JPH0560053B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明は、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関する。

［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、その内でも特にジルコニアが
広く用いられている。このような固体電解質を用
いた酸素濃度測定装置、いわゆる酸素センサは固
体電解質の板の両面にガス透過性の電極面を形成
し、一方の電極面に被測定ガスを他方の電極面に
予め酸素濃度が設定してある基準ガスを接触さ
せ、両電極間に発生する起電力を測定することに
より被測定ガス中の酸素濃度を検出するものであ
る。ところが、上記の酸素センサは両電極に接触
するガスの酸素分圧比及び温度によつて定まる起
電力を利用しているため被測定ガス中の酸素分圧
が基準ガス中の酸素分圧に近い場合には起電力が
極めて弱くなり、高感度の計測器を必要とするよ
うになる。更に基準ガスは必ず用いなければなら
ないため、装置が複雑となる欠点があつた。

この様な欠点を解決するものとして固体電解質
の一つの電極面である陰極面を壁体で覆つて被測
定ガスから密封状にされた内室を形成し、その壁
体には微細な拡散孔を設け、固体電解質の両電極
に電圧を印加して内室から酸素を引き出す方向に
電流を流すことにより、孔を介した拡散を限界拡
散速度に維持し、そのときの電流値すなわち限界
拡散速度は被測定ガス中の酸素濃度に比例するこ
とに基づいて、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、特開昭53−66292号）がある。

ところが、これらの酸素センサの構成は一方の
電極を細孔を有する壁体で密封するので細孔部分
からの酸素の拡散状態が内室内全域について平衡
状態に達するまで時間がかかり、そのために応答
性が低いという欠点があつた。またこの酸素セン
サを実現するためにはセンサ全体を特殊な形状と
しなければならないのでその製造も容易でなかつ
た。

この他、ガス成分の拡散制限作用を電極に密接
して設けた多孔質部材の連通気孔によつて行わせ
るものも提案されている（特開昭55−62349号）
が、多孔質材の気孔率の制御が容易ではなく、ま
た使用中目詰りによる拡散抵抗の変化を起こしや
すく、安定性に欠けるという問題があつた。

［発明の目的］ 本発明は上記欠点を解決し被測定ガスの酸素濃
度が変化してもそれに対する応答性が早くかつ製
造も容易な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、 表裏両面に、印加電圧と電流量との関係が測定
される電極を有する酸素イオン伝導性の固体電解
質板と、該固体電解質板の一方の電極表面との間
に間隙部を設けて配設された酸素ガス遮蔽体とを
備えた酸素センサであつて、 上記酸素ガス遮蔽体を、内部に全面を加熱する
如く発熱体が蛇行して埋設されたセラミツク質板
状体で形成するとともに、 上記間隙部を、基部を除いた３方が開放し且つ
間隙寸法が0.01〜0.5mmの拡散制限を行なう間隙
部とした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図に示す様に、本実施例の酸素センサ２１
は、酸素ポンプとしての固体電解質板２２及びそ
の電極２３，２４を備えている。

上記固体電解質板２２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の部材
であり、その両面には、白金等を主成分とするガ
ス透過性の前記電極２３，２４が焼付けられてい
る。

上記固体電解質板２２を形成している固体電解
質は、上記の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
イツトリア或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、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使用可能である。

また、電極２３，２４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２３，２４を形成すべき所定位
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、またフレーム溶射或は化
学メツキもしくは蒸着などの薄膜技術を用いて、
耐熱金属層を形成してもよいが、その場合には、
電極２３，２４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用いて設けることが
より好ましい。

また、固体電解質板２３と後述する板状体２７
との間の距離、つまり間隙部２６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、比較的大電流を両電極２
３，２４間に流す場合には幅を広くし、比較的低
電流の場合にはやや狭くしてもよい。

また、本実施例では、電極２４側の固体電解質
板２２の表面の電極のない縁端部分において、ヒ
ーター２５が形成されている。このヒーター２５
は第２図に示す様に、略コの字状をしており、そ
の中心部には補助的な発熱体２５ａが埋め込まれ
ており、通電発熱させることにより固体電解質板
２２をその外縁部から加熱する様構成されてい
る。

固体電解質板２２とヒーター２５とは、ヒータ
ー２５からの伝熱性を高めるために、製造時にお
いて両者はセラミツクペースト等で接着・焼成さ
れ一体として形成されている。

更に、固体電解質板２２の一方の電極２３側
に、間隙部２６を介して酸素ガス遮蔽体としての
板状体２７が配置されている。この板状体２７は
セラミツク質からなり、その中心部には固体電解
質板２２の間隙部２６側の全面を均一加熱する様
に、発熱体２７ａが蛇行して埋設されている。こ
の発熱体２７ａも電圧を印加されることによつて
発熱する。従つて、この発熱体２７ａが駆動され
ると、固体電解質板２２全体の温度が急速に均一
に上昇することになる。

上記ヒーター２５，２７は、２枚の非導電性セ
ラミツクス板に発熱体２５ａ，２７ａを挟み込む
方法、或は発熱体２５ａ，２７ａをプリント印刷
した上に更に非導電性セラミツクスペーストの層
を焼成する方法によつて形成することができる。

この様にして形成された固体電解質２２、ヒー
ター２５、セラミツク板状体２７は、台座２８に
固定されて所望の用途に用いられる。

上記ヒーター２５と板状体２７とはその発熱体
２５ａ，２７ａが直列に結合されて可変抵抗器２
９を介して電源３０に接続されている。上記可変
抵抗器２９を調整することによつて、雰囲気ガス
温度が本センサ２１の活性化に充分でない場合
に、発熱体２５ａ，２７ａを発熱させ、ほぼ一定
温度以上に保持するように操作する。また、固体
電解質板２２の両側の電極２３，２４から導出し
ているリード線２３ａ，２４ａは、切換スイツチ
３１を介して定電流電源３２，３３に接続されて
いる。３４は同電極２３，２４間の電圧を測定す
る電圧計である。上述した構造のセンサを用いた
酸素濃度の検出は次のように行なわれる。

まず各電極２３，２４からのリード線２３ａ，
２４ａ間に例えば電源３３から一定の電圧が印加
される。この電圧と両電極２３，２４間に流れる
電流量との関係は、混合比と温度が一定とすれば
第３図に示す様な傾向を示す。ここで横軸は両電
極２３，２４間の電圧Ｖを示し、縦軸はその時の
両電極２３，２４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。

また上記の如くIpが一定化していなくとも、例
えば、電圧V₂において、λに応じた電圧と電流
量との関係を予め測定し、第３図のようなグラフ
を作成しておき、それを参照すれば、全く同様に
λが測定できる。

上述した第３図のグラフのような傾向を示すの
は電極２３がマイナス側、電極２４がプラス側と
して電圧が印加された場合に固体電解質板２２は
汲み出し酸素ポンプの働きをなして間隙部２６部
分の酸素のみを固体電解質板２２を通してその電
極２４側へ排出する作用をなす。そのため間隙部
２６における酸素濃度は低下しようとするが、間
隙部２６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２６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
拡散による間隙部２６への流入量は温度が一定で
あれば排ガスの酸素濃度に依存することになる。
このように間隙部２６内への酸素供給量が排ガス
中の酸素濃度に依存していれば、当然間隙部２６
から固体電解質板２２を介して外部へ排出される
酸素量は排ガス中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２２により
排出される酸素量と両電極２３，２４間に流れる
電流量とは比例することとなるので第３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。

このような関係は第４図に示すように電流量Ip
を一定にした場合、印加されるべき電圧によつて
も同様に排ガス中の酸素濃度を求めることができ
る。本図のグラフにおいて横軸は空燃比λであ
り、縦軸は印加される電圧Ｖである。この場合電
流は電極２４から電極２３へ流れている。この場
合の電流Ipをプラス、これと逆方向をマイナスと
定義する。

空燃比λが１以下の場合には遊離酸素量は極端
に低下もしくはゼロとなるが、その場合には第５
図に示す如く、電極２３，２４間に上記の場合と
は逆に電圧をかけることにより、つまり電極２３
側をプラス、電極２４側をマイナスとして酸化物
を解離して酸素を得ることによつて電流量Ipを一
定に保つよう、電圧を印加することによつて、第
５図に示すようなグラフが得られる。この場合、
横軸は空燃比λであり、縦軸は電圧Ｖの絶対値で
ある。このとき、マイナスである電流量Ipを所定
値に保持すれば、λ＜１の領域で特定のλの値の
近傍で電圧が大きく変化し、電流Ipと電圧Ｖとの
関係から可燃成分の含量すなわち空燃比λを測定
することができる。

本実施例においては、ヒーター２５及び板状体
２７によりセンサ２１全体が活性化温度以上に昇
温させることが可能であり、また切換スイツチ３
１によりその電流方向を切換えることにより例え
ば内燃機関の排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のである。

なお本発明は上述した実施例に限定されるもの
ではなく、例えば電圧Ｖを一定にして、電流量Ip
を電子回路的に自動制御させIpに対応する出力を
酸素含量または空燃比の検知出力とすることもで
きる。

［発明の効果］ 本発明は酸素イオン伝導性の固体電解質板の両
側に電極を設けると共に、一方の電極側に間隙部
を介してセラミツク質板状体を設けることにより
極めて簡単な構造で雰囲気ガス中の酸素濃度を測
定することが可能となり酸素センサの製造及びそ
の適用を容易とするものである。そのため省資
源、省エネルギーにも貢献することができる。

また、固体電解質の表面の電極とセラミツク質
板状体とは、0.01〜0.5mmのわずかな隙間を介し
て設けられているので、セラミツク質板状体に大
電流を流して高温に加熱することによつて、電極
及び固体電解質を輻射伝熱によつて迅速に高い温
度に加熱することができる。

更に、間隙部の３方は開放されているので、即
ち、固体電解質板とセラミツク質板状体とは基部
から所定の間隔を保つて立設され、直接に接触し
ているわけではないので、大電流を流して強い加
熱を行つた場合でも、セラミツク質板状体から電
極への電気的リークの問題や、セラミツク質板状
体と固体電解質との材質間の熱膨張の違いによる
クラツクの発生の問題は生じない。

その上、セラミツク質板状体は、固体電解質板
とは別体に形成されて配置されているので、歩留
りが高く、しかも固体電解質を均一に加熱する様
にセラミツク質板状体の配線を任意に形成するこ
とが可能であり、よつて固体電解質の加熱むらを
減少させ、良好な性能を引き出すことができる。

また、間隙部側の電極全体を直接高い温度に維
持し易いので、被測定ガス成分の酸素分解を促進
する能力が高く、デポジツトも付着し難いという
利点がある。

更に、セラミツク質板状体によつて、電極や固
体電解質だけでなく、間隙部に流入する被測定ガ
スも高い温度に加熱することができるので、間隙
部側電極における被測定ガス成分の電気化学的分
解を容易とすることができる。即ち、空燃比λが
１近傍の酸素希少雰囲気下においても間隙部から
外側への酸素の排出作用が容易となり、低い印加
電圧で高い電流値Ipが取り出せるという効果があ
る。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の実施例の構成を示す縦断面図
及びその回路図、第２図は固体電解質板、板状体
及びヒーターとの関係を示す分解図、第３図は酸
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４図は空燃比と電圧との関係を示すグラ
フ、第５図は電流を逆に流した場合の空燃比と電
圧との絶対値の関係を示すグラフである。 ２１……酸素センサ、２２……酸素イオン透過
性固体電解質、２３，２４……電極、２７……ガ
ス遮蔽体（セラミツク質板状体）、２６……間隙
部。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 表裏両面に、印加電圧と電流量との関係が測
   定される電極を有する酸素イオン伝導性の固体電
   解質板と、該固体電解質板の一方の電極表面との
   間に間隙部を設けて配設された酸素ガス遮蔽体と
   を備えた酸素センサであつて、 上記酸素ガス遮蔽体を、内部に全面を加熱する
   如く発熱体が蛇行して埋設されたセラミツク質板
   状体で形成するとともに、 上記間隙部を、基部を除いた３方が開放し且つ
   間隙寸法が0.01〜0.5mmの拡散制限を行なう間隙
   部としたことを特徴とする酸素センサ。