JPS58153155A - 酸素センサ - Google Patents
酸素センサInfo
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- JPS58153155A JPS58153155A JP57036973A JP3697382A JPS58153155A JP S58153155 A JPS58153155 A JP S58153155A JP 57036973 A JP57036973 A JP 57036973A JP 3697382 A JP3697382 A JP 3697382A JP S58153155 A JPS58153155 A JP S58153155A
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- sensor
- electrodes
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- pump element
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- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
- G01N27/00—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means
- G01N27/26—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating electrochemical variables; by using electrolysis or electrophoresis
- G01N27/416—Systems
- G01N27/417—Systems using cells, i.e. more than one cell and probes with solid electrolytes
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- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
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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
- G01N27/4072—Cells and probes with solid electrolytes for investigating or analysing gases using sensor elements of laminated structure characterized by the diffusion barrier
Abstract
(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。
め要約のデータは記録されません。
Description
【発明の詳細な説明】
本発明は排気ガスなどの被測定ガス中の酸素濃度を測定
するための酸素センサに関する。更に詳しくは、比較的
１１度依存性が少なくて、空燃比などを精密に測定する
ことができる酸素センサに関するものである。
するための酸素センサに関する。更に詳しくは、比較的
１１度依存性が少なくて、空燃比などを精密に測定する
ことができる酸素センサに関するものである。
自動準用エンジンの燃費改善及び排気ガス浄化のため、
吸入混合気の空燃比を理論空燃比（空気過剰率λ−１）
より＾いリーン側で運転する方法が提案され、空気過剰
率λ≧１における空燃比を−１− 正確に測定できる酸素センサが求められている。
吸入混合気の空燃比を理論空燃比（空気過剰率λ−１）
より＾いリーン側で運転する方法が提案され、空気過剰
率λ≧１における空燃比を−１− 正確に測定できる酸素センサが求められている。
かかる用途の酸素センサの１つとして米国フォード社に
よって公表されたものがある（例えば特開昭５６−１３
０６４９）。
よって公表されたものがある（例えば特開昭５６−１３
０６４９）。
このセンサは電極を両面に設けた２枚の機状酸素イオン
導電性固体電解質焼結体を、一方はｓＩ集汲み出し用ポ
ンプ素子に、他方は酸素濃度比測定用素子として、側壁
に小さな孔を穿った耐熱材料からなる円筒形スペーサを
挾んで積■して接部し、上記２つの板状素子部に囲われ
た室と酸素拡散孔とを形成してなるものである。しかし
て、酸素汲み出し用の酸素ポンプ素子に通電し上記孔を
通して被測定雰囲気からの拡散によるｍ１県の流入を治
しながら上記−われた型内の酸素を例えば酸素濃度比測
定用素子の出力即ち室内と外との酸素濃度比が常に一定
になるように汲み出すことにより、＠素汲み出し電流が
被測定ガス雰囲気中の酸素濃度と対応することを利用し
て被測定ガス中のｌ索濃度を電気的に測定するというも
ので、雰囲気ガス１痩に対するセンサ出りのｗＡ度依存
性の点で有−２− 利となるものである。しかしながら、上記ｍ素センサは
２つの素子及び酸素拡散孔を穿った円筒形スペーサから
なり、その構造が複雑であって、一般にｌｌｌ１ｌｉセ
ンサはミリメートル単位の大きさであるので、加工組み
立てによる生産性が非常に低いという欠点があった。
導電性固体電解質焼結体を、一方はｓＩ集汲み出し用ポ
ンプ素子に、他方は酸素濃度比測定用素子として、側壁
に小さな孔を穿った耐熱材料からなる円筒形スペーサを
挾んで積■して接部し、上記２つの板状素子部に囲われ
た室と酸素拡散孔とを形成してなるものである。しかし
て、酸素汲み出し用の酸素ポンプ素子に通電し上記孔を
通して被測定雰囲気からの拡散によるｍ１県の流入を治
しながら上記−われた型内の酸素を例えば酸素濃度比測
定用素子の出力即ち室内と外との酸素濃度比が常に一定
になるように汲み出すことにより、＠素汲み出し電流が
被測定ガス雰囲気中の酸素濃度と対応することを利用し
て被測定ガス中のｌ索濃度を電気的に測定するというも
ので、雰囲気ガス１痩に対するセンサ出りのｗＡ度依存
性の点で有−２− 利となるものである。しかしながら、上記ｍ素センサは
２つの素子及び酸素拡散孔を穿った円筒形スペーサから
なり、その構造が複雑であって、一般にｌｌｌ１ｌｉセ
ンサはミリメートル単位の大きさであるので、加工組み
立てによる生産性が非常に低いという欠点があった。
又、上記Ｓ素拡散孔は非常に小さいもので、自動中エン
ジン排気ガス中に設置したような場合においては、排気
ガスよりのデポジットのため、孔の径が小さくなったり
、場合によって完全に詰まってしまい、正確な酸素濃度
測定がしばしば不可能となった。又、孔が詰まらないに
しても、その径が非常に小さいことから、僅かなデポジ
ットを生じても、酸素の拡散効率に影響を及ぼし、測定
ＩＩｌ［を低下させたのである。
ジン排気ガス中に設置したような場合においては、排気
ガスよりのデポジットのため、孔の径が小さくなったり
、場合によって完全に詰まってしまい、正確な酸素濃度
測定がしばしば不可能となった。又、孔が詰まらないに
しても、その径が非常に小さいことから、僅かなデポジ
ットを生じても、酸素の拡散効率に影響を及ぼし、測定
ＩＩｌ［を低下させたのである。
酸素センサ特に空燃比測定用酸素センサの以上のような
欠点に鑑み、本発明者らは鋭意研究の結果、新規でかつ
ｉ単な構造でしかも測定精度の＾いセンサを開発したの
である。
欠点に鑑み、本発明者らは鋭意研究の結果、新規でかつ
ｉ単な構造でしかも測定精度の＾いセンサを開発したの
である。
即ら本発明の要旨とするところは、酸素イオン−３−
導電性固体電解質板の先側の両面に電極層を設けた素子
を、２枚閤隔をおいて平行状に配して上記先側に間一部
を設けて咳画素子を固定し、一方の素子を酸素ポンプ素
子、他方の素子を周囲雰囲気と前記ａｙｓ部との酸素濃
度比測定用電池素子としたことを特徴とする酸素センサ
にある。
を、２枚閤隔をおいて平行状に配して上記先側に間一部
を設けて咳画素子を固定し、一方の素子を酸素ポンプ素
子、他方の素子を周囲雰囲気と前記ａｙｓ部との酸素濃
度比測定用電池素子としたことを特徴とする酸素センサ
にある。
次に図を参照しつつ、具体的な実施例に基づいて説明し
てゆく。
てゆく。
第１図は本発明の酸素センサの第１実施例の平面図、第
２図はその裏面図、第３図はその１１断面図を示す。こ
こにおいて、２及び３は素子であり、この内２が酸素ポ
ンプ素子、３が酸素濃度比測定用電池素子である。
２図はその裏面図、第３図はその１１断面図を示す。こ
こにおいて、２及び３は素子であり、この内２が酸素ポ
ンプ素子、３が酸素濃度比測定用電池素子である。
酸素ポンプ素子２の主体はｌ！東クイオン導電性固体電
解質長方形の焼結板状体からなる。ポンプ素子２の先側
２ａには、その表裏面の相対する位置でかつ先側の三方
の端縁から少しひかえた位置に耐熱金属層よりなる電極
４．５が正方形状に設けられている。一方の正方形電極
４の元側方向の２つの角の内の１つより耐熱金属層より
なる引き−４− 出し線４ａが、板状体の元側２ｂへ真直ぐに伸びる帯形
状に設けられている。同様に他方の正方形電＃に５の元
側方向の２つの角の内、電極４と反対側の角より引き出
し纏５ａが板状体の元側２ｂへ真自ぐに伸びる帯形状に
設けられている。引き出し線５ａは元側２ｂで板状体の
表裏を貫通しているスルーホール５ｄを通じて、その反
対面の取り出し部５ｂに電気的に接続されている。引き
出し纏４８は元側２ｂで取り出し部４ｂを形成し、その
結果、同一面に２つの電極４．５の取り出し部４ｂ 、
５ｂが配設されることになる。
解質長方形の焼結板状体からなる。ポンプ素子２の先側
２ａには、その表裏面の相対する位置でかつ先側の三方
の端縁から少しひかえた位置に耐熱金属層よりなる電極
４．５が正方形状に設けられている。一方の正方形電極
４の元側方向の２つの角の内の１つより耐熱金属層より
なる引き−４− 出し線４ａが、板状体の元側２ｂへ真直ぐに伸びる帯形
状に設けられている。同様に他方の正方形電＃に５の元
側方向の２つの角の内、電極４と反対側の角より引き出
し纏５ａが板状体の元側２ｂへ真自ぐに伸びる帯形状に
設けられている。引き出し線５ａは元側２ｂで板状体の
表裏を貫通しているスルーホール５ｄを通じて、その反
対面の取り出し部５ｂに電気的に接続されている。引き
出し纏４８は元側２ｂで取り出し部４ｂを形成し、その
結果、同一面に２つの電極４．５の取り出し部４ｂ 、
５ｂが配設されることになる。
電池素子３もポンプ素子２と同様に主体は酸素イオン導
電性固体電解質の長方形の焼結板状体からなる。電池素
子３の先側３ａには、その表裏面の相対する中央よりの
位置に耐熱金属層よりなる電極６．７が正方形状に設け
られている。一方の正方形電極６の元側方向の２つの角
の内の１つより耐熱金属−よりなる引き出し糠６ａが、
板状体の元側３ｂへ真−ぐに伸びる帯形状に設けられて
いる。同様に他方の正方形電極７の元側方向の２− ５
一 つの角の内、電極６と反対側の角より引き出し線７ａが
板状体の元側３ｂへ真直ぐに伸びる帯形状に設けられて
いる。引き出し翰６ａは元側１ｂで板状体の表裏を貫通
しているスルーホール６ｄを通じて、その反対面の取り
出し部６ｂに電気的に接続されている。引き出し線７ａ
は元側３ｂで取り出し部７ｂを形成し、その結果、同一
面に、２つの電極６．７の取り出し部６ｂ、７ｂが配設
されていることになる。
電性固体電解質の長方形の焼結板状体からなる。電池素
子３の先側３ａには、その表裏面の相対する中央よりの
位置に耐熱金属層よりなる電極６．７が正方形状に設け
られている。一方の正方形電極６の元側方向の２つの角
の内の１つより耐熱金属−よりなる引き出し糠６ａが、
板状体の元側３ｂへ真−ぐに伸びる帯形状に設けられて
いる。同様に他方の正方形電極７の元側方向の２− ５
一 つの角の内、電極６と反対側の角より引き出し線７ａが
板状体の元側３ｂへ真直ぐに伸びる帯形状に設けられて
いる。引き出し翰６ａは元側１ｂで板状体の表裏を貫通
しているスルーホール６ｄを通じて、その反対面の取り
出し部６ｂに電気的に接続されている。引き出し線７ａ
は元側３ｂで取り出し部７ｂを形成し、その結果、同一
面に、２つの電極６．７の取り出し部６ｂ、７ｂが配設
されていることになる。
ポンプ素子２及び電池素子３の各板状体を形成している
固体電解質は酸素イオン導電体の性質を有することが必
要であり、ジルコニアのイツトリアあるいはカルシア等
との固溶体が代表的なものであり、その他二酸化セリウ
ム、二酸化トリウム、二酸化ハフニウムの各固溶体、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ａｍイオン導電性の固体電解質として使用可能である
。
固体電解質は酸素イオン導電体の性質を有することが必
要であり、ジルコニアのイツトリアあるいはカルシア等
との固溶体が代表的なものであり、その他二酸化セリウ
ム、二酸化トリウム、二酸化ハフニウムの各固溶体、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ａｍイオン導電性の固体電解質として使用可能である
。
各板状体の表面に形成される電極４．５．６．７、引き
出し輸４ａ 、５ａ 、６ａ 、７ａおよび取り出し部
４ｂ１５ｂ、６ｂ、７ｂは耐熱金ｉｕｉよ−６− りなり主にＰｔ、Ｒｕ、Ｐｄ、Ｒｈ、Ｉｒ、Ａｕ１Ａａ
等のペーストがプリント印刷焼結またはフレーム溶射ま
たは化学メッキもしくは蒸着などの方法を用いて被着形
成される。
出し輸４ａ 、５ａ 、６ａ 、７ａおよび取り出し部
４ｂ１５ｂ、６ｂ、７ｂは耐熱金ｉｕｉよ−６− りなり主にＰｔ、Ｒｕ、Ｐｄ、Ｒｈ、Ｉｒ、Ａｕ１Ａａ
等のペーストがプリント印刷焼結またはフレーム溶射ま
たは化学メッキもしくは蒸着などの方法を用いて被着形
成される。
これらは素子１枚毎に製作してもよいが、一般に生産性
を考慮して、焼結前の固体電解質の大型の生のセラミッ
クシートに電極用等の金属ペーストを多数同時にプリン
ト印刷し、その後、素子毎に切り抜き焼成する方法を採
用するのが有利である。
を考慮して、焼結前の固体電解質の大型の生のセラミッ
クシートに電極用等の金属ペーストを多数同時にプリン
ト印刷し、その後、素子毎に切り抜き焼成する方法を採
用するのが有利である。
次に画素子２．３を＠膝部９を有する一体の酸素センサ
に組み立てるには、画素子２．３の各々の元側２ｂ 、
３ｂにて耐熱性無機質接着剤等を用いて平行に一定閤隔
に貼り合わせることによりなされる。
に組み立てるには、画素子２．３の各々の元側２ｂ 、
３ｂにて耐熱性無機質接着剤等を用いて平行に一定閤隔
に貼り合わせることによりなされる。
この画素子を一定閤隔に平行に貼り合わせるには例えば
次のような方法が採られる。まず片方の素子の元側接着
面に耐熱性無機質接着剤例えばセラミック系接着剤を適
量塗布する。次に、厚みの均一なスペーサ、例えば、ゲ
ージあるいは厚さ−７− ０，０１〜０．０５−一の紙、ビニール、アルミホイル
等を一枚又は複数枚重ねて２つの素子の先側に挾んで押
圧し、接着剤を画素子の元側接稠面全面に押し拡げ、は
み出た余分の接着剤を取り除いた後、加熱処理して接着
剤を固める。
次のような方法が採られる。まず片方の素子の元側接着
面に耐熱性無機質接着剤例えばセラミック系接着剤を適
量塗布する。次に、厚みの均一なスペーサ、例えば、ゲ
ージあるいは厚さ−７− ０，０１〜０．０５−一の紙、ビニール、アルミホイル
等を一枚又は複数枚重ねて２つの素子の先側に挾んで押
圧し、接着剤を画素子の元側接稠面全面に押し拡げ、は
み出た余分の接着剤を取り除いた後、加熱処理して接着
剤を固める。
上記画素子闇の間隔は素子形状及び電極面積にもよるが
電池素子の出力を適当に選択することにより、例えば、
１０ｏｌｌ物正方形状電極の場合、０．０１〜０．５ｍ
鋤まで可能であり、比較的大電流領域１ｍＡ〜１００ｍ
Ａで使用する場合はやや広く、比較的低電流領域０．１
１Ａ〜１０ｍＡで使用する場合はやや狭くとるといった
ように必襞に応じて変化させることができる。尚、これ
らの電流領域により検出できる酸素濃度は０．１％以下
から約１０％程度まで可能である。それ故、本センサは
前記スペーサの厚みを変更するだけで、素子間隔が所望
の広さに製造工程で簡単に設計変更できるので、電流量
の調整も簡単にできる特徴を有する。
電池素子の出力を適当に選択することにより、例えば、
１０ｏｌｌ物正方形状電極の場合、０．０１〜０．５ｍ
鋤まで可能であり、比較的大電流領域１ｍＡ〜１００ｍ
Ａで使用する場合はやや広く、比較的低電流領域０．１
１Ａ〜１０ｍＡで使用する場合はやや狭くとるといった
ように必襞に応じて変化させることができる。尚、これ
らの電流領域により検出できる酸素濃度は０．１％以下
から約１０％程度まで可能である。それ故、本センサは
前記スペーサの厚みを変更するだけで、素子間隔が所望
の広さに製造工程で簡単に設計変更できるので、電流量
の調整も簡単にできる特徴を有する。
本発明の空燃比測定用酸素センサによる測定方−８−
法は、例えば次のごとくなされる。
第１実施例のセンサを測定用雰囲気中に入れ、片方の酸
素ポンプ素子の外側の電極４に正、内側の電極５に負の
電圧を印加することにより、ポンプ素子２の固体電解質
内を酸素イオンが内側電極５より外側電極４へ移動し、
ポンプ素子２と電池素子３の国の間隙部９に存在する酸
素がポンプ素子２の外側へ汲み出される。
素ポンプ素子の外側の電極４に正、内側の電極５に負の
電圧を印加することにより、ポンプ素子２の固体電解質
内を酸素イオンが内側電極５より外側電極４へ移動し、
ポンプ素子２と電池素子３の国の間隙部９に存在する酸
素がポンプ素子２の外側へ汲み出される。
上記の如く間隙部９より酸素が汲み出されると、電池素
子３の外側つまり周囲雰囲気と間隙部９との闇にＩＩ秦
濃度の差を生ずる。この濃度差により、電池素子３に起
電力を生ずるのである。この場合の起電力Ｅは、周囲雰
囲気の酸素分圧をＰＣ，ｆｌＩｉｌ隙部９の酸部９圧を
Ｐａ、気体定数をＲ１絶対温度をＴ１ファラデー常数を
Ｆとすると、次のＮｅｒｎｓｔの式で表わされる。
子３の外側つまり周囲雰囲気と間隙部９との闇にＩＩ秦
濃度の差を生ずる。この濃度差により、電池素子３に起
電力を生ずるのである。この場合の起電力Ｅは、周囲雰
囲気の酸素分圧をＰＣ，ｆｌＩｉｌ隙部９の酸部９圧を
Ｐａ、気体定数をＲ１絶対温度をＴ１ファラデー常数を
Ｆとすると、次のＮｅｒｎｓｔの式で表わされる。
Ｅ＝ （ＲＴ／４Ｆ）−Ｉｎ（Ｐｃ ／Ｐａ ）、Ｆ２
起動力は、センサにその１ｗｌ陣部９の３方向から拡散
流入する酸素最と、ポンプ素子２により間隙部９から外
側へ汲み出されるＩ！素■とが平衡−９− に達した時点で一定となる。そしてこの起動力Ｅが予め
定めた一定値に維持されるように、ポンプ素子側に流す
電流量を変化させると、定温においてその電流ｆｌｋ４
１ｔ１周囲雰囲気内の＠素の含有率にほぼ直線的に比例
することになり、電流量に温度補償を加味して演算処理
することにより、酸素濃度を求めることができる。
起動力は、センサにその１ｗｌ陣部９の３方向から拡散
流入する酸素最と、ポンプ素子２により間隙部９から外
側へ汲み出されるＩ！素■とが平衡−９− に達した時点で一定となる。そしてこの起動力Ｅが予め
定めた一定値に維持されるように、ポンプ素子側に流す
電流量を変化させると、定温においてその電流ｆｌｋ４
１ｔ１周囲雰囲気内の＠素の含有率にほぼ直線的に比例
することになり、電流量に温度補償を加味して演算処理
することにより、酸素濃度を求めることができる。
又、センサを自動車排ガス中の酸素製置測定に適用した
場合、排ガス中のカーボンやミストによるデポジットが
センサの偏った部分に発生しても、本発明のセンサの特
徴として＠酸部９の３方向が全て酸素拡散のための入口
となっていることから、前記デポジットによる酸素拡散
曇への影響が少なく、測定精痩への影響がほとんどない
のである。
場合、排ガス中のカーボンやミストによるデポジットが
センサの偏った部分に発生しても、本発明のセンサの特
徴として＠酸部９の３方向が全て酸素拡散のための入口
となっていることから、前記デポジットによる酸素拡散
曇への影響が少なく、測定精痩への影響がほとんどない
のである。
第５図は本発明の第２実施例を示す。この第２実施例は
第１実施例のセンサに更に加熱素子１０．１１をセンサ
両面から付設したものである。
第１実施例のセンサに更に加熱素子１０．１１をセンサ
両面から付設したものである。
加熱素子１０１１１はセンサより少し長辺方向が短かい
長方形のアルミナ、スピネルなどの絶縁性無機質板状体
１０ｃ、１１ｃからなり、その先−１０− １１１０ａ、１１ａに厚ｈ 方向１．− 打チ扱６％
Ｔ １１１ｊ ４．７の位置及び形状に適合させた孔１
３を有している。この孔１３の周囲の板状体１０ｃ、１
１０の表面には、発熱抵抗体１２が波形に配設され、元
１１１０ｂ、１１ｂ寄りの発熱抵抗体端部１２ａで２本
の引き出し纏１２ｔｌと接続している。この２本の引き
出し翰１２ｂは端部１２ａから元側１０ｂ、１１ｂへ伸
び、各々その先端は取り出し部１２Ｃを形成している。
長方形のアルミナ、スピネルなどの絶縁性無機質板状体
１０ｃ、１１ｃからなり、その先−１０− １１１０ａ、１１ａに厚ｈ 方向１．− 打チ扱６％
Ｔ １１１ｊ ４．７の位置及び形状に適合させた孔１
３を有している。この孔１３の周囲の板状体１０ｃ、１
１０の表面には、発熱抵抗体１２が波形に配設され、元
１１１０ｂ、１１ｂ寄りの発熱抵抗体端部１２ａで２本
の引き出し纏１２ｔｌと接続している。この２本の引き
出し翰１２ｂは端部１２ａから元側１０ｂ、１１ｂへ伸
び、各々その先端は取り出し部１２Ｃを形成している。
前記発熱抵抗体１２、引き出し纏１２ｂ及び取り出し部
１２ｃは耐熱金属−よりなるが、発熱抵抗体１２はｐｔ
、Ａｌ１等の耐熱金属のペーストを使用して、引き出
し纏１２ｂ及び取り出し部１２ｃも主にｐｔ等の耐熱金
属のペーストを使用して、プリント印刷にて形成される
。なお上記発熱抵抗体１２や引き出し線１２ｃなどはセ
ラミック中に埋設するならばタングステンなどの＾融点
金属の印刷も適用することができる。
１２ｃは耐熱金属−よりなるが、発熱抵抗体１２はｐｔ
、Ａｌ１等の耐熱金属のペーストを使用して、引き出
し纏１２ｂ及び取り出し部１２ｃも主にｐｔ等の耐熱金
属のペーストを使用して、プリント印刷にて形成される
。なお上記発熱抵抗体１２や引き出し線１２ｃなどはセ
ラミック中に埋設するならばタングステンなどの＾融点
金属の印刷も適用することができる。
上記の加熱素子１０，１１は第１実施例のセンサとグリ
ーンの状態でその先側をそろえて圧着後−１１− 一体にｍ成するか、あるいは焼結後の状態で接輪するか
することにより、第２実施例のセンサが形成される。こ
の加熱素子の取り出し部１２Ｃに通電することにより、
引き出し線を介して発熱抵抗体が通電され発熱する。そ
れ故、電流饅を調節づることにより、酸素センサ全体の
温度を調節し、被測ガスの１１度が低いときに素子特に
ポンプ素子の活性を＾め、また測定時に温度補償を与え
るので、より精密、正確な測定が可能となる。ここで素
子の寸法は９３１ｍ〜７０−１横３ｗｎ〜Ｑｍｍ、岸さ
０，５ｍｍ〜５ｍｇ＋のちのが通常使用される。
ーンの状態でその先側をそろえて圧着後−１１− 一体にｍ成するか、あるいは焼結後の状態で接輪するか
することにより、第２実施例のセンサが形成される。こ
の加熱素子の取り出し部１２Ｃに通電することにより、
引き出し線を介して発熱抵抗体が通電され発熱する。そ
れ故、電流饅を調節づることにより、酸素センサ全体の
温度を調節し、被測ガスの１１度が低いときに素子特に
ポンプ素子の活性を＾め、また測定時に温度補償を与え
るので、より精密、正確な測定が可能となる。ここで素
子の寸法は９３１ｍ〜７０−１横３ｗｎ〜Ｑｍｍ、岸さ
０，５ｍｍ〜５ｍｇ＋のちのが通常使用される。
以上詳述した如く、本発明の酸素センサは、酸素イオン
導電性固体電解質板の先側の両面に電楡層を設けた素子
を、２枚閣隔をおいて平行状に配して上記先側に閤一部
を設けて該画素子を固定し、一方の素子を酸素ポンプ素
子、他方の素子を周囲雰囲気と前記ｔｍｍ部との酸素濃
度比測定用電池素子とすることにより、センサの素子電
極の周囲の内、３方向全てが、酸素拡散流入のための入
り［１となり、それによって排ガス中の酸素濃度の測定
−１２− 等においてデポジットの堆積があっても、拡散流入口が
センサの周囲に広範囲にわたっていることから、酸素拡
散−にほとんど影響を与えず、長期にわたって十分に精
密で正確な酸素濃度の測定ができるのである。又、その
構造が簡単なところから、本発明のａｍセンサは製造が
容易で品質管理がし易く、設計変更特に閣一部の広さの
変更が容易であることにより、画素子の入力めるいは出
力電力を自由に調節でき、各種部所に適用が容易である
という長所も有するのである。
導電性固体電解質板の先側の両面に電楡層を設けた素子
を、２枚閣隔をおいて平行状に配して上記先側に閤一部
を設けて該画素子を固定し、一方の素子を酸素ポンプ素
子、他方の素子を周囲雰囲気と前記ｔｍｍ部との酸素濃
度比測定用電池素子とすることにより、センサの素子電
極の周囲の内、３方向全てが、酸素拡散流入のための入
り［１となり、それによって排ガス中の酸素濃度の測定
−１２− 等においてデポジットの堆積があっても、拡散流入口が
センサの周囲に広範囲にわたっていることから、酸素拡
散−にほとんど影響を与えず、長期にわたって十分に精
密で正確な酸素濃度の測定ができるのである。又、その
構造が簡単なところから、本発明のａｍセンサは製造が
容易で品質管理がし易く、設計変更特に閣一部の広さの
変更が容易であることにより、画素子の入力めるいは出
力電力を自由に調節でき、各種部所に適用が容易である
という長所も有するのである。
第１ＷＡは本発明−県センサの第１実施例の平面図、第
２図はそのＩｉ面図、第３図はそのト］断面図、第４図
はその斜視図、第５図は第２実施例の斜視図である。 ２・・・−素濃直比測定用電池素子 ３・・・酸素ポンプ素子 ４．５．６．７・・・電極 ２ｃ 、３ｃ・・・酸素イオン導電性固体電解質板９・
・・閣一部 −１３− １０，１１・・・加熱素子 −１４− 第１図 ２ 第３図 第４図 第５図 手続補正書泊発） 昭和５７年 ６月１１日 特許庁長官 島 １）春 樹 殿 １、 事件の表示 昭和５７年特許願第３６９７３号 ２、 発明の名称 銭°桑センサ ；３． 補正をする者 事件との関係 特許出願人 （１７ｖＩ 名古屋市瑞穂区＾辻町１４番１
８号氏 名（名称＞ （４５４）日本特殊陶業株式
会社代表者小川修次 ４、代理人〒４６０ 住 所 名古屋市中区錦二丁目９番２７号５、 補
正により増加する発明の数 なし６、 補正の対象 明細＾全文、第３図 明 細 書 １、発明の名称 酸素センサ ２、特許請求の範囲 １ ＩＩｍＩオン導電性固体電解質板の先側の両面に
電極層を設けた素子を、２枚間隔をおいて平行状に配し
て上記先側に間隙部を酸６ノて該画素子を固定し、一方
の素子をＩＩ素水ポンプ素子他方の素子を周囲雰囲気と
前記間隙部との酸素濃度比測定用電池素子としたことを
特徴とする酸素センサ。 ３、発明の詳細な説明 本発明は排気ガスなどの被測定ガス中の酸素濃度を測定
するための酸素センサに関する。更に詳しくは、比較的
温度依存性が少なくて、空燃比などを精密に測定するこ
とができる酸素センサに関するものである。 自動中用エンジンの燃費改善及び排気ガス浄化のため、
機入混合気の空燃比を理論空燃比（空気過剰率λ−１）
より＾いリーン側で運転する方法が提案され、空気過剰
率λ≧１における空燃比を−１− 正確に測定できる酸素センサが求められている。 かかる用途の酸素センサの１つとして米国フィード社に
よって公表されたものがある（例えば特開昭５６−１３
０６４９）。 このセンサは電極を両面に設４Ｊだ２枚の板状酸素イオ
ン導電性固体電解質焼結体を、一方は＃ＩｌＩ本ポンプ
素子に、他方は酸素濃淡電池素子として、側壁に小さな
孔を穿った耐熱材料からなる円筒形スペーサを挾んで積
層して接着し、上記２つの根状素子間に囲われた室と酸
素拡散孔とを形成してなるものである。しかして、酸素
ポンプ素子に通電し上記孔を通して外界雰囲気即ち被測
定雰囲気との間の拡散による酸素の流通を許しながら上
記囲われた室内の酸素を、例えば酸素濃淡電池素子の出
力即ち室内と外との酸素濃度比が常に一定になるように
汲み出すことにより酸素汲み出し電流が被測定ガス雰囲
気中の酸素濃度と対応することを利用して被測定ガス中
の酸素濃度を電気的に測定するというものである。かか
る方式のセンサは、酸素ポンプ素子と酸素濃淡電池素子
とをそれぞれ−２− 個別に設けるので、雰囲気ガス温度に対するセンサ出力
の温度依存性の点で有利となるものである。 しかしながら、上記酸素センサは２つの素子及びａｍ拡
散孔を穿った円筒形スペーサからなり、そして、上記酸
素拡散孔は非常に小さいものであるので応答性が劣り、
又、自助型エンジン排気ガス中に設置したような場合に
おいては、排気ガスよりのデポジットのため、孔の径が
小さくなったり、場合によって完全に詰まってしまい、
正確な酸素濃度測定がしばしば不可能となった。又、孔
が詰まらないにしても、その径が非常に小さいことから
、僅かなデポジットを生じても、酸素の拡散効率に影響
を及ぼし、測定精度を低下させたのである。 酸素センサ特に空燃比測定用酸素センサの以上のような
欠点に鑑み、本発明者らは鋭意研究の結果、応答性の点
で有利でありかつ簡甲な構造でしかも測定精度の高い新
規なセンサを開発したのである。 即ら本発明の要目とするところは、酸素イオン−３− 導電性固体電解質板の先側の両面に電極層を設けた素子
を、２枚間隔をおいて平行状に配して上記先側に間隙部
を設けて該画素子を固定し、ｌｊの素子を酸素ポンプ素
子、他方の素子を周囲雰囲気と約２間隙部との酸素濃度
比測定用電池素子としたことを特徴とする酸素センサに
ある。 次に図を参照しつつ、具体的な実施例に鉢づいて説明し
てゆく。 第１図は本発明の酸素センサの第１実施例の平面図、第
２図はその裏面図、第３図はその［１−Ｉ［１断面図を
示す。ここにおいて、２及び３は素子であり、この内２
が酸素ポンプ素子、３が酸素１ＩｒＩｉ比測定用電池素
子である。 酸素ポンプ素子２の主体は酸素イオン導電性固体電解質
の長方形の焼結板状体からなる。ポンプ素子２の先側２
ａには、その表裏面の相対する位置でかつ先側の三方の
端縁から少しひかえた位置にここでは厚膜技術を用いて
被着形成した、多孔質の耐熱金属層よりなる電極４．５
が正方形状に設けられている。一方の正方形電極４の元
側方向 □−４− の２つの角の内の１つより耐熱金属層よりなる引き出し
纏４ａが、板状体の元側２ｂへ真直ぐに伸びる帯形状に
設けられている。同様に他方の正方形電極５の元側方向
の２つの角の内、電極４と反対側の角より引き出しｍ５
ａが板状体の九１１２ｂへ真直ぐに伸びる帯形状に設け
られている。引き出し翰５ａは元側２ｂで板状体の表裏
を貫通しているスルーホール５ｄを通じて、その反対向
の取り出し部５ｂに電気的に接続されている。引き出し
縮４ａは元側２ｂで取り出し部４ｂを形成し、イの結果
、同一面に２つの電極４．５の取り出し部４ｂ、５ｂが
配設されることになる。 電池素子３もポンプ素子２と同様に主体はｍ東イオン導
電＋！ＩｖＡ体電解質の長方形の焼結板状体からなる。 電池素子３の先側３ａには、その表裏面の相対する中央
よりの位置に前記ポンプ素子の場合と同じくして形成し
た耐熱金属層よりなる電極６．７が正方形状にμけられ
ている。一方の正方形電極６の元側方向の２つの角の内
の１つより耐熱金属層よりなる引き出し線６ａが、板状
体の元−５− 側３ｂへ真白ぐに伸びる帯形状に設けられている。 同様に他方の正方形電極７の元側方向の２つの角の内、
電極６と反対側の角より引き出し１７ａが板状体の元側
３ｂへ真直ぐに伸びる帯形状に設けられている。引き出
し＃６ａは元側１ｂで板状体の表裏を貫通しているスル
ーホール６ｄを通じて、イの反対面の取り出し部６ｂに
電気的に接続されている。引き出しＩ！７ａは元側３ｂ
で取り出し部７ｂを形成し、その結果、同一面に、２つ
の電極６．７の取り出し部６ｂ、７ｂが配設されている
ことになる。 ポンプ素子２及び電池素子３の各板状体を形成している
固体電解質は酸素イオン導電体の性質を有することが必
要であり、ジルコニアのクツ１−リアあるいはカルシア
等との固溶体が代表的なものであり、その他二酸化セリ
ウム、二酸化トリウム、二酸化ハフニウムの各固溶体、
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＠木イオン導電性の固体電解質として使用可能であ
るが、ここでは酸化イツトリウムで部分安定化したジル
−６− コニアを用いた。 各板状体の表面に形成される電極４．５．６．７、引き
出し翰４ａ 、５ａ 、６ａ 、７ａおよび取り出し部
４ｂ 、５ｂ 、６ｂ 、７ｂは耐熱金属層よりなり主
にＰｔ、Ｒｕ、Ｐｄ１ＲｈＳ Ｉｒ、Ａｕ、Ａｇ等の、
ここではペーストをプリント印刷後焼結して形成したが
フレーム溶射または化学メッキもしくは蒸着などの方法
を用いて被犠形成してもよい。またＦ配電極上にアルミ
ナ、スピネル等の多孔質保ａｍを設けることもできる。 これらは素子１枚毎に製作してもよいが、一般に生産性
を考慮して、焼結前の固体電解質の大型の生のセラミッ
クシートに電極用等の金属ペーストを多数同時にプリン
ト印刷し、その後、素子毎に切り抜き焼成する方法を採
用するのが有利である。 次に画素子２．３を間隙部９を有する一体の酸素センサ
に組み立てるには、画素子２，３の各々の元側２ｂ 、
３ｂにて耐熱性無機質接着剤等を用い（平行に一定間隔
に貼り合わせることによりな−７− される。 この画素子を一定間隔に平行に貼り合わせるには例えば
次のような方法が採られる。まず片方の素子の元側接着
面に耐熱性無機質接着剤例えばしラミック系接着剤を適
−塗布する。次に、厚みの均一なスペーサ、例えば、ゲ
ージあるいは厚さ０．０１〜０．０５ｍ−の紙、ビニー
ル、アルミホイル等を一枚又は複数枚重ねて２つの素子
の先側に挾んで押圧し、接着剤を画素子の元側接着面全
面に押し拡げ、はみ出た余分の接着剤を取り除いた後、
加熱処理して接着剤を固める。 上記画素子間の間隔は素子形状及び電極面積にもよるが
電池素子の出力を適当に選択することにより、例えば、
１００１１ＩＩｌの正方形状電極とし、素子の板状体の
端縁からのひかえ寸法（第３図の立）を０．５−一〜３
−■とする場合、０．０１〜０．５１まで可能であり、
比較的大電流領域１１△〜１００ｍＡで使用する場合は
やや広く、比較的低電流領域０．１ｍＡ〜１０ｍＡで使
用する場合はやや狭くとるといったように必要に応じて
変化させ−８− ることができる。尚、これらの電流領域により検出でき
る酸素濃度は０．１％以下から約１０％程度まで可能で
ある。それ故、本センサは前記スペーサの厚みを変更す
るだけで、素子間隔が所望の広さに顎造工程で簡単に設
計変更して電流鰻の調整が簡単にできるという利点も有
する。 本発明の空燃比測定用酸素センサによる測定方法は、例
えば次のごとくなされる。 第１実論例のセン１Ｊを測定用雰囲気中に入れ、片方の
酸素ポンプ素子の外側の電極４に正、内側の電極５に負
の電圧を印加することにより、ポンプ素子２の固体電解
質内を酸素イオンが内側電極５より外側電極４へ移動し
、ポンプ素子２と電池素子３０閣の問一部９に存在する
酸素がポンプ素子２の外側へ汲み出される。 上記の如く間隙部９より酸素が汲み出されると、電池素
子３の外側つまり周囲雰囲気と間隙部９との間に酸素濃
度の差を生ずる。この濃度差により、電池素子３に起電
力を生ずるのである。この場合め起電力Ｅは、周囲雰囲
気の酸素分圧をＰｃ、間−９− 酸部９の平均的酸素分圧をＰｄ２気体定数をＲ１絶対温
度をＴ１ファラデー常数をＦとすると、次のＮ ｅｒｎ
ｓｔの式で表わされる。 Ｅ−（ＲＴ／４Ｆ）−Ｉｎ（Ｐｃ ／Ｐａ ）上記起動
力は、センサにその間隙部９の３７ｊ向端部から自由に
拡散流入する酸素量と、ポンプ素子２により間隙部９か
ら外側へ汲み出されるＳ＋＊鎖とが速やかに平衡に達し
た時点で一定となる。 そしてこの起動力Ｅが予め定めた一定値にＨ持されるよ
うに、ポンプ素子側に流す電流量を変化させると、定温
においてその電流量は、周囲雰囲気内の酸素の含有率に
ほぼ直線的に比例することになり、電流量に温度補償を
加味して演Ｗ処理することにより、酸素濃度をその変化
に対するＱ好な追従性を保持しつつ求めることができる
。 又、センサを自動串排ガス中のＩ！素１１度測定に適用
した場合、排ガス中のカーボンやミストによるデポジッ
トがセンサの偏った部分に発生しくも、本発明のセンサ
の特徴として間隙部９の３ｈ向が全て酸素拡散のための
入口となっていることから、−１０− 前記デポジットによる＊＊拡１［１１への影響が少なく
、測定精陳への影響がほとんどないのである。 第５図は本発明の第２実施例を示す。この第２実施例は
第１実施例のセンサに更に加熱素子１０．１１をセンサ
両面から付設したものである。 加熱素子１０．１１はセンサより少し長辺方向が短かい
長方形のアルミナ、スピネルなどの絶縁性無機質板状体
１０ｃ、１１ｃからなり、その先１１１０ａ、１１ａに
厚み方向に打ち抜いて電極４．７の位置及び形状に適合
させた孔１３を有している。この孔１３の周囲の板状体
１０．Ｃ，１１０の表面には、発熱抵抗体１２が波形に
配設され、元側１ｏｂ１ｉ１ｂ寄りの発熱抵抗体端部１
２ａで２本の引き出し纏１２ｂと接続している。この２
本の引き出し翰１２ｂは端部１２ａから元側１０ｂ１１
１ｂへ伸び、各々その先端は取り出し部１２Ｃを形成し
ている。前記発熱抵抗体１２、引き出しｍ１ｌｌ ２ｂ
及び取り出し部１２ｃは耐熱金属層よりなるが、発熱抵
抗体１２はＰｔ 、Ａｌ１等の耐熱金属のペーストを使
用して、引き出し線１２ｂ−１１− 及び取り出し部１２ｃも主にｐｔ等の耐熱金属のペース
トを使用して、プリント印刷にて形成される。なお上記
発熱抵抗体１２や引き出しｌｌ１１１２Ｃなどはセラミ
ック中に埋設するならばタングステンなどの高融点金属
の印刷も適用することができる。 上記の加熱素子１０．１１は第１実施例のセンサとグリ
ーンの状態でその先側をそろえて圧着後一体に焼成する
か、あるいは焼結後の状態で接猟するかすることにより
、第２実施例のセンサが形成される。この加熱素子の取
り出し部１２ｃに通電することにより、引き出し線を介
して発熱抵抗体が通電され発熱する。それ故、電流量を
調節することにより、酸素センサ全体の瀧痕を調節し、
被測ガスの温度が低いとぎに素子特にポンプ素子の活性
を＾め、また測定時に温度補償を与えるので、より精密
、正確な測定が可能となる。 ここで各素子の板状体の寸法はｌｌ５ＩＩＩｌ〜７０＠
ｌＩｌ、横３１１−〜１０−１厚さ０．５ｍｍ前後のも
のが通常使用される。 −１２− この発明の酸素センサは、センサのさらされる被測定雰
囲気の酸素分圧と、酸素ポンプ素子の汲み出し若しくは
汲み入れ電流（この電流は、囲われた室内から被測定雰
囲気へ又はその逆方向へ酸素ポンプ素子を通して移送さ
れる酸素分子の鋤に直接関係するーである）と、被測定
雰囲気とは孔で連通ずる上記囲われた室内の酸素分圧と
１−２被測定雰囲気中のＩＩｊＩＩｉ分圧との比従って
周知のＮｅｒｎｓｔの式により示される通りＳＸ濃淡電
池の出力とが定常状態下では関数関係にあることを利用
して被測定雰囲気中の酸素分圧を測定しようとするｂの
であるので、上記実施例で記した方法に限らず他の方法
、例えば酸素ポンプ素子の汲み出し電流を一定に制御す
る条件下で被測定雰囲気中の酸素分圧が酸素濃淡電池素
子の出力と対応することを利用する方法に供することも
できる。 以上詳述した如く、本発明の酸素センυは、酸素イオン
導電性固体電解質板の先側の両面に電極層を設けた素子
を、２枚園隔をおいて平行状に配してｔ２先側に閤一部
を設けて該画素子を固定゛し、−１３− 一方の素子を酸素ポンプ素子、他方・の素子を周囲雰囲
気と前記間隙部との酸素濃度比測定用電池素子とするこ
とにより、センサの素子電極の周囲の内、３方向全てが
、酸素拡散流入のための入り口となり、酸素の拡散時間
が短縮され、また排ガス中の酸素濃度の測定等において
デポジットの堆積があっても、拡散流入口がセンサの周
囲に広節囲にわたっていることから、酸素拡散量にほと
んど影響を与えず、長期にわたって十分に精密でｔＬｌ
な酸素濃度の測定ができるのである。又、イの構造が簡
単なところから、本発明の酸素センサは製造が容易で品
質管理がし易く、設計変更特に間隙部の広さの変更が容
易であることにより、画素子の入力あるいは出力電力を
自由に調節でき、各種部所への適用が容易であるという
長所も有づるのである。 ４、図面の簡単な説明 第１図は本発明酸素センサの第１実施例のψ面図、第２
図はその裏面図、第３図はそのｍ−ｍ断面図、第４図は
その斜視図、第５図は第２実施例−１４− ２・・・酸素濃度比測定用電池素子 ３・・・酸素ポンプ素子 ４．５．６．７・・・電極 ２ｃ 、３ｃ・・・１ｍ！秦イオン導電性固体電解質板
９・・・間隙部 １０．１１川加熱素子 代理人 弁理士 定立 勉 −１５−
２図はそのＩｉ面図、第３図はそのト］断面図、第４図
はその斜視図、第５図は第２実施例の斜視図である。 ２・・・−素濃直比測定用電池素子 ３・・・酸素ポンプ素子 ４．５．６．７・・・電極 ２ｃ 、３ｃ・・・酸素イオン導電性固体電解質板９・
・・閣一部 −１３− １０，１１・・・加熱素子 −１４− 第１図 ２ 第３図 第４図 第５図 手続補正書泊発） 昭和５７年 ６月１１日 特許庁長官 島 １）春 樹 殿 １、 事件の表示 昭和５７年特許願第３６９７３号 ２、 発明の名称 銭°桑センサ ；３． 補正をする者 事件との関係 特許出願人 （１７ｖＩ 名古屋市瑞穂区＾辻町１４番１
８号氏 名（名称＞ （４５４）日本特殊陶業株式
会社代表者小川修次 ４、代理人〒４６０ 住 所 名古屋市中区錦二丁目９番２７号５、 補
正により増加する発明の数 なし６、 補正の対象 明細＾全文、第３図 明 細 書 １、発明の名称 酸素センサ ２、特許請求の範囲 １ ＩＩｍＩオン導電性固体電解質板の先側の両面に
電極層を設けた素子を、２枚間隔をおいて平行状に配し
て上記先側に間隙部を酸６ノて該画素子を固定し、一方
の素子をＩＩ素水ポンプ素子他方の素子を周囲雰囲気と
前記間隙部との酸素濃度比測定用電池素子としたことを
特徴とする酸素センサ。 ３、発明の詳細な説明 本発明は排気ガスなどの被測定ガス中の酸素濃度を測定
するための酸素センサに関する。更に詳しくは、比較的
温度依存性が少なくて、空燃比などを精密に測定するこ
とができる酸素センサに関するものである。 自動中用エンジンの燃費改善及び排気ガス浄化のため、
機入混合気の空燃比を理論空燃比（空気過剰率λ−１）
より＾いリーン側で運転する方法が提案され、空気過剰
率λ≧１における空燃比を−１− 正確に測定できる酸素センサが求められている。 かかる用途の酸素センサの１つとして米国フィード社に
よって公表されたものがある（例えば特開昭５６−１３
０６４９）。 このセンサは電極を両面に設４Ｊだ２枚の板状酸素イオ
ン導電性固体電解質焼結体を、一方は＃ＩｌＩ本ポンプ
素子に、他方は酸素濃淡電池素子として、側壁に小さな
孔を穿った耐熱材料からなる円筒形スペーサを挾んで積
層して接着し、上記２つの根状素子間に囲われた室と酸
素拡散孔とを形成してなるものである。しかして、酸素
ポンプ素子に通電し上記孔を通して外界雰囲気即ち被測
定雰囲気との間の拡散による酸素の流通を許しながら上
記囲われた室内の酸素を、例えば酸素濃淡電池素子の出
力即ち室内と外との酸素濃度比が常に一定になるように
汲み出すことにより酸素汲み出し電流が被測定ガス雰囲
気中の酸素濃度と対応することを利用して被測定ガス中
の酸素濃度を電気的に測定するというものである。かか
る方式のセンサは、酸素ポンプ素子と酸素濃淡電池素子
とをそれぞれ−２− 個別に設けるので、雰囲気ガス温度に対するセンサ出力
の温度依存性の点で有利となるものである。 しかしながら、上記酸素センサは２つの素子及びａｍ拡
散孔を穿った円筒形スペーサからなり、そして、上記酸
素拡散孔は非常に小さいものであるので応答性が劣り、
又、自助型エンジン排気ガス中に設置したような場合に
おいては、排気ガスよりのデポジットのため、孔の径が
小さくなったり、場合によって完全に詰まってしまい、
正確な酸素濃度測定がしばしば不可能となった。又、孔
が詰まらないにしても、その径が非常に小さいことから
、僅かなデポジットを生じても、酸素の拡散効率に影響
を及ぼし、測定精度を低下させたのである。 酸素センサ特に空燃比測定用酸素センサの以上のような
欠点に鑑み、本発明者らは鋭意研究の結果、応答性の点
で有利でありかつ簡甲な構造でしかも測定精度の高い新
規なセンサを開発したのである。 即ら本発明の要目とするところは、酸素イオン−３− 導電性固体電解質板の先側の両面に電極層を設けた素子
を、２枚間隔をおいて平行状に配して上記先側に間隙部
を設けて該画素子を固定し、ｌｊの素子を酸素ポンプ素
子、他方の素子を周囲雰囲気と約２間隙部との酸素濃度
比測定用電池素子としたことを特徴とする酸素センサに
ある。 次に図を参照しつつ、具体的な実施例に鉢づいて説明し
てゆく。 第１図は本発明の酸素センサの第１実施例の平面図、第
２図はその裏面図、第３図はその［１−Ｉ［１断面図を
示す。ここにおいて、２及び３は素子であり、この内２
が酸素ポンプ素子、３が酸素１ＩｒＩｉ比測定用電池素
子である。 酸素ポンプ素子２の主体は酸素イオン導電性固体電解質
の長方形の焼結板状体からなる。ポンプ素子２の先側２
ａには、その表裏面の相対する位置でかつ先側の三方の
端縁から少しひかえた位置にここでは厚膜技術を用いて
被着形成した、多孔質の耐熱金属層よりなる電極４．５
が正方形状に設けられている。一方の正方形電極４の元
側方向 □−４− の２つの角の内の１つより耐熱金属層よりなる引き出し
纏４ａが、板状体の元側２ｂへ真直ぐに伸びる帯形状に
設けられている。同様に他方の正方形電極５の元側方向
の２つの角の内、電極４と反対側の角より引き出しｍ５
ａが板状体の九１１２ｂへ真直ぐに伸びる帯形状に設け
られている。引き出し翰５ａは元側２ｂで板状体の表裏
を貫通しているスルーホール５ｄを通じて、その反対向
の取り出し部５ｂに電気的に接続されている。引き出し
縮４ａは元側２ｂで取り出し部４ｂを形成し、イの結果
、同一面に２つの電極４．５の取り出し部４ｂ、５ｂが
配設されることになる。 電池素子３もポンプ素子２と同様に主体はｍ東イオン導
電＋！ＩｖＡ体電解質の長方形の焼結板状体からなる。 電池素子３の先側３ａには、その表裏面の相対する中央
よりの位置に前記ポンプ素子の場合と同じくして形成し
た耐熱金属層よりなる電極６．７が正方形状にμけられ
ている。一方の正方形電極６の元側方向の２つの角の内
の１つより耐熱金属層よりなる引き出し線６ａが、板状
体の元−５− 側３ｂへ真白ぐに伸びる帯形状に設けられている。 同様に他方の正方形電極７の元側方向の２つの角の内、
電極６と反対側の角より引き出し１７ａが板状体の元側
３ｂへ真直ぐに伸びる帯形状に設けられている。引き出
し＃６ａは元側１ｂで板状体の表裏を貫通しているスル
ーホール６ｄを通じて、イの反対面の取り出し部６ｂに
電気的に接続されている。引き出しＩ！７ａは元側３ｂ
で取り出し部７ｂを形成し、その結果、同一面に、２つ
の電極６．７の取り出し部６ｂ、７ｂが配設されている
ことになる。 ポンプ素子２及び電池素子３の各板状体を形成している
固体電解質は酸素イオン導電体の性質を有することが必
要であり、ジルコニアのクツ１−リアあるいはカルシア
等との固溶体が代表的なものであり、その他二酸化セリ
ウム、二酸化トリウム、二酸化ハフニウムの各固溶体、
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＠木イオン導電性の固体電解質として使用可能であ
るが、ここでは酸化イツトリウムで部分安定化したジル
−６− コニアを用いた。 各板状体の表面に形成される電極４．５．６．７、引き
出し翰４ａ 、５ａ 、６ａ 、７ａおよび取り出し部
４ｂ 、５ｂ 、６ｂ 、７ｂは耐熱金属層よりなり主
にＰｔ、Ｒｕ、Ｐｄ１ＲｈＳ Ｉｒ、Ａｕ、Ａｇ等の、
ここではペーストをプリント印刷後焼結して形成したが
フレーム溶射または化学メッキもしくは蒸着などの方法
を用いて被犠形成してもよい。またＦ配電極上にアルミ
ナ、スピネル等の多孔質保ａｍを設けることもできる。 これらは素子１枚毎に製作してもよいが、一般に生産性
を考慮して、焼結前の固体電解質の大型の生のセラミッ
クシートに電極用等の金属ペーストを多数同時にプリン
ト印刷し、その後、素子毎に切り抜き焼成する方法を採
用するのが有利である。 次に画素子２．３を間隙部９を有する一体の酸素センサ
に組み立てるには、画素子２，３の各々の元側２ｂ 、
３ｂにて耐熱性無機質接着剤等を用い（平行に一定間隔
に貼り合わせることによりな−７− される。 この画素子を一定間隔に平行に貼り合わせるには例えば
次のような方法が採られる。まず片方の素子の元側接着
面に耐熱性無機質接着剤例えばしラミック系接着剤を適
−塗布する。次に、厚みの均一なスペーサ、例えば、ゲ
ージあるいは厚さ０．０１〜０．０５ｍ−の紙、ビニー
ル、アルミホイル等を一枚又は複数枚重ねて２つの素子
の先側に挾んで押圧し、接着剤を画素子の元側接着面全
面に押し拡げ、はみ出た余分の接着剤を取り除いた後、
加熱処理して接着剤を固める。 上記画素子間の間隔は素子形状及び電極面積にもよるが
電池素子の出力を適当に選択することにより、例えば、
１００１１ＩＩｌの正方形状電極とし、素子の板状体の
端縁からのひかえ寸法（第３図の立）を０．５−一〜３
−■とする場合、０．０１〜０．５１まで可能であり、
比較的大電流領域１１△〜１００ｍＡで使用する場合は
やや広く、比較的低電流領域０．１ｍＡ〜１０ｍＡで使
用する場合はやや狭くとるといったように必要に応じて
変化させ−８− ることができる。尚、これらの電流領域により検出でき
る酸素濃度は０．１％以下から約１０％程度まで可能で
ある。それ故、本センサは前記スペーサの厚みを変更す
るだけで、素子間隔が所望の広さに顎造工程で簡単に設
計変更して電流鰻の調整が簡単にできるという利点も有
する。 本発明の空燃比測定用酸素センサによる測定方法は、例
えば次のごとくなされる。 第１実論例のセン１Ｊを測定用雰囲気中に入れ、片方の
酸素ポンプ素子の外側の電極４に正、内側の電極５に負
の電圧を印加することにより、ポンプ素子２の固体電解
質内を酸素イオンが内側電極５より外側電極４へ移動し
、ポンプ素子２と電池素子３０閣の問一部９に存在する
酸素がポンプ素子２の外側へ汲み出される。 上記の如く間隙部９より酸素が汲み出されると、電池素
子３の外側つまり周囲雰囲気と間隙部９との間に酸素濃
度の差を生ずる。この濃度差により、電池素子３に起電
力を生ずるのである。この場合め起電力Ｅは、周囲雰囲
気の酸素分圧をＰｃ、間−９− 酸部９の平均的酸素分圧をＰｄ２気体定数をＲ１絶対温
度をＴ１ファラデー常数をＦとすると、次のＮ ｅｒｎ
ｓｔの式で表わされる。 Ｅ−（ＲＴ／４Ｆ）−Ｉｎ（Ｐｃ ／Ｐａ ）上記起動
力は、センサにその間隙部９の３７ｊ向端部から自由に
拡散流入する酸素量と、ポンプ素子２により間隙部９か
ら外側へ汲み出されるＳ＋＊鎖とが速やかに平衡に達し
た時点で一定となる。 そしてこの起動力Ｅが予め定めた一定値にＨ持されるよ
うに、ポンプ素子側に流す電流量を変化させると、定温
においてその電流量は、周囲雰囲気内の酸素の含有率に
ほぼ直線的に比例することになり、電流量に温度補償を
加味して演Ｗ処理することにより、酸素濃度をその変化
に対するＱ好な追従性を保持しつつ求めることができる
。 又、センサを自動串排ガス中のＩ！素１１度測定に適用
した場合、排ガス中のカーボンやミストによるデポジッ
トがセンサの偏った部分に発生しくも、本発明のセンサ
の特徴として間隙部９の３ｈ向が全て酸素拡散のための
入口となっていることから、−１０− 前記デポジットによる＊＊拡１［１１への影響が少なく
、測定精陳への影響がほとんどないのである。 第５図は本発明の第２実施例を示す。この第２実施例は
第１実施例のセンサに更に加熱素子１０．１１をセンサ
両面から付設したものである。 加熱素子１０．１１はセンサより少し長辺方向が短かい
長方形のアルミナ、スピネルなどの絶縁性無機質板状体
１０ｃ、１１ｃからなり、その先１１１０ａ、１１ａに
厚み方向に打ち抜いて電極４．７の位置及び形状に適合
させた孔１３を有している。この孔１３の周囲の板状体
１０．Ｃ，１１０の表面には、発熱抵抗体１２が波形に
配設され、元側１ｏｂ１ｉ１ｂ寄りの発熱抵抗体端部１
２ａで２本の引き出し纏１２ｂと接続している。この２
本の引き出し翰１２ｂは端部１２ａから元側１０ｂ１１
１ｂへ伸び、各々その先端は取り出し部１２Ｃを形成し
ている。前記発熱抵抗体１２、引き出しｍ１ｌｌ ２ｂ
及び取り出し部１２ｃは耐熱金属層よりなるが、発熱抵
抗体１２はＰｔ 、Ａｌ１等の耐熱金属のペーストを使
用して、引き出し線１２ｂ−１１− 及び取り出し部１２ｃも主にｐｔ等の耐熱金属のペース
トを使用して、プリント印刷にて形成される。なお上記
発熱抵抗体１２や引き出しｌｌ１１１２Ｃなどはセラミ
ック中に埋設するならばタングステンなどの高融点金属
の印刷も適用することができる。 上記の加熱素子１０．１１は第１実施例のセンサとグリ
ーンの状態でその先側をそろえて圧着後一体に焼成する
か、あるいは焼結後の状態で接猟するかすることにより
、第２実施例のセンサが形成される。この加熱素子の取
り出し部１２ｃに通電することにより、引き出し線を介
して発熱抵抗体が通電され発熱する。それ故、電流量を
調節することにより、酸素センサ全体の瀧痕を調節し、
被測ガスの温度が低いとぎに素子特にポンプ素子の活性
を＾め、また測定時に温度補償を与えるので、より精密
、正確な測定が可能となる。 ここで各素子の板状体の寸法はｌｌ５ＩＩＩｌ〜７０＠
ｌＩｌ、横３１１−〜１０−１厚さ０．５ｍｍ前後のも
のが通常使用される。 −１２− この発明の酸素センサは、センサのさらされる被測定雰
囲気の酸素分圧と、酸素ポンプ素子の汲み出し若しくは
汲み入れ電流（この電流は、囲われた室内から被測定雰
囲気へ又はその逆方向へ酸素ポンプ素子を通して移送さ
れる酸素分子の鋤に直接関係するーである）と、被測定
雰囲気とは孔で連通ずる上記囲われた室内の酸素分圧と
１−２被測定雰囲気中のＩＩｊＩＩｉ分圧との比従って
周知のＮｅｒｎｓｔの式により示される通りＳＸ濃淡電
池の出力とが定常状態下では関数関係にあることを利用
して被測定雰囲気中の酸素分圧を測定しようとするｂの
であるので、上記実施例で記した方法に限らず他の方法
、例えば酸素ポンプ素子の汲み出し電流を一定に制御す
る条件下で被測定雰囲気中の酸素分圧が酸素濃淡電池素
子の出力と対応することを利用する方法に供することも
できる。 以上詳述した如く、本発明の酸素センυは、酸素イオン
導電性固体電解質板の先側の両面に電極層を設けた素子
を、２枚園隔をおいて平行状に配してｔ２先側に閤一部
を設けて該画素子を固定゛し、−１３− 一方の素子を酸素ポンプ素子、他方・の素子を周囲雰囲
気と前記間隙部との酸素濃度比測定用電池素子とするこ
とにより、センサの素子電極の周囲の内、３方向全てが
、酸素拡散流入のための入り口となり、酸素の拡散時間
が短縮され、また排ガス中の酸素濃度の測定等において
デポジットの堆積があっても、拡散流入口がセンサの周
囲に広節囲にわたっていることから、酸素拡散量にほと
んど影響を与えず、長期にわたって十分に精密でｔＬｌ
な酸素濃度の測定ができるのである。又、イの構造が簡
単なところから、本発明の酸素センサは製造が容易で品
質管理がし易く、設計変更特に間隙部の広さの変更が容
易であることにより、画素子の入力あるいは出力電力を
自由に調節でき、各種部所への適用が容易であるという
長所も有づるのである。 ４、図面の簡単な説明 第１図は本発明酸素センサの第１実施例のψ面図、第２
図はその裏面図、第３図はそのｍ−ｍ断面図、第４図は
その斜視図、第５図は第２実施例−１４− ２・・・酸素濃度比測定用電池素子 ３・・・酸素ポンプ素子 ４．５．６．７・・・電極 ２ｃ 、３ｃ・・・１ｍ！秦イオン導電性固体電解質板
９・・・間隙部 １０．１１川加熱素子 代理人 弁理士 定立 勉 −１５−
Claims (1)
- １１！東イオン導電性固体電解質板の先側の両面に電極
層を設けた素子を、２枚閤隔をおいて平＋ｉ状に配して
、Ｅ記先側に閣一部を設けて該画素子を固定し、一方の
素子を酸素ポンプ素子、他方の素子を周囲雰囲気と前記
１ＩＩＩ部との酸素濃度比測定用電池素子としたことを
特徴とする酸素センサ。
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Also Published As
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