JPS605548B2 - Zirconia sintered body for oxygen sensor - Google Patents

Zirconia sintered body for oxygen sensor

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JPS605548B2
JPS605548B2 JP52054684A JP5468477A JPS605548B2 JP S605548 B2 JPS605548 B2 JP S605548B2 JP 52054684 A JP52054684 A JP 52054684A JP 5468477 A JP5468477 A JP 5468477A JP S605548 B2 JPS605548 B2 JP S605548B2
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zirconia
oxide
sintered body
oxygen
terminal voltage
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直人 三輪
勝彦 田中
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NipponDenso Co Ltd
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Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、自動車内燃機関の排気ガス中の酸素濃度を検
出する酸素センサーに用いて好都合なジルコニア焼結体
に関するものである。
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION The present invention relates to a zirconia sintered body suitable for use in an oxygen sensor for detecting oxygen concentration in exhaust gas of an automobile internal combustion engine.

従来、この種のジルコニア鏡結体としては、酸化ジルコ
ニウムと酸化イットリウムとを固落させたものが知られ
ている。
Conventionally, as this type of zirconia mirror body, one in which zirconium oxide and yttrium oxide are solidified is known.

この組成のジルコニア焼結体は酸素イオン導電率がよく
、比較的低温度(約400oo)でも酸素イオンを導電
する性質を有している。ところで、本発明者の確認実験
によれば、酸素イオン導電率が最もよい組成範囲を選ん
だところ酸化ジルコニウムは97乃至89モル%、酸化
イットリウムは3乃至11モル%であった。
The zirconia sintered body having this composition has good oxygen ion conductivity and has the property of conducting oxygen ions even at a relatively low temperature (approximately 400 oo). By the way, according to confirmation experiments conducted by the present inventors, when the composition range with the best oxygen ion conductivity was selected, zirconium oxide was 97 to 89 mol%, and yttrium oxide was 3 to 11 mol%.

一般に酸化ジルコニウムと酸化イットリウムとを固溶反
応させるためには約18000C以上の高焼成温度を必
要とし、このような高焼成温度であると、結晶成長が箸
るしくなって嵩比重が低下して強度的に弱くなる。そこ
で、焼成温度を下げるため、一般のセラミック分野で暁
結促進材として知られている酸化蛙素を添加することが
考えられる。本発明者は実際に酸化珪素を添加したとこ
ろ、なるほど焼成温度は160ぴ0程度に下がるが、ジ
ルコニア暁絹体にはその端子電圧の安定化等のために微
少電流を流しており、かかる使用状態では比較的低温城
(約400午○以下)の下で端子電圧が大きくなる煩向
を発見した。この原因を追求すべ〈ジルコニア競縞体を
粉砕し、電子顕微鏡で調査したところ、酸化ジルコニウ
ムと酸化イットリウムとの園溶した結晶構造部の粒界に
酸化珪素が膜状に存在しており、これにより酸素イオン
の拡散が妨げられてジルコニア擬結体の電気抵抗が大き
くなるからである。そして、上記のごとく、ジルコニア
競絹体の端子電圧が大きくなると次のごとき問題を誘発
する。
Generally, a high firing temperature of approximately 18,000C or higher is required to cause a solid solution reaction between zirconium oxide and yttrium oxide, and at such a high firing temperature, crystal growth becomes difficult and the bulk specific gravity decreases. becomes weaker in strength. Therefore, in order to lower the firing temperature, it is considered to add oxidized frog, which is known as a dawn accelerator in the general ceramic field. When the present inventor actually added silicon oxide, the firing temperature dropped to about 160 mm, but since a minute current was passed through the zirconia Akatsuki silk body to stabilize the terminal voltage, etc. We found that the terminal voltage tends to increase under relatively low temperature conditions (approximately 400 pm or less). We need to investigate the cause of this. When we crushed the zirconia striations and examined them using an electron microscope, we found that a film of silicon oxide was present at the grain boundaries of the crystal structure where zirconium oxide and yttrium oxide were dissolved. This is because the diffusion of oxygen ions is hindered and the electrical resistance of the zirconia pseudo-consolidation increases. As mentioned above, when the terminal voltage of the zirconia silk body increases, the following problems occur.

即ち、酸素センサーを自動車内燃機関の排気ガス対策と
して用いる場合においては、酸素センサーが排気ガス中
と大気中との酸素濃度差に応じて示す端子電圧を設定電
圧と比較し、この比較に基いて内燃機関に供給される混
合気の空燃比を理論空燃比に近ずけるようフィードバッ
ク制御しておりかかる作業状態において、上記したよう
に低温城でジルコニア競給体の端子電圧が大きいと出力
電圧も大きくなり、全体として酸素センサーの端子電圧
特性がずれてしまい相対的に上記設定電圧が低くなり、
従って誤った空燃比制御が行なわれてしまう。本発明者
の確認実験によれば、ジルコニァ暁結体の端子電圧の増
加分が0.1Vを越えると上記のごとき謀まった空燃比
制御が行なわれることを確認している。なお、ジルコニ
ア嘘結体の周囲雰囲気温度が昇すればジルコニア焼結体
自身は負の抵抗温度特性を有しているゆえ、ジルコニァ
焼結体の電気低抗は小さくなるので、端子電圧は小さく
なる。
That is, when using an oxygen sensor as a measure against exhaust gas from an automobile internal combustion engine, the terminal voltage that the oxygen sensor shows depending on the difference in oxygen concentration between the exhaust gas and the atmosphere is compared with a set voltage, and based on this comparison, Feedback control is performed to bring the air-fuel ratio of the air-fuel mixture supplied to the internal combustion engine close to the stoichiometric air-fuel ratio, and under such operating conditions, as mentioned above, if the terminal voltage of the zirconia competitive charge is large in the low-temperature castle, the output voltage will also increase. As a result, the terminal voltage characteristics of the oxygen sensor as a whole deviate, and the above set voltage becomes relatively low.
Therefore, incorrect air-fuel ratio control is performed. According to confirmation experiments conducted by the present inventors, it has been confirmed that when the increase in the terminal voltage of the zirconia crystal body exceeds 0.1V, the above-described deliberate air-fuel ratio control is performed. Furthermore, as the ambient temperature around the zirconia sintered body rises, the electrical resistance of the zirconia sintered body decreases because the zirconia sintered body itself has negative resistance-temperature characteristics, so the terminal voltage decreases. .

従って、高温城では上記のごとき問題は生じない。本発
明は上記の点に鑑み、酸素イオンの拡散を妨げない程度
の少量の酸化桂素を用い、かつ酸化珪素の量を少量にす
ることによる焼結促進作用の低下に酸化アルミニウムを
用いて抑えることによって、酸化珪素および酸化アルミ
ニウムによる糠結促進効果を充分満足でき、しかもこれ
ら焼結促進材による悪影響がほとんどないジルコニア焼
結体を提供することを目的とするものである。本発明に
おいて、ジルコニア齢結体は基準ガス側と検出ガス側と
の酸素濃度差に応じて端子電圧を示すゆえ、繊密にしな
ければならず、従って焼成高比重は少なくとも5.35
(夕/地)以上必要である。つまり、高い焼緯度を必要
とする。また、良好に酸素イオンを拡散しなければなら
ない。上記のごとく酸化珪素、酸化アルミニウムを用い
れば焼成温度を下げて暁結を促進できるが、上記のごと
く酸化桂素の量が多いと酸素イオンの拡散が妨げられる
。従って、これら堪案すると酸化珪素は0.亀重量%以
下がよく、酸化アルミニウムは0.1重量%乃至1の重
量%がよい。なお、99.5乃至89.4重量%は、酸
化ジルコニウムと酸化イットリウムとより成る。以下、
各Zの2、Y203、Si02、AI203の混合割合
を変化させた際、様子電圧嵩比重にいかなる影響を示す
かを実施した例を示す。
Therefore, the above-mentioned problems do not occur in high-temperature castles. In view of the above points, the present invention uses a small amount of boron oxide that does not hinder the diffusion of oxygen ions, and uses aluminum oxide to suppress the decrease in the sintering promotion effect caused by reducing the amount of silicon oxide. By doing so, it is an object of the present invention to provide a zirconia sintered body which can fully satisfy the braning accelerating effects of silicon oxide and aluminum oxide, and which has almost no adverse effects from these sintering accelerators. In the present invention, since the zirconia aged compact exhibits a terminal voltage depending on the oxygen concentration difference between the reference gas side and the detection gas side, it must be made delicate, and therefore the fired high specific gravity is at least 5.35.
(evening/earth) or more is necessary. In other words, a high firing latitude is required. In addition, oxygen ions must be diffused well. As mentioned above, if silicon oxide or aluminum oxide is used, the firing temperature can be lowered to promote crystallization, but as mentioned above, if the amount of silicon oxide is large, the diffusion of oxygen ions will be hindered. Therefore, if these are taken care of, silicon oxide is 0. The amount of aluminum oxide is preferably 0.1% to 1% by weight. Note that 99.5 to 89.4% by weight consists of zirconium oxide and yttrium oxide. below,
An example will be shown in which the effect on the appearance voltage and bulk specific gravity is shown when the mixing ratio of each Z2, Y203, Si02, and AI203 is changed.

まず実施要領を説明する。市販のZr02とY203と
AI2QとSi02とを所定モル%で計量し、ポットミ
ルで1餌時間混合、粉砕する。
First, the implementation procedure will be explained. Commercially available Zr02, Y203, AI2Q, and Si02 are weighed in predetermined mol %, mixed and pulverized in a pot mill for 1 feeding time.

その混合、粉砕物に水とバインダー(例えばPVM、C
MCなど)を加え、公知のスプレードライヤーで造粒す
る。その造粒物を金型で径2仇岬、厚さ2側に成形する
。その成形物を1600〜1750qoにて焼結する。
このようにして得たジルコニア焼鯖体を水銀置換法で焼
成嵩比重を測定する。その後、第1図のようにこのジル
コニア凝結体1の両面に既存の方法でPt電極2,3を
設け試料とする。次に両面のPt電極2,3にPt線の
りード線を接続して空気雰囲気の炉内に入れ400午0
に加熱する。400午0になったら定電流電源Eより0
.坪Aの電流を試料に印加し、所定時間経過後、高内部
インピーダンスの電圧計で、試料における競結体の両電
極2,3に発生する端子電圧を読みとる。
The mixture, pulverized product, water and binder (e.g. PVM, C
MC, etc.) and granulate using a known spray dryer. The granulated material is molded into a mold with a diameter of 2mm and a thickness of 2mm. The molded product is sintered at 1600 to 1750 qo.
The calcined bulk specific gravity of the zirconia calcined mackerel body thus obtained is measured by a mercury displacement method. Thereafter, as shown in FIG. 1, Pt electrodes 2 and 3 are provided on both sides of this zirconia aggregate 1 using an existing method to prepare a sample. Next, connect Pt wire lead wires to the Pt electrodes 2 and 3 on both sides and put them in a furnace with air atmosphere for 400 minutes.
Heat to. 400 o'clock When it reaches 0, the constant current power supply E turns 0.
.. A current of tsubo A is applied to the sample, and after a predetermined period of time, the terminal voltage generated at both electrodes 2 and 3 of the competitive body in the sample is read using a high internal impedance voltmeter.

その端子電圧の変化が時間と共にどのように変化するか
を測定した。その結果は例えば第2図のごとき関係が得
られるが、各実施例については5分後の端子電圧を測定
した。個々の実施例についてのの結果を表1に示す。端
子電圧は5分後の値で示してある。(注)Zr02とY
203との酸素イオン導電体材料に、AI203および
Si02 を添加した場合100重量%になっており、
例えば実施例NO.1のものではAI203十SI02
=1。
We measured how the terminal voltage changes over time. As a result, a relationship as shown in FIG. 2 is obtained, and for each example, the terminal voltage was measured after 5 minutes. The results for each example are shown in Table 1. The terminal voltage is shown as the value after 5 minutes. (Note) Zr02 and Y
When AI203 and Si02 are added to the oxygen ion conductor material with 203, it becomes 100% by weight,
For example, Example No. 1 is AI2030 and SI02.
=1.

7重量%であるので、残部98。Since it is 7% by weight, the remainder is 98%.

3重量%はZr02十Y203である。3% by weight is Zr02+Y203.

なお、モル%と重量%とを使い分けたのはZr02とY
203とは固溶組成になるため、モル%に表現した方が
よく、SI02、AI203は暁続促進材であることか
らZr02十Y203に添加する性質のものであるから
、重量%に表現した方がよい。上記表1から理解される
ように、実施例 NO.1、NO.11、18は5分経過後の端子電圧が
0.1Vを越えており、かつ時間の経過とともに端子電
圧が上昇する傾向を示した。
Note that mol% and weight% are used differently for Zr02 and Y.
Since 203 has a solid solution composition, it is better to express it in mol%, and since SI02 and AI203 are accelerators and are added to Zr020 and Y203, it is better to express it in weight%. Good. As understood from Table 1 above, Example No. 1.No. In Nos. 11 and 18, the terminal voltage exceeded 0.1 V after 5 minutes, and the terminal voltage tended to increase with time.

このように時間の経過とともに上昇するのは、分極作用
と考えられる。これを実施例No.18と実施例No.
3との比較において第2図に示す。これら実施例肌o.
のものは、いずれもSi02の量が0.6重量%を越え
ている。また実施例No.7、No.16は嵩比重が5
.35夕/洲を下まっており、充分な焼結が行なわれて
いないことを示す。これら実施例No.7、NO.16
はM203の量が多く、AI203の影響を受けている
。更に、実施例No.20はZの2とY203との組成
範囲が本発明の範囲外であり、酸素イオン導電率がやや
悪く、これに伴なし、酸素イオンの拡散も悪くなって端
子電圧が0.1Vを越えたものと考えられる。次に、本
発明ジルコニア暁結体を用いた酸素センサーの一構造を
示し、説明する。
This increase over time is considered to be due to the polarization effect. This is Example No. 18 and Example No.
A comparison with 3 is shown in FIG. These example skin o.
In all cases, the amount of Si02 exceeds 0.6% by weight. Also, Example No. 7.No. 16 has a bulk specific gravity of 5
.. 35th evening/day, indicating that sufficient sintering has not been carried out. These Example No. 7.No. 16
has a large amount of M203 and is influenced by AI203. Furthermore, Example No. In No. 20, the composition range of Z2 and Y203 was outside the range of the present invention, and the oxygen ion conductivity was somewhat poor. Along with this, the oxygen ion diffusion was also poor, and the terminal voltage exceeded 0.1 V. considered to be a thing. Next, one structure of an oxygen sensor using the zirconia crystals of the present invention will be shown and explained.

第3図において、1はジルコニア暁結体より成る酸素濃
度検出素子であって、ジルコニア93モル%とイツトリ
ア7モル%とを固落させてあり、一端が関口し他端が閉
じているコップ状の形成を有している。この酸素濃度検
出素子1の内、外周面には化学メッキ、真空蒸着、ペー
スト燐付け等の方法により、触媒作用を有する白金で構
成した多孔性の第1、第2電極2,3が形成してある。
なお、上記酸素濃度検出素子1のの外周面の第2電極3
は、酸素濃度検出素子1の外周面のうち排気ガスに晒さ
れない開□側の領域までに亘つて形成してある。また第
2電極3のうち排気ガスに晒される側の表面には、例え
ばマグネシア、アルミナスビネル(MgAl204)等
の金属酸化物より成る耐熱性かつ多孔性の保護被膜4が
形成してある。5は耐熱金属製の筒状ハウジングで酸素
濃度検出素子1の外周面に配置されている。
In Fig. 3, reference numeral 1 denotes an oxygen concentration detection element made of zirconia crystals, which has a cup-like shape with one end closed and the other end solidified with 93 mol% zirconia and 7 mol% yttoria. It has the formation of Porous first and second electrodes 2 and 3 made of platinum having a catalytic action are formed on the outer peripheral surface of the oxygen concentration detection element 1 by methods such as chemical plating, vacuum deposition, and paste phosphorization. There is.
Note that the second electrode 3 on the outer peripheral surface of the oxygen concentration detection element 1
is formed over the outer circumferential surface of the oxygen concentration detection element 1 up to the area on the open □ side that is not exposed to exhaust gas. Further, a heat-resistant and porous protective coating 4 made of a metal oxide such as magnesia or alumina vinyl (MgAl204) is formed on the surface of the second electrode 3 that is exposed to exhaust gas. Reference numeral 5 denotes a cylindrical housing made of heat-resistant metal, and is arranged on the outer peripheral surface of the oxygen concentration detection element 1.

このハウジング5と酸素濃度検出素子1との間には、導
電性の黒鉛粉末6、リング状アスベスト7、および導電
金属製リング体8が配置してあり、かつ導電性、耐熱性
金属(例えばステンレス鋼)の保護管9の一端が配置し
てある。そして、この保護管9の端の鍔弊9a上に導電
性金属製のスベーサリング10を配置してハウジング5
の上端部分をかしめることによって酸素濃度検出素子1
にハウジング5が固定されると同時に保護管9の一端が
固定される。なお、ハウジング5には排気管(図示しな
い)に固定するためフランジ11が固着してある。酸素
濃度検出素子1の外周面のうち排気ガスに晒されない領
域は上記のように保護管9の一端側により被われている
。12は導電性金属(例えばステンレス鋼)のステムで
、中心に貫通穴12aを設けてあり、酸素濃度検出素子
1の内周側に導電性黒鉛粉末13を介して固定してある
Between the housing 5 and the oxygen concentration detection element 1, conductive graphite powder 6, ring-shaped asbestos 7, and a ring body 8 made of conductive metal are arranged. One end of a protective tube 9 made of steel is placed. Then, a conductive metal smoothing ring 10 is arranged on the flange 9a at the end of the protective tube 9, and the housing 5 is
The oxygen concentration detection element 1 can be detected by caulking the upper end of the
At the same time as the housing 5 is fixed, one end of the protective tube 9 is fixed. Note that a flange 11 is fixed to the housing 5 for fixing it to an exhaust pipe (not shown). The area of the outer peripheral surface of the oxygen concentration detection element 1 that is not exposed to exhaust gas is covered by one end of the protection tube 9 as described above. Reference numeral 12 denotes a stem made of conductive metal (for example, stainless steel), which has a through hole 12a in the center, and is fixed to the inner peripheral side of the oxygen concentration detection element 1 via conductive graphite powder 13.

上記保護管9の他端にはアルミナ等より構成した絶縁碍
子14がかしめ固定してあり、この絶縁碍子14の中心
部には導電性金属製(ステンレス鋼)の中空パイプ15
が鉄挿してあり、パイプ15の鍔部15aとステム12
の段部12bとの間にスプリング16が介在してある。
そして、このスプリング16のセット荷重によってステ
ム12が酸素濃度検出素子1に押圧されて強固に固定し
てある。17はステンレス線で、一端はステム12の貫
通穴12aに溶接固定され、他端は中空パイプ15の上
方内部に溶接固定されている。
An insulator 14 made of alumina or the like is caulked and fixed to the other end of the protective tube 9, and a hollow pipe 15 made of conductive metal (stainless steel) is located at the center of the insulator 14.
is fitted with iron, and the flange 15a of the pipe 15 and the stem 12
A spring 16 is interposed between the step portion 12b and the step portion 12b.
The set load of the spring 16 presses the stem 12 against the oxygen concentration detection element 1 and firmly fixes it. 17 is a stainless steel wire, one end of which is welded and fixed to the through hole 12a of the stem 12, and the other end of which is welded and fixed to the upper interior of the hollow pipe 15.

中空パイプ15の反鍔部15a側にはコネクター8のリ
ード線19がターミナル20を介してかしめてある。2
1は多数の小孔21aを有する二重式保護管で、この保
護管21は酸素濃度検出素子1の外周面のうち排気ガス
に晒される側を被うよう配置されるもので、ハウジング
5の下端に固着してある。
A lead wire 19 of the connector 8 is crimped through a terminal 20 on the opposite side of the hollow pipe 15 to the flange 15a. 2
Reference numeral 1 denotes a double protection tube having a large number of small holes 21a. It is attached to the bottom edge.

そして、酸素濃度検出素子1の第1電極2は黒鉛粉末1
3、ステム12、ステンレス線17、パイプ15を介し
て、あるいは途中スプリング17を介してリード線19
に電気的に導通しており、また第2電極3は導電性黒鉛
粉末6、導電性リング8を介してハウジング5に電気的
に導適している。なお、22は耐熱性ゴムチューブで、
保護管9にカラー23を介して隊着してある。以上詳述
したように本発明によれば、酸化ジルコニウムと酸化イ
ットリウムとの酸素イオン導電体材料の競結促進を、酸
化珪素および酸化アルミニウムにより充分満足でき、し
かもこれら焼結促進材による酸素イオンの拡散が妨げら
れることがほとんどないという優れた効果を奏する。
The first electrode 2 of the oxygen concentration detection element 1 is connected to the graphite powder 1
3. Stem 12, stainless steel wire 17, lead wire 19 via pipe 15 or via spring 17 midway
The second electrode 3 is electrically connected to the housing 5 via the conductive graphite powder 6 and the conductive ring 8. In addition, 22 is a heat-resistant rubber tube,
It is attached to the protective tube 9 via a collar 23. As described in detail above, according to the present invention, the competitive bonding of zirconium oxide and yttrium oxide in oxygen ion conductor materials can be sufficiently promoted by silicon oxide and aluminum oxide, and moreover, the oxygen ion This has an excellent effect in that diffusion is hardly hindered.

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

第1図は本発明の実施要領の説明に供する電気結線図、
第2図は本発明の効果の説明に供する特性図、第3図は
本発明蟻結体を用いた酸素センサーの一例を示す全体構
成図である。 1・・・・・・ジルコニア暁結体、酸素濃度検出素子。 第1図第2図 第3図
FIG. 1 is an electrical wiring diagram for explaining the implementation procedure of the present invention;
FIG. 2 is a characteristic diagram for explaining the effects of the present invention, and FIG. 3 is an overall configuration diagram showing an example of an oxygen sensor using the ant body of the present invention. 1... Zirconia Akatsuki solid, oxygen concentration detection element. Figure 1 Figure 2 Figure 3

Claims (1)

【特許請求の範囲】[Claims] 1 酸化ジルコニウム97乃至89モル%および酸化イ
ツトリウム3乃至11モル%より成る酸素イオン導電体
材料99.5乃至89.4重量%、酸化アルミニウム0
.5乃至10重量%、および酸化硅素0.6重量%以下
の組成から構成したことを特徴とする酸素センサーのジ
ルコニア焼結体。
1 Oxygen ion conductor material consisting of 97 to 89 mol% of zirconium oxide and 3 to 11 mol% of yttrium oxide, 99.5 to 89.4% by weight, 0 aluminum oxide
.. A zirconia sintered body for an oxygen sensor, comprising a composition of 5 to 10% by weight of silicon oxide and 0.6% by weight or less of silicon oxide.
JP52054684A 1977-05-12 1977-05-12 Zirconia sintered body for oxygen sensor Expired JPS605548B2 (en)

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