JPS6052762A - 固体電解質型酸素センサのセンサ素子とその製造方法 - 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】 〔発明の利用分野〕 本発明は、固体電解質板と多孔質電極とを使用した固体
電解質型酸素センサのセンサ素子とその製造方法に係シ
、特に、センサ素子を加熱するヒータの電力低減を志向
した固体電解質型酸素センサのセンサ素子とその製造方
法に関するものである。

〔発明の背景〕 固体電解質型酸素センサは、たとえば、自動車の燃費を
低減することを目的として、エンジンの排気ガス中の酸
素濃度をこの固体電解質型酸素センサで測定し、その測
定値に基づいてエンジンの燃焼制御を行なうだめに使用
されている。

第１図は、従来の固体電解質型酸素センサを示す断面図
、第２図は、第１図における■矢視から見たセンサ素子
の平面部分図、第３図は、第２図における■−■断面図
である。

各図において同一番号を付したものは同一部分であ、る
。１は、下端部に多孔質電極が形成されている、固体電
解質型酸素センサのセンサ素子（詳細後述）、２は、と
のセンサ素子１の下端部の周囲に巻回して配設された、
ニクロム線、白金線などを巻いだヒータ、２ａ、２ｂは
、とのヒータ２へ電力を供給する電線、１３は、固体電
解質型酸素センサの素子ホルダ、１４は、この素子ホル
ダ１３に取付けられ、前記センサ素子１を保持する固定
治具である。前記センサ素子１は、第２，３図に示すよ
うに、積層した第１および第２の固体電解質板３，４（
たとえば、Ｙ２Ｏ３で安定化したＺｒ０２）の合わせ面
およびこの合わせ面と反対面に多孔質電極５，６．７を
形成しくたとえば、白金ペーストをスクリーン印刷によ
多形成し）、各多孔質電極５，６．７には、信号電圧取
出し配線ｓａ＋　６ａ、７ａが接続されているものであ
る。

このように構成した固体電解質型酸素センサにおいて、
多孔質電極７を被測定ガス（酸素分圧をＰ、とする）に
曝露し１、多孔質電極６の空孔内の酸素を基準ガス（酸
素分圧をＰｒとする）としく前記多孔質電極６から７へ
流れた酸素に相当する酸素量は、多孔質電極５から６へ
供給される）、前記Ｐ、とＰｒとの差を、ネルンストの
式で表わこれを前記信号電圧取出し配線５ａ、６ａ、７
ａから取出すことによって、前記被測定ガスの酸素濃度
を測定する。

このような信号電圧Ｖ、を取出すためには、第１、第２
の固体電解質板３，４中を酸素イオンが流れる必要があ
る。たとえば、前記した、Ｙ２Ｏ３で安定化したＺｒＯ
２を固体電解質板として用いた固体電解質型酸素センサ
を自動車に取付け、エンジンの燃焼制御を行なう場・６
、エンジン始動時からこの酸素センサを作動させる必要
があシ、このためには、排気ガスによってセンサ素子１
の温匿が５００Ｃ以上（通常８００Ｃ）になるまで、前
記ヒータ２によって加熱しなければならない。

ＺｒＯ２以外の固体電解質板、たとえば、ＣｅＯ２゜Ｉ
４ｆ　０２　、　Ｔ　１１０２を用いたものでも、ヒー
タによる加熱を要する点では変らない。

しかし、上述した従来の固体電解質型酸素センサは、コ
イル状に巻いたヒータ２によってセンサ素子１を加熱す
るものであるから、加熱速度が遅く、熱が有効に伝達さ
れないため、ヒータ２の消費電力が多いという欠点があ
った。また、ヒータ２とセンサ素子１との間が離れてい
るだめ、ヒータ２に同一の電力を供給していてもセンサ
素子１の温度が変化し、センサ素子１の温度制御を高精
度に行なうことができず、したがって、酸素濃度の測定
値に誤差を生ずるという問題点もあった。

〔発明の目的〕

本発明は、上記した従来技術の欠点を除去して、センサ
素子を加熱するヒータの消費成力が少なく、且つ前記セ
ンサ素子の温度制御が高精度に行なえる固体電解質型酸
素センサのセンサ素子と、このセンサ素子を製造する方
法の提供を、その目的とするものである。

〔発明の概要〕

本発明に係る固体電解質型酸素センサのセンサ素子の構
成は、第１および第２の固体電解質板を積層し、その合
わせ面およびこの合わせ面の反対面に信号電圧取出し配
線を接続した多孔質電極を配設するようにしたもののい
ずれカー　方の側に、外部と連通せしめるガス導入孔を
穿設したガス導入室を前記多孔質電極に対向して設ける
とともにその外１表面に絶縁層を介し当該絶縁層よりも
小面積で保護層を被覆されたヒータを設けるようにした
第３の固体電解質板を積層してなシ、前記ヒータによっ
て前記固体電解質板を加熱し、前記ガス導入孔から前記
ガス導入室へ流入した被測定ガスの酸素濃度に係る信号
電圧を、前記信号電圧取出し配線から取出すようにした
ものである。

また、本発明釦係る固体電解質型酸素センサのセンサ素
子の製造方法の構成は、信号電圧取出し配線が接続され
た多孔質電極を両面に形成した第１゛の固体電解質板の
グリーンシートと、信号電圧取出し配線が接続された多
孔質電極を片面に形成した第２の固体電解質板のグリー
ンシートと、−面に絶縁層を形成し、他面にガス導入孔
と連通してガス導入室を設けた第３の固体電解質板のグ
リーンシートとの３枚のグリーンシートを用い、これら
のうちの多孔質電極を形成した前記２枚のグリーンシー
トを、多孔質電極とグリーンシートとが交互になるよう
に重ね、さらに、外側に出た多孔質電極のいずれか一方
と前記ガス導入室とが対向するように、前記第３の固体
電解質板を積層して焼結したのち、前記絶縁層上に、こ
の絶縁層よシも小面積のヒータを形成し、つぎにこのヒ
ータ上に保護層を形成するようにしたものである。

〔発明の実施例〕

実施例の説明に入るまえに、本発明の固体電解質型酸素
センサのセンサ素子とその製造方法に係る基本的事項を
、第４，５図を使用して説明する。

第４図は、本発明の固体電解質型酸素センサのセンサ素
子の製造方法に係る基本的事項を説明するためのもので
あり、従来のセンサ素子（グリーンシートの状態）に、
さらに第３の固体電解質板のグリーンシートを積層した
状態を示す断面図、第５図は、本発明に係るセンサ素子
を、第２図に示した従来のセンサ素子の１１−１［断面
に相当する位置で断面しだ略示断面図である。

センサ素子を効率よく加熱するためには、ヒータを該セ
ンサ素子と一体に形成すればよい。これを実施するため
の構成としては、第３図に示す従来のセンサ素子（グリ
ーンシートの状態）の上に、第４図に示すように、さら
に第３の固体゛電解質板８のグリーンシートを積層し、
その上にヒータを形成すればよいことになる。この第３
の固体電解質板８のグリーン７−トは、焼結後の固体電
解質板４との密着性、および使用製置サイクルによる合
わせ面９のはがれ防止の点から、前記第１，２の固体電
解質板３，４と同じ材質のものを用いる。

ただし、この固体電解質板８のグリーンシートの上に直
接ヒータを形成したのでは、とのヒータに電流を流し加
熱する際に、ヒータ配線間に生じる電位差で酸素イオン
の移動が生じ、固体電解質板８が還元されるので、これ
を防止するために、ヒータ１１と、固体電解質板８との
間に絶縁層１０を設けるようにしだ。そして、ヒータ１
１上に保護層１２を設けるようにしたものである。

このセンサ素子ＩＡの製造方法について言及すれば、生
産性の点からは、固体電解質板８のグリーンシート上に
絶縁層１０をスクリーン印刷法で形成し、ついでヒータ
１１を同様の方法で形成したのち、保護層１２を設けて
一体焼結するのが良い。しかし絶縁層１０．保護層１２
復なり得る材料は、一般にいわゆるセラミック材料（固
体電解特性を有しない）であるので、これらを一体焼結
した場合、ヒータ１１の焼結収縮量が最も大きく、焼結
時ヒータ１１が断緋するおそれがある。これを防ぐには
、それぞれの材料組成を調整して焼結性を合せれば良い
が、この方法はかなシ困難である。

そこで、本発明に係る製造方法は、多孔質電極５．６を
形成した第１の固体電解質板３のグＩＪ　−ンシートと
、多孔質電極７を形成した第２゛の固体電解質板４のグ
リーンシートと、絶縁層１０を形成した第３の固体電解
質板８のグリーンシートからなる３枚のグリーンシート
を積層して焼結したのち、ヒータ１１を印刷し、焼結し
たのち、さらに保護層１２を形成することにした。この
ような方法によって製造することによシ、ヒータ１１は
単独で焼結されるので、断線のおそれは全くないもので
ある。

以下、本発明を実施例によって説明する。

再び第５図を使用して、本発明の一実施例に係る固体電
解質型酸素センサのセンサ索子を説明する。このセンサ
素子ＩＡは、積層した第１および第２の固体電解質板３
　、４　（Ｙ２Ｏ３で安定化したＺｒ０ｚ）の合わせ面
およびこの合わせ面と反対面に、信号電圧取出し配線が
接続された多孔質電極６および５，７を配設し、この−
刃側に第３の固体電解質板８（材質は、前記固体電解質
板３゜４と同じ）を積層し、この第３の固体電解質板８
の積層側の面に係る合わせ面９の多孔質電極７と対向す
る位置にガス導入室１５を穿設し、このガス導入室１５
と外部とを連通せしめるガス導入孔１６を穿設し、該第
３の固体電解質板８の外表面に、絶縁層１０　（’１Ａ
ｔｚ０３　を主成分とするベースト状のものをスクリー
ン印刷法によ多形成）を介してこの絶縁層１０よシも小
面積のヒータ１１（白金ペーストをスクリーン印刷法に
より形成）を配設し、このヒータ１１を被覆して保獲す
る保護層１２（アルミナ）を設けたものである。

このように構成した固体電解質型酸素センサのセンサ素
子ＩＡを被測定ガスに曝露しこれをＯＮにすれば、被測
定ガスの温度が、予め設定した８００Ｃになるまではヒ
ータ１１に通電され、このヒータ１１によってセンサ素
子ＩＡが有効に加熱され、ガス導入孔１６からガス導入
室１５へ流入した被測定ガスの酸素濃度を、被測定ガス
の温度にかかわらず容易に、高精度に測定することがで
きる。

以上説明した本実施例のセンサ素子ＩＡの効果を、第６
図を使用して説明する。

第６図は、第５図に係る固体電解質型酸素センサのヒー
タ加熱特性図である。この第６図から明らかなように、
センサ素子ＩＡの温度を８００Ｃにまで加熱するに要す
る消費電力は約８Ｗであり、第１図に係る従来の固体電
解質型酸素センサの場合の約１００Ｗに比較して、約１
／１３に低下する。

また、ヒータ１１とセンサ素子ＩＡとの間に隙間がなく
一体であるため、センサ素子ＩＡの温度制御の精度が±
２０Ｃから±５０に向上し、このため酸素濃度測定の精
度が約４倍に向上するという効果もある。

なお、本実施例のセンサ素子ＩＡは、固体電解質板３，
４．８としテＹ２Ｏ３で安定化Ｚ　ｒ　０２を用いたが
、固体電解質板の材料は、これに限るもノテはなく、た
とえばＣｅＯ２，ＨｆＯ２゜Ｔ　ｈ　Ｏ２でもよい。さ
らに、ヒータ１１として白金ペーストラ用いたが、この
ほかロジウム、白金−ロジウム合金などの材料を用いて
もよい。まだ、絶縁層１０．保護層１２の材料としては
、ムライト（Ａｔ２０ａ　ＳｊＯ寒化金化合物どを用い
てもよい。

次に、前記した第５図に係る固体電解質型酸素センサの
センサ素子の製造方法を、第７図を使用して説明する。

第７図は、本発明の一実施例に係る固体電解質型酸素セ
ンサのセンサ素子の製造工程図である。

この第７図において、第５図と同一番号を付したものは
同一部分である。

Ｙ　２０　ｇで安定化したＺｒｏ２粉末に、有機結合剤
、可塑剤、有機溶剤などを加えてスラリー状にし１、こ
のものからドクターブレード法のスリップキャスティン
グによりシート状のグリーンシート（厚さ０．２５ｍ）
を作成し、これを所定の寸法に切断した第１の固体電解
質板３のグリーンシートの両面に、白金粉末を有機溶剤
でペースト状にした白金ペーストをスクリーン印屈１１
炉で印顯１１イ信号電圧取出し配Ｍ５ａｒ６ａ付きの多
孔質電極５，６を形成する。同様にして、前記第１の固
体電解質板３のグリーンシートと同一材料、同一寸法の
第２の固体電解質板４のグリーンシートを作成し、この
片面に、前記多孔質電極５，６と同一材料、同一方法で
信号電圧取出し配＋Ｉｍ７　ａ＋Ｊきの多孔質電極７を
形成する。また、前記第１，２の固体電解質板３，４の
グリーンシートと同一材料で、ガス導入孔１６と連通し
てガス導入室１５を設けた第３の固体電解質板８のグリ
ーン７−トを作成（７、これの前記ガス導入室１５を形
成したと反対面に、Ａｔ２０３を主成分としてタルク、
クレイの焼結助剤からなる混合粉末を有機溶剤でペース
ト状にした材料を、前記ガス導入孔１６を避けて、スク
リーン印刷法で印刷し、絶縁層１０を形成する。

このように用意した３枚のグリーンシートのうちの多孔
質電極５，６．．７を形成した第１，２の固体電解質板
３，４のグリーンシートを、多孔質電極とグリーン７−
トとが交互になるように重ね、さらに、外側に出た多孔
質電極７と前記ガス導入室１５とが対向するように、第
３の固体電解質板８を積層する。

積層したものは、１−２０ｔｌ？、ｓｏ気圧の条件でホ
ットプレスによシ密着されたのち、１５００ＣＸ２’ｈ
　ｒの雰囲気で焼結された。この後、前記絶縁層１０上
に、この絶縁層１０より幅、長さとも約１咽小さい（焼
結後の寸法）パターンで、゛厚さ２０μｍのヒータ１１
が、白金ペーストでスクリーン印刷法で印刷され、１５
００ＣＸ１　ｂ　ｒの大気雰囲気で焼結された。さらに
、ヒータ１１の上に、厚さ約２０μｍのアルミナの保護
層１２が、前記ガス導入孔１６を避けて、スクリーン印
刷法で印刷され、１５００ＵＸ１　ｈ　ｒの大気雰囲気
で焼結され、所望のセンサ素子ＩＡが得られた。

以上説明した本実施例のセンサ素子の製造方法によれば
、第１．２．３の固体電解質板３，４゜８を積層して、
その上に、絶縁層１０を介して、ヒータ１１．保護層１
２を、それぞれスクリーン印刷法で印刷し、これを焼結
するようにしたので、第１図に係る従来の固体電解質型
酸素センサのようにヒータを別に取付ける必要がないの
で、固体電解質型酸素センサの製造が容易になシ、また
、ヒータ１１を単独で焼結したので、製造過程でヒータ
１１が断線するおそれは全くない、という効果がある。

なお、本実施例のセンサ素子の製造方法は、ヒータｌＯ
を、スクリーン印刷法で印刷してこれを焼結して形成す
るようにしたが、スクリーン印刷法に限るものではなむ
蒸着で形成してもよい。

また、ヒータ１０の保護層１２を、スクリーン印刷法で
印刷してこれを焼結して形成するようにしたが、スクリ
ーン印刷法に限るものではなく、たとえば、スパッタリ
ングで形成してもよい。

〔発明の効果〕

“以上詳細に説明したように本発明によれば、センサ素
子を加熱するヒータの消費電力が少なく、且つ前記セン
サ素子の温度制御が高精度に行なえる固体電解質型酸素
センサのセンサ素子と、このセンサ素子の製造方法を提
供することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は、従来の固体電解質型酸素センサを示す断面図
、第２図は、第１図におけるＨ矢視から見たセンサ素子
の平面部分図、第３図は、第２図におけるｌｌｌ−ｌｌ
ｌ断面図、第４図は、本発明の固体電解質型酸素センサ
のセンサ素子の製造方法に係る基本的事項を説明するだ
めのものであり、従来のセンサ素子（グリーンシートの
状態）に、さらに第３の固体電解質板のグリーンシート
を積層した状態を示す断面図、第５図は、本発明に係る
センサ素子を、第２図に示した従来のセンサ素子のＩＩ
Ｉ−ＩＩＩ断面に相当する位置で断面した略示断面図、
第６図は、第５図に係る固体電解質型酸素センサのヒー
タ加熱特性図、第７図は、本発明の一実施例に係る固体
電解質型酸素センサのセンサ素子の製造工程図である。 ＩＡ・・・センサ素子、３・・・第１の固体電解質板、
４・・・第２の固体電解質板、５，６．７・・・多孔質
電極、５ａ、６ａ、７ａ・・・信号電圧取出し配線、８
・・・第３の固体電解質板、９・・・合わせ面、ｌＯ・
・・絶縁層、１１・・・ヒータ、１２・・・保獲層、１
５川ガス導入室、１６・・・ガス導入孔。 代理人　弁理士　福田幸作□１．；、ｊ：（ｔｔ　７）
、□４）・−・１″ｌ ｌ第 １２　固 窮３０ ５！Ｌ 茅　６　目］ ヒーク消貫宙力（Ｗ） 第１０

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、第１および第２の固体電解質板を積層し、その合わ
   せ面およびこの合わせ面の反対面に信号電圧取出し配線
   を接続した多孔質電極を配設するようにしたもののいず
   れか一方の側に、外部と連通せしめるガス導入孔を穿設
   したガス導入室を前記多孔質電極に対向して設けるとと
   もにその外表面に絶縁層を介し当該絶縁層よシも小面積
   で保護層を被覆されたヒータを設けるようにした第３の
   固体電解質板を積層してなり、前記ヒータによって前記
   固体電解質板金加熱し、前記ガス導入孔から前記ガス導
   入至へ流入した被測定ガスの酸素濃町に係る信号電圧を
   、前記信号電圧取出し配線から取出すようにしたことを
   特徴とする固体電解質型酸素センサのセンサ素子。 ２、信号電圧取出し配線が接続された多孔質電極を両面
   に形成した第１の固体電解質板のグリーンシートと、信
   号電圧取出し配線が接続された多孔質電極を片面に形成
   した第２の固体電解質板のグリーン７−トと、−面に絶
   縁層を形成し、他面にガス導入孔と連通してガス導入室
   を設けた第３の固体電解質板のグリーンシートとの３枚
   のグリーンシートを用い、これらのうちの多孔質電極を
   形成した前記２枚のグリーンシートを、多孔質電極とグ
   リーンシートとが交互になるように重ね、さらに、外側
   に出た多孔質電極のいずれか一方と前記ガス導入室とが
   対向するように、前記第３の固体電解質板を積層して焼
   結したのち、前記絶縁層上に、この絶縁層よシも小面積
   のヒータを形成し、つぎにとのヒータ上に保護層を形成
   するようにしたことを特徴とする固体電解質型酸素セン
   サのセンサ素子の製造方法。 ３、ヒータを、スクリーン印刷法で印刷してこれを焼結
   することによシ形成するようにしたものである特許請求
   の範囲第２項記載の固体電解質型酸素センサのセンサ素
   子の製造方法。 ４、ヒータを、蒸着によって形成するようにしたもので
   ある特許請求の範囲第２項記載の固体電解質型酸素セン
   サのセンサ素子の製造方法。 ５、保護層を、スクリーン印刷法で印刷してこれを焼結
   することによ多形成するようにしたものである特許請求
   の範囲第２項記載の固体電解質型酸素センサのセンサ素
   子の製造方法。 ６、保護層を、スパッタリングで形成するようにしだも
   のである特許請求の範囲第２項記載の固体電解質型酸素
   センサのセンサ素子の製造方法。