JPH07110315A

JPH07110315A - 酸素濃度センサ及びそのトラップ層の形成方法

Info

Publication number: JPH07110315A
Application number: JP5253474A
Authority: JP
Inventors: Satoko Ikegami; 郷子池上
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 1993-10-08
Filing date: 1993-10-08
Publication date: 1995-04-25
Anticipated expiration: 2014-03-10
Also published as: JP2867851B2

Abstract

(57)【要約】【目的】トラップ層による排気ガス成分の捕捉率を高
め、剥離をも防止すると同時に、酸素分子の流通性も良
好にする。トラップ層の形成を容易に行う方法を提供す
る。【構成】細粒アルミナにより形成されたトラップ層５
を有する酸素濃度センサであって、トラップ層５に多数
の気泡５ａが形成され、気泡５ａの体積がアルミナ粒子
の体積よりも大きい。トラップ層５は細粒アルミナをデ
ィップした素子１に電圧を印加して酸素ポンプ作用によ
りアルミナディップ内に酸素を送り込み、アルミナディ
ップを焼成して形成される。トラップ層５の表面に多数
の気泡５ａが露出して表面あらさが粗くなり、同表面に
付着物Ａが連続層として形成されにくい。アルミナ粒子
の粒径が小さいため、排気ガスとの接触面積が増加し、
排気ガス成分の捕捉が良好になる。小さい粒径を有する
アルミナ粒子間で結合されるため、トラップ層５の結合
強度が高くなり、トラップ層５が剥離しにくい。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は特に内燃機関の空燃比
制御を行なうために排気ガス中の酸素濃度を検出するセ
ンサ、並びにこの酸素濃度センサにトラップ層を形成す
る方法に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】図３（ａ）に示す従来の酸素濃度センサ
において、１は酸素イオン導電性ジルコニア（Ｚｒ
Ｏ₂）からなる固体電解質素子、２は白金（Ｐｔ）から
なる内側電極膜、３は同じく白金からなる外側電極膜、
４はスピネル（ＭｇＡｌ₂Ｏ₄）からなる電極保護層、
５はアルミナ（Ａｌ₂Ｏ₃）からなる排気ガス側のトラ
ップ層、６は大気が導入される内側空間である。

【０００３】図３（ｂ）に前記トラップ層５の一例を示
す。このトラップ層５において、その厚さＴ₅は約２０
μｍ（ミクロン）であり、アルミナ粒子の粒径は約４μ
ｍである。このトラップ層５は細粒アルミナからなるた
め、排気ガス成分との接触面積が大きくなり、排気ガス
成分例えば有鉛燃料内の鉛（Ｐｂ）の捕捉が良好にな
る。また、トラップ層５は細粒アルミナ間で結合される
ため、その結合強度が高くなり、剥離しにくい。

【０００４】しかし、アルミナ粒子の粒径が小さいと、
トラップ層５の表面あらさが小さくなり、トラップ層５
の表面に排気ガス成分付着物Ａが緻密な連続層として形
成され易い。特に、図３（ｄ）に示すように、トラップ
層５が急冷されると、排気ガス成分付着物Ａがより緻密
化されて連続層となり易い。このように排気ガス成分付
着物Ａが緻密な連続層になると、排気ガス中の酸素分子
が固体電解質素子１に流通しにくくなり、酸素濃度セン
サとしてのガス反応性を阻害して特性劣化の原因にな
る。

【０００５】これを改良するため、図３（ｃ）に示す別
例では、電極保護層４上のトラップ層５の上に更に多孔
質のトラップ層７を形成している。このトラップ層７に
おいて、その厚さＴ₇は約５０μｍであり、アルミナ粒
子の粒径は約１５μｍである。このトラップ層７の表面
あらさがトラップ層５の表面あらさよりも大きいため、
トラップ層７の表面に排気ガス成分付着物Ａが連続層と
して形成されにくい。従って、固体電解質素子１への酸
素分子の流通性は良くなる。

【０００６】しかし、アルミナ粒子の粒径が大きいた
め、各粒子間の結合により決まるトラップ層７の結合強
度が弱くなり、剥離し易い。この剥離を防止する上でト
ラップ層７の厚さＴ₇を大きくしなければならないた
め、トラップ層５，７の全体の厚さＴ₅＋Ｔ₇が大きく
なり、二重のトラップ層５，７を形成することと相俟っ
て、アルミナディップ処理が面倒なものになっていた。

【０００７】その他、トラップ層を改良した酸素濃度セ
ンサとして、特開平３−２９３５５２号公報に示すもの
がある。このトラップ層においては、微粒子粉末を焼成
して凝集した粗大粒子粉末を形成し、その後この粗大粒
子粉末をペースト状にして塗布するとともに、焼成して
いる。従って、排気ガス成分の捕捉率を高めるととも
に、排気ガス中の酸素分子の流通性も良くして酸素濃度
センサとしての応答性を高めることができる。

【０００８】しかし、粗大粒子間の結合力により決まる
トラップ層の結合強度が弱くなり、依然剥離し易い欠点
は残る。また、微粒子を凝集した粗大粒子を予め形成し
なければならないため、その作業工程が粗大粒子の塗布
工程前に加わり、これらの工程作業が面倒なものになっ
ていた。

【０００９】第一に、本発明はトラップ層を小さい粒子
により構成して排気ガス成分の捕捉率を高め、剥離をも
防止すると同時に、排気ガス中の酸素分子の流通性も良
好なものにすることを目的としている。

【００１０】第二に、本発明はこのようなトラップ層の
形成を容易に行なう方法を提供することを目的としてい
る。

【００１１】

【発明が解決しようとする課題】本発明は細粒アルミナ
（Ａｌ₂Ｏ₃）により形成されたトラップ層を有する各
種酸素濃度センサに具体化したものであって、前記トラ
ップ層に多数の気泡が形成され、この気泡の体積がアル
ミナ粒子の体積よりも大きくなっている。このようなト
ラップ層は、細粒アルミナをディップした素子に電圧を
印加して酸素ポンプ作用によりこのアルミナディップ内
に酸素を送り込み、このアルミナディップを焼成して形
成される。

【００１２】

【作用】トラップ層の表面に多数の気泡が露出してトラ
ップ層の表面あらさが粗くなり、トラップ層の表面に排
気ガス成分付着物が連続層として形成されにくくなる。

【００１３】一方、アルミナ粒子の粒径が小さいため、
排気ガスとの接触面積が増加し、排気ガス成分の捕捉が
良好になる。又、小さい粒径を有するアルミナ粒子間で
結合されるため、トラップ層の結合強度が高くなり、ト
ラップ層が剥離しにくくなる。

【００１４】

【実施例】以下、本発明の一実施例に係る酸素濃度セン
サを図１及び図２を参照して説明する。

【００１５】図１（ａ）に示す固体電解質素子１は有底
円筒状をなし、図２に示すように酸素イオン導電性ジル
コニア（ＺｒＯ₂）とイットリア（Ｙ₂Ｏ₃）とからな
る原料を造粒処理した後に成形したものである。

【００１６】この固体電解質素子１の内外周に白金（Ｐ
ｔ）の電極膜２，３が化学メッキされ、その後に水素エ
ージングされている。電極保護層４は外側の電極膜３の
外周に形成され、スピネル（ＭｇＡｌ₂Ｏ₄）をプラズ
マ溶射したものである。この電極保護層４の厚さＴ₄は
約１１０μｍ（ミクロン）である。

【００１７】この電極保護層４の外周にはアルミナ（Ａ
ｌ₂Ｏ₃）のトラップ層５が形成されている。本実施例
では、このトラップ層５の形成工程に改良が加えられて
いる。

【００１８】ふるいにより分けられたアルミナ二次加工
粒子の粒径は、粒子間の粘度を上げるとともにスラリー
を滑らかにするために、従来のものよりも小さい約２μ
ｍのものを利用している。又、アルミナスラリーのバイ
ンダーは、粘性や強度を上げるとともに焼成後の収縮を
防止するために、長鎖のアルミナゾル型のものとしてい
る。図１（ｂ）に示すように、まずこのようなアルミナ
スラリーをディップする。その厚さＴ₅は約２０〜３０
μｍである。

【００１９】次に、図１（ｂ）に示すように、内側電極
膜２を負極、外側電極膜３を正極にして電圧を印加し、
固体電解質素子１の温度を３５０℃以上に上げる。その
状態では、酸素イオンがいわゆる酸素ポンプ作用により
固体電解質素子１の内側から外側へ移動し、トラップ層
５内に供給される。従って、図１（ｃ）に示すように、
この酸素イオンによりトラップ層５内に多数の気泡５ａ
が発生する。その後、更にこのトラップ層５を焼成す
る。このトラップ層５の厚さＴ₅は約４０〜５０μｍで
ある。この各気泡５ａのうち殆どのものはアルミナ粒子
の粒径よりも大きく、各気泡５ａの体積がアルミナ粒子
の体積よりも大きくなっている。

【００２０】このような酸素濃度センサにおいては、そ
の内側空間６に大気が導入されるとともに、その外側に
あるトラップ層５に面する空間にエンジンの排気ガスが
導入され、大気の酸素濃度と排気ガスの酸素濃度との間
の濃度差に応じて固体電解質素子１に発生する起電力を
両電極膜２，３間で検出して排気ガス中の酸素濃度を測
定できるようになっている。

【００２１】本実施例に係る酸素濃度センサは下記の特
徴を有する。（イ）トラップ層５の表面に多数の気泡５ａが露出し、
トラップ層５のアルミナ粒子の粒径が小さいにもかかわ
らず、トラップ層５の表面あらさが粗くなる。従って、
トラップ層５の表面に排気ガス成分付着物Ａが連続層と
して形成されにくくなり、固体電解質素子１への酸素分
子の流通性が良好になる。（ロ）トラップ層５が多数の気泡５ａにより多孔質とな
り、アルミナ粒子の数や大きさが同一であってもトラッ
プ層５の厚さＴ₅が増加する。従って、排気ガス成分に
対するアルミナ粒子の接触面積も増加し、捕捉性能を向
上させることができる。（ハ）トラップ層５が多数の気泡５ａにより多孔質にな
ると、熱電導率が下がる。従って、酸素濃度センサが高
温ガスにさらされても、その熱の影響を受けにくくな
り、酸素濃度センサを熱から保護する機能がより一層向
上する。この機能は前記（ロ）に示すようなトラップ層
５の厚さＴ₅の増加によっても助長される。（ニ）トラップ層５が多数の気泡５ａにより多孔質であ
ると、トラップ層５の熱容量が増加する。従って、排気
ガス温度が急に下がっても、トラップ層５の表面の急冷
を防止することができ、図１（ｄ）に示すようにトラッ
プ層５の表面にある排気ガス成分付着物Ａは除冷され
る。その結果、付着物Ａの緻密化を防ぎ、付着物Ａの結
晶化を促進する。従って、固体電解質素子１への酸素分
子の流通性を良好にする。（ホ）前述したようにトラップ層５の表面あらさを粗く
したりトラップ層５を多孔質にしたりしても、アルミナ
粒子の粒径が小さいため、排気ガスとの接触面積が増加
し、排気ガス成分例えば有鉛燃料内の鉛（Ｐｂ）の捕捉
が良好になる。又、小さい粒径を有するアルミナ粒子間
で結合されるため、トラップ層５の結合強度が高くな
り、トラップ層５が剥離しにくくなる。このような機能
を持たせるために、粒径は６μｍ以下であることが好ま
しい。（ヘ）前記（イ）〜（ホ）に示すように多大な効果を有
するトラップ層５を形成するにあたっては、図２に示し
たような新工程Ｐを採用しているため、その形成を容易
かつ低コストで行なうことができる。

【００２２】前述した実施例では、両電極膜２，３を酸
素イオン導電性固体電解質素子１を隔てて互いに接合し
た酸素濃度センサ中、有底円筒状をなすいわゆる試験管
型のものを例示したが、その他の形状や機能を有する各
種形式の酸素濃度センサに応用することができる。

【００２３】

【発明の効果】本発明に係る酸素濃度センサによれば、
トラップ層の気泡の働きにより、排気ガス中の酸素分子
の流通性が良くなって応答性を高めることができる。ま
た、トラッップ層の粒径が小さいため、排気ガス成分の
捕捉率を高めるとともに剥離も防止することができる。

【００２４】本発明に係る酸素濃度センサのトラップ層
の形成方法によれば、このような気泡を有するトラッッ
プ層の形成を容易に行なうことができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】（ａ）は本実施例に係る酸素濃度センサを示す
縦断面図であり、（ｂ）は電極保護層上にアルミナをデ
ィップした後両電極膜間に電圧を印加した状態を示す部
分拡大断面図であり、（ｃ）はこのアルミナトラップ層
に多数の気泡を形成した状態を示す部分拡大断面図であ
り、（ｄ）はトラップ層上の排気ガス成分付着物が除冷
により結晶化した状態を示す部分拡大断面図である。

【図２】本実施例に係る酸素濃度センサの製造工程図で
ある。

【図３】（ａ）は従来の酸素濃度センサを示す縦断面図
であり、（ｂ）はトラップ層の一例を示す部分拡大断面
図であり、（ｃ）はトラップ層の別例を示す部分拡大断
面図であり、（ｄ）はトラップ層上に付着した排気ガス
成分を急冷した状態を示す部分拡大断面図である。

【符号の説明】

１…固体電解質素子、２…電極膜、３…電極膜、４…電
極保護層、５…トラップ層、５ａ…気泡、Ａ…排気ガス
成分付着物。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】細粒アルミナ（Ａｌ₂Ｏ₃）により形成
したトラップ層を有する酸素濃度センサにおいて、前記トラップ層にはアルミナ粒子の体積よりも大きな体
積を有する気泡を多数形成したことを特徴とする酸素濃
度センサ。
【請求項２】細粒アルミナ（Ａｌ₂Ｏ₃）を素子上に
ディップする工程と、この素子に電圧を印加して酸素ポンプ作用によりこのア
ルミナディップ内に酸素を送り込む工程と、このアルミナディップを焼成する工程とからなることを
特徴とする酸素濃度センサのトラップ層の形成方法。