JPS62170846A - 酸素センサ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は酸素センサに係り、特に燃焼ガス中の残留酸素
若しくは未燃焼ガス成分を酸素を媒体として検出し、燃
焼前の空気と燃料の質量混合比すなわち空燃比を検出す
ることのできる固体電解質酸素センサに関する。

〔従来の技術、背景技術〕

固体電解質酸素センサというのは、酸素イオン導電性固
体電解質（通例焼結体）を検出素子として有し、通例そ
の両面に多孔質電極を備え、基準酸素源（通例空気）と
測定対象とに各電極を露出して生ずる電極間の酸素分圧
の差に対応して電位差を生ゼしぬ、この電位差を端子に
導いて検出する装置である。そして、一般にこの固体電
解質酸素センサは、固体電解質体の焼成前のシートに触
媒性の対向電極、大気導入空隙、被検出ガスを拡散律速
するための拡散空隙、加熱用ヒータ等を有し、これらを
平板状積層構造に形成されたものが知られている。しか
しながら、この平板状積層構造の固体電解質体では、電
極や空隙を形成する部材との境界面や、板状に切断され
た端部に残留応力が存在し、材料の破壊強度上無視でき
ないレベルのものであるため、固体電解質体に高温の熱
サイクルが加わると電解質素子内の温度分布の差が生じ
熱膨張収縮による熱応力で局所的に検出素子が破壊され
酸素センサとしての作動に不具合を生ずる恐れがあった
。

そこで、この残留応力を低減することができ、しかもそ
の残留応力に強い積層形状のものが望まれる。そこで、
これを実験的に試みた。その結果、積層した生シートを
プレスで打抜いた平板状積層体の場合、焼成後の残留応
力は平板の角部および切断面に多くみられ、ランダムに
変形湾曲する傾向がある。これに対して、本発明の如く
生シートに電極、空隙形成部材を予め配置したあと、こ
れを円筒状芯体に密着して断面が渦巻き状になるように
捲回し焼成した場合には、（１）焼成後の残留応力は円
筒状芯体の補強効果により小さくなる。

（２）一枚シートのため継ぎ目、切れ目がなく応力が分
散する。（３）シートの曲面化による強度アップによっ
て、材料の破壊強度に較べて残留応力が小さくなり、余
裕度が増すことが実験的に確認された。

更に、平板積層形の場合に較ベコストを低減することが
できることも確認された。すなわち、平板積層形の場合
、積層枚数だけ位置合せが増えて作業効率が悪く、積層
シートのプレス打抜きによる材料のロスなどのコストア
ップ要因があるのに対して、本発明の円筒状芯体形の場
合、ローリング中の位置合せが一回で済み、しかも積層
シー１−のプレス打抜きによる材料ロスがなくなる。更
に、残留応力の余裕度が増えるため、初期のエージング
による不良率も著しく低減しコスト面でも有利になるこ
とが確認された。

しかして、本発明と同様の形式のものの円筒状積層構造
の酸素センサとしては特開昭５９−９１３５７号のもの
が知られている。これは、予め積層され熱圧着された多
重シートを円筒状芯体に捲回する構成のものである。す
なわち、アルミナの生シートに発熱のペースト剤を厚膜
印刷した後、アルミナの芯体に捲回する構成のものであ
る。

〔発明が解決しようとする問題点〕

しかしながら、上記従来構造のものでは、耐熱強度上並
びにコスト的にみても充分なものとはいえなかった。そ
こで、耐熱強度を向上させると共にコスト的にも更に低
減することのできるものが望まれる。

〔発明の目的〕

本発明の目的は、安価で、耐熱強度を向上することので
きる酸素センサを提供することにある。

すなわち、固体電解質体の残留応力低減と形状効果によ
り、熱ストレスのかかった使用状態での−１−″ 効率を上げて積層工程を簡略化し、セルの小型化による
栓体構造の簡易化、使用部材の数と量を低減させてコス
トの低減を図ろうとするものである。

〔問題点を解決するための手段〕

本発明は、固体電解質体と触媒能を有する対向電極とか
らなる酸素濃淡電池の該対向電極の一方が大気と連通し
、他方が燃焼ガスと連通ずるように形成され、酸素を媒
体として燃焼ガス中の酸素若しくは未燃焼可燃物質を検
出する酸素センサにおいて、燃焼筒上記固体電解質体が
シート状に形成され、該固体電解質体に予め対向するよ
うに形成された電極形成部材と、上記対向電極の一方が
大気と連通し、他方が燃焼ガスと連通ずるように対面す
べき位置に形成された空隙形成部材とを備え、該固体電
解質体を円筒状芯体に捲回した後焼成するようにしたも
のである。

〔実施例〕

図において、固体電解質体１はシート状に形成され、例
えば、イツトリア（ＹｚＯａ）で安定化された部分安定
化ジルコニア（ＺｒＯｐ）　　の粉体に、バインダ、溶
剤、可塑剤を混ぜシート状に半乾燥した形成されたもの
である。電極２および電極３は、触媒能を有し、それぞ
れ対向して配置される。

この電極は１例えば、白金微粉を溶剤、バインダととも
にペースト状に形成したスクリーン印刷等の手法で施さ
れる。このとき、引出し導体６，７およびターミナル４
，５も同時に形成される。円筒状の芯材１１ａは、固体
電解質体１を密着して捲回する。この実施例では、燃焼
ガスと連通ずる空隙形成部材を配置した排気拡散空隙８
側から先に捲回するようにして説明する。この空隙形成
部材は、積層・焼成中に変形を防止するスペーサ部材１
２と、該スペーサ部材１２で形成される空間部に充填さ
れ焼成時には焼失する有機剤とからなる充填部材１３（
図示していない）とから成る。

排気拡散空隙８には図示されている矢印１０の方］：か
ら排気ガスが細長い空隙に拡散律速されそ入っ；ｌ ていく。一方、大気連通空隙９は１図示されている矢印
１１の方向から空隙内に拡散律速されることなく潤沢に
連通ずるように形成されている。空隙形成部材は、積層
・焼成中に変形を防止するスペーサ部材１４と該スペー
サ部材１４で形成される空間部に充填され焼成時には焼
失する有機剤とからなる充填部材１５（図示していない
）より成る。上記８，９に用いられるこれら空隙形成部
材としては、２つのものがある。すなわち、焼成前に配
置する第１の空隙形成部材として、焼成時に焼失する有
機剤からなる充填部材を印刷、転写等による固体電解質
体に形成する。これは固体電解質と電極を焼成する工程
のほぼ前半において炭化して焼失し、その跡の空隙はそ
の形状をそこなうことなく焼成後は大気連通または排気
拡散の機能を有する。焼成前に配置される第２の空隙形
成部材としては、固体電解質体と焼成後にほぼ同等の組
織体として空隙の形状を維持するもので、シート材の打
抜き／転写または厚膜割印／転写により゛°声棒体電解
質体形成する。これは固体電解質と電極を焼成する工程
において、その周辺の空隙を構成する固体電解質体が軟
化変形して空隙として必要な形状を維持するための梁や
柱の役目を果たすものである。

引出し導体６には、引出し導体によるイオン移動による
影響すなわちイオンリークを防ぐため電気絶縁層１６が
両面に配設されている。電気絶縁層１６は対向する引出
し導体７の両面にも配設されるのが望ましい。この引出
し導体は、固体電解質体内に埋設された電極から高温で
は導通状態に近い酸素イオンを導体で外部に引出すため
のものである。すなわち、まず引出し導体は電極と同一
材料、同一工程で形成され、素子内で最も離れた位置す
なわちほぼ対角線上に配置される。さらに、ヒータ加熱
されると特にイオン導電性が大きくなり、対向電極間の
イオン移動量に較べて計量精度上無視できないイオン移
動があり得るので引出し導体の領域は、対向して配設さ
れる引出し導体の少なくとも一方を酸素の出入を封止す
るガラス質の層で皮覆するか、若しくは電気絶縁性のセ
ラミック質の層で皮覆することが必要である。

次に、電極３と導通するターミナル５は、スルーホール
１７を経てシート（固体電解質体１）の反対面のターミ
ナル１８と導通するように設けられ、素子焼成後のリー
ド線はターミナル４および１８に耐熱ろう剤にて溶接さ
れて引出される。

第４図には、円筒状芯体に捲回された焼成前面体電解質
体表面から、多重層の眉間密着焼成が必要な部分を加熱
圧着する時の圧着箇所を示した素子の斜視図が示されて
いる。熱圧着箇所は１円筒面の積層部のほぼ全面にわた
るが、あるいは一枚（ｌＯ） ロールの特徴を考慮して円筒ロールの両端面とロールの
捲き終り端部付近を熱圧着する方法がある。

図において、素子はその先端円周部を半割管１９で圧着
され、更に素子の軸方向に沿ってバンド２０で圧着され
、ターミナル４および１８には、それぞれリード２２．
２１が焼成後ろう付されるものが示されている。

゛、第５図には本発明の一枚ロール法による２つの′奨
施例の要部断面図が示されている。（Ａ）は排気拡散空
隙且が外側にある場合で、（Ｂ）は逆に排気拡散空隙且
が内側に配設された場合を示す。

（Ａ）の利点は図中ＣＣ部を熱圧着して層間の漏れを封
止するにあたり、排気拡散空隙旦の開口部を図のように
圧着域から逃がすことにより、開口部の形状が圧着時に
変形されないことである。もう一つの利点は、固体電解
質体１と対向電極２゜３からなるセルが円筒体の外表面
付近に配置されるため、円筒体を外挿したパイプ状ヒー
タで加熱する場合、伝熱効率がよくセルの温調精度が上
がることである。

これに対し、（Ｂ）の利点は排気拡散空隙旦と対向電極
が円筒状芯材１１ａに最も近い位置で捲回されるため、
両者の位置関係が（Ａ）の場合に較べて寸法精度上有利
であるといえる。

第６図には本発明に係る円筒状セル２３を自動車用に実
装した実施例を示す要部断面構造図である。図中セル２
３は円管状ヒータ２４の筒内に固定され、さらにセル２
３とヒータ２４のサブアセン゛ブリは耐熱シース２４に
内装され、排気系管壁についたボスにナツト２６で固定
される。

次に、本発明を実施する上で重要な製法上のポイントに
ついて説明する。

予め処理された生シートは芯体に捲回されたあと、乾燥
焼成の段階で収縮しながら固体電解質体、対向電極、大
気連通空隙、排気拡散空隙が形成される。この収縮の過
程で生ずる電解質素子内の内部応力で、電解質素子の割
れや剥れなどによりガスとイオンの移送に支障をきたす
ことがないようまず生のシートと芯体の乾燥収縮率と焼
成収縮率のマツチングをとるため固体電解質と同種材料
を用い、それぞれ成形工程に合せたバインダ助剤を用い
る必要がある。次に該シートの捲回した層間、シートと
芯体の間には捲回工程でよく接着しその後焼成工程でよ
く焼結するように溶剤、シートおよび芯体と同種材料粉
、バインダを必要に応じて適宜配合した混合剤を用いる
ことが好ましい。さらに芯体とシートの形状特に芯体外
径りとシート厚さｔについては捲回作業性と接着性から
、０．５くｔ／Ｄが効率的である。

〔発明の効果〕

以上説明したように、本発明によれば、安価で耐熱強度
を向上させることができる。すなわち、耐熱強度につい
てみれば、固体電解質体の残留応力低減と円筒形状にし
た効果で熱ストレスのかかいては、固体電解質体の使用
効率が上がり、積層工程を簡略化することができる。ま
た、セルを円筒状に成形することにより小型化ができる
ため円筒状セラミックヒータ等に内挿するのに都合がよ
く、加熱効率もよい。更に栓体構造のナツトフリーのシ
ース形による簡易化、使用部材の数と量を実現すること
ができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明の一実施例を示す素子の組立展開図、
第２図、第３図は、第１図に示す素子の部分断面図、第
４図は、本発明の一実施例を示す素子の圧着箇所を示す
斜視図、第５図は、本発明の一枚ロール法による２つの
実施例を示す要部断面図、第６図は、本発明の実施例に
係る素子を実装した酸素センサの要部断面構造図である
。 １・・・固体電解質体、２・・・電極、３・・・電極、
一旦−・・・排気拡散空隙、−ｐ−・・・大気連通空隙
、１１・・・大気、１２・・・スペーサ部材、１４・・
・スペーサ部材。

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. １．　固体電解質体と触媒能を有する対向電極とからな
   る酸素濃淡電池の前記対向電極の一方が大気と連通し、
   他方が燃焼ガスと連通するように形成され、酸素を媒体
   として燃焼ガス中の酸素若しくは未燃焼可燃物質を検出
   する酸素センサにおいて、焼成前上記固体電解質体がシ
   ート状に形成され、該固体電解質体に予め対向するよう
   に形成された電極形成部材と、上記対向電極の一方が大
   気と連通し、他方が燃焼ガスと連通するように対面すべ
   き位置に形成された空隙形成部材とを備え、該固体電解
   質体を円筒状芯体に捲回した後焼成するようにしたこと
   を特徴とする酸素センサ。
2. ２．　特許請求の範囲第１項記載のものにおいて、固体
   電解質体を円筒状芯体に断面形状が渦巻き状になるよう
   に捲回したことを特徴とする酸素センサ。
3. ３．　特許請求の範囲第１項記載のものにおいて、焼成
   前円筒状芯体に捲回された固体電解質は、その表面から
   多重層の層間密着焼成が必要な部分を予め加熱圧着する
   ようにしたことを特徴とする酸素センサ。
4. ４．　特許請求の範囲第１項記載のものにおいて、空隙
   形成部材は、焼成時に焼失する有機剤よりなる充填部材
   と、積層・焼成中に変形を防止するスペーサの少なくと
   も一方を備えたことを特徴とする酸素センサ。
5. ５．　特許請求の範囲第１項記載のものにおいて、電極
   形成部材には、引出し導体が形成されるようにしたこと
   を特徴とする酸素センサ。