JP3020013B2 - 酸素センサ用セラミックヒータ - Google Patents
酸素センサ用セラミックヒータInfo
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- JP3020013B2 JP3020013B2 JP3217942A JP21794291A JP3020013B2 JP 3020013 B2 JP3020013 B2 JP 3020013B2 JP 3217942 A JP3217942 A JP 3217942A JP 21794291 A JP21794291 A JP 21794291A JP 3020013 B2 JP3020013 B2 JP 3020013B2
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- heating element
- temperature
- solid electrolyte
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Description
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は固体電解質を用いた酸素
センサに用いられるセラミックヒータに関する。
センサに用いられるセラミックヒータに関する。
【０００２】
【従来の技術】ジルコニア等の固体電解質を用いた酸素
センサでは、素子を活性化するため数百度の温度に加熱
しておく必要がある。このため、酸素センサでは素子を
ヒータで加熱することが行われる。従来のこの種のセラ
ミックヒータは、アルミナ基板等にタングステン等から
なる発熱体を埋設したものであり、発熱体は全長に渡っ
て一様なものであった。
センサでは、素子を活性化するため数百度の温度に加熱
しておく必要がある。このため、酸素センサでは素子を
ヒータで加熱することが行われる。従来のこの種のセラ
ミックヒータは、アルミナ基板等にタングステン等から
なる発熱体を埋設したものであり、発熱体は全長に渡っ
て一様なものであった。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記従
来の装置はヒータに電圧を印加してから固体電解質が所
定温度に到達して活性化し、ヒータの温度が飽和するま
でに３０秒以上の時間を要するという問題点があった。
このため、内燃機関の空燃比センサとして使用した場
合、内燃機関の始動後３０秒以上の間、空燃比制御がで
きなかった。これを解決するため、通電開始時に大電流
を供給し、固体電解質が所定温度に到達して活性化した
後、電流値を制限し温度を制御する電気回路を用いる方
法が考えられるが、回路が複雑化しコストが上昇すると
いう問題点があった。本発明は上記の問題点を解決する
ためなされたものであり、その目的とするところは、余
分の電気回路を付加することなく、通電開始から酸素セ
ンサが活性化するまでの時間を短縮することができる酸
素センサ用セラミックヒータを提供することにある。
来の装置はヒータに電圧を印加してから固体電解質が所
定温度に到達して活性化し、ヒータの温度が飽和するま
でに３０秒以上の時間を要するという問題点があった。
このため、内燃機関の空燃比センサとして使用した場
合、内燃機関の始動後３０秒以上の間、空燃比制御がで
きなかった。これを解決するため、通電開始時に大電流
を供給し、固体電解質が所定温度に到達して活性化した
後、電流値を制限し温度を制御する電気回路を用いる方
法が考えられるが、回路が複雑化しコストが上昇すると
いう問題点があった。本発明は上記の問題点を解決する
ためなされたものであり、その目的とするところは、余
分の電気回路を付加することなく、通電開始から酸素セ
ンサが活性化するまでの時間を短縮することができる酸
素センサ用セラミックヒータを提供することにある。
【０００４】
【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
め、本発明では、内外面に多孔質電極面を有する酸素イ
オン伝導性の固体電解質部材と、その固体電解質部材に
近接して配設され厚膜技術で形成された発熱体を有する
セラミックヒータとを備える酸素センサ用セラミックヒ
ータにおいて、前記セラミックヒータの先端部にはニッ
ケルクロム合金のごとく抵抗温度係数の小さな材料から
なる第１の発熱体が形成され、前記セラミックヒータの
後端部にはモリブデンのごとく抵抗温度係数の大きな材
料からなる第２の発熱体が形成され、前記２つの発熱体
が直列に接続されてなることを特徴とする酸素センサ用
セラミックヒータが提供される。
め、本発明では、内外面に多孔質電極面を有する酸素イ
オン伝導性の固体電解質部材と、その固体電解質部材に
近接して配設され厚膜技術で形成された発熱体を有する
セラミックヒータとを備える酸素センサ用セラミックヒ
ータにおいて、前記セラミックヒータの先端部にはニッ
ケルクロム合金のごとく抵抗温度係数の小さな材料から
なる第１の発熱体が形成され、前記セラミックヒータの
後端部にはモリブデンのごとく抵抗温度係数の大きな材
料からなる第２の発熱体が形成され、前記２つの発熱体
が直列に接続されてなることを特徴とする酸素センサ用
セラミックヒータが提供される。
【０００５】
【作用】上記のように構成された酸素センサ用セラミッ
クヒータでは、通電開始直後でセラミックヒータが未だ
冷えている間は、第２の発熱体の抵抗が小さく、大電流
が流れて第１の発熱体を素早く発熱させる。第１の発熱
体が発熱してもその抵抗温度係数（ＴＣＲ）が小さいの
で抵抗値が余り増加せず、電流値及び発熱量は減少しな
い。やがて、第１の発熱体の熱が第２の発熱体に伝導
し、また、第２の発熱体自体も発熱して第２の発熱体の
温度が上昇する。すると、第２の発熱体の抵抗温度係数
（ＴＣＲ）が大きいのでその抵抗値が上昇し、電流値が
減少して第１の発熱体の発熱量が減少し、セラミックヒ
ータの温度が平衡温度に到達する。
クヒータでは、通電開始直後でセラミックヒータが未だ
冷えている間は、第２の発熱体の抵抗が小さく、大電流
が流れて第１の発熱体を素早く発熱させる。第１の発熱
体が発熱してもその抵抗温度係数（ＴＣＲ）が小さいの
で抵抗値が余り増加せず、電流値及び発熱量は減少しな
い。やがて、第１の発熱体の熱が第２の発熱体に伝導
し、また、第２の発熱体自体も発熱して第２の発熱体の
温度が上昇する。すると、第２の発熱体の抵抗温度係数
（ＴＣＲ）が大きいのでその抵抗値が上昇し、電流値が
減少して第１の発熱体の発熱量が減少し、セラミックヒ
ータの温度が平衡温度に到達する。
【０００６】
【実施例】本発明の実施例について図面を参照し説明す
る。図１は第１の実施例の製造過程を示す斜視図であ
る。比表面積が１２ｍ2 ／ｇの微粒子を原料として使用
したアルミナシート２にニッケルクロム合金の金属粉末
を主成分とするペーストを印刷して第１の発熱体３とな
る部分を形成し、次いで、タングステンの金属粉末を主
成分とするペーストを印刷して第２の発熱体４、４′と
なる部分を形成する。そして、第２のアルミナシート２
０を被せて、真空炉またはアンモニア分解ガス等の還元
雰囲気炉で焼成して焼き付けを行い、セラミックヒータ
素子１を形成する。第１の発熱体３は比較的密なパター
ンを構成し、第２の発熱体４、４′は端子部５、５′と
第１の発熱体３とを結ぶ電流通路を構成する。第２の発
熱体４、４′の端子部５、５′にはリード線がろう付け
される。
る。図１は第１の実施例の製造過程を示す斜視図であ
る。比表面積が１２ｍ2 ／ｇの微粒子を原料として使用
したアルミナシート２にニッケルクロム合金の金属粉末
を主成分とするペーストを印刷して第１の発熱体３とな
る部分を形成し、次いで、タングステンの金属粉末を主
成分とするペーストを印刷して第２の発熱体４、４′と
なる部分を形成する。そして、第２のアルミナシート２
０を被せて、真空炉またはアンモニア分解ガス等の還元
雰囲気炉で焼成して焼き付けを行い、セラミックヒータ
素子１を形成する。第１の発熱体３は比較的密なパター
ンを構成し、第２の発熱体４、４′は端子部５、５′と
第１の発熱体３とを結ぶ電流通路を構成する。第２の発
熱体４、４′の端子部５、５′にはリード線がろう付け
される。
【０００７】図２は本発明の第１の実施例の酸素センサ
６を内燃機関の排気管７中に配設した状態を示す縦断面
図、図３は酸素センサ部分６の平面図である。略円板状
の台座８に前記セラミックヒータ素子１が立設され、僅
かの間隙部９を隔ててジルコニア固溶体からなる固体電
解質板１０が立設されている。固体電解質板１０には両
面に多孔質白金電極１１、１２が形成され、裏面にはア
ルミナからなる遮蔽板１３が密着して一体に焼成されて
いる。酸素センサ６はその台座８により排気管７に取り
付けられる。セラミックヒータ素子１に電源１５から電
流を流すことにより第１の発熱体３が早急に発熱し、固
体電解質板１０を活性化温度に加熱する。活性化温度に
加熱された後は、第２の発熱体４、４′の温度が上昇
し、その抵抗値が上昇するため電流値が制限され、活性
化温度以上に保温する。この状態で第２の電源１６から
所定電流を固体電解質板１０に流した時の電圧から排気
管７中の酸素濃度が検出される。
６を内燃機関の排気管７中に配設した状態を示す縦断面
図、図３は酸素センサ部分６の平面図である。略円板状
の台座８に前記セラミックヒータ素子１が立設され、僅
かの間隙部９を隔ててジルコニア固溶体からなる固体電
解質板１０が立設されている。固体電解質板１０には両
面に多孔質白金電極１１、１２が形成され、裏面にはア
ルミナからなる遮蔽板１３が密着して一体に焼成されて
いる。酸素センサ６はその台座８により排気管７に取り
付けられる。セラミックヒータ素子１に電源１５から電
流を流すことにより第１の発熱体３が早急に発熱し、固
体電解質板１０を活性化温度に加熱する。活性化温度に
加熱された後は、第２の発熱体４、４′の温度が上昇
し、その抵抗値が上昇するため電流値が制限され、活性
化温度以上に保温する。この状態で第２の電源１６から
所定電流を固体電解質板１０に流した時の電圧から排気
管７中の酸素濃度が検出される。
【０００８】図４は第２の実施例の製造過程を示す斜視
図である。比表面積が１２ｍ2 ／ｇの微粒子を原料とし
て使用した厚さ０．５ｍｍのアルミナシート２２にニッ
ケルクロム合金の金属粉末を主成分とするペーストを印
刷して第１の発熱体２３となる部分を形成し、次いで、
タングステンの金属粉末を主成分とするペーストを印刷
して第２の発熱体２４、２４′となる部分を形成する。
そして、第２のアルミナシート２５を被せて、直径２．
５ｍｍの円筒状に成形し、真空炉またはアンモニア分解
ガス等の還元雰囲気炉で焼成して焼き付けを行い、セラ
ミックヒータ素子２１を形成する。セラミックヒータ素
子２１は焼成収縮により直径２．０ｍｍの素子となる。
第１の発熱体２３は比較的密なパターンを構成し、第２
の発熱体２４、２４′は端子部と第１の発熱体２３とを
結ぶ電流通路を構成する。第２の発熱体２４、２４′の
端子部２６、２６′はスルーホール２７を介して周面の
端子部２８、２９に連絡され、周面の端子部２８、２９
にはリード線がろう付けされる。
図である。比表面積が１２ｍ2 ／ｇの微粒子を原料とし
て使用した厚さ０．５ｍｍのアルミナシート２２にニッ
ケルクロム合金の金属粉末を主成分とするペーストを印
刷して第１の発熱体２３となる部分を形成し、次いで、
タングステンの金属粉末を主成分とするペーストを印刷
して第２の発熱体２４、２４′となる部分を形成する。
そして、第２のアルミナシート２５を被せて、直径２．
５ｍｍの円筒状に成形し、真空炉またはアンモニア分解
ガス等の還元雰囲気炉で焼成して焼き付けを行い、セラ
ミックヒータ素子２１を形成する。セラミックヒータ素
子２１は焼成収縮により直径２．０ｍｍの素子となる。
第１の発熱体２３は比較的密なパターンを構成し、第２
の発熱体２４、２４′は端子部と第１の発熱体２３とを
結ぶ電流通路を構成する。第２の発熱体２４、２４′の
端子部２６、２６′はスルーホール２７を介して周面の
端子部２８、２９に連絡され、周面の端子部２８、２９
にはリード線がろう付けされる。
【０００９】図５は第２の実施例のセラミックヒータ素
子２１を用いた試験管形の酸素センサ３０を示す一部破
断図、図６は底面図である。図５の破断面は図６のＡ−
Ａ線断面に相当する。略ナットのような６角形の形状を
し、上部外周部にねじ３２が刻設されたハウジング３１
の内周部に試験管形のジルコニア固溶体からなる酸素セ
ンサ素子３３が嵌着されている。酸素センサ素子３３は
滑石３４、かしめリング３５を介してハウジング３１に
かしめられている。試験管形の酸素センサ素子３３の内
外面には多孔質の白金電極３６、３７が設けられ、外面
の白金電極３６とハウジング３１とは電気的に接続され
ている。
子２１を用いた試験管形の酸素センサ３０を示す一部破
断図、図６は底面図である。図５の破断面は図６のＡ−
Ａ線断面に相当する。略ナットのような６角形の形状を
し、上部外周部にねじ３２が刻設されたハウジング３１
の内周部に試験管形のジルコニア固溶体からなる酸素セ
ンサ素子３３が嵌着されている。酸素センサ素子３３は
滑石３４、かしめリング３５を介してハウジング３１に
かしめられている。試験管形の酸素センサ素子３３の内
外面には多孔質の白金電極３６、３７が設けられ、外面
の白金電極３６とハウジング３１とは電気的に接続され
ている。
【００１０】試験管形の酸素センサ素子３３の内部には
前述した円筒状のセラミックヒータ素子２１が挿入され
ている。セラミックヒータ素子２１の端子部２８、２９
には内部リード線３８、３９がろう付けされ外部リード
線４５、４６に接続されている。内部リード線３８、３
９は保護外筒４０、スペーサ４１及びシール材４２によ
り保護され、水や油が酸素センサ５０の内部に浸透しな
いようにされている。また、ジルコニア固溶体からなる
酸素センサ素子３３はその外周部をプロテクタ４３によ
り保護されている。プロテクタ４３には排気ガスが酸素
センサ素子３３に接触するように複数の穴４４が設けら
れている。
前述した円筒状のセラミックヒータ素子２１が挿入され
ている。セラミックヒータ素子２１の端子部２８、２９
には内部リード線３８、３９がろう付けされ外部リード
線４５、４６に接続されている。内部リード線３８、３
９は保護外筒４０、スペーサ４１及びシール材４２によ
り保護され、水や油が酸素センサ５０の内部に浸透しな
いようにされている。また、ジルコニア固溶体からなる
酸素センサ素子３３はその外周部をプロテクタ４３によ
り保護されている。プロテクタ４３には排気ガスが酸素
センサ素子３３に接触するように複数の穴４４が設けら
れている。
【００１１】セラミックヒータ素子２１に電源から電流
を流すことにより第１の発熱体２３が早急に発熱し、ジ
ルコニア固溶体からなる酸素センサ素子３３を活性化温
度に加熱する。活性化温度に加熱された後は、第２の発
熱体２４、２４′の温度が上昇し、その抵抗値が上昇す
るため電流値が制限され、活性化温度以上に保温する。
図７はセラミックヒータ素子２１に電圧を印加してから
の温度変化を示す特性図である。破線Ｂで示す従来のセ
ラミックヒータ素子では、活性化温度に到達するまでに
３６秒（ｔ2 ）かかっていたのが、本実施例では実線Ａ
で示す様に１５秒（ｔ1 ）に短縮されており、また、活
性化温度に到達した後の温度上昇も少なかった。
を流すことにより第１の発熱体２３が早急に発熱し、ジ
ルコニア固溶体からなる酸素センサ素子３３を活性化温
度に加熱する。活性化温度に加熱された後は、第２の発
熱体２４、２４′の温度が上昇し、その抵抗値が上昇す
るため電流値が制限され、活性化温度以上に保温する。
図７はセラミックヒータ素子２１に電圧を印加してから
の温度変化を示す特性図である。破線Ｂで示す従来のセ
ラミックヒータ素子では、活性化温度に到達するまでに
３６秒（ｔ2 ）かかっていたのが、本実施例では実線Ａ
で示す様に１５秒（ｔ1 ）に短縮されており、また、活
性化温度に到達した後の温度上昇も少なかった。
【００１２】以上説明した実施例では、セラミックヒー
タ素子の先端部のヒータ材としてニッケルクロム合金Ｎ
ｉ−Ｃｒを用いたがその他の抵抗温度係数の小さな金属
材料を用いてもよい。また、ヒータ素子の後端部のヒー
タ材として抵抗温度係数の大きな金属材料としてタング
ステンＷを用いたが、その他、白金Ｐｔ、ニッケルＮ
ｉ、鉄Ｆｅ、ロジュウムＲｈ、タンタルＴａ、モリブデ
ンＭｏ等々を用いてもよいことは明らかである。
タ素子の先端部のヒータ材としてニッケルクロム合金Ｎ
ｉ−Ｃｒを用いたがその他の抵抗温度係数の小さな金属
材料を用いてもよい。また、ヒータ素子の後端部のヒー
タ材として抵抗温度係数の大きな金属材料としてタング
ステンＷを用いたが、その他、白金Ｐｔ、ニッケルＮ
ｉ、鉄Ｆｅ、ロジュウムＲｈ、タンタルＴａ、モリブデ
ンＭｏ等々を用いてもよいことは明らかである。
【発明の効果】本発明は、上記の構成を有し抵抗温度係
数の小さな材料からなる第１の発熱体と、抵抗温度係数
の大きな材料からなる第２の発熱体とが直列に接続され
てなるものであるから、特別の制御回路を用いることな
く、酸素センサ素子を素早くその活性化温度に加熱し、
その温度を自動的に維持することができるという優れた
効果がある。
数の小さな材料からなる第１の発熱体と、抵抗温度係数
の大きな材料からなる第２の発熱体とが直列に接続され
てなるものであるから、特別の制御回路を用いることな
く、酸素センサ素子を素早くその活性化温度に加熱し、
その温度を自動的に維持することができるという優れた
効果がある。
【図１】 第１の実施例の製造過程を示す斜視図
【図２】 第１の実施例の酸素センサを内燃機関の排気
管中に配設した状態を示す縦断面図
管中に配設した状態を示す縦断面図
【図３】 酸素センサ部分の平面図
【図４】 第２の実施例の製造過程を示す斜視図
【図５】 第２の実施例のセラミックヒータ素子を用い
た試験管形の酸素センサを示す一部破断図
た試験管形の酸素センサを示す一部破断図
【図６】 底面図
【図７】 セラミックヒータ素子に電圧を印加してから
の温度変化を示す特性図
の温度変化を示す特性図
１ セラミックヒータ素子 ３ 第１の発熱体 ４ 第２の発熱体 ６ 酸素センサ １０ 固体電解質板 １１ 多孔性白金電極 １２ 多孔性白金電極 ２３ 第１の発熱体 ２４ 第２の発熱体
Claims (1)
- 【請求項１】 内外面に多孔質電極面を有する酸素イオ
ン伝導性の固体電解質部材と、その固体電解質部材に近
接して配設され厚膜技術で形成された発熱体を有するセ
ラミックヒータとを備える酸素センサ用セラミックヒー
タにおいて、 前記セラミックヒータの先端部には抵抗温度係数の小さ
な材料からなる第１の発熱体が形成され、 前記セラミックヒータの後端部には抵抗温度係数の大き
な材料からなる第２の発熱体が形成され、 前記２つの発熱体が直列に接続されてなることを特徴と
する酸素センサ用セラミックヒータ。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP3217942A JP3020013B2 (ja) | 1991-08-02 | 1991-08-02 | 酸素センサ用セラミックヒータ |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP3217942A JP3020013B2 (ja) | 1991-08-02 | 1991-08-02 | 酸素センサ用セラミックヒータ |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH0534313A JPH0534313A (ja) | 1993-02-09 |
| JP3020013B2 true JP3020013B2 (ja) | 2000-03-15 |
Family
ID=16712126
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP3217942A Expired - Lifetime JP3020013B2 (ja) | 1991-08-02 | 1991-08-02 | 酸素センサ用セラミックヒータ |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP3020013B2 (ja) |
Families Citing this family (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP3546590B2 (ja) * | 1996-04-12 | 2004-07-28 | 株式会社デンソー | 空燃比センサー |
| EP0853239A3 (en) * | 1997-01-13 | 2001-01-17 | Kabushiki Kaisha Riken | Gas sensor and heater unit |
| JP2000058237A (ja) | 1998-06-05 | 2000-02-25 | Ngk Spark Plug Co Ltd | セラミックヒ―タ及びそれを用いた酸素センサ |
| JP3921327B2 (ja) | 2000-04-14 | 2007-05-30 | 京セラ株式会社 | セラミックヒータ及びその製造方法 |
-
1991
- 1991-08-02 JP JP3217942A patent/JP3020013B2/ja not_active Expired - Lifetime
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPH0534313A (ja) | 1993-02-09 |
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