JPH056659B2 - - Google Patents

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JPH056659B2
JPH056659B2 JP58236183A JP23618383A JPH056659B2 JP H056659 B2 JPH056659 B2 JP H056659B2 JP 58236183 A JP58236183 A JP 58236183A JP 23618383 A JP23618383 A JP 23618383A JP H056659 B2 JPH056659 B2 JP H056659B2
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JP
Japan
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sensor
heater
oxygen sensor
solid electrolyte
electrodes
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JP58236183A
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JPS60128344A (ja
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Ryoji Iwamura
Hideyasu Murooka
Shoichi Iwanaga
Sadayasu Ueno
Shiro Oochi
Kyomitsu Suzuki
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Hitachi Ltd
Original Assignee
Hitachi Ltd
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Publication of JPH056659B2 publication Critical patent/JPH056659B2/ja
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    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01NINVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N27/00Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means
    • G01N27/26Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating electrochemical variables; by using electrolysis or electrophoresis
    • G01N27/416Systems
    • G01N27/417Systems using cells, i.e. more than one cell and probes with solid electrolytes

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  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Electrochemistry (AREA)
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  • Analytical Chemistry (AREA)
  • Biochemistry (AREA)
  • General Health & Medical Sciences (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Immunology (AREA)
  • Pathology (AREA)
  • Measuring Oxygen Concentration In Cells (AREA)

Description

【発明の詳細な説明】 〔発明の利用分野〕 本発明は、自動車のエンジンや、暖房機器のよ
うに燃料を燃焼させる機器の排気ガス中の酸素を
検出する酸素センサに係り、特にストイツクセン
サと希薄酸素センサとを一体に形成した複合酸素
センサとその製造方法に関する。
〔発明の背景〕
燃料の燃焼を利用する暖房器や自動車のエンジ
ン等の燃焼状態を検出する手段として、排気ガス
中の含まれる酸素の濃度を検出する酸素センサが
知られている。
酸素センサで排気ガス中の酸素の濃度を検出す
る場合、排気ガスもしくは酸素センサを500℃以
上の高温にすることが必要である。また、酸素セ
ンサもしくは排気ガスの温度によつて、酸素セン
サの感度が異なる。さらに、燃焼制御(空燃比の
制御)を行なう場合、排気ガス温度の低い始動時
からの制御が必要である。
このような要件を満すものとして、たとえば特
開昭55−125448号のFig6に開示されたようにス
トイツクセンサとヒータおよび希薄酸素センサを
一体に形成した複合酸素センサが提案されてい
る。
すなわち、前記複合酸素センサは、Fig6に示
されているように、下から多孔性おおい層、測定
電極、電気絶縁層、固体電解質板、標準電極、多
孔性電気絶縁層、加熱素子、U字状絶縁部材、測
定電極、電気絶縁層、固体電解質板、標準電極、
多孔性おおい層の順に積層して成る。
このような複合酸素センサは、加熱素子の両側
に配置され、固体電解質を挾み込んでいる電極間
に定電流を通過させ、この状態における電極間に
生じる出力電圧を検出して、理論空燃比以上の高
い酸素濃度に制御するストイツクセンサと、固体
電解質を挾み込んでいる電極間に励起電圧として
一定電圧ELを印加し、この状態における電極間
に流れるポンピング電流部から酸素濃度を検出す
る希薄酸素センサとが加熱素子を基準としたとき
対称位置に配置されていないため、加熱素子で加
熱したとき、ストイツクセンサと希薄酸素センサ
の温度を均一にすることができない。このため、
希薄酸素センサの温度の変化による出力の変動を
正確に補正することができない。また、部品の種
類が多く、その加工、組立に多くの工数を要し、
作業性が悪いなどの欠点がある。
〔発明の目的〕
本発明の目的は、上記した従来技術の欠点をな
くし、高精度の検出が可能な複合酸素センサとそ
の製造方法を提供するにある。
〔発明の概要〕
上記目的を達成するため、本発明においてはス
トイツクセンサと希薄酸素センサを、ヒータをは
さんで相対向するように、かつヒータとの間隔が
等しくなるように配置すると共に、各センサのヒ
ータ側の電極を拡散室で覆うようにしたことを特
徴とする。
また、本発明においては、セラミツクグリーン
シートおよびセラミツク基板に対する所要パター
ンの印刷する工程、グリーンシートおよびセラミ
ツク基板の積層し圧着する工程、および焼結工程
のくり返しにより希薄酸素センサとストイツクセ
ンサとを有する複合酸素センサを製造することを
特徴とする。
〔発明の実施例〕
以下、本発明の一実施例を図面にしたがつて説
明する。
第1図および第2図は、本発明による複合酸素
センサの一実施例を示すものである。同図におい
て、複合酸素センサ1は、電極2a,2b,2
c,2dを支持する固体電解質セラミツク基板
(以下単に基板という)3a,3d、絶縁層4a,
4bを介してヒータ5を支持する固体電解質セラ
ミツク基板(以下単に基板という)3b,3c
と、基板3b,3cの間を接合する接合層3e、
および基板3a,3dの外側面を覆う被覆層6
a,6bから成る。そして、基板3aと基板3b
の間、および基板3cと基板3dの間には、電極
2b,2cを囲む拡散室7a,7bが形成されて
いる。また、これら拡散室7a,7bは、拡散穴
8a,8bによつて外部と連通している。
このような構成において、たとえば、電極2
a,2bをストイツクセンサとし、電極2c,2
dを希薄酸素センサとする。ここで、ストイツク
センサとは第2図において電極2b−2a間に電
極2bを陽極として定電流Ip′を通電する定電流
励起法を採用し、ストイツクセンサの拡散室7a
内に拡散穴8aより流入する一酸化炭素より多い
酸素を酸素イオンで固体電解質セラミツク基板3
aを通過させることで供給し、空燃比によらず拡
散室7a内を高い酸素濃度に制御する。また、希
薄酸素センサとは第2図において、電極2d−2
c間に電極2dを陽極にして、励起電圧ELを印
加すると、拡散室7b内の酸素分子は固体電解質
セラミツク基板3dを酸素イオンで通過して排気
ガス中に放出される。これに伴い、拡散室7b内
には拡散孔8bより拡散律速に基づき酸素分子が
流入する。この酸素量に応じて希薄酸素センサの
電極2d−2c間にポンピング電流Ipが流れる。
このポンピング電流Ipと排気ガス中の酸素分圧
Po2の間には次式が成り立つことが一般に知られ
ている。
Ip=(4F・D・S/R・T・1)・Po2 ここで、 F:フアラデー定数 D:酸素ガスの拡散定数 S:拡散孔の断面積 R:気体定数 T:絶対温度 1:拡散孔の長さ を表すものとする。
上記定電流Ip′にて励起されたストイツクセン
サの空気過剰率λと出力電圧e0との関係、励起電
圧ELにて励起された希薄酸素センサの空気過剰
率λと出力電流Ipとの関係を第7図に示す。スト
イツクセンサの電極間に生じる出力電圧e0は排気
ガス中の酸素濃度が拡散室7a内の酸素濃度と比
較して大きい場合は(空気過剰率λ<1の場合)、
電流Ip′により拡散室7a内の酸素濃度を理論空
燃比以上にしようとして、排気ガス中の酸素を酸
素イオンの形で拡散室7aに送りこむため出力電
圧e0が大きく、λ≧1.0では出力電圧e0は小さく
なる。また、希薄酸素センサが発生するポンピン
グ電流Ipは排気ガス中の酸素分圧によつて定まる
値で、空気過剰率λ<1.0の時は0に近い値を取
りつづけ、λが1.0以上のときは排気ガス中の酸
素分圧PO2の増加分に比例して大きくなる。
このように、ヒータ5と各センサの間隔を等距
離とし、ヒータ5による各センサの加熱が均一に
行なわれるので、ストイツクセンサにより理論空
燃比を正確に検出し、この時の希薄酸素センサの
出力電流が0となるように補正するだけで、燃焼
効率が最も良いとされる空気過剰率λ=1.0〜1.5
の範囲を正確に検出できる。
第3図ないし第6図は、前記複合酸素センサ1
の製造工程を示すものである。
まず、第3図に示すように、4枚の固体電解質
セラミツクグリーンシート(以下単にグリーンシ
ートという)3a′,3b′,3c′,3d′を準備する。
グリーンシート3a′,3d′に拡散穴8a,8bを
形成したのち、グリーンシート3a′,3d′の両面
に、酸素検出用の電極パターン2a′,2b′と2c′,
2d′をそれぞれ印刷形成する。この電極パターン
2a′,2b′,2c′,2d′は、白金ペースト、たと
えば、白金粉末とエチルセルロースとカルビトー
ルの混合物を、スクリーン印刷等によつてグリン
シート3a′,3b′上に印刷して成る。ついで、電
極2b′,2c′を覆うように有機ペーストのパター
ン7a′,7b′を印刷形成する。このパターン7
a′,7b′の有機ペーストは、たとえば、エチセル
とα−テルピネオールとの混合物を用いる。
一方、グリーンシート3c′には、アルミナペー
スト、たとえば、アルミナとエチセルおよびテル
ピネオールの混合物により、絶縁パターン4b′を
印刷形成したのち、この絶縁パターン4b′上に、
白金ペーストでヒータパターン5′を印刷形成す
る。
前記各パターン2a′,2b′と2c′,2d′,7a′

7b′,4b′,5′を乾燥硬化させたのち、第4図
に示すように、グリーンシート3a′と3b′,3
c′と3d′をそれぞれ圧着する。この圧着は、たと
えば、120℃、80気圧のホツトプレスで行なう。
ついで、各積層体1a′と1b′を140℃で30分間加
熱し、パターン7a′,7b′を形成する有機ペース
トを蒸発させて除去し、拡散室7a,7bを形成
したのち、1500℃で2時間焼成する。この状態
で、グリーンシート3a′,3b′,3c′,3d′はそ
れぞれ、基板3a,3b,3c,3dとなり、電
極パターン2a′,2b′,2c′,2d′はそれぞれ電
極2a,2b,2c,2dとなる。また、絶縁パ
ターン4b′は絶縁層4bに、ヒータパターン5′
はヒータ5になる。ついで、第5図に示すよう
に、ヒータ5の上に絶縁パターン4a′を印刷形成
すると共に、基板3b上に、2%のSiO2粉末と
固体電解質粉末を含むペースト1e′を印刷する。
そして、積層体1aを1500℃で1時間焼結したの
ち、積層体1a,1bを積層し、さらに、1450℃
で1時間焼結する。そして第6図に示すように、
一体化したのち、その表裏面にスピネルをスパツ
タリングして、被覆層6a,6bを形成し、複合
酸素センサ1が完成する。
前記のように、本発明によれば、拡散穴8を明
ける以外は全て印刷と焼結によつて形成すること
ができ、部品点数の削減が可能になり、加工が容
易になる。
〔発明の効果〕
以上述べた如く、本発明によれば、高精度の測
定が可能な複合酸素センサを提供することができ
る。また、複合酸素センサの加工を容易にし、作
業性を大巾に向上させることができるなどの効果
がある。
【図面の簡単な説明】
第1図は本発明による複合酸素センサの平面
図、第2図は第1図の−断面図、第3図ない
し第6図は本発明による複合酸素センサの製造工
程を示す工程図で、それぞれAは第2図に対応す
る断面図、BはAの底面図、第7図はストイツク
センサの空気過剰率に対する出力電圧の関係及び
希薄酸素センサの空気過剰率に対する出力電圧の
関係を示す図である。 1……複合酸素センサ、2a,2b,2c,2
d……電極、3a,3b,3c,3d……基板、
3e……接合層、4a,4b……絶縁層、5……
ヒータ、7a,7b……拡散室、8a,8b……
拡散孔。

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 1 被測定ガスの拡散孔を有する第1の固体電解
    質セラミツク基板と、該第1の固体電解質セラミ
    ツク基板の両面の前記拡散孔の周囲に電極を形成
    しこの電極間に定電流を流すことにより電極間の
    起電力が測定され理論空燃比に対応して出力急変
    があるストイツクセンサと、 被測定ガスの拡散孔を有する第2の固体電解質
    セラミツク基板と、該第2の固体電解質セラミツ
    ク基板の両面の前記拡散孔の周囲に電極を形成し
    この電極間に定電圧を印加することにより限界電
    流が測定される限界電流式希薄酸素センサと、 前記ストイツクセンサと前記希薄酸素センサの
    間に、絶縁材でコーテイングされ、さらに固体電
    解質セラミツクの間に挾持されたヒータと、 前記ストイツクセンサと希薄酸素センサのヒー
    タ側の電極を囲むよう形成された拡散室とを備
    え、 前記ヒータに対し前記ストイツクセンサと、前
    記希薄酸素センサとが対称的に一体に結合されて
    いることを特徴とする複合酸素センサ。 2 拡散孔を形成した固体電解質セラミツクグリ
    ーンシートの両面に、拡散孔を中央にして白金ペ
    ーストで検出用の電極パターンを印刷形成し、そ
    の電極パターンの一方を有機物ペーストで覆つた
    未焼成のストイツクセンサと希薄酸素センサを形
    成し、固体電解質セラミツクグリーンシートの一
    面に絶縁ペーストを塗布し、その上に白金ペース
    トでヒータパターンを印刷した未焼成のヒータを
    形成し、前記ストイツクセンサと希薄酸素センサ
    のいずれか一方のセンサの有機ペースト塗布面に
    前記ヒータの非パターン面を重ねて加熱圧着し、
    他方のセンサの有機ペースト塗布面に固体電解質
    セラミツクグリーンシートを加熱圧着し、それぞ
    れ有機ペーストを加熱除去して拡散室を形成して
    のち、焼結してストイツクセンサと希薄酸素セン
    サ及びヒータを形成し、このヒータの上に絶縁ペ
    ーストを塗布して焼結したのち、焼結された絶縁
    物とヒータのないストイツクセンサもしくは希薄
    酸素センサのセラミツク面との間に固体電解質ペ
    ーストを塗布して圧着したのち、焼結して前記ス
    トイツクセンサと前記希薄酸素センサとが前記ヒ
    ータに対して対称的となるよう一体に接合するこ
    とを特徴とする複合酸素センサの製造方法。
JP58236183A 1983-12-16 1983-12-16 複合酸素センサとその製造方法 Granted JPS60128344A (ja)

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JPH0778487B2 (ja) * 1986-11-04 1995-08-23 株式会社ユニシアジェックス 内燃機関用酸素センサの製造方法
DE19746516C2 (de) * 1997-10-22 2001-09-27 Bosch Gmbh Robert Planares Sensorelement

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