JPH0640094B2

JPH0640094B2 - 電気化学的装置

Info

Publication number: JPH0640094B2
Application number: JP61058875A
Authority: JP
Inventors: 惇飯野; 伸秀加藤
Original assignee: NGK Insulators Ltd
Current assignee: NGK Insulators Ltd
Priority date: 1986-03-17
Filing date: 1986-03-17
Publication date: 1994-05-25
Anticipated expiration: 2009-05-25
Also published as: DE3780993D1; US4943330A; US4824548A; EP0238278A1; JPS62214347A; DE3780993T2; EP0238278B1

Description

【発明の詳細な説明】（技術分野）本発明は、電気化学的装置に係り、特に被測定流体中、
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関するものである。

（背景技術）従来より、固体電解質を用いた電気化学的セルを含む電
気化学的素子にて構成される装置、例えば所謂酸素セン
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、
燃費の節減等を行なう酸素検知器等が知られている。そ
して、そのような酸素検知器の一つは、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ットリ
ウムをドープした酸化ジルコニウム等を隔壁とし、その
隔壁の両面にそれぞれ所定の電極を設けたものを検知素
子（センサ素子）として、それら電極の一方を大気の如
き基準物質雰囲気に、また他方の電極を排気ガスの如き
被測定流体に晒し、酸素濃淡電池の原理によって生じる
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は、近年、製造
の容易性やコンパクト化の容易性から、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流体に晒
される酸素検知部を設けたものが注目を浴びている。特
開昭５８−１５３１５５号公報や特開昭５８−１７２５
４２号公報等には、そのような板状形状の酸素検知素子
やそれを組み込んだ酸素センサの一例が示されている。

ところで、この種の酸素センサにて代表される電気化学
的装置であっては、そのセンサ素子の先端の検知部にお
いて、一方の電極が被測定流体に晒されて、測定電極と
される一方、他方の電極は、基準電極として、センサ素
子内にその基部から先端部に呈するように設けられた基
準ガス通路内に露呈せしめられるようになっており、そ
してこのセンサ素子の基準ガス通路は、基準ガスとして
の空気を導くために、センサ素子基部において開口せし
められ、更にセンサ素子を収容する装置のハウジングに
設けられた空気導入孔を通じて、大気に連通せしめられ
るようになっている。

しかしながら、このような構造のセンサにあっては、そ
のハウジングの空気導入孔から、水、塩水、泥水等が侵
入する危険性があり、そしてそのような侵入した水等に
よって、センサ素子が悪影響を受け、例えば絶縁不良等
を惹起して、センサ信号の正確な取り出しを困難とした
り、磁器破壊によるセンサ素子の破壊等が惹起されたり
する問題を発生させることとなる。

また、かかるセンサ素子にあっては、基準ガス通路が、
素子内部空間として、その基部から先端部に達するまで
設けられているところから、センサ素子自体の強度を低
下せしめる等の問題も内在しているのである。

一方、センサ素子全体が被測定流体中に定置され、測定
電極が被測定流体に晒され、基準電極が拡散抵抗層もし
くはポーラス層を通じて、或いは直接に被測定流体に通
ずるようにされ、基準ガスが酸素ポンプにより基準電極
近傍に常時供給されると同時に、前記ポーラス層などを
通じ、被測定流体中に常時流出するようにされたセンサ
素子にあっては（例えば、特開昭６１−５１５５５号公
報等参照）基準ガス雰囲気が周囲の影響を受け易く、安
定なセンサ出力を得ることが困難となる問題を内在して
おり、またそのような周囲の影響を受けないように酸素
ポンプに大電流を長したりする場合にあっては、磁器の
劣化が起こったり、雰囲気調整のための電圧降下分が大
きくなり、測定精度が低下する問題があり、更には基準
電極部分を境にして、層剥離が生ずる等の問題を惹起す
ることとなる。

（発明の構成）ここにおいて、本発明は、上述のような問題を解決する
ために試されたものであって、その特徴とするところ
は、複数層の平板状の積層体からなる、被測定ガス中の
所定成分を検出するための電気化学的装置であって、
(ｉ)板状の固体電解質体と、該固体電解質体に接して設
けられ、実質的に被測定ガスに露呈される第一の電極
と、該固体電解質体に接して設けられ、実質的に基準ガ
スに露呈される第二の電極とを有するセンサセルと、(i
i)該第二の電極が露呈される基準ガスを含む基準ガス空
間層であって、前記積層体内に配置され、且つ該基準ガ
スを含む多孔質層を有するものと、(iii) 基準アス成分
を前記基準ガス空間層内に電気化学的にポンピングする
ためのポンプ手段とを含み、且つ該基準ガス空間層が被
測定ガスから離間されていると共に、前記多孔質層がそ
の少なくとも三方を少なくとも一つの気密層にて限界さ
れており、そして前記電気化学的ポンプ手段が作動して
基準ガス成分を前記基準ガス空間層内にポンピングせし
め、所定の基準ガス濃度を提供するように構成したこと
にある。

なお、このような本発明に伴う電気化学的装置にあって
は、前記電気化学的ポンプ手段は、ポンプ電流の印加手
段を備えた前記センサセルであり、また前記電気化学的
ポンプ手段は、前記積層体内に設けられたポンプセルで
あって、前記センサセルと同一の若しくはそれとは異な
る固体電解質体と、該固体電解質体上に形成され、前記
被測定ガスに露呈される第三の電極と、該固体電解質体
上に形成され、前記基準ガス空間層に露呈せしめられる
第四の電極とを有するものである。

そして、その第四の電極は、前記第二の電極と同一の電
極にて構成することが出来る。

また、本発明の一つの実施態様によれば、電気化学的装
置は、所定のハウジング内に配設される一方、外部の被
測定ガスからシールされた該ハウジングの所定領域内
に、前記基準ガス空間層の多孔質層より過剰の圧力の放
出を許容する少なくとも一つの漏出路を、前記積層体に
設ける構成が採用される。

さらに、本発明の他の好ましい実施態様に従えば、前記
積層体内に位置するヒータと、該ヒータを作動せしめる
電源と、前記第一及び第二の電極間に前記電源の電圧の
一部を印加せしめる電圧分割手段とを備え、該電源と該
電圧分割手段とが協働して前記電気化学的ポンプ手段に
電流を供給する構成が採用されることとなる。

また、かかる本発明に伴う電気化学的装置においては、
前記第一の電極が、その上に多孔質な保護層を有し、該
保護層を通じて前記被測定ガスに露呈せしめられている
と共に、該多孔質保護層をプラズマ溶射層にて構成せし
てめることが出来る。

さらに、本発明の好ましい実施態様によれば、前記多孔
質保護層は、未焼成のセラミックシートを準備し、該未
焼成のセラミックシートを前記第一の電極を形成するた
めの未焼成層上に配置し、そしてそれら未焼成セラミッ
クシート及び未焼成層を前記固体電解質体の未焼成シー
トと共に一体焼成することによって得られる、多孔質な
セラミック層にて構成される。

そしてまた、本発明の好ましい実施態様によれば、前記
第一の電極上に、ジルコニアから形成された多孔質なセ
ラミック保護層が設けられ、それを通じて、該第一の電
極が被測定ガスに露呈せしめられる。

さらにまた、本発明の好ましい実施態様によれば、前記
第二の電極が前記多孔質層から離れて設けられて、それ
らの間に所定のギャップが形成され、そして該ギャップ
が前記基準ガス空間層の一部を形成している。

さらに、本発明においては、前記第二の電極と前記多孔
質層との間に基準ガス溜め部材が設けられ、且つ該多孔
質層及び該基準ガス溜め部材とを連通する開口が設けら
れる構成も採用され得る。

そしてまた、本発明においては、前記第一の電極は格子
形状とすることが出来る。

（実施例）以下、本発明を更に具体的に明らかにするために、本発
明の実施例を図面に基づいて詳細に説明することとす
る。

先ず、本発明に伴う酸素センサの組立構造を示す第１図
において、２は、安定化ジルコニア等の酸素イオン伝導
性の固体電解質を主体に構成された酸素センサ素子であ
って、狭幅な板状の長方形状を成している。そして、こ
の長手形状の酸素センサ素子２の先端部（第１図におい
て左側端部）に、酸素濃淡電池の原理を利用した酸素検
知部４が形成され、その酸素検知部４において酸素濃淡
電池の原理に基づいて得た所定の電気信号が、酸素セン
サ素子２の基端部（図において右側端部）から取り出さ
れるようになっている。

この先端部に酸素検知部４を有する酸素センサ素子２
は、図示の如く、その長手方向の中間部の３個所におい
て、それぞれ第一絶縁碍子６、第二絶縁碍子８及び第三
絶縁碍子１０によって支持された状態で、ステンレス鋼
等の金属材料からなる一体的なパイプ状の保護管体１２
内に収容され、且つ第一絶縁碍子６と第二絶縁碍子８と
の間及び第二絶縁碍子８と第三絶縁碍子１０との間に、
それぞれ形成されたタルク等の封止材からなる所定長さ
の封止層１４，１６によって、中心位置に固定、保持さ
れている。

すなわち、酸素センサ素子２は、その先端側の酸素検知
部４が、その基端部側に対して封止層１４，１６によっ
て実質的に気密に隔てられ、保護管体１２内に収容、固
定されている。なお、第一絶縁碍子６、封止層１４、第
二絶縁碍子８、封止層１６、第三絶縁碍子１０、ワッシ
ャ１８は、図から明らかなように、保護管体１２にかし
め形成された周方向の第一係止凹所２０及び第二係止凹
所２２によって、それぞれ先端側への移動及び基端側へ
の移動が阻止されている。

また、保護管体１２内には、酸素センサ素子２内の基端
部を覆う状態でコネクタ碍子２４が挿入されており、こ
の保護管体１２の基端側の開口に嵌め込まれたフッ素ゴ
ム等からなるゴム栓２６によって固定されている。更
に、この保護管体１２の基端側部分は、従来の如き大気
連通孔を有しておらず、ゴム栓２６にて内部が気密に保
持されて、完全な水道構造とされているのである。そし
て、この保護管体１２の開口を塞ぐゴム栓２６を貫通し
て、３本のリード線２８ａ，２８ｂ，２８ｃがコネクタ
碍子２４内において、それぞれコネクタ（接続金具）２
５を介して酸素センサ素子２の電極のリード部やヒータ
のリード部に接続されるようになっている。また、酸素
センサ素子２の電極の一つが、アースリード３を通じて
保護管体１２に接続され、そして接地されるようになっ
いる。

一方、酸素センサ素子２が収容された保護管体１２に
は、その先端部に複数のガス導入孔３２が形成されて、
このガス導入孔３２を通じて被測定ガスが酸素センサ素
子２の酸素検知部４に導かれるようになっている。

そして、保護管体１２の前記封止層１４に対応する外周
部に、気密リング３４を介して、筒状の取付金具３６が
気密に装着され、この取付金具３６のネジ部が、例えば
自動車の排気ガス管等の被測定ガス流通路の隔壁３８に
螺着せしめられることによって、酸素センサ素子２の酸
素検知部４の位置する保護管体１２の先端側分（保護カ
バー部）が、その被測定ガス流通路内に導入された状態
で、保護管体１２が被測定ガス流通路の隔壁３８に気密
に固定されることとなるのである。

このようにして、酸素センサが隔壁３８に気密に取り突
けられた状態下において、被測定ガス流通路内の被測定
ガスは、ガス導入孔３２を通じて酸素センサ素子２の酸
素検知部に導かれ、かかる酸素検知部４の測定電極に接
触せしめられる一方、かかる酸素検知部４の内部に設け
られている基準電極に所定の基準ガスが晒されることに
よって、それら被測定ガスと基準ガスとの酸素濃度差に
よって発生する電気信号（起電力）がリード線（２８
ａ）とアースとの間から取り出されることとなるが、こ
のような酸素センサにあっては、酸素センサ素子２を収
容するハウジングとしての保護管体１２には、従来の如
き大気連通孔が設けられてはいないところから、換言す
れば保護管体１２の基端側開口部がゴム栓２６にて気密
にシールされ、以て保護管体１２が大気から遮断されて
いるところから、かかる保護管体１２内に、水、塩水、
泥水等が侵入することがなく、それ故されら水等によっ
て絶縁不良が惹起されて、センサ信号が正確に取り出せ
なくなる等の問題が効果的に解消され得るのであり、ま
た磁器破壊、ひいてはセンサ素子の破壊等が惹起される
問題も良好に解消され得るのである。

また、第２図には、本発明に従う酸素センサの異なる組
立構造の例が資されており、そこにおいては、隔壁３８
の外側に位置する酸素センサ素子２を収容するハウジン
グが、それぞれ金属製の内筒４０と外筒４２とから構成
されている一方、かかる酸素センサ素子２の被測定ガス
に接触せしめられる酸素検知部４を保護する保護カバー
４４が、それら内筒４０外筒及び４２とは別体とされ
て、取付金具３６にかしめ固定されている。なお、この
保護カバー４４には、被測定ガスをその内部に導き酸素
検知部４に接触せしめるために、ルーバ構造のガス導入
孔３２が設けられている。

しかも、酸素センサ素子２も、前例より短くされ、二つ
の絶縁碍子６，８と、その間に充填せしめられたタルク
等の封止材からなる封止層１４にて保持されると共に、
取付金具３６に内筒固定リング４６にて固定せしめられ
た内筒４０のかしめ部４８にて、封止リング５０を介し
て絶縁碍子８が押圧せしめられることによって、位置固
定に保持されている。そして、この内筒４０の外側には
外筒４２が外装せしめられ、かしめリング５２を介して
の取付金具３６のかしめによって、該取付金具３６に外
筒４２が固定せしめられる一方、内筒４０の基部側から
所定長さ突出せしめられた酸素センサ素子２に対して、
外筒４２内に設けられたコネクタ碍子２４内のコネクタ
２５が接触せしめられて、該酸素センサ素子２の所定の
リード部に対して電気的に接続されるようになってい
る。なお、外筒４２には、大気導入孔は全く設けられて
おらず、且つその基端部側の開口部にゴム栓２６が嵌入
せしめられて、かしめられていることにより、かかる外
筒４２内は大気から実質的に遮断されるようになってい
る。

従って、このような組立構造の酸素センサにあっても、
酸素センサ素子２は外部から実質的な遮断されることと
なり、それ故に外筒４２内に水等が侵入することがない
ところから、かかる酸素センサ素子２に絶縁不良等の問
題が惹起されることがなく、安定なセンサ出力を得るこ
とが出来ると共に、磁器破壊等の問題が惹起されること
もないのである。

ところで、このように酸素センサを完全防水構造と成し
得る酸素センサ素子２の一例が、第３図乃至第５図に示
されている。そこにおいて、５４及び５６は、イットリ
ア添加ジルコニア等の板状の固体電解質であり、それら
固体電解質５４，５６の両側の面の対応する部位に、そ
れぞれ白金等からなる第一の電極５８及び第二の電極６
０；内側ポンプ電極６２及び外側ポンプ電極６４がそれ
ぞれ密着形成されており、そしてそれら二枚の固体電解
質５４，５６間に介装されたジルコニア等のセラミック
からなるスペーサ部材６６によって、第４図及び第５図
に示される如く、外部の被測定ガス存在空間に連通する
所定の拡散抵抗を有する拡散抵抗手段としての細隙な平
坦空間６８が、それら固体電解質５４，５６、換言すれ
ば第一の電極５８と内側ポンプ電極６２との間に形成さ
れている。それ故、この平坦空間６８にて、所定の拡散
抵抗の下に外部空間から導かれた被測定ガスは、第一の
電極５８と内側ポンプ電極６２に接触せしめられるよう
になっているのである。

また、固体電解質６５の第二の電極６０が設けられた側
には、ジルコニア等のセラミックからなる気密質の板状
のセラミック部材７０が一体的に積層せしめられてお
り、このセラミック部材７０にて第二の電極６０が外部
の被測定ガスから遮断（隔離）されるようになってい
る。そして、このセラミック部材７０の凹所７２と固体
電解質５４にて形成される空間内には、アルミナ等の電
気絶縁性を有する多孔質７４が固体電解質５４とセラミ
ック部材７０を接合するように充填されており、且つこ
の多孔質層７４に第二の電極６０が接するように設けら
れているのである。しかも、この多孔質層７４内には、
この電気化学的素子の先端部の電極配置部分、即ち酸素
検知部４を所定の温度に加熱するためのヒータエレメン
ト７６が埋設されており、そのリード部７８，７８を介
して接続された外部電源８０から給電されるようになっ
ている。

一方、固体電解質５６の外側ポンプ６４が設けられた側
には、ポーラスセラミック層８２が積層されており、こ
のポーラスセラミック層８２を介して外側ポンプ電極６
４が被測定ガスに接するようになっている。

そして、それぞれの電極５８，６０，６２，６４は、そ
れぞれのリード部８４，８６８８，９０を介して、外部
の所定の機器乃至は手段に接続されるようになっている
のである。即ち、第一の電極５８と第二の電極６０は、
それらのリード部８４，８６を介して電流印加手段であ
る直流電源９２に接続されており、この直流電源９２に
よって第二の電極６０から第一の電極５８の方向に所定
の電流が通電せしめられるようになっているのである。
なお、この直流電源９２は、定電圧電源若しくは定電流
電源にて構成されている。

また、第一の電極５８は、内側ポンプ電極６２と共に比
較電源９４を介して電圧検知及び電流制御手段である差
動アンプ９６に接続され、更に第二の電極６０及び外側
ポンプ電極６４もかかる差動アンプ９６に接続されて、
よく知られているように、第一の電極５８と第二の電極
６０との間に生ずる起電力に基づいて、かかる差動アン
プ９６にて内側ポンプ電極６２と外側ポンプ電極６４と
の間に所定のポンプ電流（Ｉｐ）が流されて、かかる内
側ポンプ電極６２の位置する平坦空間６８部分、換言す
れば第一の電極５８近傍の雰囲気を所定の雰囲気、例え
ば中性の雰囲気に制御するようになっている。

従って、このような構造の酸素センサ素子にあっては、
第一の電極５８と第二の電極６０との間に直流電源９２
が接続されて、第二の電極６０から第一の電極５８の方
向に所定の電流が流されているところから、平坦空間６
８内に存在する被測定ガス中の遊離の酸素や化合物酸素
は、酸素イオンとして第一の電極５８から第二の電極６
０に向って導かれ、そして第二の電極６０の接する多孔
質層７４内に貯えられ、基準ガスして該第二の電極６０
に対して作用することとなるところから、かかる第二の
電極６０を、従来の如く大気に連通する空気通路を介し
て空気に接触せしめる必要が全くないのである。そし
て、このような酸素ポンプ作用にて多孔質層７４内に貯
えられた酸素を基準ガスとして、それに接する第二の電
極６０は、基準電極として機能することとなり、一方、
平坦空間６８内の被測定ガスに接する第一の電極５８は
測定電極として機能して、それら二つの電極５８，６０
間の酸素濃度差に基づいて惹起される起電力が、電圧検
知手段としての差動アンプ９６にて検知され、そしてそ
れに基づいて、よく知られているように、電気化学的ポ
ンプセルとして機能する内側ポンプ電極６２と外側ポン
プ電極６４との間に所定のポンプ電流：Ｉｐが流され
て、平坦空間６８内の雰囲気、換言すれば第一の電極５
８近傍の雰囲気が制御され、以て外部の被測定ガスの検
出が行なわれることとなるのである。

このように、基準電極である第二の電極６０の周りに大
気から空気を導く必要がないところから、第１図及び第
２図に示された酸素センサの如く、それを完全防水構造
となすことが可能となるのであり、またこのような構造
の酸素センサ素子（２）にあっては、従来の如き空間通
路が存在せず、そのような空気通路に対応するセラミッ
ク部材７０の凹所７２内には、多孔質層７４が充填され
た構造となっているところから、酸素強度も効果的に向
上せしめられるのであり、しかも素子の製造に際して、
空気通路に対応する空間を形成せしめる必要がないとこ
ろから、製造も著しく容易となるのである。

なお、このような構造の酸素センサ素子２を備えたセン
サにあっては、内側及び外側ポンプ電極６２，６４によ
る酸素ポンプ機能によって汲み出される、平坦空間６８
内の雰囲気中の酸素を保証すべく、被測定ガスから、そ
の中の酸素成分が平坦空間６８の入り口部を通じて導か
れ、該平坦空間６８内に露呈せしめられた内側ポンプ電
極６２に供給されることとなるが、その供給量は、かか
る平坦空間６８の細隙にて制御され、平坦空間６８内の
酸素分圧を実際の被測定ガスの酸素分圧より低く出来る
ことから、酸素分圧の高い被測定ガスの測定に有利に用
いられ、例えば酸素分圧が理論空燃比の酸素分圧より高
いリーン雰囲気の排気ガスを発生するエンジンを制御す
るうえにおいて、好適に用いられるものである。

尤も、かかる構造の電気化学的装置は、理論空燃比の状
態で燃焼せしめて得られる排気ガス中の中性の雰囲気を
被測定ガスとして、その酸素濃度を検出するのに用いら
れるものであるとは勿論、更にリッチ領域、換言すれば
燃料が過剰の状態において燃焼せしめて得られる酸素分
圧が、理論空燃比の酸素分圧より低く、未燃焼成分が多
量に存在する領域の排気ガスを被測定ガスとして、その
中の未燃焼成分を検出して、そのような排気ガスを排出
するエンジンの燃焼状態を知るセンサ、所謂リッチバー
ンセンサとしても使用されるものである。なお、そのよ
うな中性雰囲気やリッチ領域の燃焼ガスにあっては、遊
離の酸素が実質的に存在しなくなるが、そのような排気
ガス中には燃焼生成物である一酸化炭素や炭酸ガス、更
には水蒸気等の他の酸素化合物が存在することから、そ
のような酸素化合物の化合物酸素が第一の電極５８と第
二の電極６０との間の酸素ポンプ作用にて、第二の電極
６０側に導かれるようになるために、かかる第二の電極
６０の周囲の多孔質層７４内には充分な酸素が貯えられ
ることとなる。

なお、リッチ領域にあっては、平坦空間６８内には、未
燃焼成分が導入されることになるが、内側ポンプ電極６
２と外側ポンプ電極６４との間の酸素ポンプ作用にて、
被測定ガス中の酸素化合物中の酸素が内側ポンプ電極６
２側に導かれるため、前記した平坦空間内の未燃焼成分
が内側ポンプ電極６２部で発生する酸素によって酸化さ
れ、以て平坦空間６８内の雰囲気、換言すれば第一の電
極５８近傍の雰囲気は、前述したリーン領域における場
合と略同一の雰囲気（より詳細には酸素分圧）に保持さ
れるのである。

また、第６図に示される酸素センサ素子２の他の例にあ
っては、セラミック部材７０の凹所７２に二種類の多孔
質層が充填されているところが、また該セラミック部材
７０（ここでは、固体電解質より形成されている）の下
部に、ポーラス層８３にてコーティングされた第三の電
極６５が配置されているところが、上例の酸素センサ素
子とは異なっている。即ち、本例においては、第二の電
極６０側にポーラスジルコニア層９８が設けられて、固
体電解質５４と多孔質層７４との接合性が向上され、こ
れによって固体電解質５４とアルミナ等からなる多孔質
層７４との間に電極６０を介在させないようにして、そ
れらの間の剥離防止が図られていると共に、インピーダ
ンスを低下せしめ得るようになっている。また、第三の
電極６５と第二の電極６０との間で、被測定流体の酸素
濃度を直接測定することが可能であると同時に、第三の
電極から第二の電極への基準ガスとしての酸素イオンの
供給も可能である。即ち、第二の電極６０は、第三の電
極６５との間での通電にて多孔質層（７４、９８）内に
酸素を汲み入れる第四の電極としても機能しているので
ある。なお、ヒータエレメント７６は、アルミナ等から
なる多孔質層７４内に埋設、配置されている。

さらに、第７図には、酸素センサ素子２の異なる例が示
されている。そこにおいては、起電力を測定するための
測定電極及び基準電極と、かかる基準電極に接して設け
られた多孔質層に基準ガスとしての酸素を汲み込むため
の二つのポンプ電極とが、それぞれ別体として設けられ
ている。

すなわち、第７図に示される酸素センサ素子にあって
は、二枚の板状の固体電解質１００，１０２のそれぞれ
の両側の面に、基準電極（第二の電極）１０４，測定電
極（第一の電極）１０６；内側のポンプ電極（第四の電
極）１０８，外側のポンプ電極（第三の電極）１１０が
それぞれ設けられている一方、初測定ガスに晒される測
定電極１０６及びポンプ電極１１０上には、それれ多孔
質な保護層１１２，１１４が設けられて、それら保護層
１１２，１１４を通じて被測定ガスに接触せしめられる
ようになっている。また、基準電極１０４のリード部１
０４ａは、固体電解質１００の基部側に設けられたスル
ーホール１１６を通じて、測定電極１０６のリード部１
０６ａと同じ側の面に導かれて、外部に接続されるよう
になっている一方、内側のポンプ電極１０８のリード部
１０８ａも、同様に固体電解質１０２の基部側に設けら
れたスルーホール１１８を通じて、外側のポンプ電極１
１０のリード部１１０ａと同じ側の面に取り出されて、
外部に接続されるようになっている。

そして、二枚の板状の固体電解質１００，１０２の間に
は、気密質のスペーサ部材１２０が配置されて積層せし
められており、このスペーサ部材１２０の基端部から切
り込まれて電極１０４，１０８の配設部位に至るスリッ
ト１２２内に、多孔質層１２４が充填せしめられて、こ
の多孔質層１２４の両側の面に基準電極１０４と内側の
ポンプ電極１０８が接するように位置せしめられている
のである。

従って、このような構造の酸素センサ素子にあっては、
外部電源からの給電によって内側のポンプ電極１０８か
ら外側のポンプ電極１１０に向って、所定の電流が流さ
れることにより、被測定ガスに晒される外側のポンプ電
極１１０から酸素が内側のポンプ電極１０８に向って常
に導かれ、そして多孔質層１２４内に基準ガスとして溜
め込まれることとなるのである。そして、この多孔質層
１２４内に溜め込まれた酸素は、該多孔質層１２４の反
対側の面に接する基準電極１０４に接触し、そして被測
定ガスに接する測定電極１０６との間において、酸素濃
度差に基づくところの起電力をそれら電極のリード部１
０４ａ、１０６ａを通じて外部に出力すようになるので
ある。

また、第８図に示される、本発明に従う酸素センサ素子
にあっては、固体電解質１００，１０２の間に配された
気密質のスペーサ部材１２６が矩形の枠体形状とされ、
その内側空所１２８内に電気絶縁性の多孔質層１２４，
１２４にて挟まれた状態にて、ヒータエレメント１３０
が配設されており、それら多孔質層１２４、ヒータエレ
メント１３０、多孔質層１２４にてかかるスペーサ部材
１２６の内部空所１２８が充填されて、更にそのような
多孔質層１２４に対して基準電極１０４及び内側のポン
プ電極１０８が接するように位置せしめられている。そ
して、かかるヒータエレメント１３０の二つのリード部
１３０ａ，１３０ｂは、それぞれ多孔質層１２４及び固
体電解質１０２の基部側の部分にそれぞれ設けられた二
つのスルーホール１３２，１３２を通じて、固体電解質
１０２の外側の面に取り出され、外部のヒータ電源１３
４に接続されるようになっている。また、内側のポンプ
電極１０８のリード部１０８ａは、多孔質層１２４に設
けられたスルーホール１３６を通じて、ヒータエレメン
ト１３０のリード部１３０ａ先端部に接続されている一
方、外側のポンプ電極１１０のリード部１１０ａが、固
体電解質１０２の外側の面に取り出された前記内側のポ
ンプ電極１０８の接続されたリード部１３０ａに対して
接続せしめられて、ヒータ電源電圧を分割せしめ、その
分割電圧を内側のポンプ電極１０８と外側のポンプ電極
１１０との間に流すようになっている。

従って、内側のポンプ婉曲１０８と外側のポンプ電極１
１０との間には、ヒータ電源１３４による電圧が分圧さ
れて、それが印加せしめられ、内側ポンプ電極１０８か
ら外側ポンプ電極１１０に向って所定の電流が流される
こととなるところから、前例と同様に、被測定ガスに曝
される外側のポンプ電極１１０側から内側のポンプ電極
１０８に向って酸素が導かれ、そして多孔質層１２４内
に溜め込まれて、基準ガスとして基準電極１０４に作用
することとなるのである。

このように、ヒータエレメント１３０の印加電圧を分圧
して、それを電極１０８，１１０間のポンプ用電圧とし
て利用すれば、外部に接続すべきセンサ素子のリード部
の数を少なく為し得るところから、例えば第１図や第２
図の酸素センサにおけるコネクタ２５（接触子）の数を
増やす必要がなくなる利点がある。なお、このヒータ電
源の分圧方法としては、第８図の例の如く、ヒータエレ
メント１３０、特にそのリード部１３０ａ若しくは１３
０ｂの抵抗を利用して直接分圧する手法の他、ヒータ端
子から別の回路を設けて分圧する手法等を採用すること
が出来る。特に、後者の別の回路を設けて分圧する方法
にあっては、その回路上に設けられる抵抗を適宜選択す
れば、酸素移送量の上限が設定でき、酸素の送り込み過
ぎ等の問題を回避することが可能である。例えば、その
別回路上の抵抗が大きければポンプ電流の制限抵抗とし
て働くからである。

また、第９図に示される如く、ヒータエレメント１３０
のリード部１３０ａと１３０ｂとの間に所定流さの抵抗
パターン１３８を設け、この抵抗パターン１３８の所定
位置に内側ポンプ電極１０８を接続するようにすれば、
そのような抵抗パターン１３８の長さ、即ちそれに対す
る接続部位によってポンプ電圧ひいては内側ポンプ電極
１０８に導かれるポンプ電流を容易にコントロールする
ことが可能となる。また、この抵抗パターンの抵抗値を
調節することによって、酸素移送量の上限の設定、ポン
プ電圧の上下限の設定が出来、酸素の送り込み過ぎ、磁
器の劣化を防止出来る。抵抗パターンは、この形に限ら
ず、別種の厚膜抵抗等を利用することも出来る。

なお、第８図に示される酸素センサ素子にあっては、被
測定ガス側から酸素が汲み込まれて貯えられる多孔質層
１２４が矩形枠体形状のスペーサ部材１２６にて気密に
囲まれた状態で固体電解質１００，１０２間に保持され
ることとなるが、ポンプ電極１０８，１１０が常にポン
プ作動して多孔質層１２４内に酸素を汲み込んでも、か
かる多孔質層１２４内の圧力上昇は固体電解質１００，
１０２に設けられたスルーホール１１６，１３２によっ
て回避されるようになっているのである。また、かかる
電極１０８，１１０による酸素ポンプ作用に基づく多孔
質層１２４内の圧力抜きは、別途にスペーサ部材１２６
に設けたピンホール等の手段によって行なっても何等差
支えなく、更には酸素センサのハウジング側の素子外部
空間に連通せしめらるばかりでなく、センサ素子先端部
の被測定ガス存在空間側に連通せしめても（この場合
は、被測定ガスのセンサ素子内部への拡散抵抗量が極め
て小さくなるように配慮を必要とする）、何等差支えな
い。

なお、第３図乃至第７図に示されるセンサ素子にあって
は、そのような圧力抜きは、センサ素子の基端部におい
て、それぞれの多孔質層７４，１２４が露出せしめられ
ることにより、そのような多孔質層７４，１２４の端面
からセンサ素子を収容するセンサハウジング（保護管体
１２や外筒４２）内に連通せしめられ、そしてそのよう
なハウジング内の空間は、封止層１４，１６やハウジン
グの微細間隙またはリード線２８の内部を通じて、自然
拡散にて被測定ガス側或いは大気側に漏出せしめられる
ようになっている。そしてまた、そのような被測定ガス
に通ずる封止層のピンホール或いは大気側に通ずる微細
な間隙等は、当然のことながら水等が侵入しない程度の
大きさとされることは勿論であるが、多孔質層から基準
ガス（酸素）の抜け出しを制限するような所定の拡散抵
抗を有する（特に被測定ガス側に抜ける封止層及びピン
ホール等では常圧のガスの拡散量は殆んど０に近い拡散
抵抗を有する）拡散律速手段として構成されていること
が望ましい。本発明の構成においては、素子寸法が大き
いことにより、さらに必要に応じて組立構造上部の大気
に対して閉じた空間も含めて、大きな容積が基準ガス溜
めとなるため、圧力抜きは自然拡散程度でも充分なもの
であり、さらに必要に応じて基準ガス供給用酸素ポンプ
を止める又は止まるような設計を加えても良いのであ
る。

さらに、第１０図乃至第１４図には、本発明に従う酸素
センサ素子２の先端部の酸素検知部４の異なる構成のも
のが、それぞれ先端部を切除して多孔質層が見える状態
において示されている。それらの図において、先ず、第
１０図のセンサ素子は、板状の固体電解質１４０の外側
面に測定電極とポンプ電極を兼ねる外側電極１４２，１
４３を有する、又は外側電極とポンプ電極の機能が分割
所有される電極１４２，１４３を有する一方、その内側
面に基準電極とポンプ電極を兼ねる内側電極１４４を有
しており、この内側電極１４４から外側電極１４２及び
／又は１４３に向って、前記各例と同様に所定の電流が
長されるようになっている。また内側電極１４４が設け
られた側には、ヒータエレメント１３０が埋設された多
孔質層１２４が、該内側電極１４４に接するようにして
積層形成せしめられ、更にかかる多孔質層１２４の周囲
を囲むように気密質のスペーサ部材１２６が配置され、
更に多孔質層１２４の上にジルコニア等からなるセラミ
ック層１４６が積層形成されている。

このような構造の酸素センサ素子にあっては、外側電極
１４２及び／又は１４３と内側電極１４４との間に通電
されるポンプ電流によって、被測定ガスから取り込まれ
た酸素が内側電極１４４側に導かれ、多孔質層１２４に
貯えられて、基準ガスとしてかかる内側電極１４４に作
用せしめられ、そして外部の被測定ガスに接する外側電
極１４２及び／又は１４３との間において起電力が検出
されるようになっている。外側電極とポンプ電極の機能
を分割することで、すなわちポンプ電極上の保護層を極
めて高密度に出来る（応答に関係しない）ことなどか
ら、電極の耐久性（センサ寿命）を高める。

また、第１１図の酸素センサ素子にあっては、第７図の
素子と同様に、測定電極１０６、固体電解質１００、基
準電極１０４、多孔質層１２４、内側ポンプ電極１０
８、固体電解質１０２、外側ポンプ電極１１０、保護層
１１４が順次積層せしめられた構造となっており、また
多孔質層１２４の周囲が気密質のスペーサ部材１２６に
て囲まれた状態において、外部の被測定ガスから隔離乃
至は遮断されるようになっている。更に、測定電極１０
６上には、必要に応じて保護層１１２が積層されてい
る。なお、この酸素センサ素子も、前例と同様に二つの
ポンプ電極１０８，１１０間に所定の電流が通電せしめ
られることによって、多孔質層１２４内に基準ガスとし
ての酸素が貯えられ、そして測定電極１０６と基準電極
１０４との間の酸素濃度差による起電力が検出されるよ
うになっている。

さらに、第１２図に示される酸素センサ素子は、第１１
図の素子において、その多孔質層１２４中にヒータエレ
メント１３０が埋設された構造を有しており、このヒー
タエレメント１３０による加熱によって、被測定ガスの
温度が低い場合にあっても、その酸素検知部による検出
作動が良好に為され得るようになっている。なお、ここ
では、ヒータエレメント１３０と内側ポンプ電極１０８
との絶縁をより効果的に為すために、それらが積層方向
に重なり合わないようになっている。また、ここでは、
測定電極１０６が格子状構造とされている。

そしてまた、第１３図の酸素センサ素子にあっては、第
１２図の構造のセンサ素子において、スペーサ部材１２
６の厚さが厚くされ、換言すれば多孔質層１２４の厚さ
が薄くされて、多孔質層１２４と基準電極１０４との間
に所定のギャップ（空間）が形成されるようになってお
り、この空間によって基準電極１０４とヒータエレメン
ト１３０との間の絶縁がより確実なものとされている。

さらに、第１４図に示される酸素センサ素子にあって
は、固体電解質１００と多孔質層１２４、スペーサ部材
１２６との間にジルコニア等のセラミックからなる気密
質の基準ガス溜め形成板１４８が介装されて、積層、一
体化せしめられており、この基準ガス溜め形成板１４８
によって基準電極１０４の周りには被測定ガスから隔離
された空間（ギャップ）が形成され、そしてそのような
空間が基準ガス溜め形成板１４８に設けられたスリット
１５０にて多孔質層１２４に連通せしめられているので
ある。

従って、これら第１３図及び第１４図に示される酸素セ
ラミック素子にあっては、内側のポンプ電極１０８から
外側のポンプ電極１１０に向って流れる電流によって、
被測定ガスから内側のポンプ電極１０８側に導かれる酸
素は、多孔質層１２４を通って、かかる多孔質層１２４
と基準電極１０４との間に形成された空間に溜められ、
或いは基準ガス溜め形成板１４８のスリット１５０を通
じて、該基準ガス溜め形成板１４８の基準電極１０４と
の間に形成された空間内に溜められ、以て基準ガスとし
て基準電極１０４に作用せしめられることとなるのであ
る。

なお、このように基準電極１０４と多孔質層１２４との
間に空間（ギャップ）を形成せしめることにより、ヒー
タエレメント１３０と基準電極１０４との間の絶縁が確
実に為され得ることとなるが、そのような空間の形成は
ヒータ加熱による熱伝導性能を悪化せしめないように配
慮することが好ましく、そのためにスペーサ部材１２６
若しくはそれと共に基準ガス溜め形成板１４８の周縁部
の厚板部分をそれぞれ幅広としたり、そのような空間の
厚さを１０μｍ〜５０μｍ程度の薄い厚さとして形成す
ることが好ましい。

また、第１５図及び第１６図には、ヒータエレメント１
３０の配置構成の異なる例が示されているが、何れにし
ても、そのようなヒータエレメント１３０は基準電極１
０４及び内側のポンプ電極１０８から電気的に絶縁され
るように設けられ、そのためには多孔質層１２４の少な
くとも一部が電気絶縁性とされて、その電気絶縁性の多
孔質層内にヒータエレメント１３０が配置されることと
なる。また、このヒータエレメント１３０は、内側のポ
ンプ電極１０８とは積層方向において重ならないように
することが望ましく、更にはヒータエレメント１３０
は、基準電極１０４からなるべく離して配置して、かか
る基準電極１０４に対する絶縁をより効果的に行なうこ
とが望ましい。更に、第１６図に示されるように、ヒー
タエレメント１３を高密度層（気密層）１５２にて取り
囲み、多孔質層１２４内に配置せしめるようにすること
によって、ヒータエレメント１３０からの熱放散が良く
なって、ヒータ耐久性を向上せしめることが可能とな
る。なお、この高密度層としては、高抵抗ジルコニア等
のセラミック材料が用いられ、また多孔質層１２４より
も焼結性の良いものが選ばれることとなる。

そして、このように多孔質層１２４内にヒータエレメン
ト１３０を埋設配置した構造を採用することによって、
ヒータエレメント１３０をセンサ素子の略中央に配置せ
しめることが出来ることとなり、しかも熱伝導性が、多
孔質層１２４の存在により、従来の空間を通じて行なう
方式に比べて、より良好となるものであることから、素
子全体の温度が一様に、換言すれば温度分布が均一化さ
れる特徴を発揮する。また、素子全体の温度分布が均一
化されることによって、素子の熱的歪が抑制され、素子
が強くなる他、ヒータエレメントの熱が効率的に伝達さ
れるところから、ヒータの過熱が無くなり、ヒータ寿命
も効果的に向上せしめられ得るのである。

ところで、かかる本発明に従う酸素センサ素子にあって
は、第３〜８図、第１１〜１４図等に示されているよう
に、被測定ガスに晒される測定電極、ポンプ電極等の電
極６４，１０６，１１０には、それら電極を被測定ガス
から保護するためのアルミナ等のセラミックからなるポ
ーラスな保護層８２，１１２，１１４が所定厚さで設け
られているが、そのような保護層は、従来の如くプラズ
マ溶射や印刷などによって形成された多孔質な層の他、
第１７図乃至第１９図に示される如き構造並びに形成方
法によて形成されたポーラスセラミック層を用いること
が好ましい。

先ず、第１７図において、１５４は固体電解質であり、
この固体電解質１５４上に被測定ガスに晒されるべき被
測定ガス接触電極１５６が設けられており、更に被測定
ガス接触電極１５６を覆うようにして、所定のポーラス
セラミック層１５８が所定厚さで形成されているのであ
る。このポーラスセラミック層１５８は、適当な厚さ、
例えば１００〜５００μｍ程度のテープ成形法等によっ
て得られたセラミックシートを被測定ガス接触電極１５
６上に積層してから、未焼成の下地固体電解質１５４と
一体焼成することにより形成することが可能である。な
お、このポーラスセラミック層１５８のセラミック材料
としては、固体電解質１５４と同様な熱膨張率を有する
もの、例えばジルコニア等の材料を用いることが好まし
い。

また、かかるポーラスセラミック層１５８をポーラスと
為す方法としては、(1)セラミック材料に有機物、バイ
ンダー等の焼散物を多量に混ぜて焼成する方法や、(2)
下地固体電解質１５４より焼結性の悪いセラミック材料
を用いてポーラスセラミック層１５８を形成する手法等
がある。また、後者の(2)の方法の、より具体的な手法
としては、(a)粒度が粗いセラミック粉末を用いたり、
(b)ジルコニアをセラミック材料とした場合には、下地
固体電解質１５４を部分安定化ジルコニアにて構成する
一方、ポーラスセラミック層１５８を与えるセラミック
シートを完全安定化ジルコニア又は完全安定化ジルコニ
アと部分安定化ジルコニアの混合物にて構成する手法が
あり（この混合度合により、自由にポーラス度、換言す
れば通気性を変化させることが可能である）、(c)ポー
ラスセラミック層１５８を与えるセラミック材料として
固体電解質と他のセラミック材料の混合物を用い、そし
てこの他のセラミック材料として焼結性の悪いものを利
用する方法等があり、更にこれら(a)〜(c)の方法を組み
合わせて、ポーラスセラミック層１５８をポーラス化す
る手法も採用され得ることとなる。

また、第１８図に示される保護層の構成にあっては、ポ
ーラスセラミック層１５８が内層１５８ａと外層１５８
ｂとからなる二重層にて構成されている。このようなポ
ーラスセラミック層１５８において、内層１５８ａと外
層１５８ｂのポーラス度を変えることも可能であり、ま
た外層１５８ｂにて被測定ガス中の粒子をカットし、一
方、内層１５８ａにてガス層の被毒物質を捕捉するよう
にすることも可能である。なお、このような二重層から
なるポーラスセラミック層１５８の形成は、上記と同様
にして行なうことが可能であり、また内側の内層１５８
ａは印刷層にて形成することも可能である。

さらに、第１９図に示される保護層の構成にあっては、
ポーラスセラミック層１５８が最内層１５８ａ、中間層
１５８ｂ、最外層１５８ｃから構成された三層構造の保
護層にて構成されている。尤も、このような複数層のポ
ーラスセラミック層１５８は、更に四層若しくはそれ以
上の多層構造と為すことも可能である。そして、このよ
うな多層構造のポーラスセラミック層１５８を形成する
に際しては、三枚あるいはそれ以上のポーラスシートを
使用する方法の他、ポーラスセラミック層１５８を与え
る一枚のシートをテープ成形法で三層或いはそれ以上の
構造となるように形成せしめて、それを用いるようにし
た方法も採用可能である。なお、ポーラスセラミック層
１５８を与える一枚のセラミックシートを形成するに際
しては、スラリー原料、セラミック粉の粒度、バインダ
ー量等を変化せしめてドクターブレードにて三層構造或
いはそれ以上の層構造のシートと為し、その積層方向に
順番に或いは適宜に焼結性を変化させるようにしたり、
またテープ成形時に乾燥いにくいスラリーとし、テープ
乾燥時にテープ内の上下で粒度分布が連続的に変化する
ようにすることも可能である。

そして、このようなポーラスシート乃至はセラミックシ
ートを用いて、未焼成の下地固体電解質１５４と共に一
体焼成せしめて、目的とするポーラスセラミック層１５
８を形成することにより、固体電解質１５４に対する付
着力の強い保護層（１５８）と為し得る他、従来のプラ
ズマコーティングとは異なり或いは印刷法とは異なり、
(a)原料保留りが良く（製造コストが安くなる）、(b)付
着力が強く、(c)非常に厚い保護層の形成が出来、保護
効果を大ならしめることが出来（プラズマコーティング
では厚くすると熱応力で剥がれ易く、また印刷では厚さ
に限度がある）、(d)多層保護層が容易に形成出来、以
てそれぞれの層に保護役割を分担させることで、例えば
粗い層は粒子のフィルターとして、また密な層はガス相
のトラップとして機能させる等の役割を持たせることが
出来、更には、(e)材料の選択自由度が大きく、従って
酸化ニッケル等の触媒性の層の形成も可能であり、或い
はシート中に好ましい金属を予め混入しておくことも出
来、そしてまた、(f)応答速度の調節がそのポーラス度
と厚さを調節することによって容易に出来、従って応答
性に関係のない部位、例えばポンプ電極ではオンプに必
要なガスが充分に供給され得ることを目安として、その
ポーラス度を決定するだけで良いのである。

なお、このようなポーラスセラミック層１５８のポーラ
ス度（ガスが通る気孔量乃至は開気孔量）は、通常５〜
８０％好ましくは１０〜５０％程度とされることとな
る。

因みに、下表に示される各種の保護層の構成並びに酸素
センサの構成において、エンジンの耐久試験を行なった
結果が、第２０図に示されている。ここで、酸素センサ
Ｅの従来構造の素子は、内部に空気通路空間を有し、ヒ
ータが素子の測定電極と反対の外面に片寄って積層され
ている構造であり、当然基準ガス供給用の酸素ポンプは
付加されていない。

なお、エンジン条件としては、４気筒で、排気量が２
のエンジンを用い、オイル消費量：８０ｃｃ／Ｈｒ、ガ
ソリン中の鉛：０．４ｇ／の条件下に、１０００ｒｐ
ｍ×５分（排気ガス温度：３００〜５００℃）と４００
０ｒｐｍ×１５分（排気ガス温度：７００〜９００℃）
の運転を繰り返し、各酸素センサの耐久時間を応答速度
から評価した。なお、結果はｎ＝５の平均値である。

第２０図の結果から明らかなように、酸素センサのセン
サ素子の保護層が目詰まりをすると、応答速度が長くな
るが、前記したようにポーラスセラミック層を一体焼成
して保護層を形成した場合にあっては、その耐久性が良
好であることが認められる。なお、ハウジングに外気取
入孔を設けた従来構造のセンサＥにあっては、１００時
間の耐久試験後において素子割れ（５個中２個）、ヒー
タ切れ（３個中１個）を生じ、センサ素子の応答性も良
くないことが認められる。

また、かかる５種のセンサＡ〜Ｅについて、塩水試験を
行なった。この塩水試験は、１０００ｒｐｍで連続運転
されているエンジン（排気ガス温度：４５０℃）の排気
管にそれぞれのセンサを取り付け、塩水を１０分の１回
の割合で噴霧して、センサの出力異常の回数を評価する
ものであって、その結果、本発明に従うセンサ素子Ａ〜
Ｄにあっては、そのようなセンサ出力の異常は何等認め
られなかったのに対し、従来構造のセンサ素子Ｅにあっ
ては、外気取入孔があるために最初の塩水噴霧によって
センサハウジング内に塩水が侵入し、センサの出力異常
が惹起された。

以上、幾つかの具体例に基づいて、本発明の構成につい
て詳細に説明してきたが、本発明が、そのような例示の
具体例にのみ堰堤して解釈されるものでは決してなく、
本発明の趣旨を逸脱しない限りにおいて、当業者の知識
に基づいて種々なる変更、修正、改良などを加えた形態
において実施され得るものであり、本発明が、そのよう
な実施形態のものをも含むものであることは、言うまで
もないところである。

（発明の効果）以上の説明から明らかなように、本発明は、センサ素子
の内部に設けられる基準ガスに接触せしめられる電極に
対して、酸素ポンプ作用にて基準酸素が供給され、かか
る電極の周りに基準ガスが貯えられることとなるところ
から、外部から、特に大気から基準ガスとしての空気を
素子内部に導く必要がなく、それ故に、センサハウジン
グを完全な防水構造とすることが可能となるのであり、
これによって組立構造が簡単であるばかりでなく、水、
塩水、泥水等がセンサにかかっても、絶縁不良等の問題
が惹起されて、センサ信号が異常となるようなことがな
いのであるしかもまた、本発明にあっては、センサ素子内に従来の
如き基準電極に空気を導くための空気通路を設ける必要
がなく、そのような空気通路に対応する素子内の凹所に
は、アルミナ等の適当なセラミック材料からなる多孔質
層が充填されているところから、センサ素子の製造工程
において。従来の如き空気通路が潰れて製品欠陥が出る
等の問題、ひいては製品歩留りが低下する問題が悉く解
消され得ると共に、そのような多孔質層の充填によっ
て、センサ素子の強度も効果的に向上せしめられ得たの
であり、更にはかかる多孔質層の存在す基準ガス空間層
が被測定ガスから隔離され、且つ該多孔質層がその少な
くとも三方において気密層にて限界されているところか
ら、該多孔質層内に溜められる基準ガス雰囲気が外部の
被測定ガス中に流出する等の問題もなく、また周囲の影
響も受けることがないのであり、そしてこれによって安
定なセンサ出力を得ることが出来たのであって、そこに
本発明の大きな工業的意義が存するのである。

【図面の簡単な説明】

第１図及び第２図はそれぞれ本発明に従う酸素センサの
組立構造の一例を示す半截断面説明図であり、第３図は
本発明に従う酸素センサ素子の一例を示す分解説明図で
あり、第４図及び第５図はそれぞれ第３図におけるIV−
IV断面、Ｖ−Ｖ断面の説明図であり、第６図は本発明に
従う酸素センサ素子の他の例を示す第４図に対応する断
面説明図である。また、第７図及び第８図はそれぞれ本
発明に従う酸素センサ素子の異なる例を示す分解説明図
であり、第９図はヒータ電源からの電源の分圧手法の一
例を示す説明図である。さらに、第１０図〜第１４図は
それぞれ本発明に従う酸素センサ素子の異なる構成を示
す要部断面分解説明図であり、第１５図および第１６図
はそれぞれヒータ構成の異なる例を示す酸素センサ素子
の検知部における横断面説明図である。また、第１７図
〜第１９図は、それぞれ被測定ガスに接触せしめられる
電極の保護層の異なる構成を示す断面説明図である。さ
らに、第２０図は、各種酸素センサについてのエンジン
耐久試験結果を示すグラフである。２：酸素センサ素子、４：酸素検知部１２：保護管体、１４，１６：封止層２６：ゴム栓、３８：隔壁４０：内筒、４２：外筒５４，５６、１００，１０２１４０，１５４：固体電解質５８：第一の電極、６０：第二の電極６２：内側ポンプ電極、６４：外側ポンプ電極６５：第三の電極６６，１２０，１２６：スペーサ部材６８：平坦空間７０：セラミック部材、７２：凹所７４：多孔質層７６，１３０：ヒータエレメント９２：直流電源、９４：比較電源９６：差動アンプ９８：ポーラスジルコニア層１０４：基準電極、１０６：測定電極１０８，１１０：ポンプ電極１１２，１１４，１２４：多孔質層１４２：外側電極、１４４：内側電極１４８：基準ガス溜め形成板１５２：高密度層１５６：被測定ガス接触電極１５８：ポーラスセラミック層

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】複数層の平板状の積層体からなる、被測定
ガス中の所定成分を検出するための電気化学的装置であ
って、 (ｉ)板状の固体電解質体（５４、１００、１４０、１５
４）と、該固体電解質体に接して設けられ、実質的に被
測定ガスに露呈される第一の電極（５８、１０６）と、
該固体電解質体に接して設けられ、実質的に基準ガスに
露呈される第二の電極（６０、１０４）とを有するセン
サセルと、(ii)該第二の電極が露呈される基準ガスを含
む基準ガス空間層であって、前記積層体内に配置され、
且つ該基準ガスを含む多孔質層（７４、１２４）を有す
るものと、(iii) 基準ガス成分を前記基準ガス空間層内
に電気化学的にポンピングするためのポンプ手段とを含
み、且つ該基準ガス空間層が被測定ガスから隔離されている
と共に、前記多孔質層（７４、１２４）がその少なくと
も三方を少なくとも一つの気密層（７０、１２０、１２
６）にて限界されており、そして前記電気化学的ポンプ
手段が作動して基準ガス成分を前記基準ガス空間層内に
ポンピングせしめ、所定の基準ガス濃度を提供するよう
に構成したことを特徴とする電気化学的装置。
【請求項２】前記電気化学的ポンプ手段が、ポンプ電流
の印加手段を備えた前記センサセルである特許請求の範
囲第１項に記載の電気化学的装置。
【請求項３】前記電気化学的ポンプ手段が前記積層体内
に設けられたポンプセルであり、前記センサセルと同一
の若しくはそれとは異なる固体電解質体（７０、１０
２）と、該固体電解質体上に形成され、前記被測定ガス
に露呈される第三の電極（６５、１１０）と、該固体電
解質体上に形成され、前記基準ガス空間層に露呈せしめ
られる第四の電極とを有する特許請求の範囲第１項に記
載の電気化学的装置。
【請求項４】前記第四の電極が、前記第二の電極と同一
の電極にて構成されている特許請求の範囲第３項に記載
の電気化学的装置。
【請求項５】所定のハウジング内に配設される一方、外
部の被測定ガスからシールされた該ハウジングの所定領
域内に、前記基準ガス空間層の多孔質層より過剰の圧力
の放出を許容する少なくとも一つの漏出路を、前記積層
体に設けた特許請求の範囲第１項乃至第４項の何れかに
記載の電気化学的装置。
【請求項６】前記積層体内に位置するヒータ（７６）
と、該ヒータを作動せしめる電源と、前記第一及び第二
の電極間に前記電源の電圧の一部を印加せしめる電圧分
割手段とを備え、該電源と該電圧分割手段とが協働して
前記電気化学的ポンプ手段に電流を供給する特許請求の
範囲第１項乃至第５項の何れかに記載の電気化学的装
置。
【請求項７】前記第一の電極（１０６）が、その上に多
孔質な保護層（１１２）を有し、該保護層を通じて前記
被測定ガスに露呈せしめられていると共に、該多孔質保
護層（１１２）がプラズマ溶射層にて構成されている特
許請求の範囲第１項乃至第６項の何れかに記載の電気化
学的装置。
【請求項８】前記多孔質保護層（１１２）が、未焼成の
セラミックシートを準備し、該未焼成のセラミックシー
トを前記第一の電極（１０６）を形成するための未焼成
層上に配置し、そしてそれら未焼成セラミックシート及
び未焼成層を前記固体電解質体（１００）の未焼成シー
トと共に一体焼成することによって得られる、多孔質な
セラミック層にて構成される特許請求の範囲第１項乃至
第６項の何れかに記載の電気化学的装置。
【請求項９】前記第一の電極（１５６）上に、ジルコニ
アから形成された多孔質なセラミック保護層（１５８）
が設けられ、それを通じて、該第一の電極が被測定ガス
に露呈せしめられる特許請求の範囲第１項乃至第６項の
何れかに記載の電気化学的装置。
【請求項１０】前記第二の電極（１０４）が、前記多孔
質層（１２４）から離れて設けられて、それらの間に所
定のギャップが形成され、そして該ギャップが前記基準
ガス空間層の一部を形成している特許請求の範囲第１項
乃至第８項の何れかに記載の電気化学的装置。
【請求項１１】前記第二の電極（１０４）と前記多孔質
層（１２４）との間に、基準ガス溜め部材（１４８）が
設けられ、且つ該多孔質層及び該基準ガス溜め部材とを
連通する開口（１５０）が設けられている特許請求の範
囲第１項乃至第８項の何れかに記載の電気化学的装置。
【請求項１２】前記第一の電極（１０６）が格子形状を
有している特許請求の範囲第１１項に記載の電気化学的
装置。