JPH0113530B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

本発明は酸素イオン導電性固体電解質を用いた
酸素濃淡電池によりガス中の酸素濃度を検出する
酸素濃度検出器に関するものである。 従来、酸素イオン導電性固体電解質を用い、酸
素濃淡電池の原理により内燃機関等より排出され
る排気ガス中の酸素濃度を測定する酸素濃度検出
器が知られており、この酸素濃度検出器は例えば
固体電解質としてイツトリア添加ジルコニア磁器
を用い、電極として白金を用いたものが一般的で
ある。この酸素濃度検出器は空気過剰率λを1.0
に制御するのに通常用いられているが、燃料効率
の良い空気過剰率λが1.0よりも空気の多いリー
ンバーン領域あるいは出力効率の高い空気過剰率
λが1.0よりも空気の少いリツチバーン領域で使
用するためには空気過剰率λを1.0以外に制御す
る必要があり、このために酸素濃淡電池の起電力
および温度を正確に測定する必要がある。そして
温度と起電力を同時に測定できる酸素濃度検出器
としては、例えば第１図に示すように内面および
外面に電極５，４を有する有底筒状の固体電解質
１の筒内に温度検知素子２を挿入し、その温度検
知素子２により固体電解質１の温度を測定するも
の、あるいは有底筒状電解質１内にコイル状発熱
線３を挿入しこれにより固体電解質１を加熱する
もの、さらには固体電解質１の円筒内に温度検知
素子２およびコイル状発熱線３の両方を挿入し固
体電解質１を加熱すると同時に温度を検知するも
の等が知られているが、内燃機関の排ガスに曝さ
れた固体電解質の温度は全体に均一でないので一
点のみの測定で固体電解質の温度を正確に検出す
ることはできず、また排ガスの温度が変化した場
合にあつては固体電解質の温度変化に対して温度
検知素子の出力に時間遅れが生じ、固体電解質の
温度を正確に測定することはできない。また、こ
れらの酸素濃度検出器は低温度では白金の触媒能
が低下し、固体電解質自体の電気抵抗も大きく、
酸素濃度検出器としてのインピーダンスが高くな
りノイズ等の影響を受け易く、さらに応答速度も
遅くなり、さらに構造が複雑になる等の多くの欠
点があり実用性に乏しいものであつた。 また酸素濃淡電池に直流電流を流し起電力の急
変する空気過剰率λを1.0以下の値にずらす方法
も提案されているが、低温度では分極が過大とな
り且つ温度によるλの変動が大きいため正確な測
定ができない欠点があつた。 本発明は、従来このような欠点をことごとく解
消するとともに、長期間の使用においても安定し
て空気過剰率λを制御でき、しかも低温において
も応答性の良い酸素濃度検出器を提供するもので
あり、酸素イオン導電性固体電解質と、該固体電
解質に接して設けられた電極と、前記電極のうち
少なくとも一対の電極間に、前記固体電解質を高
温に加熱するに十分な、かつ、交流成分の分極が
主として固体電解質の分極よりなる周波数の交流
電流を流す交流電流供給手段と、前記電極のうち
少なくとも一対の電極間に直流電流を流す直流電
流供給手段と、前記電極のうち少なくとも一対の
電極間の起電力を検出する直流電圧検出手段とを
有することを特徴とする酸素濃度検出器である。 本発明を詳しく説明する。 第２図は本発明の酸素濃度検出器の原理を具体
例に基づいて説明する説明図であり、有底筒状の
固体電解質１の外面に被測定ガス電極４と内面に
基準電極５を設け被測定ガス電極４上を多孔質の
拡散層６で覆い、被測定ガス電極４と基準電極５
の間に、交流電流供給手段として交流成分の分極
が主として固体電解質の分極よりなる周波数の交
流電源７を直流成分阻止用コンデンサ８、電流検
出用抵抗９、電流制限用抵抗１０を介して接続
し、さらに、両電極４，５間に直流電源１１およ
び直流電圧検出器１２を並列に接続し、固体電解
質１に交流電流を通電して自己加熱するとともに
直流電流の通電によるいわゆる酸素ポンプにより
被測定ガス電極４側の酸素濃度を制御し電極間の
端子電圧の急変する空気過剰率λを制御する酸素
濃度検出器である。 すなわち、交流電圧の印加による固体電解質１
の自己発熱について説明すると、内燃機関の排ガ
ス中の酸素濃度を測定する酸素濃度検出器は、高
温に耐え、且つ低温度でも早い応答速度を示すこ
とが要求されるため、その被測定ガス側の電極４
には触媒能が大きく融点が高い例えば白金族の金
属が用いられる。この酸素濃淡電池の等価回路は
第３図のように表され、R₁は電極４と固体電解
質の界面における分極抵抗、C₁は電極４と固体
電解質の界面の分極に起因する静電容量、R₂は
固体電解質の結晶粒界の抵抗、C₂は固体電解質
の結晶粒界の静電容量、R₃は固体電解質の結晶
粒子内の抵抗である。このような等価回路で表さ
れる酸素濃淡電池のインピーダンスの周波数特性
は複素インピーダンスＺ＝Z′＋jZ″の表示では第
４図に示すように２つの円弧の連なつた形とな
り、Ａ点の値は第３図のR₁＋R₂＋R₃に、Ｂ点は
R₂＋R₃に、Ｃ点はR₃の値にそれぞれ相当する。
また、Ａ点からＢ点までの酸素濃淡電池の分極は
主として、R₁、C₁に基くものであり、Ｂ点から
Ｃ点までは主として、R₂、R₃、C₂に基くもので
ある。各点と周波数の関係はＡ点では直流であ
り、円弧上をＢ点に向うに従い周波数が高くなり
次の円弧上をＣ点に向うに従い周波数がさらに高
くなる。 そして固体電解質の自己発熱のための交流電圧
の周波数は、交流成分の分極が主として固体電解
質の分極よりなる周波数すなわちＢ点からＣ点の
範囲の周波数であることが大切である。この理由
はＡ点からＢ点の範囲では電極の付着状態および
長期間の使用に対してインピーダンスが大巾に変
動し加熱に必要な電力を安定に加えることが困難
であるばかりでなく、インピーダンスの絶対値も
Ｂ点からＣ点の場合に比べ10倍程度と大きく、交
流電圧の値を大きくしないと電力を供給しにく
く、電圧を上げることによる弊害例えばリード線
からの誘導障害電極への悪影響等が生ずる。さら
にこのＡ点からＢ点の範囲の周波数では電極と固
体電解質の界面に電圧が大きくかかるので電極の
剥離、固体電解質の変質を生ずるばかりでなく、
両極の分極特性の非直線性により直流成分の片寄
りを生じ、酸素濃淡電池の直流起電力に重なり酸
素濃度を正確に検出できないためである。 一方、Ｂ点からＣ点の範囲の周波数の交流電圧
を通電した場合はその電流が固体電解質を加熱す
るに十分に大きな値であつても電極剥離、固体電
解質の変質は生ぜず、また直流成分の片寄りもな
いものである。それはＢ点より高い周波数の交流
電圧を印加した場合、分極の大部分はR₂、C₂、
R₃に相当する固体電解質内部に加わるが、固体
電解質の内部では分極が固体電解質の厚み方向に
均一に分散されるため通電による劣化は起りにく
く、一方通常劣化が起るR₁、C₁に相当する電極
と固体電解質の界面ではほとんど分極が起らず界
面への影響がないためである。さらにＢ点からＣ
点の範囲ではインピーダンスが固体電解質そのも
のの特性によつて定まるため、電極の付着状態、
長期間の使用における変化等の影響を受けること
が少く、この範囲の周波数の交流電圧を印加した
場合直流抵抗に比べて数分の一から数十分の一の
低くて安定な値となるため、比較的低い印加電圧
で固体電解質を安定に加熱することができるもの
である。すなわち通常R₁の値は温度が低くなる
と共にR₂、R₃に比べて急激に高くなり、このた
めに酸素濃度検出器の作動温度の下限が制約され
るが、本発明ではR₁の影響を小さくする手段と
して酸素濃淡電池交流成分の分極が主として固体
電解質の分極よりなる周波数すなわちＢ点からＣ
点の範囲の周波数の交流電圧を印加することによ
り、R₁の値に無関係に固体電解質の分極に起因
するものであり、交流成分の分極が主として固体
電解質の分極よりなる周波数の範囲であつても、
望ましくはＣ点近傍の周波数で加熱するのが良
い。 なおＢ点およびＣ点近傍の周波数は固体電解質
の組成、温度、形状、電極の形状等で異なり一定
ではないが、例えばZrO₂95モル％、Y₂O₃5モル
％よりなる混合物100部に対し粘土３部を加えた
先端部の外径3.5mm、有効長さ10mm、厚さ0.75mm
一端閉の磁器の内外面に白金電極を付けた第２図
のような有底筒状形の場合では350℃においてＢ
点は10Hz、Ｃ点はおよそ50KHz以上である。 次に直流電流の通電にともなう一方の電極側の
酸素濃度の制御について説明すれば、第２図にお
いて直流電流供給手段としての直流電源１１によ
り電極４，５間に直流電流を基準電極５から被測
定ガス電極４へ流すと、拡散層６と被測定ガス電
極４との界面の酸素濃度が酸素ポンプの作用によ
り制御される。即ち排ガス中の酸素は拡散層６中
を拡散層６の両側の酸素濃度差に比例した一定の
拡散速度で被測定ガス電極４に向つて拡散し、被
測定ガス電極４と固体電解質１の界面で O₂＋4e→2O^-- の反応により酸素イオンとなり固体電解質１内を
移動し、基準電極５に達し再び酸素ガスとして放
出される。従つて排ガス中の酸素濃度をCo、被
測定ガス電極に流れる直流電流の電流密度をＩ、
被測定ガス電極４と固体電解質１の界面の酸素濃
度をCeとすれば、CoとCeの関係は式Ce＝Co−
KI／nFで表わされる。ここでＫは拡散層６の酸
素ガスに対する拡散抵抗を表わす係数であり、ｎ
は電極反応における電荷数４であり、Ｆはフアラ
デー定数である。酸素濃淡電池の原理を用いた酸
素濃度検出器では、その起電力はネルンストの式
から明らかな様に被測定ガス電極と固体電解質の
界面の酸素濃度Ceが０に近い雰囲気でわずかの
酸素過剰または燃料過剰に対し急激な変化を示す
ので、上式においてKI／nFがCoに等しくなる様
にＫおよびＩを選べば任意の排ガス中の酸素濃度
CoでCeを０とすることができ酸素濃淡電池の起
電力が急変することになる。従つて、空気過剰率
λが1.0以外の排ガス中の酸素濃度を精度良く、
且つ簡単に検出できるものである。 本発明の更に望ましい実施態様として第２図に
示すように交流インピーダンス検出手段として固
体電解質１に流れる電流を電流検出用抵抗９およ
び交流電圧検出器１３により測定し、固体電解質
１のインピーダンスを求め、固体電解質１の温度
を測定することができる。以下にインピーダンス
の検出について説明する。 酸素濃淡電池の複素インピーダンス特性は固体
電解質の温度によつて変化し、温度が高くなるに
従い第４図のＡ点、Ｂ点、Ｃ点の値が小さくな
り、Ｂ点、Ｃ点近傍の周波数は高くなる。ここで
固体電解質に或る固定された周波数の交流を印加
した場合の温度とインピーダンスの関係は第５図
に示すようになり、固体電解質のインピーダンス
を測定すれば温度が求まる。第５図で曲線Ｅは、
T₂の温度で第４図のＢ点となる周波数の交流電
圧を印加通電して測定したもので、曲線ＦはT₃
の温度でＣ点近傍の周波数の交流電圧を印加通電
して測定したものである。本発明ではインピーダ
ンス測定に使用する周波数も加熱の場合と同様交
流成分の分極が主として固体電解質の分極よりな
る周波数、すなわちＢ点からＣ点の範囲の周波数
に限定しているが、その理由は第５図の曲線Ｅの
場合温度T₂からT₃に上昇するとインピーダンス
は第４図のＢ点からＡ点に向うようになり、この
範囲ではそのインピーダンスは電極と固体電解質
の界面の性状、電極の付与条件等に大きく影響を
受け、また長期間の使用に対して極めて不安定で
あるためである。 なお交流成分の分極が主として固体電解質の分
極よりなる周波数の範囲即ちＢ点からＣ点の範囲
の周波数では固体電解質の結晶および結晶粒界に
変化が起らない限りインピーダンスは変化しない
ので、長期間の使用に対してもそのインピーダン
スはすこぶる安定で、更に望ましくはＣ点近傍の
周波数即ちインピーダンスが固体電解質の結晶の
みにより定まる周波数が良い。このことは第６図
よりも明らかとところである。すなわち、第６図
は自動車の走行距離に対する酸素濃度検出器の
400℃におけるインピーダンスの変化率を示すも
ので、曲線ＧはＡ点の直流で測定したもの、曲線
ＨはＡ点からＢ点の円弧のほぼ中央の点の周波数
で測定したもの、曲線ＪはＢ点近傍の周波数で測
定したもの、曲線ＫはＣ点近傍の周波数で測定し
たものである。交流成分の分極が主として固体電
解質の分極よりなる周波数の曲線Ｊ，Ｋの変化は
長期の使用に対して非常に安定している。 また本発明によると固体電解質のインピーダン
スより固体電解質の温度を求めるので、時間遅れ
もなく実質的な温度を正確に求めることができ
る。 そして本発明は交流電圧を印加することにより
固体電解質を加熱した状態で直流電流を流すの
で、排ガス温度が低温度であつても直流電流によ
る酸素濃淡電池の分極は極めて小さく酸素濃淡電
池の起電力の大きさに対して無視することができ
るものである。即ち、第７図〜第１０図は排ガス
温度が約450℃ときの酸素濃淡電池の端子電圧に
ついての説明図であり、第７図および第８図は従
来の加熱なしの酸素濃淡電池の電流・電圧曲線及
び空気過剰率・電圧曲線であり、第９図および第
１０図は本発明の交流電圧印加により自己加熱さ
れている酸素濃淡電池の電流・電圧曲線及び空気
過剰率・電圧曲線である。そして第７図および第
９図は直流電流と酸素濃淡電池の端子電圧の関係
を排ガス中の酸素濃度が１％、２％、３％、４％
のときそれぞれ曲線Ｌ，Ｍ，Ｎ，ＯおよびL′，
M′，N′，O′で表したもので、また第８図および
第１０図は空気過剰率λと酸素濃淡電池の端子電
圧（Ｖ）の関係を直流電流が１ｍＡ、２ｍＡ、３
ｍＡ、４ｍＡのときそれぞれ曲線Ｐ，Ｑ，Ｒ，Ｔ
およびP′，Q′，R′，T′で表したものである。な
おλが1.1の時の排ガス中の酸素濃度は約２％に
相当し、λが1.2では約４％に相当する。第７図
および第９図より明らかなように酸素濃淡電池の
端子電圧は直流電流を増加していくとある値でス
テツプ状に増加し、このステツプ状の増加分（第
７図および第９図ではＳで表してある）は加熱の
有無にかかわらず約1Vで、ほぼ酸素濃淡電池の
起電力に相当する。そして、端子電圧がステツプ
状に変化する直流電流値は排ガス中の酸素濃度と
拡散層の構造によつて定まり、この例では酸素濃
度が２％のときすなわち曲線Ｍ，M′の端子電圧
がステツプ状に変化する直流電流値は２ｍＡであ
る。そして第７図の従来の加熱のない酸素濃度検
出器ではこのステツプ状の変化即ちＳが約1Vで
あるのに対し、酸素濃淡電池を流れる直流電流に
よる分極Ｄの値が数Ｖ〜数十Ｖと大きく、且つこ
の値は排ガス温度により大巾に変化するので酸素
濃淡電池の起電力によるステツプ状の変化Ｓと直
流電流による分極Ｄの合量である端子電圧からλ
を検出する事は困難であり、またこの様な大きな
分極が起る使用条件では電極の剥離、固体電解質
の変質が発生し、長期の使用に耐えないものであ
つた。これに対し本発明の加熱を行なつた第９図
の酸素濃度検出器ではＳは約1Vとほぼ従来と同
じであるが、酸素濃淡電池を流れる直流電流によ
る分極Ｄは僅か0.2〜0.3Vで排ガス温度の影響を
殆んど受けず、起電力分のＳの大きさに対し無視
できる。また直流電流の通電による電極および固
体電解質への影響もない。このため空気過剰率λ
に対する端子電圧の特性でも本発明の加熱を行な
う酸素濃度検出器は第１０図に示す様に端子電圧
のステツプ状の変化は約0.3Vから約1Vの範囲で
起つており、例えば端子電圧0.6Vを基準値とし
て空気過剰率λを精度よく容易に制御できる。 なお第２図における電流制限用抵抗１０は酸素
濃淡電池に過大な電流が流れることを防止し、か
つ加熱の必要のない高温度では酸素濃淡電池に加
えられる電力を小さくする作用がある。また第１
１図の曲線Ｕは第２図に示す酸素濃度検出器の被
測定ガスの温度と固体電解質１に加わる電力との
関係を示す図であるが、この関係が負特性の領域
で固体電解質自体に温度制御性を持たせることに
なり、被測定ガスの温度変化による起電力の変化
を小さくできるばかりでなく、拡散層６の拡散速
度の変化も極めて小さく抑えることができ酸素濃
度検出器の精度は向上する。なお第２図の電流制
限用抵抗１０はコンデンサでもコイルでも良く、
またインピーダンス検出のための電流検出用抵抗
９もコンデンサでもコイルでも良く、さらに電流
制限用の抵抗、コイル、コンデンサと電流検出用
の抵抗、コイル、コンデンサを同一のものとして
も良い。なお直流電流阻止用コンデンサ８は交流
電源７から酸素濃淡電池に直流成分が流れるのを
阻止するためのものであるが、これを電流検出用
または電流制限用と兼用しても良く、１つのコン
デンサで全ての作用を持たせても良い。 また拡散層６は第１２図に示すように基準電極
５側にも設けても良く、この場合直流電流の通電
により起電力急変の際の空気過剰率λを制御する
と同時に被測定ガス中の酸素が拡散層６内に運び
込まれ、拡散層６は酸素濃淡電池に対して酸素分
圧がほぼ１気圧の基準として作用する。従つて基
準電極５は大気と連通する必要がなく構造は簡単
となり小型化もできる。なお拡散層６は従来被測
定ガス電極４を被測定ガスから保護する目的で設
けられるスピネル等の保護層と同一のものでも良
い。 電流検出用抵抗９は酸素濃淡電池のインピーダ
ンスを測定し固体電解質１の温度を求めるための
ものであるが、この両端に発生した電圧値等によ
り交流電源７の電圧等を制御し、固体電解質１の
温度を一定に保つこともできる。またインピーダ
ンスの測定はこのほか電流制限用抵抗１０あるい
は固体電解質１の電極間の交流電圧で行なつても
良い。 なおインピーダンス検出のための交流電源と加
熱のための交流電源は別々に設けてもよく周波数
もそれぞれ異つても良い。そして固体電解質に設
けられる交流電圧印加用の電極は第２図に示すよ
うに酸素濃淡電池の被測定ガス電極４と基準電極
５とを兼用してもよく、また第１３図〜第１４図
に示すように交流電圧印加用電極１４のみを独立
して設け、他方の電極を兼用するか、あるいは第
１６図〜第１７図に示すようにそれぞれ独立して
交流電圧印加用電極１４を設けてもよい。さらに
交流電圧印加用の電極をインピーダンス検出用と
加熱用にそれぞれ独立して設けても良い。 交流電圧の印加、直流電流の通電、インピーダ
ンスの検出、起電力の検出は常時行つても良い
し、スイツチング回路等を用いてそれぞれ時分割
して行なつても良い。また直流電流の通電は第１
５図の様に交流の一部を整流して行なつても良
い。なお交流電圧が直流電圧検出器１２に入らな
いようにするには、LC回路、RC回路等周知のフ
イルター回路を用いれば良い。 本発明の酸素濃度検出器に用いられる固体電解
質としては第２図に示すような有底筒状でもよい
し、第１３図〜第１７図に示すような板状、また
は図示はしていないが薄膜状のものであつても良
い。なお発熱させたい部位は他の部位よりも肉厚
を薄くしたり第１３図〜第１７図に示すようにそ
の部位のみ電極を設けることにより発熱部位を定
めることもできるので、拡散層６の厚みは発熱部
のみ均一に設ければ起電力変化を急峻なものとす
ることができる。即ち従来の方法では拡散層に厚
みの不均一な部分があると酸素の拡散速度が不均
一となり、その結果、厚い部分の起電力急変値と
薄い部分の起電力急変値に差が生じるため全体と
して起電力の急峻さは失われるが、局部的な加熱
を行えば加熱している部分のみが主に酸素濃淡電
池として働くのでその部分のみの拡散層の厚みを
均一にすれば良く、好ましくは加熱しない部分の
拡散層をより厚くするかまたは加熱しない部分の
電極を気密質の層でおおうのが良い。なお、局部
的な発熱をさせた場合でも本発明ではインピーダ
ンスを検出して固体電解質の温度を測定するの
で、固体電解質が動作している実質的温度を精度
よく求めることができる。 次に本発明の実施例について述べる。 ZrO₂95モル％およびY₂O₃5モル％よりなる混
合物100重量部に対して粘土３重量部を加えたジ
ルコニア磁器よりなる素子先端部の外径3.5mm、
内径２mm、中央部の外径５mm、内径2.5mmの有底
筒状の固体電解質の内外面に第２図に示すように
白金よりなる被測定ガス電極４と基準電極５をそ
れぞれ付与し、さらに外表面上に厚さ0.5mmの多
孔質スピネルからなる拡散層６を付着した酸素濃
度検出器を用意し、その両電極４，５間に周波数
50KHz、電圧70Vの正弦波よりなる交流電圧を直
流成分阻止用コンデンサ８および200Ωの電流制
限用抵抗１０を介して接続し、さらに基準電極５
から被測定ガス電極４に向けて直流電流を流し、
酸素濃度検出器を既知の空気過剰率のエンジン排
ガス中に配置し空気過剰率λを徐々に変化させ、
酸素濃淡電池の端子電圧（Ｖ）を測定した結果を
第１８図に示す。被測定ガスの温度は250℃とし
て直流電流２ｍＡを流した場合と流さない場合お
よび比較のために加熱を行わない従来例の場合を
測定し、本発明の交流電圧印加による加熱を行つ
たものを曲線Ｖ，Ｗで、従来のものを曲線Ｘで表
した。なお、Ｖ，Ｘは直流電流なし、Ｗは直流電
流を通電したときのものである。第１８図より明
らかなように本発明の直流電流を流した曲線Ｗの
場合においても端子電圧は急峻な変化を示してい
る。これに対し加熱せず直流電流を流した従来の
もの（図示せず）は、端子電圧が150V以上とな
り端子電圧の急峻な変化を検知できなかつた。 次に被測定ガスの温度を250℃から徐々に上昇
させ電流制限用抵抗１０の両端の電圧を測定し、
固体電解質のインピーダンスを求め、インピーダ
ンスと温度の関係から温度を求めた。このとき被
測定ガスの空気過剰率λ1.0、直流電流２ｍＡとし
た。結果を第１表に示す。

【表】 被測定ガス温度が250℃〜650℃まで変化しても
本発明の酸素濃度検出器では素子先端部の実測温
度は約500℃〜680℃しか変化せず（この間固体電
解質に加わる電力は3.8W〜0.4Wまで変化する）
素子を一定の温度に保持しようとする作用があつ
た。またインピーダンス値より求めた素子の温度
は素子先端部の実測温度と極めて近似しており、
インピーダンスを検出することにより素子の実質
的温度を求められることを確認した。 さらに、被測定ガス温度が250℃、350℃、450
℃のときの直流電流を流した場合と流さない場合
について応答性を測定したが、第２表のとおり、
本発明のものは参照例のものに比し著しく応答性
の良いものであつた。なお、加熱せず直流電流を
流したものは端子電圧が高すぎ応答性の測定はで
きなかつた。

【表】

【表】 またエンジン排ガス系の空気過剰率を1.1とし
て直流電流を流しエンジンの回転数を1000r.p.m.
から4000r.p.m.まで急激に上昇させたときの酸素
濃度検出器のインピーダンスの変化より求めた固
体電解質の温度変化を測定した。比較のために有
底筒状の固体電解質の筒内に温度検知素子を挿入
した従来の酸素濃度検出器について温度検知素子
より求められる温度も測定した。結果を第１９図
に示す。第１９図において曲線Ｙはエンジン回転
数の変化の曲線、ａは本発明によるインピーダン
スより求めた固体電解質の温度の変化曲線、ｂは
排ガス温度の変化曲線、ｃは従来の温度検知素子
により求めた固体電解質の温度の変化をそれぞれ
表している。第１９図より明らかなようにエンジ
ン回転数が急激に上昇すると排ガス温度が上昇
し、固体電解質の温度も上昇し固体電解質の温度
に対応して曲線ａで示される酸素濃淡電池の温度
も上昇する。このとき、本発明によるインピーダ
ンスより求めた固体電解質の温度変化の曲線ｂは
温度ａの変化に対し速い追従性を有しているのに
対し、従来の酸素濃度検出器の曲線ｃは曲線ｂに
対してかなり遅れて温度が検出され、排ガス温度
が変化した場合の起電力の温度補正、拡散層の拡
散速度の温度補正等は明らかに不正確なものであ
つた。 以上詳記したように本発明の酸素濃度検出器は
酸素濃淡電池を構成する固体電解質に設けられた
電極に交流成分の分極が主として固体電解質の分
極よりなる周波数の交流電圧を印加通電して固体
電解質の自己発熱にともない高温に加熱し、さら
に固体電解質の一方の電極側から他方の電極側へ
直流電流を流して一方の電極側の酸素濃度を制御
し、さらに好ましくは固体電解質のインピーダン
スを検出するものであるので、比較的低い電圧で
電極間に直流成分の片寄りがなく、また電極の付
着状態に左右されることなく長期間安定して加熱
でき、低温度でも応答性よく加熱でき、さらにそ
の加熱は固体電解質自体を加熱しているので小さ
な電力でよく、直流電流を流しても酸素濃淡電池
の端子電圧が低い状態で起電力が急変する空気過
剰率λを制御できるものであり、また基準電極側
の酸素濃度を直流電流の通電により制御すること
により基準電極を大気と連通しない構造とするこ
とができ、さらに固体電解質の温度を正確かつ長
期間安定してしかも時間遅れがなく検出すること
ができ、局部加熱を容易に行うことができるので
加熱部位のみ拡散層の厚みを均一にすれば起電力
の変化を急峻なものとすることができ、また固体
電解質の自己発熱には自己温度制御機能をもたせ
ることができるので拡散層の温度変化による拡散
速度の変化が少く拡散速度の変化による起電力急
変の空気過剰率λの変化も少い等、精度、応答
性、寿命の点で優れた酸素濃度検出器であり、従
来のように温度検知素子および発熱線を用いる必
要もないので構造も簡単である等数多くの利点を
有するものであり、特に内燃機関をリーンバーン
領域あるいはリツチバーン領域の空燃比に制御す
るのに極めて有用なものであり産業上有益な酸素
濃度検出器である。

【図面の簡単な説明】

第１図は従来の酸素濃度検出器の要部の断面を
模式的に表す説明図、第２図は本発明の酸素濃度
検出器の一具体例を示す模式図、第３図は酸素濃
淡電池の等価回路を示す説明図、第４図は酸素濃
淡電池の複素インピーダンス特性の説明図、第５
図は酸素濃淡電池のインピーダンスと温度の関係
を示す説明図、第６図は自動車の走行距離とイン
ピーダンスの関係を説明する説明図、第７図〜第
１０図は酸素濃淡電池に直流電流を流したときの
酸素濃淡電池の端子電圧の説明図、第１１図は本
発明の酸素濃度検出器の自己温度制御性を説明す
る説明図、第１２図は本発明の別の具体例を説明
する説明図、第１３図〜第１７図は本発明の酸素
濃度検出器の酸素濃淡電池の電極への接続具体例
を示す説明図、第１８図〜第１９図は本発明の実
施例の実験結果を説明する説明図である。 １……固体電解質、２……温度検知素子、３…
…コイル状発熱線、４……被測定ガス電極、５…
…基準電極、６……拡散層、７……交流電源、８
……直流成分阻止用コンデンサ、９……電流検出
用抵抗、１０……電流制限用抵抗、１１……直流
電源、１２……直流電圧検出器、１３……交流電
圧検出器、１４……交流電圧印加用電極、１５…
…ダイオード。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 酸素イオン導電性固体電解質と、該固体電解
   質に接して設けられた電極と、前記電極のうち少
   なくとも一対の電極間に、前記固体電解質を高温
   に加熱するに十分な、かつ、交流成分の分極が主
   として固体電解質の分極よりなる周波数の交流電
   流を流す交流電流供給手段と、前記電極のうち少
   なくとも一対の電極間に直流電流を流す直流電流
   供給手段と、前記電極のうち少なくとも一対の電
   極間の起電力を検出する直流電圧検出手段とを有
   することを特徴とする酸素濃度検出器。 ２ 前記交流電流が流れる一対の電極間の交流イ
   ンピーダンスを検出するインピーダンス検出手段
   をさらに有する特許請求の範囲第１項記載の酸素
   濃度検出器。