JPH0542624B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 ［技術分野］ 本発明は酸素センサ、詳しくは固体電解質を用
いた酸素ポンプを利用したガス中の酸素もしくは
可燃成分の濃度検出装置いわゆる広義の酸素セン
サに係るものである。

［従来技術］ 従来、ガス中の酸素濃度の測定は、特に電気的
測定には固体電解質酸素ポンプ素子の一つの電極
面である陰極面を密封しその陰極面に対し密封し
ている壁体に設けた微細な拡散孔（以下細孔とい
う。）より被測定ガス中の酸素を拡散現象により
導入すると共に、両電極面に所定の電圧を印加す
ることにより流れる電流量の程度を測定して、被
測定ガス中の酸素濃度を測定する方法いわゆる拡
散限界電流測定法（特開昭52−72286号トヨタ中
研、特開昭53−66292号ウエスチングハウス「可
燃物センサ」）がある。一方、特開昭58−153155
号には、酸素ポンプ素子のポンピング面に対し、
微小間隙を形成して、酸素ガス遮蔽体としての酸
素濃淡電池素子を対向して配設し、上記酸素ポン
プ素子のポンピングによつて惹起される酸素ガス
の拡散的移動の制限作用を上記微小間隙の開口端
縁部分によつて行なわせるようにした、応答性の
優れる酸素センサが提案されている。しかし乍ら
これらの酸素センサにおいては、酸素ポンプ素子
の電極間に印加するポンピング用の電源と、セン
サを加熱するために設けるヒータの電源とは別の
電源を用いるという考えに立脚していたので、複
雑で高価となるものであつた。

［発明の目的］ 本発明は上記欠点を解決し、ヒータと酸素ポン
プ素子との電源を簡素化して、電源にかかるコス
トを低減し得る酸素センサを提供することにあ
る。

［発明の構成］ 本発明の要旨とするところは、電極が酸素イオ
ン伝導性固体電解質板の表裏両面に設けられて、
酸素の汲み出し及び／又は汲み入れを行なう酸素
ポンプ素子と、 該酸素ポンプ素子の一方の電極側に設けられ
て、酸素の拡散移動を制限する拡散制限性の部材
と を備えた酸素センサにおいて、 上記固体電解質板に、電気絶縁層を介してヒー
タ部を設けるとともに、 上記両電極のいずれか一方に、上記ヒータ部に
接続するリード部を設けることを特徴とする酸素
センサにある。

次に本発明の実施例を図面と共に説明してゆ
く。

［実施例］ 第１図及び第２図は本発明の第１実施例を示
す。

第１図は本実施例に係る酸素センサ１を自動車
用内燃機関の排気管２に適用した場合の縦断面図
を示し、第２図は酸素センサ１の平面図を示す。
ここで５０はジルコニアを主成分とする固体電解
質の焼結体からなる長方形状の酸素イオン伝導性
の固体電解質板３の両面に白金等を主成分とする
ガス透過性の電極層４，５が印刷された酸素ポン
プ素子である。同電極層４，５の外周には厚膜技
術を用いて白金等によりヒータ６が形成されてい
る。

また、上記固体電解質板３と平行にほぼ同形状
の酸素ガス遮蔽体としての耐熱性セラミツク質板
状体７が固体電解質板３との間に所定の幅の間隙
部８を介して配置されている。両者は円盤状の台
座９に固定されており、その台座９の鍔部１０に
より排気管２に固定されるよう構成されている。

そして、１１は固体電解質板３の電極４，５、
ヒータ６に電源を供給する電池、１２は固体電解
質板３、電極４，５に流れる電流を検出する電流
計、１３は可変抵抗等の電流量制御回路である。

次に第２図に酸素センサ１の酸素ポンプ素子５
０の平面図を示す。図において、電極４側に固体
電解質板３の表面の電極層のない縁端部分におい
て、ヒータ６が形成されている。ヒータ６は略コ
の字状で蛇行しており、ヒータ６を通電発熱させ
ることにより固体電解質板３をその外縁部から加
熱するよう構成されている。そして、ヒータ６の
両端はヒータ６のリード線１４，１５と接続され
る。他方、前述した電極４のリード線１６の一端
部は、ヒータ６とリード線１５との接続点１７よ
りやや上部の接続点１８にてヒータ６と接続して
いる。なお、電極４の裏側にある電極５はリード
線１９と接続している。また、リード線１６，１
９は電極４，５と同様の材質、例えば白金よりな
る。電極４，５、ヒータ６、リード線１４，１
５，１６，１９は固体電解質板３に厚膜技術を用
いて印刷されている。

そして、リード線１４は電池１１の正電極と接
続され、リード線１５は接地線２１と接続され
る。また、リード線１９は電流計１２を介して可
変抵抗１３と接続され、同可変抵抗１３の一端は
接地される。このように電池１１に対して、固体
電解質板３の電極４，５と、ヒータ６の一部とリ
ード線１５とは並列に接続される。

次にこの酸素ポンプ素子５０の一製造方法につ
いて説明する。第３図イ，ロ，ハ，ニ及びホは酸
素センサ１の製造工程を示す。まずイはジルコニ
ア製固体電解質シート３０を示す。ロは同固体電
解質シート表面に電極４及びリード線１６を印刷
する工程を示す。ハはシート３０表面に電気絶縁
性層としての絶縁コートを印刷する工程を示す。
この場合、電極４とリード線１６の端部とは絶縁
コートされないまま残される。ニは同絶縁コート
上にヒータ６及びリード線１４，１５が印刷され
る工程を示す。この場合、リード線１６の端部と
ヒータ６とを接続するため、更にリード線３１が
印刷される。そしてホはシート３０裏面に電極５
及びリード線１９を印刷する工程を示す。そして
この後、シート３０を所定形状に切断加工し、各
リード線を引き出して酸素センサ１を焼成する。

なお、上記固体電解質板３を形成している固体
電解質は上記したジルコニア以外に酸素イオン伝
導性の性質を有するものであればよく、ジルコニ
アとイツトリアあるいはカルシア等との固溶体の
他に二酸化セリウム、二酸化トリウム、酸化ハフ
ニウムの各固溶体等が使用可能である。

また固体電解質板３の表面に形成される電極
４，５はPt，Ru，Pd，Rh，Ir，Au，Ag等の粉
末を主成分としてペースト化したものを電極形成
すべき所定位置に厚膜技術を用いて印刷後焼結し
て耐熱金属層として形成してもよく、またフレー
ム溶射あるいは化学メツキもしくは蒸着などの薄
膜技術の方法を用いて、耐熱金属層を形成しても
よいが、その場合には電極４，５上に重ねてアル
ミナ、スピネル等の多孔質保護層を厚膜技術を用
いて設けることがより好ましい。

そしてセラミツク質板状体７として各種の耐熱
性のセラミツクが用いられるが、セラミツク質以
外に耐熱性を有したものであれば、金属板等をも
用いることができる。また固体電解質板３とセラ
ミツク質板状体７との間の距離、つまり間隙部８
の幅は通常0.01〜0.5mm程度で用いることが応答
性と測定精度上から好ましい。ただ比較的大電流
を電極４，５間に流す場合にはやや広くし、比較
的低電流の場合にはやや狭くするといつたように
必要に応じて変化させてもよい。

上記の如く製造された酸素センサ１を用いた自
動車排気中の酸素濃度の検出は次のように行われ
る。

まず第２図において、電池１１によりヒータ６
に15Vの電圧が印加される。ヒータ６が十分暖ま
らず低温の場合は、雰囲気ガス温度が本酸素セン
サ１を十分に活性化させていないため、電極４，
５間の固体電解質板３に電流は流れない。この場
合、ヒータ６の抵抗は２Ω、リード線１４，１５
は各々0.5Ωである。したがつて、ヒータ６とリ
ード線１４，１５とには5Aの電流が流れる。

次第に酸素センサ１の温度が上昇して、酸素セ
ンサ１が活性化すると、固体電解質３に電流が流
れ始め、酸素センサ１は酸素濃度検出の作動を開
始する。ヒータ６の温度上昇に従つて、ヒータ６
は前述の２Ωから10Ωに増加する。またリード線
１４，１５の抵抗も0.5Ωから約0.7Ωに増加す
る。なお、ヒータ部の抵抗は接続点１８により約
７：３に抵抗分割されているため、電池１１から
の電圧は約７：３に分割される。したがつて上記
接続点１８により分割されたヒータ部には約
0.2V：4.8Vの割合の電圧がかかることになる。
このことから酸素ポンプである固体電解質板に流
れる電流は、酸素ポンプの抵抗が約100Ω、可変
抵抗が20Ωであることから、約40mAの電流が流
れる。この40mAは酸素ポンプが破壊される電流
200mAより十分小さい。

次にこの電圧と両電極４，５間に流れる電流量
との関係は温度が一定とすれば第４図に示すよう
な傾向を示す。ここで横軸は両電極４，５間の電
圧Ｖを表わし、縦軸はその時両電極４，５間に流
れる電流量Ipを表わしている。ここで酸素センサ
１の測定雰囲気である内燃機関の排ガス中の酸素
濃度が低い場合、つまり空燃比λが小さい場合
（ただしλ≧１）には、比較的低い電圧において
電流量Ipは一定化する。一方、排ガス中の酸素濃
度が高い場合、つまりλが大きい場合には比較的
高い電圧にて電流量Ipは一定化する。このためあ
る適当な電圧、例えば図示するV₁を選べばその
電圧にて流れる電流量Ipから排ガス中の酸素濃度
を測定することができる。

上述した第４図のグラフのような傾向を示すの
は電極４がプラス側、電極５がマイナス側として
電圧が印加された場合に固体電解質板３は汲み出
し酸素ポンプの働きをなして間隙部８部分の酸素
のみを固体電解質板３を通してその電極４側へ排
出する作用をなし、そのため間隙部８における酸
素濃度は低下しようとするが、間隙部８はその三
方が開放されているから、排ガス中の酸素がその
三方より間隙部８内部へ拡散現象により侵入して
くることになる。この酸素の拡散は間隙部８の間
隙によつて制限をうけ汲み出し酸素量は温度がほ
ぼ一定であれば排ガスの酸素濃度に依存すること
になる。このため酸素濃度と固体電解質板３によ
り排出される酸素量と両電極４，５間に流れる電
流量とは比例することとなるので第４図のグラフ
の如く、適当な電圧V₁において酸素濃度に対応
して電流量Ipが変化し、Ipの測定により酸素濃度
が検出されるのである。

本実施例によれば酸素ポンプの役目を果たして
いる固体電解質板３と単に、その一方の電極に対
し自由な雰囲気ガスの流入を防止するための間隙
部を形成する板とを近接して設けたのみで、簡単
な構造でかつ容易に雰囲気ガス中の酸素濃度を検
出することが可能となるものである。それ故製造
において歩留りが高くなり、又、センサの組み付
けにおいても、スペースを要しないのでコンパク
トにかつ、極めて軽量に組み付けることができ
る。

また切換スイツチを設け固体電解質板の電流方
向を切換えることにより例えば内燃機関の排気ガ
ス中の酸素測定時においてリーン側ばかりでなく
リツチ側においても精度良く空燃比を測定するこ
とが可能となるものである。

次に、第５，６図に示す如き第２実施例につい
て説明する。この実施例は第１実施例のセラミツ
ク質板状体７の代りに酸素濃淡電池素子を設けた
ものである。図において、１０１は内燃機関の排
気管１０２内に配設された酸素センサである。酸
素センサ１０１は第２図に示す如き第１実施例の
酸素ポンプ素子と同様な構造であり、厚さが約
0.5mmの平板状の固体電解質板（例えば安定化ジ
ルコニア）１０３の両側面にそれぞれ厚膜技術を
用いて約20μの厚さの電極１０４および１０５、
ヒータ１０６を設けて、構成された固体電解質酸
素ポンプ素子５０１と、該酸素ポンプ素子と同様
の平板状の固体電解質板１１３の両側面にそれぞ
れ前記電極１０５および電極１０４と同様に厚膜
技術を用いて電極１１４および電極１１５を設け
て構成された酸素濃淡電池素子５０２とを備え、
上記酸素ポンプ素子５０１と上記酸素濃淡電池素
子５０２とは、0.1mm程度の間隔寸法の間隙部１
０８を形成して排気管１０２の内部で対向配置さ
せるため足元部を耐熱性で絶縁性のスペーサ（充
填接着剤でよい）１２１を介して互いに固定され
ている。スペーサ１２１により互いに固定された
酸素ポンプ素子、、酸素濃淡電池素子の足元部の
外辺部にはねじ部１２２を有した支持台１２３
が、耐熱性で絶縁性である接着部材１２４により
取付けられている。排気管１０２に設けられた酸
素センサ１０１の検知栓部取付用ねじ部１２５に
前記支持台１２３のねじ部１２２をねじ込むこと
により酸素センサ１０１が排気管１０２に取付け
られている。そして、電極１０４，１０５、ヒー
タ１０６、電極１１４及び電極１１５が電子制御
装置１３６と接続されている。

次に第７図に酸素センサ１０１の酸素ポンプ素
子５０１の平面図を示す。図において、電極１０
４側に固体電解質板１０３の表面の電極層のない
縁端部分において、ヒータ１０６が形成されてい
る。ヒータ１０６は略コの字状で蛇行しており、
ヒータ１０６を通電発熱させることにより固体電
解質板１０３をその外縁部から加熱するよう構成
されている。そして、ヒータ１０６の両端はヒー
タ１０６のリード線２１４，２１５と接続され
る。他方、前述した電極１０４のリード線２１６
の一端部は、ヒータ１０６とリード線２１５との
接続点２１７よりやや上部の接続点２１８にてヒ
ータ１０６と接続している。なお、電極１０４の
裏側にある電極１０５はリード線２１９と接続し
ている。また、リード線２１６，２１９は電極１
０４，１０５と同様の材質、例えば白金よりな
る。電極１０４，１０５、ヒータ１０６、リード
線２１４，２１５，２１６，２１９は固体電解質
板１０３に厚膜技術を用いて印刷されている。

１３６は、付属する電子制御装置部分の例であ
り、上記酸素濃淡電池素子の電極１１４、電極１
１５間に発生する起電力ｅを抵抗Ｒ１を介して演
算増幅器Ａの反転入力端子に印加し、上記演算増
幅器Ａの非反転入力端子に印加されている基準電
圧Vrと上記起電力ｅとの差異に比例した上記演
算増幅器Ａの出力によりトランジスタTrを駆動
して上記酸素ポンプ素子の電極１０５，１０４間
に流すポンプ電流Ipを制御する機能を備えてい
る。すなわち、上記起電力ｅを一定値Vrに保つ
のに必要な上記ポンプ電流Ipを供給する作用をす
る。また直流電源Ｂから供給される上記ポンプ電
流Ipに対応した出力信号を出力端子１３７に得る
ために抵抗R₀を備えている。Ｃはコンデンサで
ある。１３８は酸素ポンプ素子の入出力端子の片
端に設けられた切換えスイツチで、本実施例では
酸素ポンプ素子が酸素を排気管１０２内の排気ガ
ス中から間隙部１０８に汲み入れるべく定電流源
１３９に接続するV1と、酸素ポンプ素子が酸素
濃淡電池素子の出力を一定に保つように酸素を間
隙部１０８から排気管１０２内へ汲み出すときの
ポンプ電流Ipに対応した出力信号を得るべく制御
回路側に接続するV2とに切換える機構である。
また前記起電力ｅを検知するための出力端子１４
０を備えている。

第８図および第９図は上記第５図および第６図
に示した第２実施例の特性図である。

第８図は酸素ポンプ素子が排気管１０２の排気
ガス中より間隙部１０８に酸素を汲み入れた時の
起電力ｅを示したもので、上記定電流源１３９を
−50mAに保ち、空燃比（Ａ／Ｆ）を変えた時の
起電力ｅ（ｅ＜０）の変化を示したものである。
これは空燃比１２付近より空燃比の増大に対して
増大し理論空燃比14.7付近で急激に低減し、理論
空燃比14.7より大きい範囲の空燃比域（燃料希薄
域）で、ほとんど起電力を発生しない。第９図は
基準電圧（Vr）を例えば20mV一定にしたもの
で、起電力ｅ（ｅ＞０）を20mVにすると理論空
燃比14.7より小さい範囲の空燃比域（燃料過濃
域）で上記ポンプ電流Ip（Ip＞０）は空燃比の増
大に対して減少し、理論空燃比14.7より大きい範
囲の空燃比域（燃料希薄域）では上記ポンプ電流
Ipは空燃比の増大に対して増大する。この実施例
は第８図および第９図に示す如き特性を利用する
ものである。

例えば切換スイツチ１３８をV1に設定するこ
とにより起電力ｅを検知する出力端子１４０で第
８図の特性が得られる。この特性を利用して、最
大起電力と最小起電力との中間に任意の基準点で
あるＰ点を設定し、電圧がＰ点より大きい時（燃
料過濃域）とＰ点より小さい時（燃料希薄域）を
感知させるようにする。そこで上記機関が燃料過
濃域で運転された場合（本実施例では空燃比13以
上14.7未満）は、上記酸素濃淡電池素子１０の起
電力ｅはＰ点より大きく、この時の起電力ｅの出
力信号を検知することにより燃料過濃域での数値
が測定できる。上記機関が燃料希薄域で運転され
た場合は、上記酸素濃淡電池素子の起電力ｅはＰ
点より小さく、この情報から切換スイツチ１３８
をV2に設定することによりポンプ電流Ipを検知
する出力端子１３７で第９図の特性が得られ、こ
の酸素ポンプ素子５０１のポンプ電流Ipに対応し
た出力信号を検知することにより燃料希薄域での
数値が測定できる。また上記機関を理論空燃比
14.7で運転する場合は、上記切換スイツチ１３８
をV1に設定し、酸素濃淡電池素子５０２の起電
力ｅの急激な変化により測定できる。

上記構成により燃料過濃域および燃料希薄域の
広い範囲においても上記機関の空燃比の数値を正
確に測定することが可能な酸素センサを得ること
ができるのである。このことを利用して目標空燃
比を設定すれば、排気管１０２に取付けられた空
燃比検知栓により現状の空燃比を検知し、そのフ
イードバツクにより連続して希望の空燃比を制御
することができる。

上記実施例では、酸素ポンプ素子は、これに対
向して配設したセラミツク質板状体もしくは酸素
濃淡電池素子との間で形成した小間隙の、開口端
縁側の部分によつて酸素の拡散抵抗を与えるよう
にしたが、このような偏平形状の孔もしくは通路
による拡散制限方式に限られず、酸素ポンプ素子
と協働して閉鎖室を形成するアダプターが微小孔
を具え該微小孔によつて酸素の拡散抵抗が与えら
れる方式なども採用しうる。また上記実施例では
酸素ポンプ素子の一方の側の電極は周囲被測定ガ
スに直接さらされる場合であつたがこれを基準酸
素源例えば空気を導入する室内にさらすようにし
てもよいことは言うまでもない。

上記実施例で燃料稀薄域における制御信号とし
て用いたポンプ電流Ipは、微小間隙ａから排気管
１０２内に酸素を汲み出す方向（Ip＞０）に流す
か、又は、排気管１０２内の排気ガス中より微小
間隙ａに酸素を汲み込む方向（Ip＜０）に流すよ
うにしたが、この時の起電力ｅ（ｅ＜０）の出力
を一定とするポンプ電流Ipの変化の様子を第１０
図に示す。運転空燃比（Ａ／Ｆ）とポンプ電流Ip
とが対応して変化するので、この特性も利用し得
る。

本発明の酸素センサではヒータ部６，１０６と
リード線１６，２１６とを接続し、ヒータ６，１
０６と酸素ポンプ素子５０，５０１との電源を共
通化しているためセンサプローブと電源回路もし
くは制御回路とを結ぶ電線の数が減り、しかも、
酸素ポンプ素子の破壊を防止するための特別な回
路も必要としないため電源回路もしくは制御回路
が簡素化される。

しかも電源が共通化されたことより、酸素セン
サ１，１０１の温度制御と電流制御が容易とな
る。

また、ヒータ印加による熱効率を向上すること
が可能である。

更に、接点１８，２１８の位置を適宜変更する
ことにより、酸素ポンプとしての固体電解質に印
加される電圧を予め調節できるため、設計の自由
度を向上させるとともに、固体電解質板に流れる
過剰電流を防止し得る。したがつて、酸素センサ
１，１０１の寿命を伸ばすことが可能となる。

この他、同一固体電解質板３，１０３上にてヒ
ータ加熱と酸素ポンプとを同時に同一電源にて実
施するのでヒータ６，１０６のリード線の本数を
低減し得る。また、リード線１６，２１６をヒー
タ６，１０６に接続しているため、電極４，１０
４の白金製リード線１６，２１６の使用量を減ら
し、その面からもコストの低減化に寄与するもの
である。

更に本発明の要旨を逸脱しない範囲において
種々なる態様で実施し得ることは勿論である。

［発明の効果］ 本発明は電極が酸素イオン伝導性固体電解質板
の表裏両面に設けられて、酸素の汲み出し及び／
又は汲み入れを行なう酸素ポンプ素子と、 該酸素ポンプ素子の一方の電極側に設けられ
て、酸素の拡散移動を制限する拡散制限性の部材
と を備えた酸素センサにおいて、 上記固体電解質板に、電気絶縁層を介してヒー
タ部を設けるとともに、 上記両電極のいずれか一方に、上記ヒータ部に
接続するリード部を設けることを特徴とする酸素
センサであるので、装置を簡素化し、しかも酸素
センサの電流制御、温度制御を精度良く簡単に行
うことが可能である。更に、ヒータ、電極のリー
ド線の使用量を低減化し、コストの削減に貢献し
得る。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の第１実施例の酸素センサを内
燃機関の排気管中に配設した状態を示す縦断面
図、第２図はその酸素センサ部分の平面図、第３
図は第１実施例の酸素センサの製造工程図、第４
図は第１実施例の酸素センサに流れる電流量と電
圧との関係を示すグラフ、第５図は本発明の空燃
比検知装置の第２の実施例を示す構成図、第６図
は第５図のＸ−Ｘ線に沿う断面図、第７図は酸素
ポンプ素子の平面図、第８図は酸素ポンプ素子の
汲み入れポンプ電流Ipを一定にしたときの酸素濃
淡電池素子の起電力ｅの空燃比に対する変化を示
す特性図、第９図は酸素濃淡電池素子の汲み出し
起電力ｅを一定とする酸素ポンプ素子のポンプ電
流Ipの空燃比に対する変化を示す特性図、第１０
図は酸素濃淡電池素子の汲み入れ起電力ｅを一定
とする酸素ポンプ素子のポンプ電流Ipの空燃比に
対する変化を示す特性図である。 １，１０１……酸素センサ、５０，５０１……
酸素ポンプ素子、３，１０３……酸素イオン伝導
性固体電解質、４，５，１０４，１０５……電
極、６，１０６……ヒータ、８，１０８……間隙
部、１１……電池、１４，２１４，１５，２１
５，１６，２１６，１９，２１９……リード線、
１８，２１８……接続点。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 電極が酸素イオン伝導性固体電解質板の表裏
   両面に設けられて、酸素の汲み出し及び／又は汲
   み入れを行なう酸素ポンプ素子と、 該酸素ポンプ素子の一方の電極側に設けられ
   て、酸素の拡散移動を制限する拡散制限性の部材
   と を備えた酸素センサにおいて、 上記固体電解質板に、電気絶縁層を介してヒー
   タ部を設けるとともに、 上記両電極のいずれか一方に、上記ヒータ部に
   接続するリード部を設けることを特徴とする酸素
   センサ。