JPH11153571A

JPH11153571A - 酸素センサ素子

Info

Publication number: JPH11153571A
Application number: JP9337869A
Authority: JP
Inventors: Toru Katabuchi; 亨片渕; Kiyomi Kobayashi; 清美小林; Namiji Fujii; 並次藤井; Hiromi Sano; 博美佐野
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 1997-11-20
Filing date: 1997-11-20
Publication date: 1999-06-08

Abstract

(57)【要約】【課題】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。【解決手段】基準ガス室１８を設けた固体電解質体１
０，測定電極１１，基準電極１２とよりなると共に基準
ガス室１８にはヒータ１９が挿入配置してある。内側面
１０２とヒータ１９とが接触する領域及びこの領域と対
向する外側面１０１とを含む領域とよりなる接触部１０
０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。素子先端部
１４から長さＬの範囲に被測定ガス接触面１３を有して
いる。接触部１００の少なくとも一部は素子先端部１４
から長さ０．４Ｌ以内の範囲に位置する。測定電極１１
は素子先端部１４から長さ０．８Ｌの範囲のみに設けて
ある。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【技術分野】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。

【０００２】

【従来技術】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（特開昭
５８−７３８５７号）。

【０００３】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。

【０００４】

【解決しようとする課題】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。

【０００５】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。

【０００６】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。

【０００７】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。

【０００８】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。

【０００９】

【課題の解決手段】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
びこの領域と対向する上記固体電解質体の外側面とを含
む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，かつ上記接触部の少なくとも
一部は上記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
う形成されていることを特徴とする酸素センサ素子にあ
る。

【００１０】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。

【００１１】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。

【００１２】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。

【００１３】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。

【００１４】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。

【００１５】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。

【００１６】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。

【００１７】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。

【００１８】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。

【００１９】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。

【００２０】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。

【００２１】次に，請求項２の発明において，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。

【００２２】次に，請求項３の発明において，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が好ましい。

【００２３】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。

【００２４】請求項４の発明において，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が好まし
い。

【００２５】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。

【００２６】次に，請求項５の発明のように，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。

【００２７】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。

【００２８】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。

【００２９】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，Ａ
ｕ，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。

【００３０】

【発明の実施の形態】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。

【００３１】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１０
１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。

【００３２】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１
３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１
１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。

【００３３】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。

【００３４】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。

【００３５】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。

【００３６】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。

【００３７】上記ヒータ１９はＡｌ₂Ｏ₃，Ｓｉ₃Ｎ₄
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１．０ｍ
ｍ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。

【００３８】上記ヒータ１９は芯材と該芯材に巻回した
Ａｌ₂Ｏ₃セラミックシートとよりなり，上記抵抗発熱
体はＡｌ₂Ｏ₃セラミックシートの裏面側に設けてあ
る。また，Ａｌ₂Ｏ₃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。

【００３９】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１
０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。

【００４０】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１
１２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１
１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。

【００４１】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１２
１，内側端子電極１２２と同様の形状である。

【００４２】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。

【００４３】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。

【００４４】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。

【００４５】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。

【００４６】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６８
３，６８４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。

【００４７】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。

【００４８】なお，同図において『０』は素子先端部１
４，『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１５ｍ
ｍ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。

【００４９】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。

【００５０】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。

【００５１】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。

【００５２】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１
１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）。

【００５３】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。

【００５４】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０．８
Ｌ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。

【００５５】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。

【００５６】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Ｍ
ｇＡｌ₂Ｏ₄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２
０％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。

【００５７】図１１は，保護層１０７と，該保護層１０
７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Ａｌ₂Ｏ₃であ
り，厚みは１２０μｍ，気孔率は２０〜５０％である。

【００５８】上記第２保護層１０８の形成方法の一例を
挙げる。Ａｌ₂Ｏ₃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１０
８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。

【００５９】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。

【００６０】第３保護層１０９は気孔率を第２保護層１
０８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Ａｌ₂Ｏ₃であり，厚みは４０μｍ，気孔率は６０
％である。

【００６１】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Ａｌ₂Ｏ₃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。

【００６２】上記第３保護層１０９は上記第２保護層１
０８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１
０９は素子先端部１４より１１ｍｍ（０．６１Ｌ）の部
分まで形成されている。

【００６３】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。

【００６４】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。

【００６５】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。

【００６６】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。

【００６７】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。

【００６８】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。

【００６９】次に，耐久性であるが，温度９００℃，５
００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。

【００７０】表１は接触部は素子先端部から長さ０．４
Ｌ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。

【００７１】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。

【００７２】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０．１〜５
ｍｍの範囲内とすることが好ましいことが分かった。

【００７３】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。

【００７４】

【表１】

【００７５】

【表２】

【００７６】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。

【００７７】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。

【００７８】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。

【００７９】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。

【００８０】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。

【００８１】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。

【００８２】図１７は測定電極１１と外側リード電極１
１１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１
０９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１０
９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。

【００８３】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。

【図面の簡単な説明】

【図１】実施形態例１にかかる，酸素センサ素子の説明
図。

【図２】実施形態例１にかかる，酸素センサ素子の縦断
面説明図。

【図３】実施形態例１にかかる，固体電解質体の説明
図。

【図４】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）。

【図５】実施形態例１にかかる，酸素センサ素子の要部
説明図。

【図６】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。

【図７】実施形態例１にかかる，酸素センサの断面説明
図。

【図８】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。

【図９】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。

【図１０】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。

【図１１】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。

【図１２】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。

【図１３】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。

【図１４】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。

【図１５】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。

【図１６】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。

【図１７】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。

【図１８】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。

【符号の説明】

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，

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者佐野博美愛知県刈谷市昭和町１丁目１番地株式会社デンソー内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】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と対向する上記
固体電解質体の外側面とを含む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，
かつ上記接触部の少なくとも一部は上記素子先端部から
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いることを
特徴とする酸素センサ素子。
【請求項２】請求項１において，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
設けてあることを特徴とする酸素センサ素子。
【請求項３】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０．１〜５ｍ
ｍの範囲内にあることを特徴とする酸素センサ素子。
【請求項４】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。
【請求項５】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。