JPH1114594A - 積層型空燃比センサ - Google Patents
積層型空燃比センサInfo
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- JPH1114594A JPH1114594A JP9180735A JP18073597A JPH1114594A JP H1114594 A JPH1114594 A JP H1114594A JP 9180735 A JP9180735 A JP 9180735A JP 18073597 A JP18073597 A JP 18073597A JP H1114594 A JPH1114594 A JP H1114594A
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- G01—MEASURING; TESTING
- G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
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- G01N27/26—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating electrochemical variables; by using electrolysis or electrophoresis
- G01N27/416—Systems
- G01N27/417—Systems using cells, i.e. more than one cell and probes with solid electrolytes
- G01N27/419—Measuring voltages or currents with a combination of oxygen pumping cells and oxygen concentration cells
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Abstract
(57)【要約】
【課題】 速熱性に優れ，熱衝撃による割れが生じ難い
積層型空燃比センサを提供すること。 【解決手段】 複数枚の酸素イオン導電性の固体電解質
基板１１〜１５を積層するか，または少なくとも１枚の
上記固体電解質基板１１〜１５と絶縁性基板とを組合わ
せて積層することにより構成した。上記各基板１１〜１
５の間に形成される界面の中で少なくとも１つの界面に
は厚さ１０〜１００μｍの異種層１０が設けてある。
積層型空燃比センサを提供すること。 【解決手段】 複数枚の酸素イオン導電性の固体電解質
基板１１〜１５を積層するか，または少なくとも１枚の
上記固体電解質基板１１〜１５と絶縁性基板とを組合わ
せて積層することにより構成した。上記各基板１１〜１
５の間に形成される界面の中で少なくとも１つの界面に
は厚さ１０〜１００μｍの異種層１０が設けてある。
Description
【０００１】
【技術分野】本発明は，内燃機関における空燃比制御等
に使用するための積層型空燃比センサに関する。
に使用するための積層型空燃比センサに関する。
【０００２】
【従来技術】車両の内燃機関において空燃比が適当でな
い場合には，エネルギー（燃料）の損失となると共に大
気汚染の原因となる。そのため，積層型空燃比センサを
用いて内燃機関の空燃比制御を行っている。この場合に
使用する積層型空燃比センサとして，例えば，図１３，
図１４に示すような積層型の積層型空燃比センサが提案
されている（特公平２−６２９５５号）。
い場合には，エネルギー（燃料）の損失となると共に大
気汚染の原因となる。そのため，積層型空燃比センサを
用いて内燃機関の空燃比制御を行っている。この場合に
使用する積層型空燃比センサとして，例えば，図１３，
図１４に示すような積層型の積層型空燃比センサが提案
されている（特公平２−６２９５５号）。
【０００３】図１３に示すごとく，上記積層型空燃比セ
ンサ９は，固体電解質基板９１，９３と遮蔽板９４と絶
縁性スペーサ９２とを組合わせて積層することにより構
成されている。
ンサ９は，固体電解質基板９１，９３と遮蔽板９４と絶
縁性スペーサ９２とを組合わせて積層することにより構
成されている。
【０００４】図１４に示すごとく，上記積層型空燃比セ
ンサ９にはポンプセル９１９とセンサセル９３９とが被
測定ガス室９２０を挟んで設けてある。また，センサセ
ル９３９と遮蔽板９４とによって基準ガス室９４０が形
成されている。また，上記固体電解質基板９１，９３及
び遮蔽板９４はジルコニアよりなり，上記絶縁性スペー
サ９２はアルミナよりなる。
ンサ９にはポンプセル９１９とセンサセル９３９とが被
測定ガス室９２０を挟んで設けてある。また，センサセ
ル９３９と遮蔽板９４とによって基準ガス室９４０が形
成されている。また，上記固体電解質基板９１，９３及
び遮蔽板９４はジルコニアよりなり，上記絶縁性スペー
サ９２はアルミナよりなる。
【０００５】上記ポンプセル９１９は，上記固体電解質
基板９１とその両面に設けられた一対の多孔質な電極９
１１，９１２より構成され，また上記センサセル９３９
は上記固体電解質基板９３とその両面に設けられた一対
の電極９３１，９３２より構成されている。また，上記
被測定ガス室９２０に対する被測定ガスの導入は被測定
ガス拡散導入部９２１を介して行う。なお，符号９００
は上記多孔質な電極９１１の保護層である。
基板９１とその両面に設けられた一対の多孔質な電極９
１１，９１２より構成され，また上記センサセル９３９
は上記固体電解質基板９３とその両面に設けられた一対
の電極９３１，９３２より構成されている。また，上記
被測定ガス室９２０に対する被測定ガスの導入は被測定
ガス拡散導入部９２１を介して行う。なお，符号９００
は上記多孔質な電極９１１の保護層である。
【０００６】上記積層型空燃比センサ９において，上記
ポンプセル９１９は被測定ガス室９２０に対して酸素ガ
スの導入・排出を行って，該被測定ガス室９２０の酸素
濃度を一定値にコントロールする。そして，上記センサ
セル９３９において，被測定ガス室９２０中の空燃比を
検出する。上記センサセル９３９により被測定ガス室９
２０の酸素濃度をコンパレータの設定値と比較し，被測
定ガス室９２０の濃度が常に一定になるようポンプセル
９１９に電圧を印加して酸素ガスの導入・排出を行う。
その時，流れた電流値は排ガス中の空燃比に比例するこ
とから空燃比を検出することができる。
ポンプセル９１９は被測定ガス室９２０に対して酸素ガ
スの導入・排出を行って，該被測定ガス室９２０の酸素
濃度を一定値にコントロールする。そして，上記センサ
セル９３９において，被測定ガス室９２０中の空燃比を
検出する。上記センサセル９３９により被測定ガス室９
２０の酸素濃度をコンパレータの設定値と比較し，被測
定ガス室９２０の濃度が常に一定になるようポンプセル
９１９に電圧を印加して酸素ガスの導入・排出を行う。
その時，流れた電流値は排ガス中の空燃比に比例するこ
とから空燃比を検出することができる。
【０００７】また，上記積層型空燃比センサ９は活性温
度に加熱されなければ正確な空燃比を検出することがで
きない。このため，上記積層型空燃比センサ９には別途
ヒータを設け，該ヒータによって常時積層型空燃比セン
サ９を活性温度に保持して使用する。
度に加熱されなければ正確な空燃比を検出することがで
きない。このため，上記積層型空燃比センサ９には別途
ヒータを設け，該ヒータによって常時積層型空燃比セン
サ９を活性温度に保持して使用する。
【０００８】
【解決しようとする課題】しかしながら，上記従来積層
型空燃比センサには以下に示す問題がある。車両用内燃
機関から排出される排ガス及びこれに含まれる有害物質
に関して，西暦２０００年に米国加州にて展開されるＵ
ＬＥＶ規制に対応するためには，上記積層型空燃比セン
サが超早期活性という性能を有することが望まれる。
型空燃比センサには以下に示す問題がある。車両用内燃
機関から排出される排ガス及びこれに含まれる有害物質
に関して，西暦２０００年に米国加州にて展開されるＵ
ＬＥＶ規制に対応するためには，上記積層型空燃比セン
サが超早期活性という性能を有することが望まれる。
【０００９】上記超早期活性とは，内燃機関の始動直
後，例えば５秒以内で積層型空燃比センサが活性温度に
到達できるような性能を有すること示している。このよ
うな積層型空燃比センサを用いることにより，内燃機関
の始動直後より空燃比制御を行うことが可能となり，よ
って排ガス中の有害物質を内燃機関の始動直後より減少
させることができる。
後，例えば５秒以内で積層型空燃比センサが活性温度に
到達できるような性能を有すること示している。このよ
うな積層型空燃比センサを用いることにより，内燃機関
の始動直後より空燃比制御を行うことが可能となり，よ
って排ガス中の有害物質を内燃機関の始動直後より減少
させることができる。
【００１０】しかし，上述した従来技術による積層型空
燃比センサにおいてはヒータは別体として設けてあるた
め，この点でヒータの伝熱効率が劣っている。よって，
上記積層型空燃比センサが内燃機関始動より５秒以内で
活性温度に到達するようヒータに通電した場合には，ヒ
ータの温度がかなり高くなる。このため，積層型空燃比
センサに熱衝撃による割れが生じてしまうおそれがあ
る。
燃比センサにおいてはヒータは別体として設けてあるた
め，この点でヒータの伝熱効率が劣っている。よって，
上記積層型空燃比センサが内燃機関始動より５秒以内で
活性温度に到達するようヒータに通電した場合には，ヒ
ータの温度がかなり高くなる。このため，積層型空燃比
センサに熱衝撃による割れが生じてしまうおそれがあ
る。
【００１１】上記熱衝撃を緩和するため，上記積層型空
燃比センサの薄化を図ることも考えられる。この場合に
は積層型空燃比センサの熱容量が減少し，積層型空燃比
センサ自体の伝熱効率が高まるが，機械的な強度が弱く
なる。このため，例えば積層型空燃比センサに対するヒ
ータの組付け，内燃機関への装着，組付け，また内燃機
関駆動時に発生する振動等によって，積層型空燃比セン
サが破損するおそれがある。
燃比センサの薄化を図ることも考えられる。この場合に
は積層型空燃比センサの熱容量が減少し，積層型空燃比
センサ自体の伝熱効率が高まるが，機械的な強度が弱く
なる。このため，例えば積層型空燃比センサに対するヒ
ータの組付け，内燃機関への装着，組付け，また内燃機
関駆動時に発生する振動等によって，積層型空燃比セン
サが破損するおそれがある。
【００１２】上記問題を鑑みて，図１５に示すごとく，
上記積層型空燃比センサ９にスペーサである絶縁性基板
９９０を介して積層型ヒータ９９を一体的に配置し，ヒ
ータの伝熱効率を高めることが提案されている。
上記積層型空燃比センサ９にスペーサである絶縁性基板
９９０を介して積層型ヒータ９９を一体的に配置し，ヒ
ータの伝熱効率を高めることが提案されている。
【００１３】しかしながら，この積層型ヒータ９９によ
って加熱可能な積層型空燃比センサの体格には限界があ
り，これを越えた体格を有する積層型空燃比センサを超
早期活性に対応するよう加熱することはできない。この
ため，ヒータの発熱温度を高めれば積層型空燃比センサ
に熱衝撃に伴う割れが生じ，熱衝撃を緩和するために積
層型空燃比センサの薄化を図れば，機械的強度が低下す
るという問題がある。
って加熱可能な積層型空燃比センサの体格には限界があ
り，これを越えた体格を有する積層型空燃比センサを超
早期活性に対応するよう加熱することはできない。この
ため，ヒータの発熱温度を高めれば積層型空燃比センサ
に熱衝撃に伴う割れが生じ，熱衝撃を緩和するために積
層型空燃比センサの薄化を図れば，機械的強度が低下す
るという問題がある。
【００１４】本発明は，かかる問題点に鑑み，速熱性に
優れ，熱衝撃による割れが生じ難い積層型空燃比センサ
を提供しようとするものである。
優れ，熱衝撃による割れが生じ難い積層型空燃比センサ
を提供しようとするものである。
【００１５】
【課題の解決手段】請求項１の発明は，複数枚の酸素イ
オン導電性の固体電解質基板を積層するか，または少な
くとも１枚の上記固体電解質基板と絶縁性基板とを組合
わせて積層することにより構成した積層型空燃比センサ
において，上記各基板の間に形成される界面の中で少な
くとも１つの界面には厚さ１０〜１００μｍの異種層が
設けてあることを特徴とする積層型空燃比センサにあ
る。
オン導電性の固体電解質基板を積層するか，または少な
くとも１枚の上記固体電解質基板と絶縁性基板とを組合
わせて積層することにより構成した積層型空燃比センサ
において，上記各基板の間に形成される界面の中で少な
くとも１つの界面には厚さ１０〜１００μｍの異種層が
設けてあることを特徴とする積層型空燃比センサにあ
る。
【００１６】上記異種層の厚みが１０μｍ未満である場
合には，本発明の効果を得ることができなくなるおそれ
がある。一方，上記異種層の厚みが１００μｍより大で
ある場合には，該異種層自体がバルク体としての振舞い
を示すようになり，熱衝撃による割れを防止できなくな
るおそれがある。また，上記異種層の厚みの分だけ積層
型空燃比センサの厚みが増大し，体格が大きくなり，速
熱性が低下するおそれがある。
合には，本発明の効果を得ることができなくなるおそれ
がある。一方，上記異種層の厚みが１００μｍより大で
ある場合には，該異種層自体がバルク体としての振舞い
を示すようになり，熱衝撃による割れを防止できなくな
るおそれがある。また，上記異種層の厚みの分だけ積層
型空燃比センサの厚みが増大し，体格が大きくなり，速
熱性が低下するおそれがある。
【００１７】なお，上記異種層はすべての界面に設ける
ことが最も好ましいが，少なくとも一つの界面に設ける
ことで本発明にかかる効果を得ることができる。
ことが最も好ましいが，少なくとも一つの界面に設ける
ことで本発明にかかる効果を得ることができる。
【００１８】また，より速熱性に優れた空燃比センサと
するために，積層型ヒータを該空燃比センサと一体とな
るように設けることが好ましい。
するために，積層型ヒータを該空燃比センサと一体とな
るように設けることが好ましい。
【００１９】本発明の作用につき，以下に説明する。本
発明においては，上記各基板の間に形成される界面の中
で少なくとも１つの界面には厚さ１０〜１００μｍの異
種層を設ける。この異種層を設けた積層体に熱衝撃や振
動等による応力が発生した場合，これらの層の存在によ
り応力の枝別れや緩和が生じ，破壊エネルギーが増大し
て破壊強度を向上させることができる。これにより，積
層型空燃比センサの割れを防止することができる。
発明においては，上記各基板の間に形成される界面の中
で少なくとも１つの界面には厚さ１０〜１００μｍの異
種層を設ける。この異種層を設けた積層体に熱衝撃や振
動等による応力が発生した場合，これらの層の存在によ
り応力の枝別れや緩和が生じ，破壊エネルギーが増大し
て破壊強度を向上させることができる。これにより，積
層型空燃比センサの割れを防止することができる。
【００２０】このように本発明にかかる積層型空燃比セ
ンサは熱衝撃による割れが生じ難いため，積層型空燃比
センサを活性温度に加熱するためのヒータをより高い温
度とすることができる。このため，より速熱性に優れた
積層型空燃比センサを得ることができる。
ンサは熱衝撃による割れが生じ難いため，積層型空燃比
センサを活性温度に加熱するためのヒータをより高い温
度とすることができる。このため，より速熱性に優れた
積層型空燃比センサを得ることができる。
【００２１】以上のように，本発明によれば，速熱性に
優れ，熱衝撃による割れが生じ難い積層型空燃比センサ
を提供することができる。
優れ，熱衝撃による割れが生じ難い積層型空燃比センサ
を提供することができる。
【００２２】なお，本発明にかかる積層型空燃比センサ
の具体的な構造としては，後述する各実施形態例に示す
ごとき各種の構造を挙げることができる。一例として
は，固体電解質基板とその両面に設けられた一対の電
極，同じく固体電解質基板に設けられた電極出力取出用
の端子，リード部等を有しており，更には上記電極と対
面する位置に形成された被測定ガス室，基準ガス室等を
有している。また，上記一対の電極を複数組有する構造
も知られている（実施形態例１参照）。
の具体的な構造としては，後述する各実施形態例に示す
ごとき各種の構造を挙げることができる。一例として
は，固体電解質基板とその両面に設けられた一対の電
極，同じく固体電解質基板に設けられた電極出力取出用
の端子，リード部等を有しており，更には上記電極と対
面する位置に形成された被測定ガス室，基準ガス室等を
有している。また，上記一対の電極を複数組有する構造
も知られている（実施形態例１参照）。
【００２３】次に，請求項２の発明のように，上記異種
層は，上記固体電解質基板及び上記絶縁性基板よりも気
孔率が大きいことが好ましい。上記気孔率の大きい異種
層の存在により，微小な主クラックに対し，枝別れや緩
和が生じる。結果として積層型空燃比センサの破壊エネ
ルギーを増大することにより破壊強度が向上するという
効果を得ることができる。
層は，上記固体電解質基板及び上記絶縁性基板よりも気
孔率が大きいことが好ましい。上記気孔率の大きい異種
層の存在により，微小な主クラックに対し，枝別れや緩
和が生じる。結果として積層型空燃比センサの破壊エネ
ルギーを増大することにより破壊強度が向上するという
効果を得ることができる。
【００２４】次に，請求項３の発明のように，上記異種
層の焼結粒子径は，上記固体電解質基板及び上記絶縁性
基板の焼結粒子径よりも大きいことが好ましい。大きな
焼結粒子径を有する異種層の存在により，微小な主クラ
ックに対し，その進行方向が大きく分岐され，マクロ的
には大きく屈曲する。その結果として積層型空燃比セン
サの破壊エネルギーを増大させることとなり，破壊強度
が向上するという効果を得ることができる。
層の焼結粒子径は，上記固体電解質基板及び上記絶縁性
基板の焼結粒子径よりも大きいことが好ましい。大きな
焼結粒子径を有する異種層の存在により，微小な主クラ
ックに対し，その進行方向が大きく分岐され，マクロ的
には大きく屈曲する。その結果として積層型空燃比セン
サの破壊エネルギーを増大させることとなり，破壊強度
が向上するという効果を得ることができる。
【００２５】次に，請求項４の発明のように，上記異種
層はアルミナ，スピネル，ステアタイトより選ばれる一
種以上よりなることが好ましい。これらの材料は絶縁性
材料としての物性を有するもので，絶縁基板材料となり
得るし，また，固体電解質の熱膨張係数と比較的近く熱
膨張差に基づく応力割れを生じ難いという効果を得るこ
とができる。
層はアルミナ，スピネル，ステアタイトより選ばれる一
種以上よりなることが好ましい。これらの材料は絶縁性
材料としての物性を有するもので，絶縁基板材料となり
得るし，また，固体電解質の熱膨張係数と比較的近く熱
膨張差に基づく応力割れを生じ難いという効果を得るこ
とができる。
【００２６】また，ジルコニア系の固体電解質基板より
なる積層型空燃比センサにおいては，絶縁性と熱膨張率
という観点よりアルミナよりなる異種層を設けることが
特に好ましい。これにより，焼成後の熱履歴により発生
する熱膨張率に基づく発生応力を小さくすることがで
き，積層型空燃比センサにおける割れを防止することが
できる。
なる積層型空燃比センサにおいては，絶縁性と熱膨張率
という観点よりアルミナよりなる異種層を設けることが
特に好ましい。これにより，焼成後の熱履歴により発生
する熱膨張率に基づく発生応力を小さくすることがで
き，積層型空燃比センサにおける割れを防止することが
できる。
【００２７】次に，請求項５の発明のように，上記異種
層は上記固体電解質基板と上記絶縁性基板との間に形成
される界面に設けてあることが好ましい。この場合に
も，上述と同様，応力並びに応力により生じた微小クラ
ックが枝別れや緩和が生じ，破壊エネルギーを増大させ
ることにより破壊強度を向上させることができる。
層は上記固体電解質基板と上記絶縁性基板との間に形成
される界面に設けてあることが好ましい。この場合に
も，上述と同様，応力並びに応力により生じた微小クラ
ックが枝別れや緩和が生じ，破壊エネルギーを増大させ
ることにより破壊強度を向上させることができる。
【００２８】
【発明の実施の形態】 実施形態例１ 本発明の実施形態例にかかる積層型空燃比センサにつ
き，図１〜図８を用いて説明する。図１に示すごとく，
本例の積層型空燃比センサ１は，５枚の酸素イオン導電
性の固体電解質基板１１〜１５を積層することにより構
成してある。上記各基板１１〜１５の間に形成される界
面には厚さ５０μｍの異種層１０が設けてある。
き，図１〜図８を用いて説明する。図１に示すごとく，
本例の積層型空燃比センサ１は，５枚の酸素イオン導電
性の固体電解質基板１１〜１５を積層することにより構
成してある。上記各基板１１〜１５の間に形成される界
面には厚さ５０μｍの異種層１０が設けてある。
【００２９】そして，上記異種層１０の焼結粒子径は平
均して３〜４μｍであり，上記固体電解質基板１１〜１
５の焼結粒子径は平均して２〜３μｍである。また，上
記固体電解質基板１１〜１５はイットリア部分安定化ジ
ルコニアよりなり，上記異種層はα−アルミナよりな
る。
均して３〜４μｍであり，上記固体電解質基板１１〜１
５の焼結粒子径は平均して２〜３μｍである。また，上
記固体電解質基板１１〜１５はイットリア部分安定化ジ
ルコニアよりなり，上記異種層はα−アルミナよりな
る。
【００３０】以下，積層型空燃比センサ１について詳細
に説明する。本例にかかる積層型空燃比センサ１は，ポ
ンプセルとセンサセルとを有する構造である。また，積
層型ヒータが一体的に設けてある。そして，上記異種層
は各基板１１〜１５の各界面にそれぞれ設けてある。
に説明する。本例にかかる積層型空燃比センサ１は，ポ
ンプセルとセンサセルとを有する構造である。また，積
層型ヒータが一体的に設けてある。そして，上記異種層
は各基板１１〜１５の各界面にそれぞれ設けてある。
【００３１】図１〜図３に示すごとく，上記固体電解質
基板１１はポンプセルが形成されたポンプセル基板であ
る。その両面に電極１１１，１１２が設けてあり，該電
極１１１，１１２の中央にはピンホール状の被測定ガス
導入路１１０が設けてある。
基板１１はポンプセルが形成されたポンプセル基板であ
る。その両面に電極１１１，１１２が設けてあり，該電
極１１１，１１２の中央にはピンホール状の被測定ガス
導入路１１０が設けてある。
【００３２】上記固体電解質基板１２は被測定ガス室１
２０が形成される被測定ガス室形成用基板となる。上記
固体電解質基板１２と固体電解質基板１１，１３とによ
って被測定ガス室１２０が形成される。上記固体電解質
基板１３はセンサセルが形成されるセンサセル基板であ
る。その両面に電極１３１，１３２が設けてある。
２０が形成される被測定ガス室形成用基板となる。上記
固体電解質基板１２と固体電解質基板１１，１３とによ
って被測定ガス室１２０が形成される。上記固体電解質
基板１３はセンサセルが形成されるセンサセル基板であ
る。その両面に電極１３１，１３２が設けてある。
【００３３】上記固体電解質基板１４は基準ガス室１４
０が形成される基準ガス室形成用基板となる。上記固体
電解質基板１４と上記固体電解質基板１３，１５により
基準ガス室１４０が形成される。
０が形成される基準ガス室形成用基板となる。上記固体
電解質基板１４と上記固体電解質基板１３，１５により
基準ガス室１４０が形成される。
【００３４】上記固体電解質基板１５はヒータ基板とな
る。上記固体電解質基板１５の表面には絶縁性ペースト
を介して発熱体１５０が設けてある。なお，図３におい
て，符号１１７，１１８，１３７，１３８は電極と該電
極の出力を取り出す出力端子とを導通させるリード部で
ある。また，図１における符号１１９は出力端子であ
る。
る。上記固体電解質基板１５の表面には絶縁性ペースト
を介して発熱体１５０が設けてある。なお，図３におい
て，符号１１７，１１８，１３７，１３８は電極と該電
極の出力を取り出す出力端子とを導通させるリード部で
ある。また，図１における符号１１９は出力端子であ
る。
【００３５】次に，上記積層型空燃比センサ１の作成手
順について説明する。まず，固体電解質基板用のグリー
ンシートの製造について説明する。６モル％のイットリ
アと９４モル％ジルコニアよりなる平均粒径０．５μｍ
のイットリア部分安定化ジルコニアを１００部（重量部
以下同じ），α−アルミナを１部，ＰＶＢ（ポリビニル
ブチラール）を５部，ＤＢＰ（ディブチルフタレート）
を１０部，エタノールを１０部，トルエンを１０部秤量
した。
順について説明する。まず，固体電解質基板用のグリー
ンシートの製造について説明する。６モル％のイットリ
アと９４モル％ジルコニアよりなる平均粒径０．５μｍ
のイットリア部分安定化ジルコニアを１００部（重量部
以下同じ），α−アルミナを１部，ＰＶＢ（ポリビニル
ブチラール）を５部，ＤＢＰ（ディブチルフタレート）
を１０部，エタノールを１０部，トルエンを１０部秤量
した。
【００３６】上記各物質をボールミル中にて混合してス
ラリーを形成した。上記スラリーをドクターブレード法
にて，乾燥厚みが０．３ｍｍとなるシート成形体を作製
した。次いで，上記シート成形体を５×７０ｍｍの長方
形に切断した。このような長方形状のシート成形体を５
枚作製した。
ラリーを形成した。上記スラリーをドクターブレード法
にて，乾燥厚みが０．３ｍｍとなるシート成形体を作製
した。次いで，上記シート成形体を５×７０ｍｍの長方
形に切断した。このような長方形状のシート成形体を５
枚作製した。
【００３７】次に，一枚のシート成形体に対し，白金ペ
ーストを用いて，スクリーン印刷により電極用の印刷部
を作製した。これがセンサセル基板となる。また，同様
に一枚のシート成形体に対し，白金ペーストよりなる電
極用の印刷部を形成した。更に，上記印刷部の中央に直
径０．５ｍｍのピンホールを形成した。これがポンプセ
ル基板となる。なお，上記二枚のシートには電極の出力
を外部に取り出すための端子部，また端子部と電極とを
導通させるためのリード部となる印刷部を設ける。
ーストを用いて，スクリーン印刷により電極用の印刷部
を作製した。これがセンサセル基板となる。また，同様
に一枚のシート成形体に対し，白金ペーストよりなる電
極用の印刷部を形成した。更に，上記印刷部の中央に直
径０．５ｍｍのピンホールを形成した。これがポンプセ
ル基板となる。なお，上記二枚のシートには電極の出力
を外部に取り出すための端子部，また端子部と電極とを
導通させるためのリード部となる印刷部を設ける。
【００３８】また，一枚のシート成形体にはアルミナ絶
縁ペースト印刷後，白金９０ｗｔ％とアルミナ１０ｗｔ
％よりなる導電性ペーストを用いて，発熱体用の印刷部
を形成した。この発熱部は温度２０℃における抵抗値が
２．０オームとなるように形成する。これがヒータ基板
となる。
縁ペースト印刷後，白金９０ｗｔ％とアルミナ１０ｗｔ
％よりなる導電性ペーストを用いて，発熱体用の印刷部
を形成した。この発熱部は温度２０℃における抵抗値が
２．０オームとなるように形成する。これがヒータ基板
となる。
【００３９】また，一枚のシート成形体には被測定ガス
室形成用の窓部を，他の一枚のシート成形体には基準ガ
ス室形成用のスリットを設ける。なお，上記スリットの
形成により，基準ガス室の形成用のシート成形体はコの
字型となる。
室形成用の窓部を，他の一枚のシート成形体には基準ガ
ス室形成用のスリットを設ける。なお，上記スリットの
形成により，基準ガス室の形成用のシート成形体はコの
字型となる。
【００４０】次に，上記異種層となるグリーンシートの
製造について説明する。平均粒径０．３μｍのα−アル
ミナを１００部とバインダーとしてのアクリル樹脂３０
部及びトルエンン３０部を加え，３本ロールにて所望の
粘度になるまで混練し，圧延ローラに通し，厚さ１００
μｍのシート成形体を作製した。なお，これらのシート
成形体についても，固体電解質基板用のシート成形体と
同様に，被測定ガス導入路となるピンホール，被測定ガ
ス室となる窓部，基準ガス室となるスリットを設けた。
製造について説明する。平均粒径０．３μｍのα−アル
ミナを１００部とバインダーとしてのアクリル樹脂３０
部及びトルエンン３０部を加え，３本ロールにて所望の
粘度になるまで混練し，圧延ローラに通し，厚さ１００
μｍのシート成形体を作製した。なお，これらのシート
成形体についても，固体電解質基板用のシート成形体と
同様に，被測定ガス導入路となるピンホール，被測定ガ
ス室となる窓部，基準ガス室となるスリットを設けた。
【００４１】次に，上記固体電解質基板用のシート成形
体，異種層用のシート成形体を，図１〜図３に示すごと
く交互に積層し，積層体となす。そして，上記積層体を
大気中１５００℃，１時間で焼成した。以上により本例
にかかる積層型空燃比センサを得た。
体，異種層用のシート成形体を，図１〜図３に示すごと
く交互に積層し，積層体となす。そして，上記積層体を
大気中１５００℃，１時間で焼成した。以上により本例
にかかる積層型空燃比センサを得た。
【００４２】次に，本例にかかる積層型空燃比センサの
性能について説明する。まず，上述した構造の積層型空
燃比センサと比較するため，まず上述した手順と同様の
手順にて厚さ０．３５，０．３３，０．２５，０．２１
ｍｍの固体電解質用グリーンシート並びに厚さ０μｍ
（即ち，異種層を持たない），４０，２００，２８０μ
ｍの異種層グリーンシートを準備し，上述の手順と同様
にして，上述した構造の積層型空燃比センサ（厚さ１．
４ｍｍ）と厚さが概ね等しくなるよう，積層一体焼成し
た積層型空燃比センサを得た。
性能について説明する。まず，上述した構造の積層型空
燃比センサと比較するため，まず上述した手順と同様の
手順にて厚さ０．３５，０．３３，０．２５，０．２１
ｍｍの固体電解質用グリーンシート並びに厚さ０μｍ
（即ち，異種層を持たない），４０，２００，２８０μ
ｍの異種層グリーンシートを準備し，上述の手順と同様
にして，上述した構造の積層型空燃比センサ（厚さ１．
４ｍｍ）と厚さが概ね等しくなるよう，積層一体焼成し
た積層型空燃比センサを得た。
【００４３】得られた各サンプルの厚みがバラツキにて
５０μｍ以内で，また異種層の厚みは破断面のＳＥＭ観
察にて測定した。焼成後の異種層厚みはそれぞれ０，２
０，５０，１００，１４０μｍであった。これら５種類
の積層型空燃比センサに対し，三点曲げ強度をＪＩＳＢ
０６０１に準拠し，測定した。その結果を図４，図５に
記載した。
５０μｍ以内で，また異種層の厚みは破断面のＳＥＭ観
察にて測定した。焼成後の異種層厚みはそれぞれ０，２
０，５０，１００，１４０μｍであった。これら５種類
の積層型空燃比センサに対し，三点曲げ強度をＪＩＳＢ
０６０１に準拠し，測定した。その結果を図４，図５に
記載した。
【００４４】図４によれば，異種層の厚みが１０μｍ〜
１００μｍである場合には，三点曲げ強度が２５０ＭＰ
ａより大となり，実用上充分な機械的強度を有すること
が分かった。また，図５によれば，異種層を持たないも
のと比較して，１０μｍの異種層を設けた空燃比センサ
の三点曲げ強度がほぼ１．４倍となることが分かった。
なお，上記異種層の厚みが５０μｍ付近である場合に三
点曲げ強度が最大となるため，この程度の厚みを持つ異
種層が最適である。
１００μｍである場合には，三点曲げ強度が２５０ＭＰ
ａより大となり，実用上充分な機械的強度を有すること
が分かった。また，図５によれば，異種層を持たないも
のと比較して，１０μｍの異種層を設けた空燃比センサ
の三点曲げ強度がほぼ１．４倍となることが分かった。
なお，上記異種層の厚みが５０μｍ付近である場合に三
点曲げ強度が最大となるため，この程度の厚みを持つ異
種層が最適である。
【００４５】また，異種層を持たない積層型空燃比セン
サと厚さ１０μｍの異種層を持つ積層型空燃比センサに
ついて，所望の温度に保持した乾燥器中にサンプルを３
０分間保持した後に水中投下するという方法でスポーク
リング強度について測定した。上記結果について図６に
記載した。
サと厚さ１０μｍの異種層を持つ積層型空燃比センサに
ついて，所望の温度に保持した乾燥器中にサンプルを３
０分間保持した後に水中投下するという方法でスポーク
リング強度について測定した。上記結果について図６に
記載した。
【００４６】図６によれば，異種層を設けることによ
り，破壊強度が向上し，熱衝撃温度がアップしたことが
分かる。このことはエンジン始動初期に配管等に残って
いた凝縮水が積層型酸素センサに当たったときに，優位
に作用することを示すものである（つまり積層型酸素セ
ンサに割れ等が生じない）。
り，破壊強度が向上し，熱衝撃温度がアップしたことが
分かる。このことはエンジン始動初期に配管等に残って
いた凝縮水が積層型酸素センサに当たったときに，優位
に作用することを示すものである（つまり積層型酸素セ
ンサに割れ等が生じない）。
【００４７】次に，本例における作用効果につき説明す
る。本例においては，上記各基板１１〜１５の間の界面
に異種層１０を設ける。これにより，上記固体電解質基
板１１〜１５に対し熱応力または応力に基づく微小なク
ラックが生じた場合，上記異種層１０において上記応力
または微小なクラックの枝別れが生じる。ここにおいて
上記クラックの成長を停止させることができる。これに
より積層型空燃比センサ１の割れを防止することができ
る。
る。本例においては，上記各基板１１〜１５の間の界面
に異種層１０を設ける。これにより，上記固体電解質基
板１１〜１５に対し熱応力または応力に基づく微小なク
ラックが生じた場合，上記異種層１０において上記応力
または微小なクラックの枝別れが生じる。ここにおいて
上記クラックの成長を停止させることができる。これに
より積層型空燃比センサ１の割れを防止することができ
る。
【００４８】このように本例の積層型空燃比センサ１は
熱衝撃による割れが生じ難いため，積層型空燃比センサ
１を活性温度に加熱するためのヒータをより高い温度と
することができる。このため，より速熱性に優れた積層
型空燃比センサ１を得ることができる。また，本例の固
体電解質基板１１〜１５はイットリア部分安定化ジルコ
ニアよりなり，異種層１０はこれと熱膨張率が近いアル
ミナよりなる。このため，両者の間に熱膨張率差を起因
とした破損も発生し難くなる。
熱衝撃による割れが生じ難いため，積層型空燃比センサ
１を活性温度に加熱するためのヒータをより高い温度と
することができる。このため，より速熱性に優れた積層
型空燃比センサ１を得ることができる。また，本例の固
体電解質基板１１〜１５はイットリア部分安定化ジルコ
ニアよりなり，異種層１０はこれと熱膨張率が近いアル
ミナよりなる。このため，両者の間に熱膨張率差を起因
とした破損も発生し難くなる。
【００４９】以上のように，本例によれば，速熱性に優
れ，熱衝撃による割れが生じ難い積層型空燃比センサを
提供することができる。
れ，熱衝撃による割れが生じ難い積層型空燃比センサを
提供することができる。
【００５０】なお，本例の積層型空燃比センサ１は固体
電解質基板１１〜１５のみが積層され，これらの界面に
異種層１０を設けた構造を有していた。図７に示すごと
く，３枚の固体電解質基板１１〜１３とアルミナよりな
る絶縁性基板２４，２５とを積層し，これらの界面に異
種層１０を設けた積層型空燃比センサ１においても同様
の作用効果を得ることができる。また，図８に示すごと
く，２枚の固体電解質基板１１，１３と３枚のアルミナ
よりなる絶縁性基板２２，２４，２５とを積層して作製
した積層型空燃比センサにおいても同様である。
電解質基板１１〜１５のみが積層され，これらの界面に
異種層１０を設けた構造を有していた。図７に示すごと
く，３枚の固体電解質基板１１〜１３とアルミナよりな
る絶縁性基板２４，２５とを積層し，これらの界面に異
種層１０を設けた積層型空燃比センサ１においても同様
の作用効果を得ることができる。また，図８に示すごと
く，２枚の固体電解質基板１１，１３と３枚のアルミナ
よりなる絶縁性基板２２，２４，２５とを積層して作製
した積層型空燃比センサにおいても同様である。
【００５１】実施形態例２ 本例は，図９〜図１１に示すごとく，３枚の基板よりな
る積層型空燃比センサについて説明するものである。図
９に示すごとく，本例の積層型空燃比センサ３は，固体
電解質基板３１とその両面に設けた電極３１１，３１２
を有し，該電極３１２と対面するように基準ガス室３２
０が設けてある。
る積層型空燃比センサについて説明するものである。図
９に示すごとく，本例の積層型空燃比センサ３は，固体
電解質基板３１とその両面に設けた電極３１１，３１２
を有し，該電極３１２と対面するように基準ガス室３２
０が設けてある。
【００５２】上記基準ガス室３２０は固体電解質基板３
２に設けたスリットより構成されている。また，上記固
体電解質基板３２の下面には絶縁ペースト層を介して発
熱部３３０を配置するヒータ基板となる固体電解質基板
３３が設けてある。そして，上記固体電解質基板３１〜
３３の間に形成される界面には異種層１０が設けてあ
る。
２に設けたスリットより構成されている。また，上記固
体電解質基板３２の下面には絶縁ペースト層を介して発
熱部３３０を配置するヒータ基板となる固体電解質基板
３３が設けてある。そして，上記固体電解質基板３１〜
３３の間に形成される界面には異種層１０が設けてあ
る。
【００５３】また，図１０に示すごとく，固体電解質基
板３１，３２及び絶縁性基板４３とを積層したもの，図
１１に示すごとく固体電解質基板３１及び絶縁性基板４
２，４３とを積層したものもある。その他は実施形態例
１と同様である。また，本例においても実施形態例１と
同様の作用効果を得ることができる。
板３１，３２及び絶縁性基板４３とを積層したもの，図
１１に示すごとく固体電解質基板３１及び絶縁性基板４
２，４３とを積層したものもある。その他は実施形態例
１と同様である。また，本例においても実施形態例１と
同様の作用効果を得ることができる。
【００５４】実施形態例３ 本例は，図１２に示すごとく，５枚の基板及び２枚の異
種層よりなる積層型空燃比センサについて説明するもの
である。
種層よりなる積層型空燃比センサについて説明するもの
である。
【００５５】図１２に示すごとく，本例の積層型空燃比
センサ１は，固体電解質基板１１〜１３，絶縁性基板２
４，２５を積層した構造であり，異種層１０１は上記固
体電解質基板１１と１２との間の界面，異種層１０２は
固体電解質基板１３と絶縁性基板２４との間の界面に設
けてある。そして，上記異種層１０１，１０２はアルミ
ナよりなる絶縁性の層である。その他は実施形態例１と
同様である。
センサ１は，固体電解質基板１１〜１３，絶縁性基板２
４，２５を積層した構造であり，異種層１０１は上記固
体電解質基板１１と１２との間の界面，異種層１０２は
固体電解質基板１３と絶縁性基板２４との間の界面に設
けてある。そして，上記異種層１０１，１０２はアルミ
ナよりなる絶縁性の層である。その他は実施形態例１と
同様である。
【００５６】本例にかかる積層型空燃比センサ１におい
ては，異種層１０１は熱衝撃による割れを防止するとい
う効果の他に，固体電解質基板１１及び固体電解質基板
１２との間を絶縁するという効果を有する。その他は実
施形態例１と同様の作用効果を有する。
ては，異種層１０１は熱衝撃による割れを防止するとい
う効果の他に，固体電解質基板１１及び固体電解質基板
１２との間を絶縁するという効果を有する。その他は実
施形態例１と同様の作用効果を有する。
【図１】実施形態例１における，積層型空燃比センサの
斜視図。
斜視図。
【図２】実施形態例１における，図１のＡ−Ａ矢視断面
説明図。
説明図。
【図３】実施形態例１における，図１のＢ−Ｂ矢視断面
説明図。
説明図。
【図４】実施形態例１における，異種層の厚みと積層型
空燃比センサの三点曲げ強度との関係を示す線図。
空燃比センサの三点曲げ強度との関係を示す線図。
【図５】実施形態例１における，異種層の有無と積層型
空燃比センサの三点曲げ強度との関係を示す線図。
空燃比センサの三点曲げ強度との関係を示す線図。
【図６】実施形態例１における，異種層の有無とスポー
クリング強度との関係を示す線図。
クリング強度との関係を示す線図。
【図７】実施形態例１における，２枚の絶縁性基板を有
する積層型空燃比センサの要部断面説明図。
する積層型空燃比センサの要部断面説明図。
【図８】実施形態例１における，３枚の絶縁性基板を有
する積層型空燃比センサの要部断面説明図。
する積層型空燃比センサの要部断面説明図。
【図９】実施形態例２における，３枚の固体電解質基板
よりなる積層型空燃比センサの要部断面説明図。
よりなる積層型空燃比センサの要部断面説明図。
【図１０】実施形態例２における，１枚の絶縁性基板を
有する積層型空燃比センサの要部断面説明図。
有する積層型空燃比センサの要部断面説明図。
【図１１】実施形態例２における，２枚の絶縁性基板を
有する積層型空燃比センサの要部断面説明図。
有する積層型空燃比センサの要部断面説明図。
【図１２】実施形態例３における，異種層を２層だけ設
けた積層型空燃比センサの要部断面説明図。
けた積層型空燃比センサの要部断面説明図。
１，３．．．積層型空燃比センサ， １０，１０１，１０２．．．異種層， １１〜１５．．．固体電解質基板， ２２，２４，２５．．．絶縁性基板，
─────────────────────────────────────────────────────
【手続補正書】
【提出日】平成９年９月５日
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】図面の簡単な説明
【補正方法】変更
【補正内容】
【図面の簡単な説明】
【図１】実施形態例１における，積層型空燃比センサの
斜視図。
斜視図。
【図２】実施形態例１における，図１のＡ−Ａ矢視断面
説明図。
説明図。
【図３】実施形態例１における，図１のＢ−Ｂ矢視断面
説明図。
説明図。
【図４】実施形態例１における，異種層の厚みと積層型
空燃比センサの三点曲げ強度との関係を示す線図。
空燃比センサの三点曲げ強度との関係を示す線図。
【図５】実施形態例１における，異種層の有無と積層型
空燃比センサの三点曲げ強度との関係を示す線図。
空燃比センサの三点曲げ強度との関係を示す線図。
【図６】実施形態例１における，異種層の有無とスポー
クリング強度との関係を示す線図。
クリング強度との関係を示す線図。
【図７】実施形態例１における，２枚の絶縁性基板を有
する積層型空燃比センサの要部断面説明図。
する積層型空燃比センサの要部断面説明図。
【図８】実施形態例１における，３枚の絶縁性基板を有
する積層型空燃比センサの要部断面説明図。
する積層型空燃比センサの要部断面説明図。
【図９】実施形態例２における，３枚の固体電解質基板
よりなる積層型空燃比センサの要部断面説明図。
よりなる積層型空燃比センサの要部断面説明図。
【図１０】実施形態例２における，１枚の絶縁性基板を
有する積層型空燃比センサの要部断面説明図。
有する積層型空燃比センサの要部断面説明図。
【図１１】実施形態例２における，２枚の絶縁性基板を
有する積層型空燃比センサの要部断面説明図。
有する積層型空燃比センサの要部断面説明図。
【図１２】実施形態例３における，異種層を２層だけ設
けた積層型空燃比センサの要部断面説明図。
けた積層型空燃比センサの要部断面説明図。
【図１３】従来例にかかる積層型空燃比センサの斜視
図。
図。
【図１４】従来例にかかる積層型空燃比センサの断面説
明図。
明図。
【図１５】従来例にかかる積層型ヒータを一体的に配置
した積層型空燃比センサの一部断面説明図。
した積層型空燃比センサの一部断面説明図。
【符号の説明】 １，３．．．積層型空燃比センサ， １０，１０１，１０２．．．異種層， １１〜１５．．．固体電解質基板， ２２，２４，２５．．．絶縁性基板，
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 中野 秀一 愛知県刈谷市昭和町１丁目１番地 株式会 社デンソー内
Claims (5)
- 【請求項１】 複数枚の酸素イオン導電性の固体電解質
基板を積層するか，または少なくとも１枚の上記固体電
解質基板と絶縁性基板とを組合わせて積層することによ
り構成した積層型空燃比センサにおいて，上記各基板の
間に形成される界面の中で少なくとも１つの界面には厚
さ１０〜１００μｍの異種層が設けてあることを特徴と
する積層型空燃比センサ。 - 【請求項２】 請求項１において，上記異種層は，上記
固体電解質基板及び上記絶縁性基板よりも気孔率が大き
いことを特徴とする積層型空燃比センサ。 - 【請求項３】 請求項１または２において，上記異種層
の焼結粒子径は，上記固体電解質基板及び上記絶縁性基
板の焼結粒子径よりも大きいことを特徴とする積層型空
燃比センサ。 - 【請求項４】 請求項１〜３のいずれか一項において，
上記異種層はアルミナ，スピネル，ステアタイトより選
ばれる一種以上よりなることを特徴とする積層型空燃比
センサ。 - 【請求項５】 請求項１〜４のいずれか一項において，
上記異種層は上記固体電解質基板と上記絶縁性基板との
間に形成される界面に設けてあることを特徴とする積層
型空燃比センサ。
Priority Applications (3)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP18073597A JP3873381B2 (ja) | 1997-06-19 | 1997-06-19 | 積層型空燃比センサ |
| US09/098,730 US7824531B2 (en) | 1997-06-19 | 1998-06-18 | Multilayered air-fuel ratio sensor |
| DE19827253A DE19827253B4 (de) | 1997-06-19 | 1998-06-18 | Mehrschichtiger Luft/Kraftstoff-Verhältnis-Sensor |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP18073597A JP3873381B2 (ja) | 1997-06-19 | 1997-06-19 | 積層型空燃比センサ |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH1114594A true JPH1114594A (ja) | 1999-01-22 |
| JP3873381B2 JP3873381B2 (ja) | 2007-01-24 |
Family
ID=16088402
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP18073597A Expired - Lifetime JP3873381B2 (ja) | 1997-06-19 | 1997-06-19 | 積層型空燃比センサ |
Country Status (3)
| Country | Link |
|---|---|
| US (1) | US7824531B2 (ja) |
| JP (1) | JP3873381B2 (ja) |
| DE (1) | DE19827253B4 (ja) |
Cited By (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2005062184A (ja) * | 2003-08-14 | 2005-03-10 | Robert Bosch Gmbh | 平らな層状に構成されたセンサー素子 |
| US7163609B2 (en) | 2002-11-01 | 2007-01-16 | Ngk Spark Plug Co., Ltd. | Gas sensor having a laminate comprising solid electrolyte layers and alumina substrate |
| JP2007010686A (ja) * | 2006-09-15 | 2007-01-18 | Nippon Soken Inc | 複合センサ素子 |
| US7497933B2 (en) | 2002-11-12 | 2009-03-03 | Ngk Insulators, Ltd. | Gas sensor |
| DE10248033B4 (de) | 2002-03-29 | 2018-09-27 | Ngk Spark Plug Co., Ltd. | Gassensorelement mit mindestens zwei Zellen |
| US11085895B2 (en) | 2012-11-22 | 2021-08-10 | Denso Corporation | Electrode for use in gas sensor and gas sensor element using the same |
Families Citing this family (4)
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