JP2000292405A - Oxygen sensor element and method of manufacturing the same - Google Patents
Oxygen sensor element and method of manufacturing the sameInfo
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Abstract
(57)【要約】
【課題】酸素センサ素子用の電極層に関して、単にセラ
ミックを分散させた電極層は、金属粒子の焼結が完全に
抑制できず、近年要求されているさらに厳しい素子の応
答性および耐久性に関して、まだ充分対応出来ないとい
う問題があった。
【解決手段】ジルコニア固体電解質の両面に一対の金属
の電極層が形成された酸素センサ素子において、前記電
極層を構成する金属粒子の大きさが0.5〜7.0μm
であって、これらの金属粒子をZrおよび/またはCe
を主成分とする酸化物のセラミック層で前記固体電解質
の表面に部分的に埋設させた酸素センサ素子とする。
(57) [Summary] Regarding an electrode layer for an oxygen sensor element, an electrode layer in which ceramics are simply dispersed cannot completely suppress sintering of metal particles, and a more severe element response recently required is required. There was a problem that it was not yet possible to cope with the properties and durability. In an oxygen sensor element in which a pair of metal electrode layers is formed on both surfaces of a zirconia solid electrolyte, the size of metal particles constituting the electrode layer is 0.5 to 7.0 μm.
Wherein these metal particles are Zr and / or Ce
An oxygen sensor element partially buried in the surface of the solid electrolyte with a ceramic layer of an oxide mainly composed of
Description
【0001】[0001]
【発明の属する技術分野】本発明は、酸素センサ素子の
改良に関係し、特にガス応答性および耐久性を向上させ
た電極層を有する酸素センサ素子に係わるものである。The present invention relates to an improvement in an oxygen sensor element, and more particularly to an oxygen sensor element having an electrode layer with improved gas responsiveness and durability.
【0002】[0002]
【従来の技術】従来より、内燃機関等からの空燃比を制
御するために、排ガス等の測定ガス中の酸素濃度を検出
するものとして酸素センサ素子が用いられている。2. Description of the Related Art Conventionally, in order to control an air-fuel ratio from an internal combustion engine or the like, an oxygen sensor element has been used to detect the oxygen concentration in a measurement gas such as exhaust gas.
【0003】かかる酸素センサ素子では、ジルコニアか
らなる円筒状の固体電解質の内外面に、例えば白金等の
電極層が形成され、内側の基準電極には空気を、外側の
被測定ガス電極には排気ガスを供給して、その際得られ
る出力電圧を測定し、排気ガス中の酸素濃度を検出する
しくみになっているのが一般的である。In such an oxygen sensor element, an electrode layer of, for example, platinum or the like is formed on the inner and outer surfaces of a cylindrical solid electrolyte made of zirconia, and air is exhausted to an inner reference electrode and exhausted to an outer gas electrode to be measured. In general, a gas is supplied, the output voltage obtained at that time is measured, and the oxygen concentration in the exhaust gas is detected.
【0004】かかる酸素センサ素子の電極は、化学メッ
キ法あるいはスパッタ法等の物理蒸着などの方法により
形成されていた。しかしながら、これらの方法で形成さ
れた電極は緻密質のためガス透過性が悪く、その結果ガ
ス応答性が悪くなるという欠点を有していた。この電極
層は熱処理することにより、ガス透過性は改善される
が、電極の金属粒子同士の焼結により気相/固体電解質
/金属粒子の3相界面が少なくなり逆にガス応答性が悪
くなったり、あるいは電極の電解質への付着力が低下す
るという問題があった。The electrodes of such an oxygen sensor element have been formed by a method such as physical vapor deposition such as a chemical plating method or a sputtering method. However, the electrodes formed by these methods have the disadvantage that gas permeability is poor due to their dense nature, resulting in poor gas responsiveness. Although the gas permeability of the electrode layer is improved by heat treatment, the sintering of the metal particles of the electrode reduces the three-phase interface of the gas phase / solid electrolyte / metal particles, and conversely deteriorates the gas responsiveness. Or the adhesion of the electrode to the electrolyte is reduced.
【0005】近年、酸素センサとしては従来に比べてガ
ス応答性に優れ、さらに耐久性にも優れた素子が要求さ
れてきている。このような酸素センサ素子に関して、上
記の問題に対する改善方法として特開平1−18445
7号公報において電極層中に、Al2 O3 、BaO、C
eO2 、MgO等の耐熱性のあるセラミック粒子を分散
した電極構造が提案されている。[0005] In recent years, there has been a demand for an oxygen sensor having an excellent gas responsiveness and an excellent durability as compared with the conventional oxygen sensor. With respect to such an oxygen sensor element, JP-A-1-18445 discloses a method for improving the above problem.
No. 7, the Al 2 O 3 , BaO, C
An electrode structure in which heat-resistant ceramic particles such as eO 2 and MgO are dispersed has been proposed.
【0006】また、一方、特開平2―276958号公
報においては、白金粉末を含むLi、Na、K、Beを
含有する金属アルコキシド等の有機金属化合物を主とし
たペーストを塗布し、熱分解させてセラミックスを分散
させて均一な微細孔を有する電極を形成する手法が提案
されている。On the other hand, in Japanese Patent Application Laid-Open No. 2-276958, a paste mainly containing an organometallic compound such as a metal alkoxide containing platinum powder containing Li, Na, K and Be is applied and thermally decomposed. A technique has been proposed in which ceramics are dispersed to form an electrode having uniform fine holes.
【0007】[0007]
【発明が解決しようとする課題】特開平1−18445
7号および2―276958号同公報の方法によれば、
金属粒子中にセラミック粒子を分散させた電極構造にお
いては電極層中に微細な気孔が多数存在するため、ガス
透過性が改善され、その結果従来の素子に比較してガス
応答性および耐久性に優れる。Problems to be Solved by the Invention
Nos. 7 and 2-276958,
In an electrode structure in which ceramic particles are dispersed in metal particles, the gas permeability is improved due to the presence of many fine pores in the electrode layer. As a result, gas responsiveness and durability are improved compared to conventional devices. Excellent.
【0008】しかしながら、上記の方法のように単にセ
ラミックを分散させた電極層は、金属粒子の焼結が完全
に抑制できず、近年要求されているさらに厳しい素子の
応答性および耐久性に関して、まだ充分対応出来ないと
いう問題があった。However, in the electrode layer in which the ceramic is simply dispersed as in the above method, the sintering of the metal particles cannot be completely suppressed. There was a problem that it could not cope sufficiently.
【0009】[0009]
【課題を解決するための手段】本発明者は、上記の問題
について検討を重ねた結果、電極を形成する所定の大き
さの金属粒子を酸素イオン導電性を有するセラミックを
用いて電解質表面に部分的に埋設させることにより、ガ
ス応答性と耐久性に関す上記の問題が解決されることを
見出し本発明に至った。Means for Solving the Problems As a result of studying the above problems, the present inventor has found that metal particles having a predetermined size to form an electrode are partially formed on the surface of an electrolyte using a ceramic having oxygen ion conductivity. It has been found that the above-mentioned problems relating to gas responsiveness and durability can be solved by burying them in a specific manner, leading to the present invention.
【0010】即ち、本発明はジルコニア固体電解質の両
面に一対の金属の電極層が形成された酸素センサ素子に
おいて、前記電極層を構成する金属粒子の平均粒子径が
0.5〜7.0μmとし、上記固体電解質の表面に備え
たZrおよび/またはCeを主成分とする酸化物のセラ
ミック層に、上記金属粒子を部分的に埋設させたことを
特徴としている。That is, the present invention provides an oxygen sensor element in which a pair of metal electrode layers are formed on both surfaces of a zirconia solid electrolyte, wherein the metal particles constituting the electrode layer have an average particle diameter of 0.5 to 7.0 μm. The metal particles are partially embedded in a ceramic layer of an oxide containing Zr and / or Ce as a main component provided on the surface of the solid electrolyte.
【0011】また、本発明では電極層の形成方法に関し
て、ジルコニア固体電解質の内外面に一対の金属の電極
層が形成された酸素センサ素子の製造方法において、金
属粒子とZrおよび/またはCeを含有する有機金属化
合物の溶液とを混合した混合溶液を電解質表面に塗布し
た後、熱分解させて酸化物のセラミック層を形成し、こ
のセラミック層に金属粒子を部分的に埋設させることを
特徴としている。The present invention also relates to a method for manufacturing an oxygen sensor element in which a pair of metal electrode layers are formed on the inner and outer surfaces of a zirconia solid electrolyte, wherein the metal particles and Zr and / or Ce are contained. After applying a mixed solution obtained by mixing a solution of an organometallic compound to the surface of the electrolyte, it is thermally decomposed to form an oxide ceramic layer, and the metal particles are partially embedded in the ceramic layer. .
【0012】[0012]
【作用】本発明では、金属粒子を電解質表面に備えた酸
化物セラミック層に埋設させるため、金属粒子の電解質
への固着力が大幅に強化されると同時に、いわゆる金属
粒子の埋設に伴う3相界面の増大と、金属粒子が酸素イ
オン導電性に優れたセラミックに接触するため電解質か
らの酸素イオンのガス化反応あるいは酸素ガスのイオン
化反応の速度が促進される。このため、本発明において
は従来の素子では得られない金属粒子の電解質への固着
力と優れたガス応答性および耐久性が得られる。According to the present invention, since the metal particles are embedded in the oxide ceramic layer provided on the surface of the electrolyte, the adhesion of the metal particles to the electrolyte is greatly enhanced and, at the same time, the three phases accompanying the embedding of the metal particles are achieved. Since the interface is increased and the metal particles come into contact with the ceramic having excellent oxygen ion conductivity, the rate of the gasification reaction of oxygen ions from the electrolyte or the ionization reaction of oxygen gas is promoted. Therefore, in the present invention, it is possible to obtain a fixing force of metal particles to the electrolyte and excellent gas responsiveness and durability, which cannot be obtained by the conventional device.
【0013】また、本発明では金属粒子を電解質表面に
埋設するために、白金族などの金属粒子を、例えばZ
r、Y等を含有する有機金属化合物の溶液中に分散させ
て、電解質表面に塗布した後、1000〜1500℃の
温度範囲で酸素ガスを含有する雰囲気中で熱分解させる
方法を用いる。これにより金属粒子が電解質表面におい
て、有機金属化合物から生成した(Zr,Y)O2 層中
に一部または大部分が埋設した電極構造が容易に形成さ
れる。この際、セラミック層中にうまく金属粒子を埋設
するには、熱処理後の金属粒子の大きさとして0.5〜
7.0μmとすることが望ましい。また、この方法によ
れば、金属粒子表面に付着した有機金属化合物の溶液の
一部は、熱分解により金属粒子表面に(Zr,Y)O2
の微粒子として粒子の表面に析出するため、素子使用条
件下における金属粒子同志の焼結を抑制する効果と、ガ
ス透過性を増大させる効果を併せ持つ。In the present invention, in order to embed the metal particles on the surface of the electrolyte, the metal particles such as platinum group metals are used, for example, Z
A method of dispersing in a solution of an organometallic compound containing r, Y or the like, applying the solution to the surface of the electrolyte, and thermally decomposing in an atmosphere containing oxygen gas in a temperature range of 1000 to 1500 ° C. is used. As a result, an electrode structure in which metal particles are partially or mostly buried in the (Zr, Y) O 2 layer generated from the organometallic compound on the electrolyte surface is easily formed. At this time, in order to successfully embed the metal particles in the ceramic layer, the size of the metal particles after the heat treatment is 0.5 to
It is desirable to be 7.0 μm. In addition, according to this method, a part of the solution of the organometallic compound attached to the surface of the metal particle causes the (Zr, Y) O 2
Since they are deposited on the surface of the particles as fine particles of, they have both an effect of suppressing sintering of the metal particles under element use conditions and an effect of increasing gas permeability.
【0014】[0014]
【発明の実施の形態】本発明の酸素センサ素子の電極層
5は、図1に示すように固体電解質3の表面にイオン導
電性あるいは電子導電性とイオン導電性を有するセラミ
ック層4を形成し、このセラミック層4に金属粒子2が
一部分または大部分がに埋設された電極構造を有する。
このため、金属粒子2が電解質3に強固に固着され、金
属粒子2の焼結による剥離が抑制されると同時に、気相
/電解質/金属粒子の3相界面が増大しガス応答性が早
くなる。DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS As shown in FIG. 1, an electrode layer 5 of an oxygen sensor element according to the present invention is formed by forming a ceramic layer 4 having ionic conductivity or electronic conductivity and ionic conductivity on the surface of a solid electrolyte 3. The ceramic layer 4 has an electrode structure in which the metal particles 2 are partially or mostly embedded.
For this reason, the metal particles 2 are firmly fixed to the electrolyte 3, and the separation of the metal particles 2 due to sintering is suppressed, and at the same time, the three-phase interface of the gas phase / electrolyte / metal particles increases, and the gas responsiveness is increased. .
【0015】また、本発明の電極においては、図1に示
すように金属粒子2の表面に微粒子の析出セラミック粒
子1が多数存在する。このような金属粒子2が埋設され
たセラミック層4からなる電極層5を得るには、金属粒
子2の平均粒子径として0.5〜7.0μmが好まし
い。金属粒子2の平均粒子径が0.5μmより小さいと
金属粒子2がセラミック層中にほぼ完全に埋設され、電
極としての機能が悪くなる。それに対して、金属粒子2
の平均粒子径が7.0μmを越えると、金属のセラミッ
ク層4中への埋設の程度が少なくなり、金属粒子2が焼
結により剥離し易くなる。この様な理由から、金属粒子
2の大きさとしては0.5〜7.0μm、特に1〜3μ
mの範囲が望ましい。Further, in the electrode of the present invention, as shown in FIG. 1, a large number of fine ceramic particles 1 exist on the surface of metal particles 2. In order to obtain the electrode layer 5 including the ceramic layer 4 in which the metal particles 2 are embedded, the average particle diameter of the metal particles 2 is preferably 0.5 to 7.0 μm. When the average particle diameter of the metal particles 2 is smaller than 0.5 μm, the metal particles 2 are almost completely buried in the ceramic layer, and the function as an electrode deteriorates. On the other hand, metal particles 2
When the average particle diameter of the metal particles exceeds 7.0 μm, the degree of embedding of the metal in the ceramic layer 4 is reduced, and the metal particles 2 are easily separated by sintering. For these reasons, the size of the metal particles 2 is 0.5 to 7.0 μm, particularly 1 to 3 μm.
The range of m is desirable.
【0016】この際、電極の金属粒子2としては、白金
の他にロジウム、ルテニウム、パラジウム、金あるいは
それらの合金が用いられる。熱処理後、所定の大きさの
金属粒子2を得るには、用いる金属粉末の大きさとして
平均粒子径が0.1〜5μmの範囲のものが好ましい
が、その大きさは熱処理条件、金属の種類、金属含有量
等により、熱処理後上記の大きさになるように適正に選
定する必要がある。At this time, as the metal particles 2 of the electrode, rhodium, ruthenium, palladium, gold or an alloy thereof is used in addition to platinum. In order to obtain the metal particles 2 having a predetermined size after the heat treatment, it is preferable that the metal powder used has an average particle diameter in a range of 0.1 to 5 μm. It is necessary to properly select the size after the heat treatment depending on the metal content and the like.
【0017】金属粒子2を埋設するためのセラミック層
4としては、水素、CO等の還元性の雰囲気でも安定
で、酸素イオン導電性を有し、電子導電性も合わせもつ
材料が望ましい。還元雰囲気安定性と電気伝導度性の観
点からは、Y2 O3 、Yb2 O3 、Sc2 O3 、Sm2
O3 の少なくとも一種を酸化物換算で5〜20モル%含
有するZrO2 および/またはCeO2 が望ましい。こ
れらの材料の中では、特にジルコニア電解質への付着力
が強く、且つ電子導電性とイオン導電性を合わせ持つセ
ラミックとしては、Y2 O3 、Sm2 O3 を総量で8〜
15モル%含有するZrO2 とCeO2 の固溶体が好ま
しい。As the ceramic layer 4 for embedding the metal particles 2, a material which is stable even in a reducing atmosphere such as hydrogen or CO, has oxygen ion conductivity, and also has electron conductivity is desirable. From the viewpoint of reducing atmosphere stability and electric conductivity, Y 2 O 3 , Yb 2 O 3 , Sc 2 O 3 , Sm 2
ZrO 2 and / or CeO 2 at least one containing 5 to 20 mol% in oxide equivalent of O 3 is desirable. Among these materials, particularly strong adhesion to zirconia electrolyte, and as the ceramic having both electron conductivity and ion conductivity, Y 2 O 3, Sm 2 O 3 8~ in total the
A solid solution of ZrO 2 and CeO 2 containing 15 mol% is preferred.
【0018】一方、本発明の素子の固体電解質3として
は、Y2 O3 、Yb2 O3 、Sc2O3 、Sm2 O3 を
酸化物換算で3〜20モル%含有するZrO2 が好適に
用いられる。素子の強度の観点からは、特にY2 O3 、
Yb2 O3 、Sc2 O3 、Sm2 O3 、CaOを3〜8
モル%含有するZrO2 が望ましい。また、被測定ガス
電極表面に設けられる多孔質の電極保護層およびガス拡
散律速層としては、ジルコニア、スピネル、アルミア等
の材料が用いられ、プラズマ溶射法、スパッタ法により
形成される。次に、本発明の電極の形成方法の例とし
て、金属粒子2として白金を、それを埋設するためのセ
ラミックとして(Zr,Y)O2 を用いる場合について
詳述する。まず、所定の大きさの白金粉末をZrおよび
Yを含有するオクチル酸塩をトルエンに溶解した溶液に
添加し、スラリーディップ法、スクリーン印刷法、パッ
ド印刷法等の周知の方法により電解質焼結体表面に塗布
し、溶液が電解質表面に濃縮するように100℃前後で
ゆっくり乾燥する。その後、大気中、またはアルゴンガ
ス、窒素ガスなどの不活性ガス中、1000〜1500
℃の温度範囲で1〜3時間熱処理し、熱分解させて白金
粒子の一部が(Zr,Y)O2 中に埋設した電極層5を
形成する。熱処理温度が、1000℃より低いと、有機
金属化合物の分解により生成したセラミックが粉末化
し、セラミック層4が形成されない。それに対して、処
理温度が1500℃を越えると金属粒子2の焼結が進行
し、金属粒子2が7μmより大きくなり、その結果埋設
の効果が弱くなりガス応答性および耐久性が悪くなる。
熱処理温度としては、ガス応答性および耐久性の観点か
ら1200〜1400℃が特に優れる。On the other hand, as the solid electrolyte 3 of the device of the present invention, ZrO 2 containing 3 to 20 mol% of oxides of Y 2 O 3 , Yb 2 O 3 , Sc 2 O 3 and Sm 2 O 3 is used. It is preferably used. From the viewpoint of the strength of the element, Y 2 O 3 ,
Yb 2 O 3 , Sc 2 O 3 , Sm 2 O 3 , CaO in 3 to 8
Molar% ZrO 2 is desirable. The porous electrode protective layer and the gas diffusion controlling layer provided on the surface of the gas electrode to be measured are made of a material such as zirconia, spinel, or aluminum, and are formed by a plasma spraying method or a sputtering method. Next, as an example of the method for forming an electrode of the present invention, a case where platinum is used as the metal particles 2 and (Zr, Y) O 2 is used as a ceramic for embedding the metal particles 2 will be described in detail. First, a platinum powder of a predetermined size is added to a solution of octylate containing Zr and Y dissolved in toluene, and the electrolyte sintered body is formed by a known method such as a slurry dipping method, a screen printing method, and a pad printing method. Apply to the surface and slowly dry at around 100 ° C. so that the solution concentrates on the electrolyte surface. Thereafter, 1000 to 1500 in the atmosphere or in an inert gas such as argon gas or nitrogen gas.
Heat treatment is performed for 1 to 3 hours in a temperature range of ° C., and thermal decomposition is performed to form an electrode layer 5 in which some of the platinum particles are embedded in (Zr, Y) O 2 . When the heat treatment temperature is lower than 1000 ° C., the ceramic generated by the decomposition of the organometallic compound is powdered, and the ceramic layer 4 is not formed. On the other hand, when the processing temperature exceeds 1500 ° C., the sintering of the metal particles 2 proceeds, and the metal particles 2 become larger than 7 μm. As a result, the effect of embedding is weakened, and the gas responsiveness and durability are deteriorated.
The heat treatment temperature is particularly preferably from 1200 to 1400 ° C. from the viewpoint of gas responsiveness and durability.
【0019】有機金属化合物としては、オクチル酸塩の
他にナフテン酸塩などの脂肪酸塩やアセチルアセトナ錯
体を用いることができる。また、有機系溶剤としては、
トルエンの他、アセチルアセトンが使用される。As the organometallic compound, a fatty acid salt such as a naphthenate or an acetylacetona complex can be used in addition to the octylate. Also, as an organic solvent,
In addition to toluene, acetylacetone is used.
【0020】有機金属化合物の量比としては、有機金属
化合物を熱分解させて生成するセラミックの量が、金属
量に対して重量比で1〜20重量%、好ましくは5〜1
0重量%になるように調整すればよい。金属量に対し
て、生成するセラミックの量が、1重量%より少ない
と、金属粒子2の埋設が充分に行われず、20重量%を
越えると、金属粒子2の表面へのセラミック粒子の析出
量が多くなりガス応答性が悪くなる。The amount ratio of the organometallic compound is such that the amount of ceramic formed by thermally decomposing the organometallic compound is 1 to 20% by weight, preferably 5 to 1% by weight based on the amount of metal.
It may be adjusted to be 0% by weight. If the amount of the generated ceramic is less than 1% by weight with respect to the amount of the metal, the metal particles 2 are not sufficiently buried. If the amount exceeds 20% by weight, the amount of the ceramic particles deposited on the surface of the metal particles 2 is reduced. And the gas responsiveness deteriorates.
【0021】次に本発明の酸素センサ素子について説明
する。本発明の素子は、図2に示すように一端が封じた
円筒状の固体電解質3の内側面に基準電極6を、外側面
に測定ガス電極7からなる電極層が形成されており、さ
らに図には記載していないが外側の電極層の表面には少
なくとも1層以上のスピネル、ジルコニア、アルミナか
らなる多孔性の電極保護層、またはガス拡散律速層が形
成されている。Next, the oxygen sensor element of the present invention will be described. In the device of the present invention, as shown in FIG. 2, a reference electrode 6 is formed on an inner surface of a cylindrical solid electrolyte 3 whose one end is sealed, and an electrode layer including a measurement gas electrode 7 is formed on an outer surface. Although not described above, at least one or more porous electrode protective layers made of spinel, zirconia, or alumina, or a gas diffusion-controlling layer are formed on the surface of the outer electrode layer.
【0022】そして、上記測定ガス電極7および基準電
極6の両方を図1に示す本発明の電極層5の構造とする
ことが望ましいが、ガス応答性の観点からは、その性能
を支配している測定ガス電極7のみに適用しても充分効
果はある。It is desirable that both the measurement gas electrode 7 and the reference electrode 6 have the structure of the electrode layer 5 of the present invention shown in FIG. 1, but from the viewpoint of gas responsiveness, the performance is dominant. There is a sufficient effect even if it is applied only to the measurement gas electrode 7.
【0023】このような素子を作製するには、電解質か
らなる円筒状成形体を押出し成形、プレス成形、等方静
水圧プレスなどの周知の方法により成形し、これを大気
中、1400〜1600℃で焼成して電解質からなる円
筒状焼結体を作製した後、本発明の方法に従い電極層5
を形成する。この際、多孔性の電極保護層8、またはガ
ス拡散律速層はプラズマ溶射法あるいはスパッタ法を用
いて形成することができる。あるいは、上記の円筒状成
形体の内外面に予め白金粉末等を含む金属有機塩の溶液
を所定の厚みと所定の面積に塗布した後、円筒状成形体
と同時に焼成して電極層5が形成された円筒状焼結体を
作製することもできる。また、多孔性の電極保護層8、
またはガス拡散律速層も予め成形体の段階で形成し、円
筒状成形体と同時に焼成して作製してもよい。この際、
焼成温度としては、1300〜1500℃以下の温度が
好ましい。In order to fabricate such an element, a cylindrical molded body made of an electrolyte is molded by a known method such as extrusion molding, press molding, isostatic pressing, and the like, and is heated to 1400 to 1600 ° C. in the atmosphere. To produce a cylindrical sintered body made of an electrolyte, and then the electrode layer 5 is formed according to the method of the present invention.
To form At this time, the porous electrode protection layer 8 or the gas diffusion rate-controlling layer can be formed by a plasma spraying method or a sputtering method. Alternatively, a solution of a metal organic salt containing platinum powder or the like is applied to the inner and outer surfaces of the cylindrical molded body in advance to a predetermined thickness and a predetermined area, and then fired simultaneously with the cylindrical molded body to form the electrode layer 5. It is also possible to produce a cylindrical sintered body. Also, a porous electrode protection layer 8,
Alternatively, the gas diffusion-controlling layer may be formed in advance at the stage of the molded body, and may be manufactured by firing simultaneously with the cylindrical molded body. On this occasion,
As the firing temperature, a temperature of 1300 to 1500 ° C. or less is preferable.
【0024】また、本発明の電極層8は図3に示すヒー
ターを埋設した平板形状の酸素センサ素子にも応用する
ことが出来る。本発明の平板形状の素子では、固体電解
質3の片面に基準電極6が、他方の面に測定ガス電極7
が形成され、さらに測定ガス電極7の表面には電極保護
層8が形成されている。また、素子を加熱するための白
金のヒータ層9がアルミナ、スピネル、フォルステライ
ト等からなる絶縁体層10を介して素子中に埋設されて
いる。このような形状の素子を作製するには、まずジル
コニアからなるグリーンシートを例えばドクターブレー
ド法や、押出し成形法により作製する。この後、グリー
ンシートの両面に本発明の方法に従い、電極層5を形成
する。一方、グリーンシート表面にスクリーン印刷等で
アルミナ、スピネル等の絶縁体層10を介して白金のヒ
ータ層9を形成する。この後、図3に示す形状になるよ
うに上述のシートを積層した一体積層体を作製し、それ
を大気中1300〜1500℃で焼成してヒータを埋設
した平板形状の素子を作製する。この際、外側電極層5
の表面へ設ける電極保護層8およびガス拡散律速層は、
プラズマ溶射法あるいはスパッタ法で作製することが出
来る。あるいは、グリーンシートの両面に本発明の方法
に従い電極層5を形成し、さらにスクリーン印刷等でア
ルミナ、スピネル、ジルコニア等の粉末を塗布した後、
積層体と同時焼成して電極保護層8およびガス拡散律速
層を形成してもよい。The electrode layer 8 of the present invention can also be applied to a flat oxygen sensor element in which a heater is embedded as shown in FIG. In the flat element of the present invention, the reference electrode 6 is provided on one surface of the solid electrolyte 3 and the measurement gas electrode 7 is provided on the other surface.
Are formed, and an electrode protection layer 8 is formed on the surface of the measurement gas electrode 7. Further, a platinum heater layer 9 for heating the element is embedded in the element via an insulator layer 10 made of alumina, spinel, forsterite or the like. In order to produce an element having such a shape, first, a green sheet made of zirconia is produced by, for example, a doctor blade method or an extrusion molding method. Thereafter, the electrode layer 5 is formed on both surfaces of the green sheet according to the method of the present invention. On the other hand, a heater layer 9 of platinum is formed on the surface of the green sheet via an insulator layer 10 such as alumina or spinel by screen printing or the like. Thereafter, an integrated laminated body in which the above-described sheets are laminated so as to have the shape shown in FIG. 3 is produced, and the resultant is fired in the air at 1300 to 1500 ° C. to produce a flat element having a heater embedded therein. At this time, the outer electrode layer 5
The electrode protection layer 8 and the gas diffusion controlling layer provided on the surface of
It can be manufactured by a plasma spraying method or a sputtering method. Alternatively, after forming the electrode layer 5 on both surfaces of the green sheet according to the method of the present invention, and further applying a powder of alumina, spinel, zirconia or the like by screen printing or the like,
The electrode protection layer 8 and the gas diffusion rate-controlling layer may be formed by firing simultaneously with the laminate.
【0025】以上述べて来た酸素センサ素子は、本発明
の一例であり、本発明の素子は固体電解質3の外側およ
び内側に本発明の電極層5が形成されていればよく、円
筒状あるいは平板状等の形状を意味するものではない。
また、本発明は、ヒータが挿入された嵌合方式の円筒状
素子であっても、またヒータが一体化された円筒状およ
び平板状の酸素センサ素子であってもよい。The oxygen sensor element described above is an example of the present invention. The element of the present invention only needs to have the electrode layer 5 of the present invention formed on the outside and inside of the solid electrolyte 3 and has a cylindrical or cylindrical shape. It does not mean a shape such as a flat plate shape.
Further, the present invention may be a fitting type cylindrical element into which a heater is inserted, or a cylindrical and flat oxygen sensor element into which a heater is integrated.
【0026】[0026]
【実施例】本発明を実施例に従い説明する。DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS The present invention will be described in accordance with embodiments.
【0027】実施例 1 5モル%Y2 O3 を含有するZrO2 粉末と、平均粒子
径が約0.05〜10μmの範囲の白金粉末を数種類
と、Y、Zr、Ceをそれぞれ含有する有機金属塩を溶
解させた溶液を準備した。Example 1 ZrO 2 powder containing 5 mol% Y 2 O 3 , several kinds of platinum powder having an average particle diameter in the range of about 0.05 to 10 μm, and organic powder containing Y, Zr and Ce respectively A solution in which a metal salt was dissolved was prepared.
【0028】まず、ZrO2 粉末にPVAを添加して胚
土を形成し、押出し成形により一端が封じた中空の円筒
状成形体を作製した。この、成形体を大気中1600℃
で5時間焼成して円筒状の緻密質の固体電解質3を作製
した。First, PVA was added to ZrO 2 powder to form germ soil, and a hollow cylindrical molded body having one end sealed by extrusion was produced. The molded body is heated at 1600 ° C. in the atmosphere.
For 5 hours to produce a cylindrical dense solid electrolyte 3.
【0029】一方、熱処理後10モル%Y2 O3 モル/
90モル%ZrO2 および10モル%Y2 O3 モル/5
モル%CeO2 /85モル%ZrO2 組成のセラミック
になるように調整した上述の有機金属を含有する溶液に
上記の白金粉末をそれぞれ添加しスラリーを作製し充分
攪拌した。その後、上記の円筒状の電解質の内側および
外側表面に、白金粉末を含有するスラリーをそれぞれ約
10〜15μmの厚みになるように塗布し、100℃で
1時間乾燥した後、大気中800〜1600℃の温度範
囲で1時間熱処理して有機金属塩の分解とそれによる白
金粉末の固体電解質3の表面への埋設を行った。On the other hand, after the heat treatment, 10 mol% of Y 2 O 3 mol /
90 mol% ZrO 2 and 10 mol% Y 2 O 3 mol / 5
Additional platinum powder was added and sufficiently stirred to prepare a slurry, respectively in a solution containing the above mentioned organic metal was adjusted to ceramic mol% CeO 2/85 mol% ZrO 2 composition. Thereafter, a slurry containing platinum powder is applied to the inner and outer surfaces of the cylindrical electrolyte so as to have a thickness of about 10 to 15 μm, and dried at 100 ° C. for 1 hour. Heat treatment was performed at a temperature of 1 ° C. for 1 hour to decompose the organic metal salt and bury the platinum powder on the surface of the solid electrolyte 3 by the decomposition.
【0030】素子の性能比較のため、一端閉口の筒状の
ジルコニアからなる固体電解質3の生成形体の両表面
に、触媒作用を持つ貴金属粉末および有機金属化合物を
含むペーストを塗布した後焼成した試料No.1と、前
記固体電解質3生成形体を1350℃で10時間焼成し
た後所定の位置に、Ptに6モル%Y2 O3 添加ZrO
2 を6重量%添加したペーストを焼き付けた0.7μm
の電極層5を形成し、さらに外側の電極層5上にはAl
2 O3 −MgOのスピネルからなる多孔質の電極保護層
8が形成された試料No.2のセンサ素子を作製した。In order to compare the performance of the device, a sample containing a precious metal powder having a catalytic action and a paste containing an organometallic compound was applied to both surfaces of a solid electrolyte 3 formed of cylindrical zirconia having one end closed, and then fired. No. 1 and the solid electrolyte 3 formed body was calcined at 1350 ° C. for 10 hours, and then 6 mol% Y 2 O 3 added ZrO
0.7 μm baked paste containing 6% by weight of 2
Is formed on the outer electrode layer 5.
Sample No. 2 having a porous electrode protection layer 8 made of spinel of 2 O 3 -MgO was formed. 2 sensor elements were produced.
【0031】ガス応答性の評価は、このようにして作製
したセンサ素子を金属製のハウジングに組み込み、排気
量1500ccの4気筒ガソリンエンジンの外部のエン
ジン制御用のコンピュータによって、排気ガス温度を3
50℃に維持しつつ、排気ガス中の空燃比を14.0か
ら15.4へまた逆に15.4から14.0へ切換えて
切換え後のセンサ出力が0.6Vから0.3Vへ、逆に
0.3Vから0.6Vへ変化する応答時間TRL、TL
Rをそれぞれ測定した。The gas responsiveness was evaluated by assembling the sensor element thus manufactured in a metal housing, and setting the exhaust gas temperature to 3 using a computer for engine control outside a four-cylinder gasoline engine with a displacement of 1500 cc.
While maintaining the temperature at 50 ° C., the air-fuel ratio in the exhaust gas was switched from 14.0 to 15.4 and vice versa, and the sensor output after switching was switched from 0.6V to 0.3V. Conversely, response times TRL and TL changing from 0.3V to 0.6V
R was measured respectively.
【0032】一方、素子の低温作動性として、同様に排
気量1500ccのエンジンの排気ガス温度を始め40
0℃に設定し、その後、素子の出力電圧が微弱になりフ
ィードバック制御が不可能にな温度まで排気ガス温度を
低下させ、その時の排気ガス温度を測定した。この温度
が低いほど素子の低温作動性が優れると言える。On the other hand, the low-temperature operability of the element includes the temperature of the exhaust gas of an engine having a displacement of 1500 cc, and
The temperature was set to 0 ° C., and thereafter, the exhaust gas temperature was reduced to a temperature at which the output voltage of the element became weak and feedback control became impossible, and the exhaust gas temperature at that time was measured. It can be said that the lower the temperature, the better the low-temperature operability of the element.
【0033】結果を表1に示す。この際、本発明では金
属粒子2の径(大きさ)については走査型電子顕微鏡で
電極表面に存在する金属粒子100個について粒子の最
大直径を測定し、その平均値を金属粒子径と定義した。The results are shown in Table 1. At this time, in the present invention, regarding the diameter (size) of the metal particles 2, the maximum diameter of the metal particles 100 on the electrode surface was measured with a scanning electron microscope, and the average value was defined as the metal particle diameter. .
【0034】[0034]
【表1】 [Table 1]
【0035】表1より、埋設された金属粒子2の大きさ
が、0.5μmより小さな試料No.3では金属粒子2
の大部分がセラミック層4の中へ埋設され、従来の素子
(試料No.1およびNo.2)に比較してガス応答
性、低温作動性とも悪いことがわかる。金属粒子径が、
7.0μmを越える試料No.13では、逆に粒子のセ
ラミック層中への埋設の程度が少なくなり、同様にガス
応答性、低温作動性とも悪くなる。また、熱処理温度
が、1000℃より低い試料No.5および熱処理温度
が1500℃を越える試料No.13も性能が悪いこと
がわかる。それに対して、本発明品で、熱処理温度が1
000〜1500℃で、金属粒子径が0.5〜7.0μ
mの範囲の試料は全て、ガス応答性および低温作動性と
も比較品より優れることがわかる。According to Table 1, the size of the embedded metal particles 2 is smaller than 0.5 μm. 3 is metal particle 2
Is buried in the ceramic layer 4 and the gas responsiveness and the low-temperature operability are lower than those of the conventional devices (samples No. 1 and No. 2). The metal particle size is
Sample No. exceeding 7.0 μm. In No. 13, on the contrary, the degree of embedding of the particles in the ceramic layer decreases, and similarly, the gas responsiveness and the low-temperature operability also deteriorate. In addition, the sample No. whose heat treatment temperature is lower than 1000 ° C. Sample No. 5 and Sample No. 5 in which the heat treatment temperature exceeded 1500 ° C. 13 also shows poor performance. On the other hand, in the present invention, the heat treatment temperature is 1
000 to 1500 ° C., the metal particle diameter is 0.5 to 7.0 μ
It can be seen that all the samples in the range of m have superior gas responsiveness and low-temperature operability to the comparative product.
【0036】本発明の実施例において、Ceを添加した
試料No.15およびNo.16はCe添加のない試料
より、応答性、低温作動性とも優れることがわかる。こ
れは、Ce添加のセラミックが有する高い電子伝導性に
起因しているためと思われる。In the embodiment of the present invention, the sample No. 15 and No. 16 shows that both the responsiveness and the low-temperature operability are superior to the sample without Ce addition. This seems to be due to the high electron conductivity of the Ce-added ceramic.
【0037】実施例 2 実施例1に用いた本発明の実施例(試料No.6、N
o.7およびNo.8)と比較例(試料No.1および
No.2)について2000時間ライフサイクル耐久後
のガス応答性および低温作動性を実施例1に従い評価し
た。結果を表2に示す。Example 2 Example of the present invention used in Example 1 (sample No. 6, N
o. 7 and No. 7 8) and Comparative Examples (Samples No. 1 and No. 2) were evaluated for gas responsiveness and low-temperature operability after 2,000-hour life cycle durability according to Example 1. Table 2 shows the results.
【0038】[0038]
【表2】 [Table 2]
【0039】表2に示したように、ガス応答性に関し
て、比較例(試料No.17とNo.18)のTRL、
TLRは、いずれも80msより大きな値を示した。ま
た、低温作動性に関しては、いずれも300℃より高く
なった。それに対して、本発明の実施例(試料No.1
9,No.20およびNo.21)のTRL、TLR
は、いずれも30msより小さな値を示した。また、低
温作動性に関しては、本発明品はいずれも250℃より
低い値であった。As shown in Table 2, with respect to gas responsiveness, the TRL and the TRL of the comparative examples (samples No. 17 and No. 18) were used.
Each TLR showed a value larger than 80 ms. In addition, the low-temperature operability was higher than 300 ° C. in all cases. In contrast, the embodiment of the present invention (Sample No. 1)
9, No. 20 and no. 21) TRL, TLR
Showed a value smaller than 30 ms. As for the low-temperature operability, all of the products of the present invention were lower than 250 ° C.
【0040】以上の結果から、本発明の酸素センサ素子
は従来のそれ比べて耐久性および低温作動性の点に関し
て優れていることが充分理解できる。From the above results, it can be sufficiently understood that the oxygen sensor element of the present invention is superior in durability and low-temperature operability as compared with the conventional oxygen sensor element.
【0041】[0041]
【発明の効果】本発明においては、以上述べてきたよう
に酸素センサ素子の電極を形成する金属粒子を分散させ
た有機金属化合物からなる溶液を固体電解質表面に塗布
し、熱分解させることにより金属粒子が電解質表面に埋
設された電極層を形成する。この電極層は金属粒子が電
解質に強固に固着しているため、従来の素子に比較して
ガス応答性が改善されると同時に、金属の焼結による金
属粒子の電解質からの剥離が防止され、耐久性も飛躍的
に向上する。According to the present invention, as described above, a solution composed of an organometallic compound in which metal particles forming an electrode of an oxygen sensor element are dispersed is applied to the surface of a solid electrolyte and is thermally decomposed. The particles form an electrode layer embedded in the electrolyte surface. In this electrode layer, since the metal particles are firmly fixed to the electrolyte, the gas responsiveness is improved as compared with the conventional device, and at the same time, the separation of the metal particles from the electrolyte due to sintering of the metal is prevented, Durability also improves dramatically.
【図1】本発明の酸素センサ素子における電極構造を示
す説明図である。FIG. 1 is an explanatory view showing an electrode structure in an oxygen sensor element of the present invention.
【図2】本発明の酸素センサ素子を示す要部断面図であ
る。FIG. 2 is a sectional view of a main part showing an oxygen sensor element of the present invention.
【図3】本発明の酸素センサ素子を示す要部断面図であ
る。FIG. 3 is a sectional view of a main part showing an oxygen sensor element of the present invention.
1:析出セラミック粒子 2:金属粒子 3:固体電解質 4:セラミック層 5:電極層 6:基準電極 7:測定ガス電極 8:電極保護層 9:ヒータ層 10:絶縁体層 1: Precipitated ceramic particles 2: Metal particles 3: Solid electrolyte 4: Ceramic layer 5: Electrode layer 6: Reference electrode 7: Measurement gas electrode 8: Electrode protection layer 9: Heater layer 10: Insulator layer
Claims (2)
の電極層が形成された酸素センサ素子において、上記固
体電解質の表面にZrおよび/またはCeを主成分とす
る酸化物のセラミック層を形成し、該セラミック層に平
均粒子径0.5〜7.0μmの金属粒子を部分的に埋設
させて電極層を構成したことを特徴とする酸素センサ素
子。1. An oxygen sensor element comprising a zirconia solid electrolyte and a pair of metal electrode layers formed on both surfaces thereof, wherein an oxide ceramic layer containing Zr and / or Ce as a main component is formed on the surface of the solid electrolyte. An oxygen sensor element comprising an electrode layer formed by partially burying metal particles having an average particle diameter of 0.5 to 7.0 μm in the ceramic layer.
属の電極層が形成された酸素センサ素子の製造方法にお
いて、金属粒子とZrおよび/またはCeを含有する有
機金属化合物の溶液とを混合した混合溶液を電解質表面
に塗布した後、熱分解させることによって、金属粒子を
部分的に埋設した酸化物のセラミック層を形成すること
を特徴とする酸素センサ素子の製造方法。2. A method for manufacturing an oxygen sensor element in which a pair of metal electrode layers are formed on the inner and outer surfaces of a zirconia solid electrolyte, wherein a metal particle and a solution of an organometallic compound containing Zr and / or Ce are mixed. A method for producing an oxygen sensor element, comprising forming a ceramic layer of an oxide in which metal particles are partially embedded by applying a mixed solution to an electrolyte surface and then thermally decomposing the mixed solution.
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| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP11095530A JP2000292405A (en) | 1999-04-01 | 1999-04-01 | Oxygen sensor element and method of manufacturing the same |
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Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2003227810A (en) * | 2002-02-05 | 2003-08-15 | Kyocera Corp | Oxygen sensor element |
| JP2005062184A (en) * | 2003-08-14 | 2005-03-10 | Robert Bosch Gmbh | Sensor element configured in a flat layer |
-
1999
- 1999-04-01 JP JP11095530A patent/JP2000292405A/en active Pending
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
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| JP2005062184A (en) * | 2003-08-14 | 2005-03-10 | Robert Bosch Gmbh | Sensor element configured in a flat layer |
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