JPH0668482B2 - 空燃比センサ− - Google Patents
空燃比センサ−Info
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- JPH0668482B2 JPH0668482B2 JP60137586A JP13758685A JPH0668482B2 JP H0668482 B2 JPH0668482 B2 JP H0668482B2 JP 60137586 A JP60137586 A JP 60137586A JP 13758685 A JP13758685 A JP 13758685A JP H0668482 B2 JPH0668482 B2 JP H0668482B2
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- air
- fuel ratio
- electrodes
- electrode
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Description
【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明は内燃機関等、各種燃焼機器の排気中の酸素濃度
に基づき空燃比を検出する空燃比センサーに関するもの
である。
に基づき空燃比を検出する空燃比センサーに関するもの
である。
［従来の技術］ 内燃機関等、各種燃焼機器に供給される混合気の空燃比
を排気中の酸素濃度より検出する空燃比検出装置の一つ
として、板状の酸素イオン伝導性固体電解質の両面に多
孔室電極が設けられた２枚の素子を、間隙を介して対向
配設し、一方の素子を間隙内の酸素を周囲に汲み出す酸
素ポンプ素子、他方の素子を周囲雰囲気と間隙との酸素
濃度差によって電圧を生ずる酸素濃淡電池素子として、
少なくとも空燃比のリーン域において空燃比に対応した
信号を検出し得るよう構成されたものがある（特開昭５
９−１７８３５４）。
を排気中の酸素濃度より検出する空燃比検出装置の一つ
として、板状の酸素イオン伝導性固体電解質の両面に多
孔室電極が設けられた２枚の素子を、間隙を介して対向
配設し、一方の素子を間隙内の酸素を周囲に汲み出す酸
素ポンプ素子、他方の素子を周囲雰囲気と間隙との酸素
濃度差によって電圧を生ずる酸素濃淡電池素子として、
少なくとも空燃比のリーン域において空燃比に対応した
信号を検出し得るよう構成されたものがある（特開昭５
９−１７８３５４）。
ところがこの種の空燃比センサーの場合、空燃比のリー
ン域、即ち排気中に残留酸素が存在する場合だけでな
く、空燃比のリッチ域、即ち排気中に残留酸素が極めて
少量しか存在しない場合にでも、排気中のＣＯ、Ｃ
Ｏ２、Ｈ２Ｏ等の反応により、リーン域における信号と
同様の信号を発生する特性を有することがわかった。つ
まり検出信号に対して２つの空燃比が対応するようにな
るため、この種の空燃比センサーを用いて空燃比制御を
実行する場合、空燃比がリーン域にあるのか、あるいは
リッチ域にあるのかをはっきりさせる必要が生じてくる
のである。
ン域、即ち排気中に残留酸素が存在する場合だけでな
く、空燃比のリッチ域、即ち排気中に残留酸素が極めて
少量しか存在しない場合にでも、排気中のＣＯ、Ｃ
Ｏ２、Ｈ２Ｏ等の反応により、リーン域における信号と
同様の信号を発生する特性を有することがわかった。つ
まり検出信号に対して２つの空燃比が対応するようにな
るため、この種の空燃比センサーを用いて空燃比制御を
実行する場合、空燃比がリーン域にあるのか、あるいは
リッチ域にあるのかをはっきりさせる必要が生じてくる
のである。
そこで、酸素濃淡電池素子の酸素ポンプ素子に対向しな
い面に大気を導入し、検出信号が理論空燃比近傍で反転
することを防止するようにしたものが提案されている。
い面に大気を導入し、検出信号が理論空燃比近傍で反転
することを防止するようにしたものが提案されている。
［発明が解決しようとする問題点］ しかしながら、酸素濃淡電池素子の一面に大気を導入す
るため、構造が複雑になってしまう。
るため、構造が複雑になってしまう。
［問題点を解決するための手段］ 本発明の空燃比センサーは、大気を酸素濃淡電池素子の
一面に導入することなく、大気を導入した場合と同等の
効果を得るようにしたものであり、その構成は、 酸素イオン伝導性固体電解質板の表裏面に一対の多孔質
電極ａ，ｂを有する第１の素子と、 酸素イオン伝導性固体電解質板の表裏面に一対の多孔質
電極ｃ，ｄを有する第２の素子と、 上記第１の素子の電極ａと接し、大気側に配置された漏
出抵抗部を介して大気と連通する内部基準酸素源室と、 上記第１の素子の電極ｂ及び上記第２の素子の電極ｃの
両者と接し、ガス拡散制限部を介して測定ガス雰囲気と
連通する測定ガス室と を備え、 上記電極ａと電極ｂとの間に電極ｂから電極ａに向けて
酸素を流し込む方向に所定の略定電流を流すとともに、 上記第１の素子の上記電極ａ，ｂ間の電圧が一定値とな
るように上記第２の素子の電極ｃ，ｄ間に通電する電流
の方向と大きさを調節し、そのときの電流を検出して空
燃比出力とするか、 又は、上記第２の素子上記電極ｃ，ｄ間に所定の方向と
大きさの電流を通電し、そのときの上記第１の素子の電
極ａ，ｂ間の電圧を検出して空燃比出力とすることを特
徴とする。
一面に導入することなく、大気を導入した場合と同等の
効果を得るようにしたものであり、その構成は、 酸素イオン伝導性固体電解質板の表裏面に一対の多孔質
電極ａ，ｂを有する第１の素子と、 酸素イオン伝導性固体電解質板の表裏面に一対の多孔質
電極ｃ，ｄを有する第２の素子と、 上記第１の素子の電極ａと接し、大気側に配置された漏
出抵抗部を介して大気と連通する内部基準酸素源室と、 上記第１の素子の電極ｂ及び上記第２の素子の電極ｃの
両者と接し、ガス拡散制限部を介して測定ガス雰囲気と
連通する測定ガス室と を備え、 上記電極ａと電極ｂとの間に電極ｂから電極ａに向けて
酸素を流し込む方向に所定の略定電流を流すとともに、 上記第１の素子の上記電極ａ，ｂ間の電圧が一定値とな
るように上記第２の素子の電極ｃ，ｄ間に通電する電流
の方向と大きさを調節し、そのときの電流を検出して空
燃比出力とするか、 又は、上記第２の素子上記電極ｃ，ｄ間に所定の方向と
大きさの電流を通電し、そのときの上記第１の素子の電
極ａ，ｂ間の電圧を検出して空燃比出力とすることを特
徴とする。
第１の素子及び第２の素子に使用される酸素イオン伝導
性固体電解質としては、ジルコニアとイットリアの固溶
体、あるいはジルコニアとカルシアとの固溶体等が代表
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も使用可能であ
る。またその固体電解質両面に設けられる多孔質電極
ａ，ｂ，ｃ，ｄとしては、酸化反応の触媒作用を有する
白金やロジウム等を用いればよく、その形成方法として
は、これらの金属粉末を主成分としてこれに固体電解質
と同じセラミック材料の粉末を混合してペースト化し、
厚膜技術を用いて印刷後、焼結して形成する方法、ある
いはフレーム溶射、化学メッキ、蒸着等の薄膜技術を用
いて形成する。さらに排ガスにさらされる電極ｂ，ｃ，
ｄはその電極層に更に、アルミナ、スピネル、ジルコニ
ア、ムライト等の多孔質保護層を厚膜技術を用いて形成
することが好ましい。
性固体電解質としては、ジルコニアとイットリアの固溶
体、あるいはジルコニアとカルシアとの固溶体等が代表
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も使用可能であ
る。またその固体電解質両面に設けられる多孔質電極
ａ，ｂ，ｃ，ｄとしては、酸化反応の触媒作用を有する
白金やロジウム等を用いればよく、その形成方法として
は、これらの金属粉末を主成分としてこれに固体電解質
と同じセラミック材料の粉末を混合してペースト化し、
厚膜技術を用いて印刷後、焼結して形成する方法、ある
いはフレーム溶射、化学メッキ、蒸着等の薄膜技術を用
いて形成する。さらに排ガスにさらされる電極ｂ，ｃ，
ｄはその電極層に更に、アルミナ、スピネル、ジルコニ
ア、ムライト等の多孔質保護層を厚膜技術を用いて形成
することが好ましい。
内部基準酸度源室は、例えば第１の素子に、該素子の電
極ａに対応する凹部を有するＡ２Ｏ３、スピネル、フ
ォルステライト、ステアタイト、ジルコニア等からなる
遮蔽体を積層して実現できる。また、この凹部を設けず
に電極ａ自体を内部基準酸素源室としてもよい。
極ａに対応する凹部を有するＡ２Ｏ３、スピネル、フ
ォルステライト、ステアタイト、ジルコニア等からなる
遮蔽体を積層して実現できる。また、この凹部を設けず
に電極ａ自体を内部基準酸素源室としてもよい。
更に、本発明では、漏出抵抗部は大気側に酸素を漏出す
る様に設けるが、この漏出抵抗部としては、多孔質の電
極の大気側の端部，上記凹部から大気側に連通する微
孔，遮蔽体形成材料に存在した大気側に連通する僅かな
連通気孔等の構成を採用できる。
る様に設けるが、この漏出抵抗部としては、多孔質の電
極の大気側の端部，上記凹部から大気側に連通する微
孔，遮蔽体形成材料に存在した大気側に連通する僅かな
連通気孔等の構成を採用できる。
測定ガス室は、例えば第１の素子と第２の素子との間に
Ａ２Ｏ３、スピネル、フォルステライト、ステアタイ
ト、ジルコニア等からなる層状中間部材としてのスペー
サを第１の素子の電極ｂと第２の素子の電極ｃ間に偏平
な閉鎖状の室が形成されるようにして挟むことによって
設けられる。そしてガス拡散制限部としてこのスペーサ
の一部に測定ガス雰囲気と測定ガス室とを連通させる孔
を設ける。このガス拡散制限部は、上記スペーサの一部
あるいは全部を多孔質体で置き換えたり、スペーサ（厚
膜コートを含む）に孔を設けたり、更には、スペーサを
第１の素子と第２の素子の端子側にのみに設けて第１の
素子と第２の素子との間に空隙を形成し、この空隙を測
定ガス室と一体のガス拡散制限間隙として設けることが
できる。また上記空隙の全体に、電気絶縁性であること
が望ましい多孔質材を配してもよい。
Ａ２Ｏ３、スピネル、フォルステライト、ステアタイ
ト、ジルコニア等からなる層状中間部材としてのスペー
サを第１の素子の電極ｂと第２の素子の電極ｃ間に偏平
な閉鎖状の室が形成されるようにして挟むことによって
設けられる。そしてガス拡散制限部としてこのスペーサ
の一部に測定ガス雰囲気と測定ガス室とを連通させる孔
を設ける。このガス拡散制限部は、上記スペーサの一部
あるいは全部を多孔質体で置き換えたり、スペーサ（厚
膜コートを含む）に孔を設けたり、更には、スペーサを
第１の素子と第２の素子の端子側にのみに設けて第１の
素子と第２の素子との間に空隙を形成し、この空隙を測
定ガス室と一体のガス拡散制限間隙として設けることが
できる。また上記空隙の全体に、電気絶縁性であること
が望ましい多孔質材を配してもよい。
［作用］ 第１の素子は酸素発生及び酸素濃淡電池素子、第２の素
子は酸素ポンプ素子としての作用をもつ。即ち、 第１の素子の一つの作用は酸素発生であって、適当な温
度条件（例えば固体電解質が安定化ジルコニアの場合に
は４００℃以上）において固体電解質板の両面間に電圧
をかけることにより固体電解質板中を酸素イオンが移動
する性質を利用している。この素子は、測定ガス室に接
する電極ｂと、内部基準酸素源室に接する電極ａとの間
に酸素イオンが電極ｂから電極ａに向かって流れるよう
に、即ち、電極ｂを負、電極ａを正とするよう電圧をか
けることにより、測定ガス室中の酸素を電極ａ近傍に輸
送し、内部基準酸素源室に酸素を発生させる。
子は酸素ポンプ素子としての作用をもつ。即ち、 第１の素子の一つの作用は酸素発生であって、適当な温
度条件（例えば固体電解質が安定化ジルコニアの場合に
は４００℃以上）において固体電解質板の両面間に電圧
をかけることにより固体電解質板中を酸素イオンが移動
する性質を利用している。この素子は、測定ガス室に接
する電極ｂと、内部基準酸素源室に接する電極ａとの間
に酸素イオンが電極ｂから電極ａに向かって流れるよう
に、即ち、電極ｂを負、電極ａを正とするよう電圧をか
けることにより、測定ガス室中の酸素を電極ａ近傍に輸
送し、内部基準酸素源室に酸素を発生させる。
第１の素子は又酸素濃淡電池としての作用を持ち適当な
温度条件において、固体電解質板の両面の電極間にそれ
ぞれの表面における酸素ガス分圧の比に対応した電圧
（起電力）が生じる性質を利用している。この素子は、
前述の内部基準酸素源室の酸素を基準酸素源として測定
ガス室内の酸素ガス分圧を測定する。
温度条件において、固体電解質板の両面の電極間にそれ
ぞれの表面における酸素ガス分圧の比に対応した電圧
（起電力）が生じる性質を利用している。この素子は、
前述の内部基準酸素源室の酸素を基準酸素源として測定
ガス室内の酸素ガス分圧を測定する。
第２の素子は酸素ポンプ素子であって第１の素子と同
様、適当な温度条件において固体電解質板の両面間の電
極に電圧をかけることにより固体電解質板中を酸素イオ
ンが移動する性質を利用している。この酸素ポンプ素子
は、２つの電極ｃ，ｄ間に電圧をかけることによりガス
拡散室内の酸素を汲み出したり、又場合によってはガス
拡散室内に酸素を汲み入れる。
様、適当な温度条件において固体電解質板の両面間の電
極に電圧をかけることにより固体電解質板中を酸素イオ
ンが移動する性質を利用している。この酸素ポンプ素子
は、２つの電極ｃ，ｄ間に電圧をかけることによりガス
拡散室内の酸素を汲み出したり、又場合によってはガス
拡散室内に酸素を汲み入れる。
この空燃比センサーの各素子の基本的動作は次の通りで
ある。
ある。
先ず、第１の素子の電極間に電極ａを正、電極ｂを負と
するよう所定電圧（例えば５Ｖ）を抵抗（例えば５００
ＫΩ）を介してかけることにより所定電流を流して測定
ガス室内から内部基準酸素源室に酸素を輸送する。この
時の電流は数〜数十μＡ（例えば１０μＡ）程度であ
り、この電流による第１の素子の固体電解質板における
電圧降下は数〜数十ｍＶ（例えば１０ｍＶ）である。
するよう所定電圧（例えば５Ｖ）を抵抗（例えば５００
ＫΩ）を介してかけることにより所定電流を流して測定
ガス室内から内部基準酸素源室に酸素を輸送する。この
時の電流は数〜数十μＡ（例えば１０μＡ）程度であ
り、この電流による第１の素子の固体電解質板における
電圧降下は数〜数十ｍＶ（例えば１０ｍＶ）である。
次いで、内部基準酸素源室内の酸素ガス分圧が測定ガス
室内の酸素ガス分圧より高くなると、この酸素ガス分圧
比によって電極ａ，ｂ間の起電力が生じる。内部基準酸
素源室内の酸素ガス分圧の上昇が、漏出抵抗部の漏出作
用により押えられてほぼ一定の酸素ガス分圧となった時
の上記起電力は、測定ガス室内の雰囲気がほぼ理論空燃
比であるときは、数百ｍＶ（例えば４００〜６００ｍ
Ｖ）であって、又測定室内のガスがリッチ域にあるとき
とリーン域にあるときでの変化も数百ｍＶ単位である。
室内の酸素ガス分圧より高くなると、この酸素ガス分圧
比によって電極ａ，ｂ間の起電力が生じる。内部基準酸
素源室内の酸素ガス分圧の上昇が、漏出抵抗部の漏出作
用により押えられてほぼ一定の酸素ガス分圧となった時
の上記起電力は、測定ガス室内の雰囲気がほぼ理論空燃
比であるときは、数百ｍＶ（例えば４００〜６００ｍ
Ｖ）であって、又測定室内のガスがリッチ域にあるとき
とリーン域にあるときでの変化も数百ｍＶ単位である。
即ち第１の素子の端子間電圧は、内部基準酸素源に該素
子を用いて酸素を輸送するために該素子の内部抵抗（通
常は約１ｋΩ）に抗する電圧（数〜数十ｍＶ）と、内部
基準酸素源室内の酸素ガス分圧と測定ガス室内の酸素ガ
ス分圧との比による起電力（数百ｍＶ）との和となる。
この端子間電圧は測定ガス室内のガスがリッチ域の場合
とリーン域の場合との間で数百ｍＶの差が生じ、かつそ
の差はリッチ域とリーン域との境すなわち理論空燃比状
態でステップ状に変化する。
子を用いて酸素を輸送するために該素子の内部抵抗（通
常は約１ｋΩ）に抗する電圧（数〜数十ｍＶ）と、内部
基準酸素源室内の酸素ガス分圧と測定ガス室内の酸素ガ
ス分圧との比による起電力（数百ｍＶ）との和となる。
この端子間電圧は測定ガス室内のガスがリッチ域の場合
とリーン域の場合との間で数百ｍＶの差が生じ、かつそ
の差はリッチ域とリーン域との境すなわち理論空燃比状
態でステップ状に変化する。
第２の素子はこの第１の素子の変化特性を利用して、測
定ガス室内の空燃比状態が周囲排ガスの空燃比状態の如
何によらず、以下に述べる様に、第２素子の電極ｃ，ｄ
間に流す電流によって、常にほぼ理論空燃比となるよう
に測定ガス室内に外部から酸素を汲み入れたり、汲み出
したりする。
定ガス室内の空燃比状態が周囲排ガスの空燃比状態の如
何によらず、以下に述べる様に、第２素子の電極ｃ，ｄ
間に流す電流によって、常にほぼ理論空燃比となるよう
に測定ガス室内に外部から酸素を汲み入れたり、汲み出
したりする。
尚、前述の通り内部基準酸素源室の酸素は測定ガス室内
から供給されているために、第２の素子が動作していな
い時でも測定ガス室内の酸素ガス分圧は周囲の測定ガス
と全く同じにはならず１種のバイアスがかかる。しかし
測定ガス室内をほぼ理論空燃比状態となるように、第２
の素子に加える電流は通常数〜数十ｍＡであり、前述の
内部基準酸素発生に用いられた電流（数〜数十μＡ）に
比べて十分大きいので、この差は実際上、無視できる。
から供給されているために、第２の素子が動作していな
い時でも測定ガス室内の酸素ガス分圧は周囲の測定ガス
と全く同じにはならず１種のバイアスがかかる。しかし
測定ガス室内をほぼ理論空燃比状態となるように、第２
の素子に加える電流は通常数〜数十ｍＡであり、前述の
内部基準酸素発生に用いられた電流（数〜数十μＡ）に
比べて十分大きいので、この差は実際上、無視できる。
即ち、本発明では第１の素子の端子間の電圧が所定の一
定値になるよう、第２の素子を用いて測定ガス室の酸素
を汲み出したり汲み入れたりさせ、その時第２の素子に
流れる電流（以下、ポンプ電流ともいう。）を検出して
排ガスの空燃比出力とする。あるいは、その逆に第２の
素子のポンプ電流を一定値に制御して測定ガス室の酸素
を所定量だけ汲み出すか汲み入れ、その時第１の素子の
端子間の電圧を検出することによって、排ガスの空燃比
に応じた信号を検出することができる。
定値になるよう、第２の素子を用いて測定ガス室の酸素
を汲み出したり汲み入れたりさせ、その時第２の素子に
流れる電流（以下、ポンプ電流ともいう。）を検出して
排ガスの空燃比出力とする。あるいは、その逆に第２の
素子のポンプ電流を一定値に制御して測定ガス室の酸素
を所定量だけ汲み出すか汲み入れ、その時第１の素子の
端子間の電圧を検出することによって、排ガスの空燃比
に応じた信号を検出することができる。
本発明の空燃比センサーを、第１の素子（以下電池素
子）の電子間電圧Ｖｓを一定に維持するように第２の素
子（以下ポンプ素子）のポンプ電流Ｉｐを双方向に流す
空燃比信号検出回路に接続する場合についてさらに説明
する。
子）の電子間電圧Ｖｓを一定に維持するように第２の素
子（以下ポンプ素子）のポンプ電流Ｉｐを双方向に流す
空燃比信号検出回路に接続する場合についてさらに説明
する。
まず、測定室内の酸素ガス分圧Ｐobsと内部基準酸素源
室内の酸素ガス分圧Ｐrefとが各々一定の値となった
時、即ち定常状態となったとする。この時ポンプ素子に
よって測定ガス室内の空燃比が化学当量点（以下λ＝
１）となる如く、電池素子の端子間電圧Ｖｓを一定値Ｖ
refとする。Ｖrefは、測定ガス室内がリーン域の時の端
子間電圧Ｖｓと測定ガス室内がリッチ域の時の端子間電
圧Ｖｓとの中間となるように、即ち、リッチ域とリーン
域との間の端子間電圧Ｖｓのステップ状変化内の値とす
る。
室内の酸素ガス分圧Ｐrefとが各々一定の値となった
時、即ち定常状態となったとする。この時ポンプ素子に
よって測定ガス室内の空燃比が化学当量点（以下λ＝
１）となる如く、電池素子の端子間電圧Ｖｓを一定値Ｖ
refとする。Ｖrefは、測定ガス室内がリーン域の時の端
子間電圧Ｖｓと測定ガス室内がリッチ域の時の端子間電
圧Ｖｓとの中間となるように、即ち、リッチ域とリーン
域との間の端子間電圧Ｖｓのステップ状変化内の値とす
る。
端子間電圧ＶｓがＶref一定となると、電池素子内を測
定ガス室から内部基準酸素源室に酸素を汲み入れる電流
Ｉcpも一定となる。
定ガス室から内部基準酸素源室に酸素を汲み入れる電流
Ｉcpも一定となる。
このＩcpの値は、内部基準酸素源室の酸素ガス分圧Ｐre
fが一定であるので、内部基準酸素源室から漏出抵抗部
を経て大気側に漏出する酸素ガス量ｑを示す。即ちｑ＝
Ｉcp／４Ｆ（Ｆはファラディー定数）である。また、漏
出する酸素ガス量ｑは、内部基準酸素源の酸素ガス分圧
Ｐrefと大気の酸素ガス分圧Ｐairとの差に比例するの
で、 Ｐref−Ｐair＝ｑ・σ… （σは漏出経路の漏出抵抗係数） となり、変形すると、 Ｐref＝Ｐair＋ｑ・σ… となる。
fが一定であるので、内部基準酸素源室から漏出抵抗部
を経て大気側に漏出する酸素ガス量ｑを示す。即ちｑ＝
Ｉcp／４Ｆ（Ｆはファラディー定数）である。また、漏
出する酸素ガス量ｑは、内部基準酸素源の酸素ガス分圧
Ｐrefと大気の酸素ガス分圧Ｐairとの差に比例するの
で、 Ｐref−Ｐair＝ｑ・σ… （σは漏出経路の漏出抵抗係数） となり、変形すると、 Ｐref＝Ｐair＋ｑ・σ… となる。
ここで内部基準酸素源室の酸素ガス分圧Ｐrefを大気の
酸素ガス分圧Ｐairの２倍にするには、前述の式より ｑ・σ＝０．２kg／cm2… となる如く、漏出抵抗係数σ及び／又は酸素を汲み入れ
る電流Ｉcpを調整すればよい。
酸素ガス分圧Ｐairの２倍にするには、前述の式より ｑ・σ＝０．２kg／cm2… となる如く、漏出抵抗係数σ及び／又は酸素を汲み入れ
る電流Ｉcpを調整すればよい。
上述の如く調整された空燃比センサーの内部基準酸素源
の酸素ガス分圧Ｐrefは Ｐref＝０．４kg／cm2 となる。このように内部基準酸素源の酸素ガス分圧Ｐre
fが大気の場合の２倍相当となってもＶrefはＶｓのステ
ップ状変化内の値であるので端子電圧Ｖｓを４００〜６
００ｍＶ内の適当値に選んだＶref値となるようにポン
プ電流Ｉｐによってポンプ素子で調整することにより測
定ガス室内をλ＝１となるよう調整できる。
の酸素ガス分圧Ｐrefは Ｐref＝０．４kg／cm2 となる。このように内部基準酸素源の酸素ガス分圧Ｐre
fが大気の場合の２倍相当となってもＶrefはＶｓのステ
ップ状変化内の値であるので端子電圧Ｖｓを４００〜６
００ｍＶ内の適当値に選んだＶref値となるようにポン
プ電流Ｉｐによってポンプ素子で調整することにより測
定ガス室内をλ＝１となるよう調整できる。
［実施例］ 第１図の部分破断図及び第２図の分解説明図によって本
発明の一実施例について説明する。尚、説明上、各図の
部分ごとの縮尺は異なる。
発明の一実施例について説明する。尚、説明上、各図の
部分ごとの縮尺は異なる。
本実施例の空燃比センサーは第１図及び第２図に示す如
く、 電極ａ１と電極ｂ２と固体電解質板３とからなる第１の
素子Ａと、 電極ｃ４と電極ｄ５と固体電解質板６とからなる第２の
素子Ｂと、 第１の素子Ａと遮蔽体７との重ね合せ部分に、ここでは
埋設多孔質電極１として形成され、電極ａ１から延長さ
れて端面を大気側に露出する漏出抵抗部である多孔質層
Ｇ、即ち多孔質電極ａ１の延長部であってもよいものを
介して大気と連通する内部基準酸素源室Ｒと、 第１の素子Ａと第２の素子Ｂとが層状中間部材としての
スペーサ８を介して積層されてそれらの対向する電極ｂ
２、電極ｃ４間に形成される測定ガス室９とからなる。
尚、本実施例ではスペーサ８の３カ所を切り欠いて孔と
しガス拡散制限部Ｔとした。
く、 電極ａ１と電極ｂ２と固体電解質板３とからなる第１の
素子Ａと、 電極ｃ４と電極ｄ５と固体電解質板６とからなる第２の
素子Ｂと、 第１の素子Ａと遮蔽体７との重ね合せ部分に、ここでは
埋設多孔質電極１として形成され、電極ａ１から延長さ
れて端面を大気側に露出する漏出抵抗部である多孔質層
Ｇ、即ち多孔質電極ａ１の延長部であってもよいものを
介して大気と連通する内部基準酸素源室Ｒと、 第１の素子Ａと第２の素子Ｂとが層状中間部材としての
スペーサ８を介して積層されてそれらの対向する電極ｂ
２、電極ｃ４間に形成される測定ガス室９とからなる。
尚、本実施例ではスペーサ８の３カ所を切り欠いて孔と
しガス拡散制限部Ｔとした。
電極ｄ５は端子１０に、電極ａ１、電極ｂ２、電極ｃ４
は各々スルーホールを介して端子１１，１２，１３に接
続される。尚、第２図において１点鎖線はスルーホール
の対応を示し、又、２点鎖線は各部の対応を示してい
る。
は各々スルーホールを介して端子１１，１２，１３に接
続される。尚、第２図において１点鎖線はスルーホール
の対応を示し、又、２点鎖線は各部の対応を示してい
る。
各部の寸法は、固体電解質板３，６は厚さ０．５mm×幅
４mm×長さ２５mm、電極ａ１、電極ｂ２、電極ｃ４、電
極ｄ５は２．４mm×７．２mmである。スペーサ８は厚さ
６０μｍ×幅４mm×長さ２５mmであって２．４mm×７．
７mmの測定ガス室９を有し、三方向に幅０．５mmの孔か
らなるガス拡散制限部Ｔを有する。遮蔽体７は厚さ０．
５mm×幅４mm×長さ２５mmである。
４mm×長さ２５mm、電極ａ１、電極ｂ２、電極ｃ４、電
極ｄ５は２．４mm×７．２mmである。スペーサ８は厚さ
６０μｍ×幅４mm×長さ２５mmであって２．４mm×７．
７mmの測定ガス室９を有し、三方向に幅０．５mmの孔か
らなるガス拡散制限部Ｔを有する。遮蔽体７は厚さ０．
５mm×幅４mm×長さ２５mmである。
本実施例の各素子の固体電解質３，６はいずれもＹ２Ｏ
３−ＺｒＯ２固体電解質である。各素子の電極１，２，
４，５は白金に１０重量％のＹ２Ｏ３−ＺｒＯ２を添加
した多孔質体である。遮蔽体７及びスペーサ８はジルコ
ニアである。
３−ＺｒＯ２固体電解質である。各素子の電極１，２，
４，５は白金に１０重量％のＹ２Ｏ３−ＺｒＯ２を添加
した多孔質体である。遮蔽体７及びスペーサ８はジルコ
ニアである。
本実施例の使用法の一例について第３図の構成図によっ
て説明する。尚、本図の空燃比センサーＳは説明上端子
１０，１１，１２，１３を省略し、電極１，２，４，５
に直接回路へのリード線が接続するよう描いてある。
て説明する。尚、本図の空燃比センサーＳは説明上端子
１０，１１，１２，１３を省略し、電極１，２，４，５
に直接回路へのリード線が接続するよう描いてある。
この空燃比センサーＳは排気管１００に、ネジ部１０
１，固定部１０２によって取り付ける。
１，固定部１０２によって取り付ける。
第１の素子Ａ及び第２の素子Ｂの電極１，２，４，５は
空燃比信号検出回路２０１に接続される。
空燃比信号検出回路２０１に接続される。
空燃比信号検出回路２０１は、第１の素子によって内部
基準酸素源室Ｒに酸素を発生させ、該基準酸素分圧と測
定ガス室９内の酸素ガス分圧比に応じた電極ａ１、電極
ｂ２間の出力が、所定の一定電圧となるよう、即ちガス
拡散室９内の空燃比が一定となるよう、第２の素子Ｂに
流れるポンプ電流を双方向に制御し、その電流値を空燃
比信号Ｖλとして検出する。
基準酸素源室Ｒに酸素を発生させ、該基準酸素分圧と測
定ガス室９内の酸素ガス分圧比に応じた電極ａ１、電極
ｂ２間の出力が、所定の一定電圧となるよう、即ちガス
拡散室９内の空燃比が一定となるよう、第２の素子Ｂに
流れるポンプ電流を双方向に制御し、その電流値を空燃
比信号Ｖλとして検出する。
この空燃比信号検出回路２０１は、例えば、第４図に示
す如く、５個の演算増幅器ＯＰ１ないしＯＰ５を中心に
構成され、第１の素子Ａの出力Ｖｓを増幅してから基準
電圧Ｖｃと比較し、その差に応じた電圧によってポンプ
電流を双方向に制御し、このポンプ電流をＯＰ５によっ
て空燃比信号Ｖλを出力するものを用いればよい。
す如く、５個の演算増幅器ＯＰ１ないしＯＰ５を中心に
構成され、第１の素子Ａの出力Ｖｓを増幅してから基準
電圧Ｖｃと比較し、その差に応じた電圧によってポンプ
電流を双方向に制御し、このポンプ電流をＯＰ５によっ
て空燃比信号Ｖλを出力するものを用いればよい。
又、本実施例の空燃比センサーは、電極ｂ２と電極ｃ４
との電位が同じとなるような回路を用いて、空燃比を測
定することも可能であり、その場合には仮に電極ｂ，ｃ
が接触しても測定に影響を与えない。そのため電極ｂ，
ｃを共通の一枚の電極とするここともできる。
との電位が同じとなるような回路を用いて、空燃比を測
定することも可能であり、その場合には仮に電極ｂ，ｃ
が接触しても測定に影響を与えない。そのため電極ｂ，
ｃを共通の一枚の電極とするここともできる。
このような空燃比信号検出回路２０１を使用することに
よって第５図に示す如き、空燃比信号Ｖλが、λ＝１の
点での設定電圧Ｖλ＝１を通り、リッチからリーンにか
けて連続的に変化する特性が得られる。尚、この空燃比
信号Ｖλの特性は第１の素子Ａ及び第２の素子Ｂと空燃
比信号検出回路２０１の各接続端子Ｐ１ないしＰ４との
接続方向を変更することによって、破線で示す傾きの特
性とすることができる。
よって第５図に示す如き、空燃比信号Ｖλが、λ＝１の
点での設定電圧Ｖλ＝１を通り、リッチからリーンにか
けて連続的に変化する特性が得られる。尚、この空燃比
信号Ｖλの特性は第１の素子Ａ及び第２の素子Ｂと空燃
比信号検出回路２０１の各接続端子Ｐ１ないしＰ４との
接続方向を変更することによって、破線で示す傾きの特
性とすることができる。
［発明の効果］ 本発明の空燃比センサーは、第１の素子Ａに常に電流を
流すことによって内部基準酸素源室に酸素を発生させ、
この酸素を基準酸素として用いることにより、第１の素
子の第２の素子と対向しない側の電極ａに大気を導入し
た時と同じ測定精度で自動車用内燃機関等の空燃比が測
定できる効果を与えるものである。
流すことによって内部基準酸素源室に酸素を発生させ、
この酸素を基準酸素として用いることにより、第１の素
子の第２の素子と対向しない側の電極ａに大気を導入し
た時と同じ測定精度で自動車用内燃機関等の空燃比が測
定できる効果を与えるものである。
本発明の空燃比センサーは大気導入のための大きな開口
部が不用となり、簡単な防水処理で充分な防水対策を行
うことができる。
部が不用となり、簡単な防水処理で充分な防水対策を行
うことができる。
また、本発明によれば、空燃比センサーの漏出抵抗部
は、センサーの先端の測定ガス側ではなく大気側に配置
されている。従って、漏出抵抗部は比較的温度が低く且
つ安定した部分に配置されていることになるので、その
漏出の抵抗値（拡散抵抗値）の温度依存性が抑えられて
安定したものとなる。更に、漏出抵抗部は、酸素分圧の
安定した雰囲気、即ち大気に接しているので、酸素濃度
が安定したいわば酸素シンクに接していると言える。
は、センサーの先端の測定ガス側ではなく大気側に配置
されている。従って、漏出抵抗部は比較的温度が低く且
つ安定した部分に配置されていることになるので、その
漏出の抵抗値（拡散抵抗値）の温度依存性が抑えられて
安定したものとなる。更に、漏出抵抗部は、酸素分圧の
安定した雰囲気、即ち大気に接しているので、酸素濃度
が安定したいわば酸素シンクに接していると言える。
これらのことから、本発明の空燃比センサーが、状態の
変動が大きな測定ガス曝されても、例えばセンサ温度が
大幅に変動するとともに、空燃比も大幅に変動する排ガ
スに曝されても、センサーの内部基準酸素源室の酸素分
圧は安定化しているので、空燃比センサーの高い測定精
度が全領域において保証されることになる。
変動が大きな測定ガス曝されても、例えばセンサ温度が
大幅に変動するとともに、空燃比も大幅に変動する排ガ
スに曝されても、センサーの内部基準酸素源室の酸素分
圧は安定化しているので、空燃比センサーの高い測定精
度が全領域において保証されることになる。
また、本発明では、漏出抵抗部は測定ガス側になく、よ
ってその開放端が測定ガスに曝されないので、漏出抵抗
部の開放端部分にカーボン等の可燃成分が付着すること
がない。従って、排ガス等の温度が急上昇した際に、付
着したカーボン等が一挙に燃焼して、その部分の酸素分
圧を低下させ、更にはセンサーの内部基準酸素源室の酸
素分圧をも低下させて、不正確な酸素濃度が測定される
ことがない。
ってその開放端が測定ガスに曝されないので、漏出抵抗
部の開放端部分にカーボン等の可燃成分が付着すること
がない。従って、排ガス等の温度が急上昇した際に、付
着したカーボン等が一挙に燃焼して、その部分の酸素分
圧を低下させ、更にはセンサーの内部基準酸素源室の酸
素分圧をも低下させて、不正確な酸素濃度が測定される
ことがない。
第１図は本発明の第１実施例を説明する部分破断斜視
図、 第２図はその分解斜視図、 第３図はその使用例を説明する構成図、 第４図はその使用例における回路図、 第５図はその使用例の空燃比に対する信号の特性図であ
る。 Ａ……第１の素子 Ｂ……第２の素子 Ｇ……漏出抵抗部 Ｒ……内部基準酸素源室 Ｔ……ガス拡散制限部 １，２，４，５……電極ａ，ｂ，ｃ，ｄ ３，６……固体電解質板 ９……測定ガス室
図、 第２図はその分解斜視図、 第３図はその使用例を説明する構成図、 第４図はその使用例における回路図、 第５図はその使用例の空燃比に対する信号の特性図であ
る。 Ａ……第１の素子 Ｂ……第２の素子 Ｇ……漏出抵抗部 Ｒ……内部基準酸素源室 Ｔ……ガス拡散制限部 １，２，４，５……電極ａ，ｂ，ｃ，ｄ ３，６……固体電解質板 ９……測定ガス室
Claims (1)
- 【請求項１】酸素イオン伝導性固体電解質板の表裏面に
一対の多孔質電極ａ，ｂを有する第１の素子と、 酸素イオン伝導性固体電解質板の表裏面に一対の多孔質
電極ｃ，ｄを有する第２の素子と、 上記第１の素子の電極ａと接し、大気側に配置された漏
出抵抗部を介して大気と連通する内部基準酸素源室と、 上記第１の素子の電極ｂ及び上記第２の素子の電極ｃの
両者と接し、ガス拡散制限部を介して測定ガス雰囲気と
連通する測定ガス室と を備え、 上記電極ａと電極ｂとの間に電極ｂから電極ａに向けて
酸素を流し込む方向に所定の略定電流を流すとともに、 上記第１の素子の上記電極ａ，ｂ間の電圧が所定の一定
値となるように上記第２の素子の電極ｃ，ｄ間に通電す
る電流の方向と大きさを調節し、そのときの電流を検出
して空燃比出力とするか、 又は、上記第２の素子上記電極ｃ，ｄ間に所定の方向と
大きさの電流を通電し、そのときの上記第１の素子の電
極ａ，ｂ間の電圧を検出して空燃比出力とすることを特
徴とする空燃比センサー。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP60137586A JPH0668482B2 (ja) | 1985-06-24 | 1985-06-24 | 空燃比センサ− |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP60137586A JPH0668482B2 (ja) | 1985-06-24 | 1985-06-24 | 空燃比センサ− |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPS61296262A JPS61296262A (ja) | 1986-12-27 |
| JPH0668482B2 true JPH0668482B2 (ja) | 1994-08-31 |
Family
ID=15202175
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP60137586A Expired - Lifetime JPH0668482B2 (ja) | 1985-06-24 | 1985-06-24 | 空燃比センサ− |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH0668482B2 (ja) |
Families Citing this family (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2006112918A (ja) * | 2004-10-14 | 2006-04-27 | Hitachi Ltd | 酸素センサ |
| JP5749781B2 (ja) * | 2010-03-29 | 2015-07-15 | 日本碍子株式会社 | ガスセンサ |
| JP2011227061A (ja) | 2010-03-29 | 2011-11-10 | Ngk Insulators Ltd | ガスセンサ |
| JP2010164589A (ja) * | 2010-04-30 | 2010-07-29 | Hitachi Automotive Systems Ltd | 酸素センサ |
-
1985
- 1985-06-24 JP JP60137586A patent/JPH0668482B2/ja not_active Expired - Lifetime
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPS61296262A (ja) | 1986-12-27 |
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| EXPY | Cancellation because of completion of term |