JPH03167467A

JPH03167467A - 空燃比センサ

Info

Publication number: JPH03167467A
Application number: JP1307886A
Authority: JP
Inventors: Takao Murase; 隆生村瀬; Tsunenori Yoshimura; 吉村　恒則
Original assignee: NGK Insulators Ltd
Current assignee: NGK Insulators Ltd
Priority date: 1989-11-28
Filing date: 1989-11-28
Publication date: 1991-07-19
Anticipated expiration: 2012-10-29
Also published as: US5236569A; DE4037740C2; DE4037740A1; JP2669699B2

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】（技術分野）本発明は、自動車の内燃機関における燃焼制御系や各種
の工業炉等における燃焼排ガス中の酸素濃度を検知する
ことにより、燃焼用混合気の空燃比を測定するに際して
、好適に用いられ得る空燃比センサに関するものである
．（背景技術）従来より、自動車用内燃機関の排気ガス（燃焼排ガス）
中の酸素濃度や、工業炉、ボイラー等から排出される燃
焼排ガス中の酸素濃度を検知する酸素センサとして、酸
素イオン伝導性の固体電解質であるジルコニア磁器等を
用いた、酸素濃淡電池の原理を利用したものが知られて
いる。そして、内燃機関等においては、一般に、空気と
燃料とから構成される燃焼用混合気の空燃比を、高精度
に目標値に制御するために、そのような酸素センサを用
いて、空燃比と相関関係を有する排気ガス中の酸素濃度
を検知することにより、混合気の空燃比を検出して、内
燃機関等に供給される燃料供給量をフィードバック制御
するようにしているのである．そして、この種の酸素センサを利用した空燃比センサの
一種であって、理論空燃比以外の領域においても優れた
測定能力を有する空燃比センサとして、二つの電気化学
的セルを組み合わせてなる、所謂ダブルセル型のものが
知られている。このダブルセル型のセンサは、特開昭５
９−１９０６５２号公報等から明らかなように、外部空
間から所定の拡散抵抗の下に導かれる被測定ガス（排ガ
ス）が存在せしめられる内部空間と、該内部空間に導か
れた被測定ガスに晒される測定電極および所定の基準ガ
スに晒される基準電極を有し、酸素濃淡電池の原理に基
づいて起電力を出力する電気化学的酸素センサセルと、
前記外部空間に存在する被測定ガスに晒される外側電極
および前記内部空間に存在する被測定ガスに晒される内
側電極を有し、かかる内部空間内の雰囲気を酸素ポンプ
作用によって制御する電気化学的酸素ポンプセルとを一
体的に有する素子本体を備え、かかる酸素センサセルの
発生起電力が一定の値となるように、該酸素センサセル
の測定電極が晒される内部空間内の雰囲気中の酸素量を
前記酸素ポンプセルの酸素ポンプ作動にて制御せしめた
場合における、この酸素ポンプセルに給電されるポンプ
電流値により、被測定ガス中の酸素濃度を測定するよう
になっている。

ところで、このようなダブルセル型の空燃比センサにあ
っては、内部空間内における酸素センサセルの測定電極
周りの雰囲気と酸素ポンプセルの内側電極周りの雰囲気
との間にガス或分の分圧差が生じると、応答速度の低下
やポンプセルの劣化等といった問題が惹起されることと
なる。

そこで、かかる問題を解決する一手法として、本願出瀬
人は、先に、特開昭６１−１９４３４５号公報において
、酸素センサセル及び酸素ポンプセルの固体電解質体を
、所定の固体電解質層を介して電気的に接続せしめると
共に、酸素センサセルの測定電極を、酸素ポンプセルを
構戒する何れか一方の電極と共に、該酸素ポンプセルに
ポンプ電流を流すための電圧の基準点（基準電位）を設
定する導体（例えばグラウンド）に接続して、それらを
同電位とすることにより、酸素ポンプセルに給電される
ポンプ電流を、かかる酸素センサセルの測定電極にリー
クせしめるようにした構造のものを明らかにした．即ち
、かかる構造の空燃比センサにおいては、酸素ポンプセ
ルからのリーク電流によって、酸素センサセルの測定電
極においても補助的な酸素ボンピング作用が行なわれる
ことから、上記内部空間内における酸素センサセルの測
定電極周りの雰囲気と酸素ポンプセルの内側電極周りの
雰囲気との間のガス成分の分圧差を補正することができ
るのである。

しかしながら、本発明者らが更なる検討を加えたところ
、かかる構造の空燃比センサにおいては、そのリーク電
流によって、酸素センサセルに抵抗電位降下による電位
変化が惹起されるために、空燃比センサの測定精度が低
下することに加え、該抵抗電位降下による電位変化量は
固体電解質体の内部抵抗値に応じて変化するために、空
燃比センサの測定精度の温度依存性がより増大するとい
った、問題を内在していることが明らかとなったのであ
る。

更にまた、かかるリーク電流による測定電極での酸素ボ
ンピング作用により、該測定電極に対し、Ｏｔのイオン
化に際しての電位降下が惹起されるため、この電位降下
によっても、酸素センサセルの出力特性が変化し、空燃
比センサの測定精度が低下することとなると共に、かか
る測定電極でのポンピング作用に起因する電位降下量は
、電極やその保護層の表面状態、即ち電極周りのガス拡
散抵抗の影響を受け易いことから、センサの使用中に、
例えばガス吸着や飛来物質の付着等によってガス拡散抵
抗が変化すると、センサの出力特性が大きく変化するた
めに、経時的な安定性および信頼性が充分に確保され難
いという不具合をも有していたのである。

そして、このようなポンプ電流の酸素センサセル側への
リークに起因するセンサの出力精度の低下の問題、或い
は出力特性の経時変化の問題は、特に、ポンプ電流量が
増加する、理論空燃比から外れたリーン領域或いはリッ
チ領域の空燃比測定の場合に、大きな問題となるのであ
り、それ故、かかる点において、未だ改良の余地を有し
ていたのである。

（解決課題）ここにおいて、本発明は、上述の如き事情を背景として
為されたものであって、その解決課題とするところは、
酸素ポンプセルに対して給電せしめられるポンプ電流を
酸素センサセル側に積極的にリークさせることによる、
前述の如き、酸素センサセルの測定電極周りの雰囲気と
酸素ポンプセルの内側電極周りの雰囲気との間に生じる
ガス戒分の分圧差の補正効果を有効に確保しつつ、かか
るリーク電流に起因するセンサの出力精度の低下および
出力特性の経時変化が、可及的に軽減せしめられ得、以
てリーン領域或いはリッチ領域の空燃比測定に際しても
有利に用いられ得る、改良された空燃比センサを提供す
ることにある。

（解決手段）そして、かかる課題を解決するために、本発明の要旨と
するところは、酸素イオン伝導性の第一の固体電解質体
とこれに接して設けられた第一及び第二の電極とを有す
る電気化学的酸素ポンプセルと、酸素イオン伝導性の第
二の固体電解質体とこれに接して設けられた第三及び第
四の電極とを有する電気化学的酸素センサセルと、外部
の燃焼排ガスを所定の拡散抵抗の下に導き入れ、前記電
気化学的酸素ポンプセルの第二の電極及び前記電気化学
的酸素センサセルの第三の電極にそれぞれ接触せしめる
拡散律速手段とを有する素子本体を備えた空燃比センサ
において、前記電気化学的酸素ポンプセルの第一及び第
二の電極のうちの一方を、該電気化学的酸素ポンプセル
にポンプ電流を流すための電圧の基準点を設定する導体
に接続する一方、前記電気化学的酸素センサセルの第三
の電極を、電気抵抗体を介して、該導体に接続せしめて
、それら電気化学的酸素ポンプセルと電気化学的酸素セ
ンサセルとの間の電気的リーク量を制御するようにした
ことにある。

なお、このような空燃比センサにおい、て、前記電気抵
抗体は、前記素子本体に対して一体的に設けられる他、
該素子本体とは別個に、その電気的作動を制御する外部
電気回路上に設けられるものである。

また、このような空燃比センサにおいて、前記電気抵抗
体の抵抗値は、好ましくは、前記電気化学的酸素ポンプ
セルに給電せしめられる全電流量に対する、該電気化学
的酸素ポンプセルを構成する電極から前記電気化学的酸
素センサセルを構成する電極へのリーク電流量の割合が
、０．ｌ〜５％となるように、設定せしめられることと
なる。

（作用・効果）ところで、前述の如きダプルセルタイプの空燃比センサ
について、本発明者らが実験、検討を加えたところ、電
気化学的酸素センサセルの測定電極（第三の電極）周り
の雰囲気と電気化学的酸素ポンプセルの内側電極（第二
の電極）周りの雰囲気との間に生じるガス威分の分圧差
は、濃度差としては小さい値であることから、測定電極
において補助ボンピング作用を行なわしめるリーク電流
は電気化学的酸素ポンプセルのポンプ電流に比して小さ
な値でも充分な効果が得られること、およびかかるリー
ク電流を小さくすることによって、該リーク電流による
抵抗電位降下や０２のイオン化に際しての電位降下が、
極めて有効に軽減され得、出力精度および経時的安定性
が、何れも有利に確保され得ることが明らかとなったの
であり、そして、かかる知見を基に、本発明は完威され
るに至ったのである。

すなわち、本発明に従う空燃比センサにおいては、電気
化学的酸素センサセルの第三の電極と、電気化学的酸素
ポンプセルの第一の電極乃至は第二の電極に対して基準
電圧を与える導体との接続路に介装された所定の電気抵
抗体によって、リーク電流が流れることとなる第三の電
極と第一乃至は第二の電極との間の電位差が、ポンプ電
流が流れることとなる第一の電極と第二の電極との間に
設定される電位差よりも、常に、該電気抵抗体による電
位降下分だけ小さな値に設定され得るのである。

そして、それ故、かかる空燃比センサにあっては、電気
抵抗体の抵抗値の大きさに応じて、リーク電流量が、有
利に抑えられ得るのであり、それによって、該リーク電
流に起因する空燃比センサの出力精度および経時的安定
性の低下を回避しつつ、該リーク電流によって行なわれ
る第三の電極での補助ボンピング作用による応答速度の
向上等の効果を、有効に得ることができるのである。

また、特に、本発明者らの検討したところによれば、上
記電気抵抗体の抵抗値を調節せしめて、リーク電流量の
、電気化学的酸素ポンプセルに給電される全ポンプ電流
量に対する割合が、０．　１〜５％となるように制御す
ることにより、リーク電流に起因する空燃比センサの出
力精度および経時的安定性の低下が、一層有利に軽減さ
れ得ることとなるのである。

（実施例）以下、本発明を更に具体的に明らかにするために、本発
明の実施例について、図面を参照しつつ、詳細に説明す
ることとする。

先ず、第１図及び第２図には、本発明に従う空燃比セン
サの一実施例における具体的構成が示されている．かか
る図において、１０は、空燃比センサの素子本体であっ
て、電気化学的酸素ポンプセル１２と電気化学的酸素セ
ンサセルｌ４とを含んで構成されている。

そこにおいて、かかる酸素ポンプセルｌ２は、イットリ
ア添加ジルコニア等の酸素イオン伝導性の固体電解質か
らなる板状の第一の固体電解質体１６と、該第一の固体
電解質体１６の両側で相対向する位置に接して設けられ
た、酸素の電気化学的反応に対する触媒性を有する白金
等の金属乃至はサーメット材料からなる外側電極（第一
の電極）１８および内側電極（第二の電極）２０とから
構成されている。なお、かかる外側電極１８の表面上に
は、電気絶縁性を有するアルξナ等からなる多孔質保ｊ
ＩＪｉ２２が一体的に積層形威されている。

また一方、前記酸素センサセル１４は、酸素ポンプセル
１２と同様、それぞれイットリア添加ジルコニア等から
なる板状の固体電解質体２７、４４、４６が、板厚方向
に重ね合わされることによって構成された第二の固体電
解質体２６に対して、白金等の金属乃至はサーメット材
料からなる測定電極（第三の電極）２８および基′＄電
極（第四の電極）３０が、それぞれ接して設けられてな
る構造とされている。なお、かかる測定電極２日の表面
上にも、アルξナ等からなる多孔質保護層３２が一体的
に積層形成されている。

そして、これら酸素ポンプセルｌ２と酸素センサセルｌ
４とは、イットリア添加ジルコニア等の酸素イオン伝導
性の固体電解質からなる略枠体形状の接続固体電解質Ｆ
ｌ３４および該接続固体電解質１１３４の枠体内に位置
せしめられる、アルミナ等の電気絶縁性材料からなる絶
縁層３５を挾んで、互いに重ね合わされており、且つそ
れら酸素ポンプセルｌ２と酸素センサセル１４との間に
は、所定のガス拡散抵抗を有し、拡散律速手段として機
能する細隙な平坦空間３６が形威されている。また、か
かる平坦空間３６内は、酸素ポンプセルｌ２を構成する
第一の固体電Ｍ質体１６等を貫通して設けられたガス導
入孔３８を通して、外部の被測定ガス存在空間４０に連
通されており、該被測定ガス（排ガス）が、該平坦空間
３６内に導き入れられるようになっている。

また、かかる酸素センサセルｌ４を構戒する第二の固体
電解質体２６の内部には、一体的に積層された固体電解
質体２７、４４、４６の重ね合わせ間に、基準ガスとし
ての大気に連通される空気通路４８が、仮面方向に形成
されている。

そして、酸素ポンプセル１２の外側電極ｌ８が、被測定
ガス存在空間４０に露呈されて、被測定ガス雰囲気に晒
されるようになっている一方、酸素ポンプセルｌ２の内
側電極２０および酸素センサセルｌ４の測定電極２８が
、それぞれ、前記平坦空間３６内に露呈されて、該平坦
空間３６内に所定の拡散抵抗下に導入される被測定ガス
に接触せしめられるようになっており、更に、酸素セン
サセル１４の基準電極３０が、前記空気通路４８内に露
呈されて、基準ガスとしての大気に接触せしめられるよ
うになっている。なお、これらの酸素ポンプセル１２お
よび酸素センサセルｌ４を構成する各電極１８、２０、
２８、３０を後述する電気回路に接続するためのリード
部と、固体電解質体との間には、それぞれ、電気的な絶
縁層４２が介装されている。

さらに、前記第二の固体電解質体２６を構威する固体電
解質体４６の外側面上には、ヒータエレメント５０が２
枚の電気絶縁層５２、５３にて挟まれてなる構造のセラ
ミックヒータ層５４が、一体的に積層形成されており、
該セラミックヒータ層５４にて、上記酸素ポンプセルｌ
２および酸素センサセル１４が、それぞれ、所定の温度
にまで加熱せしめられ得るようになっている。なお、該
ヒータ層５４は、その外周部分を気密質セラごツクス板
５５、５７によって囲まれていると共に、最外側の気密
質セラミックス板５７の外表面は、更に電気絶縁性の保
護層５９にて覆われている。

また、上述の如き素子本体１０においては、酸素ポンプ
セル１２の外側電極１８のリード部が、第一の分流抵抗
体６４および第二の分流抵抗体６６を通じて、それぞれ
、外部接続端子６８および外部接続端子７０に導通され
ている一方、酸素センサセル１４の測定電極２８のリー
ド部が、外部接続端子７２に導通されている。更にまた
、酸素ポンプセル１２の内側電極２０のリード部と酸素
センサセル１４の測定電極２８のリード部とが、電気抵
抗体５６を通じて、互いに接続されており、該電気抵抗
体５６と測定電極２８とを接続する側のリード部におい
て、外部接続端子７２に導通せしめられていると共に、
該電気抵抗体５６と内側電極２０とを接続する側のリー
ド部において、外部接続端子６０に導通せしめられてい
る。なお、かかる外部接続端子６０は、外部接続端子６
２と共に、前記ヒータエレメント５０にも接続されてお
り、それら両端子６０、６２を通じて、該ヒータエレメ
ント５０に対する給電が為され得るようになっている。

なお、上記第一及び第二の分流抵抗体６４、６６および
電気抵抗体５６は、例えば、第２図に示されている如く
、素子本体１０の焼戒後において、公知の厚膜抵抗体形
威用の厚膜ペースト等を用い、絶縁Ｎ４２の表面上に設
けられたリード部間に跨る状態で、所定形状に印刷焼付
すること等によって、有利に形威され得ることとなる。

而して、このような構造とされた素子本体１０にあって
は、第ｌ図に示されている如き、該素子本体１０の電気
的作動を制御する外部電気回路に対して接続せしめられ
ている。より詳細には、先ず、外部接続端子６０は、基
準電位を与える導体、具体的には車両の車体や大地等に
対して接続（接地）されている。即ち、かかる外部接ｖ
ｔ端子６０の接地によって、酸素ポンプセル１２の内側
電極２０の電位が、該酸素ポンブセルｌ２にポンプ電流
を流すための電圧の基準点（基単電位）に設定されるこ
ととなるのであり、一方、酸素センサセルｌ４の測定電
極２８にあっては、電気抵抗体５６を介して接地される
ことから、かかる基準電位に対して、該電気抵抗体５６
による電位降下分だけ異なる電位に設定せしめられるこ
ととなるのである。換言すれば、この電気抵抗体５６は
、酸素ポンプセルｌ２を構成する内側電極２０と基準電
位を与える導体との接続路における電気抵抗値よりも大
きな電気抵抗値を、酸素センサセル１４を構戒する測定
電極２８と該導体との接続路に与えることとなるのであ
り、それによってかかる測定電極２８に対して、内側電
極２０とは異なる電位が設定されるようになっているの
である。

また、かかる外部接続端子６０と外部接続端子６２との
間には、ヒータ電ａｉｉｊ７４が接続されており、それ
によってヒータエレメント５０に対する給電が行なわれ
得るようになっている．さらに、酸素センサセルｌ４の
測定電極２８および基準電極３０に対して導通された外
部接続端子５８、７２は、それぞれ、増幅器７６、７８
を通じて、差動アンプ８０に接続されている。即ち、か
かる酸素センサセル１４において、前記平坦空間３６内
の雰囲気中の酸素濃度に応じて生ぜしめられる、測定電
極２日及び基準電極３０における電位が、それぞれ、増
幅器７６、７８にて取り出され、更に差動アンプ８０に
よって、それら両電極２８、３０間の電位差として得ら
れることとなるのである。

更にまた、かかる差動アンプ８０の出力側は、比較器８
２およびＶ−１コンバータ８４を経た後、分岐せしめら
れて、前記酸素ポンプセル１２の外側電極１８に導通さ
れた外部接続端子６８、７０に対して、それぞれ接続せ
しめられている。そして、それによって、上述の如くし
て得られた酸素センサセル１４の電極２８、３０間にお
ける電位差が、比較器８２にて、参照電圧８Ｇと比較さ
れ、その比較結果に応じた電圧に変換されると共に、こ
うして得られた電圧が、Ｖ−１コンバータ８４によって
、所定のプラス電流またはマイナス電流に変換せしめら
れた後、かかる電流が、酸素ポンプセルｌ２に対して、
ポンプ電流として給電せしめられるようになっているの
である。

すなわち、公知の如く、このような外部電気回路によっ
て、上記素子本体１０においては、その酸素ポンプセル
１２に対し、前記平坦空間３６内の雰囲気を中性付近に
近づけるようなポンビング作用が為され得るように、酸
素センサセル１４における起電力に基づいたボンブ電流
が給電せしめられることとなるのであり、それ故、かか
る制御下、そのボンブ電流を、出力端子８８、９０間で
計測することによって、目的とする被測定ガスの酸素濃
度を検出することができるのである。

なお、そこにおいて、かかるポンプ電流量の計測は、本
実施例では、上記Ｖ−Ｉコンバータ８４と外側電極ｌ８
とを接続する二つの接続路のうちの一方を流れる電流を
測定することによって、為されることとなる。即ち、か
かる二つの接続路を流れる電流量は、それぞれの接続路
に配された、前記第一及び第二の分流抵抗体６４、６６
の抵抗値を調節することにより、相対的に設定され得る
こととなるところから、ポンプ電流量と被測定ガス中の
酸素濃度との対応関係のセンサ個体間における誤差を、
かかる抵抗体６４、６６の抵抗値の調節によって消去す
ることができるのである．また、上述の如き制御下にお
けるセンサの作動時においては、酸素ポンプセルｌ２を
構戒する第一の固体電解質体１６と酸素センサセル１４
を構成する第二の固体電解質体２６とが、接続固体電解
質層３４を介して部分的に電気的に接続されているとこ
ろから、ポンプ電流の一部が、酸素ポンプセルｌ２から
酸素センサセル１４にリークし、外側電極ｌ８から測定
電極２８に向かって、或いはその逆方向に流れることと
なる。そして、かかるリーク電流によって、外側電極ｌ
８と測定電極２８との間においても、補助的なポンピン
グ作用が行なわれることとなる。

ところで、そこにおいて、上記素子本体１０にあっては
、かかる測定電極２８が、酸素ポンプセルｌ２の内側電
極２０が接続された、基準電位を与える導体に対して、
電気抵抗体５６を介して接続されて、その電位が、内側
電極２０の電位よりも、該電気抵抗体５６による電位降
下分だけ異なる値に設定されているところから、かかる
電気抵抗体５６の抵抗値を適当に調節することにより、
上記リーク電流量を抑え、且つ有利に制御することがで
きるのである。

より具体的には、例えば、燃焼用ガスの空燃比がリーン
領域にある場合には、第３図にモデル的に示されている
如く、酸素ポンプセル１２の外側電極１８が、内側電極
２０に設定された基準電位（零電位）よりもプラス電位
とされることから、リーク電流は、該外側電極Ｉ８から
酸素センサセル１４の測定電極２８に向かって流れるこ
ととなるが、その場合、該測定電極２８は、電気抵抗体
５６によって、基準電位よりも所定量だけプラス電位に
保持され得るのであり、それ故、かかるリーク電流量が
有利に抑えられ得、且つ該電気抵抗体５６の抵抗値を調
節することにより、かかるリーク！流量のポンプ電流に
対する割合を制御することが可能となるのである。なお
、燃焼用ガスの空燃比がリッチ領域にある場合には、酸
素ポンプセルｌ２の外側電極１８は、内側電ｉ２０に設
定された基準電位よりもマイナス電位とされることによ
り、リーク電流が、内側電極２０から外側電極１８に向
かって流れることとなるが、その場合でも同様に、測定
電極２８は、電気抵抗体５６によって、該基準電位より
も所定量だけマイナス電位に保持されることにより、リ
ーク電流量が抑制、制御され得ることとなる。

そして、かかる電気抵抗体５６によって、ボンブ電流の
測定電極２８へのリーク電流量が有効に抑えられ得るこ
ととなる結果、該リークｔ流によって惹起される抵抗電
位降下が軽減され得て、該抵抗電位降下に起因するとこ
ろの、センサの測定精度の低下や温度依存性の増大等と
いった問題が、何れも有利に軽滅乃至は解消され得ると
共に、かかるリーク電流による測定電極でのボンビング
作用によって惹起される該測定電極の電位降下も軽減さ
れ得ることから、それに起因するところの、センサの測
定精度の低下や経時的な特性変化等の問題が、何れも有
利に軽滅乃至は解消され得ることとなるのである．また、ここにおいて、特に有利には、酸素ポンプセルｌ
２に給電せしめられる全ポンプ電流量（Ｉｐ）に対する
、リーク電流１！（Ｉｐ“）の割合：　　（Ｉｐ’／Ｉ
ｐ）が、０．　１〜５％、より好適には０．５〜３％に
なるように、上記電気抵抗体５６の抵抗値が設定される
こととなる。そして、それによって、リーク電流による
酸素センサセル１４の出力特性に対する影響が、より効
果的に軽減され得るのである。

けだし、かかる（Ｉｐ’／Ｉｐ）の値が、ｏ．　ｉ％よ
り小さくなると、リーク電流の補助ボンピング作用によ
るセンサ応答速度等の効果が充分に発押され難くなるば
かりか、上述の如きセンサの制御系がセンサ部とアンプ
部との閉回路構成となっているために、ポンプ電流の変
化に対する酸素センサセルの起電力の変化の位相がπ以
上遅れることにより、該センサ部とアンプ部とのフィー
ドバック系として発振の危険性が生じるからである。

なお、かかるセンサ部とアンプ部とのフィードバック系
における発振を防止するためには、アンプ部における利
得を下げることによっても可能であるが、利得を下げる
と該フィードバック系としての精度および応答性が低下
することとなるところ、上述の如く、（Ｉｐ　’／Ｉｐ
）の値を０．１％以上とすれば、ポンプ電流の変化に対
する酸素センサセルの起電力の変化の位相の遅れがπ以
下となることから、そのような問題を生じることなく、
発振を防止することができるのである．また一方、かか
る（Ｉｐ　’／Ｉｐ）の値が、５％を越えると、リーク
電流が酸素センサセル１４の起電力に対して及ぼす影響
が急に大きくなるところから、この（Ｉｐ”／１ｐ）の
値を５％以下とすることによって、上述の如き効果を、
より有効に得ることができるのである。

因みに、上述の如き構造とされた空燃比センサにおいて
、ポンプ電流のリークｆｆｉ（ｉｐ’／Ｉｐ）を、０〜
１５％の種々なる値に設定した複数のものを用いて、そ
の出力特性乃至は精度を実際に測定した結果を、第４図
乃至第７図に示しておくこととする。そこにおいて、先
ず、第４図は、ポンプ電流のリーク量を１５％以下に設
定したものと、５％以下に設定したものの、各複数個に
ついて、それぞれに酸素濃度の変化に対する出力値のば
らつきを示すものである。なお、かかる第４図における
出力比率は、大気中でのセンサ出力を１００％として示
されている。また、第５図にあっては、ボンブ電流のリ
ーク量を、０％、５％、１０％および１５％に設定した
、それぞれの空燃比センサを用いて、酸素濃度が１０％
のガスを複数回測定した場合におけるセンサ出力のばら
つきの程度を、柱状グラフにて示すものである．更に、
第６図は、ポンプ電流のリーク量を、１％、５％、１０
％および１５％に設定した、それぞれの空燃比センサに
ついて、雰囲気温度を室温から５００゜Ｃまで加熱せし
めた場合のセンサ出力値の変化率を、柱状グラフにて示
すものである。更にまた、第７図は、ポンプ電流のリー
ク量を、０．１％、１％、５％、１０％および１５％に
設定した、それぞれの空燃比センサを用い、ディーゼル
エンジンのアイドリング時に排気される燃焼ガスを被測
定ガスとして、その空燃比を連続的に測定した場合の、
経時的な出力変化率を示すグラフである．これらの測定結果からも、前記ポンプ電流のリーク量（
Ｉｐ　”／Ｉｐ）を、０．　１％〜５％に抑えることが
、特に有効であることが、容易に理解され得るところで
ある。

次に、第８図には、本発明に従って構威された空燃比セ
ンサの別の実施例を示す概略図が示されている。なお、
本実施例においては、前記第一の実施例と同様な構造と
された部材に対して、それぞれ、第一の実施例と同一の
符号を付しておくことにより、その詳細な説明は省略す
ることとする。

すなわち、本実施例における空燃比センサにあっては、
酸素センサセル１４の測定電極２８が、素子本体１０内
では酸素ポンプセル１２の電極と接続されてはおらず、
外部接続端子によって、直接に外部電気回路に対して接
続されるようになっている。そして、素子本体ｌＯの電
気的作動を制御する外部電気回路上において、かかる測
定電横２８に導通された外部接続端子と増幅器７６との
接続路上において、電気抵抗体５６を介して接地されて
なる構造とされている。なお、ここにおいて、かかる電
気抵抗体５６を介して接続される導体の電位は、前記実
施例と同様、酸素ポンプセル１２の内側電極２０に接続
されて、該内側電極２０に対し、ポンプ電流を流すため
の基準電位を設定するものである。

従って、このような外部電気回路の構造を採用すること
によって、電気抵抗体５６を、素子本体ｌＯとは別体と
して設けることが可能となるのである。なお、かかる本
実施例構造の空燃比センサにおいても、電気抵抗体５６
の抵抗値を調節することによって、ポンプ電流の測定電
極２８側へのリーク量を制御することが出来、それによ
って、前記第一の実施例と同様な効果を、何れも有効に
得ることができるものであることは、勿論である。

以上、本発明の代表的な実施例について詳述してきたが
、これらは文字通りの例示であって、本発明は、かかる
具体例にのみ限定して解釈されるものではない。

例えば、素子本体１０を構威する酸素ポンプセルｌ２や
酸素センサセル１４或いは拡散律速手段の構造は、公知
の各種のものが採用可能であり、具体的には、ガス導入
孔３８をオリフィス通路として、該ガス導入孔３８に拡
散律速手段としての機能を付与せしめること等も可能で
ある。

また、前記実施例においては、酸素ポンプセルｌ２の内
側電極２０が接地されることにより、基準電位に設定さ
れていたが、外側電極１８側を接地して、それを基準電
位に設定することも可能である。

更にまた、電気抵抗体５６の材質は限定されるものでは
なく、公知のものが何れも採用可能であり、例えば、前
記第一の実施例の如く、素子本体１０に対して一体的に
設ける場合には、酸化ルテニウム粉末とガラス粉末に有
機バインダを混合して作製した厚膜ペーストや、白金、
白金一ロジウム等の耐熱性金属粉末とアルξナ、ジルコ
ニア等のセラミックス粉末に有機バインダを混合して作
製した厚膜ペーストを用いて、素子本体ｌＯの焼戒体乃
至は未焼成体に対して印刷乃至は塗布し、焼或すること
によって得られた厚膜抵抗体等が、何れも好適に用いら
れ得、更にまた、前記第二の実施例の如く、外部電気回
路上に設ける場合には、通常の電気回路に用いられる炭
素皮膜抵抗や金属皮膜抵抗等を用いることが可能である
。

また、そのような電気抵抗体５６として、抵抗値の調節
が可能な可変抵抗素子や半固定抵抗素子等を用いること
も可能である。

さらに、かかる電気抵抗体５６を素子本体１０に対して
一体的に設ける場合には、素子本体１０の内部に積層構
造において、一体的に形戒するようにしても良い。

更にまた、かかる電気抵抗体は、リーク電流が流れるこ
ととなる測定電極２８と外側電極１８乃至は内側電極２
０との間の電位差を、ポンプ電流が流れることとなる外
側電極ｌ８と内側電極２０との間の電位差よりも所定量
だけ小さく設定し得るものであればよく、そのような機
能を有するものであれば、測定電極２８の基準電位に対
する接続路上に配された抵抗体であると外部から明確に
は認識されない構造のものであっても差支えなく、例え
ば、前記第二の実施例中、第８図のａ部に換えて、第９
図に示されている如き、電気抵抗体９２、９４を備えた
反転増幅器９６を用いることも可能であり、或いはまた
、増幅器の入力抵抗を用いて電気抵抗体５６を代用する
ことも可能であるばかりでなく、コイルやコンデンサの
祇抗威分を利用することも可能である。

その他、一々列挙はしないが、本発明は、当業者の知識
に基づいて、種々なる変更、修正、改良等を加えた態様
において実施され得るものであり、またそのような実施
態様が、本発明の趣旨を逸脱しない限り、何れも本発明
の範囲内に含まれるものであること、言うまでもないと
ころである。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明に従う空燃比センサの一実施例を概略
的に示す断面説明図であり、第２図は、第１図に示され
ている空燃比センサを構威する素子本体の構造を説明す
るための分解斜視図である．また、第３図は、第１図に
示されている空燃比センサの一作動状態を説明するため
の要部モデル図である。更に、第４図乃至第７図は、そ
れぞれ、第１図に示されている如き構造の空燃比センサ
であって、ポンプ電流のリーク量が種々なる値に設定さ
れた複数のものを用いて測定を行なった実験結果を示す
グラフである。更にまた、第８図は、本発明に従う空燃
比センサの別の実施例を概略的に示す、第１図に対応す
る断面説明図である．また、第９図は、第８図に示され
ている空燃比センサにおいて電気抵抗体および増幅器の
代用として採用され得る反転増幅器を示す説明図である
。：酸素ポンプセル：素子本体　　　　１２：酸素センサセル：第一の固体電解質体：外側電極（第一の電極）：内側電極（第二の電極）第二の固体電解質体測定電極（第三の電極）基準電極（第四の電極）接続固体電解質層平坦空間　　　　３８：ガス導入孔被測定ガス存在空間空気通路　　　　５６：電気抵抗体７６，７８：増幅器８０：差動アンプ８２：比較器８４：ｖ〜■コンバータ９２，９４：電気抵抗体９６二反転増幅器出１頭人日本碍子株式会社第３図，，り−Ｗ＋５γ雫ｂ（Ｆ酸羞漠友ｌＩ５図ＩＩ６図リーク量（冫ｂノ第９図

Claims

【特許請求の範囲】

（１）酸素イオン伝導性の第一の固体電解質体とこれに
接して設けられた第一及び第二の電極とを有する電気化
学的酸素ポンプセルと、酸素イオン伝導性の第二の固体
電解質体とこれに接して設けられた第三及び第四の電極
とを有する電気化学的酸素センサセルと、外部の燃焼排
ガスを所定の拡散抵抗の下に導き入れ、前記電気化学的
酸素ポンプセルの第二の電極及び前記電気化学的酸素セ
ンサセルの第三の電極にそれぞれ接触せしめる拡散律速
手段とを有する素子本体を備えた空燃比センサにおいて
、前記電気化学的酸素ポンプセルの第一及び第二の電極の
うちの一方を、該電気化学的酸素ポンプセルにポンプ電
流を流すための電圧の基準点を設定する導体に接続する
一方、前記電気化学的酸素センサセルの第三の電極を、
電気抵抗体を介して、該導体に接続せしめて、それら電
気化学的酸素ポンプセルと電気化学的酸素センサセルと
の間の電気的リーク量を制御するようにしたことを特徴
とする空燃比センサ。
（２）前記電気抵抗体が、前記素子本体に対して一体的
に設けられている請求項（１）記載の空燃比センサ。
（３）前記電気抵抗体が、前記素子本体の電気的作動を
制御する外部電気回路上に設けられている請求項（１）
記載の空燃比センサ。
（４）前記電気化学的酸素ポンプセルに給電せしめられ
る全電流量に対する、該電気化学的酸素ポンプセルを構
成する電極から前記電気化学的酸素センサセルを構成す
る電極へのリーク電流量の割合が、０．１〜５％となる
ように、前記電気抵抗体の抵抗値が、設定されている請
求項（１）乃至（３）の何れかに記載の空燃比センサ。