JP2003149196A

JP2003149196A - 酸素センサ

Info

Publication number: JP2003149196A
Application number: JP2001388429A
Authority: JP
Inventors: Masahide Akiyama; 雅英秋山
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 2001-08-30
Filing date: 2001-12-20
Publication date: 2003-05-21

Abstract

(57)【要約】【課題】ヒータ基板からセンサ基板に効率よく熱を伝達
して、センサ基板の温度の均一にすることにより、ガス
応答性の優れ、さらには所定の温度到達までの時間や活
性化までの時間を短縮した酸素センサを提供する。【解決手段】ジルコニア固体電解質基体３の少なくとも
内外面の対向する位置に一対の多孔質の基準電極４、測
定電極５を形成してなるセンサ形成部Ａを備えたセンサ
基板１と、発熱体８を内蔵するアルミナ絶縁体７からな
るヒータ基板２とを積層、固定してなる酸素センサにお
いて、測定電極５の長さをａ、発熱体８の長さをｂとし
た時、ｂ／ａが１．０５〜１．５を満足することを特徴
とし、さらに発熱体８からセンサ基板１が固定される側
のヒータ基板２表面までの距離Ｌを１００〜６００μ
ｍ、センサ基板１とヒータ基板２の反りをそれぞれ０．
２ｍｍ以下、センサ基板１とヒータ基板２との隙間Ｓを
０．５ｍｍ以下とする。

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酸素セン
サに関するものであり、具体的にはセンサ基板とヒータ
基板を固定し係結した酸素センサに関する。

【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】このような酸素濃度を検出する酸素センサ
として、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４１に白金電極４２を
形成し、固体電解質４１内部にＰｔ等の発熱体４３を埋
設した薄いセラミック絶縁層４４からなるヒータ４５を
一体化した酸素センサが提案されている。（特開平２−
２７６８５７号公報等）一方、図６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５１に白金電極５２が形成されたセンサ基板５３と、
発熱体５４を有するアルミナからなるヒータ基板５５と
をセラミック多孔質層５６を介して接合したものも提案
されている。このような酸素センサにおいては発熱体５
４による熱がセラミック多孔質層５６を伝わりセンサ基
板５３が加熱される仕組みとなっている。

【０００４】このセラミック多孔質層５６は、センサ基
板５３とヒータ基板５５の隙間にグリーンシートで挿入
するか、またはペーストを充填した後、センサ基板５３
とヒータ基板５５とセラミック多孔質層５６とを同時に
焼成して作製される。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上述の
ようなヒータを焼成一体化した図５の酸素センサでは、
セラミック絶縁層４４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。

【０００６】また、センサ基板５３とヒータ基板５５と
をセラミック多孔質層５６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、アルミナは熱伝導が
優れるため発熱体面積が小さくなり、その結果、センサ
基板５３に形成されたセンサ部の温度分布が不均一にな
りガス応答性が悪いという欠点があった。

【０００７】従って、本発明は、センサ基板とヒータ基
板とを積層、固定された酸素センサにおいて、ヒータ基
板からセンサ基板に効率よく熱を伝達して、センサ基板
の温度の均一にすることにより、ガス応答性の優れ、さ
らには所定の温度到達までの時間や活性化までの時間を
短縮した酸素センサを提供することを目的とする。

【０００８】

【課題を解決するための手段】本発明者は、上記問題に
ついて検討した結果、ジルコニア固体電解質基体の少な
くとも内外面の対向する位置に基準電極と測定電極を形
成してなるセンサ基板と、発熱体を内蔵するアルミナ絶
縁体からなるヒータ基板とを積層、固定してなる酸素セ
ンサにおいて、前記測定電極の長手方向の長さをａ、前
記発熱体の長手方向の長さをｂとした時、ｂ／ａ＝１．
０５〜１．５を満足することによって、基板同士の熱膨
張係数の差に起因する熱応力を回避し、さらにセンサ基
板の温度分布を均一にすることができることを見出し
た。

【０００９】また、前記測定電極の表面に、絶縁体によ
って閉塞された空間部を形成するとともに、該空間部に
排気ガスを導入するために前記絶縁体に小さな孔を形成
してなる酸素センサであってもよい。

【００１０】また、前記発熱体は、Ｗ、Ｍｏ、Ｒｅの少
なくとも１種の導体から形成することによって、該発熱
体をアルミナ絶縁体と同時焼成によって形成することが
できる。

【００１１】さらに、前記発熱体から前記センサ基板が
固定される側のヒータ基板表面までの距離を１００〜６
００μｍとすることによってヒータ基板の耐熱衝撃性を
高め、さらに前記ヒータ基板の少なくともセンサ基板に
接する側の角部に、０．２ｍｍ以上のＣ面、または半径
Ｒが０．１ｍｍ以上のＲ面を設けることによって熱衝撃
に対する耐久性を高めることができる。また、センサ基
板およびヒータ基板の反りを０．２ｍｍ以下とし、ま
た、前記センサ基板とヒータ基板とを０．５ｍｍ以下の
隙間をもって積層することによって、センサ部に対する
加熱効率を高めることができる。

【００１２】さらに、前記センサ基板と前記ヒータ基板
とを無機接着剤によって接着することによって、センサ
基板とヒータ基板との熱膨張差による破壊を防止しつ
つ、両者を固定することができる。

【００１３】

【発明の実施の形態】以下、本発明の酸素センサの基本
構造の一例を図１に示す。図１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、センサ基板１とヒータ基板２とから構成されてい
る。

【００１４】センサ基板１は、ジルコニアからなる酸素
イオン導電性を有するセラミック固体電解質基板３と、
この固体電解質基板３の対向する表面には、基準電極
４、測定電極５とが形成されており、酸素濃度を検知す
るセンサを形成している（以下、センサ形成部Ａとい
う）。

【００１５】即ち、固体電解質基板３は先端が封止され
た平板状の中空形状からなり、この中空部が大気導入孔
３ａを形成している。そして、この中空内壁に、空気な
どの基準ガスと接触する基準電極４が被着形成され、こ
の基準電極４と対向する固体電解質基板３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５が形成さ
れている。

【００１６】基準電極４および測定電極５はいずれも多
孔質の白金電極からなる。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５表面には電極保護層とし
てセラミック多孔質層６が形成されている。

【００１７】一方、ヒータ基板２は、上記のセンサ基板
１と同様に、平板形状を有しており、アルミナを主成分
とするセラミック絶縁体７中には、Ｗ、Ｍｏ、Ｒｅの群
から選ばれる少なくとも１種からなる発熱体８が埋設さ
れ、発熱体形成部Ｂを形成している。また、セラミック
絶縁体７内には、適宜、発熱体８に接続するリード部
（図示せず）が埋設、形成されている。

【００１８】本発明によれば、図１に示すように、セン
サ基板１におけるセンサ形成部Ａの長さ、言い換えれ
ば、測定電極５の長手方向の長さをａ、発熱体形成部
Ｂ、言い換えれば、発熱体８の長手方向の長さをｂとし
た時、ｂ／ａで表される比率を１．０５〜１．５とする
ことによって、センサ基板１のセンサ形成部Ａにおける
温度分布を均一にすることができる。

【００１９】つまり、この比率がｂ／ａが１．０５より
小さいと、センサ形成部Ａの温度が不均一になりガス応
答性が悪くなり、逆に、ｂ／ａが１．５を超えると、発
熱体８の電気容量が大きくなりセンサ形成部Ａの温度が
高くなり、さらにはセンサ基板１の強度劣化が大きく熱
衝撃により破壊しやすくなる。ｂ／ａの値としては１．
１〜１．３が特に好ましい。

【００２０】また、測定電極５および発熱体８の幅方向
に対しては、基板の端面の近傍であるために均熱性は比
較的保たれることから、特に限定するものではないが、
望ましくは、測定電極５の幅方向の長さａ’と発熱体の
幅方向の長さｂ’は、基本的に同じか、望ましくは、
ｂ’＞ａ’であることが同様な理由から望ましい。

【００２１】また、本発明においては、センサ形成部Ａ
を効率良く過熱するために、発熱体８からセンサ基板１
に接するヒータ基板２表面までの距離Ｌが１００〜６０
０μｍであることが好ましい。この距離Ｌが１００μｍ
より薄いとヒータ基板２の耐熱性、耐熱衝撃性が悪くな
り、また、距離Ｌが６００μｍを超えるとヒータ基板２
からセンサ形成部Ａ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８からヒータ基板２表面までの距離Ｌと
しては、特に３００〜４００μｍが望ましい。

【００２２】また、本発明の酸素センサにおいては、ヒ
ータ基板２からセンサ基板１に効率よく熱を伝達される
ことに伴い、ヒータ基板２を急速昇温することが可能と
なる。その結果、ヒータ基板２は高い熱衝撃性を有する
ことが望まれる。そのような熱衝撃性を高める方法とし
て、前記ヒータ基板２の少なくともセンサ基板１に接す
る側の角部が、０．２ｍｍ以上のＣ面、または半径Ｒが
０．１ｍｍ以上のＲ面を設けることが望ましい。Ｃ面ま
たはＲ面の大きさとしては、Ｃ面の場合０．４ｍｍ以
上、Ｒ面の場合０．２ｍｍ以上が特に望ましい。

【００２３】また、本発明のセンサ基板１とヒータ基板
２のそれぞれの反りは、熱伝達効率を高めるため０．２
ｍｍ以下、特に０．１ｍｍ以下にすることが望ましい。
また、センサ基板１とヒータ基板２の発熱体形成部Ｂお
よびセンサ形成部Ａにおける両基板の隙間Ｓが０．５ｍ
ｍ以下、特に０．１ｍｍ以下、さらには０．０７ｍｍ以
下の隙間をもって積層されていることが望ましい。

【００２４】上記の反りが０．２ｍｍを超えると、隙間
が０．５ｍｍよりも大きくなり、センサ基板１のヒータ
基板２の発熱体形成部Ｂによる加熱効率が低下し、セン
サ形成部Ａにおける温度分布が悪くなりガス応答性が低
下する傾向がある。

【００２５】また、センサ基板１の全体厚さｔ１として
は、素子強度と熱伝達の観点から０．６〜１．５ｍｍ、
特に０．８〜１．２ｍｍの大きさが好ましい。また、ヒ
ータ基板２の全体厚さｔ２としては０．７〜２ｍｍ、特
に１〜１．５ｍｍが強度の観点から好ましい。ヒータ基
板２の厚さｔ２が０．７ｍｍより薄くなると基板強度が
低くなり、２ｍｍを超えるとヒータ基板２およびそれに
隣接するセンサ基板１を加熱するため大きな電気量が必
要になるためである。

【００２６】また、本発明の酸素センサは、図２によう
な広域空燃比センサ（Ａ／Ｆセンサ）に対しても適用さ
れる。図２は、その代表的な構造を説明するための概略
断面図である。なお、図１の酸素センサと同じ機能を有
する部分には、同じ符号を付した。この図２の酸素セン
サによれば、図１のセンサ基板１の固体電解質基板３に
おける測定電極５の上面に、固体電解質基板１１によっ
て空間部１２が形成されており、この固体電解質基板１
１には排気ガスを取り込みための０．１〜０．５ｍｍの
大きさの拡散孔１３と呼ばれる小さな孔が開けられてお
り、その両面に一対の電極１４、１４が形成されてい
る。

【００２７】かかる酸素センサにおいては、固体電解質
基板３と測定電極５、基準電極４によってセンシングセ
ルが形成され、固体電解質基板１１と一対の電極１４、
１４によってポンピングセルが形成されている。かかる
構造の酸素センサによって、Ａ／Ｆセンサを形成してい
る。なお、上記空間部１２内には素子の強度を持たせる
ため多孔質のセラミックスを充填することもできる。

【００２８】かかる酸素センサにおいても、センシング
セルにおける測定電極５の長さをａ、発熱体８の長さを
ｂとした時、ｂ／ａの比率を１．０５〜１．５、特に
１．１〜１．３の比率とすることによって、上記と同様
の効果が発揮される。

【００２９】さらに、本発明の酸素センサにおいては、
他の例として、図２のＡ／Ｆセンサにおいて、電極１
４、１４を形成しない酸素センサにおいても同様に適用
することができる。（固体電解質）本発明の酸素センサにおいて用いられる
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、Ｓｍ ₂Ｏ₃、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。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、
イオン導電性が大きくなり、応答性がさらに改善される
といった効果がある。さらに、焼結性を改善する目的
で、上記ＺｒＯ₂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。（電極）固体電解質基板３や固体電解質基板１１の表面
に被着形成される基準電極４、測定電極５、さらには電
極１４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１０〜３０体積％の割合で上記電極
中に混合してもよい。また、電極形状としては、四角形
でも楕円形でもよい。また、電極の厚さは、３〜２０μ
ｍ、特に５〜１０μｍが好ましい。（アルミナ絶縁体）一方、発熱体８を埋設するアルミナ
絶縁体７としては、アルミナセラミックスからなる相対
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おり、焼結性を改善する目
的でＭｇ、Ｃａ、Ｓｉを総和で１〜１０重量％含有して
いてもよいが、Ｎａ、Ｋ等のアルカリ金属は、マイグレ
ーションしてヒータ基板２の電気絶縁性を悪くするため
酸化物換算で０．１重量％以下に制御することが望まし
い。また、相対密度を上記の範囲とすることによって、
基板強度が高くなる結果、酸素センサ自体の機械的な強
度を高めることができるためである。（セラミック多孔質層）また、測定電極５の表面に形成
されるセラミック多孔質層６は、厚さ１０〜８００μｍ
で、気孔率が１０〜５０％のジルコニア、アルミナ、γ
−アルミナおよびスピネルの群から選ばれる少なくとも
１種によって形成されていることが望ましい。この多孔
質層６の厚さが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等が容易に電
極に達して電極性能が低下する。それに対して、多孔質
層６の厚さが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６中の拡散速度
が遅くなり、電極のガス応答性が悪くなる。特に、多孔
質層６の厚さとしては気孔率にもよるが１００〜５００
μｍが適当である。（発熱体）ヒータ基板２に埋設された発熱体８は、耐熱
性と製造コストの関係からＷ、Ｍｏ、Ｒｅの群から選ば
れる少なくとも１種から構成されることが望ましい。発
熱体８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、発熱体８とリード部の抵抗比率
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。発熱体８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。

【００３０】なお、ヒータ基板２における発熱体８の発
熱パターンとしては、後述する図３に示されるように、
長手方向に伸び、長手方向の端部で折り返した構造のみ
ならず、図４に示すようなミアンダ構造であってもよ
い。（製造方法１）次に、本発明の酸素センサの製造方法に
ついて、図１の酸素センサの製造方法を例にして説明す
る。

【００３１】まず、センサ基板１の作製方法について説
明する。まず、ジルコニアのグリーンシート２０を作製
する。このグリーンシート２０は、ジルコニアの酸素イ
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され
る。

【００３２】次に、上記のグリーンシート２０の両面
に、それぞれ測定電極５および基準電極４となるパター
ン２１やリードパターン２２などを例えば、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、ロール転写で印刷形
成する。なお、この時に測定電極５となるパターンの表
面に、多孔質層６を形成するための多孔質スラリーを印
刷塗布形成してもよい。

【００３３】次に、上記パターン２１、２２を印刷した
グリーンシート２０に対して、大気導入孔２３を形成し
たグリーンシート２４、さらにグリーンシート２５をア
クリル樹脂や有機溶媒などの接着剤を介在させるか、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
とによりセンサ基板１の積層体を作製する。その後、こ
のセンサ基板１用の積層体を焼成する。この焼成は、大
気中また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
ンサ基板１の反りを抑制するため、錘として平滑なアル
ミナ等の基板を積層体の上に置くことにより反り量を低
減することができる。

【００３４】次に、ヒータ基板２の作製法について説明
する。アルミナ組成物に、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
方法によりアルミナグリーンシート２６、２７を作製す
る。そして、グリーンシート２７の表面に、Ｗ、Ｍｏ、
Ｒｅの群から選ばれる少なくとも１種を含有する導電性
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８のパター
ン２８や、リードパターン２９に印刷塗布した後、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ーン
シート２６、２７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基
板２の積層体を作製し、これを焼成する。

【００３５】ヒータ基板２の焼成は、発熱体８の酸化を
防止する観点から水素等と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、焼成時のヒータ基板２の反
りを抑制するため、錘として平滑なアルミナ等の基板を
積層体の上に加重を加えるように置くことにより反り量
を低減することができる。

【００３６】この後、別体で作製した上記センサ基板１
とヒータ基板２とを位置合わせして積層し、必要に応じ
てガラスなどの接着剤によって貼り合わたり、治具を用
いて単に積層した状態で固定することによって、図１の
酸素センサを作製することができる。（製造方法２）また図２の酸素センサを作製する場合に
は、図４に示すように、図３のパターン２１、２２が形
成されたグリーンシート２０の上面に、空間部１２を形
成したグリーンシート３０、拡散孔１３、および両面に
ポンピング電極１４用のパターン３１やリードパターン
３２が形成されたグリーンシート３３を積層して、グリ
ーンシート２４、２５とともに上記と同様な条件で焼成
することによってセンサ基板１を作製することができ
る。なお、排気ガスを導入するための拡散孔１３は、焼
成前の積層体を作製する時点で作製してもよいし、焼成
後に超音波加工やレーザ加工により形成してもよい。

【００３７】その後、図３の製造方法と同様に、上記の
別途作製されたヒータ基板２とを位置合わせして積層
し、必要に応じてガラスなどの接着剤によって貼り合わ
せたり、治具を用いて単に積層した状態で固定すること
によって、図２の酸素センサを作製することができる。

【００３８】

【実施例】実施例１図１に示すλセンサを図３に基づき、以下のようにして
作製した。まず、市販のＳｉ、Ｍｇ、Ｃａを５重量％含
むアルミナ粉末と、Ｓｉを０．１重量％含む５モル％Ｙ
₂Ｏ₃含有のジルコニア粉末と、８モル％のイットリアか
らなるジルコニア粉末を３０体積％含有する白金粉末
と、Ｗ粉末をそれぞれ準備した。

【００３９】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厚さが０．４ｍｍになるよう
なジルコニアのグリーンシート２０を作製した。その
後、グリーンシート２０の両面にジルコニア粉末を含有
する白金をスクリーン印刷して、測定電極５と基準電極
４のパターン２１、リードパターン２２を印刷形成した
後、大気導入孔２３を形成したグリーンシート２４、お
よびグリーンシート２５をアクリル樹脂の密着剤により
積層した。その後、この積層体を大気中１５００℃で１
時間焼成して、センサ基板１を作製した。

【００４０】なお、測定電極５と発熱体８の長手方向の
長さａ、ｂによるｂ／ａを表１のように設定した。ま
た、測定電極５と発熱体８の幅方向の長さａ’、ｂ’に
ついては、同一長さに設定した。また、長手方向の長さ
は基準電極４は、測定電極５と同じとした。なお、焼成
の際、積層体には重さの異なる平滑なアルミナ基板を乗
せて焼成した。基板の反りは表面粗さ計を用いて測定し
た。

【００４１】一方、アルミナ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、厚さが焼成後０．１〜
０．８ｍｍの厚さに成るように押出し成形で種々アルミ
ナのグリーンシート２６、２７を作製した。この後、グ
リーンシート２７に発熱体８の長さｂの異なるＷ発熱体
を約４０μｍの厚さになるようスクリーン印刷で印刷し
た後、さらにアクリルの密着剤を用いてアルミナのグリ
ーンシート２６を重ねて積層体を形成した後、１５００
℃で１０時間水素を１０％含む窒素ガス中で焼結し、ヒ
ータ基板２を作製した。この時ヒータの抵抗は、室温で
約３オームであった。なお、このヒータ基板２のセンサ
基板１と接合される側の角部を０．４ｍｍのＣ面加工を
施した。

【００４２】この後、上記のセンサ基板１とヒータ基板
２を積層しセンサ形成部Ａとは反対の端部付近でガラス
を用いて固定し酸素センサを作製した。

【００４３】各酸素センサにおける発熱体に１２Ｖを印
加したした時のセンサ基板１表面の測定電極５の４コー
ナーと電極中央部の温度測定を赤外感熱温度計を用いて
行い、電極内の温度分布を求め、その最低温度と細孔温
度との温度差を表１に示した。また、素子を７００℃に
なるようにして、水素、メタン、窒素、酸素の混合ガス
を用いて空燃比を、１４から１５に変化させた時の素子
の起電力変化に対して、起電力が初期値の６３％になる
までの時間をガス応答性の時間として求め、結果を表１
に示した。なお、本実験では比較のため、市販の平板型
のヒータが一体化されたλセンサについても同様の測定
を行った。実施例２図２に示す空燃比センサ素子を図４に基づき以下のよう
にして酸素センサを作製した。実施例１と同様にして作
製したジルコニアグリーンシート３３の両面に、ジルコ
ニア粉末を含有する白金をスクリーン印刷して、ポンピ
ング電極１４として外側電極と内側電極のパターン３
１、リードパターン３２、さらに排気ガスを取り込むた
めの拡散孔１３を形成した。また、グリーンシート３０
に対して空間部１２を形成した。そして、実施例１と同
様にして、グリーンシート２０、２４、２５とともにア
クリル樹脂の密着剤により積層し、大気中１５００℃で
１時間焼成して、センサ基板を作製した。

【００４４】一方、実施例１で作製したアルミナのグリ
ーンシート２７に発熱体の長さｂの異なるＷ発熱体８を
約４０μｍの厚さになるようスクリーン印刷で印刷した
後、さらにアクリルの接着剤を用いてアルミナグリーン
シート２６を重ねて積層体を形成した後、１５００℃で
１０時間水素を１０％含む窒素ガス中で焼結し、ヒータ
基板を作製した。この時ヒータの抵抗は、室温で約３オ
ームであった。なお、このヒータ基板のセンサ基板と接
合される側の角部を半径０．２ｍｍのＲ面加工を施し
た。

【００４５】この後、実施例１と同様にして、測定電極
５における温度分布とガス応答性を測定した。また、本
実験では比較のため、市販の平板型のヒータが一体化さ
れたＡ／Ｆセンサについても同様の測定を行った。

【００４６】

【表１】

【００４７】表１の結果からｂ／ａが１．０５より小さ
な試料Ｎｏ．２、１０では、電極内の温度分布が市販の
センサ素子に比べて悪く、その結果、ガス応答性が遅か
った。また、ｂ／ａが１．５を超える試料Ｎｏ．８、１
５では実験終了時にセンサ基板素子にクラックが発生し
た。

【００４８】実施例３実施例１のＮｏ．４のλセンサにおいて、ヒータ基板２
におけるグリーンシート２６の厚さを変更することによ
って、発熱体８とヒータ基板２表面までの距離Ｌを種々
変更した。また、センサ基板１およびヒータ基板２を焼
成するにあたり、積層体に重さの異なる平滑なアルミナ
基板を乗せて焼成し、反り量を種々変化させた。なお、
センサ基板１およびヒータ基板２の反りは表面粗さ計を
用いて測定した。なお、上記距離Ｌおよび反り量を変化
させる以外は、全く同様な酸素センサである。

【００４９】かかる酸素センサに対して、発熱体に１２
Ｖを印加したした時のセンサ基板の電極中央部の温度測
定を行い、中央部の温度が４００℃に達するまでの到達
時間を求めた。また、本実験では比較のため、市販のヒ
ータが一体化された酸素センサについても同様の測定を
行った。結果を表２に示す。

【００５０】

【表２】

【００５１】表２の結果から、到達時間の観点からは、
発熱体８とヒータ基板２表面までの距離Ｌが６００μｍ
以下において市販のヒータ一体化酸素センサと同等以上
の到達時間を有することがわかる。また、センサ基板１
およびヒータ基板２の反りが０．２ｍｍ以下において到
達時間１０秒以下の良好な特性が得られた。実施例４実施例３の試料Ｎｏ．２１と同一作製ロットの試料１０
個を用いて、８００℃まで３０秒で昇温し、８００℃で
1分間保持した後、室温まで空冷する温度サイクルを1サ
イクルとして、これを１０万回繰り返した時のヒータ基
板２またはセンサ基板１の破損率を求めた。比較のた
め、市販のヒータ一体化酸素センサ１０個についても同
様な実験を行った。その結果、本発明の酸素センサの破
損率は１０％以下であった。それに対して、市販のヒー
タ一体化酸素センサの破損率は６０％であった。これよ
り、本発明は急激な熱衝撃に対して、優れた特性を有す
ることが分かる。実施例５実施例３のＮｏ．２１の酸素センサにおいて、この後、
上記のセンサ基板１とヒータ基板２をガラスの厚さを調
製して隙間を表３のように変化させた。センサ基板１と
ヒータ基板２の隙間Ｓは、側面から写真を撮影して写真
から測定した。

【００５２】そして、空燃比が１４と１５の混合ガス中
を２Ｈｚの周期で変えながら、ヒータに１２Ｖを印加し
て素子の温度を上昇させ、素子の起電力が初めて０．６
Ｖと０．３Ｖを示すまでの時間を活性化時間と測定し
た。また、実験では比較のため、市販のＮｏ．１６の酸
素センサについても同様な測定を行った。

【００５３】

【表３】

【００５４】表３の結果から、センサ基板とヒータ基板
の間の隙間Ｓが０．５ｍｍ以下において、活性化時間は
１０秒以下と良好な特性を示した。

【００５５】

【発明の効果】以上詳述した通り、本発明によれば、測
定電極の長さとヒータ基板の発熱体の長さを制御するこ
とによって、測定電極内での温度分布を均一化できるこ
とによってガス応答性に優れた酸素センサを提供するこ
とができる。また、発熱体からヒータ基板表面までの距
離Ｌ、各基板の反りやセンサ基板とヒータ基板との隙間
を制御することによって、酸素センサにおける所定温度
までの到達時間を短縮することができるとともに、活性
化時間をも短縮した高い性能の酸素センサを提供するこ
とができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の酸素センサの一例を説明するための概
略断面図である。

【図２】本発明の酸素センサの他の例を説明するための
概略断面図である。

【図３】図１の酸素センサを製造する方法を説明するた
めの分解斜視図である。

【図４】図２の酸素センサを製造する方法を説明するた
めの分解斜視図である。

【図５】従来の酸素センサの一例を示す概略断面図を示
す。

【図６】従来の酸素センサの他の例を示す概略断面図を
示す。

【符号の説明】

１センサ基板２ヒータ基板３固体電解質基板４基準電極５測定電極７アルミナ絶縁体８発熱体Ａセンサ形成部Ｂ発熱体形成部

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 ３２７Ｊ

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】ジルコニア固体電解質基板の少なくとも内
外面の対向する位置に基準電極および測定電極を形成し
てなるセンサ基板と、発熱体を内蔵するアルミナ絶縁体
からなるヒータ基板とを積層、固定してなる酸素センサ
において、前記測定電極の長手方向の長さをａ、前記発
熱体の長手方向の長さをｂとした時、ｂ／ａが１．０５
〜１．５を満足することを特徴とする酸素センサ。
【請求項２】前記測定電極の表面に、絶縁体によって閉
塞された空間部を形成するとともに、該空間部に排気ガ
スを導入するために前記絶縁体に小さな孔を形成してな
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】前記発熱体が、Ｗ、Ｍｏ、Ｒｅの少なくと
も１種の導体から形成されていることを特徴とする請求
項１または請求項２記載の酸素センサ。
【請求項４】前記発熱体から前記センサ基板が固定され
る側のヒータ基板表面までの距離が１００〜６００μｍ
であることを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれ
か記載の酸素センサ。
【請求項５】前記ヒータ基板の少なくともセンサ基板に
接する側の角部に、０．２ｍｍ以上のＣ面、または半径
Ｒが０．１ｍｍ以上のＲ面を設けたことを特徴とする請
求項１乃至請求項４のいずれか記載の酸素センサ。
【請求項６】前記センサ基板と、前記ヒータ基板の反り
がそれぞれ０．２ｍｍ以下であることを特徴とする請求
項１乃至請求項５のいずれか記載の酸素センサ。
【請求項７】前記センサ基板とヒータ基板とが０．５ｍ
ｍ以下の隙間をもって積層されてなることを特徴とする
請求項１乃至請求項６のいずれか記載の酸素センサ。
【請求項８】前記センサ基板と前記ヒータ基板とが、無
機接着剤によって接着されていることを特徴とする請求
項１乃至請求項７記載の酸素センサ。