JPS5876757A - 酸素濃度検出装置 - Google Patents

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。

Description

【発明の詳細な説明】 この発明は、内燃後間の排気ガス中の酸素譲段を検出す
る酸素濃度検出装置に関する。

従来、この棟の検出装置としては二つのタイプかめる。

その一つは理論空燃比センサであり、他の一つは墾燃比
のリーン（薄い）領域で作動するり−ンセンサであって
、ともに公知のものである。

上記の理論を燃比センサでは、その主要部品である固体
電解質素子が約４００℃以上の温度に加熱さ７していな
いと充分にその機能を米たせないという問題がある。こ
のため、従来では上記素子をコツプ状に形成してその内
側に電熱ヒータ盆自己設している。

一方、上記のリーンセンサは限界電流式センサと称され
ておシ、このセンサの眠界電び鍾値は温度によって変化
する。このため、従来では、板状の固体電解質素子の他
に、ヒータｆ−を設けた基板を具備している。

上記の従来のものには次のような欠点がある。

すなわち、両省とも別部品としての加熱ヒータを備えて
いるため、センサとして構成する除ｔ（そのヒータの保
持構造が被雑となるという欠点がある。したがって、部
品点数の増大を招き、組付上の不具合、価格上の不具合
をもたらす。

また、上記のリーンセンサに関しては、固体電解質素子
が板状であるため、熱価ポにυりいという欠点がある。

この発明は上記の諸点に鑑み、ＩＩ″１１体′屯解賞素
子を、一端を閉じ他端を開放したコツプ状と１〜、この
素子の内周側および外周側に薄１１！ａ状の多孔質′亀
他を形成し、かつ素子の夕１周１則のうち上記電極が形
成されている部分を除＜　１１１１Ｉ　ＶＣヒータ線を
形成し、素子金面按的に加熱す／）構成としたことによ
り、ヒータの特別な保持構造を心安とせす、しかも素子
の態勢ｆ１１ｉｊ撃１勺二分回上できる１忽累一度検出
装置を提供することを１８１的と−Ｊ−／）４のである
。

身重図面を参照してこの発明の一実施例を説明する。第
１図は七の構成全示したもので、１１は固体電解質素子
であり、この素−ｐＨは一端が開放され、他端部すなわ
ち検出ｔｊ１ｉ先端部が閉塞されたコ、ｆ状に形成され
でいる。この固体電解質素子１１は、酸素イオン伝専注
の金属酸化物によって構成される。置体的（Ｃは、酸化
ジルコニウムＺｒＯ□９０〜９５モル幅と、酸化イツト
リウムＹ２Ｏ３４〜１０モル係とを混合粉砕し、１２５
０℃程度で仮焼成【７た後にコツプ状の形で成形し、１
３５０〜１７５０℃で本焼成した焼結体で構成されろ。

その他の材料としては、ＺｒＯ２−Ｙｂ２Ｏ３，ＺｒＯ
２−８Ｃ２０３、ＺｒＯ２−ＣａＯ。

Ｚ　ｒＯ２−Ｔ　ｈ　２０　ｓ　、Ｚ　ｒＯ２−ＭｇＯ
＋　Ｔ　ｈＯ２−ＣａＯ、Ｃｅｏ　２−１ｖｉｇＯ等が
実施可能である。

そして、このように形成される固体電解質素子１）にあ
っては、コツプ状にした中央部外周に猿状紘拡太部１１
ａが形成され、さらにその内周部の開放端側にはこれ全
径小にｆる環状座部１１ｂが形成されている。そして、
この固だ電解質素子１１の内面には、閉塞部から環状座
部１１ｂに至る間の略全面に、薄膜状にした多孔質の第
１の白金を極１２が形成されろ。捷た、この固体電解質
素子１１の先端閉塞端のみに位置して、その外周面には
同じく薄膜状にした多孔質の第２の白金電極１３が形成
されるもので、この第２の白金電極１３の面積は５１１
Ｉｍ２〜１００龍２に設定される。この場合、この第２
の白金電＄ｉ、　７　ｓ　Ｖ（対応して第１の白金１１
Ｌ’＆１ｚとの間の素子１）の岸みは、０．５龍としで
ある。そして、この第２の白金′屯憧１３に軍、気的ｅ
（接続さ７Ｌるようにして、固体′市解貿素子１１の外
周面ＶＣ１第２図に取り出して示すように白金の′屯＝
ｔｉｉ　ＩＪ　−ド線１４が形成してあり、このリード
線１４は櫃状拡太部１１ａの頂面にまで引き出される。

このような電極１２．１３およびリード線１４を形成す
６手段は、化学メッキ、ペースト印刷等ｅこよって薄膜
状に形成すれはよいものである。

そして、さらにこの固体電解質素子１）の外周面には、
第２図からも明らかとなるように、第２の電極１３およ
びリード線１４都を除く位置に、ヒータ線１５を形成”
ｆる。このヒータ線１５は、ペースト印刷吟の手段で、
留′ましく　＋−１、白金を薄膜状に付層させるとと（
Ｃより−ご形成され、上配置ｈＬ極１２．１３、リード
線１４をペースト印刷によって形成する場合には、これ
らと同時に印刷形成されるものである。そ１−５．で、
このヒータ線１５０１対の終端１５ａ、Ｉ５ｂは、５− 電極リード線１４と同じく槙状拡大部１１ａまで延長形
成する。

固体電解質素子１１のリード線１４、ヒータ線１５部に
対応する外周面には、篩融点ガラスまたは数音な金槌酸
化物からなる絶縁被膜１６を形成する。そして、さらに
第２の白金電イ柩１３部に対応する外側面には、この電
＆１３の保護層としても作用するＭｇＯ＃　Ａｔ２０３
・Ａｔ２０３等からなる多孔質のガス（酸素分子）拡散
抵抗層となるセラミック被膜１７を形成してなる。

このセラミック被膜１７の厚さは、２００〜６００μと
され、例えばグラズマ俗豹によって形成される。

上記固体電解質素子１ノの開放端方向には、上記壌状拡
大部１１ｈ−まで延長されたリード線１４およびヒータ
線１５の１対の終端１５ａ。

１５ｂにそ扛それ電気的ＨＣ侭絖される導出端子線１８
および１９ｈ、１９ｂ、さらに素子１１の内周面の第１
の白金電極１２に′電気的に接続される導出端子線２０
が取り出される。そして、６− この固体電解質素＋１１の開口部ｖｃ　ｒｔ、ｔ、ステ
ムｉＲイブ２１が嵌め込１れ、このバイア”２１の中空
部２１ａで素子１ノのコツプ状にした中空部、ｊ′なわ
ち第１の白金’ｍｉ愼１２而が人気に晶出されるＪ：う
ｅこする。素子１１の中空部の環状座部１１ｂとステム
パイ１２１との間にはグラフアイ＋−ｉたはタルク２２
が充填される。

２３は金ｋＷ筒状ノ・ウノングであり、ごのノ・ウジフ
グ２３０内同面には環状ｈａ　＋’＋Ｉｉ　２３ａが形
成されている。この環状座部２３ｍには、素子１ノの壊
状拡大部７７ａの下向が、リングノセッキング２４全介
して載置されでいろ。上ｆｉ１２床寸１１の猿状拡太部
１１＆の上方とノ・ウジング２３との間には圧縮成形し
たリングタルク２５が配置されている。ハウジング２３
の上ｙｉＩｉｌ縁１ａ１、ＩＪ　ｙグパッ千ン２６を介
しＣ１かしめ固足δれておｐｌよって素子１１ｒエハウ
ノング２３に一体的に組み込捷れている。

ハウジング２３には、取付フランジ２７を浴接などの手
段ＫＪ：り取り付けてあり、この取伺７ランジ２７は図
示しない内燃機関の排気管に゛取付孔２７ａを用いて？
ルト止めされ、素子１１の閉塞端側か排ガス中に晒され
るようになっている。

ハウジング２３には素子１１の外周方全波う保護カバー
２８が取９付けられており、この保護カバー２８には複
数個の排ガス専入孔２９を開設しである。

すなわち、上記のように構成される検出装置において、
導出端子線２０を正の電源に、導出端子線１８を負の電
源に接続すると、電流が第１の白金＝極１２から第２の
白金′電極１３に流れるようになる。ここで、固体電解
質素子１１は酸素イオン伝導性であるため、検出ガスの
酸素は拡散抵抗層となるセラミック被膜１７を介して第
２の白金電極１３に至り、この電極１３で電子の供給を
受けて酸素イオンとなる。そして、この酸素イオンは固
体電解質素子１ノの内部を拡散し、内周の第１の白金電
極１２で電子を放出し、酸素分子に戻る状態となる。こ
の酸素分子はステム・ぐイブ２１の中空部２１ａを介し
て大気中へ放出される。

このような反応過程において、拡散抵抗となるセラミッ
ク被膜１７の厚さを、一定以上の厚さ、例えば２００μ
とし、第２の白金電極１３の面積を実質的に４０朋２と
小さくして、電極１２おまひ１３間の電圧を徐々に］二
外させると、セラミック鳩１７の影響で′電圧を変化さ
・ピても電流が変化しない領域、ｊなわち限界血流が発
生する。この限界′血流１１　は次式であられされる。

ただしＦ・・・ファラデ一定数　Ｒ・・・気体定数ＤＯ
・・・拡散定数　　　Ｔ・・・絶対温度Ｓ・・・電極面
積 ｌ・・・拡散抵抗層の有効拡散距離 ＰＯ２・・・酸素分子 すなわち、限界′血流は検出ガス中の彪糸―鹿（分圧）
に応じて変化し、したがって−足電圧９− を印加してこの限界電流ＩＡを測定することによって、
検出ガス中の酵素分圧を測定することができる。

なお、実用時においては、雰囲気ガスの温度が変化し、
それに伴ない限界電流値も変化するものであるため、導
出端子１９ｈ、１９ｂからヒータ線１５に加熱電流を供
給し、固体電解質素子１１の温度を一定に保つようにし
ている。

この場合、ヒータ線１５は、コツプ状にした固体［解質
素子１）に直接的に配設されているものであるため、熱
効率が良く低消費電力で素子１１を特定される一定温紋
に加熱保持できるものであり、またヒータ都の保持構造
を設ける必要がなく、構造が充分に単純化されるもので
ある。

また、固体電解質素子１１はコツプ状であるため、従来
の板状に比べて耐熱＃撃性に優れる。

また、ハウノング部への保持も容易なものとすることが
できる。また、固体′ａ解質来子の近傍にヒータを設け
た場合に比較して、ヒータ都の１０− 保持構造を必要としない。この発明は上述の限界電流式
センサに限らず、理論空燃比センサにも適用できる。第
３図はその結果を示し素子１ノの近傍にヒータを設けた
場合Ａと、上記実施例に示したように構成した場合Ｂと
を、実車（２０００ｃｃ、　４気筒）のアイドル状態、
すなわち排気温度３３０℃でのヒータの柚費霜′力に対
する検出起電力を測定した結末紮示す。この図から理論
仝燃比センサとして用いた場合には、低消費電力で高出
力が得られることがＩＪＪ　（ｆｒｌｉであり、低温活
性が向上していることが即裡１できる。

ここで、ヒータ線１５に電流をＩＩＣ丁ことによって固
体電解質素子１１を加熱し、特定される温度に保つよう
にしているが、とのど晶度制御のためには温度測定をす
ることが費求されることがある。このような場合、この
固体電解’ｊｉ＆素子１１はまた負性抵抗温度％性を有
するものであるため、この特性をオリ用して効果的に温
度測定のできるものである。すなわち、コッグ状にした
同体電解質素子１１の内外周向に２ＬＪ向するようにし
て前記同様に１対の電極全形成し、この電極間に一足電
圧金印加するように構成する。

したがって、このように構成すれは温度に対応して上記
１対の電極間の抵抗値が変化し、温度に対応した電流が
流ｎるようになるものであり、この電流値を検出するこ
とによって温度測定が１能となる。すなわち、この温度
に対応する検出電流によって、ヒータ線１５に流れる加
熱電流を制御するようにすれはよいものである。

以上のようにこの発明によれば、ヒータの保持構造を必
をとせず、したがって構造が非常に簡単になり、部品点
数の減少をもたらし、組伺−は簡単、低コストの検出装
置が得られろ。また、この発明では素子を直接的に加熱
するため、熱効率がよく／１４１Ｉ費電力を低くするこ
とができる。

さらに、この発明は素子がコ、ｆ状であるため、熱衝撃
性に強い形状であり、この素子に直接にヒータ線を設け
ても加熱時における素子の破損を防ぐことができる。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明の一実施例に係る酸素濃度検出装置を
説明する断１自ｌ構成図、第２図は上記装置の固体電′
Ｍ實索子部を取り出して示す正面図、第３図は上記装置
の検出出力と消費′直方との関係を示す曲線図である。 １）・・・固体電解質素子、１２・・・第１の白金電極
、１３・・・第２の白金電極、Ｉ４・・リード線、１５
・・・ヒータ線、１６・・・絶縁膜、１７・・・セラミ
ック被膜（拡散抵抗層）、１８．ノ９ａ＋１９ｂ、２０
・・導出端子線。 出願人代理人　　弁理士　鈴　江　武　彦＝１３−

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 酸素イオン伝導性金＠酸化物で一端を閉じ他端を開放し
   たコツプ状の形状を形成した固体電解質素子と、この固
   体電解質素子の内ＩＮ面およびこの′電解質索子の外周
   面にそれぞれ形成した薄膜状多孔質の第１および第２の
   白金′電極と、上記固体′電解質素子のうち前記第２の
   白金電極部を除く外Ｉｉ！ｉｌＩに薄膜状にして形成し
   たヒータ線とを具俯し、上記ヒータ線で同体亀′解實素
   子を直接的に加熱するようにしたことを特許とする酸素
   濃度検出装置。