JP2008286810A - Oxygen sensor element - Google Patents

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oxygen sensor
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Toru Katabuchi
亨 片渕
Kiyomi Kobayashi
清美 小林
Namitsugu Fujii
並次 藤井
Hiromi Sano
博美 佐野
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  • Measuring Oxygen Concentration In Cells (AREA)

Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide an oxygen sensor element that has short activation time and high responsiveness. <P>SOLUTION: The oxygen sensor element comprises a solid electrolyte body 10 having a reference gas chamber 18, a measurement electrode 11, and a reference electrode 12. Also, a heater 19 is inserted and arranged in the reference gas chamber 18. The oxygen sensor element has a contact section 100, comprising a region where an inner surface 102 comes into contact with the heater 19 and an outer surface 101 that faces the region, and the measurement electrode 11 includes at least one portion of the contact section 100. A contacting surface 13 of gas to be measured is provided, in a range with a distance L from an element tip section 14. At least one portion of the contact section 100 is set positioned, within a range of not larger than 0.4 L from the element tip section 14. The measurement electrode 11 is provided only within a range of length 0.8L from the element tip section 14. <P>COPYRIGHT: (C)2009,JPO&INPIT

Description

本発明は、例えば内燃機関からの排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のために利用されるヒータ付きの酸素センサ素子に関する。   The present invention relates to an oxygen sensor element with a heater that detects and measures the concentration of oxygen gas contained in exhaust gas from an internal combustion engine, for example, and is used for air-fuel ratio control of the internal combustion engine.

従来、内燃機関の排気系等に設置して、該内燃機関の空燃比制御等に利用する酸素センサ素子として、以下に示すごときものが知られている。
即ち、上記酸素センサ素子は、内部に基準ガス室が設けてあるコップ型の固体電解質体と、該固体電解質体の外側面に設け、かつ被測定ガスと接触する測定電極と、上記固体電解質体の内側面に設けた基準電極とよりなる。
上記測定電極及び基準電極は固体電解質体の略全面に形成されるケースと、部分的に形成されるケースとがある(特許文献1参照)。
2. Description of the Related Art Conventionally, oxygen sensor elements that are installed in an exhaust system of an internal combustion engine and used for air-fuel ratio control of the internal combustion engine and the like are known as follows.
That is, the oxygen sensor element includes a cup-type solid electrolyte body in which a reference gas chamber is provided, a measurement electrode provided on an outer surface of the solid electrolyte body and in contact with a gas to be measured, and the solid electrolyte body And a reference electrode provided on the inner surface.
There are cases where the measurement electrode and the reference electrode are formed on substantially the entire surface of the solid electrolyte body, and cases where the measurement electrode and the reference electrode are partially formed (see Patent Document 1).

また、上記酸素センサ素子において、上記基準ガス室には通電により発熱するヒータが挿入配置されている。上記酸素センサ素子はある一定以上の温度に達しないと酸素濃度を検出することができない。上記ヒータの加熱により酸素センサ素子は外部雰囲気温度が低い状態であっても酸素ガス濃度を測定することができる。   In the oxygen sensor element, a heater that generates heat when energized is inserted in the reference gas chamber. The oxygen sensor element cannot detect the oxygen concentration unless the temperature reaches a certain level. By heating the heater, the oxygen sensor element can measure the oxygen gas concentration even when the external ambient temperature is low.

特開昭58−73857号公報JP 58-73857 A

しかしながら、従来の酸素センサ素子には以下に示す問題点があった。
つまり、酸素センサ素子の外側面は後述するごとく素子先端部から長さLの範囲に被測定ガス接触面を有しており、この部分は酸素センサ素子の使用時には高温の被測定ガスにより加熱された状態にある。従って、後述する図8に示すごとく、酸素センサ素子には温度分布が発生する。
However, the conventional oxygen sensor element has the following problems.
That is, the outer surface of the oxygen sensor element has a measured gas contact surface in a range of a length L from the tip of the element as will be described later, and this portion is heated by the high temperature measured gas when the oxygen sensor element is used. It is in the state. Therefore, as shown in FIG. 8 described later, a temperature distribution is generated in the oxygen sensor element.

そして、測定電極、基準電極とが固体電解質体の全面に形成されている場合の酸素センサ素子の出力は、高温の部分からの出力と低温の部分からの出力との電気回路的な合成である。酸素センサ素子の低温部は活性が低いため、センサ出力及び応答性が低い。この部分の影響により総じてセンサ応答性が低下するおそれがある。   The output of the oxygen sensor element when the measurement electrode and the reference electrode are formed on the entire surface of the solid electrolyte body is an electric circuit combination of the output from the high temperature portion and the output from the low temperature portion. . Since the low temperature part of the oxygen sensor element has low activity, the sensor output and response are low. There is a possibility that the sensor responsiveness generally decreases due to the influence of this portion.

また、測定電極、基準電極とが固体電解質体に対し部分的に形成されている場合においても、これらの電極が低温の部分に形成されている場合には、上記と同様に不正確な出力しか得られなかったり、応答性が低下するおそれがある。   Even when the measurement electrode and the reference electrode are partially formed with respect to the solid electrolyte body, if these electrodes are formed at a low temperature portion, only an inaccurate output is obtained as described above. There is a risk that it may not be obtained or the responsiveness may be reduced.

また、内燃機関の排気系に設置する酸素センサ素子には内燃機関始動直後よりセンサ出力が得られるような性能が要求されている。つまり、ヒータへの通電開始後からセンサ出力が得られるまでの活性時間が短いことが要求されている。
従来構造にかかる酸素センサ素子ではこのような要求に応えることが難しかった。
Further, the oxygen sensor element installed in the exhaust system of the internal combustion engine is required to have a performance capable of obtaining a sensor output immediately after the internal combustion engine is started. That is, it is required that the activation time from the start of energization to the heater until the sensor output is obtained is short.
It has been difficult for the oxygen sensor element according to the conventional structure to meet such a demand.

本発明は、かかる従来の問題点に鑑みてなされたもので、活性時間が短く、応答性が高い、酸素センサ素子を提供することを目的とする。   The present invention has been made in view of such conventional problems, and an object of the present invention is to provide an oxygen sensor element having a short activation time and high responsiveness.

請求項1の発明は,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の固体電解質体と,該固体電解質体の外側面に設け,かつ被測定ガスと接触する測定電極と,上記固体電解質体の内側面に設けた基準電極とよりなると共に上記基準ガス室にはヒータが挿入配置してある酸素センサ素子であって,
上記固体電解質体の内側面と上記ヒータとが接触する領域及びこの領域から上記固体電解質体の内側面の法線方向に存在する外側面の領域とよりなる接触部を有しており,かつ上記測定電極は上記外側面側の接触部の少なくとも一部を含むように形成されており,
また,上記酸素センサ素子の外側面は該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の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,かつ上記接触部は上記素子先端部から長さ0.4L以内の範囲のみに位置するよう形成されており,
更に,上記測定電極は上記素子先端部から長さ0.8Lの範囲のみに設けられるよう形成されており,上記基準電極は,上記測定電極に対向して形成されていることを特徴とする酸素センサ素子にある。
The invention of claim 1 is a cup-type solid electrolyte body in which one side is closed and a reference gas chamber is provided inside, a measurement electrode provided on the outer surface of the solid electrolyte body and in contact with the gas to be measured, An oxygen sensor element comprising a reference electrode provided on an inner surface of the solid electrolyte body and having a heater inserted in the reference gas chamber,
A contact portion comprising a region where the inner surface of the solid electrolyte body and the heater are in contact with each other, and a region on the outer surface existing in the normal direction of the inner surface of the solid electrolyte body from this region; and The measurement electrode is formed so as to include at least a part of the contact portion on the outer surface side,
The outer surface of the oxygen sensor element has a measured gas contact surface that comes into contact with the measured gas when the oxygen sensor element is used within a length L from the tip of the oxygen sensor element. The contact portion is formed so as to be located only within a range of 0.4 L or less from the tip portion of the element.
Further, the measurement electrode is formed so as to be provided only within a range of a length of 0.8 L from the tip of the element, and the reference electrode is formed to face the measurement electrode. In the sensor element.

上記内側面は上記ヒータが接触する接触部を有しており、かつ上記測定電極は上記接触部の少なくとも一部を含むように形成されている。
ここに、上記接触部とは、後述する図5に示すごとく、例えばヒータと内側面とが当接するA点と固体電解質体を介してA点と対向するB点、更に両点の近傍を含む領域である。
なお、ヒータと内側面とが当接する領域を含む接触部とは点状、線状、面状といった形態を取ることがある。また、一ヶ所において当接することも、複数箇所において当接することもある。
The inner side surface has a contact portion that contacts the heater, and the measurement electrode is formed to include at least a part of the contact portion.
Here, as shown in FIG. 5 described later, the contact portion includes, for example, a point A where the heater and the inner surface abut, a point B facing the point A through the solid electrolyte body, and the vicinity of both points. It is an area.
Note that the contact portion including the region where the heater and the inner surface abut may take the form of a dot, a line, or a plane. Moreover, it may contact | abut in one place and may contact | abut in several places.

上記被測定ガス接触部は酸素センサ素子の使用時に被測定ガスと直接接触する部分である。また、被測定ガス接触部と被測定ガスに接触しない部分との境界に、一般的には被測定ガスが接触しない部分にガスがもれないようにするため、例えば金属等ばね性があるパッキンによりシールしてある。   The measured gas contact portion is a portion that directly contacts the measured gas when the oxygen sensor element is used. In addition, in order to prevent gas from leaking to the boundary between the measured gas contact portion and the portion that does not contact the measured gas, in general, for example, a packing having a spring property such as metal. It is sealed by.

そして、接触部の少なくとも一部が素子先端部から長さ0.4L以内の範囲に位置するよう形成されている。0.4Lより素子長手方向上方に形成された場合には、より低温である酸素センサ素子の上方側への熱引けが大となり、接触部の加熱が不充分となるおそれがある。よって、酸素センサ素子の活性時間が短くなるおそれがある。   And at least one part of a contact part is formed so that it may be located in the range within 0.4 L in length from an element front-end | tip part. If formed above 0.4 L in the longitudinal direction of the element, the heat sink to the upper side of the oxygen sensor element at a lower temperature becomes large, and there is a possibility that the heating of the contact portion becomes insufficient. Therefore, the active time of the oxygen sensor element may be shortened.

また、測定電極は素子先端部から長さ0.8Lの範囲内のみに位置するよう形成されている。0.8Lの範囲外に部分的であってもはみ出して形成された場合には、測定電極の一部の温度が低下し、この低温部分の影響から、酸素センサ素子の応答性が低下するおそれがある。   Further, the measurement electrode is formed so as to be located only within a range of a length of 0.8 L from the tip of the element. If it is formed even if it is partially outside the range of 0.8 L, the temperature of a part of the measurement electrode decreases, and the responsiveness of the oxygen sensor element may decrease due to the influence of this low temperature part. There is.

また、ヒータは内部に通電により発熱する発熱抵抗体が内蔵されている。
上記発熱抵抗体は測定電極と対面するよう設けることが好ましい。これにより、測定電極を効率的に加熱することができ、酸素センサ素子の活性を高めることができる。
The heater has a built-in heating resistor that generates heat when energized.
The heating resistor is preferably provided so as to face the measurement electrode. Thereby, a measurement electrode can be heated efficiently and the activity of an oxygen sensor element can be improved.

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は、内側面はヒータが接触する接触部を有しており、かつ測定電極は接触部の少なくとも一部を含むように形成されている。
これにより、ヒータの熱は内側面及び固体電解質体を経由して測定電極へと直接的に伝導することができる。このため、ヒータは測定電極を直接加熱することができる。従って、本発明にかかる酸素センサ素子は、ヒータによる加熱開始後からセンサ出力が得られるまでの活性時間を短くすることができる。
Next, the operation of the present invention will be described.
In the oxygen sensor element according to the present invention, the inner surface has a contact portion with which the heater contacts, and the measurement electrode is formed to include at least a part of the contact portion.
Thereby, the heat of the heater can be directly conducted to the measurement electrode via the inner surface and the solid electrolyte body. For this reason, the heater can directly heat the measurement electrode. Therefore, the oxygen sensor element according to the present invention can shorten the activation time from the start of heating by the heater until the sensor output is obtained.

また、本発明にかかる酸素センサ素子においては、接触部は素子先端部から長さ0.4L以内の範囲に位置するよう形成されている。
これにより、固体電解質体等を通じて酸素センサ素子のより上方へ熱が逃げること、即ち熱引けを防止することができ、よってヒータによる加熱をより効率よく行うことができる。
Further, in the oxygen sensor element according to the present invention, the contact portion is formed so as to be located within a range of 0.4 L or less from the tip portion of the element.
Thereby, heat can escape from the oxygen sensor element to the upper side through the solid electrolyte body, that is, heat shrinkage can be prevented, so that heating by the heater can be performed more efficiently.

また、本発明にかかる酸素センサ素子においては、測定電極は素子先端部から長さ0.8Lの範囲に位置するよう形成されている。
このため、センサ使用時の測定電極は高温に保持されている(後述する図8参照)。これにより、測定電極に温度分布が生じることが防止でき、応答性の低下を防止することができる。また、活性時間を短くすることもできる。
Further, in the oxygen sensor element according to the present invention, the measurement electrode is formed so as to be located in a range of a length of 0.8 L from the tip of the element.
For this reason, the measurement electrode when the sensor is used is kept at a high temperature (see FIG. 8 described later). Thereby, it can prevent that temperature distribution arises in a measurement electrode, and can prevent the fall of responsiveness. Also, the activation time can be shortened.

以上により、本発明によれば、活性時間が短く、応答性が高い、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, it is possible to provide an oxygen sensor element having a short activation time and high responsiveness.

また、本発明にかかる測定電極は固体電解質体に部分的に設けてあるため、特に固体電解質体の全面に形成する場合と比較して電極材料のコストを削減することができる。   Further, since the measurement electrode according to the present invention is partially provided on the solid electrolyte body, the cost of the electrode material can be reduced as compared with the case where it is formed on the entire surface of the solid electrolyte body.

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、後述する図15に示すごとく素子先端部を除いた固体電解質体の側面部分に環状に形成することもできる。更に、後述する図16に示すごとく、部分的に形成することもできる。
なお、上記側面電極の面積は2mm2以上とすることが好ましい。2mm2未満では電極面積が小さすぎて充分なセンサ出力を得ることが困難となるおそれがある。
Further, the measurement electrode according to the present invention can be formed from the tip portion of the element, or can be formed annularly on the side surface portion of the solid electrolyte body excluding the tip portion of the element as shown in FIG. Further, as shown in FIG. 16 to be described later, it can be partially formed.
The area of the side electrode is preferably 2 mm 2 or more. If it is less than 2 mm 2 , the electrode area is too small and it may be difficult to obtain a sufficient sensor output.

次に、上記測定電極と上記基準電極とは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。
測定電極及び基準電極との間に酸素イオン電流が流れることによりセンサ出力を得ることができる。従って、対向しない位置に存在する電極は機能上の観点からは特に必要がない。更に、上記測定電極及び基準電極は後述するごとく貴金属等より構成されている。
従って、本発明によれば、高価な貴金属よりなる電極材料の使用量を減らすことができ、原料コストが安価な酸素センサ素子を得ることができる。
Next, it is preferable that the measurement electrode and the reference electrode are provided at positions facing each other through the solid electrolyte body.
A sensor output can be obtained by an oxygen ion current flowing between the measurement electrode and the reference electrode. Therefore, the electrodes present at positions that do not face each other are not particularly necessary from a functional viewpoint. Further, the measurement electrode and the reference electrode are made of a noble metal or the like as will be described later.
Therefore, according to the present invention, the amount of electrode material made of an expensive noble metal can be reduced, and an oxygen sensor element with a low raw material cost can be obtained.

次に、上記固体電解質体の上記外側面には上記測定電極の電極出力を外部に導出するための外側リード電極が設けてあり、上記外側リード電極の固体電解質体外周方向の幅は0.1〜5mmの範囲内にあることが好ましい。   Next, an outer lead electrode for leading the electrode output of the measurement electrode to the outside is provided on the outer surface of the solid electrolyte body, and the width of the outer lead electrode in the outer peripheral direction of the solid electrolyte body is 0.1. It is preferable to be within a range of ˜5 mm.

なお、外側リード電極は高温雰囲気に曝されることにより凝集する。幅が0.1mm未満である場合には、凝集の進行により外側リード電極が断線するおそれがある。
一方、幅が5.0mmより大となった場合には、センサの応答性、出力が低下するおそれがある。これは、低温の外側リード電極から生じるセンサ出力の影響が無視できなくなり、ここの低いセンサ出力が酸素センサ素子の出力に影響を与え、総じてセンサの応答性が低くなるおそれがある。
なお、上記外側リード電極の本数は特に問わず、複数本設けることもできる。複数本の外側リード電極の幅の合計が5.0mm以下となればよい。
なお、外側リード電極の形成はメッキ、ペースト印刷、スパッタ蒸着のいずれの方法によって形成してもよい。
The outer lead electrode aggregates when exposed to a high temperature atmosphere. If the width is less than 0.1 mm, the outer lead electrode may be disconnected due to the progress of aggregation.
On the other hand, when the width is larger than 5.0 mm, the response and output of the sensor may be reduced. This is because the influence of the sensor output generated from the low-temperature outer lead electrode cannot be ignored, and the low sensor output here affects the output of the oxygen sensor element, and the responsiveness of the sensor may be lowered as a whole.
The number of the outer lead electrodes is not particularly limited, and a plurality of outer lead electrodes can be provided. The total width of the plurality of outer lead electrodes may be 5.0 mm or less.
The outer lead electrode may be formed by any method of plating, paste printing, and sputter deposition.

上記固体電解質体の上記内側面には上記基準電極の電極出力を外部に導出するための内側リード電極が設けてあり、
上記内側リード電極と上記外側リード電極とは固体電解質体を介して対向しない位置にそれぞれ設けてあることが好ましい。
An inner lead electrode for leading the electrode output of the reference electrode to the outside is provided on the inner surface of the solid electrolyte body,
The inner lead electrode and the outer lead electrode are preferably provided at positions that do not face each other with the solid electrolyte body interposed therebetween.

これにより、内側リード電極と外側リード電極との間に酸素イオン電流が発生し、センサ出力が発生することを防止することができる。よって、より応答性の高い酸素センサ素子を得ることができる。   Thereby, it is possible to prevent an oxygen ion current from being generated between the inner lead electrode and the outer lead electrode, thereby generating a sensor output. Therefore, an oxygen sensor element with higher response can be obtained.

次に、上記測定電極は化学メッキにより形成された電極であることが好ましい。
一般に各種電極を形成する方法としては、化学メッキ、導電性ペーストの印刷、スパッタ、蒸着等の各種方法が挙げられる。
化学メッキにより形成された電極は、ペースト電極と比べるとより低温で焼成されて作製されるため、電極の表面エネルギーが高く、触媒活性が優れている。このため、より高い応答性を得ることができる。
Next, the measurement electrode is preferably an electrode formed by chemical plating.
In general, methods for forming various electrodes include various methods such as chemical plating, printing of conductive paste, sputtering, and vapor deposition.
Since the electrode formed by chemical plating is produced by firing at a lower temperature than the paste electrode, the surface energy of the electrode is high and the catalytic activity is excellent. For this reason, higher responsiveness can be obtained.

また、化学メッキにより形成された電極は、スパッタ、蒸着を利用して形成した電極と比べると、多数の非常に細かいポアを有しているため、酸素の拡散性に優れ、より高い応答性を得ることができる。   In addition, an electrode formed by chemical plating has many very fine pores compared to an electrode formed by sputtering or vapor deposition, so it has excellent oxygen diffusibility and higher responsiveness. Obtainable.

また、上記化学メッキの形成に先立って、固体電解質体の電極形成用の外側面に対し、貴金属核を設ける。その後、固体電解質体に化学メッキを施すことにより、貴金属核を設けた部分にのみ化学メッキを設けることができる。このため、複雑な形状の測定電極を容易に形成することができる。
なお、この貴金属核の形成は以下に示す方法にて行うことが好ましい。
Prior to the chemical plating, noble metal nuclei are provided on the outer surface of the solid electrolyte body for electrode formation. Thereafter, chemical plating can be performed only on the portion provided with the noble metal core by performing chemical plating on the solid electrolyte body. For this reason, it is possible to easily form a measurement electrode having a complicated shape.
In addition, it is preferable to perform this noble metal nucleus formation by the method shown below.

まず、固体電解質体の表面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して、上記表面に貴金属を析出させる。これにより、貴金属核形成部を形成する。
この場合の有機貴金属ペーストとしては、有機貴金属、例えばジベンジリデン白金等を使用することができる。また、上記貴金属としては触媒活性を持つPt、Pd、Au、Rh等の中より選ばれる少なくとも1種類を使用することができる。
なお、基準電極を形成する方法としては、化学メッキ、導電性ペーストの印刷、スパッタ、蒸着等の各種方法が挙げられる。
First, an organic noble metal paste is printed in a desired shape on the surface of the solid electrolyte body, and a heat treatment for debinding and organic noble metal decomposition is performed to deposit the noble metal on the surface. Thereby, a noble metal nucleation part is formed.
As the organic noble metal paste in this case, an organic noble metal such as dibenzylidene platinum can be used. Further, as the noble metal, at least one selected from Pt, Pd, Au, Rh, etc. having catalytic activity can be used.
Examples of the method of forming the reference electrode include various methods such as chemical plating, printing of conductive paste, sputtering, and vapor deposition.

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いて、図1〜図12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18が設けてあるコップ型の固体電解質体10と、該固体電解質体10の外側面101に設け、かつ被測定ガスと接触する測定電極11と、上記固体電解質体10の内側面102に設けた基準電極12とよりなると共に上記基準ガス室18にはヒータ19が挿入配置されている。
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. 1 to 5, the oxygen sensor element 1 of the present example has a cup-shaped solid electrolyte body 10 that is closed on one side and provided with a reference gas chamber 18 inside, and an outer surface of the solid electrolyte body 10. The reference electrode 12 is provided on the inner surface 102 of the solid electrolyte body 10 and a heater 19 is inserted in the reference gas chamber 18. .

図5に示すごとく、上記固体電解質体10の内側面102と上記ヒータ19とが接触する領域及びこの領域と対向する上記固体電解質体10の外側面101とを含む領域とよりなる接触部10を有しており、かつ上記測定電極11は上記接触部100の少なくとも一部を含むように形成されている。   As shown in FIG. 5, a contact portion 10 comprising a region where the inner surface 102 of the solid electrolyte body 10 and the heater 19 are in contact with each other and a region including the outer surface 101 of the solid electrolyte body 10 facing this region is provided. The measurement electrode 11 is formed so as to include at least a part of the contact portion 100.

また、図1、図2、図5に示すごとく、上記酸素センサ素子1の外側面101は該酸素センサ素子1の素子先端部14から長さLの範囲に酸素センサ素子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を有しており、かつ上記接触部100は上記素子先端部14から長さ0.4L以内の範囲に位置するよう形成されている。
更に、図1に示すごとく、上記測定電極11は上記素子先端部14から長さ0.8Lの範囲のみに設けられている。
As shown in FIGS. 1, 2, and 5, the outer surface 101 of the oxygen sensor element 1 is within a range of a length L from the element tip 14 of the oxygen sensor element 1. The contact portion 100 is formed so as to be located within a range of 0.4 L from the element tip portion 14.
Further, as shown in FIG. 1, the measurement electrode 11 is provided only in a range of a length of 0.8 L from the element tip portion 14.

以下詳細に説明する。
本例にかかる酸素センサ素子1の詳細な構成について、以下に説明する。
図1〜図4に示すごとく、上記固体電解質体10の外側面101には測定電極11と、これと導通するよう形成された外側リード電極111及び外側端子電極112とが設けてある。内側面102には、基準電極102、内側リード電極121、内側端子電極122とが設けてある。
また、上記基準ガス室18には棒状のヒータ19が挿入配置されている。上記ヒータ19には通電により発熱する発熱抵抗体190が内蔵されている。
なお、上記固体電解質体10は酸素イオン導電性のZrO2よりなる。
This will be described in detail below.
A detailed configuration of the oxygen sensor element 1 according to this example will be described below.
As shown in FIGS. 1 to 4, the outer surface 101 of the solid electrolyte body 10 is provided with a measurement electrode 11, and an outer lead electrode 111 and an outer terminal electrode 112 formed so as to be electrically connected thereto. A reference electrode 102, an inner lead electrode 121, and an inner terminal electrode 122 are provided on the inner side surface 102.
Further, a rod-shaped heater 19 is inserted into the reference gas chamber 18. The heater 19 includes a heating resistor 190 that generates heat when energized.
The solid electrolyte body 10 is made of oxygen ion conductive ZrO 2 .

図1に示すごとく、上記固体電解質体10の被測定ガス接触面13の長さLは18mmである。上記測定電極11は素子先端部14から長さ0.56L(10mm)の範囲に設けてある。
また、基準電極12は図5に示すごとく、測定電極11と対向する位置に設けてあり、その長さは測定電極11よりも若干短めである。
なお、図6に示すごとく、基準電極12の長さを測定電極11より長くすることもできる。また、両者の長さを揃えて同じにすることもできる。
As shown in FIG. 1, the length L of the measured gas contact surface 13 of the solid electrolyte body 10 is 18 mm. The measurement electrode 11 is provided in a range of 0.56 L (10 mm) from the element tip 14.
Further, as shown in FIG. 5, the reference electrode 12 is provided at a position facing the measurement electrode 11, and the length thereof is slightly shorter than the measurement electrode 11.
As shown in FIG. 6, the reference electrode 12 can be made longer than the measurement electrode 11. Moreover, both lengths can be made the same.

図1に示すごとく、上記外側及び内側リード電極111、121の固体電解質体外周方向の幅Wは1.5mmである。上記外側及び内側端子電極112、122は外側及び内側リード電極111、121が取り出した出力を外部へ取り出すために形成されており、後述する酸素センサ6のターミナル681、682と接続される部分である。   As shown in FIG. 1, the width W of the outer and inner lead electrodes 111 and 121 in the outer periphery direction of the solid electrolyte body is 1.5 mm. The outer and inner terminal electrodes 112 and 122 are formed to take out the output taken out by the outer and inner lead electrodes 111 and 121 and are connected to terminals 681 and 682 of the oxygen sensor 6 described later. .

図1及び図4(a)に示すごとく、外側及び内側端子電極112、122の形状は固体電解質体外周方向の幅xが7mm、長さyが5mmとなる長方形である。幅wは外側及び内側リード電極111、121の幅と同じとしてもよい。
図4(b)に示すごとく、上記外側及び内側リード電極111、121はそれぞれ90度ずらして各2本づつ設けてある。
As shown in FIG. 1 and FIG. 4A, the outer and inner terminal electrodes 112 and 122 have a rectangular shape with a width x of 7 mm and a length y of 5 mm in the outer peripheral direction of the solid electrolyte body. The width w may be the same as the width of the outer and inner lead electrodes 111 and 121.
As shown in FIG. 4 (b), the outer and inner lead electrodes 111 and 121 are provided by two each, shifted by 90 degrees.

上記ヒータ19はAl23、Si34等からなる。
図2に示すごとく、ヒータ19に内蔵された発熱抵抗体190はヒータ19の先端部から1.0mmの部分より長手方向に7.0mmの長さで形成されている。上記発熱抵抗体190の材質はW−Re、Pt等である。
上記ヒータ19の発熱抵抗体190は素子先端部14より高さ0.56L(10mm)の部分まで形成されている。
The heater 19 is made of Al 2 O 3 , Si 3 N 4 or the like.
As shown in FIG. 2, the heating resistor 190 built in the heater 19 is formed with a length of 7.0 mm in the longitudinal direction from a portion of 1.0 mm from the tip of the heater 19. The material of the heating resistor 190 is W-Re, Pt or the like.
The heating resistor 190 of the heater 19 is formed up to a height of 0.56 L (10 mm) from the element tip 14.

上記ヒータ19は芯材と該芯材に巻回したAl23セラミックシートとよりなり、上記抵抗発熱体はAl23セラミックシートの裏面側に設けてある。
また、Al23よりなる角状の基板に抵抗発熱体を設け、その表面に被覆用の基板を積層した積層型のヒータを利用することもできる。
The heater 19 comprises a core material and an Al 2 O 3 ceramic sheet wound around the core material, and the resistance heating element is provided on the back side of the Al 2 O 3 ceramic sheet.
Further, a laminated heater in which a resistance heating element is provided on a square substrate made of Al 2 O 3 and a coating substrate is laminated on the surface can be used.

図5に示すごとく、上記接触部100とはヒータ19と内側面とが当接するA点と固体電解質体10を介してA点と対向するB点、更に両点の近傍を含む領域である。上記測定電極11はこの接触部100及びB点を含むように形成されている。また、A点は、素子先端部14より高さ0.11L(2.0mm)の位置にある。   As shown in FIG. 5, the contact portion 100 is an area including a point A where the heater 19 and the inner surface abut, a point B facing the point A through the solid electrolyte body 10, and the vicinity of both points. The measurement electrode 11 is formed so as to include the contact portion 100 and the point B. Further, the point A is located at a height of 0.11 L (2.0 mm) from the element distal end portion 14.

次に、測定電極11の形成方法について説明する。
固体電解質体10の外側面101にペーストを測定電極11、外側リード電極111、外側端子電極112の形状にパッド印刷で印刷する。また、上記ペーストはジベンジリデンPtを含有し、該ペースト中の貴金属量は0.4wt%である。次に、印刷したペーストに対し熱処理を施す。これにより、Pt核形成部を得た。
その後、上記Pt核形成部に対し化学メッキを施した。メッキの厚さは1μmである。以上により、測定電極11等を得た。
なお、本例においては測定電極11と共に外側リード電極111、外側端子電極112を化学メッキにより形成したが、外側リード電極111をペースト電極により形成することもできる。
Next, a method for forming the measurement electrode 11 will be described.
The paste is printed on the outer surface 101 of the solid electrolyte body 10 in the form of the measurement electrode 11, the outer lead electrode 111, and the outer terminal electrode 112 by pad printing. The paste contains dibenzylidene Pt, and the amount of noble metal in the paste is 0.4 wt%. Next, the printed paste is heat treated. Thereby, a Pt nucleation part was obtained.
Thereafter, chemical plating was applied to the Pt nucleation part. The plating thickness is 1 μm. The measurement electrode 11 etc. were obtained by the above.
In this example, the outer lead electrode 111 and the outer terminal electrode 112 are formed by chemical plating together with the measurement electrode 11, but the outer lead electrode 111 can also be formed by a paste electrode.

次に、基準電極12の形成方法について説明する。
内部に有機貴金属あるいは貴金属ペーストを充填したディスペンサーのノズル先端を基準ガス室18に挿入し、該ノズル先端を内側面102に沿わせて、上下、左右に回転させながら動作させる。これにより、上記ペーストによる印刷部を形成することができる。この印刷部の形状は、基準電極12、内側リード電極121、内側端子電極122と同様の形状である。
Next, a method for forming the reference electrode 12 will be described.
The nozzle tip of a dispenser filled with an organic noble metal or noble metal paste is inserted into the reference gas chamber 18, and the nozzle tip is moved along the inner side surface 102 while rotating up and down and left and right. Thereby, the printing part by the said paste can be formed. The printed portion has the same shape as the reference electrode 12, the inner lead electrode 121, and the inner terminal electrode 122.

有機貴金属ペーストを塗布した場合には、熱処理後にメッキを施す。また、貴金属ペーストを塗布した場合には、そのまま焼成する。
以上により、基準電極12等を得た。
なお、上記ディスペンサーとしては、先端に例えば発泡体のような多孔質体を取り付けたものを利用することもできる。
When an organic noble metal paste is applied, plating is performed after the heat treatment. Moreover, when a noble metal paste is applied, it is fired as it is.
Thus, reference electrode 12 and the like were obtained.
In addition, as said dispenser, what attached the porous body like a foam to the front-end | tip can also be utilized.

次に、本例の酸素センサ素子1を備えた酸素センサ6の構造を説明する。
図7に示すように、上記酸素センサ6はハウジング60と該ハウジング60に挿入された酸素センサ素子1とよりなる。上記ハウジング60の下方には被測定ガス室63を形成し、酸素センサ素子1の先端部を保護するための二重の被測定ガス側カバー630が設けてある。上記ハウジング60の上方には、三段の大気側カバー61、62、63が設けてある。
Next, the structure of the oxygen sensor 6 provided with the oxygen sensor element 1 of this example will be described.
As shown in FIG. 7, the oxygen sensor 6 includes a housing 60 and an oxygen sensor element 1 inserted into the housing 60. A measured gas chamber 63 is formed below the housing 60, and a double measured gas side cover 630 for protecting the tip of the oxygen sensor element 1 is provided. Above the housing 60, three-stage atmospheric side covers 61, 62, 63 are provided.

また、上記酸素センサ素子1の基準ガス室18には棒状のヒータ19が挿入配置されている。上記ヒータ19は所望のクリアランスを内側面102との間に確保して、挿入配置されている。   Further, a rod-shaped heater 19 is inserted into the reference gas chamber 18 of the oxygen sensor element 1. The heater 19 is inserted and arranged with a desired clearance between the inner surface 102 and the heater 19.

上記大気側カバー62および63の上端には、リード線691〜693を挿入させた弾性絶縁部材69が設けてある。上記リード線691、692は、固体電解質10において発生した電流を信号として取り出し、外部に送るものである。また、上記リード線693は、上記ヒータ19に対し通電し、これを発熱させるためのものである。   An elastic insulating member 69 into which lead wires 691 to 693 are inserted is provided at the upper ends of the atmosphere side covers 62 and 63. The lead wires 691 and 692 take out the current generated in the solid electrolyte 10 as a signal and send it to the outside. The lead wire 693 is for energizing the heater 19 to generate heat.

上記リード線691、692の下端には接続端子683、684が設けてあり、該接続端子683、684により、上記酸素センサ素子1に固定したターミナル681、682との導通が取れている。
なお、上記ターミナル681、682は、上記酸素センサ素子1における外側及び内側端子電極112、122に対し接触固定されている。
Connection terminals 683 and 684 are provided at the lower ends of the lead wires 691 and 692, and the connection terminals 683 and 684 are electrically connected to the terminals 681 and 682 fixed to the oxygen sensor element 1.
The terminals 681 and 682 are fixed in contact with the outer and inner terminal electrodes 112 and 122 in the oxygen sensor element 1.

次に、本例にかかる酸素センサ素子の温度上昇プロファイル、酸素センサ素子の温度が安定した後の温度分布を測定する。
上記温度センサ素子1の各部における温度上昇プロファイルを各部に熱電対を設け、雰囲気温度400℃である被測定ガス中に酸素センサ素子を導入し、同時にヒータに通電し、その後のセンサ出力をモニタすることにより測定した。この結果を図8に記載した。
Next, the temperature rise profile of the oxygen sensor element according to this example and the temperature distribution after the temperature of the oxygen sensor element is stabilized are measured.
The temperature rise profile in each part of the temperature sensor element 1 is provided with a thermocouple in each part, the oxygen sensor element is introduced into the gas to be measured having an ambient temperature of 400 ° C., and the heater is energized at the same time, and the sensor output thereafter is monitored. Was measured. The results are shown in FIG.

なお、同図において『0』は素子先端部14、『0.11L』は接触部100、『0.56L』は測定電極11の上方端部(図1にかかる点c)、『0.83L』は素子先端部14より長手方向の距離が15mmである部分、『L』は被測定ガス接触面13の上方端部(図1にかかる点d)における温度上昇プロファイルである。   In the figure, “0” is the element tip 14, “0.11L” is the contact portion 100, “0.56L” is the upper end of the measuring electrode 11 (point c in FIG. 1), “0.83L”. "Is a portion whose distance in the longitudinal direction is 15 mm from the element tip 14, and" L "is a temperature rise profile at the upper end (point d in FIG. 1) of the measurement gas contact surface 13.

次に、上記酸素センサ素子1を雰囲気温度400℃に保持し、素子先端部を原点(0mm)、被測定ガス接触面13における長手方向の各位置での温度を測定した。この測定結果を図9に記載した。   Next, the oxygen sensor element 1 was held at an ambient temperature of 400 ° C., the element tip was at the origin (0 mm), and the temperature at each position in the longitudinal direction on the measured gas contact surface 13 was measured. The measurement results are shown in FIG.

図8に示すごとく、最も温度が速く上昇した点は、酸素センサ素子1の内側面102とヒータ19との接触部100である。素子先端部14の温度の上昇がこれに続く。最も温度上昇に時間がかかったのは被測定ガス接触面13の上方端部である。そして、測定した位置が0.8Lを越えたあたりから、温度上昇の速度が急速に低下することが分かった。   As shown in FIG. 8, the point where the temperature rises fastest is the contact portion 100 between the inner surface 102 of the oxygen sensor element 1 and the heater 19. This is followed by a rise in the temperature of the element tip 14. It was the upper end of the gas contact surface 13 to be measured that took the longest time to increase the temperature. And it turned out that the speed of temperature rise falls rapidly from the position where the measured position exceeded 0.8L.

また、図9に示すごとく、酸素センサ素子1の温度は素子先端部14から0.8Lの間は略一定であることが分かった。そして、これを越えると急激に温度が低下することも分かった。   Moreover, as shown in FIG. 9, it turned out that the temperature of the oxygen sensor element 1 is substantially constant between the element front-end | tip part 14 and 0.8L. And when it exceeded this, it turned out that temperature falls rapidly.

本例の作用効果について説明する。
本例にかかる酸素センサ素子1は、内側面102はヒータ19が接触する接触部100を有しており、かつ測定電極11は接触部100の少なくとも一部を含むように形成されている。
これにより、ヒータ19の熱は内側面102及び固体電解質体10を経由して測定電極11へと伝導し、測定電極11を直接加熱することができる。従って、本例にかかる酸素センサ素子は、ヒータ19による加熱開始後からセンサ出力が得られるまでの活性時間が短い、優れた素子である(実施形態例2参照)。
The effect of this example will be described.
In the oxygen sensor element 1 according to this example, the inner surface 102 has a contact portion 100 with which the heater 19 contacts, and the measurement electrode 11 is formed to include at least a part of the contact portion 100.
Thereby, the heat of the heater 19 is conducted to the measurement electrode 11 via the inner side surface 102 and the solid electrolyte body 10, and the measurement electrode 11 can be directly heated. Therefore, the oxygen sensor element according to this example is an excellent element having a short active time from the start of heating by the heater 19 until the sensor output is obtained (see Embodiment 2).

また、本例にかかる酸素センサ素子1は、接触部100は素子先端部14から長さ0.4L以内の範囲に位置するよう形成されている。
これにより、熱引けを防止することができ、よってヒータ19による加熱をより効率よく行うことができる。
In addition, the oxygen sensor element 1 according to this example is formed so that the contact portion 100 is located within a range of 0.4 L from the element distal end portion 14.
Thereby, heat shrinkage can be prevented, and therefore heating by the heater 19 can be performed more efficiently.

また、本例にかかる酸素センサ素子1においては、測定電極11は素子先端部14から長さ0.8Lの範囲に位置するよう形成されている。
このため、センサ使用時の測定電極11は高温に保持されている(後述する図 参照)。これにより、測定電極11に温度分布が生じることが防止され、応答性の低下を防止することができる。また、活性時間を短くすることもできる。
Further, in the oxygen sensor element 1 according to this example, the measurement electrode 11 is formed so as to be located in a range of a length of 0.8 L from the element distal end portion 14.
For this reason, the measurement electrode 11 at the time of use of the sensor is kept at a high temperature (see the figure described later). Thereby, it is possible to prevent the temperature distribution from being generated in the measurement electrode 11 and to prevent a decrease in responsiveness. Also, the activation time can be shortened.

以上により、本例によれば、活性時間が短く、応答性が高い、酸素センサ素子を提供することができる。   As described above, according to this example, it is possible to provide an oxygen sensor element having a short activation time and high responsiveness.

なお、本例にかかる酸素センサ素子1の表面を様々な層で被覆することもできる。
図10に示す酸素センサ素子1は、プラズマ溶射法により形成されたMgAl24スピネルからなる保護層107が設けてある。
上記保護層107の厚みは100μm、気孔率は20%である。上記保護層107は拡散抵抗層としての機能も有する。上記保護層107は酸素センサ素子1における被測定ガス接触面13の全面に対し形成されているが、少なくとも測定電極11の全体が被覆されていれば、効果を得ることができる。
上記保護層107により、電極が熱により凝集することを抑制することができる。
In addition, the surface of the oxygen sensor element 1 according to this example can be covered with various layers.
The oxygen sensor element 1 shown in FIG. 10 is provided with a protective layer 107 made of MgAl 2 O 4 spinel formed by plasma spraying.
The protective layer 107 has a thickness of 100 μm and a porosity of 20%. The protective layer 107 also has a function as a diffusion resistance layer. The protective layer 107 is formed on the entire surface of the measurement gas contact surface 13 of the oxygen sensor element 1, but an effect can be obtained as long as at least the entire measurement electrode 11 is covered.
The protective layer 107 can suppress the aggregation of the electrodes due to heat.

図11は、保護層107と、該保護層107の表面に、被測定ガス中の有害成分をトラップするための第2保護層108を設けた酸素センサ素子1である。
上記第2保護層108は主成分がAl23であり、厚みは120μm、気孔率は20〜50%である。
FIG. 11 shows the oxygen sensor element 1 in which a protective layer 107 and a second protective layer 108 for trapping harmful components in the gas to be measured are provided on the surface of the protective layer 107.
The second protective layer 108 has a main component of Al 2 O 3 , a thickness of 120 μm, and a porosity of 20 to 50%.

上記第2保護層108の形成方法の一例を挙げる。
Al23をスラリー化し、ディッピングにより保護層107の表面をコートする。その後、これを熱処理して第2保護層108となる。
上記第2保護層108は測定電極11を被覆すれば充分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14より12mm(0.67L)の部分まで形成されている。また、上記第2保護層108は被測定ガス接触面13の全体に施してもよい。
An example of a method for forming the second protective layer 108 will be given.
Slurry Al 2 O 3 and coat the surface of the protective layer 107 by dipping. Thereafter, this is heat-treated to form the second protective layer 108.
If the second protective layer 108 covers the measurement electrode 11, the effect can be sufficiently exerted. In this example, it is formed up to 12 mm (0.67 L) from the element tip portion 14. Further, the second protective layer 108 may be applied to the entire measurement gas contact surface 13.

図12は、保護層107と該保護層107の表面に第2保護層108が設けてあり、更にその表面に被測定ガス中の有害物質のトラップ効果を高めるために、第3保護層109を設けた酸素センサ素子1である。   In FIG. 12, a protective layer 107 and a second protective layer 108 are provided on the surface of the protective layer 107, and a third protective layer 109 is formed on the surface of the protective layer 107 in order to enhance the trap effect of harmful substances in the gas to be measured. This is an oxygen sensor element 1 provided.

第3保護層109は気孔率を第2保護層108より大とすることにより、より大きな被毒物質をトラップし、第2保護層108での被毒物質による目詰まりを防ぐことができる。第3保護層109は例えば主成分がAl23であり、厚みは40μm、気孔率は60%である。 By setting the porosity of the third protective layer 109 higher than that of the second protective layer 108, a larger poisonous substance can be trapped and clogging by the poisonous substance in the second protective layer 108 can be prevented. The third protective layer 109 has, for example, a main component of Al 2 O 3 , a thickness of 40 μm, and a porosity of 60%.

また、上記第3保護層109の形成方法の一例を挙げる。
上記第2保護層108の形成方法と同様にAl23をスラリー化し、ディッピングにより第2保護層107の表面をコートする。その後、熱処理することにより第3保護層109を得ることができる。
An example of a method for forming the third protective layer 109 is given.
Similar to the method for forming the second protective layer 108, Al 2 O 3 is slurried and the surface of the second protective layer 107 is coated by dipping. Thereafter, the third protective layer 109 can be obtained by heat treatment.

上記第3保護層109は上記第2保護層108と同様に、測定電極11を被覆することでその効果を充分発揮することができる。
また、上記第3保護層109は素子先端部14より11mm(0.61L)の部分まで形成されている。
Similar to the second protective layer 108, the third protective layer 109 can sufficiently exert its effect by covering the measurement electrode 11.
Further, the third protective layer 109 is formed to a portion of 11 mm (0.61 L) from the element distal end portion 14.

実施形態例2
本例は、表1、表2に示すごとく、試料1〜試料16にかかる酸素センサ素子の性能試験を行ったものである。
表1、表2は本発明にかかる構造の酸素センサ素子である試料1〜9の結果について記載した。これらの試料の構造は実施形態例1に示した酸素センサ素子と同様の構造である。但し、各部の寸法、位置等がそれぞれ異なる。また、測定電極の製法も異なる。
Embodiment 2
In this example, as shown in Tables 1 and 2, the performance test of the oxygen sensor elements according to Sample 1 to Sample 16 was performed.
Tables 1 and 2 describe the results of Samples 1 to 9 which are oxygen sensor elements having a structure according to the present invention. The structure of these samples is the same as that of the oxygen sensor element shown in the first embodiment. However, the size, position, etc. of each part are different. Also, the manufacturing method of the measurement electrode is different.

表1及び表2の(1)は、基準電極を内側面全体に設けた酸素センサ素子である。また、表1及び表2の(2)は、基準電極を測定電極と対向して形成した酸素センサ素子である。
なお、これらの酸素センサ素子(試料及び比較試料の双方)は、外側及び内側リード電極は、実施形態例1の図4(b)に示すごとく、それぞれが90度づつずらして設けてある。
(1) in Tables 1 and 2 is an oxygen sensor element in which a reference electrode is provided on the entire inner surface. Moreover, (2) of Table 1 and Table 2 is an oxygen sensor element in which the reference electrode is formed to face the measurement electrode.
In these oxygen sensor elements (both the sample and the comparative sample), the outer and inner lead electrodes are provided by being shifted by 90 degrees as shown in FIG.

また、表1、表2における測定電極位置とは、測定電極の下端と素子先端部との間の距離である。接触部位置とは、接触部と素子先端部との間の距離である。外側リード電極の幅は実施形態例1に示すごとく、酸素センサ素子の外周方向の幅である。
また、表1にかかる試料8は後述する実施形態例3の図16に示すごとき形状の外側電極を有しており、外周方向の幅は3mmである。
The measurement electrode position in Tables 1 and 2 is the distance between the lower end of the measurement electrode and the tip of the element. The contact portion position is a distance between the contact portion and the element tip portion. As shown in the first embodiment, the width of the outer lead electrode is the width in the outer peripheral direction of the oxygen sensor element.
Moreover, the sample 8 concerning Table 1 has an outer electrode of the shape as shown in FIG. 16 of Example 3 mentioned later, and the width | variety of an outer peripheral direction is 3 mm.

次に、本例にかかる性能試験について説明する。
上記性能試験としては、活性時間の測定、センサ応答性の測定(センサ出力、応答時間)、耐久性の測定を行う。ここでセンサ応答性の指標としてセンサ出力波形の振幅(出力)、応答時間を測定した。
Next, the performance test according to this example will be described.
As the performance test, measurement of activity time, measurement of sensor response (sensor output, response time), and measurement of durability are performed. Here, the amplitude (output) of the sensor output waveform and the response time were measured as indicators of sensor response.

上記活性時間の測定について説明する。
リッチ雰囲気(λ[空気過剰率]=0.9)、雰囲気温度400℃である被測定ガス中に試料及び比較試料にかかる酸素センサ素子を導入する。この導入と同時にヒータに通電する。
ヒータ通電後、センサ出力が0.45Vとなるまでの時間を測定し、この時間が30秒以下である試料、比較試料について○を記載した。
The measurement of the active time will be described.
An oxygen sensor element applied to a sample and a comparative sample is introduced into a measurement gas having a rich atmosphere (λ [excess air ratio] = 0.9) and an atmospheric temperature of 400 ° C. Simultaneously with this introduction, the heater is energized.
The time until the sensor output became 0.45 V after energization of the heater was measured, and “◯” was described for samples and comparative samples in which this time was 30 seconds or less.

次に、上記応答性の測定について説明する。
雰囲気温度400℃の被測定ガスにおいて、リッチ雰囲気(λ=0.9)及びリーン雰囲気(λ=1.1)を出力電圧0.45Vを境に切り替えた。この時の酸素センサ素子の出力波形を測定し、該波形の周波数が0.8Hz以上、被測定ガスがリッチ雰囲気(λ=0.9)である場合、リーン雰囲気(λ=1.1)である場合との間の出力電圧の差が0.7V以上のものを○とした。
Next, the response measurement will be described.
In the gas to be measured having an atmospheric temperature of 400 ° C., the rich atmosphere (λ = 0.9) and the lean atmosphere (λ = 1.1) were switched with an output voltage of 0.45 V as a boundary. The output waveform of the oxygen sensor element at this time is measured, and when the frequency of the waveform is 0.8 Hz or more and the gas to be measured is a rich atmosphere (λ = 0.9), the lean atmosphere (λ = 1.1) A case where the difference in the output voltage from a certain case was 0.7 V or more was rated as ◯.

次に、耐久性であるが、温度900℃、500時間という条件の耐熱試験を実施した。試験終了後の試料及び比較試料の応答性が0.4Hz以上、センサ出力が0.5V以上であるものを○とした。   Next, although it was durable, the heat test of the conditions of temperature 900 degreeC and 500 hours was implemented. A sample having a responsiveness of 0.4 Hz or more and a sensor output of 0.5 V or more after completion of the test was evaluated as ◯.

表1は接触部は素子先端部から長さ0.4L以内の範囲に位置するよう形成されていること、測定電極は素子先端部から長さ0.8Lの範囲に位置するよう形成されていること、という条件を満たす酸素センサ素子である。これらはいずれも活性時間が短く、応答性が高く、センサ出力に優れていることが分かった。   In Table 1, the contact portion is formed so as to be located within a range of 0.4 L from the tip of the element, and the measurement electrode is formed so as to be located within a length of 0.8 L from the tip of the element. This is an oxygen sensor element that satisfies the condition. All of these were found to have a short active time, high responsiveness, and excellent sensor output.

これと比較して試料10は測定電極が0.8Lより高い位置に形成されており、応答性が低かった。試料11は接触部の位置が高く、活性時間が短かった。試料12は外側リード電極の幅が広く、そのため応答性が低かった。また、試料13は外側リード電極の幅が狭く、そのため耐久性が低かった。
試料14は測定電極がペースト印刷により作製されているため、活性時間が長く、応答性が悪く、センサ出力も低かった。また、試料15は測定電極が接触部に形成されていないため活性時間が長かった。
Compared with this, the measurement electrode of Sample 10 was formed at a position higher than 0.8 L, and the responsiveness was low. Sample 11 had a high contact position and a short activation time. In Sample 12, the width of the outer lead electrode was wide, and therefore the responsiveness was low. In Sample 13, the width of the outer lead electrode was narrow, so that the durability was low.
Since the measurement electrode of Sample 14 was prepared by paste printing, the activation time was long, the response was poor, and the sensor output was low. Sample 15 had a long activation time because the measurement electrode was not formed at the contact portion.

表1、表2によれば、接触部は素子先端部から長さ0.4L以内の範囲に位置するよう形成されていること、測定電極は素子先端部から長さ0.8Lの範囲に位置するよう形成することにより、活性時間が短く、応答性に優れ、センサ出力の高い酸素センサ素子を得ることができることが分かった。
また、測定電極を化学メッキにて構成し、外側リード電極の幅を0.1〜5mmの範囲内とすることが好ましいことが分かった。
According to Tables 1 and 2, the contact portion is formed so as to be positioned within a range of 0.4 L from the tip of the element, and the measurement electrode is positioned within a range of 0.8 L from the tip of the element. It was found that an oxygen sensor element having a short active time, excellent responsiveness, and high sensor output can be obtained by forming so as to.
Moreover, it turned out that it is preferable to comprise a measurement electrode by chemical plating and to make the width | variety of an outer lead electrode into the range of 0.1-5 mm.

なお、表1(1)にかかる試料1、表1(2)の試料9とを比較すると、両者は基準電極の状態が異なるだけである。即ち、基準ガスを測定電極に対向して形成したものが試料9である。これらを比較すると、試料9のほうが僅かに応答性、センサ出力において優れていることが分かった。   In addition, when the sample 1 concerning Table 1 (1) and the sample 9 of Table 1 (2) are compared, both differ only in the state of a reference electrode. That is, the sample 9 is formed by facing the reference gas to the measurement electrode. When these were compared, it was found that the sample 9 was slightly superior in response and sensor output.

Figure 2008286810
Figure 2008286810

Figure 2008286810
Figure 2008286810

実施形態例3
本例は、図13〜図18に示すごとく、外側電極11等の異なる各種の酸素センサ素子1について示すものである。
図13は被測定ガス接触面13の長さが25mmである酸素センサ素子1である。測定電極11は素子先端部14から10mm(0.4L)の部分まで形成されている。また、外側リード電極111の幅は1.5mm、外側端子電極112は幅7mm、長さ4mmの長方形である。
その他は実施形態例1と同様である。また、実施形態例1と同様の作用効果を有する。
Embodiment 3
In this example, as shown in FIGS. 13 to 18, various oxygen sensor elements 1 such as the outer electrode 11 are shown.
FIG. 13 shows the oxygen sensor element 1 in which the length of the measurement gas contact surface 13 is 25 mm. The measurement electrode 11 is formed from the element tip 14 to a portion of 10 mm (0.4 L). The outer lead electrode 111 has a rectangular shape with a width of 1.5 mm and the outer terminal electrode 112 has a width of 7 mm and a length of 4 mm.
Others are the same as the first embodiment. Moreover, it has the same effect as Embodiment 1.

図14は測定電極11の長さが2mm(0.11L)の部分まで形成された酸素センサ素子1である。外側リード電極111、外側端子電極112は実施形態例1と同様な形状である。
また、図14にかかる酸素センサ素子は実施形態例2の表1にかかる試料3である。このものは活性時間が非常に速く、センサの応答性、出力も高く、優れた酸素センサ素子1である。
また、外側電極11の面積が小さく、高価なPtの使用量が少なくて済むため、製造コストが非常に低いという利点がある。
その他は実施形態例1と同様である。
FIG. 14 shows the oxygen sensor element 1 in which the measurement electrode 11 is formed up to a portion having a length of 2 mm (0.11 L). The outer lead electrode 111 and the outer terminal electrode 112 have the same shape as in the first embodiment.
Further, the oxygen sensor element according to FIG. 14 is the sample 3 according to Table 1 of the second embodiment. This is an excellent oxygen sensor element 1 with a very fast activation time, high sensor response and high output.
Moreover, since the area of the outer electrode 11 is small and the amount of expensive Pt used is small, there is an advantage that the manufacturing cost is very low.
Others are the same as the first embodiment.

図15は、素子先端部14から長手方向に2mm(0.11L)〜10mm(0.56L)の部分において測定電極11が形成された酸素センサ素子1である。このものは、実施形態例2の表1の試料7にかかる酸素センサ素子1であり、センサの応答性、出力が非常に高く、活性時間も充分速く、優れた酸素センサ素子である。その他は実施形態例1と同様である。   FIG. 15 shows the oxygen sensor element 1 in which the measurement electrode 11 is formed in a portion of 2 mm (0.11 L) to 10 mm (0.56 L) in the longitudinal direction from the element distal end portion 14. This is the oxygen sensor element 1 according to the sample 7 in Table 1 of Embodiment 2, which is an excellent oxygen sensor element with very high responsiveness and output of the sensor and sufficiently fast activation time. Others are the same as the first embodiment.

図16(a)、(b)は、素子先端部14から長手方向に10mm(0.56L)、外周方向の幅を3mmとして形成した外側電極11を有する酸素センサ素子1である。上記外側電極11は図16(b)に示すごとく対向する二ヶ所の位置に設けてある。また、基準電極12も外側電極11の位置に合わせて、これと対向する位置に設けてある。
また、このものは表1の試料8にかかる酸素センサ素子である。
FIGS. 16A and 16B show an oxygen sensor element 1 having an outer electrode 11 formed with a width of 10 mm (0.56 L) in the longitudinal direction and a width of 3 mm in the outer peripheral direction from the element distal end portion 14. The outer electrode 11 is provided at two positions facing each other as shown in FIG. The reference electrode 12 is also provided at a position facing the outer electrode 11 in accordance with the position of the outer electrode 11.
This is an oxygen sensor element according to sample 8 in Table 1.

このものはセンサの応答性、出力が高く、活性時間も速く、優れた酸素センサ素子1である。更に、外側電極11の面積が小さいことから、高価な貴金属を含んだ電極材料の使用量を少なくすることができ、製造コストも安価となる。   This is an excellent oxygen sensor element 1 with high sensor response and output, and a fast activation time. Furthermore, since the area of the outer electrode 11 is small, the amount of electrode material containing an expensive noble metal can be reduced, and the manufacturing cost can be reduced.

なお、図16に示す酸素センサ素子1の外側電極11の幅は外側リード電極111の幅よりも広く形成されている。両者の幅を同一とすることもできる。更に外側端子電極112の幅も同一とすることができる。   The width of the outer electrode 11 of the oxygen sensor element 1 shown in FIG. 16 is formed wider than the width of the outer lead electrode 111. Both widths may be the same. Further, the width of the outer terminal electrode 112 can be made the same.

図17は測定電極11と外側リード電極111との接続部分、外側リード電極111と外側端子電極112との接続部分にそれぞれ1mmのテーパ109を設けた酸素センサ素子1である。なお、このテーパ109の部分は弧状とすることもできる。ところで、測定電極11等を化学メッキにて構成し、焼成する際には、上記接続部分には応力が集中しやすい。
上記テーパ109を設けることで応力を分散させることができるため、接続部分の断線を防止することができる。
FIG. 17 shows the oxygen sensor element 1 provided with a taper 109 of 1 mm at the connecting portion between the measurement electrode 11 and the outer lead electrode 111 and at the connecting portion between the outer lead electrode 111 and the outer terminal electrode 112. The portion of the taper 109 can be arcuate. By the way, when the measurement electrode 11 and the like are formed by chemical plating and fired, stress tends to concentrate on the connection portion.
Since the stress can be dispersed by providing the taper 109, disconnection of the connection portion can be prevented.

図18は基準電極12を固体電解質体10の内側面の全面に形成した酸素センサ素子1である。
この基準電極12は有機貴金属を溶解した溶液を内側面にディッピングし、熱処理後にメッキを施すことにより作製することができる。
このため、ディスペンサー等の複雑な装置を用いることなく、容易に基準電極を形成することができる。
その他は実施形態例1と同様である。
FIG. 18 shows the oxygen sensor element 1 in which the reference electrode 12 is formed on the entire inner surface of the solid electrolyte body 10.
The reference electrode 12 can be produced by dipping a solution in which an organic noble metal is dissolved on the inner surface and plating after heat treatment.
For this reason, the reference electrode can be easily formed without using a complicated device such as a dispenser.
Others are the same as the first embodiment.

実施形態例1にかかる、酸素センサ素子の説明図。Explanatory drawing of the oxygen sensor element concerning Embodiment Example 1. FIG. 実施形態例1にかかる、酸素センサ素子の縦断面説明図。BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS FIG. 1 is a longitudinal cross-sectional explanatory view of an oxygen sensor element according to Embodiment 1; 実施形態例1にかかる、固体電解質体の説明図。FIG. 3 is an explanatory diagram of a solid electrolyte body according to Embodiment 1; 実施形態例1にかかる、(a)固体電解質体の縦断面説明図(図3のA−A矢視断面図)、(b)固体電解質体の横断面説明図(図3のB−B矢視断面図)。(A) Longitudinal cross-sectional explanatory view of the solid electrolyte body (cross-sectional view taken along line AA in FIG. 3), (b) Cross-sectional explanatory view of the solid electrolyte body (BB arrow in FIG. 3) according to Embodiment 1 Sectional view). 実施形態例1にかかる、酸素センサ素子の要部説明図。Explanatory drawing of the principal part of the oxygen sensor element concerning Embodiment Example 1. FIG. 実施形態例1にかかる、他の酸素センサ素子の要部説明図。Explanatory drawing of the principal part of the other oxygen sensor element concerning Embodiment Example 1. FIG. 実施形態例1にかかる、酸素センサの断面説明図。Sectional explanatory drawing of the oxygen sensor concerning Embodiment Example 1. FIG. 実施形態例1にかかる、酸素センサ素子の温度上昇プロファイルを示す線図。The diagram which shows the temperature rise profile of the oxygen sensor element concerning Example 1 of Embodiment. 実施形態例1にかかる、酸素センサ素子の温度が安定した後の温度分布を示す線図。The diagram which shows the temperature distribution after the temperature of the oxygen sensor element concerning Embodiment 1 is stabilized. 実施形態例1にかかる、保護層が設けられた酸素センサ素子の要部説明図。The principal part explanatory drawing of the oxygen sensor element in which the protective layer concerning Embodiment Example 1 was provided. 実施形態例1にかかる、保護層及び第2保護層が設けられた酸素センサ素子の要部説明図。The principal part explanatory drawing of the oxygen sensor element provided with the protective layer and 2nd protective layer concerning Embodiment Example 1. FIG. 実施形態例1にかかる、保護層、第2保護層、第3保護層が設けられた酸素センサ素子の要部説明図。Explanatory drawing of the principal part of the oxygen sensor element provided with the protective layer, the 2nd protective layer, and the 3rd protective layer concerning Embodiment Example 1. FIG. 実施形態例3にかかる、被測定ガス接触面が長く形成された酸素センサ素子の説明図。Explanatory drawing of the oxygen sensor element by which the to-be-measured gas contact surface concerning Embodiment Example 3 was formed long. 実施形態例3にかかる、測定電極が短い酸素センサ素子の説明図。Explanatory drawing of the oxygen sensor element with a short measurement electrode concerning Example 3 of Embodiment. 実施形態例3にかかる、素子先端部には測定電極が形成されていない酸素センサ素子の説明図。Explanatory drawing of the oxygen sensor element by which the measurement electrode is not formed in the element front-end | tip part concerning Embodiment 3. FIG. 実施形態例3にかかる、測定電極が外周方向について部分的に形成された酸素センサ素子。The oxygen sensor element by which the measurement electrode concerning Embodiment Example 3 was partially formed about the outer peripheral direction. 実施形態例3にかかる、測定電極、外側リード電極、外側端子電極との間の接続部についてテーパーが形成された酸素センサ素子。The oxygen sensor element in which the taper was formed about the connection part between the measurement electrode, outer side lead electrode, and outer side terminal electrode concerning Example 3 of Embodiment. 実施形態例3にかかる、基準電極が内側面全体に形成された酸素センサ素子の固体電解質体の断面図。Sectional drawing of the solid electrolyte body of the oxygen sensor element by which the reference electrode concerning the example 3 of an embodiment was formed in the whole inner surface.

符号の説明Explanation of symbols

1 酸素センサ素子
10 固体電解質体
100 接触部
101 外側面
102 内側面
11 測定電極
111 外側電極リード部
12 基準電極
121 内側電極リード部
13 被測定ガス接触面
18 基準電極
19 ヒータ
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Oxygen sensor element 10 Solid electrolyte body 100 Contact part 101 Outer side surface 102 Inner side surface 11 Measuring electrode 111 Outer electrode lead part 12 Reference electrode 121 Inner electrode lead part 13 Measured gas contact surface 18 Reference electrode 19 Heater

Claims (5)

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の固体電解質体と,該固体電解質体の外側面に設け,かつ被測定ガスと接触する測定電極と,上記固体電解質体の内側面に設けた基準電極とよりなると共に上記基準ガス室にはヒータが挿入配置してある酸素センサ素子であって,
上記固体電解質体の内側面と上記ヒータとが接触する領域及びこの領域から上記固体電解質体の内側面の法線方向に存在する外側面の領域とよりなる接触部を有しており,かつ上記測定電極は上記外側面側の接触部の少なくとも一部を含むように形成されており,
また,上記酸素センサ素子の外側面は該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の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,かつ上記接触部は上記素子先端部から長さ0.4L以内の範囲のみに位置するよう形成されており,
更に,上記測定電極は上記素子先端部から長さ0.8Lの範囲のみに設けられるよう形成されており,上記基準電極は,上記測定電極に対向して形成されていることを特徴とする酸素センサ素子。
A cup-shaped solid electrolyte body in which one side is closed and a reference gas chamber is provided, a measurement electrode provided on the outer surface of the solid electrolyte body and in contact with the gas to be measured, and an inner surface of the solid electrolyte body And an oxygen sensor element having a heater inserted in the reference gas chamber,
A contact portion comprising a region where the inner surface of the solid electrolyte body and the heater are in contact with each other, and a region on the outer surface existing in the normal direction of the inner surface of the solid electrolyte body from this region; and The measurement electrode is formed so as to include at least a part of the contact portion on the outer surface side,
The outer surface of the oxygen sensor element has a measured gas contact surface that comes into contact with the measured gas when the oxygen sensor element is used within a length L from the tip of the oxygen sensor element. The contact portion is formed so as to be located only within a range of 0.4 L or less from the tip portion of the element.
Further, the measurement electrode is formed so as to be provided only within a range of a length of 0.8 L from the tip of the element, and the reference electrode is formed to face the measurement electrode. Sensor element.
請求項1において,上記基準電極は,上記測定電極より短く形成されてい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 reference electrode is shorter than the measurement electrode. 請求項1又は2において,上記固体電解質体の上記外側面には上記測定電極の電極出力を外部に導出するための外側リード電極が設けてあり,
上記外側リード電極の固体電解質体外周方向の幅は0.1〜5mmの範囲内にあることを特徴とする酸素センサ素子。
In Claim 1 or 2, the outer lead electrode for deriving the electrode output of the measurement electrode to the outside is provided on the outer surface of the solid electrolyte body,
The width of the outer lead electrode in the outer peripheral direction of the solid electrolyte body is in the range of 0.1 to 5 mm.
請求項1〜3のいずれか一項において,上記固体電解質体の上記内側面には上記基準電極の電極出力を外部に導出するための内側リード電極が設けてあり,
上記内側リード電極と上記外側リード電極とは固体電解質体を介して対向しない位置にそれぞれ設けてあることを特徴とする酸素センサ素子。
The inner lead electrode for deriving the electrode output of the reference electrode to the outside is provided on the inner surface of the solid electrolyte body according to any one of claims 1 to 3,
The oxygen sensor element, wherein the inner lead electrode and the outer lead electrode are provided at positions that do not face each other with a solid electrolyte body interposed therebetween.
請求項1〜4のいずれか一項において、上記測定電極は化学メッキにより形成された電極であることを特徴とする酸素センサ素子。   5. The oxygen sensor element according to claim 1, wherein the measurement electrode is an electrode formed by chemical plating. 6.
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