JPH0635953B2 - 空燃比センサ - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明は、酸素ガス検出素子と酸素ポンプ素子と加熱素
子とを備えた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理論空燃比近傍に制御
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、ジルコニア質の板状
酸素ポンプ素子と、酸素ガス検出部を有する板状酸素ガ
ス検出素子とを、ガス拡散制限部を介して周囲被測定ガ
スと連通する測定ガス室を介して対向させたものがある
（例えば、特開昭５８−１５３１５５）。

このような空燃比センサにおいては、酸素ガス検出素子
により検出される測定ガス室内の酸素ガス分圧を所定す
るように、板状酸素ポンプ素子を用いて上記測定ガス室
内と周囲被測定ガスとの間で酸素を輸送し、該輸送に必
要なポンプ電流より、周囲被測定ガスの空燃比を求め
る。

即ち、測定ガス室内の酸素ガス分圧が一定であれば、ガ
ス拡散制限部を通じて測定ガス室内に流入あるいは測定
ガス室内から流出する酸素ガス量は周囲被測定ガス中の
酸素ガス分圧によって定まる。このようにして生じる測
定ガス室内の酸素ガス分圧の変動は酸素ガス検出素子に
よって検出され、酸素ポンプ素子に電圧を印加して測定
ガス室内の酸素ガス分圧が所定となるまで酸素を移動さ
せることにより測定ガス室内の酸素を増加あるいは減少
させる。ところで、酸素ポンプ素子の荷電担体は酸素イ
オンである。そのため、上記酸素ポンプ素子によって移
動した酸素量は酸素ポンプ素子に流れた電流に比例す
る。従って、上記ガス拡散制限部を通じて測定ガス室内
に流入あるいは測定ガス室内から流出した、被測定ガス
中の酸素ガス分圧に対応する酸素ガス量を、酸素ポンプ
素子に流れる電流から知ることができるものである。

尚、酸素ポンプ素子等に使用される酸素イオン伝導性固
体電解質は、温度が上昇するに従って酸素の易動度が増
加し、例えば、３５０℃以上で酸素ポンプ素子等として
使用できる程度の酸素易動度となる。そのため、上記の
ような空燃比センサは、測定時の温度調節、温度補償を
目的として、発熱抵抗体を備えた加熱素子を有する。

［発明が解決しようとする問題点］ 上記のような空燃比センサは、酸素ポンプ素子に電圧を
印加して酸素を移動させることよって測定ガス室内の酸
素ガス分圧を一定とする。そのため、測定ガス室内の酸
素ガス分圧が高くなりすぎた場合等に酸素ポンプ素子の
能力以上の酸素を輸送することが必要となる場合があ
る。

このような場合には、酸素ポンプ素子に高い電圧か印加
されることになるため、酸素ポンプ素子を構成するジル
コニアの一部が分解して、黒くなると共に電気特性が変
わる（以下、ブラックニングという）。

即ち、ＺｒＯ_２が一部電気的に分解されてＺｒＯ_2-X と
なってしまうのである。

［問題点を解決するための手段］ 本発明は、上記問題点を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、本発明の要旨とするところは、 表裏面に一対の多項質電極を有する酸素イオン伝導性固
体電解質からなる板状酸素ポンプ素子と、 周囲の酸素ガス分圧に応じて電気的特性の変化する酸素
ガス検出部を有する板状酸素ガス検出素子と、 上記酸素ポンプ素子と上記酸素ガス検出素子とを間隙を
介して対向することにより形成され、かつガス拡散制限
部を介して周囲被測定ガスと連通する測定ガス室とを有
し、 上記板状酸素ポンプ素子を用いて上記測定ガス室内と周
囲被測定ガスとの間で酸素を輸送すると共に、上記板状
酸素ガス検出素子を用いて上記測定ガス室内の酸素ガス
分圧を検出することにより、周囲被測定ガスの空燃比を
測定する空燃比センサにおいて、 主として上記酸素ポンプ素子の電極を加熱する第１の加
熱部、及び主として上記測定ガス室のガス拡散制限部を
加熱する第２の加熱部を有する板状加熱素子を、上記酸
素ポンプ素子の上記測定ガス室に接しない面と、周囲被
測定ガスに連通する間隙を介して対向して設けるととも
に、上記第１の加熱部の加熱能力を上記第２の加熱部の
加熱能力よりも高く設定することによって、上記酸素ポ
ンプ素子の電極の温度を上記ガス拡散制限部の温度より
高めたことを特徴とする空燃比センサにある。

ここで、上記酸素ポンプ素子に用いられる酸素イオン伝
導性固体電解質としては、ジルコニアとイットリアある
いはカルシア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、二酸化ハウニウ
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酸素イオン導電性固体電解質として
使用可能である。

上記酸素ポンプ素子に用いられる多項質電極は、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。

本発明に使用される板状酸素ガス検出素子として、例え
ば、板状の酸素イオン伝導性固体電解質の両面に多項質
電極を設けた酸素濃淡電池素子を用いることができる。
この素子は、電解質板の表裏面間の酸素ガス分圧差に応
じた起電力を発生するので、一方の面の電極を測定ガス
室内に晒し、他方の面の電力を基準となる酸素源に晒す
ことによって、測定ガス室内の酸素ガス分圧を知るここ
ができる。この基準となる酸素源としては、酸素濃淡電
池素子の外側電極を遮蔽体によって覆い、該酸素濃淡電
池素子に所定の電圧を加えることによって外側電極に輸
送蓄積された酸素や、酸素濃淡電池素子の外側電極に導
入された大気等を使用することができる。

又、酸素ガス検出素子として、酸素ガス分圧に応じて導
電率の変化する酸化物半導体を用いたものも使用でき
る。この酸化物半導体としては、遷移金属酸化物を用い
ればよい。これ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ＴｉＯ_２、
ＣｏＯ、ＳｎＯ_２、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。そして、この導電率
変化から測定ガス質内の酸素ガス分圧を測定できる。

本発明の測定ガス質は、例えば、アルミナ、スピネル、
フォルステライト、ステアタイト、ジルコニア等からな
る層状中間部材としてのスペーサを板状酸素ポンプ素子
と板状酸素ガス検出素子との間に挟むことによって、偏
平な閉鎖状の室として設けられる。そしてガス拡散制限
部としてこのスペーサの一部に測定ガス雰囲気を測定ガ
ス室とを連通させる孔を設ける。このガス拡散制限部
は、上記スペーサの一部あるいは全部を多項質体で置き
換えたり、スペーサ（厚膜コートを含む）に孔を設けた
り、更には、スペーサを板状酸素ポンプ素子と板状酸素
ガス検出素子の端子側にのみ設けて板状酸素ポンプ素子
と板状酸素ガス検出素子との間に空隙を形成し、この空
隙を測定ガス室と一体のガス拡散制限間隙として設ける
ことができる。また上記空隙の全体に、電気絶縁性であ
ることが望ましい多項質材を配してもよい。

本発明に使用される加熱素子は、主として酸素ポンプ素
子の電極を加熱する第１の加熱部、及び主として測定ガ
ス室のガス拡散制限部を加熱する第２の加熱部を有す
る。これらの加熱部は、例えば、電気絶縁性無機質板状
体の一方の面の酸素ポンプ素子の電極に対応する位置と
ガス拡散制限部に対応する位置とに、第１の加熱部と第
２の加熱部とになる帯状発熱体を各々プリント印刷によ
って形成すればよい。又、第１の加熱部及び第２の加熱
部を連結して１本の波型線状の発熱体とし、電極の位置
と酸素ガス拡散制限部に対応する位置での発熱量が大き
くなるようにしてもよい。電気絶縁性無機質板状体材料
としては、例えば、アルミナ、スピネル、フォルテステ
ライト、ステアタイト、ジルコニア等をあげることがで
き、発熱体材料としては、例えば、白金、金等の耐熱金
属をあげることができる。

この加熱素子と酸素ポンプ素子との間隙は、両素子の間
に測定ガス室と同様の手段、例えばスペーサによって形
成される。この間隙の周囲被測定ガスとの連通は、例え
ば、前記スペーサに設けられたガス拡散制限性の少ない
多数の孔や、前記スペーサを素子の端子側のみに設け間
隙の縁部で行えばよい。

本発明の空燃比センサは例えば以下の方法によって製造
することができる。

先ず、酸素ポンプ素子と酸素ガス検出素子とを上記のよ
うに測定ガス室、ガス拡散制御部を形成するよう組み立
てる。

次いで、加熱素子を上記酸素ポンプ素子の測定ガス室に
接しない面と間隙を介して対向するよう固定する。該間
隙は、上述のように耐熱性無機質板状体等からなるスペ
ーサを加熱素子と酸素ポンプ素子との間に設けることに
よって形成すればよい。この間隙は余り狭いと酸素ポン
プ素子の外側電極に周囲雰囲気が十分到達しないので、
５０μｍ以上が好ましい。又、逆にこの間隙が余り広い
と酸素ポンプ素子の電極及びガス拡散制限部が加熱素子
の加熱部により加熱され難くなるので、２００μｍ以下
が好ましい。

更に、必要に応じて上記酸素ガス検出素子の測定ガス室
に接しない面に酸素ガス検出素子用の加熱素子を設けて
もよい。

［作用］ 本発明の空燃比センサは、酸素ガス検出素子により検出
される測定ガス室内の酸素ガス分圧を所定とするよう
に、板状酸素ポンプ素子を用いて上記測定ガス室内と周
囲被測定ガスとの間で酸素を輸送し、該輸送に必要なポ
ンプ電流より、周囲被測定ガスの空燃比を求める。

そして、前述のようにガス拡散制限部を流通する酸素ガ
ス量が、酸素ポンプ素子による酸素ガスの輸送能力を超
えると、ブラックニングが生じる。

このブラックニングは、以下の理由によって、生じると
思われる。

ガス拡散制限部を流通する酸素ガス量は、絶対温度の
１．７５乗に比例して増加し、酸素ポンプ素子の酸素ガ
スの輸送能力は酸素ポンプ素子電極の温度に比例して増
加する。

そのため、例えば、ガス拡散制限部の温度が酸素ポンプ
素子電極の温度に比べて高い場合には、ガス拡散制限部
を流通する酸素ガス量が酸素ポンプ素子の酸素輸送量に
比べて大きくなる。この様な場合には、測定ガス室内の
酸素ガス分圧を一定とするために、酸素ポンプ素子の電
極間に高い電圧（例えば３Ｖ以上）が印加されブラック
ニングが生じる状態となってしまう。

又、例えば、酸素ポンプ素子の電極温度が７００℃以下
の場合には、酸素ポンプ素子を形成する固体電解質自身
の内部抵抗が大きく、酸素ポンプ素子の酸素輸送能力が
不足し、測定ガス室内の酸素ガス分圧を一定とするのに
酸素ポンプ素子の電極間に高い電圧を印加することが必
要となり、やはりブラックニングを生じる状態となって
しまう。

言い換えれば、酸素ポンプ素子の電極間を７００℃以上
であり、かつ、ガス拡散制御部以上の温度にすることに
より、酸素ポンプ素子の電極間に印加される電圧は低く
なり、ブラックニングが生じることはなくなるのであ
る。

本発明の空燃比センサは、主として上記酸素ポンプ素子
の電極を加熱する第１の加熱部、及び主として上記測定
ガス室のガス拡散制御部を加熱する第２の加熱部を有す
る板状加熱素子を備える。

第１の加熱部は酸素ポンプ素子の電極のみ加熱すれば良
く、又第２の加熱部はガス拡散制御部のみ加熱すれば良
い。従って、酸素ポンプ素子の電極及びカム拡散制御部
は各々効率的に加熱される。

又、本発明では、上記第１の加熱部の加熱能力は上記第
２の加熱部の加熱能力よりも高く設定されている。そし
て、この加熱能力によって、上記酸素ポンプ素子の電極
の温度を上記ガス拡散制限部の温度より高めることがで
きるので、上述した様にブラックニングの生じない状態
にすることができる。例えば酸素ポンプ素子の電極の温
度をガス拡散制限部の温度より高めるとともにその温度
差を５０℃以内に設定することよって、常にガス拡散制
限部を流通する酸素ガス量より酸素ポンプ素子の酸素ガ
スの輸送能力が大きい状態とすることができブラックニ
ングの発生を抑えることができる。

［実施例］ 本発明の実施例を図を用いて説明する。本発明はこれに
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。又、各図の縮尺は説明上異
なる場合がある。

本発明の第１実施例の空燃比センサの構成を第１図の平
面図、第２図の分解斜視図及び第３図の断面図を用いて
説明する。

本空燃比センサＳ１は、第２図、第３図に示すように、
酸素イオン伝導性固体電解質を用いた酸素ポンプ素子１
０と、酸素ガス検出素子である同じく酸素イオン導電性
固体電解質を用いた酸素濃淡電池素子２０と、発熱体３
０を有する加熱素子４０とから構成される。本空燃比セ
ンサＳ１は、板状酸素ポンプ素子１０と板状酸素濃淡電
池素子２０との間に空隙５０が設けられ、この空隙５０
を測定ガス室と一体のガス拡散制限間隙としている。さ
らに、加熱素子４０と酸素ポンプ素子１０との間にも間
隙５２が設けられている。

酸素ポンプ素子１０の主体は厚さ０．７mm×巾４mm×長
さ３５mmの酸素イオン導電性固体電解質焼結板状体１０
ａである。酸素ポンプ素子１０の先側には、その表裏面
の相対する位置でかつ先側の三方の端縁から少し控えた
位置に耐熱金属層よりなる電極１０ｂ、１０ｃが方形状
に設けられている。一方の方形電極１０ｂの元側方向の
二つの角の内の一つより耐熱金属層よりなる引出し線１
０ｄが、板状体１０ａの元側へまっすぐに伸びる帯形状
に設けられている。同様に他方の方形電極１０ｃの元側
方向の二つの角の内、電極１０ｃと反対側の角より引出
し線１０ｅが板状体１０ａの元側へまっすぐに伸びる帯
形状に設けられている。引出し線１０ｅは元側で板状体
１０ａの表裏を貫通しているスルーホール１０ｆを通じ
て、その反対面の取り出し部１０ｇに電気的に接続され
ている。引出し線１０ｄは元側で取り出し部１０ｈを形
成し、その結果、同一面に二つの電極１０ｂ、１０ｃの
取り出し部１０ｇ、１０ｈが配設されることになる。

酸素濃淡電池素子２０も酸素ポンプ素子１０と同様に主
体は厚さ０．７mm×巾４mm×長さ３５mmの酸素イオン導
電固体電解質焼結板状体２０ａからなる。酸素濃淡電池
素子２０の先側には、その表裏面の相対する位置でかつ
先側の三方の端縁から少し控えた位置に耐熱金属層より
なる電極２０ｂ、２０ｃが方形状に設けられている。一
方の方形電極２０ｂの元側方向の二つの角の内の一つよ
り耐熱金属層よりなる引出し線２０ｄが、板状体２０ａ
の元側へまっすぐに伸びる帯形状に設けられている。同
様に他方の方形電極２０ｃの元側方向の二つの角の内、
電極２０ｃと反対側の角より引出し線２０ｅが板状体２
０ａの元側へまっすぐに伸びる帯形状に設けられてい
る。引出し線２０ｅは元側で板状体２０ａの表裏を貫通
しているスルーホール２０ｆを通じて、その反対面の取
り出し部２０ｇに電気的に接続されている。引出し線２
０ｄは元側で取り出し部２０ｈを形成し、その結果、同
一面に二つの電極２０ｂ、２０ｃの取り出し部２０ｇ、
２０ｈが配設されることになる。

加熱素子４０の主体は厚さ０．８mm×巾４mm×長さ３０
mmの電気絶縁性焼結板状体４０ａである。この加熱素子
４０の一方の面の先側には、耐熱金属層よりなる抵抗発
熱体３０が波形状に設けられている。又、抵抗発熱体３
０の二つの端部の各々から耐熱金属層よりなる引出し線
４０ｃ、４０ｄが板状体４０ａの元側へまっすぐに伸び
る帯形状に設けられている。引出し線４０ｃ、４０ｄは
元側で板状体４０ａの表裏を貫通しているスルーホール
４０ｅ、４０ｆを通じて、その反対面の取り出し部４０
ｇ、４０ｈに電気的に接続されている。

抵抗発熱体３０は、第１図に示すように、第１加熱部３
０ａと２つの第２加熱部３０ｂ、３０ｃとからなる。

ここで、第１加熱部３０ａの発熱線の幅は、０．３０mm
であり、第２加熱部３ｂ，３０ｃの発熱線の幅は０．３
５mmであり、引出し線４０ｃ、４０ｄの幅は１．２０mm
である。単位長さ当りの抵抗はそのパターンの幅が狭い
ほど大きく、又、単位長さ当りの抵抗が高いほど発熱量
は大きくなる。従って、この発熱体３０に通電すると、
最も線幅の狭い第１加熱部３０ａに加熱される酸素ポン
プ素子の電極１０ｂ（対応する位置Ａを第１図中に破線
で示す）の温度は高く、第１加熱部３０ａより幅の広い
第２加熱部３０ｂ，３０ｃに加熱される間隙５０の周縁
部（ガス拡散制限部）の温度は比較的低くなる。

第２図に示す上記酸素ポンプ素子１０、酸素濃淡電池素
子２０、加熱素子４０の取り出し部１０ｇ、１０ｈ、２
０ｇ、２０ｈ、４０ｇ、４０ｈには、リード線として白
金線６０ａ〜ｆが接続されている。

上記酸素ポンプ素子１０と酸素濃淡電池素子２０との間
の空隙５０は厚さ１００μｍのスペーサ７０によって形
成され、酸素ポンプ素子１０と加熱素子４０との間の空
隙５２は厚さ０．８mm×長さ４mm×巾４mmのスペーサ７
２によって形成される。さらに、加熱素子４０の取り出
し部４０ａ、４０ｂは厚さ０．８mm×長さ４mm×巾４mm
の被覆材８０によって覆われている。

本実施例の空燃比センサＳ１は、以下のようにして製造
される。

先ず、酸素ポンプ素子１０、酸素濃淡電池素子２０を以
下の工程(1)-〜(1)-にて製造し、この素子１０、２
０を張り合わせて測定ガス室及びガス拡散制限部である
空隙５０を形成する。

(1)- ＺｒＯ_２（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、泥漿とする。

(1)- この泥漿からドクターブレード法により、０．
９mm厚のグリーンシートを得る。

(1)- 白金黒とスポンジ状白金とを２：１の割合にし
た混合物に、(1)-で得られた固体電解質原料粉末１０
重量％、溶剤、粘結材をくわえ、電極用ペーストを得
る。

(1)- (1)-にて得たグリーンシート上に、(1)-に
て得た電極用ペーストをスクリーン印刷で第１図のよう
な電極、引出し線、取り出し部の各パターンを４０μｍ
厚に形成した。

(1)- 上記電極ペーストを印刷したグリーンシートを
各素子の形状に切断して後、各素子のグリーンシートの
上記取り出し部のパターンに３mmφの白金線の端部を置
き、さらに、(1)-で得たグリーンシートの１片をかぶ
せ積層圧着した。

(1)- 上記各素子のグリーンシートは３００℃、６時
間で樹脂抜きを行った後、大気中雰囲気中、１５００
℃、４時間の条件で焼成した。このようにして酸素ポン
プ素子１０、酸素濃淡電池素子２０は製造される。

(1)- 上記のように製造された各素子１０、２０の対
向する電極１０ｃ、２０ｃ間の隙間が１００μｍとなる
よう、上記素子１０、２０を耐熱セメントにて固着張り
合わせする。この張り合わせに用いた耐熱セメントが、
上述したスペーサ７０となる。そして、この耐熱セメン
トによって形成される空隙５０が測定ガス室およびガス
拡散制限部となる。

次いで、加熱素子４０を、下記(2)-〜(2)-にて製造
し、(1)-で組み立てられた構造体に張り合わせる。

(2)- Ａｌ₂Ｏ₃９２重量％、ＭｇＯ３重量％、ＳｉＯ
_２３重量％、他にＣａＯ等を添加した原料粉末から、上
記(1)-、(1)-と同様にして、０．９mm厚のグリーン
シートを作成した。

(2)- 上記(1)-と同様に、(2)-で作成したグリー
ンシート上に上記(1)-で作成した電極用ペーストを用
いてスクリーン印刷より、第１図のような抵抗発熱体３
０、引出し線４０ｃ、４０ｄ、取り出し部４０ｇ、４０
ｈの各パターンを上記幅となるような幅で厚み２５μｍ
に形成する。

(2)- 上記(1)-、(1)-と同様にして、上記電極ペ
ーストを印刷したグリーンシートを加熱素子の形状に切
断して後、加熱素子のグリーンシートの上記取り出し部
パターンに３mmφの白金線の端部を置き、さらに、上記
(1)-で得たグリーンシートの１片をかぶせ積層圧着し
た。そして、この加熱素子のグーリンシートは３００
℃、６時間で樹脂抜きを行った後、大気中雰囲気中、１
５２０℃、２時間の条件で焼成し、抵抗３Ωの発熱体３
０を有する加熱素子４０を得た。

(2)- (1)-で得られた構造体に(2)-で得られた加
熱素子４０を、加熱素子４０と上記構造体との間隔が８
０μｍとなるよう、耐熱セメントにて張り合わせする。

上記のような工程によって本実施例の空燃比センサＳ１
を製造する。

このようにして製造された本実施例の空燃比センサＳ１
を用いて、以下の実験を行った。

実験１ 空気燃料比Ａ／Ｆ＝１８の雰囲気中で、空燃比センサＳ
１の発熱体３０に印加する電力と、酸素ポンプ素子１０
に流れる電流（以下ポンプ電流という）を１０mAにする
ために酸素ポンプ素子１０に印加する電圧との関係を調
べた。その結果を第４図の実線で示す。

又、比較のため、加熱素子Ｈｕの発熱体Ｈｐのパターン
が、第１４図に示すように、略Ｕ字形の波状である以外
は上記空燃比センサＳ１と同一である従来の空燃比セン
サを製造し、空燃比Ｓ１と同様の実験を行った。その結
果も第４図に破線で示す。

第４図から、従来の空燃比センサに比べ、本実施例の空
燃比センサＳ１の加熱素子４０は、より少ない電力で酸
素ポンプ素子１０に印加される電圧を下げることがわか
る。

この酸素ポンプ素子１０に印加される電圧は、酸素ポン
プ１０の酸素輸送能力を反映しており、所定のポンプ電
流を維持するための電圧が低いほど酸素輸送能力に余裕
がある。逆に、この電圧が高いほど酸素輸送能力の余裕
はなく、例えば、３Ｖを超えるとブラックニングが生じ
始める。

従って、加熱素子４０に印加する電圧が少なくても、容
易に酸素ポンプ素子１０の印加電圧が低くなる本実施例
の空燃比センサＳ１はブラックニングガ起きにくいと言
える。

実験２ 本実施例の空燃比センサＳ１の酸素ポンプ素子１０の間
隙５０内の電極１０ｃ、２０ｃの中心点Ｃ（第２図参
照）と電極１０ｃ、２０ｃの縁部Ｒ（第２図参照）に白
金−ロジウム熱電対を取り付け、加熱素子４０に印加す
る電圧と各部の温度との関係を調べ、その結果を第５図
に実線で記した。

上記比較例についても同様な実験を行い、実験結果を第
５図に破線で示した。

第５図から本実施例の空燃比センサＳ１は、従来の空燃
比センサに比べてより少ない加熱素子印加電圧で、ガス
拡散制限部を所定温度、例えば、９００℃とすることが
できる。又、本実施例の空燃比センサＳ１は、電極１０
ｃ、２０ｃの中央部Ｃとその縁部Ｒとの間で温度差が非
常に少ない。

実験３ 大気中で酸素濃淡電池素子２０の起電力が４０mVとなる
酸素ポンプ素子１０のポンプ電流Ｉｐと、大気の全圧と
の関係を調べ、その結果を第６図に実線で示した。尚、
第６図では大気の圧力が７６０mmHgの時のポンプ電流Ｉ
ｐを１００％として記した。

上記比較例についても同様の実験を行い、実験結果を第
６図に破線で示した。

第６図から、本実施例の空燃比センサＳ１のポンプ電流
Ｉｐには、圧力依存性がほとんど無いことが分かる。一
方、従来の空燃比センサは低気圧側での圧力依存性が大
きい。

上記実験から、本実施例の空燃比センサＳ１のように、
第１加熱部３０ａと第２加熱部３０ｂ，３０ｃとを有す
ると、ブラックニングが生じ無くなるだけでなく、加熱
素子４０の必要な電力が減り、ポンプ電流の圧力依存性
が無くなることが確認された。

又、本実施例の空燃比センサＳ１では、ジルコニア製固
体電解質を用いた酸素ポンプ素子１０と、アルミナを用
いた加熱素子４０とを、使用時に高温の排ガスに直接晒
されず比較的低温状態にある各々の素子の端部近傍で接
合している。そのため、酸素ポンプ素子１０と加熱素子
４０との接合部は使用時に高温とならないので、ジルコ
ニアとアルミナとの熱膨張率が大きく異なるにもかかわ
らず、接合部の剥離等は生じない。即ち、本実施例の空
燃比センサＳ１は、従来のセンサのように応力緩和層等
の熱膨張率差を緩和する工夫を用いなくても、各素子間
の熱膨張率差によって破損することはない。そして、応
力を緩和するための特別の工夫を必要としないために、
製造がより容易である。

尚、本実施例の加熱素子４０の発熱体パターンは、第１
図のパターンに限られるものではない。例えば、第７〜
１１図に示すようなパターンであってよい。第７〜１１
図に用いられる符号は第１図で用いられるものと同じで
ある。第７図の発熱体パターンは第１加熱部３０ａの発
熱体を波状にして、発熱量をより増やした他は第１図の
パターンと同じである。第８図の発熱体パターンは第１
加熱部３０ａと第２加熱部３０ｂとを各々独立させてい
る。そのため、酸素ポンプ素子１０の電極温度とガス拡
散制御部の温度とを独立して制御でき、より正確な空燃
比測定ができる。第９図の発熱体パターンは第１加熱部
３０ａの発熱体を波状にして、発熱量をより増やした他
は第８図のパターンと同じである。第１０図の発熱体パ
ターンは第１加熱部３０ａと第２加熱部３０ｂとを並列
に接続させている。第１１図の発熱体パターンは第１加
熱部３０ａの発熱体を波状にして、発熱量をより増やし
た他は第１０図のパターンと同じである。

これらの発熱体パターンを用いて上記実験を行ったが、
何れも上記第１図のパターンを用いた空燃比センサＳ１
と同様の効果が確認された。

本発明の第２実施例の空燃比センサＳ２の構成を第１２
図の断面図を用いて説明する。

本空燃比センサＳ２は、酸素イオン伝導性固体電解質を
用いた酸素ポンプ素子１１０と、酸素ガス検出素子であ
る内部基準酸素源を有する酸素濃淡電池素子１２０と、
酸素ポンプ素子１１０を加熱すると発熱体１３０を有す
る加熱素子１４０とから構成される空燃比センサＳ２で
ある。又、本実施例では、□字状のスペーサ１５０を、
酸素ポンプ素子１１０と酸素濃淡電池素子１２０との間
に挟むことによって、偏平な閉鎖状の測定ガス室１６０
を設ける。そしてガス拡散制限部としてこのスペーサ１
５０の一部を測定ガス雰囲気と測定ガス室１６０を連通
させる多孔質部１７０とする。

内部基準酸素源を有する酸素濃淡電池素子１２０は、酸
素濃淡電池素子１２０の外側電極１２０ｂを遮蔽体１８
０で覆うことによって、電極１２０ｂに酸素濃淡電池素
子１２０に電圧を印加して輸送した酸素ガスを蓄える点
が、異なる以外は第１実施例の酸素濃淡電池素子２０と
同様の構造である。酸素ポンプ素子１１０、加熱素子１
４０は第１実施例と同様の構成なので説明を省略する。

本実施例の空燃比センサＳ２は、第１実施例と同様の材
料、方法を用いて製造される。

本実施例の空燃比センサＳ２は、第１実施例の空燃比セ
ンサＳ１と異なり内部基準酸素源を有する酸素濃淡電池
素子１２０を用いている。そのため、第１実施例に示さ
れる加熱素子の効果に加えて、周囲測定ガス雰囲気中の
酸素ガス分圧が変動しても安定して測定ガス室内の酸素
ガス分圧を検出することができるという効果を有する。

本発明の第３実施例の空燃比センサＳ３の構成を第１３
図の断面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を用い
た酸素ポンプ素子２１０と、測定ガス室内の酸素ガス分
圧に応じて導電率の変化する酸素ガス検出素子２２０
と、酸素ポンプ素子２１０を加熱する発熱体２３０を有
する加熱素子２４０とから構成される空燃比センサＳ３
である。尚、本実施例では、酸素ガス検出素子２２０の
裏面に酸素ガス検出素子２２０を活性化させる発熱体２
４５が設けられている。又、本実施例では、□字状のス
ペーサ２５０を、酸素ポンプ素子２２０と酸素ガス検出
素子２２０との間に挟むことによって、偏平な閉鎖状の
測定ガス室２６０を設ける。そしてガス拡散制限部とし
てこのスペーサ２５０の一部に測定ガス雰囲気を測定ガ
ス室２６０とを連通させる孔２７０を設ける。

上記酸素ガス検出素子２２０は、加熱素子２４０の主体
と同じ電気絶縁性焼結板状体２２０ａ上の一方の面に、
図示されない一対の電極、引出し線、取り出し部を設
け、この一対の電極に渡るように遷移金属酸化物２８０
を載置焼結したものである。そして、本実施例では遷移
金属酸化物２８０の導電率変化から測定ガス室２６０内
の酸素ガス分圧を測定する。

酸素ポンプ素子２１０、加熱素子２４０は、第２実施例
と同様であるので説明を省略する。

本実施例の空燃比センサＳ３は、第１実施例の空燃比セ
ンサＳ１と異なり測定ガス室２６０内の酸素ガス分圧に
応じて導電率の変化する酸素ガス検出素子２２０を用い
ている。そのため、第１実施例の加熱素子の効果に加え
て、周囲測定ガス雰囲気中の酸素ガス分圧が変動しても
安定して測定ガス室内の酸素ガス分圧を検出することが
できるという効果を有する。

尚、上記実施例では何れも、酸素ポンプ素子と加熱素子
とは、端子部のスペーサで接合されていたが、□字状の
スペーサを酸素ポンプ素子と加熱素子との間に挟むこと
によって、偏平な閉鎖状の室を設け、このスペーサの一
部に測定ガス雰囲気と該室とを自由に連通させる孔を設
けるようにしてもよい。

［発明の効果］ 本発明の空燃比センサは、主として上記酸素ポンプ素子
の電極を加熱する第１の加熱部、及び主として上記測定
ガス室のガス拡散制御部を加熱する第２の加熱部を有す
る板状加熱素子を備える。しかも、第１の加熱部の加熱
能力は第２の加熱部の加熱能力よりも高く設定されてい
るので、酸素ポンプ素子の電極の温度をガス拡散制限部
の温度より高めることができる。

そのため、例えば、酸素ポンプ素子電極の温度がガス拡
散制御部の温度より５０℃程度高くする等、常にガス拡
散制限部を流通する酸素ガス量より酸素ポンプ素子の酸
素ガスの輸送能力が大きい状態とすることが容易にで
き、ブラックニングの発生を抑えることができる。

又、加熱部を２種類に分けたので、酸素ポンプ素子電極
及びガス拡散制限部を共に効率よく加熱できる。そのた
め、加熱に必要な電力が減少し、発熱部の寿命が長くな
る。

更に、上記の如く効率的な加熱が可能となったために、
酸素ポンプ素子に流れる電流の圧力依存性が無くなる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の第１実施例を説明するために用いる平
面図、 第２図はその分解斜視図、 第３図はその断面図、 第４図はその加熱素子の電力と酸素ポンプ素子の印加電
圧との関係図、 第５図はその加熱素子の印加電圧と測定温度との関係
図、 第６図はその大気の圧力とポンプ電流の関係図、 第７図乃至第１１図はその加熱素子の発熱体パターンの
他の例を示す平面図、 第１２図は本発明の第２実施例の断面図、 第１３図は本発明の第３実施例の断面図、 第１４図は従来の空燃比センサを説明するための平面図
である。 Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３……空燃比センサ Ｈｐ……発熱体、Ｈｕ……加熱素子 １０、１１０、２１０……酸素ポンプ素子 １０ｂ、１０ｃ、２０ｂ、２０ｃ……電極、 ２０、１２０、……酸素濃淡電池素子 ３０、１３０、２３０……発熱体 ４０、１４０、２４０……加熱素子 ５０……空隙（測定ガス室と一体のガス拡散制限間隙） ３０ａ……第１加熱部 ３０ｂ、３０ｃ……第２加熱部 １６０、２６０……測定ガス室 １７０……多孔質部（ガス拡散制限部） ２２０……酸素ガス検出素子 ２７０……孔（ガス拡散制限部）

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】表裏面に一対の多孔質電極を有する酸素イ
   オン伝導性固体電解質からなる板状酸素ポンプ素子と、 周囲の酸素ガス分圧に応じて電気的特性の変化する酸素
   ガス検出部を有する板状酸素ガス検出素子と、 上記酸素ポンプ素子と上記酸素ガス検出素子とを間隙を
   介して対向することにより形成され、かつガス拡散制限
   部を介して周囲被測定ガスと連通する測定ガス室とを有
   し、 上記板状酸素ポンプ素子を用いて上記測定ガス室内と周
   囲被測定ガスとの間で酸素を輸送すると共に、上記板状
   酸素ガス検出素子を用いて上記測定ガス室内の酸素ガス
   分圧を検出することにより、周囲被測定ガスの空燃比を
   測定する空燃比センサにおいて、 主として上記酸素ポンプ素子の電極を加熱する第１の加
   熱部、及び主として上記測定ガス室のガス拡散制限部を
   加熱する第２の加熱部を有する板状加熱素子を、上記酸
   素ポンプ素子の上記測定ガス室に接しない面と、周囲被
   測定ガスに連通する間隙を介して対向して設けるととも
   に、 上記第１の加熱部の加熱能力を上記第２の加熱部の加熱
   能力よりも高く設定することによって、上記酸素ポンプ
   素子の電極の温度を上記ガス拡散制限部の温度より高め
   たことを特徴とする空燃比センサ。