JP2003075397A - 酸素センサ - Google Patents
酸素センサInfo
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Abstract
差による破壊を抑制できるとともに、センサ素子基板と
ヒータ素子基板の組み立てが容易な酸素センサを提供す
る。 【解決手段】固体電解質からなり酸素濃度検出部を有す
るセンサ素子基板31と、酸素濃度検出部を加熱する発
熱部43及びそのリード部44を有するヒータ素子基板
32とが積層固定された酸素センサにおいて、センサ素
子基板31に形成された凸部47に、ヒータ素子基板3
2に形成された凹部49を係合させた。
Description
関における空気と燃料の比率を制御するための酸素セン
サに関するものであり、具体的にはセンサ素子基板とヒ
ータ素子基板とが積層固定された酸素センサに関する。
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。
として、従来、図5に示すように酸素イオン導電性を有
するジルコニアを主分とする固体電解質1に白金電極3
を形成し、固体電解質1内部にPt等の発熱体5を埋設
した薄いセラミック絶縁層6からなるヒータ9を一体化
した酸素センサが知られている。
性を有するジルコニアを主分とする固体電解質の対向面
に白金電極12が形成されたセンサ素子基板11と、発
熱部15を有するアルミナからなるヒータ素子基板17
とが、多孔質セラミック層19を介して接合された酸素
センサが知られている。このような酸素センサにおいて
は発熱部15による熱が多孔質セラミック層19を伝わ
りセンサ素子基板11が過熱される仕組みとなってい
る。
子基板11とヒータ素子基板17の隙間にセラミックの
グリーンシートを挿入するか、またはセラミックのペー
ストを充填した後、センサ素子基板11とヒータ素子基
板17と多孔質セラミック層19とを同時に焼成して作
製される。
ようなヒータを一体化した図5の酸素センサでは、セラ
ミック絶縁層6の絶縁性が低いため、漏れ電流の影響に
より検出精度が悪くなるという問題があった。
板17とを多孔質セラミック層19で接合した図6の酸
素センサでは、電気絶縁性は優れるものの、センサ素子
基板11を構成するジルコニアと、ヒータ素子基板17
を構成するアルミナとの熱膨張係数が大きく異なるた
め、使用時に温度サイクルを受けると破壊しやすいとい
う問題があった。
コニアと、ヒータ素子基板を構成するアルミナとの熱膨
張係数差による破損を抑制するため、特開平10−30
0717号公報には、ヒータ素子基板の発熱部が肉厚に
形成され、リード部が肉薄に形成されており、センサ素
子基板は、ヒータ素子基板の肉厚部分に対応する肉薄部
分と、ヒータ素子基板の肉薄部分に対応する肉厚部分と
を有しており、センサ素子基板とヒータ素子基板が一体
に積層されている酸素センサが開示されている。
板とヒータ素子基板とは接合されていないので、熱膨張
係数差による破損を防止することができるものの、酸素
センサをケースに組み込む際に、センサ素子基板とヒー
タ素子基板の位置がずれやすいという問題があった。
板の熱膨張係数差による破壊を抑制できるとともに、セ
ンサ素子基板とヒータ素子基板の組み立てが容易な酸素
センサを提供することを目的とする。
固体電解質からなり酸素濃度検出部を有するセンサ素子
基板と、前記酸素濃度検出部を加熱する発熱部及びその
リード部を内蔵するヒータ素子基板とが積層固定された
酸素センサにおいて、前記センサ素子基板に形成された
凹部又は凸部に、前記ヒータ素子基板に形成された凸部
又は凹部を係合せしめてなることを特徴とする。
に形成された凹部又は凸部に、ヒータ素子基板に形成さ
れた凸部又は凹部を係合させるため、センサ素子基板と
ヒータ素子基板の熱膨張係数差による破壊を抑制できる
とともに、センサ素子基板とヒータ素子基板の位置ずれ
がなく、センサ素子基板とヒータ素子基板の組み立てが
容易であり、例えば、ケース内に組み付ける場合にも、
センサ素子基板とヒータ素子基板を確実に位置決めした
状態でセットできる。
凹部を、リード部形成位置に形成することにより、最も
高温となる発熱部には凸部又は凹部が形成されないた
め、センサ素子基板とヒータ素子基板の熱膨張係数差に
よる影響をさらに低減でき、熱膨張差による破壊を抑制
できる。
ード部形成位置に凹部が形成され、この凹部に対応する
センサ素子基板の位置に凸部が形成されていることが望
ましい。このような酸素センサでは、ヒータ素子基板の
発熱部からの熱が、凹部により遮断され、ヒータ素子基
板の端部への無駄な熱伝達を抑制できる。
又は凹部は、前記ヒータ素子基板の端部に形成されてお
り、前記ヒータ素子基板の凸部又は凹部と、センサ素子
基板の凹部又は凸部とが接合していることが望ましい。
熱部からの熱伝達が小さいため、ヒータ素子基板端部の
凸部又は凹部と、センサ素子基板の凸部又は凹部との熱
膨張係数差は小さく、破損することがない。また、この
ようにヒータ素子基板とセンサ素子基板とが接合されて
いるため、取り扱いが容易になり、また、ケースへの組
み付けをさらに容易に行うことができる。
構造の一例を図1及び図2に示す。図1及び図2は、一
般的に理論空撚比センサ(λセンサ)と呼ばれるもの
で、この酸素センサは、センサ素子基板31とヒータ素
子基板32とから構成されている。
る酸素イオン導電性を有するセラミック固体電解質33
と、この固体電解質33の内外面の対向する表面に形成
された基準電極35、測定電極37とから構成されてい
る。この固体電解質33の対向する表面に基準電極3
5、測定電極37を形成した部分が酸素濃度検出部とさ
れている。
平板状の中空形状であり、この中空内部に、空気などの
基準ガスと接触する基準電極35が被着形成され、この
基準電極35と対向する固体電解質33の外面に、排気
ガスなどの被測定ガスと接触する測定電極37が形成さ
れている。
も多孔質の白金電極からなる。この場合、排気ガスによ
る電極の被毒を防止する観点から、測定電極37表面に
は電極保護層としてセラミック多孔質層39が形成され
ている。
サ素子基板31と同じ平板状を有しており、アルミナを
主成分とするセラミック絶縁体41中にW、Mo、Re
等からなる発熱部43と、この発熱部43に接続するリ
ード部44を埋設して構成されている。
良く加熱するために、ヒータ素子基板32のセンサ素子
基板31側の面と発熱部43との距離Lは200〜60
0μmであることが好ましい。Lが200μmより薄い
とヒータ素子基板32の耐熱性が悪くなる。また、Lが
600μmを超えるとヒータ素子基板32からセンサ素
子基板31への熱の伝達が悪くなり、その結果酸素セン
サのガス応答性が低下する傾向があるからである。発熱
体43からヒータ素子基板32表面までの距離Lとして
は、特に300〜400μmが望ましい。
タ素子基板32のそりとしては、熱伝達効率を高めるた
め0.2mm以下、特に0.1mm以下にすることが望
ましい。そりが0.2mmを超えると、センサ素子基板
31の温度が低下する傾向があり、温度分布が悪くなり
ガス応答性が低下する傾向がある。
強度と熱伝達の観点から0.6〜1.5mm、特に0.
8〜1.2mmが好ましい。また、ヒータ素子基板32
の厚みとしては0.7〜2mm、特に1〜1.5mmが
素子強度の観点から好ましい。ヒータ素子基板32が
0.7mmより薄くなると基板の強度が低くなり、2m
mを超えるとヒータ素子基板32およびそれに隣接する
センサ素子基板31を加熱するため大きな電気量が必要
になる。
に、センサ素子基板31のヒータ素子基板32側の面
に、底面が矩形状の凸部47が形成され、ヒータ素子基
板32のセンサ素子基板31側の面には、底面が矩形状
の凹部49が形成されており、センサ素子基板31の凸
部47がヒータ素子基板32の凹部49内に挿入され、
係合し、これにより、ヒータ素子基板32上にセンサ素
子基板31が積層固定されている。底面が矩形状の凸部
47と凹部49を形成したので、発熱部43の位置に酸
素濃度検出部を容易に位置決めできる。
子基板32の凹部49は、それぞれ一個ずつでも良い
が、2個以上形成することが位置決めという点から望ま
しい。また、凸部47の高さ(凹部49の深さ)は少な
くとも0.1mm以上、特に0.2mm以上あることが
固定の安定性から好ましい。
部44形成位置に形成されている。即ち、発熱部43は
ヒータ素子基板32の先端側から、ヒータ素子基板32
の長さLの1/3までに形成されるため、リード部44
形成位置は、ヒータ素子基板32の反対側の端面から長
さ2L/3の部分であり、この部分に凹部49が形成さ
れている。
ている方が望ましいが、特にヒータ素子基板32の温度
が500℃以下になる部分、さらには、図3に示すよう
にヒータ素子基板32の端部に形成されていることが望
ましい。この場合には、センサ素子基板31と、ヒータ
素子基板32の熱膨張差による影響が最小となるため、
センサ素子基板31の凸部47をヒータ素子基板32の
凹部49に接着剤等で接合することもできる。このよう
にセンサ素子基板31の凸部47をヒータ素子基板32
の凹部49に接着剤等で接合することにより、酸素セン
サの取り扱いが容易となるとともに、ケース内への組み
込みも容易に行うことができる。
て具体的に説明する。 (セラミック多孔質層)本発明の酸素センサによれば、
排気ガスと直接接する測定電極37表面には排気ガス中
の被毒物質から電極37を保護する役目と、もう一つは
空燃比センサ素子のように固体電解質で囲まれた空間内
へのガスの拡散量を制御する目的で厚さ10〜800μ
mで、気孔率が10〜50%のジルコニア、アルミナ、
γ−アルミナまたはスピネル等からなるセラミック多孔
質層39が設けられている。この多孔質層39の厚みが
10μmより薄いか、あるいは気孔率が50%を超える
と、電極被毒物質P、Si等が容易に測定電極37に達
して電極性能が低下する。それに対して、多孔質層39
の厚みが800μmを超えるか、あるいは気孔率が10
%より小さくなるとガスの多孔質層39中の拡散速度が
遅くなり、電極37のガス応答性が悪くなる。特に、多
孔質層39の厚みとしては気孔率にもよるが100〜5
00μmが優れる。
る基準電極35、測定電極37は、いずれも白金、ある
いは白金と、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種との合金が用いられる。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気体との、
いわゆる3相界面の接点を増大する目的で、上述のセラ
ミック固体電解質成分を1〜50体積%、特に10〜3
0体積%の割合で上記電極35、37中に混合してもよ
い。
も楕円形でもよい。また、電極35、37の厚みとして
は、3〜20μm、特に5〜10μmが好ましい。
た発熱部43は、耐熱性と製造コストの関係からW、M
o、Reの一種以上から構成されることが望ましい。発
熱部43の組成は、発熱容量と昇温速度により好適に選
択すればよい。この場合、発熱部43とリード部44の
抵抗比率は室温において、9:1〜7:3の範囲に制御
することが好ましい。発熱部43の構造としては、左右
で折り返す構造と長手方向で折り返す構造のいずれも用
いることが可能である。
縁体)ヒータ素子基板を構成するセラミック絶縁体41
としては、アルミナを主成分とし、焼結性を改善する目
的でMg、Ca、Siを総和で1〜10重量%添加含有
することが望ましいが、Na、K等はマイグレーション
してセラミック絶縁体41の電気絶縁性を悪くするため
0.1重量%以下に制御する必要がある。
のセンサ素子基板31を作製する方法について図2を用
いて詳述する。ジルコニアのグリーンシートを、ジルコ
ニア等の酸素イオン導電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
てドクターブレード法や、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
り作製する。
は、ジルコニア粉末に対して、安定化剤としてY2O3、
Yb2O3、Sc2O3、Sm2O3、Nd2O3、Dy2O3等
の希土類酸化物粉末を酸化物換算で1〜30モル%、好
ましくは3〜15モル%の割合で添加した混合粉末、あ
るいはジルコニアと上記安定化剤との共沈原料粉末が用
いられる。また、ZrO2中のZrをCeで1〜20原
子%置換したZrO2粉末、または共沈原料を用いるこ
ともできる。さらに、焼結性を改善する目的で、上記固
体電解質粉末に、Al2O3やSiO2を5重量%以下、
特に2重量%以下の割合で添加することも可能である。
ぞれ測定電極、基準電極、リード部となるパターンを、
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た後、図2では省略したが、排気ガ
スと直接接する測定電極37表面に、電極を保護するた
めジルコニア、アルミナ、γ−アルミナおよびスピネル
等からなるセラミック多孔質層39を、同様にスラリー
デッィプ法、あるいはスクリーン印刷、パット印刷、ロ
ール転写で形成する。
シートと、中空部を形成するグリーンシートと、最下層
のグリーンシートを、図2に従いアクリル樹脂や有機溶
媒などの接着剤をグリーンシート間に介在させるか、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
とによりセンサ素子基板の積層成形体を作製する。この
際、凸部を形成するにはシートを貼り付け、また凹部は
パンチなどによりグリーンシートに孔を設ける。
は不活性ガス雰囲気中、1300℃〜1500℃の温度
範囲で1〜10時間行う。この際、焼成時のセンサ素子
基板31のそりを抑制するため、錘として平滑なアルミ
ナ等の基板を積層成形体の上に置くことによりそり量を
低減することが出来る。 (ロ)ヒータ素子基板 次に、図2に示すヒータ素子基板32の作製法について
説明する。先ず、アルミナのグリーンシートを、アルミ
ナ粉末に、適宜、成形用有機バインダーを添加してドク
ターブレード法や、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
する。この際、アルミナ粉末としては、アルミナを主成
分として、焼結性を改善する目的でMg、Ca、Siを
総和で1〜10重量%添加した粉末が好適に用いられ
る。
Re等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
転写で発熱体パターン形成した後、アクリル樹脂や有機
溶媒などの接着剤を介在させてグリ−ンシートを接着さ
せるか、あるいはローラ等で圧力を加えながら機械的に
接着することによりヒータ素子基板の積層成形体を作製
する。この際、凸部を形成するにはグリーンシートを貼
り付け、また凹部はパンチなどによりグリーンシートに
孔を設ける。
防止する観点から水素等を含有するフォーミング等の還
元ガス雰囲気中、1400℃〜1600℃の温度範囲で
5〜10時間行う。この際、焼成時のヒータ素子基板の
そりを抑制するため、錘として平滑なアルミナ等の基板
を積層成形体の上に加重を加えるように置くことにより
そり量を低減することができる。
センサ素子基板31に形成された凸部47に、ヒータ素
子基板32に形成された凹部49を係合させるため、セ
ンサ素子基板31とヒータ素子基板32が、熱膨張係数
が異なるジルコニア、アルミナで形成されていたとして
も、熱膨張による破損を低減できる。また、センサ素子
基板31とヒータ素子基板32の組み立てが容易であ
り、例えば、ケース内に組み付ける場合にも、センサ素
子基板31とヒータ素子基板32を確実に位置決めで
き、位置ズレした状態でケース内にセットされることが
ない。
リード部形成位置に形成することにより、最も高温とな
る発熱部43には凹部49が形成されないため、センサ
素子基板31とヒータ素子基板32の熱膨張係数差によ
る影響を低減でき、熱膨張差による破壊を抑制できる。
さらに、凹部49により発熱部43による熱の伝達を抑
制することもできる。
板31に凸部47を、ヒータ素子基板32に凹部49を
形成したが、センサ素子基板に凹部を、ヒータ素子基板
に凸部を形成しても良い。
と凹部49を形成したが、底面が楕円形状、三角形状で
あっても、発熱部43の位置に酸素濃度検出部を容易に
位置決めできる。また、底面が円形状であっても凸部4
7と凹部49をそれぞれ2個以上形成することにより位
置決めを容易に行うことができる。
ない場合に、センサ素子基板31の凸部47をヒータ素
子基板32の凹部49に接着剤等で接合しても、従来の
ようなセンサ素子基板の底面にヒータ素子基板を接合す
る場合よりも熱膨張差の影響は受けにくい。
ンサの他の例を図4に示す。この酸素センサでは、セン
サ素子基板51が、ポンピングセル53とセンシングセ
ル55を有している。ポンピングセル53が、固体電解
質に排気ガスを取り込むための拡散孔57と呼ばれる小
さな孔が開けられており、その両面に一対の白金電極5
9を形成して構成され、センシングセル55は、固体電
解質の両面に白金電極61を形成して構成されている。
センサ素子基板51は、図1と同様のヒータ素子基板6
2上に配置されている。
サ素子基板51に凸部63が形成され、ヒータ素子基板
62に凹部64が形成され、これらの凸部63と凹部6
4が係合している。このような酸素センサでも、上記例
と同様の効果を得ることができる。
状のヒータ素子基板を別体で作製し、その後両者を固定
した酸素センサであって、センサ素子基板およびヒータ
素子基板の形状、寸法等が異なる場合においても、ま
た、酸素センサ素子はもちろん、他にNOxセンサ素子
やCOセンサ素子であっても平板状のセンサ素子基板と
平板状のヒータ素子基板に固定のための凸凹が設けられ
たものであれば本発明に含まれることは言うまでもな
い。
板に形成された凹部又は凸部に、ヒータ素子基板に形成
された凸部又は凹部を係合させるため、熱膨張差による
破壊を抑制できるとともに、センサ素子基板とヒータ素
子基板の組み立てが容易であり、例えば、ケース内に組
み付ける場合にも、センサ素子基板とヒータ素子基板を
確実に位置決めした状態でセットできる。また、ヒータ
素子基板の凸部又は凹部を、リード部形成位置に形成す
ることにより、最も高温となる発熱部に凸部又は凹部が
形成されないため、センサ素子基板とヒータ素子基板の
熱膨張係数差による影響をさらに低減でき、熱膨張差に
よる破壊をさらに抑制できる。
ンサの断面図である。
る。
面図である。
した酸素センサを示す断面図である。
Claims (4)
- 【請求項1】固体電解質からなり酸素濃度検出部を有す
るセンサ素子基板と、前記酸素濃度検出部を加熱する発
熱部及びそのリード部を内蔵するヒータ素子基板とが積
層固定された酸素センサにおいて、前記センサ素子基板
に形成された凹部又は凸部に、前記ヒータ素子基板に形
成された凸部又は凹部を係合せしめてなることを特徴と
する酸素センサ。 - 【請求項2】ヒータ素子基板の凸部又は凹部は、リード
部形成位置に形成されていることを特徴とする請求項1
記載の酸素センサ。 - 【請求項3】ヒータ素子基板のリード部形成位置に凹部
が形成されていることを特徴とする請求項2記載の酸素
センサ。 - 【請求項4】ヒータ素子基板の凸部又は凹部は、前記ヒ
ータ素子基板の端部に形成されており、前記ヒータ素子
基板の凸部又は凹部と、センサ素子基板の凹部又は凸部
とが接合していることを特徴とする請求項2又は3記載
の酸素センサ。
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