JPS5817251Y2 - ガス成分検出装置 - Google Patents

Description

【考案の詳細な説明】 本考案は、正確な温度補正機能を有し、検出ガス中の０
２．Ｃ０２ＨＣなとの成分の濃度変化を広い温度範囲に
亘って応答性良く高精度で検出し得る新規な構成のガス
成分検出装置に関する。

ガス成分検出装置は一般に広く使用されているが、近年
、内燃機関の排気ガス対策と関連して、内燃機関で燃焼
に供される混合気の空燃比を検出する手段としても使用
されるに至っている。

すなわち、内燃機関の排気ガス対策として例えば排気ガ
ス浄化用の触媒を用いる場合、この触媒に最大限の機能
を発揮させるには、混合気の空燃比を適正の値に常に保
持する必要があるが、通常の機関における気化器とか、
燃料噴射式の機関における噴射装置とかでは、混合気の
空燃比が一定になるよう設定したとしても実際には空燃
比は大幅に変化する。

従って、空燃化を一定に保つには、伺らかの方法で実際
の空燃比を検出し、その信号を前記気化器とか噴射装置
にフィードバックする必要が生じるのである。

しかして、ガス成分検出装置によって空燃比を検出する
には、このガス成分検出装置で直接的には排気ガス中の
ガス成分の濃度変化を検出し、排気ガス中のガス成分の
濃度変化が混合気の空燃比に密接に関連することを利用
して空燃比を検出する。

この場合、排気ガスは、周知の通り、その温度およびガ
ス成分の濃度変化が急激かつ大幅であり、このためこの
点を考慮した正確な検出装置が望まれる。

従来、内燃機関の空燃比の検出は、ジルコニア等の固体
電解質を用いて、これを酸素濃炎電池として作用させ起
電力の変化を検出する方法、あるいは遷移金属酸化物の
焼結体を用いて、これの抵抗値の変化を検出する方法に
て行なわれているが、これらは、内燃機関の空燃比を検
出するにあたって以下の欠点を有する。

すなわち、前者の方法では、起電力特性が理論空燃比付
近でのみ急激に変化する特性であるために、他の領域の
空燃比を検出することが不可能に近い。

なお、この場合温度補正を行うと理論的には任意の空燃
比が検出できるが、理論空燃比付近外では起電力の変化
がごくわずかであるため高感度の検出はできない。

また、固体電解質のイオン伝導は格子間に存在するイオ
ン欠隔中を熱振動によってイオンが移動することから起
り、この結果起電力が生じる。

このため、固体電解質の温度が４００℃以下の低温では
起電力が生じず、排気ガス温度の低い内燃機関の始動時
などには応答性が著しく低下する。

一方、後者の方法では、その特性上任意の空燃比の検出
が可能であるが、焼結体の製作上その板厚が厚く体積が
大きなものとならざるを得ず、排気ガスの成分の濃度変
化に対する応答性が悪く、しかも、温度変化によっても
抵抗値が変化するため温度補償が必要となる。

従来、この温度補償は熱電対とかサーミスタなどの一般
の温度計が用いられているが、これでは温度計自体の応
答性が悪く正確な温度補償ができない。

本考案のガス成分検出装置は０２．ＣＯ，ＨＣなどのガ
ス成分の濃度を広範囲に亘って検出可能であるという利
点を利用しガス成分検出素子として遷移金属酸化物を用
いるが、これを薄膜とし、かつ、これとは別に、このガ
ス成分検出素子と同−又は抵抗の温度変化率がほぼ等し
い遷移金属酸化物よりなる薄膜の表面にガス不浸性で電
気絶縁性の物質を付着して構成した温度検出素子を備え
、これら画素子を保持体に保持せしめるとともに、その
保持体外周にハウジングを装着し、前記ガス成分検出素
子と温度検出素子との抵抗値の比較によってガス成分を
検出することを特徴とする。

しかして、本考案の目的は、ガス成分の濃度変化に対す
るガス成分検出素子の応答性および温度の変動に対する
温度検出素子の応答性を向上させ、正確なガス成分の濃
度変化の検出を可能にすることにある。

以下、本考案のガス成分検出装置を、内燃機関の空燃比
を検出する手段として用いられる場合の実施例について
説明する。

第１図〜第３図において、１はハウジングで、電気良導
体の金属よりなり、内燃機関の排気管などに取付けられ
るためのねじ部１ａおよび締付部１ｂを有する。

２は電気絶縁性のセラミックよりなる柱状の保持体であ
る。

この保持体２は、その中央部に形成した段部とノ＼ウジ
ング１との間にバッキングワッシャ６を介在させ、また
、上端面のテーパ部２ａとハウジング１の上端との間に
金属リング７を介在させて、ハウジング１の上端を熱か
しめすることにより固定する。

保持体２には３つの軸方向の貫通穴２ｂ。２ｃ 、２ｄ
を設け、それぞれ電気良導性の耐熱金属よりなる第１、
第２、第３のリード線８，９゜２２を嵌挿する。

この各リード線保持体２の下端面には各貫通穴２ｂ 、
２ｃ 、２ｄに応じた部分にそれぞれ金、白金などの耐
熱耐蝕性に優れた金属を第１．第２．第３の電極１０，
１１，１２として真空蒸着、スパッタリング等の方法で
薄膜状に配設し、これらはそれぞれ第１、第２、第３の
リード線８，９．２２と接続しである。

１３はガス成分検出素子で、第１電極１０と第３電極１
２間に配設されてこれらに電気的に導通している。

このガス成分検出素子１３は遷移金属酸化物の薄膜より
なる。

遷移金属酸化物としては、酸化ニッケル（ＮｉＯ）、酸
化コバルト（ＣＯＯ）、酸化マンガン（ＭｎＯ）、酸化
亜鉛（ＺｎＯ）、酸化銅（Ｃｕｂ）、酸化チタン（Ｔｉ
Ｏ２）、酸化錫（Ｓ ｎ０２ ）などがあるが前記ガス
成分検出素子１３の配設は、これら遷移金属酸化物のう
ち適当なものを選び、真空蒸着、電子ビーム蒸着等の方
法で保持体２の下端面に厚さ１００λ〜１０μ程度の薄
膜として付着させることにより行う。

１４は温度検出素子で、第２電極１１と第３電極１２′
との間に配設されてこれらに電気的に導通している。

この温度検出素子１４は前記ガス成分検出素子１３をな
す遷移金属酸化物とほぼ等しい抵抗の温度変化率を有す
る遷移金属酸化物を用いて、これを前記ガス成分検出素
子１３と同様に厚さ１００λ〜１０μ程度の薄膜として
付着させ、かつこの薄膜の表面にガス不浸性でしかも電
気絶縁性の物質例えばαアルミナ（α−Ａ１２０３）を
付着させて構成する。

前述の如くガス成分検出素子１３と温度検出素子１４と
の抵杭の温度変化率をほぼ等しくするには、画素子１３
゜１４に同じ遷移金属酸化物を用いるか、または抵抗の
温度変化率がほぼ等しい遷移金属酸化物の組合せを選べ
ばよい。

なお、遷移金属酸化物の抵抗の見かけの温度変化率は、
原子価の異なる他の金属を混入させることにより変化さ
せ得るからこの方法を採用してもよい。

保持体２の上部貫通穴５ｂ、５ｃはそれぞれ上方部が第
１．第２、第３のリード線８，９．２２の径よりもかな
り太きく形成されており、この部分にそれぞれ管状の第
１、第２、第３の端子１５゜１６．２３が収納しである
。

第１．第２の端子１５．１６の下端にはそれぞれつば１
５ａ、１５ａが設けられ第１、第２の端子１５，１６は
前記つば１５ａ、１６ａとその上方にそれぞれ圧入され
たリング１７．１８とによって保持体２の各貫通穴５
ｂ 、Ｓ ｃ内にそれぞれ保持され、かつ前記つば１５
ａ、１６ａとリング１７．１８と保持体２の貫通穴ｓｂ
、５ｃとから形成される空間にそれぞれガラスシール
１９，２０などを充填して固定されている。

そして、第１のリード線８は第１の端子１５内に挿入さ
れて上端で第１の端子１５の上端に溶接され、また、第
２のリード線９は第２の端子１６内に挿入されて上端で
第２の端子１６の上端に溶接されている。

また、第３のリード線２２は第３の端子２３内に挿入さ
れて上端で第３の端子２３の上端に溶接されている。

なお、２１はガスケットである。

上記の検出器はそれぞれ内燃機関の排気管に装着され、
ガス成分検出素子１３および温度検出素子１４は排気ガ
スにさらされる。

排気ガスは、周知の如く、０２ＮＯｘ、Ｃ０９ＨＣ２Ｈ
２などのガス成分から構成されており、これらの各成分
の濃度は燃焼前の混合気の空燃比によって変化する。

ガス成分検出素子１３をなす遷移金属酸化物は上記のガ
ス成分のうち主として０２．ＣＯ，ＨＣなどの濃度すな
わち分圧の影響を受け、しかも、これら各成分それぞれ
の分圧の変化よりも、これがもたらす総体的な雰囲気の
変化に応じた抵抗値を示し、さらには、排気ガスの温度
の影響を受は温度に応じた抵抗値を示す。

なお、このガス成分に応じた抵抗値と温度に応じた抵抗
値の積が一般的にはガス成分検出素子１３の実際の抵抗
値となる。

一方、温度検出素子１４は、遷移金属酸化物の薄膜の表
面にガス不浸性で電気絶縁性の物質を付着させて構成し
ているから、ガス成分の濃度には何ら影響されず、温度
に応じた抵抗値のみを示す。

しかも、前述の通り、ガス成分検出素子１３と温度検出
素子１４との抵抗の温度変化率はほぼ等しくしている。

しかして、本考案では前記ガス成分検出素子１３と温度
検出素子１４との抵抗値を比較し、特には抵抗値の比を
検出する。

すなわち、例えばガス成分検出素子１３と温度検出１４
とを第６図の如く直列に接続し、第１、第２の端子ｉｓ
、ｉｓの両端のＡ、Ｂ間に一定の電圧■を加えておき、
第３の端子２３の出力電圧を検出する。

上記の如くガス成分検出素子１３の抵抗値は各ガス成分
の濃度に応じた値と温度に応じた値との積で与えられ、
温度検出素子１４の抵抗値は温度のみに応じた値で与え
られ、しかも画素子の温度に応じた抵抗はほぼ等しいか
ら、画素子の抵抗値の比を検出すれば、ガス成分の濃度
のみに応じた抵抗値が求められる。

すなわち、ガス成分検出素子１３の抵抗値の変化を温度
検出素子１４で温度補償しつつ検出でき、この結果、常
に正確なガス成分濃度変化の検出（空燃比の検出）が行
なわれるのである。

また、ガス成分検出素子１３および温度検出素子１４と
しては薄膜を用いているから、ガス成分の濃度変動に対
する応答性は良好で、特にこれらの変動が激しい排気ガ
スに対しても良好に追随し、応答性の良い空燃比の検出
が可能である。

しかも、遷移金属酸化物は排気ガスのガス成分の濃度す
なわち空燃比の広い範囲に亘って、その抵抗が変化する
ことが知らされており、このため、任意の空燃比を高感
度で検出することができる。

第４図および第５図は本考案の他の実施例を示している
。

これ＆Ｌ保持体２の表面に、テーパ部２ａおよび下端面
外縁部に亘った第３の電極１２を配設し、この第３の電
極１２は金属りング４を介してハウジング１に電気的に
導通させる。

第３の電極１２の配設は第１、第２の電極１ｏ、ｉｉと
同様にして行なう。

そして、ガス成分検出素子１３は保持体２の下端面にお
ける第１、第２の電極ｔｏ、ｉｉ間に配設し、温度検出
素子１４は第２、第３の電極ｌＬ１２間に配設する。

以上詳述したように、本考案においては、検出ガス中の
ガス成分に応じた電気抵抗値を示す遷移金属酸化物の薄
膜よりなるガス成分検出素子と、この素子の示す電気抵
抗値を取出す第１の電極と、前記ガス成分検出素子と電
気抵抗の温度変化率がほぼ等しい遷移金属酸化物よりな
る薄膜の表面にガス不浸性で電気絶縁性のセラミック物
質を付着させて構成した温度検出素子と、この素子の示
す電気抵抗値を取出す第２の電極と、前記第１、第２の
電極と各々電気的に接続導通させた耐熱性金属よりなる
第１、第２のリード線と、これらのリード線が挿入され
る複数個の貫通穴を有するとともに前記ガス成分検出素
子、温度検出素子、及び第１、第２の電極が配設される
耐熱電気絶縁性の保持体と、この保持体の外周に設けら
れ前記ガス成分検出素子と温度検出素子を検出ガス中に
晒すための耐熱性金属よりなるハウジング部材とを具備
し、前記ガス成分検出素子と温度”検出素子との電気抵
抗値の比較によってガス成分を検出しているから、前記
ガス成分の濃度変化を広い変化範囲に亘って応答性良く
高感度に検出することができ、しかも簡単な構成で確実
かつ応答性の良い温度補償を行うことができるという効
果がある。

また、温度検出素子の表面のガス不浸性かつ電気絶縁性
の物質はセラミック材で構成しであるから、ガス温度が
高くなっても焼失することはないので、長期に亘って安
定的に温度補償を行なうことができるという効果がある
。

更に、本考案は、ガス成分検出素子と温度検出素子とを
保持体に配設し、しかもこの保持体の外周にハウジング
を装着したから、検出ガスが流れる壁部に保持体を装着
でき、このため雨検出素子を確実に検出ガス中に晒すこ
とができるので、より応答性が向上するという効果があ
る。

また、構造的にも簡単である。

【図面の簡単な説明】

第１図は本考案になるガス戒分検出装置の一実施例を示
す断面正面図、第２図は第１図図示検出装置の要部の拡
大図、第３図は第２図の底面図、第４図、第５図は上記
本考案検出装置の他の実施例を示す図で、それぞれ第２
図、第３図に対応する拡大図および底面図、第６図は本
考案装置の回路構成の一例を示す模式図である。 １３・・・・・・ガス成分検出素子、１４・・・・・・
温度検出素子。

Claims (1)

【実用新案登録請求の範囲】
1. 検出ガス中のガス成分に応じた電気抵抗値を示す遷移金
   属酸化物の薄膜よりなるガス成分検出素子と、この素子
   の示す電気抵抗値を取出す第１の電極と、前記ガス成分
   検出素子と電気抵抗の温度変化率がほぼ等しい遷移金属
   酸化物よりなる薄膜の表面にガス不浸性で電気絶縁性の
   セラミック物質を付着させて構成した温度検出素子と、
   この素子の示す電気抵抗値を取出す第２の電極と、前記
   第１、第２の電極と各々電気的に接続導通させた耐熱性
   金属よりなる第１、第２のリード線と、これらのリード
   線が挿入される複数個の貫通穴を有するとともに前記ガ
   ス成分検出素子、温度検出素子、及び第１、第２の電極
   が配設される耐熱電気絶縁性の保持体と、この保持体の
   外周に設けられ前記ガス成分検出素子と温度検出素子を
   検出ガス中に晒すための耐熱性金属よりなるハウジング
   部材とを具備し、前記ガス成分検出素子と温度検出素子
   との電気抵抗値を比較によってガス成分を検出すること
   を特徴とするガス成分検出装置。