JP5421267B2 - 導電性酸化物焼結体、これを用いたサーミスタ素子、及びこれを用いた温度センサ - Google Patents

導電性酸化物焼結体、これを用いたサーミスタ素子、及びこれを用いた温度センサ Download PDF

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Description

本発明は、導電性を有し、その抵抗値が温度によって変化する導電性酸化物焼結体、これを用いたサーミスタ素子、さらには、これを用いた温度センサに関する。
サーミスタ素子、温度センサの用途として、自動車エンジンなどの内燃機関からの排ガス温度測定がある。これらの用途では、高温域での温度検知のほか、OBDシステム(On-Board Diagnostic systems)などにおける温度センサの故障(断線)検知のため、低温下でもその温度を検知可能とすることが望まれている。
これに対し、特許文献1では、温度勾配定数(B定数)が、2000〜3000K程度となる導電性酸化物焼結体が示されている。
特開2007−246381号公報
しかしながら、サーミスタ素子の温度検知範囲は多様化しており、その1つに、広い温度範囲での適用が可能で、かつさらに低いB定数を持つサーミスタ素子が望まれている。
このようなサーミスタ素子では、例えば、上述のような排ガス温度測定の用途において、−40℃〜+600℃の温度範囲で適切に温度検知ができ、しかも、温度センサの故障検知として、低温側での断線検知や高温側での短絡検知を、温度センサ(サーミスタ素子)の出力から正確に行いうる。
本発明は、かかる要望に応えるべくなされたものであって、広い温度範囲において、適切に温度検知ができる導電性酸化物焼結体、これを用いたサーミスタ素子、及び、このサーミスタ素子を用いた温度センサを提供することを目的とする。
上記課題を解決するための本発明の一態様は、Yb,Luの少なくともいずれか、及び、Yb,Lu,Laを除く3A族元素のうち少なくとも1種からなる元素群を第1元素群RE1とし、Laを除く3A族元素のうち少なくとも1種からなる元素群RE2であって、上記第1元素群RE1をなす元素群のうち少なくとも1種を含む元素群を第2元素群RE2とし、4A,5A,6A,7A及び8族元素のうち少なくとも1種からなる元素群をM1とし、上記元素群M1及びAlからなる元素群をMとし、Sr,Ca,Mgのうち、少なくともSrをモル比で主として含む元素群をSLとしたとき、RE14Al29と表記される組成を有する第1結晶相と、(RE21-aSLa)MO3と表記されるペロブスカイト構造を有する第2結晶相と、を含み、上記第2結晶相の係数aが、0.18<a<0.50の範囲であり、前記元素群M1は、少なくともMn,Feのいずれか、及びCrを含み、前記第2結晶相を、(RE2 1-a SL a )(Al x M1 w )O 3 と表記したとき、係数x,wが以下を満たしてなる導電性酸化物焼結体である。
0.40≦x≦0.90
0.05≦w≦0.65
0.90≦x+w≦1.1
この導電性酸化物焼結体は、上述の第1元素群RE1とアルミニウムを含む第1結晶相を含んでいる。さらに、この焼結体は、Aサイトにおける、上述の第2元素群RE2と2A族元素(2族元素)の元素群SLとの量を与える係数aが所定範囲内であり、Bサイトにアルミニウムと4A族等の元素群M1を含む、ペロブスカイト構造を有する上述の第2結晶相を含んでいる。このような2つの結晶相を含むことにより、ペロブスカイト構造の第2結晶相のB定数が大きくとも、これを全体として抑制して、焼結体のB定数を大きく下げることができる。従って、例えば、−40℃〜+600℃の温度範囲におけるB定数を、2000K以下の特性を有するものとすることができる。
かくして、広い温度範囲において、適切に温度を測定することができる。
また、第2結晶相のBサイトにおいて、Alと固溶(置換)する元素群M1において、MnあるいはFeを用いると、焼結体やこれを用いたサーミスタ素子について、広い温度範囲で適切な電気特性(B定数や抵抗値)を確実に得られる利点がある。さらに、Crを用いると、焼結体やサーミスタ素子について、電気特性を安定して得やすい利点がある。
さらに、この導電性酸化物焼結体では、ペロブスカイト構造(ABO 3 構造)を有する第2結晶相のうち、Bサイトの元素群Mとして、Alのほか、元素群M1を含む。さらに、BサイトにおけるこれらAlと元素群M1との元素のモル比である係数x,wを、前述の関係としている。
このように、Bサイトに元素群M1を含ませることで、ペロブスカイト構造の第2結晶相を形成、維持しやすくなり、焼結体を導電体として確実に機能させることができる。
なお、第1元素群RE1は、Yb,Luの少なくともいずれか、及び、Yb,Lu,Laを除く3A族元素(3族元素)のうち少なくとも1種からなる元素群であり、例えば、YとYb、YとLuなどが挙げられる。
また、第2元素群RE2は、第1元素群RE1をなす元素群のうち少なくとも1種を含む元素群である。従って、例えば、第1元素群RE1が、YとYbである場合には、第2元素群RE2としては、Yのみ、Ybのみのほか、YとYbの2種の場合も含まれる。このように、第1元素群RE1と第2元素群RE2とが、同じ元素群であっても良い。
また、第1結晶相及び第2結晶相(ペロブスカイト型の結晶構造を有する結晶相)の存在は、それぞれ、X線回折法により、同一結晶系で類似組成の結晶に合致する特有のピークが存在すること、及び、当該結晶相に該当する各元素が存在することから、確認できる。
また、第2結晶相のBサイトにおいて、Alと固溶(置換)する元素群M1は、4A,5A,6A,7A及び8族元素(4〜10族元素)のうち少なくとも1種からなる。具体的には、Mn,Fe,Cr等が挙げられる。
さらに、第2結晶相のAサイトにおいて、第2元素群RE2と固溶(置換)する元素群SLは、2A族元素(2族元素)のSr,Ca,Mgのうち、少なくとも、Srをモル比で主とする。従って、元素群SLにおいて、全てがSrであっても良いし、Srがモル比で半分を超えて占めており、残部にCa、Mg、あるいは両者を含んでいても良い。
なお、この導電性酸化物焼結体を作製する際の焼成条件(酸化、還元等の焼成雰囲気、及び焼成温度など)や、Aサイト及びBサイトにおける元素同士の置換の量比により、酸素の過剰或いは欠損を生じることがある。従って、上述の組成式における酸素原子とAサイトの元素とのモル比、及び酸素原子とBサイトの元素とのモル比は、それぞれ正確に3:1となっていなくても、ペロブスカイト型の結晶構造が維持されていればよい。
さらに、第2結晶相の係数aの下限は、a≧0.19とするのが好ましい。この場合、第1結晶相、第2結晶相の存在下で、確実にB定数(-40〜600℃)を2000K以下にできる。
さらに、係数aの下限を、a≧0.24とするのが好ましい。これにより、さらに、B定数(-40〜600℃)を1950K以下にすることができる。
さらに、上述の導電性酸化物焼結体であって、前記元素群SLは、Srである導電性酸化物焼結体とすると良い。
第2結晶相のAサイトにおいて、第2元素群RE2と固溶(置換)する元素群SLとしては、Srのほか、これを主として、CaあるいはMgを加えることができる。但し、これらを加えるよりも、Srのみを第2元素群RE2と固溶(置換)させた方が、−40〜+600℃の温度範囲でのB定数(-40〜600℃)など、広い温度範囲でのB定数を低くすることができる。
特に、上述のいずれかの導電性酸化物焼結体であって、前記元素群M1は、少なくともMn及びCrを含む導電性酸化物焼結体とすると良い。
第2結晶相のBサイトにおいて、Alと固溶(置換)する元素群M1について、MnとCrとを用いると、さらに焼結体やこれを用いたサーミスタ素子において、適切な電気特性を安定して得られる利点がある。
さらに、上述のいずれか1項に記載の導電性酸化物焼結体であって、前記元素群M1は、Mn及びCrを含み、前記第2結晶相を、(RE21−aSL)(AlMnCr)Oと表記したとき、係数x,y,zが以下を満たしてなる導電性酸化物焼結体とするとよい。
0.40≦x≦0.90
0.05≦y≦0.60
0<z≦0.05
0.90≦x+y+z≦1.1
この導電性酸化物焼結体では、ペロブスカイト構造(ABO構造)を有する第2結晶相のうち、Bサイトの元素群Mに、Al,Mn及びCrを含む。さらに、Bサイトにおけるこれらの元素のモル比である係数x,y,zを、前述の関係としている。Bサイトを占める元素Al,Mn,Crはイオン半径が近接しており、元素同士で互いに容易に置換できるものであり、これらの元素からなる副生成物の生成が少なく、置換された組成で安定に存在する。このため、広い組成範囲で連続的に組成比を変えて、導電性酸化物焼結体の比抵抗値やその温度勾配定数(B定数)を調整することができる。
他の態様は、Yb,Luの少なくともいずれか、及び、Yb,Lu,Laを除く3A族元素のうち少なくとも1種からなる元素群を第1元素群RE1とし、Laを除く3A族元素のうち少なくとも1種からなる元素群RE2であって、上記第1元素群RE1をなす元素群のうち少なくとも1種を含む元素群を第2元素群RE2とし、4A,5A,6A,7A及び8族元素のうち少なくとも1種及びAlからなる元素群をMとしたとき、RE14Al29と表記される組成を有する第1結晶相と、(RE21-aSra)MO3と表記されるペロブスカイト構造を有する第2結晶相と、を含み、上記第2結晶相の係数aが、0.18<a<0.50の範囲であり、前記元素群Mは、Al,Mn及びCrを含み、前記第2結晶相を、(RE2 1-a Sr a )(Al x Mn y Cr z )O 3 と表記したとき、係数x,y,zが、以下を満たしてなる導電性酸化物焼結体である。
0.40≦x≦0.90
0.05≦y≦0.60
0<z≦0.05
0.90≦x+y+z≦1.1
この導電性酸化物焼結体では、上述の第1結晶相、及び、係数aが所定範囲内の上述の第2結晶相を含んでいる。このような2つの結晶相を含むことにより、B定数を大きく下げることができる。従って、例えば、−40℃〜+600℃の温度範囲におけるB定数を、2000K以下の特性を有するものとすることができる。
かくして、広い温度範囲において、適切に温度を測定することができる。
また、この導電性酸化物焼結体では、ペロブスカイト構造(ABO 3 構造)を有する第2結晶相のうち、Bサイトの元素群Mに、Al,Mn及びCrを含む。さらに、Bサイトにおけるこれらの元素のモル比である係数x,y,zを、前述の関係としている。Bサイトを占める元素Al,Mn,Crはイオン半径が近接しており、元素同士で互いに容易に置換できるものであり、これらの元素からなる副生成物の生成が少なく、置換された組成で安定に存在する。このため、広い組成範囲で連続的に組成比を変えて、導電性酸化物焼結体の比抵抗値やその温度勾配定数(B定数)を調整することができる。
さらに、第2結晶相の係数aの下限は、a≧0.19とするのが好ましい。この場合、第1結晶相、第2結晶相の存在下で、確実にB定数(-40〜600℃)を2000K以下にできる。
さらに、係数aの下限を、a≧0.24とするのが好ましい。これにより、さらに、B定数(-40〜600℃)を1950K以下にすることができる。
なお、この導電性酸化物焼結体を作製する際の焼成条件(酸化、還元等の焼成雰囲気、及び焼成温度など)や、Aサイト及びBサイトにおける元素同士の置換の量比により、酸素の過剰或いは欠損を生じることがある。従って、上述の組成式における酸素原子と(RE21−aSr)とのモル比、及び酸素原子と(AlMnCr)とのモル比は、それぞれ正確に3:1となっていなくても、ペロブスカイト型の結晶構造が維持されていればよい。
なお、さらに以下の条件を満たすようにすると、前述した効果をより効果的に得ることができ、好ましい。
0.65≦x≦0.85
0.15≦y≦0.35
0<z≦0.03
0.95≦x+y+z≦1.05
さらに、上記いずれかに記載の導電性酸化物焼結体を用いてなるサーミスタ素子とすると良い。
このサーミスタ素子は、前述の導電性酸化物焼結体を用いているので、例えば、−40〜600℃など、広い温度範囲にわたって温度測定が可能な、適切な温度勾配定数を有するサーミスタ素子となる。
かくして、例えば、このサーミスタ素子を用いて、前述したように、排気ガス温度検知用の温度センサを構成した場合には、自身の出力に基づいて、低温側での断線検知、及び、高温側での短絡検知の何れをも、正確に行うことが可能となる。
あるいは、上述のいずれかに記載の導電性酸化物焼結体と、上記導電性酸化物焼結体を被覆する耐還元性の耐還元性被膜と、を備えるサーミスタ素子とすると良い。
このサーミスタ素子は、導電性酸化物焼結体とこれを被覆する耐還元性被膜とを有している。このため、サーミスタ素子が還元性雰囲気に晒された場合でも、耐還元性被膜により焼結体が保護され、この焼結体が還元されることが防止されるので、サーミスタ素子(焼結体)の示す抵抗値やB定数を維持することができる。
さらに、上記いずれかに記載のサーミスタ素子を用いてなる温度センサとすると良い。
これらの温度センサでは、前述の導電性酸化物焼結体を用いたサーミスタ素子を用いてなるので、例えば、−40〜600℃という、広い温度範囲にわたって温度測定が可能な温度センサとなる。
かくして、例えば、この温度センサを、前述したように、排気ガス温度検知用に用いた場合には、用いているサーミスタ素子からの出力に基づいて、低温側での断線検知、及び、高温側での短絡検知のいずれをも、正確に行うことが可能となる。
実施例2に係る導電性酸化物焼結体についての、X線回折結果を示すチャートである。 実施例3に係る導電性酸化物焼結体についての、X線回折結果を示すチャートである。 比較例1に係る導電性酸化物焼結体についての、X線回折結果を示すチャートである。 比較例3に係る導電性酸化物焼結体についての、X線回折結果を示すチャートである。 本実施例1〜15に係るサーミスタ素子の形状を示す説明図である。 本実施例16に係るサーミスタ素子の構造を示す部分破断断面図である。 図5のサーミスタ素子を用いた温度センサの構造を示す部分破断断面図である。
本発明に係る導電性酸化物焼結体1を用いたサーミスタ素子2の実施例を、比較例と対比して説明する。
(実施例1〜16)
まず、実施例1〜16及び比較例1〜6にかかる導電性酸化物焼結体1及びサーミスタ素子2の製造について説明する。原料粉末として、Y,Nd,Yb,Lu,SrCO(表1ではSrO換算で表示),CaCO(表1ではCaO換算で表示),MgO,Al,MnO,Fe,Cr(全て純度99%以上の市販品を用いた。)を用いて、表1に示す原料仕込み組成(モル%)となるように、それぞれ秤量し、これらの原料粉末を湿式混合して乾燥することにより原料粉末混合物を調整した。次いで、この原料粉末混合物を大気雰囲気下1400℃で2Hr仮焼し、平均粒径1〜2μmの仮焼粉末を得た。その後、樹脂ポットと高純度アルミナ玉石とを用い、エタノールを分散媒として、湿式混合粉砕を行った。
Figure 0005421267
次いで得られたスラリーを80℃で2Hr乾燥し、サーミスタ合成粉末を得た。その後このサーミスタ合成粉末100重量部に対し、ポリビニルブチラールを主成分とするバインダーを20重量部添加して混合、乾燥する。さらに、250μmメッシュの篩を通して造粒し、造粒粉末を得た。
なお、使用しうるバインダーとしては、上述のポリビニルブチラールに特に限定されず、例えばポリビニルアルコール、アクリル系バインダー等が挙げられる。バインダーの配合量は上述の仮焼粉末全量に対し、通常5〜20重量部、好ましくは10〜20重量部とする。
また、バインダーと混合するにあたり、サーミスタ合成粉末の平均粒子径は2.0μm以下としておくのが好ましく、これによって均一に混合することができる。
なお、この表1から判るように、実施例3と比較例3とは、同一の組成であるが、後述するように焼成温度を異ならせたものである。
さらに、実施例6は、実施例2におけるYbに代えて、Luを用いたものである。一方、実施例7は、実施例2におけるYbに代えて、YbとLuとをモル比で同量用いたものである。
また、実施例12,13は、Yに代えて、Ndを用いたものである。さらに、この実施例13は、MnOに代えて、Feを用いている。
また、実施例14は、実施例2におけるSrOの一部(10mol%)を、CaOに代えたものである。同様に、実施例15は、実施例2におけるSrOの一部(10mol%)を、MgOに代えたものである。
また、実施例3と実施例16とは、同一の組成で、焼成温度も同一であるが、後述するように、実施例16のサーミスタ素子は、実施例3の焼成体に耐還元性の被膜を形成したものである。
さらに、比較例5は、実施例14に近似しており、実施例2におけるSrOの一部(50mol%)を、CaOに代えたものである。同様に、比較例6は、実施例15に近似しており、実施例2におけるSrOの一部(50mol%)を、MgOに代えたものである。
(X線調査)
ついで上述の造粒粉末を用いて、20MPaの圧力で一軸プレスを行い、19mmφ×2mmの円柱状に成形した。その後、150MPaの圧力でCIP(冷間等方静水圧プレス)処理を行い、この成形体を大気雰囲気において1550℃で4時間焼成して、実施例1〜16及び比較例1,2,4〜6に係る導電性酸化物焼結体のX線調査用サンプルを得た。一方、実施例3とは、焼成温度のみ異なる1450℃とした比較例3をも作成した。
Figure 0005421267
その後、各サンプルの表面を研磨した後、X線回折装置を用い、生成した結晶相の同定を行った。その結果を、表2に示す。さらに、代表的な例として、実施例2,3及び比較例1,3のサンプルについての、X線回折の測定結果を示す(図1〜図4参照)。
これらにおいて、○印で示したのは、結晶がYAlOであると仮定した場合の、回折ピークデータに合致するピークであり、ペロブスカイト構造に特有のピーク配列が現れていることが判る。この結果から、実施例2,3及び比較例1,3とも、ペロブスカイト構造の結晶相(第2結晶相)が存在していることが確認できる。なお、YAlOのピークデータを用いたのは、AサイトにYのほか、Yb(あるいはLu),Srが含まれていることが予測される、またBサイトには、Alのほか、Mn,Crが含まれると予測されるが、それらは各々のサイトに固溶しているため、第2結晶相が存在しているので有れば、YAlOと類似のパターンを示すと考えられるからである。
さらに、EPMA/WDSにより、各々の結晶相、特に導電相であるペロブスカイト型結晶相(第2結晶相)の組成分析を行った。これによると、ペロブスカイト型の結晶相には、Y,Alのほか、Yb(あるいはLu)Sr,Mn,Crの存在が確認された。従って、このペロブスカイト型の第2結晶相は、YAlOではなく、((Y,Yb)1−aSr)(Al,Mn,Cr)Oの組成を有しているものであると考えられる。
また、実施例2,3においては、▽印で示されるピークから、RE1Alの結晶構造を有する結晶相(第1結晶相)も確認できる。なお、この第1結晶相もYAlを仮定して、この結晶のピークデータに合致するピークの有無を検知した。これにより、結晶構造を特定した後、EPMA/WDSによって、第1結晶相に、Yのほか、Ybの含まれていることを確認した。これにより、実施例2,3とも、第1結晶相として、(Y,Yb)Alを含んでいることを特定した。
また、実施例2,3及び比較例3については、◇印で示されるピークから、SrAl の存在を特定した。さらに、実施例2,3及び比較例1,3において、□印で示されるピークから、Ybの存在を特定した。
なお、他の実施例及び比較例についても同様にして、各結晶相を特定している。
これらの結果から、実施例2,3(図1,図2参照)においては、○印で示される第2結晶相:((Y,Yb)1−aSr)(Al,Mn,Cr)Oのほかに、▽印で示される第1結晶相:(Y,Yb)Alが生成されていることが判る。
一方、比較例1,3(図3,図4参照)では、○印で示される第2結晶相:((Y,Yb)1−aSr)(Al,Mn,Cr)Oは生成されているが、▽印のピークが無く、第1結晶相:(Y,Yb)Alは生成されていない。
このことは、他の実施例及び比較例についても同様であった。
なお、実施例6においては、第1結晶相として(Y,Lu)Alが、第2結晶相として((Y,Lu)1−aSr)(Al,Mn,Cr)Oが生成されていた。
また、実施例7においては、第1結晶相として(Y,Yb,Lu)Alが、第2結晶相として((Y,Yb,Lu)1−aSr)(Al,Mn,Cr)Oが生成されていた。
さらに、実施例12においては、第1結晶相として(Nd,Yb)Alが、第2結晶相として((Nd,Yb)1−aSr)(Al,Mn,Cr)Oが生成されていた。
また、実施例13においては、第1結晶相として(Nd,Yb)Alが、第2結晶相として((Nd,Yb)1−aSr)(Al,Fe,Cr)Oが生成されていた。
また、実施例14においては、第1結晶相として(Y,Yb)Alが、第2結晶相として((Y,Yb)1−a(Sr,Ca))(Al,Mn,Cr)Oが生成されていた。
一方、実施例15においては、第1結晶相として(Y,Yb)Alが、第2結晶相として((Y,Yb)1−a(Sr,Mg))(Al,Mn,Cr)Oが生成されていた。
また、比較例2においては、第2結晶相として(Y1−aSr)(Al,Mn,Cr)Oが生成されていた。
一方、比較例5においては、第2結晶相として((Y,Yb)1−a(Sr,Ca))(Al,Mn,Cr)Oが生成されていた。
また、実施例6においては、第2結晶相として((Y,Yb)1−a(Sr,Mg))(Al,Mn,Cr)Oが生成されていた。
但し、いずれの比較例についても、第1結晶相は生成されていなかった。
従って、▽印で示される第1結晶相:(Y,Yb)Al等が生成されていることが、実施例と比較例の特性の違いに大きく影響していることが判る。
なお、◇印で示されるSrAlは、比較例3にも、また、□印で示されるYbは、比較例1,3の何れにも存在しているので、特にこれらの存在が、実施例に係る焼結体に特異的であるとは言えないことも判る。
(サーミスタ素子の製造)
一方、前述の造粒粉末を用いて、金型成型法によりプレス成形(プレス圧:440MPa=4500kg/cm2)して、図5に示すように、Pt−Rh合金製の一対の電極線2a,2bの一端側が埋設された六角形板状(厚さ1.24mm)の未焼成成形体を得た。その後、大気中1550℃で4Hr焼成し、実施例1〜6及び実施例7〜15のサーミスタ素子2を製造した。なお、比較例1,2,4〜6に係るサーミスタ素子も、同様にして製造した。さらに、比較例3については、実施例3とは焼成温度のみを異ならせ、1450℃で焼成した。
サーミスタ素子2の各寸法は、一辺1.15mmの六角形状で、厚み1.00mm、電極線2a,2bの径φ0.3mm、電極中心間距離0.74mm(ギャップ0.44mm)、電極挿入量1.10mmである。
なお、実施例16のサーミスタ素子については、以下のように製造した。即ち、実施例3の焼結体を、市販のガラス粉末にバインダ及び分散媒を添加して混練したディップコーティング用のスラリーに浸した後、引き上げて乾燥させ、この焼結体の表面に被膜を形成した。ついで、所定の温度で焼成して上記被膜を緻密化させ、図6にその構造を示すように、焼結体1と、この表面を緻密に覆う、ガラスからなる耐還元性の耐還元性被膜1bを備える、実施例16のサーミスタ素子2を製造した。
ついで、本実施例1〜16及び比較例1〜6のサーミスタ素子2について、以下のようにしてB定数(温度勾配定数)を測定した。即ち、まず、サーミスタ素子2を、T(-40)=233K(=-40℃)の環境下に放置し、その状態でのサーミスタ素子2の初期抵抗値R(-40)を測定した。ついで、サーミスタ素子2を、T(600)=873K(=600℃)の環境下に放置し、その状態でのサーミスタ素子2の初期抵抗値R(600)を測定した。そして、B定数:B(-40〜600)を、以下の式(1)に従って算出した。
B(-40〜600)=ln[R(600)/R(-40)]/[1/T(600)−1/T(-40)] …(1)
なお、R(-40):−40℃におけるサーミスタ素子の抵抗値(kΩ)、R(600):600℃におけるサーミスタ素子の抵抗値(kΩ)である。
各実施例等についての、R(-40)、R(600)、及びB(-40〜600)の測定結果を、表3に示す。
Figure 0005421267
この表3によれば、各実施例1〜16の焼結体を用いたサーミスタ素子2は、いずれもB定数:B(-40〜600)が、2000K以下であることが判る。一方、各比較例1〜6の焼結体を用いたサーミスタ素子は、B定数が2000Kを越えていることが判る。
なお、実施例16の、耐還元性被膜1bを有するサーミスタ素子2のB定数(=1858K)は、同じ組成で、被膜を有さない実施例3のサーミスタ素子2のB定数(=1868K)と、ほぼ同じ大きさとなった。このことから、耐還元性被膜1bの有無は、B定数の大きさに実質的に影響がないことが判る。
また、比較例5における「O.R.」は、オーバーレンジ、即ち、R(600)が、機器における抵抗の測定範囲外の大きな抵抗値となったことを示す。
なお、この表2及び表3によれば、実施例1〜16の導電性酸化物焼結体及びサーミスタ素子は、Yb,Luの少なくともいずれか、及び、Yb,Lu,Laを除く3A族元素(3族元素)のうち少なくとも1種からなる元素群を第1元素群RE1としたとき、RE1Alで表される第1結晶相を含むことが判る。なお、第1元素群RE1の本実施例における具体例は、YとYb、YとLu、YとYbとLu、あるいは、NdとYbである。
また、Laを除く3A族元素(3族元素)のうち少なくとも1種からなる元素群RE2であって、上記第1元素群RE1をなす元素群のうち少なくとも1種を含む元素群を第2元素群RE2とし、4A,5A,6A,7A及び8族元素(4族元素〜10族元素)のうち少なくとも1種からなる元素群をM1とし、この元素群M1及びAlからなる元素群をMとし、Sr,Ca,Mgのうち、少なくともSrをモル比で主として含む元素群をSLとしたとき、ABOと表記されるペロブスカイト構造を有し、(RE21−aSL)MOで表される第2結晶相をも含んでいることが判る。
さらに、この第2結晶相における係数aは、いずれも、0.18<a<0.50の範囲内となっている。
なお、第2元素群RE2の本実施例1〜16における具体例も、YとYb、YとLu、YとYbとLu、あるいは、NdとYbである。また、元素群M1は、具体的には、Mn,Fe及びCrである。
また、比較例5,6のように、元素群SLとして、CaあるいはMgを、Srと同量含んでいる場合、即ち、Srが主となっていない場合には、B定数が非常に大きな値となることから、元素群SLは、Sr,Ca,Mgのうち、少なくともSrをモル比で主として含むものとするのがよいことが判る。
特に、実施例1〜16はいずれも、第2結晶相の係数aが、0.19≦a≦0.42とされている。この場合、第1結晶相、第2結晶相の存在下で、確実にB定数:B(-40〜600)を2000K以下にできる。
さらに、係数aの下限を、a≧0.24とするのが好ましい。これにより、さらに、B定数:B(-40〜600)を1950K以下にすることができる。
さらに、実施例14では、元素群SLとして、Srの他にCaを10%含んでいる(Sr:Ca=9:1)。また、実施例15では、元素群SLとして、Srを主とし、このSrの他にMgを10%含んでいる(Sr:Mg=9:1)。これらでも、B定数を2000K以下とすることができる。
但し、実施例1〜13,16のサーミスタ素子2(焼結体)のように、元素群SLを、Srとすると、これらCaやMgを元素群SLに含む(第2結晶相のAサイトに含む)ものに比して、B定数を低くできる点で好ましい。
さらに、第2結晶相のBサイトでAlに固溶(置換)する元素群M1としては、Crのほか、実施例13を除く各実施例に示すようにMnを用い、あるいは、実施例13のようにFeを含むと良い。
第2結晶相のBサイトにおいて、Alと固溶する元素群M1において、MnあるいはFeを用いると、焼結体やこれを用いたサーミスタ素子について、広い温度範囲で適切な電気特性(B定数や抵抗値)を確実に得られる利点がある。さらに、Crを用いると、焼結体やサーミスタ素子について、電気特性を安定して得やすい利点がある。
特に、元素群M1は、少なくともMn及びCrを含む導電性酸化物焼結体とすると良い。
第2結晶相のBサイトにおいて、Alと固溶(置換)する元素群M1について、MnとCrとを用いると、さらに焼結体やこれを用いたサーミスタ素子において、適切な電気特性を安定して得られる利点がある。
さらに、各実施例1〜16のサーミスタ素子2(焼結体)では、この第2結晶相における元素群M1は、第2結晶相を(RE21−aSL)(AlM1)Oと表記したとき、各係数x,wについて、以下を満たしている範囲となっている。
0.40≦x≦0.90
0.05≦w≦0.65
0.90≦x+w≦1.1
このように、ペロブスカイト構造(ABO構造)を有する第2結晶相のうち、Bサイトに、Alのほか、元素群M1を含む。さらに、このBサイトにおけるこれらAlと元素群M1との元素のモル比である係数x,wを、前述の関係としている。このように、Bサイトに元素群M1を含ませることで、ペロブスカイト構造の第2結晶相を形成、維持しやすくなり、焼結体を導電体として確実に機能させることができる。
さらに、上述の、実施例13を除く各実施例1〜16のサーミスタ素子2(焼結体)では、元素群M1は、Mn及びCrを含み、第2結晶相を、(RE21−aSL)(AlMnCr)Oと表記したとき、係数x,y,zが以下を満たしている。
0.40≦x≦0.90
0.05≦y≦0.60
0<z≦0.05
0.90≦x+y+z≦1.1
この導電性酸化物焼結体では、ペロブスカイト構造(ABO構造)を有する第2結晶相のうち、Bサイトの元素群Mに、Al,Mn及びCrを含む。さらに、Bサイトにおけるこれらの元素のモル比である係数x,y,zを、前述の式で示される関係としている。Bサイトを占める元素Al,Mn,Crはイオン半径が近接しており、元素同士で互いに容易に置換できるものであり、これらの元素からなる副生成物の生成が少なく、置換された組成で安定に存在する。このため、広い組成範囲で連続的に組成比を変えて、導電性酸化物焼結体の比抵抗値やその温度勾配定数(B定数)を調整することができる。
そして、実施例13を除く、実施例1〜16の組成を有する導電性酸化物焼結体1を用いたサーミスタ素子2では、B定数:B(-40〜600)が、B(-40〜600)=2000K以下(具体的には、B(-40〜600)=1800〜2000K)の、従来に比して相対的に低い値となることが判る。このようなB定数を有する、実施例1〜16の導電性酸化物焼結体1を用いたサーミスタ素子2では、−40℃の低温下から600℃までの広い範囲にわたり、適切な抵抗値を有し、適切に温度測定が可能となる。
さらに、この表2及び表3によれば、実施例1〜6及び実施例7〜16の導電性酸化物焼結体及びサーミスタ素子は、Yb,Luの少なくともいずれか、及び、Yb,Lu,Laを除く3A族元素(3族元素)のうち少なくとも1種からなる元素群を第1元素群RE1としたとき、RE1Alで表される第1結晶相を含むことが判る。なお、第1元素群RE1の本実施例における具体例は、YとYb、YとLu、YとYbとLu、あるいはNdとYbである。
また、Laを除く3A族元素(3族元素)のうち少なくとも1種からなる元素群RE2であって、上記第1元素群RE1をなす元素群のうち少なくとも1種を含む元素群を第2元素群RE2とし、4A,5A,6A,7A及び8族元素(4族元素〜10族元素)のうち少なくとも1種及びAlからなる元素群をMとしたとき、ABOと表記されるペロブスカイト構造を有し、(RE21−aSr)MOで表される第2結晶相をも含んでいることが判る。
さらに、この第2結晶相における係数aは、0.18<a<0.50の範囲内となっている。
なお、第2元素群RE2の本実施例における具体例も、YとYb、YとLu、YとYbとLu、あるいはNdとYbである。また、元素群Mは、具体的には、Al,Mn,Fe及びCrである。
さらに、実施例1〜6及び実施例7〜12では、この第2結晶相における元素群Mは、Al,Mn及びCrついて、第2結晶相を(RE21−aSr)(AlMnCr)Oと表記したとき、各係数x,y,zについて、以下を満たしている範囲となっている。
0.40≦x≦0.90
0.05≦y≦0.60
0<z≦0.05
0.90≦x+y+z≦1.1
そして、実施例1〜6及び実施例7〜12の組成を有する導電性酸化物焼結体1を用いたサーミスタ素子2では、B定数:B(-40〜600)が、B(-40〜600)=2000K以下(具体的には、B(-40〜600)=1800〜2000K)の、従来に比して相対的に低い値となることが判る。このようなB定数を有する、実施例1〜6及び実施例7〜12の導電性酸化物焼結体1を用いたサーミスタ素子2では、−40℃の低温下から600℃までの広い範囲にわたり、適切な抵抗値を有し、適切に温度測定が可能となる。
一方、比較例1〜3は、いずれも、B定数:B(-40〜600)が、B(-40〜600)=2500K以上の大きさとなった。
このうち、比較例1では、その組成中に、Y,Yb,Alが含まれている(表1の比較例1参照)が、先ずもって、第1結晶相((Y,Yb)Al)が生成されていない(図3参照)。さらに、係数aが、a=0.15≦0.18であり、0.18<a<0.50の範囲を外れている。
また、比較例2においても、その組成中に、Y,Alが含まれている(表1の比較例2参照)が、第1結晶相あるいはこれに類似の(YAl)の生成が確認できていない。さらに、係数aが、a=0.11≦0.18であり、0.18<a<0.50の範囲を外れている。
さらに、比較例3でも、第1結晶相が形成されておらず(図4参照)、また、係数aが、a=0.10≦0.18であり、0.18<a<0.50の範囲を外れている。
比較例1〜3では、このような違いを有するため、B定数が大きくなったものと考えられる。
一方、比較例4では、係数a=0.17としているため、B定数が、B(-40〜600)=2116Kとなっている。このことから、B定数を、B(-40〜600)<2000Kとするのには、係数aを、a>0.18とすることが良いことが判る。
以上から、上述の第1結晶相の存在と、第2結晶相における係数aの範囲が上述の範囲(0.18<a<0.50)を満たすもの(実施例1〜16)は、いずれもB定数が、2000K以下の低い値となり得ることがわかる。
特に、比較例3では、実施例3と、焼成温度を異ならせた点のみが異なっている。
この点から、焼成温度を調整することにより、特異的に第1結晶相:例えば(Y,Yb)Alを生成させ得ると考えられる。
ついで、本実施例に係るサーミスタ素子2を用いた温度センサ100の構成について、図7を参照して説明する。この温度センサ100は、サーミスタ素子2を感温素子として用いるものであり、この温度センサ100を自動車の排気管の取付部に装着して、サーミスタ素子2を排気ガスが流れる排気管内に配置して、排気ガスの温度検出に使用するものである。
温度センサ100のうち、軸線に沿う方向(以下、軸線方向ともいう)に延びる金属チューブ3は、先端部31側(図7中、下方)が閉塞した有底筒状をなしており、この先端部31の内側に本実施例のサーミスタ素子2を収納してなる。この金属チューブ3は、予め熱処理が施されており、その外側面及び内側面が酸化されて酸化皮膜に覆われている。金属チューブ3の内側でサーミスタ素子2の周囲には、セメント10が充填されて、サーミスタ素子2を固定している。金属チューブ3の後端32は開放されており、この後端32部分は、フランジ部材4の内側に圧入、挿通されている。
フランジ部材4は、軸線方向に延びる筒状の鞘部42と、この鞘部42の先端側(図7中、下方)に位置し、この鞘部42よりも大きい外径を有して径方向外側に突出するフランジ部41とを備えている。フランジ部41の先端側には、排気管の取付部とシールを行うテーパ状の座面45を有している。また、鞘部42は、先端側に位置する先端側鞘部44とこれよりも径小の後端側鞘部43とからなる二段形状をなしている。
そして、フランジ部材4内に圧入された金属チューブ3は、その外周面が後端側鞘部43と周方向全周に亘り部位L1でレーザ溶接されることで、フランジ部材4に強固に固定されている。また、フランジ部材4の先端側鞘部44には、概略円筒形状の金属カバー部材6が圧入され、周方向全周に亘り部位L2でレーザ溶接されて、気密状態で接合されている。
また、フランジ部材4及び金属カバー部材6の周囲には、六角ナット部51およびネジ部52を有する取り付け部材5が回動自在に嵌挿されている。本実施例の温度センサ100は、排気管(図示しない)の取付部にフランジ部材4のフランジ部41の座面45を当接させ、取り付け部材5を取付部に螺合させることにより、排気管に固定する。
金属チューブ3、フランジ部材4および金属カバー部材6の内側には、一対の芯線7を内包するシース部材8が配置されている。このシース部材8は、金属製の外筒と、導電性の一対の芯線7と、外筒内に充填され外筒と各芯線7との間を絶縁しつつ芯線7を保持する絶縁粉末とから構成されている。なお、このシース部材8の外筒にも熱処理により、予め酸化皮膜が形成されている。金属チューブ3の内部においてシース部材8の外筒の先端から(図中下方に)突出する芯線7には、サーミスタ素子2の電極線2a,2bがレーザ溶接により接続されている。
一方、シース部材8から後端側に突き出した芯線7は、加締め端子11を介して一対のリード線12に接続されている。芯線7同士及び加締め端子11同士は、絶縁チューブ15により互いに絶縁されている。
この一対のリード線12は、金属カバー部材6の後端部内側に挿入された弾性シール部材13のリード線挿通孔を通って、金属カバー部材6の内側から外部に向かって引き出され、外部回路(図示しない。例えば、ECU)と接続するためのコネクタ21の端子部材に接続されている。これにより、サーミスタ素子2の出力は、シース部材8の芯線7からリード線12、コネクタ21を介して図示しない外部回路に取り出され、排気ガスの温度が検出される。リード線12には、飛石等の外力から保護するためのガラス編組チューブ20が被せられており、このガラス編組チューブ20は、自身の先端部が弾性シール部材13と共に金属カバー部材6に加締め固定されている。
このような構造を有する温度センサ100では、前述の導電性酸化物焼結体1からなるサーミスタ素子2を用いているので、自動車エンジンの排気ガスの温度について、−40℃の低温下から600℃の高温までの広い領域に亘り、適切に温度を測定することができる温度センサとなる。
また、この温度センサ100では、検出回路において適切なプルアップ抵抗を選択することにより、例えば、温度センサ100に5Vの電圧を印加した場合、その出力を、−40℃〜+600℃の範囲において、4.8V〜0.2Vの変化範囲に収めることができる。このため、この出力を、最大入力電圧が5Vの回路に入力する場合でも、適切に温度検知ができる。その上、温度センサ100(サーミスタ素子2)の低温時(−40℃)でも、出力が4.8V程度となり、5.0Vにまで至らないため、断線との差異を知ることができ、断線検知を容易にかつ正確に行いうる。また、同じく、高温時(+600℃)でも、出力が0.2V程度となり、0Vに至らないため、短絡との差異を知ることができ、容易かつ正確に短絡検知を行うことができる。
以上において、本発明を実施例に即して説明したが、本発明は上記実施例に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で、適宜変更して適用できることはいうまでもない。
導電性酸化物焼結体(サーミスタ素子)の製造において、原料粉末としては、各実施例において例示した各元素を含む化合物の粉末を使用することができる。そのほか、酸化物、炭酸塩、水酸化物、硝酸塩等の化合物を用いることができる。なお、特に酸化物、炭酸塩を用いるのが好ましい。
また、導電性酸化物焼結体の焼結性、B定数、温度特性の高温耐久性など、導電性酸化物焼結体、サーミスタ素子、あるいは温度センサに要求される特性を損なわない範囲で、導電性酸化物焼結体に、Na,K,Ga,Si,C,Cl,S等の他の成分を含有していてもよい。
1 導電性酸化物焼結体
1b 耐還元性被膜
2 サーミスタ素子
2a,2b 電極線
100 温度センサ

Claims (8)

  1. Yb,Luの少なくともいずれか、及び、Yb,Lu,Laを除く3A族元素のうち少なくとも1種からなる元素群を第1元素群RE1とし、
    Laを除く3A族元素のうち少なくとも1種からなる元素群RE2であって、上記第1元素群RE1をなす元素群のうち少なくとも1種を含む元素群を第2元素群RE2とし、 4A,5A,6A,7A及び8族元素のうち少なくとも1種からなる元素群をM1とし、
    上記元素群M1及びAlからなる元素群をMとし、
    Sr,Ca,Mgのうち、少なくともSrをモル比で主として含む元素群をSLとしたとき、
    RE14Al29と表記される組成を有する第1結晶相と、
    (RE21-aSLa)MO3と表記されるペロブスカイト構造を有する第2結晶相と、
    を含み、
    上記第2結晶相の係数aが、0.18<a<0.50の範囲であり、
    前記元素群M1は、少なくともMn,Feのいずれか、及びCrを含み、
    前記第2結晶相を、(RE2 1-a SL a )(Al x M1 w )O 3 と表記したとき、
    係数x,wが以下を満たしてなる
    導電性酸化物焼結体。
    0.40≦x≦0.90
    0.05≦w≦0.65
    0.90≦x+w≦1.1
  2. 請求項1に記載の導電性酸化物焼結体であって、
    前記元素群SLは、Srである
    導電性酸化物焼結体。
  3. 請求項1または請求項2に記載の導電性酸化物焼結体であって、
    前記元素群M1は、少なくともMn及びCrを含む
    導電性酸化物焼結体。
  4. 請求項1〜請求項3のいずれか1項に記載の導電性酸化物焼結体であって、
    前記元素群M1は、Mn及びCrを含み、
    前記第2結晶相を、(RE21-aSLa)(AlxMnyCrz)O3と表記したとき、
    係数x,y,zが以下を満たしてなる
    導電性酸化物焼結体。
    0.40≦x≦0.90
    0.05≦y≦0.60
    0<z≦0.05
    0.90≦x+y+z≦1.1
  5. Yb,Luの少なくともいずれか、及び、Yb,Lu,Laを除く3A族元素のうち少なくとも1種からなる元素群を第1元素群RE1とし、
    Laを除く3A族元素のうち少なくとも1種からなる元素群RE2であって、上記第1元素群RE1をなす元素群のうち少なくとも1種を含む元素群を第2元素群RE2とし、
    4A,5A,6A,7A及び8族元素のうち少なくとも1種及びAlからなる元素群をMとしたとき、
    RE14Al29と表記される組成を有する第1結晶相と、
    (RE21-aSra)MO3と表記されるペロブスカイト構造を有する第2結晶相と、
    を含み、
    上記第2結晶相の係数aが、0.18<a<0.50の範囲であり、
    前記元素群Mは、Al,Mn及びCrを含み、
    前記第2結晶相を、(RE2 1-a Sr a )(Al x Mn y Cr z )O 3 と表記したとき、
    係数x,y,zが、以下を満たしてなる
    導電性酸化物焼結体。
    0.40≦x≦0.90
    0.05≦y≦0.60
    0<z≦0.05
    0.90≦x+y+z≦1.1
  6. 請求項1〜請求項5のいずれか1項に記載の導電性酸化物焼結体を用いてなる
    サーミスタ素子。
  7. 請求項1〜請求項5のいずれか1項に記載の導電性酸化物焼結体と、
    上記導電性酸化物焼結体を被覆する耐還元性の耐還元性被膜と、を備える
    サーミスタ素子。
  8. 請求項6または請求項7に記載のサーミスタ素子を用いてなる
    温度センサ。
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