JPS61134655A

JPS61134655A - 酸素センサ素子

Info

Publication number: JPS61134655A
Application number: JP59258079A
Authority: JP
Inventors: Fujio Ishiguro; 石黒　不二男; Hideo Maeda; 英男前田
Original assignee: NGK Insulators Ltd
Current assignee: NGK Insulators Ltd
Priority date: 1984-12-06
Filing date: 1984-12-06
Publication date: 1986-06-21

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】（産業上の利用分野）この発明は、主として酸素イオン伝導性固体電解質材料
を用いてなる酸素センサ素子に関し、特にスルーホール
を設けた際に生ずるノイズや素子損傷を防止するための
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酸素検知器
が知られている。例えば、そのような酸素検知器は一つ
は、酸素イオン伝導性の固体電解質、例えば酸化カルシ
ウムや酸化イツトリウムをドープした酸化ジルコニウム
等を隔壁とし、その隔壁の両面に各々所定の電極層を設
けたものを検知素子とし、それら電極の一方を基準雰囲
気、また他方の電極を排気ガスに晒し、酸素濃淡電池の
原理によって生ずる起電力を検出信号としている。

そして、このような酸素検知素子として、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、有底円筒
形状のものに代わって、かかる検知素子を長手の板状体
と為し、その一方の端部に上記排気ガス等の被測定ガス
に晒される酸素検知部を設け、被測定ガス中の酸素が過
剰か否かを測定するもの、または、この酸素検知部を加
熱して低温の被測定ガスについても精度良く測定できる
ようにしたもの、さらに所定の温度範囲に酸素検知部を
保つように例えば加熱入力を制御し酸素濃淡電池の原理
により生ずる起電力（温度の関数である）により、また
はさらに酸素ポンプと組み合わせることにより過剰酸素
の濃度を正確に測定できるようにしたもの（リーンセン
サと呼ぶ）等が知られ、い、。　　　　　　　　　　　
　　　　　　　　　　　　　１ところで、上記のような
長手の板状体に形成された検知素子（以下、酸素センサ
素子と称す）は、上記酸素検知部に設けられている電極
（測定電極、基準電極、酸素ポンプ電極等）や加熱用ヒ
ーターの発熱部に導通する導体リードが設けられており
、これらの導体リードは、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上記酸素検知部とは反対側の端部
に現れている。そして、これら導体リードの先端部は、
外部回路接続用端子として用いられ、この部分に、外部
回路からのリード線が、直線接続されたり、あるいはコ
ネクタにより接続される。

ここで、上記コネクタを接続する場合には、導体リード
の先端部は、酸素センサ素子の片面あるいは両面に全て
現れるようにすることが好ましい。

これは、コネクタが酸素センサ素子を両面から挟持する
形で取付けられるためであり、さらに、コネクタ内部の
接触子は、バネ性を有しており、このバネ性により、酸
素センサ素子を押圧する力は、酸素センサ素子の両面に
均等に加えられる方が良いためである。

従って、上記のように導体リードの先端部を酸素センサ
素子の両面に配設するには、酸素センサ素子の内部に設
けられている電極からの導体り一ドの場合、その先端部
に至る途中で、酸素センサ素子内部から表面に導き出さ
れるためのスルーホールを設ける必要がある。

（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、スルーホールを設けて、
この中に導電性リードを通す場合、種々の不都合が生じ
ることを本発明者らは見出した。

すなわち、上記酸素イオン伝導性固体電解質は、その両
電極間に適正な電圧が印加された場合に、電極と酸素イ
オン伝導性固体電解質界面では酸素と酸素イオンとが相
互に変換され、その電圧に応じた酸素イオン伝導作用を
示す。そして、高温であればこの電極反応は十分に大き
くなり酸素イオン伝導作用は印加電圧に比例して大きく
なる。しかし低温であると、この電極反応は低下するた
め比較的高い電圧が印加されると、上記のような酸素と
酸素イオンとの相互変換反応が十分になされず、酸素イ
オン伝導性固体電解質内の酸素が抜き取られて空孔が生
じる。この空孔が増加すると、例えば安定化ジルコニア
固体電解質などでは色が黒変しはじめ、また酸素イオン
伝導性固体電解質は、電子伝導性を示すようになり、大
きなリーク電流が流れ、このリーク電流により、酸素イ
オン伝導性固体電解質はさらに黒変がすすみ、著しくは
損傷したり破壊したりする。

例えば、酸素ポンプを備える酸素センサ素子の場合、使
用時には、酸素ポンプ電極の部分は高温となっているた
め、上記のような問題は生じないが、酸素ポンプ電極に
導通ずる導体リード部分は、上記電極部分よりも低温と
なっており、かつ、電極に印加される電圧と同じ電圧が
印加されるため、この導体リード部分の酸素イオン伝導
性固体電解質について上記の問題が生じてくる。

特に、スルーホールの部分では、このような問題に加え
て、例えば、上記酸素ポンプを設けた酸素イオン導電性
固体電解質にスルーホールを設けて、測定電極に導通ず
る導体リードを通す場合には、このスルーホール部分に
おいて、酸素ポンプ用の印加電圧を拾ってしまい、これ
がノイズとなって測定出力に現れて（る。これは、その
他、ヒーター用の導体リードを通すスルーホールと上記
測定電極用の導体リードを通すスルーホールとが同じ酸
素イオン伝導性固体電解質に形成されているときにも、
ヒーター用電流が該スルーホールの間に流れて測定出力
にノイズとなって現れることがある。

（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、上述のような
スルーホールの内壁面に少なくとも一層の電気絶縁層を
設け、スルーホールの両孔端間を電気的に導通させる導
体を前記電気絶縁層を介してスルーホール内に設けるこ
とを特徴とする。

（作　　用）スルーホール内の導体は電気絶縁層により酸素イオン伝
導性固体電解質との間が絶縁されるため、　　　　　１
この導体の部分において、酸素イオン伝導性固体電解質
内に空孔が増加して素子が劣化したり、他の電極に電流
が流れ込んだり電圧が印加されてノイズを生じることを
防止できる。

（実施例）本発明の第１実施例を第１図、第２図に示す。

本実施例は、一対の電極を具備した酸素センサ素子に本
発明を適用した例であり、３枚の長板状の酸素イオン伝
導性固体電解質板（以下「固体電解質板」と略称する）
１〜３を積層して酸素センサ素子の基体を構成している
。中段に挟まれる固体電解質板２は、中央に長手方向に
切込まれた基準ガス導入路４を存しており、この基準ガ
ス導入路４の内奥（図中左方）において、基準電極６が
、この基準ガス導入路内に露呈すように上段の固体電解
質板１下面に付着されている。

そして、上記基準電極６に背向して、上段の固体電解質
板１上面には、測定電極５が付着されており、この測定
電極５上面を含む固体電解質板１の左端部上面は、スピ
ネル等よりなる多孔質セラミックス製の保護層７で覆わ
れている。

上記上段の固体電解質板１の上面には、左端部を除き（
少なくとも、測定電極５の付着部分を除いて）、残りの
部分を覆う絶縁セラミックス類の絶縁層８が積層されて
いる。そして、この絶縁層８の上面を通って測定電極５
に導通する導体り一層９が設けられ、また、基準電極６
に導通ずる導体リードの一部（°導体リード１０）も絶
縁層８上に設けられている。

この導体リード１０の左端は、絶縁層８の左端部に形成
された孔１３と、この孔１３の直下において固体電解質
板１に貫通形成されたスルーホール１２を通って、固体
電解質板１の下面において基準電極６に連通して設けら
れた導体リード１１の右端に導通している。

上記スルーホール内には、第２図に示すように、スルー
ホール１２の内周壁全面を覆うように、絶縁セラミック
ス類の絶縁層１４が設けられており、この絶縁層１４表
面にスルーホール１２の両孔端間を電気的に導通させる
、すなわち、導体リード１０と１１とを導通させる導体
１５が設けられている。従って、この導体１５は、基準
電極６用の導体リードの一部をなしていることになる。

このようなスルーホール１２の内部構造を形成する方法
の一例を以下に簡単に説明する。

積層前で、かつ未焼成の固体電解質板１　（これは、固
体電解質のテープを切出すことにより形成される）の所
定位置にスルーホール１２を孔開けし、このスルーホー
ル１２の内面に、絶縁セラミックスを塗布し、乾燥する
。

このとき用いる絶縁セラミックスは、例えば、アルミナ
粉末粒径０．１〜１μｍ、ｐｖＢ　５ｗｔ％、ブチルカ
ルピトールを混合したアルミナペーストや、アルミナの
代わりにムライトやスピネル、あるいはマグネシアを用
いたペースト、または、これらを２種以上混合したペー
ストを用いる。

このペースト（以下、「絶縁ペーストＪと称す）は、作
業員が細い棒等を用いて手作業によりスルーホール１２
内に塗布する方法の他、上記絶縁ペーストをやや硬めの
ペーストの玉状として、スルーホール１２上に置き、上
から圧力を加えてスルーホール１２内に押込んで塗布す
る方法、あるいは、上記絶縁ペーストを軟らめの流体と
して、スルーホール１２の上方から下方へ真空ポンプで
吸引して塗布する方法等が用いられる。

そして、絶縁ペースト乾燥後に、同様の方法を用いて、
乾燥した絶縁ペーストの表面に導体ペーストを塗布した
後、乾燥させる。

この導体ペーストは、例えば白金粉末、ＰＶＢ５ｗｔ％
、ブチルカルピトールの混合体や、白金粉末の代わりに
、白金粉末６０ＶＯＬ％とアルミナ粉末４０ＶＯＬ％の
もの、白金粉末８０■ｏＬ％とアルミナ粉末２０ｖｏ１
％のもの、ロジウム粉末１００ＶＯＬ％のもの、白金−
パラジウム合金粉末８゜ＶＯＬ％とスピネル２０ＶＯＬ
％のもの、ロジウム−金合金粉末９５ＶＯＬ％とマグネ
シア５ＶＯＬ％のちの等及び導電製セラミックス等のペ
ーストが用いられる。

この導体ペーストの塗布・乾燥が終了した後、他の部材
（固体電解質板２．３や基準電極６、測　　　　　１定
電極５等）と固体電解質板１とを重ね合わせ、焼成する
ことに−より、第２図の構造のスルーホール１２を有す
る酸素センサ素子が形成される。

本実施例は、上記構成によって、測定電極５用の導体リ
ード９と基準電極６用の導体リード１０とが、固体電解
質板ｌの上面に並行して形成されていることから、この
間において固体電解質板１内に電流が流れたり（高温時
）、空孔が増加したり（低温時）して、測定信号にノイ
ズが生じること等を防止できる。すなわち、導体リード
９と１０との間は絶縁層８によって絶縁されており、さ
らにスルーホール１２の内部においても導体１５が絶縁
層１４によって固体電解質板■から絶縁されているため
である。また、上記導体リード９゜１０やスルーホール
１２内の導体１５が白金等の触媒性を有する材質を用い
ると、上記ノイズの発生が著しいため、本実施例のよう
に、スルーホール１２内のみならず、固体電解質板１の
上面においても絶縁層８で絶縁を行う構成は効果が大で
ある。

次に、本発明の第２実施例を第３図、第４図に示す。

本実施例は、酸素ポンプを備えた、いわゆるリーンセン
サに本発明を適用した例であり、上段の固体電解質板２
１の左端部両面に各々ポンプ電極３１．３２が付着され
ている。上側のポンプ電極３１は第１図の保護層７と同
材質の保護層２６で覆われている。下側のポンプ電極３
２は、上段の固体電極質板２１の下面に積層される絶縁
板（絶縁、セラミックス製）２２の左端部に形成された
キャビティ５６に露呈している。

また、絶縁板２２の下面に積層される基準ガス導入路２
６を有する固体電解質板２３の左端部には、上記キャビ
ティ５６に露呈するような測定電極３３が設けられてい
る。

上記固体電解質板２３の下面に積層される固体電解質板
２４の上面には、上記基準ガス導入路２６内に露呈する
ように基準電極３４が設けられている。

さらに、上記固体電解質板２４の下面には、２つの気密
層４２．４３内に挟み込まれたヒーター発熱部４４およ
び２本のヒーターリード４５．４６が絶縁層４１を介し
て積層されている。

そして、上側のポンプ電極３１用の導体リード２７は、
絶縁層２５上面の幅方向中央に設けられ、下側のポンプ
電極３２に連接する導体リード２８は、固体電解質板２
１の下面からスルーホール５１を過つて絶縁層２５上面
の導体リード２９に導通している。

また、固体電解質板２３上に設けられて測定電極３３に
連通ずる導体リード３５は、絶縁板２２に設けられたス
ルーホール５３および固体電解質板２１に設けられたス
ルーホール５２を通って絶縁層２５上の導体リード３０
に導通している。

さらに、固体電解質板２４上に設けられて基準電極３４
に連通ずる導体リード３６は、スルーホール５４を通っ
て、絶縁層４１の下面に設けられた導体リード３７に導
通している。

上記スルーホール５１〜５４のうち、スルーホール５１
の内部構造は第２図に示した構造と同一であり、スルー
ホール５２．５３の内部構造は第４図に示すようになっ
ている。

固体電解質板２１に設けられたスルーホール２５と絶縁
板２２に設けられたスルーホール５３とは同一位置に形
成されており、両スルーホール５２゜５３の内周壁全面
を覆うように絶縁層６２が設けられている。

そして、この絶縁層６２表面に、両スルーホール５２．
５３の両孔端間を電気的に導通さゼるように導体６１が
設けられている。

本実施例のように、酸素ポンプを備えた酸素センサ素子
の場合、前述したように、両ポンプ電極３１、３２間に
は１〜数ボルトの電圧が印加され、この電圧は、両電極
用の導体リード２７と２８．２９の間にも印加されるた
め、ノイズや素子劣化が生じる底れがある。これを防止
するために、本実施例は、スルーホール５１内において
第２図に示した構造を採るとともに、絶縁層２５によっ
ても両翼体リード２７．２９の絶縁を行っている。

また、測定電極３３用の導体リード３５がスルーホール
５２を通過する際には、固体電極質板２１を介してポン
プ電極３１．３２間に印加される電圧がノイズとなって
測定信号に含まれてくる虞れ　　　　　　１があるが、
本実施例では、これを第４図に示す構造により防止し、
かつ固体電解質板２１上においでも絶縁層２５によりこ
れを防止している。

なお、基準電極３４用の導体リード３６が通過するスル
ーホール５４は、他の電極の影響を受けないので、絶縁
層を設ける必要は無いが、第２図の構造としても良い、
また、スルーホール５１〜５３内の絶縁層や導体の材質
および製造法は、第１実施例の場合と同じである。

さらに、本実施例のように、スルーホール５１〜５４を
設けて、酸素センサ素子の内部に位置する電極（ポンプ
電極３２、測定電極３３、基準電極３４）用の導体リー
ド２８．３５．３６を素子表面に引出すことにより、外
部回路接続用のコネクタを接続する際に有利（全ての接
続が素子表面、かつ素子の一端部で行えるため）である
し、導体リードを素子の両表面に分配（できれば、両表
面に同数ずつの導体リード端部を配設することが望まし
い）したことにより、コネクタを接続した際に、コネク
タ内のバネ製を有する接触子によって素子が押圧される
力が釣り合って、素子内に応力が生じることが防止でき
る。

次に、第５図は本発明の第３実施例を示す図である。本
実施例は、第１図に示した第１実施例のものに、ヒータ
ーを設けた形の酸素センサ素子に本発明を適用した例で
ある。

すなわち、電極（測定電極７６と基準電極７７）部分の
加熱効率を良好とするために、測定電極７６の一周囲を
囲むようにヒーター発熱部８１を設けである。但しこの
ヒーター発熱部８１とヒーターリード８２．８３は気密
層８４と８５の間に挟み込まれた状態とされ、さらに絶
縁層８０を介して固体電解質板７１上面に積層される。

なお、この絶縁層８０には、測定電極７６が固体電解質
板７１に接するための窓９８が設けられている。

固体電解質板７１の下面には、基準電極７７が付着され
、基準ガス導入路７５を有する固体電解質板７２および
、もう一枚の固体電解質板７３が順次積層されている。

そして、上記第２実施例で述べたように、コネクタを接
続する際の便宜および接触子が素子に与える力の配分の
ため、本実施例では、素子の上面に測定電極７６用の導
体リード７８と一方のヒーターリード８２の端部を配置
し、素子の下面には、他方のヒーターリード８３に導通
する導体リード９７と、基準電極７７用の導体リード７
９に導通ずる導体リード９８が配設されている。

ここで、上記導体リード８３と９７は、第２図に示す構
造（但し、固体電解質板の枚数は異なる）のスルーホー
ル９１．９３．９５を介して導通しており、同様にして
、導体リード７９と９６はスルーホール９２．９３を介
して導通している。なお、スルーホール９２．９３の内
部構造は、スルーホール９２．９３の両孔端を導通させ
る導体のみが設けられた構造でも良いし、第２図のよう
に絶縁層を備える構造でも良い。

本実施例のように、ヒーターリード８３が測定電極７６
や基準電極７７が接している固体電解質板７１〜７３に
設けられたスルーホール９１．９３゜９５を通る場合に
は、ヒーター発熱部８１に印加される電圧が１２〜１７
ボルトと高いため、基準電極用導体リード７９．９６に
ノイズを与え易いが、本実施例では、これを、第２図に
示すような構造を有したスルーホール９１．９３．９５
を形成することで防止している。また、固体電解質板７
３下面においては、絶縁層７４により、導体リード９６
との間の絶縁を行っている。

なお、本発明は、上記３つの実施例に示した構造の酸素
センサ素子のみならず、他の構造の酸素センサ素子にも
同様に適用可能であることは言うまでもない。

（発明の効果）以上詳細に説明したように、本発明は、固体電解質を貫
通して設けられたスルーホール内に電極用導体リードや
ヒーターリードを通す場合に、絶縁層を介して導体を設
けたことにより、酸素ポンプ用電圧がスルーホール内を
通る他の導体リードに印加されてノイズとなることを防
止でき、また、同様にヒーター用電圧が他の導体リード
に印加されてノイズとなることも防止できる。さらに、
電　　　　　１極間に印加される電圧が低温状態のスル
ーホール部分において作用して、空孔が増加し、素子の
劣化を招くことも防止できる。

また、これにより、各電極やヒーター用のり−ドの配設
が自由に行えるため、コネクタ接続の際の圧力配分や接
触子の配列が適切に行え、また、素子構造がリードの配
設位置による制約を受けることがなく設計の自由度が増
すことにもなる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例に係る酸素センサ素子の分解
斜視図、第２図は同実施例におけるスルーホール部分の断面図、第３図は本発明の第２実施例に係る酸素センサ素子の分
解斜視図、第４図は同実施例におけるスルーホールのうちの１つの
構造を示す断面図、第５図は本発明の第３実施例に係る酸素センサ素子の分
解斜視図である。１〜３．２１．２３．２４．７１〜７３・・・酸素イオ
ン伝導性固体電解質１２、５１〜５４．９１〜９５・・・スルーホール１４
、６２・・・絶縁層　　　　１５．６１・・・導体２２
・・・絶縁板　　　　　　５．３３．７６・・・測定電
極６、３４．７７・・・基準電極　３１．３２・・・ポ
ンプ電極９〜１１．　２７〜３０．　３５〜３７．　７
８．　７９．　９６．　９７・・・導体リード

Claims

【特許請求の範囲】１、主として酸素イオン伝導性固体電解質材料を用いて
なり、少なくとも一対以上の電極を備える酸素センサ素
子において、該酸素センサ素子の表面に対して略垂直方向に穴あけ形成され、その内壁面の一部または全部が前
記酸素イオン伝導性固体電解質材料により構成されてい
るスルーホールと、該スルーホールの内壁面に設けられた少なくとも一層の電気絶縁層と、前記スルーホール内に前記電気絶縁層を介して設けられて、スルーホールの両孔端間を電気的に導
通させる導体とを具備することを特徴とする酸素センサ
素子。２、前記導体が前記電極に導通する導体リードの一部を
なしている特許請求の範囲第１項記載の酸素センサ素子
。３、前記酸素センサ素子が１以上の酸素ポンプを備え、
前記電極が該酸素ポンプ用の電極である特許請求の範囲
第２項記載の酸素センサ素子。４、前記酸素センサ素子が加熱用ヒーターを備え、前記
導体が該ヒーターに導通する導体リードの一部をなして
いる特許請求の範囲第１項記載の酸素センサ素子。５、前記酸素センサ素子が少なくとも酸素イオン伝導性
固体電解質板および絶縁体層とを複数枚積層してなる板
状体である特許請求の範囲第１項乃至第４項の何れかに
記載の酸素センサ素子。６、前記導体が少なくとも白金族金属を導電性物質とし
て含有する特許請求の範囲第１項乃至第５項の何れかに
記載の酸素センサ素子。７、前記スルーホール内に設けられた電気絶縁層は、主
としてアルミナ、ムライト、スピネル、マグネシアのう
ち１種または数種からなる特許請求の範囲第１項乃至第
６項の何れかに記載の酸素センサ素子。