JPH0222692Y2 - - Google Patents

Description

【考案の詳細な説明】 本考案は排気ガスなどの被測定ガス中の酸素濃
度を測定するための酸素センサに関する。更に詳
しくは、本考案は、空燃比などを広範囲にかつ非
常に精密に測定することができる酸素センサに係
わるものである。

自動車用エンジンの燃費改善及び排気ガス浄化
のため、吸入混合気の空燃比を理論空燃比（空気
過剰率λ＝１）より高いリーン側で運転する方法
が提案され、空気過剰率λ≧１における空燃比を
正確に測定できる酸素センサが求められている。

かかる用途の酸素センサの１つとして米国フオ
ード社によつて公表されたものがある（例えば特
開昭56−130649）。

このセンサは電極を両面に設けた２枚の板状酸
素イオン導電性固体電解質焼結体を、一方は酸素
ポンプ素子に、他方は酸素濃淡電池素子として、
側壁に小さな孔を穿つた耐熱材料からなる円筒形
スペーサを挾んで積層して接着し、上記２つの板
状素子間に囲われた室と酸素拡散孔とを形成して
なるものである。しかして、酸素汲み出し用の酸
素ポンプ素子に通電し上記孔を通して外界雰囲気
即ち被測定雰囲気との間の拡散による酸素の流通
を許しながら上記囲われた室内の酸素を、例えば
酸素濃淡電池素子の出力即ち室内と外との酸素濃
度比が常に一定になるように汲み出すことにより
酸素汲み出し電流が被測定ガス雰囲気中の酸素濃
度と対応することを利用して被測定ガス中の酸素
濃度を電気的に測定するというものである。かか
る方式のセンサは、酸素ポンプ素子と酸素濃淡電
池素子とをそれぞれ別々に設けるので雰囲気ガス
温度に対するセンサ出力の温度依存性の点で有利
となるものである。しかしながら、より正確さを
要求する場合には、加熱器を付設し、センサの温
度とその周囲の温度をほぼ一定の温度に維持する
必要があつた。上記の場合、熱効率が劣る欠点が
あつた。

本考案の目的は上記欠点を解決して効率的にセ
ンサを加熱し、しかも簡単な構造でかつ発熱抵抗
体の付与によつても測定値に影響を与えることな
く正確な測定ができる酸素センサを提供するもの
である。

即ち、本考案の要旨とするところは、それぞれ
両面に電極用とその引き出し線用の耐熱金属層を
設けた酸素ポンプ素子用及び酸素濃淡電池素子用
の２つのジルコニア質酸素イオン導電性固体電解
質板状体を、厚み方向の孔を穿つた中間板状体を
挾んで積層一体化し、しかして先側と元側とを区
別し、上記先側に偏平な囲われた室と該室を外界
に連通させる連通孔とを形成するとともに上記室
の厚み方向の両壁にそれぞれ元側から引き出し線
を介して電圧の印加もしくは取り出しがなされる
酸素ポンプ素子もしくは酸素濃淡電池素子の酸素
透過壁を形成する酸素センサにおいて、厚み方向
の少なくとも一部分に電気絶縁性セラミツクの孔
あき板または層を積層し、該板ないし層の中また
は間であつてかつ該孔の周辺部に発熱抵抗体を埋
設してなることを特徴とする酸素センサにある。

次に、図を参照しつつ説明する。第１図乃至第
３図は本考案の第１実施例を示す。第１図は第１
実施例の酸素センサの各構成部分の分解斜視図を
表わす。

ここにおいて、１は酸素濃淡電池素子、２は酸
素ポンプ素子、３は加熱素子である。酸素濃淡電
池素子１は固体電解質の長方形板状体からなり、
その元側１ｂ近傍の各長辺に、相対する位置に突
部１ｃが設けられている。電池素子１の先側１ａ
には素子を挾むようにして、その表裏面の相対す
る位置に公知の厚膜技術若しくは薄膜技術を用い
て被着形成した多孔性の耐熱金属層よりなる電極
９，１０が正方形状に設けられている。一方の正
方形電極９の元側方向の２つの角の内の１つより
耐熱金属層よりなる引き出し線９ａが、板状体の
元側１ｂへ真直ぐに伸びる帯形状に設けられてい
る。同様に他方の正方形電極１０の元側方向の２
つの角の内、電極９と反対側の角より引き出し線
１０ａが板状体の元側１ｂへ真直ぐに伸びる帯形
状に設けられている。引き出し線９ａは元側１ｂ
で板状体の表裏を貫通しているスルーホール９ｄ
を通じて、その反対面の取り出し部９ｂに電気的
に接続されている。引き出し線１０ａは元側１ｂ
で取り出し部１０ｂを形成し、その結果、同一面
に、２つの電極９，１０の取り出し部９ｂ，１０
ｂが配設されていることになる。

酸素ポンプ素子２も電池素子１と同様に、固体
電解質の長方形板状体からなり、その元側２ｂ近
傍の各長辺に、相対する位置に突部２ｃが設けら
れている。ポンプ素子２の先側２ａには素子を挾
むようにして、その表裏面の相対する位置に公知
の厚膜技術若しくは薄膜技術を用いて被着形成し
た多孔性の耐熱金属層よりなる電極１１，１２が
正方形状に設けられている。一方の正方形電極１
１の元側方向の２つの角の内の１つより耐熱金属
層よりなる引き出し線１１ａが、板状体の元側２
ｂへ真直ぐに伸びる帯形状に設けられている。同
様に他方の正方形電極１２の元側方向の２つの角
の内、電極１１と反対側の角より引き出し線１２
ａが板状体の元側２ｂへ真直ぐに伸びる帯形状に
設けられている。引き出し線１２ａは元側２ｂで
板状体の表裏を貫通しているスルーホール１２ｄ
を通じて、その反対面の取り出し部１２ｂに電気
的に接続されている。引き出し線１１ａは元側２
ｂで取り出し部１１ｂを形成し、その結果、同一
面に、２つの電極１１，１２の取り出し部１１
ｂ，１２ｂが配設されることになる。

電池素子１及びポンプ素子２の各板状体を形成
している固体電解質は酸素イオン導電体の性質を
有することが必要であり、ジルコニアのイツトリ
ア、カルシアあるいはマグネシア等の４〜15モル
％との固溶体が代表的なものであり、その他二酸
化セリウム、二酸化トリウム、二酸化ハフニウム
の各固溶体、ペロブスカイト型酸化物固溶体、３
価金属酸化物固溶体等が酸素イオン導電体の固体
電解質として使用可能である。ここではY₂O₃で
部分安定化したジルコニアを用いた。

各板状体の表面に形成される電極９，１０，１
１，１２、引き出し線９ａ，１０ａ，１１ａ，１
２ａ、および取り出し部９ｂ，１０ｂ，１１ｂ，
１２ｂをなす耐熱金属層は主にPt，Ru，Pd，
Rh，Ir，Au，Ag等からなり、好ましくは、その
共素地含有ペーストがプリント印刷することによ
り形成される。ここでは耐熱金属層は白金粉末に
共素地粉末を20外重量％加えたペーストを印刷し
素子の焼結と同時に焼成して形成し厚みは約
15μm、気孔率は約30％であつた。

次に加熱素子３はアルミナ、スピネル等の絶縁
性の板状体からなり、その各長辺の相対する位置
に突部３ｃが設けられている。この突部３ｃより
先側３ａまでの長さは他の２つの素子と同一であ
るが、突部３ｃより元側３ｂまでの長さは他の２
つの素子と異なり、ある程度長く形成されてい
る。ただし幅は全て他の２つの素子と同一であ
る。加熱素子３の先側３ａには、前記の電池素子
１およびポンプ素子２に設けられている電極９，
１０，１１，１２の位置に対応する大きさおよび
部位で、厚み方向に打ち抜いた孔８が設けられて
いる。前記孔８の周囲の板状体はその一部が切り
取られ、外部より孔８への連通孔８ａを形成して
いる。孔８の周囲の加熱素子板状体の一面に発熱
抵抗体１３が波形ないし線状に配設され、連通孔
８ａを挾んで相対する発熱抵抗体端部１３ａおよ
び１３ｂで引き出し線１４ｂと接続している。２
本の引き出し線１４ｂは加熱素子先側３ａの発熱
抵抗体端部１３ａから加熱素子元側３ｂへ導か
れ、各々それらの先端は取り出し部１４ｃを形成
している。前記発熱抵抗体１３、引き出し線１４
ｂおよび取り出し部１４ｃは耐熱金属層よりなる
が、発熱抵抗体１３はPt，Rh等の耐熱耐酸化性
金属材料のペーストを、引き出し線１４ｂおよび
取り出し部１４ｃは主にPt，Ru，Pd，Rh，Ir，
Au，Ag等のペーストをそれぞれプリント印刷し
て形成される。ここでは、上記耐熱金属層は、白
金粉末に共素地粉末を20外重量％加えたペースト
を使用した。

このように発熱抵抗体１３、引き出し線１４ｂ
および取り出し部１４ｃが形成されている面に、
更にその絶縁性を付与するため非導電体の絶縁コ
ート６がなされている。この絶縁コートの材質
は、加熱素子板状体の材質と同じアルミナあるい
はスピネルがその焼結による接着性の良いことと
熱歪みが生じないこと等から好ましい。コートの
厚さは通常50μに設定される。

以上の第１実施例の各素子１，２，３は好まし
くは、未焼成の状態でその先側を一致させるよう
に電池素子１、コート６を施した加熱素子３、お
よびポンプ素子２の順番で積層圧着され、さらに
突部１ｃ，２ｃ，３ｃが積層した部分には係止片
４，５がその部分を挾むように積層圧着される。
この積層体を大気雰囲気で焼成一体化することに
より、第２図および第３図に示す如くの酸素セン
サが形成される。

なお加熱素子３を焼結体として得てから、これ
を同じく焼結体として得た電池素子およびポンプ
素子とを、耐熱性無機質接着剤あるいはガラスフ
リツトのペーストを塗布してはり合わせ、加熱処
理することにより積層一体化する方法を採つても
よく、その場合は、発熱抵抗体または引き出し線
として、Ｗ（タングステン）等の高融点金属材料
も用いることができる。

第２図は第１実施例の酸素センサの断面図、第
３図は斜視図を表わす。

このように積層一体化された上記実施例の酸素
センサは先側に、電池素子１の電極９（５mm×５
mm）、ポンプ素子２の電極１２（５mm×５mm）お
よび加熱素子３の孔８の内面１５とに囲まれ、連
通孔８ａ（２mm×0.5mm×長さ１mm）により外部と
通ずる室１６（５mm×５mm×厚さ0.5mm）を有し、
室１６の周辺（孔８の周辺部）に発熱抵抗体を傭
し、元側には、中心に積層された加熱素子３の１
部がとび出した形になつて各素子の取り出し部９
ｂ，１０ｂ，１１ｂ，１２ｂ，１４ｃ，１４ｃが
露出し、中央部から元側寄りにセンサプローブ組
み立てのために係止部１７を有している。

この実施例のセンサで室１６の周辺に室を囲う
ように配された白金の発熱抵抗体は12V用10watt
とされ自動車エンジンの排ガス中の酸素分圧測定
用のセンサととして充分な容量を保持させること
ができた。また、酸素ポンプ素子の電流を
0.02mAから3mAまで変化させて囲われた室１６
内の雰囲気から酸素を汲み出したとき、酸素濃淡
電池素子の出力電圧を20ミリボルト一定とする条
件下で対応した外界の被測定ガス中の酸素濃度
は、約0.05から10％まであつた。両者の対応関係
は両対数目盛で直線的であつた。なお、センサの
温度は約800℃に保持された。

以上の第１実施例の酸素センサにおいて、セン
サに組み込まれた加熱素子３はセンサ全体を効率
よく加熱し良好な温度補償がなされる。しかも加
熱電流の流れる発熱抵抗体１３およびその引き出
し線１４ｂが加熱素子自体およびその上を被覆し
ている絶縁性材料によつて他の素子と絶縁されて
いることにより、加熱素子の電流が他の素子へ流
れることがなく測定精度に悪影響を与えることが
ない。また連通孔８は室１６の厚みの大きさの縦
巾を有し、使用中における孔８のつまりによる性
能劣化を防止するとともに応答性を向上させるの
に働く。

次に第４図に第２実施例を示す。ここにおい
て、２１は電池素子、２２はポンプ素子、２３は
加熱素子、２６は絶縁板である。電池素子２１は
固体電解質の長方形板状体からなる。電池素子２
１の先側２１ａには素子を挾むようにして、その
表裏面の相対する位置に耐熱金属層よりなる電極
２９，３０が正方形状に設けられている。一方の
正方形電極２９の元側方向の２つの角の内の１つ
より耐熱金属層よりなる引き出し線２９ａが、板
状体の元側２１ｂへ真直ぐに伸びる帯形状に設け
られている。同様に他方の正方形電極３０の元側
方向の２つの角の内電極２９と反対側の角より引
き出し線３０ａが板状体の元側２１ｂへ真直ぐに
伸びる帯形状に設けられている。引き出し線２９
ａは元側２１ｂで板状体の表裏を貫通しているス
ルーホール２９ｄを通じて、その反対面の取り出
し部２９ｂに電気的に接続されている。引き出し
線３０ａは元側２１ｂで取り出し部３０ｂを形成
し、その結果、同一面に、２つの電極２９，３０
の取り出し部２９ｂ，３０ｂが配設されることに
なる。

酸素ポンプ素子２２も電池素子２１と同様に固
体電解質の長方形板状体からなる。ポンプ素子２
２の先側２２ａには素子を挾むようにして、その
表裏面の相対する位置に耐熱金属層よりなる電極
３１，３２が正方形状に設けられている。一方の
正方形電極３１の元側方向の２つの角の内の１つ
より耐熱金属層よりなる引き出し線３１ａが、板
状体の元側２２ｂへ真直ぐに伸びる帯形状に設け
られている。同様に他方の正方形電極３２の元側
方向の２つの角の内、電極３１と反対側の角より
引き出し線３２ａが板状体の元側２２ｂへ真直ぐ
に伸びる帯形状に設けられている。引き出し線３
２ａは元側２２ｂで板状体の表裏を貫通している
スルーホール３２ｄを通じて、その反対面の取り
出し部３２ｂに電気的に接続されている。引き出
し線３１ａは元側２２ｂで取り出し部３１ｂを形
成し、その結果、同一面に、２つの電極３１，３
２の取り出し部３１ｂ，３２ｂが配設されること
になる。

本実施例の電池素子およびポンプ素子の各板状
体を形成している固体電解質は、第１実施例と同
様な酸素イオン導電性の固体電解質が使用され
る。

各板状体の表面に設けられる電極２９，３０，
３１，３２、引き出し線２９ａ，３０ａ，３１
ａ，３２ａおよび取り出し部２９ｂ，３０ｂ，３
１ｂ，３２ｂは第１実施例と同様な材質を使用し
同様な方法で形成されたものである。

次に加熱素子２３はアルミナ、スピネル等の絶
縁性の板状体からなる。その幅は他の２つの素子
と同様であるが、長さは他の素子よりある程度長
く形成されている。加熱素子２３の先側２３ａに
は、前記の電池素子２１およびポンプ素子２２に
設けられている電極２９，３０，３１，３２の位
置に対応する大きさおよび部位で、厚み方向に打
ち抜いた孔２８が設けられている。孔２８の周囲
の加熱素子板状体の一面に発熱抵抗体３３が波形
ないし線形に配設され、抵抗体３３の両端部は
各々、孔２８近傍の元側寄りの所で引き出し線３
４ｂに接続している。２本の引き出し線３４ｂは
加熱素子元側２３ｂへ導かれ、各々それらの先端
は取り出し部３４ｃを形成している。前記発熱抵
抗体３３、引き出し線３４ｂおよび取り出し部３
４ｃは第１実施例と同様な耐熱金属層よりなり、
同様な方法で形成された。

次に絶縁板２６は、アルミナ、スピネル等の絶
縁性の板状体からなる。その幅は３つの素子と同
じであり、長さは、電池素子２１と同じである。
この絶縁板２６の先側には前記のポンプ素子２２
に設けられている電極３２および加熱素子２３の
孔２８の位置と大きさに対応して、厚み方向に打
ち抜いた孔３７が設けられている。前記絶縁板２
６の孔３７の周囲の部分はその一部が３ケ所切り
取られ、外部より孔３７への連通孔３７ａ，３７
ｂ，３７ｃを形成している。このことにより絶縁
板２６は３片２６ａ，２６ｂ，２６ｃによつて構
成されていることになる。

以上の各素子および絶縁板は、より好ましくは
未焼成成形品の段階でその先側を一致させるよう
に電池素子２１、加熱素子２３、絶縁板２６およ
びポンプ素子２２の順番で積層し圧着され、この
積層体を焼成一体化することにより、第５図に示
す如くの酸素センサが形成される。

第５図は第２実施例の酸素センサの長軸方向の
断面図を表わす。このように積層一体化された酸
素センサは先側に、電池素子２１の電極２９（５
mm×５mm）、ポンプ素子２２の電極３２（５mm×
５mm）、加熱素子２３の孔２８の内面３５および
絶縁板２６の孔３７の内面３８ａ，３８ｂ，３８
ｃとに囲まれ、連通孔３７ａ，３７ｂ，３７ｃ
（それぞれ１mm×0.5mm×長さ１mm）により外部と
通じた室３６（５mm×５mm×厚さ１mm）を有し、
室１６の周辺（孔の周辺部）に発熱抵抗体を傭
し、元側には積層された加熱素子２３の一部がと
び出した形になつて、各素子の取り出し部２９
ｂ，３０ｂ，３１ｂ，３２ｂ，３４ｃ，３４ｃが
露出している。

上記実施例で、酸素ポンプ素子の電流を
0.025mAから5mAまで変化させて囲われた室５
６内の雰囲気から酸素を汲し出したとき、酸素濃
淡電池素子の出力電圧を20mV一定とする条件下
で対応した外界の被測定ガス中の酸素濃度は、約
0.05から10％までであつた。両者の対応関係は両
対数目盛で直線的であつた。なおセンサの温度は
約800℃に保持された。

以上の第２実施例の酸素センサにおいて、セン
サに組み込まれた加熱素子２３にてセンサ全体が
効率よく加熱されることにより良好な温度補償が
なされ、しかも加熱電流の流れる発熱抵抗体３３
およびその引き出し線３４ｂが加熱素子自体およ
び絶縁板２６によつて他の素子と絶縁されている
ことにより、加熱装置の電流が他の素子へ流れる
ことがなく、測定精度に悪影響を与えることがな
い。又、連通孔が３方向に開口していることによ
り、室３６と外気との均一な酸素の拡散が可能と
なり応答性も向上され、より正確な測定が可能と
なるものである。

第２実施例の酸素センサの積層組み立てにおい
て、絶縁板は最初から３片に分離したものを使用
して組み立ててもよいが、第６図に示す如く、縁
部２６ｄを設けて、一回り大きく形成し、他の３
素子と積層組立後、グリーンシートの状態でその
縁部２６ｄを切り取つて、酸素センサを製造した
方が作業性がよい。

次に第７図に第３実施例を示す。ここにおいて
４１は電池素子、４２はポンプ素子、４３は加熱
素子、４６は絶縁板、５９は中間板状体である。

電池素子４１は固体電解質の長方形板状体から
なる。電池素子４１の先側４１ａには素子を挾む
ようにして、その表裏面の相対する位置に耐熱金
属層よりなる電極４９，５０が正方形状に設けら
れている。一方の正方形電極４９の元側方向の２
つの角の内の１つより耐熱金属層よりなる引き出
し線４９ａが、板状体の元側４１ｂへ真直ぐに伸
びる帯形状に設けられている。同様に他方の正方
形電極５０の元側方向の２つの角の内、電極４９
と反対側の角より引き出し線５０ａが板状体の元
側４１ｂへ真直ぐに伸びる帯形状に設けられてい
る。引き出し線４９ａは元側４１ｂで板状体の表
裏を貫通しているスルーホール４９ｄを通じて、
その反対面の取り出し部４９ｂに電気的に接続さ
れている。引き出し線５０ａは元側４１ｂで取り
出し部５０ｂを形成し、その結果、同一面に、２
つの電極４９，５０の取り出し部４９ｂ，５０ｂ
が配設されることになる。

ポンプ素子４２も電池素子４１と同様に、固体
電解質の長方形板状体からなる。ポンプ素子４２
の先側４２ａには素子を挾むようにして、その表
裏面の相対する位置に耐熱金属層よりなる電極５
１，５２が正方形状に設けられている。一方の正
方形電極５１の元側方向の２つの角の内の１つよ
り耐熱金属層よりなる引き出し線５１ａが、板状
体の元側５１ｂへ真直ぐに伸びる帯形状に設けら
れている。同様に他方の正方形電極５２の元側方
向の２つの角の内、電極５１と反対側の角より引
き出し線５２ａが板状体の元側４２ｂへ真直ぐに
伸びる帯形状に設けられている。引き出し線５２
ａは元側４２ｂで板状体の表裏を貫通しているス
ルーホール５２ｄを通じて、その反対面の取り出
し部５２ｂに電気的に接続されている。引き出し
線５１ａは元側４２ｂで取り出し部５１ｂを形成
し、その結果、同一面に、２つの電極５１，５２
の取り出し部５１ｂ，５２ｂが配設されることに
なる。

本実施例の電池素子およびポンプ素子の各板状
体を形成している固体電解質は、第１実施例と同
様な酸素イオン導電性の固体電解質が使用され
る。

各板状体の表面に設けられる電極４９，５０，
５１，５２、引き出し線４９ａ，５０ａ，５１
ａ，５２ａおよび取り出し部４９ｂ，５０ｂ，５
１ｂ，５２ｂは第１実施例と同様な材質を使用し
同様な方法で形成されたものである。

次に加熱素子４３はアルミナ、スピネル等の絶
縁性の板状体からなる。その幅および長さは他の
２つの素子と同様である。加熱素子４３の先側４
３ａには、前記の電池素子４１およびポンプ素子
４２に設けられている電極４９，５０，５１，５
２に対応する大きさおよび部位で、厚み方向に打
ち抜いた孔４８が設けられている。孔４８の周囲
の加熱素子板状体の一面に発熱抵抗体５３が波形
若しくは線形に配設され、抵抗体５３の両端部は
各々、孔４８近傍の元側寄りの所で引き出し線５
４ｂに接続している。２本の引き出し線５４ｂは
加熱素子元側４３ｂから更に端面４３ｃにまで導
かれ、その端面４３ｃで各々それらの先端は取り
出し部５４ｃを形成している。前記発熱抵抗体５
３、引き出し線５４ｂおよび取り出し部５４ｃは
第１実施例と同様な耐熱金属層よりなり、同様な
方法で形成された。

次に絶縁板４６は、アルミナ、スピネル等の絶
縁性の板状体からなる。その幅および長さは３つ
の素子と同じである。この絶縁板４６の先側４６
ａには前記のポンプ素子４２に設けられている電
極５２および加熱素子４３の孔４８の位置と大き
さに対応して、厚み方向に打ち抜いた孔５７が設
けられている。

次に中間板状体５９はポンプ素子と同じジルコ
ニア等の固体電解質の板状体からなつている。そ
の幅および長さは３つの素子および絶縁板４６と
同じである。この中間板状体５９は絶縁板４６と
同じく、その先側の同じ位置に同じ大きさの、厚
み方向に打ち抜いた孔６１が設けられている。前
記中間板状体５９の孔６１の周囲の部分はその一
部が３ケ所切り取られ、外部より孔６１への連通
孔６１ａ，６１ｂ，６１ｃを形成している。この
ことにより中間板状体５９は３片５９ａ，５９
ｂ，５９ｃによつて構成されていることになる。

以上の各素子、絶縁板および中間板状体は、よ
り好ましくは、未焼成成形品の段階で、その全体
を一致させるように電池素子４１、加熱素子４
３、絶縁板４６、中間板状体５９およびポンプ素
子４２の順番で積層圧着され、、この積層体を焼
成一体化することにより、第８図に示す如くの酸
素センサが形成される。

第８図は第３実施例の酸素センサの長軸方向の
断面図を表わす。このように積層一体化された酸
素センサは全体が直方体を成し、その先側に、電
池素子４１の電極４９（５mm×５mm）、ポンプ素
子４２の電極５２（５mm×５mm）、加熱素子４３
の孔４８の内面５５、絶縁板４６の孔５７の内面
５８および中間板状体５９の孔６１の内面６０
ａ，６０ｂ，６０ｃとに囲まれ、連通孔６１ａ，
６１ｂ，６１ｃ（それぞれ１mm×0.5mm×長さ１
mm）により外部と通じた室５６（５mm×５mm×厚
さ1.5mm）を有し、室５６の周辺（孔の周辺部）
に発熱抵抗体を傭し、元側端部に取り出し部４９
ｂ，５０ｂ，５１ｂ，５２ｂを有し、端面には加
熱素子４３の取り出し部５４ｃを有している。た
だし第８図の断面図において、取り出し部５４ｃ
は加熱素子端面４３ｃだけでなく絶縁板４６の端
面に至るまで設けた例が示してある。

上記実施例で、酸素ポンプ素子の電流と、被測
定ガス中の酸素分圧との対応関係は、前記第２の
実施例の場合と同様である。

以上の第３実施例の酸素センサにおいて、セン
サに組み込まれた加熱素子４３にてセンサ全体が
効率よく加熱されることにより良好な温度補償が
なされている。しかも加熱電流の流れる発熱抵抗
体５３およびその引き出し線５４ｂが加熱素子自
体および絶縁板４６によつて完全に埋設されると
共に他の素子と電気的に絶縁されていることによ
り、加熱素子の電流が他の素子へ流れることがな
く、測定精度に悪影響を与えることがないし耐久
性も良くなる。又、連通孔が３方向に開口してい
ることにより、室５６と外気との均一な酸素の拡
散が可能となり、より正確な測定が可能となるも
のである。

次に第９図に第４実施例を示す。ここにおい
て、７１は電池素子、７２はポンプ素子、７３は
加熱素子、７６は発熱抵抗体を保護している保護
板、８９は中間板である。

電池素子７１は固体電解質の長方形板状体から
なる。電池素子７１の先部７１ａには素子を挾む
ようにして、その表裏面の相対する位置に耐熱金
属層よりなる電極７９，８０が正方形状に設けら
れている。一方の正方形電極７９の元側方向の２
つの角の内の１つより耐熱金属層よりなる引き出
し線７９ａが、板状体の元側７１ｂへ真直ぐに伸
びる帯形状に設けられている。同様に他方の正方
形電極８０の元側方向の２つの角の内、電極７９
と反対側の角より引き出し線８０ａが板状体の元
側７１ｂへ真直ぐに伸びる帯形状に設けられてい
る。引き出し線７９ａは元側７１ｂで板状体の表
裏を貫通しているスルーホール７９ｄを通じて、
その反対面の取り出し部７９ｂに電気的に接続さ
れている。引き出し線８０ａは元側７１ｂで取り
出し部８０ｂを形成し、その結果、同一面に、２
つの電極７９，８０の取り出し部７９ｂ，８０ｂ
が配設されることになる。

ポンプ素子７２も電池素子７１と同様に、固体
電解質の長方形板状体からなる。ポンプ素子７２
の先７２ａには素子を挾むようにして、その表裏
面の相対する位置に耐熱金属層よりなる電極８
１，８２が正方形状に設けられている。一方の正
方形電極８１の元側方向の２つの角の内の１つよ
り耐熱金属層よりなる引き出し線８１ａが、板状
体の元側８１ｂへ真直ぐに伸びる帯形状に設けら
れている。同様に他方の正方形電極８２の元側方
向の２つの角の内、電極８１と反対側の角より引
き出し線８２ａが板状体の元側７２ｂへ真直ぐに
伸びる帯形状に設けられている。引き出し線８２
ａは元側７２ｂで板状体の表裏を貫通しているス
ルーホール８２ｄを通じて、その反対面の取り出
し部８２ｂに電気的に接続されている。引き出し
線８１ａは元側７２ｂで取り出し部８１ｂを形成
し、その結果、同一面に、２つの電極８１，８２
の取り出し部８１ｂ，８２ｂが配設されることに
なる。

本実施例の電池素子およびポンプ素子の各板状
体を形成している固体電解質は、第１実施例と同
様な酸素イオン導電性の固体電解質が使用され
る。

各板状体の表面に設けられる電極７９，８０，
８１，８２、引き出し線７９ａ，８０ａ，８１
ａ，８２ａおよび取り出し部７９ｂ，８０ｂ，８
１ｂ，８２ｂは第１実施例と同様な材質を使用し
同様な方法で形成されたものである。

次に加熱素子７３はアルミナ、スピネル等の絶
縁性の板状体からなる。その幅は他の２つの素子
と同様であるが、長さはある程度他の素子と比べ
て短く形成されている。加熱素子７３の先側７３
ａには、前記のポンプ素子７２に設けられている
電極８１に対応する大きさおよび部位で、厚み方
向に打ち抜いた孔７８が設けられている。孔７８
の周囲の加熱素子板状体の一面に発熱抵抗体８３
が波形若しくは線形に配設され、抵抗体８３の両
端部は各々、孔７８近傍の元側寄りの所で引き出
し線８４ｂに接続している。２本の引き出し線８
４ｂは加熱素子元側７３ｂへ導かれ、各々それら
の先端は取り出し部８４ｃを形成している。前記
発熱抵抗体８３、引き出し線８４ｂおよび取り出
し部８４ｃは第１実施例と同様な耐熱金属層より
なり、同様な方法で形成された。

次に中間板８９は、アルミナ、スピネル等の絶
縁性の板状体若しくは電池素子若しくはポンプ素
子と同じ材料の板状体からなる。その幅および長
さは、電池素子７１とポンプ素子７２と同じであ
る。この中間板８９の先側８９ａには前記の電池
素子７１に設けられている電極７９およびポンプ
素子７２の電極８２の位置と大きさに対応して、
厚み方向に打ち抜いた孔９１が設けられている。
前記中間板８９の孔９１の周囲の部分にはその先
端部で一部が１〜数個（ここてでは１個）で切り
取られ、外部より孔９１への連通孔９１ａを形成
している。

次に保護板７６は加熱素子７３と同じアルミ
ナ、スピネル等の絶縁性の板状体からなる。その
幅は、他の３つの素子および絶縁板８９と同じで
あり、長さは加熱素子７３より更に短くなつてい
る。この保護板７６の先側７６ａには前記の加熱
素子７３の孔７８の位置と大きさに対応して、厚
み方向に打ち抜いた孔８７が設けられている。

以上の各素子７１，７２，７３、中間板８９お
よび保護板７６はより好ましくは未焼成の段階
で、その各々の先側を一致させるように電池素子
７１、中間板８９、ポンプ素子７２、加熱素子７
３そして保護板７６の順番で積層し圧着される。
この積層体を焼成することにより、第１０図に示
す如くの酸素センサが形成される。

第１０図は第４実施例の酸素センサ長軸方向の
断面図を表わす。このように積層一体化された第
４実施例の酸素センサは先側に、電池素子７１の
電極７９（５mm×５mm）、ポンプ素子７２の電極
８２（５mm×５mm）および中間板８９の孔９１の
内面９０とに囲まれ、連通孔９１ａ（２mm×0.5mm
×長さ１mm）により外部と通じた室９２（５mm×
５mm×厚さ0.5mm）を、又、ポンプ素子７２のも
う一方の電極８１を底面とし、加熱素子７３の孔
７８の内面８５および保護板７６の孔８７の内面
８８とに囲まれた偏平四角状穴部９３を有し、上
記孔７８の周辺部に発熱抵抗体を傭し、元側端部
には、取り出し部７９ｂおよび８２ｂを、電池素
子７１、中間板８９およびポンプ素子７２の積層
体を挾んだ形で有し、更に階段状になつた加熱素
子端部に取り出し部８４ｃを有している。。

上記実施例で、酸素ポンプ素子の電流と、被測
定ガス中の酸素分圧との対応関係は、前記第１の
実施例の場合と同様となる。

以上の第４実施例の酸素センサにおいて、セン
サに組み込まれた加熱素子７３は特にポンプ素子
に近接して設けたのでポンプ素子が効率よく加熱
されて少ない電力で良好な温度補償とポンプ素子
電流の供給が可能なことに加えて、加熱素子７３
が絶縁状態でしかも他の実施例に比べて電池素子
７１から隔離していることにより、加熱素子７３
の電池素子への影響をより少なくすることができ
るものである。

上述した第１実施例乃至第４実施例において、
各酸素濃淡電池素子、酸素ポンプ素子、加熱素
子、絶縁板、中間板状体および保護板の寸法は通
常長さ５mm〜70mm、幅３mm〜10mm、厚さ0.5mm前
後に設定される。又、それらに設けられた孔の寸
法は通常縦幅３mm〜25mm、横幅１mm〜８mm、深さ
0.5mm前後に設定され、連通孔の寸法は通常縦幅
0.5mm前後、横幅0.5mm〜３mm（孔の総断面積は１
mm²以上、より好ましくは３mm²以上とされる）、長
さ１mm〜３mmに設定される。また孔の周辺部の幅
も１mm〜３mmにされる。。

第１実施例における係止片４，５の寸法は通常
長さ２mm〜30mm、幅３mm〜14mm、厚さ0.5mm〜１
mmに設定される。又、同じく突部1c，２ｃ，３ｃ
は通常付け根の幅５mm〜30mm、突出長さ０mm〜２
mm、厚さ0.5mm前後に設定される。

これら素子、板状体等を一体化してセンサとす
る方法は各層を生のセラミツク状態で積層一体化
した後、焼結する方法以外に、各層を予め焼結し
たものを耐熱性無機質接着剤あるいはガラスフリ
ツトのペーストを塗布し、貼り合わせて、積層一
体化した後、焼結する方法でなすことができる。

第１１図は、第１実施例のセンサを酸素センサ
プローブとして組み立てた実施例を示す。ここに
おいて第１実施例の酸素センサ１０１は、第１２
図に示すようにその係止部１７より先側を円板状
当金１０４の長方形状の穴に差し込んだ形で金属
製管状ハウジング１０２に挿入し、ハウジング１
０２のかしめられた縁部１０２Ｃとの間に充填物
を充填してハウジング１０２中に固定される。こ
こではセラミツク質接着剤１０３と当金１０４を
２回交互に積み重ね、次いで管状当金１０５を挿
入し、ハウジング１０２の入口の縁部１０２ｃを
かしめることにより、ハウジング１０２中に固定
されてある。

ハウジング１０２は、その先端側に軸方向に延
長するように配されて酸素センサの先端を空隙を
おいて包囲しかつ壁部には排ガスの流通を制限す
る孔を有する遮閉管を、一体または別体物として
備える。ここでは遮閉管は、ハウジング１０２と
一体構造の有底管１０２ｅとしかつ排ガス制限孔
は管の側壁と底とにつながつた多数の閉口１０２
ａ，１０２ｂとした場合を示す。

次にセンサ元側の各取り出し部に接続されてい
る導線１１３と、測定値演算処理装置へ接続する
ための被覆電線１１２とが接続され、次いで挿入
口１０６ｃにて被覆電線１１２を貫通させた接続
金属管１０６がその口部１０６ａでハウジング１
０２の縁部１０２ｃ付近にスポツト溶接される。
次いで、挿入口１０６ｃがかしめられ、被覆電線
１１２と接続金属管１０６が固定され、金属管１
０６の孔部１０６ｂより硬化性合成樹脂あるいは
耐熱性無機質固着剤１０７が注入されて、センサ
プローブが組み立てられる。

上記のセンサプローブは、例えば、自動車エン
ジンのエキゾーストマニホールドあるいは排ガス
還流管にそのネジ部１０２ｄにて螺合されて、使
用される。この場合遮閉管１０２ｅはヒータを内
蔵した酸素センサの先端が排ガス流によつて過度
に冷却されることを防止すると共に孔１０２ａお
よび１０２ｂより、適用個所の測定対象気体が流
入することにより測定される。

この発明の酸素センサは、センサのさらされる
被測定雰囲気の酸素分圧と、酸素ポンプ素子の汲
み出し若しくは汲み入れ電流（この電流は、囲わ
れた室内から被測定雰囲気へ、またはその逆方向
へ酸素ポンプ素子を通して移送される酸素分子の
量に直接関係する量である）と、被測定雰囲気と
は、孔で連通する上記囲われた室内の酸素分圧と
上記被測定雰囲気中の酸素分圧との比、従つて周
知のネルンストの式により示される通り酸素濃淡
電池の出力とが定常状態下では互いに関数関係に
あることを利用して被測定雰囲気中の酸素分圧を
測定しようとするものであるので、上記実施例で
記した方法に限らず他の方法、例えば酸素ポンプ
素子の汲み出し電流を一定に制御する条件下で被
測定雰囲気中の酸素分圧が酸素濃淡電池素子の出
力電圧と対応することを利用する方法に供するこ
ともできる。

以上に詳述した如く、本考案の酸素センサは、
それぞれ両面に電極用とその引き出し線用の耐熱
金属層を設けた酸素ポンプ素子用及び酸素濃淡電
池素子用の２つのジルコニア質酸素イオン導電性
固体電解質板状体を、厚み方向の孔を穿つた中間
板状体を挾んで積層一体化し、しかして先側と元
側とを区別し、上記先側に偏平な囲われた室と該
室を外界に連通させる連通孔とを形成するととも
に上記室の厚み方向の両壁にそれぞれ元側から引
き出し線を介して電圧の印加もしくは取り出しが
なされる酸素ポンプ素子もしくは酸素濃淡電池素
子の酸素透過壁を形成する酸素センサにおいて、
厚み方向の少なくとも一部分に電気絶縁性セラミ
ツクの孔あき板または層を積層し、該板ないし層
の中または間であつてかつ該孔の周辺部に発熱抵
抗体を埋設してなることにより、発熱抵抗体に流
れる電流が他の素子に漏出することがなく、特に
酸素濃淡電池素子の測定精度を低下させずにしか
も効率のよい温度制御が可能となるのである。

【図面の簡単な説明】

第１図は本考案の第１実施例の分解斜視図、第
２図はその長軸方向断面図、第３図はその斜視
図、第４図は第２実施例の分解斜視図、第５図は
その長軸方向断面図、第６図は第２実施例の製造
方法を説明するための絶縁板の部分図、第７図は
第３実施例の分解斜視図、第８図はその長軸方向
断面図、第９図は第４実施例の分解斜視図、第１
０図はその長軸方向断面図、第１１図は第１実施
例の酸素センサのプローブ組立図、第１２図はそ
の組み立て方法の説明図である。 １，２１，４１，７１……酸素濃淡電池素子、
２，２２，４２，７２……酸素ポンプ素子、３，
２３，４３，７３……加熱素子、６……絶縁コー
ト、２６，４６……絶縁板、８９……中間板、１
３，３３，５３，８３……発熱抵抗体、９，１
０，１１，１２，２９，３０，３１，３２，４
９，５０，５１，５２，７９，８０，８１，８２
……電極、９ａ，１０ａ，１１ａ，１２ａ，１４
ｂ，２９ａ，３０ａ，３１ａ，３２ａ，３４ｂ，
４９ａ，５０ａ，５１ａ，５２ａ，５４ｂ，７９
ａ，８０ａ，８１ａ，８２ａ，８４ｂ……引き出
し線、８ａ，３７ａ，３７ｂ，３７ｃ，６１ａ，
６１ｂ，６１ｃ，９１ａ……連通孔。

Claims (1)

1. 【実用新案登録請求の範囲】 １ それぞれ両面に電極用とその引き出し線用の
   耐熱金属層を設けた酸素ポンプ素子用及び酸素
   濃淡電池素子用の２つのジルコニア質酸素イオ
   ン導電性固体電解質板状体を、厚み方向の孔を
   穿つた中間板状体を挾んで積層一体化し、しか
   して先側と元側とを区別し、上記先側に偏平な
   囲われた室と該室を外界に連通させる連通孔と
   を形成するとともに上記室の厚み方向の両壁に
   それぞれ元側から引き出し線を介して電圧の印
   加もしくは取り出しがなされる酸素ポンプ素子
   もしくは酸素濃淡電池素子の酸素透過壁を形成
   する酸素センサにおいて、厚み方向の少なくと
   も一部分に電気絶縁性セラミツクの孔あき板ま
   たは層を積層し、該板ないし層の中または間で
   あつてかつ該孔の周辺部に発熱抵抗体を埋設し
   てなることを特徴とする酸素センサ。 ２ 中間板状体が発熱抵抗体を埋設した電気絶縁
   性セラミツクの孔あき板または層であり、かつ
   中間板状体は一方向に厚みの大きさの縦巾をも
   つ連通孔を形成する実用新案登録請求の範囲第
   １項記載の酸素センサ。 ３ 発熱抵抗体を埋設した電気絶縁性セラミツク
   の孔あき板または層は、酸素ポンプ素子用板状
   体と酸素濃淡電池素子用板状体との間に挾まれ
   て積層されておりかつ発熱抵抗体は上記孔の周
   辺に該孔を一巡して設けられている実用新案登
   録請求の範囲第１項記載の酸素センサ。 ４ 酸素ポンプ素子用板状体および／または酸素
   濃淡電池素子用板状体の外側に、発熱抵抗体を
   埋設した電気絶縁性の孔あき板または層を具え
   かつ中間板状体は厚みの大きさの縦巾をもつ連
   通孔を１ケ以上形成する実用新案登録請求の範
   囲第１項記載の酸素センサ。 ５ 電気絶縁性セラミツクがアルミナもしくはス
   ピネルである実用新案登録請求の範囲第１項記
   載の酸素センサ。 ６ 電極、その引き出し線及び発熱抵抗体の各耐
   熱金属層が耐熱金属のペーストを印刷し各素子
   の焼結と同時に焼成したものである実用新案登
   録請求の範囲第１項記載の酸素センサ。