JPH02287147A - 酸素検知装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、一般に内燃機関から放出される自動車排気中
の酸素濃度を検出するのに適当な電気化学型固体電解質
酸素センサに関する。ことに本発明はたとえばＵ　Ｓ　
Ａ　−４，２８２，０８０号に記載しであるように請求
項１の前文に述べられた偏平板状固体電解質体検知素子
を持つようなタイプの酸素センサに関する。

この酸素センサは又、センサ自体を所定の温度に自動加
熱する手段を備えている。

〔発明の背景〕

ガスセンサは、質的及び量的のガス測定を必要とする種
々の用途に使われる。自動車工業では自動車排気中の酸
素濃度がエンジン空燃比に対し直接関係を持つことはよ
（知られている。酸素ガスセンサは自動車内燃機関制御
システム内に使われ、最適の燃焼条件、最高に有効な燃
料使用及び排気エミッションの管理のために正確な排出
ガス酸素濃度測定を行う。

一般に自動車用に使われる電気化学型の酸素センサはシ
ンプル（ｔｈｉｍｂｌｅ）形電気化学電池を利用し排気
流中に存在する酸素の相対量を定め又は検知する。その
１例としてＢｕｒｇｅ　ｔ　を等を発明者とする米国特
許第３．８４４．９２０号明細書がある。この種の酸素
センサは、一般によく知られ自動車工業を通じて使われ
、イオン伝導性固体電解質材料と、（たとえばイツトリ
ア安定化ジルコニアから成る）測定する排出ガスにさら
される外部多孔質電極コーティングと、基準ガスの公知
の濃度にさらされる内部の多孔質電極コーティングとか
ら成っている。

固体電解質を横切るガス濃度こう配は、ネルンスト（Ｎ
ｅｒｎｓｔ）の式Ｅ＝ＡＴｆｎ　［Ｐ、／Ｐｔ］により
２個の電極におけるガスの分圧の差分に関連するガルバ
ーニ電位を生ずる。このネルンストの式でＥは電池電圧
であり、Ｔはガスの絶対温度であり、Ｐ、／Ｐ、は２個
の電極における基準ガスの各分圧の比であり、又Ａ＝Ｒ
／４ＦでありただしＲは普通気体定数でＦはファラデ一
定数である。すなわち酸素センサは、このガルバーニ出
力電圧を測定することにより排出ガス中の酸素濃度を検
知する。

但し、先ずこのようなセンサの固体電解質の温度を上げ
加熱することが望ましい。これは、基準電極及び測定電
極の間の酸素濃度の差に応答して感知できる出力電圧を
センサーによりすぐに得られることを可能ならしめるも
のである。各電極間の誘起ガルバーニ（ｇａｌｖａｎｉ
ｃ）電位と対応出力電圧とは、固体電解質がある温度に
加熱されるまでは安定しない。作動時に燃焼ガスは酸素
センサの固体電解質をガルバーニ安定性を生ずるのに十
分な作動温度に加熱する。従って有効なセンサ作用は、
燃焼ガスがセンサを適当な温度に加熱するまで遅延する
。

最後に、センサをエンジンとくに高い効率のエンジンの
排気管内で下流側にかなり離して位置させると、センサ
はエンジンアイドル運転中にセンサ仕様に適応するのに
十分な高い温度に加熱されない。これ等の条件中には被
制御パラメータを制御するのに内燃機関制御システムは
開ループシステムとして動作し、すなわちこの制御シス
テムは、被制御パラメータたる空燃比を検知しない。短
い運転期間中に生ずる全エミッションのうちの大部分が
この期間中すなわちエンジン暖機運転中に生ずることは
よく知られている。従っていくつかの適用例ではエンジ
ン暖機運転中のエミッション制御は、周囲環境の温度に
関係なくセンサ自体を所定の温度に急速に加熱する手段
を備えた酸素センサを成育することにより改良される。

センサ自体を加熱することのできる酸素センサについて
は、このセンサが排気管内のいずれの位置でも冷えた出
口端であっても位置させられることが出来望ましい。そ
の理由は、センサの固体電解質はセンサ自体を加熱する
のに燃焼ガスの熱に依存しないからである。

加熱される酸素センサは当業界では従来多くのものが提
案されている。これ等の従来の加熱センサは一般に、セ
ンサの固体電解質体を積極的に加熱する細長いセラミッ
クヒータを備えている。ヒータエレメントは、普通のシ
ンプル形の固体電解質体に形成した細長い円筒形の穴内
に挿入する。

これ等の従来の加熱及び非加熱酸素センサは運転中に満
足の得られる性能を持つが、シンプル形でない検知素子
を開発することが望まれている。シンプル形素子を持つ
酸素センサの欠点は、従ってこれ等のセンサの製造及び
組立てのむずかしいことである。

従って偏平板状セラミック基板を利用し又標準のセラミ
ック処理法を利用する検知素子を設けることが望ましい
。さらに又このような検知素子はこれ自体を所定の温度
に急速に加熱できることが望ましい。さらにとくに自動
車用に対しては加熱酸素検知素子は丈夫で信頼性が高く
安価容易に作られるものでなければならない。

〔発明の要約〕

本発明による酸素検知装置は、請求項１の特徴部分に記
載しである機能を特徴とする。

本発明の目的は、電気化学型酸素センサ用の新規な固体
電解質検知素子を提供することにある。

さらに本発明の目的は、このような新規な検知素子を偏
平板状セラミック基板から形成することにある。

なお本発明の目的は、このような新規な検知素子がこの
素子自体を所定の温度に急速に自動加熱する手段を持つ
ようにすることにある。

本発明の好適な実施例によればこれ等の又その他の目的
及び利点を次のようにして得られる。

本発明によれば内燃機関から放出される自動車排気中の
酸素濃度を検出するのに適した独特の固体電解質酸素検
知素子が得られる。

好適な検知素子は、実質的に偏平であり、固体電解質材
料好適にはイツトリア安定化ジルコニアから成っている
。この検知素子は、測定しようとする外部ガスに接触す
る測定電極と、既知のガス濃度に接触する基準電極とを
備えている。又正抵抗（ｐｏｓｉｔｉｖｅ　ｒｅｓｉｓ
ｔａｎｃｅ）のヒータ素子を検知素子の固体電解質体に
設けることができる。

偏平板状セラミック検知素子の独特の特徴は、検知素子
の各側部にこの素子の２つの端部間に位置する各頂部で
出会うように集まる２つの部分を備え、この素子の幅が
２つの頂部間で最大でありこれ等の頂部から２つの端部
に向かいテーパを持つようにしであることである。この
テーパにより、ハウジング内の検知素子の固着及び剛性
の保持が容易になる。検知素子は、この検知素子をタル
ク（ｔａｌｃ、滑石）のような圧力媒体内に封入し、各
頂部の各側に位置させた２個のブッシングを締付けるこ
とによりハウジング内に固定する。このようにして検知
素子をハウジング内に固定すると、検知素子の表面に締
付は力が広がり頂部に集中しないようになって有利であ
り、検知素子は圧縮状態に保持されることにより検知素
子の寿命を一層長（する。

本発明は、内燃機関から放出される排出ガスの酸素分圧
を検出するのに適した電気化学型酸素検知装置に使う加
熱固体電解質検知素子を提供するものである。

一般に好適な検知素子は、固体電解質材料なるべくはイ
ツトリア安定化ジルコニアから成る実質的に偏平な本体
から形成され、測定しようとする外部ガスに接触する測
定電極と既知濃度のガスに接触する基準電極とを持つ。

またこの検知素子には正抵抗ヒータ素子を設けである。

本発明の独特の特徴は検知素子“め形状である。

この検知素子は、２つの長い側部と２つの端部とを持つ
実質的に偏平な本体から成る。この固体電解質体の各側
部は、この本体の２端部間に位置する頂部に集まる２つ
の部分を備えている。従ってこの偏平体の幅はこれ等の
２つの頂部の間で最大であり、この偏平体は幅にこれ等
の頂部から２つの偏平体端部に向かいテーパを付けであ
る。このテーパによりハウジング内の固体電解質体の固
着及び剛性の保持が容易になる。本検知素子は、この検
知素子をタルクのような圧力媒体中に封入し各頂部の各
側で各テーパ付き側部に位置させた２個のブッシングを
締付けることによりハウジング内に固定する。本発明で
は検知素子はハウジング内に圧縮状態に保持され、かし
め力は各頂部に集中しないで検知素子にわたり一様に広
がる。このことはセラミック材固体電解質体の耐久性を
強め寿命を長くするから有利である。

〔実施例〕

実施例について図面を参照して説明すると、第１図は好
適な偏平板状検知素子ＩＯの各部品の展開図である。検
知素子ｌＯは第１の固体電解質体１２、好ましくはイツ
トリア安定化ジルコニアから成っている。固体電解質体
１２は測定電極１４及び基準電極１６を持つ。画電極１
４．１６は多孔質の白金により構成するのが好ましい。

しかし導電性を持ち多孔質で排出ガス中の酸素分圧の測
定ができるようにした他の適当な材料を使ってもよい。

測定電極１４は自動車排出ガスのような測定しようとす
る外部ガスに接触する。

基準電極１６は、外部ガスからは気密になるように配置
されその代りに既知濃度の基準ガスに接触する。この既
知濃度の基準ガスは、基準電極１６を密封する材料から
成る被覆体２０内の空気みぞ穴（チャンネル）として作
用する室１８に供給される。基準室１８の形状は基準電
極１６の形状に実質的に適合して基準ガスの最大移動を
可能ならしめ基準電極１６及び基準ガス間に最適の接触
が生ずるようにするのがよい。しかし基準ガスが基準電
極１６にそのいくらかの領域で接触する限りは必ずしも
このようにする必要はない。

固体電解質体１２に貫通孔２２及び接触パッド２４を設
けて外部の測定電子回路網（図示してない）に基準電極
１６を電気的に接続できるようにしである。貫通孔２２
は円筒形の中実又は中空の栓（図示してない）を入れで
ある。この栓及び接触パッド２４は、基準電極１６を形
成するのに使われる多孔質白金のような導体材料から構
成しである。

被覆体２０は、固体電解質体１２と同じ材料すなわちイ
ツトリア安定化ジルコニアから形成するのが好ましい。

他の適当な材料を使ってもよいが、被覆体２０には構成
が容易になり応力が最低になるように固体電解質体１２
と同じ材料を使うのが好ましい。

検知素子ｌＯには正抵抗（Ｐｏｓｉｔｉｖｅ　ｒｅｓｉ
ｓｔａｎｃｅ）ヒータ素子２６を設けるのがよい。ヒー
タ素子２６は白金から形成するのがよいが、タングステ
ンのような他の適当な材料を使ってもよい。この白金は
型抜きして誘電体層２８なるべくは酸化アルミニウムＡ
４７　ｔｏ、の層に配置する。誘電体層２８は、空気み
ぞ穴１８を持つ被覆体２０上に配置する。

ヒータ素子２６は空気みぞ穴１８を持つ被覆体２０に直
接配置してもよいが、イオン導電性及び電気伝導性の固
体電解質被覆体２０を通して多孔質白金基準電極１６及
び白金ヒータ素子２６間のイオン導電又は電気伝導の作
用を防ぐように誘電体層２８を介在させるのがよい。

ヒータ素子２６は正の抵抗係数を持つ特性にしである。

従ってヒータ素子２６はその温度の上昇に伴い発生する
熱が低下する。このことは、ヒータ素子２６が排出ガス
の温度の低いときだけ主として好適に使われる。従って
ヒータ素子２６は排出ガスの温度が高いときは不必要に
なる。

本発明の好適な実施例はヒータ素子２６を備えているが
、ヒータを所望しない場合もある。この場合検知素子Ｉ
Ｏは、ヒータ素子２６及び誘電体層２８を省いたことを
除いて前記したように構成する。この変型による加熱し
ない構造では検知素子は、たとえば排出ガスにより測定
しようとするガスを加熱することにより所定の温度に加
熱した場合にこのガスを検知する。

さらにスピネル（ｓｐｉｎｅｌ　（尖晶石））のような
材料から成る保護層３０をヒータ素子２６及び測定電極
１４上に配置する。スピネルは、これが多孔質であり下
側にくる材料に対し融和性を持つので好適な材料である
。スピネル層３０は、内側の各素子を保護ししかも内側
の測定電極１４までガスを拡散させる。スピネルは好適
であるが、保護作用を生ずる多孔質の他の適当な材料を
使ってもよい。

本発明の特徴は、検知素子ＩＯに端部から端部まで互い
に対向する方向にテーパを付けたことにある。第２図及
び第３図に明らかなように検知素子１０の各側部は、素
子ＩＯの各端部から外方に延び固体電解質体１２の各側
部の頂部３２に集まる２つの部分を備えている。各頂部
３２は検知素子１０の上端部３４及び下端部３７の間に
位置させである。検知素子ＩＯの幅は各頂部３２の間で
最大である。検知素子１０の２方向テーパ付き形状によ
り検知素子ＩＯは酸素センサアセンブリ内で容易に固定
し自身で位置決めすることができる。

各頂部３２のテーパ角φは検知素子ＩＯの各側部の２つ
の集まる部分の間で各頂部３２の内側から測って約１６
５°より大きいのが好ましい。この場合たとえば第４図
に示すような普通のブッシング（ｂｕｓｈｉｎｇ）を使
用することができる。テーパ角φは１６５°より小さ（
てもよい。すなわち頂部３２は一層とがらせてもよい。

しかしこの場合特殊なブッシングを使う必要がある。テ
ーパ角φは約１７５ないし１７９°に保つのがよい。こ
の場合普通のブッシングを使用でき鋭角頂部における応
力集中を減らすことにより、各頂部３２における検知素
子１０の層はがれ又はひび割れのおそれが減る。テーパ
角φは約１７９°にするのが最もよい。その理由は、こ
の場合検知素子１０の構造的一体性及び応力集中と共に
製造の容易性の諸関係を最適にするからである。

第２図は検知素子１０の平面図である。スピネルから成
る保護外層は図示しないで測定電極１４の位置が分るよ
うにしである。測定電極１４は測定しようとする外部ガ
スに接触する。又接触パッド２４が示されている。接触
パッド２４は、測定電極Ｉ４とは反対側の固体電解質体
１２の面に設けた基準電極（図示してない）と外部測定
設備（図示してない）との間を、固体電解質体１２を貫
く貫通穴２２内の電気伝導性栓により電気的に接続する
。接触パッド２４及び貫通穴２２は、基準電極１６に対
し他の手段により電気的に接続可能な限り、本質的な特
徴ではない。

第３図は検知素子ｌＯの反対側の面を示す。又スピネル
の保護外層は図示しないでヒータ素子２６の位置を示す
ようにしである。ヒータ素子２６は、白金タングステン
又はその他の適当な材料から成る厚い膜から構成しであ
る。ヒータ素子２６は型抜きして排出ガスが主として流
れる下端部３６に巻込み部３８を設けである。この構造
は、排出ガスに接触する固体電解質体１２の領域に実質
的に一層多くの熱を供給することによりこの領域を一層
迅速に加熱し一層早いガス濃度測定ができるから好適で
ある。

第４図には１例としてのブッシング４０を示しである。

ブッシング４０は、検知素子ｌＯの各頂部３２間の距離
よりわずかに小さい幅を持つ内部スロット４２を形成し
である。この構造により、検知素子ＩＯの各頂部３２か
ら遠い方の領域で検知素子ＩＯ及びブッシング４０の間
に摩擦締りばめの関係が得られる。ブッシング４０の材
料は、主として熱膨張係数の理由によりアルミナが好適
である。検知素子１０と同等の膨張係数を持つ他の適当
な材料たとえばジルコニア等を使ってもよい。

第５図は、検知素子サブアセンブリ４４を示していて、
検知素子ｌＯがハウジング４６内において２個のブッシ
ング４０ａ、４０ｂにより固定されている。検知素子ｌ
Ｏは、検知素子ＩＯの各頂部３２の各側に位置させた２
個のブッシング４０ａ。

４０ｂにより金属ハウジング４６内に押し込められてい
る。圧力媒体６０が、２個のブッシング４０ａ。

４０ｂ間の金属ハウジング４６内の領域４８で検知素子
ＩＯのまわりに密に詰め込まれている。圧力媒体６０に
好適な材料はタルク（ｔａｌｃ、滑石）である。その理
由はタルクの極めて低い熱膨張係数とその物理的性質と
によりなる。しかしセラミック材又はガラスの粉末のよ
うな他の適当な材料を圧力媒体６０として使用してもよ
い。

本発明の他の特徴は、検知素子１０をハウジング４６内
に固定する方式である。検知素子ＩＯは、その構造とブ
ッシング４０ａ、４０ｂの配置とによってハウジング４
６内に自動心合せすることができる。両ブッシング４０
ａ、　４０ｂから検知素子１０に圧力媒体６０を通して
締付力が加えられる。この構造により、力が頂部３２又
はその他どの領域にも集中しないで素子１０の表面にわ
たり広がる力の分布が得られる。さらにこの構造により
セラミック材検知素子ＩＯは圧縮状態に保持され、この
ことは、セラミック材で作用するときにかなり望ましい
ことであり、セラミック材検知素子１０の寿命が一層長
くなる。この構造では検知素子ＩＯは、金属ハウジング
４６内にしっかり固定され、関連する自動車からの熱サ
イクル、振動又は運転の間に動かないようにされている
。

検知素子１０を保持するのに必要な締付力すなわち圧縮
力は約４１３７ｋＰａ（６００ｐｓｉ）が好適である。

この力は検知素子ＩＯの固体電解質体１２すなわちイツ
トリア安定化ジルコニアの応力降伏点を越えてはならな
い。従ってこの力は、検知素子ｌＯに損傷を与えないで
約６８９．５　ｋＰａないし２０．６８４ｋＰａ（１０
０ないし約３０００ｐｓｉ）の間で変ることができる。

ハウジング４６は、検知素子１０の測定電極１４が測定
しようとする外部ガスに接触すると共に基準電極１６を
これ等の外部ガスに対し気密に保持するように検知素子
１０を支える。検知素子１０は、排出ガスの流れの中に
指に突出するように取付ける。

第５図には又穴あきの保護金属遮蔽５０を示しである。

該遮蔽５０は、検知素子ｌＯを保護し穴５２を持ち検知
素子１０のまわりの排出ガスの流れが中断しないように
する。遮蔽５０及びハウジング４６はきびしい排出ガス
にさらされるので、ステンレス鋼のような適当な材料か
ら形成しなければならない。

第６図は、上部保護遮蔽５６及び接続電源５８を検知素
子サブアセンブリ４４に取付けた全酸素センサアセンブ
リ５４を示す。上部遮蔽５６は、検知素子１０の上部部
分に付加的な保護作用を加える。接続電線５８は検知素
子ｌＯにより生ずる電気信号を電気測定設備（図示して
ない）に連絡するためのものである。

【図面の簡単な説明】 第１図は本発明の好適な実施例による検知装置の偏平板
検知素子の各部品の展開斜視図である。 第２図は第１図に示した好適な偏平板検知素子の第１の
側部の平面図である。 第３図は第１図に示した好適な偏平板検知素子の第２の
側部の平面図である。 第４図は第１図に示した好適な検知素子の固定用ブッシ
ングの斜視図である。 第５図は本発明の好適な検知素子を第４図に示したよう
な２個のブッシングによりハウジング内に固定した好適
な検知素子サブアセンブリを−ブッシングを縦断面にし
て示す側面図である。 第６図は本発明の好適な検知素子を備えた酸素検知装置
を一部を縦断面にして示す側面図である。 １２・・・・・・〜・電解質体、１４・・・・・−・−
測定電極、１６・・−・基準電極、３２−一−・・頂部
、３４．　３７−−−−・一端部、５４−・・・−・・
酸素検知装置。 Ｆｉｇ、２ Ｆｉｇ、３ Ｆｉｇ、　１ Ｆｉｇ、５ Ｆｉｇ、６

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、測定電極（１４）及び基準電極（１６）を持つ実質
   的に偏平な固体電解質体（１２）を備え、使用時に前記
   測定電極（１４）は測定しようとする外部ガスに接触す
   るが、前記基準電極（１６）は測定しようとする外部ガ
   スに対し実質的に気密にした酸素検知装置（５４）にお
   いて、 前記固体電解質体（１２）は第１端部（３４）及び第２
   端部（３７）と２つの側部とを有し、該各側部は前記の
   第１及び第２の端部（３４、３７）の間に位置する頂部
   （３２）で出会うように集まる２つの部分から成り、こ
   れにより前記電解質体（１２）の幅が前記各頂部（３２
   ）の間で最大となり、かつ、前記電解質体（１２）が前
   記各頂部（３２）から互いに反対の方向に前記第１及び
   第２の端部（３４、３７）に向かいテーパを持つように
   したことを特徴とする酸素検知装置。 ２、前記実質的に偏平な固体電解質体（１２）に隣接し
   て正抵抗のヒータ（２６）を設けた請求項１に記載の酸
   素検知装置（５４）。 ３、前記固体電解質体（１２）の前記測定電極（１４）
   が測定しようとする外部ガスに接触すると共に前記固体
   電解質体の前記基準電極は測定しようとする外部ガスに
   対して気密にするようにハウジング（４６）が前記固体
   電解質体（１２）を支持し、 前記固体電解質体（１２）が２個のブッシング（４０ａ
   、４０ｂ）により前記ハウジング（４６）内にしっかり
   維持されていて、前記２個のブッシングのうちの第１ブ
   ッシング（４０ａ）が前記各頂部（３２）と前記の固体
   電解質体（１２）の第１端部（３４）との間に位置し、
   又前記２個のブッシングのうちの第２ブッシング（４０
   ｂ）が前記各頂部（３２）と前記の固体電解質体（１２
   ）の第２端部（３７）との間に位置することを特徴とす
   る請求項１又は２に記載の酸素検知装置。 ４、前記実質的に偏平な固体電解質体（１２）が多孔質
   の白金測定電極（１４）と多孔質の白金基準電極（１６
   ）とを有し、 装置使用時に前記の固体電解質体（１２）の測定電極（
   １４）が測定しようとする外部ガスに接触し、かつ前記
   の固体電解質体（１２）の基準電極（１６）が測定しよ
   うとする外部ガスに対し気密となるように前記固体電解
   質体（１２）を支持するハウジング（４６）が備わって
   いて、 前記正抵抗のヒータ（２６）を主として外部ガスに接触
   する領域内に位置させ、 前記固体電解質体（１２）は２個のブッシング（４０ａ
   、４０ｂ）により前記ハウジング（４６）内にしっかり
   保持されていて、前記２つのブッシングのうちの第１ブ
   ッシング（４０ａ）が前記各頂部（３２）と前記の固体
   電解質体（１２）の第１端部（３４）との間に位置し、
   前記２つのブッシングのうちの第２ブッシング（４０ｂ
   ）が前記各頂部（３２）と前記の固体電解質体（１２）
   の第２端部（３７）との間に位置することを特徴とする
   請求項２に記載の酸素検知装置。 ５、請求項１に記載された酸素検知装置（５４）に好適
   に使用される検知素子（１０）であって、該検知素子は
   、 測定電極（１４）及び基準電極（１６）を有する実質的
   に偏平な電解質体（１２）を備えていて、前記固体電解
   質体（１２）は第１端部（３４）及び第２端部（３７）
   と２つの側部とを有していて、前記側部は前記第１及び
   第２の端部（３４）、（３７）の間に位置する頂部（３
   ２）で出会うように集まる２つの部分から成り、前記電
   解質体の幅が前記各頂部の間で最大になり、かつ前記電
   解質体（１２）が前記各頂部（３２）から互いに反対の
   方向に前記の第１及び第２の端部（３４、３７）に向か
   いテーパを持つようにしたことを特徴とする検知素子。 ６、請求項１に記載された酸素検知装置（５４）に好適
   に使用される検知素子（１０）であって、該検知素子は
   多孔質白金測定電極（１４）と、多孔質白金基準電極（
   １６）と正抵抗のヒータ（２６）とを主として長手方向
   に沿って配置した実質的に偏平な固体電解質体（１２）
   から成り、前記固体電解質体（１２）は第１端部（３４
   ）、第２端部（３７）及び２つの側部を有していて、前
   記各側部は前記の第１及び第２の端部（３４、３７）の
   間に位置する頂部（３２）で出会うように集まる２つの
   部分から成り、前記電解質体 （１２）の幅が前記各頂部（３２）の間で最大になり、
   又前記電解質体（１２）が前記各頂部（３２）から互い
   に反対の方向に前記の第１及び第２の端部（３４、３７
   ）に向かいテーパを持つようにしたことを特徴とする検
   知素子。