JPH07111412B2 - 空燃比センサ - Google Patents

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、各種燃焼機器に供給される燃料
混合気の空燃比を排気中の酸素濃度に基づき検出する空
燃比センサに関する。

［従来の技術］ 従来よりこの種の空燃比センサの一つとして、酸素イオ
ン伝導性の固体電解質両面に一対の多孔質電極が積層さ
れた検出素子を用いたものがある。

即ち例えば特開昭57−48648号公報、実開昭60−17452号
公報等に記載の如く、上記検出素子の一方の多孔質電極
面上に直接又は閉鎖空間を介して測定ガスの拡散を制限
する多孔質のガス拡散制限層を設け、該ガス拡散制限層
の電極と陰極として各電極間に所定の電圧を印加し、そ
のとき流れる電流値から空燃比を検出するよう構成され
た、いわゆる限界電流式の空燃比センサ、或は、特開昭
59−178354号公報に記載の如く、上記のように構成され
た２個の検出素子を、夫々、ガス拡散制限層により測定
ガスの拡散が制限された測定ガス室に一方の多孔質電極
が接するように配設し、一方の検出素子を酸素ポンプ素
子、他方の検出素子を酸素濃淡電池素子として動作さ
せ、酸素ポンプ素子に流れる電流又は酸素濃淡電池素子
両端の電極に生ずる電圧から空燃比を検出するよう構成
された空燃比センサ等、がそれである。

ところで、上記検出素子においては、多孔質電極間に所
定電圧を印加したとき流れる電流や多孔質電極間に発生
する電圧が使用温度に応じて変化するので、上記空燃比
センサを用いて安定した検出信号を得るためには検出素
子を所定温度に保持しなければならないといった問題が
あった。

そこで近年で、この種の空燃比センサにより得られる検
出信号の温度依存性を解消して空燃比センサの使用温度
範囲を拡大するための種々の検討がなされ、例えば特開
昭59−67454号公報に記載の如く、検出素子の一方の多
孔質電極側に設けられるガス拡散制限層の気孔径を300
Å〜400Åに設定するといったことが考えられている。

［発明が解決しようとする問題点］ ところがこのように構成された空燃比センサを実際の燃
焼機器（例えば内燃機関）に取付け、動作させると、排
気温度の変化に対しては安定した検出信号を得ることは
できるものの、排気系の圧力が変動するとそれに伴い検
出信号が変化し、安定した検出信号を得ることができな
いといった問題があった。つまり燃焼機器では、その運
転状態に応じて排気温度が変化するだけでなく、排気圧
力も変化するので、上記のように検出信号の温度依存性
を解消するだけでは安定した検出信号を得ることはでき
ないのである。

これは、上記のようにガス拡散制限層に気孔径が300Å
〜400Åのものを使用した場合、測定ガスがガス拡散制
限層を通過する際の分子拡散の割合いが少なくなるため
のである。

即ち、一方の多孔質電極側にガス拡散制限層を設け、そ
の電極を陰極として所定電圧を印加したとき検出素子に
流れる電流Ｉは、次式 Ｉ∝４・Ｆ・Ｓ・Dg・Pg/R・Ｔ・Ｌ…（１） （但し、F:ファラデー定数、R:気体定数、S:ガス拡散制
限層の拡散孔断面積、T:絶対温度、L:ガス拡散制限層の
厚さ、Pg:測定ガス中の酸素ガス分圧、Dg:測定ガスの拡
散係数） で表すことができ、また測定ガスの拡散には、次式 Dm∽T^1.75・Pa^-1…（２） （但し、Pa:測定ガス雰囲気全圧） に示す拡散係数Dmで表される分子拡散と、次式 Dk∝ｒ・T^0.5・M^-0.5…（３） （但し、r:平均気孔径,M:測定ガスの分子量） に示す拡散係数Dkで表される細孔拡散（クヌッセン拡
散）とがあり、 測定ガスがガス拡散制限層を分子拡散のみによって通過
する場合に検出素子に流れる電流Ｉは、Ｉ∽T^0.75・S/L
…（４） （但し、Pg∝Pa） 測定ガスがガス拡散制限層を細孔拡散のみによって通過
する場合に検出素子に流れる電流Ｉは、 Ｉ∽T^-0.5・Pg・S/L…（５） となって、実際に検出素子を流れる電流Ｉは、上記各式
（４）、（５）を合成した次式 Ｉ∽（K1・T^0.75・S/L＋K2・T^-0.5・Pg・S/L）…（６） （但し、K1,K2は係数,K1＋K2＝１） で表わすことができるようになるのであるが、上記のよ
うに気孔径が300Å〜400Åのガス拡散制限層を用いて空
燃比センサを作成すると、上記式（５）で表される細孔
拡散の割合いが大きくなって、検出信号が測定ガス雰囲
気全圧（排気系の圧力）Paに比例して変化する測定ガス
中の酸素分圧力Pgに影響されるようになるからである。

尚検出信号の圧力依存性を解消するには、ガス拡散制限
層の気孔径を大きくして上記式（４）で示す分子拡散の
割合いを大きくすればよいが、単にガス拡散制限層の気
孔径を大きくすると、検出信号の温度依存性が大きくな
るばかりでなく、排気中に含まれるPb、Ｐ、Ｓ等の電極
材料にとって有害なデポジットがガス拡散制限層を透過
してしまうといった問題が生じてくる。

そこで本発明は、上記空燃比センサにより得られる検出
信号の温度依存性及び圧力依存性を共に抑え、空燃比セ
ンサによる空燃比の検出精度を向上すると共に、排気中
のデポジットに対しても影響されず、耐久性の高い空燃
比センサを提供することを目的としてなされた。

［問題点を解決するための手段］ 即ち、上記目的を達するためになされた本発明の構成
は、 酸素イオン伝導性の固体伝解質両面に一対の多孔質電極
を積層してなる検出素子と、 該検出素子の一方の多孔質電極側に直接又は閉鎖空間を
介して間接的に設けられ、該電極側に流入する測定ガス
の拡散を制限するガス拡散制限層と、 を備え、該ガス拡散制限層におけるガスの拡散抵抗によ
る拡散律速を利用して空燃比を検出する空燃比センサに
おいて、 上記ガス拡散制限層を、気孔率10％〜30％、平均気孔１
μｍ〜３μｍ、厚さ200μｍ〜1000μｍ、の多孔質層に
より構成してなることを特徴とする空燃比センサを要旨
としている。

ここで当該空燃比センサは、検出素子の一方の多孔質電
極側にガス拡散制限層を直接又は閉鎖空間を介して間接
的に設けることによって構成され、そのガス拡散制限層
におけるガスの拡散抵抗による拡散律速を利用して空燃
比を検出するものであるが、具体的には、検出素子の多
孔質電極間に所定電圧を印加し、そのとき流れる電流か
ら測定ガス（即ち、排気）の酸素濃度を検出する限界電
流出式の空燃比センサや、２個の検出素子を閉鎖空間と
しての測定ガス室を介して対向配設し、一方の検出素子
を酸素ポンプ素子、他方の検出素子を酸素濃淡電池素
子、として動作させ、酸素ポンプ素子に流れる電流又は
酸素濃淡電池素子に生ずる電圧から測定ガスの酸素濃度
を検出する空燃比センサ等が相当する。

またこのように２個の検出素子を用いて空燃比を検出す
る空燃比センサでは、単に空燃比のリーン域だけでな
く、空燃比のリッチ領域からリーン領域にかけて連続的
に変化する検出信号が得られるように、酸素濃淡電池素
子として用いる検出素子の測定ガス室とは反対側の多孔
質電極側に大気が導入される大気導入室が形成された空
燃比センサや、同じくこの電極側に、酸素を漏出するた
めの漏出抵抗部を介して外部又は測定ガス室と連通され
る内部酸素基準源が形成された空燃比センサ等が考えら
れているが、この種の空燃比センサについても本発明を
適用することができる。つまり、本発明は、ガス拡散制
限層を備え、ガス拡散制限層のガスの拡散抵抗による拡
散律速を利用して空燃比を検出するセンサであれば、ど
のようなタイプの空燃比センサでも適用できる。

次に検出素子を構成する酸素イオン伝導性の固体電解質
としては、ジルコニアとイットリアの固溶体、或はジル
コニアとカルシアとの固溶体等が代表的なものであり、
その他、二酸化セリウム、二酸化ナトリウム、二酸化ハ
フニウムの固溶体、ペロブスカイト型酸化物固溶体、３
価金属酸化物固溶体等の使用可能である。

またこの固体電解質両面に設けられる多孔質電極として
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、これを固体電解質両面
に厚膜印刷した後、焼結して形成する方法、或はフレー
ム溶射、化学メッキ、蒸着等の薄膜技術を用いて形成す
る方法等が挙げられる。

尚、ガス拡散制限層とは反対側の多孔質電極が、測定ガ
ス、即ち排気に直接接する場合には、この電極面上に、
更に、アルミナ、スピネル、ジルコニア、ムライト等の
多孔質保護層を形成することが好ましい。

次にガス拡散制限層は、該ガス拡散制限層の設けられる
多孔質電極側に流入する測定ガスの拡散を制限するため
のもので、アルミナ、スピネル、フォルステライト、ジ
ルコニア等を用いて、上記多孔質電極と同様の方法で形
成することができる。

ところで本発明では、このガス拡散制限層に、気孔率10
％〜30％、平均気孔径１μｍ〜３μｍ、厚さ200〜1000
μｍのものが用いられる。

これはまず第１に、測定ガスがガス拡散制限層を通過す
るときの分子拡散と細孔拡散との割合いで決定される検
出信号の温度依存性及び圧力依存性が共に所定レベル以
下となって、測定ガスの温度（即ち排気温）や測定ガス
の圧力（即ち排気圧）が変化しても安定した検出信号が
得られるようにするためである。

即ち、測定ガスがガス拡散制限層内で上記式（４）で表
される分子拡散のみによって移動する場合には、検出素
子温度が例えば700℃から800℃に変化すると、検出信号
は第７図に実線で示す如く＋7.6％変化し、また測定ガ
スの圧力が1.0atmから1.3atmに変化しても、第８図に実
線で示す如く検出信号は変化せず、逆に測定ガスがガス
拡散制限層内に上記式（５）で表される細孔拡散のみに
よって移動する場合には、検出素子温度が例えば700℃
から800℃に変化すると、第７図に一点鎖線で示す如く
検出信号は−4.8％変化し、また測定ガスの圧力が1.0at
mから1.3atmに変化すると、第８図に一点鎖線で示す如
く検出信号は＋30％変化することから、本発明では、こ
れら温度及び圧力変化に対して検出信号の変動幅が少な
くとも10％以内になって、空燃比を安定して検出するこ
とができるよう、ガス拡散制限層を上記のように形成す
るのである。

尚ガス拡散制限層を上記のように構成すると、ガス拡散
制限層内部の測定ガスが移動する際、分子拡散と細孔拡
散の割合いが略1:0〜2:1となり、上記温度変化に対する
検出信号の変動幅が第７図に斜線で示す3.5％〜7.6％内
に抑えられ、上記圧力変化に対する検出信号の変動幅が
第８図に斜線で示す０％〜10％内に抑えられることとな
る。

次にガス拡散制限層を上記のように形成する第２の理由
としては、空燃比センサの耐久性を向上することにあ
る。

つまり上述のようにガス拡散制限層内での測定ガスの移
動が分子拡散のみによって行われるようにしても上記温
度及び圧力変化に対する検出信号の変動幅を10％以内に
抑えることができ、そして測定ガスの移動が分子拡散の
みによって行われるようにするには気孔径、気孔率を大
きくすればよいが、これらを単に大きくするだけでは、
測定ガスがガス拡散制限層を通過する際に測定ガス中に
含まれる多孔質電極にとって有害なデポジットが通過す
ることから、ガス拡散制限層を上記のように形成するこ
とで、測定ガス中のデポジットがガス拡散制限層を透過
して多孔質電極側に流入するのを防止し、これによる多
孔質電極の劣化を抑えて空燃比センサの耐久性を向上し
ているのである。

そして更に空燃比センサの耐久性を確保しつつ、検出信
号の温度依存性及び圧力依存性を少なくするには、気孔
率を20±５％、厚さを600±200μｍとし、気孔径を0.1
μｍ〜７μｍの範囲内に抑えることが好ましい。

［作用］ 以上のように構成され本発明の空燃比センサでは、検出
素子に流入される測定ガスの拡散がガス拡散制限層で制
限される。また測定ガスはガス拡散制限層内で主として
分子拡散により移動する。この結果、当該空燃比センサ
による検出信号の温度依存性及び圧力依存性は共に抑制
され、空燃比検出の対象となる燃焼機器の運動変動に対
して安定した検出信号が得られるようになる。またガス
拡散制限層の気孔径が大き過ぎることもなく、その厚さ
も適度であるので、応答性を悪化することなく、ガス拡
散制限層側の多孔質電極を測定ガスから保護することも
可能となる。尚、上述したように、本発明は、ガス拡散
制限層を備え、このガス拡散制限層のガスの拡散抵抗に
よる拡散律速を利用して空燃比を検出するセンサであれ
ば、どのようなタイプの空燃比センサであっても適用で
きるが、これは、本発明が、ガス拡散制限層の気孔率，
厚さ，及び気孔径を規定することにより、検出信号の温
度依存性及び圧力依存性を共に抑え、且つ、測定ガス中
に含まれるデポジットがガス拡散制限層を透過するのを
防止するものであるからである。

つまり、上述した通り、ガス拡散制限層を備えた空燃比
センサにおいては、ガス拡散制限層における測定ガス拡
散時の分子拡散と細孔拡散との割合によって検出信号の
温度依存性及び圧力依存性が変化し、これら分子拡散と
細孔拡散との割合は、ガス拡散制限層の構成のみによっ
て制限され、ガス拡散制限層の上流及び下流の構成の影
響を受けることはないことから、本発明において、検出
信号の温度依存性及び圧力依存性を共に抑え、且つ、測
定ガス中に含まれるデポジットがガス拡散制限層を通過
するのを防止できるようにした、ガス拡散制限層の気孔
率，厚さ，及び気孔径の値は、空燃比センサのタイプに
よらず、ガス拡散制限層のガスの拡散抵抗による拡散律
速を利用する空燃比センサであれば、どのような空燃比
センサであっても適用することができるのである。

［実施例］ 以下に本発明の実施例を図面と共に説明する。

まず第１図及び第２図は本実施例の空燃比センサの構成
を表し、第１図はその部分破断斜視図、第２図は分解斜
視図である。

図に示す如く本実施例の空燃比センサは、固体電解質板
１の両面に夫々多孔質電極２及び３を積層してなる酸素
ポンプ素子４と、固体電解質板５の両面に多孔質電極６
及び７を積層してなる酸素濃淡電池素子８と、これら各
検出素子４及び８の間に積層され、各検出素子４及び８
の対向する多孔質電極３及び６部分で中空部9aが形成さ
れたスペーサ９と、酸素濃淡電池素子８の多孔質電極７
側に積層される遮蔽体10と、から構成されている。また
酸素ポンプ素子４及び遮蔽体10の外側面には、スペーサ
11及び12を介して、各外側面との対向面上に発熱抵抗パ
ターン134及び14を有する加熱素子15及び16が設けら
れ、スペーサ11及び12によって形成される間隙を介して
酸素ポンプ素子４及び酸素濃淡電池素子８を加熱できる
ようにされている。

ここでスペーサ９は、多孔質電極３と多孔質電極６との
間で測定ガスの拡散が制限された測定ガス室を形成する
ためのもので、その中空部9aが測定ガス室とされる。ま
たこのスペーサ９には、その中空部9a内に周囲の測定ガ
スを導入できるよう、中空部9a周囲の４箇所に切り欠き
が形成され、各切り欠き部分には中空部9a内部に導入さ
れる測定ガスの拡散を制限するガス拡散制限層20が設け
られている。

次に遮蔽体10は酸素濃淡電池素子８の多孔質電極７を外
部の測定ガスから遮断し、この電極を内部酸素基準源と
して動作させるためのものである。

つまり上述したように酸素濃淡電池素子８に所定の電流
を流して中空部9a内の酸素を多孔質電極７側に汲出し、
その汲出された酸素を一定量外部に漏出すよう構成すれ
ば、多孔質電極７の酸素ガス分圧力がほぼ一定となっ
て、酸素濃淡電池素子８の各電極６、７間に中空部9a内
の酸素分圧に応じた電圧が発生することから、遮蔽体10
を用いて多孔質電極７を外部から遮蔽することで、多孔
質電極７を内部酸素基準源として動作させることができ
るようにしているのである。

また多孔質電極７を内部酸素基準源として動作させるに
は、多孔質電極７内の酸素を外部に漏出させる必要があ
るが、このために本実施例では、多孔質電極７と多孔質
電極６とをアルミナ等からなる多孔質絶縁体Ｚ及びスル
ーホールＨを介して接続し、多孔質電極７側の酸素を多
孔質絶縁体Ｚ及びスルーホールＨを介して中空部9aに漏
出できるようにされている。

このように構成された本実施例の空燃比センサは、各加
熱素子15及び16の発熱抵抗パターン13及び14に、夫々、
端子13a及び13b、端子14a及び14bを介して所定の電圧を
印加することにより、酸素ポンプ素子４及び酸素濃淡電
池素子８を加熱して活性化させ、酸素ポンプ素子４の多
孔質電極２及び３、酸素濃淡電池素子８の多孔質電極６
及び７を、端子2a、3a、6a、7aを介して第３図に示す如
き空燃比検出回路に接続し、これを駆動することによっ
て動作される。

空燃比検出回路は、第３図に示す如く、酸素濃淡電池素
子８の多孔質電極７に所定の電圧Vb（例えば10V）を印
加し、基準電圧Va（例えば5V）が印加された他方の多孔
質電極６側に流れる電流を制限する抵抗Ｒと、酸素濃淡
電池素子８の両側に電極に発生して基準電圧Vaによって
嵩上げされた電圧を検出する、演算増幅器OP1により構
成されたバッファ回路31と、このバッファ回路31より出
力される検出電圧を増幅する、演算増幅器OP2により構
成された非反転増幅回路32と、この非反転増幅回路32で
増幅れた検出電圧を所定の基準電圧Vcと比較し、検出電
圧が基準電圧Vcより大きいときに所定の積分定数で以て
徐々に低下し、検出電圧が基準電圧Vcより小さいときに
所定の積分定数で以て徐々に増加する制御電圧を出力す
る演算増幅器OP3を用いて構成された比較・積分回路33
と、上記基準電圧Vaを出力する演算増幅器OP4により構
成されたバッファ回路34と、バッファ回路34からの基準
電圧Vaを酸素ポンプ素子４の中空部9a側の多孔質電極３
に印加し、この電極３と比較・積分回路33からの制御電
圧が印加されたもう一方の多孔質電極２との間で流れる
電流を検出するための電流検出用抵抗Riと、この抵抗Ri
両端に生ずる電圧を空燃比を表す検出信号Ｖλとして出
力する、演算増幅器OP5により構成された出力回路35
と、から構成されている。

このため空燃比検出回路が駆動されると、まず酸素濃淡
電池素子８に所定の電流が流れて中空部9a内の酸素が多
孔質電極７側に汲出され、酸素濃淡電池素子８の多孔質
電極６、７間に、多孔質電極７側の酸素分圧と中空部9a
内の酸素分圧との比に応じた電圧が発生するようにな
る。すると空燃比検出回路では、この電圧が金型電圧Vc
で決定される所定電圧となるよう、即ち中空部9a内の酸
素分圧が一定になるよう、酸素ポンプ素子４に流れる電
流（ポンプ電流）を双方向に制御し、この電流値を検出
信号Ｖλとして出力する。

即ち中空部9a内の酸素分圧が所定値以下であれば酸素ポ
ンプ素子４に流れる電流を測定ガス中の酸素を中空部に
汲み込む方向に制御し、逆に中空部9a内の酸素分圧が所
定値以上であれば酸素ポンプ素子４に流れる電流を中空
部9a内の酸素を周囲の測定ガス中に排出する方向に制御
することで、中空部9a内の酸素分圧を一定に保ち、この
時電流ンプ素子４に流れる電流を検出することで空燃比
のリッチからリーンにかけて連続的に変化する検出信号
Ｖλが得られるようにしているのである。

ところで上記のように構成される空燃比センサでは、測
定ガスの温度や圧力によって検出信号が変動し、また長
時間使用すると測定ガスによって空燃比センサが劣化
し、検出特性が変化するといった問題がある。

そこで本発明者等は、先ず本実施例の空燃比センサを、
ガス拡散制限層20の構成のみを違えて複数個作製し、上
記空燃比検出回路を用いて得られる検出信号から酸素ポ
ンプ素子４に流れるポンプ電流Ipを求め、その温度依存
性、圧力依存性、及び応答性を実験的に求めた（実験
１）。

そしてこの実験１の結果、温度依存性及び圧力依存性が
共に所定レベル以下となった空燃比センサを実際の内燃
機関に装着し、内燃機関の運転状態を種々変更して、空
燃比センサの内面機関の運転状態依存性を求めた（実験
２）。

また実験１の結果温度依存性及び圧力依存性が共に所定
レベル以下となることが確認された空燃比センサを更に
複数個作成し、有鉛ガソリンを燃料とする内燃機関を用
いた耐久試験等により、空燃比センサの耐デポジット性
を求めた（実験３）。

以下これら各実験及びその結果について説明する。

（実験１） この実験を行うに当たっては、まず酸化ジルコニウムに
酸化イットリウムを5.5モル％添加混合して仮焼反応さ
せた後粉砕し、有機バインダと有機溶剤とにより混合し
て泥漿とし、キャスティングにより厚さ0.4mm程度の生
シートを造り、これに白金電極を印刷するといった手順
で、酸素ポンプ素子４及び酸素濃淡電池素子８の各検出
素子層を作成した。また各検出素子層の間に積層される
スペーサ９にはジルコニアを用い、その切り欠き部分
に、粒度分布0.1〜５μｍ、平均粒径1.5μｍのアルミナ
粉末からなり、フラックス分としてSiO₂が０〜8.5重量
％添加されたペーストを印刷することによってガス拡散
制限層20を形成した。そしてこの検出素子層の積層体に
更にジルコニアからなる遮蔽体10を積層した後焼成し、
表１に示す如き形状で、表２に示す如くガス拡散制限層
の構成の異なる７個の空燃比センサS1〜S7を作成した。

また加熱素子15及び16は、アルミナを主成分とする生シ
ートを作成し、その後発熱抵抗パターンを印刷して焼成
した後、上記焼成された検出素子の積層体の両側面に、
耐熱セメントを介して積層することにより設けた。尚、
耐熱セメントはスペーサ11及び12を構成するもので、本
実施例ではその厚みを100μｍとした 尚、上記多孔質電極２は測定ガスにそのまま接すること
からその表面にはアルミナからなる多孔質層を設けた。

また表２に示すガス拡散制限層の厚さとは、測定ガスの
拡散方向の深さ、即ち測定ガスがガス拡散制限層を通過
する際の通路長を表し、第２図に示すＷのことである。
そして本実施例ではこのガス拡散制限の幅、即ち第２図
に示す切り欠き部分の幅Ｘを1mmとしてた。

実験１− このように作成された複数の空燃比センサS1〜S7を、夫
々、窒素ガスと酸素ガスとを一定の割合いで混合してな
る一定圧の雰囲気中に配設し、加熱素子15及び16への印
加電圧を変更することで検出素子部の温度を変更して、
各空燃比センサの温度依存性を測定した。その結果検出
素子部の温度が100℃変化すると、ポンプ電流Ipは表２
にで示す如く変化し、ガス拡散制限層20の気孔率及び
気孔径が小さい程空燃比センサの温度依存性を抑えるこ
とができるのがわかった。これは、ガス拡散制限層20の
気孔率及び気孔径が小さい程、測定ガスがガス拡散制限
層20を通過するときの細孔拡散の割合いが大きくなるた
めである。

実験１− 加熱素子15及び16への印加電圧及び周囲雰囲気の窒素ガ
スと酸素ガスとの割合いを一定とし、周囲雰囲気の圧力
を変化させて、各空燃比センサの圧力依存性を測定し
た。その結果周囲雰囲気の圧力が0.3atm変化すると、ポ
ンプ電流Ipは表２にで示す如く変化し、気孔率及び気
孔径が大きい程空燃比センサの圧力依存性を抑えること
ができるのがわかった。これは、上記温度依存性とは逆
に、ガス拡散制限層20の気孔率及び気孔径が大きい程、
測定ガスがガス拡散制限層20を通過するときの分子拡散
の割合いが大きくなるためである。

実験１− 上記各空燃比センサを実際の内燃機関に取付け、内燃機
関を1500r.p.m.で回転させながら空燃比を12から18に変
更したときの検出信号の応答性を測定した。その結果、
内燃機関の空燃比が12から18に変化すると、検出信号が
10％〜90％変化するまでの時間は表２にで示す如くな
り、気孔径及び気孔率が小さい程応答性が悪いことがわ
かった。これは、気孔率及び気孔径が小さい程ガス拡散
制限層20における測定ガスの拡散抵抗が大きくなって、
測定ガスの拡散速度が低下するためである。

そして上記各実験結果から、温度依存性及び圧力依存性
が10％以内となる空燃比センサは、気孔率が10％〜30％
の範囲内にあり、気孔径が0.1μｍ〜7.0μｍで平均気孔
径が１、０μｍ〜3.0μｍの範囲内にある、S2〜S6の空
燃比センサであり、ガス拡散制限層20の気孔率及び平均
気孔径がこの範囲内になるよう構成すればよいことがわ
かる。また温度依存性及び圧力依存性を更に８％以内に
抑えるには、これら空燃比センサの内、気孔率が15％〜
25％内にあるS3〜S5の空燃比センサであり、より安定し
た検出信号を得るには、ガス拡散制限層20の気孔率がこ
の範囲内になるよう構成すればよいことがわかる。

（実験２） 上記実験１の結果、温度依存性及び圧力依存性が共に良
好であった、気孔率25.8％、平均気孔径２、３μｍ、厚
さ500〜800μｍの空燃比センサS5を、排気量が2000ccで
６気筒のガソリンエンジンの排気系に取付け、表３に示
す運転領域Ａ〜Ｈでの検出信号を測定した。その結果、
アルドル時及び各運転領域Ａ〜Ｈでの排気温Tg、検出素
子温Ts、排気圧PE、排気圧の変化量（排気の脈動）△PE
は第４図に示す如くなり、ポンプ電流は第５図に示す如
くなった。

第４図に示す如く、空燃比センサの取付けられる実際の
燃焼機器（当該実験では内燃機関）に於いては、その運
転状態に応じて排気温や排気圧が変動するだけでなく、
排気圧が常時脈動することとなるのであるが、上記空燃
比センサS5を用いれば、総合的空燃比に対する検出信号
の変動幅は、空燃比に換算して，空燃比12〜18の範囲で
2.5％以内に抑えることができることがわかった。

即ち第５図に示す如く、空燃比が18、16、14、12となる
運転領域でのポンプ電流Ipの変動幅は、空燃比に換算し
て±0.2、±0.15、±0.05、±0.12、となり、これらを
総合的に判断すると、上記空燃比センサS5によって得ら
れる検出信号の出力変動はほぼ10％以内に収まることと
なり、この実験２によって、上記空燃比センサS5を用い
れば実際の内燃機関の運転変動に対しても空燃比を安定
して検出できることが確認されたのである。

尚、上記実験１で温度依存性及び圧力依存性が共に良好
であると確認された他の空燃比センサS2、S3、S4及びS
6、に対しても夫々同様の測定を行った結果、内燃機関
の運転変動に対する検出信号の変動幅は空燃比に換算し
て，空燃比12〜18の範囲で2.5％以内に収まることが確
認された。

（実験３） この実験を行うに当たっては、上記実験１で温度依存性
及び圧力依存性が共に良好であると判断された、気孔率
が10％〜30％の範囲内にあり、平均気孔径が1.0μｍ〜
3.0μｍにあるガス拡散制限層を備え、しかもその厚み
が200μｍ〜1000μｍの（即ち、本発明の）空燃比セン
サを複数個準備し、排気量が1600ccで４気筒のガソリン
エンジンを用いた。

実験３− 上記準備した空燃比センサのうちの４個を上記エンジン
の排気系に取付け、このエンジンを、燃料：有鉛ガソリ
ン（鉛含有量1.5g/Gal）、空燃比：約12、回転数:5000
r.p.m.の一定条件下で109時間運転することによって、
空燃比センサの耐久試験を行った。その結果第６図に示
す如く耐久試験後のポンプ電流Ipの変動幅は、空燃比に
換算すると、空燃比12において、最大−0.15、平均−0.
075、空燃比18において、最大＋0.13、平均＋0.005とな
ってた。

このの実験から、排気中のデポジットにより空燃比セ
ンサの劣化が問題となる有鉛ガソリンを用いた内燃機関
においても、上記空燃比センサを用いれば、検出信号の
変動は少なくなり（上記による検出信号の変動幅は平
均３％程度に抑えられる）、良好な耐久性が得られるこ
とがわかった。これは、ガス拡散制限層の気孔率及び気
孔径を上記のように設定したことでガス拡散制限層内で
のデポジットの目詰りが少なくなり、またガス拡散制限
層の厚さを上記のように設定することで、排気が中空部
9a側の電極層を直撃するのを防止できるからである。

実験３− 実験１で温度依存性又は圧力依存性が悪いと判断された
空燃比センサS1,S7を夫々上記実験３−で用いたエン
ジンの排気系に取り付け、上記と同様の運転条件下で10
0時間の耐久試験を行った。その結果、空燃比センサS1
のポンプ電流Ipの変動幅は、空燃比に換算すると、第６
図に一点鎖線で示す如く、空燃比12において−0.75,空
燃比18において＋1.0となり、空燃比センサS7のポンプ
電流Ipの変動幅は、空燃比に換算すると、第６図に二点
鎖線で示す如く、空燃比12において−0.42,空燃比18に
おいて−0.6となって、共に良好な耐久性が得られない
ことがわかった。これは空燃比センサS1ではガス拡散制
限層の気孔率，気孔径が小さく、気孔が目詰まりし、逆
に空燃比センサS7では、ガス拡散制限層の気孔率，気孔
径が大きく、排気中の鉛成分が測定ガス室内に透過し、
電極が鉛におかされてしまうからである。

実験３− 上記準備した空燃比センサのうちの２個のセンサのガス
拡散制限層に、平均粒径１μｍのアルミナ粉末を約0.5K
g/cm²の圧力で押付け、気孔を穴埋めし、検出信号の変
化を測定した。その結果一方の検出信号は変化せず、他
方の検出信号は1.5％変動した。

また更に他の空燃比センサを同様に実験したが、その出
力信号の変化率は２％以内に収まることが確認された。

［発明の効果］ 以上詳述したように、本発明の空燃比センサによれば、
検出信号の温度依存性及び圧力依存性を共に低レベルに
抑えることができ、しかもその耐久性を向上することが
できる。このため内燃機関等、空燃比センサの取付けら
れる各種燃焼機器の運転状態が変動しても常時安定した
検出信号を得ることができるようになり、空燃比の検出
精度を長時間保証することが可能となる。

【図面の簡単な説明】

第１図は実施例の空燃比センサを表す一部破断斜視図、
第２図は同じく実施例の空燃比センサの分解斜視図、第
３図はこの空燃比センサを動作させて空燃比を検出する
ための空燃比検出回路を表す電気回路図、第４図は実験
２を実行した際の内燃機関の運転状態及び空燃比センサ
の温度変化を表す線図、第５図はその実験結果を表す線
図、第６図は実験３の実験結果を表す線図、第７図は分
子拡散及び細孔拡散を表す式により論理的に求められる
検出素子の温度変化に対する空燃比検出信号の変化を表
す線図、第８図は分子拡散及び細孔拡散を表す式により
論理的に求められる測定ガスの圧力変化に対する空燃比
検出信号の変化を表す線図、である。 １、５……固体電解質 ２、３、６、７……多孔質電極 ９……スペーサ 10……遮蔽体 20……ガス拡散制限層

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】酸素イオン伝導性の固体電解質両面に一対
   の多孔質電極を積層してなる検出素子と、 該検出素子の一方の多孔質電極側に直接又は閉鎖空間を
   介して間接的に設けられ、該電極側に流入する測定ガス
   の拡散を制限するガス拡散制限層と、 を備え、該ガス拡散制限層におけるガスの拡散抵抗によ
   る拡散律速を利用して空燃比を検出する空燃比センサに
   おいて、 上記ガス拡散制限層を、気孔率10％〜30％、平均気孔径
   １μｍ〜３μｍ、厚さ200μｍ〜1000μｍ、の多孔質層
   により構成してなることを特徴とする空燃比センサ。