KR100686667B1

KR100686667B1 - 산소 농도 검출 소자

Info

Publication number: KR100686667B1
Application number: KR1020050004415A
Authority: KR
Inventors: 사까이쇼이찌; 이찌야나기후또시; 오노즈까준지; 마쯔모또고지
Original assignee: 가부시키가이샤 히타치세이사쿠쇼
Priority date: 2004-01-19
Filing date: 2005-01-18
Publication date: 2007-02-27
Also published as: US20050158459A1; US7655122B2; EP1555526A1; CN100403019C; JP4490122B2; JP2005201840A; CN1645125A; KR20050076640A

Abstract

산소 농도 검출 소자는 전기 절연재로 제조되는 기부 부재와, 통전시 열을 생성하도록 되어 있고 기부 부재의 외면 상에 배치되는 가열기와, 기부 부재의 외면 상에서 오프셋된 위치에 가열기와 중첩되지 않도록 배치되고 한 쌍의 전극 및 한 쌍의 전극 사이에 배치되는 고체 전해질층을 구비하는 산소 검출 유닛을 포함한다.

산소 농도 검출 소자, 기부 부재, 가열기, 고체 전해질층, 산소 검출 유닛

Description

산소 농도 검출 소자{OXYGEN CONCENTRATION DETECTING ELEMENT}

도1은 산소 농도 검출 소자의 축방향에 수직한 방향을 따라 취한 본 발명에 따르는 산소 농도 검출 소자의 제1 실시예의 단면도.

도2는 제1 실시예를 제조하는 방법을 설명하기 위한 제1 실시예의 분해도.

도3은 제1 실시예의 전개도.

도4는 도3에 유사하지만 본 발명에 따르는 산소 농도 검출 소자의 제2 실시예를 도시한 전개도.

도5는 종래의 산소 농도 검출 소자의 일부에 대한 종단면도.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

1A, 1B: 산소 농도 검출 소자

2: 기부 부재

3: 가열기

3A, 6A, 7A: 리드부

4: 가열기 절연층

5: 고체 전해질층

6: 기준 전극

7: 검출 전극

8: 응력 감쇠층

9: 조밀층

9A: 창

10: 인쇄 보호층

11: 스피넬 보호층

15: 산소 검출 유닛

본 발명은 배기 가스의 산소 농도를 감지하기 위한 산소 센서에 사용 가능한 산소 농도 검출 소자에 관한 것이다.

일반적으로, 자동차에는 산소 센서가 엔진에 결합되는 배기 파이프에 설치된다. 산소 센서는 엔진에서 배출되는 배기 가스의 산소 농도를 감지하도록 구성된다. 공연비는 산소 센서에 의해 감지되는 산소 농도에 기초해서 화학 정량비, 즉 14.7로 피드백 제어된다.

도5는 종래 기술의 산소 농도 검출 소자의 종단면도이다. 도5에 도시된 바와 같이, 산소 농도 검출 소자(100)는 기부 부재(101)와, 기부 부재(101)의 외측에 배치되는 고체 전해질층(102)과, 기부 부재(101)의 외면 상에 배치되는 다공층(103)을 포함한다. 기준 전극(104)이 고체 전해질층(102)의 내면 상에 배치된다. 검출 전극(105)이 고체 전해질층(102)의 외면 상에 배치된다. 고체 전해질층 (102), 기준 전극(104) 및 검출 전극(105)은 함께 산소 검출 유닛(120)을 구성한다. 산소 도입창(106A)을 구비한 조밀층(106)은 산소 도입창(106A)을 통해 노출되는 검출 전극(105)의 외면의 일부를 제외하고 고체 전해질층(102) 및 검출 전극(105)의 외면을 덮는다. 보호층(107)이 조밀층(106)의 외면과 검출 전극(105)의 노출된 부분 상에 배치된다. 측정될 가스, 예컨대 엔진에서 배기 파이프로 유동하는 배기 가스의 유동은 조밀층(106) 및 보호층(107)의 외측으로 도입된다.

기부 부재(101)는 원통형의 중실형 코어 막대(110)와, 코어 막대(110)의 외주연면 상에 형성되는 가열기 패턴(111)과, 가열기 패턴(111)을 덮도록 코어 막대(110)의 외주연면 상에 배치되는 가열기 절연층(112)으로 구성된다. 가열기 절연층(112)은 전기 절연재로 제조되고 인쇄 작업에 의해 성형된다. 따라서, 산소 검출 유닛(120)은 가열기 패턴(111)의 외면에 부착된다.

기준 전극(104)과 검출 전극(105)은 전기 도전성 및 산소 투과성을 갖는 재료로 제조된다. 기준 전극(104)과 검출 전극(105)은 각각 일체로 형성되는 리드부를 갖는다. 도5에는 검출 전극(105)의 리드부만이 인용 부호 113으로 지시되어 있다. 기준 전극(104)과 검출 전극(105) 사이에서 생성되는 출력 전압은 리드부(113)를 거쳐 취출되어서 측정된다. 조밀층(106)은 측정될 가스에서 산소를 통과시키지 않는 재료로 제조된다. 보호층(107)은 측정될 가스에서 산소를 통과시키지만 측정될 가스에서 유해 가스를 통과시키지 않는 재료로 제조된다.

이하, 산소 농도 검출 소자(100)의 작용에 대해 설명하기로 한다. 가열기 패턴(111)이 통전되어 열을 생성하면, 생성된 열은 가열기 절연층(112)을 거쳐 산 소 검출 유닛(120)으로 전달된다. 산소 검출 유닛(120)의 고체 전해질층(102)은 전달된 열에 의해 활성화된다. 측정될 가스 중의 산소는 보호층(107)과 검출 전극(105)을 통해 투과되어서 고체 전해질층(102)의 외면에 도달한다. 기준으로서 작용하는 대기 중의 산소는 다공층(103) 및 기준 전극(104)을 통해 투과되어서 고체 전해질층(102)의 내면에 도달한다. 고체 전해질층(102)의 내면과 외면 사이에서 산소 농도에 차이가 있을 때, 산소 이온이 고체 전해질층(102)을 통해 투과됨으로써 산소 농도의 차이에 따라 기준 전극(104)과 검출 전극(105) 사이에 기전력을 생성한다. 그 결과, 산소 농도의 차이에 대응해서 변화하는 출력 전압이 얻어진다.

일본 특허 출원 제1 공보 제7-27737호는 종래 기술에서 상술한 바와 같은 산소 농도 검출 장치를 개시한다.

그러나, 종래 기술의 산소 농도 검출 소자(100)는 열 팽창율이 서로 다른 재료로 제조되는 가열기 패턴(111) 및 산소 검출 유닛(120)이 가열기 절연층(112)을 거쳐 서로 겹쳐지는 적층 구조를 갖는다. 열 팽창율의 차이는 가열기 패턴(111) 및 산소 검출 유닛(120) 사이에 열 응력의 원인이 됨으로써, 이들 사이의 분리와 이로 인한 균열이 발생하게 된다.

또한, 기준 전극(104)과 검출 전극(105)의 각각의 리드부(113)가 가열기 절연층(112)으로 덮여 있지 않은 코어 막대(110)의 외면의 일부 상으로 연장되는 경우, 리드부(113)는 코어 막대(110)의 외면의 상기 부분과 가열기 절연층(112)의 방사상 연장 단부면 사이에 형성된 단차를 따라 연장되어야 한다. 가열기 절연층(112)의 두께는 가열기 패턴(111)과 산소 검출 유닛(120) 사이의 절연을 확보하기 위해 상당히 증가되어야만 하기 때문에, 단차는 리드부(113)의 길이가 연장될 정도로 커져야 한다. 이로 인해 리드부(113)가 파손됨으로써 수율을 감소시킨다. 또한, 가열기 절연층(112)의 두께를 증가시키기 위해 인쇄가 아주 많이 반복되어야 한다. 이는 제조비를 증가시킬 것이다.

본 발명의 목적은 열 응력으로 인한 가열기 패턴 및 산소 검출 유닛에서의 균열 발생을 방지할 수 있고 한 쌍의 전극에 대한 리드부의 수율을 개선하고 가열기 절연층의 인쇄 횟수를 감소시킴으로써 제조비를 절감할 수 있는 산소 농도 검출 소자를 제공하는 것이다.

본 발명의 다른 목적 및 특징은 첨부 도면을 참조해서 다음의 설명으로부터 이해될 것이다.

본 발명의 일 태양에 따르면, 전기 절연재로 제조되는 기부 부재와, 통전시 열을 생성하도록 구성되고 기부 부재의 외면 상에 배치되는 가열기와, 기부 부재의 외면 상에서 가열기와 중첩되지 않도록 오프셋된 위치에 배치되고 한 쌍의 전극 및 한 쌍의 전극 사이에 배치된 고체 전해질층을 구비하는 산소 검출 유닛을 포함하는 산소 농도 검출 소자가 마련된다.

본 발명의 다른 태양에 따르면, 산소 농도 검출 소자가 전기 절연재로 제조되는 기부 부재와, 통전시 열을 생성하도록 구성되고 기부 부재의 외면 상에 배치되는 가열기와, 기부 부재의 외면 상에서 가열기와 중첩되지 않도록 오프셋된 위치에 배치되고 한 쌍의 전극 및 한 쌍의 전극 사이에 배치된 고체 전해질층을 구비하는 산소 검출 유닛을 포함하는 산소 농도 검출 소자 제조 방법에 있어서, 전기 절연층을 성형함으로써 기부 부재를 형성하는 단계와, 기부 부재를 회전시키면서 기부 부재의 외면의 제1 소정 영역 상에 발열재로 제조되는 페이스트를 스크린 인쇄함으로써 가열기를 제조하는 단계와, 기부 부재를 회전시키면서 제1 소정 영역에서 오프셋되는 기부 부재의 외면의 제2 소정 영역 상에 도전성 페이스트를 스크린 인쇄함으로써 하나의 전극을 형성하는 단계와, 기부 부재를 회전시키면서 하나의 전극의 외면 상에 페이스트를 스크린 인쇄함으로써 고체 전해질층을 형성하는 단계와, 기부 부재를 회전시키면서 고체 전해질층의 외면 상에 도전성 페이스트를 스크린 인쇄함으로써 리드부를 구비한 다른 전극을 형성하는 단계를 포함하는 산소 농도 검출 소자 제조 방법이 마련된다.

이하, 도1 내지 도3을 참조하여, 본 발명에 따르는 산소 농도 검출 소자의 제1 실시예에 대해 설명하기로 한다. 도1에 도시된 바와 같이, 산소 농도 검출 소자(1A)는 기부 부재(2)와, 기부 부재(2)의 외면(2A) 상에 배치되는 가열기(3)와, 가열기(3)의 전체 외면을 덮는 가열기 절연층(4)을 포함한다. 고체 전해질층(5)이 기준 전극(6) 및 응력 감쇠층(8)을 통해서 기부 부재(2)의 외면(2A) 상의 가열기(3)에 대해 원주 방향으로 오프셋된 위치에 배치된다. 기준 전극(6)은 고체 전해질층(5)의 내면 상에 배치된다. 검출 전극(7)은 고체 전해질층(5)의 외면 상에 배치된다. 응력 감쇠층(8)은 기부 부재(2)의 외면(2A)과 기준 전극(6)의 내면 사이에 배치된다. 창(9A)을 구비한 조밀층(9)이 고체 전해질층(5)과 검출 전극(7)의 외면 상에 배치된다. 인쇄 보호층(10)이 조밀층(9), 검출 전극(7) 및 가열기 절연층(4)의 외면 상에 배치된다. 스피넬 보호층(11)이 인쇄 보호층(10)의 전체 외면 상에 배치된다.

상세하게는, 기부 부재(2)는 전기 절연재, 예컨대 산화 알루미늄과 같은 세라믹 재료로 제조된다. 기부 부재(2)는 원주 외면(2A)을 갖는 원통형 막대 형상을 갖는 중실형 코어 막대이다. 가열기(3)는 가열기 패턴 형상이며 통전되었을 때 열을 생성하는 텅스텐 및 백금과 같은 발열성 도전재로 제조된다. 가열기(3)는 도2에 도시된 바와 같이 일체 형성된 리드부(3A)를 갖는다. 리드부(3A)를 통해 통전되었을 때, 가열기(3)는 열을 생성해서 고체 전해질층(5)의 온도를 상승시킴으로써 고체 전해질층(5)을 활성화시킨다. 가열기 전해질층(4)은 예컨대 산화 알루미늄과 같은 전기 절연재로 제조되어서 가열기(3)를 주변으로부터 전기 절연시킨다.

고체 전해질층(5)은 산소-이온 도전성을 가지며 페이스트로 제조된다. 페이스트는 소정 중량비로 혼합된 산화 이티륨 및 산화 지르코늄의 혼합물로 마련될 수 있다. 활성화된 고체 전해질층(5)은 기준 전극(6) 및 검출 전극(7) 사이에 기전력을 생성하며, 이때 이 기전력은 기준 전극(6) 및 검출 전극(7)의 측면들 사이의 산소 농도의 차이에 따라 변한다. 이로 인해 산소 이온은 고체 전해질층(5)의 두께 방향으로 고체 전해질층(5)에서 이동하게 된다. 즉, 고체 전해질층(5), 기준 전극(6) 및 검출 전극(7)은 산소 농도의 차이를 대응하는 전기 신호로 변환하기 위한 산소 검출 유닛(15)을 형성하도록 상호 작용한다.

산소 검출 유닛(15)은 기부 부재(2)의 원주 외면(2A) 상에서 오프셋된 위치 에 위치되며, 이때 산소 검출 유닛(15)은 가열기(3)를 통전시킬 때 산소 검출 유닛(15)이 열 응력을 받지 않도록 하기 위해 가열기(3)와 중첩되지 않는다. 본 실시예에서, 산소 검출 유닛(15)은 기부 부재(2)의 방사 방향으로 기부 부재(2)의 원주 외면(2A) 상에서 가열기(3)에 대해 오프셋된 위치에 배치된다. 상세하게는, 산소 검출 유닛(15)은 기부 부재(2)의 원주 외면(2A) 상에서 가열기(3)에 대해 방사상 직경 방향으로 대향되게 배열된다. 산소 검출 유닛(15)은 기부 부재(2)의 원주 외면(2A) 상에서 기부 부재(2)의 원주 방향으로 클리어런스를 둔 상태로 가열기(3)로부터 오프셋되게 배치된다. 이런 위치에서, 가열기(3) 및 산소 검출 유닛(15)은 가열기(3)가 통전되어서 열을 생성할 때 열팽창 계수의 차이로 인해 야기될 수 있는 열 응력을 받지 않게 된다.

기준 전극(6)과 검출 전극(7) 각각은 전도성과 산소 가스 투과성을 갖는 재료로 제조된다. 기준 전극(6)과 검출 전극(7)에는 각각 도2에 도시된 바와 같이 리드부(6A, 7A)가 일체로 형성된다. 기준 전극(6)과 검출 전극(7) 사이에서 생성되는 출력 전압은 리드부(6A, 7A)를 거쳐 도시 안된 측정 구역으로 안내된다. 가열기(3)와 기준 전극(6)과 검출 전극(7) 사이에는 기부 부재(2)의 원주 방향으로 클리어런스가 있다. 클리어런스는 도3에서 C1로 지시된다. 클리어런스는 0.5 mm 이상일 수 있다. 도3은 산소 농도 검출 소자(1A)의 각 층의 프로파일을 도시한 것으로 산소 농도 검출 소자(1A)의 전개도이다.

응력 감쇠층(8)은 산화 지르코늄과 알루미늄의 혼합물로 제조된다. 응력 감쇠층(8)은 고체 전해질층(5)의 소결 동안 발생할 수 있는 고체 전해질층(5) 및 기 부 부재(2) 사이의 열 응력차를 감소시키는 작용을 한다. 또한, 응력 감쇠층(8)은 (도시 안된) 경로를 통해 고체 전해질층(5)을 거쳐 기준 전극(6)으로 전달되는 산소 가스를 제거하기 위한 가스 제거 통로를 형성한다.

조밀층(9)은 측정될 가스 내의 산소가 조밀층을 거쳐 투과되는 것을 방지하는 예컨대 산화 알루미늄과 같은 세라믹 재료와 같은 재료로 제조된다. 창(9A)을 구비한 조밀층(9)은 검출 전극(7), 인쇄 보호층(10) 및 스피넬 보호층(11)을 경유하여 측정될 가스에 창(9A)을 통해 노출되는 고체 전해질층(5)의 외면의 일부를 제외하고 고체 전해질층(5)의 전체 외면을 덮는다. 측정될 가스에서 산소는 단지 조밀층(9)의 창(9A)만을 거쳐 검출 전극(7)으로 진입하게 된다.

인쇄 보호층(10)은 조밀층(9)의 창(9A)을 통해서 외측에 노출되는 검출 전극(7)의 외면을 덮는다. 인쇄 보호층(10)은 측정될 가스 내의 유해 가스 및 먼지가 보호층을 투과시키지 않지만 측정될 가스의 산소를 투과시키는 다공재로 제조된다. 다공재는 산화 알루미늄 및 산화 마그네슘의 혼합물로 형성될 수 있다.

스피넬 보호층(11)은 측정될 가스의 산소를 투과시키고 인쇄 보호층(10)의 다공도보다 큰 다공도를 갖는 다공재로 제조된다.

이하, 도2를 참조하여 제1 실시예의 산소 농도 검출 소자(1A) 제조 방법에 대하여 설명하기로 한다. 우선, 기부 부재(2)가 예컨대 산화 알루미늄과 같은 세라믹 재료를 원통형 코어 막대 형상으로 사출 성형함으로써 마련된다. 다음으로, 가열기(3)가 기부 부재(2)의 원주 외면(2A)의 사실상 1/2에 해당하는 영역(또는 반부 영역) 상에 가열기 패턴 형상으로 마련된다. 상세하게는, 기부 부재(2)를 회전 시키면서, 통전시 열을 생성하는 백금 또는 텅스텐과 같은 발열재로 이루어진 페이스트가 기부 부재(2)의 원주 외면(2A)에서 사실상 반부 영역 상에 스크린-인쇄된다. 이어서, 가열기 전해질층(4)이 가열기(3)의 전체 외면을 덮도록 기부 부재(2)의 원주 외면(2A)의 사실상 반부 영역 상에 스크린-인쇄에 의해 형성된다. 기부 부재(2)를 회전시키면서 산화 알루미늄과 같은 전기 절연재로 이루어진 페이스트가 가열기(3)의 전체 외면을 덮도록 기부 부재(2)의 원주 외면(2A)의 사실상 반부 영역 상에 스크린-인쇄된다.

다음으로, 응력 감쇠층(8)이 가열기(3) 및 가열기 전해질층(4)이 형성된 원주 외면(2A)의 사실상 반부 영역에 직경 방향으로 대향하는 기부 부재(2)의 원주 외면(2A)의 대향 반부 영역 상에 스크린 인쇄에 의해 형성된다. 기부 부재(2)를 회전시키면서 산화 지르코늄 및 알루미늄을 함유하는 페이스트가 기부 부재(2)의 원주 외면(2A)의 대향 반부 영역 상에 스크린 인쇄된다.

그 후, 기부 부재(2)를 회전시키면서 응력 감쇠층(8)의 외면 상에 예컨대 백금 페이스트와 같은 도전성 페이스트를 스크린 인쇄함으로써 리드부(6A)를 갖는 기준 전극(6)이 형성된다. 이어서, 기부 부재(2)를 회전시키면서 기준 전극(6) 및 응력 감쇠층(8)의 외면 상에 산화 지르코늄 및 산화 이트륨을 함유하는 페이스트를 스크린 인쇄함으로써 고체 전해질층(5)이 형성된다. 리드부(7A)를 갖는 검출 전극(7)은 기부 부재(2)를 회전시키면서 고체 전해질층(5)의 외면 상에 예컨대 백금 페이스트와 같은 도전성 페이스트를 스크린 인쇄함으로써 형성된다.

다음으로, 사각 창(9A)을 갖는 조밀층(9)이 검출 전극(7) 및 고체 전해질층 (5)의 외면 상에 스크린 인쇄에 의해 형성된다. 기부 부재(2)를 회전시키면서 검출 전극(7)의 외면의 중심부를 제외한 검출 전극(7) 및 고체 전해질층(5)의 외면을 덮도록 검출 전극(7) 및 고체 전해질층(5)의 외면 상에 산화 알루미늄과 같은 세라믹 재료로 제조된 페이스트가 스크린 인쇄된다. 따라서, 페이스트는 검출 전극(7)의 외면의 중심부를 노출시키는 창(9A)을 구비한 조밀층(9)을 형성하도록 스크린 인쇄된다. 검출 전극(7)의 노출된 중심부는 전극의 효과부로서 작용한다.

이어서, 인쇄 보호층(10)이 기부 부재(2)의 원주 외면(2A)의 전체 원주 영역을 덮도록 조밀층(9) 및 가열기 전해질층(4)의 외면 상에 스크린 인쇄됨으로써 형성된다. 기부 부재(2)를 회전시키면서, 예컨대 산화 알루미늄 및 산화 마그네슘의 혼합물의 페이스트와 같은, 산소 투과성 및 유해 가스 불투과성을 갖는 페이스트가 기부 부재(2)의 원주 외면(2A)의 전체 원주 영역에 걸쳐 연장되도록 조밀층(9) 및 가열기 전해질층(4)의 외면 상에 스크린 인쇄된다. 다음으로, 스피넬 보호층(11)이 인쇄 보호층(10)의 외면 상에 스크린 인쇄에 의해 형성된다. 기부 부재(2)를 회전시키면서, 스피넬 보호층(11)을 위한 페이스트가 기부 부재(2)의 원주 외면(2A)의 전체 원주 영역에 걸쳐 연장되도록 인쇄 보호층(10)의 외면 상에 스크린 인쇄된다. 이로써 순차적인 스크린 인쇄 작업이 완료된다. 그 결과, 다층 구조를 갖는 산소 농도 검출 소자(1A)의 생소지(green body)가 마련된다.

다음으로, 생소지는 고온에서 소성(baked)되어서 일체형의 본체로 소결된다. 이에 따라 산소 농도 검출 소자(1A)가 제조되고 도시 안된 산소 센서에 설치된다.

이하, 산소 농도 검출 소자(1A)를 이용하는 산소 센서가 엔진에 결합되는 배 기 파이프에 배치될 경우 산소 농도 검출 소자(1A)의 작용에 대해 설명하기로 한다. 산소 센서는 배기 파이프를 통과하는 배기 가스가 산소 농도 검출 소자(1A)의 원주 외면을 따라 흐를 수 있도록 배열되고 기준으로서 대기가 응력 감쇠층(8)을 거쳐 기준 전극(6)에 도달하도록 산소 농도 검출 소자(1A)의 내측으로 도입된다. 가열기(3)는 고체 전해질층(5)이 활성화되는 소정의 온도로 전체 산소 농도 검출 소자(1A)의 온도를 증가시키기 위해 요구되는 열을 생성하도록 통전된다.

이런 조건에서, 엔진으로부터 배출되는 배기 가스는 배기 파이프 내로 유동하고 산소 농도 검출 소자(1A)의 원주 외면을 지난다. 배기 가스의 산소는 스피넬 보호층(11), 인쇄 보호층(10) 및 검출 전극(7)을 경유하여 활성화된 고체 전해질층(5) 내로 도입된다. 한편, 대기의 산소가 도입되어서 기준 전극(6) 주변에 수집된다. 고체 전해질층(5)의 내면 및 외면 사이에 산소 농도의 차이가 있을 때, 산소 이온은 고체 전해질층(5)에서 이동함으로써 기준 전극(6) 및 검출 전극(7) 사이에 기전력을 발생시킨다. 그 결과, 산소 농도차에 따르는 출력 전압이 얻어진다.

제1 실시예의 산소 농도 검출 소자(1A)는 다음의 효과를 갖는다. 기부 부재(2)의 원주 외면(2A) 상에서 상술한 오프셋된, 즉 겹쳐지지 않은 가열기(3) 및 산소 검출 유닛(15)의 배열 구조를 가짐으로써, 가열기(3) 및 산소 검출 유닛(15)은 가열기(3)가 통전되어서 열을 생성할 때 야기될 수 있는 열 응력을 겪지 않을 수 있다. 이는 가열기(3)나 산소 검출 유닛(15)에 균열이 발생하는 것을 방지한다. 상세하게는, 종래 기술의 산소 농도 검출 소자에 비해 가열기(3)와 산소 검출 유닛(15)이 오프셋된 위치에 위치됨으로써, 가열기(3)와 산소 검출 유닛(15)은 그들 사 이의 상호간 접촉면을 거쳐 서로 부착되지 않는다. 이는 가열기(3)가 통전되어서 열을 생성할 때 가열기(3)와 산소 검출 유닛(15)의 열 팽창 계수의 차이로 인해 부착 표면 상에서 발생될 수 있는 열 응력을 억제한다. 따라서, 가열기(3)와 산소 검출 유닛(15)에서 열 응력에 의해 야기될 수 있는 균열 발생이 방지될 수 있다.

또한, 도2에서 도시된 바와 같이, 기준 전극(6)의 리드부(6A)와 검출 전극(7)의 리드부(7A)는 각각 가열기 절연층(4) 상에서 연장되지 않고 기부 부재(2)의 원주 외면(2A) 상에 간접 그리고 직접 배치된다. 따라서, 종래 기술에 비해, 리드부(6A, 7A)는 가열기 절연층(4)의 방사상 연장되는 단부면과 기부 부재(2)의 원주 외면(2A) 사이의 단차부를 따라 연장되지 않고 배열될 수 있다. 이로 인해 리드부(6A, 7A)의 길이를 증가시킬 필요가 없어지고 따라서 리드부(6A, 7A)의 수율을 개선해서 비용 절감을 이루게 된다.

또한, 가열기(3)와 산소 검출 유닛(15)은 원주 방향으로 오프셋된 위치에 배열되기 때문에, 이들 사이에는 가열기 절연층(4)의 두께가 절감될 때에도 절연이 달성될 수 있다. 이는 가열기 절연층(4)의 인쇄수를 감소시키는 역할을 하며, 따라서 산소 농도 검출 소자(1A)의 제작비를 절감시킨다. 이에 비해, 도5에 도시된 바와 같은 종래 기술의 산소 농도 검출 소자는 가열기 패턴(111) 및 산소 검출 유닛(120)의 적층 배열 구조를 갖기 때문에, 가열기 절연층(112)을 여러 번 도전 인쇄함으로써 두꺼운 두께를 갖는 가열기 절연층(112)이 가열기 패턴(111) 및 산소 검출 유닛(120) 사이에 형성된다. 이는 비용을 상승시킨다. 따라서, 본 발명의 산소 농도 검출 소자(1A)는 가열기(3) 및 산소 검출 유닛(15)의 오프셋된 배열 구 조와 비교적 두께가 작고 가열기(3)의 외면을 덮는 가열기 절연층(4)의 배열 구조를 포함함으로써, 가열기(3)와 산소 검출 유닛(15) 사이의 절연이 확보될 수 있다. 그 결과, 본 발명의 산소 농도 검출 소자(1A)는 가열기 절연층(4)의 인쇄수와 제작비를 줄이는 역할을 한다.

또한, 기부 부재(2)는 원주 외면(2A)을 갖는 원통형 막대 형상을 갖기 때문에, 장착 상태에 있는 산소 농도 검출 소자(1A)의 방향 또는 측정될 가스의 유동 방향에 의한 영향을 받지 않고 안정적으로 정밀하게 검출될 수 있다.

또한, 가열기(3)와 산소 검출 유닛(15)은 기부 부재(2)의 원주 외면(2A) 상에 방사상 직경 방향으로 대향된 위치에 위치된다. 따라서, 산소 농도 검출 소자(1A)는 가열기(3)와 산소 검출 유닛(15) 사이에 절연을 달성하기 위해 이들 사이에 충분한 클리어런스를 둔 콤팩트한 구조를 가질 수 있다. 또한, 가열기(3)와 산소 검출 유닛(15)은 동일 표면, 즉 기부 부재(2)의 원주 외면(2A) 상에서 원주 방향으로 오프셋된 위치에 스크린 인쇄에 의해 형성된다. 따라서, 산소 농도 검출 소자(1A)가 용이하게 제조될 수 있다.

또한, 가열기(3)와 산소 검출 유닛(15)의 기준 전극(6) 및 검출 전극(7)은 이들 사이에 0.5 mm 이상의 원주 방향 클리어런스(C1)를 둔 상태로 배치된다. 따라서, 가열기(3)와 기준 전극(6)과 검출 전극(7) 사이에 충분한 간격이 있다. 이는 가열기 절연층(4)의 두께를 줄일 수 있고, 이로써 절연층(4)의 인쇄수와 제작비를 감소시킨다.

또한, 기부 부재(2) 및 산소 검출 유닛(15) 사이에는 응력 감쇠층(8)이 개재 되기 때문에, 고체 전해질층(5)을 소결할 때 기부 부재(2)와 산소 검출 유닛(15)의 고체 전해질층(5) 사이에서 야기되는 열 응력차가 저감될 수 있다.

이하, 도4를 참조하여 본 발명의 산소 농도 검출 소자의 제2 실시예에 대하여 설명하기로 한다. 도4는 산소 농도 검출 소자(1B)의 각 층의 프로파일을 도시한 것으로서 제2 실시예의 산소 농도 검출 소자(1B)의 전개도이다. 제2 실시예는 제1 실시예와 가열기(3) 및 산소 검출 유닛(15)의 배열 구조가 상이하다. 유사한 인용 부호는 유사한 부품을 지칭하며, 이에 대한 상세한 설명은 생략하기로 한다.

도4에 도시된 바와 같이, 산소 농도 검출 소자(1B)의 가열기(3) 및 산소 검출 유닛(15)은 원주 외면(2A) 상에서 기부 부재(2)의 축방향(M) 및 그 원주 방향으로 서로 오프셋되어 배치된다. 또한, 가열기(3)와 산소 검출 유닛(15)의 기준 전극(6) 및 검출 전극(7) 사이에는 원주 방향 클리어런스(C1)와 축방향 클리어런스(C2)가 있다. 각각의 클리어런스(C1, C2)는 0.5 mm 이상일 수 있다. 제1 실시예의 산소 농도 검출 소자(1A)와 마찬가지로, 산소 농도 검출 소자(1B)의 가열기(3)와 산소 검출 유닛(15)은 가열기(3)와 산소 검출 유닛(15)이 서로 방사상으로 중첩되지 않은 오프셋된 위치에 배치된다.

제2 실시예의 산소 농도 검출 소자(1B)는 기부 부재(2)의 원주 외면(2A) 상에서 각각 축방향 및 원주 방향으로 오프셋된 위치에 가열기(3)와, 기준 전극(6)과, 검출 전극(7)을 형성한다는 점을 제외하고 제1 실시예에서 설명된 방법과 유사한 방법에 의해 제조된다.

산소 농도 검출 소자(1B)의 가열기(3) 및 산소 검출 유닛(15)의 오프셋된 배 열 구조로 인해, 제2 실시예는 가열기(3)와 산소 검출 유닛(15) 사이에 절연을 달성하기 위해 이들 사이에 충분한 클리어런스를 둔 상태의 콤팩트한 구조를 가질 수 있다. 또한, 산소 농도 검출 소자(1B)의 가열기(3)와 산소 검출 유닛(15)은 동일한 표면 상에서, 즉 기부 부재(2)의 원주 외면(2A) 상에서 상대적으로 오프셋된 위치에 스크린 인쇄에 의해 형성된다. 따라서, 산소 농도 검출 소자(1B)는 용이하게 제조될 수 있다.

또한, 산소 농도 검출 소자(1B)의 산소 검출 유닛(15)의 기준 전극(6) 및 검출 전극(7)은 도4에 도시된 바와 같이 클리어런스(C1, C2)를 둔 상태로 가열기(3)로부터 오프셋되어 배치됨으로써, 제1 실시예와 마찬가지로 가열기(3)와 전극(6, 7)들 사이의 절연층 사이에는 충분한 간극이 있다. 이는 가열기 절연층(4)의 두께를 줄일 수 있고, 이로써 절연층(4)의 인쇄수와 제작비를 감소시킨다.

또한, 제1 및 제2 실시예의 기능 및 효과와 동일한 기능 및 효과가 얻어질 수 있는 본 발명에 대한 변경이 다음과 같이 이루어질 수 있다. 조밀층(9)의 창(9A)의 형상은 제1 및 제2 실시예의 사각 형상으로 제한되지 않으며, 원형, 타원형, 삼각형 및 오각형을 포함하는 다각형일 수 있다. 또한, 기부 부재(2)의 형상은 원통형의 막대 형상에 제한되지 않으며, 편평 외면을 갖는 그 밖의 형상일 수 있다.

본 출원은 2004년 1월 19일 출원된 선행 일본 특허 출원 제2004-010132호에 기초한다. 일본 특허 출원 제2004-010132호의 전체 내용은 본 명세서에 인용되어 합체된다.

비록 본 발명은 임의의 실시예를 참조하여 설명하였지만, 본 발명은 상술한 이들 실시예에 제한되지 않는다. 상술한 실시예에 대한 개조 및 변경이 상기한 가르침에 기초하여 기술 분야의 당업자에 의해 이루어질 수 있다. 본 발명의 범위는 다음의 청구범위를 참조하여 한정된다.

본 발명에 따르는 산소 농도 검출 소자는 열 응력으로 인한 가열기 패턴 및 산소 검출 유닛에서의 균열 발생을 방지할 수 있고 한 쌍의 전극에 대한 리드부의 수율을 개선하고 가열기 절연층의 인쇄 횟수를 감소시킴으로써 제조비를 절감할 수 있는 효과를 갖는다.

Claims

전기 절연재로 제조되는 기부 부재와,

기부 부재의 외면 상에 배치되고 통전시 열을 생성하도록 구성된 가열기와,

기부 부재의 외면 상에서 가열기와 중첩되지 않도록 오프셋된 위치에 배치되고 한 쌍의 전극 및 한 쌍의 전극 사이에 배치된 고체 전해질층을 구비하는 산소 검출 유닛을 포함하는 산소 농도 검출 소자.
제1항에 있어서, 기부 부재는 원통형 막대 형상을 가지며, 기부 부재의 외면은 원주 외면인 산소 농도 검출 소자.
제2항에 있어서, 산소 검출 유닛은 기부 부재의 방사 방향으로 가열기와 중첩되지 않도록 하는 산소 농도 검출 소자.
제2항에 있어서, 산소 검출 유닛은 기부 부재의 원주 방향으로 가열기로부터 오프셋되는 산소 농도 검출 소자.
제3항에 있어서, 산소 검출 유닛은 가열기에 대해 직경 방향으로 대향되는 산소 농도 검출 소자.
제4항에 있어서, 산소 검출 유닛의 한 쌍의 전극은 원주 방향 클리어런스를 둔 상태로 가열기로부터 오프셋되는 산소 농도 검출 소자.
제2항에 있어서, 산소 검출 유닛은 기부 부재의 축방향으로 가열기로부터 오프셋되는 산소 농도 검출 소자.
제7항에 있어서, 가열기와 산소 검출 유닛의 한 쌍의 전극은 이들 사이에 축방향 클리어런스를 둔 상태로 배열되는 산소 농도 검출 소자.
제1항에 있어서, 기부 부재와 산소 검출 유닛의 한 쌍의 전극 중 하나의 전극 사이에 배치되는 응력 감쇠층을 더 포함하며, 응력 감쇠층은 고체 전해질층이 소결될 때 기부 부재와 고체 전해질층 사이에 야기되는 열 응력의 차이를 감소시키도록 구성되는 산소 농도 검출 소자.
제1항에 있어서, 가열기의 외면을 덮는 가열기 절연층을 더 포함하는 산소 농도 검출 소자.
제10항에 있어서, 한 쌍의 전극은 각각 일체 성형된 리드부를 가지며, 리드부는 각각 가열기 절연층 상에서 연장되지 않고 기부 부재의 외면 상에 배치되는 산소 농도 검출 소자.
기부 부재와, 기부 부재의 외면 상에 배치되는 가열기와, 기부 부재의 외면 상에서 가열기와 중첩되지 않도록 오프셋된 위치에 배치되고 한 쌍의 전극 및 한 쌍의 전극 사이에 배치되는 고체 전해질층을 구비하는 산소 검출 유닛을 포함하는 산소 농도 검출 소자 제조 방법이며,

전기 절연재를 성형함으로써 기부 부재를 형성하는 단계와,

기부 부재를 회전시키면서 기부 부재의 외면의 제1 소정 영역 상에 발열재로 제조되는 페이스트를 스크린 인쇄함으로써 가열기를 제조하는 단계와,

기부 부재를 회전시키면서 제1 소정 영역에서 오프셋되는 기부 부재의 외면의 제2 소정 영역 상에 도전성 페이스트를 스크린 인쇄함으로써 리드부를 구비하는 한 쌍의 전극 중 하나의 전극을 형성하는 단계와,

기부 부재를 회전시키면서 한 쌍의 전극 중 하나의 전극의 외면 상에 페이스트를 스크린 인쇄함으로써 고체 전해질층을 형성하는 단계와,

기부 부재를 회전시키면서 고체 전해질층의 외면 상에 도전성 페이스트를 스크린 인쇄함으로써 리드부를 구비한 한 쌍의 전극 중 다른 전극을 형성하는 단계를 포함하는 산소 농도 검출 소자 제조 방법.
제12항에 있어서, 기부 부재는 원통형 막대 형상을 가지며, 외면은 원주 외면이며, 제1 소정 영역은 기부 부재의 원주 외면의 사실상 반부 영역이며, 제2 소정 영역은 상기 사실상 반부 영역에 직경 방향으로 대향되는 기부 부재의 원주 외 면의 대향된 반부 영역인 산소 농도 검출 소자 제조 방법.
제12항에 있어서, 기부 부재는 원통형 막대 형상을 가지며, 외면은 원주 외면이며, 제1 소정 영역 및 제2 소정 영역은 기부 부재의 축방향으로 서로 오프셋되는 산소 농도 검출 소자 제조 방법.
제12항에 있어서, 산소 농도 검출 소자는 가열기의 외면을 덮는 가열기 절연층을 포함하며, 기부 부재를 회전시키면서 가열기의 외면을 덮도록 기부 부재의 외면의 제1 소정 영역 상에 전기 절연재로 제조되는 페이스트를 스크린 인쇄함으로써 가열기 절연층을 형성하는 단계를 더 포함하는 산소 농도 검출 소자 제조 방법.
제12항에 있어서, 산소 농도 검출 소자는 기부 부재와 산소 검출 유닛의 한 쌍의 전극 중 하나의 전극 사이에 배치되는 응력 감쇠층을 포함하며, 기부 부재를 회전시키면서 기부 부재의 외면의 제2 소정 영역 상에 페이스트 재료를 스크린 인쇄함으로써 응력 감쇠층을 형성하는 단계를 더 포함하는 산소 농도 검출 소자 제조 방법.
제12항에 있어서, 산소 농도 검출 소자는 한 쌍의 전극 중 다른 전극의 외면과 고체 전해질층의 외면 상에 배치되는 창을 구비한 조밀층을 포함하며, 기부 부재를 회전시키면서 한 쌍의 전극 중 다른 전극의 외면과 고체 전해질층의 외면 상 에 세라믹 재료로 제조되는 페이스트를 스크린 인쇄함으로써 창을 구비한 조밀층을 형성하는 단계를 더 포함하는 산소 농도 검출 소자 제조 방법.
제17항에 있어서, 산소 농도 검출 소자는 조밀층의 외면 상에 그리고 조밀층의 창을 통해 노출되는 한 쌍의 전극 중 다른 전극의 외면의 일부 상에 배치되는 인쇄 보호층을 포함하며, 기부 부재를 회전시키면서 기부 부재의 외면 상에서 연장되도록 조밀층의 외면 상에 그리고 조밀층의 창을 통해 노출되는 한 쌍의 전극 중 다른 전극의 외면의 일부 상에 산소 투과성을 갖고 유해 가스 불투과성을 갖는 페이스트를 스크린 인쇄함으로써 인쇄 보호층을 형성하는 단계를 더 포함하는 산소 농도 검출 소자 제조 방법.
제18항에 있어서, 산소 농도 검출 소자는 인쇄 보호층의 전체 외면 상에 배치되는 스피넬 보호층을 포함하며, 기부 부재를 회전시키면서 인쇄 보호층의 전체 외면 상에 인쇄 보호층을 위한 페이스트 재료보다 큰 다공성을 갖는 페이스트 재료를 스크린 인쇄함으로써 스피넬 보호층을 형성하여 산소 농도 검출 소자의 생소지를 형성하는 단계를 더 포함하는 산소 농도 검출 소자 제조 방법.
제19항에 있어서, 생소지를 소성하는 단계를 더 포함하는 산소 농도 검출 소자 제조 방법.