JPH0619090Y2 - 酸素濃度センサ - Google Patents

Description

【考案の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本考案は、内燃機関例えば自動車用エンジンの空燃比を
広い領域で検出することのできる酸素濃度センサに関す
るものである。

〔従来の技術〕

自動車用エンジンの空燃比制御システムに用いられる酸
素濃度センサは、理論空燃比（Ａ／Ｆ＝14.6）近傍にお
けるセンサの発生電圧変化を利用しており、主として三
元触媒を用いた排気ガス浄化システムを対象として実用
化されている。

従来より実用化されている酸素濃度センサは、いわゆる
濃淡電池型のもので、これは、酸素イオン透過性固体電
解質からなる一端が閉止した筒体の内外表面に電極層を
設け、筒体内部に大気等の標準ガスを有する酸素濃度セ
ンサ素子の外表面に排気ガスを接触させ、標準ガスと排
気ガスとの酸素濃度差により前記内外電極間に発生する
電位差を起電力として取出し、この起電力の急激な変化
を測定することにより理論空燃比を検知するものであ
る。しかしながら、この酸素濃淡電池型酸素濃度センサ
は、理論空燃比近傍を精度良く検知することができる
が、それ以外の酸素濃度領域を検知することができなか
つた。近年、自動車の低燃費化という社会的要請に応
じ、エンジンを改良し特定条件において理論空燃比より
酸素過剰側（リーン側）で運転するシステムが検討され
ているが、上記濃淡電池型酸素濃度センサでは、このシ
ステムに使用することは不適当であつた。

一方、排ガスの酸素濃度を低い領域から高い領域にわた
つて連続的に検知することのできるいわゆるリーンミク
スチヤセンサが開発されている。このリーンミクスチヤ
センサは、酸素イオン透過性固体電解質からなる基板両
面に電極層をそれぞれ設け、少なくとも一方の電極層を
無機材料で被覆してなるセンサ素子部を排気ガスと接触
するようにして排気管に取付け、前記両極に定電圧を印
加すると、排気ガス中の酸素濃度に応じて両極間に限界
電流が流れるので、この限界電流の変化を測定すること
により自動車エンジンの空燃比を検知することができ
る。しかし、このリーンミクスチヤセンサは、理論空燃
比以上の、すなわち酸素過剰側空燃比を検出することが
できるだけである。

上記欠点を解決するため、本考案者らは濃淡電池型酸素
濃度センサとリーンミクスチヤセンサとを組合わせるこ
とにより、１本の素子だけでエンジンの理論空燃比近傍
は勿論、リーン側空燃比をも精度良く連続して検出する
ことができる酸素濃度センサを特願昭61-108217号で提
案した。

この酸素濃度センサは、第４図に示すように、酸素イオ
ン透過性固体電解質２１からなる一端を閉鎖した筒状素
子の内面に内側電極２８を形成し、該素子の外面に絶縁
層２４、外側電極２５、ガス拡散層２９を順次積層して
酸素濃度センサを形成するにあたり、第６図に示すよう
に、該素子筒状部に形成する外側電極２５（及び／又は
内側電極）を該筒状部の長さ方向に沿つて２分割して形
成（又は長さ方向と直交する方向に沿つて２分割して形
成）し、第４図に示すように、分割して形成した一方の
外側電極である陰極２７と内側電極２８とを定電圧電源
３２に接続してリーンミクスチヤセンサを構成し、他方
の外側電極である測定電極２６と内側電極２８とを電圧
検出器３４に接続して濃淡電池型酸素濃度センサを構成
したもので、まず、試験管状固体電解質の外表面の一部
をマスキングし、その上からセラミツクの溶射コーテイ
ングを行い、コーテイング後マスキング部分を剥すと、
第５図に示すようにマスキング部分のみ固体電解質２１
が露出し、それ以外は絶縁コーテイング層２４で覆われ
たものができる。この後、その内外両面にメツキ等の手
段により白金（Pt）等によりなる電極を形成し、第６図
に示すように外側電極２５の中央部を長さ方向に削除し
て、左右に分割し、濃淡電池型酸素濃度センサの測定電
極２６及びリーンミクスチヤセンサの陰極２７を形成す
る。そして、測定電極２７の上には酸素の拡散を制限す
るためのガス拡散層２９を設け、陰極２７の上には電極
保護のためのコーテイング層３０を設けることにより製
造している。なお、内側電極２８は濃淡電池型酸素濃度
センサの基準電極とリーンミクスチヤセンサの陽極を兼
ねている。図中、３１は円筒形ヒータ、３５はヒータホ
ルダを示す。

〔考案が解決しようとする問題点〕

しかしながら、上記の酸素濃度センサは、上記したよう
に、電極を２分割するには、試験管状素子の内素面又は
外表面の全面にメツキ等により電極を形成したのち、所
定の部分の電極を削除する必要があり、このため、製造
工程が複雑で、生産性が悪いという問題がある。また、
素子の強度は固体電解質自身で確保しているため、あま
り肉厚を薄くすることができず、素子の低抵抗化による
低温活性の向上を図ることができないという問題もあ
る。

本考案は上記問題点を解決するためのもので、容易に製
造することができ、低温活性を向上させた酸素濃度セン
サを提供することを目的とするものである。

〔問題点を解決するための手段〕

本考案の酸素濃度センサは、板状の酸素イオン透過性固
体電解質（３）の両面に固体電解質（３）を挟んで表裏
で一対となる電極（８，９；１０，１１）を２対設け、
固体電解質（３）の一方の面上に、窓（７ａ）を設けた
セラミツクスペーサ（２）を、固体電解質（３）の一面
に設けられた二つの電極（８，１０）が窓（７ａ）内に
位置するように重ね、更にスペーサ（２）上に、窓（７
ａ）よりも小さな窓（６）を設けたセラミツクプレート
（１）を、窓（６）と窓（７ａ）とが連通するように且
つ窓（６）を電極（８）上に位置させて重ね、電極
（８）上に、電極（８）上を覆い且つ窓（６）と窓（７
ａ）との連通部分を閉鎖するようにガス拡散律速層とし
てセラミツク多孔質層（１４）を形成して電極（１０）
上に閉鎖された空間（７）を設け、電極（１０）を陰極
とし電極（１１）を陽極として両電極（１０，１１）を
定電圧電源に接続してリーンミクスチヤセンサを構成す
るとともに、電極（９）を酸素基準ガスに接触させ電極
（９）と電極（８）とに電圧検出器を接続して濃淡電池
型酸素濃度センサを構成したことを特徴とするものであ
る。

本考案の酸素濃度センサにおいて、濃淡電池型酸素濃度
センサの被測定ガスと接触する測定電極上には、前記の
如く電極を保護し且つガス拡散律速層として機能するセ
ラミツク多孔質層を形成する。前記セラミツク多孔質層
を形成することにより、リーンミクスチヤセンサの陰極
上にも空間が設けられるので、本酸素濃度センサを小形
化することができ好ましい。

また、本考案においてリーンミクスチヤセンサの陰極上
に設ける閉鎖された空間とは、陰極を形成した固体電解
質とセラミツク多孔質層とその他の部材とによつて外気
に直接連通するのを防止した空間という意味であり、密
閉された空間を意味するものではない。

なお、上記酸素濃度センサにおいて、リーンミクスチヤ
センサの陰極上に閉鎖された空間を設けたのは、電極の
面積およびその活性の大小が、素子本体の抵抗のみなら
ず限界電流値の大きさまで変えてしまうからである。す
なわち、このようなセンサでは、限界電流Ｉｌと律速層
とは次式Ｉで表わされる関係にあるとされている。

（式中、Ｉｌは限界電流値、 は有効拡散距離、 Ｓは有効電極面積を表わす。） 上記式Ｉで表わされる限界電流値Ｉｌは、拡散律速層と
してのセラミツク多孔質層が有するｎ個の各細孔によつ
て生ずる各限界電流値Ｉ′ｌの合計ｎＩ′ｌであるた
め、単にｎ個を大きくするとＩｌは大きくなる。また、
各細孔によつて生ずる限界電流値Ｉ′ｌは、細孔を通つ
て陰極面に達する酸素量に比例するが、この酸素量Ｑ
は、 で表わされる。ここでＳ′は陰極面に開口している細孔
の大きさ（面積）であり、′は細孔の奥行（長さ）で
ある。上記式IIにおいてＳ′を大きくすることは、陰極
に達する酸素量が大きくなり、限界電流値が大きくな
る。したがつて、セラミツク多孔質層を直接電極面に設
けた場合には、素子本体の抵抗を下げるために電極面積
を拡げるには細孔数ｎを大きくするか、または上記Ｓ′
を大きくすることになるため、上記′を大きくしない
限り限界電流値が大きくなるのを避けられない。しかし
ながら、多孔質層を電極面から離して設けた場合には、
電極面積Ｓは単なる開口面積となり、電極面積の増減に
よつて出力の変化は起らないからである。

〔作用〕

上記したように、濃淡電池型酸素濃度センサとリーンミ
クスチヤセンサとを兼ね備えた素子を板状としたため、
電極の形成に印刷の手法を用いることができ、電極分割
が非常に容易にできる。また、素子の強度は、他のセラ
ミツク部材で固体電解質を挟むようにすることにより確
保することができるため、板状固体電解質の薄肉化が可
能となり、素子の低抵抗化による低温活性の向上が図れ
る。

更に、リーンミクスチヤセンサの陰極上に直接ガス拡散
律速層としてのセラミツク多孔質層が形成されず離れて
形成されており、代わりに空間が設けられているので、
リーンミクスチヤセンサの陰極面積全てが有効となり、
また、リーンミクスチヤセンサの陰極上に直接セラミツ
ク多孔質層を形成する場合のように形成条件の変動に伴
う有効な陰極面積の増減による酸素濃度センサ出力の変
動がない。

〔実施例〕

本考案を一実施例により図面を参照して説明する。

第１図及び第２図に示すように、板状の酸素イオン透過
性固体電解質３の一方の端部近傍の両面に該固体電解質
３を挟み、表裏で一対となるように印刷の手法によつて
Ｐｔ等からなる測定電極８及び基準電極９の対と陰極１
０及び陽極１１の対を設ける。なお、前者の電極の対が
端部寄りに、そして測定電極８と陰極１０が同一の面と
なるように設ける。次いで外形が該固体電解質３とほぼ
同様で、上記電極に相当する位置にヒータ１３を印刷の
手法によつて設けたセラミツクからなるプレート５の上
に大気導入路１２を形成するための、外形が該固体電解
質３とほぼ同様で、一端が開放された額状のスペーサ４
を開放端側がヒータ１３の反対側となるように重ね、そ
の上に固体電解質３を電極がヒータ１３の上に重なり、
測定電極８が上になるように重ね、更にその上に外形が
固体電解質３とほぼ同様で測定電極８から陰極１０に相
当する位置に窓７ａを有するセラミツクからなるスペー
サ２を該窓７ａが両電極上になるように重ね、そしてそ
の上に外形が固体電解質３とほぼ同様で測定電極８に相
当する位置に窓６を有するプレート１を該窓６が測定電
極８上になるように重ね、焼成し、一体化する。なお、
ヒータ１３にはヒータを保護するための保護層を設けて
もよい。一体焼成後、第１図に示すように、プレート１
の窓６から測定電極８上へセラミツクを溶射してスペー
サ２の窓からプレート１の窓６にかけて充てんすること
により、ガス拡散律速層であるセラミツク多孔質層１４
を設けるとともに陰極１０上に閉鎖された空間７を形成
する。

測定電極８と基準電極９に電圧検出器（図示略）を接続
し、大気導入路１２により基準電極に基準酸素ガスとし
て空気を接触させることにより濃淡電池型酸素濃度セン
サが構成され、両電極間に発生する起電力を該電圧検出
器で検出することにより排ガスの空燃比がリツチかリー
ンかを判断することができる。また、陰極１０と陽極１
１とに定電圧電源（図示略）を接続することによりリー
ンミクスチヤセンサが構成され、両電極に所定の電圧を
印加すると、多孔質層１４が拡散律速層として作用し、
酸素濃度にほぼ比例した電流が両電極間に流れるので、
この電流を検知することによりリーン側の空燃比を知る
ことができる。この酸素濃度センサの電圧出力と電流出
力の出力特性と空燃比の関係を示すグラフを第３図に示
す。なお、測定電極８と陰極１０又は基準電極９と陽極
１１を分割せず一体的に設けてもよい。また、ヒータ１
３はプレート１に設けてもよい。

本実施例ではセラミツク多孔質を拡散律速層と測定電極
保護層と兼用したため、酸素濃度センサを小さくするこ
とができる。

〔考案の効果〕

本考案は、上記したように、素子を板状としたため、電
極の形成に印刷の手法を用いることができ、電極の分割
が非常に容易となり、製造工程を簡素化をすることがで
き、生産性が向上する。更に、素子の強度は他のセラミ
ツク部材で固体電解質を挟むようにすることによつて確
保することができるため、板状固体電解質の薄肉化が可
能となり、リーンミクスチヤセンサ部の電極面積がガス
拡散律速層としてのセラミツク多孔質層に関係なく大き
くできることとあいまつて、素子の低抵抗化によつて低
温活性の向上が図れる。更にまた、板状であるため、固
体電解質のすぐ近くにヒータを配置できるので、熱効率
を向上させることができ、消費電力を大幅に低減するさ
とができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本考案の一実施例の酸素濃度センサの断面図、 第２図は本考案の一実施例の酸素濃度センサの構成図、 第３図は本考案の一実施例の酸素濃度センサの出力と空
燃比の関係を示すグラフ、 第４図は従来の酸素濃度センサの断面図、 第５図及び第６図は第４図の酸素濃度センサの作製工程
を示す説明図を表わす。 図中、 ３……固体電解質、７……空間 ８……測定電極、９……基準電極 １０……陰極、１１……陽極 １２……大気導入路

Claims (1)

【実用新案登録請求の範囲】
1. 【請求項１】板状の酸素イオン透過性固体電解質（３）
   の両面に固体電解質（３）を挟んで表裏で一対となる電
   極（８，９；１０，１１）を２対設け、固体電解質
   （３）の一方の面上に、窓（７ａ）を設けたセラミツク
   スペーサ（２）を、固体電解質（３）の一面に設けられ
   た二つの電極（８，１０）が窓（７ａ）内に位置するよ
   うに重ね、更にスペーサ（２）上に、窓（７ａ）よりも
   小さな窓（６）を設けたセラミツクプレート（１）を、
   窓（６）と窓（７ａ）とが連通するように且つ窓（６）
   を電極（８）上に位置させて重ね、電極（８）上に、電
   極（８）上を覆い且つ窓（６）と窓（７ａ）との連通部
   分を閉鎖するようにガス拡散律速層としてセラミツク多
   孔質層（１４）を形成して電極（１０）上に閉鎖された
   空間（７）を設け、電極（１０）を陰極とし電極（１
   １）を陽極として両電極（１０，１１）を定電圧電源に
   接続してリーンミクスチヤセンサを構成するとともに、
   電極（９）を酸素基準ガスに接触させ電極（９）と電極
   （８）とに電圧検出器を接続して濃淡電池型酸素濃度セ
   ンサを構成したことを特徴とする酸素濃度センサ。