JPH0980020A - 酸素濃度検出素子 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 酸素ポンプ部を速やかに加熱して、素子の作
動性を向上させること、基準ガス中の酸素濃度を一定に
保って、安定した出力を得ることが可能であり、かつ広
い範囲で酸素濃度検出を行うことができる酸素濃度検出
素子を提供する。 【解決手段】 酸素イオン導電性の固体電解質２１の下
面に左右一対の電極２２、２３を設けて酸素ポンプ部２
となし、左側電極２２を被測定ガスに連通する被測定ガ
ス室Ｂに、右側電極２３を被測定ガス室Ｂと隔壁５１に
て隔てられ、被測定ガスと連通孔Ａ１により連通する内
部空間Ａに露出させる。酸素ポンプ部２の下方に、酸素
イオン導電性の固体電解質３１とその上下面に設けた一
対の電極３２、３３よりなる酸素センサ部３を配して、
一方の電極３２を上記内部空間Ａに、他方の電極３３を
大気通路Ｃに露出させる。この時、酸素の出し入れは内
部空間Ａと被測定ガス室Ｂ間でなされ、大気通路Ｃ内の
酸素濃度は変動しない。また、ヒータ部４を上記酸素ポ
ンプ部２の上面に形成し、加熱効率を高める。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、被測定ガス中の酸
素濃度、詳しくは内燃機関の排気ガス中の酸素濃度を検
出する酸素濃度検出素子に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来より、酸素濃淡電池の原理を利用し
た酸素濃度検出素子を用いて、排気ガス中の酸素濃度を
測定し、内燃機関の空燃比を制御することが行われてい
る。図６は、この種の酸素濃度検出素子の代表的な構造
を示したもので、酸素濃度検出素子１は、上から順に、
酸素ポンプ部２、酸素センサ部３、およびこれらを加熱
するためのヒータ部４を積層して構成される。

【０００３】上記酸素ポンプ部２は、安定化ジルコニア
等の酸素イオン導電性の固体電解質２１とその上下面に
形成された電極２２、２３とからなる。その下方に位置
する上記酸素センサ部３は、酸素ポンプ部２同様の固体
電解質３１とその上下面に形成された電極３２、３３と
からなり、これら電極３２、３３が上記酸素ポンプ部２
の電極２２、２３の直下に位置するようになしてある。

【０００４】上記酸素ポンプ部２と酸素センサ部３の間
には、絶縁体よりなるスペーサ５が介設され、該スペー
サ５内に設けた内部空間Ａに、上記酸素ポンプ部２の下
部電極２３と酸素センサ部３の上部電極３２が露出する
ようになしてある。また、上記内部空間Ａには、上記酸
素ポンプ部２を貫通する連通孔Ａ１を介して被測定ガス
である排気ガスが取り込まれるようになしてある。

【０００５】上記酸素センサ部３とヒータ部４の間に
は、絶縁体よりなるスペーサ６が介設されている。該ス
ペーサ６には、図の右端より上記酸素センサ部３の下部
電極３３に至るスリットが形成してあって、基準酸素濃
度ガスである大気を導入するための大気通路Ｃとなして
ある。

【０００６】しかして、上記酸素センサ部３の上部電極
３２は被測定ガスである排気ガスに、下部電極３３は基
準酸素濃度ガスである大気に接しており、これらガス中
の酸素濃度の差に応じた起電力を生ずる。よって、上記
酸素センサ部３の起電力が一定となるように、つまり、
被測定ガスに連通する上記内部空間Ａの酸素濃度がある
濃度となるように上記酸素ポンプ部２に電圧を印加する
と、これに応じて酸素イオンが固体電解質２１中を移動
する。この際、酸素ポンプ部２に流れた電流値が酸素拡
散量、すなわち、被測定ガス中の酸素濃度に相関し、従
って、上記酸素ポンプ部２に流れる電流値で被測定ガス
中の酸素濃度を検出することができる。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】エンジン暖機運転中の
エミッションを制御するためには、酸素濃度検出素子１
のより早い作動が望まれる。一方、上記固体電解質２
１、３１の酸素イオン伝導性を発揮させるには、これら
が高温であること、つまり、上記酸素ポンプ部２および
酸素センサ部３の特性を安定化させることが必要で、特
に酸素ポンプ部２の固体電解質２１は、電流を流すた
め、充分高温にする必要がある。従って、酸素濃度検出
素子１の作動性を向上させるには、より早く素子温度、
特に酸素ポンプ部２の温度を上げる必要がある。

【０００８】しかしながら、上記構造では、酸素ポンプ
部２とヒータ部４の間に、内部空間Ａ、酸素センサ部
３、および大気通路Ｃが存在しており、熱が酸素ポンプ
部２の固体電解質２１に伝わりにくく、加熱効率が低い
という問題点があった。

【０００９】ヒータ部４の加熱効率を改善するために
は、ヒータ部４に投入する電力を大きくし、加える熱を
大きくするという手段が考えられる。しかしながら、こ
の場合、消費電力が大きくなったり、ヒータ部４の寿命
が短くなるという問題点がある。

【００１０】酸素ポンプ部に近接してヒータ部を配置し
た例としては、例えば、実開昭６２−１４６９５６号公
報に記載の酸素センサがある。これは、図７に示すよう
に、酸素ポンプ部２を構成する固体電解質２１の一面に
一対の電極２２、２３を設ける一方、酸素センサ部３を
構成する固体電解質３１の一面に一対の電極３２、３３
を設けて、これら固体電解質２１、３１を電極を内側に
して対向配設したもので、それぞれの左側の電極２２、
３２間に被測定ガスに連通する内部空間Ａを、右側の電
極２３、３３間に大気通路Ｃを形成している。上記固体
電解質２１の、電極形成面と反対側の面にはヒータ部４
が積層形成してあり、上記酸素ポンプ部２を直接加熱で
きるようになしてある。

【００１１】ところで、上記図７の構成において、上記
酸素ポンプ部２は、空燃比リッチ側では、図中矢印に示
すように大気通路Ｃから内部空間Ａへ、リーン側ではそ
の逆方向に酸素イオンが固体電解質２１中を移動するよ
うに機能する。ところが、この時、基準酸素濃度ガスが
存在する大気通路Ｃへ酸素を出し入れすることになるた
め、大気通路Ｃの酸素濃度が変化してしまい、出力が安
定しないおそれがある。

【００１２】また、空燃比リッチ側では、連通孔Ａ１に
よる外部空間から内部空間Ａへの排気ガスの拡散より
も、大気通路Ｃでの酸素の拡散が律速になる。つまり、
大気通路Ｃから内部空間Ａへ酸素を充分ポンピングする
ことができず、この時、ポンプ電流は基準ガスの酸素濃
度に依存して、排気ガス中の酸素濃度とは無関係になる
という問題がある。このため、リーン側でしか有効に作
動せず、広範囲で酸素濃度検出を行うことができない不
具合があった。

【００１３】しかして、本発明の目的は、酸素ポンプ部
を速やかに加熱して、素子の作動性を向上させるととも
に、基準となるガス中の酸素濃度を一定に保って、安定
した出力を得ることが可能であり、しかも広い範囲で酸
素濃度検出を行うことができる酸素濃度検出素子を提供
することにある。

【００１４】

【課題を解決するための手段】本発明の構成を図１で説
明すると、酸素濃度検出素子１は、酸素ポンプ部２と、
酸素センサ部３と、これらを加熱するヒータ部４とを有
している。上記酸素ポンプ部２は、酸素イオン導電性の
固体電解質２１とその一方の面に設けた一対の電極２
２、２３よりなり、該一対の電極のうち一方の電極２２
を、被測定ガスが存在する外部空間に開口する被測定ガ
ス室Ｂに露出し、他方の電極２３を、上記被測定ガス室
Ｂから隔壁５１により隔離され、上記外部空間と連通孔
Ａ１により連通する内部空間Ａに露出させている。酸素
センサ部３は、酸素イオン導電性の固体電解質３１とそ
の表面に設けた一対の電極３２、３３よりなり、該一対
の電極のうち一方の電極３２を上記内部空間Ａに露出
し、他方の電極３３を、基準酸素濃度ガスが導入される
基準酸素濃度ガス室Ｃに露出させている。また、上記酸
素ポンプ部２の上記固体電解質２１の電極形成面と反対
側の面に接して、ヒータ部４が形成してある（請求項
１）。

【００１５】上記酸素センサ部３の上記一対の電極３
２、３３は、図４のように上記固体電解質３１の一方の
面に設けることもできる（請求項２）。また、上記連通
孔Ａ１の上記外部空間側の開口端部を覆って、多孔質材
よりなる保護部４４を形成してもよい（請求項３）。

【００１６】

【発明の実施の形態】図３には本発明の酸素濃度検出素
子を構成の一部とする、内燃機関の空燃比検出装置の全
体断面図を示す。図３において、筒状ハウジングＨ内に
は、絶縁部材Ｈ１に設けた貫通穴Ｈ２内に、詳細を後述
する本発明の酸素濃度検出素子１が挿通保持されてい
る。該酸素濃度検出素子１は、その後端部（図の上端
部）において、絶縁部材Ｈ１との間に充填される絶縁シ
ール材Ｈ３によりハウジングＨ内に固定される。

【００１７】上記酸素濃度検出素子１は細長い平板状
で、その先端部（図の下端部）は、上記ハウジングＨよ
り突出して図の下方に延び、ハウジングＨの下端に固定
される容器状の排気カバー７内に収容されている。上記
排気カバー７は、ステンレス製の内部カバー７１と外部
カバー７２の二重構造となっており、これらカバー７
１、７２の側壁には、被測定ガスである排気ガスを排気
カバー７内に取り込むための排気導入口７１ａ、７２ａ
がそれぞれ形成してある。

【００１８】上記ハウジングＨの上端には、筒状の大気
カバー８が固定される。上記大気カバー８は、上記ハウ
ジングＨに取り付けられるメインカバー８１とその後端
部を被うサブカバー８２とからなり、その側壁の対向位
置に大気導入口８１ａ、８２ａをそれぞれ有して、これ
ら大気導入口８１ａ、８２ａより基準酸素濃度測定のた
めの大気を大気カバー８内に取り込むようになしてあ
る。また、上記大気導入口８１ａ、８２ａの形成位置に
おいて、上記メインカバー８１とサブカバー８２の間
に、防水のために溌水性のフィルタ８３を配設してあ
る。そのため、空燃比検出装置内部には大気のみが導入
され、水分が入ることはない。

【００１９】なお、上記大気カバー８は上端が開口して
おり、上記酸素濃度検出素子１の後端部に接続するリー
ド線９が、この上端開口より外部に延びている。

【００２０】図１は上記酸素濃度検出素子１の先端部の
拡大断面図、図２はその展開図であり、酸素濃度検出素
子１は、上から順に、ヒータ部４、酸素ポンプ部２、お
よび酸素センサ部３を順次積層した構成を有する。

【００２１】上記ヒータ部４は、アルミナ等からなる基
板４１と、該基板４１の下面にスクリーン印刷等により
形成したヒータ電極４２と、このヒータ電極４２を覆う
アルミナ等からなる絶縁層４３とから構成される。

【００２２】上記ヒータ部４の絶縁層４３の下面には、
上記酸素ポンプ部２を構成する平板状の酸素イオン導電
性の固体電解質２１が配置される。上記固体電解質２１
はイットリア添加ジルコニア等からなり、そのヒータ部
４と反対側の面（図の下部表面）には、白金等からなる
左右一対の電極２２、２３がスクリーン印刷等により形
成されている。

【００２３】上記酸素ポンプ部２の下方には、スペーサ
５を介して上記酸素センサ部３を構成する平板状の酸素
イオン導電性の固体電解質３１が配置される。上記固体
電解質３１はイットリア添加ジルコニア等からなり、そ
の上下面の対向位置には、白金等からなる一対の電極３
２、３３がスクリーン印刷等により形成してある。

【００２４】上記固体電解質２１、３１は、ドクターブ
レード法等のシート形成法により形成されたシートであ
り、その厚さは、通常、５０〜３００μｍの範囲とする
のがよい。ただし、電気抵抗とシート強度との兼ね合い
を考慮すると、１００〜２００μｍの範囲とすることが
望ましい。また、電極２２、２３、３２、３３の厚さ
は、通常、１〜２０μｍの範囲とするが、耐熱性とガス
拡散性とを考慮すると、５〜１０μｍ程度とすることが
望ましい。

【００２５】上記スペーサ５は平板状で、アルミナ等の
絶縁材からなる。図２に示すように、スペーサ５の左端
部には、上方の上記酸素ポンプ部２の左側電極２２に対
向する部分に、左端縁に達する開口部５ａが設けてあ
り、その上下に上記固体電解質２１、３１を積層するこ
とにより、左端開口の被測定ガス室Ｂを形成する（図
１）。しかして、上記図３の空燃比検出装置内に配置さ
れた時に、上記被測定ガス室Ｂは、被測定ガスである排
気ガスが存在する、外部空間たる上記排気カバー７内空
間と連通する。

【００２６】一方、上記スペーサ５の上記開口部５ａの
右方には（図２）、上記酸素ポンプ部２の右側電極２３
に対向する部分に開口部５ｂが形成され、その上下に上
記固体電解質２１、３１を積層することにより、上記被
測定ガス室Ｂから隔壁５１によって隔離される内部空間
Ａが形成される。ここで、上記ヒータ部４の基板４１と
上記絶縁層４３、上記酸素ポンプ部２の上記固体電解質
２１と上記右側電極２３には、これらを積層した時に重
なり合う位置に、貫通孔４１ａ、４３ａ、２１ａ、２３
ａがそれぞれ設けてあり、これらを積層することによ
り、上記内部空間Ａと上記排気カバー７内空間とを連通
する連通孔Ａ１が形成されるようになしてある（図
１）。

【００２７】なお、上記ヒータ部４の基板４１上面に
は、被測定ガスに含まれるすす等の粉末による上記連通
孔Ａ１の目詰まりを防ぐために、該連通孔Ａ１の上端を
覆って、アルミナ等からなる多孔質ペーストを塗布、焼
付けしてなる保護部４４が設けてある。また、上記被測
定ガス室Ｂに露出し、排気ガスに直接接する上記酸素ポ
ンプ部２の左側電極２２を保護するために、上記電極２
２上にも同様の保護部２４が設けてある。

【００２８】上記酸素センサ部３の下方には、アルミナ
等の絶縁材よりなるスペーサ６１およびシート６２が順
に配置される。上記スペーサ６１は、上方の上記酸素セ
ンサ部３の下部電極３３と対向する部分に開口部６１ａ
を有するとともに、該開口部６１ａよりスペーサ６１の
右端に至るスリット６１ｂを有している（図２）。しか
して、上記酸素センサ部３に上記スペーサ６１とシート
６２を積層することにより、図１に示すように、基準酸
素濃度ガス室たる大気通路Ｃが形成される。該大気通路
Ｃは、上記図３の空燃比検出装置の大気カバー８内空間
と連通しており、外部より基準酸素濃度ガスである大気
が導入されるようになしてある。

【００２９】次に上記構成の空燃比検出装置の作動につ
いて説明する。図３において、空燃比検出装置の上記排
気カバー７を、内燃機関の排気通路に挿通固定すると、
排気カバー７の排気導入口７１ａ、７２ａを通じて、排
気ガスが排気カバー７内部に取り込まれ、酸素濃度検出
素子１の上記連通孔Ａ１を介して上記内部空間Ａに導入
される。排気ガスは、上記被測定ガス室Ｂ内にも導入さ
れる。

【００３０】一方、大気カバー８の大気導入口８１ａ、
８２ａを通じて、大気が大気カバー８内部に取り込ま
れ、さらに酸素濃度検出素子１の大気通路Ｃに導入され
る。

【００３１】かくして、上記酸素センサ部３の上部電極
３２は、上記内部空間Ａ内の被測定ガス（排気ガス）に
接し、下部電極３３は大気通路Ｃ内の基準酸素濃度ガス
（大気）に接することになる。そして、基準酸素濃度ガ
スと被測定ガスの酸素の濃度勾配によって生じる酸素セ
ンサ部３の起電力が一定となるように、つまり、被測定
ガスと連通する上記内部空間Ａの酸素濃度がある濃度と
なるように、酸素ポンプ部２に電圧をかけると、空燃比
リッチ側では被測定ガス室Ｂから内部空間Ａへ、リーン
側では内部空間Ａから被測定ガス室Ｂへ、酸素イオンが
固体電解質２１中を移動する。

【００３２】そして、この時、酸素ポンプ部２に流れた
電流値が、酸素拡散量、つまり、被測定ガス中の酸素濃
度に相関する。従って、酸素ポンプ部２に流れる電流値
で被測定ガス中の酸素濃度を検出することができる。

【００３３】上記構成では、基準酸素濃度ガスが存在す
る大気通路Ｃへの酸素イオンの出し入れがないので、大
気通路Ｃ中の酸素濃度が変動することがなく、安定した
出力が得られる。また、常に、被測定ガス室Ｂと内部空
間Ａとで酸素を出し入れするため、リッチ側、リーン側
のいずれの場合も、排気ガス中の酸素濃度に応じたポン
プ電流が出力され、広い範囲で酸素濃度検出を行うこと
ができる。

【００３４】しかも、上記構成では、ヒータ部４が酸素
ポンプ部２の直上に、密着して配置されていることか
ら、ヒータ部４により上記酸素ポンプ部２が速やかに加
熱され、加熱効率が大幅に向上する。従って、酸素濃度
検出素子１を作動させるまでに必要な時間を短縮するこ
とができる。また、上記酸素ポンプ部２において、一対
の電極２２、２３を固体電解質２１の一方の面に配置し
たので、これら電極２２、２３を同時に印刷形成するこ
とができ、製作工程が簡単になる。

【００３５】なお、本発明の酸素濃度検出素子１を製造
する場合には、まず、固体電解質２１に電極２２、２３
を、固体電解質３１に電極３２、３３を、ヒータ部４の
基板４１にヒータ電極４２をそれぞれスクリーン印刷す
る。その後、下からシート６２、スペーサ６１、固体電
解質３１、スペーサ５、固体電解質２１、絶縁層４３、
基板４１の順に積層し、熱圧着して一体化し、焼成すれ
ばよい。

【００３６】この時、上記固定電解質２１、３１、スペ
ーサ５、６１、シート６２、基板４１、絶縁層４３の各
部材を、それぞれ左右前後に多数繋がった状態で用意
し、この状態で電極形成した後、熱圧着し、同時焼成し
た後、分割すれば、一工程で大量の酸素濃度検出素子を
同時に製造することができる。あるいは、熱圧着して個
々に分割した後、同時焼成することも可能である。

【００３７】図４、５は本発明の酸素濃度検出素子の実
施の形態の他の例を示し、本例では、上記酸素センサ部
３の一対の電極３２、３３を同一面上に形成している。
すなわち、上記酸素センサ部３の固体電解質３１上面
に、一対の電極３２、３３を近接して配置し、その上方
の上記スペーサ５には、右側の電極３３の形成部分に対
向する開口部５ｃと、これよりスペーサ５右端に至るス
リット５ｄを形成する（図５）。これにより、上記内部
空間Ａの右方に大気通路Ｃが形成され（図４）、上記右
側の電極３３が大気に露出される。左側の電極３２は上
記図１同様、内部空間Ａに露出している。なお、上記大
気通路Ｃと内部空間Ａとは隔壁５２により隔離される。

【００３８】上記構成によれば、上記酸素ポンプ部２に
加えて、上記酸素センサ部３においても一対の電極３
２、３３を同一面に配置したので、これら電極３２、３
３を一度に印刷形成することができ、製作工程がさらに
簡単になる。また、スペーサ６１、シート６２が不要と
なるので、部品点数が減り、よりコンパクトにできる。

【００３９】上記各例では、上記連通孔Ａ１を、酸素ポ
ンプ部２の電極２３上に配置したが、その配置部位は、
配置した際に被測定ガスを内部空間Ａに取り込むことが
できる部位であればよく、例えばスペーサ５を貫通する
ように形成してもよい。また、連通孔Ａ１の数は１つと
したが、複数であっても何ら差し支えない。

【００４０】また、各部材に設けた貫通孔４１ａ、４３
ａ、２１ａ、２３ａを積層した時に上記連通孔Ａ１が形
成されるようにしたが、各部材を積層した後、これらを
貫通する穴を形成して上記連通孔Ａ１とすることもでき
る。

【００４１】上記各例では、酸素イオン導電性の固体電
解質２１、３１としてイットリア添加ジルコニアを用い
たが、他の成分を添加したジルコニア、あるいはジルコ
ニアに代えてセリア、ハフニアといった酸化物よりなる
固体電解質を用いてもよい。また、酸素ポンプ部２、酸
素センサ部３の電極は白金に限らず、パラジウム等を用
いることもできる。さらに電極の形成方法はスクリーン
印刷に限らず、メッキ、蒸着等の他の薄膜形成技術を採
用してもよい。

【００４２】また、スペーサ５、６１の材質はアルミナ
に限らず、ムライト、ステアタイト等、絶縁性のある材
料であればいずれを使用することもできる。保護部２
４、４４の材質もアルミナに限らず、ムライトやスピネ
ル等、他のセラミックを用いてもよい。また、その形成
法として、ペーストを塗布する以外に、ペーストのスク
リーン印刷やプラズマ溶射法、浸漬法といった方法を採
用してもよい。

【００４３】

【発明の効果】以上のように、本発明によれば、酸素ポ
ンプ部とヒータ部とが近接して配置されているので、酸
素ポンプ部が速やかに加熱され、素子が作動するまでに
必要な時間を短縮することができる。しかも、基準酸素
濃度ガス室内の酸素濃度が一定であるため安定した出力
が得られ、広い範囲で酸素濃度を検出することが可能で
ある。また、酸素ポンプ部の一対の電極を同一面上に配
置しているので、両電極を一度に形成でき、製作工程が
簡略化できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】図１は、本発明の実施の形態の一例を示す酸素
濃度検出素子の要部拡大断面図である。

【図２】図２は、図１の酸素濃度検出素子の展開図であ
る。

【図３】図３は、本発明の酸素濃度検出素子を構成の一
部とする空燃比検出素子の全体断面図である。

【図４】図４は、本発明の酸素濃度検出素子の他の実施
の形態を示す要部拡大断面図である。

【図５】図５は、図４の酸素濃度検出素子の展開図であ
る。

【図６】図６は、従来の酸素濃度検出素子の構造を示す
要部拡大図である。

【図７】図７は、従来の酸素濃度検出素子の構造を示す
要部拡大図である。

【符号の説明】

１ 酸素濃度検出素子 ２ 酸素ポンプ部 ２１ 固体電解質 ２２、２３ 電極 ２４ 保護部 ３ 酸素センサ部 ３１ 固体電解質 ３２、３３ 電極 ４ ヒータ部 ４１ 基板 ４２ ヒータ電極 ４３ 絶縁部材 ４４ 保護部 ５ スペーサ ５１、５２ 隔壁 ６、６１ スペーサ ６２ シート Ａ 内部空間 Ａ１ 連通孔 Ｂ 被測定ガス室 Ｃ 大気通路（基準酸素濃度ガス室）

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 牧野 太輔 愛知県西尾市下羽角町岩谷14番地 株式会 社日本自動車部品総合研究所内 (72)発明者 柴田 真弘 愛知県刈谷市昭和町１丁目１番地 日本電 装株式会社内

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 酸素イオン導電性の固体電解質の一方の
   面に一対の電極を設け、該一対の電極のうち一方を、被
   測定ガスが存在する外部空間に開口する被測定ガス室に
   露出し、他方を上記被測定ガス室と隔壁にて隔てられ、
   上記外部空間と連通孔を介して連通する内部空間に露出
   させた酸素ポンプ部と、酸素イオン導電性の固体電解質
   の表面に一対の電極を設け、該一対の電極のうち一方を
   上記内部空間に露出し、他方を基準酸素濃度ガスが導入
   される基準酸素濃度ガス室に露出させた酸素センサ部
   と、上記酸素ポンプ部の上記固体電解質の電極形成面と
   反対側の面に接して形成されるヒータ部とを有すること
   を特徴とする酸素濃度検出素子。
2. 【請求項２】 上記酸素センサ部において上記一対の電
   極を上記固体電解質の一方の面に設けた請求項１記載の
   酸素濃度検出素子。
3. 【請求項３】 上記連通孔の上記外部空間側の端部を多
   孔質材よりなる保護部で覆った請求項１または２記載の
   酸素濃度検出素子。