JPS61264245A

JPS61264245A - 酸素センサ

Info

Publication number: JPS61264245A
Application number: JP60106593A
Authority: JP
Inventors: Masaaki Uchida; 正明内田; Masayuki Toda; 正之任田; Fumio Isamigawa; 文雄勇川
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 1985-05-17
Filing date: 1985-05-17
Publication date: 1986-11-22

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】［発明の目的］（産業上の利用分野）この発明は、酸素濃度の測定に使用される酸素センサに
係り、理論空燃比だけでなく特に理論空燃比以外のリッ
チおよびリーン領域における空気と燃料との比すなわち
空燃比の検出が可能である広範囲酸素センサに関するも
のである。

（従来の技術）従来、この種の酸素センサとしては、酸素イオン伝導性
固体電解質の酸素分圧変化による酸素イオン伝導度の変
化を利用したものや、遷移金属酸化物の酸素分圧変化に
よる電気抵抗値の変化を利用したものなどがあり、例え
ば第５図に示す模型的断面構造のもの（特願昭５９−２
３１９６０号）がある。

図に示す酸素センサ１０１は、ジルコニア（Ｚｒ０２）
等よりなる板状の酸素イオン伝導性固体電解質１０２の
表裏面に、上記固体電解質１０２内に強制的に電流を流
すための白金（Ｐｔ）等よりなる多孔性第１電極１０３
および多孔性第２電極１０４を設けてこれらによって酸
素ポンプ部１０５を形成し、この酸素ポンプ部１０５の
上に、アルミナ（Ａｉ２０３）等よりなる多孔性電気絶
縁層１０６を積層し、この電気絶縁層１０６の上に、白
金等よりなる一対の多孔性第３電極１０７および第４電
極１０８を設けると共に、両電極１０７，１０８にまた
がって前記電気絶縁層１０６上にチタニア（ＴｆＯｚ）
等よりなる多孔性遷移金属酸化物１０９を設けてこれら
によって酸素センサ部１１０を形成し、この酸素センサ
部１１０の上に、スピネル等よりなる多孔質ガス拡散制
御層１１１を設けると共に、前記第１電極１０３の上に
スピネル等よりなる多孔質保護層１１２を設けた構造を
なすものであり、必要に応じて固体電解質１０２の内部
に発熱体が設けられるものである。

そして、例えば、酸素ポンプ部１０５の第１電極１０３
と第２電極１０４との間にはリード線１１３．１１４を
介して電流源を接続してこの酸素ポンプ部１０５を作動
させると共に、酸素センサ部１１０の一対の電極１０７
，１０８間にはリード線１１７，１１８を介して抵抗計
を接続すれば酸素濃度の検出が可能となる。

このような構造をもつ酸素センサ１０１において、酸素
センサ部１１０の第３電極１０７と第４電極１０８との
間における電気抵抗値ＣＲＴ）は、酸素ポンプ部１０５
に電流を供給しない場合に、空気過剰率（空燃比／理論
空燃比：λ）の変化に対して第６図に示すように空気過
剰率（入〉１）側で大きく、空気過剰率（入く１）側で
小さくなる特性がある。この酸素センサ１０１において
、第１電極１０３と第２電極１０４との間に電流（Ｉｐ
）を供給すると、固体電解質１０２内では前記電流（Ｉ
ｐ）の向きとは反対の向きに酸素イオンがＩ　ｐ／４Ｆ
　［ｍｏ　１　ｅ／ｓｅｃ］　　（Ｆはファラデ一定数
）分だけ移動する。

ここで、例えば、電気抵抗値（ＲＴ）が第６図のＲ１の
値に保たれるように、つまり遷移金属酸化物１０９のま
わりにおける雰囲気が空気過剰不入＝１となるように、
上記電流（Ｉ　ｐ）を供給すれば、空気が過剰であるリ
ーン（入〉１）時には、被測定ガスからガス拡散制御層
１１１を通して遷移金属酸化物１０９の部分に拡散侵入
する酸素の量と、電流（Ｉ　ｐ）により遷移金属酸化物
１０９の部分から運び去られる酸素の量とがほぼ等しく
なり、反対に、燃料が過剰であるリッチ（入く１）時に
は被測定ガスからガス拡散制御層１１１を通して遷移金
属酸化物ＩＱ９の部分に拡散侵入する一酸化炭素の量と
、電流Ｃ工ｐ）により遷移金属酸化物１０９の部分に運
び込まれる酸素の量とがほぼ当量となる。

そこで、ガス拡散制御層１１１の拡散に関する係数をＫ
　［ｍｏ　ｌｅ／ａｔｍ＊　５ｅｃｌ　　、被測定ガス
の酸素分圧をＰＯ２［ａｔｍ］　　、−酸化炭素分圧を
Ｐｃｏ　［ａｔｍ］とすると、遷移金属酸化物１０９の
部分に拡散侵入する酸素の量および一酸化炭素の量はそ
れぞれＫＰＯ２、ＫＰＣＯとなるので、リーン時にはＫ
ＰＯ２＝ＩＰ／４Ｆ。

リッチ時にはｙ、　Ｐ　ｃ　ｏ　＝　Ｉ　ｐ　／　８　
Ｆとなる。

したがって、被測定ガス中の酸素分圧および一酸化炭素
分圧は空気過剰率（入）に対して第７図に示すような関
係にあるので、電流（Ｉｐ）は空気過剰率（入）に対し
て第８図に示すようになり、この電流（Ｉｐ）を測定す
ることにより空気過剰率（入）すなわち空燃比を検出す
ることができる。

第９図に上記酸素センサ１０１に適用される実際の検出
回路の一例を示す。

第９図において、Ａ、Ｂ、Ｃ，Ｄは第５図に示した各接
続点Ａ、Ｂ、Ｃ，Ｄに対応するものである。そして、接
続点Ａは抵抗ＲＩＯを介して差動増幅器１２１の正側に
接続されると共に抵抗Ｒ＋　　、Ｒ、Ｒ＋　ｔを介して
負側に接続され、抵抗Ｒ，，Ｈの接続点には電源ｅが接
続され、抵抗Ｒ，Ｒ，，の接続点は抵抗Ｒを介して接地
され。

接続点Ｃは抵抗Ｒ１□を介して差動増幅器１２１の出力
側に接続されると共にコンデンサＣＩＯを介して差動増
幅器１２１の負側に接続され、接続点Ｄ（Ｖｏｕｔ）は
抵抗Ｒｐを介して電源Ｅに接続された構成をもつもので
ある。

そして、この回路によって接続点ＡＢ間の抵抗（すなわ
ち遷移金属酸化物１０９の抵抗）を一定の値であるＲ１
に保つように接続点ＣＤ間に電流（Ｉ　ｐ）が供給され
、Ｖｏｕｔ＝Ｅ＋Ｉｐ−Ｒｐとなるので、この出力Ｖｏ
ｕｔの値から空気過剰率（入）すなわち空燃比を知るこ
とができる。

（発明が解決しようとする問題点）しかしながら、このような従来の酸素センサにあっては
、酸素ポンプ部１０５と酸素センサ部１１０とを絶縁す
るために多孔性の電気絶縁層１０６を設ける構造となっ
ていたため、前記電気絶縁層１０６の内部において酸素
分圧の勾配が生じることとなり、酸素ポンプ部１０５の
負荷が大きくなりやすくなって酸素ポンプ部１０５の劣
化を生じることもありうるという問題点があった。

この発明は、このような従来の問題点に着目してなされ
たもので、酸素センサ部と酸素ポンプ部とを備えた酸素
センサにおいて前記酸素ポンプ部の負荷を低減すること
ができるようにした酸素センサを提供することを目的と
している。

［発明の構成］（問題点を解決するための手段）この発明による酸素センサは、多孔性第１電極と、酸素
分圧変化により酸素イオン伝導度が変化する固体電解質
と、多孔性第２電極とを積層した酸素ポンプ部を備える
と共に、前記多孔性第２電極と、酸素分圧変化により電
気抵抗値が変化する多孔性遷移金属酸化物と、多孔性第
３電極とを積層した酸素センサ部を備えたことを特徴と
している。

（実施例）第１図はこの発明の一実施例による酸素センサの模型的
断面説明図であって、この酸素センサ１は、例えばイツ
トリア（Ｙ２Ｏ２）等で安定化したジルコニア（Ｚｒ０
２）等よりなりかつ酸素分圧変化により酸素イオン伝導
度が変化する酸素イオン伝導性固体電解質２２の表裏面
に、上記固体電解質２内に強制的に電流を流すための白
金（ｐｔ）等の多孔性第１電極３および多孔性第２電極
４を積層してこれら固体電解質２と一対の電極３，４と
によって酸素ポンプ部５を形成すると共に、前記多孔性
第２電極４の上に、チタニア（Ｔ　ｉ　０２　）等より
なりかつ酸素分圧変化により電気抵抗値が変化する多孔
性遷移金属酸化物６および多孔性第３電極７を積層して
これら遷移金属酸化物６と一対の電極４，７とによって
酸素センサ部８を形成し、この酸素センサ部８の上にス
ピネル等よりなる多孔質ガス拡散制御層１１を設けると
共に、酸素ポンプ部５の第１電極３の上にスピネル等よ
りなる多孔質保護層１２を設けた構造をなすものであり
、必要に応じて固体電解質２等に発熱体を設けた構造を
なすものである。

そして１例えば、酸素ポンプ部５の第１電極３と第２電
極４との間にはリード線１３．１４を介して電流源を接
続して酸素ポンプ部５を作動させると共に、酸素センサ
部８の一対の電極４，７間にはリード線１４．１７を介
して抵抗計を接続すれば酸素濃度の検出が可能となる。

第２図は、第１図に示した酸素センサ１を製造する工程
例を示すものである。すなわち、第２図（＆）に示すよ
うに、例えばイツトリア安定化ジルコニアグリーンシー
トを適当な大きさに切り出した板状の未焼成固体電解質
２の裏面側に１例えば白金ペーストを用いてスクリーン
印刷により未焼成第１電極３および電極リード部３ａを
積層し、一方、第２図（ｂ）に示すように、前記未焼成
固体電解質２の表面側にも例えば白金ペーストを用いて
スクリーン印刷により未焼成第２電極４および電極リー
ド部４ａを積層する。

次いで、第２図（Ｃ）に示すように、前記未焼成第２電
極４の上に、例えばチタニアペーストを用いてスクリー
ン印刷により未焼成遷移金属酸化物６を積層したのち、
第２図（ｄ）に示すように、例えば白金ペーストを用い
てスクリーン印刷により未焼成第３電極７および電極リ
ード部７ａを積層する。続いて第２図（ｅ）に示すよう
に、各電極リード部３ａ、４ａ、７ａに各々例えば白金
よりなるリード線１３，１４．１７の先端を例えば白金
ペーストにより付着させる。次いで、このような積層体
を仮焼成したのち本焼成し、各電極３，４．７に導電性
をもたせると同時に、各電極３，４．７および遷移金属
酸化物層６を多孔性の状態とする０次いで、第２図（ｆ
）に示すように、前記積層体の表面に、例えばスピネル
をプラズマ溶射により被覆して多孔質ガス拡散制御層１
１を設けると共に、第２図（ｇ）に示すように前記積層
体の裏面に、例えばスピネルをプラズマ溶射により被覆
して多孔質保護層１２を設ける。

次に、上記第２図に示す工程により製造した第１図に示
す構造の酸素センサ１の燃焼排ガス中に′おｌする作動
について次の三つの場合に分けて説明する。

ＣＩ）電極３，４間に電流を流さない場合この場合、周
囲の排ガスは、多孔質ガス拡散制御層１１を通って遷移
金属酸化物６へ到達する。

ご６のとき、排ガス中の酸素濃度変化（空燃比変化）に
応じて遷移金属酸化物６の抵抗値は、リツ、！−＠囲気
（空気過剰率（入）く１）では小となり、リーン雰囲気
（空気過剰率（入）〉１）では大となり、空気過剰率（
入）＝１を境にして急激に変化する第３図の線■に例示
する特性が得られる。

（ＩＩ）第１電極３から第２電極４へ電流を流した場合この場合には、酸素イオン伝導性固体電解質ｚ内で酸素
イオンが第２電極４から第１電極３へと移動する。その
ため、第２電極４付近の酸素濃度が低くなり　おもに多
（１買−Ｘ７．拡散制御層１↑の細孔を通１２て排ガス
中の酸素分子が拡散して移動する。そ１、て、多孔性ガ
ス拡散制御層１１内における排ガスの拡散速度、空燃比
、およびポンプ電流（Ｉｐ）値の影響を受けてＥ記多孔
質ガス拡散制御層１１内に酸素ガスの濃度勾配が発生し
、遷移金属酸化物６における酸素ガスの濃度も低下して
、遷移金属酸化物６の抵抗値の変化点がみかけ上り−〕
／側に移動したような第３図の線■に例示する特性が得
られる。

（ｍ）第２電極４から第１電極３へ電流を流した場合この場合には、酸素イオン伝導性固体電解質２内で酸素
イオンは第１電極３から第２電極４へと移動する。その
ため、第２電極４付近の酸素濃度が増加する。このとき
、リッチ雰囲気中において第２電極４に流れ込んだ酸素
イオンは、第２電極４の触媒作用に励起された一酸化炭
素等と反応して二酸化炭素等となる。このため、第２電
極４付近の酸素濃度が大きく増加する際のポンプ電流（
Ｕｐ）ｒｌｆｌは主に一酸化炭素の濃度に比例し、また
−酸化炭素の濃度はリッチ側で空燃比に比例するため、
電極４，７間の抵抗値変化は第３図の線■に例示する特
性となる。

第４図に上記酸素センサ１に適用される実際の検出回路
の一例を示す。

第４図において、Ｙ　、Ｍ、Ｃは第１図に示した各接続
点Ｙ　、、Ｍ　、　Ｃに対応するものである。そＬ７て
、接続点Ｙは抵抗Ｒ２を介して差動増幅器２１の正側に
接続されると共に抵抗Ｒ，，Ｒ，’Ｒ３を介して負側に
接続され、抵抗Ｒ１、Ｈの接続点には電源Ｅ　’、−ｅ
が接続され、抵抗Ｒ、Ｒ３の接続点は抵抗Ｒを介して接
地され、接続点Ｃは抵抗Ｒｐを介して差動増幅器２１の
出力側に接続されると共にコンデンサＣ，を介して差動
増幅器２１の負側に接続され、抵抗Ｒｐの両端で出力Ｖ
ｏｕｔが検出されると共に、接続点Ｍは電源Ｅに接続さ
れた構成をもつものである。

そして、この回路に４′〕で接続点ＹＭ間の抵抗（すな
わち、遷移金属酸化物６の抵抗）を一定の値であるＲ　
ｚ　＆ｊ、保つよ）！−接続点ＭＣ間に−Ｆ流（Ｉｐ）
が供給され、Ｖｏｕｔ＝Ｉｐ＠Ｒｐとなコので１この出
力Ｖ　ｏ　ｕ、　ｔの値から空気過剰率（入）すなわち
空燃比を知ることができる。

［発明の効果］以」−説明し２できたように、この発明による酸素セン
サは、多孔性第１電極と、酸素分圧変化により酸素イオ
ン伝導度が変化する固体電解質と、多孔性第２電極とを
積層した酸素ポンプ部を備えるど共に、前記多孔性第２
電極と、酸素分圧変化により電気抵抗値が変化する多孔
性遷移金属酸化物と、多孔性第３電極とを積層した酸素
（−ンサ部を備えた構成としたものであるから、酸素ポ
ンプ部ど酸素センサ部との間に従来のように多孔性の電
気絶縁層がなく、したがって、酸素ポンプ部の負荷を従
来の場合よりもかなり低減することが可能となり、これ
により酸素ポンプ部の耐久性を著しく向、トすることが
でき、それゆえ耐久性の優れた酸素センサを提供するー
とができるという著大な効果がもたらされる。

【図面の簡単な説明】第１図はこの発明の一実施例による酸素センサの模型的
断面説明図、第２図（ａ）〜（ｇ）は第１図に示す酸素
センサの製造工程例を順次示す模型的平面説明図、第３
図は第１図の酸素センサの特性を空気過剰率（入）と遷
移金属酸化物の抵抗値との関係で示す説明図、第４図は
第１図の酸素センサに適用する酸素濃度検出回路の一例
を示す説明図、第５図は従来の酸素センサの模型的断面
説明図、第６図は第５図の酸素センサの特性を空気過剰
率（入）と遷移金属酸化物の電気抵抗値との関係で示す
説明図、第７図は空気過剰率（入）と被測定ガス中の０
０分圧および０２分圧との関係を示す説明図、第８図は
第５図に示した酸素センサの特性を空気過剰率（入）と
供給電流との関係で示す説明図、第９図は第５図の酸素
センサに適用する酸素濃度検出回路の一例を示す説明図
である。１・・・酸素センサ、２・・・固体電解質、３・・・第
１電極、４・・・第２電極、５・・・酸素ポンプ部、６
・・・遷移金属酸化物、７・・・第３電極、８・・・酸
素セン峠部。第゛（ａン　　　　　　　　　　　　　　　　　（ｂン（ｅ
）　　　　　　（ｆ）（ｃ）　　　　　　　　　（ｄ）第３図第４図第６図２六週デ１１↑（入）

Claims

【特許請求の範囲】

（１）多孔性第１電極と、固体電解質と、多孔性第２電
極とを積層した酸素ポンプ部を備えると共に、前記多孔
性第２電極と、酸素分圧変化により電気抵抗値が変化す
る多孔性遷移金属酸化物と、多孔性第３電極とを積層し
た酸素センサ部を備えたことを特徴とする酸素センサ。