JPS6064245A - 酸素を媒体とするガス組成検出装置 - 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】 〔発明の利用分野〕 本発明は、自動車用ガソリンエンジンなどの窒出検出用
のセンサに係り、特に排ガス中のｌ狭素隻の検出により
空燃比を計測を行なうようにしセンサの構成に関する。

〔発明の背景〕

エンジンの排ガスを連続的に分析し、吸入混合の空燃比
を常に適正な状態を保つようにした、ｂゆる空燃比フィ
ードバック制御システムには、があるが、このために従
来から用いられている方法に、排ガス中の酸素濃度を検
出し、これがら空燃比をめる方法がある。

従来、このようなガス中の酸素分圧を高速応答特性をも
って計測する方法の一つとして安定化ジルコニアを用い
た酸素濃淡電池によるものが知られている。

この方法における検出計測原理は、安定化ジルコニアか
らなる固体電解質中白金族金属からなる対向電極を設け
て形成したセルが、高温の酸素を含む雰囲気中では、そ
の電極間に現われる誘起起電力■と、両電極間酸素分田
比Ｐ、／Ｐｔとが下記に示すような相関関係（Ｎｅｒｎ
ｓｔの相関関係）を有する点を利用したものである。

ここで、Ｒ；理想気体定数 Ｆ：ファラデイ定数 Ｔ：絶対温度 従って、Ｐｌを測定電極側酸素分圧、Ｐ、を基準電極側
酸素分圧とすれば、排ガス中の酸素濃度を検出すること
ができる。

しかしながら、この方式の装置では、従来から安定化ジ
ルコニアからなる固体電解質を試験管状（一端が閉じら
れた袋管状のもの）に形成し、その内側表面と外側表面
とに白金電極を設け、内側に基準酸素分圧の気体、例え
ば大気を導入し、外側を測定すべきガス中にさらすよう
にしたものが主として用いられており、このため、セル
の構造が複雑で、ジルコニア全多量に要することになっ
てローコスト化が困難であるという欠点があった。

一方、このようなＶ素濃淡電池機能によるものとは別に
、安定化ジルコニアを固体電解質とし、これに白金電極
を設けてなる上記と同じセルｒ用い、これらの′電極間
に電圧を印加することによりセルの固体電解質中にポー
ラログラフイックな酸素イオン流に生成させ、これによ
って基準ガスの酸素濃度を制御することにより酸系分圧
検出範囲が広くとれるようにした、いわゆる酸素ポンプ
機能を利用する検出器が例えは特開昭４８−９０２９４
号公報や特開昭５２−６９６９０号公報などによって提
案されている。

しかしながら、これら提案されている方法では、充分な
応答特性が得られないという欠点がある。

すなわち、これらの方法では、酸素ポンプ機能により酸
素分圧を制御し、これにより計測範囲の拡大は得られる
ものの、例えばエンジンの空燃比制御システムにおける
スロットル弁の急全開、急全閉時での空燃比のように１
０〜１００ｍ秒程度での早い応答時定数を要する場合で
は、基準ガスの追従性が不充分で必要な応答特性が得ら
れない。

他方、このような場合での応答特性の改善に簀与する可
能性のある提案が、特開昭５５−６２３４９号公報や特
開昭５７−１１１４４１号公報によってなされている。

すなわち、これらの提案によれば、このようなセルに用
いられる電極が多孔質の開孔集合体で構成されている点
を利用し、この電極自体で基準ガスの拡散室を形成する
ようにし、これにより基準ガス室の容積を少くすること
による高速応答付与の可能性を開示している。

しかしながら、これら提案による方法でも前述のような
高い応答特性は得られず、依然として不充分な特性しか
得られないという欠点がある。

〔発明の目的〕

本発明の目的は、上記した従来技術の欠点を除き、酸素
濃淡電池方式に適用して大きなローコスト化が可能にな
り、酸素ボング方式のものに適用した場合にはローコス
ト化に加えてさらに極めて高い応答特性が高い精度のも
°とで得られるようにしたガス組成検出装置を提供する
にある。

〔発明の概要〕

この目的を達成するため、本発明は、検出用セルの一方
の電極に対して酸素を作用さぜるための拡散室が、スペ
ーサを挟んだ２枚の平板状部材の積層によって形成され
るようにした点を特徴とする。

〔発明の実施例〕 以下、本発明によるガス組成検出装置を図示の実施例を
用いて詳細に説明する。

第１図は本発明の原理説明用の一実施例で、１は固体電
解質部材、２，３は電極部拐、４はスペーサ、５は基板
部材、６は拡散室、７は拡散通路。

８は直流電源、９は電圧ｆｆｌ’、　１０は電流針であ
る。

なお、この第１図において、（ａ）、　（ｂ）は相互に
Ａ−Ａ線、Ｂ−Ｂ線による断面図を表わし、（ａ）は側
断面図、（ｂ）は平断面図である。

固体亀解質部（」１は安定化ジルコニアの焼成体など所
定の温度で酸素イオン４電性を有する材料で作られ、そ
の対向する２面に１対の電極部材２゜３が設けられて検
出用セルを形成する働きをする。

電極部材２，３は厚膜プロセスなどで形成され、は素の
吸着と解離の機能７はだす多孔性白金材料などからなり
、このとき、電極部材２は測ｔｊＦｌ電極３は基準電極
として働く。

スペーサ４は第２図（ｂ）に示すように方形枠状の平面
形状に、例えば電極部旧３と同じ材料で作られ、その一
部には拡散通路７を形成するための切欠部が形成されて
いる。

基板部材５は個体電解質部材ｌと同じ利料、或いは適当
なセラミック材などで作られ、スペーサ４を介して固体
電解質部材１の電極部材３を有する面に重ね合わせるこ
とにより拡散室６奮形成する働きをする。

このような七Ｎ’６実際に製造する場合には、部材１，
５となるグリンシート材を用意し、電極部材２，３とス
ペーサ４を白金ペーストで印刷形成したあと全体ｔａ層
し、焼成して一体に作られる。

なお、このとき、拡散室６を形成する部分には、積層前
に有機バインダを予じめこの部分に設けておき、焼成時
に燃焼させ拡散通路７から散失させるようにすればよい
。

直流電源８は電極部材２，３間に所定の１Ｌ圧を与え、
これにより固体電解質部材１の中に図の白抜きの矢印で
示すようなポーラログラフインクな酸素イオン流を発生
させる働＠をする。そして、電圧ｄｆ９は、このときの
電極部材２，３間の電圧Ｅが所定の電圧、例えは約０．
５ｖに保たれていることを知る働きをし、電流計１０は
このときの酸素イオンによる電流を知る働きをする。

次に、この実施例の動作について説明する。

いま、この第１図に示すセル全体を、組成を検出すべき
ガス中、例えば自動車用エンジンの排気管内に設置し、
所定の温度、例えば８００℃に保ったとする。

そして、この状態で電極部材２，３間に所定の電圧を加
えると、拡散室６の中の酸素は電極部材３により吸着さ
れ、電離されて酸素イオンになり、固体電解質部材１の
中を第１図（ａ）の白抜き矢印で示すように移送され、
電極部材２に達してそこで中性化されて外部に放出され
る。この結果、いわゆる酸素ポンプ作用が働き、拡散室
６内の酸素分圧は次第に低下してゆく。

こうして、拡散室６内の酸素分圧が低下すると、排気管
内のエンジン排ガスなどの被検ガス中から拡散通路７を
通って拡散室６の中に、第１図（ｂ）の黒塗り矢印で示
すように、Ｖ索が拡散してくる。

このときの酸素の単位時間当りの拡散量をＱとすれば、
このＱは次の（２）式で表わされる。

ここで、 Ｄ：気体中の酸素の拡散係数 ｌ：拡散通路７の開口部断面状の総和 Ｎ：単位体積中の気体に含まれる酸素及びその気体分子
の総モル数 ΔＰ：被検ガスと拡散室６内の各酸素分圧の比ｔ：拡散
通路７の通路長 一方、こうして拡散室６の中に拡散してくる酸素の量Ｑ
よりも上記した酸素ポンプ作用によって拡散室６から移
送されるｍ＞＝の量の方が充分に大きくなるように設計
しておいたときには、電極部材２，３間に流れる電流■
は次の（３）式で定まるようになり、被検ガス中の酸素
分圧に比例したイ（１となる。

ここで、Ｐ：″４Ｌ検ガス中のば累分圧従って、このと
きには、第２図に示すような特性となり、被検ガス中の
酸素分圧に比例した１ヒ流■が得られ、自動車用エンジ
ンの空燃比フィードバックシステムなどに利用できるこ
とになる。なお、この第２図で横軸のＥは電極部制２，
３間の電圧である。

ところで、このような検出用のセルにおいて、被検ガス
中の酸素分圧が変化した場合、その変化に対して早い応
答速度を与えるためには、電極部材２，３の面積に比し
て拡散室６の容積を充分に小さくし、酸系ポンプ作用に
よる拡散室６内の酸素の移送速度を充分に早くしてやり
、これと共に、被検ガスから拡散室６内への酸素の拡散
速度も充分に太き（保つようにしてやる必要がある。

そこで、第１図の実施例を見ると、この実施例では、拡
散室６がスペーサ４を挟持して積層した固体電解質部材
１と基板部利４とで形成され、この結果、電極部材３０
面積はスペーサ４の平面開口部の大きさで決り、他方、
拡散室６の容積はスペーサ４の平面開口部の大きさとそ
の厚さで決ることになり、このとき、スペーサ４が厚膜
プロセスなどにより、ｆｉＩｊＭ状に形成され、その平
面形状に比して極めて薄く形成可能なことから、上記し
た電極部材３の面積に比して拡散室６の容積を小さくす
るという条件は充分に、しかも容易に満足させることが
可能である。

また、上記した拡散速度を大きくするためには、拡散通
路７の断面積の総和Ａを太きくし、がっ、その長さｔを
小さくしてやる必要があるが、この条件も、スペーサ４
の厚さｔを小さくしたことに対応して第１図（ｂ）の寸
法ｗを増加させたり、或いは拡散通路７がこの図では２
個所に設けられているのに対してもっと増加させてやっ
たりし、さらにスペーサ４の形状ヲ変えて寸法ｔが小さ
くなるようにしてやれば容易に満足させることが可能で
ある。

従って、この実施例によれば、被検ガスの敵累磯度変化
に対して充分に高い検出応答特性を与えることができ、
例えば第１図（ａ）、■）に示す各部の寸法ｒ下記のよ
うに定めたとき、被検ガス中の酸素分圧のステップ状変
化に対する時定数として、約５０ｍ秒のセルを得ること
ができた。

ａ！＝　１．４　、ａｌ　＝　２．０　、ａ、　＝　３
．０ｂ、＝１．４．　ｂ、＝２．０．　ｂ、＝ａ、。

ｗ　＝０．２．　Ｌ　＝０．３．　ｔ　＝０．０１なお
、これらの単位は全てＣｍ　ｍ　：］でｋ）す、その公
差は±１０％程度である。

この実施例で、さらに応答速度を上げるためには、上記
の寸法のうち、ｗ（５広げ、ｔｇ小さくし、さらには拡
散通路７の？Ｃｙ、勿ふやしてやれはよい。

次に本発明の他の一実施例をね′４３図に示１−０この
第３図の実施例が第１図の実施例と異なる点は、基板部
材５の上面にも多孔員白金材料などからなる電極部材１
１を設けである点であり、この結果、スペーサ４を砥４
ｉｉｘ　７５１（４′Ａ３．１１と同じ材負で作れは、
この実施例においでは拡散至６が全て？ｔｔ極材料で形
成されることに１．ｒ−リ、本発明の特質である、（基
準ガス−１Ｌ極−固体電解質）の３層からなる界面の面
積を、拡散室の容積に比して大きくできるという点をさ
らに強調することができる。

次に第４図は本発明のさらに別の一実施例で、（ａ）と
（ｂ）は相互にＣ−Ｃ、ｌｉｌとＩＪ−ＩＪ線による断
面を示し、第４図（ａ）は平Ｈノを面図、同図＜ｂ＞は
側断面図である。

この第４図に示した実施例は、電極部４４’　３　をく
し歯に形成し、スペーサを省略してそのまま電極部材３
だけン挟んで固体電解質部材１と−Ａｋ板部４」５とを
積層したものである。

従って、この実施例では、電極部材３のくし歯状部分３
ａの間に存在する空所３ｂによって拡ｆｉｔ通路と拡散
室が形成され、この部分に対して黒矢　□印で示すよう
に瞭素の拡散が行なわれることになり、この＜シ出状部
分の寸法と電極部材３の厚さによって拡散速夏と酸系ポ
ンプ作用による酸系イオンの移送速度と２制御し、最適
な応答速度が得られるようにすることができる。

ところで、このようなガス組成検知用のセルは、固体電
解質を用いているため當温イテ」近では動作せず、例え
ば８００℃もの高温反に保って使用しなければならない
ため、実用的なセルの形態としては、加熱用のヒータ全
組込んで形成される場合が多い。

そこで、第５図にヒータを内蔵した本発明の一実施例を
示す。

基板部材５は固体電解質部材１と同じ料質のもので構成
し、内部にヒータ１２を設ける。そして、このヒータ１
２と基板部月５の間には絶縁材１３を充填させておく。

従って、ヒータ１２に通電してやれば、全体を加熱させ
て所定の温度に保つことができる。そして、この実施例
によれば、固体電解質部材１と基板部材５の熱膨張係数
を等しくすることができるから、耐久性に潰れたセル？
！−得ることかできる。

次に、以上の実施例では、いずれも固体電解質部材御と
基板部拐５とは電極部材３又はこれとスペーサ４と葡介
して接合され積層体全形成している。

しかして、こｆｔらの電極部材３及びスペーサ４として
は、白金ペーストの印刷と焼成による厚膜プロセスで形
成された多孔質フリットレス白金電極利料による場所が
多く、従って、その接合強度については多くを費求でき
ず、セルの積層強度に懸念を生じることが考えられる。

そこで、このような場合に好適な本発明の一実施例を第
６図（ａ）、申）に示す。

この第６図の（ａ）と（ｂ）は相互にＥ−Ｅ線とＦ−Ｆ
線でみた断面図で、固体電解質部材１と基板部材５の積
層面の電極部材３及びスペーサ４が介在していない部分
を設け、この部分に接合用の部材１４を、適当な間隔を
設けて配置し、この部材１４を介して固体電解質部材１
と基板部材５とが接合されるようにしたものである。

具体的な構成方法の一一例を示すと、安定化ジルコニア
材のグリンシートで部材１，５となる部分を形成し、そ
の接合面に白金ペーストの印刷により電極部材３とスペ
ーサ４となる部分を形成し、さらに接合部材１４となる
部分を印刷形成して積層し、焼成してやれば接合部拐１
４で強固に結合されたセルが同時に形成される。

従って、この実施例によれば、接合部材１４の材質を適
当に選択することにより充分な強度を有するセルが得ら
れ、耐久力に優れたセルとすることが容易にできる。

ところで、これまでの実施例は、いずれも、いわゆる酸
素ボ／ブ方式に本発明を適用した場合について説明した
が１本発明は、いわゆる濃淡電池方式によるガス組成検
知装置としても実施可能で、第７図に濃淡電池方式のも
のに適用した本発明の一実施例を示す。

この第７図の（ａ）と（ｂ）は相互にＧ−Ｇ線とＨ−Ｈ
線でみた断面であり、これらの図から明らかなように、
この実施例では長方形の固体電解質部材１と基板部材５
とを用い、これらをコの字形の平面形状に作られている
電極部材３とスペーサ４を介して積層させ、基準カス室
１５を形成させると共に、この基準ガス室１５に対する
導入口１６が形成されるようにしたものである。

従って、この実施例によるセルは、従来の袋管状（拭ｌ
ｉｄ　％状）のジルコニア管によるセルと同じようにし
て使用され、その検出端部（第７図の左側のψ？＋４部
）を被検ガス流中に曝し、同時に橋、入口１６を大気中
に連通させて基準ガス室１５内に空気を善人させれば、
空気中の酸素分圧とエンジンの排ガスなどの被検ガス中
の酸素分圧との差に応じて酸素濃淡電池作用が現われ、
電極部材２，３間に起電力を得ることができる。

そして、この実施例によれば、基準ガス室の形成のため
に、従来技術における如く袋管状のジルコニア管を必袂
としないから、構成が簡単になり、小型化が可能になっ
て材料も少くて済むため、充分なローコスト化を得るこ
とができる。

〔発明の効果〕

以上説明したように、本発明によれば、基準ガス室の形
成を極めて容易に、かつ寸法精度良く行なうことができ
るから、従来技術の欠点を除き、酸素濃淡電池方式のガ
ス組成検知セル葡小型に、かつローコストで提供するこ
とができる。

また、本発明によれは、酸素イオン流形成用電極の面積
やガス拡散通路による拡散速度ｒ減らすことなく、ガス
拡散室の内容損金容易に、かつ充分に少（することがで
きるから、従来技術の欠点を除き、酸素濃度の変化に対
する検出動作の追従性が極めて良好で、優れた応答特性
を有する酸素ポンプ方式のガス組成検知セルを提供する
ことができ、自動車用エンジンの空燃比制御などを良好
に行なうことができる。

さらに、本発明によれば、ガス組成検知用のセルを充分
小型化できるから、加熱に要するエネルギが少（て済み
、省エネルギ化に寄与することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図（ａ）、Φ）は本発明の原理説明用の一実施例を
示す側断面図と平断面図、第２図は動作説明用の特性図
、第３図は本発明の他の一実施例葡示す′断面図、第４
図（ａ）、　（ｂ）は本発明の更に別の一実施例奮示す
平断面図と１ｉｌｌｌ　Ｉ＃Ｔ面図、第５図はヒータを
設けた本発明の一実施例を示す１０ｆ面図、第６図（ａ
）。 Φ）は補強用接合部材を備えた本発明の一実施例を示す
平断面図と側断面図、第７図（ａ）、　（ｂ）は酸素濃
淡電池方式による本発明の一実施例を示す平断面図と側
断面図である。 １・・・・・・固体電解質部材、２，３・・・・・・電
極部材。 ４・・・・・・スペーサ、５・・・・・・基板部材、６
・・・・・・拡散室。 ７・・・・・・拡散通路、１５・・・・・・基準ガス室
、１６・・・・・・ガス導入口。 第２図 ０．５　Ｖ 第３１図 第４図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、酸素イオン導電性を有する平板状固体電解質　体部
   材と、該部材を厚さ方向に挟んで対向させた酸４゜素に
   対して吸着能と解離能とを有する拐質からな　−ヒる１
   対の電極部材とを備えた酸素を媒体とするガ　起ス組成
   検出用セルにおいて、該セルの一方の電極　さ部材の背
   面に所定の平面形状を有する薄膜状スペ　スープを介し
   て平板状基板を積層させ、これらスペ　発−サと基板と
   によって囲われた壁室が上記第１の電極部利の背面に形
   成されるようにし、該−極部材に対するガス導入部葡上
   記窒室によって構成し　燃だことを特徴とする埴累を媒
   体とするガス組成検　濃。 吊装置。　た ２、特許請求の範囲第１項において、上記スペーサを上
   記電極部材と同じ材質の部材で構成したことを％徴とす
   る酸素を媒体とするガス組成検出装　装置。い 化ガス組成検出用セルが、ボーラログラフイク酸素イオ
   ン電流の計測により検出機能金はだすうに構成されてい
   ることを特徴とする酸素を媒とするガス組成検出装置。 特許請求の範囲第１項又は第２項において、化ガス組成
   検出用セルが、酸素濃淡電池による電力の計測により検
   出機能をはたずように構成りていることを特徴とする酸
   素を媒体とするガ阻成検出装置。