氧傳感器的製作方法
2023-05-31 01:03:11 1
專利名稱：氧傳感器的製作方法
技術領域：
本發明涉及檢測排氣中的氧濃度的氧傳感器。
多數的氧傳感器用於工業鍋爐、鍋爐或內燃機的空燃比的控制。
人們還知道，氧傳感器的原理是這樣地應用電池的原理，即對所產生的電動勢進行測定，另外，其對固體電解質外加電壓，對導電率的變化進行測定。前者的氧傳感器包括有比如，JP實開平3-2256號文獻中公開的「內燃機用氧傳感器」的形式。如該文獻中的
圖1所示，在該氧傳感器中，用於保護傳感元件部5(此標號引用該文獻中的標號。下面也相同)的護罩由外筒21、內筒22形成雙重筒結構，在外筒21與內筒22的周壁上分別形成排氣接納孔21a和排氣導入孔22a(參照圖2)，另外在內筒22的前端面形成排氣排出孔22b。
排氣從排氣接納孔21a流入外筒21內部，在外筒21與內筒22的間隙中旋轉，同時進行混合，從排氣導入孔22a，朝向電極面5a(具有方向性)流入，從排氣排出孔22b排出。由於排氣與電極面5a的方向無關，沿一定方向與電極面5a相接觸，氧傳感器可具有沒有誤差的一定的氧濃度檢測性能。
按照上述結構，由於外筒21中的排氣接納孔21a在其中一個側邊，朝向內側彎曲，從而其形狀複雜，加工費用較高。
另外，由於在外筒21與內筒22之間必須設置有使排氣旋轉的間隙，這樣外筒21的外徑較大，護罩的尺寸較大。由於以旋轉的方式對排氣進行混合，這樣在排氣流至電極面5a之前，容易產生時間的浪費。
此外，電極面5a一側的內筒22的內側空間小於相對面側的相應空間。由此，在按照圖3的方式，從兩側流入的場合，背面側的排氣的流動性較高。反之，由於電極面5a一側具有變差的傾向，這樣在靈敏度方面，具有改善的餘地。因此，人們要求一種下述的氧傳感器，其靈敏度即使在對排氣淨化系統的性能造成影響之前也增加，從而具有良好的性能。
因此，本發明的目的是提供靈敏度優良的氧傳感器。
為了實現上述目的，本發明氧傳感器1的特徵在於傳感器的傳感元件部在板狀的第1電極的兩側，通過固體電解質層，分別相對地設置第2、第3電極，從而可檢測第1電極與第2電極之間，以及第1電極與第3電極之間的氧離子的移動。
由於在板狀的第1電極的兩個面，通過固體電解質層，分別相對地設置第2、第3電極，上述兩個面均為檢測面，方向性沿2個方向擴大。由於第2、第3電極中的任何一個靠近排氣流，這樣其與排氣較早地接觸，反應時間較早。
另一特徵在於在上述第1電極與上述第2電極之間，與上述第1電極與上述第3電極之間的至少一個中設置有具有使上述氧離子通過的開口部分的板狀發熱器。
由於在板狀發熱器中形成使氧離子通過的開口，這樣在第2電極一側設置板狀發熱器的場合，氧離子從第2電極，通過開口，朝向第1電極移動，產生電流。在於第3電極一側設置板狀發熱器的場合，氧離子從第3電極，通過開口，朝向第1電極移動。因此，即使在設置板狀發熱器的情況下，檢測性能仍不會降低。
圖1為本發明的氧傳感器的側面圖；圖2為本發明的氧傳感器的剖面圖；圖3為沿圖2中的3-3線的剖面圖；圖4為沿圖2中的4-4線的剖面圖；圖5為本發明的檢測元件的分解透視圖；圖6為本發明的氧傳感器的第1作用圖；圖7為本發明的氧傳感器的第2作用圖。
下面根據附圖，對本發明實施例進行描述。另外，附圖中標註有標號。
圖1為本發明的氧傳感器的側面圖，氧傳感器1由主體部10、安裝於該主體10上的傳感元件部20構成。字母G表示氣門，字母P表示排氣通路。
圖2為本發明的氧傳感器的剖面圖，主體10由主體11、開設於該主體11的中間部的孔12、形成於主體11上的外螺紋13和螺母部14、焊接於主體11的端部的管15、將該管15的開口密封的橡膠栓16構成。
傳感元件部20由焊接於主體11上的護罩21、與主體的孔21連通的檢測元件30構成。標號22表示端子壓靠部，標號23表示導線。
護罩21由內筒24、外套於該內筒24上的外筒25構成。在內筒24中，開設有形成於周壁上的通氣孔24a…(…表示多個。下面也相同)和形成前端面上的通氣孔24b。在外筒25中，開設有形成於周壁上的通氣孔25a…和形成於前端面上的通氣孔25b。
檢測元件30的具體結構將在後面進行描述，標號31、32表示檢測面，該面用於吸附排氣中的氧。另外，檢測面31和檢測面32的方向由安裝氧傳感器1時的外螺紋13的緊固力決定。
圖3為沿圖2中的3-3線的剖面圖，該圖表示檢測元件30通過開設於主體11的中間部的孔12，檢測面31、32在內筒24內形成相同的較大空間。
內筒24中的通氣孔24a…為按照等間距開設於周壁8上的圓形孔，其與檢測元件30的檢測面31、32逐一相對。
外筒25中的通氣孔25a…為圓形，其按照相對通氣孔24a…剛好旋轉θ的方式設置。
圖4為沿圖2中的4-4線的剖面圖，其表示檢測元件30的放大剖面。
檢測元件30由板狀的第1電極33、連接於該第1電極33的兩側的第1固體電解質層34和第2固體電解質層35、形成於第1固體電解質層34上的第2電極36、形成第2固體電解質層35上的第3電極37、形成於第2電極36上的保護層38、形成於第3電極37上的保護層39、介於第1電極33和第3電極37之間的板狀發熱器40構成。
第1電極33由具有透氣性的多孔質的白金(Pt)形成，其與第1、第2固體電解質層34、35連接，用於使氧離子在第1、第2固體電解質層34、35中流動。
第2電極36由具有透氣性的多孔質的白金(Pt)形成，其與第1固體電解質層34連接，用於使氧離子在第1固體電解質層34中流動。
第3電極37由具有透氣性的多孔質白金(Pt)形成，其與第2固體電解質層35連接，使氧離子從第2固體電解質層35中流動。
第1固體電解質層34為穩定化氧化鋯(Y2O3-ZrO2系)層，該層是按照下述方式形成的，該方式為以氧化鋯(ZrO2-氧化鋯)為母材，在該母材中添加規定量的氧化釔(Y2O3-三氧化二釔)，使其保持穩定。
板狀發熱器40由發熱主體41、覆蓋於該發熱主體41上的絕緣層42、形成於中間部的開口43構成，其用於使穩定化氧化鋯(Y2O3-ZrO2系)升溫至規定溫度(比如，300℃)以上。通過上述升溫，使第1和2固體電解質層34、35的電阻值減小。穩定化氧化鋯(Y2O3-ZrO2系)的電阻值隨溫度而變化。在開始啟動時等的常溫的場合，由於電阻值較大，難於進行檢測，通過板狀加熱器40，便使檢測較早地開始進行。
下面對這些部件的狀態，以及製作的主要工藝進行描述。
圖5為本發明的檢測元件的分解透視圖，其以分層的方式表示檢測元件30。另外，各層為薄膜，但是為了便於說明，每層畫得較厚。
第1、第2、第3電極33、36、37的尺寸基本相同。
在第1固體電解質層34的中間部設置有電極連接部34c，在該電極連接部34c的邊緣設置有規定幅度的連接部34d、34e、34f。通過設置連接部34d、34e、34f，可連接由相同材料形成的固體電解質(第2固體電解質層35)。
在第2固體電解質層35的第1層35a中，設置有發熱器安裝部35c，在該發熱器安裝部35c的邊緣設置有規定寬度的第1連接部35d、35e、35f，在其中間部設置有第2連接部35g。通過第1、第2連接部35d～35g，可連接由相同材料形成的固體電解質(第2層35b)。
保護層38由具有通氣性的第1保護層38a、不具有通氣性的第2保護層38b形成。第1保護層38a為使排氣通過的具有通氣性的陶瓷薄膜，其目的是防止因排氣的化合物而使白金的性能變差，防止因排氣的粒子而使白金受到腐蝕，並且防止防止白金受到機械的、熱的衝擊。
保護層39由具有通氣性的第1保護層39a、無通氣性的第2保護層39b形成。第1保護層39a與第1保護層38a相同，故省略對其的說明。
發熱器主體41為在中間部開設有開口44，具有寬度W的發熱器。該寬度W剛好比第1和第2固體電解質層34、35的寬度小規定尺寸。由於設置有開口44，第1層35a與第35b以較大的面積成整體連接。
絕緣層42為在發熱器主體41上按照規定膜厚所形成的薄膜，沿該發熱器主體41的開口4，形成有開口43。
下面通過圖4、圖5對製造的主要工藝的一個實例進行描述。
首先，通過作為原料的穩定化氧化鋯(Y2O3-ZrO2系)，按照規定形狀，形成平整的薄片狀的第1固體電解質層34，通過煅燒爐(比如，常壓的隧道式烘爐)對其進行燒結(升溫至1300～1600℃)，製作基板。根據需要，添加加工工序，對其進行整形。接著，以白金(Pt)，按照規定膜厚，在構成基板的第1固體電解質層34上形成作為薄膜的第1、第2電極33、36(比如，進行塗敷處理→印刷→燒結)。
接著，對第1層35a進行燒結，在該第1層35a的發熱器安裝部35c上，依次印刷作為薄膜的絕緣層42、發熱器主體41、絕緣層42、形成板狀發熱器40。對第2層35b進行燒結，在該第2層35b上，通過白金，形成第3電極37。接著，依次疊置第1固體電解質層34、第1層35a、板狀發熱器40、第2層35b，將它們連接。最後，比如，通過氧化鋯或氧化鋁((Al3O2-三氧化二鋁)，在第1固體電解質層34和第2電極36上形成第1保護層38a(比如，通過火焰噴塗法)。同樣，在第2固體電解質層35和第3電極37上形成第1保護層39a。形成剩餘的第2保護層38b、39b。
下面對上面所描述的氧傳感器的作用進行說明。
圖6(a)、(b)為本發明的氧傳感器的第1作用圖，其中圖6(a)表示比較實例，圖6(b)表示實施例。
在圖6(a)中，在排氣通路上安裝氧傳感器100，如圖中的雙線箭頭①所示，排氣從上遊(裝置一側)流動。排氣從護罩101的排氣導入孔102…，如雙線箭頭②所示，流入護罩101內部，如雙線箭頭③所示，從排氣導入孔102…流出，向下遊流動，最後排出。此時，如箭頭④所示，排氣與外側電極106相接觸，傳感元件部105對氧濃度進行檢測。在傳感元件部105中，具有僅僅沿特定的方向靈敏性良好的方向角N。由此，當排氣如雙線箭頭③，靠近指向角N的範圍時，傳感元件部105便可對氧進行檢測。
在圖6(b)中，在排氣通路上安裝氧傳感器1，如雙線箭頭⑤所示，排氣從上遊流動，如圖雙線箭頭⑥所示，流入內筒24內部。排氣如雙線箭頭⑦所示，向下遊流動，此時，如雙線箭頭⑧所示，與第2電極36相接觸，流動減慢，如箭頭⑨所示，與第3電極37一側相接觸。由於氧傳感器1設置第2、第3電極36，37，這樣指向性沿2個方向擴大。在第2電極36一側具有方向角E，在第3電極37一側具有方向角N1。由於第2電極36的方向角E相對排氣的流動，朝向上遊，這樣該電極36與氧接觸較早，先於第3電極37，發出檢測信號。當如雙線箭頭⑦所示，排氣流動到與比較實例相同的位置，第3電極37靠近方向角N1時，發出檢測信號。
另外，檢測面31、32的反向是相反的，如果第3電極37朝向上遊側，則第3電極37先於第2電極36，與排氣相接觸，早於第2電極36，輸出檢測信號。
即，在安裝氧傳感器1時的外螺紋13(參照圖1)緊固的狀態下，第2電極36和第3電極37的反向發生改變，但是由於與排氣的流動相對，朝向上遊的電極(第2電極36或第3電極37)先輸出檢測信號，這樣經常反應時間較早。
由於在護罩21中，不必使排氣在內筒24與外筒25之間產生旋轉，這樣可使護罩21的尺寸減小。另外，由於通氣孔24a、25a為純圓形，這樣可使加工費用降低。
另外，在比較實例中，採用將大氣中的氧氣導入，通過氧濃度差，對電動勢進行檢測的氧傳感器。在實施例中，由於採用對電極外加電壓，檢測氧濃度的的氧傳感器，這樣大氣中的氧氣是不必要的。於是，不必設置大氣導入孔。
圖7為本發明的氧傳感器的第2作用圖。
如箭頭⑨所示，排氣與檢測面32相接觸，如箭頭⑧所示，排氣與相反的檢測面31相接觸。當對檢測元件30的中間的第1電極33外加陽極(+)的電壓，對第2電極36外加陰極(-)的電壓，對第3電極37外加陰極(-)的電壓時，在檢測面32一側，通過第3電極37獲得排氣中的氧，形成氧離子(O2-)。該氧離子朝向第1電極33，從個體電解質層35穿過。此時，如箭頭a所示，氧離子的穿過因板狀發熱器40的絕緣層42而受到限制，但是由於在板狀發熱器40中形成氧離子穿過的開口43，在第1層35a(參照圖5)中設置第2連接部35g，這樣如圖6(b)所示，氧離子通過開口43，直至第1電極33，在第1電極33的一側，放出電子，形成氧，造成滯留。
另外，由於使板狀發熱器40形成規定的寬度尺寸，在第2固體電解質層35中連接形成規定寬度的第1連接部35d、35e(參照圖5)，35f，氧離子如箭頭C所示，通過第1連續部35d、35e、35f，通過第1電極33發出電子，形成氧，造成滯留。按照上述方式，由於在板狀發熱器40的內部、外部，可使氧離子通過，這樣即使在第1電極33與第3電極37之間設置板狀發熱器40的情況下，仍不會使檢測性能降低。
在檢測面31一側，通過第2電極，排氣中的氧接收電子，形成氧離子(O2-)。如箭頭d所示，該氧離子穿過固體電解質層34，在第1電極33一側發出電子，形成氧，造成滯留。由於在產生氧的氧化還氧反應的情況下，在電極之間產生電流，這樣排氣中的氧濃度的改變作為電流值而檢測到。用於產生氧的電壓的外加和檢測通過控制裝置進行。
由於當通過板狀發熱器40，穩定化穩定化氧化鋯(Y2O3-ZrO2系)的溫度上升到規定溫度(比如，300℃)以上時，第1、第2固體電解質層34、35的電阻值減小，從而可較早地開始進行檢測。
另外，本實施例中所描述的圖4中的固體電解質層34、35的母材不限於氧化鋯(ZrO2)，其也可為二氧化鈰(CeO2)、三氧化二鉍(Bi2O3)、二氧化鉿(HfO2)、二氧化釷(ThO2)等固體電解質(導電離子為氧離子(O2-))。
圖4中的穩定劑不限於氧化釔(Y2O3)，其也可為氧化鈣(CaO)、氧化鎂(MgO)、三氧化二鈧(Sc2O3)。
雖然圖4中的板狀發熱器40為平板狀，但是其也由線材形成，還可為能夠使氧離子通過的形狀。
另外，圖4表示製作工藝的主要內容的一個實例，固體電解質層34形成基板，但是該基板為任意的，比如，也可將固體電解質層35作為基板依次疊置起來。
按照上述結構，本發明具有下述效果。
由於在第1電極的兩側，通過固體電解質層，分別相對地設置第2、第3電極，這樣兩個面均構成檢測面，方向性沿2個方向擴大。由於第2、第3電極中的任何一個靠近排氣流，這樣其與排氣較早地接觸，反應時間較早。
當第2電極朝向下遊側時，第3電極朝向上遊側，第3電極先於第2電極，發出檢測信號。與已有的在下遊側進行檢測的時間相比較，檢測的時間較早，靈敏度提高。
另外，由於通過第1電極兩側的固體電解質層，可檢測氧離子的移動，這樣第2、第3電極均可將氧濃度變換為電信號，第1電極的兩個面均可檢測排氣中的氧濃度。
由於在板狀發熱器中設置有使氧離子通過的開口，這樣在於第2電極一側設置板狀發熱器的場合，氧離子可從第2電極通過固體電解質層，通過開口，直至第1電極，可將氧濃度變換為電信號。另外，在於第3電極一側設置板狀發熱器的場合，氧離子可同樣從第3電極，運動到第1電極，可將氧濃度變換為電信號。於是，即使在電極與電極之間設置板狀發熱器的情況下，檢測性能仍不會降低。
權利要求
1.一種氧傳感器，其安裝於裝置的排氣通路中，對排氣的氧成分進行檢測，其特徵在於該傳感器的傳感元件部在板狀的第1電極的兩側，通過固體電解質層，分別相對地設置第2、第3電極，從而可檢測第1電極與第2電極之間，以及第1電極與第3電極之間的氧離子的移動。
2.根據權利要求1所述的氧傳感器，其特徵在於在上述第1電極與上述第2電極之間，與上述第1電極與上述第3電極之間的至少一個中設置有具有使上述氧離子通過的開口的板狀發熱器。
全文摘要
檢測元件(30)在板狀的第1電極(33)的兩側,通過第1固體電解質層(34)和第2固體電解質層(35),分別相對地設置第2、第3電極(36、37),從而可檢測第1與第2電極間,以及第1與第3電極間的氧離子的移動。由於第1電極的兩個面均形成檢測面(31、32),方向性沿2個方向擴大。由於第2、第3電極(36、37)中的任何一個靠近排氣流,這樣其與排氣較早地接觸,反應時間較早。
文檔編號G01N27/41GK1243954SQ9911016
公開日2000年2月9日 申請日期1999年7月5日 優先權日1998年7月6日
發明者狩野宏司, 嶋村幸一, 草光男 申請人:本田技研工業株式會社