JPH09229900A - 酸素センサのヒータ構造 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】窒化珪素よりなるヒータから昇華する珪素が電
極に付着して電極の有効面積を減少させることを防止す
る。 【解決手段】酸素センサ１は酸素に反応する筒状の素子
４と、その素子４の内外両側面にそれぞれ設けられた白
金よりなる内電極７及び外電極８と、素子４の内部に配
置され、自身が昇温することにより素子４を加熱する窒
化珪素よりなるヒータ５とを備える。内電極７と対向す
るヒータ４の表面に設けられた被覆層１０は、内電極７
と同じ白金よりなる。従って、ヒータ５の昇温時にはヒ
ータ５を構成する珪素が昇華して内電極７に付着するこ
とはない。ヒータ５の昇温時に被覆層１０の白金が昇華
したとしても、内電極７と同じ物質よりなる白金が同電
極７に付着することになる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は、酸素に反応する
素子を有し、その素子の反応に基づいて酸素濃度を検出
する酸素センサに係る。詳しくは、素子を加熱するため
に酸素センサに設けられたヒータの構造に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来より、エンジンの空燃比を制御する
ために使用される酸素センサがある。図５は酸素センサ
の一例を示す。この酸素センサは金属製のハウジング２
１と、そのハウジング２１に取り付けられた素子２２
と、素子２２を加熱するためのヒータ２３と、素子２２
を覆うカバー２４とを備える。試験管形状をなす素子２
２はヒータ２３を内包する。カバー２４は複数の通気孔
２４ａを有する。素子２２はジルコニアを材料として焼
結されることにより得られる。素子２２の内周面及び外
周面を覆う電極２５，２６は白金よりなり、多孔質をな
す。素子２２の外側が酸素を含む気体に曝されることに
より、両電極２５，２６の間には、気体中の酸素濃度の
大きさに応じた電圧（又は電流）が生じる。

【０００３】ここで、素子２２の出力特性は、温度条件
に依存する。素子２２は所定温度で活性化することによ
り、安定した出力を示す。従って、酸素センサをある時
点から早期に使用したい場合には、素子２２を早期に活
性化させる必要がある。ヒータ２３の一つの役割は、こ
のような場合に素子２２を積極的に加熱することであ
る。

【０００４】素子２２を早期に活性化させるためには、
ヒータ２３自身の温度上昇を速める必要がある。ヒータ
２３自身の昇温速度を大きくした場合、ヒータ２３が大
きな熱衝撃を受けるおそれがある。この熱衝撃を緩和す
るために、ヒータ２３の材料として熱膨張係数の小さい
窒化珪素（Si₃N₄)が好適である。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】ところが、上記のヒー
タ２３を窒化珪素製とした場合、ヒータ２３が高温（例
えば「１１００℃」程度の温度）になった場合、その窒
化珪素の一成分である珪素(Si)が昇華し始める。更に、
昇華した珪素が二酸化珪素(SiO₂)となって、素子２２の
内側の電極２５の表面に付着することにより、その電極
２５の有効面積が減少することになる。この有効面積の
減少に起因して、酸素センサの出力特性が変わり、セン
サの検出精度が低下するおそれがある。

【０００６】この発明は前述した事情に鑑みてなされた
ものであって、その目的は、内外両側面に電極を付着し
てなる筒状の素子と、その内側に配置された窒化珪素よ
りなるヒータとを備えた酸素センサにおいて、ヒータか
ら珪素が昇華してその珪素が電極に付着して電極の有効
面積を減少させることのない酸素センサのヒータ構造を
提供することにある。

【０００７】

【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
めに、請求項１に記載の第１の発明では、酸素に反応す
る筒状の素子と、その素子の内外両側面にそれぞれ設け
られた電極と、素子の内部に配置され、自身が昇温する
ことにより素子を加熱する窒化珪素よりなるヒータとを
備えた酸素センサのヒータ構造において、ヒータが昇温
するときに同ヒータから珪素が昇華することを抑止する
ための抑止手段を設けたことを趣旨とする。

【０００８】上記の構成によれば、ヒータの昇温時に珪
素の昇華が抑止されることから、その珪素が電極に付着
することはない。上記の目的を達成するために、請求項
２に記載の第２の発明では、第１の発明の構成におい
て、抑止手段は、前記素子の内側面に設けられた電極と
同じ成分をなす物質により前記ヒータの表面を被覆する
ことであることを趣旨とする。

【０００９】上記の構成によれば、ヒータの昇温時にそ
の表面に被覆された物質が昇華したとしても、電極と同
じ物質が電極に付着することになる。

【００１０】

【発明の実施の形態】以下、前記第１及び第２の発明に
係る「酸素センサのヒータ構造」を具体化した一つの実
施の形態を図面を参照して説明する。

【００１１】図１はこの実施形態における自動車用エン
ジン（図示しない）に適用される酸素センサ１の主要構
造を示す。この酸素センサ１は、いわゆる限界電流式の
ものである。排気管２に取り付けられるセンサ１は、エ
ンジンの空燃比を制御するために使用される。このセン
サ１は金属製のハウジング３と、そのハウジング３の内
部に取り付けられた素子４と、その素子４を加熱するた
めのヒータ５とを備える。ハウジング３はフランジ６を
含み、そのフランジ６によりセンサ１が排気管２に取り
付けられる。試験管形状をなす素子４はヒータ５を内包
する。ハウジング３はその中間部に段部３ａを有する。
この段部３ａにおいてハウジング３が素子４の外周面と
接することにより、両者３，４の間がシールされる。こ
こで、段部３ａの下側に位置するハウジング３の一部
を、便宜上、ハウジング３の検出部３ｂと称する。同様
に、段部３ａの下方に位置する素子４の一部を、便宜
上、素子４の検出部４ａと称する。

【００１２】ハウジング３はその検出部３ｂに複数の通
気孔３ｃを有する。素子４はジルコニアを材料として焼
結されたものである。素子４の検出部４ａの内周面及び
外周面の一部に付着された内電極７及び外電極８は白金
を材料とし形成され、多孔質をなす。外電極８を覆うよ
うに検出部４ａの外周面に付着された抵抗層９は、素子
４を通過する酸素の拡散を抑える。この抵抗層９は、ス
ピネール(MgO・Al₂O₃)を溶射により５００μｍ程度の厚
さに形成することにより得られる。

【００１３】素子４の検出部４ａの外周が酸素を含む排
気ガスに曝されることにより、そのガス中の酸素濃度の
大きさに応じ、両電極７，８の間には、両電極７，８の
間に印加される電圧に応じた電流が生じる。図２に示す
ように、空燃比がリーンのとき、即ち酸素濃度が相対的
に大きいときには、素子４はその外側から内側へ酸素
（Ｏ₂ ）を送る。空燃比がリッチのとき、即ち酸素濃度
が相対的に小さいときには、素子４はその内側から外側
へ酸素を送る。この酸素の移送に伴い、両電極７，８の
間に、印加電圧に対する限界電流が生じる。図３はその
印加電圧に対する限界電流の関係を示すグラフである。
このグラフにおいて、リッチ時の実線は、製造直後、即
ち使用初期における特性を示す。リッチ時の破線は、従
来のセンサに係り、所定期間経過後、即ち使用耐久後の
特性を示す。酸素センサ１は限界電流値を空燃比がリッ
チ又はリーンであることを示す検出値として出力する。

【００１４】ヒータ５は発熱可能な導電パタンを内蔵
し、電気的に駆動されるものであり、自身が昇温するこ
とによって素子４を加熱する。このヒータ５は自身の昇
温速度を大きくすると共に、昇温による熱衝撃を緩和す
るために、熱膨張係数の小さい窒化珪素（Si₃N₄)を材料
として形成される。内電極７に対向するヒータ５の一部
表面を被覆する被覆層１０は、内電極７と同一成分をな
す物質、即ち白金より形成される。被覆層１０がヒータ
５の一部、即ち内電極７に対向する部分のみに設けられ
るのは、ヒータ５の内部の導電パタンの配置に対応させ
たことによる。この被覆層１０は、ヒータ５が昇温する
ときに、同ヒータ５から珪素が昇華することを抑止する
ための本発明の抑止手段に相当する。

【００１５】被覆層１０は、いわゆる「メタライジン
グ」によるものである。即ち、ヒータ５の表面の所定位
置に白金ペーストを塗布し、その後にヒータ５を「約９
００℃」に昇温させてその状態を１時間保つことによ
り、白金ペーストをヒータ５の表面に焼き付ける。ヒー
タ５の表面に対する白金の「メタライジング」の方法と
しては、白金メッキも有効である。しかし、ある程度の
厚み、例えば「約２μｍ以上」を得るためには、白金メ
ッキでは時間がかかり過ぎる。この点、上記焼き付け方
法はある程度の厚みを簡易に得られる点で有利である。

【００１６】ヒータ５は素子４を早期に加熱して活性化
させるために使われる。或いは、ヒータ５は、不安定な
温度条件下で素子４の温度を所要値に保つために素子４
を加熱するために使われる。ヒータ５は自身を構成する
窒化珪素中の珪素が昇華し得る「１１００℃」程度の温
度まで昇温される。

【００１７】この実施形態の構成によれば、ヒータ５が
「１１００℃」程度の温度まで昇温されたときでも、同
ヒータ５からの珪素の昇華が被覆膜１０により抑止さ
れ、その珪素を含む二酸化珪素が白金よりなる内電極７
に付着することはない。この意味から、内電極７の表面
に同電極７とは成分の異なる物質が付着して内電極７の
有効面積を減少させることを防止することができる。こ
の結果、空燃比がリッチであるときの酸素センサ１の出
力特性を長期間にわたって使用初期の状態に保つことが
でき、酸素センサ１の検出精度の低下を長期間にわたっ
て防止することができる。

【００１８】図４はヒータを「１１００℃」をもって長
期間（５００時間）駆動したときに、酸素センサが出力
するリッチ時の空燃比に対応する限界電流値の変化を示
すグラフである。このグラフは、従来の酸素センサによ
る結果と、本実施形態の酸素センサ１による結果とを示
す。このグラフからも明らかなように、本実施形態の酸
素センサ１によれば、５００時間が経過しても限界電流
値に殆ど変化がないことが分かり、従来の酸素センサに
よるものと比較して極めて有利なことが明らかである。

【００１９】この実施形態の構成によれば、ヒータ５の
昇温時にその表面から物質が昇華したとしても、珪素で
はなく被覆層１０を構成する白金が昇華し、その白金が
内電極７に蒸着されることになる。このため、内電極７
に付着する白金が内電極７と同じ成分をなすことから、
内電極７の有効面積が減少すること防止することができ
る。空燃比がリッチであるときのセンサ１の出力特性を
長期間にわたって使用初期の状態に保つことができ、セ
ンサ１の検出精度の低下を長期間にわたって防止するこ
とができる。更には、内電極７に蒸着した白金が内電極
７を補強することになり、内電極７が高温条件下で凝集
により劣化することを抑えることができる。

【００２０】この実施形態では、両電極７，８を素子４
の検出部４ａの一部に設けただけなので、両電極７，８
に使われる白金の量を節約することができる。この実施
形態では、内電極７の大きさに合わせてヒータ５の表面
の一部に被覆層１０を設けただけなので、被覆層１０に
使われる白金の量を節約することができる。

【００２１】尚、この発明は次の別の実施形態に具体化
することもできる。以下の別の実施形態においても、前
記実施形態と同等の作用及び効果を得ることができる。 （１）前記実施形態では、内電極７と同じ白金よりなる
被覆層１０をヒータ５の表面に設けることを抑止手段と
した。これに対し、素子の内部に空気を循環させること
を抑止手段として、ヒータの表面から昇華する珪素が内
電極に付着することを抑止することもできる。或いは、
ヒータと内電極との間にメッシュ状の遮蔽物を配置する
ことを抑止手段として、ヒータの表面から昇華する珪素
が内電極に付着することを抑止することもできる。或い
は、ヒータの温度をヒータから珪素が昇華することのな
いように制御することを抑止手段として、ヒータの表面
から昇華する珪素が内電極に付着することを抑止するよ
うにしてもよい。

【００２２】（２）前記実施形態では、外電極８の表面
に抵抗層９を設けたが、これを省略することもできる。 （３）前記実施形態では、素子４の検出部４ａの一部に
内電極７及び外電極８を設けた。これに対し、素子４の
検出部４ａの全体に内電極７及び外電極８を設けてもよ
い。

【００２３】（４）前記実施形態では、素子４の検出部
４ａに対向するヒータ５の表面の一部に被覆層１０を設
けた。これに対し、素子４の検出部４ａに対向するヒー
タ５の全体に被覆層１０を設けてもよい。

【００２４】更に、各実施形態には、特許請求の範囲に
記載した技術的思想に係る次のような各種の実施態様が
含まれることを、以下にその効果と共に記載する。 （イ）請求項２に記載の発明において、前記素子の内外
両側面に設けられる電極を白金より形成したことを特徴
とする。

【００２５】この構成によれば、素子内側の電極に付着
する白金がその電極と同じ成分をなすことから、電極の
有効面積が減少すること防止することができる。電極に
付着した白金が電極の温度耐久性を高めることができ
る。

【００２６】（ロ）請求項１又は２に記載の発明におい
て、前記素子の内外両側面に設けられる電極を白金によ
り形成し、その電極を素子の一部に限定して配置したこ
とを特徴とする。

【００２７】この構成によれば、電極に使われる白金の
量を節約することができる。 （ハ）請求項２に記載の発明において、前記素子の内外
両側面に設けられる電極を白金により形成し、その電極
を素子の一部に限定して配置すると共に、その電極に対
向するヒータの表面に限定して同表面に白金を被覆した
ことを特徴とする。

【００２８】この構成によれば、ヒータの表面を被覆す
るために使われる白金の量を節約することができる。

【００２９】

【発明の効果】請求項１に記載の第１の発明によれば、
内外両側面に電極を付着してなる筒状の素子と、その内
側に配置された窒化珪素よりなるヒータとを備えた酸素
センサにおいて、ヒータが昇温するときに同ヒータから
珪素が昇華することを抑止するための抑止手段を設けて
いる。

【００３０】従って、ヒータの昇温時に珪素の昇華が抑
止されることから、その珪素が電極に付着することはな
い。このため、ヒータから珪素が昇華してその珪素が電
極に付着して電極の有効面積を減少させることを防止す
ることができる。延いては、センサの出力特性を長期間
にわたって使用初期の状態に保つことができるという効
果を発揮する。

【００３１】請求項２に記載の第２の発明によれば、第
１の発明の構成において、抑止手段を、素子の内側面に
設けられた電極と同じ成分をなす物質によりヒータの表
面を被覆することとしている。

【００３２】従って、ヒータの昇温時にその表面に被覆
された物質が昇華したとしても、電極と同じ物質が電極
に付着することになる。このため、ヒータから珪素が昇
華してその珪素が電極に付着して電極の有効面積を減少
させることを防止することができ、素子の内側面に設け
られた電極の耐久性を高めることができる。延いては、
センサの出力特性を長期間にわたって使用初期の状態に
保つことができるという効果を発揮する。

【図面の簡単な説明】

【図１】 一実施形態に係る酸素センサの主要構造を示
す断面図。

【図２】 酸素センサの一部を破断して示す断面図。

【図３】 印加電圧に対する限界電流の関係を示すグラ
フ。

【図４】 リッチ時の空燃比に対応する限界電流値の変
化を示すグラフ。

【図５】 従来の酸素センサの主要構造を示す断面図。

【符号の説明】

１…酸素センサ、４…素子、５…ヒータ、７…内電極、
８…外電極、１０…白金よりなる被覆層。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 酸素に反応する筒状の素子と、その素子
   の内外両側面にそれぞれ設けられた電極と、前記素子の
   内部に配置され、自身が昇温することにより前記素子を
   加熱する窒化珪素よりなるヒータとを備えた酸素センサ
   のヒータ構造において、 前記ヒータが昇温するときに同ヒータから珪素が昇華す
   ることを抑止するための抑止手段を設けたことを特徴と
   する酸素センサのヒータ構造。
2. 【請求項２】 請求項１に記載の酸素センサのヒータ構
   造において、 前記抑止手段は、前記素子の内側面に設けられた電極と
   同じ成分をなす物質により前記ヒータの表面を被覆する
   ことであることを特徴とする酸素センサのヒータ構造。