JP2827440B2 - 積層型酸素濃度センサ - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 《産業上の利用分野》 本発明は、自動車等に空燃比制御のために利用され
る、板状のセンサ素子の円筒状のケーシングで保持する
形態の積層型酸素濃度センサに関する。

《従来の技術》 積層型酸素濃度センサとしては、ジルコニア系セラミ
ックスグリーンシートに、白金ペーストによる電極を印
刷形成し、更に大気導入層用やヒータ基板用のグリーン
シート等を圧着積層したものを脱脂・焼成することによ
り板状のセンサ素子を製作し、それを円筒状のケーシン
グの保持させた形態のものが最も一般的である。ケーシ
ングへのセンサ素子の組み付けを容易にするために、セ
ンサ素子の両側に位置決め用の突部を設けたものが実公
昭63−11644号公報に開示されている。

積層型酸素濃度センサは、断面略Ｕ字形の試験管状の
素子をケーシングに保持させた従来からの非積層型酸素
濃度センサに較べると、素子を作るグリーンシートの厚
さを1mmと薄くでき、微細な加工が可能でセンサを小型
化できるという利点を有する。

《発明が解決しようとする課題》 しかしながら、積層型酸素濃度センサには、センサ素
子とケーシングの間からガス洩れが起こり易いという欠
点がある。シール材として一般的にガラスや無機接着剤
が用いられているが、高熱や振動を繰り返し受けるの
で、酸素濃度センサのシール部におけるガス洩れ（大気
→排ガス，排ガス→大気）を長期間確実に防止できない
恐れがある。

本来、限界電流式の酸素濃度センサの出力電圧Emfと
空燃比λは第７図のＡ線に示すような関係となるが、ガ
ス洩れが起こると、酸素濃度センサにおける排気極側と
大気極側の酸素濃度差が低くなり、Ｂ線に示すような出
力特性となる。ガス洩れ量が多くなるほど、傾向として
λ＜１での状態における出力は低下する。

第７図のＡ線及びＢ線で示される出力特性を持つ各酸
素濃度センサは、時間と出力電圧の関係では、それぞれ
第８図の（Ａ）線及び（Ｂ）線に示すようなセンサ特性
となる。積層型酸素濃度センサがガス洩れを起こすと、
即ち出力特性が第８図の（Ｂ）線で示されるようになる
と、例えば0.5Vを境にリッチ状態とリーン状態を判別す
るようECU25（第９図）にメモリーしておいても、該酸
素濃度センサ１からの低出力信号でリーン状態を検知し
たECU25は、燃料を多く噴射するようインジェクター26,
26…をコントロールする。このためエンジン28での未燃
焼成分がエキゾーストマニホールド12に多く排出され、
触媒コンバータ27は浄化性能の高いウインドウ（λ＝１
付近）からはずれ、HC,COのエミッションが極端に悪化
する（浄化率が低下する）。

その対策として、積層型酸素濃度センサに、考えられ
るシール手段を徹底的に施すとなると、酸素濃度センサ
の大型化、製造コストの増大、生産性の悪化等を招くこ
とになる。

本発明は上記問題を解決する目的でなされたものであ
り、その解決しようとする課題は、板状の素子とケーシ
ングの間でガス洩れが起こらず、しかも廉価に生産性良
く製造できる積層型酸素濃度センサを提供することであ
る。

《課題を解決するための手段》 上記課題を解決するための本発明の積層型酸素濃度セ
ンサは、板状のセンサ素子を円筒状のケーシングに入
れ、該ケーシングで上記素子を保持する形態の積層型酸
素濃度センサにおいて、ケーシングの素子保持部に嵌合
するセンサ素子の外周に設けられた突部が、素子本体と
同じ材料でかつケーシング内周径にほぼ同じ外周径の大
きさとしてスリップキャスティングにより形成されたも
のであることを特徴とする。

センサ素子は、素子本体となるグリーンシート積層板
を常法により作り、その周囲に、突部を形成するための
型をセットし、該型に素子本体と同じ材料のスラリーを
流し込んだ後、それを乾燥、焼成することにより製造す
る。型は石膏等の耐熱性材料でできていればよく、素子
材の焼成前又は焼成後に解体する。

素子本体は、検知層、大気導入層、ヒータ基板層、保
護層の各層とも熱膨張差のない同系セラミックス材料で
作られているのが好ましく、したがって素子本体の周囲
に設ける突部の材料も、検知層（酸素イオン伝導性固体
電解質層）と同じジルコニア系セラミックス材料とする
のが重要である。バインダーの混合割合もほぼ同じにす
る。突部は、シール性を考慮し、ケーシングの素子保持
部の形状に合致する形状にすべきことは勿論である。ケ
ーシングの素子保持部の内周面と突部の外周面をテーパ
形状面にすると、シール性は言うまでもなく、素子とケ
ーシングとで酸素濃度センサを組み立てる操作が容易に
なる。組み立てる前のケーシングの素子保持部にシール
材を介装して、シールを確実にするのが有利である。

セラミックス成形体の焼成による収縮率は、下記表に
示すように成形方法によって異なる。素子本体はテープ
成形法で、突部は鋳込み成形で作るからには、ともに収
縮率15〜20％の範囲内で、できるだけ同じ収縮率どなる
よう、それらのバインダー量、粉体粒径、形状、スラリ
ー粘度等を適当に調整するのが重要である。

セラミックスの収縮率や粉体の性状から、単一の成形
方法でセンサ素子を作るのが生産性を上げる上で効率的
と考えられてきたが、シール性能及び酸素濃度センサア
ッセンブリとして最終製品に組み立てるまでの生産性を
考慮すると、複合した成形方法で、素子本体と突部を同
時に作り込むのが良いといえる。

《作用》 素子本体と突部の材料を同じにすると、スリップキャ
スティング後の焼成で、センサ素子の突部と素子本体と
の密着性が向上し、高熱で膨張しても突部と素子本体の
間のシール性が確保される。スリップキャスティング
は、素子本体に任意形状の突部を設けることを可能に
し、ケーシングの素子保持部の内周形状に合致する形状
に設けられた突部は、ケーシングとセンサ素子間のシー
ル性を向上させる。また適当な形状で素子本体の外周に
設けられた突部は、センサ素子のケーシングへの組み付
けを容易にするので、最終的に酸素濃度センサの生産性
が向上する。

《実施例》 以下、本発明の酸素濃度センサの実施例を、図面を用
いながら説明する。

実施例１ 第１図は、本実施例の酸素濃度センサ１を示す断面図
である。本センサ１のケーシング８は、エンジンの排気
管（又はイグゾーストマニホールド）12の壁面にネジ穴
をあけ、シール９を施してて取り付ける。ケーシング８
に保持されているセンサ素子２は、排気管12内の排気ガ
ス状態を十分にモニターできる位置に来るようケーシン
グ８に保持させてある。センサ素子２は、その突部2aを
絶縁体18、バネ11、リング10及び充填したタルク７で素
子保持部8aに押し付けるようにして、ケーシング８に固
定されている。センサ素子２の突部2aとケーシング８の
素子保持部8aとの間にはシールリング６が介装され、非
通気性が保たれている。ケーシング８に設けられている
保護カバー15は、素子２に直接排気ガスが当らないよう
に、特にオイル、燃料中に含まれるセンサ構成分（P,C
u,Mg,Pb等）が素子２に当らないよう保護する。リード
線取り出し部16と導線ケーブル17の接続は絶縁体18の中
で行なわれ、短絡が防がれている。ブッシュ13は導線ケ
ーブル17の固定と防水の役目をしており、特に素子２の
大気極側へ必要空気を通すが水蒸気分子を通さない樹脂
を用いている。

センサ素子２は、第2c図から判るように、ヒータ基板
層40用グリーンシート、大気導入層36用グリーンシー
ト、検知層35用グリーンシート、保護層37用グリーンシ
ートを圧着積層して作られる。ヒータ34、電極３（排気
極3aと大気極3b）及びリード線38は、化学めっき、真空
蒸着、イオンスパッタリング、ペーストスクリーン印刷
等により積層前に予めグリーンシート上に設けられる。
多孔質保護層32は、検知用グリーンシート35と同じジル
コニア系セラミックスグリーンシートで作られる。素子
焼成後にスピネル等のセラミックス粉で多孔質保護層を
設けていた従来のセンサに較べ、グリーンシート積層時
に多孔質保護層を設ける本実施例のセンサは、製造コス
ト及び生産性の点でも有利である。

センサ素子２の突部2aは、第2a図（平面図）及び第2b
図（側面図）に示すように、押し付けられるケーシング
の素子保持部8aの内周面の形状に合わせてテーパ面とな
っている。突部2bは、第３図に示すように、上型22と下
型23とからなる石膏型21に素子本体2aをセットし、板状
の素子本体2aを鋳ぐるむようにして石膏型21にセラミッ
クススラリー24を注入するスリップキャスティング法
（鋳込み法）により、素子本体の外周に形成されたもの
である。なお、グリーンシート用スラリーは、セラミッ
クス粉末（Y₂O₃を添加した安定化ZrO₂）100部に対し、
バインダ11部、溶媒70部、可塑剤５部及び解膠剤３部を
加え、ボールミルにて撹拌したものであり、ドクターブ
レード装置を用いるキャスティングによりグリーンシー
トにされる。一方、突部2bを形成するための石膏型21に
注入するスリップキャスティング用スラリー24は、グリ
ーンシート用スラリーの溶媒量を80部に変えて粘度調整
したものである。

センサ素子２の本体2aと突部2bは、材質的に同じもの
であるため、焼成後のそれらの密着性は十分である。本
酸素濃度センサ１は、センサ素子２に適当な形状の突部
2aを設けたものであるため、シール及び組み付け操作が
非常に簡便な酸素濃度センサとなっている。

実施例２及び３ 実施例２の酸素濃度センサ１を第４図に、そして実施
例３の酸素濃度センサ１を第５図に示す。なおこれら図
中、実施例１の説明に用いた第１図と対照して同一機能
部材と理解してよいものは同一符号で示してある。これ
ら第４図、第５図に示した各酸素濃度センサ１は、セン
サ素子２の突部2bとケーシング８の間のシール性を高め
るために、突部2bの形状をそれぞれ円柱状、断面凹状に
変えたものである。特に第５図に示した酸素濃度センサ
１は、センサの小型化による素子２の温度変化（熱ひ
け）を防ぐために、保温帯Ｈを設けた構造となってい
る。ケーシング８との密着面積を広げ、しかもケーシン
グ８に組み付け易い形状にしたセンサ素子２の突部2b
は、実施例１と同様にスリップキャスティングにより形
成されている。

実施例４ スリップキャスティングによれば、どのような形状の
突部2bでも設けることができるので、第６図に示すよう
に、バネ受けとしても適する形状の突部2bを素子本体2a
の外周に形成し、素子２をケーシング８に組み付ける際
に、タルク７やリング10（第１図参照）を用いずに、材
質をセラミックスや高耐熱鋼としたバネ11で直接押え付
ける。こうした酸素濃度センサはより小型なものとな
り、エンジンルーム内にて取り付けスペースをさほど必
要としない。

《発明の効果》 本発明の酸素濃度センサは、ケーシングの素子保持部
の内周形状に合致する形状の突部を素子本体の外周に設
けたものであるので、排気側と大気側の境界部でガス洩
れが起こらず、正確に酸素濃度を検知できる。

センサ素子の突部はスリップキャスティングにより形
成させるので、上記突部の形状を、シール性の向上やセ
ンサの小型化のために適当などのような形状にもするこ
とができる。センサ素子は、突部と素子本体の材料が同
じで、それらを同時に焼成して一体化させたものである
ため、熱膨張差の心配がなく、突部と素子本体の界面で
シール性が損なわれることもない。

またケーシングにセンサ素子を組み付けるのに接着剤
が必要なく、組み付け操作が容易となるので、酸素濃度
センサの生産性と製造コストの低減を図ることができ
る。

【図面の簡単な説明】 第１図は本発明の酸素濃度センサの一実施例を示す断面
図、 第2a図は該センサの素子を示す側面図、 第2b図は同平面図、 第2c図は第2b図のＣ−Ｃ線に沿う断面図、 第３図はスリップキャスティングによる突部の成形方法
を示す説明図、 第４図及び第５図は互いに異なる他の実施例の酸素濃度
センサの要部を示す断面図、 第６図は別の実施例の酸素濃度センサを示す断面図、 第７図はガス洩れの無いセンサとガス洩れを起こしたセ
ンサの、空燃比に対する出力特性を対比して示す図、 第８図は同じく時間に対する出力特性を示す図、 第９図は酸素濃度センサを用いる空燃比制御システムを
概略的に示す図である。 図中、 １……酸素濃度センサ、２……センサ素子、 2a……素子本体、2b……突部、 ６……シールリング、８……ケーシング、 8a……素子保持部、11……バネ、 12……排気管（又はエキゾーストマニホールド）

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】板状のセンサ素子を円筒状のケーシングに
   入れ、該ケーシングで上記素子を保持する形態の積層型
   酸素濃度センサにおいて、ケーシングの素子保持部に嵌
   合するセンサ素子の外周に設けられた突部が、素子本体
   と同じ材料でかつケーシング内周径にほぼ同じ外周径の
   大きさとしてスリップキャスティングにより形成された
   ものであることを特徴とする積層型酸素濃度センサ。