JPH0814570B2 - 空燃比センサ - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明は内燃機関等、各種燃焼機器の排気中の酸素濃
度に基づき空燃比を検出する空燃比センサに関するもの
である。

［従来の技術］ 内燃機関等、各種燃焼機器に供給される混合気の空燃
比を排気中の酸素濃度より検出する空燃比センサの一つ
として、板状の酸素イオン伝導性固体電解質の両面に多
孔質電極が設けられた２枚の素子を、排気の拡散が制限
された間隙（測定ガス室）を介して対向配設し、一方の
素子を間隙内の酸素を周囲に汲み出す酸素ポンプ素子、
他方の素子を周囲の測定ガス雰囲気と間隙との酸素濃度
差によって電圧を生ずる酸素濃淡電池素子として、少な
くとも空燃比のリーン域において空燃比に対応した信号
を検出し得るよう構成されたものがある（特開昭59−17
8354）。

ところがこの種の空燃比センサの場合、空燃比のリー
ン域、即ち排気中に残留酸素が多く存在する場合だけで
なく、空燃比のリッチ域、即ち排気中に残留酸素が極め
て少量しか存在しない場合にでも、排気中のCO、CO₂、H
₂O等の反応により、リーン域における信号と同様の信号
を発生する特性を有することがわかった。つまり検出信
号に対して２つの空燃比が対応するようになるため、こ
の種の空燃比センサを用いて空燃比制御を実行する場
合、空燃比がリーン域にあるのか、あるいはリッチ域に
あるのかを区別する必要が生じてくるのである。

そこで、酸素濃淡電池素子の酸素ポンプ素子に対向し
ない面に大気を導入し、検出信号が理論空燃比近傍で反
転することを防止するようにしたものが提案されてい
る。しかし、酸素濃淡電池素子の一面に大気を導入する
と、空燃比センサを密閉化できず、防水対策が必要とな
り、構造が複雑になってしまう。

さらにこの欠点を改良するために近年では、空燃比セ
ンサに大気を導入しないで、酸素濃淡電池素子の一面に
設けた内部基準酸素源に酸素を発生させ、その酸素の一
部を漏出抵抗部を介して排気中あるいは測定ガス室内に
漏出させて内部基準酸素源の酸素ガス分圧を一定とし、
これにより大気基準を不要としたもの（特願昭60−1375
86,214004）が提案されている。

即ちこの種の空燃比センサでは、酸素濃淡電池素子に
所定の電流を流すことにより、測定ガス室内の酸素が内
部基準酸素源に入り、その酸素の一部が漏出抵抗部を介
して外部に漏出し、内部基準酸素源の酸素ガス分圧が一
定となることから、大気を導入した場合と同様の効果が
得られ、大気を導入することなく空燃比を良好に検出す
ることができるようになるのである。

［発明が解決しようとする問題点］ このように上記空燃比センサでは、空燃比を排気中の
酸素濃度を大気に導入した場合と同様に精度よく検出す
ることが可能となるが、その検出特性は例えば第11図に
示す如くなり、空燃比のリーン域とリッチ域とで傾きが
大きく異なり、リッチ域に比べリーン域での検出精度が
悪いといった問題がある。つまり第11図は酸素濃淡電池
素子両端に生ずる電圧が一定となるよう酸素ポンプ素子
を流れるポンプ電流を制御した場合のポンプ電流Ipの変
化を表わしているが、この図に示すように空燃比のリッ
チ域ではその傾きがリーン域に比べ３倍程度大きくな
り、リーン域での検出精度が悪くなってしまうのであ
る。

尚これは酸素ガスに比べCO,H₂等の拡散速度が大きい
ことに起因するものである。即ち、酸素ガスの少ないリ
ッチ域では、測定ガス室内の酸素ガス分圧を一定とする
ため、酸素ポンプ素子が排気中のCO,CO₂,H₂O等と反応し
て酸素を分解生成させ、これを測定ガス室内に汲み込む
ように動作されるが、測定ガス室内では拡散が速い排気
中のH₂,CO等と汲み込まれた酸素とが反応し合い酸素ガ
ス分圧が低下することから、その分だけ酸素を大きく汲
み込む必要があり、ポンプ電流が大きくなってしまうの
である。

また上述の如き空燃比センサでは、自動車用として排
気中で用いると、排気を測定ガス室内に導くガス拡散制
限孔にデポジットが沈着して目づまりを起し、ガス拡散
律速性の経時変化すなわち、A/Fを表わす出力値に誤差
を生じてくる恐れがある。

本発明の１つの目的は、大気を導入することなく空燃
比を良好に検出することができ、しかも空燃比のリーン
域においてもリッチ域と同様の検出精度の検出特性が得
られる空燃比センサを提供することである。また本発明
の他の目的は上述の如き出力の経時変化の自己補正機能
をもつ空燃比センサを提供することである。

［問題点を解決するための手段］ 即ち上記目的を達するためになされた本発明の構成
は、 酸素イオン伝導性の固体電解質両面に一対の多孔質電
極を配設してなる２個の検出素子と、 該各検出素子の一方の多孔質電極と接して形成され、
ガス拡散制限部を介して測定ガス雰囲気と連通される測
定ガス室と、 一方の検出素子の上記測定ガス室とは反対側の多孔質
電極と接して形成され、漏出抵抗部を介して外部と連通
される内部基準酸素源と、 を備えた検出素子部を２組有する空燃比センサであっ
て、 第１の検出素子部の測定ガス室を、第１のガス拡散制
限部を介して測定ガス雰囲気と直接連通すると共に、 第２の検出素子部の測定ガス室を、第２のガス拡散制
限部を介して上記第１の検出素子部の測定ガス室と連通
してなること、 を特徴とする空燃比センサを要旨としている。

ここで検出素子に使用される酸素イオン伝導性固体電
解質としては、ジルコニアとイットリアの固溶体、ある
いはジルコニアとカルシアとの固溶体等が代表的なもの
であり、その他二酸化セリウム、二酸化トリウム、二酸
化ハフニウムの各固溶体、ペロブスカイト型酸化物固溶
体、３価金属酸化物固溶体等も使用可能である。またそ
の固体電解質両面に設けられる多孔質電極としては、酸
化反応の触媒作用を有する白金やロジウム等を用いれば
よく、その形成方法としては、これらの金属粉末を主成
分としてこれに固体電解質と同じセラミック材料の粉末
を混合してペースト化し、厚膜技術を用いて印刷後、焼
結して形成する方法、あるいはフレーム溶射、化学メッ
キ、蒸着等の薄膜技術を用いて形成する方法等が挙げら
れる。尚、排気に直接的に接する電極や測定ガス室側の
電極には上記電極層に更に、アルミナ、スピネル、ジル
コニア、ムライト等の多孔質保護層を厚膜技術を用いて
形成することが好ましい。

次に測定ガス室は、測定ガス、即ち排気の拡散を制限
するガス拡散制限部を介して、周囲の排気を拡散制限的
に導入する室であって、例えば２個の検出素子の間にAl
₂O₃、スピネル、フォルステライト、ステアタイト、ジ
ルコニア等からなる中空のスペーサを挟み、ガス拡散制
限部としてこのスペーサの一部に周囲の測定ガス雰囲気
と測定ガス室とを連通させる孔を設けることによって形
成することができる。このガス拡散制限部は、周囲排ガ
ス雰囲気と測定ガス室とを拡散制限的に連通させるもの
であって形状は限定されなく、例えば上記スペーサの一
部あるいは全部を多孔質体で置き換えたり、スペーサ
（厚膜コートを含む）に孔を設けたり、更には、スペー
サを２個の検出素子の端子側にのみに設けて２個の検出
素子の間に空隙を形成し、この空隙を測定ガス室と一体
のガス拡散制限間隙として設けることもできる。また測
定ガス室全体に、電気絶縁性であることが望ましい多孔
質材を配してもよい。

また内部基準酸素源は、この内部基準酸素源に接する
検出素子に流す電流によって測定ガス室から移動せしめ
酸素を蓄える部分であって、例えば検出素子の測定ガス
室とは反対側の電極に対応する凹部を備えたAl₂O₃、ス
ピネル、フォルステライト、ステアタイト、ジルコニア
等からなる遮蔽体を積層することによって形成できる。
また更にこの内部基準酸素源は、内部の酸素を測定ガス
室側に漏出できるよう漏出抵抗部を介して測定ガス室と
連通されるが、この漏出抵抗部としては、例えば検出素
子に測定ガス室と連通するスルーホールを形成し、この
スルーホールと内部基準酸素源との間に多孔質層を設け
ることによって形成できる。

尚この漏出抵抗部は内部基準酸素源内の酸素を徐々に
測定ガス室または外部（例えば外部の測定ガス）へ移動
させることができればよいので、内部基準酸素源と測定
ガス室または外部とを微孔で連通するようにしてもよ
い。また上記内部基準酸素源としては、上記のように凹
部を有する遮蔽体を検出素子に積層し、その凹部を基準
酸素源としてもよいが、単に多孔質電極の連通孔自体を
内部基準酸素源とし、検出素子に偏平な遮蔽体をそのま
ま積層するようにしてもよい。

次に本発明の空燃比センサでは、上記のように、２個
の検出素子、測定ガス室、及び内部酸素基準源により構
成された検出素子部が２組備えられている。これは上述
したように１個の検出素子部のみでは空燃比のリーン域
とリッチ域とで排気成分の拡散速度が異なり、リーン域
での検出精度が悪いことから、拡散速度の異なる２個の
検出素子部を一体化し、拡散速度が速い第１の検出素子
部でリーン域での空燃比を検知し、拡散速度が遅い第２
の検出素子部でリッチ域での空燃比を検知することで、
リーン域からリッチ域まで連続的に変化する検出特性が
得られるようにするためである。

即ち、第１の検出素子部の測定ガス室には第１のガス
拡散制限部を介して直接排気を導入し、第２の検出素子
部の測定ガス室には第２のガス拡散制限部を介して第１
の検出素子部の測定ガス室内の排気を導入するよう構成
することによって、第１の検出素子部で得られる空燃比
リーン域での検出特性を、第２の検出素子部で得られる
空燃比リッチ域での検出特性と同等レベルにすることが
可能となるのである。尚、検出特性の傾きが空燃比のリ
ーン域に比べリッチ域で３倍程度大きくなることから、
上記第２のガス拡散制限部の拡散抵抗は、第１のガス拡
散制限部の拡散抵抗に対し２倍以上にすることが好まし
い。

ところで上記各検出素子部を一体化するには、各検出
素子部の内部基準酸素源を覆う遮蔽体をそのまま互いに
接合し、第２の検出素子部の測定ガス室と第１の検出素
子部の測定ガス室とをガス拡散制限部を介して連通する
ことによって行なうことができるが、例えば内部基準酸
素源を検出素子の多孔質電極の連通孔とする場合、その
電極を共用し、内部基準酸素源を１つとすることもでき
る。また内部基準酸素源を１つとした場合、この内部基
準源内の酸素を各検出素子部の測定ガス室に漏出するよ
う２個の漏出抵抗部を設けてもよいが、各測定ガス室は
連通されていることから、酸素を一方の測定ガス室のみ
に漏出するよう、漏出抵抗部をいずれか一方の測定ガス
室へ連通するように１個設けるようにしてもよい。なお
外部の測定ガス雰囲気へ直接連通するようにしてもよ
い。

［作用］ このように構成された本発明の空燃比センサを使用す
るには、各検出素子部毎に、内部基準酸素源と接する側
の検出素子を酸素発生及び酸素濃淡電池素子、他方の検
出素子を酸素ポンプ素子、として用いればよい。即ち内
部基準酸素源と接する側の検出素子（酸素濃淡電池素
子）では、この検出素子両端の電極に電圧を印加し定電
流を流すことによって、内部基準酸素源内に測定ガス室
内の酸素を汲み込むと同時に、その汲み込みによって生
成した内部基準酸素源内の酸素ガス分圧を基準として測
定ガス室内の酸素ガス分圧に応じた電圧を発生させるこ
とができ、他方の検出素子（酸素ポンプ素子）では、両
端の電極に所定の電圧を印加し双方向に電流を流すこと
によって、測定ガス室内の酸素を周囲の排気中に汲み出
したり、あるいは排気中の酸素を測定ガス室内に汲み入
れて、上記酸素濃淡電池素子の発生電圧を制御すること
ができることから、例えば上記酸素濃淡電池素子に抵抗
を介して一定電圧を印加しておき、その抵抗両端に生じ
る電圧が一定となるよう、上記酸素ポンプ素子に流れる
電流を制御し、その制御電流を検出すれば排気中の酸素
濃度、即ち空燃比が検出できるようになるのである。ま
た酸素ポンプ素子に一定電流を流し、測定ガス室の酸素
を所定量だけ汲み出すか汲み入れ、そのとき酸素濃淡電
池素子に生ずる電圧を検出しても空燃比を検出すること
ができる。尚この場合にも酸素濃淡電池素子には一定も
しくはほぼ一定の電流を流し、内部基準酸素源内の酸素
ガス分圧を一定もしくはほぼ一定としておく必要はあ
る。

また上述したように本発明の空燃比センサでは、第１
の検出素子部の測定ガス室に入った排気が第２のガス拡
散制限部を介して第２の検出素子部の測定ガス室に導入
されることから、第２の検出素子部の拡散速度が第１の
検出素子部に対し遅くなり、空燃比のリッチ域で第２の
検出素子部に導入されるH₂,CO等の拡散速度と、空燃比
のリーン域で第１の検出素子部に導入される酸素の拡散
速度と、が近似される。従って、本発明の空燃比センサ
では、リーン域の空燃比を第１の検出素子部で検出し、
リッチ域の空燃比を第２の検出素子部で検出する、よう
動作させることによって、各空燃比領域での検出精度が
近づけられる。

この発明の空燃比センサはまた長時間の使用中に徐々
に起りうるガス拡散制限部の目づまりに起因する出力誤
差の自己補正機能をもつ。

一般に自動車等でこの種のセンサを使う場合、排ガス
等に含まれる金属酸化物成分の沈着または耐熱金属酸物
等の微粉末の付着がガス拡散制限部を防ぎ、A/Fを示す
センサ出力が変化し精度が悪くなる恐れがある。しかし
ガス拡散制限部を２つ直列に配した構造の本発明センサ
は、デポジットによる孔詰り程度を測定雰囲気に関係な
く測定可能である。それは第１のガス拡散制限部はデポ
ジットにより孔が埋まるが第２のガス拡散制限部はデポ
ジットがほとんど付着せず孔が埋まることがないことに
よる。以下それを説明する。

一定雰囲気において、第１の検出素子部により測定し
た初期（使用直後）の電流出力（即ち第１の検出素子部
の酸素濃淡電池素子の出力電圧を一定に保つよう該第１
の検出素子部の酸素ポンプ素子に流す電流を調節したと
きの酸素ポンプ電流）をIp1,デポジット付着後の第１の
検出素子部の、同様の電流出力をIp1′，第２の検出素
子部により測定した初期の電流出力をIp2,デポジット付
着後の第２の検出素子部の電流出力をIp2′，で表す
と、 デポジット付着による第１の検出素子部の電流出力の
減少率 Ip1′/Ip1＝α と、初期における２つの検出素子部によりそれぞれ測定
した電流出力の比 Ip1/Ip2＝Ｋ と、デポジット付着後の２つの検出素子部によりそれぞ
れ測定した電流出力の比 Ip1′/Ip2′＝Ｋ′ との間には、第１のガス拡散制限部にはデポジットによ
る孔詰りが起るが第２のガス拡散制限部にはデポジット
による孔詰りは生じないとの仮定のもとでは、次式に示
される関係が成立する。

α＝（Ｋ′−１）／（Ｋ−１） ……（１） このK,K′は測定雰囲気にかかわらず不変であるた
め、測定雰囲気を選ばず、初期にＫを測定しておいた上
で、デポジット付着後にＫ′を測定することにより、α
を求めることができ、このαを用いて第１の検出素子部
による測定結果を補正することができるようになる。

またデポジット付着による第２の検出素子部の電流出
力の減少率 Ip2′/Ip2＝β と、上記Ｋ及びＫ′との間には、第２のガス拡散制限部
にはデポジットによる孔詰りが生じないと仮定すると、 の関係が成立する。この為上記αと同様にβを求めるこ
とができ第２の検出素子部による測定結果も、このβを
用いて補正することができるようになる。

［実施例］ 以下に本発明の一実施例を図面と共に説明する。

まず第１図及び第２図は本実施例の空燃比センサ全体
の構成を表しており、第１図はその部分破断斜視図、第
２図は分解斜視図である。

図に示す如く本実施例の空燃比センサは、固体電解質
板１の両面に多孔質電極２及び３を積層してなる酸素ポ
ンプ素子４と、同じく固体電解質板５の両面に多孔質電
極６及び７を積層してなる酸素濃淡電池素子８と、これ
ら各検出素子４及び８の間に積層され、各検出素子４及
び８の対向する多孔質電極３及び６部分で中空部9aが形
成されたスペーサ９と、からなる第１の検出素子部10、
及び、固体電解質板11の両面に多孔質電極７及び12を積
層してなる電素濃淡電池素子13と、同じく固体電解質板
14の両面に多孔質電極15及び16を積層してなる酸素ポン
プ素子17と、これら各検出素子13及び17の間に積層さ
れ、各検出素子13及び17の対向する多孔質電極12及び15
部分で中空部18aが形成されたスペーサ18と、からなる
第２の検出素子部19により構成されている。

ここでまず第１の検出素子部10のスペーサ９は、多孔
質電極３と多孔質電極６との間で測定ガスの拡散が制限
された測定ガス室を形成するためのものであって、その
中空部9aが測定ガス室とされる。またこのスペーサ９に
は、その中空部9a内に周囲の測定ガスを導入できるよ
う、中空部9a周囲の５箇所に多孔質のアルミナからなる
前記第１のガス拡散制限部としてのガス拡散制限部9b₁
〜9b₅が形成されている。

次に第２の検出素子部19のスペーサ18も上記スペーサ
９と同様、多孔質電極12と多孔質電極15との間で、測定
ガス室を形成するためのものであって、その中空部18a
が測定ガス室とされる。この中空部18aへの測定ガスの
導入は、上記第１の検出素子部10の測定ガス室である中
空部9aと連通される、多孔室電極6,7,12,固体電解質板
5,11に形成された連通孔20によって、上記ガス拡散制限
部9b₁〜9b₅,中空部9aを介して行われる。尚この連通孔2
0は前記第２のガス拡散制限部に相当し、本実施例では
その内部にアルミナ等からなる多孔質材20aが充填され
ている。

更に本実施例の空燃比センサでは、第１の検出素子部
10を構成する酸素濃淡電池素子8,及び第２の検出素子部
19を構成する酸素濃淡電池素子13が、多孔質電極７を共
用することによって形成されている。この多孔質電極７
は、各酸素濃淡電池素子８及び／又は13に所定の電流を
流すことによって酸素が発生される各検出素子部10及び
19の内部基準酸素源としても用いられ、発生した酸素を
第１の検出素子部10の測定ガス室、即ち中空部9a内に漏
出できるよう、例えばアルミナ等からなる多孔質絶縁体
Ｚと、スルーホールＨと、を用いて多孔質電極７及び６
のリード部7l及び6lが接続されている。つまり多孔質絶
縁体Ｚ、スルーホールＨ、多孔質電極７及び６の各リー
ド部7l,6lが、前述の漏出抵抗部として形成され、内部
基準酸素源としての多孔質電極７内に発生された酸素を
この漏出抵抗部を介して第１の検出素子部10の測定ガス
室内に漏出できるようにされているのである。

また更に各酸素ポンプ素子４及び17の多孔質電極2,3,
15,16の電極端子は、当該空燃比センサの外壁面に形成
されている。即ち多孔質電極２及び16は外部に露出して
形成されることから、そのリード部2l、16lがそのまま
電極端子とされ、内部に積層された多孔質電極３及び15
においては、そのリード部3l及び15lと、固体電解質板
１及び14の外壁面に積層された電極端子3t及び15tと
を、スルーホール3h、15hを介して電気的に接続するこ
とによって形成されているのである。また、各酸素濃淡
電池素子８及び13の多孔質電極6,7,12の電極端子には、
各リード部6l、7l、12lに接続され、外部に突出された
リード線6t、7t、12tが用いられる。

このように構成された本実施例の空燃比センサは、通
常、例えば第３図に示す如く、多孔質電極層７の酸素が
外部に漏れないように密閉すると共に、当該空燃比セン
サＳを固定する固定部31、及びねじ部32を介して内燃機
関の排気管33に取り付けられ、排気中の酸素濃度から内
燃機関に供給される燃料混合気の空燃比を検出するのに
用いられる。そこで上記の如く構成された空燃比センサ
Ｓを第３図に示すように内燃機関の排気管33に取り付
け、空燃比検出回路35を用いて動作させて、その検出特
性を実験的に求めた。以下これについて説明する。尚第
３図では、空燃比センサＳの取り付け状態を解り易くす
るために、各多孔質電極のリード部及び電極端子か省略
されている。

空燃比検出回路35内は各検出素子部10及び19毎に検出
回路37及び38が夫々設けられている。検出回路37（又は
38）は、検出素子部10（又は19）の酸素濃淡電池素子８
（又は13）に電流を流して内部基準酸素源としての多孔
質電極７内に酸素を発生させ、この多孔質電極７内の酸
素ガス分圧と、測定ガス室としての中空部9a（又は18
a）内の酸素ガス分圧との比に応じて酸素濃淡電池素子
８（又は13）の両端の電極に生ずる電圧が一定となるよ
う、即ち中空部9a（又は18a）内の酸素ガス分圧が一定
となるよう、酸素ポンプ素子４（又は14）に流れる電流
を双方向に制御し、その電流値を検出信号として出力す
るように構成されている。

即ち検出回路37（又は38）は、第４図に示す如く、酸
素濃淡電池素子８（又は13）の多孔質電極７に所定電圧
Vb（10［Ｖ］）を印加し、基準電圧Vs（５［Ｖ］）が印
加された他方の多孔質電極６（又は12）側に流れる電流
を制限する抵抗Ｒと、酸素濃淡電池素子８（又は13）の
両側の電極に発生し、基準電圧Vsで以って嵩上げされた
電圧を検出する演算増幅器OP1により構成されたバッフ
ァ回路41と、このバッファ回路41より出力される検出電
圧を増幅する演算増幅器OP2により構成された非反転増
幅回路42と、この非反転増幅回路42により増幅された検
出電圧を所定の基準電圧Vcと比較し、検出電圧が基準電
圧Vcに対し大きいときに所定の積分定数で以って徐々に
低下し、逆の場合に所定の積分定数で以って徐々に増加
する第５図に示す如き制御電圧を出力する、演算増幅器
OP3を用いて構成された比較・積分回路43と、上記基準
電圧Vsを出力する演算増幅器OP4により構成されたバッ
ファ回路44と、バッファ回路44からの基準電圧Vsを酸素
ポンプ素子４（又は17）の中空部9a（又は18a）側の多
孔質電極３（又は15）に印加し、この電極３（又は15）
と比較・積分回路43からの制御電圧が印加されたもう一
方の多孔質電極２（又は16）との間で流れる電流を検出
するための電流検出用抵抗Riと、この抵抗Riに生ずる電
圧を検出信号として、出力する演算増幅器OP5により構
成された出力回路45と、により構成されているのであ
る。

次に第６図は、上記の如く構成された検出回路によっ
て各検出素子部10及び19を個々に動作させ、そのとき得
られる検出信号から各酸素ポンプ４及び17に流れるポン
プ電流Ipを算出した結果を表す線図であって点線が第１
の検出素子部10による算出結果、一点鎖線が第２の検出
素子部19の算出結果を夫々表している。尚この実験に用
いた空燃比センサを構成する各部には、次表に示す如き
ものを用いた。

図に示す如く、第１の検出素子部10で得られるポンプ
電流Ipの傾きは第２の検出素子部19で得られるポンプ電
流Ipの傾きに対し小さくなっている。これは第１の検出
素子部10の中空部9a、即ち測定ガス室にはガス拡散抵抗
部9b₁〜9b₅を介して測定ガスが直接導入されるのに対
し、第２の検出素子部19の中空部18a、即ち測定ガス室
にはガス拡散抵抗部9b₁〜9b₅,中空部9a,及び多孔質材20
aが充填された連通孔20を介して測定ガスが導入され、
第２の検出素子部19の測定ガスの拡散速度が遅く、その
分大きなポンプ電流が必要となるからである。

従ってこの検出結果から、空燃比のリーン域では第１
の検出素子部10を用いて空燃比の検出を行い、空燃比の
リッチ域では第２の検出素子部19を用いて空燃比の検出
を行えば、空燃比のリッチ域とリーン域とで、傾きが近
似した検出特性が得られ、リーン域での検出精度とリッ
チ域での検出精度を一定に保つことができるのがわか
る。つまり本実施例の空燃比センサＳを用いて空燃比を
検出する際、第１の検出素子部10と第２の検出素子部19
の動作を空燃比のリーン域とリッチ域とで自動的に切替
え、空燃比のリーン域では第１の検出素子部10を用いて
空燃比を検出し、空燃比のリッチ域では第２の検出素子
部19を用いて空燃比を検出するよう構成された検出回路
を用いれば、従来のように、空燃比のリッチ域に比べリ
ーン域での検出感度が非常に悪く空燃比制御が良好に実
行できない、といった問題を良好に解決することができ
るようになるのである。

次に第７図は上記のように構成された空燃比センサＳ
のガス拡散制限部9b₁〜9b₅に故意に孔詰りを生ぜしめ、
前述の式（１）で表わされるαとK,K′との関係が実際
に成立しているか否かを実験的に求めた測定結果を表わ
している。図に示すようにこの実験は周囲雰囲気をλ＝
0.8,λ＝1.2として２種の雰囲気中で行なったが、
（Ｋ′−１）／（Ｋ−１）が大きくなるようガス拡散制
限部9b₁〜9b₅の孔詰りの程度を徐々に大きくして行って
も、周囲雰囲気に関係なく（Ｋ′−１）／（Ｋ−１）と
Ip1′/Ip1（即ちα）とはほぼ１対１て変化し、前述の
式（１）が成立することがわかった。このため、既述し
たように、上記空燃比センサＳの作成直後にＫ（即ちIp
1/Ip2）を求めておき、使用中定期的にＫ′（即ちIp1′
/Ip2′）を求め、これに基づきαを設定して第１の検出
素子部10での測定結果を補正するようにすれば、第１の
検出素子部10で常時安定した検出結果を得ることができ
るようになる。

また前述の式（２）で表わされるβとK,K′との関係
に対しても上記と同様の実験を行なった結果、上記式
（２）のβとK,K′との関係も問題なく成立することが
確認された。このため、αと同様にβも定期的に求め、
第２の検出素子部19による検出結果をβで補正するよう
にすれば、第２の検出素子部19でも常時安定した検出結
果を得ることができるようになる。

次に当該空燃比センサＳの使用例として、上記のよう
に空燃比のリーン域とリッチ域とで検出素子部の動作状
態を切替え、第６図に実線で示す如き検出結果が得られ
る空燃比検出回路について説明する。

第８図の空燃比検出回路50は上記第４図に示した検出
回路37（又は38）と同様、各検出素子部10及び19毎に、
バッファ回路41′及び41″と、非反転増幅回路42′及び
42″と、比較・積分回路43′及び43″と、多孔質電極７
に所定の電圧Vb′を印加し、各酸素濃淡電池素子８及び
13に電流を制限するための抵抗Ｒ′と、が備えられる
他、各酸素濃淡電池素子８に生ずる電圧が一定となるよ
う制御される酸素ポンプ素子４及び17に流れるポンプ電
流を、第１の検出素子部10では中空部9a内の酸素を汲み
出す方向に、第２の検出素子部19では中空部18a内に酸
素を汲み入れる方向に、夫々制限するタイオードD1及び
D2と、このタイオードD1及びD2によって流れる方向が規
制されたポンプ電流の合成値を検出するための電流検出
用抵抗Ri′とが備えられている。

このように構成された空燃比検出回路50では、空燃比
がリーンであるとき第１の検出素子部10によって得られ
るポンプ電流が検出信号として出力され、空燃比がリッ
チであるとき第２の検出素子部19によって得られるポン
プ電流が検出信号として出力されることとなり、使用す
る検出素子部を空燃比に応じて切り替える必要がなくな
る。尚この検出回路による検出結果は、上述の第６図に
実線で示す如き特性となった。

以上詳述した如く本実施例の空燃比センサにおいて
は、第６図に示したように、第１の検出素子部10を動作
したとき得られる検出信号の傾き（即ち検出感度）が、
第２の検出素子部19を動作したとき得られる空燃比信号
の傾きの３倍程度となっている。このため空燃比がリー
ン域にあるとき第１の検出素子部10を動作させ、空燃比
がリッチ域にあるとき第２の検出素子部19を動作させ
て、空燃比を検出すれば、空燃比のリッチ域からリーン
域にかけて同程度の傾きで変化する検出信号を得ること
ができるようになり、空燃比の検出精度を一定にするこ
とが可能となる。

ここで上記実施例では、空燃比センサＳを、内部酸素
基準源としての多孔質電極７のリード部7lを多孔質絶縁
体Ｚ及びスルーホールＨを介して多孔質電極６のリード
部6lと接続し、多孔質電極７内に発生された酸素を第１
の検出素子部10の測定ガス室内に漏出するよう構成した
が、例えば第９図に示すように、多孔質電極７′のリー
ド部7l′を多孔質絶縁体Ｚ′及びスルーホールＨ′を介
して多孔質電極12′のリード部12′と接続し、多孔質電
極７′内に発生された酸素を第２の検出素子部19′の測
定ガス室内に漏出するよう構成しても、上記実施例と同
様の検出結果を得ることができる。この場合、リード部
7l′，多孔質絶縁体Ｚ′，スルーホールＨ′，リード部
12′が前述の漏出抵抗部となる。尚第９図に示す空燃比
センサの構成は第２図に示した上記実施例の空燃比セン
サと殆ど同様の構成になっているので、各部の番号に′
を付して説明は省略する。

また上記実施例では、空燃比センサＳで空燃比を検出
する際用いる空燃比検出回路として、第８図に示した如
く、空燃比の検出に用いる検出素子部の切替えをダイオ
ードを用いて自動的に行うように構成された空燃比検出
回路50を挙げて説明したが、上記第４図の検出回路と同
様に動作する検出回路を利用し、その検出回路と各検出
素子部との接続をスイッチ等を用いて空燃比のリーン域
とリッチ域とで切替えるように構成された第10図に示す
如き空燃比検出回路60を用いても、第６図に実線で示し
た如き特性の検出信号を得ることができる。

尚空燃比検出回路60は、第10図に示す如く、多孔質電
極７に所定電圧Vbを印加すると共に多孔質電極６又は12
側に流れる電流を制限する為の抵抗R1及びR2と、多孔質
電極７と多孔質電極６又は多孔質電極７と多孔質電極12
の間に生ずる電圧（即ち酸素濃淡電池素子８又は13両端
に生ずる電圧）を検出すると共に、その電圧に所定電圧
Vsを加算して増幅する反転増幅回路61と、反転増幅回路
61からの電圧を所定の基準電圧Vcと比較し、前記第５図
に示した如き制御電圧を出力する比較・積分回路62と、
比較・積分回路62からの電圧を検出信号として出力する
出力回路63と、比較・積分回路62の出力端子と多孔質電
極３、又は比較・積分回路62の出力端子と多孔質電極15
を接続する抵抗Rjと、反転増幅回路61及び多孔質電極３
又は多孔質電極15に所定電圧Vsを印加すると共に、比較
・積分回路62からの出力信号に応じて多孔質電極２から
３、又は多孔質電極15から16へ流れる電流（即ち酸素ポ
ンプ素子４又は18に流れるポンプ電流）を制御するバッ
ファ回路64と、空燃比がリーン域にあるとき当該空燃比
検出回路60と第１の検出素子部10の多孔質電極2,3,6,7
とを接続し、空燃比がリッチ域にあるとき当該空燃比検
出回路60と第２の検出素子部19の多孔質電極7,12,15,16
とを接続する切替えスイッチSWと、から構成されてい
る。従ってこの空燃比検出回路60では、空燃比がリーン
域にあるときには、第１の検出素子部10の酸素ポンプ素
子４で多孔質電極２から３方向に流れる電流を比較・積
分回路62からの出力信号に応じて制御することで中空部
9a内の空燃比を理論空燃比近傍に制御しながら空燃比を
検出し、逆に空燃比がリッチ域にあるときには、第２の
検出素子部19の酸素ポンプ素子17で多孔質電極15から16
方向に流れる電流を比較・積分回路62からの出力信号に
応じて制御することで中空部18a内の空燃比を理論空燃
比近傍に制御しながら空燃比を検出することとなる。

［発明の効果］ 以上詳述したように本発明の空燃比センサによれば、
第１の検出素子部で空燃比リーン域での空燃比を検出
し、第２の検出素子部で空燃比リッチ域での空燃比を検
出することによって、空燃比リーン域での検出特性の傾
きをリッチ域での検出特性に近付けることが可能とな
り、リーン域での検出精度を向上することができる。ま
た第１の拡散制限部に対する第２の拡散制限部の拡散抵
抗を２倍にすることによって、リーン域からリッチ域に
かけて連続的に変化する検出特性が得られるようにな
り、空燃比制御を実行するのに最適な空燃比センサとす
ることができる。

また、この発明の空燃比センサはガス拡散制限部を２
つ直列に配置する構成としたので、第１のガス拡散制限
部が排ガスからのデポジットによる孔づまりを生じて空
燃比出力特性に経時変化を来たしてもこれを自己補正す
ることも可能となり、長時間にわたる使用中の空燃比測
定精度を保証しうるという効果もある。

【図面の簡単な説明】

第１図は実施例の空燃比センサの構成を表わす部分破断
斜視図、第２図はその分解斜視図、第３図はこの空燃比
センサの排気管への取り付け状態を表わす断面図、第４
図は空燃比センサに備えられた各検出素子部の検出特性
を求める際に用いた検出回路を表わす電気回路図、第５
図はその検出回路内で発生される酸素ポンプ素子の制御
信号を表わす線図、第６図はこの検出回路により得られ
た検出結果の一例を表わす線図、第７図は実施例の空燃
比センサを用いて式（１）が成立するのを確認した実験
結果を表わす線図、第８図は実施例の空燃比センサを用
いて空燃比を検出するのに好適な空燃比検出回路の一例
を表わす電気回路図、第９図は空燃比センサの他の構成
例を表わす分解斜視図、第10図は空燃比検出回路の他の
例を表わす電気回路図、第11図は従来の空燃比センサの
問題点を説明する線図、である。 1,5,11,14……固体電解質板 2,3,6,7,12,15,16……多孔質電極 4,17……酸素ポンプ素子 8,13……酸素濃淡電池素子 9,18……スペーサ 9a,18a……中空部 9b₁,9b₂,9b₃,9b₄,9b₅……ガス拡散抵抗部 10……第１の検出素子部 19……第２の検出素子部 20……連通孔

フロントページの続き (72)発明者 横田 和憲 愛知県名古屋市瑞穂区高辻町14番18号 日 本特殊陶業株式会社内 (72)発明者 林 圭一 愛知県名古屋市瑞穂区高辻町14番18号 日 本特殊陶業株式会社内 (72)発明者 中島 豊平 埼玉県和光市中央１丁目４番１号 株式会 社本田技術研究所内 (72)発明者 岡田 泰仕 埼玉県和光市中央１丁目４番１号 株式会 社本田技術研究所内 (56)参考文献 特開 昭59−178354（ＪＰ，Ａ) 特開 昭61−296262（ＪＰ，Ａ) 特開 昭62−201353（ＪＰ，Ａ) 特開 昭61−157850（ＪＰ，Ａ)

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】酸素イオン伝導性の固体電解質両面に一対
   の多孔質電極を配設してなる２個の検出素子と、 該各検出素子の一方の多孔質電極と接して形成され、ガ
   ス拡散制限部を介して測定ガス雰囲気と連通される測定
   ガス室と、 一方の検出素子の上記測定ガス室とは反対側の多孔質電
   極と接して形成され、漏出抵抗部を介して外部と連通さ
   れる内部基準酸素源と、 を備えた検出素子部を２組有する空燃比センサであっ
   て、 第１の検出素子部の測定ガス室を、第１のガス拡散制限
   部を介して測定ガス雰囲気と直接連通すると共に、 第２の検出素子部の測定ガス室を、第２のガス拡散制限
   部を介して上記第１の検出素子部の測定ガス室と連通し
   てなること、 を特徴とする空燃比センサ。
2. 【請求項２】第２のガス拡散制限部は、第１のガス拡散
   制限部に対し２倍以上の拡散抵抗を有する特許請求の範
   囲第１項記載の空燃比センサ。
3. 【請求項３】内部基準酸素源が漏出抵抗部を介して測定
   ガス室に連通される特許請求の範囲第１項または第２項
   記載の空燃比センサ。