JP2737997B2 - 酸素濃度センサの製造方法 - Google Patents

酸素濃度センサの製造方法

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【発明の詳細な説明】 [産業上の利用分野] 本発明は、酸素濃度センサの製造方法に係り、特に拡
散律速層を有する限界電流式の酸素濃度センサに係る。
[従来の技術] 内燃機関の排気通路に於ける如きガス雰囲気中に於け
る酸素濃度を測定する装置として、ジルコニア等の酸素
イオン伝導固体電解質より構成された限界電流式の酸素
濃度センサが知られており、これは、例えば、特開昭52
−69690号、特開昭53−116896号の各公報に示されてい
る。
限界電流式の酸素濃度センサは、センサ素子である固
体電解質に対するガス成分の供給を拡散律速するため
に、前記固体電解質を有する酸素濃度測定室のガス入口
部をピンホール律速層をなす小孔或いは多孔質律速層を
なす多孔質材料により構成され、いずれのものも拡散律
速層を有している。
内燃機関の排気ガス中の酸素濃度を検出するに好適な
限界電流式の酸素濃度センサとして、前記酸素濃度測定
室の入口部壁をなすプレートにピンホール律速層として
の小孔と該小孔を覆うように該小孔の周辺部に多孔質律
速層としての多孔質層が設けられた酸素濃度センサが本
願出願人と同一の出願人による実願昭63−33510号及び
特開平1−9497号に於て既に提案されている。
多孔質律速層は、スピネル溶射によるものが一般的で
あるが、溶射面にピンホール律速層としての小孔が存在
すると、溶射技術上これを覆うようには、スピネルを直
接溶射することはできない。このため、ガスの流通を妨
げることなく小孔を覆う下地層を形成すべく、プレート
の小孔周辺部にZrO2(ジルコニア)の如きセラミックス
の多孔質シートを圧着してこれを焼成し、この焼成多孔
質層、即ち下地層の外表面にスピネルを溶射することが
考えられている。
[発明が解決しようとする課題] 上述の如き構造の拡散律速層を有する酸素濃度センサ
に於ては、前記プレートの全面に亘って前記下地層とな
る多孔質シートが圧着されれば、該多孔質シートの脱脂
及び焼成時に亘ってウェートがプレート全面に均一に作
用し、プレートに反りが生じることはない。しかし焼成
多孔質層のうち前記小孔に対応する部分の外周面にのみ
多孔質律速層としてのスピネル溶射層が設けられると、
前記焼成多孔質層のうちスピネル溶射層が設けられてい
ない部分の外表面より内部にガスが侵入し、所定の拡散
律速が行われなくなる。これは、多孔質速層の下地とな
る焼成多孔質層はこれ自身が酸素分子の拡散を生ぜせし
めないほどに充分に大きい通気孔による多孔質層である
からである。
これに対し焼成多孔質層の全面に亘って、換言すれば
前記プレートの全面に亘ってスピネル溶射層が設けられ
ると、大量のスピネルが必要になり、これは経済的でな
く、またスピネル溶射に多くの時間を要し、良好な生産
性を得ることができなくなる。
焼成多孔質層が小孔の周辺部にのみ設けられれば、上
述の如き不具合は生じないが、しかし、この場合には焼
成多孔質層の素材である多孔質シートをプレートに圧着
する際に圧着荷重がプレートに分均一に作用するように
なり、プレートに反りが生じる。このためプレートの歩
留りが悪化し、また酸素濃度センサの組付性及び性能安
定性が悪化するようになる。
本発明は、上述の如き不具合に鑑み、酸素濃度センサ
に於て所要の拡散律速作用を行う拡散律速層を構成する
プレートを反りが生じることなく生産性よく製造する製
造方法を提供することを目的としている。
[課題を解決するための手段] 上述の目的は、本発明によれば、拡散律速のためにプ
レートに小孔と該小孔を覆うように該小孔の周辺部に多
孔質層が設けられた酸素濃度センサの製造方法に於て、
前記プレートの小孔部分に多孔質拡散律速層の下地層と
なる第一の多孔質シートを載置し、前記プレートの残り
の部分に前記第一の多孔質シートより焼結温度が高い材
質よりなる第二の多孔質シートを載置し、前記第一の多
孔質シートと前記第二の多孔質シートとを前記プレート
に同時に圧着し、その後の前記第二の多孔質シートの焼
結温度より低い温度にて前記第一の多孔質シートを焼成
し、前記第二の多孔質シートを前記プレートより除去
し、前記第一の多孔質シートよりなる焼成多孔質層の外
表面に拡散律速用多孔質材料を溶射して該外表面に拡散
律速用多孔質層を形成することを特徴とする酸素濃度セ
ンサの製造方法によって達成される。
[発明の作用及び効果] 本発明による製造方法に於ては、多孔質拡散律速層の
下地層となる第一の多孔質シートはプレートの小孔部分
にしか設けられないが、残りの部分には第二の多孔質シ
ートが設けられることから、これら多孔質シートを前記
プレートに圧着する際には、その圧着力がプレートの全
面に均一に作用するようになる。これによりプレートに
反りが発生することが回避される。
第二の多孔質シートは焼成されずにその後にプレート
より除去され、前記第一の多孔質シートのみが焼成さ
れ、この焼成多孔質層の外表面に拡散律速用多孔質材料
が溶射されるので、所要の拡散律速作用が安定して得ら
れるようになる。このことから酸素濃度センサの出力特
性が安定する。
[実施例] 以下に添付の図を参照して本発明を実施例について詳
細に説明する。
第1図及び第2図は本発明による製造方法により製造
される拡散律速プレートを含む積層型の限界電流式酸素
濃度センサの一例を示している。第1図に於て10はジル
コニア等の固定電解質により構成されたセンサ素子をな
す電解質シートを示しており、電解質シート10の図にて
上下両面には白金電極12と14とが各々スクリーン印刷さ
れている。
電解質シート10の一方の側には測定室構成用の開口22
を有する測定室構成用プレート20と拡散律速層を構成す
るプレート30とが順に積層されており、開口22は、第1
図によく示されている如く、電解質シート10とプレート
30との間に酸素測定室24を構成するようになっている。
電解質シート10の他方の側には大気導入用フレーム40
と底プレート50とが順に積層されており、フレーム40は
電解質シート10と底プレート50との間に大気導入ダクト
42を構成している。
プレート30には反応質24に連通する拡散律速用の小孔
32が穿設されている。
プレート30の小孔32の周辺部には焼成多孔質層34が設
けられており、これにより小孔32の部分が通気性を阻害
されることなく覆われている。焼成多孔質層34の外表面
ににはその全体に亘ってスピネル溶射等による拡散律速
層36が形成されている。
次に第3図(A)〜(D)を用いて本発明による酸素
濃度センサ、特に小孔32と拡散律速層34とを有するプレ
ート30の製造方法について説明する。
(A)図に於て、100はプレート30となるZrO2グリー
ンシート(ZrO2粉末100部、結合剤11部、溶媒70部、解
膠剤3部)を示しており、該グリーンシート100には予
め小孔32が形成されている。小孔32は直径0.5mm程度の
ものであってもよく、これは電動ドリルにより穿孔され
てよる。
(B)図に示されている如く、グリーンシート100の
一方の面の小孔32の部分に第一の多孔質シートとしてZr
O2多孔質シート110を載置し、また他の残りの部分に第
二の多孔質シートとしてAl2O3多孔質シート120を載置す
る。
ZrO2多孔質シート110とAl2O3多孔質シート120は、各
々、ZrO2或いは高純度Al2O3粉末100部に対し同バインダ
(溶媒100部、結合剤15部、可塑剤7部、解膠剤4部)
で同時間(40分)に亘ってボールミルによって攪拌し、
ドクタブレート装置(ブレードスリット0.9mm、キャス
ティングフィルムスピード0.3m/分、常温乾燥5時間)
を用いて製造されたものであってよい。
次にZrO2多孔質シート110とAl2O3多孔質シート120を
各々1wt%メチルセルロース水溶液をもって圧着荷重5kg
/cm2にてプレート30の表面に同時に圧着する。尚、これ
ら多孔質シートは焼成後に於ては気孔率が約3000Åであ
り、表面祖さRzが40μm以上となる同質のものとする。
上述の如く多孔質シート110及び120を圧着されたグリ
ーンシート100を20℃/時間、最高温度420℃で脱脂し、
1400℃にて1時間焼成する。これによるグリーンシート
100とZrO2多孔質シート110は各々焼成されてプレート30
と焼成多孔質層34となるが、Al2O3多孔質シート120は焼
結温度には達していないので、プレート30より容易に剥
がれる状態になっている。この焼結後にAl2O3多孔質シ
ート120はプレート30より除去する。この時の状態は
(C)図に示されている。
次に(D)に示されている如く、焼成多孔質層34の外
表面全体にスピネルを溶射し、厚さ約500μm程度の拡
散律速層34を成形する。
尚、スピネル溶射はプレート30の正面から行われるこ
とから、前記焼成多孔質層34の外周縁部はプレート表面
に対し45度或いはそれより狭角をなす角度にて面取り研
削しておき、この面にもスピネル溶射が良好に行われて
焼成多孔質34の全面が拡散律速層36により確実に覆われ
るようにする。
上述の如き製造方法にて製造された拡散律速層を有す
るプレートを備えた酸素濃度センサに於ては、拡散律速
が安定的に行われ、V−I特性の限界電流も安定的に出
力されるようになる。これに従ってこの酸素濃度センサ
が内燃機関の排気通路中に設けられれば、空燃比が信頼
性よく測定されるようになる。
Al2O3多孔質シートはZrO2多孔質シートと同程度に多
孔質であるため、脱脂後のウェイトのかかり方も均一に
なり、プレート30に製造過程にて反りが生じることがな
い。
以上に於ては、本発明を特定の実施例について詳細に
説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、
本発明の範囲内にて種々の実施例が可能であることは当
業者にとって明らかであろう。
【図面の簡単な説明】
第1図は本発明により製造されるプレートに組込まれる
積層型の酸素濃度センサの一例を示す分解斜視図、第2
図は第1図に示された酸素濃度センサの縦断面図、第3
図(A)〜(D)は本発明による酸素濃度センサのプレ
ートの製造過程を示す工程図である。 10…固定電解質シート、12、14…白金電極,20…測定室
構成プレート,22…開口,24…酸素測定室,30…プレート,
32…小孔,34…焼成多孔質層,36…拡散律速層,40…フレ
ーム,42…大気導入用ダクト,50…底プレート,100…グリ
ーンシート,110…ZrO2多孔質シート,120…AlO3多孔質シ
ート

Claims (1)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】拡散律速のためにプレートに小孔と該小孔
    を覆うように該小孔の周辺部に多孔質層が設けられた酸
    素濃度センサの製造方法に於て、前記プレートの小孔部
    分に多孔質拡散律速層の下地層となる第一の多孔質シー
    トを載置し、前記プレートの残りの部分に前記第一の多
    孔質シートより焼結温度が高い材質よりなる第二の多孔
    質シートを載置し、前記第一の多孔質シートと前記第二
    の多孔質シートとを前記プレートに同時に圧着し、その
    後に前記第二の多孔質シートの焼結温度より低い温度に
    て前記第一の多孔質シートを焼成し、前記第二の多孔質
    シートを前記プレートより除去し、前記第一の多孔質シ
    ートよりなる焼成多孔質層の外表面に拡散律速用多孔質
    材料を溶射して該外表面に拡散律速用多孔質層を形成す
    ることを特徴とする酸素濃度センサの製造方法。
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