JPH0713621B2 - Air-fuel ratio sensor - Google Patents
Air-fuel ratio sensorInfo
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- JPH0713621B2 JPH0713621B2 JP61297041A JP29704186A JPH0713621B2 JP H0713621 B2 JPH0713621 B2 JP H0713621B2 JP 61297041 A JP61297041 A JP 61297041A JP 29704186 A JP29704186 A JP 29704186A JP H0713621 B2 JPH0713621 B2 JP H0713621B2
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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。TECHNICAL FIELD The present invention relates to an air-fuel ratio sensor including an oxygen pump element, an oxygen gas detection element, and two heating elements for heating both elements.
[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。[Prior Art] Conventionally, for example, in a combustion device such as an internal combustion engine, an air-fuel ratio sensor detects an oxygen concentration in exhaust gas in order to improve fuel efficiency and emission and operate under optimum conditions.
The air-fuel mixture burned in a combustion device is controlled near the stoichiometric air-fuel ratio.
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)。As the air-fuel ratio sensor as described above, a plate-shaped oxygen pump element A and a plate-shaped oxygen gas detection element (oxygen concentration battery element) B using an oxygen ion conductive solid electrolyte as shown in FIG. There is a method in which the gap is used as a measurement gas chamber C which communicates with the surrounding measurement target gas through a gas diffusion limiting portion (for example, Japanese Patent Laid-Open No. 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。In this air-fuel ratio sensor, the plate-shaped oxygen pump element A is used to set the oxygen gas concentration in the measurement gas chamber C detected by the plate-shaped oxygen gas detection element A to a predetermined value. Oxygen is transported between the inside of C and the ambient gas to be measured, and the air-fuel ratio of the ambient gas to be measured is determined from the pump current required for the transport.
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。Further, the air-fuel ratio sensor has heating elements D and E having heating resistors for the purpose of temperature adjustment and temperature compensation during measurement. Each of the heating elements D and E has a hole F having the same shape as the electrodes outside the oxygen gas detection element A and the oxygen pump element B, and a heating resistor G surrounding the hole F. Body G heats up. Then, the oxygen gas detection element A and the oxygen pump element B are heated from both sides.
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。In this way, when the air-fuel ratio sensor is heated from both sides, both sides of the air-fuel ratio sensor expand in the same way, so the air-fuel ratio sensor does not warp due to the difference in the coefficient of thermal expansion between the front and back surfaces.
[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。[Problems to be Solved by the Invention] In the conventional air-fuel ratio sensor shown in FIG.
Are integrally joined to the oxygen pump element A and the oxygen gas detection element B, and the vicinity of the peripheral portions of the outer electrodes of the oxygen pump element A and the oxygen gas detection element B are sufficiently heated by the heat transfer from the heating resistor G. . However, the central part of the electrode is not heated, and temperature unevenness occurs on the electrode surface, which may prevent good temperature control.
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。In addition, since the heating elements D and E have a different coefficient of thermal expansion from the oxygen pump element A and the oxygen gas detection element B, each element expands at a different rate when heated. There was a problem that it would end up.
[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。[Means for Solving Problems] The present invention has the following structure for the purpose of solving the above problems.
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。That is, the gist of the present invention is to form a plate-shaped oxygen pump element, a plate-shaped oxygen gas detection element, and the oxygen pump element and the oxygen gas detection element facing each other with a gap, and Having a measurement gas chamber that communicates with the surrounding measured gas via the gas diffusion limiting portion, while transporting oxygen between the measuring gas chamber and the surrounding measured gas using the plate-shaped oxygen pump element, In the air-fuel ratio sensor for measuring the air-fuel ratio of the surrounding measured gas by detecting the oxygen gas concentration in the measurement gas chamber using the plate-shaped oxygen gas detection element, contacting the measurement gas chamber of the oxygen pump element. Not face and 50
A first plate-shaped heating element having a heating resistor made of a heat-resistant metal for heating the oxygen pump element, the surface not facing the measurement gas chamber of the oxygen gas detection element. And a second plate-shaped heating element having a heating resistor made of a heat-resistant metal for heating the oxygen gas detection element, the second plate-shaped heating element facing each other with or without a gap therebetween. It is in the fuel ratio sensor.
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。Here, as the plate-like oxygen pump element, the above-mentioned JP-A-58 is used.
As described in -153155, an element in which porous electrodes are provided on both surfaces of a plate-shaped oxygen ion conductive solid electrolyte may be used.
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。This oxygen pump element has an oxygen ion conductive solid electrolyte under appropriate temperature conditions (for example, when the solid electrolyte is zirconia).
At 400 ° C. or higher), the property of moving oxygen ions in the solid electrolyte by applying a voltage between the pair of porous electrodes is utilized.
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。That is, when a voltage is applied between the pair of electrodes of the oxygen pump element, oxygen ions move from the lower electrode potential to the higher electrode potential, so that the oxygen gas partial pressure decreases on the lower electrode potential side, and conversely. The oxygen gas partial pressure increases on the side where the electrode potential is high. Moreover, since the charge carrier of the solid electrolyte is oxygen ions, the amount of movement of oxygen ions can be adjusted by adjusting the amount of current flowing between the electrodes.
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。A solid solution of zirconia and yttria or calcia is typical as the oxygen ion conductive solid electrolyte. In addition, cerium dioxide, thorium dioxide, hafnium dioxide solid solutions, perovskite type oxide solid solutions, trivalent metal oxide solid solutions and the like can be used as the oxygen ion conductive solid electrolyte.
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。The electrodes may be formed by a method such as flame spraying, chemical plating, vapor deposition, or print-printing and sintering the above metal paste of a metal having excellent heat resistance such as Pt, Ru, Pd, Rh, Ir, Ag, and Au. Good.
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。As the plate-shaped oxygen gas detection element used in the present invention, for example, as described in the above-mentioned JP-A-58-153155, oxygen having porous electrodes provided on both surfaces of a plate-shaped oxygen ion conductive solid electrolyte is used. A concentration cell element can be used. This element outputs an electromotive force according to the oxygen gas partial pressure difference between the front and back surfaces of the electrolyte plate, that is, an electromotive force according to the oxygen gas partial pressure difference between the measurement gas chamber and the surrounding gas to be measured. Then, the partial pressure of oxygen gas in the measurement gas chamber can be detected from this electromotive force.
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。Alternatively, an oxygen concentration battery element having an internal reference can be used as the oxygen gas detection element. An oxygen-concentrated battery element having an internal reference means that the outer electrode of the oxygen-concentrated battery element described above is covered with a shield, and a predetermined voltage is applied to the oxygen-concentrated battery element to transport and accumulate oxygen to the outer electrode. The oxygen thus generated is used as a reference oxygen source for detecting oxygen gas. Thus, the oxygen concentration battery element provided with the reference oxygen source outputs an electromotive force according to the oxygen gas partial pressure difference between the oxygen reference source and the measurement gas chamber. Then, the partial pressure of oxygen gas in the measurement gas chamber can be detected from this electromotive force.
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。Further, it is also possible to use an oxygen gas detection element whose conductivity changes according to the ambient oxygen gas partial pressure, that is, the oxygen gas partial pressure in the measurement gas chamber. A transition metal oxide may be used for this oxygen gas detection element. These are likely to be non-stoichiometric compounds in which the ratio of metal element to oxygen is not an integer. Because of this non-stoichiometry, these oxides are susceptible to changes in conductivity due to the ambient oxygen partial pressure. Among them, TiO 2 , CoO, SnO 2 , ZnO, Nb 2 O 5 , and Cr 2 O 3 are preferable from the viewpoints of large change in conductivity with respect to changes in oxygen partial pressure, excellent durability, and the like. Then, the partial pressure of oxygen gas in the measurement gas chamber can be measured from this change in conductivity.
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。The measurement gas chamber of the present invention, for example, alumina, spinel,
It is provided as a flat closed chamber by sandwiching a spacer as a layered intermediate member made of forsterite, squatite, zirconia or the like between the plate oxygen pump element and the plate oxygen gas detecting element. Then, as a gas diffusion limiting portion, a hole for communicating the measurement gas atmosphere with the measurement gas chamber is provided in a part of the spacer. In this gas diffusion limiting portion, a part or all of the spacer is replaced with a porous body, holes are formed in the spacer (including a thick film coat), and further, the spacer is used as a plate oxygen pump element and a plate oxygen. It is possible to provide only on the terminal side of the gas detection element to form a gap between the plate oxygen pump element and the plate oxygen gas detection element, and this gap can be provided as a gas diffusion limiting gap integral with the measurement gas chamber. In addition, a porous material, which is preferably electrically insulating, may be arranged in the entire void.
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。The heating element used in the present invention is made of, for example, an electrically insulating inorganic plate-like body such as alumina, spinel, forsterite, steatite, or zirconia, and a heating resistor is arranged in a wavy shape on one surface thereof. It is sufficient to use the element that has been used. The heating resistor may be formed by print printing using a paste of a heat resistant metal such as platinum or gold.
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。The air-fuel ratio sensor of the present invention can be manufactured, for example, by the following method.
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。First, the oxygen pump element and the oxygen gas detection element are assembled to form the measurement gas chamber and the gas diffusion limiting portion as described above.
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。Next, one plate-shaped heating element (first plate-shaped heating element) is fixed so as to face the surface of the oxygen pump element that is not in contact with the measurement gas chamber with a gap. The gap may be formed by providing a spacer made of a heat-resistant inorganic plate or the like between the heating element and the oxygen pump element. If this gap is too narrow, the ambient atmosphere does not reach the outer electrode of the oxygen pump element sufficiently, so 50 μm or more is preferable. On the other hand, if the gap is too wide, the oxygen pump element is less likely to be heated by the heating element, so 200 μm or less is preferable.
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。Further, the other plate-shaped heating element (second plate-shaped heating element) is fixed to the surface of the oxygen gas detection element which is not in contact with the measurement gas chamber. When using the oxygen concentration battery element described above as the oxygen gas detection element, between the plate-shaped heating element and the oxygen gas detection element is the same as in the case of the oxygen pump element described above.
50 to 200 μm is preferable. However, when an oxygen concentration cell element having the above-mentioned internal reference or a gas detection element whose conductivity changes depending on the oxygen gas partial pressure is used as the oxygen gas detection element, the ambient atmosphere is introduced on the surface not in contact with the measurement gas chamber. Since there is no need to do so, there may be no gap between the plate-shaped heating element and the oxygen gas detection element.
[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。[Operation] In the present invention, the first plate-shaped heating element has a heating resistor made of a heat-resistant metal, and the electrodes of the oxygen pump element and the vicinity of the electrodes facing each other through a gap are radiated by the radiant heat of the heating resistor. Heating by.
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。Also, the second plate-shaped heating element also has a heat-generating resistor made of a heat-resistant metal, and when there is a gap between the oxygen gas detecting element and the electrode of the oxygen gas detecting element facing each other. , If there is no gap between the oxygen gas detection element and the radiant heat of the heating resistor and it is simply in contact,
It is also heated by heat conduction from the heating resistor.
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。Therefore, no temperature unevenness occurs between the peripheral portion of the electrode and the central portion of the electrode.
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。Further, since the first and second plate-shaped heating elements and the oxygen pump element and the oxygen gas detection element face each other with or without a gap, they are not joined. The elements can freely expand and contract, and even if there is a large difference in the coefficient of thermal expansion between the elements, there is no inconvenience that the elements separate due to thermal expansion.
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。Furthermore, since the oxygen pump element and the first heating element are arranged to face each other with a gap of 50 to 200 μm,
The gas to be measured sufficiently reaches the electrode provided on the side of the oxygen pump element facing the first plate-shaped heating element, and the radiant heat of the first plate-shaped heating element is efficiently transmitted to the oxygen pump element. It
[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。Example An example of the present invention will be described with reference to the drawings. The present invention is not limited to this, and includes various embodiments without departing from the scope of the invention.
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。The structure of the air-fuel ratio sensor S1 of the first embodiment of the present invention will be described with reference to the exploded perspective view of FIG. 1 and the sectional view of FIG.
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。The air-fuel ratio sensor includes an oxygen pump element 10 using an oxygen ion conductive solid electrolyte and an oxygen concentration battery element using the same oxygen ion conductive solid electrolyte which is an oxygen gas detection element.
The air-fuel ratio sensor S1 is composed of 20 and two heating elements 30 and 40 for heating both elements. Also, in this embodiment,
A space 50 is formed between the plate-shaped oxygen pump element 10 and the plate-shaped oxygen concentration battery element 20, and the space 50 is a gas diffusion limiting gap integrated with the measurement gas chamber. Furthermore, a gap 5 is also formed between the heating elements 30 and 40 and the oxygen pump element 10 and the oxygen concentration battery element 20.
2, 54 are provided.
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。The main body of the oxygen pump element 10 is 0.7 mm thick x 4 mm wide x 35 mm long.
The oxygen ion conductive solid electrolyte sintered plate-shaped body 10a.
On the front side of this sintered plate state 10a, electrodes 10b and 10c made of a heat-resistant metal layer are provided in a square shape at positions facing each other on the front and back sides and at positions slightly away from the three edges on the front side. There is. A lead wire 10d made of a heat-resistant metal layer is provided in a strip shape extending straight to the original side of the plate-shaped body 10a from one of the two corners of the rectangular electrode 10b in the original direction. Similarly, of the two corners of the other rectangular electrode 10c in the original direction, the electrode 1
A leader line 10e is provided in a strip shape extending straight from the corner opposite to 0c to the original side of the plate-shaped body 10a. Leader line 10e
Is a through hole 1 that penetrates the front and back of the plate 10a on the original side.
It is electrically connected to the take-out portion 10g on the opposite side through 0f. The lead wire 10d forms a lead-out portion 10h on the original side, and as a result, the lead-out portions 10g and 10h of the two electrodes 10b and 10c are arranged on the same surface.
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。Similarly to the oxygen pump element 10, the oxygen concentration battery element 20 is mainly composed of an oxygen ion conductive solid electrolyte sintered plate 20a having a thickness of 0.7 mm, a width of 4 mm and a length of 35 mm. On the front side of the sintered plate-shaped body 20a, electrodes 20b, 20c made of a heat-resistant metal layer are provided at positions opposite to each other on the front and back sides thereof and at positions slightly away from the three edges on the front side.
Are provided in a square shape. A lead wire 20d made of a heat-resistant metal layer from one of the two corners of the rectangular electrode 20b in the original direction is provided in a strip shape extending straight to the original side of the plate-shaped body 20a. Similarly, of the two corners of the other rectangular electrode 20c in the original direction, the lead wire 2 is drawn from the corner opposite to the electrode 20c.
0e is provided in a strip shape that extends straight to the original side of the plate body 20a. The lead wire 20e is electrically connected to a take-out portion 20g on the opposite side through a through hole 20f penetrating the front and back of the plate-shaped body 20a on the original side. The lead wire 20d forms a lead-out portion 20h on the original side, and as a result, the lead-out portions 20g and 20h of the two electrodes 20b and 20c are arranged on the same surface.
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。Since the heating elements 30 and 40 have exactly the same structure, they will be described collectively. Main elements of heating elements 30 and 40 are 0.8 mm thick x 4 mm wide x 30 long
The electrically insulating sintered plate-shaped bodies 30a and 40a having a size of mm. Heating element 3
Resistance heating elements 30b and 40b made of a heat-resistant metal layer are provided in a substantially U-shaped corrugated shape on the front side of one surface of 0 and 40. Lead wires 30c, 30d, 40c, 40d made of a heat-resistant metal layer are provided in a strip shape extending straight from the two ends of the resistance heating elements 30b, 40b to the original sides of the plate-shaped bodies 30a, 40a. There is. Lead lines 30c, 30d, 40c, 40d are through-holes 30e, 33f, 40e, 40f penetrating the front and back of plate-shaped bodies 30a, 40a on the original side, and take-out portions 30g, 30h, 40g, 40h on the opposite side. Electrically connected to.
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。The oxygen pump element 10, the oxygen concentration battery element 20, the heating element
30, 40 take-out section 10g, 10h, 20g, 20h, 30g, 30h, 40
Platinum wires 60a to 60h are connected to g and 40h as lead wires.
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。The space 50 between the oxygen pump element 10 and the oxygen concentration cell element 20 is formed by a spacer 70 having a thickness of 100 μm,
The gap between the oxygen pump element 10 or the oxygen concentration cell element 20 and the heating elements 30 and 40 is formed by spacers 76 and 78 having a thickness of 80 μm, as shown in FIG. In addition, the oxygen pump element 10, the oxygen concentration battery element 20 and the take-out parts of the heating elements 30 and 40 10g, 10h, 20g, 20h, 30g, 30h, 40g, 40h
Above, provided for sandwiching and fixing each platinum wire 60a ~ 60h, thickness 0.8mm × length 4mm × width 4mm coating material 72,74,80,
Covered by 82.
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。The air-fuel ratio sensor S1 of this embodiment is manufactured as follows.
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。First, the oxygen pump element 10 and the oxygen concentration battery element 20 are manufactured in the following steps (1)-to (1)-
20 is bonded together to form a measurement gas chamber and a void 50 which is a gas diffusion limiting portion.
(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) -ZrO 2 (94 mol%) and Y 2 O 3 (6 mol%)
Wet and mix for 40 hours.
(1)‐ この混合粉砕物を乾燥後、1300℃で2時間
仮焼する。(1) -The mixed pulverized product is dried and then calcined at 1300 ° C. for 2 hours.
(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) -This calcined product is pulverized by a wet method for 40 hours to obtain a solid electrolyte raw material powder.
(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) -on solid electrolyte raw material powder, organic binder,
Add methyl ethyl ketone, toluene, etc. to make a slurry.
(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) -From this sludge by the doctor blade method,
A 0.8 mm thick green sheet is obtained.
(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) -Platinum black and spongy platinum are mixed in a ratio of 2: 1 with a solvent and a binder to obtain an electrode paste.
(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)-On the green sheet obtained in (1)-
The electrode paste obtained in (1) -was screen-printed to form each electrode, lead-out line, and lead-out pattern having a thickness of 30 μm as shown in FIG.
(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) -After cutting the green sheet printed with the electrode paste into the shape of each element, the end of the platinum wire of 3 mmφ is placed on the pattern of the extraction part of the green sheet of each element, and (1) -One of the green sheets obtained in
The pieces were covered and laminated and pressure-bonded.
(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) -Green sheet of each element above is 300 ℃, 6
After removing the resin in time, 1500 ° C in the atmosphere
It was fired under the condition of 4 hours. In this way, the oxygen pump element 10 and the oxygen concentration battery element 20 are manufactured.
(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。(1) -The elements 10 and 20 are fixed and bonded with heat-resistant cement so that the gaps between the opposing electrodes 10c and 20c of the elements 10 and 20 manufactured as described above are 100 μm.
The heat-resistant cement used for this bonding serves as the spacer 70 described above. The void 50 formed by the heat-resistant cement serves as the measurement gas chamber and the gas diffusion limiting portion.
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。Next, the heating elements 30 and 40 are connected to the following (2)-to (2)-
Manufactured by, and laminated to the structure assembled in (1)-.
(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) - the Al 2 O 3, MgO, CaO, from the raw material powder of SiO 2 or the like is added 8 wt%, the (1) - (1) - In the same manner as to create a 0.9mm thick green sheet did.
(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) -Similar to (1)-, screen printing using the electrode paste prepared in (1)-on the green sheet prepared in (2)-produced resistance heating as shown in Fig. 1. Each pattern of the body, the lead wire, and the takeout portion is formed to have a thickness of 30 μm.
(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) -Similar to (1)-and (1)-, after cutting the green sheet on which the electrode paste is printed to form a heating element, the pattern of the lead-out portion of the heating element green sheet is 3 mmφ. Place the end of the platinum wire of the above, and further add 1 of the green sheet obtained in (1)-above.
The pieces were covered and laminated and pressure-bonded. Then, the green sheet of this heating element was subjected to resin removal at 300 ° C. for 6 hours and then fired in the atmosphere at 1500 ° C. for 4 hours.
(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。(2) -The heating elements 30 and 40 obtained in (2) -are provided on both sides of the structure obtained in (1)-
The sheets are laminated one by one with heat-resistant cement so that the gap between 40 and the structure is 80 μm.
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。The air-fuel ratio sensor S1 of this embodiment is manufactured by the steps as described above.
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。In the air-fuel ratio sensor S1 of this embodiment manufactured in this way, the resistance heating elements of the heating elements 30 and 40 face the outer electrodes of the oxygen pump element 10 and the oxygen concentration battery element 20. The heating of the oxygen pump element 10 and the oxygen concentration cell element 20 is due to the radiation from the heating elements 30 and 40 over the entire surface. Therefore, in the air-fuel ratio sensor S1 of the present embodiment, there is no temperature unevenness in which only the peripheral portions of the electrodes are heated unlike the conventional air-fuel ratio sensor shown in FIG.
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。Further, due to the heating by the heating elements 30 and 40, the oxygen pump element 10 and the oxygen concentration cell element 20 are started when the engine is started.
In addition to being able to quickly raise the temperature above the activation temperature of, at the time of steady operation, the oxygen pump element 10 and the oxygen concentration cell element 20 can be maintained in an activated state, so that the air-fuel ratio sensor S1 is always good. It can be operated in any state.
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。Further, the air-fuel ratio sensor S1 of the present embodiment is an oxygen pump element 10 using a solid electrolyte made of zirconia, an oxygen concentration battery element 20.
The heating elements 30, 40 made of alumina and are not directly exposed to high-temperature exhaust gas at the time of use, and are joined in the vicinity of the ends of the respective elements in a relatively low temperature state. Therefore, since the junction between the oxygen pump element 10 and the oxygen concentration cell element 20 and the heating elements 30 and 40 does not reach a high temperature during use, despite a large difference in the coefficient of thermal expansion between zirconia and alumina,
There is no peeling of the joint. That is, the air-fuel ratio sensor S1 of the present embodiment is not damaged by the difference in the coefficient of thermal expansion between the elements without using a device for reducing the difference in the coefficient of thermal expansion such as the stress relaxation layer unlike the conventional sensor. Absent. And, since no special device for relieving the stress is required, the manufacturing is easier.
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。Further, the distance between the oxygen pump element 10 and the heating element 30 is 80 μm, which is a width sufficient to constantly supply a new gas to be measured to the electrode 10b facing the heating element 30 side of the oxygen pump element 10.
Since it is set to m, oxygen corresponding to the oxygen partial pressure of the gas to be measured can be transferred by the oxygen pump element 10, and the 80 μm interval is sufficiently close to the radiant heat of the heating element 30. Can be efficiently transmitted to the oxygen pump element 10, and the oxygen pump element 10 can be efficiently and quickly heated.
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。Also, since two heating elements 30 and 40 are used, the amount of heat generated per heating element required to bring the air-fuel ratio sensor S1 to the desired temperature is higher than that with one heating element. Half is enough. As a result, the power consumption per heating element may be small and the life of the heating elements 30, 40 is extended.
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。Further, when the oxygen concentration battery element 20 is used as the oxygen concentration detection element as in this embodiment, the oxygen concentration battery element 20
Is further prevented from adsorbing oxygen, and the performance of the air-fuel ratio sensor S1 is prevented from deteriorating due to oxygen adsorption. Further, it is possible to prevent the generation of electromotive force caused by the temperature difference between the surfaces of the oxygen concentration battery element 20.
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。The following experiment was conducted on the air-fuel ratio sensor S1 of this example. As a result, the air-fuel ratio sensor S1 of the present embodiment has a sufficiently small electromotive force caused by the temperature difference between the two electrodes of the oxygen concentration battery element 20, and has excellent durability, and is excellent as an air-fuel ratio sensor for an internal combustion engine. Was confirmed.
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。In the atmosphere, the heating element 30, 40 of the air-fuel ratio sensor S1 of the present embodiment
The voltage generated in the oxygen concentration battery element 20 is 0.5 mV when the electrode facing the heating element 30 is measured as plus, and the output of the oxygen concentration battery element 20 is set to 50 mV. The required pump current was 80 mA. On the other hand, only the heating element 40 on the oxygen concentration battery element 20 side has 13
When a voltage of V is applied, the voltage generated in the oxygen concentration battery element 20 is -13 mV, and since the oxygen pump element 10 is at a low temperature, it is necessary to set the output of the oxygen concentration battery element to 50 mV. The pump current could not be passed. Further, as a comparative example, an air-fuel ratio sensor having a heating element only on the oxygen pump element 10 side is similarly used as a heating element.
When 13 V was applied and the voltage generated in the oxygen concentration battery element 20 was measured, it was 10 mV. Further, the pump current required to set the output of the oxygen concentration battery element 20 to 50 mV was 70 mA.
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。Furthermore, as a durability test, the heating element of the air-fuel ratio sensor S1
Applying 13V to 30 and 40 respectively, oxygen concentration cell device 20 output is 40m
The oxygen pump element 10 was allowed to stand at atmospheric pressure for 700 hours while controlling the pump current of the oxygen pump element 10 so as to be V. as a result,
The pump current 80mA before the durability test became 82mA. As a comparative example, an air-fuel ratio sensor having a heating element only on the oxygen pump element 10 side was subjected to the same durability test. As a result, the pump current, which was 70 mA before the durability test, was 85 mA.
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。The structure of the air-fuel ratio sensor S2 of the second embodiment of the present invention will be described with reference to the sectional view of FIG.
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。The present invention can also be applied to an air-fuel ratio sensor that does not require a gap between the oxygen gas detection element and the heating element as in this embodiment.
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。The air-fuel ratio sensor S2 of the present embodiment is an oxygen concentration battery element 120 having an oxygen pump element 110 using an oxygen ion conductive solid electrolyte and an internal reference oxygen source that is an oxygen gas detection element.
And two heating elements 130, 1 for heating both elements 110, 120
The air-fuel ratio sensor S2 is composed of 40 and. Further, in this embodiment, a flat closed measurement gas chamber 160 is provided by sandwiching the square-shaped spacer 150 between the oxygen pump element 110 and the oxygen concentration cell element 120. Then, as a gas diffusion limiting portion, a part of the spacer 150 is used as a porous portion 170 that connects the measurement gas atmosphere and the measurement gas chamber 160.
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。Since the oxygen pump element 110 and the heating elements 130 and 140 are the same as those in the first embodiment, their description will be omitted.
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。The oxygen concentration battery element 120 having an internal reference is such that by covering the outer electrode 120b of the oxygen concentration battery element 120 with a shield 180, a voltage is applied to the electrode 120b to store the oxygen gas transported by the oxygen concentration battery element 120. However, the structure is similar to that of the oxygen concentration battery element 20 of the first embodiment except that it is different.
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。The air-fuel ratio sensor S2 of this embodiment is manufactured by using the same material and method as those of the first embodiment, but the oxygen concentration cell element 120 is used.
There may be no gap between the heating element 140 and the heating element 140.
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。The air-fuel ratio sensor S2 of this embodiment is different from the air-fuel ratio sensor S1 of the first embodiment in that it has an oxygen concentration battery element having an internal reference oxygen source.
120 is used. Therefore, in addition to the effect of the first embodiment, there is an effect that the oxygen gas partial pressure in the measurement gas chamber can be stably detected even if the oxygen gas partial pressure in the surrounding measurement gas atmosphere changes. Furthermore, since the oxygen concentration battery element 120, which is an oxygen gas detection element, and the heating element 140 are very close to each other, it is easier to heat the oxygen gas detection element.
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。Further, the air-fuel ratio sensor S2 of the present embodiment uses the oxygen concentration battery element 120 having an internal reference oxygen source, and the surface of the oxygen concentration battery element 120 opposite to the measurement gas chamber is exposed to the ambient measurement gas atmosphere. Therefore, the heating element 140 may be bonded to the oxygen concentration cell element 120, but by arranging them in a close state without bonding, each element can expand and contract freely. Since it is placed in a ready state, like the air-fuel ratio sensor S1 of the first embodiment, when heated,
No peeling of the element due to thermal expansion occurs.
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。The structure of the air-fuel ratio sensor S3 of the third embodiment of the present invention will be described with reference to the sectional view of the fourth cormorant.
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。The present invention can also be applied to an air-fuel ratio sensor that does not require a gap between the oxygen gas detection element and the heating element as in this embodiment.
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。The air-fuel ratio sensor S3 of this embodiment is an oxygen pump element 210 using an oxygen ion conductive solid electrolyte, and an oxygen gas detection element whose conductivity changes according to the partial pressure of oxygen gas in the measurement gas chamber.
220 and two heating elements 23 for heating both elements 210, 220
The air-fuel ratio sensor S3 is composed of 0 and 240. Further, in this embodiment, the square-shaped spacer 250 is used as the oxygen pump element 2
By sandwiching between 10 and the oxygen gas detection element 220,
A flat closed measurement gas chamber 260 is provided. Then, as a gas diffusion limiting portion, a hole 270 is provided to connect a part of the spacer 250 to the measurement gas atmosphere and the measurement gas chamber 260.
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。Since the oxygen pump element 210 and the heating elements 230 and 240 are the same as those in the second embodiment, their explanations are omitted.
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。The oxygen gas detection element 220 is provided with a pair of electrodes (not shown), a lead wire, and a lead-out portion (not shown) on one surface on the same electrically insulating sintered plate 220a as the main body of the heating elements 230, 240. The transition metal oxide 280 is placed and sintered so as to extend over the electrodes. Then, in this embodiment, the partial pressure of oxygen gas in the measurement gas chamber 260 is measured from the change in the conductivity of the transition metal oxide 280.
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。The air-fuel ratio sensor S3 of this embodiment is manufactured by using the same material and method as in the first embodiment except the oxygen gas detection element 220, but the gap between the oxygen gas detection 220 and the heating element 240 is unnecessary.
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。Even if the oxygen gas detection element 220 and the heating element 240 are placed without a gap, they are not joined but are placed in close proximity to each other, so that each element can be freely expanded and contracted. When heated, the element does not peel due to thermal expansion.
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。Unlike the air-fuel ratio sensor S1 of the first embodiment, the air-fuel ratio sensor S3 of the present embodiment uses an oxygen gas detection element 220 whose conductivity changes according to the partial pressure of oxygen gas in the measurement gas chamber 260.
Therefore, in addition to the effect of the first embodiment, there is an effect that the oxygen gas partial pressure in the measurement gas chamber can be stably detected even if the oxygen gas partial pressure in the surrounding measurement gas atmosphere changes. Furthermore, since the oxygen gas detection element 220 and the heating element 240 are very close to each other, it is easier to heat the oxygen gas detection element 220.
[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。[Advantages of the Invention] In the air-fuel ratio sensor of the present invention, the oxygen pump element is heated by the radiation over the entire surface of the heating element that faces it through the gap, and the oxygen gas detection element is also heated by the heat generation over the entire surface of the heating element. . Therefore, unlike the conventional air-fuel ratio sensor, only the peripheral portion of the electrode is heated and the temperature unevenness does not occur in the electrode.
その結果、空燃比センサの温度調節が良好に行える。As a result, the temperature of the air-fuel ratio sensor can be adjusted well.
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。Further, since the first and second plate-shaped heating elements and the oxygen pump element and the oxygen gas detection element face each other with or without a gap, they are not joined. The elements can freely expand and contract, and even if there is a large difference in the coefficient of thermal expansion between the elements, the elements do not separate due to thermal expansion and the elements are not destroyed.
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。In addition, the oxygen pump element and the oxygen gas detection element are
By heating from both sides with the second plate-shaped heating element, both sides of the oxygen pump element and the oxygen gas detection element are heated to substantially the same temperature, and therefore, the deformation of the element due to the difference in thermal expansion is prevented. Moreover, especially when a solid electrolyte is used for the oxygen gas detection element, an electromotive force due to a temperature difference is generated between both electrodes arranged on both sides of the oxygen gas detection element, and the oxygen gas detection element is generated. Since it does not hinder the operation of, the air-fuel ratio sensor can be operated well.
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。Furthermore, the first and second heating elements each have a heating resistor made of a refractory metal, and can be easily set to any heating temperature. That is, the resistance value of metal changes little with temperature, and the current value is almost determined according to the applied voltage regardless of temperature. Therefore, the first and second heating elements having the heat-generating resistor made of a heat-resistant metal are applied. This is because the heat generation temperature can be changed according to the voltage.
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。Then, by setting the heat generation temperatures of the first and second heating elements to temperatures sufficiently higher than the lowest points of the activation temperatures of the oxygen pump element and the oxygen gas detection element,
When starting the engine, the oxygen pump element and the oxygen gas detection element can be quickly heated above the activation temperature, and during steady operation, the oxygen pump element and the oxygen gas detection element must be kept in the activated state. Therefore, the air-fuel ratio sensor can always be operated in a good condition.
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。Further, by setting the lower limit of the gap between the oxygen pump element and the first plate-shaped heating element to be 50 μm,
Since the measured gas can always reach the electrode provided on the side facing the heating element of, the oxygen pump element can always transfer oxygen corresponding to the oxygen partial pressure of the measured gas. Moreover, by setting the upper limit of the gap between the oxygen pump element and the first plate-shaped heating element to 200 μm, the radiant heat of the first plate-shaped heating element can be efficiently transferred to the oxygen pump element, and the efficiency can be improved. The oxygen pump element can be quickly heated.
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。That is, in order to heat the oxygen pump element efficiently and quickly, it is necessary to make the gap between the oxygen pump element and the first plate-shaped heating element as narrow as possible, while the oxygen pump element is used to reduce the oxygen partial pressure of the gas to be measured. In order to be able to transfer oxygen corresponding to the above, it is necessary to widen this gap to a certain extent so that the electrode is sufficiently exposed to the gas to be measured, but the oxygen pump element and the first plate-shaped heating element are 50-200 gap
By limiting to μm, both of these requirements can be suitably realized.
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 1 is an exploded perspective view of a first embodiment of the present invention, FIG. 2 is a sectional view thereof, FIG. 3 is a sectional view of a second embodiment of the present invention, and FIG. 4 is a third embodiment of the present invention. FIG. 5 is a perspective view illustrating a conventional air-fuel ratio sensor. S1, S2, S3 ... Air-fuel ratio sensor 10, 110, 210 ... Oxygen pump element 20, 120 ... Oxygen concentration battery element (oxygen gas detection element) 30, 40, 130, 140, 230, 240 ... Heating element 50 …… Void (measurement gas chamber, gas diffusion limiting gap) 70, 72, 74, 150, 250 …… Spacer 80, 82 …… Coating material 160, 260 …… Measurement gas chamber 70 …… Porous part (gas diffusion Restriction part) 220 …… Oxygen gas detection element 270 …… Hole (gas diffusion restriction part) 280 …… Transition metal oxide
Claims (1)
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。1. A plate-shaped oxygen pump element, a plate-shaped oxygen gas detection element, and the oxygen pump element and the oxygen gas detection element, which are opposed to each other with a gap interposed therebetween, and a gas diffusion limiting portion is interposed therebetween. And a measurement gas chamber communicating with the surrounding measurement target gas, and transporting oxygen between the measurement gas chamber and the surrounding measurement target gas by using the plate oxygen pump element, and detecting the plate oxygen gas. In the air-fuel ratio sensor for measuring the air-fuel ratio of the ambient gas to be measured by detecting the oxygen gas concentration in the measurement gas chamber using an element, a surface not in contact with the measurement gas chamber of the oxygen pump element and 50
A first plate-shaped heating element having a heating resistor made of a heat-resistant metal for heating the oxygen pump element, the surface not facing the measurement gas chamber of the oxygen gas detection element. And a second plate-shaped heating element having a heating resistor made of a heat-resistant metal for heating the oxygen gas detection element, the second plate-shaped heating element facing each other with or without a gap therebetween. Fuel ratio sensor.
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|---|---|---|---|
| JP61297041A JPH0713621B2 (en) | 1986-12-12 | 1986-12-12 | Air-fuel ratio sensor |
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| JP61297041A JPH0713621B2 (en) | 1986-12-12 | 1986-12-12 | Air-fuel ratio sensor |
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|---|---|
| JPS63149551A JPS63149551A (en) | 1988-06-22 |
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Family Cites Families (3)
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1986
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