JPS60218057A - 抵抗型酸素センサ - Google Patents
抵抗型酸素センサInfo
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Classifications
-
- G—PHYSICS
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- G01N27/12—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating impedance by investigating resistance of a solid body in dependence upon absorption of a fluid; of a solid body in dependence upon reaction with a fluid, for detecting components in the fluid
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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。
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Description
【発明の詳細な説明】
よって空燃比を維持して工ンジンを作動するための抵抗
型センサに関するものである。このセンサは、一面に厚
膜抵抗ヒータを備え、他面にチタニア膜を備えた基板を
有している。チタニア膜の電流の流れに対する抵抗（排
気ガス中の酸素の割合に関係した）は、作動信号を形成
し制御装置に人力を与えている。この制御装置は、エン
ジンに供給する燃料を調整するものである。
型センサに関するものである。このセンサは、一面に厚
膜抵抗ヒータを備え、他面にチタニア膜を備えた基板を
有している。チタニア膜の電流の流れに対する抵抗（排
気ガス中の酸素の割合に関係した）は、作動信号を形成
し制御装置に人力を与えている。この制御装置は、エン
ジンに供給する燃料を調整するものである。
自動車エンジンに使用される三元触媒コンバー排出ガス
要件を満たすうえで最も一般的に用いられる方法である
。触媒コンバータを有する閉鎖ルー７希ン用いる時は、
散票センサを排気マニホルド内に配置して電気制御装置
にフィードバック信号を与えている。電気制御装置は、
排気ガス中の酸素量を測定することによって、最高の触
媒コンバータ効率をめて理論値にできるだけ近いエンジ
ン人力空燃比を維持する。排気ガス中の酸素量を測定す
る方法としては、電解型（ジルコニア）と抵抗型（チタ
ニア）酸素センブリ両者が評価されている。
要件を満たすうえで最も一般的に用いられる方法である
。触媒コンバータを有する閉鎖ルー７希ン用いる時は、
散票センサを排気マニホルド内に配置して電気制御装置
にフィードバック信号を与えている。電気制御装置は、
排気ガス中の酸素量を測定することによって、最高の触
媒コンバータ効率をめて理論値にできるだけ近いエンジ
ン人力空燃比を維持する。排気ガス中の酸素量を測定す
る方法としては、電解型（ジルコニア）と抵抗型（チタ
ニア）酸素センブリ両者が評価されている。
電解型センサの場合、二酸化ジルコニウムの電解材料は
下記のネルンスト式に従ってポテンシャルを発生してい
る。
下記のネルンスト式に従ってポテンシャルを発生してい
る。
ＲＴ
Ｅ＝Ｉｎ （ ＰＯ ２ （面１）／ＰＯ２（面２）〕
Ｆ 良 式中、Ｒは普通ガス定数、Ｔは絶対温度（０Ｋ）、Ｆは
ファラデ一定数、ＰＯ２は酸素分圧である。電位差（Ｅ
）は、一方の面１が通常規準の大気ガスに晒され他方の
面２が排気ガスに晒されている電解質の両面間の酸素の
分圧の差に起因している。一般に、この種のセンサが機
能するには、３５０℃以上の排気温度が必要である。
Ｆ 良 式中、Ｒは普通ガス定数、Ｔは絶対温度（０Ｋ）、Ｆは
ファラデ一定数、ＰＯ２は酸素分圧である。電位差（Ｅ
）は、一方の面１が通常規準の大気ガスに晒され他方の
面２が排気ガスに晒されている電解質の両面間の酸素の
分圧の差に起因している。一般に、この種のセンサが機
能するには、３５０℃以上の排気温度が必要である。
米国特許第３，８３５，０１２号および第４，１０７，
０１８号に開示された種類の酸素センサの例では、ジル
コニアセラミックが非多孔性シンプルの形に成形されて
いるが、これは内側が規準酸素分圧を確定するための大
気に晒されていて、外側、即ち外部を排気ガスに直接晒
すものである。このシンプルの内外両表面に被着した多
孔性貴金属触媒膜により、それ故、排気ガス中の酸素の
平衡分圧を大気規準と比較することができる。
０１８号に開示された種類の酸素センサの例では、ジル
コニアセラミックが非多孔性シンプルの形に成形されて
いるが、これは内側が規準酸素分圧を確定するための大
気に晒されていて、外側、即ち外部を排気ガスに直接晒
すものである。このシンプルの内外両表面に被着した多
孔性貴金属触媒膜により、それ故、排気ガス中の酸素の
平衡分圧を大気規準と比較することができる。
温度３５０〜８００℃の代表的な排気ガス作動条件では
、ジルコニアセンサの出力は排気が希薄のとき約５０ｍ
Ｖで、排気が過濃のとき約９００ｍＶとなる。ネルンス
ト式の中の酸素の排気ガス分圧項は温度の関数であるの
で、この２０２項を直接従属項であるＴと組合せたとき
は、実際の電圧出力Ｅは、少なくとも理論作動として考
慮すれば、幾分温度とは無関係になる。更に、ジルコニ
アセンサを適切に作動するためには、シンプルは非多孔
性であって、適当な大気規準を維持するものでなければ
ならない。
、ジルコニアセンサの出力は排気が希薄のとき約５０ｍ
Ｖで、排気が過濃のとき約９００ｍＶとなる。ネルンス
ト式の中の酸素の排気ガス分圧項は温度の関数であるの
で、この２０２項を直接従属項であるＴと組合せたとき
は、実際の電圧出力Ｅは、少なくとも理論作動として考
慮すれば、幾分温度とは無関係になる。更に、ジルコニ
アセンサを適切に作動するためには、シンプルは非多孔
性であって、適当な大気規準を維持するものでなければ
ならない。
センサを簡易化しようと努力した中で、ジルコニアの代
りに二酸化チタニウムを使用できることが、例えば、米
国特許第４；００７，４３５号、第４：ｘ４７，ｓｌｓ
号、第４，３７７，８０１号、更に第４，３８７，３５
９号に示唆されている。
りに二酸化チタニウムを使用できることが、例えば、米
国特許第４；００７，４３５号、第４：ｘ４７，ｓｌｓ
号、第４，３７７，８０１号、更に第４，３８７，３５
９号に示唆されている。
二酸化チタニウムは、結晶格子に欠陥を有する半導体材
料であり、その数は温度Ｔと半導体を取り囲むガス環境
内の，酸素分圧Ｐ０２に依存している。
料であり、その数は温度Ｔと半導体を取り囲むガス環境
内の，酸素分圧Ｐ０２に依存している。
希薄排気条件下では、結晶格子は砥ソ完全に残るが、過
濃条件下では多数の酸素空隙とチタニアのイオン間隙が
存在している。半導体内のこれらの格子欠陥は、電子を
伝導帯の中に放出して抵抗を低減するドナーである。半
導体の抵抗ＲＴは、次式で決定される、 ＲＴ ｏｃ ＣＰＯ□（排気） ）ｎｅｘｐ （Ｅ／Ｋ
Ｔ ）式中，Ｅは活性化エネルギ、 Ｋはボルツマン定数であり、ｎは対象の温度範囲ではお
よそ％に等しい。この比例式かられかるように、酸素の
基準分圧に依存するものは含まれていない。３５０〜８
００℃の温度範囲内にあって過濃条件運転と希薄条件運
転との間を切替えるとき、抵抗の変化は３〜５倍程度の
間にあるのが一般的である。
濃条件下では多数の酸素空隙とチタニアのイオン間隙が
存在している。半導体内のこれらの格子欠陥は、電子を
伝導帯の中に放出して抵抗を低減するドナーである。半
導体の抵抗ＲＴは、次式で決定される、 ＲＴ ｏｃ ＣＰＯ□（排気） ）ｎｅｘｐ （Ｅ／Ｋ
Ｔ ）式中，Ｅは活性化エネルギ、 Ｋはボルツマン定数であり、ｎは対象の温度範囲ではお
よそ％に等しい。この比例式かられかるように、酸素の
基準分圧に依存するものは含まれていない。３５０〜８
００℃の温度範囲内にあって過濃条件運転と希薄条件運
転との間を切替えるとき、抵抗の変化は３〜５倍程度の
間にあるのが一般的である。
運転中、チタニア素子ＲＴを、Ｔｔ０２素子とアースの
間に挿入したレジスタ、即ち補償レジスタＲ（を有する
分圧器回路処置いたとき、補償レジスタＲｃを横切って
測定される出力電圧ｖｏは、次式で与えられる、 Ｖｏ ＝ Ｌ Ｒａ／ （ＲＴ 十Ｒ６） ） ｖｉｎ
式中、Ｖｉｎは入力電圧である。補償レジスタＲｃは、
対数目盛で、チタニア素子の過濃抵抗値と希薄抵抗値の
間の中間にくるように選ぶのが理想である（Ｒａ＝ＲＴ
（過濃）Ｒ１（希薄）〕局）。このように選定すること
によって、出力信号は希薄排気時の零近くから過濃排気
時の（入力電圧の）最大値近くまで進むことができ、そ
こでＺｒＯ２センサのスイッチング特性をシミュレート
することができる。
間に挿入したレジスタ、即ち補償レジスタＲ（を有する
分圧器回路処置いたとき、補償レジスタＲｃを横切って
測定される出力電圧ｖｏは、次式で与えられる、 Ｖｏ ＝ Ｌ Ｒａ／ （ＲＴ 十Ｒ６） ） ｖｉｎ
式中、Ｖｉｎは入力電圧である。補償レジスタＲｃは、
対数目盛で、チタニア素子の過濃抵抗値と希薄抵抗値の
間の中間にくるように選ぶのが理想である（Ｒａ＝ＲＴ
（過濃）Ｒ１（希薄）〕局）。このように選定すること
によって、出力信号は希薄排気時の零近くから過濃排気
時の（入力電圧の）最大値近くまで進むことができ、そ
こでＺｒＯ２センサのスイッチング特性をシミュレート
することができる。
補償レジスタＲｃの値を選ぶ場合幾、らか隔通性がある
けれども、選定した抵抗が少なくともＴｌＯ２素子の過
＃限度以上、かつ希薄限度以下程の大きさであるならば
、良好なセンサスイッチングを維持することができる。
けれども、選定した抵抗が少なくともＴｌＯ２素子の過
＃限度以上、かつ希薄限度以下程の大きさであるならば
、良好なセンサスイッチングを維持することができる。
しかしながら、ＴｌＯ２素子の温度による抵抗変動のた
めに、排気ガスの３５０〜８００℃の代表的な作動温度
範囲にわたりセンサ機能を完全に維持する固定レジスタ
を見い出すことは不可能である。
めに、排気ガスの３５０〜８００℃の代表的な作動温度
範囲にわたりセンサ機能を完全に維持する固定レジスタ
を見い出すことは不可能である。
チタニア感知素子の慕度依存性は、チタニア膜の変動す
る抵抗に追従する可変レジスタを有することにより、或
は固定値レジスタの使用を許容する一定温度にチタニア
素子を維持することＫよって補償することができる。
る抵抗に追従する可変レジスタを有することにより、或
は固定値レジスタの使用を許容する一定温度にチタニア
素子を維持することＫよって補償することができる。
可変レジスタを用いる場合、その可変レジスタは、チタ
ニア感知素子の対温度抵抗変動に適合し排気ガス内に配
置する負温度係数サーミスタである。排気ガス環境内で
安定性と耐久性のある価格上有効なＮＴＣサーミスタは
、やがては実際のものｋなるであろう。
ニア感知素子の対温度抵抗変動に適合し排気ガス内に配
置する負温度係数サーミスタである。排気ガス環境内で
安定性と耐久性のある価格上有効なＮＴＣサーミスタは
、やがては実際のものｋなるであろう。
固定値レジスタを使用するためには、排気ガスによって
作られるのが予想される最高温度にチタニア感知素子を
加熱することが必要である。固定レジスタは排気ガス流
の中に配置することを要しないので、商業上入手可能な
低価格の厚膜レジスタを用いることができる。
作られるのが予想される最高温度にチタニア感知素子を
加熱することが必要である。固定レジスタは排気ガス流
の中に配置することを要しないので、商業上入手可能な
低価格の厚膜レジスタを用いることができる。
従って、本発明の目的は、チタニア感知素子を排気ガス
内の割合が変化する酸素ＦＣ＠したとき、レジスタの１
つを横切る電圧降下がチタニアセンサを流れる電流の流
れ抵抗に逆比例するような固定レジスタを備えた酸素セ
ンサを提供することである。
内の割合が変化する酸素ＦＣ＠したとき、レジスタの１
つを横切る電圧降下がチタニアセンサを流れる電流の流
れ抵抗に逆比例するような固定レジスタを備えた酸素セ
ンサを提供することである。
本発明の他の目的は、ある最低排気ガス温度、例えば３
５０℃以上で作動すると限定してはいないセンサを提供
することである。
５０℃以上で作動すると限定してはいないセンサを提供
することである。
本発明の別な目的は、基準空気の供給を要しないセンサ
であって、それ放列部環境条件、例えば路面飛散物等に
よる影響を受けないセンサを提供することである。
であって、それ放列部環境条件、例えば路面飛散物等に
よる影響を受けないセンサを提供することである。
本発明の更に別な目的は、エンジンのバッテリー系から
離れて直接作動し、エンジンの電気制御装置からの付加
的な電力入力リード線を要しないセンサを提供すること
である。
離れて直接作動し、エンジンの電気制御装置からの付加
的な電力入力リード線を要しないセンサを提供すること
である。
本発明の原理に従って、抵抗型酸素センサを下流の如く
構成した。
構成した。
平らなアルミナ基板の第１面に電導性材料（即ち、白金
）のバンドを厚膜として印刷した。このバンドは、第１
端から、幅が狭くなってパターンを確定した第２端に隣
接するまで延びるループを形成している。ループからの
１本のリード線は電圧源に接続され、他端はアースに接
続しである。
）のバンドを厚膜として印刷した。このバンドは、第１
端から、幅が狭くなってパターンを確定した第２端に隣
接するまで延びるループを形成している。ループからの
１本のリード線は電圧源に接続され、他端はアースに接
続しである。
バンドを流れる電流の流れに対する抵抗は熱エネルギを
発生する。また、パターンは熱エネルギの厚膜の電気抵
抗は、排気ガスの温度が高くなるにつれて基板の第２端
で生じる電力を低減させるために、基板温度を実質的に
一定のレベルに保っている。
発生する。また、パターンは熱エネルギの厚膜の電気抵
抗は、排気ガスの温度が高くなるにつれて基板の第２端
で生じる電力を低減させるために、基板温度を実質的に
一定のレベルに保っている。
基板の第２面には、金属電極、チタニア感知膜それに２
個の固定値レジスタがある。
個の固定値レジスタがある。
高温耐久性を有する導電性金属、例えば白金を基板の第
２面に被着し、３本のストリップから成る電極を形成す
る。
２面に被着し、３本のストリップから成る電極を形成す
る。
第１の導電性金属ストリップは、基板をその長さにわた
って基板第１端から第２端へと横に延びている。この第
１ストリツプには、基板第１端の近くに第１の固定レジ
スタが配置されている。第１ス） ＩＪツブの第１端は
電圧源に接続するようになっている。
って基板第１端から第２端へと横に延びている。この第
１ストリツプには、基板第１端の近くに第１の固定レジ
スタが配置されている。第１ス） ＩＪツブの第１端は
電圧源に接続するようになっている。
また、第２の導電性金属ストリップは、第１ストリツプ
に実質的に平行に、しかし第１ストリツプと接触しない
ように、基板をその長さにわたって基板第１端から第２
端へと横に延びている。第２ストリツプの第１端は、エ
ンジンの電気制御装置に接続するようｋなっている。
に実質的に平行に、しかし第１ストリツプと接触しない
ように、基板をその長さにわたって基板第１端から第２
端へと横に延びている。第２ストリツプの第１端は、エ
ンジンの電気制御装置に接続するようｋなっている。
基板の第１端近くには、第２のレジスタが、その第１端
が第２ストリツフ福電気的に接続するように配置しであ
る。
が第２ストリツフ福電気的に接続するように配置しであ
る。
第２レジスタの第２端は、第３の導電性金属ストリップ
の第２端に取付けである。この第３導電性金属ストリツ
プは、第２レジスタから基板第１端へと横に延びている
。第３ストリツプの第１端はアースに接続するようにな
っている。
の第２端に取付けである。この第３導電性金属ストリツ
プは、第２レジスタから基板第１端へと横に延びている
。第３ストリツプの第１端はアースに接続するようにな
っている。
基板の第２面に被着したチタニア膜は、第１および第２
ストリツプの第２端を覆っている。このチタニア膜は、
第１および第２ストリップ間に可変抵抗パスを形成して
いる。チタニア膜を流れる電流の流れ抵抗は、排気ガス
中の酸素量に関係し温度に依存している。しかしながら
、この温度依存性は、基板の反対端にあるパターンの抵
抗加熱によって実際上は無視することができる。
ストリツプの第２端を覆っている。このチタニア膜は、
第１および第２ストリップ間に可変抵抗パスを形成して
いる。チタニア膜を流れる電流の流れ抵抗は、排気ガス
中の酸素量に関係し温度に依存している。しかしながら
、この温度依存性は、基板の反対端にあるパターンの抵
抗加熱によって実際上は無視することができる。
第２面上の電気回路は、電圧源（陽極）に接続した第ル
ジスタの一端を有しているが、第ルジスタの他端はチタ
ニア膜に接続し、第２のレジスタはチタニア膜とアース
または電圧源の陰極側ので、第２および第３ストリップ
間で測定されるよう、第２レジスタを横切る比較的高い
電圧降下が誘起される。また、空気対燃料の希薄条件の
下では、チタニア抵抗は比較的大きく、第２および第３
ストリップ間の電圧降下を低減させる。
ジスタの一端を有しているが、第ルジスタの他端はチタ
ニア膜に接続し、第２のレジスタはチタニア膜とアース
または電圧源の陰極側ので、第２および第３ストリップ
間で測定されるよう、第２レジスタを横切る比較的高い
電圧降下が誘起される。また、空気対燃料の希薄条件の
下では、チタニア抵抗は比較的大きく、第２および第３
ストリップ間の電圧降下を低減させる。
第２レジスタを横切る電圧降下は、エンジンに対する入
力空燃比を制御する電気制御装置を作動するための入力
信号と七て第２ストリツプを通って伝えられる。
力空燃比を制御する電気制御装置を作動するための入力
信号と七て第２ストリツプを通って伝えられる。
チタニア感知素子の温度が幾分一定となり、そ電される
ヒータを使用したことによって、本発明の利点は得られ
るわけである。電流の流れに対する抵抗は、電気制御装
置に入力信号として導通され、エンジンを運転するに必
要な空燃比カー設定限度内に維持されるのセある。
ヒータを使用したことによって、本発明の利点は得られ
るわけである。電流の流れに対する抵抗は、電気制御装
置に入力信号として導通され、エンジンを運転するに必
要な空燃比カー設定限度内に維持されるのセある。
以下、本発明を添付図面に示す実施例に基づ（・て詳細
に説明する。
に説明する。
第１図には、排気ガスを周四環境に排出する・くイブ１
４に連結した排気マニホルド１２を備えた往復動内燃エ
ンジン１０が示しである。
４に連結した排気マニホルド１２を備えた往復動内燃エ
ンジン１０が示しである。
ジルコニアセンサを用いた気化器燃料管理装置では、ジ
ルコニアセンサは感知チップを約３５０°Ｃに維持する
ために排気マニホルド１２に隣接して配置されていた。
ルコニアセンサは感知チップを約３５０°Ｃに維持する
ために排気マニホルド１２に隣接して配置されていた。
高燃料効率をめて設計された最新の車両は、特に無負荷
運転時はより冷たい排気であり、制御を必要とする間は
常に約３５０℃以上の排気温度を発生させるとは限らな
い。更に、排気マニホルドの設計には、センサを過去の
貫例よりも排気ポートから遠くに配置することを要する
例が幾つかある。
運転時はより冷たい排気であり、制御を必要とする間は
常に約３５０℃以上の排気温度を発生させるとは限らな
い。更に、排気マニホルドの設計には、センサを過去の
貫例よりも排気ポートから遠くに配置することを要する
例が幾つかある。
排気ガスの温度には依存しない第１図に示す加熱型チタ
ニアセンサ２０は、排気マニホルド１２から離れてパイ
プ１４内の任意の点に配置するこる。この電気制御装置
２２は、供給される空燃比ガスを米国の清浄空気規則（
ｔｈｅ ｃｌｅａｎ ａｉｒｒｅｇｕｌａｔｉｏｎｓ
）に規定された排出ガス規準内に維持させることができ
る。
ニアセンサ２０は、排気マニホルド１２から離れてパイ
プ１４内の任意の点に配置するこる。この電気制御装置
２２は、供給される空燃比ガスを米国の清浄空気規則（
ｔｈｅ ｃｌｅａｎ ａｉｒｒｅｇｕｌａｔｉｏｎｓ
）に規定された排出ガス規準内に維持させることができ
る。
センサ２０は第２図および第３図により詳細に示しであ
る。センサ２０は、ネジ２６によりパイプ１４および取
付具３２に取付けられる金属シェル２４を有している。
る。センサ２０は、ネジ２６によりパイプ１４および取
付具３２に取付けられる金属シェル２４を有している。
ヘッド３０の隣りに配置された金属ガスケット２８は取
付具３２と係合して、センサ２０とパイプ１４の間にシ
ールを形成するものである。金属シェル２４の端部３６
は、セラミック絶縁体３４の段部３８のまわりにかしめ
られて、シェル２４に対し絶縁体３４を固定している。
付具３２と係合して、センサ２０とパイプ１４の間にシ
ールを形成するものである。金属シェル２４の端部３６
は、セラミック絶縁体３４の段部３８のまわりにかしめ
られて、シェル２４に対し絶縁体３４を固定している。
金属シェル２４に取付けたシールド４２は、セラミック
絶縁体３４のスロット４０内に配置した感知素子４４を
損傷から保護している。また、ガスケット２７は絶縁体
３４とシェル２４をシールするのを助けている。感知素
子４４は、リード線５０．５２および５４を包囲し絶縁
体３４内の全空間８９を満たしているセメントキャップ
４８によって、スロット４０内に保持されている。セラ
ミック絶縁体３４に取付けたブーツ５６は、リード線５
０．５２．５４がセンサ２０から導出する処でこれらを
保護するものである。リード線５ｏは、レジスタ８６と
感知素子４４をアース５８に接続し、リード線５２はレ
ジスタ７４を介して素子４４を電圧源６０に接続し、リ
ード線５４は素子４４とレジスタ８６を電気制御装置２
２に接続している。
絶縁体３４のスロット４０内に配置した感知素子４４を
損傷から保護している。また、ガスケット２７は絶縁体
３４とシェル２４をシールするのを助けている。感知素
子４４は、リード線５０．５２および５４を包囲し絶縁
体３４内の全空間８９を満たしているセメントキャップ
４８によって、スロット４０内に保持されている。セラ
ミック絶縁体３４に取付けたブーツ５６は、リード線５
０．５２．５４がセンサ２０から導出する処でこれらを
保護するものである。リード線５ｏは、レジスタ８６と
感知素子４４をアース５８に接続し、リード線５２はレ
ジスタ７４を介して素子４４を電圧源６０に接続し、リ
ード線５４は素子４４とレジスタ８６を電気制御装置２
２に接続している。
特に詳細に説明すれば、感知素子４４は、平らな矩形の
絶縁性基板（例えばアルミナ）６２によって支持されて
いる。第２図に示すように、導電性材料（例えば白金）
のバンド６４が厚膜として基板６２の一方の面に被着し
である。このバンドは、第１端６６から第２端６８に延
びて再び第１端６６に戻る連続ループを形成して（・る
。バンド６４は、第２端６８に隣接する位置、即ち幅が
第２端６８の抵抗ヒータを成すパターン７０まで狭くな
っている処までは、実質的に一定な幅を有している。パ
ターン７０の導電性材料は、高い正の抵抗温度係数を例
えば白金の場合３．８ Ｘ １０−３／’Ｃの値を持っ
ていなければならない。
絶縁性基板（例えばアルミナ）６２によって支持されて
いる。第２図に示すように、導電性材料（例えば白金）
のバンド６４が厚膜として基板６２の一方の面に被着し
である。このバンドは、第１端６６から第２端６８に延
びて再び第１端６６に戻る連続ループを形成して（・る
。バンド６４は、第２端６８に隣接する位置、即ち幅が
第２端６８の抵抗ヒータを成すパターン７０まで狭くな
っている処までは、実質的に一定な幅を有している。パ
ターン７０の導電性材料は、高い正の抵抗温度係数を例
えば白金の場合３．８ Ｘ １０−３／’Ｃの値を持っ
ていなければならない。
導電性材料は、電源６０からアース５８まで電流を流す
ためのパスを形成している。電流の流れに対する抵抗は
温度と共に増大し、その結果、排気ガスの温度が高くな
るＫつれてパターン領域７０で発生する電力は相応して
低減するので、感知膜の温度をほぼ一定に維持すること
になる。
ためのパスを形成している。電流の流れに対する抵抗は
温度と共に増大し、その結果、排気ガスの温度が高くな
るＫつれてパターン領域７０で発生する電力は相応して
低減するので、感知膜の温度をほぼ一定に維持すること
になる。
連続ループ状のバンド６４に１４ボルトの電流を導通す
ることによって、エンジン運転中、パイプ１４内のセン
サ２０のバンド内温度として６５０〜９００℃の温度が
生じる。
ることによって、エンジン運転中、パイプ１４内のセン
サ２０のバンド内温度として６５０〜９００℃の温度が
生じる。
第３図に示したセンサ２０の感知面には、基板６２に印
刷された導電性厚膜（例えば、１９８１年５月２１日出
願の米国特許出願第２６５ 、７４８号に開示された種
類の白金）のストリップ７２がある。ストリップ７２に
端部６６ＪＣ隣接して配置したレジスタ７４は、電圧源
６０からリード線５２を通じてパターン付端部７６に供
給される電圧を減少させるものである。第２の面には、
実質的に第１ストリツプ７２に平行に、導電性貴金属厚
膜の第２ストリツプ７８が印刷しである。このストリッ
プ７８はリード線５４に接続されている。ストリップ７
８には、レジスタ８６が端部６６に隣接して接続しであ
る。また、電導性金属厚膜の第３ストリツプ８８はレジ
スタ８６をリード線５０に接続している。
刷された導電性厚膜（例えば、１９８１年５月２１日出
願の米国特許出願第２６５ 、７４８号に開示された種
類の白金）のストリップ７２がある。ストリップ７２に
端部６６ＪＣ隣接して配置したレジスタ７４は、電圧源
６０からリード線５２を通じてパターン付端部７６に供
給される電圧を減少させるものである。第２の面には、
実質的に第１ストリツプ７２に平行に、導電性貴金属厚
膜の第２ストリツプ７８が印刷しである。このストリッ
プ７８はリード線５４に接続されている。ストリップ７
８には、レジスタ８６が端部６６に隣接して接続しであ
る。また、電導性金属厚膜の第３ストリツプ８８はレジ
スタ８６をリード線５０に接続している。
パターン付端部７６は、第１および第２ストリツプ７２
．７８が決して相互接触しないようになっている。パタ
ーン７６よに被着された微−粒子チタニア膜８０は、第
１ストリツプと第２ストリツプの間の可変抵抗パスを形
成している。このチタニア膜８０は、多孔性であり、か
つ排気ガスに晒されたとき、排気ガス中の酸素の割合が
変わるにつれて変化する抵抗を有するものである。
．７８が決して相互接触しないようになっている。パタ
ーン７６よに被着された微−粒子チタニア膜８０は、第
１ストリツプと第２ストリツプの間の可変抵抗パスを形
成している。このチタニア膜８０は、多孔性であり、か
つ排気ガスに晒されたとき、排気ガス中の酸素の割合が
変わるにつれて変化する抵抗を有するものである。
センサ２０の電気図を第４図に示す。電圧源６０は代表
的には１２ボルトの蓄電池電源であるが、交流発電機の
充電装置が存在していることを考慮するならば、電圧は
１１ボルトから１６ボルトまで多様である。電流はリー
ド線５２を通じループ６４に送られ、感知素子４４のヒ
ータ側のパターン領域７０１１Ｃ熱エネルギを発生させ
ている。センサを２００〜８５０℃の温度を有するパイ
プ１４内の排気ガス流の中に配置したとき、ノくターン
領域７０の温度は６５０〜９００℃の間に維持される。
的には１２ボルトの蓄電池電源であるが、交流発電機の
充電装置が存在していることを考慮するならば、電圧は
１１ボルトから１６ボルトまで多様である。電流はリー
ド線５２を通じループ６４に送られ、感知素子４４のヒ
ータ側のパターン領域７０１１Ｃ熱エネルギを発生させ
ている。センサを２００〜８５０℃の温度を有するパイ
プ１４内の排気ガス流の中に配置したとき、ノくターン
領域７０の温度は６５０〜９００℃の間に維持される。
レジスタ７４は、端部８１に給電される電流が１０ミリ
アンペア以下の値となるような値を有したものである。
アンペア以下の値となるような値を有したものである。
また、電流は、チタニア膜８０内の熱エネルギ発生が最
小となるような電流である。
小となるような電流である。
付言スれば、レジスタ７４および８６は、排気ガ変化し
、これた相応してチタニア膜８０の抵抗〆約１００キロ
オームから約１００オームに変化するにつれて、信号と
してストリップ７８に生じる全電圧が約０ミリボルトか
ら９００ミリボルトまで変化するように選ばれる。排気
ガス中の酸素量が希薄値（即ち、空気の酸素含有量に対
して）に近ずくと、厚膜８０を流れる電流は零（０，３
ｍａ）に近すき、リード線５４を経て電気制御装置２２
に送られる発生信号電圧も零に近ずく。
、これた相応してチタニア膜８０の抵抗〆約１００キロ
オームから約１００オームに変化するにつれて、信号と
してストリップ７８に生じる全電圧が約０ミリボルトか
ら９００ミリボルトまで変化するように選ばれる。排気
ガス中の酸素量が希薄値（即ち、空気の酸素含有量に対
して）に近ずくと、厚膜８０を流れる電流は零（０，３
ｍａ）に近すき、リード線５４を経て電気制御装置２２
に送られる発生信号電圧も零に近ずく。
また、排気ガス中の酸素量が零（過濃、即ち１０−１２
〜１０−．１８気圧）に近すいたとき、厚膜８０を流れ
る電流は４〜６ｍｍに近ずく。公称電力１４■の入力で
過濃排気条件の下では、電気制御装置２２に給電される
電圧信号は約９００ ミ、ｌＪボルトである。しかし、
電圧が１１ボルトから１６ボルトまで変化する場合、前
記電圧信号は０ミリボルトから１０３０ ミリボルトま
で変化し得る。
〜１０−．１８気圧）に近すいたとき、厚膜８０を流れ
る電流は４〜６ｍｍに近ずく。公称電力１４■の入力で
過濃排気条件の下では、電気制御装置２２に給電される
電圧信号は約９００ ミ、ｌＪボルトである。しかし、
電圧が１１ボルトから１６ボルトまで変化する場合、前
記電圧信号は０ミリボルトから１０３０ ミリボルトま
で変化し得る。
厚膜８０のまわりの排気ガスの被検流が実質的ターン領
域７０の温度が６５０〜９００℃の間に維持されている
ため、センサ作動時の唯一の変数はチタニア膜を流れる
電流のインピーダンスであるが、脚装置２２に入力信号
を与え、米国の連邦清浄空気要件を満たすうえで助けと
なる所望の空燃比を達成するものである。
域７０の温度が６５０〜９００℃の間に維持されている
ため、センサ作動時の唯一の変数はチタニア膜を流れる
電流のインピーダンスであるが、脚装置２２に入力信号
を与え、米国の連邦清浄空気要件を満たすうえで助けと
なる所望の空燃比を達成するものである。
ある運転条件の下では、即ち長時間の運転の後は、排気
ガス中に存在するカーボンがアルミナ基板の非加熱領域
８２に付着することが予想される。
ガス中に存在するカーボンがアルミナ基板の非加熱領域
８２に付着することが予想される。
仮ニ、多量のカーボン形成が生じたならば、ストリップ
７８と７２の間に電気的ショートが起こり、電気制御装
置２２に不適当な入力信号が与えられることになる。シ
ョートを防止するために、非多η゛ゝ 孔性の誘電性被膜、例えばアルミナ珪酸塩基グラスうわ
ぐすりが、チタニア膜８０とレジスタ７４および８６の
間の電極リード線７２および７８を覆うように塗布され
ている。また、基板６２のヒータループ６４の上にも同
じガラスうわぐすりが塗布しである。このうわぐすりは
、ヒータ素子が自動車排気ガスを被ったとき、これを保
護しその寿命を伸ばす助けとなっている。これらのうわ
ぐすり被膜は、高温焼成後、非多孔性誘電層を形成する
ペーストとして厚膜印刷技術を用いて塗布することもで
きる。
７８と７２の間に電気的ショートが起こり、電気制御装
置２２に不適当な入力信号が与えられることになる。シ
ョートを防止するために、非多η゛ゝ 孔性の誘電性被膜、例えばアルミナ珪酸塩基グラスうわ
ぐすりが、チタニア膜８０とレジスタ７４および８６の
間の電極リード線７２および７８を覆うように塗布され
ている。また、基板６２のヒータループ６４の上にも同
じガラスうわぐすりが塗布しである。このうわぐすりは
、ヒータ素子が自動車排気ガスを被ったとき、これを保
護しその寿命を伸ばす助けとなっている。これらのうわ
ぐすり被膜は、高温焼成後、非多孔性誘電層を形成する
ペーストとして厚膜印刷技術を用いて塗布することもで
きる。
付言すれば、パターン７０によって形成されたヒータ素
子とチタニア膜８０を更に保護するために、基板６２０
両面に多孔性外被を次に塗布することもできる。この多
孔性層は、排気ガス中の粒子による厚膜の摩耗を防止し
、かつ排気ガスから汚染物がチタニア膜表面に付着する
のを防止してもいる。この外被は、適切な感知性能の点
から、排気ガスがパターン付き領域７６に到達するのを
許すに充分な多孔性を有している。この種の多孔性外被
の１つは、硼珪酸ガラスによって基板に結合されたアル
ミナ粒子で形成してもよいし、これは厚膜印刷技術を用
いて塗布することができる。
子とチタニア膜８０を更に保護するために、基板６２０
両面に多孔性外被を次に塗布することもできる。この多
孔性層は、排気ガス中の粒子による厚膜の摩耗を防止し
、かつ排気ガスから汚染物がチタニア膜表面に付着する
のを防止してもいる。この外被は、適切な感知性能の点
から、排気ガスがパターン付き領域７６に到達するのを
許すに充分な多孔性を有している。この種の多孔性外被
の１つは、硼珪酸ガラスによって基板に結合されたアル
ミナ粒子で形成してもよいし、これは厚膜印刷技術を用
いて塗布することができる。
ある応用例について説明を加えるが、チタニア膜の応答
時間を改善することは有益なことでもある。これは、感
知膜８０内のチタニア粒子の表面に触媒剤・例えば、白
金を塗着することによって達成することができる。
時間を改善することは有益なことでもある。これは、感
知膜８０内のチタニア粒子の表面に触媒剤・例えば、白
金を塗着することによって達成することができる。
なお固定レジスタ７４および８６は、基板６２に一体に
取付けたものとして示しであるが、これらのレジスタを
基板６２から離しておくことは予想されるし、その結果
生じる電気制御装置２２のための作動信号に違いはない
。
取付けたものとして示しであるが、これらのレジスタを
基板６２から離しておくことは予想されるし、その結果
生じる電気制御装置２２のための作動信号に違いはない
。
４図面の簡を協明
第１図は本発明による酸素センサを配置してなる排気装
置の略図、第２図は第１図の酸素センサのヒータを示す
第１面の断面図、第３図は第１図の酸素センサの感知膜
と固定レジスタを示す第２面の断面図、第４図は第１図
の酸素センサのための電気回路の略図である。
置の略図、第２図は第１図の酸素センサのヒータを示す
第１面の断面図、第３図は第１図の酸素センサの感知膜
と固定レジスタを示す第２面の断面図、第４図は第１図
の酸素センサのための電気回路の略図である。
１０・・内燃機関（エンジン）１２・・排気マニホルド
、１４・・バイブ、２０・・加熱型チタニアセンサ、２
２・・電気制御装置、２４・・金工。
、１４・・バイブ、２０・・加熱型チタニアセンサ、２
２・・電気制御装置、２４・・金工。
属シフル、２７・中ガスケット、２８・−金属ガスケッ
ト、３０・・ヘッド、３２・・取付具、３４・・セラミ
ック絶縁体、４０・・スロット、４２・・シールド、４
４・・感知素子、４８・・セメントキャップ、５０，５
２．５４・−リード線、５６・・ブーツ、５８・・アー
ス、６０・・電圧源、６２−一基板、６４・・バンド、
６６．６８−・第１端および第２端、７０ｂ・パターン
（抵抗ヒータ）、７２・・第１ストリツプ、７４・・レ
ジスタ、７６・・パターン付端部、７８・・第２ストリ
ツプ、８０・・チタニア膜、８６・・レジスタ、（ほか
１名） ＦＩＧ、３ 第１頁の続き ｏ発 明 者 ゼローム・レオ・ファ アイファー ［相］発明 者 ポール・チャールス参 アベツカー
ジ メリカ合衆国ミシガン州リボニア市口二一レーン１４５
１５メリカ合衆国ミシガン州ブルームフィールドヒル市
セツフィールドドライブ５５１
ト、３０・・ヘッド、３２・・取付具、３４・・セラミ
ック絶縁体、４０・・スロット、４２・・シールド、４
４・・感知素子、４８・・セメントキャップ、５０，５
２．５４・−リード線、５６・・ブーツ、５８・・アー
ス、６０・・電圧源、６２−一基板、６４・・バンド、
６６．６８−・第１端および第２端、７０ｂ・パターン
（抵抗ヒータ）、７２・・第１ストリツプ、７４・・レ
ジスタ、７６・・パターン付端部、７８・・第２ストリ
ツプ、８０・・チタニア膜、８６・・レジスタ、（ほか
１名） ＦＩＧ、３ 第１頁の続き ｏ発 明 者 ゼローム・レオ・ファ アイファー ［相］発明 者 ポール・チャールス参 アベツカー
ジ メリカ合衆国ミシガン州リボニア市口二一レーン１４５
１５メリカ合衆国ミシガン州ブルームフィールドヒル市
セツフィールドドライブ５５１
Claims (1)
- 【特許請求の範囲】 （１）作動中のエンジンの排気ガス中の酸素を検出し、
電気制御装置に入力信号を供給して前記エンジンを作動
するうえで所望の空燃比を維持するためのセンサにおい
て、 第１面と一１第１端および第２端を備えた第２面とを有
する絶縁基板と、 前記第１面に配置された導電性厚膜のバンドであって、
前記バンドが前記第１端から前記第２端に延びるループ
を形成していて、かつ前記第１端から、バンド幅が狭く
なっている前記第２端に隣接した位置までは実質的に一
定の幅を有しており、前記厚膜は温度と共に増大する電
気抵抗を有し、前記ループは電圧源に接続した一端と電
気アースに接続した他端とを有し、更に前記厚膜は前記
アースに向かう電流の流れに抵抗する際前記第２端に隣
接して熱エネルギを生み出しているバンドと、 前記第２面に配置され、かつ前記第１端から前記第２端
に延びている導電性厚膜の第１ストリツプであって、前
記第１ストリツプの第１端は前記、電圧源に接続されて
いる第１ストリツプと、 前記第２面に配置され、かつ前記第１端がら前記第２端
に延びている導電性厚膜の第２ストリツプであって、前
記第２ストリツプの第１端は第２のレジスタと前記電気
制御装置に接続されている第２ストリツプと、 前記第１および第２ストリツプの第２端に被着され、前
記第１および第２ストリツプの間に導電性パスを形成す
るチタニア膜と、 前記＃！２面に配置され、前記第２レジスタを前記電気
アースに接続する導電性厚膜の第３ストリツプと・ 前記第１ストリツプ内に直列に接続された第１の固定値
レジスタと、 前記第２ストリツプおよび電気アースに接続された第２
の固定値レジスタと、 から成り、前記チタニア膜は前記１ｉストリ・２プおよ
び前記第２ストリツプ内の電流の流れを調整することに
よって排気がス中の酸素量の変化に応答しており、前記
第１および第２固定値レジスタは、排気ガス中の酸素量
が約１０−３ 気１４ 圧から約１０ 気圧に変化し、これに相応して、前記チ
タニア膜の抵抗が１００キロオームから約１００オーム
に変化するにつれて、前記第２および第３ストリップ間
の全電圧降下が約θミリボルトから９００ミリボルトま
で変わるように選ばれ、更に電流の流れに対する前記抵
抗が前記の電圧降下を指示するもので、かつ前記第２ス
トリツプを通じて入力信号として導通されて前記制御装
置を作動することを特徴とする抵抗型酸素センサ。 （２）前記排気ガス温度が２００℃から８５０℃まで変
ガが低減し、前記基板の前記第２端および前記チタニア
膜を実質的に一定の温度レベルに維持することを特徴と
する特許請求の範囲第１項記載の抵抗型酸素センサ。 （３）前記電圧源の前記電圧レベルが１１ボルトから１
６ボルトまで変化し、かつ前記電気制御装置に供与され
る前記電圧信号が０ミリボルトから１０３０ミリボルト
まで変化することを特徴とする特許請求の範囲第２項記
載の抵抗型酸素センサ。 （４）前記導電性厚膜が、約３．８ ｘ １０ ／℃の
正の温度係数を有する材料から成り、前記第２端の温度
を実質的に電圧をかけることのできる時は何時でも６５
０〜９００℃の範囲に維持することを特徴とする特許請
求の範囲第３項記載の抵抗型酸素センサ。 （５）前記第ルジスタは過濃排気ガス条件下で前記第１
ストリツプの前記第２端に供与される電圧を制限し、前
記チタニア感知素子の長期劣化を低減せしめ、かつ前記
導電性厚膜／＜ンドの前記減小幅は前記ループの一定幅
部分の電力損失を最小化するパターンの中に付加されて
いることを特徴とする特許請求の範肩第４項記載の抵抗
型酸素センサ。 （６）前記チタニア膜から来る露出した電極リード線に
塗布され、前記基板上のカーボン付着物が前記チタニア
膜の前記排気ガス中の酸素量に対する応答に作用するの
を防止する誘電性材料の被膜を更に包含したことを特徴
とする特許請求の範囲第１項記載の抵抗型酸素センサ。 （７）前記基板の前記第１および第２面に塗布され、前
記厚膜バンド、前記厚膜ストリップおよび前記チタニア
膜を前記排気ガス中の成分によって誘起される劣化から
保護する多孔性被膜を（８）前記第１および第２固定値
レジスタの値並びに位置を変更し、０〜９００ミリボル
ト以外の出力信号を得るようにできることを特徴とする
特許請求の範囲第１項記載の抵抗型酸素センサ。 （９）前記チタニア膜に塗着され、前記チタニア膜の前
記排気ガス中の酸素濃度の変化に対する応答時間を改善
する触媒剤を更に包含したこと（ＩＧ 前記第・１面に
前記導電性厚膜）（ンドを超えて塗布され、前記バンド
を前記排気ガス中の成分によって誘起される劣化から保
護する非多孔性誘電材料を更に包含したことを特徴とす
る特許請求の範囲第１項記載の抵抗型酸素センサ。
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