JPH08233776A - セラミックヒータ付酸素センサ素子及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 ヒータ寿命が長く、且つ、効率的に素子を加
熱することのできるヒータを確実に素子内部に備えたヒ
ータ付酸素センサ素子を提供する。 【解決手段】 外気導通孔（中空部５ａ）を有するセラ
ミック芯材と、該芯材の外周を被覆するセラミック被覆
層と、前記芯材と被覆層との間に配設された発熱体とか
らなるセラミックヒータ５が素子Ｓの内部に備えられ、
係止金具６がセラミックヒータ５の外周に同軸上に装着
され、且つセラミックヒータ５の軸心と素子Ｓの軸心と
が一致するように素子Ｓの開口部内周に係止されるとと
もに、係止金具６と素子の内側電極２とが導通されてい
るセラミックヒータ付酸素センサ素子。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、セラミックヒータ
付酸素センサ素子及びその製造方法に関するものであ
る。

【０００２】

【従来の技術】従来より、自動車排気ガス中の酸素濃度
を検出することのできる酸素濃度検出器として、酸素イ
オン透過性の固体電解質を用いた酸素センサが知られて
いる。この酸素センサの素子は、例えばジルコニア等か
らなる一端が閉じた筒状素子本体の両端に電極が形成さ
れ、少なくとも外表面に電極保護層が設けられたもので
ある。このようなセンサ素子によれば、素子内部に基準
ガスを導入して内側電極に接触させ、素子本体外表面の
外側電極に被測定ガスを接触させると、基準ガスと被測
定ガスとの間の酸素濃度の差により起電力が生じ、この
起電力を測定することにより被測定ガス中の酸素濃度を
知ることができる。この酸素センサで検出される酸素濃
度は、電気信号として燃料供給装置へ伝達され、これに
より空燃比が理論空燃比近傍にフィードバック制御され
る。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、近年車
輛の低燃費化が社会的要求となっており、これに対応す
べく内燃機関の摩擦損失低減、車輛重量の低減等が実施
されてきているが、このような対応策は、必然的に排ガ
ス温度の低下をきたす。ところが、排ガス温度が低い
と、前記センサ素子が十分加熱されないので作動性が悪
化し、空燃比を理論空燃比近傍に正確に制御することが
できず、このため効率良く排ガス浄化を行うことができ
ない。

【０００４】上記問題点を解決するために、従来よりヒ
ータを組み込んだ酸素センサが提案されている（例え
ば、特開昭５５−４４９９９号、特開昭５４−１３４４
９７号、特開昭５６−４７７５３号参照）。これらは大
別すると、コイル状の金属発熱体がセンサ素子内部に挿
入されたものと、セラミック芯材上に発熱体とセラミッ
ク被覆層を形成してなる棒状（板状、円筒状を含む）の
セラミックヒータがセンサ素子内部に挿入されたものと
に分けられる。しかし、コイル状の金属発熱体がセンサ
素子内部に挿入されたものは、金属として白金若しくは
白金系金属を用いた場合以外は、金属発熱体が酸化され
るため、発熱体の寿命が短く、又、素子内部での金属酸
化反応により素子内部の酸素分圧が変動し、正確な信号
を送ることができないという欠点を有する。その対策と
して、金属発熱体を金属薄肉円筒体中に収納し、この円
筒体と発熱体との間隙にＭｇＯなどを充填した形式のヒ
ータにおいては、発熱体自体の酸化が防止されるので、
ヒータの使用寿命を延長することはできるものの、金属
薄肉円筒体の酸化による素子内部の酸素分圧の変動は避
けられない。

【０００５】前記の問題の外に、ヒータをセンサ素子内
部に挿入する場合には、ヒータとセンサ素子内部との接
触によってセンサ素子内部が破損しないように、ヒータ
とセンサ素子とを同軸上に組み付ける必要がある。とこ
ろが、従来の酸素センサ、特に特開昭５４−１３４４９
７号に記載された酸素センサにおいては、ヒータを保持
した金具（電極端子部材のフランジ）がシールリングを
介して素子開口端部に押圧され、クリンピングやローリ
ングによりフランジで上部構成部材とかしめられている
ため、組み立て時に位置ズレが生じ易く、その結果、ヒ
ータとセンサ素子とを同軸上に組み付けることができな
い場合が生じる。

【０００６】一方、前記セラミックヒータを用いたもの
は、その取付手段の精度、固定力によるヒータの位置ズ
レの可能性を考慮すると、セラミックヒータ表面と素子
内表面との距離を大きくしなければならない。従ってセ
ラミック基材の外寸や発熱体の形成面積が制限されてし
まい、十分な発熱量を得ることができない。発熱量を必
要量得るためにセラミックヒータを大きくしようとする
と、素子内径を大きくしてヒータ収納容積を確保しなけ
ればならない。素子を大型化すると、酸素センサ全体も
大型化しなければならず、製造コストアップ、取付スペ
ース拡大という不利な点が生じる。結局は素子を効率良
く加熱できないという欠点を有している。

【０００７】本発明は、従来の素子加熱用ヒータの有す
る上述の欠点を解消するためのものであり、その目的と
するところは、ヒータ寿命が長く、且つ、効率的に素子
を加熱することのできるヒータを確実に素子内部に備え
たヒータ付酸素センサ素子及びその製造方法を提供する
ことにある。

【０００８】

【課題を解決するための手段】すなわち、本発明のセラ
ミックヒータ付酸素センサ素子は、一端が閉じた酸素イ
オン透過性固体電解質からなる筒状素子本体の両面に電
極が形成され、少なくとも素子外表面に電極保護層が設
けられたセラミックヒータ付酸素センサ素子において、
軸方向に貫通した外気導通孔を有する棒状セラミック芯
材と、該芯材の外周を被覆するセラミック被覆層と、前
記芯材と被覆層との間に配設された発熱体とからなるセ
ラミックヒータが前記素子の内部に備えられ、係止金具
が前記セラミックヒータ外周に同軸上に装着され、且つ
前記セラミックヒータの軸心と前記素子の軸心とが一致
するように前記素子の開口部内周に係止されるととも
に、前記係止金具と素子内表面の電極とが導通されてい
ることを特徴とする。又、本発明のセラミックヒータ付
酸素センサ素子の製造方法は、軸方向に貫通した外気導
通孔を有する棒状セラミック芯材と、該芯材の外周を被
覆するセラミック被覆層と、前記芯材と被覆層との間に
配設された発熱体とからなるセラミックヒータの外周に
同軸上に係止金具を装着し、前記セラミックヒータと係
止金具を固定した後、一端が閉じた酸素イオン透過性固
体電解質からなる筒状素子本体の両面に電極が形成され
た少なくとも素子外表面に電極保護層を設けたセンサ素
子の開口部内周に、前記係止金具を前記セラミックヒー
タの軸心と前記素子の軸心とが一致するように係止する
ことを特徴とする。

【０００９】

【発明の実施の形態】以下、図面に基づいて本発明を更
に詳しく説明する。図１は本発明のセラミックヒータ付
酸素センサ素子の一例を示す断面図である。図中、１は
試験管状素子本体であり、開口方向の上部外側面には、
周回りに外側に向かって突出する肩部１ａを有し、又、
開口方向の上部内周には、下方に向かって狭くなるテー
パ部１ｂを有する。素子本体は、例えばイットリア（Ｙ
₂ Ｏ₃ ）等で安定化されたジルコニア（ＺｒＯ₂ ）で形
成される。２，３は前記素子本体１の内外両表面に設け
られた金属電極である。内側電極２は素子本体１の内周
全表面に設けてもよく、又、一部のみでもよいが、少な
くともテーパ部１ｂ上方まで設けられている。外側電極
３は素子本体１の外周全表面に設けてもよく、又、一部
のみでもよいが、肩部１ａの上面まで形成することが必
要である。金属電極としては、耐熱性及び触媒作用を有
する金属、例えばＰｔ，Ｒｈ，Ａｇ等が挙げられる。
４，４′は、外側電極３及び内側電極２の表面を保護す
るための無機材料からなる多孔性コーティング層であ
る。内側電極被覆用のコーティング層４′は省略しても
よい。

【００１０】上記構成のセンサ素子Ｓの開口部内周に、
セラミックヒータ５を係止金具６を介し、ヒータの軸心
が素子の軸心と一致するようにして係止する。セラミッ
クヒータ５の基材はアルミナ等の絶縁性材料からなる長
尺円筒形状であり、軸方向に貫通する中空部５ａにより
素子Ｓの内部に外気を導入することができる。セラミッ
クヒータ５の円筒体壁部中間には、図示しない発熱体が
埋設されている。６は係止金具で、前記セラミックヒー
タ５の外周に対応する内径と、前記素子Ｓの上部開口端
内形に対応する外形を有する略円筒状金属部材である。
係止金具６は、前記セラミックヒータ５の外周に嵌着、
固定した後、係止金具６のテーパ部６ａ下面を前記素子
Ｓのテーパ部１ｂ上面に係止することにより素子Ｓの開
口部に装着される。このとき、素子Ｓの内側電極２と係
止金具６が接触し、内側電位が外部へ取出される。図
中、７，７は、セラミックヒータ５の内部に埋設された
発熱体に電圧を印加するためのリード線である。

【００１１】円筒状のセラミックヒータ５は、例えば図
２又は図３に示すように製作する。図２中、５ｂはセラ
ミックからなり、軸中心に貫通孔（中空部５ａ）を有す
る棒状芯材である。５ｃはセラミックシートで、前記芯
材外周を被覆するために十分な横幅と、芯材５ｂの長さ
と同寸法の縦軸とを有する長方形形状である。セラミッ
クシート５ｃの表面には、帯状の金属発熱体８が形成さ
れている。金属発熱体８は、セラミックシート５ｃの下
部にて連続した凹凸状に形成された発熱部８ａと、この
発熱部８ａと接続し、セラミックシート５ｃの上端まで
伸びる一対の導電部８ｂ，８ｂとからなる。金属発熱体
は、例えば白金、白金系合金、タングステン等の耐熱金
属粉末を有機溶剤に混入して得られたペーストを、未焼
成のセラミックシート５ｃの表面に印刷することにより
所定形状に形成される。その後、同様に未焼成のセラミ
ック芯材５ｂの外周に、前記発熱体８の形成面が内側と
なるようにしてセラミックシート５ｃを巻き付け、その
後全体を加熱すると、セラミックヒータ５が得られる。

【００１２】発熱体８は、例えば図３に示すように芯材
５ｂの外周に形成してもよい。この場合には、セラミッ
ク芯材５ｂの外周面に、前記したように金属ペーストを
所定形状に印刷して発熱部８ａと導電部８ｂとからなる
発熱体８を形成し、その後未焼成のセラミックシート５
ｃを芯材５ｂの外周に巻き付け、芯材５ｂとセラミック
シート５ｃを同時に焼成する。

【００１３】次に、図４に示す如く、得られたセラミッ
クヒータ５の外周上部に、導電部８ｂ，８ｂと電気的に
接続する入力部８ｃ，８ｃを設ける。入力部８ｃ，８ｃ
は、前記発熱部８ａ及び導電部８ｂ，８ｂの形成方法と
同様にして行う。セラミックヒータ５の上部外表面に、
その周回りに沿ってメタライズ層９を設ける。メタライ
ズ層９は、例えばＭｏ−Ｍｎ又はＭｏ−Ｗからなる混合
ペーストをセラミックヒータ５の外周所定部位に塗布
し、非酸化性雰囲気下、例えばアンモニア分解ガス中で
焼き付けることにより形成される。メタライズ層９の形
成後、係止金具６を、その内周が前記メタライズ層９に
当接するようにしてセラミックヒータ５に装着し、位置
決め後、ロウ付けして両部材を固定する。ロウ材として
は、通常使用される銀ロウ、ニッケルロウが使用され
る。メタライズ層９は、前記セラミックヒータ５の製造
と同時に形成される。例えば未焼成の芯材５ｂに未焼成
のセラミックシート５ｃを巻き付け、その後円筒体外表
面に入力部８ｃ，８ｃとメタライズ層９をペーストで成
形し、同時焼成・焼き付けを行う。外周に係止金具６を
固着したセラミックヒータ５を図５に示す。

【００１４】セラミックヒータ５と係止金具６とを上述
のように接合することにより、通常の無機接着剤を塗布
することと比較して、焼成時のひずみが少なく両部材の
固着がより強化される。又、高温下で長時間使用しても
接着部分の劣化が少なく、振動による剥離等が生じな
い。又、上述のように、セラミックヒータ５の焼成と同
時にメタライズ層９の形成を行えば、工程が簡略化す
る。

【００１５】得られた係止金具付セラミックヒータ５
は、前記図１に示すように、素子Ｓの開口部に係止金具
６を係止することにより取付けられる。

【００１６】図６は、図１で示す構成の酸素センサ素子
Ｓを備えた酸素センサの断面図である。図中、１１は略
円筒状ハウジングで、内周の所定位置に、素子本体１の
肩部１ａを係止し得る段部１１ａを有する。ハウジング
１１の下端には素子Ｓの突出部を保護するための保護カ
バー１２が取付けられている。保護カバー１２は、耐熱
鋼板からなり、その側壁には複数個の貫通孔１２ａ，１
２ａ，…が設けられている。被測定ガスは、この保護カ
バー１２の貫通孔１２ａ，１２ａ，…を通ってカバー内
に流入し、素子Ｓの外表面に接触する。１４はクッショ
ンリングで、素子本体肩部１ａの下面とハウジング段部
１１ａの上面との間に介在し、両部材間の緩衝及び被測
定ガスシールの役割を果たす。１５は耐熱金属からなる
コイルスプリングで、このコイルスプリング１５の下端
は、素子Ｓの開口部に係止された係止金具６の上面に当
接し、その上端は、素子Ｓの上方に位置する耐熱金属製
円筒部材である外部端子１６の下部フランジ下面に当接
する。これにより、素子Ｓの内側電極に生ずる電位は、
係止金具６及びコイルスプリング７を通って外部端子１
６へ伝わり、酸素センサ素子の外部へ取出される。

【００１７】外部端子１６の内側には碍管１７が嵌入さ
れている。碍管１７は、例えばアルミナ等の耐熱絶縁材
料で形成され軸方向に２本の貫通孔１７ａ，１７ａを有
してなるもので、これら貫通孔１７ａ，１７ａにはセラ
ミックヒータ５の入力線（リード線）７，７がそれぞれ
挿入されている。入力線７，７はセラミックヒータ５の
入力部（図示せず）に接続しており、この入力線７，７
を介してセラミックヒータ５に電圧を印加し、発熱体を
加熱する。

【００１８】１８は、ハウジング１１の上部に取付けら
れた後部保護管で、その下端フランジ１８ａを、素子肩
部１ａとハウジング１１との間隙に設けたグラファイト
リング１９、タルクリング２０及び押さえリング２１の
上面に載置し、後部保護管１８の外周に位置決めリング
２２を取付けた後、その外側からハウジング１１の上端
をかしめることにより後部保護管１８をハウジング１１
に組付ける。後部保護管１８の上端部は、上方に向かっ
て狭くなるテーパ形状となっており、組付け時に、前記
碍管１７をこの碍管１７の外周に装着したブッシュ１３
を介して下方に押し下げる。これによりコイルスプリン
グ１５が押圧され、適度の弾性を有した状態で外部端子
１６と係止金具６との間に保持される。コイルスプリン
グ１５のバネ力により外部端子１６と碍管１７とが上方
に付勢され、両部材が後部保護管１８へ圧着される。同
時に、コイルスプリング１５のバネ力により係止金具６
が素子開口部に圧着され、各部材の組付けが確実とな
り、且つ電気的接触も向上する。図中、１８ａは後部保
護管１８の上部側壁に設けられた貫通孔で、この貫通孔
１８ａを通って大気が酸素センサ内部へ導入される。導
入された大気は、セラミックヒータ５の中空部５ａを通
って素子Ｓの内部へ入り、素子Ｓ内部の酸素分圧を一定
値に保持する。素子Ｓの内側電極２に発生する電圧は、
前述のように係止金具６，コイルスプリング１５及び外
部端子１６を介して外部へ取出される。又、外側電極３
に発生する電位は、グラファイトリング１９を介してハ
ウジング１１へ伝達され、ハウジング１１から外部へ取
り出される。タルクリング２０は、グラファイトリング
１９と外気との接触を遮断し、グラファイトリング１９
の損傷を防止する役割を果たす。セラミックヒータ５の
入力線７，７は、外部端子１６内にある碍管１７内の貫
通孔１７ａ，１７ａを通るので、互いに接触することな
く、又、内側電極２の信号伝達径路とも接触することな
く外部へ取出される。上記構成の酸素センサは、ハウジ
ング１１の外周に取付けられたフランジ２３を排気管
（図示せず）にネジ止めする等により取付ける。図中、
２３ａ，２３ａはネジ止め用の孔である。

【００１９】上記構成の酸素センサを使用する場合に
は、酸素センサを、排気管の所定位置に取付け、入力線
７，７に電圧を印加してセラミックヒータ５を発熱させ
る。これにより素子Ｓを例えば５００〜７００℃に加熱
する。素子内部に充填される基準ガスは、後部保護管１
８の貫通孔１８ａから、セラミックヒータ５の中空部５
ａを通って導入される。被測定ガスは、保護カバー１２
の貫通孔１２ａ，１２ａ，…を通って素子外表面に接触
する。素子に接触する内部基準ガスと外部被測定ガスと
の酸素濃度差により内外両電極間に電位差が生じ、内側
電極信号径路と外側電極信号径路を介して外部へ各電極
の電位を取出し、図示しない電気回路により得られる起
電力を測定する。

【００２０】図６に示す構成の酸素センサとヒータを取
付けない同様の構成の酸素センサとをそれぞれ、６気筒
２０００ｃｃのエンジンを持つ車輛排気管に装着し、１
０モード走行による各成分のエミッション値を測定した
（排ガスの最低温度２７０℃）。それぞれのエミッショ
ン値を図７に示す。ヒータ印加電力は、６．５ボルト×
２アンペアである。

【００２１】図７から明らかなように、実施例のヒータ
付酸素センサを備えた車輛は、排ガスが低温であるにも
係わらず、炭化水素（ＨＣ），一酸化炭素（ＣＯ），窒
素酸化物（ＮＯ_x ）の三成分浄化率がいずれも良好であ
る。これに対して、比較例のヒータを付けない酸素セン
サを備えた車輛においては、ＮＯ_x のエミッション値が
高く、十分な排ガス浄化が行われない。

【００２２】前記実施例において、本発明のセラミック
ヒータ付酸素センサ素子は、セラミックヒータを取付け
てあるためセンサ素子の作動特性が向上した。又、セラ
ミックヒータは外気導通孔を有する棒形状としたため、
係止金具等に外気導通孔用の切欠きを設ける必要がな
く、係止金具等を丈夫にすることができる。セラミック
ヒータにおいて発熱体はセラミック層で被覆されてお
り、素子内部の基準ガスに露出しないため、発熱体の酸
化反応が防止され、発熱体の耐久性が向上し、又、酸化
反応による素子内部の酸素分圧の変動がなくなった。し
たがって、酸素センサからの出力信号の信頼性が向上し
た。

【００２３】又、前記実施例のセンサ素子では、係止金
具をセラミックヒータに設けたメタライズ層にロウ付け
することによりセラミックヒータを係止金具に確実に固
定することができるため、焼成時のひずみが少なく両部
材の固着がより強化されるとともに、高温下での劣化が
少なく、振動による剥離が生じない。又、ヒータを必要
な発熱量が得られる大きさにすることができ、しかも素
子の内径を大きくとらなくても良い。このため、素子の
大型化を防止することができる。又、棒形状のセラミッ
クヒータをロウ付けで係止金具に確実に固定した場合に
は、素子内周面を均一に加熱できるという利点も有す
る。

【００２４】

【発明の効果】以上の記載から明らかなように、本発明
のセラミックヒータ付酸素センサ素子では、係止金具
が、セラミックヒータの軸心と素子の軸心とが一致する
ように素子の開口部内周に係止されているため、セラミ
ックヒータは素子内部に同軸上に正確に位置決めされて
いる。

【００２５】又、本発明のセラミックヒータ付酸素セン
サ素子の製造方法によると、本発明のセンサ素子を容易
に得ることができる。すなわち、セラミックヒータを素
子内部に組み付ける際に係止金具がガイドとなり、セラ
ミックヒータの位置ズレを起こすことなく（セラミック
ヒータと素子との同軸性を損なうことなく）、容易に組
み立てを行うことができる。

【００２６】なお、本発明は、上述した素子内部の基準
ガスと、素子外部の被測定ガスとの酸素分圧比により素
子から出力される起電力変化を測定する、いわゆる濃淡
電池型酸素センサのほかに、被測定ガス中の酸素濃度に
応じて素子に生じる限界電流を測定する、いわゆる限界
電流型酸素センサの場合にも素子本体の形状が図１に示
すようなものであれば、同様に適用可能であろう。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明のセラミックヒータ付酸素センサ素子の
一例を示す断面図である。

【図２】本発明のセラミックヒータ付酸素センサ素子の
製造方法において、セラミックヒータの製作工程を示す
説明図である。

【図３】セラミックヒータの別の製作工程を示す説明図
である。

【図４】セラミックヒータのメタライズ層に係止金具を
装着する工程を示す説明図である。

【図５】セラミックヒータのメタライズ層に係止金具が
ロウ付けにより固着された状態を示す説明図である。

【図６】本発明の酸素センサ素子を備えた酸素センサの
断面図である。

【図７】本発明の酸素センサ素子を備えた酸素センサと
比較例の酸素センサとの試験結果を示す図である。

【符号の説明】

１…素子本体 ２…内側電極 ３…外側電極 ５…セラミッ
クヒータ ５ａ…中空部 ５ｂ…芯材 ５ｃ…セラミックシート ６…係止金具 ８…発熱体 ８ａ…発熱部 ８ｂ…導電部 ８ｃ…入力部 ９…メタライズ層 １１…ハウジ
ング １５…コイルスプリング １６…外部端
子

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 一端が閉じた酸素イオン透過性固体電解
   質からなる筒状素子本体の両面に電極が形成され、少な
   くとも素子外表面に電極保護層が設けられたセラミック
   ヒータ付酸素センサ素子において、 軸方向に貫通した外気導通孔を有する棒状セラミック芯
   材と、該芯材の外周を被覆するセラミック被覆層と、前
   記芯材と被覆層との間に配設された発熱体とからなるセ
   ラミックヒータが前記素子の内部に備えられ、 係止金具が前記セラミックヒータ外周に同軸上に装着さ
   れ、且つ前記セラミックヒータの軸心と前記素子の軸心
   とが一致するように前記素子の開口部内周に係止される
   とともに、前記係止金具と素子内表面の電極とが導通さ
   れていることを特徴とするセラミックヒータ付酸素セン
   サ素子。
2. 【請求項２】 軸方向に貫通した外気導通孔を有する棒
   状セラミック芯材と、該芯材の外周を被覆するセラミッ
   ク被覆層と、前記芯材と被覆層との間に配設された発熱
   体とからなるセラミックヒータの外周に同軸上に係止金
   具を装着し、前記セラミックヒータと係止金具を固定し
   た後、一端が閉じた酸素イオン透過性固体電解質からな
   る筒状素子本体の両面に電極が形成された少なくとも素
   子外表面に電極保護層を設けたセンサ素子の開口部内周
   に、前記係止金具を前記セラミックヒータの軸心と前記
   素子の軸心とが一致するように係止することを特徴とす
   るセラミックヒータ付酸素センサ素子の製造方法。