JPH02269948A - 燃焼制御用センサ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 産業上の利用分野 本発明は、燃焼排ガス中の残存酸素濃度により空気と燃
料の比を検出し、適正な燃焼状態を維持するために用い
る燃焼制御用センサに関するものである。

従来の技術 従来、この種のセンサとしては、酸素イオン導電性固体
電解質基体として安定化ジルコニアを用い、陽極及び陰
極として白金を用い、さらに陰極上にガス拡散律速体を
設けた形のものがある。該センサにおいては、両極間に
印加される電圧により酸素ボンピング作用が生じて酸素
イオン導電性固体電解質基体中を酸素イオンが移動し、
これを電流として取り出すことができる。この酸素イオ
ンの移動は陰極上に設けたガス拡散律速体によって結果
として律速されるため、出力電流は一定値まで増加した
後飽和する。この飽和電流値は雰囲気中の酸素濃度に応
じた値を示すため、電流値を測定することにより、排ガ
ス中の酸素濃度を知ることができ、従って適正な空燃比
になるように燃焼を制御することが可能になる。

発明が解決しようとする課題 従来、ガス拡散律速体の材料としては、アルミナ、スピ
ネルなどが用いられており、酸素イオン導電性固体電解
質基体と無機接着剤などで接合されていた。

しかし、この種のセンナにおいては、ガス拡散律速体の
材料と酸素イオン導電性固体電解質の熱膨張係数が異な
り、かつ耐熱衝撃特性も異なるため、往々にして酸素イ
オン導電性固体電解質基体の破損が生じることがあった
。

これに対処するため、酸素ポンプを構成する固体電解質
基体と同じ材料をガス拡散律速体として用いることが行
なわれる。この種のセンサにおいては、応答性を高める
ために、デッドスペースを極力小さくする必要があり、
ガス拡散律速体を陰極に密着させることがしばしば行な
われる。

しかし固体電解質材料をガス拡散律速体として陰極に密
着させると、ガス拡散律速体自体が導電性を仔するため
に、導電パスを形成してセンサの電気特性に異常な特性
が現われることがある。

課題を解決するための手段 本発明は、前記の課題に着目してなされたもので、酸素
イオン導電性固体電解質からなる基体と同じ材料でガス
拡散律束体を構成し、陰極形成面上に酸素イオン導電性
固体電解質と電極材料に対して非反応性かつ電気絶縁性
の多孔質の被覆層を形成するものである。

作　　　用 本発明による燃焼制御用センサにおいては、ガス拡散律
速体と酸素ポンプ基体用固体電解質が同じ材料からなる
ため、熱膨張、の不一致や機械的強度の違いによるセン
サの破損が生じない。また、陰極とガス拡散律速体とは
互いに絶縁されているため、電気特性の変動や異常もな
く安定したセンサ特性が得られる。

実施例 第１図は本発明の一実施例における燃料制御用センサ素
子を示す模式的断面図である。１は８ｍ０１％Ｙ　２０
　ｇ安定化ジルコニア固体電解質基体（５，５ｍｍφＸ
０．５ｍｍｔ）、２は化学式Ｌａａ、ａｓｓ　ｒｓ、ａ
６ｃ　ｏａ、７Ｆ　ｅｓ、５ｏ３−δで表わされるペロ
ブスカイト型複合酸化物をスパッタによって付着させて
形成した陰極（０，１μｍｔＬ３は同じく化学式Ｌ　ａ
ａ、ｓｓｓ　ｒａ、ａｉｃ　Ｏａ、ｖＦ　ｅｓ、ｓ。

トδで表わされるペロブスカイト型複合酸化物をスパッ
タによって付着させて形成した陽極（０゜１μｍｔ）、
４は５ｒＴｉＯ＊をスパッタにより付着させて形成した
絶縁性の多孔質層（０，０５μ″Ｔｎｔ）、５は８ｍ０
１％Ｙ２Ｏ３安定化ジルコニアからなるガス拡散律速体
、６はガス拡散用細孔、７は電極リードである。なお、
電極リード７とガス拡散律速体５は図示しない方法によ
り絶縁されている。

比較のため、絶縁層を形成せず、８ｍｏｌ％Ｙ２Ｏ３安
定化ジルコニアのガス拡散律速体を用いたセンサ素子（
従来例１）、及び絶縁層を形成せずＭｇＡｌａＯ３から
なるガス拡散律速体を用いたセンサ素子（従来例２）を
それぞれ作製した。

先ず、これらのセンサの初期特性を測定し評価した。測
定は以下のようにして行なった。電気炉中にセンサ素子
を設置し、素子温度が７００°Ｃになるように温度制御
を行ない、所定濃度の酸素−窒素混合ガスを約１０ｃｍ
／ｓｅｅの流速で流通接触させた。このとき、印加する
電圧に対する出力電流を測定し、一定電圧（１ｖ）印加
時における出力電流を各酸素濃度に対して求め、これを
初期特性とした。その結果を第２図に示した。この結果
、本発明になるセンサ素子及び従来例２のセンサ素子は
共に酸素濃度と電流の間に比例関係が認められたが、従
来例１のセンサ素子においてはこのような比例関係が認
められなかった。従来例１では、陰極と８ｍｏ　１％Ｙ
２Ｏ３安定化ジルコニアからなるガス拡散律速体が直接
接触しているため、ガス拡散律速体中に導電パスが形成
されて電圧−電流特性に特異な特性が生じたものと考え
られる。

次に、各２０個のセンサ素子について温度サイクル試験
を行ない、センサ素子の破損の有無等を評価した。試験
は、３００℃　９００″Ｃの温度サイクル（２００°Ｃ
／ｈの昇降温）を５０回繰り返し、目視にて素子の状態
を確認した。その結果を次表に示した。

表 従来例２においては、いずれも安定化ジルコニア基体が
破損していた。これに対して実施例及び従来例１ではガ
ス拡散律速体も安定化ジルコニアからなっているため、
温度サイクルによっても異常な歪が生じることがなく、
従ってセンサの破損も生じない。また、実施例のセンサ
の温度サイクル試験後の特性は、初期特性からほとんど
変化していないことも明らかになった。しかし、従来例
１のセンサの特性は先に述べた例と同様に異常な電圧−
電流特性を示した。

以上の実施例で明らかなように、本発明になる燃焼制御
用センサは極めて優れた特性を示す。

なお、酸素イオン導電性固体電解質、及びガス拡散律速
体としては８ｍ０１％Ｙ２Ｏ３安定化ジルコニアを用い
たが、同様の機能を有するものであればこれに限定する
ものではない。電極材料も実施例に限定するものではな
く、望ましくは請求項（２）（３）（４）で記載される
ものの中から選択されることが好ましく、同様の機能を
有するものであればよい。センサ形態も発明の主旨に反
しない限り任意の形態を取り得るものである。ガス拡散
律速体としては、実施例のように細孔を設けたものに限
らず、多孔質材料を用いることもできる。また、焼結体
の貼合わせに限らず多孔質のコーティング層を形成する
こともできる。また、絶縁層自体をガス拡散律速体ある
いはその一部とすることも可能である。絶縁層材料も電
極、リードなどと非反応性のものであれば実施例に限定
するものではない。センサの作製法も焼結、印刷、溶射
その他の方法、及びそれらの組合せを用いることができ
るものである。

発明の効果 以上のように、本発明になる燃焼制御用センサはきわめ
て安定した特性を示し、長期間にわたって精度よく燃焼
排ガス中の酸素濃度を測定でき、適正な燃焼状態に制御
することができ、且つ熱膨張の不一致や機械的強度の違
いによる破損という問題点を解決したものである。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例における燃焼制御用センサの
模式的断面図、第２図は同実施例および従来例のセンサ
の出力特性図である。 １・・・酸素イオン導電性固体電解質基体、２・・・陰
極、３・・・陽極、４・・・絶縁層、５・・・ガス拡散
律速体、６・・・ガス拡散用細孔、７・・・電極リード
。 代理人の氏名　弁理士　粟野重孝　はか１名［ぜ蒙も屓 Ｎ　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　）■社製イ　
１

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. （１）酸素イオン導電性固体電解質からなる基体上に設
   ける一対の電極の内、陰極となる電極を形成した面を覆
   って、酸素イオン導電性固体電解質および電極材料と非
   反応性でありかつ電気絶縁性の多孔質層を形成し、該多
   孔質層上に前記酸素イオン導電性固体電解質と同じ材料
   からなるガス拡散律速体を密着させてなることを特徴と
   する燃焼制御用センサ。
2. （２）一対の電極のうち少なくとも一方の電極が一般式
   Ｌｎ＿１＿−＿ｘＡ＿ｘＣｏ＿１＿−＿ｙＭｅ＿ｙＯ＿
   ３＿−δ（ＬｎはＬａ、Ｃｅ、Ｐｒ、Ｎｄから選ぶ少な
   くとも一種の元素、ＭｅはＮｉ、Ｆｅ、Ｍｎ、Ｃｒ、Ｖ
   から選ぶ少なくとも一種の元素、０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦
   １、δは酸素欠損量）で表わされるペロブスカイト型複
   合酸化物からなることを特徴とする請求項１記載の燃焼
   制御用センサ。
3. （３）電極材料にＳｒＭｅ′Ｏｓ（ＭｅはＴｉ、Ｚｒ、
   Ｈｆから選ぶ少なくとも一種の元素）をペロブスカイト
   型複合酸化物に対して０〜８０ｍｏｌ％、望ましくは４
   ０〜７０ｍｏｌ％添加することを特徴とする請求項１ま
   たは２記載の燃焼制御用センサ。
4. （４）電極材料に少なくとも一種の白金族元素を添加す
   ることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載され
   る燃焼制御用センサ。