JPH0623723B2 - 酸素センサ− - Google Patents

酸素センサ−

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JPH0623723B2
JPH0623723B2 JP60116079A JP11607985A JPH0623723B2 JP H0623723 B2 JPH0623723 B2 JP H0623723B2 JP 60116079 A JP60116079 A JP 60116079A JP 11607985 A JP11607985 A JP 11607985A JP H0623723 B2 JPH0623723 B2 JP H0623723B2
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久治 西尾
健 美濃羽
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NGK Spark Plug Co Ltd
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Description

【発明の詳細な説明】 [産業上の利用分野] 本発明は例えば自動車の内燃機関等の排出ガス中におけ
る酸素濃度を測定する酸素センサーに関する。
[従来の技術] 近年、公害防止、省エネルギー等の観点から内燃機関等
の排出ガス中の酸素ガス分圧を測定し、その結果によっ
て空燃比を制御することが行なわれている。又、排出ガ
ス中の酸素ガス分圧の測定は、Zr O固溶体等の酸素
イオン伝導性の固体電解質層からなる酸素センサーを用
いることが多い。
酸素イオン伝導性の固体電解質層は、内外面に1対の電
極を有する管状や、表裏面に1対の電極を有する板状に
形成されて酸素センサーとされる。これらは、通常電極
の一方の面に測定ガスを他方の面に基準酸素源として大
気を導入することによって測定ガス中の酸素ガス分圧を
測定する。
[発明が解決しようとする問題点] しかし、管状に形成した場合には、表面が平面ではない
ために電極の形成、電極からのリード線の引き出しが容
易ではない。又一方、板状に形成する場合には、電極の
形成、電極からのリード線引き出しは容易となるが酸素
センサーに方向性がでてくる。即ち板に対して測定ガス
が垂直に当たる場合と平行になる場合とで応答性及び耐
久性が異なる場合があった。更にまた板状とする場合
は、ねじ固定手段を形成した金属製取付具の軸孔に通し
て組付けてプローブとするさいの固定構造が複雑化し、
組付け後センサーの強度も劣るという欠点がある。
[問題点を解決するための手段] 本発明は、発明の構成として上記の問題を解決するため
に次のような技術的手段を採用した。
即ち、本発明の酸素センサーは、 外周面に溝が形成された支持体としての棒状のセラミッ
ク質芯材と、 該芯体を巻いて包み、表裏面で対をなす少なくとも一対
の電極を有する酸素イオン伝導性の固体電解質層と、 を備えるとともに、 上記表面側電極は巻き回り方向にほぼ等間隔に分布する
様に形成されるか又はほぼ等間隔に分布した電極を接続
して一体とする様に形成され、かつ上記裏面側電極は上
記芯体の溝との間で基準気体導入路を形成する様に配置
されたことを特徴とする。
芯材は、棒状であり溝を有するがこの溝は、後述の固体
電解質層と1対の電極とからなる酸素濃淡電池の基準酸
素源として外気を導入する基準気体導入路となるもので
ある。
この芯材は中実でも中空でもかまわないが、中空の場合
は、芯材内に隔壁を設けないと、基準酸素源側に排出ガ
スが漏れてしまい好ましくない。
芯材は金型プレス、押し出し成形等によって成形するこ
とができる。この場合には芯材の成形と同時に溝を設け
ることができる。又、円筒状の成形体に、溝に相当する
スリットを設けたグリーンシートを巻きつけて圧着した
り、平板状グリーンシートに溝に相当するスリットを設
けたグリーンシートを積層圧着した後に治具をもちいて
筒状とし、芯材としてもよい。
溝は同心円状、螺旋状芯材長手方向の直線状等の形状に
設けることができるが、製造の容易さ、外気導入の容易
さから芯材外周面長手方向に設けるのが好ましい。
固体電解質層は、酸素イオン伝導性である固体電解質層
であれば特に限定はされなく、例えばY−Zr O
、Ca O−Zr O等を使用することができる。
電極は、白金等の貴金属またはこれらにセラミック粉末
と混ぜたものからなりガス透過質である。
これらは、例えば電極を厚膜印刷した固体電解質体のグ
リーンシートを、芯材に少なくとも上記電極の一部が芯
材の溝と対応するように巻き付けて、焼成一体化するこ
とにより、酸素センサーとされる。なお電極対を各溝に
対応して設けかつ各電極対を互いに電気的に独立して設
けることにより特に加鉛燃料を用いたときの外側電極の
脆化が周囲へ進行することを阻んで耐久性劣化を保証す
るようにすることもできる。
又、上記固定電解質体のグリーンシートを芯材に積層す
る際に、芯材の溝の一端が閉じ、他端が開かれるように
位置を合わせると好ましい。これは、排出ガスが基準酸
素源側に漏れないようにするためである。
さらに固体電解質層と芯材の溝でない部分に発熱体を設
けると、常に適した温度で測定ができ好ましい。
[作用] 本発明は、芯材に設けられた溝を、予め所定の形状・配
置で電極が設けられた固体電解質層で覆うことによっ
て、基準気体導入路を備えた酸素センサーを形成するも
のである。そのため、センサー全体及びその電極及び端
子の形成が容易で、しかも応答性及び耐久性における長
手方向に垂直な面での方向性が少ない基準気体導入路を
備えた酸素センサーとなる。
[実施例] 本発明の第1実施例について第1図(イ)、(ロ)、
(ハ)、第2図及び第3図によって説明する。尚、説明
上各図は部分ごとの縮尺が異なる。
第1図(イ)は本実施例の斜視図である。
本実施例は第1図(ロ)の斜視図に示す如くAl
からなる4本の溝1を有する中空の芯材2を、内側電極
3、外側電極4及び発熱体5を設けた固体電解質層6で
覆っているものである。内側電極3と外側電極4は第1
図(ハ)のA−A端面図の如く固体電解質層6を介して
対向している。又内側電極3及び発熱体5はスルーホー
ル処理によって各々内側電極端子10と発熱体端子11
に接続される。又、外側電極4は外側電極端子12に接
続される。
本実施例に使用する芯材2は第1図(ロ)のA′−A′
方向に切断した第2図の部分断面図に示す如く、外径
4.5mm、内径1.5mm、長さ40mmの中空状円
筒形であり、一方の端部20から3mmに隔壁21が設
けてある。又、他方の端部22から、端部20から5m
mまで幅1mm、深さ0.7mmの溝1が4本設けられ
ている。この芯材2は金型プレスによって容易に形成す
ることができる。
固体電解質層6は、Y−Zr O固溶体原料粉末
に通常使用されるバインダーを混合し、グリーンシート
としたものを17mm×37mmに切断することにより
得られる。このグリーンシートには第1図(ロ)の如き
電極パターンを厚膜印刷によって設ける。電極3,4、
発熱体5、及び端子10,11,12はY−Zr
固溶体を15wt%含む白金からなる。又、発熱体
5と固体電解質層6及び/又は芯材2との間には、図示
を省略したがアルミナ等からなる絶縁層を設けてある。
芯材2に電極パターンを形成した固体電解質層6となる
グリーンシートを巻き付け圧着固定し、大気中で焼成す
ることにより第1図(イ)に示す酸素センサーS1を得
る。
この酸素センサーS1は、第3図に示す如くホルダー3
1に、ガラスシール32、リング33によって固定さ
れ、各端子10,11,12に圧着端子金具34をロー
付けし、さらにリード線35が圧着で接続される。その
後、金属製取付金具36、外筒37、シール材38、プ
ロテクタ39を取り付け酸素検出プローブ40とする。
本実施例の酸素センサーS1は隔壁21が芯材2の端部
20近くにあるため、固体電解質層6となるグリーンシ
ートを巻き付け押圧して溝1の端部を閉じるように固着
させる際に固定電解質層6の芯材2の端部20側に接す
る側に大きな力が加えられても芯材2が破壊されること
はない。又、1対の電極3,4と溝1とからなる測定部
が4か所にあるために、応答性と電極寿命の方向性が少
ない。
又、芯材2は中空であるために熱容量が小さく発熱体5
によって容易に測定に適した温度とすることができる。
本発明の第2実施例について第4図(イ)(ロ)(ハ)
によって説明する。尚、説明上各図は部分ごとの縮尺が
異なる。
第4図(イ)は本実施例の酸素センサーS2斜視図であ
る。
本実施例は第1実施例と同様に、第4図(ロ)の斜視図
に示す如く、4本の溝101を有する芯材102を、内
側電極103、外側電極104及び発熱体105を設け
た固体電解質層106で覆っているものである。内側電
極103と外側電極104は第4図(ハ)のB−B端面
図の如く固体電解質層106を介して対向している。又
内側電極103は溝101に対応している。固体電解質
層106の内面に設けられた内側電極103及び発熱体
105はスルーホール処理によって各々内側電極端子1
10と発熱体素子111に接続される。又、外側電極1
04は外側電極端子112に接続される。
本実施例に使用する芯材102はAl製の径4.
5mm、長さ40mmの中身が詰まった円筒形であり幅
1.0mm、深さ0.7mmの溝101が4本設けられ
ている。又、その一端は第4図(ロ)に示す如く略円錐
状としている。
この芯材102は押し出し成形で容易に製造できる。即
ち、所定の幅、深さの溝を有する円筒を押し出し成形に
より製造し、次いで該押し出し成形品を所定の長さに切
断、一端を略円錐状に成形すればよい。特に一端を略円
錐状に成形する前に前述の押し出し成形品を仮焼すると
該押し出し成形品の強度が上り略円錐状への成形等の取
り扱いが容易となる。
固体電解質層106は第1の実施例とグリーンシートの
形状が異なる他は、材質、電極パターンの形成法等は同
様である。固体電解質層106となるグリーンシート
は、第4図(ロ)に示す如く17mm×37mmに切断
された後に一つの短辺の両角を切断した形状とする。
芯材102に電極パターンを形成した固体電解質層10
6となるグリーンシートを第4図(ハ)の如く、溝10
1の略円錐状側端部を閉じるように巻き付け圧着固定す
る。次いで大気中で焼成することにより第4図(イ)に
示す酸素センサーS2が得られる。
本実施例の酸素センサーS2は、芯材102の成形を押
し出し成形で行なっているために第1実施例と比べて芯
材102の成形が容易である。
本発明の第3実施例について第5図(イ)(ロ)(ハ)
によって説明する。尚、説明上各図は部分ごとの縮尺が
異なる。
第5図(イ)は本実施例の酸素センサーS3の斜視図で
ある。
本実施例の酸素センサーS3は、第5図(ロ)に示す如
く第1実施例及び第2実施例と異なり、発熱体201の
電極パターンは内側電極202を取り囲むよう形成され
る。又、本実施例の溝203は、第5図(ハ)に示す如
く3本である。さらに第6図に示す如く本実施例に用い
る芯材204に設けられる隔壁205の位置は第1実施
例とは逆に溝203の開放端側から遠い側にある。他の
部分は第1実施例と同様であり、外側電極206は固体
電解質層207を介して内側電極202と対向してお
り、内側電極202、外側電極206及び発熱体201
は各々内側電極端子208、外側電極端子209及び発
熱体端子210と接続される。本実施例の酸素センサー
S3は、発熱体201で内側電極202の周囲を取り囲
んでいるために測定時に容易に電極202,206近傍
を所定の温度とすることができる。又、芯材204の隔
壁205が根元近傍にあるため測定ガスが芯材204の
中空部に入り酸素センサーS3は容易に測定ガス温と同
程度になり、例えば、自動車等に用いた場合には、エン
ジン始動後速やかに、測定可能となる。
本発明の第4実施例について第7図(イ)(ロ)(ハ)
によって説明する。尚、説明上各図は部分ごとの縮尺が
異なる。
第7図(イ)は本実施例の酸素センサーS4の斜視図で
ある。
本実施例の酸素センサーS4は、第7図(ロ)に示す如
く芯部301と溝302を形成する溝形成体303とか
らなる芯材304を用いる。
他の部分は第3実施例とほぼ同様であって、芯材304
は、内側電極305、発熱体306、外側電極307、
内側電極端子308、発熱体端子309、外側電極端子
310を設けた固体電解質層311によって覆われてい
る。
本実施例は、Al製の径3.0mm、長さ40m
mの芯部301を押し出し成形により成形し、9.5m
m×37mm、厚さ0.7mmのアルミナグリーンシー
トを溝成形体303として1.0mm×30mmの溝3
02を3本設け、芯部301に巻き付けて芯材304と
し、その後、他の実施例と同様にして芯材304に電極
パターンを設けた固体電解質層311となるグリーンシ
ートを巻き付け圧着固定し、焼結して製造してもよい
が、予め固体電解質層311となるグリーンシートに溝
成形体303を載置圧着してから芯部301に巻き付け
圧着固定する方が容易である。
本実施例は、芯材304における溝302が溝成形体3
03によって形成されるため複数の変更が容易に行なう
ことができる。又、芯部301は単なる円筒状であるた
め成形しやすい。
[発明の効果] 本発明の酸素センサーにおいては、その電極は棒状の芯
材の周囲にほぼ等間隔にされるか又はそれらを接続して
一体化して設けられているので、応答性及び耐久性にお
ける方向性が少ないという特長がある。
また、予め溝を形成した支持体としての芯材の回りに予
め電極を形成した固体電解質層を巻いて形成するので、
棒状センサの製造が極めて容易である。
特に、基準気体導入路の形成と電極及び端子の形成が極
めて容易で、しかも電極の形状の自由度が大ききという
利点がある。
その上、芯体が支持体として機能するので、固体電解質
層を最小限の薄さにすることができ、よって、高価な固
体電解質を節約することができる。
更に、溝を長手方向に長くかつ芯体の外周上に等間隔に
複数本形成するとともに、固体電解質層に表裏一対の電
極を上記溝に対応させて複数対設ける場合には、電極材
料の節約と電極の耐久性保持の点で有利に、方向性のな
い酸素センサーが得られる。
【図面の簡単な説明】
第1図(イ)は本発明の第1実施例の斜視図、第1図
(ロ)はそれを説明する斜視図、第1図(ハ)はそれを
説明するA−A端面図、第2図はそれに用いる芯材の部
分破断図、第3図はそれを用いた酸素検出素子の部分破
断図、 第4図(イ)は本発明の第2実施例の斜視図、第4図
(ロ)はそれを説明する斜視図、第4図(ハ)はそれを
説明するB−B端面図、 第5図(イ)は本発明の第3実施例の斜視図、第5図
(ロ)はそれを説明する斜視図、第5図(ハ)はそれを
説明するC−C端面図、第6図はそれに用いる芯材の部
分破断図、 第7図(イ)は本発明の第4実施例の斜視図、第7図
(ロ)はそれを説明する斜視図、第7図(ハ)はそれを
説明するD−D端面図である。 1,101,203,302……溝 2,102,204,304……芯材 3,4,103,104,202,206,305,3
07……電極 6,106,207,311……固体電解質層

Claims (1)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】外周面に溝が形成された支持体としての棒
    状のセラミック質芯材と、 該芯体を巻いて包み、表裏面で対をなす少なくとも一対
    の電極を有する酸素イオン伝導性の固体電解質層と、 を備えるとともに、 上記表面側電極は巻き回り方向にほぼ等間隔に分布する
    様に形成されるか又はほぼ等間隔に分布した電極を接続
    して一体とする様に形成され、かつ上記裏面側電極は上
    記芯体の溝との間で基準気体導入路を形成する様に配置
    されたことを特徴とする酸素センサー。
JP60116079A 1985-05-28 1985-05-28 酸素センサ− Expired - Fee Related JPH0623723B2 (ja)

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