JPS644147B2

JPS644147B2 -

Info

Publication number: JPS644147B2
Application number: JP56160077A
Authority: JP
Inventors: Takashi Takeuchi; Hideaki Takahashi; Haruyoshi Kondo; Kyoharu Hayakawa
Original assignee: Toyota Central R&D Labs Inc
Current assignee: Toyota Central R&D Labs Inc
Priority date: 1981-10-09
Filing date: 1981-10-09
Publication date: 1989-01-24
Also published as: JPS5861460A

Description

【発明の詳細な説明】本発明は、加熱部を内蔵した限界電流式酸素セ
ンサとそれを用いた限界電流式酸素濃度検出装置
に関し、その目的は加熱部を有するにもかかわら
ず極めて小形で簡単な構成であり、加熱電力損失
が少ない限界電流式酸素センサを提供し、また、
その限界電流式酸素センサを適切に用いるための
加熱電力および限界電流測定用電圧を供給する手
段を備えた限界電流式酸素濃度検出装置を提供す
ることにある。

今日の社会において火力発電所、自動車用内燃
機関等の多くの燃焼装置が実用され、様々な形で
我々の生活に貢献していることはいうまでもな
い。これ等の装置は運転条件が適切でないと多量
の有害ガスを発生する恐れがある。又、低燃費化
の要請も強い。

排気の清浄化と低燃費化を図る方法として燃料
希薄（リーンと略す）領域での燃焼が有望であ
る。例えばデイーゼル機関等は本来リーン領域で
運転されるのが常であるが、ガソリン機関におい
てもリーン領域での運転が有望である。

これ等のリーン領域で運転する機関においても
空燃比の調節が不適切なる時には煤の発生による
排気汚染、失火による未燃燃料排出や出力低下
等々の不都合な問題が生じ、リーン領域での運転
の目的にそぐわないばかりか返つて逆効果となる
ような恐れすらある。それ故、空燃比の調節は極
めて重要事項である。ところで、あらゆる制御の
常として制御対象（ここではリーン領域の空燃
比）を精密かつ高速に検出できねばならない。

従来この分野では必ずしも適切なセンサが存在
しなかつた。例えば磁気式酸素濃度検出器は応答
が遅く車載に不適切であり、密度式あるいは熱伝
導度式センサは微量の水素（H₂）混入により測
定精度に大きな影響を受ける等の問題があつて内
燃機関の燃焼制御には適さなかつた。

これに対し、この分野に適するものとして原理
的構成の限界電流式酸素センサ（特開昭52−
72286号公報）が開発され、また、陰極を多孔質
層で被覆した酸素濃度センサ（特開昭55−123677
号）が提案されている。これらのセンサは従来セ
ンサの持つ種々の困難を解決するものであつた。
この方式は非常に有効なものではあるが尚、若干
の問題点があることは否めない。すなわち、自動
車用機関等の燃焼装置では運転状態によつて排気
の温度が変動するのが常である。それ故、排気セ
ンサである限界電流値から酸素濃度を検出するセ
ンサ（以下、限界電流式酸素センサと略称する）
も低温から高温迄の広い温度領域での作動を要求
されている。ところで、限界電流式酸素センサは
低温度になると内部抵抗が増大して酸素濃度測定
範囲の制約を受け、また内部抵抗が問題とならな
い高温においても酸素濃度と限界電流との対応関
係が若干変わるという問題を有する。この問題は
酸素センサを十分動作する一定の温度に加熱すれ
ば避けられる。

第１図ａには従来の限界電流式酸素センサの構
造の一例を示す。１ａは酸素イオン伝導体から成
る板あるいは円筒である。その材質としてはジル
コニアにY₂O₃、Gb₂O₃、Gd₂O₃、MgO、CaO、
Sc₂O₃等を安定剤として固溶させたもの、あるい
はBi₂O₃にY₂O₃、Er₂O₃、WO₃等を安定剤として
固溶させたもの又はHfO₂、ThO₂等にCaO、
MgO、Y₂O₃、Yb₂O₃等を安定剤として固溶させ
た緻密な焼結体である。１ｂは陽極であり、イオ
ン伝導体の一面に設け、それと対向する他の面に
陰極１ｄを設ける。陰陽両極はPt、Ag、Rh、
Ir、Pd等もしくはこれ等の混合材からなる耐熱
性の電子伝導体から成り、これ等の素材を用いれ
ば酸素イオン伝導体と電極の界面抵抗を実用上は
小さくすることが可能である。陰極１ｄは有孔函
体で被覆されている。第１図ａにはその一実施態
様として多孔質層１ｆで被覆する構造例を示し
た。これは陰極１ｄへ流入する酸素流量を制限す
る機能を有する。また陽極１ｂが付着物等によつ
て劣化するのを防止する目的で多孔質の保護層１
ｅで陽極を被覆した。多孔質層１ｆおよび１ｅは
アルミナ、マグネシヤ、ケイ石質、スペネル、ム
ライト等の耐熱性無機物質から成る。多孔質層１
ｅは多孔質層１ｆと比較してガス透過性を同等か
もしくは大きくすることが望ましい。その理由は
動作時において多孔質層１ｆでは外界から陰極１
ｄを経由して酸素イオン伝導体１ａへ吸い込む酸
素透過量を律速する働きをさせるのに対し、多孔
質層１ｅは酸素イオン伝導体１ａから陽極１ｂを
経由して外界へ酸素を抵抗なく排出するためであ
る。陰陽両極からはそれぞれリード線１ｉを出
す。リード線の材質としては電極と同様にPt、
Ag、Rh、Ir、Pd等もしくはそれ等の混合材料か
ら成る耐熱性の電子伝導体である。

上記構成の限界電流式酸素センサの陰極に負
の、陽極に正の電圧を印加するとともに該素子全
体を被測定ガスに接触せしめると、被測定ガス中
の酸素ガスは陰極によつて還元せられて酸素イオ
ンとなり、該酸素イオンは酸素イオン伝導体中を
移動して陽極に達し、陽極によつて酸化されて再
び酸素ガスになつて素子の外へ排出される。何等
かの手法により陰極と酸素イオン伝導体の界面へ
到達する酸素ガス量を制限したとすると、陰極で
の還元によつて生成する酸素イオン量が制限を受
け、酸素イオンによつて運ばれる電荷量（電流）
が制限を受けるため、電圧にかかわらず一定の電
流しか流れられなくなり、第１図ｂに示したよう
な限界電流特性を生ずるようになる。このため酸
素センサの限界電流特性においては、陰陽両電極
に印加する電圧を零から徐々に増加していくと第
１図ｂに示すように電圧が低い間は陰陽両電極間
に流れる電流は電圧に略々比例的に増加する（こ
の電圧領域を抵抗支配領域と称する）が、ある電
圧範囲では電流は電圧によらず略々一定となる
（この電圧領域を過電圧支配領域と称する）。過電
圧支配領域での電流を限界電流と称するが、限界
電流値は被測定ガス中の酸素濃度と略々比例関係
にあるから、限界電流値を求めれば被測定ガス中
の酸素濃度を検出できる。又、限界電流が酸素濃
度に略比例する理由は有孔函体等のガス流制限体
内を拡散によつて移動できる酸素量が該制限体の
内外の酸素濃度差に比例することと、過電圧支配
領域においては該制限体の内側の酸素が陰極を経
由して酸素イオン伝導体へ吸い込まれるため酸素
濃度が零に近くなつており、該制限体の内外の酸
素濃度差が、該制限体の外側の酸素濃度とほとん
ど等しくなることによる。

前述の如く、本例は該制限体として多孔質層を
用いる方式について説明したものであるが、陰極
自体を該制限体として利用した酸素センサについ
ても以下に述べる本発明は適用できる。抵抗支配
領域では電解質（酸素イオン伝導体）の内部抵抗
や電解質と電極界面の抵抗の和により電圧／電流
比がほぼ決められている。過電圧支配領域より電
圧電流の高い領域では少しの電圧上昇に対して急
に電流の増加する部分がある。これは限界電流式
酸素センサ印加電圧がある限界値を超えると排気
中に多量に含まれている二酸化炭素（CO₂）や水
蒸気（H₂O）の一部が分解されて、みかけの酸
素濃度が増加したように見えるためである。この
領域を過剰電流領域ということにする。上記の如
く、印加電圧が低いと抵抗支配領域になり、逆に
印加電圧が高いと過剰電流領域になるので限界電
流の検出は両領域にはさまれた部分で行なわねば
ならない。この範囲はガスの組成や電極の組成に
よつて異なる。窒素、アルゴン等の不活性ガス中
に一部酸素を含むガス中においては1.3〜1.6〔Ｖ〕
程度であるが、燃焼排気のような二酸化炭素や水
蒸気を多量に含むガス中に一部酸素を含むガス中
では0.6〜0.8〔Ｖ〕程度である。一般に内部抵抗
による電圧降下の最大値を0.5〔Ｖ〕程度に限定し
て、印加電圧としては0.6〜0.75〔Ｖ〕に設定して
用いると内部抵抗および過剰電流の影響を受けに
くく好都合な場合が多い。

第２図は従来技術による限界電流の測定回路を
示すもので、限界電流式酸素センサ１に定電圧印
加部２から定電圧を印加したときの電流を電流検
出部３によつて検出する構成となつている。第３
図はその従来技術による酸素濃度と限界電流の関
係を示すものである。図から明らかなようにセン
サの温度によつて酸素濃度と限界電流の対応関係
が変わるので温度の変動する雰囲気で使用すると
精度が悪化し問題である。

第４図は任意の酸素濃度における限界電流の温
度依存性を示すものである。この温度依存性は主
に気体の拡散係数の温度依存性の影響によるもの
である。

有孔函体の一実施態様としての多孔質層を酸素
ガス流の律速に用いる方式の限界電流式酸素セン
サの特性は次式のように表わすことができる。

I_l＝4FSD_p2effＰ／RTll_o（１／１−Po2／Ｐ） (1)式但し、 Il：限界電流Ｆ：フアラデー定数Ｓ：酸素流律速部の面積 D_p2eff：有効拡散係数 P_p2：酸素分圧Ｐ：全圧Ｒ：ガス定数Ｔ：絶対温度ｌ：多孔質層厚さ l_o：自然対数酸素分圧比P_p2／Ｐ≪１ならば近似的に I_l≒4FSD_p2effＰ／RTl P_p2／Ｐ (2)式となる。ここでD_p2effは経験的に D_p2eff(T)＝_Dp2eff(Tp)（Ｔ／T_p）^m+1 (3)式但し、 T_p：基準の温度 D_p2eff(T)：Ｔにおける有効拡散係数 D_p2eff(T0)：T₀における有効拡散係数で表わされ、この式における指数ｍ＋１はほぼ
1.75であることが知られている。

したがつて、同一酸素分圧における温度T₀の
ときの出力電流I_l(T0)に対する温度Ｔのときの出力
電流I_l(T)の比、すなわち出力電流の温度依存性
I_l(T)／I_l(T0)は、 I_l(T)／I_l(T0)＝（Ｔ／T₀）^m (4)式となる。

(4)式、あるいは第３図、第４図から明らかなよ
うに、測定温度Ｔが変動すれば、限界電流I_l(T)が
変動し、誤差要因となる。それ故、一定の温度で
測定できればこの誤差の問題は当然解決すること
ができる。

前述のように、内燃機関の排気温度は変動する
のが常であるから、一定の温度で使用するために
は温度検出と温度制御が必要になる。

温度検出は、限界電流式酸素センサの近傍に熱
電対や感温抵抗体等の感温体を設けて行なうのが
一般的であるが、この一般的な温度検出方法で
は、感温部まで含めた限界電流式酸素センサ全体
の構成が複雑化、大型化し、高コストになるとい
う実用上の問題が生ずる。また感温体と限界電流
式酸素センサ素子の温度が必ずしも同一でないと
いう問題も生ずる。

我々は、このような問題を解決するために、限
界電流式酸素センサの内部抵抗が温度によつて変
化する（第５図参照）ことを利用して温度を検出
し、その検出に応じて限界電流式酸素センサ温度
を一定に制御する技術についても考案し、既に出
願中である。（特願昭56−78031号、特開昭57−
192852号公報）第６図〜第８図にはその構成を示す。この発明
は非常に有効なものではあるが尚、若干の問題点
があることは否めない。すなわち、車載用として
は加熱電力が数〔Ｗ〕以下であることを要求され
ているが、従来技術によるものは数10〔Ｗ〕もの
電力を消費するという難点があつた。又、スイツ
チ投入後の作動までの時間も長かつた。

その理由は下記の如くである。

(1) 車載センサは前述の如く速応性を要求される
ので、センサ周囲の流速（またはガス交換割り
合い）が速い。

(2) 従来センサではセンサの周辺にヒータを置
く、いわゆる傍熱型であつたため、熱伝達の効
率が悪い。

(3) 従来技術において傍熱型にしていた理由は、
限界電流式酸素センサ全体に導電性があること
と、直熱型にしてヒータ電圧（電流）が流れる
と測定回路に非常に大きな妨害が起るという困
難な問題があつたためである。

本発明は、これらの従来技術の問題点を解決す
るためになされたもので、限界電流式酸素センサ
の電極自体をヒータとしても用いるよう構成し、
電極自体にヒータ電力を供給することによる限界
電流測定回路への悪影響を除去するよう工夫を行
なつたものである。

即ち、電極自体を加熱手段として用いる場合、
加熱用の印加電圧が限界電流検出用の電圧に干渉
をして測定が不可能となるので、本発明によるも
のは陰極側加熱用印加電圧と陽極側加熱用印加電
圧の値を等しくし、しかも電解質の表裏で対向さ
せて、前記影響を著しく軽減するようにしたもの
である。

前述の如く、限界電流の検出は抵抗支配領域と
過剰電流領域にはさまれた狭い電圧範囲約0.5
〔Ｖ〕で行なわねばならない。それ故、電極内に
それ以上の電位分布があると正しく動作させるこ
とができない。ヒータ用の印加電圧が0.1〔Ｖ〕程
度以下であるならば問題なく動作させ得る。しか
しながら、例えば数〔Ｗ〕のヒータ電力として
も、印加電圧が0.1〔Ｖ〕であれば数10〔Ａ〕もの
大電流が必要である。そうなるとリード数もかな
り太いものが必要になり、又、電圧降下部（又は
変換部）での電力損失が著しく大きくなり車載セ
ンサとしては適さないことになる。

又、電極とヒータを分離すればヒータは高電
圧、小電流でもよいが、高温において伝熱性良く
結合し、電気的に高絶縁性にすることが従来技術
ではできなかつた。しかし、我々はこの技術につ
いても開発し、別途出願している。

本発明では陰陽両極に数〔Ｖ〕、0.1〔Ａ〕程度
の車載用としても好適な電流を流しつつ、その数
〔Ｖ〕の印加電圧の影響が陰陽両極で丁度相殺し
て悪影響を及ぼさなくする新方式の解決法につい
て提案するものである。

第９図は本発明になる限界電流式酸素センサの
構造および電圧印加および限界電流測定回路の一
例を示す。図中、１０１ａは従来と同様の固体電
解質、１０１ｂは陰極、１０１ｄは陽極、であ
り、従来技術のそれと対応している。なお、酸素
量の制限体および保護層が設けられるが、図には
省略してある。そして陰陽両極からは夫々２本づ
つのリード線１０１ｉと１０１ｊ，１０１ｇと１
０１ｈが出してある。そして、各電極のリード線
間に電流を流すことにより加熱する。このとき、
前述の如く、各電極面内に数〔Ｖ〕〜10数〔Ｖ〕
程度の電位勾配がつくけれども、両電極の形状が
ほぼ同一であり、各形状の対応部分が固体電解質
１０１ａに対してほぼ対称的に配置され且つ電源
１０２と１０３の電圧とその印加方向をほぼ一致
させることにより、両電極の各部の電位勾配が等
しくなるので、両電極間の各部の電位差は等しく
なり、従つて、両電極間の内部抵抗測定用の電流
の分布は一様となるから、正しく限界電流の測定
を行なうことができる。

第１０図は第９図に示す限界電流式酸素センサ
の一部を変更した他の実施例を示すもので、矩形
のヒータ面内の電流密度を一様にするため、ヒー
タの端部に厚さの厚い部分１０１de，１０１be
を設けた構造のものである。

第１１図は更に他の実施例を示するもので、第
１０図のものと同様の目的でヒータ材より抵抗率
の低い部材１０１ｋをヒータの端部に設けた構造
のものである。

又、陰陽両極の形状としては第９図に示すよう
に矩形状であつても良いが第１２図あるいは第１
３図に示すように帯状であつても良い。その場合
には酸素イオン伝導体の表面に設ける電極兼ヒー
タと裏面に設ける電極兼ヒータとは、同一形状、
同一寸法、同一位置になるようにする。

加熱用の電源１０２と１０３は第９図に示すよ
うに直流でも良いが第１４図に示すように交流と
することもできる。

限界電流式酸素センサの温度を一定温度に制御
するためには温度検出を行なう必要があるが、そ
の温度検出には第１５図に示すようにヒータとし
て用いている白金電極の抵抗を用いる方法や、電
解質の内部抵抗を用いる方法（特願昭56−78031
号、特開昭57−192852号公報）や、他の感温素子
を用いる方法等が適用できる。

第１５図は、定温制御回路を備えた限界電流式
酸素検出回路を示すものである。

この回路の目的は風速等の放熱条件が変化した
場合にもセンサの温度を一定に保ちつつ、精密に
限界電流（すなわち酸素濃度）を測定することと
電源を１ケで簡易に構成することである。

図中、１０１は限界電流式酸素センサであり、
前述の実施例のセンサ１０１Ｘ，１０１Ｙ，１０
１Ｖ，１０１Ｗ等も同様に適用できる。そして陰
極１０１ｂを１辺とし、１１０〜１１２の抵抗を
他の３辺としてホイートストンブリツジを構成す
る。そのブリツジ回路の出力電圧は抵抗１１３と
１１５による分圧、１１４と１１６による分圧を
して演算増幅器１２０へ供給する。本回路で唯一
の直流電源１３２の出力電圧は抵抗１３３と１３
４により分圧しておく。そして抵抗１１５と１１
６の一端を抵抗１３３と１３４の中点又は演算増
幅器１３５の出力へ接続しておく。尚、演算増幅
器の許容入力電圧範囲が広いものの場合には抵抗
１１３と１１５および抵抗１１４と１１６による
分圧器を用いるのを省いて、ブリツジの出力を直
結することもできる。

そして、演算増幅器１２０の出力はパワートラ
ンジスタ１２９のベースへ接続する。パワートラ
ンジスタ１２９のコレクタには電源１３２の正極
が接続してある。トランジスタ１２９のエミツタ
は電流計１３１の正極へ接続する。トランジスタ
１２９のコレクタとエミツタの間は抵抗１１９を
接続しておく。電流計１３１の負極は抵抗１１０
と１１１の接続点へ接続しておく。陰極１０１ｂ
と抵抗１１２の接続点は電源１３２の負極へ接続
しておく。尚、抵抗１１０と陰極１０１ｂの接続
点は抵抗１１４へ接続する。抵抗１１４と１１６
の接続点は演算増幅器１２０の負入力へ接続す
る。抵抗１１１と１１２の接続点は抵抗１１３へ
接続する。抵抗１１３と１１５の接続点は演算増
幅器１２０の正入力へ接続する。ポテンシヨメー
タ１３０の入力端子には電源１３２の正極を接続
する。ポテンシヨメータ１３０の出力は加算器１
２１および１２２の−１倍入力端へ接続する。
又、抵抗１１０と陰極１０１ｂの接続点を反転型
加算器１２１の他の−１倍入力端へ接続する。反
転型加算器１２１の出力は反転器１２４の−１倍
入力へ接続する。反転器１２４の出力は抵抗１１
７を経て陽極１０１ｄへ接続する。陽極１０１ｄ
の他の端子は反転器１２５の出力から抵抗１１８
を経て接続してある。反転型加算器１２２の他の
入力端子には陰極１０１ｂと抵抗１１２の接続点
から接続してあり、反転型加算器１２２の出力は
反転器１２５の−１倍入力へ接続してある。反転
器１２４とと抵抗１１７の接続点は差動増幅器１
２７の正入力端子へ接続し、抵抗１１７と陽極１
０１ｄの接続点は差動増幅器１２７の負入力へ接
続する。差動増幅器１２７の出力は反転器１２６
の−１倍入力端子へ接続する。反転器１２６の出
力は加算器１２３の−１倍入力端子へ接続する。
陽極１０１ｄと抵抗１１８の接続点は１２８の正
入力へ接続する。反転器１２５と抵抗１１８の接
続点は差動増幅器１２８の負入力へ接続する。差
動増幅器１２８の出力は反転型加算器１２３の−
１倍入力へ接続する。すると演算増幅器１３５の
出力電圧を基準にした反転型加転器１２３の出力
電圧が限界電流（酸素濃度）に比例した値にな
る。尚、反転型加算器１２１〜１２３および反転
器１２４〜１２６の基準側入力電圧は演算増幅器
１３５の出力電圧を接続しておく。（図示略）本回路の働きを以下に述べる。本回路ではａ点
の電位とｂ点の電位の差に若干の（0.8〜0.5程
度）係数を分圧器で乗ずる。そして、非常に高倍
率（10000〜100000倍）の演算増幅器１２０で電
圧増幅する。その出力が大電流を採れるものの場
合は直接ｃ点へ接続しても良いのであるが、本例
では演算増幅器１２０の出力電流が小さいものの
場合なのでパワートランジスタ１２９をエミツタ
フオロワに接続して電流増幅を行つている。そし
て電流計１３１でブリツジ回路に流れる電流を測
定する。又、抵抗１３３と１３４は電源１３２の
電圧を1/2に分圧し、演算増幅器１３５はそれの
電流増幅をしている。このように接続すると負帰
還制御回路となり、ａ点とｂ点の電位差が演算増
幅器１２０の出力電圧をその演算増幅器の増幅率
で除した値になつたとき釣り合う。これは零に近
い値であり、実用上はａ点とｂ点の電位は同じと
みなしてさしつかえない。このように釣り合う理
由は陰極１０１ｂの抵抗温度係数が大きく、入力
電圧によつて温度上昇して、抵抗上昇することに
よる。

次に陽極１０１ｄへの印加電圧を制御する回路
の動作を説明する。ポテンシヨメータ１３０では
限界電流測定用電圧を設定しておく。反転器１２
４の出力電圧はａ点の電位にポテンシヨメータ１
３０の出力電圧を加えた値になる。反転器１２５
の出力電圧はｄ点の電位にポテンシヨメータ１３
０の出力電圧を加えた値になる。前述のセンサの
構成と本回路の特徴により陰陽両電極の対向して
いる部分の電位差は任意の地点においてポテンシ
ヨメータ１３０の出力電圧と一致し、ヒータ兼陰
陽極へ流した電流の影響を受けない。

抵抗１１７と１１８は限界電流検出用抵抗であ
る。陽極から陰極へ向つて流れ込んだ電流の大き
さ分だけ、抵抗１１７を流れる電流よりも抵抗１
１８を流れる電流が小さくなる。差動増幅器１２
７と１２８は抵抗１１７と１１８の電圧降下を増
幅する。反転器１２６と加算器１２３で差動増幅
器１２７の出力電圧から差動増幅器１２８の出力
電圧を減ずる。

以上に詳述した本発明の構成によれば次に掲げ
るような効果を収めることができる。

(1) 限界電流式酸素センサの電極自体を加熱する
直熱型としたことにより、伝熱が良くなり、第
１６図の陰陽両電極兼ヒータへの全入力電力に
対するセンサ温度の関係に示されているよう
に、電力損失が非常に小さくなる。例えば、同
図から１０〔ｍ／sec〕という高流速の場合で
も両面の電力合わせて２〔Ｗ〕の入力で700〔℃〕
にすることができ、電力損失を従来の1/15〜1/
２５程度に著しく改善できる。

(2) 第１７図は本発明による限界電流式酸素セン
サへ吹き付ける風速が変動する場合の温度変動
を示すものであるが、同図から明らかなよう
に、定温制御を行なつた場合（実線）、変動す
る風速の条件下でも温度の変動が７〔℃〕と少
なく、温度安定性がすぐれている。

(3) 第１８図は定温加熱制御を行なつた場合の電
源スイツチ投入後の経過時間とセンサ温度の関
係を示すものであるが、同図から明らかなよう
に、電源スイツチ投入後極めて短時間に（１
〔sec〕）動作温度に達して使用可能となる。

(4) ヒータと陰陽両電極および感温素子を兼ねた
結果、センサが極めて簡単な構成となり低コス
ト化が図れる。

(5) 始動直後から高流速域まで精密に酸素濃度が
検出でき、排気浄化（特にコールドスタート）
にも有効である。

(6) 電極の一方でなく、両電極を同時に加熱する
ようにされ、且つ両電極の形状がほぼ同一であ
り、各形状の対応部分が固体電解質に対してほ
ぼ対称的に配置され、各加熱用電源の電圧とそ
の印加方向をほぼ一致させたので、両電極の各
部の電位勾配が等しくなつて両電極間の各部の
電位差は等しくなり、両電極間の内部抵抗測定
用の電流の分布は一様となるから、加熱用電流
の影響を受けずに正しく限界電流の測定を行な
うことができる。

以上に挙げた諸特性により、本発明は車載用の
リーン空燃比センサとして極めて好適である。

なお、先に出願の発明（特願昭56−78029号、
特開昭57−192850号公報）の如く内部抵抗による
電圧降下を補償するように限界電流測定用印加電
圧を補正する技術と本発明と組み合わせることに
よつて、更に優れた車載用の限界電流式酸素濃度
検出装置が実現し得る。

【図面の簡単な説明】

第１図ａは限界電流式酸素センサの断面構成を
示す図であり、第１図ｂは限界電流式酸素センサ
の典型的な電圧対電流特性の一例、第２図は限界
電流式酸素センサの従来技術による測定回路の一
例、第３図は２つの温度における限界電流式酸素
センサの酸素濃度と限界電流の関係、第４図は一
定の酸素濃度における温度と限界電流の関係、第
５図は内部抵抗の温度依存性、第６図ないし第８
図は限界電流式酸素センサの内部抵抗（温度によ
つて変化）を検出して温度を一定に制御する先行
技術（特願昭56−78031号、特開昭57−192852号
公報）をそれぞれ示す。第９図は本発明になる限
界電流式酸素センサの構造、および電圧印加およ
び限界電流測定回路の一例を示す。第１０図はリ
ード線を接続する部分の厚さを厚くして、その部
分の抵抗を低くした陰陽極兼ヒータ構造を有する
限界電流式酸素センサを示す。第１１図はリード
線を接続する部分に抵抗率の低い部材を設けて、
その部分の抵抗を低くした陰陽極兼ヒータ構造を
有する限界電流式酸素センサを示す。第１２図お
よび第１３図には陰陽極兼ヒータを帯状にして多
数回折り曲げて長さを長くした構造の限界電流式
酸素センサを示す。第１４図には加熱のために陰
陽極兼ヒータに流す電流を交流にした場合の制御
回路の一例を示す。第１５図には定温制御回路付
きの限界電流式酸素検出回路を示す。第１６図に
は本発明になる限界電流式酸素センサの風速をパ
ラメータにした、陰陽両電極兼ヒータへの全入力
電力に対するセンサ温度の関係を示す。第１７図
にはセンサへ吹き付ける風速が変動する場合の温
度への影響を示す。図中、実線は定温制御を行な
つた場合であり、破線は一定の電圧を印加した場
合である。第１８図には定温加熱回路を用いた場
合の電源スイツチ投入後の経過時間とセンサ温度
の関係を示す。１０１，１０１Ｘ，１０１Ｙ，１０１Ｖ，１０
１Ｗ……本発明になる限界電流式酸素センサ、１
０１ａ……固体電解質、１０１ｂ……陰極兼ヒー
タ、１０１ｄ……陽極兼ヒータ、１０１ｇ，１０
１ｈ，１０１ｉ，１０１ｊ……リード線、１０
２，１０３……直流電源、１０４……交流電源、
１０５……変圧器、１０５ａ，１０５ｂ……二次
側巻線、１０１be……陰極兼ヒータの端部を厚
くした部分、１０１de……陽極兼ヒータの端部
を厚くした部分、１０１ｋ……陰陽両極兼ヒータ
の端部に兼けた低抵抗部、１１０〜１１９……抵
抗、１２０……演算増幅器、１２１〜１２３……
反転型加算器、１２４〜１２６……反転器（又は
反転型加算器）、１２７〜１２８……差動増幅器、
１２９……パワートランジスタ、１３０……ポテ
ンシヨメータ、１３１……直流電流計、１３２…
…直流定電圧電源、１３３〜１３４……抵抗、１
３５……演算増幅器。

Claims

【特許請求の範囲】

１酸素イオン伝導体の一面に陰極層を、これと
対向する他の面に陽極層を有し、かつ前記酸素イ
オン伝導体へ吸込む酸素透過量を律速する手段を
有する限界電流式酸素センサにおいて、前記陰極
層と前記陽極層とを、前記酸素イオン伝導体に対
しほぼ対称となる形状、寸法、配置とすると共
に、これらの陰極層および陽極層自体にそれぞれ
通電し、且つその通電の電源接続端を前記酸素イ
オン伝導体に対してほぼ対称点とし且つ電源電圧
の印加方向が各電極の電位勾配方向がほぼ同一と
なるような方向であり、そのジユール熱により直
接的に加熱するための電力を供給する複数のリー
ド線を設けたことを特徴とする限界電流式酸素セ
ンサ。