JPH08220065A - 平板形固体電解質λセンサー - Google Patents
平板形固体電解質λセンサーInfo
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- JPH08220065A JPH08220065A JP7304767A JP30476795A JPH08220065A JP H08220065 A JPH08220065 A JP H08220065A JP 7304767 A JP7304767 A JP 7304767A JP 30476795 A JP30476795 A JP 30476795A JP H08220065 A JPH08220065 A JP H08220065A
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Abstract
(57)【要約】
【課題】 空気基準極がない平板形固体電解質λセンサ
ーを提供することである。 【解決手段】 二つ又は三つのＰｔ電極を有する酸素イ
オン伝導性固体電解質プレート２１の一側面に少なくと
も一つ乃至三つのＰｔ電極２２，２３，２４を形成し、
前記Ｐｔ電極のいずれか一つの電極２３をガス拡散阻止
能力の充分な多孔性材質２５で被覆して酸素基準極２３
として作動するようにした平板形固体電解質λセンサ
ー。
ーを提供することである。 【解決手段】 二つ又は三つのＰｔ電極を有する酸素イ
オン伝導性固体電解質プレート２１の一側面に少なくと
も一つ乃至三つのＰｔ電極２２，２３，２４を形成し、
前記Ｐｔ電極のいずれか一つの電極２３をガス拡散阻止
能力の充分な多孔性材質２５で被覆して酸素基準極２３
として作動するようにした平板形固体電解質λセンサ
ー。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は平板形固体電解質λ
センサーに関するもので、詳しくは空気基準極がない固
体電解質平板形λセンサーに関するものである。
センサーに関するもので、詳しくは空気基準極がない固
体電解質平板形λセンサーに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】自動車の排気ガスの浄化と燃比向上のた
め、エンジンからの排気ガス中に含まれている酸素濃度
を検出する。この際、固体中の電荷移動が主に酸素イオ
ンによりなる固体電解質ガスセンサーが用いられてい
る。即ち、酸素イオン伝導性固体電解質基板の両側面に
電極を形成した後、各電極に相違する酸素分圧のガス
（一般に空気がある方を基準極とし、他方は排気ガス側
に向かうようにする）を通過させた場合、両電極間にネ
ルンスト（Nernst）式による起電力が発生する原理を用
いて自動車排気ガスの最適浄化制御点である空燃比を１
４．７（完全燃焼のための理論空燃比）に正確に制御で
きるλ型酸素センサーが開発され、自動車の燃料をフィ
ードバックコントロール（Feed Back Control ）させて
いる。この際、排気ガスから電極（陰極）を保護し応答
性を向上させるために多孔性の酸化物皮膜が用いられて
いる。
め、エンジンからの排気ガス中に含まれている酸素濃度
を検出する。この際、固体中の電荷移動が主に酸素イオ
ンによりなる固体電解質ガスセンサーが用いられてい
る。即ち、酸素イオン伝導性固体電解質基板の両側面に
電極を形成した後、各電極に相違する酸素分圧のガス
（一般に空気がある方を基準極とし、他方は排気ガス側
に向かうようにする）を通過させた場合、両電極間にネ
ルンスト（Nernst）式による起電力が発生する原理を用
いて自動車排気ガスの最適浄化制御点である空燃比を１
４．７（完全燃焼のための理論空燃比）に正確に制御で
きるλ型酸素センサーが開発され、自動車の燃料をフィ
ードバックコントロール（Feed Back Control ）させて
いる。この際、排気ガスから電極（陰極）を保護し応答
性を向上させるために多孔性の酸化物皮膜が用いられて
いる。
【０００３】このような酸素イオン伝導性固体電解質セ
ンサーは自動車のエンジンだけでなく、工業炉及び大型
ボイラーの完全燃焼のため、又は金属の機械的特性向上
のための溶融炉の酸素残存量制御用に広く用いられてい
る。
ンサーは自動車のエンジンだけでなく、工業炉及び大型
ボイラーの完全燃焼のため、又は金属の機械的特性向上
のための溶融炉の酸素残存量制御用に広く用いられてい
る。
【０００４】一方、従来の固体電解質型λセンサーは外
部空気を基準極として使用するため、通常、図５に示す
ように、ＹＳＺ（Ｙ2 Ｏ3 が固溶されたＺｒＯ2 ）チュ
ーブを使用している。すなわち、図５に示すセンサー
は、チューブ形の固体電解質１の内側に空気基準極２を
設けると共に、外側にセンシング電極３を設け、センシ
ング電極３の表面に多孔質（保護）層４を設けて、両電
極２，３に接続したリード線５を介して起電力Ｖｓを出
力するものである。
部空気を基準極として使用するため、通常、図５に示す
ように、ＹＳＺ（Ｙ2 Ｏ3 が固溶されたＺｒＯ2 ）チュ
ーブを使用している。すなわち、図５に示すセンサー
は、チューブ形の固体電解質１の内側に空気基準極２を
設けると共に、外側にセンシング電極３を設け、センシ
ング電極３の表面に多孔質（保護）層４を設けて、両電
極２，３に接続したリード線５を介して起電力Ｖｓを出
力するものである。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、このよ
うなチューブ形センサーは空気基準極が外部に露出され
なければならず、排気ガス等の検知ガスから完全に遮断
されなければならないので、構造が複雑であり、特に自
動車等に装着する時、密封が難しい欠点がある。
うなチューブ形センサーは空気基準極が外部に露出され
なければならず、排気ガス等の検知ガスから完全に遮断
されなければならないので、構造が複雑であり、特に自
動車等に装着する時、密封が難しい欠点がある。
【０００６】又、ヒーターを装着するのに難しさがあ
り、大型であるから短時間に動作温度に到達し得なくて
排気ガスの流出が特に激しいコールドスタート（cold s
tart）時にフィードバック制御することができない欠点
があった。
り、大型であるから短時間に動作温度に到達し得なくて
排気ガスの流出が特に激しいコールドスタート（cold s
tart）時にフィードバック制御することができない欠点
があった。
【０００７】一方、ＴｉＯ2 、ＳｒＴｉＯ3 等の半導性
セラミックを使用した平板形センサーらはこのような問
題を解決することができたが、長期信頼性等の問題が解
決されなくて実用化には至らないのが実情である。
セラミックを使用した平板形センサーらはこのような問
題を解決することができたが、長期信頼性等の問題が解
決されなくて実用化には至らないのが実情である。
【０００８】故に、本発明者は前述した従来のチューブ
形λセンサーの問題点が空気を基準極に使用するしかな
いことから起因することを着案し空気基準極を除去する
色々の方法を模索したところ、固体電解質の酸素ポンピ
ング性質を用いると空気基準極に代わる人為的酸素基準
極を使用することができることを確認し、本発明はこの
事実に基づいて完成された。
形λセンサーの問題点が空気を基準極に使用するしかな
いことから起因することを着案し空気基準極を除去する
色々の方法を模索したところ、固体電解質の酸素ポンピ
ング性質を用いると空気基準極に代わる人為的酸素基準
極を使用することができることを確認し、本発明はこの
事実に基づいて完成された。
【０００９】
【発明の目的】従って、本発明の目的は空気基準極がな
い固体電解質平板形λセンサーを提供することにある。
い固体電解質平板形λセンサーを提供することにある。
【００１０】
【課題を解決するための手段】前記目的を達成するため
の本発明の平板形固体電解質λセンサーは、酸素イオン
伝導性固体電解質素子の一面に形成されたＰｔ電極の一
つの電極を開気孔を有する多孔性材質で被覆して酸素基
準極に形成させることで構成される。
の本発明の平板形固体電解質λセンサーは、酸素イオン
伝導性固体電解質素子の一面に形成されたＰｔ電極の一
つの電極を開気孔を有する多孔性材質で被覆して酸素基
準極に形成させることで構成される。
【００１１】より具体的には、請求項１に記載している
ように、複数の、例えば二つ又は三つのＰｔ電極を有す
る酸素イオン伝導性固体電解質プレートの一側面に少な
くとも一つ乃至三つのＰｔ電極が形成され、前記Ｐｔ電
極のいずれか一つの電極がガス拡散阻止能力の充分な多
孔性材質で被覆されて酸素基準極として作動するように
した構成としたことを特徴としている。
ように、複数の、例えば二つ又は三つのＰｔ電極を有す
る酸素イオン伝導性固体電解質プレートの一側面に少な
くとも一つ乃至三つのＰｔ電極が形成され、前記Ｐｔ電
極のいずれか一つの電極がガス拡散阻止能力の充分な多
孔性材質で被覆されて酸素基準極として作動するように
した構成としたことを特徴としている。
【００１２】そして、本発明の平板形固体電解質λセン
サーの実施態様においては、請求項２に記載しているよ
うに、前記酸素イオン伝導性固体電解質プレートの一側
面に二つのＰｔ電極が形成され、前記プレートの反対面
に一つのＰｔ電極が形成されたものとすることができ、
請求項３に記載しているように、前記Ｐｔ電極が三つで
ある場合、一つの電極は酸素基準極であり、残り二つ中
の一つのＰｔ電極はポンピング電極であり、他の一つの
電極はセンシング電極であるものとすることができ、請
求項３の場合に、請求項４に記載しているように、前記
酸素基準極がポンピング電極から印加されたポンピング
電流により形成されるものとすることができ、請求項４
の場合に、請求項５に記載しているように、前記ポンピ
ング電流が、一定電圧と一定抵抗を直列に連結して印加
されるものとすることができ、請求項３の場合に、請求
項６に記載しているように、前記酸素基準極が一定電源
（constant current source ）により形成されるものと
することができる。
サーの実施態様においては、請求項２に記載しているよ
うに、前記酸素イオン伝導性固体電解質プレートの一側
面に二つのＰｔ電極が形成され、前記プレートの反対面
に一つのＰｔ電極が形成されたものとすることができ、
請求項３に記載しているように、前記Ｐｔ電極が三つで
ある場合、一つの電極は酸素基準極であり、残り二つ中
の一つのＰｔ電極はポンピング電極であり、他の一つの
電極はセンシング電極であるものとすることができ、請
求項３の場合に、請求項４に記載しているように、前記
酸素基準極がポンピング電極から印加されたポンピング
電流により形成されるものとすることができ、請求項４
の場合に、請求項５に記載しているように、前記ポンピ
ング電流が、一定電圧と一定抵抗を直列に連結して印加
されるものとすることができ、請求項３の場合に、請求
項６に記載しているように、前記酸素基準極が一定電源
（constant current source ）により形成されるものと
することができる。
【００１３】同じく、本発明の平板形固体電解質λセン
サーの実施態様においては、請求項７に記載しているよ
うに、前記Ｐｔ電極が二つである場合、一つの電極は酸
素基準極であり、残り一つのＰｔ電極はポンピング及び
センシング電極であるものとすることができ、請求項７
の場合に、請求項８に記載しているように、前記酸素基
準極がポンピング電極から印加されたポンピング電流に
より形成されるものとすることができ、請求項８の場合
に、請求項９に記載しているように、前記ポンピング電
流が、一定電圧と一定抵抗を直列に連結して印加される
ものとすることができる。
サーの実施態様においては、請求項７に記載しているよ
うに、前記Ｐｔ電極が二つである場合、一つの電極は酸
素基準極であり、残り一つのＰｔ電極はポンピング及び
センシング電極であるものとすることができ、請求項７
の場合に、請求項８に記載しているように、前記酸素基
準極がポンピング電極から印加されたポンピング電流に
より形成されるものとすることができ、請求項８の場合
に、請求項９に記載しているように、前記ポンピング電
流が、一定電圧と一定抵抗を直列に連結して印加される
ものとすることができる。
【００１４】さらに、本発明の平板形固体電解質λセン
サーの実施態様においては、請求項１０に記載している
ように、前記センサーの適切な一定電流量が燃料過剰領
域での最小λ値に相応するガス条件下での制限電流量に
よって決定されるものとすることができる。
サーの実施態様においては、請求項１０に記載している
ように、前記センサーの適切な一定電流量が燃料過剰領
域での最小λ値に相応するガス条件下での制限電流量に
よって決定されるものとすることができる。
【００１５】
【発明の実施の形態】以下、本発明を添付図面の図１及
び図２を参照してより具体的に説明すると次のようであ
る。
び図２を参照してより具体的に説明すると次のようであ
る。
【００１６】本発明のセンサーはセンサー部とヒーター
部とに大別され、ヒーター部はセンサーの動作可能温度
（４５０〜９００℃）となるようにするため設置したも
ので、自動車の排気ガス等の高温下で使用する時は除去
可能な部分である。
部とに大別され、ヒーター部はセンサーの動作可能温度
（４５０〜９００℃）となるようにするため設置したも
ので、自動車の排気ガス等の高温下で使用する時は除去
可能な部分である。
【００１７】一方、センサー部は、図１（Ａ）に示すよ
うに、ＹＳＺ等の固体電解質２１の平板上に三つのＰｔ
電極２２、２３、２４を形成し、これらのうち一電極
（ここではＰｔ電極２３）には殆どガス拡散されない層
で構成されたガス拡散障壁２５を形成させる。
うに、ＹＳＺ等の固体電解質２１の平板上に三つのＰｔ
電極２２、２３、２４を形成し、これらのうち一電極
（ここではＰｔ電極２３）には殆どガス拡散されない層
で構成されたガス拡散障壁２５を形成させる。
【００１８】そして、その上に、図１（Ａ）に示した極
性で電圧（Ｖｐ）を印加させると、酸素は電極２２から
固体電解質２１を介して電極２３に移動して、前記電極
２３の部位の酸素分圧を上昇させる。ここで、電極２３
の部位の酸素分圧は層２５のガス拡散阻止能力に合わせ
て電圧（Ｖｐ），抵抗（Ｒｐ）を適宜調節すると、０．
１〜１０ａｔｍの殆ど一定値に維持されるので、電極２
３が酸素基準極として使用できる。
性で電圧（Ｖｐ）を印加させると、酸素は電極２２から
固体電解質２１を介して電極２３に移動して、前記電極
２３の部位の酸素分圧を上昇させる。ここで、電極２３
の部位の酸素分圧は層２５のガス拡散阻止能力に合わせ
て電圧（Ｖｐ），抵抗（Ｒｐ）を適宜調節すると、０．
１〜１０ａｔｍの殆ど一定値に維持されるので、電極２
３が酸素基準極として使用できる。
【００１９】酸素基準極を形成させるための電圧（Ｖ
ｐ）と抵抗（Ｒｐ）の設定条件は次のようである。
ｐ）と抵抗（Ｒｐ）の設定条件は次のようである。
【００２０】図１（Ｂ）は燃料過剰領域で図１（Ａ）の
方向に電圧（Ｖｐ）を印加する時の電流（ｉｐ）の変化
を示すグラフである（ガス条件：Ｎ2 ７０％、ＣＯ2
２０％、ＣＯ １０％）。図１（Ｂ）において、領域
ｂは電圧Ｖｐが増加しても電流は増加しない、いわゆる
制限電流領域であり、前記領域で流れる電流量はガス拡
散障壁２５を通過するＣＯ、Ｈ2 、ＨＣ等のガス拡散量
に応じて影響を受ける。
方向に電圧（Ｖｐ）を印加する時の電流（ｉｐ）の変化
を示すグラフである（ガス条件：Ｎ2 ７０％、ＣＯ2
２０％、ＣＯ １０％）。図１（Ｂ）において、領域
ｂは電圧Ｖｐが増加しても電流は増加しない、いわゆる
制限電流領域であり、前記領域で流れる電流量はガス拡
散障壁２５を通過するＣＯ、Ｈ2 、ＨＣ等のガス拡散量
に応じて影響を受ける。
【００２１】従って、燃料過剰の程度が大きいほどに
（λ値が小さいほどに）制限電流量が大きくなる。一
方、前記領域では印加電圧（Ｖｐ）増加分の大部分が電
極２３付近の酸素分圧の増加により発生する逆電位（Ｖ
ｐ’）により相殺される。
（λ値が小さいほどに）制限電流量が大きくなる。一
方、前記領域では印加電圧（Ｖｐ）増加分の大部分が電
極２３付近の酸素分圧の増加により発生する逆電位（Ｖ
ｐ’）により相殺される。
【００２２】酸素基準極を形成するための第１の条件は
燃料過剰で逆電位（Ｖｐ’）が０．８Ｖ以上でなければ
ならないが、これは電圧Ｖｐが基本的に図１（Ｂ）の領
域ｃに位置することを意味する。ところで、領域ｃが始
まる電圧Ｖｐはセンサーの特性、燃料過剰の程度及び動
作温度等によって大きく変わる値であるので、適正電圧
（Ｖｐ）を設定するのに難しさが伴う。即ち、電圧（Ｖ
ｐ）を１Ｖ程度に小さく設定する場合には逆電位（Ｖ
ｐ’）が０．８Ｖ以下となりやすく、これに鑑みて２Ｖ
程度に充分に設定すると電流（ｉｐ）が著しく大きくな
り、さらにブラックニング（blackening）現象を誘発さ
せる危険もある。また、次のように燃料希薄と燃料過剰
での電流差も電圧（Ｖｐ）設定の難しさを増大させる。
燃料過剰で逆電位（Ｖｐ’）が０．８Ｖ以上でなければ
ならないが、これは電圧Ｖｐが基本的に図１（Ｂ）の領
域ｃに位置することを意味する。ところで、領域ｃが始
まる電圧Ｖｐはセンサーの特性、燃料過剰の程度及び動
作温度等によって大きく変わる値であるので、適正電圧
（Ｖｐ）を設定するのに難しさが伴う。即ち、電圧（Ｖ
ｐ）を１Ｖ程度に小さく設定する場合には逆電位（Ｖ
ｐ’）が０．８Ｖ以下となりやすく、これに鑑みて２Ｖ
程度に充分に設定すると電流（ｉｐ）が著しく大きくな
り、さらにブラックニング（blackening）現象を誘発さ
せる危険もある。また、次のように燃料希薄と燃料過剰
での電流差も電圧（Ｖｐ）設定の難しさを増大させる。
【００２３】セル（cell）に流れる電流（ｉｐ）は次の
式（１）を満足する。
式（１）を満足する。
【００２４】 ｉｐ＝（Ｖｐ−Ｖｐ’）／Ｒｓ・・・（１） ここで、Ｒｓはセンサーの抵抗である。
【００２５】抵抗（Ｒｓ）が１００Ωであると仮定する
場合、電圧（Ｖｐ）を１Ｖに設定すると、この時に流れ
る電流（ｉｐ）は過剰燃料の場合は約２ｍＡである反
面、逆電位（Ｖｐ’）値がおおよそ０である燃料希薄で
は約１０ｍＡのかなり大きい電流が流れることがわか
る。
場合、電圧（Ｖｐ）を１Ｖに設定すると、この時に流れ
る電流（ｉｐ）は過剰燃料の場合は約２ｍＡである反
面、逆電位（Ｖｐ’）値がおおよそ０である燃料希薄で
は約１０ｍＡのかなり大きい電流が流れることがわか
る。
【００２６】従って、流れる電流（ｉｐ）を一定にする
方式を採択する必要がある。過剰燃料での電圧（Ｖｐ）
が図１（Ｂ）の領域ｃに位置すべきであるという条件を
満足するためには電流（ｉｐ）が制限電流値以上でなけ
ればならない。この制限電流量はλ値（ＣＯ、Ｈ2 、Ｈ
Ｃの量）の影響を受けるので、動作λ範囲を決定すると
適正電流（ｉｐ）を設定することができる。即ち、酸素
基準電極を形成するための第２条件は電圧の代わりに電
流制御を採択することである。
方式を採択する必要がある。過剰燃料での電圧（Ｖｐ）
が図１（Ｂ）の領域ｃに位置すべきであるという条件を
満足するためには電流（ｉｐ）が制限電流値以上でなけ
ればならない。この制限電流量はλ値（ＣＯ、Ｈ2 、Ｈ
Ｃの量）の影響を受けるので、動作λ範囲を決定すると
適正電流（ｉｐ）を設定することができる。即ち、酸素
基準電極を形成するための第２条件は電圧の代わりに電
流制御を採択することである。
【００２７】適正電流値を決定するための方法は次のよ
うである。
うである。
【００２８】１．センサーが動作する範囲、特に燃料過
剰でのλの最小値を設定する。
剰でのλの最小値を設定する。
【００２９】２．前記最小λ値のガス条件下で製造セン
サーに対して、図１（Ａ）の電極２３から電極２２に電
流が流れるように電圧を印加し、Ｉ−Ｖ特性を測定して
制限電流量を求める。
サーに対して、図１（Ａ）の電極２３から電極２２に電
流が流れるように電圧を印加し、Ｉ−Ｖ特性を測定して
制限電流量を求める。
【００３０】一定電源（constant current source ）を
使用して前述した条件を満足する一定電流を印加すると
センサー基準極を形成することができるが、図１（Ａ）
のように適正電圧（Ｖｐ）と抵抗（Ｒｐ）を直列に構成
しても類似効果が得られる。この際、電圧（Ｖｐ）と抵
抗（Ｒｐ）は次の式により決定される。
使用して前述した条件を満足する一定電流を印加すると
センサー基準極を形成することができるが、図１（Ａ）
のように適正電圧（Ｖｐ）と抵抗（Ｒｐ）を直列に構成
しても類似効果が得られる。この際、電圧（Ｖｐ）と抵
抗（Ｒｐ）は次の式により決定される。
【００３１】 Ｒｐ＋Ｒｓ＝（Ｖｐ−Ｖｐ’）／ｉｐ ＝（Ｖｐ−０．８）／ｉｐ・・・（２） ここで、Ｒｓはセルの抵抗である。
【００３２】従って、先ずＲｐ≫Ｒｓの条件を満足する
任意のＲｐを設定し、所望電流（ｉｐ）値に相応する電
圧（Ｖｐ）を式（２）を用いて設定すると、逆電位（Ｖ
ｐ’）が０Ｖ程度である希薄燃料でも電流値ｉｐが大き
く変わらない。例えば、センサー抵抗（Ｒｓ）１００
Ω、電流（ｉｐ）１ｍＡであるセンサーにおいて、直列
接続の抵抗（Ｒｐ）を１ｋΩに設定すると、電圧Ｖｐは
１．９Ｖであり、この時の最大電流量は１．７ｍＡとな
る。
任意のＲｐを設定し、所望電流（ｉｐ）値に相応する電
圧（Ｖｐ）を式（２）を用いて設定すると、逆電位（Ｖ
ｐ’）が０Ｖ程度である希薄燃料でも電流値ｉｐが大き
く変わらない。例えば、センサー抵抗（Ｒｓ）１００
Ω、電流（ｉｐ）１ｍＡであるセンサーにおいて、直列
接続の抵抗（Ｒｐ）を１ｋΩに設定すると、電圧Ｖｐは
１．９Ｖであり、この時の最大電流量は１．７ｍＡとな
る。
【００３３】一方、抵抗（Ｒｐ）を１０ｋΩに設定する
場合、電圧（Ｖｐ）は約１１Ｖに設定すべきであり、こ
の時の最大電流量は約１．１ｍＡとなる。
場合、電圧（Ｖｐ）は約１１Ｖに設定すべきであり、こ
の時の最大電流量は約１．１ｍＡとなる。
【００３４】従って、残り一つのセンシング電極２４と
酸素基準極２３との間に発生する電圧は排気ガス中の酸
素分圧と酸素基準極２３の酸素分圧により決定されるの
でλセンサーとしての使用が可能なものである。
酸素基準極２３との間に発生する電圧は排気ガス中の酸
素分圧と酸素基準極２３の酸素分圧により決定されるの
でλセンサーとしての使用が可能なものである。
【００３５】ところで、本発明のセンサーの場合、酸素
ポンピングセル（電極２２、２３）と測定セルが固体電
解質（２１）と電極（２３）を共有するため、ポンピン
グ電圧の一部が測定電圧に加わることになる。これによ
り、測定電圧の全般的な上昇が起こり、この傾向は図１
（Ｂ）の制限電流領域が始まる点の電圧（Ｖｐ）が大き
いほどに大きくなる。従って、このような影響を減少さ
せるためにはガス拡散障壁２５のガス拡散阻止能力を充
分にしなければいけない。実験の結果、前記電圧Ｖｐ値
が０．６Ｖ以下であると、これによる影響が０．２Ｖ以
下であって使用上の大きい問題は現れなかった。
ポンピングセル（電極２２、２３）と測定セルが固体電
解質（２１）と電極（２３）を共有するため、ポンピン
グ電圧の一部が測定電圧に加わることになる。これによ
り、測定電圧の全般的な上昇が起こり、この傾向は図１
（Ｂ）の制限電流領域が始まる点の電圧（Ｖｐ）が大き
いほどに大きくなる。従って、このような影響を減少さ
せるためにはガス拡散障壁２５のガス拡散阻止能力を充
分にしなければいけない。実験の結果、前記電圧Ｖｐ値
が０．６Ｖ以下であると、これによる影響が０．２Ｖ以
下であって使用上の大きい問題は現れなかった。
【００３６】さらに、本発明のセンサーは同一平面上に
電極を形成せず、固体電解質プレートの一側面に一つ又
は二つを、反対面に一つ又は二つを形成した後、これら
のうち一つの電極を酸素基準電極として使用することが
できる。又は、前記固体電解質の一側面に一つの電極が
形成された場合、その反対面に二つの電極が形成され、
一側面に二つの電極が形成された場合、その反対面に一
つの電極が形成されたものとすることができる。このよ
うな形態のセンサーはその特性面において大きい差は発
生せず、露出された電極上には電極を保護し触媒特性を
発揮するように多孔質絶縁層（ないしは多孔質保護層）
を形成させる必要がある。
電極を形成せず、固体電解質プレートの一側面に一つ又
は二つを、反対面に一つ又は二つを形成した後、これら
のうち一つの電極を酸素基準電極として使用することが
できる。又は、前記固体電解質の一側面に一つの電極が
形成された場合、その反対面に二つの電極が形成され、
一側面に二つの電極が形成された場合、その反対面に一
つの電極が形成されたものとすることができる。このよ
うな形態のセンサーはその特性面において大きい差は発
生せず、露出された電極上には電極を保護し触媒特性を
発揮するように多孔質絶縁層（ないしは多孔質保護層）
を形成させる必要がある。
【００３７】一方、図２に示すように、二つの電極のみ
を使用してもλセンサーとして使用できる。この場合に
は、酸素基準極を形成するための最大電流量は三つの電
極を使用した場合と同様な方法で決定することができる
が、但し、センシング（測定）電極部位の酸素がポンピ
ングにより消費されるので、この電流量が最大限減らせ
るようにガス拡散障壁が設置されるべきである。
を使用してもλセンサーとして使用できる。この場合に
は、酸素基準極を形成するための最大電流量は三つの電
極を使用した場合と同様な方法で決定することができる
が、但し、センシング（測定）電極部位の酸素がポンピ
ングにより消費されるので、この電流量が最大限減らせ
るようにガス拡散障壁が設置されるべきである。
【００３８】このような構造を有する本発明によるセン
サーはＺｒＯ2 にＹ2 Ｏ3 、ＭｇＯ又はＣａＯ等を少量
固溶させて安定化させたＹＳＺ、ＭＳＺ又はＣＳＺ等の
固体電解質で、両端間に酸素分圧差があると、下記式
（３）で表示されるネルンスト式により起電力（ＥＭ
Ｆ）が発生する。
サーはＺｒＯ2 にＹ2 Ｏ3 、ＭｇＯ又はＣａＯ等を少量
固溶させて安定化させたＹＳＺ、ＭＳＺ又はＣＳＺ等の
固体電解質で、両端間に酸素分圧差があると、下記式
（３）で表示されるネルンスト式により起電力（ＥＭ
Ｆ）が発生する。
【００３９】 ＥＭＦ＝（ＲＴ／４Ｆ）／ｌｎ（Ｐ1 ／Ｐ2 ）・・・（３） ここで、Ｒは気体常数、Ｆはファラデー常数、Ｔは絶対
温度、Ｐ1 、Ｐ2 は酸素分圧を示す。
温度、Ｐ1 、Ｐ2 は酸素分圧を示す。
【００４０】従来のチューブ形λセンサー（図５参照）
では、空気を基準極として使用するので、Ｐ1 は約０．
２１気圧で一定であるので、ＥＭＦを測定するとその時
の酸素圧を測定することができるものである。しかし、
本発明では、図１（Ａ）に示すように、センサーを構成
し、酸素ポンピングにより酸素基準室内の酸素圧が上昇
して殆ど一定値に維持されるので、同一原理が適用され
る。但し、この場合は基準酸素圧がいくらかの程度変わ
ることがあるが、λセンサーとして使用するのに大きい
問題はない。即ち、空気過剰（λ＞１）と燃料過剰（λ
＜１）での酸素分圧差がかなり大きいため、このような
酸素基準室内の酸素圧差は殆ど無視し得るものである。
では、空気を基準極として使用するので、Ｐ1 は約０．
２１気圧で一定であるので、ＥＭＦを測定するとその時
の酸素圧を測定することができるものである。しかし、
本発明では、図１（Ａ）に示すように、センサーを構成
し、酸素ポンピングにより酸素基準室内の酸素圧が上昇
して殆ど一定値に維持されるので、同一原理が適用され
る。但し、この場合は基準酸素圧がいくらかの程度変わ
ることがあるが、λセンサーとして使用するのに大きい
問題はない。即ち、空気過剰（λ＞１）と燃料過剰（λ
＜１）での酸素分圧差がかなり大きいため、このような
酸素基準室内の酸素圧差は殆ど無視し得るものである。
【００４１】一方、本発明の図２（Ａ）及び図２（Ｂ）
に示すように、二つの電極のみでセンサーを構成する
と、下記式（４）と（５）が成立する。
に示すように、二つの電極のみでセンサーを構成する
と、下記式（４）と（５）が成立する。
【００４２】 Ｖｏ＝ｉＲｏ＝Ｖｐ−ｉｐＲｐ＝Ｖｓ−ｉｓＲｓ・・・（４） ｉ＝ｉｓ＋ｉｐ・・・（５） この際、Ｖｓは酸素基準室と排気ガスの酸素分圧差によ
り発生する起電力であるので、排気ガスの条件に応じて
変わる。ところで、本発明により測定可能なものは起電
力Ｖｓでなく電圧Ｖｏであるので、起電力Ｖｓが電圧Ｖ
ｏとおおよそ同一値を有するようにする必要がある。こ
のような条件は抵抗Ｒｐをセンサーの内部抵抗Ｒｓより
充分に大きくすると可能である。即ち、電圧Ｖｏを測定
するためには、通常、かなり大きい抵抗Ｒｏをかけ、こ
の時に流れる電流ｉはおおよそ０であるので、式（４）
と（５）を組合すると下記式（６）が得られる。
り発生する起電力であるので、排気ガスの条件に応じて
変わる。ところで、本発明により測定可能なものは起電
力Ｖｓでなく電圧Ｖｏであるので、起電力Ｖｓが電圧Ｖ
ｏとおおよそ同一値を有するようにする必要がある。こ
のような条件は抵抗Ｒｐをセンサーの内部抵抗Ｒｓより
充分に大きくすると可能である。即ち、電圧Ｖｏを測定
するためには、通常、かなり大きい抵抗Ｒｏをかけ、こ
の時に流れる電流ｉはおおよそ０であるので、式（４）
と（５）を組合すると下記式（６）が得られる。
【００４３】 Ｒｓ／Ｒｐ＝（Ｖｏ−Ｖｓ）／（Ｖｐ−Ｖｏ）・・・（６） 従って、Ｒｓ≪Ｒｐの場合、ＶｏはＶｓとおおよそ一致
することになる。
することになる。
【００４４】従って、本発明の固体電解質平板形λセン
サーは空気基準極がないので、構造が簡単で設置が容易
であり、小型化が可能であり、ヒーター型の場合、短時
間内に動作温度に到達し、量産性及び再現性が優れた利
点があるものである。
サーは空気基準極がないので、構造が簡単で設置が容易
であり、小型化が可能であり、ヒーター型の場合、短時
間内に動作温度に到達し、量産性及び再現性が優れた利
点があるものである。
【００４５】
【実施例】以下、実施例に基づいて本発明をより具体的
に説明するが、下記の例に本発明の範疇が限定されるも
のではない。
に説明するが、下記の例に本発明の範疇が限定されるも
のではない。
【００４６】実施例１ ８ＹＳＺ粉末を使用してドクターブレード法で０．８ｍ
ｍ厚さのグリーンシートを製造した後、図１のようにＰ
ｔ電極２２，２３，２４をプリンティングさせた。粒径
１０μｍのアルミナと８ＹＳＺ（粒径５００Ａ）を１：
１に混合してペーストを製造し三つの電極２２，２３，
２４上に塗布した後、酸素基準室として使用すべき電極
２３はその上にグリーンシート用スラリーを再び塗布さ
せた。ヒーターは０．８ｍｍ厚さのアルミナにＰｔをプ
リンティングして製造した。乾燥の終わった試片は１５
００℃で２時間焼結させた。ここにリードワイヤ（lead
wire ）を連結した後、ＣＯ１０％での制限電流量が約
１００μＡであったので、ポンピング電圧（Ｖｐ）は３
Ｖ、直列接続の抵抗Ｒｐは３０ＫΩを設定した。測定は
Ｎ2 、ＣＯ2 、ＣＯ、Ｏ2 の模擬ガスを使用し、センサ
ー部の温度は約６５０℃であった。その結果を図３に示
した。この図３はλ値（空気過剰率）に対する起電力Ｖ
ｓの変化を示すものであり、ラムダ（空気過剰率）１付
近で電圧が急激に変化する特性となっていることから、
空燃比の制御に適したセンサー特性が得られている。
ｍ厚さのグリーンシートを製造した後、図１のようにＰ
ｔ電極２２，２３，２４をプリンティングさせた。粒径
１０μｍのアルミナと８ＹＳＺ（粒径５００Ａ）を１：
１に混合してペーストを製造し三つの電極２２，２３，
２４上に塗布した後、酸素基準室として使用すべき電極
２３はその上にグリーンシート用スラリーを再び塗布さ
せた。ヒーターは０．８ｍｍ厚さのアルミナにＰｔをプ
リンティングして製造した。乾燥の終わった試片は１５
００℃で２時間焼結させた。ここにリードワイヤ（lead
wire ）を連結した後、ＣＯ１０％での制限電流量が約
１００μＡであったので、ポンピング電圧（Ｖｐ）は３
Ｖ、直列接続の抵抗Ｒｐは３０ＫΩを設定した。測定は
Ｎ2 、ＣＯ2 、ＣＯ、Ｏ2 の模擬ガスを使用し、センサ
ー部の温度は約６５０℃であった。その結果を図３に示
した。この図３はλ値（空気過剰率）に対する起電力Ｖ
ｓの変化を示すものであり、ラムダ（空気過剰率）１付
近で電圧が急激に変化する特性となっていることから、
空燃比の制御に適したセンサー特性が得られている。
【００４７】実施例２ 前記実施例１と同様な方法で、図２（Ａ）のように、二
つの電極２８，２９を有するセンサーを製造して測定し
た結果は図４に示したようである。この際、ポンピング
電圧Ｖｐは２Ｖ、直列接続の抵抗Ｒｐは１００ＫΩであ
った。この時のポンピング電流は約２０μＡであった。
つの電極２８，２９を有するセンサーを製造して測定し
た結果は図４に示したようである。この際、ポンピング
電圧Ｖｐは２Ｖ、直列接続の抵抗Ｒｐは１００ＫΩであ
った。この時のポンピング電流は約２０μＡであった。
【００４８】図３及び図４から分かるように、λ＝１で
ある付近で急激な起電力の変化が現れて、従来のλセン
サーと特性上の差が殆どなかった。一方、本発明は従来
のλセンサーと同じＹＳＺを使用するので、耐久性にお
いても大きい差を現わさないものとなる。
ある付近で急激な起電力の変化が現れて、従来のλセン
サーと特性上の差が殆どなかった。一方、本発明は従来
のλセンサーと同じＹＳＺを使用するので、耐久性にお
いても大きい差を現わさないものとなる。
【００４９】
【発明の効果】前述したように、本発明による平板形λ
センサーはＹＳＺ等の酸素イオン伝導性固体電解質の酸
素ポンピング特性を用いて人為的に酸素基準極を形成さ
せるもので、本発明によるλセンサーは空気基準極が不
要であるので製造が容易であるばかりでなく、小型化が
可能であるので、ヒーターを付着した場合、短時間に動
作温度に到達するという利点がある。また、本発明によ
るセンサーは薄膜、厚膜等の方法で製造可能であるので
量産性及び再現性が優れたものである。
センサーはＹＳＺ等の酸素イオン伝導性固体電解質の酸
素ポンピング特性を用いて人為的に酸素基準極を形成さ
せるもので、本発明によるλセンサーは空気基準極が不
要であるので製造が容易であるばかりでなく、小型化が
可能であるので、ヒーターを付着した場合、短時間に動
作温度に到達するという利点がある。また、本発明によ
るセンサーは薄膜、厚膜等の方法で製造可能であるので
量産性及び再現性が優れたものである。
【図１】図１（Ａ）は本発明の一実施例によるλ型酸素
センサーの概略断面図であり、図１（Ｂ）は燃料過剰領
域での図１（Ａ）のセンサーの電圧変化による電流量変
化を示すグラフである。
センサーの概略断面図であり、図１（Ｂ）は燃料過剰領
域での図１（Ａ）のセンサーの電圧変化による電流量変
化を示すグラフである。
【図２】図２（Ａ）は本発明の他の実施例によるλ型酸
素センサーの概略断面図であり、図２（Ｂ）は図２
（Ａ）のセンサーの作動回路図である。
素センサーの概略断面図であり、図２（Ｂ）は図２
（Ａ）のセンサーの作動回路図である。
【図３】本発明の一実施例によるλ型酸素センサーのλ
値に対するＶｓ値変化を示すグラフである。
値に対するＶｓ値変化を示すグラフである。
【図４】本発明の他の実施例によるλ型酸素センサーの
λ値に対するＶｏ値変化を示すグラフである。
λ値に対するＶｏ値変化を示すグラフである。
【図５】従来の技術により製造されたλ型酸素センサー
の概略断面図である。
の概略断面図である。
２１ 酸素イオン伝導性固体電解質 ２２ ポンピング電極（又はＰｔ電極） ２３、２９ 酸素基準極（又はＰｔ電極） ２４、２８ センシング電極（又はＰｔ電極） ２５、３０ ガス拡散障壁 ２６ 保護膜 ２７ ヒーター Ｖｐ 電圧 ｉｐ 電流 Ｖｓ センサーの起電力 Ｖｐ´ 逆電位 Ｒｐ 直列接続の抵抗 Ｒｓ センサーの抵抗
Claims (10)
- 【請求項１】複数のＰｔ電極を有する酸素イオン伝導性
固体電解質プレートの一側面に少なくとも一つ乃至三つ
のＰｔ電極が形成され、前記Ｐｔ電極のいずれか一つの
電極がガス拡散阻止能力の充分な多孔性材質で被覆され
て酸素基準極として作動するようにしたことを特徴とす
る平板形固体電解質λセンサー。 - 【請求項２】前記酸素イオン伝導性固体電解質プレート
の一側面に二つのＰｔ電極が形成され、前記プレートの
反対面に一つのＰｔ電極が形成されたことを特徴とする
請求項１記載の平板形固体電解質λセンサー。 - 【請求項３】前記Ｐｔ電極が三つである場合、一つの電
極は酸素基準極であり、残り二つ中の一つのＰｔ電極は
ポンピング電極であり、他の一つの電極はセンシング電
極であることを特徴とする請求項１記載の平板形固体電
解質λセンサー。 - 【請求項４】前記酸素基準極がポンピング電極から印加
されたポンピング電流により形成されることを特徴とす
る請求項３記載の平板形固体電解質λセンサー。 - 【請求項５】前記ポンピング電流が、一定電圧と一定抵
抗を直列に連結して印加されることを特徴とする請求項
４記載の平板形固体電解質λセンサー。 - 【請求項６】前記酸素基準極が一定電源（constant cur
rent source ）により形成されることを特徴とする請求
項３記載の平板形固体電解質λセンサー。 - 【請求項７】前記Ｐｔ電極が二つである場合、一つの電
極は酸素基準極であり、残り一つのＰｔ電極はポンピン
グ及びセンシング電極であることを特徴とする請求項１
記載の平板形固体電解質λセンサー。 - 【請求項８】前記酸素基準極がポンピング電極から印加
されたポンピング電流により形成されることを特徴とす
る請求項７記載の平板形固体電解質λセンサー。 - 【請求項９】前記ポンピング電流が、一定電圧と一定抵
抗を直列に連結して印加されることを特徴とする請求項
８記載の平板形固体電解質λセンサー。 - 【請求項１０】前記センサーの適切な一定電流量が燃料
過剰領域での最小λ値に相応するガス条件下での制限電
流量によって決定されることを特徴とする請求項１記載
の平板形固体電解質λセンサー。
Applications Claiming Priority (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| KR19940030976 | 1994-11-23 | ||
| KR199430976 | 1994-11-23 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH08220065A true JPH08220065A (ja) | 1996-08-30 |
Family
ID=19398810
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP7304767A Pending JPH08220065A (ja) | 1994-11-23 | 1995-11-22 | 平板形固体電解質λセンサー |
Country Status (2)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH08220065A (ja) |
| KR (1) | KR960018580A (ja) |
Citations (7)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPS54164191A (en) * | 1978-06-16 | 1979-12-27 | Nissan Motor | Device for measuring concentration of oxygen |
| JPS55156856A (en) * | 1979-05-25 | 1980-12-06 | Nissan Motor Co Ltd | Oxygen density measuring device |
| JPS55156855A (en) * | 1979-05-25 | 1980-12-06 | Nissan Motor Co Ltd | Air fuel ratio measuring device |
| JPS55166039A (en) * | 1979-06-12 | 1980-12-24 | Nissan Motor Co Ltd | Air fuel ratio detector |
| JPS5621053A (en) * | 1979-07-28 | 1981-02-27 | Nissan Motor Co Ltd | Air-fuel ratio control signal generator |
| JPS60231159A (ja) * | 1984-05-01 | 1985-11-16 | Nissan Motor Co Ltd | 酸素濃度測定装置 |
| JPH045561A (ja) * | 1990-04-23 | 1992-01-09 | Chino Corp | ガス濃度センサ |
-
1995
- 1995-11-17 KR KR1019950042407A patent/KR960018580A/ko not_active Application Discontinuation
- 1995-11-22 JP JP7304767A patent/JPH08220065A/ja active Pending
Patent Citations (7)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPS54164191A (en) * | 1978-06-16 | 1979-12-27 | Nissan Motor | Device for measuring concentration of oxygen |
| JPS55156856A (en) * | 1979-05-25 | 1980-12-06 | Nissan Motor Co Ltd | Oxygen density measuring device |
| JPS55156855A (en) * | 1979-05-25 | 1980-12-06 | Nissan Motor Co Ltd | Air fuel ratio measuring device |
| JPS55166039A (en) * | 1979-06-12 | 1980-12-24 | Nissan Motor Co Ltd | Air fuel ratio detector |
| JPS5621053A (en) * | 1979-07-28 | 1981-02-27 | Nissan Motor Co Ltd | Air-fuel ratio control signal generator |
| JPS60231159A (ja) * | 1984-05-01 | 1985-11-16 | Nissan Motor Co Ltd | 酸素濃度測定装置 |
| JPH045561A (ja) * | 1990-04-23 | 1992-01-09 | Chino Corp | ガス濃度センサ |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| KR960018580A (ko) | 1996-06-17 |
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