JPH0436340B2 - - Google Patents

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JPH0436340B2
JPH0436340B2 JP58106528A JP10652883A JPH0436340B2 JP H0436340 B2 JPH0436340 B2 JP H0436340B2 JP 58106528 A JP58106528 A JP 58106528A JP 10652883 A JP10652883 A JP 10652883A JP H0436340 B2 JPH0436340 B2 JP H0436340B2
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JP
Japan
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weight
oxygen sensor
temperature
electrode material
porcelain
Prior art date
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JP58106528A
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English (en)
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JPS59231442A (ja
Inventor
Takao Nakada
Mamoru Kamimura
Kyoshi Kawai
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Resonac Corp
Original Assignee
Hitachi Chemical Co Ltd
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Publication date
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Publication of JPS59231442A publication Critical patent/JPS59231442A/ja
Publication of JPH0436340B2 publication Critical patent/JPH0436340B2/ja
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    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01NINVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N27/00Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means
    • G01N27/26Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating electrochemical variables; by using electrolysis or electrophoresis
    • G01N27/403Cells and electrode assemblies
    • G01N27/406Cells and probes with solid electrolytes
    • G01N27/407Cells and probes with solid electrolytes for investigating or analysing gases
    • G01N27/4073Composition or fabrication of the solid electrolyte

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  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Electrochemistry (AREA)
  • Molecular Biology (AREA)
  • Analytical Chemistry (AREA)
  • Biochemistry (AREA)
  • General Health & Medical Sciences (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Immunology (AREA)
  • Pathology (AREA)
  • Compositions Of Oxide Ceramics (AREA)

Description

【発明の詳細な説明】
本発明は酸素センサおよび酸素センサの製造方
法に関するものである。 酸素センサは高温度の燃焼ガスなどにおける酸
素分圧の測定燃焼制御あるいは不完全燃焼の検知
に多く使用されている。該酸素センサは使用時に
おいて検出部は高温にさらされるが、リード線の
取り出し部分はリード線との接続を容易にするた
め、異常熱起電力などを発生させないようにする
ために常に常温に近い温度となるように設定され
ている。 このために使用時において酸素センサにおける
温度勾配は大きくなりさらに断続燃焼に使用する
場合には急激な熱衝撃を受けさらに燃料中に含ま
れる硫黄分のために白金などの電極は腐食され劣
化を生ずる欠点があり、酸素センサにおいては耐
熱衝撃性と共に耐蝕性が要求される。通常酸素セ
ンサは酸化ジルコニウム磁器(以下ジルコニア磁
器という)の表面に直接、あるいは機械的または
化学的に粗化した表面にメツキ法、蒸着法ャ、印
刷などにより白金、白金ロジウムなどの皮膜を固
着し電極を形成して作られる。そしてこのジルコ
ニア磁器はY2O3を3〜5モル%(5.4〜8.8重量
%)含む部分安定化ジルコニア磁器とY2O3を7
〜10モル%(12.1〜17.0重量%)含む完全安定化
ジルコニア磁器とに分けられ用途に応じて使用さ
れる。 上記の中で部分安定化ジルコニア磁器は初期の
熱衝撃特性は良好であるが、ガス炎を使用した1
万サイクルなどの長期サイクル試験では変質破損
し長期間使用できない欠点がある。これに対し完
全安定化ジルコニア磁器は上記のような変質はし
ないが耐熱衝撃性に劣り、使用範囲が制限される
不都合がある。 さらに上記磁器上に形成される電極はガスによ
り早期に腐食されるため通常電極表面を無機質酸
化物で保護するようにしているが、この場合にも
腐食が多少遅れる程度で結局電極は無機質酸化物
と共に脱落してしまい効果はあまり期待できな
い。上記のように現在の酸素センサの性能は長期
間断続的に使用されるような一般熱器具に対して
はなお不十分である。 そこで本発明者らは上記欠点のない酸素センサ
および酸素センサの製造方法の解決を目的に色々
検討を加えた結果、ジルコニア磁器としては
ZrO2に酸化ジルコニウム結晶が完全に安定化す
るための下限の量であるY2O3を均一に分散させ
さらにこれらにAl2O3とSiO2との適当量を添加
し、焼結温度より低い温度で熱処理しまず仮焼結
成形体を作りこれに白金などの電極材を塗付した
後にこの仮焼結成形体の焼結と同時に電極材を焼
付けることにより酸素イオン伝導率、熱衝撃性、
高温安定性に優れた酸素センサが得られることを
見出し本発明を完成するに至つた。 本発明の目的は酸素イオン伝導率、熱衝撃性、
高温安定性に優れた酸素センサおよび酸素センサ
の製造方法を提供することにある。 本発明は、ジルコニア磁器の内外表面に電極を
形成してなる酸素センサにおいて、ZrO287.5〜
91.0重量%、Y2O38.5〜12.3重量%、SiO20.5重量
%以下およびAl2O30.2〜1.0重量%を含有し、か
つ常温における結晶相が立方晶結晶を95重量%以
上含有したジルコニア磁器の焼結と同時に電極を
焼付けてなる酸素センサおよびZrO2〜87.5〜91.0
重量%、Y2O38.5〜12.3重量%、SIO20.5重量%お
よびAl2O30.2〜1.0重量%を含有し、かつ常温に
おける結晶相が立方晶結晶を95重量%以上含有し
た粒体を袋管状、円筒状、または板状に加圧成形
し、該成形体を焼結温度以下の温度で熱処理して
形成した仮焼結成形体の内外表面に高融点金属を
主成分とする電極材を塗付し、次いで仮焼結成形
体をさらに高温に加熱し焼結すると同時に電極材
を焼付けて電極を形成する酸素センサの製造方法
に関する。 本発明で使用する原料は市販されている酸化物
粉体で良く、特別な化学処理等は加えなくても良
い。またY2O3を混合する場合は湿式ボールミル
混合が適しており、混合物は乾燥後1300℃以上で
かつ焼結温度以下の温度で熱処理することが好ま
しい。成形体の仮焼結温度は成形体の焼結温度以
下の温度で熱処理することが必要であり、焼結温
度を越える温度で熱処理すると本発明の目的の酸
素センサを得るることができない。焼成条件につ
いては特に制限はないが、空気中または中性雰囲
気中で1500〜1700℃の温度で焼成することが好ま
しい。 本発明のジルコニア磁器はZrO287.5〜91.0重量
%、Y2O38.5〜12.3重量%、SiO20.5重量%以下お
よびAl2O30.2〜1.0重量%を含有し、かつ常温に
おける結晶相が立方晶結晶を95%以上含有するこ
とが必要であり、ZrO2が87.5重量%未満の場合、
Y2O3が12.3重量%を越える場合は機械的強度が
低下し、単に急速加熱しただけで破壊する欠点が
生じ、ZrO2が91.0重量%を越える場合、Y2O3
8.5重量%未満の場合は単斜晶酸化ジルコニウム
結晶が多くなりすぎヒートサイクル試験で強度の
低下する量が多くなる。Al2O3が0.2重量%未満の
場合は焼結温度が1700℃以上になり焼成コストが
高くなり、Al2O3が1.0重量%を越えるとイオン伝
導率が低下する。また原料中に不純物として含ま
れるSiO2は合計で0.5重量%を越えると同様にイ
オン伝導率が低下する。 必要な出力を得るには電極面積を広くしなけれ
ばならず電極材である白金などの使用量が急増す
るためコスト高となる欠点があり、また立方晶結
晶が95重量%未満の場合は例えば常温〜800℃の
加熱を繰返すと機械的強度が急激に低下するので
好ましくない。 本発明では常温における結晶相は立方晶結晶を
95重量%以上含有すればよいが100重量%であれ
ば信頼性がさらに向上するのでさらに好ましい。 また使用する電極材は従来のものと同様に白金
あるいは白金とロジウムまたはこれらにZrO2
を添加した粉末が好ましく、これらの粉末をペー
スト状として一部を仮焼結体の表面から孔部内に
食い込ませ接着力を向上せしめることが好まし
い。さらに電極材の塗付方法についてはスクリー
ン印刷、筆塗り、浸漬法、吹き付け法などで行な
われる。 なお電極の表面にムライト、スピネル、酸化ジ
ルコニウムなどの無機質を溶射し皮膜を形成する
とさらに腐食の遅延をはかることができ好まし
い。 以下本発明の実施例を第1表により比較例とと
もに説明する。 ZrO2粉末(第1希元素化学工業製、商品名EP
グレード)とY2O3粉末(信越化学工業製、純度
99.9%)とを、第1表に示す割合に秤量し、ZrO2
製玉石とゴム内張りのボールミル容器を使用して
24時間湿式混合した。この混合物を乾燥後1350℃
で2時間熱処理しさらにこの処理粉末を前記と同
様に湿式混合、乾燥、熱処理を繰返し(第1表中
に混合、熱処理回数として記載してある)Y2O3
を分散したZrO3粉末を得た。次にこの粉末に
Al2O3(昭和軽金属製、商品名A1−160)および
SiO2(試薬一級を粉砕し平均粒径1.0μmに調整し
たものを第1表に示す割合で添加し、さらにポリ
ビニルアルコール5%水溶液を2重量部加えて24
時間湿式混合後スプレードライヤーで乾燥造粒し
た。 次にこの造粒粉をラバープレスにより1.5ト
ン/cm2の圧力で加圧し内径4mm、外径6mm、長さ
50mmの袋管を成形した。この袋管を1100℃で仮焼
結成後白金ペースト(徳力化学製、商品名
#8103)を袋管の内外面に塗付し、その後第1表
に示す各温度で焼成した。このようにして得た酸
素センサを第1図に示すような温度変化を繰返す
試験装置(図示せず)内に設置し10000サイクル
加熱試験を行なつた。該加熱試験前後の酸素セン
サの強度を第1表に示す。なお強度(初期強度お
よび10000サイクル後強度)は酸素センサの根本
を固定し、酸素センサの先端部から5mm(根本か
ら45mm)の部分を加圧していき酸素センサが破損
したときの位置と加圧力とから求めた。またSO2
ガスを1000ppm添加したN2ガスを流した試験装
置(図示せず)に本発明の酸素センサと従来のセ
ンサを設置し10000時間まで内部抵抗の変化を測
定した結果を第2図に示す。図中1は本発明によ
つて得られた酸素センサ(第1表中の試#1のも
の、2は焼結したジルコニア磁器に白金ペースト
を塗布焼付けた従来の酸素センサ、3は焼結した
ジルコニア磁器に白金を蒸着した従来の酸素セン
サである。 第1表の結果から明らかなように試#1,2,
3,4,および5の酸素センサは10000サイクル
の加熱試験後強度の低下は少ないが、試#6,
7,8,9,10,11,12,13,14および15の酸素
センサにおいては強度の低下がいちじるしい。そ
してこれらの酸素センサはジルコニア磁器組成、
立方晶ZrO3の含有率などが本発明の範囲から外
れている。
【表】
【表】 *印は比較例を示す。
また第2図の内部抵抗の変化に示されるように
本発明の方法で電極を焼付けた酸素センサ(1)の場
合は、従来の方法により電極をつけた酸素センサ
の場合(2)および(3)よりも亜硫酸ガスに対し腐食さ
れにくいことが明らかであるる。これは仮焼成で
まだ多孔質状態にある成形体に電極材ペーストを
塗布したため電極材の一部は磁器内部に入り込み
一部が網目状に成形体の表面をおおうため焼付に
より接着力の強い電極が形成されるとともに、亜
硫酸ガスのような腐食性ガスに対しても腐食され
にくくさらに腐食されても電極材が磁器中に入り
込んでいるため丈夫で脱落がないためである。 本発明によれ、高酸素イオン伝導率、高熱衝撃
性、高温安定性を有する酸素センサを得ることが
できる。したがつてこの酸素センサは長期間断続
的に使用される一般熱器具に利用範囲を拡大する
ことができその効果は極めて大である。
【図面の簡単な説明】
第1図は加熱試験装置において1サイクルにお
ける時間と温度との関係を示すグラフおよび第2
図は亜硫酸ガスを含む窒素ガス中における酸素セ
ンサの処理時間と内部抵抗との関係を示すグラフ
である。

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 1 酸化ジルコニウム磁器の内外表面に電極を形
    成してなる酸素センサにおいて、ZrO287.5〜91.0
    重量%、Y2O38.5〜12.3重量%、SiO20.5重量%以
    下およびAl2O30.2〜1.0重量%を含有し、かつ常
    温における結晶相が立方晶結晶を95重量%以上含
    有した酸化ジルコニウム磁器の焼結と同時に電極
    を焼付けてなる酸素センサ。 2 ZrO287.5〜91.0重量%、Y2O38.5〜12.3重量
    %、SiO20.5重量%以下およびAl2O30.2〜1.0重量
    %を含有し、かつ常温における結晶相が立方晶結
    晶を95重量%以上含有した粒体を袋管状、円筒状
    または板状に加圧成形し、該成形体を焼結温度以
    下の温度で熱処理して形成した仮焼結成形体の内
    外表面に高融点金属を主成分とする電極材を塗付
    し、次いで仮焼結成形体をさらに高温に加熱し焼
    結すと同時に電極材を焼付けて電極を形成するこ
    とを特徴とする酸素センサの製造方法。
JP58106528A 1983-06-14 1983-06-14 酸素センサおよびその製造方法 Granted JPS59231442A (ja)

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