JP4077365B2

JP4077365B2 - 酸素濃度検出素子

Info

Publication number: JP4077365B2
Application number: JP2003146013A
Authority: JP
Inventors: 祥一堺; 太一柳
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 2003-05-23
Filing date: 2003-05-23
Publication date: 2008-04-16
Anticipated expiration: 2023-05-23
Also published as: JP2004347506A; CN1573327A; CN1281947C

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、例えば排気ガス中の酸素濃度を検出する酸素センサに用いられる酸素濃度検出素子に関する。
【０００２】
【従来の技術】
一般に、自動車用エンジン等では、排気管の途中に酸素センサを配置し、酸素センサで排気ガス中に含まれる酸素濃度を検出し、燃料と空気との混合比率である空燃比Ａ／Ｆを所定の理論空燃比（Ａ／Ｆ＝１４．７）とするように吸引空気量をフィードバック制御する。
【０００３】
上記酸素センサに使用される従来の酸素濃度検出素子として、図４に示すものがある。
【０００４】
この酸素濃度検出素子１００は、図４に示すように、ベース部材１０１と、このベース部材１０１の外周側に形成された酸素イオン伝導性の固体電解質層１０２と、固体電解質層１０２の内面に形成された内側電極１０４と、固体電解質層１０２の外面に形成された外側電極１０５と、この外側電極１０５及び固体電解質層１０２の外面の全域に形成され、外側電極１０５の外面に酸素導入窓部１０６ａを有する緻密層１０６と、この緻密層１０６の外面及び酸素導入窓部１０６ａより露出された外側電極１０５の外面に形成された保護層１０７とから構成されている。そして、緻密層１０６及び保護層１０７の外側に測定ガス（例えば排気管内の排気ガス）が導かれる状態で配置される。
【０００５】
ベース部材１０１は、中実円柱の芯ロッド１１０と、この外周に形成されたヒータパターン１１１と、このヒータパターン１１１を被覆するよう芯ロッド１１０の外周に形成された絶縁性材料のヒータ被覆層１１２とから構成されている。内側電極１０４及び外側電極１０５は、共に導電性で、且つ、酸素が通過できる材料より形成されている。
【０００６】
そして、内側電極１０４及び外側電極１０５にはそれぞれリード線部１１３（内側電極１０４側は図示せず）が一体的に延設されており、これらリード線部１１３を用いて内側電極１０４と外側電極１０５との間に現れる出力電圧を検出できるようになっている。緻密層１０６は、測定ガス中の酸素が内面側に通過できない材料で形成されている。保護層１０７は、測定ガス中の有害ガスは内面側に通過できないが、測定ガス中の酸素は通過できる材料で形成されている。
【０００７】
次に、酸素濃度検出素子１００による酸素濃度の検出動作を説明する。
【０００８】
測定ガス中の酸素は保護層１０７を透過し、外側電極１０５を通過して固体電解質１０２の外面に導入され、基準となる大気ガス中の酸素は内側電極１０４に達する。固体電解質層１０２の内外面で酸素濃度に差があると、酸素イオンが固体電解質層１０２内を輸送されることによって酸素濃度差に応じて内側電極１０４と外側電極１０５との間に起電力Ｅが発生する。従って、内側電極１０４と外側電極１０５との間からは、酸素濃度差に応じた出力電圧（Ｖ＝Ｅ−Ｒ×Ｉ）が得られる。ここで、Ｒは固体電解質層１０２の内部抵抗であり、Ｉは起電力Ｅの発生時に内側電極１０４と外側電極１０５との間に流れる電流である。
【０００９】
自動車エンジンの排気ガスの酸素量検出に使用された場合を例に説明すると、空燃比（Ａ／Ｆ）に対する上記出力電圧（Ｖ）の特性線は、図５に示すようなものとなる。Ａ／Ｆ値が理想空燃比状態１４．７（λ＝１）を基準として、燃料過多で酸素濃度差が大きい状態（Ａ／Ｆ＜１４．７の状態）をリッチ状態、逆に空気過多で酸素濃度差が小さい状態（Ａ／Ｆ＞１４．７の状態）がリーン状態となり、理論空燃比状態となるように吸気空気量が制御される。
【００１０】
【特許文献１】
特開平７−２７７３７号公報
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、前記従来の固体電解質層１０２は、例えばジルコニアとイットリアからなるペースト状物を曲面印刷し、その後の焼成によって所望の性質をもつ材料とされるが、膜厚が薄い固体電解質層１０２の端部付近には焼成時の焼き締まりが不十分な部位Ａが発生する。焼き締まりが不十分な部位Ａにはマイクロクラックなどが発生し、酸素濃度差が大きいリッチ状態において、外側電極１０５付近より侵入したリッチガスがマイクロクラック等を通過して固体電解質層１０２の内面側に侵入すると、固体電解質層１０２の内外面での酸素濃度差が低下して、図５にて破線で示すように出力電圧（Ｖ）が低下する。従って、リッチ状態にて安定した出力が得られないという問題があった。
【００１２】
また、出力電圧（Ｖ）の特性は、固体電解質層１０２の内部抵抗Ｒを一つの要素とし、内部抵抗Ｒは内側電極１０４と外側電極１０５との対向面積（オーバーラップ面積）に依存する。そのため、従来例では、内側電極１０４と外側電極１０５とを同一形状で、且つ、同一面積とし、これらを正確に対向位置に形成することによって全ての酸素濃度検出素子１００について一定の出力特定が得られることが望ましい。
【００１３】
しかし、上記従来例では、内側電極１０４と外側電極１０５とを曲面印刷する際のマスク位置合わせがばらつくと、そのばらつきが内側電極１０４と外側電極１０５とのオーバーラップ面積のばらつきとなるため、酸素濃度検出素子１００毎のオーバーラップ面積を均一に形成することは非常に困難であった。固体電解質層１０２の内部素子抵抗にばらつきがあると、図６にて破線で示すように出力特性にばらつきが出る。このように出力特性にばらつきがあると、理想空燃比状態１４．７（λ＝１）のポイントがばらつき（δ）、そのポイントを検出する精度が低下することになる。
【００１４】
本発明は前述した事情に鑑みてなされたものであり、本発明の目的は、電極近傍への測定ガスの侵入を防止し、リッチ状態にて安定した出力を得ることにある。また、他の本発明の目的は、固体電解質層の内部抵抗のばらつきを抑えて出力特性のばらつきがほとんどない安定した出力を得ることにある。
【００１５】
【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に記載の発明は、外面側が絶縁性材料により形成されたベース部材と、このベース部材の外面側に形成された酸素イオン伝導性の固体電解質層と、この固体電解質層の内面と前記ベース部材の外面との間に設けられ、酸素を流通させるため、多孔質材料により形成された多孔体層と、前記固体電解質層の内面に形成された内側電極と、前記固体電解質層の外面に酸素の通過を阻止する材料で形成され、電極用窓部を有する内側緻密層と、この内側緻密層の外面及び前記電極用窓部より露出された前記固体電解質層の外面に形成された外側電極と、この外側電極の外面に酸素の通過を阻止する材料で形成され、前記電極用窓部と同じ位置に酸素導入窓部を有する外側緻密層とを備え、前記内側緻密層の電極用窓部の面積は前記内側電極の面積より小さく設定されたことを特徴とすることを趣旨とする。
【００１６】
上記構成によれば、測定ガス中の酸素は保護層を透過し、外側電極を通過して固体電解質の外面に導入され、基準となる大気ガス中の酸素は内側電極に達する。そして、固体電解質の内外面で酸素濃度に差があると、その酸素濃度差に基づいて外側電極と内側電極との間に起電力が発生する。ここで、固体電解質層の端部付近が内側緻密層で覆われ、外側電極が固体電解質層の端部以外に形成されるため、測定ガス中のリッチガス（成分）が外側電極を介して固体電解質層に侵入することができない。これにより、固体電解質層に対する排気ガスの侵入、接触箇所は窓部の範囲内に制限されることで、リッチ状態にて安定した出力が得られる。特に、外側電極の有効面積は、内側緻密層の電極用窓部によって内側電極の面積より小さい範囲に限定されるため、印刷時にマスク位置ずれがあっても内側電極と外側電極とのオーバーラップ面積は常に一定になり、固体電解質層の内部抵抗のばらつきが抑えられる。従って、出力特性のばらつきがほとんどない安定した出力が得られる。
【００１９】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を具現化した実施形態について図面を参照して説明する。
【００２０】
図１は酸素濃度検出素子１の断面図、図２は内側電極５と内側緻密層６の電極用窓部６ａとの寸法関係を示す説明図、図３は酸素濃度検出素子１の製造手順を説明するための図である。
【００２１】
図１において、酸素濃度検出素子１は、ベース部材２と、このベース部材２の外面側に形成された酸素イオン伝導性の固体電解質層３と、この固体電解質層３の内面とベース部材２の外面との間に設けられ、多孔質材料によって形成された多孔体層４と、固体電解質層３の内面に形成された内側電極５と、固体電解質層３の外面に形成され、電極用窓部６ａを有する内側緻密層６と、この内側緻密層６の外面及び電極用窓部６ａより露出された固体電解質層３の外面に形成された外側電極７と、この外側電極７の外面に形成され、電極用窓部６ａと同じ位置に酸素導入窓部８ａを有する外側緻密層８と、外側緻密層８の外面及び酸素導入窓部８ａより露出された外側電極７の外面に形成された保護層９とから構成されている。外側緻密層８及び保護層９の外側が測定ガス（例えば排気管内の排気ガス）が導かれる状態で配置される。
【００２２】
ベース部材２は、中実円柱の芯ロッド１０と、この外周に形成されたヒータパターン１１と、このヒータパターン１１を被覆するよう芯ロッド１０の外周に形成された絶縁性材料のヒータ被覆層１２とから構成されている。芯ロッド１０は、例えばアルミナ等のセラミック材料より形成される。ヒータパターン１１は、タングステンや白金などの発熱性導体材料より形成される。ヒータパターン１１の発熱によって固体電解質層３等を昇温して活性化させる。
【００２３】
固体電解質層３は、例えばジルコニアの粉体中に所定重量％のイットリアの粉体を混合してペースト状物より形成される。そして、固体電解質層３は、後述の内側電極５と外側電極７との間で、周囲の酸素濃度差に応じた起電力を発生させ、その厚さ方向に酸素イオンを輸送できるようになっている。
【００２４】
多孔体層４は、アルミナ等のセラミックス材料によって形成され、固体電解質層３を通じて内側電極５へ輸送されてくる酸素を、図示しない経路によって逃散させるガス逃散路を構成している。
【００２５】
内側電極５及び外側電極７は、共に白金等からなる導電性で、且つ、酸素が透過できる材料より形成されている。そして、内側電極５及び外側電極７にはそれぞれリード線部５ａ，７ａが一体的に延設されており、リード線部５ａ，７ａを用いて内側電極５と外側電極７との間に現れる出力電圧を検出できるようになっている。
【００２６】
内側緻密層６は、測定ガス中の酸素が内面側に透過できない材料、例えばアルミナ等のセラミック材料より形成されている。内側緻密層６は、固体電解質層３の外面の全域を全て覆い、電極用窓部６ａは、固体電解質層３の端部ではない中央部位に内側緻密層６の一部を切欠くことにより形成されている。電極用窓部６ａは、図２に示すように、方形形状を有し、内側電極５の面積に対して軸方向Ｔ及び円周方向Ｓともに小さい寸法で小面積に設定されている。
【００２７】
電極用窓部６ａ、酸素導入窓部８ａの具体的寸法は、酸素濃度検出素子１が直径３ｍｍ〜３．５ｍｍのロッド型素子の場合に、軸方向長さが１．６〜１．８ｍｍ、円周方向長さが２．６〜３．０ｍｍの範囲に設定される。
【００２８】
外側緻密層８は、内側緻密層６と同様に、測定ガス中の酸素が内面側に通過できない材料、例えばアルミナ等のセラミック材料より形成され、酸素導入用窓部８ａは、電極用窓部６ａと同じ位置で、外側緻密層８の一部を切欠くことにより形成されている。
【００２９】
保護層９は、外側緻密層８の酸素導入窓部８ａを介して外部に露出される外側電極７を外側から覆い、測定ガス中の有害ガス、ダスト等は内面側に通過できないが、測定ガス中の酸素は通過できる材質、例えばアルミナと酸化マグネシウムの混合物の多孔質構造体にて形成されている。
【００３０】
次に、酸素濃度検出素子１の製造方法を図３に基づいて説明する。先ず、アルミナ等のセラミック材料を射出成型して中実円柱の芯ロッド１０を製造する。この芯ロッド１０を回転させつつ、例えば白金又はタングステン等の発熱性材料を芯ロッド１０の円周面に曲面スクリーン印刷により印刷してヒータパターン１１を形成する。
【００３１】
次に、芯ロッド１０の円周面に、アルミナ等のセラミックグリーンシートを積層化してヒータ被覆層１２を形成する。これで、ベース部材２が製造される。
【００３２】
次に、ヒータ被覆層１２の円周面で、且つ、後に多孔体層４となる領域に、アルミナ等のセラミックに例えばカーボン、ポリアミド、ポリエーテルスルホン及びフェノール樹脂等からなる有機物を添加した膜２０を曲面スクリーン印刷する。次に、前記膜２０の外周面に、白金等からなる導電性ペーストを曲面スクリーン印刷して内側電極５及びリード線部５ａを一体形成する。次に、ヒータ被覆層１２、内側電極５及び有機膜２０の外周面に、例えばジルコニアとイットリアからなるペースト状物を曲面スクリーン印刷して酸素イオン伝導性の固体電解質層３を形成する。
【００３３】
次に、固体電解質層３の外周面に、例えばアルミナ等のセラミック材料を曲面スクリーン印刷して電極用窓部６ａを有する内側緻密層６を形成する。次に、内側緻密層６の外周面に、白金等からなる導電性ペーストを曲面スクリーン印刷して外側電極７及びリード線部７ａを一体形成する。このスクリーン印刷の際に導電性ペーストは内側緻密層６の電極用窓部６ａに入り込み、外側電極７が電極用窓部６ａより露出された固体電解質層３の外面に形成される。外側電極７は内側緻密層６の外面と固体電解質層３の外面に亘って形成されるが、固体電解質層３の外面に形成される部分が電極としての有効部分となる。
【００３４】
次に、外側電極７及び固体電解質層３の外周面に、例えばアルミナ等のセラミック材料を曲面スクリーン印刷して酸素導入窓部８ａを有する外側緻密層８を形成する。この酸素導入窓部８ａは内側緻密層６の電極用窓部６ａと同じ位置に形成する。次に、外側緻密層８の外周面及び酸素導入窓部８ａより露出された外側電極７の外周面に、例えばアルミナと酸化マグネシウムからなるペースト状物を曲面スクリーン印刷して保護層９を形成する。これで、曲面スクリーン印刷工程を終了する。
【００３５】
次に、曲面スクリーン印刷等を終えた円柱状作成物を高熱で焼成することにより一体的に焼結させる。この焼成工程により膜２０が消散してその部分に連続気泡の空孔からなる多孔体層４が形成される。以上により、酸素濃度検出素子１の製造が完了する。完成した酸素濃度検出素子１は図示しない酸素センサに組み込まれる。
【００３６】
次に、酸素濃度検出素子１による酸素濃度の検出動作を説明する。例えば、エンジンの排気管内に酸素センサが設置される場合には、測定ガスである排気ガスが酸素濃度検出素子１の外周面を通過し、大気が導入されるように設置される。そして、ヒータパターン１１に通電され、酸素濃度検出素子１全体を所定状態に加熱すると、固体電解質層３が活性化される。これで、検出可能状態となる。
【００３７】
排気ガスが排気管内に排出されると、排気ガス中の酸素は保護層９及び外側電極７を通過して固体電解質層３に導入され、大気ガス中の酸素は内側電極５の周囲に溜め込まれる。そして、固体電解質層３の内外面で酸素濃度に差が発生すると、従来例で説明したように、酸素イオンが固体電解質層３内を輸送されることによって酸素濃度差に応じて内側電極５と外側電極７との間に起電力Ｅが発生する。従って、内側電極５と外側電極７との間からは、酸素濃度差に応じた出力電圧（Ｖ＝Ｅ−Ｒ×Ｉ）が得られる。
【００３８】
ここで、固体電解質層３の端部付近が内側緻密層６で覆われ、外側電極７が固体電解質層３の端部以外に形成されている。従って、従来例のように排気ガスのリッチガス（成分）が外側電極７から固体電解質層３の焼き締まり不十分部位を経て内側電極５に達する侵入経路が形成されないため、排気ガス中のリッチガス（成分）が外側電極７、固体電解質層３を介して内側電極５に侵入することができない。以上より、酸素濃度検出素子１は、空燃比（Ａ／Ｆ）に対する出力電圧（Ｖ）が図５にて実線で示す特性を有するものとなり、リッチ状態にて安定した出力が得られる。
【００３９】
また、上記実施形態では、電極用窓部６ａの面積は、内側電極５の面積より小さく設定されているので、外側電極７の有効面積は、内側緻密層６の電極用窓部６ａによって内側電極５の面積より小さい範囲に限定される。従って、印刷時にマスク位置のズレが多少あっても内側電極５と外側電極７とのオーバーラップ面積は常に一定になり、固体電解質層３の内部抵抗のばらつきが抑えられる。以上より、全ての酸素濃度検出素子１は、空燃比（Ａ／Ｆ）に対する出力電圧（Ｖ）が図６にて実線で示す特性を有するものとなり、出力特性のばらつきがほとんどない安定した出力が得られる。
【００４０】
尚、この発明は、次のような別の実施形態に具現化することができる。以下の別の実施形態において上記実施形態と同様な作用及び効果を得ることができる。
【００４１】
（１）上記実施形態において、内側緻密層６の電極用窓部６ａの形状を方形状としたが、電極用窓部６ａを円形状、楕円形状、三角形状、五角形以上の多角形状等のような形状にしても良い。
【００４２】
（２）上記実施形態において、ベース部材２は、円柱形状を有するが、円柱形状以外の形状、例えば外面がフラットな形状であっても本発明は同様に適用できる。
【００４３】
更に、上記実施形態から把握し得る請求項以外の技術的思想について、以下にその効果と共に記載する。
【００４４】
（イ）請求項１に記載の酸素濃度検出素子において、前記ベース部材は中実円柱のロッド状に形成されていることを特徴とする。
【００４５】
このように構成されることにより、酸素濃度検出素子として、取付時の方向や、ガスの流れ方向等に影響されることなく、酸素濃度を安定した精度で検出できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態を示し、酸素濃度検出素子の断面図である。
【図２】本発明の一実施形態を示し、内側電極と内側緻密層の電極用窓部との配置状態を示す説明図である。
【図３】本発明の一実施形態を示し、酸素濃度検出素子の製造手順を説明するための図である。
【図４】従来例を示し、酸素濃度検出素子の断面図である。
【図５】空燃比（Ａ／Ｆ）に対する出力電圧の特性線図である。
【図６】空燃比（Ａ／Ｆ）に対する出力電圧の特性線であって、固体電解質層の内部抵抗にばらつきがある特性線を破線で示した図である。
【符号の説明】
１酸素濃度検出素子
２ベース部材
３固体電解質層
４多孔体層（内側電極にＯ_２が溜まり過ぎない様にＯ_２を外へ放出するための層）
５内側電極
５ａリード線部
６内側緻密層
６ａ電極用窓部
７外側電極
７ａリード線部
８外側緻密層
８ａ酸素導入窓部
９保護層
１０芯ロッド
１１ヒータパターン
１２ヒータ被覆層
２０有機膜

Claims

外面側が絶縁性材料により形成されたベース部材と、このベース部材の外面側に形成された酸素イオン伝導性の固体電解質層と、この固体電解質層の内面と前記ベース部材の外面との間に設けられ、酸素を流通させるため、多孔質材料により形成された多孔体層と、前記固体電解質層の内面に形成された内側電極と、前記固体電解質層の外面に酸素の通過を阻止する材料で形成され、電極用窓部を有する内側緻密層と、この内側緻密層の外面及び前記電極用窓部より露出された前記固体電解質層の外面に形成された外側電極と、この外側電極の外面に酸素の通過を阻止する材料で形成され、前記電極用窓部と同じ位置に酸素導入窓部を有する外側緻密層とを備え、前記内側緻密層の電極用窓部の面積は前記内側電極の面積より小さく設定されたことを特徴とする酸素濃度検出素子。