JPH04329352A - 酸素センサ - 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】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、例えば内燃機関や各種
燃焼機器等の排ガス中における酸素濃度を測定する酸素
センサに関する。

【０００２】

【従来の技術】従来より、公害防止、燃費向上を目的と
して、内燃機関の排ガス中の酸素分圧を測定し、該測定
値に基づいた内燃機関の空燃比フィードバック制御が行
われている。この様な排ガス中の酸素分圧の測定は、例
えば、ジルコニアーイットリア固溶体等の酸素イオン伝
導性の固体電解質層からなる検出素子を備えた酸素セン
サにより行われている。

【０００３】前記酸素センサとしては、低温においても
センサの能力を発揮するために、例えば固体電解質の内
部に絶縁層を介してヒータを形成したものが提案されて
いる（特開平２−２７６９５７号公報又は特開平２−２
９８８５９号公報等参照）。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、この様
な酸素センサでは、固体電解質に電極が形成された検出
素子基板を十分に加熱するには、ヒータと固体電解質と
の絶縁抵抗が低く、必ずしも好適ではなかった。

【０００５】つまり、前記の様な従来のヒータは、電極
とかなり離れた固体電解質層の内部に配置されているが
、低温時にこのヒータに電圧を印加して加熱する場合、
前記絶縁抵抗が低いため電極にヒータ電圧の漏洩電位が
重畳されてしまい、検出精度が悪くなってしまうという
問題があった。また、その対策として、ヒータ印加電圧
を低くするか或はヒータ電圧を間欠的に印加すると、電
極近傍の検出素子基板を迅速に十分な温度まで加熱でき
ず、その結果、センサの低温時の応答性が悪くなるとい
う別な問題が生じてしまう。

【０００６】本願は、低温時にヒータを使用する場合、
迅速に検出素子基板を加熱してセンサの作動に十分な温
度にすることによって、低温時の応答性を向上すること
ができる酸素センサを提供することを目的とする。

【０００７】

【課題を解決するための手段】前記目的を達成するため
の請求項１の発明は、酸素イオン伝導性の固体電解質層
に一対の電極が形成された検出素子基板と、発熱部を有
するヒータ基板とを備えた酸素センサにおいて、前記検
出素子基板とヒータ基板とを間隙を介して配置するとと
もに、該間隙に被測定ガスが流出入可能な孔を有する多
孔質セラミックス層を配置したことを特徴とする酸素セ
ンサを要旨とする。

【０００８】また、請求項２の発明は、前記請求項１の
酸素センサであって、前記ヒータ基板に、前記多孔質セ
ラミックス層と外界とつなぐ連通孔を形成したことを特
徴とする酸素センサを要旨とする。

【０００９】ここで、前記多孔質セラミックス層の材料
としては、例えばポーラスセラミックスセメント等が利
用できる。また、この多孔質セラミックス層の形成方法
としては、揮発・発泡成分或は炭素等の燃焼成分を含ん
だグリーンシートを、前記間隙に配置した後に、焼成し
て多孔質とする方法がある。更に、揮発・発泡成分或は
燃焼成分を含んだペーストを、間隙に充填した後に、焼
成して多孔質とする方法も採用できる。

【００１０】前記固体電解質としては、酸素イオン伝導
性を有するもので、例えばＺｒＯ２−Ｙ２Ｏ３，ＺｒＯ
２−ＣａＯ等が用いられる。また、前記電極は、例えば
、白金等の貴金属又はこれらにセラミック粉末を混合し
たガス透過質のものによって実現できる。

【００１１】

【作用】本発明の酸素センサでは、　　検出素子基板と
ヒータ基板とを間隙を介して配置しており、更にこの間
隙に、被測定ガスが流出入可能な孔を有する多孔質セラ
ミックス層を形成してある。

【００１２】従って、低温時において、発熱部に電圧を
印加して検出素子基板を加熱する場合には、発熱部の熱
が間隙に配置された多孔質セラミックス層を迅速に伝わ
るので、検出素子基板も迅速に加熱されて、短時間でセ
ンサの機能を発揮できる温度となる。それによって、セ
ンサの低温時の応答性が向上する。

【００１３】特に、前記ヒータ基板に、多孔質セラミッ
クス層と外界とつなぐ連通孔を形成したものでは、被測
定ガスがその連通孔を通って迅速に検出素子基板側に達
するので、一層応答性が向上する。

【００１４】

【実施例】以下本発明の第１実施例を図に基づいて説明
する。尚、説明上各図は部分毎の縮尺が異なる。

【００１５】図１及び図１のＡ−Ａ端面図である図２に
示す様に、第１実施例の酸素センサ１は、検出部２，多
孔質セラミックス層３，スペーサ４及びヒータ基板５が
積層されたものである。

【００１６】前記検出部２は、平板状の検出素子基板７
と、同様な平板状の支持体８と、この検出素子基板７及
び支持体８の間に配置されたコの字状の応力緩和層９と
を備え、これらの部材７，８，９によって、内部に基準
大気が導入される通路１１が形成されている。

【００１７】この検出素子基板７は、Ｙ２Ｏ３によって
安定化又は部分安定化されたＺｒＯ２系の固体電解質層
１４と、その外側に形成された測定電極１５と、通路１
１側に形成された標準電極１６とから構成されている。 また、外壁となる支持体８は、Ａｌ２Ｏ３からなり、応
力緩和層９は、Ａｌ２Ｏ３／ＺｒＯ２が１．０であるＡ
ｌ２Ｏ３及びＹ２Ｏ３によって安定化又は部分安定化さ
れたＺｒＯ２の混合焼結物から構成されている。

【００１８】前記多孔質セラミックス層３は、厚さが約
０．０５ｍｍの薄い層であり、例えばＡｌ２Ｏ３，Ａｌ
２Ｏ３セメント或はムライト等のセラミックスから構成
されている。そして、その内部と外部とを連通して被測
定ガスが流出及び流入可能な多数の孔１８が形成されて
いる。 また、多孔質セラミックス層３と同じ平面に配置される
スペーサ４は、多孔質セラミックス層３と同じ厚さの板
材であり、Ａｌ２Ｏ３から構成されている。

【００１９】更に、前記ヒータ基板５は、Ａｌ２Ｏ３製
の基板上に発熱部２１が形成されたもので、その発熱部
２１の表面は薄膜の絶縁層２３で覆われている。次に、
前記構成の酸素センサ１の製造方法を、図３に基づいて
説明する。

【００２０】■まず、ＺｒＯ２粉末と適当量のＹ２Ｏ３
粉末とバインダとを混練し、公知の方法によって固体電
解質層１４用の生シート１４ａを形成する。■また、Ａ
ｌ２Ｏ３を用い、前記■と同様にして、支持板８用，ヒ
ータ基板５用，スペーサ４用の生シート８ａ，５ａ，４
ａを作成する。

【００２１】■Ａｌ２Ｏ３／ＺｒＯ２が重量比で１．０
である、ＺｒＯ２にＹ２Ｏ３を５ｍｏｌ％添加した安定
化ＺｒＯ２とＡｌ２Ｏ３との混合物を用い、前記■と同
様にして、応力緩和層１１用の生シート１１ａを作成す
る。

【００２２】■Ａｌ２Ｏ３粉末に炭化物粒子を混入した
ペーストを作成する。■前記■〜■によって製造された
生シートに、スルーホール２５，２６，２７を設ける。

【００２３】■固体電解質板１４用の生シート１４ａの
両側には、共素地を２０％添加したＰｔペーストをスク
リーン印刷して、測定電極１５及び標準電極１６，導体
路１５ａ，１６ａ及び端子２８を形成する。また、ヒー
タ基板５用の生シート５ａの一方の側には、Ａｌ２Ｏ３
粉末を含むＰｔペーストをスクリーン印刷して、発熱部
２１及び発熱部導体路２１ａを形成する。尚、前記両電
極１５，１６の表面には、多孔質の保護層（図示せず）
を形成し、発熱部２１の表面には稠密な絶縁層２３を形
成する。

【００２４】■更に、絶縁層２３の上に、前記■で作成
したペーストを用いて、厚さ約５０μｍの多孔形成層３
ａをスクリーン印刷する。■そして、前記固体電解質板
１４用，支持体８用，ヒータ基板５用，スペーサ４用に
加え、コの字状に成形した応力緩和層１１用の生シート
を、積層圧着して積層体を形成する。

【００２５】■この積層体を、１４００〜１６００℃で
約４時間焼成し、本実施例の酸素センサ１を完成するが
、この焼成の加熱の際に、前記多孔形成層３ａに含まれ
ていた炭化物粒子が燃焼し、ＣＯ２等のガスとなって出
て行くので、その後に多数の孔１８が形成されることに
なる。

【００２６】この様に、本実施例の酸素センサ１は、ヒ
ータ基板５と検出素子基板７とに挟まれた間隙に、多孔
質セラミックス層３を形成してある。従って、被測定ガ
スは、その多孔質セラミックス層３の内部に形成された
多くの孔１８を支障なく通過して、容易に測定電極１５
に到達することができるので、正確に被測定ガス、即ち
酸素ガスの濃度を検出することができる。

【００２７】更に、ヒータ基板５と検出素子基板７とは
多孔質セラミックス層３で接続されているので、単に空
隙が形成されているときよりも熱伝導率が高くなってい
る。従って、低温時に発熱部２１に電圧を印加すると、
その発熱部２１によって発生した熱は、多孔質セラミッ
クス層３を介して速やかに検出素子基板７側に伝達され
るので、固体電解質層１４は迅速にかつ十分に加熱され
ることになる。これによって、本実施例の酸素センサ１
は、低温時の応答性が向上するという顕著な効果を奏す
る。

【００２８】次に、第２実施例について説明する。図４
に示す様に、本実施例の酸素センサ３０は、ヒータ基板
３１に形成された連通孔３２以外は、前記第１実施例と
ほぼ同様である。

【００２９】つまり、本実施例では、検出素子基板３３
の電極と対応する様に、ヒータ基板３１の中央部に、外
界と多孔質セラミックス層３４とをつなぐ連通孔３２が
形成されている。従って、被測定ガスの多孔質セラミッ
クス層３４への流入及び流出が容易であるので、一層セ
ンサの応答性が向上するという利点がある。

【００３０】以上本発明の実施例について説明したが、
本発明はこの様な実施例に何等限定されるものではなく
、この要旨を逸脱しない範囲内に於て種々なる態様で実
施し得ることは勿論である。

【００３１】例えば、多孔質セラミックス層を形成する
方法として、固体電解質層側に多孔形成層を印刷して、
ヒータ基板と積層してもよい。また、多孔形成層として
、例えば厚さ０．２〜０．４ｍｍ程度の生シートを形成
して使用してもよい。

【００３２】更に、センサの種類として、外界から通路
を介して標準大気を導入するものに限らず、内部基準の
酸素源を有するものであってもよいことは勿論である。 その上、第２実施例において、ヒータ基板に形成する連
通孔は、１個に限らず多数形成してもよい。

【００３３】

【発明の効果】以上説明した様に、本発明では、検出素
子基板とヒータ基板とを間隙を介して配置し、この間隙
に被測定ガスが流出入可能な孔を有する多孔質セラミッ
クス層を形成してある。従って、低温時に、発熱部に通
電して発熱させて検出素子基板を加熱する場合には、検
出素子基板は迅速に加熱されて短時間でセンサの機能を
発揮できる温度となるので、センサの低温時の応答性が
向上するという効果がある。

【００３４】特に、ヒータ基板に、多孔質セラミックス
層と外界とつなぐ連通孔を形成したものでは、被測定ガ
スがその連通孔を通って迅速に検出素子基板側に達する
ので、一層応答性が向上するという利点がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１実施例の酸素センサを一部破断し
て示す斜視図である。

【図２】第１実施例の酸素センサのＡ−Ａ端面図である
。

【図３】第１実施例の酸素センサを分解して示す斜視図
である。

【図４】第２実施例の酸素センサを一部破断して示す斜
視図である。

【符号の説明】

１，３０…酸素センサ　　　　　　　　　　　　７，３
３…検出素子基板 ３，３４…多孔質セラミックス層　　５，３１…ヒータ
基板

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】　　酸素イオン伝導性の固体電解質層に一
   対の電極が形成された検出素子基板と、発熱部を有する
   ヒータ基板とを備えた酸素センサにおいて、前記検出素
   子基板とヒータ基板とを間隙を介して配置するとともに
   、該間隙に被測定ガスが流出入可能な孔を有する多孔質
   セラミックス層を配置したことを特徴とする酸素センサ
   。
2. 【請求項２】　　前記請求項１の酸素センサであって、
   前記ヒータ基板に、前記多孔質セラミックス層と外界と
   つなぐ連通孔を形成したことを特徴とする酸素センサ。