JPS58747A - 酸素センサ - 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】 仁の発明は、各種燃焼装置における燃焼状態を監視ない
し線制御するための検知素子として利用する排ガス中の
駿素談度を検出する酸素セｙ？ＫＭするものである。

従来よシ５石油等を燃料とする内燃機関もしくは燃焼装
置に使用する酸素センサが種々提案されている０例えば
、単載用内燃機関において。

排ガス中の有害成分を低減すべく燃焼条件を理論空燃比
（空燃比とは、供給される空気と燃料の混合重量比であ
シ、一般にム／Ｆと表示される）の近傍のごく狭い幅の
Ａｌ１値に制御する方式が知られているが、この場合、
排ガス中の平衡酸素ｍ度を検知して排ガスの人／Ｆ値に
応じてフィードバック信号を与えるための各種の酸素セ
ンサが提案され使用されている。

従来、主として使用されている酸素センナは。

安定化ジル＝ｉニア（例えｉ；ｆ’　ＺｒＯ２−ＣａＯ
）　ｌｊ１体電体質解質用し九酸素ｍ＆電池方式の起電
力出力製酸素センナと、チタニア（ＴｉＯ２）勢の酸化
物半導体を利用した電気抵抗変化型酸素センサである。

これらの酸素センサの出力特性は。

それぞれ第１図および第一２図に示す通シである。

すなわち、第１図は起電力出力型酸素センナの燃焼温度
をパラメータとした場合における空気過剰率〔λミム／
Ｆ／（ム／Ｆ）〕と起電力の関係を示し、１ＩＫ−図は
電気抵抗変化塩鈑凧センサの燃焼温度をパラメータとし
た場合におりる空気過剰率〔λ〕と電気抵抗の関係を示
す−のである。しかるにｓ　Ｉｓ　’　ｈおよび第一図
から明らかなように、従来の酸素センサは、Ａ／Ｆｆｆ
ｌが理論空燃比（λ；／）の所で出力がそれぞれ烏、変
じてお９、変化幅も大きい、このような特性ニ。

ム／ｒ値に対するスイッチング特性Ｖｒホしておシ、こ
のような酸素センナの特性を利用し又内燃機関の燃焼状
１１１ｔ−理論空燃比（λ＝７）近傍に容易に精度良く
制御することが可能である６近都、省資源、省エネルギ
の数点から、前記内燃機関もしくは燃焼装置では、空気
過剰領域（り一ン領域λ〉／）で、燃焼制御することが
、燃費改善に非常に有効とされ、例えはボイラ那の燃焼
装置では、λ＝ｔ／〜ｔコのリーン領域で燃焼制御する
のが最も有効であると認めら扛、この種の検知用１！＊
竜ンナとして起電力出力型のジルコニア酸素センナが既
に使用されている。

壕九、車載用内燃機−についても、Ｉ′Ｗ１様の提案が
なされて匹る。

しかしながら、前述のように、り一ン領域で燃焼制御す
る場合、前記−２種の酸素センサをそのｉｔ使用すると
、１ｓ／図および＠Ｊｌｌに示す特性曲線から明らかな
ように、ム／Ｆ値に対する酸素センナ出力は急変する領
域（λ＝／）から外れておシ、ム／Ｆ値に対する酸素セ
ンナ出力の変化＠（感度）が非常に小さい。従って。

排ガスの組成変化（酸素濃度あるいはム／Ｆ値変化）以
外の要因、例えば排ガス温度の温度変化による酸素セン
サ出力の変化が相対的に大きくな夛、これが測定誤差と
なって夾用土使用できない０例えば５通常のジルコニア
ｊｌ＊セ／？の出力の温度依存性を示せば、第３図に示
すＸうＫする。すなわち、第３図はジルコニア酸素セン
ナのり−ン領域における酸素ＩＩＩＦＩＬ−起電力特性
の温度依存性を示したものであり、ｌ−以上の＊＊ｓｉ
度でＦｉ、酸素濃度に対する酸素センサ出力の変化幅は
温度変化による酸素センサ出力変化に比べて小さいこと
が明らかである。従つて、空気過１Ｉｌｌ領域（λ〉／
）のム／Ｆ髄を精度良く測定するためにＦｉ、伺らかの
方法で外乱要因を補償しなければならない。このため、
一般に、ボイ５）燃ｔｓ′ｉ＃塩に使用するジルコニア
酸素センナは、ヒータを内置し、検知部を一足温＆（〜
１１０℃）に温度１１１１１ｉ４１して使用している。

一方、車載用のり一ン餉城の燃焼制御用除氷センサとし
て％ＺｒＯ２−ＦｅｌｏＢ県混合４１に体による起電力
出力ｍ！ｌ！素センサ、　ＣｏｏあるいはＣｏＣ−Ｍｇ
Ｏ固溶体による電気抵抗変化型酸素センナの使用がそれ
ぞれ提案されている。しかるに１前者の酸素センサは温
ｌ自己補償型であシ、後者の＃！嵩セン？はヒータ内ｌ
Ｉ！温ｉ＊ａ＊ｍである。しかしながら、これらのｌｌ
素センサについては、精度良い温度補償を行うことがで
きない欠点がある。すなわち、温ｌ自己補償製峡素セン
ナは、広い温度範Ｓ（例えばＪＪＯ”Ｃ，〜１００’Ｃ
）Ｋ１つて精度良い補償が内麺であｐ、また単位ム／ｒ
変化に対ズ、る出力変化（感度）が非常に小さいので、
空気−，ｆｉｌｌ領域の精度良いＡ／Ｆセンナとな夛得
ない、さらに、ヒータ内翼温度制御ｍｙａ素センナは、
内蔵し九ヒータの寿命に限度があると共に構造が複雑で
６９、消費電力が大きくしかも単位ム／Ｆ変化に対する
出力資化（感ｌｔ）が小さいこと等の欠点があシ、実用
化に際し多くの問題がある。

そこで１本発明者は、前述し九従来のジルコニア酸素セ
ンナの問題点を全て克服すべく樵々検討を重ねた結果、
平板ジルコニア焼結体の両側ＴＩＪＫそれぞれカソード
側とアノード側の多孔性白金電極を設け、これらの電極
間に定電流源を接続するととくよシ、排ガス中の酸素分
圧（Ｐｏｔ　）の変化に対し極めて大きな出力電圧の変
化が得られ、従来の濃淡電池方式のジルコニア酸素セン
ナに比べて実用に供し得る測定精度を得ることができる
ことを突き止めた。しかしながら、この場合の出力特性
には温度依存性があるため、さらに研究並びに試作を重
ねた結果。

前記のセンナ素子構造において、カソード側電極を一分
割し、一方のカソード儒電１ｋｌｉ！面積を他方のカソ
ード匈電＆弐面積に比べて極めて小さく構成して、単一
のジルコニア焼結体に対しアノード側電極を共通とする
コ組の電池を構成し、これらの電池に対しそれぞれ定電
流源を接続し、一方の電池においてセンナ温度と一義的
に関連づけゐことのできるジルコニア焼結体の抵抗を検
出すると共に他方ｏｘｉｍにおいてセンナ温度に比例し
九出力を検出し、さらに両電池出力の差信号を前記検出
信号と共に演算処理するととＫより、センナ温度に依存
しない排ガス中の酸素分圧のみに依存した出力を容易に
得ることができ、前記従来の酸素センナの問題点を一挙
に解消し得る酸素センナが得られることが判り喪。

従って、本発明の目的は、平板ジルコニア焼結体を使用
し、定電流注入方式を採用するととにより感度を向上し
、しかもジルコニア自体の抵抗を橢定してセンナ温度を
検出し得るようにし、簡単な構成でセンナ出力の温度補
償を適正に行い、空気過剰領域のム／ｒ値もしくは酸素
１１度を高精度に針側することができる酸素センナを提
供するにある。

前記の目的を達成する丸め、本発明においては、平板ジ
ルコニア焼結体の一側面にそれぞれ表面積の異なる１個
のカソード側電極を絶縁配置すると共に他側面にアノー
ド側電極を設け、前記各カソード側電極と７ノード側電
極との間にそれぞれ定電流源を接続して単一〇平板ジル
コニア焼結体ＫＪ個の電池を構成し、各電池の出力に基
づいて温度補償を行い排ガス中のＩＩ！嵩分圧にのみ依
存する出力信号を得るよう構成した演算器を設けること
を特徴とする。

前記の酸素センナにおいて、各カソード側電極とアノー
ド側電極との間にはそれぞれ定電流源を接続すれば好適
である。

しかも、一方のカソード電＆［面積は、他方のカソード
電極表面積に比べて非常に小さく構成すれば好適である
。

を喪、２個のカソード側電極は、一方の電極の表面積を
他方の電極の表面積の／／１０以下とすれは好適である
。

さらに、カソード側電極の表面積は、アノード側電極の
表面積よシ小さく構成すれは好適である。

なお、演算器は、両電池出力の差信号を演算すると共に
一方の電池出力に基づいてセンサ温度補正を行うよう構
成すれに好適である。

次に、本発明に係る酸素セン？を構成する電流注入製ジ
ルコニアセンサの原理とその特性について説明する。

第参図紘、電流注入型ジルコニアセンサの原理構成を示
したものである。第参図において、センサの基本構成は
、　ＣａＯもしくはＹ２Ｏ１吟で安定化された平板ジル
コニア焼結体１０と、この平板ジルコニア焼結体１０の
両側面にそれぞれ設は九カソード儒多孔性白金電極／−
およびアノード側条孔性白金電極ｌ参とからなる。なお
、多孔性白金電極／Ｊ　、／＄は１例えばスパッタリン
グ醇の薄膜技術を九は白金ペーストによる通常の厚膜技
術により、平板ジルコニア焼結体１０の両側面に印刷焼
成することにより得られる。また、これら多孔性白金電
極ｌコ、／＄の膜厚は、スパッタリングによる場合は／
　−ｊＪ１白金ベースに７９ツクスレス）による場合は
！〜１０μｍ度が望ましい。さらに、多孔性白金電＆／
Ｊｌ／参の電極表面積は、ｐソード儒はアノード側に比
べて小さく（例えば匂以下）するのが好ましい、そして
、これら両電極／λ、／＄は、それぞれリードｔｔ、ｔ
ｌｔ＊続し、これらのり−ド／ｌ、／Ｉを介して両電極
／コ、／参を外部定電流源コ０に接続する。

このように構成された電流注入型ジルコニアセンサは、
平板ジルコニア焼結体ｌθおよび両電極／、２　、／亭
を排ガス（酸素分圧ｐ０２）中に曝して使用する。そこ
で、排ガス中の酸素分圧（ｐＯ宜）ｔ−パラメータとし
て、排ガス温７９４０℃の条件下に電流注入型ジルコニ
アセンナの電流−電圧特性を測定したところ、第１図に
示す結果が得られ良、第３図に示す特性＃４１ＩＩから
。

例えば、センサに０．１　ｊ　Ｘ　／　ｆ”ムの定電流
を流す仁とにより、＃素分圧ｐ０２　ｔ″／　０　　′
ａｔｍから１０＝すａｔｍＫ＊化させ九場合、約０．Ｊ
Ｖから１１■の出力電圧Ｖｏｕｔが得られることが判る
。このような出力電圧の変化幅は、Ａ常の議決電池方式
のジルコニアセンサの出力に比べると極めて大きく、実
用に供し得るー」にｈａを得るＫＦｉ充分である。

しかるに％第Ｖ図に示す構成からなる電流注入波ジルコ
ニアセンナの出力電圧Ｖｏｕｔは一般に次式で表わされ
る。

Ｖｏ＠ｋ　：２ＩＲｂ＋ＲＴ／ｌｐ（／ａ　ｐ０２−２
１０　（ＰＯ２”−知）・・・・・・・・・・・・（１
） 但し、Ｒｈ　！ジルコニア焼結体の電気抵抗Ｔ！センナ
温度 Ｂ！電極定数 工：電流 Ｉｌ：ガス定数 Ｆ１ファラデ一定数 前記式（υから明らかなように、センナの出力電圧Ｖ　
ｏ　ｕ　ｔは、温度依存性を有してお９、ま九排ガス中
駿ｌＡ鋳度に依存しない項ＩＲｂに基づく成分も含んで
おり、しかもＲｂ自身も次式に示すように温ｆＫよル抵
抗値が変化する。

、渠 Ｒｂｙ　＝　ＩＬｂｔｇ　＃　Ｔ　　・・・叩・・・・
・・・・（２）但しｓ　Ｒｂｔτ温＆Ｔにおけるジルコ
ニア焼結体の電気＃に抗 Ｒｂテ。：ジルコニア焼結体の基準電 気抵抗（定数） Ｅ！定数 Ｔ　！センナ温度 従って、第Ｖ図に示す構造では、温度依存性を有するた
め、実際上酸素センナとして使用することはできない。

そこで、本発明においては、前記構成からなる酸素セン
ナの基本構造に、若干の改嵐を施すととＫよって温度補
償を適正に行い、温度依存性のない酸素セン？を容易に
得ることができる。

以下１本発明に係る酸素上／すの実施例につき添付図面
を参照しながら詳細に説明する。

第４図は１本発明に係る酸素センサの基本構成を示す、
なお、センサの基本構成において。

平ＩＥ　シＡ／　コニア焼結体１０と、この平板ジルコ
ニア焼結体１０の両側面にそれぞれ設は九カンード匈多
孔性白金電Ｉｋｌλおよびアノード側多孔性白金電極／
４Ｉ−とからなる構成は、第Ｖ図に示すものと全く同一
であり、前述したと同様の材料および製造技術によって
製作することが↑きる。４Ｉに、本発明においては、カ
ソード側電４ｋｌコを一分割し、一方のカンード憐電Ｉ
ｋ／　Ｊ　ｂのＩ！！面積を他方のカソード側電極ｌコ
畠の表面積に比べて１例えば／／１０以下程度に小さく
構成する。

しかるに、前記カソード側電極ハｈ、ｌコｂおよびアノ
ード側電極／夢にはそれぞれリードＪＪ　、Ｊ＃　、λ
４を接続し、リードＪコ、コ４を介してカンード儒電極
へりとアノード側電＠／参とを菖ｌ定電流源−ｒＫＩＩ
続し、オ九す−ドコ参、Ｊ４を介してカソード側電極／
Ｊｂとアノード側電極ｌ＃とを第一定電流源３０に接続
する。このようにして、本発明においては、同一の平板
ジルコニア焼結体ｌＯに対し実質的にコ組の電池を構成
し、これらの電池の出力をそれぞれ演算器Ｊコに入力し
て、演算器Ｊλよ）所定の演算出力を得るよう構成する
。

まず、第１定電流源コＩｊｆＣ接続され九電池の出力（
Ｙｅｌｌ　ｔ　）　ハｓ　前１１ｅ式（１）Ｋ　ｋ　イ
テ”／Ｂ　＝　’となる丸め１次式で求められる。

Ｖｏｓｓｉ　＝　ＩＲｂ　　　　　・・・・・・・・・
・・・・旧・・　（３）前記式（３）から、　Ｒｈ　Ｗ
　Ｖｏｕｔ／　Ｉとして、ジル；ニア焼結体ｉｏのバル
ク抵抗が求められる。

この抵抗値は、前記式（２）から明らかなようＫ。

センナ温度と一義的に関連づけることができる。

すなわち、抵抗値からセンナ温度が求められる。

一方、第一定電Ｈ＠ｓｏＫ接続された電池の出力（Ｖ’
ｏｗｔ　）は、前記式（１）で表わされる。そこで、前
記２組の電池の出力から、差信号（Ｖｏｕｔ−Ｖ軸重）
を演算器Ｊλにおいて次式によｐ求めることができる。

ｖｏｕｉ　−Ｖｏｕｔ　ｍ　”／、Ｆ（Ｊ！’ａ　Ｐｏ
ｔ　−Ｊ／ｎ　（ＰＯｚンー−４４））・・・・・・・
・・・・・　（４） 前記式（４）から、出力差信号（ｖ為ｉ　−Ｖｏｕｔ　
）は、センナ温度に略比例して出力が変化することが判
るが、この出力変化は出力（Ｖｏｗｔ　）がセンサ温度
に関連した信号であることから、演算器Ｊコにおいて電
気回路技術により通常実施する手段で、前記差信号の温
度補正を行うことは容易である。従って、演算器Ｊコの
最終出力としては、竜ンサ温度←排ガス温度に対応する
）に依存しない、排ガス中の酸素分圧のみに依存した信
号を得ることができる。

第７図および第を図は、本発明に係る電流注入製ジル；
ニアセンサの電極部の好適な構成例を示すもので、表面
積の小さいカソード餉電極／Ｊｂを中心に配置し、その
周囲に左右対称的にしかも電気的に絶縁され友状態で表
面積の大きいカンード儒電極／Ｊａを構成配置したもの
である。このように構成すゐことによシ、カソード儒電
極ｌコｍ、／コｂの各平均ｍ度を殆んど等しくすること
ができ、温度補償を適正に行うことができる。

前述し喪実施例から明らかなように、本発明に係る酸素
センナは、同一の平板ジルコニアに対し、表頁積の異な
る２個のカンード側電極と単一のアノード側電極とを設
けることにより。

２組の電池を構成し、これらの各電池の出力を外部回路
により演算処理して温度依存性のない排ガス中の酸素分
圧もしくはム／Ｆ値によってのみ変化する信号を得るこ
とができる。このため１本発９１ＩＷＲ素センサは、従
来のジルコニアセンナのように、比較側のガスを必要と
するとか。

温度制御のためのと−タを内蔵するという構成が全く除
かれ、構成が極めヤ簡単とな夛、シかもリーン側Ａ／Ｆ
値を精度良く測定　できるという優れた利点を有する。

従って５本発明酸素センナは、車載用内゛燃機関は勿論
のこと、ボイラ勢の燃焼装置の燃焼制御用センサとして
広く応用することができる。

以上、本発明の好適な実施例について説明し九が、本発
明の精神を逸脱しない範囲内において種々の設計変更を
なし得ることは勿論である。

【図面の簡単な説明】

第１図は従来の起電力出力型酸素センサの出力特性曲線
図、第一図は従来の電気抵抗変化型＃素センサの出力特
性曲線図、７４３図は従来の起電力出力型酸素センサの
酸木凝度−起電力特性の温度依存特性曲線図、第参図は
本発明に係る酸素センナを構成する電流注入型ジルコニ
アセンサの原理構成図ＩＪ１’図は第参図に示すセンｔ
ｃｖ＠ｆｔ−電圧特性曲麹図、第を図は本発明に係る酸
素センナの一実施例を示す説明図、第７図は本発明に係
る酸素センサの好適な電極の構成配置を示す平面図、第
１図は第７図のＶｌｌｌ−■線断面図である。 ｌ参・・・１ノード伺電極　／ぶ、／Ｉ・・・リードコ
０・・・定電流源　　　　−−ｌλ亭１．２ｔ・・・リ
ードλｔ・・・第１定電流源　　ＪＯ・・・篤コ定電流
源ＪＪ・・・演算器 特許出願人 冨士電機裂造株式会社

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 （１）　　平板ジルコニア焼結体の一側面にそれぞれ表
   面積の異なるコ餉のカソード側電極を絶縁配置すると共
   に他側面にアノード側電極を設けて単一の平板ジルコニ
   ア焼結体に一個の電池を形成し、各電池の出力に基づい
   て温度補償を行い排ガス中の酸素分圧にのみ依存する出
   力信号を得るよう構成した演算器を設けることを特徴と
   する酸素センナ。 （２、特許請求の範囲第１項記載の酸素センサにおいて
   、各カソード側電極とアノード側電極との間にはそれぞ
   れ定電流源が接続されていることを特徴とする酸素セン
   ナ。 （３）　　特許請求の範囲第１項また紘第１項記載の酸
   素センサにおいて、一方のカソード電極表面積は他方の
   カソード電極表面積に比べて非常に小さく構成されてい
   ることを特徴とする酸素センナ。 （４）　　％詐ｌＩｌ求の範囲第３項記載の酸素センナ
   において、一個のカソード側電極は、一方の電極の表面
   積を他、方の電極の表面積の／１０以下とすることから
   なるｌＩ素センサ。 （５）特許請求の範１ｉ！第１項乃至第参項のいずれか
   に記載の酸素センサにおいて、カソード側電極の表面積
   はアノード側電極の表面積よシ小さく構成してなる酸素
   センサ。 （６）特許請求の範囲第１項記載の酸素センサにおいて
   、演算器は、両電池出力の差信号を演算すると共に一方
   の電池出力に基づいてセンサ１１１度補正を行うよう構
   成してなる酸素センサ。