JP2503159B2

JP2503159B2 - 酸素検出センサ

Info

Publication number: JP2503159B2
Application number: JP4138378A
Authority: JP
Inventors: 清光鈴木; 政之三木; 隆生笹山; 敏孝鈴木; 信夫佐藤; 定寧上野; 昭池上
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1992-05-29
Filing date: 1992-05-29
Publication date: 1996-06-05
Anticipated expiration: 2011-06-05
Also published as: JPH05149920A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は酸素検出センサに係
り、特に内燃機関の空燃比制御装置用の空燃比センサに
関する。

【０００２】

【従来の技術】図１に内燃機関の空燃比制御装置の概略
構成を示す。空燃比センサ１，エアフローセンサ２，水
温センサ３，クランクシャフトセンサ４などのセンサか
ら機関情報をコントロールユニット５に取込み、燃料噴
射弁６，イグニッションコイル７，アイドルスピードコ
ントロールバルブ８，排ガス環流量制御バルブ９や燃料
ポンプ１０などを制御するシステムの一例を示したもの
であり、空燃比センサ１はこのシステムの重要なデバイ
スになっている。

【０００３】図２は空燃比に対する酸素と一酸化炭素の
濃度及び燃焼効率の関係を示す。従来の内燃機関は加速
などのパワーを要する時（この場合はリッチ領域で制
御）を除き、理論空燃比(Stoich，空燃比Ａ／Ｆ＝１４.
７，空気過剰率λ＝１）で制御されていた。これは空燃
比センサとして実用に供するものが理論空燃比センサ
（以後、ストイックセンサと呼ぶことにする）しかなか
ったことや排ガス対策によるためである。燃焼効率は図
２に示す如く、燃料の希薄側即ち、リーン側で最大にな
ることが知られている。それ故、少なくともアイドルや
軽負荷領域などではエンジンをリーン制御することが望
ましく、この領域の空燃比を高精度に検出できるリーン
センサがこの場合の重要なデバイスとなる。このよう
に、今後のエンジン制御においてはストイックセンサと
リーンセンサの機能を有する高機能な複合空燃比センサ
が必要になる。しかし、このような空燃比センサは実用
化されるには至っていない。これは、簡単な構造で高精
度，高信頼性のものが未だ実現されていないためであ
る。

【０００４】リーンセンサとストイックセンサを複合化
した高機能なエンジン制御用空燃比センサの概念が既に
知られている。その例を以下に簡単に述べる。

【０００５】第１の例は、ヒータを中央にはさんでリー
ンセンサとストイックセンサをサンドイッチ状に積層し
たものが知られている（特開昭55−125448号）。

【０００６】第二の例は例えば特開昭55−154450号で提
案されているような、セル励起電圧の極性を変えること
によって、リーン及びストイック点の検出を行う空燃比
センサが知られている。

【０００７】第三の例は例えば特開昭58−48749 号で提
案されているような、袋管状の固体電解質の内部に傍熱
型のヒータを配置し、センサの測定回路を部分的に切換
えることによって両機能を得る空燃比センサが知られて
いる。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】しかし、上記第一の例
はこのセル構成はセル励起電圧の極性を変えるため、回
路構成が複雑になる。また、リーン機能とストイック機
能の同時出力化が困難であるという問題があった。

【０００９】また、上記第二の例は、基準大気の導入路
が必要で、センサの電極が４電極と構造が複雑なこと、
ヒータの熱効率が劣るという問題があった。

【００１０】さらに、上記第三の例は、第二の例と同じ
く、応答性や使用性に問題があった。

【００１１】本発明の目的は、簡単な構造で、高応答，
高精度の検出が可能な酸素検出センサを提供することに
ある。

【００１２】

【課題を解決するための手段】上記目的は、内燃機関の
排気系に設けられ、前記内燃機関の排ガス雰囲気内にさ
らされる陽極及び前記陽極とジルコニア固体電解質を介
して設けられた陰極からなる第一のセル部と、前記陰極
及びジルコニア固体電解質を介して設けられた酸素基準
極からなる第二のセル部と、前記第一のセル部の前記陰
極側に設けられ、内部に前記陰極が配置され、排ガスが
流入し拡散する第一の拡散室と、前記第二のセル部の前
記酸素基準極側に設けられ、内部に前記酸素基準極が配
置された第二の拡散室と、前記酸素基準極と前記陰極と
の間の電位差を検出する手段と、その検出された電位差
が所定の電圧になるように前記第一のセル部の前記陽極
と前記陰極との間に励起電圧を印加する手段と、前記励
起電圧を印加したときに前記第一のセル部の前記陽極と
前記陰極との間に流れる電流を検出する手段とを備えた
空燃比センサであって、前記第一の拡散室と前記第二の
拡散室の間の固体電解質中に設けられ、内部に絶縁部材
で囲まれたヒータを有するヒータ室を備えたことによっ
て達成される。酸素基準極の起電力が設定電圧と等しく
なるように、リーンセルの励起電圧が制御される。これ
によりセンサの駆動回路が簡単に構成される。また、前
記設定電圧がリーン領域の空気過剰率に応じて可変にさ
れることにより、リーンセンサの応答性が改善される。
検出部がヒータ内蔵の積層体構造に構成されることによ
り、検出部は少ない電力で高温の定温度に加熱される温
度影響が小さくなる。理論空燃比近傍のリーン領域以下
の空気過剰率において、リーンセンサの陽極と陰極とが
電気的に接続されることにより、ストイック点が高精度
に検出される。また、リッチ雰囲気中での酸素不足によ
る陰極部の電子伝導に対する負担が低減され、センサの
耐久性が向上される。酸素基準極部の起電力がリーンセ
ル陰極部三層界面の酸素濃度が管理され、リーンセルの
ポンピング能力の劣化度合が少なく、リーンセンサ機能
の信頼性が向上される。ストイックセンサ機能とリーン
センサ機能を共に酸素ポンプ方式にすることにより、電
極及びヒータ部材は白金系の材料で構成される。検出部
の全積層体は厚膜一貫プロセスを用い酸化雰囲気中で一
体焼結が行われる。これにより空燃比センサの量産性が
向上される。設定電圧が理論空燃比でスイッチング状に
変化されることにより、ストイックセンサの耐久性が向
上される。

【００１３】

【発明の実施の形態】本発明の空燃比センサの構造を図
３に示す。ジルコニア固体電解質１１中にリーンセル１
２，ストイックセル１３及びヒータ１４を配置した積層
体よりなり、セルは４電極で構成される。リーンセル１
２を電圧Ｅ_Lで励起したときに流れるポンピング電流値
Ｉ_p（拡散律速によって一義的に決まる限界電流値）で
リーン領域の空燃比，ストイックセル１３を電流源から
電流値Ｉ_p*で励起したときに発生する起電力ｅ_λで理論
空燃比を検出するものである。

【００１４】基本的なセンシング方法は後述の図６のも
のと同一である。ただ、検出部の構造としては４つの電
極があり、図６のものより少し複雑である。４電極の場
合、後述の３電極の場合と比較して酸素基準電極部の酸
素濃度を調節しやすい利点がある。

【００１５】本発明の他の実施例を図４以下に示す。な
お、図４以下において、同一の要素もしくは同等の機能
を有する要素を示すものとする。

【００１６】本発明の一実施例を示す図４において、ジ
ルコニア固体電解質２０の中央にアルミナなどの絶縁部
材２１で囲まれたヒータ２２があり、その上部のジルコ
ニア固体電解質２０には陰極２３，陽極２２，多孔質状
の保護膜２５，下部のジルコニア固体電解質２０には酸
素基準極２６が設置されている。なお、ジルコニア固体
電解質２０，陰極２３及び陽極２４からなる部分は後述
するように、リーン機能を有する部分であり、リーンセ
ル２７と呼ぶことにする。陰極２３及び酸素基準極２６
はそれぞれ拡散室２８，２９内に配置され、スリット状
の拡散路３０，３１を介して被測定雰囲気である排ガス
と接触する。ガス拡散抵抗体である拡散路３０と３１の
抵抗率の大きさは、後者（即ち、酸素基準極２６と連通
する側）の方が少なくとも前者の数十倍の大きさに製作
されることが望ましい。即ち、拡散室２９内へは排ガス
雰囲気中よりガスが流入しにくいように製作される。後
述するように、酸素基準極２６部の酸素濃度を酸素ポン
プ作用で制御することにより理論空燃比を検出する原理
である故、基準大気の導入通路などは不要であり、セン
サの構造は複雑にはならない。また、非触媒性の金電極
などを用いることなく、センサの三電極（陰極２３，陽
極２４，酸素基準極２６）共、全て耐久性の良好な白金
系の高融点材料で構成することができる。

【００１７】この結果、図に示した検出部の全体構造を
厚膜プロセス技術で積層し、約1500℃の高温度で同時、
一体焼結することが可能になり空燃比センサの量産性が
向上する。このとき、拡散路や拡散室は炭素系の有機バ
インダの焼却法によって、一体焼結時に同時に形成され
る。なお、大気導入路がないため、ヒータ２２でジルコ
ニア固体電解質２０を直接的に加熱できるので、ヒータ
２２の熱効率を向上できる。このとき、検出部の積層体
はヒータ２２に対して上，下対称構造になっており、検
出部の温度分布に優れ、高温の定温度に高い精度で制御
することができる故、温度影響の少ない高精度な空燃比
センサを提供することが可能になる。

【００１８】図３と図４の空燃比センサの構造上の主な
違いは電極数のみであるが、センサの駆動方法は後述す
るように根本的に異なる。

【００１９】本発明の他の実施例を図５に示す。図５に
示したものは、図４におけるスリット状の拡散路３０，
３１が穿孔状の拡散孔になったものである。

【００２０】これらの拡散路３０，３１はポロシティの
高い多孔質状のものでも、原理的には何らさしつかえな
い。

【００２１】なお、図４及び図５に示したものは検出部
の右端部を省略してあるが、この右端部は適当な形状の
栓体に固定され、この栓体を介して排気管に装着され
る。

【００２２】本発明による自動車用空燃比センサの動作
原理を図６に示す。図において、拡散路３０，３１は模
式的に示したが、これらは図４や図５に示した如き配置
や形状を有するものとして、以下の説明を行う。このセ
ンサが排ガス雰囲気内にさらされると、拡散路３０，３
１を介して拡散室２８，２９内へ排ガス中のガスが拡散
で流入する。リーンセル２７に電圧Ｅ_Lを励起すると、
拡散室２８内に拡散で流入した酸素ガスは陰極２３部で
酸素イオン(Ｏ^{- -}）に還元される。この酸素イオンは大
きな矢印で示す如く、ジルコニア固体電解質２０内を陽
極２４部に向けて移動する。そして、陽極２４部で酸化
されて再び酸素ガスになり、排ガス中へ放出される。リ
ーンセル２７に電圧Ｅ_Lを励起して、ジルコニア固体電
解質２０中を流れる酸素イオンの量は電流検出抵抗３２
部の差電圧からポンピング電流値Ｉ_pとして計測され
る。リーンセル２７のポンピング電流値Ｉ_pは拡散律速
に応じた限界電流値と呼ばれ、次式に示す如く排ガス中
の酸素分圧（濃度）Ｐｏ₂に比例する。

【００２３】

【数１】

【００２４】ここで、Ｆはフェラデー定数、Ｄは酸素ガ
スの拡散定数、Ｒは気体定数、Ｔは絶対温度、Ｓは拡散
路３０の横断面積、ｌはその長さである。このように、
リーン機能は排ガス中の残存酸素濃度Ｐｏ₂から希薄燃
焼領域の空燃比を線形に検出するものである。

【００２５】次に、ストイック機能について説明する。
電流源３３（望ましくは定電流源）から電流値Ｉ_p*を酸
素基準極２６と陰極２３間に通電する。すると、拡散路
３０を介して拡散室２８内へ拡散律速で流入した酸素ガ
スの一部は陰極２３部で酸素イオン (Ｏ^{- -}）に還元さ
れ、ジルコニア固体電解質２０中を酸素基準極２６部へ
向けて移動し、この酸素基準極２６部で酸化されて再び
酸素ガスになり、拡散室２９内へ放出される。拡散路３
１の抵抗率（１／ｓ）は拡散路３０のそれより、少なく
とも数十倍の大きさになるように製作されているため、
拡散路３１を介して拡散室２９内へ流入するガスの量は
大幅に制限される。この結果、リッチ領域においても拡
散路３１を介して拡散室２９内へ拡散流入する一酸化炭
素の量は、電流源３３からの励起電流Ｉ_p*によって拡散
室２９内へ放出される酸素の量より低い値になる。それ
故、空気過剰率λによらず拡散室２９内の酸素濃度はあ
るレベル以上になっている。

【００２６】今、酸素基準極２６部の起電力ｅ₀が設定
電圧ｅ_S(必要に応じて０.２〜１ボルトの値に選択され
る）と等しくなるように、第一の増幅器３４，トランジ
スタ３５を介して、リーンセル２７の励起電圧Ｅ_Lがフ
ィードバック制御される。つまり、酸素基準極２６と陰
極２３間の酸素分圧比が大きな値にフィードバック制御
される故、陰極２３界面部の酸素濃度を実質的に零にす
る。この結果、陰極２３部のポンピング能力が電気的に
補償されることになり、リーンセル２７は電極の劣化を
受けにくくなり、（１）式が厳密に再現されリーン機能
の信頼性が向上する。理論空燃比で拡散路３０を介して
拡散室２８内に拡散で流入する酸素ガスと一酸化炭素ガ
スの量は化学量論的に等しくなる故、このストイック点
でＩ_pが零になる。従って、第１の増幅器３４の出力電
圧Ｅ_A及びリーンセル２７の励起電圧Ｅ_Lは階段状に低
下し零になる。このとき、酸素基準極２６と陽極２４間
の差電圧ΔＶは段階状に零から１ボルトオーダーへ変化
する。よって、段階状に変化する信号（ΔＶ，Ｅ_A，Ｅ
_L）のいずれかを利用して、ストイック点を高精度に検
出することができる。この中で、ΔＶを利用する場合に
ついて以下に説明する。陽極２４部へ保護膜２５を介し
て流入してくる酸素と一酸化炭素は、陽極２４の触媒作
用（白金系の電極材料である故）により（２）式の反応
が進行する。

【００２７】

【数２】２ＣＯ＋Ｏ₂→ ２ＣＯ
₂…（２）この結果、酸素と一酸化炭素の量が化学量論的に等しい
理論空燃比において、陽極２４界面の酸素濃度は実質的
に零になる。これに対して、酸素基準極２６界面の酸素
濃度は空気過剰率によらず、あるレベル以上になるよう
に電気回路でフィードバック制御されており、差電圧Δ
Ｖはストイック点で階段状に変化する。陽極２４の界面
と酸素基準極２６の界面における酸素分圧をそれぞれＰ
_I，Ｐ_IIとすると差電圧ΔＶは

【００２８】

【数３】

【００２９】で示される。励起電流値Ｉ_p*は十分に小さ
いこと、空燃比センサはヒータ２２で約６００℃以上の
高温の定温度に加熱制御されるためジルコニア固体電解
質２０の抵抗値ｒは小さいことにより、（３）式右辺第
２項のオーム損過電圧ｒＩ_p*は無視できる値になる。

【００３０】励起電流値Ｉ_p*はリーンセル２７の出力電
流値Ｉ_pに比較して十分に小さな値であり、リーン機能
の計測精度に何ら影響を与えない。

【００３１】なお、図においてＶ_Bは電源の電圧を示
す。

【００３２】図７〜図１４にて、本発明による空燃比セ
ンサ構造の他の実施例を示す。

【００３３】図７は酸素基準極２６が拡散室２９の上方
部に配置されたことに特徴がある。なお、拡散路３０，
３１は前述の如く、模式的に示してある。

【００３４】図８は図７に示した拡散路３１が多孔質の
部材で構成された場合である。この場合、多孔質部材は
保護膜２５より大幅に厚いか、あるいは多孔度の悪い材
料で構成される。

【００３５】図９は図８に示した拡散路３１がリーンセ
ル２７側に配置された場合である。図において、酸素基
準極２６は２つであるように思われるかも知れないが、
平面的には接続されており空燃比センサはやはり実質的
に三電極構造であることに注意されたい。

【００３６】図１０は図９における保護膜２５と拡散路
３１の相対的な配置が逆になった場合である。

【００３７】図１１は拡散室２８部に、多孔質状の拡散
路３１を介して酸素基準極２６を配置した場合である。

【００３８】図１２は図１１における拡散路３１がない
場合であり、精度は低下するが原理的には複合センサと
しての機能を有する。

【００３９】図１３は図９と図１０の中間的な配置の実
施例である。

【００４０】図１４は図１３において、絶縁層的な絶縁
部材２１がアルミナ基板などの基板状の絶縁部材３６で
構成された場合である。

【００４１】この他にも、本発明の変形例は色々考えら
れる。この場合の必要最小条件は三電極とも、同一のジ
ルコニア固体電解質上に形成されることにある。

【００４２】本発明による自動車用空燃比センサの全体
構成の一実施例を図１５に示す。酸素基準極２６への励
起電流値Ｉ_p*は励起電流調整抵抗３７の抵抗値Ｒ_λによ
って決定される。設定電圧ｅ_Sはチェナーダイオード３
８，抵抗３９及び抵抗４０によって決定される。酸素基
準極２６の起電力ｅ₀が設定電圧ｅ_Sに等しくなるよう
に、リーンセル２７の励起電圧Ｅ_Lが第一の増幅器３
４，トランジスタ３５を介してフィードバック制御され
る。リーンセル２７部のポンピング電流Ｉ_pは電流検出
抵抗３２の差電圧を差動増幅器４３で増幅した後、その
出力信号はｅ_Lとしてコントロールユニット５に取り込
まれる。なお、リーン機能の感度調整は電流検出抵抗３
２の抵抗値Ｒ_Lを調整することによって行われる。酸素
基準極２６と陽極２４間の差電圧ΔＶは差動増幅器４４
で増幅処理された後、その出力信号はｅ_λとしてコント
ロールユニット５に取り込まれる。図１５の方法にて測
定した空燃比センサの特性を図１６に示す。この図に
は、Ｉ_p*＝０.１ｍＡ，Ｒ_L＝１００Ω，差動増幅器４
３，４４部における増幅率αがそれぞれ１０倍，１倍で
設定電圧はｅ_S＝０.７Ｖ一定の場合を示した。リーン
センサの出力電圧ｅ_Lは希薄燃焼領域の空気過剰率（λ
＞１）でリニアに変化し、この領域の空燃比を連続的に
検出することができる。また、ストイックセンサの出力
電圧ｅ_λ及びリーンセルの励起電圧Ｅ_Lは理論空燃比の
ストイック点（λ＝１）でステップ状に変化する。それ
故、どちらの電圧信号を利用しても、ストイック点を高
い精度で検出することができる。その結果、本発明によ
る自動車用空燃比センサはλ≧１の空気過剰率を連続的
に検出することが可能で、しかもλ＝１のストイック信
号及びλ＞１のリーン信号を同時出力化させているた
め、使い易いセンサにすることができた。なお、図１６
以下に示す試作センサの特性としては、検出部の温度を
ヒータ２２で８００℃に加熱した場合の実測例を示し
た。

【００４３】なお、ｅ_λ及びＥ_L共に、λ＜１のリッチ
側でゆるやかな傾斜特性を有している。これは陽極２４
部から酸素基準極２６部へ向う酸素イオンがないためで
ある。λ＜１のリッチ領域での傾斜特性を改善できれ
ば、ストイック点検出時のＳ／Ｎ比はさらに向上する。

【００４４】このＳ／Ｎ比の改善を行った空燃比センサ
全体構成の実施例を図１７に示す。第一の増幅器３４の
出力電圧Ｅ_Aが設定電圧ｅ_Sより小さくなったことを検
出する第二の増幅器４１を設け、第二の増幅器４１の出
力信号によってリーンセル２７の陽極２４と陰極２３間
に並列的に接続したスイッチ４２をＯＮ状態にする。図
中のスイッチ４２にはトランジスタの場合を示している
が、ＭＯＳ型のものでも良い。後述するように、ストイ
ック点近傍のリーン側の空気過剰率λ* 以下で、第一の
増幅器３４の出力電圧Ｅ_Aは零になる故、前記の空気過
剰率λ* 以下でトランジスタ型のスイッチ４２はＯＮ状
態になり、リーンセル２７の陽極２４と陰極２３は電気
的に接続される。スイッチ４２がＯＮ状態になると、励
起電流Ｉ_p*による酸素イオン(Ｏ^{- -}）流はリーンセル２
７の陽極２４部からも酸素基準極２６部に向うようにな
る。この酸素ポンプ作用によって、陽極２４部の触媒作
用が向上し、（２）式の反応が活発に進行する。この結
果、陽極２４界面の酸素濃度がリッチ領域の空燃比で極
端に小さくなり、前述の傾斜特性が改善される。この構
成による空燃比センサ特性の測定例を図１８に示す。図
に示すように、ストイック点における信号の変化幅はｅ
_λ及びＥ_L共に大きくなり、リッチ領域におけるゆるや
かな傾斜特性の改善されたことが分る。なお、λ＜１以
下のリッチ領域におけるリーンセルの励起電圧Ｅ_Lは当
然の如く、零ボルトレベルまで低下する。

【００４５】なお、スイッチ４２のＯＮによって陽極２
４部から酸素基準極２６部へ酸素イオン流を向わせるこ
とは、ストイック機能のＳ／Ｎ化を向上させる他にも、
次の如き効果を発生させる。リッチ領域における排ガス
雰囲気中の酸素濃度は図２に示すように、低濃度であ
る。従って、励起電流Ｉ_p*によって拡散室２９内に十分
な酸素を供給するには、新たな酸素イオン供給源となる
電極の増加が必要になる。この点、λ＜１のリッチ領域
で、陽極２４はこの新たな酸素イオン供給源として作用
する。この結果、リッチ領域における陰極２３界面部の
極端は酸素濃度の低下を防止でき、ジルコニア固体電解
質２０が電子伝導領域に突入することはなくなる。それ
故、空燃比センサの耐久性の劣化や精度の低下が少なく
なり、信頼性が向上する。

【００４６】図１７に示した構成による空燃比センサを
図１９，図２０を用いて、より詳細に説明する。

【００４７】空気過剰率λに対する各部の電圧特性を図
１９に示す。リーンセル２７のポンプ電流Ｉ_p特性に励
起電流値Ｉ_p*を加算した値、即ち２点鎖線で示した特性
は拡散路３０を介して拡散室２８内へ（１）式の拡散律
速で流入する酸素ガスに基づく、限界電流値に相当す
る。第一の増幅器３４の出力電圧Ｅ_Aはストイック点近
傍の空気過剰率λ* で急激に小さくなる。実験による
と、このλ* 値のストイック点(λ＝１)からのズレ量は
励起電流値Ｉ_p*と大きな相関のあることが分った。即
ち、Ｉ_p*値が小さい程ズレ量は少なくなり、ストイック
点にかぎりなく接近する。なお、試作した空燃比センサ
はＩ_p*＝０.１ｍＡのとき、λ*値は約１.０１であっ
た。設定電圧ｅ_Sが０.７ボルトのとき、酸素基準極２
６部の起電力ｅ₀はλ≧１の領域では０.７ボルトにな
るようにフィードバック制御される。しかし、λ≦１の
領域では第一の増幅器３４の出力電圧Ｅ_Aは零になり、
フィードバック制御回路の効果は実質的になくなる。こ
の結果、λ≦１の領域における酸素基準極２６部の起電
力ｅ₀は励起電流Ｉ_p*の効果によって、約１ボルトオー
ダへステップ状に上昇する。

【００４８】ストイックセンサに使用可能な信号
（ｅ_λ，Ｅ_L，Ｅ_A）のストイック点近傍における出力
特性の拡大図を図２０に示す。図に示すように、差動増
幅器４４の出力信号ｅ_λ及びリーンセル２７の励起電圧
Ｅ_Lはほぼストイック点で階段状に変化する。これに対
して、励起電流Ｉ_p*が０.１ｍＡのとき、第一の増幅器
３４の出力電圧Ｅ_Aはλ*＝１.０１で階段状に変化す
る。Ｉ_p*値をより小さな値に設定（この場合、拡散路３
１の抵抗率をより大きな値にする必要がある）すると、
λ*値はさらにストイック点に接近する。もちろん、こ
の場合は第一の増幅器３４の出力電圧Ｅ_Aもストイック
センサの出力信号として使用することが可能になる。

【００４９】リーンセル２７の励起電圧Ｅ_Lをフィード
バック制御する本発明の一実施例によれば、リーンセル
応答性の改善に極めて大きな効果が得られる。この効果
を図２１〜図２５を用いてより詳細に説明する。

【００５０】リーンセル２７のＶ−Ｉ特性を図２１に示
す。励起電圧Ｅによってジルコニア固体電解質中をポン
ピングされる電流値の特性を示したものである。励起電
圧Ｅが大きくなるにつれて、ポンプ電流値Ｉは次第に増
加し、一定の値で飽和する。この飽和電流値Ｉ_pが
（１）式によって定まる限界電流値である。さらに励起
電流Ｅを大きくすると、ジルコニア固体電解質は電子伝
導性を示すようになり、電流値Ｉは急激に増加する。従
って、リーンセンサの場合はこの飽和電流値Ｉ_pを検出
する必要があり、リーンセル駆動時の励起電圧Ｅ_Lこの
図から適当な値に設定される。図１５及び図１７に示し
た回路構成の場合、リーンセル２７の励起電圧Ｅ_Lは空
気過剰率λによらず（但し、λ＞１の領域において）、
特性曲線ａで示すようにほぼ一定に設定されている。励
起電圧Ｅ_Lを特性曲線ｂで示すように、空気過剰率λに
応じて少しずつ大きくすると、リーンセンサの応答性が
著しく改善されることを実験的に確認した。

【００５１】その現象を図２２で説明する。空燃比セン
サ雰囲気の空気過剰率に変化がなくても、ポンプ電流値
Ｉが飽和電流値（限界電流値）を示す範囲内で励起電圧
Ｅ_Lをステップ状に変化させると、Ｅ_Lの微分波形の如
き特性が出力電流値Ｉ_pに加算される。この現象をリー
ンセンサの応答性の改善に使用しようとするものであ
る。なお、実験によると出力電流値Ｉ_pの変化幅ΔＩ_p
の大きさは励起電圧Ｅ_Lの大きさにほぼ依存することが
分った。

【００５２】本発明による自動車用空燃比センサの全体
構成の他の実施例を図２３に示す。第一の増幅器３４の
出力電圧Ｅ_A部を抵抗４５を介して、設定電圧ｅ_Sの決
定部に正帰還させたことに特徴がある。なお、抵抗４６
とコンデンサ４７からなる積分回路は空気過剰率λが急
変したときに、前述の正帰還回路に基因してリーンセン
サの出力信号ｅ_Lに発生する過渡的な発振現象を防止す
るためのものである。図２３に示した構成による空燃比
センサの静特性の実測例を図２４に示す。設定電圧ｅ_S
はリーン側の空気過剰率λに応じて、０.７５ボルトか
ら０.８０ボルトへ可変的に大きな値になっている。こ
の結果、リーンセル２７の励起電圧Ｅ_Lは図２１の特性
曲線ｂに示したように、空気過剰率λに応じて自動的に
大きな値へフィードバック制御される。このようにリー
ンセル２７の励起電圧Ｅ_Lを可変にしても、リーンセン
サの出力信号ｅ_L，ストイックセンサの出力信号として
使用可能な信号ｅ_λ及びＥ_L共に、ヒステリシスが小さ
く良好な特性を示す。

【００５３】リーン側で設定電圧ｅ_Sを可変（即ち、リ
ーンセルの励起電圧Ｅ_Lを可変）にしたときの、リーン
センサ出力信号の応答性改善効果の実測例を図２５に示
す。図は空気過剰率λを１.１から１.３へステップ状に
変化させたとき、差動増幅器４３の出力電圧であるリー
ンセンサの出力信号ｅ_Lがどのように変化するかを示し
たものである。図において、特性ａは空気過剰率λによ
らず、リーンセル２７の励起電圧Ｅ_Lを一定にした場合
である。特性ｂは空気過剰率λに応じて、励起電圧Ｅ_L
を適度に可変的に大きくした場合であり、その応答性は
特性ａの場合の約半分に改善されることが分った。この
結果、リーンセンサの時定数τは約１６ｍｓと小さく、
気筒別の空燃比を弁別することができ、非定常の空燃比
制御を行うことが可能になった。なお、空気過剰率λに
対する励起電圧Ｅ_Lの変化幅を大きくすると、過渡特性
はｃ特性で示すように、オーバシュート現象を発生し好
ましくないことになる。

【００５４】次に、リーンセンサの耐久性の実測例を図
２６に示す。ａ特性はリーンセル単体の経時変化を示し
たものであり、陰極２３部のポンピング能力の低下によ
って、その出力信号は次第に低下することが分った。し
かし、本発明の如く酸素基準極２６部の起電力ｅ₀が設
定電圧ｅ_Sと等しくなるように、リーンセル２７の励起
電圧Ｅ_Lをフィードバック制御する構成は、経時的に陰
極２３部のポンピング能力の低下を補償するように作用
する。この結果、本発明による場合、リーンセンサの出
力信号の変化はｂ特性で示すように小さくなり、耐久性
の改善にも大きな効果があった。

【００５５】次に、ストイック機能の耐久性や歩留りの
向上対策について述べる。

【００５６】ストイック機能の定電流励起特性を図２９
に示す。酸素基準極２６部から陽極２４部へ定電流Ｉ_p*
を励起したときに、発生する酸素基準極２６部の起電力
ｅ₀を示したものである。もちろん、図中の特性は励起
電圧Ｅ_Lを印加せずに、陽極２４部に対する酸素基準極
２６部の起電力ｅ₀を測定したものである。励起電流値
Ｉ_p*が０.２ｍＡと大きい場合、起電力ｅ₀の変化点の
ヒステリシスが大きくなる。これは、リッチ領域で陽極
２４界面の酸素濃度が極端に低下し、部分的に電子伝導
性になるためと考えられる。逆に、Ｉ_p*値が０.０５ｍ
Ａと小さいときは、リッチ側で起電力ｅ₀が低下す
る。これは、拡散室２９内へ電気的に供給する酸素が不
足し、酸素基準極２６界面の酸素濃度が低下するためで
ある。また、リッチ側で起電力ｅ₀が低下し設定電圧ｅ
_S以下になると、リッチ側でもリーンセル２７へ励起電
圧Ｅ_Lが印加され、好ましくない。なお、図に示した試
作サンプルの場合、その励起電流値Ｉ_p*は０.１ｍＡ前
後が適当であり、ヒステリシスが小さく、リッチ領域で
のレベル低下もない。このように、適正なストイック機
能を得るには適切な励起電流値Ｉ_p*を設定する必要があ
る。従って、設定電圧ｅ_Sをストイック点で階段状に変
化させ、リッチ側で低レベル，リーン側で高レベルに設
定することにより、これらの問題点に対応することがで
きる。即ち、後述するように、励起電流値Ｉ_p*が０.０
５ｍＡと小さい場合も、良好なストイック機能を得る
ことが可能になる。なお、リーンセル２７で限界電流値
Ｉ_pを高精度に検出するためには、励起電圧Ｅ_Lをある
レベル以上にする必要があり、リーン側での設定電圧ｅ
_Sをあまり小さな値にすることはできない。

【００５７】また、ストイック点で設定電圧ｅ_Sを階段
状に変化させることはストイック機能の耐久性からも有
利である。即ち、経時的に陽極２４部の触媒作用が劣化
したり、拡散室２９部にマイクロクラックが発生したり
すると、リッチ側での起電力が低下することが予想され
るからである。

【００５８】設定電圧ｅ_Sをストイック点で階段状に変
化させる構成の一実施例を図２８に示す。抵抗４９，５
０を新たに付加することにより、第一の増幅器３４の出
力電圧を２Ｅ_Aにした。そして、この点を抵抗５１，チ
ェナーダイオード（図の場合は３Ｖ用）を介してアース
点に接続した。抵抗５１とチェナーダイオード５２間の
電圧を抵抗４５を介して、設定電圧ｅ_S決定部に正帰還
させることにより、リーン領域での設定電圧ｅ_Sの変化
幅を抑制し、ストイック点での変化幅を大きくすること
ができる。

【００５９】コンパレータ４８はスイッチング状のスト
イック信号ｅ_λを発生させるものである。即ち、抵抗５
３と５４によって決定されるスライスレベルｅ_aより電
圧Ｅ_Aが小さくなったとき、Ｈigh レベルの電圧信号ｅ
_λを発生させるものである。

【００６０】図２８に示した構成による場合の空燃比セ
ンサの特性を図２９に示す。この図は酸素基準極２６部
の励起電流値Ｉ_p*が０.０５ｍＡと小さい場合の実測例
である。図に示すように、リーンセンサ及びストイック
センサとも、ヒステリシスが小さく良好な結果が得られ
た。

【００６１】図２８に示した構成による場合の、ストイ
ック点近傍における各部の電圧特性を図３０に示す。こ
の図を用いて、第一の増幅器３４の出力電圧Ｅ_Aを利用
しても、ストイック点を高精度に検出できる理由につい
て説明する。増幅器３４の出力電圧Ｅ_Aはλ* 点とスト
イック点でステップ状に変化する。これに応じて、設定
電圧ｅ_Sもλ* 点とストイック点で大幅に低下する。な
お、λ* でスイッチ４２はＯＮ状態になり、リーンセル
２７の陽極２４は陰極２３部へ接続される。図から理解
できるように、コンパレータ４８の入力であるスライス
レベルｅ_aを０.２ボルトオーダーにすると、出力電圧
Ｅ_Aを利用してもストイック点を高い精度で検出できる
ことになる。この結果、ストイックセンサの出力ｅ_λは
リーン領域の低レベルからリッチ領域の高レベルへ、ス
トイック点でスイッチング状に変化する。

【００６２】以上説明した本発明の望ましい実施例によ
れば、エンジンの幅広い制御に適応可能な複合センサ、
即ちストイックセンサ機能とリーンセンサ機能を有する
エンジン制御用空燃比センサを簡単な構成で提供するこ
とができる。

【００６３】

【発明の効果】本発明によれば、エンジンの幅広い制御
に適応可能な空燃比センサを簡単な構造で提供すること
にある。

【図面の簡単な説明】

【図１】内燃機関の空燃比制御装置の概略構成図。

【図２】空燃比と排ガス濃度，燃焼効率の関係を示した
図。

【図３】本発明の前段階的な空燃比センサの構造とその
原理説明図。

【図４】本発明による空燃比センサ構造の説明図。

【図５】本発明による空燃比センサ構造の他の実施例を
示した図。

【図６】本発明による空燃比センサの動作原理説明図。

【図７】本発明による空燃比センサ構造の変形例を示し
た図。

【図８】本発明による空燃比センサの変形例を示す図。

【図９】本発明による空燃比センサの変形例を示す図。

【図１０】本発明による空燃比センサの変形例を示す
図。

【図１１】本発明による空燃比センサの変形例を示す
図。

【図１２】本発明による空燃比センサの変形例を示す
図。

【図１３】本発明による空燃比センサの変形例を示す
図。

【図１４】本発明による空燃比センサの変形例を示す
図。

【図１５】本発明による自動車用空燃比センサの全体構
成の一実施例を示した図。

【図１６】図１５の構成によって測定した空燃比センサ
特性の実施例を示した図。

【図１７】本発明による自動車用空燃比センサの全体構
成の他の一実施例を示した図。

【図１８】図１７の構成によって測定した空燃比センサ
特性の実測例を示した図。

【図１９】空気過剰率に対する各部の電圧特性を示した
図。

【図２０】ストイック点近傍の出力特性を示した図。

【図２１】リーンセルのＶ−Ｉ特性を示した図。

【図２２】応答性改善効果の説明図。

【図２３】本発明による空燃比センサの全体構成の他の
一実施例を示した図。

【図２４】図２３の構成によって測定した空燃比センサ
の実測例を示した図。

【図２５】本発明による空燃比センサの応答性改善効果
の実測例を示した図。

【図２６】本発明による空燃比センサの耐久性の実測例
を示した図。

【図２７】本発明による空燃比センサにおけるストイッ
ク機能の定電流励起特性を示した図。

【図２８】本発明による空燃比センサの全体構成の他の
一実施例を示した図。

【図２９】図２８の構成によって測定した空燃比センサ
特性の実測例を示した図。

【図３０】本発明による空燃比センサのストイック点近
傍における各部の電圧特性を示した図。

【符号の説明】

２０…ジルコニア固体電解質、２１…絶縁部材、２２…
ヒータ、２３…陰極、２４…陽極、２５…保護膜、２６
…酸素基準極、２７…リーンセル、２８，２９…拡散
室、３０，３１…拡散路、３２…電流検出抵抗、３３…
電流源。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者鈴木敏孝茨城県日立市幸町３丁目１番１号株式会社日立製作所日立研究所内 (72)発明者佐藤信夫茨城県日立市幸町３丁目１番１号株式会社日立製作所日立研究所内 (72)発明者上野定寧茨城県勝田市大字高場2520番地株式会社日立製作所佐和工場内 (72)発明者池上昭神奈川県横浜市戸塚区吉田町292番地株式会社日立製作所生産技術研究所内 (56)参考文献特開昭56−130649（ＪＰ，Ａ) 特開昭60−186750（ＪＰ，Ａ) 特開昭60−108746（ＪＰ，Ａ) 特開昭59−163558（ＪＰ，Ａ)

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】内燃機関の排気系に設けられ、前記内燃機
関の排ガス雰囲気内にさらされる陽極及び前記陽極とジ
ルコニア固体電解質を介して設けられた陰極からなる第
一のセル部と、前記陰極及びジルコニア固体電解質を介
して設けられた酸素基準極からなる第二のセル部と、前
記第一のセル部の前記陰極側に設けられ、内部に前記陰
極が配置され、排ガスが流入し拡散する第一の拡散室
と、前記第二のセル部の前記酸素基準極側に設けられ、
内部に前記酸素基準極が配置された第二の拡散室と、前
記酸素基準極と前記陰極との間の電位差を検出する手段
と、その検出された電位差が所定の電圧になるように前
記第一のセル部の前記陽極と前記陰極との間に励起電圧
を印加する手段と、前記励起電圧を印加したときに前記
第一のセル部の前記陽極と前記陰極との間に流れる電流
を検出する手段とを備えた空燃比センサであって、前記第一の拡散室と前記第二の拡散室の間の固体電解質
中に設けられ、内部に絶縁部材で囲まれたヒータを有す
るヒータ室を備えたことを特徴とする空燃比センサ。