiO2の添加量は総量で5重量%以下、特に2重量%以下であることが望ましい。
【0035】
固体電解質基板3の表面に被着形成される基準電極4、測定電極5は、いずれも白金、あるいは白金と、ロジウム、パラジウム、ルテニウムおよび金の群から選ばれる1種との合金が用いられる。また、センサ動作時における電極中の金属の粒成長を防止する目的と、応答性に係わる白金粒子と固体電解質と気体との、いわゆる3相界面の接点を増大する目的で、上述のセラミック固体電解質成分を1〜50体積%、特に10〜30体積%の割合で上記電極4、5中に混合してもよい。また、電極形状としては、四角形でも楕円形でもよい。また、電極4、5の厚さは、3〜20μm、特に5〜10μmが好ましい。
【0036】
一方、発熱体8を埋設するセラミック絶縁層7としては、アルミナセラミックスからなる相対密度が80%以上、開気孔率が5%以下の緻密質なセラミックスによって構成されていることが望ましい。この際、焼結性を改善する目的でMg、Ca、Siを総和で1〜10質量%含有していてもよいが、Na、K等のアルカリ金属の含有量としては、マイグレーションしてヒータ部2における一対のヒータ間の電気絶縁性を悪くするため酸化物重量換算で50ppm以下に制御することが望ましい。また、相対密度を上記の範囲とすることによって、基板強度が高くなる結果、酸素センサ自体の機械的な強度を高めることができるためである。
【0037】
また、測定電極5の表面に形成されるセラミック多孔質層6は、厚さ10〜800μmで、気孔率が10〜50%のジルコニア、アルミナ、γ−アルミナおよびスピネルの群から選ばれる少なくとも1種によって形成されていることが望ましい。この多孔質層6の厚さが10μmより薄いか、あるいは気孔率が50%を超えると、電極被毒物質P、Si等が容易に電極に達して電極性能が低下する。それに対して、多孔質層6の厚さが800μmを超えるか、あるいは気孔率が10%より小さくなるとガスの多孔質層6中の拡散速度が遅くなり、電極のガス応答性が悪くなる。特に、多孔質層6の厚さとしては気孔率にもよるが、100〜500μmが適当である。
【0038】
ヒータ部2におけるセラミック絶縁層7内に埋設された発熱体8およびリード8a1,8a2は、金属として白金単味、あるいは白金とロジウム、パラジウム、ルテニウムの群から選ばれる1種との合金を用いることができる。この場合、発熱体8とリード8a1、8a2の抵抗比率は室温において、9:1〜7:3の範囲に制御することが好ましい。
【0039】
また、本発明の酸素センサ素子は、素子全体の厚さとしては、0.8〜1.5mm、特に1.0〜1.2mm、素子の長さとしては45〜55mm、特に45〜50mmが急速昇温性と素子のエンジン中への取付け具合との関係から好ましい。
【0040】
さらに、本発明によれば、素子の先端部を半径が100mm以下の曲面によって形成するか、または角部を0.1mm以上のC面加工することによって、耐熱衝撃性を高めることができる。
【0041】
次に、本発明の酸素センサ素子の製造方法について、図3(b)の酸素センサ素子の製造方法を例にして図7の分解斜視図をもとに説明する。
【0042】
まず、固体電解質のグリーンシート13を作製する。このグリーンシート13は、例えば、ジルコニアの酸素イオン導電性を有するセラミック固体電解質粉末に対して、適宜、成形用有機バインダーを添加してドクターブレード法や、押出成形や、静水圧成形(ラバープレス)あるいはプレス形成などの周知の方法により作製され、さらにはパンチング等によって図7のような先端部の幅が後端部から先端部に向かって段階的に小さいグリーンシートを作製する。
【0043】
次に、上記のグリーンシート13の両面に、それぞれ測定電極5および基準電極4となるパターン14やリードパターン15や電極パッドパターン16やスルーホール(図示せず)などを例えば、白金を含有する導電性ペーストを用いてスラリーデッィプ法、あるいはスクリーン印刷、パット印刷、ロール転写で印刷形成した後、大気導入孔17を形成したグリーンシート18およびグリーンシート19をアクリル樹脂や有機溶媒などの接着材を介在させるか、あるいはローラ等で圧力を加えながら機械的に接着することによりセンサ部1の積層体Aを作製する。
【0044】
なお、この時に測定電極5となるパターン14の表面には、図1のセラミック多孔質層6を形成するための多孔質スラリーを印刷塗布形成してもよい。
【0045】
次に、図7に示すようにジルコニアグリーンシート20表面にアルミナ粉末からなるペーストをスラリーデッィプ法、あるいはスクリーン印刷、パット印刷、ロール転写で印刷し、セラミック絶縁層21aを形成する。
【0046】
次に、図1のように、白金ヒータをセラミック絶縁層を介して上下に形成する場合には、まず、セラミック絶縁層21aの表面に、下側のヒータパターン22aおよびリードパターン23aを印刷塗布する。そして、アルミナなどの絶縁性ペーストを塗布してセラミック絶縁層21bを形成し、そのセラミック絶縁層21bの表面に上側のヒータパターン22bおよびリードパターン23bを印刷塗布する。そして再度、絶縁性ペーストを用いてセラミック絶縁層21cを印刷形成することにより、ヒータ部2の積層体Bを作製する。
【0047】
この際、下側のヒータパターン22aと上側ヒータパターン22bとを接続するためには、セラミック絶縁層21bを形成した後に、セラミック絶縁層21bに表面から下側のヒータパターンに至る貫通孔を形成し、上側ヒータパターンを形成するときに、この貫通孔内に導電性ペーストを充填してビア導体24を形成する。または、下側のヒータパターン22aの一部が露出するようにセラミック絶縁層21bの先端部を切り欠き、その切り欠き部に導電性ペーストを塗布して上下のヒータパターンを接続し、一本に繋がった発熱体を形成することができる。
【0048】
また、ジルコニアシート20の下面には、ヒータ用電極パッドパターン25を前記導電性ペーストを用いて印刷塗布し、ヒータ用リードパターン23a、23bとは、ビア導体24と同様にして形成されたビア導体26によって電気的に接続する。
【0049】
なお、上記のヒータ部の積層体Bを作製するにあたり、セラミック絶縁層18a,18b、18cは、上記のように絶縁性ペーストの印刷塗布によって形成する他に、アルミナなどのセラミックスラリーを用いてドクターブレード法などのシート成形方法によって絶縁性シートを形成して積層することもできる。
【0050】
この後、センサ部の積層体Aとヒータ部の積層体Bをアクリル樹脂や有機溶媒などの接着材を介在させるか、あるいはローラ等で圧力を加えながら両者を機械的に接着することにより接着一体化した後、これらを焼成する。焼成は、大気中または不活性ガス雰囲気中、1300℃〜1700℃の温度範囲で1〜10時間焼成する。なお、焼成時には、焼成時のセンサ部Aの反りを抑制するため、錘として平滑なアルミナ等の基板を積層体の上に置くことにより反り量を低減することができる。
【0051】
また、センサ部の積層体Aとヒータ部の積層体Bとを同時焼成して一体化する場合には、両者の熱膨張係数差による応力の発生を低減するために、例えば、センサ部を形成する固体電解質成分とヒータ部のセラミック絶縁層を形成する絶縁成分との複合材料を介在させることが望ましい。
【0052】
その後、必要に応じて、焼成後の測定電極14の表面に、プラズマ溶射法等により,アルミナ、ジルコニア、スピネルの群から選ばれる少なくとも1種のセラミックスを形成することによってヒータ部が一体化された酸素センサ素子を形成することができる。
【0053】
なお、上記の方法では、ヒータ部はセンサ部と同時焼成して形成した場合について説明したが、センサ部とヒータ部とはそれぞれ別体で焼成した後、ガラスなどの適当な無機接着材で接合することによって一体化することも可能である。
【0054】
【実施例】
図1に示すλセンサを、図7に従い以下のようにして作製した。
【0055】
まず、市販の純度が99.9%アルミナ粉末と、Siを0.1重量%含む5モル%Y23含有のジルコニア粉末と、平均粒子径が0.1μmで8モル%のイットリアを含むジルコニアを30体積%結晶内に含有する白金粉末▲1▼と、アルミナ粉末を20体積%含有する白金粉末▲2▼をそれぞれ準備した。
【0056】
まず、5モル%Y23含有のジルコニア粉末にポリビニルアルコール溶液を添加してスラリーを作製し、押出成形により焼結後の厚さが0.4mmになるようなジルコニアのグリーンシート13を作製した。
【0057】
その後、グリーンシート13の両面に、白金粉末▲1▼を含有する導電性ペーストをスクリーン印刷して、測定電極と基準電極のパターン14、リードパターン15および電極パッドパターン16を印刷形成した後、大気導入孔17を形成したグリーンシート18、およびグリーンシート19をアクリル樹脂の接着剤により積層しセンサ部用積層体Aを得た。この際、測定電極は焼成後5〜30mm2となるように面積を変化させた。
【0058】
次に、ジルコニアグリーンシート20表面に上述のアルミナ粉末からなるペーストを用いてスクリーン印刷してセラミック絶縁層21aを焼成後約10μmになるように形成した後、一方のヒータパターン22aおよびリードパターン23aを、アルミナを含有する白金を含有する導電性ペースト▲2▼を用いてスクリーン印刷で印刷形成し、さらにこの表面にもう一度アルミナ粉末からなるペーストをスクリーン印刷してセラミック絶縁層21bを形成した。この後、さらに他方のヒータパターン22bおよびヒータリード23bおよびグリーンシート20の下面にヒータ電極パッド25を、白金を含有する導電性ペーストを用いてスクリーン印刷で印刷形成し、さらにもう一度セラミック絶縁層21cを形成することにより、ヒータ部用積層体Bを作製した。なお、ヒータパターン22a、22b間はセラミック絶縁層21bに形成したビア導体24によって、またヒータリード23a,23bとヒータ電極パッド25とはセラミック絶縁層20、21a、21bに形成したビア導体26によって接続した。
【0059】
この後、前述の製造方法に従いセンサ部用積層体Aとヒータ部用積層体Bを接合してヒータ一体化センサ素子の積層体を1500℃、1時間焼成してヒータ一体化センサ素子を作製した。この際、センサ部用積層体とヒータ部用積層体の幅を変化させて、幅L2(=w)が1.8〜3.8mmの理論空燃比型(λ型)のヒータ一体化の酸素センサ素子を作製した。なお、各酸素センサ素子のセンサ用の電極パッドおよびヒータ用電極パッドを形成する部分の素子の幅は、すべて5mmとし、電極パッドの形成幅L1は4.5mmとした。
【0060】
さらに、各センサ用の電極パッドおよびヒータ用電極パッドにNiからなる金属ピンをロウ付けした。
【0061】
この後、水素、メタン、窒素、酸素の混合ガスを用いて空燃比が11と23の混合ガスを0.5秒間隔で交互にセンサ素子に吹き付けがら、素子のヒータに12V印加させて素子の活性化時間の測定を行った。この際、図8に示すようにヒータに電圧を印加した時間をゼロとし、まず素子が空燃比11で0.6Vを示し、次に空燃比23で0.3Vを示すまでの時間tを素子の活性化時間とした。
【0062】
【表1】

Figure 0003677480
【0063】
本発明の酸素センサ素子は、いずれもなんら支障なく電極パッドに金属ピンを取り付けることが可能であった。また、素子の大きさにおいては、表1の結果より、素子の測定電極の面積が8〜18mmおよび素子の幅が2〜3.5mmの範囲とすることによって、活性化時間を10秒以下と小型な素子であり且つ優れた特性を有するセンサ素子を得ることができた。
【0064】
【発明の効果】
以上詳述したとおり、本発明によれば、素子の長手方向に対して直交する方向の幅を後端部から先端部に向かって連続的、または段階的に小さく、且つ前記一対の電極パッドの形成幅を先端部の幅よりも大きくすることによって、酸素センサ素子におけるセンサ部およびヒータ部の小型化が可能となり、ガス応答性を高めることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の酸素センサ素子の一例を説明するための概略断面図である。
【図2】本発明の酸素センサ素子の他の例を説明するために概略断面図である。
【図3】本発明における酸素センサ素子の概略平面図である。
【図4】本発明における発熱体パターンの構造を説明するための概略透過図である。
【図5】本発明における発熱体パターンの他の構造を説明するための透過図である。
【図6】本発明の酸素センサ素子の応用例を説明するための概略斜視図である。
【図7】図3(b)の酸素センサ素子の製造方法を説明するための分解斜視図である。
【図8】活性化時間の測定方法を説明するためのグラフである。
【図9】従来のヒータ一体型酸素センサ素子の構造を説明するための概略断面図である。
【図10】従来の他のヒータ一体型酸素センサ素子の構造を説明するための(a)概略断面図と、(b)概略平面図である。
【符号の説明】
1 センサ部
2 ヒータ部
3 固体電解質
4 基準電極
5 測定電極
6 セラミック多孔質層
7 セラミック絶縁層
8 白金ヒータ[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to an oxygen sensor element, and more particularly to an oxygen sensor element for controlling a ratio of air and fuel in an internal combustion engine such as an automobile.
[0002]
[Prior art]
Currently, in an internal combustion engine such as an automobile, by detecting the oxygen concentration in the exhaust gas and controlling the amount of air and fuel supplied to the internal combustion engine based on the detected value, harmful substances from the internal combustion engine, For example, a method of reducing CO, HC, and NOx is adopted.
[0003]
As this detection element, a solid electrolyte type oxygen mainly composed of a solid electrolyte mainly composed of zirconia having oxygen ion conductivity and having a pair of electrode layers formed on the outer surface and the inner surface of a cylindrical tube sealed at one end. A sensor is used. As a typical example of this oxygen sensor, as shown in the schematic cross-sectional view of FIG. 7, the inner surface of a cylindrical tube 31 made of a ZrO 2 solid electrolyte and sealed at the tip is made of platinum as a sensor part and made of air. A reference electrode 32 that comes into contact with a reference gas such as the above, and a measurement electrode 33 that comes into contact with a measured gas such as exhaust gas are formed on the outer surface of the cylindrical tube 31.
[0004]
In such an oxygen sensor, a so-called theoretical air-fuel ratio sensor (λ sensor) that is generally used for controlling the ratio of air to fuel near 1 is a ceramic porous as a protective layer on the surface of the measurement electrode 33. A layer 34 is provided, and an oxygen concentration difference generated on both sides of the cylindrical tube 31 at a predetermined temperature is detected to control the air-fuel ratio of the engine intake system. At this time, the theoretical air-fuel ratio sensor needs to be heated up to an operating temperature of about 700 ° C. For this reason, a rod heater 35 is inserted inside the cylindrical tube 31 to heat the sensor unit to the operating temperature. Yes.
[0005]
[Problems to be solved by the invention]
However, in recent years, exhaust gas regulations have been strengthened, and it has become necessary to detect CO, HC, and NOx immediately after the engine is started. In response to such a request, in the indirect heating type cylindrical oxygen sensor formed by inserting the heater 35 into the cylindrical tube 31 as described above, the time required for the sensor unit to reach the activation temperature (hereinafter, There is a problem that exhaust gas regulations cannot be fully met because the activation time is slow.
[0006]
In recent years, as a method for avoiding this problem, a measurement electrode 37 and a reference electrode 38 are provided on the outer surface and the inner surface of a flat solid electrolyte substrate 36 as shown in the schematic cross-sectional view of FIG. A heater-integrated oxygen sensor element in which a heating element 40 is embedded is proposed. In such an oxygen sensor element, an electrode pad 42 connected via a lead 41 is formed at the other end of the sensor element, and a connector, a metal pin, or the like is brazed to the electrode pad 42.
[0007]
However, unlike the conventional indirect heating method described above, the conventional heater-integrated oxygen sensor is a direct heating method, so that rapid temperature increase is possible. However, it is desired to further increase the rate of temperature increase. However, since the element itself is large, there is a limit to rapid temperature increase, and as a result, there is a problem that the activation time cannot be shortened.
[0008]
An object of the present invention is to provide an oxygen sensor element that is small in size and excellent in gas responsiveness and capable of rapid temperature increase.
[0009]
[Means for Solving the Problems]
The oxygen sensor element of the present invention includes a sensor unit provided with a measurement electrode and a reference electrode made of platinum on opposite sides in the vicinity of one end of a long zirconia solid electrolyte substrate flat plate, respectively, In the oxygen sensor element comprising a terminal electrode in the vicinity of the end, the width in the direction perpendicular to the longitudinal direction of the element is continuously or gradually smaller from the rear end toward the front end, and The formation width of the pair of electrode pads is larger than the width of the tip portion, so that the sensor portion and the heater portion can be downsized while ensuring the attachment of the connector and the metal pin to the electrode pad, and the gas in the sensor portion Responsiveness and rapid temperature rise can be improved.
[0010]
Further, when the size of the sensor unit, that the electrode area of the measuring electrode is 8~18Mm 2, also, the width direction of the element perpendicular to the longitudinal direction of the tip 5mm or more parts from the device, 2 It is important that the thickness is 0.0 to 3.5 mm.
[0011]
Further, in the oxygen sensor element of the present invention, it is desirable to include a heater part in which a heating element is embedded in a ceramic insulating layer, and this heater part is formed by simultaneous firing with the sensor part, or They may be formed separately from each other, and then joined and integrated with a joining material.
[0012]
Further, in this heater portion, a pair of heating elements are formed vertically with a ceramic insulating layer interposed therebetween, more preferably a maximum width x in a direction perpendicular to the longitudinal direction of one heating element, and an oxygen sensor element The maximum width w in the direction perpendicular to the longitudinal direction of the element has a relationship of w ≦ 2.5x, so that even when the element width is reduced, the amount of heat generation can be increased, and the element can be rapidly increased. Temperature can be easily performed.
[0013]
The sensor unit and the heater unit may be formed by simultaneous firing, or may be formed separately from the sensor unit and the heater unit, and then bonded and integrated with a bonding material. Good.
[0014]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, an example of the basic structure of the oxygen sensor element of the present invention will be described with reference to the drawings. FIG. 1 is a schematic cross-sectional view for explaining an example of the oxygen sensor element of the present invention, and FIG. 2 is a schematic cross-sectional view for explaining another example. These are generally referred to as theoretical air-twist ratio sensor elements, and both include the sensor unit 1 and the heater unit 2 in the examples of FIGS.
[0015]
In the oxygen sensor element of FIG. 1, a ceramic solid electrolyte substrate 3 made of zirconia and having oxygen ion conductivity, a reference electrode 4 that is in contact with air, and a measurement that is in contact with exhaust gas are provided on both opposing surfaces of the solid electrolyte substrate 3. The electrode 5 is formed, and the sensor unit 1 having a function of detecting the oxygen concentration is formed.
[0016]
That is, the solid electrolyte substrate 3 has a flat plate-like hollow shape with the tip sealed, and the hollow portion forms the air introduction hole 3a. A reference electrode 4 in contact with a reference gas such as air is deposited on the hollow inner wall, and measurement is performed on the outer surface of the solid electrolyte substrate 3 facing the reference electrode 4 with a measured gas such as exhaust gas. An electrode 5 is formed.
[0017]
Further, from the viewpoint of preventing electrode poisoning by exhaust gas, a ceramic porous layer 6 is formed on the surface of the measurement electrode 5 as an electrode protective layer.
[0018]
On the other hand, the heater unit 2 has a structure in which a heating element 8 is embedded in a ceramic insulating layer 7 having electrical insulation. In the oxygen sensor element of FIG. 1, the heater unit 2 is integrated with the sensor unit 1 by firing. In the oxygen sensor element of FIG. 2, the sensor unit 1 and the heater unit 2 are formed separately from each other and joined by a joining material 10.
[0019]
In particular, when the difference in thermal expansion coefficient between the solid electrolyte substrate 3 of the sensor unit 1 and the ceramic insulating layer 7 of the heater unit 2 is large, the structure shown in FIG. 2 is desirable. In addition, it is desirable to join at a low temperature part in use where the electrodes 4 and 5 are not formed. Further, in the case of bonding over the entire surface, for example, the zirconia solid electrolyte substrate 3 of the sensor unit 1 and the alumina ceramic insulation of the heater unit 2 are alleviated in order to relieve stress due to the difference in thermal expansion coefficient between the sensor unit 1 and the heater unit 2. A composite material with the layer 7, alumina and zirconia may be interposed between the composite compound layers.
[0020]
In FIG. 1, the heater unit 2 is a sensor unit in order to increase the heating efficiency of the heater unit 2 and to increase the heating efficiency of the heater unit 2. It is desirable to form a ceramic layer 9 having the same or similar thermal expansion coefficient as that of the solid electrolyte substrate 3 on the side opposite to the side in contact with 1.
[0021]
Further, as shown in the schematic plan view of FIG. 3, the oxygen sensor element of the present invention has a sensor portion 1 and a heater portion 2 formed near the front end portion of the solid electrolyte substrate 3, and the vicinity of the rear end portion of the substrate 3. A pair of electrode pads 11 connected to the measurement electrode 5 and the reference electrode 4 via leads 10 are formed on the surface of the electrode. A metal connector is used for the electrode pad 11 to appropriately apply power to the platinum heater 8 and to extract signals from the electrodes 4 and 5 of the sensor unit 1 to the outside. In some cases, voltage application and signal extraction may be used by brazing a metal pin such as Ni to the pad portion.
[0022]
The oxygen sensor element of the present invention is characterized in that the width in the direction perpendicular to the longitudinal direction of the element is small continuously or stepwise from the rear end portion toward the front end portion. Specifically, as shown in FIG. 3A, the width continuously increases from the front end portion to the rear end portion of the element, in other words, the width becomes wider, as shown in FIG. As shown in FIG. 3 (c), the taper portion between the front end portion and the rear end portion is widened from the front end portion to the rear end portion. For example, p may be provided so that the width is partially continuously increased.
[0023]
As described above, the width of the portion where the electrode pad 11 is provided is widened, and the width L1 of the portion where the electrode pad 11 is formed is larger than the width L2 of the tip portion of the element. A connector, a metal pin, etc. can be attached to the electrode pad 11 easily and firmly.
[0024]
In addition, according to the present invention, the electrode area of the measurement electrode 5 is 8 to 18 mm 2 in order to achieve excellent gas responsiveness as well as downsizing of the element, and in a portion of 5 mm or more, particularly 10 mm or more from the tip of the element. The width in the direction orthogonal to the longitudinal direction is desirably 2.0 to 3.5 mm. On the other hand, the maximum width at the rear end portion where the electrode pad 11 is formed is suitably 3.7 to 5 mm, particularly 4.0 to 4.5 mm.
[0025]
According to the present invention, by controlling the area of the measurement electrode 5 and the width of the tip in the above range, it is possible to improve the rapid temperature rise by the heater and improve the gas responsiveness by the sensor.
[0026]
Further, the structure of the heater portion 2 is not particularly limited as long as the area of the measurement electrode 5 and the width of the element are satisfied based on the present invention. Normally, as shown in FIG. Although they may be formed in the same plane, in the case of the same plane, the shape of the heater pattern is very restricted as the size is reduced.
[0027]
Therefore, as shown in FIG. 1, when the pair of heating elements 8 in the cross section perpendicular to the longitudinal direction of the heater portion 2 is formed via the ceramic insulating layer 7a, the size of the heater portion can be reduced.
[0028]
More specifically, as shown in the schematic transmission diagram for explaining the structure of the heating element pattern in FIG. 4, the lead 8 a 1 extends in the longitudinal direction from one end side in the long ceramic insulating layer 7, and the ceramic insulating layer 7 is formed in a portion facing the electrode forming portion of the sensor portion 1 near the other end portion of the sensor 7, and after being folded at the other end portion of the element, connected to the lead 8a2 via the heat generating portion 8b2. Yes. In the present invention, at least the heat generating portions 8b1 and 8b2 are formed above and below via the ceramic insulating layer 7a, and the heat generating portions 8b1 and 8b2 are formed of vias 8c penetrating the ceramic insulating layer 7a at the other end. It is electrically connected by a connection body.
[0029]
The heating element pattern of FIG. 4 is composed of a meander structure (waveform) pattern. When the width of the heating element is x, in the meander structure of FIG. 4 , the width x of the heating element 8 has the maximum amplitude of the waveform. Equivalent to. When the heat generating portions 8b1 and 8b2 each have a predetermined width x, generally, when they are formed in the same plane, the width w of the entire element is a margin for embedding the heat generating portions 8b1 and 8b2 in the insulating layer 7. In order to prevent a short circuit between the portions and the heating elements 8b1 and 8b2, the width w of the entire element needs to be about w ≧ 3x.
[0030]
On the other hand, when the heat generating portions 8b1 and 8b2 are formed between different layers, the insulating properties are maintained by the ceramic insulating layer 7a even when the heat generating portions 8b1 and 8b2 overlap each other in plan view. And as shown in FIG. 2, the width w of the entire device can be smaller than 3x. In particular, in order to reduce the size, it is desirable to satisfy w ≦ 2.5x, and further w ≦ 2x.
[0031]
The thickness of the ceramic insulating layer 7a between the upper and lower heat generating portions 8a1 and 8b2 is preferably 1 to 300 μm, particularly 5 to 100 μm, and more preferably 5 to 50 μm from the viewpoint of electrical insulation.
[0032]
In the example of FIG. 4, the heating element 8 has a meandering (waveform) pattern that is folded in a direction orthogonal to the longitudinal direction of the element. However, the heating element pattern is limited to this. For example, as shown in the pattern diagram of the heating element in FIG. 5, it may be a meander pattern having a folding in the longitudinal direction of the element.
[0033]
Furthermore, according to the present invention, using the oxygen sensor element shown in FIG. 3 (c), for example, as shown in FIG. Can be attached to.
[0034]
The solid electrolyte used in the oxygen sensor element of the present invention is made of a ceramic containing ZrO 2 , and Y 2 O 3 and Yb 2 O 3 , Sc 2 O 3 , Sm 2 O 3 , Nd 2 O are used as stabilizers. 3, Dy 2 O 3 or the like 1 to 30 mol% of rare earth oxide in terms of oxide, preferably the partially stabilized ZrO 2 or stabilized ZrO 2 containing 3 to 15 mol% are used. Further, by using ZrO 2 in which 1 to 20 atomic% of Zr in ZrO 2 is substituted with Ce, there is an effect that the ionic conductivity is increased and the responsiveness is further improved. Furthermore, for the purpose of improving the sinterability, Al 2 O 3 and SiO 2 can be added to the ZrO 2 , but if it is contained in a large amount, the creep properties at high temperatures are deteriorated. The total amount of Al 2 O 3 and SiO 2 is preferably 5% by weight or less, particularly 2% by weight or less.
[0035]
The reference electrode 4 and the measurement electrode 5 deposited on the surface of the solid electrolyte substrate 3 are both platinum or an alloy of platinum and one selected from the group of rhodium, palladium, ruthenium and gold. In addition, for the purpose of preventing the grain growth of the metal in the electrode during the operation of the sensor and for the purpose of increasing the contact at the so-called three-phase interface between the platinum particles, the solid electrolyte and the gas related to the responsiveness, The components may be mixed in the electrodes 4 and 5 at a ratio of 1 to 50% by volume, particularly 10 to 30% by volume. Further, the electrode shape may be a quadrangle or an ellipse. The thickness of the electrodes 4 and 5 is preferably 3 to 20 μm, particularly preferably 5 to 10 μm.
[0036]
On the other hand, the ceramic insulating layer 7 in which the heating element 8 is embedded is preferably composed of a dense ceramic made of alumina ceramics having a relative density of 80% or more and an open porosity of 5% or less. At this time, Mg, Ca and Si may be contained in total in an amount of 1 to 10% by mass for the purpose of improving sinterability. However, the content of alkali metals such as Na and K is migrated to the heater part. In order to deteriorate the electrical insulation between the pair of heaters in No. 2, it is desirable to control to 50 ppm or less in terms of oxide weight. In addition, by setting the relative density within the above range, the substrate strength increases, and as a result, the mechanical strength of the oxygen sensor itself can be increased.
[0037]
The ceramic porous layer 6 formed on the surface of the measuring electrode 5 is at least one selected from the group consisting of zirconia, alumina, γ-alumina and spinel having a thickness of 10 to 800 μm and a porosity of 10 to 50%. It is desirable to be formed by. When the thickness of the porous layer 6 is less than 10 μm or the porosity exceeds 50%, the electrode poisoning substance P, Si, etc. easily reach the electrode and the electrode performance is deteriorated. On the other hand, when the thickness of the porous layer 6 exceeds 800 μm or the porosity is less than 10%, the diffusion rate of the gas in the porous layer 6 becomes slow, and the gas responsiveness of the electrode is deteriorated. In particular, the thickness of the porous layer 6 is suitably 100 to 500 μm, although it depends on the porosity.
[0038]
The heating element 8 and the leads 8a1 and 8a2 embedded in the ceramic insulating layer 7 in the heater section 2 use platinum as a metal or an alloy of platinum and one selected from the group of rhodium, palladium, and ruthenium. Can do. In this case, the resistance ratio between the heating element 8 and the leads 8a1 and 8a2 is preferably controlled in the range of 9: 1 to 7: 3 at room temperature.
[0039]
The oxygen sensor element of the present invention has a total thickness of 0.8 to 1.5 mm, particularly 1.0 to 1.2 mm, and an element length of 45 to 55 mm, particularly 45 to 50 mm. It is preferable from the relationship between the rapid temperature rise property and how the element is mounted in the engine.
[0040]
Furthermore, according to the present invention, the thermal shock resistance can be improved by forming the tip of the element with a curved surface having a radius of 100 mm or less, or by processing the C-surface with a corner of 0.1 mm or more.
[0041]
Next, a method for manufacturing the oxygen sensor element of the present invention will be described with reference to the exploded perspective view of FIG. 7, taking the method of manufacturing the oxygen sensor element of FIG. 3B as an example.
[0042]
First, a solid electrolyte green sheet 13 is prepared. For example, the green sheet 13 may be formed by appropriately adding an organic binder for molding to a ceramic solid electrolyte powder having oxygen ion conductivity of zirconia, by a doctor blade method, extrusion molding, or isostatic pressing (rubber press). Alternatively, the green sheet is manufactured by a known method such as press forming, and further, a green sheet having a small width in the front end portion from the rear end portion toward the front end portion as shown in FIG. 7 is manufactured by punching or the like.
[0043]
Next, a pattern 14, a lead pattern 15, an electrode pad pattern 16, a through hole (not shown) or the like that becomes the measurement electrode 5 and the reference electrode 4, respectively, are formed on both surfaces of the green sheet 13. The green sheet 18 and the green sheet 19 in which the air introduction hole 17 is formed are interposed with an adhesive such as an acrylic resin or an organic solvent after the conductive paste is used for the slurry dipping method, screen printing, pad printing, or roll transfer. Alternatively, the laminated body A of the sensor unit 1 is manufactured by mechanically adhering while applying pressure with a roller or the like.
[0044]
At this time, a porous slurry for forming the ceramic porous layer 6 of FIG. 1 may be formed by printing on the surface of the pattern 14 to be the measurement electrode 5.
[0045]
Next, as shown in FIG. 7, a paste made of alumina powder is printed on the surface of the zirconia green sheet 20 by a slurry dip method, or screen printing, pad printing, or roll transfer to form the ceramic insulating layer 21a.
[0046]
Next, as shown in FIG. 1, when the platinum heater is formed up and down with the ceramic insulating layer interposed therebetween, first, the lower heater pattern 22a and the lead pattern 23a are printed on the surface of the ceramic insulating layer 21a. . Then, an insulating paste such as alumina is applied to form the ceramic insulating layer 21b, and the upper heater pattern 22b and the lead pattern 23b are printed on the surface of the ceramic insulating layer 21b. And the laminated body B of the heater part 2 is produced by printing again the ceramic insulating layer 21c using an insulating paste.
[0047]
At this time, in order to connect the lower heater pattern 22a and the upper heater pattern 22b, after forming the ceramic insulating layer 21b, a through hole extending from the surface to the lower heater pattern is formed in the ceramic insulating layer 21b. When the upper heater pattern is formed, the via conductor 24 is formed by filling the through hole with a conductive paste. Alternatively, the front end portion of the ceramic insulating layer 21b is cut out so that a part of the lower heater pattern 22a is exposed, and a conductive paste is applied to the cutout portion to connect the upper and lower heater patterns. A connected heating element can be formed.
[0048]
Further, a heater electrode pad pattern 25 is printed and applied to the lower surface of the zirconia sheet 20 using the conductive paste, and the heater lead patterns 23a and 23b are via conductors formed in the same manner as the via conductors 24. The electrical connection is made by 26.
[0049]
In preparing the laminate B of the heater section, the ceramic insulating layers 18a, 18b, and 18c are formed by printing and applying an insulating paste as described above, and using a ceramic slurry such as alumina. An insulating sheet can be formed and laminated by a sheet forming method such as a blade method.
[0050]
Thereafter, the laminated body A of the sensor part and the laminated body B of the heater part are bonded together by interposing an adhesive such as an acrylic resin or an organic solvent, or by mechanically bonding the two while applying pressure with a roller or the like. These are fired. Firing is performed in the air or in an inert gas atmosphere at a temperature range of 1300 ° C to 1700 ° C for 1 to 10 hours. At the time of firing, in order to suppress warping of the sensor part A at the time of firing, the amount of warpage can be reduced by placing a smooth substrate such as alumina on the laminate as a weight.
[0051]
Further, when the laminated body A of the sensor part and the laminated body B of the heater part are simultaneously fired and integrated, for example, a sensor part is formed in order to reduce the generation of stress due to the difference in thermal expansion coefficient between them. It is desirable to interpose a composite material of the solid electrolyte component to be formed and the insulating component forming the ceramic insulating layer of the heater portion.
[0052]
Thereafter, if necessary, the heater portion was integrated by forming at least one ceramic selected from the group of alumina, zirconia, and spinel on the surface of the measurement electrode 14 after firing by plasma spraying or the like. An oxygen sensor element can be formed.
[0053]
In the above method, the heater part is described as being formed by simultaneous firing with the sensor part. However, after the sensor part and the heater part are separately fired, they are joined with a suitable inorganic adhesive such as glass. It is also possible to integrate them.
[0054]
【Example】
The λ sensor shown in FIG. 1 was produced as follows according to FIG.
[0055]
First, a commercially available purity of 99.9% alumina powder, 5 mol% Y 2 O 3 containing zirconia powder containing 0.1 wt% Si, and 8 mol% yttria with an average particle diameter of 0.1 μm are included. A platinum powder (1) containing 30% by volume of zirconia in the crystal and a platinum powder (2) containing 20% by volume of alumina powder were prepared.
[0056]
First, a polyvinyl alcohol solution was added to zirconia powder containing 5 mol% Y 2 O 3 to prepare a slurry, and a zirconia green sheet 13 having a thickness after sintering of 0.4 mm was prepared by extrusion molding. did.
[0057]
Thereafter, a conductive paste containing platinum powder (1) is screen-printed on both sides of the green sheet 13 to print and form the measurement electrode and reference electrode pattern 14, the lead pattern 15 and the electrode pad pattern 16. The green sheet 18 having the introduction hole 17 and the green sheet 19 were laminated with an acrylic resin adhesive to obtain a laminate A for sensor section. At this time, the area of the measurement electrode was changed so as to be 5 to 30 mm 2 after firing.
[0058]
Next, the surface of the zirconia green sheet 20 is screen-printed using the paste made of the above-mentioned alumina powder to form the ceramic insulating layer 21a so as to be about 10 μm after firing, and then one heater pattern 22a and lead pattern 23a are formed. Then, a conductive paste (2) containing platinum containing alumina was printed by screen printing, and a paste made of alumina powder was screen printed again on this surface to form a ceramic insulating layer 21b. Thereafter, a heater electrode pad 25 is formed on the lower surface of the other heater pattern 22b, heater lead 23b, and green sheet 20 by screen printing using a conductive paste containing platinum, and a ceramic insulating layer 21c is formed again. By forming, the laminated body B for heater parts was produced. The heater patterns 22a and 22b are connected by via conductors 24 formed in the ceramic insulating layer 21b, and the heater leads 23a and 23b and the heater electrode pads 25 are connected by via conductors 26 formed in the ceramic insulating layers 20, 21a and 21b. did.
[0059]
Thereafter, the sensor unit laminate A and the heater unit laminate B were joined in accordance with the manufacturing method described above, and the heater integrated sensor element laminate was baked at 1500 ° C. for 1 hour to produce a heater integrated sensor element. . At this time, by changing the widths of the sensor unit laminate and the heater unit laminate, the theoretical air-fuel ratio type (λ type) heater integrated oxygen having a width L2 (= w) of 1.8 to 3.8 mm. A sensor element was produced. Note that the widths of the elements in the portions where the sensor electrode pads and heater electrode pads of each oxygen sensor element are formed were all 5 mm, and the electrode pad formation width L1 was 4.5 mm.
[0060]
Further, metal pins made of Ni were brazed to each sensor electrode pad and heater electrode pad.
[0061]
Thereafter, a mixed gas of hydrogen, methane, nitrogen, and oxygen is used to spray a mixed gas having an air-fuel ratio of 11 and 23 alternately on the sensor element at intervals of 0.5 seconds, and 12 V is applied to the heater of the element to apply the element. The activation time was measured. At this time, as shown in FIG. 8, the time during which the voltage is applied to the heater is set to zero. First, the element shows 0.6 V at the air-fuel ratio 11 and then the time t until it shows 0.3 V at the air-fuel ratio 23 Activation time.
[0062]
[Table 1]
Figure 0003677480
[0063]
In any of the oxygen sensor elements of the present invention, it was possible to attach a metal pin to an electrode pad without any trouble. In addition, regarding the size of the element, from the result of Table 1, the activation time was set to 10 by setting the area of the measurement electrode of the element to 8 to 18 mm 2 and the width of the element to 2 to 3.5 mm. It was possible to obtain a sensor element having an excellent characteristic with a small element of less than a second.
[0064]
【The invention's effect】
As described above in detail, according to the present invention, the width in the direction perpendicular to the longitudinal direction of the element is continuously or gradually reduced from the rear end portion toward the front end portion, and the pair of electrode pads By making the formation width larger than the width of the tip portion, it is possible to reduce the size of the sensor portion and the heater portion in the oxygen sensor element, and it is possible to improve gas responsiveness.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a schematic cross-sectional view for explaining an example of an oxygen sensor element of the present invention.
FIG. 2 is a schematic sectional view for explaining another example of the oxygen sensor element of the present invention.
FIG. 3 is a schematic plan view of an oxygen sensor element according to the present invention.
FIG. 4 is a schematic transmission diagram for explaining the structure of a heating element pattern in the present invention.
FIG. 5 is a transparent view for explaining another structure of the heating element pattern in the present invention.
FIG. 6 is a schematic perspective view for explaining an application example of the oxygen sensor element of the present invention.
7 is an exploded perspective view for explaining a method of manufacturing the oxygen sensor element of FIG. 3 (b). FIG.
FIG. 8 is a graph for explaining a method for measuring activation time.
FIG. 9 is a schematic cross-sectional view for explaining the structure of a conventional heater-integrated oxygen sensor element.
10A is a schematic cross-sectional view and FIG. 10B is a schematic plan view for explaining the structure of another conventional oxygen sensor element integrated with a heater.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Sensor part 2 Heater part 3 Solid electrolyte 4 Reference electrode 5 Measuring electrode 6 Ceramic porous layer 7 Ceramic insulating layer 8 Platinum heater

Claims (6)

長尺状の固体電解質基板の先端部付近における対向する両面に、白金から成る測定電極と基準電極とをそれぞれ設けたセンサ部を具備し、前記固体電解質基板の後端部付近の表面に一対の電極パッドを具備してなる酸素センサ素子において、前記測定電極の電極面積が8〜18mm 、素子の先端から5mm以上の部分における長手方向に対して直交する方向の素子の幅が、2.0〜3.5mmであるとともに、該素子の長手方向に対して直交する方向の素子の幅が、後端部から先端部に向かって連続的、または段階的に小さく、且つ前記一対の電極パッドの形成幅が、先端部の幅よりも大きいことを特徴とすることを特徴とする酸素センサ素子。A sensor unit provided with a measurement electrode and a reference electrode each made of platinum is provided on both opposing surfaces in the vicinity of the front end of the long solid electrolyte substrate . In the oxygen sensor element including the electrode pad, the electrode area of the measurement electrode is 8 to 18 mm 2 , and the width of the element in the direction orthogonal to the longitudinal direction in the portion of 5 mm or more from the tip of the element is 2.0. with a ~3.5Mm, the width direction of the element perpendicular to the longitudinal direction of the device is continuously toward the distal end from the rear end, or stepwise reduced, and the pair of electrode pads An oxygen sensor element characterized in that a formation width is larger than a width of a tip portion. セラミック絶縁層中に発熱体を埋設したヒータ部を具備することを特徴とする請求項記載の酸素センサ素子。Oxygen sensor element according to claim 1, characterized by comprising a heater unit obtained by embedding a heating element in the ceramic insulating layer. 前記ヒータ部において、一対の発熱体がセラミック絶縁層を介して上下に形成されていることを特徴とする請求項記載の酸素センサ素子。 3. The oxygen sensor element according to claim 2 , wherein in the heater portion, the pair of heating elements are formed vertically with a ceramic insulating layer interposed therebetween. 前記発熱体の長手方向に対して直交する方向の最大幅xと、酸素センサ素子の長手方向に対して直交する方向の最大幅wとが、w≦2.5xの関係を有することを特徴とする請求項2または請求項3記載の酸素センサ素子。The maximum width x in the direction orthogonal to the longitudinal direction of the heating element and the maximum width w in the direction orthogonal to the longitudinal direction of the oxygen sensor element have a relationship of w ≦ 2.5x. The oxygen sensor element according to claim 2 or 3. 前記センサ部と前ヒータ部とが同時焼成して形成されてなることを特徴とする請求項2乃至請求項4のいずれか記載の酸素センサ素子。The oxygen sensor element according to any one of claims 2 to 4, wherein the sensor part and the front heater part are formed by simultaneous firing. 前記センサ部と、前記ヒータ部とそれぞれ別体で形成した後、接合材によって接合し一体化してなることを特徴とする請求項2乃至請求項のいずれか記載の酸素センサ素子。And the sensor portion, said after forming a heater unit and each separately, the oxygen sensor element according to any one of claims 2 to 4, characterized in that formed by integrally bonding a bonding material.
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