JP3183149B2

JP3183149B2 - 酸素センサのヒータ構造

Info

Publication number: JP3183149B2
Application number: JP03654496A
Authority: JP
Inventors: 順次杉江
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 1996-02-23
Filing date: 1996-02-23
Publication date: 2001-07-03
Anticipated expiration: 2016-02-23
Also published as: JPH09229899A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は、酸素に反応する
素子を有し、その素子の反応に基づいて酸素濃度を検出
する酸素センサに係る。詳しくは、素子を加熱するため
に酸素センサに設けられたヒータの構造に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来より、エンジンの空燃比を制御する
ために使用される酸素センサがある。図８は酸素センサ
の一例を示す。この酸素センサは金属製のハウジング２
１と、そのハウジング２１に取り付けられた素子２２
と、素子２２を加熱するためのヒータ２３と、素子２２
を覆うカバー２４とを備える。試験管形状をなす素子２
２はヒータ２３を内包する。カバー２４は複数の通気孔
２４ａを有する。素子２２はジルコニアを材料として焼
結されることにより得られる。素子２２の内周面及び外
周面を覆う電極２５，２６は白金よりなり、多孔質をな
す。素子２２の外側が酸素を含む気体に曝されることに
より、両電極２５，２６の間には、気体中の酸素濃度の
大きさに応じた電圧（又は電流）が生じる。

【０００３】ここで、素子２２の出力特性は、温度条件
に依存する。素子２２は所定温度で活性化することによ
り、安定した出力を示す。従って、酸素センサをある時
点から早期に使用したい場合には、素子２２を早期に活
性化させる必要がある。ヒータ２３の一つの役割は、こ
のような場合に素子２２を積極的に加熱することであ
る。

【０００４】素子２２を早期に活性化させるためには、
ヒータ２３自身の温度上昇を速める必要がある。ヒータ
２３自身の昇温速度を大きくした場合、ヒータ２３が大
きな熱衝撃を受けるおそれがある。この熱衝撃を緩和す
るために、ヒータ２３の材料として熱膨張係数の小さい
窒化珪素（Si₃N₄)が好適である。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】ところが、上記のヒー
タ２３を窒化珪素製とした場合、その表面が黒色を呈す
ることから、昇温時におけるヒータ２３からの熱放射率
は、窒化珪素以外のものからなるヒータに比べ高くなる
傾向にある。このため、素子２２の内側の電極２５がヒ
ータ２３から受ける熱量が相対的に多くなり、電極２５
が熱凝集し易くなる。電極２５が熱凝集した場合、その
電極２５の有効面積が減少することになる。この結果、
酸素センサの出力特性が変わり、センサの検出精度が低
下するおそれがある。

【０００６】この発明は前述した事情に鑑みてなされた
ものであって、その目的は、内外両側面に電極を設けて
なる筒状の素子と、その内側に配置された窒化珪素より
なるヒータとを備えた酸素センサにおいて、ヒータから
の熱放射に起因して素子内側の電極が熱凝集することを
抑え、電極の有効面積の減少を抑えることを可能にした
酸素センサのヒータ構造を提供することにある。

【０００７】

【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
めに、請求項１に記載の発明では、酸素に反応する筒状
の素子と、その素子の内外両側面にそれぞれ設けられた
電極と、素子の内部に配置され、自身が昇温することに
より素子を加熱する窒化珪素よりなるヒータとを備えた
酸素センサのヒータ構造において、ヒータの表面に窒化
珪素よりも熱放射率の低い被覆膜を設けたことを趣旨と
する。また、請求項２に記載の発明では、酸素に反応す
る筒状の素子と、その素子の内外両側面にそれぞれ設け
られた電極と、素子の内部に配置され、自身が昇温する
ことにより素子を加熱する窒化珪素よりなるヒータとを
備えた酸素センサのヒータ構造において、ヒータの表面
に窒化珪素よりも白色を呈する被覆膜を設けたことを趣
旨とする。

【０００８】

【０００９】

【発明の実施の形態】以下、この発明に係る「酸素セン
サのヒータ構造」を具体化した一つの実施の形態を図面
を参照して説明する。

【００１０】図１はこの実施形態における自動車用エン
ジン（図示しない）に適用される酸素センサ１の主要構
造を示す。この酸素センサ１は、いわゆる限界電流式の
ものである。排気管２に取り付けられるセンサ１は、エ
ンジンの空燃比を制御するために使用される。このセン
サ１は金属製のハウジング３と、そのハウジング３の内
部に取り付けられた素子４と、その素子４を加熱するた
めのヒータ５とを備える。ハウジング３はフランジ６を
含み、そのフランジ６によりセンサ１が排気管２に取り
付けられる。試験管形状をなす素子４はヒータ５を内包
する。ハウジング３はその中間部に段部３ａを有する。
この段部３ａにおいてハウジング３が素子４の外周面と
接することにより、両者３，４の間がシールされる。こ
こで、段部３ａの下側に位置するハウジング３の一部
を、便宜上、ハウジング３の検出部３ｂと称する。同様
に、段部３ａの下方に位置する素子４の一部を、便宜
上、素子４の検出部４ａと称する。

【００１１】ハウジング３はその検出部３ｂに複数の通
気孔３ｃを有する。素子４はジルコニアを材料として焼
結されたものである。素子４の検出部４ａの内周面及び
外周面の一部に付着された内電極７及び外電極８は白金
を材料とし形成され、多孔質をなす。外電極８を覆うよ
うに検出部４ａの外周面に付着された抵抗層９は、素子
４を通過する酸素の拡散を抑える。この抵抗層９は、ス
ピネール(MgO・Al₂O₃)を溶射で５００μｍ程度の厚さに
形成することにより得られる。

【００１２】素子４の検出部４ａの外周が酸素を含む排
気ガスに曝されることにより、そのガス中の酸素濃度の
大きさに応じ、両電極７，８の間には、両電極７，８の
間に印加される電圧に応じた電流が生じる。図２に示す
ように、空燃比がリーンのとき、即ち酸素濃度が相対的
に大きいときには、素子４はその外側から内側へ酸素
（Ｏ₂）を送る。空燃比がリッチのとき、即ち酸素濃度
が相対的に小さいときには、素子４はその内側から外側
へ酸素を送る。この酸素の移送に伴い、両電極７，８の
間に、印加電圧に対する限界電流が生じる。図３はその
印加電圧に対する限界電流の関係を示すグラフである。
このグラフにおいて、リッチ時の実線は、製造直後、即
ち使用初期における特性を示す。リッチ時の破線は、従
来のセンサに係り、所定期間経過後、即ち使用耐久後の
特性を示す。酸素センサ１は限界電流値を空燃比がリッ
チ又はリーンであることを示す検出値として出力する。

【００１３】ヒータ５は発熱可能な導電パタンを内蔵
し、電気的に駆動されるものであり、自身が昇温するこ
とによって素子４を加熱する。このヒータ５は自身の昇
温速度を大きくすると共に、昇温による熱衝撃を緩和す
るために、熱膨張係数の小さい窒化珪素（Si₃N₄)を材料
として形成される。ヒータ５の表面を被覆する本発明の
被覆膜１０は、二酸化珪素（SiO₂) より形成される。こ
こで、窒化珪素の表面は黒色を呈することから、その熱
放射率は相対的に高い。その熱放射率は「０．９」程度
の値を示す。これに対し、二酸化珪素よりなる被覆膜１
０は、その表面が白色を呈し、熱放射率は窒化珪素のそ
れに比べて相対的に低くなる。その熱放射率は「０．
５」程度の値を示す。

【００１４】被覆膜１０は、窒化珪素よりなるヒータ５
を、還元雰囲気（通常は窒素雰囲気）の中で一度焼成し
た後、その焼成物を「１３００〜１５００℃」の酸化雰
囲気（通常は大気雰囲気）の中で再び焼成することによ
り得られる。

【００１５】図４に本実施形態に係るヒータ５の製造工
程を示す。第１の工程において、窒化珪素の粉末と有機
バインダーとを十分に混合した後、周知の「ドクターブ
レード方法」に従って窒化珪素のグリーンシートを形成
する。

【００１６】第２の工程において、形成されたグリーン
シートを所要の大きさに切断し、各切断されたシート片
に発熱体であるタングステンをスクリーン印刷する。第
３の工程において、発熱体の印刷されたシート片の上
に、発熱体の印刷されシート片を積層し、互いに圧着さ
せることにより、平板状をなすヒータのグリーボディを
形成する。

【００１７】第４の工程において、形成されたグリーン
ボディを、窒素雰囲気の中、「９気圧、１７５０℃」の
条件下で２時間だけ焼成することにより、平板状の窒化
珪素よりなるヒータ焼成体を形成する。

【００１８】第５の工程において、製造された平板状の
ヒータ焼成体を円柱状に研削することにより、前述した
試験管状の素子４に組み込み可能な形状に加工する。第
６の工程において、円柱状のヒータ焼成体を大気雰囲気
の中、「１４００℃」の条件下で再び２時間だけ焼成す
ることにより、窒化珪素よりなるヒータ焼成体の表面に
厚さ数十μｍ程度の二酸化珪素よりなる被覆膜１０を形
成する。

【００１９】第７の工程おいて、必要なリード線等をヒ
ータ焼成体に取り付けることにより、本実施形態におけ
る被覆膜１０を有するヒータ５を得る。上記のように製
造されるヒータ５は、素子４を早期に加熱して活性化さ
せるために使われる。或いは、ヒータ５は、不安定な温
度条件下で素子４の温度を所要値に保つために素子４を
加熱するために使われる。素子４を加熱するために、ヒ
ータ５は「１１００℃」程度の温度まで昇温される。

【００２０】この実施形態の構成によれば、ヒータ５が
「１１００℃」程度の温度まで昇温されたときでも、ヒ
ータ５が白色を呈する被覆膜１０により覆われているこ
とから、昇温時におけるヒータ５からの熱放射率が相対
的に低く、内電極７がヒータ５から受ける熱量が相対的
に少なくなる。この意味から、ヒータ５からの熱放射に
起因して内電極７が熱凝集することを抑えることがで
き、内電極７の有効面積の減少を抑えることができる。
この結果、酸素センサ１の出力特性を長期間にわたって
ほぼ使用初期の状態に保つことができ、酸素センサ１の
検出精度の低下を長期間にわたって防止することができ
る。

【００２１】図５はヒータ５を「１１００℃」で長期間
（５００時間）駆動したときの、酸素センサ１から出力
される限界電流値が飽和状態へ向かう傾き抵抗値の変化
を示すグラフである。ここで、「傾き抵抗値」とは、図
６にグラフで示すように、素子４に印加される電圧値
と、センサ１から出力される限界電流値との関係におけ
る曲線の傾きθに相当するものであり、両電極７，８間
の抵抗値に相当する。図５のグラフは、従来の酸素セン
サによる結果と、本実施形態の酸素センサ１による結果
とを比較して示す。これらグラフからも明らかなよう
に、本実施形態の酸素センサ１によれば、５００時間が
経過しても傾き抵抗値の変化は少なく、従来の酸素セン
サによるものと比較して有利なことが明らかである。こ
の抵抗値の変化は、内電極７の熱凝集に起因する有効面
積の減少の少なさを意味する。

【００２２】一方、図７は上記と同様にヒータ５を「１
１００℃」で長期間（５００時間）駆動したときの、酸
素センサの素子抵抗値の変化を示すグラフである。この
グラフに関する酸素センサは、上記限界電流式の酸素セ
ンサ１とは異なるタイプのものであるが、同じ構造を有
するヒータ５を使用していることで共通する。このグラ
フからも明らかなように、本実施形態のヒータ５を使用
した酸素センサでは、５００時間が経過しても素子抵抗
値の変化は少なく、従来の酸素センサによるものと比較
して有利なことが明らかである。

【００２３】この実施形態では、ヒータ５の基材である
窒化珪素を焼成することにより、その表面に二酸化珪素
の被覆膜１０を形成している。この場合、被覆膜１０と
しては、ヒータ５の熱放射率を下げる観点で、白色を呈
する金属酸化物製であればよいのであるが、本実施形態
によれば、他の金属酸化物により被覆膜を形成するより
も製造を簡単にすることができる。

【００２４】この実施形態では、内電極７の熱凝集を抑
制することを、内電極７自体の厚みを大きくすることな
く、ヒータ５の熱放射率を低くすることにより達成して
いる。このため、内電極７に使われる白金の量を節約す
ることができる。

【００２５】この実施形態では、両電極７，８を素子４
の検出部４ａの一部に設けただけなので、両電極７，８
に使われる白金の量を節約することができる。尚、この
発明は次の別の実施形態に具体化することもできる。以
下の別の実施形態においても、前記実施形態と同等の作
用及び効果を得ることができる。

【００２６】（１）前記実施形態では、ヒータ５の基材
である窒化珪素を焼成することにより二酸化珪素からな
る被覆膜１０をヒータ５の表面に形成した。これに対
し、ジルコニア等の金属酸化物からなる被覆膜１０をヒ
ータ５の表面に形成してもよい。被覆膜１０は白色を呈
する金属酸化物の中で可能なものを選択的に利用するこ
とができる。

【００２７】（２）前記実施形態では、外電極８の表面
に抵抗層９を設けたが、これを省略することもできる。（３）前記実施形態では、素子４の検出部４ａの一部に
内電極７及び外電極８を設けた。これに対し、素子４の
検出部４ａの全体に内電極７及び外電極８を設けてもよ
い。

【００２８】（４）前記実施形態では、ヒータ５の全表
面に被覆膜１０を形成したが、内電極７に隣接するヒー
タ５の表面にだけ被覆膜を形成してもよい。

【００２９】

【００３０】

【００３１】

【００３２】

【発明の効果】請求項１に記載の発明では、内外両側面
に電極を付着してなる筒状の素子と、その内側に配置さ
れた窒化珪素よりなるヒータとを備えた酸素センサにお
いて、ヒータの表面に窒化珪素よりも熱放射率の低い被
覆膜を設けている。請求項２に記載の発明では、内外両
側面に電極を付着してなる筒状の素子と、その内側に配
置された窒化珪素よりなるヒータとを備えた酸素センサ
において、ヒータの表面に窒化珪素よりも白色を呈する
被覆膜を設けている。

【００３３】従って、これら請求項１又は請求項２に記
載の発明によれば、ヒータからの熱放射に起因して素子
内側の電極が熱凝集することを抑えることができ、素子
内側の電極の有効面積の減少を抑えることができる。延
いては、センサの出力特性を長期間にわたってほぼ使用
初期の状態に保つことができるという効果を発揮する。

【図面の簡単な説明】

【図１】一実施形態に係る酸素センサの主要構造を示
す断面図。

【図２】酸素センサの一部を破断して示す断面図。

【図３】印加電圧に対する限界電流の関係を示すグラ
フ。

【図４】「ヒータ製造工程」を示すフローチャート。

【図５】耐久時間に対する傾き抵抗値の変化を示すグ
ラフ。

【図６】素子印加電圧に対する限界電流値の関係を示
すグラフ。

【図７】耐久時間に対する素子抵抗値の関係を示すグ
ラフ。

【図８】従来の酸素センサの主要構造を示す断面図。

【符号の説明】

１…酸素センサ、４…素子、５…ヒータ、７…内電極、
８…外電極、１０…被覆膜。

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】酸素に反応する筒状の素子と、その素子
の内外両側面にそれぞれ設けられた電極と、前記素子の
内部に配置され、自身が昇温することにより前記素子を
加熱する窒化珪素よりなるヒータとを備えた酸素センサ
のヒータ構造において、前記ヒータの表面に窒化珪素よりも熱放射率の低い被覆
膜を設けたことを特徴とする酸素センサのヒータ構造。
【請求項２】酸素に反応する筒状の素子と、その素子
の内外両側面にそれぞれ設けられた電極と、前記素子の
内部に配置され、自身が昇温することにより前記素子を
加熱する窒化珪素よりなるヒータとを備えた酸素センサ
のヒータ構造において、前記ヒータの表面に窒化珪素よりも白色を呈する被覆膜
を設けたことを特徴とする酸素センサのヒータ構造。