JP2769494B2 - 酸素センサ並びにその製造法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明は、例えば自動車の排気ガス管路中に設置して
排気ガス中の酸素濃度を検出する為の酸素センサ及びそ
の有効な製造法に関する。

（従来の技術） 自動車の排気ガス中の酸素濃度を測定することは、エ
ンジンの空燃比を調整する上で極めて重要である。斯か
る酸素濃度の検出手段としては、ジルコニア等の固体電
解質の基材両面に２個のセル電極を対設し、一方のセル
電極は排気ガスに接するよう、また他方のセル電極は外
気に接するようにし、両セル電極間での起電力（排気ガ
スと外気との酸素濃度比に比例する）を測定することに
より排気ガス中の酸素濃度を検出するようにした酸素セ
ンサが主に使用されている。そして、上記起電力は温度
にも影響を受け、しかも排気ガス側は高温に晒される
為、正確な酸素濃度を検出するには測定部位が排気ガス
温度の影響を受けないよう出来るだけ一定温度に保たれ
る必要があり、その為ヒータも並設された構造とされ
る。

（発明が解決しようとする課題） 上記酸素センサは、一般に、ヒータ基材、ヒータ電
極、固体電解質及びセル電極等を積層しこれらを一括し
て焼成する方法によって作製される。

しかし、上記方法による場合、固体電解質層は中空部
への焼成ダレを防止する為又は強度を保つ為少なくとも
200μｍ以上の厚みを必要とする。また、セル電極は主
に白金が、固体電解質層としては主にジルコニアが使用
されるが、これらを一括焼成する場合酸素雰囲気中で行
なう必要があり、その為ヒータ電極としてタングステン
等の卑金属を用いることが出来ず、白金等の貴金属を用
いざるを得ない為それだけコスト高となる。而して、セ
ンサ部とヒータ部とを別個に焼成し、その後両者を一体
とすることも可能であるが、各々について強度をもたせ
なければならない為に厚みを厚くする必要があり、それ
だけ熱容量が大となり、消費電力が多くなる。

（発明の目的） 本発明は、上記に鑑みなされたもので、固体電解質層
の厚みが薄く、ヒータ電極として卑金属の使用が可能で
あり、且つ熱容量の小さい新規な酸素センサ並びにその
有効な製造法を提供せんとするものである。

（課題を解決する為の手段） 上記目的を達成する本発明酸素センサ並びにその製造
法を添付図面に基づき説明する。第１図は本発明酸素セ
ンサの一例を示す斜視図、第２図は第１図のII-II線縦
断面図、第３図は第２図III線部の拡大図、第４図は本
発明方法の工程図である。

即ち、本発明の酸素センサは、先側の内面寄りに発熱
部11を内蔵し且つ先端が封止された中空ヒータ本体１
と、該ヒータ本体１の上記発熱部11対応外周面に形成さ
れ且つ透孔21を介してヒータ本体１の中空部10に連通す
る溝２と、両面に一対の多孔質セル電極３、４を被着対
設具備し上記溝２の開口部20に跨架するよう薄膜手法に
より形成された厚み20〜200μｍの固体電解質層５とよ
り成ることを特徴とする。

上記に於いて、固体電解質層５と溝開口部20との間に
多孔質の支持層６を介在させ且つ該固体電解質層５の表
面を多孔質の保護層７によって被覆することが望まし
い。

亦、上記酸素センサの製造法は、先側の内面寄りに発
熱部11を内蔵し且つ先端が封止された中空ヒータ本体１
の該発熱部11対応外周面に透孔21を介して該ヒータ本体
１の中空部10に連通する溝２を形成する工程（Ｉ）と、
該溝２に樹脂ｒを充填する工程（II）と、この充填樹脂
ｒの表面に多孔質の支持層６を上記溝２の開口部20を跨
架するよう形成する工程（III）と、該支持層６上に一
方の多孔質セル電極３を形成する工程（IV）と、前記樹
脂ｒを焼失・除去する工程（Ｖ）と、上記セル電極３上
に固体電解質層５を薄膜手法により形成する工程（VI）
と、該固体電解質層５の表面に他方の多孔質セル電極４
を形成する工程（VII）と、表面側のセル電極４を含ん
で固体電解質層５を保護層７にて被覆する工程（VIII）
とより成ることを要旨とする。

上記ヒータ本体１に内蔵される発熱部11を、白金その
他の貴金属電極により形成することはもとより可能であ
るが、価格等の点でタングステン等の卑金属電極により
形成することが望ましい。

ヒータ本体１は、アルミナセラミック等の耐熱性且つ
絶縁性の材料により成形され、上記発熱部11としての電
熱線11aをその先側内面寄りに埋設具備し、且つ該電熱
線11aからの電極線11b、11bを該本体１の厚み内を経て
基端部に導出させたものであり、該電極線11b、11bの基
端部は不図示の外部電源に結線される。また、該ヒータ
本体１の外周面にはその基端部にまで延びる一対のセル
用電極線31、41が被着形成されている。該セル用電極線
31、41はその先端部でセル電極３、４に夫々電気的に結
合せれ、その基端部は不図示の起電力測定器に接続され
る。

固体電解質層５は、ジルコニア等により蒸着或いはCV
D法等の薄膜手法をして形成されるものである。その厚
みを20〜200μｍとしたのは、20μｍ未満の場合、使用
中に加わる熱応力に抗し切れずセル電極３、４が破壊さ
れてしまい、一方200μｍを超えてもその機能に変わり
がなく加工コストが高くなるに過ぎないからである。

セル電極３、４は、白金を主成分とする多孔質の電極
であり、転写或いはプリント印刷或いは蒸着等その他の
薄膜手法により形成される。この形成時に、予めヒータ
本体１の外周面に形成された前記セル用電極線31、41と
セル電極３、４とが電気的に結合されるが、該セル用電
極線31、41は白金に限らずタングステン等の卑金属も使
用可能である。このセル電極３、４のうち外面側のセル
電極４は、前記排気ガス中の酸素濃度を測定する時には
直接若しくは保護層７を介して排気ガスに接し、一方内
面側のセル電極３は、ヒータ本体１の中空部10及び透孔
21を経て溝２内に浸入した外気と直接若しくは支持層６
を介して接する。

支持層６及び保護層７は、いずれも酸素（イオン）の
透過を許容すべく多孔質であることが必要であり、望ま
しくはスピネル構造物質の溶射により形成される。支持
層６はその上に形成されたセル電極３、４を含む固体電
解質層５の溝２内への陥没を防止すべくこれらを支持す
るものである。一方、保護層７はセル電極４及び固体電
解質層５の傷付等を防止すべくこれらを保護するもので
あるが、スピネル構造物質の溶射による場合は拡散律速
層としも機能し、これにより当該酸素センサを限界電流
式センサとしての応用をも可能となる。

（作用） 上記構成の酸素センサは、例えば、自動車の排気ガス
管路にガス流に直交するよう配設される。この状態で
は、セル電極４は、保護層７が形成されている場合該保
護層７を介して、排気ガスに接し、セル電極３は、支持
層６が形成されている場合該支持層６を介して、溝２内
に浸入した外気と接する。そして、ヒータ本体１の電熱
線11aに導電されると発熱部11が発熱し、その近傍が一
定温度に加温され、両セル電極３、４は略同温度に維持
されることになる。両セル電極３、４の電極線31、41を
起電力測定器に接続すると、両測定部位の酸素濃度の相
違に基づく両電極間の化学ポテンシャルの差に応じて、
両セル電極３、４間に起電力が生じこれが検出される。
上記支持層６及び保護層７が形成されている場合、固体
電解質層５の溝２内への陥没が防止され、また該固体電
解質層５及びその表面に形成されたセル電極４の排気ガ
ス中のミストの付着による劣化が防止される。

亦、第４図に示す製造法に於いて、工程（Ｉ）では、
発熱線11a及びその電極線11b、11bを所定部位に埋設し
て形成されたヒータ本体１に、溝２及び透孔21が切削に
より或いは溝・透孔が形成されたシートを巻回して形成
される。そして工程（II）に於いて、該溝２に樹脂ｒが
充填され、この充填樹脂ｒ上に支持層６及びセル電極３
を形成した〔工程（III）及び工程（IV）〕後、該樹脂
ｒを焼失・除去する〔工程（Ｖ）〕と、溝２はヒータ本
体１の中空部10に透孔21を介して連通する空間部とな
り、その開口部20に支持層６及びセル電極３が跨架する
ように残存する。従ってこの上に固体電解質層５及びセ
ル電極４を形成する〔工程（VI）及び工程（VII）〕
と、支持層６、セル電極３、固体電解質層５及びセル電
極４が溝２を覆蓋するよう積層一体に形成される。固体
電解質層５は、上述の如く薄膜手法により形成され、し
かも支持層６によって支持されるから、その厚みを必要
以上に厚くする必要がなく、全体の熱容量が小さくな
る。またヒータ本体１は酸素雰囲気中で焼成処理される
ことはないので、ヒータ本体１に内蔵される発熱部11と
してタングステン等の安価な卑金属電極が採用可能とさ
れる。更に、工程（VIII）に於いて保護層７を形成する
と、上記固体電解質層５上に形成されたセル電極４の排
気ガス中に含まれるＰ、Ｓ、Pb等のミストの付着による
劣化が防止され、この保護層７をスピネル構造物質の溶
射により形成した場合、これが拡散律速層としても機能
し、限界電流式センサとしての応用が可能となる。

（実施例） 次に実施例について述べる。

第１図乃至第３図に於いて、ヒータ本体１は先端部が
封止され基端部が開放された円筒状であり、その先側内
周面寄りに周方向に沿って発熱部11としての発熱線11a
が埋設され、またその電極線11b、11bが本体１の長手方
向に沿ってその厚み内に一体的に封蔵されて基端部に導
出されている。この導出端には電源（不図示）が連結さ
れる。

ヒータ本体１の上記発熱部11に対応する外周面には周
方向に沿った溝２が掘設され、更に該溝２に直交する枝
溝２′が本体１の長手方向に沿って形成され、該枝溝
２′の底部に本体１の中空部に通じる透孔21が穿設され
ている。このように枝溝２′を形成した理由は、透孔21
の穿設位置を発熱部11から外す為である。

上記溝２及び枝溝２′の開口部20、20′には、上述の
如く支持層６、セル電極３、固体電解質層６及びセル電
極４が積層一体に跨架形成され、更にこれらを保護層７
が覆っている。この積層構造にあっては、各セル電極
３、４が、ヒータ本体１の外周面に被着形成された電極
線31、41に電気的に結合していることは云うまでもな
い。

ヒータ本体１の途中周体にはボス部12が形成され、実
際の使用の際には排気ガス管路の測定口にこのボス部12
が当接するよう挿入される。酸素濃度の測定要領は上記
の通りであるので、ここではその説明を割愛する。

尚、図例ではヒータ本体１として円筒状のものを例示
したが、中空体であればこれに限らず積層タイプのもの
も採用可能である。また、セル電極３、４の電極線31、
41がヒータ本体１の外周面に露出状に形成されている
が、これを絶縁材料により被覆することが望ましいこと
は云うまでもない。

（発明の効果） 叙上の如く、本発明の酸素センサは、固体電解質層が
20〜200μｍと極めて薄いので、全体の熱容量が小さ
く、消費電力が少なくなる。また、該固体電解質層及び
セル電極が薄膜手法により形成されるから、ヒータ本体
が酸素雰囲気中での焼成に供せられることがなく、従っ
て該本体に内蔵される発熱部として安価な卑金属電極を
用いることが出来る。更に、支持層を設けた場合、セン
サ主体たる固体電解質層及びその両面に被着対設された
セル電極は、該支持層によって支持されるから、固体電
解質層の厚みが薄いにも拘らず溝内に陥没する懸念がな
い。またこれらセンサ主体を保護層によって被覆した場
合、排気ガス中のＰ、Ｓ、Pb等のミストによる劣化も防
止される。

亦、本発明の製造方法に於いては、爾後焼失・除去さ
れる樹脂を溝内に充填し、その上に固体電解質層等を形
成するようにしているから、各層が薄膜手法等によって
形成可能とされ、これによって全体の熱容量を小さくす
ることが出来ると共に安価な卑金属の電極を発熱部とし
て用いることが可能となり、製造コスト等の低減化に寄
与する。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明酸素センサの一例を示す斜視図、第２図
は第１図のII-II線縦断面図、第３図は第２図III線部の
拡大図、第４図は本発明方法の工程図である。 （符号の説明） １……ヒータ本体、10……中空部、11……発熱部、２…
…溝、20……開口部、21……透孔、３、４……セル電
極、５……固体電解質層、６……支持層、７……保護
層。

Claims (5)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】先側の内面寄りに発熱部を内蔵し且つ先端
   が封止された中空ヒータ本体と、該ヒータ本体の上記発
   熱部対応外周面に形成され且つ透孔を介してヒータ本体
   の中空部に連通する溝と、両面に一対の多孔質セル電極
   を被着対設具備し上記溝の開口部に跨架するよう薄膜手
   法により形成された厚み20〜200μｍの固体電解質層と
   より成る酸素センサ。
2. 【請求項２】上記固体電解質層と溝開口部との間に多孔
   質の支持層が介在され且つ該固体電解質層の表面が多孔
   質の保護層によって被覆されている請求項１記載の酸素
   センサ。
3. 【請求項３】上記発熱部が卑金属電極より成る請求項１
   又は２記載の酸素センサ。
4. 【請求項４】先側の内面寄りに発熱部を内蔵し且つ先端
   が封止された中空ヒータ本体の該発熱部対応外周面に透
   孔を介して該ヒータ本体の中空部に連通する溝を形成す
   る工程と、該溝に樹脂を充填する工程と、この充填樹脂
   の表面に多孔質の支持層を上記溝の開口部を跨架するよ
   う形成する工程と、該支持層上に一方の多孔質セル電極
   を形成する工程と、前記樹脂を焼失・除去する工程と、
   上記セル電極上に固体電解質層を薄膜手法により形成す
   る工程と、該固体電解質層の表面に他方の多孔質セル電
   極を形成する工程と、表面側のセル電極を含んで固体電
   解質層を保護層にて被覆する工程とより成る酵素センサ
   の製造法。
5. 【請求項５】上記発熱部が卑金属電極より成る請求項４
   記載の製造法。