JPS63265162A - 空燃比センサー - 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］ 本発明は燃焼機器に供給される濱合気の空燃比を検出す
る空燃比センサーに関し、特に酸素イオン伝導性固体電
解質を用いた混合気のリーン（理論空燃比より空気過剰
の状態）域からリッチ（理論空燃比より燃料過剰の状態
）域における空燃比を検出し得毬空燃比センサーに関す
るものである。

［従来の技術］ 従来より、例えば、内燃機関等の燃焼機器において、燃
費やエミッションの改善を図るべく、排気中の酸素）震
度を検出し、燃焼容器中で燃焼される混合気を理論空燃
比近傍に制御するといった、いわゆるフィードバック制
御を実行するものがある。そしてこの種の制御装置に用
いられ、排気中の酸素濃度を検出する酸素センサとして
、例えばイオン伝導性固体電解質に多孔質電極層を被着
して構成され、排気の酸素分圧と空気の酸素分圧との差
によって生じる起電力の変化によって理論空燃比近傍の
燃焼状態を検知する酸素センサ等、−・般には混合気の
理論空燃比を境として出力電圧がスイッチング的に変化
する酸素センサが知られている。

ところで近年、混合気の空燃比を単に理論空燃比近傍に
制御するだけでなく、機器の運転状態に応じて目標とす
る空燃比を変化してフィードバック制御を実行すること
により、燃費やエミッションをより改善すると共に機器
の運転性を向上させるといったことが考えられているが
、上記従来の酸素センサココあっては混合気の理論空燃
比を検知し得るだけであることから、混合気を所望の空
燃比に制御することができなかった。　　　　−一方近
年、上記の如き空燃比のフィードバック制御を実現する
空燃比センサーとして、以下のものが提案されている。

■　表裏面に一対の多孔質電極を有する固体電解質板に
よって形成される酸素ポンプ素子と遮蔽板とを間隙を介
して対向配設し、この間隙内にガス拡散制限手段を介し
て周囲雰囲気と連通ずるガス拡散室を形成した積層構造
の空燃比センサー。

この空燃比センサーは、周囲雰囲気からガス拡散室内に
流人する酸素ガス量をガス拡散制限手段により制限する
とともに、このガス拡散室内に流人した酸素を酸素ポン
プ素子によりガス拡散室外に排出し、この時酸素ポンプ
素子に流れるポンプ電流からガス拡散室内に流入する酸
素ガス量を求め、周囲雰囲気中の酸素ガス分圧を求める
。

■　上記■の空燃比センサーにおいて、遮蔽板も表裏面
に一対の多孔質電極を有する固体電解質板によって構成
し、この固体電解質板の一方の電極をガス拡散室に露出
させ、他方の電極を大気等の基準酸素源に晒して、酸素
濃淡電池素子を構成した積層構造の空燃比センサー。

この空燃比センサーは、ガス拡散室内の酸素ガス分圧を
酸素濃淡電池素子によって測定し、この測定値が所定と
なるように酸素ポンプ素子のポンプ電流を制御し、該ポ
ンプ電流から周囲雰囲気中の酸素ガス分圧を求める。

［発明が解決しようとする問題点］ 上記の空燃比センサーの検出特性は、概ねガス拡散制限
手段のガス拡散制限効果と、ガス拡散室の間隙によるガ
ス拡散制限作用によって定まる。

これらのうち、ガス拡散制限手段によるガス拡散制限効
果は製造後の調整が行えるなど、所望とすることは比較
的容易である。

しかしながら、測定ガス室内の間隙寸法は速い応答性、
十分なガス拡散制限効果を備えるために、例えば、０．
２〜０．０１ｍｍと狭くする必要がある。そのため、空
燃比センサーの製造時に、固体電解質板あるいは、遮蔽
板が変形して間隙寸法が変わってしまう場合があり、ガ
ス拡散制限作用の揃った、即ち、検出特性の揃った空燃
比センサーを容易にかつ大量に製造することが難しかっ
た。

［問題点を解決するだめの手段］ 本発明は、発明の構成として上記の問題点を解決するた
めに次の様な技術的手段を採用した。

即ち、本発明の空燃比センサーは、 表裏面に一対の多孔質電極を有する固体電Ａ７ｉ’質板
と遮蔽板とを間隙を介して対向配設すると共に、上記間
隙内に、ガス拡散制限手段を介して周囲雰囲気と連通ず
るガス拡散室を形成した積層構造の空燃比センサーにお
いて、 上記ガス拡散室内に固体電解質板と遮蔽板との間隙寸法
を規定する支柱部材を設りたことを特徴とする。

ここで、上記固体、電解質板の材料としては、ジルコニ
アとイツトリアあるいはカルシア等との固溶体が代表的
なものであり、その他二酸化セリウム、二酸化トリウム
、二酸化ハフニウムの各固溶体、ベロアスカイト型酸化
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、多孔質電極の材料としては、白金、パラジウム、
ロジウム等を用いることができ、これらは、電極材料粉
末を主成分としてペースト化し厚膜技術を用いて印刷後
、焼結して多孔質電極を形成したり、又フレーム爆射あ
るいは化学メッキもしくは蒸着などの薄膜技術を用いて
多孔質電極に形成することができる。

そして、上記遮蔽板の材料としては、アルミナあるいは
ジルコニア等を使用することができる。

特に、表裏面に一対の多孔質電極を有する固体電解質板
を遮蔽イ反として使用した場合には、一方の固体電解質
板を酸素ポンプ素子、他方の固体電解質板を酸素濃淡電
池素子どして使用することにより、より幅広い範囲の空
燃比について、より正確に測定でき好ましい。

さらに、１枚の固体電解質仮に酸素濃淡電池素子と酸素
ポンプ素子との画素子を設け、他の１枚の固体電解質に
酸素ポンプ素子を設けるようにしてもよく、このように
することによって酸素ポンプ素子の後述する拡散室内の
酸素ガスの排出、吸入能力が向上し、酸素濃淡電池素子
電極近傍の酸素ガス分圧制御がより容易となる。しかし
いずれにしても拡散室の一方の大面の大部分がポンプ素
子の電極とされるべきである。なお、ポンプ素子の電極
の面積は少なくとも５ｍｍ”’以上は通常必要とする。

ガス拡散室と周囲雰囲気とを連通ずるガス拡散制限手段
は、固体電解質板と遮蔽板とによって形成される間隙端
部、固体電解質板及び／又は遮蔽板に設けられた開口部
、ガス拡散室周辺に設けられた周囲雰囲気どの連通孔、
または該連通孔に設けられた多孔質体等、通常使用され
るものが使用できる。

また、ガス拡散制限手段を備えるガス拡散室ζこ、周囲
雰囲気より流人あるいは流出する酸素ガス量を、表裏面
に一対の多孔質電極を有する固体電解質板からなる酸素
ポンプ素子のポンプ電流から測定し、このポンプ電流か
ら周囲雰囲気の酸素ガス分圧を求める空燃比センサーの
具体例としては、上記固体電解質板の一対の多孔質電極
間にガス拡散室内から酸素を外部に排出するように通電
し、この通電により外部に排出される酸素ガス量が、ガ
ス拡散制限手段からガス拡散室内に流人しうる限界酸素
ガス量に等しくなったときの電池（ポンプ電流）から周
囲雰囲気の酸素ガス分圧を算出するいわゆる限界電流型
の空燃比センサーや、遮蔽板として、ガス拡散室内の酸
素ガス分圧を測定する表裏面に一対の多孔質電極を有す
る固体電解質板からなる酸素濃淡電池素子、あるいはガ
ス拡散室内の酸素ガス分圧によってその導電率が変化す
る酸化物半導体を備えた絶縁板を用い、これらの出力が
一定となるように、すなわちガス拡散室内の酸素ガス分
圧が一定となるように上記酸素ポンプ素子のポンプ電流
を制御し、該ポンプ電流から周囲雰囲気の酸素ガス分圧
を算出する空燃比センサー等がある。

また、ガス拡散室は、上記固体電解質板と遮蔽板との間
の間隙として形成され、焼成前にこの拡散室内に、この
ガス拡散室の間隙幅を規定するセラミックの支柱部材を
設けておくことにより、焼成時の変形が防がれ所望の間
隙幅が保たれる。

この支柱部材としては、アルミナ、ジルコニア等の耐熱
性材料を使用すれば良い。そして、これらを焼成前の固
体電解質板あるいは遮蔽板表面に厚膜印刷等の方法によ
って所望の高さを有する柱状の支柱部材を配設したり、
あるいはスプレードライヤー等によって製造された上記
耐熱性材料の造粒粒子を、焼成前の固体電解質板あるい
は遮蔽板表面に一層に配設しておけばよい。

特に、スプレードライヤーによって形成された造粒粒子
はその径を自由に設定若しくは選定でき、かつ扱い易い
ので好ましい。

なお、このガス拡散室の厚さすなわち上記間隙の幅は、
遮蔽板として表裏面に一対の多孔質電極を有する固体電
解質板を用い、一方の固体電解質板を酸素ポンプ電子、
他方の固体電解質板を酸素）農法電池素子として使用す
る場合、０．０１〜０．２ｍｍであると好ましく、特に
０．０５〜０．１ｍｍであるとより好しい。この厚さが
０．０１ｍｍより小さいと、ガス拡散室自体による酸素
ガスの拡散制限の効果が大きすぎて空燃比センサーの応
答性がかえって悪化する。又、逆にこの厚さが０．２ｍ
ｍより大きければ、ガス拡散室内、特に上記画素子の対
向する電極の間の成分ガスの対向方向分圧差が大きくな
り、ポンプ電流が必要以上に大きくなって応答性も悪く
なる。この様な空燃比センサーの測定動作時における酸
素濃淡電池素子の出力電圧はほぼ５００ｍＶ前後（４５
０〜５５０ｍＶ）に設定するのが好ましいが、その場合
になおこの分圧差が問題となる。

又、遮蔽板として表裏面に一対の多孔質電極を有する固
体電解質板を使用し、一方の固体電解質板を酸素濃淡電
池素子として使用する場合、酸素゛澗？３２電池素子の
ガス拡散室に接しない多孔質電極には、公知の方法によ
って大気等の基準酸素源を導入することができる。例え
ば、固体電解質のガス拡散室に接しない面に、コの字形
の側壁体と板状の蓋体との積層体からなる通路形成体を
積層接合することにより通路とし大気を導入する。

［作用］ 本発明の空燃比センサーは、固体電解質板と遮蔽板との
間隙を支柱部材によって規定している。

したが・ノて、焼成時にも固体電解質板と遮蔽板との間
隙寸法は、所望の寸法に保持される。

そのため、上記間隙のガス拡散制限作用は常に所望の大
きさになり、製造時にばらつくことが無い。

［実施例］ 本発明の一実施例を、第１図の展開斜視図、第２図の部
分破断斜視図によって説明する。

本実施例の空燃比センサーＳは、遮蔽板として表裏面に
・−・対の多孔質電極を有する固体電解質板を使用する
とともに、支柱部材としてスプレードライヤー等により
て形成した造粒粒子を使用したものである。また、２つ
の固体電解質板の間隙がガス拡散制限手段として作用す
る。

この空燃比センサーＳは、酸素ポンプ素子１０と酸素濃
淡電池素子２０とが、ガス拡散室３０である間隙を介し
て対向している。

酸素ポンプ素子１０は、Ｙ２Ｃｈ−Ｚ　ｒ　０２同溶体
からなる固体電解質板４０の両面にＹ２Ｏ３Ｚ　ｒ　０
２固溶体を５重量％含む白金からなる多孔質電極５０、
６０を厚膜技術で設け、その固体電解質板４０のガス拡
散室３０に接しない面に、Ａ　Ｑ　２０　＊とＺｒＯ２
との混合焼結体である応力緩和層としてのコの字形の側
壁体７０及びＡＱ２０３からなる蓋体８０どの積層によ
って形成される通路形成体９０を積層状に設けることに
よってなる。大気は通路形成体９０によって形成される
通路１００によって酸素ポンプ素子ｌＯの多孔質電極６
０に導入される。又、蓋体８０の通路１００側には発熱
体１１０が設けられる。

酸素濃淡電池素子２０は、上記酸素ポンプ素子１０と同
じく、両面に多孔質電極１３０，１４０をそれぞれ設け
た固体電解質板１２０および側壁体１５０と蓋体１６０
とからなる通路形成体１７０の積層構造からなる。大気
は通路形成体１７０によって形成される通路１８０によ
って酸素濃淡電池素子２０の多孔質電極１４０に導入さ
れる。又、蓋１６０には発熱体１９０が設けられる。

ガス拡散室３０は、上記酸素ポンプ素子１０と酸素濃淡
電池素子２０との間の間隙として形成される。

このガス拡散室３０はＡｌ２２０３どＺｒ（ｈとの混合
焼結体であるほぼコの字形で三方に開口部２００を形成
するスペーサ２１０およびスプレードライヤーによって
製造されたセラミ・ンクの造粒粒子２２０を、酸素ポン
プ素子１０の固体電解質板４０と酸素濃淡電池素子２０
の固体電解質板１２０とによって挟みこんで積層し、焼
成して全体を一体化することによって形成される。

なお、上記開口部２００に例えばアルミナの粒子結合体
からなる多孔質材を充填して更にガス拡散制限作用を増
すようにすることもできる。そのさい多孔質の多孔度は
比較的大きくてよく従って目詰りによる特性の変化をき
たす恐れが少くなりしかも、製造し易いものとなる。

本実施例の空燃比センサーＳが排ガスに晒される場合の
動作について説明する。

空燃比センサＳの晒される混合気がリーン域である時、
酸素ポンプ素子１０の大気側の多孔質電極６０に正、ガ
ス拡散室３０側の多孔質電極５０に負の電圧を印加する
ことにより、酸素ポンプ素子ｌＯの固体電解質板４０内
を酸素イオンがガス拡散室３０とは反対側へ移動し、ガ
ス拡散室３０内の酸素ガスが汲み出される。

上記の如くガス拡散室３０内より酸素ガスが汲み出され
ると、酸、素濃淡電池素子２０の大気側とガス拡散室３
０内との間に間隙のガス拡散制限作用によって酸素ガス
潤度の差を生ずる。この温度差により、酸素濃淡電池素
子２０に起電力を生ずるのである。そして例えばこの起
電力Ｅが予め定めた一定値に維持されるように、酸素ポ
ンプ素子ＩＯ側に流す電流＃（ポンプ電流）を変化調整
させると、その電流量は、測定ガス中の酸素ガスの含有
率にほぼ直線的に比例するようにすることができ、酸素
ガス濃度を求めることができる。

次に、空燃比センサーＳの晒される混合気がリッチ域で
ある時には、酸素濃淡電池素子２０の大気′測子孔質電
極１４０とガス拡散室側多孔質電極１３０との間にすで
に酸素ガス分圧の差が生じており、酸素ポンプ素子を働
かせて酸素ガス分圧差を惹起させなくても起電力が発生
する。そのため、酸素濃淡電池素子２０の起電力を一定
にするために、酸素ポンプ素子１０に流すポンプ電流の
向きはリーン域の場合と逆となる。

即ち、酸ムｆＭ？：ｊ＜電池素子２０アガス拡散室３０
側多孔質電極１３０において、酸素が排ガス中の未燃焼
の炭化水素や一酸化炭素によって消費されるためにガス
拡散室３０側と大気側との酸素ガス分圧の差が大きくな
りすぎてしまい、起電力が所定の値よりも大きくなって
しまうのである。そのため、起電力を所定の値に維持す
るよう、酸素ポンプ素子１０によりガス拡散室３０内に
酸素を送り込むことが必要となる。この時、ポンプ電流
は、リーン域におけるポンプ電流と逆向きになり、又、
必要なポンプ電流の大きさは排ガス中の未燃焼の炭化水
素や一酸化炭素の量に対応する。したがって、リッチ域
においてポンプ電流は空燃比に対応する。

即ち、上記空燃比センサーＳの酸素濃淡電池素子２０の
起電力が予め定めた一定値に維持されるように酸素ポン
プ素子１０に流すポンプ電流を調節する時、そのポンプ
電流は空燃比に対応する。この関係の模様を第３図に示
す。

あるいは、上記酸素ポンプ素子１０に流すポンプ電流を
−・定にした時の酸素濃淡電池素子２０の起電力がら空
燃比を求めることもできる。この関係を第４図に例示す
る。この時、ポンプ電流の向きを、ガス拡散室３０内か
ら酸素を汲み出す時を正とする。

すなわち、ポンプ電流＋ｐが０の時、起電力の値が急激
に変化する変化点は、はぼ理論空燃比（Ａ／Ｆ＝１４．
０）である。

又、ポンプ電流１ｐが負の時、即ち、ガス拡散室３０内
に酸素が供給されるとき、変化点はリッチ域に移動する
。

さらに、ポンプ電流１ｐが正の時は、起電力の変化はポ
ンプ電’／Ｒｌ　ｐが０又は負の時に比べてなめらかに
なるが、変化点は、リーン域に移動する。

そして、この変化点の移動量はポンプ電流１ｐと対応し
ている。

したがって、ポンプ電流を一定としたときの酸素）農法
電池素子２０の起電力から周囲雰囲気の空燃比を求める
ことができる。

本実施例では、ガス拡散室３０内に間隙の寸法にほぼ等
しい径の造１り粒子を支柱部材として用いている。その
ため、空燃比センサーＳの焼成時にガス拡散室３０が変
形することはなく、常に所定の寸法を有利に保持する。

したがって、本実施例の空燃比センサーＳは、容易に特
性の揃ったものを生産することができる。

又、通路形成体９０，１７０の側壁体７０．１５０とし
て、ＡＱ２０３とＺｒＯ２との混合焼結体を用いて応力
緩和層とするときは、使用時における空燃比センサーＳ
の反りや、Ｄ膨張率の差による破損をより有利に防ぐこ
とができる。　′ さらに本実施例の空燃比センサーＳは、発熱体１１０、
１９０を有するために温度補償を容易に行うことができ
る。

本実施例では酸素ポンプ素子１０のガス拡散室３０と反
対側の多孔質電極６０を大気に接するように通路１００
を形成したが、これを単に排ガスにさらし排ガス中の酸
素または酸素含有成分から酸素をとりだすようにしても
よい。

さらに、本実施例の空燃比センサーＳはガス拡散室３０
が偏平な室でありかつガス拡散室３０の容積に比べて酸
素ポンプ素子１０の多孔質電極５０．６０の面積が大き
いので速やかに拡散制限が行えかつ画素子の多孔質電極
間成分ガス分圧差を小さくすることができ、応答性がよ
くかつポンプ電流が小さくてすむ。

［発明の効果］ 本発明は、ガス拡散室内に造粒粒子等のセラミツク支柱
部材を設け、製造時におけるガス拡散２の変形を防いで
いる。

そのため、本発明の空燃比センサーは、特性σ揃ったも
のを容易に多数製造できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例の展開斜視図、第Ｓ図はその
部分破断斜視図、第３図及び第４図はイの使用時におけ
る特性図である。 １０・・・酸素ポンプ素子 ２０・・・酸素）農法電池素子 ３０・・・ガス拡散室

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １　表裏面に一対の多孔質電極を有する固体電解質板と
   遮蔽板とを間隙を介して対向配設すると共に、 上記間隙内に、ガス拡散制限手段を介して周囲雰囲気と
   連通するガス拡散室を形成した積層構造の空燃比センサ
   ーにおいて、 上記ガス拡散室内に固体電解質板と遮蔽板との間隙寸法
   を規定する支柱部材を設けたことを特徴とする空燃比セ
   ンサー。 ２　上記支柱部材が、上記固体電解質板と上記遮蔽板と
   の間隙とほぼ等しい直径を有する耐熱性の造粒粒子であ
   る特許請求の範囲第１項記載の空燃比センサー。 ３　上記遮蔽板が、表裏面に一対の多孔質電極を有する
   固体電解質板である特許請求の範囲第１項または第２項
   いずれか記載の空燃比センサー。