JPH01170846A - 限界電流検知式酸素濃度センサ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〈産業上の利用分野〉 本発明は自動車の空燃比制御等に利用される酸素濃度セ
ンサに関し、特には酸素イオン伝導性固体電解質を用い
た薄膜型のセンナ素子を有する限界電流検知式酸素濃度
センサに関する。

〈従来の技術〉 この種の酸素濃度センサに用いられて−るセンサ素子１
は第１１図〔（ａ）は側面図、（ｂ）は底面図〕に示さ
れるように、裏面にビークジ全設けた多孔質アルミナ基
板１４上に白金電・返２、ＺｒＯ２固体電解質３、白金
電極４を順次積層したものが一般的であシ、この場合ア
ルミナ基板１４がガス拡散律速層の役割を果たしている
。

更に表面の′醒極４上にセラミックス粒子全溶射して保
護層を形成させたものも知られている。

該素子は、アルミナ基板の厚さが０５〜２■程度であり
、スパッタリング、スクリーン印刷、溶射等で形成され
る電極、ヒータ、固体電解質、保護層はめずれも０１〜
６０μ範囲内の厚さである。このような薄膜型のセンサ
素子及びその製造方法は例えば特開昭６１−１４７１５
４号及び同／、１−１５５７５１号公報に開示されてい
る。

スパッタリング等の薄膜生成技術を使用して製造された
センツー素子を備える限界電流検知式酸素濃度センサは
非常に小型であることがら昇温性が良く、空燃比制御装
置用のセンサとして筺用された場合、始動時のエミン７
ヨノ（１−ＩＣＣ０，ＮＯｘ　）コントロールに極めて
有効なセンサとなる。

前記のような素子に、電極及びヒークＶｒＣ接続するリ
ード線を取付け、絶縁体で支持することによって酸素濃
度センサが構成されるが、従来、酸素濃度センサの素子
支持構造は第１２図あるいは第１５図で示されるように
、セラミック製支持体８の前方端面或は側面に凹＃１１
５を設け、該凹ｔ！１ｌ１１５に素子２０を嵌合させた
構造であった。これら図中、１７はリード線、５はヒー
タ、１６は貫通孔を示す。かかる支持構造を有する酸素
濃度センサは例えば特開昭５７−１０８６５４号、同５
７−１１９２５０号、同５６−８６５４７号、同６１−
５０４９号公報に開示されている。

〈発明が解決しようとする問題点〉 しかしながら、上記従来の酸素濃度センサには次のよう
な問題点があった。

１ず、センサ素子を支持体に取シ付ける過程が困難であ
り、多くの工程を要すること、部品点数が多くかかるこ
と、車両に塔載して使用する場合には振動によって折損
、脱離が起こり易い等の問題があっに。

また、センサ素子の作動温度を低下させる（低温から高
温に至る広い温度領域での検知を可能にする）とともに
センサの消費電力を少なくするためには電極活性（触媒
作用）をよシ以上に発揮させること、すなわち電極面積
を広くすることが求められて因るが、そうすると基板を
大きくしなければならず、ヒータの加熱部分が拡大し温
度分布が不均一となるので、それを避けるだめにヒータ
加熱容量を上げる必要が生じ、薄膜型素子とすることに
よるメリットが減ってしまうという問題もあった。

本発明は薄膜型素子を用いた限界電流式酸素濃度センサ
の上記諸問題を解決するためになされたものであシ、そ
の目的とするところは素子の支持性及び耐久性に優れ、
高い検知性能を有し、しかも消費電力の少ない酸素濃度
セン＋ｊｔ提供することである。

く問題点を解決するための手段〉 層として機能する多孔質円筒形支持体の外周面に、白金
電極・酸素イオン透過性固体電解質膜・白金電極が順に
重ねて形成されていることを特徴とする。

即ち、センサ素子の基板を平板状のものから円筒状のも
のに代え、かつ基板と支持体を兼用させたセンサという
ことができる。

酸素イオン伝導性固体電解質としてはジルコニア（Ｚｒ
Ｏ２）系のものでよく、円筒形支持体の材料としては多
孔質体にでき、耐熱性、絶縁性、必要な強度を有し、熱
伝導率の小さなものであれば何でもよく、特には従来ガ
ス拡散律速層に用いられたセラミックスが好ましい。

円筒形支持体にヒータを内蔵させるには例えばセラミッ
クス円筒の外周面に白金ヒータを形成させその上にセラ
ミックス層を設けることにより、或は白金ヒータが印刷
された薄板状セラミックスシートをセラミックス円筒に
巻き付け、脱脂、焼成することによりヒータ内蔵円筒形
支持体を得ることができる。

外側電極と排気ガスとの直接接触による劣化を防ぐため
に多孔質セラミックス保護層全役りてよいことは勿論で
ある。上記のヒータ、電極、固体電解質膜、保護層は常
法によって形成させることができる。

〈作　用〉 平板状であったセンサ素子の基板に代えて、中空円筒形
支持体にその役目を果たさせることは、センサ素子を支
持体に取シ付けることを不要にし、またセンサ素子の機
械的強度を高めることになる。

更に、円筒形支持体の外周面に電極を形成することは、
基板を大きくすることなく電極面積が犬きく取れること
となり、検知性能が向上したセンサ素子を製造すること
を可能にする。

〈実施例〉 以下に本発明の限界電流検知式酸素濃度センサの実施例
を図面に従って説明する。

本実施例の酸素濃度センサは第１図〔（ａ）は縦断面図
、（ｂ）はそのＢ−Ｂｇに沿う拡大断面図〕に示すよう
に、ガス波数律速層として機能する多孔質アルミナセラ
ミックス円筒乙の外周面に白金電極２、ＺｒＯ２固体電
解質ＪＷ３、白金電極４そしてセラミックス溶射層１が
順に積層形成され且つ円筒６内に白金ヒータ５を内蔵し
てなるものである。中空Ａは測定ガスの流入路となる。

本センサ裏造方法を以下に説明する。

壕ず第２図に示すように白金ヒータ５がスクリーン印刷
されたアルミナグリーンシート６ｂをアルミナセラミッ
クス円筒体６ａにヒータ面を内側して巻き付けた後、脱
脂、焼成してヒータを内蔵した多孔質（気孔率約１０％
）アルミナセラミックス円筒６を作成する。なおこの場
合、セラミックス円筒６ａとヒータパターン部（上記ノ
ー）６ｂ）ｉ同時にグリーンソート状態から脱脂、焼成
する方法ならば密着付良、焼成割れ等の不具合を回避で
きる。

上記のようにして得られたセラミックス円筒乙の外周面
へ第３図に示すように適当な面積の白金電極２をスパッ
タリングにより約１μｍの厚さに形成する。その際セラ
ミックス円筒６の外周面にマスキングを行ない、スパッ
タ用ターゲット上で円筒６を回転させながら白金電極２
を形成する。１だ白金電極２にはリード端子と接続する
ためのリード引出し部２ａも形成される。

次めで第４図に示すように白金電極２上に該電極２を覆
うようにＺｒＯ２固体電解質層６（厚さ２０〜３０μｍ
）をスパッタリングにょシ形成する。ここで固体電解質
層３は、白金電極２と後記白金電極４との接触を防ぐだ
めに、白金電極２よシも面積が大きめことが必要である
。

そのようにしてから第５図に示すように固体電解質層６
の外周へ白金電極４ならびにリード引出し部４ａｉ同時
にスパッタリングで形成しておく。

ソノ後、セン丈素子を保護するためスピネル粉（粒径２
５〜７５μｍ）をプラズマ溶射することによって厚さ２
００〜３００μ■η程度の保護層１及びフランジ部１ａ
を形成させ、ヒータ用リード線９及び素子電極用リード
線１ｏを取り出し、本実施例の酸素濃度センｆ２１が出
来あがる。該センサ２１は前方部分が素子部を、中〜後
方部分が支持体部全構成している。

該センサ２１は第７図に示すようにフランジ部Ｉａを衝
合させて、また充填接着剤１８を用いて容易にハウジン
グ１９へ組み付けることができ、更にアワセンブリ化し
て排気ガス用センナとして使用する。

本センサ全用いて第８図に示すような回路の酸素濃度検
出器を組立て、電源１２よシヒータ５に電力６Ｗをかけ
素子基金７００℃に保持するとともに電極２を一側、電
極４を＋側としてこれら電極２．４間に電源１１から電
圧を印加し、その印加電圧をＯ〜１，５Ｖと変化させた
時の出力′°酩流を第９図に示す。セラミックス円筒６
が多孔質で拡散律速Ｊｆｉとして有効に働らくだめ酸素
濃度に応じた限界電流値が得られ、第１０図に示すよう
に横軸に空燃比、縦軸に限界電流値をとるとＴｆｉ線的
比的比例関係られる。

そして本センサでは白金電極２，４及び固体電解質６が
セラミックス円筒６の軸方向に広く形成され、素子部面
積が従来の板状セノキに比し犬きくなっているだめ電極
活性が向上している。このことは第９図に示されるよう
に印加電圧−出力電流曲線の立ち上りが急傾斜化（破線
は従来のセンサ）シていることから判る。このことは限
界電流値を読みとるだめの印加電圧のとれる幅が増すた
め測定誤差全少なくできることも意味している。

〈発明の効果〉 本発明の酸素濃度センサでは素子を支持体に取わ付ける
ことが不要となる。また素子の基板として円筒形支持体
を用いたことにより電極面積を大きくとることが容易と
ガリ、電極の活性を向上でき、それにより作動温度の低
下、消費電力の減少、検知精度の向上を図ることができ
る。

また、円筒形状であるだめ平板状のものに比べ機械的強
度が増し、車両に用いた際の振動による破損、及びアノ
センサＩＪ　ｆｆｉみ句は時の素子折れを防ぐことがで
きる。

更に、薄膜型センサであるだめ昇温特性を従来の試験管
型リーンミクスチャセンサや、セラミクスグリーンンー
トを重ねて製造される積層型センサと比較し迅速化でき
るため、エンジン始動直後であっても空燃比を制御して
よシ良くエミッションを低減できる。

その上、ヒータをセンサ素子に近づけることができ、ま
た従来の試験管型のようにヒータの熱輻射によって加熱
するタイプと異なり物質の熱伝導による昇温のため効率
的に加熱でき、かつ素子が小型のためヒータ電力を大幅
に低減できる。例えば７００℃に加熱するにも従来の２
６〜３０Ｗが６Ｗ程度で済むようになる。

しかも、円筒形状であるためにアッセンブリ化し易く、
また小型であるためアッセンブリも小さくできることか
ら、小円筒型の本センサを排気管に装着する場合、ガス
当シの方向性を無視でき、排気管内での排気ガスの流れ
を乱すことによる影響を少なくできる。

そして、従来から昇温スピードの迅速化に伴う熱衝撃に
よる白金電極のはがれも問題となっており、スパッタリ
ングした白金電極は基板上の電極端面からはがれていた
が、本発明センサでは電極自体も筒状となっているため
電極はがれを起こさないという効果もある。

【図面の簡単な説明】

第１図（ａ）は本発明の一実施例の限界電流検知式酸素
濃度センサの要部を示す縦断面図、第１図（ｂ）は第１
図（ａ）のＢ−Ｂ線に沿う断面図、第２図乃至第５図は
一実施例の酸素濃度センサの各製造段階で得られる中間
製品を示す斜視図、 第６図は一実施例の七ン丈を示す斜視図、第７図は一実
施例のセンサとノ・ウジングとの組み付は構造を示す部
分断面図、 第８図は一例の酸素濃度検出器の回路図、第９図は一実
施例の酸素濃度センサにおける印加電圧と出力電流との
関係を示すグラフ、第１０図は同じく空燃比と限界電流
との関係を示すグラフ、 第１１図（ａ）及び（ｂ）はそれぞれ−収約なセンサ素
子を示す側面図及び底面図、 第１２図は従来の酸素濃度センナの素子保持構造の一例
を示す概略断面図、 第１３図は同じく他の例の概略断面図である。 図中、 ２・・・白金電極　　　　６・・・ＺｒＯ２固体電解質
屋４・・・白金電甑　　　　　５・・・白金ヒータ６・
・・多孔質アルミナセラミックス円筒８・・・支持体　
　　　　１４・・・アルミナ基板２０・・・センサ素子
　　　２１・・・酸素濃度センサ特許出願人　トヨタ自
動車株式会社

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. ヒータを内蔵しガス拡散律速層として機能する多孔質円
   筒形支持体の外周面に、白金電極・酸素イオン透過性固
   体電解質膜・白金電極が順に重ねて形成されていること
   を特徴とする限界電流検知式酸素濃度センサ。