JPH0574778B2

JPH0574778B2 -

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Publication number: JPH0574778B2
Application number: JP59274586A
Authority: JP
Inventors: Hideaki Takahashi; Haruyoshi Kondo; Keiichi Saji; Takashi Takeuchi; Kyoharu Hayakawa
Original assignee: Toyota Central R&D Labs Inc
Current assignee: Toyota Central R&D Labs Inc
Priority date: 1984-12-28
Filing date: 1984-12-28
Publication date: 1993-10-19
Also published as: JPS61155751A; US4661234A

Description

【発明の詳細な説明】

（技術分野）本発明は、空燃比センサおよびそを用いた空燃
比検出装置に関する。（従来技術）自動車等から排出される排気ガス中の酸素ガス
を検出するためのセンサと、理論空燃比（以下λ
＝１という）の所で抵抗が急変する抵抗変化型の
酸化物半導体センサと、一定電圧を印加しておく
と電流の大きさが周囲の酸素濃度によつて変化す
る限界電流式酸素センサとを並列に電気的に接続
し、傍熱ヒータで加熱するように構成さる空燃比
センサ（特開昭58−61455号公報）や、さらには
ヒータ付き基板上に、両センサをならべて構成し
てなる空燃比センサ（特開昭58−30654号公報）
が提案されている。これらのセンサは、これまで不可能であつて広
い範囲の空燃比を検出するセンサとして、小型、
応答性が良い、構造が簡単等の特徴を有し、有効
なものではあるが尚若干の問題があつた。すなわ
ち、自動車等のエンジンでは、運転状態によつて
排気温が変動する。そ故、空燃比を検出するセン
サにおいては、低温から高温までの広い温度領域
で動作することが要求されている。そして、セン
サは、正確な空燃比を検出すると同時に動作所要
電力も小さいことが要望されている。しかし、前記従来のセンサにはこらの要請を十
分に満し得るものがなかつた。また、２種のセンサを組合せて広い測定範囲を
得る場合に、センサの出力処理部はそれぞれのセ
ンサ毎に独立の処理回路を有する単なる並列型で
は小型化に限度があるので、処理回路は統合して
一元化して１つの空燃比出力を得るよう構成する
ことが考えられる。しかし、本発明の発明者等の
研究によると、そのような統合に際しては、解決
すべき問題があることがわかつた。その１つは、限界電流式酸素検出部はλが１よ
り小さい領域ではλに関係なく大きな電流が流
れ、二価函数特性を示すことである。この問題を解決するために、λの大きさに応じ
て、λが１より小さいときには限界電流式酸素検
出部を動作させないように切換を行なうようにす
ることが考えらるが、単なる切換ではパルス性の
ノイズを生じるという第２の問題があることがわ
かつた。（発明の目的）本発明は、従来技術における前記問題点を解決
し、理論空燃比（以後λ＝１という）から空気量
過多（以後リーンという）の広い範囲の空燃比計
測が可能な空燃比センサおよび装置を提供するこ
とを目的するものである。（発明の構成）本発明は抵抗変化型酸素セセンサ（酸化物半導
体センサ）と限界電流式酸素センサおよびヒータ
を多孔質アルミナ基板上に組合せ、それぞれの特
性の良好な範囲を選択することにより、前記目的
を達成するものである。本発明の空燃比センサは、多孔質基板上に、ガ
ス透過性の良い第１電極、特定方向に結晶方位を
持つ0.1〜30μm膜厚の結晶性の良い固体電解質薄
膜、およびガス透過性の良い第２電極を順次積層
して作成した限界電流式酸素検知部と、酸素分圧
によつて大きな抵抗変化をする酸化物半導体薄膜
の一方の面あるいは両面にくし状の電極をつけた
抵変化型酸素検知部と、多孔質基板の一方の面お
よび検知部の周辺に設けた検知部加熱用ヒータと
を備えた基本的構成を有する。また、上記センサとその出力を処する回路装置
とを組合せた本発明による空燃比検出装置は、限
界電流式酸素検知部に印加するための電圧を発生
する限界電流測定用電圧源と、前記電圧を限界電
流式酸素検知部に印加したときに流れる電流を検
出する電流検出部と、抵抗変化型酸素検知部の抵
抗を検出する抵抗検出部と、その抵抗検出部の出
力を基準値と比較して、燃料リツチであるか燃料
リーンであるかの判定を比較判定部と、比較判定
部の出力に基づき、燃料リツチから燃料リーンに
変化したときに、その変化時点から一定時間後に
限界電流式測定用電圧源と限界電流式酸素検知部
とを接続し、燃料リーンから燃料リツチに変化し
たとき前記接続を遮断するよう、限界電流式測定
用電圧源と限界電流式酸素検知部との接続を制御
する制御部と、限界電流式酸素検知部の出力信号
と抵抗変化型酸素検知部の出力とを合成し空燃比
を表わす信号を生成する出力信号合成部と、を備
えたことを特徴とする。また、その空燃比検出装置の一態様によれば、
前記比較判定部は、基準値を高めに設定すること
により、燃料リーンから燃料リツチへ切換される
際の判定を早めに行なうように構成され、これに
より、燃料リーンから燃料リツチへ切換わるとき
のスパイクノイズが除去される。また、その空燃比検出装置の他の態様によれ
ば、前記出力信号合成部は、入力部にレベル調整
器を接続した反転加算器を有し、前記電流検出部
の出力信号、前記比較判定部の出力信号および負
の直流バイアス信号を入力して合成することによ
り、所望の一元的なセンサ出力が得られるよう構
成される。（実施例）以下、実施例により詳細に説明する。Ａセンサ部第１図は、本発明の一実施例による空燃比セン
サの基本的構成を示すもので、同図ａはセンサ全
体の斜視図、ｂは限界電流式酸素検知部１の部分
の断面図であり、リーン領域の検出部である限界
電流式酸素検知部１は、気孔率２〜40％、細孔径
0.02〜1.2μmのアルミナの多孔質基板２上に、ガ
ス透過性の良いPtからなる第１電極３、特定方
向に結晶方位配列した膜厚厚0.1〜30μmの結晶性
の良い（ZrO₂）₀.₉₂（Y₂O₃）₀.₀₈からなる固体電解
質層４、ガス透過性の良いPtからなる第２電極
５を順次積層してなるものである。空気過剰率λ
＝１の検出部である抵抗変化型酸素検知部７は、
酸素分圧によつて大きな抵抗変化をする酸化物半
導体薄膜８の一方の面（あるいは両面）にくし状
の対向する一対の電極９，１０を付けた構成であ
る。多孔質基板２の一方の面に各検知部１，７を
加熱するためのヒータ１１が設けられている。そ
して、センサ全体は触媒を担持したポーラスなコ
ーテイング層６で覆われている。本実施例のセンサ部が上記のように構成される
ことの実験的根拠や作用効果を明らかにするた
め、抵抗変化型酸素検知部および限界電流式酸素
検知部について個々に分けて説明する。ａ抵抗変化型酸素検知部第２図は、λ＝１を検出する酸化物半導体材料
としてNb₂O₅を用いた薄膜五酸化ニオブ酸素セン
サの構造の一を示す。多孔質のアルミナ
（Al₂O₃）基板２１上に五酸化ニオブ（Nb₂O₅）
の薄膜を形成し、その上にくし状の対向電極２
３，２４が形成されている。各電極にはPtのリ
ード線２５，２６が接続されている。Al₂O₃基板
２１の他の面にはPtのヒータ２７が形成され、
ヒータ２７の端部にリード線２８，２９が接続さ
れている。本センサは、第３図のように、ガス温
度変動を受けずλ＝１の所で抵抗が急変する特性
を示す。本実施例ではセンサ材料としてNb₂O₅を
用いたものを示すが、センサ材料としてはTiO₂，
C₈O₂，SnO₂等の何れの材料を用いてもよい。ｂ限界電流式酸素検知部Ｂ−１酸素ガス拡散抵抗体としての多孔質基
板限界電流式酸素濃度センサの酸素ガス拡散抵抗
体としては、陰極・陽極を有する緻密な固体電解質に全面
にプラズマ熔射法等により形成した多孔質のコ
ーテイング層、固体電解質の一方の電極上に、酸素ガスの拡
散を制御するための細孔のあいたふた（函体方
式）等が既に提案されている。本発明においては、上記以外の従来のな
い酸素ガス拡散抵抗体として、第４図に示すように限界電流式酸素センサを
多孔質基板３１上に電極（陰極）３２、固体電
解質３３、電極（陽極）３４と順次積層して構
成し、その多孔質基板３１を酸素ガス拡散抵抗
体として用いる。多孔質基板３１内の酸素ガスの流通経路として
は、同図に示すイ、ロ、ハの流通経路が考えられ
る。すなわち、陽極３４に正、陰極３２に負の一
定電圧を印加すると酸素ガスは次のような経路を
通る。イ多孔質基板３１の細孔を通つて陰極３２へ到
達し酸素ガスはイオン化し、酸素イオンとなり
固体電解質３３を通り陽極３４に達し、そこで
その酸素イオンは酸素ガスに変換され大気中へ
放出される。ロ固体電解質３３の製膜条件が悪い場合には、
固体電解質３３は部分的に多孔質になる。この
ため、陽極３４と、部分的に多孔質になつた固
体電解質３３の細孔とを通つて陰極３２に到達
した酸素ガスは、陰極３２と緻密な固体電解質
３３との界面でイオン化されて、酸素イオンと
なる。そして、固体電解質３３を通つて陽極３
４に到達した酸素イオンは、陽極３４と緻密な
固体電解質３３との界面で酸素ガスとなつて放
出される。ハ酸素ガスは固体電解質３３と多孔質基板３１
の界面を通つて陰極３２へ到達する。酸素ガス
は陰極３２においてイオン化し、酸素イオンと
なり固体電解質３３を通り陽極３４に達し、そ
こで酸素イオンは酸素ガスに変換される。ここでは、多孔質基板３１をガス拡散抵抗体と
して使用し、経路イを利利用することになるが、
陰極へ到達する酸素ガスは、製膜した固体電解質
３３の膜質、更に、多孔質基板３１と固体電解質
３３との密着不良、多孔質基板３１の厚さｔと固
体電解質３３の端部から陰極３２の端部までの距
離ｘとの比の値によつては、経路イだけでなく、
経路ロ、ハを通つてくるので、その分も混入す
る。ところで、限界電流式酸素センサの出力値は陰
極３２の面積と陰極３２に到達する酸素ガスをど
のよううに律速させるかによつて決まる。そこで、本発明のセンサでは、センサ間の特性
（限界電流値）のバラツキを揃えるために、セン
サに供給する酸素ガス律速を多孔質基板３１の板
厚ｔによつて制御することが望ましいと考えて、
イからのルートで律速するようにしている。しかしながら、多孔質基板３１の板厚ｔと固体
電解質３３の端部から陰極３２の端部までの距離
ｘとの関係ｘ／ｔが0.75以下になると、陰極３２
への酸素ガス供給ルートがイからハのルートが支
配的となり、特性のバラツキを大にすることか
ら、距離ｘは場所によらず、一定値になるように
している。但し、電流取出部分はその影響が極力
ないように細くしてある。そこで、ｘ／ｔの比を変えた試料を作り、電解
質側Ａ、多孔質基板Ｂから交互に酸素ガス濃度と
変えて陰極３２から陽極３４へ流れる限界電流を
求め（第４図参照）、モデル計算式を立てて、経
路ハ、ロを通つて陰極３２へ拡散する酸素ガスの
影響を調べた。また、全経路イ、ロ、ハの中で経
路ロ、ハを通つてくることにより出力される限界
電流のしめる割合ｙ（％）とｘ／ｔの関係を検討
した。その結果を第１表に示す。

【表】第１表の結果によれば、ｘ／ｔの値が0.75以下
であると酸素ガスの拡散経路ハ、ロからの影響が
非常に大きい、さらにｘ／ｔ＝1.75以上になると
経路ハ、ロからの影響が非常に小さいことを示し
ている。よつて、経路ハ、ロの影響は若干ある
が、実用的に使える範囲はｘ／ｔが0.75以上であ
ることが分かつた。ｂ−２固体電解質膜の耐力一方、酸素ガスを酸素イオンとして固体電解質
中をイオン伝導させるには、固体電解質の膜厚の
条件として、従来は、酸素ガスを通さない、緻密
な固体電解質が得られることが要求されていた。
しかし、詳細な検討を行なつたところ、多孔質基
板上に物理的製膜法で作成した膜は、かならずし
も、酸素イオンのみを通し酸素ガスは通さない緻
密な膜は得にくいことが分かつた。さらに、多孔
質基板上に製膜した固体電解質膜は多孔質の電解
質膜部が得られ、緻密な膜に比較し絶縁破壊を起
こしやすい。よつて、多孔質基板の気孔率、細孔
径と固体電解質膜の絶縁破壊との関係を調べた。その方法は、多孔質基板の気孔率は15％一定に
して細孔径を0.01から2.3μまで変えて多孔質基
板、さらに細孔径は0.5μm一定にして気孔率を0.2
〜60％まで変えて製作した多孔質基板にスパツタ
装置でPt電極（膜厚1μm／ZrO₂＋Y₂O₃（膜厚
4μm）／Pt電極（膜厚1μm）と順次積層して限界
電流式酸素センサを作成した。試料を約700℃に加熱した状態で、N₂−O₂ガス
系を用いて、O₂ガス濃度20％の雰囲気でセンサ
に約0.75Vの電圧を印加する。電圧を印加して１
時間経過後における基板の絶縁破壊の状態と、そ
の基板の細孔径、気孔率との関係について調べた
が第２，３表である。

【表】

【表】第２表より細孔径が0.02μm以下では、多孔質
基板内を酸素ガスが拡散しにくいので基板より固
体電解質膜が剥離をする。さらに0.02〜1.2μmの
間ではシヨート現像を生じることもない。しか
し、1.2μm以上になると基板中を大量に酸素ガス
が拡散した陰極に到達し固体電解質中を酸素イオ
ンがたくさ流れ、シヨートし絶縁破壊をする。よ
つて、細孔径としては、実用的には細孔径0.02〜
1.2μmの範囲がよい。第３表より気孔率２％以下では、多孔質基板内
を酸素ガスが流ないので、固体電解質は剥離す
る。40％を越えると絶縁破壊を生ずる。よつて、
実用的に使える範囲は気孔率２〜40％の範囲であ
る。ｂ−３固体電解質の膜厚酸素イオンのみを透過させる緻密な固体電解質
の製作方法として、焼結法、グリーンシートを用
いる方法、スクリーン印刷法、さらには、本発明
のセンサを製作するのに好適な物化学的製膜法
（スパツタ、蒸着、CVD等）等がある。こうした
各方式について製作した固体電解質（ZrO₂＋
Y₂O₃）の抵抗率−温度特性を調べると第５図に
示すような特性になる。同図から明らかなよう
に、製作手法の違いによつて、固体電解質
（ZrO₂＋Y₂O₃）の抵抗率が大きく違つてくる。
すなわち高純度しかも、緻密でイオン伝導性の良
固体電解質を得るためには、焼結促進のためのガ
ラス質添加なしでプス焼成する方法を用いる方が
よい。しかし、この方法では、焼成するための条
件として、大気中2000℃、２〜３時間の条件を要
する。一方、ガラス質を添加して焼成する方法
（プス焼成、グリーンシート、スクリーン印刷等）
では、焼成条件としては1600℃以下の温度条件で
も十分緻密な焼結体が得られる。しかし、添加物
が混入されているため、抵抗率は大幅に増大す
る。さらに、以上述べた製作手法では、電気抵抗
を小さくする方法として固体電解質の厚みを薄く
する方法がある。とこが、固体電解質の膜厚を
50μm以下にすることは不可能である。それに対
し、物理化学的製膜法（スパツタ、蒸着、CVD
等）で製作した固体電解質薄膜は、製作条件によ
つて結晶性が良く、緻密な膜が製作可能である。
よつて、ガラス質添加なしでプス焼成法で製作し
たものより若干抵抗率は大きくなるが、比較的低
抵抗率の固体電解質薄膜を得ることができる。し
かも、膜厚を数10μm〜数Åまで可変して製作す
ることが可能である。よつて、物理理化学的製膜
法（スパツタ、蒸着、CVD等）を用いて、薄膜
化を図ることにより計算上では電解質の電気抵抗
を従来の焼結法にて製作したものに比較して1/10
０〜1/500にすることが可能である。実際には、薄膜化可能な範囲があると共に、薄
膜化を図つたと云つても、膜質が悪ければ、固体
電解質の抵抗が小さくなるようなことはなく、し
かも安定性に欠ける。そこで、安定性が良く、結
晶化した良質の膜をいかにして作るかが重要なポ
イントになると共に、膜厚最適範囲がある。本実
施例で製作した。固体電解質薄膜の雰囲気温700
℃における膜厚と抵抗の関係を調べた結果を第６
図に示す。同図の結果によれば、固体電解質の膜厚が
0.1μm以下になると抵抗は急激に低下し、シヨー
トする。しかし膜厚0.1μm以上では膜厚と抵抗の
関係は、ほぼ比し、膜厚が増すに従つて抵抗は増
大する。よつて、膜厚としては、0.1μm以上必要
である。また、実用上から考えた場合、物理化学
的製膜法での製膜速度は数10〜数100（Å／min）
と遅い、しかも、膜厚が厚くなると抵抗値が大き
くなり、検出電流値も小さくなる等の問題が生じ
る。よつて、膜厚としては0.1μm〜30μmの範囲
がよい。ｎ−４固体電解質の膜質第７図は本発明に適用できる限界電流式酸素セ
ンンサの構造の一例を示すものであり、これによ
り固体電解質の膜質を調べた。 Al₂O₃を主成分とするアルミナ多孔質基板４０
の一面に、Pt膜の陰極４１、Y₂O₃とZrO₂からな
る固体電解質薄膜４２、Pt膜の陽極４３が順次
積層されてセンサ部が構成され、そしてアルミナ
多孔質基板４０の反対面にはセンサ部を加熱する
ためのPt薄膜からなるジグザグパターンのヒー
タ４４が積層されている。さらに全体が機械的保
護のため多孔性（ポーラス）のコーテイング層で
被覆されている。ヒータ４４、陽極４３、陰極４
１にはそれぞれ50μmφのPt線のリード線４５，
４６，４７，４８が接続されている。固体電解質薄膜を用いた限界電流式酸素センサ
においては、いかにして結晶性が良く、しかも、
安定性の良い電解質薄膜を作るかが重要なポイン
トになる。すなわち、機能として、電気抵抗が小
さく、緻密で、電解質薄膜内を酸素イオンのみが
伝導する膜にするのが望ましい。この要請を満た
す条件を明らかにするため、次のような検討を行
なつた。石英基板（寸法20×20×0.5mm）の上面にハイ
ートスパツタリング装置を用いて、固体電解質
（ZrO₂＋Y₂O₃）を下記の条件で約２〜4μm積層し
た。ターゲツト−基板間距離（mm）スパツタ雰囲気Ar20c.c.／min雰囲気中圧力
４×10^-3（Torr）、10％O₂／Ar1c.c.／miz雰囲気
中圧力４×10^-3（Torr）、Ar20c.c.／min雰囲気
から途中でAr20c.c.／min＋10％O₂／Ar1c.c.／min
雰囲気へ切換える、Ar20c.c.／min＋10％O₂／
Ar1c.c.／min雰囲気から途中でAr20c.c.／min雰囲
気へ切換える。入力電力300w 反射波電力〜Ow 入力電流0.2(A) 基板温度20℃，200℃，500℃，700℃，1000℃ スパツタ時間４〜８時間スパツタしたZrO₂＋Y₂O₃薄膜についてＸ線回
折による分析を実施したところ、下記の第４表の
ように、ガス雰囲気・基板温度によつては、異な
る結晶構造を示すことがわかつた。

【表】こうして製作した膜を、大気中1000℃で３時間
熱処理して、再度Ｘ線回折を行ない、熱処理前後
の膜構造変化を調べた。その結果、熱処理前はア
モルフアス状であつた膜では一部〔111〕＋〔220〕
方向に若干結晶成長する。しかし、一旦特定方向
に結晶成長した膜については熱処理しても膜質の
変化はほとんどなかつた。そこで、上記各種製作
条件で製作した膜を用いて、第７図に示すような
多層構造からなるセンサを作成した。作成したセ
ンサについて、N₂ガス中のO₂ガス濃度をパラメ
ータに取り電流−電圧特性を調べた。その結果を
第８図ａ，ｂ，ｃ，ｄ及びｅに示す。さらに、印
加電圧0.75V一定における酸素濃度−電流特性を
調べた。なお、センサ加熱温度は700℃一定とし
た。その結果、第９図ａに示すように製膜条件に
よつて特性が大きく変わることはなく、初期特性
としては酸素濃度によつて出力電流は比して増大
する。さらに、こうしたセンサの安定性を調べる
ため、センサ加熱温度

【表】 700℃一定にして、大気中での時間経過と出力電
流の変化を調べた。その結果を第５表及び第９図
ｂに示す。第５表の結果によば、アモルフアス状をした膜
質の固体電解質薄膜では時間経過と共に出力電流
が増増大し、経時変化が大きい。しかし、特定方
向に結晶成長した固体電解質薄膜は出力電流の変
化も小さく安定性が良いことが分かる。以上のことから、何らかの結晶方位配列をした
膜を酸素センサ材料として用いることが必要であ
る。本実施例では薄膜電解質材料としてZrO₂＋
Y₂O₃材料を用いたについて述べたが、ZrO₂に
Yb₂O₃，，Gd₂O₃，MgO，CaO，Sc₂O₃等を安定
化剤として含むもの、あるいは、Bi₂O₃にY₂O₃，
Fr₂O₃，WO等を含ませた材料をターゲツト材と
して用い薄膜電解質を作成したもの、結晶方位配
列した膜を作ることが必要である。Ｂ空燃比検出装置第１０図は、前記空燃比検出用のセンサと、そ
のセンサを駆動し、その検知出力を処理する回路
とからなる本発明に空燃比検出装置の一実施例を
示すものである。本実施例の空燃比検出装置は、限界電流式酸素検知部５１および抵抗変化型酸
素検知部５２を前述のように一体化して構成した
センサ部５３と、限界電流式酸素検知部５１に印加するための電
圧を発生する限界電流測定用電圧源５４と、前記電圧を限界電流式酸素検知部５１に印加し
たときに流れる電流を検出する電流検出部５５
と、抵抗変化型酸素検知部５２の抵抗を検出する抵
抗検出部５６と、その抵抗検出部５６の出力を基準抵抗５７の値
と比較する比較器５８を有し、燃料リツチである
燃料リーンであるかの判定をする比較判定部５９
と、比較判定部５９の出力に基づき、燃料リツチ
から燃料リーンに変化したときに、その変化時点
から一定時間後に限界電流測定用電圧源と限界電
流式酸素検知部５１とを接続し、燃料リーンから
燃料リツチに変化したとき前記接続を遮断するよ
う、限界電流測定用電圧源と限界電流式酸素検知
部５１との接続を切換制御する切換制御部６０
と、限界電流式酸素検知部５１の出力信号と抵抗変
化型酸素検知部５２の出力とを合成し空燃比を表
わす信号を生成する出力信号合成部６３と、その出力を表示する表示計７０と、から成つて
いる。切換制御部６０は、限界電流測定用電圧源５４
と限界電流式酸素検知部５１との接続をオンオフ
するリレー回路６１と、比較判定部５９の出力に
一定の時間遅延を与えてリレー回路６１に制御信
号として供給するリーン側デイレイタイム回路６
２から成つている。出力信号合成部６３は、入力部にレベル調整器
であるポテンシヨメータ６４，６５，６６を接続
した反転加算器６９を有し、電流検出部５５の出
力信号、前記比較判定部５９の出力信号および負
の直流バイアス電源６７からの直流バイアス信号
を入力して合成するものである。なお、比較判定部５９からの信号は、波形整形
回路６８により波形整形して反転加算器６９へ入
力される。以下、本実施例の特徴とするところについて、
その実験的根拠等とともに、さらに詳細に説明す
る。ａノイズの除去本発明のセンサの内、限界電流式酸素検知部５
１の空気過剰率λに対する電流の関係を第１１図
に示す。図より明らかなよううに、λが１より大
きい領域（リーン燃料領域）ではλと電流が対応
するように特性が得られている。しかし、λが１より小さい領域（リツチ燃料領
域）ではλに関係なく大きな電流が流れている。従つて、電流を測定してλを求めようとする
と、同一の電流に対するλの値が二つ存在する。
このような特性を二価函数特性という。この二価
函数特性は、センサにとつて、すこぶる不都合な
特性である。この問題に対する解決は、本実施例においては
リレー回路６１を設けることによつて行なつてい
る。第１２図には、本センサの内、酸化物半導体型
の酸素検知部の特性を示す。図より明らかなよう
にλ＝１の点で抵抗が急変する特性である。この
抵抗も抵抗検出部５６により検出し、これを比較
器５８で基準抵抗（例えば10⁶Ω）と比較するこ
とにより、リーンとリツチの判定を行なうことが
できる。そして、リーンと判定したときだけ、限
界電流式酸素検知部へ電圧印加をし、リツチ側に
あるときには限界電流式酸素検知部５１への電圧
印加を遮断するようにすると電流が流れず、前述
の二価函数の問題が解消できる。リレー回路６１
はその電圧の印加と遮断を行なうものである。そのようにリーンのときだけ限界電流式酸素検
知部５１へ測定用電圧を印加することにより実際
に二価函数の問題を解決できるかについて、第１
３図の回路構成により調べた。第１４図には、基
準抵抗値を10⁶Ωとした場合の試験結果を示す。
図より明らかなように、リツチになつつたことを
検出して電流を止めることができ、良好に作動し
ていることがわかる。しかしながら、図を詳細に観察してみると、リ
ーンからリツチへの移り変わりの瞬間に、細いス
パイク状のノイズが生じる。このとき、空気過剰
率は安定的に推移しているので、こはセンサ側の
問題であることがわかる。そこで、基準抵抗値を10⁶〜10⁸Ωの範囲に設定
して試験を行つた（図は省略）ところ、この範囲
内ではいずれの値であつても、第１４図の場合と
同様に、リツチになつたことを検出して電流を止
めることは可能であつた。またリーンからリツチ
への移り変わりの瞬間のスパイク状のノイズにつ
いては、その大きさは多少異なるものの、発生す
る点においては同様であつた。この問題を解析するために、オシロスコープを
用いて観測した波形を第１５図〜第１７図に示
す。第１５図はリツチであつてもリーンであつても
限界電流式酸素検知部５１に電圧を印加（連続通
電）した場合の波形を示す。リーン（λ＝1.05）
になつて0.4秒位のところの電流が酸素濃度に対
応した電流であり、リツチになるとそれよりもは
るかに大きな電流が流れている。しかも、その切
換わり時に電流のピークが現われている。第１６図は基準抵抗を10⁵Ωに設定し、酸化物
半導体型酸素検知部の抵抗がそれ以下であるとき
はリチと判定して、限界電流式酸素検知部５１へ
の通電を遮断するようにした場合の波形である。
第１６図より明らかなように、前記抵抗が10⁵Ω
以上では電流が流れているが、10⁵Ω以下では電
流が遮断されているようすがわかる。そして、そ
の切り換わり部分を観察すると、リチからリーン
になつて、リレーが通電状態になつた瞬間には、
一時的に負の電流が流れ、遮断状態になる少し前
の瞬間には正のパルス的電流が流れていることが
わかる。また、第１７図には、同様に基準抵抗を10⁷Ω
にして試験した場合の波形を示す。この場合に
も、リツチになつたときのスパイク状の電流は、
第１６図と同様に流れてはいるが、その大きさが
小さくなり、幅が狭くなつており、改善される方
向になつている。その理由としては、標準抵抗を
10⁷Ωと高くしたことにより、それが10⁵Ωである
場合よりも30ms程度早い時点でリツチになつた
と評価され、リレー回路が遮断されるためであ
る。第１５図〜第１７図を見ると明らかなように、
限界電流式酸素検知部５１にスパイク状の電流が
流れ始めるよりも早い時点で該検知部５１への測
定用電圧の印加を遮断すれば、スパイクが現われ
る好都合である。すなわち、この問題はどちらの
検知部の動作が早いかということが関係してお
り、酸化物半導体型酸素検知部の動作の方を早く
する必要がある。その場合、リツチからリーンへ
切り換わつた部分での負の電流スパイクが大きく
なるので、これについては回路的な対策が必要に
なつてくる。すなわち、リーンになつたという信
号が得られてから一定時間はデイレイタイムをか
けて、レーが通電状態になるタイミングを遅らせ
るようにする必要がある。そのため設けたのが第
１０図の実施例のリーン側デイレイタイム回路６
２である。この構成による効果を確かめるめに、第１８図
に示す回路を作成して、信号波形を観測したとこ
第２３図のようになり、良好な特性が得られるこ
とが確認できた。以上のように、抵抗変化型酸素検知部の出力に
基づき、リツチ、リーンの判定を行なうための基
準抵抗値を適当に選択して、リーンからリツチへ
の変化点を早目に検出するようにすることによ
り、リーンからリツチへ切り換わるときに生ずる
限界電流式酸素検知部の出力に生ずるスパイク的
ノイズを除去することができる。また、リーン側
のみで限界電流式酸素検知部を動作するための切
換制御部にリーン側デイレイタイム（デイレイタ
イム300msに設定）を設けることにより、リツチ
からリーンへの切り換え時にスパイク的ノイズを
生じない。従つて、本実施例では極めて良好な空
燃比検出が可能になつた。ｂ両検知部出力信号の合成第１３図または第１８図においては、限界電流
式酸素検知部からの出力（出力１）と、抵抗変化
型酸素検知部からの出力（出力２）が独立に出し
てある。このような方法は空燃比制御回路が複雑で高価
になりやすいという問題点があつた。そこで我々は、両検知部からの出力信号を合成
して、一元化する回路を考案した。その目ざす出
力特性を第１９図に示す。図より明らかなよう
に、リツチ側では1Vの出力となり、λ＝１の点
で急にV₁迄低下し、リーン側では連続的に低く
なり、λ＝２で出力がＯになるのである。このよ
うな出力を出すために案出したのが第１０図の出
力信号合成部６３である。この出力信号合成部６３について説明する。電
流検出部５５にて、電流に対応した電圧に変換
し、ポテンシヨメータP₁にて比例係数を乗じて、
第２０図の実線で示したものになる。そして、こ
の信号だけを反転加算器を通すとすれば、第２０
図の破線で示したものになる。次に比較器５８の出力を波形整形回路６８を通
して整形する。その内容はリツチでは負の一定電
圧、リーンではゼロにするのである。それをポテ
ンシメータP₂を用いて比例係数を乗ずると、第
２１図の実線で示したものになる。そして、この
信号だけを反転加算器６９を通せば第２１図の破
線で示すようになる。次に負の一定電圧をポテンシメータP₃に印加
して、第２２図の実線の信号とする。この信号だ
けを反転加算器を通せば、第２２図の破線の信号
となる。実際には上記の３つの信号が一緒に加えられる
ので、３つの破線の信号が加算されたものが、反
転加算器６９の出力に得られる。その結果、第１
９図に示した出力になる。（発明の効果）多孔質基板上に、酸素ガス濃度に応じて出力電
流が得られる限界電流式酸素濃度センサと、酸素
分圧によつて大きな抵抗変化をする抵抗変化型の
酸素センサおよびヒータを薄膜手法にて一体化
し、理論空燃比からリーン領域までの広範囲空燃
比を検出するように構成した、本センサは、安定
性、再現性に優れ、応答性が良く、小型、低消費
電力で動作する。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明の空燃比センサ外観図、第２
図は、従来のλ＝１検出センサ外観図、第３図
は、λ＝１センサの抵抗Ｒと空気過剰率λの関係
を示す特性図、第４図ａは、多孔質基板上の限界
電流式センサの断面を示すと共に酸素ガス経路を
模式的に示す図、第４図ｂは多孔質基板の板厚ｔ
と固体電解質の端部から陰極の端部までの距離ｘ
との関係を示す図、第５図は、各種製作法で作成
した固体電解質の抵抗−温度特性を示す図、第６
図は、電解質膜厚と抵抗の関係を示す図、第７図
は、従来の限電電流式センサの外観図、第８図
は、ジルコニア膜質の違いによる電圧−電流特性
を示す図で、第８図ａは、アモルフアス状の膜質
の固体電解質からなるセンサの電圧−電流特性、
第８図ｂは、弱い〔111〕繊維組織方位配列した
膜質の固体電解質からなるセンサの電圧−電流特
性、第８図ｃは、強い〔111〕繊維組織方位配列
した膜質の固体電解質からなるセンサの電圧−電
流特性、第８図ｄは、〔111〕＋〔220〕繊維組織方
位配列した膜質の固体電解質からなるセンサの電
圧−電流特性、第８図ｅは、〔111〕＋〔200〕＋
〔220〕＋〔311〕繊維組織方位配列した膜質の固体
電解質からなるセンサの電圧−電流特性、第９図
ａは限界電流値と酸素ガス濃度との関係を示す
図、第９図ｂは、第８図で示した膜質の固体電解
質からなるセンサを大気中に放置した場合のセン
サ出力特性の変化を示す図で、ａはアモルフアス
状の膜質のもの、ｂは弱い〔111〕繊維組織方位
配列した膜質のもの、ｃは強い〔111〕繊維組織
方位配列した膜質のもの、ｄは〔111〕＋〔220〕繊
維組織方位配列した膜質のもの、ｅは〔111〕＋
〔200〕＋〔220〕＋〔311〕繊維組織方位配列した膜質
のもの、第１０図は、本発明の空燃比検出装置の
一実施例を示すブロク図、第１１図は、限界電流
式酸素検知部５１の空気過剰率λに対する電流の
関係を示す空気過剰率−電流特性図、第１２図
は、抵抗変化型酸素検知部５２の空気過剰率λに
対する抵抗の関係を示す空気過剰率−抵抗特性
図、第１３図は、限界電流式酸素検知部をリーン
側においてのみ動作させるための回路構成の一例
を示す図、第１４図は、第１３図の回路により測
定した、空気過剰率λを時間的に変化させたとき
の、出力電流の変化を示す図、第１５図〜第１７
図は、第１４図の回路において、種々に条件を変
えて測定した電流検出部５５および抵抗検出部５
６の出力波形図で、第１５図は限界電流式酸素検
知部５１にリツチ、リーンのいずれの状態におい
ても電圧を印加した連続通電の場合の波形図、第
１６図は抵抗変化型酸素検知部５２の出力がリー
ンを示すときにのみ限界電流式酸素検知部５１に
電圧を印加するようにした場合の出力波形図であ
つて、比較判定する基準抵抗の値を10⁵Ωに設定
した場合のもの、第１７図は、第１６図と同様な
波形図であつて、比較判定する基準抵抗の値を
10⁷Ωに設定した場合のもの、第１８図は、第１
３図の回路に更にリーン側デイレイタイム回路を
設けた回路の一を示す図、第１９図は本発明で実
現しようとする出力信号合成部の出力特性で、空
気過剰率λと出力電圧との関係を示す図、第２０
図〜第２２図はそれぞれ第１０図の反転加算器の
３つの入力を示す図、第２３図はリーン側デイレ
イタイムを付加するとともに酸化物半導体型酸素
検知部の動作の方を早くした場合の信号波形を示
す図である。１，５１……限界電流式酸素検知部、２……多
孔質基板、３……第１電極、４……固体電解質薄
膜、５……第２電極、６……コーテイング層、
７，５２……抵抗変化型酸素検知部、８……酸化
物半導体薄膜、９，１０……くし状の電極、１１
……ヒータ、１２……リード端子、５３……セン
サ部、５４……限界電流測定用電圧源、５５……
電流検出部、５６……抵抗検出部、５７……基準
抵抗、５８……比較器、５９……比較判定部、６
０……切換制御部、６１……リレー回路、６２…
…リーン側デイレイタイム回路、６３……出力信
号合成部、６４，６５，６６……ポテンシヨメー
タ、６７……直流バイアス電源、６８……波形整
形回路、６９……反転加算器、７０……表示計。

Claims

【特許請求の範囲】１気孔率が２〜40％、細孔径0.02〜1.2μmであ
る多孔質基板と、この多孔質基板上に、ガス透過性の良い第１電
極と、特定方向に結晶方位を持つ0.1〜30μm膜厚
の結晶性の良い固体電解質薄膜と、ガス透過性の
良い第２電極とを順次積層して成る限界電流式酸
素検知部と、前記多孔質基板上に、酸素分圧によつて大きな
抵抗変化をする酸化物半導体薄膜と、その酸化半
導体薄膜の一方の面あるいは両面に設けたくし状
の電極とを設けて成る抵抗変化型酸素検知部と、前記多孔質基板の少なくとも一方の面に設けた
検知部加熱用ヒータとを備えたことを特徴とする空燃比センサ。２前記電解質薄膜の端部から第１電極の端部ま
での距ｘに対する多孔質基板の厚みｔの比ｘ／ｔ
が0.75以上であることを特徴とする特許請求の範
囲第１項記載の空燃比センサ。３気孔率２〜40％、細孔径0.02〜1.2μmである
多孔質基板と；その多孔質基板上に、ガス透過性
の良い第１電極と、特定方向に結晶方位を持つ
0.1〜30μm膜厚の結晶性の良い固体電解質薄膜
と、ガス透過性の良い第２電極とを順次積層して
成る限界電流式酸素検知部と；前記多孔質基板上
に、酸素分圧によつて大きな抵抗変化をする酸化
物半導体薄膜と、その酸化半導体薄膜の一方の面
あるいは両面に設けたくし状の電極とを設けて成
る抵抗変化型酸素検知部と；前記多孔質基板の少
なくとも一方の面に設けた検知部加熱用ヒータと
を備え；前記電解質薄膜の端部から第１電極の端
部までの距離ｘに対する多孔質基板の厚みｔの比
ｘ／ｔを0.75以上とした空燃比センサと、限界電流式酸素検知部に印加するための電圧を
発生する限界電流測定用電圧源と、前記電圧を限界電流式酸素検知部に印加したと
きに流る電流を検出する電流検出部と、抵抗変化型酸素検知部の抵抗を検出する抵抗検
出部と、その抵抗検出部の出力を基準値と比較して、燃
料リツチであるか燃料リーンであるかの判定をす
る比較判定部と、比較判定部の出力に基づき、燃料リツチから燃
料リーンに変化したときに、その変化時点から一
定時間後に限界電流式測定用電圧源と限界電流式
酸素検知部とを接続し、燃料リーンから燃料リツ
チに変化したとき前記接続を遮断するよう、限界
電流式測定用電圧源と限界電流式酸素検知部との
接続を切換制御する切換制御部と、限界電流式酸素検知部の出力信号と抵抗変化型
酸素検知部の出力とを合成し空燃比を表わす信号
を生成する出力信号合成部と、を備えたことを特徴とする空燃比検出装置。４前記比較判定部は、基準値を高めに設定する
ことにより、燃料リーンから燃料リツチへ切換さ
れる際の判定を早めに行なうようにしたことを特
徴とする特許請求の範囲第３項記載の空燃比検出
装置。５前記出力信号合成部は、入力部にレベル調整
器を接続した反転加算器を有し、前記電流検出部
の出力信号、前記比較判定部の出力信号および負
の直流バイアス信号を入力して合成することを特
徴とする特許請求の範囲第３項記載の空燃比検出
装置。