JP2000206082A

JP2000206082A - 酸素センサ及びその制御方法

Info

Publication number: JP2000206082A
Application number: JP11005553A
Authority: JP
Inventors: Yoshiro Noda; 芳朗野田; Hitoshi Iimi; 均飯見; Akio Mizutani; 昭夫水谷; Yoshinori Kawaguchi; 義則川口
Original assignee: NGK Spark Plug Co Ltd
Current assignee: Niterra Co Ltd
Priority date: 1999-01-12
Filing date: 1999-01-12
Publication date: 2000-07-28

Abstract

(57)【要約】【課題】酸素センサの活性化時間が短く、短時間でエ
ンジンの空燃比制御が可能となる酸素センサ及びその制
御方法を提供する。【解決手段】本制御方法は、酸素イオン伝導性を有す
る有底筒形状の固体電解質体と、該固体電解質体の内部
空間に設けられる発熱体とを備える酸素センサを制御す
る方法であって、該酸素センサの電源投入時に、動作時
電圧より高圧の起動時電圧を該発熱体へ印加し、該酸素
センサの温度が動作温度を超えた後は、該発熱体に該動
作時電圧を印加する。本制御方法を用いることによっ
て、検出電圧にピークが現れ、空燃比制御をより早く開
始することができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は酸素センサ及びその
制御方法に関する。更に詳しく言えば、酸素センサの活
性化時間が短く、短時間でエンジンの空燃比制御が可能
とすることができる酸素センサ及びその制御方法に関す
る。

【０００２】

【従来の技術】ジルコニア等のセラミックスを固体電解
質として用いる酸素センサは、自動車等の内燃機関、又
はガス燃焼装置等の排気ガス中に含まれる酸素の濃度を
検出し、内燃機関等の燃焼状態を把握してその空燃比を
制御する用途等に使用されている。また、この酸素セン
サは固体電解質を活性化させるために、排気ガス温度が
約４００〜８００℃となる部位で通常使用され、また、
温度を一定に保つ必要があるため、酸素センサの内に発
熱体を備えて酸素センサを所定温度に加熱して用いるこ
とが多い。これらの理由のために、電源を入れてから、
酸素センサが活性化して使用できる状態となるまでに１
０秒近く必要となることが多い。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかし、酸素センサを
自動車に用いる場合は、エンジンの空燃比を制御するこ
とで、窒素酸化物や一酸化炭素が少ない、より清浄な排
気ガスにするというような用途に用いることが多い。こ
のため、エンジンの起動後できるだけ早くこの酸素セン
サを活性化させて、空燃比制御を行うことができること
が望ましい。本発明は、このような問題点を解決するも
のであり、酸素センサの活性化時間が短く、短時間でエ
ンジンの空燃比制御が可能となる酸素センサ及びその制
御方法を提供することを目的とする。

【０００４】

【課題を解決するための手段】本第１発明の酸素センサ
は、酸素イオン伝導性を有する有底筒形状の固体電解質
体と、該固体電解質体の一面に設けられる検出電極と、
該固体電解質体の他面に設けられる基準電極と、該固体
電解質体の内部空間に設けられる発熱体とを備える酸素
センサであって、該酸素センサの電源投入時に、動作時
電圧の１０５〜１５０％の範囲の電圧である起動時電圧
を上記発熱体へ印加することで、ピーク電圧が動作時電
圧より高いトリガ波形が該検出電極及び該基準電極間に
得られることを特徴とする。

【０００５】上記「酸素イオン伝導性を有する固体電解
質体」（以下、固体電解質体という。）としては、各種
のセラミックス、特に第２及び第７発明に示すように、
ジルコニアを主成分とするセラミックスが好適である。
この固体電解質体の形状は、通常、有底円筒状である。
また、積層状とすることもできる。更に、例えば酸化ジ
ルコニウム等の原料粉末と、酸化イットリウム、酸化珪
素、酸化マグネシウム等の焼結助剤の粉末とを混合し、
造粒した後、ラバープレス法等の加圧成形法、厚膜法等
の積層法等の方法によって所定形状に成形し、必要であ
れば焼成温度よりも低い温度で仮焼し、次いで、通常の
方法によって焼成することにより固体電解質体とするこ
とができる。

【０００６】上記「検出電極」及び上記「基準電極」
は、触媒作用を有する元素である貴金属元素、例えば白
金、ルテニウム、オスミウム、イリジウム、ロジウム、
パラジウム等からなるか、これら貴金属元素を主成分と
する導電性材料からなる。また、薄膜状の電極として、
固体電解質体上に形成される。これら電極の形成は、メ
ッキ法、スパッタリング法及び電極金属の塩の熱分解に
よる方法等、通常用いられる手段によって実施すること
ができる。

【０００７】上記発熱体は、上記固体電解質体の形状等
によって任意の形状や構成を選択することができるが、
例として、碍管、該碍管に巻回され、接合される第１基
材と、該第１基材に接合される第２基材と、該第１基材
と該第２基材の間に介装される板状発熱抵抗体と、を備
える発熱体等を挙げることができる。

【０００８】上記「第１基材」及び上記「第２基材」は
材質としてセラミックスを用いることができ、アルミナ
（Ａｌ₂Ｏ₃）や、ムライト又はスピネル等のアルミナ類
似のセラミックス等の、高温高強度セラミックスを主成
分とすることができる。また、これら例示の中ではアル
ミナを好適とする。このような材質を用いることによっ
て、発熱抵抗体を高温環境下において保護することがで
きる。また、上記各基材の作製方法としては任意の方法
を用いることができ、例として所定形状のグリーンシー
トを焼結することによって作製することを挙げることが
できる。

【０００９】上記「碍管」の形状は任意であって、筒
状、棒状等種々の形状を挙げることができる。また、断
面形状においても円形、楕円形、四角形、六角形等の任
意の形状とすることができる。この碍管も、アルミナ
や、ムライト又はスピネル等のアルミナ類似のセラミッ
クス等の、高温高強度セラミックスを主成分としたセラ
ミックスによって形成することができる。

【００１０】上記「発熱抵抗体」の材料としては、主に
タングステンやモリブデン等を例として挙げることがで
きる。また、これらの成分に白金やロジウム等の高融点
金属成分を混合して用いることもできるし、抵抗特性の
向上のためにこれらを単独で用いることもできる。更
に、第３及び第８発明に示すように、発熱抵抗体にレニ
ウムを含有させることにより、発熱の温度上昇速度を早
くすることができる。尚、悪影響を与えない限りにおい
て、各基材と同様の、或いは同一の酸化物等が若干混在
していてもよい。

【００１１】上記発熱体の上記発熱抵抗体に供給する電
力は、脈流、直流、交流等を任意に選択することができ
る。また、この電力は電圧制御やパルス幅変調制御（Ｐ
ＷＭ制御ともいう）等の、任意の方法で制御することが
できる。これらのうち、ＰＷＭ制御による制御が容易に
作製できる点で好ましい。

【００１２】上記「起動時電圧」は、上記酸素センサの
上記発熱体に印加する電源投入時の電圧であり、特に、
酸素センサをコールドスタートさせる時の電圧である。
この「コールドスタート」とは次に示す状態から酸素セ
ンサの使用を始めることをいう。つまり、長期に渡り該
酸素センサを使用していない場合等の状況では、該酸素
センサが室温（通常は１５〜３０℃程度だが、５〜３５
℃等とすることもできる）程度まで温度が下がっている
ことが多い。このようなとき、該酸素センサ及び該酸素
センサの上記発熱体に電圧を印加しても、該酸素センサ
の固体電解質の温度が上昇して活性化し、正常な酸素の
検出値（以下、検出電圧とする。）を得られるようにな
るまで時間が掛かる状態となる。

【００１３】上記「起動時電圧」を第１及び第６発明に
示すように、動作時電圧の１０５〜１５０％（特に好ま
しくは、１０７〜１４０％、更に好ましくは１１０〜１
３０％）とするのが好ましい。例えば、動作時電圧が約
１４Ｖであるとき、起動時電圧が１４．７〜２１Ｖ（特
に好ましくは、１５〜１９．６Ｖ、更に好ましくは１
５．４〜１８．２Ｖ）とするのが好ましい。このように
起動時電圧の範囲を限定するのは、起動時電圧が動作時
電圧の１０５％未満である場合は、空燃比制御に必要な
検出電圧のピークが現れにくくなるし、１５０％を越え
ると発熱体の耐久性の劣化及び酸素センサの各電極の劣
化が激しくなるためである。

【００１４】上記「動作時電圧」は、酸素センサを使用
している状態において、酸素センサの温度が安定し、正
常に酸素濃度の検出値が得られる状態において、酸素セ
ンサの発熱体に印加する電圧の平均電圧である。動作時
電圧が平均電圧であるのは、酸素センサの雰囲気温度等
によって変動する酸素センサの温度を一定に保つため
に、発熱体に印加する電圧を変化させる場合があるから
である。

【００１５】上記「トリガ波」は、空燃比制御装置や不
完全燃焼検出装置等へのトリガとなる波形であり、第１
及び第２発明に示すように、この波形のピーク電圧が動
作時電圧より高ければよい。

【００１６】発熱体の昇温速度は、第２及び第７発明に
示すように固体電解質体にジルコニアを用いるとき、１
００〜２５０℃／ｓ（より好ましくは１３０〜２２０℃
／ｓ、特に好ましくは１５０〜２００℃／ｓ）が好まし
い。昇温速度が１００℃／ｓ未満の場合は空燃比制御に
必要な検出電圧の初期ピークが現れにくくなるし、２５
０℃／ｓを越えると、固体電解質であるジルコニアが耐
熱衝撃温度を超え、熱衝撃によって破損し易くなるため
である。

【００１７】本酸素センサは、第４及び第１発明に示す
ような、エンジンの空燃比制御の他、炉や暖房器具等の
燃焼制御用、不完全燃焼検出用、金属製錬用、ガス分析
用、排水管理用等の酸素濃度を検出を行う任意の用途の
酸素センサの制御に用いることができる。また、酸素セ
ンサを空燃比制御に用いる場合、酸素センサの出力を受
ける空燃比制御用ＥＣＵの入力インピーダンスは、０．
５〜１０ＭΩが好ましい。０．５ＭΩ以下であると酸素
センサ出力の微小な起電力が検出しにくくなるし、１０
ＭΩ以上であるとノイズの影響が大きくなるからであ
る。

【００１８】本第５発明の酸素センサの制御方法は、酸
素イオン伝導性を有する有底筒形状の固体電解質体と、
該固体電解質体の一面に設けられる検出電極と、該固体
電解質体の他面に設けられる基準電極と、該固体電解質
体の内部空間に設けられる発熱体とを備え、該検出電極
及び該基準電極間より得られる出力を空燃比制御に用い
る酸素センサを制御する方法であって、該出力より得ら
れ、ピーク電圧が動作時電圧より高いトリガ波の立ち上
がりを検出することによって空燃比制御を開始すること
を特徴とする。

【００１９】また、本酸素センサの制御方法はコールド
スタート時に用いるだけではなく、酸素センサの温度が
動作時温度に近いか、略同じ温度からの使用（ホットス
タートともいう）時にも使用することができる。

【００２０】

【作用】一般に酸素センサをエンジンの空燃比制御に用
いる場合、酸素センサの検出電圧が特定の値（しきい値
という。）を越えるかどうかで判断することが多い。ま
た、通常のコールドスタート時の検出電圧は例えば図８
に示すように、徐々に上昇してしきい値を越えることが
多い。しかし、本酸素センサ及びその制御方法に示すよ
うに、酸素センサの温度を急激に動作温度まで上げる
と、例えば図６等に示すように、通常制御方法より短い
時間で検出電圧が上昇して一旦ピーク（図６におけるＰ
_１）を迎え、その後、谷（図６におけるＰ_２）となる波
形（トリガ波）が現れた後、通常の制御方法と同じ変化
を示す。

【００２１】このように本酸素センサ及びその制御方法
によって、酸素センサの活性化時間が短縮し、トリガ波
が現れるのは次の理由と考えられる。通常、図１及び図
２に示すような、ジルコニア等の固体電解質体を用いた
濃淡電池型酸素センサにおける起電力は、次に示すネル
ンストの式で表わすことができる。Ｅ＝Ｅ₀＋ＲＴ／４Ｆ×ｌｎ（Ｐ_O2濃／Ｐ_O2薄）しかし、上記式はどちらの電極も温度が同じであること
を前提としている。

【００２２】ここで、酸素センサの固体電解質体内に設
けられている発熱体に、通常より大きな電力を供給し、
固体電解質体の伝熱速度以上の速さで酸素センサ内を急
激に温度上昇させると、固体電解質体の表裏面に設けら
れている検出電極と基準電極間に大きな温度差が発生す
る。このとき、固体電解質体の内側で三相（つまり、電
極と固体電解質体と酸素）の界面での反応が急激に生じ
ると考えられる。この結果、濃淡電池による電位差の他
に、上記反応による電位差が生じ、トリガ波が現れると
考えられる。

【００２３】

【発明の実施の形態】以下、本発明の酸素センサ及びそ
の制御方法を実施例によって具体的に説明する。（１）酸素センサの構成本発明の酸素センサ及びその制御方法に用いる酸素セン
サ１を図１及び図２に示す。図１は酸素センサ１の正面
図、図３は酸素センサ１の縦断面図である。図１に示す
ように酸素センサ１は、酸素センサ２と保護層３を備え
る。更に、酸素センサ２は図２に示すように、酸素セン
サ本体２１と、検出電極２２と、基準電極２３と、発熱
体４とを備える。この酸素センサ本体２１はジルコニア
製で有底円筒形状の固体電解質体である。また、検出電
極２２及び基準電極２３は、それぞれ酸素センサ本体２
１の底部外周面及び底部内周面に設けられた白金電極で
ある。更に、保護層３は検出電極２２を覆うように設け
られた多孔質体である。

【００２４】上記発熱体４は円棒形状であり、図３及び
図４に示すように、アルミナを主成分とするグリーンシ
ートを焼成されてなるセラミック製の基体４１ａ、４１
ｂと、これらのセラミック基体の間に配設されるタング
ステン及びレニウムを含有する発熱抵抗体４２と、基体
４１ａ、４１ｂが一体に巻回されているアルミナ製の碍
管４３とを備える。

【００２５】（２）コールドスタート時の活性化時間の
測定上記に示すような酸素センサを用いて制御を行い、コー
ルドスタート時の活性化時間の測定を行った。使用した
酸素センサは、内径が約３．０ｍｍ、厚みが約０．８ｍ
ｍのジルコニアを固体電解質体として用い、発熱体の発
熱抵抗体の材質がレニウムを含んだタングステンであ
り、発熱抵抗体の電気抵抗が約３．５Ωである。また、
この酸素センサは、排気温が３００℃になるよう調節し
た、測定用バーナ試験機に取付け、起動時の排気ダクト
及び酸素センサの温度を約２８℃とした。また、発熱抵
抗体に印加する電圧は、動作時電圧が平均値を約１４Ｖ
とし、起動時電圧は１８Ｖ、２４Ｖ、２６Ｖとした。更
に、発熱抵抗体に接続する電源は、ＰＭＶ制御によって
２４Ｖから降圧して得たものである。また、固体電解質
体の活性化の終了は、検出電圧が約４５０ｍＶ以上とな
ったときとした。

【００２６】上記試験条件で本酸素センサの制御方法を
行った結果を図５〜７に示す。また、起動時電圧を１４
Ｖとした従来と同様の制御方法を用いた結果を図８に示
す。図５〜７に示すように、本制御方法を用いることに
より起動時より約５秒後（起動時電圧が１８Ｖ、図５参
照）、約２．５秒後（起動時電圧が２４Ｖ、図６参
照）、約３秒後（起動時電圧が２６Ｖ、図７参照）にし
きい値を越えるピークを持つトリガ波が現れ、このピー
クより空燃比制御を開始することができた。一方、従来
の制御方法を用いた場合は図８に示すように、約７秒後
にしきい値を超えてから空燃比制御を開始した。

【００２７】このように、本制御方法を用いることによ
って、空燃比制御をより早く開始することができる。
尚、本制御方法を用いた場合、図５〜７に示すようにト
リガ波が現れたあとに谷が生ずる等、従来とは異なる波
形となるが、空燃比制御はしきい値による判断を行うた
めに、空燃比制御に支障を生じない。

【００２８】（３）本制御方法の検証また、実際にエンジンの排気ガスが通る排気ダクト中に
本酸素センサを配置し、排気温を１００℃として酸素セ
ンサの検出電圧を測定した。使用した酸素センサは、
（２）コールドスタート時の活性化時間の測定で用いた
酸素センサと同様の酸素センサを用いた。また、起動時
の排気ダクト及び酸素センサの温度を約２８℃とした。
また、発熱抵抗体に印加する電圧は、動作時電圧が平均
値を約１４Ｖとし、起動時電圧は１６Ｖ、１８Ｖとし
た。更に、発熱抵抗体に接続する電源は、ＰＭＶ制御に
よって２４Ｖから降圧して得たものである。また、固体
電解質体の活性化の終了は、検出電圧が約４５０ｍＶ以
上となったときとした。更に、酸素センサの出力は、入
力インピーダンスが１ＭΩの空燃比制御用ＥＣＵに接続
した。

【００２９】上記条件で本酸素センサの制御方法を行っ
た結果を図９及び１０に示す。起動時電圧が１６Ｖの場
合は図９に示すように、約５秒後にしきい値を超え、
１.５２Ｖのピークが得られ、空燃比制御を開始するこ
とができた。また、起動時電圧が１８Ｖの場合は図１０
に示すように、約４秒後にしきい値を超え、３.０９Ｖ
のピークが得られ、空燃比制御を開始することができ
た。これらの試験により、本酸素センサの制御方法を用
いることによって、より短い時間で空燃比制御を開始で
きることが確認できた。

【００３０】

【発明の効果】本各発明による酸素センサ及びその制御
方法によれば、酸素センサの温度を動作温度まで急速に
上昇させることによって、起動直後後から短時間で酸素
濃度を検出することができるトリガ波を出力させ、空燃
比制御を行うことができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】実施例に用いた酸素センサの外観を説明するた
めの正面図である。

【図２】実施例に用いた酸素センサを説明するための断
面図である。

【図３】実施例に用いた酸素センサの発熱体を説明する
ための説明図である。

【図４】実施例に用いた酸素センサの発熱体を展開した
状態を示す説明図である。

【図５】起動時電圧が１６Ｖである起動直後からの検出
電圧のグラフである。

【図６】起動時電圧が１８Ｖである起動直後からの検出
電圧のグラフである。

【図７】起動時電圧が２４Ｖである起動直後からの検出
電圧のグラフである。

【図８】起動時電圧が１４Ｖである従来の制御方法によ
る検出電圧のグラフである。

【図９】起動時電圧が１６Ｖである起動直後からの検出
電圧のグラフである。

【図１０】起動時電圧が１８Ｖである起動直後からの検
出電圧のグラフである。

【符号の説明】

１；酸素センサ、２１；酸素センサ本体、２２；検出電
極、２３；基準電極、３；保護層、４；発熱体、４１、
４１ａ、４２ｂ；基体、４２；発熱抵抗体、４３；碍
管。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者水谷昭夫愛知県名古屋市瑞穂区高辻町14番18号日本特殊陶業株式会社内 (72)発明者川口義則愛知県名古屋市瑞穂区高辻町14番18号日本特殊陶業株式会社内Ｆターム(参考） 2G004 BB01 BJ02 BL08 BM07 3G301 MA01 NA08 ND13 PD02Z PG01Z

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】酸素イオン伝導性を有する有底筒形状の
固体電解質体と、該固体電解質体の一面に設けられる検
出電極と、該固体電解質体の他面に設けられる基準電極
と、該固体電解質体の内部空間に設けられる発熱体とを
備える酸素センサであって、該酸素センサの電源投入時に、動作時電圧の１０５〜１
５０％の範囲の電圧である起動時電圧を上記発熱体へ印
加することで、ピーク電圧が動作時電圧より高いトリガ
波形が該検出電極及び該基準電極間に得られることを特
徴とする酸素センサ。
【請求項２】上記固体電解質体の材質がジルコニアで
あるとき、上記酸素センサの温度上昇速度を１００〜２
５０℃／ｓの範囲とする請求項１記載の酸素センサ。
【請求項３】上記発熱体はレニウムを含有する発熱抵
抗体を備える請求項１記載の酸素センサ。
【請求項４】上記酸素センサを空燃比制御に用いる請
求項１記載の酸素センサ。
【請求項５】酸素イオン伝導性を有する有底筒形状の
固体電解質体と、該固体電解質体の一面に設けられる検
出電極と、該固体電解質体の他面に設けられる基準電極
と、該固体電解質体の内部空間に設けられる発熱体とを
備え、該検出電極及び該基準電極間より得られる出力を
空燃比制御に用いる酸素センサを制御する方法であっ
て、該出力より得られ、ピーク電圧が動作時電圧より高いト
リガ波の立ち上がりを検出することによって空燃比制御
を開始することを特徴とする酸素センサの制御方法。
【請求項６】上記トリガ波は該酸素センサの電源投入
時に、動作時電圧の１０５〜１５０％の範囲の電圧であ
る起動時電圧を上記発熱体へ印加することで得られる請
求項５記載の酸素センサの制御方法。
【請求項７】上記固体電解質体の材質がジルコニアで
あるとき、上記酸素センサの温度上昇速度を１００〜２
５０℃／ｓの範囲とする請求項５記載の酸素センサの制
御方法。
【請求項８】上記発熱体はレニウムを含有する発熱抵
抗体を備える請求項５記載の酸素センサの制御方法。