JPS6128853A - 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】 （産業上の利用分野） この発明は、空燃比センサ、特に燃焼排ガス中の酸素濃
度に基いて空気と燃料との比を検出することにより当該
空気と燃料との供給比率を制御するのに用いられる空燃
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、例えば第１０図
に示す構成を有するものがあった（特開昭５８−１４８
９４６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（Ｔｆ０２）等よりなる遷移金属酸化物５
、アルミナ等よりなる多孔質絶縁層６、第３電極７、Ｚ
　ｒ０２−ＣａＯ等の多孔質酸素イオン伝導性固体電解
質８、第４電極り、多孔質保護層１０を順次積層した構
成を有するものである。

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には、多孔質
保護層１０→第４電極２→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
した被測定ガス中の酸素濃度に応じて空気過剰率λ＝１
（理論空燃比）で前記遷移金属酸化物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を極４と
により取り出されて空燃比変化が検出されまた、第４電
極２から第３電極７の方向へ電流を流したとすると、固
体電解質８内で第３電極７から第４電極２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、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とするど
第３電極７において酸素か発生するため、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１０図に示す空燃比センサでは、電
流の有無および方向によって、理論空燃比およびリーン
側、リッチ側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１０図に示す空燃比センサでは、多層構造
をなすものであったため、被測定ガスが、前述したよう
に、多孔質保護層１０→第４電極２→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に到達することとなるので、到達までの被測定ガス
の経路が多層にわたりかつ複雑であり、細孔構造の調整
が困難であってばらつきを生じやすいという問題点があ
った。また、このような多層構造であるうえに、遷移金
属酸化物５と第３電極７との間における電気絶縁性を保
持するために設けた多孔質絶縁層６はガス透過性でなく
てはならず、それゆえ電気絶縁性を確保するためには厚
さを大きくする必要があるので、被測定ガスが多孔質絶
縁Ｒ６を通過するのに要する時間が長くなり、応答速度
が遅くなるという問題点もあった。

（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、多層構造でないため細孔構造の調
整が容易であるとともに、被測定ガスの拡散経路が単純
であるため特性のばらつきが少なく、応答速度もかなり
速いというすぐれた特性をもっ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） この発明のよる空燃比センサは、隔膜層と、酸素分圧変
化を遷移金属酸化物の電気抵抗変化として検知する酸素
検知素子および酸素ポンプ用第１電極と、前記酸素検知
素子および第１電極を覆う酸素ポンプ用多孔質酸素イオ
ン伝導性固体電解質と、酸素ポンプ用第２電極と、を順
次積層してなり、前記酸素ポンプにより前記酸素検知素
子近傍の酸素分圧を制御する構成としたことを特徴とし
ている。

そして、より望ましい構造としては、酸素ポンプ用第１
電極が酸素検知素子を取り囲むように配置され、また酸
素ポンプ用第２電極が酸素検知素子に対向して配置され
且つその面積が酸素検知素子よりも大きいようにするの
がよい。さらに、酸素ポンプ用第２電極と酸素検知素子
との間における酸素イオン伝導性固体電解質の厚さが酸
素ポンプ用第１電極と酸素検知素子との間における酸素
イオン伝導性固体電解質の厚さよりも小さくなるように
するのが好ましい。さらにまた、発熱体を内蔵させるよ
うにしたり、酸素検知素子の抵抗が酸素分圧だけでなく
温度によっても変化することによる影響をなくすために
温度補償用素子を設けるようにしたりすることも望まし
い。さらにまた、場合によっては、酸素ポンプ用第２電
極の表面に、多孔質保護層や多孔質ガス拡散制御層を設
けるようにしてもよい。あるいは、これとは反対に、酸
素ポンプ用第２電極をガス不透過性層で覆うようにする
こともできる。

この発明において使用される隔膜層は、セラミックス系
の電気絶縁材料が好ましいが、緻市質であるか、多孔質
であるかは特に問わない。また、構造基体としての強度
を有しないものとし、他に構造基体としての役割をもた
せるようにしてもよい。また、酸素ポンプを構成する酸
素イオン伝導性固体電解質は、これと接する酸素検知素
子に被測定ガスを到達させるために多孔質であることが
必要であるが、この固体電解質および酸素ポンプを構成
する電極の材質は特に限定されない。

さらに、一対の電極と遷移金属酸化物とからなる酸素検
知素子の材質も特に限定されず、従来既知のこの種の半
導体型酸素検知素子に用いられている材料を適宜選択し
て使用することができる。

（実施例） 第１図はごの発明の一実施例による空燃比センサの模型
的断面説明図であって、この空燃比センサ１１は、基板
としての隔膜層１２の中に発熱体１３を埋設し、この隔
膜層１２の上に、酸素分圧変化を遷移金属酸化物１４の
電気抵抗変化として一対の電極１５．１６により検知す
る酸素検知素子１７と、平面コ字形の酸素ポンプ用第１
電極１８とを並べて積層し、前記酸素検知素子１７と第
１電極１８の上に酸素ポンプ用多孔質酸素イオン伝導性
固体電解質１２を積層し、前記固体電解質１２の上に酸
素ポンプ用第２電極２０を積層して、前記第１電極１８
と酸素イオン伝導性多孔質固体電解質１夕と第２電極２
０とで酸素センサ２１を構成させ、さらに第２電８２０
の上に多孔質保護層２２を設けた構造をなすものである
。なお、多孔質保護層２２は、多孔質ガス拡散制御層で
あってもよく、またち畜なガス不透過性層であってもよ
いものである。

第２図は、第１図に示した空燃比センサ１１の製造要領
を示す分解斜視説明図であって、アルミナ（Ａ、Ｑ２０
３）等のセラミックスグリーンシートを適当な大きさに
切り出して、隔膜層１２を形成する一方の隔膜層素材１
２ａを用意し、この隔膜層素材１２ａの上に、例えば白
金ペーストを用いてスクリーン印刷により発熱体１３を
未焼成の状態で積層して乾燥させる。

次いで、前記隔膜層素材１２ａと同じ大きさで且つ４イ
固の貫通孔１２ｃ、１２ｄ、１２ｅ。

１２ｆを設けた他方の隔膜層素材１２ｂを前記一方の隔
膜層素材１２°４°被する・０のとき・発熱　　　　　
　　　　　（体１３の両端にリート線３１．３２を載せ
、両リード線３１．３２の間に４木のリード線３５゜３
６．３８．４０を配設した状態にして両隅膜層素材１２
ａ、１２ｂを合わせて加熱・加圧することにより未焼成
の隔膜層１２を得る。

次に、前記隔膜層１２の上に、白金ペーストを用いてス
クリー〉゛印刷により、酸素検知素子１７用の一対の電
極１５．１６と、酸素センサ２１用の第１電極１８とを
積層して乾燥させる。

このとき、電極１５．１６の端部はそれぞれ貫通孔１２
ｄ、１２ｅを介してリード線３５　、３６と接続するよ
うに、前記貫通孔１２ｄ、１２ｅ内にも白金ペーストを
落し込む。また、第１電極１８のリード部１８ａの端部
が貫通孔１２ｆを介してリード線３８と接続するように
、前記貫通孔１２ｆ内にも白金ペーストを落し込む。

次に、前記電極１５．１６の上に、ａ移金属酸化物ペー
スト（例えばチタニア（ＴｉＯｚ）ペースト）を用いて
遷移金属酸化物１４を積層したのち乾燥する。

続いて、前記遷移金属酸化物１４．第１電極１８および
残りの隔膜層１２の表面に固体電解質ペースト（例えば
５モル％Ｙ２Ｏ３−９５モル％ＺｒＯ２ペースト）を用
いて酸素イオン伝導性固体電解質１２を積層して乾燥す
る。このときに使用する固体電解質ペーストは、焼成後
に酸素イオン伝導性固体電解質１２が所望の多孔質とな
るように固体電解質粉末と溶剤等との混合割合を定めて
おく。

次に、前記固体電解質１２の上に、白金ペーストを用い
てスクリーン印刷により酸素ポンプ用第２電極２０を積
層して乾燥させる。このとき、第２電極２０のリード部
２０ａの端部が貫通孔１２ｃを介してリード線４０と接
続するように、前記貫通孔１２ｃ内にも白金ペーストを
落し込む。

次いで、前記第２電極２０の上に、例えばアルミナペー
ストを用いて多孔質保護層（または多孔質ガス拡散制御
層、ガス不透過性層）２２を積層して乾燥する。このと
き、アルミナ粉末と溶剤等との混合割合を調整すること
によって、焼成後にガス透過性としたり、ガス不透過性
としたりする。

また、前記貫通孔１２Ｃ〜１２ｆへの白金ペースｉ・の
落し込みは、前記各積層工程毎に行わず、保護層２２を
積層した後の段階で同時に行うようにしてもよい。

次いで、このようにして得た積層体を例えば１４００°
ＣＸ２時間の条件で焼成することによって第１図に示す
模型的構造の空燃比サンプ１１を得る。

次に、上記構成の空燃比センサ１１の動作について第３
図および第４図をもとに説明する。

まず、上記空燃比センサ１１に対しては、発熱体１３に
リード線３１．３２を介して発熱体用電源４１を接続し
、酸素ポンプ用第１電極１８と第２電極２０との間にリ
ード線３８．４０を介してポンプ電源４２を接続し、酸
素検知素子１７を構成する一対の電極１５．１６の間に
リード線３５．３６を介して抵抗計４３を接続する。

そこで、ポンプ電源４２からポンプ電流を流さない場合
、多孔質保護層２２および酸素イオン伝導性固体電解質
１２を通って、あるいは保護層２２がガス不透過性の場
合は当該保護層２２の周−囲から酸素イオン伝導性固体
電解質１２を通って遷移金属酸化物１４に到達した被測
定ガス中の酸素濃度に応じて前記遷移金属酸化物１４の
抵抗値が変化し、第４図の曲線Ａに示すような当量比（
空気過剰率）λ＝１で急激に抵抗値が変化する特性が抵
抗計４６↓こよって測定される。

一方、ポンプ電源４２よりポンプ電流を第１電極１８か
ら第２電極２０の方向に流すと、酸素イオン伝導性固体
電解質１２内で第２電極２０から第１電極１８の方向に
酸素イオンが流れて第２電極２０近傍で酸素が消費され
る。したがって、酸素検知素子１７の近傍の酸素が第２
電極２０の方に移動するため、リーン雰囲気であっても
遷移金属酸化物１４近傍の酸素量は被測定ガス中の酸素
量よりも少なくなるため、第４図に示す曲線Ａがリー′
側＆ずれた曲線Ｂに示す抵抗値変化特性と　　　　　　
　（なり、リーン側での空燃比制御に適する空燃比セン
サとなる。

他方、ポンプ電流４２よりポンプ電流を第２電極２０か
ら第１電極１８の方向に流すと、前記とは反対に酸素イ
オン伝導性固体電解質１２内で第１電極１８から第２電
極２０の方向に酸素イオンが流れて第２電極２０近傍で
酸素過剰の状態となる。したがって、第２電極２０近傍
の酸素が酸素検知素子１７の方に移動するため、リッチ
雰囲気であっても遷移金属酸化物１４近傍の酸素量は被
測定ガス中の酸素量よりも多くなるため、第４図に示す
曲線Ａがリッチ側にずれた曲線Ｃに示す抵抗値変化特性
となり、リッチ側での空燃比制御に適する空燃比センサ
となる。

ところで、遷移金属酸化物１斗の抵抗値は温度によって
かなり変化するため、温度によって特性が影響を受けな
いような手段をとることが望ましい。第５図はこの一例
を示すものであって、空燃比センサ１１と直列に温度補
償用抵抗４５を設けておき、前記抵抗４５の両端がら空
燃比変化を検出するようにした場合を示している。すな
わち、供給電圧をＶ、温度補償用抵抗４５の抵抗値をＲ
Ｏ５空燃比センサ１１の遷移金属酸化物１４の抵抗値−
をＲｒ、出力をＶｏとした場合、出力Ｖ。

はＲｏ−Ｖ／　（Ｒｒ＋Ｒｏ）　で表わされ、コノ出力
ｖＯは第５図に示した抵抗値８丁の変化特性に対して第
６図に示したような特性として表われる。ここで、温度
変化によって抵抗値Ｒｏ、Ｒ丁は変化するが、その比は
さほど大きく変化しないため、電圧Ｖｏは温度にほとん
ど左右されず、したがって、温度の影響を受けることな
く空燃比の検出が可能となる。

他方、上記の空燃比センサ１１を使用する他の例として
は、遷移金属酸化物１４の抵抗値が一定となるようなポ
ンプ電流を求めることによって空燃比を検出することも
可能である。

第７図は上記したポンプ電流を求めることによって空燃
比を検出する方式とした場合の空燃比制御回路の一例を
示す図であって、差動増幅器５１の一方には基準電圧発
生回路５２から基準電圧を入力すると共に、差動増幅器
５１の他方には抵抗５３を介し前記遷移金属酸化物１４
の抵抗値変化を温度補償用抵抗４５と直列に接続して電
圧■を印加することにより電圧変化に変換した電圧を入
力する。また、差動増幅器５１の出力は第２電極２０に
接続され、第１電極１８はポンプ電流の変化として例え
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、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４図に示すように遷移金属酸化物１４の抵抗値が大
きくなると、差動増幅器５１の一方に入力される電圧は
第６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２電極２０から第１電極１８へと流れるポンプ電流が
大きくなる。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４図に示す
ように遷移金属酸化物１４の抵抗値が小さくなると、差
動増幅器５１の一方に入力される電圧は第６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１電極１８から第２電極２０へ
と流れるポンプ電流が大きくなり、この結果第８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
自動車エンジンの燃焼制御を行う。

第９図は従来の空燃比センサ１とこの発明による空燃比
センサ１１の特性比較を行った結果の一例を示す図であ
り、プロパン燃焼装置を使用し、排ガス温度６００″Ｃ
、センサ温度７００″Ｃとし、各センサ１０個について
特性を評価した。第９図において、この発明による空燃
比センサ１１では、線１１ａ〜１１ｂの間であったのに
対し、従来の空燃比センサ１では、線１ａ〜１ｂの間に
あってかなりばらついていることが認められた。

（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
では、隔膜層と、酸素分圧変化を遷移金属酸化物の電気
抵抗変化として検知する酸素検知　　　　　　　　　　
ｌ。

素子および酸素ポンプ用第１電極と、前記酸素検知素子
および第１電極を覆う酸素ポンプ用多孔質酸素イオン伝
導性固体電解質と、酸素ポンプ用第２電極と、を順次積
層してなり、前記酸素ポンプにより前記酸素検知素子近
傍の酸素分圧を制御する構成とじたから、従来のように
多層構造でないため細孔構造の調整が容易であるととも
に、被測定ガスの拡散経路が単純であるため特性のばら
つきが小さくかつ応答速度が大であり、構造が簡単であ
るため製造が容易でコストを低減することができるとい
う非常に優れた効果を有するものである。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明の一実施例による空燃比センサの模型
的断面説明図、第２図は第１図に示す空燃比センサの製
造要領を示す分解説明図、第３図は第１図の空燃比セン
サの結線の一例を示す説明図、第４図は第３図の抵抗変
化特性を示す説明図、第５図は温度補償抵抗を用いた回
路説明図、第６図は第５図の電圧変化特性を示す説明図
、第７図は空燃比制御の一例を示す回路説明図、第８図
はポンプ電流の変化特性を示す説明図、第９図は従来の
空燃比センサとこの発明による空燃比センサの特性比較
説明図、第１０図は従来の空燃比センサの模型的断面図
である。 １１・・・空燃比センサ、 １２・・・隔膜層、 １４・・・遷移金属酸化物、 １５．１６・・・一対の電極、 １７・・・酸素検知素子、 １８・・・第１電極。 １２・・・酸素イオン伝導性固体電解質、２０・・・第
２電極。 ２１・・・酸素ポンプ。 特許出願人　　　　日産自動車株式会社代理人弁理士　
　　小　　塩　　　　豊第１図 第２図 １３　　　　　　　　　　　　　　６′１第１図 天１７ 第５図 〕 第１０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（５６７）２７６１番（代表
９６、補正により増加する発明の数 ７、補正の対象 明細書の発明の詳細な説明の欄１図面の第７図８、補正
の内容　　別紙のとおり　　　９１、明細書８７頁第２
０行の「電極２０とで酸素センサ」を「電極２０とで酸
素ポンプ」に補正する。 ２、同第１５頁第２行〜第３行を次の通り補正する。 「を入力する。また、差動増幅器５１の出力は第１電極
１８に接続され、第２電極２０はポンプ電流」。 ３、同第１５頁第１２行〜第１３行を次の通り補正する
。 「果差動増幅器５１の出力が正側に大となり、第１電極
１８から第２電極２０へと流れるポンプ電流」。 ４、同第１５頁第２０行の「第１電極１８から第□ ２電極２０へと流れ」を［第２電極２０から第１電極１
８へと流れ」に補正する。 ５、図面の第７図を別紙の通り補正する。 代理人弁理士　　　小　　塩　　　豊 第７図

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. （１）隔膜層と、酸素分圧変化を遷移金属酸化物の電気
   抵抗変化として検知する酸素検知素子および酸素ポンプ
   用第１電極と、前記酸素検知素子および第１電極を覆う
   酸素ポンプ用多孔質酸素イオン伝導性固体電解質と、酸
   素ポンプ用第２電極と、を順次積層してなり、前記酸素
   ポンプにより前記酸素検知素子近傍の酸素分圧を制御す
   る構成としたことを特徴とする空燃比センサ。