JP4689859B2 - Heater integrated oxygen sensor element - Google Patents
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Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、自動車等の内燃機関における空気と燃料の比率を制御するためのヒータ一体型酸素センサ素子に関し、より詳しくは発熱体とセンサ部が一体化された、ヒータ寿命の長いヒータ一体型酸素センサ素子に関する。
【0002】
【従来技術】
現在、自動車等の内燃機関においては、排出ガス中の酸素濃度を検出して、その検出値に基づいて内燃機関に供給する空気および燃料供給量を制御することにより、内燃機関からの有害物質、例えばCO、HC、NOxを低減させる方法が採用されている。
この検出素子として、主として酸素イオン導電性を有するジルコニアを主分とする固体電解質からなり、一端が封止された円筒管の外面および内面にそれぞれ一対の電極層が形成された固体電解質型の酸素センサが用いられている。
【0003】
この酸素センサの代表的なものとしては、図7に示すように、ZrO2 固体電解質からなり、先端が封止された円筒管51の内面には、白金からなり空気などの基準ガスと接触する基準電極52が、また円筒管51の外面には排気ガスなどの被測定ガスと接触される測定電極53が形成されている。
このような酸素センサにおいて、一般に、空気と燃料の比率が1付近の制御に用いられている、いわゆる理論空燃比センサ(λセンサ)は、測定電極53の表面に、保護層となる多孔質層54が設けられており、所定温度で円筒管両側に発生する酸素濃度差を検出し、エンジン吸気系の空燃比の制御が行われている。
【0004】
一方、広範囲の空燃比を制御するために用いられている、いわゆる広域空燃比センサ(A/Fセンサ)は、測定電極53の表面に微細な細孔を有するガス拡散律速層となるセラミック多孔質層54を設け、固体電解質からなる円筒管51に一対の電極52、53を通じて印加電圧を加え、その際得られる限界電流値を測定して希薄燃焼領域の空燃比を制御するものである。
上記理論空燃比センサおよび広域空燃比センサは、ともにセンサ部を約700℃付近の作動温度まで加熱する必要があり、そのために、円筒管の内側には、センサ部を作動温度まで加熱するため棒状ヒータ55が挿入されている。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、近年、排気ガス規制の強化傾向が強まり、エンジン始動直後からのCO、HC、NOxの検出が必要になってきた。このような要求に対して、上述のように、ヒータ55を円筒管51内に挿入してなる間接加熱方式の円筒型酸素センサでは、センサ部が活性化温度に達するまでに要する時間(以下、活性化時間という)が遅いために排気ガス規制に充分対応できないという問題があった。
【0006】
この問題を回避する方法として、固体電解質からなる円筒管の内面および外面に基準電極、測定電極が設けられ、測定電極の表面に、ガス透過性の多孔性の絶縁層を設け、この絶縁層中のガス透過性の低いガス非透過層内に白金ヒータを設けた円筒型のヒータ一体型酸素センサ素子が特開平10−206380号公報に記載されている。
【0007】
一方、本出願人は、先に、セラミック固体電解質からなり一端が封止された円筒管の内面および外面に基準電極および測定電極を形成してなるセンサ部と、測定電極が露出するように前記円筒管の外面に測定電極形成部に開口を設けたセラミック絶縁層を積層形成し、測定電極がその開口部から露出するようにし、その少なくとも露出している前記測定電極の周囲のセラミック絶縁層中に白金ヒータ(発熱抵抗体)を埋設したヒータ一体型酸素センサ素子を提案した。
しかしながら、これらヒータ一体型酸素センサは、従来の間接加熱方式と異なり、直接加熱方式であるために急速昇温が可能であるが、ヒータの寿命が短いという問題があった。
【0008】
従って、本発明は、ヒータが一体化され急速昇温などの熱衝撃性に優れると共に、ヒータ寿命の長いヒータ一体型酸素センサ素子を提供することを目的とするものである。
【0009】
【課題を解決するための手段】
本発明らは、上記のヒータの寿命が短いという問題について固体電解質のSi含有量が重要な役割を演じているのではないかと考え鋭意検討した結果、通電によりマイナス極側のヒータ高温部にNa等のアルカリ金属やCa、Mg等のアルカリ土類金属が拡散して来て偏析し(以下、この現象をマイグレーションと呼ぶ)、セラミック絶縁層の電気抵抗を低下させ、その結果ヒータの寿命を低下させていることを突き止めた。
すなわち、問題となっているマイグレーションは、固体電解質基体中のSi含有量が多いと、通電により固体電解質中のNa、Ca、Mg等の不可避成分がSiを主成分とする粒界相を経由してセラミック絶縁層の粒界相に拡散してヒータ高温部のマイナス極側に移動、析出し、セラミック絶縁層の電気抵抗を減少させることによる。その結果、セラミック絶縁層の電気抵抗が減少し、ヒータのプラス側とマイナス側とがショートするのである。
【0010】
このような知見に基づき、本発明者らは、セラミック絶縁層に接する固体電解質基体中のSi含有量とマイグレーションとの関係についてさらに検討を重ねた結果、セラミック絶縁層界面から固体電解質基体に向かって少なくとも5μmの厚みでSi含有量がSiO2換算で0.4重量%以下の層が存在する場合は、固体電解質基体中およびセラミック絶縁層中の粒界相を通してのNa、Ca、Mg等の拡散が抑制され、ヒーター寿命が長くなるという新たな事実を見出し、本発明を完成するに至った。すなわち、本発明のヒータ一体型酸素センサ素子は、ジルコニア固体電解質基体と、この固体電解質基体の少なくとも内外面の対向する位置に形成した測定電極と基準電極とを備えたセンサ部と;前記測定電極および基準電極の形成部位を除く前記固体電解質基体の外表面に形成されたセラミック絶縁層と、このセラミック絶縁層中に埋設された発熱体とを備えたヒータ部とを備えたものであって、前記固体電解質基体と前記セラミック絶縁層との界面にSi含有量がSiO2換算で0.4重量%以下である層が少なくとも5μmの厚さで存在し、前記ヒータ部の外表面に形成された、Si含有量がSiO 2 換算で0.4重量%以下である少なくとも5μmの厚さを有する第1固体電解質層と、この第1固体電解質層の外表面に形成された、Si含有量がSiO 2 換算で0.4重量%を超える第2固体電解質層とを備えたことを特徴とする。
【0011】
固体電解質基体中の粒界相を通してのNa、Ca、Mg等の拡散が抑制される理由については現在明確ではないが、Si含有量をSiO2換算で0.4重量%以下の層をセラミック絶縁層と固体電解質基体および後述する固体電解質層との間に設けることによって、固体電解質から絶縁層への粒界相が不連続になりNa、Ca、Mg等の粒界拡散速度が極度に低下し、その結果、ヒータのマイナス側高温部へNa、Ca、Mg等のマイグレーションが抑制されたためと考えられる。
また、本発明の酸素センサ素子において、前記センサ部は円筒体および平板のいずれでもよい。特に円筒体の場合、ヒータ部を形成するセラミック絶縁層の外表面に、保温性や耐熱衝撃性が高めるために、固体電解質層を形成することが望ましい。その場合には、セラミック絶縁層と固体電解質層との界面にもSi含有量がSiO2換算で0.4重量%以下である層を少なくとも5μmの厚さで設けることが必要である。
【0012】
一方、Siには固体電解質基体および前記固体電解質の耐熱衝撃性を向上させるなどの働きがあるため、前記固体電解質基体および前記固体電解質層には、Si含有量がSiO2換算で0.4重量%を超える領域が存在するのが好ましい。
また、本発明では、前記センサ部とヒータ部とを同時に焼成して形成するのがより好ましい。これにより、従来のように、酸素センサ部とヒータ部とをそれぞれ個別に作製した後、酸素センサ内にヒータを嵌合して使用する酸素センサ素子に比べて、製造コストが極めて安価になり、経済性の観点からも優れている。
【0013】
【発明の実施の形態】
<第1の実施形態>
本発明の酸素センサ素子の一例を図面を参照しながら説明する。図1(a)は本発明の酸素センサ素子の一例を示す概略斜視図であり、(b)はそのX1 −X1断面図である。
図1の酸素センサ素子1は、一般的に理論空撚比センサ(λセンサ)と呼ばれるもので、酸素イオン導電性を有するジルコニア等のセラミック固体電解質からなり、先端が封止された円筒管2(固体電解質基体)の内面に、第1の電極として、空気などの基準ガスと接触される基準電極3が被着形成され、また、円筒管2の基準電極3と対向する外面には、第2の電極として、排気ガスなどの被測定ガスと接触する測定電極4が被着形成されている。基準電極3、ジルコニア固体電解質からなる円筒管2および測定電極4によってセンサ部を形成している。
【0014】
先端が封止された円筒管2の外面には、Al2O3などのセラミック絶縁層5が被着形成されており、そのセラミック絶縁層5には、測定電極4の一部または全部が露出するように開口部6が形成されている。
また、上記開口部6の周囲のセラミック絶縁層5中にはセンサ部を加熱するための白金などからなる発熱抵抗体(以下、白金ヒータという)が埋設されており、これらでヒータ部を形成している。また、セラミック絶縁層5の表面には、発熱抵抗体7による加熱効率を高めるために、ジルコニア等のセラミック固体電解質層8が積層形成されている。
【0015】
白金ヒータ7は、リード部9を経由して端子電極10と接続されており、これらを通じて白金ヒータ7に電流を流すことによりヒータ7が加熱され、 円筒管2、基準電極3および測定電極4からなるセンサ部を加熱する仕組みとなっている。本発明では、開口部6の反対側の対照な位置に第2の開口部を設けてもよいし、またセンシングの感度を向上するためこの開口部にもう一つの被測定電極を形成することもできる。
以下、各構成部材について説明する。
【0016】
(円筒管2および固体電解質層8)
これらを構成する固体電解質はZrO2 セラミックスからなり、具体的には、Y2 O3 およびYb2 O3 、Sc2 O3 、Sm2 O3 、Nd2 O3 、Dy2 O3等の希土類酸化物を酸化物換算で1〜30モル%、好ましくは3〜15モル%含有する部分安定化ZrO2 あるいは安定化ZrO2 が用いられている。また、ZrO2 中のZrを1〜20原子%をCeで置換したZrO2 を用いることにより、電子伝導性が大きくなり、応答性がさらに改善されるといった効果がある。
さらに、焼結性を改善する目的で、上記ZrO2に対して、Al2O3やSiO2を添加含有させることができるが、多量に含有させると、高温におけるクリープ特性が悪くなることから、Al2O3およびSiO2の添加量は総量で5重量%以下、特に3重量%以下であることが望ましい。
【0017】
その際、本発明では、特に円筒管2および固体電解質層8のセラミック絶縁層5と接する界面に、Si含有量がSiO2換算で0.4重量%以下である厚みが5μm以上の層が形成されていることが重要である。この層のSi含有量が0.4重量%を越えるか、あるいはその厚みが5μmより薄いと、Na、Ca、Mg等が白金ヒータのマイナス側の高温部へマイグレーションして、セラミック絶縁層の電気抵抗を増加させ、その結果ヒータ寿命を低下させる。
とりわけ、Si含有量がSiO2換算で0.4重量%以下の層が10μm以上、特に20μm以上の厚みで存在することが望ましい。
【0018】
その他の部分の固体電解質は、Si含有量がSiO2換算で0〜2重量%含有するZrO2 セラミックスからなり、上記と同様に具体的には、Y2 O3およびYb2 O3 、Sc2 O3 、Sm2 O3 、Nd2 O3 、Dy2 O3 等の希土類酸化物を酸化物換算で1〜30モル%、好ましくは3〜15モル%含有する部分安定化ZrO2 あるいは安定化ZrO2 が用いられている。また、ZrO2 中のZrを1〜20原子%をCeで置換したZrO2 を用いることにより、電子伝導性が大きくなり、応答性がさらに改善されるといった効果がある。本発明では、特に素子の耐熱衝撃性を改善するうえで、前記その他の部分の固体電解質中のSi含有量はSiO2換算で0.4重量%を超える量、好ましくは0.5重量%以上、より好ましくは1重量%以上であるのがよい。
【0019】
図2は、円筒管2および固体電解質層8におけるSi含有量の分布を示す概念図である。図2において、8aおよび2aはSi含有量がSiO2換算で0.4重量%以下である厚みが5μm以上の層である。これに対して、8bおよび2bはそれぞれSi含有量がSiO2換算で0.4重量%を超える量、好ましくは0.5重量%以上の層である。
また、円筒管2や固体電解質層8自体のSi含有量がSiO2換算で0.4重量%以下であってもよいが、Siは固体電解質中にSiO2換算で0.4重量%を超える、特に0.5重量%以上含有すると、耐熱衝撃性を高める効果を奏する。従って、円筒管2および/または固体電解質層8には、Si含有量がSiO2換算で0.4重量%を超えて含有する層とが存在することが望ましい。
【0020】
特に、図2に示すように、セラミック絶縁層5の外表面に、Si含有量がSiO2換算で0.4重量%以下の第1固体電解質層8aと、Si含有量がSiO2換算で0.4重量%を超える第2固体電解質層8bとを備えることによって、ヒータ一体型酸素センサ素子が排気ガスと接触する外表面からの熱的衝撃に対する耐久性を高めることができる。
特に第2固体電解質層のSi含有量はSiO2換算で0.5重量%以上であり、その厚さが10μm以上、特に20μm以上であることが望ましい。
【0021】
さらに、焼結性を改善する目的で、円筒管2および固体電解質層8中には、5重量%以下、特に2重量%以下のアルミナを含有させるのが好ましい。
なお、これら固体電解質中のNaの含有量としては、固体電解質からセラミック絶縁層への拡散進入を確実に防止してヒータの寿命を長くする観点から、200ppm以下、特に100ppm以下が望ましい。
【0022】
(セラミック絶縁層5)
白金ヒータ7を埋設するセラミック絶縁層5としては、アルミナ、スピネルおよびアルミナとスピネルの複合化合物材料が好適に用いられる。この際、セラミック絶縁層の焼結性を改善する目的で、少量のSiを添加することが望ましいが、その含有率としてはSiO2換算で5重量%以下に制御する必要がある。Siの含有量が5重量%を越えると、通電の際にセラミック絶縁層中のNaの拡散と偏析が促進され、白金ヒータの寿命が低下する。Siの含有量としては、3重量%以下が特に望ましい。特に、2重量%以下がNa, Ca等の拡散を防止する観点から望ましい。
また、このセラミック絶縁層5は、相対密度が80%以上、開気孔率が5%以下の緻密質なセラミックスによって構成されていることが望ましい。これは、セラミック絶縁層5が緻密質であることにより絶縁層の強度が高くなる結果、酸素センサ素子自体の機械的な強度を高めることができるためである。
【0023】
(白金ヒータ7)
セラミック絶縁層5の内部に埋設されるヒータ7としては、主として白金が用いられるが、場合によっては、白金とロジウム、パラジウムもしくはルテニウムとの合金を用いることもできる。この際、長寿命の発熱体を形成するには、白金単体のヒータおよび合金のヒータとも100重量%に対してNaの含有量を50ppm以下にするのが好ましい。Naの含有量が50ppmを越えると、Naが通電によりマイナス極側に拡散し白金とが反応してヒータの抵抗を増大させる。Naの含有量としては、特に、30ppm以下にすることが望ましい。また、セラミック絶縁層5との同時焼結性の点で、そのセラミック絶縁層5の焼成温度よりも融点の高い金属または合金を選択することが望ましい。
【0024】
また、ヒータ7中には上記の金属の他に焼結防止と絶縁層との接着力を高める観点からアルミナ、スピネル、アルミナ/シリカの化合物、フォルステライトあるいは上述の電解質となり得るジルコニア等のセラミックを体積比率で10〜80%、特に30〜50%の範囲で混合することができるが、この際混合するセラミックに対しても、Naの含有量は50ppm以下とすることが望ましい。
【0025】
(ヒータ部構造)
セラミック絶縁層5の内部に白金ヒータ7を埋設してなるヒータ部の構造は、図1(b)の断面図に示すように、固体電解質からなる円筒管2の表面に内部にヒータ7が埋設されたセラミック絶縁層5が形成され、さらにそのセラミック絶縁層5の外面に、ジルコニア固体電解質層8が形成される。この固体電解質層8は、固体電解質基体である円筒管2とセラミック絶縁層5間の熱膨張差や焼成収縮差等に起因する応力を緩和させ、熱応力をできる限り小さくするためのものである。この際、円筒管2とヒータ7との間およびジルコニア固体電解質層8とヒータ7との間のセラミック絶縁層5の厚みは、それぞれ2μm以上であることが望ましい。
【0026】
(電極)
円筒管2の表面に被着形成される基準電極3および測定電極4は、いずれも白金の他に、ロジウム、パラジウム、ルテニウムおよび金の群から選ばれる1種または2種以上の合金を用いて形成される。本発明においては、測定電極4の厚みが6μm以下である面積が全測定電極面積の50%以上であるのがよい。
また、前記測定電極4の形成に関しては、平均結晶粒子径が0.1μm以下の酸素イオン導電性粉末、例えば上述の固体電解質粉末を1〜50体積%結晶内に含有する平均結晶粒子径が0.5〜4μmの白金族金属を出発原料として使用することが好ましい。
また、開口部6から露出している測定電極4の形状としては、図1(a)に示すような縦長の長方形状、楕円形状等から構成されていることが望ましい。
【0027】
一方、固体電解質からなる円筒管2の内面に形成される基準電極3は、少なくとも測定電極4の前記開口部7より露出する部分に対向する内面部分に形成されていればよく、測定電極4の露出部面積よりも大きい面積、例えば、円筒管2の内面全面に形成されていてもよい。
【0028】
(開口部6)
開口部6の形状としては、例えば長方形状や楕円形状が好ましい。開口部6の形状が長方形状の場合は、その角部は緩やかな曲線とするかc面をとった構造とすることが、開口部6の角部への熱応力の集中を緩和する観点から好ましい。
【0029】
(製造方法)
次に、図1に示すヒータ一体型酸素センサ素子の製造方法を図3に基づいて説明する。
(1)まず図3(a)に示すような一端が封止された中空の円筒管12を作製する。この円筒管12は、ジルコニア等の酸素イオン伝導性を有するセラミック固体電解質粉末に対して、適宜、成形用有機バインダーを添加して押出成形や、静水圧成形(ラバープレス)あるいはプレス形成などの周知の方法により作製される。
このとき用いられる固体電解質粉末としては、SiをSiO2換算で0〜2重量%含むジルコニア粉末に対して、安定化剤としてY2 O3 およびYb2 O3 、Sc2 O3 、Sm2 O3 、Nd2 O3 、Dy2 O3等の希土類酸化物粉末を酸化物換算で1〜30モル%、好ましくは3〜15モル%の割合で添加した混合粉末、あるいはジルコニアと上記安定化剤との共沈原料粉末が用いられる。また、ZrO2 中のZrを1〜20原子%をCeで置換したZrO2 粉末、または共沈原料を用いることもできる。さらに、焼結性を改善する目的で、上記固体電解質粉末に、Al2 O3 を5重量%以下、特に2重量%以下の割合で添加することも可能である。
【0030】
(2)上記固体電解質からなる円筒管12の内面および外面に、基準電極および測定電極となるパターン13、14を、例えば白金を含有する導電性ペーストを用いてスラリーディップ法、あるいはスクリーン印刷、パット印刷、ロール転写などで形成する。このとき、円筒管12内面への基準電極の印刷は、導体ペーストを円筒管12内に充填し、ついで排出して、内面全面に導体ペーストを塗布形成するのが効率がよい。このようにしてセンサ素体Aを作製する。電極形成用の導電性ペーストは、結晶粒子径が0.1μm以下の固体電解質粉末と白金粉末にバインダーとテルピネオール等を混合して、三本ロール等で24時間以上圧力の下回転混合することにより調製され、超微粉の固体電解質粉末はほぼ完全に白金内に含浸される。含浸される固体電解質粉末としては、上述の固体電解質と同じ材料を用いることができるが、その中でも8〜12モル%Y2O3を固溶した安定化ジルコニアが特に好ましい。また、さらに電極を多孔質にする場合には、固体電解質粉末を含浸した白金粉末に、固体電解質粉末を添加することも可能である。焼成温度にもよるが、金属に対しては全セラミック量は体積比で10〜60%の範囲が好ましい。
【0031】
(3)次に、図3(b)に示すようなヒータ素体Bを形成する。まず、上記のジルコニア粉末を用いて、これに成形用有機バインダーを適宜添加してスラリーを調製し、このスラリーを用いてドクターブレード法、押し出し成形法、プレス法などにより所定厚さのセラミック固体電解質層を形成するためのグリーンシート15を作製する。グリーンシート1枚の厚みは、シートの取り扱いの観点から50〜500μm、特に100〜300μmの範囲が特に好ましい。
このとき、上記のジルコニア粉末は、焼成後のSi含有量がSiO2換算で0.4重量%以下含有するように形成されているので、上記グリーンシート15は、焼成後、Si含有量がSiO2換算で0.4重量%以下で、厚みが焼成後5μm以上の層となる。
このグリーンシート15表面に、アルミナ、スピネルあるいはアルミナとスピネルの複合酸化物粉末をスクリーン印刷法、パット印刷法、ロール転写法等により印刷してセラミック絶縁層16を形成する。この後、白金粉末を含む導電性ペーストをスクリーン印刷法、パット印刷法、ロール転写法等により印刷してリード部を含めた白金ヒータパターン17を塗布した後、その上にさらに上記のセラミック絶縁層形成粉末を塗布してセラミック絶縁層18を形成し、白金ヒータパターン17を埋設したシート状の積層体19を得る。その後、開口部20がパンチングなどによって形成される。
【0032】
(4)次に、図3(c)に示すように、上記円筒状のセンサ素体Aの表面に、ヒータ素体Bを巻き付けて円筒状積層体を作製する。ヒータ素体Bをセンサ素体Aに巻き付けるには、接着剤として焼成後のSi含有量が0.4重量%以下になるように調整されたジルコニア粉末にバインダーを添加してスラリーを作製し、ヒータ素体Bとセンサ素体Aとの間にこのスラリーを介在させて接着させるか、あるいは場合によってはローラ等で圧力を加えながら機械的に接着する。このとき、巻き付けられたヒータ素体Bの合わせ目は、焼成時の収縮を考慮し、シート端部同士を重ねるか、あるいは所定の間隔をおいて接着してもよい。
いずれの場合も、セラミック絶縁層に接する円筒管の界面において、前記スラリーを焼成して得られる固体電解質層はSi含有量がSiO2換算で0.4重量%以下で、厚みが5μm以上になるように制御する必要がある。
【0033】
(5)上記で得た円筒状積層体を、それぞれの構成要素が同時に焼成可能な温度で焼成することにより、センサ素体Aとセンサ素体Bとを一体化することができる。焼成は、例えば、アルゴンガス等の不活性雰囲気中あるいは大気中1300〜1700℃で1〜10時間程度焼成することによりヒータ素体とセンサ素体とを同時焼成する。これにより、本発明の図1に示す素子を作製することができる。
【0034】
(他の製造方法)
他の製造方法としては、Si含有量がSiO2換算で0.4重量%以下のジルコニアシートと、Si含有量がSiO2換算で0〜2重量%、好ましくは0.4重量%を超え2重量%以下のジルコニアシートとを2枚以上積層して、ゼラミック絶縁層と接するジルコニアシート中のSi含有量がSiO2換算で0.4重量%以下になり、かつ被測定ガスと接するジルコニアシート中のSi含有量がSiO2換算で0.04重量%を超え2重量%以下になるように調製した後、Si含有量がSiO2換算で0.4重量%以下のジルコニアシート表面にセラミック絶縁層、白金ヒータ等を印刷したものを、上記の電極を形成したジルコニア円筒管に上述の方法に従い巻き付けて一体化してもよい。
【0035】
また、電極を有しない円筒管12の表面に上記(3)によって形成したヒータ素体Bを巻き付けて円筒状積層体を作製した後、円筒状積層体に対して、電極ペーストをスクリーン印刷、パット印刷、ロール転写法あるいは浸漬法によって円筒管12の内面およびヒータ素体Bにおける開口部20内の円筒管表面に塗布した後、上記(5)のようにして同時焼成することもできる。
また、他の方法としては、電極を有しない円筒管12の表面に上記(3)によって形成したヒータ素体Bを巻き付けて円筒状積層体を作製した後、これを円筒管12の内面およびヒータ素体Bにおける開口部20の中に電極ペーストを印刷して焼き付け処理することもできる。
本発明では、素子全体の大きさとしては、外径を3〜6mm、特に3〜4mmとすることにより、消費電力を低減出来るとともに、センシング性能を高めることができる。
【0036】
<第2の実施形態>
図4は本発明にかかるヒータ一体型酸素センサ素子の他の実施形態を示す縦断面図である。なお、図4において、図1で示したと同じ構成部材には同一符号を付して説明を省略する。
すなわち、この酸素センサ素子は、図4に示すように、セラミック絶縁層5の開口部6内に露出している測定電極4の表面に、セラミック多孔質層11を形成したものである。このセラミック多孔質層11は、以下の2つの目的で形成される。
【0037】
第1は、排気ガスによって測定電極4が被毒して出力電圧が低下するのを防止することを目的として設けるものであり、露出した測定電極4の表面にジルコニア、アルミナ、マグネシア、スピネル等のポーラスな保護層として形成される。このような多孔質層を設けた酸素センサは、一般的には理論空燃比センサ(λセンサ)素子として用いることができる。この場合に、セラミック多孔質層11(保護層)としては開気孔率が10〜40%の多孔質体からなることが望ましい。このセラミック多孔質層11は、図5に示すように電極面上に形成することも出来るが、素子の先端部の全周囲に形成してもよい。
【0038】
第2は、露出した測定電極4の表面に微細な細孔を有するジルコニア、アルミナ、スピネル、マグネシアおよびγ−アルミナから選ばれる少なくとも1種のガス拡散律速層として形成される。このようなガス拡散律速層としては、開気孔率が5〜30%の多孔質体が望ましい。また、この多孔質層11(ガス拡散律速層)の表面には、さらに排気ガスの被毒を防止する観点から、アルミナあるいはスピネルからなる前記セラミック保護層を設けることが望ましい。この場合もセラミック多孔質層は、電極表面の他に素子の先端部の全周囲に形成することもできる。この様なヒータ一体型酸素センサ素子は、後で述べる広域空燃比センサ素子(A/Fセンサ)として応用することが可能である。
【0039】
次に、セラミック多孔質層11の形成法を説明する。理論空燃比センサや広域空燃比酸素センサを作製する場合には、円筒状積層体を焼成後、測定電極の表面に、アルミナ、スピネル、ジルコニア等の粉末をゾルゲル法、スラリーディップ法、印刷法などによって印刷塗布し、焼き付け処理したり、上記セラミックスをスパッタ法あるいはプラズマ溶射法により被覆して、セラミック多孔質層11であるセラミック保護層やガス拡散律速層を形成する。また、他の方法としては、円筒状積層体を作製する際に予め測定電極表面に前記セラミック保護層やガス拡散律速層を形成し、円筒状積層体と同時に焼成し形成することも可能である。
その他は第1の実施形態と同じである。
【0040】
<第3の実施形態>
図5は本発明にかかる空燃比センサ素子の実施形態を示す縦断面図であって、図5(a)は当該空燃比センサ素子25の概略斜視図、図5(b)はそのX2−X2断面の要部拡大図である。なお、図5において、図1で示したと同じ構成部材には同一符号を付して説明を省略する。すなわち、この空燃比センサ素子25は、酸素イオン導電性を有するセラミック固体電解質からなり一端が封止された、言い換えれば縦断面がU字状の円筒管2にセンサ素子を構成するための第1の電極対が形成されている。具体的には、円筒管2の内面に、空気などの基準ガスと接触される基準電極3が形成され、また円筒管2の基準電極3と対向する外面には排気ガスなどの被測定ガスと接触する本発明の測定電極4が形成されている。
【0041】
また、円筒管2の外側表面には、測定電極4の一部または全部が露出するような空間部26が形成されており、且つその空間部26の周囲に白金ヒータ7が埋設されたセラミック絶縁層5が設けられている。
そして、空間部26の上面には、この空間部26を閉塞するように、酸素イオン導電性を有する固体電解質層28が形成されており、この固体電解質層28の空間部26側の内面と、それに対向する固体電解質層28外面には内側電極29と外側電極30とからなる第2の電極対が形成されている。かかる固体電解質層28と第2の電極対29、30によって、空間部26の酸素濃度を所定の濃度に制御するためのポンプセルとして機能を果たしている。
【0042】
また、第2の電極対29、30を具備する固体電解質層28には、被測定ガスとなる排気ガスを取りこむための小さな拡散孔31が形成されている。また、空間部26には、拡散を律速させるための多孔質体27が設けられる。
セラミック絶縁層5中に配設された白金ヒータ7は、リード部32を経由して端子電極33と接続されており、これらを通じてヒータ7に電流を流すことによりヒータ7が加熱され、基準電極3および測定電極4を具備する固体電解質からなる円筒管2および上述の第2の電極対29、30を具備する固体電解質層28からなるセンサ部を加熱する仕組みとなっている。
【0043】
このような構造の素子においても、固体電解質からなる円筒管2のセラミック絶縁層5との界面および固体電解質層28のセラミック絶縁層5との界面には、前記と同様に、Si含有量がSiO2換算で0.4重量%以下である固体電解質の層34、35が少なくとも5μmの厚さで存在している。
【0044】
なお、固体電解質層28はそれ自体がSi含有量がSiO2換算で0.4重量%以下で形成されていてもよい。この場合、耐熱衝撃性を改善するために、外面に第2の固体電解質層を設けるのが好ましい。また、固体電解質層28はSi含有量がSiO2換算で0.4重量%を超える層であっても、この固体電解質層28の内面でセラミック絶縁層5と接する面にSi含有量がSiO2換算で0.4重量%以下である層が少なくとも5μmの厚さで存在していればよい。
その他は第1の実施形態と同じである。
【0045】
<第4の実施形態>
図6(a)は本発明にかかるヒータ一体型の平板型の酸素センサ素子の一例を示す概略斜視図であり、図6(b)はそのX3−X3断面図である。図6に示す平板型酸素センサ素子39は、固体電解質基体40に大気導入孔41が設けられており、固体電解質基体40の外側に測定電極42が設けられ、固体電解質基体40の固体電解質板40aを挟む対向する大気導入孔41の内面に基準電極43が形成され、センサ部を形成している。測定電極42の表面には、前記したのと同様なセラミック多孔質層47が形成される。また、固体電解質基体40の一方の表面には、セラミック絶縁層44内に白金ヒータ45を埋設したヒータ部が一体的に形成されている。本発明によれば、このような平板型酸素センサ素子においても、セラミック絶縁層44と固体電解質基体40との界面に、Si含有量がSiO2換算で0.4重量%以下の固体電解質層46を5μm以上の厚さで形成することによって、固体電解質基体40からのNaなどのヒータ部への拡散を防止することができる。このような平板型酸素センサ素子は、各固体電解質のシートを積層し、また白金ヒータが塗布されたセラミック絶縁層のシートを積層一体化し、同時焼成することによって作製することができる。その場合も、前記Si量の少ない固体電解質層46は、シート化したものを挟んだり、あるいは接着剤としてセラミック絶縁層のシートと固体電解質シートとの間に介在させることによって形成することができる。
【0046】
以上、本発明の一例について説明したが、本発明は、これらの構造に限定されるものではなく、固体電解質の両面の対向する位置に一対の多孔性の白金電極を有するセンサ部と、セラミック絶縁層中に白金ヒータを埋設したヒータ部とを具備し、好ましくは電極とヒータが同時焼成により作製されたヒータ一体型酸素センサ素子であって、セラミック絶縁層に接して固体電解質基体および固体電解質層が形成された全てに応用できることは言うまでもない。
【0047】
【実施例】
以下、実施例を挙げて本発明のヒータ一体型酸素センサ素子を詳細に説明するが、本発明は以下の実施例に限定されるものではない。
【0048】
実施例1
図に示す酸素センサ素子を例に、本発明の実施例を説明する。
市販のアルミナ粉末と、SiO2量を変化させることによってSi量を変えた複数種の5モル%Y2 O3 含有のジルコニア粉末と、アルミナを10重量%含有する白金粉末と、8モル%Y2O3を含有するジルコニア粉末を30体積%含有する白金の混合粉末をそれぞれ準備した。
まず、SiをSiO2換算で1.0重量%含有する5モル%Y2 O3 含有のジルコニア粉末にポリビニルアルコール溶液を添加して坏土を作製し、押出成形により焼結後の外径が約3.5mm、内径が2mmになるように一端が封止された円筒状センサ素体を成形した。この成形体の表面に、測定電極として上記の8モル%Y2O3を含有するジルコニアを含有する白金粉末を焼成約10μmになるように印刷塗布するとともに、成形体の内部全面にも上記の白金粉末からなるペーストを10μmになるように塗布して基準電極を形成してセンサ素体を作製した。
一方、Si量をSiO2換算で1.0重量%含有する5モル%Y2 O3 含有のジルコニア粉末にポリビニルアルコール溶液を加えてスラリーを作製し、厚みが約200μmのグリーンシートを作製した。このグリーンシートに前記測定電極の形状と一致する長方形状の開口部をパンチングによって開けた。
その後、Si量をSiO2換算で0〜3.0重量%それぞれ含有する5モル%Y2 O3 含有のジルコニア粉末にポリビニールアルコールを添加して、スラリーを形成し、これを開口部以外の部分に印刷した。ついで、その表面にアルミナ粉末を約10μmの厚みに塗布した後、上述のアルミナを含有する白金粉末からなる導体ペーストを開口部の周囲に発熱体パターンの厚みが約10μmになるようにスクリーン印刷し、さらにその上にアルミナ粉末を約10μmとなるように塗布し白金ヒータを埋設した図3(b)に示す構造のヒータ素体を作製した。
次に、前記円筒状センサ素体の表面に、上記のSi量をSiO2換算で0〜3.0重量%それぞれ含有する5モル%Y2 O3 含有のジルコニア粉末に接着剤としてアクリル系樹脂を添加して、上記ヒータ素体をセンサ素体に巻き付け円筒状積層体を作製した。その後、この円筒状積層体を大気中にて、1500℃で2時間焼成し、焼成一体化した。
その後、開口部内の測定電極の表面に、プラズマ溶射によりスピネルからなる気孔率が約30%のセラミック保護層を100μmの厚みで形成して図4に示すような理論空燃比センサを作製した。
作製した素子を大気中800℃で加熱しヒータが断線するまでの時間を測定した。その際、試料はそれぞれ10個とし、その時間の算術平均値を求めた。
なお、本実験では、セラミック絶縁層と、固体電解質基体および固体電解質層との界面でのSi量の分析をEPDM(電子線プローブマイクロアナライザー)を用いて行い、界面においてSi量が0.4重量%以下の領域の厚さを表1に示した。
【表1】
表1より、Si含有量がSiO2換算で0.4重量%以下の領域が全く存在しないか、または存在しても厚さが5μmよりも薄い試料No.1,2では、ヒータの寿命が短かったのに対して、本発明に基づく試料No.3〜11では寿命を7000時間以上とすることができた。
【0049】
実施例2
実施例1のヒータ素体を形成する際のジルコニアグリーンシート中のSi量および厚みを種々変化させ、ついでSi量をSiO2換算で0.1重量%含有する5モル%Y2O3含有のジルコニア粉末にポリビニルアルコールを添加してスラリーを形成し、これを約8μmの厚みで塗布した以外は、実施例1と同様にして酸素センサ素子を作製した。
作製した酸素センサ素子に対して、EPMAによってSi量が0.4重量%以下の厚みを測定するとともに、第2固体電解質層の厚みとSi量を測定した。第2固体電解質層の厚みはSi量が0.4重量%を超える部分の総厚みとした。また。第2固体電解質層中のSi量は、上記の第2固体電解質層の中心部分におけるSi量をSi含有量とした。
作製した素子に対して、室温から大気中1000℃まで20秒で昇温後、室温まで空冷するという温度サイクルを1サイクルとして、これを20万回行った際の素子が破壊する割合(破壊率)を求めた。その際、試料はそれぞれ20個として、数値はその平均値とした。結果を表2に示す。
【表2】
表2から、第2固体電解質層のSi含有量がSiO2換算で0.4重量%より低い試料No.12および第2固体電解質層の厚みが10μmより薄い試料No.15では熱サイクルによる素子の破損率が高いことがわかる。
これに対して、第2固体電解質層のSi含有量がSiO2換算で0.4〜2重量%で厚みが10μmより厚い試料は全て素子の破損率が25%以下と低かった。
【0050】
【発明の効果】
本発明のヒータ一体化酸素センサ素子は、発熱体によるジルコニア固体電解質基体の加熱効率を高め、急速昇温を行うことができる結果、センサ活性化時間を短縮することができ、しかもセラミック絶縁層と接する固体電解質の界面にはSi含有量がSiO2換算で0.4重量%以下である層が少なくとも5μmの厚さで存在するため、ヒータ寿命が長くなるという効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図1】 (a)は本発明の第1の実施形態にかかるヒータ一体化酸素センサ素子を示す概略斜視図であり、(b)はそのX1 −X1断面図である。
【図2】本発明の概念を示す説明図である。
【図3】第1の実施形態にかかるヒータ一体化酸素センサ素子の製造方法を示す説明図である。
【図4】本発明の第2の実施形態にかかるヒータ一体化酸素センサ素子を示す断面図である。
【図5】 (a)は本発明の第4の実施形態にかかるヒータ一体化酸素センサ素子を示す概略斜視図であり、(b)はそのX2 −X2断面図である。
【図6】本発明の第5の実施形態にかかるヒータ一体化酸素センサ素子を示す断面図である。
【図7】従来のヒータ一体化酸素センサ素子を示す断面図である。
【符号の説明】
1…ヒータ一体化酸素センサ素子、2…円筒管、3…基準電極、4…測定電極、5…セラミック絶縁層、6…開口部、7…白金ヒータ、8…固体電解質層、11…多孔質層[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a heater-integrated oxygen sensor element for controlling the ratio of air and fuel in an internal combustion engine such as an automobile. More specifically, the present invention relates to a heater-integrated oxygen sensor having a long heater life in which a heating element and a sensor unit are integrated. The present invention relates to a sensor element.
[0002]
[Prior art]
Currently, in an internal combustion engine such as an automobile, by detecting the oxygen concentration in the exhaust gas and controlling the amount of air and fuel supplied to the internal combustion engine based on the detected value, harmful substances from the internal combustion engine, For example, a method of reducing CO, HC, and NOx is adopted.
As this detection element, a solid electrolyte type oxygen mainly composed of a solid electrolyte mainly composed of zirconia having oxygen ion conductivity and having a pair of electrode layers formed on the outer surface and the inner surface of a cylindrical tube sealed at one end. A sensor is used.
[0003]
As a typical example of this oxygen sensor, as shown in FIG. 7, the inner surface of a
In such an oxygen sensor, a so-called theoretical air-fuel ratio sensor (λ sensor) that is generally used for controlling the ratio of air to fuel near 1 is a porous layer serving as a protective layer on the surface of the
[0004]
On the other hand, a so-called wide-range air-fuel ratio sensor (A / F sensor) used to control a wide range of air-fuel ratio is a ceramic porous material that becomes a gas diffusion-controlling layer having fine pores on the surface of the
Both the theoretical air-fuel ratio sensor and the wide-range air-fuel ratio sensor need to heat the sensor section to an operating temperature of about 700 ° C. Therefore, a rod-like shape is provided inside the cylindrical tube to heat the sensor section to the operating temperature. A
[0005]
[Problems to be solved by the invention]
However, in recent years, the tendency to tighten exhaust gas regulations has increased, and it has become necessary to detect CO, HC, and NOx immediately after the engine is started. In response to such a request, in the indirect heating type cylindrical oxygen sensor in which the
[0006]
As a method for avoiding this problem, a reference electrode and a measurement electrode are provided on the inner and outer surfaces of a cylindrical tube made of a solid electrolyte, and a gas-permeable porous insulating layer is provided on the surface of the measuring electrode. Japanese Patent Laid-Open No. 10-206380 discloses a cylindrical heater-integrated oxygen sensor element in which a platinum heater is provided in a gas non-permeable layer having a low gas permeability.
[0007]
On the other hand, the applicant of the present invention, first, the sensor part formed by forming the reference electrode and the measurement electrode on the inner surface and the outer surface of the cylindrical tube made of a ceramic solid electrolyte and sealed at one end, and the measurement electrode is exposed. A ceramic insulating layer having an opening in the measurement electrode forming portion is formed on the outer surface of the cylindrical tube, and the measurement electrode is exposed from the opening, and at least the exposed ceramic insulating layer around the measurement electrode We proposed a heater-integrated oxygen sensor element in which a platinum heater (heating resistor) was embedded.
However, unlike these conventional indirect heating systems, these heater-integrated oxygen sensors are capable of rapid temperature increase because of the direct heating system, but there is a problem that the life of the heater is short.
[0008]
Accordingly, an object of the present invention is to provide a heater-integrated oxygen sensor element in which a heater is integrated and excellent in thermal shock properties such as rapid temperature rise and has a long heater life.
[0009]
[Means for Solving the Problems]
The present inventors have intensively studied that the Si content of the solid electrolyte plays an important role in the problem that the heater has a short life, and as a result of conducting an energetic study, Na was added to the heater high temperature part on the negative electrode side by energization. Alkali metals such as Ca and Mg, and alkaline earth metals such as Ca and Mg diffuse and segregate (hereinafter this phenomenon is called migration), which lowers the electrical resistance of the ceramic insulation layer and consequently reduces the life of the heater I found out that
In other words, migration that is a problem is that when the Si content in the solid electrolyte substrate is large, unavoidable components such as Na, Ca, and Mg in the solid electrolyte pass through the grain boundary phase mainly composed of Si when energized. This is because it diffuses into the grain boundary phase of the ceramic insulating layer and moves to and deposits on the negative electrode side of the high temperature portion of the heater to reduce the electrical resistance of the ceramic insulating layer. As a result, the electrical resistance of the ceramic insulating layer is reduced, and the plus side and the minus side of the heater are short-circuited.
[0010]
Based on such knowledge, the present inventors further studied the relationship between the Si content in the solid electrolyte substrate in contact with the ceramic insulating layer and the migration, and as a result, from the interface of the ceramic insulating layer toward the solid electrolyte substrate. Si content of SiO with a thickness of at least 5 μm2When there is a layer of 0.4% by weight or less in terms of conversion, the diffusion of Na, Ca, Mg, etc. through the grain boundary phase in the solid electrolyte substrate and the ceramic insulating layer is suppressed, and the heater life is extended. As a result, the present invention has been completed. That is, a heater-integrated oxygen sensor element of the present invention includes a zirconia solid electrolyte substrate, a sensor unit including a measurement electrode and a reference electrode formed at positions facing at least the inner and outer surfaces of the solid electrolyte substrate; And a heater part comprising a ceramic insulating layer formed on the outer surface of the solid electrolyte substrate excluding the site where the reference electrode is formed, and a heating element embedded in the ceramic insulating layer, Si content at the interface between the solid electrolyte substrate and the ceramic insulating layer is SiO.2A layer of 0.4% by weight or less in terms of thickness exists with a thickness of at least 5 μmAnd the Si content formed on the outer surface of the heater part is SiO. 2 A first solid electrolyte layer having a thickness of at least 5 μm which is 0.4 wt% or less in terms of conversion, and an Si content formed on the outer surface of the first solid electrolyte layer is SiO 2 A second solid electrolyte layer exceeding 0.4% by weight in terms of conversionIt is characterized by that.
[0011]
The reason why the diffusion of Na, Ca, Mg, etc. through the grain boundary phase in the solid electrolyte substrate is suppressed is not clear at present, but the Si content is reduced to SiO.2By providing a layer of 0.4% by weight or less in terms of conversion between the ceramic insulating layer, the solid electrolyte substrate and the solid electrolyte layer described later, the grain boundary phase from the solid electrolyte to the insulating layer becomes discontinuous, and Na, Ca It is considered that the grain boundary diffusion rate of Mg, etc. was extremely lowered, and as a result, the migration of Na, Ca, Mg, etc. to the minus side high temperature part of the heater was suppressed.
In the oxygen sensor element of the present invention, the sensor unit may be a cylindrical body or a flat plate. In particular, in the case of a cylindrical body, it is desirable to form a solid electrolyte layer on the outer surface of the ceramic insulating layer forming the heater portion in order to improve heat retention and thermal shock resistance. In that case, the Si content is also reduced at the interface between the ceramic insulating layer and the solid electrolyte layer.2It is necessary to provide a layer having a thickness of 0.4% by weight or less in terms of a thickness of at least 5 μm.
[0012]
On the other hand, since Si has a function of improving the thermal shock resistance of the solid electrolyte substrate and the solid electrolyte, the solid electrolyte substrate and the solid electrolyte layer have a Si content of SiO.2It is preferable that a region exceeding 0.4% by weight exists.
In the present invention, it is more preferable that the sensor part and the heater part are simultaneously fired and formed. As a result, after manufacturing the oxygen sensor part and the heater part individually as in the prior art, the manufacturing cost is extremely low compared to the oxygen sensor element used by fitting the heater in the oxygen sensor, It is excellent from the viewpoint of economy.
[0013]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
<First Embodiment>
An example of the oxygen sensor element of the present invention will be described with reference to the drawings. FIG. 1A is a schematic perspective view showing an example of the oxygen sensor element of the present invention, and FIG.
The oxygen sensor element 1 in FIG. 1 is generally called a theoretical air-twist ratio sensor (λ sensor), and is made of a ceramic solid electrolyte such as zirconia having oxygen ion conductivity, and has a
[0014]
On the outer surface of the
Further, a heating resistor (hereinafter referred to as a platinum heater) made of platinum or the like for heating the sensor portion is embedded in the ceramic insulating
[0015]
The
Hereinafter, each component will be described.
[0016]
(
The solid electrolyte constituting them is ZrO.2 Made of ceramics, specifically Y2 OThree And Yb2 OThree, Sc2 OThree, Sm2 OThree, Nd2 OThree, Dy2 OThreePartially stabilized ZrO containing 1 to 30 mol%, preferably 3 to 15 mol% of a rare earth oxide such as2 Or stabilized ZrO2 Is used. ZrO2 ZrO in which 1 to 20 atomic% of Zr was substituted with Ce2 By using, there is an effect that the electron conductivity is increased and the responsiveness is further improved.
Furthermore, for the purpose of improving the sinterability, the above ZrO2In contrast, Al2OThreeAnd SiO2However, if a large amount is added, the creep characteristics at high temperatures deteriorate, so Al2OThreeAnd SiO2The total amount of added is preferably 5% by weight or less, particularly 3% by weight or less.
[0017]
At that time, in the present invention, the Si content is particularly reduced at the interface of the
In particular, the Si content is SiO2It is desirable that a layer of 0.4% by weight or less in terms of thickness exists in a thickness of 10 μm or more, particularly 20 μm or more.
[0018]
The other part of the solid electrolyte has a Si content of SiO.2ZrO containing 0 to 2% by weight in terms of conversion2 Specifically, it is made of ceramics.2 OThreeAnd Yb2 OThree, Sc2 OThree , Sm2 OThree , Nd2 OThree , Dy2 OThree Partially stabilized ZrO containing 1 to 30 mol%, preferably 3 to 15 mol% of a rare earth oxide such as2 Or stabilized ZrO2 Is used. ZrO2 ZrO in which 1 to 20 atomic% of Zr was substituted with Ce2 By using, there is an effect that the electron conductivity is increased and the responsiveness is further improved. In the present invention, particularly in improving the thermal shock resistance of the device, the Si content in the solid electrolyte of the other part is SiO.2The amount is more than 0.4% by weight, preferably 0.5% by weight or more, more preferably 1% by weight or more.
[0019]
FIG. 2 is a conceptual diagram showing the distribution of Si content in the
Further, the Si content of the
[0020]
In particular, as shown in FIG. 2, the Si content on the outer surface of the ceramic insulating
In particular, the Si content of the second solid electrolyte layer is SiO2It is 0.5% by weight or more in terms of conversion, and the thickness is desirably 10 μm or more, particularly 20 μm or more.
[0021]
Further, for the purpose of improving the sinterability, it is preferable that the
The Na content in these solid electrolytes is preferably 200 ppm or less, particularly 100 ppm or less, from the viewpoint of reliably preventing diffusion penetration from the solid electrolyte into the ceramic insulating layer and extending the life of the heater.
[0022]
(Ceramic insulating layer 5)
As the ceramic insulating
The ceramic insulating
[0023]
(Platinum heater 7)
As the
[0024]
In addition to the above metals, the
[0025]
(Heater structure)
As shown in the sectional view of FIG. 1 (b), the heater part structure in which the
[0026]
(electrode)
The
Further, regarding the formation of the
Further, the shape of the
[0027]
On the other hand, the
[0028]
(Opening 6)
As the shape of the
[0029]
(Production method)
Next, a method for manufacturing the heater-integrated oxygen sensor element shown in FIG. 1 will be described with reference to FIG.
(1) First, a hollow
As the solid electrolyte powder used at this time, Si is SiO.2Y as a stabilizer against zirconia powder containing 0 to 2% by weight in terms of conversion2 OThree And Yb2 OThree , Sc2 OThree , Sm2 OThree , Nd2 OThree , Dy2 OThreeA mixed powder obtained by adding a rare earth oxide powder such as 1 to 30 mol%, preferably 3 to 15 mol% in terms of oxide, or a coprecipitation raw material powder of zirconia and the stabilizer is used. ZrO2 ZrO in which 1 to 20 atomic% of Zr was substituted with Ce2 A powder or a coprecipitation raw material can also be used. Furthermore, for the purpose of improving the sinterability, the solid electrolyte powder is mixed with Al.2 OThree It is also possible to add 5% by weight or less, particularly 2% by weight or less.
[0030]
(2) Slurry the
[0031]
(3) Next, a heater element B as shown in FIG. 3B is formed. First, by using the above zirconia powder, a molding organic binder is appropriately added thereto to prepare a slurry, and this slurry is used to prepare a ceramic solid electrolyte having a predetermined thickness by a doctor blade method, an extrusion molding method, a pressing method, or the like. A
At this time, the zirconia powder has a Si content after firing of SiO.2Since it is formed so as to contain 0.4% by weight or less in terms of conversion, the
A ceramic insulating
[0032]
(4) Next, as shown in FIG. 3 (c), the heater element B is wound around the surface of the cylindrical sensor element A to produce a cylindrical laminate. In order to wind the heater element B around the sensor element A, a slurry is prepared by adding a binder to the zirconia powder adjusted so that the Si content after baking as an adhesive is 0.4% by weight or less, The slurry is interposed between the heater element B and the sensor element A so as to be bonded, or in some cases, mechanically bonded while applying pressure with a roller or the like. At this time, the seam of the wound heater element B may be overlapped with each other at a predetermined interval in consideration of shrinkage during firing.
In any case, the solid electrolyte layer obtained by firing the slurry at the interface of the cylindrical tube in contact with the ceramic insulating layer has a Si content of SiO.2It is necessary to control the thickness so that it is 0.4% by weight or less and the thickness is 5 μm or more.
[0033]
(5) The sensor element body A and the sensor element body B can be integrated by firing the cylindrical laminate obtained above at a temperature at which the respective constituent elements can be fired simultaneously. For example, the heater element body and the sensor element body are simultaneously baked by baking at 1300 to 1700 ° C. for about 1 to 10 hours in an inert atmosphere such as argon gas. Thereby, the element shown in FIG. 1 of the present invention can be manufactured.
[0034]
(Other manufacturing methods)
As another manufacturing method, the Si content is SiO.2A zirconia sheet of 0.4% by weight or less in terms of conversion, and a Si content of SiO2Two or more zirconia sheets of 0 to 2% by weight, preferably more than 0.4% by weight and less than or equal to 2% by weight are laminated, and the Si content in the zirconia sheet in contact with the ceramic insulating layer is SiO.2The Si content in the zirconia sheet in contact with the gas to be measured is 0.4% by weight or less in terms of conversion, and the SiO content is SiO.2After preparing to be more than 0.04 wt% and 2 wt% or less in terms of conversion, the Si content is SiO2A surface obtained by printing a ceramic insulating layer, a platinum heater, or the like on the surface of 0.4% by weight or less of the converted zirconia sheet may be wound around and integrated with the zirconia cylindrical tube on which the electrode is formed according to the method described above.
[0035]
Further, after the heater body B formed in (3) above is wound around the surface of the
As another method, the heater element body B formed by the above (3) is wound around the surface of the
In the present invention, the overall element size is 3 to 6 mm, particularly 3 to 4 mm, so that the power consumption can be reduced and the sensing performance can be enhanced.
[0036]
<Second Embodiment>
FIG. 4 is a longitudinal sectional view showing another embodiment of the heater-integrated oxygen sensor element according to the present invention. In FIG. 4, the same components as those shown in FIG.
That is, in this oxygen sensor element, as shown in FIG. 4, a ceramic
[0037]
The first is provided for the purpose of preventing the
[0038]
Second, it is formed as at least one gas diffusion rate-determining layer selected from zirconia, alumina, spinel, magnesia and γ-alumina having fine pores on the exposed surface of the
[0039]
Next, a method for forming the ceramic
Others are the same as the first embodiment.
[0040]
<Third Embodiment>
FIG. 5 is a longitudinal sectional view showing an embodiment of an air-fuel ratio sensor element according to the present invention. FIG. 5 (a) is a schematic perspective view of the air-fuel
[0041]
In addition, a
A
[0042]
In addition, a
The
[0043]
Also in the element having such a structure, the Si content is similar to that described above at the interface between the
[0044]
The
Others are the same as the first embodiment.
[0045]
<Fourth Embodiment>
FIG. 6A is a schematic perspective view showing an example of a heater-integrated flat plate type oxygen sensor element according to the present invention, and FIG. 6B is an X3-X3 sectional view thereof. The flat
[0046]
Although an example of the present invention has been described above, the present invention is not limited to these structures, and a sensor unit having a pair of porous platinum electrodes at opposite positions on both sides of a solid electrolyte, and ceramic insulation And a heater part in which a platinum heater is embedded in the layer, preferably a heater-integrated oxygen sensor element in which an electrode and a heater are produced by simultaneous firing, in contact with a ceramic insulating layer and a solid electrolyte substrate and a solid electrolyte layer Needless to say, it can be applied to all of the above.
[0047]
【Example】
EXAMPLES Hereinafter, although an Example is given and the heater integrated oxygen sensor element of this invention is demonstrated in detail, this invention is not limited to a following example.
[0048]
Example 1
The embodiment of the present invention will be described by taking the oxygen sensor element shown in the figure as an example.
Commercial alumina powder and SiO2Multiple types of 5 mol% Y in which the amount of Si was changed by changing the amount2 OThree Containing zirconia powder, platinum powder containing 10 wt% alumina, 8 mol% Y2OThreeA mixed powder of platinum containing 30% by volume of zirconia powder containing selenium was prepared.
First, Si is changed to
On the other hand, the amount of Si is reduced to SiO.25 mol% Y containing 1.0% by weight in terms of conversion2 OThree A polyvinyl alcohol solution was added to the contained zirconia powder to prepare a slurry, and a green sheet having a thickness of about 200 μm was prepared. A rectangular opening corresponding to the shape of the measurement electrode was opened in the green sheet by punching.
Then, Si amount is changed to
Next, on the surface of the cylindrical sensor element body, the Si amount is changed to SiO.25 mol% Y each containing 0 to 3.0 wt% in terms of conversion2 OThree An acrylic resin was added as an adhesive to the zirconia powder contained, and the heater element was wound around the sensor element to produce a cylindrical laminate. Then, this cylindrical laminated body was baked at 1500 ° C. for 2 hours in the air and baked and integrated.
Thereafter, a ceramic protective layer made of spinel having a porosity of about 30% was formed on the surface of the measurement electrode in the opening with a thickness of 100 μm to produce a theoretical air-fuel ratio sensor as shown in FIG.
The produced element was heated at 800 ° C. in the atmosphere and the time until the heater was disconnected was measured. At that time, the number of samples was 10 and the arithmetic average value of the time was obtained.
In this experiment, the amount of Si at the interface between the ceramic insulating layer, the solid electrolyte substrate and the solid electrolyte layer was analyzed using EPDM (electron probe microanalyzer), and the amount of Si was 0.4 weight at the interface. Table 1 shows the thickness of the region below%.
[Table 1]
From Table 1, Si content is SiO2Sample No. 4 having no thickness of 0.4% by weight or less in terms of conversion or having a thickness of less than 5 μm even though it exists. In Nos. 1 and 2, the life of the heater was short, whereas the sample No. 1 according to the present invention was used. In 3-11, the lifetime could be 7000 hours or more.
[0049]
Example 2
The Si amount and thickness in the zirconia green sheet when forming the heater element of Example 1 were variously changed, and then the Si amount was changed to SiO.25 mol% Y containing 0.1% by weight in terms of conversion2OThreeAn oxygen sensor element was produced in the same manner as in Example 1 except that polyvinyl alcohol was added to the contained zirconia powder to form a slurry, and this was applied to a thickness of about 8 μm.
The thickness of the second solid electrolyte layer and the amount of Si were measured with respect to the produced oxygen sensor element while measuring the thickness of the Si amount of 0.4 wt% or less by EPMA. The thickness of the second solid electrolyte layer was the total thickness of the portion where the Si amount exceeded 0.4% by weight. Also. The amount of Si in the second solid electrolyte layer was defined as the Si content in the central portion of the second solid electrolyte layer.
A ratio of destruction of the device when the device was subjected to 200,000 times with a temperature cycle of raising the temperature from room temperature to 1000 ° C. in the air in 20 seconds and then air-cooling to room temperature. ) At that time, the number of samples was 20, and the numerical value was the average value. The results are shown in Table 2.
[Table 2]
From Table 2, the Si content of the second solid electrolyte layer is SiO.2Sample No. lower than 0.4% by weight in terms of conversion. Sample No. 12 and the thickness of the second solid electrolyte layer are thinner than 10 μm. 15 indicates that the damage rate of the element due to thermal cycling is high.
On the other hand, the Si content of the second solid electrolyte layer is SiO.2All samples having a thickness of 0.4 to 2% by weight and a thickness of more than 10 μm had a low element breakage rate of 25% or less.
[0050]
【The invention's effect】
The heater-integrated oxygen sensor element of the present invention can increase the heating efficiency of the zirconia solid electrolyte substrate by the heating element and can rapidly increase the temperature. As a result, the sensor activation time can be shortened, and the ceramic insulating layer and At the interface of the solid electrolyte in contact, the Si content is SiO2Since the layer of 0.4% by weight or less in terms of thickness exists at a thickness of at least 5 μm, there is an effect that the heater life is extended.
[Brief description of the drawings]
1A is a schematic perspective view showing a heater integrated oxygen sensor element according to a first embodiment of the present invention, and FIG. 1B is an X1-X1 cross-sectional view thereof.
FIG. 2 is an explanatory diagram showing the concept of the present invention.
FIG. 3 is an explanatory diagram showing a method for manufacturing the heater-integrated oxygen sensor element according to the first embodiment.
FIG. 4 is a cross-sectional view showing a heater integrated oxygen sensor element according to a second embodiment of the present invention.
5A is a schematic perspective view showing a heater integrated oxygen sensor element according to a fourth embodiment of the present invention, and FIG. 5B is an X2-X2 cross-sectional view thereof.
FIG. 6 is a cross-sectional view showing a heater integrated oxygen sensor element according to a fifth embodiment of the present invention.
FIG. 7 is a cross-sectional view showing a conventional heater-integrated oxygen sensor element.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Heater integrated oxygen sensor element, 2 ... Cylindrical tube, 3 ... Reference electrode, 4 ... Measurement electrode, 5 ... Ceramic insulating layer, 6 ... Opening part, 7 ... Platinum heater, 8 ... Solid electrolyte layer, 11 ... Porous layer
Claims (6)
前記測定電極および基準電極の形成部位を除く前記固体電解質基体の外表面に形成されたセラミック絶縁層と、このセラミック絶縁層中に埋設された発熱体とを備えたヒータ部とを備えたヒータ一体型酸素センサ素子であって、
前記固体電解質基体と前記セラミック絶縁層との界面にSi含有量がSiO2換算で0.4重量%以下である層が少なくとも5μmの厚さで存在し、
前記ヒータ部の外表面に形成された、Si含有量がSiO 2 換算で0.4重量%以下である少なくとも5μmの厚さを有する第1固体電解質層と、この第1固体電解質層の外表面に形成された、Si含有量がSiO 2 換算で0.4重量%を超える第2固体電解質層とを備えたことを特徴とするヒータ一体型酸素センサ素子。A sensor unit comprising a zirconia solid electrolyte substrate, and a measurement electrode and a reference electrode formed at positions facing at least the inner and outer surfaces of the solid electrolyte substrate;
A heater comprising: a ceramic insulating layer formed on the outer surface of the solid electrolyte substrate excluding the measurement electrode and reference electrode forming portions; and a heater unit including a heating element embedded in the ceramic insulating layer. A body oxygen sensor element,
A layer having a Si content of 0.4 wt% or less in terms of SiO 2 is present at a thickness of at least 5 μm at the interface between the solid electrolyte substrate and the ceramic insulating layer ;
A first solid electrolyte layer having a thickness of at least 5 μm formed on the outer surface of the heater portion and having a Si content of 0.4% by weight or less in terms of SiO 2 , and the outer surface of the first solid electrolyte layer And a second solid electrolyte layer having a Si content exceeding 0.4 wt% in terms of SiO 2 .
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