(57)【要約】【課題】  ヒータ部からの漏れ電流が原因で発生するノイズを除去することのできる酸素濃度検出素子を提供する。【解決手段】  絶縁性材料によって形成された芯ロッド２と、外部からの通電によって発熱するヒータパターン３と、ヒータパターン３からの熱によって活性化される固体電解質層５と、固体電解質層５の外面に形成された検出電極７と、検出電極７に対向して固体電界質層５の内側に形成された参照電極６と、芯ロッド２と検出部１４との間に形成された検出部側ガードリング電極１２と、芯ロッド２とヒータパターン３との間に形成されたヒータ側ガードリング電極１３とを備えており、ヒータパターン３から流れ出た漏れ電流をガードリング電極１２、１３に流れ込むようにしたことを特徴とする。【選択図】      図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
絶縁性材料によって形成された基体と、該基体と同一面上に設けられ、外部からの通電によって発熱するヒータ部と、該ヒータ部とは別の位置に設けられ、前記ヒータ部からの熱によって活性化される固体電解質層と、該固体電解質層を挟んで第１・第２の電極を備える検出部とを形成してなる酸素濃度検出素子であって、
前記基体の外面と前記ヒータ部との間、及び／または前記基体の外面と前記検出部との間に第３の電極を設け、該第３の電極がヒータ側のＧＮＤに接続されていることを特徴とする酸素濃度検出素子。
【請求項２】
前記基体は、ロッド状に形成されることを特徴とする請求項１に記載の酸素濃度検出素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、例えば排気ガス中の酸素濃度を検出するための酸素センサに用いられる酸素濃度検出素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から一般に自動車用エンジン等では、排気管の途中に酸素センサを配置し、その酸素センサで排気ガス中に含まれる酸素濃度を検出していた。そして、検出した酸素濃度に基づいて燃料と空気との混合比率である空燃比Ａ／Ｆを所定の理論空燃比（Ａ／Ｆ＝１４．７）とするように吸引空気量をフィードバック制御している。
【０００３】
このような酸素センサに使用される従来の酸素濃度検出素子として、図５に示すようなものが知られている（例えば、特許文献１参照。）。図５に示すように、この酸素濃度検出素子１００は、加熱フィルム１０１と、加熱ミアンダ１０２と、その周りを取り囲む絶縁層１０３、１０４と、参照通路フィルム１０５で囲まれた参照ガス通路１０６と、参照ガス通路１０６に設けられた参照電極１０７と、固体電解質体から成るネルンストフィルム１０８と、保護層１０９によって保護されている測定電極１１０とを備えている。
【０００４】
次に、上述した酸素濃度検出素子１００による酸素濃度の検出動作を説明する。まず、加熱ミアンダ１０２と絶縁層１０３、１０４とから成るヒータにより加熱が行われると、固体電解質体から成るネルンストフィルム１０８が活性化される。ここで、排気ガスなどの測定対象となるガス中の酸素は保護層１０９を透過し、測定電極１１０を通過してネルンストフィルム１０８の上面に導入される。一方、基準となる大気ガス中の酸素は参照ガス通路１０６を通して参照電極１０７に到達する。
【０００５】
このとき、ネルンストフィルム１０８の上面と下面において酸素濃度に差があると、酸素イオンがネルンストフィルム１０８を輸送されることによって、酸素濃度差に応じて参照電極１０７と測定電極１１０との間に起電力が発生し、酸素濃度差に応じた出力電圧が得られる。
【特許文献１】特開２０００−１８０４０３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、上述した特許文献１に開示された従来例では、ヒータからの漏れ電流により出力電圧にノイズが発生してしまうという問題点があった。これは、ヒータに電流を流して加熱が行われると、素子の温度が上昇するのに伴って絶縁抵抗が低下し、これによりヒータに流された電流の一部がヒータから流れ出て漏れ電流となり、検出部の電極に流れ込んでノイズを発生させていた。
【０００７】
この発明は、このような従来の課題を解決するためになされたものであり、その目的とするところは、ヒータと検出部との間に電極を設けることによって、ヒータからの電流が検出部の電極に流れ込むことを防止してノイズの発生を防ぐことのできる酸素濃度検出素子を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記目的を達成するために、請求項１に記載の発明では、ヒータ部と検出部との間に第３の電極を設けてヒータ側のＧＮＤに接続した構成であり、これにより、ヒータ部からの漏れ電流が検出部の電極に流れ込むことを防止することができ、出力電圧に発生するノイズを除去することが可能になる。
【０００９】
また、請求項２に記載の発明では、基体をロッド状に形成したことで、ガスの流れ方向等に影響されることを防止することができる。したがって、安定した出力特性を得ることが可能になる。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、ヒータ部からの漏れ電流が検出部の電極に流れ込むことを防止することができ、出力電圧に発生するノイズを除去することが可能になる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。図１は、本発明に係る酸素濃度検出素子の一実施形態の構成を示す図である。図１（ａ）は本実施形態の酸素濃度検出素子１の外観を示す図である。同図に示すように、酸素濃度検出素子１はロッド状に形成されている。この酸素濃度検出素子１のＡ−Ａ断面図を図１（ｂ）に示す。
【００１２】
図１（ｂ）に示すように、酸素濃度検出素子１は、基体となる芯ロッド２と、この芯ロッド２の円周面（外面）２ａに形成されたヒータ部となるヒータパターン３と、このヒータパターン３の外周面の全域を覆うヒータ絶縁層４と、芯ロッド２の円周面２ａ上でヒータパターン３の反対側の位置に形成された酸素イオン伝導性の固体電解質層５と、この固体電解質層５の内面に形成された第１の電極となる参照電極６と、固体電解質層５の外面に形成された第２の電極となる検出電極７と、参照電極６の内面と芯ロッド２の円周面２ａとの間に設けられた応力緩和層８と、固体電解質層５と検出電極７の外面に形成され、電極用窓部９ａを有する緻密層９と、この緻密層９やヒータ絶縁層４の外面を全体的に覆う印刷保護層１０と、この印刷保護層１０の外面全体の領域を覆うスピネル保護層１１と、芯ロッド２の円周面２ａと応力緩和層８との間に設けられ、第３の電極となる検出部側ガードリング電極１２と、芯ロッド２の円周面２ａとヒータパターン３との間に設けられ、第３の電極となるヒータ側ガードリング電極１３とから構成されている。
【００１３】
芯ロッド２は、絶縁材料であるアルミナ等のセラミック材料により形成されており、中実円柱のロッド状の形状を有している。このようにロッド状に形成することにより、取り付け時の方向やガスの流れ方向等による影響を受けなくすることができる。
【００１４】
ヒータパターン３は、タングステンや白金等の発熱性導体材料により形成されている。このヒータパターン３には、リード線部が一体に延設されていて、このリード線部を通じた外部からの通電で発熱することによって固体電解質層５を昇温して活性化させる。
【００１５】
ヒータ絶縁層４は、絶縁性材料により形成され、ヒータパターン３の電気的絶縁を確保している。
【００１６】
固体電解質層５は、例えばジルコニアの粉体中に所定重量％のイットリアの粉体を混合させたペースト状物によって形成される。そして、固体電解質層５は、参照電極６と検出電極７との間で、周囲の酸素濃度差に応じた起電力を発生させ、その厚さ方向に酸素イオンを輸送する。これにより、固体電界質層５と参照電極６及び検出電極７とによって酸素濃度を電気信号として取り出す検出部１４を形成する。この検出部１４とヒータパターン３とは、芯ロッド２の円周面２ａ上においてそれぞれ径方向の対向位置に設けられている。
【００１７】
参照電極６及び検出電極７は、それぞれ白金等からなる導電性で、且つ酸素が透過できる材料により形成されている。そして、参照電極６及び検出電極７にはそれぞれリード線部が一体的に延設されており、このリード線部によって参照電極６と検出電極７との間に現れた出力電圧を検出できるようになっている。
【００１８】
応力緩和層８は、ジルコニアとアルミニウムの混合材料により形成されている。そして、応力緩和層８は固体電解質層５の焼結時における固体電解質層５と芯ロッド２との間の応力差を緩和すると共に、固体電界質層５を通じて参照電極６へ輸送されてくる酸素を図示しない経路によって逃散させるガス逃散路を構成している。
【００１９】
緻密層９は、測定ガス中の酸素が内面側に透過できない材料、例えばアルミナ等のセラミック材料により形成されている。緻密層９は、固体電解質層５の外面を覆っており、電極用窓部９ａからは検出電極７が露出している。これにより、測定ガス中の酸素が電極用窓部９ａのみから検出電極７に入り込むことができるようになっている。
【００２０】
印刷保護層１０は、緻密層９の電極用窓部９ａから外部に露出されている検出電極７とともに、緻密層９、ヒータ絶縁層４の外側全面を覆っている。そして、印刷保護層１０は測定ガス中の有毒ガスやダスト等は内面側に通過させないが、測定ガス中の酸素は通過させることのできる材質、例えばアルミナと酸化マグネシウムの混合物のような多孔質構造体によって形成されている。
【００２１】
スピネル保護層１１は、素子の外側全面を覆っており、測定ガス中の酸素を通過させることができ、印刷保護層１０よりも粗い多孔質体によって形成されている。
【００２２】
検出部側ガードリング電極１２は、白金等からなる導電性材料により形成され、芯ロッド２の円周面２ａと検出部１４との間に設けられている。同様に、ヒータ側ガードリング電極１３は、白金等からなる導電性材料により形成され、芯ロッド２の円周面２ａとヒータパターン３との間に設けられている。
【００２３】
そして、検出部側及びヒータ側ガードリング電極１２、１３は、ヒータパターン３のグランド（ＧＮＤ）に接続されており、ヒータパターン３からの漏れ電流があると、その漏れ電流をグランドに逃がすようにしている。これにより、漏れ電流が原因で発生するセンサ出力のノイズを除去することが可能になる。
【００２４】
次に、本発明に係る酸素濃度検出素子１による酸素濃度の検出動作を説明する。例えば、エンジンの排気管内に設置される酸素センサの場合には、測定ガスである排気ガスが酸素濃度検出素子１の外周面を通過して導入され、基準となる大気が応力緩和層８を介して導入されるように設置される。そして、ヒータパターン３に通電して酸素濃度検出素子１全体が所定状態に加熱されると、固体電解質層５が活性化され、これにより検出可能状態となる。
【００２５】
このとき、ヒータパターン３の加熱により芯ロッド２が温度上昇し、それに伴って芯ロッド２の絶縁抵抗が低下してヒータパターン３に流された電流が漏れ電流となって流れ出すが、この漏れ電流は検出部側及びヒータ側ガードリング電極１２、１３に流れ込んでグランドに逃がされるので、検出部１４に到達することはない。これにより、漏れ電流が検出部１４の出力電圧にノイズとして現れることを防止している。
【００２６】
そして、この状態において排気ガスが排気管内に排出されると、排気ガス中の酸素はスピネル保護層１１、印刷保護層１０及び検出電極７を通過して固体電界質層５に導入される。一方、大気中の酸素は応力緩和層８を介して導入され、参照電極６の周囲に溜め込まれる。
【００２７】
そして、固体電解質層５の内外面で酸素濃度に差が発生すると、酸素イオンが固体電解質層５内を輸送されることによって酸素濃度差に応じた起電力が参照電極６と検出電極７との間に発生し、出力電圧が得られる。
【００２８】
次に、本発明に係る酸素濃度検出素子１の製造方法を図２のフローチャートと図３に基づいて説明する。図３は酸素濃度検出素子１を各層に分解した図である。
【００２９】
まず、アルミナ等のセラミック材料を射出成型して中実円柱の芯ロッド２を製造する（Ｓ２０１）。この芯ロッド２を回転させつつ、白金等からなる導電性ペーストを曲面スクリーン印刷してヒータ側ガードリング電極１３を形成する（Ｓ２０２）。そして、このヒータ側ガードリング電極１３上で芯ロッド２の円周面２ａの略半分領域に、例えば白金またはタングステン等の発熱性材料を曲面スクリーン印刷してヒータパターン３とリード線部３ａとを形成する（Ｓ２０３）。さらに、このヒータパターン３とリード線部３ａ上に、アルミナ等を曲面スクリーン印刷してヒータ絶縁層４を形成する（Ｓ２０４）。
【００３０】
次に、芯ロッド２の円周面２ａ上で、ヒータパターン３の領域と反対の半分領域に曲面スクリーン印刷によって検出部側ガードリング電極１２を形成し（Ｓ２０５）、その上に曲面スクリーン印刷によって応力緩和層８を形成する（Ｓ２０６）。さらに、この応力緩和層８の上に白金等からなる導電性ペーストを曲面スクリーン印刷して参照電極６及びそのリード線部６ａを一体に形成する（Ｓ２０７）。
【００３１】
そして、参照電極６及び応力緩和層８等の上面に、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曲面スクリーン印刷して酸素イオン伝導性の固体電界質層５を形成する（Ｓ２０８）。
【００３２】
次に、固体電界質層５の上面等に、白金等からなる導電性ペーストを曲面スクリーン印刷して検出電極７及びそのリード線部７ａを一体に形成し（Ｓ２０９）、形成した検出電極７及び固体電界質層５の上面に、例えばアルミナ等のセラミック材料を曲面スクリーン印刷して電極用窓部９ａを有する緻密層９を形成する（Ｓ２１０）。緻密層９の電極用窓部９ａからは検出電極７の中央部分が露出され、この露出された検出電極７の部分が電極としての有効部分となる。
【００３３】
次に、芯ロッド２の円周面２ａ上の全領域に亘って、例えばアルミナと酸化マグネシウムからなるペースト状物を曲面スクリーン印刷して印刷保護層１０を形成する（Ｓ２１１）。同様にして、芯ロッド２の円周面２ａ上の全領域に亘ってスピネル保護層１１を形成する（Ｓ２１２）。これで、曲面スクリーン印刷工程を終了する。
【００３４】
次に、曲面スクリーン印刷等を終えた円柱状作成物を高熱で焼成することにより一体的に焼結させる。これにより酸素濃度検出素子１の製造が完了し、完成した酸素濃度検出素子１は図４に示すように酸素センサ２０に組み込まれる。
【００３５】
このように、本実施形態に係る酸素濃度検出素子１では、ヒータパターン３と検出部１４との間にガードリング電極１２、１３を設けてヒータパターン３のグランド（ＧＮＤ）に接続したので、ヒータパターン３からの漏れ電流が検出部１４の電極に流れ込むことを防止することができ、これにより出力電圧に発生するノイズを除去することが可能になる。
【００３６】
また、本実施形態に係る酸素濃度検出素子１では、基体としての芯ロッド２をロッド状に形成したので、ガスの流れ方向等に影響されることを防止することができる。したがって、安定した出力特性を得ることが可能になる。
【００３７】
以上、本発明の酸素濃度検出素子を図示の実施形態に基づいて説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、各部の構成は同様の機能を有する任意の構成のものに置き換えることが可能である。
【００３８】
例えば、上述した実施形態では、緻密層９の電極用窓部９ａの形状を方形状としたが、電極用窓部９ａを円形状、楕円形状、三角形状などその他の形状にしてもよい。
【００３９】
また、上述した実施形態では、円柱形状の芯ロッド２によって形成されているが、円柱形状以外の形状、例えば外面がフラットな形状であっても本発明は同様に適用することが可能である。
【００４０】
さらに、上述した実施形態では、検出部側ガードリング電極１２とヒータ側ガードリング電極１３の両方を形成した場合について説明したが、いずれか一方のガードリング電極だけを形成するようにしてもよい。
【産業上の利用可能性】
【００４１】
本発明の酸素濃度検出素子は、排気ガス中の酸素濃度を検出するための酸素センサに用いられ、ヒータ部からの漏れ電流によるノイズを除去するための技術として極めて有用である。
【図面の簡単な説明】
【００４２】
【図１】（ａ）は本発明の実施の形態に係る酸素濃度検出素子の側面図、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ断面図である。
【図２】本発明の酸素濃度検出素子の製造方法を説明するためのフローチャートである。
【図３】本発明の酸素濃度検出素子を各層に分解した図である。
【図４】本発明の酸素濃度検出素子を適用した酸素センサの一例を示す断面図である。
【図５】従来の酸素濃度検出素子の構成を示す断面図である。
【符号の説明】
【００４３】
１、１００  酸素濃度検出素子
２  芯ロッド
２ａ  円周面（外面）
３  ヒータパターン
３ａ、６ａ、７ａ  リード線部
４  ヒータ絶縁層
５  固体電解質層
６  参照電極
７  検出電極
８  応力緩和層
９  緻密層
９ａ  電極用窓部
１０  印刷保護層
１１  スピネル保護層
１２  検出部側ガードリング電極
１３  ヒータ側ガードリング電極
１４  検出部
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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