JP4693304B2

JP4693304B2 - 酸素センサ

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Publication number: JP4693304B2
Application number: JP2001262467A
Authority: JP
Inventors: 雅英秋山
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 2001-08-30
Filing date: 2001-08-30
Publication date: 2011-06-01
Anticipated expiration: 2021-08-30
Also published as: JP2003075397A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、自動車等の内燃機関における空気と燃料の比率を制御するための酸素センサに関するものであり、具体的にはセンサ素子基板とヒータ素子基板とが積層固定された酸素センサに関する。
【０００２】
【従来技術】
現在、自動車等の内燃機関においては、排出ガス中の酸素濃度を検出して、その検出値に基づいて内燃機関に供給する空気および燃料供給量を制御することにより、内燃機関からの有害物質、例えばＣＯ、ＨＣ、ＮＯｘを低減させる方法が採用されている。
【０００３】
このような酸素濃度を検出する酸素センサとして、従来、図５に示すように酸素イオン導電性を有するジルコニアを主分とする固体電解質１に白金電極３を形成し、固体電解質１内部にＰｔ等の発熱体５を埋設した薄いセラミック絶縁層６からなるヒータ９を一体化した酸素センサが知られている。
【０００４】
また、図６に示すように、酸素イオン導電性を有するジルコニアを主分とする固体電解質の対向面に白金電極１２が形成されたセンサ素子基板１１と、発熱部１５を有するアルミナからなるヒータ素子基板１７とが、多孔質セラミック層１９を介して接合された酸素センサが知られている。このような酸素センサにおいては発熱部１５による熱が多孔質セラミック層１９を伝わりセンサ素子基板１１が過熱される仕組みとなっている。
【０００５】
この多孔質セラミック層１９は、センサ素子基板１１とヒータ素子基板１７の隙間にセラミックのグリーンシートを挿入するか、またはセラミックのペーストを充填した後、センサ素子基板１１とヒータ素子基板１７と多孔質セラミック層１９とを同時に焼成して作製される。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上述のようなヒータを一体化した図５の酸素センサでは、セラミック絶縁層６の絶縁性が低いため、漏れ電流の影響により検出精度が悪くなるという問題があった。
【０００７】
また、センサ素子基板１１とヒータ素子基板１７とを多孔質セラミック層１９で接合した図６の酸素センサでは、電気絶縁性は優れるものの、センサ素子基板１１を構成するジルコニアと、ヒータ素子基板１７を構成するアルミナとの熱膨張係数が大きく異なるため、使用時に温度サイクルを受けると破壊しやすいという問題があった。
【０００８】
このようなセンサ素子基板を構成するジルコニアと、ヒータ素子基板を構成するアルミナとの熱膨張係数差による破損を抑制するため、特開平１０−３００７１７号公報には、ヒータ素子基板の発熱部が肉厚に形成され、リード部が肉薄に形成されており、センサ素子基板は、ヒータ素子基板の肉厚部分に対応する肉薄部分と、ヒータ素子基板の肉薄部分に対応する肉厚部分とを有しており、センサ素子基板とヒータ素子基板が一体に積層されている酸素センサが開示されている。
【０００９】
このような酸素センサでは、センサ素子基板とヒータ素子基板とは接合されていないので、熱膨張係数差による破損を防止することができるものの、酸素センサをケースに組み込む際に、センサ素子基板とヒータ素子基板の位置がずれやすいという問題があった。
【００１０】
本発明は、センサ素子基板とヒータ素子基板の熱膨張係数差による破壊を抑制できるとともに、センサ素子基板とヒータ素子基板の組み立てが容易な酸素センサを提供することを目的とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
本発明の酸素センサは、固体電解質からなり酸素濃度検出部を有するセンサ素子基板と、前記酸素濃度検出部を加熱する発熱部及びそのリード部を内蔵するヒータ素子基板とが積層された酸素センサにおいて、前記ヒータ素子基板の前記発熱部から離れたリード部形成位置に形成された凸部又は凹部に、前記センサ素子基板に形成された凹部又は凸部を係合せしめてなるとともに、前記凹部は、側面が前記ヒータ素子基板または前記センサ素子基板の外側面にまで達していない閉じられた凹部であることを特徴とする。
【００１２】
本発明の酸素センサでは、ヒータ素子基板の発熱部から離れたリード部形成位置に形成された凸部又は凹部に、センサ素子基板に形成された凹部又は凸部を係合させるため、センサ素子基板とヒータ素子基板の熱膨張係数差による破壊を抑制できるとともに、凹部は、側面がヒータ素子基板またはセンサ素子基板の外側面にまで達していない閉じられた凹部であることから、センサ素子基板とヒータ素子基板の位置ずれがなく、センサ素子基板とヒータ素子基板の組み立てが容易であり、例えば、ケース内に組み付ける場合にも、センサ素子基板とヒータ素子基板を確実に位置決めした状態でセットできる。
【００１４】
さらに、本発明では、ヒータ素子基板のリード部形成位置に凹部が形成され、この凹部に対応するセンサ素子基板の位置に凸部が形成されていることが望ましい。このような酸素センサでは、ヒータ素子基板の発熱部からの熱が、凹部により遮断され、ヒータ素子基板の端部への無駄な熱伝達を抑制できる。
【００１５】
また、本発明では、ヒータ素子基板の凸部又は凹部は、前記ヒータ素子基板の端部に形成されており、前記ヒータ素子基板の凸部又は凹部と、センサ素子基板の凹部又は凸部とが接合していることが望ましい。
【００１６】
ヒータ素子基板のリード部側の端部には発熱部からの熱伝達が小さいため、ヒータ素子基板端部の凸部又は凹部と、センサ素子基板の凸部又は凹部との熱膨張係数差は小さく、破損することがない。また、このようにヒータ素子基板とセンサ素子基板とが接合されているため、取り扱いが容易になり、また、ケースへの組み付けをさらに容易に行うことができる。
【００１７】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の酸素センサの基本構造の一例を図１及び図２に示す。図１及び図２は、一般的に理論空撚比センサ（λセンサ）と呼ばれるもので、この酸素センサは、センサ素子基板３１とヒータ素子基板３２とから構成されている。
【００１８】
センサ素子基板３１は、ジルコニアからなる酸素イオン導電性を有するセラミック固体電解質３３と、この固体電解質３３の内外面の対向する表面に形成された基準電極３５、測定電極３７とから構成されている。この固体電解質３３の対向する表面に基準電極３５、測定電極３７を形成した部分が酸素濃度検出部とされている。
【００１９】
即ち、固体電解質３３は先端が封止された平板状の中空形状であり、この中空内部に、空気などの基準ガスと接触する基準電極３５が被着形成され、この基準電極３５と対向する固体電解質３３の外面に、排気ガスなどの被測定ガスと接触する測定電極３７が形成されている。
【００２０】
基準電極３５および測定電極３７はいずれも多孔質の白金電極からなる。この場合、排気ガスによる電極の被毒を防止する観点から、測定電極３７表面には電極保護層としてセラミック多孔質層３９が形成されている。
【００２１】
一方、ヒータ素子基板３２は、上記のセンサ素子基板３１と同じ平板状を有しており、アルミナを主成分とするセラミック絶縁体４１中にＷ、Ｍｏ、Ｒｅ等からなる発熱部４３と、この発熱部４３に接続するリード部４４を埋設して構成されている。
【００２２】
本発明においては、酸素濃度検出部を効率良く加熱するために、ヒータ素子基板３２のセンサ素子基板３１側の面と発熱部４３との距離Ｌは２００〜６００μｍであることが好ましい。Ｌが２００μｍより薄いとヒータ素子基板３２の耐熱性が悪くなる。また、Ｌが６００μｍを超えるとヒータ素子基板３２からセンサ素子基板３１への熱の伝達が悪くなり、その結果酸素センサのガス応答性が低下する傾向があるからである。発熱体４３からヒータ素子基板３２表面までの距離Ｌとしては、特に３００〜４００μｍが望ましい。
【００２３】
また、本発明のセンサ素子基板３１とヒータ素子基板３２のそりとしては、熱伝達効率を高めるため０．２ｍｍ以下、特に０．１ｍｍ以下にすることが望ましい。そりが０．２ｍｍを超えると、センサ素子基板３１の温度が低下する傾向があり、温度分布が悪くなりガス応答性が低下する傾向がある。
【００２４】
センサ素子基板３１の厚みとしては、素子強度と熱伝達の観点から０．６〜１．５ｍｍ、特に０．８〜１．２ｍｍが好ましい。また、ヒータ素子基板３２の厚みとしては０．７〜２ｍｍ、特に１〜１．５ｍｍが素子強度の観点から好ましい。ヒータ素子基板３２が０．７ｍｍより薄くなると基板の強度が低くなり、２ｍｍを超えるとヒータ素子基板３２およびそれに隣接するセンサ素子基板３１を加熱するため大きな電気量が必要になる。
【００２５】
そして、本発明では、図２に示したように、センサ素子基板３１のヒータ素子基板３２側の面に、底面が矩形状の凸部４７が形成され、ヒータ素子基板３２のセンサ素子基板３１側の面には、底面が矩形状の凹部４９が形成されており、センサ素子基板３１の凸部４７がヒータ素子基板３２の凹部４９内に挿入され、係合し、これにより、ヒータ素子基板３２上にセンサ素子基板３１が積層固定されている。底面が矩形状の凸部４７と凹部４９を形成したので、発熱部４３の位置に酸素濃度検出部を容易に位置決めできる。
【００２６】
センサ素子基板３１の凸部４７、ヒータ素子基板３２の凹部４９は、それぞれ一個ずつでも良いが、２個以上形成することが位置決めという点から望ましい。また、凸部４７の高さ（凹部４９の深さ）は少なくとも０．１ｍｍ以上、特に０．２ｍｍ以上あることが固定の安定性から好ましい。
【００２７】
ヒータ素子基板３２の凹部４９は、リード部４４形成位置に形成されている。即ち、発熱部４３はヒータ素子基板３２の先端側から、ヒータ素子基板３２の長さＬの１／３までに形成されるため、リード部４４形成位置は、ヒータ素子基板３２の反対側の端面から長さ２Ｌ／３の部分であり、この部分に凹部４９が形成されている。
【００２８】
凹部４９形成位置は、発熱部４３から離れている方が望ましいが、特にヒータ素子基板３２の温度が５００℃以下になる部分、さらには、図３に示すようにヒータ素子基板３２の端部に形成されていることが望ましい。この場合には、センサ素子基板３１と、ヒータ素子基板３２の熱膨張差による影響が最小となるため、センサ素子基板３１の凸部４７をヒータ素子基板３２の凹部４９に接着剤等で接合することもできる。このようにセンサ素子基板３１の凸部４７をヒータ素子基板３２の凹部４９に接着剤等で接合することにより、酸素センサの取り扱いが容易となるとともに、ケース内への組み込みも容易に行うことができる。
【００２９】
次に、酸素センサの構成エレメントについて具体的に説明する。
（セラミック多孔質層）
本発明の酸素センサによれば、排気ガスと直接接する測定電極３７表面には排気ガス中の被毒物質から電極３７を保護する役目と、もう一つは空燃比センサ素子のように固体電解質で囲まれた空間内へのガスの拡散量を制御する目的で厚さ１０〜８００μｍで、気孔率が１０〜５０％のジルコニア、アルミナ、γ−アルミナまたはスピネル等からなるセラミック多孔質層３９が設けられている。この多孔質層３９の厚みが１０μｍより薄いか、あるいは気孔率が５０％を超えると、電極被毒物質Ｐ、Ｓｉ等が容易に測定電極３７に達して電極性能が低下する。それに対して、多孔質層３９の厚みが８００μｍを超えるか、あるいは気孔率が１０％より小さくなるとガスの多孔質層３９中の拡散速度が遅くなり、電極３７のガス応答性が悪くなる。特に、多孔質層３９の厚みとしては気孔率にもよるが１００〜５００μｍが優れる。
【００３０】
（電極）
固体電解質の表面に被着形成される基準電極３５、測定電極３７は、いずれも白金、あるいは白金と、ロジウム、パラジウム、ルテニウムおよび金の群から選ばれる１種との合金が用いられる。また、センサ動作時の電極中の金属の粒成長を防止する目的と、応答性に係わる金属粒子と固体電解質と気体との、いわゆる３相界面の接点を増大する目的で、上述のセラミック固体電解質成分を１〜５０体積％、特に１０〜３０体積％の割合で上記電極３５、３７中に混合してもよい。
【００３１】
電極３５、３７の形状としては、四角形でも楕円形でもよい。また、電極３５、３７の厚みとしては、３〜２０μｍ、特に５〜１０μｍが好ましい。
【００３２】
（発熱体）
ヒータ素子基板３２に埋設された発熱部４３は、耐熱性と製造コストの関係からＷ、Ｍｏ、Ｒｅの一種以上から構成されることが望ましい。発熱部４３の組成は、発熱容量と昇温速度により好適に選択すればよい。この場合、発熱部４３とリード部４４の抵抗比率は室温において、９：１〜７：３の範囲に制御することが好ましい。発熱部４３の構造としては、左右で折り返す構造と長手方向で折り返す構造のいずれも用いることが可能である。
【００３３】
（ヒータ素子基板を構成するセラミック絶縁体）
ヒータ素子基板を構成するセラミック絶縁体４１としては、アルミナを主成分とし、焼結性を改善する目的でＭｇ、Ｃａ、Ｓｉを総和で１〜１０重量％添加含有することが望ましいが、Ｎａ、Ｋ等はマイグレーションしてセラミック絶縁体４１の電気絶縁性を悪くするため０．１重量％以下に制御する必要がある。
【００３４】
（製造方法）
（イ）センサ素子基板
まず、図１に示すような一端が封止された中空の平板状のセンサ素子基板３１を作製する方法について図２を用いて詳述する。ジルコニアのグリーンシートを、ジルコニア等の酸素イオン導電性を有するセラミック固体電解質粉末に対して、適宜、成形用有機バインダーを添加してドクターブレード法や、押出成形や、静水圧成形（ラバープレス）あるいはプレス形成などの周知の方法により作製する。
【００３５】
この時、用いられる固体電解質粉末としては、ジルコニア粉末に対して、安定化剤としてＹ₂Ｏ₃、Ｙｂ₂Ｏ₃、Ｓｃ₂Ｏ₃、Ｓｍ₂Ｏ₃、Ｎｄ₂Ｏ₃、Ｄｙ₂Ｏ₃等の希土類酸化物粉末を酸化物換算で１〜３０モル％、好ましくは３〜１５モル％の割合で添加した混合粉末、あるいはジルコニアと上記安定化剤との共沈原料粉末が用いられる。また、ＺｒＯ₂中のＺｒをＣｅで１〜２０原子％置換したＺｒＯ₂粉末、または共沈原料を用いることもできる。さらに、焼結性を改善する目的で、上記固体電解質粉末に、Ａｌ₂Ｏ₃やＳｉＯ₂を５重量％以下、特に２重量％以下の割合で添加することも可能である。
【００３６】
次に、上記グリーンシートの両面に、それぞれ測定電極、基準電極、リード部となるパターンを、例えば、白金を含有する導電性ペーストを用いてスラリーデッィプ法、あるいはスクリーン印刷、パット印刷、ロール転写で形成した後、図２では省略したが、排気ガスと直接接する測定電極３７表面に、電極を保護するためジルコニア、アルミナ、γ−アルミナおよびスピネル等からなるセラミック多孔質層３９を、同様にスラリーデッィプ法、あるいはスクリーン印刷、パット印刷、ロール転写で形成する。
【００３７】
この後、上記の電極等を印刷したグリーンシートと、中空部を形成するグリーンシートと、最下層のグリーンシートを、図２に従いアクリル樹脂や有機溶媒などの接着剤をグリーンシート間に介在させるか、あるいはローラ等で圧力を加えながら機械的に接着することによりセンサ素子基板の積層成形体を作製する。この際、凸部を形成するにはシートを貼り付け、また凹部はパンチなどによりグリーンシートに孔を設ける。
【００３８】
センサ素子基板３１の焼成は、大気中または不活性ガス雰囲気中、１３００℃〜１５００℃の温度範囲で１〜１０時間行う。この際、焼成時のセンサ素子基板３１のそりを抑制するため、錘として平滑なアルミナ等の基板を積層成形体の上に置くことによりそり量を低減することが出来る。
（ロ）ヒータ素子基板
次に、図２に示すヒータ素子基板３２の作製法について説明する。先ず、アルミナのグリーンシートを、アルミナ粉末に、適宜、成形用有機バインダーを添加してドクターブレード法や、押出成形や、静水圧成形（ラバープレス）あるいはプレス形成などの周知の方法により作製する。この際、アルミナ粉末としては、アルミナを主成分として、焼結性を改善する目的でＭｇ、Ｃａ、Ｓｉを総和で１〜１０重量％添加した粉末が好適に用いられる。
【００３９】
上記のグリーンシートの片面にＷ、Ｍｏ、Ｒｅ等を含有する導電性ペーストを用いてスラリーデッィプ法、あるいはスクリーン印刷、パット印刷、ロール転写で発熱体パターン形成した後、アクリル樹脂や有機溶媒などの接着剤を介在させてグリ−ンシートを接着させるか、あるいはローラ等で圧力を加えながら機械的に接着することによりヒータ素子基板の積層成形体を作製する。この際、凸部を形成するにはグリーンシートを貼り付け、また凹部はパンチなどによりグリーンシートに孔を設ける。
【００４０】
ヒータ素子基板の焼成は、発熱体の酸化を防止する観点から水素等を含有するフォーミング等の還元ガス雰囲気中、１４００℃〜１６００℃の温度範囲で５〜１０時間行う。この際、焼成時のヒータ素子基板のそりを抑制するため、錘として平滑なアルミナ等の基板を積層成形体の上に加重を加えるように置くことによりそり量を低減することができる。
【００４１】
以上のように構成された酸素センサでは、センサ素子基板３１に形成された凸部４７に、ヒータ素子基板３２に形成された凹部４９を係合させるため、センサ素子基板３１とヒータ素子基板３２が、熱膨張係数が異なるジルコニア、アルミナで形成されていたとしても、熱膨張による破損を低減できる。また、センサ素子基板３１とヒータ素子基板３２の組み立てが容易であり、例えば、ケース内に組み付ける場合にも、センサ素子基板３１とヒータ素子基板３２を確実に位置決めでき、位置ズレした状態でケース内にセットされることがない。
【００４２】
また、ヒータ素子基板３２の凹部４９を、リード部形成位置に形成することにより、最も高温となる発熱部４３には凹部４９が形成されないため、センサ素子基板３１とヒータ素子基板３２の熱膨張係数差による影響を低減でき、熱膨張差による破壊を抑制できる。さらに、凹部４９により発熱部４３による熱の伝達を抑制することもできる。
【００４３】
尚、図１の酸素センサでは、センサ素子基板３１に凸部４７を、ヒータ素子基板３２に凹部４９を形成したが、センサ素子基板に凹部を、ヒータ素子基板に凸部を形成しても良い。
【００４４】
また、図１では、底面が矩形状の凸部４７と凹部４９を形成したが、底面が楕円形状、三角形状であっても、発熱部４３の位置に酸素濃度検出部を容易に位置決めできる。また、底面が円形状であっても凸部４７と凹部４９をそれぞれ２個以上形成することにより位置決めを容易に行うことができる。
【００４５】
さらに、凹部４９形成位置を端部に形成しない場合に、センサ素子基板３１の凸部４７をヒータ素子基板３２の凹部４９に接着剤等で接合しても、従来のようなセンサ素子基板の底面にヒータ素子基板を接合する場合よりも熱膨張差の影響は受けにくい。
【００４６】
本発明の空燃比センサとして用いる酸素センサの他の例を図４に示す。この酸素センサでは、センサ素子基板５１が、ポンピングセル５３とセンシングセル５５を有している。ポンピングセル５３が、固体電解質に排気ガスを取り込むための拡散孔５７と呼ばれる小さな孔が開けられており、その両面に一対の白金電極５９を形成して構成され、センシングセル５５は、固体電解質の両面に白金電極６１を形成して構成されている。センサ素子基板５１は、図１と同様のヒータ素子基板６２上に配置されている。
【００４７】
そして、この酸素センサにおいても、センサ素子基板５１に凸部６３が形成され、ヒータ素子基板６２に凹部６４が形成され、これらの凸部６３と凹部６４が係合している。このような酸素センサでも、上記例と同様の効果を得ることができる。
【００４８】
本発明は、平板状のセンサ素子基板と平板状のヒータ素子基板を別体で作製し、その後両者を固定した酸素センサであって、センサ素子基板およびヒータ素子基板の形状、寸法等が異なる場合においても、また、酸素センサ素子はもちろん、他にＮＯｘセンサ素子やＣＯセンサ素子であっても平板状のセンサ素子基板と平板状のヒータ素子基板に固定のための凸凹が設けられたものであれば本発明に含まれることは言うまでもない。
【００４９】
【発明の効果】
本発明の酸素センサでは、ヒータ素子基板の発熱部から離れたリード部形成位置に形成された凸部又は凹部に、センサ素子基板に形成された凹部又は凸部を係合させるため、熱膨張差による破壊を抑制できるとともに、凹部は、側面がヒータ素子基板またはセンサ素子基板の外側面にまで達していない閉じられた凹部であることから、センサ素子基板とヒータ素子基板の組み立てが容易であり、例えば、ケース内に組み付ける場合にも、センサ素子基板とヒータ素子基板を確実に位置決めした状態でセットできる。また、ヒータ素子基板の凸部又は凹部を、リード部形成位置に形成することにより、最も高温となる発熱部に凸部又は凹部が形成されないため、センサ素子基板とヒータ素子基板の熱膨張係数差による影響をさらに低減でき、熱膨張差による破壊をさらに抑制できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の酸素センサを示す断面図である。
【図２】図１の分解斜視図である。
【図３】ヒータ素子基板の端部に凹部を形成した酸素センサの断面図である。
【図４】本発明の酸素センサの他の例を示す断面図である。
【図５】従来のヒータを一体化した酸素センサを示す断面図である。
【図６】従来のセンサ素子基板とヒータ素子基板を接合した酸素センサを示す断面図である。
【符号の説明】
３１、５１・・・センサ素子基板
４３・・・発熱部
４４・・・リード部
３２、６２・・・ヒータ素子基板
４７、６３・・・凸部
４９、６４・・・凹部

Claims

固体電解質からなり酸素濃度検出部を有するセンサ素子基板と、前記酸素濃度検出部を加熱する発熱部及びそのリード部を内蔵するヒータ素子基板とが積層された酸素センサにおいて、前記ヒータ素子基板の前記発熱部から離れたリード部形成位置に形成された凸部又は凹部に、前記センサ素子基板に形成された凹部又は凸部を係合せしめてなるとともに、前記凹部は、側面が前記ヒータ素子基板または前記センサ素子基板の外側面にまで達していない閉じられた凹部であることを特徴とする酸素センサ。
前記ヒータ素子基板のリード部形成位置に前記凹部が形成されていることを特徴とする請求項１記載の酸素センサ。
前記ヒータ素子基板の凸部又は凹部は、前記ヒータ素子基板の端部に形成されており、前記ヒータ素子基板の凸部又は凹部と、前記センサ素子基板の凹部又は凸部とが接合していることを特徴とする請求項１又は２記載の酸素センサ。