JPH0582551B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） この発明は、例えば自動車の排気ガス中の酸素
濃度を測定するために用いる酸素センサに係り、
特にセンサ素子が長尺平板状に形成されている酸
素センサの改良に関する。

（従来の技術） 近年、製造の容易性やコンパクト化の容易性等
の観点から、以前から在る有底円筒状の酸素セン
サに代わり、長尺平板状に形成した酸素センサ素
子を用いた酸素センサが提案されている。

このような長尺平板状の酸素センサ素子の従来
構造例を第７図に分解図で示す。

この酸素センサ素子４０は、ヒーター付の酸素
センサ素子であり、センサ部５０とヒータ部６０
とから概略構成されている。

センサ部５０は、ジルコニアを主成分とする酸
素イオン伝導性固体電解質からなる長尺平板状の
固体電解質板５１と、これと同一材質からなり、
一端から他端近傍まで溝５７を有する固体電解質
板５６とを重ね合わせて外殻が形成されている。

そして、上記平板状の固体電解質板５１の表面
一端には、白金等からなる多孔質の測定電極５２
が印刷により塗着されており、裏面には、固体電
解質板５１を挟んで測定電極５２と対向するよう
に同材質の基準電極５５が塗着されている。

また、固体電解質板５１の両面には、上記各電
極５２，５５と同材質からなるリード５８，５９
が両電極５２，５５から固体電解質５１の他端へ
至るまで帯状に塗着されており、その端部は、基
準電極端子５３および測定電極端子５４となつて
いる。

上記基準電極５５は、溝５７内に全面が露呈し
ており、溝５７の開口端から流入する外気に晒さ
れるようになつている。

ヒータ部６０は、長尺平板状の２枚の絶縁セラ
ミツクス層６１，６２が重ね合わされ、この一端
部に抵抗発熱体６５が挟み込まれ、この抵抗発熱
体６５の両極から絶縁セラミツクス層６１，６２
の他端へ至るまで２本の帯状に走る導電性のリー
ド６６，６７が同様にして絶縁セラミツクス層６
１，６２の間に挟み込まれている。

そして、一方の絶縁セラミツクス層６２の長さ
は、他方６１よりも短いため、リード６６，６７
の端部が露出し、外部電源接続用の接続端子６
３，６４となつている。

このヒータ部６０は、上記センサ部片面に積層
固着されて、ヒーター付の酸素センサ素子４０が
形成される。

このような酸素センサ素子４０は、第９図に示
すように、その中間部を絶縁碍子７２によつて、
また端子５３，５４，６３，６４が形成されてい
る端部をコネクタ碍子７４によつて支持された状
態で、円筒状の金属製保護管７１内に収容され、
絶縁碍子７２の上に充填されたセメント、タル
ク、ガラス等の充填剤７３および絶縁碍子７２の
下に充填されたタルク等の充填剤７３によつて固
定されている保護管７１先端部７１Ａは、多数の
透孔７５が形成されており、この先端部７１Ａ内
に露出している酸素センサ素子４０の先端部の測
定電極５２が被測定物質たとえばエンジンの排気
ガス等に触れるようになつている。また、保護管
７１の後端部７１Ｂには、ゴム栓７６を貫通して
差込まれたリード線７７ａ〜７７ｃと保護管７７
に導通されたアースリード線７７ｄとが、酸素セ
ンサ素子４０に設けられているヒータ部６０の接
続端子６３，６４、基準電極端子５３、測定電極
端子５４にそれぞれ対応して接続されている。

このような構成の酸素センサ素子７０は、例え
ば、保護管７１の先端部７１Ａを自動車の排気管
内に挿入することによつて、排気ガス中の酸素濃
度検出に利用される。このとき、ヒータ部６０の
抵抗発熱体６５に通電がなされてセンサ部５０の
電極５２，５５の部分を加熱して能動化するよう
になつている。

そして、このように高温排気ガス及びヒーター
加熱で先端部７１Ａが高温となるため、リード線
７７ａ〜７７ｄのコネクタ部分の高温酸化による
接触不良を防止する必要性から、上記のような長
尺型の酸素センサ７０は、コネクタ部分を低温に
保ちうる点で有利となる。

（発明が解決しようとする問題点） しかしながら、上記のような長尺平板状の酸素
センサ素子４０は、第８図に示す横断面図から明
らかなように、その中央に溝５７が固体電解質板
５１により蓋をされ基準物質の存在する空〓を形
成するとともに、基準電極５５全面をその空〓中
の基準物質、たとえば空気に晒す必要性から、溝
５７の幅が比較的広くなつている。

そのため、第８図中で示すように上下方向に加
わる力Ｆに対する強度が弱く、また固体電解質板
５６と５１の接着部の幅が狭くなるため、その接
着部でリークが生じ易い。

従つて、溝５７の幅の大きさが制限されること
となり、これに伴つて基準電極５５の広さも制限
されるため、測定電極５２と基準電極５５との対
向面積が小さくなつて、内部抵抗が増加すること
になる。

また、基準電極５５は、主として白金等の金属
成分により形成される。従つて、固体電解質板５
１との接着力は比較的弱いため、加熱・冷却を繰
返す間に剥離が生じる虞れがあり、これは、また
内部抵抗値を上昇させる要因となる。

（問題点を解決するための手段） 本発明は、酸素イオン伝導性固体電解質を主体
として長尺平板状に形成され、その長手方向の内
部に一端が閉塞された管状の空〓を有するセンサ
基体と、 該センサ基体の外表面の一部に平面状に形成さ
れた被検物質に接する１以上の測定電極と、 前記センサ基体内の一部に埋設された１以上の
基準電極とを備えた酸素センサであつて、 前記基準電極の辺縁部と前記空〓中の基準物質
とが直接接するか、または基準物質を透過させ得
る多孔質体を介して接するように前記基準電極が
設けられている酸素センサに係るものである。

基準電極の辺縁が直接または多孔質体を介して
空〓内の基準物質たとえば空気に接することがで
きるようにすることで、この酸素センサはほぼ正
確な信号出力を発生できることを本発明者らは実
験的に見出し、本発明に到つた。

この酸素センサがほぼ正確な信号出力を発生で
きるのは、基準物質が基準電極を形成する物質粒
子の境界層又は基準電極内の小気孔等を通つて基
準電極内に拡散するためと推定される。従つて基
準電極は多数の粒界の存在する多結晶体であるこ
とが好ましく、さらに多数の気孔の存在する多孔
質電極であればより好ましい。また、基準電極の
たとえば片方の大面に接する多孔質層が存在すれ
ば基準物質の拡散がより容易となり、好ましい形
態である。また基準電極の埋設部分は、電極材料
として通常白金族金属を使用するがそれらの金属
成分と固体電解質等と接着力が小さいため、すく
なくとも基準電極の埋設部分は酸素イオン伝導性
固体電解質とこれら白金族金属との混合層である
ことが好ましい。

（作用） 基準電極は、センサ基体内にほぼ埋設されてい
ることにより、その両面は挾持され、剥離が生じ
ることを防止できる。

また、直接または多孔質体を介して基準電極は
空〓内の基準物質たとえば空気に接することがで
きるので、基準電極がセンサ基体内に埋設されて
いてもその機能を充分に果すことができる。

従つて、空〓の幅を縮少可能とするとともに、
基準電極面積を増大させることが可能となる。

（実施例） 本発明の第１実施例の構成を第１図に分解図で
示す。

同図に示される酸素センサ素子１は第９図に示
したものと同様の保護管７１内に収容される。そ
して、第７図に示した酸素センサ素子４０と同様
に、センサ部２０とヒータ部３０とから概略構成
されている。

センサ部２０は、ジルコニアを主成分とする酸
素イオン伝導性の３枚の固体電解質板２，３，４
を積層固着してなるセンサ基体１０と、上段の固
体電解質板２の上面左端部に印刷によつて平面状
に塗着された測定電極５と、下段の固体電解質板
４の上面左端部に同じく印刷によつて平面状に塗
着された基準電極６とを備えている。

中段の固体電解質板３には、その長手方向に幅
方向の中心を走るスリツトが形成されており、こ
れは、３枚の固体電解質板２，３，４を積層した
状態で、センサ基体１０の長手方向内部で左端が
閉塞された長い長方形状の空〓７を形成すること
になる。

上記基準電極６は、白金族金属のうち１または
２以上の混合物と、ジルコニア等を主体とする酸
素イオン伝導性固体電解質とを混合し、これを印
刷塗着した後焼成してなる導電体膜でる。そし
て、この基準電極６の平面形状は、中段と下段の
固体電解質板３と４の間にほぼ完全に挟み込まれ
るように、上記空〓７の周縁形状にほぼ一致する
切込み６ａが設けられて凹字状となつている。さ
らに、この基準電極６の平面形状の外周縁は、セ
ンサ基体１０の左端部周縁真近まで広げられてお
り、下段の固体電解質板４の左端部上面の1/2以
上の面積を占有している。

また、上記測定電極５は、その平面形状が上記
基準電極６の平面形状とほぼ同一に形成されてお
り、かつ上段と中段の固体電解質２と３を介して
基準電極６と完全に対向するように配設されてい
る。また、材質も基準電極６の材質と同一であ
る。

そして、上記測定電極５と基準電極６の右端か
らは、外部回路接続用のリード８，９がセンサ基
体１０の右端に至る帯状に形成されている。

さらに、測定電極５の上面は、測定電極５より
広い面積のスピネル等を用いた多孔質絶縁セラミ
ツクスからなる保護層１７で覆われており、測定
電極５は、この保護層１７を介して被検物質に接
触している。

次に、ヒータ部３０は、２枚の長尺平板状の絶
縁セラミツクス層１２，１３の間の左端部に抵抗
発熱体１４が挟みこまれており、この抵抗発熱体
１４の両極からは、絶縁セラミツクス層１２，１
３の右端に至る外部電源接続用のリード１５，１
６が２本の帯状に形成されている。

このように構成されたヒータ部３０は、絶縁セ
ラミツクス層１１を介して、上記センサ部２０の
下面に一体の接合されており、上記抵抗発熱体１
４の発熱で、上記基準電極６の部分加熱を行う。

第２図は、上記の酸素センサ素子１の電極部分
の横断面（第１図の−断面）を示す図であ
る。

同図に示されるように、基準電極６は、上下の
両面がほぼ完全に２枚の固体電解質板３，４に挟
まれており、僅かに内周辺端面６ｂのみが空〓７
に臨んでいる。従つて、空〓７内の基準物質（例
えば大気）は、この端面６ｂから基準電極６内に
拡散してほぼ全面に行き渡ると推定され、ほぼ正
確な信号出力を発生する。

また、基準電極６を埋め込むことで、空〓７の
幅を小さくすることができ、酸素センサ素子１の
強度を向上させることが可能となるとともに、基
準電極６の剥離が生じることが防止できる。

これにより、基準電極６の面積を広くすること
が可能となり、測定電極５を基準電極６と同一形
状に拡大し、かつ互いに対向させれば、内部抵抗
を小さくすることができる。

次に、本発明の第２実施例として、上記第１実
施例では、基準電極６が、その内周辺端面６ｂに
おいて空〓７に接していたものを、第３図に示す
ように、多孔質体２１を介して空〓７と連通する
構成としたものを挙げる。

基準電極６の内周辺は、空〓７との境界よりも
固体電解質板３，４の内奥に若干引込んでおり、
この基準電極６の内周辺端面に接するように多孔
質体２１が設けられている。この多孔質体２１
は、スピネル、アルミナ、ジルコニア等を用いた
主として多孔質セラミツクスからなる。

本実施例は、このように多孔質体２１を設けた
ことにより、基準電極６の内周辺端面部での固体
電解質板４，３の接合強度を増大させることがで
き、（多孔質体２１は主としてセラミツクスであ
り、固体電解質板とよく接合する）、また、多孔
質体２１は固体電解質板との接着性がつよいた
め、第３図でも判るように、空〓７内へ膨出させ
ることができるため、空〓７内の基準物質を接触
面積を大きくできる。

なお、その他の構成部分は、第１実施例と同一
であり、同一符号を付して説明は省略する。

また、第４図に本発明の第３実施例として示す
ように、上記第２実施例で用いた多孔質体２１
を、基準電極６の下面全域に敷設して多孔質体層
３１を形成すれば、より一層基準物質が基準電極
６全面に行き渡る効率が高くなる。

さらに、第５図、第６図に示すように、基準電
極６の平面形状を、外周に切込み２２を設けた多
葉状としたり、多数の丸孔２３を設けた網状とし
たり、あるいは格子状（図示略）とする等、上下
の固体電解質板３，４が接する面積を増大させる
形状としておけば、基準電極６の部部で接合強度
を一層強めることができる。この場合、切込み２
２や丸孔２３等の面積分だけ基準電極６の総面積
を増大させておけば、性能が低下することは無
い。

なお、上記実施例では、一般的なヒーター付の
酸素センサに本発明を適用した例を示したが、本
発明は、これ以上の型の酸素センサ、例えば酸素
ポンプを備える酸素センサ等にも同様にして適用
可能であることは明らかである。

（発明の効果） 以上詳細に説明したように、本発明は、基準電
極をセンサ基体内に埋設することで、基準電極の
剥離が生じることを防止でき、かつ、基準物質導
入用の空〓の幅を狭くして素子の強度を増大させ
ることが可能となる。

また、基準電極の面積を拡大させることが可能
となり、内部抵抗の低い酸素センサを提供するこ
とができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の第１実施例における酸素セン
サ素子の構成を示す分解斜視図、第２図は第１図
の−断面図、第３図は本発明の第２実施例に
おける電極部分の横断面図、第４図は本発明の第
３実施例における電極部分の横断面図、第５図お
よび第６図は本発明の他の実施例における基準電
極の平面形状を示す斜視図、第７図は従来例の構
成を示す分解斜視図、第８図はその電極部分にお
ける横断面図、第９図は酸素センサの全体構成を
示す縦断面図である。 １……酸素センサ素子、２，３，４……固体電
解質板、５……測定電極、６……基準電極、７…
…空〓、１０……センサ基体、２１……多孔質
体、３１……多孔質体層。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 酸素イオン伝導性固体電解質を主体として長
   尺平板状に形成され、その長手方向の内部に一端
   が閉塞された管状の空〓を有するセンサ基体と、 該センサ基体の外表面の一部に平面状に形成さ
   れた被検物質に接する１以上の測定電極と、 前記センサ基体内の一部に埋設された１以上の
   基準電極とを備えた酸素センサであつて、 前記基準電極の辺縁部と前記空〓中の基準物質
   とが直接接するか、または基準物質を透過させ得
   る多孔質体を介して接するように前記基準電極が
   設けられている酸素センサ。 ２ 前記多孔質体は多孔質セラミツクスで形成さ
   れている特許請求の範囲第１項記載の酸素セン
   サ。 ３ 前記基準電極は多孔質である特許請求の範囲
   第１項又は第２項記載の酸素センサ。 ４ 前記多孔質体は、前記基準電極の片面に積層
   され、かつその一部が前記空〓に露呈している特
   許請求の範囲第１項−第３項のいずれかに記載の
   酸素センサ。 ５ 前記測定電極と基準電極が互いにほぼ対向す
   る位置に配設されている特許請求の範囲第１項−
   第４項のいずれかに記載の酸素センサ。 ６ 前記基準電極は白金族金属のうち１種又は数
   種を主成分とする特許請求の範囲第１項−第５項
   のいずれかに記載の酸素センサ。 ７ 前記基準電極が白金族金属と酸素イオン伝導
   性固体電解質との混合体からなる特許請求の範囲
   第１項−第６項のいずれかに記載の酸素センサ。