JPH09178702A - 酸素濃度検出素子 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 空燃比１８を越える超希薄燃焼の場合にも使
用可能であり、広い範囲で精度良く酸素濃度を検出する
ことができる酸素濃度検出素子を提供する。 【解決手段】 平板状の酸素イオン導電性固体電解質２
１の上下面に一対の電極２２、２３を設けてなる酸素セ
ンサ部２を設け、その一方の電極２２を排気が存在する
被測定ガス室に露出し、他方の電極２３を被測定ガス室
から隔離される低酸素濃度ガス室に露出する。低酸素濃
度ガス室Ａの酸素濃度は、補助酸素センサ部３と酸素ポ
ンプ部４にて一定の低い値に制御されており、これを１
％程度の低い値に制御することで、４％程度以上の高酸
素濃度の排気ガス中の酸素濃度を検出することができ
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、内燃機関の空燃比
を制御するために使用される酸素濃度検出素子に関する
ものである。

【０００２】

【従来の技術】従来より、固体電解質を用いた酸素濃淡
電池型の酸素濃度検出素子が広く知られており、これを
内燃機関の空燃比制御用の素子として利用することが行
われている。例えば、特開平６−３００７３１号公報に
は、酸素イオン導電性の固体電解質板の表面に測定電極
を、裏面に基準電極を設けてなる酸素センサ部と、上記
酸素センサ部を加熱してその検出能力を高めるヒータ部
を有する酸素濃度検出素子が開示されている。

【０００３】かかる酸素濃度検出素子において、上記測
定電極を被測定ガスである排気ガスに、基準電極を基準
酸素濃度ガスである大気に接触させると、上記酸素セン
サ部ではこれらガス中の酸素濃度の差に応じた起電力を
生ずる。よって、上記酸素センサ部の出力から排気ガス
中の酸素濃度を知り、空燃比をフィードバック制御する
ことができる。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】ところが、上記従来の
酸素濃度検出素子を内燃機関の空燃比制御用の素子に適
用する場合、素子の原理上、上記測定電極での酸素分圧
（排気ガス中の酸素濃度に対応）が、上記基準電極での
酸素分圧（大気中の酸素濃度に対応）の１／４〜１／５
ないしそれ以下でないと素子出力が十分大きくならない
という性質がある。これは言い換えれば空燃比が１８〜
２０を越えない範囲でしか上記素子を使用できないこと
になり、空燃比が上記範囲より大きい超希薄燃焼の制御
には使用することができない不具合があった。

【０００５】しかして、本発明の目的は、空燃比が１８
を越える超希薄燃焼の場合にも使用可能であり、広い範
囲で精度良く酸素濃度を検出することができる酸素濃度
検出素子を提供することにある。

【０００６】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
の本発明の構成を図１で説明すると、酸素濃度検出素子
は、被測定ガスが存在する被測定ガス室から隔離され、
その酸素濃度が一定の低い値に制御される低酸素濃度ガ
ス室Ａと、該低酸素濃度ガス室Ａ内の酸素濃度を一定の
低い値に制御する手段３、４と、平板状の酸素イオン導
電性固体電解質２１の上下面に一対の電極２２、２３を
設けてなり、該一対の電極のうち一方の電極２２を上記
被測定ガス室に露出し、他方の電極２３を上記低酸素濃
度ガス室Ａに露出するように配置された酸素センサ部２
とを具備する（請求項１）。

【０００７】上記構成では、一定の低い値に制御された
低酸素濃度ガス室Ａ内のガスが、被測定ガスの酸素濃度
を測定する際の基準酸素濃度ガスとして機能する。この
既知の低酸素濃度ガスを酸素センサ部２の一方の電極２
２に、被測定ガス（排気ガス）を他方の電極２３に接触
させると、酸素センサ部２には被測定ガスと低酸素濃度
ガスの酸素濃度差に応じた起電力が発生し、その出力か
ら被測定ガスの酸素濃度を検出することができる。この
時、基準酸素濃度ガスとして低酸素濃度ガスを用いたの
で、例えば酸素濃度が４％以上と大きい被測定ガスであ
っても、基準酸素濃度ガスの酸素濃度を１％程度に制御
すれば、両者の酸素濃度比が１：４以上となり、酸素セ
ンサ部２は検出するに十分な大きさの起電力を出力す
る。これは空燃比で１９以上に相当し、従って本発明の
素子は空燃比１９以上の超希薄燃焼の制御にも使用でき
精度良い検出が可能である。

【０００８】上記酸素濃度の制御手段は、具体的には、
平板状の酸素イオン導電性固体電解質４１の上下面に一
対の電極４２、４３を設けて該一対の電極のうち一方の
電極４２を上記低酸素濃度ガス室Ａに露出し他方の電極
４３を大気の存在する大気室Ｃに露出させた酸素ポンプ
部４と、平板状の酸素イオン導電性固体電解質３１の表
面に一対の電極３２、３３を設けて該一対の電極のうち
一方の電極３２を上記低酸素濃度ガス室Ａに露出し他方
の電極３３を上記大気室Ｃに露出させた補助酸素センサ
部３とからなる（請求項２）。

【０００９】上記補助酸素センサ部３では、大気室Ｃ内
の大気を基準酸素濃度ガスとして低酸素濃度ガス室Ａ中
の酸素濃度を検出することができる。従って、上記補助
酸素センサ部３の出力が一定の低い値となるように上記
酸素ポンプ部４に電圧を印加して上記低酸素濃度ガス室
Ａ内の酸素を上記大気室Ｃ側に移動させることで、上記
低酸素濃度ガス室Ａ内の酸素濃度を制御することができ
る。

【００１０】上記酸素濃度の制御手段を、平板状の酸素
イオン導電性固体電解質４１の上下面に一対の電極４
２、４３を設けて該一対の電極のうち一方の電極４２を
上記低酸素濃度ガス室Ａに露出し他方の電極４３を大気
の存在する大気室Ｃに露出させた酸素ポンプ部４と、上
記低酸素濃度ガス室Ａと上記大気室Ｃとを連通する連通
孔４５（図６参照）、または多孔質層からなる拡散抵抗
手段とで構成することもできる（請求項３）。

【００１１】この時、上記連通孔４５よりなる拡散抵抗
手段を介して上記大気室Ｃから上記低酸素濃度ガス室Ａ
へ酸素が拡散侵入すると同時に、上記酸素ポンプ部４に
より上記低酸素濃度ガス室Ａから上記大気室Ｃへ酸素が
移動し、これらの釣り合いによって上記低酸素濃度ガス
室Ａ内の酸素濃度が一義的に決まる。従ってこの値が一
定の低い値となるように、上記酸素ポンプ部４に印加す
る電圧を制御することで上記低酸素濃度ガス室Ａ内の酸
素濃度を制御することができる。

【００１２】また、上記構成に加えて、さらに平板状の
酸素イオン導電性固体電解質９１の上下面に一対の電極
９２、９３を設けてなり、該一対の電極のうち一方の電
極９３を上記被測定ガス室に露出し、他方の電極９２を
上記大気室Ｃに露出させた低酸素濃度測定用の酸素セン
サ部９を併設することもできる（図８、請求項４）。

【００１３】ここで、上記酸素センサ部９は、大気室Ｃ
内の大気（酸素濃度約２０％）を基準酸素濃度ガスとし
て被測定ガス中の酸素濃度を検出する。従って、上記酸
素センサ部９では、被測定ガス中の酸素濃度が０〜５％
程度の場合に計測が可能であり、これを上記酸素センサ
部２と併用することで、より広い範囲で酸素濃度を検出
することが可能になる。

【００１４】

【発明の実施の形態】図３には本発明の酸素濃度検出素
子を構成の一部とする、内燃機関の空燃比検出装置の全
体断面図を示す。図３において、筒状ハウジングＨ内に
は、絶縁部材Ｈ１に設けた貫通穴Ｈ２内に、詳細を後述
する本発明の酸素濃度検出素子１が挿通保持されてい
る。該酸素濃度検出素子１は、その後端部（図の上端
部）において、絶縁部材Ｈ１との間に充填される絶縁シ
ール材Ｈ３によりハウジングＨ内に固定される。ハウジ
ングＨの略中央部外周にはフランジＨ４が設けてある。

【００１５】上記酸素濃度検出素子１は細長い平板状
で、その先端部（図の下端部）は、上記ハウジングＨよ
り突出して図の下方に延び、ハウジングＨの下端に固定
される容器状の排気カバー７内に収容されている。上記
排気カバー７は、ステンレス製の内部カバー７１と外部
カバー７２の二重構造となっており、これらカバー７
１、７２の側壁には、被測定ガスである排気ガスを排気
カバー７内に取り込むための排気導入口７１ａ、７２ａ
がそれぞれ形成してある。

【００１６】上記ハウジングＨの上端には、筒状の大気
カバー８が固定される。上記大気カバー８は、上記ハウ
ジングＨに取り付けられるメインカバー８１とその後端
部を被うサブカバー８２とからなり、その側壁の対向位
置に大気導入口８１ａ、８２ａをそれぞれ有して、これ
ら大気導入口８１ａ、８２ａより基準酸素濃度測定のた
めの大気を大気カバー８内に取り込むようになしてあ
る。また、上記大気導入口８１ａ、８２ａの形成位置に
おいて、上記メインカバー８１とサブカバー８２の間
に、防水のために溌水性のフィルタ８３を配設してあ
る。そのため、空燃比検出装置内部には大気のみが導入
され、水分が入ることはない。

【００１７】なお、上記大気カバー８は上端が開口して
おり、上記酸素濃度検出素子１の後端部に接続するリー
ド線８４が、この上端開口より外部に延びている。

【００１８】図１は上記空燃比検出素子１先端部の模式
的な断面図であり、図２はその展開図である。図中、上
記空燃比検出素子１は、第１の酸素センサ部２、補助酸
素センサ部たる第２の酸素センサ部３、酸素ポンプ部
４、およびヒータ部５を順次積層した構成を有する。上
記第２の酸素センサ部３および酸素ポンプ部４は後述す
るように酸素濃度の制御手段として機能する。

【００１９】最上層の第１の酸素センサ部２は、平板状
の酸素イオン導電性固体電解質２１の上下面の対向位置
に白金等からなる一対の電極２２、２３をスクリーン印
刷等により形成してなる。上記固体電解質２１は、例え
ばイットリア添加ジルコニア等の安定化ジルコニアから
なる。

【００２０】上記第１の酸素センサ部２の下方には、ス
ペーサ６１を介して補助酸素センサ部である第２の酸素
センサ部３を構成する平板状の酸素イオン導電性の固体
電解質３１が配置される。上記固体電解質３１はイット
リア添加ジルコニア等からなり、その上下面の対向位置
には、白金等からなる一対の電極３２、３３がスクリー
ン印刷等により形成してある。また、これら電極３２、
３３は上記第１の酸素センサ部２の電極２２、２３の直
下より少しずれた位置、図では右方に形成されている。

【００２１】上記第２の酸素センサ部３の下方には、ス
ペーサ６２を介して酸素ポンプ部４を構成する平板状の
酸素イオン導電性の固体電解質４１が配置される。上記
固体電解質４１はイットリア添加ジルコニア等からな
り、その上下面の対向位置には、白金等からなる一対の
電極４２、４３がスクリーン印刷等により形成してあ
る。また、これら電極４２、４３は上記第１の酸素セン
サ部２の電極２２、２３の直下に位置するように形成さ
れている。

【００２２】上記固体電解質２１、３１、４１は、ドク
ターブレード法等のシート形成法により形成されたシー
トからなり、その厚さは、通常、５０〜３００μｍの範
囲とすることができるが、電気抵抗とシートの強度との
兼ね合いを考慮すると、１００〜２００μｍの範囲とす
ることが望ましい。また、電極２２、２３、３２、３
３、４２、４３の厚さは、通常、１〜２０μｍの範囲と
するが、耐熱性とガス拡散性とを考慮すると、５〜１０
μｍ程度とすることが望ましい。

【００２３】上記酸素ポンプ部４の下方には、スペーサ
６３を介してヒータ部５が配置される。該ヒータ部５
は、アルミナ等からなる基板５１と、該基板５１の表面
にスクリーン印刷等により形成したヒータ電極５２と、
このヒータ電極５２を覆うアルミナ等からなる絶縁層５
３とから構成される。

【００２４】上記スペーサ６１、６２、６３は平板状
で、アルミナ等の絶縁材からなる。図２に示すように、
スペーサ６１の左端部には開口部６１ａが設けてあり、
上記第１の酸素センサ部２の下部電極２３と上記第２の
酸素センサ部３の上部電極３２が、この開口部６１ａに
露出するようになしてある。その下方の上記固体電解質
３１には、電極３２、３３形成位置の左側に上記開口部
６１ａの左半部と重なる開口部３１ａが形成してある。
また、上記スペーサ６２には、上記開口部３１ａと同一
位置に開口部６２ａが形成してあり、該開口部６２ａに
上記酸素ポンプ部４の上部電極４２が露出するようにな
してある。

【００２５】そして、第１の酸素センサ部２、スペーサ
６１、第２の酸素センサ部３、スペーサ６２を積層する
ことにより、上記開口部６１ａ、３１ａ、６２ａが重ね
合わされて１つの閉空間となり、低酸素濃度ガス室Ａを
構成する（図１）。この低酸素濃度ガス室Ａ内のガス
は、後述するように上記第２の酸素センサ部３および酸
素ポンプ部４の作用により、一定のある低い酸素濃度に
制御される。

【００２６】一方、上記スペーサ６２の開口部６２ａの
右方には、スペーサ６２の右端に至るスリット６２ｂが
形成してあり（図２）、上記第２の酸素センサ部３の下
部電極３３が、このスリット６２ｂに露出するようにな
してある。その下方の上記固体電解質４１には、上記ス
リット６２ｂの左端部と重なる開口部４１ａが形成して
あり、上記スペーサ６３には、上記スペーサ６１の開口
部６１ａと同一位置に開口部６３ａが形成してある。上
記開口部６３ａには上記酸素ポンプ部４の下部電極４３
が露出するようになしてある。

【００２７】しかして、第２の酸素センサ部３、スペー
サ６２、酸素ポンプ部４、スペーサ６３、ヒータ部５を
積層すると、上記スリット６２ｂにて大気が導入される
大気通路Ｂが構成されるとともに、上記スリット６２ｂ
の左端部と開口部４１ａ、６３ａとが重ね合わされて、
上記大気通路Ｂに連通する大気室Ｃを形成する（図
１）。

【００２８】本発明の酸素濃度検出素子１を製造する場
合には、まず、固体電解質２１、３１、４１の上下面に
電極２２、２３、３２、３３、４２、４３を、ヒータ部
５の基板５１にヒータ電極５２をそれぞれスクリーン印
刷する。その後、下から基板５１、絶縁層５３、スペー
サ６３、固体電解質４１、スペーサ６２、固体電解質３
１、スペーサ６１、固体電解質２１の順に積層し、熱圧
着して一体化し、焼成すればよい。

【００２９】この時、上記固定電解質２１、３１、４
１、スペーサ６１、６２、６３、基板５１、絶縁層５３
の各部材を、それぞれ左右前後に多数繋がった状態で用
意し、この状態で電極形成した後、熱圧着し、同時焼成
した後、分割すれば、一工程で大量の酸素濃度検出素子
を同時に製造することができる。あるいは、熱圧着して
個々に分割した後、同時焼成することも可能である。

【００３０】次に上記構成の空燃比検出装置の作動につ
いて説明する。図３において、空燃比検出装置を上記排
気カバー７を下にして内燃機関の排気管に挿通し、上記
フランジＨ４にて管壁に固定すると、排気カバー７の排
気導入口７１ａ、７２ａを通じて、排気ガスが排気カバ
ー７内部に取り込まれる。この時、図１において上記第
１の酸素センサ部２の上部電極２２は、被測定ガス室た
る上記排気カバー７内空間に露出し、被測定ガスである
排気ガスに曝される。

【００３１】一方、大気カバー８の大気導入口８１ａ、
８２ａを通じて、大気が大気カバー８内部に取り込まれ
（図３）、酸素濃度検出素子１の上記大気通路Ｂを経て
大気室Ｃに導入される（図１）。このようにして大気室
Ｃに取り込まれた大気は、第２の酸素センサ部３の下部
電極３３および上記酸素ポンプ部４の下部電極４３に達
して、低酸素濃度ガス室Ａの酸素濃度を所定値に制御す
る際の基準酸素濃度ガスとして機能する。

【００３２】ここで、上記第２の酸素センサ部３の上部
電極３２および酸素ポンプ部４の上部電極４２はいずれ
も上記低酸素濃度ガス室Ａ内のガスに曝されており、従
って、大気室Ｃと低酸素濃度ガス室Ａ内のガスの酸素濃
度差によって生じる第２の酸素センサ部３の起電力が一
定となるように、つまり、上記低酸素濃度ガス室Ａの酸
素濃度が、大気中の酸素濃度より低いある既知の濃度と
なるように、酸素ポンプ部４に電圧をかけると、低酸素
濃度ガス室Ａから大気室Ｃへ、酸素イオンが固体電解質
４１中を移動する。この制御により、低酸素濃度ガス室
Ａは第１の酸素センサ部２が排気中の酸素濃度を検出す
る際の基準酸素濃度ガスが存在する空間として機能す
る。

【００３３】第１の酸素センサ部２では、上部電極２２
に排気ガスが、下部電極２３に低酸素濃度ガス室Ａに存
在する低酸素濃度ガスが接触し、これらの酸素濃度差に
応じた起電力が上記第１の酸素センサ部２に発生する。
上記低酸素濃度ガス室Ａには既知の濃度の低酸素濃度ガ
スが存在するため、この第１の酸素センサ部２の出力か
ら排気中の酸素濃度を検出することができる。ここで、
低酸素濃度ガス室Ａ内の酸素濃度は１％程度の低い値に
制御することが望ましく、この場合、排気中の酸素濃度
が４％以上あれば両者の酸素濃度比が１：４以上とな
り、第１の酸素センサ部２において検出するに十分な大
きさの起電力を出力することができる。これは空燃比で
１９以上に相当し、かくして本発明の酸素濃度検出素子
によれば空燃比１９以上の超希薄燃焼の制御を行うこと
ができる。

【００３４】図４には上記素子による酸素濃度検出回路
のブロック図を示す。図中、２４は第１の酸素センサ部
２の起電力を検出する回路であり、第１の酸素センサ部
２が排気ガス中の酸素濃度と上記低酸素濃度ガス室Ａに
存在する低酸素濃度の基準ガスとの酸素濃度の差に応じ
て発生する起電力を、起電力検出回路２４にて検出する
ようになしてある。上記低酸素濃度ガス室Ａには既知の
濃度の基準ガスが存在するため、この起電力検出回路２
４の検出値から排気ガス中の酸素濃度を知ることができ
る。

【００３５】また、３４は第２の酸素センサ部３の起電
力を検出する回路であり、この起電力が所定の設定値に
なるよう上記酸素ポンプ部４のポンプ電流を流すため
に、比較回路３５および酸素ポンプ制御回路４４を備え
ている。ここで、上記酸素センサ部３の起電力が所定の
設定値に制御された状態では、上記低酸素濃度ガス室Ａ
の酸素濃度は、大気中の酸素濃度（約２０％）を基準と
して既知のある一定の濃度に維持されていることにな
る。この低酸素濃度ガス室Ａ内の酸素濃度は、上述した
ように１％程度の低い値に設定される。

【００３６】図５には本発明の第２の実施の形態を示
す。本実施の形態では、上記第１の酸素センサ部２と第
２の酸素センサ部３の固体電解質を共通化しており、第
２の酸素センサ部３の両電極３２、３３を第１の酸素セ
ンサ部２の固体電解質２１の下面に形成している。ここ
で、第２の酸素センサ部３の両電極３２、３３の間は上
記スペーサ６１に設けた隔壁６１ｂにて隔てられ、左側
の電極３２が上記低酸素濃度ガス室Ａに、右側の電極３
３が上記大気室Ｃに露出するようになしてある。また、
図１におけるスペーサ６２を省略して、大気通路Ｂをス
ペーサ６３の開口部に連続して設けている。その他の構
成、および作動は上記第１の実施の形態と同様である。

【００３７】上記構成によれば、固体電解質を共通化す
ることで部品点数が減り、よりコンパクトにできる。ま
た第２の酸素センサ部３の両電極３２、３３を、上記第
１の酸素センサ部２の下部電極２３と同一面に配置した
ので、これら電極２３、３２、３３を一度に印刷形成す
ることができ、製作工程が簡単になる。

【００３８】図６には本発明の第３の実施の形態を示
す。本実施の形態では、上記低酸素濃度ガス室Ａ内の酸
素濃度を制御する手段として、第２の酸素センサ部３に
代えて、上記酸素ポンプ部４に電極形成部を貫通する連
通孔４５を設けている。そして、低酸素濃度ガス室Ａ内
の酸素濃度を連通孔４５を通じて酸素分子の拡散による
侵入量と酸素ポンプ部４による酸素イオンの汲み出し量
とのバランスにより実現するようにしてある。この時、
図１におけるスペーサ６２は省略され、大気通路Ｂはス
ペーサ６３内に設けられる。その他の構成は上記第１の
実施の形態と同様である。

【００３９】すなわち、図中、大気室Ｃと低酸素濃度ガ
ス室Ａとは、上記連通孔４５を介して連通し、この連通
孔４５を通じて空気の分子は低酸素濃度ガス室Ａに侵入
可能であるが、その時間当たりの量は、大気室Ｃと低酸
素濃度ガス室Ａの酸素濃度の差に依存する。一方、酸素
ポンプ部４により低酸素濃度ガス室Ａ中の酸素は固体電
解質４１中を酸素イオンとして移動し、大気室Ｃへ排出
される。その時間当たりの量は、酸素ポンプ部４に印加
される電圧、つまり酸素ポンプ部４を流れる電流に依存
する。従って、酸素ポンプ部４にある一定の電圧を印加
すると連通孔４５の拡散抵抗と釣り合う形で低酸素濃度
ガス室Ａ中の酸素濃度が一義的に決まることになる。よ
って、低酸素濃度ガス室Ａ中の酸素濃度を計測すること
なく、酸素ポンプ部４による酸素の汲み出し量と連通孔
４５を介しての酸素の拡散侵入量との釣り合いによって
低酸素濃度ガス室Ａの酸素濃度を一定に制御することを
実現する。

【００４０】図７には本実施の形態における酸素濃度検
出回路のブロック図を示す。図中、酸素ポンプ部４には
電圧制御回路４６から既知の一定値の電圧が供給される
ようになしてあり、これにより低酸素濃度ガス室Ａ内の
酸素濃度を既知の一定の値に維持している。第１の酸素
センサ部２が発生する起電力は上記第１の実施の形態同
様、起電力検出回路２４にて検出される。

【００４１】なお、本実施の形態において、低酸素濃度
ガス室Ａへの酸素の侵入は拡散性（酸素濃度差に速度が
依存）であればよく、連通孔４５に代えて多孔質層を用
いることでも同様の効果が得られる。

【００４２】図８には本発明の第４の実施の形態を示
す。本実施の形態は、上記各実施の形態で述べた低酸素
濃度ガスを基準ガスとする高酸素濃度計測用の第１の酸
素センサ部２に加えて、高酸素濃度ガス（大気）を基準
ガスとする低酸素濃度計測用の第３の酸素センサ部９を
設け、より広い範囲で酸素濃度を計測可能とするもので
ある。

【００４３】図８において、酸素ポンプ部４の下方には
スペーサ６３を介して第３の酸素センサ部９が設けてあ
り、該第３の酸素センサ部９は、平板状の酸素イオン導
電性固体電解質９１の上下面の対向位置に白金等からな
る一対の電極９２、９３をスクリーン印刷等により形成
してなる。この時、上記上部電極９２は上記大気室Ｃ
に、下部電極９３は被測定ガスが存在する排気カバー７
内空間に露出している。なお、ここではヒータ部５を上
記第２のセンサ部３と酸素ポンプ部４の間に配して、図
１におけるスペーサ６２を省略している。また、大気通
路Ｂはスペーサ６３内に設けられる。その他の構成は上
記第１の実施の形態と同様である。

【００４４】酸素濃淡電池型の酸素濃度検出素子では、
十分な大きさの出力を得るためには、被測定ガス濃度と
基準酸素濃度との比が約４以上あることが必要とされる
（ここで被測定ガス濃度と基準酸素濃度はどちらが大き
くてもよい）。この特性を基に測定可能な酸素濃度を考
えると、上記低酸素濃度ガス室Ａ内の酸素濃度を１％に
制御した場合、第１の酸素センサ部２は酸素濃度４％以
上の排気中の酸素濃度を測定可能である。一方、大気室
Ｃ中の大気（酸素濃度約２０％）を基準ガスとする第３
の酸素センサ部９は酸素濃度０〜５％の排気中の酸素濃
度を測定可能である。従って、これら２つの酸素センサ
部２、９を設けることでほぼ全範囲の酸素濃度の計測が
可能となる。つまり、この実施の形態の酸素濃度検出素
子により空燃比１４．６〜無限大のリーン側全範囲の酸
素濃度の計測が可能となる。

【００４５】上記各実施の形態では、酸素イオン導電性
の固体電解質２１、３１、４１、９１としてイットリア
添加ジルコニアを用いたが、他の成分を添加したジルコ
ニア、あるいはジルコニアに代えてセリア、ハフニアと
いった酸化物よりなる固体電解質を用いてもよい。ま
た、酸素ポンプ部４、酸素センサ部２、３、９の電極は
白金に限らず、パラジウム等を用いることもできる。さ
らに電極の形成方法はスクリーン印刷に限らず、メッ
キ、蒸着等の他の薄膜形成技術を採用してもよい。

【００４６】また、スペーサ６１、６２、６３及びヒー
タ部の基板５１、絶縁部材５３の材質はアルミナに限ら
ず、ムライト、ステアタイト等、絶縁性のある材料であ
ればいずれを使用することもできる。

【図面の簡単な説明】

【図１】図１は、本発明の第１の実施の形態を示す酸素
濃度検出素子の要部拡大断面図である。

【図２】図２は、図１の酸素濃度検出素子の展開図であ
る。

【図３】図３は、本発明の酸素濃度検出素子を構成の一
部とする空燃比検出装置の全体断面図である。

【図４】図４は、第１の実施の形態における検出回路の
ブロック図である。

【図５】図５は、本発明の酸素濃度検出素子の第２の実
施の形態を示す要部拡大断面図である。

【図６】図６は、本発明の酸素濃度検出素子の第３の実
施の形態を示す要部拡大断面図である。

【図７】図７は、第３の実施の形態における検出回路の
ブロック図である。

【図８】図８は、本発明の酸素濃度検出素子の第４の実
施の形態を示す要部拡大断面図である。

【符号の説明】

１ 酸素濃度検出素子 ２ 第１の酸素センサ部 ２１ 固体電解質 ２２、２３ 電極 ３ 第２の酸素センサ部（補助酸素センサ部） ３１ 固体電解質 ３２、３３ 電極 ４ 酸素ポンプ部 ４１ 固体電解質 ４２、４３ 電極 ４５ 連通孔（拡散手段） ５ ヒータ部 ５１ 基板 ５２ ヒータ電極 ５３ 絶縁部材 ６１、６２、６３ スペーサ ９ 第３の酸素センサ部（低酸素濃度用の酸素センサ
部） ９１ 固体電解質 ９２、９３ 電極 Ａ 低酸素濃度ガス室 Ｂ 大気通路 Ｃ 大気室

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 被測定ガスが存在する被測定ガス室から
   隔離され、その酸素濃度が一定の低い値に制御される低
   酸素濃度ガス室と、該低酸素濃度ガス室内の酸素濃度を
   一定の低い値に制御する手段と、平板状の酸素イオン導
   電性固体電解質の上下面に一対の電極を設けてなり、該
   一対の電極のうち一方を上記被測定ガス室に露出し、他
   方を上記低酸素濃度ガス室に露出するように配置され、
   被測定ガスと低酸素濃度ガスの酸素濃度差より被測定ガ
   ス中の酸素濃度を検出する酸素センサ部とを具備するこ
   とを特徴とする酸素濃度検出素子。
2. 【請求項２】 上記酸素濃度の制御手段が、平板状の酸
   素イオン導電性固体電解質の上下面に一対の電極を設け
   て該一対の電極のうち一方を上記低酸素濃度ガス室に露
   出し他方を大気の存在する大気室に露出させた酸素ポン
   プ部と、平板状の酸素イオン導電性固体電解質の表面に
   一対の電極を設けて該一対の電極のうち一方を上記低酸
   素濃度ガス室に露出し他方を上記大気室に露出させた補
   助酸素センサ部とからなり、上記補助酸素センサ部で検
   出される上記低酸素濃度ガス室内の酸素濃度が一定の低
   い値となるように、上記酸素ポンプ部に電圧を印加して
   上記低酸素濃度ガス室内の酸素を上記大気室側に移動さ
   せるようにした請求項１記載の酸素濃度検出素子。
3. 【請求項３】 上記酸素濃度の制御手段が、平板状の酸
   素イオン導電性固体電解質の上下面に一対の電極を設け
   て該一対の電極のうち一方を上記低酸素濃度ガス室に露
   出し他方を大気の存在する大気室に露出させた酸素ポン
   プ部と、上記低酸素濃度ガス室と上記大気室とを連通す
   る連通孔または多孔質層からなる拡散抵抗手段とからな
   り、上記拡散抵抗手段を介しての上記大気室から上記低
   酸素濃度ガス室への酸素の拡散侵入量と上記酸素ポンプ
   部による上記低酸素濃度ガス室から上記大気室への酸素
   の移動量との釣り合いによって決まる上記低酸素濃度ガ
   ス室内の酸素濃度が一定の低い値となるように、上記酸
   素ポンプ部に印加する電圧を制御するようにした請求項
   １記載の酸素濃度検出素子。
4. 【請求項４】 平板状の酸素イオン導電性固体電解質の
   上下面に一対の電極を設けてなり、該一対の電極のうち
   一方を上記被測定ガス室に露出し、他方を上記大気室に
   露出させた低酸素濃度測定用の酸素センサ部を併設した
   請求項１ないし３記載の酸素濃度検出素子。