JPS61170650A - 酸素濃度センサ - Google Patents

酸素濃度センサ

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JPS61170650A
JPS61170650A JP60010899A JP1089985A JPS61170650A JP S61170650 A JPS61170650 A JP S61170650A JP 60010899 A JP60010899 A JP 60010899A JP 1089985 A JP1089985 A JP 1089985A JP S61170650 A JPS61170650 A JP S61170650A
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    • G01N27/4067—Means for heating or controlling the temperature of the solid electrolyte

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〕 本発明は酸素濃度センサに係り、とくに自動車の排ガス
の酸素ガス濃度を測定するのに好適な酸素濃度センサに
関する。
〔発明の背景〕
従来この分野の技術としては、実開昭５８−１３０２６
１に記載のように、Ａ４０ｓ　ＨＺｒＯ２のグリンシー
トを印刷・積層したものを接着剤なしで同時焼結するか
、特開昭５５−１５４４５１　のように予め焼結したＡ
／、、０３基板のヒータ状に安定化ｚｒＯ！を薄膜また
は厚膜でセルを積層し、これも接着剤なしで熱処理によ
シ焼結接合する方法が提案されている。
しかしながら、ＺｒＯ！とＡｔａＯｓとの間の接合界面
には、装置の動作状態（６００〜９００Ｃ）と停止状態
（室温）との間の熱サイクルによシ、熱膨張差による応
力が働き剥離または割れ等が生じやすい。また両者を同
時に焼結することが多いので、Ａｔ！０３は焼結不充分
なための強度不足、焼結助剤を多用したための電気抵抗
低減などの問題がある。
〔発明の目的〕
本発明の目的は互いに異なる熱膨張係数を有するセラミ
ック材料からなるセルとヒータが接合固定された酸素濃
度センサにおいて、熱サイクルや熱ショックに耐えしか
も熱伝導よくヒータでセルを加熱できる接合界面が形成
された酸素濃度センサを提供することにある。
〔発明の概要〕
南？ 本発明は、セラミック材料Ｑ熱的挙動には相転移による
非直線的でヒステリシスも大きな変位を示すこともある
ことに鑑み、互いに異なる熱膨張係数を有するセラミッ
ク材料からなるセルとヒータを接合固定するに際し、そ
の界面の変位量を吸収または緩衝する中間層を介在させ
て、両者を接合面において接着または溶着させることを
特徴とする。
望ましい一実施例によれば補助的に接合強度の耐久性を
増す手段として、いずれかのセラミック材、例えばヒー
タの部材がセルを包囲、落し込みまたは埋込みが可能な
形状とされ、両者間に中間層が介在することによシ、加
熱して使用している間はセルが熱膨張してヒータの構造
部材に密接し、未使用中はヒータ中にセルが収容され脱
落を防止する構成とされる。
このセンサが温度変動の激しい被検ガス中に露出してい
る状態で所要の検出精度をセルが維持できるよう、セル
温度を安定化する手段として、セルを検出電極部を残し
てヒータ構造部材で包囲するとともに、必要に応じてセ
ル検出部に多孔質保護膜が設けられる。なおセル温度を
代表する電気信号でヒータの加熱電力を負帰還制御する
手段は併用されることが望ましい。
〔発明の実施例〕
以下、本発明の一実施例を図を用いて説明する。
まず、第１図はセルの動作原理を示す原理構成図である
。図中１はＹ＊Ｏｓ安定化Ｚ　ｒ　Ｏ！の固体電解質体
で、その表面に対向して酸素ガス（０２）の吸着・解離
能を有する例えば白金の多孔質電極２．３が形成される
。２は検出電極と称し被検ガス中に露出され、対向電極
３から来た酸素イオンを被検ガス中に解離する。一方３
は基準電極と称し、多くの開孔を有するとともに、電極
の周辺に周囲の被検ガスから仕切られた空間すなわち拡
散室５内に露出される。この拡散室５と被検ガスとは拡
散孔４を介して連通される。固体電解質１の温度が６０
０〜５ｏｏｃにおいて検出電極２から基準電極３へ電流
ＩＰが流されると、拡散室５中の酸素ガスは基準電極３
に吸着されてイオン化し、この酸素イオンは固体電解質
１を介してポンピングアウトされる。この結果、基準電
極３と検出電極２の間には常に基準電極３側の酸素濃度
が希薄となυ濃淡電池の起電力Ｅが誘起される。例えば
誘起起電力Ｅ＝ＩＶを得るには、ネリンストの式による
と固体電解質体１の温度が７００Ｃｓ検出電極２−基準
電極３間の酸素濃度比が２０桁のときに得られる。ここ
で被検ガス中の酸素ガスは選択的に拡散孔４で律速され
ながら拡散室５中に拡散してくるので、これらの酸素ガ
スは全べて頭次ボンピングアウトされ、従ってこの電流
は被検ガス中の酸素濃度Ｐａが一定の場合はこれに対応
して限界値を示す。
そこで例えば検出電極２−基準電極３間の誘起起電力Ｅ
がある所定の値になるよう電流Ｉｐに電子回路でフィー
ドバックをかけることにより被検ガス中の酸素濃度ＰＧ
　とＩｐとの比例関係が成立する。第２図にこの関係が
示される。
第３図は拡散孔の異なる２つの基準電極７．８と１つの
検出電極６とを積層したセルの断面図を示す。図中検出
電極６−基準電極８、検出電極６−基準電極７が対向し
てそれぞれ濃淡電池が形成される。この時それぞれ拡散
孔１０．９を有する。
第３図の対−内電極６−７のセルは第１図とは異なる使
い方がされる。すなわち、基準電極７を囲む拡散室９に
は検出電極６から常時酸素ガスがボンピングインされて
大気中の酸素濃度に近い値にほぼ維持される。これを基
準にして検出電極６周辺の酸素濃度がネルンストの濃淡
電池の式で計測される。この時の出力特性は検出電極６
に白金が用いられるとその触媒性能によシ、理論空燃比
点より燃料が濃い領域では検出電極６周辺は酸素濃度が
２０桁前後基準電極７周辺に較べて酸素希薄となる。従
来使われている自動車用０２センサの出力特性を示す第
４図において本実施例構成のセルによれば原理的に理論
空燃比点を示す特性のセルの温度依存性は第１図のセル
の温度依存性に較べて少ない利点が得られる。
以上本発明の実施例によれば２つのセルが積重ねられて
酸素濃度センサが構成される。一方は酸素濃度に比例す
る信号でセル温度依存性が大きく、他方は理論空燃比点
に対応する酸素濃度点でスイッチング出力特性を示し、
この点の温度依存性は小さい。本発明の実施例によれば
この積層セルをヒータと接合固定する場合、比例信号を
出力するセルをヒータと直接接合することによシ熱制御
性が改善され、両セルとも温度依存性が改善できる。
第５図はこのセルとヒータの関係を示すものである。す
なわち第３図に示されたセルをヒータに埋込んだもので
、セル１１の検出電極１３と２つの基準電極（図では見
えない）の見出し端子が１８゜１９．２０である。１４
．１５はそれぞれ広域空燃比関数信号発生セルおよび理
論空燃比点検出セルのスリット形の拡散孔である。ヒー
タ１２については、図では見えないが発熱体の端子が１
６゜１７である。
セルとヒータと内部構造を示す断面図を第６図およびそ
の断面図を第７（Ａ）〜（Ｅ）図に示す。
第７（Ａ）図中２０．２２はそれぞれ理論空燃比点検出
セルの電極と拡散孔、第７（Ｂ）図中２１゜２３はそれ
ぞれ広域空燃比関数信号発生セルの電極と拡散孔である
。第７図（Ｃ）図の２４はヒータの発熱部である。第７
（Ｅ）図の２５．２６はいずれも電極の引出端子のスル
ーホールでセル表面に引出すためのものである。２７．
２８はいずれもヒータの引出端子のスルーホールで、ヒ
ータ表面に引出すためのものである。２９は両者を接合
固定する接着剤である。セルはＹ２Ｏ３安定化ｚｒＯ２
、ヒータはＡ　１２０ｓを主剤とし、予めそれぞれ焼成
されたものを、Ａｔ１０３を主剤とし、必要に応じてＺ
　ｒｏｔ　ｔ　Ｓ　Ｄ）ｔ　ｔ　ＭｇＯ等を接着または
焼結の助剤として配合したものを用いる。
具体的にはＡｚ、ｏ、　、　ｚ　ｒｏ、　、　Ｔ　ｔ　
ｏ、からなる水性１液形ペ一スト状接着剤がある。
第５図に示す本発明の実施例によればヒータ１２はセル
１１を埋込み接着するようにＵ字形断面の基板に形成さ
れ、一方セル１１はＵ字形ヒータ先端部端面に拡散孔を
配置したことにより、接着剤の接合固定効果をより高く
できる。
第８図は接着剤のくさび効果を出すためにセル３０、ヒ
ータ３１両者に凹凸４１〜４４．５１〜５４設けた場合
である。
第９図から理解されるように、セル表面の温度はガス流
速の増加に伴い低下するが、セル−ヒータ間の温度はほ
ぼ一定温度に保持される。
以上のように、本発明の一実施例によれば酸素イオン導
電性を有する固体電解質体と該固体電解質体表面に対向
して配置された検出電極と基準電極とからなるセルと該
セルを加熱するヒータから成υ、ヒータの発熱体を支持
絶縁する基板にはＡｔｚＯｓを主剤として用い、セルの
固体電解質体およびセル周辺の構造材としては安定化Ｚ
ｒＯ２を主剤として用いるとともにそれぞれを予め焼成
しておき、然る後に、両者をＡ　ｌｘ　Ｏｓを主剤とし
、必要に応じてＺｒ０ｚ　、８　ｉｃｈ　、ＭｇＯ等を
接着または焼結の助剤として配合し、接合するととａＺ
す により酸素濃へφ；構成される。
ヒータとセルは予めそれぞれ適宜な焼成工程にて焼成し
、その後ＡｔｚＯｓを主剤とする接着剤にて接着するよ
うにしてもよい。
ヒータは望ましくは板状としタングステン酸化物を発熱
体、Ａｔ１０１を支持絶縁体とし、セルは板状の固体電
解質体に安定化Ｚ　ｒ　Ｏ！　、電極にＰｔを用いると
ともに、両者は中間Ｋ　Ａ　ｔ！　Ｏｓを主剤とする接
合層を介して焼成結合することも可能である。
ヒータはセルを埋込み接着するようＵ字形断面・ｑ革板
とし、セルはＵ字形ヒータ先端部端面に拡’Ｉｔ極間口
を配置しこれら両者をＡｔｚＯｓを主剤とする接着剤に
接着してもよい。
セルは理論空燃比点検出セルと広域空燃比関数信号発生
セルとからなシ、後者は前記ヒータのＵ字形断面に密接
するよう配設し、前者は後者の上に積層して配設すると
ともに、ヒータは温度調節機能を有するように構成され
る。
セルとヒータとの間に介在する接着剤は、硬化後その形
状がくさび効果を有するように、セルに対してはその厚
さ方向に凹凸、傾斜、段差部等を設け、ヒータに対して
もＵ字形の両側に凹凸、傾斜、段差部等を設けるように
することも可能である。
〔発明の効果〕
本発明によれば、互いに異なる熱膨張係数を有するセラ
ミック材料からなるセルとヒータとを良好な耐熱性と熱
伝導性をもって接合固定される酸素濃度センサが得られ
る。
【図面の簡単な説明】
第１図は本発明の原理構成図、第２図は第１図の比例信
号セルの特性図、第３図（Ａ）は積層セルの横断面図、
（Ｂ）は縦断面図、第４図は第３図に示す理論空燃比点
セルの特性図、第５図は本発明の一実施例を示すセルと
ヒータとの接合前の斜視図、第６図は第５図に示すセル
とヒータとの接合状態における縦断面図、第７（Ａ）〜
（Ｅ）図は第６図のＡ−Ａ、　Ｂ−Ｂ、　Ｃ−Ｃ，Ｄ−
ＤおよびＥ−Ｅ各折面図、第８図は本発明の他の一実施
例を示す斜視図、第９図は第５図に示す本発明の一実施
例におけるセルの温度依存性実測データ図、である。 １・・・固体電解質、２，６．１３・・・検出電極、３
゜７．８・・・基準電極、４，９．１０，１４．１５・
・・躬　３（２１ （Ａ）　　　　　　　　（Ｆ５） Ｏ 第　４区 １　　　　　空読幻こん 蔓　５　の 活　　　　０　　２ も　７　　Ｃ八）　Ｖ も　７　（Ｆ５川゛ 怖　”ｒ＜ｃ＞ｖ 躬’ＩＣＤ）（８ 不　δ　２ ％ｃｔ　　口 力°°又う糺↓虹（ｘ／ｓ　）

Claims (1)

    【特許請求の範囲】
  1. １．酸素イオン導電性を有する固体電解質体と、該固体
    電解質体表面の一方に被検ガスに露出するよう配置され
    た検出電極と、前記被検ガスに開口を介して連通する拡
    散室に露出するよう前記固体電解質体表面の他方に対向
    配置された基準電極とから構成されたセルと、該セルを
    所定温度に加熱するヒータとを備えた酸素濃度センサに
    おいて、前記ヒータは前記セルを収納可能に構成され、
    前記セルは前記ヒータの端面に、前記セルに設けられた
    開口が配置される状態で前記ヒータと接合固定されるこ
    とを特徴とする酸素濃度センサ。
JP60010899A 1985-01-25 1985-01-25 酸素濃度センサ Expired - Lifetime JPH0646189B2 (ja)

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