JP4698041B2 - Air-fuel ratio sensor element - Google Patents

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Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、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空燃比センサ素子に関するものであり、具体的には発熱体とセンサ部が一体化されてなり、製造歩留りの高い発熱体を一体化した空燃比センサ素子に係わる。
【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型基体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素子が用いられている。
【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る、いわゆる理論空燃比センサ素子(λセンサ)では、外側の測定電極の表面に保護層となる多孔質層が設けられており、所定温度で円筒型基体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素子(A/Fセンサ)は、測定電極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を設け、固体電解質からなる円筒型基体に一対の電極に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空燃比を直接制御するものである。
【0006】
上記理論空燃比センサ素子および広域空燃比センサ素子ともセンシング部を約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、円筒型基体からなる酸素センサ素子の内側には、センシング部を作動温度まで加熱するため棒状のセラミックヒータが挿入されている。
【0007】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、近年排気ガスの規制強化の傾向が強まり、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、セラミックヒータを円筒型基体内に挿入してなる間接加熱方式の円筒型酸素センサ素子では、センシング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】
それに対して、本発明者らは、先に円筒型基体の対向する内面と外面に、基準電極および測定電極を形成してセンシング部を設け、またセンシング部の測定電極の上面に狭い空間部を挟んで、両面に一対の電極を設けた固体電解質層を形成してなるポンピング部を設けるとともに、空間部の周囲に発熱体を埋設したセラミック絶縁層からなるヒータ部を配設することによって加熱効率を高め、活性化時間を短縮できる空燃比センサ素子を提案した。この空燃比センサ素子は、センシング部、ポンピング部およびヒータ部をすべて同時焼成して形成するものである。
【0009】
ところが、上述したようにセンシング部の測定電極と、ポンピング部の内側電極が10〜40μmの狭い空間部を介して対向しているため、これらの構造を同時焼成して製造する場合において、両者の周辺部が焼成時に接して短絡し不良品となる製造上の大きな問題があった。
【0010】
従って、本発明は、上記センシング部とポンピング部とが狭い空間を介して対向した構造を具備する空燃比センサ素子において、製造時に電極間が短絡することのない製造歩留りの高い空燃比センサ素子を提供することを目的とするものである。
【0011】
【課題を解決するための手段】
本発明者等は、上記の問題について検討した結果、円筒状の空燃比センサ素子に関して、センシング部の測定電極と空間を介して対向するポンピング部の内側電極を、測定電極より小さな特定の面積で形成することにより、上記の問題が解決され、目的の素子を歩留まりよく製造できることを見出し本発明に至った。
【0012】
即ち、本発明の空燃比センサ素子は、固体電解質円筒型基体と、該固体電解質円筒型基体の内面および外面の互いに対向する位置に基準電極と測定電極からなる第1の電極対を形成してなるセンシング部と、前記固体電解質円筒型基体の外面に設けられた前記測定電極との間に空間部を介するように、前記固体電解質円筒型基体の外面に設けられた固体電解質層と、前記固体電解質層の前記空間部の内面および外面の互いに対向する位置に内側電極と外側電極からなる第2の電極対を形成してなるポンピング部とを具備してなる空燃比センサ素子において、前記ポンピング部の前記内側電極の面積が10〜20mm2であるとともに、前記センシング部の前記測定電極の面積が、前記ポンピング部の前記内側電極の面積の0.3〜0.8倍であることを特徴とする。
【0013】
また、前記空間部の周囲に位置する、前記固体電解質円筒型基体と前記固体電解質層との間に、前記第1の電極対および前記第2の電極対を加熱するため発熱体を設したセラミック絶縁層を配設することによって空燃比センサ素子の加熱効率を高め、活性化時間を短縮することができる。
【0014】
また、外部から前記空間部被測定ガスを導入するガス拡散孔は、前記固体電解質層に形成することが望ましい。なお、前記第2の電極対を具備する前記固体電解質層は、前記第1の電極対を具備する前記円筒型基体の表面に巻き付け形成されたものであることを特徴とする。
【0015】
本発明の空燃比センサ素子は、後述するように、製造にあたって、固体電解質からなる円筒型基体を具備するセンサ素体の表面に、前記第2の電極対を具備する前記固体電解質層を巻き付けて、同時焼成して作製することができるために、従来の酸素センサ素子に比べて、組み立て工程が少なく、製造コストが極めて安価になり、経済性の観点からも優れている。
【0016】
しかしながら、上述の製造方法における欠点としては、測定電極と、空間を介して対向する位置に形成されたポンピング部の内側電極とは、両者とも同じ大きさで作製されていたため、両者の端の部分が焼成時に接触して短絡しやすいために歩留まりが悪かった。
【0017】
それに対して、本発明ではポンピング部における固体電解質層に形成する内側電極の大きさを10〜20mm2とし、測定電極の面積をその0.3〜0.8倍の大きさに形成することにより、同時焼成によって形成する場合においても、センシング部の測定電極とポンピング部の内側電極との短絡が効果的に防止され、空燃比センサ素子を歩留まりよく作製することができる。
【0018】
また、本発明の空燃比センサ素子によれば、センシング部とポンピング部、さらにはヒータ部が円筒体として一体化されたものであるために、熱応力が素子全体に渡り均等に分散されるため、熱応力の集中が防止され、平板型素子では得られない優れた熱衝撃性が得られる。また、本発明の空燃比センサ素子によれば、空間部の周囲に位置する、固体電解質円筒型基体と固体電解質層との間に設けられたセラミック絶縁層内に発熱体を埋設したヒータ部を形成することによって、固体電解質からなる円筒型基体の外面の空間部付近に形成した第1の電極対および第2の電極対を効率的に加熱することができる結果、急速昇温を行うことができ、センサの活性化時間、即ち、所定の温度までの到達時間を短縮することができる。
【0019】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の空燃比センサ素子の基本構造一例を図1の概略斜視図、図2に示す図1の空燃比センサ素子におけるX−X断面図をもとに説明する。
【0020】
図1乃至2の空燃比センサ素子1によれば、酸素イオン導電性を有するセラミックスからなる、固体電解質の円筒型基体2(以下、円筒管2という。)を具備しており、その内面および外面の互いに対向する位置には、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が形成されており、センシング部を形成している。
【0021】
そして、この測定電極4の上面には、空間部5を介して、酸素イオン導電性を有する固体電解質層8が形成されており、この固体電解質層8の空間部5側の内面と、それに対向する固体電解質層8外面にはポンピング電極として内側電極9と外側電極10からなる第2の電極対が形成されており、ポンピング部を形成している。
【0022】
また、ポンピング部を形成している第2の電極対9、10を具備する固体電解質層8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ガス拡散孔11が形成されている。
【0023】
本発明によれば、上記の測定電極4は、このポンピング部の内側電極9より小さな面積となるように形成される。測定電極4の面積は、内側電極9の面積の0.3〜0.8倍であることが重要である。これは、測定電極4の面積が内側電極9の0.8倍よりも大きいと、両電極間が短絡しやすくなり製造歩留りが大幅に低下する。また、0.3倍よりも小さいと、センシング機能が低下し、ガス応答性が悪くなる傾向を示す。測定電極4の大きさとしては、ポンピング部の内側電極9の0.5〜0.7倍が特に望ましい。
【0024】
なお、両電極の接触による短絡は、測定電極4、内側電極9のいずれか一方を小さくすることによって解消できるが、前記内側電極9を測定電極4よりも小さくすると、単位面積当たりのポンピング電流が大きくなり、その結果、ポンピングの外側電極10と内側電極9が劣化しやすくなるといった問題あるために、測定電極4側を小さくすることが必要となるのである。
【0025】
また、本発明によれば、ポンピング部における内側電極9の面積は、10〜20mm2であることが必要である。この内側電極9の面積が10mm2より小さいと、電極9、10間に流れる電流密度が高くなり、固体電解質層が還元されやすくなる。また、その面積が20mm2を越えると、これを形成するため素子自体の大きさが大きくなり素子の急速昇温が難しくなる。内側電極9の大きさとしては、12〜18mm2の範囲が特に望ましい。
【0026】
また、円筒管2と固体電解質層8との間には、空間部5の周囲に発熱体6が埋設されたセラミック絶縁層7が配設されている。セラミック絶縁層7中に配設された発熱体6は、リード電極12を経由して端子電極13と接続されており、これらを通じて発熱体6に電流を流すことにより発熱体6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センシング部および上述の第2の電極対9、10を具備する固体電解質層8からなるポンピング部を加熱する仕組みとなっている。
【0027】
この際、素子全体の大きさとしては、外径を3〜6mm、特に3〜4mmとすることにより、素子の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。
【0028】
本発明において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、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。
【0029】
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。
【0030】
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。
【0031】
一方、発熱体6を埋設するセラミック絶縁層7としては、アルミナ、スピネル、フォルステライト、ジルコニア等のセラミック材料が好適に用いられる。さらに、セラミック絶縁層7としてガラスを用いることができるが、この場合は耐熱性の観点から、BaO、PbO、SrO、CaO、CdOのうちの少なくとも1種を5重量%以上含有するガラス、特に結晶化ガラスであることが望ましい。
【0032】
また、このセラミック絶縁層7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7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、酸素センサ素子自体の機械的な強度を高めることができるためである。
【0033】
また、上記セラミック絶縁層7の内部に埋設される発熱体6としては、白金、ロジウム、パラジウム、ルテニウムの群から選ばれる1種の金属、または2種以上の合金からなることが望ましく、特に、セラミック絶縁層7との同時焼結性の点で、そのセラミック絶縁層7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。
【0034】
また、発熱体6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、フォルステライトあるいは上述の電解質となり得るジルコニア等を体積比率で10〜80%、特に30〜50%の範囲で混合することが望ましい。
【0035】
空間部5を閉塞する固体電解質層8は、空間部5を覆うように、セラミック絶縁層7表面に形成されている。この固体電解質層8は、円筒管2と同様に、酸素イオン伝導性を有する前記円筒管2を構成する固体電解質と同様な材質によって構成される。特に、この固体電解質層8は、円筒管2を構成する固体電解質と同一の材質からなることが望ましい。
【0036】
また、セラミック絶縁層7の外表面に形成された固体電解質層8は、発熱体6からの熱の放散を防止する。また、セラミック絶縁層7の上下面に同様の固体電解質が形成されることになる結果、固体電解質からなる円筒管2とセラミック絶縁層7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作用もなす。
【0037】
なお、発熱体6は、円筒管2や空間部5上部の固体電解質層8および第2の電極対9、10に対して直接接することなく、セラミック絶縁層7内に埋設されていることが必要であって、発熱体6と円筒管2および固体電解質層8との間のセラミック絶縁層7の厚みは少なくとも2μm以上、好ましくは5μm以上であることが望ましい。
【0038】
空間部5の形状としては、特に限定するものではないが、円筒管2の外面に形成する上で、円筒管2の長手方向の長さが長い長方形状あるいは楕円形状であることが好ましいが、空間部5が長方形状の場合は、その角部は緩やかな曲面によって形成することによって空間部5の角部への熱応力の集中を緩和することができる。また、空間部の高さとしては10〜50μm、特に20〜30μmが優れる。
【0039】
図1乃至図2の空燃比センサ素子において、空間部5の上部に形成した固体電解質層8に形成したガス拡散孔11は、直径が100〜500μmであることが望ましく、このガス拡散孔の小さなガス拡散孔11は、1個または2個以上であってもよい。
【0040】
なお、この図1乃至図2の空燃比センサ素子においては、ガス拡散孔11を固体電解質層8に形成したが、このガス拡散孔11は、空間部5内に被測定ガスを導入できるものであれば、その形成場所問わない。例えば、ガス拡散孔11を円筒管2の長手方向に形成し空燃比センサ素子1の先端部付近から被測定ガスを導入したり、空間部5から先端側にガス透過性を有する多孔質体を形成し、この多孔質体内の気孔をガス拡散孔として空間部5に被測定ガスを導入することができる。
【0041】
また、この空間部5内部には、ガス拡散孔11の近傍に多孔質の拡散律速体16を設け、ガス拡散孔11と拡散律速体16により空間部5内部に流入する排気ガスを制御することが望ましい。この拡散律速体16は、ガス拡散孔11と、内側電極9、測定電極4との間に介在しており、図2に示すように、ガス拡散孔11と整合する孔を有する円筒体からなる。この拡散律速体16の材質としては、上記の固体電解質材料と同じ材料が用いられる他、アルミナ、スピネル等が用いられる。なお、この拡散律速体16は、ガス拡散孔11を通過した排気ガスが、直接、測定電極4や内側電極9に触れないようにする保護する機能も併せ持っている。
【0042】
本発明の空燃比センサ素子1における第1電極対3、4、第2電極対9、10を形成する各電極は、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、特に白金が好適に用いられる。
【0043】
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ガスとの、いわゆる3相界面の接点を増大する目的で、上述の円筒管2または固体電解質層8を構成する固体電解質成分を1〜50体積%、特に10〜30体積%の割合で上記電極中に混合することが望ましい。
【0044】
なお、第1の電極対3、4のうち、円筒管2の内面に形成される基準電極3は、測定電極4の前記空間部5に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の内面全面に形成されていてもよい。
【0045】
さらに、上記の電極のうち、被測定ガスと接触する3つの電極4、9、10に対しては、適宜、電極が被毒することを防止するために、表面に、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が10〜40%の多孔質体からなる厚みが10〜200μm、特に50〜150μmの電極保護層を形成してもよい。
【0046】
さらには、空間部5内には、上記の電極4、9を保護する役目と、空間部5の強度を高めるために、拡散律速体16よりも気孔率の大きい多孔質体を充填することも可能である。
【0047】
次に、本発明の空燃比センサ素子の製造方法について、図1、2の空燃比センサ素子の製造方法を例にして、図3をもとに説明する。
(1)まず、図3に示すように、円筒管2を形成するために、一端が封止された中空の円筒管素体20を作製する。この円筒管素体20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。
(2)そして、図3のように上記固体電解質からなる円筒管素体20の内面に、基準電極3となる電極パターン21を例えば、白金を含有する導電性ペーストを円筒管素体20内部に充填して排出して内面全面に塗布形成する。このようにしてセンサ素体Aを作製する。
(3)次に、図3に示すように、円筒管20を形成する固体電解質のスラリーを用いてグリーンシート22を形成し、このグリーンシート22の測定電極を形成しない領域に、アルミナなどの絶縁性スラリーを塗布して絶縁層23aを形成した後、リードパターンを含む発熱体パターン25を印刷形成し、再度、絶縁性スラリーを塗布形成して絶縁層23bを形成して発熱体パターン25を絶縁層23a23b内に埋設させる。そして、その絶縁層23a、23bを形成していない開口26を含む絶縁層23b表面にグリーンシート22を形成した固体電解質スラリーを塗布して開口26内に固体電解質体27を充填する。そして、固体電解質体27の表面に測定電極パターン28と適宜、拡散律速となる多孔質の円柱体29をスラリー塗布などによって形成してヒータ素体Bを形成する。
【0048】
さらに、ガス導入孔32を形成した固体電解質グリーンシート33の両面にポンピング用の電極パターン30、31と印刷塗布してポンピング素体Cを形成する。
【0049】
そして、これらヒータ素体B、ポンピング素体Cをセンサ素体Aの表面に、上記のようにして作製した積層体のグリーンシート23側をセンサ素体Aの表面に巻き付け処理した後、同時焼成することによって形成することができる。
【0050】
焼成は、例えば、固体電解質としてジルコニア、セラミック絶縁層としてアルミナを用いた場合には、アルゴンガス等の不活性雰囲気中あるいは大気中で1300〜1700℃で1〜10時間程度焼成すればよい。
【0051】
なお、上記の製造方法では、固体電解質グリーンシート22の表面にスラリー塗布によって発熱体パターン25を埋設したセラミック絶縁層23a、23bを形成したが、固体電解質グリーンシート22を用いることなく、セラミック絶縁層23a、23bをグリーンシートの積層体によって形成することも可能である。
【0052】
また、上記の製造方法においては、開口26内に固体電解質体27を充填形成する際に、セラミック絶縁層23bの表面まで被覆したが、開口26のみでも問題はない。
【0053】
なお、ガス拡散孔11の形成は、上記の製造工程においていずれの段階でも形成すればよい。例えば、図3に示すように、巻き付け処理前の積層体Bの固体電解質層グリーンシート23に貫通孔29を形成するか、あるいは焼成後の固体電解質層にマイクロドリル等を用いて孔を開けてもよいが、作業性および歩留まりの観点からは焼成前に形成することが好ましい。
【0054】
また、必要に応じて、焼成前に電極の表面に多孔質のスラリーを塗布するか、または上記焼成後に溶射法によって多孔質体からなる保護層を形成することも可能である。
【0055】
【実施例】
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、外径が約4mm、内径が1mmになるように一端が封じた円筒管素体を作製し、この成形体の内部全面に白金ペーストを塗布して基準電極を形成してセンサ素体Aを作製した。
【0056】
また、5モル%Y23含有のジルコニア粉末にアクリル系バインダーとトルエン溶液を加えてスラリーを作製し、ドクターブレード法により厚みが約200μmのジルコニアグリーンシートを作製した。
【0057】
その後、このジルコニアグリーンシートの測定電極を形成しない領域表面に、アルミナ粉末を含むスラリーをスクリーン印刷で焼成後に約10μmの厚みになるように塗布後、白金ペーストを用いて焼成後の厚みが10μmの発熱体パターンを印刷形成し、再度、発熱体パターンが埋設されるように上記アルミナのスラリーを塗布し、ジルコニアグリーンシートの表面に発熱体を埋設したアルミナ絶縁層を形成した。
【0058】
そして、ジルコニアグリーンシートのアルミナ絶縁層を形成していない電極形成領域に、5モル%Y23含有のジルコニア粉末のスラリーを塗布、充填した後、その表面に、測定電極として前記電極ペーストを塗布形成し、また、拡散律速体を印刷によって形成し、ヒータ素体Bを作製した。
【0059】
なお、測定電極および基準電極の厚みは焼成後に約10μmとなるように調整した。測定電極の面積は焼成後、表1に示す大きさとした。
【0060】
次に、上記と同様にして作製した別のジルコニアグリーンシートの両面に、内側電極、外側電極のポンピング電極対およびリード線を形成した後、片方の電極表面に拡散律速層となる8モル%Y23含有のジルコニア粉末を厚み30μmとなるように形成し、ポンピング素体Cを作製した。この時、内側電極、外側電極の大きさは、焼成後、表1に示す大きさとなるように調整した。なお、内側電極と外側電極は実質的に同じ面積とした。
【0061】
そして、上記のセンサ素体Aの表面に、上記ヒータ素体Bおよびポンピング素体Cを順次を巻き付けて円筒状積層体を作製した。なお、巻き付けにあたって素体間の接合には接着材としてアクリル系バインダを用いた。その後、この円筒状積層体を1500℃、大気中で2時間焼成して、測定電極およびポンピング部の内側電極の大きさが異なるセンサ素子をそれぞれ50個づつ完成させた。
【0062】
作製した空燃比センサ素子の評価は、大気中800℃でポンピング部の電極間に0.5Vを印加して空間内の酸素を大気中に汲み出し、空間内の酸素分圧が所定の数値(起電力で400〜500mV)を示す素子を良品としてその割合(良品率)を調べた。
【0063】
【表1】

Figure 0004698041
【0064】
表1より、ポンピング部の内側電極面積と測定電極面積の比率が0.8より大きな従来の試料No.1および測定電極面積が内側電極面積よりも大きなNo.14は良品率が低いことがわかる。また、測定電極面積が0.3倍より小さな試料No.7ではセンシングが認められなかった。
【0065】
これに対して、本発明に従い、測定電極面積が内側電極面積より0.8倍より小さいと良品率が向上することがわかる。特に、実験より、内側電極面積が10mm2より小さな試料No.8では測定中に固体電解質層にクラックが入るものが多かった。また、内側電極面積が20mm2を越える試料No.3では、素子は作製できたものの800℃まで昇温できないものが多かった。
【0066】
従って、本発明のポンピング部の内側電極面積が10〜20mm2で、測定電極の面積比率が内側電極の0.3〜0.8倍とすることによって良品率が高いことがわかる。
【0067】
【発明の効果】
以上詳述した通り、本発明の空燃比センサ素子によれば、センシング部の測定電極の面積と、ポンピング部の内側電極との面積比率を制御することにより、急速昇温などの熱衝撃性に優れた空燃比センサ素子が歩留まりよく提供できる。したがって、製造コストが極めて安価になり、経済性の観点からも優れている。
【図面の簡単な説明】
【図1】 本発明の空燃比センサ素子の一例を説明するための概略斜視図である。
【図2】 図1の空燃比センサ素子におけるX−X縦断面図である。
【図3】 本発明の空燃比センサ素子の製造方法を説明するための図であって、センサ素体を作製する工程を示す図である。
【符号の説明】
1は空燃比センサ素子、2は円筒管、3は基準電極、4は測定電極、5は空間部6は発熱体、7はセラミック絶縁層、8は固体電解質層、9は内側電極、10は外側電極、11はガス拡散孔、12はリード電極、13は端子電極、14は多孔質体、16は拡散律速体をそれぞれ示す。[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to an air-fuel ratio sensor element for controlling the ratio of air and fuel in an internal combustion engine such as an automobile. Specifically, the heating element and the sensor unit are integrated to generate heat with a high manufacturing yield. The present invention relates to an air-fuel ratio sensor element integrated with a body.
[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]
This detection element is made of a solid electrolyte mainly composed of zirconia having oxygen ion conductivity, and a solid electrolyte type in which a pair of electrode layers are respectively formed on the outer surface and the inner surface of a cylindrical base body sealed at one end. An oxygen sensor element is used.
[0004]
In such an oxygen sensor, in general, in a so-called theoretical air-fuel ratio sensor element (λ sensor) used for controlling the ratio of air to fuel near 1, a porous layer serving as a protective layer is formed on the surface of the outer measurement electrode. An air-fuel ratio of the engine intake system is controlled by detecting a difference in oxygen concentration generated on both sides of the cylindrical base body at a predetermined temperature.
[0005]
On the other hand, a so-called wide-range air-fuel ratio sensor element (A / F sensor) used to control 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 a measurement electrode. A layer is provided, an applied voltage is applied to a cylindrical base body made of a solid electrolyte through a pair of electrodes, and a limit current value obtained at that time is measured to directly control the air-fuel ratio.
[0006]
In both the theoretical air-fuel ratio sensor element and the wide-range air-fuel ratio sensor element, it is necessary to heat the sensing part to an operating temperature of about 700 ° C. For this reason, the sensing part is provided inside the oxygen sensor element made of a cylindrical base. A rod-shaped ceramic heater is inserted to heat up to the operating temperature.
[0007]
[Problems to be solved by the invention]
However, in recent years, there has been a tendency to tighten exhaust gas regulations, and it has become necessary to detect CO, HC, and NOx immediately after the engine is started. In response to such a demand, as described above, in the indirect heating type cylindrical oxygen sensor element in which the ceramic heater is inserted into the cylindrical base body, the time required for the sensing unit to reach the activation temperature (hereinafter referred to as the temperature) The activation time) is slow, and there is a problem that exhaust gas regulations cannot be fully met.
[0008]
On the other hand, the present inventors previously provided a sensing part by forming a reference electrode and a measurement electrode on the inner and outer surfaces of the cylindrical substrate facing each other, and provided a narrow space on the upper surface of the measurement electrode of the sensing part. Heating efficiency is achieved by providing a pumping part formed by forming a solid electrolyte layer with a pair of electrodes on both sides, and a heater part made of a ceramic insulating layer with a heating element embedded around the space part We proposed an air-fuel ratio sensor element that can improve activation and shorten activation time. This air-fuel ratio sensor element is formed by simultaneously firing the sensing part, the pumping part and the heater part.
[0009]
However, as described above, the measurement electrode of the sensing unit and the inner electrode of the pumping unit are opposed to each other through a narrow space of 10 to 40 μm. There was a major manufacturing problem that the peripheral part was in contact with the short circuit during firing, resulting in a defective product.
[0010]
Accordingly, the present invention provides an air-fuel ratio sensor element having a structure in which the sensing part and the pumping part are opposed to each other through a narrow space. It is intended to provide.
[0011]
[Means for Solving the Problems]
As a result of studying the above problems, the present inventors have determined that the inner electrode of the pumping unit facing the measurement electrode of the sensing unit through the space with a specific area smaller than that of the measurement electrode in the cylindrical air-fuel ratio sensor element. As a result of the formation, the above-mentioned problems were solved, and it was found that the target device could be manufactured with a high yield, and the present invention was achieved.
[0012]
That is, the air-fuel ratio sensor element of the present invention, a solid electrolyte cylindrical substrate to form a first electrode pair consisting of a reference electrode and the measuring electrode so as to be opposite to each other of the inner and outer surfaces of said solid electrolyte cylindrical body a sensing unit comprising, as through a space between the measuring electrode provided on the outer surface of the solid electrolyte cylindrical body, and a solid electrolyte layer provided on the outer surface of the solid electrolyte cylindrical body, the in the air-fuel ratio sensor element formed by and a pumping part made by forming a second electrode pair consisting of an inner electrode and the outer electrode so as to be opposite to each other of the inner and outer surfaces of the space portion side of the solid electrolyte layer, wherein with the area of the inner electrode of the pumping unit is 10 to 20 mm 2, the area of the measuring electrode of the sensing portion is 0.3 to 0.8 times the area of said inner electrode of said pumping unit Characterized in that there.
[0013]
Also, located around the space, between the solid electrolyte layer and the solid electrolyte cylindrical body, set embedded a heating element for heating the first electrode pair and said second pair of electrodes By disposing the ceramic insulating layer, the heating efficiency of the air-fuel ratio sensor element can be improved and the activation time can be shortened.
[0014]
The gas diffusion holes for introducing the measurement gas from the outside into the space is preferably formed on the solid electrolyte layer. Incidentally, the solid electrolyte layer having a second pair of electrodes, wherein said at first that the electrode pairs are formed wound around the surface of the cylindrical substrate, comprising.
[0015]
The air-fuel ratio sensor element of the present invention, as described later, in the production, on the surface of the sensor body having a cylindrical substrates composed of solid electrolytes, winding the solid electrolyte layer having a pre-Symbol second electrode pair Te, in order to be able to prepare and co-firing, in comparison to the oxygen sensor element past, the assembly process is small and the manufacturing cost becomes very expensive, is superior in terms of economy.
[0016]
However, a disadvantage of the above manufacturing method is that the measurement electrode and the inner electrode of the pumping part formed at a position facing each other through the space are both made of the same size, so the end portions of both However, the yield was poor because of the short circuit due to contact during firing.
[0017]
On the other hand, in the present invention, the size of the inner electrode formed on the solid electrolyte layer in the pumping part is 10 to 20 mm 2 and the area of the measurement electrode is 0.3 to 0.8 times larger. Even in the case of forming by simultaneous firing, a short circuit between the measurement electrode of the sensing unit and the inner electrode of the pumping unit is effectively prevented, and the air-fuel ratio sensor element can be manufactured with high yield.
[0018]
Further, according to the air-fuel ratio sensor element of the present invention, since the sensing part, the pumping part, and the heater part are integrated as a cylindrical body, thermal stress is evenly distributed over the entire element. Concentration of thermal stress is prevented, and excellent thermal shock properties that cannot be obtained with a flat plate element can be obtained. In addition, according to the air-fuel ratio sensor element of the present invention, the heater portion in which the heating element is embedded in the ceramic insulating layer provided between the solid electrolyte cylindrical substrate and the solid electrolyte layer, which is located around the space portion, is provided. As a result, the first electrode pair and the second electrode pair formed in the vicinity of the space on the outer surface of the cylindrical base body made of the solid electrolyte can be efficiently heated. The activation time of the sensor, that is, the arrival time to a predetermined temperature can be shortened.
[0019]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter will be described a basic structure example of the air-fuel ratio sensor element of the present invention schematic perspective view of FIG. 1, based on the X-X cross-sectional view of the air-fuel ratio sensor element of Figure 1 shown in FIG.
[0020]
The air-fuel ratio sensor element 1 of FIGS. 1 and 2 includes a solid electrolyte cylindrical base 2 (hereinafter referred to as a cylindrical tube 2) made of ceramics having oxygen ion conductivity, and the inner and outer surfaces thereof. The first electrode pair for constituting the sensor element is formed at a position facing each other. Specifically, a reference electrode 3 that is in contact with a reference gas such as air is formed on the inner surface of the cylindrical tube 2, and a measured gas such as exhaust gas is formed on the outer surface of the cylindrical tube 2 that faces the reference electrode 3. Measuring electrode 4 is formed in contact with each other, forming a sensing part.
[0021]
A solid electrolyte layer 8 having oxygen ion conductivity is formed on the upper surface of the measurement electrode 4 via the space 5, and the inner surface of the solid electrolyte layer 8 on the space 5 side is opposed to it. A second electrode pair consisting of an inner electrode 9 and an outer electrode 10 is formed as a pumping electrode on the outer surface of the solid electrolyte layer 8 to form a pumping portion.
[0022]
The solid electrolyte layer 8 including the second electrode pair 9 and 10 forming the pumping portion is formed with a small gas diffusion hole 11 for taking in the exhaust gas to be measured gas.
[0023]
According to the present invention, the measurement electrode 4 is formed to have a smaller area than the inner electrode 9 of the pumping portion. It is important that the area of the measurement electrode 4 is 0.3 to 0.8 times the area of the inner electrode 9. This is because if the area of the measuring electrode 4 is larger than 0.8 times that of the inner electrode 9, the two electrodes are easily short-circuited and the manufacturing yield is greatly reduced. On the other hand, if it is less than 0.3 times, the sensing function is lowered and the gas responsiveness tends to deteriorate. The size of the measuring electrode 4 is particularly preferably 0.5 to 0.7 times that of the inner electrode 9 of the pumping part.
[0024]
Note that the short circuit due to the contact between both electrodes can be eliminated by making either the measurement electrode 4 or the inner electrode 9 smaller. However, if the inner electrode 9 is made smaller than the measurement electrode 4, the pumping current per unit area is increased. As a result, there is a problem that the outer electrode 10 and the inner electrode 9 of the pumping are likely to be deteriorated. As a result, it is necessary to reduce the measurement electrode 4 side.
[0025]
Further, according to the present invention, the area of the inner electrode 9 in the pumping portion needs to be 10 to 20 mm 2 . When the area of the inner electrode 9 is smaller than 10 mm 2 , the current density flowing between the electrodes 9 and 10 is increased, and the solid electrolyte layer is easily reduced. On the other hand, when the area exceeds 20 mm 2 , the size of the element itself is increased to form this, and it is difficult to rapidly raise the element. As the size of the inner electrode 9, a range of 12 to 18 mm 2 is particularly desirable.
[0026]
In addition, a ceramic insulating layer 7 in which a heating element 6 is embedded around the space 5 is disposed between the cylindrical tube 2 and the solid electrolyte layer 8. The heating element 6 disposed in the ceramic insulating layer 7 is connected to the terminal electrode 13 via the lead electrode 12, and the heating element 6 is heated by passing a current through the heating element 6 through the lead electrode 12. The sensing part made of a solid electrolyte having the electrode 3 and the measurement electrode 4 and the pumping part made of the solid electrolyte layer 8 having the second electrode pair 9 and 10 are heated.
[0027]
At this time, as the overall size of the element, by setting the outer diameter to 3 to 6 mm, particularly 3 to 4 mm, the power consumption of the element can be reduced and the sensing performance can be enhanced.
[0028]
The ceramic solid electrolyte used in 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 3 , Dy are used as stabilizers. 1 to 30 mol% of rare earth oxides such as 2 O 3 in terms of oxide, preferably the partially stabilized ZrO 2 or stabilized ZrO 2 containing 3 to 15 mol% are used.
[0029]
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 electron conductivity is increased and responsiveness is further improved.
[0030]
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.
[0031]
On the other hand, the ceramic insulating layer 7 for burying a heating element 6, alumina, spinel, forsterite, ceramic material such as zirconia A is preferably used. Furthermore, it is possible to use glass as the ceramic insulating layer 7, glass in this case contains in view of heat resistance, BaO, PbO, SrO, CaO, at least one of CdO 5 wt% or more In particular, crystallized glass is desirable.
[0032]
The ceramic insulating layer 7 is preferably composed of a dense ceramic having a relative density of 80% or more and an open porosity of 5% or less. This is because the mechanical strength of the oxygen sensor element itself can be increased as a result of the strength of the insulating layer being increased because the ceramic insulating layer 7 is dense.
[0033]
The heating element 6 embedded in the ceramic insulating layer 7 is preferably made of one kind of metal selected from the group consisting of platinum, rhodium, palladium and ruthenium, or two or more kinds of alloys. From the viewpoint of simultaneous sintering with the ceramic insulating layer 7, it is desirable to select a metal or alloy having a melting point higher than the firing temperature of the ceramic insulating layer 7.
[0034]
In addition to the above metals, the heating element 6 contains alumina, spinel, an alumina / silica compound, forsterite, or zirconia that can be used as the above electrolyte in a volume from the viewpoint of preventing sintering and increasing the adhesion between the insulating layer and the like. It is desirable to mix in the range of 10 to 80%, particularly 30 to 50% by ratio.
[0035]
The solid electrolyte layer 8 that closes the space portion 5 is formed on the surface of the ceramic insulating layer 7 so as to cover the space portion 5. The solid electrolyte layer 8 is made of the same material as the solid electrolyte constituting the cylindrical tube 2 having oxygen ion conductivity, like the cylindrical tube 2. In particular, the solid electrolyte layer 8 is preferably made of the same material as that of the solid electrolyte constituting the cylindrical tube 2.
[0036]
In addition, the solid electrolyte layer 8 formed on the outer surface of the ceramic insulating layer 7 prevents heat from being emitted from the heating element 6. Further, the same solid electrolyte is formed on the upper and lower surfaces of the ceramic insulating layer 7. As a result, the stress caused by the difference in thermal expansion and firing shrinkage between the cylindrical tube 2 made of the solid electrolyte and the ceramic insulating layer 7 is applied. It also acts to relax and reduce the thermal stress as much as possible.
[0037]
The heating element 6 needs to be embedded in the ceramic insulating layer 7 without being in direct contact with the solid electrolyte layer 8 and the second electrode pair 9, 10 above the cylindrical tube 2 or the space 5. The thickness of the ceramic insulating layer 7 between the heating element 6 and the cylindrical tube 2 and the solid electrolyte layer 8 is desirably at least 2 μm, preferably 5 μm.
[0038]
The shape of the space portion 5 is not particularly limited, but when formed on the outer surface of the cylindrical tube 2, it is preferable that the length in the longitudinal direction of the cylindrical tube 2 is long or elliptical. In the case where the space portion 5 is rectangular, the corner portion is formed by a gently curved surface, thereby reducing the concentration of thermal stress on the corner portion of the space portion 5. Further, the height of the space portion is preferably 10 to 50 μm, particularly 20 to 30 μm.
[0039]
In the air-fuel ratio sensor element of FIGS. 1 and 2, the gas diffusion hole 11 formed in the solid electrolyte layer 8 formed in the upper part of the space portion 5 preferably has a diameter of 100 to 500 μm, and this gas diffusion hole is small. One or two or more gas diffusion holes 11 may be provided.
[0040]
In the air-fuel ratio sensor element of FIGS. 1 to 2, the gas diffusion hole 11 is formed in the solid electrolyte layer 8. The gas diffusion hole 11 can introduce the gas to be measured into the space portion 5. If it exists, it does not matter where it is formed. For example, a gas diffusion hole 11 is formed in the longitudinal direction of the cylindrical tube 2 and a gas to be measured is introduced from the vicinity of the tip of the air-fuel ratio sensor element 1 or a porous body having gas permeability from the space 5 to the tip. The gas to be measured can be introduced into the space portion 5 by using the pores in the porous body as gas diffusion holes.
[0041]
Further, a porous diffusion rate controlling body 16 is provided in the vicinity of the gas diffusion hole 11 in the space portion 5, and the exhaust gas flowing into the space portion 5 is controlled by the gas diffusion hole 11 and the diffusion rate controlling body 16. Is desirable. The diffusion rate controlling body 16 is interposed between the gas diffusion hole 11, the inner electrode 9 and the measurement electrode 4, and is formed of a cylindrical body having a hole aligned with the gas diffusion hole 11 as shown in FIG. . As the material of the diffusion rate controlling body 16, the same material as the above solid electrolyte material is used, and alumina, spinel and the like are used. The diffusion rate controlling body 16 also has a function of protecting the exhaust gas that has passed through the gas diffusion hole 11 from directly touching the measurement electrode 4 and the inner electrode 9.
[0042]
Each electrode forming the first electrode pair 3, 4 and the second electrode pair 9, 10 in the air-fuel ratio sensor element 1 of the present invention is one selected from the group consisting of platinum, rhodium, palladium, ruthenium and gold, Alternatively, two or more alloys, particularly platinum, is preferably used.
[0043]
Further, for the purpose of preventing the grain growth of the metal in the electrode during the sensor operation and for the purpose of increasing the contact of the so-called three-phase interface between the metal particles related to the responsiveness, the solid electrolyte, and the gas, the above-described cylindrical tube 2 is used. Or it is desirable to mix the solid electrolyte component which comprises the solid electrolyte layer 8 in the said electrode in the ratio of 1-50 volume%, especially 10-30 volume%.
[0044]
Of the first electrode pairs 3 and 4, the reference electrode 3 formed on the inner surface of the cylindrical tube 2 is formed on the inner surface portion of the measurement electrode 4 that faces the portion exposed to the space portion 5. Alternatively, it may be formed on an area larger than the exposed area of the measurement electrode 4, for example, on the entire inner surface of the cylindrical tube 2.
[0045]
Further, among the above electrodes, the three electrodes 4, 9, 10 that are in contact with the gas to be measured are appropriately coated with zirconia, alumina, magnesia, and the like on the surface in order to prevent the electrodes from being poisoned. An electrode protective layer having a thickness of 10 to 200 μm, particularly 50 to 150 μm, made of a porous material having an open porosity of 10 to 40% selected from the group of spinels may be formed.
[0046]
Further, the space 5 may be filled with a porous body having a larger porosity than the diffusion rate controlling body 16 in order to protect the electrodes 4 and 9 and to increase the strength of the space 5. Is possible.
[0047]
Next, a method for manufacturing the air-fuel ratio sensor element of the present invention will be described with reference to FIG. 3, taking the method for manufacturing the air-fuel ratio sensor element of FIGS.
(1) First, as shown in FIG. 3, in order to form the cylindrical tube 2, a hollow cylindrical tube body 20 with one end sealed is prepared. The cylindrical tube body 20 may be formed by extrusion molding, isostatic pressing (rubber press), press formation, or the like by appropriately adding a molding organic binder to a ceramic solid electrolyte powder having oxygen ion conductivity such as zirconia. It is produced by the well-known method.
(2) And, as shown in FIG. 3, the electrode pattern 21 to be the reference electrode 3 is formed on the inner surface of the cylindrical tube body 20 made of the solid electrolyte, for example, a conductive paste containing platinum is placed inside the cylindrical tube body 20. Fill and discharge to form coating on the entire inner surface. In this way, the sensor element A is manufactured.
(3) Next, as shown in FIG. 3, a green sheet 22 is formed using a solid electrolyte slurry forming the cylindrical tube 20, and an insulating material such as alumina is formed in a region where the measurement electrode of the green sheet 22 is not formed. After forming the insulating layer 23a by applying the insulating slurry, the heating element pattern 25 including the lead pattern is printed and formed again, and the insulating slurry 23 is applied again to form the insulating layer 23b to insulate the heating element pattern 25. It is embedded in the layers 23a and 23b. Then, the solid electrolyte slurry in which the green sheet 22 is formed is applied to the surface of the insulating layer 23 b including the opening 26 where the insulating layers 23 a and 23 b are not formed, and the solid electrolyte body 27 is filled in the opening 26. Then, the heater element body B is formed on the surface of the solid electrolyte body 27 by forming a measurement electrode pattern 28 and a porous cylindrical body 29 as a diffusion-controlling body as appropriate by slurry application or the like.
[0048]
Further, the pumping element body C is formed by printing and applying the electrode patterns 30 and 31 for pumping on both surfaces of the solid electrolyte green sheet 33 in which the gas introduction holes 32 are formed.
[0049]
Then, the heater element B and the pumping element C are wound around the surface of the sensor element A, and the green sheet 23 side of the laminate produced as described above is wound around the surface of the sensor element A, and then fired simultaneously. Can be formed.
[0050]
For example, when zirconia is used as the solid electrolyte and alumina is used as the ceramic insulating layer, the baking may be performed at 1300 to 1700 ° C. for about 1 to 10 hours in an inert atmosphere such as argon gas or in the air.
[0051]
In the above manufacturing method, the ceramic insulating layers 23a and 23b in which the heating element pattern 25 is embedded by slurry application are formed on the surface of the solid electrolyte green sheet 22. However, the ceramic insulating layer is not used without using the solid electrolyte green sheet 22. It is also possible to form 23a and 23b by a laminate of green sheets.
[0052]
In the above manufacturing method, the surface of the ceramic insulating layer 23b is covered when the solid electrolyte body 27 is filled and formed in the opening 26. However, there is no problem even with the opening 26 alone.
[0053]
The gas diffusion hole 11 may be formed at any stage in the above manufacturing process. For example, as shown in FIG. 3, the through-hole 29 is formed in the solid electrolyte layer green sheet 23 of the laminate B before the winding process, or the solid electrolyte layer after firing is perforated using a micro drill or the like. However, it is preferably formed before firing from the viewpoint of workability and yield.
[0054]
If necessary, a porous slurry can be applied to the surface of the electrode before firing, or a protective layer made of a porous material can be formed by a thermal spraying method after firing.
[0055]
【Example】
First, a slurry was prepared by adding a polyvinyl alcohol solution to zirconia powder containing 5 mol% Y 2 O 3 , sintered by extrusion molding, and then sealed at one end so that the outer diameter was about 4 mm and the inner diameter was 1 mm. A cylindrical tube body was manufactured, and a platinum paste was applied to the entire inner surface of the molded body to form a reference electrode, thereby preparing a sensor body A.
[0056]
A slurry was prepared by adding an acrylic binder and a toluene solution to zirconia powder containing 5 mol% Y 2 O 3, and a zirconia green sheet having a thickness of about 200 μm was prepared by a doctor blade method.
[0057]
Thereafter, a slurry containing alumina powder is applied to the surface of the region where the measurement electrode of the zirconia green sheet is not formed so as to have a thickness of about 10 μm after firing by screen printing, and then the thickness after firing using platinum paste is 10 μm. A heating element pattern was formed by printing, and the alumina slurry was applied again so that the heating element pattern was embedded, thereby forming an alumina insulating layer in which the heating element was embedded on the surface of the zirconia green sheet.
[0058]
Then, after applying and filling a slurry of zirconia powder containing 5 mol% Y 2 O 3 on the electrode forming region of the zirconia green sheet where the alumina insulating layer is not formed, the electrode paste as a measurement electrode is applied to the surface. coating was formed, also formed by printing a diffusion rate control member, to prepare a heater element B.
[0059]
The thicknesses of the measurement electrode and the reference electrode were adjusted to be about 10 μm after firing. The area of the measurement electrode was the size shown in Table 1 after firing.
[0060]
Next, after forming the inner electrode, the pumping electrode pair of the outer electrode, and the lead wire on both surfaces of another zirconia green sheet produced in the same manner as described above, 8 mol% Y that becomes a diffusion-controlling layer on one electrode surface A 2 O 3 -containing zirconia powder was formed to a thickness of 30 μm to prepare a pumping element body C. At this time, the sizes of the inner electrode and the outer electrode were adjusted to the sizes shown in Table 1 after firing. The inner electrode and the outer electrode have substantially the same area.
[0061]
Then, the heater element B and the pumping element C were sequentially wound around the surface of the sensor element A to prepare a cylindrical laminate. Note that an acrylic binder was used as an adhesive for bonding between the element bodies during winding. Thereafter, this cylindrical laminate was baked at 1500 ° C. in the atmosphere for 2 hours to complete 50 sensor elements having different sizes of the measurement electrode and the inner electrode of the pumping part.
[0062]
The air-fuel ratio sensor element produced was evaluated by applying 0.5 V between the electrodes of the pumping unit at 800 ° C. in the atmosphere to pump oxygen in the space to the atmosphere, and the oxygen partial pressure in the space was set to a predetermined value (starting up) The ratio (non-defective product ratio) of the devices showing 400 to 500 mV in electric power was determined as non-defective products.
[0063]
[Table 1]
Figure 0004698041
[0064]
From Table 1, a conventional sample No. in which the ratio of the inner electrode area of the pumping portion to the measurement electrode area is larger than 0.8. No. 1 and No. 1 in which the measurement electrode area is larger than the inner electrode area. 14 shows that the yield rate is low. In addition, the sample no. In 7, no sensing was observed.
[0065]
On the other hand, according to the present invention, it can be seen that when the measurement electrode area is smaller than 0.8 times the inner electrode area, the yield rate is improved. In particular, experiments from a small sample No. inner electrode area than 10 mm 2 In No. 8, many solid electrolyte layers cracked during measurement. Sample No. whose inner electrode area exceeded 20 mm 2 was used. In No. 3, many devices could be manufactured but the temperature could not be increased to 800 ° C.
[0066]
Therefore, it can be seen that the yield rate is high when the inner electrode area of the pumping portion of the present invention is 10 to 20 mm 2 and the area ratio of the measurement electrode is 0.3 to 0.8 times that of the inner electrode.
[0067]
【The invention's effect】
As described above in detail, according to the air-fuel ratio sensor element of the present invention, by controlling the area ratio between the measurement electrode of the sensing unit and the inner electrode of the pumping unit, the thermal shock resistance such as rapid temperature rise can be achieved. An excellent air-fuel ratio sensor element can be provided with high yield. Therefore, the manufacturing cost is extremely low, which is excellent from the viewpoint of economy.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a schematic perspective view for explaining an example of an air-fuel ratio sensor element of the present invention.
2 is X-X in the vertical cross-sectional view of the air-fuel ratio sensor element of FIG.
FIG. 3 is a view for explaining the method for manufacturing the air-fuel ratio sensor element of the present invention, and is a view showing a process of manufacturing a sensor element body.
[Explanation of symbols]
1 is an air-fuel ratio sensor element, 2 is a cylindrical tube, 3 is a reference electrode, 4 is a measurement electrode, 5 is a space 6 is a heating element, 7 is a ceramic insulating layer, 8 is a solid electrolyte layer, 9 is an inner electrode, 10 is The outer electrode, 11 is a gas diffusion hole, 12 is a lead electrode, 13 is a terminal electrode, 14 is a porous body, and 16 is a diffusion rate limiting body.

Claims (4)

固体電解質円筒型基体と、
固体電解質円筒型基体の内面および外面の互いに対向する位置に基準電極と測定電極からなる第1の電極対を形成してなるセンシング部と、
前記固体電解質円筒型基体の外面に設けられた前記測定電極との間に空間部を介するように、前記固体電解質円筒型基体の外面に設けられた固体電解質層と、
前記固体電解質層の前記空間部の内面および外面の互いに対向する位置に内側電極と外側電極からなる第2の電極対を形成してなるポンピング部とを具備してなる空燃比センサ素子において、
前記ポンピング部の前記内側電極の面積が10〜20mm2であるとともに、前記センシング部の前記測定電極の面積が、前記ポンピング部の前記内側電極の面積の0.3〜0.8倍であることを特徴とする空燃比センサ素子。
A solid electrolyte cylindrical substrate; and
A sensing portion formed by forming a first electrode pair consisting of a reference electrode measuring electrode so as to be opposite to each other of the inner and outer surfaces of said solid electrolyte cylindrical body,
A solid electrolyte layer that is to through the space portion, provided on the outer surface of the solid electrolyte cylindrical body between the measurement electrode provided on an outer surface of the solid electrolyte cylindrical body,
In the air-fuel ratio sensor element formed by and a pumping part made by forming a second electrode pair consisting of an inner electrode and the outer electrode so as to be opposite to each other of the inner and outer surfaces of the space portion side of the solid electrolyte layer,
With the area of the inner electrode of the pumping part is 10 to 20 mm 2 that the area of the measuring electrode of the sensing portion is 0.3 to 0.8 times the area of said inner electrode of said pumping unit An air-fuel ratio sensor element.
前記空間部の周囲に位置する、前記固体電解質円筒型基体と前記固体電解質層との間に、前記第1の電極対および前記第2の電極対を加熱するため発熱体を設したセラミック絶縁層を配設していることを特徴とする請求項1記載の空燃比センサ素子。 Located around the space, ceramic between said solid electrolyte cylindrical substrate the solid electrolyte layer, was set embedded a heating element for heating the first electrode pair and said second pair of electrodes The air-fuel ratio sensor element according to claim 1, further comprising an insulating layer. 前記固体電解質層が、外部から前記空間部内に被測定ガスを導入するガス拡散孔を具備してなることを特徴とする請求項1または請求項2記載の空燃比センサ素子。The air-fuel ratio sensor element according to claim 1 or 2, wherein the solid electrolyte layer includes a gas diffusion hole for introducing a gas to be measured into the space from the outside . 前記第2の電極対を具備する前記固体電解質層が、前記第1の電極対を具備する前記円筒型基体の表面に巻き付け形成されてなることを特徴とする請求項1乃至請求項3のいずれか記載の空燃比センサ素子。  4. The solid electrolyte layer comprising the second electrode pair is formed by wrapping around the surface of the cylindrical substrate comprising the first electrode pair. Or an air-fuel ratio sensor element.
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