JP2659793B2

JP2659793B2 - 空燃比検出素子

Info

Publication number: JP2659793B2
Application number: JP1069832A
Authority: JP
Inventors: 哲正山田; 昭夫水谷; 暢博早川
Original assignee: Nippon Tokushu Togyo KK
Current assignee: Nippon Tokushu Togyo KK
Priority date: 1988-04-01
Filing date: 1989-03-22
Publication date: 1997-09-30
Anticipated expiration: 2012-09-30
Also published as: DE3910272C2; DE3910272A1; JPH0262955A

Description

【発明の詳細な説明】［産業上の利用分野］本発明は、例えばエンジン等の空燃比を検出する空燃
比センサに用いられる空燃比検出素子に関し、特に酸素
イオン伝導性の固体電解質を用いた空燃比検出素子に関
するものである。

［従来の技術］従来より、例えばエンジン等の空燃比を理論空燃比近
傍に制御して、燃費やエミッションの改善を図るため
に、排気中の酸素濃度を検出する酸素センサが使用され
ている。この種の酸素センサとして、例えばイオン伝導
性の固体電解質に多孔質電極層を被着した空燃比検出素
子を備え、排気の酸素分圧と空気の酸素分圧との差によ
って生ずる起電力の変化によって理論空燃比近傍の燃焼
状態を検知する空燃比センサが知られている。

また近年では、空燃比を単に理論空燃比近傍に制御す
るだけでなく、エンジンの運転状態に応じて目標空燃比
を変化させてフィードバック制御することにより、燃費
やエミッションの改善及びエンジンの運転性能の向上が
図られている。そして、このようなフィードバック制御
に用いられる各種の空燃比センサが提案されている。

例えば、固体電解質の一方の電極面を含んで空間を形
成する質（ガス拡散室）を備え、両電極間に電圧を印加
して測定ガス中のガス成分を上記室内に拡散導入し、そ
の際に流れる電流量を測定することによって、測定ガス
中のガス成分濃度を検出する空燃比センサが提案されて
いる（特開昭52−72286号公報及び特開昭53−66292号公
報参照）。

また、固体電解質の両面に電極に設けて形成した酸素
ポンプ素子と酸素濃淡電池素子とを、ガス拡散室を挟ん
で対向させた空燃比検出素子を用い、酸素濃淡電池素子
の起電力が一定となるように酸素ポンプ素子に流す電流
量を調節することによって、酸素濃度を検出するものも
提案されている（特願昭60−36032号参照）。

［発明が解決しようとする課題］しかしながら、定常運転時以外、例えばエンジンの始
動時に上記フィードバック制御を行って、エミッション
等の低減を図ろうとしても、従来の空燃比検出素子は、
暖機時には使用可能の温度に達するまでに長い時間がか
かってしまい、その間は空燃比センサを用いた制御がで
きなかった。この対策として、ヒータを用いて空燃比検
出素子を急速に加熱して素子自体の温度を迅速に使用温
度まで上げると、サーマルショックによって素子が損な
われることがあるので、加熱速度を一定以上に上げるこ
とができないという問題があった。

本発明は、空燃比検出素子の各部分の寸法を特定する
ことにより、サーマルショックに強く、コンパクトでか
つ高性能な空燃比検出素子を提供することを目的とす
る。

［課題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、少なくとも固体電解質基板の両側に多孔質電極を設け
た酸素ポンプ素子と、該酸素ポンプ素子の一方の多孔質
電極を覆うガス拡散室と、該ガス拡散室と測定雰囲気と
を連通するガス導入部とを設けた空燃比検出素子におい
て、上記空燃比検出素子の厚さを0.7mm〜1.25mmとし、
かつ該素子の幅を2.8mm〜4.0mmとしたことを特徴とする
空燃比検出素子を要旨とする。

ここで、上記空燃比検出素子としては、ガス導入部で
ガス律速するとともに、上記ガス拡散室の測定空間の間
隙を20μｍ〜100μｍとし、かつ測定空間の容積を0.05m
m³〜1.0mm³としたものが、測定精度及び応答性に優れ一
層好適である。

固定電解質基板の材料としては、イットリアージルコ
ニア固溶体，カルシア−ジルコニア固溶体が知られてお
り、更に二酸化セリウム，二酸化トリウム，二酸化ハフ
ニウムの各固溶体，ペロブスカイト型固溶体,3価金属酸
化物固溶体等が使用できる。

多孔質電極の材料としては、白金，ロジウム等を用い
ることができ、これらは、例えば原料粉末を主成分とし
てペースト化し厚膜技術を用いて印刷後、焼結して形成
する。

測定ガスに直接に接する酸素ポンプ素子の外側の多孔
質電極は、その表面にアルミナ，スピネル，ジルコニ
ア，ムライト等の電極保護層を厚膜技術を用いて形成す
ることが好ましい。尚、ガス拡散室側の電極は、ガス律
速層を通過した測定ガスをより速く検出するために、電
極保護層は不要である。

ガス拡散室は、例えば多孔質電極を固体電解質基板の
両側に設けた酸素濃淡電池素子を酸素ポンプ素子と対向
して配設し、該酸素濃淡電池素子と酸素ポンプ素子との
間に、ガス拡散質となる空所を有するスペーサを挟んで
接合することにより形成される。このスペーサの素材と
しては、アルミナ，スピネル，フォルステライト，ステ
アタイト，ジルコニア等が用いられる。

ガス導入部はガス拡散室と測定雰囲気とを連通するも
のであり、このガス導入部には多孔質材を充填して拡散
抵抗を増すようにしてもよい。尚、上記測定空間とは、
ガス導入部の容積は除いたものである。この測定空間の
容積は、ガス拡散室内の酸素ポンプ素子の電極面積と上
記間隙の寸法によってほぼ定まるものである。

上記酸素ポンプ素子や酸素濃淡電池素子を加熱するた
めに一般的にヒータが設けられている。このヒータは、
ヒータ自体からの電気的漏洩を防止するために、上記空
燃比検出素子本体とは別体に製造されるものであり、素
子の外側に貼付けて使用される。また他の例として、ヒ
ータのパターンを多孔質電極の周囲にコ字状に配置して
素子と一体に成形してもよい。

本発明は少なくとも酸素ポンプ素子とガス拡散室を有
する空燃比検出素子に適用できるものであり、この空燃
比検出素子として、次のような構成の素子に適用できる
ことは勿論である。例えば、酸素ポンプ素子と対向した
酸素濃淡電池素子を備えた空燃比検出素子やその酸素濃
淡電池素子を備えていない空燃比検出素子、酸素濃淡電
池素子の代わりに、チタニアからなる検出素子を酸素ポ
ンプ素子と対向して配置した空燃比検出素子にも適用で
きる。また、酸素濃淡電池素子のガス拡散室とは接しな
い外側の多孔質電極側に大気が導入される大気導入室を
形成した空燃比検出素子や、この多孔質電極を遮蔽板で
閉し、酸素を漏出するための漏出抵抗部を介して外部又
はガス拡散室と連通された内部基準酸素源を形成してな
る空燃比検出素子等にも本発明は適用できる。

［作用］本発明の空燃比検出素子は、空燃比検出素子の寸法を
特定することにより、一定以上の強度を有するとともに
熱容量の小さなコンパクトな空燃比検出素子が実現でき
る。そして、このようにコンパクトにできることによ
り、空燃比検出素子の温度がヒータ等の加熱によって急
速に上昇しても、素子自体の膨張等が少ないことからサ
ーマルショックによって素子が損なわれることがない。
従って、始動時に急加熱することができ、始動時間の短
い暖機特性の優れたものとなる。

また、測定ガスの拡散速度の律速をガス導入部で行う
ものにおいては、空燃比検出素子の周波数に対する応答
性は、ガス拡散室の測定空間によって変化する。即ち測
定空間の間隙が狭くなると測定ガスの拡散速度がその間
隙で律速して測定精度が低下し、一方、間隙が広すぎる
と酸素ポンプ素子のポンピング能力が状態の変化に追い
つかず応答性が低下する。従って、請求項２に記載した
様に所定の測定空間を設定することにより、測定精度や
応答性に優れた空燃比検出素子となる。

［実施例］以下本発明の一実施例を図面に従って説明する。

第１図は本実施例の空燃比検出素子１の斜視図、第２
図は空燃比検出素子１及びそのヒータ２の一部破断斜視
図、第３図はそれらの分解斜視図を示している。

第２図に示す様に、空燃比検出素子１の両側には、ヒ
ータ２が空燃比検出素子１と一定の間隔を保って近接し
て配置されている。

空燃比検出素子１は、固体電解質基板３の両側に多孔
質電極4,6を形成した酸素濃淡電池素子８と、同じく固
体電解質基板10の両側に多孔質電極12,14を形成した酸
素ポンプ素子16と、これらの両素子8,16の間に積層され
てガス拡散室18を形成する上下の２体の内部スペーサ2
0,22を備えている。更に、酸素濃淡電池素子８の外側に
は、多孔質電極６を覆って遮蔽体24が積層され、一方、
酸素ポンプ素子16の外側には、多孔質電極14を覆って多
孔質保護層19が積層されている。

上記酸素ポンプ素子16は、後述する第１表に示す寸法
を有している（以下各部材の寸法は第１表に記す）。そ
の固体電解質基板10は主としてイットリアージルコニア
固溶体からなり、一方、多孔質電極12,14は各々8mm²の
電極面積を有し、イットリアージルコニア固溶体と白金
とから形成されている。また、多孔質保護層19は、主に
アルミナから形成されている。

一方、上記酸素濃淡電池素子８は、酸素ポンプ素子16
と同様に、イットリアージルコニア固溶体からなる固体
電解質基板３の両面に、上記と同様な多孔質電極4,6を
形成したものである。

また、遮蔽体24はジルコニアからなる固体電解質から
形成されている。この遮蔽体24は酸素濃淡電池素子８の
外側の多孔質電極６を内部基準酸素源Ｒとして用いるた
めに、その多孔質電極６を外部の測定ガスより遮断する
ものである。

この外側の多孔質電極６は、内部基準酸素源Ｒとして
用いる際に、その内部に発生した酸素をガス拡散室18に
漏出できるように形成されている。即ち、第３図に示す
アルミナ等からなる多孔質絶縁体36,多孔質電極６と同
じ材料からなる導電材38,スルーホール40及び内側の多
孔質電極４のリード部42が、漏出抵抗部として形成さ
れ、外側の多孔質電極６内に発生された酸素をこの漏出
抵抗部を介してガス拡散室18に漏出するようにされてい
る。

更に、上記酸素ポンプ素子16と酸素濃淡電池素子８と
によって挟まれる内部スペーサ20,22は、アルミナを素
材とするコ字状の部材20と凹状の部材22とからなり、内
側の多孔質電極4,12と同径のガス拡散室18を形成する。
このガス拡散室18の両側には、外部と連通するガス導入
孔46,48が設けられており、そのガス導入孔46,48にはア
ルミナからなる多孔質の充填剤が詰められて、ガス律速
層50,52が形成されている。

尚、上述した空燃比検出素子１の外側の表面には、多
孔質電極14の表面を除いて、通常厚さ10〜20μｍの図示
しない絶縁皮膜が形成されている。

一方、ヒータ２は第２表に示す寸法を有し、第２図に
示すように、空燃比検出素子１の両側に、各々耐熱セメ
ントからなる厚さ約100μｍの外部スペーサ60を介し
て、空燃比検出素子１と平行に配置されている。このヒ
ータ２は、第４図に示すように、アルミナからなる母体
シート64の一方の側、即ち空燃比検出素子１側に、蛇行
したＵ字状の発熱パターン66を備えており、その発熱パ
ターン66はアルミナからなる内側ラミネートシート68に
覆われている。また、母体シート64の他方の側には、ス
ルーホール70を介して発熱パターン66と接続されたマイ
グレーション防止パターン72を備え、そのマイグレーシ
ョン防止パターン72は外側ラミネートシート74に覆われ
ている。

尚、上記マイグレーション防止パターン72は、発熱パ
ターン66とほぼ同形に形成され、スルーホール70を介し
てヒータ電源のマイナス極にのみ接続されている。この
マイグレーション防止パターン72は、母体シート64に含
有されているSiO₂,CaO,MgO等の微量のフラックスが、高
温及び大きな電位差によって移動して、発熱パターン66
を損傷することを防ぐためのものである。即ち、発熱パ
ターン66とマイグレーション防止パターン72との間で積
極的にマイグレーションを行わせることによって、発熱
パターン66の正負の電極間でのマイグレーションを防止
するものである。

次に、上述した各部材からなる空燃比検出素子１及び
ヒータ２の製造手順を第３図に基づいて説明する。

まず、酸素ポンプ素子８及び酸素濃淡電池素子16の固
体電解質基板3,10となるシートを、イットリアージルコ
ニア系の粉末に焼結助剤としてシリカを約2.5重量％添
加し、PVB系のバインダと有機溶剤とを用い、ドクター
ブレード法により製造する。

そして、上記シート上に多孔質電極4,6,12,14を形成
するため、共素地16重量％と、比表面積10m²/g以下（例
えば４〜6m²/g）の白金粉末とを、セルロース系或はPVB
系のバインダ、及びブチルカルビトールの様な溶剤を用
いてペースト化し、このペーストをスクリーンによって
シート上に印刷する。更に酸素ポンプ素子16の外側の多
孔質電極14の表面を、多孔質保護層19となるペースト化
したアルミナで印刷して覆う。

また、内部スペーサ20,22として、アルミナからなる
シートを形成して、酸素ポンプ素子８上に配置し、ガス
導入孔46,48となる切欠部分に、ペースト化したアルミ
ナを印刷してガス律速層50,52を形成する。

そして、上記酸素濃淡電池素子8,酸素ポンプ素子16,
内部スペーサ20,22等を積層するとともに、遮蔽体24の
シートを圧着した後に、約1500℃で１時間通常の焼成を
行って、空燃比検出素子１を製造する。

ヒータ２は、空燃比検出素子１とは別体に製造される
ものであり、母体シート64に発熱パターン66及びマイグ
レーション防止パターン70を印刷し、更にその両側にラ
ミネートシート74を積層したものを焼成して製造する。

そして、このヒータ２は、上記焼成した空燃比検出素
子１の両側に、外部スペーサ60を挟んで耐熱性無機接着
剤を用いて貼付けられる。

次に、空燃比検出素子１の動作を説明する。

まず、酸素濃淡電池素子８の多孔質電極4,6間に、外
側の多孔質電極６を正極とし内側の多孔質電極４を負極
とするように所定の電圧（例えば5V）を抵抗（例えば25
0kΩ）を介して印加することにより所定電流を流して、
ガス拡散室18内から内部基準酸素源Ｒ（外側の多孔質電
極６）に酸素を輸送する。

次いで、内部基準酸素源Ｒの酸素ガス分圧がガス拡散
室18内の酸素ガス分圧より高くなると、この酸素ガス分
圧比によって、多孔質電極4,6間に起電力が生ずる。こ
の端子間電圧はガス拡散室18内のガスがリッチ域の場合
とリーン域の場合との間で数百mVの差が生じ、かつその
差はリッチ域とリーン域との境すなわち理論空燃比でス
テップ状に変化する。

酸素ポンプ素子16は、この酸素濃淡電池素子８の特性
変化を利用して、ガス拡散室18内の空燃比状態が周囲測
定ガスの空燃比状態の如何にかかわらず常にほぼ理論空
燃比（λ＝１）となるように、ガス拡散室18内の外部か
ら酸素をくみ入れたりくみ出したりする。

即ち、酸素濃淡電池素子８の両端子間の電圧が所定の
一定値になるように、酸素ポンプ素子16を用いてガス拡
散室18を酸素をくみ出したりくみ入れたりさせ、その時
の酸素ポンプ素子16に流れる電流（ポンプ電流lp）を検
出して排ガスの空燃比出力とする。

あるいは、その逆に酸素ポンプ素子16のポンプ電流lp
を一定値に制御してガス拡散室18の酸素を所定量だけく
み出すかくみ入れ、その時の酸素濃淡電池素子８の電極
間の電圧を検出することにより、排ガスの空燃比に応じ
た信号を検出することができる。

次に、本発明の効果を確認するために行った実験例に
ついて説明するが、下記（実施例１〜２）は空燃比検出
素子の寸法を変えてサーマルショックによる影響を調べ
たものである。また（実験例３〜５）は空燃比検出素子
の暖機特性を調べたものであり、（実験例６〜８）は空
燃比検出素子の測定空間の寸法を変えて応答性等につい
て調べたものである。更に（実験例９）は接着幅ａにつ
いての実験例である。

（実験例１）第１図に示す空燃比検出素子の厚さ（素子厚さ）ｔと
幅（素子幅）ｗを変えて、各種の空燃比検出素子を製造
した。この空燃比検出素子を用いて急熱急冷サイクル試
験を行った。この急熱急冷サイクル試験とは第５図で示
すように、最初の60秒間は約125℃±50℃で加熱し、次
の60秒間は20℃±10℃で放冷し、次の60秒間は20℃±10
℃の空気を送って強制空冷するものであり、この180秒
間を１サイクルとする。

そして、耐サーマルショック性を調べるために、素子
幅ｗを4.0mmで一定とし、素子厚さｔとサイクル数とを
変えて、その時の素子のシートの厚さ方向のガス透過性
の有無を調べた。即ち、素子の厚さ方向にガス透過性が
あれば、サーマルショックによって空燃比検出素子が損
傷を受けたと判断するものである。このガス透過性の判
定方法は、空燃比検出素子の温度が800℃のリッチガス
中では、ポンプ電源lpをOmAとした時、酸素濃淡電池素
子の電圧（電池電圧）Vsが800mVを超えるのが正常なの
で、電池電圧がVsが800mVを下回る場合をガスの透過と
判定したものである。

その結果を縦軸にサイクル数をとり横軸に素子厚さｔ
をとった第６図に示す。図から明らかなように、耐サー
マルショック性は素子厚さｔが1.25mm以下の範囲のとき
に高く好適である。

（実験例２）次に、様々な素子厚さｔと素子幅ｗの空燃比検出素子
を用いて、200サイクル前後の急熱急冷の試験を行い、
その時の素子の厚さ方向のガス透過性、即ち耐サーマル
ショックの適，不適を、200サイクル以上と200サイクル
未満に分けて調べた。その結果を第７図に示すが、この
図に用いた信号の意味は第３表に示す通りであり、第７
図の境界の下側が200サイクル以上の実験データを示し
ている。

この図から明らかなように、200サイクル以上の時で
も、素子厚さｔが0,7mm〜1.25mm、好ましくは0.9mm〜1.
15mm、かつ素子幅ｗが2.8mm〜4.0mmの寸法の範囲では、
効果的にガスの透過を防止できる。即ち、上記寸法の空
燃比検出素子は、高い耐サーマルショック性を備えてい
る。ここで、素子厚さｔが0.7未満でガスの透過量が多
いのは、素子が薄すぎるためと考えられ素子として不適
である。

尚、素子幅ｗの下限値2.8mmは、設計上の制約による
ものであり、以下にその理由を説明する。

第８図に示すように、上述したマイグレーション防止
の効果を発揮するためには、発熱パターンの中央の間隔
w₁が母体シートの厚さtbの1.5倍以上、具体的には0.8mm
以上であることが望ましい。また、蛇行する発熱パター
ンは、印刷精度及び抵抗値との関係で0.4mmの線幅が必
要であり、かつ有効な発熱面積を得るためには、蛇行幅
w₂として0.8mmが必要とされる。また接着幅w₃として0.5
mm必要とされる。従って、ヒータの幅whは、 wh＝w₁＋w₂×２＋w₃×２＝0.8＋0.8×２＋0.5×２＝3.4mm となる。ここで、焼成後の割掛が1.23〜1.24であるか
ら、ヒータの幅whは2.8mmとなる。

また、空燃比検出素子の多孔質電極から引き出される
リード線の幅は最小0.5mmであり、電極部分の幅はその
1.5倍、即ち0.75mmが必要とされる。従って、電極の両
側の接着幅ａとして0.7mm×２を考慮すると、素子幅ｗ
は計2.15mm（約2.2mm）となるが、空燃比検出素子はヒ
ータと平行に配置されることから、酸素ポンプ素子を有
効に加熱して優れた応答性を得るためには、空燃比検出
素子の最小幅はヒータと同様な寸法の2.8mmが必要とさ
れる。

（実験例３）次に、暖機特性を調べるために、素子厚さｔを1.25mm
で一定とし素子幅ｗを変えて、発生する電池電圧Vsが始
動時から作動時の450mVになるまでの時間を測定した。
この結果を第９図に示す、これは縦軸に電池電圧Vsが45
0mVになるまでの時間をとり横軸に素子幅ｗをとったも
のである。図から明らかなように、素子幅ｗが4.0mm以
下のときは、電池電圧Vsが450mVになるまでの時間は25
秒前後であり、暖機特性に優れていることを示してい
る。尚、同じ構造の従来の空燃比検出素子の寸法は、通
常素子厚さｔが1.45mm〜1.8mm,素子幅ｗが5.5mm〜7mmで
あり、上記450mVになるまでには約90秒以上かかってい
た。

（実験例４）同様に暖機特性を調べるために、素子厚さｔを1.25mm
で一定とし素子幅ｗを変えて、発生するポンプ電圧Vpが
始動時から1.5Vになるまでの時間を測定した。この結果
を第10図に示すが、これは縦軸にポンプ電圧Vpが1.5Vに
なるまでの時間をとり横軸に素子幅ｗをとったものであ
る。図から明らかなように、素子幅ｗが4.0mm以下のと
きは、ポンプ電圧Vpが1.5Vになるまでの時間も約42秒と
少なく暖機特性に優れている。尚、上記寸法の従来例で
は、約120秒以上かかっていた。

（実験例５）更に、1600cc,4サイクルエンジンを用いて暖機特性の
実験を行った。本実施例の寸法の素子を用いた全領域空
燃比センサとして、始動時13Vを印加してヒータをオン
にするもの（Ｉ）を用い、比較例として常時ヒータオン
のもの（II），ヒータ付のλセンサ（III），ヒータ無
しのλセンサ（IV）を用いた。その結果を、第11図に示
す。この第11図は、始動時からの経過時間にしたがっ
て、両素子のポンプ電圧Vpや電池電圧Vs、水温や排気温
の変化等を示したものである。図から明らかなように、
本実施例の検出素子を用いたセンサ（Ｉ）は、電池電圧
Vsが450mVに達する時間が約26秒、ポンプ電圧Vpが1.5V
に達する時間が約30秒、即ち暖機活性化時間が約30秒と
短く好適である。尚、この暖機活性化時間とは、常に測
定雰囲気を示す比較例の常時ヒータオンのセンサ（II）
の出力と、本実施例のセンサ（Ｉ）の出力とが一致する
までの時間である。また、比較例のλセンサ（III），
（IV）の暖機活性化時間（出力が450mVに達する時間）
は、構造が簡単であるにも係わらずそれぞれ42秒,88秒
と遅い。

次に、ガス拡散室（測定空間）の多孔質電極の面積や
ガス拡散室の間隙の寸法を変えて、周波数に対する応答
や測定精度について調べた実験例について説明する。こ
れらの実験から、応答性や測定精度に優れた測定空間と
して好適な寸法が見いだされた。

（実験例６）まず、好適な酸素ポンプ素子の電極面積を求めるため
に行った実験について説明する。この実験は、空燃比λ
＝0.8、測定温度を800℃として、ポンプ電圧Vpと酸素ポ
ンプ素子の電極面積との関係を求めた。その結果を縦軸
にポンプ電圧Vpをとり横軸に酸素ポンプ素子の電極面積
をとった第12図に示す。図から明らかなように、ポンプ
電圧Vpとして好適な2.0V以下となる酸素ポンプ素子の電
極面積は、3.0mm²以上である。また通常多孔質電極の幅
は電極から伸びるリード線の幅1.5倍を必要とするの
で、例えば0.5mmの幅のリード線の1.5倍の0.75mmが必要
となる。従って電極面積が3.0mm²の場合は、電圧の長さ
は3.0mm²/0.75mm＝4mmとなる。

（実験例７）次に、ガス拡散室の測定空間と周波数に対する応答性
（応答特性）との関係について調べるために、周波数に
対するゲイン（△Vp/△lpデシベル（dB））を求め、応
答性の限界としてゲインが0dBのときの周波数を調べ
た。尚、ゲイン0dBとは△Vp/△lp＝１で増幅度１であ
り、それ以下では信号は減衰される。この結果を横軸に
測定空間をとり縦軸にゲイン0dBとなる周波数をとった
第13図に示す。図から明らかなように、測定空間が小さ
くなるほど周波数特性が向上することがわかる。また、
例えばエンジンでは実用上10Hz以上を必要とするので、
測定空間の容積は0.05mm³〜1.0mm³としたものが、空燃
比検出素子の応答性がよく好適である。

（実験例８）また、上記実施例７の測定空間の容積の範囲内で、ポ
ンプ電流lpと電池電圧Vsとの関係から急峻なＺカーブ、
即ち良好な測定精度が得られるか否かを調べた。その結
果を第14図（測定空間0.23mm³）及び第15図（測定空間
0.75mm³）に示すが、それぞれ縦軸にポンプ電流lpをと
り横軸に電池電圧Vsをとったグラフである。両図から明
らかなように上記測定空間の容積の範囲内の試料では急
峻なＺカーブ、即ち良好な測定精度が得られる。

特に、上記実験例６で述べたように、電極面積は3mm²
以上が望ましいので、測定空間の間隙は20μｍ〜100μ
ｍ、特にそのうちでも30μｍ〜100μｍが測定精度及び
応答性に優れ好適である。尚、測定空間の間隙が20μｍ
を下回ると、ガス拡散が狭い間隙により律速されてVs−
lp特性が急峻でなくなるので、間隙の下限値は20μｍと
される。

（実験例９）次に、その他の実験例として、電極の外周と、固体電
解質及び遮蔽体との外周の差、即ち接着幅ａ（第１図）
の適性値を求めるために行った実験について説明する。
この実験では素子幅ｗを4.0mm、素子厚さｔを1.25mmで
一定にし、接着幅ａとサイクル数とを変えて、サーマル
ショックによる剥離等を調べた。その結果を縦軸にサイ
クル数をとり横軸に接着幅ａをとった第16図に示す。図
から明らかなように、接着幅ａが0.7mm以上であれば、2
00サイクル以上の急熱急冷試験を行なっても剥離等もな
くサーマルショックにも強く好適である。

以上の実験例から明らかなように、始動時などにヒー
タで急速に加熱しても、サーマルショックによって空熱
比検出素子が損なわれて、空熱比を検出する能力や耐久
性が損なわれることがない。更に、ヒータを用いて急加
熱できるので、始動開始温度になるもでの時間が短く、
始動時に迅速に空燃比の測定が可能になる。また、ガス
拡散室も小さくでき空燃比センサの応答性も向上する。

また特に空燃比検出素子の厚さｔが0.7mm〜1.25mm、
好ましくは0.9mm〜1.15mmの範囲であり、かつ素子幅ｗ
が2.8mm〜4.0mmの範囲であれば、顕著な耐サーマルショ
ック性があるので、測定ガスがリークすることもない。
またこの寸法の範囲の空燃比検出素子は、暖機特性も優
れているので始動後に極めて迅速に測定を開始できる利
点がある。更に、空燃比検出素子の寸法が上記範囲内で
は、寸法が小さすぎることによる製造時の問題、即ち印
刷工程で多孔質電極のペースト内の溶剤が、固体電解質
基板等のシートに浸入することによって生ずるシート印
刷部の歪みを生ずることもなく印刷精度が低下すること
もない。また拡散室の測定空間の間隙が20μｍ〜100μ
ｍの範囲であり、かつ測定空間の容積が0.05mm³〜1.0mm
³の範囲であれば、周波数特性や測定精度もよく好適で
ある。更に、接着幅が0.7mm以上であればサーマルショ
ックによって剥離が生ずることもない。

［発明の効果］以上説明したように、本発明の空燃比検出素子は、寸
法が特定されているので、耐サーマルショック性に優れ
かつ十分な強度を備えている。従って、始動時にヒータ
等で急加熱することができるので暖機特性が向上し、か
つ応答性や測定精度も優れたものとなる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本実施例の空燃比検出素子の斜視図、第２図は
空燃比検出素子及びヒータの一部破断斜視図、第３図は
その分解斜視図、第４図はヒータの分解斜視図、第５図
は急熱急冷サイクルの実験方法を示す説明図、第６図は
急熱急冷サイクルと素子厚さとの関係を示すグラフ、第
７図は急熱急冷サイクルと素子幅及び素子厚さとの関係
を示すグラフ、第８図は発熱パターンを示す平面図、第
９図は所定Vsに至る経過時間と素子幅との関係を示すグ
ラフ、第10図は所定Vpに至る経過時間と素子幅との関係
を示すグラフ、第11図は暖機特性を示すグラフ、第12図
はVpとlp電極面積との関係を示すグラフ、第13図は周波
数と測定空間との関係を示すグラフ、第14図及び第15図
はVsとlpによる測定精度を示すグラフ、第16図は急熱急
冷サイクルと接着幅との関係を示すグラフである。１……空燃比検出素子２……ヒータ 3,10……固体電解質基板 4,6,12,14……多孔質電極８……酸素濃淡電池素子 16……酸素ポンプ素子 18……ガス拡散室 20,22……内部スペーサ 60……外部スペーサ

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】少なくとも固体電解質基板の両側に多孔質
電極を設けた酸素ポンプ素子と、該酸素ポンプ素子の一
方の多孔質電極を覆うガス拡散室と、該ガス拡散室と測
定雰囲気とを連通するガス導入部とを設けた空燃比検出
素子において、上記空燃比検出素子の厚さを0.7mm〜1.2
5mmとし、かつ該素子の幅を2.8mm〜4.0mmとしたことを
特徴とする空燃比検出素子。
【請求項２】上記空燃比検出素子のガス導入部でガス律
速するとともに、上記ガス拡散室の測定空間の間隙を20
μｍ〜100μｍとし、かつ測定空間の容積を0.05mm³〜1.
0mm³としたことを特徴とする請求項１記載の空燃比検出
素子。