JP2000081411A - Oxygen sensor element - Google Patents
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Abstract
Description
【０００１】[0001]
【技術分野】本発明は，例えば内燃機関からの排気ガス
中に含まれる酸素の濃度を検出測定し，上記内燃機関の
空燃比制御のために利用される酸素センサ素子に関す
る。BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to an oxygen sensor element for detecting and measuring the concentration of oxygen contained in, for example, exhaust gas from an internal combustion engine and used for controlling the air-fuel ratio of the internal combustion engine.
【０００２】[0002]
【従来技術】従来，内燃機関からの排気ガス中に含まれ
る酸素ガスの濃度を検出測定し，上記内燃機関の空燃比
制御に利用されるヒータ付きの酸素センサには，例え
ば，以下に示すごとき酸素センサ素子が使用されてい
る。 （１）コップ型の固体電解質体の外側面，内側面のほぼ
全面に形成された測定電極，基準電極を持った酸素セン
サ素子。2. Description of the Related Art Conventionally, an oxygen sensor with a heater used for detecting and measuring the concentration of oxygen gas contained in exhaust gas from an internal combustion engine and used for controlling the air-fuel ratio of the internal combustion engine is, for example, as shown below. An oxygen sensor element is used. (1) An oxygen sensor element having a measurement electrode and a reference electrode formed on almost the entire outer surface and inner surface of a cup-shaped solid electrolyte body.
【０００３】（２）コップ型の固体電解質体の内部に設
けた基準ガス室に挿入配置されたヒータの発熱部（通電
により発熱する発熱体が内蔵された部分）と固体電解質
体を介して対面した部分の範囲内に測定電極，基準電極
が形成された酸素センサ素子。 （３）板状の固体電解質体の表面に測定電極，基準電極
が設けてあり，この固体電解質体と一体となるように発
熱体を有するヒータ基板よりなるヒータが積層された積
層型の酸素センサ素子。(2) Heating portion of heater (insertion of heating element which generates heat by energization) inserted in a reference gas chamber provided inside a cup-shaped solid electrolyte body, facing each other via solid electrolyte body Oxygen sensor element in which a measurement electrode and a reference electrode are formed within the range of the portion. (3) A stacked oxygen sensor in which a measurement electrode and a reference electrode are provided on the surface of a plate-shaped solid electrolyte body, and a heater composed of a heater substrate having a heating element is stacked so as to be integrated with the solid electrolyte body. element.
【０００４】[0004]
【解決しようとする課題】しかしながら，上述した
（１）の酸素センサ素子では，固体電解質体の温度が低
い部分や被測定ガスに曝されない部分にも測定電極が形
成されているため，その部分の影響により応答性が低下
するといった問題がある。なお，ここに応答性とは，被
測定ガス中の酸素ガス濃度が変動した時に，酸素ガス濃
度の変動をいかにタイムラグなしで検出できるかという
性能である。However, in the oxygen sensor element of the above (1), since the measurement electrode is formed also in a portion where the temperature of the solid electrolyte body is low and a portion which is not exposed to the gas to be measured, the measurement electrode is not formed. There is a problem that responsiveness is reduced by the influence. Here, the responsiveness refers to how the change in the oxygen gas concentration can be detected without a time lag when the oxygen gas concentration in the measured gas changes.
【０００５】一方（２）の酸素センサ素子は固体電解質
体の温度が高い部分のみに測定電極や基準電極が形成さ
れているため，優れた応答性を得ることができる。ま
た，（３）の酸素センサ素子はヒータが一体的に配置さ
れているため，固体電解質体や測定電極，基準電極の温
度を高くすることができるため優れた応答性を得ること
ができる。On the other hand, in the oxygen sensor element (2), since the measurement electrode and the reference electrode are formed only in the portion where the temperature of the solid electrolyte body is high, excellent responsiveness can be obtained. Further, in the oxygen sensor element of (3), since the heater is integrally disposed, the temperature of the solid electrolyte, the measurement electrode, and the reference electrode can be increased, so that excellent responsiveness can be obtained.
【０００６】しかし，特に自動車エンジンにおける空燃
比制御用の酸素センサ素子として，これを使用する場合
には，以下のような問題が発生するおそれがあった。即
ち，近年の自動車はエンジンの高出力化，大排気量化が
図られており，排気ガスの温度が従来よりも高くなって
いる。このため，排気ガスの温度が測定電極や基準電極
等の耐熱限界よりも高くなり，排気ガスに曝されること
で測定電極に熱凝集が発生し，これが断線したり，測定
電極が劣化することで酸素センサ素子の出力が低下した
りするといった様々な問題が生じることがあった。[0006] However, when this is used as an oxygen sensor element for controlling an air-fuel ratio in an automobile engine, the following problems may occur. That is, in recent automobiles, the engine output is increased and the displacement is increased, and the temperature of the exhaust gas is higher than before. As a result, the temperature of the exhaust gas becomes higher than the heat resistance limit of the measurement electrode and the reference electrode, etc., and thermal agglomeration occurs on the measurement electrode due to exposure to the exhaust gas, which may cause disconnection or deterioration of the measurement electrode. Various problems such as a decrease in the output of the oxygen sensor element may occur.
【０００７】測定電極等に耐熱性を持たせるためには，
ペースト焼きつけによって測定電極等を作製することが
考えられる。ここにペースト焼きつけとは，貴金属を含
有するペーストを固体電解質体に塗布し，得られた塗布
部を熱処理することで，貴金属を固体電解質体に固着さ
せて，電極を得る方法である。[0007] In order to impart heat resistance to a measuring electrode or the like,
It is conceivable to prepare a measurement electrode or the like by paste baking. Here, the paste baking is a method in which a paste containing a noble metal is applied to a solid electrolyte body, and the obtained applied portion is heat-treated to fix the noble metal to the solid electrolyte body and obtain an electrode.
【０００８】しかし，ペースト焼きつけの温度は一般に
高温となり，測定電極の触媒活性が低化するおそれがあ
る。このため，ペースト焼きつけでは，応答性の低い酸
素センサ素子ができてしまうという問題があった。この
ため，酸素センサ素子に耐熱性を付与する他の手段が要
望されていた。However, the temperature for baking the paste generally becomes high, and the catalytic activity of the measurement electrode may be reduced. For this reason, there is a problem that the paste baking results in an oxygen sensor element having low response. Therefore, other means for imparting heat resistance to the oxygen sensor element have been demanded.
【０００９】本発明は，かかる従来の問題点に鑑みてな
されたもので，応答性に優れると共に耐熱性に優れた，
酸素センサ素子を提供しようとするものである。The present invention has been made in view of such conventional problems, and is excellent in responsiveness and heat resistance.
It is intended to provide an oxygen sensor element.
【００１０】[0010]
【課題の解決手段】請求項１に記載の発明は，固体電解
質体と，該固体電解質体の内部に設けた基準ガス室と，
上記固体電解質体の外側面に設けた測定電極と，上記基
準ガス室と対面する固体電解質体の内側面に設けた基準
電極とよりなる酸素センサ素子において，上記固体電解
質体の外側面は酸素センサ素子の素子先端部から長さＬ
の範囲に，酸素センサ素子使用時には被測定ガスと接触
する被測定ガス接触面を有しており，上記測定電極の酸
素センサ素子長手方向の長さＬ１は０．２Ｌ以上であ
り，かつ上記測定電極は上記素子先端部から長さ０．８
Ｌの範囲内に設けられてなり，更に上記測定電極の厚み
は０．５〜３．０μｍであることを特徴とする酸素セン
サ素子にある。According to the first aspect of the present invention, there is provided a solid electrolyte body, a reference gas chamber provided inside the solid electrolyte body,
An oxygen sensor element comprising a measurement electrode provided on an outer surface of the solid electrolyte body and a reference electrode provided on an inner surface of the solid electrolyte body facing the reference gas chamber, wherein the outer surface of the solid electrolyte body is an oxygen sensor. Length L from element tip of element
When the oxygen sensor element is used, a gas contact surface to be measured is in contact with the gas to be measured, the length L1 of the measurement electrode in the longitudinal direction of the oxygen sensor element is 0.2 L or more, and The electrode is 0.8 mm long from the tip of the element.
L, and the thickness of the measurement electrode is 0.5 to 3.0 μm.
【００１１】本発明において最も注目すべきことは，上
記測定電極の酸素センサ素子長手方向の長さＬ１は０．
２Ｌ以上であり，かつ上記測定電極は上記素子先端部か
ら長さ０．８Ｌの範囲内に設けられてなり，更に，上記
測定電極の厚みは０．５〜３．０μｍ以上である。ここ
に素子先端部とは酸素センサ素子の被測定ガス側にもっ
とも突き出した部分を指している（実施形態例１の図１
参照）。The most remarkable point in the present invention is that the length L1 of the measuring electrode in the longitudinal direction of the oxygen sensor element is 0.1 mm.
2 L or more, and the measurement electrode is provided within a range of 0.8 L in length from the tip of the element, and the thickness of the measurement electrode is 0.5 to 3.0 μm or more. Here, the element tip refers to the part of the oxygen sensor element that protrudes most toward the measured gas side (see FIG. 1 of the first embodiment).
reference).
【００１２】長さＬ１が０．２Ｌ未満である場合には，
測定電極が熱等により凝集しやすくなり，この凝集によ
り測定電極が断線するおそれがある。この場合には，酸
素センサ素子の出力が低下したり，応答性が低下したり
するという特性劣化が生じるおそれがある。また，測定
電極の長さＬ１の上限は０．８Ｌとすることが好まし
い。これより長い場合には，酸素センサ素子の応答性が
低下するおそれがある。If the length L1 is less than 0.2L,
The measurement electrode easily aggregates due to heat or the like, and the aggregation may cause disconnection of the measurement electrode. In this case, the output of the oxygen sensor element may be reduced, or the response may be deteriorated. Further, the upper limit of the length L1 of the measurement electrode is preferably set to 0.8L. If it is longer than this, the response of the oxygen sensor element may decrease.
【００１３】また，上記測定電極の厚みが０．５μｍ未
満である場合には，測定電極が熱的に凝集し易くなり，
測定電極が断線するおそれがある。３．０μｍより厚い
場合には，酸素ガスの拡散透過が困難となるため，酸素
センサ素子の応答性が低下するおそれがある。When the thickness of the measuring electrode is less than 0.5 μm, the measuring electrode is easily thermally aggregated,
The measurement electrode may be disconnected. If the thickness is greater than 3.0 μm, diffusion and transmission of oxygen gas becomes difficult, and thus the response of the oxygen sensor element may be reduced.
【００１４】次に，本発明の作用につき説明する。本発
明にかかる酸素センサ素子において，測定電極の長さＬ
１は０．２Ｌ以上である。これにより，測定電極がある
程度の面積を持つよう構成できるため，高温雰囲気に長
時間曝されても熱凝集が生じ難い測定電極を得ることが
できる。従って，測定電極の断線を生じ難くすることが
できる。このため，耐熱性に優れた酸素センサ素子を得
ることができる酸素センサ素子を得ることができる。Next, the operation of the present invention will be described. In the oxygen sensor element according to the present invention, the length L of the measurement electrode
1 is 0.2L or more. As a result, the measurement electrode can be configured to have a certain area, so that a measurement electrode that is unlikely to cause thermal aggregation even when exposed to a high-temperature atmosphere for a long time can be obtained. Therefore, disconnection of the measurement electrode can be suppressed. Therefore, it is possible to obtain an oxygen sensor element capable of obtaining an oxygen sensor element having excellent heat resistance.
【００１５】また，測定電極は素子先端部から０．８Ｌ
の範囲内に形成されている。Ｌは固体電解質体における
被測定ガス接触面の長さであり，この部分において固体
電解質体は被測定ガスと接触する。The measuring electrode is 0.8 L from the tip of the element.
Is formed within the range. L is the length of the contact surface of the solid electrolyte body with the gas to be measured. In this portion, the solid electrolyte body comes into contact with the gas to be measured.
【００１６】一般に，酸素センサ素子は酸素センサに組
みつけられて使用されるが，この酸素センサは被測定ガ
スが導入される部分と基準ガスが導入される部分とがあ
る。この両者の境界をシールするために，酸素センサ素
子を組み付ける際，金属製のパッキンを設置する。この
金属製のパッキンは酸素センサ素子における被測定ガス
接触面の端部と対面し，この部分よりも先には被測定ガ
スが流通しないように構成されている。Generally, an oxygen sensor element is used by being assembled with an oxygen sensor. This oxygen sensor has a portion into which a gas to be measured is introduced and a portion into which a reference gas is introduced. In order to seal the boundary between the two, when assembling the oxygen sensor element, a metal packing is installed. The metal packing faces the end of the contact surface of the gas to be measured in the oxygen sensor element, and the gas to be measured does not flow before this portion.
【００１７】このため，０．８Ｌの範囲外においては被
測定ガスの流速が小さく，よどんだような状態となりが
ちである。このような部分に測定電極が設けられた場
合，その部分から得られた出力は応答性低下の原因とな
りやすい。従って，０．８Ｌの範囲内に測定電極を設け
ることで，応答性の高い酸素センサ素子を得ることがで
きる。なお，『０．８Ｌの範囲内』という表現を用いた
が，この範囲内は０．８Ｌを含んでいる。For this reason, outside the range of 0.8 L, the flow rate of the gas to be measured is small and tends to be stagnant. When a measurement electrode is provided in such a portion, the output obtained from that portion tends to cause a decrease in responsiveness. Therefore, by providing the measurement electrode within the range of 0.8 L, an oxygen sensor element with high responsiveness can be obtained. The expression “within 0.8 L” is used, but this range includes 0.8 L.
【００１８】また，本発明にかかる酸素センサ素子の測
定電極の厚みは０．５〜３．０μｍの範囲内である。こ
のような厚みの測定電極は被測定ガス中の酸素ガスが充
分拡散透過することができる。このため，応答性の高い
酸素センサ素子を得ることができる。Further, the thickness of the measurement electrode of the oxygen sensor element according to the present invention is in the range of 0.5 to 3.0 μm. The measurement electrode having such a thickness allows oxygen gas in the gas to be measured to diffuse and permeate sufficiently. Therefore, a highly responsive oxygen sensor element can be obtained.
【００１９】以上，本発明によれば，応答性に優れると
共に耐熱性に優れた，酸素センサ素子を提供することが
できる。As described above, according to the present invention, an oxygen sensor element having excellent responsiveness and excellent heat resistance can be provided.
【００２０】本発明にかかる酸素センサ素子としては，
酸素濃淡起電力式の酸素センサ素子，限界電流式の酸素
濃度センサ素子のいずれについても適用することができ
る。また，本発明にかかる測定電極は素子先端部から形
成することもできるし（図１参照），素子先端部を除い
た固体電解質体の外側面に環状に形成することもできる
（図１２参照）。また，環状ではなく，部分的に設ける
こともできる（図１３参照）。The oxygen sensor element according to the present invention includes:
The present invention can be applied to both oxygen concentration electromotive force type oxygen sensor elements and limiting current type oxygen concentration sensor elements. Further, the measurement electrode according to the present invention can be formed from the tip of the element (see FIG. 1), or can be formed annularly on the outer surface of the solid electrolyte body excluding the tip of the element (see FIG. 12). . Also, it can be provided partially instead of being annular (see FIG. 13).
【００２１】また，測定電極及び基準電極は酸素センサ
素子の外部への出力取り出し用のリード部，ターミナル
部と導通接続されている。各電極とリード部，ターミナ
ル部は一体的に作製することができ，基準電極とこれに
導通接続されるリード部，ターミナル部は化学メッキ，
ペースト印刷，スパッタリング，蒸着等の各種の電極形
成方法により得ることができる。また，測定電極とこれ
に導通接続されるリード部，ターミナル部も，基準ガス
と同様の各種の形成方法により作製することができる。
詳細は後述する。Further, the measuring electrode and the reference electrode are electrically connected to a lead portion and a terminal portion for taking out output to the outside of the oxygen sensor element. Each electrode, lead, and terminal can be integrally manufactured. The reference electrode and the lead and terminal connected to it are chemically plated.
It can be obtained by various electrode forming methods such as paste printing, sputtering and vapor deposition. Further, the measurement electrode and the lead portion and the terminal portion electrically connected to the measurement electrode can be manufactured by the same various forming methods as those for the reference gas.
Details will be described later.
【００２２】また，上記測定電極は貴金属を含む貴金属
電極で構成することが好ましい。この貴金属としては触
媒活性を持ったものであればいかなるものでもよい。例
えば，Ｐｔ，Ｐｄ，Ａｕ，Ｒｈ等の中から選択される少
なくとも１種類以上よりなればよい。It is preferable that the measurement electrode is formed of a noble metal electrode containing a noble metal. Any precious metal may be used as long as it has catalytic activity. For example, at least one selected from Pt, Pd, Au, Rh and the like may be used.
【００２３】また，測定電極に導通接続されたリード部
と基準ガスに導通接続されたリード部とは，それぞれ対
向にしないような位置に形成することが好ましい（後述
する図２（ｂ）参照）。これにより，低温のリード部か
らセンサ出力が発生することを防止して，センサ出力の
精度を高めることができる。なお，固体電解質体の被測
定ガス接触面は，何か他の層を介して間接的に被測定ガ
スと接するような状態にすることもできる（後述の実施
形態例１，３，４参照）。Further, it is preferable that the lead portion conductively connected to the measurement electrode and the lead portion conductively connected to the reference gas are formed at positions that do not face each other (see FIG. 2 (b) described later). . As a result, it is possible to prevent the sensor output from being generated from the low-temperature lead portion, and to improve the accuracy of the sensor output. In addition, the measured gas contact surface of the solid electrolyte body may be in a state of being indirectly in contact with the measured gas via some other layer (see embodiments 1, 3, and 4 described later). .
【００２４】次に，請求項２に記載の発明のように，上
記酸素センサ素子はヒータを有してなり，上記ヒータは
通電により発熱する発熱体が内蔵された発熱部を有して
おり，上記発熱部の酸素センサ素子長手方向における中
心位置と対面する場所に少なくとも上記測定電極が設け
てあると共に，上記発熱部の酸素センサ素子長手方向の
長さＬ２と上記測定電極の長さＬ１との間には１．０≦
Ｌ１／Ｌ２≦４．０という関係が成立することが好まし
い。Next, as in the second aspect of the present invention, the oxygen sensor element has a heater, and the heater has a heat-generating portion having a built-in heat-generating element which generates heat when energized. At least the measurement electrode is provided at a position facing the center position of the heating section in the longitudinal direction of the oxygen sensor element, and the length L2 of the heating section in the longitudinal direction of the oxygen sensor element and the length L1 of the measurement electrode are determined. 1.0 ≦ between
It is preferable that the relationship L1 / L2 ≦ 4.0 holds.
【００２５】後述する図５より知れるごとく，発熱部の
中心位置はヒータの中で最も温度が高くなる部分であ
る。この中心位置と対面するよう測定電極が構成される
ことで，測定電極をより効率的に加熱することが可能と
なり，酸素センサ素子の応答性を高めることができる。
また，Ｌ１／Ｌ２が上述の関係を満たすよう発熱部を構
成することで，耐熱性に優れかつ高い応答性を持つ酸素
センサ素子を得ることができる。As will be understood from FIG. 5, which will be described later, the center position of the heat generating portion is the portion of the heater where the temperature is the highest. By configuring the measurement electrode so as to face the center position, the measurement electrode can be heated more efficiently, and the responsiveness of the oxygen sensor element can be improved.
Further, by forming the heat generating portion such that L1 / L2 satisfies the above relationship, an oxygen sensor element having excellent heat resistance and high responsiveness can be obtained.
【００２６】Ｌ１／Ｌ２が１．０未満である場合には，
特にヒータに通電された高温雰囲気で酸素センサ素子を
使用した場合に，測定電極の凝集が生じてしまうおそれ
がある。また，Ｌ１／Ｌ２が４．０より大である場合に
は，測定電極の長手方向の温度分布が大きくなるため，
酸素センサ素子の低温部分の影響を受けて，全体として
応答性が低下したり，センサ出力が低下するという問題
が生じるおそれがある。When L1 / L2 is less than 1.0,
In particular, when the oxygen sensor element is used in a high-temperature atmosphere in which electricity is supplied to the heater, the measurement electrodes may be aggregated. When L1 / L2 is larger than 4.0, the temperature distribution in the longitudinal direction of the measurement electrode becomes large.
Under the influence of the low-temperature portion of the oxygen sensor element, there is a possibility that a problem may occur in that the overall response is reduced or the sensor output is reduced.
【００２７】上記ヒータとしては，棒状のヒータ，平板
状のヒータ等，各種のヒータを使用することができる
（実施形態例１及び７参照）。As the heater, various heaters such as a rod heater and a flat heater can be used (see Embodiments 1 and 7).
【００２８】次に，請求項３に記載の発明のように，上
記発熱部の長さＬ２は３〜１２ｍｍであることが好まし
い。これにより，酸素センサ素子の先端の方に発熱を集
中させることができる。このため，酸素センサ素子を自
動車エンジンの排気系において使用する際，エンジンの
始動後から酸素センサ素子が活性して酸素濃度を検知で
きるようになるまでの時間を大幅に短縮させることがで
きる。ここで活性とは，素子がセンサとして機能する状
態のことである。Next, it is preferable that the length L2 of the heat generating portion be 3 to 12 mm. Thereby, heat generation can be concentrated toward the tip of the oxygen sensor element. Therefore, when the oxygen sensor element is used in the exhaust system of an automobile engine, the time from the start of the engine until the oxygen sensor element is activated and the oxygen concentration can be detected can be greatly reduced. Here, the activity is a state where the element functions as a sensor.
【００２９】Ｌ２が３ｍｍ未満である場合には，発熱体
の長さもこれに対応して小さくなる。従って，発熱体の
電気抵抗値が充分高い値とならず，発熱部に熱を集中さ
せることが困難となるおそれがある。一方，１２ｍｍよ
り大の場合，ヒータの昇温が遅くなるため，素子活性時
間も遅くなるおそれがある。なお，素子活性時間とは常
温にある酸素センサ素子が加熱されることで活性温度に
到達し，酸素ガス濃度が測定可能となるまでの時間であ
る。When L2 is less than 3 mm, the length of the heating element is correspondingly reduced. Therefore, the electric resistance value of the heating element does not become a sufficiently high value, and it may be difficult to concentrate heat on the heat generating portion. On the other hand, if it is larger than 12 mm, the temperature rise of the heater is delayed, so that the element activation time may be delayed. The element activation time is the time from when the oxygen sensor element at normal temperature is heated to reach the activation temperature and the oxygen gas concentration can be measured.
【００３０】次に，請求項４記載の発明のように，上記
被測定ガス接触面の長さＬは１５〜３０ｍｍであること
が好ましい。これにより，近接する金属部品を低温化す
ることができ，かつ自動車への搭載性を高めることがで
きる。The length L of the gas contact surface to be measured is preferably 15 to 30 mm. This makes it possible to lower the temperature of the adjacent metal parts and to improve the mountability on a vehicle.
【００３１】上述したごとく，酸素センサ素子は酸素セ
ンサに組みつけて使用されるが，該酸素センサの内部は
被測定ガスが流通する部分と基準ガスとなる大気が流通
する部分とに別れており，両者の境界部分はシールされ
ている。このシールされた部分が上記被測定ガス接触面
の端部と対面する。被測定ガス接触面の長さＬが１５ｍ
ｍ未満である場合には，このシールされた部分がヒータ
の発熱部に近接することとなるため，温度が高くなって
しまう。As described above, the oxygen sensor element is used by assembling it with an oxygen sensor. The inside of the oxygen sensor is divided into a portion through which the gas to be measured flows and a portion through which the atmosphere serving as the reference gas flows. The boundary between the two is sealed. This sealed portion faces the end of the gas contact surface to be measured. The length L of the gas contact surface to be measured is 15m
If it is less than m, the sealed portion will be close to the heating portion of the heater, and the temperature will be high.
【００３２】一般に酸素センサにおけるシールはばね性
を持った金属部材等を組み合わせることで実現されてい
るため，シールされた部分の雰囲気温度がシールを実現
する金属部材の耐熱限界を越えてしまうおそれがある。
この場合，シール性が低下して，被測定ガスと基準ガス
とが混じりあい，正確な酸素ガス濃度の検出ができなく
なるおそれがある。Generally, a seal in an oxygen sensor is realized by combining a metal member having a spring property or the like. Therefore, there is a possibility that the ambient temperature of the sealed portion may exceed the heat resistance limit of the metal member for realizing the seal. is there.
In this case, the sealing property is deteriorated, the gas to be measured is mixed with the reference gas, and there is a possibility that the oxygen gas concentration cannot be accurately detected.
【００３３】一方，Ｌが３０ｍｍより大である場合に
は，酸素センサ素子を覆う大気側カバー等を長くする必
要があり（図５参照），酸素センサの体格が大きくな
り，限られたスペースに対する搭載性が低下するおそれ
がある。On the other hand, when L is larger than 30 mm, it is necessary to lengthen the atmosphere-side cover or the like covering the oxygen sensor element (see FIG. 5), and the size of the oxygen sensor becomes large, and the space for the limited space is limited. There is a possibility that the mountability may be reduced.
【００３４】次に，請求項５の発明のように，上記測定
電極は化学メッキにより構成されていることが好まし
い。これにより，応答性に優れたセンサを得ることがで
きる。つまり，化学メッキにて電極を作製する場合，メ
ッキ膜の焼成は一般に低温で行われる。このため，表面
エネルギーが高く，触媒の活性に優れた電極を得ること
ができる。また，化学メッキにて作製された電極は多数
の非常に細かいポアが表面に形成されているため，酸素
ガスの拡散性に優れているからである。Next, it is preferable that the measuring electrode is formed by chemical plating. Thereby, a sensor having excellent responsiveness can be obtained. That is, when producing an electrode by chemical plating, baking of a plating film is generally performed at low temperature. Therefore, an electrode having high surface energy and excellent catalyst activity can be obtained. In addition, the electrode made by chemical plating has excellent oxygen gas diffusivity because many very fine pores are formed on the surface.
【００３５】また，上記化学メッキに先立って，予め固
体電解質体における測定電極等を形成しようとする部位
に貴金属核形成部を設けることが好ましい。ここに貴金
属核形成部は，固体電解質体に有機貴金属ペーストを所
望の形状に印刷し，脱バインダ，有機貴金属分解のため
の熱処理を施すことによることで，得ることができる。
このような貴金属核形成部に対し，化学メッキを施して
測定電極を形成することで，貴金属核形成部のみに測定
電極を形成することができる。この方法を用いること
で，複雑な形状の測定電極を容易に形成することができ
る。Prior to the chemical plating, it is preferable to provide a noble metal nucleus forming portion in a portion of the solid electrolyte body where a measuring electrode or the like is to be formed in advance. Here, the noble metal nucleus forming portion can be obtained by printing an organic noble metal paste on a solid electrolyte body in a desired shape, and performing a heat treatment for binder removal and organic noble metal decomposition.
By applying chemical plating to such a noble metal nucleus forming part to form a measuring electrode, the measuring electrode can be formed only in the noble metal nucleus forming part. By using this method, a measurement electrode having a complicated shape can be easily formed.
【００３６】次に，請求項６の発明のように，上記基準
電極は上記測定電極と上記固体電解質体を介して対向す
る位置に設けてあることが好ましい。このように構成す
ることで機能上必要のない部分に高価な貴金属を含んだ
電極を形成しなくてもよいため，製造コストを大きく低
減することができる。Next, as in the invention of claim 6, it is preferable that the reference electrode is provided at a position facing the measurement electrode via the solid electrolyte body. With such a configuration, it is not necessary to form an electrode containing an expensive noble metal in a portion that is not necessary for the function, so that the manufacturing cost can be greatly reduced.
【００３７】次に，請求項７の発明のように，上記酸素
センサ素子は一方が閉塞され，内部に基準ガス室が設け
てあるコップ型であり，上記基準ガス室にはヒータが挿
入配置されていることが好ましい。本発明はいわゆるコ
ップ型の酸素センサ素子に適応することができる。ま
た，請求項８の発明のように，コップ型の酸素センサ素
子において，上記固体電解質体の上記測定電極と対向す
る位置にある内側面と上記ヒータの外側面との間のクリ
アランスは０．０５〜１．０ｍｍとすることが好まし
い。これにより，ヒータが固体電解質体を効率よく加熱
することができる。Next, as in the seventh aspect of the present invention, the oxygen sensor element is of a cup type in which one end is closed and a reference gas chamber is provided therein, and a heater is inserted and arranged in the reference gas chamber. Is preferred. The present invention can be applied to a so-called cup type oxygen sensor element. In the cup-type oxygen sensor element, the clearance between the inner surface of the solid electrolyte body facing the measurement electrode and the outer surface of the heater may be 0.05. It is preferable to set it to 1.0 mm. Thus, the heater can efficiently heat the solid electrolyte body.
【００３８】上記クリアランスが１．０ｍｍより大であ
る場合には，固体電解質体とヒータとの間で対流が起こ
り，熱が効率良く固体電解質体に伝わらないおそれがあ
る。また，０．０５ｍｍ未満である場合には，酸素ガス
の拡散性が悪くなり，酸素ガスが欠乏して，高いセンサ
出力が得がたくなるおそれがある。If the clearance is larger than 1.0 mm, convection may occur between the solid electrolyte and the heater, and heat may not be efficiently transmitted to the solid electrolyte. If the thickness is less than 0.05 mm, the diffusivity of oxygen gas becomes poor, and oxygen gas becomes deficient, so that it may be difficult to obtain a high sensor output.
【００３９】次に，請求項９の発明のように，上記酸素
センサ素子は積層型であり，上記ヒータは上記固体電解
質体に対し積層配置されていることが好ましい。本発明
は，積層型の酸素センサ素子について適用することがで
きる。なお，積層型の酸素センサ素子とは，後述する実
施形態例８に示すごとく，板状の固体電解質体や板状の
ヒータを積層，一体化して構成したセンサ素子である。Next, as in the ninth aspect of the present invention, it is preferable that the oxygen sensor element is of a laminated type, and the heater is disposed on the solid electrolyte body. The present invention can be applied to a stacked oxygen sensor element. Note that the stacked oxygen sensor element is a sensor element formed by stacking and integrating a plate-shaped solid electrolyte body and a plate-shaped heater as shown in Embodiment 8 described later.
【００４０】[0040]
【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酸素センサ素子につき，図
１〜図７を用いて説明する。図１〜図５に示すごとく，
本例の酸素センサ素子１は，一方が閉塞され，内部に基
準ガス室１６が設けてあるコップ型の固体電解質体１５
と，該固体電解質体１５の外側面１５０に設けた測定電
極１１と，上記固体電解質体１５の内側面１６０に設け
た基準電極１２とよりなり，更に上記基準ガス室１６に
は，図３に示すごとく，ヒータ２が挿入配置してある。DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS Embodiment 1 An oxygen sensor element according to an embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. As shown in FIGS.
The oxygen sensor element 1 of this example has a cup-shaped solid electrolyte member 15 having one closed and a reference gas chamber 16 provided therein.
And a measuring electrode 11 provided on an outer surface 150 of the solid electrolyte member 15 and a reference electrode 12 provided on an inner surface 160 of the solid electrolyte member 15. As shown, the heater 2 is inserted and arranged.
【００４１】図１，図２に示すごとく，上記固体電解質
体１５の外側面１５０は該酸素センサ素子１の素子先端
部１５９から長さＬの範囲に酸素センサ素子１の使用時
には被測定ガスと接触する被測定ガス接触面１３を有し
ている。上記測定電極１１の酸素センサ素子１の長手方
向の長さＬ１は０．２Ｌ以上であり，かつ上記測定電極
１１は上記素子先端部１５９から長さ０．８Ｌの範囲内
に設けられてなり，更に，上記測定電極１１の厚みは
０．５〜３．０μｍの範囲内である。As shown in FIGS. 1 and 2, the outer surface 150 of the solid electrolyte member 15 has a length L from the element tip 159 of the oxygen sensor element 1 and a gas to be measured when the oxygen sensor element 1 is used. It has a gas contact surface 13 to be measured. The length L1 of the measuring electrode 11 in the longitudinal direction of the oxygen sensor element 1 is 0.2L or more, and the measuring electrode 11 is provided within a range of 0.8L from the element tip 159, Further, the thickness of the measuring electrode 11 is in the range of 0.5 to 3.0 μm.
【００４２】また，本例の酸素センサ素子１は，図４に
示すごとく，測定電極１１，被測定ガス接触面１５０の
表面全体には，プラズマ溶射法により形成されたＭｇＡ
ｌ2Ｏ4スピネルからなる保護層４１が設けてある（図１
においては図示を略した）。上記保護層４１の厚みは１
００μｍ，気孔率２０％とした。また，上記保護層４１
の厚み，気孔率はプラズマ溶射の条件を調整することで
調整することができる。Further, as shown in FIG. 4, the oxygen sensor element 1 of the present embodiment covers the entire surface of the measuring electrode 11 and the gas contact surface 150 to be measured by MgA formed by plasma spraying.
A protective layer 41 made of l 2 O 4 spinel is provided (FIG. 1).
Are not shown in the figure). The thickness of the protective layer 41 is 1
00 μm and porosity of 20%. In addition, the protective layer 41
Can be adjusted by adjusting the conditions of plasma spraying.
【００４３】上記保護層４１は上記測定電極１１を保護
すると共に，熱による測定電極１１の凝集を生じ難くす
る効果を有する。更に，上記保護層４１は拡散抵抗層と
しての機能も有する。更に，上記保護層４１は測定電極
１１の表面のみを覆うように設けることもできる。The protective layer 41 has the effect of protecting the measurement electrode 11 and of preventing the measurement electrode 11 from aggregating due to heat. Further, the protective layer 41 also has a function as a diffusion resistance layer. Further, the protective layer 41 can be provided so as to cover only the surface of the measurement electrode 11.
【００４４】以下，詳細に説明する。図１に示すごと
く，固体電解質体１５の外側面１５０には測定電極１１
と共にリード部１１１及びターミナル部１１２とが設け
てある。リード部１１１，ターミナル部１１２は図１に
示した位置の他，固体電解質体１５の対向側にも設けて
ある（図２（ａ），（ｂ）参照）。また，本例の固体電
解質体１５は部分安定化ジルコニアよりなる。測定電極
１１，リード部１１１，ターミナル部１１２はいずれも
白金よりなる。The details will be described below. As shown in FIG. 1, the measurement electrode 11 is provided on the outer surface 150 of the solid electrolyte body 15.
In addition, a lead portion 111 and a terminal portion 112 are provided. The lead portion 111 and the terminal portion 112 are provided on the opposite side of the solid electrolyte member 15 in addition to the positions shown in FIG. 1 (see FIGS. 2A and 2B). Further, the solid electrolyte member 15 of this example is made of partially stabilized zirconia. The measurement electrode 11, the lead 111, and the terminal 112 are all made of platinum.
【００４５】上記被測定ガス側面１３の長さＬは２５ｍ
ｍである。上記測定電極１１は，基準電極１２とあわせ
て酸素ガス濃度を検出する部分であり，素子先端部１５
９から高さ１０ｍｍの部分まで形成されている。つま
り，Ｌ１＝１０ｍｍ（０．４０Ｌ）である。上記リード
部１１１は測定電極１１で得られたセンサ出力を取り出
して，ターミナル部１１２に伝達する部分であり，リー
ド部１１１の周方向の幅は１．５ｍｍで測定電極１１の
上端とターミナル部１１２の下端とを接続するよう形成
されている。The length L of the measured gas side surface 13 is 25 m.
m. The measurement electrode 11 is a part for detecting the oxygen gas concentration together with the reference electrode 12.
It is formed from 9 to a height of 10 mm. That is, L1 = 10 mm (0.40 L). The lead portion 111 is a portion for taking out the sensor output obtained by the measurement electrode 11 and transmitting the sensor output to the terminal portion 112. The circumferential width of the lead portion 111 is 1.5 mm, and the upper end of the measurement electrode 11 and the terminal portion 112. Is formed so as to connect to the lower end.
【００４６】上記ターミナル部１１２は，センサ出力を
酸素センサ素子１の外部へ取り出すために，図５に示す
ごとく，酸素センサ３に設けた金属端子３８３と接続す
る部分であり，周方向の幅が７ｍｍ，長手方向の長さが
５ｍｍの長方形状である。なお，周方向の幅はリード部
１１１と同じとしてもよい。図２（ａ），（ｂ）に示す
ごとく，また，上記リード部１１１，ターミナル部１１
２は，固体電解質体１５を介して対向するように１対と
して設けてある。The terminal portion 112 is connected to a metal terminal 383 provided on the oxygen sensor 3 as shown in FIG. 5 in order to extract the sensor output to the outside of the oxygen sensor element 1, and has a circumferential width. It has a rectangular shape with a length of 7 mm and a length in the longitudinal direction of 5 mm. The width in the circumferential direction may be the same as that of the lead portion 111. As shown in FIGS. 2A and 2B, the lead portion 111 and the terminal
2 are provided as a pair so as to face each other with the solid electrolyte member 15 interposed therebetween.
【００４７】次に，基準電極１２について説明する。上
記基準電極１２は，メッキ，ペースト印刷等により形成
され，図１の測定電極１１と対向する位置に形成されて
おり，さらにリード部１２１，ターミナル部１２２を設
けることにより出力を取り出す構成とされている。Next, the reference electrode 12 will be described. The reference electrode 12 is formed by plating, paste printing, or the like, is formed at a position facing the measurement electrode 11 of FIG. 1, and is configured to take out an output by providing a lead portion 121 and a terminal portion 122. I have.
【００４８】上記リード部１２１の周方向の幅は１．５
ｍｍである。ターミナル部１２２は，周方向の長さが７
ｍｍ，長手方向の長さが５ｍｍの長方形である。リード
部１２１とリード部１１１はそれぞれ９０度ずらして各
２本づつ形成されている。これにより，リード部１２
１，１１１の低温部分からの出力を無視できる程小さく
することができ，酸素センサ素子の応答性を高めること
ができる。また，酸素センサ素子１の他の条件次第で
は，これらが対向して配置されても特にセンサ特性に影
響を与えない場合がある。このような時は，対向する位
置に設けてもかまわない。The circumferential width of the lead portion 121 is 1.5.
mm. The terminal section 122 has a circumferential length of 7
mm, a rectangle having a length in the longitudinal direction of 5 mm. The lead portion 121 and the lead portion 111 are formed two by two with a shift of 90 degrees. Thereby, the lead 12
The output from the low-temperature portion of 1,111 can be made negligibly small, and the responsiveness of the oxygen sensor element can be improved. Also, depending on other conditions of the oxygen sensor element 1, there is a case where the sensor characteristics are not particularly affected even if they are arranged to face each other. In such a case, it may be provided at the opposite position.
【００４９】また，本例の酸素センサ素子１にはヒータ
２が挿入配置されている。このことについて以下に詳説
する。図３に示すごとく，本例のヒータ２は一端に発熱
部２０を有している。ヒータ２の内部には通電により発
熱する発熱体と該発熱体に電力を供給する通電線とが設
けてある。上記発熱部２０は発熱体が配置された部分を
示しており，ヒータ２はこの部分を中心に発熱する。The heater 2 is inserted into the oxygen sensor element 1 of this embodiment. This will be described in detail below. As shown in FIG. 3, the heater 2 of the present embodiment has a heating section 20 at one end. Inside the heater 2, a heating element that generates heat by energization and an energizing line that supplies power to the heating element are provided. The heat generating portion 20 indicates a portion where the heat generating element is arranged, and the heater 2 generates heat around this portion.
【００５０】上記ヒータ２はＡｌ2Ｏ3，Ｓｉ3Ｎ4等から
なるヒータ本体に，Ｗ−Ｒｅ，Ｐｔ等からなる発熱体が
内蔵された構成である。このヒータ２はＡｌ2Ｏ3，Ｓｉ
3Ｎ4等からなるヒータ芯材に対し，ヒータの外側面とな
り，ヒータ芯材と対面する側に発熱体等が設けられたヒ
ータシートを巻きつけること，あるいは発熱体を埋設さ
せること等により構成されている。なお，後述するごと
くＡｌ2Ｏ3等よりなる薄板を何枚か積層して構成した積
層型ヒータを使用することもできる。The heater 2 has a structure in which a heating element made of W-Re, Pt or the like is built in a heater body made of Al 2 O 3 , Si 3 N 4 or the like. This heater 2 is made of Al 2 O 3 , Si
To heater core consisting of 3 N 4, etc., becomes an outer surface of the heater, constructed by winding a heater sheet heating element or the like is provided on the side facing the heater core, or it is embedded a heating element or the like Have been. As will be described later, a laminated heater formed by laminating several thin plates made of Al 2 O 3 or the like can be used.
【００５１】また，上記ヒータ２は発熱部の長さは素子
先端部１５９より１．０ｍｍの部分から長手方向に長さ
Ｌ２＝４．０ｍｍ（０．１６Ｌ）の部分の間に形成され
ている。ヒータ２の発熱部２０の中心位置は素子先端部
１５９から５ｍｍの高さにある。測定電極１１が形成さ
れた部分における，内側面１６０とヒータ２の外側面と
のクリアランスは０．２ｍｍである。なお，本例ではヒ
ータ２が酸素センサ素子１の基準ガス室１６の内側面１
６０と接触しているが，ヒータ２と内側面１６０は必す
しも接触してなくてよい。The heater 2 is formed so that the length of the heat generating portion is between 1.0 mm from the element tip 159 and a portion having a length L2 = 4.0 mm (0.16 L) in the longitudinal direction. . The center position of the heat generating portion 20 of the heater 2 is at a height of 5 mm from the element tip 159. The clearance between the inner surface 160 and the outer surface of the heater 2 in the portion where the measurement electrode 11 is formed is 0.2 mm. In this embodiment, the heater 2 is connected to the inner surface 1 of the reference gas chamber 16 of the oxygen sensor element 1.
Although the heater 2 and the inner surface 160 are in contact with each other, the heater 2 and the inner surface 160 need not necessarily be in contact with each other.
【００５２】次に，測定電極１１，リード部１１１，タ
ーミナル部１１２の形成方法について説明する。固体電
解質体１５の外側面１５０に，貴金属化合物であるジベ
ンジリデンＰｔを含むペースト（このペーストにはＰｔ
が０．４ｗｔ％含まれている）を用いて，パッド印刷等
で印刷部を形成する。この印刷部の形状は，得ようとす
る測定電極１１，リード部１１１，ターミナル部１１２
と同様の形状である。この印刷部に対して熱処理を施
し，Ｐｔ核形成部を得た。その後，上記Ｐｔ核形成部に
対し無電解メッキを施す。これにより，測定電極１１，
リード部１１１，ターミナル部１１２を得た。なお，本
例の測定電極１１，リード部１１１，ターミナル部１１
２の厚みは１．５μｍである。Next, a method for forming the measuring electrode 11, the lead portion 111, and the terminal portion 112 will be described. On the outer surface 150 of the solid electrolyte member 15, a paste containing dibenzylidene Pt, which is a noble metal compound, is used.
Is contained by 0.4 wt%) to form a printed portion by pad printing or the like. The shape of the printed portion is determined by the measurement electrode 11, the lead portion 111, and the terminal portion 112 to be obtained.
It has the same shape as. A heat treatment was performed on the printed portion to obtain a Pt nucleus forming portion. Thereafter, electroless plating is performed on the Pt nucleus forming portion. Thereby, the measuring electrode 11,
The lead part 111 and the terminal part 112 were obtained. The measurement electrode 11, the lead 111, and the terminal 11
2 has a thickness of 1.5 μm.
【００５３】次に，基準ガス側電極１２，リード部１２
１，ターミナル部１２２の形成方法について説明する。
内部が空洞となったノズル付きディスペンサーを準備す
る。このノズルとしては，その先端が単なる吹き出し口
となったものの他，例えば発泡体のような多孔質体を取
り付けた状態となったものを使用することができる。Next, the reference gas side electrode 12 and the lead 12
1. A method for forming the terminal section 122 will be described.
Prepare a dispenser with a hollow inside. As this nozzle, a nozzle having a state in which a porous body such as a foam is attached can be used, in addition to a nozzle having a mere outlet at its tip.
【００５４】このようなノズルの先端を固体電解質体１
５の基準ガス室１６内に挿入し，ディスペンサー内に有
機貴金属を含むペーストまたは貴金属ペーストを注入し
た。そして，ノズルの先端を上下，左右に回転させなが
ら動作させて，所望の位置に上述のぺーストを塗布し，
塗布部を得た。この塗布部は上記基準電極１２，リード
部１２１，ターミナル部１２２と同様の形状である。The tip of such a nozzle is connected to the solid electrolyte 1
The paste containing the organic noble metal or the noble metal paste was injected into the dispenser. Then, the tip of the nozzle is operated while rotating up and down, left and right, and the above-mentioned paste is applied to a desired position.
An application part was obtained. This coating portion has the same shape as the reference electrode 12, the lead portion 121, and the terminal portion 122.
【００５５】なお，有機貴金属を合むぺーストよりなる
塗布部を設けた場合，その後，熱処理を施して，更に化
学メッキを施して，基準電極１２等を得た。また，貴金
属ペーストよりなる塗布部を設けた場合，そのまま熱処
理を施すことで基準電極１２等を得た。In the case where a coating portion made of a paste containing an organic noble metal was provided, a heat treatment was performed and then a chemical plating was performed to obtain a reference electrode 12 and the like. In the case where an application portion made of a noble metal paste was provided, the reference electrode 12 and the like were obtained by directly performing a heat treatment.
【００５６】次に，本例の酸素センサ素子１を用いた酸
素センサ３の構造を説明する。図５に示すように，上記
酸素センサ３はハウジング３０と該ハウジング３０にシ
ール固定された酸素センサ素子１とよりなる。また，上
記酸素センサ素子１の基準ガス室１６にはヒータ２が挿
入配置されている。Next, the structure of the oxygen sensor 3 using the oxygen sensor element 1 of this embodiment will be described. As shown in FIG. 5, the oxygen sensor 3 includes a housing 30 and an oxygen sensor element 1 which is sealed and fixed to the housing 30. The heater 2 is inserted into the reference gas chamber 16 of the oxygen sensor element 1.
【００５７】上記ハウジング３０の下方には，被測定ガ
ス室３１０を形成し，酸素センサ素子１を保護するため
の二重の被測定ガス側カバー３１１，３１２が設けてあ
る。上記ハウジング３０の上方には，三段の大気側カバ
ー３２１，３２２，３２３が設けてある。上記被測定ガ
ス室３１０の内部は被測定ガスが流通し，上記大気側カ
バーの内部は大気が流通した状態にある。上記酸素セン
サ３は，ハウジング３０にシール固定された酸素センサ
素子１とを境にして，被測定ガスと大気とが混じらない
ように構成されている。A gas chamber 310 to be measured is formed below the housing 30, and double covers 311, 312 for the gas to be measured are provided for protecting the oxygen sensor element 1. Above the housing 30, three-stage atmospheric side covers 321, 322, 323 are provided. The gas to be measured flows through the inside of the gas chamber to be measured 310, and the atmosphere flows through the inside of the atmosphere side cover. The oxygen sensor 3 is configured so that the gas to be measured and the atmosphere are not mixed with the oxygen sensor element 1 sealed and fixed to the housing 30.
【００５８】上記大気側カバー３２２，３２３の上端に
は，リード線３７１，３８１，３９１が挿入された弾性
絶縁部材３５が設けてある。上記リード線３８１，３９
１は，酸素センサ素子１からの出力を取り出して酸素セ
ンサ３の外部に送るものである。また，上記リード線３
７１は，ヒータ２に通電するためのものである。At the upper ends of the atmosphere side covers 322 and 323, an elastic insulating member 35 into which lead wires 371, 381 and 391 are inserted is provided. Lead wires 381, 39
Numeral 1 is to take out the output from the oxygen sensor element 1 and send it to the outside of the oxygen sensor 3. In addition, the above lead wire 3
Reference numeral 71 is for energizing the heater 2.
【００５９】上記リード線３９１，３８１の下端には接
続端子３８２，３９１が設けてあり，該接続端子３８
２，３９１により，酸素センサ素子１に固定した金属端
子３８３，３９３とが導通されている。なお，上記金属
端子３８３，３９３は，酸素センサ素子１におげるター
ミナル部１１２，１２２に対し接触固定されている。At the lower ends of the lead wires 391 and 381, connection terminals 382 and 391 are provided.
The metal terminals 383 and 393 fixed to the oxygen sensor element 1 are electrically connected by 2391. The metal terminals 383 and 393 are fixedly contacted with the terminal portions 112 and 122 of the oxygen sensor element 1.
【００６０】本例の酸素センサ素子１の作用効果につい
て以下に説明する。本例の酸素センサ素子１において，
測定電極１１の長さＬ１は０．２Ｌ以上である。これに
より，測定電極１１の凝集による素子１の断線及び特性
劣化を生じ難くすることができる（詳細は実施形態例２
を参照）。The operation and effect of the oxygen sensor element 1 of this embodiment will be described below. In the oxygen sensor element 1 of this example,
The length L1 of the measurement electrode 11 is 0.2L or more. Accordingly, disconnection of the element 1 and deterioration of characteristics due to aggregation of the measurement electrode 11 can be suppressed (for details, see Embodiment 2).
See).
【００６１】また，測定電極１１は素子先端部１５９か
ら０．８Ｌの範囲内に形成されている。ここにＬは固体
電解質体１５における被測定ガス接触面１３の長さであ
り，この部分において固体電解質体１５は被測定ガスと
接触する。The measuring electrode 11 is formed within a range of 0.8 L from the tip 159 of the element. Here, L is the length of the gas-to-be-measured contact surface 13 of the solid electrolyte body 15, and at this portion, the solid electrolyte body 15 comes into contact with the gas to be measured.
【００６２】図５に示すごとく，酸素センサ素子１は酸
素センサ３に組みつけられて使用されるが，この酸素セ
ンサ３は被測定ガスが導入される部分と基準ガスが導入
される部分とがあって，両者の境界はシールされてい
る。酸素センサ素子１は丁度このシールされた部分に跨
がって設置される。酸素センサ素子１における被測定ガ
ス接触面１３の端部はシールされた部分と対面し，この
部分よりも先には被測定ガスが流通しないように構成さ
れている。As shown in FIG. 5, the oxygen sensor element 1 is used by being assembled to an oxygen sensor 3. This oxygen sensor 3 has a portion into which a gas to be measured is introduced and a portion into which a reference gas is introduced. The boundary between them is sealed. The oxygen sensor element 1 is installed just over the sealed portion. The end of the measured gas contact surface 13 in the oxygen sensor element 1 faces the sealed portion, and the measured gas does not flow before this portion.
【００６３】このため，０．８Ｌの範囲外においては被
測定ガスの流速が小さく，よどんだような状態となりが
ちである。このような部分に測定電極１１が設けられた
場合，その部分から得られた出力は応答性低下の原因と
なりやすい。従って，０．８Ｌの範囲内に測定電極１１
を設けることで，応答性の高い酸素センサ素子を得るこ
とができる（詳細は実施形態例２を参照）。For this reason, outside the range of 0.8 L, the flow rate of the gas to be measured is small and tends to be stagnant. When the measurement electrode 11 is provided in such a portion, the output obtained from that portion is likely to cause a decrease in responsiveness. Therefore, the measuring electrode 11 is set within the range of 0.8 L.
Is provided, an oxygen sensor element having high responsiveness can be obtained (see Embodiment 2 for details).
【００６４】また，本例の測定電極１１の厚みは０．５
〜３．０μｍの範囲内である。これにより，被測定ガス
中の酸素ガスが充分拡散透過することができるため，応
答性の高い酸素センサ素子１を得ることができる（詳細
は実施形態例２を参照）。The thickness of the measuring electrode 11 of this embodiment is 0.5
３3.0 μm. As a result, the oxygen gas in the gas to be measured can sufficiently diffuse and permeate, so that the oxygen sensor element 1 with high responsiveness can be obtained (for details, see Embodiment 2).
【００６５】以上，本例によれば，断線及び特性劣化が
生じ難く，優れた応答性を持った酸素センサ素子を提供
することができる。As described above, according to the present embodiment, it is possible to provide an oxygen sensor element having excellent responsiveness, in which disconnection and characteristic deterioration hardly occur.
【００６６】なお，本例の酸素センサ素子１を図５に示
すごとき酸素センサ３に組み付け，これを自動車用エン
ジンの排気系に取りつけ，エンジンを始動させた後，排
気ガスの温度がほぼ一定（約６００℃）となった状態に
おいて，固体電解質体１５の外側面１５０における被測
定ガス接触面１３の温度分布を測定した。この測定結果
を図６の線図に記載した。これによれば，ヒータ２の発
熱部２０と対向する位置の温度が最も高く，発熱部２０
から遠くなる程，固体電解質体１５の温度が低くなって
いることが分かった。The oxygen sensor element 1 of this embodiment is mounted on an oxygen sensor 3 as shown in FIG. 5, which is mounted on an exhaust system of an automobile engine. After the engine is started, the temperature of the exhaust gas is substantially constant ( Under the condition of about 600 ° C.), the temperature distribution of the gas contact surface 13 to be measured on the outer surface 150 of the solid electrolyte body 15 was measured. The measurement results are shown in the diagram of FIG. According to this, the temperature at the position of the heater 2 facing the heat generating portion 20 is the highest, and
It was found that the temperature of the solid electrolyte body 15 became lower as the distance from the solid electrolyte body increased.
【００６７】なお，本例の酸素センサ素子１において，
基準電極１２は内側面１６０に部分的に設けたが，内側
面１６０の全面に形成することもできる。このような基
準電極１２は，有機貴金属を溶解した溶液を内側面１６
０の全体にディッピングして，熱処理を行った後，メッ
キを施すことで作製することができる。このような電極
は製造が非常に容易であるという利点がある。In the oxygen sensor element 1 of this embodiment,
The reference electrode 12 is partially provided on the inner side surface 160, but may be formed on the entire inner side surface 160. The reference electrode 12 is formed by applying a solution in which an organic noble metal is dissolved to the inner surface 16.
It can be manufactured by performing dipping on the entirety of 0, heat treatment, and then plating. Such an electrode has the advantage that it is very easy to manufacture.
【００６８】また，本例の酸素センサ素子１において，
基準電極１２と導通したターミナル部１１２は固体電解
質体１５の外側面１５０に設けたが，図７（ａ），
（ｂ）に示すごとく，固体電解質体１５の内側面１６０
に設けることもできる。Further, in the oxygen sensor element 1 of this embodiment,
The terminal portion 112 electrically connected to the reference electrode 12 is provided on the outer side surface 150 of the solid electrolyte body 15, as shown in FIG.
As shown in (b), the inner surface 160 of the solid electrolyte body 15
Can also be provided.
【００６９】実施形態例２ 本例は，図８，図９に示すごとく，実施形態例１にかか
る酸素センサ素子において，被測定ガス接触面１３の長
さＬ，測定電極の長さＬ１，発熱部の長さＬ２等を変更
することで得られたそれぞれの酸素センサ素子につい
て，性能評価を行った結果について説明するものであ
る。Embodiment 2 As shown in FIGS. 8 and 9, this embodiment is different from the oxygen sensor element according to Embodiment 1 in that the length L of the gas contact surface 13 to be measured, the length L of the measurement electrode, The following describes the results of performance evaluation of each oxygen sensor element obtained by changing the length L2 of the portion.
【００７０】表１には本発明にかかる酸素センサ素子の
試料を，表２には比較試料の酸素センサ素子を記載し
た。表１，表２にかかる各試料１〜２０は実施形態例１
に記載した酸素センサ素子と同様の構成を有しており，
Ｌ１やＬ２，Ｌ１／Ｌ２，Ｌ等の値がそれぞれ異なる酸
素センサ素子である。Table 1 shows a sample of the oxygen sensor element according to the present invention, and Table 2 shows an oxygen sensor element of a comparative sample. Samples 1 to 20 according to Tables 1 and 2 are the first embodiment.
Has the same configuration as the oxygen sensor element described in
The oxygen sensor elements have different values of L1, L2, L1 / L2, L and the like.
【００７１】また，試料４は測定電極を素子先端部から
形成せず，素子先端部より３ｍｍの位置から形成したも
のである（後述する実施形態例５の図１２参照）。ま
た，試料１２は測定電極をスパッタリングによって形成
した。また，試料１９の測定電極は貴金属含有ペースト
を塗布し，その後熱処理することで形成されている。In the sample 4, the measurement electrode was not formed from the tip of the element, but was formed at a position 3 mm from the tip of the element (see FIG. 12 of Embodiment 5 described later). In the sample 12, a measurement electrode was formed by sputtering. The measurement electrode of the sample 19 is formed by applying a noble metal-containing paste and then performing a heat treatment.
【００７２】これらの各試料の性能を次のようにして測
定した。まず，応答性の測定について説明する。ヒータ
が挿入された酸素センサ素子を自動車エンジンの排気系
に固定した。その後，エンジンを始動し，ヒータに電力
（５Ｗ）を付与した。その後，排気ガスのリッチ雰囲気
（λ＝０．９）と排気ガスのリーン雰囲気（λ＝１．
１）とを酸素センサ素子の出力電圧０．４５Ｖを境に切
り替え，その出力波形の周波数を測定した。この周波数
が０．７５Ｈｚ未満であるものを×，０．７５Ｈｚ以上
０．８Ｈｚ以下であるものを△，０．８Ｈｚより大であ
るものを○として，表１，表２に記載した。The performance of each of these samples was measured as follows. First, the response measurement will be described. The oxygen sensor element into which the heater was inserted was fixed to the exhaust system of an automobile engine. Thereafter, the engine was started, and electric power (5 W) was applied to the heater. Thereafter, the exhaust gas rich atmosphere (λ = 0.9) and the exhaust gas lean atmosphere (λ = 1.
1) and 2) were switched at the output voltage of the oxygen sensor element of 0.45 V, and the frequency of the output waveform was measured. Tables 1 and 2 show the case where the frequency is less than 0.75 Hz as x, the case where the frequency is 0.75 Hz or more and 0.8 Hz or less as Δ, and the case where the frequency is more than 0.8 Hz as ○.
【００７３】また，出力の測定について説明する。応答
性の測定と同様に，酸素センサ素子を自動車エンジンの
排気系に固定し，エンジンを始動して，ヒータに電力
（５Ｗ）を付与した。その後，排気ガスのリッチ雰囲気
（λ＝０．９）とリーン雰囲気（λ＝１．１）との出力
電圧の差を測定した。この出力も応答性の指標であり，
上述の測定による応答周波数が同じ場合，出力が大であ
れが応答性がはやく，小であれば応答性が遅い。そし
て，この差が０．６５Ｖ未満のものを×，０．６５Ｖ以
上０．７Ｖ以下のものを△，０．７Ｖより大のものを○
として，表１，表２に記載した。The output measurement will be described. As in the measurement of the response, the oxygen sensor element was fixed to the exhaust system of the automobile engine, the engine was started, and electric power (5 W) was applied to the heater. After that, the difference in output voltage between the rich atmosphere (λ = 0.9) and the lean atmosphere (λ = 1.1) of the exhaust gas was measured. This output is also an index of responsiveness,
If the response frequency obtained by the above-described measurement is the same, the response is fast even if the output is large, and the response is slow if the output is small. Then, the difference of less than 0.65 V was evaluated as ×, the difference of 0.65 V or more and 0.7 V or less as Δ, and the difference of more than 0.7 V as ○.
The results are shown in Tables 1 and 2.
【００７４】次に，耐熱性の測定について説明する。耐
熱性の測定において，以下に示す２種類の耐久試験を実
施した。 （１）温度９００℃，５００時間という条件で酸素セン
サ素子を加熱した。その後，酸素センサ素子の出力が
０．４Ｖ未満のものを×，０．４Ｖ以上０．５Ｖ以下の
ものを△，０．５Ｖより大のものを○として，表１，表
２に記載した。また，この耐久性試験の前後における酸
素センサ素子の出力と各酸素センサ素子のＬ１／Ｌとの
関係を図８に記載した。Next, measurement of heat resistance will be described. In the measurement of heat resistance, the following two types of durability tests were performed. (1) The oxygen sensor element was heated at a temperature of 900 ° C. for 500 hours. Thereafter, Table 1 and Table 2 show that the output of the oxygen sensor element was less than 0.4 V as x, that of 0.4 V or more and 0.5 V or less as Δ, and that of more than 0.5 V as ○. FIG. 8 shows the relationship between the output of the oxygen sensor element and L1 / L of each oxygen sensor element before and after the durability test.
【００７５】（２）次に，酸素センサ素子におけるヒー
タに電力を印加し，その後，電力供給を停止するという
ヒータのＯＮ／ＯＦＦ耐久を行った。この時，供給した
電力は電力供給開始１０秒後にヒータの発熱部の中心位
置が１２００℃となるような大きさとした。また，この
ＯＮ／ＯＦＦの間隔は１０秒〜１０分の間である。この
ようなＯＮ／ＯＦＦ耐久を１００００回，繰り返した。
その後，酸素センサ素子の出力が０．４Ｖ未満のものを
×，０．４Ｖ以上０．５Ｖ以下のものを△，０．５Ｖよ
り大のものを○として，表１，表２に記載した。また，
この耐久試験後の酸素センサ素子の出力とＬ１／Ｌ２と
の関係を図９に記載した。(2) Next, power was applied to the heater in the oxygen sensor element, and thereafter, the ON / OFF durability of the heater was stopped by stopping the power supply. At this time, the supplied power was so large that the center position of the heating portion of the heater was 1200 ° C. 10 seconds after the start of the power supply. The ON / OFF interval is between 10 seconds and 10 minutes. Such ON / OFF durability was repeated 10,000 times.
Thereafter, Table 1 and Table 2 show that the output of the oxygen sensor element was less than 0.4 V as x, that of 0.4 V or more and 0.5 V or less as Δ, and that of more than 0.5 V as ○. Also,
FIG. 9 shows the relationship between the output of the oxygen sensor element after this durability test and L1 / L2.
【００７６】以上，表１，表２より，測定電極の長さＬ
１が０．２Ｌ以上で，測定電極が長さ０．８Ｌの範囲内
に設けられ，測定電極の厚みは０．５〜３．０μｍであ
る試料１〜１２は，応答性，出力，耐熱性に優れている
ことが分かった。As described above, from Tables 1 and 2, the length L
Sample No. 1 is 0.2L or more, the measurement electrode is provided within a range of 0.8L in length, and the thickness of the measurement electrode is 0.5 to 3.0 μm. It turned out to be excellent.
【００７７】また，試料１３はＬ１が０．１６Ｌである
ため，耐熱性について問題があり，試料１４は０．８Ｌ
を越えた部分に対し測定電極が形成されているため，応
答性や出力に問題があり，更に，試料１５や試料１９は
測定電極がそれぞれ３．５μｍ，５μｍと厚いため，応
答性や出力に問題があることが分かった。また，試料１
６は測定電極が薄いため，耐熱性に問題があることが分
かった。Further, sample 13 has a problem with heat resistance since L1 is 0.16 L, and sample 14 has a problem of 0.8 L.
Since the measurement electrode is formed in the portion beyond the limit, there is a problem in response and output. In addition, since the measurement electrodes of samples 15 and 19 are as thick as 3.5 μm and 5 μm, respectively, the response and output are poor. Turns out there is a problem. Sample 1
No. 6 was found to have a problem in heat resistance because the measurement electrode was thin.
【００７８】更に，試料１７はクリアランスが空きすぎ
ているため，応答性や出力に問題があり，試料１８はＬ
１／Ｌ２が大きすぎるため，応答性や出力に問題があ
り，試料２０はＬ１／Ｌ２が小さいため，耐熱性に問題
があることが分かった。Further, since the clearance of sample 17 is too large, there is a problem in response and output.
Since 1 / L2 was too large, there was a problem in responsiveness and output, and it was found that Sample 20 had a problem in heat resistance since L1 / L2 was small.
【００７９】また，図８に示すごとく，Ｌ１が０．２Ｌ
以上である酸素センサ素子は耐久後も出力が低下し難い
ことが分かった。更に，図９に示すごとく，Ｌ１／Ｌ２
が１．０〜４．０の範囲内にある酸素センサ素子は高い
出力，すなわち速い応答性が得られ，かつ耐久性も良好
であることが分かった。As shown in FIG. 8, L1 is 0.2L.
It was found that the output of the oxygen sensor element described above was hard to decrease even after the durability. Further, as shown in FIG.
It was found that the oxygen sensor element having a value in the range of 1.0 to 4.0 has a high output, that is, a fast response, and has good durability.
【００８０】次に，表３にかかる試料１は，上述した表
１の試料１と同じものである。表３にかかる試料２１は
試料１よりも発熱部が長いヒータを用いた試料である。
これらの試料にかかる酸素センサ素子を，リッチ雰囲気
（λ（空気過剰率）＝０．９），雰囲気温度４００℃で
ある自動車エンジンから排出された排気ガスの中に入れ
た。そして，酸素センサ素子を入れると同時にヒータに
通電し，酸素センサ素子の出力が０．４５Ｖとなるまで
の時間を測定した。この時間が，３０秒より大であれば
×，３０秒以下２５秒以上であれば△，２５秒未満であ
れば○として，表３に記載した。Next, the sample 1 in Table 3 is the same as the sample 1 in Table 1 described above. Sample 21 according to Table 3 is a sample using a heater having a longer heating part than Sample 1.
The oxygen sensor elements according to these samples were put in exhaust gas discharged from an automobile engine in a rich atmosphere (λ (excess air ratio) = 0.9) at an ambient temperature of 400 ° C. The heater was energized at the same time that the oxygen sensor element was turned on, and the time until the output of the oxygen sensor element became 0.45 V was measured. The time is shown in Table 3 as x when the time is longer than 30 seconds, Δ when the time is 30 seconds or less and 25 seconds or more, and ○ when the time is less than 25 seconds.
【００８１】表３より，発熱部が長すぎるヒータを用い
た場合は，かえって活性時間が長くなることが分かっ
た。これは，発熱部が長くなることにより，ヒータの昇
温が遅くなるため，活性時間もこれに伴って遅くなるた
めである。From Table 3, it was found that when a heater having an excessively long heating portion was used, the activation time was rather long. This is because the increase in the length of the heat-generating portion slows down the temperature rise of the heater, so that the activation time is also delayed.
【００８２】[0082]
【表１】 [Table 1]
【００８３】[0083]
【表２】 [Table 2]
【００８４】[0084]
【表３】 [Table 3]
【００８５】実施形態例３ 本例の酸素センサ素子は，図１０に示すごとく，保護層
を２層構造としたものである。本例の酸素センサ素子１
は，実施形態例１と同様の構造である。ただし，図１０
に示すごとく，測定電極１１，固体電解質体１５等で構
成される被測定ガス接触面１３の表面全体には，プラズ
マ溶射法により形成されたＭｇＡｌ2Ｏ4スピネルからな
る第１保護層４１が設けてある。そして，上記第１保護
層４１の表面には第２保護層４２が設けてある。この第
２保護層４２はＡｌ2Ｏ3を含有し，厚みは２０〜６０μ
ｍ，気孔率は２０〜５０％と保護層よりもよりポーラス
に構成されている。Embodiment 3 As shown in FIG. 10, the oxygen sensor element of this embodiment has a two-layer protective layer structure. Oxygen sensor element 1 of this example
Has the same structure as that of the first embodiment. However, FIG.
As shown in the figure, a first protective layer 41 made of MgAl 2 O 4 spinel formed by a plasma spraying method is provided on the entire surface of the gas contact surface 13 to be measured composed of the measuring electrode 11, the solid electrolyte body 15, and the like. It is. A second protective layer 42 is provided on the surface of the first protective layer 41. The second protective layer 42 contains Al 2 O 3 and has a thickness of 20 to 60 μm.
m, the porosity is 20 to 50%, which is more porous than the protective layer.
【００８６】また，上記第２保護層４２は，Ａｌ2Ｏ3を
スラリー化し，ディッピングにより第１保護層４１の表
面をコートした後，熱処理することにより形成すること
ができる。上記第２保護層４２は，測定電極１１を被覆
するように設けることで，充分な効果を発揮することが
できる。本例においては，素子先端部１５９より高さ１
２ｍｍ（０．４８Ｌ）の部分までを覆うように形成され
ている。なお，上記第２保護層４２を被測定ガス接触面
１３の全表面に設けることもできる。The second protective layer 42 can be formed by slurrying Al 2 O 3 , coating the surface of the first protective layer 41 by dipping, and performing a heat treatment. By providing the second protective layer 42 so as to cover the measurement electrode 11, a sufficient effect can be exhibited. In this example, the height 1
It is formed so as to cover a portion of 2 mm (0.48 L). The second protective layer 42 may be provided on the entire surface of the gas contact surface 13 to be measured.
【００８７】本例の構成によれば，第２保護層４２が被
測定ガス中に含まれる被毒物をトラップすることができ
るため，被毒物による測定電極１１の劣化を防止するこ
とができる。その他は実施形態例１と同様の作用効果を
有する。According to the structure of the present embodiment, the second protective layer 42 can trap the poisoning substance contained in the gas to be measured, so that the deterioration of the measuring electrode 11 due to the poisoning substance can be prevented. Others have the same operation and effects as the first embodiment.
【００８８】実施形態例４ 本例の酸素センサ素子は，図１１に示すごとく，保護層
を３層構造としたものである。本例の酸素センサ素子１
は，実施形態例１と同様の構造である。ただし，図１１
に示すごとく，測定電極１１，固体電解質体１５等で構
成される被測定ガス接触面１３の表面全体には，プラズ
マ溶射法により形成されたＭｇＡｌ2Ｏ4スピネルからな
る第１保護層４１が設けてある。そして，上記第１保護
層４１の表面には第２保護層４２が設けてある。更に，
第２保護層４２の表面には第３保護層４３が設けてあ
る。この第３保護層４２はＡｌ2Ｏ3を含有し，厚みは４
０μｍ，気孔率は６０％と第２保護層よりもよりポーラ
スに構成されている。Embodiment 4 As shown in FIG. 11, the oxygen sensor element of this embodiment has a three-layer protective layer structure. Oxygen sensor element 1 of this example
Has the same structure as that of the first embodiment. However, FIG.
As shown in the figure, a first protective layer 41 made of MgAl 2 O 4 spinel formed by a plasma spraying method is provided on the entire surface of the gas contact surface 13 to be measured composed of the measuring electrode 11, the solid electrolyte body 15, and the like. It is. A second protective layer 42 is provided on the surface of the first protective layer 41. Furthermore,
The third protective layer 43 is provided on the surface of the second protective layer 42. The third protective layer 42 contains Al 2 O 3 and has a thickness of 4
0 μm, the porosity is 60%, which is more porous than the second protective layer.
【００８９】なお，上記第３保護層４３の形成方法の一
例を挙げる。上記第２保護層４２の形成方法と同様にＡ
ｌ2Ｏ3をスラリー化し，ディッピングにより第２保護層
４２の表面をコートした後，熱処理することにより形成
することができる。また，第３保護層４３も上記第２保
護層４２と同様に，測定電極１１を充分に被覆していれ
ば，その機能を充分果たすことができる。本例では素子
先端部１５９と，ここより１１ｍｍ（０．４４Ｌ）上方
の部分との間に形成されている。An example of a method of forming the third protective layer 43 will be described. In the same manner as in the method of forming the second protective layer 42, A
It can be formed by slurrying l 2 O 3 , coating the surface of the second protective layer 42 by dipping, and then performing heat treatment. In addition, the third protective layer 43, as well as the second protective layer 42, can sufficiently fulfill its function if it sufficiently covers the measurement electrode 11. In the present example, it is formed between the element tip 159 and a portion 11 mm (0.44 L) above.
【００９０】本例の構成によれば，第３保護層４３が大
きな被毒物をトラップすることができるため，第２保護
層４２の目づまりを防止することができる。その他は実
施形態例１と同様の作用効果を有する。According to the structure of this embodiment, the third protective layer 43 can trap a large poison, so that the second protective layer 42 can be prevented from being clogged. Others have the same operation and effects as the first embodiment.
【００９１】実施形態例５ 本例は，素子先端部以外の部分から測定電極が形成され
た酸素センサ素子について説明するものである。図１２
に示すごとく，本例の酸素センサ素子１は素子先端部１
５９から長手方向に３ｍｍ（０．１２Ｌ）の部分から素
子先端部から長手方向に１０ｍｍ（０．４０Ｌ）の部分
までの間に測定電極１１が形成されている。Embodiment 5 This embodiment describes an oxygen sensor element in which a measurement electrode is formed from a portion other than the element tip. FIG.
As shown in FIG.
The measurement electrode 11 is formed from 59 to 3 mm (0.12 L) in the longitudinal direction to 10 mm (0.40 L) in the longitudinal direction from the tip of the element.
【００９２】上記測定電極１１は，実施形態例１と同様
に，リード部１１１，ターミナル部１１２を有し，リー
ド部１１１の周方向の幅は１．５ｍｍ，ターミナル部１
１２の周方向の幅は７ｍｍ，長手方向の長さは４ｍｍで
ある。また，本例の酸素センサ素子１の被測定ガス接触
面１３の長さＬは２５ｍｍである。また，図示は略する
が，ヒータ２の発熱部２０の長さＬ２は４．０ｍｍ，ヒ
ータ２の発熱部２０の中心位置は素子先端部より高さ５
ｍｍの位置にある。また，ヒータ２と内側面とのクリア
ランスは０．２ｍｍ，測定電極１１の厚みは１．５μｍ
である。その他は実施形態例１と同様である。The measuring electrode 11 has a lead portion 111 and a terminal portion 112 as in the first embodiment. The width of the lead portion 111 in the circumferential direction is 1.5 mm,
12 has a width in the circumferential direction of 7 mm and a length in the longitudinal direction of 4 mm. Further, the length L of the measured gas contact surface 13 of the oxygen sensor element 1 of this embodiment is 25 mm. Although not shown, the length L2 of the heat generating portion 20 of the heater 2 is 4.0 mm, and the center position of the heat generating portion 20 of the heater 2 is 5 mm higher than the element tip.
mm. The clearance between the heater 2 and the inner surface is 0.2 mm, and the thickness of the measuring electrode 11 is 1.5 μm.
It is. Others are the same as the first embodiment.
【００９３】本例の酸素センサ素子１の先端部は半球状
になっているが，この部分はパッド印刷等によるＰｔペ
ーストが周りこみにくいため，ペーストの転写が困難で
ある。このため，この半球状の部分に追加でペースト印
刷を行う必要があるが，本例の酸素センサ素子１はその
必要がなく，そのため製造が容易である。その他は実施
形態例１と同様の作用効果を有する。Although the tip of the oxygen sensor element 1 of this embodiment has a hemispherical shape, it is difficult to transfer the paste because the Pt paste by pad printing or the like does not easily flow around. For this reason, it is necessary to additionally perform paste printing on the hemispherical portion. However, the oxygen sensor element 1 of the present embodiment does not need to perform the paste printing, so that the manufacture is easy. Others have the same operation and effects as the first embodiment.
【００９４】実施形態例６ 本例は，測定電極を固体電解質体の周方向に部分的に形
成した酸素センサ素子について説明するものである。図
１３に示すごとく，本例の酸素センサ素子１において，
測定電極１１は素子先端部１５９から長手方向に１０ｍ
ｍ（０．４０Ｌ）の部分までに形成され，また固体電解
質体１５の周方向に幅３ｍｍで形成されている。Embodiment 6 This embodiment describes an oxygen sensor element in which a measurement electrode is formed partially in the circumferential direction of a solid electrolyte body. As shown in FIG. 13, in the oxygen sensor element 1 of this example,
Measurement electrode 11 is 10 m in the longitudinal direction from element tip 159
m (0.40 L), and has a width of 3 mm in the circumferential direction of the solid electrolyte member 15.
【００９５】上記測定電極１１は，実施形態例１と同様
に，リード部１１１，ターミナル部１１２を有し，リー
ド部１１１の周方向の幅は１．５ｍｍ，ターミナル部１
１２の周方向の幅は７ｍｍ，長手方向の長さは４ｍｍで
ある。また，本例の酸素センサ素子１の被測定ガス接触
面１３の長さＬは２５ｍｍである。また，図示は略する
が，ヒータ２の発熱部２０の長さＬ２は４．０ｍｍ，ヒ
ータ２の発熱部２０の中心位置は素子先端部より高さ５
ｍｍの位置にある。また，ヒータ２と内側面とのクリア
ランスは０．２ｍｍ，測定電極１１の厚みは１．５μｍ
である。その他は実施形態例１と同様である。The measuring electrode 11 has a lead portion 111 and a terminal portion 112 as in the first embodiment. The width of the lead portion 111 in the circumferential direction is 1.5 mm, and
12 has a width in the circumferential direction of 7 mm and a length in the longitudinal direction of 4 mm. In addition, the length L of the measured gas contact surface 13 of the oxygen sensor element 1 of this embodiment is 25 mm. Although not shown, the length L2 of the heat generating portion 20 of the heater 2 is 4.0 mm, and the center position of the heat generating portion 20 of the heater 2 is 5 mm higher than the tip of the element.
mm. The clearance between the heater 2 and the inner surface is 0.2 mm, and the thickness of the measuring electrode 11 is 1.5 μm.
It is. Others are the same as the first embodiment.
【００９６】本例の酸素センサ素子１によれば，測定電
極１１の面積を最小限にとどめることができるため，高
価な貴金属の使用量を減らすことができるため，製造コ
ストを安価とすることができる。その他は実施形態例１
と同様の作用効果を有する。また，上記測定電極１１，
リード部１１１，ターミナル部１１２との幅をすべて同
一として，これらを形成することもできる。According to the oxygen sensor element 1 of this embodiment, the area of the measuring electrode 11 can be kept to a minimum, so that the amount of expensive noble metal used can be reduced, and the manufacturing cost can be reduced. it can. Others are the first embodiment.
It has the same function and effect as described above. In addition, the measurement electrode 11,
The widths of the lead portion 111 and the terminal portion 112 can all be the same, and these can also be formed.
【００９７】実施形態例７ 本例は，図１４に示すごとく，断面が長方形状の平板型
のヒータを設けた酸素センサ素子である。本例の酸素セ
ンサ素子１は，図１４（ａ）に示すごとく，コップ型の
固体電解質体１５とその外側面に設けた測定電極，固体
電解質体の内部に設けられた基準ガス室等よりなる。そ
して，上記基準ガス室内には断面が長方形状でＡｌ2Ｏ3
よりなる基板上に発熱体が印刷形成された（図示略）積
層型のヒータ２が配設されている。Embodiment 7 As shown in FIG. 14, this embodiment is an oxygen sensor element provided with a flat plate-shaped heater having a rectangular cross section. As shown in FIG. 14A, the oxygen sensor element 1 of the present embodiment includes a cup-shaped solid electrolyte body 15, a measurement electrode provided on the outer surface thereof, a reference gas chamber provided inside the solid electrolyte body, and the like. . The reference gas chamber has a rectangular cross section and Al 2 O 3
A laminated heater 2 (not shown) in which a heating element is formed by printing on a substrate made of a metal is provided.
【００９８】この酸素センサ素子において，ヒータ２の
外側面と固体電解質体１５の内側面１６０とのクリアラ
ンスは，図１４（ｂ）に示すごとく，Ｗａ＝１．０ｍ
ｍ，Ｗｂ＝０．８５ｍｍである。また，このヒータの発
熱部の長さＬ２は９ｍｍであり，ヒータ２の発熱部の中
心位置は素子先端部１５９より７ｍｍの位置にある。こ
こで素子とヒータ２とのクリアランスはヒータ長手方向
の４辺と素子内側表面との最短距離の平均値とする。そ
の他は実施形態例１と同様である。また，本例の形態に
おいても，実施形態例１と同様の作用効果を有する。In this oxygen sensor element, the clearance between the outer surface of the heater 2 and the inner surface 160 of the solid electrolyte member 15 is Wa = 1.0 m as shown in FIG.
m, Wb = 0.85 mm. The length L2 of the heat generating portion of the heater is 9 mm, and the center position of the heat generating portion of the heater 2 is located 7 mm from the element tip 159. Here, the clearance between the element and the heater 2 is an average value of the shortest distances between the four sides in the heater longitudinal direction and the inner surface of the element. Others are the same as the first embodiment. In addition, this embodiment has the same operation and effect as the first embodiment.
【００９９】実施形態例８ 本例は，図１５，図１６に示すごとく，積層型の酸素セ
ンサ素子について説明する。図１５，図１６に示すごと
く，板状の固体電解質体４５の外側面４５０に測定電極
４１が，内側面４６０に基準電極４２が設けてある。ま
た，上記測定電極１１を覆うように第１保護層４８及び
第２保護層４９が設けてある。なお，上記測定電極４
１，基準電極４２は，実施形態例１と同様の方法で形成
されている。Embodiment 8 In this embodiment, as shown in FIGS. 15 and 16, a stacked oxygen sensor element will be described. As shown in FIGS. 15 and 16, the measurement electrode 41 is provided on the outer surface 450 of the plate-like solid electrolyte body 45, and the reference electrode 42 is provided on the inner surface 460. Further, a first protective layer 48 and a second protective layer 49 are provided so as to cover the measurement electrode 11. The measuring electrode 4
1. The reference electrode 42 is formed in the same manner as in the first embodiment.
【０１００】また，上記固体電解質体４５の内側面４６
０に対し，基準ガス室を構成するスペーサ４６５が設け
てある。そして，このスペーサ４６５に対しヒータ４７
が積層されている。上記ヒータ４７はＡｌ2Ｏ3よりなる
セラミックシートよりなるヒータ基板４７１に発熱体４
７０が配置され，該発熱体４７０を覆う被覆基板４７２
が設けてある。このヒータ基板４７１はプレス成形，イ
ンジェクション成形，シート成形等にて成形されたもの
である。The inner surface 46 of the solid electrolyte body 45
For 0, a spacer 465 constituting a reference gas chamber is provided. Then, a heater 47 is attached to the spacer 465.
Are laminated. The heater 47 has a heating element 4 on a heater substrate 471 made of a ceramic sheet made of Al 2 O 3.
A covering substrate 472 for covering the heating element 470
Is provided. The heater substrate 471 is formed by press molding, injection molding, sheet molding, or the like.
【０１０１】上記固体電解質体４５の外側面４５０に
は，測定電極４１と共にリード部４１１，ターミナル部
４１２が設けてある。また，固体電解質体４５の内側面
４６０には基準電極４２と共にリード部４２１が設けて
ある。また，上記リード部４２１は外側面４５０に設け
たターミナル部４２２に対し，固体電解質体４５に設け
たスルーホール４２５によって電気的に接続されてい
る。A lead portion 411 and a terminal portion 412 are provided on the outer surface 450 of the solid electrolyte member 45 together with the measurement electrode 41. Further, a lead portion 421 is provided on the inner side surface 460 of the solid electrolyte member 45 together with the reference electrode 42. Further, the lead portion 421 is electrically connected to a terminal portion 422 provided on the outer side surface 450 by a through hole 425 provided in the solid electrolyte body 45.
【０１０２】なお，本例の酸素センサ素子４において，
測定電極４１の長さＬ１は８ｍｍ，幅は４ｍｍである。
ヒータ４７の発熱部の長さＬ２は７ｍｍ，幅は５ｍｍで
ある。測定電極４１は素子先端部から１ｍｍ隔てた部分
から設けてあり，ヒータの発熱部の中心位置は素子先端
部から５ｍｍ上方に位置する。また，被測定ガス接触面
４３の長さＬは２０ｍｍである。その他，実施形態例１
と同様である。In the oxygen sensor element 4 of this embodiment,
The length L1 of the measurement electrode 41 is 8 mm and the width is 4 mm.
The length L2 of the heat generating portion of the heater 47 is 7 mm, and the width is 5 mm. The measurement electrode 41 is provided from a portion 1 mm away from the tip of the element, and the center position of the heating portion of the heater is located 5 mm above the tip of the element. The length L of the measured gas contact surface 43 is 20 mm. Other, Embodiment 1
Is the same as
【０１０３】本例の酸素センサ素子４は，ヒータと素子
が一体であるため，活性時間が速いという効果を有す
る。その他は実施形態例１と同様の作用効果を有する。The oxygen sensor element 4 of this embodiment has an effect that the activation time is short because the heater and the element are integrated. Others have the same operation and effects as the first embodiment.
【０１０４】なお，積層型酸素センサ素子としては，本
例以外の構造を有するものであっても，同様の効果を得
ることができる。異なる構造としては，例えば，複数枚
の固体電解質体に対し測定電極等を設けた２セルタイプ
等の積層型酸素センサ素子が挙げられる。Note that the same effect can be obtained even if the stacked oxygen sensor element has a structure other than that of this example. As a different structure, for example, a stacked oxygen sensor element such as a two-cell type in which measurement electrodes and the like are provided for a plurality of solid electrolyte bodies is exemplified.
【図１】実施形態例１における，酸素センサ素子の固体
電解質体と測定電極とを示す側面図。FIG. 1 is a side view showing a solid electrolyte body and a measurement electrode of an oxygen sensor element according to a first embodiment.
【図２】実施形態例１における，（ａ）酸素センサ素子
の固体電解質体と測定電極及び基準電極とを示す（図１
のＡ−Ａ線による）縦断面説明図，（ｂ）固体電解質体
と測定電極及び基準電極とを示す（図１のＢ−Ｂ線によ
る）横断面説明図。FIG. 2 shows (a) a solid electrolyte body, a measurement electrode, and a reference electrode of an oxygen sensor element according to the first embodiment (FIG. 1);
(A-A line) of FIG. 1, (b) A cross-sectional explanatory diagram (by a BB line of FIG. 1) showing a solid electrolyte body, a measurement electrode and a reference electrode.
【図３】実施形態例１における，酸素センサ素子の固体
電解質体とヒータとの位置関係を示す説明図。FIG. 3 is an explanatory diagram showing a positional relationship between a solid electrolyte body of an oxygen sensor element and a heater in the first embodiment.
【図４】実施形態例１における，保護層の説明図。FIG. 4 is an explanatory diagram of a protective layer in the first embodiment.
【図５】実施形態例１における，酸素センサ素子を有す
る酸素センサの縦断面説明図。FIG. 5 is an explanatory longitudinal sectional view of an oxygen sensor having an oxygen sensor element according to the first embodiment.
【図６】実施形態例１における，素子先端部からの距離
と固体電解質体の外側面における被測定ガス接触面の温
度分布との関係を示す線図。FIG. 6 is a diagram showing a relationship between a distance from an element tip and a temperature distribution of a contact surface of a gas to be measured on an outer surface of the solid electrolyte body in the first embodiment.
【図７】実施形態例１における，内側面に基準電極と導
通するターミナル部を持つ酸素センサ素子の説明図。FIG. 7 is an explanatory diagram of an oxygen sensor element having a terminal portion on the inner surface that is electrically connected to a reference electrode according to the first embodiment.
【図８】実施形態例２における，加熱前後での酸素セン
サ素子のＬ１／Ｌと出力との関係を示す線図。FIG. 8 is a diagram showing a relationship between L1 / L and output of an oxygen sensor element before and after heating in a second embodiment.
【図９】実施形態例２における，酸素センサ素子のＬ１
／Ｌ２と出力との関係を示す線図。FIG. 9 illustrates an oxygen sensor element L1 according to the second embodiment.
FIG. 4 is a diagram showing the relationship between / L2 and output.
【図１０】実施形態例３における，２層の保護層を設け
た酸素センサ素子の要部縦断面説明図。FIG. 10 is an explanatory longitudinal sectional view of a main part of an oxygen sensor element provided with two protective layers according to a third embodiment.
【図１１】実施形態例４における，３層の保護層を設け
た酸素センサ素子の要部縦断面説明図。FIG. 11 is an explanatory longitudinal sectional view of a main part of an oxygen sensor element provided with three protective layers according to a fourth embodiment.
【図１２】実施形態例５における，環状の測定電極を設
けた酸素センサ素子の側面説明図。FIG. 12 is an explanatory side view of an oxygen sensor element provided with an annular measurement electrode in a fifth embodiment.
【図１３】実施形態例６における，部分的に測定電極を
設けた酸素センサ素子の側面説明図。FIG. 13 is an explanatory side view of an oxygen sensor element in which a measurement electrode is partially provided in a sixth embodiment.
【図１４】実施形態例７における，板状のヒータを設け
た酸素センサ素子の（ａ）縦断面説明図，（ｂ）横断面
説明図。FIGS. 14A and 14B are a vertical cross-sectional view and a horizontal cross-sectional view of an oxygen sensor element provided with a plate-like heater according to a seventh embodiment.
【図１５】実施形態例８における，積層型酸素センサ素
子の要部横断面説明図。FIG. 15 is an explanatory cross-sectional view of a main part of a stacked oxygen sensor element according to an eighth embodiment.
【図１６】実施形態例８における，積層型酸素センサ素
子の側面図。FIG. 16 is a side view of the stacked oxygen sensor element according to the eighth embodiment.
１．．．酸素センサ素子， １１．．．測定電極， １２．．．基準電極， １３．．．被測定ガス接触面， １５．．．固体電解質体， １５０．．．外側面， １６．．．基準ガス室， １６０．．．内側面， ２．．．ヒータ， 1. . . 10. oxygen sensor element, . . Measuring electrode, 12. . . Reference electrode, 13. . . 14. Gas contact surface to be measured, . . Solid electrolyte body, 150. . . Outer surface, 16. . . Reference gas chamber, 160. . . Inner surface, 2. . . heater,
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 藤井 並次 愛知県刈谷市昭和町１丁目１番地 株式会 社デンソー内 (72)発明者 佐野 博美 愛知県刈谷市昭和町１丁目１番地 株式会 社デンソー内 Ｆターム(参考） 2G004 BB01 BB04 BD04 BE01 BE10 BJ02 BJ03 BM07 ──────────────────────────────────────────────────続 き Continued on the front page (72) Inventor Namiji Fujii 1-1-1, Showa-cho, Kariya-shi, Aichi Prefecture Inside DENSO Corporation (72) Inventor Hiromi Sano 1-1-1, Showa-cho, Kariya-shi, Aichi Co., Ltd. F term in DENSO (reference) 2G004 BB01 BB04 BD04 BE01 BE10 BJ02 BJ03 BM07
Claims (9)
に設けた基準ガス室と，上記固体電解質体の外側面に設
けた測定電極と，上記基準ガス室と対面する固体電解質
体の内側面に設けた基準電極とよりなる酸素センサ素子
において，上記固体電解質体の外側面は酸素センサ素子
の素子先端部から長さＬの範囲に，酸素センサ素子使用
時には被測定ガスと接触する被測定ガス接触面を有して
おり，上記測定電極の酸素センサ素子長手方向の長さＬ
１は０．２Ｌ以上であり，かつ上記測定電極は上記素子
先端部から長さ０．８Ｌの範囲内に設けられてなり，更
に上記測定電極の厚みは０．５〜３．０μｍであること
を特徴とする酸素センサ素子。1. A solid electrolyte body, a reference gas chamber provided inside the solid electrolyte body, a measurement electrode provided on an outer surface of the solid electrolyte body, and a solid electrolyte body facing the reference gas chamber. In the oxygen sensor element comprising a reference electrode provided on the side surface, the outer surface of the solid electrolyte body is within a range of length L from the tip of the oxygen sensor element, and is in contact with the gas to be measured when using the oxygen sensor element. A length L of the measurement electrode in the longitudinal direction of the oxygen sensor element having a gas contact surface;
1 is 0.2 L or more, and the measurement electrode is provided within a range of 0.8 L from the tip of the element, and the thickness of the measurement electrode is 0.5 to 3.0 μm. An oxygen sensor element characterized by the above-mentioned.
はヒータを有してなり，上記ヒータは通電により発熱す
る発熱体が内蔵された発熱部を有しており，上記発熱部
の酸素センサ素子長手方向における中心位置と対面する
場所に少なくとも上記測定電極が設けてあると共に，上
記発熱部の酸素センサ素子長手方向の長さＬ２と上記測
定電極の長さＬ１との間には１．０≦Ｌ１／Ｌ２≦４．
０という関係が成立することを特徴とする酸素センサ素
子。2. The oxygen sensor element according to claim 1, wherein the oxygen sensor element has a heater, and the heater has a heat-generating portion having a built-in heat-generating element that generates heat when energized. At least the measuring electrode is provided at a position facing the center position in the longitudinal direction, and 1.0 ≦ L between the length L2 of the heating section in the longitudinal direction of the oxygen sensor element and the length L1 of the measuring electrode. L1 / L2 ≦ 4.
An oxygen sensor element, wherein a relationship of 0 is established.
長さＬ２は３〜１２ｍｍであることを特徴とする酸素セ
ンサ素子。3. The oxygen sensor element according to claim 1, wherein the length L2 of the heat generating portion is 3 to 12 mm.
上記被測定ガス接触面の長さＬは１５〜３０ｍｍである
ことを特徴とする酸素センサ素子。4. The method according to claim 1, wherein:
The length L of the gas contact surface to be measured is 15 to 30 mm.
上記測定電極は化学メッキにより構成されていることを
特徴とする酸素センサ素子。5. The method according to claim 1, wherein:
The oxygen sensor element, wherein the measurement electrode is formed by chemical plating.
上記基準電極は上記測定電極と上記固体電解質体を介し
て対向する位置に設けてあることを特徴とする酸素セン
サ素子。6. The method according to claim 1, wherein:
The oxygen sensor element, wherein the reference electrode is provided at a position facing the measurement electrode via the solid electrolyte body.
上記酸素センサ素子は一方が閉塞され，内部に基準ガス
室が設けてあるコップ型であり，上記基準ガス室にはヒ
ータが挿入配置されていることを特徴とする酸素センサ
素子。7. The method according to claim 1, wherein:
An oxygen sensor element, wherein one of the oxygen sensor elements is closed and a reference gas chamber is provided therein, and a heater is inserted into the reference gas chamber.
上記測定電極と対向する位置にある内側面と上記ヒータ
の外側面との間のクリアランスは０．０５〜１．０ｍｍ
であることを特徴とする酸素センサ素子。8. The heater according to claim 7, wherein a clearance between an inner surface of the solid electrolyte body facing the measurement electrode and an outer surface of the heater is 0.05 to 1.0 mm.
An oxygen sensor element, characterized in that:
上記酸素センサ素子は積層型であり，上記ヒータは上記
固体電解質体に対し積層配置されていることを特徴とす
る酸素センサ素子。9. The method according to claim 1, wherein:
The oxygen sensor element according to claim 1, wherein the oxygen sensor element is of a stacked type, and the heater is disposed on the solid electrolyte body.
Priority Applications (5)
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| JP25105498A JP4592838B2 (en) | 1998-09-04 | 1998-09-04 | Oxygen sensor element |
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| EP98121974A EP0924515B1 (en) | 1997-11-20 | 1998-11-19 | Solid electrolyte with inner reference chamber and electrodes on inner and outer surfaces |
| EP01129596A EP1195602A1 (en) | 1997-11-20 | 1998-11-19 | Oxygen sensor with the heater element contacting the inner surface of the closed end tubular solid electrolyte |
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