JPS61272648A - 酸素センサ素子 - 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） この発明は被測定ガス中、なかでも内燃機関より排出さ
れる排気ガス中の酸素濃度を検出するための酸素センサ
に用いられる酸素センサ素子に係り、特に、基準物質を
供給ずろ空間を実質的に気密とした酸素セン勺素子に関
する。

（従来の技術） 従来から、所謂酸素センサとして、内燃機関の排気ガス
中に含まれる酸素濃度を検知し、その検出信号に基づい
て内燃機関の燃焼状態を最適にコントロールすることに
より、排気ガスの浄化、燃費の節減等を行うものが知ら
れている。

このような酸素センサに用いられる酸素センサ素子は、
一般に、排気ガス等の被測定ガス中に曝される測定電極
と、酸素濃度が一定の基準物質に曝される基準電極とを
、酸素イオン伝導性固体電解質を介して設け、両極間の
酸素イオン伝導作用による出力を検出信号としている。

ところで、上記基準物質は、通常大気が用いられ、この
ため、従来の酸素センサは、この大気を取入れて、基準
電極に接触させるための大気取入孔が酸素センサのケー
ス外面および酸素センサ素子の一部に設けられている。

（発明が解決しようとする問題点） しかしながら、上記のように、大気取入孔が設けられて
いる酸素センサにあっては、特に、前述したような車両
に装着された場合、」二記火気取入孔から水が浸入した
り、海岸線では塩水が侵入することも考えられ、これに
よって、酸素セン勺素子の損傷や絶縁不良が生じる虞れ
がある。また、酸素センサは高温状態で使用されるため
、内部に侵入した水分は蒸気となり、基準物質である大
気を追い出してしまい、検出不能の状態になることも考
えられる。

なお、このような問題を解決するために、」二記大気取
入孔を排除するとともに、基準電極の周囲に多孔質体を
用いて微小空間を設け、酸素ポンプ電極を用いて、この
微小空間へ、外気、例えば、排気ガスから酸素を取入れ
るようにした酸素セン勺が提案されている。

しかし、このような微小空間しか備えていないものにあ
っては、酸素センサの信号出力を外部計器等で読み取る
ときに、消費する酸素を微小空間内に補給する必要があ
ること等のため、常時、酸素ポンプを作動させておかな
ければならない。

ところが、酸素ポンプは低温状態では十分に働かないた
め、この状態で良好に作動させるには、高電圧を印加す
る必要があるが、高電圧を印加すると固体電解質内の電
気分解が生じ易くなって素子劣化の原因となる。このよ
うなことを避けろために、ヒーターによって酸素ポンプ
部を、酸素ポンプが十分に機能を果たす高温度に常時加
熱するようにすることも考えられるが、これでは、ヒー
ター加熱用の電力消費量が大となるし、このヒーター熱
により、素子が早く劣化したり、ヒーターの寿命が短く
なったりすることにもなる。

（問題点を解決するだめの手段） 上記問題点を解決するために、酸素センサ素子の内部に
、基準電極が収容されて、実質的に気密にされた気密空
間を設け、この気密空間内に酸素イオン伝導作用によっ
て酸素を供給する少なくとも一対の酸素ポンプ電極を設
けたものである。

（作　用） ］−記気密空間は、比較的大きな容積であるため、酸素
ポンプを常時作動させなくても、十分に基準物質の供給
が行なえる。従って、例えば酸素ポンプ部が低温となっ
て一時的に酸素供給量が減少したり、供給が途絶えたり
しても、気密空間中の多量の酸素で担えるので、ヒータ
ーで酸素ポンプ部を常時高温（７００℃以上）に加熱し
たり、酸素ポンプに高電圧を印加して酸素ポンプをむり
やり作動させる必要がなく、素子劣化やヒーターの寿命
低下を防止できる。勿論、外部から水分や塩水等が」二
記気密空間に浸入することを完全に印圧できることは言
うまでもない。さらに、素子を収容するケースは、大気
を流入させるための隙間を必要としないため、ケースを
気密にしても良く、このようにすれば、酸素センサ素子
への被水による割れも防止できる。

（実施例） 本発明の第１実施例を第Ｘ図に示す。

本実施例の酸素センサ素子１は、長手板状に形成される
もので、第１図は、これを分解図にして示しである。

この酸素センサ素子１は、酸素イオン伝導性固体重解質
からなる板（以下「固体電解質板」と称す）２〜４を積
層した構造であり、中間の固体電解質板３には、長手方
向に削り抜かれた気密空間５が形成されている。この気
密空間５は、固体電解質板３の両面に固体電解質板２と
４が接合されることにより、実質的に気密状態に保持さ
れる。

なお、中間の固体電解質板３を絶縁セラミックスで構成
するか、あるいは固体電解質板２または４と固体電解質
板３との間に薄い絶縁層（気密空間５に相当する部分は
設けない）を設け、ポンプ電極を、測定電極及び基準電
極に対して電気的に絶縁しておくことが好ましい。この
ような構成にすることによりポンプ電極へ印加される電
圧による酸素セン勺素子の信号出力への影響をなくすこ
とができる。

なお前記薄い絶縁層は酸素センサ素子の各部の温度が２
５０℃以」−にある部分にのみ設けてもよい。

これは一般の酸素イオン導電性固体電解質（たとえばイ
ツトリア安定化ジルコニア）では２５０℃以下の低温で
は実質上絶縁物だからである。

図中左方の固体電解質板２の左面には、その下端部にヒ
ーター６が設けられており、ヒーター６の間には、ポン
プ電極９が配設されている。このポンプ電極９は、接点
６八においてヒーター６に接続されている。

ヒーター６の両端には、ヒーターリード１．４．１５が
接続されており、これらのヒーターリード１４゜１５は
、固体電解質板２の左面上を図中」一端に至るように並
行して設けられている。そして、図中上端部において、
外部回路接続用のコネクタ（図示路）の接続端子部１４
ａ、　１５ａを形成している。

また、２本のヒーターリード１４．１５の間には、引出
し線１７が、両ヒーターリード１４，１５に並行して配
設されており、この引出し線１７の下端はヒーターリー
ト１５に接続されている。

なお、上記ヒーター６とヒーターリード１４，１５（接
続端子部１４ａ、　１５ａを除く）および引出し線１７
は、２枚のセラミック薄膜の積層体１１の間に挟み込ん
だ状態のものを、固体電解質板２に積層することで、固
体電解質板２に一体化されている。但し、ポンプ電極９
の部分には、セラミック薄膜の積層体１１に穴が空けら
れて、ポンプ電極９が固体電解質板２に直接接するよう
にしである。

そして、ヒーター６、ヒーターリード１４，１５、引出
し線１７およびポンプ電極９の上には、多孔質セラミッ
クスで形成された保護層４が積層されている。

固体電解質板２の図中右面の下端部には、上記ポンプ電
極９に固体電解質板２を挟んで対向する位置に、もうひ
とつのポンプ電極１０が設けられている。このポンプ電
極１０に接続されたポンプ電極リー目６は、固体電解質
板２の右面を上方へ走り、スルーホール１２を介して、
上記引出し線１７に接続されている。

図中右方の固体電解質板４の左面下端部には、上記気密
空間５に曝された基準電極７が設けられ、右面下端部に
は、基準電極７に固体電解質板４を挟んで対向する位置
に被測定物質に曝される測定電極８が設けられている。

基準電極７に接続された基準電極リード１８は、固体電
解質板４の左面を上方へ走り、スルーホール１３を介し
て固体電解質板４の右面」二端部に設けられた接続端子
部２０に接続されている。また、測定電極８に接続され
た測定電極リード１９は、固体電解質板４の右面を上方
へ走り、同じく固体電解質板４の右面の」一端部に設け
られた接続端子部２１に接続されている。

以上の構成によって、本実施例の酸素センサ１は、その
製造時に、気密空間５内に人気が封止され、以後は、ポ
ンプ電極９．）０に通電を行うことで、酸素の供給がな
されることになる。

そして、第１図から判るように、気密空間５は、略酸素
センサ素子１の全体に及ぶ容積を有しているため、この
容量は比較的大きく、常時酸素ポンプによって酸素を供
給する必要がない。

また、気密空間５は、実質的に気密（上記酸素の流入は
許すが他の物質の流入は許さない）になっているため、
外部から水分や塩水等の異物が侵入して、故障や検出不
能等が生じることを防止することができる。

さらに、本実施例においては、ポンプ電極９゜１０は、
ヒーター６あるいはヒーターリード１５に接続されてい
るため、酸素ポンプ用の電源をヒーター用電源と共有し
ている。このため、特に、酸素ポンプ用の電源を別個に
設ける必要がなく、しかも、接続端子部をその分だけ削
減できるので、コネクタを小型化でき、外部回路へ接続
するだめのリード線の本数も削減できる。従って、ヒー
ターを備えない酸素センサや酸素ポンプを備えない酸素
センサ等の４端子構造の酸素センサにおけるコネクタと
の互換性が有り、便利である。

第１図の気密空間５の容積は酸素センサ素子の使用され
る位置のガス温度及びガス流速（流速が速いほど冷却さ
れ易い）により、適宜な大きさに設定する必要がある。

ずなわぢ通常測定電極と基準電極は３５０℃乃至４００
℃以−Ｌであれば十分働くため、最もガス温が低い時に
ヒーターとしては素子を４００℃以上の温度に保つ能力
があれば良い。

また逆に５００℃程度以」−（ポンプとして十分稼動す
る温度）まで常時素子温度を保つにはヒーターに過大な
負担がかかることになり、さらにガス温か高い時には素
子温度が上りすぎるのためヒーター寿命が短くなり好ま
しいものではない。

内燃機関として自動車のガソリンエンジンについて考え
ろならば、急坂を下る時、排ガス温は低くなり、酸素セ
ンサ素子の温度はかなり低下する。

しかしこういう状態はいつまでも続くものではなく、せ
いぜい３０分程度である。従って気密空間はこの間に消
費する酸素を蓄えるに足る容積を有する必要がある。

たとえば第１図で素子長６０ｍｍ、固体電解質板の厚さ
０．４ｍｍ、幅が４ｍｍの時、気密空間はその長さ方向
が素子一杯につくられているので、その容積は幅２．５
ｍｍＸ長さ６０ｍｍｘ厚さ０．４ｍｍ−６０ｍｍ３（−
６０μｐ）である。センサの出力信号測定用の測定器の
内部インピーク゛ンスは通常ＩＭΩ程度であり、センサ
出力は約１■のため１μへの電流が流れ、酸素が消費さ
れる。気密空間中の気体が大気の場合、その酸素の５０
％は約２時間で消費される（酸素分圧が５０％低下する
がセンサ出力への影響は小さい）。従って、気密空間の
容積は、この１／４、約１５μβ以」−あれば実用」二
支障はない。

酸素イオン導電性固体電解質としてはイツ）ＩＪア等を
添加したジルコニアがある。

このジルコニアの分解（Ｚｒ０２　＋Ｚｒ＋０２）電圧
は温度により異なるが約２，５ｖである。すなわちジル
コニア板の両側に電極を設け、外部から酸素を供給しな
いようにして、５００℃程度で２．５ｖ以上の電圧を加
えるとジルコニアは電気分解し、酸素を失い黒化する。

従って黒化の防止のためポンプ電極へ印加される電圧は
３■以下（電圧降下分含む）、好ましくは２．５ｖ以下
にコントロールしておくことが好ましい。１つの方法と
してヒータニに印加される電圧（自動車では１１■〜１
５Ｖ位）から分圧するように適正な設計をしてやれば、
特に酸素センサ素子外部でのコントローラ等も必要とし
ない利点がある。

ポンプ電極９．１０間には内外酸素分圧差により電圧を
生ずるためポンプ電圧としてはこの分を余分に見込んで
おく必要がある。通常酸素センサ素子の出力の時間平均
は０．４〜０．５ｖ程度であるからポンプ電圧は０．５
ｖ以上としておけば、酸素を気密空間に供給できる。し
かし若干の余裕は必要であり、約１■以」二とするのが
より好ましい。

なお、本実施例のように、ヒーター６側にポンプ電極を
接続するのに、スルーホールを必要とする場合には、第
１図中のスルーホール１２のように、ヒーター６から遠
い位置に設けることが望ましく、このようにすることで
、スルーホール部で固体電解質内を流れる電流が生じた
り、ヒーター熱によりスルーホール部に損傷が生じたり
することを防止できる。

次に本発明の第２実施例を第２図に示す。なお、同図中
において、前記第１実施例のものと同一構成部分には、
同一符号を付して説明は省略する。

同図に示ず酸素センサ素子２０は、第１実施例の構成に
加え、固体電解質板２と３の間に、絶縁セラミックス製
の絶縁層２１を介挿したものである。

この絶縁層２１には、気密空間５の形状に合わせたスリ
ット２２が形成されている。

そして、絶縁層２１の一部には、多孔質セラミックスを
混入して形成されたポーラス部２３が設けられている。

このポーラス部２３が設けられていることにより、本実
施例は、前記第１実施例の効果に加えて、気密空間５内
の過剰酸素をポーラス部２３から外部へ排出することが
可能となり、気密空間５内の酸素分圧を一定に保ち、測
定精度向上を果たすことができる。

なお、上記ポーラス部２３は、被測定ガス雰囲気内に位
置する箇所に設けることが好ましい。

また、ポーラス部２３を絶縁層２１の一部のみならず全
体に設けてもよい。すなわぢ、絶縁層２１全体を多孔質
セラミックスで形成するようにしても良　　。

い。

（発明の効果） 以上詳細に説明したように、本発明は、酸素センサ素子
内部に、基準電極を収容した気密空間を設け、この気密
空間内に酸素ポンプによって酸素の供給を行うようにし
たことにより、比較的大きな容積の気密空間内に、十分
な基準物質を蓄えることができるため、酸素ポンプを常
時作動させる必要がなく、従って、酸素ポンプを常時酸
素ポンプが十分機能する高温に加熱しておく必要もない
ため、ヒーター加熱人力を小さくすることができる。こ
れにより、酸素センサ素子の劣化を軽減させることが可
能になる。

また、従来のような基準物質を取入れるための孔を酸素
センサ素子を収容するケースや酸素センサ素子に設ける
必要がないため、外部から水や塩水等の異物が侵入して
酸素センサ素子の劣化や損傷または作動不能が生じるこ
とを完全に防止できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の第１実施例の構成を示す分解斜視図、 第２図は本発明の第２実施例の構成を示す分解斜視図で
ある。 １．２０・・・酸素センサ素子 ２、３．４・・・固体電解質板

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. １．主として酸素イオン伝導性固体電解質を用いて形成
   され、少なくとも基準電極と測定電極とを備えた酸素セ
   ンサ素子において、 酸素センサ素子内部に設けられて、前記基 準電極が収容されているとともに、実質的に気密にされ
   た気密空間と、 該気密空間内に酸素イオン伝導作用によっ て酸素を供給する少なくとも一対の酸素ポンプ電極とを
   具備することを特徴とする酸素センサ素子。
2. ２．前記基準電極と測定電極は前記酸素ポンプ電極の何
   れとも酸素センサ素子内において電気的に絶縁されてい
   る特許請求の範囲第１項記載の酸素センサ素子。
3. ３．酸素センサ素子は長手板状形状であり、その片端部
   に測定電極、基準電極、酸素ポンプ電極を具え、もう一
   方の端部に接続端子を具えている特許請求の範囲第１項
   または第２項記載の酸素センサ素子。
4. ４．前記気密空間が前記長手板状形状の酸素センサ素子
   内部の片端部からもう一方の端部の全体に亘って形成さ
   れている特許請求の範囲第３項記載の酸素センサ素子。
5. ５．前記酸素センサ素子はヒーターを具えており、該ヒ
   ーター発熱用電圧を分圧して酸素ポンプ電極に電圧が印
   加されている特許請求の範囲第１項乃至第４項の何れか
   に記載の酸素センサ素子。
6. ６．前記分圧された電圧が３Ｖ以下でかつ０．５Ｖ以上
   である特許請求の範囲第５項記載の酸素センサ素子。