JPH0473547B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） この発明は、被測定ガス中、なかでも内燃機関
より排出される排気ガス中の酸素濃度を検出する
ための酸素センサに用いられる酸素センサ素子に
係り、特に、ヒーターと酸素ポンプの両者を備え
る酸素センサ素子の改良に関する。

（従来の技術） 従来から、所謂酸素センサとして、内燃機関の
排気ガス中に含まれる酸素濃度を検知し、その検
出信号に基づいて内燃機関の燃焼状態を最適にコ
ントロールすることにより、排気ガスの浄化、燃
費の節減等を行うものが知られている。

このような酸素センサに用いられる酸素センサ
素子は、一般に、排気ガス等の被測定ガス中に曝
される測定電極と、酸素濃度が一定の基準物質に
曝される基準電極とを、酸素イオン伝導性固定電
解質を挾んで設け、両極間の酸素イオン伝導作用
による出力を検出信号としているもの、あるい
は、被測定ガスの酸素分圧により、抵抗値の変わ
る酸化物半導体の抵抗値を検出しているものがあ
る。

また、酸素センサ素子のなかには、酸素検知部
を所定の温度範囲に保つように、加熱用ヒーター
を備えるもの、あるいは、リーンセンサに用いら
れる酸素センサ素子等のように、電圧を印加する
ことによつて強制的に酸素イオン伝導を行わせる
酸素ポンプ電極を備えるもの、さらには、これら
ヒーターと酸素ポンプ電極の両者を備えるものが
ある。

（発明が解決しようとする問題点） しかしながら、上記のように、基準電極、測定
電極、あるいは酸化物半導体の両電極の他に、ヒ
ーターや酸素ポンプ電極をも具備する酸素センサ
素子にあつては、各々に接続される導体リード
が、酸素センサ素子内部、あるいは外部を、その
長手方向へ走るように配設されて、その先端部が
酸素センサ素子の酸素検知部とは反対側の端部に
現われており、外部回路接続用の接続端子部が形
成されているのであるが、狭小な酸素センサ素子
表面に多くの接続端子部を配置するには、困難が
伴う。

また、ヒーターと酸素ポンプ電極には、各々駆
動電源を必要とするが、これらの電源供給路を別
個に設けると、電源ラインの本数が多くなり、断
線やコネクタの大型化の原因となり好ましくな
い。

（問題点を解決するための手段） 上記問題点を解決するために、本発明は、被測
定ガス中に曝される測定電極と、酸素濃度が一定
の基準ガス中に曝される基準電極とを、酸素イオ
ン伝導性固体電解質を挾んで設け、両電極間の酸
素イオン伝導作用による出力を検出信号として被
測定ガス中の酸素分圧を検出する酸素センサ素子
において、加熱用ヒーターと、少なくとも一対の
酸素ポンプ電極を酸素イオン伝導性固体電解質を
挾んで設け、一方の酸素ポンプ電極を基準ガス中
に曝すとともに、他方の酸素ポンプ電極を実質的
に被測定ガス中に曝した状態にした酸素ポンプ部
とを備え、前記基準ガス中に曝される酸素ポンプ
電極の導体リードと前記被測定ガス中に曝される
酸素ポンプ電極の導体リードとを、前記加熱用ヒ
ーターの発熱部あるいはヒーター用の導体リード
とを接続するとともに、基準ガス中に曝される酸
素ポンプ電極のリード接続部を、被測定ガス中に
曝される酸素ポンプ電極のリード接続部より、加
熱用ヒーターのプラス側に位置させて接続したも
のである。

（作用） 上記のような構成により、酸素ポンプ電極用の
電源ラインとヒーター用の電源ラインを共有する
ことが可能となり、酸素センサ素子の端部に形成
される外部回路接続用の接続端子部の数を、その
分だけ削減することができ、これにより、電源回
路まで引回される配線の本数も削減できるため、
断線の確率の低減およびコネクタの小型化も可能
になる。

基準ガス中に曝される酸素ポンプ電極のリード
接続部を、被測定ガス中に曝される酸素ポンプ電
極のリード接続部より、加熱用ヒーターのプラス
側に位置させて接続するのは、基準ガスに曝され
る酸素ポンプ電極の電位を被測定ガスに曝される
酸素ポンプ電極の電位より高くして、酸素ポンプ
部に、被測定ガス中から基準ガス中へ酸素をくみ
あげる機能を持たすためである。

（実施例） 本発明の第１実施例の構成を第１図に分解図に
て示す。

本実施例の酸素センサ素子１は、酸素イオン伝
導性固体電解質からなる板（以下「固体電解質
板」と称す）２，３と絶縁セラミツクス製の絶縁
板４を積層した構造であり、絶縁板４の長手方向
には、一端から他端へ向けて切込まれた空隙５が
形成されている。なお、この絶縁板４も固体電解
質で形成しても良い。

上段の固体電解質板２の上面の一端（図中の左
端）部には、測定電極６が付着されており、その
下面には測定電極６と背向する位置に基準電極７
が付着されていて、この基準電極７は、上記空隙
５に露呈している。

下段の固体電解質板３の上面一端部（同じく図
中左端部）には、ポンプ電極８が付着されてお
り、その下面には、ポンプ電極８に背向する位置
にもう一つのポンプ電極９が付着されている。

上段の固体電解質板２上面には、測定電極６に
導通する導体リード１０と、基準電極７に導通す
る導体リードの一部１２が設けられており、さら
にセラミツクス薄膜からなる保護層１３により、
導体リード１０，１２の図中右端部を除く他の面
が覆われている。

上段の固体電解質板２下面には、基準電極に導
通する導体リード１１が設けられており、その先
端（図中右端）は、スルーホール１４を介して、
固体電解質板２上面の導体リード１２に導通され
ている。

そして、固体電解質板３の下面には、２つのヒ
ーター保護層１５，１６に挾みこまれたヒーター
発熱部１７と２本のヒーターリード１８，１９が
絶縁層２０を介して積層されている。絶縁層２０
とヒーター保護層１５，１６には、ポンプ電極９
を露出させるための窓２１〜２３が形成されてお
り、さらに、多孔質性の保護層２４によつてポン
プ電極９表面が覆われている。また、ヒーター保
護層１５，１６には、ヒーターリード１８，１９
間の絶縁を確実にするために、スリツト２５，２
６が設けられている。

さらに、本実施例では、ポンプ電極８の導体リ
ード２７がスルーホール２８を介してヒーター発
熱部１７のＡ点に、ポンプ電極９の導体リード２
９がヒーターの導体リード部１９のＢ点に接続さ
れている。

従つて、ポンプ電極８，９間には、ヒーター電
源３０からヒーター発熱部１７に印加される電圧
の分圧値が印加されることになる。

このように、本実施例は、ポンプ電極８，９及
び固体電解質板３で構成される酸素ポンプが、ヒ
ーター発熱部１７用の電源３０を共有しているた
め、特に酸素ポンプ用の電源を別個に設ける必要
がなく、電源ラインの本数を削減できる。

また、コネクタ部分（図中右端部の接続端子部
分）に現われている導体リードの数も４つしかな
いため、狭小な酸素センサ素子１の表面を有効に
利用することができ、コネクタとの接触面積を大
きくすることも可能である。

さらに、接続端子部を４つにすることで、ヒー
ターを備えない酸素センサ素子、あるいは酸素ポ
ンプを備えない酸素センサ素子等の４端子構造の
酸素センサ素子に接続するコネクタとの互換性が
あり、コネクタ部品および電源系を共通使用する
ことが可能になる。

なお酸素ポンプ電極８，９に印加される電圧と
してヒーター電源３０の電圧の分圧を用いてい
る。

ヒーター用導体リード１９の抵抗値を大きめに
とつておき、さらにヒーター発熱部１７を正の抵
抗温度係数をもつ材料で構成し、かつＡ点をでき
るだけ導体リード近くにとつてやれば、低温での
ヒーター電源３０の電圧の酸素ポンプ電極へ印加
する分圧は高温加熱時の分圧よりも大きくするこ
とができる。すなわち低温では（酸素イオン導電
性固体電解質の電気分解電圧以下であるのが好ま
しい）高めの電圧を酸素ポンプに印加にして酸素
の移動量を多くし、高温では低い電圧として（酸
素イオン導電性固体電解質の抵抗値が小さくなる
ため低い電圧でも酸素移動量は多くなる）過度の
酸素移動を防止することも可能である。

また、ヒーター用導体リード１９とヒーター発
熱部１７の接点をＧ点とし、導体リード１８，１
９の合計抵抗値をR_L、ヒーター発熱部１７全体
の抵抗値をR_H、導体リード１９上のＢ−Ｇ間の
抵抗値をR_B、発熱部１７のＡ−Ｇ間の抵抗値を
R_Aとする。Ａ点またはＢ点を次の関係がほぼ成
立するように設定する。

R_A＝R_H／R_L×R_B このとき酸素ポンプ電極へ印加される分圧Ｖは
ヒーター電源電圧をVoとすれば、 Ｖ＝R_A＋R_B／R_H＋R_L＝R_B／R_L となり、ヒーター発熱の有無にかかわらず、ほぼ
一定の電圧をポンプ電圧として使用できる。（Vo
の変動、ヒーターの温度分布が若干の変動の原因
となる。） このような使用方法に従えば、特にセンサ素子
外部に制御装置を必要とせず、酸素イオン導電性
固体電解質の電気分解電圧以下のぎりぎりの電圧
で酸素ポンプを動作することが可能となる。

次に、第２図は、本発明の第２実施例を示す図
である。なお、同図において、前記第１実施例と
同一構成部分には、同一符号を付して説明は省略
する。

本実施例の酸素センサ素子４０は、ポンプ電極
８，９の導体リード２８，２９とヒーター側の導
体との接続点Ａ，Ｂの間１７ａもヒーター発熱体
であるように構成したものであり、他の構成は、
第１実施例の酸素センサ素子１と全く同一であ
る。

なお、本実施例のように、ポンプ電極の導体リ
ードとヒーター側の導体との接続点の間が全てヒ
ーター発熱部であるような構成とするのには、上
記の構成の他に、例えば、第２図中に示すＣ点と
Ｄ点にて接続を行う等の、ヒーター発熱部１７上
の適宜箇所で行うことが可能である。但し、ポン
プ電極８，９の電位が逆とならないように配慮す
る必要がある（同図では、Ｃ点の方が電位が高い
ので、Ｃ点においてポンプ電極８の導体リード２
７を接続し、Ｄ点においてポンプ電極９の導体リ
ード２９を接続する）。

なお、酸素ポンプ電極８，９に印加される電圧
がヒーター電源３０の電圧の分圧を用いているた
め、ヒーター発熱部１７を正の抵抗温度係数を有
する材質で形成すれば、低温時の分圧値が高温時
の分圧値よりも低くなる（低温時は、ヒーターリ
ード１８，１９の合計抵抗値に対するヒーター発
熱部１７の抵抗値の割合が減少するため）。

酸素ポンプは、低温時（500℃以下）では、２
〜3V、理想的には1V以下の印加電圧でないと素
子劣化を主じる場合がある。

従つて、本実施例のように、正の抵抗温度係数
を有するヒーター発熱部１７の一部からその印加
電圧の分圧値を取り出してポンプ電極８，９に印
加することで、高温時に2V程度（ヒーター電源
は12〜16V）の電圧をポンプ電極８，９に印加し
て、良好な作動を行うようにし、低温時には、
1V程度に分圧値が下がり、素子劣化を防止する
ことができる。これは、車両の場合、エンジン始
動時のように、比較的低温の排気ガスが接触する
割合の多いときに有効である。

次に、本発明の第３実施例を第３図に示す。

本実施例の酸素センサ素子５０は、３層の固体
電解質板５１〜５３を積層した構造であり、中間
の固体電解質板５２には、長手方向に刳り抜かれ
た気密空間５４が形成されている。この気密空間
５４は、固体電解質板５２の両面に固体電解質板
５１と５３が接合されることにより、実質的に気
密状態に保持される。なお、中間の固体電解質板
５２は、絶縁セラミツクスで構成してもよい。

図中左方の固体電解質板の左面には、その下端
部にヒーター発熱部５５が設けられており、ヒー
ター発熱部５５の間には、ポンプ電極５６が配設
されている。このポンプ電極５６は、接点Ｅにお
いてヒーター発熱部５５に接続されている。

ヒーター発熱部５５の両端には、導体リード５
７，５８が接続されており、これらの導体リード
５７，５８は、固体電解質板５１の左面上を図中
上端に至るように並行して設けられている。そし
て、図中上端部において、外部回路接続用のコネ
クタ（図示略）の接続端子部５７ａ，５８ａを形
成している。

また、２本の導体リード５７，５８の間には、
引出し線５９が、両導体リード５７，５８に並行
して配設されており、この引出し線５９の下端
は、接点Ｆにおいて導体リード５８に接続されて
いる。

なお、上記ヒーター発熱部５５と導体リード５
７，５８（接続端子部５７ａ，５８ａを除く）及
び引出し線５９は、２枚のセラミツク薄膜の積層
体６０の間に挟み込んだ状態のものを、固体電解
質板５１に積層することで、固体電解質板５１に
一体化されている。但し、ポンプ電極５６の部分
には、セラミツク薄膜の積層体６０に穴が空けら
れて、ポンプ電極５６が固体電解質板５１に直接
接するようにしてある。

そして、ヒーター発熱部５５，導体リード５
７，５８、引出し線５９及びポンプ電極５６の上
には、多孔質セラミツクスで形成された保護層６
１が積層されている。

固体電解質板５１の図中右面の下端部には、上
記ポンプ電極５６に固体電解質板５１を挟んで対
向する位置に、もうひとつのポンプ電極６２が設
けられている、このポンプ電極６２に接続された
ポンプ電極用導体リード６３は、固体電解質板５
１の右面を上方へ走り、スルーホール６４を介し
て、上記引出し線５９に接続されている。

図中右方の固体電極板５３の左面下端部には、
上記気密空間５４に曝された基準電極６５が設け
られ、右面下端部には基準電極６５に固体電解質
板５３を挟んで対向する位置に被測定物質に曝さ
れる測定電極６６が設けられている。

基準電極６５に接続された基準電極用導体リー
ド６７は、固体電解質板５３の左面を上方へ走
り、スルーホール６９を介して固体電解質板５３
の右面上端部に設けられた接続端子部７０に接続
されている。また、測定電極６６に接続された測
定電極用導体リード６８は、固体電解質板５３の
右面を上方へ走り、同じく固体電解質板５３の右
面の上端部に設けられた接続端子部７１に接続さ
れている。

以上の構成によつて、本実施例の酸素センサ素
子５０は、ポンプ電極５６と６２の電源として、
ヒーター発熱部５３用の電源を共有することがで
き、前記第１、第２実施例と同様の効果を得るこ
とができる。

また、本実施例では、一方のポンプ電極５６を
ヒーター発熱部５３と同一平面内に設けて、直接
に、ヒーター発熱部５３に接続することで、固体
電解質板５１に形成するスルーホールの数を削減
することができる。

さらに、他方のポンプ電極６２をヒーター用の
導体リード５８に接続するために、引出し線５９
を設け、ポンプ電極５６から遠い位置においてス
ルーホール６４を介して導通させるようにしたこ
とにより、スルーホール６４の部分がヒーター発
熱部５５によつて、加熱されて、損傷を生じた
り、また、スルーホール６４の部分で酸素イオン
電流が生じて、ポンプ電極５６とスルーホール６
４との間に酸素イオンの流れが発生し、ノイズの
原因となることを防止できる。

なお、このように、スルーホールをポンプ電極
から遠ざけて形成する場合、ポンプ電極５６と６
２の何れか一方の導体リードを延長させて形成す
るか、あるいは、両者とも延長させて形成するこ
とのいずれの構成を用いても良い。

そして、本実施例は、その製造時に、気密空間
５４内に大気が封止され、以後は、ポンプ電極５
６，６２に通電を行うことで、酸素の供給がなさ
れることになる。

これにより、外部から基準電極６５へ大気を供
給するための大気導入孔（従来の酸素センサ素子
には、一般に大気導入用の孔が形成されている。）
を設ける必要がないため、大気導入孔から異物
（水分等）が侵入して素子劣化や検知不能状態が
生じることを防止できる。

（発明の効果） 以上詳細に説明したように、本発明は、基準電
極と測定電極の他に、加熱用ヒーターと、少なく
とも一対の酸素ポンプ電極とを備えるとともに、
前記酸素ポンプ電極用の導体リードのうち少なく
とも１つを、酸素センサ素子内において、前記加
熱用ヒーターの発熱部あるいはヒータ用の導体リ
ードに接続したことによつて、酸素ポンプ電極用
の電源ラインとヒーター用の電源ラインを共有す
ることが可能となり、酸素センサ素子の端部に形
成される外部回路接続用の接続端子部の数を、そ
の分だけ削減することができ、これにより、電源
回路まで引回される配線の本数も削減できるた
め、断線の確率の低減およびコネクタの小型化も
可能になる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の第１実施例の構成を示す分解
斜視図、第２図は本発明の第２実施例の構成を示
す分解斜視図、第３図は本発明の第３実施例の構
成を示す分解斜視図である。 １，４０，５０……酸素センサ素子、２，３，
５１，５２，５３……固体電解質板、６，６６…
…測定電極、７，６５……基準電極、８，９，５
６，６２……ポンプ電極、１７，５５……ヒータ
ー発熱部（加熱用ヒーター）、Ａ〜Ｆ……接点、
１８，１９，５７，５８……ヒーター用導体リー
ド、２７，２９，６３……ポンプ電極用導体リー
ド、３０……ヒーター電源、６４……スルーホー
ル。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 被測定ガス中に曝される測定電極と、酸素濃
   度が一定の基準ガス中に曝される基準電極とを、
   酸素イオン伝導性固体電解質を挾んで設け、両電
   極間の酸素イオン伝導作用による出力を検出信号
   として被測定ガス中の酸素分圧を検出する酸素セ
   ンサ素子において、 加熱用ヒーターと、少なくとも一対の酸素ポン
   プ電極を酸素イオン伝導性固体電解質を挟んで設
   け、一方の酸素ポンプ電極を基準ガス中に曝すと
   ともに、他方の酸素ポンプ電極を実質的に被測定
   ガス中に曝した状態にした酸素ポンプ部とを備
   え、 前記基準ガス中に曝される酸素ポンプ電極の導
   体リードと前記被測定ガス中に曝される酸素ポン
   プ電極の導体リードとを、前記加熱用ヒーターの
   発熱部あるいはヒーター用の導体リードとを接続
   するとともに、基準ガス中に曝される酸素ポンプ
   電極のリード接続部を、被測定ガス中に曝される
   酸素ポンプ電極のリード接続部より、加熱用ヒー
   ターのプラス側に位置させて接続したことを特徴
   とする酸素センサ素子。