JP2003004696A

JP2003004696A - 空燃比センサ素子

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Publication number: JP2003004696A
Application number: JP2001183908A
Authority: JP
Inventors: Masahide Akiyama; 雅英秋山
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 2001-06-18
Filing date: 2001-06-18
Publication date: 2003-01-08
Anticipated expiration: 2021-06-18
Also published as: JP4610127B2

Abstract

(57)【要約】【課題】発熱体を一体的に具備してなるともに、急速昇
温などの熱衝撃性に対しても優れた耐久性を具備する空
燃比センサ素子を得る。【解決手段】酸素イオン伝導性を有する固体電解質から
なり一端が封止された円筒管２の内面および外面の互い
に対向する位置に内側電極３と外側電極４を形成し、円
筒管２の外側表面に外側電極４の一部または全部が露出
するような空間部５を具備し且つ空間部５の周囲に発熱
体６を埋設してなるセラミック層７を形成し、空間部５
を閉塞するように酸素イオン伝導性を有する固体電解質
層８を設け、閉塞された空間部５内に被測定ガスを取り
込むための拡散孔１１を固体電解質層８に形成する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、自動車等の内燃機
関における空気と燃料の比率を制御するための空燃比セ
ンサ素子に関するものであり、具体的には発熱体とセン
サ部が一体化されてなり、熱衝撃性に優れた活性化時間
の短いヒータ一体型の空燃比センサ素子に係わる。

【０００２】

【従来技術】現在、自動車等の内燃機関においては、排
出ガス中の酸素濃度を検出して、その検出値に基づいて
内燃機関に供給する空気および燃料供給量を制御するこ
とにより、内燃機関からの有害物質、例えばＣＯ、Ｈ
Ｃ、ＮＯｘを低減させる方法が採用されている。

【０００３】この検出素子として、主として酸素イオン
伝導性を有するジルコニアを主分とする固体電解質から
なり、一端が封止された円筒管の外面および内面にそれ
ぞれ一対の電極層が形成された固体電解質型の酸素セン
サ素子が用いられている。

【０００４】このような酸素センサにおいて、一般に、
空気と燃料の比率が１付近の制御に用いられる、いわゆ
る理論空燃比センサ（λセンサ）では、外側の測定電極
の表面に保護層となる多孔質層が設けられており、所定
温度で円筒管両側に発生する酸素濃度差を検出し、エン
ジン吸気系の空燃比の制御が行われている。

【０００５】一方、広範囲の空燃比を制御するために用
いられている、いわゆる広域空燃比センサ（Ａ／Ｆセン
サ）は、測定電極の表面に微細な細孔を有するガス拡散
律速層となるセラミック多孔質層を設け、固体電解質か
らなる円筒管に一対の電極に通じて印加電圧を加え、そ
の際得られる限界電流値を測定して空燃比を直接制御す
るものである。

【０００６】上記理論空燃比センサおよび広域空燃比セ
ンサともセンシング部を約７００℃付近の作動温度まで
に加熱する必要があり、そのために、円筒管からなる酸
素センサ素子の内側には、センシング部を作動温度まで
加熱するため棒状のセラミックヒータが挿入されてい
る。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、近年排
気ガスの規制強化の傾向が強まり、エンジン始動直後か
らのＣＯ、ＨＣ、ＮＯｘの検出が必要になってきた。こ
のような要求に対して、上述のように、セラミックヒー
タを円筒管内に挿入してなる間接加熱方式の円筒型酸素
センサ素子では、センシング部が活性化温度に達するま
でに要する時間（以下、活性化時間という。）が遅いた
めに排気ガス規制に充分対応できないという問題があっ
た。

【０００８】その問題を回避する方法として、図１７に
示すようにヒータを一体化した平板状の固体電解質を用
いた酸素センサ素子（以下、平板型素子という。）が提
案されている。図１７によれば平板型素子５０では、平
板状の固体電解質５１には、排気ガスを取り込むための
拡散孔と呼ばれる小さな孔６１が開けられており、その
両面に一対の電極５２、５３が形成され、さらに周囲が
セラミック絶縁層６０からなる空間部５４を挟んでもう
一枚の平板状の固体電解質５５が成形されている。その
固体電解質の両面には一対の電極５６、５７が形成され
ており、場合によっては、平板状の固体電解質の間には
拡散律速層が形成されている。また、電極以外のセラミ
ック絶縁体５８中には発熱体５９が埋設されている。さ
らに電極５７は、大気ガス供給口６２を通じて大気と接
触される。

【０００９】このような平板型素子においては、前者の
固体電解質をポンプセルとして、後者の固体電解質を濃
淡電池セルとして作用させている。

【００１０】しかしながら、この平板型素子は従来の間
接加熱方式と異なり、直接加熱方式であるために急速昇
温が可能ではあるが、平板状で素子の矢印で示したエッ
ジ部分に熱応力が発生しやすく急速昇温によってセンサ
素子が破壊しやすく、信頼性の点で欠けるという問題が
あった。

【００１１】従って、本発明は、発熱体を一体的に具備
してなるともに、急速昇温などの熱衝撃性に対しても優
れた耐久性を具備する空燃比センサ素子を提供すること
を目的とするものである。

【００１２】

【課題を解決するための手段】本発明者は、上記の問題
について検討した結果、酸素イオン伝導性を有するセラ
ミック固体電解質からなる円筒管の外面に所定の空間を
介して固体電解質層を設け、前記円筒管の内面および外
面の互いに対向する位置に一対の電極を形成し、且つ前
記空間の周囲に素子を加熱するための発熱体を埋設した
円筒形状の構造を採用することにより、従来の素子では
得られない急速昇温などの熱衝撃性に優れたヒータ一体
型空燃比センサ素子が提供できることを見出し本発明に
至った。

【００１３】即ち、本発明の空燃比センサ素子は、酸素
イオン伝導性を有する固体電解質からなり一端が封止さ
れた円筒管と、該円筒管の内面および外面の互いに対向
する位置に形成された内側電極と外側電極からなる一対
の電極と、前記円筒管の外側表面に形成され、前記外側
電極の一部または全部が露出するような空間部を具備し
且つ該空間部の周囲に発熱体を埋設してなるセラミック
層と、前記空間部を閉塞するように設けられた酸素イオ
ン伝導性を有する固体電解質層と、閉塞された空間部内
に被測定ガスを取り込むための拡散孔、とを具備するこ
とを特徴とするものである。

【００１４】なお、上記の酸素センサ素子によれば、前
記拡散孔は、前記固体電解質層または前記セラミック層
に形成することが望ましい。

【００１５】さらに、前記セラミック層および前記固体
電解質層は、前記円筒管の表面の一部に巻き付け形成さ
れていることが望ましい。

【００１６】また、発熱体は、非酸素イオン伝導性のセ
ラミック層中に埋設されてなり、空間部の側壁は、該空
間部を閉塞する固体電解質層と実質的に同質のセラミッ
ク材料からなるセラミック層に形成されてなることが空
間部を閉塞する固体電解質層の強度を高める上で望まし
い。

【００１７】本発明の空燃比センサ素子は、酸素イオン
伝導性を有するセラミック固体電解質からなり一端が封
止された円筒管の外側に空間を介して固体電解質層を設
け、前記円筒管の内面および外面の対向する位置に一対
の電極対を形成すると同時に、空間を介して固体電解質
層が形成され、且つ前記空間や電極対の周囲に素子を加
熱するための発熱体を埋設した素子構造からなる。

【００１８】そのため、本発明の空燃比センサ素子は、
センサ素子全体が円筒型を有しているために、熱応力が
素子全体に渡り均等に分散されるため、熱応力の集中が
防止され、平板型素子では得られない優れた熱衝撃性が
得られる。

【００１９】また、本発明の空燃比センサ素子によれ
ば、空間部や電極対の周囲のセラミック層内に発熱体を
埋設したことによって、固体電解質からなる円筒管の外
面の空間部付近に形成した電極対を効率的に加熱するこ
とができる結果、急速昇温を行うことができ、センサの
活性化時間、即ち、所定の温度までの到達時間を短縮す
ることができる。

【００２０】なお、本発明の空燃比センサ素子は、後述
するように、製造にあたって、固体電解質からなる円筒
管を具備するセンサ素体の表面に、発熱体を埋設した前
記セラミック層や前記固体電解質層を巻き付けて、同時
焼成して作製することができるために、従来のように、
センサ素子とヒータ素子とをそれぞれ個別に作製し、円
筒状の酸素センサ素子中にセラミックヒータを挿入して
使用する従来の酸素センサ素子に比べて、組み立て工程
が少なく、製造コストが極めて安価になり、経済性の観
点からも優れている。

【００２１】

【発明の実施の形態】以下、本発明の空燃比センサ素子
の一例の概略斜視図を示す図１、図１におけるＸ１−Ｘ
１縦断面図である図２、図１におけるＸ２−Ｘ２横断面
図である図３をもとに説明する。

【００２２】図１乃至図３の空燃比センサ素子１によれ
ば、酸素イオン伝導性を有するセラミック固体電解質か
らなり一端が封止された、言い換えれば縦断面がＵ字状
の円筒管２には、センサ素子を構成するための一対の内
側電極３と外側電極４からなる電極対が形成されてい
る。具体的には、円筒管２の内面に、空気などに接触さ
れる内側電極３と、またそれと対向する外面には排気ガ
スなどの被測定ガスと接触する外側電極４が形成され
て、ポンピングセルが形成されている。

【００２３】また、円筒管２の外側表面には、電極４の
一部または全部が露出するような空間部５が形成されて
おり、且つその空間部５の周囲に発熱体６が埋設された
セラミック層７が設けられている。

【００２４】そして、この空間部５の上面には、この空
間部５を閉塞するように、酸素イオン伝導性を有する固
体電解質層８が形成されており、さらにこの固体電解質
層８には、被測定ガスとなる排気ガスを取りこむための
小さな拡散孔１１が形成されている。

【００２５】また、セラミック層７中に配設された発熱
体６は、リード電極１２を経由して端子電極１３と接続
されており、これらを通じて発熱体６に電流を流すこと
により発熱体６が加熱され、内側電極３および外側電極
４を具備する固体電解質からなる円筒管を加熱する仕組
みとなっている。

【００２６】本発明の上記センサ素子においては、上記
の拡散孔１１を通して、所定量の排気ガスが固体電解質
層８によって形成された空間部５内に導入され、さらに
排気ガス中の酸素ガスは酸素イオンとしてポンピングセ
ル中を拡散した後、円筒管２の内部に酸素ガスとして放
出される仕組みになっている。この際、前述の固体電解
質層８は、ポンピングセル表面に小さな空間を形成する
ことによって、空間部５内の酸素ガス濃度を均一にする
ことによりポンピングセル中での酸素イオンの流れを均
一にする作用を有するとともに、上記の発熱体６を埋設
したセラミック層７との熱膨張係数の差に起因する内部
応力を緩和する機能を有している。

【００２７】本発明の空燃比センサ素子の全体の大きさ
としては、外径を３〜６ｍｍ、特に３〜４ｍｍに、また
内径は少なくとも０．５ｍｍ以上、好ましくは１ｍｍ以
上とすることにより、素子の消費電力を低減するととも
に、センシング性能を高めることができる。

【００２８】また、本発明においてはセンサ素子の熱衝
撃性を改善する目的で、素子の周囲に５０〜６００μｍ
の多孔質体を被覆することも出来る。（固体電解質）本発明において用いられるセラミック固
体電解質は、ＺｒＯ₂を含有するセラミックスからな
り、安定化剤として、Ｙ₂Ｏ₃およびＹｂ₂Ｏ₃、Ｓｃ
₂Ｏ₃、Ｓｍ₂Ｏ₃、Ｎｄ₂Ｏ₃、Ｄｙ₂Ｏ₃等の希土類酸化物
を酸化物換算で１〜３０モル％、好ましくは３〜１５モ
ル％含有する部分安定化ＺｒＯ₂あるいは安定化ＺｒＯ₂
が用いられている。

【００２９】また、ＺｒＯ₂中のＺｒを１〜２０原子％
をＣｅで置換したＺｒＯ₂を用いることにより、電子伝
導性が大きくなり、応答性がさらに改善されるといった
効果がある。

【００３０】さらに、焼結性を改善する目的で、上記Ｚ
ｒＯ₂に対して、Ａｌ₂Ｏ₃やＳｉＯ₂を添加含有させるこ
とができるが、多量に含有させると、高温におけるクリ
ープ特性が悪くなることから、Ａｌ₂Ｏ₃およびＳｉＯ₂
の添加量は総量で５重量％以下、特に２重量％以下であ
ることが望ましい。（セラミック層）一方、発熱体６を埋設するセラミック
層７としては、アルミナ、スピネル、フォルステライ
ト、ジルコニア、ガラスの群から選ばれる少なくとも１
種の絶縁性セラミック材料が好適に用いられる。さら
に、セラミック層７をガラスによって形成する場合に
は、耐熱性の観点から、ＢａＯ、ＰｂＯ、ＳｒＯ、Ｃａ
Ｏ、ＣｄＯのうちの少なくとも１種を５重量％以上含有
するガラスであり、特に結晶化ガラスであることが望ま
しい。

【００３１】また、このセラミック層７は、相対密度が
８０％以上、開気孔率が５％以下の緻密質なセラミック
スによって構成されていることが望ましい。これは、セ
ラミック層７が緻密質であることにより絶縁層の強度が
高くなる結果、酸素センサ素子自体の機械的な強度を高
めることができるためである。

【００３２】さらに、このセラミック層７は、後述する
図７のように、上記のセラミック材料のうち少なくとも
２種のセラミック材料の組み合わせて多層構造によって
形成することもできる。（発熱体）また、上記セラミック層７の内部に埋設され
る発熱体６としては、白金、ロジウム、パラジウム、ル
テニウムの群から選ばれる１種の金属、または２種以上
の合金からなることが望ましく、特に、セラミック層７
との同時焼結性の点で、そのセラミック層７の焼成温度
よりも融点の高い金属または合金を選択することが望ま
しい。

【００３３】また、発熱体６中には上記の金属の他に焼
結防止と絶縁層との接着力を高める観点からアルミナ、
スピネル、アルミナ／シリカの化合物、フォルステライ
トあるいは上述の電解質となり得るジルコニア等を体積
比率で１０〜８０％、特に３０〜５０％の範囲で混合す
ることが望ましい。（固体電解質層）空間部５を閉塞する固体電解質層８
は、円筒管２と同様の固体電解質によって構成される。
特に、この固体電解質層８は、円筒管２を構成する固体
電解質と同一の材質からなることが望ましい。

【００３４】また、セラミック層７の外表面に形成され
た固体電解質層８は、発熱体６からの熱の放散を防止す
る役目を有する。また、セラミック層７の上下面に同様
の固体電解質が形成されることになる結果、固体電解質
からなる円筒管２とセラミック層７間の熱膨張差や焼成
収縮差等に起因する応力を緩和させ、熱応力をできる限
り小さくする作用もなす。

【００３５】なお、発熱体６は、円筒管２や空間部５上
部の固体電解質層８に対して直接接することなく、セラ
ミック層７内に埋設されていることが必要であって、発
熱体６と円筒管２および固体電解質層８との間のセラミ
ック層７の厚みは少なくとも２μｍ以上、好ましくは５
μｍ以上であることが望ましい。（空間部）空間部５の形状としては、特に限定するもの
ではないが、円筒管２の外面に形成する上で、円筒管２
の長手方向の長さが長い長方形状あるいは楕円形状であ
ることが好ましいが、円形であってもかまわない。空間
部５が長方形状の場合は、その隅部は緩やかな曲面によ
って形成することによって空間部５の隅部への熱応力の
集中を緩和することができる。（拡散孔）図１乃至図３の空燃比センサ素子において、
空間部５の上部に形成した固体電解質層８に形成した拡
散孔１１は、直径が１００〜５００μｍであることが望
ましく、この拡散孔１１は、１個または２個以上形成し
てもよい。

【００３６】なお、この図１乃至図３の空燃比センサ素
子においては、拡散孔１１を固体電解質層８に形成した
が、この拡散孔１１は、空間部５内に被測定ガスを導入
できるものであれば、その形成場所は問わない。例え
ば、図４に示すように、拡散孔１１をセラミック層７に
対して、円筒管２の長手方向に拡散孔１１を形成して、
空燃比センサ素子１の先端部付近から拡散孔１１を経由
して空間部５内に被測定ガスを導入することができる。

【００３７】また、他の形態として、図５に示すよう
に、空間部５から先端側にガス透過性を有する多孔質体
１４を形成し、この多孔質体１４内の気孔を拡散孔１１
として空間部５に被測定ガスを導入することができる。（電極）本発明の空燃比センサ素子１における内側電
極３、外側電極４は、いずれも白金、ロジウム、パラジ
ウム、ルテニウムおよび金の群から選ばれる１種、また
は２種以上の合金、特に白金が好適に用いられる。

【００３８】また、センサ動作時の電極中の金属の粒成
長を防止する目的と、応答性に係わる金属粒子と固体電
解質とガスとの、いわゆる３相界面の接点を増大する目
的で、上述の円筒管２または固体電解質層８を構成する
固体電解質成分を１〜５０体積％、特に１０〜３０体積
％の割合で上記電極中に混合することが望ましい。（電極保護層）外側電極４を保護するために、図６に示
すように、拡散孔１１の直下に、円柱体からなる多孔質
体１６を配置して、拡散孔１１を通過した排気ガスが直
接、外側電極４に触れないようにする必要がある。ま
た、この多孔質体１６は、空間部５へのガスの拡散を制
御するために用いることも可能である。

【００３９】さらには、この空間部５内には、上記の外
側電極４を保護する役目と、空間部５の強度を高めるた
めに、空間部５内部全体に多孔質体を充填することも可
能である。

【００４０】また、上記図１乃至図６では、発熱体６を
埋設するセラミック層７を単層構造によって形成した
が、このセラミック層７の開口部を塞ぐように形成され
る固体電解質層８とセラミック層７との接合部では熱膨
張差などに起因して応力が発生しやすく、また固体電解
質層８が非常に薄いために固体電解質層８が破損しやす
い。

【００４１】そこで、図７の（ａ）概略縦断面図と
（ｂ）横断面図に示すように、発熱体６を埋設する部分
をアルミナ、スピネル、フォルステライト、ガラスなど
の非酸素イオン伝導性のセラミック層７ａによって形成
し、さらに開口部５を形成するとともにその開口面に固
体電解質層８が形成される部分をジルコニアなどの固体
電解質層８と実質的に同質材料からなるセラミック層７
ｂによって形成することが望ましい。

【００４２】また、さらに他の構造としては、図８の
（ａ）概略縦断面図、（ｂ）概略横断面図に示すよう
に、３層構造として、発熱体６を埋設するセラミック層
７ａと、ジルコニアなどの固体電解質層８と実質的に同
質材料からなるセラミック層７ｂ、７ｃによって形成す
ることも可能である。（製造方法）次に、本発明の空燃比センサ素子の製造方
法について、図１乃至図３の空燃比センサ素子の製造方
法を例にして、図９乃至図１５をもとに説明する。

【００４３】まず円筒管２を形成するために、一端が封
止された中空の円筒管素体２０を作製する。この円筒管
素体２０は、ジルコニア等の酸素イオン伝導性を有する
セラミック固体電解質粉末に対して、適宜、成形用有機
バインダーを添加して押出成形や、静水圧成形（ラバー
プレス）あるいはプレス形成などの周知の方法により作
製される（図９（ａ））。

【００４４】そして、上記固体電解質からなる円筒管素
体２０の内面および外面に、電極対として内側電極３お
よび外側電極４となる電極パターン２１、２２を例え
ば、白金を含有する導電性ペーストを用いてスラリーデ
ッィプ法、あるいはスクリーン印刷、パット印刷、ロー
ル転写で形成して、センサ素体Ａを作製する（図９
（ｂ））。この時、円筒管素体２０内面への電極２２の
印刷は、円筒管素体２０内部に導体ペーストを充填して
排出して内面全面に塗布形成することが効率がよい。

【００４５】次に、固体電解質を形成するセラミック粉
末に成形用有機バインダーを添加したスラリーをドクタ
ーブレード法、押出し成形法、金型プレス法などによ
り、５０〜５００μｍ、特に１００〜３００μｍの厚さ
の固体電解質層８を形成するためのグリーンシート２３
を作製する（図１０（ａ））。

【００４６】そして、上記グリーンシート２３の表面に
発熱体６を内蔵するセラミック層７を形成するために、
非酸素イオン伝導性セラミック粉末に、成形用有機バイ
ンダーを添加して絶縁体スラリーを調製し、このスラリ
ーを空間部形成部を除くグリーンシート２３の片面にス
クリーン印刷等でセラミック層２６を塗布する（図１０
（ｂ））。その後、セラミック層２６表面に白金粉末を
含む導電性ペーストを印刷してリード部を含む発熱体パ
ターン２７を形成する（図１０（ｃ））。そして、再
度、上記絶縁体スラリーを塗布してセラミック層２８形
成して、セラミック層２６、２８中に発熱体パターン２
７を埋設させる（図１０（ｄ））。また、同時に、グリ
ーンシート２３に、拡散孔１１となる貫通孔２９を穿孔
する。このようにして、図１１の概略斜視図に示すよう
なヒータ素体Ｂを作製する。

【００４７】次に、図１２に示すように、上記円筒状の
センサ素体Ａの表面に、ヒータ素体Ｂを巻き付けて円筒
状積層体を作製する。この際、ヒータ素体Ｂをセンサ素
体Ａに巻き付けるには、ヒータ素体Ｂとセンサ素体Ａと
の間にアクリル樹脂や有機溶媒などの接着剤を介在させ
て接着させたり、あるいはローラ等で圧力を加えながら
機械的に接着することができる。

【００４８】この巻き付け処理において、ヒータ素体Ｂ
の合わせ目は、ヒータ素体Ｂの両端部が重なることな
く、図３に示すように所定の間隔が開いていることが望
ましく、特にこの円筒管２における巻き付けられていな
い領域３０の横断面における中心角θが５〜５０度、特
に１０〜２５度であることが望ましい。これは上記中心
角が５度より小さいと、ヒータ素体Ｂの大きさおよびセ
ンサ素体Ａの製造ばらつきによってヒータ素体Ｂの端面
が一部重なり合う場合が発生しやすくなり、素子の歩留
まりが悪い。また、中心角が５０度を越えると、焼成時
に素子が楕円形に変形しやすくなり、熱衝撃性が低下す
るおそれがある。

【００４９】そして、上記の円筒状積層体をセンサ素体
Ａを構成する固体電解質からなる円筒管素体２０および
ヒータ素体Ｂにおけるセラミック層２６、２８および固
体電解質のグリーンシート２３、並びに各電極が同時に
焼成可能な温度で焼成することにより、センサ素体Ａと
センサ素体Ｂとを一体化することができる。

【００５０】例えば、固体電解質としてジルコニア、発
熱体６を埋設するセラミック層としてアルミナを用いた
場合には、アルゴンガス等の不活性雰囲気中あるいは大
気中で１３００〜１７００℃で１〜１０時間程度焼成す
ることによりヒータ素体Ａとセンサ素体Ｂとを同時焼成
することができる。

【００５１】なお、拡散孔１１の形成は、上記の製造工
程においては、図１０（ｄ）に示したように、巻き付け
処理前のヒータ素体Ｂのグリーンシート２３に形成した
が、その他、焼成後の固体電解質層にマイクロドリル等
を用いて孔を開けてもよいが、作業性および歩留まりの
観点からは前者が望ましい。また、図４のように、拡散
孔１１をセラミック層７に対して円筒管２の長手方向に
形成するには、上記図１０のセラミック層２６、２８に
長手方向に拡散孔１１となる溝を形成すればよい。

【００５２】さらに、図５のように多孔質体１４によっ
て拡散孔１１を形成する場合には、前記図７のセラミッ
ク層７ａ、７ｂを積層形成する過程で、先端側に、焼成
後、１０〜４０％の気孔率を有する多孔質体を形成する
ようなアルミナ、スピネル、フォルステライト、ジルコ
ニア、ガラス等のセラミック粉末を塗布すればよい。（素子の他の製造方法）また、本発明の空燃比センサ素
子の他の製造方法として、図１３に示すように、前記ヒ
ータ素体Ｂを作製するにあたって、セラミック層７を形
成するためにセラミック粉末を用いて２枚のグリーンシ
ート３１、３２を作製し、グリーンシート３２の表面に
白金などのペーストを印刷して発熱体パターン３３を形
成した後、前述のグリーンシート２３にグリーンシート
３１、３２を積層圧着してヒータ素体Ｂを作製する。そ
して、前記製造方法と同様にしてセンサ素体Ａに巻き付
け処理し、焼成することによっても作製することができ
る。

【００５３】また、さらに他の製造方法として、図１４
に示すように、固体電解質粉末を用いて作製されたグリ
ーンシート３６に、図１０（ｄ）のヒータ素体Ｂを積層
して積層体Ｂ’を作製する。一方、図９（ｂ）のセンサ
素体Ａにおいて、電極パターン２２を形成していない、
電極パターン２１のみを形成したセンサ素体Ａ’を作製
し、センサ素体Ａ’の表面に積層体Ｂ’のグリーンシー
ト３６の測定電極パターン３５を形成していない側とセ
ンサ素体Ａ’の外表面が接触するように巻き付け処理し
て、同時焼成することも可能である。

【００５４】また、さらに他の製造方法として、図７の
酸素センサを作製するには、図１５に示すように、非酸
素イオン伝導性のセラミック材料からなるグリーンシー
ト３７ａ、３７ｂ間にリードパターンを含む発熱体パタ
ーン３８を形成し、そのグリーンシート３７ａ、３７ｂ
に開口３９を形成し、開口３９内に固体電解質のセラミ
ック層４０を充填する。そして、セラミック層４０の表
面に電極パターン４１と適宜、拡散律速層４２を形成す
る。さらに、その上に開口４３を有する固体電解質から
なるグリーンシート４４を積層し、さらに拡散孔４５を
形成した固体電解質グリーンシート４６をグリーンシー
ト４４の開口４３を閉塞するように積層し一体化して積
層体を形成する。

【００５５】その後、この積層体を図１４で説明したの
と同様に、測定電極を有しないセンサ素体Ａ’の表面
に、上記のようにして作製した積層体のグリーンシート
３７側をセンサ素体Ａ’の表面に巻き付け処理して、同
時焼成することによって形成することができる。また、
開口３９内に固体電解質のセラミック層４０を充填する
際に、開口３９のみならず、グリーンシート３７ａ、３
７ｂの表面まで被覆すれば、図８のような構造の酸素セ
ンサが得られる。

【００５６】

【実施例】（実施例１）市販のアルミナ粉末と、５モル
％Ｙ₂Ｏ₃含有のジルコニア粉末と、白金粉末をそれぞれ
準備した。

【００５７】まず、５モル％Ｙ₂Ｏ₃含有のジルコニア粉
末にポリビニルアルコール溶液を添加して坏土を作製
し、押出成形により焼結後、外径が約４ｍｍ、内径が１
ｍｍになるように一端が封じた円筒管素体を作製し、そ
の外表面に、外側電極として白金ペーストからなる長方
形状の電極パターンおよびリードパターンを印刷塗布す
るとともに、成形体の内部全面にも白金ペーストを塗布
して内側電極を形成してセンサ素体Ａを作製した。な
お、内側電極および外側電極の厚みは焼成後にそれぞれ
約１０μｍとなるように調整した。

【００５８】また、５モル％Ｙ₂Ｏ₃含有のジルコニア粉
末にアクリル系バインダーとトルエン溶液を加えてスラ
リーを作製し、ドクターブレード法により厚みが約２０
０μｍのジルコニアグリーンシートを作製した。このジ
ルコニアグリーンシートを用い開口部を形成する部分の
中心に、マイクロドリルにより焼成後の直径が０．３ｍ
ｍになるように拡散孔を形成した。

【００５９】その後、このジルコニアグリーンシートの
開口部を形成する部分以外の領域に、アルミナ粉末を含
むスラリーをスクリーン印刷で焼成後に約１０μｍの厚
みになるように塗布後、そのアルミナ層の表面に白金ペ
ーストを用いて発熱体パターンを焼成後に１０μｍの厚
みになるように印刷形成し、再度、その上にアルミナス
ラリーを塗布して、アルミナ層内に発熱体パターンを埋
設して、ヒータ素体Ｂを作製した。

【００６０】そして、上記センサ素体Ａの表面に、上記
ヒータ素体Ｂを巻き付けて円筒状積層体を作製した。な
お、巻き付けにあたって接着剤としてアクリル系バイン
ダを用いた。

【００６１】その後、この円筒状積層体を１５００℃、
大気中で２時間焼成して、図１に示す本発明の空燃比セ
ンサ素子を完成させた。この際、最終的に作製したセン
サ素子における円筒管における巻き付けられていない領
域の円筒管の横断面における中心角は２０度とした。

【００６２】作製した空燃比センサ素子の評価は、室温
から１０００℃まで２０秒で昇温し、１０００℃から室
温まで空冷するという温度サイクルを１サイクルとし、
これを２０万回繰り返し素子が破損する確率を求めた。
この際、比較のため図１７に示すような市販のヒータが
一体化した平板型の素子についても同様な試験を行っ
た。また、用いた素子の数量はそれぞれ５０個とした。

【００６３】その結果、本発明の空燃比センサ素子の破
損率は１８％であったのに対して、市販の平板型素子で
は破損率が９２％と極めて高かった。これより、本発明
の円筒状の素子の耐熱衝撃性が優れたものであることが
理解される。（実施例２）実施例１の本発明の空燃比センサ素子を用
い、７００℃において電極間に０．３Ｖ印加した時の空
燃比に対するポンピング電流を測定しその関係を図１６
に示す。この図１６より、空燃比が１０から６０の範囲
においてポンピング電流と空燃比が単一の曲線で表わさ
れることがわかる。これにより本発明の空燃比センサは
広範囲の燃焼領域においても空気と燃料の比率を検出す
る充分な機能を有することが分かる。

【００６４】

【発明の効果】以上詳述した通り、本発明の空燃比セン
サ素子によれば、従来の素子では得られない急速昇温な
どの熱衝撃性に優れた空燃比センサ素子が提供でき、ま
た、その結果、センサ活性化時間を短縮することもでき
る。しかも、本発明のセンサ素子は発熱体を内蔵するセ
ラミック層とを同時焼成して作製できるため、製造コス
トが極めて安価になり、経済性の観点からも優れてい
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の空燃比センサ素子の一例を説明するた
めの概略斜視図である。

【図２】図１の空燃比センサ素子におけるＸ１−Ｘ１縦
断面図である。

【図３】図１の空燃比センサ素子におけるＸ２−Ｘ２横
断面図である。

【図４】本発明の空燃比センサ素子の他の例を説明する
ための概略縦断面図である。

【図５】本発明の空燃比センサ素子のさらに他の例を説
明するための概略縦断面図である。

【図６】本発明の空燃比センサ素子のさらに他の例を説
明するための概略縦断面図である。

【図７】本発明の空燃比センサ素子のさらに他の例を説
明するための（ａ）概略縦断面図と（ｂ）検知部の横断
面図である。

【図８】本発明の空燃比センサ素子のさらに他の例を説
明するための（ａ）概略縦断面図と（ｂ）検知部の横断
面図である。

【図９】本発明の空燃比センサ素子の製造方法を説明す
るための図であって、センサ素体を作製する工程を示す
図である。

【図１０】本発明の空燃比センサ素子の製造方法を説明
するための図であって、ヒータ素体を作製する工程を示
す図である。

【図１１】図８によって作製されたヒータ素体Ｂの概略
斜視図である。

【図１２】ヒータ素体Ｂをセンサ素体Ａに巻き付ける工
程を示す図である。

【図１３】本発明の空燃比センサ素子の他の製造方法を
説明するための図であって、ヒータ素体Ｂを作製する工
程を示す図である。

【図１４】本発明の空燃比センサ素子の他の製造方法を
説明するための図であって、ヒータ素体Ｂを作製する工
程を示す図である。

【図１５】本発明の空燃比センサ素子の他の製造方法を
説明するための図であって、ヒータ素体Ｂを作製する工
程を示す図である。

【図１６】実施例２の空燃比センサ素子における空燃比
に対するポンピング電流の関係を示す図である。

【図１７】従来の平板型空燃比センサ素子を説明するた
めの概略断面図である。

【符号の説明】

１空燃比センサ素子２円筒管３内側電極４外側電極５空間部６発熱体７セラミック層８固体電解質層１１拡散孔

フロントページの続き (51)Int.Cl.⁷ 識別記号ＦＩテーマコート゛(参考）Ｇ０１Ｎ 27/46 ３２５Ｈ

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】酸素イオン伝導性を有する固体電解質から
なり一端が封止された円筒管と、該円筒管の内面および
外面の互いに対向する位置に形成された内側電極と外側
電極からなる一対の電極と、前記円筒管の外側表面に形
成され、前記外側電極の一部または全部が露出するよう
な空間部を具備し且つ該空間部の周囲に発熱体を埋設し
てなるセラミック層と、前記空間部を閉塞するように設
けられた酸素イオン伝導性を有する固体電解質層と、閉
塞された空間部内に被測定ガスを取り込むための拡散
孔、とを具備することを特徴とする空燃比センサ素子。
【請求項２】前記拡散孔が、前記固体電解質層に形成さ
れてなる請求項１記載の空燃比センサ素子。
【請求項３】前記拡散孔が、前記セラミック層に形成さ
れてなる請求項１または請求項２記載の空燃比センサ素
子。
【請求項４】前記セラミック層、または前記固体電解質
層が、前記円筒管に巻き付け形成されてなることを特徴
とする請求項１乃至請求項３のいずれか記載の空燃比セ
ンサ素子。
【請求項５】前記発熱体が、非酸素イオン伝導性のセラ
ミック層中に埋設されてなる請求項１乃至請求項４のい
ずれか記載の空燃比センサ素子。
【請求項６】前記空間部の側壁が、該空間部を閉塞する
固体電解質層と実質的に同質のセラミック材料からなる
セラミック層に形成されてなることを特徴とする請求項
１乃至請求項５のいずれか記載の空燃比センサ素子。