JP2917633B2 - 酸素濃度センサ - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は酸素濃度センサ、更に詳
しくはセンサ素子部を加熱するための熱の放散を防止す
る断熱部が設けられた酸素濃度センサに関するものであ
る。

【０００２】

【従来の技術】酸素濃度センサは被測定ガス例えば、ボ
イラー燃焼ガスや自動車排気ガス中の酸素濃度を測定す
るために使用される。そして使用条件、要求性能、製造
の容易さ、製造コスト等に応じて種々の形状の酸素濃度
センサが提案されている。製造方法から見ると、プレス
成形で成形した個々のセラミック部品を組付けることに
より製造する方法、基板上に、セラミックグリーンシ
ートを積層し焼成することにより又はプラズマ溶射法、
スパッタ蒸着法等を用いることにより積層構造を形成し
て製造する方法、及び方法と方法とを組み合わせ
て製造する方法に大別することができる。

【０００３】方法によって得られた酸素濃度センサの
例としては、センサ素子が筒状支持体の先端部端面に設
けられた酸素濃度センサ（特開昭５７−１８９０５７号
公報及び実開昭５９−１３７５５９号公報）がある。
又、方法によって得られた酸素濃度センサの例として
は、セラミックグリーンシートが基板上に積層され焼成
されてなる酸素濃度センサ（特開平２−１５３９号公
報）がある。更に、方法によって得られた酸素濃度セ
ンサの例としては、筒状支持体の先端部端面に積層構造
のセンサ素子を備えた酸素濃度センサ（特開平３−１６
５２５３号公報）がある。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】方法によって得られ
た酸素濃度センサの場合、以下のような問題が生じる。 ａ）プレス成形で例えば板状のセンサ素子を成形する場
合には、肉厚を薄くすることが技術的に難しい。このた
め、センサ素子の寸法がかなり大きくなり、小型化が困
難である。 ｂ）プレス成形体は一部品が一機能しか有しないので、
酸素濃度センサを構成する部品点数が多くなり、部品の
製造が煩雑である。 ｃ）各部品の割れ、欠け等の不具合や部品の組付け不良
によるセンサ素子のガス抜けなどの不具合を解消するた
めには、各部品の製造時に高度なプレス技術を必要と
し、又部品の組付け時にも高度な組付け技術を必要とす
る。このため、必要とする技術の修得が困難である。

【０００５】又、方法によって得られた酸素濃度セン
サの場合、以下のような問題が生じる。 ｄ）積層構造であるため、酸素濃度センサの機械的強度
が不足する。 ｅ）例えば板状の基板上に積層構造を形成する場合、片
面側にセンサ素子が形成されるため被測定ガスとの接触
状態が使用時の酸素濃度センサの取り付け方向によって
異なり、酸素濃度センサの性能に方向性が生じる。 ｆ）センサ素子の熱容量が小さいため、ヒータを用いて
センサ素子を加熱しても被測定ガスに熱を奪われ加熱効
率が悪い。

【０００６】方法によって得られた酸素濃度センサの
場合には、方法又は方法によって得られた酸素濃度
センサの欠点はかなり解消される。しかしながら、例え
ば特開平３−１６５２５３号公報に開示された酸素濃度
センサはセンサ素子を加熱するためのヒータを備えてお
らず、特に比較的低い温度において充分な検出感度が得
られない。又、特開昭５７−１８９０５７号公報及び実
開昭５９−１３７５５９号公報に開示された酸素濃度セ
ンサはセンサ素子を支持する筒状支持体の内部にセンサ
素子を加熱するためのヒータを備えているが、ヒータの
熱が筒状支持体内を通ってセンサ素子から離れる方向に
伝わり易く、センサ素子の加熱効率が悪い。

【０００７】本発明は前記従来技術の問題点を解決する
ためのものであり、その目的とするところは製造が容易
で小型化が可能であり、機械的強度が強く、性能が優れ
ているとともに、センサ素子を加熱するためのヒータの
熱効率が良い酸素濃度センサを提供することにある。

【０００８】

【課題を解決するための手段】本発明の酸素濃度センサ
は、筒状基体の一端面にセンサ素子部が設けられ且つセ
ンサ素子部を加熱するための加熱手段がセンサ素子部近
傍の筒状基体側面に設けられた酸素濃度センサにおい
て、筒状基体内部の雰囲気と筒状基体外部の雰囲気とは
遮断されており、加熱手段が設けられた位置より更に筒
状基体の長手方向に沿ってセンサ素子部から離れた位置
の筒状基体側面に断熱部が設けられてなることを特徴と
する。

【０００９】筒状基体は慣用の耐熱性材料例えばアルミ
ナ、チタニア、スピネル等を単独又は組み合わせて用い
て、慣用の成形法により得ることができる。プレス成形
法は生産効率が良く且つ得られる筒状基体の寸法精度が
良いので成形法として好ましい。筒状基体の大きさは、
使用条件などを考慮して適宜選択する。又、筒状基体の
形状は角筒状、円筒状、これらを組み合わせた形状等で
あってよい。

【００１０】センサ素子部を設ける筒状基体の端面は、
通常筒状基体の長手方向と直交する方向に設ける。セン
サ素子部は狭小な端面に設けるため、積層型酸素濃度セ
ンサにおいてセンサ素子部を形成するために慣用される
方法を用いると都合がよい。即ち、所望により適する基
板例えばアルミナシート、ジルコニアシート等を用い
て、酸素イオン透過性固体電解質例えばイットリアなど
を少量添加したジルコニアからなる層を、スクリーン印
刷法、グリーンシート積層法、プラズマ溶射法、スパッ
タ蒸着法等を用いることにより形成するとよい。

【００１１】酸素イオン透過性固体電解質層の表面に
は、貴金属例えば白金、パラジウム等の粉末をジルコニ
ア粉末などと混合して調整したペーストを用いて、例え
ばスクリーン印刷法により所定の大きさ及び形状の電極
（多孔性電極）を形成する。

【００１２】又、酸素イオン透過性固体電解質層及び電
極を保護するために、所望により前記慣用の耐熱性材料
を用いて前記慣用の方法により保護層を形成する。

【００１３】センサ素子部を加熱するための加熱手段と
しては慣用の加熱手段を用いることができる。即ち、加
熱手段は電熱線例えばニクロム線であってもよいし、又
は白金ペーストなどをスクリーン印刷することにより形
成してもよい。加熱手段は筒状基体の表面又は内部に設
けることもできるし、又は適する基板例えばアルミナ基
板の表面又は内部に設けたものを筒状基体表面に貼着し
てもよい。加熱手段の大きさ及び形状、その位置及び数
は特に限定されず、センサ素子部を適切に加熱すること
ができるように適宜選択する。なお、加熱手段はなるべ
くセンサ素子部に近い筒状基体側面に設けることが好ま
しい。

【００１４】断熱部の形態は、筒状基体内部の雰囲気と
筒状基体外部の雰囲気とが遮断され且つ加熱手段からの
熱が筒状基体の長手方向に沿ってセンサ素子部から離れ
た方向に伝わることを抑制し得るものであればよいが、
通常開口部を設けると都合がよい。この場合、開口部の
被測定ガス側はアルミナシートなどの適する材料で塞
ぐ。開口部の大きさ及び形状、その位置及び数は、筒状
基体の強度を保持し且つ加熱手段からの熱がセンサ素子
部を加熱するために有効に使用されるように適切に決定
する。開口部の形状の例は、円形、楕円形、三角形、四
角形、これらの組み合わせ形等であり、成形の容易さな
ども考慮して選択する。

【００１５】充分な断熱性が保持される場合は、前記開
口部の一部又は全部に適する充填材例えば多孔性セラミ
ックなどを充填してもよい。

【００１６】センサ素子部を形成した筒状基体を所定の
ケーシングに組み込み、配線して酸素濃度センサを得
る。

【００１７】

【作用】断熱部によって、加熱手段からの熱が筒状基体
の長手方向に沿ってセンサ素子部から離れる方向に伝達
されるのが抑制され、少ない熱量でセンサ素子部を加熱
している。

【００１８】

【実施例】以下の実施例により、本発明を更に詳細に説
明する。

【００１９】図１は本発明のジルコニア酸素濃度センサ
の一実施例である。筒状基体としての四角筒状のダクト
１は、アルミナ微粉末をプレス成形することにより形成
した。通気孔２は、ダクト１の長手方向の一端面から他
端面に渡って存在する。又、ダクト１の図中左右の側面
には断面が四角形の開口部３を各１個設けた。ダクト１
の開口部３を設けなかった図中上下の側面には、白金を
主成分としアルミナ微粉末５−１５重量％を添加した白
金ペーストをスクリーン印刷することにより、センサ素
子からの信号を取り出すためのセンサ素子用の取り出し
電極４を各々形成した。

【００２０】ヒータ部５はアルミナ微粉末を使用して形
成したアルミナシート６からなり、この一面に前記と同
様の白金ペーストを用いて所定のパターンでヒータ７を
形成し、他面に同様にヒータ用の取り出し電極８を形成
した。なお、ヒータ７と取り出し電極８とはアルミナシ
ート６に設けたピンホールを通じて電気的に接続した。

【００２１】センサ素子部９は、イットリア添加ジルコ
ニアシート１０からなり、一面にガス側電極１１を、他
面に大気側電極１２（図示せず）及びガス側電極用の取
り出し電極１３をスクリーン印刷することにより形成し
た。ジルコニアシート１０の図中上下の端部は、２点鎖
線部分で図中矢印方向に折り曲げることにより大気側電
極１２及び取り出し電極１３を各々取り出し電極４と電
気的に接続させた。ガス側電極１１と取り出し電極１３
とはジルコニアシート１０に設けたピンホールを通じて
電気的に接続した。又、アルミナ多孔性シートを用い
て、ガス側電極１１を覆うように保護層１４を固着し
た。

【００２２】図２は図１の酸素濃度センサをセンサ素子
部側から見た図である。図３は図２をＡ−Ａ線に沿って
切断した図であり、ガス側電極１１と取り出し電極１３
とが接続されている状態、及び取り出し電極１３と取り
出し電極４、大気側電極１２と取り出し電極４とが接続
されている状態が判る。

【００２３】図４は図２をＢ−Ｂ線及び一部Ｃ−Ｃ線に
沿って切断した図である。即ち図４においてヒータ７と
取り出し電極８とが接続されている状態を示すため、こ
の部分については図２をＣ−Ｃ線に沿って切断した状態
を示す。

【００２４】なお、本実施例ではダクト１は四角筒状で
あるが他の形状例えば、六角筒状、円筒状、これらを組
み合わせた形状等であってもよい。同様に本実施例では
開口部３は断面が四角形であるが断面が他の形状例え
ば、三角形、六角形、円形、楕円形、これらを組み合わ
せた形等であってもよい。

【００２５】センサ素子部９を形成したダクト１を、次
いで所定のケーシングに組み込み、配線した。

【００２６】

【発明の効果】本発明の酸素濃度センサは、前記の如く
構成され加熱手段が設けられた位置より更に筒状基体の
長手方向に沿ってセンサ素子部から離れた位置の筒状基
体側面に断熱部が設けられているため、断熱部によって
加熱手段からの熱が筒状基体の長手方向に沿ってセンサ
素子部から離れる方向に伝達されるのが抑制されるの
で、少ない熱量でセンサ素子部を加熱することができ
る。その結果、センサ素子部を加熱する加熱手段の加熱
効率が良い。

【００２７】又、センサ素子部が筒状基体の一端面に設
けられているため、使用時に被測定ガスがセンサ素子部
に直交する方向からは接触せずセンサ素子部と平行する
方向に流れながらセンサ素子部に接触するので、付着性
物質がセンサ素子部表面に付着し難く酸素濃度センサが
被測定ガス中の付着性物質の影響を受け難い。

【００２８】又、センサ素子部は積層法によって形成す
ることができるので、小型化が容易であり複数の素子部
を筒状基体の先端部に形成することができる。このた
め、例えば空燃比センサなどへの展開が容易であり、応
用範囲が広い。

【００２９】更に、筒状基体はプレス成形法によって形
成することができるので機械的強度に優れ、生産性が高
く且つ形状の自由度が大きく、例えば円筒状などの組み
立て易い形状の酸素濃度センサを容易に得ることができ
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明のジルコニア酸素濃度センサの一実施例
の分解斜視図である。

【図２】図１のジルコニア酸素濃度センサをセンサ素子
部側から見た平面図である。

【図３】図２をＡ−Ａ線に沿って切断した断面図である

【図４】図２をＢ−Ｂ線及び一部Ｃ−Ｃ線に沿って切断
した断面図である

【符号の説明】

１ ダクト ２ 通気孔 ３ 開口部 ４，８，１３ 取り出し電極 ５ ヒータ部 ６ アルミナシート ７ ヒータ ９ センサ素子部 １０ ジルコニアシート １１ ガス側電極 １２ 大気側電極 １４ 保護層

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 筒状基体の一端面にセンサ素子部が設け
   られ且つセンサ素子部を加熱するための加熱手段がセン
   サ素子部近傍の筒状基体側面に設けられた酸素濃度セン
   サにおいて、筒状基体内部の雰囲気と筒状基体外部の雰
   囲気とは遮断されており、加熱手段が設けられた位置よ
   り更に筒状基体の長手方向に沿ってセンサ素子部から離
   れた位置の筒状基体側面に断熱部が設けられてなること
   を特徴とする酸素濃度センサ。