JPH09105735A - 酸素センサ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】多孔質層がリード保護層との境界部分で露出せ
ず、排気ガス中の被毒成分の侵入による電極の劣化を抑
制できる酸素センサを提供する。 【解決手段】酸素センサ１１は基板１２、電極１３、リ
ード保護層１９、多孔質層２２及び溶射層２５を備え
る。基板１２は固体電解質によって形成されている。電
極１３は基板１２上に形成された、電極反応部１４及び
電極リード部１５からなる。リード保護層１９は電極リ
ード部１５を被覆すべく基板１２上に形成された層であ
り、その電極リード部１５の電極反応部側端部１５ａに
対応する位置に幅狭部２１を有する。多孔質層２２は電
極反応部１４を被覆すべく基板１２上に形成された層で
あり、幅狭部２１の両側に位置する一対の延長部２４ａ
を有する。溶射層２５は、両延長部２４ａを含む多孔質
層２２の全体及び幅狭部２１を被覆する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は例えば車両等の排気
ガス中の酸素濃度を検出する酸素センサに関するもので
ある。

【０００２】

【従来の技術】近年の車両においては、内燃機関から排
出される排気ガス中の酸素濃度を酸素センサによって検
出し、その検出値を用いて空燃比（空気と燃料の重量
比）を制御することが広く行われている。この酸素セン
サの一形態として、固体電解質からなる基板の両面に白
金からなる電極を形成したものがある。このタイプの酸
素センサは、高温で内外面の酸素濃度差が大きい場合に
起電力を発生するという、固体電解質の性質を利用して
いる。より詳しくは、酸素センサは、基板の外面に排気
ガスが接触し、内面に酸素濃度既知の気体（一般には大
気）が接触するような構造を採っている。電極は、排気
ガス中の酸素と一酸化炭素とを結合させる触媒機能を有
し、基板外面付近の酸素濃度を低下させて、内面付近の
酸素濃度との差を増大させることにより、前記起電力を
増大させる。この増大された起電力によって排気ガス中
の酸素濃度が検出される。

【０００３】その一例として、電極を有する基板上に、
多孔質層及び溶射層を積層して構成した積層型酸素セン
サがある（特開平２−１４１６５３号公報参照）。この
タイプの酸素センサでは、図６に示すように、電極反応
部５２及び電極リード部５３からなる電極５１が基板５
４上に設けられている。電極反応部５２は、実際に排気
ガスに晒され、触媒として機能して酸素濃度差を増大す
る部分である。電極リード部５３は、電極反応部５２と
その信号を取り出すためのリード取り出し部（図示略）
とを繋いでいる。

【０００４】電極リード部５３上にはリード保護層５６
が設けられている。リード保護層５６は、電極リード部
５３が排気ガスと反応することにより電極５１全体の検
出精度が低下したり、排気ガス中の被毒成分によって電
極リード部５３が劣化したりするのを防止する。電極反
応部５２上には多孔質層５５を介して溶射層５７が設け
られている。溶射層５７は、電極反応部５２の保護及び
排気ガスの拡散律速のための層であり、多孔質層５５は
溶射層５７の密着性を高めるための層である。これらの
多孔質層５５及び溶射層５７は、排気ガス中の被毒成分
によって電極反応部５２が劣化するのを防止する機能も
有する。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】ところが、基板５４上
に多孔質層５５及びリード保護層５６を設ける場合、両
者５５，５６の境界部分に段差が生ずる。この状態で多
孔質層５５上に溶射層５７を形成すると、リード保護層
５６と溶射層５７との間に隙間が生じ、多孔質層５５の
一部が露出する。これは、多孔質層５５以外の部分の溶
射層５７に対する密着性が低く、たとえリード保護層５
６の一部に重なるように溶射層５７を形成しても、溶射
層５７がリード保護層５６から剥がれやすく、割れたり
欠けたりする。また、溶射層５７の形成に際しては、溶
射される範囲（大きさ）にばらつきがあり、多孔質層５
５の一部（リード保護層５６との境界部分）が溶射層５
７によって被覆されない場合があるからである。従っ
て、常にリード保護層５６の一部に重なるように溶射層
５７を形成することは実質上困難であり、前記のように
多孔質層５５の一部がその多孔質層５５とリード保護層
５６との境界部分（段差部）で露出してしまう。その結
果、この露出部分から排気ガス中の被毒成分が侵入し、
電極５１を劣化させるおそれがある。

【０００６】本発明は前述した事情に鑑みてなされたも
のであり、その目的は、多孔質層がリード保護層との境
界部分で露出せず、排気ガス中の被毒成分の侵入による
電極の劣化を抑制できる酸素センサを提供することにあ
る。

【０００７】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に本発明の酸素センサは、固体電解質よりなる基板と、
前記基板上に形成された、電極反応部及び電極リード部
からなる電極と、前記電極リード部を被覆すべく前記基
板上に形成された層であり、その電極リード部の電極反
応部側端部に対応する位置には、前記基板の幅よりも狭
い幅狭部を有するリード保護層と、前記電極反応部を被
覆すべく前記基板上に形成された層であり、前記幅狭部
の両側に位置する一対の延長部を有する多孔質層と、前
記多孔質層上及び前記幅狭部上に形成された溶射層とを
備えている。

【０００８】上記発明の酸素センサでは、電極の電極リ
ード部がリード保護層によって覆われる。特に、電極リ
ード部の電極反応部側端部は、リード保護層の幅狭部に
よって覆われる。この幅狭部を含むリード保護層によ
り、電極リード部が排気ガスから遮断される。このた
め、電極リード部が排気ガスと反応して酸素センサの検
出精度が低下したり、排気ガス中の被毒成分によって電
極リード部が劣化したりする不具合が防止される。

【０００９】一方、電極反応部は多孔質層によって覆わ
れる。基板において前記幅狭部の両側部分は、多孔質層
の一対の延長部によって覆われる。そして、両延長部を
含む多孔質層全体、及び幅狭部が溶射層によって覆われ
る。この溶射層は、粗面である多孔質層の表面に密着し
て電極反応部を保護するとともに、排気ガスの拡散律速
層として機能する。

【００１０】このように溶射層は、リード保護層の一部
（幅狭部）と、多孔質層、特に両延長部との両方にまた
がって形成される。従って、溶射層の形成に際し、溶射
される範囲（大きさ）にばらつきがあっても、多孔質層
と幅狭部との境界部分も溶射層によって覆われる。しか
も、溶射層は両延長部に密着していて剥離しにくい。こ
のため、たとえ溶射層に対する幅狭部の密着性が低くて
も、この溶射層が幅狭部から剥がれて割れたり欠けたり
することが抑制される。また、前述したように多孔質層
と幅狭部との境界部分が溶射層によって被覆されること
から、同境界部分で多孔質層が露出しない。その結果、
排気ガス中の被毒成分が多孔質層に侵入することが抑制
される。

【００１１】

【発明の実施の形態】以下、本発明を具体化した一実施
の形態を図１〜図４に従って説明する。図１，４に示す
ように、酸素センサ１１は固体電解質によって長方形板
状に形成された基板１２を備えている。固体電解質はイ
オンの移動によって電気伝導を起こす固体であり、例え
ば安定化ジルコニアが用いられる。安定化ジルコニアは
ジルコニア（ZrO₂）にCaO 、 Y₂O₃、 Yb₂O₃ 等を固溶させ
たものであり、高温において酸素イオン伝導性を示す。
基板１２は、その外面（両図における上面）が排気ガス
に晒され、内面（両図における下面）が酸素濃度既知の
気体（この場合大気）に晒されることにより、内外両側
の酸素濃度比に応じた起電力を発生する。

【００１２】基板１２の内外両面（図では外面のみ図
示）には、その基板１２で発生した起電力を取り出すた
めの薄膜状の電極１３がスパッタリング、蒸着、メッ
キ、ペースト焼き付け等の方法によって形成されてい
る。これらの電極１３はいずれも白金（Pt）からなり、
互いに同一形状をなしている。各電極１３は電極反応部
１４及び電極リード部１５によって構成されている。

【００１３】外側の電極反応部１４は平面四角形をな
し、基板１２の先端部（図の左端部）上において、その
先端縁１２ａ及び両側縁１２ｂ，１２ｃから離間した位
置に設けられている。この電極反応部１４は排気ガスに
晒され信号を発生する。外側の電極リード部１５は電極
反応部１４よりも狭い幅を有しており、その電極反応部
１４の幅方向中央部から基板１２の基端縁１２ｄへ向け
て真っ直ぐに延びている。この電極リード部１５の基端
部には、電極反応部１４で発生した信号を酸素センサ１
１の外部へ取り出すためのリード取り出し部（図示略）
が接続される。なお、内側の電極反応部及び電極リード
部は、前述した外側の電極反応部１４及び電極リード部
１５にそれぞれ対応した位置に設けられている。

【００１４】基板１２の外面には、その基板１２と同様
に安定化ジルコニア等の固体電解質からなるリード保護
層１９が設けられており、この保護層１９により電極リ
ード部１５が被覆されている。より詳しくは、リード保
護層１９は本体部２０及び幅狭部２１によって構成され
ている。本体部２０は基板１２と略同一の幅を有してお
り、その基板１２上に積層されている。この本体部２０
は、電極リード部１５において電極反応部側端部１５ａ
を除く部分を被覆するほか、基板１２の剛性を補う機能
をも備えている。

【００１５】図２に示すように、幅狭部２１の幅Ｗ１は
基板１２の幅Ｗ２よりも小さく、かつ電極リード部１５
の幅Ｗ３よりもわずかに大きく設定されている。幅狭部
２１は、電極リード部１５と合致する位置である、本体
部２０先端の幅方向中央部分から電極反応部１４へ向け
て突出している。この平面長方形状をなす幅狭部２１に
より、電極リード部１５の電極反応部側端部１５ａが被
覆されている。

【００１６】図１，３，４に示すように基板１２の外面
には、本体部２３及び一対の延長部２４ａ，２４ｂから
なり、多数の微細な気孔を有する多孔質層２２が積層さ
れている。本体部２３は電極反応部１４よりも大きく形
成され、その電極反応部１４の全体を被覆している。両
延長部２４ａ，２４ｂは本体部２３の両側部において、
互いに平行にリード保護層１９の本体部２０へ向けて延
びている。両延長部２４ａ，２４ｂの間隔は幅狭部２１
の幅Ｗ１と略同一であり、多孔質層２２及びリード保護
層１９がともに基板１２上に積層されたときには、幅狭
部２１が両延長部２４ａ，２４ｂによって挟み込まれた
状態となる。

【００１７】両延長部２４ａ，２４ｂを含む多孔質層２
２上及び幅狭部２１上には、ガス拡散律速層として機能
し、基板１２へ至る排気ガスの量を制限するための溶射
層２５が設けられている。溶射層２５は、スピネル（Al
₂MgO₄ ）等のセラミック材料を用いて、溶射法、例えば
プラズマ溶射法によって形成されている。

【００１８】図４に示すように基板１２の内面側には、
ジルコニア、アルミナ（Al₂O3₃）等のセラミック材料か
らなる枠体２６及びシート２７が順に配置されている。
枠体２６は平面略Ｕ字状をなし、シート２７は基板１２
と同様に長方形板状をなしている。これらの基板１２、
枠体２６及びシート２７によって囲まれる空間は大気導
入孔となっている。この大気導入孔は酸素センサ１１の
基端部において開口しており、酸素濃度既知の気体であ
る大気が、この開口部分から酸素センサ１１内部（大気
導入孔）へ導入される。

【００１９】前述した構成の酸素センサ１１は、電極１
３を有する基板１２の外面側に多孔質層２２及びリード
保護層１９を積層するとともに、基板１２の内面側に枠
体２６及びシート２７を積層することにより積層体を形
成し、この積層体を焼成後、多孔質層２２及び幅狭部２
１に溶射を施すことによって製作される。

【００２０】上記酸素センサ１１の使用時には、大気導
入孔に酸素濃度既知の大気が導かれ、溶射層２５及びリ
ード保護層１９が酸素濃度の低い排気ガスに晒される。
排気ガスは溶射層２５、多孔質層２２を通過して基板１
２の外面や電極反応部１４に至る。このとき、溶射層２
５排気ガスの拡散律速層として機能し、排気ガスの通過
量を制限する。基板１２の内面と外面とで酸素濃度、す
なわち酸素分圧が異なり、酸素分圧の高い大気側から排
気ガス側へ向けて酸素イオンが移動する。その結果、電
極反応部１４間に起電力が発生する。この起電力は基板
１２の内外面での酸素濃度差が大きいほど高い値とな
る。また、白金製の電極反応部１４は、排気ガス中の酸
素と一酸化炭素とを結合させる触媒作用を発揮し、基板
１２外面付近の酸素濃度を低下させて、内面付近の酸素
濃度との差を増大させることにより、起電力を増大させ
る。この増大された起電力が電極リード部１５を介して
出力され、その起電力に基づき排気ガス中の酸素濃度が
検出される。

【００２１】ところで、前記酸素センサ１１において
は、幅狭部２１を含むリード保護層１９によって、電極
リード部１５が排気ガスから遮断される。このため、電
極リード部１５が排気ガスと反応して酸素センサ１１の
検出精度が低下したり、排気ガス中の被毒成分によって
電極リード部１５が劣化したりする不具合を解消でき
る。また、電極１３の先端部分は、延長部２４ａ，２４
ｂを含む多孔質層２２全体、及び幅狭部２１を被覆する
溶射層２５によって保護される。

【００２２】さらに、溶射層２５が幅狭部２１及び多孔
質層２２の両方にまたがって形成されることから、溶射
層２５の形成に際し、溶射される範囲（大きさ）にばら
つきがあっても、両者２１，２２の境界部分も溶射層２
５によって覆われることになる。しかも、溶射層２５は
両延長部２４ａ，２４ｂに密着していて剥離しにくい。
このため、たとえ溶射層２５に対する幅狭部２１の密着
性が低くても、この溶射層２５が幅狭部２１から剥がれ
て割れたり欠けたりするのを抑制できる。

【００２３】また、前述したように、多孔質層２２及び
幅狭部２１の境界部分が溶射層２５によって覆われてい
ることから、たとえ、その境界部分において段差や隙間
が生じていたとしても、従来技術とは異なり同境界部分
で多孔質層２２が露出することがない。そのため、排気
ガス中の被毒成分が多孔質層２２に侵入して電極１３に
触れるのを抑制し、被毒成分による電極１３の劣化を防
止できる。

【００２４】本実施の形態は、前述した事項以外にも次
の特徴を有する。 （ａ）両延長部２４ａ，２４ｂを有している分だけ多孔
質層２２が大きくなっており、多孔質層２２が広い面積
にわたって基板１２や電極１３の外面に密着している。
このため、多孔質層２２はそれ自体剛性があまり高くな
いが、前述した広い面積での密着より剛性が補われ、溶
射層２５の形成時に応力が加わっても破壊されにくい。

【００２５】なお、本発明は次に示す別の実施の形態に
具体化することができる。 （１）図５に示すように、幅狭部２１の溶射層２５に対
する密着性を高めるために、その幅狭部２１上に別途多
孔質層３０を設け、その上に溶射層２５を形成してもよ
い。また、この多孔質層３０に代え、幅狭部２１に機械
加工を施して粗面にしたり、スパッタリング等により表
面改質を行ったりしてもよい。

【００２６】（２）本発明は、電極リード部１５が電極
反応部１４の幅方向中央部からずれた位置に接続された
電極１３を有する酸素センサにも適用できる。この場
合、電極１３の形状に合わせて多孔質層２２やリード保
護層１９の形状も変更する。

【００２７】（３）基板１２の補強という観点からは、
リード保護層１９の本体部２０を大きく形成することが
望ましく、前記実施の形態では同本体部２０の幅を基板
１２の幅Ｗ２とほぼ同一にしている。従って、基板１２
が十分大きな剛性を有していて補強が不要な場合には、
この本体部２０の幅を同基板１２の幅Ｗ２よりも狭くし
てもよい。ただし、この場合、電極リード部１５の保護
のために同リード部１５の幅Ｗ３よりも広くする必要が
ある。

【００２８】（４）溶射層２５によってリード保護層１
９の本体部２０の先端部分を被覆するように変更しても
よい。この場合、溶射層２５との密着性を確保するため
に、本体部２０の先端を凹凸状に形成するとともに、そ
れに嵌合するように多孔質層２２の両延長部２４ａ，２
４ｂの先端を凸凹状に形成することが望ましい。

【００２９】（５）多孔質層２２及び幅狭部２１が溶射
層２５によって被覆されることを考慮すると、幅狭部２
１と延長部２４ａ，２４ｂとの間に若干の隙間があって
もよい。

【００３０】以上、本発明の各実施の形態について説明
したが、各形態から把握できる請求項以外の技術的思想
について、以下にそれらの効果とともに記載する。 （イ）請求項１に記載の酸素センサにおいて、前記幅狭
部と溶射層との間に多孔質層を介在させた酸素センサ。
このような構成とすることにより、幅狭部の溶射層に対
する密着性をさらに高めることができる。

【００３１】

【発明の効果】以上詳述したように本発明によれば、電
極リード部の電極反応部側端部をリード保護層の幅狭部
によって被覆し、その幅狭部の両側に多孔質層の両延長
部を配置している。そして、この状態で多孔質層の全体
及び幅狭部を溶射層によって被覆している。このため、
溶射層に割れや欠けを生じさせずに、幅狭部の多孔質層
との境界部分を溶射層によって被覆し、その境界部分で
多孔質層が露出するのを防止し、排気ガス中の被毒成分
が多孔質層に侵入して電極を劣化させるのを抑制するこ
とができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】一実施の形態における酸素センサの部分拡大縦
断面図。

【図２】図１のII-II 線断面図。

【図３】酸素センサの部分平断面図。

【図４】酸素センサの積層体の分解斜視図。

【図５】別の実施の形態における酸素センサを示し、図
２に対応する部分断面図。

【図６】従来の酸素センサの部分拡大縦断面図。

【符号の説明】

１２…基板、１４…電極反応部、１５…電極リード部、
１５ａ…電極反応部側端部、１９…リード保護層、２１
…幅狭部、２２…多孔質層、２４ａ，２４ｂ…延長部、
２５…溶射層。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 固体電解質よりなる基板と、 前記基板上に形成された、電極反応部及び電極リード部
   からなる電極と、 前記電極リード部を被覆すべく前記基板上に形成された
   層であり、その電極リード部の電極反応部側端部に対応
   する位置には、前記基板の幅よりも狭い幅狭部を有する
   リード保護層と、 前記電極反応部を被覆すべく前記基板上に形成された層
   であり、前記幅狭部の両側に位置する一対の延長部を有
   する多孔質層と、 前記多孔質層上及び前記幅狭部上に形成された溶射層と
   を備えた酸素センサ。