JPH1172473A

JPH1172473A - 空燃比検出装置

Info

Publication number: JPH1172473A
Application number: JP10042234A
Authority: JP
Inventors: Asamichi Mizoguchi; 朝道溝口; Masayuki Takami; 雅之高見; Shuichi Nakano; 秀一中野
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 1997-06-19
Filing date: 1998-02-24
Publication date: 1999-03-16
Anticipated expiration: 2018-02-24
Also published as: US6096187A; JP3674292B2; DE19826686A1; DE19826686B4

Abstract

(57)【要約】【課題】如何なる空燃比域においても空燃比を精度良く
検出する。【解決手段】Ａ／Ｆセンサ１０のＡ／Ｆ検出部１１は固
体電解質層１４と拡散抵抗層１３とを有し、固体電解質
層１４の排ガス側及び大気側の電極１５ａ，１５ｂ間の
電圧印加により、排ガス中の酸素濃度に応じた電流値を
出力する。酸素供給排出部１２は、固体電解質層１６と
その両面に形成された一対の電極１５ｃ，１５ｄとを有
し、Ａ／Ｆ検出部１１の大気側の電極１５ｂ近く（大気
室１８）に酸素を供給、又は同電極１５ｂ近くの酸素を
排出する。制御部３０は、電流検出部４０により検出さ
れる限界電流値Ｉｐを取り込み、そのＩｐ値に基づいて
酸素供給排出部１２の酸素の供給又は排出量を制御す
る。具体的には、固体電解質層１４及び１６内を移動す
る酸素量が等くなるよう、固体電解質層１６に流れる電
流の制御目標値を可変に設定して、酸素供給排出部１２
の酸素の供給又は排出量を制御する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、限界電流式空燃比
センサを用いた空燃比検出装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】この種の従来技術として、例えば図１２
に示す空燃比センサが開示されている（例えば、特開昭
５５−６２３４９号公報）。図１２において、空燃比セ
ンサ８０は、ガソリンエンジンの排気管に配設されるも
のであって、排ガス雰囲気中に晒される拡散抵抗層８１
と、周知の酸素イオン伝導性酸化物からなる固体電解質
層８２と、固体電解質層８２の両面に固着された電極８
３ａ，８３ｂと、大気室８４を形成するための隔壁８５
と、隔壁８５内に埋設されたヒータ８６とから構成され
ている。この場合、電極８３ａは排ガス側電極に相当
し、電極８３ｂは大気側電極に相当する。

【０００３】図１３に上記空燃比センサ８０による空燃
比検出の基本原理を示す。基本的には電源８７により電
極８３ａ，８３ｂ間に電圧Ｖｐが印加され、その際に流
れる電流値を検出することで空燃比が検出される。すな
わち、空燃比がリーン時であれば、図１３（ａ）に示す
ように、空燃比センサ８０は排ガス中から酸素を取り込
む。このとき、電極８３ａから電極８３ｂに向けて酸素
イオン（Ｏ2-）が流れる。また、空燃比がリッチ時であ
れば、図１３（ｂ）に示すように、酸素センサ８０は排
ガス中からＣＯ等の未燃ガス成分を取り込む。このと
き、電極８３ｂから電極８３ａに向けて酸素イオン（Ｏ
2-）が流れる。つまり、リーン時とリッチ時とで固体電
解質層８２中を流れる酸素イオンの向きが逆になり、限
界電流値Ｉｐはリーン時に正の電流値、リッチ時に負の
電流値となる。

【０００４】図１４に、上記構成の空燃比センサ８０の
Ｖ−Ｉ特性（電圧−電流特性）を示す。図１４（ａ）は
所定の条件下（リーン）におけるＶ−Ｉ特性である。同
図に示すように、印加電圧が低い領域では固体電解質層
８２の抵抗特性が検出され、Ｖ−Ｉ特性は比例関係を呈
する。また、印加電圧が高い領域では、拡散抵抗層８１
により酸素の移動が制限されることで電流値が一定値と
なる。この一定値となる電流の値が限界電流値に相当す
る。一般的には、抵抗特性を示す領域が「抵抗支配域」
と称され、限界電流値を示す領域が「限界電流域」と称
される。

【０００５】図１４（ｂ），（ｃ）は、空燃比（Ａ／
Ｆ）の変化に対応する限界電流値Ｉｐの変化を示す特性
図である。図１４（ｂ）によれば、空燃比が変化すると
限界電流値Ｉｐが変化し、空燃比がリーン側にシフトす
るほどＩｐ値が大きくなることが分かる。また、図１４
（ｃ）の特性線Ｌ１に示すように、空燃比と限界電流値
Ｉｐの関係は１対１の関係となっているため、限界電流
値Ｉｐにより空燃比が検出できることが分かる。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】ところが、上記従来の
空燃比検出装置では、空燃比がリッチ時において以下の
問題を生じる。つまり、リッチ時には前記図１３（ｂ）
に示す如く酸素を大気室８４から取り込まなければなら
ないが、リッチの度合いが大きいと多量の酸素が必要と
なる。かかる場合、大気から大気室８４への酸素の供給
が追いつかなくなり、大気室８４で酸素が欠乏する。大
気室８４が酸欠状態になると、酸素がそれ以上流れなく
なるため、限界電流値Ｉｐが正しく検出できなくなる。
その結果、図１４（ｃ）中の特性線Ｌ２で示すように、
リッチ時において空燃比の検出精度が悪化するという問
題が生じる。上記問題が生じる理由としては、一般に大
気室８４に大気を取り込むための通路が長いということ
や、ヒータによる素子の昇温特性を確保するために大気
室８４を必要以上に大きくすることができないといった
要因が挙げられる。

【０００７】また、空燃比のリーン時においても、同様
の理由により以下の問題を生じる。すなわち、リーン時
には前記図１３（ａ）に示す如く、リッチ時とは逆に酸
素を排ガスから大気室８４に送り込むため、リーンの度
合が大きいと多量の酸素が大気室８４に流れ込むことに
なる。かかる場合、大気室８４から外部への酸素の排出
が追いつかなくなり、大気室８４で酸素が過剰になる。
大気室８４が酸素過剰になると、固体電界質中を通り大
気室８４へ移動する酸素量が制限され、限界電流値Ｉｐ
が正しく検出できなくなる。その結果、図１４（ｃ）中
の特性線Ｌ３で示すように、リーン時においても空燃比
の検出精度が悪化する。

【０００８】一方、特公平４−７３１０１号公報では、
上記した酸欠による問題に対処すべく、大気室中（同公
報の基準ガス雰囲気内に相当する）に酸素を供給する給
電手段を設けている。しかし、この公報では、給電手段
への制御量（印加電圧）に関する記載がなく、その具体
例として一定電圧を印加している。そのため、空燃比や
素子温が変化して、固体電解質層へ流れる酸素量が変化
したときに、大気室内の酸素量が一定に維持できなくな
る。すると、限界電流値も正確に検出できなくなり、空
燃比の検出精度が悪化する。

【０００９】また、特開昭６１−１３４６５６号公報で
は、大気室（同公報の空隙に相当する）に通じる気密空
間を設け、大気室中の酸素濃度の変動を吸収しようとし
ている。しかし、前述の通り大気室の大きさには限界が
あるために気密室から大気室への酸素の供給が不十分に
なることや、大気室と気密空間との酸素量の合計値を制
御する手段がないことから、空燃比や素子温が大きく変
化した際には、空燃比の検出精度が悪化する。また上記
公報では、温度変化に応じて大気室への酸素供給量が調
整できるように正の温度特性を持ったヒータ電圧の分圧
値を酸素供給手段に印加しているが、該印加される値は
ヒータ抵抗と素子抵抗との両方の温度特性に依存する。
そのため、素子抵抗の温度特性のみに依存する酸素量を
一定に制御することができない。

【００１０】よって、上記公報の従来技術（特公平４−
７３１０１号公報，特開昭６１−１３４６５６号公報）
では、いずれにおいても大気室の酸素濃度を適正に保つ
ことができず、空燃比や素子温変化時に空燃比の検出精
度が悪化するという問題を招く。

【００１１】本発明は、上記問題に着目してなされたも
のであって、その目的とするところは、如何なる空燃比
域においても空燃比を精度良く検出することができる空
燃比検出装置を提供することである。

【００１２】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、請求項１に記載の発明において、限界電流式空燃比
センサは、第１の固体電解質層とそれに接する拡散抵抗
層とを有し、前記第１の固体電解質層の被測定ガス側に
形成された電極と基準ガス側に形成された電極との間に
電圧を印加することにより、被測定ガス中の酸素濃度
（空燃比）に応じた限界電流値を出力する空燃比検出部
と、第２の固体電解質層とその両面に形成された一対の
電極とを有し、前記空燃比検出部の基準ガス側の電極近
くに酸素を供給、又は同電極近くの酸素を外部に排出す
るための酸素供給排出部とを備える。そして、電流検出
手段は、前記第１の固体電解質層に流れる限界電流の値
を検出する。また、制御手段は、前記検出された限界電
流値を取り込み、その限界電流値に基づいて前記酸素供
給排出部の酸素の供給又は排出量を制御する。

【００１３】要するに、上記限界電流式空燃比センサに
おいて、空燃比がストイキ（理論空燃比）からリーン側
或いはリッチ側に変化すると第１の固体電解質層内を所
定方向に酸素イオンが流れ、その酸素イオンの流れが限
界電流として検出される。詳細には、被測定ガスの空燃
比がリーンであれば、第１の固体電解質層において被測
定ガス側から基準ガス側に向けて酸素イオンが流れ、被
測定ガスの空燃比がリッチであれば、逆に第１の固体電
解質層において基準ガス側から被測定ガス側に向けて酸
素イオンが流れる。

【００１４】このとき、第１の固体電解質層の基準ガス
側では、空燃比リッチ時に酸素が消費されるため、リッ
チの度合が大きいと供給すべき酸素が欠乏して出力特性
が悪化するおそれが生じる（前記図１４（ｃ）のＬ２参
照）。これに対し、上記構成によれば、検出した限界電
流値に基づいて酸素供給排出部での酸素供給量が制御さ
れるため、例えば空燃比リッチ時であればそのリッチの
度合に応じた酸素量が基準ガス側の電極近傍に供給され
る。これにより、基準ガス側の電極近傍における酸素濃
度の変動が抑制され、基準ガス側の電極近傍に過不足無
く酸素を供給することができるようになる。つまり、酸
欠による空燃比の検出精度の悪化が解消される。

【００１５】また逆に、リーンの度合が大きいと、第１
の固体電解質層の基準ガス側に大量の酸素が持ち込まれ
る。従って、同基準ガス側で酸素過剰となって出力特性
が悪化するおそれが生じる（前記図１４（ｃ）のＬ３参
照）。これに対し、上記構成によれば、検出した限界電
流値に基づいて酸素供給排出部での酸素排出量が制御さ
れるため、例えば空燃比リーン時であればそのリーンの
度合に応じた酸素量が基準ガス側の電極近傍から排出さ
れる。これにより、基準ガス側の電極近傍における酸素
濃度の変動が抑制され、基準ガス側の電極近傍での酸素
過剰の状態が回避できる。つまり、酸素過剰による空燃
比の検出精度の悪化が解消される。

【００１６】その結果、請求項１の発明によれば、如何
なる空燃比域においても空燃比が精度良く検出できる。
またこのとき、基準ガスを導入するための大気室を必要
以上に大きくして素子（固体電解質層）の昇温特性を損
なうといった不都合を招くこともない。

【００１７】また上記構成では、請求項２に記載したよ
うに、前記第１の固体電解質層内を移動する酸素量と、
前記第２の固体電解質層内を移動する酸素量とが等くな
るよう、酸素供給排出部の酸素の供給又は排出量を制御
することが望ましい。この構成によれば、空燃比リッチ
時において、第１の固体電解質層での酸素消費量（すな
わち、基準ガス側から被測定ガス側への酸素移動量）
と、第２の固体電解質層による酸素供給量が一致する。
また、空燃比リーン時において、第１の固体電解質層で
の酸素消費量（すなわち、被測定ガス側から基準ガス側
への酸素移動量）と、第２の固体電解質層による酸素排
出量が一致する。従って、基準ガス側の電極近傍におけ
る酸素濃度を所定レベルに安定化させることができる。

【００１８】請求項３に記載の発明では、前記制御手段
は、酸素が第１の固体電解質層内を被測定ガス側から基
準ガス側へと移動するとき（空燃比リーンのとき）は、
その酸素移動量よりも少ない酸素を第２の固体電解質層
の基準ガス側から被測定ガス側へ移動させ、酸素が第１
の固体電解質層内を基準ガス側から被測定ガス側へと移
動するとき（空燃比リッチのとき）は、その酸素移動量
よりも多い酸素を第２の固体電解質層の被測定ガス側か
ら基準ガス側へ移動させるよう、酸素供給排出部の酸素
の供給又は排出量を制御する。なおここで、第１の固体
電解質層内を移動する酸素の量と方向は、請求項１に記
載の電流検出手段にて検出される。

【００１９】つまり、空燃比リーン時には、第１の固体
電解質層の基準ガス側（例えば大気室）に酸素が持ち込
まれるが、その際、制御手段によって酸素供給排出部か
らの酸素の持ち出しが比較的少ない量に制限される。ま
た、空燃比リッチ時には、第１の固体電解質層の基準ガ
ス側から酸素が持ち出されるが、その際、制御手段によ
って比較的多量の酸素の供給が許容される。上記構成に
よれば、第１の固体電解質層の基準ガス側が酸素過剰ぎ
みになったとしても酸欠状態に陥ることはない。つま
り、酸素過剰な状態になっても空燃比の検出自体は継続
できるため、酸欠状態により空燃比の検出が不可能にな
るという最悪の事態が回避できる。

【００２０】また、請求項４に記載の発明では、前記制
御手段は、前記第２の固体電解質層に流れる電流の制御
目標値を可変に設定して、前記酸素供給排出部の酸素の
供給又は排出量を制御する。この制御によれば、第１及
び第２の固体電解質層を流れる酸素量を所望の値にで
き、既述の通り基準ガス側の電極近傍における酸素濃度
が安定して空燃比の検出精度が向上する。

【００２１】請求項５に記載の発明では、前記第２の固
体電解質層を流れる電流の値を検出する他の電流検出手
段を備え、前記制御手段は、前記他の電流検出手段によ
り検出される電流値を監視し、常にその値を目標値に維
持するための制御電流監視手段を備える。この請求項５
の構成によれば、第２の固体電解質層に流れる電流の値
を検出してその電流値を目標値に維持することで、例え
ばエンジンの過渡運転時や燃料カット時に素子温（固体
電解質層の温度）が急変する場合にも、酸素供給排出部
による酸素の供給又は排出量を安定化させることができ
る。

【００２２】一方、請求項６に記載の発明では、前記制
御手段は、前記第２の固体電解質層に形成された一対の
電極間の電圧の制御目標値を可変に設定して、前記酸素
供給排出部の酸素の供給又は排出量を制御する。この制
御によれば、第１及び第２の固体電解質層を流れる酸素
量を所望の値にでき、既述の通り基準ガス側の電極近傍
における酸素濃度が安定して空燃比の検出精度が向上す
る。

【００２３】請求項７に記載の発明では、前記制御手段
は、酸素が第１の固体電解質層内を基準ガス側から被測
定ガス側へと移動するときにのみ作動される。すなわ
ち、第１の固体電解質層の基準ガス側（例えば大気室）
が酸欠状態になるのは、空燃比リッチ時に限られる。そ
こで、空燃比がリッチとなり、酸素が第１の固体電解質
層内を基準ガス側から被測定ガス側へと移動するときに
のみ、酸素供給排出部による酸素の供給動作を行わせれ
ば、酸欠時の不具合が解消できるようになる。

【００２４】請求項８に記載の発明では、前記制御手段
は、酸素が第１の固体電解質層内を被測定ガス側から基
準ガス側へと移動するときにのみ作動される。すなわ
ち、第１の固体電解質層の基準ガス側（例えば大気室）
が酸素過剰になるのは、空燃比リーン時に限られる。こ
の発明は、例えばリーンセンサのようにリッチの検出精
度を必要としないセンサ等に適用される。基準ガス側の
酸素過剰を完全に回避することにより、リーン検出時の
酸素濃度が高精度に検出されるようになる。

【００２５】

【発明の実施の形態】

（第１の実施の形態）以下、この発明を具体化した第１
の実施の形態を図面に従って説明する。本実施の形態に
おける空燃比検出装置は、車載用ガソリンエンジンに供
給される混合気の空燃比を検出するものであって、エン
ジンから排出される排ガス成分を基に、その時の空燃比
に応じた限界電流を出力する限界電流式空燃比センサ
（以下、Ａ／Ｆセンサという）を備える。特に本実施の
形態では、基準ガス室（大気室）における酸素欠乏状
態、或いは酸素過剰状態を防止すべく、基準ガス室内の
酸素がその時々の必要量になるよう供給又は排出する構
成を採用する。

【００２６】図１は、本実施の形態における空燃比検出
装置の概要を示すブロック図である。同図を用いて本空
燃比検出装置の概要を説明すれば、Ａ／Ｆセンサ１０は
大別して、電圧印加部２０による電圧の印加に伴い動作
するＡ／Ｆ検出部１１と、制御部３０からの制御量に応
じて動作する酸素供給排出部１２とを備える。Ａ／Ｆ検
出部１１による検出値、すなわち空燃比に応じた限界電
流値は、電流検出部４０により検出される。電流検出部
４０により検出された電流値は、Ａ／Ｆ値としてＡ／Ｆ
出力部５０を介してエンジン制御用マイコン（ＥＣＵ）
等に出力される。

【００２７】また、電流検出部６０は、酸素供給排出部
１２に流れる電流値を検出する。制御部３０は、電流検
出部４０による限界電流の検出値と、電流検出部６０に
よる電流の検出値とに基づき酸素供給排出部１２への制
御量を決定し、その制御量により酸素供給排出部１２に
おける酸素の供給又は排出量を制御する。本実施の形態
では、酸素供給排出部１２に流れる電流の値が制御部３
０による制御量に相当する。以下には、より詳細な構成
を説明する。

【００２８】図２は、Ａ／Ｆセンサ１０の構造を概略的
に示す断面図であり、当該センサ１０自体は被測定ガス
としての排ガス雰囲気中に配置される構成となってい
る。Ａ／Ｆ検出部１１は、アルミナ、マグネシャ、ケイ
石質、スピネル、ムライト等の耐熱性無機物質からなる
拡散抵抗層１３と、ＺｒＯ2 、ＨｆＯ2 、ＴｈＯ2 、Ｂ
ｉ2 Ｏ3 等にＣａＯ、ＭｇＯ、Ｙ2 Ｏ3 、Ｙｂ2 Ｏ3 等
を安定剤として固溶させた酸素イオン伝導性酸化物焼結
体からなる固体電解質層（第１の固体電解質層）１４
と、固体電解質層１４に固着された上下一対の電極１５
ａ，１５ｂとを有する（従来技術における図１２に同
じ）。

【００２９】また、酸素供給排出部１２は、前記固体電
解質層１４と同一材料からなる固体電解質層（第２の固
体電解質層）１６と、この固体電解質層１６に固着され
た上下一対の電極１５ｃ，１５ｄとを有する。

【００３０】Ａ／Ｆ検出部１１及び酸素供給排出部１２
の各固体電解質層１４，１６の間には、大気室１８を区
画形成するための絶縁セラミック層１７が配設されてい
る。なお絶縁セラミック層１７は、アルミナ、マグネシ
ャ、ケイ石質、スピネル、ムライト等の耐熱性無機物質
からなり、その材質は前記拡散抵抗層１３と同じである
が、拡散抵抗層１３よりも材料密度が高いため酸素が通
過しないようになっている。

【００３１】上記構成のＡ／Ｆセンサ１０では、前記電
極１５ｂ，１５ｃが大気室１８内に配設されることとな
り、これらが大気側電極（基準ガス側の電極）に相当す
る。また、電極１５ａ，１５ｄが排ガス側電極（被測定
ガス側の電極）に相当する。なお、これら電極１５ａ〜
１５ｄは、白金等の触媒活性の高い貴金属からなり、多
孔質の化学メッキとして固体電解質層１４，１６の上下
面に形成されている。電極１５ａ〜１５ｄの厚さは、
０．５〜２．０μｍ程度となっている。

【００３２】また、上記Ａ／Ｆセンサ１０は、当該セン
サ１０を活性化させるための加熱手段を要する。本実施
の形態では、図３（ａ）に示すように、Ａ／Ｆ検出部１
１側の固体電解質層１４にヒータ１９を埋設し、そのヒ
ータ１９に図示しない電源電圧から給電が行われるよう
にしている。このヒータ１９については、既存の電力制
御や素子内部抵抗（素子温）に応じたフィードバック制
御が実施されるが、その制御法は本案の要旨ではないた
め、ここではその説明を省略する。

【００３３】因みに、ヒータ１９は図３（ａ）の他に、
図３（ｂ），（ｃ），（ｄ）のように配置されるもので
あってもよい。図３（ｂ）では、拡散抵抗層１３にヒー
タ１９が埋設され、図３（ｃ）では、２つの固体電解質
層１４，１６の間の絶縁プレートＰ内にヒータ１９が埋
設されている。この絶縁プレートＰには貫通孔Ｐ１が設
けられ、この貫通孔Ｐ１により図の上下の大気室１８間
が連通されている。また、図３（ｄ）では、固体電解質
層１６の外側の隔壁Ｑにヒータ１９が配置されている。
この隔壁Ｑには貫通孔Ｑ１が設けられ、この貫通孔Ｑ１
により固体電解質層１６の下面が排ガス雰囲気に晒され
ている。但し、ヒータ１９による昇温特性を確保し、Ａ
／Ｆセンサ１０の早期活性化を実現するには、Ａ／Ｆ検
出部１１の固体電解質層１４の近傍にヒータ１９を配置
するのが望ましく、前記の図３（ｄ）といった構成より
も図３（ａ）〜（ｃ）といった構成の方が好適であると
言える。

【００３４】図４は、本実施の形態における空燃比検出
装置の回路図である。電圧印加部２０は、Ａ／Ｆセンサ
１０のＡ／Ｆ検出部１１による空燃比検出時に電極１５
ａ，１５ｂに所定電圧を印加するものである。詳細に
は、電圧印加部２０において、定電源電圧Ｖｃｃが抵抗
２１，２２により分圧され、該分圧された電圧Ｖ０がオ
ペアンプ２３の非反転入力端子に入力される。また、定
電源電圧Ｖｃｃが抵抗２４，２５により分圧され、該分
圧された電圧Ｖｐ１がオペアンプ２６の非反転入力端子
に入力される。かかる場合、オペアンプ２３，２６を介
して電圧Ｖ０，Ｖｐ１がＡ／Ｆセンサ１０の電極１５
ａ，１５ｂに印加される。このとき、Ａ／Ｆ検出部１１
では、その時の空燃比に応じた酸素イオンの通過により
固体電解質層１４内に限界電流が流れ、それが限界電流
値Ｉｐ１として電流検出部４０の電流検出抵抗４１によ
り検出される。限界電流値Ｉｐ１は、Ａ／Ｆ出力部とし
てのＡ／Ｄ変換器５０を介してマイコン５１に出力され
るようになっている。ここで、電流検出抵抗４１はその
抵抗値が「ｒ」となっている。

【００３５】一方、制御部３０は、如何なる空燃比でも
大気室１８内の酸素量を過不足なく制御するものであ
り、その具体的手段としては電極１５ｃ，１５ｄ間に流
れる電流を制御するための回路を備える。詳細には、制
御部３０は、オペアンプ３１，３２を用いた電圧−電流
変換回路として構成され、オペアンプ３１の２つの入力
端子にはオペアンプ３３，３４からなるボルテージフォ
ロア回路を介して前記電流検出抵抗４１の両端が接続さ
れている。ここで、図中の抵抗３５，３６はその抵抗値
が共に「Ｒ１」であり、抵抗３７，３８はその抵抗値が
共に「Ｒ２」である。また、酸素供給排出部１２内の固
体電解質層１６を流れる電流は、電流検出部６０の電流
検出抵抗６１により検出される（電流検出抵抗６１の抵
抗値は「ｒ’」）。

【００３６】この場合、抵抗３５，３６の抵抗値が「Ｒ
１」で一致すると共に、抵抗３７，３８の抵抗値が「Ｒ
２」で一致していれば、酸素供給排出部１２側の固体電
解質層１６を流れる電流値Ｉｐ２は、Ｉｐ２＝（Ｉｐ１・ｒ）／ｒ’ といった値にて制御されることとなる。またこのとき、
電流検出抵抗４１の抵抗値ｒと電流検出抵抗６１の抵抗
値ｒ’とが等しければ、Ｉｐ２＝Ｉｐ１の関係が成立する。

【００３７】上記の如く構成される空燃比検出装置の作
用を説明する。Ａ／Ｆセンサ１０には、Ａ／Ｆ検出部１
１の一対の電極１５ａ，１５ｂ間に所定の印加電圧「Ｖ
ｐ１−Ｖ０」が印加され、Ａ／Ｆセンサ１０はその時の
空燃比に応じた限界電流値Ｉｐを出力する。この限界電
流値Ｉｐは、電流検出部４０において電流検出抵抗４１
の両端電圧として検出され、その検出値がＡ／Ｄ変換器
５０を介してマイコン５１に出力される（Ａ／Ｆセンサ
１０の詳細な動作は、前記図１３（ａ），（ｂ）にて説
明した通りである）。

【００３８】この空燃比検出時には、前記検出した限界
電流値Ｉｐが制御部３０に取り込まれる。このとき、Ａ
／Ｆ検出部１１側の固体電解質層１４を流れる限界電流
値Ｉｐ１に等しくなるよう、酸素供給排出部１２側の固
体電解質層１６を流れる電流値Ｉｐ２が制御される。こ
れにより、２つの固体電解質層１４，１６内を通過する
酸素量が等しくなり、空燃比がリーン側又はリッチ側の
いずれに変化しても大気室１８の酸素分圧が一定に制御
されるようになる。

【００３９】つまり、空燃比リーン時において、Ａ／Ｆ
検出部１１の固体電解質層１４により大気室１８内に排
ガス中の酸素が取り込まれる際には、酸素供給排出部１
２の固体電解質層１６により大気室１８内から酸素が外
部に排出される。また、空燃比リッチ時において、Ａ／
Ｆ検出部１１の固体電解質層１４により大気室１８内の
酸素が消費される際には、酸素供給排出部１２の固体電
解質層１６により排ガス中から大気室１８内に酸素が強
制的に取り込まれる。これにより、大気室１８内の酸素
分圧が常に一定に保持される。

【００４０】因みに、上記制御部３０では、印加電圧Ｖ
ｐ２と電流値Ｉｐ２とでフィードバックループを形成す
る上で、電流値Ｉｐ２が大きくなればＩｐ２値を一定に
制御すべく印加電圧Ｖｐ２を小さくするといった、ネガ
ティブなフィードバック系が構成されている。かかる構
成によれば、固体電解質１６の内部抵抗Ｒｉの変化時に
は、それに伴い電流値Ｉｐ２が変化する。例えばエンジ
ンの過渡運転時に排ガス温度が変動して固体電解質層１
６の内部抵抗Ｒｉが小さくなりＩｐ２値が大きくなった
場合には、電流検出抵抗６１の一端の電位（図のＡ点の
電位）、すなわち印加電圧Ｖｐ２が小さくなる。従っ
て、オペアンプ３２の出力と共にオペアンプ３１の出力
が低下する。これにより、Ｉｐ２値の不用意な上昇が抑
えられ、当該Ｉｐ２値が所定値に保持される。なお本実
施の形態では、制御部３０のオペアンプ３１，３２が制
御電流監視手段に相当する。

【００４１】以上詳述した本実施の形態によれば、以下
の効果が得られる。（ａ）本実施の形態では、固体電解質層１４に流れる限
界電流値Ｉｐ１を検出し、この限界電流値Ｉｐ１に基づ
いて酸素供給排出部１２による酸素の供給又は排出量を
制御するようにした。上記構成によれば、大気室１８内
における酸素濃度の変動が抑制され、酸素供給排出部１
２は過不足無く酸素を供給又は排出する。つまり、例え
ば図１４（ｃ）の特性線Ｌ２に示すような酸欠による空
燃比の検出精度の悪化、或いは同図の特性線Ｌ３に示す
ような酸素過剰による空燃比の検出精度の悪化が解消さ
れる。その結果、如何なる空燃比域においても空燃比が
精度良く検出できる。またこのとき、大気室１８を必要
以上に大きくして素子（固体電解質層１４）の昇温特性
を損なうといった不都合を招くこともない。

【００４２】（ｂ）特に本実施の形態では、酸素供給排
出部１２側の固体電解質層１６に流れる電流の制御目標
値を可変に設定して、当該酸素供給排出部１２による酸
素の供給又は排出量を制御するようにした。具体的に
は、固体電解質層１４に流れる限界電流値Ｉｐ１を電流
の制御目標値とした。この制御によれば、固体電解質層
１４，１６を流れる酸素量が常に等しくなり、既述の通
り大気室１８内の酸素濃度が安定して空燃比の検出精度
が向上する。

【００４３】（ｃ）また、固体電解質層１６の電流値Ｉ
ｐ２を検出すると共に、この電流値Ｉｐ２を監視し、常
にその値を目標値に維持するようにした。この場合、例
えばエンジンの過渡運転時や燃料カット時に素子温（固
体電解質層１６の温度）が急変する場合にも、酸素供給
排出部１２による酸素の供給又は排出量を安定化させる
ことができる。

【００４４】（ｄ）さらに本実施の形態では、酸素供給
排出部１２をネガティブなフィードバック系にて構成し
た。そのため、ポジティブなフィードバック系を有する
従来既存の装置（例えば、２セル式の空燃比センサ）と
は異なり、電流値や電圧値が発振するといった不具合が
解消できる。

【００４５】（第２の実施の形態）次に、本発明におけ
る第２の実施の形態を図５及び図６を用いて説明する。
但し、第２の実施の形態の構成において、上述した第１
の実施の形態と同等であるものについては図面に同一の
記号を付すと共にその説明を簡略化する。そして、以下
には第１の実施の形態との相違点を中心に説明する。

【００４６】図５は、本実施の形態における空燃比検出
装置の概要を示すブロック図であり、前記第１の実施の
形態における図１と比較すれば、Ａ／Ｆセンサ１０の酸
素供給排出部１２に流れる電流を検出するための電流検
出部６０が省略されている。この場合、制御部３０は、
電流検出部４０により検出された限界電流値により酸素
供給排出部１２に対する制御量を決定する。本実施の形
態では、酸素供給排出部１２に印加する電圧値が制御部
３０による制御量に相当する。

【００４７】図６は、本実施の形態における空燃比検出
装置の回路図であり、同図では、制御部３０の構成のみ
が前記第１の実施の形態と相違する。つまり、制御部３
０では、電流検出抵抗４１により検出される限界電流値
Ｉｐ（抵抗４１両端の電圧差）をオぺアンプによる差動
増幅回路３０１で定数倍する。そして、差動増幅回路３
０１にて定数倍して得られた印加電圧Ｖｐ２を制御量と
して酸素供給排出部１２に印加する。またここで、図中
の抵抗３０２，３０３の抵抗値は「Ｒ１」、抵抗３０
４，３０５の抵抗値は「Ｒ２」となっている。この場
合、差動増幅回路３０１は、Ａ／Ｆ検出部１１に印加さ
れる基準電圧Ｖｐ１でオフセットされている。

【００４８】以上の回路構成により、固体電解質層１６
の内部抵抗値を「Ｒｉ」とすると、酸素供給排出部１２
への制御量である印加電圧Ｖｐ２は、Ｖｐ２＝Ｉｐ２・Ｒｉ＋Ｖｐ１となる。また、酸素供給排出部１２に流れる電流値Ｉｐ
２は、Ａ／Ｆ検出部１１に流れる限界電流値Ｉｐ１に対
して次の関係を有する。

【００４９】Ｉｐ２＝（Ｉｐ１・ｒ・Ｒ２）／（Ｒｉ・Ｒ１）かかる場合、差動増幅回路３０１の増幅率（Ｒ２／Ｒ
１）が固体電解質層１６の内部抵抗値Ｒｉと電流検出部
４１の抵抗値ｒとの比（Ｒｉ／ｒ）に等しくなるように
すれば、Ｉｐ１値とＩｐ２値とは等しくなる。これらが
等しいと、固体電解質層１４，１６中に流れる酸素量が
等しくなるので、空燃比が変化しても大気室１８の酸素
分圧を一定に保持できる。

【００５０】このとき、前記酸素供給排出部１２の印加
電圧Ｖｐ２は、Ｖｐ２＝Ｉｐ１・ｒ・（Ｒ２／Ｒ１）＋Ｖｐ１＝Ｉｐ１・ｒ・（Ｒｉ／ｒ）＋Ｖｐ１となる。なおここで、固体電解質層１６の内部抵抗値Ｒ
ｉは既知の値であり、センサ活性時の値が３０Ω程度で
あればよい。

【００５１】以上第２の実施の形態では、固体電解質層
１６に形成された一対の電極１５ｃ，１５ｄ間の印加電
圧ｐ２を制御し、酸素供給排出部１２による酸素の供給
又は排出量を制御するようにした。その結果、上記第１
の実施の形態と同様に、大気室１８（基準ガス側）での
酸欠や酸素過剰により空燃比の検出精度が悪化するとい
った不具合が解消される。そして、如何なる空燃比域に
おいても空燃比を精度良く検出することができる等の優
れた効果が得られる。

【００５２】但し、本実施の形態の構成においては、Ａ
／Ｆセンサ１０の活性状態下で上述の通り（Ｒ２／Ｒ
１）＝（Ｒｉ／ｒ）の関係が維持できれば空燃比の変化
時にも高精度に空燃比が検出できるが、仮に素子温（固
体電解質層１６の温度）が急変し、（Ｒ２／Ｒ１）≠
（Ｒｉ／ｒ）となると、Ｖｐ２値を所定の値に保持する
ことができなくなる。そこで、実際には素子温の変化に
伴う固体電解質層１６の内部抵抗値Ｒｉの変化時にも、
（Ｒ２／Ｒ１）＝（Ｒｉ／ｒ）の関係が維持できるよ
う、（Ｒ２／Ｒ１）の値を可変に制御するとよい。

【００５３】また、第２の実施の形態では、酸素供給排
出部１２の印加電圧Ｖｐ２をオープン制御する構成とし
たため、ポジティブなフィードバック系を有する従来既
存の装置（例えば、２セル式の空燃比センサ）とは異な
り、電流値や電圧値の発振現象を解消することができ
る。

【００５４】なお、本発明の実施の形態としては、上記
以外に次の形態にて実現できる。制御部３０の構成を図
７〜図９に示すように変更する。図７は、前記第１の実
施の形態における制御部３０（図４）の一部を変更した
ものであり、ここに記載しない他の部分は図４と同じ構
成となっている。前記図４との相違点として電流検出部
６０内には、電流検出抵抗６１に並列接続された抵抗６
２とダイオード６３とが追加されている。

【００５５】上記構成によれば、空燃比リッチの場合、
図４に示す第２の固体電解質層１６を通過して大気室１
８に酸素イオンが移動し、これにより抵抗６１及び６２
の両方に電流が流れる。また、空燃比リーンの場合、そ
の逆方向に酸素イオンが移動し、これにより抵抗６１に
のみ電流が流れる。従って、抵抗６１，６２の抵抗値
ｒ’，ｒ”と、図４の抵抗４１の抵抗値ｒとの間に、ｒ’・ｒ”／（ｒ”＋ｒ’）＜ｒ＜ｒ’ の関係が成立すれば、第１の実施の形態におけるＩｐ１
値とＩｐ２値との関係式から、図４の第１の固体電解質
層１４を通過して大気室１８へ酸素イオンが移動すると
き（空燃比リーン時）には、Ｉｐ２＜Ｉｐ１となる。また逆に、大気室１８から第１の固体電解質層
１４へ酸素イオンが移動するとき（空燃比リッチ時）に
は、Ｉｐ２＞Ｉｐ１となる。

【００５６】つまり、空燃比リーン時には、酸素供給排
出部１２による酸素の持ち出しが比較的少ない量に制限
され、空燃比リッチ時には、比較的多量の酸素の供給が
許容される。これにより、大気室１８が酸素過剰ぎみに
なったとしても酸欠状態に陥ることはない。この場合、
酸素過剰な状態になっても空燃比の検出自体は継続でき
るため、酸欠状態により空燃比の検出が不可能になると
いう最悪の事態が回避できる。但し、ｒ＝ｒ’として、
空燃比リーン時にはＩｐ２＝Ｉｐ１となるように構成す
ることも可能である。

【００５７】要するに、大気室１８の酸素過剰時には限
界電流値がずれるが、電流値（空燃比）の変化は十分に
読み取ることができ、ＥＣＵでの空燃比制御が継続でき
る。これに対し、大気室１８が酸欠状態になるとそれ以
上空燃比がリッチ側に変化しても限界電流が変化しない
ために空燃比の変化を読み取ることができない。よっ
て、空燃比制御が不可能になり、ドライバビリティや燃
費の悪化などの不都合を招くおそれがある。こうした理
由から、大気室１８は酸欠状態よりも酸素過剰の状態に
した方が望ましく、酸素過剰な状態にしておけば空燃比
制御に及ぶ影響が最小限に抑制できる。

【００５８】図８も図７と同様に、前記第１の実施の形
態における制御部３０（図４）の一部を変更したもので
あり、ここに記載しない他の部分は図４と同じ構成とな
っている。図４との相違点としては、オペアンプ３１の
出力に対して逆方向のダイオード６５が追加されてお
り、第２の固体電解質層１６を流れる電流の向きは一方
向に特定される。

【００５９】上記図８の構成によれば、酸素が大気室１
８から第１の固体電解質層１４の外側に持ち出される場
合、すなわち空燃比がリッチの場合のみ、酸素供給排出
部１２によって大気室１８に酸素が供給される。つま
り、大気室１８が酸欠状態になるのは空燃比リッチ時に
限られ、かかる場合にのみ酸素供給動作を行わせること
で、空燃比制御への悪影響が抑制できる。

【００６０】なお図８の場合、電流検出抵抗６１の抵抗
値ｒ’を図４の電流検出抵抗４１の抵抗値ｒと等しくす
れば（ｒ’＝ｒとする）、２つの固体電解質層１４，１
６を流れる酸素量が等しくなり、大気室１８の酸素濃度
が一定に保たれる。また、ｒ’＜ｒとすれば、前記図７
の構成と同様に、大気室１８の酸素濃度が常に過剰レベ
ルに維持できる。

【００６１】一方、図９は、前記図８の構成の一部を変
更したものである。図８との相違点としては、オペアン
プ３１の出力に対して順方向にダイオード６６が設けら
れている。すなわち、ダイオード６６は、前記図８のダ
イオード６５とは逆向きに設けられている。

【００６２】上記図９の構成によれば、酸素が第１の固
体電解質層１４の外側から大気室１８内に持ち込まれる
場合、すなわち空燃比がリーンの場合のみ、酸素供給排
出部１２によって大気室１８から酸素が排出される。つ
まり、大気室１８が酸素過剰になるのは空燃比リーン時
に限られ、かかる場合にのみ酸素排出動作を行わせる。
例えばリーンセンサのようにリッチの検出精度を必要と
しないセンサへの適用に際し、大気室１８の酸素過剰を
完全に回避することにより、リーン検出時の空燃比（酸
素濃度）が高精度に検出できる。

【００６３】Ａ／Ｆセンサ１０の構成の一部を変更した
他の実施の形態について、図１０及び図１１を用いて説
明する。図１０のＡ／Ｆセンサ１０では、前記図２に示
すＡ／Ｆ検出部１１側の固体電解質層１４と酸素供給排
出部１２側の固体電解質層１６とを一つにまとめ、それ
を共通の固体電解質層７１としている。また、このＡ／
Ｆセンサ１０には、固体電解質層７１の下方にそれと略
同じ大きさを有する絶縁プレート７２が設けられ、固体
電解質層７１と絶縁プレート７２との間には隔壁７３に
て区画された大気室１８が形成されている。

【００６４】図１１のＡ／Ｆセンサ１０では、Ａ／Ｆ検
出部１１と酸素供給排出部１２との間の大気室１８を無
くすと共に、Ａ／Ｆ検出部１１及び酸素供給排出部１２
の大気側の電極１５ｂ，１５ｃを共通にし、それを電極
１５ｅ（基準ガス側の電極）としている。

【００６５】上記図１０及び図１１のいずれの構成にお
いても、上述した図２のＡ／Ｆセンサ１０と同様の作用
が得られる。つまり、図１０又は図１１のＡ／Ｆセンサ
１０を用いた空燃比検出装置によれば、上記各実施の形
態と同様に、基準ガス側での酸欠や酸素過剰により空燃
比の検出精度が悪化するといった不具合が解消される。
そして、如何なる空燃比域においても空燃比を精度良く
検出することができる等の優れた効果が得られる。また
特に、図１１の構成によれば、大気室が不要となるた
め、センサの小型化を図ることができる。

【００６６】また上記各実施の形態では、酸素供給排出
部１２への酸素量を制御するための制御部３０をアナロ
グ回路により具体化したが、マイクロコンピュータ等に
よるソフトウェアにて具体化してもよい。かかる場合、
マイクロコンピュータは、Ａ／Ｆ検出部１１での限界電
流値Ｉｐを取り込み、このＩｐ値に応じて酸素供給排出
部１２による酸素の供給又は排出量を制御する。

【００６７】また、上記各実施の形態では、Ａ／Ｆ検出
部１１への印加電圧（例えば、図４のＶ０，Ｖｐ１）を
一定電圧としたが、この印加電圧を可変に制御するよう
にしてもよい。例えば空燃比変化や素子温変化により変
化する限界電流域に追従するように印加電圧を制御する
場合や、固体電解質層１４の内部抵抗を検出するため印
加電圧を交流的に変化させる場合などには、印加電圧を
可変に制御する構成としてもよい。かかる構成において
も上記各実施の形態と同様に、本発明の目的が達せられ
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】発明の実施の形態における空燃比検出装置の概
要を示すブロック図。

【図２】Ａ／Ｆセンサの構成を示す断面図。

【図３】Ａ／Ｆセンサに付設されるヒータの位置を説明
するための断面図。

【図４】空燃比検出装置の構成を示す回路図。

【図５】第２の実施の形態において、空燃比検出装置の
概要を示すブロック図。

【図６】第２の実施の形態において、空燃比検出装置の
構成を示す回路図。

【図７】他の実施の形態において、空燃比検出装置の制
御部の構成を示す回路図。

【図８】他の実施の形態において、空燃比検出装置の制
御部の構成を示す回路図。

【図９】他の実施の形態において、空燃比検出装置の制
御部の構成を示す回路図。

【図１０】他の実施の形態において、Ａ／Ｆセンサの構
成を示す断面図。

【図１１】他の実施の形態において、Ａ／Ｆセンサの構
成を示す断面図。

【図１２】従来技術における空燃比センサの構成を示す
断面図。

【図１３】空燃比センサの動作原理を説明するための
図。

【図１４】空燃比センサの出力特性を説明するための
図。

【符号の説明】

１０…Ａ／Ｆセンサ（限界電流式空燃比センサ）、１１
…Ａ／Ｆ検出部（空燃比検出部）、１２…酸素供給排出
部、１３…拡散抵抗層、１４…固体電解質層（第１の固
体電解質層）、１５ａ〜１５ｄ…電極、１６…固体電解
質層（第２の固体電解質層）、３０…制御手段を構成す
る制御部、３１，３２…制御電流監視手段を構成するオ
ペアンプ、４０…電流検出手段を構成する電流検出部、
４１…電流検出抵抗、６０…他の電流検出手段を構成す
る電流検出部、６１…電流検出抵抗。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】第１の固体電解質層とそれに接する拡散抵
抗層とを有し、前記第１の固体電解質層の被測定ガス側
に形成された電極と基準ガス側に形成された電極との間
に電圧を印加することにより、被測定ガス中の酸素濃度
に応じた限界電流値を出力する空燃比検出部と、第２の固体電解質層とその両面に形成された一対の電極
とを有し、前記空燃比検出部の基準ガス側の電極近くに
酸素を供給、又は同電極近くの酸素を外部に排出するた
めの酸素供給排出部とを備えた限界電流式空燃比センサ
を用い、前記第１の固体電解質層に流れる限界電流の値を検出す
る電流検出手段と、前記検出された限界電流値を取り込み、その限界電流値
に基づいて前記酸素供給排出部の酸素の供給又は排出量
を制御する制御手段とを備えることを特徴とする空燃比
検出装置。
【請求項２】前記制御手段は、前記第１の固体電解質層
内を移動する酸素量と、前記第２の固体電解質層内を移
動する酸素量とが等くなるよう、前記酸素供給排出部の
酸素の供給又は排出量を制御する請求項１に記載の空燃
比検出装置。
【請求項３】前記制御手段は、酸素が前記第１の固体電
解質層内を被測定ガス側から基準ガス側へと移動すると
きは、その酸素移動量よりも少ない酸素を前記第２の固
体電解質層の基準ガス側から被測定ガス側へ移動させ、
酸素が前記第１の固体電解質層内を基準ガス側から被測
定ガス側へと移動するときは、その酸素移動量よりも多
い酸素を前記第２の固体電解質層の被測定ガス側から基
準ガス側へ移動させるよう、前記酸素供給排出部の酸素
の供給又は排出量を制御する請求項１に記載の空燃比検
出装置。
【請求項４】前記制御手段は、前記第２の固体電解質層
に流れる電流の制御目標値を可変に設定して、前記酸素
供給排出部の酸素の供給又は排出量を制御する請求項１
〜請求項３のいずれかに記載の空燃比検出装置。
【請求項５】前記第２の固体電解質層を流れる電流の値
を検出する他の電流検出手段を備え、前記制御手段は、前記他の電流検出手段により検出され
る電流値を監視し、常にその値を目標値に維持するため
の制御電流監視手段を備える請求項４に記載の空燃比検
出装置。
【請求項６】前記制御手段は、前記第２の固体電解質層
に形成された一対の電極間の電圧の制御目標値を可変に
設定して、前記酸素供給排出部の酸素の供給又は排出量
を制御する請求項１〜請求項３のいずれかに記載の空燃
比検出装置。
【請求項７】前記制御手段は、酸素が前記第１の固体電
解質層内を基準ガス側から被測定ガス側へと移動すると
きにのみ作動されるものである請求項１〜請求項６のい
ずれかに記載の空燃比検出装置。
【請求項８】前記制御手段は、酸素が前記第１の固体電
解質層内を被測定ガス側から基準ガス側へと移動すると
きにのみ作動されるものである請求項１〜請求項６のい
ずれかに記載の空燃比検出装置。