(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数枚の酸素イオン導電性の固体電解質基板を積層するか，または少なくとも１枚の上記固体電解質基板と絶縁性基板とを組合わせて積層することにより構成した積層型空燃比センサにおいて，
上記各基板の間に形成される界面の中で少なくとも１つの界面には厚さ１０〜１００μｍの異種層が設けてあり，
上記異種層の焼結粒子径は，上記固体電解質基板及び上記絶縁性基板の焼結粒子径よりも大きいことを特徴とする積層型空燃比センサ。
【請求項２】
請求項１において，上記異種層は，上記固体電解質基板及び上記絶縁性基板よりも気孔率が大きいことを特徴とする積層型空燃比センサ。
【請求項３】
請求項１または２において，上記異種層はアルミナ，スピネル，ステアタイトより選ばれる一種以上よりなることを特徴とする積層型空燃比センサ。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれか一項において，上記異種層は上記固体電解質基板と上記絶縁性基板との間に形成される界面に設けてあることを特徴とする積層型空燃比センサ。
【請求項５】
請求項１〜４のいずれか一項において，積層型ヒータが一体的に設けてあることを特徴とする積層型空燃比センサ。
【請求項６】
請求項１〜５のいずれか一項において，上記異種層はすべての上記界面に設けてあることを特徴とする積層型空燃比センサ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【技術分野】
本発明は，内燃機関における空燃比制御等に使用するための積層型空燃比センサに関する。
【０００２】
【従来技術】
車両の内燃機関において空燃比が適当でない場合には，エネルギー（燃料）の損失となると共に大気汚染の原因となる。そのため，積層型空燃比センサを用いて内燃機関の空燃比制御を行っている。
この場合に使用する積層型空燃比センサとして，例えば，図１３，図１４に示すような積層型の積層型空燃比センサが提案されている（特開平２−６２９５５号）。
【０００３】
図１３に示すごとく，上記積層型空燃比センサ９は，固体電解質基板９１，９３と遮蔽板９４と絶縁性スペーサ９２とを組合わせて積層することにより構成されている。
【０００４】
図１４に示すごとく，上記積層型空燃比センサ９にはポンプセル９１９とセンサセル９３９とが被測定ガス室９２０を挟んで設けてある。また，センサセル９３９と遮蔽板９４とによって基準ガス室９４０が形成されている。また，上記固体電解質基板９１，９３及び遮蔽板９４はジルコニアよりなり，上記絶縁性スペーサ９２はアルミナよりなる。
【０００５】
上記ポンプセル９１９は，上記固体電解質基板９１とその両面に設けられた一対の多孔質な電極９１１，９１２より構成され，また上記センサセル９３９は上記固体電解質基板９３とその両面に設けられた一対の電極９３１，９３２より構成されている。また，上記被測定ガス室９２０に対する被測定ガスの導入は被測定ガス拡散導入部９２１を介して行う。
なお，符号９００は上記多孔質な電極９１１の保護層である。
【０００６】
上記積層型空燃比センサ９において，上記ポンプセル９１９は被測定ガス室９２０に対して酸素ガスの導入・排出を行って，該被測定ガス室９２０の酸素濃度を一定値にコントロールする。
そして，上記センサセル９３９において，被測定ガス室９２０中の空燃比を検出する。
上記センサセル９３９により被測定ガス室９２０の酸素濃度をコンパレータの設定値と比較し，被測定ガス室９２０の濃度が常に一定になるようポンプセル９１９に電圧を印加して酸素ガスの導入・排出を行う。その時，流れた電流値は排ガス中の空燃比に比例することから空燃比を検出することができる。
【０００７】
また，上記積層型空燃比センサ９は活性温度に加熱されなければ正確な空燃比を検出することができない。このため，上記積層型空燃比センサ９には別途ヒータを設け，該ヒータによって常時積層型空燃比センサ９を活性温度に保持して使用する。
【０００８】
【解決しようとする課題】
しかしながら，上記従来積層型空燃比センサには以下に示す問題がある。
車両用内燃機関から排出される排ガス及びこれに含まれる有害物質に関して，西暦２０００年に米国加州にて展開されるＵＬＥＶ規制に対応するためには，上記積層型空燃比センサが超早期活性という性能を有することが望まれる。
【０００９】
上記超早期活性とは，内燃機関の始動直後，例えば５秒以内で積層型空燃比センサが活性温度に到達できるような性能を有すること示している。このような積層型空燃比センサを用いることにより，内燃機関の始動直後より空燃比制御を行うことが可能となり，よって排ガス中の有害物質を内燃機関の始動直後より減少させることができる。
【００１０】
しかし，上述した従来技術による積層型空燃比センサにおいてはヒータは別体として設けてあるため，この点でヒータの伝熱効率が劣っている。
よって，上記積層型空燃比センサが内燃機関始動より５秒以内で活性温度に到達するようヒータに通電した場合には，ヒータの温度がかなり高くなる。このため，積層型空燃比センサに熱衝撃による割れが生じてしまうおそれがある。
【００１１】
上記熱衝撃を緩和するため，上記積層型空燃比センサの薄化を図ることも考えられる。この場合には積層型空燃比センサの熱容量が減少し，積層型空燃比センサ自体の伝熱効率が高まるが，機械的な強度が弱くなる。
このため，例えば積層型空燃比センサに対するヒータの組付け，内燃機関への装着，組付け，また内燃機関駆動時に発生する振動等によって，積層型空燃比センサが破損するおそれがある。
【００１２】
上記問題を鑑みて，図１５に示すごとく，上記積層型空燃比センサ９にスペーサである絶縁性基板９９０を介して積層型ヒータ９９を一体的に配置し，ヒータの伝熱効率を高めることが提案されている。
【００１３】
しかしながら，この積層型ヒータ９９によって加熱可能な積層型空燃比センサの体格には限界があり，これを越えた体格を有する積層型空燃比センサを超早期活性に対応するよう加熱することはできない。このため，ヒータの発熱温度を高めれば積層型空燃比センサに熱衝撃に伴う割れが生じ，熱衝撃を緩和するために積層型空燃比センサの薄化を図れば，機械的強度が低下するという問題がある。
【００１４】
本発明は，かかる問題点に鑑み，速熱性に優れ，熱衝撃による割れが生じ難い積層型空燃比センサを提供しようとするものである。
【００１５】
【課題の解決手段】
請求項１の発明は，複数枚の酸素イオン導電性の固体電解質基板を積層するか，または少なくとも１枚の上記固体電解質基板と絶縁性基板とを組合わせて積層することにより構成した積層型空燃比センサにおいて，
上記各基板の間に形成される界面の中で少なくとも１つの界面には厚さ１０〜１００μｍの異種層が設けてあり，
上記異種層の焼結粒子径は，上記固体電解質基板及び上記絶縁性基板の焼結粒子径よりも大きいことを特徴とする積層型空燃比センサにある。
【００１６】
上記異種層の厚みが１０μｍ未満である場合には，本発明の効果を得ることができなくなるおそれがある。一方，上記異種層の厚みが１００μｍより大である場合には，該異種層自体がバルク体としての振舞いを示すようになり，熱衝撃による割れを防止できなくなるおそれがある。また，上記異種層の厚みの分だけ積層型空燃比センサの厚みが増大し，体格が大きくなり，速熱性が低下するおそれがある。
【００１７】
なお，上記異種層はすべての界面に設けることが最も好ましいが，少なくとも一つの界面に設けることで本発明にかかる効果を得ることができる。
【００１８】
また，より速熱性に優れた空燃比センサとするために，積層型ヒータを該空燃比センサと一体となるように設けることが好ましい。
【００１９】
本発明の作用につき，以下に説明する。
本発明においては，上記各基板の間に形成される界面の中で少なくとも１つの界面には厚さ１０〜１００μｍの異種層を設ける。
この異種層を設けた積層体に熱衝撃や振動等による応力が発生した場合，これらの層の存在により応力の枝別れや緩和が生じ，破壊エネルギーが増大して破壊強度を向上させることができる。
これにより，積層型空燃比センサの割れを防止することができる。
【００２０】
このように本発明にかかる積層型空燃比センサは熱衝撃による割れが生じ難いため，積層型空燃比センサを活性温度に加熱するためのヒータをより高い温度とすることができる。このため，より速熱性に優れた積層型空燃比センサを得ることができる。
【００２１】
以上のように，本発明によれば，速熱性に優れ，熱衝撃による割れが生じ難い積層型空燃比センサを提供することができる。
【００２２】
なお，本発明にかかる積層型空燃比センサの具体的な構造としては，後述する各実施形態例に示すごとき各種の構造を挙げることができる。
一例としては，固体電解質基板とその両面に設けられた一対の電極，同じく固体電解質基板に設けられた電極出力取出用の端子，リード部等を有しており，更には上記電極と対面する位置に形成された被測定ガス室，基準ガス室等を有している。また，上記一対の電極を複数組有する構造も知られている（実施形態例１参照）。
【００２３】
次に，請求項２の発明のように，上記異種層は，上記固体電解質基板及び上記絶縁性基板よりも気孔率が大きいことが好ましい。
上記気孔率の大きい異種層の存在により，微小な主クラックに対し，枝別れや緩和が生じる。結果として積層型空燃比センサの破壊エネルギーを増大することにより破壊強度が向上するという効果を得ることができる。
【００２４】
また，上記異種層の焼結粒子径は，上記固体電解質基板及び上記絶縁性基板の焼結粒子径よりも大きい。
大きな焼結粒子径を有する異種層の存在により，微小な主クラックに対し，その進行方向が大きく分岐され，マクロ的には大きく屈曲する。その結果として積層型空燃比センサの破壊エネルギーを増大させることとなり，破壊強度が向上するという効果を得ることができる。
【００２５】
次に，請求項３の発明のように，上記異種層はアルミナ，スピネル，ステアタイトより選ばれる一種以上よりなることが好ましい。
これらの材料は絶縁性材料としての物性を有するもので，絶縁基板材料となり得るし，また，固体電解質の熱膨張係数と比較的近く熱膨張差に基づく応力割れを生じ難いという効果を得ることができる。
【００２６】
また，ジルコニア系の固体電解質基板よりなる積層型空燃比センサにおいては，絶縁性と熱膨張率という観点よりアルミナよりなる異種層を設けることが特に好ましい。これにより，焼成後の熱履歴により発生する熱膨張率に基づく発生応力を小さくすることができ，積層型空燃比センサにおける割れを防止することができる。
【００２７】
次に，請求項４の発明のように，上記異種層は上記固体電解質基板と上記絶縁性基板との間に形成される界面に設けてあることが好ましい。
この場合にも，上述と同様，応力並びに応力により生じた微小クラックが枝別れや緩和が生じ，破壊エネルギーを増大させることにより破壊強度を向上させることができる。
【００２８】
【発明の実施の形態】
実施形態例１
本発明の実施形態例にかかる積層型空燃比センサにつき，図１〜図８を用いて説明する。
図１に示すごとく，本例の積層型空燃比センサ１は，５枚の酸素イオン導電性の固体電解質基板１１〜１５を積層することにより構成してある。上記各基板１１〜１５の間に形成される界面には厚さ５０μｍの異種層１０が設けてある。
【００２９】
そして，上記異種層１０の焼結粒子径は平均して３〜４μｍであり，上記固体電解質基板１１〜１５の焼結粒子径は平均して２〜３μｍである。また，上記固体電解質基板１１〜１５はイットリア部分安定化ジルコニアよりなり，上記異種層はα−アルミナよりなる。
【００３０】
以下，積層型空燃比センサ１について詳細に説明する。
本例にかかる積層型空燃比センサ１は，ポンプセルとセンサセルとを有する構造である。また，積層型ヒータが一体的に設けてある。
そして，上記異種層は各基板１１〜１５の各界面にそれぞれ設けてある。
【００３１】
図１〜図３に示すごとく，上記固体電解質基板１１はポンプセルが形成されたポンプセル基板である。その両面に電極１１１，１１２が設けてあり，該電極１１１，１１２の中央にはピンホール状の被測定ガス導入路１１０が設けてある。
【００３２】
上記固体電解質基板１２は被測定ガス室１２０が形成される被測定ガス室形成用基板となる。上記固体電解質基板１２と固体電解質基板１１，１３とによって被測定ガス室１２０が形成される。
上記固体電解質基板１３はセンサセルが形成されるセンサセル基板である。その両面に電極１３１，１３２が設けてある。
【００３３】
上記固体電解質基板１４は基準ガス室１４０が形成される基準ガス室形成用基板となる。上記固体電解質基板１４と上記固体電解質基板１３，１５により基準ガス室１４０が形成される。
【００３４】
上記固体電解質基板１５はヒータ基板となる。上記固体電解質基板１５の表面には絶縁性ペーストを介して発熱体１５０が設けてある。
なお，図３において，符号１１７，１１８，１３７，１３８は電極と該電極の出力を取り出す出力端子とを導通させるリード部である。また，図１における符号１１９は出力端子である。
【００３５】
次に，上記積層型空燃比センサ１の作成手順について説明する。
まず，固体電解質基板用のグリーンシートの製造について説明する。
６モル％のイットリアと９４モル％ジルコニアよりなる平均粒径０．５μｍのイットリア部分安定化ジルコニアを１００部（重量部以下同じ），α−アルミナを１部，ＰＶＢ（ポリビニルブチラール）を５部，ＤＢＰ（ディブチルフタレート）を１０部，エタノールを１０部，トルエンを１０部秤量した。
【００３６】
上記各物質をボールミル中にて混合してスラリーを形成した。
上記スラリーをドクターブレード法にて，乾燥厚みが０．３ｍｍとなるシート成形体を作製した。次いで，上記シート成形体を５×７０ｍｍの長方形に切断した。このような長方形状のシート成形体を５枚作製した。
【００３７】
次に，一枚のシート成形体に対し，白金ペーストを用いて，スクリーン印刷により電極用の印刷部を作製した。これがセンサセル基板となる。
また，同様に一枚のシート成形体に対し，白金ペーストよりなる電極用の印刷部を形成した。更に，上記印刷部の中央に直径０．５ｍｍのピンホールを形成した。これがポンプセル基板となる。
なお，上記二枚のシートには電極の出力を外部に取り出すための端子部，また端子部と電極とを導通させるためのリード部となる印刷部を設ける。
【００３８】
また，一枚のシート成形体にはアルミナ絶縁ペースト印刷後，白金９０ｗｔ％とアルミナ１０ｗｔ％よりなる導電性ペーストを用いて，発熱体用の印刷部を形成した。この発熱部は温度２０℃における抵抗値が２．０オームとなるように形成する。これがヒータ基板となる。
【００３９】
また，一枚のシート成形体には被測定ガス室形成用の窓部を，他の一枚のシート成形体には基準ガス室形成用のスリットを設ける。なお，上記スリットの形成により，基準ガス室の形成用のシート成形体はコの字型となる。
【００４０】
次に，上記異種層となるグリーンシートの製造について説明する。
平均粒径０．３μｍのα−アルミナを１００部とバインダーとしてのアクリル樹脂３０部及びトルエンン３０部を加え，３本ロールにて所望の粘度になるまで混練し，圧延ローラに通し，厚さ１００μｍのシート成形体を作製した。
なお，これらのシート成形体についても，固体電解質基板用のシート成形体と同様に，被測定ガス導入路となるピンホール，被測定ガス室となる窓部，基準ガス室となるスリットを設けた。
【００４１】
次に，上記固体電解質基板用のシート成形体，異種層用のシート成形体を，図１〜図３に示すごとく交互に積層し，積層体となす。そして，上記積層体を大気中１５００℃，１時間で焼成した。
以上により本例にかかる積層型空燃比センサを得た。
【００４２】
次に，本例にかかる積層型空燃比センサの性能について説明する。
まず，上述した構造の積層型空燃比センサと比較するため，まず上述した手順と同様の手順にて厚さ０．３５，０．３３，０．２５，０．２１ｍｍの固体電解質用グリーンシート並びに厚さ０μｍ（即ち，異種層を持たない），４０，２００，２８０μｍの異種層グリーンシートを準備し，上述の手順と同様にして，上述した構造の積層型空燃比センサ（厚さ１．４ｍｍ）と厚さが概ね等しくなるよう，積層一体焼成した積層型空燃比センサを得た。
【００４３】
得られた各サンプルの厚みがバラツキにて５０μｍ以内で，また異種層の厚みは破断面のＳＥＭ観察にて測定した。
焼成後の異種層厚みはそれぞれ０，２０，５０，１００，１４０μｍであった。これら５種類の積層型空燃比センサに対し，三点曲げ強度をＪＩＳＢ０６０１に準拠し，測定した。その結果を図４，図５に記載した。
【００４４】
図４によれば，異種層の厚みが１０μｍ〜１００μｍである場合には，三点曲げ強度が２５０ＭＰａより大となり，実用上充分な機械的強度を有することが分かった。また，図５によれば，異種層を持たないものと比較して，１０μｍの異種層を設けた空燃比センサの三点曲げ強度がほぼ１．４倍となることが分かった。なお，上記異種層の厚みが５０μｍ付近である場合に三点曲げ強度が最大となるため，この程度の厚みを持つ異種層が最適である。
【００４５】
また，異種層を持たない積層型空燃比センサと厚さ１０μｍの異種層を持つ積層型空燃比センサについて，所望の温度に保持した乾燥器中にサンプルを３０分間保持した後に水中投下するという方法でスポークリング強度について測定した。上記結果について図６に記載した。
【００４６】
図６によれば，異種層を設けることにより，破壊強度が向上し，熱衝撃温度がアップしたことが分かる。このことはエンジン始動初期に配管等に残っていた凝縮水が積層型酸素センサに当たったときに，優位に作用することを示すものである（つまり積層型酸素センサに割れ等が生じない）。
【００４７】
次に，本例における作用効果につき説明する。
本例においては，上記各基板１１〜１５の間の界面に異種層１０を設ける。
これにより，上記固体電解質基板１１〜１５に対し熱応力または応力に基づく微小なクラックが生じた場合，上記異種層１０において上記応力または微小なクラックの枝別れが生じる。
ここにおいて上記クラックの成長を停止させることができる。これにより積層型空燃比センサ１の割れを防止することができる。
【００４８】
このように本例の積層型空燃比センサ１は熱衝撃による割れが生じ難いため，積層型空燃比センサ１を活性温度に加熱するためのヒータをより高い温度とすることができる。このため，より速熱性に優れた積層型空燃比センサ１を得ることができる。
また，本例の固体電解質基板１１〜１５はイットリア部分安定化ジルコニアよりなり，異種層１０はこれと熱膨張率が近いアルミナよりなる。このため，両者の間に熱膨張率差を起因とした破損も発生し難くなる。
【００４９】
以上のように，本例によれば，速熱性に優れ，熱衝撃による割れが生じ難い積層型空燃比センサを提供することができる。
【００５０】
なお，本例の積層型空燃比センサ１は固体電解質基板１１〜１５のみが積層され，これらの界面に異種層１０を設けた構造を有していた。
図７に示すごとく，３枚の固体電解質基板１１〜１３とアルミナよりなる絶縁性基板２４，２５とを積層し，これらの界面に異種層１０を設けた積層型空燃比センサ１においても同様の作用効果を得ることができる。
また，図８に示すごとく，２枚の固体電解質基板１１，１３と３枚のアルミナよりなる絶縁性基板２２，２４，２５とを積層して作製した積層型空燃比センサにおいても同様である。
【００５１】
実施形態例２
本例は，図９〜図１１に示すごとく，３枚の基板よりなる積層型空燃比センサについて説明するものである。
図９に示すごとく，本例の積層型空燃比センサ３は，固体電解質基板３１とその両面に設けた電極３１１，３１２を有し，該電極３１２と対面するように基準ガス室３２０が設けてある。
【００５２】
上記基準ガス室３２０は固体電解質基板３２に設けたスリットより構成されている。また，上記固体電解質基板３２の下面には絶縁ペースト層を介して発熱部３３０を配置するヒータ基板となる固体電解質基板３３が設けてある。
そして，上記固体電解質基板３１〜３３の間に形成される界面には異種層１０が設けてある。
【００５３】
また，図１０に示すごとく，固体電解質基板３１，３２及び絶縁性基板４３とを積層したもの，図１１に示すごとく固体電解質基板３１及び絶縁性基板４２，４３とを積層したものもある。
その他は実施形態例１と同様である。
また，本例においても実施形態例１と同様の作用効果を得ることができる。
【００５４】
実施形態例３
本例は，図１２に示すごとく，５枚の基板及び２枚の異種層よりなる積層型空燃比センサについて説明するものである。
【００５５】
図１２に示すごとく，本例の積層型空燃比センサ１は，固体電解質基板１１〜１３，絶縁性基板２４，２５を積層した構造であり，異種層１０１は上記固体電解質基板１１と１２との間の界面，異種層１０２は固体電解質基板１３と絶縁性基板２４との間の界面に設けてある。
そして，上記異種層１０１，１０２はアルミナよりなる絶縁性の層である。
その他は実施形態例１と同様である。
【００５６】
本例にかかる積層型空燃比センサ１においては，異種層１０１は熱衝撃による割れを防止するという効果の他に，固体電解質基板１１及び固体電解質基板１２との間を絶縁するという効果を有する。
その他は実施形態例１と同様の作用効果を有する。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施形態例１における，積層型空燃比センサの斜視図。
【図２】実施形態例１における，図１のＡ−Ａ矢視断面説明図。
【図３】実施形態例１における，図１のＢ−Ｂ矢視断面説明図。
【図４】実施形態例１における，異種層の厚みと積層型空燃比センサの三点曲げ強度との関係を示す線図。
【図５】実施形態例１における，異種層の有無と積層型空燃比センサの三点曲げ強度との関係を示す線図。
【図６】実施形態例１における，異種層の有無とスポークリング強度との関係を示す線図。
【図７】実施形態例１における，２枚の絶縁性基板を有する積層型空燃比センサの要部断面説明図。
【図８】実施形態例１における，３枚の絶縁性基板を有する積層型空燃比センサの要部断面説明図。
【図９】実施形態例２における，３枚の固体電解質基板よりなる積層型空燃比センサの要部断面説明図。
【図１０】実施形態例２における，１枚の絶縁性基板を有する積層型空燃比センサの要部断面説明図。
【図１１】実施形態例２における，２枚の絶縁性基板を有する積層型空燃比センサの要部断面説明図。
【図１２】実施形態例３における，異種層を２層だけ設けた積層型空燃比センサの要部断面説明図。
【図１３】従来例にかかる積層型空燃比センサの斜視図。
【図１４】従来例にかかる積層型空燃比センサの断面説明図。
【図１５】従来例にかかる積層型ヒータを一体的に配置した積層型空燃比センサの一部断面説明図。
【符号の説明】
１，３．．．積層型空燃比センサ，
１０，１０１，１０２．．．異種層，
１１〜１５．．．固体電解質基板，
２２，２４，２５．．．絶縁性基板，
【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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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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