JPS60129655A - 酸素センサ - 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】 ［産業上の利用分野］ 本発明は、固体電解質を用いた酸素ポンプを利用・した
ガス中の酸素もしくは可燃成分の濃度検出装置いわゆる
広義の酸素センサに関する。、［従来技術］　 −１− 従来ガス中の酸素濃度の測定は、特に電気的測定には固
体電解質、その内でも特にジルコニアが広く用いられて
いる。このような固体電解質を用いた酸素濃度測定装置
、いわゆる酸素センサは固体電解質の板の両面にガス透
過性の電極面を形成し、一方の電極面に被測定ガスを他
方の電極面に予め酸素濃度が設定しである基準ガスを接
触させ、両電極間に発生する起電力を測定することによ
り被測定ガス中の酸素濃度を検出するものである。

ところが、上記の酸素センサは両電極に接触するガスの
酸素分圧比及び温度によって定まる起電力を利用してい
るため被測定ガス中の酸素分圧が基準ガス中の酸素分圧
に近い場合には起電力が極めて弱くなり、高感度・の計
測器を必要とするようになる。更に基準ガス、は必ず用
いなければならないため、装置が複雑となる欠点があっ
た。

この様な欠点を解決するものとして固体電解質の一つの
電極面である陰極面を密封しその陰極面に対し密封して
いる壁画体に設けた微細な拡散孔（以下細孔という。）
より被測定ガス中の酸素を−２− 拡散現象にｊ；り導入すると共に、両電極面に所定の電
圧を印加することにより流れる電流間の程度を測定して
、被測定ガス中の酸素濃度を測定する方法いわゆる拡散
限界電流測定法（特開昭５２−７２２８６号、特開昭５
３−６６２９２ら）がある。

ところが、これらの酸素センサの構成は一方の電極を細
孔を有する壁体で密封するので細孔部分からの酸素の拡
散状態が密閉室内全域について平衡状態に達するまで時
間がかかり、そのために応答性が低いという欠点があっ
た。またこの酸素センサを実現するためにはセンサ全体
全特殊な形状としなければならないのでその製造も容易
でなかった。

この他、ガス成分の拡散制限作用を電極に密接して設け
た多孔質部材の連通気孔によって行わせるものも提案さ
れている（特開昭５５−６２３４９号）が、多孔質材の
気孔率の制御が容易ではなく、また使用中目詰りによる
拡散抵抗の変化を起こしやすく、安定性に欠けるという
問題があった。

−３− ［発明の目的］ 本発明は上記欠点を解決し被測定ガスの酸素濃度が変化
してもそれに対する応答性が早くかつ製造も容易な酸素
センサを提供することにある。

［発明の構成］ 本発明の要旨とするところは、 表裏両面に、印加電圧と電流量との関係が測定される電
極を有する酸素イオン伝導性の固体電解質板と、 該固体電解質板の一方の電極表面に間隙部を設けて配設
された酸素ガス遮蔽体と を備えたことを特徴とする酸素センサにある。

次に本発明の実施例を図面と共に説明してゆく。

［実施例］ 第１図及び第２図は本発明の第１実施例を示す。

第１図は本実施例のｊｌｌ素センサ１を自動車用内燃機
関の排気管２に適用した場合の縦断面図を示し、第２図
は酸素センサ１のみの平面図を示す。ここで３はジルコ
ニアを主成分とする固体電解質の焼結体からなる長方形
状の固体電解質板であり、そ−４− の両面には白金等を主成分とするガス透過性の電極層４
．５が焼き付けられている。

□上記固体電解質板３と平行にほぼ同形状の酸素ガス遮
′蔽体としてのセラミック質板状体６が固体電解質板３
との間に所定の幅の間隙部７・を介して配置され・でい
る。両者は円盤、状の台座８に固定されてお・”す、そ
の台座８の鍔部８ａにより排気管２に固定されるよう構
成されている。　゛上記・固体電解質板３を形成してい
る固体電解質は上記゛じたジルコニア以外に酸素イオン
伝導性の性質を有するものであればよく、ジルコニアと
イクドリ・アあるいはカルシア等との固溶体の他に二酸
化セリ゛ウム、二酸化トリウム、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
固溶体等が使用可能である。

また固体電解質板３の表面に形成される電極４゜５はＰ
’ｔ　、・Ｒｕ１Ｐｄ　、Ｒｈ　、’Ｉｒ　１Ａｕ　、
Ａ。

等の粉末゛を主成分としてペースト化した”ものを電極
形成すべき所定位置に厚膜技術を用いて印刷後焼結して
耐熱金属層として形成してもよく、また−　５　− フレーム溶射あるいは化学メッキもしくは蒸着などの薄
膜技術の方法を用いて、耐熱金属層を形成してもよいが
、その場合には電極４．５上に重ねてアルミナ、スピネ
ル等の多孔質保護層を厚膜技術を用いて設けることがよ
り好ましい。

またレラミック質板状体６とし°て各種の耐熱性のセラ
ミックが用いられるが、セラミック質以外に耐熱性を有
したものであれば、金属板等、をも用いることができる
。また固体電解質板３とセラミック質板状体６との間の
距離゛、つ゛まり間隙部７の幅は通常ｏ、ｏｉ〜０．５
−ｍｍ程度で用いることが応答性と測定ｌ！疫上から好
ましい。ただ比較的大電流を電極４，５間に流す場合に
はやや広くし、比較的低電流の場９合にはやや狭（する
といったように必要に応じて変化させてもよい。

上述した構造のセンサを用いた酸素１１ｍの検出は次の
ように行なわれる。

まず各電極４．５からのリード線４ａ　、５８間に電源
９から一定の電圧が印加される。この電圧と両電極４，
５問に流れるＮ流量との関係は温度−〇　− が一定とすれば第３図に示すにうな傾向を示す。

ここで横軸は両電極４，５間の電圧■を表わし、縦軸は
その時両電極４，５問に流れる電流量■ｐを表わしてい
る。ここで酸素センサ１の測定雰囲気である内燃機関の
排ガス中の酸素濃度が低い場合、つまり空燃比λが小さ
い場合（ただしλ≧１）には、比較的低い電圧において
電流量１Ｄは一定化する。一方、排ガス中の酸素濃度が
高い場合、つまりλが大きい場合には比較的高い電圧に
て電流１１１１は一定化する。このためある適当な電圧
、例えば図示するＶｌを選べばその電圧にて流れる電流
＠ｌｐから排ガス中のＭ索濃度を測定することができる
。

また上記のごと＜Ｉｐが一定化していなくとも、例えば
、電圧Ｖ２において、λに応じた電圧と電流量との関係
を予め測定し、第３図のようなグラフを作成しておき、
それを参照すれば、全く同様にλが測定できる。

上述した第３図のグラフのような傾向を示すのは電極４
がマイナス側、電極５がプラス側として−７− 電圧が印加された場合に固体電解質板３は汲み出し酸素
ポンプの働きをなして間隙部７部分の酸素のみを固体電
解質板３を通してその電極５側へ排出Ｊ゛る作用をなす
。そのため間隙部７における酸素濃度は低下しようとす
るが、間隙部７はその三方が開放されているから、排ガ
ス中の酸素がその三方より間隙部７内部へ拡散現象によ
り侵入してくることになる。この酸素の拡散による間隙
部７への流入量は温度が一定であれば排ガスの酸素濃度
に依存することになる。このように間隙部７・内への酸
素供給ｍが排ガス中の酸素濃度に依存していれば、当然
間隙部７から固体電解質板３を介して外部へ排出される
酸素量は排ガス中の酸素濃度に依存することになる。こ
のため１１！素濃度と固体電解質板３にＪ：り排出され
る酸素量と両電極４゜５問に流れる電流量とは比例する
こととなるので第３図のグラフの如く、適当な電圧Ｖ１
において酸素濃度に対応して電流量Ｉｐが変化し、Ｉｌ
ｌの測定により酸素ｍｉが検出されるのである。

このような関係は第４図に示すように電流量Ｉ−８− ｐを一定にした場合、印加されるべき電圧によっても同
様に排ガス中の酸素濃度をめることができる。本図のグ
ラフにおいて横軸は空燃比λであり、縦軸は印加される
電圧■である。この場合電流は電極５から電極４へ流れ
ている。この場合の電流Ｉｐをプラス、これと逆方向を
マイナスと定義する。

空燃比λが１以下の場合には遊＋ｍ酸素量は極端に低下
もしくはゼロとなるが、その場合には第５図に示す如く
、電極４．５間に上記の場合とは逆に電圧をかけること
により、つまり電極４側をプラス、電［１５側をマイナ
スとして酸化物を解離して酸素を得ることによって電流
量ｉｐを一定に保つよう、電圧を印加することによって
、第５図に示すようなグラフが得られる。この場合、横
軸は空燃比λであり、縦軸は電圧Ｖの絶対値である。

このとき、マイナスである電流１１ｐを所定値に保持す
れば、λ〈１の領域で特定のλの値の近傍で電圧が大ぎ
く変化し、電流■ｐと電圧■との関係から可燃成分の含
量すなわち空燃比λを測定す−９− ることができる。

本実施例によれば酸素ポンプの役目を果たしている固体
電解質板３と単に、その一方の電極に対し自由な雰囲気
ガスの流入を防止するための間隙部を形成する板とを近
接して設けたのみで、１簡単な構造でかつ容易に雰囲気
ガス中の酸素濃度を検出することが可能となるものであ
る。それ故製造において歩留りが高くなり、又、センサ
の組み付けにおいても、スペースを要しないのでコンパ
クトにかつ、極めて軽量に組み付けることができる。

次に・本発明の第２実施例として第６図にその構成を示
す。

本実施例の酸素センサ２１はその酸素ポンプとしての固
体電解質板２２及びその電極２３．２４の形状について
は第１実施例と同様である。電極２４側の固体電解質板
２２の表面の電極層のない縁端部分において、ヒーター
が２５が形成されている。ヒーター２５は第７図に示す
如く、略コの字状をしておりその中心部には発熱体２５
ａが埋め込まれており、通電発熱させることにより固体
−１０− 電解質板２２をその外縁部から加熱する様構成されてい
る。

更に、固体電解質板２２の一方の電極２３側に間隙部２
６を形成している酸素ガス遮蔽体としての板状体２７は
セラミック質からなりその中心部に全面を加熱する如く
発熱体２７ａが蛇行して埋設されている。この発熱体２
７ａも電圧を印加されることにより発熱する。上述した
固体電解質板２２とヒーター２５とは、ヒーター２５か
らの伝熱性を高めるため製造時において、両者はセラミ
ックペースト等で接着・焼成され一体として形成される
。　′ 上記固体電解質板２２及びその両面に形成されたＮ極１
Ｆ！２３．２４は第１実施例と同様な組成及び製造方法
にて形成される。またヒーター２５及び２７は２枚の非
導電性セラミック板に発熱線を挾み込む方法、あるいは
発熱線２５８．２７ａをプリント印刷した上に更に非導
電性セラミックペーストの層を焼成することにより形成
される。この様にして形成された固体電解質２２．ヒー
ター−１１− ２５、セラミック板状体２７は台座２８に固定され所望
の用途に用いられる。

上記ヒーター２５と板状体２７とはその発熱線２５ａ、
２７ａが直列に結合されて可変抵抗器２９を介して電源
３０に接続されている。上記可変抵抗器２９を調整する
ことにより、雰囲気ガス温度が本センサ２１の活性化に
充分でない場合に、発熱線２５ａ、２７ａを発熱させ、
はぼ一定温度以上に保持するよう操作する。また、固体
電解質板２２の両側の電極［２３，２４から導出してい
るリード線２３ａ　、２４ａは切換スイッチ３１を介し
て定電流電源３２及び３３に接続されている。

３４は同電極層２３．２４間の電圧を測定する電圧計で
ある。

本実施例においては、ヒーター２５及び板状体２７によ
りセンサ２１全体が活性化温度以りに昇温させることが
可能であり、また切換スイッチ３１によりその電流方向
を切換えることにより例えば内燃機関の排ガス中の酸素
測定時においてり一ン側ばかりでな（リッチ側において
も精度良く空−１２− 燃比を測定することが可能となるものである。

なお本発明は上述した実施例に限定されるものではなく
、例えば電圧Ｖを一定にして、電流量ＩＯを電子回路的
に自動制御させ１ｐに対応する出力を酸素含量または空
燃比の検知出力とすることもできるｉ ［発明の効果］　゛ 本発明は酸素イオン伝導性の固体電解質板の両側に電極
を設けると共に、一方の電極側に間隙部を介して酸素ガ
ス遮蔽体で覆うことにより極めて簡単な構造で雰囲気ガ
ス中の酸素濃痘を測定することが可能となり酸素センサ
の製造及びその適用を容易とするものである。そのため
省資源、省エネルギーにも貢献することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の第１実施例の酸素センサを内燃機関の
排気管中に配設した状態を示す縦断面図、第２図はその
酸素センサ部分の平面図、第３図は酸素センサに流れる
電流量と電圧との関係を示すグラフ、第４図は空燃比と
電圧との関係を示すグー　１３　− ラフ、第５図は電流を逆に流した場合の空燃比と電圧と
の絶対値の関係を示すグラフ、第６図は本発明第２実施
例の構成を示す縦断面図及びその回路図、第７図は固体
電解質板、板状体及びヒーターとの関係を示す分解図で
ある。 １．２１・・・ｍ素センサ ３．２２．・・酸素イオン透過性固体電解質４．５．２
３．２４・・・電極 ６．２７・・・ガス遮蔽体（板状体） ７．２６・・・間隙部 代理人　弁理士　定立　勉 ばか１名 −１４− ７ｂ ２３ａ ７図 ２

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １　表裏両面に、印加電圧と電流量との関係が測定され
   る電極を有する酸素イオン伝導性の固体電解質板と、　
   。 、、該固体型・解質板の一方の電極表面に間隙部を設け
   て配設された酸、素ガス遮蔽体と 、・を備えたことを特徴とする酸素セン・す。 ２　酸素ガス遮蔽体がヒーターを備えている特許請求の
   範囲第１項記載の酸素センサ。。 ３　固体電解質板がヒー・夕＝を備えていする特許請求
   の範囲第１項又・°は第２項記載の酸素センサ。