JPH09178696A - 積層型酸素センサ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】耐久性に優れ、ヒータから素子への熱伝達効率
の良い積層型酸素センサを提供すること。 【解決手段】素子１２の反応壁１６の両面１６ａ，１６
ｂに電極１３，１４を設ける。反応壁１６の上面１６ａ
の全ての辺に沿って突条１７を上方へ突設する。反応壁
１６の上面１６ａと突条１７とにより囲まれた空間にヒ
ータ１５を配置する。上面１６ａの基端部にスペーサ２
５を介在させてヒータ１５を保持することにより、ヒー
タ１５を反応壁１６と対向し近接して配置する。ヒータ
１５が熱することにより、ヒータ１５の対向面１５ａか
ら発生する輻射熱は反応壁１６の上面１６ａに伝わり、
ヒータ１５の側面１５ａから発生する輻射熱は突条１７
の内壁１７ａに伝わる。素子１２にはヒータ１５の複数
の面１５ａ，１５ｂから輻射熱が伝わる。反応壁１６の
上面１６ａは排気ガスに晒され、反応壁１６の下面１６
ｂは大気に晒される。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は酸素濃度を測定す
るための酸素センサに係る。詳しくは、酸素濃度測定用
の素子とその素子を加熱するためのヒータとを備え、そ
れらを積層してなる積層型酸素センサに関する。

【０００２】

【従来の技術】従来より、自動車等の内燃機関から排出
される排気ガス中の酸素濃度を酸素センサにより検出
し、その検出値を用いて空燃比（空気と燃料の重量比）
を制御することが行われている。この酸素センサの一種
として、ジルコニア等の固体電解質からなる素子の両面
に電極を形成したものがある。このタイプの酸素センサ
は素子の内外両面の酸素濃度差が大きい場合に、起電力
を発生するという固体電解質の性質を利用している。そ
の起電力の大きさに基づき、排気ガス中の酸素濃度を知
ることができる。ここで、素子が安定して起電力を発生
するためには、素子が所定の活性温度に維持される必要
がある。素子がより早く温められて活性温度に達する
程、酸素センサをより早く動作させることが可能とな
り、内燃機関の空燃比制御を早期に行うことが可能とな
る。そこで、素子を速やかに加熱するために、素子を加
熱するためのヒータを設け、そのヒータを素子に貼り付
けたり、素子に内蔵したりする構成が採用されている。

【０００３】特開平４−１９４６６２号公報は、この種
の酸素センサを開示している。図７はその酸素センサ４
１の断面図を示す。酸素センサ４１は素子４２、電極４
３、ヒータ４４、セラミック板４５及びリードワイヤ４
６から構成されている。固体電解質からなる素子４２の
両面には白金からなる電極４３が設けられている。素子
４２の上下両側を覆うようにセラミック板４５が配置さ
れ、同セラミック板４５の電極４３に対向する面にはヒ
ータ４４が設けられている。リードワイヤ４６はヒータ
４４に接続される。リードワイヤ４６を介してヒータ４
４に電圧が印加されることにより、ヒータ４４が作動し
て素子４２の両面が積極的に加熱される。

【０００４】この酸素センサ４１では、ヒータ４４が接
着材等でセラミック板４５に貼り付けられることが考え
られる。この場合、ヒータ４４が熱するのに伴い、セラ
ミック板４５が加熱され、両者４４，４５はその熱によ
り膨張する。通常、ヒータ４４とセラミック板４５はそ
の材質が異なるため、両者４４，４５の熱膨張率も異な
る。そのため、ヒータ４４とセラミック板４５の膨張量
は異なり、両者４４，４５の接合面に応力が加わる。そ
の応力により、ヒータ４４がセラミック板４５から剥が
れたり、場合によってはヒータ４４が折損したりすると
いうおそれがある。また、ヒータ４４が素子４２に貼り
付けられる場合には、両者４４，４２の熱膨張率が互い
に大きく異なり、素子４２が急激に加熱されることから
両者４４，４２の接合面に大きな熱応力が生じる。その
ため、ヒータ４４には上記のような剥がれや折れが生じ
易くなるおそれがある。

【０００５】一方、ヒータが素子に内蔵されるタイプの
酸素センサでは、その製造が複雑であり、かつ素子が急
激に加熱されることにより、ヒータには前述の剥がれや
折れの問題が生じ易い。

【０００６】酸素センサの高耐熱化を実現するために、
高耐熱性を有する窒化珪素からなるヒータが使用され
る。この場合、素子とヒータとの熱膨張率が大きく異な
るため、両者が高温になるとヒータが素子から剥がれ易
くなるおそれがある。

【０００７】そこで、上記の問題を解決するために、図
７に示す構成を有する酸素センサ５１が考えられる。こ
の酸素センサ５１は、ヒータ５２を素子５３に貼り付け
ることなく素子５３との間にスペーサ５４を介在させて
両者５２，５３の基部を束ねることにより、両者５２，
５３が互いに離れた状態に保持されている。素子５３及
びヒータ５２の表面は必ずしも平坦ではないため、組み
付け上、素子５３とヒータ５２との間には若干の隙間が
できる。従って、ヒータ５２の輻射熱が素子５３へ伝達
することにより、ヒータ５３が加熱される。この構成に
よれば、ヒータ５２の破損を防止することができ、ヒー
タが内蔵されるタイプの酸素センサに比べて構成が簡単
である。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記の
酸素センサ５１の構成によれば、ヒータ５２の対向面と
素子５３の対向面とが互いに近接されるのみで、素子５
３にはヒータ５２の一面のみから輻射熱が伝わるだけで
ある。従って、ヒータ５２のその他の面から出る輻射熱
が損失となり、ヒータ５２から素子５３への熱の伝達効
率が良くない。

【０００９】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、素子を加熱するためのヒー
タを備えたことを前提として、耐久性に優れると共に、
ヒータから素子への熱伝達効率の良い積層型酸素センサ
を提供することにある。

【００１０】

【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に記載の発明は、電極が設けられた素子
を加熱するためのヒータを備え、そのヒータが複数の面
を有し、そのヒータの１つの対向面が素子の１つの対向
面に対向し近接して配置されてなる積層型酸素センサに
おいて、素子の対向面の少なくとも１辺に沿って素子か
らヒータ側へ突出する突条が設けられ、素子の対向面と
突条とにより囲まれた空間に前記ヒータが配置されるこ
とを趣旨とする。

【００１１】上記の構成によれば、ヒータが発熱するこ
とにより、その輻射熱が素子の対向面に伝達される。ま
た、ヒータの対向面以外の面から発生する輻射熱は、突
条から素子へ伝達される。従って、素子はヒータの複数
の面から伝わる輻射熱によって加熱される。また、素子
とヒータは互いに対向し近接しているだけなので、素子
の熱膨張量とヒータの熱膨張量が異なっても、素子とヒ
ータとの間に応力が生じることはない。

【００１２】

【発明の実施の形態】以下、この発明の積層型酸素セン
サを具体化した第１の実施形態を図面に基づいて詳細に
説明する。

【００１３】図１は積層型酸素センサ１１を示す側面図
であり、図２は図１の２−２線に沿った断面図である。
図１において左側を酸素センサ１１の先端側、右側を酸
素センサ１１の基端側とする。

【００１４】図１及び図２に示すように、この酸素セン
サ１１は素子１２、電極１３，１４及びヒータ１５等か
ら構成されている。固体電解質からなる素子１２は互い
に一体をなす反応壁１６、突条１７、側壁１８及び底壁
１９を含む。固体電解質はその表裏両面における酸素濃
度差に基づくイオンの移動によって電気伝導を起こす固
体である。本実施形態では、固体電解質として安定化ジ
ルコニアが用いられている。安定化ジルコニアはジルコ
ニア（ZrO₂）にCaO 、Y₂O₃、Yb₂O₃ 等を溶媒に溶解させ
た後、固めたものであり、高温において酸素イオンの伝
導性を示す。

【００１５】素子１２のほぼ中間部に位置する反応壁１
６は、長四角形の板状をなす。反応壁１６は、その上面
１６ａが排気ガスに晒され、下面１６ｂが既に知られた
酸素濃度を有する気体（この場合大気）に晒される。そ
して、反応壁１６はその上下両面１６ａ，１６ｂの酸素
濃度差に応じた起電力を発生する。

【００１６】反応壁１６の上下両面１６ａ，１６ｂに
は、それぞれ同一形状をなす雰囲気側電極１３及び大気
側電極１４がそれぞれ互いに上下対称をなすように設け
られている。同電極１３，１４は薄膜状をなし、蒸着、
メッキ、ペースト焼き付け等の方法によって形成されて
いる。これらの電極１３，１４はいずれも白金（Ｐｔ）
からなる。各電極１３，１４はそれぞれ反応部２０，２
１及びリード部２２，２３から構成されている。各反応
部２０，２１は四角形状をなし、反応壁１６の先端部に
設けられている。上記の起電力はこれら両反応部２０，
２１の間で発生する。各リード部２２，２３は各反応部
２０，２１よりも狭い幅を有しており、その反応部２
０，２１の幅方向中央部から反応壁１６の基端側へ向か
って真っ直ぐに延びている。各リード部２２，２３の基
端部には、両反応部２０，２１の間で発生した起電力を
酸素センサ１１の外部へ取り出すためのリード（図示し
ない）が接続されている。

【００１７】突条１７は反応壁１６を囲むようにその上
面１６ａの各辺に沿って延び、且つ上方へ突出して設け
られている。側壁１８は反応壁１６の下面１６ｂの基端
側を除く各辺に沿って延び、且つ下方へ突出して設けら
れている。底壁１９は側壁１８の下側を覆うように設け
られている。これら反応壁１６、側壁１８及び底壁１９
によって囲まれる空間が、大気を導入するための導入孔
２４となっている。この導入孔２４は素子１２の全長に
わたって延びている。導入孔２４はその先端側が側壁１
８によって閉塞され、基端側は開口している。その開口
部から導入孔２４へ大気が導かれる。

【００１８】ヒータ１５は、反応壁１６の上面１６ａと
突条１７により囲まれた空間に配置されている。上面１
６ａの基端部にはスペーサ２５が配置され、そのスペー
サ２５を介してヒータ１５が上面１６ａに対向し近接す
るように配置されている。スペーサ２５と対応する位置
に設けられた挟持具２６によりスペーサ２５及びヒータ
１５が挟持され、両者２５，１５が素子１２に固定され
ている。ここで、反応壁１６の上面１６ａがヒータ１５
の対向面１５ａと対向する本発明の対向面をなす。ヒー
タ１５の対向面１５ａは反応壁１６の上面１６ａに貼り
合わされることなく、スペーサ２５の厚さ分だけ上面１
６ａから離れた状態に保たれる。ヒータ１５はそのほぼ
下半分が突条１７により囲まれ、その側面１５ｂは突条
１７の内壁１７ａに接することなく所定の隙間だけ離れ
ている。この隙間により、素子１２の外部から反応壁１
６の上面１６ａに対して排気ガスが導かれる。ここで、
突条１７は、特に、気体の通過を容易にし得る多孔質状
をなし、その突条１７を通じ、素子１２の外部の排気ガ
スが反応壁１６の上面１６ａに導入され易いようになっ
ている。

【００１９】ヒータ１５はヒータパターン２７と、その
パターン２７を覆うシート２８から構成されている。ヒ
ータパターン２７は白金からなり、ヒータ１５の長手方
向に沿って延びている。シート２８は耐熱性に優れた窒
化珪素から構成されている。窒化珪素は絶縁材料であり
ヒータパターン２７に流れる電流がヒータ１５の外部へ
漏れることを防止する。ヒータパターン２７には、同パ
ターン２７に電圧を印加するための電圧供給回路（図示
しない）が接続されている。ヒータパターン２７に電圧
が印加されることにより、同パターン２７が発熱してシ
ート２８が加熱され、その熱がヒータ１５の熱として放
出される。

【００２０】上記の酸素センサ１１は以下のように製造
される。図３に示すように、最初に予め別々に形成され
た底壁１９、側壁１８、反応壁１６及び突条１７が順に
積層される。反応壁１６には予め電極１３，１４が設け
られている。

【００２１】次に、積層された各部材１６〜１９を加熱
することにより、図４に示すように、それらが一体化し
て素子１２が焼成される。その後、予め焼成されたヒー
タ１５を、反応壁１６の上面１６ａにスペーサ２５を介
して配置し、両者２５，１５を挟持具２６により挟持す
ることにより、各部材１２〜１５を積層してなる酸素セ
ンサ１１が形成される。

【００２２】次に、上記のように構成された酸素センサ
１１の動作について説明する。自動車のエンジンから排
出される排気ガスを検出するために、酸素センサ１１は
排気通路に取り付けられる。酸素センサ１１の使用時に
は、導入孔２４へ大気が導かれて反応壁１６の下面１６
ｂ及び電極１４の反応部２１が大気に晒される。それに
対して、反応壁１６の上面１６ａ及び電極１３の反応部
２０が酸素濃度の低い排気ガスに晒される。上面１６ａ
及び反応部２０には、ヒータ１５と突条１７との隙間を
通じて排気ガスが当たる。同じく、多孔質状の突条１７
を透過した排気ガスが上面１６ａ及び反応部２０に当た
る。このとき、反応壁１６の上下各面１６ａ，１６ｂで
酸素濃度、即ち酸素分圧が異なり、酸素分圧の高い大気
側から酸素分圧の低い排気ガス側へ向けて酸素イオンが
移動する。その結果、反応部２０，２１の間に起電力が
発生する。この起電力は反応壁１６の上下両面１６ａ，
１６ｂの間の酸素濃度差が大きい程、高い値となる。ま
た、白金製の反応部２０，２１は排気ガス中の酸素と一
酸化炭素とを結合させる触媒作用を発揮する。反応部２
０，２１は、その触媒作用により、反応壁１６の上面１
６ａの付近の酸素濃度を低下させ、下面１６ｂの付近の
酸素濃度との差を増大させることにより、起電力を増大
させる。この増大された起電力がリード部２２，２３を
介してリードへ出力される。その出力された起電力は、
排気ガス中の酸素濃度を演算するために使用される。

【００２３】ここで、反応壁１６の起電力を早期に、か
つ安定して発生させるために、ヒータ１５が使用され
る。このヒータ１５で反応壁１６を加熱することによ
り、反応壁１６は所定の活性温度まで早期に昇温され、
その活性温度で維持される。

【００２４】ヒータ１５に電圧が印加されることによ
り、ヒータ１５が発熱し、ヒータ１５の対向面１５ａか
ら発生する輻射熱は反応壁１６の上面１６ａに伝達さ
れ、その熱によって反応壁１６が加熱される。これに対
して、ヒータ１５のほぼ下半分が突条１７により囲まれ
ているため、ヒータ１５の側面１５ｂから発生する輻射
熱は突条１７へ伝達され、その熱によって反応壁１６が
加熱される。このように、ヒータ１５から発生する輻射
熱がヒータ１５の複数の面１５ａ，１５ｂから反応壁１
６の対向面１６ａ及び突条１７へ伝達される。このよう
に加熱された状態で、反応壁１６は起電力を発生する。

【００２５】この実施形態によれば、ヒータ１５の対向
面１５ａから発生する輻射熱に加えて、ヒータ１５の側
面１５ｂから発生する輻射熱も反応壁１６に伝達され
る。このため、反応壁１６に対する輻射熱の伝達効率が
向上し、それによって反応壁１６の早期昇温性が向上す
る。

【００２６】この実施形態によれば、ヒータ１５の対向
面１５ａが反応壁１６の対向面１６ａから離れて配置さ
れている。このため、両者１５，１６の間で熱膨張差に
起因して応力が生じることがなく、ヒータ１５が折れた
り損傷したりすることがなく、酸素センサ１１の耐久性
及び信頼性が向上する。従って、ヒータ１５を比較的強
度の小さな材料で製造することも可能となり、この場合
においてもヒータ１５が損傷し難い構成となる。また、
ヒータ１５が熱膨張により反応壁１６側へ湾曲してその
先端が反応壁１６上の電極１３に接することも考えらる
が、その場合にヒータ１５が折損する程の応力が生じる
ことはない。

【００２７】この実施形態によれば、反応壁１６の上面
１６ａに突条１７を設けたことにより、素子１２の断面
がＨ字状になる。従って、素子１２の全体の強度が向上
する。

【００２８】この実施形態によれば、ヒータ１５のシー
ト２８の材料として窒化珪素が使用されているため、ヒ
ータ１５は耐熱性に優れている。この実施形態によれ
ば、酸素センサ１１を構成する各部材１２〜１５が積層
される構成であるため、ヒータが素子に内蔵されるタイ
プの酸素センサに比べて構成を簡素化することができ
る。

【００２９】次に、本発明を具体化した第２の実施形態
を図５に基づいて説明する。この実施形態の構成におい
て、前記第１の実施形態のそれと同一の部材については
同一の番号を付してその説明を省略し、特に異なった点
を中心に説明する。

【００３０】図５は第２の実施形態の積層型酸素センサ
３１を示す断面図である。同図に示すように、この実施
形態の酸素センサ３１はその突条３２及びヒータ３３の
配置の点で前記第１の実施形態の酸素センサ１１と構成
が異なる。

【００３１】即ち、ヒータ３３は底壁１９の下側に配置
され、ヒータ３３の対向面３３ａが底壁１９の下面１９
ａに対向して配置されている。底壁１９にはその下面１
９ａの各辺に沿って底壁１９からヒータ３３側へ突出す
るように突条３２が設けられている。底壁１９の下面１
９ａと突条３２とで囲まれる空間にヒータ３３が保持さ
れている。ここで、ヒータ３３の対向面３３ａは底壁１
９の下面１９ａに貼り付けられることなく接しており、
ヒータ３３の側面３３ｂは突条３２の内壁３２ａから離
れた状態になっている。また、ヒータ３３のほぼ下半分
が突条３２により囲まれている。反応壁１６の上面１６
ａ及び電極１３の反応部２０は、ヒータ３３により覆わ
れておらず、それらが排気ガスに直接晒されるようにな
っている。

【００３２】この酸素センサ３１では、ヒータ３３が発
熱することにより、ヒータ３３の対向面３３ａから発生
する熱が底壁１９へ直接伝わる。また、ヒータ３３の側
面３３ｂから発生する熱が輻射熱として突条３２の内壁
３２ａに伝わる。このように、ヒータ３３の熱はその複
数の面３３ａ，３３ｂから素子１２に伝わる。

【００３３】従って、本実施形態によれば、ヒータ１５
から素子１２に対する熱の伝達効率が向上し、それによ
って反応壁１６の早期昇温性が向上する。この実施形態
によれば、ヒータ３３は底壁１９の下面１９ａに貼り付
けられることなく底壁１９に接触しているだけである。
従って、両者３３，１９の熱膨張率の違いに起因して互
いの接触面３３ａ，１９ａに無理な応力が生じることは
なく、ヒータ３３が折れたり破損したりすることはな
い。このため、酸素センサ３１の耐久性及び信頼性が向
上する。

【００３４】この実施形態によれば、電極１３の反応部
２０及び反応壁１６の上面１６ａがヒータ３３により覆
われていないため、反応部２０及び反応壁１６には排気
ガスが直接当たる。

【００３５】この実施形態によれば、底壁１９の対向面
１９ａに突条３２を設けたことにより、素子１２の断面
がＨ字状になり素子１２の全体の強度が向上する。この
実施形態によれば、ヒータ３３の側面３３ｂが突条３２
から離れた状態に設定されているため、ヒータ３３に製
造上の公差が生じた場合でも、突条３２と底壁１９とに
より囲まれる空間にヒータ３３を容易に配置することが
できる。また、酸素センサ３１の使用中にもヒータ３３
の幅方向の熱膨張が許容される。

【００３６】尚、この発明は次のような別の実施形態に
具体化することもできる。以下の別の実施形態でも、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）上記各実施形態では、反応壁１６の上面１６ａの
全ての辺にわたって突条１７，３２を設けた。それに対
して、図６に示す積層型酸素センサ３５のように、反応
壁１６の上面１６ａの両側辺に沿って、反応部２０の長
さとほぼ同じ長さにわたって突条３６ａを突設するとと
もに、上面１６ａの先端側の辺に沿って突条３６ｂを突
設してもよい。

【００３７】この構成によれば、突条３６ａが突条１
７，３２よりも短い分だけ素子１２の使用材料を削減す
ることができ、反応部２０及びその周辺の反応壁１６に
対するヒータ１５からの熱伝達効率を確保することがで
きる。

【００３８】また、特に第１の実施形態の酸素センサ１
１にこの構成を適用した場合に、酸素センサ１１の基端
側における突条１７が省略され、このため排気ガスが反
応部２０及びその反応壁１６の上面１６ａへ導入され易
くなる。

【００３９】（２）上記各実施形態では、反応壁１６の
上面１６ａ又は底壁１９の下面１９ａの各辺に沿って突
条１７，３２を設けた。これに対し、反応壁１６の上面
１６ａ又は底壁１９の下面１９ａにおける少なくとも１
辺に沿って、突条１７，３２を設けてもよい。

【００４０】（３）上記各実施形態では、反応部２０及
びリード部２２が排気ガスに直接的に晒される構成とし
た。それに対して、反応部２０上及びリード部２２上に
保護層を設けてもよい。

【００４１】この構成によれば、排気ガス中の被毒成分
によって反応部２０及びリード部２２が劣化することを
防止することができる。 （４）上記第１の実施形態において、スペーサ２５の厚
さを任意に変更してもよい。それにより、ヒータ１５と
反応壁１６との間隔を調節し、ヒータ１５の反応壁１６
に対する熱伝達効率と、ヒータ１５の湾曲量を考慮した
信頼性とを最適にすることができる。

【００４２】更に、本発明の各実施形態には、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１に記載の発明において、前記突条は多孔
質状からなることを特徴とする積層型酸素センサ。

【００４３】この構成によれば、突条に対して排気ガス
を透過させることができ、それによって突条の側面から
素子とヒータとの間へ排気ガスを導入することができ
る。

【００４４】

【発明の効果】請求項１に記載の発明によれば、ヒータ
の一つの対向面を素子の一つの対向面に対向し近接して
配置している。素子の対向面の少なくとも１辺に沿って
素子からヒータ側へ突出する突条を設け、素子の対向面
と突条とにより囲まれた空間にヒータを配置するように
している。

【００４５】従って、ヒータの対向面及び側面から発生
する輻射熱が素子の対向面及び突条へ伝達するととも
に、素子とヒータとの間に熱膨張による応力が作用しな
い。そのため、センサの耐久性を向上させることがで
き、ヒータから素子への熱伝達効率を向上させることが
できるという効果を発揮する。

【図面の簡単な説明】

【図１】 第１の実施形態に係る酸素センサを示す側面
図。

【図２】 図１の２−２線に沿った断面図。

【図３】 酸素センサの製造工程の一部を示す斜視図。

【図４】 酸素センサの製造工程の一部を示す斜視図。

【図５】 第２の実施形態に係る酸素センサを示す断面
図。

【図６】 別の実施形態に係る酸素センサの一部を示す
斜視図。

【図７】 従来の酸素センサを示す断面図。

【図８】 従来の酸素センサの別の形態を示す側面図。

【符号の説明】 １１，３１，４１…積層型酸素センサ、１２…素子、１
３，１４…電極、１５，３３…ヒータ、１５ａ，３３ａ
…ヒータの対向面、１５ｂ，３３ｂ…ヒータの側面、１
６…反応壁、１６ａ…反応壁の上面、１７，３２，３６
ａ，３６ｂ…突条、１７ａ，３２ａ…突条の内壁、１９
…底壁、１９ａ…底壁の下面。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 電極が設けられた素子を加熱するための
   ヒータを備え、そのヒータが複数の面を有し、そのヒー
   タの１つの対向面が前記素子の１つの対向面に対向し近
   接して配置されてなる積層型酸素センサにおいて、 前記素子の対向面の少なくとも１辺に沿って前記素子か
   ら前記ヒータ側へ突出する突条が設けられ、前記素子の
   対向面と前記突条とにより囲まれた空間に前記ヒータが
   配置されることを特徴とする積層型酸素センサ。