CN1281947C

CN1281947C - 氧浓度检测元件

Info

Publication number: CN1281947C
Application number: CN 200410045366
Authority: CN
Inventors: 堺祥一; 一柳太
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Unisia Automotive Ltd; Hitachi Ltd
Priority date: 2003-05-23
Filing date: 2004-05-21
Publication date: 2006-10-25
Anticipated expiration: 2024-05-21
Also published as: JP2004347506A; JP4077365B2; CN1573327A

Abstract

提供一种氧浓度检测元件，可以阻止测定气体通过固体电解质层，在富状态下得到稳定的输出。该氧浓度检测元件(1)包括：其外表面侧由绝缘性材料形成的基体部件(2)；在该基体部件(2)的外表面侧形成的氧离子传导性的固体电解质层(3)；与多孔体层(4)相邻且在该固体电解质层(3)的内表面和基体部件(2)的外表面之间设置的由多孔质材料形成的多孔体层(4)；在固体电解质层(3)的内表面上形成的内侧电极(5)；在固体电解质层(3)的外表面上由阻止氧通过的材料形成且具有电极用窗部(6a)的内侧致密层(6)；在该内侧致密层(6)的外表面和从电极用窗部(6a)露出的固体电解质层(3)的外表面上形成的外侧电极(7)；在该外侧电极(7)的外表面上由阻止氧通过的材料形成且在与电极用窗部(6a)相同的位置上具有氧导入窗部(8a)的外侧致密层(8)。

Description

氧浓度检测元件

技术领域

本发明涉及在例如检测排出气体中的氧浓度的氧传感器中使用的氧浓度检测元件。

背景技术

一般地，在汽车用发动机等中，在排气管的中途配置氧传感器，用氧传感器检测在排出气体中含的氧浓度，对吸入空气量进行控制使燃料和空气的混合比即空燃比成为预定的理论空燃比(A/F＝14.7)。

作为在上述氧传感器中使用的现有的氧浓度检测元件有图4所示的元件。

如图4所述，该氧浓度检测元件100包括：基体部件101；在该基体部件101的外周侧形成的氧离子传导性的固体电解质层102；在固体电解质层102的内表面上形成的内侧电极104；在固体电解质层102的外表面上形成的外侧电极105；在该外侧电极105和固体电解质层102的外表面的全部区域上形成的、在外侧电极105和固体电解质层102的外表面的全部区域上形成的、在外侧电极105的外表面上具有氧导入窗部106a的致密层106；以及在该致密层106的外表面上和从氧导入窗部106a露出的外侧电极105的外表面上形成的保护层107。另外，以向致密层106和保护层107的外侧导入测定气体(例如排气管内的排出气体)的状态配置。

基体部件101由实心圆柱的芯杆110、在其外周上形成的加热图形111、和以覆盖该加热图形111的方式在芯杆110的外周上形成的绝缘性材料的加热覆盖层112构成。内侧电极104和外侧电极105都由导电性且氧可通过的材料形成。

在内侧电极104和外侧电极105上分别一体地延长设置引线部113(内侧电极104侧未图示)，用这些引线部113可以检测在内侧电极104和外侧电极105之间出现的输出电压。致密层106由测定气体中的氧可通过内表面侧的材料形成。保护层107由测定气体中的有害气体不能通过内表面侧而测定气体中的氧可以通过的材料形成。

下面，说明氧浓度检测元件100的氧浓度的检测动作。

测定气体中的氧透过保护层107，通过外侧电极105导入到固体电解质层102的外表面，作为基准的大气中的氧到达内侧电极104。如果在固体电解质层102的内外表面上氧浓度不同，通过把氧离子输送到固体电解质层102内，与氧浓度差相应地在内侧电极104和外侧电极105之间产生电动势E。因此，从内侧电极104和外侧电极105之间得到与氧浓度差相应的输出电压(V＝E-R×I)。在此，R是固体电解质层102的内部电阻，I是产生电动势E时在内侧电极104和外侧电极105间流过的电流。

如果以在汽车发动机的排出气体的氧量检测中被使用的场合为例进行说明，上述输出电压(V)对空燃比(A/F)的特性曲线如图5所示。A/F值以理想空燃比状态14.7(λ＝1)作为基准，以燃料过多氧浓度差大的状态(A/F＜14.7的状态)作为富状态，相反地，以空气过多氧浓度差小的状态(A/F＞14.7的状态)作为稀状态，控制吸入空气量以成为理想空燃比状态。

(专利文献1)日本专利特开平7-27737号公报

上述现有的固体电解质层102是把由例如氧化锆和氧化钇构成的浆状物曲面印刷，然后通过烧制成为具有所期望的性质的材料，但在膜厚薄的固体电解质层102的端部附近存在烧制时的烧结不充分的部位A。在烧结不充分的部位A产生微裂纹等，在氧浓度差大的富状态中，如果从外侧电极105附近侵入的富气体通过微裂纹等侵入到固体电解质层102的内表面侧，则在固体电解质层102的内外表面上的氧浓度差降低，如图5的虚线所示，输出电压(V)下降。因此，存在在富状态下不能得到稳定的输出的问题。

另外，输出电压(V)的特性以固体电解质层102的内部电阻R作为一个要素，内部电阻R与内侧电极104和外侧电极105的对置面积(重叠面积)有关。因此，在现有例中，通过使内侧电极104和外侧电极105形状相同且面积相同，并在正确的对置位置上形成它们，对所有的氧浓度检测元件100得到恒定的输出特性，是优选的。

但是，在上述现有例中，由于在曲面印刷内侧电极104和外侧电极105时的掩模位置对准有偏差，且该偏差导致内侧电极104和外侧电极105的重叠面积有偏差，所以均匀地形成每个氧浓度检测元件100的重叠面积是非常困难的。如果固体电解质层102的内部元件电阻有偏差，则如图6的虚线所示，输出特性就会有偏差。这样，如果输出特征有偏差，理想空燃比状态14.7(λ＝1)的点就有偏差(δ)，检测该点的精度下降。

发明内容

本发明正是鉴于上述情况而提出的，其目的在于防止测定气体向电极附近侵入，在富状态下得到稳定的输出。本发明的另一目的在于抑制固体电解质层的内部电阻的偏差，使输出特性几乎无偏差，得到稳定的输出。

为了实现上述目的，本发明的第一方面是一种氧浓度检测元件，其特征在于包括：由实心圆柱的芯杆、在该芯杆外周形成的加热图形、和以覆盖该加热图形的方式在上述芯杆的外周上形成的绝缘性材料的加热覆盖层构成的基体部件；在该基体部件的外表面侧上形成的氧离子传导性的固体电解质层；在该固体电解质层的内表面和上述基体部件的外表面之间设置的、用来使氧流通且由多孔质材料形成的多孔体层；在上述固体电解质层的内表面上形成的内侧电极；在上述固体电解质层的外表面上由阻止氧通过的材料形成且具有电极用窗部的内侧致密层；在该内侧致密层的外表面和从上述电极用窗部露出的上述固体电解质层的外表面上形成的外侧电极；在该外侧电极的外表面上由阻止氧通过的材料形成且在与上述电极用窗部相同的位置上具有氧导入窗部的外侧致密层。

根据上述结构，测定气体中的氧透过保护层，通过外侧电极导入到固体电解质层的外表面，作为基准的大气中的氧到达内侧电极。如果在固体电解质层的内外表面上氧浓度不同，基于该氧浓度差在内侧电极和外侧电极之间产生电动势。在此，由于用内侧致密层覆盖固体电解质层的端部附近，外侧电极在固体电解质层的端部以外形成，所以测定气体中的富气体(成分)不能通过外侧电极侵入固体电解质层。由此，通过排出气体向固体电解质层侵入且把接触位置控制到窗部的范围内，在富状态下得到稳定的输出。

另外，本发明的第二方面是电极用窗部的面积设定成比上述内侧电极的面积小。

根据上述结构，由于利用内侧致密层的电极用窗部把外侧电极的有效面积限定在比内侧电极的面积小的范围内，即使印刷时掩模位置有偏差，内侧电极和外侧电极的重叠面积总是恒定，抑制了固体电解质层的内部电阻的偏差。因此，输出特性几乎无偏差，得到稳定的输出。

附图说明

图1展示了本发明的一实施方式，是氧浓度检测元件的剖面图；

图2展示了本发明的一实施方式，是展示内侧电极和内侧致密层的电极用窗部的配置状态的说明图；

图3展示了本发明的一实施方式，是用来说明氧浓度检测元件的制造顺序的图；

图4展示了现有例，是氧浓度检测元件的剖面图；

图5是相对于空燃比(A/F)的输出电压的特性线图；

图6是相对于空燃比(A/F)的输出电压的特性线，用虚线表示固体电解质层的内部电阻有偏差的特性线。

具体实施方式

下面，参照附图说明本发明的具体实施方式。

图1是氧浓度检测元件1的剖面图；图2是展示内侧电极5和内侧致密层6的电极用窗部6a的尺寸关系的说明图，图3是用来说明氧浓度检测元件1的制造顺序的图。

图1中，氧浓度检测元件1包括：基体部件2；在该基体部件2的外表面侧形成的氧离子传导性的固体电解质层3；在该固体电解质层3的内表面和基体部件2的外表面之间设置的由多孔质材料形成的多孔体层4；在固体电解质层3的内表面上形成的内侧电极5；在固体电解质层3的外表面上形成的具有电极用窗部6a的内侧致密层6；在该内侧致密层6的外表面和从电极用窗部6a露出的固体电解质层3的外表面上形成的外侧电极7；在该外侧电极7的外表面上形成的、在与电极用窗部6a相同的位置上具有氧导入窗部8a的外侧致密层8；在外侧致密层8的外表面和从氧导入窗部8a露出的外侧电极7的外表面上形成的保护层9。以把测定气体(例如排气管内的排出气体)导入到外侧致密层8和保护层9的外侧的状态进行配置。

基体部件2由实心圆柱的芯杆10、在其外周形成的加热图形11、以覆盖该加热图形11的方式在芯杆10的外周上形成的绝缘性材料的加热覆盖层12构成。芯杆10由例如氧化铝等的陶瓷材料形成。加热图形11由钨或铂等的发热性导体材料形成。由于加热图形11的发热，固体电解质层3等升温，被活性化。

固体电解质层3由例如在氧化锆的粉体中混合有预定重量％的氧化钇粉体而成的浆状物形成。固体电解质层3在后述的内侧电极5和外侧电极7之间产生与周围的氧浓度差相应的电动势，可以在其厚度方向上输送氧离子。

多孔体层4由氧化铝等的陶瓷材料形成，通过固体电解质层3向内侧电极5输送的氧经图中未示出的路径逃散而构成气体逃散路径。

内侧电极5和外侧电极7都由铂等构成的具有导电性且可透过氧的材料构成。然后，在内侧电极5和外侧电极7上分别一体地延长设置引线部5a、7a，可以用引线部5a、7a检测在内侧电极5和外侧电极7之间出现的输出电压。

内侧致密层6由测定气体中的氧不能透过到内表面侧的材料，例如氧化铝等的陶瓷材料构成。内侧致密层6覆盖固体电解质层3的外表面的全部区域，电极用窗部6a通过在固体电解质层3的不是端部的中央部位切除内侧致密层6的一部分而形成。如图2所示，电极用窗部6a具有方形形状，相对于内侧电极5的面积其轴方向T和圆周方向S上的尺寸都小，设定成小面积。

在氧浓度检测元件1为直径3～3.5mm的杆型元件时，电极用窗部6a、氧导入窗部8a的具体尺寸设定为：轴方向长度为1.6～1.8mm，圆周方向长度为2.6～3.0mm。

与内侧致密层6同样地，外侧致密层8由测定气体中的氧不能通过到内表面侧的材料，例如氧化铝等的陶瓷材料形成。氧导入窗部8a在与电极用窗部6a相同的位置，通过切除外侧致密层8的一部分而形成。

保护层9从外侧覆盖通过外侧致密层8的氧导入窗部8a露出到外部的外侧电极7，用测定气体中的有害气体、灰尘等不能通过到内表面侧，但测定气体中的氧能通过的材料例如氧化铝和氧化镁的混合物的多孔结构体形成。

下面，基于图3说明氧浓度检测元件1的制造方法。首先，对氧化铝等的陶瓷材料射出成型，制造实心圆柱的芯杆10。一边旋转该芯杆10，一边通过曲面丝网印刷在芯杆10的圆周面上印刷例如铂或钨等的发热性材料而形成加热图形11。

然后，在芯杆10的圆周面上层叠氧化铝等的陶瓷材料的生料薄片形成加热覆盖层12。由此制成基体部件2。

然后，在加热覆盖层12的圆周面上且在以后成为多孔体层4的区域上曲面丝网印刷在氧化铝等的陶瓷材料中添加了例如碳、聚酰胺、聚醚砜和苯酚树脂等构成的有机物的膜20。然后，在上述膜20的外周面上，曲面丝网印刷由铂等构成的导电性浆料，一体地形成内侧电极5和引线部5a。然后，在加热覆盖层12、内侧电极5和有机膜20的外周面上曲面丝网印刷例如由氧化锆和氧化钇构成的浆状物，形成氧离子传导性的固体电解质层3。

然后，在固体电解质层3的外周面上，曲面丝网印刷例如氧化铝等的陶瓷材料形成具有电极用窗部6a的内侧致密层6。然后在内侧致密层6的外周面上曲面丝网印刷由铂等构成的导电性浆料，一体地形成外侧电极7和引线部7a。在该曲面丝网印刷时导电性浆料进入内侧致密层6的电极用窗部6a，在从电极用窗部6a露出的固体电解质层3的外表面上形成外侧电极7。虽然在内侧致密层6的外表面和固体电解质层3的外表面上连续形成外侧电极7，但在固体电解质层3的外表面上形成的部分是作为电极的有效部分。

然后，在外侧电极7和固体电解质层3的外周面上曲面丝网印刷例如氧化铝等的陶瓷材料，形成具有氧导入窗部8a的外侧致密层8。该氧导入窗部8a在与内侧致密层6的电极用窗部6a相同的位置上形成。然后，在外侧致密层8的外周面和从氧导入窗部8a露出的外侧电极7的外周围上曲面丝网印刷例如由氧化铝和氧化镁构成的浆状物，形成保护层9。至此，曲面丝网印刷工序结输出电压。

然后，通过对结输出电压了曲面丝网印刷等的圆柱产品在高温下烧制而被烧结一体。通过该烧制工序，膜20消散，在其部分上形成由连续气泡的空孔构成的多孔体层4。由此，氧浓度检测元件1的制造结输出电压。把完成了的氧浓度检测元件1组装到未图示的氧传感器中。

下面，说明氧浓度检测元件1的氧浓度的检测动作。例如，在发动机的排气管内设置氧传感器的场合，设置成测定气体即排出气体通过氧浓度检测元件1的外周面，把大气导入。于是，如果对加热图形11通电，把整个氧浓度检测元件1加热到预定状态，固体电解质层3被活性化。由此成为可检测状态。

如果排出气体排出到排气管内，排出气体中的氧通过保护层9和外侧电极7导入固体电解质层3，大气中的氧存入内侧电极5的周围。如现有例中说明的那样，如果在固体电解质层3的内外表面上氧浓度不同，通过把氧离子输送到固体电解质层102内，与氧浓度差相应地在内侧电极5和外侧电极7之间产生电动势E。因此，从内侧电极5和外侧电极7之间得到与氧浓度差相应的输出电压(V＝E-R×I)。

在此，用内侧致密层6覆盖固体电解质层3的端部附近，在固体电解质层3的端部以外形成外侧电极7。因此，由于现有例那样的排出气体的富气体(成分)从外侧电极7经固体电解质层3的烧结不充分的部位到达内侧电极5的侵入路径不能形成，排出气体中的富气体(成分)不能通过外侧电极7、固体电解质层3侵入内侧电极5。由此，氧浓度检测元件1具有用图5的实线表示的输出电压(V)相对于空燃比(A/F)的特性，在富状态下获得稳定的输出。

另外，在上述实施方式中，由于电极用窗部6a的面积设定成比内侧电极5的面积小，利用内侧致密层6的电极用窗部6a把外侧电极7的有效面积限定在比内侧电极5的面积小的范围内。因此，即使在印刷时掩模位置有一些偏离，内侧电极5和外侧电极7的重叠面积也总是保持为恒定，抑制了固体电解质层3的内部电阻的偏差。由此，所有的氧浓度检测元件1具有用图6的实线表示的输出电压(V)相对于空燃比(A/F)的特性，得到输出特性几乎无偏差的稳定的输出。

另外，本发明还可以具体化为下面的其它实施方式。在下面的其它实施方式中可得到与上述实施方式相同的作用和效果。

(1)在上述实施方式中，内侧致密层6的电极用窗部6a的形状是方形形状，但电极用窗部6a也可以是圆形、椭圆形、三角形、五角形以上的多角形等的形状。

(2)在上述实施方式中，基体部件2具有圆柱形状，但即使是圆柱形以外的形状，例如外表面是平坦形状也能同样地适用本发明。

而且，从对上述实施方式的把握可得出以下的权利要求书中未包含的技术方案及其效果。

(1)在权利要求1所述的氧浓度检测元件中，其特征在于，上述基体部件形成为实心圆柱的杆状。

通过这样地构成，可以不受氧浓度检测元件安装时的方向和气体的流动方向等的影响地、以稳定的精度检测氧浓度。

Claims

1.一种氧浓度检测元件，其特征在于包括：由实心圆柱的芯杆、在该芯杆外周形成的加热图形、和以覆盖该加热图形的方式在上述芯杆的外周上形成的绝缘性材料的加热覆盖层构成的基体部件；在该基体部件的外表面侧上形成的氧离子传导性的固体电解质层；在该固体电解质层的内表面和上述基体部件的外表面之间设置的、用来使氧流通且由多孔质材料形成的多孔体层；在上述固体电解质层的内表面上形成的内侧电极；在上述固体电解质层的外表面上由阻止氧通过的材料形成且具有电极用窗部的内侧致密层；在该内侧致密层的外表面和从上述电极用窗部露出的上述固体电解质层的外表面上形成的外侧电极；在该外侧电极的外表面上由阻止氧通过的材料形成且在与上述电极用窗部相同的位置上具有氧导入窗部的外侧致密层。

2.如权利要求1所述的氧浓度检测元件，其特征在于：上述电极用窗部的面积设定成比上述内侧电极的面积小。