JPS62115354A - 酸素センサ - 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】 本発明は燃焼ガスの組成、特に酸素濃度の検出に好適な
加熱ヒータ付の酸素センサ部の構造に関するものである
。

〔発明の背景〕

従来、酸素イオン伝導性固体電解質内に拡散する酸素の
ポンプ現象によって生ずるポンプ電流から酸素濃度を測
定する酸素センサが知られている。

この板状の外形を有する酸素センサは例えば特開昭６０
−１０２５４７号公報に記載されているように、ヒータ
を含む絶縁層は、センサの検出部の電極を含む酸素イオ
ン伝導性固体電解質であるジルコニア層と接している。

この構造ではヒータで発生した熱が、絶縁層内を伝導し
て検出部に伝わるため、検出部は急速に温度上昇し、ジ
ルコニア層が活性化され、酸素検出感度を上げることが
出来るが、ジルコニア層とヒータが埋設されている絶縁
層とでは熱膨張係数が異なること、及び、絶縁層の板厚
方向および板側壁方向内で温度分布が不均一であると、
ヒータに通電した状態で、冷えた空気がセンサパッケー
ジに当るような厳しい温度条件下ではセンサパッケージ
が破損する等の問題点を有する。

この破損状況を以下説明する。第３図〜第５図は従来の
酸素センサ部を示し、ヒータ６を埋設する絶縁層５と基
準電極３と測定電極４を配設したジルコニア層１は接合
されている。上記測定電極４はジルコニア層内に空所を
形成した拡散室２内に、また基準電極３はジルコニア層
の上壁面に配設されている。上記拡散室２は通路２ａを
介し側壁面に連通している。上記基準電極３．Ｆｆｓ定
電極電極４ヒータ６は厚さ方向にほぼ同位置に平行に配
置されている。ヒータ６が加熱されるとヒータ６の温度
分布が一様でも熱膨張差により絶縁層５とジルコニア層
１の境界接合部で応力が生じる。

更に、ヒータ６の温度は、厚さ方向、中方向、長手方向
に伝導していき、パッケージの上記接合部は、そりや、
伸び変形による応力が加算された状態になる。そのなか
でも、応力が大きい箇所は変形を拘束している端部５Ｑ
の部分であり、破損もこの部分に集中する。その理由は
、ヒータ６と底面までの厚さ５ｂが１例として０．２　
ｍであり、巾全体寸法は５．２　閣であるのに対し、端
部ＩＱの寸法は１ｍ＋を超える大きな値であるため、絶
縁層５の温度分布は不均一となり、特に巾方向において
、中央部と端部５Ｑ部分で温度差が大きくなり、中央部
の熱膨張を端部５Ｑで押えることになり端部５Ｑの引張
り応力を高めることになり接合部の亀裂破損につながる
。

〔発明の目的〕

本発明は上記に鑑みて発明されたもので、酸素センサの
感度を上げるため内蔵ヒータを加熱してもセンサパッケ
ージが破損することがない酸素やセンサを提供すること
を目的とする。

〔発明の機要〕

上記目的を達成するため本発明は、加熱ヒータを埋設す
る板状絶縁層を、ヒータがらジルコニア層までの厚さ寸
法と、ヒータがら絶縁層の外表面までの寸法をほぼ等し
く形成することにより、加熱温度の分布を均一化し、熱
応力の集中個所を無くした特徴を有する。

〔発明の実施例〕

以下本発明の酸素センサの一実施例を第１図を参照して
説明する。

酸素イオン伝導性固体電解質として、状板の、例えばジ
ルコニア層１１には内部に広容積の拡散室１２が形成さ
れ、この拡散室１２は外部雰囲気と通路１２ａを介し連
通している。上記ジルコニア層１１の壁部１１ａの外表
面には基準電極１３が、また拡散室１２の上壁には測定
電極１４が対向状に配設されている。また、ジルコニア
層１２の下面には白金で形成された抵抗体のヒータ１６
を埋設した板状の絶縁層１５が接合されている。

上記基準電極１３及び測定電極１４は白金ペーストをジ
ルコニア層１１の表面にスクリーン印刷法で形成される
。

上記構造の酸素センサは、酸素を含有する被測定ガス内
に配置すると、このガスは基準電極１３に接する共に、
拡散室１２を経て測定電極１４に接する。上記ガスは両
型Ｖｉ１３，１４を通過し、ジルコニア層１１に拡散さ
れ、これに見合うポンプ電流を発生し、この電流値を両
電極１３．１４を介し検知し酸素濃度を検出する。また
ジルコニア層は、下面のヒータ１６にて加熱され、上記
ガスの拡散作用を活発に行い検出感度を向上する様に形
成されている。

しかして、本実施例は、上記絶縁層１５はヒータ１６よ
りジルコニア層１１までの境界厚さ１５ａおよび下表面
までの厚さ１５ｂを例えば０．２　ｎａとし、また、端
部に近いヒータ１６ａと側壁までの間隔１５Ωを同様に
０．２　ｍに形成している。

このように絶縁層１５をヒータ１６がらジルコニア層ま
での境界厚さ１５ａ、下壁面までの厚さ１５ｂおよび側
壁までの距離１５１２を等距離に形成しているため、絶
縁層１５の中央部と周辺部との間で温度差が減少し、絶
縁層１５内の温度分布が均一化し、不均一性による応力
の集中個所が無くなり、絶縁層１５とジルコニア層１１
との接合部の曲げ応力、即ち熱応力が低下し、該接合部
がら発生する。亀裂破損が無くなる。

第２ｒｙｉは本発明の他の実施例を示し、この実施例が
第１図の実施例と相違するところは、絶縁層２５の下縁
コーナ一部２５ｃを切欠いて回部をほぼ４５°に斜めに
形成したことである。その他の部分は第１図の実施例と
同様である。この実施例は絶縁層２５のコーナ一部が欠
切されているため、端部ヒータ１６ａを自由表面に近づ
け、このコーナ一部の加熱を不必要とし絶Ｒ層２５の温
度分布を一層均一化している。

〔発明の効果〕

以上説明したように本発明によれば、ジルコニア層とヒ
ータを埋設した絶縁層との接合部の加熱温度の分布は均
一化され、上記接合部の熱応力低下により亀裂破損を防
止することが出来る。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例を示す酸素センサの縦断面図
、第２図は酸素センサの他の実施例を示す縦断面図、第
３図は従来の酸素センサを示す斜視図、第４図は第３図
における電極位置の縦断面図、第５図は第３図における
絶縁層の厚さ方向の中間部の横断面図である。 １１・・・ジルコニア層、１２・・・拡散室、１３・・
・基準電極、１４・・・測定電極、１５・・・絶縁層、
１６・・・ヒータ、２５・・・絶縁層。

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. １．酸素イオン伝導性固体電解質層の表面に測定電極と
   基準電極を形成し、上記電解質肩の反基準電極側壁面に
   ヒータを埋設した絶縁層を接合し、被測定ガスを上記両
   電極に接触せしめ、上記固体電解質層内に酸素を拡散せ
   しめ、且つヒータにて加熱し、上記拡散を増加せしめ酸
   素濃度を検出する酸素センサにおいて、加熱ヒータを埋
   設する板状絶縁層をヒータから電解質層までの厚さとヒ
   ータから絶縁層の外表面までの厚さをほぼ等しくしたこ
   とを特徴とする酸素センサ。
2. ２．ヒータから絶縁層の下表面と側壁面までの厚さ距離
   を等しくした特許請求の範囲第１項記載の酸素センサ。
3. ３．絶縁層の下縁コーナ部を斜めに切欠した特許請求の
   範囲第１項または第２項記載の酸素センサ。