JPH0320661A - 酸素濃度検出装置 - 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】 技術分野 本発明は被測定気体中の酸素濃度に比例した出力を発生
する酸素濃度検出装置に関する。

背景技術 内燃エンジンの排気ガス浄化、燃費改善等を目的として
、排気ガス中の酸素濃度を酸素濃度検出装置によって検
出し、この酸素濃度検出装置の出力信号に応じてエンジ
ンへの供給混合気の空燃比を目標空燃比にフィードバッ
ク制御する空燃比制御装置が例えば、特公昭５５−３５
３３号公報により公知である。

このような空燃比制御装置に用いられる酸素濃度検出装
置として被測定気体中の酸素濃度、すなわち排気空燃比
に比例した出力を発生するものがある。例えば、２つの
平板状の酸素イオン伝導性固体電解質材各々に電極対を
設けて酸素ポンプ素子及び電池素子を形成し、酸素ポン
プ素子及び電通素子の一方の電極面各々が気体滞留室の
一部をなしてその気体滞留室が被測定気体と導入孔を介
して連通し電池素子の他方の電極面が大気室に面するよ
うにした装置が特開昭５９−１９２９５５号に開示され
ている。かかる酸素濃度センサにおいては、気体滞留室
内の酸素濃度を常に所定濃度（例えば、０）に保持する
ように電池素子の発生電圧と所定基準電圧とを比較して
その比較結果に応じて酸素ポンプ素子の電極間にポンプ
電流を供給し、そのポンプ電流値を酸素濃度に比例した
出力として検出するようになっている。

ところで、かかる酸素濃度検出装置においては、電池素
子の発生電圧に応じて酸素ポンプ素子に流れるポンプ電
流を変化させて気体滞留室内の酸素濃度をフィードバッ
ク制御するような構成になっているのでポンプ電流値の
変化の周波数によっては位相回転（位相遅れ）が生ずる
。位相回転が１８０°を越えた周波数においてループ利
得が１以上の場合には発振を起こす可能性がある。特に
、酸素ポンプ素子及び電池素子からなる酸素濃度検出素
子の検出ゲイン（ポンプ電流の単位変化量に対する電池
素子の発生電圧変化量）が第１図に示すように高周波数
域で小さくなるので高周波数域において発振を起こすこ
とが考えられる。

発明の概要 そこで、本発明の目的は、発振を防止しかつポンプ電流
値を正確に検出し得る酸素濃度検出装置を提供すること
である。

本発明の酸素濃度検出装置においては、酸素イオン伝導
性固体電解質材及びこれを挟む一対の電極から各々が構
戊されかつ相互間に拡散制限域を形成する酸素ポンプ素
子及び電池素子からなり酸素ポンプ素子及び電池素子の
一方の電極が共通接続された酸素濃度検出素子と、酸素
ポンプ素子及び電池素子の共通接続ラインに一端が接続
された電流電圧変換回路と、該電流電圧変換回路の変換
出力端子電位と電池素子の他方の電極電位との電位差に
応じた電圧を発生する差動アンプと、該差動アンプの出
力電圧と所定基準電圧との偏差に応じた電圧を酸素ポン
プ素子及び電流電圧変換回路の直列回路に印加する電圧
印加手段と、非反転入力端子か裁準電位に維持されかつ
反転入力端子と出力端子との間に電流電圧変換回路の両
端が接続された演算増幅回路とからなる酸素濃度検出装
置であり、電流電圧変換回路は共通接続ラインと変換電
圧出力端子との間に接続された抵抗と、演算増幅回路の
出力端子と反転入力端子との間に接続された分圧回路と
、該分圧回路の分圧点と変換電圧出力端子との間に接続
された容量性インピーダンス素子とからなることを特徴
としている。

実施例 以下、本発明の実施例を図面を参照しつつ詳細に説明す
る。

第２図に本発明による内燃エンジン用酸素濃度検出装置
においては、酸素イオン伝導性固体電解質材１内には気
体拡散制限域として気体滞留室２が形戊されている。気
体滞留室２は固体電解質材］外部から被測定気体の排気
ガスを導入する導入孔３に連通し、導入孔３は図示しな
い内燃エンジンの排気管内において排気ガスが気体滞留
室２内に流入し易いように位置される。また酸素イオン
伝導性固体電解質材１には大気を導入する大気基準室４
が気体滞留室２と壁を隔てるように形成されている。気
体滞留室２と大気基準室４との間の壁部及び大気基準室
４とは反対側の壁部には電極対６ａ，６ｂ，５ａ，５ｂ
が各々形成されている。

固体電解質材１及び電極対５ａ，５ｂが酸素ポンプ素子
７として作用し、固体電解質材１及び電極対６ａ，６ｂ
が電池素子８として作用する。また大気基準室４の外壁
面にはヒータ素子９が設けられている。

酸素イオン伝導性固体電解質材１としては、Ｚｒ０２　
（二酸化ジルコニウム）が用いられ、電極５ａないし６
ｂとしてはｐｔ（白金）が用いられる。

酸素ポンプ素子７の電極５ｂと電池素子８の電極６ｂと
は共通接続される共に演算増幅回路１１の反転入力端子
に接続されている。演算増幅回路１１の非反転入力端子
には基準電圧源１４から出力される基準電圧Ｖｒ１　（
例えば、２．５Ｖ）が供給される。演算増幅回路１１の
反転入力端子と出力端子との間には位相補正用の抵抗１
２及び電流検出用の抵抗１３の直列回路が接続されてい
る。

抵抗１２には更に抵抗２１及びコンデンサ２２の直列回
路が並列に接続されている。その直列回路において抵抗
２１は演算増幅回路１１の反転入力端子側に配置され、
コンデンサ２２は抵抗１３側に配置されている。抵抗２
１の抵抗値は抵抗１２の抵抗値（例えば、１０Ω）より
十分に大きく、例えば、１００ＫΩである。この抵抗１
２．１３．２１及びコンデンサ２２が電流電圧変換回路
２０を形成しており、抵抗２１とコンデンサ２２との接
続点が電流電圧変換回路２０の変換出力端子となり差動
増幅回路１５の非反転入力端子に接続されている。差動
増幅回路１５は電池素子８の電極６ａの電位とかかる変
換出力端子電位との電位差に応じた電圧を出力する。こ
の差動増幅回路１５の出力電圧は差動増幅回路１６に供
給される。差動増幅回路１６は差動増幅回路１５の出力
電圧と基準電圧源１７から出力される基準電圧Ｖｒ２と
の差電圧に応じた電圧を出力する。基準電圧源１７によ
る基準電圧Ｖ　ｒ　２は理論空燃比に相当する電圧（例
えば、０．４５Ｖ）である。差動増幅回路１６の出力端
子は酸素ポンプ素子７の電極５ａに接続されている。演
算増福回路１１の出力端子電圧ＶＯＵＴが酸素濃度検出
出力となる。

かかる構成においては、電池素子８の電極６ａ６ｂ間に
は気体滞留室２内と大気基準室４との酸素濃度差に応じ
た電圧Ｖｓが発生する。この電圧Ｖｓと演算増幅回路１
１の反転入力端子電圧Ｖａとが加算されて差動増幅回路
１５の反転入力端子に供給される。一方、演算増幅回路
１工の反転入力端子電圧Ｖａはポンプ電流値ＩＰが変化
しても演算増幅回路１１によって非反転入力端子電圧、
すなわち基準電圧源１４の出力電圧Ｖｒ１にほぼ等しく
なる。差動増幅回路１５は電圧ＶＳ＋ｖａと変換出力端
子電圧ｖｂとの差電圧に応じた電圧を出力する。差動増
幅回路１５の出力電圧は差動増幅回路１６において基準
電圧ｉ１７の出力電圧Ｖｒ２　と比較される。

エンジンに供給された混合気の空燃比がリーン方向に変
化している場合には電池素子８の電極６ａ，６ｂ間に発
生する電圧Ｖｓが低下する。電圧ｖｓの低下により電圧
ＶＢ＋Ｖａと電圧ｖｂとの差電圧に応じた電圧Ｖｃが基
準電圧源１７の出力電圧Ｖｒ２より低くなると、差動増
幅回路１６の出力レベルが正レベルになり、この正レベ
ル電圧が酸素ポンプ素子７の電極５ａに印加される。よ
って、ポンプ電流が酸素ポンプ素子７、電流電圧変換回
路２０を流れ、そして演算増幅回路１１に流れ込む。酸
素ポンプ素子７には電極５ａから電極５ｂに向ってポン
プ電流が流れるので気体滞留室２内の酸素が電極５ｂに
てイオン化して酸素ポンプ素子７内を移動して電極５ａ
から酸素ガスとして放出され、気体滞留室２内の酸素が
汲み出される。

気体滞留室２内の酸素の汲み出しにより気体滞留室２内
の排気ガスと大気基準室４内の大気の間に酸素濃度差が
生ずる。この酸素濃度差に応じた電圧Ｖｓが電池素子８
の電極６ａ，６ｂ間に発生し、この電圧Ｖｓは電圧Ｖａ
に加算されて差動増幅回路１５の反転入力端子に供給さ
れる。差動増幅回路１５の出力電圧は電圧Ｖｓ＋Ｖａと
電圧Ｖｂとの差電圧に比例した電圧となるのでポンプ電
流値ＩＰは排気ガス中の酸素濃度に比例する。

空燃比がリッチ方向に変化する場合には電圧ＶＳが上昇
する。これにより差動増輻回路１５の出力電圧Ｖｃが基
準電圧源１７の出力電圧Ｖｒ２を越えると、差動増幅回
路１６の出力レベルが正レベルから負レベルに反転する
。この負レベルにより酸素ポンプ素子７の電極５ａ，５
ｂ間に流れるポンプ電流が減少し、電流方向が反転する
。すなわち、ポンプ電流は電極５ｂから電極５ａ方向に
流れるので外部の酸素が電極５ａにてイオン化して酸素
ポンプ素子７内を移動して電極５ｂから酸素ガスとして
気体滞留室２内に放出され、酸素が気体滞留室２内に汲
み込まれる。従って、気体滞留室２内の酸素濃度が常に
一定になるようにポンプ電流を供給することにより酸素
を汲み込んだり、汲み出したりするのでポンプ電流値Ｉ
Ｐはリーン及びリッチ領域にて排気ガス中の酸素濃度に
各々比例するのである。

一方、演算増幅回路１１の出力端子電圧ＶＯＵＴは次式
の如くほぼなる。

ＶＯＵＴ　−　（Ｒｓ＋Ｒｐ）Ｉｐ＋Ｖａ−（１）ここ
で、ＲＳは抵抗１２の抵抗値、ＲＰは抵抗１３の抵抗値
である。

すなわち、電圧Ｖａが基準電圧源１４の出力電圧Ｖｒｌ
に等しくなるように演算増幅回路１１が作動するので電
圧ｖｏｕ’ｒはポンプ電流値ＩＰに比例した値となり、
排気ガス中の酸素濃度に応じて変化する。

かかる本発明による酸素濃度検出装置においては、電流
電圧変換回路２０の変換出力端子における周波数特性が
第３図に示すようにハイバス特性になっている。高周波
数域ではコンデンサ２２の交流抵抗は低くなり、コンデ
ンサ２２の両端が短絡した状態とほぼ同じとなる。よっ
て、変換出力端子電圧ｖｂは抵抗１２と抵抗１３の接続
ライン電圧にほぼ等しくなり、抵抗１２により酸素濃度
検出素子の高周波数域における検出ゲインが第４図の実
線ａの如く見掛け上は確保される。

一方、低周波数域ではコンデンサ２２の交流抵抗は高く
なり、コンデンサ２２が接続されていない状態とほぼ同
じとなるので変換出力端子電圧Ｖｂは電圧Ｖａに等しく
なる。よって、抵抗１２による電圧鋒下を防止すること
ができるので電池素子８の発生電圧ｖｓに対応した電圧
が差動増幅回路１５から得られる。

発明の効果 以上の如く、本発明の酸素濃度検出装置においては、電
流電圧変換回路内の分圧回路の一方の位相補正抵抗に抵
抗及び容量性インピーダンス素子からなる直列回路が接
続され、この抵抗と容量性インピーダンス素子との接続
点が変換出力端子とされている。この変換出力端子電位
と電池素子の他方の電極電位との電位差に応じた電圧を
差動アンプが発生し、該差動アンプの出力電圧と所定基
準電圧との偏差に応じた電圧が酸素ポンプ素子及び電流
電圧変換回路の直列回路に印加される。よって、電流電
圧変換回路内の位相補正抵抗を大きく設定すれば、酸素
濃度検出素子の高周波数域における検出ゲインを見掛け
上十分に確保することができるので、高周波数域におけ
る位相遅れを補正して発振を防止することができる。低
周波数域においては位相補正抵抗を無視することができ
るのでその位相補正抵抗による電圧降下が極めて小さく
なり、電池素子の発生電圧に対応したポンプ電流が酸素
ポンプ素子に流れる故、ポンプ電流値、すなわち酸素濃
度を正確に検出することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は従来の酸素濃度比例型の酸素濃度検出装置の周
波数一酸素濃度検出レベル特性を示す図、第２図は本発
明の実施例を示す回路図、第３図は第２図の装置中にお
ける電流電圧変換回路の変換出力周波数特性を示す図、
第４図は第２図の装置の周波数一酸素濃度検出レベル特
性を示す図である。 主要部分の符号の説明 １・・・・・・酸素イオン伝導性固体電解質材２・・・
・・・気体滞留室 ３・・・・・・導入孔 ４・・・・・・大気基準室 ７・・・・・・酸素ポンプ素子 ８・・・・・・電池素子 １１・・・・・・演算増幅回路 １４．１７・・・・・・基準電圧源 １５．１６・・・・・・差動増幅回路 ２０・・・・・・電流電圧変換回路

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 酸素イオン伝導性固体電解質材及びこれを挟む一対の電
   極から各々が構成されかつ相互間に拡散制限域を形成す
   る酸素ポンプ素子及び電池素子からなり前記酸素ポンプ
   素子及び電池素子の一方の電極が共通接続された酸素濃
   度検出素子と、前記酸素ポンプ素子及び電池素子の共通
   接続ラインに一端が接続された電流電圧変換回路と、前
   記電流電圧変換回路の変換出力端子電位と前記電池素子
   の他方の電極電位との電位差に応じた電圧を発生する差
   動アンプと、該差動アンプの出力電圧と所定基準電圧と
   の偏差に応じた電圧を前記酸素ポンプ素子及び電流電圧
   変換回路の直列回路に印加する電圧印加手段と、非反転
   入力端子が基準電位に維持されかつ反転入力端子と出力
   端子との間に前記電流電圧変換回路の両端が接続された
   演算増幅回路とからなる酸素濃度検出装置であって、前
   記電流電圧変換回路は前記共通接続ラインと前記変換電
   圧出力端子との間に接続された抵抗と、前記演算増幅回
   路の出力端子と反転入力端子との間に接続された分圧回
   路と、前記分圧回路の分圧点と前記変換電圧出力端子と
   の間に接続された容量性インピーダンス素子とからなる
   ことを特徴とする酸素濃度検出装置。