JP4582899B2 - Ceramic heater and oxygen sensor using the same - Google Patents
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Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、セラミックヒータと、自動車等の内燃機関における空気と燃料の比率等を制御するためのもので、加熱部と検知部が一体化されてなる加熱部の寿命の長い酸素センサに関する。
【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5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、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。また、測定電極33の表面には種々のセラミック多孔質層34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、保護層となる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。
【0005】
一方、広範囲の空燃比を制御するために用いられている、いわゆる広域空燃比センサ(A/Fセンサ)は、測定電極33の表面に微細な細孔を有するガス拡散律速層となるセラミック多孔質層34を設け、固体電解質からなる円筒管31に一対の電極32、33を通じて印加電圧を加え、その際得られる限界電流値を測定して希薄燃焼領域の空燃比を制御するものである。
【0006】
上記理論空燃比センサおよび広域空燃比センサとも検知部を約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、円筒管の内側には、検知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。
【0007】
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、検知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。
【0008】
その問題を回避する方法として、固体電解質からなる円筒管の内面および外面に基準電極、測定電極が設けられ、測定電極の表面に、ガス透過性の多孔性の絶縁層を設け、さらにその中のガス透過性の低いガス非透過層中に白金ヒータを設けた円筒型の酸素センサも特開平10−206380号に記載されている。
【0009】
一方、本出願人は、先にセラミック固体電解質からなり一端が封止された円筒管の内面および外面に基準電極および測定電極を形成してなる検知部と、測定電極が露出するように前記円筒管の外面に測定電極形成部に開口を設けたセラミック絶縁層を積層形成し、測定電極がその開口部から露出するようにし、その少なくとも露出している前記測定電極の周囲のセラミック絶縁層中に白金ヒータを埋設してなる加熱部を一体的に形成した酸素センサを提案した。
【0010】
【発明が解決しようとする課題】
この酸素センサは、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あるという長所を有する。しかしながら、酸素センサの寿命は、検知部の劣化のみならず、上記のように加熱部を一体化した酸素センサでは、加熱部の劣化も寿命を縮める大きな要因となっている。
【0011】
この加熱部の劣化の要因としては、繰り返し加熱によって、徐々にPtヒータの抵抗が高くなり、最終的にPtヒータによる加熱ができなくなり、最終的にはPtヒータが断線するという問題があった。
【0012】
この問題を解決する方法として、特開2000−221158号において白金ヒータを埋設するセラミック絶縁体中のNaの含有量を50ppm以下に制御することによってPtヒータの長寿命化が改善されることが提案されている。しかしながら、さらなる酸素センサの長寿命化が要求される中においては、このようにセラミック絶縁体中のNaの含有量を低下させるだけではPtヒータの長寿命化は充分とは言えず、さらなる改善が求められている。
【0013】
従って、本発明は、急速昇温などの熱衝撃性に優れた長寿命のセラミックヒータと、これを酸素濃度などの検知部と一体的に形成してなり、急速昇温などの熱衝撃性に優れると同時に、ヒータ寿命の長い酸素センサを提供することを目的とするものである。
【0014】
【課題を解決するための手段】
本発明者は、上記の問題について検討した結果、セラミック絶縁層を形成するセラミック組成物としてNa量を低減したものを使用することによってPtヒータの長寿命化が図られるが、このPtヒータを形成するPt原料にも不可避的にNaが含まれており、このNa量を低減することによって、寿命が飛躍的に向上することが判明し本発明に至った。
【0015】
即ち、本発明のセラミックヒータは、セラミック絶縁層中に白金ヒータを埋設してなるセラミックヒータであって、前記セラミック絶縁層中のSiの含有量が酸化物換算で5重量%以下であるとともに、前記セラミック絶縁層および前記白金ヒータ中のNaの含有量がそれぞれ50ppm以下であることを特徴とするものである。
【0016】
また、酸素センサとしては、ジルコニア固体電解質基体の少なくとも内外面の対向する位置に一対の白金電極を有する検知部と、前記固体電解質基体と一体化されたセラミック絶縁層中に白金ヒータを埋設してなる加熱部とを具備する酸素センサであって、前記セラミック絶縁層中のSiの含有量が酸化物換算で5重量%以下であるとともに、前記セラミック絶縁層および白金ヒータ中のNaの含有量がそれぞれ50ppm以下であることを特徴とする。
【0017】
本発明によれば、セラミック絶縁層および白金ヒータ中のNaは、ヒータの通電により周囲に発生する電場により容易にセラミック絶縁層中を拡散してマイナス極側の高温部に移動、濃縮して、セラミック絶縁層の電気抵抗を低下させるばかりでなく、白金ヒータの電気抵抗を増大させ、その結果酸素センサ自体の寿命を著しく低下させる。そこで、本発明によれば、セラミック絶縁層のみならず、Ptヒータ中のNa量を50ppm以下に制御することによって、長期使用時においてもセラミック絶縁層および白金ヒータの電気抵抗を安定化させることができる結果、セラミックヒータや酸素センサの長寿命化を図ることができる。また、前記セラミック絶縁層の焼結性を改善する目的でSi成分が添加されることがあるが、セラミック絶縁層中のSi含有量としては酸化物換算で5重量%以下とする。セラミック絶縁層中のSi含有量が5重量%を越えると、ヒータへの通電の際、セラミック絶縁層中のNaのマイナス極への拡散が促進されヒータの寿命が低下しやすいためである。
【0018】
なお、上記の構成において、前記セラミック絶縁層をアルミナおよび/またはマグネシアを含有する酸化物によって形成することにより、高い電気絶縁性を保持できるばかりでなく、耐熱性を向上させることができる。また、上記酸素センサの構成において、一対の白金電極は多孔質であることが好ましい。
【0020】
さらに、本発明によれば、前記一対の白金電極として、円筒管の内面に基準電極が形成され、円筒管の外面に測定電極が形成されてなり、前記円筒管の表面に前記白金ヒータを埋設した前記セラミック絶縁層が被覆されているとともに、前記セラミック絶縁層に開口部を設け、その開口部から前記測定電極の一部または全部を露出せしめることによって、加熱部による検知部の加熱効率を高めることができ、酸素センサのセンサ活性化時間を短縮することができる。
【0021】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の酸素センサの一例を図1の概略斜視図(a)およびX1−X1断面図(b)をもとに説明する。
【0022】
図1の酸素センサ1は、一般的に理論空撚比センサ(λセンサ)と呼ばれるもので、酸素イオン導電性を有するセラミック固体電解質からなり、一端が封止された、即ち縦断面がU字状の円筒管2の内面に、第1の電極として、空気などの基準ガスと接触される基準電極3が被着形成され、また、円筒管2の基準電極3と対向する外面には、第2の電極として、排気ガスなどの被測定ガスと接触する測定電極4が形成されている。
【0023】
また、本発明によれば、一端が封止された円筒管2の外面に形成された測定電極4の周囲にはセラミック絶縁層5が被着形成されている。そして、このセラミック絶縁層5には、測定電極4が露出するように開口部6が形成されており、さらに開口部6の周囲のセラミック絶縁層5中には白金ヒータ7が埋設されており加熱部を形成している。
【0024】
本発明においては、セラミック絶縁層5および白金ヒータ7中のNaが50ppm以下、望ましくは30ppm以下、さらには20ppm以下であることが重要である。このセラミック絶縁層5および白金ヒータ7中のNa含有量が50ppmを越えると、ヒータ加熱時においてNaがマイナス極側に移動して、白金ヒータの抵抗を増大させてヒータの寿命を低下させてしまうためである。
【0025】
次に、上記の白金ヒータ7は、リード電極8を経由して端子電極9と接続されており、これらを通じて白金ヒータ7に電流を流すことにより加熱され、円筒管2、基準電極3、測定電極4からなる検知部を加熱する仕組みとなっている。
【0026】
なお、上記の酸素センサにおいては、開口部6の反対側の対照な位置に第二の開口部を設けてもよいし、またセンシングの感度を向上するためこの開口部にもう一つの被測定電極を形成することもできる。
【0027】
この際、素子全体の大きさとしては、酸素センサ全体の外径を3〜6mm、特に3〜4mmとすることにより、消費電力を低減するとともに、センシング性能を高めることができる。
(固体電解質材質)
本発明において、円筒管2を形成するのに用いられるセラミック固体電解質は、ZrO2を含有するセラミックスからなり、具体的には、Y2O3およびYb2O3、Sc2O3、Sm2O3、Nd2O3、Dy2O3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。
【0028】
また、ZrO2中のZrを1〜20原子%をCeで置換したZrO2を用いることにより、電子伝導性が大きくなり、応答性がさらに改善されるといった効果がある。
【0029】
さらに、焼結性を改善する目的で、上記ZrO2に対して、Al2O3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、Al2O3およびSiO2の添加量は総量で5重量%以下、特に3重量%以下であることが望ましい。
【0030】
また、固体電解質中のNaの含有量としては、固体電解質からセラミック絶縁層への拡散進入を防止する観点からは200ppm以下、特に100ppmが望ましい。
(セラミック絶縁層)
一方、白金ヒータ7を埋設するセラミック絶縁層5としては、アルミナおよび/またはマグネシアを含有する酸化物、特に、アルミナ材料、スピネル材料、あるいはアルミナとスピネルとの複合化合物材料が好適に用いられる。この際、セラミック絶縁層の焼結性を改善する目的で、少量Si成分を添加することが望ましいが、その含有率としては酸化物換算で0.1重量%以上でその効果が見られるが、Siの含有量が、5重量%を越えるとセラミック絶縁層中のNaの拡散と編析が促進され、白金ヒータの寿命が低下しやすいため、Si含有量は0.1〜5重量%の範囲が望ましい。Si含有量としては、0.5〜3重量%が望ましい。特に、0.5〜2重量%がNaの拡散を防止する観点から望ましい。
【0031】
また、このセラミック絶縁層5は、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。これは、セラミック絶縁層5が緻密質であることにより絶縁層の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。さらに、セラミック絶縁層5中のNaの含有量は、前述した理由から50ppm、特に30ppm以下とすることがヒータの寿命を延ばすために不可欠である。
(白金ヒータ)
また、上記セラミック絶縁層5の内部に埋設されるヒータ7としては、白金が用いられるが、場合によっては、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少なくとも1種との合金を用いることもできる。白金単体のヒータおよび合金のヒータとも100重量%に対してNaの含有量を50ppm以下にする必要がある。Naの含有量が50ppmを越えるとヒータの寿命が悪くなる。Naの含有量としては、特に30ppm以下にすることが望ましい。また、セラミック絶縁層5との同時焼結性の点で、そのセラミック絶縁層5の焼成温度よりも融点の高い金属または合金を選択することが望ましい。
【0032】
また、ヒータ7中には上記の金属の他に焼結防止と絶縁層との接着力を高める観点からアルミナ、スピネル、アルミナ/シリカの化合物、フォルステライト、上述の電解質となり得るジルコニアの群から選ばれる少なくとも1種のセラミックスを体積比率で10〜80%、特に30〜50%の範囲で混合することができるが、この際、混合するセラミックスに対しても、Naの含有量は50ppm以下とし、ヒータ全体としてNa量が上記範囲を満足することが必要である。
【0033】
セラミック絶縁層5の内部に白金ヒータ7を埋設してなる発熱部は、図2の断面図に示すように、そのセラミック絶縁層5の外面に、ジルコニア層10を形成することができる。このジルコニア層10は、固体電解質とセラミック絶縁層5間の熱膨張差や焼成収縮差等に起因する応力を緩和させ、熱応力をできる限り小さくするとともに、保温層としても機能しヒータ7による加熱効率を高めることができる。
【0034】
この際、円筒管2とヒータ7の間とジルコニア層10とヒータ7の間のセラミック絶縁層5の厚みは、それぞれ少なくとも2μm以上であることが望ましい。
(電極)
円筒管2の内面および外面に被着形成される基準電極3、測定電極4は、いずれも白金、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、または2種以上の合金が用いられる。また、センサ動作時の電極中の金属の粒成長を防止する目的と、応答性に係わる金属粒子と固体電解質と気体との、いわゆる3相界面の接点を増大する目的で、上述のセラミック固体電解質成分を1〜50体積%、特に10〜30体積%の割合で上記電極中に混合してもよい。
【0035】
また、本発明においては、この第1の開口部6に露出している測定電極4の形状としては、図1(a)に示すような縦長の長方形状、楕円形状から構成されていることが望ましい。
【0036】
一方、固体電解質からなる円筒管2の内面に形成される基準電極3は、測定電極4の前記開口部6より露出する部分に対向する内面部分に形成されていればよく、測定電極4の露出部面積よりも大きい面積、例えば、円筒管2の内面全面に成されていてもよい。
【0037】
(開口部)
開口部6の形状としては、上述のように長方形状あるいは楕円形状であることが好ましい。セラミック絶縁層5の開口部6が形状が長方形状の場合は、その角部は緩やかな曲線とするかc面をとった構造とすることが、開口部6の角部への熱応力の集中を緩和する観点から好ましい。
【0038】
(多孔質層)
本発明の酸素センサにおいては、図2の要部拡大断面図に示すように、セラミック絶縁層5の開口部6内にて露出している測定電極4の表面に、セラミック多孔質層11を形成することができる。このセラミック多孔質層11は、以下の2つの目的で形成される。
【0039】
第1に、排気ガスによって測定電極4が被毒して出力電圧が低下するのを防止することを目的として設けるものであり、露出した測定電極4の表面にジルコニア、アルミナ、マグネシアあるいはスピネル等のポーラスな保護層として形成される。このような保護層を設けた酸素センサは、一般的には理論空燃比センサ(λセンサ)素子として用いることができる。この場合に、セラミック多孔質11としては開気孔率が10〜40%の多孔質体からなることが望ましい。
【0040】
第2に、露出した測定電極4の表面に微細な細孔を有するジルコニア、アルミナ、スピネル、マグネシアまたはγ−アルミナの群から選ばれる少なくとも1種のガス拡散律速層として機能させる。このようなガス拡散律速層となるセラミック絶縁層11としては、開気孔率が5〜30%の多孔質体が望ましい。
【0041】
また、このガス拡散律速層となるセラミック多孔質層11の表面には、さらに排気ガスの被毒を防止する観点から、前述したアルミナあるいはスピネルからなる前記セラミック保護層を設けることが望ましい。この様なヒーター体化酸素センサは、後で述べる広域空燃比センサ素子(A/Fセンサ)として応用することが可能である。
(製造方法)
次に、本発明の酸素センサの製造方法について、図1の酸素センサの製造方法を例にして説明する。
(1)まず図3(a)に示すような一端が封止された中空の円筒管2を作製する。この円筒管2は、ジルコニア等の酸素イオン伝導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押出成形や、静水圧成形(ラバープレス)あるいはプレス形成などの周知の方法により作製される。
【0042】
この時、用いられる固体電解質粉末としては、ジルコニア粉末に対して、安定化剤としてY2O3およびYb2O3、Sc2O3、Sm2O3、Nd2O3、Dy2O3等の希土類酸化物粉末を酸化物換算で1〜30モル%、好ましくは3〜15モル%の割合で添加した混合粉末、あるいはジルコニアと上記安定化剤との共沈原料粉末が用いられる。また、ZrO2中のZrを1〜20原子%をCeで置換したZrO2粉末、または共沈原料を用いることもできる。さらに、焼結性を改善する目的で、上記固体電解質粉末に、Al2O3やSiO2を5重量%以下、特に3重量%以下の割合で添加することも可能である。
【0043】
(2)そして、上記固体電解質からなる円筒管2の内面および外面に、基準電極および測定電極となるパターン3、4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、ロール転写で形成する。この時、円筒管2内面への基準電極の印刷は、導体ペーストを充填して排出して、内面全面に塗布形成することが効率がよい。このようにしてセンサ素体Aを作製する。
【0044】
(3)次に、図3(b)に示すようなヒータ素体Bを形成する。ヒータ素体Bは、まず、ジルコニア粉末を用いて、適宜成形用有機バインダーを添加してスラリーを調製し、このスラリーを用いてドクターブレード法、押し出し成形法、プレス法などにより所定厚さのセラミック絶縁層を形成するためのグリーンシート2を作製する。グリーンシート1枚の厚みは、シートの取り扱いの観点から50〜500μm、特に100〜300μmの範囲が特に好ましい。
【0045】
その後、成形したグリーンシート2表面に、Na量を低減したアルミナ、スピネルあるいはアルミナとスピネルの複合酸化物粉末をスクリーン印刷法、パット印刷法、ロール転写法等により印刷してセラミック絶縁層5aを形成する。この後、同様に本発明におけるNa量を低減した白金粉末を含む導電性ペーストをスクリーン印刷法、パット印刷法、ロール転写法等により印刷してリード部を含めた白金ヒータパターン7を塗布した後、その上にさらにもう一度上記のセラミック絶縁層形成粉末を塗布してセラミック絶縁層5b、白金ヒータパターン7を埋設したシート状の積層体を得る。その後、開口部6はパンチングなどによって形成することにより作製される。
【0046】
(4)次に、図3(c)に示すように、上記円筒状のセンサ素体Aの表面に、ヒータ素体Bを巻き付けて円筒状積層体を作製する。この際、ヒータ素体Bをセンサ素体Aに巻き付けるには、ヒータ素体Bとセンサ素体Aとの間にアクリル樹脂や有機溶媒などの接着剤を介在させて接着させたり、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ができる。この時、巻き付けされたヒータ素体Bの合わせ目は、焼成時の収縮を考慮し、シート端部同志を重ねるか、あるいは所定の間隔をおいて接着してもよい。
【0047】
(5)そして、上記の円筒状積層体を、それぞれの構成要素が同時に焼成可能な温度で焼成することにより、センサ素体Aとヒータ素体Bとを一体化することができる。焼成は、例えば、アルゴンガス等の不活性雰囲気中あるいは大気中1300〜1700℃で1〜10時間程度焼成することによりヒータ素体Bとセンサ素体Aとを同時焼成することができる。
(他の製造方法)
なお、他の製造方法としては、電極を有しない円筒管2の表面に上記(3)によって形成したヒータ素体Bを巻き付けて円筒状積層体を作製した後、円筒状積層体に対して、電極ペーストをスクリーン印刷、パット印刷、ロール転写法あるいは浸漬法によって円筒管2の内面およびヒータ素体Bにおける開口部6内の円筒管表面に塗布した後、上記(5)のようにして同時焼成することもできる。
【0048】
また、他の方法としては、電極を有しない円筒管2の表面に上記(3)によって形成したヒータ素体Bを巻き付けて円筒状積層体を作製した後、これを円筒管2の内面およびヒータ素体Bにおける開口部6の中に電極ペーストを印刷して焼き付け処理するか、またはスパッタ法やメッキ法にて形成することもできる。
(多孔質層の形成法)
なお、前述の理論空燃比センサや後で述べる広域空燃比酸素センサを作製する場合には、円筒状積層体を焼成後、測定電極の表面に、アルミナ、スピネル、ジルコニア等の粉末をゾルゲル法、スラリーディップ法、印刷法などによって印刷塗布し、焼き付け処理したり、上記セラミックスをスパッタ法あるいはプラズマ溶射法により被覆してセラミック多孔質層やガス拡散律速層を形成する。また、他の方法としては、円筒状積層体を作製する際に予め測定電極表面にセラミック多孔質層やガス拡散律速層を形成し円筒状積層体と同時に焼成し形成することも可能である。
(他のセンサ構造)
本発明は、空燃比センサ素子にも応用することができる。本発明の他の応用例として図4(a)に空燃比センサ素子の概略斜視図、および図4(b)に(a)のX1−X1断面図をそれぞれ示した。
【0049】
図4の空燃比センサ素子20によれば、酸素イオン導電性を有するセラミック固体電解質からなり一端が封止された、言い換えれば縦断面がU字状の円筒管2には、センサ素子を構成するための第1の電極対が形成されている。具体的には、円筒管2の内面に、空気などの基準ガスと接触される基準電極3が形成され、また円筒管2の基準電極3と対向する外面には排気ガスなどの被測定ガスと接触する測定電極4が形成されている。
【0050】
また、円筒管2の外側表面には、測定電極4の一部または全部が露出するような空間部6が形成されており、且つその空間部6の周囲に本発明の白金ヒータ7が埋設されたセラミック絶縁層5が設けられている。
【0051】
そして、この空間部6の上面には、この空間部6を閉塞するように、酸素イオン導電性を有する固体電解質層21が形成されており、この固体電解質層21の空間部6側の内面と、それに対向する固体電解質層21外面には内側電極22と外側電極23からなる第2の電極対が形成されている。かかる固体電解質層21と第2の電極対22、23によって、空間部6の酸素濃度を所定の濃度に制御するためのポンプセルとして機能を果たしている。また、外側電極23の表面には、ジルコニア、アルミナ、マグネシアおよびスピネルの群から選ばれる少なくとも1種からなる開気孔率10〜40%の厚さ10〜200μmの保護層となるセラミック多孔質層26が形成されている。さらに、空間部6内には、多孔質セラミックスや、粒子の大きいセラミックス粉末の充填物を充填することもできる。
【0052】
また、第2の電極対22、23を具備する固体電解質層21には、被測定ガスとなる排気ガスを取りこむための小さな拡散孔25が形成されており、その拡散孔25の空間部6内の周囲には、拡散律速体27が形成されている。
【0053】
また、セラミック絶縁層5中に配設された白金ヒータ7は、図1の酸素センサと同様に、リード電極8を経由して端子電極9と接続されており、これらを通じてヒータ7に電流を流すことによりヒータ7が加熱され、基準電極3および測定電極4を具備する固体電解質からなる円筒管2および上述の第2の電極対22、23を具備する固体電解質層21からなる検知部を加熱する仕組みとなっている。
【0054】
以上、本発明のセラミックヒータを用いた一例として酸素センサを具体的に説明したが、本発明は、セラミック絶縁層中に白金ヒータを埋設してなるあらゆる形状のセラミックヒータに適用できるものであり、またその応用例としての酸素センサも上記の構造に限定されたものではなく、素子構造が袋管状、あるいは平板型の酸素センサなど、少なくとも固体電解質の内外に対向する一対の多孔性の白金電極を有する検知部と、さらにセラミック絶縁層中に埋設された白金ヒータとを具備する酸素センサの全てと他のガスセンサで白金ヒータが内蔵された素子に関してもに適応できることは言うまでもない。
【0055】
【実施例】
(実施例1)
図に示す酸素センサを例に、本発明の実施例を説明する。
市販の純度99.8%でNaを約10〜200ppm、SiO2を0〜7重量%含有するアルミナ粉末およびスピネル粉末(MgAlO4)と、5モル%Y2O3含有のジルコニア粉末と、Naを約8〜200ppm含有する白金粉末をそれぞれ準備した。まず、5モル%Y2O3含有のジルコニア粉末にポリビニルアルコール溶液を添加して坏土を作製し、押出成形により焼結後外径が約3〜5mm、内径が1mmになるように一端が封じた円筒状成形体を作製し、その表面に、白金ペーストからなる表1に示すような形状の長方形状の測定電極パターンおよびリードパターンを印刷塗布するとともに、成形体の内部全面にも白金ペーストを塗布して基準電極を形成した。なお、測定電極および基準電極の厚みは焼成後に約5μmとなるように調整した。
【0056】
また、5モル%Y2O3含有のジルコニア粉末にポリビニルアルコール溶液を加えてスラリーを作製し、厚みが約200μmのグリーンシートを作製した。このグリーンシートに前記測定電極の形状と一致する長方形状の種々の大きさを有する第一開口部と反対側に位置するように同じ大きさと同じ形状の第二開口部をパンチングによってそれぞれ開けた。その後、開口部以外の部分に上記アルミナ粉末またはスピネル粉末を約20μmの厚みに塗布した後、白金粉末を含む導体ペーストを開口部の周囲に発熱体パターンを厚みが約20μmになるようにスクリーン印刷し、さらにその上にアルミナ粉末またはスピネル粉末を約20μmとなるように塗布し発熱体を埋設した図3に示す構造のヒータ素体を作製した。
【0057】
次に、上記の円筒状のセンサ素体の表面に、接着剤としてアクリル系樹脂を用いて上記ヒータ素体を巻き付け円筒状積層体を作製した。その後、この円筒状積層体を大気中にて、絶縁層にSiO2を含まない試料については、1500℃で2時間、SiO2を含有した試料については1350℃で2時間焼成した。
【0058】
その後、開口部内の測定電極の表面に、プラズマ溶射によりスピネルからなる気孔率が約30%のセラミック多孔質層を100μmの厚みで形成して図1に示すような理論空燃比センサを作製した。
【0059】
作製した酸素センサのセラミック絶縁層および白金ヒータ中のNa含有量はNaの検量線を用いたEPMA分析によった。また、評価試験は、素子を大気中900℃に加熱し、ヒータが断線するまでの時間を測定した。結果を表1に示す。
なお、表1では、比較のために市販のヒータ一体型平板型酸素センサについて同様の評価を行なった。
【0060】
【表1】
【0061】
表1より、セラミック絶縁層がアルミナおよびSiO2含有のアルミナの場合、セラミック絶縁層または白金ヒータ中の含有量が50ppmを越える試料No.7、8、9、14および15ではヒータ断線に至る時間が3000時間よりも短かった。また、セラミック絶縁層がスピネルの場合も、同様にセラミック絶縁層または白金ヒータ中のNaが50ppmを越える試料No.18,19および20でもヒータ断線までの時間が短かった。また、いずれの試料ともマイナス極側のヒータが破損し,EPMA分析によると、破損からNaの編析が見られた。
【0062】
それに対して、セラミック絶縁層中のSiの含有量が酸化物換算で5重量%以下で、かつセラミック絶縁層および白金ヒータ中のNaの含有量が50ppm以下の試料は全てヒータ断線に至る時間が4050時間以上と耐久性に優れたものであった。特に、セラミック絶縁層または白金ヒータ中のNaの含有量が30ppm以下、セラミック絶縁層中のSiO2の含有量が5重量%以下の試料はヒータの耐久時間が5000時間以上と極めて優れた性能を示した。
【0063】
【発明の効果】
以上詳述した通り、本発明によれば、セラミック絶縁層中に白金ヒータを内蔵するセラミックヒータにおいて、セラミック絶縁層中および白金ヒータ中のNa量を所定の範囲に制御することにより、白金ヒータの耐久性を飛躍的に向上させることができる結果、急速昇温などの熱衝撃性に優れた長寿命のセラミックヒータ、およびこれを酸素濃度などの検知部と一体的に形成してなり、急速昇温などの熱衝撃性に優れると同時に、ヒータ寿命の長い酸素センサを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の酸素センサの一例の概略斜視図(a)およびX1−X1断面図(b)である。
【図2】本発明の酸素センサの他の構造における要部断面図である。
【図3】(a)〜(c)は図1の酸素センサを製造するための工程図である。
【図4】本発明の酸素センサの他の例を説明するための概略斜視図(a)およびX−X断面図(b)である。
【図5】従来の酸素センサの構造を説明するための概略断面図である。
【符号の説明】
1 酸素センサ
2 円筒管
3 基準電極
4 測定電極
5 セラミック絶縁層
6 開口部
7 白金ヒータ
8 リード電極
9 端子電極[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a ceramic heater and an oxygen sensor for controlling a ratio of air and fuel in an internal combustion engine such as an automobile and having a long life of a heating unit in which a heating unit and a detection unit are integrated.
[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]
The detection element is a solid electrolyte type oxygen mainly composed of a solid electrolyte mainly composed of zirconia having oxygen ion conductivity, and 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 FIG.2
[0004]
In such an oxygen sensor, as a so-called theoretical air-fuel ratio sensor (λ sensor), which is generally used for controlling the ratio of air to fuel near 1, a ceramic porous layer serving as a protective layer is formed on the surface of the
[0005]
On the other hand, a so-called wide-area air-fuel ratio sensor (A / F sensor) used for controlling a wide range of air-fuel ratio is a ceramic porous material that becomes a gas diffusion-controlling layer having fine pores on the surface of the
[0006]
In both the theoretical air-fuel ratio sensor and the wide-range air-fuel ratio sensor, it is necessary to heat the detection unit to an operating temperature of about 700 ° C. Therefore, a rod heater is provided inside the cylindrical tube to heat the detection unit to the operating temperature. 35 is inserted.
[0007]
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 in which the
[0008]
As a method for avoiding the problem, a reference electrode and a measurement electrode are provided on the inner and outer surfaces of a cylindrical tube made of a solid electrolyte, and a gas-permeable porous insulating layer is provided on the surface of the measurement electrode, and further, Japanese Patent Application Laid-Open No. 10-206380 also discloses a cylindrical oxygen sensor in which a platinum heater is provided in a gas non-permeable layer having low gas permeability.
[0009]
On the other hand, the applicant of the present invention has previously described that the cylindrical portion is formed such that the reference electrode and the measurement electrode are formed on the inner surface and the outer surface of the cylindrical tube made of a ceramic solid electrolyte and sealed at one end, and the measurement electrode is exposed. A ceramic insulating layer having an opening in the measurement electrode forming portion is laminated on the outer surface of the tube so that the measurement electrode is exposed from the opening, and at least in the exposed ceramic insulating layer around the measurement electrode An oxygen sensor was proposed in which a heating unit with an embedded platinum heater was formed integrally.
[0010]
[Problems to be solved by the invention]
Unlike the conventional indirect heating method, this oxygen sensor has an advantage that rapid heating is possible because of the direct heating method. However, the lifetime of the oxygen sensor is not only the deterioration of the detection unit, but also the deterioration of the heating unit is a major factor in shortening the lifetime in the oxygen sensor in which the heating unit is integrated as described above.
[0011]
As a cause of the deterioration of the heating portion, there is a problem that the resistance of the Pt heater gradually increases due to repeated heating, and finally the heating by the Pt heater cannot be performed, and finally the Pt heater is disconnected.
[0012]
As a method for solving this problem, Japanese Patent Application Laid-Open No. 2000-221158 proposes that the life extension of the Pt heater is improved by controlling the Na content in the ceramic insulator in which the platinum heater is embedded to 50 ppm or less. Has been. However, in the demand for longer life of the oxygen sensor, it is not sufficient to extend the life of the Pt heater simply by reducing the Na content in the ceramic insulator in this way. It has been demanded.
[0013]
Therefore, the present invention is formed integrally with a long-life ceramic heater excellent in thermal shock resistance such as rapid temperature rise, and a detection unit such as oxygen concentration, so that thermal shock resistance such as rapid temperature rise is achieved. An object of the present invention is to provide an oxygen sensor which is excellent and has a long heater life.
[0014]
[Means for Solving the Problems]
As a result of studying the above problems, the present inventor can extend the life of a Pt heater by using a ceramic composition with a reduced amount of Na as a ceramic composition for forming a ceramic insulating layer. The Pt raw material to be inevitably contains Na, and it has been found that reducing the amount of Na dramatically improves the service life.
[0015]
That is, the ceramic heater of the present invention is a ceramic heater in which a platinum heater is embedded in a ceramic insulating layer,The content of Si in the ceramic insulating layer is 5% by weight or less in terms of oxide,The ceramic insulating layer andSaidEach of the Na contents in the platinum heater is 50 ppm or less.
[0016]
Further, as an oxygen sensor, a pair of oxygen sensors are provided at positions facing at least the inner and outer surfaces of the zirconia solid electrolyte substrate.WhiteAn oxygen sensor comprising a detection unit having a gold electrode, and a heating unit in which a platinum heater is embedded in a ceramic insulating layer integrated with the solid electrolyte substrate,The content of Si in the ceramic insulating layer is 5% by weight or less in terms of oxide,The content of Na in the ceramic insulating layer and the platinum heater is 50 ppm or less, respectively.
[0017]
According to the present invention, Na in the ceramic insulating layer and the platinum heater is easily diffused in the ceramic insulating layer by the electric field generated around by the energization of the heater, moved to the high temperature portion on the negative electrode side, concentrated, Not only does it lower the electrical resistance of the ceramic insulation layer, but it also increases the electrical resistance of the platinum heater, resulting in a significant reduction in the lifetime of the oxygen sensor itself. Therefore, according to the present invention, not only the ceramic insulating layer but also the amount of Na in the Pt heater is controlled to 50 ppm or less, so that the electrical resistance of the ceramic insulating layer and the platinum heater can be stabilized even during long-term use. As a result, the life of the ceramic heater and the oxygen sensor can be extended.Further, Si component may be added for the purpose of improving the sinterability of the ceramic insulating layer, but the Si content in the ceramic insulating layer is 5% by weight or less in terms of oxide. This is because if the Si content in the ceramic insulating layer exceeds 5% by weight, the diffusion of Na in the ceramic insulating layer to the negative electrode is promoted and the life of the heater is likely to be shortened when the heater is energized.
[0018]
In the above structure, by forming the ceramic insulating layer with an oxide containing alumina and / or magnesia, not only high electrical insulation can be maintained, but also heat resistance can be improved.In the configuration of the oxygen sensor, the pair of platinum electrodes is preferably porous.
[0020]
Furthermore, according to the present invention,As the pair of platinum electrodes,Cylindrical tubeofA reference electrode is formed on the inner surface, and a measurement electrode is formed on the outer surface of the cylindrical tube.ofOn the surfaceSaidEmbedded platinum heaterSaidCeramic insulation layerButCoatingHas beenIn addition, by providing an opening in the ceramic insulating layer and exposing a part or all of the measurement electrode from the opening, the heating efficiency of the detection unit by the heating unit can be increased, and the sensor activity of the oxygen sensor Conversion time can be shortened.
[0021]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, an example of the oxygen sensor of the present invention is shown in FIG.1-X1A description will be given based on the cross-sectional view (b).
[0022]
The oxygen sensor 1 of FIG. 1 is generally called a theoretical air-twist ratio sensor (λ sensor), and is made of a ceramic solid electrolyte having oxygen ion conductivity, and one end is sealed, that is, the longitudinal section is U-shaped. A
[0023]
Further, according to the present invention, the ceramic insulating
[0024]
In the present invention, it is important that Na in the ceramic insulating
[0025]
Next, the
[0026]
In the above oxygen sensor, a second opening may be provided at a contrasting position on the opposite side of the
[0027]
At this time, as the size of the entire element, the outer diameter of the entire oxygen sensor is 3 to 6 mm, particularly 3 to 4 mm, so that power consumption can be reduced and the sensing performance can be improved.
(Solid electrolyte material)
In the present invention, the ceramic solid electrolyte used to form the
[0028]
ZrO2ZrO in which 1 to 20 atomic% of Zr was substituted with Ce2By using, there is an effect that the electron conductivity is increased and the responsiveness is further improved.
[0029]
Furthermore, for the purpose of improving the sinterability, the above ZrO2In contrast, Al2OThreeAnd SiO2However, if a large amount is added, the creep characteristics at high temperatures deteriorate, so Al2OThreeAnd SiO2The total amount of added is preferably 5% by weight or less, particularly 3% by weight or less.
[0030]
Further, the content of Na in the solid electrolyte is preferably 200 ppm or less, particularly 100 ppm, from the viewpoint of preventing diffusion penetration from the solid electrolyte to the ceramic insulating layer.
(Ceramic insulation layer)
On the other hand, as the ceramic insulating
[0031]
The ceramic insulating
(Platinum heater)
In addition, platinum is used as the
[0032]
In addition to the above metals, the
[0033]
As shown in the cross-sectional view of FIG. 2, the heat generating portion in which the
[0034]
At this time, the thickness of the ceramic insulating
(electrode)
The
[0035]
In the present invention, the shape of the
[0036]
On the other hand, the
[0037]
(Aperture)
The shape of the
[0038]
(Porous layer)
In the oxygen sensor of the present invention, a ceramic porous layer 11 is formed on the surface of the
[0039]
First, it is provided for the purpose of preventing the
[0040]
Second, it functions as at least one gas diffusion rate-determining layer selected from the group consisting of zirconia, alumina, spinel, magnesia or γ-alumina having fine pores on the exposed surface of the
[0041]
In addition, it is desirable to provide the ceramic protective layer made of alumina or spinel as described above from the viewpoint of preventing exhaust gas poisoning on the surface of the ceramic porous layer 11 serving as the gas diffusion controlling layer. Such a heater built-in oxygen sensor can be applied as a wide-range air-fuel ratio sensor element (A / F sensor) described later.
(Production method)
Next, a method for manufacturing the oxygen sensor of the present invention will be described using the method for manufacturing the oxygen sensor in FIG. 1 as an example.
(1) First, a hollow
[0042]
At this time, the solid electrolyte powder used is Y as a stabilizer against zirconia powder.2OThreeAnd Yb2OThree, Sc2OThree, Sm2OThree, Nd2OThree, Dy2OThreeA mixed powder obtained by adding a rare earth oxide powder such as 1 to 30 mol%, preferably 3 to 15 mol% in terms of oxide, or a coprecipitation raw material powder of zirconia and the stabilizer is used. ZrO2ZrO in which 1 to 20 atomic% of Zr was substituted with Ce2A powder or a coprecipitation raw material can also be used. Furthermore, for the purpose of improving the sinterability, the solid electrolyte powder is mixed with Al.2OThreeAnd SiO2Can be added at a ratio of 5% by weight or less, particularly 3% by weight or less.
[0043]
(2) And, on the inner surface and the outer surface of the
[0044]
(3) Next, a heater element B as shown in FIG. 3B is formed. The heater element B is prepared by first using zirconia powder to appropriately add a molding organic binder to prepare a slurry, and using this slurry, a ceramic having a predetermined thickness by a doctor blade method, an extrusion molding method, a pressing method, or the like. A
[0045]
Thereafter, alumina, spinel or composite oxide powder of alumina and spinel with reduced Na content is printed on the surface of the formed
[0046]
(4) Next, as shown in FIG. 3 (c), the heater element B is wound around the surface of the cylindrical sensor element A to produce a cylindrical laminate. At this time, in order to wrap the heater element B around the sensor element A, an adhesive such as an acrylic resin or an organic solvent is interposed between the heater element B and the sensor element A, or a roller or the like. Can be bonded mechanically while applying pressure. At this time, the seam of the wound heater element B may be overlapped with each other at a predetermined interval in consideration of shrinkage during firing.
[0047]
(5) The sensor element body A and the heater element body B can be integrated by firing the cylindrical laminate at a temperature at which the respective constituent elements can be fired simultaneously. For example, the heater element B and the sensor element A can be simultaneously fired by firing at 1300 to 1700 ° C. for about 1 to 10 hours in an inert atmosphere such as argon gas.
(Other manufacturing methods)
In addition, as another manufacturing method, after winding the heater element body B formed by the above (3) around the surface of the
[0048]
As another method, after the heater element body B formed by the above (3) is wound around the surface of the
(Method for forming porous layer)
In the case of producing the above-described theoretical air-fuel ratio sensor or a wide-range air-fuel ratio oxygen sensor described later, after firing the cylindrical laminate, a powder of alumina, spinel, zirconia or the like is applied to the surface of the measurement electrode by the sol-gel method, A ceramic porous layer or a gas diffusion-controlling layer is formed by applying and baking by a slurry dip method, a printing method, or the like, or coating the ceramic by a sputtering method or a plasma spraying method. As another method, it is also possible to form a ceramic porous layer or a gas diffusion-controlling layer on the surface of the measurement electrode in advance when firing the cylindrical laminated body, and fire it simultaneously with the cylindrical laminated body.
(Other sensor structures)
The present invention can also be applied to an air-fuel ratio sensor element. As another application example of the present invention, FIG. 4A shows a schematic perspective view of an air-fuel ratio sensor element, and FIG. 4B shows an X1-X1 cross-sectional view of FIG.
[0049]
According to the air-fuel
[0050]
A
[0051]
A
[0052]
The
[0053]
The
[0054]
As described above, the oxygen sensor is specifically described as an example using the ceramic heater of the present invention, but the present invention can be applied to ceramic heaters of any shape in which a platinum heater is embedded in a ceramic insulating layer, Further, the oxygen sensor as an application example is not limited to the above structure, and at least a pair of porous platinum electrodes opposed to the inside and outside of the solid electrolyte, such as a bag-shaped or flat-plate type oxygen sensor. Needless to say, the present invention can be applied to all of the oxygen sensors including the detection unit having the platinum heater embedded in the ceramic insulating layer and the element having the platinum heater built in the other gas sensor.
[0055]
【Example】
Example 1
The embodiment of the present invention will be described by taking the oxygen sensor shown in the figure as an example.
Commercially pure 99.8% Na with about 10-200 ppm, SiO2Of 0 to 7% by weight of alumina powder and spinel powder (MgAlOFour) And 5 mol% Y2OThreeA contained zirconia powder and a platinum powder containing about 8 to 200 ppm of Na were prepared. First, 5 mol% Y2OThreeA polyvinyl alcohol solution is added to the contained zirconia powder to prepare a clay, and after extrusion, a cylindrical molded body having one end sealed so that the outer diameter is about 3 to 5 mm and the inner diameter is 1 mm is prepared. A rectangular measurement electrode pattern and a lead pattern made of platinum paste as shown in Table 1 were printed and applied to the surface, and the reference electrode was formed by applying platinum paste to the entire interior surface of the molded body. . The thicknesses of the measurement electrode and the reference electrode were adjusted to be about 5 μm after firing.
[0056]
5 mol% Y2OThreeA polyvinyl alcohol solution was added to the contained zirconia powder to prepare a slurry, and a green sheet having a thickness of about 200 μm was prepared. On the green sheet, second openings having the same size and the same shape were respectively opened by punching so as to be located on the opposite side of the first openings having various rectangular shapes corresponding to the shape of the measurement electrode. After that, the alumina powder or spinel powder is applied to a portion other than the opening to a thickness of about 20 μm, and then a conductive paste containing platinum powder is screen printed so that the heating element pattern has a thickness of about 20 μm around the opening. Further, a heater element having a structure as shown in FIG. 3 was prepared by applying alumina powder or spinel powder to a thickness of about 20 μm thereon and embedding a heating element.
[0057]
Next, the heater element body was wound around the surface of the cylindrical sensor element body using an acrylic resin as an adhesive to produce a cylindrical laminate. Thereafter, this cylindrical laminate is formed in the atmosphere with an insulating layer made of SiO.2For samples not containing
[0058]
Thereafter, a ceramic porous layer made of spinel having a porosity of about 30% was formed with a thickness of 100 μm on the surface of the measurement electrode in the opening to produce a theoretical air-fuel ratio sensor as shown in FIG.
[0059]
The Na content in the ceramic insulating layer and platinum heater of the produced oxygen sensor was determined by EPMA analysis using a Na calibration curve. In the evaluation test, the element was heated to 900 ° C. in the atmosphere, and the time until the heater was disconnected was measured. The results are shown in Table 1.
In Table 1, the same evaluation was performed for a commercially available heater-integrated flat plate oxygen sensor for comparison.
[0060]
[Table 1]
[0061]
From Table 1, the ceramic insulating layer is alumina and SiO.2In the case of the alumina containing, the sample No. in which the content in the ceramic insulating layer or the platinum heater exceeds 50 ppm. In 7, 8, 9, 14, and 15, the time to reach the heater break was shorter than 3000 hours. Similarly, in the case where the ceramic insulating layer is spinel, the sample No. in which the Na in the ceramic insulating layer or the platinum heater exceeds 50 ppm is similarly applied. In 18, 19, and 20, the time until the heater was disconnected was short. In all samples, the heater on the negative electrode side was damaged, and according to EPMA analysis, Na was knitted from the damage.
[0062]
On the other hand,The content of Si in the ceramic insulating layer is 5% by weight or less in terms of oxide, andCeramic insulation layerandAll samples with a Na content of 50 ppm or less in the platinum heater take time to break the heater.4050It was excellent in durability over time. In particular, the Na content in the ceramic insulating layer or platinum heater is 30 ppm or less, and the SiO in the ceramic insulating layer.2Samples with a content of 5% by weight or less showed extremely excellent performance with a heater durability time of 5000 hours or more.
[0063]
【The invention's effect】
As described above in detail, according to the present invention, in the ceramic heater in which the platinum heater is incorporated in the ceramic insulating layer, the amount of Na in the ceramic insulating layer and the platinum heater is controlled within a predetermined range. As a result of the dramatic improvement in durability, a long-life ceramic heater with excellent thermal shock resistance, such as rapid temperature rise, and an oxygen concentration detection unit are integrally formed. It is possible to provide an oxygen sensor that is excellent in thermal shock properties such as temperature and has a long heater life.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a schematic perspective view of an example of an oxygen sensor of the present invention (a) and X1-X1It is sectional drawing (b).
FIG. 2 is a cross-sectional view of a main part in another structure of the oxygen sensor of the present invention.
FIGS. 3A to 3C are process diagrams for manufacturing the oxygen sensor of FIG. 1;
FIG. 4 is a schematic perspective view (a) and an XX sectional view (b) for explaining another example of the oxygen sensor of the present invention.
FIG. 5 is a schematic cross-sectional view for explaining the structure of a conventional oxygen sensor.
[Explanation of symbols]
1 Oxygen sensor
2 Cylindrical tube
3 Reference electrode
4 Measuring electrodes
5 Ceramic insulation layer
6 opening
7 Platinum heater
8 Lead electrode
9 Terminal electrode
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