JPH0638075B2 - 燃焼排ガスにおける雰囲気変化の迅速的検出方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 （技術分野） 本発明は、燃焼排ガスにおけるリッチ、リーン及び中性
の各雰囲気の相互間の変化の迅速的検出方法に係り、特
に被測定ガスたる燃焼排ガスのリッチ乃至は中性雰囲気
状態からリーン雰囲気状態の方向への変化、或いはその
逆に、リーン乃至は中性雰囲気状態からリッチ雰囲気状
態の方向への変化を効果的に検出して、かかる被測定ガ
スの雰囲気状態の変化を迅速に知る方法に関するもので
ある。

（背景技術） 従来より、固体電解質を用いた電気化学的セルにて構成
される装置、例えば自動車用内燃機関の排気ガス（燃焼
排ガス）中の酸素濃度を検出する酸素センサとして、酸
素イオン伝導性の固体電解質であるジルコニア磁器を用
いた、酸素濃淡電池の原理を利用して酸素濃度を求める
センサ等が知られている。

ところで、この種の電気化学的装置としての酸素センサ
（酸素濃度検出器）は、固体電解質に設けられた被測定
ガスに晒される測定電極と、基準となる基準ガスに晒さ
れる基準電極との間における酸素濃度差に起因する起電
力を検出して、理論空燃比の状態で燃焼せしめて得られ
る燃焼排ガスの如き中性雰囲気のガスを境にして、被測
定ガスがリッチ雰囲気であるか或いはリーン雰囲気であ
るかの識別（判別）を行ない、これに基づいて、そのよ
うな被測定ガスとしての燃焼排ガスを発生するエンジン
を制御するようにしている。

而して、かくの如き酸素濃度検出器は、あくまでも、Ａ
／Ｆ＝１４．６の理論空燃比の付近における起電力の変
化、所謂λカーブを利用するものであるところから、被
測定ガスとしては理論空燃比付近の燃焼排ガスが測定対
象となっていたが、近年になって、固体電解質上に設け
られて被測定ガスに晒される電極に対して、所定のガス
拡散抵抗を有する多孔質層やピンホール等の拡散抵抗手
段を設けて、対象となる被測定ガスの範囲を拡大したも
のが明らかにされている。

この拡散抵抗手段を設けた酸素濃度検出器にあっては、
その拡散抵抗手段を介して、被測定ガスから被測定成分
としての酸素等の成分をより低い分圧にて導いて測定電
極に接触せしめ、以てＡ／Ｆ値が１４．６よりも遥かに
高い領域、即ちリーン領域、換言すれば空気が過剰の状
態において燃焼せしめられ、酸素分圧が理論空燃比の時
の酸素分圧よりも高いリーン雰囲気の排気ガスにおける
Ａ／Ｆ値を検出したり、或いはリッチ領域、換言すれば
燃料が過剰の状態において燃焼せしめて得られる、酸素
分圧が理論空燃比における酸素分圧よりも低く、未燃焼
成分が多量に存在する領域の排気ガスの如き、Ａ／Ｆ値
が１４．６よりも低いリッチ雰囲気の排気ガスにおける
Ａ／Ｆ値を測定したりするようになっている。

（解決課題） しかしながら、かくの如き拡散抵抗手段を設けて、被測
定ガス中の測定成分が制御された割合にて測定電極に接
触せしめられるようにした酸素濃度検出器にあっても、
Ａ／Ｆ値が１４．６付近の理論空燃比近辺の燃焼排ガス
を検出する場合にあっては、先の酸素濃度検出器と同様
に、該拡散抵抗手段を介して被測定ガスに晒される測定
電極と、基準ガスに晒される基準電極との間の起電力を
測定して、被測定ガスがリッチ雰囲気であるか或いはリ
ーン雰囲気であるかの検出を行なっているのである。

而して、このような被測定ガスがリッチ雰囲気であるか
或いはリーン雰囲気であるかの判別を、二つの電極間に
おける起電力を測定し、そのλカーブに基づいて行なう
場合にあっては、被測定ガスが現実にリッチ雰囲気から
リーン雰囲気に、或いはその逆に変わっても、起電力の
変化として表れるのが遅く、換言すればレスポンスが遅
く、このためにリッチ雰囲気とリーン雰囲気との間の変
化を迅速に把握し得ない問題がある。特に、このような
レスポンスの遅れは、当該酸素濃度検出器が拡散抵抗手
段を有する場合において更に大きくなるのである。けだ
し、被測定ガス中の酸素分圧がリッチ側からリーン側に
或いはその逆に変化しても、拡散抵抗手段の拡散抵抗に
よって、そのような酸素分圧の変化が遅れて電極に伝え
られることとなるからである。

しかも、このような二つの電極間の起電力を検出する酸
素濃度検出器においては、被測定ガスに晒される、起電
力を測定するための測定電極は、かかる被測定ガスがリ
ッチ雰囲気にある場合において、該雰囲気中に炭化水
素、水素、一酸化炭素等が電極金属と反応して、かかる
測定電極を劣化せしめ、甚だしい場合にはその剥離を惹
き起こし、その耐久性を低下せしめる問題を内在してい
る。また、この測定電極の耐久性低下の問題は、拡散抵
抗手段がかかる測定電極上に設けられた場合にあって
も、程度の差こそあれ、その状況は同様となっている。
拡散抵抗手段が設けられた場合にあっても、測定電極
は、該拡散抵抗手段を拡散したリッチ雰囲気に接触せし
められ、それ故にそのような雰囲気に含まれる炭化水
素、水素、一酸化炭素等の影響を受けることとなるから
である。

（解決手段） ここにおいて、本発明は、かかる課題を解決するために
為されたものであって、その特徴とするところは、酸素
イオン伝導性の固体電解質の少なくとも一つと；所定の
ガス拡散抵抗を有する拡散抵抗手段と；該拡散抵抗手段
を介して被測定ガスに接する電極を含む少なくとも二つ
の電極とを有する酸素濃度検出器を用いて、被測定ガス
たる燃焼排ガスのリッチ雰囲気状態、リーン雰囲気状態
及び中性雰囲気状態の相互間の変化を迅速に検出する方
法において、該拡散抵抗手段を介して被測定ガスに接す
る電極に分極電流を通電せしめ、且つ該電極近傍の雰囲
気が常に中性付近に保たれるようにその電流値を制御す
ることにより、前記被測定ガスの種類に対応して該電流
の方向を変化せしめ、そしてこの電流の方向の変化点を
検知することによって、前記雰囲気状態の変化を検出す
るようにしたことにある。

（作用） このように、本発明に従う燃焼排ガスにおけるリッチ、
リーン、中性の各雰囲気の相互間変化の迅速的検出方法
にあっては、従来の如き、超電力の測定に基づくλカー
ブからのリッチ雰囲気或いはリーン雰囲気の識別方法と
は異なり、拡散抵抗手段を介して被測定ガスに接する電
極の囲りの雰囲気が常に中性付近、即ち理論空燃比にて
燃焼せしめて得られる燃焼排ガスの如き状態に保たれる
ように、該電極に通電せしめられる分極電流の方向ある
いは電圧の極性を検知するものであるところから、かか
る電極付近の雰囲気が、拡散抵抗手段を介して影響せし
められる被測定ガス（燃焼排ガス）によって中性領域か
らリッチ領域へ或いは中性領域からリーン領域へシフト
しないように、該電極に通電せしめられる分極電流の方
向を反転せしめるだけでよく、それ故に、従来の如きリ
ッチ領域からリーン領域に或いはその逆に変化する雰囲
気による超電力の測定手法よりも、遥かに短い時間に
て、その分極電流の反転の状態が検知され得るのであ
る。

また、このように、拡散抵抗手段を介して被測定ガスに
接触せしめられる電極は、常に中性付近に保たれる雰囲
気に接するようにされるものであるところから、被測定
ガスがリッチ雰囲気であっても、そのようなリッチ雰囲
気が拡散抵抗手段を通じて電極に与える従来の如き悪影
響、即ち電極金属と未燃焼成分との反応等の問題が良好
に解消せしめられ、これによって電極の耐久性の向上、
ひいては酸素濃度検出器の寿命の向上が図られ得ること
となったのである。

（具体的構成・実施例） なお、かかる本発明手法に用いられる酸素濃度検出器と
しては、更に具体的には、酸素イオン伝導性の固体電解
質と、所定のガス拡散抵抗を有する拡散抵抗手段と、該
固体電解質と該拡散抵抗手段との間に設けられて、該拡
散抵抗手段を介して被測定ガスに接する第一の電極と、
該固体電解質に設けられて、所定の基準ガスに接触せし
められる第二の電極とを含む構造のものがあり、そして
かかる酸素濃度検出器の第一の電極と第二の電極との間
に、該第一の電極近傍の雰囲気が常に中性付近に保たれ
るように電流が流されて、その電流の方向あるいは電圧
の極性が検知されることによって、被測定ガスがリッチ
雰囲気であるか或いはリーン雰囲気であるかの識別が行
なわれることとなる。

また、このような構造の酸素濃度検出器において、前記
第二の電極に接触せしめられる基準ガスとしては、一般
に空気が用いられるが、そのような場合において、前記
第一の電極に接触せしめられる雰囲気がリーン雰囲気側
からリッチ雰囲気側に変化するに従って、該第一の電極
と第二の電極との間の電気化学的反応に基づく超電力
は、０Ｖから約１Ｖの間において変化するところから、
本発明にあっては、かかる第一の電極近傍の雰囲気が常
に中性付近に保たれるように、かかる第一の電極と第二
の電極との電位差が一般に０．２〜０．７Ｖ、好ましく
は０．３〜０．６Ｖの範囲内に維持されるように、かか
る第一の電極と第二の電極との間に所定方向の電流が流
されるようにされるのである。

また、本発明の好ましい具体例によれば、前記酸素濃度
検出器は、（ａ）所定のガス拡散抵抗を有する抵抗手段
と、（ｂ）酸素イオン伝導性の第一の固体電解質と、該
固体電解質に設けられて被測定ガスに接する外側ポンプ
電極と、該固体電解質に設けられ且つ前記拡散抵抗手段
を介して被測定ガスに接する内側ポンプ電極とを含むポ
ンピングセルと、（ｃ）酸素イオン伝導性の第二の固体
電解質と、該固体電解質に設けられて所定の基準ガスに
接する基準電極と、該固体電解質に設けられ且つ前記ポ
ンピングセルの内側ポンプ電極と実質的に同一の雰囲気
に晒される測定電極とを含むセンシンングセルとを、有
する構造のものであり、そして該センシングセルの基準
電極と測定電極との間に生じる超電力に従って、前記ポ
ンピングセルの外側ポンプ電極と内側ポンプ電極との間
に、該内側ポンプ電極近傍の雰囲気が常に中性付近に保
たれるように電流が流され、その電流の方向の変化点あ
るいは電圧の極性を検知することにより、被測定ガスた
る燃焼排ガスのリッチ乃至は中性雰囲気状態からリーン
雰囲気状態の方向への変化、或いはその逆に、リーン乃
至は中性雰囲気状態からリッチ雰囲気状態の方向への変
化を検出するのである。

なお、このようなポンピングセル及びセンシングセルを
有する構造の酸素濃度検出器においても、前記センシン
グセルの基準電極に接触せしめられる基準ガスとして
は、一般に空気が用いられ、そして前記センシングセル
の測定電極と前記ポンピングセルの内側ポンプ電極とが
接触せしめられる雰囲気を常に中性付近に保つべく、か
かるセンシングセルと基準電極との間の電位差が、０．
２Ｖ〜０．７Ｖ、好ましくは０．３Ｖ〜０．６Ｖの範囲
内に維持されるように、前記ポンピングセルの外側ポン
プ電極と内側ポンプ電極との間に、所定方向の電流が流
されることとなる。

さらに、本発明の好ましい態様にあっては、前記拡散抵
抗手段は所定のガス拡散抵抗を有する多孔質セラミック
ス層であることが望ましく、特に上記ポンピングセル及
びセンシングセルを含む構造の酸素濃度検出器にあって
は、該ポンピングセルの第一の固体電解質を所定のガス
拡散抵抗を有する多孔質層として形成することにより、
該固体電解質自身を拡散抵抗手段として利用することが
可能である。尤も、この拡散抵抗手段としては、所定の
ガス拡散抵抗を有するピンホール又はスリットを設け、
そのようなピンホール又はスリットを介して所定の電極
が被測定ガスに接するように構成することも可能であ
る。

以下、本発明を更に具体的に明らかにするために、図面
に基づいて、本発明の構成を更に詳細に説明することと
する。

まず、第１図（ａ）及び（ｂ）には、本発明に従うリッ
チ・リーン雰囲気変化の検出システムの最も基本的な一
つの形態が示されている。そこにおいて、２は、酸素濃
度検出器の検出素子の検出部分を略図的に示したもので
あって、かかる検出部２は、イットリア添加ジルコニア
磁器等の酸素イオン伝導性の固体電解質層４と、その両
側の相対向する位置にそれぞれ設けられた白金等からな
る多孔質な第一の電極６及び第二の電極８と、かかる第
一の電極６を覆うように、該第一の電極６が設けられた
固体電解質層４の面に対して積層された多孔質アルミナ
等からなる多孔質セラミックス層１０にて構成されてい
る。そして、この検出素子の酸素濃度検出部２の多孔質
セラミックス層１０側には、測定されるべき被測定ガス
（燃焼排ガス）１２が導かれて、かかる多孔質セラミッ
クス層１０に接触せしめられ、そして該多孔質セラミッ
クス層１０内を所定のガス拡散抵抗をもって、かかる被
測定ガス１２が固体電解質層４側に導かれ、それらセラ
ミックス層１０と固体電解質層４との間に位置せしめら
れた第一の電極６に接触せしめられるようになってい
る。また、第二の電極８には、所定の酸素濃度の基準ガ
ス１４、一般には空気が導かれて、接触せしめられるよ
うになっている。

なお、かくの如き酸素検出素子の構造において、固体電
解質層４としては、好適に採用される前述のジルコニア
磁器の他、酸素イオン導電体であるＳｒＣｅＯ_３、Ｂｉ
_２Ｏ_３−稀土類酸化物系固溶体等の材料を用いて形成さ
れたものであっても何等差支えなく、更にかかる固体電
解質層４の表面に設けられる第一の電極６及び第二の電
極８は、それぞれ白金、パラジウム、ロジウム、イリジ
ウム、ルテニウム、オスミウムの如き白金族金属とジル
コニア、イットリア、アルミナ等のセラミックス等から
なる混合層にて構成された多孔質なものである。そし
て、そのような電極混合層の形成には、白金族金属粉末
中に上記セラミックスの微粉末を混入せしめて、その焼
成を行なう等の手法が好適に採用されることとなる。ま
た、多孔質セラミックス層１０としても、好適には多孔
質アルミナにて形成されるが、その他、スピネル、シリ
カ、ジルコニア、ジルコン、アルカリ土類金属のチタン
酸塩等の他のセラミックスからなるものであっても、何
等差支えない。

そして、かくの如き構造の酸素濃度検出素子を有する酸
素濃度検出器を用いて、被測定ガスとしての燃焼排ガス
を測定するために、かかる検出素子の第一の電極６と第
二の電極８との間に、所定の電源１６が接続され、それ
ら電極６，８間に所定の基準電圧が印加せしめられるよ
うになっている。換言すれば、第一の電極６の周りの雰
囲気が常に中性付近に保たれるように、第一の電極６と
第二の電極８との間に電源１６によって所定の基準電圧
（ここでは０．５Ｖ）が印加されているのである。な
お、図において、１８は抵抗、２０は電圧計、そして２
２は、回路を流れる電流の方向を検知するための電流計
である。

従って、このように、第一の電極６と第二の電極８との
間に、該第一の電極６の周囲の雰囲気を常に中性付近に
保つべく、０．５Ｖの基準電圧（電位差）が与えられた
状況下において、かかる検出素子（２）による被測定ガ
スの測定を行なうと、多孔質セラミックス層１０を通じ
て、被測定ガス１２が所定のガス拡散抵抗下に固体電解
質層４側に拡散して、第一の電極６に至り、そしてその
周りの雰囲気に対して被測定ガス１２の種類（リッチ雰
囲気若しくはリーン雰囲気）に従ってリーン雰囲気側或
いはリッチ雰囲気側に移行せしめようとする作用を為
す。而して、第一の電極６の周囲と雰囲気が変化するこ
とにより、酸素濃淡電池の原理（電気化学的反応）に従
って第一の電極６と第二の電極８との間に惹起される超
電力と、電源１６にて印加せしめられる基準電圧（０．
５Ｖ）とのバランスが崩れることとなるのであり、その
ために、それら電極６，８間に惹起される超電力の大き
さに従って、それら電極６，８及び電源１６を含む回路
において、互いに逆方向の二つの電流が流れることとな
るのである。

尤も、被測定ガス１２が、第一の電極６の周りの雰囲気
と同様な中性雰囲気、換言すれば理論空燃比で燃焼せし
めて得られた燃焼排ガス中の酸素分圧に相当する酸素分
圧を有する雰囲気である場合にあっては、かかる第一の
電極６の周りの雰囲気中の酸素分圧は何等影響を受ける
ものでないところから、該第一の電極６と第二の電極８
との間において発生する超電力は電源１６にて与えられ
る基準電圧に等しく、それ故にそれら電極６，８及び電
源１６を含む回路には、電流が流れることはない。

より具体的には、第１図（ａ）において、被測定ガス１
２がリーン雰囲気、換言すればＡ／Ｆ値が１４．６を越
える燃焼排ガスの如き高い酸素分圧の雰囲気である時の
電流：Ｉｐの流れが示されている。

すなわち、被測定ガス１２がリーン雰囲気の場合におい
て、かかるリーン雰囲気中の酸素が多孔質セラミックス
層１０を拡散して、第一の電極６に至ると、該第一の電
極６周囲の雰囲気中の酸素分圧を高め、そのために、固
体電解質層４を介して第一の電極６と第二の電極８との
間に発生する超電力は、０．５Ｖよりも低くなるところ
から、電流：Ｉｐは第二の電極８側から第一の電極６側
に流れ、それに伴って、かかる第一の電極６の周囲の酸
素を酸素イオンとして固体電解質層４を通じて第二の電
極８側に移動せしめ、基準ガス１４中に放出せしめる。
そして、この第二の電極８から第一の電極６に向かう電
流：Ｉｐの流れは、かかる第一の電極６の周りの雰囲気
が０．５Ｖの電源１６にて与えられる雰囲気となるま
で、換言すれば等しい酸素分圧となるまで続けられ、ま
たそれまで、そのような電流：Ｉｐによって第一の電極
６周りの雰囲気から酸素が基準ガス１４側に汲み出され
ることとなるのである。

一方、被測定ガス１２がリッチ雰囲気、換言すればＡ／
Ｆ値が１４．６より低い、酸素分圧の低い雰囲気である
場合には、第１図（ｂ）に示されるように、リーン雰囲
気の場合とは逆方向の電流：Ｉｐが流れるようになるの
である。

すなわち、リチ雰囲気が多孔質セラミックス層１０を通
じて拡散して、第一の電極６の周囲に至ると、かかるリ
ッチ雰囲気中に含まれる未燃焼成分が、該第一の電極６
周囲の中性雰囲気中の酸素と反応し、かかる第一の電極
６周りの雰囲気中の酸素濃度（酸素分圧）を低下せしめ
るところから、固体電解質層４を間にして第一の電極６
と第二の電極８との間に電気化学的反応にて超電力が発
生し、それは約１Ｖ程度となる。そして、そのような超
電力によって、第二の電極８は第一の電極６よりも高電
位となるのであり、０．５Ｖよりも高くなって、電源１
６の基準電圧０．５Ｖよりも高くなるところから、第二
の電極８の高電位側から電源１６の低電位側への電流の
流れが惹起され、それら電極６，８及び電源１６を含む
回路において、図示の如く右周りの電流、換言すれば第
一の電極６から第二の電極８に向かう方向の電流：Ｉｐ
が流れるようになるのである。そして、このような右回
りの電流：Ｉｐの流れによって、基準ガス１４中の酸素
が第一の電極６側に固体電解質層４を通じて移動せしめ
られ、かかる第一の電極６周りの雰囲気が中性雰囲気
（電源１６の基準電圧０．５Ｖに対応する雰囲気）とな
るのである。また、かかる電流：Ｉｐの流れは、この第
一の電極６の周りの雰囲気が目的とする中性雰囲気とな
るまで続くこととなるのである。

このように、電源１６にて第一の電極６と第二の電極８
との間に所定の基準電圧（０．５Ｖ）を印加せしめて、
かかる第一の電極６の周りの雰囲気が常に中性付近に保
たれるように、それらの電極間に流される電流値を制御
することによって、被測定ガスがリッチ雰囲気であるか
或いはリーン雰囲気であるかに対応して、それら電極
６，８を含む電気回路に流れる電流：Ｉｐの方向が互い
に逆方向となるところから、そのような電流の方向を検
知することによって、被測定ガスがリッチ雰囲気である
か或いはリーン雰囲気であるかを容易に識別することが
できるのである。

しかも、このような第一の電極６と第二の電極８との間
に、該第一の電極６の周りを所定の中性雰囲気に保つべ
く流される電流：Ｉｐ、換言すればポンプ電流の流れの
変化（方向の変化点乃至は逆転時点）を検出するように
すれば、第２図（ａ）〜（ｃ）に示されるように、被測
定ガスがリーン雰囲気からリッチ雰囲気へ或いはその逆
に変化する時期を、従来の測定、即ち電源１６を接続し
ない時の超電力測定による方式よりも遥かに短い時間に
て（約２倍のレスポンスにて）検出することができるこ
ととなたのである。

すなわち、第２図（ａ）は空燃比（Ａ／Ｆ）が１２のリ
ッチ雰囲気とＡ／Ｆが１８のリーン雰囲気との間の変化
を示し、そのようなリッチ雰囲気とリーン雰囲気との間
の変化に対する本発明のポンプ電流：Ｉｐの変化が第２
図（ｂ）に、また従来の測定方式の超電力：Ｅの変化が
第２図（ｃ）に示されているが、それらグラフの比較か
ら自ずから明らかなように、ポンプ電流：Ｉｐの方向の
変化の時点ｔ_１，ｔ_２を検出するようにすれば、被測定
ガスのリーン雰囲気からリッチ雰囲気への変化或いはそ
の逆の方向の変化を迅速に知ることができるのである。

けだし、第２図（ｃ）における従来の測定方式の超電
力：Ｅの変化が表れるのは、第一の電極６の周りの雰囲
気が充分にリッチ側或いはリーン側の雰囲気となってか
らであり、そのためにそのような超電力：Ｅの曲線が基
準線Ｌと交わる点を求めて、リッチ雰囲気か或いはリー
ン雰囲気かの判断を行なう場合にあっては、その交叉す
る点までの時間：ｍ_１或いはｍ_２は、現実にリーン雰囲
気からリッチ雰囲気或いはその逆に変化した時点より、
相当、時間が経過していることとなる。しかも、この第
一の電極６の周りの雰囲気のリッチ側或いはリーン側へ
の変化は、被測定ガスが多孔質セラミックス層１０を通
じて所定の拡散抵抗下に移動せしめられるものであると
ころから、より一層大きくなる。

而るに、本発明に従うポンプ電流：Ｉｐの方向の変化
（反転）の時点を検出する方法によれば、かかるポンプ
電流：Ｉｐは第一の電極６の周囲の雰囲気が常に中性付
近に保たれるように流されているところから、かかる第
一の電極６の周囲の雰囲気の変化、換言すればリーン側
からリッチ側或いはその逆の方向への変化が速く、それ
故にその電流変化の時期ｔ_１，ｔ_２を速く検知すること
ができるのである。

そして、このように、本発明に従ってポンプ電流：Ｉｐ
の電流方向の変化を検出することによって、被測定ガス
のリーン雰囲気からリッチ雰囲気或いはその逆の雰囲気
の変化を迅速に知ることができ、これによって被測定ガ
スとしての燃焼排ガスの中性雰囲気へのコントロール、
換言すれば自動車等の内燃機関における燃焼制御を迅速
に且つ効果的に行なうことができるのである。

また、かかるポンプ電流：Ｉｐの方向の変化時点
（ｔ_１，ｔ_２）の検知方式によれば、リーン若しくはリ
ッチ雰囲気と中性雰囲気との間の雰囲気変化も極めて迅
速に検出することが可能となることは、容易に理解し得
るところである。即ち、燃焼排ガスが理論空燃比の中性
雰囲気状態にあるときは、前記ポンプ電流：Ｉｐは流れ
ず、零となるのであり、そしてこの零状態の電流とリッ
チ雰囲気若しくはリーン雰囲気に対応する電流との変化
点を求めることによって、それら雰囲気相互間の雰囲気
変化を迅速に知ることが可能となるのである。

さらに、かかる本発明手法では、第一の電極６の周りの
雰囲気が常に中性付近に保たれるように制御されている
ところから、被測定ガスがリッチ雰囲気であっても、多
孔質セラミックス層１０を拡散して該第一の電極６付近
に至るガスは、基準ガス１４側から導かれる酸素によっ
て緩和されることとなるために、そのようなリッチ雰囲
気の作用による第一の電極６の劣化、ひいては耐久性の
低下が効果的に抑制され得ることとなる。

なお、本発明にあっては、第１図に例示の如き酸素濃度
検出器の検出素子構造の他に、第３図及び第４図に示さ
れる如き、酸素ポンプ作用を為す電気化学的ポンピング
セル部と、超電力を検知する電気化学的センシングセル
部とが別個に設けられた検出素子構造を有する酸素濃度
検出器を用いても実施することが可能であり、この場合
にあっては、ポンピングセル側のポンプ電流の影響によ
るセンシングセル側のＩＲドロップの問題を排除するこ
とができ、これによって被測定ガスの検出精度を高める
ことが可能である。

すなわち、まず、第３図の構造において、酸素イオン伝
導性の固体電解質層２４と、その両側に設けられた多孔
質な測定電極２６及び基準電極２８とから、酸素濃淡電
池の原理に基づいて超電力を求めるセンシングセル３０
が構成されており、そしてこのセンシングセル３０の基
準電極２８には、酸素濃度検出素子内に設けられた空気
通路３２を通じて外部から導かれた基準ガスとしての空
気が接触せしめられるようになっている。

また、かかるセンシングセル３０の測定電極２６が設け
られた側の面には、酸素イオン伝導性の多孔質な固体電
解質層３４と、その外側の面に設けられた多孔質な外側
ポンプ電極３６と、該外側ポンプ電極３６に対応する固
体電解質層３４の反対側の面に位置する前記測定電極２
６と共通極となる内側ポンプ電極３８とから構成される
ポンピングセル４０が積層、一体化されて設けられてい
る。そして、このポンピングセル４０の外側ポンプ電極
３６側に被測定ガスが接触せしめられるようになってお
り、またその接触せしめられた被測定ガスは、かかるポ
ンピングセル４０の多孔質固体電解質層３４内を所定の
拡散抵抗をもって、内側ポンプ電極３８側に移動せしめ
られるようになっている。従って、ここでは、多孔質な
固体電解質層３４自体が、第１図における多孔質セラミ
ックス層１０の如き拡散抵抗手段として機能しているの
である。

さらに、センシングセル３０の測定電極２６と基準電極
２８との間には、前例と同様な電源１６が接続され、所
定の基準電圧（ここでは０．５Ｖ）が印加せしめられて
いる。また、かかる電源１６によって与えられる０．５
Ｖの電位差とセンシングセル３０にて発生する超電力と
を対比して、測定電極２６の周囲の雰囲気を常に中性付
近に保つべく、プラス電流またはマイナス電流を出力す
る差動アンプ４２が設けられている。そして、この差動
アンプ４２から出力される電流は、ポンピングセル４０
の外側ポンプ電極３６と内側ポンプ電極３８との間に流
され、それによって酸素イオンを外側ポンプ電極３６か
ら内側ポンプ電極３８側に或いはその逆に移動せしめ
て、酸素ポンプ作用を為すようになっている。そして、
この差動アンプ４２から出力されるプラス電流またはマ
イナス電流の方向は、電流計２２によって検出されるよ
うになっている。なお、共通極であるセンシングセル３
０の測定電極２６とポンピングセル４０の内側ポンプ電
極３８は、アースされている。

従って、このようなセンシングセル３０とポンピングセ
ル４０とが分離された構造の酸素濃度検出器を用いる場
合においては、測定電極２６（内側ポンプ電極３８）の
周りの雰囲気を常に中性付近に保つように、センシング
セル３０にてその起電力が検出されており、それに基づ
いて差動アンプ４２から所定の電流が流されるものであ
るところから、拡散抵抗手段としてのポンピングセル４
０の多孔質固体電解質層３４を拡散してきた被測定ガス
成分によって、該測定電極２６の周囲の雰囲気が変動せ
しめられると、その変動を解消するような電流が、差動
アンプ４２からポンピングセル４０の外側ポンプ電極３
６と内側ポンプ電極３８との間に流され、これによって
かかる測定電極２６の周りの雰囲気を基準電圧（０．５
Ｖ）に対応した中性雰囲気に戻すようにするのである。

それ故に、前例と同様に、被測定ガス１２がリッチ雰囲
気である場合には、ポンプ電極４０には差動アンプ４２
からマイナス電流が流されて、内側ポンプ電極３８から
外側ポンプ電極３６の側に電流が流され、それによって
被測定ガス中の酸素成分が多孔質固体電解質３４内を電
気化学的作用に基づいて移動せしめられ、内側ポンプ電
極３８、換言すれば測定電極２６の周囲の雰囲気の酸素
濃度（酸素分圧）を高めようとするのである。また一
方、被測定ガス１２がリーン雰囲気である場合には、ポ
ンピングセル４０の多孔質固体電解質層３４を拡散し
て、到達した被測定ガス成分によって、測定電極２６の
周囲の雰囲気の酸素分圧が上昇せしめられるところか
ら、差動アンプ４２からのプラス電流によって外側ポン
プ電極３６から内側ポンプ電極３８に向かう電流が流さ
れ、これによって、測定電極２６の近傍の雰囲気中の酸
素が、上記とは逆に、多孔質固体電解質層３４を通って
被測定ガス中に汲み出されるようにされるのである。ま
た、本構造にあっては、前記電流の方向を検知する代わ
りに、電極３６と電極３８間の電圧の極性の変化を検知
することを行なっても良い。この場合、第５図（ａ）、
（ｂ）及び（ｃ）に示されるように、電圧の変化は電流
の変化に比べて急峻となるので、センサ特性を把握する
上で好ましいものである。

また、第４図に示される他の実施例は、第３図の酸素濃
度検出素子構造とはやや異なり、拡散抵抗手段がピンホ
ール４４にて構成されているところに特徴がある。すな
わち、本実施例における酸素濃度検出器の検出素子内に
は、センシングセル３０とポンピングセル４０にて囲ま
れたキャビティ４６が設けられており、このキャビティ
４６を外部の被測定ガス雰囲気と連通せしめるように、
ポンピングセル４０を貫通して、所定のガス拡散抵抗を
示す孔径のピンホール４４が設けられている。そして、
このように、ピンホール４４が拡散抵抗手段とされてい
るところから、ポンピングセル４０の固体電解質３４
は、前例とは異なり、緻密な層として構成されている。
また、センシングセル３０の測定電極２６とポンピング
セル４０の内側ポンプ電極３８とは、かかるキャビティ
４６内に露出するようにそれぞれ別個に設けられ、該キ
ャビティ４６内の雰囲気に晒されることによって、実質
的に同一の雰囲気に晒されるようになっている。

このような構造の酸素濃度検出器にあっては、被測定ガ
ス１２が、ピンホール４４を通じて所定の拡散抵抗をも
ってキャビティ４６内に至ることにより、かかるキャビ
ティ４６内の雰囲気、換言すればセンシングセル３０の
測定電極２６の接する雰囲気が変動するようになるが、
そのような雰囲気の変動は、上記第３図の実施例の構造
のものと同様に、ポンピングセル４０の酸素ポンプ作用
によって解消され、常に目的とする中性付近の雰囲気に
保たれるようになるのである。なお、センシングセル３
０及びポンピングセル４０の作動は、上記第３図の例の
場合と同様であるので、詳しい説明は省略する。

さらに、第６図に示される他の実施例は、第４図の酸素
濃度検出素子構造とは異なり、拡散抵抗手段がスリット
によって構成される点に特徴がある。

すなわち、本実施例では、酸素濃度検出器の拡散抵抗手
段として、センシングセル３０とピンピングセル４０と
の間にあって細隙な平坦空間を形成するスリット４８が
設けられており、実質的に拡散抵抗に寄与しない大きさ
のガス導入孔５０を通じて、スリット４８内が被測定ガ
ス雰囲気と連通せしめられるように構成されている。そ
して、センシングセル３０の測定電極２６とポンピング
セル４０の内側ポンプ電極３８とは、かかるスリット４
８の平坦空間内に露出するように設けられており、本実
施例の酸素濃度検出にあっても、第３図及び第４図に示
された実施例と同様な作動方法によって、スリット４８
内が更に詳しくはスリット４８の奥部が中性雰囲気とな
るように作動せしめられることになるのである。

なお、本実施例にあっては、測定電極２６がスリット全
面に位置するように構成されているが、測定電極２６は
有利にはスリット４８内の平坦空間の奥部に位置するよ
うに設けられることが望ましい。

以上、幾つかの具体例に基づいて、本発明の構成につい
て詳細に説明してきたが、本発明が、そのような例示の
具体例にのみ限定して解釈されるものでは決してなく、
本発明の趣旨を逸脱しない限りにおいて、当業者の知識
に基づいて種々なる変更、修正、改良等を加えた形態に
おいて実施され得るものであり、本発明がそのような実
施形態のものをも含むものであることは、言うまでもな
いところである。

また、本発明に用いられる酸素濃度検出器の構造にあっ
ても、各種のものであるが、それらが所定の拡散抵抗手
段を有する限りにおいて、一般に本発明において使用可
能である。また、拡散抵抗手段としては、例示の如き多
孔質層やピンホールの他に、所定のガス拡散抵抗を有す
るスリットを介して電極が外部の被測定ガスに晒される
ようにした構造も採用可能である。

（発明の効果） 以上の説明から明らかなように、本発明は、所定の拡散
抵抗手段を介して被測定ガスに晒される側の電極の周り
の雰囲気が常に中性付近に保たれるように電流を流すこ
とにより、被測定ガスたる燃焼排ガスがリッチ雰囲気で
あるか或いはリーン雰囲気であるかによって、その電流
の方向を変化せしめ、そしてこの電流の方向の変化点
（反転の時期）を検知することによって、被測定ガスの
リッチ・リーン雰囲気変化、更にはそれら雰囲気と中性
雰囲気との間の変化を検出するようにしたものであると
ころから、従来の超電力測定に基づく被測定ガスのリッ
チ・リーン雰囲気変化検出手法に比べて、レスポンスが
著しく改善され得ることとなったのであり、以て内燃機
関より排出される燃焼排ガス識別手法として好適に採用
されると共に、電極の劣化を効果的に防止して、酸素濃
度検出器の寿命を著しく改善せしめ得たものであって、
そこに、本発明の大きな工業的意義が存するものであ
る。

【図面の簡単な説明】

第１図（ａ）及び（ｂ）は、それぞれ、本発明の一実施
形態を示す概略系統図であって、（ａ）は被測定ガスが
リーン雰囲気の場合、（ｂ）はリッチ雰囲気の場合を示
すものである。また、第２図（ａ），（ｂ）及び（ｃ）
は、それぞれ、被測定ガスの変化の状態、それに伴う本
発明のポンプ電流及び従来の測定方式の超電力の変化の
形態を示すグラフである。第３図、第４図及び第６図
は、それぞれ、異なる本発明の一実施例を示す概略系統
図である。第５図（ａ）、（ｂ）及び（ｃ）は、それぞ
れ、被測定ガスの変化の状態、それに伴うポンプ電流及
びポンプ電圧の変化の形態を示すグラフである。 ２：検出部 ４，２４，３４：固体電解質層 ６：第一の電極、８：第二の電極 １０：多孔質セラミックス層 １２：被測定ガス、１４：基準ガス １６：電源、２２：電流計 ２６：測定電極、２８：基準電極 ３０：センシングセル ３２：空気通路、３６：外側ポンプ電極 ３８：内側ポンプ電極 ４０：ポンピングセル ４２：差動アンプ、４４：ピンホール ４６：キャビティ

Claims (9)

【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の少なくと
   も一つと；所定のガス拡散抵抗を有する拡散抵抗手段
   と；該拡散抵抗手段を介して被測定ガスに接する電極を
   含む少なくとも二つの電極とを有する酸素濃度検出器を
   用いて、被測定ガスたる燃焼排ガスのリッチ雰囲気状
   態、リーン雰囲気状態及び中性雰囲気状態の相互間の変
   化を迅速に検出する方法にして、 該拡散抵抗手段を介して被測定ガスに接する電極に分極
   電流を通電せしめ、且つ該電極近傍の雰囲気が常に中性
   付近に保たれるようにその電流値を制御することによ
   り、前記被測定ガスの種類に対応して該電流の方向を変
   化せしめ、そしてこの電流の方向の変化点を検知するこ
   とによって、前記雰囲気状態の変化を検出することを特
   徴とする燃焼排ガスにおける雰囲気変化の迅速的検出方
   法。
2. 【請求項２】前記酸素濃度検出器が、酸素イオン伝導性
   の固体電解質と、所定のガス拡散抵抗を有する拡散抵抗
   手段と、該固体電解質と該拡散抵抗手段との間に設けら
   れ、該拡散抵抗手段を介して被測定ガスに接する第一の
   電極と、該固体電解質に設けられて所定の基準ガスに接
   触せしめられる第二の電極とを含み、且つ該第一の電極
   と該第二の電極との間に、該第一の電極近傍の雰囲気が
   常に中性付近に保たれるように電流を流して、その電流
   の方向を検知するようにした特許請求の範囲第１項記載
   の検出方法。
3. 【請求項３】前記酸素濃度検出器が、 所定のガス拡散抵抗を有する拡散抵抗手段と； 酸素イオン伝導性の第一の固体電解質と、該固体電解質
   に設けられて被測定ガスに接する外側ポンプ電極と、該
   固体電解質に設けられ且つ前記拡散抵抗手段を介して被
   測定ガスに接する内側ポンプ電極とを含むポンピングセ
   ルと； 酸素イオン伝導性の第二の固体電解質と、該固体電解質
   に設けられて所定の基準ガスに接する基準電極と、該固
   体電解質に設けられ且つ前記ポンピングセルの内側ポン
   プ電極と実質的に同一の雰囲気に晒される測定電極とを
   含むセンシングセルと； を有し、該センシングセルの基準電極と測定電極との間
   に生じる起電力に従って、前記ポンピングセルの外側ポ
   ンプ電極と内側ポンプ電極との間に、該内側ポンプ電極
   近傍の雰囲気が常に中性付近に保たれるように電流を流
   して、その電流の方向を検知するようにした特許請求の
   範囲第１項記載の検出方法。
4. 【請求項４】前記ポンピングセルの内側ポンプ電極と前
   記センシングセルの測定電極とが、同一の電極にて構成
   されている特許請求の範囲第３項記載の検出方法。
5. 【請求項５】前記拡散抵抗手段が、所定のガス拡散抵抗
   を有する多孔質セラミックス層である特許請求の範囲第
   １項乃至第４項の何れかに記載の検出方法。
6. 【請求項６】前記拡散抵抗手段が、所定のガス拡散抵抗
   を有するピンホールまたはスリットである特許請求の範
   囲第１項乃至第４項の何れかに記載の検出方法。
7. 【請求項７】前記拡散抵抗手段が、前記ポンピングセル
   の第一の固体電解質を所定のガス拡散抵抗を有する多孔
   質層として構成することによって、形成されている特許
   請求の範囲第３項又は第４項記載の検出方法。
8. 【請求項８】前記基準ガスが空気であり、且つ前記第一
   の電極と前記第二の電極との間の電位差が０．２〜０．
   ７Ｖとなるように、それら第一、第二の電極間に電流が
   流される特許請求の範囲第２項記載の検出方法。
9. 【請求項９】前記基準ガスが空気であり、且つ前記セン
   シングセルの測定電極と基準電極との間の電位差が０．
   ２〜０．７Ｖとなるように、前記ポンピングセルの外側
   ポンプ電極と内側ポンプ電極との間に電流が流される特
   許請求の範囲第３項又は第４項記載の検出方法。