JPH09281075A - 空燃比センサー - Google Patents
空燃比センサーInfo
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- JPH09281075A JPH09281075A JP8115825A JP11582596A JPH09281075A JP H09281075 A JPH09281075 A JP H09281075A JP 8115825 A JP8115825 A JP 8115825A JP 11582596 A JP11582596 A JP 11582596A JP H09281075 A JPH09281075 A JP H09281075A
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- G01N27/26—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating electrochemical variables; by using electrolysis or electrophoresis
- G01N27/403—Cells and electrode assemblies
- G01N27/406—Cells and probes with solid electrolytes
- G01N27/407—Cells and probes with solid electrolytes for investigating or analysing gases
- G01N27/4071—Cells and probes with solid electrolytes for investigating or analysing gases using sensor elements of laminated structure
Abstract
センサーの提供。 【解決手段】 固体電解質からなる板状の酸素検知用の
反応部(センシングセル11及びポンピングセル21)
と,上記反応部を加熱する電熱式の加熱シート30と
を,適宜スペーサ等を介して積層してなる空燃比センサ
ー1である。加熱シート30は,α−アルミナ,ステア
タイト及びムライトの中の1つ又は複数を主成分とする
板状の絶縁シート31と,絶縁シート31上に膜状に形
成した抵抗素子32と,抵抗素子32を覆うα−アルミ
ナ,ステアタイト及びムライトの中の1つ又は複数を主
成分とする板状の絶縁シート33とを有しており,抵抗
素子32の抵抗温度係数は0.5×103 〜2.0×1
03 ppm/℃の範囲内にある。
Description
積層してなる空燃比センサーに関し,特に始動の高速性
と耐久性とを合わせて実現することの出来る空燃比セン
サーに関する。
燃費が悪化すると共に大気汚染の原因となる。そのた
め,空燃比センサーを用いて内燃機関の空燃比を検出し
空燃比を適切にする制御が行われている。そして,上記
空燃比センサーは,車両の始動時から迅速に作動出来る
ものが望まれており,このような高速応答性を実現する
ために,固体電解質を用いたシート状の素子部とシート
状の加熱部とを一体に積層してなる積層型の空燃比セン
サーが知られている。
燃比センサー90は,ジルコニア系固体電解質のシート
に多孔質の電極911,912を備えた酸素ポンプセル
91と,同様にジルコニア系固体電解質のシートと多孔
質の電極921,922とを備え環境の酸素分圧に対応
して電気化学的な変化を示す酸素センシングセル92と
を有し,上記酸素ポンプセル91と酸素センシングセル
92との間に測定ガス室93を配置し,酸素センシング
セル92の他方の側に基準ガス室94を配置する。
ル91のガス拡散制御部913を介して被測定ガスに満
ちた外部に連通し,酸素ポンプセル91によって周囲の
被測定ガス雰囲気との間に酸素の汲み入れ又は汲み出し
を行うものである。そして,酸素センシングセル92
は,大気を導入した基準ガス室94と比較して測定ガス
室93内の酸素ガス分圧を検知する。
センサーを迅速に立ち上げ且つ温度をほぼ一定に保持す
るために,抵抗素子951を備えた加熱シート95が配
設されている。加熱シート95は,ヒーター電源955
から抵抗素子951に電力の供給を受けて昇温し,酸素
ポンプセル91及び酸素センシングセル92の電極91
1,912,921,922の近傍を加熱する。
ミナとのサーメットからなり,アルミナの絶縁シート9
52上に膜状に形成され,アルミナの絶縁シート953
で覆われている。また,空燃比センサー90は,通常抵
抗素子951の抵抗値の変化に基づいて素子の温度を制
御する(図11参照)。図11において,R0 は室温
(20℃)での抵抗値を示し,RT は温度Tにおける抵
抗値を示す。
ガス室93を穿設したアルミナシート,符号962は基
準ガス室94を穿設したアルミナシートである。また,
符号97は検出信号を増幅するアンプ,符号971はア
ンプ97の入力レベルを決める基準電圧源,符号972
は印加電圧のレベルを調整する分圧抵抗である。
準が強化されつつある排気ガス規制に対応するため,車
両の始動後できるだけ速やかに作動することが要求され
ている。そのため,センサーが作動する温度まで迅速に
昇温させる必要があり,ヒーターと反応部との間の熱伝
導の良好な上記積層型の構造の空燃比センサー90が注
目されている。
ンサー90を高速に立ち上げるために固体電解質の素子
を急速に加熱すると,昇温時に素子が割れるという不具
合が発生し寿命を短くするという問題がある。そして,
近年HCに対して更に厳しい規制値の設定が予定されて
おり,このHCはエンジン始動初期に大量に発生するの
で,このような基準に対応するためには,エンジン始動
後5秒以内にセンサを作動させなければならず,急速に
素子を加熱する必要がある為,熱応力によって生ずる素
子の破壊現象に対処する必要がある。
ー90において,5秒以内に室温から素子の作動開始温
度である600℃近傍に急速加熱すると,絶縁シート9
52,953が熱応力に耐えられず破損するという不具
合が発生する。本発明は,かかる従来の問題点に鑑みて
なされたものであり,急速に昇温させ作動させることが
出来ると共に耐久性に優れた空燃比センサーを提供しよ
うとするものである。
燃比センサーを構成する加熱シートは,α−アルミナ,
ステアタイト及びムライトの中の1つ又は複数を主成分
とする板状の絶縁シートと,この絶縁シート上に膜状に
形成した抵抗素子と,この抵抗素子を覆うα−アルミ
ナ,ステアタイト及びムライトの中の1つ又は複数を主
成分とする板状の絶縁シートとからなり,抵抗素子の抵
抗温度係数は0.5×103 〜2.0×103 ppm/
℃の範囲内にある。その結果,反応部の温度上昇カーブ
における温度の変化率(dT/dt)が小さくなり(図
9から図6への変化),実験データによって詳細に後述
するように,始動時に素子が破損する不具合を抑制する
ことができる。
子951の発熱体であるPtの抵抗温度係数は,約3.
1×103 ppm/℃である。そのため,自己発熱によ
り図11に示すように抵抗値が変化し,その結果一定電
圧を印加した場合にその発熱量は図8に示すように抵抗
値に反比例するように変化する。そして,上記抵抗素子
951によって加熱される空燃比センサー90の素子
は,図9に示すように昇温する。
素子の昇温温度勾配(℃/秒)が変化し,この温度勾配
に対応した熱応力が素子及び加熱シートに逐次発生す
る。そして,この熱応力(即ち温度勾配)が素子を構成
する部材,とくに発熱部の絶縁シート952,953の
強度の限界を越えると,絶縁シート952,953の破
損を引き起こすこととなる。
素子の抵抗温度係数は0.5×103 〜2.0×103
ppm/℃の範囲内とし,従来の抵抗温度係数3.1×
103 ppm/℃よりも低く設定した。そのため,始動
時の温度の変化率が小さくなり,α−アルミナ,ステア
タイト及びムライトの中の1つ又は複数を主成分とする
板状の絶縁シートを用いた場合に,始動時の熱応力によ
る破損が生じなくなる。しかしながら,一方では,抵抗
温度係数の絶対値が小さくなり過ぎると,抵抗値の変化
に基づいて素子の温度を検知することが困難となり,温
度検知精度が低下するという問題が生ずる。従って,抵
抗温度係数は,0.5×103 ppm/℃以上であるこ
とが好ましい。
実現することが出来ると共に,絶縁シート上に膜状に抵
抗層を形成することの出来る加工性に優れた抵抗材料と
して,請求項2記載のように,Pt−Rh系合金,Pt
−Pd系合金又はPt−Ir系合金と,アルミナとを含
むサーメットがある。
板状の酸素検知用の反応部(センシングセル11及びポ
ンピングセル21)と,上記反応部を加熱する電熱式の
加熱シート30とを,適宜スペーサ等を介して積層して
なる空燃比センサー1である。加熱シート30は,α−
アルミナ,ステアタイト及びムライトの中の1つ又は複
数を主成分とする板状の絶縁シート31と,この絶縁シ
ート31上に膜状に形成した抵抗素子32と,抵抗素子
32を覆うα−アルミナ,ステアタイト及びムライトの
中の1つ又は複数を主成分とする板状の絶縁シート33
とを有している。そして,抵抗素子32の抵抗温度係数
は,図4の直線61,62の傾きが示すように,0.5
×103 〜2.0×103 ppm/℃の範囲内にあり,
抵抗素子32は,Pt−Pd系合金とアルミナとを含む
サーメットにより構成されている。
センシングセル11は,図1,図2に示すように,固体
電解質(ジルコニア)のシート110の両面に検出信号
(酸素の濃淡起電力)を取り出す電極121,122が
配置されている。そして一方の電極(測定電極)122
は,図1に示すように,スルーホール125や導電体を
介して他方の電極(基準電極)121の配置面に設けた
端子パターン124と接続されている。そして,それぞ
れの電極121,122は,端子パターン123,12
4を経てリード線141,142と電気的に接続されて
いる。また,リード線141,142は,セラミックシ
ート35と固体電解質シート110によって挟持されて
いる。
(ジルコニア)のシート210の両面に酸素イオンを移
動させるためのポンプ電極221,222が配置されて
いる。そして一方のポンプ電極222は,図1に示すよ
うに,スルーホール225や導電体を介して他方のポン
プ電極221の配置面に設けた端子パターン224と接
続されており,それぞれのポンプ電極221,222
は,端子パターン223,224を経てリード線14
3,144と電気的に接続されている。そして,リード
線143,144は,セラミックシート36と固体電解
質シート210によって挟持される。
定ガス室360がを設けられ,セラミックシート35に
は,大気を導入する基準ガス室350が形成されてい
る。一方,セラミックシート35の反対側の面に配置さ
れた加熱シート30は,絶縁シート31の上に抵抗素子
32が印刷されており,抵抗素子32は抵抗温度係数が
2.0×103 ppm/℃以下の抵抗発熱体からなる。
そして,抵抗素子32は,絶縁カバー33と絶縁シート
31によって挟持されるリード線34と接続されてい
る。
いて説明する。始めに,センシングセル11とポンピン
グセル21に用いるジルコニア生シートの製造について
説明する。最初に,6モル%のイットリアと94モル%
ジルコニアからなる平均粒径0.5μmのイットリア部
分安定化ジルコニア100部(重量部,以下同じ),α
−アルミナ1部,PVB(ポリビニルブチラール)5
部,DBP(ディブチルフタレート)10部,エタノー
ル10部,トルエン10部よりなるセラミック混合物を
用意する。
ルの中で一様に混合し,そのスラリーをドクターブレー
ド法によって,乾燥時の厚さが0.3mmとなるように
シート状に成形する。そして,得られたシート状の成形
体を5×70mmの長方形に切断し,前記測定電極12
2を基準電極121の側の端子パターン124に接続す
るために,スルーホール215を形成する。次に,白金
(Pt)ペーストを用いて測定電極122,基準電極1
21及び端子パターン123,124をスクリーン印刷
法により形成し,センシングセル11の生シートとす
る。
mmの長方形に切断し,所定の位置に0.5φの排気ガ
ス導入用の穴215を開ける。次いで,一方のポンプ電
極222を他方のポンプ電極221の側の端子パターン
224に接続するために,スルーホール225を形成す
る。次に,白金(Pt)ペーストを用いて上記ポンプ電
極222,221及び端子パターン223,224をス
クリーン印刷法により形成し,ポンピングセル21の生
シートとする。
シート31及び絶縁カバー33を形成するためのアルミ
ナ生シートの製造について説明する。始めに,平均粒径
0.3μmのα−アルミナ98部,6モル%イットリア
部分安定化ジルコニア3部,PVB(ポリビニルブチラ
ール)10部,DBP(ディブチルフタレート)10
部,エタノール30部,トルエン30部よりなるセラミ
ック混合物を用意する。次いで,このセラミック混合物
をボールミルの中で一様に混合し,そのスラリーをドク
ターブレード法によって,乾燥時の厚さが0.3mmと
なるようにシート状に成形する。
ト状の成形体を5×70mmの長方形に切断し,白金
(Pt)とパラジウム(Pd)が重量比で(3:1)に
構成され且つ10wt%のアルミナが含まれたペースト
(以下タイプAのペーストという),又は白金(Pt)
とパラジウム(Pd)が重量比で(9:1)に構成され
且つ10wt%のアルミナが含まれたペースト(以下タ
イプBのペーストという),のいずれかのペーストを用
いてスクリーン印刷法により,抵抗素子32を上記長方
形のシート上に印刷し加熱シート30を構成する絶縁シ
ート31の生シートとする。
は,センシングセル11及びポンピングセル21の電極
121,122,221,222を投影させた領域を完
全に内側に含む領域とし,かつ抵抗素子32の端子間の
抵抗値が所定の値,例えば2.0Ωとなるようにする。
そして,上記シート状の成形体を5×70mmの長方形
に切断し,加熱シート30を構成する絶縁カバー33の
生シートとする。
ル21の間に挟持されるセラミックシート36の場合に
は,上記0.3mmの厚さのシート状の成形体を5×7
0mmの長方形に切断し,測定電極121とポンプ電極
221との間に空間が生ずるように,測定ガス室360
用の長方形の穴を設けて生シートとする。
0の間に挟持されるセラミックシート35の場合には,
上記0.3mm厚のシート状の成形体と同一の製法によ
り製造した0.5mmの厚さの成形体を5×70mmの
長方形に切断する。そして,この長方形のシートのリー
ド線を配置する側から2×65mmの大きさの長方形の
領域を切除し,コの字形の帯状の生シートを形成する。
そして,上記長方形の切除部が前記基準ガス室350を
形成する。
φの13%Rh−Pt線を長さ7mmに切ったものを用
いる。そして,上記各生シート(所謂グリーンシート)
とリード線141〜144とを,常温にて感圧接着性を
有するペーストを用いて図1に示す配置に従って積層し
て圧着して積層体とする。次いで,この積層体を150
0℃で1時間焼成して本例の空燃比センサー1の本体を
製造する。
来装置の特性と比較した実験の結果を示す。なお,下記
に述べる実験において本例の空燃比センサー1と比較す
るために,比較用に製作した従来型の空燃比センサー
は,抵抗素子を形成するペーストとして従来から用いら
れているPtと10wt%のアルミナからなるペースト
(以下タイプMのペーストという)を用い,本例の空燃
比センサー1と全く同様に構成されたものである。そし
て,その抵抗温度係数は,図4の直線991で示すよう
な特性を有している。
ーの抵抗素子の抵抗温度係数は下記に述べる方法で測定
した。上記抵抗温度係数を測定するために,白金(P
t)とパラジウム(Pd)が重量比で(3:1)に構成
され且つ10wt%のアルミナが含まれた前記タイプA
のペースト,及び白金(Pt)とパラジウム(Pd)が
重量比で(9:1)に構成され且つ10wt%のアルミ
ナが含まれた前記タイプBのペースト,そして従来から
用いられているPtと10wt%のアルミナからなるタ
イプMのペーストの3種類のペーストを用意し,それぞ
れのペーストを用いて絶縁シート31に抵抗素子をスク
リーン印刷し,それぞれを前記抵抗値に設定して3種類
の比較用の抵抗素子シートを準備した。
定するために,各サンプルにPtのリード線を取り付け
た後,任意の温度に設定可能な電気炉の中にセットし
た。そして,図7に示すように,抵抗素子32に電源4
5から電圧を加え,電圧計47で抵抗素子32の端子間
の電圧を測定し,電流計46で抵抗素子32に流れる電
流を測定した。そして,上記電圧値と電流値とから各サ
ンプルの抵抗値を測定した。その結果は,図4にプロッ
トして示されており,同図において,直線991は従来
の抵抗素子(ペーストM)を,直線61は本例のペース
トAの抵抗素子を,そして直線62は本例のペーストB
の抵抗素子を示す。
た。次式において,R1000は1000℃における抵抗値
を,R20は20℃における抵抗値を示し,抵抗温度係数
の単位はppm/℃である。 抵抗温度係数={(R1000−R20)/R20}÷(100
0−20)×106 算出結果を表2に示す。
と素子破損との関係の実験結果を示す。実験は,20
℃,5%の酸素ガスを含む窒素ガス雰囲気に各空燃比セ
ンサーを設置し,図3に示すように,測定ガス室360
から外部に酸素を汲み出し汲み入れする為にポンピング
セル21の電極221,222間には直流電源41を介
して1Vの直流電圧を印加する。そして,センシングセ
ル11の電極121,122間に直流電圧計42を接続
して出力電圧を測定する。
電源43から任意の電圧が印加出来るようにする。更
に,図示しない熱電対温度計によって加熱シート30の
温度を測定し,700℃で抵抗素子32への電圧印加を
停止するようにした。これは,昇温時の熱応力とは別の
要因によって素子破壊が生じないようにし,昇温による
素子破壊だけが測定できるようにするためである。
は,抵抗素子32とポンピングセル21とへ同時に電圧
を印加し,センシングセル11の出力電圧が0.45V
になった時点をもって活性化と判定し,その間の時間を
活性化の時間とした。そして,素子破壊(割れ)の有無
は,上記測定後に染材で素子を染色し,破損に伴って割
れ目に発現する色彩の有無によって判定した。表1にそ
の実験結果を示す。
タイプMのペーストを用いた空燃比センサーは,5秒間
にセンサーの活性化を行うと素子破損を生ずる(×印で
表示)。しかしながら,抵抗素子32にタイプAのペー
ストを用いる本例の空燃比センサー(実施形態例1−1
と表記)及びタイプBのペーストを用いる本例の空燃比
センサー(実施形態例1−2と表記)は,いずれも素子
破損を生じない(○印で表示)。
実施形態例1の構造の空燃比センサー1を活性化するた
めには,抵抗温度係数が2.0×103 ppm以下の抵
抗素子を用いればよいことが分かる。なお,熱応力の観
点だけからは,抵抗温度係数は小さい程良いことになる
が,抵抗温度係数に基づいて素子の温度を測定すること
が必要であり,この測定感度の観点からは,抵抗温度係
数は正の値で大きいほど精度を高めることが出来る。そ
のため,抵抗温度係数は0.5×103 ppm以上であ
ることが好ましい。
抗素子32のペーストに更にRh,Pd,Irを第二成
分として添加したもう一つの実施形態例である。本例の
実験に供した抵抗素子32は,Ptの他に表3の左欄に
示すRh,Pd,Irのいずれかを第二成分として加
え,Ptと第二成分との比率を表3の左から2番目の欄
に示すように調整したペーストによって形成した。
化時間と素子割れの有無の関係を測定し,またそれぞれ
のサンプルの抵抗温度係数を測定した。表3の右欄は活
性化時間と素子割れの有無の関係の測定結果を示すもの
であり,表4は抵抗温度係数の値を示す。
化を行う基準には,PtとIrとの比率が3:2の場合
を除いて表3の各サンプル共基準に合格する。そして,
表4によって,この基準を満足するためには抵抗温度係
数が2.0×103 ppm以下であればよいことが分か
る。
ば,Irには昇華という現象が生ずる問題があるから,
耐久性の点からPd,Rhがより好ましい。また,今回
の実験の対象から除外したPt族元素のRu,Osにつ
いても第二成分として用いる可能性を有している。ま
た,絶縁シートの材料は,実施形態例で示したものの他
にα−アルミナ,ステアタイト及びムライトと同様の値
の熱膨張係数を有するセラミックを用いることが出来る
と思われる。
材料としてα−アルミナを採用しているが,特にこれに
限定されるものでなくγ−アルミナでもよい。即ち,焼
成によって得られた最終物においてα−アルミナであれ
ばよく,原材料がα−アルミナに限定されるものではな
い。また,本願では,抵抗素子32の抵抗温度係数によ
り,自動的に図5に示すように発熱量が調整される構成
を提示したが,図5に示すのと同様の発熱量の変化とな
るように,従来の抵抗素子に印加する電圧(電流)を制
御することによっても素子の破損を防止することが出来
る。しかしながら,この方法によれば,電圧(電流)の
制御手段が必要となり,より構成が複雑となる。
がりの特性を測定する回路を示す図。
を示す図。
を用いた空燃比センサーの発熱量の変化を示す図。
を用いた空燃比センサーの素子の温度変化を示す図。
路を示す図。
図。
図。
る抵抗値の変化を示す図。
Claims (2)
- 【請求項1】 固体電解質からなる板状の酸素検知用の
反応部と,上記反応部を加熱する電熱式の加熱シートと
を,適宜スペーサ等を介して積層してなる空燃比センサ
ーであって,上記加熱シートは,α−アルミナ,ステア
タイト及びムライトの中の1つ又は複数を主成分とする
板状の絶縁シートと,この絶縁シート上に膜状に形成し
た抵抗素子と,この抵抗素子を覆うα−アルミナ,ステ
アタイト及びムライトの中の1つ又は複数を主成分とす
る板状の絶縁シートとを有しており,上記抵抗素子の抵
抗温度係数は0.5×103 〜2.0×103 ppm/
℃の範囲内にあることを特徴とする空燃比センサー。 - 【請求項2】 請求項1において,前記抵抗素子は,P
t−Rh系合金,Pt−Pd系合金又はPt−Ir系合
金と,アルミナとを含むサーメットにより構成されてい
ることを特徴とする空燃比センサー。
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