JPH0635953B2 - Air-fuel ratio sensor - Google Patents

Air-fuel ratio sensor

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JPH0635953B2
JPH0635953B2 JP61310035A JP31003586A JPH0635953B2 JP H0635953 B2 JPH0635953 B2 JP H0635953B2 JP 61310035 A JP61310035 A JP 61310035A JP 31003586 A JP31003586 A JP 31003586A JP H0635953 B2 JPH0635953 B2 JP H0635953B2
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oxygen
gas
heating
pump element
fuel ratio
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孝夫 小島
宏之 石黒
嘉秀 神
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Description

【発明の詳細な説明】 [産業上の利用分野] 本発明は、酸素ガス検出素子と酸素ポンプ素子と加熱素
子とを備えた空燃比センサに関する。
Description: TECHNICAL FIELD The present invention relates to an air-fuel ratio sensor including an oxygen gas detection element, an oxygen pump element, and a heating element.

[従来の技術] 従来より、例えば、内燃機関等の燃焼機器において、燃
費やエミッションの改善を図り最適な条件で運転するた
めに、空燃比センサにより排気中の酸素濃度を検出し、
燃焼機器中で燃焼される混合気を理論空燃比近傍に制御
することが行われている。
[Prior Art] Conventionally, for example, in a combustion device such as an internal combustion engine, an air-fuel ratio sensor detects an oxygen concentration in exhaust gas in order to improve fuel efficiency and emission and operate under optimum conditions.
The air-fuel mixture burned in a combustion device is controlled near the stoichiometric air-fuel ratio.

上記のような空燃比センサとして、ジルコニア質の板状
酸素ポンプ素子と、酸素ガス検出部を有する板状酸素ガ
ス検出素子とを、ガス拡散制限部を介して周囲被測定ガ
スと連通する測定ガス室を介して対向させたものがある
(例えば、特開昭58−153155)。
As the air-fuel ratio sensor as described above, a plate-shaped oxygen pump element of zirconia and a plate-shaped oxygen gas detection element having an oxygen gas detection section, a measurement gas that communicates with the surrounding measured gas via the gas diffusion limiting section. Some of them are opposed to each other via a chamber (for example, JP-A-58-153155).

このような空燃比センサにおいては、酸素ガス検出素子
により検出される測定ガス室内の酸素ガス分圧を所定す
るように、板状酸素ポンプ素子を用いて上記測定ガス室
内と周囲被測定ガスとの間で酸素を輸送し、該輸送に必
要なポンプ電流より、周囲被測定ガスの空燃比を求め
る。
In such an air-fuel ratio sensor, the plate-shaped oxygen pump element is used to determine the oxygen gas partial pressure in the measurement gas chamber detected by the oxygen gas detection element between the measurement gas chamber and the surrounding measured gas. Oxygen is transported between them, and the air-fuel ratio of the ambient measured gas is determined from the pump current required for the transport.

即ち、測定ガス室内の酸素ガス分圧が一定であれば、ガ
ス拡散制限部を通じて測定ガス室内に流入あるいは測定
ガス室内から流出する酸素ガス量は周囲被測定ガス中の
酸素ガス分圧によって定まる。このようにして生じる測
定ガス室内の酸素ガス分圧の変動は酸素ガス検出素子に
よって検出され、酸素ポンプ素子に電圧を印加して測定
ガス室内の酸素ガス分圧が所定となるまで酸素を移動さ
せることにより測定ガス室内の酸素を増加あるいは減少
させる。ところで、酸素ポンプ素子の荷電担体は酸素イ
オンである。そのため、上記酸素ポンプ素子によって移
動した酸素量は酸素ポンプ素子に流れた電流に比例す
る。従って、上記ガス拡散制限部を通じて測定ガス室内
に流入あるいは測定ガス室内から流出した、被測定ガス
中の酸素ガス分圧に対応する酸素ガス量を、酸素ポンプ
素子に流れる電流から知ることができるものである。
That is, if the partial pressure of oxygen gas in the measurement gas chamber is constant, the amount of oxygen gas flowing into or out of the measurement gas chamber through the gas diffusion limiting unit is determined by the partial pressure of oxygen gas in the surrounding measured gas. Fluctuations in the oxygen gas partial pressure in the measurement gas chamber thus generated are detected by the oxygen gas detection element, and voltage is applied to the oxygen pump element to move oxygen until the oxygen gas partial pressure in the measurement gas chamber reaches a predetermined value. As a result, oxygen in the measurement gas chamber is increased or decreased. By the way, the charge carrier of the oxygen pump element is oxygen ion. Therefore, the amount of oxygen moved by the oxygen pump element is proportional to the current flowing through the oxygen pump element. Therefore, the amount of oxygen gas corresponding to the partial pressure of oxygen gas in the gas to be measured, which flows into or out of the measurement gas chamber through the gas diffusion limiting unit, can be known from the current flowing through the oxygen pump element. Is.

尚、酸素ポンプ素子等に使用される酸素イオン伝導性固
体電解質は、温度が上昇するに従って酸素の易動度が増
加し、例えば、350℃以上で酸素ポンプ素子等として
使用できる程度の酸素易動度となる。そのため、上記の
ような空燃比センサは、測定時の温度調節、温度補償を
目的として、発熱抵抗体を備えた加熱素子を有する。
The oxygen ion conductive solid electrolyte used for the oxygen pump element or the like has an oxygen mobility that increases as the temperature rises. For example, the oxygen mobility is such that it can be used as the oxygen pump element or the like at 350 ° C. or higher. It becomes degree. Therefore, the air-fuel ratio sensor as described above has a heating element provided with a heating resistor for the purpose of temperature adjustment and temperature compensation during measurement.

[発明が解決しようとする問題点] 上記のような空燃比センサは、酸素ポンプ素子に電圧を
印加して酸素を移動させることよって測定ガス室内の酸
素ガス分圧を一定とする。そのため、測定ガス室内の酸
素ガス分圧が高くなりすぎた場合等に酸素ポンプ素子の
能力以上の酸素を輸送することが必要となる場合があ
る。
[Problems to be Solved by the Invention] In the air-fuel ratio sensor as described above, the oxygen gas partial pressure in the measurement gas chamber is made constant by applying a voltage to the oxygen pump element to move oxygen. Therefore, when the partial pressure of oxygen gas in the measurement gas chamber becomes too high, it may be necessary to transport oxygen in excess of the capacity of the oxygen pump element.

このような場合には、酸素ポンプ素子に高い電圧か印加
されることになるため、酸素ポンプ素子を構成するジル
コニアの一部が分解して、黒くなると共に電気特性が変
わる(以下、ブラックニングという)。
In such a case, since a high voltage is applied to the oxygen pump element, a part of the zirconia that constitutes the oxygen pump element is decomposed to become black and electrical characteristics change (hereinafter referred to as blackening). ).

即ち、ZrOが一部電気的に分解されてZrO2-X
なってしまうのである。
That is, ZrO 2 is partially electrically decomposed into ZrO 2-X .

[問題点を解決するための手段] 本発明は、上記問題点を解決することを目的とし、次の
ような構成を採用した。
[Means for Solving Problems] The present invention has the following structure for the purpose of solving the above problems.

即ち、本発明の要旨とするところは、 表裏面に一対の多項質電極を有する酸素イオン伝導性固
体電解質からなる板状酸素ポンプ素子と、 周囲の酸素ガス分圧に応じて電気的特性の変化する酸素
ガス検出部を有する板状酸素ガス検出素子と、 上記酸素ポンプ素子と上記酸素ガス検出素子とを間隙を
介して対向することにより形成され、かつガス拡散制限
部を介して周囲被測定ガスと連通する測定ガス室とを有
し、 上記板状酸素ポンプ素子を用いて上記測定ガス室内と周
囲被測定ガスとの間で酸素を輸送すると共に、上記板状
酸素ガス検出素子を用いて上記測定ガス室内の酸素ガス
分圧を検出することにより、周囲被測定ガスの空燃比を
測定する空燃比センサにおいて、 主として上記酸素ポンプ素子の電極を加熱する第1の加
熱部、及び主として上記測定ガス室のガス拡散制限部を
加熱する第2の加熱部を有する板状加熱素子を、上記酸
素ポンプ素子の上記測定ガス室に接しない面と、周囲被
測定ガスに連通する間隙を介して対向して設けるととも
に、上記第1の加熱部の加熱能力を上記第2の加熱部の
加熱能力よりも高く設定することによって、上記酸素ポ
ンプ素子の電極の温度を上記ガス拡散制限部の温度より
高めたことを特徴とする空燃比センサにある。
That is, the gist of the present invention is that a plate-shaped oxygen pump element made of an oxygen ion conductive solid electrolyte having a pair of multi-modal electrodes on the front and back surfaces and a change in electrical characteristics depending on the ambient oxygen gas partial pressure. A plate-like oxygen gas detecting element having an oxygen gas detecting section, and the oxygen pump element and the oxygen gas detecting element are formed to face each other with a gap, and the surrounding measured gas is provided with a gas diffusion limiting section. And a measurement gas chamber communicating with, transporting oxygen between the measurement gas chamber and the ambient gas to be measured using the plate oxygen pump element, and using the plate oxygen gas detection element In an air-fuel ratio sensor for measuring the air-fuel ratio of the ambient gas under measurement by detecting the partial pressure of oxygen gas in the measurement gas chamber, a first heating unit that mainly heats the electrode of the oxygen pump element, and A plate-shaped heating element having a second heating part for heating the gas diffusion limiting part of the measurement gas chamber, and a surface of the oxygen pump element which is not in contact with the measurement gas chamber and a gap communicating with the surrounding gas to be measured. And the heating capacity of the first heating unit is set to be higher than that of the second heating unit, the temperature of the electrode of the oxygen pump element is set to be higher than that of the gas diffusion limiting unit. The air-fuel ratio sensor is characterized by being raised above the temperature.

ここで、上記酸素ポンプ素子に用いられる酸素イオン伝
導性固体電解質としては、ジルコニアとイットリアある
いはカルシアとの固溶体が代表的なものである。その他
にも二酸化セリウム、二酸化トリウム、二酸化ハウニウ
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酸素イオン導電性固体電解質として
使用可能である。
Here, a solid solution of zirconia and yttria or calcia is typical as the oxygen ion conductive solid electrolyte used in the oxygen pump element. Besides, solid solutions of cerium dioxide, thorium dioxide and haunium dioxide, solid solutions of perovskite type oxides, solid solutions of trivalent metal oxides and the like can be used as the oxygen ion conductive solid electrolyte.

上記酸素ポンプ素子に用いられる多項質電極は、Pt、
Ru、Pd、Rh、Ir、Ag、Au等の耐熱性に優れ
る金属をフレーム溶射、化学メッキ、蒸着あるいは上記
金属のペーストをプリント印刷焼結する等の方法によ
り、形成すればよい。
The multi-element electrode used for the oxygen pump element is Pt,
A metal having excellent heat resistance such as Ru, Pd, Rh, Ir, Ag, and Au may be formed by a method such as flame spraying, chemical plating, vapor deposition, or print-sintering of a paste of the above metal.

本発明に使用される板状酸素ガス検出素子として、例え
ば、板状の酸素イオン伝導性固体電解質の両面に多項質
電極を設けた酸素濃淡電池素子を用いることができる。
この素子は、電解質板の表裏面間の酸素ガス分圧差に応
じた起電力を発生するので、一方の面の電極を測定ガス
室内に晒し、他方の面の電力を基準となる酸素源に晒す
ことによって、測定ガス室内の酸素ガス分圧を知るここ
ができる。この基準となる酸素源としては、酸素濃淡電
池素子の外側電極を遮蔽体によって覆い、該酸素濃淡電
池素子に所定の電圧を加えることによって外側電極に輸
送蓄積された酸素や、酸素濃淡電池素子の外側電極に導
入された大気等を使用することができる。
As the plate-shaped oxygen gas detection element used in the present invention, for example, an oxygen concentration battery element in which a plate-shaped oxygen ion conductive solid electrolyte is provided with multiple electrodes on both sides can be used.
This element generates an electromotive force according to the oxygen gas partial pressure difference between the front and back surfaces of the electrolyte plate, so the electrode on one surface is exposed to the measurement gas chamber and the power on the other surface is exposed to the reference oxygen source. By doing so, it is possible to know the partial pressure of oxygen gas in the measurement gas chamber. As a reference oxygen source, the outer electrode of the oxygen-concentrated battery element is covered with a shield, and oxygen that is transported and accumulated in the outer electrode by applying a predetermined voltage to the oxygen-concentrated battery element or the oxygen-concentrated battery element Atmosphere introduced into the outer electrode or the like can be used.

又、酸素ガス検出素子として、酸素ガス分圧に応じて導
電率の変化する酸化物半導体を用いたものも使用でき
る。この酸化物半導体としては、遷移金属酸化物を用い
ればよい。これは金属元素と酸素の比が整数ではない非
化学量論的化合物となりやすいものである。この非化学
量論のために、これらの酸化物は周囲の酸素分圧によっ
て導電率が変化し易くなるのである。中でもTiO
CoO、SnO、ZnO、Nb25、Cr23は、酸
素分圧の変化に対する導電率変化が大きいこと、耐久性
に優れること等の点から好ましい。そして、この導電率
変化から測定ガス質内の酸素ガス分圧を測定できる。
Further, as the oxygen gas detection element, a device using an oxide semiconductor whose conductivity changes according to the partial pressure of oxygen gas can be used. A transition metal oxide may be used as the oxide semiconductor. This tends to be a non-stoichiometric compound in which the ratio of metal element to oxygen is not an integer. Because of this non-stoichiometry, these oxides are susceptible to changes in conductivity due to the ambient oxygen partial pressure. Among them, TiO 2 ,
CoO, SnO 2 , ZnO, Nb 2 O 5 , and Cr 2 O 3 are preferable from the viewpoints of large change in conductivity with respect to changes in oxygen partial pressure, excellent durability, and the like. Then, the partial pressure of oxygen gas in the measured gas quality can be measured from this change in conductivity.

本発明の測定ガス質は、例えば、アルミナ、スピネル、
フォルステライト、ステアタイト、ジルコニア等からな
る層状中間部材としてのスペーサを板状酸素ポンプ素子
と板状酸素ガス検出素子との間に挟むことによって、偏
平な閉鎖状の室として設けられる。そしてガス拡散制限
部としてこのスペーサの一部に測定ガス雰囲気を測定ガ
ス室とを連通させる孔を設ける。このガス拡散制限部
は、上記スペーサの一部あるいは全部を多項質体で置き
換えたり、スペーサ(厚膜コートを含む)に孔を設けた
り、更には、スペーサを板状酸素ポンプ素子と板状酸素
ガス検出素子の端子側にのみ設けて板状酸素ポンプ素子
と板状酸素ガス検出素子との間に空隙を形成し、この空
隙を測定ガス室と一体のガス拡散制限間隙として設ける
ことができる。また上記空隙の全体に、電気絶縁性であ
ることが望ましい多項質材を配してもよい。
The measurement gas quality of the present invention is, for example, alumina, spinel,
A flat closed chamber is provided by sandwiching a spacer as a layered intermediate member made of forsterite, steatite, zirconia or the like between the plate oxygen pump element and the plate oxygen gas detecting element. Then, as a gas diffusion limiting portion, a hole for communicating the measurement gas atmosphere with the measurement gas chamber is provided in a part of the spacer. In this gas diffusion limiting part, a part or all of the spacer is replaced with a polytene body, a hole is formed in the spacer (including a thick film coat), and further, the spacer is used as a plate oxygen pump element and a plate oxygen. It is possible to provide only on the terminal side of the gas detection element to form a gap between the plate oxygen pump element and the plate oxygen gas detection element, and this gap can be provided as a gas diffusion limiting gap integral with the measurement gas chamber. In addition, a polynomial material, which is preferably electrically insulating, may be arranged in the entire void.

本発明に使用される加熱素子は、主として酸素ポンプ素
子の電極を加熱する第1の加熱部、及び主として測定ガ
ス室のガス拡散制限部を加熱する第2の加熱部を有す
る。これらの加熱部は、例えば、電気絶縁性無機質板状
体の一方の面の酸素ポンプ素子の電極に対応する位置と
ガス拡散制限部に対応する位置とに、第1の加熱部と第
2の加熱部とになる帯状発熱体を各々プリント印刷によ
って形成すればよい。又、第1の加熱部及び第2の加熱
部を連結して1本の波型線状の発熱体とし、電極の位置
と酸素ガス拡散制限部に対応する位置での発熱量が大き
くなるようにしてもよい。電気絶縁性無機質板状体材料
としては、例えば、アルミナ、スピネル、フォルテステ
ライト、ステアタイト、ジルコニア等をあげることがで
き、発熱体材料としては、例えば、白金、金等の耐熱金
属をあげることができる。
The heating element used in the present invention has a first heating section that mainly heats the electrodes of the oxygen pump element, and a second heating section that mainly heats the gas diffusion limiting section of the measurement gas chamber. These heating units are provided, for example, at a position corresponding to the electrode of the oxygen pump element and a position corresponding to the gas diffusion limiting unit on one surface of the electrically insulating inorganic plate-shaped body, at the first heating unit and the second heating unit. The strip-shaped heating elements that will become the heating portions may be formed by printing. In addition, the first heating unit and the second heating unit are connected to form a single wavy linear heating element so that the amount of heat generated at the position of the electrode and the position corresponding to the oxygen gas diffusion limiting unit becomes large. You may Examples of the electrically insulating inorganic plate material include alumina, spinel, forsterite, steatite, zirconia, and the like, and examples of the heating element material include heat resistant metals such as platinum and gold. it can.

この加熱素子と酸素ポンプ素子との間隙は、両素子の間
に測定ガス室と同様の手段、例えばスペーサによって形
成される。この間隙の周囲被測定ガスとの連通は、例え
ば、前記スペーサに設けられたガス拡散制限性の少ない
多数の孔や、前記スペーサを素子の端子側のみに設け間
隙の縁部で行えばよい。
The gap between the heating element and the oxygen pump element is formed between both elements by means similar to the measuring gas chamber, for example a spacer. The communication with the gas to be measured around the gap may be performed by, for example, a large number of holes provided in the spacer and having a low gas diffusion limiting property, or by providing the spacer only on the terminal side of the element and at the edge of the gap.

本発明の空燃比センサは例えば以下の方法によって製造
することができる。
The air-fuel ratio sensor of the present invention can be manufactured, for example, by the following method.

先ず、酸素ポンプ素子と酸素ガス検出素子とを上記のよ
うに測定ガス室、ガス拡散制御部を形成するよう組み立
てる。
First, the oxygen pump element and the oxygen gas detection element are assembled to form the measurement gas chamber and the gas diffusion control unit as described above.

次いで、加熱素子を上記酸素ポンプ素子の測定ガス室に
接しない面と間隙を介して対向するよう固定する。該間
隙は、上述のように耐熱性無機質板状体等からなるスペ
ーサを加熱素子と酸素ポンプ素子との間に設けることに
よって形成すればよい。この間隙は余り狭いと酸素ポン
プ素子の外側電極に周囲雰囲気が十分到達しないので、
50μm以上が好ましい。又、逆にこの間隙が余り広い
と酸素ポンプ素子の電極及びガス拡散制限部が加熱素子
の加熱部により加熱され難くなるので、200μm以下
が好ましい。
Then, the heating element is fixed so as to face the surface of the oxygen pump element that is not in contact with the measurement gas chamber with a gap. The gap may be formed by providing a spacer made of a heat-resistant inorganic plate or the like between the heating element and the oxygen pump element as described above. If this gap is too narrow, the ambient atmosphere does not reach the outer electrode of the oxygen pump element sufficiently.
It is preferably 50 μm or more. On the other hand, if the gap is too wide, the electrodes of the oxygen pump element and the gas diffusion limiting section are less likely to be heated by the heating section of the heating element, and therefore, it is preferably 200 μm or less.

更に、必要に応じて上記酸素ガス検出素子の測定ガス室
に接しない面に酸素ガス検出素子用の加熱素子を設けて
もよい。
Further, if necessary, a heating element for the oxygen gas detection element may be provided on the surface of the oxygen gas detection element which is not in contact with the measurement gas chamber.

[作用] 本発明の空燃比センサは、酸素ガス検出素子により検出
される測定ガス室内の酸素ガス分圧を所定とするよう
に、板状酸素ポンプ素子を用いて上記測定ガス室内と周
囲被測定ガスとの間で酸素を輸送し、該輸送に必要なポ
ンプ電流より、周囲被測定ガスの空燃比を求める。
[Operation] The air-fuel ratio sensor of the present invention uses the plate-shaped oxygen pump element to measure the partial pressure of the oxygen gas in the measurement gas chamber detected by the oxygen gas detection element and the ambient gas to be measured. Oxygen is transported to and from the gas, and the air-fuel ratio of the gas under measurement is determined from the pump current required for the transport.

そして、前述のようにガス拡散制限部を流通する酸素ガ
ス量が、酸素ポンプ素子による酸素ガスの輸送能力を超
えると、ブラックニングが生じる。
Then, as described above, when the amount of oxygen gas flowing through the gas diffusion limiting portion exceeds the oxygen gas transport capacity of the oxygen pump element, blackening occurs.

このブラックニングは、以下の理由によって、生じると
思われる。
This blackening seems to occur for the following reasons.

ガス拡散制限部を流通する酸素ガス量は、絶対温度の
1.75乗に比例して増加し、酸素ポンプ素子の酸素ガ
スの輸送能力は酸素ポンプ素子電極の温度に比例して増
加する。
The amount of oxygen gas flowing through the gas diffusion limiting portion increases in proportion to the 1.75th power of the absolute temperature, and the oxygen gas transport capacity of the oxygen pump element increases in proportion to the temperature of the oxygen pump element electrode.

そのため、例えば、ガス拡散制限部の温度が酸素ポンプ
素子電極の温度に比べて高い場合には、ガス拡散制限部
を流通する酸素ガス量が酸素ポンプ素子の酸素輸送量に
比べて大きくなる。この様な場合には、測定ガス室内の
酸素ガス分圧を一定とするために、酸素ポンプ素子の電
極間に高い電圧(例えば3V以上)が印加されブラック
ニングが生じる状態となってしまう。
Therefore, for example, when the temperature of the gas diffusion limiting portion is higher than the temperature of the oxygen pump element electrode, the amount of oxygen gas flowing through the gas diffusion limiting portion becomes larger than the oxygen transport amount of the oxygen pump element. In such a case, in order to make the oxygen gas partial pressure in the measurement gas chamber constant, a high voltage (for example, 3 V or more) is applied between the electrodes of the oxygen pump element, and blackening occurs.

又、例えば、酸素ポンプ素子の電極温度が700℃以下
の場合には、酸素ポンプ素子を形成する固体電解質自身
の内部抵抗が大きく、酸素ポンプ素子の酸素輸送能力が
不足し、測定ガス室内の酸素ガス分圧を一定とするのに
酸素ポンプ素子の電極間に高い電圧を印加することが必
要となり、やはりブラックニングを生じる状態となって
しまう。
Further, for example, when the electrode temperature of the oxygen pump element is 700 ° C. or lower, the internal resistance of the solid electrolyte itself forming the oxygen pump element is large, the oxygen transport capacity of the oxygen pump element is insufficient, and the oxygen in the measurement gas chamber is reduced. In order to keep the gas partial pressure constant, it is necessary to apply a high voltage between the electrodes of the oxygen pump element, which also results in a state where blackening occurs.

言い換えれば、酸素ポンプ素子の電極間を700℃以上
であり、かつ、ガス拡散制御部以上の温度にすることに
より、酸素ポンプ素子の電極間に印加される電圧は低く
なり、ブラックニングが生じることはなくなるのであ
る。
In other words, if the temperature between the electrodes of the oxygen pump element is 700 ° C. or higher and the temperature is higher than that of the gas diffusion control unit, the voltage applied between the electrodes of the oxygen pump element becomes low and blackening occurs. Disappears.

本発明の空燃比センサは、主として上記酸素ポンプ素子
の電極を加熱する第1の加熱部、及び主として上記測定
ガス室のガス拡散制御部を加熱する第2の加熱部を有す
る板状加熱素子を備える。
The air-fuel ratio sensor of the present invention includes a plate-shaped heating element having a first heating section that mainly heats the electrodes of the oxygen pump element and a second heating section that mainly heats the gas diffusion control section of the measurement gas chamber. Prepare

第1の加熱部は酸素ポンプ素子の電極のみ加熱すれば良
く、又第2の加熱部はガス拡散制御部のみ加熱すれば良
い。従って、酸素ポンプ素子の電極及びカム拡散制御部
は各々効率的に加熱される。
The first heating unit may heat only the electrode of the oxygen pump element, and the second heating unit may heat only the gas diffusion control unit. Therefore, the electrode of the oxygen pump element and the cam diffusion controller are efficiently heated.

又、本発明では、上記第1の加熱部の加熱能力は上記第
2の加熱部の加熱能力よりも高く設定されている。そし
て、この加熱能力によって、上記酸素ポンプ素子の電極
の温度を上記ガス拡散制限部の温度より高めることがで
きるので、上述した様にブラックニングの生じない状態
にすることができる。例えば酸素ポンプ素子の電極の温
度をガス拡散制限部の温度より高めるとともにその温度
差を50℃以内に設定することよって、常にガス拡散制
限部を流通する酸素ガス量より酸素ポンプ素子の酸素ガ
スの輸送能力が大きい状態とすることができブラックニ
ングの発生を抑えることができる。
Further, in the present invention, the heating capacity of the first heating section is set higher than the heating capacity of the second heating section. Further, since the temperature of the electrode of the oxygen pump element can be made higher than the temperature of the gas diffusion limiting portion by this heating ability, it is possible to make the state in which blackening does not occur as described above. For example, by setting the temperature of the electrode of the oxygen pump element higher than the temperature of the gas diffusion limiting section and setting the temperature difference within 50 ° C., the oxygen gas of the oxygen pump element is always kept at a higher level than the amount of oxygen gas flowing through the gas diffusion limiting section. The transport capacity can be made large, and the occurrence of blackening can be suppressed.

[実施例] 本発明の実施例を図を用いて説明する。本発明はこれに
限られるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲の種
々の態様のものが含まれる。又、各図の縮尺は説明上異
なる場合がある。
Example An example of the present invention will be described with reference to the drawings. The present invention is not limited to this, and includes various embodiments without departing from the scope of the invention. Further, the scale of each drawing may be different for explanation.

本発明の第1実施例の空燃比センサの構成を第1図の平
面図、第2図の分解斜視図及び第3図の断面図を用いて
説明する。
The structure of the air-fuel ratio sensor of the first embodiment of the present invention will be described with reference to the plan view of FIG. 1, the exploded perspective view of FIG. 2 and the sectional view of FIG.

本空燃比センサS1は、第2図、第3図に示すように、
酸素イオン伝導性固体電解質を用いた酸素ポンプ素子1
0と、酸素ガス検出素子である同じく酸素イオン導電性
固体電解質を用いた酸素濃淡電池素子20と、発熱体3
0を有する加熱素子40とから構成される。本空燃比セ
ンサS1は、板状酸素ポンプ素子10と板状酸素濃淡電
池素子20との間に空隙50が設けられ、この空隙50
を測定ガス室と一体のガス拡散制限間隙としている。さ
らに、加熱素子40と酸素ポンプ素子10との間にも間
隙52が設けられている。
The air-fuel ratio sensor S1 is, as shown in FIG. 2 and FIG.
Oxygen pump element 1 using oxygen ion conductive solid electrolyte
0, an oxygen concentration battery element 20 that uses an oxygen ion conductive solid electrolyte, which is an oxygen gas detection element, and a heating element 3
And a heating element 40 having zero. The air-fuel ratio sensor S1 is provided with a space 50 between the plate-shaped oxygen pump element 10 and the plate-shaped oxygen concentration battery element 20.
Is a gas diffusion limiting gap integral with the measurement gas chamber. Furthermore, a gap 52 is also provided between the heating element 40 and the oxygen pump element 10.

酸素ポンプ素子10の主体は厚さ0.7mm×巾4mm×長
さ35mmの酸素イオン導電性固体電解質焼結板状体10
aである。酸素ポンプ素子10の先側には、その表裏面
の相対する位置でかつ先側の三方の端縁から少し控えた
位置に耐熱金属層よりなる電極10b、10cが方形状
に設けられている。一方の方形電極10bの元側方向の
二つの角の内の一つより耐熱金属層よりなる引出し線1
0dが、板状体10aの元側へまっすぐに伸びる帯形状
に設けられている。同様に他方の方形電極10cの元側
方向の二つの角の内、電極10cと反対側の角より引出
し線10eが板状体10aの元側へまっすぐに伸びる帯
形状に設けられている。引出し線10eは元側で板状体
10aの表裏を貫通しているスルーホール10fを通じ
て、その反対面の取り出し部10gに電気的に接続され
ている。引出し線10dは元側で取り出し部10hを形
成し、その結果、同一面に二つの電極10b、10cの
取り出し部10g、10hが配設されることになる。
The main body of the oxygen pump element 10 is a 0.7 mm thick × 4 mm wide × 35 mm long oxygen ion conductive solid electrolyte sintered plate body 10.
a. On the front side of the oxygen pump element 10, rectangular electrodes 10b and 10c made of a heat-resistant metal layer are provided on the front and back sides of the oxygen pump element 10 at opposite positions and slightly away from the three edges on the front side. Leader wire 1 made of a heat-resistant metal layer from one of the two corners of one of the rectangular electrodes 10b in the original direction.
0d is provided in a strip shape that extends straight to the original side of the plate-shaped body 10a. Similarly, a leader line 10e is provided in a strip shape extending straight from the corner opposite to the electrode 10c among the two corners of the other rectangular electrode 10c toward the base side of the plate-shaped body 10a. The lead wire 10e is electrically connected to the take-out portion 10g on the opposite side through a through hole 10f penetrating the front and back of the plate-shaped body 10a on the original side. The lead wire 10d forms a lead-out portion 10h on the original side, and as a result, the lead-out portions 10g and 10h of the two electrodes 10b and 10c are arranged on the same surface.

酸素濃淡電池素子20も酸素ポンプ素子10と同様に主
体は厚さ0.7mm×巾4mm×長さ35mmの酸素イオン導
電固体電解質焼結板状体20aからなる。酸素濃淡電池
素子20の先側には、その表裏面の相対する位置でかつ
先側の三方の端縁から少し控えた位置に耐熱金属層より
なる電極20b、20cが方形状に設けられている。一
方の方形電極20bの元側方向の二つの角の内の一つよ
り耐熱金属層よりなる引出し線20dが、板状体20a
の元側へまっすぐに伸びる帯形状に設けられている。同
様に他方の方形電極20cの元側方向の二つの角の内、
電極20cと反対側の角より引出し線20eが板状体2
0aの元側へまっすぐに伸びる帯形状に設けられてい
る。引出し線20eは元側で板状体20aの表裏を貫通
しているスルーホール20fを通じて、その反対面の取
り出し部20gに電気的に接続されている。引出し線2
0dは元側で取り出し部20hを形成し、その結果、同
一面に二つの電極20b、20cの取り出し部20g、
20hが配設されることになる。
Similarly to the oxygen pump element 10, the oxygen concentration battery element 20 is mainly composed of an oxygen ion conductive solid electrolyte sintered plate 20a having a thickness of 0.7 mm, a width of 4 mm and a length of 35 mm. Electrodes 20b and 20c made of a heat-resistant metal layer are provided in a rectangular shape on the front side of the oxygen concentration battery element 20 at positions facing each other on the front and back sides and at positions slightly away from the three edges on the front side. . One of the two corners of the rectangular electrode 20b in the original direction is provided with a lead wire 20d made of a heat-resistant metal layer, and the lead wire 20d
It is provided in the shape of a strip that extends straight to the base side of the. Similarly, of the two corners of the other rectangular electrode 20c in the original direction,
The lead wire 20e from the corner on the side opposite to the electrode 20c has a plate-like body 2
It is provided in a strip shape that extends straight to the original side of 0a. The lead wire 20e is electrically connected to the take-out portion 20g on the opposite surface through a through hole 20f penetrating the front and back of the plate-shaped body 20a on the original side. Leader line 2
0d forms the lead-out portion 20h on the original side, and as a result, the lead-out portion 20g of the two electrodes 20b and 20c on the same surface,
20h will be installed.

加熱素子40の主体は厚さ0.8mm×巾4mm×長さ30
mmの電気絶縁性焼結板状体40aである。この加熱素子
40の一方の面の先側には、耐熱金属層よりなる抵抗発
熱体30が波形状に設けられている。又、抵抗発熱体3
0の二つの端部の各々から耐熱金属層よりなる引出し線
40c、40dが板状体40aの元側へまっすぐに伸び
る帯形状に設けられている。引出し線40c、40dは
元側で板状体40aの表裏を貫通しているスルーホール
40e、40fを通じて、その反対面の取り出し部40
g、40hに電気的に接続されている。
The heating element 40 is mainly composed of 0.8 mm thickness x 4 mm width x 30 length
It is an electrically insulating sintered plate-shaped body 40a having a size of mm. A resistance heating element 30 made of a heat-resistant metal layer is provided in a wave shape on the front side of one surface of the heating element 40. Also, the resistance heating element 3
Leader wires 40c and 40d made of a heat-resistant metal layer are provided in a strip shape extending straight from the two end portions of 0 to the original side of the plate body 40a. The lead-out lines 40c and 40d pass through the through holes 40e and 40f which penetrate the front and back of the plate-like body 40a on the original side, and the lead-out portion 40 on the opposite side.
g, 40h is electrically connected.

抵抗発熱体30は、第1図に示すように、第1加熱部3
0aと2つの第2加熱部30b、30cとからなる。
The resistance heating element 30, as shown in FIG.
0a and two second heating units 30b and 30c.

ここで、第1加熱部30aの発熱線の幅は、0.30mm
であり、第2加熱部3b,30cの発熱線の幅は0.3
5mmであり、引出し線40c、40dの幅は1.20mm
である。単位長さ当りの抵抗はそのパターンの幅が狭い
ほど大きく、又、単位長さ当りの抵抗が高いほど発熱量
は大きくなる。従って、この発熱体30に通電すると、
最も線幅の狭い第1加熱部30aに加熱される酸素ポン
プ素子の電極10b(対応する位置Aを第1図中に破線
で示す)の温度は高く、第1加熱部30aより幅の広い
第2加熱部30b,30cに加熱される間隙50の周縁
部(ガス拡散制限部)の温度は比較的低くなる。
Here, the width of the heating line of the first heating unit 30a is 0.30 mm.
And the width of the heating lines of the second heating parts 3b and 30c is 0.3.
It is 5 mm, and the width of the leader lines 40c and 40d is 1.20 mm.
Is. The smaller the width of the pattern, the larger the resistance per unit length, and the larger the resistance per unit length, the larger the amount of heat generation. Therefore, when the heating element 30 is energized,
The temperature of the electrode 10b of the oxygen pump element (corresponding position A is indicated by a broken line in FIG. 1) of the oxygen pump element heated by the first heating section 30a having the narrowest line width is high, and the electrode 10b having a width wider than that of the first heating section 30a is high. The temperature of the peripheral portion (gas diffusion limiting portion) of the gap 50 heated by the two heating portions 30b and 30c becomes relatively low.

第2図に示す上記酸素ポンプ素子10、酸素濃淡電池素
子20、加熱素子40の取り出し部10g、10h、2
0g、20h、40g、40hには、リード線として白
金線60a〜fが接続されている。
The oxygen pump element 10, the oxygen concentration cell element 20, and the takeout portions 10g, 10h, 2 of the heating element 40 shown in FIG.
Platinum wires 60a to 60f are connected to 0g, 20h, 40g, and 40h as lead wires.

上記酸素ポンプ素子10と酸素濃淡電池素子20との間
の空隙50は厚さ100μmのスペーサ70によって形
成され、酸素ポンプ素子10と加熱素子40との間の空
隙52は厚さ0.8mm×長さ4mm×巾4mmのスペーサ7
2によって形成される。さらに、加熱素子40の取り出
し部40a、40bは厚さ0.8mm×長さ4mm×巾4mm
の被覆材80によって覆われている。
The space 50 between the oxygen pump element 10 and the oxygen concentration battery element 20 is formed by a spacer 70 having a thickness of 100 μm, and the space 52 between the oxygen pump element 10 and the heating element 40 has a thickness of 0.8 mm × length. 4 mm x 4 mm wide spacer 7
Formed by two. Further, the take-out portions 40a and 40b of the heating element 40 are 0.8 mm in thickness x 4 mm in length x 4 mm in width.
It is covered with the covering material 80 of FIG.

本実施例の空燃比センサS1は、以下のようにして製造
される。
The air-fuel ratio sensor S1 of this embodiment is manufactured as follows.

先ず、酸素ポンプ素子10、酸素濃淡電池素子20を以
下の工程(1)-〜(1)-にて製造し、この素子10、2
0を張り合わせて測定ガス室及びガス拡散制限部である
空隙50を形成する。
First, the oxygen pump element 10 and the oxygen concentration battery element 20 are manufactured in the following steps (1)-to (1)-.
Zeros are stuck together to form a measurement gas chamber and a void 50 which is a gas diffusion limiting portion.

(1)- ZrO(94モル%)とY23(6モル%)
を、湿式にて40時間混合粉砕する。
(1)-ZrO 2 (94 mol%) and Y 2 O 3 (6 mol%)
Are mixed and pulverized by a wet method for 40 hours.

(1)- この混合粉砕物を乾燥後、1300℃で2時間
仮焼する。
(1)-This mixed pulverized product is dried and then calcined at 1300 ° C. for 2 hours.

(1)- この仮焼物を、湿式にて40時間粉砕し、固体
電解質原料粉末を得る。
(1)-This calcined product is pulverized by a wet method for 40 hours to obtain a solid electrolyte raw material powder.

(1)- 固体電解質原料粉末に、有機バインダー、メチ
ルエチルケトン、トルエン等を添加し、泥漿とする。
(1)-An organic binder, methyl ethyl ketone, toluene, etc. are added to the solid electrolyte raw material powder to form a slurry.

(1)- この泥漿からドクターブレード法により、0.
9mm厚のグリーンシートを得る。
(1)-From this sludge by the doctor blade method,
A green sheet with a thickness of 9 mm is obtained.

(1)- 白金黒とスポンジ状白金とを2:1の割合にし
た混合物に、(1)-で得られた固体電解質原料粉末10
重量%、溶剤、粘結材をくわえ、電極用ペーストを得
る。
(1)-Platinum black and sponge-like platinum in a ratio of 2: 1, and the solid electrolyte raw material powder 10 obtained in (1)-
A weight%, a solvent, and a binder are added to obtain an electrode paste.

(1)- (1)-にて得たグリーンシート上に、(1)-に
て得た電極用ペーストをスクリーン印刷で第1図のよう
な電極、引出し線、取り出し部の各パターンを40μm
厚に形成した。
(1)-On the green sheet obtained in (1)-, the electrode paste obtained in (1)-is screen-printed to form each electrode, lead wire, and lead-out pattern of 40 μm as shown in FIG.
It was formed thick.

(1)- 上記電極ペーストを印刷したグリーンシートを
各素子の形状に切断して後、各素子のグリーンシートの
上記取り出し部のパターンに3mmφの白金線の端部を置
き、さらに、(1)-で得たグリーンシートの1片をかぶ
せ積層圧着した。
(1)-After cutting the green sheet on which the above electrode paste is printed into the shape of each element, place the end of a platinum wire of 3 mmφ on the pattern of the above-mentioned takeout part of the green sheet of each element, and further, (1) One piece of the green sheet obtained in-was covered and laminated and pressure-bonded.

(1)- 上記各素子のグリーンシートは300℃、6時
間で樹脂抜きを行った後、大気中雰囲気中、1500
℃、4時間の条件で焼成した。このようにして酸素ポン
プ素子10、酸素濃淡電池素子20は製造される。
(1)-The green sheet of each of the above-mentioned elements was resin-removed at 300 ° C. for 6 hours, and then 1500 ° C. in the atmosphere.
Firing was performed under the conditions of 4 ° C. and 4 hours. In this way, the oxygen pump element 10 and the oxygen concentration battery element 20 are manufactured.

(1)- 上記のように製造された各素子10、20の対
向する電極10c、20c間の隙間が100μmとなる
よう、上記素子10、20を耐熱セメントにて固着張り
合わせする。この張り合わせに用いた耐熱セメントが、
上述したスペーサ70となる。そして、この耐熱セメン
トによって形成される空隙50が測定ガス室およびガス
拡散制限部となる。
(1)-The elements 10 and 20 are fixed and bonded with heat-resistant cement so that the gap between the electrodes 10c and 20c facing each other of the elements 10 and 20 manufactured as described above is 100 μm. The heat-resistant cement used for this bonding is
It becomes the spacer 70 described above. The void 50 formed by this heat-resistant cement serves as the measurement gas chamber and the gas diffusion limiting portion.

次いで、加熱素子40を、下記(2)-〜(2)-にて製造
し、(1)-で組み立てられた構造体に張り合わせる。
Next, the heating element 40 is manufactured by the following (2)-to (2)-, and is attached to the structure assembled in (1)-.

(2)- Al2392重量%、MgO3重量%、SiO
3重量%、他にCaO等を添加した原料粉末から、上
記(1)-、(1)-と同様にして、0.9mm厚のグリーン
シートを作成した。
(2)-Al 2 O 3 92% by weight, MgO 3 % by weight, SiO
2 3 wt%, from the raw material powder obtained by adding CaO or the like to the other, the (1) - (1) - In the same manner as to prepare a 0.9mm thickness of the green sheet.

(2)- 上記(1)-と同様に、(2)-で作成したグリー
ンシート上に上記(1)-で作成した電極用ペーストを用
いてスクリーン印刷より、第1図のような抵抗発熱体3
0、引出し線40c、40d、取り出し部40g、40
hの各パターンを上記幅となるような幅で厚み25μm
に形成する。
(2) -Similar to (1)-above, screen printing using the paste for electrodes prepared in (1) -on the green sheet prepared in (2) -results in resistance heating as shown in Fig. 1. Body 3
0, lead wires 40c, 40d, take-out portions 40g, 40
The width of each pattern of h is 25 μm and the width is the above width.
To form.

(2)- 上記(1)-、(1)-と同様にして、上記電極ペ
ーストを印刷したグリーンシートを加熱素子の形状に切
断して後、加熱素子のグリーンシートの上記取り出し部
パターンに3mmφの白金線の端部を置き、さらに、上記
(1)-で得たグリーンシートの1片をかぶせ積層圧着し
た。そして、この加熱素子のグーリンシートは300
℃、6時間で樹脂抜きを行った後、大気中雰囲気中、1
520℃、2時間の条件で焼成し、抵抗3Ωの発熱体3
0を有する加熱素子40を得た。
(2) -Similarly to (1)-and (1)-, after cutting the green sheet on which the electrode paste is printed into the shape of the heating element, the lead-out pattern of the heating element green sheet is 3 mmφ. Place the end of the platinum wire of
One piece of the green sheet obtained in (1) -was covered and laminated and pressure-bonded. And the Goulin sheet of this heating element is 300
After removing the resin at 6 ° C for 6 hours, in the air atmosphere, 1
Heating element 3 with a resistance of 3Ω is fired at 520 ° C. for 2 hours.
A heating element 40 having 0 was obtained.

(2)- (1)-で得られた構造体に(2)-で得られた加
熱素子40を、加熱素子40と上記構造体との間隔が8
0μmとなるよう、耐熱セメントにて張り合わせする。
(2)-The heating element 40 obtained in (2)-is added to the structure obtained in (1)-, and the distance between the heating element 40 and the above-mentioned structure is 8
Laminate with heat-resistant cement so that it becomes 0 μm.

上記のような工程によって本実施例の空燃比センサS1
を製造する。
The air-fuel ratio sensor S1 of this embodiment is processed by the above-mentioned steps.
To manufacture.

このようにして製造された本実施例の空燃比センサS1
を用いて、以下の実験を行った。
The air-fuel ratio sensor S1 of this embodiment manufactured in this way
The following experiment was performed using the.

実験1 空気燃料比A/F=18の雰囲気中で、空燃比センサS
1の発熱体30に印加する電力と、酸素ポンプ素子10
に流れる電流(以下ポンプ電流という)を10mAにする
ために酸素ポンプ素子10に印加する電圧との関係を調
べた。その結果を第4図の実線で示す。
Experiment 1 Air-fuel ratio sensor S in an atmosphere of air-fuel ratio A / F = 18
Power applied to the heating element 30 of No. 1 and the oxygen pump element 10
The relationship with the voltage applied to the oxygen pump element 10 in order to make the current (hereinafter referred to as the pump current) flowing through 10 mA to 10 mA was investigated. The result is shown by the solid line in FIG.

又、比較のため、加熱素子Huの発熱体Hpのパターン
が、第14図に示すように、略U字形の波状である以外
は上記空燃比センサS1と同一である従来の空燃比セン
サを製造し、空燃比S1と同様の実験を行った。その結
果も第4図に破線で示す。
Further, for comparison, a conventional air-fuel ratio sensor which is the same as the air-fuel ratio sensor S1 except that the pattern of the heating element Hp of the heating element Hu is substantially U-shaped as shown in FIG. 14 is manufactured. Then, the same experiment as the air-fuel ratio S1 was performed. The result is also shown by a broken line in FIG.

第4図から、従来の空燃比センサに比べ、本実施例の空
燃比センサS1の加熱素子40は、より少ない電力で酸
素ポンプ素子10に印加される電圧を下げることがわか
る。
It can be seen from FIG. 4 that the heating element 40 of the air-fuel ratio sensor S1 of this embodiment lowers the voltage applied to the oxygen pump element 10 with less electric power as compared with the conventional air-fuel ratio sensor.

この酸素ポンプ素子10に印加される電圧は、酸素ポン
プ10の酸素輸送能力を反映しており、所定のポンプ電
流を維持するための電圧が低いほど酸素輸送能力に余裕
がある。逆に、この電圧が高いほど酸素輸送能力の余裕
はなく、例えば、3Vを超えるとブラックニングが生じ
始める。
The voltage applied to the oxygen pump element 10 reflects the oxygen transport capacity of the oxygen pump 10, and the lower the voltage for maintaining the predetermined pump current, the more room the oxygen transport capacity has. On the contrary, the higher this voltage is, the less room the oxygen transporting capacity is. For example, when it exceeds 3 V, blackening starts to occur.

従って、加熱素子40に印加する電圧が少なくても、容
易に酸素ポンプ素子10の印加電圧が低くなる本実施例
の空燃比センサS1はブラックニングガ起きにくいと言
える。
Therefore, even if the voltage applied to the heating element 40 is small, it can be said that the air-fuel ratio sensor S1 of the present embodiment in which the applied voltage of the oxygen pump element 10 is easily lowered is unlikely to cause blackening.

実験2 本実施例の空燃比センサS1の酸素ポンプ素子10の間
隙50内の電極10c、20cの中心点C(第2図参
照)と電極10c、20cの縁部R(第2図参照)に白
金−ロジウム熱電対を取り付け、加熱素子40に印加す
る電圧と各部の温度との関係を調べ、その結果を第5図
に実線で記した。
Experiment 2 At the center point C (see FIG. 2) of the electrodes 10c and 20c and the edge R (see FIG. 2) of the electrodes 10c and 20c in the gap 50 of the oxygen pump element 10 of the air-fuel ratio sensor S1 of the present embodiment. A platinum-rhodium thermocouple was attached, the relationship between the voltage applied to the heating element 40 and the temperature of each part was investigated, and the result is shown by the solid line in FIG.

上記比較例についても同様な実験を行い、実験結果を第
5図に破線で示した。
The same experiment was conducted for the above comparative example, and the experiment result is shown by a broken line in FIG.

第5図から本実施例の空燃比センサS1は、従来の空燃
比センサに比べてより少ない加熱素子印加電圧で、ガス
拡散制限部を所定温度、例えば、900℃とすることが
できる。又、本実施例の空燃比センサS1は、電極10
c、20cの中央部Cとその縁部Rとの間で温度差が非
常に少ない。
From FIG. 5, the air-fuel ratio sensor S1 of the present embodiment can set the gas diffusion limiting portion to a predetermined temperature, for example, 900 ° C., with a heating element applied voltage smaller than that of the conventional air-fuel ratio sensor. In addition, the air-fuel ratio sensor S1 of this embodiment includes the electrode 10
The temperature difference between the central portion C of c and 20c and the edge portion R thereof is very small.

実験3 大気中で酸素濃淡電池素子20の起電力が40mVとなる
酸素ポンプ素子10のポンプ電流Ipと、大気の全圧と
の関係を調べ、その結果を第6図に実線で示した。尚、
第6図では大気の圧力が760mmHgの時のポンプ電流I
pを100%として記した。
Experiment 3 The relationship between the pump current Ip of the oxygen pump element 10 at which the electromotive force of the oxygen concentration battery element 20 was 40 mV in the atmosphere and the total pressure of the atmosphere was examined, and the result is shown by the solid line in FIG. still,
In Fig. 6, the pump current I when the atmospheric pressure is 760 mmHg
It is noted that p is 100%.

上記比較例についても同様の実験を行い、実験結果を第
6図に破線で示した。
The same experiment was conducted for the above comparative example, and the experiment result is shown by the broken line in FIG.

第6図から、本実施例の空燃比センサS1のポンプ電流
Ipには、圧力依存性がほとんど無いことが分かる。一
方、従来の空燃比センサは低気圧側での圧力依存性が大
きい。
It can be seen from FIG. 6 that the pump current Ip of the air-fuel ratio sensor S1 of this embodiment has almost no pressure dependency. On the other hand, the conventional air-fuel ratio sensor has a large pressure dependency on the low pressure side.

上記実験から、本実施例の空燃比センサS1のように、
第1加熱部30aと第2加熱部30b,30cとを有す
ると、ブラックニングが生じ無くなるだけでなく、加熱
素子40の必要な電力が減り、ポンプ電流の圧力依存性
が無くなることが確認された。
From the above experiment, like the air-fuel ratio sensor S1 of the present embodiment,
It was confirmed that when the first heating unit 30a and the second heating units 30b and 30c are included, not only blackening does not occur but also the required power of the heating element 40 decreases and the pressure dependence of the pump current disappears. .

又、本実施例の空燃比センサS1では、ジルコニア製固
体電解質を用いた酸素ポンプ素子10と、アルミナを用
いた加熱素子40とを、使用時に高温の排ガスに直接晒
されず比較的低温状態にある各々の素子の端部近傍で接
合している。そのため、酸素ポンプ素子10と加熱素子
40との接合部は使用時に高温とならないので、ジルコ
ニアとアルミナとの熱膨張率が大きく異なるにもかかわ
らず、接合部の剥離等は生じない。即ち、本実施例の空
燃比センサS1は、従来のセンサのように応力緩和層等
の熱膨張率差を緩和する工夫を用いなくても、各素子間
の熱膨張率差によって破損することはない。そして、応
力を緩和するための特別の工夫を必要としないために、
製造がより容易である。
Further, in the air-fuel ratio sensor S1 of the present embodiment, the oxygen pump element 10 using the solid electrolyte made of zirconia and the heating element 40 using alumina are kept in a relatively low temperature state without being directly exposed to high temperature exhaust gas during use. Bonding is performed near the ends of certain elements. Therefore, since the joint between the oxygen pump element 10 and the heating element 40 does not reach a high temperature during use, peeling of the joint does not occur even though the thermal expansion coefficients of zirconia and alumina are significantly different. That is, the air-fuel ratio sensor S1 of the present embodiment is not damaged by the difference in the coefficient of thermal expansion between the elements without using a device for reducing the difference in the coefficient of thermal expansion such as the stress relaxation layer unlike the conventional sensor. Absent. And in order not to require any special measures to relieve stress,
Easier to manufacture.

尚、本実施例の加熱素子40の発熱体パターンは、第1
図のパターンに限られるものではない。例えば、第7〜
11図に示すようなパターンであってよい。第7〜11
図に用いられる符号は第1図で用いられるものと同じで
ある。第7図の発熱体パターンは第1加熱部30aの発
熱体を波状にして、発熱量をより増やした他は第1図の
パターンと同じである。第8図の発熱体パターンは第1
加熱部30aと第2加熱部30bとを各々独立させてい
る。そのため、酸素ポンプ素子10の電極温度とガス拡
散制御部の温度とを独立して制御でき、より正確な空燃
比測定ができる。第9図の発熱体パターンは第1加熱部
30aの発熱体を波状にして、発熱量をより増やした他
は第8図のパターンと同じである。第10図の発熱体パ
ターンは第1加熱部30aと第2加熱部30bとを並列
に接続させている。第11図の発熱体パターンは第1加
熱部30aの発熱体を波状にして、発熱量をより増やし
た他は第10図のパターンと同じである。
The heating element pattern of the heating element 40 according to the present embodiment is the first
The pattern is not limited to the illustrated pattern. For example, 7th
It may be a pattern as shown in FIG. 7th-11th
The reference numerals used in the figure are the same as those used in FIG. The heating element pattern of FIG. 7 is the same as the pattern of FIG. 1 except that the heating element of the first heating unit 30a is made wavy to increase the amount of heat generation. The heating element pattern in FIG. 8 is the first
The heating unit 30a and the second heating unit 30b are independent of each other. Therefore, the electrode temperature of the oxygen pump element 10 and the temperature of the gas diffusion controller can be independently controlled, and more accurate air-fuel ratio measurement can be performed. The heating element pattern of FIG. 9 is the same as the pattern of FIG. 8 except that the heating element of the first heating section 30a is made wavy to increase the amount of heat generation. The heating element pattern of FIG. 10 connects the first heating unit 30a and the second heating unit 30b in parallel. The heating element pattern shown in FIG. 11 is the same as the pattern shown in FIG. 10 except that the heating element of the first heating section 30a has a wavy shape to increase the amount of heat generation.

これらの発熱体パターンを用いて上記実験を行ったが、
何れも上記第1図のパターンを用いた空燃比センサS1
と同様の効果が確認された。
The above experiment was conducted using these heating element patterns,
Air-fuel ratio sensor S1 using the pattern of FIG.
The same effect was confirmed.

本発明の第2実施例の空燃比センサS2の構成を第12
図の断面図を用いて説明する。
The configuration of the air-fuel ratio sensor S2 of the second embodiment of the present invention is the twelfth
This will be described with reference to the sectional view of the drawing.

本空燃比センサS2は、酸素イオン伝導性固体電解質を
用いた酸素ポンプ素子110と、酸素ガス検出素子であ
る内部基準酸素源を有する酸素濃淡電池素子120と、
酸素ポンプ素子110を加熱すると発熱体130を有す
る加熱素子140とから構成される空燃比センサS2で
ある。又、本実施例では、□字状のスペーサ150を、
酸素ポンプ素子110と酸素濃淡電池素子120との間
に挟むことによって、偏平な閉鎖状の測定ガス室160
を設ける。そしてガス拡散制限部としてこのスペーサ1
50の一部を測定ガス雰囲気と測定ガス室160を連通
させる多孔質部170とする。
The air-fuel ratio sensor S2 includes an oxygen pump element 110 using an oxygen ion conductive solid electrolyte, an oxygen concentration battery element 120 having an internal reference oxygen source which is an oxygen gas detection element,
The air-fuel ratio sensor S2 includes a heating element 140 having a heating element 130 when the oxygen pump element 110 is heated. Further, in this embodiment, the square-shaped spacer 150 is
By sandwiching it between the oxygen pump element 110 and the oxygen concentration cell element 120, a flat closed measurement gas chamber 160 is provided.
To provide. And this spacer 1 is used as a gas diffusion limiting portion.
A part of 50 is a porous portion 170 that connects the measurement gas atmosphere and the measurement gas chamber 160.

内部基準酸素源を有する酸素濃淡電池素子120は、酸
素濃淡電池素子120の外側電極120bを遮蔽体18
0で覆うことによって、電極120bに酸素濃淡電池素
子120に電圧を印加して輸送した酸素ガスを蓄える点
が、異なる以外は第1実施例の酸素濃淡電池素子20と
同様の構造である。酸素ポンプ素子110、加熱素子1
40は第1実施例と同様の構成なので説明を省略する。
The oxygen concentration battery element 120 having an internal reference oxygen source shields the outer electrode 120b of the oxygen concentration battery element 120 from the shield 18.
The structure is the same as that of the oxygen concentration battery element 20 of the first embodiment except that the electrode 120b is covered with 0 to store the oxygen gas transported by applying a voltage to the oxygen concentration battery element 120. Oxygen pump element 110, heating element 1
Since 40 has the same structure as that of the first embodiment, its explanation is omitted.

本実施例の空燃比センサS2は、第1実施例と同様の材
料、方法を用いて製造される。
The air-fuel ratio sensor S2 of this embodiment is manufactured using the same material and method as those of the first embodiment.

本実施例の空燃比センサS2は、第1実施例の空燃比セ
ンサS1と異なり内部基準酸素源を有する酸素濃淡電池
素子120を用いている。そのため、第1実施例に示さ
れる加熱素子の効果に加えて、周囲測定ガス雰囲気中の
酸素ガス分圧が変動しても安定して測定ガス室内の酸素
ガス分圧を検出することができるという効果を有する。
Unlike the air-fuel ratio sensor S1 of the first embodiment, the air-fuel ratio sensor S2 of this embodiment uses an oxygen concentration battery element 120 having an internal reference oxygen source. Therefore, in addition to the effect of the heating element shown in the first embodiment, it is possible to stably detect the oxygen gas partial pressure in the measurement gas chamber even if the oxygen gas partial pressure in the surrounding measurement gas atmosphere changes. Have an effect.

本発明の第3実施例の空燃比センサS3の構成を第13
図の断面図を用いて説明する。
The configuration of the air-fuel ratio sensor S3 according to the third embodiment of the present invention is as follows.
This will be described with reference to the sectional view of the drawing.

本空燃比センサは、酸素イオン伝導性固体電解質を用い
た酸素ポンプ素子210と、測定ガス室内の酸素ガス分
圧に応じて導電率の変化する酸素ガス検出素子220
と、酸素ポンプ素子210を加熱する発熱体230を有
する加熱素子240とから構成される空燃比センサS3
である。尚、本実施例では、酸素ガス検出素子220の
裏面に酸素ガス検出素子220を活性化させる発熱体2
45が設けられている。又、本実施例では、□字状のス
ペーサ250を、酸素ポンプ素子220と酸素ガス検出
素子220との間に挟むことによって、偏平な閉鎖状の
測定ガス室260を設ける。そしてガス拡散制限部とし
てこのスペーサ250の一部に測定ガス雰囲気を測定ガ
ス室260とを連通させる孔270を設ける。
The air-fuel ratio sensor includes an oxygen pump element 210 using an oxygen ion conductive solid electrolyte and an oxygen gas detection element 220 whose conductivity changes according to the partial pressure of oxygen gas in the measurement gas chamber.
And an air-fuel ratio sensor S3 including a heating element 240 having a heating element 230 that heats the oxygen pump element 210.
Is. In the present embodiment, the heating element 2 for activating the oxygen gas detecting element 220 is provided on the back surface of the oxygen gas detecting element 220.
45 are provided. Further, in this embodiment, a flat closed measurement gas chamber 260 is provided by sandwiching the square-shaped spacer 250 between the oxygen pump element 220 and the oxygen gas detection element 220. Then, a hole 270 for communicating the measurement gas atmosphere with the measurement gas chamber 260 is provided in a part of the spacer 250 as a gas diffusion limiting portion.

上記酸素ガス検出素子220は、加熱素子240の主体
と同じ電気絶縁性焼結板状体220a上の一方の面に、
図示されない一対の電極、引出し線、取り出し部を設
け、この一対の電極に渡るように遷移金属酸化物280
を載置焼結したものである。そして、本実施例では遷移
金属酸化物280の導電率変化から測定ガス室260内
の酸素ガス分圧を測定する。
The oxygen gas detecting element 220 is provided on one surface on the same electrically insulating sintered plate-like body 220a as the main body of the heating element 240,
A pair of electrodes, a lead wire, and a lead-out portion (not shown) are provided, and the transition metal oxide 280 is provided so as to extend over the pair of electrodes.
Is placed and sintered. Then, in the present embodiment, the partial pressure of oxygen gas in the measurement gas chamber 260 is measured from the change in conductivity of the transition metal oxide 280.

酸素ポンプ素子210、加熱素子240は、第2実施例
と同様であるので説明を省略する。
Since the oxygen pump element 210 and the heating element 240 are the same as those in the second embodiment, their description will be omitted.

本実施例の空燃比センサS3は、第1実施例の空燃比セ
ンサS1と異なり測定ガス室260内の酸素ガス分圧に
応じて導電率の変化する酸素ガス検出素子220を用い
ている。そのため、第1実施例の加熱素子の効果に加え
て、周囲測定ガス雰囲気中の酸素ガス分圧が変動しても
安定して測定ガス室内の酸素ガス分圧を検出することが
できるという効果を有する。
Unlike the air-fuel ratio sensor S1 of the first embodiment, the air-fuel ratio sensor S3 of the present embodiment uses an oxygen gas detection element 220 whose conductivity changes according to the partial pressure of oxygen gas in the measurement gas chamber 260. Therefore, in addition to the effect of the heating element of the first embodiment, it is possible to stably detect the oxygen gas partial pressure in the measurement gas chamber even if the oxygen gas partial pressure in the ambient measurement gas atmosphere changes. Have.

尚、上記実施例では何れも、酸素ポンプ素子と加熱素子
とは、端子部のスペーサで接合されていたが、□字状の
スペーサを酸素ポンプ素子と加熱素子との間に挟むこと
によって、偏平な閉鎖状の室を設け、このスペーサの一
部に測定ガス雰囲気と該室とを自由に連通させる孔を設
けるようにしてもよい。
In each of the above examples, the oxygen pump element and the heating element were joined by the spacer of the terminal portion, but by inserting a □ -shaped spacer between the oxygen pump element and the heating element, A closed chamber may be provided, and a hole may be provided in a part of the spacer to freely communicate the measurement gas atmosphere with the chamber.

[発明の効果] 本発明の空燃比センサは、主として上記酸素ポンプ素子
の電極を加熱する第1の加熱部、及び主として上記測定
ガス室のガス拡散制御部を加熱する第2の加熱部を有す
る板状加熱素子を備える。しかも、第1の加熱部の加熱
能力は第2の加熱部の加熱能力よりも高く設定されてい
るので、酸素ポンプ素子の電極の温度をガス拡散制限部
の温度より高めることができる。
[Advantages of the Invention] The air-fuel ratio sensor of the present invention has a first heating section that mainly heats the electrodes of the oxygen pump element, and a second heating section that mainly heats the gas diffusion control section of the measurement gas chamber. A plate-shaped heating element is provided. Moreover, since the heating capacity of the first heating unit is set higher than that of the second heating unit, the temperature of the electrode of the oxygen pump element can be made higher than the temperature of the gas diffusion limiting unit.

そのため、例えば、酸素ポンプ素子電極の温度がガス拡
散制御部の温度より50℃程度高くする等、常にガス拡
散制限部を流通する酸素ガス量より酸素ポンプ素子の酸
素ガスの輸送能力が大きい状態とすることが容易にで
き、ブラックニングの発生を抑えることができる。
Therefore, for example, when the temperature of the oxygen pump element electrode is about 50 ° C. higher than the temperature of the gas diffusion control section, the oxygen gas transport capacity of the oxygen pump element is always larger than the amount of oxygen gas flowing through the gas diffusion control section. It is possible to easily carry out, and it is possible to suppress the occurrence of blackening.

又、加熱部を2種類に分けたので、酸素ポンプ素子電極
及びガス拡散制限部を共に効率よく加熱できる。そのた
め、加熱に必要な電力が減少し、発熱部の寿命が長くな
る。
Further, since the heating portion is divided into two types, both the oxygen pump element electrode and the gas diffusion limiting portion can be efficiently heated. Therefore, the electric power required for heating is reduced, and the life of the heat generating portion is extended.

更に、上記の如く効率的な加熱が可能となったために、
酸素ポンプ素子に流れる電流の圧力依存性が無くなる。
Furthermore, since efficient heating is possible as described above,
The pressure dependence of the current flowing through the oxygen pump element is eliminated.

【図面の簡単な説明】[Brief description of drawings]

第1図は本発明の第1実施例を説明するために用いる平
面図、 第2図はその分解斜視図、 第3図はその断面図、 第4図はその加熱素子の電力と酸素ポンプ素子の印加電
圧との関係図、 第5図はその加熱素子の印加電圧と測定温度との関係
図、 第6図はその大気の圧力とポンプ電流の関係図、 第7図乃至第11図はその加熱素子の発熱体パターンの
他の例を示す平面図、 第12図は本発明の第2実施例の断面図、 第13図は本発明の第3実施例の断面図、 第14図は従来の空燃比センサを説明するための平面図
である。 S1、S2、S3……空燃比センサ Hp……発熱体、Hu……加熱素子 10、110、210……酸素ポンプ素子 10b、10c、20b、20c……電極、 20、120、……酸素濃淡電池素子 30、130、230……発熱体 40、140、240……加熱素子 50……空隙(測定ガス室と一体のガス拡散制限間隙) 30a……第1加熱部 30b、30c……第2加熱部 160、260……測定ガス室 170……多孔質部(ガス拡散制限部) 220……酸素ガス検出素子 270……孔(ガス拡散制限部)
FIG. 1 is a plan view used for explaining a first embodiment of the present invention, FIG. 2 is an exploded perspective view thereof, FIG. 3 is a cross-sectional view thereof, and FIG. 4 is power of the heating element and an oxygen pump element. FIG. 5 is a diagram showing the relationship between the applied voltage of the heating element and the measured temperature, FIG. 6 is a diagram showing the relationship between the atmospheric pressure and the pump current, and FIGS. FIG. 12 is a plan view showing another example of the heating element pattern of the heating element, FIG. 12 is a sectional view of the second embodiment of the present invention, FIG. 13 is a sectional view of the third embodiment of the present invention, and FIG. FIG. 3 is a plan view for explaining the air-fuel ratio sensor of FIG. S1, S2, S3 ... Air-fuel ratio sensor Hp ... Heating element, Hu ... Heating element 10, 110, 210 ... Oxygen pump element 10b, 10c, 20b, 20c ... Electrode, 20, 120, ... Oxygen concentration Battery element 30, 130, 230 ... Heating element 40, 140, 240 ... Heating element 50 ... Void (gas diffusion limiting gap integrated with the measurement gas chamber) 30a ... First heating section 30b, 30c ... Second Heating part 160, 260 ... Measuring gas chamber 170 ... Porous part (gas diffusion limiting part) 220 ... Oxygen gas detection element 270 ... Hole (gas diffusion limiting part)

Claims (1)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】表裏面に一対の多孔質電極を有する酸素イ
オン伝導性固体電解質からなる板状酸素ポンプ素子と、 周囲の酸素ガス分圧に応じて電気的特性の変化する酸素
ガス検出部を有する板状酸素ガス検出素子と、 上記酸素ポンプ素子と上記酸素ガス検出素子とを間隙を
介して対向することにより形成され、かつガス拡散制限
部を介して周囲被測定ガスと連通する測定ガス室とを有
し、 上記板状酸素ポンプ素子を用いて上記測定ガス室内と周
囲被測定ガスとの間で酸素を輸送すると共に、上記板状
酸素ガス検出素子を用いて上記測定ガス室内の酸素ガス
分圧を検出することにより、周囲被測定ガスの空燃比を
測定する空燃比センサにおいて、 主として上記酸素ポンプ素子の電極を加熱する第1の加
熱部、及び主として上記測定ガス室のガス拡散制限部を
加熱する第2の加熱部を有する板状加熱素子を、上記酸
素ポンプ素子の上記測定ガス室に接しない面と、周囲被
測定ガスに連通する間隙を介して対向して設けるととも
に、 上記第1の加熱部の加熱能力を上記第2の加熱部の加熱
能力よりも高く設定することによって、上記酸素ポンプ
素子の電極の温度を上記ガス拡散制限部の温度より高め
たことを特徴とする空燃比センサ。
1. A plate-shaped oxygen pump element made of an oxygen-ion conductive solid electrolyte having a pair of porous electrodes on the front and back surfaces, and an oxygen gas detection part whose electrical characteristics change according to the partial pressure of oxygen gas in the surroundings. A plate-shaped oxygen gas detection element having, a measurement gas chamber formed by facing the oxygen pump element and the oxygen gas detection element with a gap, and communicating with the surrounding measurement target gas via a gas diffusion limiting portion. And transporting oxygen between the measurement gas chamber and the ambient gas to be measured using the plate oxygen pump element, and oxygen gas in the measurement gas chamber using the plate oxygen gas detection element. In an air-fuel ratio sensor that measures the air-fuel ratio of the ambient gas to be measured by detecting the partial pressure, a first heating unit that mainly heats the electrode of the oxygen pump element, and a gas mainly in the measurement gas chamber A plate-shaped heating element having a second heating section for heating the diffusion limiting section is provided so as to face a surface of the oxygen pump element which is not in contact with the measurement gas chamber, with a gap communicating with a surrounding gas to be measured. By setting the heating capacity of the first heating unit to be higher than that of the second heating unit, the temperature of the electrode of the oxygen pump element is set higher than the temperature of the gas diffusion limiting unit. And an air-fuel ratio sensor.
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