JP3412424B2 - 酸素センサの製造方法 - Google Patents

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、酸素センサの製
造方法に係り、詳しくは、例えば内燃機関の空燃比制御
に用いられる酸素センサの酸素濃度測定用素子に対して
測定対象となる気体を拡散律速せしめる拡散律速層を形
成する方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】酸素センサは、例えば、内燃機関の空燃
比をフィードバック制御する際に用いられている。また
近年では、燃費向上を図るためにリーンバーン方式を採
用する内燃機関があり、同機関においてはリーン空燃比
を測定することのできる酸素センサが必要とされてい
る。

【０００３】この種の酸素センサは、ジルコニア等の固
体電解質よりなる基板と、同基板の両面に設けられた白
金電極と、基板上に設けられた複数の細孔を有する拡散
律速層とを備えている（例えば、特開昭５９−１３６６
５１号公報に記載された「自動車用空燃比計」）。この
拡散律速層は、マグネシアスピネル等をプラズマ溶射す
ることにより一方の電極を覆うようにして形成されてい
る。

【０００４】内燃機関の運転が開始されると、酸素セン
サの一方の電極が配された基板面には拡散律速層を通過
した排気ガスが、他方の電極が配された基板面には酸素
濃度が既知である大気がそれぞれ接触するようになる。
そして、それら各電極間に所定電圧が印加されることに
より、両電極間には排気ガスの酸素濃度に応じた限界電
流が流れる。従って、この限界電流値から排気ガスの酸
素濃度を知ることができる。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】拡散律速層の細孔径の
大きさ及び同層の厚さは、限界電流値の大きさ、換言す
ればセンサ特性に対して大きな影響を与える。このた
め、酸素センサを製造する際には、この細孔径の大きさ
及び拡散律速層の厚さを適切な値に制御することがセン
サ特性を安定させる上で重要になる。

【０００６】しかしながら、前述したようにプラズマ溶
射によって拡散律速層を形成する場合、細孔の数及び径
を任意に制御したり、或いは同層の厚さを均一に制御し
たりすることは、製造上のバラツキが大きいため極めて
困難である。また、プラズマ溶射以外にも、例えば、多
孔質材料を焼結して拡散律速層を形成するようにし、そ
の際に同材料の密度を適宜調節することによって細孔の
数及び径を調整する方法もある。しかしながら、この方
法においても、細孔の数及び径を任意に制御したり、或
いは同層の厚さを均一に制御したりする上では、やはり
上記と同様の困難を伴う。このように、上記従来の製造
方法では製造時における歩留まりの低下が避けきれない
ものとなっている。

【０００７】本発明は上記実情に鑑みてなされたもので
あり、拡散律速層を備えた酸素センサの製造方法におい
て、同拡散律速層の細孔の形成を容易なものとし、且
つ、歩留まりを向上させることをその目的としている。

【０００８】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、請求項１に記載した発明は、酸素濃度測定用の素子
と、当該素子に配された一対の電極と、一方の電極が配
された素子面を覆う拡散律速層とを備え、素子に接する
気体の酸素濃度に応じた信号を各電極を通じて出力する
酸素センサの製造方法であって、拡散律速層となる拡散
律速層形成部材に、焼結時の同拡散律速層形成部材の収
縮率を考慮してビーム径の決定された電子ビームを照射
して、その後に同拡散律速層形成部材を焼結することで
所定の径を有する貫通孔を形成する工程を含むことをそ
の趣旨とする。

【０００９】上記製造方法によれば、焼結時の同拡散律
速層形成部材の収縮率を考慮してビーム径の決定された
電子ビームを照射して、その後に同拡散律速層形成部材
を焼結することにより、所望の径を有する貫通孔が任意
の位置に必要な数だけ形成された拡散律速層が得られ
る。

【００１０】上記目的を達成するために、請求項２に記
載した発明は、請求項１に記載した酸素センサの製造方
法において、一方の電極が配された素子面を覆うように
拡散律速層形成部材を配設する工程と、拡散律速層形成
部材に電子ビームを照射して所定の径を有する貫通孔を
形成する工程とを含むことをその趣旨とする。

【００１１】上記製造方法によれば、拡散律速層形成部
材が所定の位置に配設された後、電子ビームにより所望
の径を有する貫通孔が任意の位置に必要な数だけ形成さ
れることにより拡散律速層が得られる。

【００１２】上記目的を達成するために、請求項３に記
載した発明は、請求項１又は２に記載した酸素センサの
製造方法において、拡散律速層形成部材として所定の厚
さを有する板材を用いることをその趣旨とする。

【００１３】上記製造方法によれば、所定の厚さを有し
た板材を用いて拡散律速層を形成することにより、例え
ば、溶射によって拡散律速層を形成する場合とは異なり
同層は均一な厚さを有したものとなる。

【００１４】

【００１５】

【００１６】

【発明の実施の形態】

［第１の実施形態］本発明をエンジンに用いられる酸素
センサの製造方法に具体化した実施形態について図１〜
４を参照して説明する。

【００１７】図１は、酸素センサ１１における素子１２
の先端部を示し、図２は図１の２−２線断面を示してい
る。酸素センサ１１は、この素子１２と、同素子１２の
外周を覆う有孔カバー（図示略）とを備えている。素子
１２及びカバーはいずれも酸素センサ１１のハウジング
（図示略）に支持されている。酸素センサ１１は、素子
１２及びカバーの先端部がエンジンの排気管（図示略）
内部に突出するようにして同管に取り付けられる。

【００１８】素子１２は積層構造をなし、酸素イオン導
電性ジルコニア（ＺｒＯ2 ）とイットリア（Ｙ2 ０3 ）
からなる複数の板材２１〜２６を積層した後、これらを
焼成することによって形成されている。素子１２はヒー
タ１３と、このヒータ１３上に設けられた検出部１４
と、同検出部１４上に設けられた拡散律速板２６とによ
り構成されている。

【００１９】図３は、素子１２を各板材２１〜２６に分
解して示している。同図に示すように、ヒータ１３は一
対のヒータ用板２１，２２と、各板２１，２２間に設け
られた発熱体４０とを備えている。発熱体４０は素子１
２の先端側に該当する部分が略Ｗ字形状を呈しており、
通電により発熱して素子１２の先端側部分を所定温度以
上に加熱する。この加熱により素子１２の活性化が図ら
れるようになっている。発熱体４０の上下にはアルミナ
からなる絶縁層（Ａｌ2 Ｏ3 ）（図示略）が形成されて
おり、発熱体４０と各ヒータ用板２１，２２とは電気的
に絶縁されている。

【００２０】検出部１４は固体電解質板２４と、同板２
４の上下に積層された大気室形成板２３及び排気室形成
板２５とを備えている。固体電解質板２４の上下面には
排気側電極３１及び排気側リード３２と、大気側電極３
３（図２において示す）及び大気側リード（図示略）と
が設けられている。この排気側電極３１及び大気側電極
３３は各リード３２を介してエンジンの電子制御装置
（図示略）に電気的に接続されている。

【００２１】大気室形成板２３は全体がコ字形状を呈し
ており、同板２３の内壁面、一方のヒータ用板２２の上
面、及び固体電解質板２４の下面とによって区画された
空間によって大気室３４（図２参照）が形成されてい
る。この大気室３４内には酸素濃度が既知である大気が
導入されるようになっている。

【００２２】これに対して、排気室形成板２５の先端側
（図３の左側）には、排気側電極３１と対応する位置に
矩形孔３５が形成されている。そして、排気室形成板２
５の上面には矩形孔３５を閉塞するようにして拡散律速
板２６が積層されている。この拡散律速板２６の下面、
矩形孔３５の内周面、及び固体電解質板２４の上面によ
って区画された空間により排気室３６（図２参照）が形
成されている。この拡散律速板２６には５００〜１００
０Åの径を有する細孔４０（図２参照）が複数形成され
ており、排気室３６内にはこれら細孔４０を通じて排気
管を流れる排気ガスが導入されるようになっている。
尚、図２においては便宜上、細孔４０の一つのみを拡大
して示している。

【００２３】こうした酸素センサ１１にあっては、エン
ジンの電子制御装置によって排気側電極３１と大気側電
極３３との間に所定の電圧が印加されると、固体電解質
板２４の内部で酸素イオンの移動が生じることにより各
電極３１，３３間には電流が流れるようになる。この
際、排気室３６内に導入される酸素分子が細孔４０によ
って拡散律速されることにより、各電極３１，３３間を
流れる電流は排気ガスの酸素濃度に応じた一定値（限界
電流値）をとるようになる。従って、電子制御装置はこ
の限界電流値の大きさに基づいてエンジンの空燃比を算
出することができる。

【００２４】次に、図４を併せ参照して、こうした酸素
センサ１１の素子１２の製造方法をその製造工程に従っ
て説明する。 １）平均粒径０．１μｍの酸素イオン導電性ジルコニア
（ＺｒＯ2 ）粉末にイットリア（Ｙ2 ０3 ）８重量％を
添加し、これに溶媒（イオン交換水）とバインダー（メ
チルセルロース）と活性材（グリセリン）とを加えたも
のを、混合機により混合する。そして、この混合物を混
練機により攪拌混合する。

【００２５】２）この混練物を成形機により押出成形
し、その成形シートを乾燥機により乾燥する。ここで、
拡散律速板２６の素材となる成形シートは、拡散律速作
用を奏する厚さを有するように別途成形される。尚、上
記組成で成形される成形シートは、１４００℃で１時間
焼成した際における収縮率が２０％である。

【００２６】３）各成形シートを打抜き機により打ち抜
き、前記各板２１〜２６の素材を所定形状に成形する。
ここで、焼成後において各板２１〜２６が所定の形状を
有するように、前述した収縮率を考慮して打抜時の形状
寸法が決定されている。

【００２７】４）固体電解質板２４の素材の排気側面、
即ち図３における同素材の上面に白金ペーストを所定形
状に印刷することにより、排気側電極３１と排気側リー
ド３２とを形成する。また、前記素材の大気側面、即ち
図３における同素材の下面にも同様にして白金ペースト
を印刷することにより大気側電極３３及び大気排気側リ
ード３２を形成する。各電極３１，３３及びリード３２
を印刷した後、固体電解質板２４の素材を乾燥させる。

【００２８】５）一方のヒータ用板２１となる素材の表
面に、前述した絶縁層用のアルミナペーストを印刷した
後、その表面に白金ペーストを所定形状に印刷すること
により発熱体４０を形成する。更に、その発熱体４０を
覆うようにしてアルミナペーストを印刷する。その後、
この素材を乾燥させる。

【００２９】６）各板２１〜２６の素材の貼着面に水を
塗布する。 ７）各ヒータ用板２１，２２、大気室形成板２３、固体
電解質板２４、排気室形成板２５、及び拡散律速板２６
となるそれぞれの素材をこの順で積層する。そして、積
層状態の各素材を約４００ｋＰａで加圧してそれらを互
いに接着する。

【００３０】８）次に、図２に示すように、拡散律速板
２６において排気室３６の上部に該当する表面に対し、
１０００Åのビーム径を有する電子ビームを加工機５０
から照射することにより、排気室３６にまで貫通する細
孔４０を複数形成する。尚、ビーム径は焼成時における
拡散律速板２６の収縮率を考慮して決定されている。

【００３１】９）積層状態にある各板２１〜２６の素材
に対して、図４（ａ），（ｂ）に示す温度推移パターン
により脱脂及び焼成を行う。以上の工程１）〜９）によ
り酸素センサ１１の素子１２が製造される。因みに、工
程９）の焼成を行った後、水銀ボロシメータにより拡散
律速板２６に形成された細孔４０の径を計測した結果、
同径は７９０〜８１０Åの分布幅を有することが確認さ
れた。ここで、工程８）において照射された電子ビーム
の径（１０００Å）よりも、細孔４０の径（７９０〜８
１０Å）が小さくなっているのは、焼成時に拡散律速板
２６が２０％程度収縮するためである。

【００３２】このように、本実施形態に係る製造方法で
は、拡散律速板２６に電子ビームを照射した後、積層状
態にある各板２１〜２６の素材を焼成するようにしてい
る。従って、拡散律速板２６に拡散律速に好適な径を有
する細孔４０が小さな分布幅をもって形成されため、限
界電流値の大きさが安定するようになる。その結果、本
実施形態によれば、センサ特性のバラツキを減少させて
製造時の歩留まりを向上させることができる。

【００３３】更に、本実施形態によれば、電子ビームに
より細孔４０を形成するようにしたため、細孔４０の
径、位置、数を変更することよって必要とされるセンサ
特性を極めて容易に得ることができる。

【００３４】また、本実施形態では、従来のプラズマ溶
射を用いた拡散律速層の形成方法とは異なり、拡散律速
板２６の厚さが焼成時の収縮変化を考慮しても略一定に
保持される。このため、拡散律速板２６（拡散律速層）
の厚さが不均一であることによるセンサ特性のバラツキ
が殆どない。その結果、本実施形態によれば、製造時の
歩留まりを更に向上させることができる。

【００３５】［第２の実施形態］次に、本発明を具体化
した第２の実施形態について説明する。本実施形態で
は、積層状態にある各板２１〜２６の素材を脱脂・焼成
した後に、拡散律速板２６の細孔４０を形成するように
している点が上記第１の実施形態と異なる。

【００３６】即ち、本実施形態における酸素センサ１１
の製造方法においては、上記各工程１）〜７）を行った
後、工程９）において、積層状態にある各板２１〜２６
の素材に対して脱脂及び焼成を行う。その後、工程８）
と同様に、電子ビームを拡散律速板２６の表面に照射す
ることにより細孔４０を複数形成する。本実施形態で
は、ビーム径を第１の実施形態よりも小さい７５０Åに
設定している。

【００３７】このように、本実施形態では、脱脂・焼成
がなされた後、拡散律速板２６に細孔４０を形成するよ
うにしたため、焼成時における同板２６の収縮を考慮し
て電子ビームのビーム径を決定する必要がなく、また、
収縮による細孔４０の径のバラツキもない。即ち、ビー
ム径と細孔４０の径とが略一致することになる。その結
果、本実施形態によれば、細孔４０の径の分布幅を更に
小さくしてセンサ特性のバラツキを減少させることがで
きる。

【００３８】本発明は、以下に示す他の実施形態として
具体化することもできる。これら他の実施形態よっても
上記各実施形態と略同様の作用効果を奏することができ
る。 （１）上記各実施形態では、エンジンに設けられる酸素
センサ１１の製造方法について説明したが、同センサ１
１はエンジン用に限定されず、各種燃焼装置に用いられ
るものであってもよい。

【００３９】（２）上記第１の実施形態では、ビーム径
を１０００Åに設定するようにした。これに対して、加
工機５０の出力等に応じてビーム径を変更することもで
きるこの場合には、焼成後における細孔４０の径が５０
０〜１０００Åの間に分布するようにビーム径を設定す
る必要がある。また、第２の実施形態におけるビーム径
も同様に変更することができる。ちなみに、細孔径の大
きさは５００〜１０００Åの範囲内に制御されることが
必要であり、７９０〜８１０Åの範囲内であることが望
ましい。細孔が５００Å以上の径を有しない場合、或い
は、細孔の径が１０００Åより大きい場合には、好適な
拡散律速作用が得られないからである。

【００４０】（３）上記第２の実施形態では、脱脂・焼
成後、拡散律速板２６の細孔４０を形成するようにし
た。これに対して、脱脂後にこの細孔４０を形成するよ
うにしてもよい。

【００４１】（４）素子１２は上記各実施形態に示した
構造に限定されず、少なくとも拡散律速層を有する素子
であれば本発明を応用することができる。上記各実施形
態から把握できる技術的思想について以下にその効果と
ともに記載する。

【００４２】（イ）請求項１に記載した酸素センサの製
造方法において、前記一方の電極を覆うようにして拡散
律速層形成用の部材を前記素子の表面に配設する工程
と、前記拡散律速層形成用の部材を含む素子を焼成する
工程と、前記部材に対して電子ビームを照射することに
より５００〜１０００Åの径を有する貫通孔を形成する
工程とを含むことを特徴とする。

【００４３】上記製造方法によれば、焼成時における前
記部材の収縮を考慮して電子ビームのビーム径を決定す
る必要がなく、また、収縮による貫通孔の径のバラツキ
もないため、ビーム径と貫通孔の径とが略一致すること
になる。その結果、貫通孔の径の分布幅を更に小さくす
ることができ、センサ特性のバラツキを減少させること
ができる。

【００４４】

【発明の効果】請求項１に記載した発明では、拡散律速
層となる拡散律速層形成部材に、焼結時の同拡散律速層
形成部材の収縮率を考慮してビーム径の決定された電子
ビームを照射して、その後に同拡散律速層形成部材を焼
結することで所定の径を有する貫通孔を形成するように
している。また、請求項２に記載した発明では、一方の
電極が配された素子面を覆うように拡散律速層形成部材
を配設した後、同部材に電子ビームを照射して所定の径
を有する貫通孔を形成するようにしている。従って、拡
散律速層に所望の径を有する貫通孔を任意の位置に必要
な数だけ容易に形成することができる。その結果、セン
サ特性のバラツキが小さくなり、製造時の歩留まりを向
上させることができる。

【００４５】請求項３に記載した発明では、請求項１又
は２に記載した酸素センサの製造方法において、拡散律
速層形成部材として所定の厚さを有する板材を用いるよ
うにしている。従って、この板材を用いて拡散律速層を
形成することにより、同層は均一な厚さを有したものと
なる。その結果、センサ特性のバラツキが更に小さくな
り、製造時の歩留まりを大きく向上させることができ
る。

【００４６】

【図面の簡単な説明】

【図１】酸素センサの素子構造を示す斜視図。

【図２】図１の２−２線断面図。

【図３】素子を分解して示す斜視図。

【図４】脱脂及び焼成時における温度変化パターンを示
すグラフ。

【符号の説明】

１１…酸素センサ、１２…素子、２４…固体電解質板、
２６…拡散律速板、３１…排気側電極、３３…大気側電
極。

フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) G01N 27/41 G01N 27/419

Claims (3)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 酸素濃度測定用の素子と、当該素子に配
   された一対の電極と、前記一方の電極が配された素子面
   を覆う拡散律速層とを備え、前記素子に接する気体の酸
   素濃度に応じた信号を前記各電極を通じて出力する酸素
   センサの製造方法であって、 前記拡散律速層となる拡散律速層形成部材に、焼結時の
   同拡散律速層形成部材の収縮率を考慮してビーム径の決
   定された電子ビームを照射して、その後に同拡散律速層
   形成部材を焼結することで所定の径を有する貫通孔を形
   成する工程を含むことを特徴とする酸素センサの製造方
   法。
2. 【請求項２】 請求項１に記載した酸素センサの製造方
   法において、前記一方の電極が配された素子面を覆うよ
   うに前記拡散律速層形成部材を配設する工程と、前記拡
   散律速層形成部材に電子ビームを照射して所定の径を有
   する貫通孔を形成する工程とを含むことを特徴とする酸
   素センサの製造方法。
3. 【請求項３】 前記拡散律速層形成部材として所定の厚
   さを有する板材を用いることを特徴とする請求項１又は
   ２に記載した酸素センサの製造方法。