JPS60128355A - 空燃比検知装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 Ｅ分野］ この発明は、内燃機関、ガス燃焼機器などの燃焼装置の
排気ガス中の酸素１度もしくは空燃比を測定もしくは制
御するための検知装置に関する。

［従来技術］ 従来よりイオン伝導性固体電解質（例えば安定化ジルコ
ニア）に多孔質電極層（例えば白金製多孔質層）を被着
して構成された酸素センサを用い、排気ガスの酸素分圧
と空気の酸素分圧との差によって生じる起電力の変化に
よりて理論空燃比付近の燃焼状態を検知することにより
、例えば自動車の機関を理論空燃比で運転する＋うに制
御す、ることは一般に知られている。

ところで上記酸素センサは空気と燃料との重量比率であ
る運転空燃比（Ａ／Ｆ）が理論空燃比１４．７である時
は大きな変化出力が得られるが他の運転空燃比域での変
化はほとんどなく、理論空燃比以外の空燃比で機関を運
転する場合には上記酸素センサの出力を利用することが
できない。

特開昭５８−１５３１５５号において、板状のａｓイオ
ン伝導性固体電解質の先側の両面に電極層を設けた素子
を、２枚間隔をおいて平行状に配して上記先側に間隙部
を設けて該画素子１固定し、一方の素子を酸素ポンプ素
子、他方の素子を周囲雰囲気と前記間１ｌｉＩｌｌｌＳ
とのｍｓ濃度差によって作動する酸ＩＩ淡電池素子とし
た酸素１度検知装置を提案している。かかる酸素ｍ１度
検知装謬は応答性はよいが、出力信号に対応する理論空
燃比数１４．７よりひくい燃料過濃域で作動させると燃
料希薄域における場合と同じ向きの出力を発生する特性
をもっこ　、とが判りた。すなわち出力に対しで２つの
空燃比が対応するようになるため空燃比制御が燃料過濃
域、あるいは燃料希薄域のいずれであるかはつきりして
いる場合等にしか適用できないという問題点があった。

［発明の目的］　。

本発明の第１目的は内燃機関等の燃焼装置の運転空燃比
（Ａ／Ｆ）が燃料′ＡＩ域から燃料希薄域までの全域ま
たは一部区域において正しく検知できる空燃比検知＠置
の提供であり、ＪｌＩ２の目的は、空燃比６フイードバ
ツク制御堂行う場合において精度よくかつ容易なフィー
ドバック制御ができる利点を有する空燃比検知装置を提
供することである。

本発明の空燃比検知装置は、酸素イオン伝導性固体電解
質の両端面に多孔性電極を設けた固体電解質酸素濃淡雪
ａｈ素子と、同じ＜ｉ＋ｎイオン伝導性固体電解質の両
端面に多孔性電極を設けた固体電解質酸素ボ゛ンプ素子
と、気密な部材よりなる基体の片側面に金属酸化物半導
体を設けた酸素基準素子とを備え、前記酸素濃淡電池素
子と酸素ポンプ素子とを小間隙を介しτ対′向配置し、
前記Ｉ！秦水ポンプ素子小間隙の側の反対側と前Ｊｋｌ
！酸素基準素子の前記金属酸化物半導体を有した側の反
対側とで外気と連通する空気室を形成し、前記酸素基準
素子により与えられる電気性質の変化と、前記酸１ｊｌ
淡電池素子の起電力または前記酸素ポンプ−素子のポン
プ電流のいずれかによって与えられる出力信号とにより
空燃比を検知するようにしたことを構成とする。

〔発明の効果ｊ 本発明の空燃比検知装置は、上記構成にまりつきの効果
を賽、する。

１つのセンサプローグを用いて空燃比（Ａ／Ｆ）を燃料
過濃域から燃料希薄域までの全域もしくは二部区域にお
いて正しく検知することができる。

［実施例］ つぎに本発明を図に示す一実施例に基づき説明する。

第１１〜第４図は本発明の実施例を示す。

１は燃焼装置である内燃ＩＩＩの排気管、２は該排気管
１内に配設された空燃比検知＠Ｈの検知柱部分である。

空燃比検知装置分２は、厚さが約００５１Ｉｌｌの平板
状のイオン伝導性固体電解質（例えば安定化ジルコニア
）　３の両側面にそもぞれ厚膜技術を用いて約２０μの
厚さの多孔質白金電極Ｉ１４および５を設けて構成され
た固体電解質酸素ポンプ素子６と、該酸素ポンプ素子６
と同様の平板状のイオン伝導性固体電解賛助両側面にそ
れぞれ前記多孔質白金電極層４および５と同様に厚膜技
術を用いて多孔質白金電極［１１８および９を設けて構
成された固体電解質酸素濃淡電池素子１Ｏと、セラミッ
クなどの気密な電気絶縁性部材よりなる平板状の基体１
１の片側面に厚膜技術を用いて約５０μはどの厚さの金
属酸化物半導体であるチタニアエレメント１２を設け、
基体１１の両側面にはそれぞれチタニアエレメント１２
を１４温で保つため電熱ヒータ１３および１４を設けて
構成された酸素基準素子１５と゛を備え、酸素基準素子
１５の片側面に設けられたチタニアエレメント１２は基
体１１の中央部に設けられ、チタニアエレメント１２周
辺にはチタニアエレメント１２の外周部に接触しないよ
う間隙を有して電熱ヒータ１３が設けられ、チタニアエ
レメント１２の基体１１を介した背面にも電熱ヒータ１
４が設けられている。上記酸素ポンプ素子６と上記酸素
濃淡電池素子１０とは０．１論論程度の間隔寸法の小間
隙ａを形成して排気管１の内部で対向配置させるため足
元部を耐熱性で絶縁性のスペーサ（充填接着剤でよい）
１６を介して互いに固定されている。上記ｉｌｌｌ水素
プ素子６の多孔質白金電極＠５側の面と酸素基準素子１
５の電熱ヒータ１４側の面とは外気に連通する空気室す
を形成するように対向させ、そして足元部をのぞ＜５ｔ
ＳＩｌに耐熱性のスペーサ１１を配して、気密的に固定
されている。スペーサ１６．１７に建り互いに固定され
た酸素ポンプ素子６、＠素濃淡電池素子１０および酸素
基準素子１５の足元部の外辺部にはねじ部１８を有した
支持台１９が、耐熱性で絶縁性である接着部材２０によ
り取付けられて＆）る。

排気管１に設けられた空燃比検知柱部分２のセンサ取付
用ねじ部２１に前記支持台１９のねじ部１８をねじ込む
ことにより空燃比検知柱部分２が排気管１に取付られて
いる。

ここで上記空燃比検知柱部分２を＠３ｉ１１るのに、ス
ペーサ１７を例えばスピネル質のセラミックとしそのコ
の字形状のグリーンシートをはさんで、白金質の電極と
そのリード線とを厚膜技術を用０てプリントした酸素ポ
ンプ素子６用のジルコニア固体電解質グリーンシートと
、ヒータとする白金質の抵抗体とその電極並びに、例え
ばチタニアの金属酸化物半導体とその白金質の電極とを
所定のｌ＜ターンで厚膜技術を用いてプリントした酸素
基準素子１５用の例えばスピネル質のグリーンシートと
を積層し熱圧着したのち焼成した袋管状の部材と、白金
質の電極とそのリード線とを厚膜技術を用いてプリント
したＩＩ瀧淡電池素子１Ｏ用のジルコニア固体電解質グ
リーンシートを焼成した板状の酸素濃淡電池素子１０と
を、シニクネスゲージをはさんで重ね合わせにした状態
でその足元部をスベーーツ（耐熱性セラミック質接着剤
）１Ｇにより接着固定することは有利である。

２２は、付属する電子制御装ｍ部分の例であり、上記酸
素濃淡電池素子１０の多孔質白金電極＠８．９１７９に
発生する起電力ｅを抵抗（Ｒ１）を介して演算増幅器（
Ａ）の反転入力端子に印加し、上記演算増幅器（Ａ）の
非反転入力端子に印加されている基準電圧（Ｖ「）と上
記編電力ｅとの差異に比例した上記ＦＩ４Ｉ４算器幅器
）の出力によりトランジスタ（−Ｔｒ）を駆動して上記
酸素ポンプ素子６の多孔質白金電極＠４．５問に流すポ
ンプ電流１９１Ｍ：＠御する機能を備えている。すなわ
ち、上記起電力ｅを一定値の基準電圧（Ｖｒ　）に保つ
のに必要な上記ポンプ電流Ｈ１を供給する衿用をする。

直流電源（Ｒ３から供給される上記ポンプ電流ｉｐに対
応した出力信号を出力端子２３に得るために抵抗（ＲＯ
）を備えている。（Ｃ）はコンデンサである。また酸素
基準東〒１５が排気管１内で酸素１１１Ｅの差に応じて
生ずるチタニアエレメント１２の抵抗値の変化を検知す
るための出力端子２４を備えており、排気管１内でチタ
ニアエレメント１２を加熱する電熱ヒータ１３および１
４には、それぞれ加熱用の電源２５および２６が導通さ
れている。

第５図および第６図は上記第１図〜第４図に示した空燃
比検知装置の特性図である。

第５図には出力端子２４にてチタニアエレメント１２の
抵抗値の変化を示したもので、理論空燃比１４．１より
小さい範囲の空燃比域（燃料過濃域）では小さな抵抗値
を示し、そして理論空燃比１４．１付近で急激に増大ｂ
１理論空燃比１４．７より大きい範囲の空燃比域（燃料
希薄域）では、大きな抵抗値を示す。第６図は基準電圧
（■「）を例えば２０ｍ　Ｖ一定にしたもので、起電力
ｅを２０−■にするべく硬論空燃比１４．１より小さい
範囲の空燃比域（燃料過濃域）で上記汲み出し方向のポ
ンプ電ａｌｐは空燃比の増大に対して減少し、理論空燃
比１４．γより大きい範囲の空燃比域（１Ｍ料希薄薄酸
では上記ポンプ電流■ｐは空燃比の増大に対して増大す
る。

この実施例は第５図および第６図に示すごとき特性を利
用するものである。

抵抗値の変化を検知する出力端子２４については、最大
抵抗値と最小抵抗値との中間に任意の基準点であるＰ点
を設定し、抵抗値がＰ点より小さい時（燃料過濃域）と
Ｐ点より大きい時（燃料希薄域：を感知させるようにす
る。そこで上記１ｌｌｌＩｌが燃料□過瀾域で運転され
た場合は、上記チタニアエレメント１２の抵抗値はＰ点
より小さく、この情報と、この時の酸素ポンプ素子６の
ポンプ電流１ｐに対応した出力信号を検知することによ
り燃料過濃域での木目細かなｌ１Ｊｉｌｌまたは測定が
できる。また上記機関が燃料希薄域で運転された場合は
、上記チタニアエレメント１２の抵抗値はＰ点より大き
く、この情報と、この時の酸素ポンプ素子６のポンプ電
流Ｉｐに対応した出力信号を検知することにより燃料希
薄域での木目細かな制御または測定ができる。また上記
ａ＋ｎを理論空燃比１４．１にη卵御する場合は、抵抗
ｉ１を検知する出力端子２４では理論空燃比１４．７付
近で抵抗値が急激に低減する特性を利用し、轡接フィー
ドバック制御信号として空燃比制御を行なう。上記構成
により燃料過濃域および燃料ｆ６３１域の広い範囲にお
いても上記機関の空燃比の数値を正確に測定することが
可能な空燃比１　検知装置を得ることが↑きるのである
。このことを利用すれば＠望の空燃比を設定すれば排気
管１に取付けられた空燃比検知柱部分２により現状の空
燃比を検知肱そのフィードバックにより連続して希望の
空燃比を制御することができる。

上記のように燃料希薄域においてポンプ電流■ｐが空燃
比に比例して変化することについては例えば前記−開１
１１５８−１５３１５５号に記載されている。

すなわち小間＠ａ内に導入された排気ガスの酸素分圧を
上記酸素ポンプ素子６の作用により変更することにより
排気管１内を流れる排気ガスの酸素分圧と差異をもたせ
、この酸素分圧の差異゛に応じて発生する上記酸素濃淡
電池簀子１０の起門カｅが一定となるように上記−衆ボ
ンプ素子ｅに供給される汲み出しポンプ電流０１を制御
する時、このポンプ電流１ｐは上記排気ガス中の酸素濃
度に比例して変化することが判明したのである。なお燃
焼過濃域の酸素汲み出しモードにおいて上記のような動
作をする理由はＣＯガス辷感応するためと思われる。

上記実施例では！！素基準素子１５のチタニアエレメン
ト１２の抵抗値を用０て燃料過濃域と燃料希薄域との判
［［準としたが、他に第７図に示す如く直列抵抗と組合
わせたチタニアエレメント１２を通過した電圧の比率（
印加電圧の％）の変化の特性を利用しても良い。

酸素ポンプ素子６のポンプ電流ｉｐの向きは小間隙ａか
ら酸素を汲み出す方向（ｉｐ＞０）に流したが逆に空気
室すから１素を押し込む方向（ｉｐ＜０）に流しても酸
素濃淡電池索子１０の出力を一定とするポンプ電゛流Ｉ
ｐは第８図に示すように空燃比に対応して第８図に示す
如く変化するので、そのようにしたときの特性を利用し
てもよい。

飯だ酸素ポンプ素子６のポンプ電流１０−（小間隙ａか
らの酸素の汲み出しの場合と押し込みの場合との両方を
含む）を一定に制御したときのｍ素濃淡電池素子１Ｏの
幾重起電力ｅも空燃比に対応して変化するので讐のよう
にしたときの特性を利用することもできる。゛ 特に酸素押し込みポンプ電流１ｐを一定とし、この値を
種々の値に切換えるとき酸素濃淡電池索子１０の起電力
ｅ　（ｅ　＜　０）の空燃比に対する変化特性は第９図
に示す如くなることが明らかとなったが、このように燃
料過濃域で急峻な出力炭化を生じ、かつこの急峻な変化
を示す理論空燃比の値が酸素押し込みポンプ電流ＩＩ）
の設定値によって変化することを利用して、燃料過濃域
に１３　Ｇｔ　８Ｒ度のよいフィードバック制御を行う
こともできる。

本発明は上記空燃比検知柱部２より得られる緒特性など
を単独、もしくは複数利用してそれぞれフィードバック
制御するように必要に応じて必要に応じ随時頻繁にモー
ドを切換えながら全運転範囲で連続的に空燃比のフィー
ドバック制御を行わしめるものである。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の空燃比検知装置の一実施例を示す構成
図、第２図は第１図’０ｆ−Ｉ線に沿う断面図、第３図
は第２図のＩ−Ｘ線に沿う断面図、第４図は第２図のＩ
−に線に沿う断面図、第５図は空燃比と抵抗値との変化
を示す特性図、第６図は酸素濃淡電池素子の起電力ｅを
一定とする酸素。 ポンプ素子の汲み出しポンプ電流１ｐの空燃比に対する
変化を示す特性図、第７図は空燃比と印加・電圧の％と
の変化を示す特性図、第８図はｌ！素濃淡電池素子の起
電力ｅを一定とする酸素ポンプ素子の押し込みポンプ電
流ＩＥＩの空燃比に対する変化を示す特性図、第９図は
酸素ポンプ素子の押し込みポンプ電流ｉｐを一定にした
とぎの酸素濃淡電池素子の起電力ｅの空燃比に対する変
化を示す特性図である。 図中　１・・・排気管　６・・・固体電解質酸素ボン。 プ素子　１０・・・固体電解質酸素濃淡電池素子　１５
・・・酸素基準素子　ａ・・・小間隙　ｂ・・・空気室
代理人　石黒健二 第６図 １４・７　蛍席比（Ａ／Ｆ） 第７図 １４°７安ｔル（Ａ／Ｆ）・ 第８図 第９図 手続補正間 昭和５９年５月２８日 １、事件の表示　昭和５８年特許願第２３７６２６号２
、発明の名称　空燃比検知装置 ３、補正をする者 事件との関係　特許出願人 住　所　名古屋市瑞穂区高辻町１４番１８号　′氏　名
　日本特殊陶業株式会社　゛ （４５４）代表者　小　川　修　次　（他１名）４、代
理人〒４６５電話０５２−７７３−２４４９６、補正の
対象 明細書の特許請求の範囲および発明の詳細な別　紙 １、特許請求の範囲を以下の文章とする。 １）酸素イオン伝導性固体電解質の両端面に多孔性電極
を設けた固体電解質酸素濃淡電池素子と、同じく酸素イ
オン伝導性固体電解質の両端面に多孔性電極を設けた固
体電解質酸素ポンプ素子と、気密な部材より・なる基体
の片側面に金属酸化物半導体を設けた＠素基準素子とを
備え、前記酸素濃淡電池素子と酸素ポンプ素子とを小ｆ
ｕｌｌを介して対向配シし、前記酸素ポンプ素子の小間
隙の側の反対側と前記酸素基準素子の前記金属酸化物半
導体を有した側の反対側とで外気と連通ずる空気室を形
成し、 前記酸素基準素子により与えられる電気性質の変化と、
前記、酸素濃淡電池素子の起電力または前記酸素ポンプ
素子のポンプ電流のいずれかによって与えられる出力信
号とにより空燃比を検知するようにした空燃比検知装置
。 ２）前記酸素基準素子に、前記金属酸化物半導体を高温
に保つべく電熱ヒータを設けたことを特徴とする特許請
求の範囲第１項記載の空燃比検知装置。 ２、発明の詳細な説明の欄 １）第ａページ第１５〜１６行目 ［金属酸化物半導体とその」を 「金属酸化物半導体用の」とする。 ２）第８ページ第１９行目 「袋管状の部材と、」を １袋管状の部材（金属酸化物の厚膜は上記部材を焼結後
置囲気焼成して形成する）と、」とする。 ３）第９ページ第１０行目 ｒ（Ｒ１）Ｊを ｒ（ＲＯ）Ｊとする。 ４）第１０ページ第３行目 ｆ　（ＲＯ）　Ｊを ｒ　（Ｒ１）　Ｊとする。 ５）第１４ページ第１１行目 「理論空燃比」を ［空燃比」とする。 手続補正書 昭和６０年１月１４日 ２、発明の名称　空燃比検知装置 ３、補正をする者 事件との関係　特許出願人 住　所　名古屋市瑞穂区高辻町１４番１８号氏　名　日
本特殊陶桑株式会社 （４５／Ｌ）代表者　小　川　修　次（他１名）６、補
正の対象　明細書全文および図面７、補正の内容 １）明細書を別紙の通り全文補正する。 ２）図面の第１図、第２図、第６図を別紙のものと差し
変える。 明細書 １、発明の名称 空燃比検知装置 ２、特許請求の範囲 一１）酸素イオン伝導性固体−解質の両端面に多孔性電
極を設けた固体電解質酸素濃淡電池素子と、同じく酸素
イオン伝導性固体電解質の両端面に多孔性電極を設けた
固体電解質酸素ポンプ素子と、気密な部材よりなる基体
の片側面に金属酸化物半導体を設けた酸素基準素子とを
備え、前記酸素濃淡電池素子と酸素ポンプ素子とを小間
隙を介して対向配置し、前記酸素ポンプ素子の小間隙の
側の反対側と前記酸素基準素子の前記金Ｗｊ４ｉ１！化
物半導体を有した側の反対側とで外気と連通ずる空気室
を形成し、 前記酸素基準素子により与えられる電気性質の変化と、
前記酸素濃淡電池素子の起電力または前記酸素ポンプ素
子のポンプ電流のいずれかによって与えられる出力信号
とにより空燃比を検知するようにした空燃比検知装置。 ２〉前記酸素基準素子に、金属酸化物半導体を高温に保
つべく電熱ヒータを設けたことを特徴とする特許請求の
範囲第１項記載の空燃比検知装置。 ３、発明の詳細な説明 ［分野］ この発明は、内燃機関、ガス燃焼機器などの燃焼装置の
排気ガス中の酸素濃度もしくは空燃比を測定もしくは制
御するための検知装置に関する。 ［従来技術］ 従来よりイオン伝導性固体電解質（例えば安定化ジルコ
ニア）に多孔質電極層（例えば白金製多孔質層）を被着
して構成された酸素センサを用い、排気ガスのｉ！素分
圧と空気の酸素分圧との差によって生じる起電力の変化
によって理論空燃比付近の燃焼状態を検知することによ
り、例えば自動車の機関を理論空燃比で運転するように
制御することは一般に知られている。 ところで上記酸素センサは空気と燃料との重層比率であ
る運転空燃比（Ａ、／Ｆ）が理論空燃比１４．１である
時は大きな変化出力が得られるが他の運転空燃比域での
変化はほとんどなく、理論空燃比以外の空燃比で機関を
運転する場合には上記酸素センサの出力を利用すること
ができない。 特開昭５８−１５３１５５号において、板状の酸素イオ
ン伝導性固体電解質の先側の両面に電極層を設けた素子
を、２枚間隔をおいて平行状に配して上記先側に間隙部
を設けて該画素子を固定し、一方の素子を酸素ポンプ素
子、他方の素子を周囲雰囲気と前記間隙部との！！素濃
度差によって作動する酸素濃淡電池素子とした酸素ｍ度
検知装置を提案している。かかる酸素１度検知装置は応
答性はよいが、出力信号に対応する理論空燃比数１４．
１よりひくい燃料過濃域で作動させると燃料希薄域にお
ける場合と同じ向きの出力を発生する特性をもつことが
判った。すなわち出力に対して２つの・空燃比が対応す
るようになるため空燃比制御が燃料過濃域、あるいは燃
料希簿域功いずれであるかは０きすしている場合等にし
か適用できないという問題点があった。また、この検知
装置では理論空燃比またはその近傍の空燃比の検知また
は制御を精度よくかつ応答性よく行わ甘ることが困難で
あるという問題も見出された。　− ［発明の目的］ 本発明の第１目的は内燃ｉ関等の燃焼装置の運転空燃比
（Ａ／Ｆ）が燃料過濃域から燃料希薄域までの全域また
は一部区域において正しくかつ応答性よく検知できる空
燃比検知装置の提供であり、第２の目的は、上記空燃比
の範囲で空燃比のフィードバック制御を行う場合におい
て精度よくかつ容易なフィードバック制御ができる利点
を有する空燃比検知装置を提供することである。 ［発明の構成コ 本発明の空燃比検知装置は、酸素イオン伝導性固体電解
質の両端面に多孔性電極を設けた固体電解質酸素濃淡電
池素子と、同じく酸素イオン伝導性固体電解質の両端面
に多孔性電極を設けた固体電解質酸素ポンプ素子と、気
密ケ部材よりなる基体の片側面に金属酸化物半導体を設
けた酸素基準素子とを備え、前記酸素濃淡電池素子と酸
素ポンプ素子とを小間隙を介して対向配置し、前記酸素
ポンプ素子の小間隙の側の反対側と前記酸素基準素子の
前記金ｌ１４ｉ１１化物半導体を有した側の反対側とで
外気と連通ずる空気室を形成し、前記酸素基準素子によ
り与えられる電気性質の変化と、前記酸素濃淡電池素子
の起電力または前記酸素ポンプ素子のポンプ電流のいず
れかによって与えられる出力信号とにより空燃比を検知
するようにしたことを構成とする。 ［発明の効果］ 本発明の空燃比検知装置は、上記構成によりっぎの効果
を秦する。 １つのセンサプローグを用いて空燃比（Ａ／Ｆ）を燃料
過濃域から燃料希薄域までの全域もしくは一部区域にお
いて正しく検知づ′ることができる。 ［実施例１ つぎに本発明を図に示す一実施例に基づき説明する。 第１図〜第４図は本発明の実施例を示す。 １は燃焼装置である内燃機関の排気管、２は該排気管１
内に配置された空燃比検知装置の検知柱部分である。空
燃比検知装置分２は、厚さが約０．５＋ｎｍの平板状の
イオン伝導性固体電解質（例えば安定化ジルコニア）３
の両側面にそれぞれ厚膜技術を用いて約２０μの厚さの
多孔質白金電極１！４および５を設けて構成された固体
電解質酸素ポンプ素ギ６と、該酸素ポンプ素子６と同様
の平板状のイオン伝導性固体電解質７の両側面にそれぞ
れ前記多孔質白金電極層４および５と同様に厚膜技術を
用いて多孔質白金電極１ｌｉ８および９を設けて構成さ
れた固体電解質酸素濃淡電池素子１０と、セラミックな
どの気密な電気絶縁性部材よりなる平板状の基体１１の
片側面に厚膜技術を用いて約５０μはどの厚さの金属酸
化物半導体であるチタニアエレメント１２を設け、基体
１１の両側面にはそれぞれチタニアエレメント１２を高
温で保つため電熱ヒータ１３および１４を設けて構成さ
れた酸素基準素子１５とを備え、ｌ素基準素子１５の片
側面に設けられたチ、タニアエレメント１２は基体１１
の中央部に設けられ、チタニアエレメント１２周辺には
チタニアエレメント１２の外周部に接触しないよう間隙
を有して電熱ヒータ１３が設けられ、チタニアエレメン
ト１２の基体１１を介した背面にも電熱ヒータ１４が設
けられている。上記Ｉ！１県ポンプ素子６と上記酸素濃
淡電池素子１０とは０．１１１１１程度の間隔寸法の小
間隙ａを形成して排気管１の内部で対向配置させるため
足元部を耐熱性で絶縁性のスペーサ（充填接着剤でよい
）１６を介して互いに固定されている。上記酸素ポンプ
素子６の多孔質白金電極ＷＪｓ側の面と酸素基準素子１
５の電熱ヒータ１４側の面とは外気に連通する空気室す
を形成するように対向させ、そして足元部をのぞく周辺
に耐熱性のスペーサ１１を配して、気密的に固定されて
いる。スペーサ１６．１７により互いに固定された酸素
ポンプ素子６、Ｒ素濃淡電池素子１Ｏおよび酸素基準素
子１５の足元部の外辺部にはねじ部１８を有した支持台
１９が、耐熱性で絶縁性である接着部材２０により取付
番プられている。 排気管１に設けられた空燃比検知柱部分２のセンサ取付
用ねじ部２１に前記支持台１９のねじ部１８をねじ込む
ことにより空燃比検知柱部分２が排気管１に取付られて
いる。 ここで上記空燃比検知柱部分２を製造するのに、スペー
サ１７を例えばスピネル質のセラミックとし早のコの字
形状のグリーンシートをはさんで、白金質の電極とその
リード線とを厚膜技術を用いてプリントした酸素ポンプ
素子６用のジルコニア固体電解質グリーンシートと、ヒ
ータとする白金質の抵抗体とその電極並びに、例えばチ
タニアの金属酸化物半導体用の白金質の電極とを所定の
パターンで厚膜技術を用いてプリントした酸素基準素子
１５用の例えばスピネル質のグリーンシートとを１１［
ＪＩｔ、、熱圧着したのち焼成した袋管状の部材（金Ｒ
ｆａ化物の厚膜は上記部材を焼結後雰囲気焼成して形成
する）と、白金質の電極とそのリード線とを厚膜技術を
用いてプリントした酸素濃淡電池索子１０用のジルコニ
ア固体電解質グリーンシートを焼成した板状の酸素濃淡
電池素子１ｏとを、シークネスゲージをはさんで重ね合
わせにした状態でその足元部をスペーサ（耐熱性セラミ
ック質接着剤）１Ｂにより接着同定することは有利であ
る。 ２２は、付属する電子制御装置部分の例であり、上記酸
素Ｉｌｌ淡電池素子１ｏの多孔質白金電極層８．９問に
発生する起電力ｅを抵抗（ＲＯ）を介して演算増幅器（
Ａ）の反転入力端子に印加し、上記演算増幅器（Ａ＞の
非反転入力端子に印加されている基準電圧（Ｖｒ　）と
上記起電力ｅとの差異に比例した上記演算増幅器（Ａ）
の出力によりトランジスタ（Ｔｒ　）を駆動して上記酸
素ポンプ素子６の多孔質白金電極層４．５問に流すポン
プ電流ＩＥ）を制御する機能を備えている。すなわち、
上記起電力ｅを一定値の基準電圧（Ｖｒ　）に保つのに
必要な上記ポンプ電流Ｉｐを供給する作用をする。直流
型ｍ　（Ｂ）から供給される上記ポンプ電流ＩＩ）に対
応した出力信号を出力端子２３に得るために抵抗（Ｒ１
）！備えている。（Ｃ）はコンデンサである。また酸素
基準素子１５が排気管１内で酸素濃度の差に応じて生ず
るチタニアエレメント１２の抵抗値の変化を検知するた
めの出力端子２４を備えており、排気管１内でチタニア
エレメント１２を加熱する電熱ヒータ１３および１４に
は、それぞれ加熱用の電源２５および２６が導通されて
いる。 第５図および第６図は上記第１図〜第４図に示した空燃
比検知装置の特性図である。 第５図には出力端子２４にてチタニアエレメント１２の
抵抗値の変化を示したもので、理論空燃比１４．７より
小さい範囲の空燃比域（燃料過濃域）では小さな抵抗値
を示し、そして理論空燃比１４．７付近で急激に増大し
、理論空燃比１４．７より大きい範囲の空燃比域（燃料
希薄域）では、大きな抵抗値を示す。第６図は基準電圧
（Ｖｒ　）を例えば２０ｍ　Ｖ一定にしたもので、起電
力ｅを２０ｍ　Ｖにするべく理論空燃比１４．１より小
さい範囲の空燃比域（燃料過濃域）で上記汲み出し方向
のポンプ電流ｉｐは空燃比の増大に対して減少し、理論
空燃比１４．７より大きい範囲の空燃比域（燃料希薄域
）では上記ポンプ電流ｔｐは空燃比の増大に対して増大
する。 この実施例は第５図および第６図に示すごとぎ特性を利
用するものである。 抵抗値の変化を検知する出力端子２４については、最大
抵抗値と最小抵抗値との中間に任意の基準点であるＰ点
を設定し、抵抗値がＰ点より小さい時（燃料過濃域）と
Ｐ点より大きい時（燃料希薄域）を感知させるようにす
る。そこで上記ＩｌＩ関が燃料過濃域で運転された場合
は、上記チタニアエレメント１２の抵抗値はＰ点より小
さく、この情報と、この時の酸素ポンプ素子６のポンプ
電流ｉｐに対応した出力信号を検知することにより燃料
過濃域での木目細かな制御または測定ができる。また上
記機関が燃料希薄域で運転された場合は、上記チタニア
エレメント１２の抵抗値はＰ点より大きく、この情報と
、この時のｉＩ素水ポンプ素子６ポンプ電流Ｉｐに対応
した出力信号を検知することにより燃料希薄域での木目
細かな制御または測定ができる。また上記機関を理論空
燃比１４．１にて制御する場合は、抵抗値を検知する出
力端子２４では理論空燃比１４．７付近で抵抗値が急激
に低減する特性を利用し、直接フィードバック制御信号
として空燃比制御を行なう。上記構成により燃料過濃域
および燃料希薄域の広い範囲においても上記機関の空燃
比の数値を正確に測定することが可能な空燃比検知装置
を得ることができるのである。このことを利用すれば希
望の空燃比を設定すれば排気管１に取付けられた空燃比
検知枠部分２により現状の空燃比を検知し、そのフィー
ドバックにより連続して希望の空燃比を制御することが
できる。 上記のように燃料希薄域においてポンプ電流Ｉｐが空燃
比に比例して変化することについては例えば前記特開昭
５８−１５３１５５号に記載されている。 すなわち小間隙ａ内に導入された排気ガスの酸素分圧を
上記酸素ポンプ素子６の作用により変更することにより
排気管１内を流れる排気ガスの酸素分圧と差異なもたせ
、この酸素分圧の差異に応じて発生する上記酸素濃淡電
池素子１ｏの起電力ｅが一定となるように上記酸素ポン
プ素子６に供給される汲み出しポンプ電流Ｉｐを制御す
る時、このポンプ電流Ｉｔ）は上記排気ガス中のｍ累濃
度に比例して変化することが判明したのである。なお燃
焼過濃域の１１系汲み出しモードにおいて上記のような
動作をする理由はｃｏガスに感応するためと思われる。 上記実施例ではＭＩＡＩ準素子１５のチタニアエレメン
ト１２の抵抗値を用いて燃料過濃域と燃料希薄域との判
断基準としたが、他に第７図に示す如く直列抵抗と組合
わせたチタニアエレメント１２を通過した電圧の比率（
印加電圧の％）の変化の特性を利用しても良い。 ｌ素ポンプ素子θのポンプｉＩｌ流Ｉ１１の向きは小Ｉ
Ｉｌ隙ａから酸素を汲み出す方向（Ｉｐ＞０）に流した
が逆に空気室すからＩＩ率を押し込む方向（ｉｐ＜０）
に流してもｍ県濃淡電池素子１０の出力を一定とするポ
ンプ電１１！ＥＩＩ）は第８図に示すように空燃比に対
応して第８図に示す如く変化するので、そのようにした
ときの特性を利用してもよい。。 また酸素ポンプ素子６のポンプ電流１ｐ　（小間隙ａか
らの酸素の汲み出しの場合と押し込みの場合との両方を
含む゛）を一定に制御したときの酸素１ｍ電池素子１０
の発生起電力ｅも空燃比に対応して変化するのでそのよ
うにしたときの特性を利用することもできる。 特に酸素押し込みポンプ電流Ｉｌｌを一定とし、この値
を種々の値に切換えるとき酸素濃淡電池素子１Ｏの起電
力ｅ　（ｅ　＜　Ｏ）の空燃比に対する変化特性は第９
図に示す如くなることが明らかとなったが、このように
燃料過濃域で急峻な出力変化を生じ、かつこの急峻な変
化を示す空燃比の値が酸素押し込みポンプ電＊ｔｐの設
定値によって変化することを利用して、燃料過激域にお
ける精度と応答性のよいフィードバック１ｉＩＪＩＩｌ
を行うこともできる。 本発明は上記空燃比検知柱部２より得られる緒特性など
を単独、もしくは複数利用してそれぞれフィードバック
制御するように必要に応じて必要に応じ随時頓繁にモー
ドを切換えながら全運転範囲で連続的に空燃比のフィー
ドバック制御を行わしめるものである。 ４、図面の簡単な説明 第１図は本発明の空燃比検知装置の一実施例を示す構成
図、第２図は第１図の１−１１に沿う断面図、第３図は
第２図の１ｒ−Ｉｌｌｌに沿う断面図、第４図は第２図
のＩＩ−Ｍ線に沿う断面図、第５図は空燃比と抵抗値と
の変化を示す特性図、第６図は酸素濃淡電池素子の起電
力ｅを一定とする酸素ポンプ素子の汲み出しポンプ電１
１ｐの空燃比に対する変化を示す特性図、第７図は空燃
比と印加電゛圧の％との変化を示す特性図、第８図は酸
素濃淡電池素子の起電力ｅを一定とする酸素ポンプ素子
の押し込みポンプ電流ＩＩ）の空燃比に対する変化を示
す特性図、第９図は酸素ポンプ素子の押し込みポンプ電
流Ｉｐを一定にしたときの酸素濃淡電池素子の起電力ｅ
の空燃比に対する変化を示す特性図である。 図中　１・・・排気管　６・・・固体電解質ｍ素ポンプ
素子　１０・・・固体電解質酸素濃淡電池素子　１５・
・・酸素基準素子　ａ・・・小間隙　ｂ・・・空気堅代
理人　石黒健二 第１図 第２図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １）酸素イオン伝導性一固体電解質の両端面に多孔性電
   極を設けた固体電解質酸素濃淡電池素子と、同じく酸素
   イオン伝導性固体電解質の両端面に多孔性電極を設けた
   固体電解質酸素ポンプ素子と、気密な部材よりなる基体
   の片側面に金属酸化物半導体を設けた酸素基準素子とを
   備え、前記酸素濃淡電池素子と酸素ポンプ素子とを小１
   …隙を介して対向配置し、前記酸素ポンプ素子の小間隙
   の側の反対側と前記Ｗ素基準素子の前記金属酸化物半導
   体を有した側の反対側とで外気と連通ずる空気室を形成
   し、　− 前記酸素基準素子により与えられる電気性質の変化と、
   前記酸素濃淡電池素子の起電力または前記酸素ポンプ素
   子のポンプ電流のいずれかによって与えられる出力信号
   とにより空燃比を検知するようにした′空燃比検知装置
   。 ２）前記酸素基準素子は、前記金属酸化物半導体の周辺
   および前記基板を介した反対面に、前記金属酸化物半導
   体を高温に保つべく電熱ヒータを設けたことを特徴とす
   る特許請求の範囲第１項記載の空燃比検知装置。