JPH0827247B2 - 広帯域空燃比センサおよび検出装置 - Google Patents
広帯域空燃比センサおよび検出装置Info
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- JPH0827247B2 JPH0827247B2 JP62277308A JP27730887A JPH0827247B2 JP H0827247 B2 JPH0827247 B2 JP H0827247B2 JP 62277308 A JP62277308 A JP 62277308A JP 27730887 A JP27730887 A JP 27730887A JP H0827247 B2 JPH0827247 B2 JP H0827247B2
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- F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
- F02D—CONTROLLING COMBUSTION ENGINES
- F02D41/00—Electrical control of supply of combustible mixture or its constituents
- F02D41/02—Circuit arrangements for generating control signals
- F02D41/14—Introducing closed-loop corrections
- F02D41/1438—Introducing closed-loop corrections using means for determining characteristics of the combustion gases; Sensors therefor
- F02D41/1444—Introducing closed-loop corrections using means for determining characteristics of the combustion gases; Sensors therefor characterised by the characteristics of the combustion gases
- F02D41/1454—Introducing closed-loop corrections using means for determining characteristics of the combustion gases; Sensors therefor characterised by the characteristics of the combustion gases the characteristics being an oxygen content or concentration or the air-fuel ratio
- F02D41/1455—Introducing closed-loop corrections using means for determining characteristics of the combustion gases; Sensors therefor characterised by the characteristics of the combustion gases the characteristics being an oxygen content or concentration or the air-fuel ratio with sensor resistivity varying with oxygen concentration
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- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
- G01N27/00—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means
- G01N27/02—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating impedance
- G01N27/04—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating impedance by investigating resistance
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Description
【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明は広い範囲にわたって空燃比を正確に検出する
ための広帯域空燃比センサおよびその広帯域空燃比セン
サを用いた空燃比検出装置に関する。
ための広帯域空燃比センサおよびその広帯域空燃比セン
サ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空燃比を検出す
るためのセンサとして、最近では焼結法グリーンシート
技術および印刷・薄膜技術を用いて、小型で量産性に富
み、広い範囲の空燃比を連続的に測定できるセンサが開
発されている。そうしたセンサとして、大気基準を持っ
た限界電流式酸素センサ（特願昭56-123373号「酸素濃
度検出器」）および酸素濃淡電池式素子と酸素ポンプ素
子とを組合わせた広帯域空燃比センサ（特願昭58-23762
6号、Sensor and Actuators 2（1982）371〜384）等が
提案されている。また、アルミナ基板上に大気導入なし
の限界電流式酸素サンサおよび抵抗変化式λ＝１センサ
を一体化したλ＝１からリーン領域の空燃比を測るセン
サ（特開昭61-155751号公報「空燃比センサおよび装
置」）もある。これらのセンサは、いずれも酸素量を測
定し、その酸素量から空燃比を検出する方式である。
るためのセンサとして、最近では焼結法グリーンシート
技術および印刷・薄膜技術を用いて、小型で量産性に富
み、広い範囲の空燃比を連続的に測定できるセンサが開
発されている。そうしたセンサとして、大気基準を持っ
た限界電流式酸素センサ（特願昭56-123373号「酸素濃
度検出器」）および酸素濃淡電池式素子と酸素ポンプ素
子とを組合わせた広帯域空燃比センサ（特願昭58-23762
6号、Sensor and Actuators 2（1982）371〜384）等が
提案されている。また、アルミナ基板上に大気導入なし
の限界電流式酸素サンサおよび抵抗変化式λ＝１センサ
を一体化したλ＝１からリーン領域の空燃比を測るセン
サ（特開昭61-155751号公報「空燃比センサおよび装
置」）もある。これらのセンサは、いずれも酸素量を測
定し、その酸素量から空燃比を検出する方式である。
（発明が解決しようとする問題点） 自動車から排出される燃焼排気組成を調べると、CO,H
2等の可燃性ガスの濃度は、燃料リッチから空気過剰率
λ＝１に近づくに従って減少し、λ＝１以上の燃料リー
ンではほとんど零となる。それに対し、O2ガスの濃度は
燃料リッチ領域では零となるが、λ＝１から燃料リーン
へと変化するに従って増大する。よって、燃料リーン領
域の空燃比を測るためにはO2ガス濃度をモニターし、ま
た燃料リッチ領域の空燃比を測るためにはCO,H2等のガ
ス濃度をモニターし、それらのガス濃度から空燃比を算
出した方が、従来の酸素ガス濃度だけから空燃比を算出
する方式よりも正確な空燃比測定が可能となることを見
出した。
2等の可燃性ガスの濃度は、燃料リッチから空気過剰率
λ＝１に近づくに従って減少し、λ＝１以上の燃料リー
ンではほとんど零となる。それに対し、O2ガスの濃度は
燃料リッチ領域では零となるが、λ＝１から燃料リーン
へと変化するに従って増大する。よって、燃料リーン領
域の空燃比を測るためにはO2ガス濃度をモニターし、ま
た燃料リッチ領域の空燃比を測るためにはCO,H2等のガ
ス濃度をモニターし、それらのガス濃度から空燃比を算
出した方が、従来の酸素ガス濃度だけから空燃比を算出
する方式よりも正確な空燃比測定が可能となることを見
出した。
本発明は、上記知見に基づき、燃料リッチから燃料リ
ーンの広い範囲の空燃比を連続的かつ高精度に測定でき
る空燃比センサおよび装置を提供することを目的とする
ものである。
ーンの広い範囲の空燃比を連続的かつ高精度に測定でき
る空燃比センサおよび装置を提供することを目的とする
ものである。
（問題点を解決するための手段） 本発明は、抵抗変化式酸素検知部（酸化物半導体検知
部）と限界電流式酸素検知部およびガス分解式水素検知
部を１つの多孔質アルミナ基板上に組合わせ、それぞれ
の特性の良好な範囲を選択できるようにすることによ
り、前記目的を達成するものである。
部）と限界電流式酸素検知部およびガス分解式水素検知
部を１つの多孔質アルミナ基板上に組合わせ、それぞれ
の特性の良好な範囲を選択できるようにすることによ
り、前記目的を達成するものである。
本発明（第１発明）の広帯域空燃比センサは、多孔質
アルミナ基板の上に、ガス透過性のよい第１電極層、固
体電解質層、およびガス透過性のよい第２電極層を順次
積層して構成した、燃料リーン領域の空燃比を検出する
ための限界電流式酸素検知部と、前記多孔質アルミナ基
板の上に、酸化物半導体材料の層および１対の対向電極
を形成して構成した空気過剰率λ＝１を検出するための
抵抗変化式酸素検知部と、前記多孔質アルミナ基板の上
に、ガス透過性のよい第２電極層、固体電解質層、およ
びガス透過性のよい第１電極層を順次積層して構成し
た、燃料リッチ領域の空燃比を検出するためのガス分解
式水素検知部と、前記各検知部を加熱するための検知部
加熱ヒータとを設けてなるものである。
アルミナ基板の上に、ガス透過性のよい第１電極層、固
体電解質層、およびガス透過性のよい第２電極層を順次
積層して構成した、燃料リーン領域の空燃比を検出する
ための限界電流式酸素検知部と、前記多孔質アルミナ基
板の上に、酸化物半導体材料の層および１対の対向電極
を形成して構成した空気過剰率λ＝１を検出するための
抵抗変化式酸素検知部と、前記多孔質アルミナ基板の上
に、ガス透過性のよい第２電極層、固体電解質層、およ
びガス透過性のよい第１電極層を順次積層して構成し
た、燃料リッチ領域の空燃比を検出するためのガス分解
式水素検知部と、前記各検知部を加熱するための検知部
加熱ヒータとを設けてなるものである。
本発明（第２発明）の広帯域空燃比検出装置は、前記
第１発明の広帯域空燃比センサと、その広帯域空燃比セ
ンサの抵抗変化式酸素検知部の出力を基準値と比較して
燃料リーンであるか燃料リッチであるかを判定する比較
判定部と、 比較判定部が燃料リッチから燃料リーンに変化したこ
とを判定したときには、限界電流式酸素検知部を作動状
態に切り換えるとともに、ガス分解式水素検知部を不作
動状態に切り換え、比較判定部が燃料リーンから燃料リ
ッチに変化したことを判定したときには、限界電流式酸
素検知部を不作動状態に切り換えるとともに、ガス分解
式水素検知部を作動状態に切り換える切換制御部と、限
界電流式酸素検知部の出力信号とガス分解式水素検知部
の出力信号を合成し、その出力信号から空燃比を表わす
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。
第１発明の広帯域空燃比センサと、その広帯域空燃比セ
ンサの抵抗変化式酸素検知部の出力を基準値と比較して
燃料リーンであるか燃料リッチであるかを判定する比較
判定部と、 比較判定部が燃料リッチから燃料リーンに変化したこ
とを判定したときには、限界電流式酸素検知部を作動状
態に切り換えるとともに、ガス分解式水素検知部を不作
動状態に切り換え、比較判定部が燃料リーンから燃料リ
ッチに変化したことを判定したときには、限界電流式酸
素検知部を不作動状態に切り換えるとともに、ガス分解
式水素検知部を作動状態に切り換える切換制御部と、限
界電流式酸素検知部の出力信号とガス分解式水素検知部
の出力信号を合成し、その出力信号から空燃比を表わす
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。
（作用および効果） 本第１発明の広帯域空燃比センサは、上記のようにλ
＝１の点にて抵抗が急変する抵抗変化式酸素検知部と、
リーン領域では酸素濃度に対応して出力電流が直線的に
増大する限界電流式酸素検知部、および、リッチ領域で
は水素濃度に対応して出力電流が増加するガス分解式水
素検知部を、共通の多孔質アルミナ基板上に形成してい
る。従って、リーン領域の空燃比を限界電流式酸素検知
部で検知し、リッチ領域の空燃比をガス分解式水素検知
部で検知するというように使用領域をそれぞれに適した
検知部に切り換えて使用することにより、従来の単一の
種類のセンサのみを利用する方式では実現できなかった
広い範囲の空燃比を、高い精度で検出できる。しかもそ
れらの検知部が１つの多孔質アルミナ基板上に、領域判
別用の抵抗変化式酸素検知部とともに一体的に形成され
ており、相互に近接しているので、抵抗変化式酸素検知
部による他の検知部の位置の状態（領域）の判別が正確
となり、ひいては各検知部による空燃比の測定がそれぞ
れ適切なタイミングで安定に行われ、測定の精度が一層
高くなる。また、センサ全体が小形となる利点がある。
＝１の点にて抵抗が急変する抵抗変化式酸素検知部と、
リーン領域では酸素濃度に対応して出力電流が直線的に
増大する限界電流式酸素検知部、および、リッチ領域で
は水素濃度に対応して出力電流が増加するガス分解式水
素検知部を、共通の多孔質アルミナ基板上に形成してい
る。従って、リーン領域の空燃比を限界電流式酸素検知
部で検知し、リッチ領域の空燃比をガス分解式水素検知
部で検知するというように使用領域をそれぞれに適した
検知部に切り換えて使用することにより、従来の単一の
種類のセンサのみを利用する方式では実現できなかった
広い範囲の空燃比を、高い精度で検出できる。しかもそ
れらの検知部が１つの多孔質アルミナ基板上に、領域判
別用の抵抗変化式酸素検知部とともに一体的に形成され
ており、相互に近接しているので、抵抗変化式酸素検知
部による他の検知部の位置の状態（領域）の判別が正確
となり、ひいては各検知部による空燃比の測定がそれぞ
れ適切なタイミングで安定に行われ、測定の精度が一層
高くなる。また、センサ全体が小形となる利点がある。
また、上記第１発明の広帯域空燃比センサとその出力
を処理する回路装置とを組合わせた第２発明の広帯域空
燃比検出装置は、比較判定部において抵抗変化式酸素検
知部の抵抗を検出する抵抗検出部の出力を基準値と比較
して燃料リッチであるか燃料リーンであるのかの判定を
する。
を処理する回路装置とを組合わせた第２発明の広帯域空
燃比検出装置は、比較判定部において抵抗変化式酸素検
知部の抵抗を検出する抵抗検出部の出力を基準値と比較
して燃料リッチであるか燃料リーンであるのかの判定を
する。
出力信号合成部は、限界電流式酸素検知部の出力信
号、抵抗変化式酸素検知部の出力信号、およびガス分解
式水素検知部の出力信号を合成し、その出力信号から空
燃比を表わす信号を生成する。
号、抵抗変化式酸素検知部の出力信号、およびガス分解
式水素検知部の出力信号を合成し、その出力信号から空
燃比を表わす信号を生成する。
切換制御部は、比較判定部が燃料リッチから燃料リー
ンに変化したことを判定したときには、その変化時点か
ら一定時間後にガス分解式水素検知部を不作動状態にす
るとともに、限界電流式酸素検知部を作動状態に切り換
え、また、比較判定部が燃料リーンから燃料リッチに変
化したことを判定したときには、限界電流式酸素検知部
を不作動状態にするとともにガス分解式水素検知部を作
動状態にするよう切換制御する。その切換制御は、具体
的には例えば、測定用電圧源と各検知部との接続をオン
オフ制御することによって行うことができる。
ンに変化したことを判定したときには、その変化時点か
ら一定時間後にガス分解式水素検知部を不作動状態にす
るとともに、限界電流式酸素検知部を作動状態に切り換
え、また、比較判定部が燃料リーンから燃料リッチに変
化したことを判定したときには、限界電流式酸素検知部
を不作動状態にするとともにガス分解式水素検知部を作
動状態にするよう切換制御する。その切換制御は、具体
的には例えば、測定用電圧源と各検知部との接続をオン
オフ制御することによって行うことができる。
このように、抵抗変化式酸素検知部で燃料リッチか燃
料リーンかを判定し、検知部（限界電流式酸素検知部，
ガス分解式水素検知部）との接続を制御する制御部と各
検知部から出力される出力信号とを合成し、空燃比を表
わす信号を生成するので、広い範囲にわたり高い精度で
空燃比を測定することができる。
料リーンかを判定し、検知部（限界電流式酸素検知部，
ガス分解式水素検知部）との接続を制御する制御部と各
検知部から出力される出力信号とを合成し、空燃比を表
わす信号を生成するので、広い範囲にわたり高い精度で
空燃比を測定することができる。
（実施態様） 本発明の広帯域空燃比検出装置の一実施態様によれ
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ッ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
ンから燃料リッチへ切換わるときのスパイクノイズが除
去される。
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ッ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
ンから燃料リッチへ切換わるときのスパイクノイズが除
去される。
また、本発明の広帯域空燃比検出装置の他の実施態様
によれば、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、比較判定部の出力信号およ
び直流バイアス信号を用いて燃料リーンにあるときと燃
料リッチにあるときで異なるバイアス信号を生成し、そ
のバイアス信号と限界電流式酸素検知部からの出力信号
とガス分解式水素検知部からの出力信号を前記反転加算
器により合成する。これにより、一元的な検知出力を得
ることができる。
によれば、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、比較判定部の出力信号およ
び直流バイアス信号を用いて燃料リーンにあるときと燃
料リッチにあるときで異なるバイアス信号を生成し、そ
のバイアス信号と限界電流式酸素検知部からの出力信号
とガス分解式水素検知部からの出力信号を前記反転加算
器により合成する。これにより、一元的な検知出力を得
ることができる。
（実施例） 以下、実施例により詳細に説明する。
（Ｉ） 空燃比センサ 第１図は本発明の一実施例による広帯域空燃比センサ
の基本的構成を示す斜視図、第２図は抵抗変化式酸素検
知部１の断面図、第３図は限界電流式酸素検知部２の断
面図、第４図はガス分解式水素検知部３の断面図であ
る。
の基本的構成を示す斜視図、第２図は抵抗変化式酸素検
知部１の断面図、第３図は限界電流式酸素検知部２の断
面図、第４図はガス分解式水素検知部３の断面図であ
る。
本発明の空燃比センサは、空気過剰率λ＝１を検出す
る抵抗変化式酸素検知部１と、燃料リーン領域の空燃比
を検出する限界電流式酸素検知部２と、燃料リッチ領域
の空燃比を検出するガス分解式水素検知部３が、１つの
多孔質アルミナ基板４上に、並列して一体的に構成され
ている。
る抵抗変化式酸素検知部１と、燃料リーン領域の空燃比
を検出する限界電流式酸素検知部２と、燃料リッチ領域
の空燃比を検出するガス分解式水素検知部３が、１つの
多孔質アルミナ基板４上に、並列して一体的に構成され
ている。
また、気孔率２〜40％，細孔径0.02〜1.2μｍφの多
孔質アルミナ基板４の一方の面に、各検知部1,2,3を加
熱するためのヒータが設けられている。そして、センサ
全体は触媒を担持したポーラスなコーティング層19で覆
われている。
孔質アルミナ基板４の一方の面に、各検知部1,2,3を加
熱するためのヒータが設けられている。そして、センサ
全体は触媒を担持したポーラスなコーティング層19で覆
われている。
以下、各検知部について説明する。
（ａ） 抵抗変化式酸素検知部 抵抗変化式酸素検知部１は、第１図および第２図に示
すように、気孔率２〜40％，細孔径0.02〜1.2μｍφの
多孔質アルミナ（Al2O3）基板４上にλ＝１を検出する
材料として五酸化ニオブ（Nb2O5）を用いた酸化物半導
体層５を形成し、その上に対向電極6,7を形成し成るも
のである。これらの電極6,7はそれぞれ端子15,16に接続
されている。
すように、気孔率２〜40％，細孔径0.02〜1.2μｍφの
多孔質アルミナ（Al2O3）基板４上にλ＝１を検出する
材料として五酸化ニオブ（Nb2O5）を用いた酸化物半導
体層５を形成し、その上に対向電極6,7を形成し成るも
のである。これらの電極6,7はそれぞれ端子15,16に接続
されている。
多孔質アルミナ基板４の他の面にはPtヒータ14が形成
されている。
されている。
そして、抵抗変化式酸素検知部１の表面には未燃成分
の付着を防止するためと、センサに到達する未燃成分と
酸素ガスが完全に燃焼反応を生じるように触媒を坦持し
た多孔質のコーティング層19を設け、かつその触媒を坦
持した多孔質のコーティング層19の膜厚と平均細孔径の
比が50〜3000の範囲となるように、それらの膜厚および
平均細孔径を選定する。また、多孔質のコーティング層
19に担持する触媒成分として、パラジウム（Pd），ロジ
ウム（Rh），白金（Pt）のいずれか一種類、またはこれ
らの混合物が適当であり、その担持量は0.001〜50wt％
の範囲が適当である。
の付着を防止するためと、センサに到達する未燃成分と
酸素ガスが完全に燃焼反応を生じるように触媒を坦持し
た多孔質のコーティング層19を設け、かつその触媒を坦
持した多孔質のコーティング層19の膜厚と平均細孔径の
比が50〜3000の範囲となるように、それらの膜厚および
平均細孔径を選定する。また、多孔質のコーティング層
19に担持する触媒成分として、パラジウム（Pd），ロジ
ウム（Rh），白金（Pt）のいずれか一種類、またはこれ
らの混合物が適当であり、その担持量は0.001〜50wt％
の範囲が適当である。
この抵抗変化式酸素検知部１は、第５図の抵抗−空気
過剰率特性に示すように、ガス温度変動を受けず、λ＝
１のところで抵抗が急変する特性を示す。
過剰率特性に示すように、ガス温度変動を受けず、λ＝
１のところで抵抗が急変する特性を示す。
本実施例では、センサ材料として酸化物半導体Nb2O5
を用いたものを示したが、センサ材料としては他の酸化
物半導体のTiO2，CeO2，SnO2のいずれかの材料を用いて
もよいが、膜厚としては0.1〜30μｍの範囲のものがよ
い。
を用いたものを示したが、センサ材料としては他の酸化
物半導体のTiO2，CeO2，SnO2のいずれかの材料を用いて
もよいが、膜厚としては0.1〜30μｍの範囲のものがよ
い。
なお、多孔質アルミナ基板４にも触媒を担持させるこ
とにより、この抵抗変化式酸素検知部１は多孔性の触媒
担持コーティング層19および触媒を担持した多孔質アル
ミナ基板４の両方から酸化還化元されることになり、高
速応答が得られる。
とにより、この抵抗変化式酸素検知部１は多孔性の触媒
担持コーティング層19および触媒を担持した多孔質アル
ミナ基板４の両方から酸化還化元されることになり、高
速応答が得られる。
（ｂ） 限界電流式酸素検知部 薄膜限界電流式酸素検知部２は第１図および第３図に
示すように、気孔率２〜40％，細孔径0.02〜1.2μｍφ
の多孔質アルミナ基板４上に、ガス透過性のよいPtから
なる第１電極（陰極）8,特定方向に結晶方位配列した膜
厚0.1〜30μｍの結晶性のよいZrO2＋Y2O3からなる固体
電解質9,ガス透過性のよいPtからなる第２電極（陽極）
10を順次積層してなるものである。
示すように、気孔率２〜40％，細孔径0.02〜1.2μｍφ
の多孔質アルミナ基板４上に、ガス透過性のよいPtから
なる第１電極（陰極）8,特定方向に結晶方位配列した膜
厚0.1〜30μｍの結晶性のよいZrO2＋Y2O3からなる固体
電解質9,ガス透過性のよいPtからなる第２電極（陽極）
10を順次積層してなるものである。
多孔質アルミナ基板４の他の一面には検知部をを適切
な動作温度に加熱するためのPtからなるヒータ14が形成
されている。
な動作温度に加熱するためのPtからなるヒータ14が形成
されている。
この限界電流式酸素検知部２において、多孔質アルミ
ナ基板４は供給される酸素ガスの律速を行う。
ナ基板４は供給される酸素ガスの律速を行う。
多孔質アルミナ基板４によって律速された酸素ガスは
固体電解質９と陰極８との界面にて酸素イオンに変換さ
れ、ZrO2＋Y2O3からなる固体電解質９中をイオン伝導
し、陽極10の界面にて酸素ガスに変換され、放出され
る。
固体電解質９と陰極８との界面にて酸素イオンに変換さ
れ、ZrO2＋Y2O3からなる固体電解質９中をイオン伝導
し、陽極10の界面にて酸素ガスに変換され、放出され
る。
この限界電流式酸素検知部２の電圧−電流特性および
酸素濃度と出力電流との関係は、第６図（ａ）および
（ｂ）のようになる。
酸素濃度と出力電流との関係は、第６図（ａ）および
（ｂ）のようになる。
（ｃ） ガス分解式水素検知部 ガス分解式水素検知部３は、限界電流式酸素検知部２
と略同じ構成を有し、第１図および第４図に示すよう
に、気孔率２〜40％，細孔径0.02〜1.2μｍφの多孔質
アルミナ基板４上に、ガス透過性のよいPtからなる第２
電極（陽極）11,特定方向に結晶方位配列した膜厚0.1〜
30μｍの結晶性のよいZrO2＋Y2O3からなる固体電解質1
2,ガス透過性のよいPtからなる第１電極（陰極）13を順
次積層してなるものである。
と略同じ構成を有し、第１図および第４図に示すよう
に、気孔率２〜40％，細孔径0.02〜1.2μｍφの多孔質
アルミナ基板４上に、ガス透過性のよいPtからなる第２
電極（陽極）11,特定方向に結晶方位配列した膜厚0.1〜
30μｍの結晶性のよいZrO2＋Y2O3からなる固体電解質1
2,ガス透過性のよいPtからなる第１電極（陰極）13を順
次積層してなるものである。
多孔質アルミナ基板４の他の一面には検知部をを適切
な動作温度に加熱するためのPtヒータ14が形成されてい
る。
な動作温度に加熱するためのPtヒータ14が形成されてい
る。
従来、限界電流式酸素センサでは、ジルコニア電解質
の上下面に電極を付け、酸素ガスを律速する側の電極部
を陰極、他の一方の電極を陽極とし、一定の電圧を印加
し、出力電流値から酸素濃度を測定していた。しかし、
このような印加電圧状態で燃料リッチ雰囲気にすると、
酸素濃度に関係のない電流が流れ、酸素濃度に比例した
出力電流値を測定できなかった。そこで、本発明者らは
次のような考えをもとに、水素濃度を測定するガス分解
式水素センサを考え、燃料リッチ雰囲気の水素ガス濃度
（H2濃度）を測定することを考えた。
の上下面に電極を付け、酸素ガスを律速する側の電極部
を陰極、他の一方の電極を陽極とし、一定の電圧を印加
し、出力電流値から酸素濃度を測定していた。しかし、
このような印加電圧状態で燃料リッチ雰囲気にすると、
酸素濃度に関係のない電流が流れ、酸素濃度に比例した
出力電流値を測定できなかった。そこで、本発明者らは
次のような考えをもとに、水素濃度を測定するガス分解
式水素センサを考え、燃料リッチ雰囲気の水素ガス濃度
（H2濃度）を測定することを考えた。
ガス分解式水素検知部３の構成および材質は前述のと
おりであり、限界電流式酸素検知部２と同じ構造を有す
る。しかし、検知部2,3に印加する電圧の極性を逆転
し、酸素ガスを律速する側の電極部11を陽極、他の一方
の電極13を陰極として電圧を印加する。そうすると、酸
素ポンプ作用によって陰極13から陽極11へ酸素をくみだ
される。一方、陽極側へはリッチ雰囲気のため多孔質ア
ルミナ基板４をガス拡散律速に基づき可燃性ガス（H2）
が拡散してくる。その可燃性ガス（H2）と陰極13から陽
極11へくみ出された酸素とが反応し、それによって酸素
分圧が下がる。陽極11と陰極13との間には酸素濃度の違
いが生じ、陽極11の方が低い酸素濃度になる。その結
果、陽極11と陰極13の間には約−1Vの起電力が発生す
る。そして、負の印加電圧を増大してやると、それに対
応して陰極上に到達した排気中のH2O，CO2,CO等のガス
成分は、Ptの触媒作用によってPt電極11,13とZrO2電解
質12の界面近傍にて下記のような電気化学分解反応を生
じる。
おりであり、限界電流式酸素検知部２と同じ構造を有す
る。しかし、検知部2,3に印加する電圧の極性を逆転
し、酸素ガスを律速する側の電極部11を陽極、他の一方
の電極13を陰極として電圧を印加する。そうすると、酸
素ポンプ作用によって陰極13から陽極11へ酸素をくみだ
される。一方、陽極側へはリッチ雰囲気のため多孔質ア
ルミナ基板４をガス拡散律速に基づき可燃性ガス（H2）
が拡散してくる。その可燃性ガス（H2）と陰極13から陽
極11へくみ出された酸素とが反応し、それによって酸素
分圧が下がる。陽極11と陰極13との間には酸素濃度の違
いが生じ、陽極11の方が低い酸素濃度になる。その結
果、陽極11と陰極13の間には約−1Vの起電力が発生す
る。そして、負の印加電圧を増大してやると、それに対
応して陰極上に到達した排気中のH2O，CO2,CO等のガス
成分は、Ptの触媒作用によってPt電極11,13とZrO2電解
質12の界面近傍にて下記のような電気化学分解反応を生
じる。
発生した酸素ガスは陰極13で酸素イオンとなり、固体
電解質層12中をイオン伝導し、陽極11で酸素ガスに戻
る。ところが、燃料リッチ領域であるため、可燃性ガス
成分、すなわちH2,CO,HC等が多い。よって、陽極11また
はその近傍においてH2,CO,HC等の可燃性ガスと下記のよ
うにガス反応を生じて、酸素ガスは消耗される。
電解質層12中をイオン伝導し、陽極11で酸素ガスに戻
る。ところが、燃料リッチ領域であるため、可燃性ガス
成分、すなわちH2,CO,HC等が多い。よって、陽極11また
はその近傍においてH2,CO,HC等の可燃性ガスと下記のよ
うにガス反応を生じて、酸素ガスは消耗される。
CO＋O2→2CO2 このようにして、陽極11で発生する酸素ガス濃度は、
両極に印加された電圧と平衡し、常に陰極13より低く維
持される。
両極に印加された電圧と平衡し、常に陰極13より低く維
持される。
このことを言い換えると、多孔質アルミナ基板４中を
拡散によって陽極11に到達する可燃性ガス量が酸素と化
学量論比を保つように、陽極11で発生する酸素量を維持
するように作用する。
拡散によって陽極11に到達する可燃性ガス量が酸素と化
学量論比を保つように、陽極11で発生する酸素量を維持
するように作用する。
ところで、可燃性ガス中にはH2,CO,HC等のガス成分が
混在している。上記ガスが多孔質アルミナ基板４中を拡
散する場合、各々のガスの拡散の違いがセンサ特性を支
配するようになる。可燃性ガスの中で拡散速度の速いガ
ス成分はH2である。
混在している。上記ガスが多孔質アルミナ基板４中を拡
散する場合、各々のガスの拡散の違いがセンサ特性を支
配するようになる。可燃性ガスの中で拡散速度の速いガ
ス成分はH2である。
しかし、非常に燃料リッチの状態では燃焼しにくいHC
成分が多くなり、燃焼しやすいH2成分は非常に少ない状
態が生じる。このような場合には不完全燃焼状態を生じ
やすい。不完全燃焼状態の中で陰極13を露出している
と、陰極部近傍においてHCの分解反応が生じ、陰極13と
ZrO2の固体電解質層12との界面近傍にＣ（炭素）が析出
し、界面抵抗を増大させ、センサ特性を急速に悪化させ
ることがある。
成分が多くなり、燃焼しやすいH2成分は非常に少ない状
態が生じる。このような場合には不完全燃焼状態を生じ
やすい。不完全燃焼状態の中で陰極13を露出している
と、陰極部近傍においてHCの分解反応が生じ、陰極13と
ZrO2の固体電解質層12との界面近傍にＣ（炭素）が析出
し、界面抵抗を増大させ、センサ特性を急速に悪化させ
ることがある。
そこで本ガス分解式水素検知部３では、直接に陰極13
上に不完全状態の排ガスが接触しないように、陰極13上
に多孔質のコーティング層19によって保護してある。そ
して、その多孔質コーティング層19中には、Pt,Pd,Rh等
の触媒を単独または混合物の形で添加，担持させてあ
る。従って、センサ表面に到達したCO,HC等のガス成分
は多孔質コーティング層19上の触媒で分解反応し、その
分解反応したＣ（炭素）成分は陰極13表面上までは到達
しないようにしてある。
上に不完全状態の排ガスが接触しないように、陰極13上
に多孔質のコーティング層19によって保護してある。そ
して、その多孔質コーティング層19中には、Pt,Pd,Rh等
の触媒を単独または混合物の形で添加，担持させてあ
る。従って、センサ表面に到達したCO,HC等のガス成分
は多孔質コーティング層19上の触媒で分解反応し、その
分解反応したＣ（炭素）成分は陰極13表面上までは到達
しないようにしてある。
第７図ないし第９図に、H2-O2-N2,CO−O2-N2,C2H4-O2
-N2系ガスにおいて、O2濃度一定にして可燃性ガス濃度
を変えながら電流−電圧特性を調べた結果、および、印
加電圧を−0.7Vの一定条件として各ガス濃度と出力電流
特性を調べた結果を示した。
-N2系ガスにおいて、O2濃度一定にして可燃性ガス濃度
を変えながら電流−電圧特性を調べた結果、および、印
加電圧を−0.7Vの一定条件として各ガス濃度と出力電流
特性を調べた結果を示した。
第10図には限界電流式酸素検知部２とガス分解式水素
検知部３を組合わせ、リット領域からリーン領域におけ
る出力電流−空気過剰率特性を示す。リッチおよびリー
ンのそれぞれの領域で比較的直線性よく空気過剰率を測
定できることがわかる。従って、後述のように空燃比検
出装置に用いる場合、それぞれの検知部の出力をゲイン
の調整を行って合成することにより、広範囲にわたつて
精度のよい空燃比の検出が可能となる。
検知部３を組合わせ、リット領域からリーン領域におけ
る出力電流−空気過剰率特性を示す。リッチおよびリー
ンのそれぞれの領域で比較的直線性よく空気過剰率を測
定できることがわかる。従って、後述のように空燃比検
出装置に用いる場合、それぞれの検知部の出力をゲイン
の調整を行って合成することにより、広範囲にわたつて
精度のよい空燃比の検出が可能となる。
また、第11図には本広帯域空燃比センサのH2,CO,i-C4
H10,O2ガスに対する応答特性（50％応答）を示す。
H10,O2ガスに対する応答特性（50％応答）を示す。
（II） 空燃比検出装置 第12図は、以上において詳述した空燃比センサと、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
なる本発明の空燃比検出装置の一実施例を示すものであ
る。
のセンサを駆動し、その検知出力を処理する回路とから
なる本発明の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
21,ガス分解式水素検知部22および抵抗変化式酸素検知
部23を前述のように一体化して構成したセンサ部24と、
限界電流式酸素検知部21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25と、ガス分解式水素検知部22
に印加する電圧源26と、限界電流式酸素検知部21に流れ
る電流を測定する電流検出部27と、ガス分解式水素検知
部22に流れる電流を検出する電流検出部28と、抵抗変化
式酸素検知部23の抵抗を検出する抵抗検出部29と、その
抵抗検出部29の出力を基準抵抗30の値と比較器31で比較
して燃料リッ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32と、比較判定部32が燃料リッチから燃料
リーンに変化したことを判定したときには、その判定に
応じてその変化時点から一定時間後に限界電流式酸素検
知部21を作動状態に、ガス分解式水素検知部22を不作動
状態にそれぞれ切り換え、比較判定部32が燃料リーンか
ら燃料リッチに変化したことを判定したときには、その
判定に応じてその変化時点から一定時間後にガス分解式
水素検知部22を作動状態に、限界電流式酸素検知部21を
不作動状態にそれぞれ切り換える切換制御部33と、限界
電流式酸素検知部21の出力信号、抵抗変化式酸素検知部
23の出力信号、およびガス分解式水素検知部22の出力信
号を合成し、その出力信号から空燃比を表わす信号を生
成する出力信号合成部34と、その出力を表示する表示計
35とから成っている。
21,ガス分解式水素検知部22および抵抗変化式酸素検知
部23を前述のように一体化して構成したセンサ部24と、
限界電流式酸素検知部21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25と、ガス分解式水素検知部22
に印加する電圧源26と、限界電流式酸素検知部21に流れ
る電流を測定する電流検出部27と、ガス分解式水素検知
部22に流れる電流を検出する電流検出部28と、抵抗変化
式酸素検知部23の抵抗を検出する抵抗検出部29と、その
抵抗検出部29の出力を基準抵抗30の値と比較器31で比較
して燃料リッ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32と、比較判定部32が燃料リッチから燃料
リーンに変化したことを判定したときには、その判定に
応じてその変化時点から一定時間後に限界電流式酸素検
知部21を作動状態に、ガス分解式水素検知部22を不作動
状態にそれぞれ切り換え、比較判定部32が燃料リーンか
ら燃料リッチに変化したことを判定したときには、その
判定に応じてその変化時点から一定時間後にガス分解式
水素検知部22を作動状態に、限界電流式酸素検知部21を
不作動状態にそれぞれ切り換える切換制御部33と、限界
電流式酸素検知部21の出力信号、抵抗変化式酸素検知部
23の出力信号、およびガス分解式水素検知部22の出力信
号を合成し、その出力信号から空燃比を表わす信号を生
成する出力信号合成部34と、その出力を表示する表示計
35とから成っている。
切換制御部33は、限界電流測定用電圧源25と限界電流
式酸素検知部21との接続をON-OFFするリレー回路331
と、ガス分解式水素検知部用電圧源26とガス分解式水素
検知部22との接続をON-OFFするリレー回路332と、比較
判定部32の出力に一定の時間遅延を与えてリレー回路33
1へリーン側駆動制御信号として出力するリーン側遅延
回路333と、比較判定部32の出力に一定の時間遅延を与
えてリレー回路332へリッチ側駆動制御信号として出力
するリッチ側遅延回路334から成っている。
式酸素検知部21との接続をON-OFFするリレー回路331
と、ガス分解式水素検知部用電圧源26とガス分解式水素
検知部22との接続をON-OFFするリレー回路332と、比較
判定部32の出力に一定の時間遅延を与えてリレー回路33
1へリーン側駆動制御信号として出力するリーン側遅延
回路333と、比較判定部32の出力に一定の時間遅延を与
えてリレー回路332へリッチ側駆動制御信号として出力
するリッチ側遅延回路334から成っている。
出力信号合成部34は、入力部にレベル調整器であるポ
テンショメータ341,342,343,344を接続した反転加算器3
46を有し、電流検出部27および28の出力信号，前記比較
判定部32の出力信号および負の直流バイアス電源347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。
テンショメータ341,342,343,344を接続した反転加算器3
46を有し、電流検出部27および28の出力信号，前記比較
判定部32の出力信号および負の直流バイアス電源347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32からの信号は、波形整形回路345
により波形整形して反転加算器346に入力される。
により波形整形して反転加算器346に入力される。
以下、本実施例の特徴について、その実験的根拠等と
ともに、詳細に説明する。
ともに、詳細に説明する。
（ａ） 両検知部の駆動の切換え 本発明のセンサのうち、限界電流式酸素検知部21の空
気過剰率λに対する電流の関係を第13図に示す。図より
明らかなように、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い特性が得られている。
気過剰率λに対する電流の関係を第13図に示す。図より
明らかなように、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い特性が得られている。
しかし、λが１より小さい領域（リッチ燃料領域）で
は、λに関係なく大きな電流が流れている。
は、λに関係なく大きな電流が流れている。
従って、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２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
とってすこぶる不都合な特性である。
の電流に対するλの値が２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
とってすこぶる不都合な特性である。
また、ガス分解式水素検知部22はλが１より小さい領
域（リッチ燃料領域）でλと検出電流が対応するよい特
性が得られる。
域（リッチ燃料領域）でλと検出電流が対応するよい特
性が得られる。
本発明において、それぞれの特性のよい部分のみを選
択的に使用する。そのため、燃料リッチ雰囲気か燃料リ
ーン雰囲気かを抵抗変化式酸素検知部23で判定し、限界
電流式酸素検知部21およびガス分解式水素検知部22を駆
動するそれぞれの電圧を切り換える。本実施例において
は、その切り換えは切換制御部33を設けることによって
行なっている。
択的に使用する。そのため、燃料リッチ雰囲気か燃料リ
ーン雰囲気かを抵抗変化式酸素検知部23で判定し、限界
電流式酸素検知部21およびガス分解式水素検知部22を駆
動するそれぞれの電圧を切り換える。本実施例において
は、その切り換えは切換制御部33を設けることによって
行なっている。
第14図には、酸化物半導体を用いた抵抗変化式酸素検
知部23の特性の一例を示す。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。この抵抗を抵抗
検出部29により検出し、これを比較器31で基準抵抗30
（例えば106Ω）と比較することにより、リーンとリッ
チの判定を行なうことができる。
知部23の特性の一例を示す。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。この抵抗を抵抗
検出部29により検出し、これを比較器31で基準抵抗30
（例えば106Ω）と比較することにより、リーンとリッ
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は限界電流式酸素検知
部21へ電圧を印加し、それを作動状態とする。他方、リ
ッチと判定したときにはガス分解式水素検知部22に電圧
を印加し、それを作動状態とする。その結果、前述の二
価函数となる部分は使用されない。リレー回路331,332
はその電圧の印加を行うものである。
部21へ電圧を印加し、それを作動状態とする。他方、リ
ッチと判定したときにはガス分解式水素検知部22に電圧
を印加し、それを作動状態とする。その結果、前述の二
価函数となる部分は使用されない。リレー回路331,332
はその電圧の印加を行うものである。
抵抗変化式酸素検知部23の動作は早い必要がある。そ
の場合、リッチからリーンへ切換わった部分から一定時
間ディレイタイム（実施例ではディレイタイム300msec
に設定）をかけて、リレー回路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。そのために設け
たのが、第12図の実施例のリーン側遅延回路333および
リッチ側遅延回路332である。即ち、限界電流式酸素検
知部21はリーン側のみで動作させ、またガス分解式水素
検知部22はリッチ側のみで動作させるために切り換えを
行う際に、上記各遅延回路333,334によりリレー回路33
1,332の動作を遅らせることにより、リッチからリーン
およびリーンからリッチへの切り換え時にスパイク的ノ
イズを生じない。従って、本実施例では極めて良好な空
燃比検出が可能になった。
の場合、リッチからリーンへ切換わった部分から一定時
間ディレイタイム（実施例ではディレイタイム300msec
に設定）をかけて、リレー回路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。そのために設け
たのが、第12図の実施例のリーン側遅延回路333および
リッチ側遅延回路332である。即ち、限界電流式酸素検
知部21はリーン側のみで動作させ、またガス分解式水素
検知部22はリッチ側のみで動作させるために切り換えを
行う際に、上記各遅延回路333,334によりリレー回路33
1,332の動作を遅らせることにより、リッチからリーン
およびリーンからリッチへの切り換え時にスパイク的ノ
イズを生じない。従って、本実施例では極めて良好な空
燃比検出が可能になった。
（ｂ） 両検知部出力信号の合成 出力信号合成部34の反転加算器346のところにおける
目ざす出力特性を第15図に示す。図より明らかなよう
に、リッチ側では1Vより大きく、連続的に大きくなる出
力となり、λ＝１の点で急にV1まで低下し、リーン側で
は連続的に低くなり、λ＝∞で出力が零になるのであ
る。このような出力が正および負にまたがらない一元的
な出力を出すために出力信号合成部34を第12図のように
構成した。
目ざす出力特性を第15図に示す。図より明らかなよう
に、リッチ側では1Vより大きく、連続的に大きくなる出
力となり、λ＝１の点で急にV1まで低下し、リーン側で
は連続的に低くなり、λ＝∞で出力が零になるのであ
る。このような出力が正および負にまたがらない一元的
な出力を出すために出力信号合成部34を第12図のように
構成した。
この出力信号合成部34について説明する。電流検出部
27および28で検出電流に対応した出力電圧に変換し、ポ
テンショメータP1およびP4によって比例係数を乗じて、
これらを加算合成すると第16図の実線で示したように、
λ＞１のリーン領域ではλに比例した正の電圧となり、
λ＜１のリッチ領域ではλに比例した負の電圧となる。
そして、この信号だけを反転加算器346を通したとすれ
ば、第16図の破線で示したものになる。このようにλの
値によって出力電圧が正と負の２つの極性にまたがるの
は、その出力の利用上不便であるので、比較判定部32の
出力を利用して以下のように１つの極性を持つ出力に変
換される。
27および28で検出電流に対応した出力電圧に変換し、ポ
テンショメータP1およびP4によって比例係数を乗じて、
これらを加算合成すると第16図の実線で示したように、
λ＞１のリーン領域ではλに比例した正の電圧となり、
λ＜１のリッチ領域ではλに比例した負の電圧となる。
そして、この信号だけを反転加算器346を通したとすれ
ば、第16図の破線で示したものになる。このようにλの
値によって出力電圧が正と負の２つの極性にまたがるの
は、その出力の利用上不便であるので、比較判定部32の
出力を利用して以下のように１つの極性を持つ出力に変
換される。
比較器31の出力を波形整形回路345を通して整形す
る。その内容は、リッチ領域では負の一定電圧、リーン
領域ではゼロにするのである。それをポテンショメータ
P2を用いて比例係数を乗ずると、第17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346を
通したとすれば、第17図の破線で示すようになる。
る。その内容は、リッチ領域では負の一定電圧、リーン
領域ではゼロにするのである。それをポテンショメータ
P2を用いて比例係数を乗ずると、第17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346を
通したとすれば、第17図の破線で示すようになる。
次に、電圧源347からの負の一定電圧をポテンショメ
ータP3に印加して、第18図の実線の信号とする。この信
号だけを反転加算器346を通せば、第18図の破線の信号
となる。
ータP3に印加して、第18図の実線の信号とする。この信
号だけを反転加算器346を通せば、第18図の破線の信号
となる。
実際には、上記の３つの実線の信号が反転加算器346
で加算し反転処理されるので、３つの破線の信号が加算
されたものが反転加算器346の出力に得られる。その結
果、第15図に示した出力になる。
で加算し反転処理されるので、３つの破線の信号が加算
されたものが反転加算器346の出力に得られる。その結
果、第15図に示した出力になる。
（ｃ） 合成信号の直線化 第10図に示した如く、センサから得られる電流は空気
過剰率λが１より大きい領域ではλに対する勾配が小さ
く、λが１より小さい領域では勾配が大きくなってい
る。そして、両領域とも正確には直線関係になっていな
い。このままでは、空気過剰率の測定に誤差を生ずる要
因となりやすい。そこで、測定精度の向上を望む場合に
はリニアライザ348を設けるのがよい。本実施例の場
合、反転加算器346の次段にリニアライザ348を接続し
た。リニアライザ348は、第19図に示すような特性とす
ればよい。第20図にはリニアライザ348を用いて直線化
をした結果の特性を示す。
過剰率λが１より大きい領域ではλに対する勾配が小さ
く、λが１より小さい領域では勾配が大きくなってい
る。そして、両領域とも正確には直線関係になっていな
い。このままでは、空気過剰率の測定に誤差を生ずる要
因となりやすい。そこで、測定精度の向上を望む場合に
はリニアライザ348を設けるのがよい。本実施例の場
合、反転加算器346の次段にリニアライザ348を接続し
た。リニアライザ348は、第19図に示すような特性とす
ればよい。第20図にはリニアライザ348を用いて直線化
をした結果の特性を示す。
第１図は本発明の空燃比センサの外観図、第２図は第１
図に示した抵抗変化式酸素検知部の断面図、第３図は限
界電流式酸素検知部の断面図、第４図はガス分解式水素
検知部の断面図、第５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６図（ａ）は限界電流
式酸素検知の電流−電圧特性，同図（ｂ）は電流−酸素
濃度特性をそれぞれ示す図、第７図（ａ）はガス分解水
素センサの電流−電圧特性，同図（ｂ）は電流−水素濃
度特性をそれぞれ示す図、第８図（ａ）はガス分解式水
素センサの電流−電圧特性，同図（ｂ）は電流−CO濃度
特性をそれぞれ示す図、第９図（ａ）はガス分解式水素
センサの電流−電圧特性，同図（ｂ）は電流−C2H4濃度
特性、第10図は限界電流式酸素検知部およびガス分解式
水素検知部を組合わせた場合の電流−空気過剰率特性、
第11図は本空燃比センサのH2,CO,i-C4H10,O2ガスに対す
る応答特性図、第12図は本発明の空燃比検出装置の実施
例のブロック図、第13図は限界電流式酸素検知部の出力
電流−空気過剰率特性図、第14図は抵抗変化式酸素検知
部の抵抗−空気過剰率特性図、第15図は目標とする出力
合成特性図、第16図は限界電流式酸素検知部からの出力
信号とガス分解式水素検知部からの出力信号の合成信号
と空気過剰率の関係を示す図、第17図は抵抗変化式酸素
検知部からの出力の判定出力信号と空気過剰率の関係を
示す図、第18図はバイアス電圧と空気過剰率の関係を示
す図、第19図はリニアライザの特性図、第20図はリニア
ライザを用いて直線化した結果の総合特性を示す図であ
る。 １……抵抗変化式酸素検知部、２……限界電流式酸素検
知部、３……ガス分解式水素検知部、４……多孔質アル
ミナ基板、５……酸化物半導体層、6,7……対向電極、
８……限界電流式酸素検知部の第１電極（陰極）、9,12
……固体電解質層、10……限界電流式酸素検知部の第２
電極（陰極）、11……ガス分解式水素検知部の第２電極
（陽極）、13……ガス分解式水素検知部の第１電極（陽
極）、14……ヒータ、15,16,17,18……端子、19……コ
ーティング層。
図に示した抵抗変化式酸素検知部の断面図、第３図は限
界電流式酸素検知部の断面図、第４図はガス分解式水素
検知部の断面図、第５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６図（ａ）は限界電流
式酸素検知の電流−電圧特性，同図（ｂ）は電流−酸素
濃度特性をそれぞれ示す図、第７図（ａ）はガス分解水
素センサの電流−電圧特性，同図（ｂ）は電流−水素濃
度特性をそれぞれ示す図、第８図（ａ）はガス分解式水
素センサの電流−電圧特性，同図（ｂ）は電流−CO濃度
特性をそれぞれ示す図、第９図（ａ）はガス分解式水素
センサの電流−電圧特性，同図（ｂ）は電流−C2H4濃度
特性、第10図は限界電流式酸素検知部およびガス分解式
水素検知部を組合わせた場合の電流−空気過剰率特性、
第11図は本空燃比センサのH2,CO,i-C4H10,O2ガスに対す
る応答特性図、第12図は本発明の空燃比検出装置の実施
例のブロック図、第13図は限界電流式酸素検知部の出力
電流−空気過剰率特性図、第14図は抵抗変化式酸素検知
部の抵抗−空気過剰率特性図、第15図は目標とする出力
合成特性図、第16図は限界電流式酸素検知部からの出力
信号とガス分解式水素検知部からの出力信号の合成信号
と空気過剰率の関係を示す図、第17図は抵抗変化式酸素
検知部からの出力の判定出力信号と空気過剰率の関係を
示す図、第18図はバイアス電圧と空気過剰率の関係を示
す図、第19図はリニアライザの特性図、第20図はリニア
ライザを用いて直線化した結果の総合特性を示す図であ
る。 １……抵抗変化式酸素検知部、２……限界電流式酸素検
知部、３……ガス分解式水素検知部、４……多孔質アル
ミナ基板、５……酸化物半導体層、6,7……対向電極、
８……限界電流式酸素検知部の第１電極（陰極）、9,12
……固体電解質層、10……限界電流式酸素検知部の第２
電極（陰極）、11……ガス分解式水素検知部の第２電極
（陽極）、13……ガス分解式水素検知部の第１電極（陽
極）、14……ヒータ、15,16,17,18……端子、19……コ
ーティング層。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.6 識別記号 庁内整理番号 ＦＩ 技術表示箇所 Ｇ０１Ｎ 27/41 27/416 27/419 Ｇ０１Ｎ 27/58 Ｂ 27/46 ３１１ Ｈ (56)参考文献 特開 昭60−216251（ＪＰ，Ａ) 特開 昭61−10757（ＪＰ，Ａ) 特開 昭60−128355（ＪＰ，Ａ)
Claims (4)
- 【請求項１】多孔質アルミナ基板と、 その多孔質アルミナ基板の上に、ガス透過性のよい第１
電極層、固体電解質層、およびガス透過性のよい第２電
極層を順次積層し、燃料リーン領域の空燃比を検出する
ための限界電流式酸素検知部と、 前記多孔質アルミナ基板の上に、酸化物半導体材料の層
および１対の対向電極を形成して構成した空気過剰率λ
＝１を検出するための抵抗変化式酸素検知部と、 前記多孔質アルミナ基板の上に、ガス透過性のよい第２
電極層、固体電解質層、およびガス透過性のよい第１電
極層を順次積層して構成した、燃料リッチ領域の空燃比
を検出するためのガス分解式水素検知部と、 前記各検知部を加熱するための検知部加熱ヒータと を設けてなる広帯域空燃比センサ。 - 【請求項２】多孔質アルミナ基板と、その多孔質アルミ
ナ基板の上に、ガス透過性のよい第１電極層、固体電解
質層、およびガス透過性のよい第２電極層を順次積層し
て構成した、燃料リーン領域の空燃比を検出するための
限界電流式酸素検知部と、前記多孔質アルミナ基板の上
に酸化物半導体材料の層および１対の対向電極を形成し
て構成した空気過剰率λ＝１を検出するための抵抗変化
式酸素検知部と、前記多孔質アルミナ基板の上にガス透
過性のよい第２電極層、固体電解質層、およびガス透過
性のよい第１電極層を順次積層して構成した燃料リッチ
領域の空燃比を検出するためのガス分解式水素検知部
と、前記各検知部を加熱するための検知部加熱ヒータと
を設けてなる広帯域空燃比センサを用いた広帯域空燃比
検出装置において、 前記抵抗変化式酸素検知部からの出力を基準値と比較し
て燃料リーンであるか燃料リッチであるかを判定する比
較判定部と、 比較判定部が燃料リッチから燃料リーンに変化したこと
を判定したときには、限界電流式酸素検知部を作動状態
に切り換えるとともに、ガス分解式水素検知部を不作動
状態に切り換え、比較判定部が燃料リーンから燃料リッ
チに変化したことを判定したときには、限界電流式酸素
検知部を不作動状態に切り換えるとともに、ガス分解式
水素検知部を作動状態に切り換える切換制御部と、 限界電流式酸素検知部からの出力信号とガス分解式水素
検知部からの出力信号を合成し、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広帯域空燃比検出装置。 - 【請求項３】比較判定部の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ッチへ切換される際の判
定を早めに行なうように構成したことを特徴とする特許
請求の範囲第（２）項記載の空燃比検出装置。 - 【請求項４】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、比較判定部の出力信号お
よび直流バイアス信号を用いて燃料リーンにあるときと
燃料リッチにあるときとで異なるバイアス信号を生成
し、そのバイアス信号と限界電流式酸素検知部からの出
力信号とガス分解式水素検知部からの出力信号を前記反
転加算器により合成することにより、一元的な検知出力
を得ることを特徴とする特許請求の範囲第（２）項記載
の広帯域空燃比検出装置。
Priority Applications (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP62277308A JPH0827247B2 (ja) | 1987-11-04 | 1987-11-04 | 広帯域空燃比センサおよび検出装置 |
| US07/263,875 US4844788A (en) | 1987-11-04 | 1988-10-28 | Wide-range air/fuel ratio sensor and detector using the same |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP62277308A JPH0827247B2 (ja) | 1987-11-04 | 1987-11-04 | 広帯域空燃比センサおよび検出装置 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH01119749A JPH01119749A (ja) | 1989-05-11 |
| JPH0827247B2 true JPH0827247B2 (ja) | 1996-03-21 |
Family
ID=17581730
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP62277308A Expired - Lifetime JPH0827247B2 (ja) | 1987-11-04 | 1987-11-04 | 広帯域空燃比センサおよび検出装置 |
Country Status (2)
| Country | Link |
|---|---|
| US (1) | US4844788A (ja) |
| JP (1) | JPH0827247B2 (ja) |
Families Citing this family (16)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
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| JPH03134552A (ja) * | 1989-10-20 | 1991-06-07 | Hitachi Ltd | 自己較正機能付検出装置 |
| DE4107217A1 (de) * | 1991-03-07 | 1992-09-10 | Battelle Institut E V | Grenzstromsonde zur messung des partialdrucks von gasen |
| JPH05119017A (ja) * | 1991-10-29 | 1993-05-14 | Yazaki Corp | ガスセンサ |
| EP0545647B1 (en) * | 1991-12-02 | 2001-10-24 | Canon Kabushiki Kaisha | Measuring apparatus |
| US5480535A (en) * | 1992-12-28 | 1996-01-02 | Kabushiki Kaisha Toyota Chuo Kenkyusho | Thin film multilayered air/fuel ratio sensor |
| JP4124536B2 (ja) * | 1999-03-26 | 2008-07-23 | 山里産業株式会社 | 水素センサ |
| AU7748301A (en) * | 2000-07-25 | 2002-02-05 | Siemens Ag | Header compression method for network protocols |
| DE10048195C2 (de) * | 2000-09-28 | 2002-11-14 | Siemens Ag | Gassensor |
| JP2002174618A (ja) * | 2000-12-07 | 2002-06-21 | Matsushita Electric Ind Co Ltd | 固体電解質型ガスセンサ |
| JP4886935B2 (ja) * | 2001-04-16 | 2012-02-29 | 株式会社アイシーティー | 触媒 |
| US7820587B2 (en) * | 2005-11-28 | 2010-10-26 | Uchicago Argonne, Llc | Porous anodic aluminum oxide membranes for nanofabrication |
| JP4371114B2 (ja) * | 2006-02-28 | 2009-11-25 | トヨタ自動車株式会社 | 内燃機関の排気浄化装置 |
| JP5126886B2 (ja) * | 2008-04-01 | 2013-01-23 | 矢崎エナジーシステム株式会社 | ガス濃度検出装置 |
| US8586394B2 (en) * | 2010-01-29 | 2013-11-19 | Kerdea Technologies, Inc. | Method for producing a subminiature “micro-chip” oxygen sensor for control of internal combustion engines or other combustion processes, oxygen sensor and an exhaust safety switch |
| US10190520B1 (en) | 2017-10-12 | 2019-01-29 | Harley-Davidson Motor Company Group, LLC | Signal conditioning module for a wide-band oxygen sensor |
Family Cites Families (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US4500412A (en) * | 1981-08-07 | 1985-02-19 | Kabushiki Kaisha Toyota Chuo Kenkyusho | Oxygen sensor with heater |
| JPS59166854A (ja) * | 1983-03-14 | 1984-09-20 | Toyota Central Res & Dev Lab Inc | 限界電流式酸素センサ |
| JPS61155751A (ja) * | 1984-12-28 | 1986-07-15 | Toyota Central Res & Dev Lab Inc | 空燃比センサおよび装置 |
-
1987
- 1987-11-04 JP JP62277308A patent/JPH0827247B2/ja not_active Expired - Lifetime
-
1988
- 1988-10-28 US US07/263,875 patent/US4844788A/en not_active Expired - Fee Related
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| US4844788A (en) | 1989-07-04 |
| JPH01119749A (ja) | 1989-05-11 |
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