JPH0348760A - ヒータ付酸素濃度センサ - 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） 本発明はヒータ付酸素ＩＩ匪センサに係り、特に電極や
固体電解質を加熱するヒータを備えた酸素濃度センサに
関する。

〔従来の技術〕

内燃機関の排気ガス中の酸素濃度を検出する酸素濃度セ
ンサは、排気ガスの温度が比較的低い場合でも有効に作
動できるよう、また素子温度を安定に保つよう、酸素濃
度センサを構成する電極や酸素イオン伝導固体電解質を
加熱するためのヒータを備えたものが従来より知られて
いる（例えば特開昭６０−１２８３４８号、特開昭５８
−１６６２５２月、特開昭５８−１９８７５４号各公報
）０ 例えば時開ｌｌｉ？６０−１２８３４８号公報に記載さ
れでいる従来のヒータ付酸素濃度センサは、第６図に示
す如く、三方を囲まれた断面口字状の底部１．底部１上
に設けられた酸素イオン伝導固体電解質の平板２．平板
２の両面に夫々設けられた電極３及び４．電極４上に積
層された絶縁層５．全体として平面形状が０字状のセラ
ミックスの気密層６゜７、それらの間のヒータ部８とか
ら構成されている。

かかる構成の従来のヒータ付Ｍ素１１麿センリは空内部
９に大気を導入して電極３に接触させ、ヒータ部８の隙
間から絶縁［ｉ５を通過して電極４に到る排気ガス中の
酸素濃度を、公知の酸素濃淡電池の原理を利用して検出
する。

（発明が解決しようとする課題） しかるに、第６図に示した酸素濃度センサ等の従来のヒ
ータ付酸素濃度センサは、ヒータ部８が絶縁層５を介し
て電極４．平板２．電極３を間接的に加熱するようにし
ており、排気ガスは加熱していないため、排気ガスの温
度が低い場合には、絶縁Ｉ！５を通過する冷えた排気ガ
スによって電極４が局部的に冷され、電極活性が４−分
に得られず、出力が不安定であるという問題がある。

本発明は上記の点に鑑みてなされたもので、電極に接触
する前の排気ガスを直接加熱することにより、排気ガス
による電極の冷却をなりシ、電極活性不良を防止するヒ
ータ付酸素濃度センサを提供することを目的とする。

〔課題を解決するための手段〕

本発明は上記の目的達成のため、絶縁セラミックスから
なる絶縁層と、この絶縁層上に積層され、白金族金属を
添加した絶縁セラミックスからなるヒータ兼拡散律速層
とを、酸素イオン伝導固体電解質の両面に設けられた第
１及び第２の電極のうち排気ガス側の第２の電極側に設
けた構成としたものである。

〔ｎｍ〕

上記の第１の電極には基準ガスが導入されるのに対し、
上記の第２の電極には排気ガスが上記のヒータ兼拡散律
速層及び絶縁層を順次透過して導入される。従って、本
発明では拮気ガスはヒータ兼拡散律速層により、直接暖
められてから第２の電極に接触することになる。

（実施例〕 第１図（Ａ）、（Ｂ）は本発明の一実施例の横手方向、
長子方向の各断面図、第２図は本発明の一実施例の要部
の分解斜視図を示す。両図中、同一構成部分には同一符
号を付しである。第１図及び第２図において、１１は底
板、１２は平面形状が口字形の大気導入部、１３は白金
製の第１の電極、１４は平板、１５は白金製の第２の電
極、１６は反応室部、１７は排気ガス導入部、１８は多
孔質絶縁層を示す。

次に本実施例のヒータ付酸素濃度センサの製造方法につ
いて第２図乃至第４図と共に説明する。

第２図において、まず底板１１．大気導入部１２゜平板
１４．開口部１６ａが未形成の反応室部１６゜孔１７ａ
が未形成の排気ガス導入部１７が、夫々酸素イオン伝導
固体電解質であるジルコニア（Ｚｒ　Ｏｚ　）のグリー
ンシート（Ｚｒ　Ｏｆ粉末１００部、結合剤１１部、）
［７０１１、可１剤１５部、解膠剤３部をボールミルで
５０時間撹拌したスラリーで形成）を用いて作成される
。

次に別途作成された第１の電極１３と第２の電極１５を
、平板１４の両面に夫々スクリーン印刷して電極セル部
２３を形成する。また、反応室部１６の所定位置に矩形
の開口部１６ａをパンチで開口する。更に、排気ガス導
入部１７の所定位置（開口部１６ａの略中心位置に対応
する位置）に、排気ガス導入を律速しない十分な大きさ
（例えば直径１．０履以上）の孔１７ａをパンチで穿設
する。

次に上記ｌ「０２グリーンシートと同じ成分からなるが
、撹拌時間だけを１時間として形成した別のＺ「０２グ
リーンシートを用いて多孔質層１８を作成する。この別
のＺｒ　０２グリーンシートの撹拌時間は１時間と短い
ため、多孔質層１８は、排気ガス導入を律速しない十分
な大きさ（直径３０００八以上）の気孔を有している。

以上のようにして製造された各パーツをセルロース系の
接着剤を用いて５　Ｋ９　／　ｃｉの圧力で３０分圓圧
着した後、２０℃／時間、ｆｉｉｔＳｆＡ度４２０℃の
条件で脱脂し、更にその後１４００℃にて１時間焼成す
る。これにより、前記２種類のグリーンシートから作成
された各パーツは焼結して一体化し、第３図（Ａ）の断
面図に示す如き構造の酸素濃度センリ本体が得られる。

次に、上記多孔質層１８上に、スピネル等の粉径５〜５
０μ−の絶縁セラミックス粉末を、プラズマ溶射法を適
用して２０μ■程度の膜厚で溶射し、第３図（Ｂ）に示
す如く絶縁［１１９を積層する。

続いて、絶縁層１９上に白金製のリード線２０及び２１
を互いに平行に配置した状態で、白金粉末を添、加した
スピネル等の絶縁セラミックス粉末を用いて絶縁層１９
上に溶射し、第３図（Ｃ）に示ず如く膜厚＋ＯＯｆ１ｇ
＋以上のヒータ兼拡散律速層２２を積層する。このヒー
タ兼拡散律速層２２は絶縁層１９Ｆであって、かつ、開
口部１６ａの上りの部分に開口部１６ａより若干大なる
面積で形成される。

ここで、ビータ兼拡散律速層２２のヒータ抵抗ど、絶縁
セラミックス粉末に添加される白金（Ｐｔ　）の添加量
（φ位ｗｔ％）との関係は第４図に示される。同図に５
、すようにヒータ抵抗の安定性の点と、白金の添加量を
できるだけ少なくしたいというコストの点の両りを満テ
するよう、白金の添加量は２Ｑｗｔ％程度とすることが
望ましい。

また、拡散律速の機能が得られるように、ヒータ兼拡散
律速層２２の釣りは１００７１ｓ以上に形成される。

このようにして、第３図（Ｃ）及び第１図（Ａ）に横手
方向の断面が丞され、かつ、第１図（Ｂ）に長ｆｈ向の
断面が示される、ヒータイラ醇木濃度センサが製造され
る。第１図（Ｂ）かられかるように、リード＃！２０及
び２１の各先端部は、ヒータ兼拡散律速層２２の内部に
埋設される。

次に本実施例の６動について説明するに、本実施例のヒ
ータ付酸素ｉ度廿ンサは、人気導入部１２の空間内に人
気が基準ガスとして導入されＣ直接ｆｉｗＡ１３に接触
されるーｈ、周囲が内燃機関の排気ガスに覆われる。こ
こで、リード線２０及び２１に電流を流すと、ヒータ兼
拡散律速層２２は所定の抵抗値（ヒータ抵抗）をｈする
のでｄ熱する。

これにより、排気ガスはヒータ兼拡散律速層２２により
加熱されると共に拡散律速された後、絶縁層１９．多孔
質層１８及び孔′１７ａを人々順次透過して、反応室部
１６の開口部１６ａに導入され、電極１５に接触する。

平板１４は７「０２からなり、その両面の酸素濃度差が
大きいときに起電力を発１するのに対し、酪、９１１度
差が小さいときは起電力を発生しないという公知の＃！
１県濃淡電池の原理を利用して排気ガス中の酸素１１麿
が検出される。

木実ｔＡｐ１４によれば、第２の電極１５に接触する排
気ガスはヒータ兼拡ｒｌｉ仲速層２２により直接加熱さ
れるため、排気ガスによる電極１５の冷却により電極活
性が不良となることはなく、活性不良を防止でき、前記
拡散律速と相俟って安定した出力が得られる。

また、従来のヒータ付Ｍ素濃度セン勺では、両面に電極
が設けられたジルコニア素子を用いた酸素濃度セン４ノ
本体と、根状のフルミナ製のヒー・夕とを−・体焼成し
て形成しているが、ジルコニア素子とアルミナは熱膨脹
率の差によりはがれが生じ易（、また両者の焼結温度も
異なるので焼結体の収縮を合わせるのが困難であり、両
者を完全に密看させるのが困難である。これに対し、本
実施例によれば、ヒータは白金を絶縁セラミックスに添
加して溶射により形成しており、醒木ｉ度センサ本体と
ヒータ兼拡散律速層２２との間の密着性が良好であり、
よって酸素濃度センサ本体とじ−タとの接合性の悪さか
らくる人気等の漏れがなくなり、安定な出力を得ること
ができる。

更に、本実施例によれば、１気ガス中のカーボン等の堆
積する可能性のある成分が拡散Ｉｊｉ速層の目詰りや電
極セルへの付着雪を生じさせよ・）としても、拡散律速
層がヒータの□能を併せしら、かつ、排気ガスを直接加
熱するので、上記の堆積する可能性のある成分を略溶解
除去することができ、これにより耐久性を向上すること
ができる。

なお、本発明は上記の実施例に限定されるものではなく
、第５図に丞す如きカップτ１の耐木濃度センサにも適
用することができる。第５図中、２５は内部に右底円筒
形状の空間部２５ａ４！−Ｔｈするジル」ニア素ｆで、
大気が導入される空間部２５ａの内壁に白金製の第１の
？４極２６が形成され、かつ、排気ガスにさらされるジ
ルコニア素子２５の外壁に白金製の第２のＴｉ極２７が
形成されている。

かかる−量的な構造のカップＭＭ系濃度センサ本体の第
２の電極２７上に、前記絶縁１１９に相当する絶縁層２
８と前記ヒータ兼拡散律速層２２に相当するヒータ兼拡
散律速１２９とが順次溶射により積層される。

従って、この第５図に示す他の実施例の場合も、第１図
に丞した積層型のヒータ付Ｍ集瀧度センサの実施例と同
じ効果を奏する。

なお、ヒータ兼拡散律速層２２．２９を形成するために
、絶縁セラミックス粉末に添加される金ｍは、白金と他
の金属との合金、ロジウム、パラジウム等の白金族金属
でもよい。

〔発明の効果〕

上述の如く、本発明によれば、排気ガスを直接加熱して
いるので、冷えた排気ガスが電極に接触することによる
電極活性の不良を未然に防止することができ、よってセ
ンリ出力を安定に取り出すことができる等の特長を有す
るものである。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例の断面図、第２図は本発明の
要部の一実施例の分解斜視図、第３図は本発明の一実施
例の製造過程説明用集子断面図、第４図はヒータ抵抗と
白金添加率との関係を示す図、第５図は本発明の他の実
施例の断面図、第６図は従来のヒータ付酸素濃度センサ
の一例の断面図である。 １３．２６・・・第１の電極、１４・・・酸素イオン伝
導固体電解質の平板、１５．２７・・・第２の電極、１
６−・・反応室部、１７ａ・・・孔、１８・・・多孔質
層、１９．２８・・・絶縁層、２０．２１・・・リード
線、２２．２９・・・ヒータ兼拡散律速層。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 酸素イオン伝導固体電解質の両面に第１及び第２の電極
   を設け、該第１の電極側に基準ガスを導入し、該第２の
   電極側に排気ガスを導入して該排気ガス中の酸素濃度を
   検出するヒータ付酸素濃度センサにおいて、 絶縁セラミックスからなる絶縁層と、 該絶縁層上に積層され、白金族金属を添加した絶縁セラ
   ミックスからなるヒータ兼拡散律速層とを前記第２の電
   極側に設け、 排気ガスを該ヒータ兼拡散律速層及び該絶縁層を順次透
   過させて前記第２の電極に導入する構成としたことを特
   徴とするヒータ付酸素濃度センサ。