JPH0820403B2

JPH0820403B2 - 酸素濃度検出装置

Info

Publication number: JPH0820403B2
Application number: JP62122031A
Authority: JP
Inventors: 利孝斎藤; 博美佐野; 章平鵜戸
Original assignee: 日本電装株式会社
Priority date: 1987-05-19
Filing date: 1987-05-19
Publication date: 1996-03-04
Anticipated expiration: 2011-03-04
Also published as: JPS63286759A

Description

【発明の詳細な説明】〔産業上の利用分野〕本発明は、例えば自動車内燃機関の排ガス中の残存酸
素濃度を検出するのに用いる酸素濃度検出装置に関する
ものである。

〔従来の技術〕

従来この種のものとして、特開昭61−272649号公報に
記載されたものがある。

これは、Al₂O₃等の電気絶縁材料で構成された棒状の
芯体の外周に、基準気体としての大気を導くための溝を
形成し、表裏面にそれぞれ電極を有する酸素イオン導電
材料により構成された固体電解質層を上記芯体の外周に
取り巻き設定し、この固体電解質層によって前記溝を覆
って該溝を通路状とした構成である。

また、この従来のものには、固体電解質層上に、前記
一対の電極のうち前記溝側に位置する内側電極の周りに
対応して電気ヒータを内蔵したAl₂O₃等の電気絶縁層を
配置した点が示されている。

〔発明が解決しようとする問題点〕

しかしながら、上記従来のものは、大気導入経路が溝
により形成されているため、例えば溝を有している芯体
の容積を減少して熱容量を小さくする設計を考えると、
溝の容積を大きくすることが極めて困難となる。

従って、大気がスムーズに溝を経て固体電解質層に到
達しない事態を招き、その結果正常な出力を示さない問
題がある。特に、上記従来のもので芯体の中心を、熱容
量低減のために中空にしている例では、かような問題は
深刻なものとなる。

また、従来では固体電解質層と芯体、ならびに固体電
解質層と前記電気絶縁層とは互いに構成材料が全く相違
するため、これら３者を一体焼成した後においては収縮
率および熱膨張係数の相違により、特に固体電解質層に
応力が加わって、この固体電解質層に微小な亀裂を生じ
るという問題がある。また、実際の使用環境下では厳し
い冷熱サイクルを受けるため、上記の亀裂は加速的に進
行し、ついには使用不能になる事態を招く。

〔問題点を解決するための手段〕

本発明は上述した点に鑑みて案出されたものであり、
その目的とするところは、基準気体の導入経路を大きく
することができ、かつ固体電解質層の亀裂の発生を回避
することができる酸素濃度検出装置を提供することにあ
る。

かかる目的を達成するため、本発明は内部に中空部を
有し、この中空部が先端において閉じられ、かつ外周部
に、前記中空部と連通するよう形成された開口を有し、
ZrO₂系の酸素イオン導電材料により構成された筒状の中
軸と、前記中軸の外周部に巻き付け固定され、前記中軸の前記
中空部および前記外周部のそれぞれに対応する両面に第
１、第２の電極が形成され、ZrO₂系の酸素イオン導電材
料により構成された固体電解質層と、前記固体電解質層の前記中空部に対応する面の前記第１
の電極の周りに形成され、内側に電気ヒータを内蔵した
電気絶縁層と、前記固体電解質層の、前記電気絶縁層の周りの領域に設
けられ、ZrO₂系酸素イオン導電材料により構成された接
合部とを包含し、前記固体電解質層と前記中軸とは前記接合部を介して一
体に接合しており、前記固体電解質層の前記第１の電極は、前記中軸の前記
中空部の基準気体雰囲気に前記開口を介して接触される
ようにし、かつ前記固体電解質層の前記第２の電極は前記中軸の外
周の被測定気体雰囲気に接触されるようにした技術的手
段を採用したものである。

〔作用〕

本発明においては、中軸の中空部を基準気体の導入経
路とするため、この中軸を小型にしても十分にその中空
部の大きさを確保することができる。

また、本発明においては、中軸、固体電解質層、接合
部がZrO₂系の酸素イオン導電材料により構成されてお
り、この接合部を介して中軸と固体電解質層とが一体に
接合している。そして、電気ヒータを内蔵した電気絶縁
層はその周りが上記接合部、固体電解質層、および中軸
によって囲まれたごとき状態になる。

従って、固体電解質層を中軸の外周に取り巻き設定し
て両者を一体焼成した際、あるいは実際の使用環境下の
厳しい冷熱サイクルを受けた際でも固体電解質層に微小
な亀裂を生ずることがない。なお、電気ヒータを内蔵し
た電気絶縁層に、固体電解質層、中軸、接合部との材料
の相違による熱応力が生じて微小な亀裂を生じても、こ
の電気絶縁層の周りは固体電解質層、中軸および接合部
によって囲まれているため、その微小な亀裂を経て、被
測定気体が中軸の開口から中空部に侵入することを防止
できる。

〔発明の効果〕

以上のように、本発明においては、基準気体を中軸の
中空部によって確実に固体電解質層に接触させることが
でき、固体電解質層は正常な出力を発生することができ
る。

また、中軸の中空部が中軸の熱容量を小さくする作用
も果たし、電気ヒータにより迅速に測定に適した温度に
固体電解質層を加熱することができる。

更に、中軸に対する固体電解質層の接合強度が向上
し、剥離等の発生も生じず、また固体電解質層に亀裂が
生じることもなく、かつ気密性に優れ、高品質化を達成
することができる。

〔実施例〕

以下、図面を参照してこの発明の一実施例を説明す
る。第１図は酸素濃度検出装置の検出機構部の構成を示
すもので、円筒管状に構成される中軸11を備える。この
中軸11はこの検出機構の基体となるもので、ZrO₂95モル
％とY₂O₃5モル％とを固溶させた酸素イオン導電材料に
より構成されている。この材料は後述する固体電解質層
15と同一の材料である。

この中軸11は、第２図に取り出して示すように、大気
導入口となる基端部を開口した中空部12を備え、その先
端部11aは封じられている。そして、この中軸11の基端
部の外周部には、リード線の取り出し部を形成するよう
になる例えば４個の溝131〜134が中軸11の軸線に平行に
形成されている。

上記中軸11の先端部に近接する部分の外周には、中空
部12に貫通するようにして開口14が形成されている。な
お、中軸11は射出成形により成形され、中空部12、先端
部11a、開口14、溝131〜134と同時成形される。

第３図は、第１図の検出機構部における中軸を除いた
ものの展開図を示すものである。第３図において、板状
に形成された固体電解質層151は例えばY₂O₃5モル％を固
溶したZrO₂系の酸素イオン導電材料によって構成されて
いる。そして、この板状に構成される固体電解質層151
の両面には中軸11の開口14に位置合わせされるようにそ
れぞれ第１および第２の電極152および153が蒸着、印刷
等によって形成されており、この電極152,153のそれぞ
れから１つの縁に向けて導出電極154および155が一体に
形成されるようになっている。また、第１電極152のリ
ード取り出し部には、スルーホール163が設けてあり、
導出電極154から導出電極164に導出されている。

この電極164および上記電極155は溝131,132まで導出
されている。ここで、上記電極152および153は、それぞ
れ固体電解質層151のZrO₂系酸素イオン導電材料を少量
含んだ白金による多孔質の電極として構成され、その両
面に存在するガスに含まれる酸素が、固体電解質層151
に導かれるようになっている。すなわち、一対の上記電
極152,153および固体電解質層151により構成される酸素
濃度検出素子15は、酸素の濃淡により作用する電池とし
て働く電気化学的なセルとして構成されるものである。

上記第２の電極153を取り囲むように薄膜のAl₂O₃より
なる第１の絶縁層157が形成され、この層157の上にAl₂O
₃を混入したPtあるいはAl₂O₃を混入したＷから構成され
る薄膜による電気ヒータ156が形成されている。また、
このヒータ156の上にはその両端部を除いて、薄膜のAl₂
O₃よりなる第２の絶縁層158が形成されている。この第
１、第２の絶縁層157,158によって、ヒータ156と固体電
解質層151との電気的絶縁を保持している。なお、ヒー
タ156の両端には絶縁層158が存在しておらず、この両端
は中軸12の溝133,134まで導出されている。

固体電解質層151のうち上記絶縁層157,158の外縁と固
体電解質層151の外縁との間の領域159および固体電解質
層151のうち第２の電極153を除いて、絶縁層157,158に
より囲まれる領域160には、それぞれヒータ156、絶縁層
157,158の３層分の厚さと同一厚さの充填層161,162が形
成されている。この充填層161,162は、固体電解質層151
および中軸11と同一の材料により構成されている。な
お、充填層161,162は第１図からわかるように、ヒータ1
56の端部、導出電極155の端部、導出電極164の全体には
形成されていない。

上記のように構成される検出機構部は、次のように製
造される。まず中軸11を所定の材料によって射出成形す
る。一方、スクリーン印刷等によって第４図（ａ）〜
（ｅ）のごとく、電極152,153、導出電極154,155,164、
ヒータ156、絶縁層157,158、充填層161,162を固体電解
質層151に形成する。次のこの固体電解質層151を上記中
軸11に巻き付け、これを焼成する。この状態を第５図に
示す。これにより、中軸11に、固体電解質層151を含む
検出機構部が前記充填層161,162を介して一体的に接合
する。なお、中軸11、固体電解質層151、充填層161,162
は互いに同一材料で構成されているため、熱膨張係数の
違いにより亀裂を発生することなく確実に気密的に接合
することになる。

上記のようにして焼成後、固体電解質層151の第１の
電極152を覆うようにして中軸11の先端部領域に、プラ
ズマ溶射等によってAl₂O₃、あるいはMgO・Al₂O₃スピネ
ルよりなるセラミックコーティング層によって形成した
多孔質の保護層17を形成するものである。

この保護層17を構成するセラミックコーティング層
は、その気孔率が適宜調整できるものであり、この気孔
率によってポテンショメトリック、あるいはポーラログ
ラフィッグなセンサとして選択的に使い分けできるよう
になるものである。

第６図は上記のように構成される酸素濃度検出機構を
用いて構成した検出装置の構成を示しているもので、中
軸11を基体として構成された円筒状の検出機構は、支持
ハウジング20の中心軸部に形成した中空部内に設定され
る。この円筒状の検出機構は、リング21,22、タルク2
3、およびパッキング24によって上記ハウジング20の中
空部内に保持設定されているものであり、特にパッキン
グ24によってハウジング20の検出機構先端部と基端部と
を気密状態で分離できるようにしている。

そして、上記検出機構の酸素濃度検出素子15が設定さ
れている先端部は、上記ハウジング20から突出するよう
に設定されているもので、上記ハウジング20には上記検
出機構の先端部を取り囲むようにしてカバーエレメント
25が設けられている。このカバーエレメント25には多数
の透孔が形成されているもので、この透孔を介して周囲
のガスが検出機構の先端検出部の周囲まで侵入し、検出
機構の保護層17を介してそのガスが検出素子15に接触さ
れるようになっている。

上記ハウジング20のカバーエレメント25と反対側に
は、筒状のカバープロテクション26がロー付け等によっ
て取り付け設定される。そして、このカバープロテクシ
ョン26の中心軸部分に検出機構の中軸11が設定されるよ
うにする。そして、この中軸11とカバープロテクション
26との間には、適宜ホルダ27を介在し、このホルダ27に
よって検出機構が保持設定されるようにする。

リードコネクション28は、上記カバープロテクション
26内にホルダ27と同軸的に設定されるインシュレータ29
に形成されているもので、このインシュレータ29はゴム
ブッシュ30によってその位置が固定されるようになって
いる。この場合、上記ゴムブッシュ30は例えばガス透過
性のシリコン樹脂で構成してあり、またインシュレータ
29とリードコネクション28との間には微小な隙間が存在
している。従って、大気はゴムブッシュ30およびインシ
ュレータ29とリードコネクション28との間の隙間を介し
て、酸素濃度検出機構の中軸11の基端開口部に導かれ、
この中軸11の酸素濃度検出素子15の内面部分に、大気に
よる基準ガス雰囲気が設定されるようにしている。

上記リードコネクション28には、リード線32が接続さ
れているものであり、このリード線32は中軸11の基端部
に形成した溝131〜134部分で、検出素子15からのリード
線、さらにヒータからのリード線に接続されている。そ
して、このリードコネクション28は、ゴムブッシュ30を
貫通して設定されるワイヤリード33を介して外部に導出
されるようにしているものである。

上記保持用ハウジング20にはフランジ34が一体に取り
付けられているもので、このフランジ34はこの図では示
されていない、例えば内燃機関の排気管にこの検出装置
を取り付け設定するために使用される。そして、ハウジ
ング20のカバーエレメント25部分が上記排気管内に設定
され、酸素濃度検出機構の先端の酸素濃度検出素子15部
分が、排気ガス中に位置設定されるようにしているもの
である。

すなわち、上記のように構成される酸素濃度検出装置
にあっては、内燃機関の排気管に取り付け設定された状
態で、酸素濃度検出機構の酸素濃度検出素子15部分が排
気ガス中に設定されるようになるものであり、この検出
素子15の外側の面が、保護層17および電極152を介して
被測定ガス、すなわち排気ガスに接触されるようにな
る。そして、上記検出素子15の内側の面は電極153を介
して、中軸11の中空部分に設定される基準ガスに接触さ
れるようになる。したがって、上記酸素濃度検出素子15
の両面に形成した電極152および153間に、排気ガス中に
含まれた酸素の量に対応した電気信号が得られるように
なる。この場合、ヒータ156によって上記検出素子15部
分が加熱設定されているものであり、精度の高い酸素濃
度測定動作が実行されるようになる。

第７図（ａ），（ｂ），（ｃ）〜第９図は本発明の他
の実施例を示すものである。この実施例では、中軸11の
開口14から中軸11の約3/4周程度に溝141を形成し、この
溝141によって固体電解質層151の、大気に接触する領域
を拡大したものである。

この実施例では、上記溝141による固体電解質層151の
大気接触面積の増大に伴い、電極152,153、ヒータ156、
絶縁層157,158の面積を大きくしてある（第９図参
照）。

なお、この実施例における各部の材質、製造方法は第
１図〜第４図の実施例と同じである。

本発明は上記の実施例に限定されず、以下のごとく種
々の変形が可能である。

（１）充填層161,162は固体電解質層151に別構成部材と
して形成したが、この充填層161,162は固体電解質層151
と中軸11とを接合する機能を有するものであるので、固
体電解質層151を成形加工する際に充填層161,162に相当
する部分を一体に加工してもよい。

（２）中軸11、固体電解質層151、および充填層161,162
はZrO₂−Y₂O₃の同一材料で構成したが、例えばZrO₂−Yb
₂O₃,ZrO₂−CaO,ZrO₂−MgOで構成してもよく、あるいは
例えば中軸11と固体電解質層151とを同一材料のZrO₂−Y
₂O₃で構成し、充填層161,162をZrO₂−Yb₂O₃で構成して
もよい。この場合、製造時の焼成に際して相互の材料間
でY₂O₃,Yb₂O₃の拡散が生じ、各構成部材ともほぼ同一の
材料となる。なお、各構成部材でZrO₂に対するY₂O₃,Yb₂
O₃の固溶濃度を変えてもよい。

要は、各構成部材はZrO₂系の酸素イオン導電材料で構
成されていればよい。

（３）ヒータ156をサンドイッチ構造に挟む絶縁層157,1
58はAl₂O₃で構成されているが、この絶縁層157,158はヒ
ータ156と電極153との電気的絶縁ならびに固体電解質層
151の耐電圧の低さを補うためのものであるから、電気
絶縁材料であればAl₂O₃以外のセラミック材料、例えばZ
rO₂単味等で構成されていても勿論よい。

【図面の簡単な説明】

第１図（ａ），（ｂ）は本発明の一実施例を示すもの
で、第１図（ａ）は縦断面図、第１図（ｂ）は第１図
（ａ）の右側面図で保護層17を省略してある、第２図
（ａ），（ｂ）は第１図（ａ），（ｂ）の中軸を示すも
ので、第２図（ａ）は斜視図、第２図（ｂ）は第２図
（ａ）の長さ方向の縦断面図、第３図は第１図（ａ），
（ｂ）の固体電解質層上に形成される各構成部材の組合
せ状態を示す分解斜視図、第４図（ａ）〜（ｅ）は第３
図の各構成部材の、固体電解質層に対する形成順序を示
す工程図、第５図は第４図に示した各構成部材を具備し
た固体電解質層を中軸の外周に取り巻いた状態を示す斜
視図、第６図は第１図（ａ），（ｂ）の一実施例構成を
酸素濃度検出装置として構成した状態を示す縦断面図、
第７図（ａ）〜（ｃ）は本発明の他の実施例を示すもの
で、第７図（ａ）は第７図（ｃ）のａ−ａ断面図、第７
図（ｂ）は第７図（ａ）の、保護層17を除いた右側面
図、第７図（ｃ）は第７図（ａ）のｃ−ｃ断面図、第８
図（ａ），（ｂ）は第７図（ａ）〜（ｃ）の中軸を示す
もので、第８図（ａ）は部分破断縦断面図、第８図
（ｂ）は第８図（ａ）のｂ−ｂ断面図、第９図は第７図
（ａ）〜（ｃ）の固体電解質層上に形成される構成部材
の組合せ状態を示す分解斜視図である。 11……中軸,12……中空部,14……開口,151……固体電解
質層,152……第１の電極,153……第２の電極,156……電
気ヒータ,157……第１の絶縁層,158……第２の絶縁層,1
59,160……領域,161,162……接合部をなす充填層。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】内部に中空部を有し、この中空部が先端に
おいて閉じられ、かつ外周部に、前記中空部と連通する
よう形成された開口を有し、ZrO₂系の酸素イオン導電材
料により構成された筒状の中軸と、前記中軸の外周部に巻き付け固定され、前記中軸の前記
中空部および前記外周部のそれぞれに対応する両面に第
１、第２の電極が形成され、ZrO₂系の酸素イオン導電材
料により構成された固体電解質層と、前記固体電解質層の前記中空部に対応する面の前記第１
の電極の周りに形成され、内側に電気ヒータを内蔵した
電気絶縁層と、前記固体電解質層の、前記電気絶縁層の周りの領域に設
けられ、ZrO₂系酸素イオン導電材料により構成された接
合部とを包含し、前記固体電解質層と前記中軸とは前記接合部を介して一
体に接合しており、前記固体電解質層の前記第１の電極は、前記中軸の前記
中空部の基準気体雰囲気に前記開口を介して接触される
ようにし、かつ前記固体電解質層の前記第２の電極は前記中軸の外
周の被測定気体雰囲気に接触されるようにしたことを特徴とする酸素濃度検出装置。