JPH0221545B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明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、比較的温度依存性が少なくて、空燃比な
どを精密に測定することができる酸素センサに関
するものである。

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
ぞれ個別に設けるので、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、上記酸素センサは２つの素
子及び酸素拡散孔を穿つた円筒形スペーサからな
り、そして、上記酸素拡散孔は非常に小さいもの
であるので応答性が劣り、又、自動車エンジン排
気ガス中に設置したような場合においては、排気
ガスよりのデポジツトのため、孔の径が小さくな
つたり、場合によつて完全に詰まつてしまい、正
確な酸素濃度測定がしばしば不可能となつた。
又、孔が詰まらないにしても、その径が非常に小
さいことから、僅かなデポジツトを生じても、酸
素の拡散効率に影響を及ぼし、測定精度を低下さ
せたのである。

酸素センサ特に空燃比測定用酸素センサの以上
のような欠点に鑑み、本発明者らは鋭意研究の結
果、応答性の点で有利でありかつ簡単な構造でし
かも測定精度の高い新規なセンサを開発したので
ある。

即ち本発明の要旨とするところは、酸素イオン
導電性固体電解質板の先側の両面に電極層を設け
た素子を、２枚間隔をおいて平行状に配して上記
先側に間隙部を設けて該両素子を固定し、一方の
素子を酸素ポンプ素子、他方の素子を周囲雰囲気
と前記間隙部との酸素濃度比測定用電池素子とし
た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、具体的な実施例に基づい
て説明してゆく。

第１図は本発明の酸素センサの第１実施例の平
面図、第２図はその裏面図、第３図はその―
断面図を示す。ここにおいて、２及び３は素子で
あり、この内２が酸素ポンプ素子、３が酸素濃度
比測定用電池素子である。

酸素ポンプ素子２の主体は酸素イオン導電性固
体電解質の長方形の焼結板状体からなる。ポンプ
素子２の先側２ａには、その表裏面の相対する位
置でかつ先側の三方の端縁から少しひかえた位置
にここでは厚膜技術を用いて被着形成した、多孔
質の耐熱金属層よりなる電極４，５が正方形状に
設けられている。一方の正方形電極４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４ａ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。同様に他方の正方
形電極５の元側方向の２つの角の内、電極４と反
対側の角より引き出し線５ａ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５ａは元側２ｂで板状体の表裏を貫通して
いるスルーホール５ｄを通じて、その反対面の取
り出し部５ｂに電気的に接続されている。引き出
し線４ａは元側２ｂで取り出し部４ｂを形成し、
その結果、同一面に２つの電極４，５の取り出し
部４ｂ，５ｂが配設されることになる。

電池素子３もポンプ素子２と同様に主体は酸素
イオン導電性固体電解質の長方形の焼結板状体か
らなる。電池素子３の先側３ａには、その表裏面
の相対する中央よりの位置に前記ポンプ素子の場
合と同じくして形成した耐熱金属層よりなる電極
６，７が正方形状に設けられている。一方の正方
形電極６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６ａが、板状体の元
側３ｂ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７の元側方向の２つ
の角の内、電極６と反対側の角より引き出し線７
ａが板状体の元側３ｂへ真直ぐに伸びる帯形状に
設けられている。引き出し線６ａは元側１ｂで板
状体の表裏を貫通しているスルーホール６ｄを通
じて、その反対面の取り出し部６ｂに電気的に接
続されている。引き出し線７ａは元側３ｂで取り
出し部７ｂを形成し、その結果、同一面に、２つ
の電極６，７の取り出し部６ｂ，７ｂが配設され
ていることになる。

ポンプ素子２及び電池素子３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
アあるいはカルシア等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
素イオン導電性の固体電解質として使用可能であ
るが、ここでは酸化イツトリウムで部分安定化し
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４，５，６，
７、引き出し線４ａ，５ａ，６ａ，７ａおよび取
り出し部４ｂ，５ｂ，６ｂ，７ｂは耐熱金属層よ
りなり主にPt，Ru，Pd，Rh，Ir，Au，Ag等
の、ここではペーストをプリント印刷後焼結して
形成したがフレーム溶射または化学メツキもしく
は蒸着などの方法を用いて被着形成してもよい。
また上記電極上にアルミナ、スピネル等の多孔質
保護層を設けることもできる。

これらは素子１枚毎に製作してもよいが、一般
に生産性を考慮して、焼結前の固体電解質の大型
の生のセラミツクシートに電極用等の金属ペース
トを多数同時にプリント印刷し、その後、素子毎
に切り抜き焼成する方法を採用するのが有利であ
る。

次に両素子２，３を間隙部９を有する一体の酸
素センサに組み立てるには、両素子２，３の各々
の元側２ｂ，３ｂにて耐熱性無機質接着剤等を用
いて平行に一定間隔に貼り合わせることによりな
される。

この両素子を一定間隔に平行に貼り合わせるに
は例えば次のような方法が採られる。まず片方の
素子の元側接着面に耐熱性無機質接着剤例えばセ
ラミツク系接着剤を適量塗布する。次に、厚みの
均一なスペーサ、例えば、ゲージあるいは厚さ
0.01〜0.05mmの紙、ビニール、アルミホイル等を
一枚又は複数枚重ねて２つの素子の先側に挾んで
押圧し、接着剤を両素子の元側接着面全面に押し
拡げ、はみ出た余分の接着剤を取り除いた後、加
熱処理して接着剤を固める。

上記両素子間の間隔は素子形状及び電極面積に
もよるが電池素子の出力を適当に選択することに
より、例えば、100mm²の正方形状電極とし、素子
の板状体の端縁からのひかえ寸法（第３図のｌ）
を0.5mm〜３mmとする場合、0.01〜0.5mmまで可能
であり、比較的大電流領域1mA〜100mAで使用
する場合はやや広く、比較的低電流領域0.1mA〜
10mAで使用する場合はやや狭くとるといつたよ
うに必要に応じて変化させることができる。尚、
これらの電流領域により検出できる酸素濃度は
0.1％以下から約10％程度まで可能である。それ
故、本センサは前記スペーサの厚みを変更するだ
けで、素子間隔が所望の広さに製造工程で簡単に
設計変更して電流量の調整が簡単にできるという
利点も有する。

本発明の空燃比測定用酸素センサによる測定方
法は、例えば次のごとくなされる。

第１実施例のセンサを測定用雰囲気中に入れ、
片方の酸素ポンプ素子の外側の電極４に正、内側
の電極５に負の電圧を印加することにより、ポン
プ素子２の固体電解質内を酸素イオンが内側電極
５より外側電極４へ移動し、ポンプ素子２と電池
素子３の間の間隙部９に存在する酸素がポンプ素
子２の外側へ汲み出される。

上記の如く間隙部９より酸素が汲み出される
と、電池素子３の外側つまり周囲雰囲気と間隙部
９との間に酸素濃度の差を生ずる。この濃度差に
より、電池素子３に起電力を生ずるのである。こ
の場合の起電力Ｅは、周囲雰囲気の酸素分圧を
Pc、間隙部９の平均的酸素分圧をPa、気体定数
をＲ、絶対温度をＴ、フアラデー常数をＦとする
と、次のNernstの式で表わされる。

Ｅ＝（RT／4F）・ln（Pc／Pa） 上記起動力は、センサにその間隙部９の３方向
端部から自由に拡散流入する酸素量と、ポンプ素
子２により間隔部９から外側へ汲み出される酸素
量とが速やかに平衡に達した時点で一定となる。
そしてこの起動力Ｅが予め定めた一定値に維持さ
れるように、ポンプ素子側に流す電流量を変化さ
せると、定温においてその電流量は、周囲雰囲気
内の酸素の含有率にほぼ直線的に比例することに
なり、電流量に温度補償を加味して演算処理する
ことにより、酸素濃度をその変化に対する良好な
追従性を保持しつつ求めることができる。

又、センサを自動車排ガス中の酸素濃度測定に
適用した場合、排ガス中のカーボンやミストによ
るデポジツトがセンサの偏つた部分に発生して
も、本発明のセンサの特徴として間隙部９の３方
向が全て酸素拡散のための入口となつていること
から、前記デポジツトによる酸素拡散量への影響
が少なく、測定精度への影響がほとんどないので
ある。

第５図は本発明の第２実施例を示す。この第２
実施例は第１実施例のセンサに更に加熱素子１
０，１１をセンサ両面から付設したものである。

加熱素子１０，１１はセンサより少し長辺方向
が短かい長方形のアルミナ、スピネルなどの絶縁
性無機質板状体１０ｃ，１１ｃからなり、その先
側１０ａ，１１ａに厚み方向に打ち抜いて電極
４，７の位置及び形状に適合させた孔１３を有し
ている。この孔１３の周囲の板状体１０ｃ，１１
ｃの表面には、発熱抵抗体１２が波形に配設さ
れ、元側１０ｂ，１１ｂ寄りの発熱抵抗体端部１
２ａで２本の引き出し線１２ｂと接続している。
この２本の引き出し線１２ｂは端部１２ａから元
側１０ｂ，１１ｂへ伸び、各々その先端は取り出
し部１２ｃを形成している。前記発熱抵抗体１
２、引き出し線１２ｂ及び取り出し部１２ｃは耐
熱金属層よりなるが、発熱抵抗体１２はPt、Au
等の耐熱金属のペーストを使用して、引し出し線
１２ｂ及び取り出し部１２ｃも主にPt等の耐熱
金属のペーストを使用して、プリント印刷にて形
成される。なお上記発熱抵抗体１２や引き出し線
１２ｃなどはセラミツク中に埋設するならばタン
グステンなどの高融点金属の印刷も適用すること
ができる。

上記の加熱素子１０，１１は第１実施例のセン
サとグリーンの状態でその先側をそろえて圧着後
一体に焼成するか、あるいは焼結後の状態で接着
するかすることにより、第２実施例のセンサが形
成される。この加熱素子の取り出し部１２ｃに通
電することにより、引き出し線を介して発熱抵抗
体が通電され発熱する。それ故、電流量を調節す
ることにより、酸素センサ全体の温度を調節し、
被測ガスの温度が低いときに素子特にポンプ素子
の活性を高め、また測定時に温度補償を与えるの
で、より精密、正確な測定が可能となる。

ここで各素子の板状体の寸法は縦５mm〜70mm、
横３mm〜10mm、厚さ0.5mm前後のものが通常使用
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又はその逆方向へ酸
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
Nernst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。

以上詳述した如く、本発明の酸素センサは、酸
素イオン導電性固体電解質板の先側の両面に電極
層を設けた素子を、２枚間隔をおいて平行状に配
して上記先側に間隙部を設けて該両素子を固定
し、一方の素子を酸素ポンプ素子、他方の素子を
周囲雰囲気と前記間隙部との酸素濃度比測定用電
池素子とすることにより、センサの素子電極の周
囲の内、３方向全てが、酸素拡散流入のための入
り口となり、酸素の拡散時間が短縮され、また排
ガス中の酸素濃度の測定等においてデポジツトの
堆積があつても、拡散流入口がセンサの周囲に広
範囲にわたつていることから、酸素拡散量にほと
んど影響を与えず、長期にわたつて十分に精密で
正確な酸素濃度の測定ができるのである。又、そ
の構造が簡単なところから、本発明の酸素センサ
は製造が容易で品質管理がし易く、設計変更特に
間隙部の広さの変更が容易であることにより、両
素子の入力あるいは出力電力を自由に調節でき、
各種部所への適用が容易であるという長所も有す
るのである。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明酸素センサの第１実施例の平面
図、第２図はその裏面図、第３図はその―断
面図、第４図はその斜視図、第５図は第２実施例
の斜視図である。 ２……酸素濃度比測定用電池素子、３……酸素
ポンプ素子、４，５，６，７……電極、２ｃ，３
ｃ……酸素イオン導電性固体電解質板、９……間
隙部、１０，１１……加熱素子。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ 酸素イオン導電性固体電解質板の先側の両面
   に電極層を設けた素子を、２枚間隔をおいて平行
   状に配して上記先側に間隙部を設けて該両素子を
   固定し、一方の素子を酸素ポンプ素子、他方の素
   子を周囲雰囲気と前記間隙部との酸素濃度比測定
   用電池素子としたことを特徴とする酸素センサ。