JPS61277049A - 空燃比センサ− - 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】 ［産業上の利用分野］ 本発明は内燃機関等、各種燃焼機器の排気中の酸素８度
に基づき空燃比を検出する空燃比センサーに関するもの
である。− ［従来の技術］　　　　゛ 内燃機関等、各種燃焼機器に供給される混合気の空燃比
を排気中の酸素濃度より検出する空燃比検出装置の一つ
として、板状の酸素イオン伝導性固体電解質の両面に多
孔質電極が設けられた２枚の素子を、間隙を介して対向
配設し、一方の素子を間隙内の酸素を周囲に汲み出す酸
素ポンプ素子、他方の素子を周囲雰囲気と間隙との酸素
濃度差によって電圧を生ずる酸素濃淡電池素子として、
少なくとも空燃比のリーン域において空燃比に対応した
信号を検出し得るよう構成されたものがある（特開昭５
９−１７８３５４＞。

ところがこの種の空燃比センサーの場合、空燃比のリー
ン域、即ら排気中に残留酸素が存在する場合だけでなく
、空燃比のリッチ域、即ち排気中に残留酸素が極めて少
量しか存在しない場合にでも、排気中のＣｏ、ＣＯ２、
Ｈ２０等の反応により、リーン域における信号と同様の
信号を発生する特性を有することがわかった。つまり検
出信号に対して２つの空燃比が対応するようになるため
、この種の空燃比センサーを用いて空燃比制御を実行す
る場合、空燃比がリーン域にあるのか、あるいはリッチ
域にあるのかをはっきりさせる必要が生じてくるのであ
る。

そこで、酸素濃淡電池素子の酸素ポンプ素子に対向しな
い面に大気を導入し、検出信号が理論空燃比近傍で反転
することを防止するようにしたものが提案されている。

［発明が解決しようとする問題点］ しかしながら、酸素濃淡電池素子の一面に大気を導入す
るため、空燃比センサーを密閉化できず、防水対策が必
要となり、構造が複雑になってしまう。

［問題点を解決するための手段］ 本発明の空燃比センサーは、大気を酸素濃淡電池素子の
一面に導入することなく、大気を導入した場合と同等の
効果を得るようにしたものであり、その構成は、 酸素イオン伝導性固体電解質板の表裏面に一対の多孔質
電極ａ、ｂを有する第１の素子と、酸素イオン伝導性固
体電解質板の表裏面に一対の多孔質電極ｃ、ｄを有し、
該一対の電極の内の一方の電極Ｃと上記第１の素子の一
方の電極すとが重なりあい、該電極の重なりあった部分
が漏出抵抗部を介して外部に連通ずる内部基準酸素源を
形成する第２の素子と、 酸素イオン伝導性固体電解質板の表裏面に一対の多孔質
電極ｅ、ｆを有し、該一対の電極ｅ、　ｆの内の一方の
電極ｅと、上記第２の素子の電極ｄとの間に、ガス拡散
制限部を介して測定ガス雰囲気と連通する測定ガス室を
層状中間部材によって形成する第３の素子と からなることを特徴とする。

第１の素子、第２の素子及び第３の素子に使用される酸
素イオン伝導性固体電解質としては、ジルコニアとイツ
トリアの固溶体、あるいはジルコニアとカルシアとの固
溶体等が代表的なものでおり、その他二酸化セリウム、
二酸化トリウム、二酸化ハフニウムの各固溶体、ペロプ
スカイト型酸化−物置溶体、３価金属酸化物固溶体等も
使用可能である。またその固体電解質両面に設けられる
多孔質電極ａ、ｂ、ｃ、ｄ、ｅ、ｆとしては、酸化反応
の触媒作用を有する白金やロジウム等を用いればよく、
その形成方法としては、これらの金属粉末を主成分とし
てこれに固体電解質と同じセラミック材料の粉末を混合
してペースト化し、厚膜技術を用いて印刷後、焼結して
形成する方法、おるいはフレーム溶射、化学メッキ、蒸
着等の薄膜技術を用いて形成する。さらに排ガスにさら
される電極ａ、ｄ、ｅ、ｆはその電極層に更に、アルミ
ナ、スピネル、ジルコニア、ムライト等の多孔質保護層
を厚膜技術を用いて形成することが好ましい。

第１の素子と第２の素子との重ね合せ部分に埋設状にし
て形成する内部基準酸素源は、例えば第１の素子と第２
の素子との共有とした多孔質電極層とそれから延長され
て末端面が重ね合部の端にまで達して測定ガス側に露出
した漏出抵抗部となる多孔質層とから形成する。またこ
の漏出抵抗部は多孔質層に代えて例えば第１の素子に設
けた電極から排ガス側に達する微孔であってもよい、ま
た漏出抵抗部は大気側に露出させてもよいが測定ガスに
対して露出するようにするとこの空燃比センサーの防水
が容易となり好ましい。

測定ガス室は、例えば第２の素子と第３の素子との間に
ＡＩＪｚＯａ、スピネル、フォルステライト、ステアタ
イト等からなる層状中間部材としてのスペーサを第２の
素子の電極Ｃと第３の素子の電極６間に偏平な閉鎖状の
室が形成されるようにして挟むことに・よって設けられ
る。そしてガス拡散制限部としてこのスペーサの一部に
測定ガス雰囲気と測定ガス室とを連通させる孔を設ける
。このガス拡散制限部は、上記スペーサの一部あるいは
全部を多孔質体で置き換えたり、スペーサ（厚膜コート
を含む）に孔を設けたり、更には、スペーサを第２の素
子と第３の素子の端子側にのみに設けて第２の素子と第
３の素子との間に空隙を形成し、この空隙を測定ガス室
と一体のガス拡散制限間隙として設けることができる。

また上記空隙の全体に、電気絶縁性であることが望まし
い多孔質材を配してもよい。

［作用］ 第１の素子、第２の素子及び第３の素子は、各々酸素発
生素子、酸素濃淡電池素子及び酸素ポンプ素子としての
作用をもつ。即ち、 第１の素子は、酸素発生素子であって、適当な。

温度条件（例えば固体電解質が安定化ジルコニアの場合
には４００℃以上）において固体電解質板の両面間に電
圧をかけることにより固体電解質板中を酸素イオンが移
動する性質を利用している。

この酸素発生素子は、測定ガスに接する電極ａ（以下外
部電極と呼ぶ）と、例えば第２の素子の電極Ｃと共有と
した電極ｂ（以下内部電極と呼ぶ）との間に酸素イオン
が外部電極から内部電極に向かって流れるように、即ら
、外部電極を負、内部電極を正とするよう電圧をかける
ことにより、測定ガス中の酸素を内部電極部１力に輸送
し、酸素濃淡電池素子の内部基準酸素源である内部電極
に酸素を発生させる。

第２の素子は酸素濃淡電池素子であって適当な温度条件
において、固体電解質板の両面間にそれぞれの表面にお
ける酸素ガス分圧の比に対応した電圧（起電力）が生じ
る性質を利用している。この酸素濃淡電池素子は、前述
の内部基準酸素源の酸素を基準酸素源として測定ガス室
内の酸素ガス分圧を測定する。

第３の素子は酸素ポンプ素子であって第１．の素子と同
様、適当な温度条件において固体電解質板の両面間に電
圧をかけることにより固体電解質板中を酸素イオンが移
動する性質を利用している。

この酸素ポンプ素子は、２つの電極ｅ、ｆ間に電圧をか
けることによりガス拡散室内の酸素を汲み出したり、又
場合によってはガス拡散室内に酸素を汲み入れる。。

この空燃比センサーの動作は次の通りである。

先ず、酸素発生素子の外部電極と内部電極との間に所定
電圧をかけて内部電極に酸素を発生させる。この時の電
圧は場合によって異なるが、例えば１ｖをかけると、内
部電極の酸素ガス分圧と外部電極の酸素ガス分圧との差
が起電力１Ｖ相当となるまで外部電極から内部電極に酸
素が送りこまれる。この時、内部電極が充分に漏出抵抗
の大きい多孔質または孔を介して外部と連通しているこ
とによって測定ガス中の酸素ガス分圧の変動による内部
電極部の酸素圧の変動の割合が小さくされる。

このように酸素発生素子の内部電極部が測定ガスである
排ガスがリッチ域からリーン域までほぼ一定の酸素ガス
分圧となるためにこの内部電極部を基準酸素源として使
用することが可能となる。

さらに、内部電極部を大気と連通させている時には、こ
の電圧を０．８Ｖ（大気中の酸素ガス分圧と燃料過剰の
排ガス中の酸素ガス分圧との差に対応する起電力）また
はそれ以上とすることによって、リッチ域でも内部電極
のガス分圧は、大気中の酸素ガス分圧とほぼ等しいかそ
れ以上となる。

従って、例えば酸素濃淡電池素子より発生される電圧が
所定の一定値になるよう、酸素ポンプ素子を用いて拡散
室の酸素を汲み出したり汲み入れたりし、その時酸素ポ
ンプ素子に流れる電流（以下、ポンプ電流ともいう。）
を検出するとか、あるいは、その逆に酸素ポンプ素子の
ポンプ電流を一定値に制御して拡散室の酸素を所定量だ
け汲み出すか汲み入れ、その時酸素濃淡電池素子から発
生される電圧を検出することによって、排ガスの空燃比
に応じた信号を検出することができる。

［実施例］ 第１図の部分破断図及び第２図の分解説明図によって本
発明の一実施例について説明する。尚１、説明上、各図
の部分ごとの縮尺は異なる。

本実施例の空燃比センサーは第１図及び第２図に示す如
く、 測定ガス側に延長された部分の一端が露出する内部電極
１（電極ｂ）と外部電極２（電極ａ）と固体電解質板３
とからなる第１の素子（酸素発生素子）△と、 電極４（電極ｄ）と電極Ｃでもある上記内部電極１と固
体電解質板５とからなり第１の素子に積層された第２の
素子（酸素濃淡電池素子）Ｂと、電極６（電極ｅ）と電
極７（電極ｆ）と固体電解質板８とからなり層状中間部
材としてのスペーサ９を介して第２の素子に対して積層
された第３の素子（酸素ポンプ素子）Ｃとからなってい
る。

第１の素子Ａと第２の素子Ｂとの重ね合せ部分にここで
は埋設共有電極として形成された内部電極１は、端面を
排ガスに露出する延長部を漏出抵抗部である多孔質層Ｇ
とする内部基準酸素源を形成している。

第２の素子Ｂと第３の素子Ｃとが層状中間部材としての
スペーサ９を介して積層されてそれらの対向する電極４
．６間に測定ガス室１０を形成するものである。尚、本
実施例ではスペーサ９の３カ所を切り欠いて孔としガス
拡散制限部Ｔとした。

電極２、電極７は各々端子１１．１２に電極１、電極４
、電極６は各々スルーホールを介して端子１３．１４．
１５に接続される。尚、第２図において１点鎖線はスル
ーホールの対応を示し、又、２点鎖線は各部の対応を示
している。

各部の寸法は、固体電解質板３，５．８は厚さＱ、５ｍ
ｍｘ幅４ｍｍｘ長さ２５ｍｍ、電極２゜４．６．７は２
．４ｍｍｘ７．２ｍｍ、電極１は２．４ｍｍｘ７．８ｍ
ｍであって、一端が固体電解質板３の測定部側の端と一
致している。又、スペーサ９は厚さ６０μｍｘ幅４ｍｍ
ｘ長さ２５ｍｍであって２．４ｍｍＸ７．７ｍｍの測定
ガス室１０を有し、三方向に幅Ｑ、５ｍｍの孔からなる
ガス拡散制限部Ｔを有する。

本実施例の各素子の固体電解質板３，５．８はいずれも
Ｙ２０３−Ｚｒ　０２固体電解質である。

又、各素子の電極１，２，４．６．７は白金に１０重量
％のＹ２０３−Ｚｒ　０２を添加した多孔質体である。

本実施例の使用法の一例について第３図の構成図によっ
て説明する。尚、本図の空燃比センサーＳは説明上端子
１１，１２，１３，１４．１５を省略し、電極１，２，
４，６．７に直接回路へのリード線が接続するよう描い
である。

この空燃比センサーＳは排気管１００に、ネジ部１０１
．固定部１０２によって取り付ける。

第１の素子（酸素発生素子）の電極１，２．は基準酸素
発生回路２００に接続される。この回路２００は電極１
，２間に抵抗ＲＯを介して電圧ＥＯをかけることによっ
て電極２に基準酸素を発生させるものである。電極１，
２にＥＯ（例えば１Ｖ）をかけると酸素イオンが電極２
から電極１に向って移動し、電極２表面の酸素分圧と電
極１の酸素分圧との比が起電力ＥＯとなると酸素イオン
の移動が止まり、電流が流れなくなるはずであるが、電
極１の一部はガス漏出抵抗層（本実施例の場合は内部電
極１の延長部）を介して測定ガスと連通しているので、
電極１の酸素ガスは漏洩し、電流ＩＯが流れる。測定ガ
ス中の酸素ガス分圧が高くなると内部基準酸素圧も高く
なり電流１ｏは増加するが、従って、抵抗ＲＯにおける
電圧降下も大きくなり、酸素発生素子Ａに加えられる電
圧が低下して、電流ＩＯの増加すなわち漏出する酸素イ
オンの増加が押えられて内部基準酸素分圧の増加も押え
られるのである。逆に測定ガス中の酸素ガス分圧が低く
なると電流ＩＯは小さくなるが、抵抗ＲＯにおける電圧
降下も小さくなり、酸素発生素子Ａに加えられる電圧が
上昇して、電流１０の減少すなわち漏出する酸素イオン
の減少も押えられて内部基準酸素圧の減少も押えられる
のである。そのため、測定ガス中の酸素ガス分圧が変動
しても電極１の部分における酸素ガス分圧の変動が小さ
く押えられる。

第２の素子（酸素濃淡電池素子）Ｂ及び第３の素子（酸
素ポンプ素子）Ｃの電極１，４，６．７は空燃比信号検
出回路２０１に接続される。

空燃比信号検出回路２０１は、酸素濃淡電池素子Ｂにて
発生される、内部電極１における基準酸圧と測定ガス室
１０内の酸素ガス分圧比に応じた起電力が、所定の一定
電圧となるよう、即ちガス　。

拡散室１０内の空燃比が一定となるよう、酸素ポンプ素
子Ｃに流れるポンプ電流を双方向に制御し、その電流値
を空燃比信号Ｖλとして検出する。

この空燃比信号検出回路２０１は、例えば、第４図に示
す如く、４個の演算増幅器ＯＰ１ないしＯＦ２を中心に
構成され、酸素濃淡電池素子Ｂの起電力ｙｓを基準電圧
ＶＯと比較し、その差を電圧によってポンプ電流を双方
向に制御し、このポンプ電流をＯＦ２によって空燃比信
号Ｖλを出力するものを用いればよい。

このような空燃比信号検出回路２０１を使用することに
よって第５図に示す如ぎ、空燃比信号■λが、λ＝１の
点での設定電圧Ｖｃを通り、リッチからリーンにかけて
連続的に変化する特性が得られる。尚、この空燃比信号
Ｖλの特性は酸素濃淡電池素子Ｂ及び酸素ポンプ素子Ｃ
と空燃比信号検出回路２０１の各接続端子Ｐ１ないしＰ
４との接続方向を変向することによって、破線で示す傾
きの特性とすることができる。

［発明の効果］ 本発明の空燃比センサーは、第２の素子（酸素濃淡電池
素子）Ｂに第１の素子（酸素発生素子）Ａを並設するこ
とにより、酸素濃淡電池素子の酸素ポンプ素子と対向し
ない側の電極Ｃに大気を導入した時と同じ効果を与える
ものである。

本発明の空燃比センサーは大気導入のための開口部が不
用となり、簡単な防水処理で充分な防水対策を行うこと
ができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の第１実施例を説明する部分破断斜視図
、 第２図はその分解斜視図、 第３図はその使用例を説明する構成図、第４図はその使
用例における回路図、 第５図はその使用例の空燃比に対する信号の特性図であ
る。 Ａ・・・第１の素子（酸素発生素子） Ｂ・・・第２の素子（酸素濃淡電池素子）Ｃ・・・第３
の素子（酸素ポンプ素子）Ｇ・・・漏出抵抗部 ■・・・ガス拡散制限部 １・・・内部電極（内部基準酸素源） ２．４，６．７・・・電極 ３．５．８・・・固体電解質板 １０・・・ガス拡散室

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 　酸素イオン伝導性固体電解質板の表裏面に一対の多孔
   質電極ａ，ｂを有する第１の素子と、酸素イオン伝導性
   固体電解質板の表裏面に一対の多孔質電極ｃ，ｄを有し
   、該一対の電極の内の一方の電極ｃと上記第１の素子の
   一方の電極ｂとが重なりあい、該電極の重なりあった部
   分が漏出抵抗部を介して外部に連通する内部基準酸素源
   を形成する第２の素子と、 酸素イオン伝導性固体電解質板の表裏面に一対の多孔質
   電極ｅ，ｆを有し、該一対の電極ｅ，ｆの内の一方の電
   極ｅと、上記第２の素子の電極ｄとの間に、ガス拡散制
   限部を介して測定ガス雰囲気と連通する測定ガス室を層
   状中間部材によつて形成する第３の素子と からなることを特徴とする空燃比センサー。