JPH0244242A - 故障検知型酸素センサ - 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】 （技術分野） 本発明は、故障検知型の酸素センサに係り、特に酸素濃
淡電池の原理によって、出力される起電力に重畳して検
出される、外部から流されたパルス状電流に対応した信
号に基づいて、故障の有無を検知するシステムに用いら
れる酸素センサに関するものである。

（背景技術） 従来から、空燃比検出装置として、自動車の内燃機関の
排気ガス（燃焼排ガス）中に含まれる酸素濃度を検知し
、その検出信号に基づいて内燃機関の燃焼状態を最適に
コントロールすることにより、排気ガスの浄化、燃費の
節減等を行なう、所謂酸素センサが知られている。

ところで、この種の酸素センサに用いられる酸素濃度検
出素子としては、代表的には、ジルコニア磁器等の酸素
イオン伝導性の固体電解質を用いた、酸素濃淡電池の原
理を利用して酸素濃度を求める構造のものが実用化され
ており、そこでは、固体電解質にそれぞれ設けられた、
被測定ガスに晒される測定電極と基準酸素濃度の基準ガ
スに晒される基準電極との間の酸素濃度差に起因する起
電力を検出して、理論空燃比の状態で燃焼せしめて得ら
れる燃焼排ガスの如き中性雰囲気のガスを境にして、か
かる被測定ガスがリーン雰囲気であるか或いはリッチ雰
囲気であるかの識別（判別）を行ない、これに基づいて
、そのような被測定ガスとしての燃焼排ガスの発生する
エンジンを制御して、かかる排ガスを浄化する三元触媒
が有効に働く理論空燃比近辺の領域の燃焼排ガスとなる
ようにしている。

このように、かかる酸素センサは、燃焼排ガス中の酸素
濃度を管理して、そのような排ガスを発生せしめる内燃
機関の空燃比を適正に保つことにより、主として、該排
ガス中の有害成分、例えば窒素酸化物（Ｎｏ、）、−酸
化炭素（ＣＯ）、炭化水素（ＨＣ）等の量を低減する目
的で使用されているところから、そのような酸素センサ
の機能が検出されるべき起電力の出力回路（検出回路）
の断線、短絡等により損なわれた場合には、正常な起電
力の検出が出来なくなるのであり、そしてそのために、
かかる排ガス中の有害成分量の増大を惹起することとな
る。

このため、酸素センサが正常に機能しているかどうかを
検知して、それが正常な起電力を出力し得ない状態にあ
るときには、警告灯の点灯等によってその故障を知らせ
、何らかの対策を取る必要があるが、従来の故障検知方
式は、酸素センサに内蔵せしめられるヒータの断線等に
よって警告灯を点灯せしめたり、検出される起電力信号
の異常状態の時間的な長さ等によって故障状態を判断し
ているところから、各種の問題を内在しているのである
。

すなわち、前者の、ヒータ断線等によって故障を検知す
る方式では、起電力検出系統の故障を直接的に検知する
ものでないために、誤検知の場合が多々あり、また後者
の、異常信号の時間的な長さによる故障検知方式では、
誤検知を避けるために、長時間の異常状態の継続を以て
故障の有無の判断を行なっているところから、故障の検
知に時間がかかり、近年における短時間内での、例えば
５秒以内での故障検知の要請には、充分に応えられない
ものであった。

（解決課Ｂ） ところで、このような酸素センサの直接的な故障検知方
式としては、また、その起電力出力回路（検出回路）に
、換言すれば酸素センサの酸素濃度検出素子を構成する
測定電極と基準電極との間に、所定の微小な電流をパル
ス状に外部から流すことにより、かかる酸素濃度検出素
子にて酸素濃淡電池の原理により検出される起電力を変
化（増加）せしめ、そしてこの起電力に重畳して出力さ
れる、該パルス状電流に対応した信号に基づいて、換言
すればかかる起電力の増加の程度により、故障の有無を
検知するようにしたシステムが考えられる。

この故障検知システムによれば、所定の故障検知電流の
瞬間的な通電によって惹起される起電力の変化の程度に
より、故障の有無が判断されるものであるところから、
故障検知に時間を要せず、前記した近年における故障検
知の迅速化の要請に充分応え得るものであるが、かかる
故障検知電流の通電による起電力の変化（増加）は、単
に酸素センサの酸素濃度検出素子の内部抵抗によるもの
であり、そしてそのような内部抵抗は温度依存性が大き
く、６００　’Ｃ以上の温度では数百Ω以下の抵抗値と
なって、検出される起電力の変化割合が小さくなり、そ
のために誤検知の可能性を惹起している。尤も、かかる
故障検知電流を大電流として通電せしめれば、出力され
る起電力の変化程度も大きくはなるが、そのような大電
流による測定電極と基準電極との間の酸素ポンプ作用に
よって、酸素センサの酸素濃度検知素子を構成する固体
電解質が劣化を受け、その耐久性を低下せしめる等の問
題を惹起することとなる。

（解決手段） ここにおいて、本発明は、かかる事情を背景にして為さ
れたものであって、上記の如き課題を解決するために、
酸素イオン伝導性の固体電解質と、該固体電解質にそれ
ぞれ接して設けられた、被測定ガスたる燃焼排ガスに接
触せしめられる測定電極及び基準ガスに接触せしめられ
る基準電極とを有し、酸素濃淡電池の原理により、それ
ら燃焼排ガスと基準ガスとの間の酸素濃度差に起因する
起電力を出力する一方、該起電力の出力回路に所定の電
流を外部からパルス状に流すことにより、該起電力に重
畳して出力される、該パルス状電流に対応した信号に基
づいて、故障の有無を検知するシステムに用いられる酸
素センサにおいて、該酸素センサの本体内に位置する前
記起電力の出力回路上に、前記測定電極若しくは基準電
極に対して直列に位置するように所定の抵抗体を設けた
ことにある。

更に、その際、小型化と高信頼化に一層好ましい形態と
して、酸素イオン伝導性の固体電解質と、該固体電解質
にそれぞれ接して設けられた、被測定ガスたる燃焼排ガ
スに接触せしめられる測定電極及び基準ガスに接触せし
められる測定電極及び基準ガスに接触せしめられる基準
電極とを有し、酸素濃淡電池の原理により、それら燃焼
排ガスと基準ガスとの間の酸素濃度差に起因する起電力
を出力する一方、該起電力の出力回路に所定の電流を外
部からパルス状に流すことにより、該起電力に重畳して
出力される、該パルス状電流に対応した信号に基づいて
故障の有無を検知するシステムに用いられる酸素センサ
にして、特に、板状の酸素濃度検出素子上の前記起電力
の出力回路上に、前記測定電極若しくは基準電極に対し
て直列に配されてなる所定の抵抗体を設けることも出来
る。

（作　用） ところで、かかる本発明に従う故障検知型酸素センサの
起電力検出回路（取出回路）は、例えば第１図の如く概
略的に示され得るものである。そこにおいて、酸素セン
サＡは、破線で囲まれるセンサ本体の内部回路を有して
おり、コネクタ等によって構成される接続点：ａにおい
て、外部の制御用コンピューターＢに接続せしめられて
いる。

この制御用コンピューターＢは、接続点＝ｂにおいて、
その内部と外部とが接続せしめられて、少なくとも破線
で囲まれる如き内部回路を有しており、酸素センサから
取り出された起電力出力に基づいて、自動車の内燃機関
等の燃焼装置における空燃比を制御するようになってい
る。

すなわち、酸素センサＡは、よく知られているように、
酸素イオン伝導性の固体電解質と、該固体電解質にそれ
ぞれ接して設けられた、被測定ガスたる燃焼排ガスに接
触せしめられる測定電極及び基準ガスに接触せしめられ
る基準電極とを有しており、酸素濃淡電池の原理により
、それら燃焼排ガスと基準ガスとの間の酸素濃度差に起
因する起電力Ｅ、を発生せしめるようになっている。な
お、この酸素センサは、それ自身の内部抵抗Ｒ。

を存しており、また所定の抵抗値Ｒを与える、本発明に
従うところの抵抗体が、起電力Ｅ５発生部位に対して直
列に、換言すれば測定電極若しくは基準電極に対して直
列に配置せしめられている。

一方、制御用コンピューターＢにおいては、酸素センサ
Ａから取り出された起電力Ｅ、が、増幅器（ＡＭＰ）を
通じて所定の制御値と比較され、そしてそれに基づいて
自動車の内燃機関等の燃焼装置の空燃比を制御するため
の制御信号が出力されるようになっている。また、制御
用コンピューターＢ内の増幅器（ＡＭＰ）に至る回路に
対して、電ａ！ＸＥが抵抗Ｒ１を介して接続されており
、この電源Ｅと抵抗Ｒ１により与えられる定電流がスイ
ッチ手段ＳＷにより、一定間隔で起電力の出力回路に対
してパルス状に流され、そして酸素センサＡ側に導かれ
るようになっている。そして、この電流ｉが流された場
合に、センサ側の抵抗Ｒ及びＲ８によって、酸素センサ
Ａの出力電圧が変化することとなる。即ち、かかるパル
ス状電流ｉに対応した信号（電圧）が起電力Ｅ、に重畳
して出力されることとなり、そのような重畳に基づくと
ころの起電力変化が制御用コンピューターＢにて検出さ
れることとなるのである。

従って、このような故障検知システムにおいては、酸素
センサＡによって被測定ガスたる燃焼排ガス中の酸素濃
度に基づくところの起電力が検出されている作動状態下
において、制御用コンピューターＢから酸素センサＡ側
に流されるパルス状の電流ｉに基づくところの起電力変
化が、制御用コンピューターＢにて検出され、かかるパ
ルス状電流ｉを流した時とそれを流さない時との電圧の
差によって、故障の有無が判断されることとなるのであ
り、そしてそのようなパルス状電流ｉは、一定間隔で酸
素センサＡ側に流されるものであるところから、前記し
た電圧差は酸素センサＡの作動中は常に検知することが
可能となって、かかる酸素センサＡの作動中の故障の監
視を常に行なうことが出来るのである。

そして、このような故障検知システムにおいて、酸素セ
ンサＡの内部や接続点：ａとｂとの間において短絡が生
じた場合には、上記の如く故障検知電流ｉがパルス状に
流されても、それに対応した適正な起電力の増加（変化
）が認められないのであり、また酸素センサＡ内部や接
続点：ａ−ｂ間において断続等が生じ、電気的導通が取
れない場合には、コンピューターＢ内の電源Ｅの電圧が
そのまま増幅器（ＡＭＰ）にかかるようになるのであり
、何れにしても、酸素センサＡの起電力を制御用コンピ
ューター已にて検知するようにしておけば、そのような
起電力の変化によって、短絡や断線等の場合における故
障検知が可能となるのである。

また、酸素センサＡの本体内に位置する起電力の出力回
路上に設けられた抵抗体（Ｒ）は、制御用コンピュータ
ーＢから流し込まれるパルス状の微小電流ｉによる起電
力Ｅ、の変化を拡大するものであって、以て誤検知の可
能性を解消して、故障検知が正確に為されることを担保
している。要するに、センサ内部に抵抗体（Ｒ）を挿入
することにより、センサ使用温度領域において、安定的
な抵抗値を維持する必要があるのであり、そのために抵
抗体の抵抗値Ｒとしては、好ましくは１にΩ〜１００に
Ω程度の値が採用されることとなる。

また、かかる抵抗体Ｒは、その抵抗値の安定なもの、即
ち、一般に１５０°Ｃ以上の高温領域においても抵抗値
の実質的に変化しないものが有利に用いられ、更に温度
依存性を有するものであっても、正の温度依存性を持つ
ものであれば、同様に使用可能である。

また、制御用コンピューターＢから流される故障検知電
流ｉとしては、酸素センサＡの固体電解質等に悪影響を
もたらさないように、０．１〜１００μＡ程度、特に１
〜１０μＡ程度のものが好適に採用され、更にそのよう
な電流ｉは、スイッチ手段ＳＷによって、一定間隔にお
いて、起電力出力回路に流されることとなるが、その通
電時間や通電間隔等は、故障検知に要請される時間等の
条件に応じて、適宜に選定されることとなる。

（実施例） 以下、本発明に従う幾つかの実施例を図面に基づいて説
明し、本発明を更に具体的に明らかにすることとする。

先ず、第２図に示される本発明の一例に係る故障検知型
酸素センサは、従来からよく知られている試験管形状の
酸素濃度検出素子１０を有している。また、この酸素濃
度検出素子１０は、従来と同様に、ジルコニア磁器等の
酸素イオン伝導性の固体電解質１２とその外側面及び内
側面にそれぞれ形成された白金等からなる測定電極１４
及び基準電極１６とから構成されている。そして、この
酸素濃度検出素子１０は、燃焼排ガスと大気とを仕切る
隔壁に取り付けられるハウジング１日に収容され、保護
カバー２０の窓部２２を通じて導き入れられる被測定ガ
スとしての燃焼排ガスが、かかる酸素濃度検出素子１０
の外側面に形成された測定電極１４に接触せしめられる
ようになっている。また、酸素濃度検出素子１０の内側
面に形成された基準電極１６は、ハウジング１８の大気
側開口部位に取り付けられる有底円筒形状の金属製キャ
ップ２４に設けられた適当な通気部やそのようなキャッ
プの取付部位の隙間等から導き入れられる大気に対して
、接触せしめられるようになっている。

また、酸素濃度検出素子１０は、キャップ２４内に収容
された第一の絶縁碍子２６及び第二の絶縁碍子２８を介
して、キャップ端に配された皿ばね３０の押圧力によっ
て、ハウジング１８に押さえ付けられるようになってお
り、これによって、電気的な導通と排ガスに対する封止
とが図られるようになっている。なお、３２は、第−及
び第二の絶縁碍子２６．２８を保持するための保持筒体
であり、その一端がハウジング１８の内孔内に嵌入され
て固定されており、また第−及び第二の絶縁碍子２６．
２８間には、金属製のワッシャー３４が介装せしめられ
ている。

そして、かかる酸素濃度検出素子ｌＯの基準電極１６に
対して、外部の制御用コンピューター等の起電力測定シ
ステムに接続される外部リード線３６が、グロメット３
８にてキャップ２４の底部に固定、支持された状態下に
おいて、接続端子４０、抵抗体４２及びリード金具４４
を介して電気的に接続せしめられている。より具体的に
は、抵抗体４２は、第一の絶縁碍子２６と第二の絶縁碍
子２８との間に配置されて、波バネ４６の押圧力によっ
て固定せしめられるようになっており、そして電気的導
通が、かかる波バネ４６の押圧力により、外部リード線
３６にかしめ固定された接続端子４０及び基準電極１６
に接続されたリード金具４４が抵抗体４２の上下端面の
導電部に接触せしめられることによって、実現されるよ
うになっている。なお、リード金具４４と基準電極１６
との接続は、リード金具４４の端部に設けられた接続片
が酸素濃度検出素子１０と第一の絶縁碍子２６との間に
おいて挟圧されることにより、かかる酸素濃度検出素子
１０の端面にまで延びる基準電極１６に対して接触する
ことによって、行なわれるようになっている。

また、抵抗体４２は、例えば第３図に示されるように、
柱状のセラミック磁器５０の上下の端面にＰｔ−Ａｕ合
金等からなる導電部５２．５２がそれぞれ形成され、ま
たかかる柱状セラミック磁器５０の側面に所定の抵抗値
を有する抵抗部５４が形成され、そしてこの抵抗部５４
に対して、上下端面の導電部５２．５２がそれぞれ接続
されてなる構造を有している。なお、この抵抗部５４と
しては、耐熱性の点から、酸化ルテニウム系の厚膜抵抗
が有利に用いられ、更にその上にオーバーコートガラス
が塗布されることによって、高温での抵抗変化を小さく
する構成が有利に採用されることとなる。

従って、かくの如き構造の抵抗体４２が、接続端子４０
とリード金具４４との間に介装せしめられることによっ
て、かかる抵抗体４２は、センサ本体内の起電力出力回
路上において、基準電極１６に対して直列に接続せしめ
られることとなり、そして該抵抗体４２（より正確には
、抵抗部５４）の有する所定の抵抗値を、かかる起電力
出力回路に付与することとなり、これによって、前述し
たように、制御用コンピューター等の制御装置乃至は起
電力検出装置からの微小な故障検知電流に基づく起電力
変化を有利に惹起せしめ得るのである。

一方、酸素濃度検出素子１０の測定電極１４は、ハウジ
ング１８に電気的に導通され、それを通じて接地されて
いる。

なお、所定の抵抗値を有する抵抗体４２は、酸素濃度検
出素子ｌＯ、ハウジング１８及びキャップ２４を含むセ
ンサ本体の内部であれば、如何なる部位に配置すること
も可能であるが、好ましくは抵抗体４２が高温条件下に
晒されて、その抵抗値の大きな変化を惹起したり、それ
自体が劣化乃至は破壊されないように、高温の作用する
酸素濃度検出素子１０から離れた位置、換言すれば外部
リード線３６との接続部により近い位置に配置すること
が望ましい。また、抵抗体４２は、必ずしも例示の如く
絶縁碍子内に収納する必要はないが、そのような碍子内
への収納は、抵抗体４２の導電部５２が、アース極であ
るキャップ２４と接触する虞がなくなる点において有利
である。

さらに、抵抗体４２と接続端子４０、リード金具４４と
の電気的接続は、例示の如く、接触によって電気的導通
を図るようにした構造のものが望ましいが、またろう付
けや半田付は等の他の接続手法によって電気的接続を図
ったものであっても、何等差支えないことは、言うまで
もないところである。

また、第４図に示される本発明に従う故障検知型酸素セ
ンサの他の例にあっては、円筒形状の抵抗体５６が、コ
イルスプリング５８の付勢力によって、黒鉛粉末６０を
介して酸素濃度検出素子１０の端部開口部内に押圧され
、これによって、抵抗体５６と酸素濃度検出素子１０の
内側の起電力１６との間の電気的導通が図られている。

なお、この抵抗体５６は、前例の抵抗体と同様に、セラ
ミック円筒体の両端部に導電部、側面に所定の抵抗値を
与える厚膜抵抗からなる抵抗部が設けられて構成されて
いる。

なお、かかる実施例の酸素センサにおいて、キャップが
第一のキャップ６２と第二のキャップ６４との二つに分
割されており、そして第一のキャップ６２の基部が、従
来と同様に、タルク６６、ワンシャー６８、熱補償金属
７０を用いて、ハウジング１８の大気側開口部にカシメ
固定されている。また、外部リード線３６に対してカシ
メ金具７２によって固定された接続端子４０が、スプリ
ング５８の押圧力によって抵抗体５６の端部の導電部に
押し付けられることによって、それらの間の電気的な導
通が為されるようになっている。なお、７４及び７６は
、何れも絶縁碍子である。

さらに、第５図及び第６図に示される本発明の異なる実
施例においては、上記２例の如き試験管状乃至は有底円
筒形状の酸素濃度検出素子１０とは異なり、板状の酸素
濃度検出素子８０が用いられ、そしてこの酸素濃度検出
素子８０山の起電力出力回路に、抵抗体としてのチップ
抵抗８２がろう付けによって設けられているのである。

即ち、かかる酸素濃度検出素子８０は、第６図から明ら
かなように、板状の固体電解質８４の燃焼排ガスに晒さ
れる側の面に測定電極８６、その反対側の面に基準電極
８８が形成されており、更にその基準電極８８が設けら
れた側の面に、空気通路９０を形成するためのスペーサ
部材９２及び板状蓋部材９４が順次積層一体化せしめら
れてなる構造を有している。

そして、かかる酸素濃度検出素子８０の基準電極８日は
、空気通路９０を通じて導かれる大気に対して接触せし
められる一方、そのリード部９６は、固体電解質８４に
設けられたスルーホール９８を通じて、固体電解質８４
の測定電極８６形成側の面に取り出され、そしてその取
出部位において、所定の抵抗値を有するチップ抵抗８２
が、基準電極８８に対して直列となるように接続せしめ
られているのである。

このように、抵抗体としてのチップ抵抗８２を酸素濃度
検出素子８０上に設けて、所定の抵抗値が与えら、れる
ようにしても、前記実施例と同様な作用・効果を享受す
ることが出来るのである。なお、ここで用いた抵抗体と
してのチップ抵抗８２に代えて、前例と同様な厚膜抵抗
にて、基準電極８８のリード部９６の一部を構成するよ
うにすることも可能である。

その他、−ｂ例示はしないが、本発明が、本発明の趣旨
を逸脱しない限りにおいて、種々なる形態において実施
され得るものであることは、言うまでもないところであ
り、そのような実施形態のものが、何れも本発明の範晴
に属するものであることが、理解されるべきである。

（発明の効果） 以上の説明から明らかなように、酸素濃淡電池の原理に
より生じる起電力の出力回路に、所定の微小電流を外部
からパルス状に流すことにより、該起電力に重畳して出
力される該パルス状電流に対応した信号に基づいて、故
障のを無を検知するようにした゛システムにおいて、本
発明に従う故障検知型酸素センサを用いれば、誤検知の
虞も殆どなく、酸素センサ自体の故障の有無を正確に且
つ迅速に検知することが出来ることとなったのである。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明に従う酸素センサを用いた起電力出力
回路の一例を示す回路図であり、第２図は、本発明に従
う故障検知型酸素センサの一例を示す断面説明図であり
、第３図は、第２図の酸素センサに用いられる抵抗体の
斜視説明図であり、第４図は、本発明に従う酸素センサ
の他の一例を示す第２図に相当する断面説明図であり、
第５図は、本発明に従う酸素センサの酸素濃度検出素子
の他の一例を示す斜視図であり、第６図は、第５図に示
される酸素濃度検出素子の分解図である。 １、ｏ、ｓｏ：酸素濃度検出素子 １２．８４：固体電解質 １４．８６：測定電極 ｉｓ、８ｓ：基準電極 １８：ハウジング ２６：第一の絶縁碍子 ３０：皿バネ ３６：外部リード線 ４２：抵抗体 ４６二波バネ ５０：柱状セラミック磁器 ５２：導電部　　　　　５４：抵抗部 ５６：抵抗体 ５８：コイルスプリング ６０：黒鉛粉末 ７４．７６：絶縁碍子 ９０；空気通路 ９４：蓋部材 ９８ニスルーホール ２４：キャップ ２８：第二の絶縁碍子 ３２：保護筒体 ４０：接続端子 ４４：リード金具 ８２：チンプ抵抗 ９２ニスペ一サ部材 ９６：リード部 第２図 手続補正書 （自発） 平成１年９月４日 ■。 ２゜ ３゜ ４゜ 事件の表示 昭和６３年　特許願　第１９４２６４号発明の名称 故障検知型酸素センサ 補正をする者 事件との関係　　　　　　特許出願人 名　　称　　　　　（４０６）日本碍子株式会社理人 代 明細書の発明の詳細な説明の欄 ６、補正の内容 （１）明細書第２１頁第８行の「出来るのである。 」を「出来るのであり、且つこのように抵抗体を酸素濃
度検出素子上に設けた場合には、酸素濃度検出素子以外
の構造上の変更を必要としないので、前記実施例に比べ
有利であることは明らかである。」に訂正する。 （２）図面の第４図において別紙朱書の通り、符号４０
及びその引出線を追加する。 以上

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 酸素イオン伝導性の固体電解質と、該固体電解質にそれ
   ぞれ接して設けられた、被測定ガスたる燃焼排ガスに接
   触せしめられる測定電極及び基準ガスに接触せしめられ
   る基準電極とを有し、酸素濃淡電池の原理により、それ
   ら燃焼排ガスと基準ガスとの間の酸素濃度差に起因する
   起電力を出力する一方、該起電力の出力回路に所定の電
   流を外部からパルス状に流すことにより、該起電力に重
   畳して出力される、該パルス状電流に対応した信号に基
   づいて、故障の有無を検知するシステムに用いられる酸
   素センサにして、 該酸素センサの本体内に位置する前記起電力の出力回路
   上に、前記測定電極若しくは基準電極に対して直列に配
   されてなる所定の抵抗体を有することを特徴とする故障
   検知型酸素センサ。