JPH0125418B2

JPH0125418B2 -

Info

Publication number: JPH0125418B2
Application number: JP56078030A
Authority: JP
Inventors: Haruyoshi Kondo; Keiichi Saji; Takashi Takeuchi
Original assignee: Toyota Central R&D Labs Inc
Current assignee: Toyota Central R&D Labs Inc
Priority date: 1981-05-25
Filing date: 1981-05-25
Publication date: 1989-05-17
Also published as: JPS57192851A

Description

【発明の詳細な説明】この発明は限界電流式酸素センサの出力に温度
補償を行なつた限界電流式酸素濃度検出装置に関
し、その目的はセンサの酸素濃度対限界電流特性
の温度依存性による出力誤差を補償し、使用温度
範囲の制約を解放して、高精度、広使用範囲での
使用を可能にすることにある。

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、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、気体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機関の燃焼制御に
は適さなかつた。

これに対し、我々は先に限界電流を測定して酸
素ガス濃度を分析するセンサ（以下、限界電流式
酸素センサと略す）を提案（特開昭52−72286号
公報）し、また陰極を多孔質層で被覆した酸素濃
度センサを開発（特願昭55−123677号、特開昭57
−48648号公報）して対処した。この限界電流式
酸素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式酸素濃
度センサ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
センサは温度によつて内部抵抗が大きく変化する
こと酸素濃度対限界電流の対応関係が若干変わる
という二つの問題点を有する。本発明は二つの問
題点の内で温度により酸素濃度対限界電流の対応
関係が変わる問題について解決方法を与えようと
するものである。

第１図ａには限界電流式酸素センサの断面の構
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，Yb₂O₃，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１ｅ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、スピネル、ムライト
等の耐熱性無機物質から成る。多孔質層１ｅは多
孔質層１ｆと比較してガス透過性を同等もしくは
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１ｄ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除々
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々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）
の内部抵抗および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の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）や水素気（H₂O）の一部が分解され
て酸素濃度が増加した様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雰囲気中においては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
雰囲気中では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
が変わるので精度が悪化し問題である。尚、高酸
素濃度領域では酸素濃度と限界電流が比例しない
領域があるが、ここでは概ね直線性のある範囲に
限るものとする。

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。

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。

Il＝4FSDo₂effP／RTlln（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 Do₂eff：有効拡散係数 Po₂：酸素分圧Ｐ：全圧Ｒ：ガス定数Ｔ：絶対温度ｌ：多孔質層厚さ ln：自然対数酸素分圧比Po₂／Ｐ≪１ならば近似的に Il≒4FSDo₂effP／RTl Po₂／Ｐ (2)式となる。ここでDo₂effは経験的に Do₂eff（Ｔ）＝Do₂eff（T₀）（Ｔ／T₀）^m+1 (3)式但し、T₀：基準の温度 Do₂eff（Ｔ）：Ｔにおける有効拡散係数 Do₂eff（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Il（T₀）に対する温度Ｔのときの
出力電流Il（Ｔ）の比、すなわち出力電流の温度
依存性Il（Ｔ）／Il（T₀）は、 Il（Ｔ）／Il（T₀）＝（Ｔ／T₀）^m (4)式となる。

気体の拡散係数の温度による変化に起因する限
界電流の温度依存性だけであればセンサの出力電
流は温度により第４図の破線のように直線的
（T^0.75）で、かつ小さな変化であるが、実際には
低温領域で内部抵抗が著しく増大し、その内部抵
抗に起因する電圧降下が妨害作用をして、同図の
実線に示されているように急激に限界電流の低下
する特性になる場合もある。この内部抵抗の問題
は本発明者等によつてなされた同時出願の特許出
願の発明によつて解決されており、これを利用す
ることにより破線のような素直な特性に改善する
ことが可能である。

温度依存性を無くするための一方法として、セ
ンサを一定温度に調節しながら、酸素濃度を測定
することも考えられる。本発明者等はその具体的
手段をも考案し、本願と同時出願の別途の特許出
願をした。しかしながら一般にはセンサを一定温
度に調節するためには、温度検出部、加熱部、電
力調節部等を必要とし、構成が複雑になり、高コ
スト、大型化、多消費電力等の問題を生ずる。

そこで我々は一定の温度に調節して使うのでは
なく、燃焼等の排気温により限界電流式センサが
加熱され、変動する温度条件下において高精度に
測定する装置を提案するものである。

第５図は本発明の基本的構成を示すブロツク図
で、本発明は限界電流式酸素センサ１と、そのセ
ンサ１に過電圧領域の電圧を印加して限界電流を
測定する限界電流測定部４と、センサの温度（内
部抵抗）を測定する温度測定部５と、測定された
温度から温度補正係数を求める温度補正係数演算
部６と、限界電流測定部４の測定値出力を温度補
正係数演算部６の出力によつて補正する補正部７
を備えている。

温度測定部５は限界電流式酸素センサ１の内部
抵抗を測定し、その測定値から温度を算出するよ
うに構成することができる。センサの酸素イオン
導電体の抵抗率ρと温度の関係は第６図ａおよび
第６図ｂに示すようなものであり、次式で近似で
きる。尚、第６図ｂには片対数尺の場合を示す。

但し、c₁：係数ｅ：自然対数の基底Ｅ：活性化エネルギＫ：ボルツマン定数Ｔ：絶対温度 (5)式において係数c₁および活性化エネルギＥは
材料組成、焼成条件、不純物等によつて決まる値
である。酸素イオン伝導体としては前述の如き素
成のものを用いればc₁が低く良好である。いずれ
の組成の酸素イオン伝導体であつても第６図ｂに
示した如く温度の低下に伴つて急激に抵抗率が高
くなる。その理由は活性化エネルギの値が0.5〜
1.4〔lV〕程度と高いことによる。又、電解質の内
部抵抗の他にも電解質と電極の界面にも抵抗が存
在するが、これは電解質の表面処理状態、電極材
料等により変化する。電極材料として前述の如き
組成の混合材料を用いれば界面抵抗を実用上は小
さくすることが可能である。

上記の如く限界電流式酸素センサの内部抵抗が
大きな温度依存性を有するので、内部抵抗を測定
することにより温度を知ることができる。

(5)式より、Ｔ＝T₀のときρ＝ρ₀としてc₁を求め
ると ρ＝ρ₀e^{E/K(1/T-1/T0)} (7)式Ｔ＝１／Ｋ／Ｅlog_e（ρ／ρ₀）＋１／T₀(8)式但し、log_e：自然対数 (8)式は抵抗率に関する式であるが、一般にセン
サの抵抗率と内部抵抗は比例するとしてさしつか
えないのでＴ＝１／Ｋ／Ｅlog_e（Ｒ／R₀）＋１／T₀ (9)式但し、Ｒ：内部抵抗 R₀：T₀における内部抵抗ＥおよびT₀とR₀の関係はセンサ毎に特定の値
をとるので、内部抵抗Ｒから絶対温度Ｔを求める
ことができる。

そして、温度に関して第４図の温度依存による
誤差をゼロにする関数（Ｔ／T₀）^-mを(4)式に乗ずることにより補正を行なう。すなわち、温度補正係
数をα（Ｔ）として α（Ｔ）＝（Ｔ／T₀）^-m (10)式となる。

第５図のブロツク図において、上記温度補正係
数α（Ｔ）を求めるのが温度補正係数演算部６で
あり、その補正係数α（Ｔ）を限界電流測定部４
の出力に乗じて補正するのが補正部７である。

このようにして、温度依存性を有する限界電流
の値｛(4)式｝に温度補正項α（Ｔ）を乗ずること
により、温度依存分を消去して、酸素分圧のみに
比例する限界電流を求めることができる。

次にα（Ｔ）＝（Ｔ／T₀）^-mをセンサ内部抵抗から求める演算について説明する。

(9)式および(10)式から α（Ｔ）＝（Ｔ／T₀）^-m＝｛KT₀／Ｅlog_e（Ｒ／R₀）＋
１｝^m(11)式ハードウエア又はソフトウエアによつて(11)式を
演算し、限界電流の測定値に積演算を行なえば良
い。しかしながら(11)式には対数演算および羃乗演
算部を含むから構成がやや複雑になるという難点
もある。

そこで、精度よりも簡便さを重視するときには
簡易な近似式で代用するのも良い。

先ず、対数演算部を簡易化すると（Ｔ／T₀）^-m≒KT₀／Ｅ２Ｒ／R₀−１／Ｒ／R₀＋１＋
１^m
(12)式となる。

次に羃乗演算部を簡易化すると（Ｔ／T₀）^-m≒１＋2mKT₀／ＥＲ−R₀／Ｒ＋R₀（13）
式となる。

第７図には y₁＝log_eＲ／R₀ （14）式なる関数を y₂＝２Ｒ／R₀−１／Ｒ／R₀＋１（15）式なる近似式で代用した場合のＲ／R₀の適用可能範囲とその精度について検討したものを示す。

0.3＜Ｒ／R₀＜３の範囲においては極めて良く一致しており、近似式として十分実用できることがわ
かる。

又、更に簡単化して y₃＝Ｒ／R₀−１（16）式とした場合についても同図に示す。この場合は加
減算のみで構成できるので演算を著しく簡単化で
きるかわりに対数と近い値になるのは0.6＜Ｒ／R₀＜ 1.4位と（14）式、（15）式の場合と比べて比較的
狭い範囲に限定される。しかし、後述のようにこ
の極めて簡易な式による実施例でも良好な補償効
果が得られている。

又、羃乗演算 z₁＝（１＋ｘ）^m （17）式を z₂≒（１＋mx）（18）式で代用する点については、このセンサの使用温度
600゜〜1000℃の範囲ではｘ≪１となり、（18）式
は１〔％〕以内の高精度で近似できるから全く問
題ない。（16）式の近似によれば、（Ｔ／T₀）^-m≒１＋ｍKT₀／Ｅ（Ｒ／R₀−１）（19）
式である。

このように簡単化すれば(11)式と異なり、対数も
羃数も含まず（13）式では加減算および商演算に
なり、（19）式では加減算のみになるので、演算
のための装置が著しく簡単に構成できるととも
に、低コストになる。

温度の測定にはセンサの内部抵抗以外の方法、
例えば感温素子であるサーミスタや熱電対を用い
る方法を用いてもよい。

限界電流式酸素センサの内部抵抗の測定には交
流を用いることができる。

第８図には限界電流センサの過電圧支配領域に
おけるインピーダンスの周波数による軌跡を示
す。すなわち、直流（DC）および無限大（∞）
周波数では抵抗成分のみでリアクタンス分は零で
あるが、途中の周波数においてはリアクタンス成
分も存在する。このようなほぼ半円形の軌跡を描
くセンサの電気的等価回路は第９図の如く表わす
ことができる。第９図においてRbは抵抗支配領
域での内部抵抗に対応している。又、R_Dは過電
圧領域における電解質と電極との界面に存在する
抵抗を表わし、C_Dは同様に界面の静電容量を表
わす。

従つて、過電圧支配領域において内部抵抗Rb
を求めるにもいくつかの方法が存在し得る。

ａ１／2πC_DRb以上か又はそれに近い周波数でインピーダンスの絶対値を求めてRbの近似値とす
る。

ｂ同上の方法において交流インピーダンス絶対
値と位相角から抵抗分を演算する。

ｃ複数の周波数においてインピーダンスの絶対
値や位相角を測定し、等価回路の各定数を求め
る。

これ等の各方法の内でａ）の方法が最も簡便で
ある。尚、周波数としてはセンサ素子の大きさ、
製法等により最適に設定する必要があるが通常は
500〔Hz〕〜100〔ＫHz〕程度が適当である。

第１０図は、交流によつて内部抵抗を測定し
て、それに基づいて出力の温度補償を行なう実施
例の基本的な回路構成を示すものである。

限界電流式酸素センサは第１図ａと同様の構成
のものである。交流直流重畳電圧印加部１２の電
圧は電流検出部１３を経由してセンサ１へ供給す
る。電流検出部１３で検出された電流信号を交流
直流分離部１４へ導く。この分離はハイパスフイ
ルタおよびローパスフイルタを用いることによつ
て行なうことができる。交流直流分離部１４で分
離した直流電流成分は限界電流であり酸素濃度に
対応している。内部抵抗演算部１５は交流発振器
１８の出力電圧と交流直流分離部１４で分離した
交流電流成分とから内部抵抗値を算出するもので
ある。得られた内部抵抗値に基づいて、温度補正
係数演算部１６において温度補正係数α（ｔ）が
算出される。そのα（ｔ）の算出には、前記(11)式、
（13）式、（19）式等が用いられる。得られた温度
補正係数α（ｔ）に基づいて補正部１７において、
測定限界電流に対する補正が行なわれる。以上の
構成において、内部抵抗演算部１５、温度補正係
数演算部１６および補正部１７の部分が出力の温
度依存性の補償部２０を構成している。

尚、(11)式右辺第１項のlog_e（Ｒ／R₀）の対数演算は例えばテレダインフイルブリツク社の対数変換モ
ジユール4366（又は4367）等を用いれば容易に構
成できる。

又、（14）式右辺の羃乗演算等も同社のべき乗
関数モジユール4371等を用いれば容易に構成でき
る。

第１１図は、温度補正係数の算出に（13）式を
用いる実施例を示すものである。

直流電圧印加部２１と交流定電流印加部２２に
より、直流と交流の電圧又は電流の重畳したもの
を限界電流式酸素センサ１に印加し、電流電圧変
換回路２３でセンサに流れる電流またはセンサに
表われる電圧を検出する。検出成分の内でローパ
スフイルタ２４により分離した直流分である限界
電流成分を積演算部２６へ導く。交流成分はハイ
パスフイルタ２５によつて分離し、整流部２７で
整流した値から内部抵抗に比例する電圧を得てい
る。センサ１に印加する交流を定電圧としている
ので第１０図の内部抵抗の演算部１５は省略でき
る。設定条件として交流の周波数は500〜50〔Ｋ
Hz〕程度、交流の電流の大きさは限界電流式酸素
センサの端子電圧換算で１〜100〔mV〕程度にす
るのが好適である。

尚、本実施例では交流定電流印加部２２として
交流の定電流印加部を用いる場合を示したが、交
流圧の定電圧印加部としてもよい。その場合には
ハイパスフイルタ２５の入力を電流電圧変換回路
２３の出力からとると共に整流した出力の逆数を
とると内部抵抗に比例する。

温度補正係数演算部は（13）式を演算するよう
構成されている。即ち、電圧源２８、抵抗２９お
よび３０の３つの素子により（13）式のＲ＋R₀
を近似的に演算している。電圧源３１、抵抗３２
および３３の３つの素子により（13）式のＲ−
R₀を近似的に演算している。商演算部３４によ
つて（13）式のＲ−R₀／Ｒ＋R₀を演算している。電圧源２８、抵抗３５，３６、およびポテンシヨトータ
３７等の４つの素子により（13）式の１＋2m
KT₀／ＥＲ−R₀／Ｒ＋R₀を近似的に演算している。

尚、抵抗回路網を用いるかわりに加算器を用い
て構成することもでき、一層精密な演算を行なう
ことができる。

（13）式の演算によつて得られた温度補正係数
を積演算部２６に導き、測定された限界電流との
積演算を行なうことにより温度補償された出力を
得ることができる。温度係数の異なるセンサに対
してはポテンシヨメータ３７の調節により容易に
対応できる。

第１２図は他の実施例を示すものである。第１
１図の実施例の構成と異なる点は温度補正係数演
算部を（19）式を用いるよう構成した点である。
即ち、（19）式の温度補正項を定電圧印加部３８
と抵抗３９、抵抗４０およびポテンシヨメータ４
１によつて演算し、温度補正係数演算部の構成を
簡略化している。温度係数の異なるセンサに対し
ては定電圧印加部３８又はポテンシヨメータ４１
の調節により簡単に対応できる。

第１３図は限界電流式酸素センサ１Ａに以下の
如きものを用いる場合の実施例を示す。すなわ
ち、前述第１図ａに示した限界電流の検出を行な
うための酸素イオン伝導体の一面に陰極層４２ａ
をこれと対向する他の面に陽極層を設けた構成、
又は陰極へのガスの拡散を制限するための部材で
陰極層を被覆した構成の部分（限界電流検出を行
なうための部分という）の基本構成に加えて、以
下の部分、すなわち、内部抵抗の検出を行なうた
めの酸素イオン伝導体の一面に電極４２ｂを、こ
れと対向する他の面に電極を有する部分（内部抵
抗検出を行なうための部分という）を設け、限界
電流検出を行なうための部分には過電圧支配領域
の電圧を印加して限界電流を測定する限界電流測
定部４３，４４，４５と、内部抵抗検出を行なう
ための部分には抵抗支配領域の電流又は電圧を印
加して内部抵抗を測定する内部抵抗測定部４６，
４７を備えているので、印加電圧、電流の切換え
や重畳、分離が不要となる。

第１４図には本発明によつて得られた結果の一
例も示すものである。図より明らかなように従来
技術によつて温度の変化する領域で使用した場合
には大きな温度依存性を有し、精度を損う原因に
なると共に使用温度範囲を制約する要因になつて
いた。それに対し、本発明の装置によるときには
温度依存分を補償しているので、高精度化される
と共に、使用温度領域も広くとることができる。

（19）式を用いた簡易な構成の温度補償の場合
でも、精密な温度補償のための構成の場合と比較
して、何等遜色のない効果が得られている。第７
図に示した如く、本来の対数演算（14）式に対し
て、（16）の近似式は0.6＞Ｒ／R₀、およびＲ／R₀＞1.4 の両領域では不充分な近似である。それにもかか
わらず、（14）式を用いた第８図の実施例および
（15）式を用いた第９図の実施例と比べて優ると
も劣らない好結果になる理由は第４図の温度特性
が破線の如き理想特性でなく、実線のように低温
側で急低下する特性になつており、（16）式の勾
配を調節して高温側では対数関数に近くなるよう
にし、低温側では対数よりも補正量を大きくなる
ように設定して補正したためである。尚、第９図
の実施例および第１０図の実施例の積演算部２１
ａを用いるかわりにFET等のゲート入力電圧に
よつて、内部抵抗が変調される素子を用いて代用
することもできる。

以上要するに限界電流式酸素センサの二つの領
域を利用し、過電圧支配領域から限界電流を検出
すると共に、抵抗支配領域から内部抵抗を測定
し、内部抵抗から温度を求め、限界電流の温度依
存性を補正して、限界電流すなわち酸素濃度を正
しく検出することにより、測定精度が向上すると
共に使用温度範囲を拡大することができる。本発
明はこのような産業上すこぶる有用かつ利用価値
の高い技術を提供することができる。

【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造の
一例、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図は本
発明の基本的な構成、第６図ａおよびｂは内部抵
抗の温度依存性、第７図は簡易な関数近似法の精
度と適用可能範囲、をそれぞれ示すものである。
第８図は限界電流式酸素センサに過電圧支配領域
に対する電圧（電流）を印加している状態での微
小な交流入力電圧の周波数に対するインピーダン
スの軌跡を示す図、第９図は同上の状態における
電気的等価回路を示すものである。第１０図ない
し第１３図は本発明の実施例、第１４図は本発明
による限界電流の補償特性の例をそれぞれ示すも
のである。第１０図ないし第１３図は本発明の実
施例、第１４図は本発明による限界電流の補償特
性の例をそれぞれ示すものである。１…限界電流式酸素センサ（断面を示す）、４
…限界電流測定部、５…温度（内部抵抗）測定
部、６…温度補正係数演算部、７…補正部、１２
…交流直流重畳電圧印加部、１３…電流検出部、
１４…交流直流分離部、１５…内部抵抗演算部、
１６…温度補正係数演算部、１７…補正部、１８
…交流発振器、１９…直流電圧印加部、２０…温
度依存性補償部、２１…直流定電圧印加部、２２
…交流定電流印加部、２３…電流電圧変換回路、
２４…ローパスフイルタ、２５…ハイパスフイル
タ、２６…積演算部、２７…整流部、２８，３１
…定電圧印加部、２９，３０，３２，３３，３
５，３６，３９，４０，４４…抵抗、３４…商演
算部、３７，４１…ポテンシヨメータ、１Ａ…限
界電流検出用電極４２ａと内部抵抗検出用電極４
２ｂとを有する限界電流式酸素センサ（断面を示
す）、４３…限界電流検出用電圧印加部、４５…
電位差検出部。

Claims

【特許請求の範囲】１限界電流式酸素センサと、限界電流式酸素センサに限界電流測定用の電圧
を印加して限界電流を測定する限界電流測定部
と、限界電流式酸素センサに内部抵抗測定用の電
圧または電流を印加して内部抵抗を測定する内部
抵抗測定部と、内部抵抗測定部の出力から温度補正係数を求め
る温度補正係数演算部と、限界電流測定部の測定出力を温度補正係数演算
部の出力によつて補正する補正部と、を備えた限界電流式酸素濃度検出装置において、前記内部抵抗測定部は、直流と交流を重畳した
電圧又は電流を限界電流式酸素センサに印加する
手段と、限界電流式酸素センサに流れる直流と交
流の重畳した電流又は電圧から直流分と交流分を
分離する手段を用い、直流分から限界電流を求
め、交流分から内部抵抗を求めることを特徴とす
る限界電流式酸素濃度検出装置。２前記温度補正係数演算部が、内部抵抗に比例
した交流を求めるフイルタ部と、その交流を整流
して内部抵抗に比例した直流を求める整流部と、
整流出力にそれと同極性の電圧又は電流を加算す
る第１加算部と、整流出力にそれと逆極性の電圧
又は電流を加算する第２加算部と、第１加算部の
出力と第２加算部の出力の比を求める演算部と、
その演算部の出力に一定の値を加算する第３加算
部と、から成ることを特徴とする特許請求の範囲
第１項に記載の限界電流式酸素濃度検出装置。３前記温度補正係数演算部が、内部抵抗に比例
した交流を求めるフイルタ部と、その交流を整流
して内部抵抗に比例した直流電圧又は電流を出力
する整流部と、整流部の出力と一定電圧又は電流
を加算する加算部と、から成ることを特徴とする
特許請求の範囲第１項に記載の限界電流式酸素濃
度検出装置。４前記各加算部が抵抗により構成されることを
特徴とする特許請求の範囲第２項又は第３項のい
ずれかに記載の限界電流式酸素濃度検出装置。５限界電流式酸素センサと、限界電流式酸素センサに限界電流測定用の電圧
を印加して限界電流を測定する限界電流測定部
と、限界電流式酸素センサに内部抵抗測定用の電
圧または電流を印加して内部抵抗を測定する内部
抵抗測定部と、内部抵抗測定部の出力から温度補正係数を求め
る温度補正係数演算部と、限界電流測定部の測定出力を温度補正係数演算
部の出力によつて補正する補正部と、を備えた限界電流式酸素濃度検出装置において、前記限界電流式酸素センサは、酸素イオン伝導
体から成る板あるいは円筒の一面に陰極層を、こ
れと対向する他の面に陽極層を設けて構成した限
界電流検出を行なうための部分および、前記酸素
イオン伝導体の一部にさらに追加の電極層を設け
て構成した内部抵抗検出を行なう部分を備え、前
記限界電流検出を行なうための部分は過電圧支配
領域の電圧を印加して限界電流を測定し、前記内
部抵抗検出を行なうための部分は抵抗支配領域の
電圧又は電流を印加して内部抵抗を測定すること
を特徴とする限界電流式酸素濃度検出装置。６前記温度補正係数演算部が、内部抵抗に比例
した交流を求めるフイルタ部と、その交流を整流
して内部抵抗に比例した直流を求める整流部と、
整流出力にそれと同極性の電圧又は電流を加算す
る第１加算部と、整流出力にそれと逆極性の電圧
又は電流を加算する第２加算部と、第１加算部の
出力と第２加算部の出力の比を求める演算部と、
その演算部の出力に一定の値を加算する第３加算
部と、から成ることを特徴とする特許請求の範囲
第５項に記載の限界電流式酸素濃度検出装置。７前記温度補正係数演算部が、内部抵抗に比例
した交流を求めるフイルタ部と、その交流を整流
して内部抵抗に比例した直流電圧又は電流を出力
する整流部と、整流部の出力と一定電圧又は電流
を加算する加算部と、から成ることを特徴とする
特許請求の範囲第５項に記載の限界電流式酸素濃
度検出装置。８前記各加算部が抵抗により構成されることを
特徴とする特許請求の範囲第６項又は第７項に記
載の限界電流式酸素濃度検出装置。