JPS61195338A - 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］ 本発明は燃焼機器に供給される混合気の空燃比を検出す
る空燃比センサーに関し、特に酸素イオン伝導性固体電
解質を用いた混合気のリーン（理論空燃比より空気過剰
の状！Ｉり域からリッチ（理論空燃比より燃料過剰の状
態）における空燃比を検出し得る空燃比センサーに関す
るものである。

［従来の技術］ 従来より、例えば、内燃機関等の燃焼機器において、燃
費やエミッションの改善を図るべく、排気中の酸素濃度
を検出し、燃焼容器中で燃焼される混合気を理論空燃比
近傍に制御するといった、いわゆるフィードバック制−
を実行するものがある。そしてこの種の制御装置に用い
られ、排気中の酸素濃度を検出する空燃比センサーとし
て、例えばＴｉ０ｚ、Ｃｏｏ等の遷移金属酸化物を主成
分とし、周囲雰囲気中の酸素ガス分圧によって抵抗の変
化する酸素センサー等、一般には混合気の理論空燃比を
境として出力電圧がスイッチング的に変化する空燃比セ
ンサーが知られている。

ところで近年、混合気の空燃比を単に理論空燃比近傍に
制御するだけでなく、機器の運転状態に応じて目標とす
る空燃比を変化してフィードバック制御を実行すること
により、燃費やエミッションをより改善すると共に機器
の運転性を向上させるといったことが考えられているが
、上記従来の空燃比センサーにあっては混合気の理論空
燃比を検知し得るだけであることから、混合気を所望の
空燃比に制御することができなかった。

Ｅ問題点を解決するための手段］ 本発明は、発明の構成として上記の問題点を解決するた
めに次の様な技術的手段を採用した。

即ち、本発明の空燃比センサーは、 固体電解黄体の表裏面に１対の電極を有する酸素ポンプ
素子と、 該酸素ポンプ素子の１方の電極に接するガス拡散部と、 該ガス拡散部内に設けられた、遷移金属酸化物を主成分
とする周囲の酸素ガス分圧に対応して抵抗の変化する酸
素ガス検出素子と を有することを特徴とする。

固体電解黄体の材料としては、ジルコニアのイツトリア
あるいはカルシア等との固溶体が代表的なものであり、
その他二酸化セリウム、二酸化トリウム、二酸化ハフニ
ウムの各固溶体、ペロブスカイト型酸化物固溶体、３価
金属酸化物固溶体等が使用可能である。

電極の材料としては、白金、金等を用いることができ、
これらは、原料粉末を主成分としてペースト化し厚膜技
術を用いて印刷後、焼結して形成してもよく、又フレー
ム溶射あるいは化学メッキもしくは蒸着などの薄膜技術
を用いて形成してもよい。

酸素ガス検出素子に用いられる遷移金属酸化物は、原子
番号の２１　＜Ｓｃ）　〜３０　（Ｚｎ）　、３９　（
Ｙ）　〜４８　（ｃｄ）　、５７　（Ｌａ）　〜８０（
Ｈ９）及び８９（ＡＣ）〜１０３（Ｌｒ）で示される元
素の酸化物であり、これらは金属元素と酸素の比が整数
ではない非化学愚論的化合物となりやすいものである。

この非化学量論のために、これらの酸化物は周囲の酸素
分圧によって導電率が変化しやすくなるのである。又、
これらの１種又は２種以上からなるものも同様の効果を
示す。

中でもＴ　ｔ　Ｏｚ　、ＣＯＯｌＳ　ｎ　０２　、Ｚ　
ｎ　Ｏ、Ｎｂ２Ｏｓ及びＣｒｚＯａは、酸素分圧の変化
に対する導電率変化が大きいこと、耐久性にすぐれるこ
と等の点から好ましい。これらは遷移金属酸化物例えば
Ｃｏｏに遷移金属以外の金属の酸化物、例えばＭ２Ｏ等
を添加する等によって耐久性をあげる場合もある。

第１図（イ）〜（ニ）の部分破断斜視図を用いて固体電
解黄体１に設けられた酸素ポンプ素子２、酸素ガス検出
素子３及びガス拡散一部４の構成について説明する。

、第１図（イ）は、酸素ポンプ素子２と酸素ガス検出素
子３とが小間隙を介して対向状に配設されるとともに該
小間隙は微小な孔６によって周囲被測定ガスの流入が制
限されたガス拡散部４を形成している。なお、遮蔽板５
に設けられた酸素ガス検出素子３は図示されない電極及
びリード線につながれている。

第１図（ロ）は、酸素ガス検出素子３が、固体電解質２
上に設けられた点が（イ）と異なる。

唱 本例のように同一固体電解質板２上に酸素ポンプ素子２
と酸素ガス検出素子３とが設けられる場合には、酸素ポ
ンプ素子２の電極で酸素ガス検出素子３を取りかこむよ
うにしてもよく、又酸素ポンプ素子２に積層して酸素ガ
ス検出素子３を設けでもよい。

第１図（ハ）は、第１図（ロ）と同様に酸素がス検出素
子３が酸素ポンプ素子２と同じ固体電解質板１に設けら
れている。本例は、ガス拡散ｔｉｌ１手段として多孔質
体が用いられており、該多孔質体の酸素ポンプ素子の電
極近傍部分がガス拡散部４を構成する。

第１図（ニ）は、第１図（ハ）と同様に同一の固体電解
質板１上に酸素ポンプ素子２と酸素ガス検出素子３とを
設け、それらを多孔質体で覆ったものである。多孔質体
は、気孔率の低い表層と、気孔率の高い内層とからなっ
ており、気孔率の高い内層がガス拡散部４をなしている
。又、本例は、酸素ポンプ素子２のガス拡散部４に接し
ない電極が公知の手段によって作られた大気導入路によ
って大気と接触している。

さらに、これらの図中の要素を組み合わせてもよい。例
えば第１図（イ）に第１図（ニ）の如く大気導入路を設
けてもよい。

遮蔽板５としては、ＡｉｚＯａ、ムライト、スピネル等
を用いることができ、又多孔質体４としては、Ａｊｌｚ
Ｃ）＋、ムライト、スピネル等を用いることができる。

小間隙４の厚さは小間隙内、特に各素子間の成分ガス濃
度の不均一分布の防止のために０８０１〜０．２１１１
ｍが好ましい。多孔質体４は原料の粒度、耐火度等を調
整することにより気孔率が変わり、ガス拡散制限の効果
を調節できる。多孔質体４をガス拡散部として用いる場
合には、見掛は気孔率が５％以上であることが均一な成
分ガス分布のために好ましい。

［作用］ 本発明の空燃比センサーの作用について説明する。

先ず、混合気がリーン域である時、該空燃比センサーを
排ガス中にさらし、酸素ポンプ素子の外側（ガス拡散部
に接しない側）の電極に正、ガス拡散部側の電極に負の
電圧を印加することにより、酸素ポンプ素子の固体電解
質内を酸素イオンがガス拡散部側電極２から外側電極へ
移動し、ガス拡散部内に存在する酸素ガスが酸素ポンプ
素子の外側へ汲み出される。

上記の如くガス拡散部内から酸素ガスが汲み出されると
、ガス拡散部内の酸素ガス分圧はガス拡散部に設けた成
分ガス拡散制限手段の作用によって周囲被測定ガスの酸
素分圧に対して分圧差を生じる。そしてこの酸素ガス分
圧を酸素ガス検出素子の抵抗値として測定しこの抵抗値
が予め定めた一定値に維持されるように、酸素ポンプ素
子側に流す電流量（ポンプ電流）を変化させると、その
電流量上記分圧差に対応するので、測定ガス中の酸素ガ
スの含有率にほぼ直線的に変化するようにすることがで
き、酸素ガス濃度を求めることができる。

次に、混合気がリッチ側である時には、酸素ポンプ素子
を働かせてガス拡散部内の酸素ガス分圧を減少させなく
ても酸素ガス分圧が低いので、酸素ガス検出素子の抵抗
値を一定にするために、酸素ポンプ素子に流すポンプ電
流の向きは逆となる。

即ち、ガス拡散部内において、酸素が排ガス中の未燃焼
の炭化水素や一酸化炭素によって消費されるためにガス
拡散部内の酸素ガス分圧が小さくなりすぎてしまい、抵
抗値が所定の値よりも大きくなってしまうのである。そ
のため、抵抗値を所定の値に維持するよう、酸素ポンプ
素子によりガス拡散部内に酸素を送り込むことが必要と
なる。この時、ポンプ電流は、リーン域におけるポンプ
電流と逆向きになり、又、ポンプ電流は排ガス中の未燃
焼の炭化水素や一酸化炭素の量に対応する。

しかしながら、前述の第１図（イ）〜（ハ）のように、
酸素ポンプ素子のガス拡散部に接しない電極が測定雰囲
気にさらされている場合には、リッチ域において酸素ポ
ンプ素子の利用、できる酸素はそれほど多くないために
、およそＡ／Ｆ−１３（Ａ／Ｆは空燃比即ち空気と燃料
の比を表わす）程度までしか、ポンプ電流と空燃比は対
応しない。

このような場合には、前述の第１図（ニ）の如く、酸素
ポンプ素子のガス拡散部に接しない電極に大気を導入す
ることによって酸素ポンプ素子の利用できる酸素を確保
する必要がある。

即ち、上記空燃比センサーの酸素ガス検出素子の出力が
予め定めた一定値に維持されるように酸素ポンプ素子に
流すポンプ電流を調節する時、そのポンプ電流は空燃比
に対応する。この関係の模様を第２図に示す。尚、図中
においては破線部は、酸素ポンプ素子の酸素源として大
気を利用した場合に測定できる範囲である。

又、ポンプ電流を一定にした時の抵抗値から空燃比を求
めることもできる。

［実施例］ 本発明の第１実施例について説明する。

第３図は本実施例の部分破断斜視図である。

本実施例は、固体電解質板１０１に酸素ポンプ素子１０
２と酸素ガス検出素子１０３とが設けられ、固体電解質
板１０１、スペーサ１０４及び遮蔽板１０５によって形
成される小間隙がガス拡散部１０６となっている。スペ
ーサ１０４にはガス拡散制限孔１０８が設けられである
。又、固体電解質板１０１上の酸素ポンプ素子１０２近
傍には発熱体１０７が設けられている。

本実施例は次のようにして製造される。第４図ないし第
９図は本実施例の組み立て工程を示す図であり、各々（
イ）は組み立て工程における正面図、（ロ）はＡ−Ａ線
断面図を示している。

先ず、第４図の如く、Ｙ２Ｏ１ｌ−ＺｒＯｚ固溶体から
なる固体電解質板１０１に相当する５×３０Ｘ０．６ｍ
ｍのグリーンシート１１０の表裏面に白金ペーストを厚
膜法により酸素ポンプ素子１゜２の電極パターン１１１
．１１２として形成する。

次いで、第５図の如＜Ａ１２０ａからなる厚さ０．１１
Ｉ１１の窓のあるトゲリーンシート１１３を電極パター
ン１１２を該窓を通して露呈せしめる外は全体を覆うよ
う載置圧着する。

さらに、第６図の如く白金ペーストを厚膜法により、酸
素ガス検出素子１０３の電極及び発熱体１０７として、
電極パターン１１４．１１５を形成する。

次いで第７図の如く、ＡＡｚＯ：＋からなる厚さ０．１
１１の窓のあるグリーンシート１１６によって、酸素ポ
ンプ素子の電極パターン１１２、及び酸素ガス検出素子
の載置される部分以外を覆う。

さらに、第８図の如く、多孔質のジルコニアからなる保
護層１１７で、酸素ポンプ素子の電極１１２を覆い焼成
する。

次いで、第９図の如＜、Ｔ＋０２ペーストにより厚膜印
刷で電極パターン１１４．１１５を覆い、焼成する。

別途、第１０図の如＜ＡＡｚＯ３からなるガス、拡散部
１０６とガス拡散制限孔１０８を設けた５Ｘ３０ｘ０．
１ｍ＋＊のグリーンシートをスペーサー１０４として、
Ａ　Ａ　２０　ｇ　カらな８５Ｘ３０Ｘ０゜５１１のグ
リーンシートを遮蔽板１０５に噂載置圧着後不活性雰囲
気下で同時一体化焼成する。

さらに、前述の酸素ポンプ素子１０２、酸素ガス検出素
子１０３の設けられた固定電解質板１０１と、遮蔽板１
０５及びスペーサー１０４とをガラスを用いて接着し、
空燃比センサーとする。

本実施例の空燃比測定範囲のリッチ域側の限界はＡ／Ｆ
−１３程度であるが、通常の自動車のガソリンエンジン
では、急加速等のようにアクセルを最大に踏みこんだ場
合でも空燃比はＡ／Ｆ−１３程度なので本実施例の空燃
比センサーは、自動車の空燃比重−に使用する場合は、
実用上全範囲をカバーしていると言ってよい。

第１１図の部分破断斜視図及び第１２図の説明図によっ
て本発明の第２実施例について説明する。

本実施例は、固体電解質板２０１に酸素ポンプ素子２０
２と酸素ガス検出素子２０３とが設けられ、ガス拡散部
となる気孔率の高い多孔質体Ａ２０４を覆う多孔質体Ａ
２０４より気孔率の低い多孔質体Ｂ２Ｏ５がガス拡散制
限部となっている。

又、酸素ポンプ素子２０２の多孔質体Ａ２０４に接しな
い電極には大気導入路形成体２０６によって形成された
大気導入路２０７を介して大気が導入される。さらに酸
素ポンプ素子２０２の近傍には、発熱体２０８が設けら
れている。

第１実施例と同様にして固体電解質体に酸素ポンプ素子
２０２、酸素ガス検出素子２０３が設けられたのち、第
１２図の如く、酸素ポンプ素子２０２の電極保護層２０
９及び酸素ガス検出素子２０３を覆うように、粒径５μ
ｍ以下が５０％以上であるＡｊ１２０ａからなる気孔率
３％の多孔質体Ａ２０４を設け、さらに多孔質体Ａ２０
４を覆うように粒径２．５μｍ以下が８０％以上である
Ａ９、ｚｏｓからなる気孔率１％の多孔質体Ｂ２Ｏ５を
ガス拡散制限部として設ける。さらにＺｒ０ｚとＡ１２
０ｍとの混合焼結体である応力緩和層２１０とＡｕｔｏ
ｓからなる支持体２１１とによつて構成される大気導入
路形成体２０６によって大気導入路２０７が形成される
。

［発明の効果〕 本発明を用いることにより、内燃機関のリーン域からリ
ッチ域にわたる幅広い範囲での空燃比制御が可能となり
、さらに基準酸素源を必要とせず構造が簡単となる。即
ち、酸素濃度測定に基準酸素源を必要としないために、
測定中に基準酸素源の酸素ガス分圧が変化して誤動作す
る恐れがなく、安心して使用できる。

又、酸素ガス検出素子に遷移金属酸化物をつかうことに
よって応答性が優れるものとなる。

【図面の簡単な説明】

第１図（イ）〜（ニ）は本発明の構成例を示す部分破断
斜視図、第２図は本発明の詳細な説明図、第３図は本発
明の第１実施例の部分破断斜視図、第４図ないし第９図
はその製造の説明図であって各々（イ）は工程の平面図
、（ロ）はＡ−Ａ線断面図、第１０図はその構造を示す
説明図、第１１図は本発明の第２実施例を示す部分破断
斜視図、第１２図はその構成を示す説明図である。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １　固体電解質体の表裏面に１対の電極を有する酸素ポ
   ンプ素子と、 該酸素ポンプ素子の１方の電極に接しかつ周囲被測定ガ
   スの流入が制限されたガス拡散部と、該ガス拡散部内に
   設けられた、遷移金属酸化物を主成分とする周囲の酸素
   ガス分圧に対応して抵抗の変化する酸素ガス検出素子と を有することを特徴とする空燃比センサー。 ２　遷移金属酸化物が、ＳｎＯ＿２、ＴｉＯ＿２、Ｃｏ
   Ｏ、ＺｎＯ、Ｎｂ＿２Ｏ＿５及びＣｒ＿２Ｏ＿３から選
   ばれた、１種又は２種以上物質である特許請求の範囲第
   １項記載の空燃比センサー。 ３　ガス拡散部が測定ガスの拡散する小間隙である特許
   請求の範囲第１項又は第２項記載の空燃比センサー。 ４　ガス拡散部が多孔質体である特許請求の範囲第１項
   又は第２項記載の空燃比センサー。 ５　酸素ポンプ素子のガス拡散部に接しない電極が大気
   に接する特許請求の範囲第１項ないし第４項いずれか記
   載の空燃比センサー。