JPS6130758A

JPS6130758A - 空燃比センサ

Info

Publication number: JPS6130758A
Application number: JP15259084A
Authority: JP
Inventors: Fumio Isamigawa; 文雄勇川; Yasuhide Inoue; 靖秀井上; Masayuki Toda; 正之任田; Masao Ishitani; 誠男石谷
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 1984-07-23
Filing date: 1984-07-23
Publication date: 1986-02-13

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】（＆業上の利用分野）この発明は、燃焼排カス中の酸素濃度に基いて空気と燃
料との比を検出するのに利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、例えば第８図お
よび第９図に示すようなものがあった。

すなわち、第８図に示す空燃比センサ１は、基板２の−
１−に、酸素センサおよび酸素ポンプ兼用の第１電極３
と、酸素イオン伝導性固体電解質４を順次積層し、前記
固体電解質４の上に、酸素センサ用第２電極５と、前記
第２電極５をはさむ形で酸素ポンプ用第３電極６とを並
べて積層し、前記第２電極５および第３電極６の上にガ
ス拡散制御層７を積層して、前記第１電極３と第２電極
５との間に電圧測定手段８を接続すると共に、前記第１
電極３と第３電極６との間にポンプ用電流源りを接続し
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においては、ポンプ用
電流源２より電流を流さない場合は、ガス拡散Ｒ−制御
Ｎ７を経て第２電極５に到達する燃焼排ガス中の酸素濃
度に応じて、理論空燃比において出力が急激に変化する
特性が電圧測定手段８によって得られる。一方、ポンプ
用電流源２より電流な飾して酸素イオン伝導性固体電解
質４内で第１電極３から第３電極６に向けてポンプ電流
を流すと、第３電極６では酸素か消費されるため、ガス
拡散制御層７を通って第２電極５に到達する燃焼排ガス
中の酸素濃度は、実際の燃焼排ガス中の酸素濃度よりも
低くなるので、理論空燃比よりもリーン（空気過剰）側
で出力が急激に変化する特性が電圧測定手段８によって
得られる。

また、第９図に示す空燃比センサ１１は、基板１２の上
に、酸素センサ用第１電極１３と前記第１電極１３をは
さむ形の酸素ポンプ用第２電極１４とを並べて積層し、
前記第１電極１３と第２電極１４の上に酸素イオン伝導
性固体電解質１５を積層し、前記固体電解質１５の上に
、酸素ポンプ用第３電極１６と、前記第３電極１６をは
さむ形の酸素センサ用第４電極１７を並べて積層し、前
記第３電極１６と第４電極１７の上にガス拡散制御層１
８を積層し、前記酸素センサ用第１電極１３と第４電極
１７との間に電圧測定手段１２を接続すると共に、酸素
ポンプ用第２電極１４と第３電極１６との間にポンプ用
電流源２０を接続した構成を有するものである（特開昭
５６−１４．５３４−２号）。

このような構成の空燃比センサ１１においても、前記し
た空燃比センサ１の場合と同様に、ポンプ電流を流さな
い場合に理論空燃比で出力が急激に変化する特性が得ら
れ、固体電解質１５内を第２電極１４から第３電極１６
に向けてポンプ電流を流すことによってリーン（空気過
剰）側で出力が急激に変化する特性が得られる。

しかしながら、このような従来の空燃比センサ１．１１
では、酸素センサ用電極５，１３．１７と酸素ポンプ用
電極６，１４．１６とが接近しすぎているため、特に酸
素センサ用基準電極３゜１３の酸素濃度が高くなりにく
いという問題点かあった。また、酸素センサ用の測定電
極である第２電極５および第４電極１７が、酸素ポンプ
用電極６，１６付近でのＣｏ、Ｈ２の発生および第１電
極３．酸素ポンプ用型−極１４で発生する０２のふき返
し等の影響を受けた場合に十分な出力特性を得ることが
できないという問題点もあった。

（発明の目的）この発明は、上述したような従来の問題点に着目してな
されたもので、酸素センサを構成する基準電極における
酸素濃度と測定電極における酸素濃度とを別個の酸素ポ
ンプで制御するようにし、基準電極における酸素濃度を
常に安定して大きく維持することが可能であって、外部
から大気を導入する必要がないため簡単な構造にするこ
とができ、測定電極においてはＣ０ＩＨ２の発生やｏ２
のふき返し等による影響を受けないようにして、安定し
たｍｍ力特性が得られるように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、一対の基準側第１電極
および測定側第２電極と酸素イオン伝導性固体電解質と
からなる酸素センサと、前記基準側第１電極の酸素濃度
を制御する一対の第３電極および第４電極ど酸素イオン
伝導性固体電解質とからなる第１酸素ポンプと、前記測
定側第２電極の酸素濃度を制御する一対の第５電極およ
び第６電極と酸素イオン伝導性固体電解質とからなる第
２酸素ポンプと、を具備したことを特徴としていこの発
明による空燃比センサにおいては、酸素センサおよび酸
素ポンプを構成する電極の材質および形成方法等は特に
限定されず、従来の電極材ネ４および形成手段等の中か
ら選択することができる。また、酸素センサおよび酸素
ポンプを構成する酸素イオン伝導性固体電解質は一体構
造のものとしたりあるいは別体構造のものとしたりする
ことができる。また、この酸素イオン伝導性固体電解質
の材質や形成方法等も特に限定されない。さらに、この
酸素イオン伝導性固体電解質を構造基体としたり、別に
構造基体を設けたすしてもよい。さらにまた、発熱体を
設けることも必要に応じて望ましい。

（実施例）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
的断面説明図であって、この空燃比センサ２１は、一対
の基準側第１電極２２および測定側第２電極２３を酸素
イオン伝導性固体電解質２４の表裏面に対向させて設け
た酸素センサ２５を備え、前記酸素セ〉す２５の基準側
第１電極２２側に間隔をおいて、一対の第３電極２６お
よび第４電極２７を酸素イオン伝導性固体電解質２８の
表裏面に対向させて形成Ｉ７た第１酸素ポンプ２２を設
けて、前記酸素センサ２５と第１酸素ポンプ２２との間
に空間３０を形成し、この空間３０の一部に酸素ガス排
出１」３１を形成すると共に、前記酸素センサ２５の測
定側第２電極２３側に間隔をおいて、一対の第５電極３
２８よひ第６電極３３を酸素イオン伝導性固体電解質３
４の表裏面に対向させて設けかつ前記電極３２．３３の
中心部分に燃焼排ガス導入［」３５を形成した第２酸素
ポンプ３６を設けて、前記酸素センサ２５と第２酸素ポ
ンプ３６との間に空間３７を形成し、前記酸素センサ２
５の第１電極２２と第２電極２３との間に電圧測定手段
４１を接続すると共しこ、第１酪素ポンプ２２の第３電
極２６と第４電８ｉ２７との間に第１酸素ポンプ用電流
源４ｚを接続し、第２酸素ポンプ３６の第５電極３２と
第６電極３３との間に第２酸素ポンプ用電流源４３を接
続した構成をなすものである。

第２図は第１図に示す空燃比センサ２１の製造要領を示
す分解説明図であって、第１酪素ポンプ２２を構成する
酸素イオン伝導性固体電解質２８を例えば５モル％Ｙ２
Ｏ３−９５モル％ＺｒＯ２よりなるセラミックスグリ−
ンシートより切り出して用意する。この固体電解質２８
には、矩形溝状の空間３０が形成しであると共に、溝状
の酪素ガ（排出Ｉ］３１か形成しである。

そして、上記固体電解質２８の裏面に、例えば白金ペー
ストを用いて酸素ポンプ用第３電極２６を積層して乾燥
すると共に、同体電解質２８の−Ｌ面でかつ前記空間３
０の底面部分に同じく白金ペーストを用いて酸素ポンプ
用第４電極２７を積層して乾燥する。このとき、両電極
２６．２７に１才リード部２６ａ、２７ａを形成してお
く。

また、酸素センサ２５を構成する酸素イオン伝導性固体
電解質２４を例えば５モル％ｙ２ｏ３−９５モル％Ｚｒ
Ｏ２よりなるセラミックスゲ１ルーンシートより切（１
出し、て用意する。この固＃電解質２４には、矩形渦状
の空間３７が形成しである。そして、上記固体電解質２
４の裏面に１例えは白金ペーストを用いて酸素センサ用
第１電極２２を積層して乾燥すると共に、固体電解質２
４の上面でかつ前記空間３７の底面部分に同じく白金ペ
ーストを用いて酸素センサ用第２電極２３を積層して乾
燥する。このとき、両電極２２．２３にはリード部２２
ａ　、２３ａを形成しておく。そして、前記酸素ポンプ
用固体電解質２８の一部に前記酸素センサ用固体電解質
２斗を重ねる。このとき１両国体電Ｍ賀２４．２８の間
には、前記各リード部２２ａ、２７ａに接続したリード
線５２．５７の先端をはさみ込む。また、リート部２６
ａにはリード線５６の先端を付着させる。

さらに、第２酸素ポンプ３６を構成する酸素イオン伝導
性固体電解質３４を例えば５モル％Ｙ、０３−９５モル
％ＺｒＯ，，よりなるセラミ・ンクスグリーンシートよ
り切り出して用意する。この固体電解質３４には排ガス
導入孔３５を形成するための小孔３５ｂが設けて、ある
。そして、−ヒ記固体電＃賀３４の裏面に、例えは白金
ペーストを用いて酸素ポンプ用第５電極３２を積層して
乾燥すると共に、固体電解質３４の上面には同じく白金
ペーストを用いて酸素ポンプ用第６電極３３を積層して
乾燥する。このとき、両電極３２．３３には排ガス導入
孔３５を形成するだめの小孔３５ａ　、３５Ｃを前記小
孔３５ｂと同位置に設けると共に、リード部３２ａ、３
３ａを形成しておく。そして、前記酸素センサ用固体電
解質２４のトに前記酸素ポンプ用固体電解質３４を重ね
る。

このどき、両国体電解質２４，３４の間には、前記各リ
ート部２３ａ　、３２ａに接続したリード線５３．６２
の先端をノオさみ込む。また、リード部３３ａにはリー
ド線６３の先端を付着させる。

その後、前記の積層体を適切な温風条件で焼成する。な
お、必要に応して多孔質の保護層を設けることもよい。

第３図は第１図に示す空燃比センサ２１における結線例
を示す図であって、第１酎素ポンプ２２の第３電極２６
ど第４電極、２７との間にそれぞれリード線５６．５７
を介して第１酸素ポンプ用定電流源４２を接続すると共
に、酸素センサ２５の第１電極２２と第２電極２３との
間にそれぞれリード線５２．５３を介して電圧測定手段
４１を接続し、第２酸素ポンプ３６の第５電極３２と第
６電極３３との間にそれぞれリード線６２．６３を介し
て第２酸素ポンプ用可変電流源４３および抵抗４４を接
続する。

このような構成になる空燃比センサ２１を用いて燃焼排
ガス中の酸素濃度に基いて空燃比を検出するに際しては
、第１酸素ポンプ用定電流源４２より電流を供給して酸
素イオン伝導性固体電解質２８内で第４電極２７から第
３電極２６に向けて定電流を流す。したがって、第３電
ａｉ２．６から第４電極２７に向けて酸素イオンの移動
を生じて第４電極２７で酸素が発生し、空間３０内が酸
素濃度の高い状態となり、余剰の酸素ガスは排出口３１
より排出されるため、空間３０内の酸素濃度は高い状態
でほぼ一定に維持され、酸素センサ２５の第１電極２２
の酸素濃度も高い状態に維持される。一方、酸素センサ
２５の第２電極２３には燃焼ガス導入口３５を通して空
間３７内に流入した燃焼ガスが接触し、燃焼排ガス中の
酸素濃度と前記第１電極２２の酸素濃度との差に対応し
た出力が電圧測定手段４１により測定される。

他方、前記電圧測定手段４１により測定される酸素セン
サ２５の出力が一定となるように、第２酸素ポンプ用可
変電流源４３からの電流値を変化させるようにする場合
に、例えば燃焼排ガス中の酪素濃度が高いリーン雰囲気
のときには、前記酸素センサ２５の出力を一定にするた
めに、第２酸素ポンプ３６における固体電解質３４内で
第６電極３３から第５電極３２に向けてより多くの電流
を流す必要があり、反対に燃焼排ガス中の酸素濃度が低
いリッチ雰囲気のときには前記酸素センサ２５の出力を
一定するために第２酸素ポンプ３６における固体電解質
５４内で第５電極３２から第６電極３３に向けてより多
くの電流を流す必要がある。このように、燃焼排ガスの
当量比の変化に応じて第２酸素ポンプ３６に供給する第
２酸素ポンプ用可変電流源斗３の電流が直線的に変化す
るようになり、したがって、第３図に示す抵抗４４の両
端における電位圧■２も直線的に変化して第４図に示す
特性が得られる。

この第４図に示す特性を得る場合の具体的な回路を第５
図に示す。すなわち、第５図に示すように、酸素センサ
２５を構成する第１電極２２は抵抗Ｒ１を介して差動増
幅器４６の一端に入力されると共に第２電極２３は接地
される。また、差動増幅器４６の他端には基準電圧発生
器４７からの基準電圧が入力され、差動増幅器４６の出
力側は抵抗Ｒ２を介して前記第２酸素ポンプ３６を構成
する第６電極６３に接続されると共に第５電極３２は図
示しないポンプ電流検出手段に接続される端子ＩＰに接
続されると共に抵抗Ｒ３を介して接地される。

このような回路構成において、例えば、被測定ガスがリ
ーン（空気過剰）の状態にあるときは、酸素センサ２５
からの出力が基準電圧よりも小さくなるため、差動増幅
器４６の出力が正側に大となり、第６電極３３から第５
電極３２へと流れるポンプ電流が大きくなる。反対に、
被測定ガスがリッチ（燃料過剰）の状態にあるときは、
酸素センサ２５かもの出力が基準電圧よりも大きくなる
ため、差動増幅器４６の出力が負側に大となり、第５電
極３２から第６電極３３へと流れるポンプ電流が大きく
なり、第４図に示したようなポンプ電流特性となる。し
たがって、これによって被測定雰囲気がどの位リッチで
あるか、理論空燃比であるか、あるいはどの位リーンで
あるかの判断を行って、例えば燃料噴射弁からの燃料噴
射量を制御する。

第６図はこの発明の他の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７１は、一
対の基準側第１電極２２および測定側第２電極２３を酸
素イオン伝導性固体電解質２４の表裏面に対向させて設
けた酸素センサ２５を備え、前記酸素センサ２５の基準
側第１電極２２側に間隔をおいて、一対の第３電極２６
および第４電極２７を酸素イオン伝導性固体電解買２８
の表裏面に対向させて形成した第１酸素ポンプ２９を設
けて、前記酸素センサ２５と第１酸素ポンプ２２との間
に１’ＦＩＩＩ　３０を形成し、この空間３０の一部に
酸素ガス排出口３１を形成すると共に、前記酸素センサ
２５の測定側第２電極２３の」二面に、微小空間３７を
形成する多孔質ガス拡散層７７を積層し、このガス拡散
層７７の」二に、一対の第５電極３２および第６電極３
３を酸素イオン伝導性固体電解質３４の表裏面に対向さ
せて形成した第２酸素ポンプ３６を設けて、前記酸素セ
ンサ２５の第１電極２２と第２電極２３との間に電圧測
定手段４１を接続すると共に、第１酸素ポンプ２２の第
３電極２６と第４電極２７との間に第１酪素ポンプ用電
流源４２を接続し、第２酸素ポンプ３６の第５電極３２
と第６電極３３との間に第２酪素ポンプ用電流ｓ、４３
を接続した構成をなすものである。

このように、空間３７を多孔質ガス拡散層７７からなる
微小空間より形成したときでも、第１図に示した空燃比
センサ２１の場合と同様の特性を得ることかできる。

第７図はこの発明のさらに他の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、図に示す空燃比センサ
８１は、二つの空間３０．３７を形成した酸素イオン伝
導性固体電解質２４を用い、一方の空間３０に面して固
体電解質２４に基準側＄１電極２２を形成すると共に、
他方の空間３７に面して固体電解質２４に測定側第２電
極２３を形成して、前記第１電極２２と第２電極２３と
固体電解質２４とで酸素センサ２５を構成し、前記一方
の空間３０に面して固体電解質２４に第１酸素ポンプ用
第４電極２７を形成すると共にこの第４電極２７に対向
する前記固体電解質２４の反対面側に第３電極２６を形
成して、前記第３電極２６と第４電極２７と固体電解質
２４とで第１酸素ポンプ２２を構成し、前記固体電解質
２４には空間３０内の酸素ガスを排出する酸素カス排出
口３１を形成し、前記他方の空間３７に面して固体電解
質２４に第２酸素ポンプ用第５電極３２を形成すると共
にこの第５電極３２に対向して前記固体電解質２４の反
対面側に第６電極３３を形成して、前記第５電極３２と
固体電解質２４と第６電極３３とで第２酸素ポンプ３６
を構成し、前記酸素センサ２５の第１電極２２と第２電
極２３との間に電圧測定手段４１を接続すると共に、第
１酸素ポンプ２９の第３電極２６と第４電極２７との間
に第１酸素ポンプ用電流源４２を接続し、第２酎素ポン
プ３６の第５電極３２と第６電極３３との間に第２酸素
ポンプ用電流源４３を接続した構成をなすものである。

このような構成の空燃比センサ８１においても、第１酸
素ポンプ２９によって空間３０内すなわち酸素センサ２
５の基準側第１電極２２の酸素濃度を一定に制御し、第
２酸素ポンプ３６によって酸素センサ２５の測定側第２
電極２３の酸素濃度か一定になるように当該ポンプ電流
を制御すれば、第２酸素ポンプ３６のポンプ電流は燃焼
排ガスの当量比変化に対して前記実施例と同様にほぼ直
線的に変化し、このポンプ電流によって空燃比を検出す
ることができる。

（発明の効果）以上説明してきたように、この発明によれば、一対の基
準側第１電極および測定側ｔ５２電極と酸素イオン伝導
性固体電解質とからなる酸素センサと、前記基準側第１
電極の酸素濃度を制御する一対の第３電極および第４電
極と酸素イオン伝導性固体電解質とからなる舘１酸素ポ
ンプと、前記測定側第２電極の酸素濃度を制御する一対
の第５電極および第６電極と酸素イオン伝導性固体電解
質とからなる第２酸素ポンプと、を具備した構成とした
から、第１酸素ポンプによって酸素センサの基準側第１
！極の酸素濃度を制御することが可能であると同時に第
２酸素ポンプによて酸素センサの測定側第２電極の酸素
濃度を制御することが可能であり、酸素センサの基準側
第１電極の酸素濃度を大気の導入によって一定に制御す
る必要がないためセンサホルダ等を含めて構成を著しく
簡単なものとすることができ、例えば酸素センサの測定
側電極の酸素濃度を一定に制御するための第２酸素ポン
プからのポンプ電流を検出することによって燃料過剰の
リッチ側から空気過剰のリーン側までの広い範囲の空燃
比を検出することが可能であり、酸素イオンおよび酸素
ガスの流れの機構が簡単になるためセンサ設計が容易で
あり、しかも酸素センサを構成する測定側電極がＣｏ、
Ｈ２の発生や０２のふき返し等による影響を受けること
がないため良好なる出力特性を得ることができるという
非常に優れた効果をもたらしうるちのである。

【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図の空燃比センサを製作
する要領を示す分解斜視説明図、第３図は第１図の空燃
比センサの結線例を示す説明図、第４図は第３図の結線
により得られる当量比変化に対する出力変化を示す説明
図、第５図は第３図の結線図の具体的回路を示す説明図
、第６図および第７図はともにこの発明の他の実施例に
よる空燃比センサの各々模型的断面説明図、第８図およ
び第９図はともに従来の空燃比センサの各々模型的断面
説明図である。２１．７１．８１・・・空燃比センサ、２２・・・第１
電極、２３・・・第２電極、２４・・・酸素イオン伝導性固体電解質、２５・・・酸
素センサ、２６・・・第３電極、２７・・・第４電極、２８・・・酸素イオン伝導性固体電解質、２２・・・第
１酸素ポンプ、３０．３７・・・空間、３２・・・第５電極、３３・・・第６電極、３４・・・酸素イオン伝導性固体電解質、３６・・・第
２酸素ポンプ、４１・・・電圧測定手段、４２・・・第１酸素ポンプ用電流源、４３・・・第２酸素ポンプ用電流源、７７・・・多孔質ガス拡散層。第１図王第２図伊第８図第９図

Claims

【特許請求の範囲】

（１）一対の基準側第１電極および測定側第２電極と酸
素イオン伝導性固体電解質とからなる酸素センサと、前
記基準側第１電極の酸素濃度を制御する一対の第３電極
および第４電極と酸素イオン伝導性固体電解質とからな
る第１酸素ポンプと、前記測定側第２電極の酸素濃度を
制御する一対の第５電極および第６電極と酸素イオン伝
導性固体電解質とからなる第２酸素ポンプと、を具備し
たことを特徴とする空燃比センサ。