CN102375013B - 氧气传感器元件和氧气传感器 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种氧气传感器元件1，包括：内部设置有参考气体室13的杯状的固体电解质主体10；与被测量的气体接触的测量电极11；以及参考电极12。加热器2设置在参考气体室13内部。测量电极11形成为围绕固体电解质主体10的尖端部分100的外表面101。参考电极12形成在测量电极相对区域102a中，该测量电极相对区域102a是在固体电解质主体10的内表面上与测量电极11相对的区域，并且在所述参考电极12和所述测量电极11之间具有所述固体电解质主体10。测量电极11的面积S1和所述参考电极12的面积S2满足关系0.010≤S2/S1＜0.723。

Description

氧气传感器元件和氧气传感器

技术领域

本发明涉及设置在用于车辆内燃机等中的燃烧控制的氧气传感器中的氧气传感器元件，以及包括该氧气传感器元件的氧气传感器。

背景技术

氧气传感器用于车辆内燃机等中的燃烧控制。

作为设置在氧气传感器中的氧气传感器元件，具有以下配置的氧气传感器元件是已知的。在该氧气传感器元件中，具有闭合尖端和开放基端并且其内部设置有参考气体室的杯状固体电解质主体用作分隔壁。测量电极设置在该固体电解质主体的外表面上，并且参考电极设置在其内表面上。加热器设置为***在固体电解质主体内的参考气体室中。在该氧气传感器元件中，测量电极暴露于排放气体，并且参考电极暴露于用作参考的大气。基于由于大气和排放气体之间的氧气浓度差而在两个电极之间生成的电压来测量氧气浓度。

在该氧气传感器元件中，诸如铂等贵金属材料用作电极(测量电极和参考电极)材料。通过贵金属元素的催化反应来实现传感器输出。诸如铂的贵金属材料是昂贵的。因此，为了降低制造成本，降低所使用的贵金属材料的量是必不可少的问题。

例如，美国专利公开No.2003/0196596A1(相对应的日本未审查专利公开No.2003-80153)公开一种用于在电子部件的表面上施加电极的薄的活性(active)膜等的活性液体施加器。美国专利公开No.2006/0228495A1(相对应的日本未审查专利公开No.2006-292759)公开一种用于制造排放气体传感器的方法。在两种技术中，能够取消过量的电极材料，诸如贵金属。

此外，美国专利No.6,354,134(相对应的日本未审查专利公开No.H11-153571)公开一种氧气传感器元件，其中测量电极仅形成在氧气传感器元件中变为高温的尖端部分(探测部分)上，并且参考电极形成在与测量电极相对的位置，二者之间具有固体电解质主体。因此，减小了电极的形成面积，从而减少了所使用的电极材料的量以及氧气传感器元件的制造成本。

在该氧气传感器元件中，在元件温度改变时，传感器输出改变。因此，为了稳定传感器输出，需要控制氧气传感器元件的温度。通常，通过监测元件电阻，利用固体电解质主体的阻抗具有与温度一一对应关系的特性(氧气传感器元件的电阻的温度特性)，来确定元件温度。由于元件温度被调节为使得将元件电阻保持在恒定范围内，因此氧气传感器元件的温度被控制在恒定范围内。

近年来，考虑到改善燃料效率和催化净化，一直需要氧气传感器元件能够在550℃或者更高的高温环境中使用。因此，期望在高温环境中具有最小温度变化的氧气传感器元件。

然而，在上述美国专利公开No.6,354,134中公开的氧气传感器元件中，与温度相关的阻抗变化倾向于在550℃或者更高的高温环境中很小。而且，在典型的氧气传感器元件中，不能增加分隔壁的厚度以缩短活性时间，与温度相关的阻抗变化尤其是在550℃或者更高的高温环境中很小。因此，无法以高精度控制氧气传感器元件的温度。在氧气传感器元件的温度变化增加时出现问题。

发明内容

本发明已实现用于解决上述问题。本发明的目的在于提供一种能够以较高精度控制元件温度并且通过降低电极材料来降低成本的氧气传感器元件。

根据本发明的一个方面，提供一种氧气传感器元件，包括：杯状的固体电解质主体，该杯状的固体电解质主体在所述氧气传感器的轴向上具有闭合尖端和开放基端，在具有外表面和内表面的该固体电解质主体的内部设置有参考气体室；测量电极，该测量电极形成在所述固体电解质主体的所述外表面上并且与被测量的气体接触；以及参考电极，该参考电极形成在所述固体电解质主体的所述内表面上，其中加热器被设置在所述参考气体室内部，其中

所述测量电极形成在所述固体电解质主体的所述外表面的部分上以便覆盖所述外表面的所述部分，所述部分位于所述固体电解质主体的在所述轴向上的尖端部分中，

所述参考电极形成在所述固体电解质主体的所述内表面上，

所述参考电极在与所述测量电极相对的所述内表面的部分内沿所述传感器元件的圆周方向连续形成，并且在所述参考电极和所述测量电极之间具有所述固体电解质主体，

所述测量电极具有在所述外表面的所述部分上的电极形成面积S1并且所述参考电极具有在所述内表面的所述部分上的电极形成面积S2，所述电极形成面积S1和S2满足关系0.385≤S2/S1<0.723，并且

所述加热器与所述内表面中的未形成有所述参考电极的部分接触。

本发明的发明人发现：通过将参考电极的面积S2相对于测量电极的面积S1减小预定范围，能够增加固体电解质主体的阻抗相对于氧气传感器元件的温度的梯度(因此以下将其称为“温度梯度”)。在固体电解质主体的温度梯度按照这种方式增加时，通过探测阻抗能够更加精确地确定氧气传感器元件的温度。因此，在第一发明中，通过以更高精度将氧气传感器元件的温度控制到期望温度，能够实现稳定的传感器输出。

此外，由于参考电极的面积S2相对于测量电极的面积S1减小预定范围，因此与测量电极的面积S1被固定并且参考电极形成在整个测量电极相对区域中时相比较，能够减小参考电极的电极形成面积。因此，在第一发明中，能够降低包含诸如铂的贵金属的电极材料的使用量，从而降低成本。

根据本发明的另一方面，提供一种氧气传感器元件，包括：杯状的固体电解质主体，该杯状的固体电解质主体在所述氧气传感器元件的轴向上具有闭合尖端和开放基端在具有外表面和内表面的该固体电解质主体的内部设置有参考气体室；测量电极，该测量电极形成在所述固体电解质主体的所述外表面上并且与被测量的气体接触；以及参考电极，该参考电极形成在所述固体电解质主体的所述内表面上，其中加热器被设置在所述参考气体室内部，其中

所述参考电极形成在所述固体电解质主体的所述内表面的部分上以便覆盖所述内表面的所述部分，所述部分位于所述固体电解质主体的在所述轴向上的尖端部分中，

所述测量电极形成所述固体电解质主体的所述外表面上，

所述参考电极在与所述测量电极相对的所述内表面的部分内沿所述传感器元件的圆周方向连续形成，并且在所述参考电极和所述测量电极之间具有所述固体电解质主体，

所述测量电极具有在所述外表面的所述部分上的电极形成面积S1并且所述参考电极具有在所述内表面的所述部分上的电极形成面积S2，所述电极形成面积S1和S2满足关系0.05≤S1/S2<1.38。

与上述第一方面相反，第二方面的重要特性在于发现，通过将测量电极的面积S1相对于参考电极的面积S2减小预定范围，能够增加温度梯度。与第一方面类似，由于温度梯度增加，能够通过探测阻抗来更加精确地确定氧气传感器元件的温度。因此，在第二方面中，通过以更高精度将氧气传感器元件的温度控制到期望温度，能够实现稳定的传感器输出。

此外，由于测量电极的面积S1相对于参考电极的面积S2减小预定范围，因此与参考电极的面积S2被固定并且测量电极形成在整个参考电极相对区域中时相比较，能够减小测量电极的电极形成面积。因此，在第二发明中，能够降低包含诸如铂的贵金属的电极材料的使用量，从而降低成本。

根据本发明的又一方面，提供一种包括根据上面第一方面的氧气传感器元件的氧气传感器。

根据本发明的另一方面，提供一种包括根据上面第二方面的氧气传感器元件的氧气传感器。

附图说明

将参照附图更加具体地描述本发明，在附图中：

图1是根据本发明第一实施例的氧气传感器元件的解释性图；

图2是根据第一实施例的氧气传感器元件的内部结构的解释性图；

图3是根据第一实施例的氧气传感器元件的内部结构的放大图；

图4是根据第一实施例的氧气传感器的结构的解释性图；

图5是根据第二实施例的氧气传感器元件的内部结构的解释性图；

图6A是根据第二实施例的氧气传感器元件的内部结构的解释性图，并且图6B是沿着图6A中的线A-A提取的截面图；

图7是根据第二实施例的氧气传感器元件的内部结构的解释性图；

图8是根据第二实施例的氧气传感器元件的内部结构的放大图；

图9是根据第二实施例的元件温度与元件电阻Zac之间关系的解释性图；

图10是根据第三实施例的氧气传感器元件的解释性图；

图11是根据第三实施例的氧气传感器元件的内部结构的解释性图；

图12是根据第三实施例的氧气传感器元件的内部结构的放大图；

图13是根据第四实施例的氧气传感器元件的解释性图；

图14是根据第四实施例的氧气传感器元件的解释性图；以及

图15是根据第四实施例的氧气传感器元件的解释性图。

具体实施方式

以下，将参照附图描述根据本发明优选实施例的氧气传感器元件和氧气传感器。

在第一实施例和第二实施例中，可以按照如下确定温度梯度，即与氧气传感器元件的温度相关的固体电解质主体的阻抗的梯度。

利用曲线图来表示氧气传感器元件的温度X(℃)与阻抗Y(Ω)之间的关系，并且推导出大致的曲线(拟合曲线)Y＝a·b^x(b：常数)。由此，确定温度梯度的值。

在第一实施例中，测量电极形成为围绕固体电解质主体的尖端部分的外表面。换句话说，沿纬向(widthwise)，即垂直于固体电解质主体的尖端部分的外表面的轴向方向，在整个圆周上形成测量电极。

测量电极可以设定为：例如从固体电解质主体的尖端到测量电极的后端的距离是沿固体电解质主体的轴向方向的总体长度的50％。

在测量电极的面积S1与参考电极的面积S2之间的关系为S2/S1<0.010时，参考电极的面积S2相对于测量电极的面积S1变得非常小。因此，会在测量电极和参考电极之间发生传导缺陷。另一方面，在S2/S1≥0.723时，不会充分实现本发明的效果，即增加温度梯度。

在固体电解质主体的内表面上的测量电极相对区域中，加热器优选与形成有参考电极的部分接触。测量电极的面积S1与参考电极的面积S2优选满足关系0.185≤S2/S1<0.723。在这种情况下，由于加热器与参考电极接触，因此缩短了活性时间并且增加了响应性。在这种情况下，响应性是指在被测量气体的氧气浓度改变时没有时间延迟地探测氧气浓度变化的能力。由于温度梯度变化不大，能够抑制与面积比S2/S1相关的温度梯度的变化。

在固体电解质主体的内表面上的测量电极相对区域内，优选沿圆周方向连续形成参考电极。由氧气传感器元件的轴心与参考电极的两个端部沿圆周方向形成的角度优选为10°到360°。加热器优选与固体电解质主体的内表面上的测量电极相对区域接触，并且参考电极优选形成在接触部分的至少一部分中。

在这种情况下，由于加热器与参考电极接触，缩短了活性时间并且能够实现高响应性。由于圆周方向上的角度改变，能够容易地改变面积比S2/S1，并且方便了温度梯度的调节。

此外，在固体电解质主体的内表面的测量电极相对区域中，加热器优选与未形成参考电极的部分接触。测量电极的面积S1和参考电极的面积S2优选满足关系0.385≤S2/S1<0.723。在这种情况下，由于参考电极没有形成在与具有最低电阻值的加热器的接触部分中，因此能够进一步增加温度梯度。

在第二发明中，参考电极围绕固体电解质主体的尖端部分中的内表面形成。换句话说，垂直于固体电解质主体的尖端部分的内表面的轴向方向，在整个圆周上形成参考电极。

参考电极可以设定为：例如从固体电解质主体的尖端到参考电极的后端的距离为沿固体电解质主体的轴向方向的总体长度的50％。

在参考电极的面积S2与测量电极的面积S1之间的关系为S1/S2<0.05时，测量电极的面积S1相对于参考电极的面积S2变得非常小。因此，会在测量电极和参考电极之间发生传导缺陷。

另一方面，在S1/S2≥1.38时，不会充分实现本发明的效果，即增加温度梯度。

在固体电解质主体的内表面上，加热器优选与测量电极相对的位置接触。参考电极的面积S2与测量电极的面积S1优选满足关系0.41≤S1/S2<1.38。在这种情况下，由于加热器与参考电极接触，因此缩短了活性时间并且增加了响应性。由于温度梯度改变不大，因此能够抑制与面积比S1/S2有关的温度梯度的变化。

测量电极优选在固体电解质主体的外表面上的参考电极相对区域内沿圆周方向分段形成。加热器优选至少部分地与固体电解质主体的内表面上的测量电极相对的位置接触。在这种情况下，由于加热器与参考电极接触并且接触部分与测量电极相对，因此缩短了活性时间并且增加了响应性。此外，由于测量电极形成为沿圆周方向划分开，因此能够容易地改变面积比S1/S2，并且方便温度梯度的调节。

[第一实施例]

将参照图1到图4描述根据本发明实施例的氧气传感器元件和氧气传感器。

如图1到图3所示，根据第一实施例的氧气传感器元件1具有杯状固体电解质主体10，所述固体电解质主体10具有闭合尖端和开放基端并且其内部设置有参考气体室13。与被测量的气体接触的测量电极11形成在固体电解质主体10的外表面101上。参考电极12形成在固体电解质主体10的内表面102上。加热器2设置为***在参考气体室13中。

如图所示，测量电极11形成为围绕固体电解质主体10的尖端部分100的外表面101。参考电极12形成测量电极相对区域102a内，该测量电极相对区域102a是固体电解质主体10的内表面上与测量电极11相对应的区域，并且在参考电极12和测量电极11之间具有固体电解质主体10。

测量电极11的面积S1与参考电极12的面积S2满足关系0.010≤S2/S1<0.723。

下面将对上文进行描述。

如图1和图2所示，氧气传感器元件1具有底部圆柱形的杯状固体电解质主体10，其在尖端侧闭合并且在基端侧开口。

如图1所示，测量电极11形成在固体电解质主体10的外表面101上。垂直于轴向方向，在整个圆周上形成测量电极11，以包围固体电解质主体10的尖端部分100的外表面101。

向测量电极11传导电流的外部引线部分111和外部端子部分112形成在固体电解质主体10的外表面上。

如图2所示，参考电极12形成在固体电解质主体10的内表面102上。参考电极12形成在测量电极相对区域102a内，该测量电极相对区域102a是在固体电解质主体10的内表面102上与测量电极11相对的区域，并且在参考电极12和测量电极11之间具有固体电解质主体10。

根据第一实施例，在测量电极相对区域102a的尖端侧上垂直于轴向方向，在整个圆周上形成参考电极12。

内部引线部分121和内部端子部分122形成在固体电解质主体10的内表面102上以向参考电极12传导电流。

如图1和图2所示，将形成在固体电解质主体10的外表面101上的测量电极11的电极形成面积表示为S1并且将形成在固体电解质主体10的内表面102上的测量电极相对区域102a内的参考电极12的电极形成面积表示为S2，满足关系0.010≤S2/S1<0.723。

固体电解质主体10由部分稳定的氧化锆制成。测量电极11、外部引线部分111、外部端子部分112、参考电极12、内部引线部分121、以及内部端子部分122全部由Pt(铂)制成。

测量电极11、外部引线部分111、外部端子部分112、参考电极12、内部引线部分121、以及内部端子部分122通过在固体电解质主体10的外表面101和内表面102上以焊盘印刷等将胶印刷为期望形状来形成。所述胶包含作为贵金属化合物的二亚苄基(dibenzylidene)Pt。然后对所印刷的胶进行热处理，从而形成Pt芯形成部分。随后执行无电镀沉积。

如图3所示，杆状加热器2设置为***在参考气体室13中。加热器2与固体电解质主体10的内表面102上形成有参考电极12的测量电极相对区域102a的部分接触。在加热器2的尖端部分200内包括加热元件(未示出)。

在氧气传感器元件1由加热器2加热的状态下，在固体电解质主体10的测量电极11和参考电极12之间发生与所测量的气体和参考气体之间的氧气浓度差相对应的电势差。可以通过该电势差来确定所测量气体的氧气浓度。

接下来，将描述使用根据第一实施例的氧气传感器元件的氧气传感器3的结构。

如图4所示，氧气传感器3具有壳体30。通过密封将氧气传感器元件1固定到壳体30。被测量的气体室310形成在壳体30的尖端侧。保护氧气传感器元件1的双测量气体侧盖体311和312也设置在壳体30的尖端侧。三级大气侧盖体321，322和323设置在壳体30的基端侧。

如图4所示，在大气侧盖体322和323的基端侧设置***有引线线路371，381和391的弹性绝缘构件35。

引线线路371对加热器2上电以生成热量。引线线路381和391将在固体电解质主体10中生成的电流提取为信号，并且将该信号发送到外部。

如图4所示，接合端子382和392设置在引线线路381和391的尖端侧。接合端子382和392与金属端子383和393接触并且传导电流。金属端子383和393固定到氧气传感器元件1。

金属端子383和393分别与氧气传感器元件1的外部端子部分112和内部端子部分122接触并且固定到该外部端子部分112和内部端子部分122(参见图1和图2)。

接下来，将描述根据第一实施例的氧气传感器元件1的操作效果。

在根据第一实施例的氧气传感器元件1中，测量电极11形成为围绕固体电解质主体10的尖端部分100的外表面101。参考电极12形成在固体电解质主体10的内表面102的测量电极相对区域102a内。测量电极11的面积S1和参考电极12的面积S2满足关系0.010≤S2/S1<0.723。结果，能够以高精度控制氧气传感器元件1的温度。

换句话说，第一实施例的重要特性在于：由于参考电极12的面积S2相对于测量电极11的面积S1减小了预定范围，因此增加了固体电解质主体10的阻抗相对于氧气传感器元件1的温度的梯度(温度梯度)。由于温度梯度的增加，能够通过探测阻抗更加精确地确定氧气传感器元件1的温度。因此，在执行氧气传感器元件1的温度控制以稳定传感器输出时，能够以更高的精度将氧气传感器元件1的温度控制到期望温度。

此外，由于参考电极12的面积S2相对于测量电极11的面积S1减小了预定范围，因此与测量电极11的面积S1被固定并且参考电极12形成在整个测量电极相对区域102a上时相比较，能够减小参考电极12的电极形成面积。因此，能够降低包含诸如Pt(铂)的贵金属的电极材料的使用量，从而降低成本。

按照这种方式，根据第一实施例，能够提供一种氧气传感器元件1，其能够以高精度控制元件温度并且通过减少电极材料来降低成本。

[第二实施例]

根据第二实施例，如表1A，表1B和表2所示，进行了氧气传感器元件样品A1到A12的性能测试。

样品A1到A12的氧气传感器元件具有与根据第一实施例的氧气传感器元件类似的结构。然而，每一个样品的参考电极的配置不同。

具体地说，如图5所示，样品A1是参考电极12形成在固体电解质主体10的内表面102上的整个测量电极相对区域102a上的传统产品。由于参考电极12按照这种方式形成在固体电解质主体10的内表面102上的整个测量电极相对区域102a上，因此确保了诸如活性时间和响应性的特性。此外，避免发生由排放气体相对于氧气传感器元件的接触方向而导致的方向性(directivity)。

如图2所示，在样品A2和A3中，在测量电极相对区域102的尖端侧，垂直于轴向方向，在整个圆周上形成参考电极12。样品A2和A3的参考电极12的尖端长度彼此不同。

如图6A和图6B所示，在样品A4到A11中，参考电极12在测量电极相对区域102a内沿圆周方向连续形成。参考电极12的圆周面积在9°到180°的范围内改变。图6示出样品A4的氧气传感器元件1。

如图7所示，在样品A12中，在测量电极相对区域102a的基端侧，垂直于轴向方向，在整个圆周上形成参考电极12。如图8所示，加热器2与固体电解质主体10的内表面101的测量电极相对区域102a中没有形成参考电极12的部分接触。

接下来，将描述表1A和表1B中示出的氧气传感器元件(样品A1到A21)的每一个字段(field)。

加热器的接触位置(mm)是从氧气传感器元件1的尖端到加热器2的尖端的距离a1(参见图3)。

测量电极的尖端长度(mm)是从氧气传感器元件1的尖端到测量电极11的后端的距离a2(参见图1)。

测量电极的引线周长(mm)在沿外部引线部分111的圆周方向的长度a3(参见图1)。

参考电极的尖端长度(mm)是从氧气传感器元件1的尖端到参考电极12的后端的距离a4(参见图2)。

参考电极的周长(mm)是沿参考电极12的圆周方向的长度。

参考电极的电极边缘位置(mm)是从氧气传感器元件1的尖端到参考电极12的尖端的距离a5(参见图7)。

参考电极的引线周长(mm)是沿内部引线部分121的圆周方向的长度a6(参见图2)。

参考电极的圆周角(°)是由氧气传感器元件1的轴心O和参考电极12的两个端部沿圆周方向形成的角度θ(参见图6B)。

面积比S2/S1是参考电极12的面积S2相对于测量电极11的面积S1的比值。

[表1A]

[表1B]

接下来，将描述表2所示的氧气传感器元件(样品A1到A12)的性能测试。

在气体温度为400℃并且元件加热器关闭(无自加热)的条件下使用模型气体特性检查设备来测量在模型气体内执行氧气传感器元件的自反馈时的输出幅度VA。

对VA做出如下判定：在0.75V或者更大时◎；在0.65V或者更大并且小于0.75V时○；以及在小于0.65V时×。

关于温度梯度a，通过使用电炉的加热器，将元件尖端在大气内加热到550℃、650℃和750℃。此时，测量由在将10kHz的交流施加到氧气传感器元件时获得的电流值计算的元件电阻。在曲线图中表示元件温度X(℃)和元件电阻(阻抗)Y(Ω)之间的关系，并且推导大致的曲线(拟合曲线)Y＝a·b^x(b：常数)。由此，确定温度梯度的值。

参照作为传统产品的样品A1的88.2的温度梯度进行温度梯度a的判定，其中在相对的位置设置测量电极和相对电极。将温度梯度a判定为：在88.2或者更低时×，在大于88.2和98.2或者更低时○，以及在大于98.2时◎。

[表2]

接下来，将描述对表2所示的氧气传感器元件(样品A1到A12)进行的性能测试的结果。

关于具有比传统产品样品A1的面积比S2/S1(＝0.723)更小的面积比S2/S1的所有样品A2到A12，温度梯度判定为○或者◎，并且VA判定为◎。

关于具有小于0.010的面积比S2/S1的样品A11，参考电极的面积S2相对于测量电极的面积S1非常小。因此，会在测量电极和参考电极之间发生传导缺陷。

上述结果表明：通过将面积比S2/S1设定在本发明的范围内，即如在A2到A10和A12的样品中的0.010≤S2/S1<0.723，可以增加温度梯度a。也显然的是，能够以较高精度将氧气传感器元件的温度控制到期望温度。

图9示出传统产品样品A1和本发明产品样品A2，A5和A6的元件温度X(℃)和元件电阻(阻抗)Y(Ω)之间的关系。

如图9所示，本发明产品样品A2，A5和A6的温度梯度a大于传统产品样品A1的温度梯度。本发明产品的温度梯度a随着S2相对于S1的面积比的降低而增加。

[第三实施例]

如图10到图12所示，第三实施例是测量电极11和参考电极12的配置改变的示例。

根据第三实施例，如图10所示，垂直于轴向方向，在整个圆周上形成参考电极12，以围绕固体电解质主体10的尖端部分100的内表面102。

如图11所示，测量电极11形成在参考电极相对区域101a内，该参考电极相对区域101a是固体电解质主体10的外表面101上与参考电极12相对的区域，并且在参考电极12和测量电极11之间具有固体电解质主体10。根据第三实施例，在参考电极相对区域101a的尖端侧上，垂直于轴向方向，在整个圆周上形成测量电极11。

如图12所示，加热器2与固体电解质主体10的内表面102上与测量电极11相对应的位置接触。

如图10和图11所示，形成在固体电解质主体10的外表面101上的测量电极的电极形成面积为S1并且形成在固体电解质主体10的内表面102上的测量电极相对区域102a内的参考电极12的电极形成面积为S2，满足关系0.05≤S1/S2<1.38。

其它配置与根据第一实施例的配置相似。

接下来，将描述根据第三实施例的氧气元件传感器1的操作效果。

与第一实施例相反，第三实施例的重要特性在于发现：随着测量电极11的面积S1相对于参考电极12的面积S2减小了预定范围，温度梯度增加。而根据第一实施例，由于温度梯度增加，能够通过探测阻抗来更加精确地确定氧气传感器元件1的温度变化。因此，通过以较高精度将氧气传感器元件的温度控制到期望温度，能够实现稳定的传感器输出。

由于测量电极11的面积S1相对于参考电极12的面积S2减小了预定范围，因此与当参考电极12的面积S2被固定并且在整个参考电极相对区域101a中形成测量电极11时相比较，能够减小测量电极11的电极形成面积。因此，能够降低包含诸如Pt(铂)的贵金属的电极材料的使用量，从而降低成本。

因此，根据第三实施例，能够提供一种氧气传感器元件1，其能够更加精确地控制元件温度并且通过降低电极材料而降低成本。

[第四实施例]

根据第四实施例，如表3A，3B到表6A，6B所示，进行了氧气传感器样品B1到B23的性能测试。

样品B1到B23的氧气传感器元件具有与根据第三实施例的氧气传感器元件类似的结构。然而，每一个样品的测量电极的配置不同。

具体地说，样品B1是测量电极11形成在固体电解质主体10的外表面101上的整个参考电极相对区域101a上的传统产品，如图13所示。

如图14所示，在样品B2到B6和B17到B20中，测量电极11在参考电极相对区域101a内并且沿圆周方向分段形成。每一个样品的轴线角、探测元件的数量以及探测元件的宽度不同。图14示出了样品B18的氧气传感器元件1。

如图10所示，在样品B7和B8中，垂直于轴向方向在整个圆周上形成测量电极11以围绕固体电解质主体10的尖端部分100的外表面101。每一个样品的测量电极11的尖端长度不同。

如图10所示，在样品B9到B16中，测量电极11连续地形成在参考电极相对区域101a内，或者沿圆周方向分段形成。每一个样品的周长、探测元件的数量、探测元件的宽度以及测量电极11的圆周面积不同。

如图15所示，在样品B21到B23中，在参考电极相对区域101a的基端侧上，垂直于轴向方向在整个圆周上形成测量电极11。每一个样品的测量电极11的尖端长度和电极边缘位置不同。图15示出了样品B23的氧气传感器元件1。

接下来，将描述表3A、3B和表4A、4B所示的氧气传感器元件(样品B1到B23)的每一个度量。将省略与根据第二实施例的表1A和表1B相同字段的描述。

测量电极的周长(mm)是测量电极11沿圆周方向的长度。在测量电极11被分段时，周长是每一个测量电极11沿圆周方向的长度之和。

测量电极的电极边缘位置(mm)是从氧气传感器元件1的尖端到测量电极11的尖端的距离a7(参见图15)。

测量电极的轴角(°)是旋转对称轴与作为中心的氧气传感器元件1的轴心之间的角度。

测量电极的探测元件的数量是测量电极11沿圆周方向的段的数量。

测量电极的探测元件的宽度(mm)是沿圆周方向分段的每一个测量电极11的圆周方向上的宽度a8(参见图14)。

测量电极的引线周长(mm)是沿圆周方向的外部引线部分111的长度a9(参见图10)。

测量电极的圆周角(°)是由氧气传感器元件1的轴心与测量电极11(在沿圆周方向分段时为每一个分段的测量电极11)的两个端部沿圆周方向形成的角度。

面积比S1/S2是测量电极11的面积S1相对于参考电极12的面积S2的比值。

[表3A]

[表3B]

[表4A]

[表4B]

接下来，将描述对表5A、5B和表6A、6B所示的氧气传感器元件(样品B1到B23)进行的性能测试。

通过与根据第二实施例类似的方法来确定VA。也按照类似的方式进行VA的判定。

利用与根据第二实施例类似的方法来确定温度梯度a。参照作为传统产品的样品B1的88.2的温度梯度a进行温度梯度a的判定，样品B1中测量电极和相对电极设置在相对的位置。温度梯度a判定为：在88.2或者更小时×，在大于88.2和98.2或者更小时○，以及在大于98.2时◎。

响应性通过以下方式确定：在气体温度为400℃并且元件温度为550℃的条件下的发动机台上(bench)评估中，在强(rich)和弱(lean)之间强迫阶路响应期间，测量从强到弱的输出改变时间与从弱到强的输出改变时间之和。通过沿一个方向测量的输出改变时间的和与在旋转180°之后测量的输出改变时间的和之间的差(响应性差(ms))来测量响应差。

响应性判定为：在响应性差为400ms或者更大时×；和在小于400ms时○。

[表5A]

[表5B]

[表6A]

[表6B]

接下来，将描述对表5A、5B和表6A、6B所示的氧气传感器元件(样品B1到B23)进行的性能测试的结果。

关于具有比传统产品样品B1的面积比S1/S2(＝1.38)小的面积比S1/S2的全部样品B2到B23，温度梯度判定为◎，并且VA判定为◎。对于探测元件的数量为1并且测量电极没有设置为轴向对称的样品B2和B9，响应性判定为×。对于其它样品响应性判定为○。

关于具有小于0.05的面积比S1/S2的样品B16，测量电极的面积S1相对于参考电极的面积S2非常小。因此，会在测量电极和参考电极之间发生传导缺陷。

上述结果表明，通过将面积比S1/S2设定在本发明的范围内，即如在样品B2到B15和B17到B23中的0.05≤S1/S2<1.38，能够增加温度梯度a。也显然的是，能够以较高精度将氧气传感器元件的温度控制到期望温度。

Claims (2)

1.一种氧气传感器元件，包括：杯状的固体电解质主体，该杯状的固体电解质主体在所述氧气传感器的轴向上具有闭合尖端和开放基端，在具有外表面和内表面的该固体电解质主体的内部设置有参考气体室；测量电极，该测量电极形成在所述固体电解质主体的所述外表面上并且与被测量的气体接触；以及参考电极，该参考电极形成在所述固体电解质主体的所述内表面上，其中加热器被设置在所述参考气体室内部，其中

所述测量电极形成在所述固体电解质主体的所述外表面的部分上以便覆盖所述外表面的所述部分，所述部分位于所述固体电解质主体的在所述轴向上的尖端部分中，

所述参考电极形成在所述固体电解质主体的所述内表面上，

所述参考电极在与所述测量电极相对的所述内表面的部分内沿所述传感器元件的圆周方向连续形成，并且在所述参考电极和所述测量电极之间具有所述固体电解质主体，

所述测量电极具有在所述外表面的所述部分上的电极形成面积S1并且所述参考电极具有在所述内表面的所述部分上的电极形成面积S2，所述电极形成面积S1和S2满足关系0.385≤S2/S1<0.723，并且

所述加热器与所述内表面中的未形成有所述参考电极的部分接触。

2.一种气体传感器，包括根据权利要求1所述的氧气传感器元件。