JPS5942695Y2 - 発熱体付酸素濃度検出素子 - Google Patents

Description

【考案の詳細な説明】 この考案は酸素濃度検出素子に関し、特に自動車用内燃
機関の空燃比制御に使用して好適な発熱体付酸素濃度検
出素子に関する。

第１図および第２図は従来既知の発熱体付酸素濃度検出
素子の各々模式的断面図および製造工程説明図であって
、基板１内に発熱体２を埋設すると共に、基板１上に、
基準側電子伝導層３、酸素イオン伝導性固定電解質層４
あ・よび測定側電子伝導層５を順次積層し、前記測定副
電子伝導層５を保護４６を介して被測定雰囲気と接触可
能にした構造をなしている。

このような構造の酸素濃度検出素子では、基準側電子伝
導層３Ｋ＞ける基準酸素分圧と、揮発ＶＪＩＡ電子伝導
層５における被測２雰囲気中の酸素分圧との差に応じて
酸素濃淡電池の原理により起電力を発生するが、固体電
解質のイオン伝導度は低＠において悪化するため、酸素
濃度検出素子の温度が低い場合には上記起電力特性も悪
化してしまう。

そのため、基板１内に発熱体２を埋設して酸素濃度検出
素子の温度を一定値に保持し、常に良好でかつ安定した
起電力特性が得られるようにしている。

そして、上記発熱体２を設けるに際しては、基板１を２
枚のアルミナグリーンシー）１ａ、ｌｂから形成し、こ
れらの間に白金ワイヤ製の発熱体２を埋め込んだり、あ
るいは一方のアルミナグリーンシート１ａ上に白金ペー
ストをスクリーン印刷して発熱体２を形成したのち他方
のアルミナグリーンシート１ｂを積層したりしていた。

ところ力〜上記した従来の酸素濃度検出素子では、発熱
体２が基板１の中央部分に位置しているため、発熱体２
と酸素濃度検出部である固体電解質層４との間で温度勾
配を生ずる問題を有していた。

そして、とくに被測定流体力鳴動車用内燃機関の排ガス
である場合、排ガスの温度が大きく低下したり、あるい
は前記流速が増大したりした際に上記温度の配がさらに
大きくなるという問題を有していた。

それゆえ、前記発熱体２を例えばブリッジ方式を用いた
定温制御回路で一定温度に制御し、酸素濃度検出部であ
る固定電解質層の温度を一定に制御しようとしても、前
述した温度勾配のために、設定制御温度と実原の固定電
解質層４の温度との間にかなり大きな誤差を生じ、さら
に上述した温度勾配を有すると共に加熱効率が悪いため
に、固体電解質層４を所望の温度に素早く上昇させるｒ
ｃは発熱体２に対してかなり大きな入力を与える必要が
あるため、定温制御回路に使用するパワートランジスタ
等の規格を大きなものにせねばならず、コスト高になる
という欠点を有していた。

この考案の目的は、上述した従来技術の欠点を解消し、
酸素濃度検出素子として主に機能する固体電解質層の温
度制御を良好になすことができ、加熱効率にすぐれて上
記固体酸解質を昇温するのに必要な消費電力が小さく、
しかも製造工程の削減ならびに製造原価の低減をはかる
ことができる発熱体付酸素濃度検出素子を挺供すること
にある。

この考案は、酸素イオン伝導性固体電解質層の表面に、
測定側電子伝導層と基準側電子伝導層とを設け、前記測
定側電子伝導層を被測定雰囲気と接触可能にした酸素濃
度検出素子＆’ｌ−いて、前記測定側電子伝導層および
基準側電子伝導層のうちの少なくともいずれか一方を、
素子加熱用発熱体として必要な抵抗値を具備する帯状に
形成したことを特徴としている。

以下、この考案の実施例を図面に基いて詳細に説明する
。

第３図および第４図はこの考案の一実施例における酸素
濃度検出素子１０の各々模式的断面図および製造工程説
明図であって、基板１１を構成する２枚の基板素材１１
ａ、１１ｂの間に、３本のリード線２１．２２，２３の
先端部分を挾み込み、上方の基板素材１１ ｂｖｃ形成
した３個のスルーホール３１，３２．３ｊ部分で露出さ
せ、さらに基板１１上に、基準側電子伝導層１３、酸素
イオン伝導性固体電解質層１４訃よび測定側電子伝導層
１５を順次積層し、前記測定側電子伝導層１５を保護層
１６を介して被測定雰囲気と接触可能にした構造をなし
ている。

このとき、測定側電子伝導層１５は、第４図ｂＶｃ示す
ように、素子加熱用発熱体として必要な抵抗値を具備す
る帯状に形成している。

すなわち、一般的に言って電子伝導物質の抵抗Ｒば、（
’／Ｓ、）ρで表わされ（ただし、ｔは長さ、Ｓは断面
積、ρは比抵抗）るので、素子加熱用発熱体として必要
な抵抗値を具備させるには、長さｔを大きくするか、断
面積Ｓを小さくする必要がある。

しかみ、この種の酸素濃度検出素子１０では断面積Ｓを
小さくすることに難があるため、第４図ｂＶＣ示すよう
に長さｔを確保する意味で帯状に形成し、素子加熱用発
熱体として必要な抵抗値を得るようにしている。

なお、第４図すに示す帯状の形態は、測定−電子伝導層
１５の材貞（電子伝導度等）Ｋよって変更しうるもので
あり、図示例のものに限定されないことは当然である。

そして、帯状にした測定側電子伝導層１５の一４側をス
ルーホール３１を介してリードｆ＠２１に電気的に接続
し、他端側をスルーホール３３を介してリード線２３に
電気的に接続している。

また、基準側電子伝導層１３はスルーホール３２を介し
てリード線２２に電気的に接続している。

上述の構成において、基板素材１１ａ、１１ｂにはアル
ミナグリーンシートを用いるのが簡単であり、周基板素
材１１ａ、ｌｌｂの間に先端部分を挾み込むリード線２
１，２２．２３には白金線を用いるのが好都合である。

そして、上記基板１１上に基準側電子伝導層１３を形成
するに際しテは、白金ペーストを用いてスクリーン印刷
するのが簡単である。

さらにその上に固体電解質層１４を設けるに際しては、
Ｙ２Ｏ３ＺｒＯ２等の従来既知の固体電解質粉末を用い
たペーストをスクリーン印刷するのが簡単である。

次いで、固体電解質層１４上に測定側電子伝導層１５を
帯状に形成するに際しては、同様に白金ペーストを剛い
て第４図ｂＫ示すパターンでスクリーン印刷するのが簡
単である。

また、各スルーホール３１，３２゜３３にも白金ペース
トを埋め込んで各リード線２１．２２．２３との間で良
好な電気的接続を確保してかく。

その後、これら各層を同時に焼成し、あるいは各スクリ
ーン印刷毎に焼成する。

なお、基準側電子伝導層１３および発熱体兼用の測定側
電子伝導層１５の素材として白金（ペースト）を用いる
のは、雰囲気に対する耐食性に優れ、触媒作用を有する
電子伝導材であり、発熱体として用いる場合に温度変化
に対する抵抗値変化が直線的であるためである。

このような特性をもつ材料としては、上記白金のほかに
、白金を含む合金などもあり、とりわけ白金−ロジウム
系材料が好適である。

第５図は上記酸素濃度検出素子用結線図の一例を示し、
発熱体兼用の測定側電子伝導層１５の一端側に接続した
リード６２３を接地している。

また、基準側電子伝導層１３Ｖｃ接続したリード線２２
を微少電流供給電源２４に接続している。

したがって、上紀電原２４が負極接地であって、基準側
電子伝導層１３から測定側電子伝導層１５に同けて微少
電流が處し込まれると、固体電解質層１４内で測定側電
子伝導層１５から基準側電子伝導層１３に向けて酸素イ
オンの移動を生じ、基準側電子伝導層１３において酸素
分圧が高目の状態（酸素過剰の状態）でほぼ一定に保持
される。

そのため、たとえば燃焼排ガスからなる被測定雰囲気中
に酸素濃度検出素子１０を置いた際に、空気と燃料との
関係において燃料の比率が大きい空気過剰率λく１（い
わゆるリッチ側）の場合に酸素濃淡電池の原理に基いて
λ〉１の場合よりも大きな起電力を発生し、出力端子Ｅ
ｏより取出される。

さらに、発熱体兼用の測定側電子伝導層１５の他端側に
接続したリード線２１を加熱用電源２５に接続して発熱
可能にしている。

この場合、加熱用電源２５には、第６図に示すような定
温制御回路をそなえていることが望ましい。

すなわち、第６図において、ＲＨは測定側電子伝導層１
５の両端の抵抗、Ｒ□、Ｒ２，Ｒ３ｄ：前記抵抗ＲＨと
ともに構成されるブリッジ抵抗、２６は演算増幅器、Ｒ
４゜Ｒ５は演算増幅器２６の入力抵抗、Ｒ６，Ｃは帰還
回路を構成する抵抗およびコンデンサ、Ｔｒ ｌ ｖＴ
ｒ２ はダーリントン回路を構成するトランジスタ、
Ｒ７はトランジスタＴ ｒ １の入力抵抗である。

そこで、測定側電子伝導層１５の温度が設定値よりも低
すぎると、この両端［？ける抵抗ＲＨも所定値よりも低
くなってブリッジ回路の平衡がくずれ、演算増幅器２６
の＋側入力が一側人力よりも大きくなって出力を発生し
、トランジスタ゛ｆ’ｒｌのペースに入力されてダーリ
ントン回路が動作し、直流電源ｖｃがトランジスタＴｒ
２を介シテ測定側電子伝導層１５（の抵抗ｉ’ｌＨ）に
導通されて前記測定側電子伝導層１５による発熱が開始
され、固体電解質層１４の温度を上昇させる。

そして、測定側電子伝導層１５の温度が設ｉ値を越えた
ときには前記測定側″０伝導層１５の抵抗ＲＨも増大す
るたべ ブリッジ回路の平衡がくずれて演算増幅器２６
が出力を発生しなくなり、ダーリントン回路が不動作状
態となって測定側電子伝導層１５（の抵抗ＲＨ）への電
源供給が断たれ、測定側電子伝導層１５さらには固体電
解質層１４の温度を低下させ、以後、上述のよ５に電源
ＶＣの供給・遮断をくりかえして、測定側電子伝導層１
５すなわち固体電解質層１４の温度を一定に制御する。

第１図は、第１図および第２図に示す従来の酸素濃度検
出素子と、第３図および第４図に示すこの考案の酸素濃
度検出素子とを用い、第５図に示す結線をおこなって各
々発熱体２トよび発熱体兼用測定側電子伝導層１５の発
熱量と酵素濃度検出素子の出力電圧との関係を調べたー
実験結果を示すものである。

なお、この実験では、自動車用内燃機関の排気管に各々
の酸素濃度検出素子を取付けて一定のモードで走行させ
、各酸素濃度検出素子を第６図に示すブリッジ方式で定
温制御した場合に、同じ出力電圧を得るのに必要な発熱
体２または測定側電子伝導層１５の発熱量を調べた。

第７図から明らかなように、実線で示す従来品では同一
の出力電圧を得るためにリッチ側（λく１）釦よびリー
ン側（λ〉１）ｒｃおいて共ＶＣ８〜１２Ｗ程度の発熱
量が必要であるのに対して、点線で示す本考案品ではリ
ッチ側およびリーン側において共に５〜９Ｗ程度の発熱
量で済むことがわかる。

このように、本考案品では測定側電子伝導層１５そのも
のが発熱体であり、酸素濃度検出部である固体電解質層
１４に密接しているため、その加熱効率を従来品に比べ
て著しく高めることができ、たとえば上記自動車の場合
にバッテリの負担をそれだけ軽減することが可能となる
。

なお、後者までに従来品の発熱体２に対して本考案品の
ものと同程度の熱量しか与えなかった場合には、酸素濃
度検出部である固体電解質層４の温度が上昇しなくなり
、固体電解質層４の内部抵抗が増大するため、前記微少
電流供給電源２４より供給される（制御用電流）×（内
部抵抗）の値が大きく加算されて、第１図に一点鎖線で
示すよ５に見かけ上の出力電圧が大きくなりすぎ、リッ
チ側であるの）、リーン側であるかを判断する基準電圧
を太きく超えるので、結局は良好な空燃比制御をおこな
うことが不可能となる。

第８図は、自動車用内燃機関の排ガス温度を１５０℃か
ら３００℃までの間で変化させた際に空燃比制御可能な
素子出力電圧を得るために必要な発熱体２または測定側
電子伝導層１５０発熱量を求めたー実験結果を示してい
る。

第８図から明らかなように、本考案品は従来品に比べて
加熱効率がかなりすぐれているため、必要な発熱量も少
なくて済み、それだけ消費電力を低減させることが可能
である。

第９図は、一定温度の被測定流体の流速と発熱体（測定
側電子伝導層）＠度および酸素濃度検出素子衣桁温度と
の関係を調べたＭ！：ｆｔ示すものである。

このとき、発熱体（測定側電子伝導層）温度【ばその抵
抗値の温度依存性から求めた２５＼ブリツジ制御をおこ
なっているため発熱体（測定側電子伝導層）は一定抵抗
すなわち第９図に示すよ５に一定温度になっている。

また、素子表面温度は、酸素濃度検出素子の測定側表面
ＫＣＡ（クロメル−アルメル）熱電対を貼着して測定し
た。

第９図から明らかなように、点線で示す従来品では発熱
体２と酸素濃度検出部である固体電解質層４との間が離
れているため、被測定流体の流速が大きくなるほど素子
表面温度が著しく低下し、発熱体２との間でかなり大き
な温度勾配を生ずるのに対して、一点鎖線で示す本考案
品では測定側電子伝導層１５自体が発熱体２を兼ねてい
るため、素子表面温度の低下を著しく小さくおさえるこ
とができ、ブリッジ方式による設定制御温度と実際の素
子表面温度との誤差をきわめて少々くすることが可能で
ある。

第１０図はこの考案の他の実施例にトける酸素濃度検出
素子１０の製造工程説明図であって、前記実施例で示す
と同様ＶＣＶ−ド線２１．２２，２３の先端部分を挾み
込んだ基板１１上に、基準側電子伝導層１３、固体電解
質層１４トよび測定側電子伝導層１５を順次積層した構
造をなしているが、ここでは、基準側電子伝導層１３を
素子加熱用発熱体として必要な抵抗値を具備する帯状に
形成している。

そして、帯状に形成した基準側電子伝導層１３の一端側
をリード線２１ｖｃ接続して第５図に示す如く加熱用電
源２５に接続し、他端側ｆリード線２３ｔ／ｃ接続して
接地している。

ｌた、測定側電子伝導層１５をリード線２２を介して微
少電流供給電源２４に接続している。

したがって、上記電源２４が負極接地であって、測定側
電子伝導層１５から基準側電子伝導層１３に向けて微少
電流が流し込まれると、固体電解質層１４内で基準側電
子伝導層１３から測定側電子伝導層１５に向けて酸素イ
オンの移動を生じ、基準側電子伝導層１３において酸素
分圧が低目の状態（酸素不足の状態）でほぼ一定に保持
される。

そのため、たとえば燃焼排ガスからなる被測定雰囲気中
に酸素濃度検出素子１０を置いた際に、空気と燃料との
関係に３いて空気の比率が大きい空気過剰率λ〉■（い
わゆるリーン側）の場合にλ〈１の場合よりも大きな起
電力を発生し、出力端子Ｅ、ｏより取出される。

換言すれば、例えば自動車用内燃機関の排ガス中の酸素
濃度を検出するにあたり、バッテリ電源が負極接地で、
ある場合に、空気過剰率λ〉■（いわゆるリーン雰囲気
）で大きな起電力を発生する特性の酸素濃度検出素子１
０を使用せんとするときには、基準側電子伝導層１３を
接地する必要があるため、基準側電子伝導層１３を帯状
に形成して素子加熱用発熱体として必要な抵抗値を具備
させ、その一端側を接地すると共にその他端側を加熱用
電源２５に接続する構成とすることが必要である。

反対に、空気過剰率λく１（いわゆるリッチ雰囲気）で
大きな起電力を発生する特性の酸素濃度検出素子１０を
使用せんとするときには、測定側電子伝導層１５を接地
する必要があるため、測定側電子伝導層１５を帯状に形
成上て素子加熱用発熱体として必要な抵抗値を具備させ
、その一端側を接地すると共にその他端側を加熱用電源
２５に接続する構成とすることが必要である。

なお、上記実施例では基準側電子伝導層１３ｒｃあ・い
て安定した基準酸素分圧を発生させるために、基準側電
子伝導層１３と測定側電子伝導層１５との間に微少電流
供給電源２４を接続し、固体電解質層１４内でいずれか
の方向に酸素イオンの移動を生じさせて酸素分子の拡散
との間での平衡酸素分圧を得るようにしている７５人そ
のほか、基準側電子伝導層１３と基板１１との間あるい
は基準側電子伝導層１３と固体電解質層１４との間に、
金属−金属酸化物（たとえばＮｉ−Ｎ１ｐ）等の基準酸
素分圧発生物質層を設け、上記微少電流供給電源２４を
接続しないか、あるいは微少電流供給電源２４を併用す
る構造の酸素濃度検出素子であっても同様に加熱効率の
すぐれたものとすることができる。

以上詳述したように、この考案によれば、測定側電子伝
導層トよび基準ｉｔ子伝導層のうちの少なくともいずれ
か一方を、素子加熱用発熱体として必要な抵抗値を具備
する帯状に形成したから、酸素Ａ度検出部である固体Ｍ
質層を直接加熱することができるため、加熱効率を著し
く高めることが可能であり、加熱に必要な消費電力を大
幅に低減することができる。

そして、発熱体を兼用する基準ａｔたは測定側電子伝導
層の抵抗イ直の温度依存性を基にして温度制御する揚台
ｆｃｉ？いて、前記発熱体兼用電子伝導層と固体電解質
層とが密接しているため、これらの間で温度勾配が発生
するのを防止することができ、上記温度制御Ｋｊ、−け
る設定温度との誤差を著しく低減することが可能であり
、とくに自動車用内燃機関の始動時の如き低温度におい
て酸素濃度検出素子としての正常な動作を迅やかに開始
させることができるという非常にすぐれた効果を有し、
発熱体を別個に形成するための工程を必要としないので
生産性の向上をはかることが可能であるという効果もあ
わせて有する。

【図面の簡単な説明】

第１図および第２図ａ、ｂは従来の酸素濃度検出素子の
各々模式的断面図および製造工程説明図、第３図トよび
第４図ａ、ｂはこの考案の一実施例における酸素濃度検
出素子の各々模式的断面図、ｓ−よび製造工程説明図、
第５図はこの考案の一実施例における酸素濃度検出素子
用結線図、第６図は同じく酸素濃度検出素子用定温制御
回路図、第１図は発熱体兼用電子伝導層の発熱量と酸素
濃度検出素子の出力電圧との関係を示すグラフ、第８図
は発熱体および発熱体兼用電子伝導層と排ガス温度との
関係を示すグラフ、第９図は被測定流体の流速と発熱体
温度および素子表面温度との関係を示すグラフ、第１０
図ａ、ｂばこの考案の他の実施例における酸素濃度検出
素子の製造工程説明図である。 １０・−・・・・酸素濃度検出素子、１３・・・・−・
基準側電子伝導層、１４−−−−−・酸素イオン伝導性
固体電解質層、１ｋＪ・・・−・測定側電子伝導層。

Claims (1)

【実用新案登録請求の範囲】
1. 酸素イオン伝導性固体電解質層の表面に、測定側電子伝
   導層と基準側電子伝導層とを設け、前記測定測針伝導層
   を被測定雰囲気と接触９能にした酸素濃度検出素子にお
   いて、前記測定側電子伝導層および基準側電子伝導層の
   うちの少なくともいずれか一方を、素子加熱用発熱体と
   して必要な抵抗層を具備する帝状に形成したことを特徴
   とする発熱体付酸素濃度検出素子。