專利名稱：氧濃度檢測元件的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及在例如檢測排出氣體中的氧濃度的氧傳感器中使用的氧濃度檢測元件。
背景技術(shù)：
一般地，在汽車用發(fā)動機等中，在排氣管的中途配置氧傳感器，用氧傳感器檢測在排出氣體中含的氧濃度，對吸入空氣量進(jìn)行控制使燃料和空氣的混合比即空燃比成為預(yù)定的理論空燃比(A/F＝14.7)。
作為在上述氧傳感器中使用的現(xiàn)有的氧濃度檢測元件有圖4所示的元件。
如圖4所述，該氧濃度檢測元件100包括基體部件101；在該基體部件101的外周側(cè)形成的氧離子傳導(dǎo)性的固體電解質(zhì)層102；在固體電解質(zhì)層102的內(nèi)表面上形成的內(nèi)側(cè)電極104；在固體電解質(zhì)層102的外表面上形成的外側(cè)電極105；在該外側(cè)電極105和固體電解質(zhì)層102的外表面的全部區(qū)域上形成的、在外側(cè)電極105和固體電解質(zhì)層102的外表面的全部區(qū)域上形成的、在外側(cè)電極105的外表面上具有氧導(dǎo)入窗部106a的致密層106；以及在該致密層106的外表面上和從氧導(dǎo)入窗部106a露出的外側(cè)電極105的外表面上形成的保護層107。另外，以向致密層106和保護層107的外側(cè)導(dǎo)入測定氣體(例如排氣管內(nèi)的排出氣體)的狀態(tài)配置。
基體部件101由實心圓柱的芯桿110、在其外周上形成的加熱圖形111、和以覆蓋該加熱圖形111的方式在芯桿110的外周上形成的絕緣性材料的加熱覆蓋層112構(gòu)成。內(nèi)側(cè)電極104和外側(cè)電極105都由導(dǎo)電性且氧可通過的材料形成。
在內(nèi)側(cè)電極104和外側(cè)電極105上分別一體地延長設(shè)置引線部113(內(nèi)側(cè)電極104側(cè)未圖示)，用這些引線部113可以檢測在內(nèi)側(cè)電極104和外側(cè)電極105之間出現(xiàn)的輸出電壓。致密層106由測定氣體中的氧可通過內(nèi)表面?zhèn)鹊牟牧闲纬?。保護層107由測定氣體中的有害氣體不能通過內(nèi)表面?zhèn)榷鴾y定氣體中的氧可以通過的材料形成。
下面，說明氧濃度檢測元件100的氧濃度的檢測動作。
測定氣體中的氧透過保護層107，通過外側(cè)電極105導(dǎo)入到固體電解質(zhì)層102的外表面，作為基準(zhǔn)的大氣中的氧到達(dá)內(nèi)側(cè)電極104。如果在固體電解質(zhì)層102的內(nèi)外表面上氧濃度不同，通過把氧離子輸送到固體電解質(zhì)層102內(nèi)，與氧濃度差相應(yīng)地在內(nèi)側(cè)電極104和外側(cè)電極105之間產(chǎn)生電動勢E。因此，從內(nèi)側(cè)電極104和外側(cè)電極105之間得到與氧濃度差相應(yīng)的輸出電壓(V＝E-R×I)。在此，R是固體電解質(zhì)層102的內(nèi)部電阻，I是產(chǎn)生電動勢E時在內(nèi)側(cè)電極104和外側(cè)電極105間流過的電流。
如果以在汽車發(fā)動機的排出氣體的氧量檢測中被使用的場合為例進(jìn)行說明，上述輸出電壓(V)對空燃比(A/F)的特性曲線如圖5所示。A/F值以理想空燃比狀態(tài)14.7(λ＝1)作為基準(zhǔn)，以燃料過多氧濃度差大的狀態(tài)(A/F＜14.7的狀態(tài))作為富狀態(tài)，相反地，以空氣過多氧濃度差小的狀態(tài)(A/F＞14.7的狀態(tài))作為稀狀態(tài)，控制吸入空氣量以成為理想空燃比狀態(tài)。
(專利文獻(xiàn)1)日本專利特開平7-27737號公報上述現(xiàn)有的固體電解質(zhì)層102是把由例如氧化鋯和氧化釔構(gòu)成的漿狀物曲面印刷，然后通過燒制成為具有所期望的性質(zhì)的材料，但在膜厚薄的固體電解質(zhì)層102的端部附近存在燒制時的燒結(jié)不充分的部位A。在燒結(jié)不充分的部位A產(chǎn)生微裂紋等，在氧濃度差大的富狀態(tài)中，如果從外側(cè)電極105附近侵入的富氣體通過微裂紋等侵入到固體電解質(zhì)層102的內(nèi)表面?zhèn)?，則在固體電解質(zhì)層102的內(nèi)外表面上的氧濃度差降低，如圖5的虛線所示，輸出電壓(V)下降。因此，存在在富狀態(tài)下不能得到穩(wěn)定的輸出的問題。
另外，輸出電壓(V)的特性以固體電解質(zhì)層102的內(nèi)部電阻R作為一個要素，內(nèi)部電阻R與內(nèi)側(cè)電極104和外側(cè)電極105的對置面積(重疊面積)有關(guān)。因此，在現(xiàn)有例中，通過使內(nèi)側(cè)電極104和外側(cè)電極105形狀相同且面積相同，并在正確的對置位置上形成它們，對所有的氧濃度檢測元件100得到恒定的輸出特性，是優(yōu)選的。
但是，在上述現(xiàn)有例中，由于在曲面印刷內(nèi)側(cè)電極104和外側(cè)電極105時的掩模位置對準(zhǔn)有偏差，且該偏差導(dǎo)致內(nèi)側(cè)電極104和外側(cè)電極105的重疊面積有偏差，所以均勻地形成每個氧濃度檢測元件100的重疊面積是非常困難的。如果固體電解質(zhì)層102的內(nèi)部元件電阻有偏差，則如圖6的虛線所示，輸出特性就會有偏差。這樣，如果輸出特征有偏差，理想空燃比狀態(tài)14.7(λ＝1)的點就有偏差(δ)，檢測該點的精度下降。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明正是鑒于上述情況而提出的，其目的在于防止測定氣體向電極附近侵入，在富狀態(tài)下得到穩(wěn)定的輸出。本發(fā)明的另一目的在于抑制固體電解質(zhì)層的內(nèi)部電阻的偏差，使輸出特性幾乎無偏差，得到穩(wěn)定的輸出。
為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的第一方面是一種氧濃度檢測元件，其特征在于包括外表面?zhèn)扔山^緣性材料形成的基體部件；在該基體部件的外表面?zhèn)壬闲纬傻难蹼x子傳導(dǎo)性的固體電解質(zhì)層；在該固體電解質(zhì)層的內(nèi)表面和上述基體部件的外表面之間設(shè)置的、用來使氧流通且由多孔質(zhì)材料形成的多孔體層；在上述固體電解質(zhì)層的內(nèi)表面上形成的內(nèi)側(cè)電極；在上述固體電解質(zhì)層的外表面上由阻止氧通過的材料形成且具有電極用窗部的內(nèi)側(cè)致密層；在該內(nèi)側(cè)致密層的外表面和從上述電極用窗部露出的上述固體電解質(zhì)層的外表面上形成的外側(cè)電極；在該外側(cè)電極的外表面上由防止氧通過的材料形成且在與上述電極用窗部相同的位置上具有氧導(dǎo)入窗部的外側(cè)致密層。
根據(jù)上述結(jié)構(gòu)，測定氣體中的氧透過保護層，通過外側(cè)電極導(dǎo)入到固體電解質(zhì)層的外表面，作為基準(zhǔn)的大氣中的氧到達(dá)內(nèi)側(cè)電極。如果在固體電解質(zhì)層的內(nèi)外表面上氧濃度不同，基于該氧濃度差在內(nèi)側(cè)電極和外側(cè)電極之間產(chǎn)生電動勢。在此，由于用內(nèi)側(cè)致密層覆蓋固體電解質(zhì)層的端部附近，外側(cè)電極在固體電解質(zhì)層的端部以外形成，所以測定氣體中的富氣體(成分)不能通過外側(cè)電極侵入固體電解質(zhì)層。由此，通過排出氣體向固體電解質(zhì)層侵入且把接觸位置控制到窗部的范圍內(nèi)，在富狀態(tài)下得到穩(wěn)定的輸出。
另外，本發(fā)明的第二方面是電極用窗部的面積設(shè)定成比上述內(nèi)側(cè)電極的面積小。
根據(jù)上述結(jié)構(gòu)，由于利用內(nèi)側(cè)致密層的電極用窗部把外側(cè)電極的有效面積限定在比內(nèi)側(cè)電極的面積小的范圍內(nèi)，即使印刷時掩模位置有偏差，內(nèi)側(cè)電極和外側(cè)電極的重疊面積總是恒定，抑制了固體電解質(zhì)層的內(nèi)部電阻的偏差。因此，輸出特性幾乎無偏差，得到穩(wěn)定的輸出。


圖1展示了本發(fā)明的一實施方式，是氧濃度檢測元件的剖面圖；圖2展示了本發(fā)明的一實施方式，是展示內(nèi)側(cè)電極和內(nèi)側(cè)致密層的電極用窗部的配置狀態(tài)的說明圖；圖3展示了本發(fā)明的一實施方式，是用來說明氧濃度檢測元件的制造順序的圖；圖4展示了現(xiàn)有例，是氧濃度檢測元件的剖面圖；圖5是相對于空燃比(A/F)的輸出電壓的特性線圖；圖6是相對于空燃比(A/F)的輸出電壓的特性線，用虛線表示固體電解質(zhì)層的內(nèi)部電阻有偏差的特性線。
具體實施例方式
下面，參照

本發(fā)明的具體實施方式
。
圖1是氧濃度檢測元件1的剖面圖；圖2是展示內(nèi)側(cè)電極5和內(nèi)側(cè)致密層6的電極用窗部6a的尺寸關(guān)系的說明圖，圖3是用來說明氧濃度檢測元件1的制造順序的圖。
圖1中，氧濃度檢測元件1包括基體部件2；在該基體部件2的外表面?zhèn)刃纬傻难蹼x子傳導(dǎo)性的固體電解質(zhì)層3；在該固體電解質(zhì)層3的內(nèi)表面和基體部件2的外表面之間設(shè)置的由多孔質(zhì)材料形成的多孔體層4；在固體電解質(zhì)層3的內(nèi)表面上形成的內(nèi)側(cè)電極5；在固體電解質(zhì)層3的外表面上形成的具有電極用窗部6a的內(nèi)側(cè)致密層6；在該內(nèi)側(cè)致密層6的外表面和從電極用窗部6a露出的固體電解質(zhì)層3的外表面上形成的外側(cè)電極7；在該外側(cè)電極7的外表面上形成的、在與電極用窗部6a相同的位置上具有氧導(dǎo)入窗部8a的外側(cè)致密層8；在外側(cè)致密層8的外表面和從氧導(dǎo)入窗部8a露出的外側(cè)電極7的外表面上形成的保護層9。以把測定氣體(例如排氣管內(nèi)的排出氣體)導(dǎo)入到外側(cè)致密層8和保護層9的外側(cè)的狀態(tài)進(jìn)行配置。
基體部件2由實心圓柱的芯桿10、在其外周形成的加熱圖形11、以覆蓋該加熱圖形11的方式在芯桿10的外周上形成的絕緣性材料的加熱覆蓋層12構(gòu)成。芯桿10由例如氧化鋁等的陶瓷材料形成。加熱圖形11由鎢或鉑等的發(fā)熱性導(dǎo)體材料形成。由于加熱圖形11的發(fā)熱，固體電解質(zhì)層3等升溫，被活性化。
固體電解質(zhì)層3由例如在氧化鋯的粉體中混合有預(yù)定重量％的氧化釔粉體而成的漿狀物形成。固體電解質(zhì)層3在后述的內(nèi)側(cè)電極5和外側(cè)電極7之間產(chǎn)生與周圍的氧濃度差相應(yīng)的電動勢，可以在其厚度方向上輸送氧離子。
多孔體層4由氧化鋁等的陶瓷材料形成，通過固體電解質(zhì)層3向內(nèi)側(cè)電極5輸送的氧經(jīng)圖中未示出的路徑逃散而構(gòu)成氣體逃散路徑。
內(nèi)側(cè)電極5和外側(cè)電極7都由鉑等構(gòu)成的具有導(dǎo)電性且可透過氧的材料構(gòu)成。然后，在內(nèi)側(cè)電極5和外側(cè)電極7上分別一體地延長設(shè)置引線部5a、7a，可以用引線部5a、7a檢測在內(nèi)側(cè)電極5和外側(cè)電極7之間出現(xiàn)的輸出電壓。
內(nèi)側(cè)致密層6由測定氣體中的氧不能透過到內(nèi)表面?zhèn)鹊牟牧?，例如氧化鋁等的陶瓷材料構(gòu)成。內(nèi)側(cè)致密層6覆蓋固體電解質(zhì)層3的外表面的全部區(qū)域，電極用窗部6a通過在固體電解質(zhì)層3的不是端部的中央部位切除內(nèi)側(cè)致密層6的一部分而形成。如圖2所示，電極用窗部6a具有方形形狀，相對于內(nèi)側(cè)電極5的面積其軸方向T和圓周方向S上的尺寸都小，設(shè)定成小面積。
在氧濃度檢測元件1為直徑3～3.5mm的桿型元件時，電極用窗部6a、氧導(dǎo)入窗部8a的具體尺寸設(shè)定為軸方向長度為1.6～1.8mm，圓周方向長度為2.6～3.0mm。
與內(nèi)側(cè)致密層6同樣地，外側(cè)致密層8由測定氣體中的氧不能通過到內(nèi)表面?zhèn)鹊牟牧希缪趸X等的陶瓷材料形成。氧導(dǎo)入窗部8a在與電極用窗部6a相同的位置，通過切除外側(cè)致密層8的一部分而形成。
保護層9從外側(cè)覆蓋通過外側(cè)致密層8的氧導(dǎo)入窗部8a露出到外部的外側(cè)電極7，用測定氣體中的有害氣體、灰塵等不能通過到內(nèi)表面?zhèn)?，但測定氣體中的氧能通過的材料例如氧化鋁和氧化鎂的混合物的多孔結(jié)構(gòu)體形成。
下面，基于圖3說明氧濃度檢測元件1的制造方法。首先，對氧化鋁等的陶瓷材料射出成型，制造實心圓柱的芯桿10。一邊旋轉(zhuǎn)該芯桿10，一邊通過曲面絲網(wǎng)印刷在芯桿10的圓周面上印刷例如鉑或鎢等的發(fā)熱性材料而形成加熱圖形11。
然后，在芯桿10的圓周面上層疊氧化鋁等的陶瓷材料的生料薄片形成加熱覆蓋層12。由此制成基體部件2。
然后，在加熱覆蓋層12的圓周面上且在以后成為多孔體層4的區(qū)域上曲面絲網(wǎng)印刷在氧化鋁等的陶瓷材料中添加了例如碳、聚酰胺、聚醚砜和苯酚樹脂等構(gòu)成的有機物的膜20。然后，在上述膜20的外周面上，曲面絲網(wǎng)印刷由鉑等構(gòu)成的導(dǎo)電性漿料，一體地形成內(nèi)側(cè)電極5和引線部5a。然后，在加熱覆蓋層12、內(nèi)側(cè)電極5和有機膜20的外周面上曲面絲網(wǎng)印刷例如由氧化鋯和氧化釔構(gòu)成的漿狀物，形成氧離子傳導(dǎo)性的固體電解質(zhì)層3。
然后，在固體電解質(zhì)層3的外周面上，曲面絲網(wǎng)印刷例如氧化鋁等的陶瓷材料形成具有電極用窗部6a的內(nèi)側(cè)致密層6。然后在內(nèi)側(cè)致密層6的外周面上曲面絲網(wǎng)印刷由鉑等構(gòu)成的導(dǎo)電性漿料，一體地形成外側(cè)電極7和引線部7a。在該曲面絲網(wǎng)印刷時導(dǎo)電性漿料進(jìn)入內(nèi)側(cè)致密層6的電極用窗部6a，在從電極用窗部6a露出的固體電解質(zhì)層3的外表面上形成外側(cè)電極7。雖然在內(nèi)側(cè)致密層6的外表面和固體電解質(zhì)層3的外表面上連續(xù)形成外側(cè)電極7，但在固體電解質(zhì)層3的外表面上形成的部分是作為電極的有效部分。
然后，在外側(cè)電極7和固體電解質(zhì)層3的外周面上曲面絲網(wǎng)印刷例如氧化鋁等的陶瓷材料，形成具有氧導(dǎo)入窗部8a的外側(cè)致密層8。該氧導(dǎo)入窗部8a在與內(nèi)側(cè)致密層6的電極用窗部6a相同的位置上形成。然后，在外側(cè)致密層8的外周面和從氧導(dǎo)入窗部8a露出的外側(cè)電極7的外周圍上曲面絲網(wǎng)印刷例如由氧化鋁和氧化鎂構(gòu)成的漿狀物，形成保護層9。至此，曲面絲網(wǎng)印刷工序結(jié)輸出電壓。
然后，通過對結(jié)輸出電壓了曲面絲網(wǎng)印刷等的圓柱產(chǎn)品在高溫下燒制而被燒結(jié)一體。通過該燒制工序，膜20消散，在其部分上形成由連續(xù)氣泡的空孔構(gòu)成的多孔體層4。由此，氧濃度檢測元件1的制造結(jié)輸出電壓。把完成了的氧濃度檢測元件1組裝到未圖示的氧傳感器中。
下面，說明氧濃度檢測元件1的氧濃度的檢測動作。例如，在發(fā)動機的排氣管內(nèi)設(shè)置氧傳感器的場合，設(shè)置成測定氣體即排出氣體通過氧濃度檢測元件1的外周面，把大氣導(dǎo)入。于是，如果對加熱圖形11通電，把整個氧濃度檢測元件1加熱到預(yù)定狀態(tài)，固體電解質(zhì)層3被活性化。由此成為可檢測狀態(tài)。
如果排出氣體排出到排氣管內(nèi)，排出氣體中的氧通過保護層9和外側(cè)電極7導(dǎo)入固體電解質(zhì)層3，大氣中的氧存入內(nèi)側(cè)電極5的周圍。如現(xiàn)有例中說明的那樣，如果在固體電解質(zhì)層3的內(nèi)外表面上氧濃度不同，通過把氧離子輸送到固體電解質(zhì)層102內(nèi)，與氧濃度差相應(yīng)地在內(nèi)側(cè)電極5和外側(cè)電極7之間產(chǎn)生電動勢E。因此，從內(nèi)側(cè)電極5和外側(cè)電極7之間得到與氧濃度差相應(yīng)的輸出電壓(V＝E-R×I)。
在此，用內(nèi)側(cè)致密層6覆蓋固體電解質(zhì)層3的端部附近，在固體電解質(zhì)層3的端部以外形成外側(cè)電極7。因此，由于現(xiàn)有例那樣的排出氣體的富氣體(成分)從外側(cè)電極7經(jīng)固體電解質(zhì)層3的燒結(jié)不充分的部位到達(dá)內(nèi)側(cè)電極5的侵入路徑不能形成，排出氣體中的富氣體(成分)不能通過外側(cè)電極7、固體電解質(zhì)層3侵入內(nèi)側(cè)電極5。由此，氧濃度檢測元件1具有用圖5的實線表示的輸出電壓(V)相對于空燃比(A/F)的特性，在富狀態(tài)下獲得穩(wěn)定的輸出。
另外，在上述實施方式中，由于電極用窗部6a的面積設(shè)定成比內(nèi)側(cè)電極5的面積小，利用內(nèi)側(cè)致密層6的電極用窗部6a把外側(cè)電極7的有效面積限定在比內(nèi)側(cè)電極5的面積小的范圍內(nèi)。因此，即使在印刷時掩模位置有一些偏離，內(nèi)側(cè)電極5和外側(cè)電極7的重疊面積也總是保持為恒定，抑制了固體電解質(zhì)層3的內(nèi)部電阻的偏差。由此，所有的氧濃度檢測元件1具有用圖6的實線表示的輸出電壓(V)相對于空燃比(A/F)的特性，得到輸出特性幾乎無偏差的穩(wěn)定的輸出。
另外，本發(fā)明還可以具體化為下面的其它實施方式。在下面的其它實施方式中可得到與上述實施方式相同的作用和效果。
(1)在上述實施方式中，內(nèi)側(cè)致密層6的電極用窗部6a的形狀是方形形狀，但電極用窗部6a也可以是圓形、橢圓形、三角形、五角形以上的多角形等的形狀。
(2)在上述實施方式中，基體部件2具有圓柱形狀，但即使是圓柱形以外的形狀，例如外表面是平坦形狀也能同樣地適用本發(fā)明。
而且，從對上述實施方式的把握可得出以下的權(quán)利要求書中未包含的技術(shù)方案及其效果。
(1)在權(quán)利要求1所述的氧濃度檢測元件中，其特征在于，上述基體部件形成為實心圓柱的桿狀。
通過這樣地構(gòu)成，可以不受氧濃度檢測元件安裝時的方向和氣體的流動方向等的影響地、以穩(wěn)定的精度檢測氧濃度。
權(quán)利要求
1.一種氧濃度檢測元件，其特征在于包括外表面?zhèn)扔山^緣性材料形成的基體部件；在該基體部件的外表面?zhèn)壬闲纬傻难蹼x子傳導(dǎo)性的固體電解質(zhì)層；在該固體電解質(zhì)層的內(nèi)表面和上述基體部件的外表面之間設(shè)置的、用來使氧流通且由多孔質(zhì)材料形成的多孔體層；在上述固體電解質(zhì)層的內(nèi)表面上形成的內(nèi)側(cè)電極；在上述固體電解質(zhì)層的外表面上由阻止氧通過的材料形成且具有電極用窗部的內(nèi)側(cè)致密層；在該內(nèi)側(cè)致密層的外表面和從上述電極用窗部露出的上述固體電解質(zhì)層的外表面上形成的外側(cè)電極；在該外側(cè)電極的外表面上由防止氧通過的材料形成且在與上述電極用窗部相同的位置上具有氧導(dǎo)入窗部的外側(cè)致密層。
2.如權(quán)利要求1所述的氧濃度檢測元件，其特征在于上述電極用窗部的面積設(shè)定成比上述內(nèi)側(cè)電極的面積小。
全文摘要
提供一種氧濃度檢測元件，可以阻止測定氣體通過固體電解質(zhì)層，在富狀態(tài)下得到穩(wěn)定的輸出。該氧濃度檢測元件(1)包括其外表面?zhèn)扔山^緣性材料形成的基體部件(2)；在該基體部件(2)的外表面?zhèn)刃纬傻难蹼x子傳導(dǎo)性的固體電解質(zhì)層(3)；與多孔體層(4)相鄰且在該固體電解質(zhì)層(3)的內(nèi)表面和基體部件(2)的外表面之間設(shè)置的由多孔質(zhì)材料形成的多孔體層(4)；在固體電解質(zhì)層(3)的內(nèi)表面上形成的內(nèi)側(cè)電極(5)；在固體電解質(zhì)層(3)的外表面上由阻止氧通過的材料形成且具有電極用窗部(6a)的內(nèi)側(cè)致密層(6)；在該內(nèi)側(cè)致密層(6)的外表面和從電極用窗部(6a)露出的固體電解質(zhì)層(3)的外表面上形成的外側(cè)電極(7)；在該外側(cè)電極(7)的外表面上由阻止氧通過的材料形成且在與電極用窗部(6a)相同的位置上具有氧導(dǎo)入窗部(8a)的外側(cè)致密層(8)。
文檔編號G01N27/409GK1573327SQ20041004536
公開日2005年2月2日 申請日期2004年5月21日 優(yōu)先權(quán)日2003年5月23日
發(fā)明者堺祥一, 一柳太 申請人:日立優(yōu)喜雅汽車配件有限公司