JPH0623729B2

JPH0623729B2 - 酸素センサ素子

Info

Publication number: JPH0623729B2
Application number: JP60115574A
Authority: JP
Inventors: 惇飯野; 伸秀加藤
Original assignee: NGK Insulators Ltd
Current assignee: NGK Insulators Ltd
Priority date: 1985-05-29
Filing date: 1985-05-29
Publication date: 1994-03-30
Anticipated expiration: 2009-03-30
Also published as: JPS61272648A

Description

【発明の詳細な説明】（産業上の利用分野）この発明は被測定ガス中、なかでも内燃機関より排出さ
れる排気ガス中の酸素濃度を検出するための酸素センサ
に用いられる酸素センサ素子に係り、特に、基準物質を
供給する空間を実質的に気密とした酸素センサ素子に関
する。

（従来の技術）従来から、所謂酸素センサとして、内燃機関の排気ガス
中に含まれる酸素濃度を検知し、その検出信号に基づい
て内燃機関の燃焼状態を最適にコントロールすることに
より、排気ガスの浄化、燃費の節減等を行うものが知ら
れている。

このような酸素センサに用いられる酸素センサ素子は、
一般に、排気ガス等の被測定ガス中に曝される測定電極
と、酸素濃度が一定の基準物質に曝される基準電極と
を、酸素イオン伝導性固体電解質を介して設け、両極間
の酸素イオン伝導作用による出力を検出信号としてい
る。

ところで、上記基準物質は、通常大気が用いられ、この
ため、従来の酸素センサは、この大気を取入れて、基準
電極に接触させるための大気取入孔が酸素センサのケー
ス外面および酸素センサ素子の一部に設けられている。

（発明が解決しようとする問題点）しかしながら、上記のように、大気取入孔が設けられて
いる酸素センサにあっては、特に、前述したような車両
に装着された場合、上記大気取入孔から水が浸入した
り、海岸線では塩水が侵入することも考えられ、これに
よって、酸素センサ素子の損傷や絶縁不良が生じる虞れ
がある。また、酸素センサは高温状態で使用されるた
め、内部に侵入した水分は蒸気となり、基準物質である
大気を追い出してしまい、検出不能の状態になることも
考えられる。

なお、このような問題を解決するために、上気大気取入
孔を排除するとともに、基準電極の周囲に多孔質体を用
いて微小空間を設け、酸素ポンプ電極を用いて、この微
小空間へ、外気、例えば、排気ガスから酸素を取入れる
ようにした酸素センサが提案されている。

しかし、このような微小空間しか備えていないものにあ
っては、酸素センサの信号出力を外部計器等で読み取る
ときに、消費する酸素を微小空間内に補給する必要があ
ること等のため、常時、酸素ポンプを作動させておかな
ければならない。

ところが、酸素ポンプは低温状態では十分に働かないた
め、この状態で良好に作動させるには、高電圧を印加す
る必要があるが、高電圧を印加すると固体電解質内の電
気分解が生じ易くなって素子劣化の原因となる。このよ
うなことを避けるために、ヒーターによって酸素ポンプ
部を、酸素ポンプが十分に機能を果たす高温度に常時加
熱するようにすることも考えられるが、これでは、ヒー
ター加熱用の電力消費量が大となるし、このヒーター熱
により、素子が早く劣化したり、ヒーターの寿命が短く
なったりすることにもなる。

（問題点を解決するための手段）上記問題点を解決するために、本発明の酸素センサ素子
は、主として酸素イオン伝導性固体電解質を用いて形成
され、少なくとも基準電極と測定電極とヒーターとを備
えた酸素センサ素子において、酸素センサ素子内部に設
けられて、前記基準電極が収容されているとともに、実
質的に気密にされた気密空間と、該気密空間内に酸素イ
オン伝導作用によって酸素を供給するための、前記ヒー
ター発熱用電圧を分圧した電圧が印加された少なくとも
一対の酸素ポンプ電極とを具備することを特徴とするも
のである。

（作用）上記気密空間は、比較的大きな容積であるため、酸素ポ
ンプを常時作動させなくても、十分に基準物質の供給が
行なえる。従って、例えば酸素ポンプ部が低温となって
一時的に酸素供給量が減少したり、供給が途絶えたりし
ても、気密空間中の多量の酸素で担えるので、ヒーター
で酸素ポンプ部を常時高温（700 ℃以上）に加熱した
り、酸素ポンプに高電圧を印加して酸素ポンプをむりや
り作動させる必要がなく、素子劣化やヒーターの寿命低
下を防止できる。勿論、外部から水分や塩水等が上記気
密空間に浸入することを完全に阻止できることは言うま
でもない。さらに、素子を収容するケースは、大気を流
入させるための隙間を必要としないため、ケースを気密
にしても良く、このようにすれば、酸素センサ素子への
被水による割れも防止できる。

（実施例）本発明の第１実施例を第１図に示す。

本実施例の酸素センサ素子１は、長手板状に形成される
もので、第１図は、これを分解図にして示してある。

この酸素センサ素子１は、酸素イオン伝導性固体電解質
からなる板（以下「固体電解質板」と称す）２〜４を積
層した構造であり、中間の固体電解質板３には、長手方
向に刳り抜かれた気密空間５が形成されている。この気
密空間５は、固体電解質板３の両面に固体電解質板２と
４が接合されることにより、実質的に気密状態に保持さ
れる。

なお、中間の固体電解質板３を絶縁セラミックスで構成
するか、あるいは固体電解質板２または４と固体電解質
板３との間に薄い絶縁層（気密空間５に相当する部分は
設けない）を設け、ポンプ電極を、測定電極及び基準電
極に対して電気的に絶縁しておくことか好ましい。この
ような構成にすることによりポンプ電極へ印加される電
圧による酸素センサ素子の信号出力への影響をなくすこ
とができる。

なお前記薄い絶縁層は酸素センサ素子の各部の温度が25
0 ℃以上にある部分にのみ設けてもよい。これは一般の
酸素イオン導電性固体電解質（たとえばイットリア安定
化ジルコニア）では250 ℃以下の低温では実質上絶縁物
だからである。

図中左方の固体電解質板２の左面には、その下端部にヒ
ーター６が設けられており、ヒーター６の間には、ポン
プ電極９が配設されている。このポンプ電極９は、接点
6Aにおいてヒーター６に接続されている。

ヒーター６の両端には、ヒーターリード14,15 が接続さ
れており、これらのヒーターリード14，15は、固体電解
質板２の左面上を図中上端に至るように並行して設けら
れている。そして、図中上端部において、外部回路接続
用のコネクタ（図示略）の接続端子部14a,15a を形成し
ている。

また、２本のヒーターリード14,15 の間には、引出し線
17が、両ヒーターリード14,15 に並行して配設されてお
り、この引出し線17の下端はヒーターリード15に接続さ
れている。

なお、上記ヒーター６とヒーターリード14,15 （接続端
子14a,15a を除く）および引出し線17は、２枚のセラミ
ック薄膜の積層体11の間に挟み込んだ状態のものを、固
体電解質板２に積層することで、固体電解質板２に一体
化されている。但し、ポンプ電極９の部分には、セラミ
ック薄膜の積層体11に穴が空けられて、ポンプ電極９が
固体電解質板２に直接接するようにしてある。

そして、ヒーター６、ヒーターリード14,15 、引出し線
17およびポンプ電極９の上には、多孔質セラミックスで
形成された保護層４が積層されている。

固体電解質板２の図中右面の下端部には、上記ポンプ電
極９に固体電解質板２を挟んで対向する位置に、もうひ
とつのポンプ電極10が設けられている。このポンプ電極
10に接続されたポンプ電極リード16は、固体電解質板２
の右面を上方へ走り、スルーホール12を介して、上記引
出し線17に接続されている。

図中右方の固体電解質板４の左面下端部には、上記気密
空間５に曝された基準電極７が設けられ、右面下端部に
は、基準電極７に固体電解質板４を挟んで対向する位置
に被測定物質に曝される測定電極８が設けられている。

基準電極７に接続された基準電極リード18は、固体電解
質板４の左面を上方へ走り、スルーホール13を介して固
体電解質板４の右面上端部に設けられた接続端子部20に
接続されている。また、測定電極８に接続された測定電
極リード19は、固体電解質板４の右面を上方へ走り、同
じく固体電解質板４の右面の上端部に設けられた接続端
子部21に接続されている。

以上の構成によって、本実施例の酸素センサ1 は、その
製造時に、気密空間５内に大気が封止され、以後は、ポ
ンプ電極９，10に通電を行うことで、酸素の供給がなさ
れることになる。

そして、第１図から判るように、気密空間５は、略酸素
センサ素子１の全体に及ぶ容積を有しているため、この
容量は比較的大きく、常時酸素ポンプによって酸素を供
給する必要がない。

また、気密空間５は、実質的に気密（上記酸素の流入は
許すが他の物質の流入は許さない）になっているため、
外部から水分や塩水等の異物が侵入して、故障や検出不
能等が生じることを防止することができる。

さらに、本実施例においては、ポンプ電極９，10は、ヒ
ーター６あるいはヒーターリード15に接続されているた
め、酸素ポンプ用の電源をヒーター用電源と共有してい
る。このため、特に、酸素ポンプ用の電源を別個に設け
る必要がなく、しかも、接続端子部をその分だけ削減で
きるので、コネクタを小型化でき、外部回路へ接続する
ためのリード線の本数も削減できる。従って、ヒーター
を備えない酸素センサや酸素ポンプを備えない酸素セン
サ等の４端子構造の酸素センサにおけるコネクタとの互
換性が有り、便利である。

第１図の気密空間５の容積は酸素センサ素子の使用され
る位置のガス温度及びガス流速（流速が速いほど冷却さ
れ易い）により、適宜な大きさに設定する必要がある。
すなわち通常測定電極と基準電極は350 ℃乃至400 ℃以
上であれば十分働くため、最もガス温が低い時にヒータ
ーとしては素子を400 ℃以上の温度に保つ能力があれば
良い。また逆に500 ℃程度以上（ポンプとして十分稼動
する温度）まで常時素子温度を保つにはヒーターに過大
な負担がかかることになり、さらにガス温が高い時には
素子温度が上りすぎるのためヒーター寿命が短くなり好
ましいものではない。

内燃機関として自動車のガソリンエンジンについて考え
るならば、急坂を下る時、排ガス温は低くなり、酸素セ
ンサ素子の温度はかなり低下する。しかしこういう状態
はいつまでも続くものではなく、せいぜい30分程度であ
る。従って気密空間はこの間に消費する酸素を蓄えるに
足る容積を有する必要がある。

たとえば第１図で素子長60mm、固体電解質板の厚さ0.4
mm、幅が４mmの時、気密空間はその長さ方向が素子一杯
につくられているので、その容積は幅2.5 mm×長さ60mm
×厚さ0.4 mm≒60mm³（＝60μ）である。センサの出
力信号測定用の測定器の内部インピーダンスは通常１Ｍ
Ω程度であり、センサ出力は約１Ｖのため１μA の電流
が流れ、酸素が消費される。気密空間中の気体が大気の
場合、その酸素の50％は約２時間で消費される（酸素分
圧が50％低下するがセンサ出力への影響は小さい）。従
って、気密空間の容積は、この1/4 、約15μ以上であ
れば実用上支障はない。

酸素イオン導電性固体電解質としてはイットリア等を参
加したジルコニアがある。

このジルコニアの分解（ZrO₂→Zr+O₂）電圧は温度によ
り異なるが約2.5Vである。すなわちジルコニア板の両側
に電極を設け、外部から酸素を供給しないようにして50
0 ℃程度で2.5V以上の電圧を加えるとジルコニアは電気
分解し、酸素を失い黒化する。

従って黒化の防止のためポンプ電極へ印加される電圧は
３Ｖ以下（電圧降下分含む）、好ましくは2.5V以下にコ
ントロールしておくことが好ましい。１つの方法として
ヒーターに印加される電圧（自動車では11Ｖ〜15Ｖ位）
から分圧するように適正な設計をしてやれば、特に酸素
センサ素子外部でのコントローラ等も必要としない利点
がある。

ポンプ電極９，10間には内外酸素分圧差により電圧を生
ずるためポンプ電圧としてはこの分を余分に見込んでお
く必要がある。通常酸素センサ素子の出力の時間平均は
0.4 〜0.5V程度であるからポンプ電圧は0.5V以上として
おけば、酸素を気密空間に供給できる。しかし若干の余
裕は必要であり、約１Ｖ以上とするのがより好ましい。

なお、本実施例のように、ヒーター６側にポンプ電極を
接続するのに、スルーホールを必要とする場合には、第
１図中のスルーホール12のように、ヒーター６から遠い
位置に設けることが望ましく、このようにすることで、
スルーホール部で固体電解質内を流れる電流が生じた
り、ヒーター熱によりスルーホール部に損傷が生じたり
することを防止できる。

次に本発明の第２実施例を第２図に示す。なお、同図中
において、前記第１実施例のものと同一構成部分には、
同一符号を付して説明は省略する。

同図に示す酸素センサ素子20は、第１実施例の構成に加
え、固体電解質板２と３の間に、絶縁セラミックス製の
絶縁層21を介挿したものである。この絶縁層21には、気
密空間５の形状に合わせたスリット22が形成されてい
る。

そして、絶縁層21の一部には、多孔質セラミックスを混
入して形成されたポーラス部23が設けられている。

このポーラス部23が設けられていることにより、本実施
例は、前記第１実施例の効果に加えて、気密空間５内の
過剰酸素をポーラス部23から外部へ排出することが可能
となり、気密空間５内の酸素分圧を一定に保ち、測定精
度向上を果たすことができる。

なお、上記ポーラス部23は、被測定ガス雰囲気内に位置
する箇所に設けることが好ましい。

また、ポーラス部23を絶縁層21の一部のみならず全体に
設けてもよい。すなわち、絶縁層21全体を多孔質セラミ
ックスで形成するようにしても良い。

（発明の効果）以上詳細に説明したように、本発明は、酸素センサ素子
内部に、基準電極を収容した気密空間を設け、この気密
空間内に酸素ポンプによって酸素の供給を行うようにし
たことにより、比較的大きな容積の気密空間内に、十分
な基準物質を蓄えることができるため、酸素ポンプを常
時作動させる必要がなく、従って、酸素ポンプを常時酸
素ポンプが十分機能する高温に加熱しておく必要もない
ため、ヒーター加熱入力を小さくすることができる。こ
れにより、酸素センサ素子の劣化を軽減させることが可
能になる。

また、従来のような基準物質を取入れるための孔を酸素
センサ素子を収容するケースや酸素センサ素子に設ける
必要がないため、外部から水や塩水等の異物が侵入して
酸素センサ素子の劣化や損傷または作動不能が生じるこ
とを完全に防止できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の第１実施例の構成を示す分解斜視図、第２図は本発明の第２実施例の構成を示す分解斜視図で
ある。 1,20……酸素センサ素子 2,3,4 ……固体電解質板 5……気密空間、 6……ヒーター 7……基準電極、 8……測定電極 9,10……酸素ポンプ電極、23……ポーラス部

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】主として酸素イオン伝導性固体電解質を用
いて形成され、少なくとも基準電極と測定電極とヒータ
ーとを備えた酸素センサ素子において、酸素センサ素子内部に設けられて、前記基準電極が収容
されているとともに、実質的に気密にされた気密空間
と、該気密空間内に酸素イオン伝導作用によって酸素を供給
するための、前記ヒーター発熱用電圧を分圧した電圧が
印加された少なくとも一対の酸素ポンプ電極とを具備す
ることを特徴とする酸素センサ素子。