JPH0631423Y2

JPH0631423Y2 - 空燃比センサ

Info

Publication number: JPH0631423Y2
Application number: JP1987155660U
Authority: JP
Inventors: 繁宮田; 哲正山田
Original assignee: NGK Spark Plug Co Ltd
Current assignee: Niterra Co Ltd
Priority date: 1987-10-12
Filing date: 1987-10-12
Publication date: 1994-08-22
Anticipated expiration: 2002-10-12
Also published as: JPH0159859U

Description

【考案の詳細な説明】［産業上の利用分野］本考案は、酸素ポンプ素子と酸素ガス検出素子とを備え
る空燃比センサに関する。

［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り最適な条件で運転するた
めに、空燃比センサにより排気中の酸素濃度を検出し、
燃焼機器中で燃焼される混合気を所望の空燃比に制御す
ることが行われている。

上記のような空燃比センサとして、ZrO₂等の酸素イオン
伝導性固体電解質を用いた板状酸素ポンプ素子上に、Ti
O₂等の周囲雰囲気の酸素ガス濃度に応じて抵抗の変化す
る金属酸化物からなる酸素ガス検出素子を積層し、さら
に酸素ガス検出素子上に周囲雰囲気を拡散制限的に連通
する多孔質層とを積層した構造の空燃比センサが、例え
ば特開昭６１−１９５３３８号に提案されている。

この空燃比センサは、酸素ポンプ素子と酸素ガス検出素
子との界面近傍の空燃比λが、例えばλ＝１となるよう
酸素ガス検出素子の出力によって酸素ポンプ素子に印加
されるポンプ電流Ｉｐを調整し、このポンプ電流Ｉｐか
ら周囲雰囲気の空燃比を求めるようにして使用される。

この従来の空燃比センサは、酸素ポンプ素子と酸素ガス
検出素子との界面近傍の空燃比λを検出するために、基
準酸素源が不要な酸素ガス検出素子を使用しているの
で、構成が簡単で製造が容易である。

［考案が解決しようとする問題点］しかし、上記特開昭６１−１９５３３８号の従来の空燃
比センサは、酸素ポンプ素子が酸素ガス濃度を調整する
位置と、酸素ガス検出素子が酸素ガス濃度を検出する位
置とが隔たっているため、応答が余り速くないという不
満がある。

すなわち、酸素ポンプ素子は、外部から酸素ガス検出素
子側の電極に酸素ガスを輸送したり、あるいは酸素ガス
検出素子側の電極近傍の酸素ガスを外部に輸送する。そ
のため、酸素ポンプ素子の酸素ガス検出素子側多孔質電
極近傍の酸素ガス濃度が先ず調整される。一方、酸素ガ
ス検出素子は、その電極間の金属酸化物の抵抗が変化す
ることで酸素ガスを検出するが、上記従来の空燃比セン
サでは、酸素ガス検出素子の２つの電極と酸素ポンプ素
子の電極とが並んで酸素ポンプ素子の一方の面に形成さ
れている。

そのため、酸素ポンプ素子にポンプ電流が通電されて生
じた酸素ガス濃度の変化は、多孔質電極、酸素ガス検出
素子等の多孔質体内を拡散・移動して酸素ガス検出素子
の検出部に伝わる。したがって、酸素ポンプ素子にポン
プ電流を通電してから、酸素ガス検出素子の検出部の雰
囲気が変化するまでに時間がかかり、上記空燃比センサ
の応答は速くないのである。

［問題点を解決するための手段］本考案は、上記従来の空燃比センサの問題点を有利に解
決することを目的とし、次のような構成を採用した。

即ち、本考案の要旨とするところは、固体電解質体の表裏面に一対の多孔質電極を有する酸素
ポンプ素子と、周囲の酸素ガス分圧に対応して抵抗が変化する金属酸化
物からなる感ガス層を有し、上記酸素ポンプ素子に積層
された酸素ガス検出素子と、該酸素ガス検出素子に積層され、上記酸素ガス検出素子
と周囲雰囲気とを拡散制限的に連通する多孔質層と、を備えた空燃比センサにおいて、上記酸素ポンプ素子の一方の電極を櫛状に形成するとと
もに、該櫛状の電極と上記酸素ガス検出素子用の一方の
電極とを共通とし、かつ上記酸素ガス検出素子用の他方
の電極を上記共通の電極の櫛歯間に挿入するように、上
記酸素ポンプ素子の固体電解質体上に電気絶縁性セラミ
ック層を介して積層し、更に、該電気絶縁性セラミック
層の電極積層面と上記共通の電極が積層される面とがほ
ぼ同一平面になるように形成したことを特徴とした空燃
比センサにある。

ここで、板状酸素ポンプ素子としては、前述の特開昭６
１−１９５３３８号に記載されるように、板状の酸素イ
オン伝導性固体電解質の両面に多孔質電極を設けた素子
を用いればよい。

この酸素ポンプ素子は、酸素イオン伝導性固体電解質が
適当な温度条件（例えば、固体電解質がZrO₂系固溶体の
場合４００℃以上）にあると、上記一対の多孔質電極間
に電圧をかけることにより固体電解質中を酸素イオンが
移動する性質を利用する。

即ち、この酸素ポンプ素子の一対の電極間に電圧を加え
ると、電極電位の低い方から高い方へ、酸素イオンが移
動するために、電極電位の低い側では酸素ガス分圧が減
少し、逆に電極電位の高い側では酸素ガス分圧が増加す
る。また、上記固体電解質の荷電担体は酸素イオンであ
るために、上記電極間に流れる電流量を調節することに
より、酸素イオンの移動量を調節することができる。

上記の酸素イオン伝導性固体電解質としては、ZrO₂とY₂
O₃あるいはCaOとの固溶体が代表的なものである。その
他にも二酸化セリウム、二酸化トリウム、二酸化ハフニ
ウムの各固溶体、ペロブスカイト型酸化物固溶体、３価
金属酸化物固溶体等がこの酸素イオン導電性固体電解質
として使用可能である。

多孔質電極は、Ｐｔ、Ｒｕ、Ｐｄ、Ｒｈ、Ｉｒ、Ａｇ、
Ａｕ等の耐熱性に優れる金属をフレーム溶射、化学メッ
キ、蒸着あるいは上記金属のペーストをプリント印刷焼
結する等の方法により形成すればよい。

上記酸素ガス検出素子としては遷移金属酸化物を用いれ
ばよい。これらは金属元素と酸素の比が整数ではない非
化学量論的化合物となりやすいものである。この非化学
量論のために、これらの酸化物は周囲の酸素分圧によっ
て導電率が変化し易くなるのである。中でもTiO₂、Co
O、SnO₂，ZnO、Nb₂O₅，Cr₂O₃は、酸素分圧の変化に対す
る導電率変化が大きいこと、耐久性に優れること等の点
から好ましい。

［作用・効果］本考案の空燃比センサでは、酸素ガス検出素子の一方の
電極と酸素ポンプ素子の一方の電極とが共通部材（以下
その電極を共通電極と称す）とされるとともに、上記酸
素ガス検出電極の他方の電極（２０ａ）は、上記一方の
電極である共通電極（１０ｅ）と酸素ポンプ素子の固体
電解質体の表面上に並べて配置されるために、酸素ポン
プ素子によって酸素ガス濃度が調節される位置と、酸素
ガス検出素子の酸素ガス濃度の検出位置とが一致し、応
答性が向上する。

また同時に、この共通電極の構成によって、従来の空燃
比センサよりも電極の数が減り高価な電極材料の節約が
果たされ、かつ又、構成も簡素化されるという顕著な効
果を奏する。

また、本考案では、上記共通電極が櫛状にされるととも
に、その共通電極の櫛歯間に挿入するように酸素ガス検
出素子の他方の電極が形成されるために、それらの電極
間の感ガス作用性部分が少なくとも２つ以上形成され、
かつ該部分には相互に均等な被感ガス用雰囲気が形成さ
れるようになり、安定した出力性能が得られる。

更に、本考案では、燃焼排ガスと直接的に接触する側か
ら、感ガス層，共通電極及び酸素ガス検出素子の他方の
電極，固体電解質体，酸素ポンプ素子の他方の電極の順
に積層されていて、酸素ガス検出素子の１対の電極は、
感ガス層と固体電解質体との間に挟まれた構成であるた
めに、酸素ガス検出素子の電極にカーボン等が付着しに
くく、該電極の劣化やその性能の低下を防止する。

更にまた、共通電極と酸素ガス検出素子の他方の電極と
の間には隙間部分があり、この隙間部分では、感ガス層
と固体電解質体とが直接に接触するが、感ガス層と固体
電解質体とは同じセラミックス同士であるので、その接
合性が良好で接合強度が高く、またその結果、感ガス層
と共通電極及び上記他方の電極との電気的接続が良好に
保持される。

その上、本考案の空燃比センサを製造する際には、１つ
の基板上に厚膜印刷によって容易に電極を形成でき、更
にそれを同時焼成することによって、簡単，正確かつ安
定強固に空燃比センサを製造できるという効果がある。

［実施例］本考案の一実施例を図を用いて説明する。本考案はこれ
に限られるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲の
種々の態様のものが含まれる。

本実施例の空燃比センサの構成を第１図の部分破断斜視
図、第２図の分解斜視図を用いて説明する。

本空燃比センサは、酸素イオン伝導性固体電解質である
ZrO₂系固溶体を用いた酸素ポンプ素子１０と、周囲の酸
素ガス分圧によってその抵抗値が変化するTiO₂を用いた
酸素ガス検出素子２０と、該酸素ガス検出素子２０を覆
う多孔質ガス拡散制限部３０とを備える空燃比センサで
ある。

上記酸素ポンプ素子１０は、厚さ０．７mm×巾４mm×長
さ３５mmのZrO₂系固体電解質焼結板状体１０ａと、板状
体１０ａの先側の一方の面で先側の三方の端縁から少し
控えた位置に櫛形に設けられたＰｔ製多孔質電極１０ｂ
と、上記板状体１０ａの他方の面で上記多孔質電極１０
ｂと同形状の櫛形開口部を有するここではAl₂O₃製の電
気絶縁性セラミック層１０ｃおよび該櫛形開口部に充填
されるZrO₂系固体電解質層１０ｄと、該固体電解質層１
０ｄおよび上記板状体１０ａを介して上記多孔質電極１
０ｂに相対する櫛形のＰｔ製多孔質電極１０ｅと、上記
多孔質電極１０ｂ，１０ｅより上記板状体１０ａの元側
へまっすぐに伸びる帯形状のＰｔ製引出し線１０ｆ，１
０ｇと、上記多孔質電極１０ｂのZrO₂製保護層１０ｈお
よび上記引出し線１０ｆのAl₂O₃製保護層１０ｉとを備
える。

上記酸素ガス検出素子２０は、上記酸素ポンプ素子１０
の多孔質電極１０ｅと、上記絶縁層１０ｃ上で上記多孔
質電極１０ｅと噛み合うように対向して設けられた櫛形
のＰｔ製多孔質電極２０ａと、Al₂O₃製絶縁層２０ｂお
よびZrO₂製基板２０ｃの窓部２０ｄ内で上記多孔質電極
１０ｅ，２０ａを覆うTiO₂製感ガス層２０ｅと、多孔質
電極２０ａより板状体１０ａの元側へまっすぐに伸びる
帯形状の耐熱金属層の引出し線２０ｆとを備える。

また、多孔質ガス拡散制限部３０は、上記ZrO₂製基板２
０ｃの窓部２０ｄ内で、上記感ガス層２０ｅを覆うTiO₂
製多孔質層である。この拡散制限部３０の気孔率は上記
感ガス層２０ｅの気孔率より低く設定されるため、周囲
雰囲気と上記多孔質電極１０ｅ，２０ａ近傍との間は、
拡散制限的に連通する。尚、この気孔率は、特開昭６２
−１５０１５６号に記載される如く、空燃比センサの製
造後に、多孔質ガス拡散制限部３０へ硝酸アルミニウム
水溶液、塩化白金酸塩水溶液等を滴下し、焼成すること
により調節が可能である。

さらに、本空燃比センサは、上記櫛形の電極１０ｅの周
囲に発熱体４０を備える。

本空燃比センサは、以下のように製造される。

先ず、ZrO₂ペースト、Al₂O₃ペースト、Ｐｔペースト、T
iO₂ペーストを調整する。

（１）ZrO₂ペーストの調整（１）−ZrO₂（９４モル％）とY₂O₃（６モル％）を、
湿式にて４０時間混合粉砕する。

（１）−この混合粉砕物を乾燥後、１３００℃で２時
間仮焼する。

（１）−この仮焼物を、湿式にて４０時間粉砕し、固
体電解質原料粉末を得る。

（１）−固体電解質原料粉末に、有機バインダー、メ
チルエチルケトン、トルエン等を添加し、ZrO₂ペースト
とする。

（２）Al₂O₃ペーストの調整（２）−Al₂O₃92wt％、ＭｇＯ３wt％、及び焼結助剤
（ＳｉＯ_２、ＣａＯ等）５wt％をポットミルにて２０時
間混合する。

（２）−この混合物に有機バインダーとしてポリビニ
ールブチラール１２wt％、フタル酸ジブチル４wt％を添
加し、溶剤としてメチルエチルケトン、トルエン等を加
え、更にポットミルで１５時間混合してAl₂O₃ペースト
とする。

（３）Ｐｔペーストの調整白金黒とスポンジ状白金とを２：１の割合に混合物に、
溶剤、粘結材を加え、電極用のＰｔペーストを得る。

（４）TiO₂ペーストの調整大気中１２００℃で１時間仮焼したTiO₂粉末に対し、バ
インダーとしてエチルセルロースを添加し、これらをブ
チカルビトール（２−（２−ブトキシエトキシ）エタノ
ールの商品名）中で混合し、TiO₂ペーストを得る。この
TiO₂ペーストは、感ガス層２０ｅ用の大きい粒径のTiO₂
粉末を用いたものと、拡散制限部３０用の細かい粒径の
TiO₂粉末を用いたものの２種類調整する。

続いて、以下のようにして空燃比センサを形成する。

（５）上記ZrO₂ペーストからドクターブレード法によ
り、０．８mm厚の板状体１０ａとなるZrO₂グリーンシー
トを得る。

（６）このZrO₂グリーンシートの一方の面に、上記Ｐｔ
ペーストを用いて、第２図に示す多孔質電極１０ｂ，引
出し線１０ｆのパターンをスクリーン印刷で３０μｍ厚
に形成する。そして、上記ZrO₂ペーストを用いて多孔質
電極１０ｂの保護層１０ｈを形成し、上記Al₂O₃ペース
トを用いて引出し線１０ｆの保護層１０ｉを形成する。

（７）ついで、このZrO₂グリーンシートの他方の面に、
上記Al₂O₃ペーストを用いて第２図に示す電気絶縁性セ
ラミック層１０ｃおよび上記ZrO₂ペーストを用いて第２
図に示す固体電解質層１０ｄを形成する。

（８）さらに、この絶縁層１０ｃおよび固体電解質層１
０ｄ上に、上記Ｐｔペーストを用いて第２図に示す多孔
質電極１０ｅ，２０ａ、引出し線１０ｇ，２０ｆおよび
発熱体４０の各パターンをスクリーン印刷で３０μｍ厚
に形成する。

（９）そして、この電極パターンに重ねて、上記Al₂O₃
ペーストを用いた絶縁層２０ｂ、ZrO₂ペーストにより作
成した開口部２０ｄを有するZrO₂グリーンシート２０ｃ
を積層圧着する。

（１０）上記積層体を、３００℃、６時間で樹脂抜きを
行った後、大気中雰囲気中、１５００℃、４時間の条件
で焼成する。

（１１）続いて、上記焼成体の開口部２０ｄに、感ガス
層２０ｅとなる上記大きいTiO₂粉末を用いたTiO₂ペース
トを厚膜印刷技術で充填し、次いで、この充填層に重ね
てガス拡散制限部３０となる上記小さいTiO₂粉末を用い
たTiO₂ペーストを厚膜印刷技術で充填する。

（１２）その後、上記工程を終えた積層体を１２００℃
大気中に１時間放置して焼成して、本実施例の空燃比セ
ンサを得る。

以上説明したように、本実施例の空燃比センサは、酸素
ポンプ素子１０の一方の多孔質電極１０ｅを酸素ガス検
出素子２０の一方の多孔質電極としても使用するととも
に、上記酸素ガス検出素子の他方の電極２０ａは、上記
一方の電極１０ｅと酸素ポンプ素子の固体電解質体の表
面上に並べて配置したため、酸素ポンプ素子１０によっ
て酸素ガス濃度が調整される位置と、酸素ガス検出素子
の酸素ガス濃度の検出位置とが一致し、空燃比センサの
応答が速くなると同時に、電極材料の節約ができ、かつ
構成もより簡素化される。

また、共通電極１０ｅと酸素ガス検出素子の他方の電極
２０ａとを櫛状とし、上記共通電極１０ｅの櫛歯間に上
記他方の電極２０ａを挿入するようにして感ガス作用性
の電極間部分（４つ）形成を形成したので、より安定し
た出力性能が得られる。

また更に、本実施例では、周囲雰囲気に（多孔質ガス拡
散制限部３０を介して）接する側から、感ガス層２０
ｅ，両多孔質電極１０ｅ，２０ａ，固体電解質層１０
ｄ，多孔質電極１０ｂの順に積層されていて、感ガス層
のための多孔質電極１０ｅ，２０ａは、感ガス層２０ｅ
と固体電解質層１０ｄとの間に挟まれた構成となってい
るため、この多孔質電極１０ｅにカーボン等が付着しに
くく、電極の劣化や性能の低下を防止することができ
る。

また、両多孔質電極１０ｅ，２０ａの間には、絶縁のた
めに隙間があり、この隙間部分では、感ガス層２０ｅと
固体電解質層１０ｄとが直接に接触するが、感ガス層２
０ｅと固体電解質層１０ｄとは同じセラミックス同士で
あるので、その接合性が良好で接合強度が高い。またそ
の結果、感ガス層２０ｅ多孔質電極１０ｅ，２０ａとの
電気的接触状態も良好に維持される。

その上、本実施例の空燃比センサを製造する際には、１
つの基板上に厚膜印刷によって容易に電極１０ｅ，２０
ａ等を形成でき、更にそれを同時焼成することによっ
て、簡単、正確かつ安定強固に空燃比センサを製造でき
るという効果がある。

【図面の簡単な説明】

第１図は本考案の一実施例の破断斜視図、第２図はその
分解斜視図である。１０……酸素ポンプ素子、１０ａ……固体電解質焼結板状体、１０ｂ……多孔質電極、１０ｃ……電気絶縁性セラミック層、１０ｅ……多孔質電極（酸素ガス検出素子の一方の多孔
質電極を兼ねる）、２０……酸素ガス検出素子、２０ａ……多孔質電極、２０ｅ……感ガス層、３０……多孔質ガス拡散制限部

Claims

【実用新案登録請求の範囲】

【請求項１】固体電解質体の表裏面に一対の多孔質電極
を有する酸素ポンプ素子と、周囲の酸素ガス分圧に対応
して抵抗が変化する金属酸化物からなる感ガス層を有
し、上記酸素ポンプ素子に積層された酸素ガス検出素子
と、該酸素ガス検出素子に積層され、上記酸素ガス検出素子
と周囲雰囲気とを拡散制限的に連通する多孔質層と、を備えた空燃比センサにおいて、上記酸素ポンプ素子の一方の電極を櫛状に形成するとと
もに、該櫛状の電極と上記酸素ガス検出素子用の一方の
電極とを共通とし、かつ上記酸素ガス検出素子用の他方
の電極を上記共通の電極の櫛歯間に挿入するように、上
記酸素ポンプ素子の固体電解質体上に電気絶縁性セラミ
ック層を介して積層し、更に、該電気絶縁性セラミック
層の電極積層面と上記共通の電極が積層される面とがほ
ぼ同一平面になるように形成したことを特徴とした空燃
比センサ。
【請求項２】上記固体電解質体が、ZrO₂系固溶体である
実用新案登録請求の範囲第１項記載の空燃比センサ。
【請求項３】上記酸素ガス検出素子が、SnO₂，TiO₂，Nb
₂O₅，V₂O₅，Cr₂O₃，CoO及びNiOから選ばれた１種又は２
種以上からなる実用新案登録請求の範囲第１項または第
２項いずれか記載の空燃比センサ。