JPS6138414B2 - - Google Patents
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- JPS6138414B2 JPS6138414B2 JP54061023A JP6102379A JPS6138414B2 JP S6138414 B2 JPS6138414 B2 JP S6138414B2 JP 54061023 A JP54061023 A JP 54061023A JP 6102379 A JP6102379 A JP 6102379A JP S6138414 B2 JPS6138414 B2 JP S6138414B2
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Description
本発明は空燃比検出器に係り、とくにエンジン
排ガス中の酸素濃度を測定して空燃比を検出する
のに好適な空燃比検出器に関する。 従来既知の空燃比検出器の多くは、酸素イオン
伝導性固体電解質の片面側に測定電極を設けると
共に他面側に基準電極を設け、測定電極側を排ガ
スに接触させると同時に基準電極側を大気に接触
させて、排ガス中の平衡酸素分圧と基準酸素分圧
との差によつて生ずる起電力により排ガス中の酸
素濃度を測定して空燃比を検出するものであつ
た。この場合、空燃比の燃料過剰側（リツチ側）
と空気過剰側（リーン側）における平衡酸素分圧
に大きな差が生ずることを利用して理論空燃比
（空気過剰率λ＝１）を検出しているが、理論空
燃比以外の領域における空燃比の検出には使用で
きない欠点を有していた。 本発明の目的は、理論空燃比の検出はもちろん
のこと、理論空燃比以外の領域における空燃比の
検出が可能であると同時に、システム的に使用す
ることによつて広範囲の空燃比−起電力特性を得
ることができる空燃比検出器を提供することにあ
る。 本発明は、とくにエンジン排ガス中の酸素濃度
を測定して空燃比を検出するにあたり、排ガスの
電極表面に至るガス分子の拡散を制御すると同時
に、必要に応じて固体電解質内に電流を流すこと
により電極表面の酸素分圧を制御して、排ガス中
の酸素濃度に敏感な電極表面を作り、理論空燃比
および理論空燃比以外の領域における空燃比の検
出を可能にしたことを特徴としている。 本発明の空燃比検出器は、第電極と第電極
との間に酸素イオン伝導性固体電解質を有すると
共に前記第電極と第電極との間に酸素イオン
伝導性固体電解質を有し、前記酸素イオン伝導性
固体電解質の少なくとも一方を多孔性固体電解質
としかつ前記第電極と第電極との間に測定手
段を接続したことを特徴とするものである。そし
て、使用態様に応じて前記各電極および固体電解
質を基板上に順次膜状に形成し、さらに前記一方
の多孔性固体電解質をはさむ電極間に直流電源を
接続して多様の空燃比−起電力特性を得ることが
できるようにしたものである。 以下、本発明の実施例を図面に基いて詳細に説
明する。 第１図は本発明の実施例における空燃比検出器
の原理的説明図であつて、第電極１と第電極
２との間および前記第電極２と第電極３との
間にそれぞれ酸素イオン伝導性固体電解質４およ
び５を有し、第電極１と第電極２とではさま
れた固体電解質４にはち密な固体電解質を用い、
第電極２と第電極３とではさまれた固体電解
質５には多孔性固体電解質を用いている。なお、
固体電解質４にも多孔性固体電解質を使用しても
以下に詳述するような空燃比−起電力特性を得る
ことができる。そして、第電極１および第電
極２にはリード線６ａを介して測定手段としての
電圧測定装置７を接続すると共に、第電極２お
よび第電極３にはリード線６ｂおよび二極双投
スイツチ８を介して直流電源９に接続している。
なお、二極双投スイツチ８は直流電源９の極性を
切換えるためのものである。 そこで、各電極１〜３に触媒的に活性または不
活性な材料を使用し、直流電源に接続する極性を
変えることによつてさまざまな空燃比−起電力特
性を得ることがでかきるが、これを次表にまとめ
て示す。
排ガス中の酸素濃度を測定して空燃比を検出する
のに好適な空燃比検出器に関する。 従来既知の空燃比検出器の多くは、酸素イオン
伝導性固体電解質の片面側に測定電極を設けると
共に他面側に基準電極を設け、測定電極側を排ガ
スに接触させると同時に基準電極側を大気に接触
させて、排ガス中の平衡酸素分圧と基準酸素分圧
との差によつて生ずる起電力により排ガス中の酸
素濃度を測定して空燃比を検出するものであつ
た。この場合、空燃比の燃料過剰側（リツチ側）
と空気過剰側（リーン側）における平衡酸素分圧
に大きな差が生ずることを利用して理論空燃比
（空気過剰率λ＝１）を検出しているが、理論空
燃比以外の領域における空燃比の検出には使用で
きない欠点を有していた。 本発明の目的は、理論空燃比の検出はもちろん
のこと、理論空燃比以外の領域における空燃比の
検出が可能であると同時に、システム的に使用す
ることによつて広範囲の空燃比−起電力特性を得
ることができる空燃比検出器を提供することにあ
る。 本発明は、とくにエンジン排ガス中の酸素濃度
を測定して空燃比を検出するにあたり、排ガスの
電極表面に至るガス分子の拡散を制御すると同時
に、必要に応じて固体電解質内に電流を流すこと
により電極表面の酸素分圧を制御して、排ガス中
の酸素濃度に敏感な電極表面を作り、理論空燃比
および理論空燃比以外の領域における空燃比の検
出を可能にしたことを特徴としている。 本発明の空燃比検出器は、第電極と第電極
との間に酸素イオン伝導性固体電解質を有すると
共に前記第電極と第電極との間に酸素イオン
伝導性固体電解質を有し、前記酸素イオン伝導性
固体電解質の少なくとも一方を多孔性固体電解質
としかつ前記第電極と第電極との間に測定手
段を接続したことを特徴とするものである。そし
て、使用態様に応じて前記各電極および固体電解
質を基板上に順次膜状に形成し、さらに前記一方
の多孔性固体電解質をはさむ電極間に直流電源を
接続して多様の空燃比−起電力特性を得ることが
できるようにしたものである。 以下、本発明の実施例を図面に基いて詳細に説
明する。 第１図は本発明の実施例における空燃比検出器
の原理的説明図であつて、第電極１と第電極
２との間および前記第電極２と第電極３との
間にそれぞれ酸素イオン伝導性固体電解質４およ
び５を有し、第電極１と第電極２とではさま
れた固体電解質４にはち密な固体電解質を用い、
第電極２と第電極３とではさまれた固体電解
質５には多孔性固体電解質を用いている。なお、
固体電解質４にも多孔性固体電解質を使用しても
以下に詳述するような空燃比−起電力特性を得る
ことができる。そして、第電極１および第電
極２にはリード線６ａを介して測定手段としての
電圧測定装置７を接続すると共に、第電極２お
よび第電極３にはリード線６ｂおよび二極双投
スイツチ８を介して直流電源９に接続している。
なお、二極双投スイツチ８は直流電源９の極性を
切換えるためのものである。 そこで、各電極１〜３に触媒的に活性または不
活性な材料を使用し、直流電源に接続する極性を
変えることによつてさまざまな空燃比−起電力特
性を得ることがでかきるが、これを次表にまとめ
て示す。
【表】
以下、表に基いてさらに説明する。
−１
この場合には第１電極１が触媒的に不活性、第
電極２が触媒的に活性、第電極３が触媒的に
不活性または活性であり、スイツチ８をS1側にし
て直流電源９のプラス側を第電極３に接続し、
マイナス側を第電極２に接続した場合である。 この場合、第電極１の表面における酸素分圧
は、この電極が触媒的に不活性であるため空燃比
の全域（リツチ側およびリーン側）にわたつてお
よそ10-2〜10-3atmである。また、第電極２の
表面における酸素分圧は、排ガスがリツチ側にあ
る場合に酸素分子の欠乏した状態になつていてお
よそ10-15〜10-30atmである。そのため、リツチ
側においては第２図に示すような起電力特性を示
す。一方、排ガスがリーン側にある場合には、第
１４図（ｉは電流、ｅは電子を表す。）にも示す
ように、第電極２と第電極３との間に電流を
強制的に流しているため酸素イオンが第電極２
から第電極３の方に流れると同時に固体電解質
５が多孔性であるためそれらの細孔５ａ，５ｂを
通つて酸素分子が拡散する。ここで、第１４図に
示す如く、細孔５ａのように径が小さいものや拡
散距離の長いものでは酸素分子の拡散が遅くなる
ためＡ点部分では酸素の欠乏した状態になつてお
り、細孔５ｂのように径が大きいものや拡散距離
の短いものでは酸素分子の拡散が容易になるため
Ｂ点部分では排ガス中の酸素分圧とほぼ等しくな
つている。この場合、Ａ点部分ではCO，HC等の
反応により酸素分圧は10-15〜10-30atm程度であ
ると考えられ、Ｂ点部分では酸素分圧が10-2〜
10-3atm程度であると考えられる。 そして、上記ししたような細孔５ａ，５ｂは無
数にあり、Ａの状態になつているものやＢの状態
になつているものが入りみだれているが、この状
態は排ガス中の酸素分圧によつて変動し、排ガス
がリーン側に進めばＢのような状態が増加し、理
論空燃比に近づけばＡのような状態が増加する。 このようにして、第電極２の表面では固体電
解質５内での酸素イオンの移動流と細孔５ａ，５
ｂ内でのガスの拡散流とがつり合つた酸素分圧を
示している。したがつて、第電極２の表面での
酸素分圧は排ガス中の酸素分圧よりも低い値を示
すために、第２図に示すように電圧変化点がリー
ン側へシフトした起電力特性を示す第２図におい
て、起電力特性の変化が急激でないのは、細孔径
や細孔長などがある分布を有することに起因して
おり、局所的にみると第電極２の表面における
酸素分圧に大きなばらつきがあるため、起電力が
混合電位の形態で表われてくることによるもので
ある。換言すれば、細孔径や細孔長などを調整す
ることによつて起電力特性の変化の制御が可能で
ある。 したがつて、このような特性のものではリーン
側の空燃比の検出が可能である。 −２ スイツチ８を中立状態にすれば第電極２およ
び第電極３と直流電源９との接続がしや断さ
れ、第電極１が触媒的に不活性、第電極２が
触媒的に活性であるために、第３図に示すような
ON−OFF型の起電力特性を得る。したがつて、
理論空燃比の検出が可能となる。 −３ この場はスイツチ８をS2側にして第電極３を
直流電源９のマイナス側に接続し、第電極２を
プラス側に接続している。そこで、リーン側にお
いては第電極１および第電極２の表面におけ
る酸素分圧は共に10-2〜10-3atm程であるため両
電極１，２間では起電力が発生しない。そして、
理論空燃比に近いリツチ側領域では第電極１は
触媒的に不活性であるためその部分の酸素分圧は
10-2〜10-3atm程度であり、第電極２の表面に
おける酸素分圧は第電極３より第電極２の方
向に酸素イオンが流れているため10-2〜10-3atm
程度であるのでほとんど起電力が発生しない。さ
らにリツチ側の空燃比になると排ガス側からガス
拡散により第電極２の表面における酸素分圧は
10-20atm程度になるのでほぼ1Vに近い起電力が
発生し、第４図に示すような起電力特性となる。 したがつて、このような特性のものではリツチ
側の空燃比の検出が可能となり、スイツチ８の切
換えによつて排ガスのリーン側（第２図）、理論
空燃比（第３図）、リツチ側（第４図）の空燃比
の検出が可能となる。 この場合、第電極１が触媒的に活性、第電
極２が触媒的に不活性で、スイツチ８を中立状態
にしているが、この場合にも前記−２と同様に
第３図に示す起電力特性が得られる。 −１ この場合には第電極１および第電極２が共
に触媒的に活性であり、スイツチ８をS1側にして
直流電源９のプラス側を第電極３に接続し、マ
イナス側を第電極２に接続している。この場
合、第５図に示すように排ガスがリツチ側のとき
には出力電圧を発生せず、電極が触媒的に活性で
あるためその平衡酸素分圧がリツチ側とリーン側
とで大幅に変化するので、排ガスのリーン側で第
５図に示すような起電力特性が得られる。 したがつて、このような特性では理論空燃比お
よびリーン側空燃比の検出が可能である。ただ
し、電流値を大きくとつた場合には固定電解質５
内を第電極２から第電極３側に流れる酸素イ
オン量が増大するため、第５図に破線で示すよう
な起電力特性となる。 −２ スイツチ８を中立状態にすれば第電極２およ
び第電極３と直流電源９との接続がしや断さ
れ、第６図に示すようなリツチガスとリーンガス
とが時間ｔの間に交互に通過する排ガス条件の場
合には、第電極２の表面が多孔性固体電解質５
を介して排ガスと接触しているため時間的な遅れ
を生じ、この時間的な遅れに相当する分だけ第６
図に示すような出力電圧を発生する。したがつ
て、このような起電力特性のものではリーンガス
とリツチガスとの過渡期の検出が可能となる。 −３ この場合はスイツチ８をS2側にして第電極２
を直流電源９のプラス側に接続し、第電極３を
マイナス側に接続している。そして、排ガスのリ
ツチ側では第電極１が触媒的に活性でありかつ
第電極３と第電極２との間で強制的に電流を
流しているため第７図ａに示すような起電力特性
を示し、排ガスのリーン側では出力電圧が低くな
る。したがつて、このような特性のものでは理論
空燃比およびリツチ側空燃比の検出が可能であ
る。 一方、前記電流値をさらに高めると固体電解質
５内を第電極３から第電極２に向けて流れる
酸素イオン量が増加するため第７図ｂに示すよう
な空燃比−起電力特性を得る。 したがつて、前の場合にもスイツチ８を切換
えかつ電流値を適当に選定することによて理論空
燃比およびリツチ側、リーン側空燃比の検出が可
能となる。 なお、第電極１と第電極２との間および前
第電極２と第電極３との間にそれぞれスイツ
チ４，５を設けるにあたり、これらを基板上に膜
状に形成して全体の強度を前記基板を中心にして
保持させるようにしてもよい。このとき、基板材
料として電気的絶縁材を用いて該基板には、通電
により発熱する導電体を設けることも一層望まし
い。これは、固体電解質の酸素イオン伝導度が低
温（400℃以下程度）の場合に小さすぎるのを補
償するためである。 さらに、第電極２と第電極３を直流電源９
に接続するにあたり、この直流電源９には定電流
直流電源を用いるのが望ましい。これは両電極
２，３ではさまれたスイツチ５内で酸素イオンを
安定的に流す意味で望ましい。 なお、自明のことながら、単層の固体電解質の
表裏両面に各々電極を形成し、前記両電極間に、
前記固体電解質内で強制的に電流を流す直流電源
を接続すると共に電圧測定装置を接続した空燃比
検出器では、固体電解質の電気抵抗が温度によつ
て変化する特性を有することから、温が変化した
場合に、たとえば温度が低下した場合に固体電解
質の電気抵抗が増大し、前記した（電気抵抗）×
（電流）による電圧が前記固体電解質の起電力に
加算されるため、温度が低いほど出力電圧が増加
した値で測定され、低温時における空燃比の正確
な測定が困難になる。 これに対して、第１図に示す空燃比検出器で
は、第電極１と第電極２との間に電圧測定装
置７を接続すると共に、第電極２と第電極３
との間に直流電源９を接続するというように、電
圧測定用回路と直流電源供給用回路とが分離され
ているため、温度の変化によつて固体電解質の電
気抵抗に変化を生じたときでも、上記電流を流す
ことに起因する出力電圧への影響を完全に回避す
ることができる。 以上のように、本発明の空燃比検出器では、排
ガスの電極表面までのガス分子の拡散を制御する
と同時に、固体電解質内に強制的に電流を流すこ
とによつて電極表面の酸素分圧を制御するように
しているため、排ガス中の酸素濃度に対して非常
に敏感な電極表面を形成することができ、理論空
燃比はもちろん、理論空燃比以外のリツチ側およ
びリーン側での空燃比の検出も可能であるという
非常にすぐれた特徴を有している。 具体例 １ 第８図および第９図は本発明の具体例における
空燃比検出器のそれぞれ縦断面図および製造工程
説明図である。図に示すように、基板としての強
度を保持させた固体電解質１４の両面に、第９図
ａにも示すように白金ペーストによる厚膜印刷を
施してそれぞれ第電極１１および第電極１２
を形成する。次に第電極１２面上に第９図ｂに
も示すように固体電解質１５をペースト状にて厚
膜印刷し、乾燥後約1300℃の温度で大気中にて焼
成する。続いて焼成後得られた多孔性固体電解質
１５面上に第９図ｃにも示すように白金をスパツ
タ蒸着させて第電極１３を形成し、さらに第９
図ｄにも示すようにプラズマ溶射によつて保護層
１６を設けると共に各電極１１，１２，１３に
各々リード線１７を接続する。 ここで、固体電解質としては、CaO，Y2O3，
MgO等で安定化したZrO2や、ThO2−Y2O3，
CaO−Y2O3などの酸素イオン伝導性固体電解質
を用いることができる。 電極としては、触媒的に活性なものを用いる場
合にはPtやPt系合金等を用いることができ、触媒
的に不活性なものを用いる場合にはAu，Ag，
SiCなどのほか、金属酸化物であるSnO2，
V2O5，PbO，Ａ2O3等の混合物、あるいは
LaCrO3，LaNiO3，SmCoO3系にCa，Zr，Mg，
Sr等を加えたものなどの如きペロブスカイト型
のものを用いることができる。 リード線としては、耐熱性の面からも白金を使
用するのが望ましいが、その他Ni−Cr合金など
を用いてもよい。 具体例 ２ 第１０図および第１１図は本発明の他の具体例
における空燃比検出器のそれぞれ縦断面図および
製造工程説明図である。図に示すようにＡ2O3
で作成した２枚の生シート１９ａ，１９ｂを用意
し、一方の生シート１９ａ上に白金からなる導電
体２０を形成して通電による発熱部とし、他方の
生シート１９ｂを圧着して一枚の基板１９を作
る。この基板１９上に第１１図ｃにも示すように
触媒的に不活性な金属酸化物ペーストを印刷して
第電極２１を形成すると同時に、白金ペースト
を印刷して第電極２２を形成する。次に第１１
図ｄにも示すように固体電解質ペーストを印刷し
て乾燥したのち1300℃で焼成して多孔性固体電解
質２５を形成する。したがつて、第電極２１と
第電極２２との間および第電極２２と第電
極２３との間が共に多孔性固体電解質となる。さ
らに第１１図ｅに示すように白金をスパツタ蒸着
させて第電極２３を形成し、さらに第１１図ｆ
に示すように保護層２６としてZrO2−CaOをプ
ラズマ溶射させ、各電極２１，２２，２３および
導電体２０にリード線２７を接続する。 上記した具体例において基板１９内に導電体２
０を設けたのは、本発明の空燃比検出器はガス拡
散と酸素イオンの流れをそれぞれ制御させている
ことが特徴であるが、固体電解質の内部抵抗やガ
ス拡散係数は温度に依存するため、上記導電体２
０によつて温度制御するのが望ましいことによ
る。 第１２図は上記温度制御のための電気回路の一
例を示すもので、R0は導電体２０の抵抗、R1，
R2，R3はR0と共に構成されるブリツジ抵抗、３
０は演算増幅器、R4，R5.R6は演算増幅器３０の
入力抵抗、R8，C1は帰還回路素子、Tr1，Tr2は
ダーリントン回路構成用トランジスタ、R7は入
力抵抗である。そこで、基板１９すなわち導電体
２０の温度が設定値よりも低すぎると、導電体２
０の抵抗も所定値より低くなつてブリツジ回路の
平衡がくずれ、演算増幅器３０の＋側入力が一側
入力よりも大きくなつて出力を発生し、トランジ
スタTr1のベースに入力されてダーリントン回路
が動作し、直流電源がトランジスタTr2を介して
導電体R0に導通されて導電体２０による発熱が
おこなわれ、基板１９の温度を上昇させる。ま
た、基板１９の温度が設定値以上になつたときに
は導電体２０の抵抗も増大するため、ブリツジ回
路の平衡がくずれて演算増幅器３０が出力を発生
しなくなり、ダーリントン回路が不動作状態とな
て導電体２０への電源供給が断たれ、基板１９の
温度を低下させる。 また、本発明における空燃比検出器において、
第電極２，１２，２２と第電極３，１３，２
３に直流電源９を接続して多孔性固体電解質５，
１５，２５内で酸素イオンの流れを生じさせるに
際しては、定電流直流電源を使用するのが望まし
い。第１３図は定電流直流電源回路の一例を示す
もので、R11，R12は分圧抵抗、３１は演算増幅
器、R13は入力抵抗、Tr3はトランジスタ、R14は
トランジスタTr3の入力抵抗、R15は出力抵抗、
R10は固体電解質５，１５，２５の内部抵抗であ
る。そこで、分圧抵抗R11，R12によつて基準電圧
が抵抗R11の両端にあらわれ、負帰還は抵抗R13の
両端に基準電圧と同じ電圧降下を与えるようには
たらき、上記基準電圧はトランジスタTr3のエミ
ツタ電流を制御し、大略的に前記エミツタ電流は
トランジスタTr3のコレクタ電流となつて固体電
解質を通過する電流が制御される。このとき、固
体電解質５，１５，２５に流れる電流ｉは、 ｉ≒｛R11／（R11＋R12）R13｝Ｖcc で与えられ、固体電解質の内部抵抗R10の値が変
動しても常に一定しした電流ｉが流れることにな
る。 以上詳述したところから明らかなように、本発
明によれば、理論空燃比の検出はもちろん、理論
空燃比以外の空気過剰（リーン）側および燃料過
剰（リツチ）側の空燃比の検出が可能であり、馬
力効率の高いいわゆるリツチバーンエンジンの制
御や、燃料効率の高いいわゆるリーンバーンエン
ジンの制御にきわめて有効に適用することも可能
であるという非常にすぐれた効果を有する。
電極２が触媒的に活性、第電極３が触媒的に
不活性または活性であり、スイツチ８をS1側にし
て直流電源９のプラス側を第電極３に接続し、
マイナス側を第電極２に接続した場合である。 この場合、第電極１の表面における酸素分圧
は、この電極が触媒的に不活性であるため空燃比
の全域（リツチ側およびリーン側）にわたつてお
よそ10-2〜10-3atmである。また、第電極２の
表面における酸素分圧は、排ガスがリツチ側にあ
る場合に酸素分子の欠乏した状態になつていてお
よそ10-15〜10-30atmである。そのため、リツチ
側においては第２図に示すような起電力特性を示
す。一方、排ガスがリーン側にある場合には、第
１４図（ｉは電流、ｅは電子を表す。）にも示す
ように、第電極２と第電極３との間に電流を
強制的に流しているため酸素イオンが第電極２
から第電極３の方に流れると同時に固体電解質
５が多孔性であるためそれらの細孔５ａ，５ｂを
通つて酸素分子が拡散する。ここで、第１４図に
示す如く、細孔５ａのように径が小さいものや拡
散距離の長いものでは酸素分子の拡散が遅くなる
ためＡ点部分では酸素の欠乏した状態になつてお
り、細孔５ｂのように径が大きいものや拡散距離
の短いものでは酸素分子の拡散が容易になるため
Ｂ点部分では排ガス中の酸素分圧とほぼ等しくな
つている。この場合、Ａ点部分ではCO，HC等の
反応により酸素分圧は10-15〜10-30atm程度であ
ると考えられ、Ｂ点部分では酸素分圧が10-2〜
10-3atm程度であると考えられる。 そして、上記ししたような細孔５ａ，５ｂは無
数にあり、Ａの状態になつているものやＢの状態
になつているものが入りみだれているが、この状
態は排ガス中の酸素分圧によつて変動し、排ガス
がリーン側に進めばＢのような状態が増加し、理
論空燃比に近づけばＡのような状態が増加する。 このようにして、第電極２の表面では固体電
解質５内での酸素イオンの移動流と細孔５ａ，５
ｂ内でのガスの拡散流とがつり合つた酸素分圧を
示している。したがつて、第電極２の表面での
酸素分圧は排ガス中の酸素分圧よりも低い値を示
すために、第２図に示すように電圧変化点がリー
ン側へシフトした起電力特性を示す第２図におい
て、起電力特性の変化が急激でないのは、細孔径
や細孔長などがある分布を有することに起因して
おり、局所的にみると第電極２の表面における
酸素分圧に大きなばらつきがあるため、起電力が
混合電位の形態で表われてくることによるもので
ある。換言すれば、細孔径や細孔長などを調整す
ることによつて起電力特性の変化の制御が可能で
ある。 したがつて、このような特性のものではリーン
側の空燃比の検出が可能である。 −２ スイツチ８を中立状態にすれば第電極２およ
び第電極３と直流電源９との接続がしや断さ
れ、第電極１が触媒的に不活性、第電極２が
触媒的に活性であるために、第３図に示すような
ON−OFF型の起電力特性を得る。したがつて、
理論空燃比の検出が可能となる。 −３ この場はスイツチ８をS2側にして第電極３を
直流電源９のマイナス側に接続し、第電極２を
プラス側に接続している。そこで、リーン側にお
いては第電極１および第電極２の表面におけ
る酸素分圧は共に10-2〜10-3atm程であるため両
電極１，２間では起電力が発生しない。そして、
理論空燃比に近いリツチ側領域では第電極１は
触媒的に不活性であるためその部分の酸素分圧は
10-2〜10-3atm程度であり、第電極２の表面に
おける酸素分圧は第電極３より第電極２の方
向に酸素イオンが流れているため10-2〜10-3atm
程度であるのでほとんど起電力が発生しない。さ
らにリツチ側の空燃比になると排ガス側からガス
拡散により第電極２の表面における酸素分圧は
10-20atm程度になるのでほぼ1Vに近い起電力が
発生し、第４図に示すような起電力特性となる。 したがつて、このような特性のものではリツチ
側の空燃比の検出が可能となり、スイツチ８の切
換えによつて排ガスのリーン側（第２図）、理論
空燃比（第３図）、リツチ側（第４図）の空燃比
の検出が可能となる。 この場合、第電極１が触媒的に活性、第電
極２が触媒的に不活性で、スイツチ８を中立状態
にしているが、この場合にも前記−２と同様に
第３図に示す起電力特性が得られる。 −１ この場合には第電極１および第電極２が共
に触媒的に活性であり、スイツチ８をS1側にして
直流電源９のプラス側を第電極３に接続し、マ
イナス側を第電極２に接続している。この場
合、第５図に示すように排ガスがリツチ側のとき
には出力電圧を発生せず、電極が触媒的に活性で
あるためその平衡酸素分圧がリツチ側とリーン側
とで大幅に変化するので、排ガスのリーン側で第
５図に示すような起電力特性が得られる。 したがつて、このような特性では理論空燃比お
よびリーン側空燃比の検出が可能である。ただ
し、電流値を大きくとつた場合には固定電解質５
内を第電極２から第電極３側に流れる酸素イ
オン量が増大するため、第５図に破線で示すよう
な起電力特性となる。 −２ スイツチ８を中立状態にすれば第電極２およ
び第電極３と直流電源９との接続がしや断さ
れ、第６図に示すようなリツチガスとリーンガス
とが時間ｔの間に交互に通過する排ガス条件の場
合には、第電極２の表面が多孔性固体電解質５
を介して排ガスと接触しているため時間的な遅れ
を生じ、この時間的な遅れに相当する分だけ第６
図に示すような出力電圧を発生する。したがつ
て、このような起電力特性のものではリーンガス
とリツチガスとの過渡期の検出が可能となる。 −３ この場合はスイツチ８をS2側にして第電極２
を直流電源９のプラス側に接続し、第電極３を
マイナス側に接続している。そして、排ガスのリ
ツチ側では第電極１が触媒的に活性でありかつ
第電極３と第電極２との間で強制的に電流を
流しているため第７図ａに示すような起電力特性
を示し、排ガスのリーン側では出力電圧が低くな
る。したがつて、このような特性のものでは理論
空燃比およびリツチ側空燃比の検出が可能であ
る。 一方、前記電流値をさらに高めると固体電解質
５内を第電極３から第電極２に向けて流れる
酸素イオン量が増加するため第７図ｂに示すよう
な空燃比−起電力特性を得る。 したがつて、前の場合にもスイツチ８を切換
えかつ電流値を適当に選定することによて理論空
燃比およびリツチ側、リーン側空燃比の検出が可
能となる。 なお、第電極１と第電極２との間および前
第電極２と第電極３との間にそれぞれスイツ
チ４，５を設けるにあたり、これらを基板上に膜
状に形成して全体の強度を前記基板を中心にして
保持させるようにしてもよい。このとき、基板材
料として電気的絶縁材を用いて該基板には、通電
により発熱する導電体を設けることも一層望まし
い。これは、固体電解質の酸素イオン伝導度が低
温（400℃以下程度）の場合に小さすぎるのを補
償するためである。 さらに、第電極２と第電極３を直流電源９
に接続するにあたり、この直流電源９には定電流
直流電源を用いるのが望ましい。これは両電極
２，３ではさまれたスイツチ５内で酸素イオンを
安定的に流す意味で望ましい。 なお、自明のことながら、単層の固体電解質の
表裏両面に各々電極を形成し、前記両電極間に、
前記固体電解質内で強制的に電流を流す直流電源
を接続すると共に電圧測定装置を接続した空燃比
検出器では、固体電解質の電気抵抗が温度によつ
て変化する特性を有することから、温が変化した
場合に、たとえば温度が低下した場合に固体電解
質の電気抵抗が増大し、前記した（電気抵抗）×
（電流）による電圧が前記固体電解質の起電力に
加算されるため、温度が低いほど出力電圧が増加
した値で測定され、低温時における空燃比の正確
な測定が困難になる。 これに対して、第１図に示す空燃比検出器で
は、第電極１と第電極２との間に電圧測定装
置７を接続すると共に、第電極２と第電極３
との間に直流電源９を接続するというように、電
圧測定用回路と直流電源供給用回路とが分離され
ているため、温度の変化によつて固体電解質の電
気抵抗に変化を生じたときでも、上記電流を流す
ことに起因する出力電圧への影響を完全に回避す
ることができる。 以上のように、本発明の空燃比検出器では、排
ガスの電極表面までのガス分子の拡散を制御する
と同時に、固体電解質内に強制的に電流を流すこ
とによつて電極表面の酸素分圧を制御するように
しているため、排ガス中の酸素濃度に対して非常
に敏感な電極表面を形成することができ、理論空
燃比はもちろん、理論空燃比以外のリツチ側およ
びリーン側での空燃比の検出も可能であるという
非常にすぐれた特徴を有している。 具体例 １ 第８図および第９図は本発明の具体例における
空燃比検出器のそれぞれ縦断面図および製造工程
説明図である。図に示すように、基板としての強
度を保持させた固体電解質１４の両面に、第９図
ａにも示すように白金ペーストによる厚膜印刷を
施してそれぞれ第電極１１および第電極１２
を形成する。次に第電極１２面上に第９図ｂに
も示すように固体電解質１５をペースト状にて厚
膜印刷し、乾燥後約1300℃の温度で大気中にて焼
成する。続いて焼成後得られた多孔性固体電解質
１５面上に第９図ｃにも示すように白金をスパツ
タ蒸着させて第電極１３を形成し、さらに第９
図ｄにも示すようにプラズマ溶射によつて保護層
１６を設けると共に各電極１１，１２，１３に
各々リード線１７を接続する。 ここで、固体電解質としては、CaO，Y2O3，
MgO等で安定化したZrO2や、ThO2−Y2O3，
CaO−Y2O3などの酸素イオン伝導性固体電解質
を用いることができる。 電極としては、触媒的に活性なものを用いる場
合にはPtやPt系合金等を用いることができ、触媒
的に不活性なものを用いる場合にはAu，Ag，
SiCなどのほか、金属酸化物であるSnO2，
V2O5，PbO，Ａ2O3等の混合物、あるいは
LaCrO3，LaNiO3，SmCoO3系にCa，Zr，Mg，
Sr等を加えたものなどの如きペロブスカイト型
のものを用いることができる。 リード線としては、耐熱性の面からも白金を使
用するのが望ましいが、その他Ni−Cr合金など
を用いてもよい。 具体例 ２ 第１０図および第１１図は本発明の他の具体例
における空燃比検出器のそれぞれ縦断面図および
製造工程説明図である。図に示すようにＡ2O3
で作成した２枚の生シート１９ａ，１９ｂを用意
し、一方の生シート１９ａ上に白金からなる導電
体２０を形成して通電による発熱部とし、他方の
生シート１９ｂを圧着して一枚の基板１９を作
る。この基板１９上に第１１図ｃにも示すように
触媒的に不活性な金属酸化物ペーストを印刷して
第電極２１を形成すると同時に、白金ペースト
を印刷して第電極２２を形成する。次に第１１
図ｄにも示すように固体電解質ペーストを印刷し
て乾燥したのち1300℃で焼成して多孔性固体電解
質２５を形成する。したがつて、第電極２１と
第電極２２との間および第電極２２と第電
極２３との間が共に多孔性固体電解質となる。さ
らに第１１図ｅに示すように白金をスパツタ蒸着
させて第電極２３を形成し、さらに第１１図ｆ
に示すように保護層２６としてZrO2−CaOをプ
ラズマ溶射させ、各電極２１，２２，２３および
導電体２０にリード線２７を接続する。 上記した具体例において基板１９内に導電体２
０を設けたのは、本発明の空燃比検出器はガス拡
散と酸素イオンの流れをそれぞれ制御させている
ことが特徴であるが、固体電解質の内部抵抗やガ
ス拡散係数は温度に依存するため、上記導電体２
０によつて温度制御するのが望ましいことによ
る。 第１２図は上記温度制御のための電気回路の一
例を示すもので、R0は導電体２０の抵抗、R1，
R2，R3はR0と共に構成されるブリツジ抵抗、３
０は演算増幅器、R4，R5.R6は演算増幅器３０の
入力抵抗、R8，C1は帰還回路素子、Tr1，Tr2は
ダーリントン回路構成用トランジスタ、R7は入
力抵抗である。そこで、基板１９すなわち導電体
２０の温度が設定値よりも低すぎると、導電体２
０の抵抗も所定値より低くなつてブリツジ回路の
平衡がくずれ、演算増幅器３０の＋側入力が一側
入力よりも大きくなつて出力を発生し、トランジ
スタTr1のベースに入力されてダーリントン回路
が動作し、直流電源がトランジスタTr2を介して
導電体R0に導通されて導電体２０による発熱が
おこなわれ、基板１９の温度を上昇させる。ま
た、基板１９の温度が設定値以上になつたときに
は導電体２０の抵抗も増大するため、ブリツジ回
路の平衡がくずれて演算増幅器３０が出力を発生
しなくなり、ダーリントン回路が不動作状態とな
て導電体２０への電源供給が断たれ、基板１９の
温度を低下させる。 また、本発明における空燃比検出器において、
第電極２，１２，２２と第電極３，１３，２
３に直流電源９を接続して多孔性固体電解質５，
１５，２５内で酸素イオンの流れを生じさせるに
際しては、定電流直流電源を使用するのが望まし
い。第１３図は定電流直流電源回路の一例を示す
もので、R11，R12は分圧抵抗、３１は演算増幅
器、R13は入力抵抗、Tr3はトランジスタ、R14は
トランジスタTr3の入力抵抗、R15は出力抵抗、
R10は固体電解質５，１５，２５の内部抵抗であ
る。そこで、分圧抵抗R11，R12によつて基準電圧
が抵抗R11の両端にあらわれ、負帰還は抵抗R13の
両端に基準電圧と同じ電圧降下を与えるようには
たらき、上記基準電圧はトランジスタTr3のエミ
ツタ電流を制御し、大略的に前記エミツタ電流は
トランジスタTr3のコレクタ電流となつて固体電
解質を通過する電流が制御される。このとき、固
体電解質５，１５，２５に流れる電流ｉは、 ｉ≒｛R11／（R11＋R12）R13｝Ｖcc で与えられ、固体電解質の内部抵抗R10の値が変
動しても常に一定しした電流ｉが流れることにな
る。 以上詳述したところから明らかなように、本発
明によれば、理論空燃比の検出はもちろん、理論
空燃比以外の空気過剰（リーン）側および燃料過
剰（リツチ）側の空燃比の検出が可能であり、馬
力効率の高いいわゆるリツチバーンエンジンの制
御や、燃料効率の高いいわゆるリーンバーンエン
ジンの制御にきわめて有効に適用することも可能
であるという非常にすぐれた効果を有する。
第１図は本発明の実施例における空燃比検出器
の原理的説明図、第２図ないし第７図は本発明の
各実施例における空燃比−起電力特性のグラフ、
第８図および第９図は本発明の具体例における空
燃比検出器のそれぞれ縦断面図および製造工程説
明図、第１０図および第１１図は本発明の他の具
体例における空燃比検出器のそれぞれ縦断面図お
よび製造工程説明図、第１２図は発熱用導電体の
温度制御用電気回路の一例を示す説明図、第１３
図は定電流直流電源回路の一例を示す説明図、第
１４図は多孔性固体電解質内における酸素分子の
拡散と酸素イオンの流れの状態を示す説明図であ
る。 １，１１，２１……第電極、２，１２，２２
……第電極、３，１３，３３……第電極、
４，５，１４，１５，２５……固体電解質、７…
…電圧測定装置、９……直流電源、１９……基
板、２０……導電体。
の原理的説明図、第２図ないし第７図は本発明の
各実施例における空燃比−起電力特性のグラフ、
第８図および第９図は本発明の具体例における空
燃比検出器のそれぞれ縦断面図および製造工程説
明図、第１０図および第１１図は本発明の他の具
体例における空燃比検出器のそれぞれ縦断面図お
よび製造工程説明図、第１２図は発熱用導電体の
温度制御用電気回路の一例を示す説明図、第１３
図は定電流直流電源回路の一例を示す説明図、第
１４図は多孔性固体電解質内における酸素分子の
拡散と酸素イオンの流れの状態を示す説明図であ
る。 １，１１，２１……第電極、２，１２，２２
……第電極、３，１３，３３……第電極、
４，５，１４，１５，２５……固体電解質、７…
…電圧測定装置、９……直流電源、１９……基
板、２０……導電体。
Claims (1)
- 【特許請求の範囲】 １ 第電極と第電極との間に酸素イオン伝導
性固体電解質を有すると共に前記第電極と第
電極との間に酸素イオン伝導性固体電解質を有
し、前記酸素イオン伝導性固体電解質の少なくと
も一方を多孔性固体電解質としかつ前記第電極
と第電極との間に測定手段を接続したことを特
徴とする空燃比検出器。 ２ 第電極および第電極に触媒的に活性な材
料を用いた特許請求の範囲第１項記載の空燃比検
出器。 ３ 第電極に触媒的に不活性な材料を用い、第
電極に触媒的に活性な材料を用いた特許請求の
範囲第１項記載の空燃比検出器。 ４ 第電極と第電極との間および前記第電
極と第電極との間にそれぞれ有する固体電解質
を基板上に順次膜状に形成した特許請求の範囲第
１項ないし第３項のいずれかに記載の空燃比検出
器。 ５ 基板に電気的絶縁材を用い、該基板に通電に
より発熱する導電体を設けた特許請求の範囲第４
項記載の空燃比検出器。 ６ 第電極と第電極との間に強制的に電流を
流す直流電源を接続した特許請求の範囲第１項な
いし第５項のいずれかに記載の空燃比検出器。 ７ 直流電源として定電流直流電源を用いた特許
請求の範囲第６項記載の空燃比検出器。
Priority Applications (4)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP6102379A JPS55154450A (en) | 1979-05-19 | 1979-05-19 | Air-fuel-ratio detector |
| GB8015805A GB2050625B (en) | 1979-05-19 | 1980-05-13 | Device for detection of oxygen concentration in combustion gas |
| US06/150,059 US4298573A (en) | 1979-05-19 | 1980-05-15 | Device for detection of oxygen concentration in combustion gas |
| DE3019072A DE3019072C2 (de) | 1979-05-19 | 1980-05-19 | Vorrichtung zur Bestimmung der Sauerstoffkonzentration in Verbrennungsgasen |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP6102379A JPS55154450A (en) | 1979-05-19 | 1979-05-19 | Air-fuel-ratio detector |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPS55154450A JPS55154450A (en) | 1980-12-02 |
| JPS6138414B2 true JPS6138414B2 (ja) | 1986-08-29 |
Family
ID=13159288
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP6102379A Granted JPS55154450A (en) | 1979-05-19 | 1979-05-19 | Air-fuel-ratio detector |
Country Status (4)
| Country | Link |
|---|---|
| US (1) | US4298573A (ja) |
| JP (1) | JPS55154450A (ja) |
| DE (1) | DE3019072C2 (ja) |
| GB (1) | GB2050625B (ja) |
Families Citing this family (67)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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| DE3040494A1 (de) * | 1980-10-28 | 1982-06-03 | Bosch Gmbh Robert | Elektrochemischer messfuehler fuer die bestimmung des sauerstoffgehaltes in gasen |
| FR2494445A1 (fr) * | 1980-11-17 | 1982-05-21 | Socapex | Capteur electrochimique des concentrations d'especes dans un melange fluide et systeme de regulation de la richesse d'un melange air-carburant mettant en oeuvre un tel capteur |
| JPS57131046A (en) * | 1981-02-06 | 1982-08-13 | Hitachi Ltd | Air-fuel ratio controller for internal combustion engine |
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| JPS57192856A (en) * | 1981-05-25 | 1982-11-27 | Ngk Insulators Ltd | Oxygen concentration detector |
| JPS57192855A (en) * | 1981-05-25 | 1982-11-27 | Ngk Insulators Ltd | Oxygen concentration detector |
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| JPS57200844A (en) * | 1981-06-04 | 1982-12-09 | Ngk Insulators Ltd | Oxygen concentration detector |
| JPS57200849A (en) * | 1981-06-04 | 1982-12-09 | Ngk Insulators Ltd | Detector for oxygen concentration |
| JPS58109846A (ja) * | 1981-12-24 | 1983-06-30 | Toyota Motor Corp | 酸素検出用素子及びその製造方法 |
| JPS58148946A (ja) * | 1982-02-27 | 1983-09-05 | Nissan Motor Co Ltd | 空燃比検出器 |
| JPS58179351A (ja) * | 1982-04-15 | 1983-10-20 | Nippon Denso Co Ltd | 酸素濃度検出装置 |
| JPS5930059A (ja) * | 1982-08-13 | 1984-02-17 | Hitachi Ltd | 空気−燃料比センサ |
| JPS5931444A (ja) * | 1982-08-16 | 1984-02-20 | Hitachi Ltd | リ−ンセンサ |
| JPS5943348A (ja) * | 1982-09-03 | 1984-03-10 | Hitachi Ltd | 空燃比センサ |
| DE3239919A1 (de) * | 1982-10-28 | 1984-05-03 | Volkswagenwerk Ag | Kraftstoff-luft-gemischregeleinrichtung |
| JPS59108951A (ja) * | 1982-12-15 | 1984-06-23 | Hitachi Ltd | 酸素ポンプ方式空燃比センサ |
| JPS59184854A (ja) * | 1983-04-06 | 1984-10-20 | Hitachi Ltd | 酸素センサ |
| WO1986003587A1 (en) * | 1983-04-18 | 1986-06-19 | Logothetis Eleftherios M | PLANAR ZrO2 OXYGEN PUMPING SENSOR |
| US4487680A (en) * | 1983-04-18 | 1984-12-11 | Ford Motor Company | Planar ZrO2 oxygen pumping sensor |
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| JPS59208452A (ja) * | 1983-05-11 | 1984-11-26 | Mitsubishi Electric Corp | 機関の空燃比センサ |
| JPS6036949A (ja) * | 1983-08-09 | 1985-02-26 | Ngk Insulators Ltd | 酸素センサ素子 |
| JPH0715452B2 (ja) * | 1983-10-05 | 1995-02-22 | 株式会社日立製作所 | 空燃比検出器 |
| KR880000160B1 (ko) * | 1983-10-14 | 1988-03-12 | 미쓰비시전기 주식회사 | 기관의 공연비 제어 장치 |
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| JPS60108745A (ja) * | 1983-11-18 | 1985-06-14 | Ngk Insulators Ltd | 電気化学的装置 |
| US4578172A (en) * | 1983-12-15 | 1986-03-25 | Ngk Spark Plug Co. | Air/fuel ratio detector |
| JPS60128349A (ja) * | 1983-12-15 | 1985-07-09 | Mitsubishi Electric Corp | 空燃比検知装置 |
| US4578171A (en) * | 1983-12-15 | 1986-03-25 | Ngk Spark Plug Co., Ltd. | Air/fuel ratio detector |
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