JPS63279161A

JPS63279161A - 空燃比検出装置

Info

Publication number: JPS63279161A
Application number: JP62115531A
Authority: JP
Inventors: Takao Kojima; 孝夫小島; Hiroyuki Ishiguro; 石黒　宏之; Yoshihide Jin; 神　嘉秀
Original assignee: NGK Spark Plug Co Ltd
Current assignee: Niterra Co Ltd
Priority date: 1987-05-12
Filing date: 1987-05-12
Publication date: 1988-11-16
Anticipated expiration: 2009-05-11
Also published as: DE3816460C2; JPH0635954B2; US4863584A; DE3816460A1

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】［産業上の利用分野］本発明は、内燃機関等、各種燃焼機器の排気中の酸素）
農産に基づき燃焼機器に供給された燃料混合気の空燃比
を検出する空燃比検出装置に関する。

［従来の技術］従来より、排気中の酸素濃度から内燃機関等の燃焼機器
に供給された燃料混合気の空燃比を検出する空燃比セン
サとして、例えば特開昭５９−１７８３５４号公報に記
載の如く酸素イオン伝導性の固体電解質両面に多孔質電
極が形成された２個の検出素子を間隙を介して対向配設
してなる空燃比センサのように、各検出素子の一方の多
孔質電極を排気の拡散が制限されたガス拡散制限室に接
して配設することによって形成された空燃比センサが知
られている。

またこの種の空燃比センサには、一方の検出素子を酸素
濃淡電池素子、他方の検出素子を酸素ポンプ素子として
動作させ、酸素濃淡電池素子両端の電極に生ずる電圧が
一定となるよう酸素ポンプ素子に流れる電流を制御゛し
、その電流値がら空燃比を検出するよう構成された検出
回路、或は酸素ポンプ素子にガス拡散制限室内部の酸素
を周囲に汲み出す方向に一定の電流を流し、そのとき酸
素濃淡電池素子両端の電極に生ずる電圧がら空燃比を検
出するよう構成された検出回路が備えられ、これによっ
て空燃比を検出できるようにされている。

一方上記各検出素子を構成する酸素イオン伝導性固体電
解質は、温度が上昇するに従って酸素の易動度が増加し
、所定温度以上で酸素濃）炎電池素子或は酸素ポンプ素
子として使用できる程度の酸素易動度となり、酸素濃淡
電池素子両端の電極に生ずる電圧、或は酸素ポンプ素子
に流れる電流は、周囲の温度変化によって変動する。こ
のため上記のような空燃比センサには、検出素子の活性
化及び温度補償を目的として、通常、発熱抵抗体等によ
り形成されたヒータが設けられ、検出回路側からヒータ
に電圧を印加して検出素子を加熱するようにされている
。

［発明が解決しようとする問題点コ以上のように構成された空燃比検出装置では、周囲温度
が変化してもヒータによって検出素子の温度変化を緩和
でき、空燃比を安定して検出できるようになるのである
が、ヒータへの印加電圧が変動してヒータの発熱量が変
化した場合、これに伴い検出素子の温度も変化し、空燃
比を安定して検出することができないといった問題があ
った。

このため従来ではヒータへの印加電圧を正確に制御しな
けれはならず、ヒータ印加電圧制御用の電気回路を特別
に設けなければならないといった問題があった。

そこで本発明は、ヒータへの印加電圧が変動しても空燃
比を精度よく検出できる空燃比検出装置を提供すること
を目的としてなされた。

［問題点を解決するための手段］即ち上記目的°を達するためになされた本発明は、酸素
イオン伝導性の固体電解質両面に一対の多孔質電極を積
層してなる２個の検出素子、該各検出素子の一方の多孔
質電極と接して形成され、排気の拡散が制限されたガス
拡散制限室、及び上記検出素子を加熱するヒータ、を有
する空燃比センサと、上記ヒータに電圧を印加して上記各検出素子を加熱させ
る電圧印加手段と、上記２個の検出素子のうち、一方の検出素子を酸素濃淡
電池素子、他方の検出素子を酸素ポンプ素子、として動
作させ、排気中の酸素濃度に応じた空燃比信号を出力す
る空燃比信号出力手段と、を備えた空燃比検出装置にお
いて、上記酸素濃淡電池素子に所定の電圧を印加し、周囲の排
気中からガス拡散制限室内に酸素を汲み込む方向に電流
を流す電流供給手段、を設けてなることを特撮とする空燃比検出装置を要旨と
している。

ここで検出素子に使用される酸素イオン伝導性固体電解
質としては、ジルコニアとイツトリアあるいはカルシア
との固溶体が代表的なものであり、その他、二酸化セリ
ウム、二酸化トリウム、二酸化ハフニウムの各固溶体、
ベロアスカイト型酸化物固溶体、３価金属酸化物固溶体
等も使用可能である。

またその固体電解質両面に設けられる多孔質電極は、Ｐ
ｔ、Ｒｕ、Ｐｄ、Ｒｈ、Ｉ　ｒ、Ａｇ、ＡＵ等の耐熱性
に優れる金属を、フレーム溶射、化学メッキ、蒸着ある
いは上記金属のペーストをプリント印刷焼結する等の方
法により、形成すれはよい。

このように形成された２個の検出素子は、夫々、一方の
多孔質電極が排気の拡散が制限されたガス拡散制限室に
接して設けられる。ガス拡散制限室は、周囲の測定ガス
を拡散制限的に導入する部屋のことであって、従来技術
の項で述べた空燃比センサのように、各検出素子を単に
間隙を介して対向配設することによって形成することが
できる。

またこの他にも例えは、２個の検出素子の間に、アルミ
ナ、スピネル、フォルステライト、ステアタイト、ジル
コニア等からなる中空のスペーサを挟み、ガス拡散制限
部としてこのスペーサの一部に外部とガス拡散制限室と
を連通させる孔を設けることによっても形成できる。

次にヒータは上記２個の検出素子を加熱し、上記各検出
素子を酸素）農法電池素子或は酸素ポンプ素子として使
用できる状態に活性化するためのものであって、例えば
、電気絶縁性無機質板状体の一面に帯状発熱体をプリン
ト印刷によって形成したものを用いればよい。尚、電気
絶縁性無機質板状体材料としては、例えば、アルミナ、
スピネル、フォルステライト、ステアタイト、ジルコニ
ア等を用いることができ、発熱体材料としては、例えは
、白金、金等の耐熱金属を用いることができる。

［作用コ以上のように構成された本発明の空燃比検出装置では、
空燃比信号出力手段が、上記２個の検出素子のうち一方
の検出素子を酸素濃淡電池素子、他方の検出素子を酸素
ポンプ素子として動作させ、排気中の酸素濃度に応じた
空燃比信号を出力する。

ここでまず酸素濃淡電池素子として用いられる検出素子
は、酸素イオン伝導性固体電解質の、適当な温度条件（
例えば固体電解質がジルコニアの場合４００℃以上）に
おいて、固体電解質表面の酸素ガス分圧の高いところか
ら、酸素ガス分圧の低いところへと固体電解質中を酸素
イオンが移動し、各電極間の酸素ガス分圧の比を電圧と
して取り出すことができる性質を利用して動作されるも
のであって、本発明では酸素濃淡電池素子両端の電極に
、周囲雰囲気（■ｌち排気中）の酸素ガス分圧とガス拡
散制限室内部の酸素ガス分圧との比に応じた電圧が発生
し、この電圧が空燃比信号出力手段に取り込まれる。

また酸素ポンプ素子として用いられる検出素子は、酸素
イオン伝導性固体電解質の、電圧を印加することにより
固体電解質中を酸素イオンが移動し、その移動量を電流
値として検出できる性質を利用して動作されるものであ
って、例えば空燃比信号出力手段によって、ガス拡散制
限室側の電極を負として電圧が印加されればガス拡散制
限室内の酸素を周囲に汲み出すように動作し、ガス拡散
制限室側の電極を正として電圧が印加されれば周囲の酸
素をガス拡散制限室内に汲み込むように動作する。

そしてこのように上記２個の検出素子を、夫々、酸素濃
淡電池素子及び酸素ポンプ素子として動作させる空燃比
信号出力手段としては、従来技術の項で述べたように、
酸素濃淡電池素子両端の電極に生ずる電圧が一定となる
よう酸素ポンプ素子に流れる電流を制御し、その電流値
がら空燃比を検出するよう構成するとか、或は酸素ポン
プ素子にガス拡散制限室内部の酸素を周囲に汲み出す方
向に一定の電流を流し、そのとき酸素濃淡電池素子両端
の電極に生ずる電圧がら空燃比を検出するよう構成する
ことによって実現できる。

尚空燃比センサとして近年では、酸素濃淡電池素子とし
て用いる検出素子のガス拡散制限室とは接しない多孔質
電極側に大気が導入される大気導入室を形成することで
、空燃比をリーンからリッチの全領域で検出できるよう
に構成されたものも考えられているが、この種の空燃比
センサにも本発明を適用できる。この場合、上記空燃比
信号出力手段としては、酸素濃淡電池素子両端の電極に
生ずる電圧が一定となるよう、即ちガス拡散制限室中の
酸素分圧が一定となるよう、酸素ポンプ素子に流れる電
流を双方向に制御し、その電流値を空燃比信号として出
力するよう構成すればよい。

次に電流供給手段は、上記空燃比信号出力手段によって
酸素濃淡電池素子として動作される検出素子に、周囲の
酸素をガス拡散制限室内に汲み込む方向に電流を供給し
、酸素濃淡電池素子を酸素ポンプ素子としても動作させ
る。これは以下に説明するように、ヒータへの印加電圧
が変動しても酸素濃淡電池素子に生ずる電圧と酸素ポン
プ素子に流れる電流とにより空燃比を安定して検出でき
るようにするためのものである。

まず上記空燃比センサを例えば第５図に示すように、板
状に形成された２個の検出素子Ｓ１及びＳ２をガス拡散
制限室としての間隙Ｋを介して対向配設すると共に、そ
の両側に各検出素子Ｓ１゜Ｓ２を加熱するヒータＨ１及
びＨ２を設け）ことによって形成し、ヒータＨ１及びＨ
２への印加電圧（以下、ヒータ電圧という。）ＶｈをＶ
ｈｌ、　Ｖｈ２．　Ｖｈ３　（但しＶ　ｈｌ＜　Ｖ　ｈ
２＜　Ｖ　ｈ３）と変化させた場合、酸素濃淡電池素子
としての検出素子Ｓ１に生ずる電圧Ｖｓと酸素ポンプ素
子としての検出素子Ｓ２に流れる電流（以下、ポンプ電
流という。）Ｉｐとの関係は、第６図に示す如く、ポン
プ電流Ｉｐ＝０のとき電圧Ｖｓ＝０となり、ポンプ電流
Ｉｐを増加させるに従い、ヒータ電圧ｖｈが低いほど電
圧Ｖｓが大きな傾きで増加する。

ごれはヒータ電圧ｖｈが小さくヒータＨ１及びＨ２の発
熱量が少なくなると、これに伴いガス拡散制限室の温度
が低くなって、ガス拡散制限室への酸素の移動量が減少
するためである。つまり本発明のように気相拡散により
ガスの拡散が制限されたガス拡散制限室では、低温程酸
素の移動量が減少するので、検出素子Ｓ２のポンプ電流
Ｉｐが一定で、間隙に内の酸素が一定量外部に汲み出さ
れても、間隙に内に拡散導入される酸素が少なくなり、
間隙に内の酸素分圧が減少し、検出素子Ｓ１に生ずる起
電力Ｖｓが高くなってしまうからである。

そこで次に第５図に磁線で示す如く、酸素）層液電池素
子としての検出素子Ｓ１に抵抗Ｒを介して電圧Ｖｄを印
加し、検出素子Ｓ１に周囲の酸素を間隙に内に汲み込む
方向に一定電流Ｉｏを流すと、上記電圧Ｖｓとポンプ電
？＝　Ｉ　ｐとの関係は、第７図に示す如く、ポンプ電
？ＲＩ　Ｉ）　＝　Ｏのときヒータ電圧ｖｈが小さいほ
ど大きな電圧Ｖｓが発生し、第６図の如く各ヒータ電圧
ｖｈ毎での曲率が異なる為に、ポンプ電流１ｐを増加さ
せるに従い電圧Ｖｓが近付き、ある特定の電圧値ｖｓｏ
で一定の電流値Ｉｐｏとなる。

つまり検出素子Ｓ１の温度が低い程素子の内部抵抗ｒが
大きくなるので、上記のように検出素子Ｓ１に一定電流
ＩＯを流せは、Ｉｐ＝０のときの電圧Ｖｓがヒータ電圧
ｖｈに応じて異なる値（Ｖｓ＝Ｉｏ◆ｒ）となり、上記
第６図に示したＶｓ−Ｉｐの温度特性（即ち傾き）の違
いから、ポンプ電流値Ｉｐと電圧値Ｖｓとが１対１で対
応する点Ｐが得られるようになるのである。

このため上記電流供給手段によって酸素濃淡電池素子に
所定の電圧を印加して周囲の酸素をガス拡散制限室に汲
み込む方向に電流を流せば、ヒータ電圧ｖｈが変動して
も安定した電圧ＶＳが得られるポンプ電流値Ｉｐｏ、或
はヒータ電圧ｖｈが変動しても安定したポンプ電流■ｐ
が得られる電圧ｆａＶｓｏ、が得られるようになり、上
記空燃比信号出力手段を、酸素濃淡電池素子に生ずる電
圧がＶｓｏとなるよう酸素ポンプ素子に流れるポンプ電
流Ｉｐを制御し、その電流値Ｉｐがら空燃比を検出する
よう構成するか、或は酸素ポンプ素子にポンプ電流Ｉｐ
ｏを流し、そのとき酸素濃淡電池素子に生ずる電圧Ｖｓ
がら空燃比を検出するよう構成すれは、ヒータ電圧ｖｈ
が変動しても空燃比を精度良く検出することができるよ
うになる。

尚上記酸素濃淡電池素子への電流供給は、定電流源を用
いるとか、上記のように電圧Ｖｄを定電圧とし、抵抗Ｒ
を電流が素子抵抗に影響されない程度の大きな抵抗値に
設定することで実現でき、これによって理論上ＶｓとＩ
ｐとがもっとも安定する点が得られるようになるのであ
るが、この場合ヒータ電圧ｖｈの変動に伴う温度変化に
よって電極等の抵抗値も変化し、必ずしもＶｓとＩｐと
が一点で交差するとは限らないので、電流源から供給す
る電流値、或は印加電圧を、ヒータ電圧Ｖｈに応じて変
化させることが望ましい。しかしこのように構成するに
は、定電流回路や定電圧回路、或はヒータ電圧ｖｈに応
じて電流或は印加電圧を制御する制御回路が必要となる
ので、実用上、ヒータ電圧ｖｈを抵抗Ｒを介してそのま
ま酸素濃淡電池素子に印加するように構成して回路構成
を簡素化してもよい。

また従来この種の空燃比検出装置では、周囲雰囲気の圧
力変化に伴い空燃比の検出結果が変化するが、上記のよ
うに構成することでその変動を抑えることもできる。こ
れは気圧の変動によって検出結果が変化するのが、気圧
の変動によってガス拡散制限室への酸素の導入量が変化
する（気圧が低くなるほどガス拡散制限室への酸素の拡
散導入量が少なくなる）ことに起因しているからである
。

［実施例コ以下、本発明の実施例を図面に基づき説明する。

尚本発明は以下に説明する実施例に限定されるものでは
なく、その要旨を逸脱しない範囲の種々の態様のものが
含まれる。また各図の縮尺は説明上界なる場合がある。

まず第２図乃至第４図は本実施例に使用される空燃比セ
ンサの構成を表し、第２図はその平面図、第３図はその
分解斜視図、第４図はその断面図を夫々表している。

第３図及び第４図に示すように、空燃比センサ１は、後
述の検出回路によって酸素ポンプ素子として動作され、
酸素イオン伝導性固体電解質を用いて板状に形成された
検出素子（以下、酸素ポンプ素子という。）１０と、同
じく後述の検出回路によって酸素濃淡電池素子として動
作され、酸素イオン伝導性固体電解質を用いて板状に形
成された検出素子（以下酸素濃淡電池素子という。）２
０と、板状に形成された２個のヒータ３０及び４０と、
から構成される。酸素ポンプ素子１０と酸素濃淡電池素
子２０とは空隙５０を介して対向配設され、本実施例で
はこの空隙５０によりガス拡散制限室が形成されている
。また２個のヒータ３０及び４０は、夫々、酸素ポンプ
素子１０及び酸素濃淡電池素子２０の対向面とは反対側
に空隙５２及び５４を介して設けられている。

酸素ポンプ素子１０及び酸素濃淡電池素子２０の主体は
、厚さ０．７ｍｍＸ巾４　ｍｍ　Ｘ長さ３５ｍｍの酸素
イオン導電性固体電解質焼結板状体１０ａ、２０ａであ
る。各検出素子１０及び２０の先側には、夫々、その表
裏面の相対する位置でかつ先側の三方の端縁から少し控
えた位置に耐熱金属層よりなる電極１０ｂ、１０ｃ或は
２０ｂ、２０ｃが方形状に設けられている。そして各検
出素子１０及び２０では、夫々、一方の方形電極１０ｂ
、２０ｂの元側方向の二つの角の内の一つより、耐熱金
属層よりなる引出し線１０ｄ、２０ｄが、板状体１０ａ
、２０ａの元側へまっすぐに伸びる帯形状に設けられ、
同様に他方の方形電極１０ｃ、２０ｃの元側方向の二つ
の角の内、電極１０ｃ、２０ｃと反対側の角より引出し
線１０ｅ、２０ｅが板状体１０ａ、２０ａの元側へまっ
すぐに伸びる帯形状に設けられている。引出し線１０ｅ
及び２０ｅは、夫々、元側で板状体１０ａ、２０ａの表
裏を貫通しているスルーホール１０ｆ、２Ｏｆを通じて
、その反対面の取り出し部１０ｇ、２０ｇに電気的に接
続されている。また引出しｖＡｌ　０　ｄ及び２０ｄは
、夫々、元側で取り出し部１０ｈ５２０ｈを形成し、そ
の結果、同一面に二つの電極１０ｂ及び１０ｃ、２０ｂ
及び２０ｃの取り出し部１０ｇ及び１０ｈ、２０ｇ及び
２０ｈが配設されることになる。

次にヒータ３０及び４０の主体は、厚さ０．８ｍｍＸ巾
４　ｍｍ　Ｘ長さ３０ｍｍの電気絶縁性焼結板状体３０
ａ、４０ａである。このヒータ３０及び４０の一方の面
の先側には、夫々耐熱金属層よりなる抵抗発熱体３０ｂ
、４０ｂが波形状に設けられている。また抵抗発熱体３
０ｂ及び４０ｂの二つの端部のからは、夫々、耐熱金属
層よりなる引出し線３０ｃ及び３０ｄＳ　４０ｃ及び４
０ｄが、板状体３０ａ、４０ａの元側へまっすぐに伸び
る帯形状に設けられている。引出し％？３０ｃ及び３０
ｄ、４０ｃ及び４０ｄは、夫々、元側で板状体３０ａ、
４０ａの表裏を貫通しているスルーホール３０ｅ及び３
０ｆ、４０ｅ及び４Ｏｆを通じて、その反対面の取り出
し部３０ｇ及び３０ｈ、４０ｇ及び４０ｈに電気的に接
続されている。

抵抗発熱体３０ｂは、第２図に示すように、第１加熱部
３０ｂ１と２つの第２加熱部３０ｂ２．３０ｂ３とから
なる。

ここで、第１加熱部３０ｂｌは幅０．３０ｍｍであり、
第２加熱部３０ｂ２，３０ｂ３は幅０．３５ｍｍであり
、引出し線３０ｃ、３０ｄは幅１．２０ｍｍである。単
位長さ当りの抵抗はそのパターンの幅が狭いほど大きく
、又、単位長さ当りの抵抗が高いほど発熱量は大きくな
る。従って、この発熱体３０ｂに通電すると、最も幅の
狭い第１加熱部３０ｂｌに加熱される酸素ポンプ素子の
電極１０ｂ（対応する位置Ａを第２図中に＠線で示す）
の温度は高く、第１加熱部３０ｂ１より幅の広い第２加
熱部３０　ｂ２．ｂ３に加熱される空隙５０の周縁部の
温度は比較的低くなる。

尚図示しないが抵抗発熱体４０ｂも上記発熱抵抗体３０
ｂと同様に構成されている。

上記酸素ポンプ素子１０、酸素濃淡電池素子２０、ヒー
タ３０及び４０の取り出し部１０ｇ、１０ｈ、２０ｇ、
２０ｈ、３０ｇ、３０ｈ、４０ｇ。

４０ｈには、リード線として白金線６０ａ〜６０ｈが接
続され、その表面は、厚さ０．８ｍｍＸ長さ４　ｍｍ　
Ｘ巾４ｍｍの被覆材６２ａ〜６２ｄによって覆われてい
る。また酸素ポンプ素子１０と酸素）層液電池素子２０
との間の空隙５０は厚さ１００μｍのスペーサ６４によ
って形成され、酸素ポンプ素子１０とヒータ素子５０、
或は酸素）Ｍ淡電池素子２０とヒータ素子６０との空隙
５２及び５４は、厚さ８０μｍのスペーサ６６及び６日
によって形成されている。

本実施例の空燃比センサ１は、以下のようにして製造さ
れる。

先ず、酸素ポンプ素子１０、酸素）Ｍ淡電池素子２０を
以下の工程（１）−■〜（１）−［相］にて製造し、こ
の素子１０．２０を耐熱セメントを介して張り合わせる
ことによりガス拡散制限室としての空隙５０を形成する
。

（１）−■　ＺｒＯ２（９４モル％）とＹ２Ｏ３（６モ
ル％）を、湿式にて４０時間混合粉砕する。

（１）−■　この混合粉砕物を乾燥後、１３００℃で２
時間仮焼する。

（１）−■　この仮焼物を、湿式にて４０時間粉砕し、
固体電解質原料粉末を得る。

（１）−■　固体電解質原料粉末に、有機バインダー、
メチルエチルケトン、トルエン等を添加し、泥贋とする
。

（１）−〇　この泥壁からドクターブレード法により、
０．９ｍｍ厚のグリーンシートを得る。

（１）−■　白金黒とスポンジ状白金とを２：１の割合
にした混合物に、（１）−〇で得られた固体電解質原料
粉末１０重量％、溶剤、粘結材をくわえ、電極用ペース
トを得る。

（１）−■　（１）−■にて得たグリーンシート上に、
（１）−〇にて得た電極用ペーストをスクリーン印刷で
第２図のような電極、引出し線、取り出し部の各パター
ンを４０８℃厚に形成した。

（１）−■　上記電極ペーストを印刷したグリーンシー
トを各素子の形状に切断して後、各素子のグリーンシー
トの上記取り出し部のパターンに３ｍｍφの白金線の端
部を置き、さらに、（１）−〇で得たグリーンシートの
１片をかぶせ積層圧着した。

（１）−〇　上記各素子のグリーンシートは３００℃、
６時間で樹脂抜きを行った後、大気中雰囲気中、１５０
０℃、４時間の条件で焼成した。このようにして酸素ポ
ンプ素子１０、酸素濃淡電池素子２０は製造される。

（１）−■　上記のように製造された各素子１０．２０
の対向する電極１０ｃ、２Ｏｃ間の隙間が１１００ＬＬ
となるよう、上記素子１０．２０を耐熱セメントにて固
着張り合わせする。この張り合わせに用いた耐熱セメン
トが、上述したスペーサ６４となる。そして、この耐熱
セメントによって形成される空隙５０がガス拡散制限室
となる。

次いで、ヒータ３０及び４０を、夫々、下記（２）−■
〜（２）−〇にて製造し、（１）−［相］で組み立てら
れた構造体に張り合わせる。

（２）−■ＡＱ２０ａ９２重量％、Ｍｇ０３重量％、５
ｉＯ２３重量％、他にＣａＯ等を添加した原料粉末から
、上記（１）−■、（１）−〇と同様にして、０゜９ｍ
ｍ厚のグリーンシートを作成した。

（２）−■　上記（１）−■と同様に、（２）−■で作
成したグリーンシート上に上記（１）−〇で作成した電
極用ペーストを用いてスクリーン印刷により、第２図の
ような抵抗発熱体、引出し線、取り出し部の各パターン
を上記幅となるような幅で厚み２５Ｊｉｍに形成する。

（２）−〇　上記（１）−■、（１）−■と同様にして
、上記電極ペーストを印刷したグリーンシートを加熱素
子の形状に切断して後、加熱素子のグリーンシートの上
記取り出し部パターンに３ｍｍφの白金線の端部を置き
、さらに、上記（１）−〇で得たグリーンシートの１片
をかぶせ積層圧着した。そして、この加熱素子のグリー
ンシートは３００℃、６時間で樹脂抜きを行った後、大
気中雰囲気中、１５２０℃、２時間の条件で焼成し、抵
抗２．５Ωの抵抗発熱体を有するヒータ３０及び４０を
得た。

（２）−〇　（１）−［相］で得られた構造体に（２）
−■で得られたヒータ３０及び４０を、夫々、上記構造
体との間隔が８０μｍとなるよう、耐熱セメントにて張
り合わせする。この張り合わせに用いた耐熱セメントが
、上述したスペーサ６６．６８となる。

次に第１図は本実施例の空燃比検出装置全体の構成を表
す概略構成図である。

図に示す如く上記のように構成された空燃比センサは、
検出回路７０に接続される。検出回路７０は、バッテリ
電圧ｖｂを上記各ヒータ３０及び４０に印加して酸素ポ
ンプ素子１０及び酸素）層液電池素子２０を夫々加熱さ
せる前記電圧印加手段としてのヒータ電圧供給系７２と
、バッテリ電圧ｖｂを抵抗Ｒ１（＝１０ｋＱ）及び抵抗
Ｒ２（＝３０にΩ）を介して、酸素濃淡電池素子２０に
周囲の酸素をガス拡散制限室としての空隙５０に汲み込
む方向に印加する前記電流供給手段としての電流供給系
７４と、酸素濃淡電池素子２０に生ずる電圧Ｖｓと酸素
ポンプ素子１０に流れるポンプ電流Ｉｐとに基づき周囲
雰囲気の酸素温度に応じた空燃比信号を出力する前述の
空燃比信号出力手段としての空燃比信号出力回路７６と
、から構成されている。

空燃比信号出力回路７６は、酸素）Ｍ淡電池素子２０に
生ずる電圧が予め設定された目標値Ｖｏ（本実施例では
１５ｍＶ）となるよう酸素ポンプ素子１０に流れるポン
プ電流Ｉｐを制御し、この電流値Ｉｐがら空燃比を検出
するよう構成されている。

叩ち空燃比信号出力回路７６は、酸素濃淡電池素子２０
の両側の電極間に発生した電圧を検出する演算増幅器Ｏ
ＰＩにより構成された電圧検出回路７６ａと、この電圧
検出回路７６ａより出力される検出電圧Ｖｓを予め設定
された目標値■０と比較し、検出電圧Ｖｓが目標値Ｖｏ
に対し大きいときに所定の積分定数で徐々に低下し、逆
の場合に所定の積分定数で徐々に増加する制御電圧を出
力する、演算増幅器ＯＰ２により構成された比較・積分
回路７６ｂと、酸素ポンプ素子１０に流れるポンプ電１
ｍ　Ｉ　ｐを比較積分回路７６ｂから出力される制御電
圧に応じて制御する、トランジスタＴｒｉにより構成さ
れたポンプ電流制御回路７６Ｃと、ポンプ電流制御回路
７６ｃにより制御されたポンプ電流Ｉｐを空燃比信号と
して検出するポンプ電流検出回路７６ｄと、により構成
されている。

尚上記目標値ＶＯは、作用の項で説明したように、酸素
）Ｒ淡電池素子２０にバッテリ電圧ｖｂを抵抗Ｒ１及び
Ｒ２を介して印加すると共にバッテリ電圧ｖｂを変化さ
せ、各バッテリ電圧毎に酸素ポンプ素子１０に流れるポ
ンプ電流Ｉｐと酸素濃淡電池素子２０に生ずる電圧値Ｖ
ｓとの関係を実験によって求めることによって得られる
第７図に示す如き検出結果の交点Ｐにおける電圧値Ｖｓ
。

の値である。

次に上記のように構成された本実施例の空燃比検出装置
のヒータ印加電圧（即ちバッテリ電圧）ｖｂをｉｏｖ、
９．５■、９Ｖと変化させた場合のポンプ電？ｍ　Ｉ　
ｐの変動、即ちヒータ印加電圧変動に伴う空燃比信号の
温度変化、を実験的に求めた。また比較のため、第１図
における抵抗Ｒ２を無限大として、酸素濃淡電池素子２
０への電流供給系７４を有しない従来の空燃比検出装置
を構成し、これによる空燃比信号の温度変化も実験的に
求めた。その実験結果を表１及び衷２に示す。

表−１表−２尚上記表１及び表２において、Ｖｓはポンプ電流１．ｐ
＝Ｏとしたときに酸素濃淡電池素子２０に生ずる電圧値
を示し、Ｉｐは酸素）Ｍ淡電池素子２０に発生する電圧
Ｖｓを（）内に示す値になるよう制御したとき得られる
ポンプ電流値を示している。

上記表１及び表２に示す実験結果から、本実施例のよう
に酸素濃淡電池素子２０にバッテリ電圧ｖｂを印加して
周囲の酸素をガス拡散制限室５０内に汲み込む方向に電
流を流し、酸素濃淡電池素子２０を酸素ポンプ素子とし
ても動作させた場合、従来のように酸素濃淡電池素子２
０を酸素濃淡電池素子としてのみ動作させた場合に比べ
、ヒータ印加電圧（バッテリ電圧Ｖｂ）の変動に対する
ポンプ電流Ｉｐ（即ち空燃比の検出信号）の変動量を抑
えることができ、空燃比を精度よく検出できることがわ
かる。

次に本実施例の空燃比検出装置、及び上記比較に用いた
空燃比検出装置を用いて、周囲雰囲気の圧力（即ち気圧
）を変化させた場合のポンプ電流Ｉｐの変動、即ち空燃
比信号の圧力変動、を実験的に求めたところ、次表３に
示す如き結果が得られた。但しヒータ印加電圧は９．５
Ｖ一定とした。

表−３上記表３の実験結果から、本実施例のように酸素濃淡電
池素子２０に電流を流した場合、周囲雰囲気の圧力変化
に対してもポンプ電流Ｉｐの変動を抑制して空燃比の検
出精度を向上できることがわかる。これは作用の項でも
説明したように、圧力変化による空燃比検出結果の変動
は、ヒータ印加電圧の変動時と同様、圧力変化によって
ガス拡散制限室からの酸素導入量が変化するのに起因し
ているからである。つまり周囲の圧力が低くなると、排
気がガス拡散制限室内に導入され難くなり、この結果ガ
ス拡散制限室内での酸素分圧が低下し、また酸素の量が
少なくなるため酸素濃淡電池素子の内部抵抗も若干大き
くなるが、空燃比検出装置を本実施例のように構成した
場合、ガス拡散制限室に導入される酸素量の変化に伴う
空燃比信号の変動が、素子の内部抵抗から得られる補正
値（ＩＯ−ｒ）によって抑制されるので、空燃比信号の
圧力変化に対する変動も抑制することができるのである
。

［発明の効果コ以上説明したように本発明の空燃比検出装置では、電流
供給手段によって従来酸素濃淡電池素子として動作され
る検出素子が酸素ポンプ素子としても動作され、これに
よって酸素ポンプ素子に流れるポンプ電流Ｉ　ｐ＝０の
場合に酸素濃淡電池素子に生ずる電圧Ｖｓをヒータへの
印加電圧ｖｈに応じて変化させることができ、ヒータ電
圧ｖｈに関係なく特定の電圧値Ｖｓｏで一定のポンプ電
流Ｉｐｏを得ることができるようになる。このため空燃
比信号出力手段を、酸素濃淡電池素子に生ずる電圧がＶ
ｓｏとなるよう酸素ポンプ素子に流れるポンプ電流を制
御し、その電流値がら空燃比を検出するよう構成するか
、或は酸素ポンプ素子に一定のポンプ電流Ｉｐｏを流し
、そのとき酸素）層液電池素子に生ずる電圧がら空燃比
を検出するよう構成すれば、ヒータ電圧ｖｈが変動して
も常に安定した空燃比信号を得ることができる。またこ
の場合周囲気圧の変化に対する補償を行なうことができ
る。

【図面の簡単な説明】

第１図は実施例の空燃比検出装置全体の構成を表す概略
構成図、第２図〜第４図は空燃比センサ１の構成を表し
、第２図はその平面図、第３図はその分解斜視図、第４
図はその側面図、第５図〜第７図は本発明の詳細な説明
する説明図で、第５図はその作用の説明に用いる実験回
路を表す回路図、第６図は酸素）農法電池素子に電流を
流さないときに酸素濃淡電池素子に生ずる電圧Ｖｓとポ
ンプ電流Ｉｐとの関係を表す特性図、第７図は酸素）農
）炎電池素子に電流を流したときに酸素）Ｍ談電池素子
に生ずる電圧Ｖｓとポンプ電流Ｉｐとの関係を表す特性
図、である。１０・・・酸素ポンプ素子１０ｂ、１０ｃ、２０ｂ、２０　ｃ　−・・電極、２０
・・・酸素）層液電池素子３０．４０・・・ヒータ５０・・・空隙（ガス拡散制限室）７２・・・ヒータ電圧供給系（電圧印加手段）７４・・
・電流供給系（電流供給手段）７６・・・空燃比信号出
力回路（空燃比信号出力手段）

Claims

【特許請求の範囲】酸素イオン伝導性の固体電解質両面に一対の多孔質電極
を積層してなる２個の検出素子、該各検出素子の一方の
多孔質電極と接して形成され、排気の拡散が制限された
ガス拡散制限室、及び上記検出素子を加熱するヒータ、
を有する空燃比センサと、上記ヒータに電圧を印加して上記各検出素子を加熱させ
る電圧印加手段と、上記２個の検出素子のうち、一方の検出素子を酸素濃淡
電池素子、他方の検出素子を酸素ポンプ素子、として動
作させ、排気中の酸素濃度に応じた空燃比信号を出力す
る空燃比信号出力手段と、を備えた空燃比検出装置にお
いて、上記酸素濃淡電池素子に所定の電圧を印加し、周囲の排
気中からガス拡散制限室内に酸素を汲み込む方向に電流
を流す電流供給手段、を設けてなることを特徴とする空燃比検出装置。