JPS61100651A - 酸素濃度測定装置 - 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】 （技術分野） 本発明は酸素濃度測定装置、詳しくは酸素センサを用い
て被測定ガスの酸素濃度を広範囲に精度よく検出する酸
素濃度測定装置に関する。

（従来技術） 近時、エンジンの燃費、排気対策等の要求を満たすため
、希薄領域においても空燃比がフィードバック制御され
る傾向にあり、このような空燃比は、通常、排気中の酸
素濃度をパラメータとして検出される。

従来のこの種の酸素センサとしては、例えば特開昭５６
−８９０５１号公報に記載されたものがあり、第６．７
図のように示される。第６図において、１は排気管内に
挿入される酸素センサであり、酸素センサ１は多孔性隔
膜層２、第１電極３、酸素イオン伝導性の固体電解質４
、第２電極５、拡散層６を順次積層して構成される。第
１゜第２電極３．５には電流源７および電圧測定回路８
が接続されており、電流源７により第１電極３から第２
電極５に向けて所定の電流工（例えば工＝２ｍＡ）を供
給すると、これと逆方向（すなわち、第２電極５から第
１電極３に向けて）に酸素イオン０２−が固体電解質４
内をポンピングされる。

このとき、第１電極３では０２−→２　ｅ−＋　１／　
２０　ｚという反応により酸素分子が発生するが、この
°酸素分子は多孔性隔膜層２によって排気中への拡散が
抑制されるため第１電極３の酸素分圧を排気のそれより
高めに維持する。一方、第２電極５では１／２０２＋２
ｅ−→０□−という反応によって酸素分子が消費される
が、拡散層６により排気中からの流入が制限されるため
第２電極５′の酸素分圧は排気のそれより低下する。こ
れらの酸素分圧の差によりいわゆる酸素濃淡電池が形成
されて両電極３．５間に次に示すネルンストの式ので表
わされる起電力Ｅが発生し、センサ出力Ｖｓとして外部
に取出される。

Ｅ＝（ＲＴ／４Ｆ）・ａｎ・（Ｐ、／Ｐ、）但し、Ｐｌ
：第１電極３の酸素分圧。

Ｐ２：第２電極５の酸素分圧、 Ｒ：気体定数、 Ｔ：絶対温度。

Ｆ：ファラデイ定数、 このセンサ出力Ｖｓは上記電流Ｉを一定値に維持する条
件下で排気中の酸素濃度に対応する空燃比において、例
えば第７図に示すようにＡ／Ｆ＝ｔＳで急変する特性を
有する。そこで、電圧測定回路８でかかる特性を測定す
ることにより理論空燃比より希薄な空燃比（以下、リー
ン空燃比という）を検出することができる。

しかしながら、このような従来の酸素濃度測定装置にあ
っては、両電極間に一定電流を供給して酸素濃度差を発
生させ、このときの出力変化から空燃比を判断する構成
となっていたため、所定のリーン空燃比より濃いか薄い
かの判別が可能であるにとどまり、リーン空燃比の連続
的な検出という点では十分とは言えなかった。また、理
論空燃比より過濃な空燃比（以下、リッチ空燃比という
）を検出できない（排気中に酸素が殆どないから）とい
う問題点があった。

（発明の目的）　　− そこで本発明は、３つの電極を設けるとともに少なくと
も１つの電極を拡散層で覆い、この電極と他の電極との
間に孟の電位差が所定値となるように拡散電流を供給し
てこの電流値を被測定ガ−スの酸素濃度に対応するパラ
メータとして検出する一方、他の１つの電極と、上記２
つの電極の何れか一方の電極との間の電位差から被測定
ガスが理論空燃比よりリッチであるかリーンであるかの
判別を行なうことにより、これらの各パラメータがら空
燃比を一義的に判断してリッチ域からり−ン域までの広
範囲な空燃比を連続して精度よく検出することを目的と
している。

（発明の構成） 本発明による酸素濃度測定装置はその全体構成図を第１
図に示すように、酸素イオン伝導性の固体電解質を挟ん
で３つの電極を設けるとともに、少なくとも１つの電極
を気体分子の拡散を制限する拡散層で覆い、この電極と
他の１つの電極との間にこれらの電極間の電位差が所定
値となるように拡散電流を供給するとその値が被測定ガ
スの酸素濃度に対応して変化し、前記２つの電極の何れ
か一方の電極と残りの１つの電極との間の電位差が所定
酸素濃度を境に急変する酸素センサ１１．３０．４０と
、酸素センサ１１．３０．４０に前記拡散電流を供給す
るとともに、この電流値を検出する拡散電流検出手段２
０と、酸素センサ１１．３０．４０の前記拡散電流が供
給される電極の何れか一方の電極と残り゛　の１つの電
極との間の電位差を検出５する電圧検出手段２５と、拡
散電流検出手段および電圧検出手段２５の出力に基づい
て被測定ガスの酸素濃度を算出する酸素濃度検出手段２
４と、を備えており、広範囲な空燃比を一義的に判断す
るものである。

（実施例） 以下、本発明を図面に基づいて説明する。

第２．３図は本発明の第１実施例を示す図であり１本発
明をエンジンの排気中の酸素濃度、すなわち空燃比を検
出する装置に適用した例である。

まず、構成を説明すると、第２図において、１１は酸素
センサであり、酸素センサ１１は多孔性隔膜層１２、酸
素イオン伝導性の固体電解質１３、第１〜第３電極１４
〜１６、拡散層１７を順次積層して構成される。多孔性
隔膜層１２は、例えばアルミナ等の耐熱性絶縁材料によ
って形成され、その内部にはｐｔペーストを用いて形成
されたヒータ１８が埋設される。ヒータ１８はヒータ制
御回路１９により通電制御され、固体電解質１３の活性
状態を適切に維持する。固体電解質１３は、例えば９５
％モルＺｒＯ，，５％モルＹ２０．の粉末をペースト状
にして酸素イオン伝導体として形成する。第１〜第３電
極１４〜１６は白金や金を主成分としｐｔペーストを用
い所定間隔を隔てて形成され、すべて拡散層１７で覆わ
れる。拡散層１７はアルミナペーストを用いて形成され
、酸素分子の拡散を制限する機能を主とする他、これら
の電極１４〜１６を保護する。このような構成で各部材
が配設された酸素センサ１１は、例えば１ｓｏｏ℃／２
時間という条件下で大気中において焼成して製造される
。

第１電極１４および第２電極１５には拡散電流検出手段
２０が接続されており、拡散電流検出手段２０は電流源
２１、電流測定回路２２および電圧測定回路２３により
構成される。電圧測定回路２３は第１、第２電極１４．
１５間に発生する電位差（以下、センサ電圧という）Ｖ
ｓを検出し、電圧信号５（Ｖｓ）を電流源２１に出力す
る。電流源２１は図中矢印で示すように固体電解質１３
内を第２電極１５から第１電極Ｉ４に向かう方向に拡散
電流Ｉｓを供給するとともに、電圧信号５（Ｖｓ）に基
づいてセンサ電圧Ｖｓが所定値となるようにその大きさ
を帰還制御する。

拡散電流Ｉｓの大きさは後述するように排気中の酸素濃
度に対応している。電流測定回路２２は拡散電流、Ｉｓ
の値を検出し電流信号５（Ｉｓ）を空燃比検出回路（酸
素濃度検出手段）２４に出力する。空燃比検出回路２４
にはさらに電圧検出手段２５からの信号５（Ｖｈ）が入
力されており、電圧検出手段２５は第２、第３電極工５
．１６間に発生する電位差（以下、判別電圧という）ｖ
ｈを検出し、電圧信号５（ｖｈ）を出力する０判別電圧
ｖｈは後述するように理論空燃比を境に急変する。空燃
比検出回路２４は比較器２６．基準電源２７および空燃
比算出回路２８により構成される。比較器２６は判別電
圧ｖｈを基準電源２７からの基準電圧Ｖａ（判別電圧ｖ
ｈが急変するときの上限と下限の略中闇値）と比較し、
Ｖ　ｈ　＞　Ｖ　ａのとき［Ｈ］となりＶ　ｈ　＜　Ｖ
　ａのとき［Ｌ］となるリッチ・リーン信号８区を空燃
比算出回路２８に出力する。空燃比算出回路２８にはさ
らに電流信号５（Ｉｓ）が入力されており、空燃比算出
回路２８はリッチ・リーン信号Ｓ５’Ｃに基づいて現空
燃比がリッチ空燃比であるかリーン空燃比であるかを判
別し、電流信号Ｓ（Ｉ　ｓ）に基づいて空燃比の大きさ
を算出して空燃比信号Ｓａｆを出力する。

この空燃比信号Ｓａｆは排気中の酸素濃度を一義的に表
す信号である。

次に作用を説明する。

一般に、固体電解質を挟んで１対の電極が配設され、少
なくとも一方の電極を拡散層で覆う方式の酸素センサに
あっては、被測定ガスの酸素濃度に対応するパラメータ
として両電極間の電位差のオン・オフ特性に着目し、こ
れがリーン側ヘシフトするという性質を利用するタイプ
と、所定電位差であるときの拡散限界酸素量が酸素濃度
に応じて変化する特性に着目し、これを拡散電流として
検出するタイプとに大別される。前者のタイプは急峻特
性を利用するため単一ポイントの検出において高精度を
誇るが、空燃比の連続的検出という点で難点がある。一
方、後者のタイプは連続的検出という点では優れている
が、後述するように理論空燃比を境に出力特性が同一形
態となるため理論空燃比近傍において空燃比の一義的な
判断に欠ける。

そこで本実施例では、上記両タイプの長所に着目して、
かかる長所の機能を実現するために必要な最小限の部材
で酸素センサを構成することで。

簡単な構成で空燃比の正確な連続的検出を実現している
。

すなわち、センサ電圧Ｖｓを所定値（例えば、Ｖ　ｓ　
＝６００ｍ　Ｖ）に維持するような拡散電流Ｉｓを第１
、第２電極１４．１５間に供給すると、従来例と同様に
第１電極１４から第２電極１５に向けて酸素分子のポン
ピングが行なわれて第１電極１４の酸素分圧が低下し第
２電極１５の酸素分圧が高まる。そして、両電極１４．
１５間に酸素濃度差が発生するが、この濃度差は常に一
定値となるようにセンサ電圧Ｖｓにより監視されて帰還
制御される。ここで。

第１電極１４の酸素分圧は拡散［１７を通して排気から
流入してくる酸素とボンピングにより流出する酸素との
バランスによって決定される。一方、拡散層１７におけ
る酸素分子の拡散速度は一定であるから、第１、第２電
極１４．１５間を同一酸素濃度差に保つために必要なポ
ンプエネルギは排気の酸素分圧が高くなるに従って大き
くなる。すなわち、拡散電流Ｉｓの値は排気の酸素分圧
に応じて変化し、第３＠に曲線Ａで示すように理論空燃
比からリーン側にシフトするに従って大きくなる。した
がって、空燃比判断を連続的に行うことが可能となる。

また、拡散電流Ｉｓは理論空燃比で最小となるもののリ
ッチ側にシフトするに従って再び大きくなる。これは、
リッチ域では排気中に酸素が殆どなく二酸化炭素ＣＯ２
が多く存在することから、このＣＯ２の分極反応により
強制的に外部からポンプエネルギが印加されれている第
１、第２電極１４．１５間を酸素イオン０□−が移動す
るためである（イオンの移動は電流となる）、すなわち
、拡散電流Ｉｓを流すために電流源２１から付与される
エネルギは第１、第２［ｆ極１４．１５間を常に同一酸
素濃度差に維持するようなポンプ呈ネルギとして作用し
ており、これを満たすために００２の分極反応が行われ
るからである。したがって、排気が・リッチ側にシフト
する程、酸素イオンの移動景が多くなり拡散電流Ｉｓの
値が増加する。このように、リッチ・リーン側れの領域
においても拡散電流Ｉｓの値を空燃比に連続的に対応さ
せることができるものの、理論空燃比近傍において一義
的判断が困難となる。なお、理論空燃比では拡散電流Ｉ
ｓの値が最小（零ではない）となるが。

これは各電極１４．１５の主成分である白金の触媒作用
により理論空燃比では微かな拡散電流Ｉｓで所定の酸素
濃度差が発生するからである。

一方、第３電極１６には上述のような外部エネルギが作
用しておらず、その酸素分圧は拡散Ｍ１７を介するもの
の排気の酸素分圧と等しい。したがって、第３電極１６
と第２電極１５との間の電位差、すなわち判別電圧ｖｈ
は排気中の酸素濃度に応じて変化することとなり、第３
図に曲線Ｂで示すように理論空燃□比を境に急変する。

これは、リッチ域の排気が第３電極１６に触れると白金
の触媒作用により残存する極めて低濃度の０□がＣＯと
ほぼ完全に反応しくＣＯ＋１／２０ｚ　→Ｃ’　Ｏｚ　
）−電極表面の酸素濃度がゼロとなって爾２電極１５と
の間の酸素濃度の比が非常に大きくなり起電力が発生す
るのに対して、リーン域では高濃度の０□と低濃度のｃ
ｏがあるためｃｏと０２が反応しても余剰の０□が存在
し、酸素濃度の比が小さくほとんど起電力が発生しない
からである。この判別電圧ｖｈによれば、リッチ域とリ
ーン域とを正確に判別することが可能となる。

そこで□、空燃比算出回路ン８により拡＃Ｉ電流ＩＳを
表す電流信号Ｓ（Ｉ　ｓ）と判別電圧ｖｈに基づくリッ
チ・リーン信号ＳＬ／Ｌとを併用して空燃比信号Ｓａｆ
を得れば、この空燃比信号Ｓａｆはリッチ　　　　　　
域からリーン域までの空燃比を一義的に表すものとなり
、広範囲な空燃比を簡単な構成で正確かつ連続的に検出
することができる。この場合、空燃比信号Ｓａｆとして
は、例えばリッチ・リーン信号Ｒ／　に基づいてリッチ
域の特性を負側に反転させ　　　　　　゛る等して１つ
の出力信号として用いるのが好ましい。このようにすれ
ば、コントロールユニットとのインターフニスにおいて
Ｉ１０ポートの数が少なくなるという利点があり、低コ
スト化につなかる。なお、このような単一の空燃比信号
Ｓａｆに限らす、該信号Ｓ、ａｆは２つであってもよい
。そして、例えば、コントロールユニットからの選択信
号によりリッチ・リーン信号ｓ　ｉ／Ｌあるいは電流信
号５（Ｉｓ）を適宜選択して空燃比を判断するようにし
てもよい。要は本装置が適用される空燃比制御系におい
て適切なインターフェースを図ればよい。

また、本実施例では、判別電圧ｖｈとして第２、第３電
極１５．１６間の電位差を用いているが、これに限らず
、例えば第３電極１６と第１電極１４との間の電位差を
用いてもよい。その場合、判別電圧ｖｈの急変特性は第
３図に曲線Ｃで示すように上述した例と逆方向の変化と
なる。

第４図は本発明の第２実施例を示す図であり、本実施例
は酸素センサ３０の橘造を変更したものである。第４図
において、３１は板状に形成された固体電解質であり、
固体電解質３１の一面側には第１電極３２と第３電極３
３が並設して配置され、第１電極３２に対向する他面側
には第２電極３４が配置される。第１電極３２および第
３電極３３の周囲は第１拡散届３５で覆われ、第２電極
３４の周囲は第２拡散層３６で覆われる。また、第２拡
散層３６内にはヒータ３７が埋設される。したがって、
本実施例の酸素センサ３０においても、各電極３２〜３
４の配置が異なるものの、第１実施例と同様の効果を得
ることができる。

第５図は本発明の第３実施例を示す図である。

本実施例の酸素センサ４０は第１実施例に対して固体電
罎質４１が板状に形成されている点が異なる。

その他は同様で同一番号が付されている。したがって、
効果も同様である。

なお、上記各実施例では第１〜第３電極のすべてを拡散
層で覆っているが、本発明のポイントはポンピングによ
り第１電極の酸素分圧を調節すればよいという点にある
ため、他の電極は必ずしも拡散抑制機能を有する拡散層
で覆わなくてもよい。制御の容易性等の点から他の電極
も覆っているにすぎない。

また、本発明の他のポイントは第３電極を設け、該膜電
極との間でリッチ・リーンの判別電圧を容易に取り出せ
るという点にある。したがって、本発明の適用は上記各
実施例に示したタイプの酸素センサに限るものではない
。上記各実施例の酸素センサはいわゆるセンサ機能とポ
ンピング機能を１対の電極で兼用しているものであるが
、これらの機能をセンサ電極とポンプ電極とで別々に行
うタイプのものにあっても本発明の適用が可能であるこ
とは勿論である。したがって、本発明においては少なく
とも３つの電極を有する・という意味であり、電極は３
つ以上であってもよい。

（効果） 本発明によれば、拡散電流および判別電圧に基づいて空
燃比を一義的に判断することができ、リッチ域からリー
ン域までの広範囲な空燃比を連続して精度よく検出する
ことができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の全体構成図、第２．３図は本発明の第
１実施例を示す図であり、第２図はその回路図、第３図
はその拡散電流および判別電圧と空燃比との関係を示す
図、第４図は本発明の第２実施例を示すその酸素センサ
の断面図、第５図は本発明の第３実施例を示すその酸素
センサの断面図、第６．７図は従来の酸素濃度測定装置
を示す図であり、第６図はその回路構成図、第７図はそ
のセンサ出力と空燃比との関係を示す図である。 １１．３０．４０・・・・・・酸素センサ、２０・・・
・・・拡散電流検出手段、 ２４・・・・・・空燃比検出回路（酸素濃度検出手段）
、２５・・・・・・電圧検出手段。 第２図 第３図 第４図

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 　酸素イオン伝導性の固体電解質を挟んで３つの電極を
   設けるとともに、少なくとも１つの電極を気体分子の拡
   散を制限する拡散層で覆い、この電極と他の１つの電極
   との間にこれらの電極間の電位差が所定値となるように
   拡散電流を供給すると、その値が被測定ガスの酸素濃度
   に対応して変化し、前記２つの電極の何れか一方の電極
   と残りの１つの電極との間の電位差が所定酸素濃度を境
   に急変する酸素センサと、酸素センサに前記拡散電流を
   供給するとともに、この電流値を検出する拡散電流検出
   手段と、酸素センサの前記拡散電流が供給される電極の
   何れか一方の電極と残りの１つの電極との間の電位差を
   検出する電圧検出手段と、拡散電流検出手段および電圧
   検出手段の出力に基づいて被測定ガスの酸素濃度を算出
   する酸素濃度検出手段と、を備えたことを特徴とする酸
   素濃度測定装置。