JPH0629877B2

JPH0629877B2 - 酸素検知装置

Info

Publication number: JPH0629877B2
Application number: JP2081471A
Authority: JP
Inventors: リアン―ユインカーエリック
Original assignee: Motors Liquidation Co
Current assignee: Motors Liquidation Co
Priority date: 1989-03-31
Filing date: 1990-03-30
Publication date: 1994-04-20
Anticipated expiration: 2009-04-20
Also published as: CA2002482A1; EP0390337A2; CA2001883A1; US4980044A; EP0390337A3; JPH02287147A

Description

【発明の詳細な説明】〔産業上の利用分野〕本発明は、一般に内燃機関から放出される自動車排気中
の酸素濃度を検出するのに適当な電気化学型固体電解質
酸素センサに関する。ことに本発明はたとえばＵＳＡ−
4,282,080号に記載してあるように請求項１の前文に述
べられた偏平板状固体電解質体検知素子を持つようなタ
イプの酸素センサに関する。

この酸素センサは又、センサ自体を所定の温度に自動加
熱する手段を備えている。

〔発明の背景〕

ガスセンサは、質的及び量的のガス測定を必要とする種
々の用途に使われる。自動車工業では自動車排気中の酸
素濃度がエンジン空燃比に対し直接関係を持つことはよ
く知られている。酸素ガスセンサは自動車内燃機関制御
システム内に使われ、最適の燃焼条件、最高に有効な燃
料使用及び排気エミッションの管理のために正確な排出
ガス酸素濃度測定を行う。

一般に自動車用に使われる電気化学型の酸素センサはシ
ンブル(thimble)形電気化学電池を利用し排気流中に存
在する酸素の相対量を定め又は検知する。その１例とし
てBurgett等を発明者とする米国特許第3,844,920号明細
書がある。この種の酸素センサは、一般によく知られ自
動車工業を通じて使われ、イオン伝導性固体電解質材料
と、（たとえばイットリア安定化ジルコニアから成る）
測定する排出ガスにさらされる外部多孔質電極コーティ
ングと、基準ガスの公知の濃度にさらされる内部の多孔
質電極コーティングとから成っている。

固体電解質を横切るガス濃度こう配は、ネルンスト(Ner
nst)の式Ｅ＝ＡＴｌｎ〔Ｐ₁／Ｐ₂〕により２個の電極に
おけるガスの分圧の差分に関連するガルバーニ電位を生
ずる。このネルンストの式でＥは電池電圧であり、Ｔは
ガスの絶対温度であり、Ｐ₁／Ｐ₂は２個の電極における
基準ガスの各分圧の比であり、又Ａ＝Ｒ／４Ｆでありた
だしＲは普通気体定数でＦはファラデー定数である。す
なわち酸素センサは、このガルバーニ出力電圧を測定す
ることにより排出ガス中の酸素濃度を検知する。

但し、先ずこのようなセンサの固体電解質の温度を上げ
加熱することが望ましい。これは、基準電極及び測定電
極の間の酸素濃度の差に応答して感知できる出力電圧を
センサーによりすぐに得られることを可能ならしめるも
のである。各電極間の誘起ガルバーニ(galvanic)電位と
対応出力電圧とは、固体電解質がある温度に加熱される
までは安定しない。作動時に燃焼ガスは酸素センサの固
体電解質をガルバーニ安定性を生ずるのに十分な作動温
度に加熱する。従って有効なセンサ作用は、燃焼ガスが
センサを適当な温度に加熱するまで遅延する。

最後に、センサをエンジンとくに高い効率のエンジンの
排気管内で下流側にかなり離して位置させると、センサ
はエンジンアイドル運転中にセンサ仕様に適応するのに
十分な高い温度に加熱されない。これ等の条件中には被
制御パラメータを制御するのに内燃機関制御システムは
開ループシステムとして動作し、すなわちこの制御シス
テムは、被制御パラメータたる空燃比を検知しない。短
い運転期間中に生ずる全エミッションのうちの大部分が
この期間中すなわちエンジン暖機運転中に生ずることは
よく知られている。従っていくつかの適用例ではエンジ
ン暖機運転中のエミッション制御は、周囲環境の温度に
関係なくセンサ自体を所定の温度に急速に加熱する手段
を備えた酸素センサを有することにより改良される。セ
ンサ自体を加熱することのできる酸素センサについて
は、このセンサが排気管内のいずれの位置でも冷えた出
口端であっても位置させられることが出来望ましい。そ
の理由は、センサの固体電解質はセンサ自体を加熱する
のに燃焼ガスの熱に依存しないからである。

加熱される酸素センサは当業界では従来多くのものが提
案されている。これ等の従来の加熱センサは一般に、セ
ンサの固体電解質体を積極的に加熱する細長いセラミッ
クヒータを備えている。ヒータエレメントは、普通のシ
ンブル形の固体電解質体に形成した細長い円筒形の穴内
に挿入する。これ等の従来の加熱及び非加熱酸素センサ
は運転中に満足の得られる性能を持つが、シンブル形で
ない検知素子を開発することが望まれている。シンブル
形素子を持つ酸素センサの欠点は、従ってこれ等のセン
サの製造及び組立てのむずかしいことである。

従って偏平板状セラミック基板を利用し又標準のセラミ
ック処理法を利用する検知素子を設けることが望まし
い。さらに又このような検知素子はこれ自体を所定の温
度に急速に加熱できることが望ましい。さらにとくに自
動車用に対しては加熱酸素検知素子は丈夫で信頼性が高
く安価容易に作られるものでなければならない。

〔発明の要約〕

本発明による酸素検知装置は、請求項１の特徴部分に記
載してある機能を特徴とする。

本発明の目的は、電気化学型酸素センサ用の新規な固体
電解質検知素子を提供することにある。

さらに本発明の目的は、このような新規な検知素子を偏
平板状セラミック基板から形成することにある。

なお本発明の目的は、このような新規な検知素子がこの
素子自体を所定の温度に急速に自動加熱する手段を持つ
ようにすることにある。

本発明の好適な実施例によればこれ等の又その他の目的
及び利点を次のようにして得られる。

本発明によれば内燃機関から放出される自動車排気中の
酸素濃度を検出するのに適した独特の固体電解質酸素検
知素子が得られる。

好適な検知素子は、実質的に偏平であり、固体電解質材
料好適にはイットリア安定化ジルコニアから成ってい
る。この検知素子は、測定しようとする外部ガスに接触
する測定電極と、既知のガス濃度に接触する基準電極と
を備えている。又正抵抗(positive resistance)のヒー
タ素子を検知素子の固体電解質体に設けることができ
る。

偏平板状セラミック検知素子の独特の特徴は、検知素子
の各側部にこの素子の２つの端部間に位置する各頂部で
出会うように集まる２つの部分を備え、この素子の幅が
２つの頂部間で最大でありこれ等の頂部から２つの端部
に向かいテーパを持つようにしてあることである。この
テーパにより、ハウジング内の検知素子の固着及び剛性
の保持が容易になる。検知素子は、この検知素子をタル
ク(talc,滑石）のような圧力媒体内に封入し、各頂部の
各側に位置させた２個のブッシングを締付けることによ
りハウジング内に固定する。このようにして検知素子を
ハウジング内に固定すると、検知素子の表面に締付け力
が広がり頂部に集中しないようになって有利であり、検
知素子は圧縮状態に保持されることにより検知素子の寿
命を一層長くする。

本発明は、内燃機関から放出される排出ガスの酸素分圧
を検出するのに適した電気化学型酸素検知装置に使う加
熱固体電解質検知素子を提供するものである。

一般に好適な検知素子は、固体電解質材料からなるべく
はイットリア安定化ジルコニアから成る実質的に偏平な
本体から形成され、測定しようとする外部ガスに接触す
る測定電極と既知濃度のガスに接触する基準電極とを持
つ。またこの検知素子には正抵抗ヒータ素子を設けてあ
る。

本発明の独特の特徴は検知素子の形状である。この検知
素子は、２つの長い側部と２つの端部とを持つ実質的に
偏平な本体から成る。この固体電解質体の各側部は、こ
の本体の２端部間に位置する頂部に集まる２つの部分を
備えている。従ってこの偏平体の幅はこれ等の２つの頂
部の間で最大であり、この偏平体は幅にこれ等の頂部か
ら２つの偏平体端部に向かいテーパを付けてある。この
テーパによりハウジング内の固体電解質体の固着及び剛
性の保持が容易になる。本検知素子は、この検知素子を
タルクのような圧力媒体中に封入し各頂部の各側で各テ
ーパ付き側部に位置させた２個のブッシングを締付ける
ことによりハウジング内に固定する。本発明では検知素
子はハウジング内に圧縮状態に保持され、かしめ力は各
頂部に集中しないで検知素子にわたり一様に広がる。こ
のことはセラミック材固体電解質体の耐久性を強め寿命
を長くするから有利である。

〔実施例〕

実施例について図面を参照して説明すると、第１図は好
適な偏平板状検知素子１０の各部品の展開図である。検
知素子１０は第１の固体電解質体１２、好ましくはイッ
トリア安定化ジルコニアから成っている。固体電解質体
１２は測定電極１４及び基準電極１６を持つ。両電極１
４，１６は多孔質の白金により構成するのが好ましい。
しかし導電性を持ち多孔質で排出ガス中の酸素分圧の測
定ができるようにした他の適当な材料を使ってもよい。
測定電極１４は自動車排出ガスのような測定しようとす
る外部ガスに接触する。

基準電極１６は、外部ガスからは気密になるように配置
されその代りに既知濃度の基準ガスに接触する。この既
知濃度の基準ガスは、基準電極16を密封する材料から成
る被覆体２０内の空気みぞ穴（チャンネル）として作用
する室１８に供給される。基準室１８の形状は基準電極
１６の形状に実質的に適合して基準ガスの最大移動を可
能ならしめ基準電極１６及び基準ガス間に最適の接触が
生ずるようにするのがよい。しかし基準ガスが基準電極
１６にそのいくらかの領域で接触する限りは必ずしもこ
のようにする必要はない。

固体電解質体１２に貫通孔２２及び接触パッド２４を設
けて外部の測定電子回路網（図示してない）に基準電極
１６を電気的に接続できるようにしてある。貫通孔２２
は円筒形の中実又は中空の栓（図示してない）を入れて
ある。この栓及び接触パッド２４は、基準電極１６を形
成するのに使われる多孔質白金のような導体材料から構
成してある。

被覆体２０は、固体電解質体１２と同じ材料すなわちイ
ットリア安定化ジルコニアから形成するのが好ましい。
他の適当な材料を使ってもよいが、被覆体２０には構成
が容易になり応力が最低になるように固体電解質体１２
と同じ材料を使うのが好まい。

検知素子１０には正抵抗(positive resistance)ヒータ
素子２６を設けるのがよい。ヒータ素子26は白金から形
成するのがよいが、タングステンのような他の適当な材
料を使ってもよい。この白金は型抜きして誘電体層２８
なるべくは酸化アルミニウムAl₂O₃の層に配置する。誘
電体層２８は、空気みぞ穴１８を持つ被覆体２０上に配
置する。ヒータ素子２６は空気みぞ穴１８を持つ被覆体
２０に直接配置してもよいが、イオン導電性及び電気伝
導性の固体電解質被覆体２０を通して多孔質白金基準電
極１６及び白金ヒータ素子２６間のイオン導電又は電気
伝導の作用を防ぐように誘電体層２８を介在させるのが
よい。

ヒータ素子２６は正の抵抗係数を持つ特性にしてある。
従ってヒータ素子２６はその温度の上昇に伴い発生する
熱が低下する。このことは、ヒータ素子２６は排出ガス
の温度の低いときだけ主として好適に使われる。従って
ヒータ素子２６は排出ガスの温度が高いときは不必要に
なる。

本発明の好適な実施例はヒータ素子２６を備えている
が、ヒータを所望しない場合もある。この場合検知素子
１０は、ヒータ素子２６及び誘電体層２８を省いたこと
を除いて前記したように構成する。この変型による加熱
しない構造では検知素子は、たとえば排出ガスにより測
定しようとするガスを加熱することにより所定の温度に
加熱した場合にこのガスを検知する。

さらにスピネル（spinel（尖晶石））のような材料から
成る保護層３０をヒータ素子２６及び測定電極１４上に
配置する。スピネルは、これが多孔質であり下側にくる
材料に対し融和性を持つので好適な条件である。スピネ
ル層３０は、内側の各素子を保護ししかも内側の測定電
極１４までガスを拡散させる。スピネルは好適である
が、保護作用を生ずる多孔質の他の適当な材料を使って
もよい。

本発明の特徴は、検知素子１０に端部から端部まで互い
に対向する方向にテーパを付けたことにある。第２図及
び第３図に明らかなように検知素子１０の各側部は、素
子１０の各端部から外方に延び固体電解質体１２の各側
部の頂部３２に集まる２つの部分を備えている。各頂部
３２は検知素子１０の上端部３４及び下端部３７の間に
位置させてある。検知素子１０の幅は各頂部３２の間で
最大である。検知素子１０の２方向テーパ付き形状によ
り検知素子１０か酸素センサアセンブリ内で容易に固定
し自身で位置決めすることができる。

各頂部３２のテーパ角は検知素子１０の各側部の２つ
の集まる部分の間で各頂部３２の内側から測って約１６
５°より大きいのが好ましい。この場合たとえば第４図
に示すような普通のブッシング(bushing)を使用するこ
とができる。テーパ角φは１６５°より小さくてもよ
い。すなわち頂部３２は一層とがらせてもよい。しかし
この場合特殊なブッシングを使う必要がある。テーパ角
φは約１７５ないし１７９°に保つのがよい。この場合
普通のブッシングを使用でき鋭角頂部における応力集中
を減らすことにより、各頂部３２における検知素子１０
の層はがれ又はひび割れのおそれが減る。テーパ角φは
約１７９°にするのが最もよい。その理由は、この場合
検知素子１０の構造的一体性及び応力集中と共に製造の
容易性の諸関係を最適にするからである。

第２図は検知素子１０の平面図である。スピネルから成
る保護外層は図示しないで測定電極１４の位置が分かる
ようにしてある。測定電極１４は測定しようとする外部
ガスに接触する。又接触パッド２４が示されている。接
触パッド２４は、測定電極１４とは反対側の固体電解質
体１２の面に設けた基準電極（図示してない）と外部測
定設備（図示してない）との間を、固体電解質体１２を
貫く貫通穴２２内の電気伝導性栓により電気的に接続す
る。接触パッド２４及び貫通穴２２は、基準電極１６に
対し他の手段により電気的に接続可能な限り、本質的な
特徴ではない。

第３図は検知素子１０の反対側の面を示す。又スピネル
の保護外層は図示しないでヒータ素子26の位置を示すよ
うにしてある。ヒータ素子２６は、白金タングステン又
はその他の適当な材料から成る厚い膜から構成してあ
る。ヒータ素子２６は型抜きして排出ガスが主として流
れる下端部３６に巻込み部３８を設けてある。この構造
は、排出ガスの接触する固体電解質体１２の領域に実質
的に一層多くの熱を供給することによりこの領域を一層
迅速に加熱し一層早いガス濃度測定ができるから好適で
ある。

第４図には１例としてのブッシング４０を示してある。
ブッシング４０は、検知素子１０の各頂部３２間の距離
よりわずかに小さい幅を持つ内部スロット４２を形成し
てある。この構造により、検知素子１０の各頂部３２か
ら遠い方の領域で検知素子１０及びブッシング４０の間
に摩擦締りばめの関係が得られる。ブッシング４０の材
料は、主として熱膨張係数の理由によりアルミナが好適
である。検知素子１０と同等の膨張係数を持つ他の適当
な材料たとえばジルコニア等を使ってもよい。

第５図は、検知素子サブアセンブリ４４を示していて、
検知素子１０はハウジング４６内において２個のブッシ
ング４０ａ，４０ｂにより固定されている。検知素子１
０は、検知素子１０の各頂部３２の各側に位置させた２
個のブッシング40a,40bにより金属ハウジング４６内に
押し込められている。圧力媒体６０が、２個のブッシン
グ40a,40b間の金属ハウジング４６内の領域４８で検知
素子１０のまわりに密に詰め込まれている。圧力媒体６
０に好適な材料はタルク（talc,滑石）である。その理
由はタルクの極めて低い熱膨張係数とその物理的性質と
によりなる。しかしセラミック材又はガラスの粉末のよ
うな他の適当な材料を圧力媒体６０として使用してもよ
い。

本発明の他の特徴は、検知素子１０をハウジング４６内
に固定する方式である。検知素子１０は、その構造とブ
ッシング40a,40bの配置とによってハウジング４６内に
自動心合せすることができる。両ブッシング40a,40bか
ら検知素子１０に圧力媒体６０を通して締付力が加えら
れる。この構造により、力が頂部３２又はその他どの領
域にも集中しないで素子１０の表面にわたり広がる力の
分布が得られる。さらにこの構造によりセラミック材検
知素子１０は圧縮状態に保持され、このことは、セラミ
ック材で作用するときにかなり望ましいことであり、セ
ラミック材検知素子１０の寿命が一層長くなる。この構
造では検知素子１０は、金属ハウジング４６内にしっか
り固定され、関連する自動車からの熱サイクル、振動又
は運転の間に動かないようにされている。

検知素子１０を保持するのに必要な締付力すなわち圧縮
力は約４１３７kPa(６００psi)が好適である。この力は
検知素子１０の固体電解質体１２すなわちイットリア安
定化ジルコニアの応力降伏点を越えてはならない。従っ
てこの力は、検知素子１０に損傷を与えないで約６８9.
５kPaないし２0.６８４kPa(１００ないし約３０００ps
i)の間で変ることができる。

ハウジング４６は、検知素子１０の測定電極１４が測定
しようとする外部ガスに接触すると共に基準電極１６を
これ等の外部ガスに対し気密に保持するように検知素子
１０を支える。検知素子１０は、排出ガスの流れの中に
指に突出するように取付ける。

第５図には又穴あきの保護金属遮蔽５０を示してある。
該遮蔽５０は、検知素子１０を保護し穴５２を持ち検知
素子１０のまわりの排出ガスの流れが中断しないように
する。遮蔽５０及びハウジング４６はきびしい排出ガス
にさらされるので、ステンレス鋼のような適当な材料か
ら形成しなければならない。

第６図は、上記保護遮蔽５６及び接続電源５８を検知素
子サブアセンブリ４４に取付けた全酸素センサアセンブ
リ５４を示す。上部遮蔽５６は、検知素子１０の上部部
分に付加的な保護作用を加える。接続電線５８は検知素
子１０により生ずる電気信号を電気測定設備（図示して
ない）に連絡するためのものである。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の好適な実施例による検知装置の偏平板
検知素子の各部品の展開斜視図である。第２図は第１図に示した好適な偏平板検知素子の第１の
側部の平面図である。第３図は第１図に示した好適な偏平板検知素子の第２の
側部の平面図である。第４図は第１図に示した好適な検知素子の固定用ブッシ
ングの斜視図である。第５図は本発明の好適な検知素子を第４図に示したよう
な２個のブッシングによりハウジング内に固定した好適
な検知素子サブアセンブリを一ブッシングを縦断面にし
て示す側面図である。第６図は本発明の好適な検知素子を備えた酸素検知装置
を一部を縦断面にして示す側面図である。１２……電解質体、１４……測定電極、１６……基準電
極、３２……頂部、３４，３７……端部、５４……酸素
検知装置。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】測定電極(14)及び基準電極(16)を持つ実質
的に偏平な固体電解質体(12)を備え、使用時に前記測定
電極(14)は測定しようとする外部ガスに接触するが、前
記基準電極(16)は測定しようとする外部ガスに対し実質
的に気密にした酸素検知装置(54)において、前記固体電解質体(12)は第１端部(34)及び第２端部(37)
と２つの側部とを有し、該各側部は前記の第１及び第２
の端部(34,37)の間に位置する頂部(32)で出会うように
集まる２つの部分から成り、これにより前記電解質体(1
2)の幅が前記各頂部(32)の間で最大となり、かつ、前記
電解質体(12)が前記各頂部(32)から互いに反対の方向に
前記第１及び第２の端部(34,37)に向かいテーパを持つ
ようにしたことを特徴とする酸素検知装置。
【請求項２】前記実質的に偏平な固体電解質体(12)に隣
接して正抵抗のヒータ(26)を設けた請求項１に記載の酸
素検知装置(54)。
【請求項３】前記固体電解質体(12)の前記測定電極(14)
が測定しようとする外部ガスに接触すると共に前記固体
電解質体の前記基準電極は測定しようとする外部ガスに
対して気密にするようにハウジング(46)が前記固体電解
質体(12)を支持し、前記固体電解質体(12)が２個のブッシング(40a,40b)に
より前記ハウジング(46)内にしっかり維持されていて、
前記２個のブッシングのうちの第１ブッシング(40a)が
前記各頂部(32)と前記の固体電解質体(12)の第１端部(3
4)との間に位置し、又前記２個のブッシングのうちの第
２ブッシング(40b)が前記各頂部(32)と前記の固体電解
質体(12)の第２端部(37)との間に位置することを特徴と
する請求項１又は２に記載の酸素検知装置。
【請求項４】前記実質的に偏平な固体電解質体(12)が多
孔質の白金測定電極(14)と多孔質の白金基準電極(16)と
を有し、装置使用時に前記の固体電解質体(12)の測定電極(14)が
測定しようとする外部ガスに接触し、かつ前記の固体電
解質体(12)の基準電極(16)が測定しようとする外部ガス
に対し気密となるように前記固体電解質体(12)を支持す
るハウジング(46)が備わっていて、前記正抵抗のヒータ(26)を主として外部ガスに接触する
領域内に位置させ、前記固体電解質体(12)は２個のブッシング(40a,40b)に
より前記ハウジング(46)内にしっかり保持されていて、
前記２つのブッシングのうちの第１ブッシング(40a)が
前記各頂部(32)と前記の固体電解質体(12)の第１端部(3
4)との間に位置し、前記２つのブッシングのうちの第２
ブッシング(40b)が前記各頂部(32)と前記の固体電解質
体(12)の第２端部(37)との間に位置することを特徴とす
る請求項２に記載の酸素検知装置。
【請求項５】請求項１に記載された酸素検知装置(54)に
好適に使用される検知素子(10)であって、該検知素子
は、測定電極(14)及び基準電極(16)を有する実質的に偏平な
電解質体(12)を備えていて、前記固体電解質体(12)は第１端部(34)及び第２端部(37)
と２つの側部とを有していて、前記側部は前記第１及び
第２の端部(34),(37)の間に位置する頂部(32)で出会う
ように集まる２つの部分から成り、前記電解質体の幅が
前記各頂部の間で最大になり、かつ前記電解質体(12)が
前記各頂部(32)から互いに反対の方向に前記の第１及び
第２の端部(34,37)に向かいテーパを持つようにしたこ
とを特徴とする検知素子。
【請求項６】請求項１に記載された酸素検知装置(54)に
好適に使用される検知素子(10)であって、該検知素子は多孔質白金測定電極(14)と、多孔質白金基
準電極(16)と正抵抗のヒータ(26)とを主として長手方向
に沿って配置した実質的に偏平な固体電解質体(12)から
成り、前記固体電解質体(12)は第１端部(34)、第２端部(37)及
び２つの側部を有していて、前記各側部は前記の第１及
び第２の端部(34,37)の間に位置する頂部(32)で出会う
ように集まる２つの部分から成り、前記電解質体(12)の
幅が前記各頂部(32)の間で最大になり、又前記電解質体
(12)が前記各頂部(32)から互いに反対の方向に前記の第
１及び第２の端部(34,37)に向かいテーパを持つように
したことを特徴とする検知素子。