JPH0680427B2 - ポンプ式酸素濃度検出装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ この発明は、例えば自動車用エンジンの排気管に対して
設定され、上記エンジンの排気ガスに含まれる酸素の濃
度を検出して、上記エンジンの空燃比制御のために効果
的に利用されるようにするポンプ式の酸素濃度検出装置
に関する。

［背景技術］ 例えば、自動車用のエンジンの空燃比制御を実行するた
めには、このエンジンからの排気ガス中に含まれる酸素
濃度を検出して、エンジンにおける燃焼状態を監視し、
その燃焼状態に対応して燃料噴射量等を制御するもので
ある。すなわち、エンジンの空燃比制御のためには、こ
のエンジンの排気ガス中の酸素濃度を効果的に検出する
必要があるものであり、この排気ガス中の酸素濃度を検
出する手段として、ポンプ式酸素濃度検出装置が存在す
る。

このポンプ式酸素濃度検出装置は、それぞれ固体電解質
層の両面に電極を設定したポンプセルとセンサセルを有
するものであり、このポンプセルとセンサセルとの間に
特定される容積を有する密封空間を設定するものであ
る。この場合、この空間と外部の被測定ガス雰囲気との
間のガス拡散を可能な状態とするため、ポンプセルを構
成する固体電解質層に対して小孔を形成するようにして
いる。

このように構成されるポンプ式酸素濃度検出装置におい
て、上記空間および小孔の大きさはガス拡散速度を決定
する大きな要因となるものであり、その大きさの状態が
この測定装置の出力特性、応答速度に大きく影響するよ
うになる。

しかし、上記ポンプセルを構成する固体電解質層を、焼
結体の接着、グリーンシートを用いた一体焼結等の手段
によって製造するようにしたのでは、シール性、焼成に
よる収縮等の問題から、ガス拡散速度の安定した制御を
実行するようにすることは非常に困難であり、要求され
る酸素濃度検出装置の検出特性精度を達成することが実
質的に困難な状態にある。

［発明が解決しようとする問題点］ この発明は上記のような点に鑑みなされたもので、特に
センサセルとポンプセルとの間に形成されるようになる
空間に相当する被測定ガス室と、外部ガス雰囲気との間
のガス拡散速度を効果的に制御設定できるようにして、
酸素濃度検出特性を安定設定制御できるようにすると共
に、その検出部分の形状も比較的に任意に設定すること
を可能にして、例えばエンジンの排気ガス中の酸素濃度
検出に際して効果的に利用できるようにするポンプ式酸
素濃度検出装置を提供しようとするものである。

［問題点を解決するための手段］ すなわち、この発明に係るポンプ式酸素濃度検出装置
は、それぞれ固体電解質層の両面に電極を形成するよう
にしたセンサセルとポンプセルとの間に、被測定ガス室
を形成するようにしたものであり、特に上記ポンプセル
の固体電解質層および被測定ガス室はポーラスな状態で
構成し、この被測定ガス室の容積を正確に設定すること
ができ、またガス拡散速度が効果的に設定制御できるよ
うにしたものである。

［作用］ このように構成されるポンプ式酸素濃度検出装置にあっ
ては、ポンプセルを構成する固体電解質層、さらに被測
定ガス室を構成する例えばセラミック層は、例えばプラ
ズマ溶射法によってポーラスな層に構成されるものであ
り、上記ポンプセルを構成するポーラスな固体電解質層
の細孔を介して外部ガス雰囲気との間でガスの供給さら
に排出が実行されるようになる。この場合、上記細孔の
容積、細孔分布の状態はその製造過程において容易に制
御されるようになるものであるため、ガス拡散速度が安
定して高精度に設定されるようになり、この酸素濃度検
出装置の測定検出特性が効果的に安定設定されるように
なるものである。

［発明の実施例］ 以下、図面を参照してこの発明の一実施例を説明する。
第１図はその断面構成を示しているもので、このポンプ
式酸素濃度検出装置は、センサセル11およびポンプセル
12を備えるもので、このセンサセル11とポンプセル12と
の間に被測定ガス室13が形成されるようになっている。

上記センサセル11は、ZrO₂−Y₂O₃等のち密な焼結体によ
って構成される酸素導電性の第１の固体電解質層111
と、この電解室層111の両面に形成した多孔性のPtでな
る電極112および113とによって構成される。そして、被
測定ガス室13はこのように構成されるセンサセル11の上
層に、例えばAl₂O₃等のポーラスなセラミック層によっ
て構成されるようにする。この場合、このポーラスなセ
ラミック層は、プラズマ溶射によって形成するものであ
り、このセラミック層の厚さおよび気孔率は、溶射材料
の種類、粒度、溶射条件の選定によって、酸素（O₂）ガ
スの移動がスムーズに行なえるように制御されるもので
ある。具体的には、厚さ50〜200μ、気孔率10〜20％と
する。

そして、ポンプセル12は上記被測定ガス室13の上層に形
成されるもので、被測定ガス室13がこのポンプセル12と
上記センサセル11との間に封じ込まれるように形成され
るようにするものである。このポンプセル12は、ポーラ
スな状態で構成される酸素導電性の第２の固体電解質層
121と、この電解質層121の両面に形成されるPt等でなる
多孔性の電極122および123によって構成されるものであ
る。すなわち、上記被測定ガス室13を構成するセラミッ
ク層の上面に電極122を形成した後、プラズマ溶射等に
よって第２の固体電解質層121を形成するものである。
そして、この第２の固体電解質層121の表面に多孔性の
電極123を形成させるようにする。

ここで、上記ポンプセル12を構成する第２の固体電解質
層121は、被測定ガス室13と外部ガス雰囲気との間に安
定したガス拡散を可能とする必要がある。このため、こ
の固体電解質層121を形成する場合に、溶射材料の種
類、粒度、溶射条件の選定によって、厚さ50〜100μ、
気孔率３〜10％のポーラス状態が設定されるようにす
る。

尚、上記酸素濃度検出装置にあっては、被測定ガス室13
およびポンプセル12の側面からのガスの拡散を阻止する
ため、センサセル11を構成する第１の固体電位質層111
を、上記被測定ガス室13およびポンプセル12の両側に立
上がる一対の壁114、115を有する構造としている。

すなわち、上記のように構成されるポンプ式酸素濃度検
出装置において、ポンプセル12に対して、直流電源14か
ら電圧V_Pを印加設定し、電流I_Pを流すようにすると、酸
素のポンピング作用によって、被測定ガス室13の酸素分
圧P_Vと外部の酸素分圧P_Aとの間には差が生ずるようにな
る。そして、この状態では、センサセル11ではネルンス
トの式により濃淡起電力V_Sが発生するようになる。この
V_Sは次式で示される。

V_S＝V₀ln（P_A／P_V） ……（１） 但し、V₀＝RT/4Fであり、 R:ガス定数、F:ファラデー定数、 T:温度 また、このとき酸素分子はポンプセル12の第２の固体電
解質層121の細孔を通って、被測定ガス室13と外部ガス
雰囲気との間を移動する。いま、被測定ガス室13内の酸
素分子数をN_Vとすると、次式が成立つ。

dN_V/dt＝ （−I_P/4e） ＋σ_Ｌ（P_A−P_V） ……（２） ここで、σ_Ｌは酸素の拡散係数、および被測定ガス室1
3、第２の固体電解質層121における拡散抵抗（厚さ、気
孔率等）によって決まる値である。また、状態式P_V＝NR
Tと上記（２）式から次の式が成立つ。

ｄP_V/dt＝ −（V₀I_P/V） ＋（P_A−P_V）／τ_Ｐ ……（３） 但し、τ_Ｐ＝V/σ_ＬkT 定常状態では、（dP_V/dt＝０）であるから、 上記（１）式および（３）式から次の式が成立つ。

I_P＝4eτ_ＬP_A ［１−ｅ×Ｐ（−V_S／V₀）］ ……（４） つまり、V_Sがある値を持つようにI_Pを制御すれば、この
I_PとP_Aは比例関係にあり、I_Pの測定から外部ガス雰囲気
の酸素濃度P_Aを検出することができる。

このような酸素濃度検出装置は、その形状を任意性をも
って構成できるものであり、例えば第２図で示すように
円筒状に構成することができる。すなわち、センサセル
11を円筒状態に成型すると共に、その両端に鍔状にして
壁114、115が形成されうようにするものである。そし
て、このセンサセル11の外周に被測定ガス室13を構成す
るセラミック層、およびポンプセル12を層状態に巻き付
け形成するものである。

このような円筒状あるいは柱状に構成されるようにする
と、例えばエンジンの排気ガスの酸素濃度を測定する場
合、排気ガスの方向性による検出特性の変動が効果的に
抑制することができ、また組付け性も向上するものであ
る。

ここで、上記電極112、113、122、123は化学メッキ、ペ
ーストの塗布、スパッタリング、蒸着等の手段によって
適宜形成すればよいものであり、また被測定ガス室13を
構成するポーラスな層の材料は、前記Al₂O₃の他に、MgO
・Al₂O₃スピネル等の耐熱性セラミックの使用が可能で
ある。さらに、固体電解質層を構成する材質は、前述し
た材質の他にZrO₂−Yb₂O₃、CaO、MgO等があり、さらに
他の酸素導電性材料が適宜使用できるものであり、蒸
着、CVD等の手段によって構成するようにしてもよいも
のである。

第３図は第２図で示したような円筒状の検出装置によっ
て具体的な排気ガスセンサ装置を構成した例を示すもの
で、第２図で示されるような検出装置20は、金属ハウジ
ング21内に収納設定される。このハウジング21は、フラ
ンジ22によってエンジンの排気管に対して取り付け設定
されるものであり、上記測定装置20の部分を覆うカバー
23部分が上記排気管内の排気ガスにさらされるようにな
るものである。

そして、上記検出装置20はスプリング24を介して絶縁管
25、金属パイプ26で押え込み設定しているものであり、
金属カバー27によってかしめ固定するようにしている。
また、検出装置20のポンプセルのリード線28およびセン
サセルのリード線29は、センサセルの固体電解質層の壁
部分を貫通して取り出し、ペースト等によって固定設定
する。この場合、このリード線の貫通部分に対してはシ
ール材を充填する。また、この場合センサセルの内側の
リード線は金属ステム30に対して溶接設定するものであ
り、この金属ステム30は検出素子20の中空部分に嵌め込
んで電気的な接触状態が設定されるようにする。

上記ポンプ式酸素濃度検出装置20は、さらに第４図で示
すようにコップ状に構成することもできる。すなわち、
センサセル11を構成する第１の固体電解質111によって
筒状体を構成し、その一方の開口部を閉じると共に、他
方の開口部から外部ガス雰囲気が導入されるようにする
ものであり、その中空部内面に電極112が形成されるよ
うにする。そして、この筒状の固体電解質11の外周に切
り込み段部を形成し、この部分に電極113、ポーラス状
の被測定ガス室13、電極122、ポーラスな第２の電解質
層121、および電極123を順次積層形成するものである。

［発明の効果］ 以上のようにこの発明に係るポンプ式酸素濃度検出装置
にあっては、被測定ガス室の容積を、この室を構成する
ポーラスなセラミック層の厚さおよび気孔率を制御する
ことによって、高精度に設定することができるものであ
り、またポンプセンサを構成するポーラスな第２の固体
電解室層の厚さおよび気孔率を制御することによって、
ガス拡散速度を効果的に設定制御することができるよう
になる。すなわち、細孔容積、細孔分布を制御する状態
で上記ポーラスな第２の固体電解室層を製造することが
可能であるため、この検出装置のガス拡散速度を目的に
合せて精度の高い状態で製造可能となるものであり、そ
の検出特性を必要精度内の効果的に設定できるようにな
るものてある。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明の一実施例に係るポンプ式酸素濃度検
出装置の構成を説明する断面図、第２図は上記検出装置
の他の実施例の状態を示す断面図、第３図は上記検出装
置を用いた排気ガスセンサ装置の例を示す断面構成図、
第４図はこの発明のさらに他の実施例を示す図である。 11…センサセル、111…第１の固体電解室層（ち密な焼
結体）、12…ポンプセンサ、121…第２の固体電解室層
（ポーラス構造）、13…被測定ガス室（ポーラスなセラ
ミック層）、112、113、122、123…電極。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】ち密な焼結体でなる酸素導電性の第１の固
   体電解質層、およびこの電解質層の両面にそれぞれ形成
   された多孔性の電極とによって形成されたセンサセル
   と、 このセンサセルの一方の面に積層される状態で形成さ
   れ、ポーラスな層によって構成するようにした被測定ガ
   ス室と、 この被測定ガス室に積層する状態で形成すると共に、周
   囲が前記第１の固体電解質層の一部によって囲まれて、
   酸素の移動が厚みの方向のみに制限されるようにしたポ
   ーラスな層によって構成される第２の固体電解質層、お
   よびこの電解質層の両面に形成した多孔性の電極からな
   るポンプセルとを具備し、 前記ポンプセルの固体電解質層の両面の電極に電圧を印
   加設定して、この固体電解質層に酸素の移動状態に対応
   したポンプ電流が発生され、前記ガス室と外部との間に
   酸素の吸入および排出が行われるようにしたことを特徴
   とするポンプ式酸素濃度検出装置。