JPS62251647A - 燃焼制御用センサ - 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、酸素濃度の変化に感応する感応体の抵抗変化
により、ストーブ、ボイラー等の燃焼機器や、自動車エ
ンジン等の内燃機関に供給される空気と燃料の比を制御
するセンサに関するものであ゛る。

従来の技術 従来、燃焼の当量点を検知するセンサとしては、安定化
ジルコニア固体電解質を用いて起電力変化を利用した酸
素濃淡電池方式のもの（例えば特開昭６４−４６６９８
）や、５ｎ０２　、　ＴｉＯ２のように抵抗変化を利用
したもの（例えば特開昭６４−６３８９８　）がある。

これらは燃焼排ガス中の酸素分圧に応じて起電力や抵抗
の変化が生じるのであるが、一般に燃焼の当量点におい
ても完全燃焼せずに、Ｇｏ、ＨＣや０２がわずかに存在
していて酸素分圧の大きな変化が生じないため、Ｐｔ等
の触媒を用いてこれらを反応させてしまわないと、当量
点を境にした急激な起電力や抵抗の変化が生じないもの
である。

Ｍ１５ｘＯ５−δ（ＭｅはＦｅ、Ｍｎ、Ｃｒ、Ｖのうち
の少なくとも一種の元素、０≦Ｘ≦１．０≦δ≦０．５
）テ表わされる酸化物とＳｒＭｅ’　Ｏ，（Ｍｅ’はＴ
ｉ　、　Ｚｒ　、　Ｉｆのうちの少なくとも一種の元素
）で表わされる酸化物を成分とする材料が、それ自身触
媒能を有し、他の触媒成分を添加することなしに燃焼の
当量点を検知する、抵抗変化型のセンサとなることを見
出した。

発明が解決しようとする問題点 前記センサは燃焼の当量点を検知するものであり、酸素
が過剰に存在するいわゆるリーンバーン領域では、特性
変化が小さく、この領域の検知には適さないものであっ
た。本発明はこの点を解決し、燃焼の当量点はもちろん
のこと、リーンバーン領域の検知をも可能にするととも
に、従来困難であった５００’Ｃ以下の低温でも十分な
動作を可能にするものである。

問題点を解決するだめの手段 本発明は、上記の諸問題に鑑み、酸素イオン導電性固体
電解質からなる酸素ポンプと抵抗変化型の感応体を組み
合わせ、さらに加熱用ヒータを組み込む構成として、リ
ーンバーン領域の検知を可能にするとともに低温動作も
可能にするものである。

本発明のセンナの構成を以下に説明する。酸素イオン導
電性を有する固体電解質板の一方の面上に酸素濃度の変
化に感応する感応体を形成し、この感応体の外側面上の
周縁に沿って所定の巾の電極を設け、固体電解質板のも
う一方の面上の周縁に沿って前記電極と同一寸法巾の電
極を設け、さらに前記感応体面上の中央部に外周部の電
極から一定の距離を保って所定の電極を設け、電極部分
を含む感応体上面に、加熱用ヒータを組み込んだ緻密な
絶縁物層を密着して設けた構造になるセンサとなし、セ
ンサ外部からの酸素の拡散を制限し、かつセンサを一定
の温度に加熱できるようにしたものである。

作用 本発明によるセンサは、センサ外部からの感応体への酸
素の拡散を感応体の外周部分に制限し、かつ感応体面上
および酸素イオン導電性固体電解質板上のそれぞれ周縁
部分に設けた一対の電極とそれらに挾まれる前記感応体
および酸素イオン導電性固体電解質とで構成する酸素ポ
ンプにより、センサ素子周縁部分で酸素をセンサ素子外
部へ排出し、センサ素子内部の酸素濃度（分圧）を効果
的に急速に低下させて燃焼の当量点雰囲気を作り出し、
感応体の抵抗変化を生じさせる作用をするものである。

さらに、組み込んだヒータを作動させることにより、セ
ンサ素子を一定温度に保ち、雰囲気の温度が低い場合に
も、制御に必要なセンナ特性を得ることができる。

実施例 本発明によるセンサ素子の構成を第１図を用いて説明す
る。第１図は縦断面図、第２図は保護層Ｓｒ１＋ｚ　Ｃ
ｏ、−ｘＭｅｘＯ３−δ（ＭｅはＦｅ　、　Ｍｎ　。

−Ｔｍ Ｏｒ、Ｖのうちの少なくとも一種の元素、０≦Ｘ≦１，
０≦δ≦０．６）で表わされる酸化物とＳｒＭｅ’　０
５（Ｍｅ’はＴｉ　　、　Ｚｒ　、　Ｈｆのうちの少な
くとも一種の元素）で表わされる酸化物を混合して焼成
した材料を安定化ジルコニアからなる酸素イオン導電性
固体電解質板（直径５．５１１１・厚さ１１１）、以下
、ジルコニア板という）２に溶射によって付着形成した
厚さ６０μｍの厚膜感応体である。酸素ポンプ用のリン
グ状電極３（抵抗測定用電極を兼ねる）と４およびもう
一つの抵抗測定用の中心電極６はＰｔペーストをスクリ
ーン印刷によって形成した。６は直径６．６謬・厚さ０
．５８の円板状の緻密質のセラミンク板であり、Ｐｔペ
ーストをスクリーン印刷して加熱用のヒータ７を形成し
た後、セラミ・ツク粉末を溶射して保護層８を形成した
。各電極にはＰｔ１Ｊ−ド線９を取り付けである。

以上のようにして作製したセンサを石英ガラス管中に入
れ、所定の温度に保った電気炉に設置し、０□とＮ２の
混合ガスを所定の割合で流通させ、ジルコニア板等から
なる酸素ポンプに電流を流し、感応体の抵抗を測定する
ことによってセンナの特性試験を行なった。

第３図には、０．４Ｌａｏ、５５Ｓｒ。−６，、Ｇｏ。

、、　Ｆｅｏ、。

Ｏ５−δ＋０．６５ｒＴｉＯ，からなる材料を感応体と
した本センナの感度特性を示した。センサ感度は（ジル
コニア酸素ポンプに通電したときの抵抗）／（非通電時
の抵抗）で表わした。雰囲気は０２とＮ２で調整し、０
２濃度を２％に設定した。酸素ポンプの動作電流は１０
ＩＩＩムとした。雰囲気温度（図中に示す）を３ｏｏ′
Ｃ〜８００″Ｃの範囲で１００°Ｃ毎に設定し、ヒータ
を作動させない場合と作動させてセンサ素子温度を７０
０°Ｃに保った場合とでセンサ特性を比較した。なお、
抵抗測定のための感応体の通電電流値は１　　ｍＡとし
、出力電圧を測定して抵抗値を求めた。

ヒータで加熱しない場合にも酸素ポンプの作用で６００
’Ｃ以上では十分な感度が得られるが、雰囲気温度が６
００’Ｃより低くなるとセンサ特性が大きく落ち込む。

しかしヒータを作動させると低温雰囲気でも一様に高い
感度が得られる。図示しなかったが、０２＠度をより高
い値に設定した場合にも酸素ポンプ電流を適当な値にす
ることで同様の特性を得ることができ、本センナがリー
ンバーン領域の制御に有効であることが明らかになった
。

次に、雰囲気の０２濃度を変化させた場合のセンサの応
答性を測定し、その結果を第４図に示した。雰囲気は前
記同様０２とＮ２で調整し、０２濃度を２％と４条の間
で切替えて測定を行なった。

測定は次のようにして行なった。先ず０２濃度４チの雰
囲気中にセンサを置き、０２濃度２％で感度が出る１０
！ＩＩＡの電流を酸素ポンプに通電しておき、センサ抵
抗が定常値を示した後に０２濃度を２％に切替えてセン
サ抵抗の変化を測定した。

さらに１６秒後に再び０２濃度を４チに戻し、センサ抵
抗の復帰性をみた。感応体通電電流は１ｍ人とし、セン
サ感度は（０□２チにおける抵抗）／（０２４％におけ
る抵抗）で求めた。

以上の試験を雰囲気温度４００″Ｃで行ない、ヒータで
７００　′Ｃに加熱した場合と加熱しない場合を比較し
た。この試験の結果、センサの応答性に対してもヒータ
加熱が有効であることが明らかになった。

次に、本センサの安定性を確認した結果を第５図に示し
た。前記センナを石英ガラス管中に入れて温度を４００
　’Ｃに設定した電気炉に設置した。

そして０２４％／Ｎ２ガスを流通させ、ヒータに通電し
てセンサ素子をａＯＯｏＣに加熱して３分間保持し、次
いで３分間ヒータを切るサイクルを計６０００回くり返
し、６ｏｏサイクル毎にセンサー−比をもって安定性を
確認した。断続したヒータ作動にもかかわらすセンサ抵
抗は安定しており、ヒータの劣化もみられなかった。

次に、”’　”’ｏ、ｓｓ　ＳｒＯ，６５ＣＯＯ０７Ｆ
ｅｏ、ｓ　０ｓ−ａ　”０．６５ｒＴｉＯ，にＰｄを０
，４　ｗｔ　％およびｏ、ｅ　ｗｔ％添加した場合のセ
ンナ特性に及ぼす効果をみた。

雰囲気０２濃度は４％とし、酸素ポンプ電流を２０ｍＡ
、感応体通電電流を１　　ｍＡにそれぞれ設定した。温
度は４００°Ｃとした。Ｐｄ無添加の場合と比較した結
果を第６図に示したが、ヒータ加熱なしの場合にも、Ｐ
ｄの増感効果による低温特性の向上がみられる。Ｐｄの
添加効果は特に低温で著しいが、高温においても良好な
結果を得ている。このことは、ヒータ加熱による低温特
性引き上げの場合に、ヒータの消費電力を低減できるこ
とを意味するものである。

以上に示したように、本発明にょるセンサは、酸素過剰
の燃焼状態において、さらには従来十分でなかった低温
雰囲気において、優れた機能を発Ｍｅ’としてＴｉを用
いたが、ＭｅがＭｎ　、　Ｏｒ　。

ｖ１捷たＭｅ’がＺｒ　、　Ｈｆの場合にも同様の結果
が得られた。またＰｄに代えてＰｔ　、　Ｒｈなどの添
加も同様に有効であった。感応体材料としてはこの他に
ＳｎＯ□、　ＴｉＯ２などを用いることも可能で、感応
体の形成も溶射に限らずスクリーン印刷など他の手法を
用いてもよい。酸素イオン導電性の固体電解質としても
、安定化ジルコニアの他に、部分安定化ジルコニア、　
ＴｈＯ７，Ｂｉ２Ｏ，など、有効な酸素イオン導電性を
示す材料を用いることができる。緻密質絶縁物層にも、
あらかじめヒータを内蔵したセラミック板を用いたり、
ガラス質のコーティングを施すなどできる。センサ素子
形状も円板状に限定するものではなく、本発明の主旨を
満たす限りにおいて他の形状をとり得るものである。

発明の効果 本発明によるセンナは、雰囲気からの酸素の拡散を制限
し、かつ酸素排出効果を高める構造をとり、かつ加熱用
ヒータを組み込んでいるために、低温の酸素過剰雰囲気
においても任意の酸素濃度を高感度かつ高応答で検知で
きる優れたものである。

【図面の簡単な説明】 第１図は本発明の一実施例のセンサを示す縦断面図、第
２図は同要部の平面図、第３図はセンサ感度に対するヒ
ータ加熱効果を示す図、第４図はセンサの応答性に対す
るヒータ加熱効果を示す図、第６図はセンサの安定性を
示す図、第６図はセンサ特性に及はすＰｄの添加効果を
示す図である。 １・・・・・・感応体、２・・・・・・酸素イオン導電
性固体電解質板、３，４・・・・・・リング状電極、６
・・・・・・中心電極、６・・・・・・緻密質絶縁物層
、７・・・・・・ヒータ、８・・・・・・保護層、９・
・・・・・引出リード線。 代理人の氏名　弁理士　中　尾　敏　男　ほか１名第１
図 第２図 第３図 埼　間（Ｓｅす 第４図 Ｏｌｓ 埼　間（δｅり 迫ｔ

Claims (4)

【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板の一方の
   面上に酸素濃度の変化に感応する感応体を形成し、この
   感応体のさらに外側の面上の周縁に沿って所定の巾で電
   極を設けるとともに、固体電解質板のもう一方の面上の
   周縁に沿って前記電極と同一寸法巾の電極を設け、さら
   に前記感応体面上の中央部に外周部の電極から一定の距
   離を保って所定の電極を設け、電極部分を含む感応体上
   面に、加熱用ヒータを組み込んだ緻密な絶縁物層を密着
   して設けたことを特徴とする燃焼制御用センサ。
2. （２）前記感応体が化学式Ｌａ＿［＿（＿１＿−＿ｘ＿
   ）＿／＿２＿］Ｓｒ＿［＿（＿４＿＋＿ｘ＿）＿／＿２
   ＿］Ｃｏ＿１＿−＿ｘＭｅ＿ｘＯ＿３＿−＿δ（Ｍｅは
   Ｆｅ、Ｍｎ、Ｃｒ、Ｖのうちの少なくとも一種の元素、
   ０≦ｘ≦１、０≦δ≦０．５）で表わされる酸化物とＳ
   ｒＭｅ′Ｏ＿３（Ｍｅ′はＴｉ、Ｚｒ、Ｈｆのうちの少
   なくとも一種の元素）で表わされる酸化物を成分とする
   ことを特徴とする特許請求の範囲第１項記載の燃焼制御
   用センサ。
3. （３）前記感応体が第三成分としてＰｄ族、Ｐｔ族のう
   ちの少なくとも一種の元素を含む特許請求の範囲第２項
   記載の燃焼制御用センサ。
4. （４）前記感応体がその成分の混合物もしくは前記混合
   物の焼成物からなる特許請求の範囲第２項記載の燃焼制
   御用センサ。