JP2009229352A - 酸素センサ - Google Patents

Abstract

【課題】リード部を形成することで貴金属の使用量を低減するとともに、リード部が被毒劣化したとしても測定電極と端子接続部との正常な電気的導通を長期間確保でき、センサ出力に異常が生じるのを抑制して長寿命とする。
【解決手段】リード本体部14aあるいは架橋部14bが被毒劣化したとしても、他のリード本体部14aあるいは他の架橋部14bで測定電極12と端子接続部13との電気的導通を確保することができ、素子部10との接合面積も確保できる。
【選択図】図２

Description

本発明は、排ガス中の酸素濃度などを検出する酸素センサに関する。

自動車の排気系には、排ガス中の酸素濃度を検出する酸素センサが取付けられ、その信号は空燃比のフィードバック制御などに用いられている。また、排ガス浄化用触媒の劣化度合いの判定などにも利用されている。

この酸素センサとして、近年、ジルコニアなどの固体電解質を用いたものが広く用いられている。この固体電解質型の酸素センサは、固体電解質からなり一端が閉じた筒状の素子部と、素子部の内側に配置された基準電極と、素子部の底部の外周表面に形成された測定電極とを備えた試験管形状のものが一般的である。

ところが自動車の排ガス中で用いられる酸素センサにおいては、排ガス中のカーボンなどの被毒物質による電極劣化が生じるという問題がある。そこで近年の酸素センサでは、測定電極の表面に被毒防止用のトラップ層を形成したものが主流となっている。

例えば特開平09−054064号公報には、測定電極の表面に MgO・Al₂O₃ スピネルなどからなる電極保護層を形成し、電極保護層の表面にアルミナなどの多孔質体からなるトラップ層を形成した酸素センサが開示されている。このようなトラップ層を形成することで、カーボンなどの被毒物質をトラップでき測定電極の被毒劣化を防止することができる。

また特開平02−276956号公報には、トラップ層の気孔内にアルカリ土類金属の酸化物を付着させた酸素センサも開示されている。

ところで、測定電極としては主として高価な白金が用いられている。そこで例えば特開2003−322631号公報には、白金の使用量を低減して安価とするために、測定電極を試験管形状の素子部の先端にのみ形成した構造の酸素センサが記載されている。

この酸素センサでは、図９に示すように、固体電解質からなる試験管形状の素子部 100の底部表面に測定電極 101を形成し、測定電極 101から長尺形状のリード部 102を底部と反対側へ延出させて端子接続部 103と接続している。このようにリード部 102を形成したことにより、測定電極 101の面積を縮小することができ、高価な白金の使用量を低減することができる。
特開平09−054064号公報 特開平02−276956号公報 特開2003−322631号公報

カーボンによる電極の被毒劣化は、以下のようにして進行すると考えられている。測定電極及びリード部は白金ペーストを印刷するなどの方法で形成されているが、ガソリンエンジンでのリッチ環境での連続運転などの特殊な使われ方では、電極中の白金粒子には使用時の熱あるいは排ガス中の成分による低融点化によって凝集が生じる。すると白金粒子どうしの間に隙間が生じ、内部抵抗が増加し微細化したPt粒子を核として雰囲気ガス、温度によりカーボンフィラメントが発生することが知られている。

すなわち排ガス中の未燃炭化水素が白金の触媒作用によって燃焼するが、不完全燃焼によってカーボンフィラメントが白金上に析出する。このカーボンフィラメントが成長すると、白金粒子を押し上げ、その結果、電極層が素子部から剥離する場合がある。特にリード部は線幅が狭く、素子部から剥離した場合には破断する場合があり、また破断に至らずとも、内部抵抗の増大によって、センサ出力に異常が生じる。

さらに近年では、バイオ燃料としてエタノール燃料の利用が増大している。エタノールを燃料とした自動車からの排ガス中には、ガソリンを燃料とした場合に比べて低分子量の炭化水素が多い。低分子量の炭化水素は活性であり、電極凝集の加速要因となり得るため、白金粒子どうしの隙間に進入しやすく、リード部の被毒劣化がさらに生じやすくなるという懸念がある。

本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり、リード部を形成することで貴金属の使用量を低減するとともに、リード部が被毒劣化したとしても測定電極と端子接続部との正常な電気的導通を長期間確保でき、センサ出力に異常が生じるのを抑制して長寿命とすることを解決すべき課題とする。

上記課題を解決する本発明の酸素センサの特徴は、固体電解質からなり一端が閉じた筒状の素子部と、素子部の内周表面に形成された基準電極と、素子部の底部の外周表面に形成された測定電極と、素子部の底部と反対側端部の外周表面に形成された端子接続部と、素子部の外周表面に形成され測定電極と端子接続部とを電気的に接続するリード部とを備え、素子部の底部を被測定ガス中に曝して被測定ガス中の酸素濃度を検出する酸素センサであって、
リード部は、素子部の軸方向に沿って線状に延び測定電極と端子接続部とを直接に電気的に接続する複数本のリード本体部と、素子部の軸方向に対して交差する方向に線状に延び少なくとも２本のリード本体部どうしを電気的に接続する少なくとも１本の架橋部と、を有することにある。

本発明の酸素センサによれば、リード本体部が部分的に被毒劣化したとしても、あるいは架橋部が被毒劣化したとしても、他のリード本体部あるいは他の架橋部で測定電極と端子接続部との電気的導通を確保することができる。また他のリード本体部あるいは他の架橋部で素子部との接合面積も確保できる。したがって、長期間安定したセンサ精度を確保することができる。

本発明の酸素センサは、検出素子に、素子部と、基準電極と、測定電極と、端子接続部と、リード部とを備えている。素子部は、固体電解質からなり一端が閉じた筒状の試験管形状をなす従来と同様のものである。固体電解質としては、酸素イオンの往来が可能な安定化ジルコニアなど従来と同様のものを用いることができる。

基準電極は、素子部の内周表面に形成され、一般には、測定電極と対向する部位の全面に形成されている。この基準電極は、従来と同様に酸素解離触媒機能を有する白金などから形成することができる。

測定電極は、素子部の底部の外周表面に形成されている。このように底部に形成することで、排ガスに曝されやすく、応答時間を短縮することができる。素子部の底部の先端から軸方向に約10mm〜30mmの範囲内に形成するのが好ましい。約10mm以下であると、素子部と電極との界面の面積が十分でないためセンサ精度が低下する。また約30mmを超えて形成すると、リード部の長さがその分短くなるため、コスト低減の効果が得られない。この測定電極も、従来と同様に酸素解離触媒機能を有する白金などから形成することができる。

端子接続部は、素子部の底部と反対側端部の外周表面に形成され、信号線などを介して素子部で発生する起電力を外部へ伝達する機能をもつ。端子接続部が形成されている部位における素子部の内周表面には、別の端子接続部が形成され、基準電極と導通されている。

本発明の特徴をなすリード部は、測定電極と端子接続部とを電気的に接続するものであり、複数本のリード本体部と、少なくとも１本の架橋部と、を有する。リード本体部は、素子部の軸方向に沿って線状に延び測定電極と端子接続部とを直接に電気的に接続するものであり、少なくとも２本形成される。

また架橋部は、素子部の軸方向に対して交差する方向に線状に延び少なくとも２本のリード本体部どうしを電気的に接続する。この架橋部は少なくとも１本形成されるが、複数本形成し、全体として格子形状とすることが望ましい。またリード本体部も２本を超える複数本形成することが望ましく、リード本体部と架橋部との交点は多いほど望ましい。

リード部の全表面積、つまりリード本体部と架橋部の合計の表面積は、リード部が形成されている部位の素子部の表面積に対して約10〜30％の範囲とすることが望ましい。この比率が約10％より小さいと、センサの熱伝達の度合いにもよるが、リード部の抵抗が大きくなってセンサ精度が低下する場合がある。また約30％より大きくなると、コスト低減の効果が得られない。

またリード本体部及び架橋部の線幅は、１mm〜５mmの範囲とするのが望ましい。１mm未満では抵抗が大きくなってセンサ精度が低下する場合があり、５mmを超えるとコスト低減の効果が得られない。

測定電極及びリード部は、酸素解離触媒機能を有する白金、ロジウム、パラジウムなどから形成することができる。また端子接続部も測定電極及びリード部と同じ金属から形成すれば、製造が容易となり安価とすることができる。測定電極、リード部、端子接続部は、従来と同様に、印刷法によって形成することができる。なお素子部の内周表面に形成される電極は、大気側であるので材質は特に制限されないが、一般には測定電極などと同一の金属が用いられる。

本発明の酸素センサは、従来と同様に、測定電極、リード部、端子接続部及びこれらが形成されていない素子部の表面に、電極保護層、トラップ層などを形成することが望ましい。電極保護層は、従来と同様にアルミナ、ムライト、 MgO・Al₂O₃ スピネルなどから形成することができ、トラップ層はアルミナなどから形成することができる。

以下、実施例及び比較例により本発明を具体的に説明する。

（実施例１）
図１に、本実施例に係る酸素センサの要部断面図を示す。この酸素センサは、有底筒状で試験管形状をなす検出素子１と、検出素子１の内部に配設された棒状でセラミック製のヒータ２と、検出素子１及びヒータ２を収納するケーシング３と、ケーシング３の下端部に装着され、ケーシング３の下端部から突出した検出素子１の底部を覆う円筒状のプロテクタ４とから構成されている。

ケーシング３は、筒状のセラミックホルダ30、タルク粉末31と共に検出素子１を内部に保持している。またケーシング３の上部には外筒32が挿入固定され、検出素子１の内部に大気を導入可能となっている。金属製のプロテクタ４には内外を貫通する複数の貫通孔40が形成され、検出素子１の底部が排ガスに曝されるように構成されている。

図２〜図４に示すように、検出素子１は、安定化ジルコニアを主成分とする試験管形状の素子部10を備えている。素子部10の内周表面には、その全面に、白金からなる基準電極11が形成されている。また素子部10の底部の外表面には、白金からなる測定電極12が形成され、底部の反対側端部の外表面には白金からなる端子接続部13が形成されている。測定電極12は底部の全表面を覆うコップ状に形成され、端子接続部13は素子部10を一周するリング状に形成されている。そして素子部10の外表面には、測定電極12と端子接続部13とを電気的に接続するリード部14が形成されている。測定電極12、端子接続部13及びリード部14は、白金ペーストを印刷することで形成されている。

そして素子部10の表面には、測定電極12及びリード部14を覆い、測定電極12及びリード部14が形成されずに表出する素子部10の表面を覆う電極保護層15と、電極保護層15を覆うトラップ層16とが形成されている。電極保護層15は MgO・Al₂O₃ スピネルから形成され、トラップ層16はγ-Al₂O₃から形成されている。

基準電極11及び端子接続部13は、それぞれ図示しない引き出し線を介して図略の電圧計に接続される。そしてプロテクタ４が排ガス中に曝されるように配置し、ヒータ２に通電してヒータ２を加熱する。これにより素子部10が加熱されて活性化し、酸素イオンの往来が活発となって、排ガス雰囲気に曝された測定電極12と、大気雰囲気に曝された基準電極11との間に、酸素濃度差に応じた起電力が発生する。この起電力を測定することで、排ガス中の酸素濃度を検出する。

さて本実施例の酸素センサにおいて測定電極12と端子接続部13とを電気的に接続するリード部14は、素子部10の中心軸に対して互いに反対側に形成され、中心軸と平行に直線状に延びる２本一対のリード本体部 14aと、素子部10の周方向に延び一対のリード本体部 14aに接続されたリング状の架橋部 14bとからなる。架橋部 14bは、互いに間隔を隔てて２本形成されている。

素子部10の外径は約６mm〜10mmである。リード部14の厚さは約２μｍであり、リード本体部 14aの線幅は約５mm、架橋部 14bの線幅は約５mmである。またリード部14の全表面積は、リード部14が形成されている部位（測定電極12の上端から端子接続部13の下端までの間）の素子部10の表面積に対して約10％である。

本実施例の酸素センサにおける測定電極12、端子接続部13、リード部14の展開図を図５に、比較例の酸素センサにおける同展開図を図６に示す。比較例の酸素センサは、本実施例の架橋部 14bを有しておらず、２本のリード本体部 14aのみを備えている。

比較例の酸素センサにおいて、図に×印で示すように、２本のリード本体部 14aの両方に被毒劣化が生じた場合には、内部抵抗の増大によってセンサ出力に異常が生じる。しかし本実施例の酸素センサによれば、２本のリード本体部 14aの両方に被毒劣化が生じても、図５に示すように架橋部 14bが正常に機能して測定電極12及び端子接続部13が正常に導通しているため、内部抵抗の増大を長期間防止することができ長寿命となる。

（実施例２）
本実施例の酸素センサは、リード部14の形状が異なること以外は実施例１と同様である。図７に示すように、リード部14は３本以上の複数本のリード本体部 14aと、互いに隣接する２本のリード本体部 14aのみに接続された複数の架橋部 14bとから構成され、互いに隣接する２本のリード本体部 14aとその間に形成された複数の架橋部 14bとは、それぞれ梯子形状をなしている。またリード本体部 14aと架橋部 14bとの交点は三叉路構造となっている。

リード本体部 14aの線幅は約１mmであり、架橋部 14bの線幅は約１mmである。またリード部14の全表面積は、リード部14が形成されている部位（測定電極12の上端から端子接続部13の下端までの間）の素子部10の表面積に対して約10％である。

本実施例の酸素センサによれば多くの導通路が形成されているため、リード部14の一部に被毒劣化が生じた場合でも測定電極12及び端子接続部13が正常に導通する確率が高い。また素子部10と正常に接合されている部位も多くなるので、内部抵抗の増大を長期間防止することができ長寿命となる。

（実施例３）
本実施例の酸素センサは、図８に示すように、リード部14の形状をメッシュ状としている。この場合、互いに同一方向に傾斜した線群をリード本体部 14aとすれば、リード本体部 13aと交差する線群が架橋4部 14bとなる。

リード本体部 14aの線幅は約１mmであり、架橋部 14bの線幅は約１mmである。またリード部14の全表面積は、リード部14が形成されている部位（測定電極12の上端から端子接続部13の下端までの間）の素子部10の表面積に対して約10％である。

本実施例の酸素センサによれば多くの導通路が形成されているため、リード部14の一部に被毒劣化が生じた場合でも測定電極12及び端子接続部13が正常に導通する確率が高い。また素子部10と正常に接合されている部位も多くなるので、内部抵抗の増大を長期間防止することができ長寿命となる。

本発明の酸素センサは、自動車の排ガス中の酸素濃度を検出するばかりでなく、各種内燃機関の排ガス中の酸素濃度を検出することができる。また排ガスのみならず、各種ガスの酸素濃度の検出に用いることができる。

本発明の一実施例に係る酸素センサの要部断面図である。 本発明の一実施例に係る酸素センサに用いた検出素子を、電極保護層及びトラップ層を除いた状態で示す正面図である。 本発明の一実施例に係る酸素センサに用いた検出素子の断面図を示し、図２のＡ−Ａ線相当の断面図である。 本発明の一実施例に係る酸素センサに用いた検出素子の断面図を示し、図２のＢ−Ｂ線相当の断面図である。 本発明の一実施例に係る酸素センサに用いた検出素子の電極部の展開図である。 比較例の検出素子に係る電極部の展開図である。 本発明の第２の実施例に係る酸素センサに用いた検出素子を、電極保護層及びトラップ層を除いた状態で示す正面図である。 本発明の第３の実施例に係る酸素センサに用いた検出素子を、電極保護層及びトラップ層を除いた状態で示す正面図である。 従来の酸素センサに用いられている検出素子を、電極保護層及びトラップ層を除いた状態で示す正面図である。

符号の説明

１：検出素子 ２：ヒータ ３：ケーシング
４：プロテクタ 10：素子部 11：基準電極
12：測定電極 13：端子接続部 14：リード部
14a：リード本体部 14b：架橋部

Claims (3)

1. 固体電解質からなり一端が閉じた筒状の素子部と、該素子部の内周表面に形成された基準電極と、該素子部の底部の外周表面に形成された測定電極と、該素子部の該底部と反対側端部の外周表面に形成された端子接続部と、該素子部の外周表面に形成され該測定電極と該端子接続部とを電気的に接続するリード部とを備え、該素子部の該底部を被測定ガス中に曝して該被測定ガス中の酸素濃度を検出する酸素センサであって、
   該リード部は、該素子部の軸方向に沿って線状に延び該測定電極と該端子接続部とを直接に電気的に接続する複数本のリード本体部と、該素子部の軸方向に対して交差する方向に線状に延び少なくとも２本の該リード本体部どうしを電気的に接続する少なくとも１本の架橋部と、を有することを特徴とする酸素センサ。
2. 前記架橋部は複数本形成され、前記リード部は全体として格子形状に形成されている請求項１に記載の酸素センサ。
3. 前記リード部の全表面積は、前記リード部が形成されている部位の前記素子部の表面積に対して約10％の範囲である請求項１に記載の酸素センサ。

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