JPS62222159A - 酸素センサ - 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、例えば内燃機関の排気中におりる酸素濃度を
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なわれている。こ
のような排気中の酸素分圧の測定は、例えば、ジルコニ
ア、イツトリア固溶体等の酸素イオン伝導性の固体電解
質層からなる酸素センサにより行なわれる。上記酸素セ
ンサとしては、例えば、実開昭６０−１００６５８号公
報等が提案されている。すなわら、内外同心に円筒状に
形成された内側電極および外側電極と、前記内外電極の
間隙に介在させた酸素イオン伝導性固体電解質層とを設
（プ、外側の面に測定ガスを、内側の面に基準酸素源と
しての大気を各々導入して測定ガス中の酸素分圧を測定
するものである。

［発明が解決しようとする問題点］ しかし、固体電解質層の内側の面に基準大気を測定ガス
と混合することなく導入するためには、例えば該固体電
解質層の内側に包み込まれた棒状の芯材に大気導入路と
なる溝を形成するスリットを設けたグリーンシートを巻
き付けて焼結し、基準大気導入路を形成する必要がある
。すなわち、上述した酸素分圧測定用の固体電解質層を
なすグリーンシートと、上記スリットを有するスペーサ
としてのグリーンシートとの少なくとも２層を同心円状
に焼結する必要がある。このように、複数のグリーンシ
ートを歪みなく同心円状とする作業は極めて困難なため
、製造工程における工数の増加を招き、生産性が低下し
てしまうという問題点があった。

また、棒状の芯材を使用した場合には、酸素センサの熱
容量が大きくなる。したがって、酸素センサを測定に適
した温度に保つために電極部分を加熱するヒータの発熱
量を大きく設定する必要がおり、ヒータの消費電力が増
加すると共にその耐久性も低下するという問題もめった
。

本発明は、製造が容易で熱容量の小さな酸素センサの提
供を目的とする。

［問題点を解決するための手段］ 上記問題を解決するためになされた本発明は、一端側を
開口しくＩ！２端側に閉鎖壁を設けると共に、外周面に
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一対の電極を有する酸素イオン伝導
性の固体型ｗ４貿層と、 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てなることを特
徴とする酸素センサを要旨とするものである。

中空筒状体は開口部から貫通孔を介して、上記固体電解
質層と１対の電極とからなる酸素濃淡電池に基準酸素源
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。中空筒状体は、例えば金型プレスもしくは押し
出し成型等により加工することができる。なお、材質は
、例えば、上記固体電解質層と熱膨張率の相違が少ない
セラミックス、金属等でもよい。例えば測定ガスが内燃
機関の排気である場合には、６００［’Ｃ］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、金属を使用する場合は、固体電解質層の内周
面の電極との間を絶縁する必要がある。

固体電解質層は、酸素イオン伝導性を有するものでおる
。例えば、Ｙ２０３−ＺｒＯｚ　、ｃａ。

−Ｚ　ｒｏｚ等でおってもよい。

電極は、例えば白金等の肖金属また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り実現できる。

これらは、例えば、電極を厚膜印刷した固体電解黄体の
グリーンシートを、その内面側の電極か中空筒状体の貫
通孔と対応する位置に配設されるように、該中空筒状体
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ことができる。

上記固体電解質層は、例えば、その内面の電極近傍に発
熱体を厚膜印刷するよう構成してもよい。

また例えば、その外面の電極近傍に発熱体を厚膜印刷す
るよう構成することもできる。このように発熱体を設け
た場合には、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。

［作用］ 本発明の酸素センサは、中空筒状体の開口部から貫通孔
を介して固体電解質店内面側の電極に至る基準気体導入
路を形成する。したがって、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、両面に設けられた一対の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。

このように、基準気体導入路を形成するためのスリット
を有するグリーンシー１〜等が不要となると共に、中空
筒状体を使用するので、簡単な構造で熱容量の小ざい酸
素センサを実現できる。

［実施例］ 次に、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。なお、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、Ｚ
ｒＯ：ｚからなり゛、外周面に貫通孔２，３を有する中
空筒状体４を、基準電極５、測定電極６および発熱体７
を設けた固体電解質層８で被覆して構成されている。

第１図のＡ−Ａ端面図で市る第２図に示すように、基準
電極５は、固体電解質層８の中空筒状体４に接する内周
面上の、上記貫通孔２，３に対応する位置に設けられて
いる。また、測定電極６は、固体電解質層８の外周面上
の、上記基準電極５に対向する位置に配設されている。

ざらに発熱体７は、固体電解質層８の外周面上であって
、上記測定電極６０両側に設けられている。

基準電極５は固体電解質層８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１１に接続される
。また、測定電極６は測定電極端子１２に、発熱体７は
発熱体端子１３に各々接続される。

第４図をＢ　−８’方向に切断した状態を第３図に示す
。中空筒状体４は、外径３．２　［ｍｍ］　、内径１．
５　［ｍｍ］の中空円筒であって、一端側は開口部１４
を、他端側は閉鎖壁１５を各々形成している。上記閉鎖
壁１５近傍の外周面には、２個の直径１　［ｍｍ］の貫
通孔２，３が穿設されている。したがって、上記開口部
１４がら中空部１６を介して貫通孔２．３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４は
、金型プレスまたは押し出し成形により容易に加工でき
る。

固体電解質層８は、第４図に示すように、Ｙ２Ｏ３〜Ｚ
ｒ０ｚ固溶体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８ａがら得られる。該グリーンシー
ト８ａの一角部には、基準電極５を基準電極端子１１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８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ざ１
０［μｍ］の基準電極５が厚膜印刷される。

一方、上記固体電解質層８の外周面となるグリーンシー
ト８ａの表面には、ジルコニアを含む白金から成る厚ざ
１０［μｍ］の基準電極端子１１、測定電極６および測
定電極端子１２が、まず厚膜印刷される。次に、白金を
含むアルミナから成る厚ざ２０［μｍ１の保護層２２が
、上記測定電極６の表面に厚膜印刷される。次に、アル
ミナから成る厚ざ３０［μｍ］の絶縁層２３が、上述し
た基準および測定電極端子１１．’１２の上面２４と、
測定電極６の上面２５とを除くグリーンシート８ａの表
面に亘って厚膜印刷される。ざらに、アルミナを含む白
金から成る厚ざ１０［μｍ］の発熱体７および発熱体電
極１３が、上記絶縁層２３の表面に厚膜印刷される。最
債に、シリカを含むアルミナから成る厚さ２０［μｍ］
の絶縁層２６が、上記発熱体電極１３の上面２７と、測
定電極の上面２８とを除く絶縁層２３の表面に亘って厚
膜印刷される。

上述のように厚膜印刷されたグリーンシート８ａの裏面
にジルコニアペーストを塗布し、上記基準電極５が中空
筒状体４の貫通孔２，３と対応する位置となるように、
中空筒状体４をグリーンシート８ａで被膜する。さらに
、真空引きをしながらラバープレスを行ない、グリーン
シート８ａを巻き付は厚着固定した後、大気中で焼成す
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、カーボングラフアイ１−１滑
石等の充填粉末３３、パツキン３４、かしめリング３５
により固定する。また、既述した各端子１１，１２．１
３に圧着端子金具３６をろう付けし、さらにリード線３
７を圧着する。その後、主体金具３８、保護外筒３９、
グロメット４０、プロテクタ４１を取り付けると、酸素
検出プローブ４２を構成できる。

第１実施例の酸素センサ１は、中空筒状体４の開口部１
４から貫通孔２，３を介して基準電極５に大気が導入さ
れるので、基準気体導入路を構成するためのストック付
グリーンシート層等が不要となり、製造工数の低減によ
り生産性を向上できる。

また、中空筒状体４を使用したいるため、酸素センサ１
の熱容量が小さいので、発熱体７の熱効率が向上し、消
費電力を低減できる。

さらに、発熱体７をグリーンシート８ａの表面に厚膜印
刷しているので、製造が極めて容易となる。

次に、本発明第２実施例を第６図に基づいて説明する。

第２実施例の特徴は、固体電解質層の内周面に発熱体を
設けたことでおる。

第６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１０８ａの裏面には、基準電極１０５、絶縁
層１５２、発熱体１０７、絶縁層１５１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１０８の表面には、測定電極１０６、保護層１
２２、絶縁層１５３、基準電極端子１１１、測定電極端
子１１２および発熱体端子１１３がこの順で厚膜印刷さ
れる。上述のように厚膜印刷されたグリーンシート１０
８ａの基準電極１０５が中空筒状体１０４の貫通孔１０
２と対応する位置となるように、中空筒状体１０４をグ
リーンシート１０８ａで被覆し、既述した第１実施例と
同様な方法で焼成すると、酸素センサを得る。なお、各
部材の成分は、既述した第１実施例と同様でおる。

上記構成の第２実施例は、グリーンシー１へ１０８ａに
対して発熱体１０７が基準電極１０５と同じ側の面に厚
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、測定部が冷却されに
くいので、特に有効である。したがって、例えば、自動
車等の排気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、本発明第３実施例を第７図に基づいて説明する。

第３実施例は、第１実施例で既述した中空筒状体を空燃
比センサに応用したことを特徴とする。

第７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２０８ａの裏面には、第２ポンプ電極２６２
、拡散律速層２６１、測定電極２０６、固体電解質層２
６３、基準電極２０５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２０８ａ
の表面には、第１ポンプ電極２６４、絶縁層２２６、発
熱体２０７および絶縁層２２９がこの順で厚膜印刷され
る。上述のように厚膜印刷されたグリーンシート２０８
ａを既述した第１実施例と同様に中空筒状体２０４に巻
き付けた後、大気中にて焼成すると空燃比センサを得る
。

上記構成の第３実施例は、一層のグリーンシート２０８
ａの表面上に発熱体２０７を厚膜印刷により形成してい
る。このため、極めて容易に製造できる。

また、中空筒状体２０４と一層のグリーンシート２０８
とから構成されているので、熱容量が小ざくなり、発熱
体の消費電極を低減できると共に、その耐久性も向上で
きる。

さらに、上述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、ポンプ電流がら空
燃比信号を検出できる。

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、本発明の
要旨を逸脱しない範囲内におい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］ 本発明の酸素センサは、一端側を開口し外周面に貫通孔
を有する中空筒状体を基準気体導入路とし、該中空筒状
体を固体電解質層で被覆するという簡単な構造である。

このため、中空筒状体を包む固体電解質層が一層で済む
ので、製造工数が減少して生産性が向上する。

また、中空筒状体を使用するため、熱容Ｍが小さくなる
ので、酸素センサを活性化させるだめの発熱体の熱効率
が向上すると共に消費電力を低減できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明第１実施例の斜視図、第２図は同じくそ
のＡ−Ａ端面図、第３図は同じくその中空筒状体の部分
破断図、第４図は本発明第１実施例の説明図、第５図は
それを用いた酸素検出プローブの部分破断図、第６図は
本発明第２実施例の説明図、第７図は本発明第３実施例
の説明図で必る。 １・・・酸素センサ ２．３・・・貫通孔 ４・・・中空筒状体 ５・・・基Ｑ−電極 ６・・・測定電極 ７・・・発熱体 ８・・・固体電解質層 １４・・・開口部 １５・・・閉鎖壁

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １　一端側を開口し他端側に閉鎖壁を設けると共に、外
   周面に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一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てなることを特
   徴とする酸素センサ。 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項に記載の酸素センサ。 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項に記載の酸素センサ。