JPH065224B2

JPH065224B2 - 空燃比検出素子

Info

Publication number: JPH065224B2
Application number: JP60008151A
Authority: JP
Inventors: 和義柴田; 喜朗団野
Original assignee: NIPPON GAISHI KK; Mitsubishi Motors Corp
Current assignee: NIPPON GAISHI KK; Mitsubishi Motors Corp
Priority date: 1985-01-19
Filing date: 1985-01-19
Publication date: 1994-01-19
Anticipated expiration: 2009-01-19
Also published as: JPS61167853A

Description

【発明の詳細な説明】（技術分野）本発明は空燃比検出素子に係り、特に被測定ガスたる燃
焼排ガスの空燃比（Ａ／Ｆ値）をリーン領域からリッチ
領域にわたって効果的に検出することの出来る空燃比検
出素子に関するものである。

（従来技術）従来から、所謂酸素センサとして、自動車の内燃機関の
排気ガス（燃焼排ガス）中に含まれる酸素濃度を検知
し、その検出信号に基づいて内燃機関の燃焼状態を最適
にコントロールすることにより、排気ガスの浄化、燃費
の節減等を行う空燃比検出装置が知られている。

ところで、この種の空燃比検出装置に用いられる空燃比
検出素子として、代表的には、酸素イオン伝導性の固体
電解質であるジルコニア磁器を用いた、酸素濃淡電池の
原理を利用して酸素濃度を求める構造のものが実用化さ
れており、そこでは、固体電解質にそれぞれ設けられ
た、被測定ガスに晒される被測定電極と基準酸素濃度の
基準ガスに晒される基準電極との間における酸素濃度差
に起因する起電力を検出して、理論空燃比の状態で燃焼
せしめて得られる燃焼排ガスの如き中性雰囲気のガスを
境にして、かかる被測定ガスがリーン雰囲気であるか、
或いはリッチ雰囲気であるかの識別（判別）を行い、こ
れに基づいてそのような被測定ガスとしての燃焼排ガス
を発生するエンジンを制御するようにしている。

しかして、かくの如き空燃比検出素子は、あくまでもＡ
／Ｆ＝１４．６の理論空燃比の付近における起電力の変
化を利用するものであるところから、被測定ガスとして
は、理論空燃比付近の燃焼排ガスが測定対象となってい
たが、近年になって、所定のガス拡散抵抗を有する多孔
質層やピンホール等の拡散抵抗手段と、酵素イオン伝導
性の固体電解質及び一対の電極からなる電気化学的ポン
プセルとを設けて、該拡散抵抗手段を介して被測定ガス
存在空間から導かれた被測定ガス中に存在する酸素量
を、電気化学的ポンプセルにて制御することにより、広
い空燃比範囲の被測定ガスでも測定し得るようにした構
造のものが提案され、例えば、特開昭５８−１５３１５
５号公報や、ＳＡＥＰａｐｅｒ８１０４３３、８２
０９０４及び同じく８４１２５０等に、その一例が明ら
かにされている。

このような拡散抵抗手段並びに電気化学的ポンプセルを
設けた空燃比検出素子にあっては、その拡散抵抗手段介
して、被測定ガス存在空間から拡散により導かれて、測
定電極に接触せしめられる、被測定成分としてのより低
い分圧の酸素が、該ポンプセルにて外部に汲み出される
に際してのポンプ電流値（酸素汲み出し電流）が、被測
定ガス中の酸素濃度、ひいてはλ（Ａ／Ｆ値）と対応す
るところから、Ａ／Ｆ値が１４．６よりもはるかに高い
領域、即ちリーン領域、換言すれば空気が過剰の状態に
おいて燃焼せしめられ、酸素分圧が理論空燃比の時の酸
素分圧よりも高いリーン雰囲気の排気ガスにおけるＡ／
Ｆ値を、前記ポンプ電流値を検出することにより容易に
求めることができるのであり、またリッチ領域、換言す
れば燃料が過剰の状態において燃焼せしめて得られる酸
素分圧が理論空燃比における酸素分圧よりも低く、未燃
焼成分が多量に存在する領域の排気ガスの如きＡ／Ｆ値
が１４．６よりも低い被測定ガスにあっては、拡散によ
り導かれる測定電極周囲の未燃焼成分を、ポンプセルに
よる外部からの酸素の汲み入れよって反応（燃焼）せし
めるに際しての、該ポンプセルに流れるポンプ電流値
が、Ａ／Ｆ値に対応するところから、かかるポンプ電流
値を検出することにより、リッチ領域にある被測定ガス
のＡ／Ｆ値も求めることができるのである。

（問題点）しかしながら、かくの如き拡散抵抗手段や電気化学的ポ
ンプセルを設けて、被測定ガス中の酸素等の測定成分が
制御された割合にて測定電極に接触せしめられるように
して、かかるポンプセルのポンプ電流値を求めるように
した空燃比検出素子にあっては、被測定ガスが１４．６
よりも大きなＡ／Ｆ値を有するリーン領域においては、
ポンプセルによって測定電極周囲の測定空間内の酸素を
外部に汲み出す必要がある一方、Ａ／Ｆ値が１４．６よ
りも小さなリッチ領域にあっては、外部から酸素を汲み
入れる必要があるのであり、このため、Ａ／Ｆ値＝１
４．６を境にして、リーン領域の被測定ガスを対象とす
る場合とリッチ領域の被測定ガスを対象とする場合とで
は、かかるポンプセルのポンプ電流の極性（電流の流れ
方向）を反転させることが必要となり、そして、このた
めにポンプセルに所望の電流を流すための電源が複雑と
なる問題があった。

（解決手段）ここにおいて、本発明は、かかる問題を解決するために
為されたものであって、その特徴とするところは、
（ａ）第一の酸素イオン伝導性固体電解質と該第一の酸
素イオン伝導性固体電解質に接して設けられた一対の電
極とを含み、且つそれら電極間に一定の電流が通電せし
められる第一の電気化学的ポンプセルと、（ｂ）第二の
酸素イオン伝導性固体電解質と該第二の酸素イオン伝導
性固体電解質に接して設けられた一対の電極とを含む第
二の電気化学的ポンプセルと、（ｃ）該第一の電気化学
的ポンプセルと該第二の電気化学的ポンプセルの間にあ
って、被測定ガスが所定の拡散抵抗手段を介して導か
れ、該第一の電気化学的ポンプセルの一方の電極と該第
二の電気化学的ポンプセルの一方の電極とがそれぞれ露
呈せしめられる測定空所と、（ｄ）第三の酸素イオン伝
導性固体電解質と、該第三の酸素イオン伝導性固体電解
質に接して設けられた、前記測定空所の奥部において露
呈せしめられ、前記第二の電気化学的ポンプセルの前記
一方の電極よりも若しくはその測定空所入口側の始端位
置よりも奥部となるように配置される測定電極と、該第
三の酸素イオン伝導性固体電解質に接して設けられた基
準酸素濃度の基準ガスに接触せしめられる基準電極とを
含む電気化学的センサセルから構成され、前記測定空所
内の雰囲気中の酸素分圧に対応した信号を出力し、その
出力信号に従って前記第二の電気化学的ポンプセルの作
動が制御されるセンサ手段とを含み、且つそれら第一及
び第二の電気化学的ポンプセル並びにセンサ手段が積層
構造において一体的に構成されていると共に、その一体
構造内に前記測定空所を設けるように、空燃比検出素子
を構成したのである。

このように、本発明に従う空燃比検出素子にあっては、
二つの電気化学的ポンプセルが設けられて、その一つに
一定の電流が通電せしめられることによって、拡散抵抗
手段を介して導かれ、センサ手段に接触せしめられる雰
囲気中の酸素濃度（酸素分圧）が一定量変化させられる
こととなり、これによって他の一つのポンプセルにて検
出されるポンプ電流値（Ｉｐ）が被測定ガスのＡ／Ｆ値
に従って一定量だけ変化せしめられることとなり、Ａ／
Ｆ値＝１４．６（λ＝１）の前後においても、かかるポ
ンプ電流値（Ｉｐ）が反転しない状態を得ることができ
るのである。

因みに、第１図には、第一の電気化学的ポンプセルに前
記測定空所に酸素が汲み入れられる方向の一定の電流を
流した場合において、本発明における第二の電気科学的
ポンプセルのポンプ電流値（Ｉｐ）のλ（Ａ／Ｆ値）に
対する変化が一点鎖線で示されている。

そこにおいて、第一の電気化学的ポンプセルに電流が流
されない場合、換言すれば第一の電気化学的ポンプセル
が存在しない従来の素子の場合にあっては、λ＝１の前
後でポンプ電流値（Ｉｐ）は反転しているのである。

これに対して、本発明の従って、第一の電気化学的ポン
プセルに一定の電流が流された場合において、測定空所
内の酸素分圧が一定値だけ増大せしめられるところか
ら、その増大分に見合う第二の電気化学的ポンプセルの
ポンプ電流（Ｉｐ）が必要となり、これによってλが１
より小さい所定領域においても、λ＞１の場合と同様な
電流方向にてポンプ電流値（Ｉｐ）を検出することがで
きるのである。換言すれば、λ＞１であるリーン領域か
らλが１より小さい所定範囲のリッチ領域に至るまで、
同じ方向のポンプ電流値が得られ、これがλ（Ａ／Ｆ
値）に対応することとなるのである。

なお、かかる本発明においては、センサ手段として第三
の酸素イオン伝導性固体電解質と、該第三の酸素イオン
伝導性固体電解質に接して設けられた、前記測定空所に
露呈せしめられる測定電極と、該第三の酸素イオン伝導
性固体電解質に接して設けられた基準酸素濃度の基準ガ
スに接触せしめられる基準電極とから構成される電気化
学的センサセルが用いられることとなるが、そのような
センサセルにあっては、それら電極に接触せしめられる
雰囲気中の酸素濃度差に基づいて発生せしめられる起電
力が、前記第二の電気化学的ポンプセルの作動を制御す
るための出力信号として、取り出されることとなる。

また、かかる電気化学的センサセルを前記センサ手段と
して用いた場合において、その第三の酸素イオン伝導性
固体電解質と、前記第一の電気化学的ポンプセルの第一
の酸素イオン伝導性固体電解質若しくは前記第二の電気
化学的ポンプセルの第二の酸素イオン伝導性固体電解質
とは、同一の酸素イオン伝導性固体電解質にて構成する
ことができ、更にかかるセンサ手段と前記第一の電気化
学的ポンプセルとを共通とすることにより、素子構造を
簡略化することが可能である。

さらに、被測定ガス存在空間から前記測定空所に測定ガ
スを導く、所定のガス拡散抵抗を有する拡散抵抗手段と
して、細孔（ピンホール）を用いることが可能であり、
この細孔を介して、前記測定空所が被測定ガス存在空間
に連通せしめられたり、また多孔質セラミック体を用い
て、所定のガス拡散抵抗の下に被測定ガスが前記測定空
所に導かれるようにすることもできる。

そしてまた、前記測定空所を、それがそのまま前記拡散
抵抗手段となる、所定のガス拡散抵抗を有する細隙な平
坦空間として構成することもできる。そのような平坦空
間は、前記第一の電気化学的ポンプセル及び／又は第二
の電気化学的ポンプセルに貫設された被測定ガス導入孔
を通じて、被測定ガス存在空間に連通せしめられたり、
或いは、かかる平坦空間が被測定ガス存在空間に対して
開口し、直接に連通せしめられたりされる。

なお、本発明に従う空燃比検出素子の好ましい態様にあ
っては、被測定ガスの温度が低く、電気化学的セルの固
体電解質等が充分な高温度に保持されない場合において
は、その性能を充分に発揮し得なくなるところから、適
当なヒータによって該固体電解質等が加熱せしめられる
ようにすることが望ましく、そのような場合において
は、一般に前記第一の電気化学的ポンプセル、前記第二
の電気化学的ポンプセル及び前記センサ手段の少なくと
も何れか一つに密着して、特にセルを構成する固体電解
質に密着するように、所定のセラミックヒータ層が設け
られることとなる。

（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
明の実施例を、図面に基づいて詳細に説明することとす
る。

先ず、第２図及び第３図は、それぞれ本発明に従う空燃
比検出素子の一具体例の展開図及びその断面説明図であ
る。すなわち、この空燃比検出素子は、第一の電気化学
的ポンプセル２、平坦空間形成層４、第二の電気化学的
ポンプセル６（電気化学的センサセル８）及び基準ガス
通路形成層１０が順次積層されて、一体的に焼成されて
成るものである。

そこにおいて、第一の電気化学的ポンプセル２は、イッ
トリア添加ジルコニア磁器等の如き、酸素イオン伝導性
の公知の平板状の固体電解質からなるセル基板１２と、
その両側の面に接して、それぞれ対向するように設けら
れた、第一の電極１４及び第二の電極１６とから構成さ
れている。そして、それら第一の電極１４、セル基板１
２、第二の電極１６をそれぞれ貫通する、実質的に拡散
抵抗を無視し得る大きさのガス取入れ孔（被測定ガス導
入孔）１８が設けられている。なお、この第一のポンプ
セル２の第一の電極１４と第二の電極１６は、それぞれ
のリード部２０，２２を介して、外部の一定電流電源た
る直流電源２４に接続され、それら電極間に流される一
定の電流の方向に従って、酸素を、セル基板１２を通じ
て、内側の第二の電極１６から外側の第一の電極１４側
に、或いはその逆方向に、移動せしめられるようになっ
ている。

一方、第二の電気化学的ポンプセル６にあっては、上記
第一のポンプセル２のセル基板１２と同様な、イットリ
ア添加ジルコニア磁器等の酸素イオン伝導性の固体電解
質からなるセル基板２６と、その両側の面に接して設け
られたそれぞれ対応する第三の電極２８及び第四の電極
３０とから構成されている。そして、それら第三の電極
２８及び第四の電極３０は、それぞれリード部３２及び
３４を介して外部の制御器３６に接続されており、この
制御器３６による制御下において、所定の電流が第三の
電極２８と第四の電極３０との間に流されるようになっ
ている。そしてまた、それら第三の電極２８と第四の電
極３０との間に流されるポンプ電流（Ｉｐ）を検出する
ために、その回路上に、電流計３８が設けられている。

また、センサ手段としての電気化学的センサセル８は、
上記第二の電気化学的ポンプセル６のセル基板２６を利
用して、構成されている。すなわち、センサセル８は、
セル基板２６と、前記第三の電極２８の周囲に設けられ
た細幅リング状の測定電極４０と、前記第四の電極３０
の周囲に設けられた細幅リング状の基準電極４２とから
構成されているのである。そして、このセンサセル８の
測定電極４０と基準電極４２は、それぞれのリード部４
４，４６を介して外部の制御器３６に接続され、それら
電極によって検出されるセンサセル８の起電力を出力信
号として取り出し、該制御器３６に入力せしめて、かか
る制御器３６により前記第二の電気化学的ポプセル６に
対するポンプ電流を制御せしめるようになっている。

ところで、上述の如き第一の電気化学的ポンプセル２と
第二の電気化学的ポンプセル６（電気化学的センサセル
８）との間には、アルミナ等の電気絶縁性を有する絶縁
層４８が、適当なセラミックスからなる平坦空間形成層
４と共に介装され、またそれら絶縁層４８及び平坦空間
形成層４の前記第二の電極１６及び測定電極４０に対応
する部位に孔５０が形成され、第３図に示される如く、
二つのポンプセル２、６間に薄い細隙な円形の平坦空間
５４が形成されているのである。そして、この平坦空間
５４の略中央部に、第一のポンプセル２を貫通するガス
取入れ孔１８が連通せしめられており、このガス取入れ
孔１８を通じて、被測定ガスが平坦空間５４内に導かれ
るようになっているところから、該平坦空間５４は、実
質的に円環状を呈することとなる。

この平坦空間５４に対しては、第３図から明らかなよう
に、第一のポンプセル２の第二の電極１６と、第二のポ
ンプセル６と第三の電極２８及びその周囲に設けられた
センサセル８の円環状の測定電極４０とが、それぞれ露
呈せしめられ、該平坦空間５４内の雰囲気に接触せしめ
られるようになっている。

従って、センサセル８の測定電極４０は、第二のポンプ
セル６の第三の電極２８よりも平坦空間５４の奥部に位
置するように配置されているのである。

なお、かかる平坦空間５４の厚さは、絶縁層４８と平坦
空間形成層４の合計厚さによって規制され、一般に所望
のガス拡散抵抗を有するように、１〜１００μ程度の厚
さとされることとなる。

また、第二のポンプセル６及びセンサセル８の固体電解
質を構成するセル基板２６の、第四の電極３０及び基準
電極４２が設けられた側には、更に、長手方向にスリッ
ト５６を形成したスペーサ部材５８及び平板状の蓋部材
６０が順次、積層せしめられて、基準ガス通路形成層１
０が構成されている。換言すれば、セル基板２６に対し
て、適当なセラミックス材料からなるスペーサ部材５８
及び蓋部材６０が積層せしめられて、該スペーサ部材５
８のスリット５６部分が、それらセル基板２６と蓋部材
６０にて上下方向から覆蓋せしめられることによって、
第３図に示される如き基準ガス通路６２が形成されるの
である。また、この基準ガス通路６２は、センサセル２
６の一端側において開口し、そして例えば大気に連通せ
しめられて、基準ガスとしての空気が、かかる基準ガス
通路６２内に導き入れられるようになっている。また、
このような基準ガス通路６２に対して、第二のポンプセ
ル６の第四の電極３０及びセンサセル８の基準電極４２
がそれぞれ露呈せしめられ、所定の基準酸素濃度の基準
ガスに接触せしめられるようになっている。

従って、このような構造の空燃比検出素子（装置）にあ
っては、第一のポンプセル２に対して直流電源２４から
一定電流を供給して、第一の電極１４と第二の電極１６
との間に電流を流すことにより、その電流の方向に従っ
て酸素が移動せしめられ、以て平坦空間５４内の雰囲気
中の酸素濃度が、被測定ガスたる燃焼排ガスのＡ／Ｆ値
の如何に拘わらず、一定量だけ増減せしめられることと
なる。

例えば、第一のポンプセル２において、第二の電極１６
から第一の電極１４側に一定の直流電流を流して、セル
基板１２を通じて、酸素を外部空間かかる平坦空間５４
内に汲み入れるようにすれば、かかる平坦空間５４内の
酸素濃度は、被測定ガスがリーンの雰囲気であれば、ガ
ス取入れ孔１８を通じて外部の被測定ガス存在空間から
拡散によって導き入れられる酸素と、該第一のポンプセ
ルによって汲み入れられる酸素とを加えることによって
決定される。

そして、そのような状態において、第二のポンプセル６
の第三の電極２８と第四の電極３０との間に制御器３６
から電流を流して、平坦空間５４内の雰囲気中の酸素
を、該平坦空間５４から基準ガス通路６２内に汲み出す
一方、センサセル８の測定電極４０と基準電極４２とに
より、かかる平坦空間５４及び基準ガス通路６２内の雰
囲気中の酸素濃度差に基づいて発生せしめられる起電力
を外部に取り出し、制御器３６に入力せしめて、かかる
センサセル８の出力信号としての起電力が所定の値とな
るように、制御器３６にて、第二のポンプセル６に流れ
る電流がフイードバック制御され、その際のポンプ電流
値（Ｉｐ）が電流計３８にて検出されるのである。

しかして、このような被測定ガスの空燃比の測定にあっ
ては、上述のように、平坦空間５４内には、第一のポン
プセル２にて常に一定量の酸素が導入されているところ
から、被測定ガスガ理論空燃比の状態（Ａ／Ｆ値＝１
４．６）の中性雰囲気にあっても、平坦空間５４内の雰
囲気は、見かけ上被測定ガスがリーン雰囲気に対応した
状態の雰囲気として構成されることとなり、このため
に、第１図に示されるように、Ａ／Ｆ値＜１４．６の被
測定ガス、換言すればλ＝１より小さいリッチ領域にお
いても、第二のポンプセル６における電極２８，３０間
に流される電流の方向が、リーン雰囲気の場合と同様な
方向となり、従来の如くλ＝１のポイントにおいて、ポ
ンプ電流（Ｉｐ）の極性を反転せしめる必要は全くない
のである。それ故、被測定ガスの空燃比の測定におい
て、リッチ領域からリーン領域に至る範囲を第二のポン
プセル６におけるポンプ電流の極性を反転させることな
く、その検出が可能となるのである。

なお、上記説明では、リーン領域からリッチ領域の所定
の領域に至る迄の空燃比を測定する場合について挙げた
が、これとは逆に、リッチ領域から所定のリーン領域に
至る迄の空燃比を有する燃焼排ガスを被測定ガスとする
場合にあっても、前記第一のポンプセル２の電極１４，
１６間に流される電流の方向を、第一の電極１４から第
二の電極１６に向かう方向とすることにより、上記の同
様に本発明を適用して、極性を反転することなく、一つ
の方向のポンプ電流にて、Ａ／Ｆ値を求めることが可能
である。

また、かかる構造の空燃比検出素子にあっては、センサ
セル８の測定電極４０が、第二のポンプセル６の第三の
電極２８よりも、平坦空間５４の奥部に位置するように
配置されているところから、ポンプ作用による平坦空間
５４内の全体の雰囲気変化がセンサセル８にて検出さ
れ、それに基づいて第二のポンプセル６のポンプ作動が
制御され、以てそのポンプ電流値より、Ａ／Ｆ値が求め
られることとなるため、被測定ガスに対応した正確なポ
ンプ電流値を求めることが出来、その検出精度が効果的
に高められ得る利点がある。

これに反して、センサセルの測定電極（４０）が、第二
のポンプセルの第三の電極（２８）よりも平坦空間（５
４）の入口側に配置せしめられたり、該測定電極（４
０）の平坦空間入口側の始端位置が該第三の電極（２
８）の平坦空間入口側の始端位置に一致乃至はそれより
も平坦空間入口側に位置するように配置されていたりす
ると、かかる平坦空間内ではポンプ作用に伴なって入口
側から奥部に向かって測定成分の濃度に勾配が生じるた
め、平坦空間（５４）内の全体の雰囲気が変化するまで
に、換言すればその雰囲気が完全に所定の測定成分濃度
の雰囲気となるまでに、センサセルから該所定の測定成
分濃度に対応した起電力が出力されてしまい、それによ
って第二のポンプセルのポンプ作動の制御が不正確とな
って、被測定ガスに対応したポンプ電流値の検出が困難
となり、検出精度が低下する問題を内在しているのであ
る。

なお、本発明に従う空燃比検出素子は、以上の構造に限
定されるものでは決してなく、その他の構造のものにも
有効に適用され得るものであり、例えば、第４図乃至第
１２図に示されるような構造であってもよいのである。

先ず、それら本発明に従う空燃比検出素子の実施例にお
いて、第４図及び第５図に示される空燃比検出素子は、
それぞれ前記実施例における素子構造乃至は配置形態に
おいて全く同様なものであるが、前記実施例とは、外部
の一定電流電源や、センサセルの起電力信号が所定の値
となるようにフィードバック制御する制御電源回路にお
いて異なっている。特に、第４図の素子にあっては、前
例に対して第一の電気化学的ポンプセル２と第二の電気
化学的ポンプセル６の配置が入れ換わっており、該第一
のポンプセル２と電気化学的センサセル８とが共通のセ
ル基板１２を用いて構成されているところに、大きな特
徴を有している。

すなわち、第４図の例にあっては、第二の電気化学的ポ
ンプセル６、平坦空間形成層４、第一の電気化学的ポン
プセル２（電気化学的センサセル８）及び基準ガス通路
形成層１０が順次に積層されて、一体的な構造とされて
いるのである。

そして、センサセル８とセル基板１２を共通にする第一
のポンプセル２の第二の電極１６に対して、そのリード
部２２を介して、一定の電流を流す直流電源２４が接続
せしめられ、これによって基準ガス通路６２に露呈せし
められる第一の電極１４の側から第二の電極１６の側
に、セル基板１２を通じて酸素が移動せしめられるよう
になっている。また、センサセル８の起電力は、基準電
極４２から、そのリード部４６を通じて作動アンプ６４
に入力され、該作動アンプ６４にて比較電源６６からの
所定の入力値と比較され、以て制御された電流が、第二
のポンプセル６の第四の電極３０に対して、そのリード
部３２を介して供給され、該第三の電極２８と第四の電
極３０との間に通電せしめることによって、かかる第二
のポンプセル６に所定のポンプ作動を行わしめるように
なっている。そして、かかる第二のポンプセル６に対す
るポンプ電流（Ｉｐ）が、抵抗６８の前後における電位
差を測定するための電位差計７０によって、求められる
ようになっているのである。

なお、第５図の空燃比検出素子にあっては、第２図の如
き素子形態において、第４図の如き外部電源回路を形成
せしめた構造とされている。すなわち、第一のポンプセ
ル２の第二の電極１６に対して、一定の電流を流す直流
電源２４が接続される一方、センサセル８の基準電極４
２から出力される起電力が作動アンプ６４に入力され、
そして比較電源６６との間の比較値に基づいて、第二の
ポンプセル６の第三の電極２８と第四の電極３０との間
に、所定の制御されたポンプ電（Ｉｐ）が流されるよう
になっており、そしてそのようなポンプ電流（Ｉｐ）が
電位差計７０にて求められるようになっているのであ
る。

また、第６図及び第７図に示される本発明に係る他の空
燃比検出素子の例にあっては、第一の電気化学的ポンプ
セル２と電気化学的センサセル８とが共通とされてい
る。換言すれば、同一のセル基板１２と同一の一対の電
極１６，４０及び１４，４２とを用いて、それぞれのセ
ルが構成されているのである。そして、それら一対の電
極のうち、平坦空間５４に実質的に露呈せしめられる電
極１６，４０は、図示の如く、その平坦空間入口側の始
端が第二の電気化学的ポンプセルの６の該平坦空間５４
に露呈される第三の電極２８の平坦空間入口側の始端位
置よりも平坦空間５４の奥部に位置するように、配置さ
れているのである。また、本例の素子では、基準ガス通
路形成層１０の外側に、所定のセラミックヒータ層７４
が一体的に積層、形成されているところにも、特徴があ
る。このセラミックヒータ層７４は、ヒータ７６とそれ
を両側から挟む２枚のセラミックス層７８，７８にて構
成されている。

なお、本例の素子においては、第二のポンプセル６の外
側に位置して被測定ガスに晒される第四の電極３０を保
護するために、アルミナ、スピネル等の適当なセラミッ
クスからなる多孔質保護層８０が積層、形成される一
方、絶縁層４８が平坦空間形成層４を兼ねるものとさ
れ、そして形成された平坦空間５４にそれぞれ露呈せし
められる、第二のポンプセル６の第三の電極２８と第一
のポンプセル２（センサセル８）の第二の電極１６（測
定電極４０）とを保護するように、多孔質保護層８２，
８４がそれぞれ積層、形成されている。

そして、このような空燃比検出素子にあっては、第一の
ポンプセル２の二つの電極１４，１６間に直流電源２４
から一定電流が流される一方、該第一のポンプセル２を
兼ねるセンサセル８の測定電極４０と基準電極４２との
間において、平坦空間５４内の酸素分圧に応じた起電力
が出力され、その出力が制御器３６に導かれ、そしてそ
のような起電力信号に基づいて、第二のポンプセル６の
ポンプ電流（Ｉｐ）が制御されることとなるのである。

なお、第８図には、かかる第６図及び第７図に示された
素子構造において、外部の一定電流電源及び第二のポン
プセル６の制御電源回路が、第４図若しくは第５図の例
の如く構成されているところに特徴がある。また、本例
にあっては、一定電流電源２４として、マイナス電源が
用いられており、そして比較電源６６もマイナス電源と
されている。

また、第９図及び第１０図に示される本発明に従う空燃
比検出素子の例にあっては、前記各例とは異なり、平坦
空間５４が素子の先端部に開口せしめられて、直接に被
測定ガス存在空間に連通せしめられるようになってお
り、そのような先端開口部を通じて導かれる被測定ガス
中の測定成分が、該平坦空間５４の細隙（厚さ）によっ
て規制される拡散抵抗に従って、かかる平坦空間５４の
奥部まで拡散せしめられ、そしてそこに位置せしめられ
ている平坦空間５４の幅方向に細長なセンサセル８の測
定電極４０に、接触せしめられるようになっている。ま
た、かかる平坦空間５４に対して、第二のポンプセル６
の第三の電極２８が露呈せしめられ、更に該電極２８に
対向するように、該平坦空間５４を挟んで、第一のポン
プセル２の第二の電極１６が、該平坦空間５４に露呈せ
しめられている。なお、本例における第一のポンプセル
２は、セル基板１２と共に、基準ガス通路形成層１０
（スペーサ部材５８及び蓋部材６０）がそれぞれ所定の
固定電解質から構成されて、一つの酸素イオン伝導性の
固体電解質として機能するようになっている。

なお、本例における平坦空間５４は、第一のポンプセル
２（センサセル８）と第二のポンプセル６の積層に際し
て、それらの間にスペーサ部材としての平坦空間形成層
４介在するように構成せしめられることによって形成さ
れることとなる。

すなわち、平坦空間形成層４の一方の端部に開口する長
手方向の切欠き９２が、上下のセル基板１２，２６にて
覆蓋させることによって、一方の端部側に開口する、所
定の拡散抵抗を有する細隙な平坦空間５４が、形成され
るのである。

更にまた、第１１図及び第１２図に示される本発明に従
う空燃比検出素子にあっては、前記第９図及び第１０図
で示した実施例と比較して、以下の点に特徴がある。す
なわち、第１１図及び第１２図の各実施例にあっては、
第一の電気化学的ポンプセルを構成する第一の酸素イオ
ン伝導性固体電解質と、センサセルを構成する第三の酸
素イオン伝導性固体電解質とが各々分離されており、ま
た基準電極４２の接する基準ガスを存在させるために設
ける基準ガス通路６２に代わって、Ｎｉ−ＮｉＯ等から
なる基準酸素ガス形成層１００が設けられている。この
ため、本実施例にあっては、空燃比素子が簡略化される
ことに加えて、第一の電気化学的ポプセルを構成する第
一の酸素イオン伝導性固体電解質からなる蓋部材６０
と、第二の電気化学的ポンプセルを構成する第二の酸素
イオン伝導性固体電解質からなるセル基板２６と、セン
サ手段たる電気化学的センサセルを構成する第三の酸素
イオン伝導性固体電解質からなるセル基板１２とが、そ
れぞれ独立した酸素イオン伝導性固体電解質とされてい
るため、第一もしくは第二の電気化学的ポンプセルから
センサセルに流れ込む漏れ電流を効果的に低減できると
いう利点がある。

なお、以上の実施例においては、拡散抵抗手段として、
所定のガス拡散抵抗を有する平坦空間５４が用いられて
いるが、その他よく知られているように、多孔質セラミ
ックス体をセル基板等として用いて、該多孔質セラミッ
クス体を通じて被測定ガスを測定室所内に導くようにし
た構造であっても、また所定のガス拡散抵抗を有するピ
ンホール（細孔）を、第一のポンプ及び／又は第二のポ
ンプセルを貫通して設け、それらポンプセル間に形成さ
れる測定空所内に連通せしめるようにした構造であって
も、何等差支えないのである。

以上、本発明の幾つかの実施例について説明してきた
が、本発明に従う空燃比検出素子は、そのような例示の
具体的構造のみに限定して解釈されるものでは決してな
く、本発明の趣旨を逸脱しない限りにおいて、当業者の
知識に基づいて、種々なる変形、修正、改良等を加えた
形態において実施され得るものであって、本発明は、そ
のような実施形態のものを含むものであること、言うま
でもないところである。

（発明の効果）以上の説明から明らかなように、本発明に従う空燃比検
出素子は、二つの電気化学的ポンプセルを設け、その一
つに一定の電流を通電せしめることによって測定空所内
に導かれた被測定ガス中の測定成分の濃度を一定量だけ
変化せしめ、これにより、他の一つのポンプセルとセン
サ手段によって検出されるポンプ電流値（Ｉｐ）が、リ
ッチ領域からリーン領域に至る範囲において、その極性
を反転させることなく、一つの方向の電流の流れにおい
て検出され得るようになし得たのであり、以て、リッチ
領域からリーン領域に至る範囲の被測定ガスの空燃比を
有利に検出することができ、また、ポンプセルの電源を
非常に簡単なものと為じ得ることとなったのであって、
そこに本発明の大きな工業的意義が存するものである。

しかも、本発明に従う空燃比検出素子にあっては、セン
サ手段としての電気化学的センサセルの測定電極が、第
二の電気化学的ポンプセルの測定空所内に露呈せしめら
れる一方の電極よりも、測定空所の奥部に位置するよう
に配置されているところから、ポンプ作用による平坦空
間内の全体の雰囲気変化が該電気化学的センサセルにて
検出され、それに基づいて第二の電気化学的ポンプセル
のポンプ作動が制御され、以てそのポンプ電流値よりＡ
／Ｆ値が求められることとなるため、被測定ガスに対応
した正確なポンプ電流値を求めることが出来、その検出
精度が効果的に高められ得るのである。

また、本発明によれば、第一及び第二の電気化学的ポン
プセル並びにセンサ手段（電気化学的センサセル）が積
層構造において一体的に構成されていると共に、その一
体構造内に測定空所が設けられるものであるところか
ら、空燃比検出素子自体としての取扱いが極めて簡便で
あることは勿論、構造的にも簡略化され得、更には所定
の拡散抵抗を与えるような細隙な測定空所の形成も極め
て容易となる利点があるのである。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明に係る空燃比検出素子と従来の素子に
ついて、λとポンプ電流値（Ｉｐ）との関係を示すグラ
フである。第２図は、本発明に係る空燃比検出素子の一
例の展開構造を示す斜視説明図であり、第３図は第２図
におけるIII−III断面図である。また、第４図、第５
図、第６図、第８図、第９図、及び第１１図は、それぞ
れ本発明に係る空燃比検出素子の異なる例を示す、第２
図に相当する図であり、第７図、第１０図及び第１２図
はそれぞれ第６図、第９図及び第１１図におけるVII−V
II断面、Ｘ−Ｘ断面及びXII−XII断面図を示す略図であ
る。２：第一の電気化学的ポンプセル４：平坦空間形成層６：第二の電気化学的ポンプセル８：電気化学的センサセル１０：基準ガス通路形成層１２：セル基板１４：第一の電極１６：第二の電極１８：ガス取入れ孔２４：直流電源２６：セル基板２８：第三の電極３０：第四の電極３６：制御器３８：電流計４０：測定電極４２：基準電極４８：絶縁層５４：平坦空間５８：スペーサ部材６０：蓋部材６２：基準ガス通路６４：作動アンプ６６：比較電源７０：電位差計７４：セラミックヒータ層７６：ヒータ７８：セラミックス層９８：直流電源１００：基準酸素ガス形成層

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】第一の酸素イオン伝導性固体電解質と該第
一の酸素イオン伝導性固体電解質に接して設けられた一
対の電極とを含み、且つそれら電極間に一定の電流が通
電せしめられる第一の電気化学的ポンプセルと、第二の酸素イオン伝導性固体電解質と該第二の酸素イオ
ン伝導性固体電解質に接して設けられた一対の電極とを
含む第二の電気化学的ポンプセルと、該第一の電気化学的ポンプセルと該第二の電気化学的ポ
ンプセルの間にあって、被測定ガスが所定の拡散抵抗手
段を介して導かれ、該第一の電気化学的ポンプセルの一
方の電極と該第二の電気化学的ポンプセルの一方の電極
とが、それぞれ露呈せしめられる測定空所と、第三の酸素イオン伝導性固体電解質と、該第三の酸素イ
オン伝導性固体電解質に接して設けられた、前記測定空
所の奥部において露呈せしめられ、前記第二の電気化学
的ポンプセルの前記一方の電極よりも若しくはその測定
空所入口側の始端位置よりも奥部となるように配置され
る測定電極と、該第三の酸素イオン伝導性固体電解質に
接して設けられた基準酸素濃度の基準ガスに接触せしめ
られる基準電極とを含む電気化学的センサセルから構成
され、前記測定空所内の雰囲気中の酸素分圧に対応した
信号を出力し、その出力信号に従って前記第二の電気化
学的ポンプセルの作動が制御されるセンサ手段とを、含み、且つそれら第一及び第二の電気化学的ポンプセル
並びにセンサ手段が積層構造において一体的に構成され
ていると共に、その一体構造内に前記測定空所が設けら
れていることを特徴とする空燃比検出素子。
【請求項２】前記第一の電気化学的ポンプセルの第一の
酸素イオン伝導性固体電解質と前記センサ手段の第三の
酸素イオン伝導性固体電解質とが、同一の酸素イオン伝
導性固体電解質にて構成されている特許請求の範囲第１
項記載の空燃比検出素子。
【請求項３】前記第二の電気化学的ポンプセルの第二の
酸素イオン伝導性固体電解質と前記センサ手段の第三の
酸素イオン伝導性固体電解質とが、同一の酸素イオン伝
導性固体電解質にて構成されている特許請求の範囲第１
項記載の空燃比検出素子。
【請求項４】前記第一の電気化学的ポンプセルと前記セ
ンサ手段とが共通である特許請求の範囲第１項記載の空
燃比検出素子。
【請求項５】前記拡散抵抗手段が細孔であり、該細孔を
介して、前記測定空所が被測定ガス存在空間に連通せし
められている特許請求の範囲第１項乃至第４項の何れか
の一つに記載の空燃比検出素子。
【請求項６】前記測定空所が、前記拡散抵抗手段とな
る、所定のガス拡散抵抗を有する細隙な平坦空間である
特許請求の範囲第１項乃至第４項の何れかの一つに記載
の空燃比検出素子。
【請求項７】前記平坦空間が、前記第一の電気化学的ポ
ンプセル及び／又は第二の電気化学的ポンプセルに貫設
された被測定ガス導入孔を通じて、被測定ガス存在空間
に連通せしめられている特許請求の範囲第６項記載の空
燃比検出素子。
【請求項８】前記平坦空間が、被測定ガス存在空間に対
しして開口し、直接に連通せしめられている特許請求の
範囲第６項記載の空燃比検出素子。
【請求項９】前記拡散抵抗手段が、多孔質セラミックス
体から構成される特許請求の範囲第１項乃至第８項の何
れかの一つに記載の空燃比検出素子。
【請求項１０】前記第一の電気化学的ポンプセル、前記
第二の電気化学的ポンプセル及び前記センサ手段の少な
くとも何れか一つに密着するようにセラミックヒータ層
を設けた特許請求の範囲第１項乃至第９項の何れかの一
つに記載の空燃比検出素子。