JPS6157846A

JPS6157846A - 空燃比センサ

Info

Publication number: JPS6157846A
Application number: JP59181299A
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: 1984-08-29
Filing date: 1984-08-29
Publication date: 1986-03-24

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
料との比すなわち空燃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１２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
ｕ２０３）等よりなる緻密質絶縁基板２の表面に、白金
等よりなる第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（Ｔ　ｉ　Ｏ２）等よりな
る遷移金属酸化物５、アルミナ（ＡＪＬ２０３）等より
なる多孔質絶縁層６、白金等よりなる第３電極７、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８、白金等よりなる第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との間に電流源１２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１３図に
おいてＩ−０の場合）には、多孔質保護層１０→第４電
極９→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、第１３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
醇化物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２から第３電極
７の方向へ電流を流した場合（第１３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、第１３図にＩ＞Ｏ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１３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１３図にＩ＜Ｏの領域で示
すように、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１２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１２図に示す空燃比センサ１では、多層構
造であるため各層における細孔のコントロールが難しく
、全体としてのばらつきが大きくなるという欠点を有し
、また各層における細孔に目づまりを生じるなどして特
性の経時劣化をきたしやすいという欠点を有していた。

また、この空燃比センサ１では、雰囲気温度が一定して
いる場合には第１３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１４図に示す（ただし、Ｉ＝Ｏ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も有している。

（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特性のばらつきが著しく小
さく、また従来のようにガス拡散層の目づまりによる特
性の経時劣化もほとんどなく、しかも被測定雰囲気の温
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、電気絶縁体の表面に遷
移金属酸化物の酸素濃度変化による抵抗変化を利用した
酸素センサを一対設け、前記一対の酸素センサのうちの
一方を被測定雰囲気と連通しかつ他方を固体電解質の酸
素イオン伝導を利用した酸素ポンプによって酸素濃度が
制御される制御雰囲気と接触させると共に、両酸素セン
サを直列に接続して電源に接続し、両酸素センサの中間
点電位により空燃比を検出する構成としたことを特徴と
している。

この発明による空燃比センサを構成する一対の酸素セン
サは、それぞれ遷移金属酸化物の酸素濃度変化による抵
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
る電極の材質ならびに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、
上記一対の酸素センサは、電気絶縁体の表裏面に設けた
り、同一面上に設けたりすることができる。

また、同じくこの発明による空燃比センサを構成する酸
素ポンプは、固体電解質の酸素イオン伝導を利用したも
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。

そして、この発明による空燃比センサでは、前記一対の
酸素センサのうちの一方を、被測定雰囲気と連通しかつ
他方を前記酸素ポンプによって酸素濃度が制御される制
御雰囲気と接触させた構成としているが、この制御雰囲
気は、単純な空間から形成したり、多数の微小空間を有
する多孔質ガス拡散層から形成したりすることができる
。

さらにまた、この発明による空燃比センサでは必要に応
じて発熱体を設けることも望ましい。

（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を示す
模型的断面説明図であって、この空燃比センサ２１は、
板状をなす電気絶縁体２２の表裏両面に、それぞれ遷移
金属酸化物２３．３３の酸素濃度変化による抵抗変化を
一対の電極２４゜２５および３４．３５により検出する
ようにした第１酸素センサ２６および第２酸素センサ３
６を設け、前記第１酸素センサ２６の一方の電極２４と
前記第２酸素センサ３６の一方の電極３５とを前記電気
絶縁板２２に設けた貫通孔２２ａを介して電気的に接続
すると共に、前記両醇素センサ２６．３６のうちの一方
の第１酸素センサ２６側における電気絶縁体２２の表面
に、枠体４１をはさんで酸素イオン伝導性固体電解質４
２を設けて、前記電気絶縁体２２と固体電解質４２との
間で制御雰囲気空間４３を形成し、前記固体電解質４２
の表裏面に一対の電極４４．４５を設けて固体電解質４
２の酸素イオン伝導を利用した酸素ポンプ４６を形成し
、この酸素ポンプ４６の中心部に小孔４７を設けて前記
制御雰囲気空間４３を被測定雰囲気と連通させた構成を
有するものである。

第２図は第１図に示す構成の空燃比センサ２１を製作す
る要領を示す図であって、例えば、アルミナ等よりなる
セラミックグリーンシートを所定の大きさに切り出した
未焼成の電気絶縁体２２を用意し、この電気絶縁体２２
の」−面側に、例えば、白金よりなるペーストを用いて
第１酸素センサ２６側の電極２４．２５および電極リー
ド部２７を形成して乾燥すると共に、上記電気絶縁体２
２の下面側に、同じく白金よりなるペーストを用いて第
２酸素センサ３６側の電極３４．３５を形成して乾燥し
、電気絶縁体２２に形成した貫通孔２２ａ、２２ｂ内に
も上記白金ペーストを流し込んで、焼成後に前記両電極
２４．３５および電極リード部２７間で電気的な導通が
得られるようにすると共に、貫通孔２２ｂを介して電極
３４への電気的な接続が可能となるようにする。そして
、前記第１酸素センサ２６側の一対の電極２４゜２５上
に、例えばチタニア（Ｔ　ｉ　０２　）ペーストよりな
る遷移金属酸化物２３を積層して乾燥すると共に、第２
酸素センサ３６側の一対の電極３４．３５」二に同じく
チタニアペースｉ・よりなる遷移金属酸化物３３を積層
して乾燥する。

次に、前記電気絶縁体２２のうち前記遷移金属酸化物２
３側の回りに、例えばアルミナより形成したコ字形の枠
体４１を載せると共に、前記電気絶縁体２２のうち前記
電極リード部２７側に、前記貫通孔２２ｂ、電極リード
部２７および電極２５の先端に例えば白金リード線５４
．５７および５５の先端をそれぞれ置いた状態にして例
えばアルミナ等よりなる電気絶縁板（スペーサ）４８を
載せる。

次いで、例えば５モル％Ｙ２Ｏ３−９５モル％ＺｒＯ２
固体電解質よりなるグリーンシートを所定の大きさに切
り出し、小孔４７を形成するための貫通孔４７ｂおよび
電気的接続を得るための貫通孔４２ａ、４２ｂを形成し
ておく。そして、このグリーンシート状の固体電解質４
２の」二下面に、例えば白金ペーストを用いて酸素ポン
プ用電極４４．４５を積層し、それぞれに電極リード部
４４ａ、４５ａを形成すると共に、前記小孔４７を得る
ための貫通孔４７ａ、４７ｃを形成しておく。

次に、前記電気絶縁板（スペーサ）４８の上に、前記貫
通孔４２　ａ　、　４２　ｂに対応させた間隔で白金リ
ード線６４．６５の先端を置いた状態で前記固体電解質
４２を重ね合わせ、再貫通孔４２　ａ　、　４２　ｂに
白金ペーストを落し込んで両電極４４．４５とリード線
６４．６５との間での電気的な接続が確実になされるよ
うにする。

続いて、このようにして得た積層体を例えば１４００〜
１５００℃で焼成する。

なお、発熱体を設ける場合には、例えばアルミナグリー
ンシートからなる電気絶縁基盤６０の上に、例えば白金
ペーストを用いて発熱体６１を積層して乾燥し、前記発
熱体６２の両端にリード線６２．６３を固定したのち１
４００〜１５００　’（！で焼成し、その後前記酸素セ
ンサ側電気絶縁体２２と発熱体側電気絶縁基板６０とを
耐熱性の接着剤で固定する。

第３図は上記した第１図に示す構造の空燃比センサ２１
の結線例を示す図であって、第１酸素センサ２６の一方
の電極２５と第２酸素センサ３６の一方の電極３４との
間にリード線５５．５４を介して定電圧源６１を接続す
ると共に、第２酎素センサ３６の両電極３４．３５の間
に電圧測定器６２を接続し、さらに前記酸素ポンプ４６
の両電極４４．４５の間にリード線６４．６５を介して
酸素ポンプ用電流源６３を接続したものである。

また、第４図は第３図の第１酸素センサ２６と第２酸素
センサ３６との等何回路であり、第１酩素センサ２６の
電極２４．２５間における遷移金属酸化物２３の抵抗を
Ｒ１、第２酸素センサ３６の電極３４．３５間における
遷移金属酸化物３３の抵抗をＲ２として示し、さらに定
電圧源６１の電圧をＶｃ、電圧測定器６２による測定電
圧をＶｓとして示している。このような関係において測
定電圧Ｖｓはなる式で表わされる。ここで、抵抗値Ｒ２はり−ン側で
はほとんど変化せず、基準抵抗に準じて扱える。また、
抵抗Ｒ１をリッチの状態にしておくと空燃比によって抵
抗値が変化する。したがって、酸素ポンプ４６で制御雰
囲気空間４３をり・ンチ雰囲気にしておくと良い。

ところで、両酸素センサ２６．３６は同じ遷移金属醇化
物２３．３３で構成されているため同じ温度依存性をも
っており、したがって−に温式中のＲ１／Ｒ２の比は一
定となるのでＫ１１１定電圧Ｖｓで示される酸素センサ
出力は温度によって変化しない。

そこで、酸素イオン伝導性固体電解質４３と一対の電極
４４．４５とで構成される酸素ポンプ４６に対してポン
プ電流源６３から電流を供給し、例えば電極４５から電
極４４の方向にポンプ電流Ｉｐを流すと、電極４４から
電極４５に向けて酸素イオンが流れるので、制御雰囲気
空間４３内の酸素が排出される。ここで、制御雰囲気空
間４３内に流れ込む燃焼排ガスは小孔４７によって制限
されるので、制御雰囲気空間４３内の酸素濃度は燃焼排
ガス中の酸素濃度よりも低くなる。したがって、ポンプ
電流Ｉｐを流すことによって第１酸素センサ２６の抵抗
Ｒ１の値は小さくなるため、測定電圧Ｖｓは大きくなる
。

反対に、酸素ポンプ４６において電極４４から電極４５
の方向にポンプ電流Ｉｐを流すと、制御雰囲気空間４３
内の酸素濃度は燃焼排ガス中の酸素濃度よりも、高くな
るので、第１酸素センサ２６の抵抗Ｒ１の値は大きくな
るため、測定電圧Ｖｓは小さくなる。

そこで、この空燃比センサ２１の出力Ｖｓが一定となる
ようなポンプ電流Ｉｐを求めるために、前記空燃比セン
サ２１の出力を第５図に示すようにＲ−Ｖ変換回路７１
（第４図）を経て差動増幅器７２に入力し、この差動増
幅器７２で基準電圧発生回路７３からの基準電圧と比較
して差動増幅させ、この差動増幅器７２の出力よりポン
プ電流源６３からのポンプ電流を変えて酸素ポンプ４６
に供給し、電流検出回路７５で上記ポンプ電流を測定す
ると、第７図に示すような当量比−ポンプ電流特性が得
られ、ポンプ電流を検出することによって当醐比を検知
することができる。

そして、この場合においてより具体的には第６図に示す
ような回路を用いることができる。第６図は第１図に示
した空燃比センサ２１の出力Ｖｓ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。図に示す回路構成
においては、差動増幅器７２の一方に基準電圧発生回路
７３から基準電圧を入力すると共に、差動増幅器７２の
他方には前記第１酸素センサ２６の遷移金属酸化物２３
と第１酸素センサ３６の遷移金属酸化物３３とを電気的
に直列に接続して電圧Ｖを印加することにより前記遷移
金属酸化物２３の雰囲気による抵抗値変化を電圧変化に
変換した電圧を抵抗Ｒ３を介して入力する。また、差動
増幅器７２の出力は抵抗Ｒ４を介して酸素ポンプ４６の
一方の電極４５に接続され、同ポンプ４６の他方の電極
４２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、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−ン雰囲気）なっ
て遷移金属酸化物２３の抵抗Ｒ１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、一方の電極４５から他方の電極４２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
）なって遷移金属酸化物２３の抵抗値Ｒ１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
反転して電極４２から電極４５へと流れるポンプ電流が
大きくなり、その結果、第７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。

第８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２１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℃、
センサ温度７００　’Ｏとし、各センサ１０個について
特性を評価した。第８図に示すように、この発明による
空燃比センサ２１では、線２１ａ、２１ｂの間であった
のに対し、従来の空燃比センサ１１では、線１１ａ、ｌ
ｌｂの間にあってかなりばらつきの大きいことが認めら
れた。

第９図はこの発明の他の実施例を示す図であって、第１
図に示す空燃比センサ２１では酸素ポンプ４６を構成す
る一対の電極４４．４５と酸素イオン伝導性固体電解質
４２の部分に、制御雰囲気４３内に燃焼排ガスを流入さ
せる小孔４７を設けているが、第９図の空燃比センサ２
１では、前記酸素ポンプ４６とは離れた枠体４１の部分
に前記と同じ作用を有する小孔４７を設けた構成を有す
るものである。

第１０図はこの発明のさらに他の実施例を示すもので、
第１Ｏ図に示す空燃比センサ２１では、第１図の空燃比
センサ２１を構成する枠体４１を、酸素ポンプ４６を構
成する酸素イオン伝導性固体電解質４２で一体に形成し
、電気絶縁体２２の第２酸素センサ３６側に発熱体６１
を設けてこの発熱体６１および第２酸素センサ３６を多
孔質保護層６７で被覆した構成を有するものである。

第１１図はこの発明のさらに他の実施例を示す図であっ
て、この空燃比センサ２１は、第１酸素センサ２６およ
び第２酸素センサ３６を設けた電気絶縁体２２の一端を
支持体７８で支持させると共に、酸素ポンプ４６を構成
する固体電解質４２の一端を同じく上記支持体７８で支
持させ、前記電気絶縁体２２と固体電解質４２とを制御
雰囲気空間４３を介して接近させた状態にして、前記制
御雰囲気空間４３をスリット７２を介して被測定雰囲気
と連通させた構成を有するものである。このような構成
としたときでも前記実施例と同様の作用効果を得ること
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
では、電気絶縁体の表面に遷移金属酸化物の酸素濃度変
化による抵抗変化を利用した酸素センサを一対設け、前
記一対の酸素センサのうちの一方を被測定雰囲気と連通
しかつ他方を固体電解質の酸素イオン伝導を利用した酸
素ポンプによって酸素濃度が制御される制御雰囲気と接
触させると共に、両酸素センサを直列に接続して電源に
接続し、両酸素センサの中間点電位により空燃比を検出
する描成としたから、多層構造でないため空燃比検出特
性のばらつきが著しく小さく、燃焼排ガスの拡散による
目詰まりで特性が変化するというおそれも非常に小さく
、雰囲気の温度変化によって出力特性が変化しないため
安定した空燃比の検出が可能であり、精度のよい空燃比
制御を行うことができるという著大なる効果を奏するも
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、９５２図は第１図の空燃比センサの製作
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図に示す結
線の等価回路図、第５図は第１図の空燃比センサの出力
を制御する系統図、第６図は空燃比センサの出力を制御
する回路の一例を示す説明図、第７図は第５図および第
６図の出力制御によって得られる当量比とポンプ命流と
の関係を示す説明図、第８図は従来の空燃比センサとこ
の発明の一実施例による空燃比センサの評価結果を示す
グラフ、第９図、第１０図および第１１図はいずれもこ
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、第１２図は従来の空燃比センサの模型的断面説明
図、第１３図は第１２図の空燃比センサの出力特性を示
す説明図、第１４図は第１３図の空燃比センサの温度特
性を示す説明図である。２１・・・空燃比センサ、２２・・・電気絶縁体、２３・・・遷移金属酸化物、２４．２５・・・電極、２６・・・第１酸素センサ、３３・・・遷移金属酸化物、３４．３５・・・電極、３６・・・第２酸素センサ、４２・・・酸素イオン伝導性固体電解質、４３・・・制
御雰囲気空間、４４．４５・・・電極、４６・・・酸素ポンプ、４７・・・小孔（被測定雰囲気との連通部）、７７・・
・スリット（被測定雰囲気との連通部）。特許出願人　　日産自動車株式会社代理人弁理士　小　　塩　　　豊（ｄｉ）　　コ３；ヨ１１シ。ど−・て；−拳！（℃ｔ
Ｕ）　　’４：！し。してさＶ第１２図１＼　　　／　／９ｙ” 特開昭Ｇ１−５７８４６（１０）第１４図

Claims

【特許請求の範囲】

（１）電気絶縁体の表面に遷移金属酸化物の酸素濃度変
化による抵抗変化を利用した酸素センサを一対設け、前
記一対の酸素センサのうちの一方を被測定雰囲気と連通
しかつ他方を固体電解質の酸素イオン伝導を利用した酸
素ポンプによって酸素濃度が制御される制御雰囲気と接
触させると共に、両酸素センサを直列に接続して電源に
接続し、両酸素センサの中間点電位により空燃比を検出
する構成としたことを特徴とする空燃比センサ。