JP2002139472A - 積層型空燃比センサ素子 - Google Patents

積層型空燃比センサ素子

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JP2002139472A
JP2002139472A JP2000335806A JP2000335806A JP2002139472A JP 2002139472 A JP2002139472 A JP 2002139472A JP 2000335806 A JP2000335806 A JP 2000335806A JP 2000335806 A JP2000335806 A JP 2000335806A JP 2002139472 A JP2002139472 A JP 2002139472A
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Japan
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air
fuel ratio
sensor element
introduction hole
ratio sensor
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JP2000335806A
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Sueaki Inoue
季明 井上
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Nissan Motor Co Ltd
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Nissan Motor Co Ltd
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Abstract

(57)【要約】 【課題】大気導入孔の熱伝達効率を向上させて、センサ
素子のクラック等の破損を防止するとともに、基準ガス
の汚染を防止して精度よく空燃比を検出することができ
る積層型空燃比センサ素子を提供する。 【解決手段】積層型空燃比センサの基準ガスを導入する
大気導入孔のヒータ発熱部近傍側にセラミック粉末を充
填して、大気の流通を確保しつつ、大気導入孔の熱伝達
効率を向上させる。また、大気導入孔の入口側にセラミ
ックと貴金属の混合粉末を充填して、セラミック粉末に
よる大気の流通の確保と貴金属粉末による大気中の汚染
物質のトラップにより精度よく空燃比を検出する。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、内燃機関の空燃比
制御に用いられる積層型空燃比センサ素子に関する。
【0002】
【従来の技術】内燃機関の空燃比センサに使用されるも
のとして、従来から積層型空燃比センサ素子が知られて
いる。この種の一般的な積層型空燃比センサ素子は、酸
素イオン導電性を有するジルコニア等の固体電解質体と
ヒータ部とを積層一体化したものであり、その内部に基
準ガスとなる大気を導入する大気導入孔が設けられてい
る。そして、内燃機関の排気系に配設され、基準ガスと
排気ガス中との酸素イオン濃度により空燃比を検出して
いる(特開平11−316211号公報等参照)。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】しかし、積層型空燃比
センサには、以下のような問題があった。基準ガスであ
る大気はコネクタやハーネスリード線を通して大気導入
孔内に導入されるが、排気ガス等に汚染された大気が導
入されることも考えられ、このような場合はセンサ特性
が変動してしまう。
【0004】センサ素子は、その素子温度が所定の活性
温度に達することによって活性化されるが、素子内部に
空間(大気導入孔)を有するため、ヒータによる熱の伝
達効率が悪くなる。ジルコニア等の固体電解質体のヒー
タ近傍部分と空間(大気導入孔)を形成する部分とで大
きな温度差が生じ、熱膨張差による熱応力でセンサ素子
本体にクラック、ワレが発生する等割れ易い構造となっ
ている。
【0005】本発明は、このような従来の問題に鑑みて
なされたものであって、大気導入孔の熱伝達効率を向上
させて、センサ素子の破損を防止するとともに、精度よ
く空燃比を検出することができる積層型空燃比センサ素
子を提供することを目的とする。
【0006】
【課題を解決するための手段】このため、請求項1に係
る発明は、酸素イオン導電性を有する固体電解質体と、
ヒータと、大気を導入して基準ガスする大気導入孔と、
を備えた積層型空燃比センサ素子において、大気を吸着
して浄化する大気浄化手段を有し、該浄化した大気を基
準ガスとすることを特徴とする。
【0007】請求項2に係る発明は、前記大気浄化手段
は、大気導入孔内にセラミックと貴金属との混合粉末を
充填して構成されていること特徴とする。請求項3に係
る発明は、前記大気浄化手段は、大気導入孔内のヒータ
発熱部近傍側にセラミック粉末を充填し、大気を導入す
る入口側にセラミックと貴金属との混合粉末を充填して
構成されていることを特徴とする。
【0008】請求項4に係る発明は、前記大気導入孔に
セラミック粉末を圧入して仮焼成し、その後セラミック
と貴金属との混合粉末を圧入して焼成して作製されたこ
とを特徴とする。請求項5に係る発明は、前記貴金属粉
末は、パラジウム(Pd)、ロジウム(Rh)、バリウ
ム(Ba)のうち少なくとも一つを含むことを特徴とす
る。
【0009】請求項6に係る発明は、酸素イオン導電性
を有する固体電解質体と、ヒータと、大気を導入する大
気導入孔と、を備えた積層型空燃比センサ素子におい
て、大気導入孔内の少なくともヒータ発熱部近傍に、セ
ラミック粉末が充填されていることを特徴とする。
【0010】
【発明の効果】請求項1に係る発明によれば、浄化した
大気を基準ガスとするので、常に一定の水準の基準ガス
(汚染されていない大気)を用いることができ、精度よ
く空燃比を検出することができる。請求項2に係る発明
によれば、大気導入孔内に、セラミックと貴金属との混
合粉末を充填することにより、セラミック粉末の微細な
ポーラスにより大気の流通を確保しつつ、大気に含まれ
る汚染物質を貴金属粉末によりトラップして、常に一定
の水準の大気を基準ガスとすることができる。
【0011】請求項3に係る発明によれば、大気導入孔
内のヒータ発熱部近傍側にセラミック粉末のみを充填す
るので、大気導入孔の熱伝達効率を向上させて、特にヒ
ータ発熱部近傍で生じる大きな熱応力を軽減しつつ、貴
金属粉末をヒータ発熱部から遠ざけて貴金属粉末がシン
タリング(貴金属分子の焼結)、昇華を確実に回避する
ことができる。
【0012】さらに、通常、大気導入孔内のヒータ発熱
部側に配置される白金内側基準電極と充填した貴金属粉
末とが反応してセンサ出力(起電力)特性が変動するよ
うなこともあらかじめ防止することができる。請求項4
に係る発明によれば、大気導入孔にセラミック粉末を圧
入して仮焼成し、その後セラミックと貴金属との混合粉
末を圧入して焼成することにより、これら充填物質を安
定させることができる。
【0013】請求項5に係る発明によれば、貴金属粉末
として、パラジウム(Pd)、ロジウム(Rh)、バリ
ウム(Ba)のうち少なくとも一つを含むようにするこ
とで、大気導入孔に導入される大気中の汚染物質(排気
物質等)を確実にトラップすることができる。請求項6
に係る発明によれば、大気導入孔内の少なくともヒータ
発熱部近傍部に、セラミック粉末を充填することによ
り、セラミックの微細なポーラスで基準ガスである大気
の素子電極への流通を確保しつつ、センサ素子本体(固
体電界物質体)のヒータ発熱部近傍部分と大気導入孔を
形成する部分との温度差(勾配)を緩和して、熱膨張差
による熱応力でセンサ素子本体にクラック、ワレが発生
することを防止できる。
【0014】
【発明の実施の形態】以下に、本発明の実施形態に係る
積層型空燃比センサ素子について説明する。図1に示す
ように、積層型空燃比センサ素子本体は、酸素イオン導
電性を有するジルコニア固体電解質1で形成されてい
る。センサ素子本体は、その内部にヒータ2、大気導入
口3を備えている。ヒータ2は、通電されてセンサ素子
を加熱することができ、大気導入孔3は、基準ガスであ
る大気と連通するように形成されており、コネクタやハ
ーネスリード線を通して大気が導入される。
【0015】大気導入孔3には、内側白金基準電極5が
配設され、これに対面するようにジルコニア固体電解質
1介して、外側白金基準電極6が設けられている。外側
白金基準電極6は、排気に直接触れることを防止するた
め、保護層7により覆われている。そして、排気ガスの
酸素イオン濃度によって影響される前記内側白金基準電
極5、外側白金電極6間の酸素分圧差に応じて電圧を発
生するようになっており、この電圧を検出することで、
空燃比がストイキ(λ=1)に対してリーンであるかリ
ッチであるかを検出することができる。
【0016】また、大気導入孔3内には、微細なセラミ
ック粉末(ZnO2)及び例えば、パラジウム(P
d)、ロジウム(Rh)、バリウム(Ba)等の貴金属
粉末が充填されている。なお、本実施の形態では図2に
示すように、大気導入孔3内のヒータ2の発熱部近傍側
に微細なセラミック粉末のみを充填し、大気導入孔3入
口(導入口)側に微細セラミックと貴金属の混合粉末を
充填する二重構造としてある。
【0017】次に、上記積層型空燃比センサ素子の製造
方法について説明する。上記のように、本発明に係る積
層型空燃比センサ素子は、基準ガスを導入する大気導入
孔を有する従来の積層型空燃比センサ素子を改良したも
のである。まず、一般的な積層型空燃比センサ素子を作
製する。具体的には以下のようにしてジルコニア固体電
解質、ヒータ、大気導入孔等を積層して焼成する。
【0018】ジルコニア固体電解質1に、白金材料等に
より電極(ターミナル)を例えばスクリーン印刷法によ
り形成する。次に、アルミナ等の絶縁材料で構成される
絶縁層に、白金材料等によりヒータ2のパターンを例え
ばスクリーン印刷法により形成し、その上に絶縁層を積
層してヒータ部を形成する。
【0019】次に、大気導入孔3が設けられたジルコニ
ア固体電解質より成る大気導入孔構成部を形成する。次
に、ジルコニア固体電解質1に、白金材料により内側白
金基準電極5、外側白金電極6や端子部を例えばスクリ
ーン印刷により形成する。そして、これらに保護層7を
加えたものを重ねて適当な荷重で熱圧着した後、所定の
温度(例えば約1500℃)で一体に焼成する(図3参
照)。
【0020】以上のようにして一般的な積層型空燃比セ
ンサ素子を作製した後、図4に示すように、大気導入孔
3にセラミック粉末を圧入して約1000℃で仮焼成す
る。通常、セラミックは1300℃から1400℃で焼
成させるが、約1000℃で焼成することでセラミック
粉末を収縮させて、大気の通路面積を小さくする。その
後、セラミックと貴金属の混合粉末を圧入して、さらに
約1000℃で焼成し、本発明に係る積層型空燃比セン
サ素子を完成する。
【0021】このようにして、大気導入孔3内のヒータ
発熱部近傍側には、セラミック粉末のみが充填され、入
口(大気導入口)側には、セラミックと貴金属の混合粉
末が充填される。次いで、作用について説明する。図5
に示すように、大気導入孔内の基準ガスが汚染されてい
ると、空燃比センサの出力特性(空燃比センサ出力電圧
−空燃比)が変化し、空燃比を正確に検出できない。す
なわち、基準ガスが汚染されている場合は、ストイキ
(λ=1)での基準電圧(STOAFV)が正常時の場
合に対してシフトしてしまう。
【0022】ここで、本発明に係る積層型空燃比センサ
の大気導入孔内には、セラミックと貴金属との混合粉末
が充填されている。貴金属粉末のみを充填すると、高温
下で焼結して化合物が形成されるため結晶粒径が肥大化
し、大気の流通を阻害する。これを防止し、導入した大
気が確実に素子電極部に到達するようにしたものであ
る。
【0023】セラミックと貴金属の混合粉末を大気導入
孔内に充填することにより、貴金属粉末の焼結を防止す
ると共に、セラミック粉末の微細なポーラスにより大気
の流通を確保し、導入された大気に含まれる汚染物質
(排気成分等)を貴金属粉末によりトラップすることが
できる。これにより、大気導入孔内の素子電極部(内側
白金基準電極部)の基準ガスを常に一定(大気雰囲気と
同じ)にでき、センサ出力特性の変動を防止して空燃比
を正確に検出することができる。
【0024】また、図6に示すように、エンジン始動後
の2、3秒経過時が最も熱応力を受け易いことがシミュ
レーション及び実験により求められている。特に低温時
の始動において、活性化のためにヒータにより急速にセ
ンサ素子を加熱すると、センサ素子本体(ジルコニア固
体電解質)のヒータ発熱部近傍部分と大気導入孔を形成
する部分との温度差(勾配)が非常に大きくなり、熱膨
張差による熱応力が大きくセンサ素子が破損するおそれ
がある。このため、外気温によって始動直後のヒータ制
御を変える等の必要があった。
【0025】ここで、本実施の形態に係る積層型空燃比
センサでは、大気導入孔内のヒータ発熱部近傍側にセラ
ミック粉末のみを充填し、入口側にセラミックと貴金属
との混合粉末が充填されているので、セラミックの微細
なポーラスにより素子電極部(内側白金基準電極)への
大気の流通を確保しつつ、該大気導入孔の熱伝達効率を
向上させることができ、センサ素子本体のヒータ発熱部
近傍部分と大気導入孔を形成する部分との温度差(勾
配)を緩和して、熱膨張差による最大熱応力を低下でき
る。
【0026】これにより、極低外気温下におけるエンジ
ン始動の場合であっても、熱応力によるクラック、ワレ
等の心配をすることなく、ヒータへの通電を最大で行う
ことができ、外気温に応じてヒータ制御を変える必要が
ない。さらに、貴金属粉末をヒータ発熱部から遠ざけ
て、前述したような貴金属粉末の焼結あるいは昇華等に
よる不都合を確実に回避することができる。
【0027】また、通常、大気導入孔内のヒータ発熱部
側に位置する素子電極(白金内側基準電極)と充填した
貴金属粉末とが反応してセンサ出力(起電力)特性が変
動するようなこともあらかじめ防止することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明に実施の形態に係る積層型空燃比センサ
素子の断面図。
【図2】同じく大気導入孔内のセラミック粉末、セラミ
ックと貴金属の混合粉末の充填状態を示す図。
【図3】同じく積層型空燃比センサ素子の製造工程を示
す図。
【図4】同じく積層型空燃比センサ素子の大気導入孔へ
のセラミック粉末、セラミックと貴金属の混合粉末充填
工程を示す図。
【図5】空燃比センサの出力特性を示す図。
【図6】同じくエンジン始動後経過時間と素子部の最大
熱応力との関係を示す図。
【符号の説明】
1…ジルコニア固体電解質 2…ヒータ 3…大気導入孔 5…内側白金基準電極 6…外側白金電極 7…保護層

Claims (6)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】酸素イオン導電性を有する固体電解質体
    と、ヒータと、大気を導入して基準ガスする大気導入孔
    と、を備えた積層型空燃比センサ素子において、 大気を吸着して浄化する大気浄化手段を有し、該浄化し
    た大気を基準ガスとすることを特徴とする積層型空燃比
    センサ素子。
  2. 【請求項2】前記大気浄化手段は、大気導入孔内にセラ
    ミックと貴金属との混合粉末を充填して構成されている
    こと特徴とする請求項1に記載の積層型空燃比センサ素
    子。
  3. 【請求項3】前記大気浄化手段は、大気導入孔内のヒー
    タ発熱部近傍側にセラミック粉末を充填し、大気を導入
    する入口側にセラミックと貴金属との混合粉末を充填し
    て構成されていることを特徴とする請求項1に記載の積
    層型空燃比センサ素子。
  4. 【請求項4】前記大気導入孔にセラミック粉末を圧入し
    て仮焼成し、その後セラミックと貴金属との混合粉末を
    圧入して焼成して作製されたことを特徴とする請求項3
    に記載の積層型空燃比センサ素子。
  5. 【請求項5】前記貴金属粉末は、パラジウム(Pd)、
    ロジウム(Rh)、バリウム(Ba)のうち少なくとも
    一つを含むことを特徴とする請求項2から請求項4のい
    ずれか一つに記載の積層型空燃比センサ素子。
  6. 【請求項6】酸素イオン導電性を有する固体電解質体
    と、ヒータと、大気を導入する大気導入孔と、を備えた
    積層型空燃比センサ素子において、 大気導入孔内の少なくともヒータ発熱部近傍に、セラミ
    ック粉末が充填されていることを特徴とする積層型空燃
    比センサ素子。
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Cited By (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
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