JPS58746A - ガス成分検出器 - 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】 本発明は検出ガス中００．（酸素）、００（−酸化炭素
）、ＨＣ（炭化水素）等の成分の濃度変化を総体的な雰
囲気の変化として応答性よく検出し得る、特に内燃機関
の排気ガスのガス成分検出器に関するものである。

ガス成分検出器は一般に広く使用されているが、近年、
内燃機関の排気ガス対策と関連して、内燃機関で燃焼に
供される混合気の空燃比を検出する手段としても使用さ
れるに至っている。

即ち、内燃機関の排気ガス対策として例えば排気ガス浄
化用の触媒を用いる場合、この触媒に最大限の機能を発
揮させる（は、混合気の空燃比を適正の値に常に保持す
る必要があるが、通常の機関における気化器とか燃料噴
射式の機関における噴射装置とかでは、混合気の空燃比
が一定になるよう設定したとしても実際に祉空燃比は大
幅に変化する。従って空燃比を一定に保つには、何らか
の方法で実際の空燃比を検出し、その信号を前記気化器
とか噴射装置にフィードバックする必袈が生じるのであ
る。

しかして、ガス成分検出器によって空燃比を検出するに
雌、このガス成分検出器で直接的に排気ガスの各成分の
濃度変化が混合気の空燃比に密接に関連することを利用
して空燃比を検出する。この場合、排気ガスは、周知の
通り、その温度およびガス成分の濃度変化が急激かつ大
幅であり、このため、この点を考慮した正確な検出器が
望まれる。

従来、内燃機関の空燃比の検出は、ジルコニア等の固体
電解質を用いて、これを酸素濃淡電池として作用させ、
起電力の変化を検出する方法、あるいは遷移金属酸化物
を用いて、これの電気抵抗値の変化を検出する方法にて
行なわれている。

しかしながら、前者の方法においては固体電解質のイオ
ン伝導が格子間に存在するイオン欠陥中を熱振動による
イオンの移動によって起こることから、起電力が生じる
。このため、固体電解質の温度が４００℃以下の低温で
は起電力が生じず、従って排気ガス温度の低い内燃機関
の始動時などには応答性が著しく低下するという欠点を
有している。

一方後者の方法では、第１７１！！！ｌｌＫ示すごとに
前者の方法に比較して特性曲線の傾きがなだらかである
ため、ある一点の空燃比を検出しようとすると非常に精
度が悪いという欠点を有している。また排気ガス温度に
よっても電気抵抗値が変化するため、温度補償を行なわ
ないと任意の空燃比が制御できず、また温度補償によっ
て応答遅れが生じるという欠点がある。

本発明は後者の１１移金属酸化物よりなるガス成分検出
素子を用い、このガス成分検出素子に触媒を担持するこ
とにより、所要空燃比を検出ガスの温度に影響を受けず
に、しかも精度よく検出しようとすることを目的とする
ものである。

また、本発明は上記ガス成分検出素子の電気抵抗値変化
を取出す電極を設け、この電極にリード線を電気的に接
続するとともに、このリード線に端子を電気的に接続し
、かつこれらリード線および端子を、電気絶縁性の保持
体の貫通穴に挿入固定し、この保持体の外側に取付用ハ
ウジングを固定したことにより、検出ガスを外界と隔絶
する壁に対する脱着が容易で、しかも検出器の作動のた
めの電気接続が簡単であることを目的とするものである
。

以下本発明のガス成分検出器を内燃機関の空燃比を検出
する手段として用いる場合の第１実施例について説明す
る。第１図、第２図および第８図において、ｌはハウシ
ングで電気良導体の金属よりなり、内燃機関の排気管な
どに取り付けられるためのねじ部１ｍおよび締付部１ｂ
を有する。ハウシングｌの下端部には、電気絶縁性のセ
ラミ。

りよりなる円板状で下端にテーパ部２ａを有する下部保
持体２が収納され、この下部保持体２は、その上ｍｍと
ハウジング１との開にパッキングワフＶヤ８を介在させ
、かつテーパ部２ａとハウジング１の下端との間には電
気良導体の金属リング４を介在させて、前記ハウジング
１の下端を内側に熱かしめすることにより固定されてい
る。また、ハウジング１の上端部には、電気絶縁性のセ
ラミックよりなる円柱状で上端部にテーパ部５ａを有す
る上部保持体５が前記下部保持体２と同様に、ハウジン
グ１との間にパッキングワッシャ６および金属リング７
を介在させて熱かしめされている。

前記下部保持体２および上部保持体５にはそれぞれ軸方
向の２個の貫通穴２ｂ、２ｃ、５ｂ、５ｃが般けてあり
、下部保持体２および上部保持体５のそれぞれ一方の貫
通穴２ｂ、５ｂには第１のリード８１８が、また、下部
保持体２および上部保持体５のそれぞれ他方の貫通穴２
　Ｃ＋　５０には第２のリード線９がそれぞれ嵌挿しで
ある。前記各ＩＪ　−ドｌｉ８，９は８Ｕ８４２とかイ
ンコネル６００（商品名）などの電気良導性の耐熱金属
よりなる。

下部保持体２には、その下端面における目ｉＪ記一方の
貫通穴２ｂと対応した部分に薄膜状の第１の電極ｌＯが
、また、前記他方の貫通穴２Ｃと対応した部分に薄膜状
の第２の電極１１がそれぞれ配設されている。これら各
電極１０．１１の配設は金（ムＵ）白金（Ｐｔ）などの
耐熱耐蝕性に優れた金属を下部保持体２の表面に真空蒸
着、スパッタリング等の方法で付着させることにより行
う。そして、前記第１．第２の電極１０，１１４それぞ
れ前記第１．第２のリード線８，９と熱かしめプラズマ
溶接等の方法で接続されている。１８は遣移金ｊｌＮ醗
化物の薄膜よりなるガス成分検出素子である。該ガス成
分検出素子１８の表面には白金（ｐｔ）、パッジラム（
Ｐｄ）、ロジウム（Ｒｈ）等の触媒１４を付着させて相
持しである。この触媒１４の付着方法燻例えばガス成分
検出素子１８が薄膜であれば、真空蒸着等の方法で触媒
１４をガス成分検出素子１３に付着する。一方ガス成分
検出素子１８が後述するように焼結体であればこれを例
えば塩化白金酸塩（Ｈ！ＰｔＣｌ４・６ｎ、ｏ）中に含
浸させ、水素気流中で還元後焼成し、触媒としてＰｔを
ガス成分検出素子１３に付着せしめる。但し触媒１４は
第１．第２の電極１０．１１間で電気的に導通するほど
多くガス成分検出素子１３に付着させてはならない。し
かしてガス成分検出素子１３は下部保持体２の下端面に
おいて第１、第２の電極１０．１１閲に配設されて第１
゜第２の電極１０．１１にそれぞれ電気的に導通してい
る。遷移金属酸化物としては、酸化チタン（Ｔｉｅ、）
　、酸化ニッケル（Ｎｉｐ）、酸化コバル）　（Ｃｏｄ
）　、酸化マンガン（ＭｎＯ）、亜鉛（ＺｍＯ）、酸化
銅（Ｃ！ｕＯ）、酸化チ身ｙ　（Ｔ　ｉＯｚ　）　、　
酸化ｔｌｉ（８ｍＯ，）などがあるが前記ガス成分検出
素子１８の配設け、これら遷移金属酸化物のうち適当な
ものを選び、真空蒸着、電子ビーム蒸着等の方法で下部
保持体２の下端面に厚さ１００ム〜１（１１程度の薄膜
として付着させることにより行う。上部保持体６の各貫
通穴５　ｂ＋　５　’はそれぞれ上方部が第１．第２の
リード線８．９の径よりもかなり大きく形成されており
、この部分にそれぞれ管状の第１．第２の端子１６．１
６が収納しである。

第１．第２の端子１５．１６０下ｊ！＃にはそれぞれつ
げ１５＆１１６８１が設けられ第１．第２の端子１５．
１６は前記つげ１５ａｌ１６＆とその上方にそれぞれ圧
入されたりング１７，１８とＫよって上部保持体すの各
貫通穴５ｂ、５ｃ内にそれぞれ保持され、かつ前記つげ
１５ｍ、１６ｍとリング１７．１８と上部保持体５の貫
通穴５ｂ、５ｃとから形成される空間にそれぞれガラス
シール１９、ｆｆ１ｏｔどを充填して固定されている。

そして、第１ＯリードＩ１８は第１の端子ｌｂ内に挿入
されて上端で第１の端子１Ｍの上端に溶接され、また、
第２のり一ドｉ１９＃ｉ第２の端子１６内に挿入されて
上端で第２の端子１６の上端に溶接されている。なお、
２１はガスケットである。

上記構成においてその作用を説明する。上記構成のガス
成分検出器社ハウジングｌを用いて内燃機関の排気管に
装着され、従ってガス成分検出素子１８は排気ガスに晒
される。排気ガスは、周知（）：と＜、ＯＨｒＮＯｉｔ
、、００．ＨＣ，Ｈ，。

ＣＯ，、Ｎ！等のガス成分から構成されており、この各
成分の濃度線燃焼前の混合気の空燃比によって変化する
。ガス成分検出素子１８をなす遷移金属酸化物は上記の
各ガス成分のうち主としてｏ、、ｃｏ、ｎｃ、ａ、等の
濃度即ち分圧の影響を受け、しかも、これら各成分それ
ぞれの分圧の変化よりもこれがもたらす総体的な雰囲気
の変化に応じた抵抗値を示す。

しかして本発明において、ガス成分検出素子１８α・ガ
ス成分に晒される側の表面には触媒１４が付着しである
ため、Ｏ，、ＣＯ，Ｈ（！、Ｈ，等のガス成分に対する
反応性を高め、特にガス成分検出素子１８の周囲の０１
分圧変化による該ガス成分検出素子１８の電気抵抗値が
変化する特性を増大させ、０１分圧変化に対して急激な
電気抵抗変化を得ることができる。この理由は次のよう
に考えられる。即ち、遷移金属酸化物のガス成分に晒さ
れている側の表面付近にＣｊＯ，ＨＣ，Ｈ，等の可燃性
のガス成分と０１が存在すると、触媒１４の作用Ｋ　Ｌ
　”）　テｃｏ−１−１／２０．−ＣＯ，、ＨＣ＋ＩＯ
，→Ｆ　ｅ　Ｏｘ　十”＊　０　＊　Ｈｚ　＋−！−ｏ
ｚ　”ｍ　ｏ等Ｏ反Ｒ５ｂ＝起きる。しかして、燃焼前
の混合気の空燃比が理論空燃比よりも濃い側では、ガス
成分の０８が全てｃｏ　、ｎｃ等の反応に供され−（モ
ナ＞ｃｏ　、　ｎｃ社残っている状態なので、ガス成分
検出素子１８の表面には上記反応によってＯｌはほとん
ど存在しないことが推察される。一方、燃焼前の混合気
の空燃比が理論空燃比よりも薄い側では、可燃性のガス
成分との反応にＯ２が供されてもなお０！喧残っている
状態なので、ガス成分検出素子１８の表面にはＯＩが多
く存在することが推察される。

つまりガス成分検出素子１３の表面には０８が存在する
か否かという二つの状頗しかあり得ないことが理解され
る。このような触媒１４の作用によってＩス成分検出素
子１８の電気抵抗値ａｆＭｅ空燃比もしくはその近傍を
境に急激に変化するものと考えられる。

前記構成よりなるガス成分検出器（おいて、ガス成分検
出素子１３としてＮ型の半導体であるテｌＯ１を用いた
場合の電気抵抗値変化を測定した結果が第１Ｏ図である
。この第１０図かられかるように、理論空燃比近傍を境
にガス成分検出素子１８の電気抵抗値が急激に変化して
いる。同図社縦軸に検出素子１８の電気抵抗値（ＫΩ）
を対数目盛で表しており、横軸に空燃比（ム／Ｆ）を等
分目盛で表している。−この第１Ｏ図において、排気ガ
ス温度４００℃でムの検出レベルを設定すれば、ガス成
分検出素子１３の電気抵抗値が検出レベルより大きけれ
ば空燃沈火（薄混合気）、逆に電気抵抗値が検出レベル
より小さければ空燃比小（濃混合気）と判定でき、従っ
て理論空燃比点の近傍を墳に空燃比（ガス成分）を検出
でき、これをもとに空燃比制御を行うことができる。ま
た、検出レベルを正確に設定すれば、排気ガス温度の補
償は不要であることが第１０図かられかる。従って運転
条件によって温度の戻動が大きい自動本の排気ガスＯ空
燃比制御に極めて好都合である。

ここにおいて、第１図乃至第８図の構造を有したガス成
分検出器を２つ用意した。一方は触媒１４が付着してあ
り、他方は触媒１４が付着してない。

この２つのガス成分検出器の内燃機関の排気ガス温度δ
ＯＯ℃における電気抵抗値の空燃比に対する特性を第１
１図に示す。なおガス成分検出素子１８としてＴｉｅ、
を用いた。この第１１図において、所定検出レベル人で
空燃比を制御すると仮定する。こＯ場合、検出回路の応
答遷れ、内燃機関へのフィードバックにより空燃比が変
化した排気ガスが検出器に到達するまでの遅れ等の総合
遅れによって検出器の検出する電気抵抗値はＡ１からム
麿の間の値を取ると考えられる。このため空燃比につい
てみてみると、触媒１４が付着してない従来の検出器ピ
）ではｂｌからす、の検出空燃比の誤差が生じる。なお
触媒１４が付着している検出器←）でも畠！からａｌの
検出空燃比の誤差が生じるが、その誤差範回は小さいこ
とがわかる。この結果を更に検討するに、検出器の電気
抵抗値の空燃比に対する特性曲線の傾きが小さい程、検
出空燃比の誤差は小さくなる。従って触媒１４を備えて
いなければ上記特性曲線の傾きは大きくなり、検出空燃
比Ｏ誤差が大きく、ある一点の所望空燃比を制御する場
合に適していないことがわかる。

特に触媒コンバーターの浄化性能がら空燃比の誤差をあ
る範囲に押える必要があり、この点からも検出空燃比の
誤差は小さい方が望ましい。

ところで前記のごとくガス成分検出素子１８の表向には
触媒１４が付着させてあり、この触媒１４０作用にてガ
ス成分であるＯ２とＣＯ，Ｏ，とＨｅ等が反応する際に
は反応熱が生じ、この反応熱によってＩス成分検出素子
１８０表面温度が上昇す！、従って内燃機関始動時等の
ように排気ガス温度が低い場合でも、ガス成分検出素子
１８の応答性が良くなる。

なお、第１．第２の電極１０．１１のガス成分検出素子
１３における位置とガス成分濃度の変化に対する電気抵
抗値変化の応答時間との関係を示したのが第１６図であ
る。この第１６図かられかるように、本実施例のごとく
ガス成分検出素子１８のガス成分に晒される側の表面も
しくはこの表面近傍のガス成分検出素子１３の内ｆ！Ｅ
Ｋ第１．１ｇ２の電［ｊｌＯ，１１を位置せしめればガ
ス成分濃度の変化Ｋｉｔするガス成分検出素子１８の電
気抵抗値変化の応答時間を速めることができる。

第４図および第５図は、ガス成分検出素子１３として遷
移金属酸化物であるＴｉＯ，ｏ焼結体を用い、この焼結
体の表面に、該表面に位置する第１、第２の電極１０．
１１が電気的に導通しないよう［Ｐｔ等の触媒１４を付
着した第２夾施例を示すもので、他の構造は前記第１夾
施例と同じである。

第６図は、ガス成分検出素子１８として遷移金属酸化物
であるＴｉＯ□Ｏ焼結体を用い、このガス成分検出素子
１３の電気抵抗値変化を取り出す第１．第２の電極１０
．１１を検出素子１８のガス成分に晒されする側の表面
より数ミクロン程度内部に埋め込み、更にガス成分検出
素子１３のガス成分に晒される備の表面［Ｐｔ等の触媒
１４を付着した本発明の第３実施例を示すもので、他の
構造は前記第１１ｊ！施例と同じである。この第８実施
例によれば、第１．第２の電極１０，１ｌｔｉガス成分
検出素子１８の内部に埋め込んであるため、ガス成分検
出素子１８のガス成分に晒される側の表面に＃気ガス中
の不純＠（例えばカーボン等）が付着しても第１．第２
の電極１０．ｌｌｕその不純物により悪影響を及ばされ
ることはない０また第１６図から明らかなように、ガス
成分検出素子１３の内部に数ミクロン程度、第１．第２
の電極１０．１１を埋め込んだだけではガス成分検出素
子１３の電気抵抗値変化の応答時間は長くならない。

第７ｖｌｉおよび第８図はそれぞれ上記第１実施例、第
２実施例に対応する本発明の第４．第５！ｌ！施例を示
すものであって、該実施例において社遷移金属酸化物で
あ２　’ｈ　ｔ　Ｏｚの薄膜あるいは焼結体よりなるガ
ス成分検出素子１８のガス成分に晒される個の表面に＃
気ガス中の不純物が付着することを防ぐため、電気絶縁
性でかつガスを通過させる程度の気孔を有するコーテイ
ング材（例えばガンマアルミナ）８０を触媒１４も覆う
ようにしてガス成分検出素子１３の表面に付着しである
。

第９図は遷移金属酸化物であるＴｉｅ、の焼結体をガス
成分検出素子１８として用い、このガス成分検出素子１
ｆ９のガス成分に晒される側の表面に第１の電［１０を
付着し、ガス成分検出素子１３０電気抵抗値変化を第１
の電極１０に電気的に接続導通しているリード線８と、
第２の電ｆｉ１１１に対し金属リング４を介して電気的
に導通しているハウリングｌとの間で取り出すようＫし
た本発明の第６実施例を示すものであって、他の構造は
前記第１実施例と同じである。

次に、前記第ｇ実施例の構造のガス成分検出器において
、ガス成分検出素子１８としてＺｎＯ。

８＋ａＯ茸　、酸化二オビウふ（ＮｂｓＯｓ　　）　、
およびＮｉＯを用いた場合のガス成分検出素子１３の電
気抵抗値の空燃比および温度に対する特性をそれぞれ順
次、第１２１１乃至第１５図に示す。この第１２図乃至
第１６図から明らかなように、理論空燃比近傍で電気抵
抗値が急激に変化しており、かつ理論空燃比近傍では排
気ガス温度によって電気抵抗値が変化していないことが
わかる。

なお上述の第１実施例乃至第６実施例においては、触媒
１４はガス成分検出素子１８のガス成分に晒される側の
表面に付着したが、別にこれに限定されること＃ｉなく
、ガス成分検出素子１８の内部に触媒１４を分散しても
よい。この場合、分散されえ触媒１４１１Ｃよってリー
ド［８、９あるいは第１．第２の電極１０．１１が互い
に短絡しないようＫする必要がある。

以上詳述したように本発明においては、遷移金属酸化物
よりなるガス成分検出素子に触媒を担持したから、この
触媒の作用によってガス成分検出素子の電気抵抗値の空
燃比に対する特性社ある空燃比を境に急激に変化し、従
って所望空燃比の検出誤差が極めて小さく、精度よくそ
の所望空燃比を検出することができる。また、これを検
出ガスの温度Ｏ影響を受けることなく行うことができる
。

また、本発明は上記ガス成分検出素子の電気抵抗値変化
を取出す電極を設け、この電極にリード線を電気的に接
続するとともＫ、このリード線に端子を電気的に接続し
、かつこれらリード線および端子を、電気絶縁性の保持
体の貫通穴に挿入固定し、この保持体の外＠に取付用ハ
ウジングを固定したことにより、検出ガスを外界と隔絶
する壁に対する脱着が容易で、しか本検出器の作動のた
めの電気接続が簡単である。

【図面の簡単な説明】

第１ｖ！Ｊは本発明になるガス成分検出器の第１実施例
を示す断面正面図、第！！図岐第１図図示の本発明検出
器のガス成分検出素子近傍を詳細に示す断面正面図、第
３図は第２図の底面図、第４図は本発明検出器の第２実
施例のガス成分検出素子近傍を詳細に示す断面正面図、
第５図は第４図の底面図、第６図は本発明検出器の第８
実施例のガス成分検出素子の近傍を詳細に示す断面正面
図、第７ｇは本発明検出器の第４実施例のガス成分検出
素子の近傍を詳細に示す断面正面図、第８図は本発明検
出器の第５実施例のガス成分検出素子の近傍を詳細に示
す断面正面図、１１！９図は本発明検出器の第６実施例
のガス成分検出素子の近傍を詳細に示す断面正面図、第
１Ｏ図は本発明の説明に供するもので、ガス成分検出素
子としてＴｉｅ、を用いた場合の電気抵抗値の空燃比お
よび温度に対する特性図、第１１図は本発明の説明に供
するもので、テｉ０．よりなるガス成分検出素子に触媒
を付着させたものと付着させないものとを比較しえ、電
気抵抗値の空燃比に対する特性図、第１２図乃至第１５
図は上記第２実施例の検出器においてガス成分検出素子
としてそれぞれＺｎＯ。 ８　ｍ　Ｏ，、Ｎ　ｂ、　０．　　、　Ｎ　ｉ　Ｏを用
いた場合の電気抵抗値の空燃比に対する特性図、第１６
図は本発明の説明に供するもので、ガス成分検出素子の
表面からの電極の深さに対する電気抵抗値の応答時間の
関係を表し声特性図、第１７［は遷移金属酸化物である
テｉ０２と固体電解質であるＺｒＯ□素子とＯ空燃比に
対する出力変化を示す特性図である。 ｌ・・・ハウジング、５・・・保持体、８，９・・・リ
ード線、１０．１１−・電極、１８・・・ガス成分検出
素子、１４−・触媒、１５．１６・・・端子。 代理人弁理士　　　岡　部　　　騒 ＠１図 第２図 ９３図　　　　　　第４図 第６図 第５図 １４１７／Ｉ直ガ■ 第７回 第８図 第９図 第１０図 １燃に１−（Ａｌ／Ｆ） 第１１０ を 幣煉、比（Ａ／Ｆ） 第１２図 蕾詭ル（ｌｙＦ） 第１３図 電 匁畑尤ｃオ） 第１４図 瞥 租熾比（怖） 第１５図 ト Ｉ！！広尾（升） 第１６図

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. ガス成分に応じた電気抵抗値を示す遷移金属酸化物から
   なるガス成分検出素子と、該ガス成分検出素子に担持し
   た触媒と、前記ガス成分検出素子の電気抵抗値変化を取
   出す電極と、該電極と電気的に接続したリード線と、該
   リード線と電気的に接続した端子と、前記リード線およ
   び前記端子が挿入固定される貫通穴を有する電気絶縁性
   の保持体と、この保持体の外側に固定した取付用ハウジ
   ングとを具備したことを特徴とするガス成分検出器。