JPH0629737Y2 - 酸素センサ素子 - Google Patents

Description

【考案の詳細な説明】 （産業上の利用分野） この考案は、長尺平板状に形成された酸素センサ素子の
内部空隙の内面形状の改良に関する。

（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、以前から在る有低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５図に分解図で示す。

この酸素センサ素子10は、ヒーター付の酸素センサ素子
であり、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
導性固体電解質からなる長尺平板状の固体電解質板21
と、これと同一材質からなり、一端から他端近傍まで空
隙27を有する固体電解質板26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21の表面一端には、
白金等からなる多孔質の測定電極22が印刷により塗着さ
れており、裏面には、固体電解質板21を挟んで測定電極
22と対向するように同材質の基準電極25が塗着されてい
る。

また、固体電解質板21の両面には、上記各電極22,25と
同材質からなるリード28,29が両電極22,25から固体電解
質21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23および測定電極端子24となってい
る。

上記基準電極25は、空隙27内に前面が露呈しており、空
隙27の開口端から流入する外気に晒されるようになって
いる。

ヒータ部30は、長尺平板状の２枚の絶縁セラミックス層
31,32が重ね合わされ、この一端部に抵抗発熱体35が挾
み込まれ、この抵抗発熱体35の両極から絶縁セラミック
ス層31,32の他端へ至るまで２本の帯状に走る導電性の
リード36,37が同様にして絶縁セラミックス層31,32の間
に挾み込まれている。

（考案が解決しようとする問題点） しかしながら、上記従来の酸素センサ素子10は、基準ガ
スを導入するための空隙27の形状が直方体形状であった
ため、次のような不都合が生じることが在る。

すなわち、第５図で展開して示した各部材を組立てた場
合、酸素センサ素子10の先端部は第６図に示すような構
造になる。

同図から判るように、空隙27の閉塞端は、両電極22,25
の面に対して垂直な辺27a,27bを有しており、これらの
辺27a,27bを挾む面は直角に交る。

そして、この酸素センサ素子10の先端部は、炉内や自動
車の排気管内等の高温雰囲気中に置かれるため、酸素セ
ンサ素子10に熱応力が加わる。

この熱応力は、酸素センサ素子10の幅方向（第６図中の
矢印Ｗで示す）に大きく働く。その理由は、酸素センサ
素子10の厚さ方向（第６図中の矢印Ｄで示す）に生じる
熱応力は、酸素センサ素子10の厚さが極く薄いため、素
子内の温度分布差が少なく、従って熱膨張差も少ないの
で、比較的小さい。これに対し、酸素センサ素子10の幅
方向には、温度分布の差が生じて、熱応力が大きくな
る。

そして、発生した熱応力は、上記空隙27の先端部の両辺
27a,27bに集中し、これらの位置でクラックを生じる虞
れがある。

また、ヒータ部30を有する酸素センサ素子10の場合に
は、ヒータの通電直後には、温度分布の差が大きくなり
易く、上述のようなクラックの発生率を高める要因にな
っている。

（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、本考案は、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管状の空隙を有する酸素センサ素子
において、前記管状の空隙の閉塞端部内面の少なくとも
一部を、曲率半径５０μｍ以上の曲面としたことを特徴
とするものである。

（作用） 本考案は、上述のように、空隙内面の少なくとも一部を
曲面としたことにより、前述した熱応力が集中する部位
を削減あるいは排除し、クラックの発生を防止すること
ができる。

（実施例） 本考案の一実施例について説明する。

第１図は、本実施例の酸素センサ素子40の先端部分の構
造を示す図であり、空隙27の形状以外は、前記第５図お
よび第６図に示した従来例と同一構成である。従って、
同一構成部分には同一符号を付して、説明は省略する。

第１図に示すように、本実施例における空隙27の閉塞端
部の前記従来例における辺27a,27bに相当する部位27
a′，27b′は曲面になっている。

この構造は、第５図中に示される固体電解質板26の形状
を第２図に示すような形状にすることにより得られる。
すなわち、固体電解質板26に形成する空隙27の先端部の
両脇27a′，27b′を予め曲面にしておき、他の部材を積
層して焼成すれば、第１図のような構造が得られる。上
記曲面27a′，27b′は、固体電解質板26の形成時に、金
型による打ち抜きにより形成してもよい。

以上の構成により、本実施例の酸素センサ素子40は、素
子の幅方向に生じる熱応力が、上記空隙27の先端部両隅
に加わっても、これらの部位が曲面形状となっているた
め、熱応力に対する耐性を有し、クラックを生じること
を防止できる。

この効果をより具体的に示すため、実験結果を示す。こ
の実験には、８％Ｙ_２Ｏ_３を添加したＺｒＯ_２粉末に有
機樹脂バインダー、可塑剤、および溶剤を加えて上記固
体電解質板21,26の生素地のシートを成形して、ヒータ
部30を積層した後、焼成したものを用いている。

そして、空隙27の厚さと幅、および上記両隅部27a′，2
7b′の曲率半径を少しずつ変えたものを、５個づつ作成
して、これらについて、抵抗発熱体35に14Ｖの電圧を印
加して発熱させた場合（ヒータ通電時）と、300℃と、8
00℃の雰囲気に交互に５分間ずつ曝す熱サイクル試験を
行った場合について、それぞれ、５個中何個にクラック
が生じたかを調べた。この結果を表１に示す。

表１から判るように、空隙27の寸法には、余り関係はな
く、両隅部27a′と27b′の曲率半径の大きさについてク
ラックの発生率が関係している。

そして、曲率半径が50μｍよりも小さい場合（これは、
曲面と言い難く、第５図に示した辺27a,27bに近い）に
は、クラックの発生は完全には防止できないが、曲率半
径を50μｍ以上にすれば、クラックの発生を略完全に防
止できる。

なお、本考案は、空隙27内のクラックの発生可能性の有
る部位を曲面とすることを特徴としており、上記実施例
に限定されることはない。

但し、熱変化の大きい素子先端部は、クラックの発生率
が高いため、上記実施例のように、空隙27の閉塞端部分
に曲面を形成することが望ましい。この場合、上記実施
例の形状に限定されることはなく、例えば、第３図のよ
うに、空隙27の閉塞端部27cを半円形にしたり、第４図
のように円形にすることも効果的である。

また、曲面の曲率半径は、前述のように50μｍ以上が好
ましい。

さらに、本考案は、上記実施例のようなヒータ付の酸素
センサ素子40に限らず、空隙27を有する構造の長尺平板
状の酸素センサ素子であれば、適用可能である。

（考案の効果） 本考案は、長尺平板状に形成され、その長手方向の内部
に管状の空隙を有する酸素センサにおいて、前記管状の
空隙の内面の少なくとも一部を曲面としたことにより、
熱応力が集中する部位を削減あるいは排除し、熱応力に
よるクラックの発生を防止できる。これにより、熱衝撃
に強い酸素センサ素子を提供することが可能になる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本考案の一実施例の酸素センサ素子の先端部の
構造を示す図、 第２図は同実施例の構成部材の１つである固体電解質板
の形状を示す斜視図、 第３図及び第４図は空隙27の先端部の他の形状を示す固
体電解質板26の平面図、 第５図は従来の酸素センサ素子の構成を示す分解斜視
図、 第６図は従来の酸素センサ素子の先端部の構造を示す斜
視図である。 21,26……固体電解質板 22……測定電極、25……基準電極 27……空隙、30……ヒータ部 27a′，27b′，27c……曲面とした部位

Claims (1)

【実用新案登録請求の範囲】
1. 【請求項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管状の空
   隙を有する酸素センサ素子において、前記管状の空隙の
   閉塞端部内面の少なくとも一部を、曲率半径５０μｍ以
   上の曲面としたことを特徴とする酸素センサ素子。