JPH04124456U - 酸素センサ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】発熱体による加熱効率を従来よりも大幅に向上
することができ、さらに、焼成時に固体電解質等が変形
した場合でも測定用電極と発熱体との短絡を防止するこ
とができるとともに、基準用電極から酸素ガスを良好に
流出させることができる酸素センサを提供する。 【構成】ジルコニア質焼結体からなる固体電解質と、こ
の固体電解質の両側面にそれぞれ形成された測定用電極
および基準用電極と、固体電解質に一体的に設けられる
とともに固体電解質との間に外気導入路を形成する導入
路形成部材と、この導入路形成部材に設けられた発熱体
とを備えてなり、基準用電極を外気導入路内に位置させ
てなる酸素センサにおいて、発熱体を、導入路形成部材
の基準用電極と対向する表面に形成するとともに、この
発熱体と基準用電極との間に、電気絶縁性の多孔質層を
介在させる。

Description

【考案の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】

本考案は、酸素センサに係わり、例えば、内燃機関や家庭に配置されるボイラ 等の酸素濃度を測定する酸素センサに関する。

【０００２】

【従来技術】

従来、例えば、内燃機関に酸素センサを搭載して空燃比を検出し、これをフィ ードバックして最適な燃焼状態を保持するようにした自動車が開発されている。

【０００３】 このような車両の酸素センサとしては、例えば、特開平２−２５７４２号公報 等に開示されるようなものが知られている。

【０００４】 第６図は、この種の酸素センサを示すもので、図において、符号１１はジルコ ニア質焼結体からなる固体電解質を示している。 この固体電解質１１には、排気ガス側の測定用電極１３および外気に晒される 基準用電極１５が形成されており、測定用電極１３は、酸素の拡散を律速する多 孔質の拡散律速層１６により被覆されている。これらの電極１３，１５は、例え ば、ペースト状の白金（Ｐｔ）等を固体電解質１１に塗布し、これらを焼成する ことにより形成される。

【０００５】 また、固体電解質１１の下面には、外気を基準用電極１５に導入するための導 入路形成部材１７が一体に形成されている。この導入路形成部材１７は電気絶縁 性を有しており、固体電解質１１との間に形成される外気導入路１９には、基準 用電極１５が位置している。

【０００６】 さらに、導入路形成部材１７には、電極１３，１５やその間の固体電解質１１ 、即ち、いわゆるセル部２１を加熱する発熱体２３が埋設されている。 尚、第７図に示すように、セル部２１を加熱する発熱体２５が、導入路形成部 材１７の下面に設けられる場合もある。

【０００７】 第８図は、従来の酸素センサの他の例を示すもので、この酸素センサでは、固 体電解質２７の上下両面に、測定用電極２９および基準用電極３１がそれぞれ形 成され、固体電解質２７の上部には、酸素を拡散する蓋状の拡散装置３３が設け られている。 この拡散装置３３は、その内部に測定用電極２９が位置するように固体電解質 ２７に一体に形成され、その上部には酸素を拡散するための拡散孔３５が形成さ れている。拡散装置３３の内面には、測定用電極２９に対向して発熱体３７が配 置されている。

【０００８】 以上のように構成された酸素センサは、例えば、内燃機関等の排気ガス中に配 置されて使用される。そして、排気ガス中に含まれる酸素ガスが測定用電極１３ ，２９を通過し、この酸素がイオンとなって固体電解質１１，２７を透過し、基 準用電極１５，３１に移送され、いわゆるポンピング作用によって酸素イオンを キャリアとする電流が流れる。この際における測定用電極１３と基準用電極１５ ，３１の電流を測定することにより、排気ガス中の酸素濃度を測定することがで きる。

【０００９】 さらに、以上のように構成された酸素センサでは、セル部２１，３８を加熱す る発熱体２３，２５，３７を有しているので、この部分の温度を一定にしてセル 部２１，３８の抵抗を安定させることができ、これにより、出力電流を安定化し 、センサ性能の向上を図ることができる。

【００１０】

【考案が解決しようとする問題点】

しかしながら、第６図および第７図に示した酸素センサでは、発熱体２３，２ ５が電極１３，１５から遠いため、加熱効率が悪く、セル部２１，３８を一定温 度に保持するのに必要な消費電力が多くなるという問題があった。 また、焼成時に固体電解質１１等が変形して、基準用電極１５が導入路形成部 材１７の内面に当接し、基準用電極１５からの酸素ガスの流出が阻害され、特性 に悪影響を与える虞があった。

【００１１】 さらに、第８図に示した酸素センサでは、発熱体３７が電極２９，３１等に近 いため加熱効率は良いが、発熱体３７が測定用電極２９に対向して配置されてお り、発熱体３７が剥き出しになっているため、焼成時に固体電解質２７等が変形 して、測定用電極２９と発熱体３７が短絡してしまう虞があった。このため、測 定用電極２９が破損する虞があった。

【００１２】 本考案の酸素センサは、上記のような問題点を解決するためになされたもので 、発熱体による加熱効率を従来よりも大幅に向上することができ、さらに、焼成 時に固体電解質等が変形した場合でも測定用電極と発熱体との短絡を防止するこ とができるとともに、基準用電極から酸素ガスを良好に流出させることができる 酸素センサを提供することを目的とする。

【００１３】

【問題点を解決するための手段】

本考案の酸素センサは、ジルコニア質焼結体からなる固体電解質と、この固体 電解質の両側面にそれぞれ形成された測定用電極および基準用電極と、前記固体 電解質に一体的に設けられるとともに前記固体電解質との間に外気導入路を形成 する導入路形成部材と、この導入路形成部材に設けられた発熱体とを備えてなり 、前記基準用電極を前記外気導入路内に位置させてなる酸素センサにおいて、前 記発熱体を、前記導入路形成部材の前記基準用電極と対向する表面に形成すると ともに、この発熱体と前記基準用電極との間に、電気絶縁性の多孔質層を介在さ せてなるものである。

【００１４】

【作用】

本考案の酸素センサでは、発熱体を、導入路形成部材の基準用電極と対向する 表面に形成したので、発熱体が電極等の近傍に形成されることになる。 また、発熱体と基準用電極との間に、電気絶縁性の多孔質層を介在させたので 、焼成時に固体電解質等が変形したとしても、基準用電極が電気絶縁性の多孔質 層に当接し、基準用電極からの酸素ガスが多孔質層を透過して外気導入路に流入 する。発熱体と基準用電極との間に多孔質層を介在させるには、発熱体の表面に 多孔質層を形成する場合と、基準用電極の表面に多孔質を形成する場合とがある 。

【００１５】

【実施例】

以下、本考案の酸素センサの一実施例を図面に基づいて詳細に説明する。 第１図および第２図は、本考案の酸素センサを示すもので、図において、符号 ４１はセンサ本体を示している。

【００１６】 このセンサ本体４１は、ジルコニア質焼結体からなる固体電解質４３と、この 固体電解質４３の両側面に形成された測定用電極４５および基準用電極４７とか ら構成されている。電極４５，４７やこの間の固体電解質４３より構成されるセ ル部４９の前記電極４５，４７には、第１図に示したように、セル部４９から発 生した起電力を取り出すためのリード部５０がそれぞれ電気的に接続されている 。電極４５，４７およびリード部５０は、例えば、ペースト状の白金（Ｐｔ）等 を固体電解質４３に塗布し、これを焼成することにより形成される。

【００１７】 また、測定用電極４５の上面には、第２図に示したように、例えば、スピネル 等から構成される拡散律速層５１が形成されている。 さらに、センサ本体４１の下面、即ち、固体電解質４３の下面には、固体電解 質４３との間に外気導入路５２を形成する導入路形成部材５３が一体的に形成さ れている。この導入路形成部材５３は、電気絶縁性のジルコニア等からなる第１ 層５５と第２層５７とから構成されており、外気導入路５２内には基準用電極４ ７が位置している。

【００１８】 そして、導入路形成部材５３の基準用電極４７側と対向する表面には、セル部 ４９を加熱するための発熱体６１が形成されている。この発熱体６１は、第３図 に示すように、Ｐｔ等の貴金属材料からなる発熱部６３と、この発熱部６３に電 力を供給するためのリード部６５とから構成されている。発熱部６３は電極４５ ，４７の真下の位置に蛇行状態に形成され、発熱効率の向上が図られている。発 熱体６１と導入路形成部材５３との間には、例えば、アルミナからなる絶縁層６ ６が形成されている。

【００１９】 また、第２図および第３図に示したように、発熱部６３の基準用電極４７と対 向する表面は、電気絶縁性を有する多孔質層６７により被覆されている。この多 孔質層６７は、例えば、所定量のアルミナ，微量の樹脂粉末，バインダー溶剤を 混合したペーストを作成し、これを発熱部６３の上部にプリントし、発熱体６１ と同時焼成して作成する。この多孔質層６７の開気孔率は１５％以上とされてい るが、３０％以上であることがより好ましい。

【００２０】 以上のように構成された酸素センサは、例えば、排気ガス中に配置されて使用 される。そして、排気ガス中に含まれる酸素は、拡散律速層５１により拡散律速 され、さらに、気相−Ｐｔ−ＺｒＯ₂ の三重点でイオンとなって測定用電極４５ 側から固体電解質４３を透過し、基準用電極４７側に移送され、酸素イオンをキ ャリアとする電流が流れる。この際における測定用電極４５と基準用電極４７の 電流を測定することにより、排気ガス中の酸素濃度を測定することができる。

【００２１】 そして、以上のように構成された酸素センサでは、発熱体６１を、導入路形成 部材５３の基準用電極４７と対向する表面に形成したので、発熱体６１がセル部 ４９の近傍に形成されることになり、発熱体６１の加熱効率を従来よりも大幅に 向上することができ、これにより、発熱体６１の消費電力を低減することができ る。

【００２２】 また、発熱体６１の基準用電極４７と対向する表面を、電気絶縁性を有する多 孔質層６７により被覆したので、焼成時に固体電解質４３等が変形したとしても 、基準用電極４７が発熱体６１を被覆した電気絶縁性の多孔質層６７に当接し、 基準用電極４７と発熱体６１が直接当接することがない。従って、基準用電極４ ７と発熱体６１の短絡を防止し、基準用電極４７の破損を防止することができる 。さらに、基準用電極４７が、発熱体６１を被覆した電気絶縁性の多孔質層６７ に当接したとしても、酸素ガスは、第４図に示すように、多孔質層６７を通過し て外気導入路５２に流入するため、基準用電極４７からの酸素ガスの流出を阻害 することがなく、従って、酸素センサの特性に悪影響を与えることもない。

【００２３】 尚、上記実施例では、発熱体６１の発熱部６３全面を多孔質層６７により被覆 した例について説明したが、本考案は上記実施例に限定されるものではなく、例 えば、第５図に示すように、発熱体７１における発熱部の一部に多孔質層７３を 形成しても良い。さらに、図示しないが、多孔質層により発熱体全体を被覆して も良い。即ち、基準用電極と発熱部が直接当接せず、基準用電極からの酸素ガス の流出を阻害しなければ、多孔質層をどのように形成しても、上記実施例とほぼ 同様の効果を得ることができる。

【００２４】 さらにまた、上記実施例では、発熱体６１の発熱部６３を多孔質層６７により 被覆した例について説明したが、本考案は上記実施例に限定されるものではなく 、基準用電極の表面に多孔質層を形成しても、上記実施例とほぼ同様の効果を得 ることができる。

【００２５】 また、上記実施例では、電極４５，４７間に発生する起電力を測定することに より酸素濃度を測定する酸素センサについて説明したが、本考案は上記実施例に 限定されるものではなく、例えば、電極間に一定電圧を付与し、流れる電流を測 定する限界電流式酸素センサに本考案を適用しても、上記実施例とほぼ同様の効 果を得ることができる。

【００２６】 さらに、上記実施例では、酸素センサを自動車の内燃機関に配置した例につい て説明したが、例えば、家庭で使用されるボイラ等の酸素量を測定するものに、 本考案の酸素センサを適用しても良い。 さらにまた、上記実施例では、測定用電極４５の表面に拡散律速層５１を形成 した例について説明したが、拡散律速層５１は設けなくても良い。 また、上記実施例では、多孔質層６７をアルミナにより形成した例について説 明したが、例えば、スピネル等の他の材料により多孔質層６７を形成しても良い 。

【００２７】

【考案の効果】

本考案の酸素センサでは、発熱体を、導入路形成部材の基準用電極と対向する 表面に形成したので、発熱体が電極等の近傍に形成されることになり、発熱体に よる加熱効率を従来よりも大幅に向上することができ、これにより、発熱体の消 費電力を低減することができる。

【００２８】 また、発熱体と基準用電極との間に、電気絶縁性の多孔質層を介在させたので 、焼成時に固体電解質等が変形したとしても、基準用電極が電気絶縁性の多孔質 層に当接し、基準用電極と発熱体が直接当接することがなく、このため、基準用 電極と発熱体の短絡を防止し、電極の破損を防止することができる。さらに、基 準用電極が電気絶縁性の多孔質層に当接したとしても、酸素ガスは多孔質層を通 過して外気導入路に流入するため、基準用電極からの酸素ガスの流出を阻害する ことがなく、従って、酸素センサの特性に悪影響を与えることもない。

【提出日】平成３年６月２０日

【手続補正２】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】図面の簡単な説明

【補正方法】変更

【補正内容】 【図面の簡単な説明】

【図２】 図１のａ−ａ線に沿う断面図である。

【図面の簡単な説明】

【図１】本考案の酸素センサの一部を切り欠いて示す斜
視図である。

【図２】図１の■ー■線に沿う断面図である。

【図３】発熱体を導入路形成部材の基準用電極側の面に
形成した状態を示す斜視図である。

【図４】固体電解質等が変形し、基準用電極が多孔質層
に当接した状態を示す断面図である。

【図５】発熱用ヒータの一部に多孔質層を形成した例を
示す断面図である。

【図６】従来の酸素センサを示す断面図である。

【図７】従来の酸素センサの他の例を示す断面図であ
る。

【図８】従来の酸素センサのさらに他の例を示す断面図
である。

【符号の説明】

４３ 固体電解質 ４５ 測定用電極 ４７ 基準用電極 ５２ 外気導入路 ５３ 導入路形成部材 ６１，７１ 発熱体 ６７，７３ 多孔質層

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【手続補正書】

【提出日】平成３年６月２０日

【手続補正３】

【補正対象書類名】図面

【補正対象項目名】図１

【補正方法】変更

【補正内容】

【図１】

Claims (1)

【実用新案登録請求の範囲】
1. 【請求項１】ジルコニア質焼結体からなる固体電解質
   と、この固体電解質の両側面にそれぞれ形成された測定
   用電極および基準用電極と、前記固体電解質に一体的に
   設けられるとともに前記固体電解質との間に外気導入路
   を形成する導入路形成部材と、この導入路形成部材に設
   けられた発熱体とを備えてなり、前記基準用電極を前記
   外気導入路内に位置させてなる酸素センサにおいて、前
   記発熱体を、前記導入路形成部材の前記基準用電極と対
   向する表面に形成するとともに、この発熱体と前記基準
   用電極との間に、電気絶縁性の多孔質層を介在させてな
   ることを特徴とする酸素センサ。