JP2002257784A

JP2002257784A - 空燃比センサ素子

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Publication number: JP2002257784A
Application number: JP2001055328A
Authority: JP
Inventors: Masahide Akiyama; 雅英秋山; Koji Tokunaga; 浩治徳永
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 2001-02-28
Filing date: 2001-02-28
Publication date: 2002-09-11
Anticipated expiration: 2021-02-28
Also published as: JP4698041B2

Abstract

(57)【要約】【課題】センシング部とポンピング部とが狭い空間を介
して対向した構造を具備する空燃比センサ素子におい
て、製造時に電極間が短絡することのない製造歩留りの
高い空燃比センサ素子を提供する。【解決手段】固体電解質円筒型基体２の内面および外面
の互いに対向する位置に基準電極３と測定電極４からな
る第１の電極対を形成してなるセンシング部と、測定電
極４の外面に空間部５を介して配設された固体電解質層
８の空間部５の内面および外面の互いに対向する位置に
内側電極９と外側電極１０からなる第２の電極対を形成
してなるポンピング部とを具備してなる空燃比センサ素
子において、ポンピング部の内側電極９が１０〜２０ｍ
ｍ²であって、センシング部の測定電極４の面積をポン
ピング部の内側電極９の面積の０．３〜０．８倍とす
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、自動車等の内燃機
関における空気と燃料の比率を制御するための空燃比セ
ンサ素子に関するものであり、具体的には発熱体とセン
サ部が一体化されてなり、製造歩留りの高い発熱体を一
体化した空燃比センサ素子に係わる。

【０００２】

【従来技術】現在、自動車等の内燃機関においては、排
出ガス中の酸素濃度を検出して、その検出値に基づいて
内燃機関に供給する空気および燃料供給量を制御するこ
とにより、内燃機関からの有害物質、例えばＣＯ、Ｈ
Ｃ、ＮＯｘを低減させる方法が採用されている。

【０００３】この検出素子として、主として酸素イオン
導電性を有するジルコニアを主分とする固体電解質から
なり、一端が封止された円筒型基体の外面および内面に
それぞれ一対の電極層が形成された固体電解質型の酸素
センサ素子が用いられている。

【０００４】このような酸素センサにおいて、一般に、
空気と燃料の比率が１付近の制御に用いられる、いわゆ
る理論空燃比センサ素子（λセンサ）では、外側の測定
電極の表面に保護層となる多孔質層が設けられており、
所定温度で円筒型基体両側に発生する酸素濃度差を検出
し、エンジン吸気系の空燃比の制御が行われている。

【０００５】一方、広範囲の空燃比を制御するために用
いられている、いわゆる広域空燃比センサ素子（Ａ／Ｆ
センサ）は、測定電極の表面に微細な細孔を有するガス
拡散律速層となるセラミック多孔質層を設け、固体電解
質からなる円筒型基体に一対の電極に通じて印加電圧を
加え、その際得られる限界電流値を測定して空燃比を直
接制御するものである。

【０００６】上記理論空燃比センサ素子および広域空燃
比センサ素子ともセンシング部を約７００℃付近の作動
温度までに加熱する必要があり、そのために、円筒型基
体からなる酸素センサ素子の内側には、センシング部を
作動温度まで加熱するため棒状のセラミックヒータが挿
入されている。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、近年排
気ガスの規制強化の傾向が強まり、エンジン始動直後か
らのＣＯ、ＨＣ、ＮＯｘの検出が必要になってきた。こ
のような要求に対して、上述のように、セラミックヒー
タを円筒型基体内に挿入してなる間接加熱方式の円筒型
酸素センサ素子では、センシング部が活性化温度に達す
るまでに要する時間（以下、活性化時間という。）が遅
いために排気ガス規制に充分対応できないという問題が
あった。

【０００８】それに対して、本発明者らは、先に円筒型
基体の対向する内面と外面に、基準電極および測定電極
を形成してセンシング部を設け、またセンシング部の測
定電極の上面に狭い空間部を挟んで、両面に一対の電極
を設けた固体電解質層を形成してなるポンピング部を設
けるとともに、空間部の周囲に発熱体を埋設したセラミ
ック絶縁層からなるヒータ部を配設することによって加
熱効率を高め、活性化時間を短縮できる空燃比センサ素
子を提案した。この空燃比センサ素子は、センシング
部、ポンピング部およびヒータ部をすべて同時焼成して
形成するものである。

【０００９】ところが、上述したようにセンシング部の
測定電極と、ポンピング部の内側電極が１０〜４０μｍ
の狭い空間部を介して対向しているため、これらの構造
を同時焼成して製造する場合において、両者の周辺部が
焼成時に接して短絡し不良品となる製造上の大きな問題
があった。

【００１０】従って、本発明は、上記センシング部とポ
ンピング部とが狭い空間を介して対向した構造を具備す
る空燃比センサ素子において、製造時に電極間が短絡す
ることのない製造歩留りの高い空燃比センサ素子を提供
することを目的とするものである。

【００１１】

【課題を解決するための手段】本発明者等は、上記の問
題について検討した結果、円筒状の空燃比センサ素子に
関して、センシング部の測定電極と空間を介して接する
ポンピング部の電極を、測定電極より小さな特定の面積
で形成することにより、上記の問題が解決され、目的の
素子を歩留まりよく製造できることを見出し本発明に至
った。

【００１２】即ち、本発明の空燃比センサ素子は、固体
電解質円筒型基体の内面および外面の互いに対向する位
置に基準電極と測定電極からなる第１の電極対を形成し
てなるセンシング部と、前記測定電極の外面に空間部を
介して配設された固体電解質層の空間部の内面および外
面の互いに対向する位置に内側電極と外側電極からなる
第２の電極対を形成してなるポンピング部とを具備して
なる空燃比センサ素子において、前記ポンピング部の内
側電極の面積が１０〜２０ｍｍ²であるとともに、前記
センシング部の測定電極の面積が、前記ポンピング部の
内側電極の面積の０．３〜０．８倍であることを特徴と
する。

【００１３】また、前記第１の電極対および第２の電極
対を加熱するために前記空間部の周囲に発熱体を配設し
たセラミック絶縁層を配設することによって空燃比セン
サ素子の加熱効率を高め、活性化時間を短縮することが
できる。

【００１４】また、空間部にガスを導入するガス拡散孔
は固体電解質層に形成することが望ましい。なお、第２
の電極対を具備する前記固体電解質層は、前記第１の電
極対を具備する前記円筒型基体の表面に巻き付け形成さ
れ、同時焼成によって形成されたものであることを特徴
とする。

【００１５】本発明の空燃比センサ素子は、後述するよ
うに、製造にあたって、固体電解質からなる円筒型基体
を具備するセンサ素体の表面に、前記セラミック絶縁
層、前記第２の電極対を具備する前記固体電解質層を巻
き付けて、同時焼成して作製することができるために、
従来のように、センサ素子とヒータ素子とをそれぞれ個
別に作製し、円筒状の酸素センサ素子中にセラミックヒ
ータを挿入して使用する従来の酸素センサ素子に比べ
て、組み立て工程が少なく、製造コストが極めて安価に
なり、経済性の観点からも優れている。

【００１６】しかしながら、上述の製造方法における欠
点としては、測定電極と、空間を介して対向する位置に
形成されたポンピング部は、両者とも同じ大きさで作製
されていたため、両者の端の部分が焼成時に接触して短
絡しやすいために歩留まりが悪かった。

【００１７】それに対して、本発明ではポンピング部に
おける固体電解質層に形成する内側電極の大きさを１０
〜２０ｍｍ²とし、測定電極の面積をその０．３〜０．
８倍の大きさに形成することにより、同時焼成によって
形成する場合においても、センシング部の測定電極とポ
ンピング部の内側電極との短絡が効果的に防止され、空
燃比センサ素子を歩留まりよく作製することができる。

【００１８】また、本発明の空燃比センサ素子によれ
ば、センシング部とポンピング部、さらにはヒータ部が
円筒体として一体化されたものであるために、熱応力が
素子全体に渡り均等に分散されるため、熱応力の集中が
防止され、平板型素子では得られない優れた熱衝撃性が
得られる。また、本発明の空燃比センサ素子によれば、
空間部の周囲のセラミック絶縁層内に発熱体を埋設した
ヒータ部を形成することによって、固体電解質からなる
円筒型基体の外面の空間部付近に形成した第１の電極対
および第２の電極対を効率的に加熱することができる結
果、急速昇温を行うことができ、センサの活性化時間、
即ち、所定の温度までの到達時間を短縮することができ
る。

【００１９】

【発明の実施の形態】以下、本発明の空燃比センサ素子
の基本構造一例を図１の概略斜視図、図２に示す図１の
空燃比センサ素子におけるＸ₁−Ｘ₁断面図をもとに説明
する。

【００２０】図１乃至２の空燃比センサ素子１によれ
ば、酸素イオン導電性を有するセラミックスからなる、
固体電解質の円筒型基体２（以下、円筒管２という。）
を具備しており、その内面および外面の互いに対向する
位置には、センサ素子を構成するための第１の電極対が
形成されている。具体的には、円筒管２の内面に、空気
などの基準ガスと接触される基準電極３が形成され、ま
た円筒管２の基準電極３と対向する外面には、排気ガス
などの被測定ガスと接触する測定電極４が形成されてお
り、センシング部を形成している。

【００２１】そして、この測定電極４の上面には、空間
部５を介して、酸素イオン導電性を有する固体電解質層
８が形成されており、この固体電解質層８の空間部５側
の内面と、それに対向する固体電解質層８外面にはポン
ピング電極として内側電極９と外側電極１０からなる第
２の電極対が形成されており、ポンピング部を形成して
いる。

【００２２】また、ポンピング部を形成している第２の
電極対９、１０を具備する固体電解質層８には、被測定
ガスとなる排気ガスを取りこむための小さなガス拡散孔
１１が形成されている。

【００２３】本発明によれば、上記の測定電極４は、こ
のポンピング部の内側電極９より小さな面積となるよう
に形成される。測定電極４の面積は、内側電極９の面積
の０．３〜０．８倍であることが重要である。これは、
測定電極４の面積が内側電極９の０．８倍よりも大きい
と、両電極間が短絡しやすくなり製造歩留りが大幅に低
下する。また、０．３倍よりも小さいと、センシング機
能が低下し、ガス応答性が悪くなる傾向を示す。測定電
極４の大きさとしては、ポンピング部の内側電極９の
０．５〜０．７倍が特に望ましい。

【００２４】なお、両電極の接触による短絡は、測定電
極４、内側電極９のいずれか一方を小さくすることによ
って解消できるが、前記内側電極９を測定電極４よりも
小さくすると、単位面積当たりのポンピング電流が大き
くなり、その結果、ポンピングの外側電極１０と内側電
極９が劣化しやすくなるといった問題あるために、測定
電極４側を小さくすることが必要となるのである。

【００２５】また、本発明によれば、ポンピング部にお
ける内側電極９の面積は、１０〜２０ｍｍ²であること
が必要である。この内側電極９の面積が１０ｍｍ²より
小さいと、電極９、１０間に流れる電流密度が高くな
り、固体電解質層が還元されやすくなる。また、その面
積が２０ｍｍ²を越えると、これを形成するため素子自
体の大きさが大きくなり素子の急速昇温が難しくなる。
内側電極９の大きさとしては、１２〜１８ｍｍ²の範囲
が特に望ましい。

【００２６】また、円筒管２と固体電解質層８との間に
は、空間部５の周囲に発熱体６が埋設されたセラミック
絶縁層７が配設されている。セラミック絶縁層７中に配
設された発熱体６は、リード電極１２を経由して端子電
極１３と接続されており、これらを通じて発熱体６に電
流を流すことにより発熱体６が加熱され、基準電極３お
よび測定電極４を具備する固体電解質からなるセンシン
グ部および上述の第２の電極対９、１０を具備する固体
電解質層８からなるセンシング部を加熱する仕組みとな
っている。

【００２７】この際、素子全体の大きさとしては、外径
を３〜６ｍｍ、特に３〜４ｍｍとすることにより、素子
の消費電力を低減するとともに、センシング性能を高め
ることができる。

【００２８】本発明において用いられるセラミック固体
電解質は、ＺｒＯ₂を含有するセラミックスからなり、
安定化剤として、Ｙ₂Ｏ₃およびＹｂ₂Ｏ₃、Ｓｃ₂Ｏ₃、Ｓ
ｍ₂Ｏ₃、Ｎｄ₂Ｏ₃、Ｄｙ₂Ｏ₃等の希土類酸化物を酸化物
換算で１〜３０モル％、好ましくは３〜１５モル％含有
する部分安定化ＺｒＯ₂あるいは安定化ＺｒＯ₂が用いら
れている。

【００２９】また、ＺｒＯ₂中のＺｒを１〜２０原子％
をＣｅで置換したＺｒＯ₂を用いることにより、電子伝
導性が大きくなり、応答性がさらに改善されるといった
効果がある。

【００３０】さらに、焼結性を改善する目的で、上記Ｚ
ｒＯ₂に対して、Ａｌ₂Ｏ₃やＳｉＯ₂を添加含有させるこ
とができるが、多量に含有させると、高温におけるクリ
ープ特性が悪くなることから、Ａｌ₂Ｏ₃およびＳｉＯ₂
の添加量は総量で５重量％以下、特に２重量％以下であ
ることが望ましい。

【００３１】一方、発熱体６を埋設するセラミック絶縁
層７としては、アルミナ、スピネル、フォルステライ
ト、ジルコニア、ガラス等のセラミック材料が好適に用
いられる。さらに、セラミック絶縁層７としてガラス絶
縁層にはガラスを用いることができるが、この場合は耐
熱性の観点から、ＢａＯ、ＰｂＯ、ＳｒＯ、ＣａＯ、Ｃ
ｄＯのうちの少なくとも１種を５重量％以上含有するガ
ラスであり、特に結晶化ガラスであることが望ましい。

【００３２】また、このセラミック絶縁層７は、相対密
度が８０％以上、開気孔率が５％以下の緻密質なセラミ
ックスによって構成されていることが望ましい。これ
は、セラミック絶縁層７が緻密質であることにより絶縁
層の強度が高くなる結果、酸素センサ素子自体の機械的
な強度を高めることができるためである。

【００３３】また、上記セラミック絶縁層７の内部に埋
設される発熱体６としては、白金、ロジウム、パラジウ
ム、ルテニウムの群から選ばれる１種の金属、または２
種以上の合金からなることが望ましく、特に、セラミッ
ク絶縁層７との同時焼結性の点で、そのセラミック絶縁
層７の焼成温度よりも融点の高い金属または合金を選択
することが望ましい。

【００３４】また、発熱体６中には上記の金属の他に焼
結防止と絶縁層との接着力を高める観点からアルミナ、
スピネル、アルミナ／シリカの化合物、フォルステライ
トあるいは上述の電解質となり得るジルコニア等を体積
比率で１０〜８０％、特に３０〜５０％の範囲で混合す
ることが望ましい。

【００３５】空間部５を閉塞する固体電解質層８は、空
間部５を覆うように、セラミック絶縁層７表面に形成さ
れている。この固体電解質層８は、円筒管２と同様に、
酸素イオン伝導性を有する前記円筒管２を構成する固体
電解質と同様な材質によって構成される。特に、この固
体電解質層８は、円筒管２を構成する固体電解質と同一
の材質からなることが望ましい。

【００３６】また、セラミック絶縁層７の外表面に形成
された固体電解質層８は、発熱体６からの熱の放散を防
止する。また、セラミック絶縁層７の上下面に同様の固
体電解質が形成されることになる結果、固体電解質から
なる円筒管２とセラミック絶縁層７間の熱膨張差や焼成
収縮差等に起因する応力を緩和させ、熱応力をできる限
り小さくする作用もなす。

【００３７】なお、発熱体６は、円筒管２や空間部５上
部の固体電解質層８および第２の電極対９、１０に対し
て直接接することなく、セラミック絶縁層７内に埋設さ
れていることが必要であって、発熱体６と円筒管２およ
び固体電解質層８との間のセラミック絶縁層７の厚みは
少なくとも２μｍ以上、好ましくは５μｍ以上であるこ
とが望ましい。

【００３８】空間部５の形状としては、特に限定するも
のではないが、円筒管２の外面に形成する上で、円筒管
２の長手方向の長さが長い長方形状あるいは楕円形状で
あることが好ましいが、空間部５が長方形状の場合は、
その角部は緩やかな曲面によって形成することによって
空間部５の角部への熱応力の集中を緩和することができ
る。また、空間部の高さとしては１０〜５０μｍ、特に
２０〜３０μｍが優れる。

【００３９】図１乃至図２の空燃比センサ素子におい
て、空間部５の上部に形成した固体電解質層８に形成し
たガス拡散孔１１は、直径が１００〜５００μｍである
ことが望ましく、このガス拡散孔の小さなガス拡散孔１
１は、１個または２個以上であってもよい。

【００４０】なお、この図１乃至図２の空燃比センサ素
子においては、ガス拡散孔１１を固体電解質層８に形成
したが、このガス拡散孔１１は、空間部５内に被測定ガ
スを導入できるものであれば、その形成場所が問わな
い。例えば、ガス拡散孔１１を円筒管２の長手方向に形
成し空燃比センサ素子１の先端部付近から被測定ガスを
導入したり、空間部５から先端側にガス透過性を有する
多孔質体を形成し、この多孔質体内の気孔をガス拡散孔
として空間部５に被測定ガスを導入することができる。

【００４１】また、この空間部５内部には、ガス拡散孔
１１の近傍に多孔質の拡散律速体１６を設け、ガス拡散
孔１１と拡散律速体１６により空間部５内部に流入する
排気ガスを制御することが望ましい。この拡散律速体１
６は、ガス拡散孔１１と、内側電極９、測定電極４との
間に介在しており、図２に示すように、ガス拡散孔１１
と整合する孔を有する円筒体からなる。この拡散律速体
１６の材質としては、上記の固体電解質材料と同じ材料
が用いられる他、アルミナ、スピネル等が用いられる。
なお、この拡散律速体１６は、ガス拡散孔１１を通過し
た排気ガスが、直接、測定電極４や内側電極９に触れな
いようにする保護する機能も併せ持っている。

【００４２】本発明の空燃比センサ素子１における第１
電極対３、４、第２電極対９、１０を形成する各電極
は、いずれも白金、ロジウム、パラジウム、ルテニウム
および金の群から選ばれる１種、または２種以上の合
金、特に白金が好適に用いられる。

【００４３】また、センサ動作時の電極中の金属の粒成
長を防止する目的と、応答性に係わる金属粒子と固体電
解質とガスとの、いわゆる３相界面の接点を増大する目
的で、上述の円筒管２または固体電解質層８を構成する
固体電解質成分を１〜５０体積％、特に１０〜３０体積
％の割合で上記電極中に混合することが望ましい。

【００４４】なお、第１の電極対３、４のうち、円筒管
２の内面に形成される基準電極３は、測定電極４の前記
空間部５に露出する部分に対向する内面部分に形成され
ていればよく、測定電極４の露出部面積よりも大きい面
積、例えば、円筒管２の内面全面に形成されていてもよ
い。

【００４５】さらに、上記の電極のうち、被測定ガスと
接触する３つの電極４、９、１０に対しては、適宜、電
極が被毒することを防止するために、表面に、ジルコニ
ア、アルミナ、マグネシアおよびスピネルの群から選ば
れる少なくとも１種からなる開気孔率が１０〜４０％の
多孔質体からなる厚みが１０〜２００μｍ、特に５０〜
１５０μｍの電極保護層を形成してもよい。

【００４６】さらには、空間部５内には、上記の電極
４、９を保護する役目と、空間部５の強度を高めるため
に、拡散律速体１６よりも気孔率の大きい多孔質体を充
填することも可能である。

【００４７】次に、本発明の空燃比センサ素子の製造方
法について、図１、２の空燃比センサ素子の製造方法を
例にして、図３をもとに説明する。（１）まず、図３に示すように、円筒管２を形成するた
めに、一端が封止された中空の円筒管素体２０を作製す
る。この円筒管素体２０は、ジルコニア等の酸素イオン
伝導性を有するセラミック固体電解質粉末に対して、適
宜、成形用有機バインダーを添加して押出成形や、静水
圧成形（ラバープレス）あるいはプレス形成などの周知
の方法により作製される。（２）そして、図３のように上記固体電解質からなる円
筒管素体２０の内面に、基準電極３となる電極パターン
２１を例えば、白金を含有する導電性ペーストを円筒管
素体２０内部に充填して排出して内面全面に塗布形成す
る。このようにしてセンサ素体Ａを作製する。（３）次に、図３に示すように、円筒管２０を形成する
固体電解質のスラリーを用いてグリーンシート２２を形
成し、このグリーンシート２２の測定電極を形成しない
領域に、アルミナなどの絶縁性スラリーを塗布して絶縁
層２３ａを形成した後、リードパターンを含む発熱体パ
ターン２５を印刷形成し、再度、絶縁性スラリーを塗布
形成して絶縁層２３ｂを形成して発熱体パターン２５を
絶縁層２３ａ，２３ｂ内に埋設させる。そして、その絶
縁層２３ａ、２３ｂを形成していない開口２６を含む絶
縁層２３ｂ表面にグリーンシート２２を形成した固体電
解質スラリーを塗布して開口２６内に固体電解質体２７
を充填する。そして、固体電解質体２７の表面に測定電
極パターン２８と適宜、拡散律速層となる多孔質の円柱
体２９をスラリー塗布などによって形成してヒータ素体
Ｂを形成する。

【００４８】さらに、ガス導入孔３２を形成した固体電
解質グリーンシート３３の両面にポンピング用の電極パ
ターン３０、３１と印刷塗布してポンピング素体Ｃを形
成する。

【００４９】そして、これらヒータ素体Ｂ、ポンピング
素体Ｃをセンサ素体Ａの表面に、上記のようにして作製
した積層体のグリーンシート２３側をセンサ素体Ａの表
面に巻き付け処理した後、同時焼成することによって形
成することができる。

【００５０】焼成は、例えば、固体電解質としてジルコ
ニア、セラミック絶縁層としてアルミナを用いた場合に
は、アルゴンガス等の不活性雰囲気中あるいは大気中で
１３００〜１７００℃で１〜１０時間程度焼成すればよ
い。

【００５１】なお、上記の製造方法では、固体電解質グ
リーンシート２２の表面にスラリー塗布によって発熱体
パターン２５を埋設したセラミック絶縁層２３ａ、２３
ｂを形成したが、固体電解質グリーンシート２２を用い
ることなく、セラミック絶縁層２３ａ、２３ｂをグリー
ンシートの積層体によって形成することも可能である。

【００５２】また、上記の製造方法においては、開口２
６内に固体電解質体２７を充填形成する際に、セラミッ
ク絶縁層２３ｂの表面まで被覆したが、開口２６のみで
も問題はない。

【００５３】なお、ガス拡散孔１１の形成は、上記の製
造工程においていずれの段階でも形成すればよい。例え
ば、図３に示すように、巻き付け処理前の積層体Ｂの固
体電解質層グリーンシート２３に貫通孔２９を形成する
か、あるいは焼成後の固体電解質層にマイクロドリル等
を用いて孔を開けてもよいが、作業性および歩留まりの
観点からは焼成前に形成することが好ましい。

【００５４】また、必要に応じて、焼成前に電極の表面
に多孔質のスラリーを塗布するか、または上記焼成後に
溶射法によって多孔質体からなる保護層を形成すること
も可能である。

【００５５】

【実施例】まず、５モル％Ｙ₂Ｏ₃含有のジルコニア粉末
にポリビニルアルコール溶液を添加してスラリーを作製
し、押出成形により焼結後、外径が約４ｍｍ、内径が１
ｍｍになるように一端が封じた円筒管素体を作製し、こ
の成形体の内部全面に白金ペーストを塗布して基準電極
を形成してセンサ素体Ａを作製した。

【００５６】また、５モル％Ｙ₂Ｏ₃含有のジルコニア粉
末にアクリル系バインダーとトルエン溶液を加えてスラ
リーを作製し、ドクターブレード法により厚みが約２０
０μｍのジルコニアグリーンシートを作製した。

【００５７】その後、このジルコニアグリーンシートの
測定電極を形成しない領域表面に、アルミナ粉末を含む
スラリーをスクリーン印刷で焼成後に約１０μｍの厚み
になるように塗布後、白金ペーストを用いて焼成後の厚
みが１０μｍの発熱体パターンを印刷形成し、再度、発
熱体パターンが埋設されるように上記アルミナのスラリ
ーを塗布し、ジルコニアグリーンシートの表面に発熱体
を埋設したアルミナ絶縁層を形成した。

【００５８】そして、ジルコニアグリーンシートのアル
ミナ絶縁層を形成していない電極形成領域に、５モル％
Ｙ₂Ｏ₃含有のジルコニア粉末のスラリーを塗布、充填し
た後、その表面に、測定電極として前記電極ペーストを
塗布形成し、また、厚みがμｍとなるように拡散律速体
を印刷によって形成した。

【００５９】なお、測定電極および基準電極の厚みは焼
成後に約１０μｍとなるように調整した。測定電極の面
積は焼成後、表１に示す大きさとした。

【００６０】次に、上記と同様にして作製した別のジル
コニアグリーンシートの両面に、内側電極、外側電極の
ポンピング電極対およびリード線を形成した後、片方の
電極表面に拡散律速層となる８モル％Ｙ₂Ｏ₃含有のジル
コニア粉末を厚み３０μｍとなるように形成した。この
時、内側電極、外側電極の大きさは、焼成後、表１とな
るように調整した。なお、内側電極と外側電極は実質的
に同じ面積とした。

【００６１】そして、上記のセンサ素体Ａの表面に、上
記ヒータ素体Ｂおよびポンピング素体Ｃを順次を巻き付
けて円筒状積層体を作製した。なお、巻き付けにあたっ
て素体間の接合には接着材としてアクリル系バインダを
用いた。その後、この円筒状積層体を１５００℃、大気
中で２時間焼成して、測定電極およびポンピング部の内
側電極の大きさが異なるセンサ素子をそれぞれ５０個づ
つ完成させた。

【００６２】作製した空燃比センサ素子の評価は、大気
中８００℃でポンピング部の電極間に０．５Ｖを印加し
て空間内の酸素を大気中に汲み出し、空間内の酸素分圧
が所定の数値（起電力で４００〜５００ｍＶ）を示す素
子を良品としてその割合（良品率）を調べた。

【００６３】

【表１】

【００６４】表１より、ポンピング部の内側電極面積と
測定電極面積の比率が０．８より大きな従来の試料Ｎ
ｏ．１および測定電極面積が内側電極面積よりも大きな
Ｎｏ．１４は良品率が低いことがわかる。また、測定電
極面積が０．３倍より小さな試料Ｎｏ．７ではセンシン
グが認められなかった。

【００６５】これに対して、本発明に従い、測定電極面
積が内側電極面積より０．８倍より小さいと良品率が向
上することがわかる。特に、実験より、内側電極面積が
１０ｍｍ²より小さな試料Ｎｏ．８では測定中に固体電
解質層にクラックが入るものが多かった。また、内側電
極面積が２０ｍｍ²を越える試料Ｎｏ．３では、素子は
作製できたものの８００℃まで昇温できないものが多か
った。

【００６６】従って、本発明のポンピング部の内側電極
面積が１０〜２０ｍｍ²で、測定電極の面積比率が内側
電極の０．３〜０．８倍とすることによって良品率が高
いことがわかる。

【００６７】

【発明の効果】以上詳述した通り、本発明の空燃比セン
サ素子によれば、センシング部の測定電極の面積と、ポ
ンピング部の内側電極との面積比率を制御することによ
り、急速昇温などの熱衝撃性に優れた空燃比センサ素子
が歩留まりよく提供できる。したがって、製造コストが
極めて安価になり、経済性の観点からも優れている。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の空燃比センサ素子の一例を説明するた
めの概略斜視図である。

【図２】図１の空燃比センサ素子におけるＸ₁−Ｘ₁縦断
面図である。

【図３】本発明の空燃比センサ素子の製造方法を説明す
るための図であって、センサ素体を作製する工程を示す
図である。

【符号の説明】

１は空燃比センサ素子、２は円筒管、３は基準電極、４
は測定電極、５は空間部６は発熱体、７はセラミック絶
縁層、８は固体電解質層、９は内側電極、１０は外側電
極、１１はガス拡散孔、１２はリード電極、１３は端子
電極、１４は多孔質体、１６は拡散律速体をそれぞれ示
す。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】固体電解質円筒型基体の内面および外面の
互いに対向する位置に基準電極と測定電極からなる第１
の電極対を形成してなるセンシング部と、前記測定電極
の外面に空間部を介して配設された固体電解質層の空間
部の内面および外面の互いに対向する位置に内側電極と
外側電極からなる第２の電極対を形成してなるポンピン
グ部とを具備してなる空燃比センサ素子において、前記
ポンピング部の内側電極の面積が１０〜２０ｍｍ²であ
るとともに、前記センシング部の測定電極の面積が、前
記ポンピング部の内側電極の面積の０．３〜０．８倍で
あることを特徴とする空燃比センサ素子。
【請求項２】前記第１の電極対および第２の電極対を加
熱するために前記空間部の周囲に発熱体を配設したセラ
ミック絶縁層を配設してなる請求項１記載の空燃比セン
サ素子。
【請求項３】前記固体電解質層が、ガス拡散孔を具備し
てなることを特徴とする請求項１または請求項２記載の
空燃比センサ素子。
【請求項４】前記第２の電極対を具備する前記固体電解
質層が、前記第１の電極対を具備する前記円筒型基体の
表面に巻き付け形成されてなることを特徴とする請求項
１乃至請求項３のいずれか記載の空燃比センサ素子。