JPH079082Y2 - 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〕 本考案は酸素濃度センサ、更に詳しくは内燃機関例えば
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る酸素濃
度センサとして、理論空燃比（A/F＝14.6）及びリーン
側（空気過剰側）空燃比の両方が検出可能な酸素濃度セ
ンサが提案されている。このような酸素濃度センサが提
案されている。このような酸素濃度センサとしては例え
ば以下のものが挙げられる。

１）一端を閉鎖した筒状の酸素イオン透過性固体電解質
の内外両面に設けた電極のうち、少なくとも一方を２分
割し、一方の電極対で濃淡電池型酸素濃度センサを構成
し、他方の電極対に電圧印加することによりリーンミク
スチャセンサ（限界電流型酸素濃度センサ）を構成した
酸素濃度センサ。

２）酸素イオン透過性固体電解質の一面に陰電極、他面
に陽電極を設け、且つ該陰電極上に酸化チタン（TiO₂）
などの酸化物半導体からなるガス拡散層を形成し、前記
陰電極と陽電極とによりリーンミクスチャセンサを構成
し、前記ガス拡散層から電気信号を取り出すことにより
抵抗検出型理論空燃比センサを構成した酸素濃度セン
サ。

３）リーンミクスチャセンサを濃淡電池型酸素濃度セン
サとしても用いる酸素濃度センサ。

〔考案が解決しようとする問題点〕

しかしながら、上記１）及び２）の酸素濃度センサは製
造工程が複雑となり、製造が容易ではない。又、このた
めコストが大幅に上昇するという問題がある。上記３）
の酸素濃度センサはリーンミクスチャセンサを濃淡電池
型酸素濃度センサとして用いる場合、拡散律速層が厚い
ため電極への被測定ガスの当りが悪く、応答性が極端に
低いという問題がある。

本考案は上記従来技術における問題点を解決するための
ものであり、その目的とするところは製造が容易で理論
空燃比及びリーン側空燃比の両方が検出可能であり且つ
応答性、昇温性等の特性が優れた酸素濃度センサを提供
することにある。

〔問題点を解決するための手段〕

すなわち本考案の酸素濃度センサは、筒状の酸素イオン
透過固体電解質の内外両面に電極を設けてなるリーンミ
クスチヤセンサ素子と、該リーンミクスチヤセンサ素子
内に該素子内周面との間に間隙を設けて挿入されその一
端を該素子の一端に保持固定された柱状ヒータ先端部に
酸化物半導体及び電極を設けてなる抵抗検出型理論空燃
比センサ素子とを備えたことを特徴とする。

リーンミクスチヤセンサ素子は、円筒状又は角筒状等の
筒状の酸素イオン透過性固体電解質例えばZrO₂にY₂O₅を
固溶させた緻密な焼結体の内周面及び外周面の少なくと
も一部に、例えば通気性の多孔性白金電極をマスキング
手段やメッキ法等を用いて形成するか、又は予め作られ
た一端を閉鎖した筒状の酸素イオン透過性固体電解質の
閉鎖端を切断することによって形成する。又、電極上に
は所望によりアルミナ、スピネル、ジルコニア等のセラ
ミック材料を例えばブラズマ溶射してガス拡散層及び／
又はセラミックコーティング層を設ける。

前記リーンミクスチヤセンサ素子内に挿入される円柱状
又は角柱状等の柱状ヒータはアルミナなどの耐火性物質
で形成した支持体に発熱部を内蔵させるか、又はアルミ
ナなどのセラミックシートに白金ペーストをスクリーン
印刷して発熱部を形成し、これを前記支持体に巻き付け
た後焼成して形成する。

抵抗検出型理論空燃比センサ素子は、例えば前記と同様
のセラミックシートにスパッタリングなどによりTiO₂,N
b₂O₅等の酸化物半導体及び白金等の電極を形成し、これ
を柱状ヒータ先端部に巻き付けた後焼成して形成する。
同じセラミックシートの一面にヒータ部を形成し、他面
に酸化物半導体及び電極からなる酸素濃度検出部を検出
すると都合がよい。

尚、前記柱状ヒータの一端を耐火性物質からなるヒータ
ホルダーを介して前記リーンミクスチヤセンサ素子の一
端の内周面に保持固定する。

又、前記リーンミクスチヤセンサ素子の電極はリード線
を介して定電圧電源に接続し、前記抵抗検出型理論空燃
比センサ素子の電極はリード線を介して電圧検出器に接
続する。

更に、前記リーンミクスチヤセンサ素子の開口端には抵
抗検出型理論空燃比センサ素子を被測定ガス中の汚染物
質から保護するために適する細孔径のセラミックフィル
ターを設けてもよい。

〔実施例〕

以下の実施例において本考案を更に詳細に説明する。
尚、本考案は下記実施例に限定されるものではない。

本考案の酸素濃度センサの一実施例の素子の長手方向に
沿った断面図を第１図に示す。本実施例の素子は以下の
ようにして得ることができる。第５図に示す一端を閉鎖
した筒状の固体電解質１の外周面に、第１図のようにPt
電極３を形成すべき部分をマスキングしてアルミナ等の
セラミックにより絶縁層２を形成した後、内外両面にPt
電極３及び４を形成する。次いで外側Pt電極３上に平均
粒粉５〜25μｍのスピネル粉末をブラズマ溶射して拡散
律速層５を形成する。次いで第５図に示すように先端部
分をＡ−Ａ′線に沿って切断することにより筒状のリー
ンミクスチヤセンサ素子を得る。この素子は第２図の出
力電流特性Ｉを有し、リーン領域の空燃比を検出するこ
とができる。

第１図に示すヒータ６は第３図に示すアルミナセラミッ
クシート７にPtパターン印刷により発熱部８形成し、第
１図の一点鎖線で示すリーンミクスチャセンサ部９と抵
抗検出型理論空燃比センサ部10とを局部的に加熱できる
ようにし、これを第３図の矢印のように発熱部８を内側
にして曲げてセラミック円柱に巻き付け焼成して形成す
る。次いで第４図に示すようにその外周面にスパッタリ
ングによってPt電極11とTiO₂からなる酸化物半導体12の
薄膜を形成し抵抗検出型理論空燃比センサ素子を得る。
この素子はセンサ15及び参照抵抗16により構成した第６
図のような回路を通して第２図の出力電圧特性IIを示
し、理論空燃比を検出することができる。次いでヒータ
６の一端にヒータホルダー13を組み付けて第１図に示す
ように固体電解質１に組み込む。更に固体電解質１の開
口端に抵抗検出型理論空燃比センサ部10を被測定ガスに
よる汚染から保護するためのセラミックフィルター14を
接着して本実施例の素子を得る。

〔考案の効果〕

上述の如く本考案の酸素濃度センサは筒状の酸素イオン
透過性固体電解質の内外両面に電極を設けてなるリーン
ミクスチヤセンサ素子と、該リーンミクスチヤセンサ素
子内に該素子内周面との間に間隙を設けて挿入されその
一端を該素子の一端に保持固定された柱状ヒータ先端部
に酸化物半導体及び電極を設けてなる抵抗検出型理論空
燃比センサ素子とを備えたものであるため、理論空燃比
及びリーン側空燃比の両方が検出可能であり且つ従来の
リーンミクスチヤセンサ素子を加工することによって低
コストで容易に製造することができる。

又、理論空燃比はTiO₂などの酸化物半導体を用いた抵抗
検出型理論空燃比センサによって検出するため応答性が
よく、例えば従来のリーンミクスチャセンサを濃淡電池
型酸素濃度センサとして使用した場合、応答周波数は0.
4Hzであるのに対し、本考案の酸素濃度センサでは0.7〜
0.8Hzに向上する。

更に、本考案の酸素濃度センサでは薄膜型の抵抗検出型
理論空燃比センサを用いるため昇温特性が著しく高く、
自動車の排ガス用センサとして使用する場合には始動時
に迅速に作動するので有害排気物の低減に有効である。

【図面の簡単な説明】

第１図は本考案の酸素濃度センサの一実施例の素子の長
手方向に沿った断面図、 第２図は第１図の素子の空燃比と出力電圧又は出力電流
との関係を表わすグラフ、 第３図は発熱部を形成したセラミックシートの斜視図、 第４図は抵抗検出型理論空燃比センサ素子を形成した柱
状ヒータの斜視図、 第５図は第１図の素子を作るための一端を閉鎖した筒状
の酸素イオン透過性固体電解質素子の加工方法の説明
図、 第６図は抵抗検出型理論空燃比センサ素子の出力電圧特
性を測定するための回路の概略構成図である。 図中、 １…固体電解質、２…絶縁層 3,4,11…電極、５…拡散律速層 ６…ヒータ、７…セラミックシート ８…発熱部、９…リーンミクスチヤセンサ部 10…抵抗検出型理論空燃比センサ部 12…酸化物半導体、13…ヒータホルダー 14…セラミックフィルター、15…センサ 16…参照抵抗

Claims (1)

【実用新案登録請求の範囲】
1. 【請求項１】筒状の酸素イオン透過性固体電解質の内外
   両面に電極を設けてなるリーンミクスチヤセンサ素子
   と、該リーンミクスチヤセンサ素子内に該素子内周面と
   の間に間隙を設けて挿入されその一端を該素子の一端に
   保持固定された柱状ヒータ先端部に酸化物半導体及び電
   極を設けてなる抵抗検出型理論空燃比センサ素子とを備
   えたことを特徴とする酸素濃度センサ。