JPH01262458A - 空燃比センサ - 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、例えはエンジン等の燃焼機器に供給される混
合気の空燃比を検出する空燃比センサに関し、特に酸素
イオン伝導性の固体電解質を用いた空燃比センサに関す
るものである。

［従来の技術］ 従来より、例えはエンジン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ために、空燃比センサを用
いて空燃比の制御を行っている。

この空燃比センサとしては、ジルコニア等の固体電解質
の性質を利用した空燃比センサが用いられているが、近
年、空燃比センサの性能を高めるために各種の技術が開
発されている。例えは、固体電解質基板の両側に多孔質
電極を設けた酸素ポンプ素子と酸素１Ｆ１４談電池素子
とを、ガス拡散室を挟んで対向し、スペーサを介して積
層して形成した空燃比センサが提案されている。

［発明が解決しようとする課題］ しかしながら、この様な固体電解質基板等を積層した空
燃比センサは、それらの基板や他のスペーサ等の部材を
単に積層し↓完成して完成するものなので、固体電解質
基板の側面は直接に測定雰囲気に曝される構造となって
いた。その結果、空・燃比センサを使用しているうちに
、固体電解質基板の側面にカーボンが付着し、特に、ジ
ルコニア系の固体電解質基板を用いる場合は、温度が高
くなると抵抗が低下する性質があるので、一方の固体電
解質基板から使方の固体電解質基板に電）禿がリークし
て、空燃比の正確な測定ができないという問題点があっ
た。

中に、この様な積層して焼成する空燃比センサは、焼成
時に各基板等の間で剥離が生じ易いという問題点もあっ
た。

［課題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、複数の
固体電解質基板を積層し、この固体電解質基板間に測定
カスを導入し、測定ガスの温度を検出する空燃比センサ
において、上記固体電解質基（反の測定雰囲気と接する
側面に、固体電解質基板間を絶縁する＠　縁層を覆った
ことを特徴とする空燃比センサを要旨とする。

上記固体電解質基板の側面を覆う絶縁層としては、ＡＱ
２０３やＭｇＯ・ＡＱ２０３が接着性や絶縁性に優れて
おり、その絶縁層の厚さが３０〜３００ａｍの俤囲であ
れは、絶縁性及び耐久性もよくかつＲＩＩ離しにくいの
で好適である。

この絶縁層は、空燃比センサの側面全体を覆ってもよく
、異なる固体電解質基板の側面及びその間の側面のみを
覆ってもよく、更に各々の固体電解質基板の側面近傍の
みを覆ってもよい。

上記固体電解質基板の材料としては、イツトリア−ジル
コニア固溶体、カルシア−ジルコニア固溶体が知られて
おり、更に二酸化セリウム、二酸化トリウム、二酸化ハ
フニウムの各固溶体、ペロブスカイト型固溶体、３価金
属酸化物固溶体等が使用できる。

上記固体電解質基板の両側には、通常、白金。

ロジウム等の金属を含む多孔質電極が形成されており、
例えは酸素ポンプ素子や酸素濃淡電池素子として機能す
る。

尚、本発明は積層構造を有する各種のセンサに適用でき
る。例えば多孔質電極を遮蔽板で閉し、酸素を漏出する
ための漏出抵抗部を介して外部又はガス拡散室と連通さ
れた内部基準酸素源を形成してなる空燃比センサや、酸
素濃淡電池素子のガス拡散室とは接しない外側の多孔質
電極側に大気が導入される大気導入室を形成した空燃比
センサ等に適用できる。更に、ヒータ等を設けた比較的
電流量を必要とするセンサや、微小出力のセンサにも適
用できる。

［作用］ 本発明の空燃比センサは、固体電解質基板の測定雰囲気
に接する側面を、絶縁層で覆っている。

ｊ足って、空燃比センサを使用するうちに、良導体とな
るカーボンが付着しても、カーボンは絶縁層の表面に付
着するのみであり、上記絶縁層が一方の固体電解質基板
から他方の固体電解質基板に電流がリークすることを防
止する。特にジルコニア系の固体電解質は温度上昇に伴
い電気抵抗が低下して、固体電解質基板間のリークが生
じ易くなるが、上述したように側面が絶縁層で覆われて
いるので電流がリークして空燃比の測定能力が低下する
ことがない。

更に、上記側面を覆う絶縁層は、固体電解質基板等の側
面をつないで強固に接着形成されるので、各固体電解質
基板等が積層部分から剥離を生じることを防止する。

［実施例］ 以下本発明の一実施例を図面に従って説明する。

第１図は本実施例の空燃比センサ１の斜視図、第２図は
そのＡ−Ａで破断した斜視図、第３図はそのＢ−Ｂ断面
図、第４図はその分解斜視図を示している。第１図ない
し第４図に示す様に、本実施例の空燃比センサ１は、固
体電解質基板２の両側に多孔質電極４，６を形成した酸
素濃淡電池素子８と、同じく固体電解質基板１０の両側
に多孔質電極１２．１４を形成した酸素ポンプ素子１６
と、これらの画素子８．１６の間に積層されてガス拡散
室１日を形成する上下の２体のスペーサ２０．２２とを
備えており、更に、上記酸素）農）炎電池素子８の外側
の多孔質電極６に積層された遮蔽体２４と、酸素ポンプ
素子１６の外側の多孔質電極１４に積層された第１絶縁
層２．６　ａとを備えている。

そして、上記各部材が積層されて形成されている空燃比
センサ１の積層方向以外の上下左右の側面は、ＡＱ２０
３或はＭｇＯ・Ａ　Ｑ　２０３からなる厚さ５０μｍの
側部絶縁層ＩＡに覆われている。

上記酸素ポンプ素子１６は、後述する第１衷に示す寸法
を有しく以下各訃材の寸法は第１表に記す）、イツトリ
ア−ジルコニア固溶体からなる固体電解質基（反１０の
両面に多孔質電極１２．１４を形成したものである。こ
の多孔質電極１２，１４は、共累地としてのイツトリア
−ジルコニア固）容体と白金とからｌＴモ成されている
。

部製ポンプ素子１６の外側の多孔質電極１４の周囲には
、コの字状のヒータ２８が形成されていおり、ヒータ２
Ｂと固体電解質基板１０との間には、第２絶縁層２６ｂ
が形成されている。更に酸素ポンプ素子１６の外側は、
多孔買電（ヂ１４に対応する中空部３０を有したアルミ
ナからなる第１絶縁層２６ａに覆われている。その中空
部３０には上記多孔質電極■４を覆って主にアルミナか
らなる多孔質の電極保護層３２が形成されている。

一方、上記酸素）農法電池素子８は、酸素ポンプ素子１
６と同様に、イツトリア−ジルコニア固溶体からなる固
体電解質基板２の両面に、イツトリア−ジルコニア固溶
体と白金からなる多孔質電極１１．６を形成したもので
ある。

また、酸素ポンプ素子８の外側の多孔質電顕６の周囲に
は、両側が第３絶縁層２６ｃ及び第４絶縁層２６ｄに覆
われたコの字状のヒータ；３４が形成されており、更に
酸素濃ン炎電池素子８の外側は、この多孔質電極６とヒ
ータ３４とを覆って、固体電解質からなる遮蔽体２４が
張り付けられている。

この遮蔽体２４は酸素ポンプ素子８の外側の多孔質電極
６を内部基準酸素源Ｒとして用いるために、外側の多孔
質電極６を外部の測定カスより遮断するものである。ま
た遮蔽体２４にａ！つれた外側の多孔質電極６は、内部
基準酸素源Ｒとして用いた際に、その内部に発生した酸
素をガス拡１１り室１８に漏出できるように、例えはア
ルミナ等からなる多孔質絶縁体３６．多孔質電極６と同
じｊＡ１斗からなる導電材３日、スルーホール４０及び
内側の多孔質電極４のリード部４２が、漏出抵抗ｇＢ　
４４として形成され、外側の多孔質電極６内に発生され
た酸素をこの；ｍ出抵抗部４４を介してガス拡散室１日
に漏出するようにされている。

更に、上記酸素ポンプ素子１６と酸素）農）炎電池濃子
８とによって挟まれるスペーサ２０．２２は、アルミナ
を素材とする厚さ６０μｎ〕のコの字状の部材２０と凹
状の部材２２とからなり、内側の上記多孔質電極４，１
２と同径のガス拡散室１日を形成する。このガス拡散室
１８の両側には、外部と連通ずるガス導入部４６．４８
が設けられており、そのガス導入部にはアルミナからな
る多孔質の充填剤５０．５２が詰められている。

第１表 次に、上述した各部材からなる空燃比センサ１の製造手
順を第４図及び第５図（ａ）、　　（１））に基づいて
説明する。

まず、イツトリアで部分安定化されたジルコニアからな
る遮熱体２４のシート上に、順次、第４絶縁層２６ｄ、
ヒータ３４．第３絶Ｌｔ層２６ｃ等を印刷し、その上に
、酸素濃淡電池素子８の固体電解質基板２どして、イツ
トリア−ジルコニア系の粉末を、ＰＶＢ系のバインダと
有機溶剤とを用いて、ドクターブレード法によりシート
化し、その両面に多孔質電極・１．６として１６重量％
のイ・ン［・リアージルコニア系の共素地と残部白金と
を、セルロース系或はＰＶＢ系バインダとブチルカルピ
トールの様な溶剤を用いてペースト化して、スクリーン
によって印刷して積層する。更に、上記と同様にして、
順次以下の部材を積層形成する。

Ｐ、ｆ］も、スペーサ２０．　２２．ガス導入部４６，
４日の多孔質材料５０．　５２．両面に多孔質電極１２
．１４を形成した酸素ポンプ素子１６の固体電解質基板
１０．第２絶縁層２６ｂ、ヒータ２８゜多孔質保護層３
２．第１絶縁層２６ａ等を印刷や張り合わせ等によって
積層する。

そして、この様にして積層して形成したカッティングシ
ー）１ａを、第５図に示す様に所定の寸法に裁断して、
各々の空燃比センサ１となる積層シート１ｂを切り出す
。　　次に、その空燃比センサ１の積層シーｔ−１１）
の側面ＩＣに耐熱無機質絶縁材料であるＡ　Ｑ　２０３
或はＭｇＯ・ＡＣ！２０３等のペーストを、ガス導入部
４８を除いて塗布し、約１５００℃で１時間通常の焼成
を行い、空燃比センサ１を完成する。

次に、この空燃比センサ１の動作を説明する。

まず、酸素）農法電池素子８の多孔質電極４，６間に、
外側の多孔質電極６を正極とし内側の多孔質電極４を負
極とするように所定の電圧（例えは５Ｖ）を抵抗（例え
は２５０にΩ）を介して印加することにより所定電流を
流して、カス拡散室１８内から内部基準酸素源Ｒ（外側
の多孔Ｍ電極６）に酸素を輸送する。

次いで、内部基準酸素源Ｒの酸素ガス分圧がガス拡散室
１日内の酸素ガス分圧より高くなると、この酸素ガス分
圧比によって、多孔質電極４，６間に起電力が生ずる。

この端子間電圧はガス拡散室１日内のガスがリッチ域の
場合とリーン域の場合との間で数百ｔｎ　Ｖの差が生じ
、かつその差はリッチ域とリーン域との境すなわち理論
空燃比でスチップ状に変化する。

酸素ポンプ素子１６は、この酸素）農ぺ電池素子８の特
性変化を利用して、カス拡散室１８内の空燃比状態が周
囲測定ガスの空燃比状態の如何にかかわらず常にほぼ理
論空燃比（λ：１）となるように、ガス拡散室１Ｂ内に
外部から酸素をくみ入れたりくみ出したりする。

即ち、酸素濃）廃電池素子８の両端子間の電圧が所定の
一定値になるように、酸素ポンプ素子１６を用いてガス
拡散室１８の酸素をくみ出したりくみ入れたりさせ、そ
の時の酸素ポンプ素子１６に流れる電流（ポンプ電流Ｉ
ｐ）を検出して排ガスの空燃比出力とする。

あるいは、その逆に酸素ポンプ素子１Ｇのポンプ電流Ｉ
ｐを一定値に制御してガス拡散室１日の酸素を所定量だ
けくみ出すかくみ入れ、その時の酸素濃）廃電池素子８
の電極間の電圧を検出することにより、排ガスの空燃比
に応じた信号を検出することができる。

次に、本実施例の空燃比センサ１の効果を６π認するた
めに行った実験例について説明する。実験例１は、電流
のリークに関するものであり、実験例２は各素子間の剥
離に関するものである。

（実験例１） 実験に用いる空燃比センサ１としては、酸素濃淡電池素
子８と酸素ポンプ素子１６とを備えた上記実施例の空燃
比センサ１を用い、側部絶縁層ＩＡを設けた実験例ＮＱ
　１と側部絶縁層を設けない比較例Ｎｕ　１とを製造し
た。そして、６００℃以下の極リッチ雰囲気にて上記雨
空燃比センサにカーホンを付着させた。実験条件として
は、測定雰囲気の空燃比入を１１．５．測定温度を４５
０℃として、ポンプ電流１ｐを変化させて、その電流変
化△Ｉｐに対する酸素濃）廃電池素子８の電圧変１ヒ△
Ｖｓの比（ゲイン△Ｖｓ／△Ｉｐ（ｄＢ））の変化を調
べた。この結果を第６図に示すが、この図は縦軸にゲイ
ン△Ｖｓ／△Ｉｐ　（ｄＢ）をとり、横軸にポンプ電流
１ｐの周波数（Ｅ（ｚ）を対数でとったものである。

図から明らかなように、本実験例Ｎｏ　１の空燃比セン
サ１は、高周波礒までリークが生じないので仝■１波数
域にわたり正常な特性曲線が得られる。

それに対して、比較例Ｎｏ　１の空燃比センサは、２０
０　）］　ｚ以上の高周波域にてリーク抵抗に相当する
ゲインが得られしまい、本来の誠衷していくゲインとは
異なった出力が生じ、適切な空燃比の信号が得られない
。

史に、比較例Ｎｏ　１の空燃比センサは、測定雰囲気が
リーンである場合には、カーボンが徐々に燃焼するため
、リークの状態も変化しセンサ出力が不安定となるとい
う問題点が生じてしまう。

従フて、この実験からも明らかなように、空燃比センサ
１に側ｇｉ１に絶縁層ＩＡを形成することにより、カー
ボンの付着による電流のリークが効果的に防止できるの
で、空燃比センサ１の測定精度等の性能が向上する。

（実験例２） 次に、上記空燃比センサ１の側部絶縁層ＩＡを設けたこ
とによるその他の効果、即ち、各素子間の剥離が防止で
き、耐久性及び耐熱衝撃性向上の効果ここついて説明す
る。

そのための実験例として、未焼成の空燃比センサ１の積
層シート１ｂＣＤ側面１ｃに、Ａ　Ｑ　２０３からなる
側部絶縁層ＩＡを設けた実験例Ｎｌ１１２と、有機溶剤
としてブタノールヒマシ浦を偉布した比較例Ｎｏ２と、
何も塗布しない比較例Ｎｏ３とを各１゜個製造した。実
験条件として、それらの空燃比センサを１５００℃にて
１時間焼成し、８１ｊ離の有無を調べた。その結果を第
２表に示す。

第２表 第２衷から明らかなように、実験例Ｎｏ２では、り１１
離はまったく生じでいないという顕著な効果がある。そ
れに対して、比較例Ｎα２及び比較例ＮＱ３では、剥離
が生じており、特に何も塗布しない比較例Ｎａ３ではほ
とんどの空燃比センサに剥離が生している。この剥離が
あると、空燃比センサの使用時に加熱冷却を繰り返すう
ち、Ｄ衝撃によってクラックが生じて測定ができなくな
るということがある。

従って、以上の実験例から分かるように、本実施例の空
燃比センサ１は、簡単な構成でカーボンの付捏による電
流のリークを防止して、測定精度が向上するという顕著
な効果があるだけでなく、同時に素子の剥離ひいてはク
ラックの発生を防止できるという効果がある。

［発明の効果コ 以上説明したように、本発明によれは、固体電解質基板
の測定雰囲気と接する側面を覆って、絶縁層が形成され
ているので、固体電解Ｍ基板間の電流のリークを防止で
き、測定精度が向上する。

更にこの絶縁層によって各素子が接着が強固になり各素
子間の剥離が防止され、熱ｒｉｊ撃によってクラ・ツク
が発生することがないという顕著な効果がある。

【図面の簡単な説明】

第１図は本実施例の斜視図、第２図はそのＡ−Ａで破断
した斜視図、第３図はそのＢ−Ｂ断面図、第４図はその
分解斜視図、第５図は空燃比センサの製造工程の説明図
、第６図は周波数特性を示すグラフである。 １・・・空燃比センサ ＩＡ・・・側部５ｊｉ！！、籾層 ２．１０・・・固１＄電解質基扱 ４、　６．　１２．　１４・・・多孔質電極８・・・酸
素濃淡電池素子 １Ｇ・・・酸素ポンプ素子 １日・・・カス拡散室 代理人　弁理士　定立　勉（他２名） 第２図 メー 第３図 第５図 手続補正書 昭和６３年特許願第９０９６８号 ２、　発明の名称 空燃比センサ ３、　補正をする者 事件との関係　　特許出願人 住　所　　　　　名古卓市瑞穂区高辻町１４番１８号名
　称　　　　　（４５４）日本特殊同業株式会社代表者
　鈴木　亭− ４、代理人　　〒４６０ ５、　補正命令の日付　　自発 ６、　補正により増力０する請求項の数　　なし８、補
正の内容 （１）明細書第７頁第８行の「周囲に（友」の後に、　
「多孔質電極１４と同一平面上に」を加入する。 （２）明細書第８頁第２行の「周囲に１友」の後に、　
「多孔質電極６と同一平面上に」を加入する。 （３）明細書第１７頁第１４行の「効果がある。」の後
に、改行の土　以下の文章を追加補正する。 ［次に、他の実施例について第７図及び第８図に基づい
て説明する。本実施例の空燃比センサ８０１表　酸素濃
淡電池素子８２及び酸素ポンプ素子８４とは別体にヒー
タ８６，８７を設けたものであり、他の構成は上述した
実施例とほぼ同様である。 両図において、遮蔽板８８．酸素濃淡電池素子８２、ス
ペーサ８９及び酸素ポンプ素子８４を重ね合わせて積層
体８０ａを形成し、それによってガス拡散室９０が形成
されている。この積層体８０ａの積層方向以外の上下左
右の側面に１友　上記実施例と同様に側部絶縁層８０ｂ
が形成されている。 尚、酸素ポンプ素子８４の外側の表面（友　電極部分８
４ａｕ除いて薄虚の絶縁層（図示せず）に覆われている
。更に酸素ポンプ素子８４及び遮蔽板８３の外側に　各
々外部スペーサ９２．９３を介してヒータ８６，８７が
平行に配置されている。 このヒータ８６，８７の一方の（ｔｉｌｌ　　即ち空燃
比センサ８０の中心側に１友　各々発熱パターン９４゜
９５が設けら払　他方の側には周知のマイグレーション
防止パターン９６．９７が形成されている。 この様にヒータ８６，８７を別体とすることにより、発
熱パターン８６．８７の形状や配属等の制限が少なくな
るので設計の自由度が多くなり、空燃比センサ８０をよ
り好適に加熱することが可能となる。」 （４）明細書第１８頁第９行に「グラフである。」とあ
るを、　［グラフ、第７図は他の実施例を示す一部破断
斜視は　第８図はその分解斜視図である。 」と補正する。 （５）明細書第１８頁第１０行に「１」とあるをＮ、　
　８０Ｊ　と補正する。 （６）明細書第１８頁第１１行に「１Ａ」とあるをｒｌ
Ａ、　　８０ｂＪと補正する。 （７）明細書第１８頁第１４行に「８」とあるをｒ８，
８２Ｊ　と補正する。 （８）明細書第１８頁第１５行に「１６ＪとあるをＮ６
，８４Ｊ　と補正する。 （９）明細書第１８頁第１６行に「１８Ｊとあるをｒ１
８，９０Ｊ　と補正する。 （１０）別紙１，２の通り、図面の第７図及び第８図を
追加する。 −以上一

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 複数の固体電解質基板を積層し、この固体電解質基板間
   に測定ガスを導入し、測定ガスの濃度を検出する空燃比
   センサにおいて、上記固体電解質基板の測定雰囲気と接
   する側面に、固体電解質基板間を絶縁する絶縁層を覆っ
   たことを特徴とする空燃比センサ。