[go: up one dir, main page]
More Web Proxy on the site http://driver.im/

JP2004226171A - Oxygen concentration detector - Google Patents

Oxygen concentration detector Download PDF

Info

Publication number
JP2004226171A
JP2004226171A JP2003012598A JP2003012598A JP2004226171A JP 2004226171 A JP2004226171 A JP 2004226171A JP 2003012598 A JP2003012598 A JP 2003012598A JP 2003012598 A JP2003012598 A JP 2003012598A JP 2004226171 A JP2004226171 A JP 2004226171A
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
solid electrolyte
electrolyte layer
inner electrode
electrode
layer
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Granted
Application number
JP2003012598A
Other languages
Japanese (ja)
Other versions
JP4109555B2 (en
Inventor
Masao Ishitani
誠男 石谷
Yasushi Orimo
康司 織茂
Chiharu Katsuyama
千春 勝山
Futoshi Ichiyanagi
太 一柳
Shoichi Sakai
祥一 堺
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Hitachi Unisia Automotive Ltd
Original Assignee
Hitachi Unisia Automotive Ltd
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Hitachi Unisia Automotive Ltd filed Critical Hitachi Unisia Automotive Ltd
Priority to JP2003012598A priority Critical patent/JP4109555B2/en
Publication of JP2004226171A publication Critical patent/JP2004226171A/en
Application granted granted Critical
Publication of JP4109555B2 publication Critical patent/JP4109555B2/en
Anticipated expiration legal-status Critical
Expired - Fee Related legal-status Critical Current

Links

Images

Landscapes

  • Measuring Oxygen Concentration In Cells (AREA)

Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To activate a solid electrolyte layer at an early stage when starting an engine, etc., for example, by efficiently conducting heat from a heater part to the electrolyte layer. <P>SOLUTION: A detection element 21 for oxygen concentration is made up of the heater part 22, the solid electrolyte layer 27, an inside electrode 28, an outside electrode 29, and the like. Between the heater part 22 and the inside electrode 28, a porous layer 26 is provided having better thermal conductivity than air has and having an internal vent path 26B comprising vacancies of continuous gas bubbles for letting oxygen flow from the position of the inside electrode 28 in the length direction (the arrow A direction) of the heated part 22. Further, on the outer circumferential side of the electrolyte layer 27, an opening part 31 through which a measured gas passes is provided in a position corresponding to the outside electrode 29 and, in portions other than the opening part 31, a dense layer 30 is provided for covering the electrolyte layer 27, the inside electrode 28, and the like, from the outside to inhibit the measured gas from permeating into the interior. <P>COPYRIGHT: (C)2004,JPO&NCIPI

Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、例えば自動車用エンジン等の空燃比(燃料と吸入空気との混合比)を排気ガス中の酸素濃度として検出するのに好適に用いられる酸素濃度検出装置に関する。
【0002】
【従来の技術】
一般に、車両用エンジン等では、例えば排気管の途中に酸素濃度検出装置(酸素センサ)を設け、この酸素センサを用いて排気ガス中に含まれる酸素濃度等を検出するようにしている(例えば、特許文献1参照)。
【0003】
【特許文献1】
特開平7−27737号公報
【0004】
この種の従来技術による酸素センサは、例えば細長いロッド状に形成されたヒータ部と、該ヒータ部の外周側に設けられ該ヒータ部からの熱によって活性化される酸素イオン伝導性の固体電解質層と、該固体電解質層とヒータ部との間に設けられ大気中の酸素が流入出する環状の大気室と、該大気室に臨んで固体電解質層の内周側に設けられた内側電極と、前記固体電解質層の外周側に設けられ該内側電極との間で固体電解質層を挟む外側電極等とにより構成されている。
【0005】
そして、この酸素センサは、外側電極の外側を流通する排気ガス等の被測定ガスと前記内側電極が臨む大気室との間に酸素濃度差が生じると、この濃度差に応じた起電力が、固体電解質層を挟む内側電極、外側電極間に発生するので、この起電力に従って酸素濃度の検出信号を外部に出力するものである。
【0006】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、上述した従来技術による酸素センサは、ヒータ部と固体電解質層との間に環状の大気室を介在させる構造であるため、ヒータ部からの熱を固体電解質層に伝えるときに大気室によって熱伝導性が悪くなり、例えばエンジン始動時等に固体電解質層を早期に活性化することが難しいという問題がある。
【0007】
また、従来技術の場合は、固体電解質層の外周側を保護層等で覆う構成としているに過ぎないため、例えば排気ガス等の被測定ガス中に含まれた水分、油分等が液滴となってセンサの外周側に付着したときに、この液滴が保護層を浸透して固体電解質層に達することがある。
【0008】
このため、固体電解質層は、液滴の付着箇所とこれ以外の箇所との間で大きな温度差が生じ、この影響で固体電解質層には損傷、破損等が発生する可能性があり、耐熱衝撃性を向上することができないという問題がある。
【0009】
本発明は上述した従来技術の問題に鑑みなされたもので、本発明の目的は、ヒータ部からの熱を固体電解質層に効率的に伝え、例えばエンジン始動時等に固体電解質層を早期に活性化することができるようにした酸素濃度検出装置を提供することにある。
【0010】
また、本発明の他の目的は、固体電解質層を外側から緻密層で覆うことにより耐熱衝撃性を高めることができ、検出素子全体の耐久性、寿命を向上できるようにした酸素濃度検出装置を提供することにある。
【0011】
【課題を解決するための手段】
上述した課題を解決するために、請求項1の発明による酸素濃度検出装置は、ヒータ部と内側電極との間には、該内側電極の位置から前記ヒータ部の長さ方向に酸素を流通させるため多孔質セラミックス材料により形成され、内部に連続気泡の空孔からなる通気路を有した多孔体層を設け、固体電解質層の外周側には、外側電極と対応する位置に被測定ガスが透過する開口部を有し、該開口部以外の部分では前記固体電解質層および内側電極を外側から覆って被測定ガスが内部に侵入するのを抑える緻密層を設ける構成としている。
【0012】
このように構成することにより、ヒータ部と内側電極(固体電解質層)との間には、空気よりも熱伝導率が良い多孔質セラミックス材料からなる多孔体層を形成でき、ヒータ部からの熱を固体電解質層等に効率的に伝熱することができる。従って、固体電解質層等からなる検出素子の昇温特性を向上でき、例えばエンジン始動時等に固体電解質層を早期に活性化することができる。また、緻密層は、固体電解質層を外側から覆うことによって、外部の水滴等が固体電解質層へと浸透するのを抑えることができ、検出素子全体の耐熱衝撃性、耐久性、寿命を向上をできる。
【0013】
また、請求項2の発明による酸素濃度検出装置は、内側電極を、該内側電極の位置からヒータ部の長さ方向に酸素を流通させるため貴金属、セラミックス粒子および空孔形成剤を混合した材料を用いて形成され、内部に連続気泡の空孔からなる通気路を有した多孔質構造の電極により構成し、固体電解質層の外周側には、外側電極と対応する位置に被測定ガスが透過する開口部を有し、該開口部以外の部分では前記固体電解質層および内側電極を外側から覆って被測定ガスが内部に侵入するのを抑える緻密層を設ける構成としている。
【0014】
このように構成することにより、ヒータ部と固体電解質層との間に介在する内側電極を、空気よりも熱伝導率が良い材料(貴金属、セラミックス粒子等)を用いて形成でき、請求項1の発明で用いた多孔体層を不要にして、構造の簡素化を図ることができると共に、ヒータ部からの熱を固体電解質層等に効率的に伝熱することができる。従って、検出素子の昇温特性を向上でき、例えばエンジン始動時等に固体電解質層を早期に活性化することができる。また、緻密層は、外部の水滴等が固体電解質層へと浸透するのを抑えることができ、検出素子全体の耐熱衝撃性、耐久性、寿命を向上をできる。
【0015】
特に、この場合の内側電極は、その材料となる貴金属が電極反応を起こすことにより内部で電子を移動させ、セラミックス粒子がヒータ部と固体電解質層との間の接合性を高めるように機能する。そして、例えばカーボン粉等からなる空孔形成剤は、素子焼成時に焼き飛ばされて内側電極内に連続気泡となる空孔を形成でき、これらの空孔を通気路となる酸素収容室として活かすことにより、3相界面(電極反応点)を増やし、内側電極内の酸素を濃度、圧力勾配に従って拡散させることができる。
【0016】
さらに、請求項3の発明は、内側電極の素材となるセラミックス粒子を、酸素イオンを電子と一緒に伝導可能なペロブスカイト型酸化物等の混合電導体により構成している。これによって、請求項2の発明とほぼ同様の作用効果を奏する上に、固体電解質層と混合電導体(ペロブスカイト型酸化物)との間の2相界面で酸素イオンを伝導でき、混合電導体と空孔との間の2相界面では電極反応を起こすことができる。
【0017】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態による酸素濃度検出装置を、自動車用エンジンの排気管側に取付けられる酸素センサに適用した場合を例に挙げ、添付図面に従って詳細に説明する。
【0018】
ここで、図1ないし図6は本発明の第1の実施の形態を示している。図中、1は酸素センサのケーシングで、該ケーシング1は、軸方向一側(先端側)外周に取付部としてのおねじ部2Aが形成された段付筒状のホルダ2と、該ホルダ2の軸方向他側(基端側)に一体的に固着された有底筒状のキャップ3と、該キャップ3内に同軸に配設され、後述のシールキャップ10とホルダ2との間に位置決めされたガイド筒4とにより構成されている。
【0019】
また、ケーシング1の構成部品であるホルダ2、キャップ3およびガイド筒4は、例えばステンレス鋼等の金属材料を用いて形成されている。そして、ケーシング1は、例えば自動車用エンジンの排気管(図示せず)内に後述する酸素濃度の検出素子21を突出状態で取付けるために、ホルダ2のおねじ部2Aが排気管に螺着されるものである。
【0020】
5はケーシング1のホルダ2内に金属製のシールリング6を介して配設された絶縁支持体を示し、該絶縁支持体5は、例えば酸化アルミニウム(Al )等のセラミックス材料により筒状に形成され、その内周側には検出素子21が無機接着剤等を用いて固着されている。そして、絶縁支持体5は、ケーシング1内に検出素子21を位置決めすると共に、検出素子21を電気的および熱的に絶縁状態で保持するものである。
【0021】
7,8はケーシング1のガイド筒4内に配設された絶縁筒体を示し、該絶縁筒体7,8は、酸化アルミニウム(以下、アルミナという)等のセラミックス材料により筒状に形成され、後述の各コンタクトプレート13,14等をケーシング1に対して絶縁状態に保持するものである。
【0022】
9はケーシング1内に位置して絶縁支持体5と絶縁筒体7との間に配設された弾性部材としてのスプリングで、該スプリング9は、絶縁支持体5をホルダ2側に向けて常時付勢し、ケーシング1に外部から作用する振動や衝撃等が検出素子21に直接伝わるのを防止するものである。
【0023】
10はキャップ3の基端側を閉塞したシールキャップを示し、該シールキャップ10は、例えばポリテトラフルオロエチレン(PTFE)等の耐熱性を有する樹脂材料によって段付き筒状に形成され、ケーシング1内に絶縁筒体7,8等をスプリング9を介して位置決めしている。
【0024】
また、シールキャップ10には、検出用のリード線11,11,…と、ヒータ用のリード線12,12(一方のみ図示)とが挿通されている。そして、これらの各リード線11,12は、絶縁筒体8内でそれぞれ検出用のコンタクトプレート13,13,…と、ヒータ用のコンタクトプレート14,14とにそれぞれ個別に接続されている。
【0025】
15はケーシング1のホルダ2に設けられたプロテクタで、該プロテクタ15は、例えば耐熱性の高い金属板等を用いて有蓋筒状に形成されている。そして、プロテクタ15は、後述する検出素子21の先端部分を外側から覆うように基端側がホルダ2に取付けられ、先端(蓋部)側がホルダ2から軸方向に突出して設けられている。
【0026】
また、プロテクタ15の筒部側には、排気ガスの流通を許す複数の窓部15A,15A,…が形成されている。そして、これらの窓部15Aは、排気管内を流れる排気ガスを検出素子21の先端側周囲に導くものである。
【0027】
次に、21は酸素濃度検出装置の主要部となる酸素濃度の検出素子で、該検出素子21は、ケーシング1のホルダ2内に絶縁支持体5を介して取付けられ、先端側がホルダ2から軸方向に突出している。そして、検出素子21は、図2ないし図4に示す如く後述のヒータ部22、多孔体層26、固体電解質層27、電極28,29、緻密層30および保護層32等により構成されている。
【0028】
22は細長いロッド状に形成された心棒部となるヒータ部で、該ヒータ部22は図2ないし図4に示す如く、例えばアルミナ等のセラミックス材料により中実または中空の小径なロッド状に形成されたヒータコア23と、ヒータパターン24および絶縁性のヒータ被覆層25とから構成されている。
【0029】
そして、ヒータパターン24は、図4に示すようにヒータコア23の外周面に曲面印刷等の手段を用いて形成され、ヒータコア23の先端側から基端側に向けて延びる一対のリード部24A,24Aを有している。また、ヒータ被覆層25は、ヒータパターン24をリード部24Aと一緒に径方向外側から保護するために、例えばアルミナ等のセラミックス材料をヒータコア23の外周側に厚膜印刷することにより形成されている。
【0030】
ここで、ヒータコア23はアルミナ等のセラミックス材料を射出成形または押出し成形することにより、例えば外形寸法が約3〜3.5mmで、長さ寸法が約40〜60mmとなる円形ロッドとして形成されている。また、ヒータパターン24は、例えば5重量%程度のアルミナを混合した白金等の発熱性導体材料からなり、各リード部24Aは、ヒータコア23の基端側で図1に例示したヒータ用の各コンタクトプレート14に接続される。
【0031】
そして、ヒータパターン24は、後述のヒータ電源33からヒータ用の各リード線12、各コンタクトプレート14および各リード部24Aを介して給電されることにより、例えば約600〜800℃程度の温度にヒータ部22を発熱させるものである。
【0032】
26はヒータ部22のヒータ被覆層25上に設けられた多孔体層で、該多孔体層26は、図4に示すように後述の内側電極28を印刷する前に、ヒータ被覆層25の外周側に曲面印刷することにより形成され、ヒータ被覆層25と内側電極28との間に挟んだ状態で配置されるものである。
【0033】
即ち、多孔体層26は、例えばアルミナとジルコニア(Zr O )とからなる複合酸化物の粉体(平均粒径0.4〜1μm)に、空孔形成剤としてのカーボン粉(平均粒径0.4〜4μm)等を3〜20重量%程度添加してペースト状物を調整し、このペースト状物をヒータ被覆層25の外周側に厚膜印刷することにより形成されるものである。
【0034】
この場合、多孔体層26は、図4に示す如く内側電極28と同等、またはこれよりも僅かに広い面積をもって全体がL字形状をなすように形成され、後述のリード部28Aと対応する部位は、細長い引出し部26Aとなってヒータ被覆層25の長さ方向に延びている。そして、前記カーボン粉等は、検出素子21全体を焼成するときに空孔形成剤として焼き飛ばされ、これにより多孔体層26には、内部に連続気泡の空孔からなる通気路26Bが引出し部26Aを含めて形成されるものである。
【0035】
そして、多孔体層26は、焼成後の膜厚が例えば10〜20μm程度の厚さとなり、内部の通気路26Bは、内側電極28の内周側近傍をケーシング1(例えば、図1中に示す絶縁筒体7)内に常時連通させ、これにより、後述の固体電解質層27を通じて内側電極28側に輸送されてくる酸素を、図2中の矢示A方向に逃散させるガス逃散路を構成するものである。
【0036】
また、多孔体層26は、アルミナ等の多孔質セラミックス材料で形成されるため、後述の表1にも示す如く、例えば空気(従来技術で述べた大気室)に比較して約1000倍の熱伝導率を有し、ヒータ部22からの熱を固体電解質層27側に良好に伝熱できるものである。
【0037】
27はヒータ部22のヒータ被覆層25外周側に設けられた酸素イオン伝導性の固体電解質層を示し、該固体電解質層27は、例えば95%モルのジルコニア(Zr O )の粉体に対して、5%モルのイットリア(Y )の粉体を混合して所謂イットリア安定化ジルコニア(YSZ)からなるペースト状物を調整した後、このペースト状物を図4に示す如くヒータ被覆層25の外周側に厚膜印刷することにより環状に形成されている。
【0038】
そして、固体電解質層27は、焼成後の膜厚が例えば30〜50μm程度の厚さとなり、後述の内側電極28と外側電極29との間で周囲の酸素濃度差に応じた起電力を発生させ、このときの酸素イオンを電極28,29間で輸送させるものである。
【0039】
また、固体電解質層27は、図4に示す如く後述のリード部28A等を除いて多孔体層26,内側電極28を外側から完全に包囲するように、多孔体層26,内側電極28よりも大きい面積をもって形成され、ヒータ被覆層25の外周面に曲面印刷されるものである。そして、固体電解質層27は、図2に示す如くヒータ被覆層25の外周面に直に接触する直付け部27A等を有している。
【0040】
28はヒータ部22のヒータ被覆層25と固体電解質層27との間に位置して固体電解質層27の内周側に設けられた内側電極で、該内側電極28は、図4に示すように固体電解質層27を曲面印刷する前に、ヒータ被覆層25の外周側に多孔体層26の上側から曲面印刷等の手段を用いて形成されるものである。
【0041】
即ち、内側電極28は、例えば白金等からなる導電性ペーストを図4に示す如く略L字形状をなす印刷パターンに成形した状態で、これをヒータ被覆層25の外周側(多孔体層26の上側)に印刷することにより形成される。また、内側電極28は、多孔体層26の引出し部26Aに対応した細長いリード部28Aを有し、このリード部28Aは、引出し部26A上に重合わせるようにしてヒータ部22の基端側に向けヒータ被覆層25の軸方向に伸長している。
【0042】
また、内側電極28は、白金等の導電性材料で形成されるため、後述の表1にも示す如く、例えば空気(従来技術で述べた大気室)に比較して約3000倍の熱伝導率を有し、ヒータ部22からの熱を固体電解質層27側に多孔体層26を介して良好に伝熱できるものである。
【0043】
29は固体電解質層27の外周側に設けられた外側電極で、この外側電極29は、例えば白金等からなる導電性ペーストを図4に示す如き印刷パターンに成形した状態で固体電解質層27の外周面に曲面印刷することによって形成され、図2に示す如く内側電極28との間で固体電解質層27を挟む構成となっている。
【0044】
また、外側電極29は、図4に示すリード部29Aを有し、該リード部29Aは、内側電極28のリード部28Aと同様にヒータ部22の基端側に向けて伸長するものである。そして、これらのリード部28A,29Aは、図1に示す検出素子21の基端側でそれぞれのコンタクトプレート13およびリード線11に接続され、内側電極28と外側電極29との間には、図2に示すように後述の直流電源34からポンプ電圧Vp が印加されるものである。
【0045】
30は固体電解質層27を外側電極29と共に外側から覆うように設けられた緻密層で、該緻密層30は、例えばアルミナの粉体に酸化珪素(Si O)の粉体を添加してペースト状物を調整し、このペースト状物を固体電解質層27の外側からヒータ被覆層25の長さ方向に沿って厚膜印刷することにより形成され、図4に示す如くヒータ被覆層25の先端側から基端側に向けて延びている。
【0046】
そして、緻密層30は、前記ペースト状物となる粉体の平均粒径が小さく(例えば、0.3〜0.5μm程度)に形成されることにより緻密な構造をなし、被測定ガスとなる排気ガス(水分、油分を含む)等が内部に侵入するのを遮断して抑える機能を有している。
【0047】
このため、多孔体層26、固体電解質層27および内側電極28は、緻密層30によってほぼ完全に周囲が取囲まれ、外部の排気ガス(水分、油分を含む)から隔離した状態に保たれる。これにより、固体電解質層27は、例えば30〜50μm程度(従来品は、例えば50〜100μm程度の厚さ)まで薄肉化することが可能となり、水分等に対する耐熱衝撃性も向上できるものである。
【0048】
また、外側電極29についても、後述する開口部31の位置を除いて図2、図3に示す如く緻密層30で覆われるため、この緻密層30で覆われた部分では、排気ガスの侵入、接触が遮断される。これにより、外側電極29に対する排気ガスの侵入、接触箇所は、開口部31の範囲内に制限されるものである。
【0049】
31は緻密層30に設けられた開口部で、該開口部31は、図1ないし図5に示す如くヒータ部22の先端側寄りに位置する緻密層30の一部を、例えば四角形状に切欠くことにより形成されるものである。そして、開口部31は、外側電極29を緻密層30から部分的に露出させ、外部の排気ガスが後述の保護層32を介して外側電極29に侵入、接触するのを許すものである。
【0050】
32は開口部31を外側から覆うように緻密層30の外周側に設けられた保護層で、該保護層32は、例えば空孔率が比較的高いアルミナ等の多孔質材料を用いて形成され、これらの粉体からなるペースト状物を緻密層30の外周側に曲面印刷することにより構成されるものである。
【0051】
そして、保護層32は、緻密層30の開口部31を介して外部に露出される外側電極29を外側から覆い、外側電極29等を外部のダスト等から保護する機能を有している。また、保護層32の周囲を流れる排気ガス(被測定ガス)の一部は、空孔率の高い保護層32を透過し、開口部31の位置から外側電極29側に向けて図2中の矢示B方向に侵入するものである。
【0052】
次に、33はケーシング1の外部に設けられるヒータ電源で、該ヒータ電源33は、図2に示すようにリード線12等を介してヒータパターン24に接続されるものである。そして、ヒータ電源33は、ヒータ部22のヒータパターン24に電圧を印加することにより、例えば600〜800℃前,後の温度にヒータ部22を発熱させる。
【0053】
34はケーシング1の外部に設けられる電圧印加手段としての直流電源で、該直流電源34は、図2に示すように内側電極28に抵抗R0 、リード線11等を介して接続され、外側電極29はリード線11等を介してアースに接続される。そして、直流電源34は、これらの電極28,29間にポンプ電圧Vp を印加するものである。
【0054】
35はケーシング1の外部に設けられ、酸素濃度の検出回路を構成する差動増幅器で、該差動増幅器35は、図2に示すようにその非反転入力端子がアースに接続され、反転入力端子は抵抗R0 と内側電極28との間にリード線11等を介して接続されている。そして、差動増幅器35は、出力側端子36から酸素濃度検出信号となる出力電圧Vs を出力するものである。
【0055】
ここで、検出素子21の固体電解質層27には、保護層32等の周囲を流れる排気ガス中の酸素濃度△Pexと多孔体層26側の酸素濃度△Pa との間で濃度差が生じると、内側電極28と外側電極29との間で後述する化1〜化4の反応式による起電力Eが発生する。
【0056】
【数1】
E=−(R×T/4×F)×ln (△Pex/△Pa )
但し、R:気体定数(8.3145J/K・mol )
T:絶対温度
F:ファラデー定数(9.64853×10 C/mol )
【0057】
そして、固体電解質層25の内部抵抗をRs とすると、内側電極28と外側電極29との間には、直流電源34からポンプ電圧Vp によりポンプ電流Ip が供給されるので、下記の数2による出力電圧Vs が差動増幅器35の出力側端子36から出力される。
【0058】
【数2】
Vs =E+(Rs ×Ip )
【0059】
また、この出力電圧Vs とポンプ電圧Vp との関係は、下記数3の式で表されるものである。
【0060】
【数3】
Vp =Vs +(R0 ×Ip )
【0061】
本実施の形態による酸素濃度検出装置である酸素センサは、上述の如き構成を有するもので、次に検出素子21の製造方法について図2ないし図4を参照して説明する。
【0062】
まず、ヒータ部22を製造するときには、図4に示すようにアルミナ等のセラミックス材料からヒータコア23を中実の円形ロッドとして成形し、この状態でヒータコア23を仮焼成する。
【0063】
次に、パターン印刷工程では、チャック等の支持軸をヒータコア23の両端側に係合させ、ヒータコア23を回転させつつ、例えば白金等の発熱性導体材料からなるヒータパターン24をヒータコア23の外周面に曲面印刷する。また、ヒータパターン24の各リード部24Aをヒータコア23の基端側に向けて伸長するように印刷することにより一体形成する。
【0064】
次に、ヒータ被覆層25の形成工程では、ヒータパターン24を径方向外側から覆うようにして、例えばアルミナ等からなるペースト状物を曲面印刷してヒータ被覆層25を形成する。これによって、ヒータコア23、ヒータパターン24およびヒータ被覆層25からなるヒータ部22を形成する。
【0065】
次に、多孔体層26の形成工程では、前述した複合酸化物の粉体と空孔形成剤等からなるペースト状物を、ヒータ被覆層25の外周面に塗布するように曲面印刷して多孔体層26を形成する。このとき、多孔体層26の引出し部26Aをヒータ被覆層25の基端側まで伸長させるように印刷により形成する。
【0066】
そして、次なる内側電極28の形成工程では、前述した導電性ペーストをヒータ被覆層25の外周面に多孔体層26の上側から重合わせるように曲面印刷して内側電極28を形成する。このとき、内側電極28のリード部28Aを多孔体層26の引出し部26A上に重合わせてヒータ被覆層25の基端側まで伸長させるように印刷により形成する。
【0067】
また、次なる固体電解質層27の形成工程では、例えばジルコニアとイットリアからなるペースト状物を、ヒータ被覆層25の外周面に塗布するように曲面印刷して酸素イオン伝導性の固体電解質層27を形成し、この固体電解質層27によって多孔体層26と内側電極28を外側からほぼ完全に覆うようにする。
【0068】
そして、次なる外側電極29の形成工程では、固体電解質層27の外周面に白金等からなる導電性ペーストを曲面印刷することにより、固体電解質層27の外側に外側電極29を形成する。また、外側電極29のリード部29Aを内側電極28のリード部28Aから離した状態でヒータ被覆層25の基端側まで伸長させるように印刷により形成する。
【0069】
次に、緻密層30の形成工程では、固体電解質層27の外周側およびヒータ被覆層25の外周側に、例えばアルミナと酸化珪素からなるペースト状物を曲面印刷することにより緻密層30を形成する。そして、緻密層30には、外側電極29と対応する位置に開口部31を形成しておくようにする。
【0070】
また、これに続く保護層32の形成工程では、図2ないし図4に示す外側電極29を外側から覆うように緻密層30の外周側に、例えばアルミナ等からなるペースト状物を曲面印刷することにより保護層32を形成する。
【0071】
そして、次なる焼成工程では、前述の如く形成したヒータコア23、ヒータパターン24、ヒータ被覆層25、多孔体層26、固体電解質層27、電極28,29、緻密層30および保護層32からなる検出素子21の成形品を、高温度下で焼成してこれらを一体的に焼結させる。
【0072】
かくして、前述した各工程により検出素子21を製造した後、該検出素子21を酸素センサのケーシング1内に図1に示す如く収納し、各リード部24A,28A,29Aをそれぞれのコンタクトプレート13,14にばね性をもって当接させ、これらを電気的に接続することによって当該酸素センサを完成させる。
【0073】
次に、当該酸素センサによる酸素濃度の検出動作について説明するに、まず、当該酸素センサのケーシング1は、ホルダ2のおねじ部2Aを介して車両の排気管等に螺着され、検出素子21の先端側を排気管内へと突出させた状態で固定される。
【0074】
そして、エンジンの作動により排気管内を流れる排気ガスが検出素子21の周囲にプロテクタ15を介して導入されると、この排気ガスの一部が図2中の矢示B方向に保護層32を透過し、緻密層30の開口部31を介して外側電極29の表面に達する。
【0075】
また、この状態でヒータ電源33からヒータパターン24に給電を行ってヒータ部22により検出素子21全体を加熱すると、固体電解質層27が活性化される。そして、固体電解質層27を挟んで対向する内側電極28と外側電極29との間には、直流電源34によるポンプ電圧Vp が印加される。
【0076】
これにより、固体電解質層27は内側電極28、外側電極29と共に酸素ポンプを構成し、内側電極28と外側電極29との間には、後述する化1、化2等の反応式により、排気ガス中の酸素濃度に対応した起電力が前記数1〜数3の式で示す如く発生する。そして、差動増幅器35の出力側端子36からは、酸素濃度の検出信号となる出力電圧Vs が出力されるものである。
【0077】
即ち、エンジンの空燃比が理論空燃比よりも大きくなるリーン空燃比のときには、燃焼室内での希薄混合気により保護層32の周囲を流れる排気ガス中に酸素が燃焼されることなく残っている。このため、内側電極28と外側電極29との間を流れるポンプ電流Ip (直流電源34によるポンプ電圧Vp )により、カソード側の外側電極29において下記の化1による電気化学的な接触分解反応が行われ、排気ガス中に残留した酸素に電子が付与されて酸素イオンが発生する。
【0078】
【化1】
+4e → 2O2−
但し、O :酸素分子
e :電子
2−:酸素イオン
【0079】
そして、このときの酸素イオンは、固体電解質層27中の酸素欠陥を介してカソード側の外側電極29からアノード側の内側電極28に向けて輸送される。このため、アノード側の内側電極28においては、下記の化2による電気化学的な接触分解反応が行われ、このときに酸素イオンが酸素と電子とに分解される。
【0080】
【化2】
2O2− → O +4e
【0081】
これにより、アノード側の内側電極28では、内側に積層化された多孔体層26内の通気路26B(酸素収容室)に酸素が吸入され、この通気路26B内には外側電極29(外部の排気ガス)側よりも高い酸素分圧(疑似基準の酸素濃度)が生じる。このとき、電極28,29間には、前記数1の式により両者の酸素分圧差に基づいた起電力が発生する。
【0082】
しかし、多孔体層26内の通気路26Bは、内側電極28の内周側近傍をケーシング1(例えば、図1中に示す絶縁筒体7)内に常時連通させ、固体電解質層27を通じて内側電極28側に輸送されてくる酸素を、図2中の矢示A方向に逃散させるガス逃散路を構成している。
【0083】
このため、内側電極28側の酸素濃度は、常に大気圧状態に保たれることになり、リーン空燃比の状態では、内,外の電極28,29間にそれ程大きな酸素濃度差が生じることはなく、出力側端子36からの出力電圧Vs は、基準の電圧よりも低い電圧値となって出力されるものである。
【0084】
次に、エンジンの空燃比が理論空燃比よりも小さくなるリッチ空燃比のときには、燃焼室内での過濃混合気により保護層32の周囲を流れる排気ガス中に酸素は残らず、例えば二酸化炭素(CO )、水分(H O)等が排気ガス中に含まれている。
【0085】
このため、内側電極28と外側電極29との間を流れるポンプ電流Ip によって、カソード側の外側電極29では下記の化3、化4による電気化学的な接触分解反応が行われ、例えば排気ガス中に残留した二酸化炭素、水分子に電子が付与されて酸素イオンと一酸化炭素、水素が発生する。
【0086】
【化3】
2CO +4e → 2O2− +2CO
但し、CO :二酸化炭素分子
e :電子
2−:酸素イオン
CO:一酸化炭素分子
【0087】
【化4】
2H O+4e → 2O2− +2H
但し、H O:水分子
:水素分子
【0088】
そして、このときの酸素イオンは、固体電解質層27中の酸素欠陥を介してカソード側の外側電極29からアノード側の内側電極28に向けて輸送される。このため、アノード側の内側電極28においては、前記化2の式による電気化学的な接触分解反応が行われ、このときに酸素イオンが酸素と電子とに分解される。
【0089】
これにより、アノード側の内側電極28では、多孔体層26内の通気路26Bに酸素が吸入され、この通気路26B内には外側電極29(外部の排気ガス)側よりも非常に高い酸素分圧が生じる。この結果、リッチ空燃比の状態では、内,外の電極28,29間に非常に大きな酸素濃度差が生じ、出力側端子36からの出力電圧Vs は、基準の電圧よりも高い電圧値となって出力されるものである。
【0090】
ところで、このような酸素濃度の検出素子21にあっては、エンジン始動時に固体電解質層27を早期に活性化できるようにしないと、エンジンのアイドリング時等に空燃比制御を安定して行うことができない。また、例えば排気ガス中に含まれた水分、油分等が液滴となって検出素子21の外周側に付着したときに、液滴の付着箇所とこれ以外の箇所との間で大きな温度差が生じ、この影響で固体電解質層27には損傷、破損等が発生する可能性がある。
【0091】
そこで、本実施の形態によれば、ヒータ部22と内側電極28との間に、下記の表1に示す如く空気よりも熱伝導率が良いアルミナ等の多孔質セラミックス材料からなる多孔体層26を形成すると共に、固体電解質層27は、多孔体層26,内側電極28よりも大きい面積をもって形成し、図2に示す如くヒータ被覆層25の外周面に直に接触する直付け部27A等を有している。また、固体電解質層27を外側から緻密層30によってほぼ完全に覆う構成としている。
【0092】
これにより、ヒータ部22からの熱を多孔体層26、内側電極28を介して固体電解質層27側に効率的に伝熱できると共に、固体電解質層27には直付け部27Aを通じてもヒータ部22からの熱を直に伝えることができる。また、緻密層30は、固体電解質層27を外側から覆うことによって、外部の水滴等が固体電解質層27側へと浸透するのを抑えることができる。
【0093】
【表1】

Figure 2004226171
【0094】
そして、このような酸素濃度の検出素子21に対する特性評価試験を行った結果、図5中に実線で示す特性線37のように、検出素子21の素子温度をエンジン始動後に5秒以内で、例えば600℃まで昇温できることが確認された。この評価試験は、外気温度が−40℃で、ヒータ電源33の電圧を12V(ボルト)とした条件下で行われたものである。
【0095】
これに対し、従来技術の検出素子にあっては、図5中に二点鎖線で示す特性線38のように、素子温度をエンジン始動後に5秒以内で、例えば500℃程度までしか昇温することができず、例えば大気室内の空気層により熱伝導性が悪くなっていることが確認された。
【0096】
また、検出素子21の耐熱衝撃性についても、図6に示す如くワイブルプロットと呼ばれる評価試験を行った。この評価試験は、ヒータ電源33の印加により素子温度を可変に調整しつつ、例えば0.002CCの水滴を検出素子21の外側面(外側電極29の近傍)に滴下して、検出素子21の外側面に割れ(損傷、破損)等が発生する確率を素子割れ率(%)として表したものである。
【0097】
この結果、本実施の形態による検出素子21は、図6中に実線で示す特性線39のように素子温度を、450℃以上に上げるまでは素子割れが全く発生せず、例えば480℃程度で素子割れの確率が40%を越え、500℃で素子割れの確率が100%に達することが確認された。
【0098】
なお、この評価試験では、例えば0.002CCの水滴を検出素子21の外側面に滴下したが、このような多量の水分が排気ガス中に含まれることは、実際には無いものである。このため、自動車用エンジンの排気管等に酸素センサを取付けた状態で素子割れが発生する可能性は、実際上ほとんど無いと考えられる。
【0099】
これに対し、従来技術の検出素子にあっては、図6中に二点鎖線で示す特性線40のように素子温度が、例えば380℃程度を越えると素子割れが発生し、450℃程度で素子割れの確率が60%に達し、460℃で素子割れの確率が100%になることが確認された。
【0100】
また、別の従来技術としてプレート型の検出素子を用いた場合には、図6中に破線で示す特性線41のように素子温度が、例えば300℃程度を越えると素子割れが発生し始め、350℃程度で素子割れの確率がほぼ100%になることが確認された。
【0101】
従って、本実施の形態によれば、緻密な構造を有する緻密層30を用いて固体電解質層27を外側から覆うことにより、外部の水滴等が固体電解質層27へと浸透するのを抑えることができ、検出素子21全体の耐熱衝撃性、耐久性、寿命を向上をできる。
【0102】
また、外側にエッジ部が形成されるプレート型の素子に比較して、検出素子21の外形状をエッジ部がない、円形のロッド状に成形することができるので、検出素子21の熱応力等を十分に小さくすることが可能となり、例えば固体電解質層27の割れ等を抑えることができる。
【0103】
そして、ヒータ部22をほぼ全周にわたって外側から固体電解質層27および緻密層30等で覆うことにより、ヒータ部22が直接外気と接触するのを抑えて外気温による影響を低減でき、ヒータ部22の伝熱面積を大きくして該ヒータ部22からの熱を固体電解質層27等に効率的に伝えることができる。
【0104】
また、本実施の形態では、ヒータ部22からの熱を多孔体層26、内側電極28を介して固体電解質層27側に効率的に伝熱できると共に、固体電解質層27には直付け部27Aを通じてもヒータ部22からの熱を直に伝えることができるので、固体電解質層27等からなる検出素子21の昇温特性を向上でき、例えばエンジン始動時等に固体電解質層27を早期に活性化することができる。
【0105】
このため、本実施の形態によれば、検出素子21を短時間で活性化でき、エンジンの始動時でも排気ガス中の酸素濃度等を早期に検出して、燃料噴射量のフィードバック制御を即座に行うことが可能になる。また、当該酸素センサの取付自由度を大きくすることができ、ヒータ部22の消費電力も低減できる。
【0106】
また、検出素子21の内部に基準となる大気室等を従来技術のように形成して大気を導入する必要がないので、当該検出素子21の構造を簡略化することができ、製造時の作業性を向上することができる。
【0107】
次に、図7および図8は本発明の第2の実施の形態を示し、本実施の形態の特徴は、内側電極を多孔質構造をなす電極として形成する構成したことにある。なお、本実施の形態では前記第1の実施の形態と同一の構成要素に同一の符号を付し、その説明を省略するものとする。
【0108】
図中、51は酸素濃度検出装置の主要部となる酸素濃度の検出素子で、該検出素子51は、第1の実施の形態で述べた検出素子21とほぼ同様に、ヒータ部22、固体電解質層27、外側電極29、緻密層30および保護層32等により構成されている。しかし、この場合の検出素子51は、第1の実施の形態で述べた多孔体層26が廃止され、ヒータ部22と固体電解質層27との間には後述の内側電極52のみが設けられている。
【0109】
52は本実施の形態で採用した内側電極で、該内側電極52は、第1の実施の形態で述べた内側電極28と同様に、ヒータ部22のヒータ被覆層25と固体電解質層27との間に位置して固体電解質層27の内周側に設けられ、ヒータ部22の基端側に向けてヒータ被覆層25の軸方向に延びたリード部52Aを有している。
【0110】
しかし、この場合の内側電極52は、図8に例示するように後述の貴金属材料53およびセラミックス粒子54等からなるペースト状物を、ヒータ被覆層25の外周側に直接的に曲面印刷することにより、ヒータ被覆層25(固体電解質層27)の軸方向に予め決められた長さをもって延びる環状電極として形成されるものである。
【0111】
この場合、内側電極52は、白金等の貴金属材料53と、セラミックス粒子54,54,…と、空孔55,55,…とにより構成されている。そして、セラミックス粒子54は、例えば粒径が0.4〜1.0μm程度のジルコニアの粉体と、粒径が0.4〜1.0μm程度のアルミナの粉体を混合することにより形成されている。
【0112】
また、空孔55は、例えば粒径が0.4〜1.0μm程度のカーボン粉等からなる空孔形成剤を用いて形成され、この空孔形成剤は、検出素子51の焼成時に焼き飛ばされて内側電極52内に連続気泡となる空孔55,55,…を形成するものである。そして、空孔55は、セラミックス粒子54の粒径と同等、または粒径よりも大きい孔径をもって形成されている。
【0113】
即ち、内側電極52は、貴金属材料53の粉体に、例えば15〜20重量%のジルコニア粉、1〜2重量%のアルミナ粉と、1〜3重量%のカーボン粉とを添加して、ペースト状物を調整することにより形成される。そして、内側電極52は、貴金属材料53が電極反応を起こすことにより内部で電子を移動させる働きをする。
【0114】
また、セラミックス粒子54は、ジルコニアの粉体とアルミナの粉体とを含有することにより、図8に示すヒータ被覆層25(多孔質絶縁層)と固体電解質層27との間で内側電極52の接合性を高める働きをするものである。
【0115】
また、内側電極52内に形成された連続気泡となる空孔55は、内側電極52内で通気路となる酸素収容室を構成し、図7に示す内側電極52のリード部52Aにも空孔55が延在する。これによって、空孔55からなる通気路は、内側電極52内をケーシング1(図1中に例示した絶縁筒体7)内と常時連通させ、固体電解質層27を通じて内側電極52側に輸送されてくる酸素を、図7中の矢示A方向に逃散させるガス逃散路を構成するものである。
【0116】
そして、内側電極52の空孔55は、固体電解質層27と貴金属材料53と空孔55との3相界面(電極反応点)を増やし、通気路として機能することにより内側電極52内の酸素を濃度、圧力勾配に従って拡散させる働きをするものである。なお、固体電解質層27と内側電極52との境界面側には、図8に示すように複数の凹空間56,56,…が形成され、この凹空間56と固体電解質層27と貴金属材料53との間にも3相界面が形成される。
【0117】
かくして、このように構成される本実施の形態でも、ヒータ部22からの熱を内側電極52を介して固体電解質層27側に効率的に伝熱できると共に、固体電解質層27には直付け部27Aを通じてもヒータ部22からの熱を直に伝えることができ、第1の実施の形態とほぼ同様の作用効果を得ることができる。
【0118】
そして、このような酸素濃度の検出素子21に対しても、第1の実施の形態と同様の特性評価試験を行った。この結果、図5中に一点鎖線で示す特性線57のように、検出素子21の素子温度をエンジン始動後に4秒程度で、例えば600℃まで昇温できることが確認された。
【0119】
また、本実施の形態では、ヒータ部22のヒータ被覆層25と固体電解質層27との間に設ける内側電極52を、図8に示す如く白金等の貴金属材料53、セラミックス粒子54および連続気泡となる空孔55により構成しているので、貴金属材料53が電極反応を起こすことにより内部で電子を移動させ、連続気泡となる空孔55を内側電極52内での酸素収容室として活かすことができる。
【0120】
これにより、固体電解質層27、貴金属材料53および空孔55(凹空間56)からなる3相界面で電極反応を生起させ、電子の移動を促進できると共に、内側電極52内の酸素を濃度、圧力勾配に従って速く拡散させることができる。また、内側電極52内の空孔55を、セラミックス粒子54の粒径よりも大きい孔径に形成することにより、空孔55内での酸素収容量を増やすことができ、内側電極52内での酸素の拡散を円滑に行うことができる。
【0121】
また、セラミックス粒子54の構成材料として、ヒータ被覆層25、固体電解質層27と同一の材料を用いることにより、素子の焼成時には内側電極52をヒータ被覆層25と固体電解質層27との間で両者に対して強く接合できる。そして、前記3相界面(電極反応点)を多数、均一に分布させ、内側電極52と外側電極29との対向面全体で電極反応を均一に生じさせることができる。
【0122】
そして、空孔55内で酸素を拡散できるため、電極反応、温度変化で生じる酸素の濃度、圧力差を減らすことができ、前記3相界面(電極反応点)での酸素の滞留、欠乏を防ぐことができる。これにより、センサの内部抵抗を下げることが可能となり、検出素子51の低温活性化を促進することができる。
【0123】
さらに、検出素子51の固体電解質層27等に対して昇温、降温等を繰返すような耐久試験を行った場合でも、固体電解質層27と内側電極52との3相界面において剥離等が生じるのを抑えることができ、これによる内部抵抗の増大等も防止することができる。
【0124】
次に、図9および図10は本発明の第3の実施の形態を示し、本実施の形態の特徴は、内側電極の一部を構成するセラミックス粒子をペロブスカイト型酸化物により構成したことにある。なお、本実施の形態では前記第2の実施の形態と同一の構成要素に同一の符号を付し、その説明を省略するものとする。
【0125】
図中、61はヒータ被覆層25と固体電解質層27との間に設けられた本実施の形態で用いる内側電極で、該内側電極61は、第2の実施の形態で述べた内側電極52とほぼ同様に、白金等の貴金属材料62と、セラミックス粒子63,63,…と、空孔64,64,…とにより構成されている。
【0126】
また、内側電極61と固体電解質層27との境界面側には、第2の実施の形態で述べた凹空間56と同様に、複数の凹空間65,65,…が形成されている。しかし、本実施の形態による内側電極61は、セラミックス粒子63が後述のペロブスカイト型酸化物からなる混合電導体により構成されている点で第2の実施の形態とは異なるものである。
【0127】
即ち、プロブスカイト型酸化物は、例えば(La1−xSrCoO )系の酸化物、または(La1−xSrMnO )系の酸化物からなり、混合電導体であるセラミックス粒子63を構成しているものである。
【0128】
そして、混合電導体であるセラミックス粒子63は、図10に示す如く固体電解質層27との2相界面で酸素イオン(O2−)を伝導させ、セラミックス粒子63と空孔64との2相界面で、前述の化1、化2式による電極反応を図10中に示す如く生起させるものである。
【0129】
また、図10に示すように固体電解質層27と貴金属材料62と空孔64との3相界面F1 ,F2 、固体電解質層27と貴金属材料62と凹空間65との3相界面F3 ,F4 等でも電極反応が起こる。そして、空孔64は通気路(酸素収容室)として機能することにより、内側電極61内の酸素を濃度、圧力勾配に従って拡散させるものである。
【0130】
この場合、内側電極61内では、図10中の左側部位(素子の先端部側)が右側部位(素子の基端部側)よりも酸素濃度が高くなり、酸素(O )、イオン等は図10中の矢示b方向に濃度勾配等に従って移動するものである。
【0131】
かくして、このように構成される本実施の形態でも、前記第2の実施の形態とほぼ同様の作用効果を得ることができる。特に本実施の形態では、内側電極61のセラミックス粒子63をペロブスカイト型酸化物等の混合電導体で構成することにより、前述した3相界面(電極反応点)を多数、均一に分布させることができ、内側電極61の電極面全体で電極反応を効率的に起こすことができる。
【0132】
また、内側電極61内での酸素濃度勾配に対して、空孔64によるガス拡散に混合電導体(セラミックス粒子63)内のイオン伝導が加わり、図10中の矢示b方向における酸素ガスの移動速度を加速することができる。
【0133】
この結果、素子の内部抵抗を下げることができ、低温活性等を向上できると共に、例えば固体電解質層27と内側電極61との間の剥離を長期にわたって抑えることができ、酸素センサとしての信頼性を高めることができる。
【0134】
なお、前記各実施の形態では、内側電極28(52,61)と外側電極29との間に外部から直流電源34によるポンプ電圧Vp を印加する場合を例に挙げて説明した。しかし、本発明はこれに限るものではなく、例えば内側電極28(52,61)側を基準となる酸素濃度に通気路28B(空孔55,64)を介して設定し、固体電解質層を挟む内側電極と外側電極との間に外部から電圧を印加することなく、被測定ガス(排気ガス)中の酸素濃度に対応した起電力を発生させる構成とした酸素センサ(酸素濃度検出装置)に適用してもよい。
【0135】
次に、上記各実施の形態から把握し得る請求項以外の技術的思想について、以下にその効果と共に記載する。
【0136】
(1).請求項1,2または3に記載の酸素濃度検出装置において、前記内側電極と外側電極との間には外部から電圧を印加し、前記内側電極側には前記通気路からなる疑似基準の酸素収容室を設ける構成とした酸素濃度検出装置。
【0137】
この場合には、電気化学的な接触分解反応により外側電極側で発生した酸素イオンを、固体電解質層中の酸素欠陥を介して外側電極から内側電極に向けて輸送できるため、内側電極側においては通気路からなる酸素収容室に酸素を吸入、流通させ、外側電極(外部の被測定ガス)側よりも酸素分圧が高い疑似基準の酸素濃度を生じさせることができる。
【0138】
(2).請求項2または3に記載の酸素濃度検出装置において、前記空孔形成剤により内側電極中に形成される空孔は、前記セラミックス粒子の粒径以上となる孔径を有してなる酸素濃度検出装置。これにより、空孔内での酸素収容量を増やすことができ、内側電極内での酸素の拡散を円滑に行うことができる。
【0139】
(3).請求項2または3に記載の酸素濃度検出装置において、前記セラミックス粒子は、少なくとも一部を前記固体電解質層の構成材料と同一の材料により構成してなる酸素濃度検出装置。これにより、検出素子の焼成時には内側電極をヒータ部と固体電解質層との間で両者に対して強く接合することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の第1の実施の形態による検出素子が設けられた酸素センサを示す縦断面図である。
【図2】図1に示す検出素子の拡大縦断面図である。
【図3】検出素子を図2中の矢示 III−III 方向からみた横断面図である。
【図4】ヒータコアの外周にヒータパターン、ヒータ被覆層、多孔体層、内側電極、固体電解質層、外側電極、緻密層および保護層等を形成する工程を示す斜視図である。
【図5】検出素子の昇温特性を示す特性線図である。
【図6】水滴による検出素子の素子割れ率を示す特性線図である。
【図7】第2の実施の形態による酸素濃度の検出素子を示す半断面図である。
【図8】第2の実施の形態による内側電極の内部構造を示す拡大断面図である。
【図9】第3の実施の形態による検出素子の内側電極等を示す図8と同様位置での拡大断面図である。
【図10】図9中のa部を拡大して示す要部断面図である。
【符号の説明】
1 ケーシング
11,12 リード線
13,14 コンタクトプレート
21,51 酸素濃度の検出素子
22 ヒータ部
23 ヒータコア
24 ヒータパターン
24A,28A,29A リード部
25 ヒータ被覆層
26 多孔体層
26A 引出し部
26B 通気路
27 固体電解質層
28 内側電極
29 外側電極
30 緻密層
31 開口部
32 保護層
33 ヒータ電源
34 直流電源
35 差動増幅器
36 出力側端子
52,61 内側電極(多孔質構造の電極)
53,62 貴金属材料
54 セラミックス粒子
55,64 空孔(通気路)
56,65 凹空間
63 セラミックス粒子(混合電導体)
Vs 出力電圧(酸素濃度の検出信号)[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to an oxygen concentration detection device suitably used for detecting an air-fuel ratio (mixing ratio of fuel and intake air) of an automobile engine or the like as oxygen concentration in exhaust gas.
[0002]
[Prior art]
Generally, in a vehicle engine or the like, for example, an oxygen concentration detection device (oxygen sensor) is provided in the middle of an exhaust pipe, and the oxygen sensor detects oxygen concentration and the like contained in exhaust gas (for example, Patent Document 1).
[0003]
[Patent Document 1]
JP-A-7-27737
[0004]
An oxygen sensor according to the related art of this type includes, for example, a heater portion formed in an elongated rod shape, and an oxygen ion conductive solid electrolyte layer provided on an outer peripheral side of the heater portion and activated by heat from the heater portion. An annular air chamber provided between the solid electrolyte layer and the heater portion, through which oxygen in the air flows in and out, and an inner electrode provided on the inner peripheral side of the solid electrolyte layer facing the air chamber, An outer electrode and the like are provided on the outer peripheral side of the solid electrolyte layer and sandwich the solid electrolyte layer between the inner electrode and the inner electrode.
[0005]
Then, when an oxygen concentration difference occurs between a gas to be measured such as exhaust gas flowing outside the outer electrode and an atmosphere chamber facing the inner electrode, the oxygen sensor generates an electromotive force corresponding to the difference in concentration. Since it is generated between the inner electrode and the outer electrode sandwiching the solid electrolyte layer, a detection signal of the oxygen concentration is output to the outside according to the electromotive force.
[0006]
[Problems to be solved by the invention]
By the way, the oxygen sensor according to the prior art described above has a structure in which an annular air chamber is interposed between the heater section and the solid electrolyte layer. Therefore, when the heat from the heater section is transmitted to the solid electrolyte layer, the heat is generated by the air chamber. There is a problem that conductivity is deteriorated and it is difficult to activate the solid electrolyte layer early, for example, when starting the engine.
[0007]
Further, in the case of the prior art, since the outer peripheral side of the solid electrolyte layer is merely covered with a protective layer or the like, for example, moisture, oil, and the like contained in the gas to be measured such as exhaust gas become droplets. When the droplets adhere to the outer peripheral side of the sensor, the droplets may penetrate the protective layer and reach the solid electrolyte layer.
[0008]
Therefore, the solid electrolyte layer has a large temperature difference between the position where the droplets are attached and the other position, which may cause damage, breakage, etc. in the solid electrolyte layer. There is a problem that performance cannot be improved.
[0009]
SUMMARY OF THE INVENTION The present invention has been made in view of the above-described problems of the related art, and an object of the present invention is to efficiently transfer heat from a heater section to a solid electrolyte layer and activate the solid electrolyte layer early, for example, when starting an engine. It is an object of the present invention to provide an oxygen concentration detecting device which can be made into an oxygen concentration.
[0010]
Another object of the present invention is to provide an oxygen concentration detecting device that can improve thermal shock resistance by covering the solid electrolyte layer with a dense layer from the outside, and can improve the durability and life of the entire detecting element. To provide.
[0011]
[Means for Solving the Problems]
In order to solve the above-mentioned problem, the oxygen concentration detecting device according to the first aspect of the present invention allows oxygen to flow between the heater section and the inner electrode in the length direction of the heater section from the position of the inner electrode. Therefore, a porous layer made of a porous ceramic material and having an air passage made of open pores is provided inside, and the gas to be measured permeates to the outer peripheral side of the solid electrolyte layer at a position corresponding to the outer electrode. In a portion other than the opening, a dense layer is provided to cover the solid electrolyte layer and the inner electrode from the outside and to prevent the gas to be measured from entering the inside.
[0012]
With this configuration, a porous layer made of a porous ceramic material having a higher thermal conductivity than air can be formed between the heater section and the inner electrode (solid electrolyte layer). Can be efficiently transferred to the solid electrolyte layer and the like. Therefore, it is possible to improve the temperature rising characteristics of the detection element including the solid electrolyte layer and the like, and to activate the solid electrolyte layer early, for example, at the time of starting the engine. In addition, by covering the solid electrolyte layer from the outside, the dense layer can suppress the penetration of external water droplets and the like into the solid electrolyte layer, thereby improving the thermal shock resistance, durability, and life of the entire detection element. it can.
[0013]
Further, the oxygen concentration detecting device according to the second aspect of the present invention is an apparatus for detecting oxygen concentration, in which a material obtained by mixing a noble metal, ceramic particles, and a pore-forming agent for flowing oxygen from the position of the inner electrode in the length direction of the heater section is used. The solid electrolyte layer is formed by using an electrode having a porous structure having an air passage formed of open cells, and the gas to be measured is transmitted to the outer peripheral side of the solid electrolyte layer at a position corresponding to the outer electrode. An opening is provided, and a portion other than the opening is provided with a dense layer that covers the solid electrolyte layer and the inner electrode from the outside and suppresses entry of the gas to be measured into the inside.
[0014]
With this configuration, the inner electrode interposed between the heater and the solid electrolyte layer can be formed using a material (noble metal, ceramic particles, or the like) having a higher thermal conductivity than air. By eliminating the need for the porous layer used in the present invention, the structure can be simplified, and the heat from the heater can be efficiently transferred to the solid electrolyte layer and the like. Therefore, the temperature rise characteristics of the detection element can be improved, and the solid electrolyte layer can be activated early, for example, when starting the engine. Further, the dense layer can suppress penetration of external water droplets and the like into the solid electrolyte layer, and can improve thermal shock resistance, durability, and life of the entire detection element.
[0015]
In particular, the inner electrode in this case functions so that the noble metal as the material causes an electrode reaction to move electrons inside, and the ceramic particles enhance the bondability between the heater section and the solid electrolyte layer. A pore-forming agent made of, for example, carbon powder can be burned out during element baking to form pores that become continuous cells in the inner electrode, and these pores can be used as oxygen storage chambers that serve as ventilation paths. Thereby, the three-phase interface (electrode reaction point) can be increased, and oxygen in the inner electrode can be diffused according to the concentration and the pressure gradient.
[0016]
Further, in the invention of claim 3, the ceramic particles serving as the material of the inner electrode are made of a mixed conductor such as a perovskite-type oxide which can conduct oxygen ions together with electrons. Thereby, in addition to having substantially the same operation and effect as the invention of claim 2, oxygen ions can be conducted at the two-phase interface between the solid electrolyte layer and the mixed conductor (perovskite oxide), and An electrode reaction can take place at the two-phase interface between the pores.
[0017]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Hereinafter, an example in which the oxygen concentration detecting device according to the embodiment of the present invention is applied to an oxygen sensor attached to an exhaust pipe side of an automobile engine will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
[0018]
Here, FIGS. 1 to 6 show a first embodiment of the present invention. In the drawing, reference numeral 1 denotes a casing of an oxygen sensor. The casing 1 has a stepped cylindrical holder 2 having an external thread 2A as an attachment portion formed on an outer periphery on one side (tip side) in the axial direction; And a bottomed cylindrical cap 3 integrally fixed to the other side (base end side) in the axial direction, and coaxially disposed in the cap 3 and positioned between a seal cap 10 and a holder 2 described later. And the guide cylinder 4 provided.
[0019]
The holder 2, the cap 3, and the guide cylinder 4, which are components of the casing 1, are formed using a metal material such as stainless steel. In the casing 1, an external thread portion 2 </ b> A of the holder 2 is screwed to the exhaust pipe in order to mount an oxygen concentration detecting element 21, which will be described later, in a protruding state, for example, in an exhaust pipe (not shown) of an automobile engine. Things.
[0020]
Reference numeral 5 denotes an insulating support provided in the holder 2 of the casing 1 via a metal seal ring 6. The insulating support 5 is made of, for example, aluminum oxide (Al).2O3  ) Are formed in a cylindrical shape, and a detection element 21 is fixed to the inner peripheral side thereof using an inorganic adhesive or the like. The insulating support 5 positions the detection element 21 in the casing 1 and holds the detection element 21 in an electrically and thermally insulated state.
[0021]
Reference numerals 7 and 8 denote insulating cylinders disposed in the guide cylinder 4 of the casing 1. The insulating cylinders 7 and 8 are formed in a cylindrical shape from a ceramic material such as aluminum oxide (hereinafter, referred to as alumina). The contact plates 13, 14 and the like described below are held in an insulated state with respect to the casing 1.
[0022]
Reference numeral 9 denotes a spring serving as an elastic member disposed in the casing 1 and disposed between the insulating support 5 and the insulating cylinder 7, and the spring 9 always directs the insulating support 5 toward the holder 2 side. This is to prevent the vibration and the shock acting on the casing 1 from being transmitted to the detecting element 21 directly.
[0023]
Reference numeral 10 denotes a seal cap in which the base end side of the cap 3 is closed. The seal cap 10 is formed of a heat-resistant resin material such as polytetrafluoroethylene (PTFE) into a stepped cylindrical shape. The insulating cylinders 7, 8 and the like are positioned via a spring 9.
[0024]
Also, lead wires 11, 11,... For detection and lead wires 12, 12 (only one is shown) for heaters are inserted through the seal cap 10. These lead wires 11 and 12 are individually connected to the detection contact plates 13, 13,... And the heater contact plates 14, 14 in the insulating cylinder 8.
[0025]
Reference numeral 15 denotes a protector provided on the holder 2 of the casing 1, and the protector 15 is formed in a closed cylindrical shape using, for example, a metal plate having high heat resistance. The protector 15 has a base end attached to the holder 2 so as to cover a distal end portion of a detection element 21 to be described later from the outside, and a distal end (lid) side is provided to protrude from the holder 2 in the axial direction.
[0026]
Further, a plurality of windows 15A, 15A,... Which allow the exhaust gas to flow are formed on the cylindrical portion side of the protector 15. These windows 15 </ b> A guide the exhaust gas flowing in the exhaust pipe to the vicinity of the distal end side of the detection element 21.
[0027]
Next, reference numeral 21 denotes an oxygen concentration detecting element which is a main part of the oxygen concentration detecting device. The detecting element 21 is mounted in the holder 2 of the casing 1 via the insulating support 5, and the tip side is connected to the holder 2 by the shaft. Projecting in the direction. The detection element 21 includes a heater 22, a porous layer 26, a solid electrolyte layer 27, electrodes 28 and 29, a dense layer 30, and a protective layer 32, which will be described later, as shown in FIGS.
[0028]
Reference numeral 22 denotes a heater portion which is a mandrel portion formed in an elongated rod shape. As shown in FIGS. 2 to 4, the heater portion 22 is formed in a solid or hollow small-diameter rod shape by a ceramic material such as alumina. A heater core 23, a heater pattern 24 and an insulating heater coating layer 25.
[0029]
As shown in FIG. 4, the heater pattern 24 is formed on the outer peripheral surface of the heater core 23 by using means such as curved surface printing, and a pair of leads 24A, 24A extending from the distal end side to the proximal end side of the heater core 23. have. The heater coating layer 25 is formed by printing a ceramic material such as alumina on the outer peripheral side of the heater core 23 in a thick film so as to protect the heater pattern 24 together with the lead portion 24A from the radial outside. .
[0030]
Here, the heater core 23 is formed, for example, as a circular rod having an outer dimension of about 3 to 3.5 mm and a length of about 40 to 60 mm by injection molding or extrusion molding of a ceramic material such as alumina. . The heater pattern 24 is made of a heat-generating conductive material such as platinum mixed with, for example, about 5% by weight of alumina, and each lead portion 24A is provided at the base end side of the heater core 23 with each of the heater contacts illustrated in FIG. Connected to plate 14.
[0031]
The heater pattern 24 is supplied with power from a heater power supply 33 to be described later via each of the heater lead wires 12, each of the contact plates 14, and each of the lead portions 24A. This is for causing the part 22 to generate heat.
[0032]
Reference numeral 26 denotes a porous layer provided on the heater coating layer 25 of the heater section 22. The porous layer 26 is provided on the outer periphery of the heater coating layer 25 before printing an inner electrode 28 described later as shown in FIG. It is formed by performing curved surface printing on the side, and is disposed in a state sandwiched between the heater coating layer 25 and the inner electrode 28.
[0033]
That is, the porous layer 26 is made of, for example, alumina and zirconia (Zr 2 O 3).2  ) Is added in an amount of about 3 to 20% by weight of a carbon powder (average particle diameter of 0.4 to 4 μm) or the like as a pore-forming agent to the composite oxide powder (average particle diameter of 0.4 to 1 μm). The paste-like material is prepared by printing the paste-like material on the outer peripheral side of the heater coating layer 25 in a thick film.
[0034]
In this case, as shown in FIG. 4, the porous material layer 26 is formed to have an L-shape as a whole with an area equal to or slightly larger than that of the inner electrode 28, and a portion corresponding to a lead portion 28A described later. Are elongated drawers 26A and extend in the longitudinal direction of the heater coating layer 25. The carbon powder and the like are burned off as a pore-forming agent when the entire detection element 21 is fired, whereby the porous layer 26 is provided with an air passage 26B formed of open pores therein. 26A.
[0035]
The porous layer 26 has a thickness of, for example, about 10 to 20 μm after sintering, and the internal ventilation path 26B is provided near the inner peripheral side of the inner electrode 28 in the casing 1 (for example, as shown in FIG. 1). The gas is always communicated within the insulating cylinder 7), thereby forming a gas escape path for allowing oxygen transported to the inner electrode 28 side through the solid electrolyte layer 27 described later to escape in the direction of arrow A in FIG. Things.
[0036]
Further, since the porous layer 26 is formed of a porous ceramic material such as alumina, as shown in Table 1 below, for example, the heat is about 1000 times higher than that of air (atmosphere chamber described in the related art). It has conductivity and can satisfactorily transfer heat from the heater section 22 to the solid electrolyte layer 27 side.
[0037]
Reference numeral 27 denotes an oxygen ion conductive solid electrolyte layer provided on the outer peripheral side of the heater coating layer 25 of the heater section 22. The solid electrolyte layer 27 is made of, for example, 95% mol of zirconia (Zr 2 O 3).2  ), 5% mol of yttria (Y2  O3  ) Is mixed to prepare a paste made of so-called yttria-stabilized zirconia (YSZ), and then the paste is printed on the outer peripheral side of the heater coating layer 25 as a thick film as shown in FIG. It is formed in an annular shape.
[0038]
The solid electrolyte layer 27 has a thickness of, for example, about 30 to 50 μm after firing, and generates an electromotive force between an inner electrode 28 and an outer electrode 29, which will be described later, according to a difference in surrounding oxygen concentration. The oxygen ions at this time are transported between the electrodes 28 and 29.
[0039]
Further, as shown in FIG. 4, the solid electrolyte layer 27 is smaller than the porous material layer 26 and the inner electrode 28 so as to completely surround the porous material layer 26 and the inner electrode 28 from the outside except for a lead portion 28A described later. It is formed with a large area, and is printed on the outer peripheral surface of the heater coating layer 25 by a curved surface. The solid electrolyte layer 27 has a directly attached portion 27A and the like that directly contact the outer peripheral surface of the heater coating layer 25 as shown in FIG.
[0040]
Reference numeral 28 denotes an inner electrode located between the heater coating layer 25 of the heater section 22 and the solid electrolyte layer 27 and provided on the inner peripheral side of the solid electrolyte layer 27. As shown in FIG. Before the solid electrolyte layer 27 is printed on a curved surface, the solid electrolyte layer 27 is formed on the outer peripheral side of the heater coating layer 25 from above the porous material layer 26 using a means such as curved surface printing.
[0041]
That is, the inner electrode 28 is formed by forming a conductive paste made of, for example, platinum or the like into a substantially L-shaped print pattern as shown in FIG. It is formed by printing on the upper side. The inner electrode 28 has an elongated lead portion 28A corresponding to the lead portion 26A of the porous body layer 26, and the lead portion 28A is placed on the base end side of the heater portion 22 so as to overlap the lead portion 26A. The heater coating layer 25 extends in the axial direction.
[0042]
Further, since the inner electrode 28 is formed of a conductive material such as platinum, as shown in Table 1 below, for example, the thermal conductivity is about 3000 times higher than that of air (atmosphere chamber described in the related art). And the heat from the heater section 22 can be satisfactorily transferred to the solid electrolyte layer 27 via the porous material layer 26.
[0043]
Reference numeral 29 denotes an outer electrode provided on the outer peripheral side of the solid electrolyte layer 27. The outer electrode 29 is formed of a conductive paste made of, for example, platinum or the like in a printed pattern as shown in FIG. The solid electrolyte layer 27 is formed between the inner electrode 28 and the inner electrode 28 as shown in FIG.
[0044]
Further, the outer electrode 29 has a lead portion 29A shown in FIG. 4, and the lead portion 29A extends toward the base end side of the heater portion 22 similarly to the lead portion 28A of the inner electrode 28. These lead portions 28A and 29A are connected to the respective contact plates 13 and lead wires 11 on the base end side of the detection element 21 shown in FIG. As shown in FIG. 2, a pump voltage Vp is applied from a DC power supply 34 described later.
[0045]
Reference numeral 30 denotes a dense layer provided so as to cover the solid electrolyte layer 27 together with the outer electrode 29 from the outside. The dense layer 30 is formed, for example, by adding alumina powder to silicon oxide (Si 2 O 3).24) is added to prepare a paste-like material, and the paste-like material is formed by thick-film printing from the outside of the solid electrolyte layer 27 along the length direction of the heater coating layer 25. As shown, it extends from the distal side to the proximal side of the heater coating layer 25.
[0046]
The dense layer 30 has a dense structure when the powder to be the paste-like material has a small average particle size (for example, about 0.3 to 0.5 μm), and serves as a gas to be measured. It has a function of blocking and suppressing exhaust gas (including moisture and oil) from entering the inside.
[0047]
Therefore, the porous layer 26, the solid electrolyte layer 27, and the inner electrode 28 are almost completely surrounded by the dense layer 30 and are kept in a state of being isolated from external exhaust gas (including moisture and oil). . Thereby, the solid electrolyte layer 27 can be reduced in thickness to, for example, about 30 to 50 μm (the conventional product has a thickness of, for example, about 50 to 100 μm), and the thermal shock resistance against moisture and the like can be improved.
[0048]
Also, the outer electrode 29 is covered with the dense layer 30 as shown in FIGS. 2 and 3 except for the position of the opening 31 described later. Contact is interrupted. Thereby, the location of the exhaust gas entering and contacting the outer electrode 29 is limited to the range of the opening 31.
[0049]
Reference numeral 31 denotes an opening provided in the dense layer 30. The opening 31 cuts a part of the dense layer 30 located near the front end side of the heater section 22 into, for example, a rectangular shape as shown in FIGS. It is formed by chipping. The opening 31 partially exposes the outer electrode 29 from the dense layer 30 and allows external exhaust gas to enter and contact the outer electrode 29 via a protective layer 32 described later.
[0050]
Reference numeral 32 denotes a protective layer provided on the outer peripheral side of the dense layer 30 so as to cover the opening 31 from the outside. The protective layer 32 is formed using a porous material such as alumina having a relatively high porosity. The paste-like material made of these powders is printed on the outer peripheral side of the dense layer 30 by a curved surface.
[0051]
The protective layer 32 has a function of covering the outer electrode 29 exposed to the outside through the opening 31 of the dense layer 30 from the outside, and protecting the outer electrode 29 and the like from external dust and the like. In addition, a part of the exhaust gas (measured gas) flowing around the protective layer 32 passes through the protective layer 32 having a high porosity and flows from the position of the opening 31 toward the outer electrode 29 in FIG. It invades in the direction of arrow B.
[0052]
Next, reference numeral 33 denotes a heater power supply provided outside the casing 1, and the heater power supply 33 is connected to the heater pattern 24 via the lead wires 12 and the like as shown in FIG. The heater power supply 33 applies a voltage to the heater pattern 24 of the heater section 22 to cause the heater section 22 to generate heat at a temperature before and after 600 to 800 ° C., for example.
[0053]
Reference numeral 34 denotes a DC power supply as a voltage applying means provided outside the casing 1. The DC power supply 34 is connected to the inner electrode 28 via the resistor R 0, the lead wire 11, and the like, as shown in FIG. Is connected to ground via a lead wire 11 or the like. The DC power supply 34 applies a pump voltage Vp between the electrodes 28 and 29.
[0054]
Numeral 35 denotes a differential amplifier provided outside the casing 1 and constituting an oxygen concentration detecting circuit. The differential amplifier 35 has a non-inverting input terminal connected to the ground and an inverting input terminal as shown in FIG. Is connected between the resistor R0 and the inner electrode 28 via the lead wire 11 or the like. The differential amplifier 35 outputs an output voltage Vs as an oxygen concentration detection signal from the output terminal 36.
[0055]
Here, in the solid electrolyte layer 27 of the detection element 21, when a concentration difference occurs between the oxygen concentration △ Pex in the exhaust gas flowing around the protective layer 32 and the like and the oxygen concentration △ Pa in the porous layer 26 side. , An electromotive force E is generated between the inner electrode 28 and the outer electrode 29 by the following reaction formulas (1) to (4).
[0056]
(Equation 1)
E = − (R × T / 4 × F) × ln (△ Pex / △ Pa)
Where R: gas constant (8.3145 J / K · mol)
T: Absolute temperature
F: Faraday constant (9.68453 × 104  C / mol)
[0057]
If the internal resistance of the solid electrolyte layer 25 is Rs, the pump current Ip is supplied between the inner electrode 28 and the outer electrode 29 by the DC voltage 34 from the pump voltage Vp. The voltage Vs is output from the output terminal 36 of the differential amplifier 35.
[0058]
(Equation 2)
Vs = E + (Rs × Ip)
[0059]
The relationship between the output voltage Vs and the pump voltage Vp is represented by the following equation (3).
[0060]
(Equation 3)
Vp = Vs + (R0 × Ip)
[0061]
The oxygen sensor that is the oxygen concentration detecting device according to the present embodiment has the above-described configuration. Next, a method for manufacturing the detecting element 21 will be described with reference to FIGS.
[0062]
First, when the heater section 22 is manufactured, the heater core 23 is formed as a solid circular rod from a ceramic material such as alumina as shown in FIG. 4, and the heater core 23 is temporarily fired in this state.
[0063]
Next, in a pattern printing step, a heater pattern 24 made of a heat-generating conductive material such as platinum is attached to the outer peripheral surface of the heater core 23 while a support shaft such as a chuck is engaged with both ends of the heater core 23 and the heater core 23 is rotated. Print on a curved surface. Further, each lead portion 24A of the heater pattern 24 is integrally formed by printing so as to extend toward the base end side of the heater core 23.
[0064]
Next, in the step of forming the heater coating layer 25, the heater coating layer 25 is formed by printing a paste-like material made of, for example, alumina or the like on the curved surface so as to cover the heater pattern 24 from the outside in the radial direction. As a result, the heater section 22 including the heater core 23, the heater pattern 24, and the heater coating layer 25 is formed.
[0065]
Next, in the step of forming the porous layer 26, a paste-like substance composed of the above-described composite oxide powder and a pore-forming agent is printed on a curved surface so as to be applied to the outer peripheral surface of the heater coating layer 25. The body layer 26 is formed. At this time, the drawn portion 26A of the porous layer 26 is formed by printing so as to extend to the base end side of the heater coating layer 25.
[0066]
In the next step of forming the inner electrode 28, the above-described conductive paste is printed on the outer peripheral surface of the heater coating layer 25 by a curved surface so as to overlap the porous layer 26 from above, thereby forming the inner electrode 28. At this time, the lead portion 28A of the inner electrode 28 is formed by printing so as to overlap the lead portion 26A of the porous layer 26 and extend to the base end side of the heater coating layer 25.
[0067]
In the next step of forming the solid electrolyte layer 27, the oxygen ion-conductive solid electrolyte layer 27 is formed by performing a curved surface printing so that a paste-like material made of, for example, zirconia and yttria is applied to the outer peripheral surface of the heater coating layer 25. The porous layer 26 and the inner electrode 28 are almost completely covered from the outside by the solid electrolyte layer 27.
[0068]
Then, in the next step of forming the outer electrode 29, the outer electrode 29 is formed outside the solid electrolyte layer 27 by performing a curved surface printing of a conductive paste made of platinum or the like on the outer peripheral surface of the solid electrolyte layer 27. Further, it is formed by printing so that the lead portion 29A of the outer electrode 29 is extended from the lead portion 28A of the inner electrode 28 to the base end side of the heater coating layer 25 in a state where it is separated.
[0069]
Next, in the step of forming the dense layer 30, the dense layer 30 is formed on the outer peripheral side of the solid electrolyte layer 27 and the outer peripheral side of the heater coating layer 25 by, for example, performing a curved surface printing of a paste-like material made of alumina and silicon oxide. . An opening 31 is formed in the dense layer 30 at a position corresponding to the outer electrode 29.
[0070]
In the subsequent step of forming the protective layer 32, a paste-like substance made of, for example, alumina or the like is printed on the outer peripheral side of the dense layer 30 so as to cover the outer electrode 29 shown in FIGS. To form the protective layer 32.
[0071]
Then, in the next firing step, a detection including the heater core 23, the heater pattern 24, the heater coating layer 25, the porous body layer 26, the solid electrolyte layers 27, the electrodes 28 and 29, the dense layer 30, and the protective layer 32 formed as described above. The molded product of the element 21 is fired at a high temperature to sinter them integrally.
[0072]
Thus, after manufacturing the detecting element 21 by the above-described steps, the detecting element 21 is housed in the casing 1 of the oxygen sensor as shown in FIG. 1, and the lead portions 24A, 28A, 29A are connected to the respective contact plates 13, 14 is abutted with a spring property, and these are electrically connected to complete the oxygen sensor.
[0073]
Next, the operation of detecting the oxygen concentration by the oxygen sensor will be described. First, the casing 1 of the oxygen sensor is screwed to an exhaust pipe or the like of the vehicle via the external thread 2A of the holder 2, and the detection element 21 Is fixed in a state where the tip side of the is projected into the exhaust pipe.
[0074]
When the exhaust gas flowing through the exhaust pipe by the operation of the engine is introduced around the detecting element 21 through the protector 15, a part of the exhaust gas passes through the protective layer 32 in the direction of arrow B in FIG. Then, it reaches the surface of the outer electrode 29 via the opening 31 of the dense layer 30.
[0075]
In this state, when power is supplied from the heater power supply 33 to the heater pattern 24 and the entire detection element 21 is heated by the heater section 22, the solid electrolyte layer 27 is activated. Then, a pump voltage Vp from a DC power supply 34 is applied between the inner electrode 28 and the outer electrode 29 opposed to each other with the solid electrolyte layer 27 interposed therebetween.
[0076]
As a result, the solid electrolyte layer 27 constitutes an oxygen pump together with the inner electrode 28 and the outer electrode 29, and the exhaust gas is provided between the inner electrode 28 and the outer electrode 29 by the following reaction formulas 1 and 2 described below. An electromotive force corresponding to the oxygen concentration in the medium is generated as shown by the above equations (1) to (3). The output terminal 36 of the differential amplifier 35 outputs an output voltage Vs as a detection signal of the oxygen concentration.
[0077]
That is, when the air-fuel ratio of the engine is a lean air-fuel ratio that is higher than the stoichiometric air-fuel ratio, oxygen remains in the exhaust gas flowing around the protective layer 32 without being burned by the lean mixture in the combustion chamber. Therefore, an electrochemical catalytic cracking reaction is carried out at the cathode-side outer electrode 29 by the pump current Ip (pump voltage Vp from the DC power supply 34) flowing between the inner electrode 28 and the outer electrode 29 according to the following chemical formula 1. Then, electrons are given to oxygen remaining in the exhaust gas to generate oxygen ions.
[0078]
Embedded image
O2  + 4e → 2O2-
Where O2  : Oxygen molecule
e: Electronic
O2-: Oxygen ion
[0079]
Then, oxygen ions at this time are transported from the cathode-side outer electrode 29 to the anode-side inner electrode 28 via oxygen defects in the solid electrolyte layer 27. Therefore, in the inner electrode 28 on the anode side, an electrochemical catalytic decomposition reaction according to the following chemical formula 2 is performed, and at this time, oxygen ions are decomposed into oxygen and electrons.
[0080]
Embedded image
2O2-  → O2  + 4e
[0081]
As a result, in the anode-side inner electrode 28, oxygen is sucked into the ventilation passage 26B (oxygen storage chamber) in the porous layer 26 laminated inside, and the outer electrode 29 (the external An oxygen partial pressure (pseudo-reference oxygen concentration) higher than the (exhaust gas) side occurs. At this time, an electromotive force is generated between the electrodes 28 and 29 based on the difference in oxygen partial pressure between the electrodes 28 and 29 according to the equation (1).
[0082]
However, the air passage 26 </ b> B in the porous layer 26 always allows the vicinity of the inner periphery of the inner electrode 28 to communicate with the casing 1 (for example, the insulating cylinder 7 shown in FIG. 1), and the inner electrode 28 through the solid electrolyte layer 27. A gas escape path for allowing oxygen transported to the 28 side to escape in the direction of arrow A in FIG. 2 is configured.
[0083]
For this reason, the oxygen concentration on the inner electrode 28 side is always maintained at the atmospheric pressure state, and in the state of the lean air-fuel ratio, a large difference in the oxygen concentration between the inner and outer electrodes 28 and 29 may not occur. Instead, the output voltage Vs from the output terminal 36 is output as a voltage value lower than the reference voltage.
[0084]
Next, when the air-fuel ratio of the engine is a rich air-fuel ratio that is smaller than the stoichiometric air-fuel ratio, no oxygen remains in the exhaust gas flowing around the protective layer 32 due to the rich mixture in the combustion chamber, and for example, carbon dioxide ( CO2  ), Moisture (H2  O) and the like are contained in the exhaust gas.
[0085]
For this reason, due to the pump current Ip flowing between the inner electrode 28 and the outer electrode 29, an electrochemical catalytic decomposition reaction is carried out on the cathode-side outer electrode 29 according to the following chemical formulas 3 and 4, for example, in the exhaust gas. The remaining carbon dioxide and water molecules are given electrons to generate oxygen ions, carbon monoxide and hydrogen.
[0086]
Embedded image
2CO2  + 4e → 2O2-  + 2CO
However, CO2  : Carbon dioxide molecule
e: Electronic
O2-: Oxygen ion
CO: carbon monoxide molecule
[0087]
Embedded image
2H2  O + 4e → 2O2-  + 2H2
Where H2  O: water molecule
H2  : Hydrogen molecule
[0088]
Then, oxygen ions at this time are transported from the cathode-side outer electrode 29 to the anode-side inner electrode 28 via oxygen defects in the solid electrolyte layer 27. For this reason, in the inner electrode 28 on the anode side, an electrochemical catalytic decomposition reaction according to the above formula (2) is performed, and at this time, oxygen ions are decomposed into oxygen and electrons.
[0089]
As a result, in the anode 28 on the anode side, oxygen is sucked into the ventilation passage 26B in the porous layer 26, and the oxygen content is much higher in the ventilation passage 26B than in the outer electrode 29 (external exhaust gas). Pressure develops. As a result, in the state of the rich air-fuel ratio, a very large oxygen concentration difference occurs between the inner and outer electrodes 28 and 29, and the output voltage Vs from the output terminal 36 becomes a voltage value higher than the reference voltage. Is output.
[0090]
By the way, in such an oxygen concentration detecting element 21, unless the solid electrolyte layer 27 can be activated early at the time of starting the engine, the air-fuel ratio control can be stably performed when the engine is idling or the like. Can not. Further, for example, when water, oil, or the like contained in the exhaust gas becomes droplets and adheres to the outer peripheral side of the detection element 21, a large temperature difference occurs between the location where the droplets adhere and other locations. As a result, there is a possibility that the solid electrolyte layer 27 may be damaged or broken.
[0091]
Therefore, according to the present embodiment, as shown in Table 1 below, between the heater portion 22 and the inner electrode 28, the porous layer 26 made of a porous ceramic material such as alumina having a higher thermal conductivity than air is used. And the solid electrolyte layer 27 is formed to have a larger area than the porous material layer 26 and the inner electrode 28. As shown in FIG. Have. The solid electrolyte layer 27 is almost completely covered by the dense layer 30 from the outside.
[0092]
Thereby, the heat from the heater section 22 can be efficiently transferred to the solid electrolyte layer 27 through the porous layer 26 and the inner electrode 28, and the heater section 22 can be also connected to the solid electrolyte layer 27 through the direct attachment section 27A. Heat can be transmitted directly. In addition, the dense layer 30 covers the solid electrolyte layer 27 from the outside, so that external water droplets and the like can be prevented from penetrating into the solid electrolyte layer 27 side.
[0093]
[Table 1]
Figure 2004226171
[0094]
Then, as a result of performing a characteristic evaluation test on the detection element 21 having such an oxygen concentration, as shown by a characteristic line 37 indicated by a solid line in FIG. 5, the element temperature of the detection element 21 was set within 5 seconds after the engine was started, for example. It was confirmed that the temperature could be raised to 600 ° C. This evaluation test was performed under the conditions where the outside air temperature was -40 ° C. and the voltage of the heater power supply 33 was 12 V (volt).
[0095]
On the other hand, in the case of the detection element of the prior art, as shown by a characteristic line 38 shown by a two-dot chain line in FIG. 5, the element temperature is raised only to about 500 ° C. within 5 seconds after the start of the engine. It was confirmed that thermal conductivity was deteriorated due to, for example, an air layer in the atmosphere chamber.
[0096]
In addition, as for the thermal shock resistance of the detection element 21, an evaluation test called a Weibull plot was performed as shown in FIG. In this evaluation test, for example, a water droplet of 0.002 CC was dropped on the outer surface (near the outer electrode 29) of the detection element 21 while variably adjusting the element temperature by applying the heater power supply 33, The probability of occurrence of cracks (damage, breakage) on the side surface is expressed as an element cracking rate (%).
[0097]
As a result, in the detecting element 21 according to the present embodiment, no element cracking occurs at all until the element temperature is increased to 450 ° C. or higher, as indicated by a characteristic line 39 indicated by a solid line in FIG. It was confirmed that the probability of element cracking exceeded 40%, and the probability of element cracking at 500 ° C. reached 100%.
[0098]
In this evaluation test, for example, a water droplet of 0.002 CC was dropped on the outer surface of the detection element 21, but such a large amount of moisture is not actually contained in the exhaust gas. Therefore, it is considered that there is practically no possibility that an element crack occurs when the oxygen sensor is attached to an exhaust pipe of an automobile engine.
[0099]
On the other hand, in the detection element of the prior art, when the element temperature exceeds about 380 ° C., for example, as indicated by a characteristic line 40 shown by a two-dot chain line in FIG. It was confirmed that the probability of element cracking reached 60%, and the probability of element cracking at 460 ° C. reached 100%.
[0100]
Further, when a plate-type detection element is used as another conventional technique, when the element temperature exceeds about 300 ° C., for example, as indicated by a characteristic line 41 indicated by a broken line in FIG. It was confirmed that at about 350 ° C., the probability of element cracking became almost 100%.
[0101]
Therefore, according to the present embodiment, by covering the solid electrolyte layer 27 from the outside with the dense layer 30 having a dense structure, it is possible to suppress the penetration of external water droplets and the like into the solid electrolyte layer 27. Thus, the thermal shock resistance, durability, and life of the entire detection element 21 can be improved.
[0102]
In addition, since the outer shape of the detection element 21 can be formed into a circular rod shape having no edge part compared to a plate-type element having an edge part formed on the outside, the thermal stress of the detection element 21 can be reduced. Can be sufficiently reduced, and for example, cracking of the solid electrolyte layer 27 can be suppressed.
[0103]
By covering the heater section 22 with the solid electrolyte layer 27 and the dense layer 30 from the outside over almost the entire circumference, it is possible to suppress the heater section 22 from directly contacting the outside air and reduce the influence of the outside air temperature. , The heat from the heater section 22 can be efficiently transmitted to the solid electrolyte layer 27 and the like.
[0104]
Further, in the present embodiment, the heat from the heater section 22 can be efficiently transferred to the solid electrolyte layer 27 side via the porous layer 26 and the inner electrode 28, and the solid electrolyte layer 27 has a direct attachment section 27A. The heat from the heater section 22 can also be transmitted directly through the heater, so that the temperature-raising characteristics of the detection element 21 composed of the solid electrolyte layer 27 and the like can be improved. For example, the solid electrolyte layer 27 can be quickly activated when the engine is started. can do.
[0105]
Therefore, according to the present embodiment, the detection element 21 can be activated in a short time, and even when the engine is started, the oxygen concentration and the like in the exhaust gas are detected early, and the feedback control of the fuel injection amount is immediately performed. It is possible to do. In addition, the degree of freedom in mounting the oxygen sensor can be increased, and the power consumption of the heater section 22 can be reduced.
[0106]
In addition, since it is not necessary to form a reference atmosphere chamber or the like inside the detection element 21 and introduce the atmosphere as in the related art, the structure of the detection element 21 can be simplified, and the work at the time of manufacturing can be simplified. Performance can be improved.
[0107]
Next, FIGS. 7 and 8 show a second embodiment of the present invention, which is characterized in that the inner electrode is formed as an electrode having a porous structure. In the present embodiment, the same components as those in the first embodiment are denoted by the same reference numerals, and description thereof will be omitted.
[0108]
In the figure, reference numeral 51 denotes an oxygen concentration detecting element which is a main part of the oxygen concentration detecting device. The detecting element 51 is substantially the same as the detecting element 21 described in the first embodiment. It comprises a layer 27, an outer electrode 29, a dense layer 30, a protective layer 32 and the like. However, in this case, in the detection element 51, the porous layer 26 described in the first embodiment is omitted, and only an inner electrode 52 described later is provided between the heater section 22 and the solid electrolyte layer 27. I have.
[0109]
Reference numeral 52 denotes an inner electrode used in the present embodiment. The inner electrode 52 is formed by the heater coating layer 25 and the solid electrolyte layer 27 of the heater section 22 similarly to the inner electrode 28 described in the first embodiment. It has a lead portion 52 </ b> A that is provided on the inner peripheral side of the solid electrolyte layer 27 and extends in the axial direction of the heater coating layer 25 toward the base end side of the heater portion 22.
[0110]
However, in this case, the inner electrode 52 is formed by directly printing a paste made of a noble metal material 53 and ceramic particles 54 described later on the outer peripheral side of the heater coating layer 25 as illustrated in FIG. Are formed as annular electrodes extending with a predetermined length in the axial direction of the heater coating layer 25 (solid electrolyte layer 27).
[0111]
In this case, the inner electrode 52 is composed of a noble metal material 53 such as platinum, ceramic particles 54, 54,..., And holes 55, 55,. The ceramic particles 54 are formed, for example, by mixing zirconia powder having a particle size of about 0.4 to 1.0 μm and alumina powder having a particle size of about 0.4 to 1.0 μm. I have.
[0112]
The pores 55 are formed by using a pore forming agent made of, for example, carbon powder having a particle size of about 0.4 to 1.0 μm, and this pore forming agent is burned off when the detection element 51 is fired. Are formed in the inner electrode 52 so as to become open cells. The pores 55 are formed with a pore diameter equal to or larger than the particle diameter of the ceramic particles 54.
[0113]
That is, the inner electrode 52 is formed by adding, for example, 15 to 20% by weight of zirconia powder, 1 to 2% by weight of alumina powder, and 1 to 3% by weight of carbon powder to a powder of the noble metal material 53, It is formed by adjusting the shape. Then, the inner electrode 52 has a function of moving electrons inside the noble metal material 53 by causing an electrode reaction.
[0114]
The ceramic particles 54 contain zirconia powder and alumina powder, so that the inner electrode 52 between the heater coating layer 25 (porous insulating layer) and the solid electrolyte layer 27 shown in FIG. It functions to enhance the bonding property.
[0115]
In addition, the pores 55 which are formed as open cells formed in the inner electrode 52 constitute an oxygen storage chamber which becomes an air passage in the inner electrode 52, and the pores 55 are also formed in the lead portions 52A of the inner electrode 52 shown in FIG. 55 extends. As a result, the air passage formed by the holes 55 allows the inside of the inner electrode 52 to always communicate with the inside of the casing 1 (the insulating cylinder 7 illustrated in FIG. 1), and is transported to the inner electrode 52 side through the solid electrolyte layer 27. This constitutes a gas escape path for allowing incoming oxygen to escape in the direction of arrow A in FIG.
[0116]
The pores 55 of the inner electrode 52 increase the three-phase interface (electrode reaction point) between the solid electrolyte layer 27, the noble metal material 53, and the pores 55, and function as an air passage to reduce oxygen in the inner electrode 52. It functions to diffuse according to the concentration and pressure gradient. A plurality of concave spaces 56 are formed on the boundary surface between the solid electrolyte layer 27 and the inner electrode 52 as shown in FIG. 8, and the concave spaces 56, the solid electrolyte layer 27, and the noble metal material 53 are formed. Also forms a three-phase interface.
[0117]
Thus, also in the present embodiment configured as above, the heat from the heater section 22 can be efficiently transferred to the solid electrolyte layer 27 side through the inner electrode 52, and the solid electrolyte layer 27 The heat from the heater section 22 can also be directly transmitted through 27A, and substantially the same operation and effect as those of the first embodiment can be obtained.
[0118]
Then, a characteristic evaluation test similar to that of the first embodiment was performed on the detection element 21 having such an oxygen concentration. As a result, it was confirmed that the element temperature of the detection element 21 can be raised to, for example, 600 ° C. in about 4 seconds after the engine is started, as indicated by a characteristic line 57 shown by a dashed line in FIG.
[0119]
Further, in the present embodiment, the inner electrode 52 provided between the heater coating layer 25 and the solid electrolyte layer 27 of the heater section 22 is made of a noble metal material 53 such as platinum, ceramic particles 54 and open cells as shown in FIG. Since the precious metal material 53 causes an electrode reaction, electrons can be moved inside by the pores 55, and the pores 55 serving as open cells can be utilized as an oxygen storage chamber in the inner electrode 52. .
[0120]
Thereby, an electrode reaction is caused at the three-phase interface including the solid electrolyte layer 27, the noble metal material 53, and the holes 55 (concave spaces 56), and the movement of electrons can be promoted. It can be quickly diffused according to the gradient. Further, by forming the holes 55 in the inner electrode 52 to have a diameter larger than the particle diameter of the ceramic particles 54, the amount of oxygen contained in the holes 55 can be increased, and the oxygen in the inner electrode 52 can be increased. Can be smoothly diffused.
[0121]
In addition, by using the same material as that of the heater coating layer 25 and the solid electrolyte layer 27 as a constituent material of the ceramic particles 54, the inner electrode 52 is moved between the heater coating layer 25 and the solid electrolyte layer 27 when the element is fired. Can be strongly bonded to In addition, a large number of the three-phase interfaces (electrode reaction points) can be uniformly distributed, and the electrode reaction can be uniformly generated on the entire opposing surface of the inner electrode 52 and the outer electrode 29.
[0122]
Since oxygen can be diffused in the holes 55, the concentration of oxygen and the pressure difference caused by the electrode reaction and the temperature change can be reduced, and the stagnation and depletion of oxygen at the three-phase interface (electrode reaction point) can be prevented. be able to. Thereby, the internal resistance of the sensor can be reduced, and the low-temperature activation of the detection element 51 can be promoted.
[0123]
Furthermore, even when a durability test is performed on the solid electrolyte layer 27 and the like of the detection element 51 by repeatedly raising and lowering the temperature, separation or the like occurs at the three-phase interface between the solid electrolyte layer 27 and the inner electrode 52. Can be suppressed, and an increase in internal resistance and the like due to this can be prevented.
[0124]
Next, FIGS. 9 and 10 show a third embodiment of the present invention. The feature of this embodiment is that ceramic particles constituting a part of the inner electrode are made of perovskite oxide. . In this embodiment, the same components as those in the second embodiment are denoted by the same reference numerals, and the description thereof will be omitted.
[0125]
In the figure, reference numeral 61 denotes an inner electrode provided between the heater coating layer 25 and the solid electrolyte layer 27 and used in the present embodiment, and the inner electrode 61 is provided between the inner electrode 52 and the inner electrode 52 described in the second embodiment. In substantially the same manner, it is composed of a noble metal material 62 such as platinum, ceramic particles 63, 63,..., And holes 64, 64,.
[0126]
Further, a plurality of concave spaces 65 are formed on the boundary surface side between the inner electrode 61 and the solid electrolyte layer 27, similarly to the concave space 56 described in the second embodiment. However, the inner electrode 61 according to the present embodiment is different from the second embodiment in that the ceramic particles 63 are composed of a mixed conductor made of a perovskite oxide described later.
[0127]
That is, the prosbite oxide is, for example, (La1-xSrxCoO3  ) -Based oxide or (La1-xSrxMnO3  ) -Based oxides and constitute the ceramic particles 63 which are mixed conductors.
[0128]
Then, as shown in FIG. 10, the ceramic particles 63, which are mixed conductors, form oxygen ions (O 2) at the two-phase interface with the solid electrolyte layer 27.2-Is conducted at the two-phase interface between the ceramic particles 63 and the pores 64 to cause the electrode reaction according to the above-mentioned chemical formulas 1 and 2 as shown in FIG.
[0129]
Also, as shown in FIG. 10, three-phase interfaces F1 and F2 between the solid electrolyte layer 27 and the noble metal material 62 and the holes 64, three-phase interfaces F3 and F4 between the solid electrolyte layer 27 and the noble metal material 62 and the concave space 65, and the like. However, an electrode reaction occurs. The holes 64 function as a ventilation path (oxygen storage chamber) to diffuse oxygen in the inner electrode 61 in accordance with the concentration and the pressure gradient.
[0130]
In this case, in the inner electrode 61, the oxygen concentration is higher at the left portion (at the tip end of the element) in FIG. 10 than at the right portion (at the base end of the element) in FIG.2  ), Ions and the like move in the direction of arrow b in FIG. 10 according to the concentration gradient and the like.
[0131]
Thus, also in the present embodiment configured as described above, it is possible to obtain substantially the same operation and effect as in the second embodiment. In particular, in the present embodiment, by forming the ceramic particles 63 of the inner electrode 61 with a mixed conductor such as a perovskite oxide, a large number of the three-phase interfaces (electrode reaction points) can be uniformly distributed. The electrode reaction can be efficiently caused on the entire electrode surface of the inner electrode 61.
[0132]
Further, the ion diffusion in the mixed conductor (ceramic particles 63) is added to the gas diffusion by the holes 64 with respect to the oxygen concentration gradient in the inner electrode 61, and the oxygen gas moves in the direction indicated by the arrow b in FIG. Speed can be accelerated.
[0133]
As a result, the internal resistance of the element can be reduced, the low-temperature activity and the like can be improved, and for example, the separation between the solid electrolyte layer 27 and the inner electrode 61 can be suppressed for a long time, and the reliability as an oxygen sensor can be reduced. Can be enhanced.
[0134]
In each of the above embodiments, the case where the pump voltage Vp from the DC power supply 34 is externally applied between the inner electrode 28 (52, 61) and the outer electrode 29 has been described. However, the present invention is not limited to this. For example, the inside electrode 28 (52, 61) side is set to the reference oxygen concentration through the ventilation path 28B (holes 55, 64) to sandwich the solid electrolyte layer. Applied to an oxygen sensor (oxygen concentration detector) that generates an electromotive force corresponding to the oxygen concentration in the gas to be measured (exhaust gas) without applying an external voltage between the inner electrode and the outer electrode May be.
[0135]
Next, technical ideas other than the claims that can be grasped from the above embodiments will be described below together with their effects.
[0136]
(1). 4. The oxygen concentration detecting device according to claim 1, wherein a voltage is externally applied between the inner electrode and the outer electrode, and a pseudo-reference oxygen storage comprising the ventilation path is provided on the inner electrode side. An oxygen concentration detecting device having a chamber.
[0137]
In this case, oxygen ions generated on the outer electrode side by the electrochemical catalytic decomposition reaction can be transported from the outer electrode to the inner electrode via oxygen defects in the solid electrolyte layer. Oxygen is sucked in and circulated through the oxygen storage chamber formed by the ventilation path, and a pseudo standard oxygen concentration having a higher oxygen partial pressure than the outer electrode (external gas to be measured) side can be generated.
[0138]
(2). 4. The oxygen concentration detecting device according to claim 2, wherein the pores formed in the inner electrode by the pore forming agent have a pore diameter equal to or larger than the diameter of the ceramic particles. . Thereby, the oxygen storage amount in the pores can be increased, and the diffusion of oxygen in the inner electrode can be performed smoothly.
[0139]
(3). The oxygen concentration detecting device according to claim 2 or 3, wherein at least a part of the ceramic particles is made of the same material as a constituent material of the solid electrolyte layer. Thereby, when the detection element is fired, the inner electrode can be strongly bonded to both the heater portion and the solid electrolyte layer.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a longitudinal sectional view showing an oxygen sensor provided with a detection element according to a first embodiment of the present invention.
FIG. 2 is an enlarged vertical sectional view of the detection element shown in FIG.
FIG. 3 is a cross-sectional view of the detection element viewed from a direction indicated by arrows III-III in FIG.
FIG. 4 is a perspective view showing a step of forming a heater pattern, a heater coating layer, a porous layer, an inner electrode, a solid electrolyte layer, an outer electrode, a dense layer, a protective layer, and the like on the outer periphery of the heater core.
FIG. 5 is a characteristic diagram showing a temperature rise characteristic of a detection element.
FIG. 6 is a characteristic diagram showing an element cracking rate of a detection element due to a water droplet.
FIG. 7 is a half sectional view showing an oxygen concentration detecting element according to a second embodiment.
FIG. 8 is an enlarged sectional view showing an internal structure of an inner electrode according to a second embodiment.
FIG. 9 is an enlarged cross-sectional view at the same position as FIG. 8 showing an inner electrode and the like of a detection element according to a third embodiment.
FIG. 10 is an enlarged cross-sectional view of an essential part of a part a in FIG. 9;
[Explanation of symbols]
1 casing
11,12 Lead wire
13,14 Contact plate
21,51 Oxygen concentration detection element
22 heater section
23 heater core
24 Heater pattern
24A, 28A, 29A Lead
25 Heater coating layer
26 Porous material layer
26A drawer
26B ventilation path
27 Solid electrolyte layer
28 inner electrode
29 Outer electrode
30 dense layer
31 Opening
32 protective layer
33 heater power supply
34 DC power supply
35 differential amplifier
36 Output terminal
52, 61 inner electrode (porous structure electrode)
53,62 precious metal materials
54 ceramic particles
55,64 air holes (air passages)
56,65 concave space
63 ceramic particles (mixed conductor)
Vs output voltage (oxygen concentration detection signal)

Claims (3)

外部からの通電により発熱するロッド状のヒータ部と、該ヒータ部の外周側に設けられ該ヒータ部からの熱によって活性化される酸素イオン伝導性の固体電解質層と、前記ヒータ部と固体電解質層との間に位置して該固体電解質層の内周側に設けられた内側電極と、前記固体電解質層の外周側に設けられ該内側電極との間で固体電解質層を挟む外側電極とからなる酸素濃度検出装置において、
前記ヒータ部と内側電極との間には、該内側電極の位置から前記ヒータ部の長さ方向に酸素を流通させるため多孔質セラミックス材料により形成され、内部に連続気泡の空孔からなる通気路を有した多孔体層を設け、
前記固体電解質層の外周側には、前記外側電極と対応する位置に被測定ガスが透過する開口部を有し、該開口部以外の部分では前記固体電解質層および内側電極を外側から覆って被測定ガスが内部に侵入するのを抑える緻密層を設ける構成としたこと特徴とする酸素濃度検出装置。
A rod-shaped heater portion that generates heat by applying an electric current from the outside, a solid electrolyte layer provided on the outer peripheral side of the heater portion and activated by heat from the heater portion, and the heater portion and the solid electrolyte Between the inner electrode provided on the inner peripheral side of the solid electrolyte layer and an outer electrode provided on the outer peripheral side of the solid electrolyte layer and sandwiching the solid electrolyte layer between the inner electrode and the inner electrode. Oxygen concentration detection device
An air passage formed between the heater portion and the inner electrode, made of a porous ceramic material for flowing oxygen from the position of the inner electrode in the length direction of the heater portion, and having pores of open cells therein. Providing a porous body layer having
On the outer peripheral side of the solid electrolyte layer, an opening through which the gas to be measured is transmitted is provided at a position corresponding to the outer electrode, and in portions other than the opening, the solid electrolyte layer and the inner electrode are covered from the outside. An oxygen concentration detection device having a structure in which a dense layer is provided to prevent a measurement gas from entering the inside.
外部からの通電により発熱するロッド状のヒータ部と、該ヒータ部の外周側に設けられ該ヒータ部からの熱によって活性化される酸素イオン伝導性の固体電解質層と、前記ヒータ部と固体電解質層との間に位置して該固体電解質層の内周側に設けられた内側電極と、前記固体電解質層の外周側に設けられ該内側電極との間で固体電解質層を挟む外側電極とからなる酸素濃度検出装置において、
前記内側電極は、該内側電極の位置から前記ヒータ部の長さ方向に酸素を流通させるため貴金属、セラミックス粒子および空孔形成剤を混合した材料を用いて形成され、内部に連続気泡の空孔からなる通気路を有した多孔質構造の電極により構成し、
前記固体電解質層の外周側には、前記外側電極と対応する位置に被測定ガスが透過する開口部を有し、該開口部以外の部分では前記固体電解質層および内側電極を外側から覆って被測定ガスが内部に侵入するのを抑える緻密層を設ける構成としたこと特徴とする酸素濃度検出装置。
A rod-shaped heater portion that generates heat by applying an electric current from the outside, a solid electrolyte layer provided on the outer peripheral side of the heater portion and activated by heat from the heater portion, and the heater portion and the solid electrolyte Between the inner electrode provided on the inner peripheral side of the solid electrolyte layer and an outer electrode provided on the outer peripheral side of the solid electrolyte layer and sandwiching the solid electrolyte layer between the inner electrode and the inner electrode. Oxygen concentration detection device
The inner electrode is formed using a material obtained by mixing a noble metal, ceramic particles, and a pore-forming agent in order to allow oxygen to flow from the position of the inner electrode in the length direction of the heater portion, and has pores of open cells inside. Composed of a porous electrode having a ventilation path consisting of
On the outer peripheral side of the solid electrolyte layer, an opening through which the gas to be measured is transmitted is provided at a position corresponding to the outer electrode, and in portions other than the opening, the solid electrolyte layer and the inner electrode are covered from the outside. An oxygen concentration detection device having a structure in which a dense layer is provided to prevent a measurement gas from entering the inside.
前記内側電極の素材となるセラミックス粒子は、酸素イオンを電子と一緒に伝導可能なペロブスカイト型酸化物等の混合電導体により構成してなる請求項2に記載の酸素濃度検出装置。3. The oxygen concentration detecting device according to claim 2, wherein the ceramic particles serving as the material of the inner electrode are made of a mixed conductor such as a perovskite oxide capable of conducting oxygen ions together with electrons.
JP2003012598A 2003-01-21 2003-01-21 Oxygen concentration detector Expired - Fee Related JP4109555B2 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2003012598A JP4109555B2 (en) 2003-01-21 2003-01-21 Oxygen concentration detector

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2003012598A JP4109555B2 (en) 2003-01-21 2003-01-21 Oxygen concentration detector

Publications (2)

Publication Number Publication Date
JP2004226171A true JP2004226171A (en) 2004-08-12
JP4109555B2 JP4109555B2 (en) 2008-07-02

Family

ID=32901159

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP2003012598A Expired - Fee Related JP4109555B2 (en) 2003-01-21 2003-01-21 Oxygen concentration detector

Country Status (1)

Country Link
JP (1) JP4109555B2 (en)

Cited By (14)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2004347506A (en) * 2003-05-23 2004-12-09 Hitachi Unisia Automotive Ltd Detection element for detecting concentration of oxygen
JP2005351737A (en) * 2004-06-10 2005-12-22 Hitachi Ltd Oxygen concentration detection element
JP2005351740A (en) * 2004-06-10 2005-12-22 Hitachi Ltd Oxygen concentration detection element
JP2006112918A (en) * 2004-10-14 2006-04-27 Hitachi Ltd Oxygen sensor
JP2008261848A (en) * 2007-03-20 2008-10-30 Hitachi Ltd Oxygen sensor
JP2009529691A (en) * 2006-03-16 2009-08-20 ロベルト・ボッシュ・ゲゼルシャフト・ミト・ベシュレンクテル・ハフツング Method and apparatus for operating gas sensor
JP2010164589A (en) * 2010-04-30 2010-07-29 Hitachi Automotive Systems Ltd Oxygen sensor
JP2010217023A (en) * 2009-03-17 2010-09-30 Hitachi Automotive Systems Ltd Ceramic structure and gas sensor with the same
JP2011117937A (en) * 2009-11-02 2011-06-16 Ngk Spark Plug Co Ltd Gas sensor
WO2014080867A1 (en) * 2012-11-22 2014-05-30 株式会社デンソー Electrode for gas sensor and gas sensor element using same
JP2017150933A (en) * 2016-02-24 2017-08-31 株式会社Soken Gas sensor element
JP2018169328A (en) * 2017-03-30 2018-11-01 日本碍子株式会社 Sensor element and gas sensor
CN114764080A (en) * 2021-01-13 2022-07-19 长城汽车股份有限公司 Oxygen sensor, oxygen content monitoring device and oxygen content monitoring method
CN116595424A (en) * 2023-07-13 2023-08-15 湖南一特医疗股份有限公司 Digital intelligent oxygen generation system oriented to medical environment

Cited By (21)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2004347506A (en) * 2003-05-23 2004-12-09 Hitachi Unisia Automotive Ltd Detection element for detecting concentration of oxygen
JP2005351737A (en) * 2004-06-10 2005-12-22 Hitachi Ltd Oxygen concentration detection element
JP2005351740A (en) * 2004-06-10 2005-12-22 Hitachi Ltd Oxygen concentration detection element
JP2006112918A (en) * 2004-10-14 2006-04-27 Hitachi Ltd Oxygen sensor
JP2009529691A (en) * 2006-03-16 2009-08-20 ロベルト・ボッシュ・ゲゼルシャフト・ミト・ベシュレンクテル・ハフツング Method and apparatus for operating gas sensor
JP2008261848A (en) * 2007-03-20 2008-10-30 Hitachi Ltd Oxygen sensor
JP2010217023A (en) * 2009-03-17 2010-09-30 Hitachi Automotive Systems Ltd Ceramic structure and gas sensor with the same
JP2011117937A (en) * 2009-11-02 2011-06-16 Ngk Spark Plug Co Ltd Gas sensor
JP2010164589A (en) * 2010-04-30 2010-07-29 Hitachi Automotive Systems Ltd Oxygen sensor
JP2014122878A (en) * 2012-11-22 2014-07-03 Denso Corp Electrode for gas sensor and gas sensor element using the same
WO2014080867A1 (en) * 2012-11-22 2014-05-30 株式会社デンソー Electrode for gas sensor and gas sensor element using same
CN104838259A (en) * 2012-11-22 2015-08-12 株式会社电装 Electrode for gas sensor and gas sensor element using same
US11085895B2 (en) 2012-11-22 2021-08-10 Denso Corporation Electrode for use in gas sensor and gas sensor element using the same
JP2017150933A (en) * 2016-02-24 2017-08-31 株式会社Soken Gas sensor element
WO2017145499A1 (en) * 2016-02-24 2017-08-31 株式会社デンソー Gas sensor element
JP2018169328A (en) * 2017-03-30 2018-11-01 日本碍子株式会社 Sensor element and gas sensor
US11268929B2 (en) 2017-03-30 2022-03-08 Ngk Insulators, Ltd. Sensor element and gas sensor
CN114764080A (en) * 2021-01-13 2022-07-19 长城汽车股份有限公司 Oxygen sensor, oxygen content monitoring device and oxygen content monitoring method
CN114764080B (en) * 2021-01-13 2024-11-05 长城汽车股份有限公司 Oxygen sensor, oxygen content monitoring device and oxygen content monitoring method
CN116595424A (en) * 2023-07-13 2023-08-15 湖南一特医疗股份有限公司 Digital intelligent oxygen generation system oriented to medical environment
CN116595424B (en) * 2023-07-13 2023-10-13 湖南一特医疗股份有限公司 Digital intelligent oxygen generation system oriented to medical environment

Also Published As

Publication number Publication date
JP4109555B2 (en) 2008-07-02

Similar Documents

Publication Publication Date Title
JP5500148B2 (en) Gas sensor element, method of manufacturing the same, and gas sensor
JP6533426B2 (en) Gas sensor element and gas sensor
US8419915B2 (en) Gas sensor
JP4109555B2 (en) Oxygen concentration detector
JP3782031B2 (en) Air-fuel ratio detection device
JP2011209280A (en) Gas sensor
JP2007121173A (en) Gas sensor element and its manufacturing method
US6635162B2 (en) Gas sensor
US6338782B1 (en) Gas sensor
US7156966B2 (en) Nox-decomposing electrode and NOx concentration-measuring apparatus
JP3966805B2 (en) Air-fuel ratio detection device
KR20020060714A (en) Gas sensor design and method for using the same
JP2007232481A (en) Oxygen sensor
JP6718332B2 (en) Gas sensor element and method of manufacturing gas sensor element
WO2017104564A1 (en) Gas sensor element and gas sensor
US11125715B2 (en) Gas sensor
JP4015569B2 (en) Air-fuel ratio detection device
JP2017116530A (en) Gas sensor element and gas sensor
JP2000097903A (en) Apparatus and method for measuring gas concentration
JPS6382355A (en) Gas sensor
JP3943262B2 (en) NOx gas concentration measuring apparatus and NOx gas concentration measuring method
JP4077365B2 (en) Oxygen concentration detection element
JP2003121412A (en) Solid electrolyte-based sensor element of gas sensor for measuring gas component in gas mixture
JP2005351741A (en) Oxygen concentration detection element
JP2013007642A (en) Gas sensor

Legal Events

Date Code Title Description
A711 Notification of change in applicant

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A712

Effective date: 20041217

A621 Written request for application examination

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621

Effective date: 20050914

RD02 Notification of acceptance of power of attorney

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A7422

Effective date: 20050914

RD04 Notification of resignation of power of attorney

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A7424

Effective date: 20050926

A977 Report on retrieval

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A971007

Effective date: 20070411

A131 Notification of reasons for refusal

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131

Effective date: 20071106

A521 Written amendment

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523

Effective date: 20071226

TRDD Decision of grant or rejection written
A01 Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01

Effective date: 20080311

A61 First payment of annual fees (during grant procedure)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61

Effective date: 20080404

FPAY Renewal fee payment (prs date is renewal date of database)

Free format text: PAYMENT UNTIL: 20110411

Year of fee payment: 3

R150 Certificate of patent (=grant) or registration of utility model

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150

FPAY Renewal fee payment (prs date is renewal date of database)

Free format text: PAYMENT UNTIL: 20110411

Year of fee payment: 3

S111 Request for change of ownership or part of ownership

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R313111

FPAY Renewal fee payment (prs date is renewal date of database)

Free format text: PAYMENT UNTIL: 20110411

Year of fee payment: 3

R350 Written notification of registration of transfer

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R350

LAPS Cancellation because of no payment of annual fees