JPH0262955A - 空燃比検出素子 - 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、例えばエンジン等の空燃比を検出する空燃比
センサに用いられる空燃比検出素子に関し、特に酸素イ
オン伝導性の固体電解質を用いた空燃比検出素子に関す
るものである。

［従来の技術］ 従来より、例えばエンジン等の空燃比を理論空燃比近傍
に制御して、燃費やエミッションの改善を図るために、
排気中の酸素濃度を検出する酸素センサが使用されてい
る。この種の酸素センサとして、例えばイオン伝導性の
固体電解質に多孔質電極層を被着した空燃比検出素子を
備え、排気の酸素分圧と空気の酸素分圧との差によって
生ずる起電力の変化によって理論空燃比近傍の燃焼状態
を検知する空燃比センサが知られている。

また近年では、空燃比を単に理論空燃比近傍に制御する
だけでなく、エンジンの運転状態に応じて目標空燃比を
変化させてフィードバック制御することにより、燃費や
エミッションの改善及びエンジンの運転性能の向上が図
られている。そして、このようなフィードバック制御に
用いられる各種の空燃比センサが提案されている。

例え１′Ｌ　　固体電解質の一方の電極面を含んで空間
を形成する室（ガス拡散室）を備え、両電極間に電圧を
印加して測定ガス中のガス成分を上記室内に拡散導入し
、その際に流れる電流量を測定することによって、測定
ガス中のガス成分濃度を検出する空燃比センサが提案さ
れている（特開昭５２−７２２８６号公報及び特開昭５
３−６６２９２号公報参照）。

また、固体電解質の両面に電極を設けて形成した酸素ポ
ンプ素子と酸素濃淡電池素子とを、ガス拡散室を挟んで
対向させｌ＝空燃比検出素子を用い、酸素濃淡電池素子
の起電力が一定となるように酸素ポンプ素子に流す電流
量を調節することによって、酸素濃度を検出するものも
提案されている（特願昭６０−３６０３２号参照）。

［発明が解決しようとする課題］ しかしながら、定常運転時以外、例えばエンジンの始動
時に上記フィードバック制御を行って、エミッション等
の低減を図ろうとしても、従来の空燃比検出素子は、暖
機時には使用可能の温度に達するまでに長い時間がかか
ってしまい、その間は空燃比センサを用いた制御ができ
なかった　この対策として、ヒータを用いて空燃比検出
素子を急速に加熱して素子自体の温度を迅速に使用温度
まで上げると、サーマルショックによって素子が損なわ
れることがあるので、加熱速度を一定以上に上げること
ができないという問題があった本発明は、空燃比検出素
子の各部分の寸法を特定することにより、サーマルショ
ックに強く、コンパクトでかつ高性能な空燃比検出素子
を提供することを目的とする。

［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、少なく
とも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、該酸素ポンプ素子の一方の多孔質電極を覆
うガス拡散室と、該ガス拡散室と測定雰囲気とを連通ず
るガス導入部とを設けた空燃比検出素子において、上記
空燃比検出素子の厚さを０．７ｍｍ〜＋、２５ｍｍとし
、かつ該素子の幅を２．８ｍｍ〜４．０ｍｍとしたこと
を特徴とする空燃比検出素子を要旨とする。

ここで、上記空燃比検出素子としては、ガス導入部でガ
ス律速するとともに、上記ガス拡散室の測定空間の間隙
を２０μｍ〜１００μｍとし、かつ測定空間の容積をＯ
，０５ｍｍ’　−１、０ｍｍ３としたものが、測定精度
及び応答性（二優れ一層好適である。

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、二酸化トノラム、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。

多孔質電極の材料としては、白金、ロジウム等を用いる
ことができ、これら（よ　例えば原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、焼結して形成
する。

測定ガスに直接に接する酸素ポンプ素子の外側の多孔質
電極は、その表面にアルミ力　スピネル。

ジルコニア、ムライト等の電極保護層を厚膜技術を用い
て形成することが好ましい。尚、ガス拡散室側の電極は
、ガス律速層を通過した測定ガスをより速く検出するた
めに、電極保護層は・不要である。

ガス拡散室は、例えば多孔質電極を固体電解質基板の両
側に設けた酸素濃；炎電池素子を酸素ポンプ素子と対向
して配設し、該酸素濃淡電池素子と酸素ポンプ素子との
間に、ガス拡散室となる空所を有するスペーサを挟んで
接合することにより形成される。このスペーサの素材と
しては、アルミ力　スピネル、フォルステライト、ステ
アタイト。

ジルコニア等が用いられる。

ガス導入部はガス拡散室と測定雰囲気とを連通ずるもの
であり、このガス導入部には多孔質材を充填して拡散抵
抗を増すようにしてもよい。尚、上記測定空間とは、ガ
ス導入部の容積は除いたものである。この測定空間の容
積は、ガス拡散室内の酸素ポンプ素子の電極面積と上記
間隙の寸法によってほぼ定まるものである。

上記酸素ポンプ素子や酸素濃淡電池素子を加熱するため
に−船釣にヒータが設けられている。このヒータ（よ　
ヒータ自体からの電気的漏洩を防止するために、上記空
燃比検出素子本体とは労１体に製造されるものであり、
素子の外側に貼付けて使用される。また他の例として、
　ヒータのパターンを多孔質電極の周囲に口字状に配置
して素子と一体に成形してもよい。

本発明は少なくとも酸素ポンプ素子とガス拡散室を有す
る空燃比検出素子に適用できるものであり、この空燃比
検出素子として、次のような構成の素子に適用できるこ
とは勿論である。例えば、酸素ポンプ素子と対向した酸
素濃淡電池素子を備えた空燃比検出素子やその酸素濃淡
電池素子を備えていない空燃比検出素子、酸素濃淡電池
素子の代わりに、チタニアからなる検出素子を酸素ポン
プ素子と対向して配置した空燃比検出素子にも適用でき
る。また、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と形
成した空燃比検出素子や、この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
空燃比検出素子等にも本発明は適用できる。

［作用１ 本発明の空燃比検出素子は、空燃比検出素子の寸法を特
定することにより、−室以上の強度を有するとともに熱
容量の小さなコンパクトな空燃比検出素子が実現できる
。そして、このようにコンパクトにできることにより、
空燃比検出素子の温度がヒータ等の加熱によって急速に
上昇しても、素子自体の膨張等が少ないことからサーマ
ルショックによって素子が損なわれることがない。従っ
て、始動時に急加熱することができ、始動時間の短い暖
機特性の優れたものとなる。

また、測定ガスの拡散速度の律速をガス導入部で行うも
のにおいては、空燃比検出素子の周波数に対する応答性
は、ガス拡散室の測定空間によって変化する。即ち測定
空間の間隙が狭くなると測定ガスの拡散速度がその間隙
で律速しで測定精度が低下し、一方、間隙が広すぎると
酸素ポンプ素子のポンピング能力が状態の変化に追いつ
かず応答性が低下する。従って、請求項２に記載した様
に所定の測定空間を設定することにより、測定精度や応
答性に優れた空燃比検出素子となる。

［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検出素子１の斜視図、第２図
は空燃比検出素子１及びそのヒータ２の一部破断斜視図
、第３図はそれらの分解斜視図を示している。

第２図に示す様に、空燃比検出素子］の両側には、ヒー
タ２が空燃比検出素子］と一定の間隔を保って近接して
配置されている。

空燃比検出素子１は、固体電解質基板３の両側１：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］２，１４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１８を形成する上下の２体
の内部スペーサ２０、２２とを備えている。更に、酸素
濃淡電池素子８の外側には、多孔質電極６を覆って遮蔽
体２４が積層さね　一方、酸素ポンプ素子１６の外側に
（上　多孔質電極１４を覆って多孔質保護層１９が積層
されている。

上記酸素ポンプ素子１６は、後述する第１表に示す寸法
を有している（以下各部材の寸法は第１表に記す）。そ
の固体電解質基板１０は主としてイツトリア−ジルコニ
ア固溶体からなり、一方、多孔質電極１２．１４は各々
８ｍｍ２の電極面積を有し、イツトリア−ジルコニア固
溶体と白金とから形成されている。また、多孔質保護層
］９は、主にアルミナから形成されている。

一方、上記酸素濃淡電池素子８は、酸素ポンプ素子１６
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３の両面に、上記と同様な多孔質電極４，６
を形成したものである。

また、遮蔽体２４はジルコニアからなる固体電解質から
形成されている。この遮蔽体２４は酸素濃淡電池素子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、その多孔質電極６を外部の測定ガスより遮断す
るものである。

この外側の多孔質電極６は、内部基準酸素源Ｒとして用
いる際に、その内部に発生した酸素をガス拡散室１８に
漏出できるように形成されている。

即ち、第３図に示すアルミナ等からなる多孔質絶縁体３
６．多孔質電極６と同じ材料からなる導電材３８．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
、漏出抵抗部として形成さ札外側の多孔質電極６内に発
生された酸素をこの漏出抵抗部を介してガス拡散室１８
に漏出するようにされでいる。

更に、上記酸素ポンプ素子１６と酸素濃淡電池素子８と
によって挟まれる内部スペーサ２０，２２は、アルミナ
を素材とするコ字状の部材２０と凹状の部材２２とから
なり、内側の多孔質電極４゜１２と同径のガス拡散室１
８を形成する。このガス拡散室１８の両側には　外部と
連通ずるガス導入孔４６．４８が設けられており、その
ガス導入孔４６．４８にはアルミナからなる多孔質の充
填剤が詰められて、ガス律速層５０，５２が形成されで
いる。

第１表 尚、上述した空燃比検出素子１の外側の表面には、多孔
質電極１４の表面を除いて、通常厚さ１０〜２０μｍの
図示しない絶縁被膜が形成されている。

一方、　ヒータ２は第２表に示す寸法を有し、第２図に
示すように、空燃比検出素子１の両側に、各々耐熱セメ
ントからなる厚さ約１００μｍの外部スペーサ６０を介
して、空燃比検出素子１と平行に配置されている。この
ヒータ２【表　第４図に示すように、アルミナからなる
母体シート６４の方の０！１１　　即ち空燃比検出素子
１側に、蛇行したＵ字状の発熱パターン６６を備えてお
り、その発熱パターン６６はアルミナからなる内側ラミ
ネートシート６８に覆われている。また、母体シート６
４の他方の側には、スルーホール７０を介して発熱パタ
ーン６６と接続されたマイグレーション防止パターン７
２を備え、そのマイグレーション防止パターン７２は外
側ラミネートシート７４に覆われている。

第２表 尚、上記マイグレーション防止パターン７２は、発熱パ
ターン６６とほぼ同形に形成さ札　スルーホールア０を
介してヒータ電源のマイナス極（二のみ接続されている
。このマイグレーション防止パターン７２は、母体シー
ト６４に含有されているＳｉＣ２，Ｃａｂ、ＭｇＯ等の
微量のフラックスが、高温及び大きな電位差によって移
動して、発熱パターン６６を損傷することを防ぐための
ものである。即ち、発熱パターン６６とマイグレーショ
ン防止パターン７２との間で積極的にマイグレーション
を行わせることによって、発熱パターン６６の正負の電
極間でのマイグレーションを防止するものである。

次に、上述した各部材からなる空燃比検出素子１及びヒ
ータ２の製造手順を第３図に基づいて説明する。

まず、酸素ポンプ素子８及び酸素濃淡電池素子１６の固
体電解質基板３．］ｏとなるシートを、イツトリア−ジ
ルコニア系の粉末に焼結助剤としてシリカを約２．５重
量％添加し、ＰＶＢ系のバインダと有機溶剤とを用い、
　ドクターブレード法により製造する。

そして、上記シート上に多孔質電極４．　６．　１２、
１４を形成するため、共素地１６重量％と、比表面積１
０＋ｎ２／ｇ以下（例えば４〜６ｍ２／ｇ）の白金粉末
とを、セルロース系或はＰＶＢ系のバインダ、及びブチ
ルカルピトールの様な溶剤を用いてペースト化し、この
ペーストをスクリーンによってシート上に印刷する。更
に酸素ポンプ素子］６の外側の多孔質電極］４の表面を
、多孔質保護層１９となるペースト化したアルミナで印
刷して覆う。

また、内部スペーサ２０．　２”２として、アルミナか
らなるシートを形成して、酸素ポンプ素子８上に配置し
、ガス導入孔４６．４８となる切欠部分１ニ　ペースト
化したアルミナを印刷してガス律速層５０，５２を形成
する。

そして、上記酸素濃淡電池素子８．酸素ポンプ素子１６
．内部スペーサ２０．２２等を積層するとともに、遮蔽
体２４のシートを圧着した後に、約１５００℃で１時間
通常の焼成を行って、空燃比検出素子］を製造する。

ヒータ２は、空燃比検出素子１とは別体に製造されるも
のであり、母体シート６４に発熱パターン６６及びマイ
グレーション防止パターン７０を印刷し、更にその両側
にラミネートシート７４を積層したものを焼成して製造
する。

そして、このヒータ２は、上記焼成した空燃比検出素子
１の両側に、外部スペーサ６０を挟んで耐熱性無機接着
剤を用いて貼付けられる。

次に、空燃比検出素子１の動作を説明する。

まず、酸素濃淡電池素子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（例えば５Ｖ）を抵抗（例えば
２５０にΩ）を介して印加することにより所定電流永流
して、ガス拡散室１８内から内部基準酸素源Ｒ（外側の
多孔質電極６）二酸素を輸送する。

次いで、内部基準酸素源Ｒの酸素ガス分圧がガス拡散室
１８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１８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ｍＶ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
比でステップ状に変化する。

酸素ポンプ素子１６は、この酸素濃淡電池素子８の特性
変化を利用して、ガス拡散室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１８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、酸素濃淡電池素子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（：流れる電流（ポンプ電流ｌ
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１６のポンプ電流１
ｐを一定値に実制御してガス拡散室１８の酸素を所定量
だけくみ出すかくみ入札　その時の酸素濃淡電池素子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、本発明の効果を確認するために行った実験例につ
いて説明するが、下記（実験例１〜２）は空燃比検出素
子の寸法を変えてサーマルショックによる影響を調べた
ものである。またく実験例３〜５）は空燃比検出素子の
暖機特性を調べたものであり、　（実験例６〜８）は空
燃比検出素子の測定空間の寸法を変えて応答性等１：つ
いて調べたものである。更に（実験例９）は接着幅ａに
ついての実験例である。

（実験例］） 第１図に示す空燃比検出素子の厚さ（素子厚さ）ｔと幅
（素子幅）Ｗを変えて、各種の空燃比検出素子を製造し
Ｌム　この空燃比検出素子を用いて急熱急冷サイクル試
験を行っＬ　この急熱急冷サイクル試験とは第５図で示
すように、最初の６０秒間は約１２５０°Ｃ＋ＳＯ°Ｃ
で加熱し、次１７）６０秒間は２０°Ｃ±１０°Ｃで放
冷し、次の６０秒間は２０′Ｃ±１０℃の空気を送って
強制空冷するものであり、この１８０秒間を１サイクル
とする。

そして、耐サーマルショック性を調べるため１三、素子
幅Ｗを４．０ｍｍで一定とし、素子厚さｔとサイクル数
とを変えて、その時の素子のシートの厚さ方向のガス透
過性の有無を調べ札　即ち、素子の厚さ方向にガス透過
性があれ（瓜　サーマルショックによって空燃比検出素
子が損傷を受けたと判断するものである。このガス透過
性の判定方法は、空燃比検出素子の温度が８００℃のり
フチガス中では、ポンプ電流１ｐをＯｍＡとした時、酸
素濃淡電池素子の電圧（電池電圧）Ｖｓが８００ｍＶを
超えるのが正常なので、電池電圧がＶｓが８００ｍＶを
下回る場合をガスの透過と判定したものである。

その結果ｔｉ軸にサイクル数をとり横軸に素子厚さｔを
とった第６図に示す。図から明らかなように、耐サーマ
ルショック性は素子厚さｔが１゜２５ｍｍ以下の範囲の
ときに高く好適である。

（実験例２） 次に、様々な素子厚さｔと素子幅Ｗの空燃比検出素子を
用いて、２００サイクル前後の急熱急冷の試験を行い、
その時の素子の厚さ方向のガス透過↑上　即ち耐サーマ
ルショックの過　不適を、２００サイクル以上と２００
サイクル未満に分けて調べん　その結果を第７図に示す
が、この図に用いた記号の意味は第３表に示す通りであ
り、第７図の境界の下側が２００サイクル以上の実験デ
ータを示している。

第３表 この図から明らかなように、　２００サイクル以上の時
でも、素子厚さｔが０．７ｍｍ−１、２５ｒｒｍ。

好ましくは０．９ｍｍ〜１．１５眼　かつ素子幅Ｗが２
．８ｍｍ〜４．０ｍｍの寸法の範囲では、効果的ｆニガ
スの透過を防止できる。即ち、上記寸法の空燃比検出素
子は、高い耐サーマルショック性を備えている。ここで
、素子厚さｔが０．７未満てガスの透過量が多いのは、
素子が薄すぎるためと考えられ素子として不適である。

尚、素子幅Ｗの下限値２．８ｍｍは、設計上の制約によ
るものであり、以下にその理由を説明する。

第８図（二示すように、上述したマイグレーション防止
の効果を発揮するためには、発熱パターンの中央の間隔
ｗ１が母体シートの厚さｔｂの１．５倍以上　具体的に
は０．８ｍｍ以上であることが望ましい。また、蛇行す
る発熱パターン（表　印刷精度及び抵抗値との関係で０
．４ｍｍの線幅が必要であり、かつ有効な発熱面積を得
るためには、蛇行幅ｗ２として０．８ｍｍが必要とされ
る。また接着幅Ｗ３として０．５ｍｍ必要とされる。従
って、　ヒータの幅ｗｈは、 ｗｈ　＝ｗ、＋ｗ２Ｘ　２　＋Ｗ３．Ｘ　２＝ｏ、ａ＋
ｏ、８Ｘ２＋０，５Ｘ２ ＝３　４ｍｍ となる。ここで、焼成後の割掛が１．２３〜１゜２４で
あるから、　ヒータの幅ｗｈは２゜８ｍｍとなる。

また、空燃比検出素子の多孔質電極から引き出されるリ
ード線の幅は最小０．５ｍｍであり、電極部分の幅はそ
の１．５倍、即ち０．７５ｍｎｎが必要とされる。従っ
て、電極の両側の接着幅ａとして０．７ｍｍＸ２を考慮
すると、素子幅Ｗは計２．１５ｍｍ（約２．２ｍｍ）と
なるが、空燃比検出素子はヒータと平行に配置されるこ
とから、酸素ポンプ素子を有効に加熱して優れた応答性
を得るためには、空燃比検出素子の最小幅はヒータと同
様な寸法の２．８ｍｍが必要とされる。

（実験例３） 次に、暖機特性を調べるために、素子厚さｔを１．２５
ｍｍで一定とし素子幅Ｗを変えて、発生する電池電圧Ｖ
ｓが始動時から作動時の４５０ｍＶになるまでの時間を
測定し旭　この結果を第９図に示す、これは縦軸に電池
電圧Ｖｓが４５０ｍＶになるまでの時間をとり横軸に素
子幅Ｗをとったものである。図から明らかなように、素
子幅Ｗが４０ｍｍ以下のときは、電池電圧Ｖｓが４５０
ｍＶになるまでの時間は２５秒前後であり、暖機特性に
優れていることを示している。尚、同じ構造の従来の空
燃比検出素子の寸法（友　通常素子厚さｔが１．４５ｍ
ｍ〜１．８ｆｆｒｒ１．素子幅Ｗが５．５ｍｍ〜７ｍｍ
であり、上記４５０ｍＶになるまでには約９０秒以上か
かっていた （実験例４） 同様に暖機特性を調べるために、素子厚さｔを１．２５
ｍｍで一定とし素子幅ｗｅ変えて、発生するポンプ電圧
Ｖｐが始動時から１．５ｖになるまでの時間を測定し九
　この結果を第１０図に示すが、これは縦軸にポンプ電
圧Ｖｐが１．５ｖになるまでの時間乞とり横軸に素子幅
Ｗをとったものである。図から明らかなように、素子幅
Ｗが４゜０ｍｍ以下のときは、ポンプ電圧ｖｐが１　５
Ｖになるまでの時間も約４２秒と少なく暖機特性に優れ
ている。尚、上記寸法の従来例では、約１２０秒以上か
かっていた （実験例５） 更１：、　　１６００　ｃ　ｃ、　　４サイクルエンジ
ンを用いて暖機特性の実験を行っ九　本実施例の寸法の
素子を用いた全領域空燃比センサとして、始動時１３Ｖ
を印加してヒータをオンするもの（１）を用い、比較例
として常時ヒータオンのもの（１１）　。

ヒータ付のλセンサ（Ｉｌｌ　）　、　　ヒータ無しの
λセンサ（ＩＶ）を用い翫　その結果を、第１１図に示
す。

この第１１図は、始動時からの経過時間にしたがって、
画素子のポンプ電圧Ｖｐや電池電圧Ｖｓ、水温や排気温
の変化等を示したものである。図から明らかなように、
本実施例の検出素子を用いたセンサ（＋）ｌｉ　　電池
電圧Ｖｓが４５０ｍＶに達する時間が約２６秒、ポンプ
電圧Ｖｐが１．５ｖに達する時間が約３０秒、即ち暖機
活性化時間が約３０秒と短く好適である。尚、この暖機
活性化時間とは、常に測定雰囲気を示す比較例の常時ヒ
ータオンのセンサ（１１）の出力と、本実施例のセンサ
（１）の出力とが一致するまでの時間である。

また、比較例のλセンサ（Ｉｌｌ　）　、　　（ＩＶ　
）の暖機活性化時間（出力が４５０ｍＶに達する時間）
（上　　構造が簡単であるにも係わらずそれぞれ４２秒
、８８秒と遅い。

次に、ガス拡散室（測定空間）の多孔質電極の面積やガ
ス拡散室の間隙の寸法を変えて、周波数二対する応答や
測定精度について調べた実験例について説明する。これ
らの実験から、応答性や測定精度に優れた測定空間とし
て好適な寸法が見いだされ九 （実験例６） まず、好適な酸素ポンプ素子の電極面積を求めるため（
二行った実験について説明する。この実験は、空燃比λ
二０．８、測定温度を８００℃として、ポンプ電圧Ｖｐ
と酸素ポンプ素子の電極面積との関係を求めん　その結
果を縦軸にポンプ電圧Ｖｐｕとり横軸に酸素ポンプ素子
の電極面積をとった第１２図に示す。図から明らかなよ
うに、ポンプ電圧Ｖｐとして好適な２．ＯＶ以下となる
酸素ポンプ素子の電極面積は、３，０ｍｍ２以上である
。

また通常多孔質電極の幅は電極から伸びるリード線の幅
の１．５倍を必要とするので、例えば０゜５ｍｍの幅の
リード線の１．５倍の０．７５ｍｍが必要となる。従っ
て電極面積が３，０ｍｍ２の場合は、電極の長さは３．
０ｍｍ２７０．７５ｍｍ　２４ｍｍとなる。

（実験例７） 次に、ガス拡散室の測定空間と周波数に対する応答性（
応答特性）との関係について調べるため二、周波数に対
するゲイン（△Ｖｐ／△１ｐデシベル（ｄＢ））を求め
、応答性の限界としてゲインがＯｄＢのときの周波数を
調べた　尚、ゲインＯｄＢとは△Ｖｐ／Δ１ｐ＝１で増
幅度１であり、それ以下では信号は減衰される。この結
果左横軸に測定空間をとり縦軸にゲインＯｄＢとなる周
波数をとった第１３図に示す。図から明らかなように、
測定空間が小さくなるほど周波数特性が向上することが
わかる。また、例えばエンジンでは実用上１０Ｈｚ以上
を必要とするので、測定空間の容積は０　、０５ｍｍ３
〜］、　０ｍｍ３としたものが、空燃比検出素子の応答
性がよく好適である。

（実験例８） また、上記実験例７の測定空間の容積の範囲内で、ポン
プ電流ｉｐと電池電圧Ｖｓとの関係から急峻な７カーブ
、即ち良好な測定精度が得られるか否かを調べた　その
結果を第１４図（測定空間０　、２３ｍｍ３）及び第１
５図（測定空間０．７５ｍｍ３）に示すが、それぞれ縦
軸にポンプ電流１ｐをとり横軸に電池電圧Ｖｓｔとった
グラフである。

両図から明らかなように上記測定空間の容積の範囲内の
試料では急峻なＺカーブ、即ち良好な測定精度が得られ
る。

特に、上記実験例６で述べたように、電極面積は３　ｍ
ｍ２以上が望ましいので、測定空間の間隙は２０μｍ〜
１００μへ　特にそのうちでも３．０　Ｂ　ｍｍ１００
μｍが測定精度及び応答性に優れ好適である。

尚、測定空間の間隙が２０μｍを下回ると、ガス拡散が
狭い間隙により律速されてＶｓ−ｌｐ特性が急峻でなく
なるので、間隙の下限値は２０μｍとされる。

（実験例９） 次に、その他の実験例として、電極の外周と、固体電解
質及び遮蔽体との外周の差、即ち接着幅ａ（第１図）の
適正値を求めるために行った実験について説明する。こ
の実験では素子幅Ｗを４゜０唾　素子厚さｔを１．２５
ｍｍで一定にし、接着幅ａとサイクル数とを変えて、サ
ーマルショックによる剥離等を調べた　その結果を縦軸
にサイクル数をとり横軸１こ接着幅ａをとった第１６図
に示す。図から明らかなように、接着幅ａｈ＜０．７ｍ
ｍ以上であれば、２００サイクル以上の急熱急冷試験を
行なっても剥離等もなくサーマルショックにも強く好適
である。

以上の実験例から明らかなように、始動時などこヒータ
で急速に加熱しても、す〜マルショック二よって空燃比
検出素子が損なわれて、空燃比を検出する能力や耐久性
が損なわれることがない。

更に、ヒータを用いて急加熱できるので、始動開始温度
になるまでの時間が短く、始動時に迅速に空燃比の測定
が可能になる。また、ガス拡散室も小さくでき空燃比セ
ンサの応答性も向上する。

また特に空燃比検出素子の厚さｔｈ＜０．７ｍｍ〜１．
２５凧　好ましくはＯ’、９ｍｍ〜１．１５ｍｍの範囲
であり、かつ素子幅Ｗが２．８ｍｍ〜４．０ｍｍの範囲
であれ］ｆ、、顕著な耐サーマルショック性があるので
、測定ガスがリークすることもない。またこの寸法の範
囲の空燃比検出素子は、暖機特性も優れているので始動
後に極めて迅速に測定を開始できる利点がある。更に、
空燃比検出素子の寸法が上記範囲内では、寸法が小さす
ぎることによる製造時の間坦　即ち印刷工程で多孔質電
極のペースト内の溶剤が、固体電解質基板等のシートに
浸入することによって生ずるシート印刷部の歪みを生ず
ることもなく印刷精度が低下することもない。またガス
拡散室の測定空間の間隙が２０μｍ〜１００μｍの範囲
であり、かつ測定空間の容積が０、０５ｍｍ３−１　、
０ｍｍ３の範囲であれば、周波数特性や測定精度もよく
好適である。更に、接着幅が０．７ｍｍ以上であればサ
ーマルショックによって剥離が生ずることもない。

［発明の効果］ 以上説明したように、本発明の空燃比検出素子は、寸法
が特定されているので、耐サーマルショック性に優れか
つ十分な強度を備えている。従って、始動時にヒータ等
で急加熱することができるので暖機特性が向上し、かつ
応答性や測定精度も優れたものとなる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本実施例の空燃比検出素子の斜視図、第２図は
空燃比検出素子及びヒータの一部破断斜視図、第３図は
その分解斜視図、第４図はヒータの分解斜視図、第５図
は急熱急冷サイクルの実験方法を示す説明は　第６図は
急熱急冷サイクルと素子厚さとの関係を示すグラフ、第
７図は急熱急冷サイクルと素子幅及び素子厚さとの関係
を示すグラフ、第８図は発熱パターンを示す平面は　第
９図は所定Ｖｓに至る経過時間と素子幅との関係を示す
グラフ、第１０図は所定Ｖｐに至る経過時間と素子幅と
の関係を示すグラフ、第１１図は暖機特性を示すグラフ
、第１２図はＶｐと１ｐ電極面積との関係を示すグラフ
、第１３図は周波数と測定空間との関係を示すグラフ、
第１４図及び第１５図はＶｓと１ｐによる測定精度を示
すグラフ、第１６図は急熱急冷サイクルと接着幅どの関
係を示すグラフである。 １・・・空燃比検出素子 ２・・・ヒータ ３、１ｏ・−国体電解質基板 ４、　６．　１２．　１４・・多孔質電極８・・酸素濃
淡電池素子 ］６−・−酸素ポンプ素子 １８・・ガス拡散室 ２０．２２・・・内部スペーサ ６０　・外部スペーサ

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １　少なくとも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、該酸素ポンプ素子の一方の多孔
   質電極を覆うガス拡散室と、該ガス拡散室と測定雰囲気
   とを連通するガス導入部とを設けた空燃比検出素子にお
   いて、上記空燃比検出素子の厚さを０．７ｍｍ〜１．２
   ５ｍｍとし、かつ該素子の幅を２．８ｍｍ〜４．０ｍｍ
   としたことを特徴とする空燃比検出素子。 ２　上記空燃比検出素子のガス導入部でガス律速すると
   ともに、上記ガス拡散室の測定空間の間隙を２０μｍ〜
   １００μｍとし、かつ測定空間の容積を０．０５ｍｍ＾
   ３〜１．０ｍｍ＾３としたことを特徴とする請求項１記
   載の空燃比検出素子。