JPH0635954B2 - 空燃比検出装置 - Google Patents

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濃
度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、酸素濃淡電気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、
その電流値か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から空燃比を検出
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淡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］ 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、例えば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
て、酸素濃淡電池素子両端の電極に生ずる電圧、及び酸
素ポンプ素子に流れる電流が変動してしまうため、空燃
比を安定して検出することができず、従って、内燃機関
等の各種燃焼機器へ供給する燃料供給量を、排気中の酸
素濃度が所定の目標酸素濃度とるように正確に制御する
ことができなくなるという問題があった。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ばなら
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、例えばヒータへの印加電圧が変動して
検出素子の温度が変化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、 上記ヒータに電圧に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、 所定酸素濃度の条件下で上記酸素ポンプ素子にガス拡散
制限室内の酸素を周囲雰囲気中へ汲み出す方向に所定電
流Ｉｐｏを流したときに、上記酸素濃淡電池素子の両電
極間に生じる電圧が上記ヒータの温度に拘らずほぼ所定
電圧Ｖｓｏとなるように、予め設定された所定の一定電
流を、上記酸素濃淡電池素子に、周囲雰囲気中からガス
拡散制限室内に酸素を汲み込む方向に供給する電流供給
手段を設けると共に、 上記空燃比信号出力手段を、 上記酸素濃淡電池素子の両電極間に生じる電圧が上記所
定電圧Ｖｓｏとなるように上記酸素ポンプ素子に供給す
る電流を制御した際の電流地Ｉｐｏを、或は、上記酸素
ポンプ素子に上記所定電流Ｉｐｏを供給した際に上記酸
素濃淡電池素子の両電極間に生じる電圧値Ｖｓｏを、上
記所定酸素濃度の条件に対応する所定空燃比信号として
出力するように構成してなること、 を特徴とする空燃比検出装置を要旨している。

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、ジルコニアとイッ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、
ペロブ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、Ｉｒ、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、形成すればよい。

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ば、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
素子を酸素濃淡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、例えば、
白金、金等の耐熱金属を用いることができる。

［作用］ 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（即ち排気中）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
か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か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。

そして特に、本発明の空燃比検出装置においては、所定
酸素濃度の条件下で上述の酸素ポンプ素子にガス拡散制
限室内の酸素を周囲雰囲気中へ汲み出す方向に所定電流
Ｉｐｏを流したときに、上述の酸素濃淡電池素子の両電
極間に生じる電圧がヒータの温度に拘らずほぼ所定電圧
Ｖｓｏとなるように、予め設定された所定の一定電流
を、電流供給手段によって酸素濃淡電池素子に、周囲雰
囲気中からガス拡散制限室内に酸素を汲み込む方向に供
給し、空燃比信号出力手段が、酸素濃淡電池素子の両電
極間に生じる電圧が上記所定電圧Ｖｓｏとなるように酸
素ポンプ素子に供給する電流を制御した際の電流値Ｉｐ
ｏを、或は、酸素ポンプ素子に上記所定電流Ｉｐｏを供
給した際に酸素濃淡電池素子の両電極間に生じる電圧値
Ｖｓｏを、上記所定酸素濃度の条件に対応する所定空燃
比信号として出力する。

これは、以下に説明するように、ヒータへの印加電圧が
変動して素子温度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所定空燃
比を安定して検出できるようにするものである。

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を設けることによって形成し、この空燃比センサ
を一定酸素濃度の雰囲気中に配置して、ヒータＨ１及び
Ｈ２への印加電圧（以下、ヒータ電圧という、）Ｖｈを
Ｖh1，Ｖh2，Ｖh3（但しＶh1＜Ｖh2＜Ｖh3）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。

これはヒータ電圧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Ｋ内の酸素が一定量外部に汲み出さ
れても、間隙Ｋ内に拡散導入される酸素の拡散抵抗が増
加して間隙Ｋ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図に破線で示す如く、酸素濃淡電池素子
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Ｋ内に汲み込む方
向に一定電流Ｉｏを流すと、上記電圧Ｖｓとポンプ電流
Ｉｐとの関係は、第７図に示す如く、ポンプ電流Ｉｐ＝
０のときヒータ電圧Ｖｈが小さいほど負に大きな電圧Ｖ
ｓが発生し、且つ、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Ｉｐを増加させるに従
い電圧Ｖｓが互いに近付き、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を流せば、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、本発明の空燃比検出装置では、所定酸素濃度
におけるポンプ電流Ｉｐと電圧値Ｖｓとが、ヒータ電圧
Ｖｈ、即ちヒータの温度に拘らず、所定電流Ｉｐｏと所
定電圧Ｖｓｏとでほぼ１対１に対応するように設定した
一定電流を、電流供給手段によって酸素濃淡電池素子に
供給すると共に、空燃比信号出力手段が、酸素濃淡電池
素子に生じる電圧が上記所定電圧Ｖｓｏとなるようにポ
ンプ電流Ｉｐを制御した際の電流値Ｉｐｏを、或は、酸
素ポンプ素子に上記所定電流Ｉｐｏをポンプ電流として
供給した際に酸素濃淡電池素子に生じる電圧値Ｖｓｏ
を、上記所定酸素濃度に対応する所定空燃比信号として
出力するようにしているのである。

そしてこの結果、所定酸素濃度に対応した所定空燃比信
号が、ヒータ電圧Ｖｈつまりヒータの温度に拘らず、常
に所定電流Ｉｐｏと所定電圧Ｖｓｏとの組合せ点として
得れるようになるため、ヒータの温度が変動し素子温度
が変化しても、その所定酸素濃度に対応した所定空燃比
を精度良く検出することができるようになるのである。

従って、各種燃焼機器へ供給する燃料供給量を排気中の
酸素濃度が所定の目標酸素濃度となるように制御する場
合に、その目標酸素濃度を上述の所定酸素濃度として酸
素濃淡電池素子に供給する一定電流を設定すれば、ヒー
タの温度が変動しても、排気中の酸素濃度が目標酸素濃
度からずれていることが正確に検出できるようになるた
め、排気中の酸素濃度を常に安定して目標酸素濃度にな
るよう制御することができる。

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も抑えることができること
が判った。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］ 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異なる場合がある。

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０．７mm×巾４mm×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１
０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に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１０ｂ、２０ｂと反対側の角より引出し線１０
ｅ、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２
０ｅ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、２０ｆ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。また引出し線１０ｄ及び２０ｄは、夫々、元側
で取り出し部１０ｈ、２０ｈ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０．８mm×巾４
mm×長さ３０mmの電気絶縁性焼結板状体３０ａ、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３０ｂ及び
４０ｂの二つの端部のからは、夫々、耐熱金属層よりな
る引出し先３０ｃ及び３０ｄ、４０ｃ及び４０ｄ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。引出し線３０ｃ及び３０ｄ、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３０ｆ、４０ｅ
及び４０ｆ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３０b1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３０b1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図中に破線で示す）の温度は高く、
第１加熱部３０b1より幅の広い第２加熱部３０b2,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０．８mm×長さ４mm×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
と酸素濃淡電池素子２０との間の空隙５０は厚さ１００
μｍ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、或は酸素濃淡電池素子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６８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、酸素濃淡電池素子２０を以
下の工程(1)-〜(1)-にて製造し、この素子１０、２
０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)- ＺｒＯ_２（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、泥漿とする。

(1)- この泥漿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)-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)-に
て得た電極用ペーストをクリーン印刷で第２図のような
電極、引出し線、取り出し部の各パターンを４０μｍ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０．３mmφの白金線の端部
を置き、さらに、(1)-で得たグリーンシートの１片を
かぶせ積層圧着した。

(1)- 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、１５００
℃、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、２０ｃ間の隙間が１００μｍ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)-にて製造し、(1)-で組み立てられた構造体に張
り合わせる。

(2)-Ａｌ₂Ｏ₃９２重量％、Ｍｇ０３重量％、ＳｉＯ_２
３重量％、他にＣａＯ等を添加した原料粉末から、上記
(1)-、(1)-と同様にして、０．９mm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)-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２５μｍに形成する。

(2)- 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０．３mmφの白金線の端部を置き、さらに、
上記(1)-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３０
０℃、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)- (1)-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８０
μｍ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及び酸素濃淡電池素子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（＝１０ｋΩ）及び抵抗Ｒ
２（＝３０ｋΩ）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７
４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
囲気の酸素濃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、酸素濃淡電池素子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１
５ｍＶ）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から空燃比を検出す
るよう構成されている。

即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
Ｐ１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Ｖｏ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に流れるポンプ電流
Ｉｐ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Ｔｒ１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、所定
の目標酸素濃度の雰囲気中において、酸素濃淡電池素子
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Ｖｓ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Ｖｓｏ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１０Ｖ、
９．５Ｖ、９Ｖと変化させた場合のポンプ電流Ｉｐ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。その実験結果を表１に示す。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２０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２に
示す。

尚、これらの実験は、空燃比センサ１を大気雰囲気中に
曝して行った。

尚上記表１及び表２において、Ｖｓはポンプ電流Ｉｐ＝
０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は酸素濃淡電池素子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
周囲と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）が変動して
も、酸素濃淡電池素子２０に生ずる電圧の目標値Ｖｏ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、目標酸素濃度に対応する空燃比
を精度よく検出できることがわかる。

そしてこの結果、ヒータの温度が変動しても、排気中の
酸素濃度が目標酸素濃度からずれていることが正確に検
出できるようになり、排気中の酸素濃度を常に安定して
目標酸素濃度になるよう制御できるようになるのであ
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．
５Ｖ一定とした。

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］ 以上説明したように、本発明の空燃比検出装置において
は、酸素濃淡電池素子及び酸素ポンプ素子を加熱するヒ
ータの温度に拘らず、所定酸素濃度に対応する空燃比信
号を、所定電流Ｉｐｏ或は所定電圧Ｖｓｏの一定値とし
て得ることができるようになる。

従って、本発明の空燃比検出装置によれば、ヒータの温
度が変動しても、所定酸素濃度に対応した空燃比を精度
良く検出することができるようになり、排気中の酸素濃
度がその所定酸素濃度からずれていることが正確に検出
できるようになるため、排気中の酸素濃度を常に安定し
て所定酸素濃度となるように制御することが可能とな
る。

また、本発明の空燃比検出装置によれば、ヒータの温度
変化だけでなく、周囲気圧の変化に対する補償をも行う
ことができるようになる。

【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図は本発明の作用を説
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図は酸素濃淡電池素子に電流を
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図は酸素濃淡
電池素子に電流を流した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、で
ある。 １０……酸素ポンプ素子 １０ｂ、１０ｃ、２０ｂ、２０ｃ……電極、 ２０……酸素濃淡電池素子 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 (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】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、 所定酸素濃度の条件下で上記酸素ポンプ素子にガス拡散
   制限室内の酸素を周囲雰囲気中へ汲み出す方向に所定電
   流Ｉｐｏを流したときに、上記酸素濃淡電池素子の両電
   極間に生じる電圧が上記ヒータの温度に拘らずほぼ所定
   電圧Ｖｓｏとなるように、予め設定された所定の一定電
   流を、上記酸素濃淡電池素子に、周囲雰囲気中からガス
   拡散制限室内に酸素を汲み込む方向に供給する電流供給
   手段を設けると共に、 上記空燃比信号出力手段を、 上記酸素濃淡電池素子の両電極間に生じる電圧が上記所
   定電圧Ｖｓｏとなるように上記酸素ポンプ素子に供給す
   る電流を制御した際の電流地Ｉｐｏを、或は、上記酸素
   ポンプ素子に上記所定電流Ｉｐｏを供給した際に上記酸
   素濃淡電池素子の両電極間に生じる電圧値Ｖｓｏを、上
   記所定酸素濃度の条件に対応する所定空燃比信号として
   出力するように構成してなること、 を特徴とする空燃比検出装置。