JPH1048176A - 空燃比検出装置、及びこれに用いられる空燃比検出方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 限界電流式酸素センサーの界面電気抵抗の変
動に左右されずに、空気過剰雰囲気から燃料過剰雰囲気
にわたる広範囲の雰囲気下における空燃比を再現性良
く、高精度で且つ安定性良く計測できる空燃比検出装
置、及びこれに用いられる空燃比検出方法を提供するこ
と。 【解決手段】 酸化雰囲気信号１２ｂと還元雰囲気信号
１２ｃとの比率に基づいて、ガス雰囲気中の空気と燃料
との混合比率である空燃比データ１６ａを生成する空燃
比演算手段１６と、雰囲気ガス中に置かれた状態で交流
電圧信号１４ａを印加された際に、酸化状態下の雰囲気
ガスにあっては雰囲気信号１２ａとして酸化雰囲気信号
１２ｂを生成し、還元状態下の雰囲気ガスにあっては雰
囲気信号１２ａとして還元雰囲気信号１２ｃを生成する
限界電流式酸素センサー１３と、酸素濃度検出手段１２
に交流電圧信号１４ａを印加するための電源手段１４と
を設ける。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、空燃比を検出する
ための装置に関し、特に、陶磁器焼成用の焼結炉等の炉
内で燃焼されるガス雰囲気下における空燃比を求めるた
めの空燃比検出装置、及びこれに用いられる空燃比検出
方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来この種の空燃比検出装置、及びこれ
に用いられる空燃比検出方法としては、特願平６−５７
２４４号公報に開示されたようなものがある。

【０００３】図７は、従来の空燃比検出装置に用いられ
る空燃比検出方法を説明するためのグラフであって、同
図（ａ）は限界電流式酸素センサーに印加される交流電
圧、同図（ｂ）は限界電流式酸素センサーが検出した酸
素濃度信号、同図（ｃ）は空燃比演算手段が出力する演
算出力信号（則ち、空燃比信号）を示すグラフである。

【０００４】すなわち、従来の空燃比検出装置、及びこ
れに用いられる空燃比検出方法は、雰囲気内の酸素濃度
を検出する限界電流式酸素センサーと、限界電流式酸素
センサーに交流電圧を印加するための電源手段と、限界
電流式酸素センサーが検出した酸素濃度に係る出力波形
に所定の演算を実行して、ガス雰囲気中の空気と燃料と
の混合比率である空燃比を求める空燃比演算手段とを有
していた。

【０００５】電源手段が印加する交流電圧の振幅は、図
７（ａ）に示すように、プラス側とマイナス側で均等に
設定されていた。この様な交流電圧が印加された状態
で、前述の空燃比演算手段は、図７（ｂ）に示すよう
に、所定の演算として、限界電流式酸素センサーからの
出力波形全体を積分し、プラス側の積分値（図７（ｂ）
に示す斜線部の正の部分）とマイナス側の積分値（図７
（ｂ）に示す斜線部の負の部分）との差を算出すること
に依って、図７（ｃ）に示すような空燃比を求めてい
た。

【０００６】このようにプラス側とマイナス側で均等に
設定されている交流電圧が印加されている場合、限界電
流式酸素センサーは、雰囲気内に置かれた初期には高い
出力安定性を有するため、酸化雰囲気下での出力波形と
還元雰囲気下での出力波形とでは極性を明確に反転させ
ることができた。

【０００７】これにより、従来の空燃比検出装置、及び
これに用いられる空燃比検出方法は、焼結炉内で燃焼さ
れるガス雰囲気の空燃比を求めることと同時に、雰囲気
内に置かれた初期には、このガス雰囲気が酸化雰囲気な
のか還元雰囲気なのかも判定することができた。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、このよ
うな従来の空燃比検出装置、及びこれに用いられる空燃
比検出方法では、限界電流式酸素センサーの電流電圧特
性における立ち上がり領域（所謂、抵抗支配領域）を含
む出力全域を用いて前述の出力波形を生成して空燃比を
演算しているため、限界電流式酸素センサー内の電極と
固体電解質との界面に発生する界面電気抵抗に変動が発
生してこの抵抗支配領域における出力波形が変化した場
合、出力全域における出力波形にもこの変化の影響が発
生してしまうという技術的課題があった。

【０００９】更にこの界面電気抵抗の変動に起因して、
算出された空燃比に十分な再現性を得ることが難しいと
という技術的課題もあった。

【００１０】本発明は、このような従来の問題点を解決
することを課題としており、特に、雰囲気信号に所定の
演算を実行して、酸化雰囲気信号と還元雰囲気信号との
比率に基づいて、ガス雰囲気中の空気と燃料との混合比
率である空燃比データを生成する空燃比演算手段と、雰
囲気ガスの酸化状態又は還元状態を検知する限界電流式
酸素センサーであって、雰囲気ガス中に置かれた状態で
交流電圧信号を印加された際に、酸化状態下の雰囲気ガ
スにあっては雰囲気信号として酸化雰囲気信号を生成
し、還元状態下の雰囲気ガスにあっては雰囲気信号とし
て還元雰囲気信号を生成する酸素濃度検出手段と、酸素
濃度検出手段に交流電圧信号を印加するための電源手段
とを設けることに依り、限界電流式酸素センサーの界面
電気抵抗の変動に左右されずに、空気過剰雰囲気から燃
料過剰雰囲気にわたる広範囲の雰囲気下における空燃比
を再現性良く、高精度で且つ安定性良く計測できる空燃
比検出装置、及びこれに用いられる空燃比検出方法を提
供することを課題としている。

【００１１】

【課題を解決するための手段】請求項１に記載の発明
は、焼結炉内のガス雰囲気下における空燃比を求めるた
めの空燃比検出装置において、雰囲気内の酸素濃度を検
出して雰囲気信号１２ａを生成する酸素濃度検出手段１
２と、酸素濃度検出手段１２に交流電圧信号１４ａを印
加するための電源手段１４と、前記雰囲気信号１２ａに
所定の演算を実行して、ガス雰囲気中の空気と燃料との
混合比率である空燃比データ１６ａを生成する空燃比演
算手段１６とを有する、ことを特徴とする空燃比検出装
置１０である。

【００１２】請求項１に記載の発明に依れば、電源手段
１４が所定の交流電圧信号１４ａを印加することに依
り、限界電流式酸素センサー１３の電流電圧特性におけ
る立ち上がり領域（所謂、抵抗支配領域）を除く出力領
域を用いた雰囲気信号１２ａが生成され、空燃比演算手
段１６が、抵抗支配領域の影響を回避するような所定の
演算を実行して空燃比データ１６ａを算出することに依
り、限界電流式酸素センサー１３内の電極と固体電解質
との界面において界面電気抵抗に変動が発生しても、こ
の変動に左右されることのなく、空気過剰雰囲気から燃
料過剰雰囲気にわたる広範囲の雰囲気下における空燃比
データ１６ａを再現性良く、高精度で且つ安定性良く計
測できるようになる。

【００１３】請求項２に記載の発明は、請求項１に記載
の空燃比検出装置１０において、前記酸素濃度検出手段
１２は、雰囲気ガスの酸化状態又は還元状態を検知する
限界電流式酸素センサー１３であって、雰囲気ガス中に
置かれた状態で前記交流電圧信号１４ａを印加された際
に、酸化状態下の雰囲気ガスにあっては前記雰囲気信号
１２ａとして酸化雰囲気信号１２ｂを生成し、還元状態
下の雰囲気ガスにあっては前記雰囲気信号１２ａとして
還元雰囲気信号１２ｃを生成するように構成されてい
る、ことを特徴とする空燃比検出装置１０である。

【００１４】請求項２に記載の発明に依れば、請求項１
に記載の効果に加えて、電源手段１４が所定の交流電圧
信号１４ａを印加することに依り、限界電流式酸素セン
サー１３の電流電圧特性における立ち上がり領域（抵抗
支配領域）を除く出力領域を用いた雰囲気信号１２ａが
生成され、空燃比演算手段１６が、抵抗支配領域の影響
を回避するような所定の演算を実行して酸化雰囲気信号
１２ｂ及び還元雰囲気信号１２ｃを算出することに依
り、限界電流式酸素センサー１３内の電極と固体電解質
との界面において界面電気抵抗に変動が発生しても、こ
の変動に左右されることのなく、空気過剰雰囲気から燃
料過剰雰囲気にわたる広範囲の雰囲気下における空燃比
データ１６ａ（則ち、酸化雰囲気信号１２ｂ及び還元雰
囲気信号１２ｃ）を再現性良く、高精度で且つ安定性良
く計測できるようになる。

【００１５】請求項３に記載の発明は、請求項２に記載
の空燃比検出装置１０において、前記電源手段１４は、
前記限界電流式酸素センサー１３を所定の動作温度に保
持するためのヒータ加熱電圧信号１４ｂを、当該限界電
流式酸素センサー１３に設けられた内蔵ヒータ１２２に
印加するための内蔵ヒータ電源部１４４を有する、こと
を特徴とする空燃比検出装置１０である。

【００１６】請求項３に記載の発明に依れば、請求項２
に記載の効果に加えて、内蔵ヒータ電源部１４４がヒー
タ加熱電圧信号１４ｂを印加することに依り、空気過剰
雰囲気から燃料過剰雰囲気にわたる広範囲の雰囲気下に
おける空燃比データ１６ａ（則ち、酸化雰囲気信号１２
ｂ及び還元雰囲気信号１２ｃ）を再現性良く、高精度で
且つ安定性良く計測できるようになる。

【００１７】請求項４に記載の発明は、請求項３に記載
の空燃比検出装置１０において、前記限界電流式酸素セ
ンサー１３は、空気中の酸素の濃度と前記燃料としての
水素の濃度との比率に基づいて、前記酸化雰囲気信号１
２ｂ又は前記還元雰囲気信号１２ｃを生成するように構
成されている、ことを特徴とする空燃比検出装置１０で
ある。

【００１８】請求項４に記載の発明に依れば、請求項３
に記載の効果に加えて、電源手段１４が所定の交流電圧
信号１４ａを印加することに依り、限界電流式酸素セン
サー１３の電流電圧特性における立ち上がり領域（抵抗
支配領域）を除く出力領域を用いた雰囲気信号１２ａが
生成され、空燃比演算手段１６が、抵抗支配領域の影響
を回避するような所定の演算を実行して空気中の酸素の
濃度及び燃料としての水素の濃度を算出することに依
り、限界電流式酸素センサー１３内の電極と固体電解質
との界面において界面電気抵抗に変動が発生しても、こ
の変動に左右されることのなく、空気過剰雰囲気から燃
料過剰雰囲気にわたる広範囲の雰囲気下における空燃比
データ１６ａ（則ち、空気中の酸素の濃度及び燃料とし
ての水素の濃度）を再現性良く、高精度で且つ安定性良
く計測できるようになる。

【００１９】請求項５に記載の発明は、請求項１乃至４
に記載の空燃比検出装置１０において、前記空燃比演算
手段１６は、前記酸素濃度と前記水素濃度との比率に基
づいて、前記空燃比データ１６ａを生成するように構成
されている、ことを特徴とする空燃比検出装置１０であ
る。

【００２０】請求項５に記載の発明に依れば、請求項１
乃至４に記載の効果に加えて、空燃比演算手段１６が、
抵抗支配領域の影響を回避するような所定の演算を実行
して空気中の酸素の濃度及び燃料としての水素の濃度を
算出することに依り、限界電流式酸素センサー１３内の
電極と固体電解質との界面において界面電気抵抗に変動
が発生しても、この変動に左右されることのなく、空気
過剰雰囲気から燃料過剰雰囲気にわたる広範囲の雰囲気
下における空燃比データ１６ａを再現性良く、高精度で
且つ安定性良く計測できるようになる。

【００２１】請求項６に記載の発明は、前記空燃比検出
装置１０に用いられる空燃比検出方法であって、前記雰
囲気信号１２ａを積分して前記空燃比データ１６ａを生
成する際に、当該雰囲気信号１２ａを構成する前記酸化
雰囲気信号１２ｂ及び前記還元雰囲気信号１２ｃを各々
の所定の限界電流領域で積分すると共に、当該酸化雰囲
気信号１２ｂの当該積分領域での積分値と当該還元雰囲
気信号１２ｃの当該積分領域での積分値との差に基づい
て前記空燃比データ１６ａを算出する、ことを特徴とす
る請求項１乃至５に記載の空燃比検出方法である。

【００２２】請求項６に記載の発明に依れば、電源手段
１４が所定の交流電圧信号１４ａを印加することに依
り、限界電流式酸素センサー１３の電流電圧特性におけ
る立ち上がり領域（抵抗支配領域）を除く所定の限界電
流領域を用いて、酸化雰囲気信号１２ｂ及び前記還元雰
囲気信号１２ｃが生成され、空燃比演算手段１６が、抵
抗支配領域の影響を回避するように、所定の限界電流領
域内の酸化雰囲気信号１２ｂの積分値と還元雰囲気信号
１２ｃの積分値との差演算を実行して空気中の酸素の濃
度及び燃料としての水素の濃度を算出することに依り、
限界電流式酸素センサー１３内の電極と固体電解質との
界面において界面電気抵抗に変動が発生しても、この変
動に左右されることのなく、空気過剰雰囲気から燃料過
剰雰囲気にわたる広範囲の雰囲気下における空燃比デー
タ１６ａを再現性良く、高精度で且つ安定性良く計測で
きるようになる。

【００２３】請求項７に記載の発明は、請求項１乃至５
に記載の空燃比検出装置１０に用いられる空燃比検出方
法において、前記電源手段１４が生成する前記交流電圧
信号１４ａとして正弦波電圧信号を用いて前記雰囲気信
号１２ａから前記空燃比データ１６ａを生成する際に、
当該正弦波電圧信号に依って生成される前記酸化雰囲気
信号１２ｂを所定の第１タイミングでサンプリングし、
当該第１タイミングから１／２周期遅れた位相関係を有
する第２タイミングで前記還元雰囲気信号１２ｃをサン
プリングすると共に、当該前記酸化雰囲気信号１２ｂの
サンプリング値と還元雰囲気信号１２ｃのサンプリング
値との差に基づいて前記空燃比データ１６ａを算出す
る、ことを特徴とする空燃比検出方法である。

【００２４】請求項７に記載の発明に依れば、請求項１
乃至５に記載の効果に加えて、電源手段１４が正弦波電
圧信号を印加することに依り、限界電流式酸素センサー
１３の電流電圧特性における立ち上がり領域（抵抗支配
領域）を除く所定の領域を用いた雰囲気信号１２ａが生
成され、空燃比演算手段１６が、抵抗支配領域の影響を
回避するように、第１タイミングでサンプリングした酸
化雰囲気信号１２ｂのサンプリング値と第２タイミング
でサンプリングした還元雰囲気信号１２ｃと差演算を実
行して空気中の酸素の濃度及び燃料としての水素の濃度
を算出することに依り、限界電流式酸素センサー１３内
の電極と固体電解質との界面において界面電気抵抗に変
動が発生しても、この変動に左右されることのなく、空
気過剰雰囲気から燃料過剰雰囲気にわたる広範囲の雰囲
気下における空燃比データ１６ａを再現性良く、高精度
で且つ安定性良く計測できるようになる。

【００２５】請求項８に記載の発明は、請求項７に記載
の空燃比検出方法において、前記第１サンプリング及び
前記第２サンプリングは、所定の限界電流領域内の前記
雰囲気信号１２ａに対して実行される、ことを特徴とす
る空燃比検出方法である。

【００２６】請求項８に記載の発明に依れば、請求項７
に記載の効果に加えて、電源手段１４が所定の交流電圧
信号１４ａを印加することに依り、限界電流式酸素セン
サー１３の電流電圧特性における立ち上がり領域（抵抗
支配領域）を除く所定の限界電流領域を用いた雰囲気信
号１２ａが生成され、空燃比演算手段１６が、抵抗支配
領域の影響を回避するように、第１タイミングでサンプ
リングした所定の限界電流領域内の酸化雰囲気信号１２
ｂのサンプリング値と第２タイミングでサンプリングし
た所定の限界電流領域内の還元雰囲気信号１２ｃと差演
算を実行して空気中の酸素の濃度及び燃料としての水素
の濃度を算出することに依り、限界電流式酸素センサー
１３内の電極と固体電解質との界面において界面電気抵
抗に変動が発生しても、この変動に左右されることのな
く、空気過剰雰囲気から燃料過剰雰囲気にわたる広範囲
の雰囲気下における空燃比データ１６ａを再現性良く、
高精度で且つ安定性良く計測できるようになる。

【００２７】請求項９に記載の発明は、請求項１乃至５
に記載の空燃比検出装置１０に用いられる空燃比検出方
法において、前記電源手段１４が生成する前記交流電圧
信号１４ａとして交流電圧信号１４ａを用いて前記雰囲
気信号１２ａから前記空燃比データ１６ａを生成する場
合であって、長時間の還元雰囲気下での前記空燃比デー
タ１６ａの測定に続いて酸化雰囲気下で前記空燃比デー
タ１６ａの測定を行う際に、前記酸化雰囲気信号１２ｂ
を生成するために印加される当該交流電圧信号１４ａの
最大電圧値に比べて、前記還元雰囲気信号１２ｃを生成
するために印加される当該交流電圧信号１４ａの最大電
圧値を小さくする、ことを特徴とする空燃比検出方法で
ある。

【００２８】請求項９に記載の発明に依れば、請求項１
乃至５に記載の効果に加えて、還元雰囲気下での長時間
測定の影響によって界面電気抵抗に変動が発生しても、
この変動に左右されることのなく、空気過剰雰囲気から
燃料過剰雰囲気にわたる広範囲の雰囲気下における空燃
比データ１６ａを再現性良く、高精度で且つ安定性良く
計測できるようになる。

【００２９】請求項１０に記載の発明は、請求項１乃至
５に記載の空燃比検出装置１０に用いられる空燃比検出
方法において、前記雰囲気信号１２ａを積分して前記空
燃比データ１６ａを生成する際に、酸化雰囲気状態で
は、所定の限界電流領域内の前記酸化雰囲気信号１２ｂ
を前記空燃比データ１６ａとして出力し、還元雰囲気状
態では、所定の限界電流領域内の前記還元雰囲気信号１
２ｃを前記空燃比データ１６ａとして出力する、ことを
特徴とする空燃比検出方法である。

【００３０】請求項１０に記載の発明に依れば、請求項
１乃至５に記載の効果に加えて、逆極性の信号成分を含
まないように、所定の限界電流領域内の酸化雰囲気信号
１２ｂと還元雰囲気信号１２ｃとを各々分離して別個に
出力することに依り、信号の直線性が向上し、更に、限
界電流式酸素センサー１３内の電極と固体電解質との界
面において界面電気抵抗に変動が発生しても、この変動
に左右されることのなく、空気過剰雰囲気から燃料過剰
雰囲気にわたる広範囲の雰囲気下における空燃比データ
１６ａ（則ち、空気中の酸素の濃度及び燃料としての水
素の濃度）を再現性良く、高精度で且つ安定性良く計測
できるようになる。

【００３１】請求項１１に記載の発明は、請求項１乃至
５に記載の空燃比検出装置１０に用いられる空燃比検出
方法において、前記雰囲気信号１２ａの限界電流領域に
基づく方形波電圧信号を前記電源手段１４が生成する前
記交流電圧信号１４ａとして用いて前記空燃比データ１
６ａを生成する、ことを特徴とする空燃比検出方法であ
る。

【００３２】請求項１１に記載の発明に依れば、請求項
１乃至５に記載の効果に加えて、請求項１２に記載の発
明は、請求項１１に記載の空燃比検出方法において、前
記方形波電圧信号を用いて前記雰囲気信号１２ａから前
記空燃比データ１６ａを生成する場合であって、前記酸
化雰囲気信号１２ｂを生成するために印加される当該方
形波電圧信号の最大電圧値に比べて、前記還元雰囲気信
号１２ｃを生成するために印加される当該方形波電圧信
号の最大電圧値を大きくする、ことを特徴とする空燃比
検出方法である。

【００３３】請求項１２に記載の発明に依れば、請求項
１１に記載の効果に加えて、電源手段１４が方形波電圧
信号を印加することに依り、所定の限界電流領域外の
（具体的には、領域抵抗支配領域）における酸化雰囲気
信号１２ｂ又は還元雰囲気信号１２ｃも一定時間保持す
ることに依り、限界電流式酸素センサー１３内の電極と
固体電解質との界面において界面電気抵抗に変動が発生
しても、この変動に左右されることのなく、空燃比デー
タ１６ａの安定性を向上でき、更に、空気過剰雰囲気か
ら燃料過剰雰囲気にわたる広範囲の雰囲気下における空
燃比データ１６ａを再現性良く、高精度で且つ安定性良
く計測できるようになる。

【００３４】

【発明の実施の形態】以下、図面に基づき本発明の各種
実施形態を説明する。

【００３５】図１は、本発明の空燃比検出装置１０の実
施形態を説明するための機能ブロック図である。

【００３６】本空燃比検出装置１０は、陶磁器焼成用の
焼結炉内で燃焼される酸素ガスと水素ガスとの混合ガス
雰囲気下における酸素ガスと水素ガスとの空燃比を求め
る機能を有し、図１に示すように、酸素濃度検出手段１
２と電源手段１４と空燃比演算手段１６とを有する。

【００３７】酸素濃度検出手段１２は、混合ガス雰囲気
内の酸素濃度（具体的には、空気中の酸素の濃度、単位
は［％］）を検出して雰囲気信号１２ａを生成する酸素
センサーであって、固体電解質薄膜の両面にガス透過性
電極を設け、この電極間に電圧を印加してそのときの混
合ガス雰囲気中の酸素濃度に比例した電流が雰囲気信号
１２ａとして出力されるように構成されている。

【００３８】また、ヒータ加熱電圧信号１４ｂに応じ
て、限界電流式酸素センサー１３を所定の動作温度（具
体的には、７００℃程度が望ましい）に保持するための
内蔵ヒータ１２２が、限界電流式酸素センサー１３に設
けられている。

【００３９】雰囲気ガス中に置かれた状態で、酸素濃度
検出手段１２に交流電圧を印加すると、混合ガス雰囲気
中の酸素ガス濃度（則ち、空気中の酸素の濃度）及び水
素ガス濃度（則ち、燃料としての水素の濃度、単位は
［％］）の各々に対応して、極性の異なる直流成分（単
位は［ｍＶ］）を発生する。

【００４０】具体的には、酸化状態下の雰囲気ガスにあ
っては雰囲気信号１２ａとして酸化雰囲気信号１２ｂ
（直流成分）を生成し、還元状態下の雰囲気ガスにあっ
ては雰囲気信号１２ａとして還元雰囲気信号１２ｃ（直
流成分）を生成する。

【００４１】この直流成分の極性が正（則ち、プラス
側）の場合は酸化雰囲気信号１２ｂが検出され、極性が
負（則ち、マイナス側）の場合は還元雰囲気信号１２ｃ
が検出されるので、この極性によって、混合ガス雰囲気
の酸化状態又は還元状態を検知することができる。

【００４２】また限界電流式酸素センサー１３は、空気
中の酸素の濃度と燃料としての水素の濃度との比率に基
づいて、酸化雰囲気信号１２ｂ又は還元雰囲気信号１２
ｃを生成するように構成されている。

【００４３】これにより、空燃比データ１６ａ（則ち、
空気中の酸素の濃度及び燃料としての水素の濃度）を再
現性良く、高精度で且つ安定性良く計測できるようにな
る。

【００４４】このような酸素濃度検出手段１２は、焼成
路の内部に先端部を挿入したガス導入管を通って導入さ
れた混合ガス雰囲気と接触するように構成されている。

【００４５】電源手段１４は、酸素濃度検出手段１２に
交流電圧信号１４ａを印加する機能を有し、酸素濃度検
出手段１２に接続されている。

【００４６】交流電圧信号１４ａの具体的な周波数は、
限界電流式酸素センサー１３の応答速度によって決定さ
れるが、１［Ｈｚ］〜１０［Ｈｚ］程度が望ましい。ま
たこのときの交流電圧信号１４ａの具体的な大きさは、
±０．６程度が望ましい。なお、交流電圧信号１４ａの
周波数や電圧値は、酸素濃度検出手段１２の構造や応答
速度等を考慮して最適化することが望ましい。

【００４７】また電源手段１４は、限界電流式酸素セン
サー１３を所定の動作温度（具体的には、７００℃）に
保持するためのヒータ加熱電圧信号１４ｂを、限界電流
式酸素センサー１３に設けられた内蔵ヒータ１２２に印
加するための内蔵ヒータ電源部１４４を有している。

【００４８】これにより、内蔵ヒータ電源部１４４がヒ
ータ加熱電圧信号１４ｂを印加することに依り、空気過
剰雰囲気から燃料過剰雰囲気にわたる広範囲の雰囲気下
における空燃比データ１６ａ（則ち、酸化雰囲気信号１
２ｂ及び還元雰囲気信号１２ｃ）を再現性良く、高精度
で且つ安定性良く計測できるようになる。

【００４９】空燃比演算手段１６は、雰囲気信号１２ａ
に所定の演算を実行して、ガス雰囲気中の空気と燃料と
の混合比率である空燃比データ１６ａを生成する機能を
有し、酸素濃度検出手段１２に接続されている。

【００５０】雰囲気信号１２ａを増幅するための増幅回
路、雰囲気信号１２ａに所定の演算（具体的には、積分
演算や差演算）を実行するための積分回路や差動増幅回
路、雰囲気信号１２ａから酸化雰囲気信号１２ｂや還元
雰囲気信号１２ｃを検出するための分離回路（具体的に
は、逆平行に接続された２本のダイオード素子から構成
されている整流回路）、等を中心にして構成されてい
る。

【００５１】なお、空燃比演算手段１６は、雰囲気信号
１２ａをＡ／Ｄ変換回路によってディジタル信号に変換
して、このディジタル変換された雰囲気信号１２ａに対
して前述の演算をディジタル的に実行して、空燃比デー
タ１６ａを生成することの可能である。このようなディ
ジタル演算を実行する場合の空燃比演算手段１６は、Ｃ
ＰＵ，ＲＡＭ、ペリフェラルインタフェース等をを中心
にして構成されているマイクロコンピュータを用いるこ
とが望ましい。

【００５２】以上説明したように、本実施形態に依れ
ば、電源手段１４が所定の交流電圧信号１４ａを印加す
ることに依り、限界電流式酸素センサー１３の電流電圧
特性における立ち上がり領域（抵抗支配領域）を除く出
力領域を用いた雰囲気信号１２ａが生成され、空燃比演
算手段１６が、抵抗支配領域の影響を回避するような所
定の演算を実行して酸化雰囲気信号１２ｂ及び還元雰囲
気信号１２ｃを算出することに依り、限界電流式酸素セ
ンサー１３内の電極と固体電解質との界面において界面
電気抵抗に変動が発生しても、この変動に左右されるこ
とのなく、空気過剰雰囲気から燃料過剰雰囲気にわたる
広範囲の雰囲気下における空燃比データ１６ａ（則ち、
酸化雰囲気信号１２ｂ及び還元雰囲気信号１２ｃ）を再
現性良く、高精度で且つ安定性良く計測できるようにな
る。

【００５３】以下、図１の空燃比検出装置１０に用いら
れる空燃比検出方法の各種実施形態を説明する。

【００５４】図２は、図１の空燃比検出装置１０に用い
られる空燃比検出方法の第１実施形態を説明するための
グラフであって、同図（ａ）は限界電流式酸素センサー
１３に印加される交流電圧信号１４ａ、同図（ｂ）は限
界電流式酸素センサー１３が出力する雰囲気信号１２ａ
（則ち、酸化雰囲気信号１２ｂ及び還元雰囲気信号１２
ｃ）、同図（ｃ）は空燃比演算手段１６が出力する演算
出力（則ち、空燃比データ１６ａ）を示すグラフであ
る。なお、空燃比検出装置１０の実施形態において既に
記述したものと同一の部分については、同一符号を付
し、重複した説明は省略する。

【００５５】本空燃比検出方法は、雰囲気信号１２ａを
積分して空燃比データ１６ａを生成する際の信号処理方
法であって、第１工程と、この第１工程に続く第２工程
とを有する。

【００５６】電源手段１４が印加する交流電圧信号１４
ａの振幅は、図２（ａ）に示すように、プラス側とマイ
ナス側で均等（則ち、±０．５Ｖ）に設定されている。

【００５７】この様な交流電圧信号１４ａが印加された
状態で生成される雰囲気信号１２ａを積分して空燃比デ
ータ１６ａを生成する際に、空燃比演算手段１６が、第
１工程と、この第１工程に続く第２工程とを有する演算
（具体的には、積分演算と差演算）を実行する。

【００５８】第１工程は、図２（ｂ）に示すように、雰
囲気信号１２ａを積分して空燃比データ１６ａを生成す
る際に、雰囲気信号１２ａを構成する酸化雰囲気信号１
２ｂ及び還元雰囲気信号１２ｃを各々の所定の限界電流
領域で積分する工程である。

【００５９】具体的には、酸化雰囲気信号１２ｂ（則
ち、プラス側）の所定の限界電流領域を０．３Ｖ〜０．
８Ｖに設定し、還元雰囲気信号１２ｃ（則ち、マイナス
側）の所定の限界電流領域を０．１Ｖ〜０．７Ｖに設定
して、限界電流式酸素センサー１３の電流電圧特性にお
ける立ち上がり領域（抵抗支配領域）を除く所定の限界
電流領域を用いて、積分演算を実行している。

【００６０】但し、図２（ｂ）では、酸化雰囲気信号１
２ｂ（プラス側）の所定の限界電流領域を０．３Ｖに設
定し、還元雰囲気信号１２ｃ（マイナス側）の所定の限
界電流領域を０．７Ｖに設定した例を示している。

【００６１】この第１工程に続く第２工程は、雰囲気信
号１２ａを積分して空燃比データ１６ａを生成する際
に、酸化雰囲気信号１２ｂ（単位は［ｍＶ］）の積分領
域（０．３Ｖ〜０．８Ｖ）での積分値Ａと還元雰囲気信
号１２ｃ（単位は［ｍＶ］）の積分領域（０．１Ｖ〜
０．７Ｖ）での積分値Ｂとの差（則ち、Ａ−Ｂ）に基づ
いて、図２（ｃ）に示すような空燃比データ１６ａ（単
位は［ｍＶＤＣ］）を算出する工程である。

【００６２】以上説明したように、空燃比検出方法の第
１実施形態に依れば、電源手段１４が所定の交流電圧信
号１４ａを印加することに依り、限界電流式酸素センサ
ー１３の電流電圧特性における立ち上がり領域（抵抗支
配領域）を除く所定の限界電流領域を用いて、酸化雰囲
気信号１２ｂ及び還元雰囲気信号１２ｃが生成され、空
燃比演算手段１６が、抵抗支配領域の影響を回避するよ
うに、所定の限界電流領域内の酸化雰囲気信号１２ｂの
積分値と還元雰囲気信号１２ｃの積分値との差演算を実
行して空気中の酸素の濃度及び燃料としての水素の濃度
を算出することに依り、限界電流式酸素センサー１３内
の電極と固体電解質との界面において界面電気抵抗に変
動が発生しても、この変動に左右されることのなく、空
気過剰雰囲気から燃料過剰雰囲気にわたる広範囲の雰囲
気下における空燃比データ１６ａを再現性良く、高精度
で且つ安定性良く計測できるようになる。

【００６３】次に、空燃比検出方法の第２実施形態を説
明する。

【００６４】図３は、図１の空燃比検出装置１０に用い
られる空燃比検出方法の第２実施形態を説明するための
グラフであって、同図（ａ）は限界電流式酸素センサー
１３に印加される交流電圧信号１４ａ、同図（ｂ）は限
界電流式酸素センサー１３が出力する雰囲気信号１２ａ
（則ち、酸化雰囲気信号１２ｂ及び還元雰囲気信号１２
ｃ）、同図（ｃ）は空燃比演算手段１６が出力する演算
出力（則ち、空燃比データ１６ａ）を示すグラフであ
る。なお、空燃比検出方法の第１実施形態において既に
記述したものと同一の部分については、同一符号を付
し、重複した説明は省略する。

【００６５】本空燃比検出方法は、雰囲気信号１２ａを
積分して空燃比データ１６ａを生成する際の信号処理方
法であって、第１工程と、この第１工程に続く第２工程
とを有する。

【００６６】電源手段１４が印加する交流電圧信号１４
ａ（正弦波電圧信号）の振幅は、図３（ａ）に示すよう
に、プラス側とマイナス側で均等（則ち、±０．５Ｖ）
に設定されている。

【００６７】この様な正弦波電圧信号が印加された状態
で生成される雰囲気信号１２ａから空燃比データ１６ａ
を生成する際に、空燃比演算手段１６が、第１工程と、
この第１工程に続く第２工程とを有する演算（具体的に
は、サンプリング演算と差演算）を実行する。

【００６８】第１工程は、図３（ｂ）に示すように、電
源手段１４が生成する交流電圧信号１４ａとして正弦波
電圧信号を用いて雰囲気信号１２ａから空燃比データ１
６ａを生成する際に、正弦波電圧信号に依って生成され
る酸化雰囲気信号１２ｂ（単位は［ｍＶ］）を所定の第
１タイミング（具体的には、９０度の位相）でサンプリ
ングし、第１タイミングから１／２周期（則ち、１８０
度）遅れた位相関係を有する第２タイミング（具体的に
は、２７０度）で還元雰囲気信号１２ｃ（単位は［ｍ
Ｖ］）をサンプリングする工程である。

【００６９】第１サンプリング及び第２サンプリング
は、所定の限界電流領域内の雰囲気信号１２ａに対して
実行される。

【００７０】具体的には、交流電圧信号１４ａ±０．６
Ｖの限界電流領域（酸化状態でプラス側、還元状態でマ
イナス側）の出力値のみを演算の対象としている。

【００７１】この第１工程に続く第２工程は、酸化雰囲
気信号１２ｂのサンプリング値Ａと還元雰囲気信号１２
ｃのサンプリング値Ｂとの差（則ち、Ａ−Ｂ）に基づい
て、図３（ｃ）に示すような空燃比データ１６ａ（単位
は［ｍＶＤＣ］）を算出する工程である。

【００７２】以上説明したように、空燃比検出方法の第
２実施形態に依れば、電源手段１４が正弦波電圧信号を
印加することに依り、限界電流式酸素センサー１３の電
流電圧特性における立ち上がり領域（抵抗支配領域）を
除く所定の領域を用いた雰囲気信号１２ａが生成され、
空燃比演算手段１６が、抵抗支配領域の影響を回避する
ように、第１タイミングでサンプリングした酸化雰囲気
信号１２ｂのサンプリング値と第２タイミングでサンプ
リングした還元雰囲気信号１２ｃと差演算を実行して空
気中の酸素の濃度及び燃料としての水素の濃度を算出す
ることに依り、限界電流式酸素センサー１３内の電極と
固体電解質との界面において界面電気抵抗に変動が発生
しても、この変動に左右されることのなく、空気過剰雰
囲気から燃料過剰雰囲気にわたる広範囲の雰囲気下にお
ける空燃比データ１６ａを再現性良く、高精度で且つ安
定性良く計測できるようになる。

【００７３】更に、積分回路が不要となるため、限界電
流式酸素センサー１３の持つ固有の応答速度で高速に空
燃比データ１６ａを算出できるようになる。

【００７４】次に、空燃比検出方法の第３実施形態を説
明する。

【００７５】図４は、図１の空燃比検出装置１０に用い
られる空燃比検出方法の第３実施形態を説明するための
グラフであって、同図（ａ）は限界電流式酸素センサー
１３に印加される交流電圧信号１４ａ、同図（ｂ）は限
界電流式酸素センサー１３が出力する雰囲気信号１２ａ
（則ち、酸化雰囲気信号１２ｂ及び還元雰囲気信号１２
ｃ）、同図（ｃ）は空燃比演算手段１６が出力する演算
出力（則ち、空燃比データ１６ａ）を示すグラフであ
る。なお、空燃比検出方法の第１実施形態又は第２実施
形態において既に記述したものと同一の部分について
は、同一符号を付し、重複した説明は省略する。

【００７６】本空燃比検出方法は、電源手段１４が生成
する交流電圧信号１４ａとして交流電圧信号１４ａを用
いて雰囲気信号１２ａから空燃比データ１６ａを生成す
る場合であって、長時間の還元雰囲気下での空燃比デー
タ１６ａの測定に続いて酸化雰囲気下で空燃比データ１
６ａの測定を行う際の信号処理方法である。

【００７７】第１工程は、図４（ａ）に示すように、電
源手段１４が生成する交流電圧信号１４ａとして交流電
圧信号１４ａを用いて雰囲気信号１２ａから空燃比デー
タ１６ａを生成する場合であって、長時間の還元雰囲気
下での空燃比データ１６ａの測定に続いて酸化雰囲気下
で空燃比データ１６ａの測定を行う際に、酸化雰囲気信
号１２ｂを生成するために印加される交流電圧信号１４
ａの最大電圧値に比べて、還元雰囲気信号１２ｃを生成
するために印加される交流電圧信号１４ａの最大電圧値
を小さくする工程である。

【００７８】具体的には、酸化雰囲気信号１２ｂ（プラ
ス側）を生成するために印加される交流電圧信号１４ａ
の最大電圧値を０．６Ｖ、還元雰囲気信号１２ｃを生成
するために印加される交流電圧信号１４ａの最大電圧値
を０．３Ｖに設定している。

【００７９】また本実施形態では、図４（ｂ）に示すよ
うに、交流電圧信号１４ａに依って生成される酸化雰囲
気信号１２ｂ（単位は［ｍＶ］）を所定の第１タイミン
グ（具体的には、９０度の位相）でサンプリングし、第
１タイミングから１／２周期（則ち、１８０度）遅れた
位相関係を有する第２タイミング（具体的には、２７０
度）で還元雰囲気信号１２ｃ（単位は［ｍＶ］）をサン
プリングする第２工程を有する。

【００８０】更に、第２工程に続いて、酸化雰囲気信号
１２ｂのサンプリング値Ａと還元雰囲気信号１２ｃのサ
ンプリング値Ｂとの差（則ち、Ａ−Ｂ）に基づいて、図
４（ｃ）に示すような空燃比データ１６ａ（単位は［ｍ
ＶＤＣ］）を算出する第３工程を有する。

【００８１】以上説明したように、空燃比検出方法の第
３実施形態に依れば、還元雰囲気下での長時間測定の影
響によって界面電気抵抗に変動が発生しても、この変動
に左右されることのなく、空気過剰雰囲気から燃料過剰
雰囲気にわたる広範囲の雰囲気下における空燃比データ
１６ａを再現性良く、高精度で且つ安定性良く計測でき
るようになる。

【００８２】次に、空燃比検出方法の第４実施形態を説
明する。

【００８３】図５は、図１の空燃比検出装置１０に用い
られる空燃比検出方法の第４実施形態を説明するための
グラフであって、同図（ａ）は限界電流式酸素センサー
１３に印加される交流電圧信号１４ａ、同図（ｂ）は限
界電流式酸素センサー１３が出力する雰囲気信号１２ａ
（則ち、酸化雰囲気信号１２ｂ及び還元雰囲気信号１２
ｃ）、同図（ｃ）は空燃比演算手段１６が出力する演算
出力（則ち、空燃比データ１６ａ）を示すグラフであ
る。なお、空燃比検出方法の第１実施形態乃至第３実施
形態において既に記述したものと同一の部分について
は、同一符号を付し、重複した説明は省略する。

【００８４】第１工程は、図５（ａ）に示すように、電
源手段１４が生成する交流電圧信号１４ａとして交流電
圧信号１４ａを用いて雰囲気信号１２ａから空燃比デー
タ１６ａを生成する場合であって、長時間の還元雰囲気
下での空燃比データ１６ａの測定に続いて酸化雰囲気下
で空燃比データ１６ａの測定を行う際に、酸化雰囲気信
号１２ｂを生成するために印加される交流電圧信号１４
ａの最大電圧値に比べて、還元雰囲気信号１２ｃを生成
するために印加される交流電圧信号１４ａの最大電圧値
を小さくする工程である。

【００８５】具体的には、酸化雰囲気信号１２ｂ（プラ
ス側）を生成するために印加される交流電圧信号１４ａ
の最大電圧値を０．６Ｖ、還元雰囲気信号１２ｃを生成
するために印加される交流電圧信号１４ａの最大電圧値
を０．３Ｖに設定している。また本実施形態では、図５
（ｂ）に示すように、雰囲気信号１２ａを積分して空燃
比データ１６ａを生成する際に、酸化雰囲気状態では、
所定の限界電流領域内の酸化雰囲気信号１２ｂを空燃比
データ１６ａとして出力し、還元雰囲気状態では、所定
の限界電流領域内の還元雰囲気信号１２ｃを空燃比デー
タ１６ａとして出力する第２工程を有する。

【００８６】酸化雰囲気信号１２ｂと還元雰囲気信号１
２ｃとを分離して検出することは、限界電流領域と逆極
性の出力とを基準として、一定値以上の出力が出力され
ていれば、逆極性が限界電流極性であると判断するよう
なコンパレータ回路を付加することによって実現でき
る。

【００８７】第２工程においては、図５（ｂ）に示すよ
うに、交流電圧信号１４ａに依って生成される酸化雰囲
気信号１２ｂ（単位は［ｍＶ］）を所定の第１タイミン
グ（具体的には、９０度の位相）で酸化雰囲気信号１２
ｂをサンプリングし、第１タイミングから１／２周期
（則ち、１８０度）遅れた位相関係を有する第２タイミ
ング（具体的には、２７０度）で還元雰囲気信号１２ｃ
（単位は［ｍＶ］）をサンプリングしているる。

【００８８】この第２工程に続く第３工程は、酸化雰囲
気信号１２ｂのサンプリング値Ａと還元雰囲気信号１２
ｃのサンプリング値Ｂとに基づいて、図５（ｃ）に示す
ような空燃比データ１６ａ（単位は［ｍＶＤＣ］）を算
出する工程である。

【００８９】以上説明したように、空燃比検出方法の第
４実施形態に依れば、所定の限界電流領域内の酸化雰囲
気信号１２ｂと還元雰囲気信号１２ｃとを各々分離して
別個に出力することに依り、安定な限界電流領域内にお
ける酸化雰囲気信号１２ｂ及び還元雰囲気信号１２ｃを
検出でき、その結果、信号の直線性が向上する。

【００９０】更に、限界電流式酸素センサー１３内の電
極と固体電解質との界面において界面電気抵抗に変動が
発生しても、この変動に左右されることのなく、空気過
剰雰囲気から燃料過剰雰囲気にわたる広範囲の雰囲気下
における空燃比データ１６ａ（則ち、空気中の酸素の濃
度及び燃料としての水素の濃度）を再現性良く、高精度
で且つ安定性良く計測できるようになる。

【００９１】次に、空燃比検出方法の第５実施形態を説
明する。

【００９２】図６は、図１の空燃比検出装置１０に用い
られる空燃比検出方法の第５実施形態を説明するための
グラフであって、同図（ａ）は限界電流式酸素センサー
１３に印加される交流電圧信号１４ａ、同図（ｂ）は限
界電流式酸素センサー１３が出力する雰囲気信号１２ａ
（則ち、酸化雰囲気信号１２ｂ及び還元雰囲気信号１２
ｃ）、同図（ｃ）は空燃比演算手段１６が出力する演算
出力（則ち、空燃比データ１６ａ）を示すグラフであ
る。なお、空燃比検出方法の第１実施形態乃至第４実施
形態において既に記述したものと同一の部分について
は、同一符号を付し、重複した説明は省略する。

【００９３】本空燃比検出方法の第１工程は、雰囲気信
号１２ａの限界電流領域に基づく方形波電圧信号（具体
的には、図６（ａ）に示すように、周波数１［Ｈｚ］、
電圧値±０．５［Ｖ］）を電源手段１４が生成する交流
電圧信号１４ａとして用いて空燃比データ１６ａを生成
する工程である。

【００９４】本実施形態では、酸化雰囲気信号１２ｂを
生成するために印加される方形波電圧信号の最大電圧値
に比べて、還元雰囲気信号１２ｃを生成するために印加
される方形波電圧信号の最大電圧値を大きくしている。

【００９５】具体的には、図６（ａ）に示すように、酸
化雰囲気信号１２ｂ（プラス側）を生成するために印加
される方形波電圧信号の最大電圧値を０．６Ｖ、還元雰
囲気信号１２ｃを生成するために印加される方形波電圧
信号の最大電圧値を０．３Ｖに設定している。

【００９６】この第１工程に続く第２工程は、図６
（ｂ）に示すように、酸化雰囲気信号１２ｂ（単位は
［ｍＶ］）を所定の第１タイミング（具体的には、方形
波電圧信号の立ち下がりのタイミング）でサンプリング
し、第１タイミングから１／２周期遅れた位相関係を有
する第２タイミング（具体的には、方形波電圧信号の立
ち下がりのタイミングから１８０度遅れた方形波電圧信
号の立ち上がりのタイミング）で還元雰囲気信号１２ｃ
（単位は［ｍＶ］）をサンプリングする工程である。

【００９７】更に、この第２工程に続く第３工程は、酸
化雰囲気信号１２ｂのサンプリング値Ａと還元雰囲気信
号１２ｃのサンプリング値Ｂとに基づいて、図６（ｃ）
に示すような空燃比データ１６ａ（単位は［ｍＶＤ
Ｃ］）を算出する工程である。

【００９８】請求項１２に記載の発明に依れば、請求項
１１に記載の効果に加えて、電源手段１４が方形波電圧
信号を印加することに依り、所定の限界電流領域外の
（具体的には、領域抵抗支配領域）における酸化雰囲気
信号１２ｂ又は還元雰囲気信号１２ｃも一定時間保持す
ることに依り、限界電流式酸素センサー１３内の電極と
固体電解質との界面において界面電気抵抗に変動が発生
しても、この変動に左右されることのなく、空燃比デー
タ１６ａの安定性を向上でき、更に、空気過剰雰囲気か
ら燃料過剰雰囲気にわたる広範囲の雰囲気下における空
燃比データ１６ａを再現性良く、高精度で且つ安定性良
く計測できるようになる。

【００９９】

【発明の効果】請求項１に記載の発明に依れば、電源手
段が所定の交流電圧信号を印加することに依り、限界電
流式酸素センサーの電流電圧特性における立ち上がり領
域（所謂、抵抗支配領域）を除く出力領域を用いた雰囲
気信号が生成され、空燃比演算手段が、抵抗支配領域の
影響を回避するような所定の演算を実行して空燃比デー
タを算出することに依り、限界電流式酸素センサー内の
電極と固体電解質との界面において界面電気抵抗に変動
が発生しても、この変動に左右されることのなく、空気
過剰雰囲気から燃料過剰雰囲気にわたる広範囲の雰囲気
下における空燃比データを再現性良く、高精度で且つ安
定性良く計測できるようになる。

【０１００】請求項２に記載の発明に依れば、請求項１
に記載の効果に加えて、電源手段が所定の交流電圧信号
を印加することに依り、限界電流式酸素センサーの電流
電圧特性における立ち上がり領域（抵抗支配領域）を除
く出力領域を用いた雰囲気信号が生成され、空燃比演算
手段が、抵抗支配領域の影響を回避するような所定の演
算を実行して酸化雰囲気信号及び還元雰囲気信号を算出
することに依り、限界電流式酸素センサー内の電極と固
体電解質との界面において界面電気抵抗に変動が発生し
ても、この変動に左右されることのなく、空気過剰雰囲
気から燃料過剰雰囲気にわたる広範囲の雰囲気下におけ
る空燃比データ（則ち、酸化雰囲気信号及び還元雰囲気
信号）を再現性良く、高精度で且つ安定性良く計測でき
るようになる。

【０１０１】請求項３に記載の発明に依れば、請求項２
に記載の効果に加えて、内蔵ヒータ電源部１４４がヒー
タ加熱電圧信号１４ｂを印加することに依り、空気過剰
雰囲気から燃料過剰雰囲気にわたる広範囲の雰囲気下に
おける空燃比データ（則ち、酸化雰囲気信号及び還元雰
囲気信号）を再現性良く、高精度で且つ安定性良く計測
できるようになる。

【０１０２】請求項４に記載の発明に依れば、請求項３
に記載の効果に加えて、電源手段が所定の交流電圧信号
を印加することに依り、限界電流式酸素センサーの電流
電圧特性における立ち上がり領域（抵抗支配領域）を除
く出力領域を用いた雰囲気信号が生成され、空燃比演算
手段が、抵抗支配領域の影響を回避するような所定の演
算を実行して空気中の酸素の濃度及び燃料としての水素
の濃度を算出することに依り、限界電流式酸素センサー
内の電極と固体電解質との界面において界面電気抵抗に
変動が発生しても、この変動に左右されることのなく、
空気過剰雰囲気から燃料過剰雰囲気にわたる広範囲の雰
囲気下における空燃比データ（則ち、空気中の酸素の濃
度及び燃料としての水素の濃度）を再現性良く、高精度
で且つ安定性良く計測できるようになる。

【０１０３】請求項５に記載の発明に依れば、請求項１
乃至４に記載の効果に加えて、空燃比演算手段が、抵抗
支配領域の影響を回避するような所定の演算を実行して
空気中の酸素の濃度及び燃料としての水素の濃度を算出
することに依り、限界電流式酸素センサー内の電極と固
体電解質との界面において界面電気抵抗に変動が発生し
ても、この変動に左右されることのなく、空気過剰雰囲
気から燃料過剰雰囲気にわたる広範囲の雰囲気下におけ
る空燃比データを再現性良く、高精度で且つ安定性良く
計測できるようになる。

【０１０４】請求項６に記載の発明に依れば、電源手段
が所定の交流電圧信号を印加することに依り、限界電流
式酸素センサーの電流電圧特性における立ち上がり領域
（抵抗支配領域）を除く所定の限界電流領域を用いて、
酸化雰囲気信号及び還元雰囲気信号が生成され、空燃比
演算手段が、抵抗支配領域の影響を回避するように、所
定の限界電流領域内の酸化雰囲気信号の積分値と還元雰
囲気信号の積分値との差演算を実行して空気中の酸素の
濃度及び燃料としての水素の濃度を算出することに依
り、限界電流式酸素センサー内の電極と固体電解質との
界面において界面電気抵抗に変動が発生しても、この変
動に左右されることのなく、空気過剰雰囲気から燃料過
剰雰囲気にわたる広範囲の雰囲気下における空燃比デー
タを再現性良く、高精度で且つ安定性良く計測できるよ
うになる。

【０１０５】請求項７に記載の発明に依れば、請求項１
乃至５に記載の効果に加えて、電源手段が正弦波電圧信
号を印加することに依り、限界電流式酸素センサーの電
流電圧特性における立ち上がり領域（抵抗支配領域）を
除く所定の領域を用いた雰囲気信号が生成され、空燃比
演算手段が、抵抗支配領域の影響を回避するように、第
１タイミングでサンプリングした酸化雰囲気信号のサン
プリング値と第２タイミングでサンプリングした還元雰
囲気信号と差演算を実行して空気中の酸素の濃度及び燃
料としての水素の濃度を算出することに依り、限界電流
式酸素センサー内の電極と固体電解質との界面において
界面電気抵抗に変動が発生しても、この変動に左右され
ることのなく、空気過剰雰囲気から燃料過剰雰囲気にわ
たる広範囲の雰囲気下における空燃比データを再現性良
く、高精度で且つ安定性良く計測できるようになる。

【０１０６】請求項８に記載の発明に依れば、請求項７
に記載の効果に加えて、電源手段が所定の交流電圧信号
を印加することに依り、限界電流式酸素センサーの電流
電圧特性における立ち上がり領域（抵抗支配領域）を除
く所定の限界電流領域を用いた雰囲気信号が生成され、
空燃比演算手段が、抵抗支配領域の影響を回避するよう
に、第１タイミングでサンプリングした所定の限界電流
領域内の酸化雰囲気信号のサンプリング値と第２タイミ
ングでサンプリングした所定の限界電流領域内の還元雰
囲気信号と差演算を実行して空気中の酸素の濃度及び燃
料としての水素の濃度を算出することに依り、限界電流
式酸素センサー内の電極と固体電解質との界面において
界面電気抵抗に変動が発生しても、この変動に左右され
ることのなく、空気過剰雰囲気から燃料過剰雰囲気にわ
たる広範囲の雰囲気下における空燃比データを再現性良
く、高精度で且つ安定性良く計測できるようになる。

【０１０７】請求項９に記載の発明に依れば、請求項１
乃至５に記載の効果に加えて、還元雰囲気下での長時間
測定の影響によって界面電気抵抗に変動が発生しても、
この変動に左右されることのなく、空気過剰雰囲気から
燃料過剰雰囲気にわたる広範囲の雰囲気下における空燃
比データを再現性良く、高精度で且つ安定性良く計測で
きるようになる。

【０１０８】請求項１０に記載の発明に依れば、請求項
１乃至５に記載の効果に加えて、逆極性の信号成分を含
まないように、所定の限界電流領域内の酸化雰囲気信号
と還元雰囲気信号とを各々分離して別個に出力すること
に依り、信号の直線性が向上し、更に、限界電流式酸素
センサー内の電極と固体電解質との界面において界面電
気抵抗に変動が発生しても、この変動に左右されること
のなく、空気過剰雰囲気から燃料過剰雰囲気にわたる広
範囲の雰囲気下における空燃比データ（則ち、空気中の
酸素の濃度及び燃料としての水素の濃度）を再現性良
く、高精度で且つ安定性良く計測できるようになる。

【０１０９】請求項１１に記載の発明に依れば、請求項
１乃至５に記載の効果に加えて、電源手段が方形波電圧
信号を印加することに依り、所定の限界電流領域外の
（具体的には、領域抵抗支配領域）における酸化雰囲気
信号又は還元雰囲気信号も一定時間保持することに依
り、限界電流式酸素センサー内の電極と固体電解質との
界面において界面電気抵抗に変動が発生しても、この変
動に左右されることのなく、空燃比データの安定性を向
上できるようになる。

【０１１０】請求項１２に記載の発明に依れば、請求項
１１に記載の効果に加えて、電源手段が方形波電圧信号
を印加することに依り、所定の限界電流領域外の（具体
的には、領域抵抗支配領域）における酸化雰囲気信号又
は還元雰囲気信号も一定時間保持することに依り、限界
電流式酸素センサー内の電極と固体電解質との界面にお
いて界面電気抵抗に変動が発生しても、この変動に左右
されることのなく、空燃比データの安定性を向上でき、
更に、空気過剰雰囲気から燃料過剰雰囲気にわたる広範
囲の雰囲気下における空燃比データを再現性良く、高精
度で且つ安定性良く計測できるようになる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の空燃比検出装置の実施形態を説明する
ための機能ブロック図である。

【図２】図１の空燃比検出装置に用いられる空燃比検出
方法の第１実施形態を説明するためのグラフであって、
同図（ａ）は限界電流式酸素センサーに印加される交流
電圧信号、同図（ｂ）は限界電流式酸素センサーが出力
する雰囲気信号（則ち、酸化雰囲気信号及び還元雰囲気
信号）、同図（ｃ）は空燃比演算手段が出力する演算出
力（則ち、空燃比データ）を示すグラフである。

【図３】図１の空燃比検出装置に用いられる空燃比検出
方法の第２実施形態を説明するためのグラフであって、
同図（ａ）は限界電流式酸素センサーに印加される交流
電圧信号、同図（ｂ）は限界電流式酸素センサーが出力
する雰囲気信号（則ち、酸化雰囲気信号及び還元雰囲気
信号）、同図（ｃ）は空燃比演算手段が出力する演算出
力（則ち、空燃比データ）を示すグラフである。

【図４】図１の空燃比検出装置に用いられる空燃比検出
方法の第３実施形態を説明するためのグラフであって、
同図（ａ）は限界電流式酸素センサーに印加される交流
電圧信号、同図（ｂ）は限界電流式酸素センサーが出力
する雰囲気信号（則ち、酸化雰囲気信号及び還元雰囲気
信号）、同図（ｃ）は空燃比演算手段が出力する演算出
力（則ち、空燃比データ）を示すグラフである。

【図５】図１の空燃比検出装置に用いられる空燃比検出
方法の第４実施形態を説明するためのグラフであって、
同図（ａ）は限界電流式酸素センサーに印加される交流
電圧信号、同図（ｂ）は限界電流式酸素センサーが出力
する雰囲気信号（則ち、酸化雰囲気信号及び還元雰囲気
信号）、同図（ｃ）は空燃比演算手段が出力する演算出
力（則ち、空燃比データ）を示すグラフである。

【図６】図１の空燃比検出装置に用いられる空燃比検出
方法の第５実施形態を説明するためのグラフであって、
同図（ａ）は限界電流式酸素センサーに印加される交流
電圧信号、同図（ｂ）は限界電流式酸素センサーが出力
する雰囲気信号（則ち、酸化雰囲気信号及び還元雰囲気
信号）、同図（ｃ）は空燃比演算手段が出力する演算出
力（則ち、空燃比データ）を示すグラフである。

【図７】従来の空燃比検出装置に用いられる空燃比検出
方法の第５実施形態を説明するためのグラフであって、
同図（ａ）は限界電流式酸素センサーに印加される交流
電圧信号、同図（ｂ）は限界電流式酸素センサーが出力
する雰囲気信号（則ち、酸化雰囲気信号及び還元雰囲気
信号）、同図（ｃ）は空燃比演算手段が出力する演算出
力（則ち、空燃比データ）を示すグラフである。

【符号の説明】

１０ 空燃比検出装置 １２ 酸素濃度検出手段 １２ａ 雰囲気信号 １２ｂ 酸化雰囲気信号 １２ｃ 還元雰囲気信号 １２２ 内蔵ヒータ １３ 限界電流式酸素センサー １４ 電源手段 １４ａ 交流電圧信号 １４ｂ ヒータ加熱電圧信号 １４４ 内蔵ヒータ電源部 １６ 空燃比演算手段 １６ａ 空燃比データ

Claims (12)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 焼結炉内のガス雰囲気下における空燃比
   を求めるための空燃比検出装置において、 雰囲気内の酸素濃度を検出して雰囲気信号を生成する酸
   素濃度検出手段と、 酸素濃度検出手段に交流電圧信号を印加するための電源
   手段と、 前記雰囲気信号に所定の演算を実行して、ガス雰囲気中
   の空気と燃料との混合比率である空燃比データを生成す
   る空燃比演算手段とを有する、 ことを特徴とする空燃比検出装置。
2. 【請求項２】 前記酸素濃度検出手段は、雰囲気ガスの
   酸化状態又は還元状態を検知する限界電流式酸素センサ
   ーであって、雰囲気ガス中に置かれた状態で前記交流電
   圧信号を印加された際に、酸化状態下の雰囲気ガスにあ
   っては前記雰囲気信号として酸化雰囲気信号を生成し、
   還元状態下の雰囲気ガスにあっては前記雰囲気信号とし
   て還元雰囲気信号を生成するように構成されている、 ことを特徴とする請求項１に記載の空燃比検出装置。
3. 【請求項３】 前記電源手段は、前記限界電流式酸素セ
   ンサーを所定の動作温度に保持するためのヒータ加熱電
   圧信号を、当該限界電流式酸素センサーに設けられた内
   蔵ヒータに印加するための内蔵ヒータ電源部を有する、 ことを特徴とする請求項２に記載の空燃比検出装置。
4. 【請求項４】 前記限界電流式酸素センサーは、空気中
   の酸素の濃度と前記燃料としての水素の濃度との比率に
   基づいて、前記酸化雰囲気信号又は前記還元雰囲気信号
   を生成するように構成されている、 ことを特徴とする請求項３に記載の空燃比検出装置。
5. 【請求項５】 前記空燃比演算手段は、前記酸素濃度と
   前記水素濃度との比率に基づいて、前記空燃比データを
   生成するように構成されている、 ことを特徴とする請求項１乃至４に記載の空燃比検出装
   置。
6. 【請求項６】 前記空燃比検出装置に用いられる空燃比
   検出方法であって、 前記雰囲気信号を積分して前記空燃比データを生成する
   際に、当該雰囲気信号を構成する前記酸化雰囲気信号及
   び前記還元雰囲気信号を各々の所定の限界電流領域で積
   分すると共に、当該酸化雰囲気信号の当該積分領域での
   積分値と当該還元雰囲気信号の当該積分領域での積分値
   との差に基づいて前記空燃比データを算出する、 ことを特徴とする請求項１乃至５に記載の空燃比検出装
   置に用いられる空燃比検出方法。
7. 【請求項７】 前記空燃比検出装置に用いられる空燃比
   検出方法であって、 前記電源手段が生成する前記交流電圧信号として正弦波
   電圧信号を用いて前記雰囲気信号から前記空燃比データ
   を生成する際に、当該正弦波電圧信号に依って生成され
   る前記酸化雰囲気信号を所定の第１タイミングでサンプ
   リングし、当該第１タイミングから１／２周期遅れた位
   相関係を有する第２タイミングで前記還元雰囲気信号を
   サンプリングすると共に、当該前記酸化雰囲気信号のサ
   ンプリング値と還元雰囲気信号のサンプリング値との差
   に基づいて前記空燃比データを算出する、 ことを特徴とする請求項１乃至５に記載の空燃比検出装
   置に用いられる空燃比検出方法。
8. 【請求項８】 前記第１サンプリング及び前記第２サン
   プリングは、所定の限界電流領域内の前記雰囲気信号に
   対して実行される、 ことを特徴とする請求項７に記載の空燃比検出方法。
9. 【請求項９】 前記空燃比検出装置に用いられる空燃比
   検出方法であって、 前記電源手段が生成する前記交流電圧信号として交流電
   圧信号を用いて前記雰囲気信号から前記空燃比データを
   生成する場合であって、長時間の還元雰囲気下での前記
   空燃比データの測定に続いて酸化雰囲気下で前記空燃比
   データの測定を行う際に、前記酸化雰囲気信号を生成す
   るために印加される当該交流電圧信号の最大電圧値に比
   べて、前記還元雰囲気信号を生成するために印加される
   当該交流電圧信号の最大電圧値を小さくする、 ことを特徴とする請求項１乃至５に記載の空燃比検出装
   置に用いられる空燃比検出方法。
10. 【請求項１０】 前記空燃比検出装置に用いられる空燃
    比検出方法であって、 前記雰囲気信号を積分して前記空燃比データを生成する
    際に、酸化雰囲気状態では、所定の限界電流領域内の前
    記酸化雰囲気信号を前記空燃比データとして出力し、還
    元雰囲気状態では、所定の限界電流領域内の前記還元雰
    囲気信号を前記空燃比データとして出力する、 ことを特徴とする請求項１乃至５に記載の空燃比検出装
    置に用いられる空燃比検出方法。
11. 【請求項１１】 前記空燃比検出装置に用いられる空燃
    比検出方法であって、 前記雰囲気信号の限界電流領域に基づく方形波電圧信号
    を前記電源手段が生成する前記交流電圧信号として用い
    て前記空燃比データを生成する、 ことを特徴とする請求項１乃至５に記載の空燃比検出装
    置に用いられる空燃比検出方法。
12. 【請求項１２】 前記方形波電圧信号を用いて前記雰囲
    気信号から前記空燃比データを生成する場合であって、
    前記酸化雰囲気信号を生成するために印加される当該方
    形波電圧信号の最大電圧値に比べて、前記還元雰囲気信
    号を生成するために印加される当該方形波電圧信号の最
    大電圧値を大きくする、 ことを特徴とする請求項１１に記載の空燃比検出方法。