JPS6130759A

JPS6130759A - 空燃比センサ

Info

Publication number: JPS6130759A
Application number: JP15259184A
Authority: JP
Inventors: Masayuki Toda; 正之任田; Yasuhide Inoue; 靖秀井上; 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: 1984-07-23
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】（産業上の利用分野）この発明は、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、例えば第１０図
に示すようなものがあった（特開昭５５−１２５４４８
号）。この空燃比センサ１は、酸素イオン伝導性固体電
解質２の表裏面に第１電極３と第２電極牛を設け、第２
電極４を被測定ガスと接触可能にすると共に、第１電極
３側にＵ字枠５および蓋６を設けて大気室７を形成し、
前記大気室７に接する第１電極３を基準として第２電極
４に接触する被測定ガス中の酸素濃度を測定することに
より空燃比を検知するようにしたものである。

しかしながら、このような従来の空燃比センサ１でｌオ
、固体電解質２の片面側で、Ｕ字＃５およびＭ６で大気
室７を形成するようにしているが、この空燃比センサ１
をセンサホルダに取付けて前記大気室７に大気を導入す
る場合に、センサホルダの構造が複雑でかつコスト高に
なるという欠点を有していた。また、酸素イオン伝導性
固体電解質２と一対の電極３，４とからなる空燃比セン
サ１では、広い範囲の空燃比を検出することができない
という欠点もあった。

（発明の目的）この発明は１、上述した従来の問題点に着目してなされ
たもので、大気導入型の空燃比センサにおいて、基準電
極への大気の導入が十分になされるのはもちろんのこと
、センサホルダの構造を簡単なものにしてコストの低減
をはかることができると共に、広い範囲の空燃比を検出
する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、酸素イオン伝導性固体
電解質の表裏面に第１電極と第２電極を設けた酸素セン
サの前記固体電解質を絶縁体で支持し、前記絶縁体に形
成した孔を介して前記第１電極を大気と接触可能にする
と共に、前記第２電極側に一対の電極と酸素イオン伝導
性固体電解質とからなる酸素ポンプを設けたことを特徴
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センサ側電
極および酸素イオン伝導性固体電解質、ならひに酸素ポ
ンプ側電極および酸素イオン伝導性固体電解質の材質や
形成手段等は特に限定されず、従来より採用され、ある
いは試みられている材料および形成方法等の中から適宜
選んで採用するのがよい。

また、酸素センサを構成する酸素イオン伝導性固体電解
質を支持する絶縁体の種類および構造等も特に限定され
ない。

さらに、空燃比センサには発熱体を設けたり、多孔質保
護層や多孔質ガス拡散制御層など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空燃
比検知部を示す模型的断面説明図であって、この空燃比
検知部１１は、板状をなす酸素イオン伝導性固体電解質
１２の下面側に第１電極１３を設けると共に、上面側に
第２電極１４を設けて、前記固体電解質１２および両電
極１３゜１４で酸素センサ１５を構成し、前記第２電極
１４側に、一対の第３電極１６および第４電極１７と酸
素イオン伝導性固体電解質１８とからなる酸素ポンプ１
９を設け、前記酸素ポンプ１９を構成する一方の第４電
極１７にガス拡散制御層２０を設けた構造をなすもので
ある。

第２図は第１図に示す構造の空燃比検知部１１を製造す
る工程の一例を示すもので、まず、例えばアルミナ（Ａ
ｕ２Ｃｈ）等よりなるセラミックス焼成バルクから円盤
形状の酸素イオン伝導性固体電解質１２を切り出し、次
いでこの固体電解質１２の片面側に、第２図（ａ）に示
すように例えは白金ペーストを用いてスクリーン印刷に
より第１電極１３を形成して乾燥する。

次に、前記固体電解質１２の反対面側に、例えば白金ペ
ーストを用いて発熱体２１を形成して乾燥する。続いて
、第２図（ｃ）に示すように、例えばアルミナペースト
を用いて、後述する電極リード部と上記発熱体２１とが
重なる部分に絶縁層２２ａ、２２ｂ、２２ｃを形成して
乾燥する。

次いで、第２図（ｄ）に示すように、例えば白金ペース
トを用いて酸素センサ用第２電極１４と酸素ポンプ用第
３電極１６とを同時に形成して乾燥する。このとき、第
２電極１４および第３電極１６のリード部がそれぞれ絶
縁層２２ａ、２２ｃの上に誠るように位置決めする。続
いて、第２（ｅ）に示すように、前記第２電極１４およ
び第３電極１６の上に、例えばジルコニア（５モル％Ｙ
２Ｏ３−’９５モル％ＺｒＣｈ）ペーストを用いて固体
電解質１８を形成して乾燥する。

次に、第２図（ｆ）に示すように、前記固体電解質１８
の上に酸素ポンプ用第４電極１７を形成して乾燥する。

このとき、第４電極１７のリード部が前記絶縁層２２ｂ
の上になるように位置決めし、発熱体２１との電気的な
絶縁が確実になされるようにする。続いて第２図（ｇ）
に示すように前記第４電極１７の表面に例えばアルミナ
ペーストを用いて多孔質（焼成後）ガス拡散制御層２０
を形成して乾燥する。

その後、各電極リード部には補強のために再度白金ペー
ストを塗布したのち、これらの積層体を大気中１４００
　’Ｃ前後で約２時間の焼成を行い、次いで、第２図（
ｈ）に示すように、発熱体２１の両端にはリード線３１
，３２、第１電極１３にはリード線３３、第２電極１４
にはリード線３４、第３電極１６にはリード線３６、第
４電極１７にはリード線３７をそれぞれ加熱圧着により
接合する。そして、各リード線接合部には耐熱性の接着
剤を塗布して補強する。

第３図（ａ）（ｂ）は上記構成の空燃比検知部１１を支
持するための絶縁体を示す図であって、この絶縁体４１
は全体として円柱形状をなし、この絶縁体４１の上面に
は空燃比検知部１１を嵌合するための凹部４１ａを有し
ていると共に、凹部４１ａの中心部分にはリード線挿通
用貫通孔４１ｂが形成してあり、また凹部４１ａの外周
側には５個所のリード線挿通用貫通孔４１ｃ、４１ｄ。

４１　ｅ　、４１　ｆ　、４１ｇが形成しである。

第４図はこの発明の一実施例による空燃比センサを示す
図であって、この空燃比センサ５１は、前記第１図に示
す空燃比検知部１１の固体電解質１２を、第３図に示す
絶縁体４１の凹部４１ａに嵌め込んでシール材５２によ
り接合して構成したものである。

この場合、空燃比検知部１１に設けた各リード線３１，
３２，３３，３４　３６．３７は前記絶縁体４１に形成
した貫通孔４１ｂ〜４１ｇに挿通してあり、これらのう
ち第１電極１３に接続したリード線３３は中央の貫通孔
４１ｂに挿通してあって、この貫通孔４１ｂを利用して
前記第１電極１３が大気と接触しうるようにしである。

さらに、前記絶縁体４１の外周部には金属ホルダ５３が
被せてあって、金属ホルダ５３を前記絶縁体４１の両端
で径小部５３ａおよびかしめ部５３ｂで固定しである。

また、金属ホルダ５３には前記絶縁体４１と離間させた
状態で他の絶縁体５４が挿通してあり、かしめ部５３ｃ
　、５３ｄでかしめ固定しである。さらに、前記金属ホ
ルタ５３には、ねじ部５３ｅおよびナツト部５３ｆが一
体的に設けである。そして、前記金属ホルダ５３の側面
に大気導入孔５３ｇを設けて、前記絶縁体４１に形成し
た貫通孔４１ｂを介して第１電極１３が大気と接触しう
るようにしである。

さらにまた、前記金属ホルダ５３の径小部５３ａにはル
ーツ＜−５５が溶接固定しである。そして、このルーパ
ー５５には、ガス通過孔５５ａが複数形成してあって、
空燃比検知部１１へ被測定ガスが到達しうるようにしで
ある。

そして、実際に使用する場合、例えば自動車の内燃機関
へ供給する空気と燃料との比すなわち空燃比を測定する
場合には、排気管に穴をあけて、めねじを形成し、この
穴から空燃比検出部１１を排気管内に挿入し、ねじ部５
３ｅを前記めねじにねじ込んで固定する。このとき、大
気は貫通孔４１ｂを介して第１電極１３に接触し、排ガ
スは前記ねし込み部分でシールされているので貫通孔４
１ｂに達することはない。

次に、上記構成の空燃比センサ５１によって空燃比を測
定する要領について第５閲をもとにして説明する。なお
、この説明では空燃比検知部１１だけを取り上げて説明
する。

まず、上記の空燃比検知部１１において、酸素ポンプ１
２を構成する第３電極１６と第４電極１７との間にポン
プ動作用電源６１を接０ｔずく）とともに、酸素センサ
１５を構成する第１電極１３と第２電極１４との間に電
圧測定器６２を接続する。

まず、ポンプ動作用電源６１を作動させない場合には、
第４図に示す金属ホルタ５３の大気導入孔５３ｇおよび
貫通孔４１ｂを介して大気と接触する第１電極１３と、
多孔質酸素イオン伝導性固体電解質１８（およびカス拡
散制御層２０）を介して被測定ガスと接触する第２電極
１４とにおける酸素分圧差によって生ずる起電力が電圧
測定器６２において測定され、第６図の曲線Ａで示すよ
うな当量比入−１（すなわち理論混合比）で出力が急激
に変化する特性が得られる。

次に、ポンプ動作用型８６１を作動させてポンプ電流を
第３電極１６から第４電極１７へと流す場合には、固体
電解質１８内を第４電極１７から第３電極１６へと酸素
イオンの移動を生じ、第４電極１７において酸素が消費
される。これと同時に、第４電極−１７と固体電解質１
８をはさんで対向する（図示の場合模型的であり、実際
には固体電解質１８の厚さは小さい）第２電極１４の近
傍に存在する酸素も前記ポンプ作用によって消費される
。したがって、リーン雰囲気であっても第２電極１４の
付近は酸素不足の状態となり、したがって、第６図に示
した曲線Ａはリーン側にずれて曲線Ｂに示すようなリー
ン側で出力が急激に変化する特性が得られる。

他方、ポンプ動作用電源６１を作動させてポンプ電流を
第４電極１７から第３電極１６へと流す場合は、固体電
解質１２内を第３電極１６から第４電極１７へと酸素イ
オンの移動を生じ、第４電極１７において酸素が放出さ
れる。これと同時に、第４電極１７と対向する第２電極
１４の近傍において酸素量が増大する。したかって、リ
ッチ雰囲気であっても第２電極１４の付近は酸素の存在
する状態となり、したがって第６図に示した曲線Ａはリ
ッチ側にずれて曲線Ｃに示すようなリッチ側で出力が急
激に変化する特性が得られる。

一方、その他の使い方としては、電圧測定器６２におい
て測定される酸素センサ１５の出力電圧が一定となるよ
うなポンプ電流Ｉｐを求めることによって、リッチ側か
らリーン側までの広い範囲にわたる空燃比を検知するこ
とができる。

第７図はこのような使い方をする場合の結線の一例を示
す図であって、酸素センサ１５を構成する第１電極１３
は抵抗Ｒ１を介して差動増幅器６５の一端に入力される
と共に第２電極１４は接地される。また、差動増幅器６
５の他端には基準電圧発生器６６からの基準電圧が入力
され、差動増幅器６５の出力側は抵抗Ｒ２を介して前記
酸素ポンプ１９を構成する第３電極１６を接続されると
共に第４電ａｌｉ１７はポンプ電流検出手段に接続され
かつ抵抗Ｒ３を介して接地される。なお、発熱体を設け
る場合にはこのほかに発熱体用電源が接続される。

このような回路構成において１例えば、被測定ガスがリ
ーン（空気過剰）の状態にあるときは、第６図に示した
ように、酸素センサ１５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６５の出力が正側に大となり
、第３電極１６から第４電極１７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、第６図に示したように、酸素セ
ンサ１５からの出力が基準電圧よりも大きくなるため、
差動増幅器６５の出力が負側に大となり、第４電極１７
から第３電極１６へと流れるポンプ電流が大きくなり、
その結果第８図に示したようなポンプ電流特性となる。

したがって、これにより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
あるかの判断を行うことによって、例えば燃料噴射弁か
らの燃料噴射量を制御する。

第９図はこの発明の他の実施例による空燃比センサの空
燃比検知部を示す図であって、この空燃比検知部１１は
、板状をなす酸素イオン伝導性固体電解質１２の下面側
に第１電極１３を設けると共に、上面側に第２電極１４
を設けて、前記固体電解質１２および両電極１３．１４
で酸素センサ１５を構成し、前記第２電極１４側に、囲
み枠形状の酸素イオン伝導性固体電解質７８を設け、こ
の固体電解質７８の中央部分にカス通過孔７８ａを形成
すると共に、このガス通過孔７８ａのまわりに環状をな
す一対の第３電極７６および第４電極７７を形成して、
前記固体電解質７８および両電極７６．７７で酸素ポン
プ７２を構成した場合を示している。

このような構成の空燃比検知部１１は、前記と同様に第
３図に示す絶縁体４１に固定されて空燃比センサ５１を
構成する。そして、この場合にも第１電極１３は絶縁体
４１に形成した貫通孔４１ｂおよび金属ホルダ５３に形
成した大気導入孔５３ｇを介して大気と接触するように
してあり、前記と同様にリッチ側からリーン側までの広
い範囲にわたる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、この発明による空燃比センサ
は、酸素イオン伝導性固体電解質の表裏面に第１電極と
Ｊ１２電極を設けた酸素センサの前記固体電解質を絶縁
体で支持し、前記絶縁体に形成した孔を介して前記第１
電極を大気と接触可能にすると共に、前記第２電極側に
一対の電極と酸素イオン伝導性固体電解質とからなる酸
素ポンプを設けた構成としたから、空燃比検知部を絶縁
体で支持したときでも、当該空燃比検知部の酸素センサ
用基準電極である第１電極への大気の導入を著しく良好
に行うことができると同時に、センサホルダの構造をす
こぶる簡単なものにしてコストの低減をはかることが可
能であり、しかもリッチ側からり一ン側までの広い範囲
にわたる空燃比の検出が可能であって、エンジン等の燃
焼制御を効率良く行うことができるようになるという非
常に優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図はこの発明の一実施例による空燃比センサを構成
する空燃比検知部の模型的断面説明図、第２図（ａ）〜
（ｈ）は第１図に示す空燃比検知部の製造工程例を示す
説明図、第３図（ａ）（ｂ）はこの発明の一実施例によ
る空燃比センサを構成する絶縁体の各々平面説明図およ
び側面説明図、第４図はこの発明の一実施例による空燃
比センサの断面説明図、第５図は前記空燃比センサの結
線例を示す説明図、第６図は第５図の結線による空燃比
センサの出力特性を示す説明図、第７図は前記空燃比セ
ンサの出力電圧が一定となるようなポンプ電流を求める
ことにより空燃比を検出する回路例を示す説明図、第８
図は第７図の回路によるポンプ電流特性を示す説明図、
第９図はこの発明の他の実施例による空燃比センサを構
成する空燃比検出部の模型的断面説明図、第１０図は従
来の空燃比センサの空燃比検知部の一例を示す分解斜視
図である。１１・・・空燃比検知部、１２・・・酸素イオン伝導性固体電解質、１３・・・第
１電極、１４・・・第２電極、１５・・・酸素センサ、１６．７６・・・第３電極、１７．７７・・・第４電極。１８　、７８・・・酸素イオン伝導性固体電解質、１５
？、７９・・・酸素ポンプ、２０・・・ガス拡散制御層、４１・・・絶縁体、５１・・・空燃比センサ、５３・・・金属ホルダ、５３ｇ・・・大気導入孔。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９図第１０図゛コニへ＼４

Claims

【特許請求の範囲】

（１）酸素イオン伝導性固体電解質の表裏面に第１電極
と第２電極を設けた酸素センサの前記固体電解質を絶縁
体で支持し、前記絶縁体に形成した孔を介して前記第１
電極を大気と接触可能にすると共に、前記第２電極側に
一対の電極と酸素イオン伝導性固体電解質とからなる酸
素ポンプを設けたことを特徴とする空燃比センサ。