JPH0713621B2

JPH0713621B2 - 空燃比センサ

Info

Publication number: JPH0713621B2
Application number: JP61297041A
Authority: JP
Inventors: 孝夫小島; 宏之石黒
Original assignee: NGK Spark Plug Co Ltd
Current assignee: Niterra Co Ltd
Priority date: 1986-12-12
Filing date: 1986-12-12
Publication date: 1995-02-15
Anticipated expiration: 2010-02-15
Also published as: JPS63149551A

Description

【発明の詳細な説明】［産業上の利用分野］本発明は、酸素ポンプ素子と酸素ガス検出素子と該両素
子を加熱する２枚の加熱素子とから構成される空燃比セ
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、第５図に示すような
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Ａと板状酸素ガス検出素子（酸素濃淡電池素子）Ｂと
を間隙を介して対向させ、この間隙をガス拡散制限部に
より周囲被測定ガスと連通する測定ガス室Ｃとするもの
がある（例えば、特開昭58−153155）。

この空燃比センサにおいては、上記板状酸素ガス検出素
子Ａにより検出される上記測定ガス室Ｃ内の酸素ガス濃
度を所定とするように、上記板状酸素ポンプ素子Ａを用
いて上記測定ガス室Ｃ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。

また、この空燃比センサは、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Ｄ、Ｅを
有している。この加熱素子Ｄ、Ｅは酸素ガス検出素子
Ａ、酸素ポンプ素子Ｂの外側の電極と同じ形状の孔Ｆと
該孔Ｆの周囲を囲むように発熱抵抗体Ｇとを有し、通電
により発熱抵抗体Ｇが発熱する。そして、酸素ガス検出
素子Ａと酸素ポンプ素子Ｂとを両側から加熱する。

このように、両側から空燃比センサを加熱すると、空燃
比センサの両面が同じ様に膨張するために、空燃比セン
サが表裏面の熱膨張率差のために反ることはない。

［発明が解決しようとする問題点］第５図に示す従来の空燃比センサでは、加熱素子Ｄ、Ｅ
が酸素ポンプ素子Ａ、酸素ガス検出素子Ｂに一体に接合
されており、酸素ポンプ素子Ａ、酸素ガス検出素子Ｂの
外側電極の周縁部近傍は発熱抵抗体Ｇからの伝熱によっ
て十分加熱される。しかし、電極の中心部は加熱され
ず、電極面に温度むらが生じ、良好な温度調節が行えな
い場合があった。

また、加熱素子Ｄ、Ｅと、酸素ポンプ素子Ａおよび酸素
ガス検出素子Ｂとの熱膨張率が異なることにより、加熱
すると各素子は夫々違う割合で膨張するため、各素子の
接合部が剥離してしまうという問題があった。

［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、板状酸素ポンプ素子と、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
濃度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、上記酸素ポンプ素子の上記測定ガス室に接しない面と50
〜200μｍの間隙を介して対向し、該酸素ポンプ素子を
加熱するための耐熱金属からなる発熱抵抗体を有する第
１の板状加熱素子と、上記酸素ガス検出素子の測定ガス室に接しない面に間隙
を介して、あるいは間隙を介さず対向し、該酸素ガス検
出素子を加熱するための耐熱金属からなる発熱抵抗体を
有する第２の板状加熱素子とを備えたことを特徴とする
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58
−153155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ジルコニアの場合
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
る性質を利用するものである。

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
り、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ので
ある。

上記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酸素イオン伝導
性固体電解質として使用可能である。

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、前述の特開昭58−153155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、即ち、測定ガス室と周囲被測定ガスとの間の酸素ガ
ス分圧差に応じた起電力を出力する。そして、この起電
力から測定ガス室内の酸素ガス分圧を検出できる。

あるいは、内部基準を有する酸素濃淡電池素子を酸素ガ
ス検出素子として使用することもできる。内部基準を有
する酸素濃淡電池素子とは、上述の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酸素を輸送
蓄積し、この蓄積された酸素を酸素ガス検出の基準酸素
源とするものである。このように基準酸素源を設ける酸
素濃淡電池素子は酸素基準源と測定ガス室内の酸素ガス
分圧差に応じた起電力を出力する。そして、この起電力
から測定ガス室内の酸素ガス分圧を検出できる。

さらに、周囲の酸素ガス分圧、即ち、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
を使用することもできる。この酸素ガス検出素子には遷
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、CoO、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。そして、この導電率
変化から測定ガス室内の酸素ガス分圧を測定できる。

本発明の測定ガス室は、例えば、アルミナ、スピネル、
フォルステライト、スエアタイト、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孔質体で置き
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孔質材を配してもよい。

本発明に使用される加熱素子は、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
等の電気絶縁性無機質板状体からなり、その一方の面に
発熱抵抗体が波型に配設されている素子を使用すればよ
い。尚、発熱抵抗体は白金、金等の耐熱金属のペースト
を使用してプリント印刷にて形成すればよい。

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、ガス拡散制限部を形成するよう組み立
てる。

次いで、一方の板状加熱素子（第１の板状加熱素子）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
の間隙に余り広いと酸素ポンプ素子が加熱素子により加
熱され難くなるので、200μｍ以下が好ましい。

更に、他方の板状加熱素子（第２の板状加熱素子）を上
記酸素ガス検出素子の測定ガス室に接しない面に固定す
る。上記酸素ガス検出素子として上述した酸素濃淡電池
素子を用いる場合には、この板状加熱素子と酸素ガス検
出素子との間は上述した酸素ポンプ素子の場合と同様に
50〜200μｍが好ましい。しかし、酸素ガス検出素子と
して上述した内部基準を有する酸素濃淡電池素子あるい
は酸素ガス分圧によって導電率が変化するガス検出素子
を用いた場合には、測定ガス室に接しない面に周囲雰囲
気を導入する必要がないので、板状加熱素子と酸素ガス
検出素子との間の間隙は無くてもよい。

［作用］本発明において、第１の板状加熱素子は、耐熱金属から
なる発熱抵抗体を有しており、間隙を介して対向する酸
素ポンプ素子の電極及び電極近傍を、発熱抵抗体の輻射
熱によって加熱する。

又、第２の板状加熱素子も耐熱金属からなる発熱抵抗体
を有しており、対向した酸素ガス検出素子の電極及び電
極近傍を、酸素ガス検出素子との間に間隙の有る場合に
は、発熱抵抗体の輻射熱によって、また、酸素ガス検出
素子との間に間隙はなく単に接触状態にある場合には、
発熱抵抗体からの熱伝導によっても加熱する。

そのため、電極の周縁部と電極の中央部との間に温度む
らが生じることはない。

また、第１および第２の板状加熱素子と、酸素ポンプ素
子および酸素ガス検出素子とは、間隙を介して、あるい
は間隙を介さず対向しているだけで、接合されているわ
けではないので、各素子は自由に膨張収縮することがで
き、各素子間の熱膨張率の差が大きくても、熱膨張によ
り素子が剥離してしまうという不都合が生じることがな
い。

更に、50〜200μｍの間隙を介して酸素ポンプ素子と第
１の加熱素子とが対向して配設されていることにより、
酸素ポンプ素子の第１の板状加熱素子を向いた側に設け
られた電極に、被測定ガスが十分に到達すると共に、第
１の板状加熱素子の輻射熱が酸素ポンプ素子に効率よく
伝達される。

［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。

本発明の第１実施例の空燃比センサS1の構成を第１図の
分解斜視図、第２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10と、酸素ガス検出素子である同じく
酸素イオン伝導性固体電解質を用いた酸素濃淡電池素子
20と、該両素子を加熱する２枚の加熱素子30、40とから
構成される空燃比センサS1である。又、本実施例では、
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を形成し、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30、40と
酸素ポンプ素子10、酸素濃淡電池素子20と間にも間隙5
2、54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10aである。
この焼結板状態10a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10d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1
0c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1
0f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。この焼結板状体20a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縁端
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2
0e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。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20d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30、40の構造は全く同じなのでまとめて説明す
る。加熱素子30、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30a、40aである。加熱素子3
0、40の一方の面の先側に耐熱金属層よりなる抵抗発熱
体30b、40bが略Ｕ字形の波形状に設けられている。抵抗
発熱体30b、40bの二つの端部の各々から耐熱金属層より
なる引出し線30c、30d、40c、40dが、板状体30a、40aの
元側へまっすくに伸びる帯形状に設けられている。引出
し線30c、30d、40c、40dは元側で板状体30a、40aの表裏
を貫通しているスルーホール30e、33f、40e、40fを通じ
て、その反対面の取り出し部30g、30h、40g、40hに電気
的に接続されている。

上記酸素ポンプ素子10、酸素濃淡電池素子20、加熱素子
30、40の取り出し部10g、10h、20g、20h、30g、30h、40
g、40hには、リード線として白金線60a〜ｈ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、
又、酸素ポンプ素子10あるいは酸素濃淡電池素子20と加
熱素子30,40との空隙は、図２に示すように、ここで
は、厚さ80μｍのスペーサ76,78によって形成されてい
る。又、酸素ポンプ素子10,酸素濃淡電池素子20及び加
熱素子30,40の取出部10g,10h,20g,20h,30g,30h,40g,40h
上には、各白金線60a〜60hを挟んで固定するために設け
られた、厚さ0.8mm×長さ4mm×幅4mmの被覆材72,74,80,
82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、
20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）‐ 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、泥漿とす
る。

（１）‐ この泥漿からドクターブレード法により、
0.8mm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
混合物に、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30μｍ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30、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）‐ Al₂O₃に、MgO、CaO、SiO₂等を８重量％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により、第１図の
ような抵抗発熱体、引出し線、取り出し部の各パターン
を厚み30μｍ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
素子の形成に切断して後、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。

（２）‐ （１）‐で得られた構造体の両側に
（２）‐で得られた加熱素子30、40を、加熱素子30、
40と上記構造体との間隙が80μｍとなるよう、１枚ずつ
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は
加熱素子30、40の抵抗発熱体が酸素ポンプ素子10、酸素
濃淡電池素子20の外側電極と対向している。そして、酸
素ポンプ素子10、酸素濃淡電池素子20の加熱は、加熱素
子30,40からの全面に渡る輻射による。そのため、本実
施例の空燃比センサS1は、第５図に示される従来の空燃
比センサのように電極の周縁部のみ加熱されるというよ
うな温度むらは生じない。

また、加熱素子30、40による加熱により、エンジンの始
動時には、酸素ポンプ素子10および酸素濃淡電池素子20
の活性化温度以上に速やかに昇温させることができると
共に、定常運転時には、酸素ポンプ素子10および酸素濃
淡電池素子20を活性化した状態に維持することができる
ので、空燃比センサS1を常に良好な状態で作動させるこ
とができる。

また、本実施例の空燃比センサS1は、ジルコニア製固体
電解質を用いた酸素ポンプ素子10、酸素濃淡電池素子20
とアルミナを用いた加熱素子30、40とは、使用時に高温
の排ガスに直接さらされず、比較的低温状態にある各々
の素子の端部近傍で接合されている。そのため、酸素ポ
ンプ素子10及び酸素濃淡電池素子20と加熱素子30、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。

更に、酸素ポンプ素子10と加熱素子30との間隔は、酸素
ポンプ素子10の加熱素子30側を向いた電極10bに、常に
新しい被測定ガスが供給されるのに十分な幅である80μ
ｍとされているため、酸素ポンプ素子10により被測定ガ
スの酸素分圧に対応した酸素を移送することができ、ま
た、この80μｍという間隔は、十分に接近しているので
加熱素子30の輻射熱を酸素ポンプ素子10に効率よく伝達
することができ、酸素ポンプ素子10を効率よく速やかに
加熱することができる。

又、加熱素子30、40を２つ用いているために、空燃比セ
ンサS1を所望の温度とするために必要な加熱素子１つ当
りの発熱量は、加熱素子が１つであるものに比べて半分
でよい。その結果、発熱素子１つ当りの消費電力は少な
くてよく、加熱素子30、40の寿命が伸びる。

更に、本実施例のように、酸素濃度検出素子として酸素
濃淡電池素子20を用いた場合には、酸素濃淡電池素子20
に対する酸素吸着がより防止され、酸素吸着による空燃
比センサS1の性能劣化が防止される。そして、酸素濃淡
電池素子20の表面間の温度差によって生じる起電力の発
生を防止できる。

本実施例の空燃比センサS1に対して、以下の実験を行っ
た。その結果、本実施例の空燃比センサS1は酸素濃淡電
池素子20の２つの電極の温度差によって生じる起電力が
十分少なく、又、耐久性に優れており、内燃機関用の空
燃比センサとして優れていることが確認された。

大気中で、本実施例の空燃比センサS1の加熱素子30、40
に各々13Vの電圧を印加し、酸素濃淡電池素子20に発生
する電圧を加熱素子30に対向する電極をプラスとして測
定したところ0.5mVであり、又酸素濃淡電池素子20の出
力を50mVとするために必要なポンプ電流は80mAであっ
た。一方、酸素濃淡電池素子20側の加熱素子40のみに13
Vの電圧を印加した場合には、酸素濃淡電池素子20に発
生する電圧は−13mVであり、又、酸素ポンプ素子10が低
温であるため酸素濃淡電池素子の出力を50mVとするため
に必要なポンプ電流を流すことができなかった。さら
に、比較例として、酸素ポンプ素子10の側にだけ加熱素
子を有する空燃比センサについても同様に、加熱素子に
13V印加して酸素濃淡電池素子20に発生する電圧を測定
したところ、10mVであった。又、酸素濃淡電池素子20の
出力を50mVとするために必要なポンプ電流は70mAであっ
た。

さらに、耐久試験として、本空燃比センサS1の加熱素子
30、40に各々13V印加し、酸素濃淡電池素子20出力が40m
Vとなるように、酸素ポンプ素子10のポンプ電流を制御
した状態で、700時間大気圧中に放置した。その結果、
耐久試験前のポンプ電流80mAが82mAとなった。比較例と
して、酸素ポンプ素子10の側にだけ加熱素子を有する空
燃比センサについても、同様の耐久試験を行ったとこ
ろ、耐久試験前に70mAであったポンプ電流が85mAとなっ
た。

本発明の第２実施例の空燃比センサS2の構成を第３図の
断面図を用いて説明する。

本発明は、本実施例のように酸素ガス検出素子と加熱素
子との間に間隙を必要としない空燃比センサにも適用で
きる。

本実施例の空燃比センサ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、該両素子110、120を加熱する２枚の加熱素子130、1
40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150の一部を測定ガス雰囲気と
測定ガス室160とを連通させる多孔質部170とする。

酸素ポンプ素子110、加熱素子130、140は、第１実施例
と同様であるので説明を省略する。

内部基準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180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。

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が、酸素濃淡電池素子120
と加熱素子140との間の間隙はなくてもよい。

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。さらに酸素ガス検出素子で
ある酸素濃淡電池素子120と加熱素子140が非常に接近し
ているので酸素ガス検出素子をより加熱しやすい。

また、本実施例の空燃比センサS2は、内部基準酸素源を
有する酸素濃淡電池素子120を用いており、酸素濃淡電
池素子120の測定ガス室とは反対側の面に周囲測定ガス
雰囲気を触れさせる必要がないるので、本来ならば、加
熱素子140を酸素濃淡電池素子120に接合してもよいので
あるが、接合せずに近接した状態に配置することによ
り、各素子は自由に膨張収縮できる状態に置かれるので
第１実施例の空燃比センサS1と同様に、加熱した際に、
熱膨張による素子の剥離を生じることがない。

本発明の第３実施例の空燃比センサS3の構成を第４鵜の
断面図を用いて説明する。

本実施例の空燃比センサS3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、該両素子210、220を加熱する２枚の加熱素子23
0、240とから構成される空燃比センサS3である。又、本
実施例では、□字状のスペーサ250を、酸素ポンプ素子2
10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の一部を測定ガス雰囲
気と測定ガス室260とを連通させる孔270を設ける。

酸素ポンプ素子210、加熱素子230、240は、第２実施例
と同様であるので説明を省略する。

上記酸素ガス検出素子220は、加熱素子230、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。

本実施例の空燃比センサS3は、酸素ガス検出素子220を
除いて第１実施例と同様の材料、方法を用いて製造され
るが、酸素ガス検出220と加熱素子240との間の間隙は必
要ない。

酸素ガス検出素子220と加熱素子240との間を間隙なく配
置したとしても、接合されているのではなく、近接した
状態に配置されているだけなので、各素子は自由に膨張
収縮できる状態に置かれ、加熱した際に、熱膨張による
素子の剥離を生じることがない。

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。さらに酸素ガス検出素子220と加熱素子240が非
常に接近しているので酸素ガス検出素子220をより加熱
しやすい。

［発明の効果］本発明の空燃比センサは、酸素ポンプ素子は間隙を介し
て対向する加熱素子の全面に渡る輻射によって加熱さ
れ、また酸素ガス検出素子も加熱素子の全面にわたる発
熱によって加熱される。そのため、従来の空燃比センサ
のように電極の周縁部のみ加熱され、電極内に温度むら
が生じることはない。

その結果、空燃比センサの温度調節が良好に行える。

また、第１および第２の板状加熱素子と、酸素ポンプ素
子および酸素ガス検出素子とは、間隙を介して、あるい
は間隙を介さず対向しているだけで、接合されているわ
けではないので、各素子は自由に膨張収縮することがで
き、各素子間の熱膨張率の差が大きくても、熱膨張によ
り素子が剥離し、素子が破壊されてしまうことがない。

更に、酸素ポンプ素子および酸素ガス検出素子を、第１
および第２の板状加熱素子で、その両面から加熱するこ
とにより、酸素ポンプ素子および酸素ガス検出素子の両
面は、ほぼ同じ温度に加熱されるため、熱膨張差による
素子の変形を防止することができ、また、特に、酸素ガ
ス検出素子に固体電解質を用いた場合に、酸素ガス検出
素子の両面に配置された両電極間に温度差に起因した起
電力が発生して、酸素ガス検出素子の動作を阻害するこ
ともないので、空燃比センサを良好に作動させることが
できる。

また更に、第１および第２の加熱素子は、耐熱金属から
なる発熱抵抗体を有するものであり、容易に任意の発熱
温度に設定することができる。即ち金属は温度による抵
抗値の変化は小さく、温度によらず印加する電圧に応じ
て電流値がほぼ決まるので、耐熱金属からなる発熱抵抗
体を有する第１および第２の加熱素子は、印加する電圧
に応じて発熱温度を変化させることができるからであ
る。

そして、これら第１および第２の加熱素子の発熱温度
を、酸素ポンプ素子および酸素ガス検出素子の活性化温
度の最低点より十分に高い温度に設定することにより、
エンジンの始動時には、酸素ポンプ素子および酸素ガス
検出素子を活性化温度以上に速やかに昇温させることが
できると共に、定常運転時には、酸素ポンプ素子および
酸素ガス検出素子を活性化した状態に維持することがで
き、空燃比センサを常に良好な状態で作動させることが
できる。

また、酸素ポンプ素子と第１の板状加熱素子との間隙の
下限を50μｍとしたことにより、酸素ポンプ素子の第１
の加熱素子を向いた側に設けられた電極に、被測定ガス
を常に十分に到達させることができるので、酸素ポンプ
素子により常に被測定ガスの酸素分圧に対応した酸素を
移送できるようになり、また、酸素ポンプ素子と第１の
板状加熱素子との間隙の上限を200μｍとしたことによ
り、第１の板状加熱素子の輻射熱を効率よく酸素ポンプ
素子に伝達することができ、効率よく速やかに酸素ポン
プ素子を加熱することができる。

即ち、酸素ポンプ素子を効率よく速やかに加熱するに
は、酸素ポンプ素子と第１の板状加熱素子との間隙をで
きるだけ狭くする必要があり、一方、酸素ポンプ素子に
より被測定ガスの酸素分圧に対応した酸素を移送できる
ようにするには、電極が被測定ガスに十分にさらされる
ように、この間隙をある程度広くする必要があるが、酸
素ポンプ素子と第１の板状加熱素子との間隙を50〜200
μｍに制限することにより、これらの双方の要求を共に
好適に実現することができるのである。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の第１実施例の分解斜視図、第２図はその断面図、第３図は本発明の第２実施例の断面図、第４図は本発明の第３実施例の断面図、第５図は従来の空燃比センサを説明する斜視図である。 S1、S2、S3……空燃比センサ 10、110、210……酸素ポンプ素子 20、120……酸素濃淡電池素子（酸素ガス検出素子） 30、40、130、140、230、240……加熱素子 50……空隙（測定ガス室、ガス拡散制限間隙） 70、72、74、150、250……スペーサ 80、82……被覆材 160、260……測定ガス室 70……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） 280……遷移金属酸化物

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】板状酸素ポンプ素子と、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
濃度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、上記酸素ポンプ素子の上記測定ガス室に接しない面と50
〜200μｍの間隙を介して対向し、該酸素ポンプ素子を
加熱するための耐熱金属からなる発熱抵抗体を有する第
１の板状加熱素子と、上記酸素ガス検出素子の測定ガス室に接しない面に間隙
を介して、あるいは間隙を介さず対向し、該酸素ガス検
出素子を加熱するための耐熱金属からなる発熱抵抗体を
有する第２の板状加熱素子とを備えたことを特徴とする
空燃比センサ。