JPH1183789A - Oxygen sensor element and manufacture thereof - Google Patents

Oxygen sensor element and manufacture thereof

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JPH1183789A
JPH1183789A JP9262841A JP26284197A JPH1183789A JP H1183789 A JPH1183789 A JP H1183789A JP 9262841 A JP9262841 A JP 9262841A JP 26284197 A JP26284197 A JP 26284197A JP H1183789 A JPH1183789 A JP H1183789A
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oxygen sensor
sensor element
protective layer
layer
dense layer
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浩 杉野
Heiji Fujii
並次 藤井
Taido Hotta
泰道 堀田
Hiromi Sano
博美 佐野
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To maintain a stable output in a prolonged use by covering at least one of a pair of electrodes with a protective layer having a close layer formed thereon to mostly eliminate the segregation of carbon at the electrodes. SOLUTION: This oxygen sensor element 1 comprises a cup-shaped solid electrolyte 10 which has the tip part 191 thereof closed and a base part 192 opened and an inner chamber 19 provided therein. A measuring electrode 11 is provided on the external surface 101 of the solid electrolyte 10 and a reference electrode 14 on the internal surface 109 facing the inner chamber 19. The measuring electrode 11 is covered with a protective layer 12 to protect it. The protective layer 12 is a porous layer which is formed by a plasma spray comprising a MgO.Al2 O3 spinel. A close layer 13 formed on the surface of the protective layer 12 is formed to close a tiny hole existing in the surface of the porous protective layer 12 and contains aluminum phosphate or the like. This hinders a gas to be measured from reaching a measuring electrode 11 thereby preventing the segregation of carbon in the measuring electrode 11.

Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【0001】[0001]

【技術分野】本発明は,主に自動車内燃機関等の燃焼制
御に用いられる酸素センサ素子及びその製造方法に関す
る。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to an oxygen sensor element mainly used for controlling combustion in an automobile internal combustion engine or the like, and a method for manufacturing the same.

【0002】[0002]

【従来技術】自動車内燃機関の排ガス中の酸素濃度を検
出するために,該内燃機関の排気系に設置されるガスセ
ンサとしては,ZrO2 固体電解質体を利用した,例え
ば酸素濃淡起電力式の酸素センサ素子を備えたものがよ
く知られており,実用化されている。このようなガスセ
ンサは,例えば後述する図4に示すごとく,ハウジング
と該ハウジングに挿入配置された酸素センサ素子とより
なる。
2. Description of the Related Art In order to detect the oxygen concentration in the exhaust gas of an automobile internal combustion engine, a gas sensor installed in the exhaust system of the internal combustion engine uses a ZrO 2 solid electrolyte, for example, an oxygen concentration electromotive force type oxygen sensor. Those equipped with a sensor element are well known and have been put to practical use. Such a gas sensor includes, for example, a housing and an oxygen sensor element inserted and arranged in the housing, as shown in FIG. 4 described later.

【0003】上記酸素センサ素子はコップ型の固体電解
質体とその内部に設けた内室とよりなり,かつ上記固体
電解質体の外表面には測定電極を,上記内室に面する内
表面には基準電極を設けてなる。また,上記測定電極に
はこれを保護するための保護層が設けてある。また,上
記内室にはヒータが挿入配置されている。なお,上記保
護層はセラミックコーティング層から形成されている。
または,セラミックコーティング層の表面に例えばγ−
Al2 3 層を設けたものから形成されている。
[0003] The oxygen sensor element comprises a cup-shaped solid electrolyte body and an inner chamber provided therein. A measuring electrode is provided on the outer surface of the solid electrolyte body, and an inner surface facing the inner chamber is provided on the inner surface. A reference electrode is provided. The measurement electrode is provided with a protective layer for protecting the same. A heater is inserted into the inner chamber. The protective layer is formed from a ceramic coating layer.
Alternatively, for example, γ-
It is formed from a structure provided with an Al 2 O 3 layer.

【0004】上記酸素センサ素子においては,上記排ガ
スが上記保護層(セラミッククコーティング層,γ−A
2 3 層)を通過して測定電極に到達することにより
センサ出力を得ることができる。また,上記保護層は,
排ガス中のP,Pb等の被毒物によって測定電極の触媒
作用が劣化しないようこれを保護すると共に,固体電解
質体から測定電極が剥離することを防止する作用を有す
る。
In the oxygen sensor element, the exhaust gas passes through the protective layer (ceramic coating layer, γ-A
The sensor output can be obtained by reaching the measurement electrode after passing through the (l 2 O 3 layer). In addition, the protective layer is
It protects the catalytic action of the measurement electrode from being degraded by poisons such as P and Pb in the exhaust gas, and has a function of preventing the measurement electrode from peeling off from the solid electrolyte body.

【0005】しかしながら,内燃機関の運転条件が燃料
リッチである場合,つまり排ガスが酸素リーンとなるよ
うな条件下においては,排ガス中の一酸化炭素(C
O),炭化水素(HC)等の炭素化合物中の炭素原子が
測定電極の触媒作用によりカーボン化して,上記測定電
極と上記保護層との界面に付着することがある。
[0005] However, when the operating condition of the internal combustion engine is fuel rich, that is, under conditions where the exhaust gas is oxygen-lean, the carbon monoxide (C
Carbon atoms in carbon compounds such as O) and hydrocarbons (HC) may be carbonized by the catalytic action of the measurement electrode and adhere to the interface between the measurement electrode and the protective layer.

【0006】このため,上記酸素センサ素子を長時間に
渡って使用する際に,カーボンの付着量が増大し,上記
保護層に亀裂が生じる,あるいは保護層が剥離する等の
現象が発生し,酸素センサ素子の特性が著しく低下する
という問題が生じていた。
For this reason, when the oxygen sensor element is used for a long period of time, the amount of carbon attached increases, and a phenomenon such as cracking of the protective layer or peeling of the protective layer occurs. There has been a problem that the characteristics of the oxygen sensor element are significantly reduced.

【0007】そこで,従来,特にカーボンが付着しやす
い部分を中心として,上記測定電極に対し排ガスを通過
させない緻密なガラス質被膜を設けることが提案されて
いた(特開昭54−97490号)。この技術において
は,炭素化合物を含む排ガスを上記ガラス質被膜で遮断
することができる。このため,上記測定電極と上記保護
層との界面におけるカーボンの析出を防止することがで
きる。よって,長期に渡って良好なセンサ特性を維持可
能な酸素センサ素子を得ることができる。
Therefore, it has been conventionally proposed to provide a dense glassy coating that does not allow exhaust gas to pass through the measurement electrode, particularly at a portion where carbon is likely to adhere (Japanese Patent Application Laid-Open No. 54-97490). In this technique, exhaust gas containing a carbon compound can be blocked by the vitreous coating. For this reason, the precipitation of carbon at the interface between the measurement electrode and the protective layer can be prevented. Therefore, it is possible to obtain an oxygen sensor element that can maintain good sensor characteristics for a long period of time.

【0008】[0008]

【解決しようとする課題】しかしながら,上記従来技術
には以下に記載する問題点が生じる。ここに自動車内燃
機関等の燃焼制御において使用される酸素センサ素子の
設置環境は,頻繁に高温雰囲気と共に冷熱サイクルに曝
される厳しい条件下にある環境である。このため,通
常,酸素センサ素子を構成する各物質には,高い融点を
有すること,更に適切な熱膨張係数を有することが要求
される。
However, the above-mentioned prior art has the following problems. Here, the installation environment of the oxygen sensor element used in the combustion control of an automobile internal combustion engine or the like is an environment under severe conditions that are frequently exposed to a high-temperature atmosphere and a cooling / heating cycle. For this reason, it is usually required that each material constituting the oxygen sensor element has a high melting point and further has an appropriate coefficient of thermal expansion.

【0009】ここに,上記従来技術にかかるガラス質被
膜の熱膨張係数について考察すると,この値は40〜7
0×10-7/℃と開示されている。しかしながら,この
範囲では酸素センサ素子を構成する固体電解質体(熱膨
張係数は75〜85×10-7/℃)との間の熱膨張係数
の差が大きいため,熱応力によって上記ガラス質被膜に
は亀裂,剥離が発生するおそれがある。亀裂,剥離の生
じたガラス質被膜においては,充分な排ガスの遮断効果
を発揮することはできない。
Here, considering the thermal expansion coefficient of the vitreous coating according to the above-mentioned prior art, this value is 40 to 7
It is disclosed as 0 × 10 −7 / ° C. However, in this range, the difference in the coefficient of thermal expansion between the solid electrolyte body (the coefficient of thermal expansion is 75 to 85 × 10 −7 / ° C.) that constitutes the oxygen sensor element is large, so that the glassy coating is formed by thermal stress. May crack or peel off. In a vitreous film in which cracks or peeling have occurred, a sufficient exhaust gas blocking effect cannot be exhibited.

【0010】更に,上記ガラス質被膜の表面は滑らかで
ある。よって,上記ガラス質被膜と上記保護層との間の
付着力は弱く,酸素センサ素子の使用中に上記保護層に
亀裂,剥離が発生するおそれもある。更に,この亀裂や
剥離はガラス質被膜を設けていない部分の保護層に到達
するおそれもある。亀裂,剥離の生じた保護層において
は,測定電極に対する保護作用を充分発揮することはで
きない。
Further, the surface of the vitreous coating is smooth. Therefore, the adhesive force between the vitreous film and the protective layer is weak, and the protective layer may be cracked or peeled off during use of the oxygen sensor element. Furthermore, the cracks and peeling may reach the protective layer where the vitreous coating is not provided. In the protective layer in which cracks and peeling have occurred, the protective effect on the measurement electrode cannot be sufficiently exhibited.

【0011】更に,上述の従来技術において,ガラス質
被膜の厚みが20〜100μmと厚いことから,ガラス
質被膜の端部において,保護層の表面との間に段差が生
じ,該段差の部分に応力が集中し,その結果,保護層に
亀裂や剥離が発生するおそれもある。
Further, in the above prior art, since the thickness of the vitreous coating is as large as 20 to 100 μm, a step is formed between the end of the vitreous coating and the surface of the protective layer. Stress may be concentrated, and as a result, cracking or peeling may occur in the protective layer.

【0012】このような問題を解決するために,特にカ
ーボンの付着しやすい部分の保護層の厚みを厚くして,
炭素化合物等の通過を防止することが提案されている
(実公昭57−30604号)。また,上記保護層で上
記炭素化合物を捕獲する方法(特開昭63−19549
号)や上記保護層の上に炭素化合物を捕獲するトラップ
層を形成する方法(特開昭63−306279号)等が
提案されている。
In order to solve such a problem, the thickness of the protective layer is particularly increased in a portion where carbon is likely to adhere.
It has been proposed to prevent the passage of carbon compounds and the like (Japanese Utility Model Publication No. 57-30604). Further, a method of capturing the carbon compound with the protective layer (Japanese Patent Laid-Open No. 63-19549)
And a method of forming a trap layer for capturing a carbon compound on the protective layer (JP-A-63-306279).

【0013】しかしながらいずれの方法においても,酸
素センサ素子を長時間使用した場合には炭素化合物の捕
獲能力が低下してしまうため,カーボンの析出を充分に
防止することは困難であった。また,特にガス状の一酸
化炭素(CO),炭化水素(HC)等は保護層やトラッ
プ層を容易に通過して測定電極に達することができるた
め,従来技術で充分な効果を得ることは困難であった。
However, in any of the methods, when the oxygen sensor element is used for a long time, the ability to capture the carbon compound is reduced, so that it has been difficult to sufficiently prevent the precipitation of carbon. In addition, since gaseous carbon monoxide (CO), hydrocarbon (HC), and the like can easily pass through the protective layer and the trap layer to reach the measurement electrode, sufficient effects can be obtained by the conventional technique. It was difficult.

【0014】本発明は,かかる問題点に鑑み,電極にお
いてカーボンの析出が殆どなく,長期間の使用において
安定した出力を維持することができる酸素センサ素子及
その製造方法を提供しようとするものである。
The present invention has been made in view of the above-mentioned problems, and an object of the present invention is to provide an oxygen sensor element capable of maintaining a stable output during a long-term use with little carbon deposition on an electrode and a method of manufacturing the same. is there.

【0015】[0015]

【課題の解決手段】請求項1の発明は,固体電解質体と
該固体電解質体の表面に設けられた一対の電極とよりな
る酸素センサ素子において,上記電極の少なくとも一方
は保護層により被覆されてなり,かつ上記保護層はその
表面部分の少なくとも一部に内部より緻密化した緻密層
を形成していることを特徴とする酸素センサ素子にあ
る。
According to a first aspect of the present invention, there is provided an oxygen sensor element comprising a solid electrolyte body and a pair of electrodes provided on a surface of the solid electrolyte body, wherein at least one of the electrodes is covered with a protective layer. The oxygen sensor element is characterized in that the protective layer forms a dense layer densified from the inside on at least a part of its surface.

【0016】上記酸素センサ素子としては,後述するご
とく,いわゆるコップ型の固体電解質体とその内部に設
けた内室とよりなり,かつ上記固体電解質体の外表面に
は,被測定ガスと接触する測定電極を有し,上記内室に
面する内表面には基準電極を有する酸素センサ素子を挙
げることができる。
As described later, the oxygen sensor element comprises a so-called cup-shaped solid electrolyte body and an inner chamber provided therein, and the outer surface of the solid electrolyte body comes into contact with the gas to be measured. An oxygen sensor element having a measurement electrode and having a reference electrode on the inner surface facing the inner chamber can be mentioned.

【0017】あるいは,上記酸素センサ素子としては,
板状の固体電解質体よりなる基板と該基板に設けた一対
の測定電極及び基準電極とよりなり,上記測定電極は被
測定ガスと接触するよう構成されている積層型の酸素セ
ンサ素子を挙げることができる。いずれの構成において
も,被測定ガスと接触する電極には(上述の構成におい
ては測定電極がこれに相当する)該電極を被覆する保護
層が設けてある。
Alternatively, as the oxygen sensor element,
A stacked oxygen sensor element comprising a substrate made of a plate-like solid electrolyte body, and a pair of a measurement electrode and a reference electrode provided on the substrate, wherein the measurement electrode is configured to be in contact with a gas to be measured. Can be. In any of the configurations, the electrode that comes into contact with the gas to be measured is provided with a protective layer (which corresponds to the measurement electrode in the above-described configuration) that covers the electrode.

【0018】なお,これ以外の構成の酸素センサ素子に
ついても本発明を適用することができる。その他の構造
としては,ポンピング作用を有する電極を設けたもの,
上述した一対の電極以外の電極を有するもの等を挙げる
ことができる。
The present invention can be applied to oxygen sensor elements having other configurations. Other structures include electrodes with pumping action,
An electrode having an electrode other than the pair of electrodes described above can be used.

【0019】また,上記保護層及び緻密層は電極のすべ
てを被覆する必要はなく,部分的に設けるだけでよい。
特に上記緻密層は被測定ガスを遮断することから,電極
における酸素濃度検出にかかる部分を避けて設けること
が好ましい。
The protective layer and the dense layer do not need to cover all the electrodes, but may be provided only partially.
In particular, since the dense layer blocks the gas to be measured, it is preferable that the dense layer be provided so as to avoid a portion related to the detection of the oxygen concentration in the electrode.

【0020】本発明の作用につき,以下に説明する。本
発明にかかる酸素センサ素子の保護層の表面部分は緻密
層を形成している。よって,被測定ガスの電極への到達
を防止することができ,電極におけるカーボンの析出を
防止することができる。また,本発明においては被測定
ガスの電極到達を防止できることから,特にガス状の炭
素化合物の電極到達も防止することができる。
The operation of the present invention will be described below. The surface portion of the protective layer of the oxygen sensor element according to the present invention forms a dense layer. Therefore, the gas to be measured can be prevented from reaching the electrode, and the deposition of carbon on the electrode can be prevented. Further, in the present invention, since the gas to be measured can be prevented from reaching the electrode, the gaseous carbon compound can also be prevented from reaching the electrode.

【0021】また,本発明にかかる緻密層は,保護層の
一部である。このため,保護層と緻密層との間の熱膨張
率の差が殆どなく,冷熱サイクル,高温雰囲気に曝され
ることによる緻密層の剥離,亀裂の発生等を防止でき
る。よって,長期間の使用において安定した出力を維持
できる酸素センサ素子を得ることができる。また,上記
保護層と上記電極との間には他の被膜等が存在しないた
め,上記保護層は強く電極に付着することができる。こ
のため,上記保護層の亀裂,剥離等も防止することがで
きる。
The dense layer according to the present invention is a part of the protective layer. For this reason, there is almost no difference in the coefficient of thermal expansion between the protective layer and the dense layer, and it is possible to prevent the dense layer from being peeled off or cracked due to a thermal cycle or exposure to a high-temperature atmosphere. Therefore, it is possible to obtain an oxygen sensor element that can maintain a stable output in long-term use. Further, since there is no other coating between the protective layer and the electrode, the protective layer can strongly adhere to the electrode. For this reason, cracks and peeling of the protective layer can be prevented.

【0022】以上のように,本発明によれば,電極にお
いてカーボンの析出が殆どなく,長期間の使用において
安定した出力を維持することができる酸素センサ素子を
提供することができる。
As described above, according to the present invention, it is possible to provide an oxygen sensor element in which carbon is hardly deposited on an electrode and a stable output can be maintained during long-term use.

【0023】また,上記保護層と上記緻密層とを覆うよ
うにトラップ層を設けることができる(後述する図6参
照)。これにより,被測定ガス中の被毒物の電極への到
達を防止することができる。よって,更に長期間の使用
において安定した出力を維持できる酸素センサ素子を得
ることができる。
A trap layer can be provided so as to cover the protective layer and the dense layer (see FIG. 6 described later). Thereby, it is possible to prevent the poisonous substance in the gas to be measured from reaching the electrode. Therefore, it is possible to obtain an oxygen sensor element that can maintain a stable output over a long period of use.

【0024】なお,上記トラップ層とは多数の粒子によ
り形成された多孔質な層であり,被測定ガス中に含まれ
るP,Ca,Pb等の被毒物を捕獲する機能を有する。
また,上記トラップ層は,例えば,γ−Al2 3 等の
耐熱粒子に水,無機バインダー,分散剤を加えて作成し
たスラリーを,上記保護層と上記緻密層とを覆うよう
に,これらの表面にディッピングまたはスプレーにより
付着させ,更に500〜900℃で焼付けることによっ
て形成することができる。なお,上記トラップ層の焼付
け温度は後述する緻密層を形成する際の加熱温度より低
いことが好ましい。
Note that the trap layer is a porous layer formed by a large number of particles, and has a function of capturing poisons such as P, Ca, and Pb contained in the gas to be measured.
In addition, the trap layer is formed by adding a slurry prepared by adding water, an inorganic binder, and a dispersant to heat-resistant particles such as γ-Al 2 O 3 so as to cover the protective layer and the dense layer. It can be formed by dipping or spraying on a surface and baking at 500 to 900 ° C. The baking temperature of the trap layer is preferably lower than the heating temperature for forming a dense layer described later.

【0025】次に,請求項2の発明のように,上記緻密
層の気孔率は4%以下であることが好ましい。これによ
り,本発明にかかる効果を確実に得ることができる。上
記気孔率が4%より大である場合には被測定ガスの遮断
が不充分であり,緻密層中に存在する細孔を通じて被測
定ガスが保護層を拡散しつつ電極に到達するおそれがあ
る。また,上記気孔率は3%以下とすることがより好ま
しい。
Next, as in the second aspect of the present invention, the porosity of the dense layer is preferably 4% or less. Thereby, the effect according to the present invention can be reliably obtained. If the porosity is greater than 4%, the gas to be measured is insufficiently shut off, and the gas to be measured may reach the electrode while diffusing through the protective layer through the pores in the dense layer. . Further, the porosity is more preferably 3% or less.

【0026】次に,請求項3の発明のように,上記緻密
層の気孔率は4%以下で,厚みは5〜20μmであるこ
とが好ましい。これにより,本発明にかかる効果を確実
に得ることができる。上記気孔率が4%より大である場
合には,上述と同様に被測定ガスを遮断できないおそれ
がある。また,上記緻密層の厚みが5μm未満である場
合には,緻密層が薄すぎて気孔率が大きい場合,ガスが
通過してしまい,ガス遮断の効果が発揮できないおそれ
がある。一方,厚みが20μmより厚い場合には,保護
層内部まで緻密化物質を侵入させることが難しく,製造
が困難となるおそれがある。
Next, it is preferable that the porosity of the dense layer is 4% or less and the thickness is 5 to 20 μm. Thereby, the effect according to the present invention can be reliably obtained. If the porosity is greater than 4%, the gas to be measured may not be shut off as described above. When the thickness of the dense layer is less than 5 μm, if the dense layer is too thin and the porosity is large, the gas may pass through and the effect of blocking the gas may not be exhibited. On the other hand, when the thickness is more than 20 μm, it is difficult to allow the densified substance to penetrate into the protective layer, which may make the production difficult.

【0027】次に,請求項4の発明のように,上記緻密
層は,酸素センサ素子の取付根元部分近傍に形成してあ
ることが好ましい。この部分は後述するごとく最もカー
ボンが析出しやすい部分であるため,本発明にかかる効
果をより確実に得ることができる。
Next, it is preferable that the dense layer is formed near the mounting base of the oxygen sensor element. Since this portion is the portion where carbon is most easily deposited as described later, the effect according to the present invention can be more reliably obtained.

【0028】ここに上記取付根元部分について説明す
る。一般に酸素センサ素子はハウジング,大気側カバー
等により構成された酸素センサ内に取付けて使用する。
そして,酸素センサに酸素センサ素子を取付けるに当た
っては,例えば後述の図4に示すごとく,酸素センサ素
子をハウジングに対して当接させて取付ける。この場
合,酸素センサ素子とハウジングとが接触する部分が取
付根元部分となる。
Here, the mounting base will be described. Generally, the oxygen sensor element is used by being mounted in an oxygen sensor constituted by a housing, an atmosphere side cover and the like.
When attaching the oxygen sensor element to the oxygen sensor, for example, as shown in FIG. In this case, a portion where the oxygen sensor element and the housing are in contact is a mounting base portion.

【0029】そして,上記取付根元部分の近傍は,同図
より明らかであるが,酸素センサ素子とハウジングとが
近接しており,被測定ガスの流れが淀みやすい。従っ
て,上記取付根元部分近傍においては,炭素化合物に曝
される時間が他の部分に比べて長くなる。このため,こ
の取付根元部分の近傍の電極はカーボンが付着しやすい
部分である。
The vicinity of the mounting base is clear from the figure, but the oxygen sensor element and the housing are close to each other, so that the flow of the gas to be measured tends to be stagnant. Therefore, in the vicinity of the mounting base portion, the time of exposure to the carbon compound is longer than in other portions. For this reason, the electrode in the vicinity of the mounting base is a portion to which carbon is likely to adhere.

【0030】更に,酸素センサ素子の下端部分は被測定
ガスに曝されることから,仮にカーボンが付着しても,
該カーボンは被測定ガスの流れにより剥離除去される。
しかしながら,酸素センサ素子の取付根元部分近傍にお
いては,この被測定ガスの流れが淀み易いことから,上
記剥離除去も生じ難い。以上の点からも上記取付根元部
分近傍はカーボンが付着しやすい部分である。
Further, since the lower end portion of the oxygen sensor element is exposed to the gas to be measured, even if carbon adheres,
The carbon is separated and removed by the flow of the gas to be measured.
However, the flow of the gas to be measured is likely to be stagnant in the vicinity of the mounting base portion of the oxygen sensor element, so that the above-described peeling and removal is hard to occur. From the above points, the vicinity of the mounting base portion is a portion where carbon easily adheres.

【0031】また,上記緻密層の上端を上記取付根元部
分とし,上記緻密層の下端を酸素センサ素子の先端から
10mm上方とすることが好ましい(図5参照)。上記
上端部が取付根元部分よりも下方にある場合には,被測
定ガスが緻密層の存在しない部分の保護層を通じて侵入
し,電極にカーボン析出を生じせしめるおそれがある。
上記下端部が10mm上方よりも下方にある場合,酸素
センサ素子において酸素濃度検出に対して支配的な役割
を持った部分の電極に対し被測定ガスが到達し難くな
り,酸素センサ素子の応答性が低下するおそれがある。
It is preferable that the upper end of the dense layer is the mounting base portion and the lower end of the dense layer is 10 mm above the tip of the oxygen sensor element (see FIG. 5). If the upper end is below the mounting base, the gas to be measured may enter through the protective layer where the dense layer does not exist, causing carbon deposition on the electrode.
If the lower end is lower than 10 mm above, the gas to be measured hardly reaches the part of the oxygen sensor element which has a dominant role in detecting the oxygen concentration, and the response of the oxygen sensor element is reduced. May decrease.

【0032】次に,請求項5の発明のように,上記緻密
層はAl,Mgの少なくとも一方のリン酸塩を含有して
いることが好ましい。これにより,耐熱性がある緻密層
が形成され,高温雰囲気での熱劣化がなく,また保護層
を形成するMgO・Al2 3 スピネルと化学的に結合
しているため,保護層との熱膨張係数差が少ない緻密層
が形成され,使用中の冷熱サイクル等による緻密層の亀
裂,剥離が防止できる。
Next, it is preferable that the dense layer contains at least one of Al and Mg phosphates. As a result, a dense layer having heat resistance is formed, there is no thermal deterioration in a high-temperature atmosphere, and since the dense layer is chemically bonded to the MgO.Al 2 O 3 spinel forming the protective layer, heat exchange with the protective layer is prevented. A dense layer having a small difference in expansion coefficient is formed, and cracking and peeling of the dense layer due to a cooling and heating cycle during use can be prevented.

【0033】次に,請求項6の発明のように,上記緻密
層は粒径0.1μm以下のセラミックの微粒子を充填
し,またその微粒子を焼結してなることが好ましい。セ
ラミック微粒子を用いることで耐熱性が確保され,また
保護層との熱膨張係数が小さいため,使用中の冷熱サイ
クル等による緻密層の亀裂,剥離が防止できる。なお,
より好ましくは0.05μm以下である微粒子を使用す
ることが好ましい。
Next, as in the invention of claim 6, it is preferable that the dense layer is filled with ceramic fine particles having a particle size of 0.1 μm or less, and the fine particles are sintered. By using ceramic fine particles, heat resistance is ensured, and since the coefficient of thermal expansion with the protective layer is small, cracking and peeling of the dense layer due to cooling and heating cycles during use can be prevented. In addition,
More preferably, fine particles having a size of 0.05 μm or less are used.

【0034】上記粒径が0.1μmより大である場合に
は,保護層の細孔に充填される粒子の数が少なく,粒子
間の隙間が大きい。また,焼結後の空隙が大きいため,
細孔の閉塞が不充分で被測定ガスが通過してしまい,ガ
ス遮断の効果が発揮できないおそれがある。
When the particle size is larger than 0.1 μm, the number of particles filled in the pores of the protective layer is small, and the gap between the particles is large. Also, since the voids after sintering are large,
There is a possibility that the gas to be measured passes through due to insufficient blockage of the pores and the gas blocking effect cannot be exhibited.

【0035】次に請求項7の発明は,先端部が閉塞さ
れ,基端部が開放され,内部に内室を設けたコップ状の
固体電解質体と,該固体電解質体の先端部及び基端部の
外表面の少なくとも一部に形成され,かつ被測定ガスに
曝される測定電極と,上記内室に面する内表面に設けら
れ,上記固体電解質体を介して上記測定電極と対向する
よう設けられた基準電極と,上記内室に挿入され,上記
固体電解質体の先端部側を加熱するヒータとよりなると
共に,上記測定電極は保護層により被覆されてなり,か
つ上記保護層における基端部側の表面部分の少なくとも
一部には,上記保護層よりも気孔率の小さい緻密層を形
成していることを特徴とする酸素センサ素子にある(後
述の図1参照)。
Next, a seventh aspect of the present invention is directed to a cup-shaped solid electrolyte body having a closed front end, an open base end, and an inner chamber provided therein, and a front end and a base end of the solid electrolyte body. A measurement electrode formed on at least a part of the outer surface of the portion and exposed to the gas to be measured, and a measurement electrode provided on the inner surface facing the inner chamber and facing the measurement electrode via the solid electrolyte body. A reference electrode provided therein, and a heater inserted into the inner chamber and heating a distal end side of the solid electrolyte body. The measurement electrode is covered with a protective layer. An oxygen sensor element is characterized in that a dense layer having a porosity smaller than that of the protective layer is formed on at least a part of the surface portion on the side of the portion (see FIG. 1 described later).

【0036】本発明にかかる保護層の基端部側は緻密層
となっており,この緻密層の気孔率は保護層よりも小さ
い。つまり,保護層よりも緻密である。このため,上記
緻密層が存在する部分では測定電極に対する被測定ガス
の到達を防止することができ,よって,この部分におけ
る測定電極でのカーボンの析出を防止することができ
る。また,本発明においては特にガス状の炭素化合物に
対しての有効な効果を得ることができる。
The base layer of the protective layer according to the present invention is a dense layer, and the porosity of the dense layer is smaller than that of the protective layer. That is, it is denser than the protective layer. For this reason, it is possible to prevent the gas to be measured from reaching the measurement electrode in the portion where the dense layer exists, thereby preventing carbon deposition at the measurement electrode in this portion. Further, in the present invention, an effect particularly effective for gaseous carbon compounds can be obtained.

【0037】また,本発明にかかる緻密層は保護層の一
部である。このため,保護層と緻密層との間の熱膨張率
の差が殆どなく,冷熱サイクル,高温雰囲気に曝される
ことによる緻密層の剥離,亀裂の発生等を防止できる。
よって,長期間の使用において安定した出力を維持でき
る酸素センサ素子を得ることができる。また,上記保護
層と上記測定電極との間には他の被膜等が存在しないた
め,上記保護層は強く測定電極に付着することができ
る。このため,上記保護層の亀裂,剥離等も防止するこ
とができる。
The dense layer according to the present invention is a part of the protective layer. For this reason, there is almost no difference in the coefficient of thermal expansion between the protective layer and the dense layer, and it is possible to prevent the dense layer from being peeled off or cracked due to a thermal cycle or exposure to a high-temperature atmosphere.
Therefore, it is possible to obtain an oxygen sensor element that can maintain a stable output in long-term use. Further, since there is no other coating or the like between the protective layer and the measurement electrode, the protective layer can strongly adhere to the measurement electrode. For this reason, cracks and peeling of the protective layer can be prevented.

【0038】更に,上記酸素センサ素子にはヒータが挿
入配置されており,このヒータは酸素センサ素子の先端
部側を主として加熱するよう構成されている。このた
め,仮に酸素センサ素子の先端部側においてカーボンが
付着したとしても,付着したカーボンはヒータの熱によ
り燃焼除去される。しかしながら,酸素センサ素子の基
端部側においては,ヒータの熱による燃焼除去が殆ど生
じず,カーボンの付着が生じやすい。従って,基端部側
に緻密層を設けることで,より本発明の効果を確実とす
ることができる。
Further, a heater is inserted into the oxygen sensor element, and the heater is configured to mainly heat the tip side of the oxygen sensor element. For this reason, even if carbon adheres to the tip end side of the oxygen sensor element, the adhered carbon is burned and removed by the heat of the heater. However, on the base end side of the oxygen sensor element, combustion removal by the heat of the heater hardly occurs, and carbon is easily attached. Therefore, the effect of the present invention can be further ensured by providing the dense layer on the base end side.

【0039】以上のように,本発明によれば,電極にお
いてカーボンの析出が殆どなく,長期間の使用において
安定した出力を維持することができる酸素センサ素子を
提供することができる。
As described above, according to the present invention, it is possible to provide an oxygen sensor element in which carbon is hardly deposited on the electrode and a stable output can be maintained during long-term use.

【0040】なお,上記基端部側とは後述する図1に示
したとおり,保護層においてより酸素センサ素子のより
基端部に近い側を示している。上記先端部側も同様に保
護層においてより酸素センサ素子の先端部に近い側を示
している。
As shown in FIG. 1 to be described later, the base end side indicates a side of the protective layer closer to the base end of the oxygen sensor element. Similarly, the tip portion side also shows a side closer to the tip portion of the oxygen sensor element in the protective layer.

【0041】次に,請求項8の発明のように,上記保護
層の上記基端部側に形成された部分の気孔率は4%以下
であることが好ましい。これにより,本発明にかかる効
果を確実に得ることができる。上記気孔率が4%より大
である場合には,請求項2と同様に被測定ガスを遮断で
きないおそれがある。
Next, as in the invention of claim 8, the porosity of the portion formed on the base end side of the protective layer is preferably 4% or less. Thereby, the effect according to the present invention can be reliably obtained. If the porosity is greater than 4%, the gas to be measured may not be shut off as in the case of the second aspect.

【0042】次に,請求項9の発明のように,上記保護
層の上記基端部側に形成された部分の厚みは5〜20μ
mであることが好ましい。これにより,本発明にかかる
効果を確実に得ることができる。また,上記緻密層の厚
みが5μm未満である場合には,請求項2と同様に緻密
層が薄すぎてガスが通過してしまい,ガス遮断の効果が
発揮できないおそれがある。一方,請求項2と同様に厚
みが20μmより厚い場合には,保護層内部まで緻密化
物質を侵入させることが難しく,製造が困難となるおそ
れがある。
Next, as in the ninth aspect of the present invention, the thickness of the portion of the protective layer formed on the base end side is 5 to 20 μm.
m is preferable. Thereby, the effect according to the present invention can be reliably obtained. If the thickness of the dense layer is less than 5 μm, the dense layer may be too thin to allow gas to pass therethrough, as in the case of claim 2, and the gas blocking effect may not be exhibited. On the other hand, when the thickness is larger than 20 μm as in the case of the second aspect, it is difficult to infiltrate the densification substance into the inside of the protective layer, which may make the production difficult.

【0043】次に,請求項10の発明は,固体電解質体
と該固体電解質体の表面に設けられた一対の電極とより
なる酸素センサ素子において,上記電極の少なくとも一
方は保護層により被覆されてなり,かつ上記保護層はそ
の表面部分の少なくとも一部に内部より緻密化した緻密
層を形成している酸素センサ素子を製造する方法であっ
て,上記保護層を構成する保護層材料と反応する物質を
該保護層に塗布し,また含浸させ,その後加熱すること
により上記緻密層を形成することを特徴とする酸素セン
サ素子の製造方法にある。
According to a tenth aspect of the present invention, there is provided an oxygen sensor element comprising a solid electrolyte body and a pair of electrodes provided on the surface of the solid electrolyte body, wherein at least one of the electrodes is covered with a protective layer. And a method for manufacturing an oxygen sensor element in which the protective layer has a dense layer densified from the inside at least in a part of its surface, wherein the protective layer reacts with a protective layer material constituting the protective layer. A method for manufacturing an oxygen sensor element, comprising applying a substance to the protective layer, impregnating the protective layer, and then heating to form the dense layer.

【0044】上記加熱温度は500〜1000℃とする
ことが望ましい。加熱温度が500℃未満である場合に
は,酸素センサ素子を使用する際の熱履歴が上記加熱温
度を越えてしまうおそれがあり,上記保護層材料と上記
物質との反応が酸素センサ素子使用中に発生し,保護層
に亀裂が発生するおそれがある。
The heating temperature is desirably 500 to 1000 ° C. If the heating temperature is lower than 500 ° C., the heat history when using the oxygen sensor element may exceed the heating temperature. May occur and cracks may occur in the protective layer.

【0045】一方,加熱温度が1000℃を越えた場合
には,電極作製時の加熱温度を越えてしまうおそれがあ
り,該電極に凝集等が生じるおそれがある。凝集の発生
した電極は触媒性能が低下することから,酸素センサ素
子の性能も低下するおそれがある。
On the other hand, when the heating temperature exceeds 1000 ° C., there is a possibility that the heating temperature at the time of manufacturing the electrode may be exceeded, and the electrode may be agglomerated. The performance of the oxygen sensor element may be reduced because the electrode in which agglomeration occurs has reduced catalytic performance.

【0046】なお,上記酸素センサ素子の作製に当たっ
ては,固体電解質体を作製後,これに電極を作製し,該
電極を覆うように保護層を作製する。その後,上記保護
層に緻密層を作製することができる。
In the production of the oxygen sensor element, after a solid electrolyte body is produced, an electrode is produced thereon, and a protective layer is produced so as to cover the electrode. Thereafter, a dense layer can be formed on the protective layer.

【0047】本発明において,上記物質を塗布し,加熱
することにより,上記物質は保護層材料と反応し,化合
物を形成する。この時,上記化合物は体積膨張し,保護
層の表面近傍の細孔を閉塞することができる(図3参
照)。
In the present invention, by applying and heating the above substance, the above substance reacts with the material of the protective layer to form a compound. At this time, the compound expands in volume, and can block pores near the surface of the protective layer (see FIG. 3).

【0048】このため,本発明にかかる製造方法によれ
ば,保護層の表面の一部が緻密層を形成するため,請求
項1に示したごとく,保護層と緻密層との間の熱膨張率
の差が殆どなく,冷熱サイクル,高温雰囲気に曝される
ことによる緻密層の剥離,亀裂の発生等が殆どない酸素
センサ素子を得ることができる。よって,長期間の使用
において安定した出力を維持できる酸素センサ素子を得
ることができる。
Therefore, according to the manufacturing method of the present invention, since a part of the surface of the protective layer forms a dense layer, the thermal expansion between the protective layer and the dense layer can be achieved. It is possible to obtain an oxygen sensor element having almost no difference in the rate and having almost no peeling or cracking of the dense layer due to exposure to a cooling / heating cycle or a high-temperature atmosphere. Therefore, it is possible to obtain an oxygen sensor element that can maintain a stable output in long-term use.

【0049】また,上記保護層と上記電極との間には他
の被膜等が存在しないため,上記保護層は強く電極に付
着することができる。このため,上記保護層の亀裂,剥
離等も防止することができる。そして,上記緻密層が被
測定ガスの電極への到達を防止することができるため,
該電極におけるカーボンの析出の殆どない酸素センサ素
子を得ることができる。
Further, since there is no other coating between the protective layer and the electrode, the protective layer can strongly adhere to the electrode. For this reason, cracks and peeling of the protective layer can be prevented. Since the dense layer can prevent the gas to be measured from reaching the electrode,
An oxygen sensor element with almost no carbon deposition on the electrode can be obtained.

【0050】以上により,本発明によれば,電極におい
てカーボンの析出が殆どなく,長期間の使用において安
定した出力を維持可能な酸素センサ素子の製造方法を提
供することができる。
As described above, according to the present invention, it is possible to provide a method of manufacturing an oxygen sensor element in which carbon is hardly deposited on an electrode and a stable output can be maintained during long-term use.

【0051】なお,上記緻密層を作製する際の物質の種
類は保護層材料の種類に依存するが,保護層の構成材料
と反応し,反応後,熱的及び化学的に安定な化合物を形
成するものが好ましく,例えば,上記保護層がMgO・
Al2 3 スピネルよりなる場合には,リン酸を使用す
ることが好ましい。これにより,保護層を形成するM
g,Alとリン酸とが反応し,リン酸塩となり,更に体
積膨張することで保護層の細孔が閉塞され,被測定ガス
を遮断することができる。
The type of substance used to form the dense layer depends on the type of the protective layer material, but reacts with the constituent material of the protective layer to form a thermally and chemically stable compound after the reaction. Preferably, the protective layer is made of MgO.
In the case of Al 2 O 3 spinel, phosphoric acid is preferably used. Thereby, the M for forming the protective layer is formed.
g, Al and phosphoric acid react with each other to form a phosphate, and further expand the volume, thereby closing the pores of the protective layer and shutting off the gas to be measured.

【0052】また,上記緻密層を作製するに当たって
は,上記物質を液状または2倍希釈溶液等の状態とな
し,これを筆塗り,ディッピング等の方法を利用して上
記保護層における所望の部分に塗布,その後これを加熱
することが好ましい。また,塗布が不要となる部分,即
ち緻密層が不要である部分に対しては,予めマスキング
を施しておくことが好ましい。
In preparing the dense layer, the above-mentioned substance is made into a liquid or a two-fold diluted solution or the like, and this is applied to a desired portion of the protective layer by a method such as brush painting and dipping. It is preferred to apply and then heat it. In addition, it is preferable that masking is performed in advance on portions where coating is unnecessary, that is, portions where a dense layer is unnecessary.

【0053】または,上記物質の5〜10倍希釈溶液を
準備し,これを保護層に塗布して,加熱する。更に,上
記5〜10倍希釈溶液を塗布して,加熱することを繰り
返す。以上のような方法にて上記緻密層を作製すること
もできる。
Alternatively, a 5 to 10-fold diluted solution of the above substance is prepared, applied to the protective layer, and heated. Further, the application of the 5 to 10-fold diluted solution and heating are repeated. The dense layer can be produced by the above method.

【0054】また,請求項11の発明は,固体電解質体
と該固体電解質体の表面に設けられた一対の電極とより
なる酸素センサ素子において,上記電極の少なくとも一
方は保護層により被覆されてなり,かつ上記保護層はそ
の表面部分の少なくとも一部に内部より緻密化した緻密
層を形成している酸素センサ素子を製造する方法であっ
て,上記保護層にある細孔に粒径0.1μm以下のセラ
ミックの微粒子で充填し,これら微粒子を焼結させて上
記緻密層を形成していることを特徴とする酸素センサ素
子の製造方法にある。なお,より好ましくは微粒子の粒
径を0.05μm以下とする。
According to an eleventh aspect of the present invention, there is provided an oxygen sensor element comprising a solid electrolyte body and a pair of electrodes provided on the surface of the solid electrolyte body, wherein at least one of the electrodes is covered with a protective layer. And a method for manufacturing an oxygen sensor element in which the protective layer has a dense layer densified from the inside on at least a part of its surface, wherein pores in the protective layer have a particle size of 0.1 μm. A method of manufacturing an oxygen sensor element, characterized in that the following fine particles are filled with ceramic particles and the fine particles are sintered to form the dense layer. More preferably, the particle size of the fine particles is set to 0.05 μm or less.

【0055】上記の微粒子としては保護層と同質の材
料,或いは,焼結後に保護層と同質となる材料よりなる
ものが望ましい。また,上記微粒子としては,例えばア
ルミナ,シリカ等の耐熱性粒子,または焼結後に耐熱性
を獲得可能な粒子を使用することができる。
It is desirable that the fine particles are made of a material having the same quality as the protective layer or a material having the same quality as the protective layer after sintering. Further, as the fine particles, for example, heat-resistant particles such as alumina and silica, or particles capable of obtaining heat resistance after sintering can be used.

【0056】そして,これらの微粒子はゾル等の状態と
なし,このゾルを含む水溶液を筆塗り,ディッピング等
により保護層の表面に付着させて,また含浸させること
で保護層の細孔を上記微粒子で充填することが好まし
い。また,上記微粒子の付着は減圧雰囲気で行うことが
好ましい。これにより,上記細孔の内部まで上記微粒子
を充填することができる。
The fine particles are in the form of a sol or the like, and an aqueous solution containing the sol is brush-painted, adhered to the surface of the protective layer by dipping or the like, and impregnated to form pores in the protective layer. It is preferable to fill with. Further, the attachment of the fine particles is preferably performed in a reduced pressure atmosphere. Thereby, the fine particles can be filled into the inside of the pores.

【0057】なお,上記微粒子の粒径(直径)が0.1
μmより大である場合には,上記保護層の細孔に充填さ
れる微粒子の数が減少し,細孔の閉塞が不充分となり,
被測定ガスを十分遮断することができない緻密層が得ら
れるおそれがある。
The fine particles have a particle diameter (diameter) of 0.1.
When the diameter is larger than μm, the number of fine particles filled in the pores of the protective layer decreases, and the pores become insufficiently closed.
There is a possibility that a dense layer that cannot sufficiently block the gas to be measured may be obtained.

【0058】また,上記焼結は温度500〜1000℃
の加熱により行うことが望ましい。温度が500℃未満
である場合には,酸素センサ素子を使用する際の熱履歴
が上記温度を越えてしまうおそれがあり,微粒子の焼結
が酸素センサ素子使用中に発生し,保護層に亀裂が発生
するおそれがある。
The sintering is performed at a temperature of 500 to 1000 ° C.
It is desirable to carry out by heating. If the temperature is lower than 500 ° C., the heat history when using the oxygen sensor element may exceed the above-mentioned temperature, and sintering of the fine particles may occur during the use of the oxygen sensor element, and the protective layer may be cracked. May occur.

【0059】一方,温度が1000℃を越えた場合に
は,電極作製時の加熱温度を越えてしまうおそれがあ
り,該電極に凝集等が生じるおそれがある。凝集の発生
した電極は触媒性能が低下することから,酸素センサ素
子の性能も低下するおそれがある。
On the other hand, if the temperature exceeds 1000 ° C., the temperature may exceed the heating temperature at the time of manufacturing the electrode, and aggregation or the like may occur on the electrode. The performance of the oxygen sensor element may be reduced because the electrode in which agglomeration occurs has reduced catalytic performance.

【0060】本発明においては,保護層にある細孔に粒
径0.1μm以下のセラミックの微粒子で充填し,これ
ら微粒子を焼結させる。これにより,上記微粒子は互い
に結合し,更に上記保護層を構成する保護層材料と結合
することができる。このため,上記保護層の表面近傍の
細孔を閉塞することができる(図7,図8参照)。な
お,より好ましくは微粒子の粒径を0.05μm以下と
する。
In the present invention, the fine pores in the protective layer are filled with ceramic fine particles having a particle size of 0.1 μm or less, and these fine particles are sintered. Thereby, the fine particles can be bonded to each other and further to the protective layer material constituting the protective layer. Therefore, pores near the surface of the protective layer can be closed (see FIGS. 7 and 8). More preferably, the particle size of the fine particles is set to 0.05 μm or less.

【0061】よって,本発明にかかる製造方法によれ
ば,保護層の表面の一部が緻密層を形成するため,請求
項1に示したごとく,保護層と緻密層との間の熱膨張率
の差が殆どなく,冷熱サイクル,高温雰囲気に曝される
ことによる緻密層の剥離,亀裂の発生等が殆どない酸素
センサ素子を得ることができる。よって,長期間の使用
において安定した出力を維持できる酸素センサ素子を得
ることができる。
Therefore, according to the manufacturing method of the present invention, since a part of the surface of the protective layer forms a dense layer, the thermal expansion coefficient between the protective layer and the dense layer is as described in claim 1. Thus, an oxygen sensor element can be obtained in which there is almost no difference, and there is almost no peeling or cracking of the dense layer due to exposure to a cooling / heating cycle or a high-temperature atmosphere. Therefore, it is possible to obtain an oxygen sensor element that can maintain a stable output in long-term use.

【0062】また,上記保護層と上記電極との間には他
の被膜等が存在しないため,上記保護層は強く電極に付
着することができる。このため,上記保護層の亀裂,剥
離等も防止することができる。そして,上記緻密層が被
測定ガスの電極への到達を防止することができるため,
該電極におけるカーボンの析出の殆どない酸素センサ素
子を得ることができる。
Further, since there is no other coating or the like between the protective layer and the electrode, the protective layer can strongly adhere to the electrode. For this reason, cracks and peeling of the protective layer can be prevented. Since the dense layer can prevent the gas to be measured from reaching the electrode,
An oxygen sensor element with almost no carbon deposition on the electrode can be obtained.

【0063】以上により,本発明によれば,電極におい
てカーボンの析出が殆どなく,長期間の使用において安
定した出力を維持可能な酸素センサ素子の製造方法を提
供することができる。
As described above, according to the present invention, it is possible to provide a method of manufacturing an oxygen sensor element in which carbon is hardly deposited on an electrode and a stable output can be maintained during long-term use.

【0064】[0064]

【発明の実施の形態】BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION

実施形態例1 本発明の実施形態例にかかる酸素センサ素子及びその製
造方法につき,図1〜図6を用いて説明する。図1,図
2に示すごとく,本例にかかる酸素センサ素子1は,固
体電解質体10と該固体電解質体10の表面に設けられ
た一対の測定電極11,基準電極14とよりなる。上記
測定電極11は保護層12により被覆されてなり,かつ
上記保護層12はその表面部分の一部に内部より緻密化
した緻密層13を形成している。
Embodiment 1 An oxygen sensor element and a method of manufacturing the same according to an embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. As shown in FIGS. 1 and 2, the oxygen sensor element 1 according to the present embodiment includes a solid electrolyte body 10 and a pair of a measurement electrode 11 and a reference electrode 14 provided on the surface of the solid electrolyte body 10. The measurement electrode 11 is covered with a protective layer 12, and the protective layer 12 has a dense layer 13 densified from the inside at a part of its surface.

【0065】上記酸素センサ素子1の構造につき,詳細
に説明する。図1に示すごとく,上記酸素センサ素子1
は先端部191が閉塞され,基端部192が開放された
コップ型の固体電解質体10とその内部に設けた内室1
9とよりなり,かつ上記固体電解質体10の外表面10
1には測定電極11を,上記内室19に面する内表面1
09には基準電極14を設けてなる。また,上記内室1
9には図示を略したヒータが挿入され,上記測定電極1
1にはこれを保護するための保護層12が設けてある。
The structure of the oxygen sensor element 1 will be described in detail. As shown in FIG.
Is a cup-shaped solid electrolyte body 10 having a closed top end 191 and an open base end 192, and an inner chamber 1 provided therein.
9 and the outer surface 10 of the solid electrolyte body 10
Reference numeral 1 denotes a measurement electrode 11 and an inner surface 1 facing the inner chamber 19.
09 is provided with a reference electrode 14. In addition, the inner room 1
A heater (not shown) is inserted in 9 and the measurement electrode 1
1 is provided with a protective layer 12 for protecting it.

【0066】上記保護層12はMgO・Al2 3 スピ
ネルよりなる。また,図3に示すごとく,上記保護層1
2はプラズマ溶射にて形成された多孔質層である。な
お,符号129はMgO・Al2 3 スピネル粒子であ
る。また,上記保護層12の表面にある緻密層13は上
記多孔質な保護層12の表面に存在する細孔を塞ぐよう
に形成されており,リン酸アルミニウム等を含有してい
る。
The protective layer 12 is made of MgO.Al 2 O 3 spinel. In addition, as shown in FIG.
2 is a porous layer formed by plasma spraying. Reference numeral 129 denotes MgO.Al 2 O 3 spinel particles. The dense layer 13 on the surface of the protective layer 12 is formed so as to close pores existing on the surface of the porous protective layer 12, and contains aluminum phosphate or the like.

【0067】また,上記固体電解質体10の外周には凸
部105が形成され,該凸部105はテーパ部108を
有している。上記テーパ部108にも上記保護層12,
緻密層13は形成されている。上記テーパ部108にお
いて,本例にかかる酸素センサ素子1は,後述する酸素
センサ3のハウジング30に対し取付けられる(図4参
照)。つまり,上記テーパ部108が酸素センサ素子1
の取付根元部分となる。
A projection 105 is formed on the outer periphery of the solid electrolyte member 10, and the projection 105 has a tapered portion 108. The protective layer 12,
The dense layer 13 is formed. In the tapered portion 108, the oxygen sensor element 1 according to the present example is attached to a housing 30 of the oxygen sensor 3 described later (see FIG. 4). That is, the tapered portion 108 is
It will be the mounting base part.

【0068】次に,上記酸素センサ素子1を取付けた酸
素センサ3につき説明する。図4に示すごとく,上記酸
素センサ3は,ハウジング30と該ハウジング30に挿
入配置された酸素センサ素子1とよりなる。上記ハウジ
ング30の下方には被測定ガス室33を形成し,酸素セ
ンサ素子1の先端を保護するための二重の被測定ガス側
カバー330が設けてある。また,上記被測定ガス側カ
バーには被測定ガス導入用の導入孔331が設けてあ
る。
Next, the oxygen sensor 3 equipped with the oxygen sensor element 1 will be described. As shown in FIG. 4, the oxygen sensor 3 includes a housing 30 and an oxygen sensor element 1 inserted and arranged in the housing 30. A measured gas chamber 33 is formed below the housing 30, and a double measured gas side cover 330 for protecting the tip of the oxygen sensor element 1 is provided. Further, an introduction hole 331 for introducing a measured gas is provided in the measured gas side cover.

【0069】また,上記酸素センサ素子1の内室19に
は棒状のヒータ34が挿入配置されている。上記ヒータ
34は内室19の内表面109との間に所望のクリアラ
ンスを確保して,挿入配置されている。
A rod-shaped heater 34 is inserted into the inner chamber 19 of the oxygen sensor element 1. The heater 34 is inserted and arranged so as to secure a desired clearance between the heater 34 and the inner surface 109 of the inner chamber 19.

【0070】上記ハウジング30の上方には,三段の大
気側カバー31,32,33が設けてある。上記大気側
カバー32及び33の上端には,リード線391〜39
3を挿通させた弾性絶縁部材39が設けてある。上記リ
ード線391,392は,固体電解質体2において発生
した電流を信号として取出し,外部に送るものである。
また,上記リード線393は,上記ヒータ34に対し通
電し,これを発熱させるためのものである。
Above the housing 30, three atmospheric side covers 31, 32, and 33 are provided. Lead wires 391-39 are attached to the upper ends of the atmosphere side covers 32 and 33, respectively.
3 is provided with an elastic insulating member 39 into which 3 is inserted. The lead wires 391 and 392 take out a current generated in the solid electrolyte body 2 as a signal and send it to the outside.
The lead wire 393 is for supplying electricity to the heater 34 to generate heat.

【0071】上記リード線391,392の下端には接
続端子383,384が設けてあり,該接続端子38
3,384により,上記酸素センサ素子1に固定したタ
ーミナル381,382との導通が取られている。な
お,上記ターミナル381,382は,上記酸素センサ
素子1における測定電極及び基準電極の端部に対し接触
固定されている。
At the lower ends of the leads 391 and 392, connection terminals 383 and 384 are provided.
3, 384 establishes continuity with the terminals 381, 382 fixed to the oxygen sensor element 1. Note that the terminals 381 and 382 are fixed to the ends of the measurement electrode and the reference electrode in the oxygen sensor element 1.

【0072】次に,上記酸素センサ素子1の製造方法に
ついて詳細に説明する。ZrO2 等の原料粉末を秤量,
混合し,図1に示すごときコップ型の成形体を作製す
る。次いで,上記成形体を焼成し,固体電解質体10を
形成する。次いで,上記固体電解質体10の外表面10
1及び内表面109にPtを化学メッキ,蒸着法,ペー
スト塗布,焼付等のいずれかの方法を利用して付着さ
せ,測定電極11及び基準電極14を形成する。
Next, a method for manufacturing the oxygen sensor element 1 will be described in detail. Weigh raw material powder such as ZrO 2 ,
After mixing, a cup-shaped molded body as shown in FIG. 1 is produced. Next, the formed body is fired to form the solid electrolyte body 10. Next, the outer surface 10 of the solid electrolyte
The measurement electrode 11 and the reference electrode 14 are formed on the first electrode 1 and the inner surface 109 by using any method such as chemical plating, vapor deposition, paste application, and baking.

【0073】次いで,上記測定電極11の表面にMgO
・Al2 3 スピネルをプラズマ溶射して保護層12を
形成する。上記保護層12は厚み50〜300μm,気
孔率が5〜30%,平均細孔径500〜5000Åであ
る。次いで,上記保護層12の表面に対し,100%濃
度のリン酸を筆塗りによって塗布する。その後,上記固
体電解質体10を温度900℃に加熱する。
Next, the surface of the measurement electrode 11 was coated with MgO
· A Al 2 O 3 spinel and plasma spraying to form the protective layer 12. The protective layer 12 has a thickness of 50 to 300 μm, a porosity of 5 to 30%, and an average pore diameter of 500 to 5000 °. Next, phosphoric acid having a concentration of 100% is applied to the surface of the protective layer 12 with a brush. Thereafter, the solid electrolyte body 10 is heated to a temperature of 900 ° C.

【0074】この加熱により,上記リン酸と保護層12
におけるMgO・Al2 3 スピネルとが反応し,リン
酸アルミニウム等が形成される。更に,このリン酸アル
ミニウム等が体積膨張することにより,上記保護層12
の表面部分の細孔が閉塞される。この結果,上記保護層
12の表面の気孔率は3%程度となり,被測定ガスを通
過させない緻密層13が形成される。なお,この緻密層
の厚みは10μmである。以上により,本例にかかる酸
素センサ素子1を得た。
By this heating, the phosphoric acid and the protective layer 12
Reacts with the MgO.Al 2 O 3 spinel in the above to form aluminum phosphate and the like. Further, the volume expansion of the aluminum phosphate or the like causes the protection layer 12
The pores on the surface portion are closed. As a result, the porosity of the surface of the protective layer 12 becomes about 3%, and the dense layer 13 which does not allow the gas to be measured to pass is formed. The thickness of this dense layer is 10 μm. Thus, the oxygen sensor element 1 according to the present example was obtained.

【0075】次に,本例にかかる酸素センサ素子の性能
につき,図5,表1を用いて説明する。本例にかかる酸
素センサ素子について,緻密層を設けた位置と緻密層の
厚みTとを表1に示すごとく種々に変化させて製造した
試料1〜13を準備した。これらの試料の耐久性及び初
期応答性について以下に示すごとく測定した。
Next, the performance of the oxygen sensor element according to this embodiment will be described with reference to FIG. With respect to the oxygen sensor element according to the present example, Samples 1 to 13 were prepared by changing the position where the dense layer was provided and the thickness T of the dense layer variously as shown in Table 1. The durability and initial response of these samples were measured as shown below.

【0076】まず,緻密層を設けた位置について説明す
る。同表におけるFとは,図5に示すごとく,酸素セン
サ素子−ハウジングの接触位置と緻密化開始位置(緻密
層の上端)との間の距離である。なお,この酸素センサ
素子−ハウジングの接触位置が本例における取付根元部
分となる。
First, the position where the dense layer is provided will be described. F in the table is a distance between a contact position between the oxygen sensor element and the housing and a densification start position (upper end of the dense layer) as shown in FIG. The contact position between the oxygen sensor element and the housing is the mounting base in this example.

【0077】また,同表におけるGとは,図5に示すご
とく,緻密化終了位置(緻密層下端)と酸素センサ素子
先端との間の距離である。そして,Fを5〜−5mm,
Gを0〜10mmの範囲で変化させた酸素センサ素子を
作製した。なお,Fにおける「−」とは,酸素センサ素
子−ハウジングの接触位置を越えて,ハウジングの内部
と対面する位置まで緻密層を設けたことを表している。
また,上記緻密層の厚みTを2〜20μmの範囲で変化
させた酸素センサ素子を作製した。なお,上記緻密層の
厚みTについては,図3に例示した。
G in the table is the distance between the densification end position (the lower end of the dense layer) and the tip of the oxygen sensor element as shown in FIG. And F is 5-5 mm,
An oxygen sensor element in which G was changed in the range of 0 to 10 mm was produced. In addition, "-" in F indicates that the dense layer was provided beyond the contact position between the oxygen sensor element and the housing to a position facing the inside of the housing.
Further, an oxygen sensor element in which the thickness T of the dense layer was changed in the range of 2 to 20 μm was manufactured. The thickness T of the dense layer is illustrated in FIG.

【0078】次に,上記酸素センサ素子の性能は,表1
に示すごとく耐久性と初期応答性で示した。上記耐久性
は,加速耐久試験後の保護層の付着力及び外観により判
定した。上記加速耐久試験においては,燃料噴射装置付
2000cc直列4気筒エンジンの排気系に各試料とな
る酸素センサ素子を取付けた図4にかかる酸素センサを
配置した。また,排ガス温度を850℃,排ガス中の空
気過剰率を0.90(還元雰囲気)に設定して行った。
なお,耐久時間は100時間であった。
Next, Table 1 shows the performance of the oxygen sensor element.
As shown in Table 2, durability and initial response were shown. The durability was determined based on the adhesion and appearance of the protective layer after the accelerated durability test. In the accelerated endurance test, the oxygen sensor shown in FIG. 4 in which the oxygen sensor elements serving as each sample were attached to the exhaust system of a 2000 cc in-line four-cylinder engine equipped with a fuel injection device was arranged. Further, the exhaust gas temperature was set to 850 ° C., and the excess air ratio in the exhaust gas was set to 0.90 (reducing atmosphere).
The durability time was 100 hours.

【0079】上記加速耐久試験終了後,各試料にかかる
酸素センサ素子の保護層をテーピング評価した。この評
価で保護層が剥離した場合を×,剥離しなかった場合を
○と判定し,表1にかかる付着力の欄に記載した。ま
た,各試料にかかる酸素センサ素子にかかる保護層の外
観を肉眼で観察し,亀裂や剥離の有無を確認した。上記
保護層に亀裂や剥離がある場合を×,亀裂や剥離がない
場合を○と判定し,外観の欄に記載した。
After completion of the accelerated durability test, the protective layer of the oxygen sensor element on each sample was evaluated for taping. In this evaluation, the case where the protective layer was peeled was determined as x, and the case where the protective layer was not peeled was evaluated as ○. In addition, the appearance of the protective layer on the oxygen sensor element on each sample was visually observed to check for cracks or peeling. The case where there was a crack or peeling in the protective layer was evaluated as x, and the case where there was no crack or peeling was evaluated as ○.

【0080】また,上記初期応答性の測定は以下に示す
ごとく行った。燃料噴射装置付2000cc直列6気筒
エンジンの排気系に各試料となる酸素センサ素子を取付
けた図4にかかる酸素センサを配置した。
The measurement of the initial response was performed as follows. The oxygen sensor according to FIG. 4 in which an oxygen sensor element serving as each sample was attached to the exhaust system of a 2000 cc in-line six-cylinder engine with a fuel injection device was arranged.

【0081】そして,無鉛ガソリンを用いて,回転数1
100r.p.m.で上記エンジンを運転し,かつ上記
酸素センサ素子の先端温度を690〜710℃に保持し
た。その上で,λ=0.9からλ=1.1への切換時に
おいて,酸素センサ素子の出力が0.6Vから0.3V
に変化する時間について測定した。この時間が150m
s未満の場合を○,150ms以上200ms未満の場
合を△,200ms以上の場合を×と判定し,表1に初
期応答性の欄に記載した。なお,上記測定は耐久試験の
前後にて行った。
Then, by using unleaded gasoline,
100r. p. m. And the temperature of the tip of the oxygen sensor element was maintained at 690 to 710 ° C. Then, when switching from λ = 0.9 to λ = 1.1, the output of the oxygen sensor element is changed from 0.6V to 0.3V.
Was measured for the time to change. This time is 150m
The case of less than s was judged as ○, the case of 150 ms or more and less than 200 ms was judged as Δ, and the case of 200 ms or more was judged as ×. The above measurement was performed before and after the durability test.

【0082】同表における試料3〜試料9,試料12,
13により,上記保護層と上記ハウジングとが接触する
部分と,酸素センサ素子の先端より10mm上方の部分
との間に少なくとも緻密層を設けることにより,初期応
答性が高く,耐久性の高い酸素センサ素子が得られたこ
とが分かった。
In the same table, Samples 3 to 9, Sample 12,
According to 13, an oxygen sensor having high initial response and high durability is provided by providing at least a dense layer between a portion where the protective layer and the housing come into contact with each other and a portion 10 mm above the tip of the oxygen sensor element. It was found that the device was obtained.

【0083】次に,本例における作用効果につき説明す
る。本例にかかる酸素センサ素子1の保護層12の表面
部分は緻密層13を形成していおり,これにより,被測
定ガスの測定電極11への到達を防止することができ
る。よって,測定電極11におけるカーボンの析出を防
止することができる。
Next, the operation and effect of this embodiment will be described. The surface portion of the protective layer 12 of the oxygen sensor element 1 according to the present embodiment forms the dense layer 13, thereby preventing the gas to be measured from reaching the measurement electrode 11. Therefore, the deposition of carbon on the measurement electrode 11 can be prevented.

【0084】また,本例にかかる緻密層13は,保護層
12の一部である。このため,保護層12と緻密層13
との間の熱膨張率の差が殆どなく,冷熱サイクル,高温
雰囲気に曝されることにより両者の間に熱応力が発生
し,上記緻密層13の剥離,亀裂の発生等を防止でき
る。よって,長期間の使用において安定した出力を維持
できる酸素センサ素子1を得ることができる。
The dense layer 13 according to the present embodiment is a part of the protective layer 12. Therefore, the protective layer 12 and the dense layer 13
There is almost no difference in the coefficient of thermal expansion between them, and thermal stress is generated between them by exposure to a cooling / heating cycle or a high-temperature atmosphere, so that separation of the dense layer 13 and generation of cracks can be prevented. Therefore, it is possible to obtain the oxygen sensor element 1 that can maintain a stable output in long-term use.

【0085】また,上記保護層12と上記測定電極11
との間には他の被膜等が存在しないため,上記保護層1
2は強く上記測定電極11に付着することができる。こ
のため,上記保護層12の亀裂,剥離等も防止すること
ができる。
The protective layer 12 and the measuring electrode 11
Since no other film or the like exists between the protective layer 1 and the
2 can strongly adhere to the measurement electrode 11. For this reason, cracking, peeling, and the like of the protective layer 12 can also be prevented.

【0086】以上のように,本例によれば,電極におい
てカーボンの析出が殆どなく,長期間の使用において安
定した出力を維持することができる酸素センサ素子及び
これを製造する方法を提供することができる。また,本
例の製造方法によれば,上述したごとき優れた酸素セン
サ素子を作製することができる。
As described above, according to the present embodiment, it is possible to provide an oxygen sensor element capable of maintaining a stable output over a long period of use with almost no carbon deposition on the electrode and a method of manufacturing the same. Can be. Further, according to the manufacturing method of this example, an excellent oxygen sensor element as described above can be manufactured.

【0087】また,本例において上記緻密層13は酸素
センサ素子1の取付根元部分となるテーパー部108に
形成してある。この部分は後述するごとく最もカーボン
が析出しやすい部分であるため,本例にかかる効果をよ
り確実に得ることができる。
In the present embodiment, the dense layer 13 is formed on a tapered portion 108 serving as a mounting base of the oxygen sensor element 1. Since this portion is the portion where carbon is most likely to be deposited as described later, the effect according to this example can be obtained more reliably.

【0088】即ち,上記酸素センサ素子1にはヒータ3
4が挿入配置されており,更にこのヒータ34は酸素セ
ンサ素子1の先端部101の近傍を主として加熱するよ
う構成されている。このため,仮に酸素センサ素子1の
先端部101の近傍においてカーボンが付着したとして
も,付着したカーボンはヒータ34の熱により燃焼除去
される。しかしながら,上記取付根元部分においては,
ヒータ34の熱による燃焼除去が殆ど生じない。
That is, the oxygen sensor element 1 has a heater 3
The heater 34 is configured to mainly heat the vicinity of the tip 101 of the oxygen sensor element 1. For this reason, even if carbon adheres in the vicinity of the tip end portion 101 of the oxygen sensor element 1, the adhered carbon is burned and removed by the heat of the heater 34. However, at the mounting base,
The combustion removal by the heat of the heater 34 hardly occurs.

【0089】更に,図4に示すごとく,酸素センサ素子
1の先端部101は被測定ガスを被測定ガス室33に導
入する導入穴331と対面しており,仮にカーボンが付
着しても,該カーボンは被測定ガスの流れにより剥離除
去される。しかしながら,酸素センサ素子1の取付根元
部分においては,この被測定ガスの流れが淀み易いこと
から,上記剥離除去も生じ難い。
Further, as shown in FIG. 4, the tip 101 of the oxygen sensor element 1 faces the introduction hole 331 for introducing the gas to be measured into the gas chamber 33 to be measured. The carbon is separated and removed by the flow of the gas to be measured. However, the flow of the gas to be measured is likely to be stagnant at the mounting base portion of the oxygen sensor element 1, so that the above-mentioned peeling and removal is unlikely to occur.

【0090】なお,図6に示すごとく,上記保護層12
及び緻密層13の外側にトラップ層15を設けることも
できる。これにより,被測定ガス中の被毒物の測定電極
11への到達を防止することができる。よって,更に長
期間の使用において安定した出力を維持できる酸素セン
サ素子1を得ることができる。
As shown in FIG. 6, the protective layer 12
In addition, the trap layer 15 can be provided outside the dense layer 13. Thereby, it is possible to prevent the poisonous substance in the gas to be measured from reaching the measurement electrode 11. Therefore, it is possible to obtain the oxygen sensor element 1 that can maintain a stable output in a long-term use.

【0091】[0091]

【表1】 [Table 1]

【0092】実施形態例2 本例は,保護層にある細孔を粒径0.1μm以下のセラ
ミックの微粒子で充填し,これら微粒子を焼結させて作
製した緻密層を有する酸素センサ素子及び本例にかかる
緻密層の製造方法について,図7,図8を用いて説明す
る。
Embodiment 2 This embodiment is directed to an oxygen sensor element having a dense layer formed by filling pores in a protective layer with ceramic fine particles having a particle size of 0.1 μm or less and sintering these fine particles. A method for manufacturing a dense layer according to an example will be described with reference to FIGS.

【0093】本例にかかる酸素センサ素子は実施形態例
1と同様の構造を有しており,コップ型の固体電解質体
10と該固体電解質体10の表面に設けられた一対の測
定電極11,基準電極とよりなる。上記測定電極11は
保護層12により被覆されてなり,かつ上記保護層12
はその表面部分の一部に内部より緻密化した緻密層13
を形成している。また,上記固体電解質体10には内室
19が設けてあり,該内室19には図示を略したヒータ
が挿入されている。
The oxygen sensor element according to this embodiment has the same structure as that of the first embodiment, and includes a cup-shaped solid electrolyte body 10 and a pair of measurement electrodes 11 provided on the surface of the solid electrolyte body 10. Consists of a reference electrode. The measuring electrode 11 is covered with a protective layer 12, and the protective layer 12
Is a dense layer 13 densified from the inside on a part of the surface portion.
Is formed. The solid electrolyte body 10 has an inner chamber 19 into which a heater (not shown) is inserted.

【0094】本例にかかる保護層12,緻密層13につ
き説明する。本例にかかる保護層12も実施形態例1と
同様にMgO・Al2 3 スピネルよりなる。また,図
7に示すごとく,上記保護層12はプラズマ溶射にて形
成された多孔質層である。なお,符号129はMgO・
Al2 3 スピネル粒子である。そして,上記保護層1
2の表面における細孔は多数の微粒子139により閉塞
されており,ここに緻密層13が形成されることとな
る。上記微粒子139はAl2 3 粒子よりなり,その
粒径は0.1μm以下である。また,上記緻密層13の
気孔率は3%である。その他は実施形態例1の酸素セン
サ素子と同様である。
The protective layer 12 and the dense layer 13 according to this example will be described. The protective layer 12 according to the present embodiment is also made of MgO.Al 2 O 3 spinel as in the first embodiment. Further, as shown in FIG. 7, the protective layer 12 is a porous layer formed by plasma spraying. Reference numeral 129 denotes MgO.
Al 2 O 3 spinel particles. Then, the protective layer 1
The pores on the surface of No. 2 are closed by a large number of fine particles 139, and the dense layer 13 is formed here. The fine particles 139 are made of Al 2 O 3 particles, and the particle size is 0.1 μm or less. The porosity of the dense layer 13 is 3%. Others are the same as the oxygen sensor element of the first embodiment.

【0095】本例にかかる緻密層の製造方法について以
下に説明する。実施形態例1と同様にして,固体電解質
体10,測定電極11,保護層12等を作製する。次い
で,上記保護層12に対して,アルミナゾル溶液を筆塗
りにより塗布した。これにより,上記アルミナゾル中に
存在するアルミナの微粒子139が上記保護層12の表
面の細孔に充填された。
A method for manufacturing a dense layer according to this example will be described below. The solid electrolyte member 10, the measurement electrode 11, the protective layer 12, and the like are manufactured in the same manner as in the first embodiment. Next, an alumina sol solution was applied to the protective layer 12 by brush painting. Thereby, the fine particles 139 of alumina present in the alumina sol were filled in the pores on the surface of the protective layer 12.

【0096】次いで,上記固体電解質体ごと塗布したア
ルミナゾル溶液を加熱する。これにより,上記微粒子1
39は互いに焼結し,あるいは微粒子139と保護層1
2を構成する粒子129とが焼結し,緻密層13を形成
した。
Next, the alumina sol solution applied together with the solid electrolyte is heated. Thereby, the fine particles 1
39 are mutually sintered or fine particles 139 and the protective layer 1
The particles 129 constituting the particles 2 were sintered to form the dense layer 13.

【0097】次に,本例にかかる酸素センサ素子の性能
につき,前述の図5,表2を用いて説明する。本例にか
かる酸素センサ素子について,緻密層13を設けた位置
を表2に示すごとく種々に変化させて製造した試料21
〜29を準備した。これらの試料の耐久性及び初期応答
性について実施形態例1と同様に測定した。なお,同表
におけるF,Gは実施形態例1,表1,図5と同様の意
味である。
Next, the performance of the oxygen sensor element according to this embodiment will be described with reference to FIG. In the oxygen sensor element according to this example, the position of the dense layer 13 was changed variously as shown in Table 2, and the sample 21 was manufactured.
~ 29 were prepared. The durability and initial response of these samples were measured in the same manner as in Example 1. F and G in the table have the same meanings as in the first embodiment, Table 1, and FIG.

【0098】表2における試料23〜試料25,試料2
8,29により,実施形態例1と同様に上記保護層と酸
素センサにかかるハウジングとが接触する部分と,酸素
センサ素子の先端より10mm上方の部分との間に少な
くとも緻密層を設けることにより,初期応答性が高く,
耐久性の高い酸素センサ素子が得られたことが分かっ
た。また,本例にかかる製造方法においても,実施形態
例1と同様に優れた酸素センサ素子を作製できることが
分かった。
Samples 23 to 25 and Table 2 in Table 2
8 and 29, by providing at least a dense layer between the portion where the protective layer contacts the housing related to the oxygen sensor and the portion 10 mm above the tip of the oxygen sensor element as in the first embodiment. High initial response,
It was found that a highly durable oxygen sensor element was obtained. In addition, it was found that also in the manufacturing method according to the present embodiment, an excellent oxygen sensor element can be manufactured as in the first embodiment.

【0099】[0099]

【表2】 [Table 2]

【0100】実施形態例3 本例は,図9に示すごとく,ガラス質よりなる緻密層を
有する酸素センサ素子について説明するものである。本
例にかかる酸素センサ素子は実施形態例1と同様の構造
を有しており,コップ型の固体電解質体10と該固体電
解質体10の表面に設けられた一対の測定電極11,基
準電極とよりなる。上記測定電極11は保護層12によ
り被覆されてなり,かつ上記保護層12はその表面部分
の一部に内部より緻密化した緻密層13を形成してい
る。また,上記固体電解質体10には内室が設けてあ
り,該内室には図示を略したヒータが挿入されている。
Embodiment 3 This embodiment describes an oxygen sensor element having a dense layer made of glass as shown in FIG. The oxygen sensor element according to the present embodiment has the same structure as that of the first embodiment, and includes a cup-shaped solid electrolyte body 10 and a pair of a measurement electrode 11 and a reference electrode provided on the surface of the solid electrolyte body 10. Consisting of The measurement electrode 11 is covered with a protective layer 12, and the protective layer 12 has a dense layer 13 densified from the inside at a part of its surface. The solid electrolyte body 10 has an inner chamber, into which a heater (not shown) is inserted.

【0101】上記緻密層について説明する。本例にかか
る緻密層13はガラス質の耐熱性被膜よりなる。具体的
には,MgO及びAl2 3 の粉末と,硼珪酸ガラス等
の低融点ガラスをエチルセルロース等の樹脂を溶かした
溶液をスリップ状となし,これを筆塗りによって,上記
保護層12の所望の部分に付着させ,温度800〜10
00℃で焼き付けることによって形成された被膜よりな
る。
The dense layer will be described. The dense layer 13 according to the present embodiment is made of a vitreous heat-resistant coating. More specifically, a solution in which a powder of MgO and Al 2 O 3 and a low melting point glass such as borosilicate glass are dissolved in a resin such as ethyl cellulose is formed into a slip shape, and this is coated with a brush to obtain the desired protective layer 12. At a temperature of 800 to 10
It consists of a film formed by baking at 00 ° C.

【0102】なお,上記温度が800℃未満である場合
は,材料中のガラスが充分溶けず,保護層との付着力が
不充分となり,酸素センサ素子の使用中に緻密層が剥離
するおそれがある。一方,上記温度が1000℃より高
い場合には,電極が凝集するおそれがある。
If the temperature is lower than 800 ° C., the glass in the material does not melt sufficiently, the adhesion to the protective layer becomes insufficient, and the dense layer may peel off during use of the oxygen sensor element. is there. On the other hand, if the temperature is higher than 1000 ° C., the electrodes may aggregate.

【0103】そして,本例にかかる緻密層13の熱膨張
率は保護層と略等しい膨張率を有している。つまり,保
護層12の熱膨張率は75〜85×10-7/℃,緻密層
13の膨張率は75〜85×10-7/℃である。
The thermal expansion coefficient of the dense layer 13 according to the present example has an expansion coefficient substantially equal to that of the protective layer. That is, the coefficient of thermal expansion of the protective layer 12 is 75 to 85 × 10 −7 / ° C., and the coefficient of expansion of the dense layer 13 is 75 to 85 × 10 −7 / ° C.

【0104】なお,上記被膜としては,熱膨張率が保護
層12と同一か近似したもの,更に酸素センサ素子の使
用温度となる500〜700℃程度の温度において軟化
しない材料であれば,上述した材料以外の物質で構成さ
れていてもよい。
The above-mentioned film may be made of any material having a coefficient of thermal expansion equal to or close to that of the protective layer 12 or a material which does not soften at a temperature of about 500 to 700 ° C. which is the operating temperature of the oxygen sensor element. It may be composed of a substance other than the material.

【0105】次に,本例にかかる酸素センサ素子の性能
につき,前述の図5,表3を用いて説明する。即ち,図
5にかかるF及びGが表3に示す値となるような緻密層
を設けた酸素センサ素子(試料31)を準備し,実施形
態例1と同様に耐久性と初期応答性について測定した。
その結果,同表より知れるごとく,本例にかかる緻密層
を有する酸素センサ素子は優れた耐久性及び初期応答性
を有することが分かった。
Next, the performance of the oxygen sensor element according to this embodiment will be described with reference to FIG. That is, an oxygen sensor element (sample 31) provided with a dense layer in which F and G according to FIG. 5 have the values shown in Table 3 was prepared, and the durability and initial response were measured as in the first embodiment. did.
As a result, as can be seen from the table, it was found that the oxygen sensor element having the dense layer according to this example had excellent durability and initial response.

【0106】[0106]

【表3】 [Table 3]

【0107】実施形態例4 本例は図10に示すごとく,限界電流式の酸素センサ素
子4である。本例にかかる酸素センサ素子4は,コップ
型の固体電解質体10とその内部に設けた内室19とよ
りなり,かつ上記固体電解質体10の外表面には測定電
極421及び絶縁層411,412を,上記内室19に
面する内表面には基準電極14を設けてなる。また,上
記内室19には図示を略したヒータが挿入され,上記測
定電極421にはこれを保護するための保護層43,4
22が,更にその外側には被毒物トラップ層423が設
けてある。
Fourth Embodiment As shown in FIG. 10, this embodiment is a limiting current type oxygen sensor element 4. The oxygen sensor element 4 according to the present embodiment includes a cup-shaped solid electrolyte body 10 and an inner chamber 19 provided therein, and a measuring electrode 421 and insulating layers 411 and 412 are provided on the outer surface of the solid electrolyte body 10. The reference electrode 14 is provided on the inner surface facing the inner chamber 19. A heater (not shown) is inserted into the inner chamber 19, and protective layers 43, 4 for protecting the heater are inserted into the measuring electrode 421.
Further, a poisoning substance trap layer 423 is provided on the outside thereof.

【0108】そして,上記保護層43はMgO・Al2
3 スピネルよりなり,プラズマ溶射にて形成された多
孔質層である。そして,上記保護層43の表面にある緻
密層13は上記多孔質な保護層43の表面に存在する細
孔を塞ぐように形成されており,リン酸アルミニウムを
含有している。また,上記緻密層13は,実施形態例1
に示したごとく,上記保護層43の表面にリン酸を筆塗
りによって塗布し,これを加熱することにより作製す
る。その他は実施形態例1と同様である。また,本例の
酸素センサ素子4は実施形態例1と同様の効果を有す
る。
The protection layer 43 is made of MgO.Al 2
A porous layer made of O 3 spinel and formed by plasma spraying. The dense layer 13 on the surface of the protective layer 43 is formed so as to close the pores on the surface of the porous protective layer 43, and contains aluminum phosphate. In addition, the dense layer 13 is provided in the first embodiment.
As shown in (1), phosphoric acid is applied to the surface of the protective layer 43 by brush painting, and is heated to heat. Others are the same as the first embodiment. Further, the oxygen sensor element 4 of the present example has the same effect as the first embodiment.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

【図1】実施形態例1にかかる,酸素センサ素子の縦断
面説明図。
FIG. 1 is an explanatory longitudinal sectional view of an oxygen sensor element according to a first embodiment.

【図2】実施形態例1にかかる,酸素センサ素子の図1
にかかるA−A矢視断面図。
FIG. 2 is a diagram showing an oxygen sensor element according to the first embodiment;
FIG.

【図3】実施形態例1にかかる,酸素センサ素子の要部
拡大説明図。
FIG. 3 is an enlarged explanatory view of a main part of the oxygen sensor element according to the first embodiment.

【図4】実施形態例1にかかる,本例にかかる酸素セン
サ素子を設けた酸素センサの断面説明図。
FIG. 4 is an explanatory cross-sectional view of the oxygen sensor according to the first embodiment and provided with the oxygen sensor element according to the present embodiment.

【図5】実施形態例1にかかる,表1のF及びGを示す
説明図。
FIG. 5 is an explanatory diagram showing F and G in Table 1 according to the first embodiment.

【図6】実施形態例1にかかる,トラップ層を設けた酸
素センサ素子の縦断面説明図。
FIG. 6 is an explanatory longitudinal sectional view of the oxygen sensor element provided with the trap layer according to the first embodiment.

【図7】実施形態例2にかかる,酸素センサ素子の要部
拡大説明図。
FIG. 7 is an enlarged explanatory diagram of a main part of an oxygen sensor element according to a second embodiment.

【図8】実施形態例2にかかる,保護層と緻密層との説
明図。
FIG. 8 is an explanatory diagram of a protective layer and a dense layer according to the second embodiment.

【図9】実施形態例3にかかる,酸素センサ素子の要部
拡大説明図。
FIG. 9 is an enlarged explanatory view of a main part of an oxygen sensor element according to a third embodiment.

【図10】実施形態例4にかかる,酸素センサ素子の縦
断面説明図。
FIG. 10 is an explanatory longitudinal sectional view of an oxygen sensor element according to a fourth embodiment.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1,4...酸素センサ素子, 10...固体電解質体, 101...外表面, 109...内表面, 11...測定電極, 12,43...保護層, 13...緻密層, 14...基準電極, 191...先端部, 192...基端部, 1,4. . . Oxygen sensor element, 10. . . Solid electrolyte body, 101. . . Outer surface, 109. . . Inner surface, 11. . . Measuring electrode, 12, 43. . . 12. protective layer; . . 13. dense layer, . . Reference electrode, 191. . . Tip, 192. . . Base end,

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 佐野 博美 愛知県刈谷市昭和町1丁目1番地 株式会 社デンソー内 ──────────────────────────────────────────────────続 き Continued on the front page (72) Inventor Hiromi Sano 1-1-1, Showa-cho, Kariya-shi, Aichi Pref.

Claims (11)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 固体電解質体と該固体電解質体の表面に
設けられた一対の電極とよりなる酸素センサ素子におい
て,上記電極の少なくとも一方は保護層により被覆され
てなり,かつ上記保護層はその表面部分の少なくとも一
部に内部より緻密化した緻密層を形成していることを特
徴とする酸素センサ素子。
1. An oxygen sensor element comprising a solid electrolyte body and a pair of electrodes provided on a surface of the solid electrolyte body, wherein at least one of the electrodes is covered with a protective layer, and the protective layer is An oxygen sensor element, wherein a dense layer densified from the inside is formed on at least a part of a surface portion.
【請求項2】 請求項1において,上記緻密層の気孔率
は4%以下であることを特徴とする酸素センサ素子。
2. The oxygen sensor element according to claim 1, wherein the porosity of the dense layer is 4% or less.
【請求項3】 請求項1において,上記緻密層の気孔率
は4%以下で,厚みは5〜20μmであることを特徴と
する酸素センサ素子。
3. The oxygen sensor element according to claim 1, wherein the porosity of the dense layer is 4% or less and the thickness is 5 to 20 μm.
【請求項4】 請求項1〜3のいずれか一項において,
上記緻密層は,酸素センサ素子の取付根元部分近傍に形
成してあることを特徴とする酸素センサ素子。
4. The method according to claim 1, wherein:
The oxygen sensor element according to claim 1, wherein the dense layer is formed near a mounting base of the oxygen sensor element.
【請求項5】 請求項1〜4のいずれか一項において,
上記緻密層はAl,Mgの少なくとも一方のリン酸塩を
含有していることを特徴とする酸素センサ素子。
5. The method according to claim 1, wherein:
An oxygen sensor element, wherein the dense layer contains at least one of Al and Mg phosphates.
【請求項6】 請求項1〜5のいずれか一項において,
上記緻密層は粒径0.02μm以下のセラミックの微粒
子を充填し,またその微粒子を焼結してなることを特徴
とする酸素センサ素子。
6. The method according to claim 1, wherein:
An oxygen sensor element characterized in that the dense layer is filled with ceramic fine particles having a particle size of 0.02 μm or less, and the fine particles are sintered.
【請求項7】 先端部が閉塞され,基端部が開放され,
内部に内室を設けたコップ状の固体電解質体と,該固体
電解質体の先端部及び基端部の外表面の少なくとも一部
に形成され,かつ被測定ガスに曝される測定電極と,上
記内室に面する内表面に設けられ,上記固体電解質体を
介して上記測定電極と対向するよう設けられた基準電極
と,上記内室に挿入され,上記固体電解質体の先端部側
を加熱するヒータとよりなると共に,上記測定電極は保
護層により被覆されてなり,かつ上記保護層における基
端部側の表面部分の少なくとも一部には,上記保護層よ
りも気孔率の小さい緻密層を形成していることを特徴と
する酸素センサ素子。
7. The distal end is closed, the proximal end is opened,
A cup-shaped solid electrolyte body having an inner chamber therein, a measurement electrode formed on at least a part of an outer surface of a distal end and a base end of the solid electrolyte body, and exposed to a gas to be measured; A reference electrode provided on the inner surface facing the inner chamber and opposed to the measurement electrode via the solid electrolyte body; and a reference electrode inserted into the inner chamber for heating the tip side of the solid electrolyte body In addition to the heater, the measurement electrode is covered with a protective layer, and a dense layer having a smaller porosity than the protective layer is formed on at least a part of the surface of the protective layer on the base end side. An oxygen sensor element characterized in that:
【請求項8】 請求項7において,上記緻密層の気孔率
は4%以下であることを特徴とする酸素センサ素子。
8. The oxygen sensor element according to claim 7, wherein the porosity of the dense layer is 4% or less.
【請求項9】 請求項7または8において,上記緻密層
の厚みは5〜20μmであることを特徴とする酸素セン
サ素子。
9. The oxygen sensor element according to claim 7, wherein the dense layer has a thickness of 5 to 20 μm.
【請求項10】 固体電解質体と該固体電解質体の表面
に設けられた一対の電極とよりなる酸素センサ素子にお
いて,上記電極の少なくとも一方は保護層により被覆さ
れてなり,かつ上記保護層はその表面部分の少なくとも
一部に内部より緻密化した緻密層を形成している酸素セ
ンサ素子を製造する方法であって,上記保護層を構成す
る保護層材料と反応する物質を該保護層に塗布し,また
含浸させ,その後加熱することにより上記緻密層を形成
することを特徴とする酸素センサ素子の製造方法。
10. An oxygen sensor element comprising a solid electrolyte body and a pair of electrodes provided on the surface of the solid electrolyte body, wherein at least one of the electrodes is covered with a protective layer, and the protective layer is A method for manufacturing an oxygen sensor element in which a dense layer densified from the inside is formed on at least a part of a surface portion, wherein a substance that reacts with a material for a protective layer constituting the protective layer is applied to the protective layer. And a method for producing an oxygen sensor element, wherein the dense layer is formed by impregnating and then heating.
【請求項11】 固体電解質体と該固体電解質体の表面
に設けられた一対の電極とよりなる酸素センサ素子にお
いて,上記電極の少なくとも一方は保護層により被覆さ
れてなり,かつ上記保護層はその表面部分の少なくとも
一部に内部より緻密化した緻密層を形成している酸素セ
ンサ素子を製造する方法であって,上記保護層にある細
孔に粒径0.1μm以下のセラミックの微粒子で充填
し,これら微粒子を焼結させて上記緻密層を形成してい
ることを特徴とする酸素センサ素子の製造方法。
11. An oxygen sensor element comprising a solid electrolyte body and a pair of electrodes provided on a surface of the solid electrolyte body, wherein at least one of the electrodes is covered with a protective layer, and the protective layer is A method for manufacturing an oxygen sensor element in which a dense layer densified from the inside is formed on at least a part of a surface portion, wherein pores in the protective layer are filled with ceramic fine particles having a particle size of 0.1 μm or less. And manufacturing the oxygen sensor element by sintering the fine particles to form the dense layer.
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