JPH0676988B2 - 酸素センサ - Google Patents

酸素センサ

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JPH0676988B2
JPH0676988B2 JP61066663A JP6666386A JPH0676988B2 JP H0676988 B2 JPH0676988 B2 JP H0676988B2 JP 61066663 A JP61066663 A JP 61066663A JP 6666386 A JP6666386 A JP 6666386A JP H0676988 B2 JPH0676988 B2 JP H0676988B2
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俊彦 青山
治久 塩見
健 美濃羽
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    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01NINVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N27/00Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means
    • G01N27/26Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating electrochemical variables; by using electrolysis or electrophoresis
    • G01N27/403Cells and electrode assemblies
    • G01N27/406Cells and probes with solid electrolytes
    • G01N27/4067Means for heating or controlling the temperature of the solid electrolyte

Description

【発明の詳細な説明】 [産業上の利用分野] 本発明は、例えば内燃機関の排気中における酸素濃度を
測定する酸素センサに関する。
[従来の技術] 従来より、公害防止、燃費向上を目的として、内燃機関
の排気中の酸素分圧を測定し、該測定値に基づいた内燃
機関の空燃比フィードバック制御が行なわれている。こ
のような排気中の酸素分圧の測定は、例えば、ジルコニ
ア、イットリア固溶体等の酸素イオン伝導性の固体電解
質層からなる酸素センサにより行なわれる。上記酸素セ
ンサとしては、例えば、実開昭60−100658号公報等が提
案されている。すなわち、内外同心に円筒状に形成され
た内側電極および外側電極と、前記内外電極の間隙に介
在させた酸素イオン伝導性固体電解質層とを設け、外側
の面に測定ガスを、内側の面に基準酸素源としての大気
を各々導入して測定ガス中の酸素分圧を測定するもので
ある。
[発明が解決しようとする問題点] しかし、固体電解質層の内側の面に基準大気を測定ガス
と混合することなく導入するためには、例えば該固体電
解質層の内側に包み込まれた棒状の芯材に大気導入路と
なる溝を形成するスリットを設けたグリーンシートを巻
き付けて焼結し、基準大気導入路を形成する必要があ
る。すなわち、上述した酸素分圧測定用の固体電解質層
をなすグリーンシートと、上記スリットを有するスペー
サとしてのグリーンシートとの少なくとも2層を同心円
状に焼結する必要がある。このように、複数のグリーン
シートを歪みなく同心円状とする作業は極めて困難なた
め、製造工程における工数の増加を招き、生産性が低下
してしまうという問題点があった。
また、棒状の芯材を使用した場合には、酸素センサの熱
容量が大きくなる。したがって、酸素センサを測定に適
した温度に保つために電極部分を加熱するヒータの発熱
量を大きく設定する必要があり、ヒータの消費電力が増
加すると共にその耐久性も低下するという問題もあっ
た。
本発明は、製造が容易で熱容量の小さな酸素センサの提
供を目的とする。
[問題点を解決するための手段] 上記問題を解決するためになされた本発明は、一端側を
開口し他端側に閉鎖壁を設けると共に、外周面に貫通孔
を有する中空筒状体と、 上記中空筒状体を包み、内外面に少なくとも一対の電極
を有する酸素イオン伝導性の固体電解質層と、 を備え、 しかも、上記固体電解質層の内面側の電極が上記中空筒
状体の貫通孔と対応する位置に配置されてなることを特
徴とする酸素センサを要旨とするものである。
中空筒状体は開口部から貫通孔を介して、上記固体電解
質層と1対の電極とからなる酸素濃淡電池に基準酸素源
としての大気を導入する基準気体導入路を構成するもの
である。中空筒状体は、例えば金型プレスもしくは押し
出し成型等により加工することができる。なお、材質
は、例えば、上記固体電解質層と熱膨張率の相違が少な
いセラミックス、金属等でもよい。例えば測定ガスが内
燃機関の排気である場合には、600[℃]以上の高温と
なるので、セラミックスを使用すると好適である。また
例えば、金属を使用する場合は、固体電解質層の内周面
の電極との間を絶縁する必要がある。
固体電解質層は、酸素イオン伝導性を有するものであ
る。例えば、Y2O3−ZrO2、CaO−ZrO2等であってもよ
い。
電極は、例えば白金等の貴金属またはこれらにセラミッ
ク粉末を混合したガス透過質のものにより実現できる。
これらは、例えば、電極を厚膜印刷した固体電解質体の
グリーンシートを、その内面側の電極が中空筒状体の貫
通孔と対応する位置に配設されるように、該中空筒状体
に巻き付けた後に治具により筒状に固定し、焼成一体化
することにより酸素センサとすることができる。
上記固体電解質層は、例えば、その内面の電極近傍に発
熱体を厚膜印刷するよう構成してもよい。また例えば、
その外面の電極近傍に発熱体を厚膜印刷するよう構成す
ることもできる。このように発熱体を設けた場合には、
電極近傍の温度を測定に好適な温度とすることができ
る。
[作用] 本発明の酸素センサは、中空筒状体の開口部から貫通孔
を介して固体電解質層内面側の電極に至る基準気体導入
路を形成する。したがって、固体電解質層はその内面側
が基準気体に、一方、外面側が測定ガスに各々触れるの
で、両面に設けられた一対の電極間に流れる電流を計測
することにより測定ガス中の酸素分圧を求めることがで
きる。このように、基準気体導入路を形成するためのス
リットを有するグリーンシート等が不要となると共に、
中空筒状体を使用するので、簡単な構造で熱容量の小さ
い酸素センサを実現できる。
[実施例] 次に、本発明の第1実施例を第1図〜第5図に基づいて
説明する。なお、説明上各図は部分毎の縮尺が異なる。
第1図に示すように、第1実施例の酸素センサ1は、Zr
O2からなり、外周面に貫通孔2,3を有する中空筒状体4
を、基準電極5、測定電極6および発熱体7を設けた固
体電解質層8で被覆して構成されている。
第1図のA−A端面図である第2図に示すように、基準
電極5は、固体電解質層8の中空筒状体4に接する内周
面上の、上記貫通孔2,3に対応する位置に設けられてい
る。また、測定電極6は、固体電解質層8の外周面上
の、上記基準電極5に対向する位置に配設されている。
さらに発熱体7は、固体電解質層8の外周面上であっ
て、上記測定電極6の両側に設けられている。
基準電極5は固体電解質層8に設けられたスルーホール
を介して、第1図に示す基準電極端子11に接続される。
また、測定電極6は測定電極端子12に、発熱体7は発熱
体端子13に各々接続される。
第4図をB−B方向に切断した状態を第3図に示す。中
空筒状体4は、外径3.2[mm]、内径1.5[mm]の中空円
筒であって、一端側は開口部14を、他端側は閉鎖壁15を
各々形成している。上記閉鎖壁15近傍の外周面には、2
個の直径1[mm]の貫通孔2,3が穿設されている。した
がって、上記開口部14から中空部16を介して貫通孔2,3
に至る基準気体導入路が形成されている。このような中
空筒状体4は、金型プレスまたは押し出し成形により容
易に加工できる。
固体電解質層8は、第4図に示すように、Y2O3−ZrO2
溶体原料粉末に通常使用されるバインダを混合したグリ
ーンシート8aから得られる。該グリーンシート8aの一角
部には、基準電極5を基準電極端子11に接続するための
スルーホール21が穿設されている。
上記固体電解質層8の内周面となる上記グリーンシート
8aの裏面には、ジルコニアを含む白金から成る厚さ10
[μm]の基準電極5が厚膜印刷される。
一方、上記固体電解質層8の外周面となるグリーンシー
ト8aの表面には、ジルコニアを含む白金から成る厚さ10
[μm]の基準電極端子11、測定電極6および測定電極
端子12が、まず厚膜印刷される。次に、白金を含むアル
ミナから成る厚さ20[μm]の保護層22が、上記測定電
極6の表面に厚膜印刷される。次に、アルミナから成る
厚さ30[μm]の絶縁層23が、上述した基準および測定
電極端子11,12の上面24と、測定電極6の上面25とを除
くグリーンシート8aの表面に亘って厚膜印刷される。さ
らに、アルミナを含む白金から成る厚さ10[μm]の発
熱体7および発熱体電極13が、上記絶縁層23の表面に厚
膜印刷される。最後に、シリカを含むアルミナから成る
厚さ20[μm]の絶縁層26が、上記発熱体電極13の上面
27と、測定電極の上面28とを除く絶縁層23の表面に亘っ
て厚膜印刷される。
上述のように厚膜印刷されたグリーンシート8aの裏面に
ジルコニアペーストを塗布し、上記基準電極5が中空筒
状体4の貫通孔2,3と対応する位置となるように、中空
筒状体4をグリーンシート8aで被膜する。さらに、真空
引きをしながらラバープレスを行ない、グリーンシート
8aを巻き付け厚着固定した後、大気中で焼成することに
より、第1図に示す酸素センサ1を得る。
上記のようにして得られた酸素センサ1を、第5図に示
すように、ホルダ32に、カーボングラファイト、滑石等
の充填粉末33、パッキン34、かしめリング35により固定
する。また、既述した各端子11,12,13に圧着端子金具36
をろう付けし、さらにリード線37を圧着する。その後、
主体金具38、保護外筒39、グロメット40、プロテクタ41
を取り付けると、酸素検出プローブ42を構成できる。
第1実施例の酸素センサ1は、中空筒状体4の開口部14
から貫通孔2,3を介して基準電極5に大気が導入される
ので、基準気体導入路を構成するためのストック付グリ
ーンシート層等が不要となり、製造工数の低減により生
産性を向上できる。
また、中空筒状体4を使用したいるため、酸素センサ1
の熱容量が小さいので、発熱体7の熱効率が向上し、消
費電力を低減できる。
さらに、発熱体7をグリーンシート8aの表面に厚膜印刷
しているので、製造が極めて容易となる。
次に、本発明第2実施例を第6図に基づいて説明する。
第2実施例の特徴は、固体電解質層の内周面に発熱体を
設けたことである。
第6図に示すように、固体電解質層の内周面となるグリ
ーンシート108aの裏面には、基準電極105、絶縁層152、
発熱体107、絶縁層151がこの順に厚膜印刷される。一
方、固体電解質層の外周面となるグリーンシート108の
表面には、測定電極106、保護層122、絶縁層153、基準
電極端子111、測定電極端子112および発熱体端子113が
この順で厚膜印刷される。上述のように厚膜印刷された
グリーンシート108aの基準電極105が中空筒状体104の貫
通孔102と対応する位置となるように、中空筒状体104を
グリーンシート108aで被覆し、既述した第1実施例と同
様な方法で焼成すると、酸素センサを得る。なお、各部
材の成分は、既述した第1実施例と同様である。
上記構成の第2実施例は、グリーンシート108aに対して
発熱体107が基準電極105と同じ側の面に厚膜印刷されて
いるため、測定に適した温度に加熱する場合の熱効率が
極めて高い。このことは、低温度の測定ガスの酸素分圧
を測定する場合でも、測定部が冷却されにくいので、特
に有効である。したがって、例えば、自動車等の排気測
定に使用した場合には、エンジン始動後、速やかに測定
を開始できる。
次に、本発明第3実施例を第7図に基づいて説明する。
第3実施例は、第1実施例で既述した中空筒状体を空燃
比センサに応用したことを特徴とする。
第7図に示すように、固体電解質層の内周面となるグリ
ーンシート208aの裏面には、第2ポンプ電極262、拡散
律速層261、測定電極206、固体電解質層263、基準電極2
05がこの順に厚膜印刷される。一方、固体電解質層の外
周面となるグリーンシート208aの表面には、第1ポンプ
電極264、絶縁層226、発熱体207および絶縁層229がこの
順で厚膜印刷される。上述のように厚膜印刷されたグリ
ーンシート208aを既述した第1実施例と同様に中空筒状
体204に巻き付けた後、大気中にて焼成すると空燃比セ
ンサを得る。
上記構成の第3実施例は、一層のグリーンシート208aの
表面上に発熱体207を厚膜印刷により形成している。こ
のため、極めて容易に製造できる。
また、中空筒状体204と一層のグリーンシート208とから
構成されているので、熱容量が小さくなり、発熱体の消
費電極を低減できると共に、その耐久性も向上できる。
さらに、上述のような簡単な構成で、酸素濃淡電池素子
と酸素ポンプ素子とを組み合わせて、ポンプ電流から空
燃比信号を検出できる。
以上本発明の実施例について説明したが、本発明はこの
ような実施例に何等限定されるものではなく、本発明の
要旨を逸脱しない範囲内において種々なる態様で実施し
得ることは勿論である。
[発明の効果] 本発明の酸素センサは、一端側を開口し外周面に貫通孔
を有する中空筒状体を基準気体導入路とし、該中空筒状
体を固体電解質層で被覆するという簡単な構造である。
このため、中空筒状体を包む固体電解質層が一層で済む
ので、製造工数が減少して生産性が向上する。
また、中空筒状体を使用するため、熱容量が小さくなる
ので、酸素センサを活性化させるための発熱体の熱効率
が向上すると共に消費電力を低減できる。
【図面の簡単な説明】
第1図は本発明第1実施例の斜視図、第2図は同じくそ
のA−A端面図、第3図は同じくその中空筒状体の部分
破断図、第4図は本発明第1実施例の説明図、第5図は
それを用いた酸素検出プローブの部分破断図、第6図は
本発明第2実施例の説明図、第7図は本発明第3実施例
の説明図である。 1……酸素センサ 2,3……貫通孔 4……中空筒状体 5……基準電極 6……測定電極 7……発熱体 8……固体電解質層 14……開口部 15……閉鎖壁

Claims (3)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】一端側を開口し他端側に閉鎖壁を設けると
    共に、外周面に貫通孔を有する中空筒状体と、 上記中空筒状体を包み、内外面に少なくとも一対の電極
    を有する酸素イオン伝導性の固体電解質層と、 を備え、 しかも、上記固体電解質層の内面側の電極が上記中空筒
    状体の貫通孔と対応する位置に配置されてなることを特
    徴とする酸素センサ。
  2. 【請求項2】上記固体電解質層が、その内面に発熱体を
    有する特許請求の範囲第1項に記載の酸素センサ。
  3. 【請求項3】上記固体電解質層が、その外面に発熱体を
    有する特許請求の範囲第1項に記載の酸素センサ。
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