JPH02150758A - Oxygen sensor element - Google Patents
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- Measuring Oxygen Concentration In Cells (AREA)
Abstract
Description
【発明の詳細な説明】
(技術分野)
本発明は、主として自動車の内燃機関や工業炉における
燃焼装置等の排気ガス中に含まれる酸素量を測定するた
めの酸素センサ素子に係り、特に応答性及び起電力特性
の改善された酸素センサ素子に関するものである。Detailed Description of the Invention (Technical Field) The present invention mainly relates to an oxygen sensor element for measuring the amount of oxygen contained in exhaust gas from internal combustion engines of automobiles, combustion equipment in industrial furnaces, etc. and an oxygen sensor element with improved electromotive force characteristics.
(背景技術)
従来から、ジルコニア磁器等の酸素イオン伝導性の固体
電解質を用いて、酸素濃淡電池の原理により、自動車等
の内燃機関や工業炉における燃焼装置等から排出される
、被測定ガスとしての排気ガス中の酸素濃度を検知し、
かかる内燃機関等の空燃比乃至は燃焼状態を制御するこ
とが知られている。(Background technology) Conventionally, oxygen ion-conducting solid electrolytes such as zirconia porcelain have been used to measure gases emitted from internal combustion engines in automobiles and combustion equipment in industrial furnaces, etc., using the principle of oxygen concentration batteries. detects the oxygen concentration in the exhaust gas of
It is known to control the air-fuel ratio or combustion state of such internal combustion engines.
而して、この種の酸素濃度検出器たる酸素センサにあっ
ては、センサ素子として、有底円筒形状や板状等の形状
を有する固体電解質の内外面に、白金等の触媒金属から
なる或いはそれを含む所定の電極を設け、そして、その
内側の電極を空気等の基準酸素濃度の基準ガスに晒され
る基準電極とする一方、外側の電極を被測定ガスである
排ガスに晒して測定電極とする構造を採用するものであ
って、それら基準電極と測定電極との間の酸素濃度の差
に基づく起電力を検知することにより、かかる排気ガス
中の酸素濃度を測定している。In this type of oxygen sensor, which is an oxygen concentration detector, the sensor element is made of a catalytic metal such as platinum, A predetermined electrode containing the same is provided, and the inner electrode is used as a reference electrode that is exposed to a reference gas such as air with a reference oxygen concentration, while the outer electrode is exposed to exhaust gas that is the gas to be measured and used as a measurement electrode. The oxygen concentration in the exhaust gas is measured by detecting an electromotive force based on the difference in oxygen concentration between the reference electrode and the measurement electrode.
また、このような酸素センサ素子においては、外面電極
である測定電極が、被測定ガスたる高温の排気ガスの作
用を受けて減耗したり、損傷を受けて、センサ機能が劣
化する等の問題を惹起するところから、かかる測定電極
を保護するために、スピネル等の多孔質の保護コーティ
ング層が該測定電極上にプラズマ溶射等によって所定厚
さで形成されている。In addition, in such an oxygen sensor element, the measurement electrode, which is the outer surface electrode, may be worn out or damaged by the action of the high temperature exhaust gas, which is the gas to be measured, resulting in problems such as deterioration of the sensor function. In order to protect the measurement electrode from the occurrence of such problems, a porous protective coating layer such as spinel is formed on the measurement electrode to a predetermined thickness by plasma spraying or the like.
ところで、この種の酸素センサ素子には、その使用目的
から、広い温度範囲で、理論空燃比点を正確に感知する
ものであることが要求されているが、低温度では電極の
触媒能が低下するところから、起電力特性曲線、所謂λ
カーブかり−ン(酸素過剰雰囲気)側にずれてしまい、
それ故従来のセンサでは、被測定ガスの温度が400°
C以下となると、理論空燃比点を正確に感知することが
困難となるものであった。By the way, this type of oxygen sensor element is required to accurately sense the stoichiometric air-fuel ratio point over a wide temperature range due to its intended use, but the catalytic ability of the electrode decreases at low temperatures. Therefore, the electromotive force characteristic curve, so-called λ
The curve shifts to the normal (oxygen-excess atmosphere) side,
Therefore, with conventional sensors, the temperature of the gas to be measured is 400°
When the temperature is below C, it becomes difficult to accurately sense the stoichiometric air-fuel ratio point.
このため、特開昭54−41794号公報には、白金等
の多孔性金属電極にて構成される測定電極上に、白金属
触媒を0.1〜5重量%の割合で分散せしめてなる触媒
層を設けて、起電力特性曲線のずれを防止する技術が明
らかにされているが、この場合においては、測定電極と
して用いる白金等の触媒金属に加えて、更に同種の金属
を比較的多く用いる必要があるために、必然的にコスト
アップを惹起することに加えて、センサとしての応答性
が著しく低下する問題を内在している。For this reason, Japanese Patent Application Laid-Open No. 54-41794 discloses a catalyst prepared by dispersing a platinum metal catalyst in a proportion of 0.1 to 5% by weight on a measurement electrode composed of a porous metal electrode such as platinum. A technique has been revealed to prevent the deviation of the electromotive force characteristic curve by providing a layer, but in this case, in addition to the catalytic metal such as platinum used as the measurement electrode, a relatively large amount of the same type of metal is used. Because of this necessity, in addition to inevitably causing an increase in cost, there is also the inherent problem that the responsiveness of the sensor is significantly reduced.
一方、酸素センサ素子の電極の中には、その長期間の或
いは著しい高温というような厳しい使用条件下での耐久
性を向上するために、触媒金属粉とセラミックス粉とを
混合して、安定化或いは部分安定化ジルコニア等からな
るセンサ素体(素子本体)に焼き付け、或いは下地と一
体焼成したサーメット電極が知られている。On the other hand, some of the electrodes of oxygen sensor elements are stabilized by mixing catalytic metal powder and ceramic powder in order to improve their durability under severe usage conditions such as long-term or extremely high temperatures. Alternatively, cermet electrodes are known that are baked onto a sensor element (element body) made of partially stabilized zirconia or the like, or are baked integrally with a base.
しかしながら、このようなサーメット電極は、その耐久
性を向上するために、一般に、少なくとも1000°C
1好ましくは1300°C以上の高温での焼付またはセ
ンサ素体との一体焼成が行なわれるために、電極として
の触媒活性が著しく悪いものとなり、その使用範囲が限
定されるという欠点がある。However, such cermet electrodes are generally heated to at least 1000°C to improve their durability.
1. Since baking is performed at a high temperature, preferably 1300° C. or higher, or the sensor body is baked integrally with the sensor body, the catalytic activity as an electrode becomes extremely poor, and the range of its use is limited.
また、このようなサーメット電極、更にはサーメット電
極以外の電極、例えばメツキ電極等のセンサ電極の欠点
をカバーするために、その電極部をヒータで加熱するよ
うにした構造の酸素センサも考え出されているが、ヒー
タでどのように加熱しても、かかるセンサの被測定ガス
(排気ガス)に晒される側は、ガス塩が低いときは、そ
のガスにより冷却され、電極の触媒活性が低下し、起電
力特性曲線にずれが生じ易くなる。In addition, in order to overcome the drawbacks of sensor electrodes such as cermet electrodes and electrodes other than cermet electrodes, such as plated electrodes, oxygen sensors have been devised in which the electrode portion is heated with a heater. However, no matter how heated with a heater, the side of such a sensor exposed to the gas to be measured (exhaust gas) is cooled by the gas when the gas salt is low, reducing the catalytic activity of the electrode. , deviations are likely to occur in the electromotive force characteristic curve.
特に、近年、排気ガス規制が厳しくなり、自動車にあっ
ては、そのアイドリング時においても作動するセンサ素
子とか、センサ取付位置等の制約から、排気管後方の低
温部においても正確に空燃比制御の出来るセンサ素子が
要求されるようになってきているが、従来の酸素センサ
素子では、例えば400℃以下の低温度の排気ガス中で
は、正確な起電力特性曲線を得ることは望むべくもなか
ったのである。In particular, in recent years, exhaust gas regulations have become stricter, and due to constraints such as sensor elements that operate even when vehicles are idling, and sensor mounting positions, it is now possible to accurately control the air-fuel ratio even in the low-temperature area behind the exhaust pipe. However, with conventional oxygen sensor elements, it was impossible to obtain accurate electromotive force characteristic curves in exhaust gas at low temperatures below 400°C. It is.
(解決課題)
ここにおいて、本発明は、かかる事情を背景にして、そ
の問題点を悉く解消すべく為されたものであって、その
主たる解決課題とするところは、低温の排気ガス中にお
いて、応答性を損なうことなく、正確に理論空燃比点を
感知することの出来る酸素センサ素子を得ることにある
。(Problem to be solved) The present invention has been made to solve all of the problems in view of the above circumstances, and the main problem to be solved is to An object of the present invention is to obtain an oxygen sensor element capable of accurately sensing a stoichiometric air-fuel ratio point without impairing responsiveness.
(解決手段)
そして、本発明は、上記の如き目的を達成するために、
酸素イオン伝導性の固体電解質と、該固体電解質に接し
て設けられた、所定の基準酸素濃度の基準ガスに晒され
る基準電極と、該固体電解質に接して設けられた、被測
定ガスに晒される測定電極と、該測定電極上に形成され
て、該測定電極を被覆、保護する多孔質コーティング層
とから少なくとも構成されてなる酸素センサ素子におい
て、該測定電極を触媒金属とセラミックスからなるサー
メットにて構成すると共に、前記多孔質コーティング層
に、白金族金属の一つ若しくは複数を10〜1500p
pmの割合で導入せしめたことを、その要旨とするもの
である。(Solution Means) In order to achieve the above objects, the present invention has the following features:
An oxygen ion conductive solid electrolyte, a reference electrode provided in contact with the solid electrolyte and exposed to a reference gas having a predetermined reference oxygen concentration, and a reference electrode provided in contact with the solid electrolyte and exposed to a gas to be measured. In an oxygen sensor element comprising at least a measuring electrode and a porous coating layer formed on the measuring electrode to cover and protect the measuring electrode, the measuring electrode is made of a cermet made of a catalytic metal and ceramics. 10 to 1500 p of one or more platinum group metals in the porous coating layer.
The gist of this is that it was introduced at a rate of pm.
(作用・効果)
このように、本発明は、所定の酸素イオン伝導性の固体
電解質の表面に設けられる測定電極において、それを、
白金等の触媒金属とジルコニア等のセラミックスからな
るサーメットにて構成すると共に、かかる測定電極を覆
う多孔質コーティング層中に、白金族金属の一つ若しく
は複数を適量導入せしめることにより、応答性を損なう
ことなく、低温ガス中で正確に理論空燃比点を感知する
ことが出来ることを見い出したことに基づいて、完成さ
れたものである。(Function/Effect) As described above, the present invention provides a measurement electrode provided on the surface of a predetermined oxygen ion conductive solid electrolyte.
It is composed of a cermet made of a catalytic metal such as platinum and a ceramic such as zirconia, and the responsiveness is impaired by introducing an appropriate amount of one or more platinum group metals into the porous coating layer covering the measurement electrode. It was completed based on the discovery that the stoichiometric air-fuel ratio point can be accurately detected in low-temperature gas without any
なお、ここで、多孔質コーティング層に導入せしめられ
る白金族金属の適量とは、その合計量において、多孔質
コーティング層の重量に対して10〜1500ppm、
望ましくは11000pp未満、更に望ましくは10〜
500ppmの範囲である。そして、この導入量の割合
が10ppmよりも少ない場合には、酸素センサ素子の
起電力特性が著しく不安定となり、2ppm程度では、
多量に酸素センサ素子を作製した時の個々の酸素センサ
素子の性能のバラツキが大きくなる。即ち、10Ppm
以上導入せしめた状態において、初めて、品質が安定す
るようになるのである。また、白金族金属の合計の導入
量が1500ppmを越えるようになると、起電力特性
が安定する反面、応答性が著しく低下し、空燃比制御上
好ましくない問題を惹起する。なお、通常の酸素センサ
素子並の応答性を有し、且つ低温において安定した起電
力特性を得るためには、11000pp未満、望ましく
は500 p pm以下としておくことが好ましいので
ある。Here, the appropriate amount of platinum group metal introduced into the porous coating layer is 10 to 1500 ppm based on the weight of the porous coating layer in the total amount,
Desirably less than 11,000 pp, more preferably 10 to
It is in the range of 500 ppm. If the ratio of this introduced amount is less than 10 ppm, the electromotive force characteristics of the oxygen sensor element will become extremely unstable, and at about 2 ppm,
When oxygen sensor elements are manufactured in large quantities, the performance of each oxygen sensor element varies greatly. That is, 10 Ppm
Only in the above-mentioned state will the quality become stable. Furthermore, when the total amount of platinum group metals introduced exceeds 1500 ppm, although the electromotive force characteristics are stabilized, the responsiveness is significantly reduced, causing undesirable problems in terms of air-fuel ratio control. Note that in order to have responsiveness comparable to that of a normal oxygen sensor element and to obtain stable electromotive force characteristics at low temperatures, it is preferable to keep it less than 11,000 ppm, preferably less than 500 ppm.
要するに、本発明は、サーメット型の測定電極を用いる
と共に、それを覆う多孔質コーティング層に、特定の僅
少量の白金族金属を導入せしめることにより、応答性を
低下せしめることなく、酸素センサ素子の低温作動性を
著しく向上せしめ得たものであって、白金族金属の使用
量を低減した状態下において、被測定ガスのガス塩が低
い場合にあっても、有効な起電力特性曲線を安定して得
ることが出来る等の特徴を発揮するものであるが、その
ような特徴は、またセンサ素子の少なくとも測定電極配
設部位を加熱するヒータ手段を備えた酸素センサ構造と
することにより、電極の性能向上と併わせで、更に広範
囲の温度での正確な起電力特性曲線を得ることが可能と
なり、本発明の効果を更に増大せしめることが出来る。In short, the present invention uses a cermet-type measurement electrode and introduces a small amount of a specific platinum group metal into the porous coating layer covering the electrode, thereby improving the oxygen sensor element without reducing the response. It has been able to significantly improve low-temperature operability, and even when the amount of platinum group metal used is reduced, the effective electromotive force characteristic curve can be stabilized even when the gas salt content of the gas to be measured is low. However, these characteristics can also be obtained by using an oxygen sensor structure that is equipped with a heater means that heats at least the measurement electrode disposed portion of the sensor element. In addition to improved performance, it becomes possible to obtain accurate electromotive force characteristic curves over a wider range of temperatures, thereby further increasing the effects of the present invention.
(具体的構成)
ところで、第1図には、かかる本発明に従う酸素センサ
素子の代表的な構造の一例が示されている。(Specific Structure) By the way, FIG. 1 shows an example of a typical structure of the oxygen sensor element according to the present invention.
すなわち、この第1図に示される酸素センサ素子は、公
知の積層手法によって形成された板状形態のものであっ
て、ジルコニア等の酸素イオン伝導性の固体電解質から
なる、所定長さの細幅、板状の素子本体10内に、先端
部が行き止まり端となった空気通路12が設けられてい
る。なお、この空気通路12は、素子本体lOの基端部
において開口し、大気に連通せしめられるようになって
いる。そして、この空気通路12内に露呈する素子本体
10の内表面上に、基準電極14が設けられており、こ
の基準電極14に対して、空気通路12を通じて導き入
れられる空気が、所定の基準酸素濃度の基準ガスとして
接触せしめられるようになっている。また、この基準電
極14に対向するように、素子本体10の外表面には、
サーメット電極にて構成される測定電極16が設けられ
ている。そして、この測定電極16上に、それを覆うよ
うにして、アルミナ等からなる多孔質保5lN(多孔質
コーティング層)18が所定厚さにおいて設けられてお
り、この多孔質保護層18を通じて外部の被測定ガスが
測定電極16に導かれ、接触せしめられ得るようになっ
ている。That is, the oxygen sensor element shown in FIG. 1 is in the form of a plate formed by a known lamination method, and is made of an oxygen ion conductive solid electrolyte such as zirconia and has a narrow width of a predetermined length. An air passage 12 whose tip end is a dead end is provided in the plate-shaped element body 10. Note that this air passage 12 opens at the base end of the element body 1O and is communicated with the atmosphere. A reference electrode 14 is provided on the inner surface of the element body 10 exposed in the air passage 12, and the air introduced through the air passage 12 has a predetermined reference oxygen level with respect to the reference electrode 14. It is designed to be brought into contact as a reference gas for concentration. Further, on the outer surface of the element main body 10 so as to face the reference electrode 14,
A measurement electrode 16 made of a cermet electrode is provided. A porous coating layer 18 made of alumina or the like is provided on the measurement electrode 16 to cover it and has a predetermined thickness. A measuring gas can be guided and brought into contact with the measuring electrode 16.
なお、素子本体lOには、アルミナ等からなる電気絶縁
層20内に埋設されてなるヒータエレメント22が一体
的に設けられており、そのヒータエレメント22への外
部からの通電によって、かかるヒータエレメント22を
発熱せしめることにより、かかる酸素センサ素子の電極
14.16埋設部位が所定の温度に加熱せしめられるよ
うになっている。Note that a heater element 22 embedded in an electrically insulating layer 20 made of alumina or the like is integrally provided in the element body 1O, and when the heater element 22 is energized from the outside, the heater element 22 is By generating heat, the portion where the electrodes 14 and 16 of the oxygen sensor element are buried is heated to a predetermined temperature.
従って、このような構造の酸素センサ素子にあっては、
よく知られているように、測定電極16に接触せしめら
れる雰囲気(被測定ガス)中の酸素濃度と基準電極14
に接触せしめられる雰囲気(基準ガス)中の酸素濃度と
の差に基づいて惹起される起電力に従って、目的とする
被測定ガス中の酸素濃度が検出されることとなるのであ
るが、その際、前記したように、本発明においては、測
定電極16としてサーメットを用い、また多孔質保護層
18中には、特定の僅少量の白金族金属が導入せしめら
れていることによって、応答性よく、正確な起電力特性
曲線を得ることが可能となったのである。Therefore, in an oxygen sensor element having such a structure,
As is well known, the oxygen concentration in the atmosphere (measured gas) brought into contact with the measurement electrode 16 and the reference electrode 14
The oxygen concentration in the target gas to be measured is detected according to the electromotive force generated based on the difference in oxygen concentration in the atmosphere (reference gas) that is brought into contact with the gas. As described above, in the present invention, cermet is used as the measurement electrode 16, and a specific small amount of a platinum group metal is introduced into the porous protective layer 18, so that the measurement can be performed with good responsiveness and accuracy. This made it possible to obtain an electromotive force characteristic curve.
ここにおいて、かかる酸素センサ素子を構成する酸素イ
オン伝導性の固体電解質としては、公知の各種のものを
挙げることが出来るが、本発明では、特にジルコニアに
所定の安定化剤、例えばイツトリア(Y、O,)、カル
シア(Cab)、マグネシア(MgO)、イッテルビア
(YbzOs)等を配合せしめてなる、安定化若しくは
部分安定化ジルコニア材料が好適に用いられることとな
る。Here, as the oxygen ion conductive solid electrolyte constituting the oxygen sensor element, various known ones can be mentioned, but in the present invention, in particular, zirconia is added with a predetermined stabilizer, such as A stabilized or partially stabilized zirconia material containing O, ), calcia (Cab), magnesia (MgO), ytterbia (YbzOs), etc. is preferably used.
なお、このような固体電解質材料には、また公知の如く
、所定の焼結助剤、例えばカオリン等の粘土や、S i
Ch 、 Algos * F ezcl+等が適
宜に配合せしめられることとなる。As is well known, such solid electrolyte materials also contain certain sintering aids, such as clay such as kaolin, Si
Ch, Algos*Fezcl+, etc. will be blended as appropriate.
そして、これら固体電解質材料の中から選択された材料
を用いて、所定形状の酸素センサ素子の゛素子本体を与
える成形体が形成されるが、その成形には、従来から採
用されているラバープレス法の如き加圧成形法や厚膜法
の如き積層法等の公知の手法が採用され、それによって
酸素センサ素子の主体となる有底円筒状や板状等の形状
の素子本体(基体)を与える成形体が形成される。Then, a molded body that provides the element body of the oxygen sensor element in a predetermined shape is formed using a material selected from these solid electrolyte materials. Well-known methods such as pressure molding methods such as the method and lamination methods such as the thick film method are adopted, and thereby the element body (substrate) in the shape of a cylinder with a bottom or a plate shape, which is the main body of the oxygen sensor element, is formed. A molded body is formed.
次いで、このような成形体には、必要に応じて、その焼
成温度よりも低い温度での仮焼操作が施された後、公知
の通常の焼成操作に従って焼成せしめられることとなる
が、その焼成に先立って或いはその焼成の後に、かかる
成形体表面に、従来と同様にして、被測定ガスに晒され
る測定電極と所定の基準酸素濃度の基準ガスに晒される
基準電極とが少なくとも形成されるのである。Next, such a molded body is subjected to a calcination operation at a temperature lower than the sintering temperature, if necessary, and then sintered according to a known normal sintering operation. Prior to or after the firing, at least a measurement electrode exposed to the gas to be measured and a reference electrode exposed to the reference gas having a predetermined reference oxygen concentration are formed on the surface of the molded body in the same manner as in the past. be.
なお、それら電極は、触媒金属として公知の白金族金属
、例えば白金、ルテニウム、オスミウム。Note that these electrodes are made of platinum group metals known as catalytic metals, such as platinum, ruthenium, and osmium.
イリジウム、ロジウム、パラジウム等からなるか、若し
くはこのような白金族金属を主体とする導電性材料から
なる薄膜状の電極として形成されることとなるが、一般
に、触媒金属としては白金が使用され、また白金にロジ
ウムやパラジウム等の他の白金族金属が1〜30%程度
添加されたものが用いられる。It is formed as a thin film electrode made of a conductive material mainly made of iridium, rhodium, palladium, etc., or platinum group metals, but platinum is generally used as the catalyst metal. Also, platinum to which approximately 1 to 30% of other platinum group metals such as rhodium and palladium are added is used.
また、かかる電極の中でも、基準電極の形成には、従来
から知られているメツキ法、スパッタリング法、電極金
属(触媒金属)の塩の熱分解による方法、電極金属とセ
ラミックスとのサーメットペーストを成形体表面に焼き
付けるペースト焼付法、更にはそのようなサーメットペ
ーストを素子本体に印刷若しくは塗布した後、該素子本
体と共に焼成するサーメットペーストの同時焼成法等の
種々の方法の中より、適宜に選択採用されるものである
が、測定電極は、本発明に従って、サーメット電極とし
て構成する必要があるために、上記の電極形成法の中で
も、ペースト焼付法或いはサーメットペーストの同時焼
成法の何れかが採用されることとなる。Among these electrodes, the reference electrode can be formed using the conventionally known plating method, sputtering method, thermal decomposition of a salt of the electrode metal (catalyst metal), or forming a cermet paste of the electrode metal and ceramics. Select and adopt as appropriate from various methods such as a paste baking method in which the cermet paste is baked onto the body surface, and a simultaneous cermet paste baking method in which the cermet paste is printed or applied on the element body and then fired together with the element body. However, since the measuring electrode needs to be constructed as a cermet electrode according to the present invention, among the above electrode forming methods, either the paste baking method or the cermet paste co-firing method is adopted. The Rukoto.
さらに、これら電極の形成に際して、メツキやスパッタ
リング等の前処理として、成形体(固体電解質)表面を
エツチングすれば、そこに形成される電極の付着力の向
上や性能向上において有利であり、また測定電極等のサ
ーメット電極を与えるサーメットペーストとしては、前
記した白金系等の触媒金属粉末(白金粉末若しくはそれ
と他の金属との混合粉末等)と前記酸素イオン伝導性固
体電解質材料の粉末を混合したものが有利に使用される
が、またそのような固体電解質粉末に代えて、アルミナ
、カルシア等の他のセラミックス粉末を用いることも可
能である。そして、そのようなサーメットペーストは、
成形体表面の所定位置に印刷或いは刷毛塗りした後、成
形体と共に若しくは更に積層されて一体焼成されること
により、基材に対する電極の付着力を最高のものとする
ことが出来る。Furthermore, when forming these electrodes, etching the surface of the molded body (solid electrolyte) as a pretreatment such as plating or sputtering is advantageous in improving the adhesion and performance of the electrodes formed there. A cermet paste that provides a cermet electrode such as an electrode is a mixture of the above-mentioned platinum-based catalyst metal powder (platinum powder or a mixed powder of it with other metals, etc.) and the above-mentioned oxygen ion conductive solid electrolyte material powder. is advantageously used, but it is also possible to use other ceramic powders such as alumina and calcia in place of such solid electrolyte powders. And such cermet paste is
After printing or brushing on a predetermined position on the surface of the molded body, the adhesion force of the electrode to the base material can be maximized by integrally firing the electrode together with the molded body or by laminating it together with the molded body.
そして、上記のようにして所定の素子本体に所定の電極
が付与された後、被測定ガスに晒される測定電極上には
、その耐久性等の向上を図るために、所定厚さで多孔質
のセラミックスコーティング層が形成される。このセラ
ミックスコーティング層も、種々なる公知の手法に従っ
て形成することが可能であり、例えばスピネル(Al1
.03Mg0)、 ジルコニア、アルミナ等のセラミッ
クス材料を用い、それらをプラズマ溶射法やフレーム溶
射法によって溶射して、所定厚さのコーティング層を形
成したり、セラミックス粉末スラリーとして、それの電
極上への印刷或いはそのようなスラリーへのディッピン
グの後に焼き付けたり、またはサーメット上に適用して
一体焼成すること等によって形成されるものである。な
お、耐久性の面から、一体焼成にて形成される多孔質コ
ーティング層としては、前述の如き固体電解質粉砕粉末
を用い、これとを機バインダとを混合して、シート状に
成形したものを用いて形成されることが望ましい。After a predetermined electrode is attached to a predetermined element body as described above, a porous film with a predetermined thickness is placed on the measurement electrode that will be exposed to the gas to be measured. A ceramic coating layer is formed. This ceramic coating layer can also be formed according to various known methods, such as spinel (Al1
.. 03Mg0), zirconia, alumina, etc., by spraying them by plasma spraying or flame spraying to form a coating layer of a predetermined thickness, or printing it on the electrode as a ceramic powder slurry. Alternatively, it is formed by dipping into such a slurry and then baking it, or by applying it on a cermet and firing it together. In addition, from the viewpoint of durability, the porous coating layer formed by integral firing uses the solid electrolyte pulverized powder as described above, mixes it with a machine binder, and forms it into a sheet. It is preferable that it be formed using
また、かかる多孔質コーティング層の構成は、単層のみ
ならず、二つ以上の多層構造であっても同等差支えな(
、更にはその気孔率(コーティング層の体積中に占める
気孔の容積割合)は適宜に選定されることとなるが、一
般には10〜60%程度とされることとなる。けだし、
この気孔率が60%よりも太き(なると、多孔質コーテ
ィング層のガス透過性がよく、応答性が向上する反面、
被毒等の耐久性が低下するようになるからであり、また
気孔率が10%よりも小さな場合には、被毒等に対する
耐久性は良好となる一方、応答性が著しく低下するよう
になるからである。In addition, the structure of such a porous coating layer is not limited to a single layer, but may also be a multilayer structure of two or more layers (
Furthermore, the porosity (volume ratio of pores in the volume of the coating layer) is appropriately selected, but is generally about 10 to 60%. Barefoot,
If this porosity is thicker than 60%, the gas permeability of the porous coating layer will be good and the responsiveness will improve, but on the other hand,
This is because the durability against poisoning, etc. decreases, and if the porosity is less than 10%, while the durability against poisoning, etc. is good, the responsiveness significantly decreases. It is from.
そして、本発明にあっては、かかる形成された多孔質コ
ーティング層内に所定量の白金族金属を更に含有せしめ
るものであるが、そのための手法としては、浸漬法、ス
ラリー法、蒸着法等の各種の方法がある。In the present invention, a predetermined amount of platinum group metal is further contained in the formed porous coating layer, and methods for this purpose include a dipping method, a slurry method, a vapor deposition method, etc. There are various methods.
より具体的には、浸漬法においては、減圧可能な容器内
にて、HzP t C1h 、RhC1x等の白金族金
属化合物、若しくはそれらの混合物の水溶液に、多孔質
コーティング層により被覆されたセンサ素子の測定電極
部分を浸漬して、減圧せしめ、かかるコーティング層の
細孔内に溶液を導入させた後、乾燥せしめ、更にその後
、比較的低温度、例えば200〜500°Cの温度で還
元処理を行ない、白金族金属化合物を金属化させること
によって多孔質コーティング層内に白金族金属を分散さ
せる方法において、実施される。なお、還元方法として
は、H、、CO等の還元ガス雰囲気中での熱処理、或い
はN a B Ha等のアルカリ水溶液に浸漬する手法
がある。この浸漬法が、白金族金属を微細且つ均一に多
孔質コーティング層内に分散させる上において、最も効
果的である。More specifically, in the immersion method, a sensor element coated with a porous coating layer is immersed in an aqueous solution of a platinum group metal compound such as HzP t C1h or RhC1x, or a mixture thereof in a container capable of reducing pressure. The measuring electrode portion is immersed and the pressure is reduced to introduce the solution into the pores of the coating layer, followed by drying, followed by reduction treatment at a relatively low temperature, for example, 200 to 500°C. , in a method of dispersing a platinum group metal within a porous coating layer by metallizing a platinum group metal compound. Note that the reduction method includes heat treatment in a reducing gas atmosphere such as H, CO, etc., or immersion in an alkaline aqueous solution such as NaBHa. This dipping method is most effective in finely and uniformly dispersing the platinum group metal within the porous coating layer.
また、スラリー法においては、白金族金属の適当な化合
物をT−A/!□03等と混合し、スラリー状にしたも
のを、センサ素子の測定電極表面若しくは測定電極を被
覆する多孔質コーティング層上に塗布し、還元雰囲気中
で加熱、焼き付けることによって、実施されることとな
る。In addition, in the slurry method, a suitable compound of a platinum group metal is added to T-A/! □It is carried out by mixing the slurry with 03, etc., and applying it to the surface of the measurement electrode of the sensor element or the porous coating layer covering the measurement electrode, and heating and baking it in a reducing atmosphere. Become.
さらに、蒸着法は、センサ素子の測定電極上にそれを被
覆するように設けられた多孔質コーティング層表面に、
白金族金属をイオンスパッタ手法により蒸着することに
よって実施されるものである。Furthermore, the vapor deposition method coats the surface of the porous coating layer provided on the measurement electrode of the sensor element.
This is carried out by depositing a platinum group metal by ion sputtering.
なお、この多孔質コーティング層内に導入される白金族
金属とは、白金、ルテニウム、オスミウム、イリジウム
、ロジウム、パラジウム等であって、それらの1種若し
くは2種以上が、前述の如く10〜1500ppmの極
めて僅かな割合において導入されるものであるが、特に
本発明にあっては、白金と他の白金族金属との組合せ、
中でも白金とロジウムの組合せにおいて、有利に用いら
れることとなる。また、この白金とロジウムの組合せに
おいては、Pt/Rhの比(重量)が10015〜10
15の範囲内の割合において好適に用いられることとな
る。Note that the platinum group metals introduced into this porous coating layer include platinum, ruthenium, osmium, iridium, rhodium, palladium, etc., and one or more of these metals are contained in an amount of 10 to 1500 ppm as described above. In particular, in the present invention, combinations of platinum and other platinum group metals,
Among these, a combination of platinum and rhodium is advantageously used. In addition, in this combination of platinum and rhodium, the Pt/Rh ratio (weight) is 10015 to 10.
It is preferably used at a ratio within the range of 15.
また、このように、多孔質コーティング層内に導入され
る白金族金属は、少なくともそのようなコーティング層
のガスに接触する面に存在する必要があるが、コーティ
ング層全体に均一に分散、含有せしめられていることが
望ましいが、また触媒層として、かかるコーティング層
のガスに接触せしめられる表面上に所定厚さに形成され
て、かかるコーティング層の表面に偏在した形において
存在していても、同等差支えない。更に、この多孔質コ
ーティング層には、白金族金属の他に、Cent等の希
土類元素の酸化物を該白金族金属の重量に対して5〜5
0%程度添加して導入することも可能である。In addition, the platinum group metal introduced into the porous coating layer must be present at least on the surface of the coating layer that comes into contact with the gas, but it must be uniformly dispersed and contained throughout the coating layer. However, it is preferable that the catalyst layer be formed on the surface of such a coating layer that is brought into contact with gas to a predetermined thickness and present unevenly on the surface of such a coating layer. No problem. Furthermore, in addition to the platinum group metal, this porous coating layer contains an oxide of a rare earth element such as Cent in an amount of 5 to 5 oxides based on the weight of the platinum group metal.
It is also possible to add and introduce about 0%.
ところで、このようにして導入された多孔質コーティン
グ層中の白金族金属量の決定には、各種の公知の手法が
採用され、例えば、水溶液含浸法の場合には、多孔質コ
ーティング層の気孔率、含浸溶液中の白金族金属濃度及
び多孔質コーティング層の密度等から、次式に従って決
定されることとなる。By the way, various known methods are adopted to determine the amount of platinum group metal in the porous coating layer introduced in this way. For example, in the case of an aqueous solution impregnation method, the porosity of the porous coating layer , is determined according to the following formula from the platinum group metal concentration in the impregnating solution, the density of the porous coating layer, etc.
pxv、=v。pxv,=v.
v、xc、=w。v, xc, = w.
(1−P)×vp xDp =WP
W、/Wp =10〜1500ppm
但し、P;多孔質コーティング層の気孔率v、;多孔質
コーティング層の体積
v、:多孔質コーティング層内の白金族金属溶液の体積
C1:溶液中の白金族金属の濃度
W、:多孔質コーティング層に適用された白金族金属の
重量
り、:多孔質コーティング層の密度
W、:多孔質コーティング層の重量
また、スラリー塗布法の場合には、スラリーに加える粒
状セラミックスの重量と白金族金属の重量から決定され
、更にその他、公知の各種の化学分析法或い−は機器分
析法にて白金族金属の導入量が適宜に求められることと
なる。なお、多孔質コーティング層内の白金族金属と測
定電極を構成する触媒金属とが同一である場合には、多
孔質コーティング層のみを削り取って、分析する等の手
法が採用される。(1-P) x vp x Dp = WP W, /Wp = 10 to 1500 ppm, where P: porosity v of the porous coating layer; volume v of the porous coating layer: platinum group metal in the porous coating layer Volume of solution C1: Concentration of platinum group metal in solution W, : Weight of platinum group metal applied to porous coating layer, : Density of porous coating layer W, : Weight of porous coating layer Also, slurry In the case of the coating method, it is determined from the weight of the granular ceramics added to the slurry and the weight of the platinum group metal, and the amount of platinum group metal introduced is determined by various known chemical analysis methods or instrumental analysis methods. This will be requested as appropriate. Note that if the platinum group metal in the porous coating layer and the catalyst metal constituting the measurement electrode are the same, a method such as scraping off only the porous coating layer and analyzing it is adopted.
かくして得られた、測定電極がサーメット電極とされ、
更にその上に形成される多孔質コーティング層内に、所
定の僅少量の白金族金属が導入されてなる酸素センサ素
子は、そのような僅少量の白金族金属の作用下において
、測定電極としてのサーメット電極が被測定ガスに接す
ることによって、応答性を著しく低下させることなく、
低温度下においても正確な起電力特性曲線を得ることが
可能となるものであって、以て有効な特性を有する酸素
センサ素子として、目的とする酸素センサに有利に適用
され得ることとなったのである。The measurement electrode thus obtained is a cermet electrode,
Further, an oxygen sensor element in which a predetermined small amount of a platinum group metal is introduced into a porous coating layer formed thereon is capable of functioning as a measuring electrode under the action of such a small amount of platinum group metal. The cermet electrode comes into contact with the gas to be measured, without significantly reducing the response.
It is possible to obtain an accurate electromotive force characteristic curve even at low temperatures, and as an oxygen sensor element with effective characteristics, it can be advantageously applied to the target oxygen sensor. It is.
(実施例)
以下、・本発明を更に具体的に明らかにするために、本
発明に従う代表的な実施例を示すが、本発明が、そのよ
うな実施例の記載によって、回答制限的に解釈されるも
のでないことは、言うまでもないところである。(Example) In order to clarify the present invention more specifically, typical examples according to the present invention will be shown below. It goes without saying that this is not something that can be done.
また、本発明は、上述した本発明の詳細な説明並びに以
下の実施例の他にも、各種の態様において実施され得る
ものであり、本発明の趣旨を逸脱しない限りにおいて、
当業者の知識に基づいて種々なる態様において実施され
るものは、何れも本発明の範晴に属するものであること
が、理解されるべきである。Furthermore, the present invention can be implemented in various embodiments in addition to the detailed description of the present invention described above and the following examples, and as long as they do not depart from the spirit of the present invention,
It should be understood that various embodiments based on the knowledge of those skilled in the art fall within the scope of the present invention.
先ず、96モル%のジルコニアと4モル%のイツトリア
とを混合し、更に焼結助剤として粘土:2重量%を加え
てなる固体電解質材料を用いて、第1図に示される如き
素子形状のヒータ内蔵型酸素センサ素子を、公知の積層
法に従って、作製した。なお、多孔質保護層(18)は
、焼失物質を混合してなる多孔質ジルコニア材料のシー
トを、前記固体電解質材料にて形成される素子本体(1
0)上に積層して、かかる素子本体(10)と同時焼成
することによって形成され、また、基準電極(14)及
び測定電極(16)にあっても、Pt:85重量%と上
記の固体電解質材料:15重量%の割合のサーメットペ
ーストを用い、それを素子先端部の1〜8.5 mmの
範囲で部分塗布して、素子本体(10)と同時に焼成す
ることによって形成した。First, using a solid electrolyte material made by mixing 96 mol% zirconia and 4 mol% ittria and further adding 2% by weight of clay as a sintering aid, an element shape as shown in Fig. 1 was prepared. An oxygen sensor element with a built-in heater was manufactured according to a known lamination method. Note that the porous protective layer (18) is a sheet of porous zirconia material mixed with a burnt-out material, and a sheet of porous zirconia material mixed with a burnt-out material, and a sheet of porous zirconia material mixed with the element body (18) formed of the solid electrolyte material.
The reference electrode (14) and the measurement electrode (16) also contain Pt: 85% by weight and the above-mentioned solid. Electrolyte material: Using a cermet paste having a proportion of 15% by weight, it was partially applied to the tip of the element within a range of 1 to 8.5 mm, and was formed by firing at the same time as the element body (10).
次いで、このようにして得られた酸素センサ素子の先端
から約12mmの長さ部分を、各種濃度の(Hz P
t Cf b + Rh Cl s )水溶液に浸し、
減圧下において10分間含浸を行ない、その後、80°
Cで30分間乾燥せしめた後、H2雰囲気中ニオイて4
00°C×1時間の熱処理を施すことにより、白金族金
属の含浸量の異なる酸素センサ素子を得た。なお、(8
2P t CIlb +Rh CI!、+ )水溶液中
のPt及びRhの濃度と多孔質保護層(18)中に導入
される白金族金属の含浸量とは、下記第1表の通りであ
る。また、何れの場合においても、PLとRhの含浸割
合(PL/Rh)は、10/1であった。Next, a length of about 12 mm from the tip of the oxygen sensor element obtained in this way was exposed to various concentrations of (Hz P
t Cf b + Rh Cl s ) immersed in an aqueous solution,
Impregnation is carried out under reduced pressure for 10 minutes, then at 80°
After drying at C for 30 minutes, odor was removed in H2 atmosphere.
By performing heat treatment at 00°C for 1 hour, oxygen sensor elements with different amounts of platinum group metal impregnated were obtained. In addition, (8
2P t CIlb +Rh CI! , +) The concentrations of Pt and Rh in the aqueous solution and the amount of platinum group metal impregnated into the porous protective layer (18) are as shown in Table 1 below. Further, in both cases, the impregnation ratio of PL and Rh (PL/Rh) was 10/1.
第
表
そして、この白金及びロジウムが導入された各種のセン
サ素子を、通常の酸素センサの如く金属ケース中に組み
付けて、それぞれの性能を評価した。この性能評価は、
モデルガスを用い、素子温度が400°Cにおけるそれ
ぞれのセンサ素子の起電力特性曲線を求めたものであり
、その結果が、第2図に示されている。この第2図から
明らかなように、起電力特性は、白金族金属の含浸量が
多くなると、特に360ppmより多くなると、略同様
の曲線(立上り)を示し、未処理のセンサ素子よりも理
論空燃比点を正確に感知していることが認められる。Table 1 Various sensor elements into which platinum and rhodium were introduced were assembled into a metal case like a normal oxygen sensor, and their respective performances were evaluated. This performance evaluation is
Using a model gas, the electromotive force characteristic curves of each sensor element at an element temperature of 400°C were determined, and the results are shown in FIG. As is clear from FIG. 2, when the amount of platinum group metal impregnated increases, especially when the amount exceeds 360 ppm, the electromotive force characteristics show approximately the same curve (rise) and are better than the theoretical value of the untreated sensor element. It is confirmed that the fuel ratio point is accurately sensed.
また、それぞれのセンサ素子の応答性、即ち還元性ガス
(リッチ)から酸化性ガス(リーン)に被測定ガスを切
り換えた時に、センサ素子の起電力が0.6■から0.
3vに変化するまでに要する応答時間として評価し、そ
の結果を、下記第2表に示す。この第2表から明らかな
ように、応答時間:TRLは、白金族金属の導入量が3
000ppmにおいて著しく長くなっており、このこと
から、白金族金属の導入量が多くなると応答性が悪くな
ることが理解されるのである。なお、かかる第2表にお
ける「は、センサを実際にエンジンに取り付けた場合の
単位時間当たりの応答回数を示すものであって、数値が
大きい程速いことを示しているが、この応答回数に関し
ても、白金族金属の導入量が多い場合(3000ppm
の場合)には低下することが認められる。Also, the responsiveness of each sensor element, that is, when the gas to be measured is switched from a reducing gas (rich) to an oxidizing gas (lean), the electromotive force of the sensor element changes from 0.6 to 0.
The response time required to change to 3V was evaluated, and the results are shown in Table 2 below. As is clear from Table 2, the response time: TRL is
000 ppm, and from this it is understood that the response becomes worse as the amount of platinum group metal introduced increases. In Table 2, "" indicates the number of responses per unit time when the sensor is actually attached to the engine, and the larger the number, the faster the response. , when the amount of platinum group metal introduced is large (3000 ppm
), a decrease is observed.
第 2 表Table 2
第1図は、本発明に係る酸素センサ素子の代表的な構造
の一例を示す横断面説明図であり、第2図は、実施例で
得られた(Pt+Rh)導入量の異なる酸素センサ素子
における起電力特性曲線を示すグラフである。
10:素子本体 12:空気通路
14:基準電極 16:測定電極
18:多孔質保護層 20:電気絶縁層22:ヒータエ
レメント
第2@
第1WA
A : Ft/Rh −10/1 3000 ?pn
+* 二 pt/Rh−1’/1 ’/θρP
?”” Pt/R/+ g ”/1 360 ppn+
A : h/Rj、 −To/l 40PPm口
二 車処工!
0.98
1.00
λ
1.02
1.04
[−]
手続争甫正書(自発)
平成1年12月29日
1、事件の表示
昭和63年 特許層 第305067号2、発明の名称
酸素センサ素子
3、補正をする者
事件との関係 特許出願人
名 称 (406)日本碍子株式会社4、代理人
6、補正の内容
(1) 明細書筒8′11.第9行の「惹起する。」
の次に、改行することなく、下記の文章を挿入する。
記
「但し、応答性の劣化を問題としない場合は、この限り
ではない、」
(2) 同 第18頁第2行の「こととなる、」の次
に、改行することな(、下記の文章を挿入する。
記
「また・、セラミックス粉末と白金族金属粉末を有機バ
インダと所定量混合し、シート状に成形したものを用い
て形成しても良い、」(3) 同 第24頁最下行〜
第25頁第1行の「略同様の曲線(立上り)」を「含浸
13000ppmの場合の良好な起電力特性と略同様の
曲線(立上り)」に訂正する。
以上
(1)明細書の発明の詳細な説明の欄FIG. 1 is an explanatory cross-sectional view showing an example of a typical structure of an oxygen sensor element according to the present invention, and FIG. It is a graph showing an electromotive force characteristic curve. 10: Element body 12: Air passage 14: Reference electrode 16: Measurement electrode 18: Porous protective layer 20: Electrical insulation layer 22: Heater element 2 @ 1st WA A: Ft/Rh -10/1 3000? pn
+*2 pt/Rh-1'/1'/θρP
? ”” Pt/R/+ g ”/1 360 ppn+
A: h/Rj, -To/l 40PPm mouth 2 Car processing! 0.98 1.00 λ 1.02 1.04 [-] Procedural Dispute Paper (self-motivated) December 29, 1999 1. Indication of the case 1988 Patent layer No. 305067 2. Name of the invention Oxygen Sensor element 3, relationship with the person making the amendment Patent applicant name (406) Nippon Insulator Co., Ltd. 4, agent 6, content of amendment (1) Specification tube 8'11. Line 9: “Cause.”
After , insert the following text without starting a new line. ``However, this does not apply if the deterioration of responsiveness is not a problem.'' (2) Do not put a line break next to ``Tonaru,'' on the second line of page 18. Insert text. ``Also, it may be formed by mixing a predetermined amount of ceramic powder and platinum group metal powder with an organic binder and forming it into a sheet.'' (3) Same page 24 top descending~
"Substantially the same curve (rise)" in the first line of page 25 is corrected to "substantially the same curve (rise) as the good electromotive force characteristic when impregnated at 13,000 ppm." (1) Detailed description of the invention in the specification
Claims (1)
て設けられた、所定の基準酸素濃度の基準ガスに晒され
る基準電極と、該固体電解質に接して設けられた、被測
定ガスに晒される測定電極と、該測定電極上に形成され
て、該測定電極を被覆、保護する多孔質コーティング層
とから少なくとも構成されてなる酸素センサ素子におい
て、該測定電極を触媒金属とセラミックスからなるサー
メットにて構成すると共に、前記多孔質コーティング層
に、白金族金属の一つ若しくは複数を10〜1500p
pmの割合で導入せしめたことを特徴とする酸素センサ
素子。An oxygen ion conductive solid electrolyte, a reference electrode provided in contact with the solid electrolyte and exposed to a reference gas having a predetermined reference oxygen concentration, and a reference electrode provided in contact with the solid electrolyte and exposed to a gas to be measured. In an oxygen sensor element comprising at least a measuring electrode and a porous coating layer formed on the measuring electrode to cover and protect the measuring electrode, the measuring electrode is made of a cermet made of a catalytic metal and ceramics. 10 to 1500 p of one or more platinum group metals in the porous coating layer.
An oxygen sensor element characterized in that oxygen is introduced at a rate of pm.
Priority Applications (1)
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---|---|---|---|
JP63305067A JP2592510B2 (en) | 1988-12-01 | 1988-12-01 | Oxygen sensor element |
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Publications (2)
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---|---|
JPH02150758A true JPH02150758A (en) | 1990-06-11 |
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Family
ID=17940722
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Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
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Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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-
1988
- 1988-12-01 JP JP63305067A patent/JP2592510B2/en not_active Expired - Lifetime
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Also Published As
Publication number | Publication date |
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