JP2514664B2 - Oxygen sensor - Google Patents

Oxygen sensor

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JP2514664B2
JP2514664B2 JP62200334A JP20033487A JP2514664B2 JP 2514664 B2 JP2514664 B2 JP 2514664B2 JP 62200334 A JP62200334 A JP 62200334A JP 20033487 A JP20033487 A JP 20033487A JP 2514664 B2 JP2514664 B2 JP 2514664B2
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    • G01MEASURING; TESTING
    • G01NINVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N27/00Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means
    • G01N27/26Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating electrochemical variables; by using electrolysis or electrophoresis
    • G01N27/403Cells and electrode assemblies
    • G01N27/406Cells and probes with solid electrolytes
    • G01N27/407Cells and probes with solid electrolytes for investigating or analysing gases

Description

【発明の詳細な説明】 [産業上の利用分野] 本発明は、例えば内燃機関や各種燃焼機器等の排気中
における酸素濃度を測定する酸素センサに関する。
TECHNICAL FIELD The present invention relates to an oxygen sensor for measuring the oxygen concentration in the exhaust gas of, for example, an internal combustion engine or various combustion equipment.

[従来の技術] 従来より、公害防止、燃費向上を目的として、内燃機
関の排気ガス中の酸素分圧を測定し、該測定値に基づい
た内燃機関の空燃比フィードバック制御が行われてい
る。この様な排気ガス中の酸素分圧の測定は、例えば、
ジルコニア−イットリア固溶体等の酸素イオン伝導性の
固体電解質層からなる検出素子を備えた酸素センサによ
り行われる。上記酸素センサとしては、例えば、特開昭
55−125448又は特開昭60−36949号公報等のものが提案
されている。即ち、平板形状の検出素子の表面に、測定
電極を形成して酸素分圧を測定するものである。
[Prior Art] Conventionally, for the purpose of preventing pollution and improving fuel efficiency, oxygen partial pressure in exhaust gas of an internal combustion engine is measured, and air-fuel ratio feedback control of the internal combustion engine is performed based on the measured value. Such measurement of the oxygen partial pressure in the exhaust gas can be performed by, for example,
It is performed by an oxygen sensor provided with a detection element composed of a solid electrolyte layer having oxygen ion conductivity such as a zirconia-yttria solid solution. Examples of the oxygen sensor include those disclosed in
55-125448 or JP-A-60-36949 has been proposed. That is, the measuring electrode is formed on the surface of the flat plate-shaped detecting element to measure the oxygen partial pressure.

[発明が解決しようとする問題点] しかしながら、この様な酸素センサでは、平板形状の
検出素子の表面に、測定電極を形成してあるために、測
定ガスの流れに対して、方向性があり、測定ガスの流れ
る方向や酸素センサの取り付け位置によって、酸素セン
サの出力にバラつきが生じてしまい、その出力に応じた
空燃比制御等が適切に行えないという問題点があった。
そしてこの様な問題点に対して、特願昭61−66663号
(特開昭62−222159号)に記載されているように、筒状
の検出素子を用いた酸素センサが提案されていた。
[Problems to be Solved by the Invention] However, in such an oxygen sensor, since the measurement electrode is formed on the surface of the flat plate-shaped detection element, there is directionality with respect to the flow of the measurement gas. However, there is a problem in that the output of the oxygen sensor varies depending on the flowing direction of the measurement gas and the mounting position of the oxygen sensor, and the air-fuel ratio control or the like depending on the output cannot be appropriately performed.
In order to solve such a problem, an oxygen sensor using a cylindrical detection element has been proposed, as described in Japanese Patent Application No. 61-66663 (Japanese Patent Application Laid-Open No. 62-222159).

本願は、筒状の検出素子を用いるとともに、更に他の
構成を加えることにより、センサの方向性を改善したも
のである。
The present application improves the directionality of the sensor by using a tubular detection element and adding another configuration.

[問題点を解決するための手段] かかる問題点を解決するための本発明の構成は、一端
側を開口し他端側に閉鎖壁を設けると共に、内面側と外
面側を連通する複数の貫通孔を有する中空筒状体と、上
記中空筒状体を包み、内外面に少なくとも2対の電極を
有する酸素イオン伝導性の固体電解質層と、 を備え、 しかも、上記固体電解質層の内面側の電極が上記中空
筒状体の貫通孔と対応する位置に配置された酸素センサ
であって、 上記電極対の数をNとすると、各々の電極の中心を基
準として、電極対が、固体電解質層の円周上に、中心角
360゜/N−30゜以上360゜/N+30゜以下の間隔で配置され
ていることを特徴とする酸素センサを要旨とする。即
ち、上記電極対が配置されている間隔のずれが、中心角
30゜以内であれば、測定ガスの流れの方向にかかわら
ず、精度の良い酸素分圧の測定が可能である。例えば、
電極対が2対のときには、180゜の間隔で、3対の場合
には120゜の間隔で配置されることが、方向性を少なく
する上で望ましい。
[Means for Solving the Problems] According to the configuration of the present invention for solving the above problems, a plurality of penetrating holes that communicate between the inner surface side and the outer surface side are provided while one end side is opened and the other end side is provided with a closing wall. A hollow cylindrical body having a hole; and an oxygen ion conductive solid electrolyte layer which encloses the hollow cylindrical body and has at least two pairs of electrodes on the inner and outer surfaces, and further, on the inner surface side of the solid electrolyte layer. An oxygen sensor in which electrodes are arranged at positions corresponding to the through-holes of the hollow cylindrical body, where N is the number of electrode pairs, the electrode pairs are solid electrolyte layers with the center of each electrode as a reference. On the circumference of the center angle
The gist of the oxygen sensor is that it is arranged at intervals of 360 ° / N-30 ° or more and 360 ° / N + 30 ° or less. That is, the gap between the electrode pairs is
Within 30 °, the oxygen partial pressure can be accurately measured regardless of the flow direction of the measurement gas. For example,
It is desirable to arrange the electrode pairs at an interval of 180 ° when there are two pairs and at an interval of 120 ° when there are three pairs in order to reduce the directivity.

また、上記固体電解質層の内面又は外面の電極近傍
に、発熱体を形成することが、発熱体の加熱効率の上か
ら望ましく、それによって、容易に電極近傍の温度を測
定に好適な温度とすることができる。
Further, it is desirable from the viewpoint of heating efficiency of the heating element to form a heating element near the electrode on the inner surface or the outer surface of the solid electrolyte layer, thereby easily making the temperature in the vicinity of the electrode a suitable temperature for measurement. be able to.

上記中空筒状体は、開口した一端側から筒内を通り貫
通孔に達して、基準酸素源としての大気を導入する基準
気体導入路を構成するものである。この中空筒状体は、
例えば金型プレスもしくは押出成形等により加工するこ
とができる。尚、この材質としては、例えば、熱膨張率
の違いによって生ずる破損を防止するために、上記固体
電解質層の熱膨張率に近い値を持つセラミックスや金属
等が使用されるが、測定ガスが内燃機関の排気ガスであ
る場合には、600℃以上の高温となるので、セラミック
スを使用すると好適である。また例えば、ステンレス合
金等の金属を使用する場合には、固体電解質層の内周面
と電極との間を絶縁して使用する。
The hollow cylindrical body constitutes a reference gas introduction path that passes through the inside of the cylinder from the opened one end side to reach the through hole and introduces the atmosphere as the reference oxygen source. This hollow cylindrical body
For example, it can be processed by a die press or extrusion molding. As the material, for example, ceramics or metal having a value close to the coefficient of thermal expansion of the solid electrolyte layer is used in order to prevent damage caused by a difference in coefficient of thermal expansion. In the case of exhaust gas from an engine, a high temperature of 600 ° C. or higher is used, so it is preferable to use ceramics. Further, for example, when a metal such as a stainless alloy is used, the inner peripheral surface of the solid electrolyte layer is insulated from the electrode.

固体電解質層は、酸素イオン伝導性を有するもので、
例えばZrO2−Y2O3,ZrO2−CaO等が用いられる。
The solid electrolyte layer has oxygen ion conductivity,
For example, ZrO 2 —Y 2 O 3 , ZrO 2 —CaO or the like is used.

電極は、例えば、白金等の貴金属又はこれらにセラミ
ック粉末を混合したガス透過質のものによって実現でき
る。
The electrodes can be realized by, for example, a noble metal such as platinum or a gas permeable material in which ceramic powder is mixed with these.

これらは、例えば、電極を厚膜印刷した固体電解質の
グリーンシートを、中空筒状体に巻き付けるが、その巻
き付けの際には、その内面側の電極と中空筒状体の貫通
孔とが対応する位置に配置する。そして、中空筒状体に
巻き付けた後に治具により筒状に固定し、焼成一体化す
ることにより酸素センサとする。
These are, for example, a solid electrolyte green sheet on which an electrode is printed as a thick film is wound around a hollow cylindrical body, and at the time of winding, the electrode on the inner surface side and the through hole of the hollow cylindrical body correspond to each other. Place in position. Then, after being wound around the hollow cylindrical body, it is fixed in a cylindrical shape by a jig and integrated by firing to obtain an oxygen sensor.

[作用] 本発明の酸素センサには、中空筒状体の開口している
一端側から複数の貫通孔を介して、固体電解質層の内面
側の少なくとも2以上の電極に至る基準気体導入路が形
成される。従って、固体電解質層は、その内面側が基準
気体に、一方、外面側が測定ガスに各々触れるので、両
面に設けられた電極間に流れる電流を計測することによ
り、測定ガス中の酸素分圧を求めることができる。そし
て上記電極対の数をNとすると、各々の電極の中心を基
準として、電極対が、固体電解質層の円周上に、中心角
360゜/N−30゜以上360゜/N+30゜以下の間隔で配置され
ているので、測定ガスの流れの方向や酸素センサの取り
付け位置に関係なく、正確に酸素濃度の検出ができる。
[Operation] In the oxygen sensor of the present invention, the reference gas introduction path extending from at least one open end of the hollow cylindrical body to at least two or more electrodes on the inner surface side of the solid electrolyte layer through the plurality of through holes. It is formed. Therefore, since the inner surface side of the solid electrolyte layer is in contact with the reference gas and the outer surface side is in contact with the measurement gas, the oxygen partial pressure in the measurement gas is obtained by measuring the current flowing between the electrodes provided on both surfaces. be able to. When the number of the electrode pairs is N, the electrode pairs are centered on the circumference of the solid electrolyte layer with reference to the center of each electrode.
Since they are arranged at intervals of 360 ° / N-30 ° or more and 360 ° / N + 30 ° or less, the oxygen concentration can be accurately detected regardless of the flow direction of the measuring gas and the mounting position of the oxygen sensor.

[実施例] 以下本発明の第1実施例を第1図〜第5図に基づいて
説明する。尚、説明上各図は部分毎の縮尺が異なる。
[Embodiment] A first embodiment of the present invention will be described below with reference to Figs. For the sake of explanation, the scale of each part is different in each drawing.

第1図に示すように、第1実施例の酸素センサ1は、
中空筒状体2の表面に、固体電解質層3が被覆されたも
のである。その固体電解質層3の内面側には、第1基準
電極4及び第2基準電極5が,その外面側には第1測定
電極6,第2測定電極7及び発熱体8が設けられ、更に、
内面側と外面側とを連通する第1ないし第4貫通孔9〜
12が形成されている。
As shown in FIG. 1, the oxygen sensor 1 of the first embodiment is
The surface of the hollow cylindrical body 2 is coated with the solid electrolyte layer 3. A first reference electrode 4 and a second reference electrode 5 are provided on the inner surface side of the solid electrolyte layer 3, and a first measurement electrode 6, a second measurement electrode 7 and a heating element 8 are provided on the outer surface side thereof.
First to fourth through holes 9 that connect the inner surface side and the outer surface side to each other
12 are formed.

この第1ないし第4貫通孔9〜12は、1対の第1及び
第2貫通孔9,10と、もう1対の第3及び第4貫通孔11,1
2とが対向して配置されている。そして第1図のII−II
端面図である第2図に示すように、固体電解質層3の中
空筒状体2に接する内周面上には第1基準電極4が、そ
の外周面上には第1測定電極6が、第1貫通孔9に対応
する位置に設けられている。また同様に、第3貫通孔11
に対応する位置には、第2基準電極5及び第2測定電極
7が設けられている。更に、発熱体8は、固体電解質層
3の外周面上に設けられている。
The first to fourth through holes 9 to 12 include a pair of first and second through holes 9 and 10 and another pair of third and fourth through holes 11 and 1.
2 and 2 are arranged to face each other. And II-II in Fig. 1
As shown in FIG. 2 which is an end view, the first reference electrode 4 is provided on the inner peripheral surface of the solid electrolyte layer 3 in contact with the hollow cylindrical body 2, and the first measurement electrode 6 is provided on the outer peripheral surface thereof. It is provided at a position corresponding to the first through hole 9. Similarly, the third through hole 11
The second reference electrode 5 and the second measurement electrode 7 are provided at positions corresponding to. Further, the heating element 8 is provided on the outer peripheral surface of the solid electrolyte layer 3.

第1及び第2基準電極4,5は、固体電解質層3に設け
られたスルーホールを介して、第1図に示す基準電極端
子14に接続されている。又、第1及び第2測定電極6,7
は、測定電極端子15に、発熱体8は発熱体端子16,17に
各々持続されている。
The first and second reference electrodes 4 and 5 are connected to the reference electrode terminal 14 shown in FIG. 1 via through holes provided in the solid electrolyte layer 3. Also, the first and second measuring electrodes 6,7
Is connected to the measuring electrode terminal 15 and the heating element 8 is connected to the heating element terminals 16 and 17, respectively.

次に、酸素センサ1の各部材及び製造法を説明する。
まず、第3図に示す中空筒状体2は、外径3.2mm、内径
1.5mmの中空円筒であって、一端は開口部18を、他端は
閉鎖壁19を各々有している。上記閉鎖壁19近傍の側壁2a
には、上述した2対の直径1mmの第1ないし第4貫通孔
9〜12が、対向して穿設されている。従って、上記開口
部18から中空部20を介して第1ないし第4貫通孔9〜12
に至る基準気体導入路が形成されている。このような中
空筒状体2は、金型プレスまたは押出成形によって容易
に加工できる。
Next, each member and manufacturing method of the oxygen sensor 1 will be described.
First, the hollow cylindrical body 2 shown in FIG. 3 has an outer diameter of 3.2 mm and an inner diameter.
It is a 1.5 mm hollow cylinder having an opening 18 at one end and a closing wall 19 at the other end. Side wall 2a near the closing wall 19
The above-mentioned two pairs of the first to fourth through holes 9 to 12 having a diameter of 1 mm are formed facing each other. Therefore, the first to fourth through holes 9 to 12 are formed from the opening 18 through the hollow portion 20.
A reference gas introduction path leading to is formed. Such a hollow cylindrical body 2 can be easily processed by die pressing or extrusion molding.

上記固体電解質層3は、第4図に示すように、ZrO2
Y2O3固溶体の原料粉末に、通常使用されるバインダを混
合したグリーンシート3aから得られる。該グリーンシー
ト3aの隅には、第1及び第2基準電極4,5を基準電極端
子14に接続するためのスルーホール21が穿設されてい
る。
The solid electrolyte layer 3, as shown in FIG. 4, ZrO 2 -
The raw material powder Y 2 O 3 solid solution, obtained from the green sheet 3a mixed with binders commonly used. Through holes 21 for connecting the first and second reference electrodes 4 and 5 to the reference electrode terminals 14 are formed in the corners of the green sheet 3a.

上記固体電解質層3の内周面となる上記グリーンシー
ト8aの裏面には、ジルコニアを含む白金から成る厚さ10
μmの第1及び第2基準電極4,5が厚膜印刷される。
On the back surface of the green sheet 8a, which is the inner peripheral surface of the solid electrolyte layer 3, a thickness of platinum containing zirconia 10
The μm first and second reference electrodes 4, 5 are thick film printed.

一方、上記固体電解質層3の外周面となるグリーンシ
ート3aの表面には、ジルコニアを含む白金からなる厚さ
10μmの基準電極端子14,測定電極6,7及び測定電極端子
15が、まず厚膜印刷される。次に、白金を含むアルミナ
からなる厚さ20μmの保護層22,23が上記各々が測定電
極6,7の表面に厚膜印刷される。次に、アルミナからな
る厚さ30μmの第1絶縁層24が、上述した基準電極端子
14及び測定電極端子14の上面25と、測定電極6,7の窓部2
6,27とを除いて、グリーンシート3aの表面上に厚膜印刷
される。更に、アルミナを含む白金からなる厚さ10μm
の発熱体8及び発熱体電極16,17が、上記第1及び第2
測定電極6,7の周囲に各々コの字状に、上記第1絶縁層2
4の表面に厚膜印刷される。最後に、シリカを含むアル
ミナからなる厚さ20μmの第2絶縁層28が、上記発熱体
電極16,17の上面29と、測定電極6,7の窓部30,31とを除
く第1絶縁層24の表面に厚膜印刷される。
On the other hand, the surface of the green sheet 3a, which is the outer peripheral surface of the solid electrolyte layer 3, has a thickness of platinum containing zirconia.
10 μm reference electrode terminal 14, measuring electrodes 6, 7 and measuring electrode terminal
15 is first thick film printed. Next, 20 μm thick protective layers 22 and 23 made of alumina containing platinum are thick-film printed on the surfaces of the measurement electrodes 6 and 7, respectively. Next, the first insulating layer 24 made of alumina and having a thickness of 30 μm is formed on the reference electrode terminal described above.
14 and the upper surface 25 of the measuring electrode terminal 14 and the window 2 of the measuring electrodes 6 and 7.
A thick film is printed on the surface of the green sheet 3a except for 6,27. Furthermore, the thickness of platinum containing alumina is 10 μm.
Of the heating element 8 and the heating element electrodes 16 and 17 of the first and second
The first insulating layer 2 is formed in a U shape around the measuring electrodes 6 and 7, respectively.
Thick film printed on the surface of 4. Finally, the second insulating layer 28 made of alumina containing silica and having a thickness of 20 μm is the first insulating layer except the upper surface 29 of the heating element electrodes 16 and 17 and the window portions 30 and 31 of the measuring electrodes 6 and 7. Thick film printing on 24 surfaces.

この様に、厚膜印刷されたグリーンシート3aの裏面に
ジルコニアペーストを塗布し、上記第1及び第2基準電
極4,5が中空筒状体2の2対の第1ないし第4貫通孔9
〜12と各々対応する位置となるように、中空筒状体2の
外周にグリーンシート3aを被覆する。更に、真空引きを
しながらラバープレスを行うことにより、グリーンシー
ト3aを巻き付け圧着固定した後に、大気圧で焼成するこ
とにより、第1図に示す酸素センサ1を得る。
In this way, the zirconia paste is applied to the back surface of the thick film printed green sheet 3a, and the first and second reference electrodes 4 and 5 are formed into two pairs of the first to fourth through holes 9 of the hollow cylindrical body 2.
The outer periphery of the hollow cylindrical body 2 is covered with the green sheet 3a so as to be located at positions corresponding to .about. Further, by performing rubber pressing while evacuating, the green sheet 3a is wound and pressure-fixed, and then fired at atmospheric pressure to obtain the oxygen sensor 1 shown in FIG.

上記のようにして得られた酸素センサ1を、第5図に
示すように、ホルダ32に、カーボングラファイトや滑石
等の充填粉末33,パッキン34及びかしめリング35により
固定する。また、既述した各端子に圧着端子金具36をと
う付けし、更にリード線37を圧着する。その後、主体金
具38,保護外筒39,グロメット40及びプロテクタ41を取り
付けることにより、酸素検出プローブ42が形成される。
As shown in FIG. 5, the oxygen sensor 1 obtained as described above is fixed to a holder 32 by a filling powder 33 such as carbon graphite or talc, a packing 34 and a caulking ring 35. Further, the crimp terminal fittings 36 are attached to the above-mentioned terminals, and the lead wires 37 are further crimped. Then, the metal shell 38, the protective outer cylinder 39, the grommet 40, and the protector 41 are attached to form the oxygen detection probe 42.

この様にして構成した酸素センサー1によって、次に
示す効果が得られる。
With the oxygen sensor 1 thus configured, the following effects can be obtained.

まず、上記第1基準電極4及び第1測定電極6から成
る電極対と、第2基準電極5及び第2測定電極7から成
る電極対とが、対向して形成されていることにより、測
定ガスの流れの方向による酸素センサ1の出力への影響
を減ずることができ、酸素センサ1の取り付け位置がず
れていた場合にも、高い精度を保つことができる。
First, since the electrode pair composed of the first reference electrode 4 and the first measurement electrode 6 and the electrode pair composed of the second reference electrode 5 and the second measurement electrode 7 are formed to face each other, the measurement gas It is possible to reduce the influence on the output of the oxygen sensor 1 due to the flow direction of the oxygen sensor 1, and it is possible to maintain high accuracy even when the mounting position of the oxygen sensor 1 is deviated.

上記第1実施例では、2組の電極対が180゜の間隔
で、対向して配置されている。この配置の場合には、測
定ガスの流れの方向が、電極面に対して垂直な場合以外
でも、後述する実験例から明らかなように、精度良く酸
素分圧を測定することができる。また、上記電極対を、
3組の場合には120゜間隔、4組の場合には90゜間隔の
様に、等間隔で配置すれば、酸素センサの方向性が少な
く好適である。
In the first embodiment described above, two pairs of electrodes are arranged facing each other at an interval of 180 °. With this arrangement, even if the flow direction of the measurement gas is not perpendicular to the electrode surface, the oxygen partial pressure can be accurately measured, as will be apparent from an experimental example described later. In addition, the electrode pair,
It is preferable to arrange them at equal intervals, such as 120 ° intervals in the case of 3 sets and 90 ° intervals in the case of 4 sets, since the directionality of the oxygen sensor is small.

尚、配置する電極対の間隔が、等間隔からずれていて
も、そのずれが30゜以内であれば、酸素センサの方向性
は少ない。即ち、電際対の数をNとすると、各々の電極
の中心を基準として、電極対が、固体電解質層の円周上
に、中心角360゜/N−30゜以上360゜/N+30゜以下の間隔
で配置することにより、方向性の少ない酸側センサを実
現できる。
Even if the distance between the arranged electrode pairs is deviated from the equal distance, if the deviation is within 30 °, the oxygen sensor has little directionality. That is, assuming that the number of electrode pairs is N, the electrode pair is centered on the circumference of the solid electrolyte layer with the center angle of 360 ° / N-30 ° or more and 360 ° / N + 30 ° or less with reference to the center of each electrode. By arranging at an interval of, it is possible to realize an acid side sensor with little directivity.

また、板状の酸素センサと比較して、中央に空洞を有
する薄肉の中空筒状体2を使用できるため、酸素センサ
1の熱容量が小さく、発熱体8の熱効率が向上する。そ
れによって、消費電力を低減でき、更に、発熱体8をグ
リーンシート3aの表面に厚膜印刷しているので、製造が
極めて容易である。
Further, as compared with the plate-shaped oxygen sensor, the thin hollow cylindrical body 2 having a hollow in the center can be used, so that the heat capacity of the oxygen sensor 1 is small and the heat efficiency of the heating element 8 is improved. As a result, power consumption can be reduced, and since the heating element 8 is thick-film printed on the surface of the green sheet 3a, it is extremely easy to manufacture.

次に、本実施例の効果を確認するために行った実験例
について説明する。
Next, an example of an experiment conducted to confirm the effect of this example will be described.

実験例 実験装置は、2.0の自動車用エンジンを用い、ガソ
リンと空気とを、理論空燃比(空気過剰率λ=1)で混
合し燃焼させるように、酸素センサの出力を用いて、空
燃比フィードバック制御を行なう。この実験には、第6
図に示すように、第1実施例と同様な円筒A1の表面に対
向して電極A2を設けた酸素センサAを用いる外に、比較
例1として、従来の板状の基板B1の表面に電極B2を設け
た酸素センサBを、比較例2として、円筒C1の一方向の
みに電極C2を配置した酸素センサCを用いた。そして測
定ガスの流れの方向に対して、各酸素センサA,B,Cの電
極の位置を30度毎にかえて、その時の空燃比特性を調べ
た。
Experimental Example The experimental apparatus uses an automobile engine of 2.0 and uses the output of the oxygen sensor to feedback the air-fuel ratio so that gasoline and air are mixed and burned at a theoretical air-fuel ratio (excess air ratio λ = 1). Take control. In this experiment,
As shown in the figure, in addition to using the oxygen sensor A in which the electrode A2 is provided so as to face the surface of the cylinder A1 similar to the first embodiment, as Comparative Example 1, the electrode is formed on the surface of the conventional plate-shaped substrate B1. As the oxygen sensor B provided with B2, as the comparative example 2, the oxygen sensor C in which the electrode C2 is arranged only in one direction of the cylinder C1 was used. Then, the positions of the electrodes of the oxygen sensors A, B, and C were changed every 30 degrees with respect to the flow direction of the measurement gas, and the air-fuel ratio characteristics at that time were examined.

この実験の結果を第7図に示すが、図から明らかなよ
うに、板状の比較例1は、排気ガスの空燃比の方向によ
る変動が著しいが、第1実施例では、その方向性がほと
んどなく、好適である。尚、筒状の比較例2は、比較例
1と比べると方向性が少なく優れているが、本実施例の
酸素センサ1の方がより方向性が少なく好適である。
The results of this experiment are shown in FIG. 7. As is clear from the figure, in the plate-shaped comparative example 1, the variation in the air-fuel ratio of the exhaust gas was remarkable, but in the first example, the directionality was Almost none, which is preferable. It should be noted that the cylindrical comparative example 2 is superior in its directionality and superior to the comparative example 1, but the oxygen sensor 1 of the present embodiment is preferable because it has less directionality.

次に、本発明の第2実施例を第8図に基づいて説明す
る。第2実施例の特徴は、第1実施例が固体電解質層の
内周面に発熱体を設けたことに対して、その外周面に発
熱体を設けたことである。
Next, a second embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. The feature of the second embodiment is that the heating element is provided on the outer peripheral surface of the solid electrolyte layer in contrast to the heating element provided on the inner peripheral surface of the first embodiment.

第8図に示すように、固体電解質層の内周面となるグ
リーンシート101aの裏面には、1対の基準電極102,103,
第1絶縁層104,発熱体106及び第2絶縁層107がこの順に
厚膜印刷される。一方、固体電解質層の外周面となるグ
リーンシート101aの表面には、1対の測定電極108,109,
1対の保護層110,111,第3絶縁層112,基準電極端子113,
測定電極端子114及び発熱体端子115,116がこの順で厚膜
印刷される。このように厚膜印刷された基準電極102,10
3が、中空筒状体117の2対の貫通孔118〜121と各々対応
する位置となるように、中空筒状体117をグリーシート1
01aで被覆し、既述した第1実施例と同様な方法で焼成
して、酸素センサを形成する。尚、各部材の成分は第1
実施例と同様である。
As shown in FIG. 8, on the back surface of the green sheet 101a, which is the inner peripheral surface of the solid electrolyte layer, a pair of reference electrodes 102, 103,
The first insulating layer 104, the heating element 106, and the second insulating layer 107 are thick-film printed in this order. On the other hand, on the surface of the green sheet 101a which is the outer peripheral surface of the solid electrolyte layer, a pair of measuring electrodes 108, 109,
A pair of protective layers 110, 111, a third insulating layer 112, a reference electrode terminal 113,
The measurement electrode terminal 114 and the heating element terminals 115 and 116 are thick-film printed in this order. The reference electrodes 102, 10 thus thick-film printed
The hollow cylindrical body 117 is attached to the green sheet 1 so that the positions 3 correspond to the two pairs of through holes 118 to 121 of the hollow cylindrical body 117.
An oxygen sensor is formed by coating with 01a and firing in the same manner as in the first embodiment described above. The component of each member is the first
It is similar to the embodiment.

上記第2実施例では、グリーンシート103aに対して発
熱体106が、基準電極102,103と同じ側に厚膜印刷されて
いるため、測定に適した温度に加熱する場合の熱効率が
極めて高い。このことは、低温度の測定ガスの酸素分圧
を測定する場合でも、測定部が冷却され難いので、特に
有効である。従って、例えば、自動車等の排気ガス測定
に使用した場合には、エンジン始動後、速やかに測定を
開始できる。
In the second embodiment, the heating element 106 is printed on the same side as the reference electrodes 102, 103 on the green sheet 103a, so that the thermal efficiency in heating to a temperature suitable for measurement is extremely high. This is particularly effective because it is difficult to cool the measuring part even when measuring the oxygen partial pressure of the low temperature measurement gas. Therefore, for example, when it is used for measuring exhaust gas of an automobile or the like, the measurement can be started promptly after the engine is started.

次に、本発明の第3実施例を第9図に基づいて説明す
る。第3実施例は、第1実施例で記述した中空筒状体2
を酸素ポンプ素子を備えた空燃比センサに応用したこと
を特徴とする。
Next, a third embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. The third embodiment is the hollow cylindrical body 2 described in the first embodiment.
Is applied to an air-fuel ratio sensor equipped with an oxygen pump element.

第9図に示すように、固体電解質層の内周面となるグ
リーンシート201aの裏面には、第2ポンプ電極202,203,
拡散律速層204,測定電極205,206,固体電解質層207,208
及び基準電極209,210が順に厚膜印刷される。一方、固
体電解質層の外周面となるグリーンシート201aの表面に
は、第1ポンプ電極211,213,第1絶縁層213,発熱体214
及び第2絶縁層215が順に厚膜印刷される。このように
厚膜印刷されたグリーンシート201aを、第1実施例と同
様に、2対の貫通孔216〜219が形成された中空筒状体22
0に巻き付けた後、大気中にて焼成することにより空燃
比センサが形成される。
As shown in FIG. 9, on the back surface of the green sheet 201a which is the inner peripheral surface of the solid electrolyte layer, the second pump electrodes 202, 203,
Diffusion rate controlling layer 204, measuring electrode 205, 206, solid electrolyte layer 207, 208
And the reference electrodes 209 and 210 are sequentially thick film printed. On the other hand, on the surface of the green sheet 201a which is the outer peripheral surface of the solid electrolyte layer, the first pump electrodes 211, 213, the first insulating layer 213, and the heating element 214 are formed.
And the second insulating layer 215 is sequentially thick-film printed. The green sheet 201a thus thick-film printed is used as a hollow cylindrical body 22 in which two pairs of through holes 216 to 219 are formed, as in the first embodiment.
After being wound around 0, the air-fuel ratio sensor is formed by firing in the atmosphere.

上記構成の第3実施例は、酸素ポンプ素子を備えた空
燃比センサをとしては、板状に各素子等を積層する構造
に比べて、製造が極めて容易であり、このような簡単な
構成で、酸素濃淡電池素子と酸素ポンプ素子とを組み合
わせて、ポンプ電流から空燃比信号を検出できる。ま
た、中空筒状体220と一層のグリーンシート201aとから
構成されているので、熱容量が小さく、発熱体214の消
費電力を低減できるとともに、その耐久性も向上でき
る。
The third embodiment having the above-described structure is extremely easy to manufacture as an air-fuel ratio sensor including an oxygen pump element, as compared with a structure in which each element and the like are laminated in a plate shape, and with such a simple structure. The air-fuel ratio signal can be detected from the pump current by combining the oxygen concentration cell element and the oxygen pump element. Further, since it is composed of the hollow cylindrical body 220 and the one-layer green sheet 201a, the heat capacity is small, the power consumption of the heating element 214 can be reduced, and the durability thereof can be improved.

以上本発明の実施例について説明したが、本発明はこ
のような実施例に何等限定されるものではなく、この要
旨を逸脱しない範囲内に於て種々なる態様で実施し得る
ことは勿論である。
Although the embodiments of the present invention have been described above, the present invention is not limited to such embodiments, and it is needless to say that the present invention can be implemented in various modes without departing from the scope of the invention. .

[発明の効果] 以上説明したように、本発明によれば、酸素センサに
は、電極対の数をNとすると、各々の電極の中心を基準
として、電極対が、固体電解質層の円周上、中心角360
゜/N−30゜以上360゜/N+30゜以下の間隔で配置されて
いるので、測定ガスの流れる方向や酸素センサの取り付
け位置にかかわらず、精度良く、酸速濃度を検出するこ
とができる。また、中空筒状体を使用するので、熱容量
が小さくなり、発熱体の消費電力が少なく、耐久性を高
めることができる。
[Effects of the Invention] As described above, according to the present invention, in the oxygen sensor, when the number of electrode pairs is N, the electrode pairs are arranged around the circumference of the solid electrolyte layer with the center of each electrode as a reference. Above, central angle 360
Since they are arranged at intervals of ゜ / N-30 ゜ or more and 360 ゜ / N + 30 ゜ or less, the acid velocity concentration can be detected accurately regardless of the flow direction of the measuring gas and the mounting position of the oxygen sensor. Further, since the hollow cylindrical body is used, the heat capacity becomes small, the power consumption of the heating element is small, and the durability can be improved.

【図面の簡単な説明】[Brief description of drawings]

第1図は第1実施例の酸素センサを一部破断して示す斜
視図、第2図はそのII−II端面図、第3図は中空筒状体
の部分破断図、第4図は第1実施例を分解して示す説明
図、第5図は酸素検出プローブの部分破断図、第6図は
酸素センサの電極の方向を示す説明図、第7図は実施例
の効果を示すグラフ、第8図は第2実施例の説明図、第
9図は第3実施例の説明図である。 1……酸素センサ 2,117,220……中空筒状体検出素子部 4,5,102,104,209,210……基準電極 6,7,108,109,205,206……測定電極 9,10,11,12,118,119,120,121,216,217,218,219……貫通
1 is a partially cutaway perspective view of the oxygen sensor of the first embodiment, FIG. 2 is an end view of II-II, FIG. 3 is a partially cutaway view of a hollow cylindrical body, and FIG. 1 is an exploded view showing an embodiment, FIG. 5 is a partially cutaway view of an oxygen detection probe, FIG. 6 is an illustration showing the direction of electrodes of an oxygen sensor, FIG. 7 is a graph showing the effect of the embodiment, FIG. 8 is an explanatory diagram of the second embodiment, and FIG. 9 is an explanatory diagram of the third embodiment. 1 …… Oxygen sensor 2,117,220 …… Hollow cylinder detection element 4,5,102,104,209,210 …… Reference electrode 6,7,108,109,205,206 …… Measuring electrode 9,10,11,12,118,119,120,121,216,217,218,219 …… Through hole

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 美濃羽 健 愛知県名古屋市瑞穂区高辻町14番18号 日本特殊陶業株式会社内 (56)参考文献 特開 昭61−272649(JP,A) ─────────────────────────────────────────────────── ─── Continuation of the front page (72) Inventor Ken Minowa 14-18 Takatsuji-cho, Mizuho-ku, Nagoya-shi, Aichi Japan Special Ceramics Co., Ltd. (56) Reference JP-A-61-272649 (JP, A)

Claims (3)

(57)【特許請求の範囲】(57) [Claims] 【請求項1】一端側を開口し他端側に閉鎖壁を設けると
共に、内面側と外面側を連通する複数の貫通孔を有する
中空筒状体と、上記中空筒状体を包み、内外面に少なく
とも2対の電極を有する酸素イオン伝導性の固体電解質
層と、 を備え、 しかも、上記固有電解質層の内面側の電極が上記中空筒
状体の貫通孔と対応する位置に配置された酸素センサで
あって、 上記電極対の数をNとすると、各々の電極の中心を基準
として、電極対が、固体電解質層の円周上に、中心角36
0゜/N−30゜以上360゜/N+30゜以下の間隔で配置されて
いることを特徴とする酸素センサ。
1. A hollow cylindrical body having an opening on one end side and a closing wall on the other end side, and having a plurality of through holes communicating between the inner surface side and the outer surface side, and the hollow cylindrical body wrapping the inner and outer surfaces. And an oxygen ion conductive solid electrolyte layer having at least two pairs of electrodes, and the electrode on the inner surface side of the intrinsic electrolyte layer is disposed at a position corresponding to the through hole of the hollow cylindrical body. In the sensor, assuming that the number of the electrode pairs is N, the electrode pairs are arranged on the circumference of the solid electrolyte layer with a central angle of 36 mm with respect to the center of each electrode.
An oxygen sensor characterized by being arranged at intervals of 0 ° / N-30 ° or more and 360 ° / N + 30 ° or less.
【請求項2】上記固体電解質層が、その内面に発熱体を
有する特許請求の範囲第1項記載の酸素センサ。
2. The oxygen sensor according to claim 1, wherein the solid electrolyte layer has a heating element on its inner surface.
【請求項3】上記固体電解質層が、その外面に発熱体を
有する特許請求の範囲第1項記載の酸素センサ。
3. The oxygen sensor according to claim 1, wherein the solid electrolyte layer has a heating element on its outer surface.
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