JP2005351740A - 酸素濃度検出素子 - Google Patents

Abstract

【課題】 排気ガス中の酸素濃度を検出するための酸素センサに使用される酸素濃度検出素子であって、素子内に供給された酸素の圧力上昇による素子割れを防止することのできる酸素濃度検出素子を提供する。
【解決手段】 絶縁性材料によって形成された芯ロッド２と、外部からの通電によって発熱するヒータパターン３と、ヒータパターン３からの熱によって活性化される固体電解質層５と、固体電解質層５の外面に形成された検出電極７と、検出電極７に対向して固体電界質層５の内側に形成された参照電極６とを備え、さらに酸素を透過させることのできる応力緩和層８を設けている。
【選択図】 図１

Description

本発明は、例えば排気ガス中の酸素濃度を検出するための酸素センサに用いられる酸素濃度検出素子に関する。

従来から一般に自動車用エンジン等では、排気管の途中に酸素センサを配置し、その酸素センサで排気ガス中に含まれる酸素濃度を検出していた。そして、検出した酸素濃度に基づいて燃料と空気との混合比率である空燃比Ａ／Ｆを所定の理論空燃比（Ａ／Ｆ＝１４．７）とするように吸引空気量をフィードバック制御するようにしている。

このような空燃費を検出する従来の空燃費センサとして、図７に示すようなものが知られている（例えば、特許文献１参照。）。図７に示すように、空燃費センサ１００は、固体電界質板１０３と固体電解質板１０３の表裏の対向する面に積層された多孔質電極ａ、ｂとからなる第１の素子Ａと、同じく固体電界質板１０５と固体電解質板１０５の表裏の対向する面に積層された多孔質電極ｃ、ｄとからなる第２の素子Ｂと、第１の素子Ａの多孔質電極ａ側に積層され、多孔質電極ａの連通気孔部分に内部基準酸素源Ｒを形成する遮蔽体１０７と、第１の素子Ａと第２の素子Ｂとの間に積層されて各素子Ａ、Ｂの多孔質電極ｂ、ｃの位置に測定ガス室Ｓとなる孔部が形成されたスペーサ１０８とから構成されている。

このように構成された空燃費センサ１００は、検出回路１６０により第１の素子Ａに一定の小電流を流して多孔質電極ａ側の内部基準酸素源Ｒに酸素を汲み込むことによって、内部基準酸素源Ｒに基準酸素分圧を確立するようにしている。そして、この内部基準酸素源Ｒの基準酸素分圧と測定ガス室Ｓ内の酸素ガス分圧との比に応じた多孔質電極ａ−ｂ間の電圧Ｖｓが所定の一定電圧となるように、第２の素子Ｂに流れるポンプ電流Ｉｐを双方向に制御してその電流値を空燃費信号として出力する。このようにして、測定ガス室Ｓ内の空燃費が一定となるように制御している。

上述した空燃費センサ１００では、第１の素子Ａへの通電により測定ガス室Ｓ内の酸素が内部基準酸素源Ｒに汲み込まれると、その基準酸素のオーバーフロー分は多孔質電極ａのリード部Ｌａを介してセンサ端末側に移動し、センサ本体の末端部から内筒１２４内の多孔質固着層１３５に排出される。多孔質固着層１３５のセンサ端末側は密封層１３７により密封されているため、多孔質固着層１３５に排出された酸素は、多孔性の充填粉末層１３３から多孔質に形成された耐熱固着剤１２１を通って被測定ガスとしての排気中に排出される。
特開平６−２７０８０号公報

しかしながら、上述した特許文献１に開示された従来例は、多孔質電極ａから酸素を排出するときにはリード部Ｌａを介して酸素を移動させるだけなので、内部基準酸素源Ｒに汲み込まれた基準酸素のオーバーフロー分を十分に排出することができず、これにより素子内部の圧力が上昇して素子強度を超えると、素子割れを発生してしまうという問題点があった。

この発明は、このような従来の課題を解決するためになされたものであり、その目的とするところは、電極に供給された酸素の余剰分を排出するための応力緩和層を設けることによって、余剰酸素による内部圧力の上昇を抑えて素子割れを防止することのできる酸素濃度検出素子を提供することにある。

上記目的を達成するために、請求項１の発明では、基体の外面と検出部との間に酸素を透過させるための透過層を設け、この透過層を検出部の位置から基体の軸長方向に形成している。このため、ヒータ部からの熱を良好に固体電解質層に伝達することができるとともに、余剰の酸素をハーネス側へ排出して素子内部の圧力上昇を抑えて素子割れを防止することができる。

また、請求項２に記載の発明では、透過層を絶縁性材料と固体電解質とのセラミック混合体で形成し、絶縁性材料の含有量を１０％〜８０％に設定している。このため、絶縁性材料と固体電解質とを一体焼成するときの課題である焼成収縮率差による応力を緩和することが可能になる。

請求項３に記載の発明では、セラミック混合体に空孔形成剤を含有して透過層を形成し、この空孔形成剤の含有量をセラミック混合体に対して３０％〜５０％に設定している。このため、請求項３記載の発明では、焼成収縮率差による応力を緩和させることができるとともに、より確実に余剰の酸素をハーネス側へ排出することができ、これによって素子内部の圧力上昇を抑えて素子割れを防止することが可能になる。

請求項４に記載の発明では、透過層を１００％の絶縁性材料で形成している。このため、請求項４記載の発明では、検出部と基体とを絶縁できるとともに、余剰の酸素をハーネス側へ排出して素子内部の圧力上昇を抑えて素子割れを防止することが可能になる。

本発明によれば、ヒータ部からの熱を良好に固体電解質層に伝達することができるとともに、余剰の酸素をハーネス側へ排出して素子内部の圧力上昇を抑えて素子割れを防止することができる。

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。図１は、本発明に係る酸素濃度検出素子の一実施形態の構成を示す図である。図１（ａ）は本実施形態の酸素濃度検出素子１の外観を示す図である。図１（ａ）に示すように、酸素濃度検出素子１はロッド状に形成されている。この酸素濃度検出素子１のＡ−Ａ断面図を図１（ｂ）に示す。

図１（ｂ）に示すように、酸素濃度検出素子１は、基体となる芯ロッド２と、この芯ロッド２の円周面（外面）２ａに形成されたヒータ部となるヒータパターン３と、このヒータパターン３の外周面の全域を覆うヒータ絶縁層４と、芯ロッド２の円周面２ａ上でヒータパターン３の反対側の位置に形成された酸素イオン伝導性の固体電解質層５と、この固体電解質層５の内面に形成された参照電極６と、固体電解質層５の外面に形成された検出電極７と、参照電極６の内面と芯ロッド２の円周面２ａとの間に設けられ、酸素の透過層となる応力緩和層８と、固体電解質層５と検出電極７の外面に形成され、電極用窓部９ａを有する緻密層９と、この緻密層９やヒータ絶縁層４の外面を全体的に覆う印刷保護層１０と、この印刷保護層１０の外面全体の領域を覆うスピネル保護層１１とから構成されている。

芯ロッド２は、絶縁材料であるアルミナ等のセラミック材料により形成されており、中実円柱のロッド状の形状を有している。このようにロッド状に形成することにより、取り付け時の方向やガスの流れ方向等による影響を受けなくすることができる。

ヒータパターン３は、タングステンや白金等の発熱性導体材料により形成されている。このヒータパターン３には、リード線部が一体に延設されていて、このリード線部を通じて外部からの通電で発熱することによって固体電解質層５を昇温して活性化させる。

ヒータ絶縁層４は、絶縁性材料により形成され、ヒータパターン３の電気的絶縁を確保している。

固体電解質層５は、例えばジルコニアの粉体中に所定重量％のイットリアの粉体を混合させてペースト状物により形成される。そして、固体電解質層５は、参照電極６と検出電極７との間で、周囲の酸素濃度差に応じた起電力を発生させ、その厚さ方向に酸素イオンを輸送する。これにより、固体電界質層５と一対の電極である参照電極６及び検出電極７とによって酸素濃度を電気信号として取り出す検出部１２を形成する。この検出部１２とヒータパターン３とは、芯ロッド２の円周面２ａ上においてそれぞれ径方向の対向位置に設けられている。

参照電極６及び検出電極７は、それぞれ白金等からなる導電性で、且つ酸素が透過できる材料により形成されている。そして、参照電極６及び検出電極７にはそれぞれリード線部が一体的に延設されており、このリード線部によって参照電極６と検出電極７との間に現れた出力電圧を検出できるようになっている。

応力緩和層８は、絶縁性材料（アルミナ）と固体電解質（ジルコニア）とのセラミック混合体により形成され、固体電解質層５の焼結時における固体電解質層５と芯ロッド２との間の応力差を緩和している。

さらに、本実施形態の応力緩和層８では絶縁性材料の含有量を１０％〜８０％にすることによって、より確実に応力緩和層８と芯ロッド２との間の応力差を緩和している。

ここで、図２に基づいて絶縁性材料の含有量の違いによる応力緩和層８の焼成収縮率の変化を説明する。同図に示すように、絶縁性材料の含有量を１０％〜８０％にすると、応力緩和層８を焼成したときの収縮率は１６％〜１８％となる。芯ロッド２の収縮率が約１７％であるので、絶縁性材料の含有量を１０％〜８０％にすると、芯ロッド２と応力緩和層８との間の焼成収縮率の差がなくなることが分かる。したがって、絶縁性材料の含有量を１０％〜８０％にすることによって、芯ロッド２と応力緩和層８との間の応力を緩和することが可能になる。

これに対して、絶縁性材料の含有量を１０％未満にすると応力緩和層８の収縮率は１９％以上になり、絶縁性材料の含有量を８１％以上にすると応力緩和層８の収縮率は１５％以下となる。したがって、いずれの場合にも芯ロッド２と応力緩和層８との間の焼成収縮率の差が大きくなってしまい、芯ロッド２と応力緩和層８との間の応力を緩和することはできない。

また、応力緩和層８を１００％の絶縁性材料で形成してもよい。こうすることにより、検出部１２と芯ロッド２とを確実に絶縁することが可能になる。

さらに、応力緩和層８は、固体電界質層５を通じて参照電極６へ輸送されてくる酸素を図示しない経路によって逃散させるガス逃散路としての機能もある。とくに、本実施形態の応力緩和層８はセラミック混合体に空孔形成剤を混合して形成される。このように空孔形成剤を混合して形成することにより、焼成時に空孔形成剤が焼き飛ばされて層内に空孔ができ、応力緩和層８を多孔質構造にすることができる。したがって、参照電極６から供給された余剰酸素を素子端部へ排出することができるので、酸素の圧力上昇による素子割れを防止することが可能になる。

また、この空孔形成剤の含有量としては応力緩和層８を構成するセラミック混合体に対して３０ｖｏｌ％〜５０ｖｏｌ％とすることが望ましい。ここで、図３に基づいて空孔形成剤の含有量の違いによる素子への影響を説明する。同図に示すように、空孔形成剤の含有量を５１ｖｏｌ％以上にすると、応力緩和層８の成形性が悪化し、応力緩和層８が崩れてしまう可能性がある。一方、空孔形成剤の含有量を３０ｖｏｌ％未満にすると、応力緩和層８に連続透過孔が十分に得られないので、酸素が応力緩和層８を十分に透過することができず、これにより素子割れを引き起こす可能性が生じてしまう。したがって、空孔形成剤の含有量をセラミック混合体に対して３０〜５０ｖｏｌ％にすることにより、応力緩和層８の成形性と耐素子割れ性とを両立した酸素濃度検出素子を実現することができる。

ここで、空孔形成剤の含有量の違いによる応力緩和層の変化応力緩和層に空孔形成剤を４５ｖｏｌ％含有した場合と９．５ｖｏｌ％含有した場合とで大きく異なる。空孔形成剤を多く含有している場合は、空孔が多く形成されている。したがって、空孔形成剤を多く含有させたほうが、酸素を十分に透過させられることが分かる。

緻密層９は、測定ガス中の酸素が内面側に透過できない材料、例えばアルミナ等のセラミック材料により形成されている。緻密層９は、固体電解質層５の外面を覆っており、電極用窓部９ａからは検出電極７が露出している。これにより、測定ガス中の酸素が電極用窓部９ａのみから検出電極７に入り込むことができるようになっている。

印刷保護層１０は、緻密層９の電極用窓部９ａから外部に露出されている検出電極７とともに、緻密層９、ヒータ絶縁層４の外側全面を覆っている。そして、印刷保護層１０は測定ガス中の有毒ガスやダスト等は内面側に通過させないが、測定ガス中の酸素は通過させることのできる材質、例えばアルミナと酸化マグネシウムの混合物のような多孔質構造体によって形成されている。

スピネル保護層１１は、素子の外側全面を覆っており、測定ガス中の酸素を通過させることができ、印刷保護層１０よりも粗い多孔質体によって形成されている。

次に、本発明に係る酸素濃度検出素子１による酸素濃度の検出動作を説明する。例えば、エンジンの排気管内に設置される酸素センサの場合には、測定ガスである排気ガスが酸素濃度検出素子１の外周面を通過して導入され、基準となる大気が応力緩和層８を介して導入されるように設置される。そして、ヒータパターン３に通電して酸素濃度検出素子１全体が所定状態に加熱されると、固体電解質層５が活性化され、これにより検出可能状態となる。

この状態で排気ガスが排気管内に排出されると、排気ガス中の酸素はスピネル保護層１１、印刷保護層１０及び検出電極７を通過して固体電界質層５に導入される。一方、大気中の酸素は応力緩和層８を介して導入され、参照電極６の周囲に溜め込まれる。このとき、応力緩和層８は多孔質構造をしているので、余分な酸素は素子端部へ排出され、酸素による素子内部の圧力上昇が抑えられている。

そして、固体電解質層５の内外面で酸素濃度に差が発生すると、酸素イオンが固体電解質層５内を輸送されることによって酸素濃度差に応じた起電力が参照電極６と検出電極７との間に発生し、出力電圧が得られる。

次に、本発明に係る酸素濃度検出素子１の製造方法を図４のフローチャートと図５に基づいて説明する。図５は酸素濃度検出素子１を各層に分解した図である。

まず、アルミナ等のセラミック材料を射出成型して中実円柱の芯ロッド２を製造する（Ｓ５０１）。この芯ロッド２を回転させつつ、芯ロッド２の円周面２ａの略半分領域に、例えば白金またはタングステン等の発熱性材料を曲面スクリーン印刷してヒータパターン３とリード線部３ａとを形成する（Ｓ５０２）。そして、このヒータパターン３とリード線部３ａ上に、アルミナ等を曲面スクリーン印刷してヒータ絶縁層４を形成する（Ｓ５０３）。

次に、芯ロッド２の円周面２ａ上で、ヒータパターン３の領域と反対の半分領域に曲面スクリーン印刷によって応力緩和層８を形成し（Ｓ５０４）、その上に白金等からなる導電性ペーストを曲面スクリーン印刷して参照電極６及びそのリード線部６ａを一体に形成する（Ｓ５０５）。

そして、参照電極６及び応力緩和層８等の上面に、例えばジルコニアとイットリアからなるペースト状物を曲面スクリーン印刷して酸素イオン伝導性の固体電界質層５を形成する（Ｓ５０６）。

次に、固体電界質層５の上面等に、白金等からなる導電性ペーストを曲面スクリーン印刷して検出電極７及びそのリード線部７ａを一体に形成し（Ｓ５０７）、形成した検出電極７及び固体電界質層５の上面に、例えばアルミナ等のセラミック材料を曲面スクリーン印刷して電極用窓部９ａを有する緻密層９を形成する（Ｓ５０８）。緻密層９の電極用窓部９ａからは検出電極７の中央部分が露出され、この露出された検出電極７の部分が電極としての有効部分となる。

次に、芯ロッド２の円周面２ａの円周方向の全領域に亘って、例えばアルミナと酸化マグネシウムからなるペースト状物を曲面スクリーン印刷して印刷保護層１０を形成する（Ｓ５０９）。同様にして、芯ロッド２の円周面２ａの円周方向の全領域に亘ってスピネル保護層１１を形成する（Ｓ５１０）。これで、曲面スクリーン印刷工程を終了する。

次に、曲面スクリーン印刷等を終えた円柱状作成物を高熱で焼成することにより一体的に焼結させる。このとき、空孔形成剤の混合されている応力緩和層８では、空孔形成剤が焼き飛ばされて空孔が形成され、多孔質構造となる。

また、本実施形態の応力緩和層８は絶縁性材料と固体電解質とのセラミック混合体で形成され、絶縁性材料の含有量を１０％〜８０％にしたので、応力緩和層８と芯ロッド２との間の焼成時における収縮率差をなくすことができ、これにより応力緩和層８と芯ロッド２との間の応力差を緩和して剥離などを防止することが可能になる。

こうして焼成されると、酸素濃度検出素子１の製造が完了し、完成した酸素濃度検出素子１は図６に示すように酸素センサに組み込まれる。

このように、本実施形態に係る酸素濃度検出素子１では、芯ロッド２の円周面２aと検出部１２との間に酸素を透過させるための応力緩和層８を設け、この応力緩和層８を検出部１２の位置から芯ロッド２の軸長方向に形成したので、ヒータパターン３からの熱を良好に固体電解質層５に伝達することができるとともに、余剰の酸素をハーネス側へ排出して素子内部の圧力上昇を抑えて素子割れを防止することが可能になる。

また、本実施形態に係る酸素濃度検出素子１では、応力緩和層８を絶縁性材料と固体電解質とのセラミック混合体で形成し、絶縁性材料の含有量を１０％〜８０％にしたので、絶縁性材料と固体電解質とを一体焼成するときの課題である焼成収縮率差による応力を緩和することが可能になる。

さらに、本実施形態に係る酸素濃度検出素子１では、セラミック混合体に空孔形成剤を含有して応力緩和層８を形成し、この空孔形成剤の含有量をセラミック混合体に対して３０ｖｏｌ％〜５０ｖｏｌ％にしたので、より確実に余剰の酸素をハーネス側へ排出して素子内部の圧力上昇を抑えて素子割れを防止することが可能になる。

本実施形態に係る酸素濃度検出素子１では、応力緩和層８を１００％の絶縁性材料で形成したので、検出部１２と芯ロッド２とを確実に絶縁できるとともに、余剰の酸素をハーネス側へ排出して素子内部の圧力上昇を抑えて素子割れを防止することが可能になる。

さらに、本実施形態に係る酸素濃度検出素子１では、基体としての芯ロッド２をロッド状に形成したので、ガスの流れ方向等に影響されることを防止することができ、これによって安定した出力特性を得ることが可能になる。

以上、本発明の酸素濃度検出素子を図示の実施形態に基づいて説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、各部の構成は同様の機能を有する任意の構成のものに置き換えることが可能である。

例えば、上述した実施形態では、緻密層９の電極用窓部９ａの形状を方形状としたが、電極用窓部９ａを円形状、楕円形状、三角形状などその他の形状にしてもよい。

また、上述した実施形態では、円柱形状の芯ロッド２によって形成されているが、円柱形状以外の形状、例えば外面がフラットな形状であっても本発明は同様に適用することが可能である。

さらに、上述した実施形態では、参照電極６に混合される空孔形成剤の含有量を貴金属材料に対して３０〜５０ｖｏｌ％としたが、３０〜４０ｖｏｌ％にさらに限定してもよい。

本発明の酸素濃度検出素子は、排気ガス中の酸素濃度を検出するための酸素センサに用いられ、素子内に供給された酸素の圧力上昇による素子割れを防止するための技術として極めて有用である。

（ａ）は本発明の一実施形態に係る酸素濃度検出素子の側面図、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ断面図である。 絶縁性材料の含有量の違いによる応力緩和層の収縮率の変化を説明するための図である。 空孔形成剤の含有量の違いによる酸素濃度検出素子への影響を説明するための図である。 本発明の酸素濃度検出素子の製造方法を示すフローチャートである。 本発明の酸素濃度検出素子を各層に分解した図である。 本発明の酸素濃度検出素子を適用した酸素センサの一例を示す断面図である。 従来の空燃費センサの構成を示す断面図である。

符号の説明

１ 酸素濃度検出素子
２ 芯ロッド
２ａ 円周面（外面）
３ ヒータパターン
３ａ、６ａ、７ａ リード線部
４ ヒータ絶縁層
５ 固体電解質層
６ 参照電極
７ 検出電極
８ 応力緩和層
９ 緻密層
９ａ 電極用窓部
１０ 印刷保護層
１１ スピネル保護層
１２ 検出部

Claims (4)

1. 絶縁性材料によって形成された基体と、該基体と同一面上に設けられ、外部からの通電によって発熱するヒータ部と、該ヒータ部とは別の基体同一面上の位置に設けられ、前記ヒータ部からの熱によって活性化される固体電解質層と、該固体電解質層を挟んで一対の電極を備える検出部とを形成してなる酸素濃度検出素子であって、
   前記基体の外面と前記検出部との間に、酸素を透過させるための透過層を設け、該透過層は前記検出部の位置から前記基体の軸長方向に形成することを特徴とする酸素濃度検出素子。
2. 前記透過層は、絶縁性材料と固体電解質とのセラミック混合体であり、前記絶縁性材料の含有量は１０％〜８０％で構成されることを特徴とする請求項１に記載の酸素濃度検出素子。
3. 前記透過層は、前記セラミック混合体に空孔形成剤を含有し、該空孔形成剤の含有量は前記セラミック混合体に対して３０〜５０ｖｏｌ％であることを特徴とする請求項２に記載の酸素濃度検出素子。
4. 前記透過層は、１００％の絶縁性材料で構成されることを特徴とする請求項１に記載の酸素濃度検出素子。

Images