JP3342612B2 - 酸素センサ - Google Patents
酸素センサInfo
- Publication number
- JP3342612B2 JP3342612B2 JP23651395A JP23651395A JP3342612B2 JP 3342612 B2 JP3342612 B2 JP 3342612B2 JP 23651395 A JP23651395 A JP 23651395A JP 23651395 A JP23651395 A JP 23651395A JP 3342612 B2 JP3342612 B2 JP 3342612B2
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- oxygen sensor
- heater
- ceramic
- silicon nitride
- heating
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Expired - Fee Related
Links
Landscapes
- Measuring Oxygen Concentration In Cells (AREA)
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、車の排ガスの酸素
濃度測定等に利用される酸素センサに関するものであ
る。
濃度測定等に利用される酸素センサに関するものであ
る。
【０００２】
【従来の技術】酸素センサは自動車の排ガス（ＣＯ，Ｈ
Ｃ，ＮＯX ）の排出量を低くする目的に利用されてい
る。酸素センサはエンジン直下のマニホールド集合部に
取りつけられており、その出力電圧が理論空燃比で大き
く変化する事を利用して、常に空燃比が理論値近傍とな
るように燃料供給量を制御することによって、後方に設
置されている三次元触媒コンバータの排出ガスの浄化機
能を最大レベルに発揮させ、排出ガス濃度を低くするこ
とができるのである。
Ｃ，ＮＯX ）の排出量を低くする目的に利用されてい
る。酸素センサはエンジン直下のマニホールド集合部に
取りつけられており、その出力電圧が理論空燃比で大き
く変化する事を利用して、常に空燃比が理論値近傍とな
るように燃料供給量を制御することによって、後方に設
置されている三次元触媒コンバータの排出ガスの浄化機
能を最大レベルに発揮させ、排出ガス濃度を低くするこ
とができるのである。
【０００３】しかしながら、このシステムもセンサ素子
の温度が数百℃に上がらないと機能しないという問題点
があった。そこで、近年特に始動時に早く酸素センサを
作動させたい場合には、ヒータを酸素センサ内部に配置
し、電気的に加熱する方法が一般的に行われている。
の温度が数百℃に上がらないと機能しないという問題点
があった。そこで、近年特に始動時に早く酸素センサを
作動させたい場合には、ヒータを酸素センサ内部に配置
し、電気的に加熱する方法が一般的に行われている。
【０００４】この酸素センサ用ヒータとしては、アルミ
ナ基体中にタングステン（Ｗ）やタングステン合金等の
高融点の発熱体を埋設したアルミナセラミックヒータが
広く用いられている（特開昭６３−９８６０号公報等参
照）。
ナ基体中にタングステン（Ｗ）やタングステン合金等の
高融点の発熱体を埋設したアルミナセラミックヒータが
広く用いられている（特開昭６３−９８６０号公報等参
照）。
【０００５】このアルミナセラミックヒータの構造は、
アルミナセラミック基体中に埋設した発熱体の端部を表
面に露出させ、Ｎｉメッキを施して電極取り出し部を形
成し、この電極取り出し部にＮｉからなるリード線を載
置して銀等のロウ材で接合するようになっている。
アルミナセラミック基体中に埋設した発熱体の端部を表
面に露出させ、Ｎｉメッキを施して電極取り出し部を形
成し、この電極取り出し部にＮｉからなるリード線を載
置して銀等のロウ材で接合するようになっている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】ところで排ガス中のＮ
ＯX 、ＣＯ、ＨＣ排出量の６０％以上はエンジン始動後
１分以内に発生することから、最近特に急速加熱できる
酸素センサ用ヒータが必要とされてきた。また酸素セン
サとして使用する場合、クラックが生じにくく抵抗値の
経時変化が少ない耐久性に優れたものが求められてい
る。しかし、上記のようなアルミナセラミックヒータで
は、上記要求を完全に満足するものではなかった。
ＯX 、ＣＯ、ＨＣ排出量の６０％以上はエンジン始動後
１分以内に発生することから、最近特に急速加熱できる
酸素センサ用ヒータが必要とされてきた。また酸素セン
サとして使用する場合、クラックが生じにくく抵抗値の
経時変化が少ない耐久性に優れたものが求められてい
る。しかし、上記のようなアルミナセラミックヒータで
は、上記要求を完全に満足するものではなかった。
【０００７】本発明は、この要求に鑑みて開発されたも
のであり、その目的は素子を急速に加熱させるととも
に、耐久性に優れたセラミックヒータを備えた酸素セン
サを得ることである。
のであり、その目的は素子を急速に加熱させるととも
に、耐久性に優れたセラミックヒータを備えた酸素セン
サを得ることである。
【０００８】
【課題を解決するための手段】本発明は、単位体積当た
りの熱容量が０．６０ｃａｌ／ｃｍ3・℃以下、熱膨張
係数が４．５×１０ -6 ／℃以下、かつ曲げ強度５０ｋｇ
／ｍｍ2以上のセラミック基体中に発熱体を埋設してな
るセラミックヒータを用いて、固体電解質を加熱する酸
素センサにおいて、上記セラミック基体に窒化珪素を用
いるとともに、該窒化珪素の粒界にＲＥ2Ｏ3・ＳｉＯ2
（ＲＥは希土類元素）で表されるモノシリケート又はＲ
Ｅ2Ｏ3・２ＳｉＯ2で表されるダイシリケートを含有す
ることを特徴とする酸素センサを提供するものである。
りの熱容量が０．６０ｃａｌ／ｃｍ3・℃以下、熱膨張
係数が４．５×１０ -6 ／℃以下、かつ曲げ強度５０ｋｇ
／ｍｍ2以上のセラミック基体中に発熱体を埋設してな
るセラミックヒータを用いて、固体電解質を加熱する酸
素センサにおいて、上記セラミック基体に窒化珪素を用
いるとともに、該窒化珪素の粒界にＲＥ2Ｏ3・ＳｉＯ2
（ＲＥは希土類元素）で表されるモノシリケート又はＲ
Ｅ2Ｏ3・２ＳｉＯ2で表されるダイシリケートを含有す
ることを特徴とする酸素センサを提供するものである。
【０００９】ここで、セラミック基体の単位体積当たり
の熱容量とは、比熱Ｃ（ｃａｌ／ｇ・℃）と密度ρ（ｇ
／ｃｍ3 ）との積Ｃ×ρで表されるものであり、この値
が０．６０ｃａｌ／ｃｍ3 ・℃よりも大きいとセラミッ
ク基体の熱容量が大きくなって酸素センサを急速昇温す
ることが困難となってしまう。また、熱膨張係数を４．
５×１０-6／℃以下としたのは、突入電流を大きくして
昇温時間をさらに短縮するためである。
の熱容量とは、比熱Ｃ（ｃａｌ／ｇ・℃）と密度ρ（ｇ
／ｃｍ3 ）との積Ｃ×ρで表されるものであり、この値
が０．６０ｃａｌ／ｃｍ3 ・℃よりも大きいとセラミッ
ク基体の熱容量が大きくなって酸素センサを急速昇温す
ることが困難となってしまう。また、熱膨張係数を４．
５×１０-6／℃以下としたのは、突入電流を大きくして
昇温時間をさらに短縮するためである。
【００１０】さらに、曲げ強度５０ｋｇ／ｍｍ2 以上と
したのは、５０ｋｇ／ｍｍ2 よりも低いと熱容量を小さ
くするためにヒータ自身の外径を小さくした場合に振動
や熱衝撃により破損する恐れがあるためである。そし
て、強度を向上させることにより、突入電流を大きくで
きるため、立ち上がり時間を短縮することが可能とな
る。特に酸素センサは車等に搭載されるため、振動に対
する破損等を防止するためにセラミックヒータにも高い
強度が必要である。
したのは、５０ｋｇ／ｍｍ2 よりも低いと熱容量を小さ
くするためにヒータ自身の外径を小さくした場合に振動
や熱衝撃により破損する恐れがあるためである。そし
て、強度を向上させることにより、突入電流を大きくで
きるため、立ち上がり時間を短縮することが可能とな
る。特に酸素センサは車等に搭載されるため、振動に対
する破損等を防止するためにセラミックヒータにも高い
強度が必要である。
【００１１】また、上記特性を満たすセラミック基体と
して特に窒化珪素を主成分とするセラミックスを用いた
ことにより、特に低比重、低比熱であり、耐熱衝撃性に
も優れていることから、酸素センサの加熱用に最適であ
る。
して特に窒化珪素を主成分とするセラミックスを用いた
ことにより、特に低比重、低比熱であり、耐熱衝撃性に
も優れていることから、酸素センサの加熱用に最適であ
る。
【００１２】さらに、上記窒化珪素質セラミックスに
は、焼結助剤として含有する希土類元素の酸化物（ＲＥ
2Ｏ3）と、出発原料中の不純物あるいは窒化珪素の酸化
により存在する酸化珪素（ＳｉＯ2）との化合物が窒化
珪素の粒界に存在することになるが、この化合物がモノ
シリケート（ＲＥ2Ｏ3・ＳｉＯ2）又はダイシリケート
（ＲＥ2Ｏ3・２ＳｉＯ2）の形で存在している。これ
は、モノシリケートやダイシリケートが存在しないと、
クラックや抵抗値の経時変化が生じやすくなって、耐久
性が悪くなるためである。したがって、本発明では、製
造条件等を調整することによってセラミック基体中にモ
ノシリケート又はダイシリケートを存在させるようにし
たものである。なお、これらの化合物の存在は、例えば
Ｘ線回折等により分析することができる。
は、焼結助剤として含有する希土類元素の酸化物（ＲＥ
2Ｏ3）と、出発原料中の不純物あるいは窒化珪素の酸化
により存在する酸化珪素（ＳｉＯ2）との化合物が窒化
珪素の粒界に存在することになるが、この化合物がモノ
シリケート（ＲＥ2Ｏ3・ＳｉＯ2）又はダイシリケート
（ＲＥ2Ｏ3・２ＳｉＯ2）の形で存在している。これ
は、モノシリケートやダイシリケートが存在しないと、
クラックや抵抗値の経時変化が生じやすくなって、耐久
性が悪くなるためである。したがって、本発明では、製
造条件等を調整することによってセラミック基体中にモ
ノシリケート又はダイシリケートを存在させるようにし
たものである。なお、これらの化合物の存在は、例えば
Ｘ線回折等により分析することができる。
【００１３】
【発明の実施の形態】以下本発明の実施の形態を詳細に
説明する。
説明する。
【００１４】図１に示すように、本発明の酸素センサ
は、先端が閉じた筒状体のジルコニア等からなる固体電
解質１０をケーシング１１に取り付け、この固体電解質
１０の内部にセラミックヒータ１を挿入し、固着したも
のである。そして、基準となる固体電解質１０内部の酸
素濃度と外部の酸素濃度に応じて固体電解質１０に起電
力が生じ、この起電力を検出することによって外部の酸
素濃度を調べることができる。
は、先端が閉じた筒状体のジルコニア等からなる固体電
解質１０をケーシング１１に取り付け、この固体電解質
１０の内部にセラミックヒータ１を挿入し、固着したも
のである。そして、基準となる固体電解質１０内部の酸
素濃度と外部の酸素濃度に応じて固体電解質１０に起電
力が生じ、この起電力を検出することによって外部の酸
素濃度を調べることができる。
【００１５】また、図２に示すように、上記セラミック
ヒータ１は、セラミック基体２中に発熱部とリード部か
ら成る発熱体３を埋設し、該発熱体３の両端を電極取り
出し部４とし、リード線６を接続してなるものである。
ヒータ１は、セラミック基体２中に発熱部とリード部か
ら成る発熱体３を埋設し、該発熱体３の両端を電極取り
出し部４とし、リード線６を接続してなるものである。
【００１６】この酸素センサを良好に機能させるために
は、固体電解質１０を数百℃程度に加熱しなければなら
ないが、上記セラミックヒータ１に通電し発熱させれ
ば、固体電解質１０を急速に加熱させることができ、エ
ンジン始動直後であっても、酸素センサとして機能させ
ることができる。
は、固体電解質１０を数百℃程度に加熱しなければなら
ないが、上記セラミックヒータ１に通電し発熱させれ
ば、固体電解質１０を急速に加熱させることができ、エ
ンジン始動直後であっても、酸素センサとして機能させ
ることができる。
【００１７】ここで、上記セラミックヒータ１を成すセ
ラミック基体２としては、単位体積当たりの熱容量が
０．６０ｃａｌ／ｃｍ3 ・℃以下、熱膨張係数が４．５
×１０-6／℃以下、かつ曲げ強度５０ｋｇ／ｍｍ2 以上
のセラミックスを用いることにより、ヒータの熱容量を
小さくし、急速昇温を可能にすることができる。
ラミック基体２としては、単位体積当たりの熱容量が
０．６０ｃａｌ／ｃｍ3 ・℃以下、熱膨張係数が４．５
×１０-6／℃以下、かつ曲げ強度５０ｋｇ／ｍｍ2 以上
のセラミックスを用いることにより、ヒータの熱容量を
小さくし、急速昇温を可能にすることができる。
【００１８】また、上記特性を満たすセラミック基体２
としては、窒化珪素を主成分とするセラミックスを用い
る。特に、窒化珪素（Ｓｉ3 Ｎ4 ）６０〜９０重量％
と、焼結助剤としてＹ2 Ｏ3 、Ｙｂ2 Ｏ3 、Ｅｒ2 Ｏ3
等の希土類元素酸化物、Ａｌ2Ｏ3 の少なくとも一種以
上を含み、残部がＳｉＯ2 等の不純物から成るものであ
って、必要に応じて、着色剤や熱膨張率調整剤として、
ＭｏＳｉ2 ，Ｍｏ5 Ｓｉ3 ，ＭｏＣ，ＷＳｉ2 ，Ｗ
Ｏ3 ，ＷＣ，Ｍｏ5 Ｓｉ3 Ｃ等の少なくとも一種を１〜
１０重量％の範囲で含有したものを用いる。
としては、窒化珪素を主成分とするセラミックスを用い
る。特に、窒化珪素（Ｓｉ3 Ｎ4 ）６０〜９０重量％
と、焼結助剤としてＹ2 Ｏ3 、Ｙｂ2 Ｏ3 、Ｅｒ2 Ｏ3
等の希土類元素酸化物、Ａｌ2Ｏ3 の少なくとも一種以
上を含み、残部がＳｉＯ2 等の不純物から成るものであ
って、必要に応じて、着色剤や熱膨張率調整剤として、
ＭｏＳｉ2 ，Ｍｏ5 Ｓｉ3 ，ＭｏＣ，ＷＳｉ2 ，Ｗ
Ｏ3 ，ＷＣ，Ｍｏ5 Ｓｉ3 Ｃ等の少なくとも一種を１〜
１０重量％の範囲で含有したものを用いる。
【００１９】さらに、上記原料中の不純物あるいは主成
分であるＳｉ3 Ｎ4 の酸化により存在するＳｉＯ2 が、
焼結助剤である希土類元素酸化物（ＲＥ2 Ｏ3 ）と化合
物を形成して粒界に存在することになるが、この化合物
としてモノシリケート（ＲＥ2 Ｏ3 ・ＳｉＯ2 ）又はダ
イシリケート（ＲＥ2 Ｏ3 ・２ＳｉＯ2 ）を存在させる
ことが好ましい。これは、上記以外の結晶層であるアパ
タイト、ウォラストナイト、ウォーレナイト（ＹＡ
Ｍ）、メリライト等が多く存在すると、磁器部にクラッ
クが生じ、抵抗値が経時変化しやすいためであり、モノ
シリケート又はダイシリケートを存在させることによっ
て上記クラックや抵抗値の変化を防止することができる
ためである。なお、希土類元素（ＲＥ）としては、Ｙ，
Ｙｂ，Ｈｏ，Ｅｒ，Ｌｕ等を用いる。
分であるＳｉ3 Ｎ4 の酸化により存在するＳｉＯ2 が、
焼結助剤である希土類元素酸化物（ＲＥ2 Ｏ3 ）と化合
物を形成して粒界に存在することになるが、この化合物
としてモノシリケート（ＲＥ2 Ｏ3 ・ＳｉＯ2 ）又はダ
イシリケート（ＲＥ2 Ｏ3 ・２ＳｉＯ2 ）を存在させる
ことが好ましい。これは、上記以外の結晶層であるアパ
タイト、ウォラストナイト、ウォーレナイト（ＹＡ
Ｍ）、メリライト等が多く存在すると、磁器部にクラッ
クが生じ、抵抗値が経時変化しやすいためであり、モノ
シリケート又はダイシリケートを存在させることによっ
て上記クラックや抵抗値の変化を防止することができる
ためである。なお、希土類元素（ＲＥ）としては、Ｙ，
Ｙｂ，Ｈｏ，Ｅｒ，Ｌｕ等を用いる。
【００２０】上記モノシリケート又はダイシリケートの
存在については、Ｘ線回折法によって測定することがで
き、Ｓｉ3 Ｎ4 のピーク強度に対するモノシリケートの
ピーク強度の比率が３％以上、又はダイシリケートのピ
ーク強度の比率が０．１％以上となるようにすることが
好ましい。
存在については、Ｘ線回折法によって測定することがで
き、Ｓｉ3 Ｎ4 のピーク強度に対するモノシリケートの
ピーク強度の比率が３％以上、又はダイシリケートのピ
ーク強度の比率が０．１％以上となるようにすることが
好ましい。
【００２１】即ち、α−Ｓｉ3 Ｎ4 のピーク強度をＡ、
β−Ｓｉ3 Ｎ4 のピーク強度をＢ、モノシリケート（Ｒ
Ｅ2 Ｏ3 ・ＳｉＯ2 ）のピーク強度をＸ、ダイシリケー
ト（ＲＥ2 Ｏ3 ・２ＳｉＯ2 ）のピーク強度をＹとした
とき、 Ｘ／（Ａ＋Ｂ）≧０．０３ 又は Ｙ／（Ａ＋Ｂ）≧０．００１ のいずれかを満たせば良い。
β−Ｓｉ3 Ｎ4 のピーク強度をＢ、モノシリケート（Ｒ
Ｅ2 Ｏ3 ・ＳｉＯ2 ）のピーク強度をＸ、ダイシリケー
ト（ＲＥ2 Ｏ3 ・２ＳｉＯ2 ）のピーク強度をＹとした
とき、 Ｘ／（Ａ＋Ｂ）≧０．０３ 又は Ｙ／（Ａ＋Ｂ）≧０．００１ のいずれかを満たせば良い。
【００２２】また、窒化珪素質セラミックスの結晶粒径
については、耐熱衝撃性、強度の点から針状をしたβ相
粒子の長径を１０μｍ以下とすることが望ましい。さら
に、発熱体の酸化による劣化を防止し、耐熱衝撃性を向
上させ、滑らかな表面粗さを得るためには緻密質体とす
ることが好ましい。
については、耐熱衝撃性、強度の点から針状をしたβ相
粒子の長径を１０μｍ以下とすることが望ましい。さら
に、発熱体の酸化による劣化を防止し、耐熱衝撃性を向
上させ、滑らかな表面粗さを得るためには緻密質体とす
ることが好ましい。
【００２３】一方、内部に埋設する発熱体３としては、
Ｗ，Ｍｏ，Ｒｅ，Ｔｉ等の高融点金属、またはＷＣ，Ｔ
ｉＮ，ＺｒＢ2 等の高融点金属化合物を用いる。さら
に、セラミック基体と熱膨張率を合わせるために、Ｓｉ
3 Ｎ4 、ＢＮ等を添加してもよい。これらの発熱体３
は、正の抵抗温度係数を有しており、高温になると抵抗
値が増大して自然に発熱を抑える自己制御特性を有して
いる。そのため、必要以上に高温となることがなく、酸
素センサに使用される白金電極を劣化させる恐れはな
い。このような組成からなる発熱体３は、ペースト状と
して発熱パターンとなるように印刷したり、線状体、コ
イル状体、板状体等として埋設すれば良い。あるいは、
発熱体３として電極取り出し部４近傍は棒状体とし先端
は線状体としたものを組み合わせても良い。
Ｗ，Ｍｏ，Ｒｅ，Ｔｉ等の高融点金属、またはＷＣ，Ｔ
ｉＮ，ＺｒＢ2 等の高融点金属化合物を用いる。さら
に、セラミック基体と熱膨張率を合わせるために、Ｓｉ
3 Ｎ4 、ＢＮ等を添加してもよい。これらの発熱体３
は、正の抵抗温度係数を有しており、高温になると抵抗
値が増大して自然に発熱を抑える自己制御特性を有して
いる。そのため、必要以上に高温となることがなく、酸
素センサに使用される白金電極を劣化させる恐れはな
い。このような組成からなる発熱体３は、ペースト状と
して発熱パターンとなるように印刷したり、線状体、コ
イル状体、板状体等として埋設すれば良い。あるいは、
発熱体３として電極取り出し部４近傍は棒状体とし先端
は線状体としたものを組み合わせても良い。
【００２４】
【実施例】ここで、本発明実施例として、図２に示すセ
ラミックヒータを試作した。まず、窒化珪素を主成分と
し、焼結助剤としてＹｂ2 Ｏ3 、Ａｌ2 Ｏ3 、ＭｏＳｉ
2等の一種以上を含む原料粉末の混合物からなる造粒体
を用いてプレス成形により棒状の窒化珪素質成形体を製
作する。次に、この成形体上にＷＣからなるほぼＵ字形
状の発熱パターンを印刷し、該発熱パターンに接続した
リード線部を構成するタングステン線を載置して発熱体
３と成し、該発熱体３を挟むように同形状の別の窒化珪
素質成形体を重ねて加圧焼成した。
ラミックヒータを試作した。まず、窒化珪素を主成分と
し、焼結助剤としてＹｂ2 Ｏ3 、Ａｌ2 Ｏ3 、ＭｏＳｉ
2等の一種以上を含む原料粉末の混合物からなる造粒体
を用いてプレス成形により棒状の窒化珪素質成形体を製
作する。次に、この成形体上にＷＣからなるほぼＵ字形
状の発熱パターンを印刷し、該発熱パターンに接続した
リード線部を構成するタングステン線を載置して発熱体
３と成し、該発熱体３を挟むように同形状の別の窒化珪
素質成形体を重ねて加圧焼成した。
【００２５】かくして得られた焼結体の側面を直径３．
１ｍｍの円形となるように研摩して前記リード線部の一
部を露出させ、少なくとも該露出部にメタライズ法やメ
ッキ法等によりニッケル（Ｎｉ）等の金属を被覆した
後、還元ガス雰囲気中で銀ロウにてリード線６を接合し
た。
１ｍｍの円形となるように研摩して前記リード線部の一
部を露出させ、少なくとも該露出部にメタライズ法やメ
ッキ法等によりニッケル（Ｎｉ）等の金属を被覆した
後、還元ガス雰囲気中で銀ロウにてリード線６を接合し
た。
【００２６】同様にしてアルミナと炭化珪素を基体とす
るセラミックヒータを試作した。なお、アルミナヒータ
の場合は外径を直径３．６ｍｍとした。
るセラミックヒータを試作した。なお、アルミナヒータ
の場合は外径を直径３．６ｍｍとした。
【００２７】それぞれのヒータについて、基体をなすセ
ラミックスの比熱Ｃ、比重ρ、強度、４０−８００℃の
熱膨張係数、耐熱衝撃性として水中投下時にクラックが
生じる温度差ΔＴを測定した。また、昇温特性としてそ
れぞれのヒータを昇温させた時の昇温カーブから、８０
０℃までの昇温時間を１５秒以下とできるかどうかで○
×の評価を行った。
ラミックスの比熱Ｃ、比重ρ、強度、４０−８００℃の
熱膨張係数、耐熱衝撃性として水中投下時にクラックが
生じる温度差ΔＴを測定した。また、昇温特性としてそ
れぞれのヒータを昇温させた時の昇温カーブから、８０
０℃までの昇温時間を１５秒以下とできるかどうかで○
×の評価を行った。
【００２８】結果を表１、２に示すように、昇温特性が
○の評価を得たものは単位体積当たりの熱容量が０．６
０ｃａｌ／ｃｍ3 ・℃以下、熱膨張係数が４．５×１０
-6／℃以下、かつ強度５０ｋｇ／ｍｍ2 以上のセラミッ
クスを基体として用いたもののみであった。
○の評価を得たものは単位体積当たりの熱容量が０．６
０ｃａｌ／ｃｍ3 ・℃以下、熱膨張係数が４．５×１０
-6／℃以下、かつ強度５０ｋｇ／ｍｍ2 以上のセラミッ
クスを基体として用いたもののみであった。
【００２９】
【表１】
【００３０】
【表２】
【００３１】また、本発明実施例として表１中のＳｉ3
Ｎ4 −Ａを用いたものと、比較例として同じくＡｌ2 Ｏ
3 −Ｂを用いたものについて、同じ電圧を印加して昇温
特性を比較した。固体電解質１０の先端（点Ａ）、後端
からそれぞれ２６ｍｍの位置（点Ｂ）、２３ｍｍの位置
（点Ｃ）、２０ｍｍの位置（点Ｄ）、１６ｍｍの位置
（点Ｅ）の５点について、電圧印加から５秒後、１０秒
後、１５秒後の温度を測定した。結果は図３に示す通り
である。
Ｎ4 −Ａを用いたものと、比較例として同じくＡｌ2 Ｏ
3 −Ｂを用いたものについて、同じ電圧を印加して昇温
特性を比較した。固体電解質１０の先端（点Ａ）、後端
からそれぞれ２６ｍｍの位置（点Ｂ）、２３ｍｍの位置
（点Ｃ）、２０ｍｍの位置（点Ｄ）、１６ｍｍの位置
（点Ｅ）の５点について、電圧印加から５秒後、１０秒
後、１５秒後の温度を測定した。結果は図３に示す通り
である。
【００３２】たとえば図３中、Ｂ１５とは、点Ｂにおけ
る１５秒後の温度を示し、この時アルミナヒータを用い
た比較例では６００℃程度であるが、窒化珪素質ヒータ
を用いた本発明実施例では８００℃程度と、酸素センサ
の昇温速度を速くできることがわかる。
る１５秒後の温度を示し、この時アルミナヒータを用い
た比較例では６００℃程度であるが、窒化珪素質ヒータ
を用いた本発明実施例では８００℃程度と、酸素センサ
の昇温速度を速くできることがわかる。
【００３３】次に、本発明実施例であるＳｉ3 Ｎ4 −Ａ
を用いたヒータと、比較例であるＡｌ2 Ｏ3 −Ｂを用い
たヒータについて、それぞれ突入電力を変化させる実験
を行った。突入電力値を発熱部表面積で割って突入電力
密度を算出し、昇温テストとして昇温サイクルを１０回
繰り返した時の破断の有無で○〜×の評価をした。ま
た、耐久テストとして２分間通電し２分間遮断するサイ
クルを２０００回繰り返した後の抵抗値の変化率を測定
した。
を用いたヒータと、比較例であるＡｌ2 Ｏ3 −Ｂを用い
たヒータについて、それぞれ突入電力を変化させる実験
を行った。突入電力値を発熱部表面積で割って突入電力
密度を算出し、昇温テストとして昇温サイクルを１０回
繰り返した時の破断の有無で○〜×の評価をした。ま
た、耐久テストとして２分間通電し２分間遮断するサイ
クルを２０００回繰り返した後の抵抗値の変化率を測定
した。
【００３４】結果は表３に示す通りである。Ｎｏ．１０
〜１２に示すように比較例であるＡｌ2Ｏ3−Ｂを用いた
ヒータでは突入電力密度が０．６０Ｗ／ｍｍ2を超える
と昇温テストの評価が悪くなり使用できなくなるのに対
し、Ｎｏ．３〜６に示すように本発明の実施例であるＳ
ｉ3Ｎ4−Ａを用いたヒータでは突入電力密度を０．６０
Ｗ／ｍｍ2より大きくしても昇温テストの評価が良く耐
久テストにおいても抵抗値の変化率が少ないことから昇
温速度を短くすることができる。なお、本発明の窒化珪
素質セラミックヒータは突入時の電力密度を０．６０〜
１．４２Ｗ／ｍｍ2の範囲として用いることが好まし
い。
〜１２に示すように比較例であるＡｌ2Ｏ3−Ｂを用いた
ヒータでは突入電力密度が０．６０Ｗ／ｍｍ2を超える
と昇温テストの評価が悪くなり使用できなくなるのに対
し、Ｎｏ．３〜６に示すように本発明の実施例であるＳ
ｉ3Ｎ4−Ａを用いたヒータでは突入電力密度を０．６０
Ｗ／ｍｍ2より大きくしても昇温テストの評価が良く耐
久テストにおいても抵抗値の変化率が少ないことから昇
温速度を短くすることができる。なお、本発明の窒化珪
素質セラミックヒータは突入時の電力密度を０．６０〜
１．４２Ｗ／ｍｍ2の範囲として用いることが好まし
い。
【００３５】
【表３】
【００３６】なお、上記本発明実施例のヒータを成す窒
化珪素質セラミックスをＸ線回折により分析した時のチ
ャート図を図４に示す。
化珪素質セラミックスをＸ線回折により分析した時のチ
ャート図を図４に示す。
【００３７】ここで、α−Ｓｉ3 Ｎ4 のピーク強度Ａは
２θ＝３４．６°の位置に、β−Ｓｉ3 Ｎ4 のピーク強
度Ｂは２θ＝３３．６°の位置に、モノシリケート（Ｙ
ｂ2Ｏ3 ・ＳｉＯ2 ）のピーク強度Ｘは２θ＝２５．４
°の位置に、ダイシリケート（Ｙｂ2 Ｏ3 ・２Ｓｉ
Ｏ2 ）のピーク強度Ｙは２θ＝２７．８°の位置にそれ
ぞれ表れ、 Ｘ／（Ａ＋Ｂ）≧０．０３ 及び Ｙ／（Ａ＋Ｂ）≧０．００１ の両方を満たすことが確認された。
２θ＝３４．６°の位置に、β−Ｓｉ3 Ｎ4 のピーク強
度Ｂは２θ＝３３．６°の位置に、モノシリケート（Ｙ
ｂ2Ｏ3 ・ＳｉＯ2 ）のピーク強度Ｘは２θ＝２５．４
°の位置に、ダイシリケート（Ｙｂ2 Ｏ3 ・２Ｓｉ
Ｏ2 ）のピーク強度Ｙは２θ＝２７．８°の位置にそれ
ぞれ表れ、 Ｘ／（Ａ＋Ｂ）≧０．０３ 及び Ｙ／（Ａ＋Ｂ）≧０．００１ の両方を満たすことが確認された。
【００３８】
【発明の効果】以上のように、本発明によれば、単位体
積当たりの熱容量が０．６０ｃａｌ／ｃｍ3 ・℃以下、
熱膨張係数４．５×１０-6／℃以下、かつ曲げ強度５０
ｋｇ／ｍｍ2 以上の窒化珪素を主成分とするセラミック
基体中に発熱体を埋設したセラミックヒータを用いて、
固体電解質を加熱するようにしたことによって、酸素セ
ンサの急速昇温が可能であり、始動後直ちに酸素センサ
を作動させることが可能となる。その結果、エンジン始
動直後でも排ガスの排出量を低くすることが可能とな
る。
積当たりの熱容量が０．６０ｃａｌ／ｃｍ3 ・℃以下、
熱膨張係数４．５×１０-6／℃以下、かつ曲げ強度５０
ｋｇ／ｍｍ2 以上の窒化珪素を主成分とするセラミック
基体中に発熱体を埋設したセラミックヒータを用いて、
固体電解質を加熱するようにしたことによって、酸素セ
ンサの急速昇温が可能であり、始動後直ちに酸素センサ
を作動させることが可能となる。その結果、エンジン始
動直後でも排ガスの排出量を低くすることが可能とな
る。
【００３９】また、上記セラミック基体として、特にモ
ノシリケート（ＲＥ2 Ｏ3 ・ＳｉＯ2 ）又はダイシリケ
ート（ＲＥ2 Ｏ3 ・２ＳｉＯ2 ）を含むセラミックスを
用いることによって、クラックが生じにくく抵抗値の経
時変化も防止できることから、耐久性にも優れ、長寿命
のセラミックヒータを備えた酸素センサを得ることがで
きる。
ノシリケート（ＲＥ2 Ｏ3 ・ＳｉＯ2 ）又はダイシリケ
ート（ＲＥ2 Ｏ3 ・２ＳｉＯ2 ）を含むセラミックスを
用いることによって、クラックが生じにくく抵抗値の経
時変化も防止できることから、耐久性にも優れ、長寿命
のセラミックヒータを備えた酸素センサを得ることがで
きる。
【図１】本発明の酸素センサの縦断面図である。
【図２】本発明の酸素センサに用いるセラミックヒータ
を示す斜視図である。
を示す斜視図である。
【図３】本発明実施例及び比較例のセラミックヒータに
よる昇温特性を示すグラフである。
よる昇温特性を示すグラフである。
【図４】本発明の酸素センサに用いるセラミックヒータ
を構成するセラミック基体のＸ線回折チャート図であ
る。
を構成するセラミック基体のＸ線回折チャート図であ
る。
１：セラミックヒータ ２：セラミック基体 ３：発熱体 ４：電極取り出し部 ６：リード線 １０：固体電解質 １１：ケーシング
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 平４−370689（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) G01N 27/409
Claims (1)
- 【請求項１】 単位体積当たりの熱容量が０．６０ｃａ
ｌ／ｃｍ3・℃以下、熱膨張係数が４．５×１０ -6 ／℃
以下、かつ曲げ強度５０ｋｇ／ｍｍ2以上のセラミック
基体中に発熱体を埋設してなるセラミックヒータを用い
て、固体電解質を加熱する酸素センサにおいて、 上記セラミック基体に窒化珪素を用いるとともに、該窒
化珪素の粒界にＲＥ2Ｏ3・ＳｉＯ2（ＲＥは希土類元
素）で表されるモノシリケート又はＲＥ2Ｏ3・２ＳｉＯ
2で表されるダイシリケートを含有することを特徴とす
る酸素センサ。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP23651395A JP3342612B2 (ja) | 1995-09-14 | 1995-09-14 | 酸素センサ |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP23651395A JP3342612B2 (ja) | 1995-09-14 | 1995-09-14 | 酸素センサ |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH0980012A JPH0980012A (ja) | 1997-03-28 |
| JP3342612B2 true JP3342612B2 (ja) | 2002-11-11 |
Family
ID=17001826
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP23651395A Expired - Fee Related JP3342612B2 (ja) | 1995-09-14 | 1995-09-14 | 酸素センサ |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP3342612B2 (ja) |
-
1995
- 1995-09-14 JP JP23651395A patent/JP3342612B2/ja not_active Expired - Fee Related
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPH0980012A (ja) | 1997-03-28 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| EP1696704B1 (en) | Ceramic heater and method for manufacture thereof | |
| JPWO2014175424A1 (ja) | セラミックヒータ | |
| EP2219414A1 (en) | Ceramic heater, and glow plug having the heater | |
| US6646231B2 (en) | Ceramic heater and its manufacturing method, glow plug and ion current detecting device | |
| JP4092172B2 (ja) | セラミックヒータの製造方法及びグロープラグの製造方法 | |
| JP4546756B2 (ja) | セラミックヒータおよびグロープラグ | |
| JP3078418B2 (ja) | セラミック発熱体 | |
| JP4018998B2 (ja) | セラミックヒータおよびグロープラグ | |
| JP3342612B2 (ja) | 酸素センサ | |
| JP3799195B2 (ja) | セラミックヒータ | |
| JP2735725B2 (ja) | セラミック発熱体 | |
| JP4153840B2 (ja) | セラミックヒータ | |
| JP3811440B2 (ja) | セラミックヒータ | |
| JP2948963B2 (ja) | セラミック発熱体 | |
| JP3466399B2 (ja) | セラミック発熱体 | |
| JP4038138B2 (ja) | セラミックヒータおよびその製造方法 | |
| JP3886684B2 (ja) | セラミックヒータ | |
| JP2735721B2 (ja) | セラミック発熱体 | |
| JP3588227B2 (ja) | セラミックヒータ | |
| JPH10189226A (ja) | セラミックヒータおよびその製造方法 | |
| JP4025641B2 (ja) | セラミックヒータ | |
| JPH08255678A (ja) | 急速昇温発熱素子およびその製造方法 | |
| JPH07151332A (ja) | セラミックグロープラグ | |
| JP3903458B2 (ja) | セラミックヒータ及びそれを備えるグロープラグ | |
| JP2000133419A (ja) | セラミックヒータ |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| FPAY | Renewal fee payment (prs date is renewal date of database) |
Free format text: PAYMENT UNTIL: 20080823 Year of fee payment: 6 |
|
| FPAY | Renewal fee payment (prs date is renewal date of database) |
Free format text: PAYMENT UNTIL: 20080823 Year of fee payment: 6 |
|
| FPAY | Renewal fee payment (prs date is renewal date of database) |
Free format text: PAYMENT UNTIL: 20090823 Year of fee payment: 7 |
|
| FPAY | Renewal fee payment (prs date is renewal date of database) |
Free format text: PAYMENT UNTIL: 20100823 Year of fee payment: 8 |
|
| FPAY | Renewal fee payment (prs date is renewal date of database) |
Free format text: PAYMENT UNTIL: 20100823 Year of fee payment: 8 |
|
| FPAY | Renewal fee payment (prs date is renewal date of database) |
Free format text: PAYMENT UNTIL: 20110823 Year of fee payment: 9 |
|
| FPAY | Renewal fee payment (prs date is renewal date of database) |
Free format text: PAYMENT UNTIL: 20110823 Year of fee payment: 9 |
|
| FPAY | Renewal fee payment (prs date is renewal date of database) |
Free format text: PAYMENT UNTIL: 20120823 Year of fee payment: 10 |
|
| FPAY | Renewal fee payment (prs date is renewal date of database) |
Free format text: PAYMENT UNTIL: 20130823 Year of fee payment: 11 |
|
| LAPS | Cancellation because of no payment of annual fees |