JP2000206083A - ガス検出装置及び空燃比測定方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 構造がシンプルであり、その回路も簡易化で
きるガス検出装置及び空燃比測定方法を提供することに
ある。 【解決手段】 空燃比センサ１は、ポンプセル３及び遮
蔽部５と、その間に設けられた測定室７及び律速部９か
ら構成されている。つまり、ポンプセル３及び遮蔽部５
の２枚の板状の部材を積層した２層構造のセンサであ
る。ポンプセル３は、固体電解質層１１の両側に各々多
孔質電極１３ａ，１３ｂを備えたものであり、両電極１
３ａ，１３ｂ間に正逆２方向に電圧を印加することによ
り、酸素の汲み入れ又は汲み出しのポンピングを行う。
遮蔽部５は、測定室７と外界との間のガスの通過を遮断
する。測定室７は、ポンプセル３と遮蔽部５との間に挟
まれ、内側の多孔質電極１３ｂに面している。律速部９
には、多孔質の充填材が詰められており、測定室７と外
界とのガス拡散律速を行う。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、ポンプセルを有す
るガス検出装置及びその空燃比センサを用いた空燃比測
定方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来より、空燃比を広範囲に測定する空
燃比センサとしては、板状のジルコニアを３層に重ね合
わせた構造の全領域空燃比センサ（ＵＥＧＯセンサ）が
知られている。

【０００３】この種の全領域空燃比センサは、例えば図
１０に示す様に、固体電解質体Ｐ１の両側に多孔質電極
Ｐ２，Ｐ３を有し、酸素（Ｏ₂）のポンピングを行う酸
素ポンプセル（Ｉｐセル）Ｐ４と、固体電解質体Ｐ５の
両側に多孔質電極Ｐ６，Ｐ７を有し、その起電力から酸
素濃度の測定を行う酸素濃度測定セル（Ｖｓセル）Ｐ８
と、この両セルＰ４，Ｐ８の間に設けられた空間（測定
室）Ｐ９と、測定室Ｐ９と外界とを連通する多孔質律速
層Ｐ１０と、ＶｓセルＰ８と遮蔽層Ｐ１１との間に設け
られて酸素を溜め込む空間（基準室）Ｐ１２とを備えて
いる。

【０００４】この全領域空燃比センサでは、２層目のＶ
ｓセルＰ８が測定室Ｐ９内の雰囲気をモニタし、Ｖｓセ
ルＰ８の起電力が例えば０．４５Ｖとなる様に、１層目
のＩｐセルＰ４を用いて、測定室Ｐ９内にＯ₂の汲み出
し（又は汲み入れ）を行う。そして、このときにＩｐセ
ルＰ４に流れるポンプ電流を測定し、このポンプ電流と
空燃比との関係から被測定ガスの空燃比を測定してい
る。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】ところが、上述した全
領域空燃比センサでは、素子部に３枚のジルコニアシー
ト（ＩｐセルＰ４，ＶｓセルＰ８，遮蔽層Ｐ１１）が使
用されているので、その構造が複雑であり、製造工程が
多くなって、製造コストが高くなるという問題があっ
た。

【０００６】また、ＶｓセルＰ８及びＩｐセルＰ４の制
御とＩｐセルＰ４のポンプ電流の測定とを同時に行わな
ければならないため、空燃比を測定するための回路が複
雑となり、同様に、製造工程が多くなり、その点からも
製造コストが高くなるという問題があった。

【０００７】本発明は、前記問題点を解決するためにな
されたものであり、その目的は、構造がシンプルであ
り、その回路も簡易化できるガス検出装置及び空燃比測
定方法を提供することにある。

【０００８】

【課題を解決するための手段】（１）かかる目的を達成
するためになされた請求項１の発明は、固体電解質体及
び一対の多孔質電極を有し、酸素のポンピングを行うポ
ンプセルと、前記一対の多孔質電極の一方と接する測定
室と、該測定室を外界から遮蔽する遮蔽部と、前記測定
室と外界とを連通してガス拡散律速を行う律速部と、を
備えたガス検出装置であって、前記ポンプセルの一対の
多孔質電極に対して、電圧の印加方向を正逆２方向に切
り替えて電圧を印加する電圧制御装置と、該電圧制御装
置による正逆２方向の電圧の印加の際に、前記ポンプセ
ルに流れる各々のポンプ電流を測定する電流測定装置
と、該電流測定装置によって測定された各々の電流の絶
対値の大小関係を比較して、被測定ガスの空燃比がリッ
チかリーンかを判定する空燃比判定装置と、を備えたこ
とを特徴とするガス検出装置を要旨とする。

【０００９】本発明における空燃比センサの構造は、
従来の様な３枚のジルコニアシートが積層された３層構
造ではなく、図１に例示する様に、ポンプセル（３）と
遮蔽部（５）とが測定室（７）を挟んで積層されたシン
プルな２層構造である。この空燃比センサでは、測定室
（７）と外界との間の被測定ガスの流通は、律速部
（９）にてガス拡散律速されるので、（ある印加電圧の
範囲内では、ポンプ電流の変化がない）限界電流が現れ
る、いわゆる限界電流型のセンサである。

【００１０】次に、この構造の空燃比センサを制御す
る本発明のガス検出装置の動作を説明する。まず、本発
明では、電圧制御装置によって、電圧の印加方向を正逆
２方向に切り替えて、ポンプセルの一対の多孔質電極に
電圧を印加する。つまり、一対の多孔質電極に電圧を印
加する場合に、そのプラスとマイナスとを切り替える。

【００１１】例えば図２（ａ）に示す様に、電源のプラ
ス極を外側の多孔質電極に接続し、電源のマイナス極を
内側の多孔質電極に接続して、電圧を印加した場合を、
正方向（プラス方向）に電圧を印加したとする。これに
より、酸素は、測定室から外界に汲み出される。一方、
図２（ｂ）に示す様に、電源のプラス極を内側の多孔質
電極に接続し、電源のマイナス極を外側の多孔質電極に
接続して、電圧を印加した場合を、逆方向（マイナス方
向）に電圧を印加したとする。これにより、酸素は、外
界から測定室に汲み入れられる。

【００１２】そして、電流測定装置により、上述した正
逆２方向の電圧の印加の際に、ポンプセルに流れる各々
のポンプ電流を測定し、このポンプ電流に基づき、空燃
比判定装置によって、各々の電流の絶対値の大小関係を
比較して、被測定ガスの空燃比がリッチかリーンかを判
定する。

【００１３】つまり、図３に示す様に、例えば被測定ガ
スの空燃比がリッチのときに、プラス方向（酸素を汲み
出す方向）に電圧を印加した場合には、マイナス方向
（酸素を汲み入れる方向）に電圧（同電圧）を印加した
場合に比べて、そのポンプ電流（Ｉｐ）の絶対値が大き
くなるという特性がある。また、逆に、被測定ガスの空
燃比がリーンのときに、プラス方向に電圧を印加した場
合には、マイナス方向に電圧を印加した場合に比べて、
そのポンプ電流の絶対値が小さくなるという特性があ
る。従って、ポンプ電流の絶対値を比較することによ
り、リッチかリーンかの判定を行うことができるのであ
る。

【００１４】具体的には、プラス方向に電圧を印加した
場合のポンプ電流の絶対値が、マイナス方向に電圧（例
えばプラス方向と同じ大きさの電圧）を印加した場合の
絶対値より小さいときには、空燃比がリーンであると判
定することができる。一方、プラス方向に電圧を印加し
た場合のポンプ電流の絶対値が、マイナス方向に電圧を
印加した場合の絶対値より大きいときには、空燃比がリ
ッチであると判定することができる。

【００１５】この理由は、下記の様であると考えられ
る。 ＜空燃比がリッチの場合＞ ・空燃比がリッチの場合は、酸素が少ない状態である。
このとき、プラス方向に電圧を印加すると、測定室から
酸素が汲み出されるが、もともと外界及び測定室内の酸
素自体が少ないので、外界と測定室との酸素濃度差も大
きくならない。そのため、ポンプ電流を小さくする様な
（印加電圧と反対方向の）反起電力は小さいので、ポン
プ電流は大きくなる。

【００１６】・空燃比がリッチの場合は、酸素が少ない
状態である。このとき、マイナス方向に電圧を印加する
と、測定室に酸素が汲み入れられるが、測定室は極めて
小さいので、測定室内に僅かに酸素が汲み入れられただ
けでも、外界と測定室との酸素濃度差が大きくなる。そ
のため、ポンプ電流を小さくする様な反起電力が大きく
なるので、ポンプ電流は小さくなる。

【００１７】この様にして、空燃比がリッチの場合に
は、印加する電流の方向により、ポンプ電流の大きさが
異なるのである。即ち、「プラス方向に電圧を印加した
場合のポンプ電流（Ｉｐｐ）の絶対値＞マイナス方向に
電圧を印加した場合のポンプ電流（Ｉｐｍ）の絶対値」
となる。

【００１８】＜空燃比がリーンの場合＞ ・空燃比がリーンの場合は、酸素が多い状態である。こ
のとき、プラス方向に電圧を印加すると、空間の小さな
測定室から酸素が汲み出されて、外界と測定室との酸素
濃度差が生じ、ポンプ電流を小さくする様な反起電力が
大きくなるので、ポンプ電流は小さくなる。

【００１９】・空燃比がリーンの場合は、酸素が多い状
態である。このとき、マイナス方向に電圧を印加する
と、測定室に酸素が汲み入れられるが、もともと外界及
び測定室内の酸素自体が多いので、電圧を印加してすこ
しずつ酸素を汲み入れても、ほとんど酸素濃度差は生じ
ない。つまり、ポンプ電流を小さくする様な反起電力は
小さいので、ポンプ電流は大きくなる。

【００２０】この様にして、空燃比がリーンの場合に
は、印加する電流の方向により、ポンプ電流の大きさが
異なるのである。即ち、「プラス方向に電圧を印加した
場合のポンプ電流（Ｉｐｐ）の絶対値＜マイナス方向に
電圧を印加した場合のポンプ電流（Ｉｐｍ）の絶対値」
となる。

【００２１】尚、ここでは、正逆２方向に同じ電圧を
かけた例で制御装置の動作を説明したが、異なる電圧を
かけた場合であっても、予め印加する電圧に応じた変化
を測定しておき、その変化を考慮することにより、異な
る電圧をかけて制御を行うことも可能である。

【００２２】また、印加する電圧は、電圧変化後（正逆
を切り替えた場合）に、ポンプ電流が短時間で安定する
ように、小さい電圧が好ましい。例えば０．１〜０．２
Ｖの小さい電圧が好適である。 （２）請求項２の発明は、更に、前記電流測定装置によ
って測定された電流の大きさから、第１の空燃比を推定
する空燃比推定装置を備えたことを特徴とする前記請求
項１に記載のガス検出装置を要旨とする。

【００２３】本発明では、正逆２方向の電圧を印加した
場合の電流の絶対値の大小関係を比較して、第１の空燃
比（後に検出するより正確な第２の空燃比より大まかな
値；以下同様）を推定する。例えば図３に示す様に、ポ
ンプ電流と空燃比との間には、ある決まった関係があ
る。この関係は、それほど厳密ではないが、予めこの関
係を測定により求めておけば、ポンプ電流から、第１の
空燃比（以下大まかな空燃比とも記す）を求めることが
できる。

【００２４】ここで、例えば図４に示す様に、マイナス
方向に電圧（例えばリッチ領域にて−０．２Ｖ）を印加
した場合のポンプ電流（Ｉｐ）からリッチにおける大ま
かな空燃比を求めることができる。また、プラス方向に
電圧（例えばリーン領域にて＋０．２Ｖ）を印加した場
合のポンプ電流からリーンにおける大まかな空燃比を求
めることができる。

【００２５】尚、リッチ状態においてプラス方向に電圧
を印加した場合と、リーン状態においてマイナス方向に
電圧を印加した場合には、ポンプ電流と空燃比との関係
があまり明瞭でないので、リッチ状態においてマイナス
方向に電圧を印加した場合及びリーン状態においてプラ
ス方向に電圧を印加した場合のポンプ電流から、大まか
な空燃比を求めることが好ましい。

【００２６】（３）請求項３の発明は、固体電解質体及
び一対の多孔質電極を有し、酸素のポンピングを行うポ
ンプセルと、前記一対の多孔質電極の一方と接する測定
室と、該測定室を外界から遮蔽する遮蔽部と、前記測定
室と外界とを連通してガス拡散律速を行う律速部と、を
備えたガス検出装置であって、前記ポンプセルの一対の
多孔質電極に対して、電圧の印加方向を正逆２方向に切
り替えて電圧を印加する電圧制御装置と、該電圧印加装
置による正逆２方向の電圧の印加の際に、前記ポンプセ
ルに流れた各々のポンプ電流を測定する電流測定装置
と、該電流測定装置によって測定された電流の大きさか
ら、被測定ガスの第１の空燃比を推定する空燃比推定装
置と、を備えたことを特徴とするガス検出装置を要旨と
する。

【００２７】本発明では、前記請求項２の発明と同様
に、正逆２方向の電圧を印加した場合の電流の絶対値の
大小関係を比較して、第１の空燃比（空燃比の大まかな
値）を推定することができる。 （４）請求項４の発明は、前記被測定ガスの空燃比と前
記ポンプセルに限界電流特性が現れる印加電圧との関係
データを記憶する関係記憶装置と、該関係記憶装置に記
憶した関係データを用い、前記空燃比推定装置によって
推定した第１の空燃比に対応した前記印加電圧を決定す
る印加電圧決定装置と、該印加電圧決定装置によって決
定された印加電圧を前記ポンプセルに加えた場合に前記
ポンプセルに流れるポンプ電流から、前記被測定ガスの
第２の空燃比を検出する空燃比検出装置と、を備えたこ
とを特徴とする前記請求項３に記載のガス検出装置を要
旨とする。

【００２８】本発明では、予め、被測定ガスの空燃比
とポンプセルに限界電流特性が現れる印加電圧（以下限
界電流に対応した印加電圧を限界印加電圧とも記す）と
の関係データを記憶しておき、この関係データを用い
て、前記推定した第１の空燃比（以下大まかな空燃比と
も記す）に対応した限界印加電圧を決定する。

【００２９】例えば図６に示す様に、ある空燃比の範囲
と、その範囲に対応した印加電圧（Ｖｐ）である限界印
加電圧の関係を設定しておき、その関係から、大まかな
空燃比に対応した限界印加電圧を決定する。そして、こ
の様にして決定された限界印加電圧をポンプセルに印加
し、このときに得られたポンプ電流を測定し、このポン
プ電流の大きさから、被測定ガスの第２の空燃比（以下
正確な空燃比とも記す）を検出する。

【００３０】次に、上述した手順にて正確な空燃比を
検出することができる原理を説明する。図６に示す様
に、実験等により、ポンプセルに電圧を印加した場合
に、空燃比（Ａ／Ｆ又はλ）と限界電流（ある範囲で限
界となるポンプ電流Ｉｐ）との関係を求めておく。この
場合、ポンプセルの印加電圧を多少変動させても、限界
電流は変化しない。これは、図７に示す様に、空燃比が
変化すると限界電流が（図の上下方向）変化するが、ポ
ンプセルへの印加電圧（Ｖｐ）を変化させても、それが
所定の幅の範囲内であれば、一定の電流値（限界電流）
が得られるという特性があるからである。

【００３１】従って、前記空燃比推定装置によって推定
された大まかな空燃比が得られた場合には、まず、この
推定された大まかな空燃比に対応した限界印加電圧を、
前記図５（又は図６）から求める。この限界印加電圧を
ポンプセルに印加すれば、上述した特性から、空燃比に
応じた限界電流が得られるのであるから、実際に、ポン
プセルに限界印加電圧を印加したときに、そのポンプ電
流（即ち限界電流）を測定し、その測定した限界電流
を、前記図６に示す様な関係データ（マップ等）に当て
はめることにより、正確な空燃比を求めることができる
のである。

【００３２】（５）請求項５の発明は、前記正逆２方向
に印加する電圧の大きさが同じであることを特徴とする
前記請求項１又は３に記載のガス検出装置を要旨とす
る。正逆２方向に印加する電圧の大きさが同じであれば
（例えばリッチ領域で−０．２Ｖ、リーン領域で＋０．
２Ｖ）、例えば前記図３に示す特性が得られるので、こ
の特性を利用して、リーン、リッチを容易に判定するこ
とができる。

【００３３】（６）請求項６の発明は、固体電解質体及
び一対の多孔質電極を有し、酸素のポンピングを行うポ
ンプセルと、前記一対の多孔質電極の一方と接する測定
室と、該測定室を外界から遮蔽する遮蔽部と、前記測定
室と外界とを連通してガス拡散律速を行う律速部と、を
備えた空燃比センサを用いて、被測定ガスの空燃比を測
定する空燃比測定方法であって、前記ポンプセルの一対
の多孔質電極に対して、電圧の印加方向を正逆２方向に
切り替えて電圧を印加し、その際に前記ポンプセルに流
れた各々のポンプ電流を測定し、この各々の電流の絶対
値の大小関係を比較して、空燃比がリッチかリーンかを
判定することを特徴とする空燃比測定方法を要旨とす
る。

【００３４】本発明では、前記請求項１の発明で説明し
た原理を用いて、空燃比がリッチかリーンかを判定する
ものである。 （７）請求項７の発明は、固体電解質体及び一対の多孔
質電極を有し、酸素のポンピングを行うポンプセルと、
前記一対の多孔質電極の一方と接する測定室と、該測定
室を外界から遮蔽する遮蔽部と、前記測定室と外界とを
連通してガス拡散律速を行う律速部と、を備えた空燃比
センサを用いて、被測定ガスの空燃比を測定する空燃比
測定方法であって、前記ポンプセルの一対の多孔質電極
に対して、電圧の印加方向を正逆２方向に切り替えて電
圧を印加し、その際に前記ポンプセルに流れた各々のポ
ンプ電流を測定し、この電流の大きさから、第１の空燃
比を推定することを特徴とする空燃比測定方法を要旨と
する。

【００３５】本発明では、前記請求項２の発明で説明し
た原理を用いて、第１の空燃比（空燃比の大まかな値）
を推定するものである。 （８）請求項８の発明は、予め前記ポンプセルに限界電
流特性が現れる限界印加電圧を求めておき、前記推定し
た第１の空燃比に対応した前記限界印加電圧を決定し、
この決定された限界印加電圧を前記ポンプセルに加え、
このときに前記ポンプセルに流れるポンプ電流から第２
の空燃比を検出することを特徴とする前記請求項７に記
載の空燃比測定方法を要旨とする。

【００３６】本発明では、前記請求項４の発明で説明し
た原理を用いて、ポンプ電流から第２の空燃比（正確な
空燃比）を検出するものである。 （９）請求項９の発明は、前記正逆２方向に印加する電
圧の大きさが同じであることを特徴とする前記請求項６
に記載の空燃比の測定方法を要旨とする。

【００３７】正逆２方向に印加する電圧の大きさが同じ
であれば（例えばリッチ領域で−０．２Ｖ、リーン領域
で＋０．２Ｖ）、例えば図３に示す特性を利用して、リ
ーン、リッチを容易に判定することができる。ここで、
前記ポンプセルの固体電解質としては、電圧を印加した
場合に酸素のポンピングが可能な物質、即ち酸素イオン
伝導性の例えばジルコニアが挙げられる。また、多孔質
電極としては、例えば白金電極が挙げられる。

【００３８】

【発明の実施の形態】以下に、本発明のガス検出装置及
びその装置を用いた空燃比の測定方法の実施の形態の例
（実施例）を、図面に基づいて説明する。 （実施例） ａ）まず、空燃比センサの構成について説明する。

【００３９】図１に示す如く、空燃比センサ１は、ポン
プセル３及び遮蔽部５と、その間に設けられた測定室７
及び律速部９から構成されている。つまり、空燃比セン
サ１は、ポンプセル３及び遮蔽部５の２枚の板状の部材
を積層した２層構造のセンサである。尚、必要に応じ
て、ポンプセル３の外側にポンプセル３を加熱するヒー
タ（図示せず）を設けてもよい。

【００４０】前記ポンプセル３は、薄板状ジルコニアセ
ラミックスからなる固体電解質層１１の両側に、それぞ
れ矩形状の多孔質電極１３ａ，１３ｂ（１３と総称す
る）を備えたものであり、両電極１３間に電圧を印加す
ることにより、酸素のポンピングを行なう。

【００４１】具体的には、図２（ａ）に示す様に、電源
のプラス極を外側の多孔質電極１３ａに接続し、電源の
マイナス極を内側の多孔質電極１３ｂに接続して、電圧
を印加した場合を、正方向（プラス方向）に電圧を印加
したとする。これにより、酸素は、測定室７から外界に
汲み出される。一方、図２（ｂ）に示す様に、電源のプ
ラス極を内側の多孔質電極１３ｂに接続し、電源のマイ
ナス極を外側の多孔質電極１３ａに接続して、電圧を印
加した場合を、逆方向（マイナス方向）に電圧を印加し
たとする。これにより、酸素は、外界から測定室７に汲
み入れられる。

【００４２】また、図１に示す様に、前記遮蔽部５は、
薄板状ジルコニアセラミックスからなる固体電解質層か
らなり、測定室７と外界との間のガスの通過を遮断する
ものである。測定室７は、ポンプセル３と遮蔽部５との
間に挟まれた空間であり、内側の多孔質電極１３ｂに面
している。

【００４３】律速部９は、例えばアルミナ等からなる多
孔質の充填材が詰められて形成されており、測定室７と
外界とを連通するとともに、ガス拡散律速を行なう。 ｂ）次に、ガス検出装置の構成ついて説明する。図８に
示す様に、ガス検出装置は、空燃比センサ１に接続され
たマイクロコンピュータである電子制御装置（ＥＣＵ）
１５を備えている。

【００４４】ＥＣＵ１５は、第１配線１７を介して内側
の多孔質電極１３ｂに接続され、第２配線１９を介して
外側の多孔質電極１３ａに接続されている。第１配線１
７には第１アンプ２１が接続され、第２配線１９には第
２アンプ２３と抵抗２５が接続されている。更に、第２
配線１９には、抵抗２５間の電圧降下から第２配線１９
に流れる電流（従ってポンプ電流Ｉｐ）を検出するため
に、第３配線２７及び第４配線２９が分岐し、ＥＣＵ１
５に接続されている。

【００４５】また、ＥＣＵ１５には、測定した空燃比を
表示するために、表示装置３１が接続されている。従っ
て、この構成により、第１配線１７側をプラスとするか
又は第２配線１９側をプラスとすることにより、プラス
とマイナスの方向を違えた電圧（ポンプ電圧Ｖｐ）を多
孔質電極１３に印加し、その際に流れるポンプ電流（Ｉ
ｐ）を検出することができる。

【００４６】また、このポンプ電流から、後に詳述する
様に、リッチ・リーンの判定や、第１の空燃比（大まか
な空燃比）の推定を行なうことができるので、更に、限
界印加電圧の決定や、第２の空燃比（大まかな空燃比よ
り正確な空燃比）の検出を行なうことができる。

【００４７】ｃ）次に、上述したガス検出装置を用いて
行う空燃比の測定方法について、図９のフローチャート
等に基づいて説明する。まず、図９のステップ１００に
示す様に、リッチ・リーンの雰囲気の測定のために、ポ
ンプセル３に対してプラス方向（測定室７から酸素を汲
み出す方向）に、例えば＋０．２Ｖの電圧を印加する。
これにより、例えば図３に示す横軸より上方の領域のポ
ンプ電流（Ｉｐｐ）が流れる。

【００４８】続くステップ１１０では、前記プラス方向
に電圧を印加した場合のポンプ電流を測定する。続くス
テップ１２０では、前記ステップ１００とは逆に、ポン
プセル３に対してマイナス方向（測定室７に酸素を汲み
入れる方向）に、例えば−０．２Ｖの電圧を印加する。
これにより、例えば図３に示す横軸より下方の領域のポ
ンプ電流（Ｉｐｍ）が流れる。

【００４９】続くステップ１３０では、前記マイナス方
向に電圧を印加した場合のポンプ電流を測定する。続く
ステップ１４０では、プラス方向及びマイナス方向の両
ポンプ電流の絶対値の大小を比較する。

【００５０】続くステップ１５０では、前記両ポンプ電
流の絶対値の比較から、現在の雰囲気がリッチやリーン
かを判定する。例えば図３に示す様に、測定の途中で空
燃比に変化がないと仮定して、プラス方向のポンプ電流
（Ｉｐｐ）の絶対値の方が、マイナス方向に電流（Ｉｐ
ｍ）の絶対値より大きな場合には、雰囲気がリッチであ
ると判定し、逆に、プラス方向のポンプ電流の絶対値の
方が、マイナス方向に電流の絶対値より小さな場合に
は、雰囲気がリーンであると判定する。

【００５１】続くステップ１６０では、前記リッチ・リ
ーンの判定に基づき、例えば図４に示す特性を利用し
て、大まかな空燃比を推定する。つまり、前記リッチ・
リーンの判定の際に、ポンプセル３に小さな電圧（±
０．２Ｖ）を印加しているので、その時の電流値から大
まかな空燃比を求める。

【００５２】具体的には、リッチの場合には−０．２Ｖ
を印加した際に、マイナス方向のポンプ電流が得られる
ので、その電流値を図４のグラフに当てはめることによ
り、リッチ側における大まかな空燃比を推定することが
できる。また、リーンの場合には＋０．２Ｖを印加した
際に、プラス方向のポンプ電流が得られるので、その電
流値を図４のグラフに当てはめることにより、リーン側
における大まかな空燃比を推定することができる。

【００５３】次に、ステップ１７０では、前記ステップ
１６０にて得られた大まかな空燃比に対応した電圧を決
定する。即ち、ポンプセル３に印加すべき電圧（限界印
加電圧）を、例えば図５に示す関係データ（マップ）を
用いて決定する。続くステップ１８０では、前記限界印
加電圧をポンプセル３に印加する。

【００５４】続くステップ１９０では、限界印加電圧を
ポンプセル３に印加した際に、ポンプセル３に流れるポ
ンプ電流（限界電流）Ｉｐを測定する。続くステップ２
００では、前記測定されたポンプ電流を、例えば図６に
示す関係データに当てはめて、正確な空燃比を求め、一
旦本処理を終了する。

【００５５】例えば０．４Ｖの限界印加電圧をポンプセ
ル３に印加した場合には、約０〜１ｍＡの範囲内の限界
電流が得られるので、この限界電流に対応した（λ＝約
１．０３〜１．２０の範囲内の）空燃比を図６から求め
ることにより、正確な空燃比が得られるのである。

【００５６】ｄ）この様に、本実施例では、（ジルコニ
ア板を積層した）２層構造の空燃比センサ１を用いるの
で、従来の３層構造の空燃比センサに比べて、構造をシ
ンプルにすることができ、それにより、製造コストを低
減することができる。更に、従来の空燃比センサは、Ｖ
ｓセルやＩｐセルの制御を同時に行なう必要があり、そ
のため制御回路も複雑であったが、本実施例では、その
様な複雑な制御は不要である。よって、制御回路の構造
をシンプルにすることができ、それにより、製造コスト
を低減することができる。

【００５７】また、本実施例では、空燃比がリッチかリ
ーンかは、ポンプセル３に印加する電圧の向きを変更
し、その際に測定されたポンプ電流の絶対値を比較する
ことで判定することができる。更に、大まかな空燃比を
前記ポンプ電流から推定することができる。

【００５８】その上、推定した空燃比から限界印加電圧
を求め、この限界印加電圧を印加した場合に流れるポン
プ電流から正確な空燃比を求めることができる。尚、本
発明は、前記実施例に限定されることなく、本発明の範
囲内にて各種の態様で実施できることは勿論である。

【００５９】

【発明の効果】以上詳述した様に、本発明によれば、従
来使われていた空燃比センサに比べて、構造をシンプル
にすることができ、それにより、製造コストを低減する
ことができる。

【００６０】また、従来使われていた空燃比センサの制
御回路に比べて、構造をシンプルにすることができ、そ
れにより、製造コストを低減することができる。更に、
リッチ・リーンの判定や、大まかな第１の空燃比の推定
に加え、より正確な第２の空燃比も求めることができ
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】 実施例における空燃比センサを示す断面図で
ある。

【図２】 実施例における空燃比センサの動作を示す説
明図である。

【図３】 ポンプセルに正逆２方向にの電圧を印加した
場合の電流を示すグラフである。

【図４】 大まかな空燃比の推定のために用いられるポ
ンプ電流と空燃比との関係を示すグラフである。

【図５】 大まかな空燃比と印加電圧との関係を示す説
明図である。

【図６】 印加電圧と空燃比とポンプ電流との関係を示
すグラフである。

【図７】 印加電圧とポンプ電流との関係を示すグラフ
である。

【図８】 ガス検出装置を示す説明図である。

【図９】 正確な空燃比の測定のためのフローチャート
である。

【図１０】 従来技術の説明図である。

【符号の説明】

１…空燃比センサ ３…ポンプセル ５…遮蔽部 ７…測定室 ９…律速部 １１…固体電解質層 １３，１３ａ，１３ｂ…多孔質電極 １５…電子制御装置（ＥＣＵ）

Claims (9)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 固体電解質体及び一対の多孔質電極を有
   し、酸素のポンピングを行うポンプセルと、 前記一対の多孔質電極の一方と接する測定室と、 該測定室を外界から遮蔽する遮蔽部と、 前記測定室と外界とを連通してガス拡散律速を行う律速
   部と、 を備えたガス検出装置であって、 前記ポンプセルの一対の多孔質電極に対して、電圧の印
   加方向を正逆２方向に切り替えて電圧を印加する電圧制
   御装置と、 該電圧制御装置による正逆２方向の電圧の印加の際に、
   前記ポンプセルに流れる各々のポンプ電流を測定する電
   流測定装置と、 該電流測定装置によって測定された各々の電流の絶対値
   の大小関係を比較して、被測定ガスの空燃比がリッチか
   リーンかを判定する空燃比判定装置と、 を備えたことを特徴とするガス検出装置。
2. 【請求項２】 更に、前記電流測定装置によって測定さ
   れた電流の大きさから、第１の空燃比を推定する空燃比
   推定装置を備えたことを特徴とする前記請求項１に記載
   のガス検出装置。
3. 【請求項３】 固体電解質体及び一対の多孔質電極を有
   し、酸素のポンピングを行うポンプセルと、 前記一対の多孔質電極の一方と接する測定室と、 該測定室を外界から遮蔽する遮蔽部と、 前記測定室と外界とを連通してガス拡散律速を行う律速
   部と、 を備えたガス検出装置であって、 前記ポンプセルの一対の多孔質電極に対して、電圧の印
   加方向を正逆２方向に切り替えて電圧を印加する電圧制
   御装置と、 該電圧印加装置による正逆２方向の電圧の印加の際に、
   前記ポンプセルに流れた各々のポンプ電流を測定する電
   流測定装置と、 該電流測定装置によって測定された電流の大きさから、
   被測定ガスの第１の空燃比を推定する空燃比推定装置
   と、 を備えたことを特徴とするガス検出装置。
4. 【請求項４】 前記被測定ガスの空燃比と前記ポンプセ
   ルに限界電流特性が現れる印加電圧との関係データを記
   憶する関係記憶装置と、 該関係記憶装置に記憶した関係データを用い、前記空燃
   比推定装置によって推定した第１の空燃比に対応した前
   記印加電圧を決定する印加電圧決定装置と、 該印加電圧決定装置によって決定された印加電圧を前記
   ポンプセルに加えた場合に前記ポンプセルに流れるポン
   プ電流から、前記被測定ガスの第２の空燃比を検出する
   空燃比検出装置と、 を備えたことを特徴とする前記請求項３に記載のガス検
   出装置。
5. 【請求項５】 前記正逆２方向に印加する電圧の大きさ
   が同じであることを特徴とする前記請求項１又は３に記
   載のガス検出装置。
6. 【請求項６】 固体電解質体及び一対の多孔質電極を有
   し、酸素のポンピングを行うポンプセルと、 前記一対の多孔質電極の一方と接する測定室と、 該測定室を外界から遮蔽する遮蔽部と、 前記測定室と外界とを連通してガス拡散律速を行う律速
   部と、 を備えた空燃比センサを用いて、被測定ガスの空燃比を
   測定する空燃比測定方法であって、 前記ポンプセルの一対の多孔質電極に対して、電圧の印
   加方向を正逆２方向に切り替えて電圧を印加し、その際
   に前記ポンプセルに流れた各々のポンプ電流を測定し、
   この各々の電流の絶対値の大小関係を比較して、空燃比
   がリッチかリーンかを判定することを特徴とする空燃比
   測定方法。
7. 【請求項７】 固体電解質体及び一対の多孔質電極を有
   し、酸素のポンピングを行うポンプセルと、 前記一対の多孔質電極の一方と接する測定室と、 該測定室を外界から遮蔽する遮蔽部と、 前記測定室と外界とを連通してガス拡散律速を行う律速
   部と、 を備えた空燃比センサを用いて、被測定ガスの空燃比を
   測定する空燃比測定方法であって、 前記ポンプセルの一対の多孔質電極に対して、電圧の印
   加方向を正逆２方向に切り替えて電圧を印加し、その際
   に前記ポンプセルに流れた各々のポンプ電流を測定し、
   この電流の大きさから、第１の空燃比を推定することを
   特徴とする空燃比測定方法。
8. 【請求項８】 予め前記ポンプセルに限界電流特性が現
   れる印加電圧を求めておき、前記推定した第１の空燃比
   に対応した前記印加電圧を決定し、この決定された印加
   電圧を前記ポンプセルに加え、このときに前記ポンプセ
   ルに流れるポンプ電流から第２の空燃比を検出すること
   を特徴とする前記請求項７に記載の空燃比測定方法。
9. 【請求項９】 前記正逆２方向に印加する電圧の大きさ
   が同じであることを特徴とする前記請求項６に記載の空
   燃比の測定方法。