JPS61167853A - Air-fuel ratio detecting element - Google Patents

Air-fuel ratio detecting element

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JPS61167853A
JPS61167853A JP60008151A JP815185A JPS61167853A JP S61167853 A JPS61167853 A JP S61167853A JP 60008151 A JP60008151 A JP 60008151A JP 815185 A JP815185 A JP 815185A JP S61167853 A JPS61167853 A JP S61167853A
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air
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gas
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Kazuyoshi Shibata
和義 柴田
Yoshiro Danno
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NGK Insulators Ltd
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    • G01N27/26Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating electrochemical variables; by using electrolysis or electrophoresis
    • G01N27/416Systems
    • G01N27/417Systems using cells, i.e. more than one cell and probes with solid electrolytes

Abstract

PURPOSE:To eliminate the need for the polarity inversion of a pump current value by passing specified current to one of two electrochemical pump cells and changing the concn. of the measuring component in a gas to be measured conducted into a measuring cavity to the specified extent. CONSTITUTION:The two electrochemical pump cells 2, 6 are constituted of cell substrates 12, 26 consisting of a solid electrolyte having oxygen ion conductivity and electrodes 14, 16 and 28, 30 provided on both sides thereof. The measuring cavity of the thickness having the desired gas diffusion resistance is provided between the pump cells 2 and 6 and a gas intake hole 18 penetrating the cell 2 is provided thereto to conduct the gas to be measured. The oxygen concn. in the atmosphere in contact with a sensor cell 8 is changed to the specified extent in the measuring cavity and the pump current value is changed according to the air-fuel ratio of the gas to be measured when the specified current is conducted between the electrodes 28 and 30 of pump cell 26 via a controller 36 and therefore the state in which the pump current value does not invert is obtd. even at about the theoretical air-fuel ratio.

Description

【発明の詳細な説明】 (技術分野) 本発明は空燃比検出素子に係り、特に被測定ガスたる燃
焼排ガスの空燃比(A/F値)をリーン領域からリッチ
領域にわたって効果的に検出することの出来る空燃比検
出素子に関するものである。
Detailed Description of the Invention (Technical Field) The present invention relates to an air-fuel ratio detection element, and in particular to effectively detecting the air-fuel ratio (A/F value) of combustion exhaust gas, which is a gas to be measured, from a lean region to a rich region. The present invention relates to an air-fuel ratio detection element that can perform

(従来技術) 従来から、所謂酸素センサとして、自動車の内燃機関の
排気ガス(燃焼排ガス)中に含まれる酸素濃度を検知し
、その検出信号に基づいて内燃機関の燃焼状態を最適に
コントロールすることにより、排気ガスの浄化、燃費の
節減等を行う空燃比検出装置が知られている。
(Prior art) Conventionally, so-called oxygen sensors have been used to detect the oxygen concentration contained in the exhaust gas (combustion exhaust gas) of an automobile internal combustion engine, and to optimally control the combustion state of the internal combustion engine based on the detected signal. Accordingly, air-fuel ratio detection devices that purify exhaust gas, reduce fuel consumption, and the like are known.

ところで、この種の空燃比検出装置に用いられる空燃比
検出素子として、代表的には、酸素イオン伝導性の固体
電解質であるジルコニア磁器を用いた、酸素濃淡電池の
原理を利用して酸素濃度を求める構造のものが実用化さ
れており、そこでは、固体電解質にそれぞれ設けられた
、被測定ガスに晒される被測定電極と基準酸素濃度の基
準ガスに晒される基準電極との間における酸素濃度差に
起因する起電力を検出して、理論空燃比の状態で燃焼せ
しめて得られる燃焼排ガスの如き中性雰囲気のガスを境
にして、かかる被測定ガスがリーン雰囲気であるか、或
いはリッチ雰囲気であるかの識別(判別)を行い、これ
に基づいてそのような被測定ガスとしての燃焼排ガスを
・発生するエンジンを制御するようにしている。
By the way, the air-fuel ratio detection element used in this type of air-fuel ratio detection device typically uses zirconia porcelain, which is a solid electrolyte that conducts oxygen ions, to measure oxygen concentration using the principle of an oxygen concentration battery. The desired structure has been put into practical use, where the oxygen concentration difference between the measured electrode exposed to the measured gas and the reference electrode exposed to the reference gas with the reference oxygen concentration, each provided in a solid electrolyte, is Detects the electromotive force caused by the gas and determines whether the gas to be measured is in a lean atmosphere or in a rich atmosphere, with the gas in a neutral atmosphere such as combustion exhaust gas obtained by combustion at a stoichiometric air-fuel ratio being detected. Based on this identification, the engine that generates the combustion exhaust gas as the gas to be measured is controlled.

しかして、かくの如き空燃比検出素子は、あくまでもA
/F=14.6の理論空燃比の付近における起電力の変
化を利用するものであるところから、被測定ガスとして
は、理論空燃比付近の燃焼排ガスが測定対象となってい
たが、近年になって、所定のガス拡散抵抗を有する多孔
質層やピンホール等の拡散抵抗手段と、酸素イオン伝導
性の固体電解質及び一対の電極からなる電気化学的ポン
プセルとを設けて、該拡散抵抗手段を介して被測定ガス
存在空間から導かれた被測定ガス中に存在する酸素量を
、電気化学的ポンプセルにて制御することにより、広い
空燃比範囲の被測定ガスでも測定し得るようにした構造
のものが提案され、例えば、特開昭58−153155
号公報や、SAE  Paper  81(12)33
.8209(12)及び同じ<841250等に、その
−例が明らかにされている。
However, such an air-fuel ratio detection element is only A.
Since the method utilizes changes in electromotive force around the stoichiometric air-fuel ratio of /F=14.6, combustion exhaust gas around the stoichiometric air-fuel ratio was the target gas to be measured, but in recent years Therefore, a diffusion resistance means such as a porous layer or a pinhole having a predetermined gas diffusion resistance, and an electrochemical pump cell consisting of an oxygen ion conductive solid electrolyte and a pair of electrodes are provided, and the diffusion resistance means is By controlling the amount of oxygen present in the gas to be measured led from the space in which the gas is present through an electrochemical pump cell, it is possible to measure gases to be measured over a wide range of air-fuel ratios. For example, Japanese Patent Application Laid-Open No. 58-153155
Publications and SAE Paper 81(12)33
.. Examples are given in 8209(12) and the same <841250, etc.

このような拡散抵抗手段並びに電気化学的ポンプセルを
設けた空燃比検出素子にあっては、その拡散抵抗手段を
介して、被測定ガス存在空間から拡散により導かれて、
測定電極に接触せしめられる、被測定成分としてのより
低い分圧の酸素が、該ポンプセルにて外部に汲み出され
るに際してのポンプ電流値(酸素汲み出し電流)が、被
測定ガス中の酸素濃度、ひいてはλ (A/F値)と対
応するところから、A/F値が14.6よりもはるかに
高い領域、即ちリーン領域、換言すれば空気が過剰の状
態において燃焼せしめられ、酸素分圧が理論空燃比の時
の酸素分圧よりも高いリーン雰囲気の排気ガスにおける
A/F値を、前記ポンプ電流値を検出することにより容
易に求めることができるのであり、またリッチ領域、換
言すれば燃料が過剰の状態において燃焼せしめて得られ
る酸素分圧が理論空燃比における酸素分圧よりも低(、
未燃焼成分が多量に存在する領域の排気ガスの如きA/
F値が14.6よりも低い被測定ガスにあっては、拡散
により導かれる測定電極周囲の未燃焼成分を、ポンプセ
ルによる外部からの酸素の汲み入れによって反応(燃焼
)せしめるに際しての、該ポンプセルに流れるポンプ電
流値が、A/F値に対応するところから、かかるポンプ
電流値を検出することにより、リッチ領域にある被測定
ガスのA/F値も求めることができるのである。
In an air-fuel ratio detection element equipped with such a diffusion resistance means and an electrochemical pump cell, the gas to be measured is guided by diffusion from the space where the gas exists through the diffusion resistance means.
The pump current value (oxygen pumping current) when the lower partial pressure oxygen as the component to be measured, which is brought into contact with the measurement electrode, is pumped out to the outside by the pump cell, is the oxygen concentration in the gas to be measured, and thus From the correspondence with λ (A/F value), combustion is performed in a region where the A/F value is much higher than 14.6, that is, in a lean region, in other words, in a state where there is an excess of air, and the oxygen partial pressure is The A/F value in exhaust gas in a lean atmosphere, which is higher than the oxygen partial pressure at the air-fuel ratio, can be easily determined by detecting the pump current value. The oxygen partial pressure obtained by combustion in an excess state is lower than the oxygen partial pressure at the stoichiometric air-fuel ratio (,
A/
For gases to be measured whose F value is lower than 14.6, the pump cell is used to react (combust) unburned components around the measurement electrode guided by diffusion by pumping in oxygen from the outside using the pump cell. Since the value of the pump current flowing through the sensor corresponds to the A/F value, by detecting this pump current value, the A/F value of the gas to be measured in the rich region can also be determined.

(問題点) しかしながら、かくの如き拡散抵抗手段や電気化学的ポ
ンプセルを設けて、被測定ガス中の酸素等の測定成分が
制御された割合にて測定電極に接触せしめられるように
して、かかるポンプセルのポンプ電流値を求めるように
した空燃比検出素子にあっては、被測定ガスが14.6
よりも大きなAZF値を有するリーン領域においては、
ポンプセルによって測定電極周囲の測定空間内の酸素を
外部に汲み出す必要がある一方、A/F値が14.6よ
りも小さなリッチ領域にあっては、外部から酸素を汲み
入れる必要があるのであり、このため、A/F値= 1
4.6を境にして0、リーン領域の被測定ガスを対象と
する場合とリッチ領域の被測定ガスを対象とする場合と
では、かかるポンプセルのポンプ電流の極性(電流の流
れ方向)を反転させることが必要となり、そして、この
ためにポンプセルに所望の電流を流すための電源が複雑
となる問題があった。
(Problem) However, by providing such a diffusion resistance means or an electrochemical pump cell, such a pump cell can be arranged so that the measurement component such as oxygen in the gas to be measured is brought into contact with the measurement electrode at a controlled ratio. In the air-fuel ratio detection element designed to determine the pump current value of 14.6
In the lean region with an AZF value larger than
While it is necessary to pump oxygen in the measurement space around the measurement electrode to the outside using a pump cell, in the rich region where the A/F value is smaller than 14.6, it is necessary to pump oxygen from the outside. , Therefore, A/F value = 1
4.6, the polarity of the pump current (direction of current flow) in the pump cell is reversed between when the gas to be measured in the lean region is targeted and when the gas to be measured in the rich region is targeted. Therefore, there was a problem in that the power source for supplying the desired current to the pump cell was complicated.

(解決手段) ここにおいて、本発明は、かかる問題を解決するために
為されたものであって、その特徴とするところは、(a
)第一の酸素イオン伝導性固体電解質と該第一の酸素イ
オン伝導性固体電解質に接して設けられた一対の電極と
を含み、且つそれら電極間に一定の電流が通電せしめら
れる第一の電気化学的ポンプセルと、(b)第二の酸素
イオン伝導性固体電解質と該第二の酸素イオン伝導性固
体電解質に接して設けられた一対の電極とを含む第二の
電気化学的ポンプセルと、(c)該第一の電気化学的ポ
ンプセルと該第二の電気化学的ポンプセルの間にあって
、被測定ガスが所定の拡散抵抗手段を介して導かれ、該
第一の電気化学的ポンプセルの一方の電極と該第二の電
気化学的ポンプセルの一方の電極とがそれぞれ露呈せし
められる測定空所と、(d)該測定空所内の雰囲気中の
酸素分圧に対応した信号を出力し、その出力信号に従っ
て前記第二の電気化学的ポンプセルの作動が制御される
センサ手段とを含むように、空燃比検出素子を構成した
のである。
(Solution Means) Here, the present invention has been made to solve such problems, and its characteristics are (a)
) A first electrode comprising a first oxygen ion conductive solid electrolyte and a pair of electrodes provided in contact with the first oxygen ion conductive solid electrolyte, and in which a constant current is passed between the electrodes. a second electrochemical pump cell comprising: (b) a second oxygen ion conductive solid electrolyte and a pair of electrodes provided in contact with the second oxygen ion conductive solid electrolyte; c) between the first electrochemical pump cell and the second electrochemical pump cell, the gas to be measured is guided through a predetermined diffusion resistance means, and one electrode of the first electrochemical pump cell; and one electrode of the second electrochemical pump cell are exposed, respectively; (d) outputting a signal corresponding to the partial pressure of oxygen in the atmosphere within the measuring cavity; The air-fuel ratio detection element is configured to include a sensor means for controlling the operation of the second electrochemical pump cell.

このように、本発明に従う空燃比検出素子にあっては、
二つの電気化学的ポンプセルが設けられて、その一つに
一定の電流が通電せしめられることによって、拡散抵抗
手段を介して導かれ、センサ手段に接触せしめられる雰
囲気中の酸素濃度(酸素分圧)が一定量変化させられる
こととなり、これによって他の一つのポンプセルにて検
出されるポンプ電流値(Ip)が被測定ガスのA/F値
に従って一定量だけ変化せしめられることとなり、A/
F値=14.6(λ=1)の前後においても、かかるポ
ンプ電流値(Ip)が反転しない状態を得ることができ
るのである。
As described above, in the air-fuel ratio detection element according to the present invention,
Two electrochemical pump cells are provided, one of which is energized with a constant current, thereby directing the oxygen concentration (oxygen partial pressure) in the atmosphere through the diffusion resistance means and into contact with the sensor means. As a result, the pump current value (Ip) detected in another pump cell is changed by a certain amount according to the A/F value of the gas to be measured, and the A/F value is changed by a certain amount.
Even around the F value=14.6 (λ=1), it is possible to obtain a state in which the pump current value (Ip) does not invert.

因みに、第1図には、第一の電気化学的ポンプセルに前
記測定空所に酸素が汲み入れられる方向の一定の電流を
流した場合において、本発明における第二の電気化学的
ポンプセルのポンプ電流値([p)のλ (A/F値)
に対する変化が一点鎖線で示されている。
Incidentally, FIG. 1 shows the pump current of the second electrochemical pump cell in the present invention when a constant current is passed through the first electrochemical pump cell in the direction in which oxygen is pumped into the measurement space. λ of value ([p) (A/F value)
The change in is shown by the dash-dotted line.

そこにおいて、第一の電気化学的ポンプセルに電流が流
されない場合、換言すれば第一の電気化学的ポンプセル
が存在しない従来の素子の場合にあっては、λ−1の前
後でポンプ電流値(1p)は反転しているのである。
In this case, when no current is applied to the first electrochemical pump cell, in other words, in the case of a conventional device in which the first electrochemical pump cell does not exist, the pump current value ( 1p) is inverted.

これに対して、本発明に従って、第一の電気化学的ポン
プセルに一定の電流が流された場合において、測定空所
内の酸素分圧が一定値だけ増大せしめられるところから
、その増大分に見合う第二の電気化学的ポンプセルのポ
ンプ電流(ip)が必要となり、これによってλが1よ
りより小さい所定領域においても、λ〉1の場合と同様
な電流方向にてポンプ電流値(Ip)を検出することが
できるのである。換言すれば、λ〉lであるリーン領域
からλが1より小さい所定範囲のリッチ領域に至るまで
、同じ方向のポンプ電流値が得られ、これがλ (A/
F値)に対応することとなるのである。
In contrast, according to the invention, when a constant current is applied to the first electrochemical pump cell, the oxygen partial pressure in the measuring cavity is increased by a constant value, so that The pump current (ip) of the second electrochemical pump cell is required, thereby detecting the pump current value (Ip) in the same current direction as in the case of λ>1 even in a given region where λ is smaller than 1. It is possible. In other words, pump current values in the same direction are obtained from the lean region where λ>l to the rich region in a predetermined range where λ is less than 1, and this is λ (A/
This corresponds to the F value).

なお、かかる本発明において、前記センサ手段としては
、好適には、第三の酸素イオン伝導性固体電解質と、該
第三の酸素イオン伝導性固体電解質に接して設は−られ
た、前記測定空所に露呈せしめられる測定電極と、該第
三の酸素イオン伝導性固体電解質に、接して設けられた
基準酸素濃度の基準ガスに接触せしめられる基準電極と
から構成される電気化学的センサセルが用いられ、それ
ら電極に接触せしめられる雰囲気中の酸素濃度差に基づ
いて発生せしめられる起電力が、前記第二の電気化学的
ポンプセルの作動を制御するための出力信号として、取
り出されることとなる。
In the present invention, the sensor means preferably includes a third oxygen ion conductive solid electrolyte and the measurement chamber provided in contact with the third oxygen ion conductive solid electrolyte. An electrochemical sensor cell is used, which is composed of a measurement electrode that is exposed to the third oxygen ion conductive solid electrolyte, and a reference electrode that is brought into contact with a reference gas having a reference oxygen concentration that is provided in contact with the third oxygen ion conductive solid electrolyte. , an electromotive force generated based on the difference in oxygen concentration in the atmosphere brought into contact with these electrodes is extracted as an output signal for controlling the operation of the second electrochemical pump cell.

尤も、このような電気化学的センサセルに代えて、前記
センサ手段として、酸素濃度によって電気抵抗値が変化
する半導体、例えば酸化チタン等を用いたセンサを用い
ることも可能である。
Of course, instead of such an electrochemical sensor cell, it is also possible to use a sensor using a semiconductor, such as titanium oxide, whose electrical resistance value changes depending on the oxygen concentration, as the sensor means.

また、かかる電気化学的センサセルを前記センサ手段と
して用いた場合において、その第三の酸素イオン伝導性
固体電解質と、前記第一の電気化学的ポンプセルの第一
の酸素イオン伝導性固体電解質若しくは前記第二の電気
化学的ポンプセルの第二の酸素イオン伝導性固体電解質
とは、同一の酸素イオン伝導性固体電解質にて構成する
ことができ、更にかかるセンサ手段と前記第一の電気化
学的ポンプセル若しくは前記第二の電気化学的ポンプセ
ルとを共通とすることにより、素子構造を簡略化するこ
とが可能である。
Further, when such an electrochemical sensor cell is used as the sensor means, the third oxygen ion conductive solid electrolyte and the first oxygen ion conductive solid electrolyte of the first electrochemical pump cell or the third oxygen ion conductive solid electrolyte may be combined with each other. The second oxygen ion conductive solid electrolyte of the second electrochemical pump cell may be composed of the same oxygen ion conductive solid electrolyte, and the sensor means and the first electrochemical pump cell or the second oxygen ion conductive solid electrolyte may be composed of the same oxygen ion conductive solid electrolyte. By using the second electrochemical pump cell in common, the device structure can be simplified.

さらに、被測定ガス存在空間から前記測定空所に測定ガ
スを導(、所定のガス拡散抵抗を有する拡散抵抗手段と
して、細孔(ピンホール)を用いることが可能であり、
この細孔を介して、前記測定空所が被測定ガス存在空間
に連通せしめられたり、また多孔質セラミックス体を用
いて、所定のガス拡散抵抗の下に被測定ガスが前記測定
空所に導かれるようにすることもできる。
Furthermore, a pore (pinhole) can be used as a diffusion resistance means having a predetermined gas diffusion resistance to guide the measurement gas from the measurement gas existing space to the measurement cavity,
Through these pores, the measurement cavity is communicated with the space in which the gas to be measured exists, and by using a porous ceramic body, the gas to be measured is introduced to the measurement cavity under a predetermined gas diffusion resistance. You can also make it appear

そしてまた、前記測定空所を、それがそのまま前記拡散
抵抗手段となる、所定のガス拡散抵抗を有する細隙な平
坦空間として構成することもできる。そのような平坦空
間は、前記第一の電気化学的ポンプセル及び/又は第二
の電気化学的ポンプセルに貫設された被測定ガス導入孔
を通じて、被測定ガス存在空間に連通せしめられたり、
或いは、かかる平坦空間が被測定ガス存在空間に対して
開口し、直接に連通せしめられたりされる。
Furthermore, the measurement space can also be constructed as a narrow flat space having a predetermined gas diffusion resistance and serving as the diffusion resistance means as it is. Such a flat space is communicated with a space where the gas to be measured exists through a gas to be measured inlet hole provided through the first electrochemical pump cell and/or the second electrochemical pump cell,
Alternatively, such a flat space is opened to the space in which the gas to be measured exists and is directly communicated with the space.

なお、本発明に従う空燃比検出素子の好ましい態様にあ
っては、被測定ガスの温度が低く、電気化学的セルの固
体電解質等が充分な高温度に保持されない場合において
は、その性能を充分に発揮し得なくなるところから、適
当なヒータによって該固体電解質等が加熱せしめられる
ようにすることが望ましく、そのような場合においては
、一般に前記第一の電気化学的ポンプセル、前記第二の
電気化学的ポンプセル及び前記センサ手段の少なくとも
何れか一つに密着して、特にセルを構成する固体電解質
に密着するように、所定のセラミックヒータ層が設けら
れることとなる。
In addition, in a preferred embodiment of the air-fuel ratio detection element according to the present invention, when the temperature of the gas to be measured is low and the solid electrolyte of the electrochemical cell is not maintained at a sufficiently high temperature, its performance cannot be sufficiently maintained. It is desirable to heat the solid electrolyte etc. with an appropriate heater to prevent it from being able to exhibit its full potential.In such a case, generally the first electrochemical pump cell and the second electrochemical pump cell A predetermined ceramic heater layer is provided in close contact with at least one of the pump cell and the sensor means, and particularly in close contact with the solid electrolyte constituting the cell.

(実施例) 以下、本発明を更に具体的に明らかにするために、本発
明の実施例を、図面に基づいて詳細に説明することとす
る。
(Examples) Hereinafter, in order to clarify the present invention more specifically, examples of the present invention will be described in detail based on the drawings.

先ず、第1図及び第2図は、それぞれ本発明に従う空燃
比検出素子の一興体例の展開図及びその断面説明図であ
る。すなわち、この空燃比検出素子は、第一の電気化学
的ポンプセル2、平坦空間形成層4、第二の電気化学的
ポンプセル6(電気化学的センサセル8)及び基準ガス
通路形成層10が順次積層されて、一体的に焼成されて
成るものである。
First, FIGS. 1 and 2 are a developed view and a cross-sectional explanatory view of an example of an air-fuel ratio detecting element according to the present invention. That is, in this air-fuel ratio detection element, a first electrochemical pump cell 2, a flat space forming layer 4, a second electrochemical pump cell 6 (electrochemical sensor cell 8), and a reference gas passage forming layer 10 are sequentially laminated. It is made by integrally firing.

そこにおいて、第一の電気化学的ポンプセル2は、イツ
トリア添加ジルコニア磁器等の如き、酸素イオン伝導性
の公知の平板状の固体電解質からなるセル基板12と、
その両側の面に接して、それぞれ対向するように設けら
れた、第一の電極14及び第二の電極16とから構成さ
れている。そして、それら第一の電極14、セル基板1
2、第二の電極16をそれぞれ貫通する、実質的に拡散
抵抗を無視し得る大きさのガス取入れ孔(被測定ガス導
入孔)18が設けられている。なお、この第一のポンプ
セル2の第一の電極14と第二の電極16は、それぞれ
のリード部20.22を介して、外部の一定電流電源た
る直流電源24に接続され、それら電極間に流される一
定の電流の方向に従って、酸素を、セル基板12を通じ
て、内側の第二の電極16から外側の第一の電極14側
に、或いはその逆方向に、移動せしめるようになってい
る。
There, the first electrochemical pump cell 2 includes a cell substrate 12 made of a known planar solid electrolyte having oxygen ion conductivity, such as itria-doped zirconia porcelain, etc.;
It is composed of a first electrode 14 and a second electrode 16, which are provided so as to be in contact with both sides of the electrode and to face each other. The first electrode 14 and the cell substrate 1
2. Gas intake holes (measured gas introduction holes) 18 are provided which penetrate through each of the second electrodes 16 and have a size that allows diffusion resistance to be substantially ignored. Note that the first electrode 14 and the second electrode 16 of the first pump cell 2 are connected to a DC power source 24, which is an external constant current power source, through respective lead portions 20.22, and there is a gap between these electrodes. According to the direction of the constant current, oxygen is moved through the cell substrate 12 from the inner second electrode 16 to the outer first electrode 14, or in the opposite direction.

−4、第二の電気化学的ポンプセル6にあっては、上記
第一のポンプセル2のセル基板12と同様な、イツトリ
ア添加ジルコニア磁器等の酸素イオン伝導性の固体電解
質からなるセル基板26と、その両側の面に接して設け
られたそれぞれ対応する第三の電極28及び第四の電極
30とから構成されている。そして、それら第三の電極
28及び第四の電極30は、それぞれリード部32及び
34を介して外部の制御器36に接続されており、この
制御器36による制御下において、所定の電流が第三の
電極28と第四の電極30との間に流されるようになっ
ている。そしてまた、それら第三の電極28と第四の電
極30との間に流されるポンプ電流(Ip)を検出する
ために、その回路上に、電流計38が設けられている。
-4. In the second electrochemical pump cell 6, a cell substrate 26 made of an oxygen ion conductive solid electrolyte such as ytria-doped zirconia porcelain, similar to the cell substrate 12 of the first pump cell 2, It is comprised of a third electrode 28 and a fourth electrode 30, which correspond to each other and are provided in contact with both sides of the electrode. The third electrode 28 and fourth electrode 30 are connected to an external controller 36 via lead parts 32 and 34, respectively, and under the control of this controller 36, a predetermined current is It is designed to flow between the third electrode 28 and the fourth electrode 30. Further, in order to detect the pump current (Ip) flowing between the third electrode 28 and the fourth electrode 30, an ammeter 38 is provided on the circuit.

また、センサ手段としての電気化学的センサセル8は、
上記第二の電気化学的ポンプセル6のセル基板26を利
用して、構成されている。すなわち、センサセル8は、
セル基板26と、前記第三の電極28の周囲に設けられ
た細幅リング状の測定電極40と、前記第四の電極30
の周囲に設けられた細幅リング状の基準電極42とから
構成されているのである。そして、このセンサセル8の
測定電極40と基準電極42は、それぞれのリード部4
4.46を介して外部の制御器36に接続され、それら
電極によって検出されるセンサセル8の起電力を出力信
号として取り出し、該制御器36に入力せしめて、かか
る制御器36により前記第二の電気化学的ポンプセル6
に対するポンプ電流を制御せしめるようになっている。
Further, the electrochemical sensor cell 8 as a sensor means is
It is constructed using the cell substrate 26 of the second electrochemical pump cell 6. That is, the sensor cell 8 is
A cell substrate 26, a narrow ring-shaped measurement electrode 40 provided around the third electrode 28, and the fourth electrode 30.
and a narrow ring-shaped reference electrode 42 provided around the periphery of the reference electrode 42. The measurement electrode 40 and reference electrode 42 of this sensor cell 8 are connected to respective lead portions 4.
4.46, the electromotive force of the sensor cell 8 detected by these electrodes is extracted as an output signal, inputted to the controller 36, and the controller 36 outputs the second electrochemical pump cell 6
The pump current is controlled.

ところで、上述の如き第一の電気化学的ポンプセル2と
第二の電気化学的ポンプセル6(電気化学的センサセル
8)との間には、アルミナ等の電気絶縁性を有する絶縁
層48が、適当なセラミックスからなる平坦空間形成層
4と共に介装され、またそれら絶縁層48及び平坦空間
形成層4の前記第二の電極16及び測定電極40に対応
する部位に孔50が形成され、第3図に示される如く、
二つのポンプセル2.6間に薄い細隙な円形の平坦空間
54が形成されているのである。そして、この平坦空間
54の略中央部に、第一のポンプセル2を貫通するガス
取入れ孔18が連通せしめられており、このガス取入れ
孔18を通じて、被測定ガスが平坦空間54内に導かれ
るようになっているところから、該平坦空間54は、実
質的に円環状を呈することとなる。
By the way, between the first electrochemical pump cell 2 and the second electrochemical pump cell 6 (electrochemical sensor cell 8) as described above, an insulating layer 48 having electrical insulation properties such as alumina is provided. Holes 50 are formed in the insulating layer 48 and the flat space forming layer 4 at positions corresponding to the second electrode 16 and the measuring electrode 40, which are interposed together with the flat space forming layer 4 made of ceramics, as shown in FIG. As shown,
A thin circular flat space 54 is formed between the two pump cells 2.6. A gas intake hole 18 penetrating through the first pump cell 2 is communicated approximately at the center of this flat space 54, so that the gas to be measured is guided into the flat space 54 through this gas intake hole 18. , the flat space 54 has a substantially annular shape.

この平坦空間54に対しては、第3図から明らかなよう
に、第一のポンプセル2の第二の電極16と、第二のポ
ンプセル6の第三の電極28及びその周囲に設けられた
センサセル8の円環状の測定電極40とが、それぞれ露
呈せしめられ、該平坦空間54内の雰囲気に接触せしめ
られるようになっている。
As is clear from FIG. 3, for this flat space 54, the second electrode 16 of the first pump cell 2, the third electrode 28 of the second pump cell 6, and the sensor cell provided around it Eight annular measurement electrodes 40 are exposed and brought into contact with the atmosphere within the flat space 54.

なお、かかる平坦空間54の厚さは、絶縁層48と平坦
空間形成層4の合計厚さによって規制され、一般に所望
のガス拡散抵抗を有するように、1〜100μ程度の厚
さとされることとなる。
The thickness of the flat space 54 is regulated by the total thickness of the insulating layer 48 and the flat space forming layer 4, and is generally set to a thickness of about 1 to 100 μ so as to have a desired gas diffusion resistance. Become.

また、第二のポンプセル6及びセンサセル8の固体電解
質を構成するセル基板26の、第四の電極30及び基準
電極42が設けられた側には、更に、長手方向にスリッ
ト56を形成したスペーサ部材58及び平板状の蓋部材
60が順次、積層せしめられて、基準ガス通路形成層1
0が構成されている。換言すれば、セル基板26に対し
て、適当なセラミックス材料からなるスペーサ部材58
及び蓋部材60が積層せしめられて、該スペーサ部材5
8のスリット56部分が、それらセル基板26と蓋部材
60にて上下方向から覆蓋せしめられることによって、
第3図に示される如き基準ガス通路62が形成されるの
である。また、この基準ガス通路62は、センサセル2
6の一端側において開口し、そして例えば大気に連通せ
しめられて、基準ガスとしての空気が、かかる基準ガス
通路62内に導き入れられるようになっている。また、
このような基準ガス通路62に対して、第二のポンプセ
ル6の第四の電極30及びセンサセル8の基準電極42
がそれぞれ露呈せしめられ、所定の基準酸素濃度の基準
ガスに接触せしめられるようになっている。
Further, on the side where the fourth electrode 30 and the reference electrode 42 are provided on the cell substrate 26 constituting the solid electrolyte of the second pump cell 6 and the sensor cell 8, a spacer member is further formed with a slit 56 in the longitudinal direction. 58 and a flat plate-like lid member 60 are sequentially laminated to form the reference gas passage forming layer 1.
0 is configured. In other words, the spacer member 58 made of a suitable ceramic material is attached to the cell substrate 26.
and the lid member 60 are laminated to form the spacer member 5.
By covering the slit 56 portion of No. 8 from above and below with the cell substrate 26 and the lid member 60,
A reference gas passage 62 as shown in FIG. 3 is thus formed. Further, this reference gas passage 62 is connected to the sensor cell 2
6 is open at one end side and communicated with, for example, the atmosphere, so that air as a reference gas is introduced into the reference gas passage 62. Also,
For such a reference gas passage 62, the fourth electrode 30 of the second pump cell 6 and the reference electrode 42 of the sensor cell 8
are exposed and brought into contact with a reference gas having a predetermined reference oxygen concentration.

従って、このような構造の空燃比検出素子(装置)にあ
っては、第一のポンプセル2に対して直流電源24から
一定電流を供給して、第一の電極14と第二の電極16
との間に電流を流すことにより、その電流の方向に従っ
て酸素が移動せしめられ、以て平坦空間54内の雰囲気
中の酸素濃度が、被測定ガスたる燃焼排ガスのA/F値
の如何に拘わらず、一定量だけ増減せしめられることと
なる。
Therefore, in the air-fuel ratio detection element (device) having such a structure, a constant current is supplied from the DC power supply 24 to the first pump cell 2, and the first electrode 14 and the second electrode 16 are
By passing a current between them, oxygen is moved according to the direction of the current, so that the oxygen concentration in the atmosphere in the flat space 54 is maintained regardless of the A/F value of the combustion exhaust gas, which is the gas to be measured. Instead, it will be increased or decreased by a certain amount.

例えば、第一のポンプセル2において、第二の電極16
から第一の電極14側に一定の直流電流を流して、セル
基板12を通じて、酸素を外部空間から平坦空間54内
に汲み入れるようにすれば、かかる平坦空間54内の酸
素濃度は、被測定ガスがリーンの雰囲気であれば、ガス
取入れ孔18を通じて外部の被測定ガス存在空間から拡
散によって導き入れられる酸素と、該第一のポンプセル
によって汲み入れられる酸素とを加えることによって決
定される。
For example, in the first pump cell 2, the second electrode 16
By passing a constant DC current to the first electrode 14 side and pumping oxygen from the external space into the flat space 54 through the cell substrate 12, the oxygen concentration in the flat space 54 will be If the gas is in a lean atmosphere, it is determined by adding oxygen introduced by diffusion from the external measurement gas existing space through the gas intake hole 18 and oxygen pumped in by the first pump cell.

そして、そのような状態において、第二のポンプセル6
の第三の電極28と第四の電極30との間に制御器36
から電流を流して、平坦空間54内の雰囲気中の酸素を
、該平坦空間54から基準ガス通路62内に汲み出す一
方、センサセル8の測定電極40と基準電極42とによ
り、かかる平坦空間74及び基準ガス通路62内の雰囲
気中の酸素濃度差に基づいて発生せしめられる起電力を
外部に取り出し、制御器36に入力せしめて、かかるセ
ンサセル8の出力信号としての起電力が所定の値となる
ように、制御器36にて、第二のポンプセル6に流れる
電流がフィードバック制御され、その際のポンプ電流値
(Ip)が電流計38にて検出されるのである。
In such a state, the second pump cell 6
A controller 36 between the third electrode 28 and the fourth electrode 30 of
The oxygen in the atmosphere in the flat space 54 is pumped out from the flat space 54 into the reference gas passage 62 by passing a current through the flat space 54, while the measuring electrode 40 and the reference electrode 42 of the sensor cell 8 The electromotive force generated based on the difference in oxygen concentration in the atmosphere within the reference gas passage 62 is extracted to the outside and inputted to the controller 36 so that the electromotive force as the output signal of the sensor cell 8 becomes a predetermined value. Then, the current flowing through the second pump cell 6 is feedback-controlled by the controller 36, and the pump current value (Ip) at that time is detected by the ammeter 38.

しかして、このような被測定ガスの空燃比の測定にあっ
ては、上述のように、平坦空間54内には、第一のポン
プセル2にて常に一定量の酸素が導入されているところ
から、被測定ガスが理論空燃比の状態(A/F値=14
.6)の中性雰囲気にあっても、平坦空間54内の雰囲
気は、見かけ上被測定ガスがリーン雰囲気に対応した状
態の雰囲気として構成されることとなり、このために、
第1図に示されるように、A/F値<14.6の被測定
ガス、換言すればλ=1より小さいリッチ領域において
も、第二のポンプセル6における電極28.30間に流
される電流の方向が、リーン雰囲気の場合と同様な方向
となり、従来の如くλ=1のポイントにおいて、ポンプ
電流(Ip)の極性を反転せしめる必要は全くないので
ある。それ故、被測定ガスの空燃比の測定において、リ
ッチ領域からリーン領域に至る範囲を第二のポンプセル
6におけるポンプ電流の極性を反転させることなく、そ
の検出が可能となるのである。
However, in measuring the air-fuel ratio of the gas to be measured, as mentioned above, a certain amount of oxygen is always introduced into the flat space 54 by the first pump cell 2. , when the measured gas is at the stoichiometric air-fuel ratio (A/F value = 14
.. 6) Even in a neutral atmosphere, the atmosphere in the flat space 54 is configured as an atmosphere in which the measured gas apparently corresponds to a lean atmosphere.
As shown in FIG. 1, even in a gas to be measured with an A/F value < 14.6, in other words, in a rich region smaller than λ=1, the current flowing between the electrodes 28 and 30 in the second pump cell 6 The direction of is the same as in the case of a lean atmosphere, and there is no need to reverse the polarity of the pump current (Ip) at the point of λ=1 as in the conventional case. Therefore, in measuring the air-fuel ratio of the gas to be measured, it is possible to detect the range from the rich region to the lean region without reversing the polarity of the pump current in the second pump cell 6.

なお、上記説明では、リーン領域からリッチ領域の所定
の領域に至る迄の空燃比を測定する場合について挙げた
が、これとは逆に、リッチ領域から所定のリーン領域に
至る迄の空燃比を有する燃焼排ガスを被測定ガスとする
場合にあっても、前記第一のポンプセル2の電極14.
16間に流される電流の方向を、第一の電極14から第
二の電極16に向かう方向とすることにより、上記と同
様に本発明を適用して、極性を反転することなく、一つ
の方向のポンプ電流にて、A/F値を求めることが可能
である。
In the above explanation, the air-fuel ratio from the lean region to a predetermined rich region is measured, but conversely, the air-fuel ratio from the rich region to a predetermined lean region is measured. Even in the case where the gas to be measured is combustion exhaust gas having the following characteristics, the electrode 14.
By setting the direction of the current flowing between the electrodes 16 in the direction from the first electrode 14 to the second electrode 16, the present invention can be applied in the same manner as described above to flow in one direction without reversing the polarity. It is possible to determine the A/F value at a pump current of .

なお、本発明に従う空燃比検出素子は、以上の構造に限
定されるものでは決してなく、その他の構造のものにも
有効に適用され得るものであり、例えば、第4図乃至第
13図に示されるような構造であってもよいのである。
The air-fuel ratio detection element according to the present invention is by no means limited to the structure described above, and can be effectively applied to other structures, such as those shown in FIGS. 4 to 13. It is also possible to have a structure that allows

先ず、それら本発明に従う空燃比検出素子の実施例にお
いて、第4図及び第5図に示される空燃比検出素子は、
それぞれ前記実施例における素子構造乃至は配置形態に
おいて全く同様なものであるが、前記実施例とは、外部
の一定電流電源や、センサセルの起電力信号が所定の値
となるようにフィードバック制御する制御電源回路にお
いて異なっている。特に、第4図の素子にあっては、前
例に対して第一の電気化学的ポンプセル2と第二の電気
化学的ポンプセル6の配置が入れ換わっており、該第二
のポンプセル2と電気化学的センサセル8とが共通のセ
ル基板12を用いて構成されているところに、大きな特
徴を有している。
First, in the embodiments of the air-fuel ratio detecting element according to the present invention, the air-fuel ratio detecting element shown in FIGS. 4 and 5 is as follows:
The element structure and arrangement form of each of the above embodiments are completely the same, but the above embodiments are different from the above embodiments in that they use an external constant current power supply and feedback control so that the electromotive force signal of the sensor cell becomes a predetermined value. The difference is in the power supply circuit. In particular, in the device shown in FIG. A major feature is that the target sensor cell 8 is constructed using a common cell substrate 12.

すなわち、第4図の例にあっては、第二の電気化学的ポ
ンプセル6、平坦空間形成層4、第一の電気化学的ポン
プセル2(電気化学的センサセル8)及び基準ガス通路
形成層10が順次に積層されて、一体的な構造とされて
いるのである。
That is, in the example of FIG. 4, the second electrochemical pump cell 6, the flat space forming layer 4, the first electrochemical pump cell 2 (electrochemical sensor cell 8), and the reference gas passage forming layer 10 are They are stacked one after the other to form an integrated structure.

そして、センサセル8とセル基板12を共通にする第一
のポンプセル2の第二の電極16に対して、そのリード
部22を介して、一定の電流を流す直流電源24が接続
せしめられ、これによって基準ガス通路62に露呈せし
められる第一の電極14の側から第二の電極16の側に
、セル基板12を通じて酸素が移動せしめられるように
なっている。また、センサセル8の起電力は、基準電極
42から、そのリード部46を通じて作動アンプ64に
人力され、該作動アンプ64にて比較電源66からの所
定の入力値と比較され、以て制御された電流が、第二の
ポンプセル6の第四の電極30に対して、そのリード部
32を介して供給され、該第三の電極28と第四の電極
30との間に通電せしめることによって、かかる第二の
ポンプセル6に所定のポンプ作動を行わしめるようにな
っている。そして、かかる第二のポンプセル6に対する
ポンプ電流(Ip)が、抵抗68の前後における電位差
を測定するための電位差計70によって、求められるよ
うになっているのである。
Then, a DC power supply 24 that flows a constant current is connected to the second electrode 16 of the first pump cell 2, which shares the sensor cell 8 and the cell substrate 12, through its lead portion 22. Oxygen is caused to move through the cell substrate 12 from the side of the first electrode 14 exposed to the reference gas passage 62 to the side of the second electrode 16. Further, the electromotive force of the sensor cell 8 is inputted from the reference electrode 42 through its lead part 46 to the operating amplifier 64, and is compared with a predetermined input value from the comparison power source 66 in the operating amplifier 64, thereby controlling the electromotive force. An electric current is supplied to the fourth electrode 30 of the second pump cell 6 through its lead 32 to cause current to flow between the third electrode 28 and the fourth electrode 30. The second pump cell 6 is configured to perform a predetermined pump operation. The pump current (Ip) for the second pump cell 6 is determined by a potentiometer 70 for measuring the potential difference across the resistor 68.

なお、第5図の空燃比検出素子にあっては、第2図の如
き素子形態において、第4図の如き外部電源回路を形成
せしめた構造とされている。すなわち、第一のポンプセ
ル2の第二の電極16に対して、一定の電流を流す直流
電源24が接続される一方、センサセル8の基準電極4
2から出力される起電力が作動アンプ64に入力され、
そして比較電源66との間の比較値に基づいて、第二の
ポンプセル6の第三の電極28と第四の電極30との間
に、所定の制御されたポンプ電流(Ip)が流されるよ
うになっており、そしてそのようなポンプ電流(1p)
が電位差計70にて求められるようになっているのであ
る。
The air-fuel ratio detecting element shown in FIG. 5 has a structure in which an external power supply circuit as shown in FIG. 4 is formed in the element form shown in FIG. 2. That is, the second electrode 16 of the first pump cell 2 is connected to a DC power supply 24 that supplies a constant current, while the reference electrode 4 of the sensor cell 8 is connected to the second electrode 16 of the first pump cell 2 .
The electromotive force output from 2 is input to the operating amplifier 64,
Based on the comparison value with the comparison power source 66, a predetermined controlled pump current (Ip) is caused to flow between the third electrode 28 and the fourth electrode 30 of the second pump cell 6. and such a pump current (1p)
is determined by the potentiometer 70.

また、第6図及び第7図に示される本発明に係る他の空
燃比検出素子の例にあっては、第一の電気化学的ポンプ
セル2と電気化学的センサセル8とが共通とされている
。換言すれば、同一のセル基板12と同一の一対の電極
16.40及び14゜42とを用いて、それぞれのセル
が構成されているのである。また、本例の素子では、基
準ガス通路形成層10の外側に、所定のセラミックヒー
タ層74が一体的に積層、形成されているところにも、
特徴がある。このセラミックヒータ層74は、ヒータ7
6とそれを両側から挟む2枚のセラミックス層’1B、
’18にて構成されている。
Furthermore, in other examples of air-fuel ratio detection elements according to the present invention shown in FIGS. 6 and 7, the first electrochemical pump cell 2 and the electrochemical sensor cell 8 are common. . In other words, each cell is constructed using the same cell substrate 12 and the same pair of electrodes 16, 40 and 14.42. Furthermore, in the element of this example, a predetermined ceramic heater layer 74 is integrally laminated and formed on the outside of the reference gas passage forming layer 10.
It has characteristics. This ceramic heater layer 74
6 and two ceramic layers '1B sandwiching it from both sides,
It was constructed in '18.

なお、本例の素子においては、第二のポンプセル6の外
側に位置して被測定ガスに晒される第四の電極30を保
護するために、アルミナ、スピネル等の適当なセラミッ
クスからなる多孔質保護層80が積層、形成される一方
、絶縁層48が平坦空間形成層4を兼ねるものとされ、
そして形成された平坦空間54にそれぞれ露呈せしめら
れる、第二のポンプセル6の第三の電極28と第一のポ
ンプセル2(センサセル8)の第二の電極16(測定電
極40)とを保護するように、多孔質保護層82.84
がそれぞれ積層、形成されている。
In addition, in the element of this example, in order to protect the fourth electrode 30 located outside the second pump cell 6 and exposed to the gas to be measured, a porous protector made of a suitable ceramic such as alumina or spinel is used. While the layer 80 is laminated and formed, the insulating layer 48 also serves as the flat space forming layer 4,
Then, the third electrode 28 of the second pump cell 6 and the second electrode 16 (measuring electrode 40) of the first pump cell 2 (sensor cell 8), which are exposed in the formed flat space 54, are protected. , a porous protective layer 82.84
are laminated and formed.

そして、このような空燃比検出素子にあっては、第一の
ポンプセル2の二つの電114.16間に直流電源24
から一定電流が流される一方、該第一のポンプセル2を
兼ねるセンサセル8の測定電極40と基準電極42との
間において、平坦空間54内の酸素分圧に応じた起電力
が出力され、その出力が制御器36に導かれ、そしてそ
のような起電力信号に基づいて、第二のポンプセル6の
ポンプ電流(Ip)が制御されることとなるのである。
In such an air-fuel ratio detection element, a DC power source 24 is connected between the two electric currents 114 and 16 of the first pump cell 2.
While a constant current is passed through the sensor cell 2, an electromotive force corresponding to the oxygen partial pressure in the flat space 54 is output between the measurement electrode 40 and the reference electrode 42 of the sensor cell 8, which also serves as the first pump cell 2. is guided to the controller 36, and the pump current (Ip) of the second pump cell 6 is controlled based on such an electromotive force signal.

なお、第8図には、かかる第6図及び第7図に示された
素子構造において、外部の一定電流電源及び第二のポン
プセル6の制御電源回路が、第4図若しくは第5図の例
の如く構成されているところに特徴がある。また、本例
にあっては、一定電流電源24として、マイナス電源が
用いられており、そして比較電源66もマイナス電源と
されている。
In addition, FIG. 8 shows that in the device structure shown in FIGS. 6 and 7, the external constant current power supply and the control power supply circuit for the second pump cell 6 are the same as those shown in FIG. 4 or 5. It is distinctive in that it is structured as follows. Further, in this example, a negative power source is used as the constant current power source 24, and the comparison power source 66 is also a negative power source.

また、第9図及び第10図に示される本発明に従う空燃
比検出素子の例にあっては、前記各側とは異なり、平坦
空間54が素子の先端部に開口せしめられて、直接に被
測定ガス存在空間に連通せしめらるようになっており、
そのような先端開口部を通じて導かれる被測定ガス中の
測定成分が、該平坦空間54の細隙(厚さ)によって規
制される拡散抵抗に従って、かかる平坦空間54の奥部
まで拡散せしめられ、そしてそこに位置せしめられてい
る平坦空間54の幅方向に細長なセンサセル8の測定電
極40に、接触せしめられるようになっている。また、
かかる平坦空間54に対して、第二のポンプセル6の第
三の電極28が露呈せしめられ、更に該電極28に対向
するように、該平坦空間54を挟んで、第一のポンプセ
ル2の第二の電極16が、該平坦空間54に露呈せしめ
られている。なお、本例における第一のポンプセル2は
、セル基板12と共に、基準ガス通路形成層lO(スペ
ーサ部材58及び蓋部材60)がそれぞれ所定の固体電
解質から構成されて、一つの酸素、イオン伝導性の固体
電解質として機能するようになっている。
In addition, in the example of the air-fuel ratio detection element according to the present invention shown in FIGS. 9 and 10, unlike the above-mentioned sides, the flat space 54 is opened at the tip of the element and is directly covered. It is designed to communicate with the space where the measurement gas exists,
The component to be measured in the gas to be measured guided through such a tip opening is diffused deep into the flat space 54 according to the diffusion resistance regulated by the slit (thickness) of the flat space 54, and It is made to come into contact with the measurement electrode 40 of the sensor cell 8, which is elongated in the width direction of the flat space 54 located there. Also,
The third electrode 28 of the second pump cell 6 is exposed to the flat space 54, and the second electrode 28 of the first pump cell 2 is exposed across the flat space 54 so as to face the electrode 28. The electrode 16 is exposed in the flat space 54. In addition, in the first pump cell 2 in this example, together with the cell substrate 12, the reference gas passage forming layer 1O (spacer member 58 and lid member 60) is each composed of a predetermined solid electrolyte, and has one oxygen, ion conductivity. It is designed to function as a solid electrolyte.

なお、本例における平坦空間54は、第一のポンプセル
2 (センサセル8)と第二のポンプセル6の積層に際
して、それらの間にスペーサ部材としての平坦空間形成
層4が介在するように構成せしめられることによって形
成されることとなる。
The flat space 54 in this example is configured such that when the first pump cell 2 (sensor cell 8) and the second pump cell 6 are stacked, the flat space forming layer 4 as a spacer member is interposed between them. It is formed by this.

すなわち、平坦空間形成層4の一方の端部に開口する長
手方向の切欠き92が、上下のセル基板12.26にて
覆蓋されることによって、一方の端部側に開口する、所
定の拡散抵抗を有する細隙な平坦空間54が、形成され
るのである。
That is, by covering the longitudinal notch 92 that opens at one end of the flat space forming layer 4 with the upper and lower cell substrates 12.26, a predetermined diffusion pattern that opens at one end is formed. A narrow flat space 54 having resistance is formed.

更にまた、第11図及び第12図に示される本発明に従
う空燃比検出素子にあっては、前記第9図及び第10図
で示した実施例と比較して、以下の点に特徴がある。す
なわち、第11図及び第12図の各実施例にあっては、
第一の電気化学的ポンプセルを構成する第一の酸素イオ
ン伝導性固体電解質と、センサセルを構成する第三の酸
素イオン伝導性固体電解質とが各々分離されており、ま
た基準電極42の接する基準ガスを存在させるために設
ける基準ガス通路62に代わって、Ni−Ni0等から
なる基準酸素ガス形成層100が設けられている。この
ため、本実施例にあっては、空燃比素子が簡略化される
ことに加えて、第一の電気化学的ポンプセルを構成する
第一の酸素イオン伝導性固体電解質からなる蓋部材60
と、第二の電気化学的ポンプセルを構成する第二の酸素
イオン伝導性固体電解質からなるセル基板26と、セン
サ手段たる電気化学的センサセルを構成する第三の酸素
イオン伝導性固体電解質からなるセル基板12とが、そ
れぞれ独立した酸素イオン伝導性固体電解質とされてい
るため、第一もしくは第二の電気化学的ポンプセルから
センサセルに流れ込む漏れ電流を効果的に低減できると
いう利点がある。
Furthermore, the air-fuel ratio detection element according to the present invention shown in FIGS. 11 and 12 has the following features compared to the embodiment shown in FIGS. 9 and 10. . That is, in each of the embodiments shown in FIGS. 11 and 12,
The first oxygen ion conductive solid electrolyte constituting the first electrochemical pump cell and the third oxygen ion conductive solid electrolyte constituting the sensor cell are each separated, and the reference electrode 42 is in contact with a reference gas. A reference oxygen gas forming layer 100 made of Ni-Ni0 or the like is provided in place of the reference gas passage 62 provided to allow the presence of the oxygen gas. Therefore, in this embodiment, in addition to simplifying the air-fuel ratio element, the lid member 60 made of the first oxygen ion conductive solid electrolyte constituting the first electrochemical pump cell
, a cell substrate 26 made of a second oxygen ion conductive solid electrolyte constituting a second electrochemical pump cell, and a cell made of a third oxygen ion conductive solid electrolyte constituting an electrochemical sensor cell serving as a sensor means. Since the substrates 12 are independent oxygen ion conductive solid electrolytes, there is an advantage that leakage current flowing from the first or second electrochemical pump cell to the sensor cell can be effectively reduced.

更にまた、第13図には、拡散抵抗手段として多孔質セ
ラミックス体を用いた、本発明に従う空燃比検出素子の
一例が示されている。すなわち、本例における拡散抵抗
手段としての多孔質セラミックス体は、所定のガス拡散
抵抗を有する多孔質固体電解質からなるセル基板26に
て構成されており、このセル基板26を通じて、外部の
被測定ガス存在空間から拡散により導かれる測定成分は
、絶縁層90の切欠き92によって形成される、第一の
ポンプセル2と第二のポンプセル6との間の測定空所内
に4かれるようになっている。そして、この測定空所9
2内には、適当なセラミックスからなる多孔質体94が
埋め込まれており、この多孔質体94を介して、実質的
に同一の雰囲気が、第二のポンプセルの第三の電極28
と第一のポンプセル2(センサセル8)の第二の電極1
6(測定電極40)にそれぞれ接触せしめられるように
なっている。なお、本例においても、第6図の例と同様
に、同一のセル基板及び同一の電極から、第一のポンプ
セル2とセンサセル8が形成されている。
Furthermore, FIG. 13 shows an example of an air-fuel ratio detection element according to the present invention using a porous ceramic body as the diffusion resistance means. That is, the porous ceramic body as the diffusion resistance means in this example is composed of a cell substrate 26 made of a porous solid electrolyte having a predetermined gas diffusion resistance, and the external gas to be measured is passed through the cell substrate 26. The measurement component led by diffusion from the presence space is arranged in the measurement cavity between the first pump cell 2 and the second pump cell 6, which is formed by the cutout 92 in the insulating layer 90. And this measurement space 9
2, a porous body 94 made of a suitable ceramic is embedded, and substantially the same atmosphere is supplied to the third electrode 28 of the second pump cell through this porous body 94.
and the second electrode 1 of the first pump cell 2 (sensor cell 8)
6 (measuring electrodes 40). Note that in this example as well, the first pump cell 2 and the sensor cell 8 are formed from the same cell substrate and the same electrode, similar to the example shown in FIG.

なお、以上の実施例においては、拡散抵抗手段として、
所定のガス拡散抵抗を有する平坦空間54や多孔質セラ
ミックス体26が用いられているが、その他よく知られ
ているように、所定のガス拡散抵抗を有するピンホール
(細孔)を、第一のポンプ及び/又は第二のポンプセル
を貫通して設け、それらポンプセル間に形成される測定
空所内に連通せしめるようにした構造であっても、何等
差支えないのである。
In addition, in the above embodiment, as the diffusion resistance means,
A flat space 54 and a porous ceramic body 26 having a predetermined gas diffusion resistance are used, but as is well known, a pinhole (pore) having a predetermined gas diffusion resistance is inserted into the first Even if the structure is such that the pump and/or the second pump cell is provided through the pump and communicates with the measurement space formed between the pump cells, there is no problem.

以上、本発明の幾つかの実施例について説明してきたが
、本発明に従う空燃比検出素子は、そのような例示の具
体的構造のみに限定して解釈されるものでは決してなく
、本発明の趣旨を逸脱しない限りにおいて、当業者の知
識に基づいて、種々なる変形、修正、改良等を加えた形
態において実施され得るものであって、本発明は、その
ような実施形態のものをも含むものであること、言うま
でもないところである。
Although several embodiments of the present invention have been described above, the air-fuel ratio detection element according to the present invention should not be construed as being limited to only such illustrative specific structures, and the gist of the present invention Without departing from the above, the present invention may be implemented in forms with various modifications, modifications, improvements, etc. based on the knowledge of those skilled in the art, and the present invention also includes such embodiments. It goes without saying that this is true.

(発明の効果) 以上の説明から明らかなように、本発明に従う空燃比検
出素子は、二つの電気化学的ポンプセルを設け、その一
つに一定の電流を通電せしめることによって測定空所内
に導かれた被測定ガス中の測定成分の濃度を一定量だけ
変化せしめ、これにより、他の一つのポンプセルとセン
サ手段によって検出されるポンプ電流値(ip)が、リ
ッチ領域からリーン領域に至る範囲において、その極性
を反転させることなく、一つの方向の電流の流れにおい
て検出され得るようになし得たのであり、以て、リッチ
領域からリーン領域に至る範囲の被測定ガスの空燃比を
有利に検出することができ、また、ポンプセルの電源を
非常に簡単なものと為し得ることとなったのであって、
そこに本発明の大き−な工業的意義が存するものである
(Effects of the Invention) As is clear from the above description, the air-fuel ratio detection element according to the present invention is provided with two electrochemical pump cells, and is guided into the measurement cavity by passing a constant current through one of the cells. By changing the concentration of the component to be measured in the measured gas by a certain amount, the pump current value (ip) detected by the other pump cell and sensor means changes from the rich region to the lean region. The current flow can be detected in one direction without reversing its polarity, and the air-fuel ratio of the gas to be measured can be advantageously detected in the range from the rich region to the lean region. In addition, the power supply for the pump cell could be made very simple.
This is where the great industrial significance of the present invention lies.

【図面の簡単な説明】[Brief explanation of the drawing]

第1図は、本発明に係る空燃比検出素子と従来の素子に
ついて、λとポンプ電流値(Ip)との関係を示すグラ
フである。第2図は、本発明に係る空燃比検出素子の一
例の展開構造を示す斜視説明図であり、第3図は第2図
における■−■断面図である。また、第4図、第5図、
第6図、第8図、第9図、第11図及び第13図は、そ
れぞれ本発明に係る空燃比検出素子の異なる例を示す、
第2図に相当する図であり、第7図、第10図及び第1
2図はそれぞれ第6図、第9図及び第11図における■
−■断面、X−X断面及びxn−x■断面図を示す略図
である。 2:第一の電気化学的ポンプセル 4:平坦空間形成層 6:第二の電気化学的ポンプセル 8:電気化学的センサセル lO:基準ガス通路形成層 12:セル基板    14:第一の電極16:第二の
電極   18:ガス取入れ孔24:直流電源    
26:セル基板28:第三の電極   30:第四の電
極36:制御器     38:電流計 40:測定電極    42:基準電極48:絶縁層 
    54:平坦空間58ニスペ一サ部材  60:
蓋部材 62:基準ガス通路  64:作動アンプ66:比較電
源    70:電位差計74:セシミソクヒータ層 76:ヒータ 78:セラミックス層 98:直流電源 100:基準酸素ガス形成層
FIG. 1 is a graph showing the relationship between λ and pump current value (Ip) for the air-fuel ratio detection element according to the present invention and a conventional element. FIG. 2 is a perspective explanatory view showing an expanded structure of an example of the air-fuel ratio detection element according to the present invention, and FIG. 3 is a cross-sectional view taken along the line ■-■ in FIG. Also, Figure 4, Figure 5,
FIG. 6, FIG. 8, FIG. 9, FIG. 11, and FIG. 13 each show different examples of the air-fuel ratio detection element according to the present invention.
This is a diagram corresponding to Figure 2, and is a diagram corresponding to Figure 7, Figure 10, and Figure 1.
Figure 2 shows ■ in Figures 6, 9, and 11, respectively.
It is a schematic diagram showing a -■ cross-section, an XX cross-section, and an xn-x■ cross-section. 2: First electrochemical pump cell 4: Flat space forming layer 6: Second electrochemical pump cell 8: Electrochemical sensor cell lO: Reference gas passage forming layer 12: Cell substrate 14: First electrode 16: First Second electrode 18: Gas intake hole 24: DC power supply
26: Cell substrate 28: Third electrode 30: Fourth electrode 36: Controller 38: Ammeter 40: Measuring electrode 42: Reference electrode 48: Insulating layer
54: Flat space 58 spacer member 60:
Lid member 62: Reference gas passage 64: Operating amplifier 66: Comparison power supply 70: Potentiometer 74: Semisor heater layer 76: Heater 78: Ceramic layer 98: DC power supply 100: Reference oxygen gas forming layer

Claims (12)

【特許請求の範囲】[Claims] (1)第一の酸素イオン伝導性固体電解質と該第一の酸
素イオン伝導性固体電解質に接して設けられた一対の電
極とを含み、且つそれら電極間に一定の電流が通電せし
められる第一の電気化学的ポンプセルと、 第二の酸素イオン伝導性固体電解質と該第二の酸素イオ
ン伝導性固体電解質に接して設けられた一対の電極とを
含む第二の電気化学的ポンプセルと、 該第一の電気化学的ポンプセルと該第二の電気化学的ポ
ンプセルの間にあって、被測定ガスが所定の拡散抵抗手
段を介して導かれ、該第一の電気化学的ポンプセルの一
方の電極と該第二の電気化学的ポンプセルの一方の電極
とが、それぞれ露呈せしめられる測定空所と、 該測定空所内の雰囲気中の酸素分圧に対応した信号を出
力し、その出力信号に従って前記第二の電気化学的ポン
プセルの作動が制御されるセンサ手段とを、 含むことを特徴とする空燃比検出素子。
(1) A first device comprising a first oxygen ion conductive solid electrolyte and a pair of electrodes provided in contact with the first oxygen ion conductive solid electrolyte, and a constant current is passed between the electrodes. a second electrochemical pump cell including a second oxygen ion conductive solid electrolyte and a pair of electrodes provided in contact with the second oxygen ion conductive solid electrolyte; between the first electrochemical pump cell and the second electrochemical pump cell, the gas to be measured is guided through a predetermined diffusion resistance means, and between one electrode of the first electrochemical pump cell and the second electrochemical pump cell; one electrode of the electrochemical pump cell outputs a signal corresponding to the exposed measurement cavity and the partial pressure of oxygen in the atmosphere in the measurement cavity, and according to the output signal, the second electrochemical pump cell An air-fuel ratio detection element comprising: sensor means for controlling the operation of a target pump cell.
(2)前記センサ手段が、第三の酸素イオン伝導性固体
電解質と、該第三の酸素イオン伝導性固体電解質に接し
て設けられた前記測定空所に露呈せしめられる測定電極
と、該第三の酸素イオン伝導性固体電解質に接して設け
られた基準酸素濃度の基準ガスに接触せしめられる基準
電極とから構成されている特許請求の範囲第1項記載の
空燃比検出素子。
(2) The sensor means includes a third oxygen ion conductive solid electrolyte, a measurement electrode exposed in the measurement space provided in contact with the third oxygen ion conductive solid electrolyte, and the third oxygen ion conductive solid electrolyte. 2. The air-fuel ratio detection element according to claim 1, comprising a reference electrode which is brought into contact with a reference gas having a reference oxygen concentration and which is provided in contact with an oxygen ion conductive solid electrolyte.
(3)前記第一の電気化学的ポンプセルの第一の酸素イ
オン伝導性固体電解質と前記センサ手段の第三の酸素イ
オン伝導性固体電解質とが、同一の酸素イオン伝導性固
体電解質にて構成されている特許請求の範囲第2項記載
の空燃比検出素子。
(3) The first oxygen ion conductive solid electrolyte of the first electrochemical pump cell and the third oxygen ion conductive solid electrolyte of the sensor means are composed of the same oxygen ion conductive solid electrolyte. An air-fuel ratio detection element according to claim 2.
(4)前記第二の電気化学的ポンプセルの第二の酸素イ
オン伝導性固体電解質と前記センサ手段の第三の酸素イ
オン伝導性固体電解質とが、同一の酸素イオン伝導性固
体電解質にて構成されている特許請求の範囲第2項記載
の空燃比検出素子。
(4) The second oxygen ion conductive solid electrolyte of the second electrochemical pump cell and the third oxygen ion conductive solid electrolyte of the sensor means are composed of the same oxygen ion conductive solid electrolyte. An air-fuel ratio detection element according to claim 2.
(5)前記第一の電気化学的ポンプセルと前記センサ手
段とが共通である特許請求の範囲第2項記載の空燃比検
出素子。
(5) The air-fuel ratio detection element according to claim 2, wherein the first electrochemical pump cell and the sensor means are common.
(6)前記第二の電気化学的ポンプセルと前記センサ手
段とが共通である特許請求の範囲第2項記載の空燃比検
出素子。
(6) The air-fuel ratio detection element according to claim 2, wherein the second electrochemical pump cell and the sensor means are common.
(7)前記拡散抵抗手段が細孔であり、該細孔を介して
、前記測定空所が被測定ガス存在空間に連通せしめられ
ている特許請求の範囲第1項乃至第6項の何れかに記載
の空燃比検出素子。
(7) Any one of claims 1 to 6, wherein the diffusion resistance means is a pore, and the measurement cavity is communicated with a space in which the gas to be measured exists through the pore. The air-fuel ratio detection element described in .
(8)前記測定空所が、前記拡散抵抗手段となる、所定
のガス拡散抵抗を有する細隙な平坦空間である特許請求
の範囲第1項乃至第6項の何れかに記載の空燃比検出素
子。
(8) Air-fuel ratio detection according to any one of claims 1 to 6, wherein the measurement space is a narrow flat space having a predetermined gas diffusion resistance and serving as the diffusion resistance means. element.
(9)前記平坦空間が、前記第一の電気化学的ポンプセ
ル及び/又は第二の電気化学的ポンプセルに貫設された
被測定ガス導入孔を通じて、被測定ガス存在空間に連通
せしめられている特許請求の範囲第8項記載の空燃比検
出素子。
(9) A patent in which the flat space is communicated with a space in which the gas to be measured exists through a gas to be measured inlet hole provided through the first electrochemical pump cell and/or the second electrochemical pump cell. The air-fuel ratio detection element according to claim 8.
(10)前記平坦空間が、被測定ガス存在空間に対して
開口し、直接に連通せしめられている特許請求の範囲第
8項記載の空燃比検出素子。
(10) The air-fuel ratio detection element according to claim 8, wherein the flat space is open to and directly communicates with the gas-existing space to be measured.
(11)前記拡散抵抗手段が、多孔質セラミックス体か
ら構成される特許請求の範囲第1項乃至第10項の何れ
かに記載の空燃比検出素子。
(11) The air-fuel ratio detection element according to any one of claims 1 to 10, wherein the diffusion resistance means is formed of a porous ceramic body.
(12)前記第一の電気化学的ポンプセル、前記第二の
電気化学的ポンプセル及び前記センサ手段の少なくとも
何れか一つに密着するようにセラミックヒータ層を設け
た特許請求の範囲第1項乃至第11項の何れかに記載の
空燃比検出素子。
(12) Claims 1 to 3, wherein a ceramic heater layer is provided in close contact with at least one of the first electrochemical pump cell, the second electrochemical pump cell, and the sensor means. The air-fuel ratio detection element according to any one of Item 11.
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CN115087863A (en) * 2020-02-17 2022-09-20 株式会社电装 Gas sensor element

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