JPH09236578A - Entire area oxygen sensor - Google Patents

Entire area oxygen sensor

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JPH09236578A
JPH09236578A JP8044910A JP4491096A JPH09236578A JP H09236578 A JPH09236578 A JP H09236578A JP 8044910 A JP8044910 A JP 8044910A JP 4491096 A JP4491096 A JP 4491096A JP H09236578 A JPH09236578 A JP H09236578A
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JP
Japan
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oxygen
heater
electrode
gas
sensor
Prior art date
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Pending
Application number
JP8044910A
Other languages
Japanese (ja)
Inventor
Shigeru Miyata
繁 宮田
Katsuhisa Yabuta
勝久 薮田
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Niterra Co Ltd
Original Assignee
NGK Spark Plug Co Ltd
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Filing date
Publication date
Application filed by NGK Spark Plug Co Ltd filed Critical NGK Spark Plug Co Ltd
Priority to JP8044910A priority Critical patent/JPH09236578A/en
Publication of JPH09236578A publication Critical patent/JPH09236578A/en
Pending legal-status Critical Current

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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide an entire area oxygen sensor wherein heat conduction efficiency of a heater to a measurement element is improved, the heater can be baked at the same time with a solid electrolyte substrate so that manufacturing process can be simpler, so, light-off time of a sensor can be earlier, and the number of wirings to the control circuit of the sensor is reduced. SOLUTION: An entire area oxygen sensor 1 comprises a detection part 2 and a control part 3 which controls the detection part 2, and the detection part 2 comprises an oxygen concentration cell element 5, an oxygen pump element 6 and a gas diffusion limiting chamber 7 provided between the oxygen concentration cell element 5 and the oxygen pump element 6. Relating to the entire area oxygen sensor 1, a reference gas side electrode 10 of the oxygen concentration cell element 5 and a heater 10 are shared, and a.c. voltage is applied to the heater 10. Then, in order for the voltage generated between both electrodes 10 and 12 of the oxygen concentration cell element 5 to be constant, the current flowing in the oxygen pump element 6 is controlied, and based on the current value, oxygen concentration of a sample gas is measured.

Description

【発明の詳細な説明】Detailed Description of the Invention

【0001】[0001]

【発明の属する技術分野】本発明は、ヒータが設けられ
た全領域酸素センサに関するものである。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a full area oxygen sensor provided with a heater.

【0002】[0002]

【従来の技術】従来より、酸素センサの1種として、例
えば特開昭63−279160号公報に記載されている
全領域酸素センサと呼ばれる酸素センサが知られてい
る。この全領域酸素センサとは、例えば特開平3−43
585号公報に開示されている様な単純な濃淡電池型の
酸素センサや限界電流式の酸素センサとは異なり、測定
ガス中の酸素濃度或は空燃比に比例した電圧出力が得ら
れる酸素センサであり、例えば自動車の排ガスの空燃比
を検出する場合には、リッチガスからリーンガス迄の広
い範囲の空燃比を検出することができる。
2. Description of the Related Art Conventionally, as one type of oxygen sensor, for example, an oxygen sensor called an all-area oxygen sensor described in JP-A-63-279160 is known. This full range oxygen sensor is, for example, Japanese Patent Laid-Open No. 3-43.
Unlike a simple concentration cell type oxygen sensor and a limiting current type oxygen sensor as disclosed in Japanese Patent No. 585, an oxygen sensor that can obtain a voltage output proportional to the oxygen concentration in the measurement gas or the air-fuel ratio. Therefore, for example, when detecting the air-fuel ratio of the exhaust gas of an automobile, it is possible to detect the air-fuel ratio in a wide range from rich gas to lean gas.

【0003】前記全領域酸素センサの一般的な構成とし
ては、2枚の固体電解質基板の両側に各々電極を形成し
(合計2対の電極)、それら固体電解質基板を間隙を隔
てて対向させるものが挙げられる。そして、この間隙に
面してない一方の電極を、大気を導入した又は電極間に
ポンピング電流を流して生成させた基準ガス室に接触さ
せるとともに、間隙に面してない他方の電極を測定ガス
に接触させており、この間隙は、測定ガスを拡散律速し
て間隙に導く拡散律速層等を介して測定ガスと連絡して
いる。
As a general structure of the above-mentioned whole area oxygen sensor, electrodes are formed on both sides of two solid electrolyte substrates (two pairs of electrodes in total), and these solid electrolyte substrates are opposed to each other with a gap. Is mentioned. Then, one of the electrodes not facing the gap is brought into contact with a reference gas chamber generated by introducing the atmosphere or by passing a pumping current between the electrodes, and the other electrode not facing the gap is used as a measurement gas. This gap is in communication with the measurement gas through a diffusion-controlling layer or the like that guides the measurement gas to the gap by diffusion-controlling the measurement gas.

【0004】また、全領域酸素センサには、固体電解質
基板を所定の温度に暖めるために、ヒータを埋設した絶
縁基板が用いられており、この加熱用の絶縁基板が固体
電解質基板に近接して配置されているタイプのものや、
或は固体電解質基板面に薄い絶縁層を形成し、この絶縁
層を介してヒータを形成したものがある。
In addition, an insulating substrate having a heater embedded therein is used in the whole-area oxygen sensor in order to warm the solid electrolyte substrate to a predetermined temperature, and the heating insulating substrate is placed close to the solid electrolyte substrate. Of the type that is placed,
Alternatively, there is one in which a thin insulating layer is formed on the surface of a solid electrolyte substrate and a heater is formed through this insulating layer.

【0005】[0005]

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上述し
た構成の全領域酸素センサでは、ヒータを埋設した絶縁
基板又は絶縁層(主にアルミナ)と固体電解質基板(主
に部分安定化ジルコニア)との熱膨張率が異なるため、
同時焼成でそれらの基板を一体に焼成する場合には、両
者の界面でクラックが生じる等の不具合があった。
However, in the full-range oxygen sensor having the above-mentioned structure, the heat of the insulating substrate or the insulating layer (mainly alumina) in which the heater is embedded and the solid electrolyte substrate (mainly partially stabilized zirconia) is used. Because the expansion rate is different,
When those substrates were integrally fired by simultaneous firing, there were problems such as cracks occurring at the interface between the two.

【0006】また、ヒータの昇温スピードが早過ぎる
と、ジルコニア基板と絶縁被膜の熱伝導率、膨張率等が
異なるため、クラックが発生することがあるので、セン
サのライトオフ時間(センサのヒータに通電を開始して
からセンサの機能が発揮できるようになるまでの時間)
をあまり早めることができなかった。
If the heating rate of the heater is too fast, cracks may occur due to differences in thermal conductivity, expansion coefficient, etc. of the zirconia substrate and the insulating coating. (Time from the start of energization to the time when the function of the sensor becomes effective)
I couldn't get it too fast.

【0007】更に、センサとして組み付けた状態でセン
サからセンサの制御回路までに、ヒータ用の2本の配線
と2対の電極用の(1本を共用する)3本の配線との合
計5本の配線が必要となり、コストアップを招いてい
た。本願発明は上記の不具合を解決するためになされた
ものであり、ヒータの熱が測定素子に伝わる効率を向上
することができるとともに、ヒータを固体電解質基板と
同時焼成することができるので、製造工程を簡易化する
ことができ、しかもセンサのライトオフ時間を早めるこ
とができ、その上、センサの制御回路までの配線数を低
減することができる全領域酸素センサを提供することを
目的とする。
Further, in a state where the sensor is assembled, from the sensor to the control circuit of the sensor, two wires for the heater and three wires for the two pairs of electrodes (one wire is used in common), totaling five wires. Wiring is required, which causes an increase in cost. The present invention has been made in order to solve the above-mentioned problems, and it is possible to improve the efficiency with which the heat of the heater is transmitted to the measurement element, and the heater can be co-fired with the solid electrolyte substrate. It is an object of the present invention to provide an all-area oxygen sensor that can simplify the above-mentioned process, can shorten the light-off time of the sensor, and can reduce the number of wires to the control circuit of the sensor.

【0008】[0008]

【課題を解決するための手段】前記目的を達成するため
の請求項1の発明は、周囲の測定ガスの流入が制限され
たガス拡散制限室と、該ガス拡散制限室側の電極及び基
準ガス側の電極を有する酸素イオン伝導性の固体電解質
基板からなり、前記ガス拡散制限室内の酸素濃度に応じ
た信号を出力する酸素濃淡電池素子と、前記ガス拡散制
限室側の電極及び前記測定ガス側の電極を有する酸素イ
オン伝導性の固体電解質基板からなり、前記ガス拡散制
限室側と前記測定ガス側との間で酸素イオンを移動させ
る酸素ポンプ素子と、を備え、前記酸素濃淡電池素子の
出力信号及び前記酸素ポンプ素子に流れる電流に基づい
て、前記測定ガス中の酸素濃度を検出する全領域酸素セ
ンサにおいて、前記電極の内の少なくとも一つの電極を
発熱体とし、該発熱体に交流電圧を印加することを特徴
とする全領域酸素センサを要旨とする。
In order to achieve the above object, the invention of claim 1 is directed to a gas diffusion limiting chamber in which the inflow of surrounding measurement gas is limited, an electrode on the gas diffusion limiting chamber side and a reference gas. An oxygen concentration battery element that is composed of an oxygen ion conductive solid electrolyte substrate having a side electrode, outputs a signal according to the oxygen concentration in the gas diffusion limiting chamber, the gas diffusion limiting chamber side electrode and the measurement gas side. And an oxygen pump element for moving oxygen ions between the gas diffusion limiting chamber side and the measurement gas side, the output of the oxygen concentration battery element. In a full range oxygen sensor for detecting the oxygen concentration in the measurement gas based on a signal and a current flowing in the oxygen pump element, at least one of the electrodes is a heating element, and All range oxygen sensor, characterized in that an AC voltage is applied to the body and spirit.

【0009】前記固体電解質基板を構成する物質として
は、例えばジルコニアとイットリアの固溶体やジルコニ
アとカルシアの固溶体である部分安定化ジルコニア、二
酸化セリウム,二酸化トリウム,二酸化ハフニウムの固
溶体、ペロブスカイト型酸化物固溶体、3価金属酸化物
固溶体等が挙げられる。
As the substance constituting the solid electrolyte substrate, for example, solid solution of zirconia and yttria or partially stabilized zirconia which is a solid solution of zirconia and calcia, solid solution of cerium dioxide, thorium dioxide, hafnium dioxide, solid solution of perovskite type oxide, Examples thereof include trivalent metal oxide solid solutions.

【0010】前記電極を構成する物質としては、例えば
白金、ロジウム、レニウム等からなる多孔質電極が挙げ
られる。前記発熱体を構成する物質としては、例えば白
金、ロジウム、レニウム等が挙げられる。この発熱体と
共用される電極としては、酸素濃淡電池素子のガス拡散
制限室側の電極又は基準ガス側の電極、或は酸素ポンプ
素子のガス拡散制限室側の電極又は測定ガス側が挙げら
れる。
Examples of the substance forming the electrode include a porous electrode made of platinum, rhodium, rhenium or the like. Examples of the substance forming the heating element include platinum, rhodium, rhenium and the like. Examples of the electrode shared with this heating element include the electrode on the gas diffusion limiting chamber side of the oxygen concentration battery element or the electrode on the reference gas side, or the electrode on the gas diffusion limiting chamber side of the oxygen pump element or the measurement gas side.

【0011】請求項2の発明は、前記ヒータが、前記固
体電解質基板との同時焼成により形成されたものである
ことを特徴とする前記請求項1記載の全領域酸素センサ
を要旨とする。
A second aspect of the present invention provides the full-range oxygen sensor according to the first aspect, wherein the heater is formed by co-firing with the solid electrolyte substrate.

【0012】[0012]

【発明の実施の形態】一般に、例えば厚膜ジルコニア基
板を用いた全領域酸素センサは、ジルコニア基板上に、
アルミナ等の絶縁被膜を印刷し、その上にヒータ(発熱
体)を設けている。そのため、製造時に収縮率が異なる
ことからクラックが入る等の問題があり、厳密な製造条
件管理が必要であった。また、発熱体の昇温スピードが
早過ぎると、ジルコニア基板と絶縁被膜の熱伝導率、膨
張率等が異なるため、クラックが発生することがあるの
で、センサのライトオフ時間をあまり早めることができ
なかった。この解決のため、全領域酸素センサの一方の
電極を発熱体と共用することが考えられるが、ジルコニ
ア基板上に直接発熱体が印刷されている時に直流電圧を
印加すると、たちまちブラックニングが発生してしま
う。
DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS In general, for example, a full-area oxygen sensor using a thick film zirconia substrate has a
An insulating coating such as alumina is printed, and a heater (heating element) is provided thereon. Therefore, there are problems such as cracking due to different shrinkage rates during manufacturing, and strict management of manufacturing conditions is required. Also, if the heating element heating rate is too fast, cracks may occur because the thermal conductivity and expansion coefficient of the zirconia substrate and the insulating coating differ, so the light-off time of the sensor can be shortened too much. There wasn't. To solve this problem, it is conceivable to use one electrode of the whole area oxygen sensor as a heating element, but if a DC voltage is applied when the heating element is printed directly on the zirconia substrate, blackening will occur immediately. Will end up.

【0013】そこで、本発明者らは、固体電解質基板の
電極と発熱体とを共用するとともに、発熱体の昇温に交
流電圧を使用してブラックニングが発生しない様にし
て、本発明を完成した。特に、本発明は、上述した電極
と発熱体の共用及び発熱体に交流電圧を印加する構成
を、全領域酸素センサに適用したものであるので、絶縁
被膜が不要になって、熱伝達の効率が向上するだけでな
く、素子の耐熱衝撃性が向上する。よって、センサの感
知部分を素早く暖めることができるという性能上の効果
に加え、製造条件管理工数の低減できるという効果もあ
る。
Therefore, the present inventors have completed the present invention by sharing the electrode of the solid electrolyte substrate and the heating element and by using an AC voltage to raise the temperature of the heating element so that blackening does not occur. did. In particular, the present invention applies the above-described configuration of sharing the electrode and the heating element and applying an AC voltage to the heating element to the whole area oxygen sensor, so that an insulating coating is not required and the efficiency of heat transfer is improved. Not only is it improved, but the thermal shock resistance of the device is also improved. Therefore, in addition to the performance effect that the sensing portion of the sensor can be quickly warmed up, there is also the effect that the manufacturing condition management man-hour can be reduced.

【0014】また、出力端子数が5本から4本に減少す
ることにより、組立の自動化が容易になる。更に、部品
のコストが低減できるという利点がある。その上、発熱
体をガス拡散制限室に面した電極と共用したときには、
特に拡散層の温度を発熱体で制御し易くなるため、セン
サ出力の排ガス温度依存性を低減できるという効果を奏
する。
Further, since the number of output terminals is reduced from 5 to 4, automation of assembly is facilitated. Further, there is an advantage that the cost of parts can be reduced. Moreover, when the heating element is shared with the electrode facing the gas diffusion limiting chamber,
In particular, since the temperature of the diffusion layer can be easily controlled by the heating element, it is possible to reduce the exhaust gas temperature dependency of the sensor output.

【0015】尚、一般的なジルコニアセンサの発熱体の
仕様を考えれば、周波数としては1kHz以上であれば
問題なく使用可と言える。また、4kHz以上であれば
更に好ましい。
Considering the specifications of the heating element of a general zirconia sensor, it can be said that the zirconia sensor can be used without any problem if the frequency is 1 kHz or higher. Further, it is more preferable if it is 4 kHz or more.

【0016】[0016]

【実施例】本発明の全領域酸素センサの実施例につい
て、図面に基づいて説明する。 (実施例1)本実施例における全領域酸素センサは、ヒ
ータ(発熱体)と共有する電極を酸素濃淡電池素子の基
準ガス側電極としたものである。
DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENT An embodiment of the oxygen sensor of the present invention will be described with reference to the drawings. (Embodiment 1) In the whole area oxygen sensor of this embodiment, the electrode shared with the heater (heating element) is used as the reference gas side electrode of the oxygen concentration battery element.

【0017】a)図1に示す様に、本実施例の全領域酸
素センサ1は、固体電解質基板(ジルコニアシート)等
からなる検出部2と、酸素濃度の検出のためにその検出
部2を制御する電子回路からなる制御部3とから構成さ
れており、更に、検出部2は、酸素濃淡電池素子5と、
酸素ポンプ素子6と、この酸素濃淡電池素子5及び酸素
ポンプ素子6との間に設けられた測定ガス室(ガス拡散
制限室)7とから構成されている。
A) As shown in FIG. 1, a full-area oxygen sensor 1 of this embodiment comprises a detection unit 2 composed of a solid electrolyte substrate (zirconia sheet) and the like, and a detection unit 2 for detecting oxygen concentration. The detection unit 2 further includes an oxygen concentration battery element 5, and a control unit 3 including an electronic circuit for controlling.
It is composed of an oxygen pump element 6 and a measurement gas chamber (gas diffusion limiting chamber) 7 provided between the oxygen concentration battery element 5 and the oxygen pump element 6.

【0018】以下、各構成について詳細に説明する。 検出部2の構成 本実施例では、酸素濃淡電池素子5の白金からなる基準
ガス側電極10は、部分安定化ジルコニアからなるジル
コニアシート11上に、蛇行して印刷されており、ヒー
タ10を兼ねている。つまり、基準ガス側電極10は、
基準ガス室23まで伸びて基準ガス室23に対応する位
置にて蛇行している。
Each structure will be described in detail below. Configuration of Detection Unit 2 In this embodiment, the reference gas side electrode 10 made of platinum of the oxygen concentration battery element 5 is meanderingly printed on the zirconia sheet 11 made of partially stabilized zirconia, and also serves as the heater 10. ing. That is, the reference gas side electrode 10 is
It extends to the reference gas chamber 23 and meanders at a position corresponding to the reference gas chamber 23.

【0019】この基準ガス側電極10が接する基準ガス
室23は、四角形の空孔のあるジルコニアシート20
を、他のジルコニアシート21によって覆うことにより
形成されている。また、前記ジルコニアシート11の他
方(図の下方)の面には、酸素濃淡電池素子5のガス拡
散制限室側電極(以下単に制限室側電池電極と記す)1
2が印刷されており、制限室側電池電極12と基準ガス
側電極10との間で電位差を生じる。
The reference gas chamber 23 in contact with the reference gas side electrode 10 has a zirconia sheet 20 having square holes.
Are covered with another zirconia sheet 21. On the other surface (lower side in the drawing) of the zirconia sheet 11, a gas diffusion limiting chamber side electrode (hereinafter simply referred to as a limiting chamber side battery electrode) 1 of the oxygen concentration battery element 5 is formed.
2 is printed, and a potential difference is generated between the battery electrode 12 on the side of the limiting chamber and the electrode 10 on the side of the reference gas.

【0020】前記ガス拡散制限室7は、四角形の空孔及
び該空孔と外部とを連通する連通部7aを備えたジルコ
ニアシート(又はアルミナシート)14から構成されて
おり、この連通部7aには、通気性を保って埋める様に
配置された多孔質のセラミックス(例えばアルミナ、ス
ピネル、ジルコニア等)からなる拡散律速層13が設け
られている。従って、前記制限室側電池電極12は、こ
のガス拡散制限室7に接触する位置まで伸びている。
The gas diffusion limiting chamber 7 is composed of a zirconia sheet (or an alumina sheet) 14 having a square hole and a communicating portion 7a for communicating the hole with the outside. Is provided with a diffusion rate controlling layer 13 made of porous ceramics (for example, alumina, spinel, zirconia, etc.) arranged so as to be filled with air permeability. Therefore, the battery electrode 12 on the side of the restriction chamber extends to a position in contact with the gas diffusion restriction chamber 7.

【0021】また、ジルコニアシート16の一方の側
(図の上方)には、前記ガス拡散制限室7に接する酸素
ポンプ素子6のガス拡散制限室側電極(以下単に制限室
側ポンプ電極と記す)15が印刷され、他方の側(図の
下方)には測定ガス側電極17が印刷されており、この
両電極15,17により酸素ポンプ素子6のポンピング
電極が構成されている。
On one side of the zirconia sheet 16 (upper side in the figure), the gas diffusion limiting chamber side electrode of the oxygen pump element 6 in contact with the gas diffusion limiting chamber 7 (hereinafter simply referred to as the limiting chamber side pump electrode). 15 is printed, and the measurement gas side electrode 17 is printed on the other side (downward in the figure). The electrodes 15 and 17 form a pumping electrode of the oxygen pump element 6.

【0022】前記測定ガス側電極17の上には、(四角
形状の空孔18aを有し)電極を保護するジルコニアシ
ート18が配置され、この空孔18aを埋める様に、ポ
ンピングのためのセラミックス(例えばアルミナ、スピ
ネル、ジルコニア等)からなる多孔質保護層19が充填
積層されている。
A zirconia sheet 18 (having a square hole 18a) for protecting the electrode is arranged on the measurement gas side electrode 17, and ceramics for pumping is provided so as to fill the hole 18a. A porous protective layer 19 made of (for example, alumina, spinel, zirconia, etc.) is filled and laminated.

【0023】尚、上述した構成の検出部2を製造する場
合には、前記各ジルコニアシート21,23,11,1
4,16,18のグリーンシート上に、各電極10,1
2,15,17に対応する白金ペーストを印刷して電極
パターンを構成し、各グリーンシートを接着するととも
に、多孔質保護層19となる多孔質シートを前記空孔1
8の位置にコートし、同時焼成により形成する。
When manufacturing the detecting section 2 having the above-mentioned structure, the respective zirconia sheets 21, 23, 11, 1 are manufactured.
On the green sheets 4, 16 and 18, each electrode 10, 1
Platinum paste corresponding to Nos. 2, 15 and 17 is printed to form an electrode pattern, each green sheet is adhered, and the porous sheet to be the porous protective layer 19 is formed into the holes 1
It is formed by coating at position 8 and co-firing.

【0024】制御部3の構成及び動作 基準ガス側電極10と制限室側電池電極12との間に
は、電池37と抵抗36によって略一定の直流電流が流
されるので、基準ガス室23にガス拡散制限室7から酸
素が汲み入れられる。
Structure and Operation of Control Unit 3 Since a substantially constant DC current is made to flow between the reference gas side electrode 10 and the limiting chamber side battery electrode 12 by the battery 37 and the resistor 36, the gas is fed to the reference gas chamber 23. Oxygen is pumped from the diffusion limiting chamber 7.

【0025】制限室側電池電極12と制限室側ポンプ電
極15とは、基板の基端部分で短絡されており、その電
位はオペアンプ35によって所定の電位に維持される。
この短絡は図には示されていないがジルコニアシート1
4に通常の方法でスルーホールを形成して実現してい
る。従って、前記両素子5,6の制限室側電池電極12
及び制限室側ポンプ電極15から外部に引き出される配
線は、1本に共通化している。
The limiting chamber side battery electrode 12 and the limiting chamber side pump electrode 15 are short-circuited at the base end portion of the substrate, and the potential thereof is maintained at a predetermined potential by the operational amplifier 35.
This short circuit is not shown in the figure, but zirconia sheet 1
4 is realized by forming a through hole by a normal method. Therefore, the battery electrode 12 on the side of the restricted chamber of the elements 5 and 6
Also, the wiring that is drawn out from the pump electrode 15 on the side of the restriction chamber is shared by one line.

【0026】また、オペアンプ39は、ポンピング電極
15,17に電流を供給し、酸素をガス拡散制限室7か
ら汲み出したり汲み入れたりしてガス拡散制限室7の雰
囲気が略ストイキ状態になるように制御する。オペアン
プ41は、ポンピング電流を抵抗40によって電圧に変
換されたものを、一定の倍率で増幅して出力する。
Further, the operational amplifier 39 supplies a current to the pumping electrodes 15 and 17 so that oxygen is pumped out or pumped in from the gas diffusion limiting chamber 7 so that the atmosphere in the gas diffusion limiting chamber 7 becomes substantially stoichiometric. Control. The operational amplifier 41 amplifies the pumping current converted into a voltage by the resistor 40 at a constant magnification and outputs it.

【0027】前記ヒータ10は、基準ガス室23に面し
た基準ガス側電極10が兼ねており、この基準ガス側電
極10は外部には2本の配線が引き出されており、トラ
ンス31の2次コイル31bに接続している。トランス
31の一次コイル31aの両端には、トランジスタ3
2,34のエミッタが接続され図示しない発振器によっ
て交互にトランジスタ32,34がON−OFFされ
る。
The heater 10 also serves as the reference gas side electrode 10 facing the reference gas chamber 23. The reference gas side electrode 10 has two wirings drawn to the outside, and the secondary side of the transformer 31. It is connected to the coil 31b. The transistor 3 is provided on both ends of the primary coil 31a of the transformer 31.
The emitters of 2, 34 are connected and the transistors 32, 34 are alternately turned on and off by an oscillator (not shown).

【0028】バッテリー33は、1次コイル31aの図
示しないセンタータップに接続されており、トランジス
タ32,34のON−OFFによって、電流がトランジ
スタ32の方向に流れたり、トランジスタ34の方向に
流れたりする。これによってトランス31の2次コイル
31bには交互に反対方向の電圧が生起するので、ヒー
タ10に交流電流が流れる。そのため、ヒータ10では
交流電流によって発熱し、センサ素子であるシルコニア
シート11,16等が活性化する。
The battery 33 is connected to a center tap (not shown) of the primary coil 31a, and a current flows in the direction of the transistor 32 or in the direction of the transistor 34 depending on whether the transistors 32, 34 are turned on or off. . As a result, a voltage in the opposite direction is alternately generated in the secondary coil 31b of the transformer 31, so that an alternating current flows through the heater 10. Therefore, the heater 10 generates heat by the alternating current, and the zirconia sheets 11, 16 and the like which are the sensor elements are activated.

【0029】b)次に、本実施例の全領域酸素センサ1
の全体の動作について説明する。本実施例の全領域酸素
センサ1は、基本的な動作として、酸素濃淡電池素子5
の両電極10,12間に発生する電圧が一定になる様
に、酸素ポンプ素子6に流れる電流(ポンピング電流)
を制御し、このポンピング電流の値をセンサ出力として
出力するものである。
B) Next, the whole area oxygen sensor 1 of this embodiment.
The overall operation of will be described. The basic oxygen sensor 1 according to the present embodiment operates as an oxygen concentration battery element 5 as a basic operation.
A current (pumping current) flowing through the oxygen pump element 6 so that the voltage generated between the two electrodes 10 and 12 becomes constant.
Is controlled and the value of this pumping current is output as a sensor output.

【0030】本実施例では、まず、ヒータ10に交流電
圧を印加することにより、(正方向と負方向の半サイク
ルにおいて)分極特性が交流電流0に対して対称となる
様な交流電流を流す。この交流電流によるジュール熱に
よってヒータ10が発熱するので、ヒータ10に接して
いるジルコニアシート11等が加熱される。そして、ジ
ルコニアシート11は、加熱による温度上昇に伴って酸
素イオン導電性を示す様になるので、ヒータ10に印加
した電流の一部はジルコニアシート11等に流れる。
In this embodiment, first, by applying an AC voltage to the heater 10, an AC current whose polarization characteristics are symmetrical with respect to the AC current 0 (in the positive and negative half cycles) is flowed. . Since the heater 10 generates heat due to the Joule heat generated by this alternating current, the zirconia sheet 11 and the like in contact with the heater 10 are heated. Since the zirconia sheet 11 becomes oxygen ion conductive as the temperature rises due to heating, part of the current applied to the heater 10 flows to the zirconia sheet 11 and the like.

【0031】しかし、このジルコニアシート11等に流
れ込む交流電流の大きさが、上記の様な分極特性の範囲
内であれば、ジルコニアシート11等とヒータ10との
界面では、その通電に起因する(ブラックニングを引き
起こす)化学反応は起こらず、また直流成分の電極電位
に対する影響はない。
However, if the magnitude of the alternating current flowing into the zirconia sheet 11 or the like is within the range of the polarization characteristics as described above, it is caused by the energization at the interface between the zirconia sheet 11 and the heater 10 ( No chemical reaction occurs (causing blackening), and there is no effect on the electrode potential of the DC component.

【0032】従って、ヒータ10に交流電流を通電しつ
つ、酸素濃淡電池素子5を構成する他方の制限室側電池
電極12とヒータ10との直流成分の電位差を求めるこ
とによって、(基準ガスとガス拡散制限室7内のガスと
の酸素濃度の差に応じた)酸素濃淡電池素子5の出力を
取り出すことができる。
Therefore, by supplying an alternating current to the heater 10 and obtaining the potential difference of the DC component between the heater electrode 10 and the other limiting chamber side battery electrode 12 constituting the oxygen concentration battery element 5, (reference gas and gas The output of the oxygen concentration battery element 5 (depending on the difference in oxygen concentration from the gas in the diffusion limiting chamber 7) can be taken out.

【0033】よって、この酸素濃淡電池素子5の両電極
10,12間に発生する電圧が一定になる様に、酸素ポ
ンプ素子6に流れるポンピング電流を制御し、このポン
ピング電流の値から、測定ガスの酸素濃度を測定するこ
とができるのである。この様に、本実施例の全領域酸素
センサ1では、酸素濃淡電池素子5の基準ガス側電極1
0とヒータ10とを共用するとともに、ヒータ10に交
流電圧を印加するので、ジルコニアシート11等の固体
電解質基板にブラックニングを生じることがない。よっ
て、センサの耐久性が向上するという効果がある。
Therefore, the pumping current flowing through the oxygen pump element 6 is controlled so that the voltage generated between the electrodes 10 and 12 of the oxygen concentration cell element 5 becomes constant, and the measured gas is determined from the value of this pumping current. The oxygen concentration of can be measured. As described above, in the whole-area oxygen sensor 1 of this embodiment, the reference gas side electrode 1 of the oxygen concentration battery element 5 is used.
Since 0 and the heater 10 are shared and an AC voltage is applied to the heater 10, blackening does not occur on the solid electrolyte substrate such as the zirconia sheet 11. Therefore, there is an effect that the durability of the sensor is improved.

【0034】また、ヒータ10の通電によるブラックニ
ングの恐れがないので、ヒータ10を固体電解室基板に
埋設することができる。そのため、ヒータ10の発熱を
効率良く他のセンサ部分に伝達できるので、全領域酸素
センサ1の感知部分を素早く暖めることができる。
Since there is no fear of blackening due to the energization of the heater 10, the heater 10 can be embedded in the solid electrolytic chamber substrate. Therefore, since the heat generated by the heater 10 can be efficiently transmitted to the other sensor portion, the sensing portion of the whole area oxygen sensor 1 can be quickly warmed.

【0035】更に、ヒータ10は、従来の様に熱膨張率
が固体電解質基板と異なるアルミナ等の絶縁層に埋設す
る必要がないので、焼成や加熱の際の熱膨張率の違いに
より検出部2に亀裂が生じたりすることがない。その
上、ヒータ10は、固体電解質基板と同時焼成で製造す
るので、製造が簡易化されるという利点がある。
Further, since the heater 10 does not need to be embedded in an insulating layer such as alumina having a thermal expansion coefficient different from that of the solid electrolyte substrate as in the conventional case, the detecting portion 2 is different due to the difference in the thermal expansion coefficient during firing or heating. Does not crack. In addition, since the heater 10 is manufactured by co-firing with the solid electrolyte substrate, there is an advantage that the manufacturing is simplified.

【0036】また、本実施例では、従来の全領域酸素セ
ンサが出力端子が5本だったものが、基準ガス側電極1
0のための1本とヒータ10のための2本の配線とを2
本にまとめることができるので、配線の本数を合計4本
にすることができ、コストの低減を図ることができる。 (実施例2)次に、本実施例2の全領域酸素センサにつ
いて説明する。
Further, in the present embodiment, the conventional all-area oxygen sensor having five output terminals is used as the reference gas side electrode 1.
1 wire for 0 and 2 wires for heater 10
Since they can be put together into a book, the total number of wirings can be four, and the cost can be reduced. (Embodiment 2) Next, a full-area oxygen sensor of Embodiment 2 will be described.

【0037】本実施例の全領域酸素センサは、酸素濃度
検出素子の制限室側電池電極をヒータと共用したもので
ある。尚、前記実施例1と同様な部分の説明は省略又は
簡略化する。図2に示す様に、本実施例の全領域酸素セ
ンサ101は、固体電解質基板等からなる検出部102
と、検出部102を制御する制御部103とから構成さ
れ、更に、検出部102は、酸素濃淡電池素子105と
酸素ポンプ素子106とガス拡散制限室107とから構
成されている。
In the whole area oxygen sensor of this embodiment, the battery electrode of the oxygen concentration detecting element on the side of the limited chamber is also used as a heater. The description of the same parts as in the first embodiment will be omitted or simplified. As shown in FIG. 2, the whole area oxygen sensor 101 of this embodiment includes a detection unit 102 formed of a solid electrolyte substrate or the like.
And a control unit 103 for controlling the detection unit 102, and the detection unit 102 further includes an oxygen concentration battery element 105, an oxygen pump element 106, and a gas diffusion limiting chamber 107.

【0038】酸素濃淡電池素子105は、基準ガス側電
極110と制限室側電池電極112とを備えており、こ
の制限室側電池電極112はヒータ112を兼ねてい
る。一方、酸素ポンプ素子106は、制限室側ポンプ電
極115と測定ガス側電極117とを備えている。
The oxygen concentration battery element 105 includes a reference gas side electrode 110 and a limiting chamber side battery electrode 112, and the limiting chamber side battery electrode 112 also serves as a heater 112. On the other hand, the oxygen pump element 106 includes a pump electrode 115 on the limited chamber side and an electrode 117 on the measurement gas side.

【0039】制御部103は、前記実施例1とほぼ同様
であるが、トランス131の2次コイル131bの両端
が、ヒータ112の両端112a,112bに接続さ
れ、ヒータ112の一端112bと制限室側ポンプ電極
115とが、基板の基端部分で短絡されており、その電
位はオペアンプ135によって所定の電位に維持され
る。従って、前記ヒータ112の一端112bと制限室
側ポンプ電極115とから外部に引き出される配線は、
1本に共通化している。
The control unit 103 is almost the same as that in the first embodiment, except that both ends of the secondary coil 131b of the transformer 131 are connected to both ends 112a and 112b of the heater 112, and one end 112b of the heater 112 and the side of the restricted chamber. The pump electrode 115 is short-circuited at the base end portion of the substrate, and its potential is maintained at a predetermined potential by the operational amplifier 135. Therefore, the wiring drawn out from one end 112b of the heater 112 and the pump electrode 115 on the side of the restricted chamber is
It is common to one.

【0040】本実施例では、前記実施例1と同様な効果
を奏するとともに、制限室側電池電極112をヒータ1
12と共用し、ヒータ112の一端112bと制限室側
ポンプ電極115とを1本の配線としているので、ヒー
タ112が拡散律速層により近くなり、拡散律速の程度
が外気温の変動に影響を受けることを低減できるという
利点がある。 (実施例3)次に、本実施例3の全領域酸素センサにつ
いて説明する。
In this embodiment, the same effect as that of the first embodiment is obtained, and the battery electrode 112 on the side of the limiting chamber is connected to the heater 1.
Since one end 112b of the heater 112 and the limiting chamber side pump electrode 115 are also used as one wiring, the heater 112 is closer to the diffusion rate controlling layer, and the degree of the diffusion rate controlling is influenced by the fluctuation of the outside air temperature. This has the advantage of reducing this. (Embodiment 3) Next, an all-area oxygen sensor of Embodiment 3 will be described.

【0041】本実施例の全領域酸素センサは、酸素ポン
プ素子の制限室側ポンプ電極をヒータと共用したもので
ある。尚、前記実施例1と同様な部分の説明は省略又は
簡略化する。図3に示す様に、本実施例の全領域酸素セ
ンサ201は、固体電解質基板等からなる検出部202
と、検出部202を制御する制御部203とから構成さ
れ、更に、検出部202は、酸素濃淡電池素子205と
酸素ポンプ素子206とガス拡散制限室207とから構
成されている。
In the whole area oxygen sensor of this embodiment, the pump electrode of the oxygen pump element on the side of the limiting chamber is also used as the heater. The description of the same parts as in the first embodiment will be omitted or simplified. As shown in FIG. 3, the full-area oxygen sensor 201 of this embodiment includes a detection unit 202 formed of a solid electrolyte substrate or the like.
And a control unit 203 for controlling the detection unit 202, and the detection unit 202 further includes an oxygen concentration battery element 205, an oxygen pump element 206, and a gas diffusion limiting chamber 207.

【0042】酸素濃淡電池素子205は、基準ガス側電
極210と制限室側電池電極212とを備えている。一
方、酸素ポンプ素子206は、制限室側ポンプ電極21
5と測定ガス側電極217とを備えており、この制限室
側ポンプ電極215はヒータ215を兼ねている。
The oxygen concentration battery element 205 includes a reference gas side electrode 210 and a limited chamber side battery electrode 212. On the other hand, the oxygen pump element 206 is provided in the restricted chamber side pump electrode 21.
5 and the measurement gas side electrode 217, and the limiting chamber side pump electrode 215 also serves as the heater 215.

【0043】制御部203は、前記実施例1とほぼ同様
であるが、トランス231の2次コイル231bの両端
が、ヒータ215の両端215a,215bに接続さ
れ、ヒータ215の一端215bと制限室側電池電極2
12とが、基板の基端部分で短絡されており、その電位
はオペアンプ235によって所定の電位に維持される。
従って、前記ヒータ215の一端215bと制限室側電
池電極212とから外部に引き出される配線は、1本に
共通化している。
The control unit 203 is almost the same as that of the first embodiment, except that both ends of the secondary coil 231b of the transformer 231 are connected to both ends 215a and 215b of the heater 215, and one end 215b of the heater 215 and the restricted chamber side. Battery electrode 2
12 and 12 are short-circuited at the base end portion of the substrate, and the potential thereof is maintained at a predetermined potential by the operational amplifier 235.
Therefore, the wiring that is drawn out from the one end 215b of the heater 215 and the battery compartment electrode 212 on the side of the restricted chamber is made common.

【0044】本実施例では、前記実施例1,2と同様な
効果を奏する。尚、本発明は前記実施例になんら限定さ
れるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲にお
いて種々の態様で実施しうることはいうまでもない。 (1)例えば前記実施例1〜3以外に、酸素ポンプ素子
の測定ガス側電極をヒータと共用し、このヒータに交流
電圧を印加してもよい。この場合も、前記実施例1と同
様な効果を奏するとともに、特にセンサの活性化におい
て、最も重要であるポンプ電極を直接加熱することで、
低温における始動特性が向上するという利点がある。
In this embodiment, the same effects as those of the above-mentioned Embodiments 1 and 2 are obtained. It should be noted that the present invention is not limited to the above-described embodiment at all, and it goes without saying that the present invention can be implemented in various modes without departing from the gist of the present invention. (1) For example, in addition to the first to third embodiments, the measurement gas side electrode of the oxygen pump element may be shared with the heater, and an AC voltage may be applied to this heater. Also in this case, the same effect as that of the first embodiment can be obtained, and by directly heating the pump electrode, which is the most important in activating the sensor,
There is an advantage that the starting characteristics at low temperatures are improved.

【0045】(2)また、前記実施例1〜3では、板状
の検出部について述べたが、検出部を丸棒状としても何
等差し支えない。
(2) Further, in the first to third embodiments, the plate-shaped detecting portion has been described, but the detecting portion may have a round bar shape without any problem.

【0046】[0046]

【発明の効果】以上詳述した様に、本発明の全領域酸素
センサでは、従来の全領域酸素センサが出力端子を5本
必要としたものを4本にすることができ、配線数を低減
できるという効果がある。
As described above in detail, in the full-area oxygen sensor of the present invention, the conventional full-area oxygen sensor can be replaced with four output terminals requiring five output terminals, and the number of wirings can be reduced. The effect is that you can do it.

【0047】また、センサ基板を固体電解質だけで構成
できるので、発熱体による発熱を効率良く周囲に伝達で
き、よって、センサの感知部分を素早く暖めることがで
き、センサのライトオフ時間を短縮できる。更に、従来
の様に熱膨張率の異なるヒータ基板を使用するのではな
いので、加熱の際に熱膨張率の違いにより素子等に亀裂
が生じたりすることがない。よって、耐久性が向上する
だけでなく、その点からもセンサのライトオフ時間を短
縮できる。
Further, since the sensor substrate can be composed only of the solid electrolyte, the heat generated by the heating element can be efficiently transmitted to the surroundings, so that the sensing portion of the sensor can be quickly warmed and the light-off time of the sensor can be shortened. Further, unlike the conventional case, since the heater substrates having different thermal expansion coefficients are not used, the element or the like is not cracked due to the difference in the thermal expansion coefficient during heating. Therefore, not only the durability is improved, but also from that point, the light-off time of the sensor can be shortened.

【0048】その上、ヒータを固体電解質基板と同時焼
成により形成できるので、製造が容易であるという利点
がある。
Moreover, since the heater can be formed by co-firing with the solid electrolyte substrate, there is an advantage that the manufacturing is easy.

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

【図1】 実施例1の全領域酸素センサを分解して示す
説明図である。
FIG. 1 is an explanatory view showing an exploded view of a full-area oxygen sensor according to a first embodiment.

【図2】 実施例2の全領域酸素センサを分解して示す
説明図である。
FIG. 2 is an explanatory view showing an entire area oxygen sensor of Example 2 in an exploded manner.

【図3】 実施例3の全領域酸素センサを分解して示す
説明図である。
FIG. 3 is an explanatory diagram showing an entire area oxygen sensor of Example 3 in an exploded manner.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1,101,201…酸素センサ 2,102,202…検出部 3,103,203…制御部 5,105,205…酸素濃淡電池素子 6,106,206…酸素ポンプ素子 7,107,207…測定ガス室(ガス拡散制限室) 10,112,215…ヒータ(発熱体) 11,14,16,18,20,21…ジルコニアシー
ト 12,112,212…酸素濃淡電池素子のガス拡散制
限室側電極(制限室側電池電極) 15,115,215…酸素ポンプ素子のガス拡散制限
室側電極(制限室側ポンプ電極) 17,117,217…測定ガス側電極 23…基準ガス室
1, 101, 201 ... Oxygen sensor 2, 102, 202 ... Detection section 3, 103, 203 ... Control section 5, 105, 205 ... Oxygen concentration battery element 6, 106, 206 ... Oxygen pump element 7, 107, 207 ... Measurement Gas chamber (gas diffusion limiting chamber) 10,112,215 ... Heater (heating element) 11,14,16,18,20,21 ... Zirconia sheet 12,112,212 ... Gas diffusion limiting chamber side electrode of oxygen concentration battery element (Battery electrode on the limiting chamber side) 15,115,215 ... Gas diffusion limiting chamber side electrode of the oxygen pump element (pump electrode on the limiting chamber side) 17,117,217 ... Measurement gas side electrode 23 ... Reference gas chamber

Claims (2)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 周囲の測定ガスの流入が制限されたガス
拡散制限室と、 該ガス拡散制限室側の電極及び基準ガス側の電極を有す
る酸素イオン伝導性の固体電解質基板からなり、前記ガ
ス拡散制限室内の酸素濃度に応じた信号を出力する酸素
濃淡電池素子と、 前記ガス拡散制限室側の電極及び前記測定ガス側の電極
を有する酸素イオン伝導性の固体電解質基板からなり、
前記ガス拡散制限室側と前記測定ガス側との間で酸素イ
オンを移動させる酸素ポンプ素子と、 を備え、前記酸素濃淡電池素子の出力信号及び前記酸素
ポンプ素子に流れる電流に基づいて、前記測定ガス中の
酸素濃度を検出する全領域酸素センサにおいて、 前記電極の内の少なくとも一つの電極を発熱体とし、該
発熱体に交流電圧を印加することを特徴とする全領域酸
素センサ。
1. An oxygen ion conductive solid electrolyte substrate having a gas diffusion limiting chamber in which the inflow of the surrounding measurement gas is limited, and an electrode on the gas diffusion limiting chamber side and an electrode on the reference gas side, and the gas comprising: An oxygen concentration battery element that outputs a signal according to the oxygen concentration in the diffusion limited chamber, and an oxygen ion conductive solid electrolyte substrate having an electrode on the gas diffusion limited chamber side and an electrode on the measurement gas side,
An oxygen pump element for moving oxygen ions between the gas diffusion limiting chamber side and the measurement gas side, and the measurement based on an output signal of the oxygen concentration battery element and a current flowing through the oxygen pump element. An all-area oxygen sensor for detecting oxygen concentration in gas, wherein at least one of the electrodes is a heating element, and an AC voltage is applied to the heating element.
【請求項2】 前記ヒータが、前記固体電解質基板との
同時焼成により形成されたものであることを特徴とする
前記請求項1記載の全領域酸素センサ。
2. The full-area oxygen sensor according to claim 1, wherein the heater is formed by co-firing with the solid electrolyte substrate.
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Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2001025778A1 (en) * 1999-10-01 2001-04-12 Volkswagen Aktiengesellschaft Method for detecting the lambda value of the exhaust gas in an internal combustion engine
CN103822952A (en) * 2013-12-12 2014-05-28 苏州工业园区福特斯汽车电子有限公司 Wide-band oxygen sensor chip and manufacturing method thereof
JP2015148538A (en) * 2014-02-07 2015-08-20 日本特殊陶業株式会社 gas detector
CN106093165A (en) * 2016-08-17 2016-11-09 苏州工业园区传世汽车电子有限公司 Oxygen sensor zirconium element external electrode pilot protection structure and preparation method thereof

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