JP2514664B2

JP2514664B2 - 酸素センサ

Info

Publication number: JP2514664B2
Application number: JP62200334A
Authority: JP
Inventors: 治久塩見; 俊彦青山; 良毅川地; 健美濃羽
Original assignee: NGK Spark Plug Co Ltd
Current assignee: Niterra Co Ltd
Priority date: 1987-08-11
Filing date: 1987-08-11
Publication date: 1996-07-10
Anticipated expiration: 2011-07-10
Also published as: DE3823065C2; DE3823065A1; JPS6443753A

Description

【発明の詳細な説明】［産業上の利用分野］本発明は、例えば内燃機関や各種燃焼機器等の排気中
における酸素濃度を測定する酸素センサに関する。

［従来の技術］従来より、公害防止、燃費向上を目的として、内燃機
関の排気ガス中の酸素分圧を測定し、該測定値に基づい
た内燃機関の空燃比フィードバック制御が行われてい
る。この様な排気ガス中の酸素分圧の測定は、例えば、
ジルコニア−イットリア固溶体等の酸素イオン伝導性の
固体電解質層からなる検出素子を備えた酸素センサによ
り行われる。上記酸素センサとしては、例えば、特開昭
55−125448又は特開昭60−36949号公報等のものが提案
されている。即ち、平板形状の検出素子の表面に、測定
電極を形成して酸素分圧を測定するものである。

［発明が解決しようとする問題点］しかしながら、この様な酸素センサでは、平板形状の
検出素子の表面に、測定電極を形成してあるために、測
定ガスの流れに対して、方向性があり、測定ガスの流れ
る方向や酸素センサの取り付け位置によって、酸素セン
サの出力にバラつきが生じてしまい、その出力に応じた
空燃比制御等が適切に行えないという問題点があった。
そしてこの様な問題点に対して、特願昭61−66663号
（特開昭62−222159号）に記載されているように、筒状
の検出素子を用いた酸素センサが提案されていた。

本願は、筒状の検出素子を用いるとともに、更に他の
構成を加えることにより、センサの方向性を改善したも
のである。

［問題点を解決するための手段］かかる問題点を解決するための本発明の構成は、一端
側を開口し他端側に閉鎖壁を設けると共に、内面側と外
面側を連通する複数の貫通孔を有する中空筒状体と、上
記中空筒状体を包み、内外面に少なくとも２対の電極を
有する酸素イオン伝導性の固体電解質層と、を備え、しかも、上記固体電解質層の内面側の電極が上記中空
筒状体の貫通孔と対応する位置に配置された酸素センサ
であって、上記電極対の数をＮとすると、各々の電極の中心を基
準として、電極対が、固体電解質層の円周上に、中心角
360゜/N−30゜以上360゜/N＋30゜以下の間隔で配置され
ていることを特徴とする酸素センサを要旨とする。即
ち、上記電極対が配置されている間隔のずれが、中心角
30゜以内であれば、測定ガスの流れの方向にかかわら
ず、精度の良い酸素分圧の測定が可能である。例えば、
電極対が２対のときには、180゜の間隔で、３対の場合
には120゜の間隔で配置されることが、方向性を少なく
する上で望ましい。

また、上記固体電解質層の内面又は外面の電極近傍
に、発熱体を形成することが、発熱体の加熱効率の上か
ら望ましく、それによって、容易に電極近傍の温度を測
定に好適な温度とすることができる。

上記中空筒状体は、開口した一端側から筒内を通り貫
通孔に達して、基準酸素源としての大気を導入する基準
気体導入路を構成するものである。この中空筒状体は、
例えば金型プレスもしくは押出成形等により加工するこ
とができる。尚、この材質としては、例えば、熱膨張率
の違いによって生ずる破損を防止するために、上記固体
電解質層の熱膨張率に近い値を持つセラミックスや金属
等が使用されるが、測定ガスが内燃機関の排気ガスであ
る場合には、600℃以上の高温となるので、セラミック
スを使用すると好適である。また例えば、ステンレス合
金等の金属を使用する場合には、固体電解質層の内周面
と電極との間を絶縁して使用する。

固体電解質層は、酸素イオン伝導性を有するもので、
例えばZrO₂−Y₂O₃,ZrO₂−CaO等が用いられる。

電極は、例えば、白金等の貴金属又はこれらにセラミ
ック粉末を混合したガス透過質のものによって実現でき
る。

これらは、例えば、電極を厚膜印刷した固体電解質の
グリーンシートを、中空筒状体に巻き付けるが、その巻
き付けの際には、その内面側の電極と中空筒状体の貫通
孔とが対応する位置に配置する。そして、中空筒状体に
巻き付けた後に治具により筒状に固定し、焼成一体化す
ることにより酸素センサとする。

［作用］本発明の酸素センサには、中空筒状体の開口している
一端側から複数の貫通孔を介して、固体電解質層の内面
側の少なくとも２以上の電極に至る基準気体導入路が形
成される。従って、固体電解質層は、その内面側が基準
気体に、一方、外面側が測定ガスに各々触れるので、両
面に設けられた電極間に流れる電流を計測することによ
り、測定ガス中の酸素分圧を求めることができる。そし
て上記電極対の数をＮとすると、各々の電極の中心を基
準として、電極対が、固体電解質層の円周上に、中心角
360゜/N−30゜以上360゜/N＋30゜以下の間隔で配置され
ているので、測定ガスの流れの方向や酸素センサの取り
付け位置に関係なく、正確に酸素濃度の検出ができる。

［実施例］以下本発明の第１実施例を第１図〜第５図に基づいて
説明する。尚、説明上各図は部分毎の縮尺が異なる。

第１図に示すように、第１実施例の酸素センサ１は、
中空筒状体２の表面に、固体電解質層３が被覆されたも
のである。その固体電解質層３の内面側には、第１基準
電極４及び第２基準電極５が，その外面側には第１測定
電極6,第２測定電極７及び発熱体８が設けられ、更に、
内面側と外面側とを連通する第１ないし第４貫通孔９〜
12が形成されている。

この第１ないし第４貫通孔９〜12は、１対の第１及び
第２貫通孔9,10と、もう１対の第３及び第４貫通孔11,1
2とが対向して配置されている。そして第１図のII−II
端面図である第２図に示すように、固体電解質層３の中
空筒状体２に接する内周面上には第１基準電極４が、そ
の外周面上には第１測定電極６が、第１貫通孔９に対応
する位置に設けられている。また同様に、第３貫通孔11
に対応する位置には、第２基準電極５及び第２測定電極
７が設けられている。更に、発熱体８は、固体電解質層
３の外周面上に設けられている。

第１及び第２基準電極4,5は、固体電解質層３に設け
られたスルーホールを介して、第１図に示す基準電極端
子14に接続されている。又、第１及び第２測定電極6,7
は、測定電極端子15に、発熱体８は発熱体端子16,17に
各々持続されている。

次に、酸素センサ１の各部材及び製造法を説明する。
まず、第３図に示す中空筒状体２は、外径3.2mm、内径
1.5mmの中空円筒であって、一端は開口部18を、他端は
閉鎖壁19を各々有している。上記閉鎖壁19近傍の側壁2a
には、上述した２対の直径1mmの第１ないし第４貫通孔
９〜12が、対向して穿設されている。従って、上記開口
部18から中空部20を介して第１ないし第４貫通孔９〜12
に至る基準気体導入路が形成されている。このような中
空筒状体２は、金型プレスまたは押出成形によって容易
に加工できる。

上記固体電解質層３は、第４図に示すように、ZrO₂−
Y₂O₃固溶体の原料粉末に、通常使用されるバインダを混
合したグリーンシート3aから得られる。該グリーンシー
ト3aの隅には、第１及び第２基準電極4,5を基準電極端
子14に接続するためのスルーホール21が穿設されてい
る。

上記固体電解質層３の内周面となる上記グリーンシー
ト8aの裏面には、ジルコニアを含む白金から成る厚さ10
μｍの第１及び第２基準電極4,5が厚膜印刷される。

一方、上記固体電解質層３の外周面となるグリーンシ
ート3aの表面には、ジルコニアを含む白金からなる厚さ
10μｍの基準電極端子14,測定電極6,7及び測定電極端子
15が、まず厚膜印刷される。次に、白金を含むアルミナ
からなる厚さ20μｍの保護層22,23が上記各々が測定電
極6,7の表面に厚膜印刷される。次に、アルミナからな
る厚さ30μｍの第１絶縁層24が、上述した基準電極端子
14及び測定電極端子14の上面25と、測定電極6,7の窓部2
6,27とを除いて、グリーンシート3aの表面上に厚膜印刷
される。更に、アルミナを含む白金からなる厚さ10μｍ
の発熱体８及び発熱体電極16,17が、上記第１及び第２
測定電極6,7の周囲に各々コの字状に、上記第１絶縁層2
4の表面に厚膜印刷される。最後に、シリカを含むアル
ミナからなる厚さ20μｍの第２絶縁層28が、上記発熱体
電極16,17の上面29と、測定電極6,7の窓部30,31とを除
く第１絶縁層24の表面に厚膜印刷される。

この様に、厚膜印刷されたグリーンシート3aの裏面に
ジルコニアペーストを塗布し、上記第１及び第２基準電
極4,5が中空筒状体２の２対の第１ないし第４貫通孔９
〜12と各々対応する位置となるように、中空筒状体２の
外周にグリーンシート3aを被覆する。更に、真空引きを
しながらラバープレスを行うことにより、グリーンシー
ト3aを巻き付け圧着固定した後に、大気圧で焼成するこ
とにより、第１図に示す酸素センサ１を得る。

上記のようにして得られた酸素センサ１を、第５図に
示すように、ホルダ32に、カーボングラファイトや滑石
等の充填粉末33,パッキン34及びかしめリング35により
固定する。また、既述した各端子に圧着端子金具36をと
う付けし、更にリード線37を圧着する。その後、主体金
具38,保護外筒39,グロメット40及びプロテクタ41を取り
付けることにより、酸素検出プローブ42が形成される。

この様にして構成した酸素センサー１によって、次に
示す効果が得られる。

まず、上記第１基準電極４及び第１測定電極６から成
る電極対と、第２基準電極５及び第２測定電極７から成
る電極対とが、対向して形成されていることにより、測
定ガスの流れの方向による酸素センサ１の出力への影響
を減ずることができ、酸素センサ１の取り付け位置がず
れていた場合にも、高い精度を保つことができる。

上記第１実施例では、２組の電極対が180゜の間隔
で、対向して配置されている。この配置の場合には、測
定ガスの流れの方向が、電極面に対して垂直な場合以外
でも、後述する実験例から明らかなように、精度良く酸
素分圧を測定することができる。また、上記電極対を、
３組の場合には120゜間隔、４組の場合には90゜間隔の
様に、等間隔で配置すれば、酸素センサの方向性が少な
く好適である。

尚、配置する電極対の間隔が、等間隔からずれていて
も、そのずれが30゜以内であれば、酸素センサの方向性
は少ない。即ち、電際対の数をＮとすると、各々の電極
の中心を基準として、電極対が、固体電解質層の円周上
に、中心角360゜/N−30゜以上360゜/N＋30゜以下の間隔
で配置することにより、方向性の少ない酸側センサを実
現できる。

また、板状の酸素センサと比較して、中央に空洞を有
する薄肉の中空筒状体２を使用できるため、酸素センサ
１の熱容量が小さく、発熱体８の熱効率が向上する。そ
れによって、消費電力を低減でき、更に、発熱体８をグ
リーンシート3aの表面に厚膜印刷しているので、製造が
極めて容易である。

次に、本実施例の効果を確認するために行った実験例
について説明する。

実験例実験装置は、2.0の自動車用エンジンを用い、ガソ
リンと空気とを、理論空燃比（空気過剰率λ＝１）で混
合し燃焼させるように、酸素センサの出力を用いて、空
燃比フィードバック制御を行なう。この実験には、第６
図に示すように、第１実施例と同様な円筒A1の表面に対
向して電極A2を設けた酸素センサＡを用いる外に、比較
例１として、従来の板状の基板B1の表面に電極B2を設け
た酸素センサＢを、比較例２として、円筒C1の一方向の
みに電極C2を配置した酸素センサＣを用いた。そして測
定ガスの流れの方向に対して、各酸素センサA,B,Cの電
極の位置を30度毎にかえて、その時の空燃比特性を調べ
た。

この実験の結果を第７図に示すが、図から明らかなよ
うに、板状の比較例１は、排気ガスの空燃比の方向によ
る変動が著しいが、第１実施例では、その方向性がほと
んどなく、好適である。尚、筒状の比較例２は、比較例
１と比べると方向性が少なく優れているが、本実施例の
酸素センサ１の方がより方向性が少なく好適である。

次に、本発明の第２実施例を第８図に基づいて説明す
る。第２実施例の特徴は、第１実施例が固体電解質層の
内周面に発熱体を設けたことに対して、その外周面に発
熱体を設けたことである。

第８図に示すように、固体電解質層の内周面となるグ
リーンシート101aの裏面には、１対の基準電極102,103,
第１絶縁層104,発熱体106及び第２絶縁層107がこの順に
厚膜印刷される。一方、固体電解質層の外周面となるグ
リーンシート101aの表面には、１対の測定電極108,109,
1対の保護層110,111,第３絶縁層112,基準電極端子113,
測定電極端子114及び発熱体端子115,116がこの順で厚膜
印刷される。このように厚膜印刷された基準電極102,10
3が、中空筒状体117の２対の貫通孔118〜121と各々対応
する位置となるように、中空筒状体117をグリーシート1
01aで被覆し、既述した第１実施例と同様な方法で焼成
して、酸素センサを形成する。尚、各部材の成分は第１
実施例と同様である。

上記第２実施例では、グリーンシート103aに対して発
熱体106が、基準電極102,103と同じ側に厚膜印刷されて
いるため、測定に適した温度に加熱する場合の熱効率が
極めて高い。このことは、低温度の測定ガスの酸素分圧
を測定する場合でも、測定部が冷却され難いので、特に
有効である。従って、例えば、自動車等の排気ガス測定
に使用した場合には、エンジン始動後、速やかに測定を
開始できる。

次に、本発明の第３実施例を第９図に基づいて説明す
る。第３実施例は、第１実施例で記述した中空筒状体２
を酸素ポンプ素子を備えた空燃比センサに応用したこと
を特徴とする。

第９図に示すように、固体電解質層の内周面となるグ
リーンシート201aの裏面には、第２ポンプ電極202,203,
拡散律速層204,測定電極205,206,固体電解質層207,208
及び基準電極209,210が順に厚膜印刷される。一方、固
体電解質層の外周面となるグリーンシート201aの表面に
は、第１ポンプ電極211,213,第１絶縁層213,発熱体214
及び第２絶縁層215が順に厚膜印刷される。このように
厚膜印刷されたグリーンシート201aを、第１実施例と同
様に、２対の貫通孔216〜219が形成された中空筒状体22
0に巻き付けた後、大気中にて焼成することにより空燃
比センサが形成される。

上記構成の第３実施例は、酸素ポンプ素子を備えた空
燃比センサをとしては、板状に各素子等を積層する構造
に比べて、製造が極めて容易であり、このような簡単な
構成で、酸素濃淡電池素子と酸素ポンプ素子とを組み合
わせて、ポンプ電流から空燃比信号を検出できる。ま
た、中空筒状体220と一層のグリーンシート201aとから
構成されているので、熱容量が小さく、発熱体214の消
費電力を低減できるとともに、その耐久性も向上でき
る。

以上本発明の実施例について説明したが、本発明はこ
のような実施例に何等限定されるものではなく、この要
旨を逸脱しない範囲内に於て種々なる態様で実施し得る
ことは勿論である。

［発明の効果］以上説明したように、本発明によれば、酸素センサに
は、電極対の数をＮとすると、各々の電極の中心を基準
として、電極対が、固体電解質層の円周上、中心角360
゜/N−30゜以上360゜/N＋30゜以下の間隔で配置されて
いるので、測定ガスの流れる方向や酸素センサの取り付
け位置にかかわらず、精度良く、酸速濃度を検出するこ
とができる。また、中空筒状体を使用するので、熱容量
が小さくなり、発熱体の消費電力が少なく、耐久性を高
めることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は第１実施例の酸素センサを一部破断して示す斜
視図、第２図はそのII−II端面図、第３図は中空筒状体
の部分破断図、第４図は第１実施例を分解して示す説明
図、第５図は酸素検出プローブの部分破断図、第６図は
酸素センサの電極の方向を示す説明図、第７図は実施例
の効果を示すグラフ、第８図は第２実施例の説明図、第
９図は第３実施例の説明図である。１……酸素センサ 2,117,220……中空筒状体検出素子部 4,5,102,104,209,210……基準電極 6,7,108,109,205,206……測定電極 9,10,11,12,118,119,120,121,216,217,218,219……貫通
孔

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者美濃羽健愛知県名古屋市瑞穂区高辻町14番18号日本特殊陶業株式会社内 (56)参考文献特開昭61−272649（ＪＰ，Ａ)

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】一端側を開口し他端側に閉鎖壁を設けると
共に、内面側と外面側を連通する複数の貫通孔を有する
中空筒状体と、上記中空筒状体を包み、内外面に少なく
とも２対の電極を有する酸素イオン伝導性の固体電解質
層と、を備え、しかも、上記固有電解質層の内面側の電極が上記中空筒
状体の貫通孔と対応する位置に配置された酸素センサで
あって、上記電極対の数をＮとすると、各々の電極の中心を基準
として、電極対が、固体電解質層の円周上に、中心角36
0゜/N−30゜以上360゜/N＋30゜以下の間隔で配置されて
いることを特徴とする酸素センサ。
【請求項２】上記固体電解質層が、その内面に発熱体を
有する特許請求の範囲第１項記載の酸素センサ。
【請求項３】上記固体電解質層が、その外面に発熱体を
有する特許請求の範囲第１項記載の酸素センサ。