JPS6228422B2 - - Google Patents
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- JPS6228422B2 JPS6228422B2 JP54073509A JP7350979A JPS6228422B2 JP S6228422 B2 JPS6228422 B2 JP S6228422B2 JP 54073509 A JP54073509 A JP 54073509A JP 7350979 A JP7350979 A JP 7350979A JP S6228422 B2 JPS6228422 B2 JP S6228422B2
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-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
- G01N27/00—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means
- G01N27/26—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating electrochemical variables; by using electrolysis or electrophoresis
- G01N27/416—Systems
- G01N27/417—Systems using cells, i.e. more than one cell and probes with solid electrolytes
-
- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
- F02D—CONTROLLING COMBUSTION ENGINES
- F02D41/00—Electrical control of supply of combustible mixture or its constituents
- F02D41/02—Circuit arrangements for generating control signals
- F02D41/14—Introducing closed-loop corrections
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- F02D41/1473—Introducing closed-loop corrections using means for determining characteristics of the combustion gases; Sensors therefor characterised by the regulation method
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Description
【発明の詳細な説明】
本発明は、エンジン排ガス中の酸素量の検出に
よりリツチ領域又はリーン領域での空燃比を検出
する空燃比検出器に関する。
よりリツチ領域又はリーン領域での空燃比を検出
する空燃比検出器に関する。
従来、理論空燃比以外のリツチ領域又はリーン
領域における空燃比を検出するための検出器とし
ては、第１図に示すように、白金電極から成る測
定電極１、多孔質の固体電界質２、白金電極から
成る基準電極３、保護層４を順次積層し、定電流
源５によつて電極１，３間にバイアス電流を流し
た構成であり、第２図に示すような出力特性を得
ている（特願昭53―135296号）。
領域における空燃比を検出するための検出器とし
ては、第１図に示すように、白金電極から成る測
定電極１、多孔質の固体電界質２、白金電極から
成る基準電極３、保護層４を順次積層し、定電流
源５によつて電極１，３間にバイアス電流を流し
た構成であり、第２図に示すような出力特性を得
ている（特願昭53―135296号）。
ところで、従来の空燃比検出器は、バイアス電
流を流すことによつて、一方の電極に拡散して来
た酸素をイオンの形で他方の電極に運び、基準と
なる酸素分圧を作り出すもので、固体電解質２は
バイアス電流による酸素イオンの伝播路として用
いると共に、排ガス中の酸素イオンを基準電極３
に拡散するための経路として用いている。このた
め、検出出力として得られる出力電圧ＶOは、第
２図のように、固体電解質３が持つ抵抗分とバイ
アス電流との積で決まる電圧ＶBに、電極１，３
間の酸素分圧の差に応じた起電力を上乗せした電
圧となる。この固体電解質２の抵抗分による電圧
ＶBは、製造時に固体電解質２の抵抗値を一定と
するようにすれば出力特性のバラツキを防げる
が、固体電解質は未焼成のペーストを成形後、焼
成して作るものであることから抵抗値に影響する
厚さ、密度等を一定に保つことは難かしく、製造
した検出器毎に固体電解質の抵抗値にバラツキを
生じ、バイアス電流を流すことにより、第２図に
示すように、抵抗値のバラツキがそのまま出力電
圧のバラツキとなる。このように出力電圧にバラ
ツキを生ずると、例えばＡ／Ｆ＝20以上となる希
薄燃焼エンジン等で空燃比制御を行なう場合に
は、±0.5（Ａ／Ｆ）以内の精度が制御条件として
要求されるので、回路的に固体電解質の抵抗分に
よる電圧ＶBを一定にする手段を設けなければな
らず、制御系が複雑化するという問題がある。
流を流すことによつて、一方の電極に拡散して来
た酸素をイオンの形で他方の電極に運び、基準と
なる酸素分圧を作り出すもので、固体電解質２は
バイアス電流による酸素イオンの伝播路として用
いると共に、排ガス中の酸素イオンを基準電極３
に拡散するための経路として用いている。このた
め、検出出力として得られる出力電圧ＶOは、第
２図のように、固体電解質３が持つ抵抗分とバイ
アス電流との積で決まる電圧ＶBに、電極１，３
間の酸素分圧の差に応じた起電力を上乗せした電
圧となる。この固体電解質２の抵抗分による電圧
ＶBは、製造時に固体電解質２の抵抗値を一定と
するようにすれば出力特性のバラツキを防げる
が、固体電解質は未焼成のペーストを成形後、焼
成して作るものであることから抵抗値に影響する
厚さ、密度等を一定に保つことは難かしく、製造
した検出器毎に固体電解質の抵抗値にバラツキを
生じ、バイアス電流を流すことにより、第２図に
示すように、抵抗値のバラツキがそのまま出力電
圧のバラツキとなる。このように出力電圧にバラ
ツキを生ずると、例えばＡ／Ｆ＝20以上となる希
薄燃焼エンジン等で空燃比制御を行なう場合に
は、±0.5（Ａ／Ｆ）以内の精度が制御条件として
要求されるので、回路的に固体電解質の抵抗分に
よる電圧ＶBを一定にする手段を設けなければな
らず、制御系が複雑化するという問題がある。
本発明は上記に鑑みて成されたもので、検出精
度を向上するため、一対の電極で挾んだ固体電解
質を他の固体電解質の両側に設け、該一対の電極
間のそれぞれに定電流を流して上記他の固体電解
質に接触する電極間に生じる酸素分圧の差に応じ
た起電力を直接検出するようにしたものである。
度を向上するため、一対の電極で挾んだ固体電解
質を他の固体電解質の両側に設け、該一対の電極
間のそれぞれに定電流を流して上記他の固体電解
質に接触する電極間に生じる酸素分圧の差に応じ
た起電力を直接検出するようにしたものである。
以下に本発明の実施例を添付図面に基づいて説
明する。
明する。
第３図は本発明による空燃比検出器の基本構成
を示したもので、１０ａ，１０ｂは排ガス中の未
燃ガスに対し触媒反応をもつ所謂触媒的に活性な
導電材料、例えば白金等を用いた一対の測定電
極、１１は測定電極１０ａ，１０ｂに挾まれた多
孔性の固体電解質、１２ａ，１２ｂは触媒的に活
性な導電材料を用いた一対の基準電極、１３は基
準電極１２ａ，１２ｂに挾まれた多孔性の固体電
解質、１４は測定電極１０ｂと基準電極１２ｂに
挾まれた緻密な固体電解質であり、測定電極１０
ａ，１０ｂと固体電解質１１によつて測定電極部
が形成され、また基準電極１２ａ，１２ｂと固体
電解質１３とによつて基準電極部が形成される。
尚、固体電解質１１，１３についての多孔性の意
味は、排ガス中の酸素分子が拡散により通過でき
る性状をいい、また、固体電解質１４が緻密と
は、排ガス中の酸素分子が拡散により通過できな
い性状を意味する。
を示したもので、１０ａ，１０ｂは排ガス中の未
燃ガスに対し触媒反応をもつ所謂触媒的に活性な
導電材料、例えば白金等を用いた一対の測定電
極、１１は測定電極１０ａ，１０ｂに挾まれた多
孔性の固体電解質、１２ａ，１２ｂは触媒的に活
性な導電材料を用いた一対の基準電極、１３は基
準電極１２ａ，１２ｂに挾まれた多孔性の固体電
解質、１４は測定電極１０ｂと基準電極１２ｂに
挾まれた緻密な固体電解質であり、測定電極１０
ａ，１０ｂと固体電解質１１によつて測定電極部
が形成され、また基準電極１２ａ，１２ｂと固体
電解質１３とによつて基準電極部が形成される。
尚、固体電解質１１，１３についての多孔性の意
味は、排ガス中の酸素分子が拡散により通過でき
る性状をいい、また、固体電解質１４が緻密と
は、排ガス中の酸素分子が拡散により通過できな
い性状を意味する。
１５は測定電極１０ａ，１０ｂ間に接続した第
１の定電流源、電極１０ｂから１０ａに向つて所
定のバイアス電流i1を流す。また、１６は基準電
極１２ａ，１２ｂ間に接続した第２の定電流源で
電極１２ａから１２ｂに向つて所定のバイアス電
流i2を流しており、i1＞i2又はi1＜i2とする。出力
電圧ＶOは、固体電解質１４の両面に設けた測定
電極１０ｂと基準電極１２ｂとからの引出リード
線１７，１７′により取り出され、リツチ又はリ
ーン領域で、Ａ／Ｆの変化に対し略直線的に変化
する出力電圧が得られる。
１の定電流源、電極１０ｂから１０ａに向つて所
定のバイアス電流i1を流す。また、１６は基準電
極１２ａ，１２ｂ間に接続した第２の定電流源で
電極１２ａから１２ｂに向つて所定のバイアス電
流i2を流しており、i1＞i2又はi1＜i2とする。出力
電圧ＶOは、固体電解質１４の両面に設けた測定
電極１０ｂと基準電極１２ｂとからの引出リード
線１７，１７′により取り出され、リツチ又はリ
ーン領域で、Ａ／Ｆの変化に対し略直線的に変化
する出力電圧が得られる。
上記のように構成した本発明の空燃比検出器は
次のように動作する。
次のように動作する。
まず、定電流源１５，１６によるバイアス電流
の関係をi1＞i2とすると、第４図に示すように、
リツチ領域で一定値に飽和し、理論空燃比Ａ／Ｆ
＝14.5（空気過剰率入＝１）を過ぎてリーン領域
に入ると序々に下降し、最終的にゼロとなる出力
電圧ＶOの出力特性が得られる。
の関係をi1＞i2とすると、第４図に示すように、
リツチ領域で一定値に飽和し、理論空燃比Ａ／Ｆ
＝14.5（空気過剰率入＝１）を過ぎてリーン領域
に入ると序々に下降し、最終的にゼロとなる出力
電圧ＶOの出力特性が得られる。
第４図の出力特性が得られる作用は、次のよう
に説明される。まず、排ガス中の酸素分圧は、リ
ツチ及びリーンの空燃比Ａ／Ｆの全域で、10-2〜
10-3atmである。また、空燃比Ａ／Ｆと排ガス中
に含まれるHC，CO等の未燃ガスの量は、リツチ
側で多く、理論空燃比を境に、リーン側で急激に
減少することが知られている。
に説明される。まず、排ガス中の酸素分圧は、リ
ツチ及びリーンの空燃比Ａ／Ｆの全域で、10-2〜
10-3atmである。また、空燃比Ａ／Ｆと排ガス中
に含まれるHC，CO等の未燃ガスの量は、リツチ
側で多く、理論空燃比を境に、リーン側で急激に
減少することが知られている。
一方、測定電極部および基準電極部は、定電流
源１５，１６のバイアス電流i1，i2により、測定
電極部では電流i1と逆方向、すなわち、電極１０
ａから１０ｂに向つて、電極１０ａに拡散した酸
素分子をイオンの形O--（O2-で示す）で電極１
０ａから奪つており、一方、基準電極部では電流
i2と逆方向、すなわち、電極１２ｂから１２ａに
向つて、電極１２ｂに拡散してきた酸素分子をイ
オンO2-の形で奪つており、電極１０ａから奪わ
れる酸素の量が多く、電極１０ｂ又は１２ａに到
達した酸素イオンO2-は、そこで酸素分子に戻
り、電極１０ｂ又は１２ａの酸素分圧を高めるよ
うに作用する。
源１５，１６のバイアス電流i1，i2により、測定
電極部では電流i1と逆方向、すなわち、電極１０
ａから１０ｂに向つて、電極１０ａに拡散した酸
素分子をイオンの形O--（O2-で示す）で電極１
０ａから奪つており、一方、基準電極部では電流
i2と逆方向、すなわち、電極１２ｂから１２ａに
向つて、電極１２ｂに拡散してきた酸素分子をイ
オンO2-の形で奪つており、電極１０ａから奪わ
れる酸素の量が多く、電極１０ｂ又は１２ａに到
達した酸素イオンO2-は、そこで酸素分子に戻
り、電極１０ｂ又は１２ａの酸素分圧を高めるよ
うに作用する。
以上の作用を前提として、まずＡ／Ｆ＝14.5以
下のリツチ領域での動作を説明する。
下のリツチ領域での動作を説明する。
リツチ領域での排ガスに含まれるHC，CO等の
未燃ガスの量が多いので、排ガスに接触している
電極１０ａ，１２ａの表面では、未燃ガスの触媒
反応が生ずる。すなわち、HC，COの未燃ガスが
排ガス中の酸素と結びつく酸化反応を起す。この
酸化反応による酸素の消費により、電極１０ａ，
１２ａの酸素分圧は10-15〜10-30atmの低い値と
なる。
未燃ガスの量が多いので、排ガスに接触している
電極１０ａ，１２ａの表面では、未燃ガスの触媒
反応が生ずる。すなわち、HC，COの未燃ガスが
排ガス中の酸素と結びつく酸化反応を起す。この
酸化反応による酸素の消費により、電極１０ａ，
１２ａの酸素分圧は10-15〜10-30atmの低い値と
なる。
一方、電極１０ｂ，１２ｂのそれぞれには、多
孔性の固体電解質１１，１３を介して排ガス中の
酸素が拡散しているが、上記の酸化反応により、
同じく10-15〜10-30atm程度の低い酸素分圧であ
る。以上は、バイアス電流を考慮しないときの動
作であるが、本発明では、定電流源１５，１６に
よりバイアス電流i1，i2（但し、i1＞i2、）を流し
ているので、測定電極部については、電極１０ａ
から運ばれる酸素イオンO2-が電極１０ｂの酸素
分圧を高めるように作用し、一方、基準電極部に
ついては、電極１２ｂに拡散した酸素がイオン
O2-の形で奪われ、固体電解質１４を介して、測
定電極１０ｂの酸素分圧が高く、基準電極１２ｂ
の酸素分圧が低いという状態となり、リツチ領域
の全域でこの状態が保たれる。従つて、電極１０
ｂ，１２ｂ間には、電極酸素分圧の差に応じた起
電力が発生し、この起電力が電極リード１７，１
７′をもつて出力電圧ＶOとして取り出され、第４
図のように、リツチ領域で飽和する一定電圧とな
る。
孔性の固体電解質１１，１３を介して排ガス中の
酸素が拡散しているが、上記の酸化反応により、
同じく10-15〜10-30atm程度の低い酸素分圧であ
る。以上は、バイアス電流を考慮しないときの動
作であるが、本発明では、定電流源１５，１６に
よりバイアス電流i1，i2（但し、i1＞i2、）を流し
ているので、測定電極部については、電極１０ａ
から運ばれる酸素イオンO2-が電極１０ｂの酸素
分圧を高めるように作用し、一方、基準電極部に
ついては、電極１２ｂに拡散した酸素がイオン
O2-の形で奪われ、固体電解質１４を介して、測
定電極１０ｂの酸素分圧が高く、基準電極１２ｂ
の酸素分圧が低いという状態となり、リツチ領域
の全域でこの状態が保たれる。従つて、電極１０
ｂ，１２ｂ間には、電極酸素分圧の差に応じた起
電力が発生し、この起電力が電極リード１７，１
７′をもつて出力電圧ＶOとして取り出され、第４
図のように、リツチ領域で飽和する一定電圧とな
る。
次に、Ａ／Ｆ＝14.5以上のリーン領域での動作
を説明する。
を説明する。
Ａ／Ｆがリーン領域に入ると、理論空燃比Ａ／
Ｆ＝14.5を境に排ガス中の未燃ガス量が急激に減
少し、電極１０ａ及び１２ａでの酸素反応による
酸素の消費がなくなり、電極１０ａ，１２ａの酸
素分圧は、排ガス中の酸素分圧と同じ10-2〜
10-3atm程度となる。このため、測定電極部の電
極１０ｂにおける酸素分圧は、バイアス電流i1に
よりイオンの形で運ばれる酸素と、固体電解質１
１を介して拡散する酸素とにより、急速に酸素分
圧が高まり、10-2〜10-3atmになる。
Ｆ＝14.5を境に排ガス中の未燃ガス量が急激に減
少し、電極１０ａ及び１２ａでの酸素反応による
酸素の消費がなくなり、電極１０ａ，１２ａの酸
素分圧は、排ガス中の酸素分圧と同じ10-2〜
10-3atm程度となる。このため、測定電極部の電
極１０ｂにおける酸素分圧は、バイアス電流i1に
よりイオンの形で運ばれる酸素と、固体電解質１
１を介して拡散する酸素とにより、急速に酸素分
圧が高まり、10-2〜10-3atmになる。
一方、基準電極部の電極１２ｂにおける酸素分
圧は、Ａ／Ｆの増加に対し序々に増加してくる。
圧は、Ａ／Ｆの増加に対し序々に増加してくる。
すなわち、Ａ／Ｆが理論空燃比Ａ／Ｆ＝14.5の
近傍では、拡散による酸素の供給量が、バイアス
電流i2によりイオンの形で奪われる酸素の消費量
より少なく、電極１２ｂの酸素分圧は低い状態に
ある。Ａ／Ｆが増加すると、イオンの形で奪われ
る酸素の消費量を一定であるのに対し、拡散によ
る酸素の供給量が序々に増加し、このため電極１
２ｂの酸素分圧はＡ／Ｆの増加に応じて上昇し、
電極１０ｂとの酸素分圧の差が序々に減少し、第
４図に示すように、リーン領域で略直線的に減少
する出力電圧ＶOの傾斜特性が得られる。
近傍では、拡散による酸素の供給量が、バイアス
電流i2によりイオンの形で奪われる酸素の消費量
より少なく、電極１２ｂの酸素分圧は低い状態に
ある。Ａ／Ｆが増加すると、イオンの形で奪われ
る酸素の消費量を一定であるのに対し、拡散によ
る酸素の供給量が序々に増加し、このため電極１
２ｂの酸素分圧はＡ／Ｆの増加に応じて上昇し、
電極１０ｂとの酸素分圧の差が序々に減少し、第
４図に示すように、リーン領域で略直線的に減少
する出力電圧ＶOの傾斜特性が得られる。
更に、Ａ／Ｆが増加すると、電極１２ｂの酸素
分圧は、電極１０ｂの酸素分圧と同じになり、酸
素分圧の差がゼロとなるから、起電力は発生せ
ず、出力電圧ＶOはゼロ電圧になる。
分圧は、電極１０ｂの酸素分圧と同じになり、酸
素分圧の差がゼロとなるから、起電力は発生せ
ず、出力電圧ＶOはゼロ電圧になる。
上記の動作から明らかなように、電極１０ｂと
１２ｂとの酸素分圧の差に応じた起電力を発生す
る固体電解質１４の部分には、バイアス電流を流
さないように構成しているので、電極１０ｂ，１
２ｂ間に生ずる酸素分圧の差に応じた起電力をそ
のまま出力電圧として取り出すことができ、出力
電圧ＶOには、固体電解質１４のもつ抵抗分の影
響が全く現われず、量産により固体電解質１４の
厚さ等のバラツキで抵抗値が異つても、各検出器
毎に得られる出力電圧ＶOのバラツキを起さず、
品質的に優れた空燃比検出器が量産できる。
１２ｂとの酸素分圧の差に応じた起電力を発生す
る固体電解質１４の部分には、バイアス電流を流
さないように構成しているので、電極１０ｂ，１
２ｂ間に生ずる酸素分圧の差に応じた起電力をそ
のまま出力電圧として取り出すことができ、出力
電圧ＶOには、固体電解質１４のもつ抵抗分の影
響が全く現われず、量産により固体電解質１４の
厚さ等のバラツキで抵抗値が異つても、各検出器
毎に得られる出力電圧ＶOのバラツキを起さず、
品質的に優れた空燃比検出器が量産できる。
第５図は、第３図の実施例において、バイアス
電流をi1＜i2としたときの出力電圧ＶOのＡ／Ｆに
対する変化を示したもので、リーン領域で出力電
圧ＶOは一定値に飽和し、理論空燃比Ａ／Ｆ＝
14.5を過ぎてリツチ領域にＡ／Ｆが下ると、出力
電圧ＶOは傾斜特性となる。
電流をi1＜i2としたときの出力電圧ＶOのＡ／Ｆに
対する変化を示したもので、リーン領域で出力電
圧ＶOは一定値に飽和し、理論空燃比Ａ／Ｆ＝
14.5を過ぎてリツチ領域にＡ／Ｆが下ると、出力
電圧ＶOは傾斜特性となる。
すなわち、バイアス電流をi2＜ｉとすること
で、バイアス電流i1による測定電極１０ｂへのイ
オンの形での酸素供給量より、バイアス電流i2に
よる基準電極１２ｂからイオンの形で奪う酸素の
消費量を大きくしたものである。
で、バイアス電流i1による測定電極１０ｂへのイ
オンの形での酸素供給量より、バイアス電流i2に
よる基準電極１２ｂからイオンの形で奪う酸素の
消費量を大きくしたものである。
このようにバイアス電流i1，i2を定めると、リ
ーン及びリツチ領域の全域を通じて基準電極１２
ｂの酸素分圧は、バイアス電流i2によりイオンの
形で奪われる酸素の消費量が多いので、略10-15
〜10-30atm程度の低い値であり、これに対し、測
定電極１０ｂの酸素分圧はリーン領域で排ガス中
の酸素分圧と同じ10-2〜10-3atm程度であるた
め、出力電圧ＶOとなるように起電力が生じ、
Ａ／Ｆが下つてリツチ領域に入ると、電極１０ａ
における未燃ガスの酸化反応で、電極１０ｂへの
拡散による酸素の供給量が減り、供給量の減少に
より電極１０ｂの酸素分圧は序々に減少し、この
ため、リツチ領域で傾斜特性となる出力電圧ＶO
が得られ、最終的に電極１０ｂの酸素分圧も
10-15〜10-30atm程度の低い値となつて、電極１
２ｂの酸素分圧と同じになり、起電力の発生がな
くなるので、出力電圧ＶOはゼロ電圧となる。
ーン及びリツチ領域の全域を通じて基準電極１２
ｂの酸素分圧は、バイアス電流i2によりイオンの
形で奪われる酸素の消費量が多いので、略10-15
〜10-30atm程度の低い値であり、これに対し、測
定電極１０ｂの酸素分圧はリーン領域で排ガス中
の酸素分圧と同じ10-2〜10-3atm程度であるた
め、出力電圧ＶOとなるように起電力が生じ、
Ａ／Ｆが下つてリツチ領域に入ると、電極１０ａ
における未燃ガスの酸化反応で、電極１０ｂへの
拡散による酸素の供給量が減り、供給量の減少に
より電極１０ｂの酸素分圧は序々に減少し、この
ため、リツチ領域で傾斜特性となる出力電圧ＶO
が得られ、最終的に電極１０ｂの酸素分圧も
10-15〜10-30atm程度の低い値となつて、電極１
２ｂの酸素分圧と同じになり、起電力の発生がな
くなるので、出力電圧ＶOはゼロ電圧となる。
以上の実施例は、測定電極１０ａ，１０ｂ及び
基準電極１２ａ，１２ｂのそれぞれを、未燃ガス
に対し酸化触媒反応を起す白金等の触媒的に活性
な導電材料を用いた場合を例にとるものであつた
が、測定電極１０ａ，１０ｂは未燃ガスに対し触
媒反応を起さない触媒的に不活性な導電材料とし
ても良い。触媒的に不活性な導電材料としては、
Au，Ag，SnO2，V2O2，PbOや、LaCrO3，
LaNiO3，SmCoO3，にCa，Zr，Mg，Sr等を加え
たペロブスカイト型の導電性物質を用いることが
できる。
基準電極１２ａ，１２ｂのそれぞれを、未燃ガス
に対し酸化触媒反応を起す白金等の触媒的に活性
な導電材料を用いた場合を例にとるものであつた
が、測定電極１０ａ，１０ｂは未燃ガスに対し触
媒反応を起さない触媒的に不活性な導電材料とし
ても良い。触媒的に不活性な導電材料としては、
Au，Ag，SnO2，V2O2，PbOや、LaCrO3，
LaNiO3，SmCoO3，にCa，Zr，Mg，Sr等を加え
たペロブスカイト型の導電性物質を用いることが
できる。
測定電極１０ａ，１０ｂを不活性にしたときの
構成も、第３図と同様であるが、図示のように定
電流源１５，１６によるバイアス電流i1，i2の方
向を定めると、第４図の出力特性が得られ、また
第５図の出力特性を得るためには、バイアス電流
i1，i2の方向が逆方向となるように、定電流源１
５，１６の極性を入れ替えればよい。
構成も、第３図と同様であるが、図示のように定
電流源１５，１６によるバイアス電流i1，i2の方
向を定めると、第４図の出力特性が得られ、また
第５図の出力特性を得るためには、バイアス電流
i1，i2の方向が逆方向となるように、定電流源１
５，１６の極性を入れ替えればよい。
そこで、測定電極１０ａ，１０ｂを不活性にし
たときの動作を第３，４図を参照して説明する
と、測定電極１０ｂの酸素分圧は、未燃ガスの酸
化触媒反応による影響を受けないので、リツチ及
びリーンの全域を通じて10-2〜10-3の酸素分圧と
なるように、バイアス電流ｉを定める。
たときの動作を第３，４図を参照して説明する
と、測定電極１０ｂの酸素分圧は、未燃ガスの酸
化触媒反応による影響を受けないので、リツチ及
びリーンの全域を通じて10-2〜10-3の酸素分圧と
なるように、バイアス電流ｉを定める。
一方、基準電極１２ａの酸素分圧は、未燃ガス
の酸化触媒反応により、リツチ領域では10-15〜
10-30atm程度の低い値であり、このため出力電圧
ＶOは一定となるが、リーン領域に入ると、初期
の段階ではバイアス電流i2によりイオンの形で奪
われる酸素の消費量が拡散による供給量に打ち勝
つているが、Ａ／Ｆの増加に伴つて拡散による供
給量が序々に増えるので、電極１２ｂの酸素分圧
は上昇するので、第４図のように、リーン領域で
傾斜特性となる出力電圧ＶOが得られる。
の酸化触媒反応により、リツチ領域では10-15〜
10-30atm程度の低い値であり、このため出力電圧
ＶOは一定となるが、リーン領域に入ると、初期
の段階ではバイアス電流i2によりイオンの形で奪
われる酸素の消費量が拡散による供給量に打ち勝
つているが、Ａ／Ｆの増加に伴つて拡散による供
給量が序々に増えるので、電極１２ｂの酸素分圧
は上昇するので、第４図のように、リーン領域で
傾斜特性となる出力電圧ＶOが得られる。
また、第５図の出力特性を得るために、第３図
におけるバイアス電流i1，i2の方向と逆方向とし
た場合には、リツチ及びリーンの全域において、
測定電極１０ｂの酸素分圧が10-15〜10-30atm程
度の低い値となるように、バイアス電流i1により
イオンの形で測定電極１０ｂから奪う酸素の消費
量を定める。
におけるバイアス電流i1，i2の方向と逆方向とし
た場合には、リツチ及びリーンの全域において、
測定電極１０ｂの酸素分圧が10-15〜10-30atm程
度の低い値となるように、バイアス電流i1により
イオンの形で測定電極１０ｂから奪う酸素の消費
量を定める。
一方、基準電極１２ｂは、固体電解質１３を介
して拡散する酸素の供給と、バイアス電流i2によ
りイオンの形で電極１２ａから運ばれる酸素の供
給を受け、未燃ガスの少ないリーン領域で、10-2
〜10-3atm程度の高い酸素分圧となつているの
で、出力電圧ＶOが一定となる起電力が発生し、
Ａ／Ｆが下つてリツチ領域に入ると、未燃ガスの
増加により、電極１２ａでの酸化触媒反応により
酸素が消費され、イオンの形で基準電極１２ｂに
運ばれる酸素の供給量は一定であるが、拡散によ
る酸素の供給量がＡ／Ｆの低下に伴つて序々に減
り、基準電極１２ｂの酸素分圧は序々に低下し
て、最終的に測定電極１０ｂと同じ10-15〜
10-30atm程度の酸素分圧になる。従つてリツチ領
域における酸素分圧の差の減少により、出力電圧
ＶOは、Ａ／Ｆの低下に伴つて下降し、最終的に
ゼロ電圧となる変化を生ずる。
して拡散する酸素の供給と、バイアス電流i2によ
りイオンの形で電極１２ａから運ばれる酸素の供
給を受け、未燃ガスの少ないリーン領域で、10-2
〜10-3atm程度の高い酸素分圧となつているの
で、出力電圧ＶOが一定となる起電力が発生し、
Ａ／Ｆが下つてリツチ領域に入ると、未燃ガスの
増加により、電極１２ａでの酸化触媒反応により
酸素が消費され、イオンの形で基準電極１２ｂに
運ばれる酸素の供給量は一定であるが、拡散によ
る酸素の供給量がＡ／Ｆの低下に伴つて序々に減
り、基準電極１２ｂの酸素分圧は序々に低下し
て、最終的に測定電極１０ｂと同じ10-15〜
10-30atm程度の酸素分圧になる。従つてリツチ領
域における酸素分圧の差の減少により、出力電圧
ＶOは、Ａ／Ｆの低下に伴つて下降し、最終的に
ゼロ電圧となる変化を生ずる。
第６図は、本発明における検出器本体の一実施
例を示したもので、第７図にその製造工程を示
し、第３図に対応する部分は、同一符号をもつて
示す。
例を示したもので、第７図にその製造工程を示
し、第３図に対応する部分は、同一符号をもつて
示す。
第６図の構造を、第７図の製造工程図により明
らかにすると、まず、CaO，Y2O3，MgO3等で安
定化したZrO2や、ThO2―Y2O3，CaO―Y2O2な
どの酸素イオン伝導性固体電解質の未焼結基板、
または焼結済み基板としての固体電解質１４の両
面に、白金又は白金系ペーストで、測定電極１０
ｂ及び基準電極１２ｂをスクリーン印刷し、電極
リードを接続する部分を除いて、固体電解質１
１，１３をスクリーン印刷する。固体電解質１
１，１３の材質としては、固体電解質１４と同じ
であり、粒径が0.5μ程度となる粗目のものを用
いる。更に、固体電解質１１，１３の表面に、測
定電極１０ａ及び基準電極１２ａのそれぞれを、
白金または白金系ペーストで印刷し、保護層１８
をスクリーン印刷後、1450℃で焼成する。保護層
１８としては、ZrO2―CaO，Al2O3，MgO、スピ
ネル等のペーストを用いる。最終的に白金線等の
電極リード１７，１７′及び１９，１９′を溶着し
て完成する。
らかにすると、まず、CaO，Y2O3，MgO3等で安
定化したZrO2や、ThO2―Y2O3，CaO―Y2O2な
どの酸素イオン伝導性固体電解質の未焼結基板、
または焼結済み基板としての固体電解質１４の両
面に、白金又は白金系ペーストで、測定電極１０
ｂ及び基準電極１２ｂをスクリーン印刷し、電極
リードを接続する部分を除いて、固体電解質１
１，１３をスクリーン印刷する。固体電解質１
１，１３の材質としては、固体電解質１４と同じ
であり、粒径が0.5μ程度となる粗目のものを用
いる。更に、固体電解質１１，１３の表面に、測
定電極１０ａ及び基準電極１２ａのそれぞれを、
白金または白金系ペーストで印刷し、保護層１８
をスクリーン印刷後、1450℃で焼成する。保護層
１８としては、ZrO2―CaO，Al2O3，MgO、スピ
ネル等のペーストを用いる。最終的に白金線等の
電極リード１７，１７′及び１９，１９′を溶着し
て完成する。
尚、上記のスクリーン印刷以外の手段として、
焼成済みの固体電解質１４に各電極１０ａ，１０
ｂ，１２ａ，１２ｂのそれぞれを、スパツタリン
グ又は蒸着で形成し、多孔性の固体電解質１１，
１３及び保護層１８をプラズマ溶射で形成するも
のでも良い。この製造方法は、固体電解質１４の
焼成温度に耐えられない、触媒的に不活性な導電
材料を、測定電極１０ａ，１０ｂに用いる場合に
有効である。
焼成済みの固体電解質１４に各電極１０ａ，１０
ｂ，１２ａ，１２ｂのそれぞれを、スパツタリン
グ又は蒸着で形成し、多孔性の固体電解質１１，
１３及び保護層１８をプラズマ溶射で形成するも
のでも良い。この製造方法は、固体電解質１４の
焼成温度に耐えられない、触媒的に不活性な導電
材料を、測定電極１０ａ，１０ｂに用いる場合に
有効である。
第８図は、本発明に用いる検出器本体の他の実
施例を示したもので、第９図にその製造工程を示
し、第３図に対応する部分は同一符号によつて示
す。
施例を示したもので、第９図にその製造工程を示
し、第３図に対応する部分は同一符号によつて示
す。
第８図の構造を、第９図の製造工程図により明
らかにすると、まず、アルミナ基板２０の片面に
白金ペーストでヒータ２１をスクリーン印刷し、
リード線２２，２２′を挾み込んで、アルミナ基
板２０′と固体電解質１４を積層圧着し、一体の
基板とする。この一体化した基板の固体電解質１
４の表面に、測定電極１０ｂ及び基準電極１２ｂ
を白金ペーストでスクリーン印刷する。スクリー
ン印刷した電極１０ｂ，１２ｂのそれぞれの上
に、多孔性の固体電解質１１，１３をスクリーン
印刷し、更に、固体電解質１１，１３のそれぞれ
の上に、測定電極１０ａ，１２ｂを白金ペースト
でスクリーン印刷する。次に、固体電解質１４の
略全面を覆うように保護層１８を印刷し、1450℃
で焼成後、各電極にリード線１７，１７′及び１
９，１９′を接続する。
らかにすると、まず、アルミナ基板２０の片面に
白金ペーストでヒータ２１をスクリーン印刷し、
リード線２２，２２′を挾み込んで、アルミナ基
板２０′と固体電解質１４を積層圧着し、一体の
基板とする。この一体化した基板の固体電解質１
４の表面に、測定電極１０ｂ及び基準電極１２ｂ
を白金ペーストでスクリーン印刷する。スクリー
ン印刷した電極１０ｂ，１２ｂのそれぞれの上
に、多孔性の固体電解質１１，１３をスクリーン
印刷し、更に、固体電解質１１，１３のそれぞれ
の上に、測定電極１０ａ，１２ｂを白金ペースト
でスクリーン印刷する。次に、固体電解質１４の
略全面を覆うように保護層１８を印刷し、1450℃
で焼成後、各電極にリード線１７，１７′及び１
９，１９′を接続する。
また、第８図の検出器本体を製造する他の方法
としては、アルミナ基板２０，２０′および固体
電解質１４を積層圧着後に焼成し、測定電極１０
ｂおよび基準電極１２ｂをスツパタリング、蒸着
またはスクリーン印刷で形成し、その上に固体電
解質１１，１３をスクリーン印刷すると共に、測
定電極１０ａ及び基準電極１２ａをスパツタリン
グ又は蒸着で形成し、保護層１８をプラズマ溶射
で形成し、最終的にリード線１７，１７′及び１
９，１９′を接続する。
としては、アルミナ基板２０，２０′および固体
電解質１４を積層圧着後に焼成し、測定電極１０
ｂおよび基準電極１２ｂをスツパタリング、蒸着
またはスクリーン印刷で形成し、その上に固体電
解質１１，１３をスクリーン印刷すると共に、測
定電極１０ａ及び基準電極１２ａをスパツタリン
グ又は蒸着で形成し、保護層１８をプラズマ溶射
で形成し、最終的にリード線１７，１７′及び１
９，１９′を接続する。
尚、第８図に示す各部の材質は、第６図の場合
と同様である。
と同様である。
また、第８図の検出器本体は、アルミナ基板２
０，２０′に挾まれたヒータ２１に所定電流を流
すことによる発熱で、検出器本体の温度を、排ガ
スの温度に影響されることなく一定温度に保つよ
うにしているので、温度に依存する固体電解質１
１，１３の内部抵抗およびガス拡散定数を一定に
し、出力電圧がより安定したものとなる。
０，２０′に挾まれたヒータ２１に所定電流を流
すことによる発熱で、検出器本体の温度を、排ガ
スの温度に影響されることなく一定温度に保つよ
うにしているので、温度に依存する固体電解質１
１，１３の内部抵抗およびガス拡散定数を一定に
し、出力電圧がより安定したものとなる。
本発明の空燃比検出器は以上説明したように、
起電力を発生する部分と、バイアス電流を流すこ
とにより酸素イオンを運ぶ部分とを分離する構造
とし、起電力発生部分にはバイアス電流を流さな
いので、出力電圧には固体電解質のもつ抵抗に依
存したバイアス電流の電圧降下分が表われず、製
造時における抵抗値のバラツキによる影響を受け
ることなく、特性の揃つた空燃比検出器を量産す
ることができ、理論空燃比以外のＡ／Ｆ領域で、
精度の高い空燃比制御が、簡潔な閉ループ制御系
により達成されるものである。
起電力を発生する部分と、バイアス電流を流すこ
とにより酸素イオンを運ぶ部分とを分離する構造
とし、起電力発生部分にはバイアス電流を流さな
いので、出力電圧には固体電解質のもつ抵抗に依
存したバイアス電流の電圧降下分が表われず、製
造時における抵抗値のバラツキによる影響を受け
ることなく、特性の揃つた空燃比検出器を量産す
ることができ、理論空燃比以外のＡ／Ｆ領域で、
精度の高い空燃比制御が、簡潔な閉ループ制御系
により達成されるものである。
第１図はバイアス電流により出力電圧が変化す
る従来の空燃比検出器の説明図、第２図は第１図
の従来例により得られたＡ／Ｆに対する出力電圧
ＶOを示したグラフ図、第３図は本発明の基本構
成を示した説明図、第４，５図は本発明により得
られるＡ／Ｆに対する出力電圧ＶOを示したグラ
フ図、第６図は、本発明における検出器本体の一
実施例を示した断面構造図、第７図は第６図に示
す検出器本体の製造工程説明図、第８図は、本発
明における検出器本体の他の実施例を示した断面
構造図、第９図は第８図に示す検出器本体の製造
工程説明図である。 １…測定電極、２…固定電解質（多孔性）、３
…基準電極、４…保護層、５…定電流源、１０
ａ，１０ｂ…測定電極、１１，１３…固体電解質
（多孔性）、１４…固体電解質（緻密性）、１２
ａ，１２ｂ…測定電極、１５，１６…定電流源、
１７，１７′，１９，１９′，２２，２２′…リー
ド線、１８…保護層、２０，２０′…アルミナ基
板、２１…ヒータ。
る従来の空燃比検出器の説明図、第２図は第１図
の従来例により得られたＡ／Ｆに対する出力電圧
ＶOを示したグラフ図、第３図は本発明の基本構
成を示した説明図、第４，５図は本発明により得
られるＡ／Ｆに対する出力電圧ＶOを示したグラ
フ図、第６図は、本発明における検出器本体の一
実施例を示した断面構造図、第７図は第６図に示
す検出器本体の製造工程説明図、第８図は、本発
明における検出器本体の他の実施例を示した断面
構造図、第９図は第８図に示す検出器本体の製造
工程説明図である。 １…測定電極、２…固定電解質（多孔性）、３
…基準電極、４…保護層、５…定電流源、１０
ａ，１０ｂ…測定電極、１１，１３…固体電解質
（多孔性）、１４…固体電解質（緻密性）、１２
ａ，１２ｂ…測定電極、１５，１６…定電流源、
１７，１７′，１９，１９′，２２，２２′…リー
ド線、１８…保護層、２０，２０′…アルミナ基
板、２１…ヒータ。
Claims (1)
- １ 多孔性固体電解質を介して設けた少なくとも
一方が白金の一対の第１の電極と、多孔性固体電
解質を介して設けた少なくとも一方が白金の一対
の第２の電極と、上記第１の電極の片側と上記第
２の電極の片側とに接触する緻密な固体電解質と
で積層体を構成し、上記第１の電極と上記第２の
電極のそれぞれに定電流を流すことにより、上記
緻密な固体電解質に接触する電極間に生ずる電圧
を検出する事を特徴とする空燃比検出器。
Priority Applications (4)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP7350979A JPS55166040A (en) | 1979-06-13 | 1979-06-13 | Air fuel ratio detector |
| US06/158,379 US4300991A (en) | 1979-06-13 | 1980-06-11 | Air-fuel ratio detecting apparatus |
| GB8019359A GB2052761B (en) | 1979-06-13 | 1980-06-13 | Air-fuel ration detecting apparatus |
| DE3022282A DE3022282C2 (de) | 1979-06-13 | 1980-06-13 | Vorrichtung zur Bestimmung des Luft/Brennstoff-Verhältnisses |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP7350979A JPS55166040A (en) | 1979-06-13 | 1979-06-13 | Air fuel ratio detector |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPS55166040A JPS55166040A (en) | 1980-12-24 |
| JPS6228422B2 true JPS6228422B2 (ja) | 1987-06-19 |
Family
ID=13520283
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP7350979A Granted JPS55166040A (en) | 1979-06-13 | 1979-06-13 | Air fuel ratio detector |
Country Status (4)
| Country | Link |
|---|---|
| US (1) | US4300991A (ja) |
| JP (1) | JPS55166040A (ja) |
| DE (1) | DE3022282C2 (ja) |
| GB (1) | GB2052761B (ja) |
Families Citing this family (35)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPS57131046A (en) * | 1981-02-06 | 1982-08-13 | Hitachi Ltd | Air-fuel ratio controller for internal combustion engine |
| JPS57137849A (en) * | 1981-02-19 | 1982-08-25 | Nissan Motor Co Ltd | Element of film construction oxygen sensor |
| JPS57137850A (en) * | 1981-02-20 | 1982-08-25 | Nissan Motor Co Ltd | Oxygen concentration measuring element |
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