(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
固体電解質と，該固体電解質に対して一体的に設けたアルミナ基板とよりなる積層型酸素センサ素子において，
上記固体電解質は，少なくともＣ相（キュービック相），Ｍ相（モノクリニック相）及びＴ相（テトラゴナル相）とが混在する部分安定化ジルコニアよりなり，
かつ，上記アルミナと上記部分安定化ジルコニアとの間の熱膨張率差は０％〜０．２％の範囲内にあり，
更に，上記部分安定化ジルコニアにおける，上記Ｃ相の図３に示すミラー指数により表現される結晶面のＸ線回折強度に対する，上記Ｍ相の図４に示すミラー指数により表現される結晶面のＸ線回折強度の回折強度比は，図５に示す関係を満たしており，
かつ，上記固体電解質を２００℃〜３００℃に加熱した場合の，上記回折強度比の変化は，−０．０５〜＋０．１０の範囲内にあることを特徴とする積層型酸素センサ素子。
【請求項２】
請求項１において，上記固体電解質は，少なくともＣ相（キュービック相）及びＭ相（モノクリニック相）とが混在する部分安定化ジルコニアよりなることを特徴とする積層型酸素センサ素子。
【請求項３】
請求項１または２において，上記アルミナ基板は，基準ガス路を有することを特徴とする積層型酸素センサ素子。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれか一項において，上記アルミナ基板には，発熱部を設けたことを特徴とする積層型酸素センサ素子。
【請求項５】
固体電解質と，該固体電解質に対して一体的に設けたアルミナ基板とよりなる積層型酸素センサ素子において，
上記固体電解質は，少なくともＣ相（キュービック相），Ｍ相（モノクリニック相）及びＴ相（テトラゴナル相）とが混在する部分安定化ジルコニアよりなり，
室温から１０００℃における、上記アルミナと上記部分安定化ジルコニアとの間の熱膨張率差は０％〜０．２％の範囲内にあり、
更に，上記部分安定化ジルコニアにおけるＣ相（キュービック相）の図３に示すミラー指数により表現される結晶面のＸ線回折強度に対する，上記部分安定化ジルコニアにおけるＭ相（モノクリニック相）の図４に示すミラー指数により表現される結晶面のＸ線回折強度の回折強度比は，図５に示す関係を満たしており，
かつ，上記固体電解質を２００℃に１０００時間加熱後の上記回折強度比の変化は、−０．０５〜＋０．１０の範囲内にあることを特徴とする積層型酸素センサ素子。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は，例えば自動車エンジンの空燃比制御に利用される積層型酸素センサ素子に関する。
【０００２】
【従来技術】
近年，空燃比センサ等として使用される酸素センサには，小型化や，取付位置の多様化（例えば，車両床下の排気管取付等）等から，素子の強度向上，昇温性能向上が求められている。
これに対応する手段として，板状の固体電解質に板状のアルミナ基板を積層させてなる積層型酸素センサ素子があり，固体電解質とアルミナ基板との間は，それぞれ未焼成体を積層した後，焼成することにより接合されている。
【０００３】
なお，上記固体電解質は一般にジルコニア系の材料より構成され，該材料としては，強度とイオン伝導性の観点から，部分安定化ジルコニアが一般に使用されている。
【０００４】
【解決しようとする課題】
しかしながら，上記積層型酸素センサ素子は，加熱雰囲気において使用される場合に，上記アルミナと上記部分安定化ジルコニアとの境目で，両者の熱膨張の差を原因とする熱応力が働き，部分安定化ジルコニアよりなる固体電解質にクラックが生じるおそれがある。また，上記熱応力により，積層型酸素センサ素子の素子割れが生じるおそれがある。
【０００５】
また，上記素子割れは，上記積層型酸素センサ素子の製造の際，部分安定化ジルコニアとアルミナとを積層した後，焼成する工程において発生するおそれもある。
【０００６】
更に，上記アルミナと上記部分安定化ジルコニアよりなる積層型酸素センサ素子を，例えば，自動車用空燃比センサにおける素子として用いた場合には，以下の問題が生じる。
即ち，上記空燃比センサの使用環境は，およそ室温から１０００℃という高温の間で繰り返される冷熱サイクルとみなすことができる。
【０００７】
ところで，上記部分安定化ジルコニアは，Ｍ相（モノクリニック相），Ｃ相（キュービック相），及び少量のＴ相（テトラゴナル相）等の複数の結晶構造の異なる相により構成されており，その一つであるＴ相は，等温的マルテンサイト変態によりＭ相へと変態することがある。
【０００８】
上記変態は，上記部分安定化ジルコニアの晒される温度雰囲気が２００℃付近である場合に最も早く進行する。更に，上記変態は，水滴，水蒸気等の水分の存在により加速され，かつＴ→Ｍ変態の体積変化を伴うことが知られている。
そこで，上記変態が固体電解質内で発生した場合には，該固体電解質の表面から内部へとクラックが進行し，強度劣化を引き起こすおそれがある。
【０００９】
従って，上述の冷熱サイクルでの昇降温に伴う，部分安定化ジルコニアとアルミナとの間に生じる熱応力が，上記積層型酸素センサ素子の素子割れを引き起こすおそれがある。
【００１０】
なお，上記空燃比センサにおける被測定ガスは排気ガスであるが，該排気ガスはしばしば水分を含んでいる。このため，上記等温的マルテンサイト変態は，上記空燃比センサの使用環境にて発生しやすい。
【００１１】
本発明は，かかる問題点に鑑み，冷熱サイクル雰囲気，水蒸気含有ガス雰囲気においても，固体電解質のクラック，素子割れが殆ど生じない，積層型酸素センサ素子を提供しようとするものである。
【００１２】
【課題の解決手段】
本発明は，固体電解質と，該固体電解質に対して一体的に設けたアルミナ基板とよりなる積層型酸素センサ素子において，
上記固体電解質は，少なくともＣ相（キュービック相），Ｍ相（モノクリニック相）及びＴ相（テトラゴナル相）とが混在する部分安定化ジルコニアよりなり，
かつ，上記アルミナと上記部分安定化ジルコニアとの間の熱膨張率差は０％〜０．２％の範囲内にあり，
更に，上記部分安定化ジルコニアにおける，上記Ｃ相の図３に示すミラー指数により表現される結晶面のＸ線回折強度に対する，上記Ｍ相の図４に示すミラー指数により表現される結晶面のＸ線回折強度の回折強度比は，図５に示す関係を満たしており，
かつ，上記固体電解質を２００℃〜３００℃に加熱した場合の，上記回折強度比の変化は，−０．０５〜＋０．１０の範囲内にあることを特徴とする積層型酸素センサ素子にある。
【００１３】
上記熱膨張率差は，アルミナの体積膨張率に対する，部分安定化ジルコニアの体積膨張率の差である。
上記熱膨張率差が０．２％より大きい場合には，加熱雰囲気において，両者の間に大きな熱応力が働き，この結果素子割れを生じるおそれがある。
【００１４】
次に，上記回折強度比の値が，０．０５未満である場合には，両者の熱膨張率差を０．２％以内とすることが制御困難となり，積層型酸素センサ素子製造時に固体電解質にクラックが生じるおそれがある。また，上記回折強度比の値が，０．４より大きい場合にも，同様に積層型酸素センサ素子製造の際の，両者の熱膨張率差が０．２％以上となり，クラックが生じるおそれがある。
【００１５】
更に，固体電解質の加熱による回折強度比の変化が−０．０５未満，または＋０．１０よりも大きい場合は，積層型酸素センサ素子製造時には，両者の熱膨張率差が０．２％以内となり，クラックが生じなかったものが，加熱により，固体電解質はＴ→Ｍ変態を起こし，この変態に伴うところの熱膨張率変化にて，上記熱膨張率差は０．２％以上となってしまう。このため，例えば，実使用時での冷熱サイクル（室温より８００℃まで）にて，熱応力によるクラックが生じるおそれがある。
【００１６】
なお，上記固体電解質としては，少なくともＣ相（キュービック相）及びＭ相（モノクリニック相）とが混在する部分安定化ジルコニアを用いることもできる。
【００１７】
次に，上記アルミナ基板は，基準ガス路を有することができる（後述の図６参照）。
また，本発明の積層型酸素センサ素子において，上記アルミナ基板の裏面には発熱部を設けることもできる（後述の図１参照）。
【００１８】
【作用及び効果】
本発明の積層型酸素センサ素子においては，部分安定化ジルコニアよりなる固体電解質と，アルミナ基板との間において，両者の熱膨張率差が上記特定の範囲内にある。
これにより，上記部分安定化ジルコニアとアルミナとの間に働く熱応力が緩和され，素子割れが生じにくくなる。
【００１９】
更に，本発明の積層型酸素センサ素子においては，部分安定化ジルコニアが前述した各種の性質を有する。
これにより冷熱サイクル等の温度変化の激しい環境，また水蒸気含有ガス雰囲気等の湿潤な環境において，固体電解質等のクラックが生じにくくなる（後述の実施例２参照）。
【００２０】
また，クラックによる固体電解質の強度劣化も生じにくくなるため，素子割れも生じにくくなる。
【００２１】
上記のごとく，本発明によれば，冷熱サイクル雰囲気，水蒸気含有ガス雰囲気においてクラック，破損が殆ど生じない，積層型酸素センサ素子を提供することができる。
【００２２】
【実施例】
実施例１
本発明の実施例にかかる積層型酸素センサ素子につき，図１〜図５を用いて説明する。
図１，図２に示すごとく，本例の積層型酸素センサ素子１は，固体電解質１１及び１３に対して，アルミナ基板１６が一体的に形成されるようになっている。上記固体電解質１１及び１３は，Ｃ相（キュービック相）とＭ相（モノクリニック相）及びＴ相（テトラゴナル相）とが混在する部分安定化ジルコニアよりなる。
【００２３】
また，上記アルミナと部分安定化ジルコニアとの間の熱膨張率差は０．１８％である。
更に，上記部分安定化ジルコニアにおける，「上記Ｃ相の，図３に示すミラー指数により表現される結晶面のＸ線回折強度（ＸＣ）」，「上記Ｍ相の，図４に示すミラー指数により表現される結晶面のＸ線回折強度（ＸＭ）」の回折強度比（ＸＭ／ＸＣ）は０．０５で，図５に示す関係を満たしており，かつ，上記固体電解質を２００℃に加熱した場合において，上記回折強度比は変化しない。
【００２４】
以下に本例の積層型酸素センサ素子１の構造について詳しく説明する。
上記固体電解質１１は，その表面側に被測定ガス側電極１２を，その裏面側に基準ガス側電極１５を有している。なお，上記被測定ガス側電極１２には，積層型酸素センサ素子１における出力を取出すためのリード部１９１が延設されている。同様に，上記基準ガス側電極１５においてもリード部１９及び１８１が延設されている。
【００２５】
上記固体電解質１１の裏面側には，基準ガス路１７となる，切欠きを有するコの字状の固体電解質１３が配置され，該固体電解質１３の更に裏側面に，アルミナ基板１６が配置されている。
【００２６】
以下に，本例の積層型酸素センサ素子１の製造方法について説明する。
まず，ジルコニア（ＺｒＯ2 ）とイットリア（Ｙ2 Ｏ3 ）とを所定の粒度に調整する。
次に，ジルコニアを９３．０モル％，イットリアを７．０モル％用い，ポットミルにて，所定時間粉砕混合する。
次に，得られた粉砕混合物に，有機溶媒としてエタノールとトルエンとの混合溶液，バインダーとしてポリビニルブチラール，可塑剤としてディブチルフタレートを加え，スラリーとなす。
【００２７】
次に，上記スラリーに対しドクターブレード法によるシート成形を行い，厚さ０．２ｍｍの未焼成ジルコニアシートを得る。
なお，上記未焼成ジルコニアシートは，製造する積層型酸素センサ素子１つに対し，２枚準備し，１枚はコの字状に加工する（図１参照）。
【００２８】
次いで，所定の粒度に調整したアルミナを用い，射出成形法により上記ジルコニアシートと同様の板状に成形し，未焼成アルミナ体となす。
以上の工程により得られた各未焼成のシート等を図１に示すごとく，積層し，積層体となす。
次いで，上記積層体を１３００℃〜１６００℃で焼成し，積層型酸素センサ素子１を得る。
【００２９】
次に，本例の作用効果につき説明する。
本例の積層型酸素センサ素子１においては，固体電解質１１，１３を構成する部分安定化ジルコニアと，アルミナ基板１６との間において，両者の熱膨張率差は特定の範囲内にある。
【００３０】
これにより，上記部分安定化ジルコニアとアルミナとの間に働く熱応力が緩和され，素子割れが生じにくくなる。
【００３１】
更に，本発明の積層型酸素センサ素子においては，部分安定化ジルコニアが前述した各種の性質を有する。
これにより冷熱サイクル等の温度変化の激しい環境，また水蒸気含有ガス雰囲気等の環境において，固体電解質等のクラック及び素子割れが生じにくくなる（後述の実施例４参照）。
【００３２】
実施例２
本例は，図６，図７に示すごとく，アルミナ基板が基準ガス路を有する積層型酸素センサ素子である。
上記基準ガス路１７は，アルミナ基板１６１に設けられた切欠き状の溝である。その他は実施例１と同様である。
【００３３】
本例の積層型酸素センサ素子１においては，アルミナ基板１６１に基準ガス路１７を形成してあるため，積層させる部品数を低減することができる。
これにより，作業性の向上，気密性の向上，またアルミナよりなる部分が多くなることにより，積層型酸素センサ素子１の強度向上を図ることができる。その他は，実施例１と同様の作用効果を有する。
【００３４】
実施例３
本例は，図８〜図１１に示すごとく，発熱部を有する積層型酸素センサ素子である。
図８，図９に示す積層型酸素センサ素子３は，実施例１に示す積層型酸素センサ素子１（図１，図２参照）のアルミナ基板１６の裏面側に，発熱部２を設けたものである。
上記発熱部２は，ヒータ基体２２と該ヒータ基体２２に設けられた発熱体２５とよりなる。なお，上記発熱体２５には，リード部２６，２７が設けてある。
【００３５】
図１０，図１１に示す積層型酸素センサ素子３０は，実施例２に示す積層型酸素センサ素子１０（図６，図７参照）のアルミナ基板１６１の裏面側に，発熱部２を設けたものである。
以上，その他は実施例１と同様である。
【００３６】
本例の積層型酸素センサ素子３，３０は，周囲の温度が低くとも，発熱部の発熱により積層型酸素センサ素子３，３０が作動可能となる。これにより，積層型酸素センサ素子３，３０の作動範囲を拡大することができる。
その他は，実施例１と同様である。
【００３７】
実施例４
本例は，表１及び表２に示すごとく，本発明にかかる，各種部分安定化ジルコニアにおける，冷熱サイクルでの素子割れ等について試験した。
【００３８】
表１及び表２に示す各試料は，実施例１と同様の方法によって作成された未焼成ジルコニアシートを焼成することにより得られた部分安定化ジルコニアである。各試料は，表１及び表２の列（ａ）及び列（ｂ）に示すごとく，ジルコニア及びイットリアの含有モル％がそれぞれ異なり，また，表１及び表２には示されていないが，焼成時の温度条件もそれぞれ異なる。
【００３９】
上記各試料にかかる各種の値は，以下に示すごとく測定した。
各試料にかかる未焼成のジルコニアシートを８枚準備し，該未焼成ジルコニアシートを熱圧着法によりラミネートし，それぞれの温度条件に基づいて焼成した。その後，１．３×５．０×２０ｍｍの大きさに切断し，測定用の試験片とした。
【００４０】
一方，上記各試料と比較するアルミナ試験片を，以下の方法によって作成準備した。
即ち，アルミナをポットミルにて所定時間粉砕混合した。
次に，得られた粉砕物に，有機溶媒としてエタノールとトルエンとの混合溶液，バインダとしてポリビニルブチラール，可塑剤としてのディブチルフタレートを加え，スラリーとした。
【００４１】
次に，上記スラリーに対し，ドクターブレード法によるシート成形を行い，未焼成アルミナシートを得，その後焼成して，試験片を得た。
ただし，これらのアルミナ試験片は比較する部分安定化ジルコニアの焼成温度と等しい温度にて焼成されている。
【００４２】
そして，各試料にかかる試験片及びアルミナ試験片に対し，熱膨張測定装置を用い，室温から１０００℃の温度範囲内にて熱膨張率を測定した。
両者の値の差が，表１及び表２の列（ｄ）に示す，各試料にかかる部分安定化ジルコニアとアルミナとの熱膨張率差である。
【００４３】
次いで，各試料より実施例３における図１０，図１１に示す積層型酸素センサ素子を形成し，該積層型酸素センサ素子に対し，以下に示す冷熱サイクル試験を行った。
まず，各積層型酸素センサ素子における発熱部に通電した。上記通電においては，発熱部が設けられた位置に対応するアルミナ基板の部分の温度が，通電開始３０秒後に１０００℃となるように電源電圧を調整し，該通電開始３０秒後に電源をオフとした。その後，上記積層型酸素センサ素子を１５０秒間放置し，冷却した。以上を１サイクルとし，該サイクルを２０回繰り返した。
【００４４】
以上の試験終了後，カラーチェックにより，積層型酸素センサ素子における素子割れ及びクラックの発生の有無を調べた。上記結果は，表１及び表２における列（ｅ）に示した。
【００４５】
また，この冷熱サイクル試験の終了後，これらの積層型酸素センサ素子より固体電解質を取り出した。次いで，上記固体電解質における部分安定化ジルコニアの部分を粉砕し，粉末とした。上記粉末の粉末Ｘ線回折強度を測定し，部分安定化ジルコニアにおけるＣ相及びＭ相の特定結晶面における回折強度比を，図３〜図５に基づき算出した。上記結果を，表１及び表２における列（ｃ）に示した。
【００４６】
再び，各試料を実施例１に示す方法に基づいて積層型酸素センサ素子となした。今度はこれらの積層型酸素センサ素子に対し，温度２００℃，１０００時間の加熱処理を施した。
上記加熱処理後の各試料にかかる積層型酸素センサ素子に対し，上述したカラーチェックによる素子割れ及びクラックの有無を測定した。上記結果は，表１及び表２における列（ｈ）に示した。
【００４７】
また，上記積層型酸素センサ素子より得られた部分安定化ジルコニアの粉末より，上述した冷熱サイクル試験終了後の回折強度比を測定した。上記結果は，表１及び表２における列（ｆ）に示した。
更に，上記二つの回折強度比の差を強度比差として，表１及び表２における列（ｇ）に示した。
【００４８】
以下に上記測定結果について説明する。
表１及び表２に示すごとく，各試料において，アルミナとの熱膨張率差が０．０〜０．２である，又は上記回折強度比が０．０５〜０．４の範囲内であるものについては，上記冷熱サイクル試験において素子割れ，クラックが生じないことが判った。
更に，加熱処理前後における回折強度比の差が−０．０５〜＋０．１０の範囲内にあるものについては，上記冷熱サイクル試験において素子割れ，クラックが生じないことが判った。
【００４９】
【表１】
0003873302.tif 000002
【００５０】
【表２】
0003873302.tif 000003
【図面の簡単な説明】
【図１】実施例１における，積層型酸素センサ素子の斜視展開図。
【図２】実施例１における，積層型酸素センサ素子の断面図。
【図３】実施例１における，部分安定化ジルコニアのＣ相における，特定の結晶面をあらわすミラー指数の説明図。
【図４】実施例１における，部分安定化ジルコニアのＭ相における，特定の結晶面をあらわすミラー指数の説明図。
【図５】実施例１における，部分安定化ジルコニアのＣ相及びＭ相における，回折強度比の関係を示す説明図。
【図６】実施例２における，他の積層型酸素センサ素子の斜視展開図。
【図７】実施例２における，他の積層型酸素センサ素子の断面図。
【図８】実施例３における，発熱部を有する積層型酸素センサ素子の斜視展開図。
【図９】実施例３における，発熱部を有する積層型酸素センサ素子の断面図。
【図１０】実施例３における，発熱部を有する他の積層型酸素センサ素子の斜視展開図。
【図１１】実施例３における，発熱部を有する他の積層型酸素センサ素子の断面図。
【符号の説明】
１，１０，３，３０．．．酸素センサ素子，
１１，１３．．．固体電解質，
１６，１６１．．．アルミナ基板，
１７．．．基準ガス路，
２．．．発熱部，
【図１】
0003873302.tif 000004
【図２】
0003873302.tif 000005
【図３】
0003873302.tif 000006
【図４】
0003873302.tif 000007
【図５】
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【図６】
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【図７】
0003873302.tif 000010
【図８】
0003873302.tif 000011
【図９】
0003873302.tif 000012
【図１０】
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【図１１】
0003873302.tif 000014