JPH07198673A - 空燃比センサ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 低空燃比領域についても安定した検出が出
来，かつコンパクトな，空燃比センサを提供すること。 【構成】 限界電流式の空燃比センサ１１は，固体電解
質５の片面に内側電極３２を，他面に外側電極３１を有
すると共に外側電極３１の表面に拡散抵抗層１を設けて
なるセンサ素子１００と，センサ素子１００を加熱する
ヒータ６とを有してなる。空燃比センサ９は，空燃比２
３における出力電流値が５〜１０ｍＡの範囲にある。拡
散抵抗層１は，Ｍｇ・Ａｌ₂ Ｏ₃ スピネル被膜等であ
り，その厚みが６５０〜８００μｍであり，その気孔率
は３〜５％である。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は，自動車エンジンの燃焼
制御等に用いられる空燃比センサに関する。

【０００２】

【従来技術】自動車エンジンにおける排気ガス中の酸素
濃度を検出するための空燃比センサとしては，限界電流
式空燃比センサ等が実用化されている。限界電流式空燃
比センサは，リッチ空燃比（低空燃比）検出時には，拡
散抵抗層より律速されて固体電解質へ導入される排気ガ
ス成分の燃焼に必要な量の酸素が存在することにより，
電極反応が生じ，その際に発生する出力電流の値から空
燃比を検出するものである。

【０００３】ところで，エンジンの燃焼を精度良く制御
するためには，空燃比を広範囲に検知する必要がある。
空燃比センサにおいては，上記の検出原理から低空燃比
の検出時には，空燃比センサ内部の酸素を消費する。そ
のため，大気からの酸素導入量が不足すると，検出範囲
は狭く限定される。このため，従来，空燃比センサの内
部の酸素（大気）拡散をスムースにするための構造が提
案されている（特開平２─３０７０５２号公報）。

【０００４】かかる空燃比センサは，図１０に示すごと
く，固体電解質９５の片面に内側電極９３２を，他面に
外側電極９３１を有すると共に，外側電極９３１の表面
には拡散抵抗層９１を設けてなる。内側電極９３２の近
傍には，ヒータ９６が設けられている。内側電極９３２
とヒータ９６との間には，大気導入用の小孔９０が設け
られている。

【０００５】小孔９０の断面積をＳＲ’，その断面積の
長さをＬＲ’，計測時の最低空燃比における電極間に発
生すべき電流の絶対値をＩ，定数をＫとした場合，小孔
９０の断面積の長さＬＲ’に対する断面積ＳＲ’の比Ｓ
Ｒ’／ＬＲ’は， ＳＲ’／ＬＲ’＞Ｉ／Ｋ の関係が成立するように選定されている。

【０００６】上記空燃比センサ９９は，上記のごとく，
大気導入用の小孔９０の断面積ＳＲ’を大きく，かつ小
孔９０の断面積の長さＬＲ’を短くすることにより，固
体電解質９５への酸素導入量を増加させて，多量の排気
ガスの燃焼にも対応できるようにしたものである。

【０００７】

【解決しようとする課題】しかしながら，上記従来の空
燃比センサにおいては，依然として空燃比の要求検出範
囲に対しては不十分であり，広範囲において正確な空燃
比を検出することができない。特に，自動車エンジンの
燃焼を制御するためには，広範囲の空燃比を測定する必
要がある。

【０００８】また，空燃比センサの内部には，ヒータ９
６が内蔵されているため，ヒータ９６と固体電解質９５
との間のクリアランス９００を大きくして，固体電解質
への酸素導入量を増加させることも考えられる。しか
し，この場合には，空燃比センサの加熱性能が損なわ
れ，空燃比センサの作動温度の不足，ヒータ負荷の増大
による信頼性の低下や，消費電力の増大を生じる。ま
た，センサ形状が大きくなり，狭いエンジンルームに配
設する場合，その障害となる。

【０００９】これらの理由から，自動車における使用を
考慮した場合，空燃比センサ内部の酸素拡散量を増量す
るにも構造的に限界がある。そのため，コンパクトな構
造で，かつ限られた酸素量にて低空燃比を検出可能とす
る必要がある。本発明はかかる従来の問題点に鑑み，低
空燃比領域についても安定した検出が出来，かつコンパ
クトな空燃比センサを提供しようとするものである。

【００１０】

【課題の解決手段】本発明は，固体電解質の片面に内側
電極を，他面に外側電極を有すると共に外側電極の表面
に拡散抵抗層を設けてなるセンサ素子と，該センサ素子
を加熱するヒータとを有してなる限界電流式の空燃比セ
ンサにおいて，該空燃比センサは，空燃比（Ａ／Ｆ）２
３における出力電流値が５〜１０ｍＡの範囲にあること
を特徴とする空燃比センサにある。

【００１１】本発明において，上記空燃比センサは，図
４に示すごとく，空燃比２３における出力電流値が５〜
１０ｍＡの範囲にある（斜線部分）。出力電流値が５ｍ
Ａ未満の場合には，空燃比の検出精度が低下する。一
方，出力電流値が１０ｍＡを越える場合には，低空燃比
時において多くの排気ガスが空燃比センサに導入される
が，それに見合う十分な酸素を導入することが空燃比セ
ンサの構造上困難である。そのため，排気ガス成分量に
比例した出力電流が発生せず，低空燃比の検出が困難と
なる。

【００１２】ここで，上記空燃比センサの構造上の問題
を説明する。即ち，低空燃比の検出時には，内側電極か
ら外側電極へと酸素をポンピングする動作が行われ，雰
囲気空燃比が低い程，即ち排気ガス成分が多い程，多量
の酸素がポンピングされる。従って，低空燃比の検出範
囲を広げるためには，内側電極の表面に十分な酸素が存
在することが重要である。

【００１３】それには，センサ素子上端部から内側電極
までの酸素拡散量が問題となる。酸素拡散量は，拡散経
路の長さＬＲに対するその断面積ＳＲの比（ＳＲ／Ｌ
Ｒ）に比例するが，空燃比センサを作動温度に加熱する
ために，一般的に，一定のクリアランスを設けてヒータ
が設けられるため，ＳＲはヒータと固体電解質内面との
クリアランスの間隔Ｓ，ＬＲはセンサ素子の全長Ｌであ
らわされる（図１参照）。

【００１４】そのため，上記ＳＲ／ＬＲを大きくするに
は，上記ヒータと固体電解質とのクリアランスの間隔Ｓ
を大きく，センサ素子の全長Ｌを短かくすることが構造
上有効であるが，どちらにも制限がある。即ち，ヒータ
と固体電解質とのクリアランスの間隔Ｓを大きくした場
合には，センサ素子への伝熱が悪化し，作動温度不足を
来し，出力電流の検出が困難となる。また，ヒータ負荷
の増大による信頼性の低下や消費電力の増大となる。

【００１５】また，排気ガスとの接触を良好に保つ上で
排気管内へセンサ素子の脚部を３０ｍｍ程度突き出す必
要があるが，センサ素子の全長Ｌを短くすると，その必
要長さを確保することが困難である。これらの理由か
ら，自動車での使用を考慮した場合，空燃比センサ内部
の酸素拡散量を増量するにも構造的に限界があり，限ら
れた酸素量にて低空燃比（低空燃比程度まで）を検出可
能とする必要がある。

【００１６】また，空燃比測定時には，センサ素子を６
５０℃以上に加熱することが好ましい。６５０℃未満の
場合には，センサ素子の作動が不十分となるおそれがあ
る。該ヒータとセンサ素子とのクリアランスの間隔Ｓ
は，０．２ｍｍ以下であることが好ましい。０．２ｍｍ
未満の場合には，ヒータからセンサ素子への伝熱性が悪
化するおそれがある。

【００１７】上記空燃比センサの空燃比と出力電流値と
の対応関係を決める要因としては，例えば，拡散抵抗層
の厚み，気孔率，外側電極の面積等がある。即ち，拡散
抵抗層の厚みを薄くし，又はその気孔率を高くした場
合，或いは外側電極の面積を大きくした場合には，外側
電極に多量の排気ガス成分が到達する。そのため，該排
気ガス成分量に等しい多量のＯ^2-電流が出力電流として
高い値で検出される。

【００１８】逆に，拡散抵抗層を厚くし，その気孔率を
低くした場合，或いは外側電極の面積を小さくした場合
には，外側電極に少量の排気ガス成分が到達する。その
ため，該排気ガス成分量に等しい少量のＯ^2-電流が出力
電流として低い値で検出される。

【００１９】空燃比２３における出力電流値を５〜１０
ｍＡの範囲に設定するためには，例えば，拡散抵抗層と
してＭｇＯ，Ａｌ₂ Ｏ₃ スピネルを用いた場合，その厚
みは２００〜８００μｍであり，その気孔率は３〜５％
とする。拡散抵抗層の厚みが８００μｍを越える場合，
或いはその気孔率が３％未満の場合には出力電流の絶対
値が５ｍＡ未満と過度に小さくなり，空燃比に対する出
力電流値の傾きも小さくなるため，検出精度及び応答性
が低下するおそれがある。また，この場合には，拡散抵
抗層の製造上に問題が生じることがある。逆に，拡散抵
抗層の厚みが２００μｍ未満の場合，或いはその気孔率
が５％を越える場合には，空燃比センサの空燃比２３に
おける出力電流値を１０ｍＡ以下とすることが困難であ
る。

【００２０】上記拡散抵抗層としては，ＭｇＯ・Ａｌ₂
Ｏ₃ スピネル，Ａｌ₂ Ｏ₃ ，ＺｒＯ₂ 等の被膜を用い
る。上記固体電解質としては，ＺｒＯ₂ ，ＣｅＯ₂ ，Ｈ
ｆＯ₂ 等を用いる。上記外側電極，内側電極としては，
白金，Ｐｄ，Ｒｈ，又はそれらの合金等を用いる。上記
空燃比センサとしては，コップ型，積層型等のものがあ
る。

【００２１】

【作用及び効果】本発明の空燃比センサは，図４に示す
ごとく，空燃比２３における出力電流値が５〜１０ｍＡ
の範囲にある（斜線部分）。そのため，低空燃比（Ａ／
Ｆ＝１０）の場合にも，安定して出力電流値を検出する
ことができる。それ故，広範囲の空燃比を測定すること
ができる。また，空燃比に対する出力電流値の傾きも大
きいため，精度良く空燃比を検出することができる。

【００２２】また，固体電解質への酸素導入量を増加さ
せるための前記クリアランスの増大も必要なく，特に自
動車用として最適な，コンパクトな空燃比センサを得る
ことができる。上記のごとく，本発明によれば，低空燃
比領域についても安定した検出ができ，かつコンパクト
な，空燃比センサを提供することができる。

【００２３】

【実施例】

実施例１ 本発明の実施例にかかる空燃比センサについて，図１〜
図３を用いて説明する。本例の空燃比センサ１１は，図
１，図２に示すごとく，限界電流式空燃比センサであっ
て，図１に示すごとく，コップ型のセンサ素子１００
と，該センサ素子１００の内部に設けられたヒータ６と
を有している。センサ素子１００は，固体電解質５の片
面に内側電極３２を，他面に外側電極３１を有すると共
に外側電極３１の表面には拡散抵抗層１を設けている。

【００２４】該空燃比センサ９は，空燃比２３（Ｏ₂ 濃
度７．５％）における出力電流値が５〜１０ｍＡの範囲
にある。拡散抵抗層１は，Ｍｇ・Ａｌ₂ Ｏ₃ スピネル被
膜であり，その厚みが６５０〜８００μｍであり，その
気孔率が３〜５％である。外側電極３１の面積は，６０
ｍｍ² である。

【００２５】拡散抵抗層１は外側電極３１を保護すると
共に，限界電流値を制御している。固体電解質５として
は，ＺｒＯ₂ 等を用いる。センサ素子１００は，コップ
型形状であり，その内部中央にはヒータ６が内蔵されて
いる。内側電極３２とヒータ６とのクリアランス７の間
隔Ｓは，０．２ｍｍであり，そのクリアランス７の軸方
向の長さＬは３０ｍｍである。ヒータ６の温度は１００
０℃以上である。センサ素子１００の温度は６５０℃以
上である。

【００２６】外側電極３１，内側電極３２は，図３に示
すごとく，リード線９１，９２を介して，空燃比センサ
９の上方のコネクタ９８と接続されている。ヒータ６
は，リード線９７１，９７２を介して上記コネクタ９８
と接続されている。

【００２７】上記限界電流式の空燃比センサ９は，セン
サ素子１００を加熱し，固体電解質５に酸素イオン導電
性を発生させることにより，出力電流を生じさせて，該
出力電流値を測定することにより，空燃比を検知するも
のである。即ち，図２に示すごとく，低空燃比検出時に
おいては，センサ素子１００とヒータ６とのクリアラン
ス７から大気（酸素，Ｏ₂ ）を内側電極３２へ導入す
る。一方，拡散抵抗層１から排気ガス（Ｈ₂ ，ＣＯ）を
律速させて，外側電極３１へ導入する。そして，内側電
極３２と外側電極３１との間で酸素（Ｏ^2-）のポンピン
グが行われ，このときに，発生する出力電流値を測定す
ることにより，空燃比を検知することができる。

【００２８】実施例２ 本例においては，上記空燃比センサの出力電流値と空燃
比との関係を測定した。空燃比センサにおける拡散抵抗
層の厚み及び気孔率を表１に示すように種々に選択し
て，空燃比（Ａ／Ｆ）が２３の場合における設定出力電
流値を２〜１０ｍＡまで変化させた（試料ａ，ｂ，ｃ，
ｄ）。この内，試料ａ，ｂ，ｄの各出力電流値に対応し
た２３未満の空燃比を検出する際の，空燃比センサの出
力電流値を測定した。その結果を図４に示した。尚，こ
のときの，外側電極の面積は，６０ｍｍ² とした。

【００２９】その結果，図４から知られるように，試料
ａ，ｂは，空燃比２３における出力電流値がそれぞれ１
０ｍＡ，５ｍＡの範囲にあり（斜線部分），低空燃比
（Ａ／Ｆ＝１０）の場合にも，空燃比に対応した出力電
流値を正確に測定することができた。一方，空燃比２３
における出力電流値を２ｍＡに設定した場合には（試料
ｄ），空燃比に対する出力電流値の傾きが小さく，検出
精度が低かった。

【００３０】更に，空燃比２３における出力電流値を１
５ｍＡに設定した場合には，高空燃比領域では，センサ
素子の出力電流値を測定することにより，精度良く空燃
比を検出することができるが，低空燃比領域（Ａ／Ｆ＜
１２）では安定して正確に空燃比を検出することができ
ない。上記空燃比２３における出力電流値１５ｍＡは，
電極の面積，拡散抵抗層の気孔率及び厚みを調整するこ
とにより，設定した。

【００３１】このことから，センサ素子の出力電流値を
５〜１０ｍＡとすることにより，Ａ／Ｆ＝１０程度の低
い空燃比まで広範囲の空燃比を安定して検出することが
できることが分かる。また，上記５〜１０ｍＡの場合に
は空燃比に対する出力電流値の傾きも大きいため，精度
良く空燃比を検出することができることがわかる。

【００３２】

【表１】

【００３３】実施例３ 本例においては，外側電極の面積を３０ｍｍ² ，拡散抵
抗層の厚みを４４０μｍ，その気孔率を５％に設定し
た。この空燃比センサの出力電流値は空燃比２３におい
て７．５ｍＡであった。その他は，実施例１と同様であ
る。また，比較のために，外側電極の面積を６０ｍｍ²
にした空燃比センサは，上記の空燃比センサの出力電流
値の２倍の値，即ち，１５ｍＡの出力電流値であった。
このことから，空燃比センサの出力電流値は，電極の面
積によっても調整することができることがわかる。

【００３４】次に，上記空燃比センサの出力電流値と空
燃比との関係を，実施例２と同様にして測定した。その
結果，本例の空燃比センサは，低空燃比（Ａ／Ｆ＝１
０）の場合にも，空燃比に対応した出力電流値を正確に
測定することができた。一方，比較例としての空燃比セ
ンサは，低空燃比領域（Ａ／Ｆ＜１２）では安定して正
確に空燃比を測定することができなかった。

【００３５】実施例４ 本例においては，外側電極の面積を３０ｍｍ² ，拡散抵
抗層の厚みを２００μｍ，その気孔率を３％に設定し
た。この空燃比センサの出力電流値は空燃比２３におい
て１０ｍＡであった。その他は，実施例１と同様であ
る。本例の空燃比センサは，実施例３と同様に，低空燃
比（Ａ／Ｆ＝１０）の場合にも，空燃比に対応した出力
電流値を正確に測定することができた。

【００３６】実施例５ 本例においては，図５に示すごとく，空燃比センサの印
加電圧（Ｖ）と出力電流（ｉ）との関係を測定した。空
燃比センサとしては，実施例２の試料ｂを用いた。試料
ｂの空燃比（Ａ／Ｆ）２３における出力電流値は，７ｍ
Ａである。測定の結果を図５（Ａ）に示した。

【００３７】尚，比較のために，空燃比２３における出
力電流値を１５ｍＡに設定した空燃比センサ（比較例）
についても，上記と同様の測定を行った。その結果を図
５（ｂ）に示した。図５（Ａ）より，試料ｂは，少量の
出力電流ではあるが，精度良く空燃比を検出することが
できることがわかる。一方，図５（Ｂ）より，比較例で
は，低空燃比の場合に，各出力電流値が互いに近似し，
測定できないことがわかる。

【００３８】実施例６ 本例においては，図６に示すごとく，実施例１の空燃比
センサにかかる，センサ素子を６５０℃に確保するため
に必要な，ヒータ温度，及びヒータとセンサ素子とのク
リアランスの間隔Ｓを測定した。測定は，排気量１．６
リットル，４気筒エンジン，１２００ｒｐｍのエンジン
条件にて行った。

【００３９】同図より，ヒータとセンサ素子とのクリア
ランスの間隔Ｓを大きくするほど，ヒータ最高温度を高
くする必要があることがわかる。また，ヒータ負荷，消
費電力の増大を考慮した場合，ヒータの最高温度は１０
００℃以下であることが好ましい。このことから，ヒー
タとセンサ素子とのクリアランスの間隔Ｓは０．２５ｍ
ｍ以下であることが必要である。

【００４０】実施例７ 本例においては，図７に示すごとく，空燃比センサの空
燃比２３における出力電流値と応答速度との関係を測定
した。空燃比センサは，実施例２の試料ａ，ｂ，ｃ，ｄ
を用いた。設定出力電流値（空燃比２３）は，試料ａが
１０ｍＡ，試料ｂが７ｍＡ，試料ｃが５ｍＡ，試料ｄが
２ｍＡである。また，応答速度は，空燃比（Ａ／Ｆ）を
１２から１７に変化させた場合の時間（ステップ応答）
を測定した。測定の結果を，図７に示した。同図より，
試料ａ，ｂ，ｃは，応答速度が３００ｍｓ以下と速かっ
た。

【００４１】実施例８ 本例の空燃比センサは，図８，図９に示すごとく，積層
型空燃比センサであり，大気導入ダクト７０を有する固
体電解質５０と，該固体電解質５０の内壁に設けられた
内側電極３２０と，その他面に設けられた外側電極３１
０とを有している。外側電極３１０の表面は，拡散抵抗
層１０により被覆されている。また，固体電解質５０に
は，ヒータ６０が内蔵されている。固体電解質５０は，
ＺｒＯ₂ である。その他は，実施例１と同様である。

【００４２】本例においても，低空燃比検出能力と必要
酸素量との関係は，実施例１の空燃比センサと同様であ
る。大気ダクト７０が大きくなれば，空燃比センサ全体
の大きさも大きくなり，搭載性を損なうため，設定出力
電流値（空燃比２３）は５〜１０ｍＡであることが適切
である。

【図面の簡単な説明】

【図１】実施例１の空燃比センサの切断側面図。

【図２】実施例１のセンサ素子の作用説明図。

【図３】実施例１の空燃比センサの一部切断側面図。

【図４】実施例２の空燃比センサにかかる，空燃比と出
力電流値との関係を示すグラフ。

【図５】実施例５の空燃比センサの印加電圧と出力電流
との関係を示すグラフ（（Ａ）：試料ｂ，（Ｂ）：比較
例）。

【図６】実施例６の，センサ素子を６５０℃に確保する
ために必要なヒータ温度を示すグラフ。

【図７】実施例７の空燃比センサの出力電流値（空燃比
Ａ／Ｆ＝２３）と応答速度との関係を示すグラフ。

【図８】実施例８の空燃比センサの斜視図。

【図９】図８のＡ−Ａ線矢視断面図。

【図１０】従来例の空燃比センサの説明図。

【符号の説明】

１，１０．．．拡散抵抗層， １００．．．センサ素子， １１．．．空燃比センサ， ３１，３１０．．．外側電極， ３２，３２０．．．内側電極， ５，５０．．．固体電解質， ６，６０．．．ヒータ， ７．．．クリアランス，

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 藤本 正弥 愛知県刈谷市昭和町１丁目１番地 日本電 装株式会社内

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 固体電解質の片面に内側電極を，他面に
   外側電極を有すると共に外側電極の表面に拡散抵抗層を
   設けてなるセンサ素子と，該センサ素子を加熱するヒー
   タとを有してなる限界電流式の空燃比センサにおいて，
   該空燃比センサは，空燃比（Ａ／Ｆ）２３における出力
   電流値が５〜１０ｍＡの範囲にあることを特徴とする空
   燃比センサ。
2. 【請求項２】 請求項１において，上記拡散抵抗層は，
   その厚みが２００〜８００μｍであり，その気孔率が３
   〜５％であることを特徴とする空燃比センサ。