JPS6034062B2 - 空燃比検出装置 - Google Patents
空燃比検出装置Info
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- JPS6034062B2 JPS6034062B2 JP54064041A JP6404179A JPS6034062B2 JP S6034062 B2 JPS6034062 B2 JP S6034062B2 JP 54064041 A JP54064041 A JP 54064041A JP 6404179 A JP6404179 A JP 6404179A JP S6034062 B2 JPS6034062 B2 JP S6034062B2
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- fuel ratio
- gas
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- conductive layer
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- G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
- G01N27/00—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means
- G01N27/26—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating electrochemical variables; by using electrolysis or electrophoresis
- G01N27/403—Cells and electrode assemblies
- G01N27/406—Cells and probes with solid electrolytes
- G01N27/407—Cells and probes with solid electrolytes for investigating or analysing gases
- G01N27/4073—Composition or fabrication of the solid electrolyte
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- G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
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-
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Description
【発明の詳細な説明】
本発明は、酸素イオン伝導性固体電解質を用いた空燃比
検出装置に係り、とくに被検ガス流に対する異万性が少
なく応答性にもすぐれた空燃比検出装置に関する。
検出装置に係り、とくに被検ガス流に対する異万性が少
なく応答性にもすぐれた空燃比検出装置に関する。
酸素イオン伝導性固体電解質を用いて空燃比(空気と燃
料との比率)を検出し、燃焼条件を制御しようとする試
みは、自動車用内燃機関をはじめ各種の燃焼機器の分野
において盛んにおこなわれている。
料との比率)を検出し、燃焼条件を制御しようとする試
みは、自動車用内燃機関をはじめ各種の燃焼機器の分野
において盛んにおこなわれている。
このような空燃比検出装置には種々の構造のものが開発
されているが、第1図はその一例を示すものである。
されているが、第1図はその一例を示すものである。
すなわち、平面矩形状の絶縁体基板1上に電子伝導性層
2,ガス透過性の酸素イオン伝導性固体電解質層3およ
び電子伝導性層4を順次積層して全体的に略平板状の酸
素センサ本体を形成し、前記両電子伝導性層2,4間に
リード線5を介して直流電流を強制的に流す直流電源装
置6を設けると共に、両電子伝導性層2,4問に生ずる
起電力を検出するための電圧測定装置7をそなえた構造
をなしている。このような空燃比検出装置では、直流電
源装置6によって、例えば電子伝導性層2から電子伝導
性層4に向けて直流電流を流すと、電子伝導性層4から
電子伝導性層2に向けて固体電解質層3内を酸素イオン
が流れ、電子伝導性層2と団体電解質層3との界面で形
成された酸素分子がガス透過性の固体電解質層3を通し
て拡散し、前記酸素イオンの流入と酸素分子の拡散とが
均衡した高めの酸素分圧が前記界面で維持されることと
なり、この基準の酸素分圧と被検ガス中の酸素分圧との
差に対応した出力電圧が両軍子伝導性層2,4の間で発
生し、これによって空燃比の検出が可能となる。
2,ガス透過性の酸素イオン伝導性固体電解質層3およ
び電子伝導性層4を順次積層して全体的に略平板状の酸
素センサ本体を形成し、前記両電子伝導性層2,4間に
リード線5を介して直流電流を強制的に流す直流電源装
置6を設けると共に、両電子伝導性層2,4問に生ずる
起電力を検出するための電圧測定装置7をそなえた構造
をなしている。このような空燃比検出装置では、直流電
源装置6によって、例えば電子伝導性層2から電子伝導
性層4に向けて直流電流を流すと、電子伝導性層4から
電子伝導性層2に向けて固体電解質層3内を酸素イオン
が流れ、電子伝導性層2と団体電解質層3との界面で形
成された酸素分子がガス透過性の固体電解質層3を通し
て拡散し、前記酸素イオンの流入と酸素分子の拡散とが
均衡した高めの酸素分圧が前記界面で維持されることと
なり、この基準の酸素分圧と被検ガス中の酸素分圧との
差に対応した出力電圧が両軍子伝導性層2,4の間で発
生し、これによって空燃比の検出が可能となる。
このような構造の酸素センサでは、その本体を比較的簡
素な構造で小型のものにできる点ですぐれているが、次
に示すような問題を残していることがわかった。
素な構造で小型のものにできる点ですぐれているが、次
に示すような問題を残していることがわかった。
つまり、■ 平面矩形状の基板1の片面側に電子伝導性
層2,固体電解質層3,電子伝導性層4が順次積層され
て酸素センサ本体が全体として平板状をなしているため
、被検ガスの流れに対して酸素センサ本体をどの方向に
配置するかによって異なった特性を生ずることである。
層2,固体電解質層3,電子伝導性層4が順次積層され
て酸素センサ本体が全体として平板状をなしているため
、被検ガスの流れに対して酸素センサ本体をどの方向に
配置するかによって異なった特性を生ずることである。
すなわち、平板状酸素センサ本体の積層面に対して被検
ガス流が直角方向(第1図矢印A方向)に流れる場合に
その応答性は最良となるが、上記矢印A方向と反対方向
(第1図矢印B方向)に被検ガスが流れる場合にその応
答性が低下する。したがって、酸素センサ本体を取付け
るに際してはその方向を十分に考慮せね‘まならない。
■ 絶縁体基板1を構造基体としているため応答性に限
度を生ずることである。
ガス流が直角方向(第1図矢印A方向)に流れる場合に
その応答性は最良となるが、上記矢印A方向と反対方向
(第1図矢印B方向)に被検ガスが流れる場合にその応
答性が低下する。したがって、酸素センサ本体を取付け
るに際してはその方向を十分に考慮せね‘まならない。
■ 絶縁体基板1を構造基体としているため応答性に限
度を生ずることである。
すなわち、酸素センサとしての原理からは、固体電解質
層3およびこの両面の電子伝導性層2,4だけで起電力
を生じ、これら三層のみが温度および被検ガス雰囲気に
対して応答性がよければよいのであるが、実際には構造
基体が必要であってそれにはァルミナ等の絶縁体基板1
が使用されるため、熱容量に限界を生じて応答性にも限
界を生ずることになる。■ 構造基体として平面矩形状
の絶縁体基板1を使用しているため、酸素センサ本体が
ある程度大きくなることである。
層3およびこの両面の電子伝導性層2,4だけで起電力
を生じ、これら三層のみが温度および被検ガス雰囲気に
対して応答性がよければよいのであるが、実際には構造
基体が必要であってそれにはァルミナ等の絶縁体基板1
が使用されるため、熱容量に限界を生じて応答性にも限
界を生ずることになる。■ 構造基体として平面矩形状
の絶縁体基板1を使用しているため、酸素センサ本体が
ある程度大きくなることである。
すなわち、温度計側に使用される熱電対では非常に狭い
ところでも容易に適用可能であるのに比べて、第1図に
示すものでは非常に狭い部分における酸素濃度計測の適
用に限度がある。本発明の目的は、被検ガス流に対する
異方性が小さく、非常に簡素な構造で4・型のものにで
きると共に、応答性にもきわめてすぐれた空燃比検出装
置を提供することにある。
ところでも容易に適用可能であるのに比べて、第1図に
示すものでは非常に狭い部分における酸素濃度計測の適
用に限度がある。本発明の目的は、被検ガス流に対する
異方性が小さく、非常に簡素な構造で4・型のものにで
きると共に、応答性にもきわめてすぐれた空燃比検出装
置を提供することにある。
本発明の空燃比検出装置は、Au,Agおよび白金族元
素の単体もしくは合金からなる電子伝導性線の周囲に、
該電子伝導性線と直接接触するガス透過性の酸素イオン
伝導性固体電解質層を設け、前記固体電解質層の周囲に
該固体電解質層と直接接触する電子伝導性層を設け、前
記電子伝導性層を被榛ガスと直接的あるいは保護層等を
介して間接的に接触可能にすると共に、前記電子伝導性
線と電子伝導性層との間に生ずる起電力を検出する電圧
測定装置をそなえ、さらに必要により前記電子伝導性線
と電子伝導性層との間に電流を強制的に流す直流電源装
置をそなえたことを特徴としている。
素の単体もしくは合金からなる電子伝導性線の周囲に、
該電子伝導性線と直接接触するガス透過性の酸素イオン
伝導性固体電解質層を設け、前記固体電解質層の周囲に
該固体電解質層と直接接触する電子伝導性層を設け、前
記電子伝導性層を被榛ガスと直接的あるいは保護層等を
介して間接的に接触可能にすると共に、前記電子伝導性
線と電子伝導性層との間に生ずる起電力を検出する電圧
測定装置をそなえ、さらに必要により前記電子伝導性線
と電子伝導性層との間に電流を強制的に流す直流電源装
置をそなえたことを特徴としている。
以下、本発明の実施例を図面に基づいて詳細に説明する
。
。
第2図は本発明の一実施例における空燃比検出装置の模
式的な縦断面説明図であって、電子伝導性線(円形また
は角形断面)12の周囲に該電子伝導性線12と直接接
触するようにしてガス透過性の酸素イオン伝導性固体電
解質層13を設け、前記固体電解質層13の周囲に該固
体電解質層13と直接接触するようにして電子伝導性層
14を設け、前記電子伝導性線12と電子伝導性層14
との間に生ずる起電力を検出する電圧測定装置17をリ
ード線15により接続した構造をなしている。
式的な縦断面説明図であって、電子伝導性線(円形また
は角形断面)12の周囲に該電子伝導性線12と直接接
触するようにしてガス透過性の酸素イオン伝導性固体電
解質層13を設け、前記固体電解質層13の周囲に該固
体電解質層13と直接接触するようにして電子伝導性層
14を設け、前記電子伝導性線12と電子伝導性層14
との間に生ずる起電力を検出する電圧測定装置17をリ
ード線15により接続した構造をなしている。
このような構造のものでは、酸素イオン伝導性固体電解
質層13と電子伝導性線12との界面における酸素分圧
が基準となり、被検ガスすなわち排ガス中の酸素分圧が
大きく変動する場合、たとえば自動車用内燃機関の排ガ
スのように酸素分圧が非常に低いリッチガス(燃料過剰
側排ガス)と酸素分圧が非常に高いリーンガス(空気過
剰側排ガス)とが交互に流れている場合にその過渡期に
おいて出力を発生し、理論空燃比の検出が可能となる。
質層13と電子伝導性線12との界面における酸素分圧
が基準となり、被検ガスすなわち排ガス中の酸素分圧が
大きく変動する場合、たとえば自動車用内燃機関の排ガ
スのように酸素分圧が非常に低いリッチガス(燃料過剰
側排ガス)と酸素分圧が非常に高いリーンガス(空気過
剰側排ガス)とが交互に流れている場合にその過渡期に
おいて出力を発生し、理論空燃比の検出が可能となる。
第3図は本発明の他の実施例を示すもので、電子伝導性
線12と電子伝導性層14との間に電流を強制的に流す
直流電源装置16をそなえた場合である。このように、
直流電源好ましくは定電流直流電源を接続してガス透過
性の固体電解質層13内で酸素イオンの流れを強制的に
生じさせるとともに酸素分子の拡散を生じさせることに
よって、固体電解質層13と電子伝導性線12との界面
における酸素分圧をより一定したものとすることができ
、起電力特性の安定したものが得られる。第4図は本発
明のさらに他の実施例を示すもので、前記第2図および
第3図に示すものでは電子伝導性層14が膜状であった
のに対し、コイル状にした場合である。
線12と電子伝導性層14との間に電流を強制的に流す
直流電源装置16をそなえた場合である。このように、
直流電源好ましくは定電流直流電源を接続してガス透過
性の固体電解質層13内で酸素イオンの流れを強制的に
生じさせるとともに酸素分子の拡散を生じさせることに
よって、固体電解質層13と電子伝導性線12との界面
における酸素分圧をより一定したものとすることができ
、起電力特性の安定したものが得られる。第4図は本発
明のさらに他の実施例を示すもので、前記第2図および
第3図に示すものでは電子伝導性層14が膜状であった
のに対し、コイル状にした場合である。
このようにすれば、前記第2図および第3図に示す如く
電子伝導性層14に直接あらためてリード線を接続する
必要がない。前述したように、本発明では構造基体とし
て電子伝導性線(円形または角形断面)12を用い、そ
の周囲に固体電解質層13および電子伝導性層14を設
けているため、とくに円周方向には異万性が全くなく、
被検ガス流がいかなる方向の場合でも同様の起電力特性
を得ることができる。また、第1図に示すような絶縁体
基板を使用していないため酸素センサ本体の熱容量をさ
らに小さくすることができ、被検ガス雰囲気ならびに温
度に対する追随性すなわち酸素センサとしての応答性に
きわめてすぐれたものとなる。この点に関し、電子伝導
性線12の太さは構造基体としての強度を保持する範囲
内で小さく、たとえば円形断面の場合直径0.5側以下
にするのが望ましく、固体電解質層13の厚さは0.1
肋以下とするのが望ましい。このようにすれば非常に小
さな酸素ガス検出部としての酸素センサ本体が得られる
ため、従来の熱電対に匹敵する汎用性をもたらすことが
できる。上述した電子伝導性線12としては、Au,A
gおよびPt,Pdなどの白金族元素のように高温で酸
化物を作らない安定な金属紬線を使用するのが好ましい
。
電子伝導性層14に直接あらためてリード線を接続する
必要がない。前述したように、本発明では構造基体とし
て電子伝導性線(円形または角形断面)12を用い、そ
の周囲に固体電解質層13および電子伝導性層14を設
けているため、とくに円周方向には異万性が全くなく、
被検ガス流がいかなる方向の場合でも同様の起電力特性
を得ることができる。また、第1図に示すような絶縁体
基板を使用していないため酸素センサ本体の熱容量をさ
らに小さくすることができ、被検ガス雰囲気ならびに温
度に対する追随性すなわち酸素センサとしての応答性に
きわめてすぐれたものとなる。この点に関し、電子伝導
性線12の太さは構造基体としての強度を保持する範囲
内で小さく、たとえば円形断面の場合直径0.5側以下
にするのが望ましく、固体電解質層13の厚さは0.1
肋以下とするのが望ましい。このようにすれば非常に小
さな酸素ガス検出部としての酸素センサ本体が得られる
ため、従来の熱電対に匹敵する汎用性をもたらすことが
できる。上述した電子伝導性線12としては、Au,A
gおよびPt,Pdなどの白金族元素のように高温で酸
化物を作らない安定な金属紬線を使用するのが好ましい
。
あるいは、Ag−Pd,Au−PdのようなAu,Ag
および白金族元素の合金でもよい。また、酸素イオン固
体電解質層13としては、Ca0,Y203,Sr0,
Mg0,Tho2,W03,Ta205などで安定化し
たZの2、あるいはNb205,Sの,W03,Ta2
05,Y203などで安定化したBi203、さらには
Tho2−Y203,Ca○−Y203などの既知のも
のを素材とすることができ、電子伝導性線12の周囲に
形成するに際してはスパッタリングやイオンプレーティ
ング等の物理的な蒸着法、電気化学的な方法、あるいは
ペーストを用いた高温焼成法などを用いることができる
。さらに、電子伝導性層14としては、触媒作用のない
Au,AgおよびSIC、あるいはTj02,Coo,
いCの3などの酸化物半導体、または触媒作用のあるR
へPd,Rh,0s,lr,Pt等の白金族元素の単体
ならびにこれらの合金、さらには白金族元素と卑金属元
素との合金などを素材とすることができ、固体電解質層
13の周囲に形成するに際してはスパッタリングやイオ
ンプレーティング等の物理的な蒸着法、めつきなどの電
気化学的な方法、あるいはペーストを用いた高温焼成法
などを採用することができ、さらには第4図に示すよう
に紬線をコイル状に巻きつけることもできる。
および白金族元素の合金でもよい。また、酸素イオン固
体電解質層13としては、Ca0,Y203,Sr0,
Mg0,Tho2,W03,Ta205などで安定化し
たZの2、あるいはNb205,Sの,W03,Ta2
05,Y203などで安定化したBi203、さらには
Tho2−Y203,Ca○−Y203などの既知のも
のを素材とすることができ、電子伝導性線12の周囲に
形成するに際してはスパッタリングやイオンプレーティ
ング等の物理的な蒸着法、電気化学的な方法、あるいは
ペーストを用いた高温焼成法などを用いることができる
。さらに、電子伝導性層14としては、触媒作用のない
Au,AgおよびSIC、あるいはTj02,Coo,
いCの3などの酸化物半導体、または触媒作用のあるR
へPd,Rh,0s,lr,Pt等の白金族元素の単体
ならびにこれらの合金、さらには白金族元素と卑金属元
素との合金などを素材とすることができ、固体電解質層
13の周囲に形成するに際してはスパッタリングやイオ
ンプレーティング等の物理的な蒸着法、めつきなどの電
気化学的な方法、あるいはペーストを用いた高温焼成法
などを採用することができ、さらには第4図に示すよう
に紬線をコイル状に巻きつけることもできる。
その上、前記酸素センサ本体の表面に保護層を設けるの
も望ましく、この場合の保護層としては、Ca○−Zr
02(カルシウムジルコネート),山202(アルミナ
),スピネルなどを浸漬焼成し、あるいはプラズマ溶射
して付着させたものなどを用いることができる。なお、
固体電解質の酸素イオン伝導度は低温になると悪化する
ため、上記保護層内に導電体を設けて発熱可能にし、あ
るいは酸素センサ本体を発熱雰囲気中に設けておくのも
望ましい。
も望ましく、この場合の保護層としては、Ca○−Zr
02(カルシウムジルコネート),山202(アルミナ
),スピネルなどを浸漬焼成し、あるいはプラズマ溶射
して付着させたものなどを用いることができる。なお、
固体電解質の酸素イオン伝導度は低温になると悪化する
ため、上記保護層内に導電体を設けて発熱可能にし、あ
るいは酸素センサ本体を発熱雰囲気中に設けておくのも
望ましい。
実験例 1
第5図ないし第7図は本発明の実験例1において製造し
た空燃比検出装置を示すものである。
た空燃比検出装置を示すものである。
製造に際しては、まず電子伝導性線12として使用され
る直径0.2肋,長さ3仇肌の白金線の一端側2脚の間
を団体電解質ペーストに浸潰させる。このとき使用した
固体電解質ペーストは、5モル%Y203一Zr02粉
末とラッカーとを重量比で1:1の割合で混合し、混練
したのちさらにシンナーで粘度を約8万センチポアズに
調整したものである。そして、上記浸債の後、100o
o×1時間で乾燥した。ここで得られた固体電解質層1
3(ただし未焼成)の膜厚は約50rmであった。次に
電子伝導性層14としての白金ペーストを前記白金線に
直接接触しないようにして固体電解質層13の表面に浸
債により付着させ、さらにリード線18として使用され
る直径0.2肋,長さ30伽の白金線を前記白金線ペー
スト膜に押しあてて10000×1時間の乾燥をおこな
った。
る直径0.2肋,長さ3仇肌の白金線の一端側2脚の間
を団体電解質ペーストに浸潰させる。このとき使用した
固体電解質ペーストは、5モル%Y203一Zr02粉
末とラッカーとを重量比で1:1の割合で混合し、混練
したのちさらにシンナーで粘度を約8万センチポアズに
調整したものである。そして、上記浸債の後、100o
o×1時間で乾燥した。ここで得られた固体電解質層1
3(ただし未焼成)の膜厚は約50rmであった。次に
電子伝導性層14としての白金ペーストを前記白金線に
直接接触しないようにして固体電解質層13の表面に浸
債により付着させ、さらにリード線18として使用され
る直径0.2肋,長さ30伽の白金線を前記白金線ペー
スト膜に押しあてて10000×1時間の乾燥をおこな
った。
この後、前記団体電解質ペースト膜および白金ペースト
膜を1400oo×3時間の加熱により焼成をおこなっ
た。この際の昇温速度は室温から140000まで60
00/hrであった。得られた固体電解質層13はガス
透過性を有するものであってその膜厚は約30仏m,電
子伝導性層(白金)14の膜厚は7〜8仏mであった。
膜を1400oo×3時間の加熱により焼成をおこなっ
た。この際の昇温速度は室温から140000まで60
00/hrであった。得られた固体電解質層13はガス
透過性を有するものであってその膜厚は約30仏m,電
子伝導性層(白金)14の膜厚は7〜8仏mであった。
さらに、プラズマ溶射によってCa○−Zr02(カル
シウムジルコネート)を保護層19として付着させて酸
素センサ本体20を製造した。なお、保護層19の厚さ
は約50仏mであった。第6図および第7図は上記酸素
センサ本体20を絹付けた状態の一例を示すもので、酸
素センサ本体20はステンレス鋼製のルーバー21内に
収められて直接被検ガスにさらされないようにし、被検
ガスはルーバー21に形成した孔21aを通過して酸素
センサ本体2川こ到達し、そして排出される。
シウムジルコネート)を保護層19として付着させて酸
素センサ本体20を製造した。なお、保護層19の厚さ
は約50仏mであった。第6図および第7図は上記酸素
センサ本体20を絹付けた状態の一例を示すもので、酸
素センサ本体20はステンレス鋼製のルーバー21内に
収められて直接被検ガスにさらされないようにし、被検
ガスはルーバー21に形成した孔21aを通過して酸素
センサ本体2川こ到達し、そして排出される。
酸素センサ本体20はSi02よりなるセラミック接着
剤22によってアルミナ製絶縁管23に接合されており
、該接着剤22はガス封止の役目も果している。また、
絶縁管23は白金線12,18を短絡させないようにし
た孔23a,23bをそなえている。さらに、絶縁管2
3の破損を防止するためその外部にステンレス鋼製のホ
ルダ24をかぶせ、前記ルーバー21を同じくステンレ
ス鋼製のリング25を介して溶接により固定している。
前記白金線12,18は溶接部2‐6においてそれぞれ
ニッケル線27,27と接続され、該ニッケル線27,
27を通過させる孔23a,23b内にはガス封止のた
めのセラミック接着剤を充填している。
剤22によってアルミナ製絶縁管23に接合されており
、該接着剤22はガス封止の役目も果している。また、
絶縁管23は白金線12,18を短絡させないようにし
た孔23a,23bをそなえている。さらに、絶縁管2
3の破損を防止するためその外部にステンレス鋼製のホ
ルダ24をかぶせ、前記ルーバー21を同じくステンレ
ス鋼製のリング25を介して溶接により固定している。
前記白金線12,18は溶接部2‐6においてそれぞれ
ニッケル線27,27と接続され、該ニッケル線27,
27を通過させる孔23a,23b内にはガス封止のた
めのセラミック接着剤を充填している。
また、前記ホルダ24は熔接によって別のホルダ28と
接合され、該ホルダ28はアルミナ粉末29を保持して
いる。このアルミナ粉末29はニッケル線27の短絡を
防止する。前記ホルダ28はロールかしめ部30の形成
によってステンレス鋼製管31と結合されており、該ス
テンレス鋼製管31内には前記アルミナ粉末29のもれ
を防止すると同時にニッケル線27および銅線32の短
絡を防止するためのシリコンゴム製セパレータ33を介
挿させている。
接合され、該ホルダ28はアルミナ粉末29を保持して
いる。このアルミナ粉末29はニッケル線27の短絡を
防止する。前記ホルダ28はロールかしめ部30の形成
によってステンレス鋼製管31と結合されており、該ス
テンレス鋼製管31内には前記アルミナ粉末29のもれ
を防止すると同時にニッケル線27および銅線32の短
絡を防止するためのシリコンゴム製セパレータ33を介
挿させている。
上記ニッケル線27と銅線32とは銀ろう付部分34に
より接合されている。さらに、銅線32はシリコンゴム
35によって相互の短絡を防止され、シリコンゴム35
の周囲にシールド線36を設けてロールかしめ部37に
より前記ステンレス鋼製管31とシールド線36とを固
定している。
より接合されている。さらに、銅線32はシリコンゴム
35によって相互の短絡を防止され、シリコンゴム35
の周囲にシールド線36を設けてロールかしめ部37に
より前記ステンレス鋼製管31とシールド線36とを固
定している。
上記シールド線36の外側にはナット38が遊隊されて
おり、このナット38を矢印方向にリング25部分まで
移動させてたとえば排気管に固定できるようにしている
。
おり、このナット38を矢印方向にリング25部分まで
移動させてたとえば排気管に固定できるようにしている
。
次に、前記した構造の空燃比検出装置を使用して評価試
験をおこなった。
験をおこなった。
すなわち、温度600℃において、2硯砂間隔でリッチ
ガス(酸素分圧約10‐孤atm)とりーンガス(酸素
分圧約10−3atm)とを交互に流して出力電圧の変
化を調べた。なお、ここでは、電圧測定装置17のプラ
ス側を電子伝導性層14側に接続した。その結果を第8
図に示す。本実験において、排ガスが燃料過剰(リッチ
)の状態に保持されているときは、排ガス中の酸素分圧
と、電子伝導性線12と固体電解質層13の界面での酸
素分圧とは等しいため、出力電圧は0である。
ガス(酸素分圧約10‐孤atm)とりーンガス(酸素
分圧約10−3atm)とを交互に流して出力電圧の変
化を調べた。なお、ここでは、電圧測定装置17のプラ
ス側を電子伝導性層14側に接続した。その結果を第8
図に示す。本実験において、排ガスが燃料過剰(リッチ
)の状態に保持されているときは、排ガス中の酸素分圧
と、電子伝導性線12と固体電解質層13の界面での酸
素分圧とは等しいため、出力電圧は0である。
しかし、次に空気過剰(リーン)ガスが流入すると、そ
の瞬間においてネルンストの式により、E=帯洋孝=7
4皿v の出力が発生する。
の瞬間においてネルンストの式により、E=帯洋孝=7
4皿v の出力が発生する。
ところが、電子伝導性層14および固体電解質層13を
通って電子伝導性線12と固体電解質層13との界面に
リーンガスが侵入していくため、前記界面における酸素
分圧と排ガス中の酸素分圧とが等しくなるので、出力電
圧は0に近づく。次に燃料過剰(リッチ)ガスが流入す
ると、その瞬間において、E=帯n特筆〒−胸v の出力が発生し、リッチガスが固体電解質層13内を通
って拡散するため出力電圧は再び0に近づき、第8図に
示すような起電力特性となる。
通って電子伝導性線12と固体電解質層13との界面に
リーンガスが侵入していくため、前記界面における酸素
分圧と排ガス中の酸素分圧とが等しくなるので、出力電
圧は0に近づく。次に燃料過剰(リッチ)ガスが流入す
ると、その瞬間において、E=帯n特筆〒−胸v の出力が発生し、リッチガスが固体電解質層13内を通
って拡散するため出力電圧は再び0に近づき、第8図に
示すような起電力特性となる。
このように、リッチガスからリーンガスに切換わった際
に理論空燃比を切ると正の起電力を生じ、リーンガスか
らリッチガスに切換わった際に理論空燃比を切ると負の
起電力を生ずる。なおト電圧測定装置17の接続極性を
逆にすれば起電力の正負も反対になるが、いずれにして
も理論空燃比の検出が可能になる。実験例 2 本実験では、実験例1において述べたとほぼ同じ空燃比
検出装置を用いて評価試験をおこなった。
に理論空燃比を切ると正の起電力を生じ、リーンガスか
らリッチガスに切換わった際に理論空燃比を切ると負の
起電力を生ずる。なおト電圧測定装置17の接続極性を
逆にすれば起電力の正負も反対になるが、いずれにして
も理論空燃比の検出が可能になる。実験例 2 本実験では、実験例1において述べたとほぼ同じ空燃比
検出装置を用いて評価試験をおこなった。
すなわち、実験例1と異なるところは、電子伝導性線1
2と電子伝導性層14とを直流電源装置16(第3図参
照)に接続し、これらの間で強制的に電流を流した点で
異なっている。なお、ここでは直流電源装置16に定電
流直流電源を用い、その負極を電子伝導性層14側に接
続すると共に、この正極を電子伝導性線12側に接続し
た。そこで、温度60000において定電流5仏Aを常
に流しつつ、実験例1の場合と同様にリッチガスとりー
ンガスとを2の軸、間隔で交互に流して出力特性を調べ
た。
2と電子伝導性層14とを直流電源装置16(第3図参
照)に接続し、これらの間で強制的に電流を流した点で
異なっている。なお、ここでは直流電源装置16に定電
流直流電源を用い、その負極を電子伝導性層14側に接
続すると共に、この正極を電子伝導性線12側に接続し
た。そこで、温度60000において定電流5仏Aを常
に流しつつ、実験例1の場合と同様にリッチガスとりー
ンガスとを2の軸、間隔で交互に流して出力特性を調べ
た。
なお、ここでは電子伝導性線12側を電圧測定装置17
のプラス側に接続しており、測定インピータンスはIM
Oであった。その結果を第9図に示す。この場合、強制
的に電流を流しているために、固体電解質層13を介し
て酸素イオンが常に電子伝導性線12と固体電解質層1
3との界面に流れ込み、この界面で発生した酸素分子が
固体電解質層13を通して拡散しているので、その界面
での酸素分圧が前記酸素イオンの流入と酸素分子の拡散
とが均衡した状態で高くなっている。
のプラス側に接続しており、測定インピータンスはIM
Oであった。その結果を第9図に示す。この場合、強制
的に電流を流しているために、固体電解質層13を介し
て酸素イオンが常に電子伝導性線12と固体電解質層1
3との界面に流れ込み、この界面で発生した酸素分子が
固体電解質層13を通して拡散しているので、その界面
での酸素分圧が前記酸素イオンの流入と酸素分子の拡散
とが均衡した状態で高くなっている。
このため、リッチガスのように排ガス中の酸素分圧が低
い場合に高い出力電圧を発生し、逆にリーンガスのよう
に排ガス中の酸素分圧が高い場合には出力電圧が低くな
る。また、同じリッチガスであってもさらに空燃比を変
えて測定したところ第10図に示す結果を得た。一方、
定電流直流電源装置16との接続を反対にし、その正極
を電子伝導性層14側に接続すると共に、その負極を電
子伝導性線12側に接続して試験をおこなった。
い場合に高い出力電圧を発生し、逆にリーンガスのよう
に排ガス中の酸素分圧が高い場合には出力電圧が低くな
る。また、同じリッチガスであってもさらに空燃比を変
えて測定したところ第10図に示す結果を得た。一方、
定電流直流電源装置16との接続を反対にし、その正極
を電子伝導性層14側に接続すると共に、その負極を電
子伝導性線12側に接続して試験をおこなった。
この場合、第9図に示す状態と反対に、排ガス中の酸素
分圧が高いリーンガスのときに高い出力電圧を発生し、
排ガス中の酸素分圧が低いリッチガスのときに出力電圧
が低く出た。また、同じリーンガスであってもさらに空
燃比を変えて測定したところ第11図に示す結果を得た
。実験例 3 第12図は本発明の実験例3において製造した空燃比検
出装置の酸素センサ本体20を示すものである。
分圧が高いリーンガスのときに高い出力電圧を発生し、
排ガス中の酸素分圧が低いリッチガスのときに出力電圧
が低く出た。また、同じリーンガスであってもさらに空
燃比を変えて測定したところ第11図に示す結果を得た
。実験例 3 第12図は本発明の実験例3において製造した空燃比検
出装置の酸素センサ本体20を示すものである。
製造に際しては、まず電子伝導性線12として使用され
る直径0.2肌,長さ30柳の白金線の一端側2側の間
を固体電解質ペーストに浸潰させる。
る直径0.2肌,長さ30柳の白金線の一端側2側の間
を固体電解質ペーストに浸潰させる。
このとき使用した固体電解質ペーストは5モル%Y20
3−Zの2粉末とラッカーとを重量比で1:1の割合で
混合し、混練したのちさらにシンナーで粘度を約8万セ
ンチポィズに調整したものである。そして、上記浸債の
後、100午○×1時間で乾操した。ここで得られた固
体電解質層13(ただし未焼成)の膜厚は約50〆mで
あった(第12図a参照)。次に、同じく直径0.2側
の白金線の一端側を第12図aに示す固体電解質層13
のまわりに巻きつけてコイル状の電子伝導性層14を形
成した。なお、白金線の一端側をコイル状に巻きつける
に際しては前記電子伝導性線12の池端側を折り返えし
て巻きつけ、その後両者を切断するようにしてもよい。
続いて、固体電解質層13を焼結させるために1400
00×3時間の焼成をおこなった。
3−Zの2粉末とラッカーとを重量比で1:1の割合で
混合し、混練したのちさらにシンナーで粘度を約8万セ
ンチポィズに調整したものである。そして、上記浸債の
後、100午○×1時間で乾操した。ここで得られた固
体電解質層13(ただし未焼成)の膜厚は約50〆mで
あった(第12図a参照)。次に、同じく直径0.2側
の白金線の一端側を第12図aに示す固体電解質層13
のまわりに巻きつけてコイル状の電子伝導性層14を形
成した。なお、白金線の一端側をコイル状に巻きつける
に際しては前記電子伝導性線12の池端側を折り返えし
て巻きつけ、その後両者を切断するようにしてもよい。
続いて、固体電解質層13を焼結させるために1400
00×3時間の焼成をおこなった。
このときの昇温速度は室温から140000まで600
0/hrであった。得られた焼成後の固体電解質層13
の膜厚は約30仏mで酸素ガスを通過しうる程度の多孔
質であった。その後さらにCao−Zの2をプラズマ溶
射により保護層19として付着させて酸素センサ本体2
0を製造した。そこで、上記酸素センサ本体20を第7
図に示すようなル−バー21内に収容し、それぞれ白金
線よりなる電子伝導性線12および電子伝導性層14を
ニッケル線27に接続して評価試験をおこなったところ
、実験例1(温度600℃で2硯砂間隔でリッチガスと
りーンガスとを交互に流す)と同様の試験では第8図に
示すような、また実験例2(直流電源装置16を接続し
て同様にリッチガスとりーンガスとを交互に流す)と同
機の試験では第9図に示すような起電力特性を得ること
ができた。
0/hrであった。得られた焼成後の固体電解質層13
の膜厚は約30仏mで酸素ガスを通過しうる程度の多孔
質であった。その後さらにCao−Zの2をプラズマ溶
射により保護層19として付着させて酸素センサ本体2
0を製造した。そこで、上記酸素センサ本体20を第7
図に示すようなル−バー21内に収容し、それぞれ白金
線よりなる電子伝導性線12および電子伝導性層14を
ニッケル線27に接続して評価試験をおこなったところ
、実験例1(温度600℃で2硯砂間隔でリッチガスと
りーンガスとを交互に流す)と同様の試験では第8図に
示すような、また実験例2(直流電源装置16を接続し
て同様にリッチガスとりーンガスとを交互に流す)と同
機の試験では第9図に示すような起電力特性を得ること
ができた。
比較例
第13図は従来の平板型酸素センサ本体(第1図参照)
の製造工程を示す説明図であって、第13図aに示すア
ルミナ基板1(5×4xo.6肋)上に、第13図bに
斜線で示すような電子伝導性層2を形成するための白金
ペーストを印刷し、10000×1時間で乾燥させたの
ち大気中で1300qo×1時間の焼成をおこなった。
の製造工程を示す説明図であって、第13図aに示すア
ルミナ基板1(5×4xo.6肋)上に、第13図bに
斜線で示すような電子伝導性層2を形成するための白金
ペーストを印刷し、10000×1時間で乾燥させたの
ち大気中で1300qo×1時間の焼成をおこなった。
ここで得られた電子伝導性層2の膜厚は5〜6仏mであ
った。次に固体電解質層3を形成するために第13図c
に斜線で示す部分に固体電解質ペーストをEO綱した。
そして、10000×1時間で乾燥させたのち1400
00×3時間の焼成をおこなった。ここで得られた固体
電解質層3の膜厚は約50山mでガス透過性を有するも
のであった。さらに電子伝導性層4を形成するために第
13図dに斜線で示す部分に白金べーストを印刷し、1
0び0×1時間で乾燥させたのち大気中で130ぴ0×
1時間の焼成をおこなった。ここで得られた電子伝導性
層4の膜厚は5〜6仏mであった。その後第13図eに
示すようにリード線5を圧着により取り出してアルミナ
保護管に組みこみ、評価試験に供した。そこで、実験例
1において述べた本発明品aと、第13図に示した従来
品を用いて被検ガスをその積層面と直角方向(第1図矢
印A)に流したものbと、同じく被検ガスを矢印Aと反
対の方向(第1図矢印B)に流したものcとについて、
それぞれ排ガスがリーン(空気過剰)側からリッチ(燃
料過剰)側に急激に変化した場合の出力の応答性につい
て比較試験をおこなった。
った。次に固体電解質層3を形成するために第13図c
に斜線で示す部分に固体電解質ペーストをEO綱した。
そして、10000×1時間で乾燥させたのち1400
00×3時間の焼成をおこなった。ここで得られた固体
電解質層3の膜厚は約50山mでガス透過性を有するも
のであった。さらに電子伝導性層4を形成するために第
13図dに斜線で示す部分に白金べーストを印刷し、1
0び0×1時間で乾燥させたのち大気中で130ぴ0×
1時間の焼成をおこなった。ここで得られた電子伝導性
層4の膜厚は5〜6仏mであった。その後第13図eに
示すようにリード線5を圧着により取り出してアルミナ
保護管に組みこみ、評価試験に供した。そこで、実験例
1において述べた本発明品aと、第13図に示した従来
品を用いて被検ガスをその積層面と直角方向(第1図矢
印A)に流したものbと、同じく被検ガスを矢印Aと反
対の方向(第1図矢印B)に流したものcとについて、
それぞれ排ガスがリーン(空気過剰)側からリッチ(燃
料過剰)側に急激に変化した場合の出力の応答性につい
て比較試験をおこなった。
なお、いずれの場合にも定電流電源装置6または16の
負極を排ガス側電子伝導性層4または14側にそれぞれ
接続し定電流5仏Aを流し込んだ。その結果を第14図
に示す。なお、第1 4図のaは70000の場合、b
は50000の場合、cは35000の場合の測定値で
あり、縦軸に出力の変化率,横軸に時間をとった。なお
、出力の変化率F(%)は、第15図に示すように、リ
ッチ雰囲気における安定状態での出力電圧VR,リーン
雰囲気における安定状態での出力電圧VL,一定時間経
過後の測定時における出力電圧Vとした場合に、F=美
三手X1oo(%) で表わされるものであり、第14図から明らかなように
、本発明品aおよび従来品b,cとも高温になるほど応
答性にすぐれている。
負極を排ガス側電子伝導性層4または14側にそれぞれ
接続し定電流5仏Aを流し込んだ。その結果を第14図
に示す。なお、第1 4図のaは70000の場合、b
は50000の場合、cは35000の場合の測定値で
あり、縦軸に出力の変化率,横軸に時間をとった。なお
、出力の変化率F(%)は、第15図に示すように、リ
ッチ雰囲気における安定状態での出力電圧VR,リーン
雰囲気における安定状態での出力電圧VL,一定時間経
過後の測定時における出力電圧Vとした場合に、F=美
三手X1oo(%) で表わされるものであり、第14図から明らかなように
、本発明品aおよび従来品b,cとも高温になるほど応
答性にすぐれている。
加えて、同一温度の場合には本発明品aと従来品b,c
との間においてかなりの応答性の開きがあり、従来のよ
うに絶縁体基板1を用いない効果が非常に大きくあらわ
れている。さらに、同じ従来品であっても、bとcとで
は応答性にかなりの開きがあり、第1図に示す平板型の
ものでは被検ガスの流れが矢印A方向になるように考慮
して用いなければ良好な応答性を得ることができないこ
とが明らかである。以上のように、本発明によれば、絶
縁体基板のような構造基体を全く用いていないため非常
に簡素で小型のものを得ることができ、部品の軽量化が
可能であるのはもちろん、熱容量が小さいために非常に
応答性にすぐれており、取付空間の狭い窮屈な場所にお
いても従釆の熱電対並みに使用できるため非常に汎用性
に富んでいるほか、性能の異方性をなくすことが可能で
あるためその取付け方向を個々に考慮せねばならないと
いう不具合が全くないなどの非常にすぐれた効果を奏す
る。
との間においてかなりの応答性の開きがあり、従来のよ
うに絶縁体基板1を用いない効果が非常に大きくあらわ
れている。さらに、同じ従来品であっても、bとcとで
は応答性にかなりの開きがあり、第1図に示す平板型の
ものでは被検ガスの流れが矢印A方向になるように考慮
して用いなければ良好な応答性を得ることができないこ
とが明らかである。以上のように、本発明によれば、絶
縁体基板のような構造基体を全く用いていないため非常
に簡素で小型のものを得ることができ、部品の軽量化が
可能であるのはもちろん、熱容量が小さいために非常に
応答性にすぐれており、取付空間の狭い窮屈な場所にお
いても従釆の熱電対並みに使用できるため非常に汎用性
に富んでいるほか、性能の異方性をなくすことが可能で
あるためその取付け方向を個々に考慮せねばならないと
いう不具合が全くないなどの非常にすぐれた効果を奏す
る。
第1図は従来の空燃比検出装置の縦断面説明図、第2図
ないし第4図は本発明の各実施例における空燃比検出装
置の榛式的な縦断面説明図、第5図ないし第7図は本発
明の一実験例における空燃比検出装置のそれぞれ酸素セ
ンサ本体部拡大断面図、酸素センサ本体取付部拡大断面
図および酸素センサ取付装置部分断面図、第8図および
第9図は本発明の各実験例における時間と出力電圧との
関係を示すグラフ、第10図および第11図は同じく空
燃比と出力電圧との関係を示すグラフ、第12図a,b
は本発明の他の実験例にお‘・ナる空燃比検出装置のそ
れぞれ製造過程断面説明図および酸素センサ本体断面説
明図、第13図a〜eは本発明の比較例において用いた
従来の酸素センサ本体の製造過程を示す説明図、第14
図a,b,cは本発明品および従来の時間と出力の変化
率との関係を示すグラフ、第15図は出力の変化率を説
明する空気過剰率と出力電圧との関係を示すグラフであ
る。 12・・・・・・電子伝導性線、13・・・・・・酸素
イオン伝導性固体電解質層、14・・・・・・電子伝導
性層、16・・・・・・直流電源装置、17・・・・・
・電圧測定装置。 第1図第2図 第3図 第4図 第5図 第6図 図 ト 船 第8図 第9図 第10図 第11図 第12図 第13図 第14図 第15図
ないし第4図は本発明の各実施例における空燃比検出装
置の榛式的な縦断面説明図、第5図ないし第7図は本発
明の一実験例における空燃比検出装置のそれぞれ酸素セ
ンサ本体部拡大断面図、酸素センサ本体取付部拡大断面
図および酸素センサ取付装置部分断面図、第8図および
第9図は本発明の各実験例における時間と出力電圧との
関係を示すグラフ、第10図および第11図は同じく空
燃比と出力電圧との関係を示すグラフ、第12図a,b
は本発明の他の実験例にお‘・ナる空燃比検出装置のそ
れぞれ製造過程断面説明図および酸素センサ本体断面説
明図、第13図a〜eは本発明の比較例において用いた
従来の酸素センサ本体の製造過程を示す説明図、第14
図a,b,cは本発明品および従来の時間と出力の変化
率との関係を示すグラフ、第15図は出力の変化率を説
明する空気過剰率と出力電圧との関係を示すグラフであ
る。 12・・・・・・電子伝導性線、13・・・・・・酸素
イオン伝導性固体電解質層、14・・・・・・電子伝導
性層、16・・・・・・直流電源装置、17・・・・・
・電圧測定装置。 第1図第2図 第3図 第4図 第5図 第6図 図 ト 船 第8図 第9図 第10図 第11図 第12図 第13図 第14図 第15図
Claims (1)
- 【特許請求の範囲】 1 Au,Agおよび白金族元素の単体もしくは合金か
らなる電子伝導性線の周囲に、該電子伝導性線と直接接
触するガス透過性の酸素イオン伝導性団体電解質層を設
け、前記固体電解質層の周囲に該固体電解質層と直接接
触する電子伝導性層を設け、前記電子伝導性層を被検ガ
スと接触可能にすると共に、前記電子伝導性線と電子伝
導性層との間に生ずる起電力を検出する電圧測定装置を
そなえたことを特徴とする空燃比検出装置。 2 電子伝導性層が膜状である特許請求の範囲第1項記
載の空燃比検出装置。 3 電子伝導性層がコイル状である特許請求の範囲第1
項記載の空燃比検出装置。 4 電子伝導性線と電子伝導性層との間に電流を流す直
流電源装置をそなえた特許請求の範囲第1項,第2項ま
たは第3項記載の空燃比検出装置。
Priority Applications (4)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP54064041A JPS6034062B2 (ja) | 1979-05-25 | 1979-05-25 | 空燃比検出装置 |
FR8011628A FR2457487A1 (fr) | 1979-05-25 | 1980-05-23 | Appareil de detection de rapport air/carburant |
DE19803019825 DE3019825C2 (de) | 1979-05-25 | 1980-05-23 | Vorrichtung zur Bestimmung des Luft/Brennstoff-Verhältnisses in einem Gas |
GB8017292A GB2051379B (en) | 1979-05-25 | 1980-05-27 | Air-fuel ratio detecting apparatus |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP54064041A JPS6034062B2 (ja) | 1979-05-25 | 1979-05-25 | 空燃比検出装置 |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JPS55156854A JPS55156854A (en) | 1980-12-06 |
JPS6034062B2 true JPS6034062B2 (ja) | 1985-08-06 |
Family
ID=13246624
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP54064041A Expired JPS6034062B2 (ja) | 1979-05-25 | 1979-05-25 | 空燃比検出装置 |
Country Status (4)
Country | Link |
---|---|
JP (1) | JPS6034062B2 (ja) |
DE (1) | DE3019825C2 (ja) |
FR (1) | FR2457487A1 (ja) |
GB (1) | GB2051379B (ja) |
Families Citing this family (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JPS57119250A (en) * | 1981-01-19 | 1982-07-24 | Nissan Motor Co Ltd | Oxygen sensor element holder |
DE3319186A1 (de) * | 1983-05-27 | 1984-11-29 | Bosch Gmbh Robert | Verfahren zur erzeugung eines referenzpotentials bei potentiometrischen lambdasonden |
US4479868A (en) * | 1983-10-21 | 1984-10-30 | Westinghouse Electric Corp. | Gas measuring probe |
DE3615960A1 (de) * | 1985-05-13 | 1986-11-27 | Toyota Motor Co Ltd | Fuehler zur ermittlung eines luft-kraftstoff-verhaeltnisses |
Family Cites Families (6)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
SE322927B (ja) * | 1967-09-28 | 1970-04-20 | Asea Ab | |
DE1926445A1 (de) * | 1969-05-23 | 1970-12-03 | Gen Electric | Elektrode fuer eine Zelle mit Sauerstoffionen-Festelektrolyt |
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