JPS6110757A

JPS6110757A - 空燃比センサ

Info

Publication number: JPS6110757A
Application number: JP59132247A
Authority: JP
Inventors: Yasuhide Inoue; 靖秀井上; Masayuki Toda; 正之任田; Fumio Isamigawa; 文雄勇川; Masao Ishitani; 誠男石谷
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 1984-06-26
Filing date: 1984-06-26
Publication date: 1986-01-18

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）この発明は、燃焼排ガス中の酸素濃度を測定することに
よって空気と燃料との比すなわち空燃比を検知するのに
使用される空燃比センサに関するものである。

（従来技術）従来、この種の空燃比センサとしては、第１図に示す構
成を有するものがあった（特開昭５８−１４８９４６号
公報）、この空燃比センサ１は、アルミナ（Ａ文２０３
）等よりなる緻密質絶縁基板２の表面に、第１電極３と
第２電極４とを並べて設け、両電極３．４の上に、チタ
ニア（ＴｉＯｚ）等よりなる遷移金属酸化物５、アルミ
ナ（Ａ立２０３）等よりなる多孔質絶縁層６、−第３電
極７、部分安定化ジルコニア（ＺｒＯ２−ＣａＯ）等よ
りなる多孔質酸素イオン伝導性固体電解質８、第４電極
２、多孔質保護層１０を順次積層した構成を有し、第１
電極３と第２電極４との間に抵抗計１１を接続すると共
に、第３電極７と第４電極２との間に電流１１ｉｔ１２
を接続して、前記第３電極７．第４電極２、固体電解質
８および電流源１２で酸素ポンプを構成させて使用する
ものである。

このような構成の空燃比センサ１において、第３電極７
と第４電極２との間に電流を流さない場合（第２図にお
いてＩ＝０の場合）には、多孔質保護層１０→第４電極
り→多孔質固体電解質８−＋第３電極７→多孔質絶縁層
６を通って遷移金属酸化物５に到達した被測裏ガス中の
酸素濃度に応じて、第２図にＩ＝Ｏの線で示すように、
理論空燃比（Ａ／Ｆ＝１４．８付近）で前記遷移金属−
化物５の電気抵抗が急激に変化し、この抵抗変化が第１
電極３と第２電極４とを介して抵抗計１１により取り出
されて空燃比変化が検出される。

また、酸素ポンプを作動させて第４電極りから第３電極
７の方向へ電流を流した場合（第２図においてＩ＞Ｏの
場合）には、固体電解質８内で第３電極７から第４電極
９の方向へ酸素イオンの移動を生じて第３電極７におい
て酸素が消費されるため、前記多孔質保護層１０等を経
て遷移金属酸化物５に到達する被測定ガス中の酸素分圧
が低下することとなるので、第２図にＩ＞０の領域で示
すように、被測定ガス中の酸素濃度が理論空燃比よりも
大きいときに遷移金属酸化物５の電気抵抗が急激に変化
する特性が得られ、リーン側の空燃比を検出するセンサ
として用いることができる。

一方、前記とは反対に第３電極７から第４電極２の方向
へ電流を流した場合（第２図においてＩ＜Ｏの場合）に
は、第３電極７において酸素が発生するため、第２図に
Ｉ＜Ｏの領域で示すようｉ、遷移金属酸化物５はリッチ
側において電気抵抗が急激に変化する特性となる。

このようにして、第１図に示す空燃比センサ１では、電
流Ｉの有無および方向によって、理論空燃比（Ａ／Ｆ＝
約１４．８）およびリーン側（Ａ／Ｆ＞約１４．８）、
リッチ側（Ａ／Ｆ＜約１４　、８）の空燃比を検出する
ことができるという利点を有している。

ところが、第１図に示す空燃比センサ１では、雰囲気温
度が一定している場合には第２図に示した特性が得られ
るものの、遷移金属酸化物５の抵抗値は、この遷移金属
酸化物５に到達する被測定ガス中の酸素分圧によって変
化するだけでなく、第３図に示す（ただし、Ｉ＝０の場
合を例示）ように、温度によっても大きく変化するため
、遷移金属酸化物５の抵抗変化から直ちに空燃比を検知
することはできないという問題点を有していた。

（発明の目的）この発明は、上述した従来の問題点に着目してなされた
もので、被測定′雰囲気の温度変化に影響されることな
く精度のよい空燃比検出を行うことができる空燃比セン
サを提供することを目的としている。

（発明の構成）この発明による空燃比センサは、固体電解質の酸素イオ
ン伝導を利用した酸素ポンプと、遷移金属酸化物の酸素
分圧による抵抗変化を利用した酸素センサとを組合わせ
た空燃比センサにおいて、被測定雰囲気とは遮断した一
定雰囲気部を設けて該一定雰囲気部に前記遷移金属酸化
物の温度補正用素子を設けるようにしたことを特徴とし
ている。

この発明による空燃比センサを構成する酸素ポンプは、
固体電解質の酸素イオン法導を利用したものであるが、
この酸素イオン伝導性固体電解質の材質および該固体電
解質と共に酸素ポンプを形成する一対の電極の材質なら
びにこれらの形成方法等は特に限定されず、従来より採
用ないしは試みられている種々の材料および形成手段等
の中から適宜選定されうるものである。

また、同じくこの発明による空燃比センサを構成する酸
素センサは、遷移金属酸化物の酸素分圧による抵抗変化
を利用したものであるが、この遷移金属酸化物の材質お
よび該遷移金属酸化物と共に酸素センサを形成する一対
の電極の材質ならびに形成方法等は特にｗｋ淀されず、
この場合にも従来より採用ないしは試みられている種々
の材料および形成手段等の中から適宜選定されうるもの
である。

そして、この発明による空燃比センサでは、被測定雰囲
気とは遮断した一定雰囲気部を設けて該一定雰囲気部に
前記遷移金属酸化物の温度補正用素子を設けているが、
上記した一定雰囲気部としては空気室を採用することが
可能である。しかし、一定雰囲気部は空気室のみに限宇
されるものではなく、そのほか例えば金属−金属酸化物
からなる物質より構成することもできる。また、遷移金
属酸化物の温度補正用′素子としては、当該遷移金属酸
化物と同じ材質ないしは同じ成分系のものを使用するこ
とができるが、それ以外の遷移金属酸化物あるいはその
他の物質からなる抵抗体を用いることができる。

（実施例）第４図はこの発明の一実施例を示す図であって、図に示
す空燃比センサ２１は、アルミナ（Ａ文２ｏ３）等より
なる緻密質絶縁基板２２上に、第１電極２３および第２
電極２４を並べて設け、両電極２３．２４の上にチタニ
ア（ＴｉＯ２）等よりなる遷移金属酸化物２５を設けて
、これらｔｓｌ電極２３．第２電極２４および遷移金属
酸化物２５により酸素センサ２６を構成する。

また、前記遷移金属酸化物２５の表面にア゛ルミナ（Ａ
ｉｚＯ３）等よりなる多孔質絶縁層２７を設け、さらに
前記多孔質絶縁層２７の上に第３、電極２８１部分安定
化ジルコニア（Ｚｒ０２−ＣａＯ）等よりなる多孔質酸
素イオン伝導性固体電解質２９および第４電極３０を順
次積層して、これら第３電極２８．固体電解質２９およ
び第４電極３０によって酸素ポンプ３１を構成する。な
お、第４電極３０を中心として前記積層体の表面に多孔
質保護層を設けることも必要に応口て採用しうる。

さらに、前記絶縁基板２２の底面側には囲み枠３４を設
けることによって一定雰囲気部としての空気室３５を形
成すると共に、前記空気室３５内における絶縁基板２２
の底面には、前記遷移金属酸化物２５の温度補正用素子
３６を設ける。この温度補正用素子３６には第５電極３
７と第６電極３８とが設けである。

そして、前記第１電極２３は定電圧源（Ｖｉｎ）４１に
接続すると共に、第２電極２４と第６電極３８とを接続
して電圧（Ｖｏｕｔ）測定手段４２に接続し、第３電極
２８と第４電極３０には電流源４３を接続すると共に、
第５電極３７をｔＩｃ地している。

第５図は前記第４図に示す構成の空燃比センサ２１を製
作する工程を示す説明図である。

まず、第５図（ａ）に示すように、絶縁基板２２の表面
側に第１電極２３および第２電極２４を並べて形成して
、その上に遷移金属酸化物２５を層状に形成し、絶縁基
板２２の裏面側に第５電極３７および第６電極３８を並
べて形成して、その上に遷移金属酸化物（温度補正用素
子）３６を層状に形成する。そして、第２電極２斗と第
５電極３７とは、スルーホール４５を介して電気的な接
続が可能となるようにしてあり、第６電極３８はスルー
ホール４６を介して外部との電気的な接続が可能となる
ようにしである。

次に、第５図（ｂ）に示すように、前記遷移金属酸化物
２５の上に、多孔質絶縁層２７を形成し、次いで第５図
（ｃ）に示すように多孔質絶縁層２７上に第３電極２８
を形成し、続いて第５図（ｄ）に示すように、前記第３
電極２８上に酸素イオン伝導性固体電解質２２を積層し
、さらに第５図（ｅ）に示すように前記固体電解質２２
上にｔ！ｓ４電極３０を形成する。その後、前記基板２
２の裏面側に囲み枠３４を設けて、第６図に示すように
、この囲み枠３４と絶縁基板２２との間で空気室３５を
形成する。

第７図は第４図に示す構成のうち遷移金属酸化物２５お
よび温度補正用素子３６の等価回路であり、ＲＩＯは酸
素センサ２６側の遷移金属酸化物２５の抵抗値、Ｒ１１
は温度補正用素子３６の抵抗値を示している。

ところで、遷移金属酸化物２５の抵抗値Ｒ，０および温
度補正用素子３６の抵抗値Ｒ１１は、ポンプ電流Ｉ＝０
としたときにおいて、温度変化によってＩｓ８図に示す
ように変化する。

したがって、第４図および第７図に示す回路構成とした
場合には、Ｖｏｕｔ／Ｖｉｎが第９図に示すように被測
定雰囲気の温度にほとんど影響されない特性が得られる
。

それゆえ、酸素ポンプ２６に流す電流■を調整すること
によって、第１θ図に示したような特性が雰囲気温度に
影響されることなく得られ、電流工を調整することによ
りり２チ側空燃比からリーチ側空燃比までの広い範囲の
空燃比を精度よく検出することができるようになる。

第１１図は第１Ｏ図に示した酸素センサ２６の出力が一
定となるようなポンプ電流Ｉを求めることによって空燃
比を検出する場合の回路構成の一例を示す図である０図
に示す回路構成においては、差動増幅器５１の一方に基
準電圧発生回路５２から基準電圧を入力すると共に、差
動増幅器５１の他方には前記遷移金属酸化物２５と温度
補正用素子３６とを電気的に直列に接続して電圧Ｖｉｎ
を印加することにより前記遷移金属酸化物２５の抵抗値
変化を電圧変化に変換した電圧を入力する。また、差動
増幅器５１の出力は酸素ポンプ３１の第４電極３０に接
続され、同ポンプ３１の第３電極２８はポンプ電流Ｉｐ
の変化として例えばエンジンの空燃比制御回路に入力さ
れる。

このような回路構成において１例えば被測定ガス中の酸
素濃度が高く（すなわち空気過剰のり一ン雰囲気）なっ
て第８図に示すように遷移金属酸化物２５の抵抗ＲＩＯ
が大きくなると、差動増幅器５１の一方に入力される電
圧は第１０図に示すように低くなって基準電圧よりも小
さくなり、この結果差動増幅器５１の出力が正側に大と
なり、第４電極３０から第３電極２８へと流れるポンプ
電流が大きくなる６反対に、被測定ガス中の酸素濃度が
低く（すなわち燃料過剰のリッチ雰囲気）なって第８図
に示すように遷移金属酸化物２５の抵抗値ＲＩＯが小さ
くなると、差動増幅器５１の一方に入力される電圧は第
１０図に示すように高くなって基準電圧よりも大きくな
り、差動増幅器５１の出力が反転して第３電極２８から
第４電極３０へと流れるポンプ電流が大きくなり、その
結果、第１２図に示したような特性が得られ、このポン
プ電流Ｉｐによって空燃比が検知できると共に自動車エ
ンジンの燃焼制御を行うことができる。

（発明の効果）以上説明してきたように、この発明による空燃比センサ
は、固体電解質の酸素イオン伝導を利用した酸素ポンプ
と、遷移金属酸化物の酸素分圧による抵抗変化を利用し
た酸素センサとを組合わせた空燃比センサにおいて、被
測定雰囲気とは遮断した一定雰囲気部を設けて該一定雰
囲気部に前記遷移金属酸化物の温度補正用素子を設けた
構成としたものであるから、リッチ側空燃比からリーン
側空燃比に至る幅広い範囲での空燃比の検出を被測定雰
囲気の温度変化に左右されることなく高精度で行うこと
が可能であり、例えば単一の空燃比センサを使用するだ
けで高出力を得るためのりッチバーンエンジン制御と低
燃費を実現するためのリーンバーエンジン制御の両方を
行うことが可能であるという非常にすぐれた効果をもた
らしうるものである。

【図面の簡単な説明】

第１図は従来の空燃比センサの構成を示す模式的断面図
、第２図は第１図の空燃比センサのポンプ電流を調整し
たときの遷移金属酸化物の空燃比変化による抵抗変化を
示す説明図、第３図は第１図の空燃比センサの雰囲気温
度が変化したときの遷移金属酸化物の空燃比変化による
抵抗変化を示す説明図、第４図はこの説明の一実施例に
よる空燃比センサの模式的断面図、第５図（ａ）〜（ｅ
）は第４図に示す空燃比センサの製造工程を順に示す説
明図、第６図は第５図の工程により製−作した空燃比セ
ンサの斜面説明図、第７図は第４図のうち遷移金属酸化
物および温度補正用素子部分の等価回路図、第８図は第
４図に示す空燃比センサを構成する遷移金属酸化物およ
び温度補正用素子の温度による抵抗変化を示す説明図、
第９図は第４図に示す回路構成における電圧比（Ｖｏｕ
ｔ／Ｖｉｎ）の空燃比による変化を示す説明図、第１０
図は第４図に示す空燃比センサのポンプ電流を調整した
ときの空燃比変化による当該空燃比センサの出力の変化
を示す説明図、第１１図は空燃比センサの出力が一定と
なるようにポンプ電流を制御する回路構成の一例を示す
説明図、第１２図は第１１図の回路構成により得られる
空燃比とポンプ電流との関係を示す説明図である。２１・・・空燃比センサ２２・・・基板２３・・・第１電極２４・・・第２電極２５・・・遷移金属酸化物２６・・・酸素センサ２７・・・絶縁層２８・・・第３電極２２・・・酸素イオン伝導性固体電解質３０・・・第４
電極３１・・・酸素ポンプ３５・・・空気室（一定雰囲気部）３６・・・温度補正用素子特許出願人　　日産自動車株式会社代理人弁理士　小　　塩　　　豊第２図第５図第６図第７図　　　　　　　第８図手続補正書昭和５９年１１月２６日特許庁長官　　志　賀　　　学　殿２、発明の名称空燃比センサ３、補正をする者事件との関係　　特許出願人氏名（名称）　（３９９）　日産自動車株式会社４、代
理人住所（居所）〒１０４東京都中央区銀座二丁目８番９号
木挽館銀座ビル　電話０３（５θ７）２７８１番（代表
）６、補正により増加する発明の数７、補正の対象１、明細書第９頁第１０行〜第１１行の「第５電極３７
とは」を「第６電極３８とは」に補正する。２、同第９頁第１２行の「第６電極３８は」を「第５電
極３７は」に補正する。３、図面の第５図（ａ）の符号「３７」を「３８」に「
３８」を「３７」に補正する。以」二

Claims

【特許請求の範囲】

（１）　固体電解質の酸素イオン伝導を利用した酸素ポ
ンプと、遷移金属酸化物の酸素分圧による抵抗変化を利
用した酸素センサとを組合わせて成る空燃比センサにお
いて、被測定雰囲気とは遮断した一定雰囲気部を設けて
該一定雰囲気部に前記遷移金属酸化物の温度補正用素子
を設けたことを特徴とする空燃比センサ。