JPH01213567A - Oxygen detecting element - Google Patents

Oxygen detecting element

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JPH01213567A
JPH01213567A JP63038893A JP3889388A JPH01213567A JP H01213567 A JPH01213567 A JP H01213567A JP 63038893 A JP63038893 A JP 63038893A JP 3889388 A JP3889388 A JP 3889388A JP H01213567 A JPH01213567 A JP H01213567A
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catalyst
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solid electrolyte
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美濃羽 健
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塩見 治久
Toshihiko Aoyama
青山 俊彦
Yasuhiro Ujita
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Abstract

PURPOSE:To obtain a high-accuracy element which is less deteriorated in performance by the synergistic effect of 2 layers; a protective layer of a physical filter for detecting gas particles, etc., a thin catalyst film layer of a chemical filter for a material to be positioned, etc., and a porous catalyst carrying layer which equilibrates gases. CONSTITUTION:The oxygen detecting element 10 is constituted of a bag-shaped solid electrolyte body 20 consisting of ZnO2 partially stabilized by Y2O3, a porous reference gas side electrode 30 provided on the inside surface thereof, and a porous detecting gas side electrode 40 provided on the outside surface of the solid electrolyte body 20. The catalyst carrying layer 50 of a porous heat resistant metal oxide carrying platinum which is a catalyst, the porous thin catalyst film layer 60 consisting of platinum, and the protective layer 70 consisting of a porous spinel layer are successively laminated on the detecting gas side electrode 40 in the front end direction of the solid electrolyte body 20 to be exposed to the detecting gas. The deterioration in performance by the material to be positioned is thus decreased and the correct measurement of an air-fuel ratio is enabled by the synergistic effect of the three layers.

Description

【発明の詳細な説明】 [産業上の利用分野] 本発明は、例えは内燃機関や各種燃焼機器等の排ガス中
の酸素)温度の測定する酸素検出素子に関する。
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION [Industrial Application Field] The present invention relates to an oxygen detection element for measuring the temperature of oxygen in exhaust gas of, for example, an internal combustion engine or various types of combustion equipment.

[従来の技術] 従来より、内燃機関や各種燃焼機器等の空燃比を制御す
るために、排ガス等の検出ガス中の酸素濃度を検出する
酸素検出素子が用いられている。
[Prior Art] Conventionally, oxygen detection elements have been used to detect the oxygen concentration in detection gas such as exhaust gas in order to control the air-fuel ratio of internal combustion engines, various combustion devices, and the like.

このような酸素検出素子として、ジルコニア等の酸素イ
オン伝導性固体電解質体の一方の面に大気等の基準酸素
源に晒される基準ガス側多孔質電極を設けると共に、他
方の面に周囲雰囲気に晒される検出ガス側多孔質電極を
設けたものがある。
As such an oxygen detection element, a reference gas side porous electrode is provided on one surface of an oxygen ion conductive solid electrolyte body such as zirconia that is exposed to a reference oxygen source such as the atmosphere, and the other surface is provided with a reference gas side porous electrode that is exposed to the ambient atmosphere. Some devices are equipped with a porous electrode on the detection gas side.

この酸素検出素子は、排ガス等の検出ガス中の酸素濃度
と、基準ガス中の酸素濃度との差に応じて起電力を生じ
る。そして、この起電力により、検出ガス中の酸素ガス
分圧を検出する。
This oxygen detection element generates an electromotive force depending on the difference between the oxygen concentration in a detection gas such as exhaust gas and the oxygen concentration in a reference gas. Then, the partial pressure of oxygen gas in the detection gas is detected using this electromotive force.

しかし、上記・排ガスは一般的に非平衡、即ち未燃焼成
分と酸素とが共存する状態であり、そのままでは徘ガス
中の空燃比を正しく測定することはできない。
However, the above-mentioned exhaust gas is generally non-equilibrium, that is, in a state where unburned components and oxygen coexist, and the air-fuel ratio in the wandering gas cannot be accurately measured as it is.

そのため、上記酸素検出素子の検出ガス側多孔買電極近
傍には、排ガスの平衡化を促進する白金族元素からなる
触媒層が以下のようにして設けられている。
Therefore, a catalyst layer made of a platinum group element that promotes equilibration of exhaust gas is provided in the vicinity of the detection gas side porous buying electrode of the oxygen detection element as follows.

■ 検出ガス側多孔質電極を白金等の触媒を担持した耐
熱性金属酸化物の多孔質層で覆う(特公昭57−181
46.特公昭57−34900.特開昭62−2451
48 。
■ The porous electrode on the detection gas side is covered with a porous layer of heat-resistant metal oxide supporting a catalyst such as platinum (Japanese Patent Publication No. 57-181
46. Tokuko Sho 57-34900. Japanese Patent Publication No. 62-2451
48.

特開昭61−153561等)。JP-A No. 61-153561, etc.).

■ 検出ガス側多孔質電極を耐熱性金属酸化物の多孔質
層で覆い、ざらに該多孔質層を白金等の触媒からなる多
孔質の触媒薄膜層で覆う(特開昭55−13828等)
■ The porous electrode on the detection gas side is covered with a porous layer of heat-resistant metal oxide, and the porous layer is roughly covered with a porous catalyst thin film layer made of a catalyst such as platinum (JP-A-55-13828, etc.).
.

[発明が解決しようとする課題] 上記■のように、多孔質層に触媒を担持させると、触媒
を広範囲に分散させることができ、触媒と排ガスの接触
が良くなると共に、触媒の使用量が少なくなる。
[Problems to be Solved by the Invention] As mentioned in (2) above, when a catalyst is supported on a porous layer, the catalyst can be dispersed over a wide range, improving contact between the catalyst and exhaust gas, and reducing the amount of catalyst used. It becomes less.

しかし、排ガス中に鉛等の触媒に対する被毒物質が大量
に存在すると、触媒の性能劣化が著しく、正しい空燃比
を検出できなくなる。また、場合によってはこの被毒物
質と触媒が反応して低融点化合物等を生成する等の原因
により、触媒を担持している多孔質層が崩壊することも
ある。また、この性能劣化を少なくするためには、触媒
の使用量を増加すれは良いが、担持層の気孔率を低下さ
せたり、触媒の使用量が多くなる。
However, if a large amount of substances such as lead that poison the catalyst are present in the exhaust gas, the performance of the catalyst will deteriorate significantly, making it impossible to detect the correct air-fuel ratio. Further, in some cases, the porous layer supporting the catalyst may collapse due to a reaction between the poisonous substance and the catalyst to produce a low-melting compound or the like. Further, in order to reduce this performance deterioration, it is good to increase the amount of catalyst used, but this may lower the porosity of the support layer or increase the amount of catalyst used.

また、上記■のように、触ILI!:薄膜層を使用する
と、被毒物質に対する性能劣化は減少する。
Also, like ■ above, touch ILI! :Using a thin film layer reduces performance degradation against poisonous substances.

しかし、アクセルの踏み込み等によって、検出ガスの流
速が速くなったり、あるいは検出ガスの空燃比が急激に
大きく変化する場合には、十分な触媒作用を果たすこと
ができず、正しい空燃比を測定することができなくなる
However, if the flow rate of the detected gas increases or the air-fuel ratio of the detected gas suddenly changes due to pressing the accelerator, etc., sufficient catalytic action may not be achieved, making it difficult to measure the correct air-fuel ratio. I won't be able to do that.

本発明は、被毒物質に対する性能劣化が少ないと共に、
検出ガスの流速、空燃比が変化しても正しい空燃比を検
出することを課題としてなされた。
The present invention has little performance deterioration against poisonous substances, and
The objective was to detect the correct air-fuel ratio even if the flow velocity of the detected gas and the air-fuel ratio changed.

[課題を解決するための手段] 上記課題を解決する本発明の要旨は、 酸素イオン伝導性を有する固体電解質体と、該固体電解
質体の一方の面に設けられた基準ガス側多孔質電極と、 上記固体電解質体の他方の面に設けられ、周囲雰囲気に
晒される検出ガス側多孔質電極と、該検出ガス側多孔質
電極に積層され、白金族元素からなる触媒を担持した耐
熱性金属酸化物からなる多孔質触媒担持層と、 該多孔質触媒担持層に積層され、白金族元素の多孔質薄
膜からなる触媒薄膜層と、 該触媒薄膜層に積層され、耐熱性金属酸化物からなる保
護層と を備えたことを特徴とする酸素検出素子にある。
[Means for Solving the Problems] The gist of the present invention for solving the above problems is as follows: a solid electrolyte body having oxygen ion conductivity; a reference gas side porous electrode provided on one surface of the solid electrolyte body; , a detection gas side porous electrode provided on the other surface of the solid electrolyte body and exposed to the ambient atmosphere, and a heat-resistant metal oxide layered on the detection gas side porous electrode and supporting a catalyst made of a platinum group element. a porous catalyst support layer made of a porous catalyst support layer, a catalyst thin film layer laminated on the porous catalyst support layer and made of a porous thin film of a platinum group element, and a protection layer laminated on the catalyst thin film layer and made of a heat-resistant metal oxide. An oxygen detection element characterized by comprising a layer.

ここで、上記酸素イオン伝導性を有する固体電解質体の
材料としては、ジルコニアとイツトリアあるいはカルシ
ア等との固溶体が代表的なものであり、その他二酸化セ
リウム、二酸化トリウム、二酸化ハフニウムの各固溶体
、ベロアスカイト型酸化物固溶体、3価金属酸化物固溶
体等が使用可能である。
Here, typical materials for the solid electrolyte body having oxygen ion conductivity include solid solutions of zirconia and yttoria or calcia, and solid solutions of cerium dioxide, thorium dioxide, hafnium dioxide, and velor sky. A solid solution of a trivalent metal oxide, a solid solution of a trivalent metal oxide, etc. can be used.

また、多孔質電極の材料としては、白金、金等を用いる
ことができ、これらは、多孔質電極の材料粉末を主成分
としてペースト化し厚膜技術を用いて印刷後、焼結して
多孔質電極を形成したり、フレーム溶射あるいは化学メ
ツキもしくは蒸着などの薄膜技術を用いて多孔質電極に
形成することができる。
In addition, platinum, gold, etc. can be used as the material for the porous electrode, and these are made into a paste with the material powder of the porous electrode as the main component, printed using thick film technology, and then sintered to form the porous electrode. The electrodes can be formed into porous electrodes using thin film techniques such as flame spraying or chemical plating or vapor deposition.

多孔質触媒担持層あるいは保護層を構成する耐熱性金属
酸化物としては、スピネル(MgO・AQ203)、ア
ルミナ(AQ203)等を使用することができる。
As the heat-resistant metal oxide constituting the porous catalyst support layer or the protective layer, spinel (MgO.AQ203), alumina (AQ203), etc. can be used.

多孔質触媒担持層に担持あるいは触媒薄膜層を構成する
触媒としては白金族元素が用いられる。
A platinum group element is used as the catalyst supported on the porous catalyst support layer or forming the catalyst thin film layer.

この白金族元素とは、ルテニウム(Ru)、ロジウム(
Rh)、パラジウム(Pd)、オスミウム(O8)およ
び白金(Pt)を指す。
These platinum group elements include ruthenium (Ru), rhodium (
Rh), palladium (Pd), osmium (O8) and platinum (Pt).

多孔質触媒担持層は、上記の如き耐熱性金属酸化物から
なる多孔質層をプラズマ[8=lにより検出ガス側の多
孔質電極上に形成してから、上記触媒成分を含む溶)夜
、例えは、塩化白金酸溶液をこの多孔質層に滴下、焼成
する方法や、あるいは、耐熱性金属酸化物粉末と触媒成
分粉末とを混合したスラリー、例えば、γ−AQ203
粉末と白金粉末とを混合したスラリーを固体電解質体上
に塗布、焼成する方法によって、形成される。
The porous catalyst supporting layer is formed by forming a porous layer made of the above-mentioned heat-resistant metal oxide on the porous electrode on the detection gas side using plasma [8=1], and then applying a solution containing the above-mentioned catalyst component to the porous electrode at night. For example, a method of dropping a chloroplatinic acid solution onto this porous layer and firing it, or a slurry of a mixture of a heat-resistant metal oxide powder and a catalyst component powder, such as γ-AQ203
It is formed by applying a slurry of a mixture of powder and platinum powder onto a solid electrolyte body and firing it.

また、触11!薄膜層は、上記多孔質触媒担持層にプラ
ズマ溶射によって上記触媒成分の多孔質薄膜として形成
したり、あるいは上記触媒成分を含むペーストを多孔質
触媒担持層上に塗布、焼成して多孔質薄膜として形成さ
れる。
Also, touch 11! The thin film layer can be formed as a porous thin film of the catalyst component by plasma spraying on the porous catalyst support layer, or a porous thin film can be formed by applying a paste containing the catalyst component onto the porous catalyst support layer and baking it. It is formed.

保護層は、上記触媒薄膜層に積層されるものであって、
プラズマ溶射による多孔質層あるいは上記耐熱性金属酸
化物を含むスラリーの塗布、焼成による多孔質層として
形成される。
The protective layer is laminated on the catalyst thin film layer,
It is formed as a porous layer by plasma spraying or by coating and baking a slurry containing the heat-resistant metal oxide.

[作用・効果] 本発明の酸素検出素子は、検出ガス中の粒子等に対する
物理的フィルターとして作用する保護層と、検出ガス中
の被毒物質等に対する化学的フィルターとして作用する
触媒薄膜層と、検出ガスを平衡化する作用を有している
多孔質触媒担持層とを積層して有している。
[Function/Effect] The oxygen detection element of the present invention includes a protective layer that acts as a physical filter for particles, etc. in the detection gas, a catalyst thin film layer that acts as a chemical filter for poisonous substances, etc. in the detection gas, It has a laminated layer with a porous catalyst support layer that has the function of equilibrating the detected gas.

したがって、本発明は、これら3層の相乗効果により、
被毒物質に対する性能劣化が少なく、また未燃焼成分を
大量に含む検出ガスでも正しい空燃比を測定する酸素検
出素子となる。
Therefore, the present invention has the synergistic effect of these three layers,
The oxygen detection element has little performance deterioration with respect to poisonous substances and can measure the correct air-fuel ratio even with detection gas containing a large amount of unburned components.

[実施例コ 本発明の第1実施例を、第1図にしたがって説明する。[Example code] A first embodiment of the present invention will be described with reference to FIG.

本実施例は、袋状の酸素検出素子10に本発明を適用し
たものである。
In this embodiment, the present invention is applied to a bag-shaped oxygen detection element 10.

酸素検出素子10は、Y2O3で部分安定化されたZ 
r 02からなる袋状の固体電解質体20、固体電解質
体20の内面に設けられた多孔質の基準ガス側電極30
、固体電解質体20の外面に設けられた多孔質の検出ガ
ス側電極40を備える。
The oxygen detection element 10 is made of Z partially stabilized with Y2O3.
A bag-shaped solid electrolyte body 20 made of r02, a porous reference gas side electrode 30 provided on the inner surface of the solid electrolyte body 20
, a porous detection gas side electrode 40 provided on the outer surface of the solid electrolyte body 20.

そして、固体電解質体20の検出ガスに晒される先端方
向の検出ガス側電極40には、触媒である白金を担持し
た多孔質の耐熱性金属酸化物(スピネル)の触媒担持層
50、触媒である白金よりなる多孔質の触bX薄膜層6
0、多孔質のスピネル層よりなる保護層70が順次積層
されている。
The detection gas side electrode 40 in the distal end direction exposed to the detection gas of the solid electrolyte body 20 is provided with a catalyst support layer 50 of a porous heat-resistant metal oxide (spinel) supporting platinum, which is a catalyst. Porous bX thin film layer 6 made of platinum
0. Protective layers 70 made of porous spinel layers are sequentially laminated.

上記の如き、酸素検出素子10は、例えば、以下のよう
にして製造される。
The oxygen detection element 10 as described above is manufactured, for example, as follows.

■ Y2O3で部分安定化される組成に調整されたジル
コニア粉末を第1図に示す袋状に成形して、1450〜
1500℃の範囲で焼成し、固体電解質体20を製造す
る。
■ Zirconia powder adjusted to a composition that is partially stabilized with Y2O3 is molded into the bag shape shown in Figure 1, and
The solid electrolyte body 20 is manufactured by firing at a temperature of 1500°C.

■ 固体電解質体20の内表面に、無電解メツキ法を用
いて白金よりなる多孔質の基準ガス側電極30を形成す
ると共に、固体電解質体20の外表面に同じく無電解メ
ツキ法を用いて白金よりなる多孔質の検出ガス側電極4
0を形成する。
■ A porous reference gas side electrode 30 made of platinum is formed on the inner surface of the solid electrolyte body 20 using an electroless plating method, and platinum is formed on the outer surface of the solid electrolyte body 20 using the same electroless plating method. A porous detection gas side electrode 4 made of
form 0.

■ 検出ガス側電極40上に、プラズマ溶射法により約
50〜100μmの厚みでスピネルからなる多孔質層を
形成する。そしてこの多孔質層に、白金濃度換算で0.
02g/Qに調整した塩化白金酸溶液を浸漬し、触媒担
持層50を形成する。
(2) A porous layer of spinel with a thickness of approximately 50 to 100 μm is formed on the detection gas side electrode 40 by plasma spraying. This porous layer has a platinum concentration of 0.
A catalyst supporting layer 50 is formed by dipping in a chloroplatinic acid solution adjusted to 0.02 g/Q.

■ 触媒担持層50上に、白金をターゲツト板としたス
パッタリング法により、白金の蒸着を行い、多孔質の触
媒薄IN層60を形成する。
(2) Platinum is deposited on the catalyst support layer 50 by sputtering using platinum as a target plate to form a porous catalyst thin IN layer 60.

■ 触媒薄膜層60の上に、上記■と同じく、プラズマ
溶射法により約50〜100 u mの厚みでスピネル
からなる多孔質の保護層70を形成する。
(2) On the catalyst thin film layer 60, a porous protective layer 70 made of spinel is formed with a thickness of about 50 to 100 um by the plasma spraying method in the same manner as in (1) above.

尚、多孔質の電極30.40は、上記■の無電解メツキ
法以外の方法で形成することも可能であり、例えば、電
気メツキ、蒸着、ペースト焼付は等の方法を用いてもよ
い。また、電極30.40の材料としては白金だけでな
く、例えば金、パラジウム等信の材料を使用することも
可能である。
The porous electrodes 30, 40 can also be formed by a method other than the electroless plating method (2) above, such as electroplating, vapor deposition, paste baking, etc. Further, as the material for the electrodes 30 and 40, it is also possible to use not only platinum but also other metals such as gold and palladium.

また、多孔質の電極30.40と固体電解質体20との
結合を強固にし、電極30.40を安定に形成するため
に、固体電解質体20の表面を凸凹にしてもよい。
Further, in order to strengthen the bond between the porous electrode 30.40 and the solid electrolyte body 20 and to form the electrode 30.40 stably, the surface of the solid electrolyte body 20 may be made uneven.

さらに、検出ガス側電極40上の触媒担持層50、保護
層70は、スピネル粉末のプラズマ溶射法以外に、アル
ミナ、チタニア等の泥壁の塗布焼付は等の方法によって
形成してもよい。
Further, the catalyst supporting layer 50 and the protective layer 70 on the detection gas side electrode 40 may be formed by a method other than the plasma spraying method using spinel powder, such as coating and baking a mud wall made of alumina, titania, or the like.

また、触媒担持層50.触媒薄膜層60の触媒は、目的
によっては白金族元素のうち一種または2種以上の混合
物を用いても良い。
Further, the catalyst supporting layer 50. The catalyst of the catalyst thin film layer 60 may be one type or a mixture of two or more platinum group elements depending on the purpose.

さらに、触媒担持層50への触媒の担持は、上記■のよ
うに単に浸漬するだけでなく、真空引を併用してもよい
Further, the catalyst may be supported on the catalyst support layer 50 by not only simple immersion as in (2) above, but also vacuum evacuation.

また、触媒薄膜層60は、上記■のようなスパッタリン
グ法以外に白金族元素の有機化合物溶液を高粘度に調整
して塗布焼成してもよい。さらに、この有機化合物溶液
に有機性の微粒の焼成焼失性物質を添加するとN’B層
がより多孔化しやすい。
Further, the catalyst thin film layer 60 may be formed by coating and baking a solution of an organic compound of a platinum group element adjusted to a high viscosity, in addition to the sputtering method as described in (2) above. Furthermore, if fine particles of organic material that can be burned out by firing are added to this organic compound solution, the N'B layer is more likely to become porous.

さらに、本実施例の酸素検出素子IOを使用する際に、
内部にセラミックヒータ等の発熱体を挿入し、酸素検出
素子10を所望の温度に加熱するようにしてもよい。
Furthermore, when using the oxygen detection element IO of this example,
A heating element such as a ceramic heater may be inserted inside to heat the oxygen detection element 10 to a desired temperature.

本発明の第2実施例を、第2図にしたがって説明する。A second embodiment of the present invention will be described with reference to FIG.

本実施例の酸素検出素子110は、中空状の筒体120
に固体電解質体130カ月巷回された構造となっている
The oxygen detection element 110 of this embodiment has a hollow cylindrical body 120.
It has a structure in which the solid electrolyte body was circulated for 130 months.

本酸素検出素子110の構成を製造法と共に説明する。The configuration of the present oxygen detection element 110 will be explained together with the manufacturing method.

■ Y2O3で部分安定化される組成に調整されたジル
コニア粉末を有機樹脂と混合し、ドクターブレード法に
より、固体電解質体130となる厚み約0.25mmの
ジルコニアグリーンシートを作成する。
(2) Zirconia powder adjusted to a composition partially stabilized with Y2O3 is mixed with an organic resin, and a zirconia green sheet with a thickness of about 0.25 mm, which will become the solid electrolyte body 130, is created by a doctor blade method.

■ このジルコニアグリーンシートの表裏面に、多孔質
の基準ガス側電極140.検出ガス側電極150となる
電極パターンを、白金を主成分とするペーストをスクリ
ーン印刷することにより形成する。
■ Porous reference gas side electrodes 140. The electrode pattern that will become the detection gas side electrode 150 is formed by screen printing a paste containing platinum as a main component.

■ 検出ガス側電極150の電極パターンに重ねて、1
%の白金粉末を含有するアルミナペーストからなり、多
孔質の触媒担持層160となるパターンをスクリーン印
刷により約to u mのIII厚で積層する。
■ Overlap the electrode pattern of the detection gas side electrode 150,
A pattern of porous catalyst support layer 160 made of alumina paste containing 100% platinum powder is laminated by screen printing to a thickness of about 3 m.

■ 触媒担持層160となる層ζこ重ねて、ロジウム粉
末を主成分とするペーストからなり、多孔質の触媒F’
dFA層170となるパターンをスクリーン印刷により
約3umの膜厚で積層する。
■ Layer ζ, which becomes the catalyst support layer 160, is layered with a porous catalyst F' made of a paste containing rhodium powder as a main component.
A pattern that will become the dFA layer 170 is laminated to a thickness of about 3 um by screen printing.

■ 触媒薄膜層170となる層に重ねて、アルミナを主
成分とするペーストからなり、多孔質の保護層180と
なるパターンをスクリーン印刷により約15umの膜厚
で積層する。
(2) Overlying the layer that will become the catalyst thin film layer 170, a pattern that will become the porous protective layer 180 made of paste containing alumina as a main component is laminated to a thickness of about 15 um by screen printing.

■ さらに、固体電解質体130の検出ガス側の面に、
アルミナを主成分とするペーストをスクリーン印刷する
ことによって形成され獄窓な絶縁層190となる層を介
して、白金を主成分とするペーストからなり発熱体20
0となる電極パターンをスクリーン印刷により印刷する
。そして、この発熱体200の保護層210となる層を
アルミナを主成分とするペーストをスクリーン印刷する
ことによって形成する。
■ Furthermore, on the detection gas side surface of the solid electrolyte body 130,
A heating element 20 made of a paste mainly composed of platinum is inserted through a layer which is formed by screen printing a paste mainly composed of alumina and becomes an insulating layer 190.
An electrode pattern with a value of 0 is printed by screen printing. A layer that will become the protective layer 210 of the heating element 200 is formed by screen printing a paste containing alumina as a main component.

■ 連通孔220を有するジルコニアの筒体120の一
端に蓋230を接着する。そして、このジルコニアの筒
体120に、ジルコニアのペーストよりなる接着層24
0を介して、上記■〜■で製造された積層体を捲回固着
する。
(2) Glue a lid 230 to one end of the zirconia cylinder 120 having the communication hole 220. Then, on this zirconia cylinder 120, an adhesive layer 24 made of zirconia paste is applied.
The laminates produced in steps (1) to (3) above are wound and fixed through a wire.

■ 上記■で製造されたものを、1450〜1500℃
で一体同時焼成を行い、酸素検出素子110を得る。
■ The product manufactured in the above ■ is heated to 1450 to 1500℃.
The oxygen detection element 110 is obtained by performing integral simultaneous firing.

尚、上記■〜■で製造される積層体は、1個分づつ製造
してもよいが、複数個分の積層体をまとめて製造した後
に、1個分づつ切断して筒体120に捲回してもよい。
Note that the laminates manufactured in steps (1) to (3) above may be manufactured one by one, but after manufacturing a plurality of laminates at once, the laminates are cut one by one and rolled around the cylinder 120. You can turn it.

本発明の第3実施例を説明する。A third embodiment of the present invention will be described.

本実施例の酸素検出素子は、触媒薄膜Nζこ積層される
保護層の構成が異なる以外は第2実施例と同様の構成で
あるので説明を省略する。
The oxygen detection element of this embodiment has the same structure as the second embodiment except for the structure of the protective layer laminated on the catalyst thin film Nζ, so the explanation will be omitted.

本酸素検出素子は、第2実施例における保護層180を
積層せずに成形、焼結されたものの先端部近傍に保護層
としてスピネル層を溶射によって形成している。
This oxygen detection element is formed and sintered without laminating the protective layer 180 in the second embodiment, but a spinel layer is formed as a protective layer near the tip by thermal spraying.

ついで、以下の第1比較例〜第4比較例の酸素検出素子
を作成し、上記第1実施例〜第3実施例の酸素検出素子
とあわせて後述の実験1〜実験4を行い、その結果を表
に記載した。
Next, oxygen detection elements of the following first to fourth comparative examples were created, and experiments 1 to 4 described below were conducted together with the oxygen detection elements of the first to third examples, and the results were are listed in the table.

第1比較例 袋状固体電解質体300と、多孔質の基準カス側電極3
10と、多孔質の検出ガス側電極320と、検出ガス側
電極320に積層されたスピネルの多孔質層330とか
らなる酸素検出素子(第3図参照)。
First Comparative Example Bag-shaped solid electrolyte body 300 and porous reference waste side electrode 3
10, a porous detection gas side electrode 320, and a spinel porous layer 330 laminated on the detection gas side electrode 320 (see FIG. 3).

第2比較例 上記第1比較例と同様の構造であるが、多孔質層330
に白金が担持されている点が異なる酸素検出素子。
Second Comparative Example Same structure as the first comparative example, but with porous layer 330
An oxygen sensing element that differs in that platinum is supported on it.

第3比較例 袋状固体電解質体400と、多孔質の基準ガス側電極4
10と、多孔質の検出ガス側電極420と、検出ガス側
電極420に積層された白金が担持されたアルミナの触
媒担持層430と、さらに触媒担持層430に積層され
たスピネルの保護層440とからなる酸素検出素子(第
4図参照)。
Third Comparative Example Bag-shaped solid electrolyte body 400 and porous reference gas side electrode 4
10, a porous detection gas side electrode 420, a platinum-supported alumina catalyst support layer 430 laminated on the detection gas side electrode 420, and a spinel protective layer 440 further laminated on the catalyst support layer 430. An oxygen detection element consisting of (see Fig. 4).

第4比較例 袋状固体電解質体500と、多孔質の基準ガス側電極5
10と、多孔質の検出ガス側電極520と、検出ガス側
電極520に積層されたスピネルの保護層530と、保
護層530に積層された白金からなる多孔質の触媒薄膜
層540と、触媒薄膜N540に積層されたスピネルの
保護層550とからなる酸素検出素子(第5図参照)。
Fourth Comparative Example Bag-shaped solid electrolyte body 500 and porous reference gas side electrode 5
10, a porous detection gas side electrode 520, a spinel protective layer 530 laminated on the detection gas side electrode 520, a porous catalyst thin film layer 540 made of platinum laminated on the protective layer 530, and a catalyst thin film. An oxygen detection element consisting of N540 and a spinel protective layer 550 (see FIG. 5).

実験1 (Zカーブ特性) 試験する酸素検出素子を通常の酸素センサに使用する主
体金具に取り付け、さらに、モデルガス発生装置に取り
付ける。
Experiment 1 (Z curve characteristics) The oxygen detection element to be tested was attached to a metal shell used in a normal oxygen sensor, and then attached to a model gas generator.

そして、酸素検出素子の基準ガス側電極を大気に晒し、
検出ガス側電極を試験ガス(COo、9%。
Then, expose the reference gas side electrode of the oxygen detection element to the atmosphere,
The detection gas side electrode was connected to the test gas (COo, 9%).

H20,3’1.C0213LC3He 500ppm
、残部はN 2 )と空気とを混合してつくった所望空
燃比のモデル力゛スに0西す。
H20, 3'1. C0213LC3He 500ppm
, the remainder is N 2 ) and air to form a model force with a desired air-fuel ratio.

ついで、このモデルガスの空燃比と、酸素検出素子の基
準ガス側電極と検出ガス側電極との間に生じる起電力と
の関係、いわゆるZカーブ特性を調べる。
Next, the relationship between the air-fuel ratio of this model gas and the electromotive force generated between the reference gas side electrode and the detection gas side electrode of the oxygen detection element, the so-called Z curve characteristic, is investigated.

そして、理論空燃比を境にして、起電力が急峻な変化を
するものを良、起電力の変化が緩やかなものを不良と判
定する。
Then, when the electromotive force changes sharply with respect to the stoichiometric air-fuel ratio, it is judged as good, and when the electromotive force changes gradually, it is judged as bad.

実験2(過渡応答特性) 試験する酸素検出素子を通常の酸素センサに使用する主
体金具に取り付け、さらに、エンジンの排気管に取り付
ける。
Experiment 2 (Transient response characteristics) The oxygen detection element to be tested was attached to a main metal fitting used in a normal oxygen sensor, and then attached to the exhaust pipe of an engine.

そして、この酸素検出素子の出力によって、エンジンの
噴射燃料量を理論空燃比に自己フィードバック制御する
Then, the amount of fuel injected into the engine is self-feedback controlled to the stoichiometric air-fuel ratio based on the output of this oxygen detection element.

この制御時のリッチ、リーンにおける酸素検出素子の出
力電圧を測定する(過渡応答特性)。
The output voltage of the oxygen detection element in rich and lean conditions during this control is measured (transient response characteristics).

そして、す・ンチ、リーンにおける出力電圧の差が50
0mV以上のものを良、未満のものを不良と判定した。
Then, the difference in output voltage in lean mode is 50
A value of 0 mV or more was determined to be good, and a value less than 0 mV was determined to be poor.

実験3(耐久性) 実験2と同様にして、試験する酸素検出素子により20
00時間、エンジンを自己フィードバック制御し、制御
空燃比の経時変化、保護層の状態を観察する(耐久性)
Experiment 3 (Durability) In the same manner as Experiment 2, the oxygen detection element to be tested
00 hours, perform self-feedback control of the engine and observe changes over time in the controlled air-fuel ratio and the state of the protective layer (durability)
.

制御空燃比が初期に比べ空気燃料比(A/F)で4/1
00以上変化したもの、あるいは保護層が剥離したもの
を不良と判定した。
The control air-fuel ratio is 4/1 compared to the initial air-fuel ratio (A/F)
Those with a change of 00 or more or those with peeling of the protective layer were determined to be defective.

実験4(耐鉛性) 実験3において、燃料としてガソリン1ガロン(3,7
850)中に50mgの鉛を添加したものを使用し、 
100時間運転して、実験3と同じく制御空燃比の変化
、保護層の状態を観察する(耐鉛性)。
Experiment 4 (Lead Resistance) In Experiment 3, one gallon of gasoline (3,7
850) with 50 mg of lead added,
After operating for 100 hours, observe changes in the controlled air-fuel ratio and the state of the protective layer (lead resistance) as in Experiment 3.

制御空燃比が初期に比べ空気燃料比(A/F)で4/1
00以上変化したもの、あるいは保護層が剥離したもの
を不良と判定した。
The control air-fuel ratio is 4/1 compared to the initial air-fuel ratio (A/F)
Those with a change of 00 or more or those with peeling of the protective layer were determined to be defective.

末 実験3(耐久性)において、第1比較例は500時
間で制i卸空燃比が所定より大きくなった。
In Experiment 3 (durability), the controlled air-fuel ratio of the first comparative example became larger than the predetermined value after 500 hours.

また、第2実施例は750時間で保護層が剥離した。Further, in the second example, the protective layer peeled off after 750 hours.

** 実験4(耐鉛性)において、第1実施例は15時
間、第2実施例は30時間、第3実施例は45時間、第
4実施例は40時間で制御空燃比が大きくリッチ側に変
化した。また、一部のものは保護層が剥離した。
** In Experiment 4 (lead resistance), the controlled air-fuel ratio was large on the rich side for 15 hours in the first example, 30 hours in the second example, 45 hours in the third example, and 40 hours in the fourth example. It changed to In addition, the protective layer peeled off in some cases.

表から、明らかなように上記実施例の酸素検出素子は、
いずれも実験1〜実験4で優れた性能を有することが確
認された。
As is clear from the table, the oxygen detection element of the above example is
It was confirmed that all had excellent performance in Experiments 1 to 4.

上記実施例の酸素検出素子は、検出ガス中の粒子等に対
する物理的フィルターとして作用する保護層と、検出ガ
ス中の被毒物質等に対する化学的フィルターとして作用
する触媒薄膜層と、検出ガスを平衡化する作用を有して
いる多孔質触媒担持層とを積層して有している。
The oxygen detection element of the above embodiment balances the detection gas with a protective layer that acts as a physical filter for particles, etc. in the detection gas, and a catalyst thin film layer that acts as a chemical filter for poisonous substances, etc. in the detection gas. It has a porous catalyst support layer which has a layered structure.

そのため、上記実施例の酸素検出素子は、これら3層の
相乗効果により、被毒物質に対する性能劣化が少なく、
また未燃焼成分を大量に含む検出ガスでも正しい空燃比
を測定する酸素検出素子となると推定される。
Therefore, due to the synergistic effect of these three layers, the oxygen detection element of the above example has little performance deterioration against poisonous substances.
It is also estimated that the oxygen detection element can accurately measure the air-fuel ratio even with detection gas containing a large amount of unburned components.

【図面の簡単な説明】[Brief explanation of the drawing]

第1図は本発明の第1実施例の断面図、第2図は本発明
の第2実施例の分解斜視図、第3図〜第5図は比較例の
酸素検出素子を説明する部分拡大図である。 10.110・・・酸素検出素子 20.130,300,400,500・・・固体電解
質体30.140,310,410,510・・・基準
ガス側電極40.150,320,420,520・・
・検出ガス側電極50.160.430・・・触媒担持
層60.170.540・・・触媒薄膜層70.180
,330,440,530,550・・・保護層代理人
 弁理士 定立 勉(ほか2名)第1図 第2図 保詠7&)クミミ2り・ 22(,1 第3図 第4図 ′:25図
FIG. 1 is a sectional view of the first embodiment of the present invention, FIG. 2 is an exploded perspective view of the second embodiment of the present invention, and FIGS. 3 to 5 are partially enlarged diagrams illustrating oxygen detection elements of comparative examples. It is a diagram. 10.110... Oxygen detection element 20.130, 300, 400, 500... Solid electrolyte body 30.140, 310, 410, 510... Reference gas side electrode 40.150, 320, 420, 520.・
・Detection gas side electrode 50.160.430...Catalyst supporting layer 60.170.540...Catalyst thin film layer 70.180
, 330, 440, 530, 550...Protective layer agent Patent attorney Tsutomu Sadatsu (and 2 others) Figure 1 Figure 2 Hoei 7&) Kumimi 22 (, 1 Figure 3 Figure 4'): Figure 25

Claims (1)

【特許請求の範囲】  酸素イオン伝導性を有する固体電解質体と、該固体電
解質体の一方の面に設けられた基準ガス側多孔質電極と
、 上記固体電解質体の他方の面に設けられ、周囲雰囲気に
晒される検出ガス側多孔質電極と、該検出ガス側多孔質
電極に積層され、白金族元素からなる触媒を担持した耐
熱性金属酸化物の多孔質触媒担持層と、 該多孔質触媒担持層に積層され、白金族元素の多孔質薄
膜からなる触媒薄膜層と、 該触媒薄膜層に積層され、耐熱性金属酸化物からなる保
護層と を備えたことを特徴とする酸素検出素子。
[Scope of Claims] A solid electrolyte body having oxygen ion conductivity, a reference gas side porous electrode provided on one surface of the solid electrolyte body, and a reference gas side porous electrode provided on the other surface of the solid electrolyte body, and a reference gas side porous electrode provided on the other surface of the solid electrolyte body, a porous electrode on the detection gas side that is exposed to the atmosphere; a porous catalyst support layer of a heat-resistant metal oxide that is laminated on the porous electrode on the detection gas side and supports a catalyst made of a platinum group element; and the porous catalyst support layer. 1. An oxygen detection element comprising: a catalyst thin film layer made of a porous thin film of a platinum group element and laminated in layers; and a protective layer made of a heat-resistant metal oxide and laminated on the catalyst thin film layer.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5423973A (en) * 1991-09-21 1995-06-13 Robert Bosch Gmbh Exhaust gas sensor and method of producing the same

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