JPS61233355A - 自動車用空燃比センサ - 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】 〔発明の利用分野〕 本発明は内燃機関の空燃比制御装置用センサに係り、特
に薄膜プロセスにより製作した小型で高感度な空燃比セ
ンサに関する。

〔発明の背景〕

内燃機関の空燃比制御装置は第１υ図に示す如き構成を
有している。すなわち、第１０図は空燃比センサ１、エ
アフローセンサ２、水温センサ３、クランクシャフトセ
ンサ４などのセンサからエンジンｆｆ１ｌをコントロー
ルユニット５に取込み、燃料噴射弁６、イグニッション
コイル７、アイドルスピードコントロールパル７”８．
　排カスＩＩ　ｉ　量制御パルプ９・や燃料ポンプ１０
ｆｉどを制御するシステムの一例を示したものであり、
空燃比センサ１はこのシステムの重要なデバイスになっ
ている。

一般に、空燃比に対する酸素と一酸化炭素の濃度及び燃
焼効率の関係は第１１図に示す如くになっている。従来
の内燃機関は加速などのノくワーを要する時（この場合
はリッチ領域で制御）を除き、理論空燃比（８ｔｏｉｃ
ｈ　、空燃比Ａ／Ｆ＝１４．７、空気過剰率λ−１）で
制御されている。これは空燃比センサとして実用に供す
るものが理論空燃比センサしがなかったことや排気ガス
対策によるためである。燃焼効率は第２図に示す如く、
燃料の希薄側即ち、リーン側で最大になることが知られ
ている。それ故、少なくともアイドルや軽負荷領域など
ではエンジンをり一ン制御することが望ましく、この領
域の空燃比を高精度に検出できるリーンセンサがこの場
合の重要なデバイスとなる。

しかし、現在簡単な構造で高精度、高信頼性のリーンセ
ンサが提供されるに至っていない。

排ガス中の残存酸素濃度から希薄燃焼領域の空燃比を検
出するセンサとして、酸素ガスの拡散律速倉利用した基
本原理が特開昭５２−６９６９０号や特開昭５２−７２
２８６号で知られている。これらは単孔拡散型の空燃比
センサで簡単な構成であるが、検出部を加熱するヒータ
が傍熱タイプのため所要電力が大きく、温調精度に欠け
るなどの問題点があった。また、多孔拡散型空燃比セン
サの基本原理は特開昭５３−１１６８９６号や特開昭５
７−１８９０５７号で知られている。これら多孔拡散型
空燃比センサは簡単な構成であるが、その特性は多孔拡
散層の気孔率や厚さに敏感でちゃ、ばらつき易す、、ま
た、多孔拡散型空燃比センサは多孔拡散層が数百μｍと
厚く、応答性が悪いなどの問題点があった。

これら傍熱タイプに対して、ヒータを内蔵した基板上に
電極、ジルコニア固体電解質、多孔拡散抵抗体などを積
層した検出部を同時焼成にて製作する空燃比センサが特
開昭５５−１５４４５０号や特開昭５７−１４７０４９
号で知られている。これらの空燃比センサは直熱タイプ
のヒータである故、所要電力が小さくてすむという特徴
がある。しかし、基板とジルコニア固体電解質量の熱膨
張係数の不整合のため、熱衝撃に弱いなどの問題点があ
った。

そこで、基板上に電極、ジルコニア固体電解質をスパッ
タなどの薄膜プロセスにて積層した空燃比センサが特開
昭５５−６２３４９号や特開昭５５−１５６８５６号で
知られている。この空燃比センサは積層体が薄膜構造で
ある故、熱膨張係数に多少の不整合があっても、熱衝撃
に対しては強い構造体である。しかし、保護膜がないた
め、排ガス雰囲気中のダストの付着によって、その特性
が変化し易い。また、この空燃比センサは電極間に電流
を励起して、そのときの起電力がら空燃比を検出する方
式である故、陰極部が還元され易く、出力特性の直線性
に劣るなどの問題点があった。

〔発明の目的〕

本発明の目的は熱衝撃に対し強く、しかも少ないヒータ
電力で空燃比を安定し九特性で高精度に検出することの
できる空燃比センサを提供することにある。

〔発明の概要〕

本発明は加熱用ヒータを内蔵した基板上に、スパッタな
どの薄膜プロセスにより、検出部を積層形成したもので
ある。

したがって、本発明によれば、検出部インピーダンスが
小さくなり動作＠度が低下し、検出部の小型化に適した
プロセスであることＫより、少ないヒータ電力で検出部
を加熱することができる。

ま几、基板に内蔵したヒータで検出部を直接的に加熱で
きる故、検出部の温度制御精度が向上し、排ガス温度の
変化に対する出力特性の変化幅が極めて小さくなり、空
燃比セン１すの検出精度も向上することができる。

ｔ７’ｔ、本発明によれば、基板上の積層検出部は膜構
造で多る故、これらを構成する部材の熱膨張係数に若干
の差がちっても、熱衝撃に対して破壊しにくい構造とな
る。

さらに、本発明によれば、酸素ガスの拡散を律速する多
孔拡散層（本発明の場合はジルコニア固体電解質）を薄
膜プロセスで製作できる故、多孔拡散層の気孔率や厚さ
は制御し易く、空燃比センサの歩留９が向上する。

なお、多孔拡散層は数μｍと薄いこと、多孔拡散層上の
保護膜は約百μｍであるがその多孔度は極めて大であっ
ても良い故、検出部の応答性としては数十ｍｓ程度のも
のを容易に得ることができる。

さらに１本発明によれば、基板側の陰極へ拡散で流入し
て来た酸素ガスを０３ポンプ作用によって保護膜側の陽
極部へ排出させる故、陽極部の酸素濃度は排ガス中の酸
素濃度と等しくなる。従つて、定常状態では保護膜内部
での酸素濃度の勾配はなくなり、保護膜が排ガス中のダ
ストなどくよって多少の目詰抄が発生しても、検出部の
感度は不変であり使用環境中での耐久性が向上する。ま
た、電圧励起法である故、陰極部が極端に還元されるこ
ともない。

〔発明の“実施例〕

以下、本発明の実施例について説明する。

Ｗ、１図には本発明の一実施例が示されている。

図において、空燃比センサ１は排気管１１に装着される
。平板型の検出エレメント１２は孔１３を有する保纒管
１４を介して、排ガス流と接触する。空燃比センサ１は
検出端子１５、ヒータ端子１６を介して、空燃比センサ
用回路モジュールと接続される。以下、平板型の検出エ
レメントを平板型空燃比センサと称して説明する。

第２図には本発明による平板型空燃比センサの概略構造
が示されている。

図において、タングステンなどのヒータ１７を内部した
アルミナなどの基板１Ｂ上に、検出部が薄膜プロセスに
より積層形成されている。このと−タ１７を内蔵した基
板１８は厚膜プロセスで、約１鴎の厚さに製作されてｂ
る。

この基板１Ｂ上に第１の電極１９、ジルコニア固体電解
質２０．第２の電極２１が順次、スパッタなどの薄膜プ
ロセスで積層形成されている。この第２の電極２１の上
にプラズマ溶射などにより保護膜２２が形成されている
。なお、基板１８の端部には検出端子１５とヒータ端子
１６が固着されている。

次に、本実施例に基づく平板型空燃比センサの製作手順
を第３図に基づいて説明する。

まず、第３図（ａ）に示す如く厚膜プロセスで製作した
ヒータ内蔵の基板１８の端部に、検出端子１５とヒータ
端子１６をＡｇロウ２３などで固着する。検出端子１５
、ヒータ端子１６は直径が０．２〜０．５■のＮｉワイ
ヤなどで構成されている。

次に％第３図（ｂ）　Ｋ示す如く約３００ＧＫ加熱した
基板１８の一部をメチルマスクで遮蔽し、約０、５　Ｐ
　ａのアルゴンガス雰囲気中で白金を高周波スパッタし
、第１の電極１９を形成する。第１の電極１９の厚さは
０．２〜１μｍで娶る。

次に、第３図（Ｃ）に示す如くアルゴンと酸素の混合ガ
ス雰囲気中でジルコニア固体電解質２０を１〜５μｍだ
けスパッタする。この上に％第３図（ｄ）に示す如く第
１の電極１９と同様の手法で第２の電極２１を形成する
。

次に、ｌｉｇａ図（ｅ）に示す如くプラズマ溶射などく
より多孔質度の極めて高い保護膜２２を約１００μｍだ
け形成し、検出部を保護する。

最後Ｋ、第１の電極１９とｗｃ２の電極２１の端部のリ
ード部と検出端子１５の端部を第３図（０を示す如く耐
熱性の導電性接着剤２４で接続する。

次に、本実施例に基づく平板型空燃比センサの検出原理
を第４図を用いて説明する。図に示すようＫ、検出部の
排ガス雰囲気と直接的に接触する。

第１の電極１９及び第２の電極２１は多孔質く形成され
、この第１の電極１９と第２の電極２１は孔２５を有し
ており、酸素ガスを自由に拡散させることができる。保
護膜２２はさらに多孔質であり、この保＠１Ｘ２２の内
部を酸素などのガスは自由に拡散することができる。

また、ジルコニア固体電解質２０は多孔質ではあるが、
保護膜２２や電極１９．２１に対してその気孔率は小さ
く形成されている。なお、ジルコニア固体電解質２０の
多孔質度はスパッタ時の雰囲気や基板温度の影響を受け
るが、そのばらつきは小さいことが実験的に確認できた
。

いま、第１の電極１９が陰極、第２の電極２１が陽極に
なるように、両電極間に直流電圧源２６と電流計２７が
接続されている。したがらて、保＠ｉ［２２→第２のｉ
ｌ［２１→ジルコニア固体電解質２０を介して第１の電
極１９部へ拡散で流入した酸素ガスは第１の電極１９で
還元されて、酸素イオンになる。との酸素イオンはジル
コニア固体電解質２０中を陽極である第２の電極２１へ
向けて移動し、この電極部で酸化されて再び酸素ガスに
なり放出される。

このとき、Ｉｔ流計２７で計測されるポンピング電流値
Ｔｐはジルコニア固体電解質２０の多孔質度で拡散が律
速される酸素ガスの限界電流値に対応するので、このＩ
ｐ値より排ガス中の残存酸素濃度をリニアに検出するこ
とができる。

本実施例による平板型空燃比センサの検出原理を第５図
を用いてさらに詳しく説明する。第１の電極１９部へ拡
散で流入し念酸素ガスはジルコニア固体電解質２０（ｉ
’）（ｈポンプ機能により、第２の電極２１部へ排出さ
れる故、定常状態下における各位置の酸素分圧ＰＯｓは
図示のようになる。

即ち、陰極である第１の電極１９部での酸素分圧は零に
なる。ジルコニア固体電解質２０中の孔（両電極間に開
放する連続した微少な通路）部の酸素分圧は陽極である
第２の［極２１へ向けて直線的に増大する。そして第２
の電極２１部の酸素分圧は排ガス中の酸素分圧に等しく
なり、保護膜２２の内部における酸素濃度の勾配はなく
なる。

従って、排ガス中の残存酸素濃度が低下すると、酸素分
圧の分布も点線で示す如く低下する。

本実施例に基づく平板型空燃比センサのｖ−工時性が第
６図に示されている。第６図は排ガス雰囲気温度が７０
００で、両電極間の電圧を次第に増加させたとき、ジル
コニア固体電解質中のポンピングされる電流値の挙動を
示したものである。

図に示すように、励起電圧の増加にりれてポンプ電流は
次第に上昇し、ある一定で飽和する。この飽和ｔｉ値が
酸素ガスの拡散律速に伴６限界電流値と呼ばれるもので
あり、ジルコニア固体電解質２０は平板型空燃比センサ
の良好な拡散抵抗体になっていることを確認できた。

電圧励起法に基づく測定法である故、励起電圧を０．８
ボルト以下の適当な値に設定しておくことにより、陰極
部は極端に還元されることはない。

また、保護膜２２内部での酸素分圧は一定である故、保
護膜が排ガス中のダストなどによって多少、目詰りして
も限界電流値は変化せず、使用環境中での信頼性が高い
空燃比セッサである。保護膜２２で目詰りした場合、セ
ンサの感度は不変であるが、その応答性は若干遅くなる
。

本実施例に基づく平板型空燃比センサの出力特性が第７
図に示されている。図に示されるように、空気過剰率λ
に対して線形な出力特性が得られる。

本実施例に基づく平板型空燃比センサの温度特性が第８
図に示されている。この第８図は、空気過剰率λが１．
５における感度を示したものである。

図中、点線Ａは袋管状のジルコニア固体電解質に多孔拡
散抵抗体を形成した従来型空燃比センサの温度特性を示
したものである。Ｏ印で示す如く、７００Ｃ以下でその
感度は急激に低下する。これは、ジルコニア固体電解質
や電極が厚く、検出部のインピーダンスが高いためであ
る。これ忙対して、実線Ｂは本実施例による平板型空燃
比センサの温度特性を示したものであり、・印で示す如
く、低温作動限界は約５０００と改善された。これは、
薄膜プロセスで形成した検出部のインピーダンスが従来
品の約１／１００以下と小さいためと考えられる。

従来品、本実施例共、検出部をヒータで低温作動限界温
度以上に加熱する必要がある。この点、本実施例は検出
部が約数同角と小さいこと、ヒータで検出部を直接的に
加熱できること、低温作動限界が低いことにより、ヒー
タの所要電力は５Ｗ以下であり九。

図に示すよう（、空燃比センサの感度は低温作動限界以
上の温度でも、ＩＯＣ当り約１−の感度変化（酸素ガス
拡散定数の温度依存性などＫよる）を発生する。それ故
、検出部を高温の定温度に加熱、制御する必要がある。

この場合、本実施例はヒータと検出部が同一積層体であ
る故、検出部を±２０Ｃ以下の精度で温度制御が可能で
おった。

次に、本実施例に基づく平板型空燃比センサの動特性が
第９図に示されている。この第９図は空気過剰率λを１
．１から１．５に変化させたときの応答性を示したもの
であり、その時の定数は２０ｍ５以下であった。応答が
早いのは、酸素ガスの拡散を律速する拡散抵抗体層の厚
さが薄いためである。

〔発明の効果〕

以上説明した如く、本発明によれば、熱衝撃に対し強く
、シかも少ないヒータ電圧で空燃比を安定した特性で高
精度に検出することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は空燃比センサの実装状態図、第２図は本発明に
よる平板型空燃比センサの概略構造図、第３図は平板型
空燃比センサの製作手順図、第４図は平板型空燃比セン
サの検出原理を示す図、第５図は平板型空燃比センサの
酸素分圧分布図、第６図は平板型空燃比センサのＶ−Ｉ
特性図、第７図は平板型空燃比センサの出力特性図、第
８図は空燃比センサの温度特性図、第９図は空燃比セン
サの応答性を示した図、第１０図は空燃比制御装置の概
略構成図、第１１図は空燃比と排ガス濃度、燃焼効率の
関係図である。 １７・・・ヒータ、１８・・・基板、１９・・・第１電
極、２０・・・ジルコニア固体電解質、２１・・・第２
電極、２２・・・保護膜。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. １．加熱用ヒータを内蔵した基板上に、スパツタなどの
   薄膜プロセスにより第一電極，ジルコニア固体電解質及
   び第二電極を順次、積層形成し、さらにその上に、プラ
   ズマ溶射などにより多孔性の保護膜を形成し、前記第１
   電極と第二電極の間に電圧を印加し、そのときに両電極
   間に流れる電流値から排ガス中の残存酸素濃度を検出す
   るようにしたことを特徴とする自動車用空燃比センサ。
2. ２．特許請求の範囲第１項記載の発明において、上記薄
   膜プロセスにより形成した第１電極，ジルコニア固体電
   解質及び第２電極を多孔質体で形成したことを特徴とす
   る自動車用空燃比センサ。