JP3783375B2 - 空燃比センサ素子 - Google Patents

Description

【０００１】
【技術分野】
本発明は，自動車用内燃機関の空燃比制御等に利用される空燃比センサ素子に関する。
【０００２】
【従来技術】
従来，車両の内燃機関において空燃比が適当でない場合には，エネルギー（燃料）の損失となると共に大気汚染の原因となる。そのため，空燃比センサを用いて内燃機関の空燃比制御を行っている。
このような空燃比センサとしては，酸素イオン導電性の固体電解質体とその表面に設けた一対の電極よりなるセンサ部を有する空燃比センサ素子が用いられている。
【０００３】
また，上記空燃比センサ素子はセンサ部が活性温度に加熱されなければ正確な空燃比を検出することができない。このため，上記空燃比センサには別途発熱部を有するヒータを設け，該ヒータによって常時空燃比センサ素子のセンサ部を活性温度に保持して使用する。
そして，従来センサ部に対しヒータを一体的に設け，センサ部の速熱性を高めた構造の空燃比センサ素子が考案されていた。このような空燃比センサ素子は内燃機関の始動後まもなく正確な空燃比を測定することができる。
【０００４】
ところで近年の排ガス規制強化に対応するため，より一層の空燃比センサ素子の優れた速熱性に対するニーズがある。
しかしながら，上記従来技術においてはまだまだセンサ部とヒータとが離れていることから，ヒータによるセンサ部の急速加熱という点において不充分であった。
従って，センサ部とヒータにおける発熱部とを一層近づけて構成した各種の空燃比センサ素子が提案されていた（特開昭６０−１２８３４８号，特開昭６０−９８３４９号，特開昭６１−２４１６５８号）。
【０００５】
このような空燃比センサ素子としては，例えば，図７に示すごとき構造のものが知られている。
この空燃比センサ素子９は，測定電極９１１と基準電極９１２と，両者の間に配置された固体電解質体９１５とよりなるセンサ部９１を有し，該センサ部９１における測定電極９１１を配置した側には多孔質絶縁層９７を介して発熱部９２０と絶縁層９２１，９２２とよりなるヒータ９２が設けてある。
なお，同図において符号９１０は基準ガスである大気が導入された大気室，９８は大気室基板である。
【０００６】
【解決しようとする課題】
しかしながら，以上に述べた従来技術にかかる空燃比センサ素子でもってＵＬＥＶ規制等に対応可能な検出開始時間を得ようとした場合，発熱部の温度を相当高くする必要があった。
そして，上記ヒータはセンサ部の片側に面するよう配置されていることから，空燃比センサ素子に熱分布を生じせしめるおそれがあった。熱分布が生じた場合には空燃比センサ素子に熱応力が生じ，素子の損傷を招く恐れがあった。
【０００７】
本発明は，かかる問題点に鑑み，速熱性に優れ，熱応力による損傷が生じ難い空燃比センサ素子を提供しようとするものである。
【０００８】
【課題の解決手段】
説明の都合上，まず参考発明につき説明する。
参考発明は，一対の電極の間に発熱部を内蔵した固体電解質体を配置してなるセンサ部を有する空燃比センサ素子である。
【０００９】
上記発熱部としては，例えば通電により発熱するＰｔ，Ｐｔ−Ｒｈ，Ｐｔ−Ｐｄ等の抵抗発熱体を絶縁材料で被覆したものを用いることができる（実施形態例１参照）。これにより，センサ部の空燃比検出精度を高めることができる。
【００１０】
次に，その作用につき，以下に説明する。
上記参考発明にかかる空燃比センサ素子は，一対の電極の間に発熱部を内蔵した固体電解質体を配置したセンサ部を持っている。
このため，発熱部が直接かつ内部からセンサ部を加熱することができるため，空燃比センサ素子の速熱性を高めることができる。また，急速加熱の際に消費される電力を低減させることができる。また，発熱部の発熱量を減じることもできる。
【００１１】
また，発熱部がセンサ部の内部に存在するため，センサ部に熱分布を生じさせることなく均一に加熱することができる。このため，熱応力による損傷を防止することができる。
更に，センサ部に発熱部を内蔵することで，別途ヒータを設ける手間とコストを省くことができる。このため製造工程，素材費を低減することが可能となる。
【００１２】
以上のように，参考発明によれば，速熱性に優れ，熱応力による損傷が生じ難い空燃比センサ素子を提供することができる。
【００１３】
なお，上記空燃比センサ素子としては，いわゆる限界電流式の酸素センサ素子として機能するセンサ部を有するもの，酸素濃淡起電力式の酸素センサ素子として機能するセンサ部を有するものの双方を挙げることができる。
【００１４】
また，センサ部が２つ以上あるもの，後述する実施形態例２に示したようなポンプセルを持った２セルタイプの空燃比センサ素子も本発明を適応することができる。特に２セルタイプ等でポンプセルを有するものについては，該ポンプセルに対し上記発熱部を内蔵させることが好ましい。これにより，センサ部と共にポンプセルの速熱性を高めることができる。
【００１５】
また，センサ部の電極が固体電解質を介して対面する位置にあるよう構成されたセンサ部（実施形態例１）の他，電極が固体電解質の同じ側の面に配置されたようなセンサ部についても参考発明を適用することができる。
【００１６】
また，空燃比センサ素子としては，以下に示す積層型の他にコップ型の固体電解質体よりなるものを挙げることもできる。
この場合，例えば，後述の図６に示すごとき測定電極の周囲に絶縁層を設け，その上に発熱体を印刷形成し，更にその表面を覆うように被覆絶縁層を形成し，発熱部とすることができる（実施形態例３参照）。
【００１７】
次に，上記空燃比センサ素子は積層型であることが好ましい。
これにより，薄肉の固体電解質内部への発熱部の形成が容易であるため，安価な製造コストで空燃比センサ素子を作製することができる。また，空燃比センサ素子は積層型であることから薄肉であり，従って低熱容量である。このため，周囲雰囲気の温度が仮に低下した場合，これに伴う熱損失の影響を防止することができる。
【００１８】
次に，本願における請求項１の発明は，基準電極を設けた薄板状の基準側の固体電解質体と被測定ガスに曝され測定電極を設けた薄板状の測定側の固体電解質体とよりなり，かつ上記基準側の固体電解質体と上記測定側の固体電解質体との間には発熱部が内蔵されるセンサ部を有し，
上記発熱部は発熱体を積層した絶縁層と該絶縁層及び発熱体の表面を被覆する被覆絶縁層とよりなり，また上記被覆絶縁層及び上記絶縁層において，上記測定電極及び上記基準電極と対面する部分には両電極間の酸素イオン導電性を確保するための連結用固体電解質体が埋設されていることを特徴とする空燃比センサにある（後述する実施形態例１，図１参照）。
【００１９】
このような構造とすることにより，上述参考発明における記載と同様の効果を得ることができる他，絶縁層で基準電極と測定電極との間の酸素イオンの移動を妨げることなく，また内蔵された発熱部として構成することができるため低電力での加熱が可能であり，発熱部中の発熱体を流れる電流が空燃比センサの精度に与える影響が少なく，精密なセンサ信号を得ることができる。
なお，上記発熱体は通電により発熱する抵抗発熱体により構成されている。
【００２０】
次に，請求項２の発明は，被測定ガスに曝され第１ポンプ電極を設けた薄板状の第１固体電解質体と，第２ポンプ電極を設けた第２固体電解質体とよりなり，かつ上記第１固体電解質体と上記第２固体電解質体との間には発熱部が内蔵されるポンプセルと，
上記ポンプセルにより被測定ガスが導入され，上記第２ポンプ電極と接する被測定ガス室に面し，測定電極を設けた薄板状の測定側の固体電解質体と基準電極を設けた薄板状の基準側の固体電解質体とよりなるセンサ部とよりなり，
更に上記発熱部は発熱体を積層した絶縁層と該絶縁層及び発熱体の表面を被覆する被覆絶縁層とよりなり，また上記被覆絶縁層及び上記絶縁層において，上記第１ポンプ電極及び上記第２ポンプ電極と対面する部分には両電極間の酸素イオン導電性を確保するための連結用固体電解質体を埋設してなることを特徴とする空燃比センサにある。
【００２１】
このような構造とすることにより，上述の記載と同様の効果を得ることができる他，絶縁層で第１電極と第２電極との間の酸素イオンの移動を妨げることがなく，また内蔵された発熱部として構成することができるため低電力での加熱が可能であり，更に発熱部中の発熱体を流れる電流が空燃比センサの精度に与える影響が少ない。以上のことより精密なセンサ信号を得ることができる。
更に，本請求項にかかる発明によれば，上述するごとき優れた効果を有する２セル型の空燃比センサを得ることができる。
【００２２】
更に，請求項３の発明のように，請求項２において，上記センサ部における測定側の固体電解質体と上記基準側の固体電解質体との間には発熱部が内蔵されてなり，
更に上記発熱部は発熱体を積層した絶縁層と該絶縁層及び発熱体の表面を被覆する被覆絶縁層とよりなり，
また上記被覆絶縁層及び上記絶縁層において，上記測定電極及び上記基準電極と対面する部分には，両電極間の酸素イオン導電性を確保するための連結用固体電解質体が埋設されていることが好ましい。
本請求項にかかる発明においては，ポンプセル及びセンサ部の双方に発熱部を内蔵しているため，更に確実に本発明にかかる効果を得ることができる。
【００２３】
【発明の実施の形態】
実施形態例１
本発明の実施形態例にかかる空燃比センサ素子につき，図１〜図３を用いて説明する。なお，本例の空燃比センサ素子は自動車用内燃機関の排気系に取付けられて使用させる。本例において，後述する測定電極１５３，基準電極１５４をそれぞれ酸素ポンピング用電極として用いることにより，限界電流式の空燃比センサ素子として使用することができる。
【００２４】
図１に示すごとく，本例の空燃比センサ素子１は，一対の電極１５３，１５４の間に発熱部１２を内蔵した固体電解質体１５１，１５２を配置してなるセンサ部１１を有する。
【００２５】
以下詳細に説明する。
図１及び図２に示すごとく，上記空燃比センサ素子１はセンサ部１１と大気導入部１８と電極保護膜１７とよりなる積層型のセンサである。
上記センサ部１１は基準電極１５４を設けた薄板状の基準側の固体電解質体１５２と測定側の測定電極１５３を設けた固体電解質体１５１とよりなり，両固体電解質体１５１，１５２との間には発熱部１２が配置されている。
なお，上記測定電極１５３を被覆するように上記電極保護膜１７が形成されている。
【００２６】
上記発熱部１２は発熱体１２０を設けた絶縁層１２２と該絶縁層１２２及び発熱体１２０とを被覆する被覆絶縁層１２１とよりなる。また，被覆絶縁層１２１及び絶縁層１２２において，上記測定電極１５３及び基準電極１５４と対面する部分には測定電極１５３と基準電極１５４との酸素イオン導電性を確保するための連結用固体電解質体１２３，１２４が埋め込まれている。
なお，上記発熱体１２０には通電用のリード線を接続するためのリード部１２９が一体的に設けてある。
また，図３に示すごとく，上記発熱体１２０は上記空燃比センサ素子１を投影的に見たときに測定電極１５３及び基準電極１５４の周囲を取り囲むように形成する。
【００２７】
上記固体電解質体１５２と隣接して基準ガスである大気の導入室１８０となる溝部１８５を設けた大気導入板１８１が配置されている。また，この大気導入板１８１と隣接して溝部１８５を閉口させる閉口板１８２が配置されている。
【００２８】
次に，本例にかかる空燃比センサの製造方法について説明する。
固体電解質１５１，１５２用のジルコニアグリーンシートを成形する。
イットリアを添加した平均粒径０．６μｍのジルコニア原料粉末７１．７ｗｔ％，有機バインダのポリビニルブチラール２．５ｗｔ％，可塑剤のフタル酸ヂブチル５．９ｗｔ％，分散剤のソルビタントリオレート０．７ｗｔ％，それらを溶解，分散させる有機溶剤の，エタノール・トルエン混合溶剤１９．２ｗｔ％を秤量し，これらを混合してスラリーを準備し，該スラリーをドクターブレード法により成形して厚さ１００μｍのシートを得た。このシートを所定の寸法に打ち抜き，２枚のジルコニアグリーンシートを得た。
【００２９】
次に，上記のジルコニアグリーンシートの１枚に対し，被覆絶縁層１２１用のアルミナペーストを印刷する。そして，被覆絶縁層１２１の上に白金ペーストを用いて発熱体１２０及びリード部１２９用の印刷パターンを設ける。更にその上に絶縁層１２２用のアルミナペーストを印刷し，両アルミナペーストにて上記印刷パターンを挟む。
【００３０】
なお，アルミナペーストの印刷に当たっては，測定電極１５３及び基準電極１５４と対面する位置に空隙を設けて印刷する。その後，この空隙にはジルコニアペーストをスクリーン印刷して充填し，表面を平坦とする。
【００３１】
最後にこのように処理したジルコニアグリーンシートの上に残った他の一枚のグリーンシートを積層し，８０℃，３０ＭＰａの条件で加熱圧着し，積層体を得た。得られた積層体の表面に測定電極１５３，基準電極１５４用の白金ペーストを印刷した。
【００３２】
また，電極保護膜１７，溝部１８５を設けた大気導入板１８１，閉口板１８２用のグリーンシートを別途準備する。
なお，これらの材質としては，空燃比センサ素子１が冷熱環境下で使用されることから，上記固体電解質体１５１，１５２の材料と同等の熱膨張係数を有するものであることが望ましく，例えば，上記固体電解質体１５１，１５２と同じくジルコニアを用いることが好ましい。また，あるいはアルミナ，スピネル等が好ましい。
これらのグリーンシートを図２に示すごとき位置関係となるように積層し，その後一体焼成する。
以上により，本例にかかる空燃比センサ素子を得た。
【００３３】
次に，本例における作用効果につき説明する。
本例にかかる空燃比センサ素子１は，測定電極１５３と基準電極１５４との間に発熱部１２を内蔵した固体電解質体１５１，１５２を配置したセンサ部１１を持っている。
このため，発熱部１２が直接かつ内部からセンサ部１１を加熱することができるため，空燃比センサ素子１の速熱性を高めることができる。また，発熱部の温度が高くなくとも充分に素早くセンサ部１１の加熱を行うことができる。よって，急速加熱の際に消費される電力を低減することができる。また，発熱部１２の発熱量を減じることもできる。
【００３４】
また，本例においては特に発熱部１２中の発熱体１２０を，図３に示すごとく，測定電極１５３，基準電極１５４の周囲を取り囲むような位置に設けているため，各電極１５３，１５４を効率的に加熱することができる。
【００３５】
また，発熱部１２がセンサ部１１の内部に存在するため，センサ部１１に熱分布を生じさせることなく，これを均一に加熱することができる。このため，熱応力によるセンサ部１１の損傷を防止することができる。
更に，センサ部１１に発熱部１２を内蔵することで，別途ヒータを設ける手間とコストを省くことができる。つまり，本例においては，センサ部１１を作製する際に，アルミナペーストの印刷等の操作を行って，発熱部１２をセンサ部１１と同時に作製する。このため製造工程，素材費を低減することが可能となる。
【００３６】
以上のように，本例によれば，速熱性に優れ，熱応力による損傷が生じ難い空燃比センサ素子を提供することができる。
【００３７】
実施形態例２
本例は，図４，図５に示すごとく，２セル構造の空燃比センサ素子について説明する。なお，本例にかかる空燃比センサ素子は以下に示すポンプセルに電圧を印加することにより得られる酸素のポンピング作用を利用して被測定ガス室に被測定ガスを導入する。そして，センサ部にかかる測定電極は被測定ガス室に面し，基準電極は大気室に面することから，空燃比を検出することができる。
【００３８】
図４，図５に示すごとく，本例の空燃比センサ素子２は，測定電極１５３と基準電極１５４との間に発熱部２３を内蔵した固体電解質体２１１，２１２を配置してなるセンサ部２１（センサセルと呼ぶことが多いが，ここでは請求項に合わせてセンサ部と呼ぶ。）を有し，該センサ部２１とポンプセル２２と大気導入部１８と電極保護膜１７とよりなる積層型のセンサ素子である。
そして，上記センサ部２１と共に上記ポンプセル２２に対し発熱部２３，２４が内蔵されている。
【００３９】
そして，上記ポンプセル２２及びセンサ部２１との間には被測定ガス室２８０が形成されてなる。また，上記被測定ガス室２８０に対し被測定ガスを導入する被測定ガス導入路２８１はポンプセル２２及び発熱部２４を貫通して形成されている。
【００４０】
上記センサ部２１は基準電極１５４を設けた薄板状の固体電解質体２１２と測定電極１５３を設けた固体電解質体２１１とよりなり，両固体電解質体２１１，２１２との間には発熱部２３が配置されている。
【００４１】
上記発熱部２３は発熱体１２０を設けた絶縁層１２２と該絶縁層１２２及び発熱体１２０とを被覆する被覆絶縁層１２１とよりなる。また，被覆絶縁層１２１，絶縁層１２２において，上記測定電極１５３及び基準電極１５４と対面する部分には連結用固体電解質体１２３，１２４が埋め込まれている。
また，前述した図３に示すごとく，上記発熱体１２０は上記空燃比センサ素子を投影的に見たときに測定電極１５３及び基準電極１５４の周囲を取り囲むように形成する。
【００４２】
上記固体電解質体２１２と隣接して基準ガスである大気の導入室１８０となる溝部１８５を設けた大気導入板１８１が配置されている。また，この大気導入板１８１と隣接して溝部１８５を閉口させる閉口板１８２が配置されている。
【００４３】
上記ポンプセル２２は第２電極２２４を設けた薄板状の第２固体電解質体２２２と第１電極２２３を設けた第１固体電解質体２２１とよりなり，第１固体電解質体２２１と第２固体電解質体２２２との間には発熱部２４が配置されている。この発熱部２４は上記発熱部２３と同様の構造であり，発熱部２４において第１ポンプセル２２３と第２ポンプセル２２４と対面する部分の第１固体電解質体２２１と第２固体電解質体２２２には連結用固体電解質体１２３，１２４が埋め込まれている。
【００４４】
そして，第１固体電解質体２２１，第２固体電解質体２２２及び発熱部２４の被覆絶縁層１２１，絶縁層１２２には図４に示すごとく被測定ガス導入路２８１を構成する貫通穴２８２が図５に示すごとき位置に形成されている。
なお，上記電極２２３を被覆するように上記電極保護膜１７が形成されている。また，センサ部２１とポンプセル２２との間には窓部２８３を有する被測定ガス室形成板２８が配置されている。
【００４５】
次に，本例の空燃比センサ素子の製造方法について説明する。
実施形態例１と同様の方法で，４枚のジルコニアグリーンシートを得た。
次いで，上記ジルコニアグリーンシートの２枚を用いて，実施形態例１と同様の方法にて内部にアルミナペースト，白金ペーストよりなる印刷パターンを形成し，センサ部用の積層体とした。
【００４６】
また，同様の方法からポンプセル用の積層体を得た。
なお，ポンプセル用の積層体には，被測定ガス導入路２８１となる貫通穴２８２を図５に示すごとき位置に打ち抜き形成した。
【００４７】
また，実施形態例１と同様にして，電極保護膜１７，溝部１８５を設けた大気導入板１８１，閉口板１８２，被測定ガス室形成板２８用のグリーンシートを別途準備した。なお，上記被測定ガス室形成板２８は，高精度なセンサ信号を得るために，ポンプセル２２とセンサ部２１との間に高い電気絶縁性を確保できる材料を用いることが好ましく，本例においてはアルミナより構成する。
これらのグリーンシートを図５に示すごとき位置関係となるように積層し，その後一体焼成した。
以上により，本例にかかる空燃比センサ素子を得た。
その他は実施形態例１と同様である。
【００４８】
本例にかかる空燃比センサ素子２において，センサ部２１，ポンプセル２２に対してそれぞれ発熱部２３，２４が内蔵されている。このため，センサ部２１，ポンプセル２２は速熱性に優れており，よって，本例によれば，速熱性に優れた２セルタイプの空燃比センサ素子２を得ることができる。
その他は実施形態例１と同様の作用効果を有する。
【００４９】
実施形態例３
本例は図６に示すごとく，コップ型の固体電解質よりなる空燃比センサ素子について説明するものである。
図６に示すごとく，上記空燃比センサ素子３は，内部に基準ガス室３０を設けたコップ型の固体電解質体３５とその外側面に設けた測定電極３５３と上記基準ガス室３０に接するように設けた基準電極３５４とよりなる。
そして，上記測定電極３５３の上方には発熱部３２が設けてある。
【００５０】
上記発熱部３２は，固体電解質体３０の表面に環状に形成された絶縁層３２２と該絶縁層３２２に積層形成された発熱体３２１と，上記絶縁層３２２及び上記発熱体３２１の表面を被覆するよう設けた被覆絶縁層３２０とよりなる。
その他は実施形態例１と同様である。
また，本例にかかる空燃比センサ素子３においても実施形態例１と同様の作用効果を有する。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施形態例１における，空燃比センサ素子の断面説明図。
【図２】実施形態例１における，空燃比センサ素子の斜視展開説明図。
【図３】実施形態例１における，空燃比センサ素子の発熱部と電極との位置関係を示す投影説明図。
【図４】実施形態例２における，空燃比センサ素子の断面説明図。
【図５】実施形態例２における，空燃比センサ素子の斜視展開説明図。
【図６】実施形態例３における，コップ型の空燃比センサ素子の説明図。
【図７】従来例にかかる，空燃比センサ素子の断面説明図。
【符号の説明】
１，２，３．．．空燃比センサ素子，
１１，３１．．．センサ部，
２２．．．ポンプセル，
１２，３２．．．発熱部，
１２１，３２１．．．被覆絶縁層，
１２２，３２２．．．絶縁層，
１２３，１２４．．．連結用固体電解質体，
１５１，１５２，３５．．．固体電解質体，
１５３，３５３．．．測定電極，
１５４，３５４．．．基準電極，
２２１．．．第１固体電解質体，
２２２．．．第２固体電解質体，
２２３．．．第１ポンプ電極，
２２４．．．第２ポンプ電極，

Claims (3)

1. 基準電極を設けた薄板状の基準側の固体電解質体と被測定ガスに曝され測定電極を設けた薄板状の測定側の固体電解質体とよりなり，かつ上記基準側の固体電解質体と上記測定側の固体電解質体との間には発熱部が内蔵されるセンサ部を有し，
   上記発熱部は発熱体を積層した絶縁層と該絶縁層及び発熱体の表面を被覆する被覆絶縁層とよりなり，また上記被覆絶縁層及び上記絶縁層において，上記測定電極及び上記基準電極と対面する部分には両電極間の酸素イオン導電性を確保するための連結用固体電解質体が埋設されていることを特徴とする空燃比センサ素子。
2. 被測定ガスに曝され第１ポンプ電極を設けた薄板状の第１固体電解質体と，第２ポンプ電極を設けた第２固体電解質体とよりなり，かつ上記第１固体電解質体と上記第２固体電解質体との間には発熱部が内蔵されるポンプセルと，
   上記ポンプセルにより被測定ガスが導入され，上記第２ポンプ電極と接する被測定ガス室に面し，測定電極を設けた薄板状の測定側の固体電解質体と基準電極を設けた薄板状の基準側の固体電解質体とよりなるセンサ部とよりなり，
   更に上記発熱部は発熱体を積層した絶縁層と該絶縁層及び発熱体の表面を被覆する被覆絶縁層とよりなり，また上記被覆絶縁層及び上記絶縁層において，上記第１ポンプ電極及び上記第２ポンプ電極と対面する部分には両電極間の酸素イオン導電性を確保するための連結用固体電解質体を埋設してなることを特徴とする空燃比センサ素子。
3. 請求項２において，上記センサ部における測定側の固体電解質体と上記基準側の固体電解質体との間には発熱部が内蔵されてなり，
   更に上記発熱部は発熱体を積層した絶縁層と該絶縁層及び発熱体の表面を被覆する被覆絶縁層とよりなり，
   また上記被覆絶縁層及び上記絶縁層において，上記測定電極及び上記基準電極と対面する部分には，両電極間の酸素イオン導電性を確保するための連結用固体電解質体が埋設されていることを特徴とする空燃比センサ素子。

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