JPH01119749A - 広帯域空燃比センサおよび検出装置 - 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】 （産業上の利用分野） 本発明は広い範囲にわたって空燃比を正もσに検出する
ための広帯域空燃比センサおよびその広帯域空燃比セン
サを用いた空燃比検出装置に関する。

（従来技術） 自動車等から排出される排気ガス中の空燃比を検出する
ためのセンサとして、最近では焼結法グリーンシート技
術および印刷・薄膜技術を用いて、小型で量産性に富み
、広い範囲の空燃比を連続的に測定できろセンサが開発
されている。そうしたセンサとして、大気基準を持った
限界？ｉｉ流式酸素センサ（特願昭５６−１２３３７３
号「酸素１度検出器」）および酸素濃淡電池式素子と酸
素ポンプ素子とを絹合わせた広帯域空燃比センサ（特願
昭５８−２３７６２６号、　５ｅｎｓｏｒ　　ａｎｄ　
　Ａｃｔｕａｔｏｒｓ　　２　　（＋９８２）　　３７
１〜３８４）等が提案されている。また、アルミナ基板
上に大篤導入なしの限界電流式酸素センサおよび抵抗変
化弐入＝ｌセンサを一体化した入＝１からリーン領域の
空燃比を測るセンサ（特開昭６１−１５５７５１号公報
「空燃比センサおよび装置」）もある。

これらのセンサは、いずれも酸素量を測定し、その酸素
量がら空燃比を検出する方式である。

（発明が解決しようとする問題点） 自動車から排出される燃焼排気組成を調べると。

ＣＯ，Ｈ２等の可燃性ガスの濃度は、燃料リッチから空
気過剰率λ＝１に近づくに従って減少し、入＝１以上の
燃料リーンではほとんと零となる。

それに対し、０２ガスの濃度は燃料リッチ領域では零と
なるが、λ＝１から燃料リーンへと変化するに従って増
大する。　よって、燃料リーン領域の空燃、比を測るた
めには０２ガス濃度をモニターし、また燃料リッチ領域
の空燃比を測るためにはＣｏ、Ｈ２等のガス；農度なモ
ニターし、それらのカス濃度がら空燃比を算出した方が
、従来の酸素ガス１度だけがら空燃比を算出する方式よ
りも正確な空燃比測定が可能となることを見出した。

本発明は、上記知見に基づき、燃料リッチから燃料リー
ンの広い範囲の空燃比を連続的かつ高積度に測定できろ
空燃比センサおよび装置を提供することを目的とするも
のである。

（問題点を解決するための手段） 本発明は、抵抗変化式酸素検知部（酸化物半導体検知部
）と限界Ｗｉ流式酸素検知部およびガス分解式水素検知
部を１つの多孔質アルミナ基板上に組合わせ、それぞれ
の特性の良好な範囲を選択できるようにすることにより
、前記目的を達成するものである。

本発明（第１発明）の広帯域空燃比センサは、多孔質ア
ルミナ基板の上に、ガス透過性のよい第１電極層、固体
電解質層、およびガス透過性のよい第２電極層を順次積
層して構成した、燃料り−ン領域の空が比を検出するた
めの限界電流式酸素極）０部と、前記多孔質アルミナ基
板の上に、酸化物半導体材料の層および１対の対向電極
を形成して構成した空気過剰率λ＝１を検出するための
抵抗変化式酸素検知部と、面記多孔質アルミナ基板の上
に、ガス透過性のよい第２電極層、固体電解質層、およ
びカス透過性のよい第１電極層を順次積層して構成した
、燃↑゛↓リッチ領域の空燃比を検出するためのガス分
解式水素検知部と、前記各検知部を加熱するための検知
部加熱ヒータとを設けてなるものである。

本発明（第２発明）の広帯域空燃比検出装置は、前記第
１発明の広帯域空燃比センサと、その広帯域空燃比セン
サの抵抗変化式酸素検知部の出力を基準値と比較して燃
料リーンであるか燃料リッチであるかを判定する比較ｉ
ｌｌｌｌ上部比較ｔ１１定部が燃料リッチから燃料リー
ンに変化したことを判定したときには、限７１流式酸素
検知部を作動状態に切り換えるとともに、ガス分解式水
素検知部を不作動状態に切り換え、比較判定部が燃料リ
ーンから燃料リンチに変化したことを判定したときには
、限界電流式酸素検知部を不作動状態に切り換えるとと
もに、ガス分解式水素検知部を作動状態に切り換える切
換制御部と、限界電流式酸素検知部の出力１３号とガス
分解式水素検知部の出力信号を合成し、その出力信号が
ら空燃比を表わす信号を生成する出力信号合成部とを備
えたことを特徴とする。

（作用および効果） 本第１発明の広帯域空燃比センサは、上記のように入＝
１の点にて抵抗が３．変する抵抗変化式酸素検知部と、
リーン領域では酸素濃度に対応して出力Ｍｉ流が直線的
に増大する限界電流式酸素検知部、および、リッチ領域
では水素濃度に対応して出力電流が増加するガス分解式
水素検知部を、共通の多孔質アルミナ基板上に形成して
いる。（＋”ｌ＝つて、リーン領域の空燃比を限界ｆｉ
流式酸素検知部で検知し、リッチ領域の空燃比をカス分
解式水素検知部で検知するというように使用領域をそれ
ぞれに適した検知部に切り換えて使用ずろことにより、
従来の単一の種類のセンサのみを利用する方式では実現
できなかった広い範囲の空燃比を、高い精度で検出でき
る。しかもそれらの検知部が１つの多孔質アルミナ基板
上に、領域判別用の抵抗変化式酸素検知部とともに一体
的に形成されており、相互に近接しているので、抵抗変
（ヒ式酸素検知部による池の検知部の位置の状態（領域
）の判別が正確となり、ひいては各検知部による空燃比
の測定がそれぞれ適切なタイミングで安定に行われ、測
定の精度が一層高くなる。また、センサ全体が小形とな
る利点がある。

また、上記第１発明の広帯域空燃比センサとその出力を
処理する回路装置とを組合わせた第２発明の広帯域空燃
比検出装置は、比較判定部において抵抗変化式酸素検知
部の抵抗を検出する抵抗検出部の出力を基準値と比較し
て燃料リッチであるか燃料リーンであるのかの判定をす
る。

出力信号合成部は、限界電流式酸素検知部の出力信号、
抵抗変化式酸素検知部の出力信号、およびガス分解式水
素検知部の出力信号を合成し、その出力信号がら空燃比
を表わす信号を生成する。

切換制御部は、比較判定部が燃料リッヂから燃料リーン
に変化したことを判定したときには、その変化時点から
一定時間後にガス分解式水素検知部を不作動状態にする
とともに、限界電流式酸素検知部を作シｊ状態に切り換
え、また、比較判定部が燃料リーンから燃料リッチに変
化したことを１′す定したときには、限界電流式酸素検
知部を不作動状態にするとともにノノス分解式水素検知
部を作動状態にするよう切換制御する。その切換制御は
、具体的には例えば、測定用電圧源と各検３１１部との
接続をオンオフ制御することによって行−′）ことがで
きる。

このように、抵抗変化式酸素検知部で燃料リッチか燃料
リーンかを１′す定し、検知部（限’ｆＬＭ流式酸素検
知部、ガス分解式水素検知部）との接続を制御する制御
部と各検知部から出力される出力信号とを合成し、空燃
比を表わす信号を生成するので、広い範囲にわたり高い
精度て空燃比を測定することができる。

（実施態様） 本発明の広帯域空燃比検出装置の一実施態様によれば、
前記比較判定部は、基準値を高めに設定することにより
、燃料リーンから燃料リッチへ切換される際の判定を早
めに行なうように構成され、これにより、燃料リーンか
ら燃料リッチへ切換わるときのスパイクノイズが除去さ
れる。

また、本発明の広帯１４Ｑｉ空燃比検出装置の他の実施
態様によれは、出力信号合成部は、入力部にレヘル調整
器を接続した反転加算器を有し、比較判定部の出力信号
および直流バイアス信号を用いて燃料リーンにあるとき
と燃料リッチにあるときとで異なるバイアス信号を生成
し、そのバイアス信号と限界電流式酸素検知部からの出
力信号とカス分解式水素検知部からの出力信号を前記反
転加算器により合成する。これにより、一元的な検知出
力を得ることができろ。

（実施例） 以下、実施例により詳細に説明する。

Ｎ）　　空燃比センサ 第１図は本発明の一実施例による広帯域空燃比センサの
基本的構成を示す斜視図、第２図は抵抗変化式酸素検知
部ｌの断面図、第３図は限界電流式酸素検知部２の断面
図、第４図はカス分解式水素検知部３の断面図である。

本発明の空燃比センサは、空気過ｉｌｌ串入＝１を検出
する抵抗変化式酸素センサ１と、燃料リーン傾城の空燃
比を検出する限界電流式酸素検知部２と、燃料リーン領
域の空燃比を検出するカス分解式水素検λ口部３が、１
つの多孔質アルミナ基板４上に、並列して一体的に構成
されている。

また、気孔率２〜４０％、細孔径０．０２〜１．２μｍ
ｎφの多孔質アルミナ基板４の一方の面に、各検知部１
．２．３を加熱するためのヒータが設けられている。そ
して、センサ全体は触媒を担持したポーラスなコーティ
ング層Ｉ２で覆われている。

以下、各検知部について説明する。

（ａ）　　抵抗変化式酸素検γ口部 抵抗変化式酸素険翔部ｌは、第１図および第２図に示す
ように、気孔率２〜４０％、細孔径０．０２〜１．２μ
ｍφの多孔質アルミナ（Ａｆ２０３）基板４上にλ＝１
を検出する材料として五酸化ニオブ（Ｎｂ２０ら）を用
いた酸化物半導体Ｎ５を杉成し、その上に対向電極６，
７を形成し成るものである。

これらの電極６．７はそれぞれ端子１５．１６に接続さ
れている。

多孔質アルミナ基板４の他の面にはＰｔヒータ１４が形
成されている。

そして、抵抗変化式酸素検知部ｌの表面には未燃成分の
付着を防止するためと、センサに到達する未燃成分と酸
素ガスが完全に燃焼反応を生じるように触媒を担持した
多孔質のコーティングＮ１９を設け、かつその触媒を担
持した多孔質のコーティングＩ’３＋９の膜厚と平均細
孔径の比が５０〜３０００の範囲となるように、それら
の膜厚および平均細孔径を選定する。また、多孔質のコ
ーティングｆｉ＋９に担持する触媒成分として、パラジ
ウム（Ｐｄ）。

ロジウム（Ｒｈ）、白金（Ｐｔ）のいずれか一種類、ま
′たはこれらの混合物が適当であり、その担持量は０．
００１〜５０ｗｔ、％の範囲が適当である。

この抵抗変化式酸素検知部ｌは、第５図の抵抗−空気過
剰率特性に示すように、ガス温度変動を受けず、入＝１
のところで抵抗が急変する特性を示す。

本実施例では、センサ材ＴＩとして酸化物半導体Ｎ　ｂ
２０　ａを用いたものを示したが、センサ［オす［とじ
ては他の酸化物半導体のＴｉＯ２，ＣｅＯ２，５ｎ０２
のいずれかの材料を用いてもよいが、膜厚としては０．
１〜３０μｍの範囲のものがよい。

なお、多孔質アルミナ基板４にも触媒を担持させること
により、この抵抗変化式酸素センサは多孔性の触媒担持
コーチインク層および触媒を担１，１した多孔質アルミ
ナ基板の両方から酸化遷化元されることになり、高速応
答が冴られる。

（Ｉ））　　限ｖｙ、電流式酸素検知部薄膜限界電流式
酸素検知部２は第１図および第３図に示すように、気孔
率２〜４０％　ＸＩ孔径０．０２〜１．２μｍφの多孔
質アルミナ基板４上に、カス透過性のよいｐｔからなる
第１電極（陰極）８．特定方向に結晶方泣配列した膜厚
０．１〜３０７１ｍの結晶性のよいＺ　ｒｏ　２＋Ｙ　
２０３からなる固体電解Ｍ９゜ガス透過性のよいｐｔか
らなる第２電極（陽極）ＩＯを順次積層してなるもので
ある。

多孔質アルミナ基板４の他の一面には検知部をを適切な
動作温度に加熱するためのｐｔからなるヒータ１４が形
成されている。

この限界電流式酸素検知部２において、多孔質アルミナ
括板４は供給される酸素ガスの律速を行う。

多孔質アルミナ基板４によって律速された酸素カスは固
体電解質と陰極８との界面にて酸素イオンに変換され、
Ｚ　ｒｏ　２＋　Ｙ　２０３からなる固体電解質９中を
イオン伝導し、陽極１０の界面にて酸素ガスに変換され
、放出される。

この限界電流式酸素検知部ｌの電圧−電流特性および酸
素濃度と出力電流との関係は、第６図（ａ）および（ｂ
）のようになる。

（Ｃ）　　カス分解式水素検知部 ガス分解式水素検）０部３は、限界電流式酸素検知部２
と路間し構成を有し、第１図および第４図に示すように
、気孔率２〜４０％、細孔径０．０２〜１゜２７１ｍφ
の多孔質アルミナ基板４上に、ガス透過性のよいｐｔか
らなる第２電極（陽極）Ｎ、特定方向に結晶方位配列し
た膜厚０．１〜３０７１ｍの結晶性のよいＺ　ｒｏ　２
＋Ｙ　２０３からなる固体電解質１２．ガス透過性のよ
いｐｔからなる第１電（ヂ（陰極）１３を順次積層して
なるものである。

多孔質アルミナ基板４の池の一面には検知部をを適切な
動作温度に加熱するためのＰしヒータ１１が形成されて
いる。

従来、限界電流式酸素センサては、ジルコニア電解質の
上下面に電極を１寸は、酸素ガスを律速する側の電極部
を陰極、他の一方の？’Ｉｉ題を陽極とし、一定の電圧
を印加し、出力ｊヒ流１面から酸素濃度を測定していた
。しかし、このような印加電圧状態で燃料リッチ雰囲気
にすると、酸素濃度に関係のない２流が流れ、酸素１度
に比例した出力電流値を謬り定てきなかった。そこで、
本発明者らは改のような考えをもとに、水素濃度を測定
するカス分解式水素センサを考え、燃料リッチ雰囲気の
水素ガス濃度（［１２濃度）を測定することを考えた。

ガス分解式水素センサの構成および（オ質は前述のとお
りてあり、限界電流式酸素センサと同じ構造を有する。

しかし、センサに印加する電圧の極性を逆転し・、酸素
カスを律速する側の電）型部ＩＩを陽極、他の一方の電
極１３を陰極として電圧を印加する。そうすると、酸素
ポンプ作用によって陰極１３から陽極１１へ酸素をくみ
だされる。一方、陽極側へはリッチ雰囲気のため多孔質
アルミナ基板をガス拡散律速に基づき可燃性カス（Ｉｆ
２）が拡散してくる。その可燃性ガス（Ｈ２）と陰極１
３から陽極＋１へくみ出された酸素とが反応し、それに
よって酸素分圧が下がる。陽極１１と陰極１３との間に
は酸素１度の違いが生し、陽極１１の方が低い酸素濃度
になる。その結果、陽極１１と陰極１３の間には約−１
■の起電力が発生する。そして、負の印加電圧を増大し
てやると、それに対応して陰極上に到達したＩＦ　Ｚ中
（７）Ｈ２Ｏ、Ｃ０２，ＣＯ等ノカス成分は、ＰＬの触
媒作用によってｐｔ電極とＺ　ｒｏ２賀解質の界面近傍
にて下記のような７ａ　％　ｌヒ学分解反応を生じる。

Ｃ０２→ＣＯ＋−０２ Ｈ２Ｏ→　Ｈ２＋　　０２ ＣＯ→　Ｃ＋　−０２ 発生した酸素ガスは陰Ｆｉ！＋３で酸素イオンとなり、
固体電解質層１２中をイオン伝導し、陽極１１で酸素ガ
スに戻る。ところが、燃料リッチ領域であろため、可燃
性ガス成分、すなわち＋１２．　Ｃｏ、　ＨＣ等が多い
。よって、陽極１１またはその近傍においてＨ２，ＣＯ
，ＨＣ等の可燃性ガスと下記のようにカス反応を生じて
、酸素カスは消耗される。

ＣＯ＋０２→２ＣＯ２ Ｈ２＋０２→−Ｈ２Ｏ このようにして、陽極１１て発生する酸素ガス濃度は、
両極に印加された電圧と平ｉφ１し、常に陰極１３より
低く維持される。

このことを言い換えると、多孔？Ｔアルミナ基（反４中
を拡散によって陽極１】に到達する可燃性ガス量が酸素
と化学量論比を保つように、陽極１１て発生する酸素量
を維持するように作用する。

ところで、可燃性ガス中にはＮ２．　Ｃｏ、　ｌ（Ｃ等
のガス成分が混在している。上記カスが多孔質アルミナ
堰板ｌｌ中を拡散する場合、各々のガスの拡散の違いが
センサ特性を支配するようになる。

可燃性カスの中で拡散速度の速いカス成分はＮ２である
。

しかし、非常に燃料リッチの状態では燃焼しにくいＩ（
Ｃ成分か多くなり、燃焼しゃすいＮ２成分は非常に少な
い状態か生しる。このような場合には不完全燃焼状態を
生じやすい。不完全燃焼状態の中で陰極１３を露出して
いると、陰極部近傍においてＨＣの分解反応が生し、陰
極１３とＺ「０２の固体電解質Ｎ１２とのＷ部近傍にＣ
（炭素）が析出し、界面抵抗を増大させ、センサ特性を
急速に悪化させることがある。

そこで本ガス分解式水素検知部では、直接に陰（基１３
上に不完全状態の排カスが接触しないように、陰極１３
上に多孔質のコーティング層１９によって保護しである
。そして、その多孔質コーティング層１９中には、Ｐｔ
、、　Ｐｄ、　Ｒｈ等の触媒を単独または混合物の形で
添加、担持させである。従って、センサ表面に到達した
Ｃｏ、ＩＣ等のカス成分は多孔質コーティングＦＡ１９
上の触媒で分解反応し、その分解反応したＣ（炭素）成
分は陰極１３表面上までは到達しないようにしである。

第７図ないし第９図に、Ｎ２−０２−Ｎ２．Ｃ０−０２
−Ｎ２．Ｃ２Ｈ４−０２−Ｎ２系ガスにおいて、０２濃
度一定にして可燃性ガスａ度を変えながら電流−電圧特
性を調べた結果、および、印加電圧を−０，ＴＶの一定
条件として各ガス潤度と出力電流特性を調べた結果を示
した。

第１０図には限界電流式酸素検知部２とガス分解式水素
検知部３を組合ねす、リッチ領域からり−ン領域におけ
る出力ＴＬ流−空電過剰率特性を示す。

リッチおよびリーンのそれぞれの領域で比較的直線性よ
く空気過剰率を測定できろことがわかる。

従って、後述のように空燃比検出装置に用いる場合、そ
れぞれの検知部の出力をゲインの調整を行って合成する
ことにより、広範囲にわたって精度のよい空燃比の検出
が可能となる。

また、第１１図には本広帯域空燃比センサのＨｚ＋ＣＯ
、１−Ｃ４）Ｉ　１０．０２カスに対する応答特性（５
０％応答）を示す。

（ＩＩＪ）　　空燃比検出装置 第１２図は、以上において詳述した空燃比センサと、そ
のセンサを駆動し、その検知出力を処理する回路とから
なる本発明の空燃比検出装置の一実施例を示すものであ
る。

本実施例の空燃比検出装置は、限界電流式酸素検知部２
１．ガス分解式水素検知部２２および抵抗変１ヒ式酸素
検知部２３を面述のように一体化して構成したセンサ部
２４と、限界電流式酸素検知部２！に印加するための電
圧を発生する限界電流測定用電圧源２５と、ガス分解式
水素検知部２２に印加する電圧源２６と、限界ｒｔ、流
式酸素検知部２１に流れる電流を測定する電流検出部２
７と、ガス分解式水素検知部２２に流れる電流を検出す
る電流検出部２８と、抵抗変化式酸素検知部２３の抵抗
を検出する抵抗検出部２９と、その抵抗検出部２９の出
力を基準抵抗３０の値と比較器３１で比較して燃料リッ
チであるか燃料リーンであるかのｆ１１定をする比較ギ
１１定部３２と、比較Ｉ’ｌｌ定部３２が燃料リッチか
らｉ＝　’Ｆ↓リーンに変化したことを判定したときに
は、そのｆ１１定に応してその変化時点から一定時間後
に限界電流式酸素検知部２１を作動状態に切り換え、比
較判定部３２が燃料リーンから燃料リッチに変化したこ
とを判定したときには、その判定に応じて七ＲＦｊ電流
式酸素検知部２１を不作動状態に切り換え；５切換制御
部３３と、限界電流式酸素検知部２１の出力１８号、抵
抗変化式酸素検知部２３の出力信号、およびカス分解式
水素検知部２２の出力信号を合成し、その出力信号がら
空燃比を表わす信号を生成する出力１８号合成部：３４
と、その出力を表示する表示計３５とから成っている。

切換制御部３３は、限界電流測定用電圧ｆＩ２５と限界
電流式酸素検知部２１との接続を０Ｎ−ＯＦＦするリレ
ー回路３３１と、ガス分解式水素検知部用型・圧ｇ２６
とガス分解式水素検知部２２との接続をＯＮ−０ＦＦす
るリレー回路３３２と、比較判定部３２の出力に一定の
時間遅延を与えてリレー回路３３１ヘリーン…り駆動制
御信号として出力するリーン側遅延回路３３３と、比較
判定部３２の出力に一定の時間遅延を与えてリレー回路
３３２ヘリッチ側駆動制御信号として出力するリッチ側
遅延回路３３４から成っている。

出力信号合成部３４は、入力部にレベル調整器であるポ
テンショメータ３４１．３４２．３４３．３４４を接続
した反転加重器３４６を有し、Ｎ流検出部２７および２
８の出力信号、前記比較判定部３２の出力信号および負
の直流バイアス電源３４７からの直流バイアス信号を人
力して合成するものである。

なお、比較判定部３２からの信号は、波形整形回路３４
５により波形整形して反転加算器３４６に入力される。

以下、本実施例の特徴について、その実験的根拠等とと
もに、詳細に説明する。

（ａ）　　両検知部の駆動の切換え 本発明のセンサのうち、限界電流式酸素検知部２１の空
気過剰率λに対する電流の関係を第１３図に示す。図よ
り明らかなように、入が１より大きい領域（リーン燃料
領域）では入とＴｒＬ流が対応するよい特性が得られて
いる。

しかし、λが１より小さい領域（リッチ燃料領域）では
、入に関係なく大きな電流が流れている。

従って、電流を測定して入を求めようとすると、同一の
ｆｉ流に対する大の値が２つ存在する。このような特性
を二価函数特性という。二〇二価函数特性は、センサに
とってすこぶる不都合な特性である。

また、ガス分解式水素検知部２２はλが１より小さい領
域（リッチ燃料領域）で入と検出ｆｆｉ流か対応するよ
い特性が得られる。

本発明において、それぞれの特性のよい部分のみを選択
的に使用する。そのため、燃料リーン雰囲気か燃料リー
ン雰囲気かを抵抗変化式酸素検知部２３て判定し、限界
電流式酸素検知部２１およびカス分解式水素検知部２２
を駆動するそれぞれの電圧を切り換える。本実施例にお
いては、その切り換えは切換制御部３３を設けることに
よって行なっている。

第１４図には、酸化物半導体を用いた抵抗変化式酸素検
知部２３の特性の一例を示す。図より明らかなように、
入＝１の点で抵抗が急変する特性である。この抵抗を抵
抗検出部２９により検出し、これを比較器３１で基準抵
抗３０（例えば１０６Ω）と比較することにより、リー
ンとリッチの判定を行なうことができろ。

そして、リーンと判定したときは限界電流式酸素検知部
２１へ電圧を印加し、それを作動状態とする。他方、リ
ッチと判定したときにはガス分解式水素検知部２２に電
圧を印加し、それを作動状態とする。その結果、前述の
二価函数となる部分は使用されない。リレー回路３３１
．３３２はその電圧の印加を行うものである。

抵抗変化式酸素検知部２３の動作は早い必要がある。そ
の場合、リッチからリーンへ切換ねった部分から一定時
間はデイレイタイム（実施例ではデイレイタイム３００
ｍ５ｅｃに設定）をかけて、リレー回路が通電状態にな
るタイミングを遅らせるようにする必要がある。そのた
めに設けたのが、第１２図の実施例のリーン側遅延回路
３３３およびリッチ側遅延回路３３２である。即ち、限
界ＴＬ流式酸素検知部２１はリーンｆｕｌｌのみて動作
させ、またガス分解式水素検知部２２はリッチ側のみて
動作させるために切り換えを１テう際に、上記各遅延回
路３：３：３．３：３２によりリレー回路の動作を遅ら
せることにより、リッチからリーンおよびリーンからリ
ッチへの切り換え時にスパイク的ノイズを生じない。１
足って、本実施例では極めて良好な空燃比検出が可能に
なった。

（ｂ）　　両検知部出力信号の合成 出力信号合成部３４の反転加算器３４６のところにおけ
ろ目ざす出力特性を第１５図に示す。図より明らかなよ
うに、リッチ側ではＩＶより大きく、連続的に大きくな
る出力となり、λ＝１の点て急にＶｌまで低下し、リー
ン側では連続的に低くなり、λ＝凶で出力が零になるの
である。このような出力が正および負にまたがらない一
元的な出力な出すために出力信号合成部３４を第１２図
のように構成した。

この出力信号台ｈｋ部３４について説明する。電流検出
部２７および２８て検出電流に対応した出力電圧に変換
し、ポテンショメータＰｉおよびＰ４によって比例係数
を乗して、これらを加算合成すると第１６図の実線で示
したように、入〉ｌのリーン領域では入に比例した正の
電圧となり、入〈ｌのリッチ領域では入に比例した負の
電圧となる。そして、この信号だけを反転加算器３４６
を通したとすれは、第１６図の破線で示したものになる
。このように入の値によって出力電圧が正と負の２つの
極性にまたがるのは、その出力の利用上不便であるので
、比較判定部３２の出力を利用して以下のように１つの
極性を持つ出力に変換される。

比較器３１の出力を波形整形回路３４５を通して整形す
る。その内容は、リッチ領域では負の一定電圧、リーン
領域ではゼロにするのである。それをポテンショメータ
Ｐ２を用いて比例係数を乗すると、第１７図の実線で示
したものになる。そして、この信号だけを反転加算器３
４Ｇを通したとすれば、第１７図の破線で示すようにな
る。

次に、電圧Ｊｉｉ３４７からの負の一定電圧をポテンシ
ョメータＰ３に印加して、第１８図の実線の信号とする
。この信号だけを反転加算器３４６を通せは、第１８図
の破線の信号となる。

実際には、上記の３つの実線の信号が反転加算Ｈｙ３４
ａで加′Ｊｒ−シ反転処理されるので、３つの破線の（
８号が加算されたものが反転加算器３４Ｇの出力に得ら
れろ。その結果、第１６図に示した出力になる。

（ｃ）　　合成信号の直線化 第１０図に示した如く、センサから冴られろ電流は空気
過剰事大が１より大きい領域では入に刻する勾配が小さ
く、入が１より小さい領域では勾配が大きくなっている
。そして、内領域とも正確には直線関係になっていない
。このままでは、空気過剰率の測定に誤差を生ずる要因
となりやすい。

そこで、測定精度の向上を望む場合にはリニアライブ３
４８を設けるのがよい。本実施例の場合、反転加算器３
４６の次段にリニアライザ３４８を接続した。

リニアライザ３４８は、第２０図に示すような特性とす
ればよい。第２１図にはりニアライザ３４８を用いて直
線化をした結果の特性を示す。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の空燃比センサの外観図、第２図は第１
図に示した抵抗変化式酸素検知部の断面図、第３図は限
界電流式酸素検知部の断面図、第４図はガス分解式水素
検知部の断面図、第５図は入＝ｌセンサの抵抗Ｒと空気
過剰率λの関係を示す特性図、第６図（ａ）は限界ｉｔ
流式酸素検知の゛電流−電圧特性、同図（ｂ）は電流−
酸素濃度特性をそれぞれ示す図、第７図（ａ）はガス分
解水素センサのＴＬ流−電圧特性、同図（ｂ）は電流−
水素濃度特性をそれぞれ示す図、第８図（ａ）はガス分
解式水素センサの電流−電圧特性、同図（ｂ）は？ｌｉ
流−ＣＯ譲度濃度をそれぞれ示す図、第９図（ａ）はガ
ス分解式水素センサの電流−電圧特性、同図（ｂ）は電
流−Ｃ２ＩＩ４訓度特性、第１０図は限界電流式酸素検
知部およびカス分解式水素検知部を組合わせた場合の電
流−空気過剰率特性、第１１図は本空燃比センサの０２
＋　ＣＯ＋　！−Ｃ４Ｈｚ。、０２ガスに対する応答特
性図、第１２図は本発明の空燃比検出装置の実施例のブ
ロック図、第１３図は限界電流式酸素検知部の出力電流
−空気過！Ｐ、ＩＩ率特性図、第１４図は抵抗変化式酸
素検知部の抵抗−空気過剰率特性図、第１５図は目標と
する出力合成特性図、第１１ｊ図は限界電流式酸素検知
部からの出力信号とカス分解式水素検知部からの出力信
号の合成信号と空電過φｑ率の関係を示す図、第１７図
は抵抗変化式ｙ１素検知部からの出力の判定出力信号と
空気過剰率の関係を示す図、第１８図はバイアス電圧と
空気過剰率の関係を示す図、第１９図はりニアライザの
特性図、第２０図はりニアライザを用いて直線化した結
果の総合特性を示す図である。 ｌ・・・抵抗変化式酸素検知部、２・・・限界電流式酸
素検知部、３・・・ガス分解式水泰検知部、４・・・多
孔質アルミナ基板、５・・・酸化物半導体層、６．７・
・・対向電極、８・・・ＴＲＩ乏’？、！電流式酸素検
知部の第１電極（陰極＞、９．１２・・・固体電解質層
、１０・・・限界電流式酸素検知部の第２Ｍ、極（陰極
）、１１・・・ガス分解式水素検知部の第２電極（陽極
）、１３・・・カス分解式水素検知部の第１電極（陰極
）、１４・・・ヒータ、＋５．１６．！７．１８・・・
端子、１９争・・コーティング層。 特許出願人　　株式会社豊田中央研究所第１図 ４　・多ＪＬ美アルミナ茅４反　　　５　痘化物午導体
１６．７　・対句電極 ８・　ＰＬ、Ｗ−電流式白２木校知部つ第１電躬＞（ｐ
食極ン９．１２旧俸電解賃層 １０　　ル狂電Ａヌ＼、０タ宸キ鉗知奢シ第２屯旭と（
陽射かン１１−力゛ス分解式２に束」女→す軒つ′ｆｊ
２電、捲　（↑る極）１３　　力゛ス分解式水東検知紳
つ第１電極（遠絵）１４　・ヒータ　　　　１５．１６
，１乙旧　　補正　　　１９　−フーテ、ンク゛奮第２
図 １９　・角弧媒オ旦オキ多】し賃コーティング普第３図 Ｑ 第４図 １ス 第５図 を罠過刺常λ ！３′ぺ負 第７図 （ｂ）Ｈ２償攬（％） 第８図 ｔ、Ｌ　（ＶＩ ＣＯ渫＆（％） 第９図 Ｃ２Ｈ４１１度ｃ％） 第１０図 第１１図 混今比 第１３図 ０．５　　　　　　　　　　　　　＋、０　　　　　　
　　　　　１．５　　　　　　　　　　　２．０空気道
剥宇λ 第１４図 空１■ｊ宇λ 第１５図 空入１！！創雫λ 第１９図 電几□ ケ悠比（ＡＦｌ　−

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. （１）多孔質アルミナ基板と、 その多孔質アルミナ基板の上に、ガス透過性のよい第１
   電極層、固体電解質層、およびガス透過性のよい第２電
   極層を順次積層し、燃料リーン領域の空燃比を検出する
   ための限界電流式酸素検知部と、 前記多孔質アルミナ基板の上に、酸化物半導体材料の層
   および１対の対向電極を形成して構成した空気過剰率λ
   ＝１を検出するための抵抗変化式酸素検知部と、 前記多孔質アルミナ基板の上に、ガス透過性のよい第２
   電極層、固体電解質層、およびガス透過性のよい第１電
   極層を順次積層して構成した、燃料リッチ領域の空燃比
   を検出するためのガス分解式水素検知部と、 前記各検知部を加熱するための検知部加熱ヒータと を設けてなる広帯域空燃比センサ。
2. （２）多孔質アルミナ基板と、その多孔質アルミナ基板
   の上に、ガス透過性のよい第１電極層、固体電解質層、
   およびガス透過性のよい第２電極層を順次積層して構成
   した、燃料リーン領域の空燃比を検出するための限界電
   流式酸素検知部と、前記多孔質アルミナ基板の上に酸化
   物半導体材料の層および１対の対向電極を形成して構成
   した空気過剰率λ：１を検出するための抵抗変化式酸素
   検知部と、前記多孔質アルミナ基板の上にガス透過性の
   よい第２電極層、固体電解質層、およびガス透過性のよ
   い第１電極層を順次積層して構成した燃料リッチ領域の
   空燃比を検出するためのガス分解式水素検知部と、前記
   各検知部を加熱するための検知部加熱ヒータとを設けて
   なる広帯域空燃比センサを用いた広帯域空燃比検出装置
   において、前記抵抗変化式酸素検知部からの出力を基準
   値と比較して燃料リーンであるか燃料リッチであるかを
   判定する比較判定部と、 比較判定部が燃料リッチから燃料リーンに変化したこと
   を判定したときには、限界電流式酸素検知部を作動状態
   に切り換えるとともに、ガス分解式水素検知部を不作動
   状態に切り換え、比較判定部が燃料リーンから燃料リッ
   チに変化したことを判定したときには、限界電流式酸素
   検知部を不作動状態に切り換えるとともに、ガス分解式
   水素検知部を作動状態に切り換える切換制御部と、限界
   電流式酸素検知部からの出力信号とガス分解式水素検知
   部からの出力信号を合成し、空燃比を表わす信号を生成
   する出力信号合成部と を備えたことを特徴とする広帯域空燃比検出装置。
3. （３）比較判定部の基準値を高めに設定することにより
   、燃料リーンから燃料リッチへ切換される際の判定を早
   めに行なうように構成したことを特徴とする特許請求の
   範囲第（２）項記載の空燃比検出装置。
4. （４）出力信号合成部は、入力部にレベル調整器を接続
   した反転加算器を有し、比較判定部の出力信号および直
   流バイアス信号を用いて燃料リーンにあるときと燃料リ
   ッチにあるときとで異なるバイアス信号を生成し、その
   バイアス信号と限界電流式酸素検知部からの出力信号と
   ガス分解式水素検知部からの出力信号を前記反転加算器
   により合成することにより、一元的な検知出力を得るこ
   とを特徴とする特許請求の範囲第（２）項記載の広帯域
   空燃比検出装置。