JPH042959A - 積層型酸素濃度センサ - 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、自動車等に空燃比制御のために利用される、
板状のセンサ素子を円筒状のケーシングで保持する形態
の積層型酸素濃度センサに関する。

（従来の技術） 積層型酸素濃度センサとしては、ジルコニア系セラミッ
クスグリーンシートに、白金ペーストによる電極を印刷
形成し、更に大気導入層用やヒータ基板用のグリーンシ
ート等を圧着積層したものを脱脂・焼成することにより
板状のセンサ素子を製作し、それを円筒状のケーシング
に保持させた形態のものが最も一般的である。ケーシン
グへのセンサ素子の組み付けを容易にするために、セン
サ素子の両側に位置決め用の突部な設けたものが実公昭
６３７１１６４４号公報に開示されている。

積層型酸素濃度センサは、断面略Ｕ字形の試験管状の素
子をケーシングに保持させた従来からの非積層型酸素濃
度センサに較べると、素子を作るグリーンシートの厚さ
を１ｍｍと薄くでき、微細な加工が可能でセンサを小型
化できるという利点を有する。

（発明が解決しようとする課題） しかしながら、積層型酸素濃度センサには、センサ素子
とケーシングの間からガス洩れが起こり易いという欠点
がある。シール材として一般的にガラスや無機接着剤が
用いられているが、高熱や振動を繰り返し受けるので、
酸素濃度センサのシール部におけるガス洩れ（大気−排
ガス、排ガス−大気）を長期間確実に防止できない恐れ
がある。

本来、限界電流式の酸素濃度センサの出力電圧Ｅｍｆと
空燃比えは第７図のＡ線に示すような関係となるが、ガ
ス洩れが起こると、酸素濃度センサにおける排気極側と
大気極側の酸素濃度差が低くなり、Ｂ線に示すような出
力特性となる。ガス洩れ量が多くなるほど、傾向として
２．〈１ての状態における出力は低下する。

第７図のＡ線及びＢ線で示される出力特性を持つ各酸素
濃度センサは、時間と出力電圧の関係では、それぞれ第
８図の　ｆＡ＋線及び　ｆＢｌ線に示すようなセンサ特
性となる。積層型酸素濃度セン勺がガス洩れを起こすと
、即ち出力特性が第８図の　ＦＢ＋線で示されるように
なると、例えば０．５Ｖを境にリッチ状態とリーン状態
を判別するようＥＣＵ２５（第９図）にメモリーしてお
いても、該酸素濃度センサ１からの低出力信号てリーン
状態を検知したＥＣＵ２５は、燃料を多く噴射するよう
インジェクター２６．２６・・・をコントロールする。

このためエンジン２８での未燃焼成分がエギゾーストマ
ニホールド１２に多く排出され、触媒コンバーク２７は
浄化性能の高いウィンドウ（え＝１イ」近）からはずれ
、ＨＣ，Ｃ○のエミッションが極端に悪化する（浄化率
が低下する）。

その対策として、積層型酸素濃度センサに、考えられる
シール手段を徹底的に施すとなると、酸素濃度センサの
大型化、製造コス１−の増大、生産性の悪化等を招くこ
とになる。

本発明は上記問題を解決する目的でなされたものであり
、その解決しようとする課題は、板状の素子とケーシン
グの間でガス洩れが起こらず、しかも廉価に生産性良く
製造できる積層型酸素濃度センサを提供することである
。

（課題を解決するだめの手段） 上記課題を解決するだめの本発明の積層型酸素濃度セン
サは、板状のセンづ素子を円筒状のケシングに人れ、該
ケーシングで上記素子を保持する形態の積層型酸素濃度
センサにおいて、ケーシングの素子保持部に嵌合するセ
ンサ素子の外周に設けられた突部が、素子本体と同し材
料でかっケシング内周径にほぼ同じ外周径の大きさとし
てスリップキャスティングにより形成されたものである
ことを特徴とする。

センサ素子は、素子本体となるグリーンシー１〜積層板
を常法により作り、その周囲に、突部を形成するための
型をセットし、該型に素子本体と同じ材料のスラリーを
流し込んだ後、それを乾燥、焼成することにより製造す
る。型は石膏等の耐熱性材料でてきていればよく、素子
材の焼成前又は焼成後に解体する。

素子本体は、検知層、大気導入層、ヒーク基板層、保護
層の各層とも熱膨張差のない同系セラミックス材料で作
られているのが好ましく、したがって素子本体の周囲に
設ける突部の材料も、検知層（酸素イオン伝導性固体電
解質層）と同じジルコニア系セラミックス材料とするの
が重要である。バイングーの混合割合もほぼ同じにする
。突部は、シール性を考慮し、ケーシングの素子保持部
の形状に合致する形状にすべきことは勿論である。ケー
シングの素子保持部の内周面と突部の夕）周面をテーパ
形状面にすると、シール性は言うまでもなく、素子とケ
ーシングとで酸素濃度セン勺を組み立てる操作が容易に
なる。組み立てる前のケーシングの素子保持部にシール
材を介装して、シールを確実にするのが有利である。

セラミックス成形体の焼成による収縮率は、下記表に示
すように成形方法によって異なる。素子本体はテープ成
形法で、突部は鋳込み成形で作るからには、ともに収縮
率１５〜２０％の範囲内で、できるだけ同し収縮率どな
るよう、それらのバイングー量、粉体粒径、形状、スラ
リー粘度等を適当に調整するのが重要である。

セラミックスの収縮率や粉体の性状から、単一の成形方
法でセンサ素子を作るのが生産性を上げる上で効率的と
考えられてきたが、シール性能及び酸素濃度センサアッ
センブリとして最終製品に組み立てるまでの生産性を考
慮すると、複合した成形方法で、素子本体と突部を同時
に作り込むのが良いといえる。

（作用） 素子本体と突部の材料を同じにすると、スリップキャス
ティング後の焼成で、センサ素子の突部と素子本体との
密着性が向上し、高熱で膨張しても突部と素子本体の間
のシール性が確保される。

スリップキャスティングは、素子本体に任意形状の突部
な設けることを可能にし、ケーシングの素子保持部の内
周形状に合致する形状に設けられた突部は、ケーシング
とセンサ素子間のシール性を向上させる。また適当な形
状で素子本体の外周に設けられた突部は、センサ素子の
ケーシングへの組み付けを容易にするので、最終的に酸
素濃度センサの生産性が向上する。

（実施例） 以下、本発明の酸素濃度センサの実施例を、図面を用い
ながら説明する。

実施例１ 第１図は、本実施例の酸素濃度センサ１を示す断面図で
ある。本センサ１のケーシング８は、エンジンの排気管
（又はイブジ−ストマニホールド）１２の壁面にネジ穴
をあけ、シール９を施してて取りイ」けられる。ケーシ
ング８に保持されているセンサ素子２は、排気管１２内
の排気ガス状態を十分にモニターできる位置に来るよう
ケーシング８に保持させてある。センサ素子２は、その
突部２ａを絶縁体１８、バネ１］、リング１０及び充填
したタルク７て素子保持部８ａに押し付けるようにして
、ケーシング８に固定されている。センサ素子２の突部
２ａとケーシング８の素子保持部８ａとの間にはシール
リング６が介装され、非通気性が保たれている。ケーシ
ング８に設けられている保護カバー１５は、素子２に直
接排気ガスが当らないように、特にオイル、燃料中に含
まれるセンサ構成分（Ｐ、Ｃｕ、Ｍｇ、Ｐｂ等）が素子
２に当らないよう保護する。リード線取り出し部１６と
導線ケーブル１７の接続は絶縁体１８の中で行なわれ、
短絡が防がれている。ブツシュ１３は導線ケーブル１７
の固定と防水の役目をしており、特に素子２の大気極側
へ必要空気を通すが水蒸気分子を通さない樹脂を用いて
いる。

センサ素子２は、第２ｃ図から判かるように、ヒータ基
板層４０用グリーンシート、大気導入層３６用グリーン
シート、検知層３５用グリーンシート、保護層３７用グ
リーンシーｌ−を圧着積層して作られる。ヒータ３４、
電極３（排気極３ａと大気極３ｂ）及びリード線３８は
、化学めっき、真空蒸着、イオンスパッタリング、ペー
ストスクリーン印刷等により積層前に予めグリーンシー
ト上１こ設けられる。

多孔質保護層３２は、検知用グリーンシート３５と同じ
ジルコニア系セラミックスグリーンシートで作られる。

素子焼成後にスピネル等のセラミックス粉で多孔質保護
層を設けていた従来のセンサに較べ、グリーンシート積
層時に多孔質保護層を設ける本実施例のセンサは、製造
コスト及び生産性の点でも有利である。

センサ素子２の突部２ａは、第２ａ図（平面図）及び第
２ｂ図（側面図）に示すように、押し付けられるケーシ
ングの素子保持部８ａの内周面の形状に合わせてテーパ
面となっている。突部２ｂは、第３図に示すように、上
型２２と下型２３とからなる石膏型２１に素子本体２ａ
をセットし、板状の素子本体２ａを鋳ぐるむようにして
石膏型２１にセラミックススラリー２４を注入するスリ
ップキャスティング法（鋳込み法）により、素子本体の
外周に形成されたものである。なお、グリーンシート用
スラリーは、セラミックス粉末（Ｙ２Ｏ２を添加した安
定化ＺｒＬ）　１．００部に対し、バイレグ１１部、溶
媒７０部　可塑剤５部及び解膠剤３部を加え、ボールミ
ルにて撹拌したものであり、ドクターブレード装置を用
いるギヤスティングによりグリーンシートにされる。一
方、突部２ｂを形成するだめの石膏型２１に注入するス
リップギヤスティング用スラリ２４は、グリーンシート
用スラリーの溶媒量を８０部に変えて粘度調整したもの
である。

センサ素子２の本体２ａと突部２ｂは、材質的に同じも
のであるため、焼成後のそれらの密着性は十分である。

水酸素濃度センサ１は、センサ素子２に適当な形状の突
部２ａを設けたものであるため、シール及び組み付１−
１操作が非常に簡便な酸素濃度センサとなっている。

実施例２及び３ 実施例２の酸素濃度センサ１を第４図に、そして実施例
３の酸素濃度センサ１を第５図に示す。

なおこねら図中、実施例１の説明に用いた第１図と対照
して同一機能部材と理解してよいものは同符号で示しで
ある。これら第４図、第５図に示した各酸素濃度センサ
１は、センサ素子２の突部２１）とケーシング８の間の
シール性を高めるために、突部２ｂの形状をそれぞれ円
柱状、断面凹状に変えたものである。特に第５図に示し
た酸素濃度センサ１は、センソ−の小型化による素子２
の温度変化（熱ひけ）を防ぐために、保温帯■］を設け
た構造となっている。ケーシング８との密着面積を広げ
、しかもケーシング８に組みイ」け易い形状にしたセン
サ素子２の突部２ｂは、実施例１と同様にスリップキャ
スティングにより形成されている。

実施例４ スリップキャスティングによれば、どのような形状の突
部２ｂでも設けることができるので、第６図に示すよう
に、バネ受けとしても適する形状の突部２ｂを素子本体
２ａの外周に形成し、素子２をケーシング８に組み付け
る際に、タルク７やリング１０（第１図参照）を用いず
に、材質なセラミツ１　］ クスや高耐熱鋼としたバネ１１で直接押えイ」ける。

こうした酸素濃度センサはより小型なものとなり、エン
ジンルーム内にて取り付はスペースをさほど必要としな
い。

（発明の効果） 本発明の酸素濃度センサは、ケーシングの素子保持部の
内周形状に合致する形状の突部を素子本体の外周に設け
たものであるので、排気側と大気側の境界部でガス洩れ
が起こらず、正確に酸素濃度を検知できる。

センサ素子の突部はスリップギヤスティングにより形成
させるので、」二層突部の形状を、シール性の向上やセ
ンサの小型化のために適当などのような形状にもするこ
とができる。センサ素子は、突部と素子本体の材料が同
して、それらを同時に焼成して一体化させたものである
ため、熱膨張差の心配がなく、突部と素子本体の界面で
シール性が損なわれることもない。

またケーシングにセンサ素子を組み付けるのに接着剤が
必要なく、組み付り操作が容易となるのて、酸素濃度セ
ンサの生産性と製造コストの低減を図ることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の酸素濃度センサの一実施例を示す断面
図、 第２ａ図は該センサの素子を示す側面図、第２ｂ図は同
平面図、 第２Ｃ図は第２ｂ図のＣ−Ｃ線に沿う断面図、第３図は
スリップキャスティングによる突部の成形方法を示す説
明図、 第４図及び第５図は互いに異なる他の実施例の酸素濃度
センサの要部を示す断面図、 第６図は別の実施例の酸素濃度センサを示す断面図、 第７図はガス洩れの無いセンサとガス洩れを起こしたセ
ンサの、空燃比に対する出力特性を対比して示す図、 第８図は同しく時間に対する出力特性を示す図、 第９図は酸素濃度センサを用いる空燃比制御システムを
概略的に示す図である。 図中、 １・・・酸素濃度センサ、　　　２・・・センサ素子、
２ａ・・・素子本体、　　　　　２ｂ・・・突部、６・
・・シールリング、　　　　８・・・ケーシング、８ａ
・・・素子保持部、　　　　１１・・・バネ、１２・・
・排気管（又はエキゾーストマニホールド）特許出願人
　　トヨタ自動車株式会社 Ｃ４ 弔 図 第７図 ○ 窒慾ル入 第 図 □時間（秒） 第９ 図

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 　板状のセンサ素子を円筒状のケーシングに入れ、該ケ
   ーシングで上記素子を保持する形態の積層型酸素濃度セ
   ンサにおいて、ケーシングの素子保持部に嵌合するセン
   サ素子の外周に設けられた突部が、素子本体と同じ材料
   でかつケーシング内周径にほぼ同じ外周径の大きさとし
   てスリップキャスティングにより形成されたものである
   ことを特徴とする積層型酸素濃度センサ。