JPH10153576A - 空燃比センサ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 電源電圧や周囲温度の変動によらず、空燃比
を精度よく検出可能な空燃比センサを提供する。 【解決手段】、電池素子１１の出力電圧Ｖｓが理論空燃
比に対応した所定値となるように、ポンプ素子７に流れ
るポンプ電流Ｉｐを双方向に制御する電流制御回路２０
と、演算増幅器ＯＰ３を中心に周知の差動増幅回路とし
て構成され、ポンプ電流Ｉｐの経路に設けられた検出抵
抗Ｒｄの両端電圧に応じた第１出力回路２２と、検出抵
抗Ｒｄの両端電圧の大小関係に従って信号レベルが変化
する第２の空燃比信号Ｄｏを出力する第２出力回路２４
とを備えている。第２の空燃比信号Ｄｏが反転するタイ
ミングにより、理論空燃比に対応する第１の空燃比信号
Ｖｏの信号レベルを実測できるため、これらの関係が電
源電圧や周囲温度の影響で変化してしまったとしても、
正しく再設定することができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、内燃機関等各種燃
焼機器に供給される混合気の空燃比を排ガス中の酸素濃
度より検出する空燃比センサに関する。

【０００２】

【従来の技術】従来より、この種の空燃比センサの一つ
として、板状の酸素イオン伝導性固体電解質の両面に多
孔質電極を備えた二個の検出素子を、各検出素子の一方
の多孔質電極が排ガスの拡散が制限された測定ガス室に
接するように配設すると共に、一方の検出素子の測定ガ
ス室に接しない側の多孔質電極が大気等の基準ガスに接
するように配設してなる空燃比センサ（例えば、特開昭
６１−１３８１５６号公報、特開昭６１−１８６８４９
号公報）が知られている。

【０００３】この種の空燃比センサでは、基準ガスに接
する側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用い、酸素濃淡電池素子両端に
生じる電圧が一定となるよう酸素ポンプ素子に流れるポ
ンプ電流を双方向に制御し、このポンプ電流に応じた信
号を取り出すことによって、空燃比のリーン域からリッ
チ域にかけて連続的に変化する空燃比信号が得られる。

【０００４】つまり、酸素濃淡電池素子では、基準ガス
の酸素分圧と、測定ガス室内の酸素分圧との比に応じた
電圧が生じることから、この電圧が一定となるよう、即
ち測定ガス室内の酸素分圧が一定となるよう酸素ポンプ
素子に流れるポンプ電流を双方向に制御し、その電流値
を検出すれば空燃比に対応した検出信号が得られること
になるのである。

【０００５】ところで、このような空燃比センサの出力
は、Ａ／Ｄコンバータを介してＣＰＵ等に取り込まれ
て、内燃機関の制御等に利用されるのであるが、Ａ／Ｄ
コンバータやＣＰＵは、通常、＋５Ｖ等の単一電源で動
作させる場合が多い。このため、空燃比センサでは、正
負の両極性を有するポンプ電流に応じた検出信号を、単
極性の信号として取り出す必要があり、通常、ポンプ電
流の電流経路に検出抵抗を配設して、その両端電圧を検
出して増幅すると共に、増幅された電圧信号が所定の基
準電圧（例えば電源電圧の１／２）を中心にして変動す
るようにレベルシフトしたものを検出信号として出力す
る出力回路が設けられている。

【０００６】つまり、このような空燃比センサを用いる
場合、予め設定された所定の電圧を排ガスが理論空燃比
である場合に対応する出力電圧とし、その所定の電圧を
基準値として、検出信号の出力電圧から空燃比を求める
ことになる。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】しかし、排ガスが理論
空燃比であるときに、空燃比センサから所定の電圧が出
力されるようにするには、通常、ツェナーダイオードや
分圧抵抗を用いて電源電圧を降下させたり分圧したりす
ることにより、検出回路内部に基準となる電圧（基準電
圧）を作成しなければならない。しかし、電源電圧が変
動したり、周囲温度の変動によってそれら回路素子の特
性が変化すると基準電圧も変化する。即ち、電源電圧や
周囲温度が変化すると、予め設定されていた所定の電圧
と、理論空燃比の時に実際に空燃比センサから出力され
る電圧とが対応しなくなり、検出値に誤差が生じてしま
うという問題があった。

【０００８】特に、近年、内燃機関からの排ガスを浄化
するために、空燃比が精密に理論空燃比（即ち、空気過
剰率λ＝１）近傍となるように、内燃機関を制御する所
謂精密λ制御が知られているが、この制御では、λを
０．００１単位で検出する必要がある。一方、リーンバ
ーン状態でエンジンを制御する場合には、この種の空燃
比センサでは、λ＝３．０の範囲まで空燃比を検出しな
ければならないため、結局、検出信号を０．００１／
３．０＝１／３０００以上の分解能で検出する必要があ
る。これは、Ａ／Ｄコンバータにおいて１２ビットで符
号化することに相当するが、このように高い分解能で出
力電圧を検出する必要がある場合、外乱によって上記の
基準電圧が少しでも変化すると、精度のよい制御を行う
ことができなくなってしまうのである。

【０００９】本発明は、上記問題点を解決するために、
電源電圧や周囲温度の変動によらず、空燃比を精度よく
検出可能な空燃比センサを提供することを目的とする。

【００１０】

【課題を解決するための手段及び発明の効果】上記目的
を達成するためになされた本発明は、酸素イオン伝導性
の固体電解質体の両面に多孔性電極が形成された２つの
検出素子を、排ガスの流入が制限された測定ガス室に面
して配設してなる検出素子部と、上記検出素子の一方を
上記測定ガス室内の酸素濃度に応じた信号を出力する酸
素濃淡電池素子、他方を該検出素子の両面に形成された
多孔性電極間で酸素イオンを移動させる酸素ポンプ素子
として動作させ、上記酸素濃淡電池素子の出力信号が、
上記測定ガス室内の酸素濃度が理論空燃比に対応した酸
素濃度であることを示すものとなるように、上記酸素ポ
ンプ素子に流れるポンプ電流を双方向に制御する電流制
御手段と、上記ポンプ電流の電流経路に配設された検出
抵抗と、該検出抵抗の両端電圧に応じて変化し、且つ排
ガスが理論空燃比であるときに所定の電圧となるように
設定された第１の空燃比信号を出力する空燃比信号出力
手段と、を備えた空燃比センサであって、上記検出抵抗
の両端電圧の大小を比較し、該比較結果を第２の空燃比
信号として出力する比較手段を設けたことを特徴とす
る。

【００１１】このように構成された本発明の空燃比セン
サにおいては、電流制御手段が、酸素濃淡電池素子の出
力信号が測定ガス室内の酸素濃度が理論空燃比に対応し
た酸素濃度にあることを示すものとなるように、酸素ポ
ンプ素子に流れるポンプ電流を制御することにより、検
出抵抗には、排ガス中の酸素濃度、延いては内燃機関に
供給される混合気の空燃比に応じたポンプ電流が流れ
る。

【００１２】つまり、空燃比がリッチ（理論空燃比より
低い：λ＜１）であれば、測定ガス室に酸素を供給する
方向のポンプ電流が流れ、一方、空燃比がリーン（理論
空燃比より高い：λ＞１）であれば、これとは逆に、測
定ガス室から酸素をくみ出す方向のポンプ電流が流れ
る。

【００１３】そして、空燃比信号出力手段は、検出抵抗
の両端電圧に応じて変化し、且つ排ガスが理論空燃比で
あるときに所定の電圧となるように設定された第１の空
燃比信号を生成する。即ち、第１の空燃比信号は、ポン
プ電流に対応し、延いては空燃比に対応したものとな
る。

【００１４】一方、比較手段は、検出抵抗の両端電圧の
大小を比較して、その比較結果を第２の空燃比信号とし
て出力する。即ち、第２の空燃比信号は、ポンプ電流の
流れる方向が反転すると、信号レベルが反転し、即ち空
燃比の状態がリーンかリッチかにより、信号レベルが異
なったものとなる。

【００１５】従って、本発明の空燃比センサによれば、
第２の空燃比信号が反転するタイミングで第１の空燃比
信号を検出する基準値設定手段等を設ければ、理論空燃
比に対応する第１の空燃比信号の値を実測して、該実測
値を第１の空燃比信号から空燃比を求める際の基準値と
して設定することができるため、電源電圧や周囲温度の
変動によって空燃比センサ内部で作成された基準電圧が
変化しても、精度よく空燃比を求めることができる。

【００１６】

【発明の実施の形態】以下に本発明の一実施例を図面と
共に説明する。図１は、本発明が適用された実施例の空
燃比センサ及びその周辺装置を表す概略構成図、図２は
空燃比センサの検出素子部の断面図である。

【００１７】図１に示すように、本実施例の空燃比セン
サ２は、内燃機関の排気管に設けられる検出素子部２ａ
と、検出素子部２ａを制御して排ガス中の酸素濃度に対
応した後述する第１及び第２の空燃比信号を出力する検
出回路部２ｂとにより構成されている。

【００１８】ここでまず検出素子部２ａは、図２に示す
ように、固体電解質基板４の両側に多孔質電極５，６を
形成した第１のセンサ素子（ポンプ素子）７と、同じく
固体電解質基板８の両側に多孔質電極９，１０を形成し
た第２のセンサ素子（電池素子）１１と、これら両素子
７，１１の間に積層されて測定ガス室ａを形成するスペ
ーサ１２とを備えている。そして、電池素子１１の測定
ガス室ａとは反対側には、多孔質電極１０を大気に接触
させるため、セラミックス等の耐熱性で気密な部材から
なる壁面１３により形成された空気室ｂが設けられてい
る。

【００１９】また、ポンプ素子７の一方の多孔質電極５
にはポンプ素子制御端子Ａ、電池素子１１の一方の多孔
質電極１０には電池素子制御端子Ｂ、ポンプ素子７及び
電池素子１１の残りの多孔質電極６，９には共通端子Ｃ
が接続されている。更に、ポンプ素子７，電池素子１１
及び壁面１３の下部周縁部には、排気管への取付用ネジ
部１４が刻設された支持台１５が、耐熱かつ絶縁性の接
着部材１６を介して取り付けられている。つまり、検出
素子部２ａは、支持台１５のネジ部１４を、排気管１に
形成された検出素子部取付用のネジ部１７に螺合し、締
め付けることによって、排気管１に取り付けられるよう
にされている。

【００２０】なお、ポンプ素子７及び電池素子１１を構
成する固体電解質基板４，８の材料としては、イットリ
ア−ジルコニア固溶体，カルシア−ジルコニア固溶体が
知られており、その他に二酸化セリウム，二酸化トリウ
ム，二酸化ハフニウムの各固溶体、ペロブスカイト型固
溶体、３価金属酸化物固溶体等が使用できる。また、固
体電解質基板４，８の両面に設けられる多孔質電極とし
ては、酸化反応の触媒作用を有する白金やロジウム等が
用いられ、更に、スペーサ１２の材料としては、アルミ
ナ，スピネル，フォルステライト，ステアタイト，ジル
コニア等が用いられる。

【００２１】次に、検出回路部２ｂは、図１に示すよう
に、端子Ｂ，Ｃ間、即ち電池素子１１の出力電圧Ｖｓ
が、測定ガス室ａが理論空燃比である場合に対応した所
定値（本実施例では４５０ｍＶ）となるように、端子
Ａ，Ｃ間、即ちポンプ素子７に流れるポンプ電流Ｉｐを
双方向に制御する電流制御回路２０と、演算増幅器ＯＰ
３及び抵抗Ｒ１１〜Ｒ１７により構成され、後述する検
出抵抗Ｒｄの両端電圧に対応した第１の空燃比信号Ｖｏ
を出力する第１出力回路２２と、演算増幅器ＯＰ４，抵
抗Ｒ２１〜Ｒ２５，及びトランジスタＴＲにより構成さ
れ、検出抵抗Ｒｄの両端電圧の大小関係、即ち検出抵抗
Ｒｄを通ってポンプ電流Ｉｐが流れるその電流方向に従
ってレベルが変化する第２の空燃比信号Ｄｏを出力する
第２出力回路２４とを備えている。

【００２２】このうち電流制御回路２０は、出力がポン
プ素子制御端子Ａに接続されると共に、非反転入力に所
定電圧Ｖｂ（本実施例では４Ｖ）が印加され、抵抗Ｒｘ
を介して共通端子Ｃに接続された反転入力の電位を所定
電圧Ｖｂに保持するように動作する演算増幅器ＯＰ１
と、電池素子制御端子Ｂから得られる電圧信号に基づい
て、電池素子１１の出力電圧Ｖｓが理論空燃比に対応し
た所定値となるようにＰＩＤ制御を行うＰＩＤ回路２１
と、一端が演算増幅器ＯＰ１の反転入力に接続され、他
端がＰＩＤ回路２１の出力に接続された検出抵抗Ｒｄ
と、検出抵抗Ｒｄの演算増幅器ＯＰ１側端の電位を、ポ
ンプ電流Ｉｐに影響を与えることなく取り出すためのバ
ッファ回路として設けられた演算増幅器ＯＰ２とにより
構成されている。

【００２３】なお、演算増幅器ＯＰ１及び検出抵抗Ｒｄ
と共通端子Ｃとの間に接続された抵抗Ｒｘの抵抗値は、
ポンプ電流Ｉｐによる電圧降下が十分に小さいように選
ばれる。また、ＰＩＤ回路２１が行うＰＩＤ制御とは、
非制御信号（制御端子Ｂからの電圧信号）の偏差信号に
比例した信号，偏差信号を積分した信号，及び偏差信号
を微分した信号の夫々に、適当な重みをつけて加え合わ
せた値を出力として制御を行う周知の制御である。

【００２４】このように構成された電流制御回路２０で
は、電池素子１１の出力電圧Ｖｓが、測定ガス室ａ内の
酸素濃度が理論空燃比に対応した酸素濃度であることを
示すものとなるように動作するだけでなく、電源電圧Ｖ
DD（本実施例では８Ｖ）の変動等により所定電圧Ｖｂが
変動したとしても、常に、出力電圧Ｖｓが、測定ガス室
ａ内の酸素濃度が理論空燃比に対応した酸素濃度である
ことを示すものとなった時にポンプ電流Ｉｐ＝０となる
ように動作する。

【００２５】なお、ポンプ電流Ｉｐは、検出すべき空燃
比がリーン（λ＞１）である場合、測定ガス室ａから酸
素をくみ出すために、ポンプ素子制御端子Ａから共通端
子Ｃに向け、即ち検出抵抗Ｒｄを演算増幅器ＯＰ１側か
らＰＩＤ回路２１側に向けて流れ、リッチ（λ＜１）で
ある場合、測定ガス室ａに酸素を供給するために、共通
端子Ｃからポンプ素子制御端子Ａに向け、即ち検出抵抗
ＲｄをＰＩＤ回路２１側から演算増幅器ＯＰ１側に向け
て流れる。

【００２６】つまり、リーンであれば、検出抵抗Ｒｄの
演算増幅器ＯＰ１側端の電位が高くなり、リッチであれ
ば、逆に検出抵抗ＲｄのＰＩＤ回路２１側端の電位が高
くなる。そして、第１出力回路２２は、演算増幅器ＯＰ
３を中心にした周知の差動増幅回路として構成されてお
り、抵抗Ｒ１５，Ｒ１６による電源電圧ＶDDの分圧値を
基準電圧Ｖｃ（本実施例では４Ｖ）として、図３（ａ）
に示すように、空燃比がリーンであるほど基準電圧Ｖｃ
より大きく、リッチであるほど基準電圧Ｖｃより小さく
なり、理論空燃比（λ＝１）の時に基準電圧Ｖｃに等し
くなる第１の空燃比信号Ｖｏを出力する。

【００２７】一方、第２出力回路２４は、コンパレータ
として用いられる演算増幅器ＯＰ４と、この演算増幅器
ＯＰ４の出力を反転し所定の信号レベルに変換する反転
出力回路として構成された抵抗Ｒ２１〜Ｒ２５及びトラ
ンジスタＴＲとにより、図３（ｂ）に示すように、空燃
比がリーンの時にHighレベル、リッチの時にLow レベル
となり、理論空燃比の時に信号レベルが反転する第２の
空燃比信号Ｄｏを出力する。

【００２８】このように構成された空燃比センサ２は、
例えば、車両用の内燃機関を制御するＥＣＵ２６ととも
に用いられる。なお、ＥＣＵ２６は、ＣＰＵ，ＲＯＭ，
ＲＡＭからなるマイクロコンピュータを中心に構成され
ており、内燃機関の始動と共に、空燃比センサ２を動作
させ、Ａ／Ｄ変換器を介して入力される第１の空燃比信
号Ｖｏと、理論空燃比に対応させた基準値Ｖｆとから内
燃機関に供給される混合気の空燃比を求め、この求めた
空燃比に基づいて内燃機関の運転制御を行うものであ
る。

【００２９】ここで、図５は、ＥＣＵ２６において、上
記運転制御の空き時間を利用して、繰り返し実行される
基準値設定処理を表すフローチャートである。本処理が
開始される前に、ＥＣＵ２６への電源投入直後に実行さ
れる初期化処理により、基準値Ｖｆは、電源電圧ＶDD、
及び抵抗Ｒ１５，Ｒ１６の抵抗値に基づいて予め求めら
れる基準電圧Ｖｃに初期設定されると共に、第２の空燃
比信号Ｄｏが読み込まれ、その信号レベルが後述する比
較値Ｄｐとして設定されている。

【００３０】本処理が起動されると、まずＳ１１０に
て、第２の空燃比信号Ｄｏを読み込み、続くＳ１２０で
は、その信号レベルが、前回の本処理が実行された時の
第２の空燃比信号Ｄｏの信号レベルを表す比較値Ｄｐに
等しいか否かを判断し、比較値Ｄｐに等しければ、即
ち、空燃比がリーンのまま、或はリッチのまま継続して
いるのであれば、そのまま本処理を終了する。

【００３１】一方、Ｓ１２０にて、先に読み込んだ第２
の空燃比信号Ｄｏが比較値Ｄｐに等しくないのであれ
ば、即ち、空燃比がリーンからリッチ、あるいはリッチ
からリーンに状態が変化しているのであれば、Ｓ１３０
に移行する。そして、Ｓ１３０では、第１の空燃比信号
Ｖｏを読み込み、続くＳ１４０にて、その読み込んだ値
Ｖｏを、新たな基準値Ｖｆとして設定し、続くＳ１５０
では、先のＳ１１０にて読み込んだ第２の空燃比信号Ｄ
ｏの信号レベルを、新たな比較値Ｄｐとして設定した
後、本処理を終了する。

【００３２】以上説明したように、本実施例の空燃比セ
ンサ２によれば、空燃比に対応した第１の空燃比信号Ｖ
ｏだけでなく、理論空燃比の時に、信号レベルが反転す
る第２の空燃比信号Ｄｏを出力するように構成されてい
るので、第２の空燃比信号Ｄｏの信号レベルが反転する
タイミングで、第１の空燃比信号Ｖｏを検出することに
より、理論空燃比（λ＝１）に対応する第１の空燃比信
号Ｖｏの信号レベル、即ち基準電圧Ｖｃを実測すること
ができる。

【００３３】そして、この空燃比センサ２の出力を用い
て制御を行うＥＣＵ２６によれば、第２の空燃比信号Ｄ
ｏの信号レベルが変化するタイミングで検出される第１
の空燃比信号Ｖｏにより、基準値Ｖｆを再設定するよう
にされている。従って、電源電圧が変動したり、周囲温
度の影響により分圧抵抗Ｒ１５，Ｒ１６の抵抗値が変化
することにより基準電圧Ｖｃが変化し、ＥＣＵ２６に設
定された基準値Ｖｆが理論空燃比に対応しなくなったと
しても、第２の空燃比信号Ｄｏの信号レベルが反転すれ
ば、基準値Ｖｆは理論空燃比に正しく対応したものに速
やかに再設定されるため、この基準値Ｖｆに基づいて第
１の空燃比信号Ｖｏから精度よく空燃比を求めることが
でき、延いては内燃機関の運転制御を精度よく行うこと
ができる。

【００３４】以上、本発明の一実施例について説明した
が、本発明は上記実施例に限定されるものではなく、本
発明の要旨を逸脱しない範囲において、様々な態様で実
施することができる。例えば、上記実施例では、検出素
子部２ａとして、電池素子１１の測定ガス室ａとは反対
側の面に形成された多孔質電極１０が、大気と接するよ
うに構成したものを用いたが、電池素子に微小なポンピ
ング電流を流して基準酸素源を作るもの等を用いてもよ
い。

【００３５】また、上記実施例では、ＥＣＵ２６が制御
プログラムに従って第２の空燃比信号Ｄｏの信号レベル
の変化を検出してから、第１の空燃比信号Ｖｏを読み取
るように構成したが、第２の空燃比信号Ｄｏで第１の空
燃比信号Ｖｏの信号レベルをラッチする回路を設けるよ
うにしてもよい。

【００３６】更に、上記実施例では、第１及び第２の空
燃比信号Ｖｏ，Ｄｏを別々にＥＣＵ２６に入力している
が、第１及び第２の空燃比信号Ｖｏ，Ｄｏを加算する加
算回路を設けて、加算結果がＥＣＵ２６のＡ／Ｄコンバ
ータに入力されるように構成してもよい。

【図面の簡単な説明】

【図１】 実施例の空燃比センサの概略構成図である。

【図２】 検出素子部の構成及び取付状態を表す断面図
である。

【図３】 第１及び第２の空燃比信号の特性を表すグラ
フである。

【図４】 第１及び第２の空燃比信号の波形を表す説明
図である。

【図５】 ＥＣＵが実行する基準値設定処理を表すフロ
ーチャートである。

【符号の説明】

１…排気管 ２…空燃比センサ ２ａ…検出素
子部 ２ｂ…検出回路部 ４，８…固体電解質基板 ５，６，９，１０…多孔質電極 ７…ポンプ素子
１１…電池素子 １２…スペーサ １３…壁面 １４…ネジ部 １
５…支持台 １６…接着部材 １７…ネジ部 ２０…電流制御回
路 ２１…ＰＩＤ回路 ２２…第１出力回路 ２４…第
２出力回路 ２６…ＥＣＵ ＯＰ１〜ＯＰ４…演算増幅器 ＴＲ
…トランジスタ Ｒ１１〜Ｒ１７，Ｒ２１〜Ｒ２５…抵抗

Claims (2)

【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体の両面
   に多孔性電極が形成された２つの検出素子を、排ガスの
   流入が制限された測定ガス室に面して配設してなる検出
   素子部と、 上記検出素子の一方を上記測定ガス室内の酸素濃度に応
   じた信号を出力する酸素濃淡電池素子、他方を該検出素
   子の両面に形成された多孔性電極間で酸素イオンを移動
   させる酸素ポンプ素子として動作させ、上記酸素濃淡電
   池素子の出力信号が、上記測定ガス室内の酸素濃度が理
   論空燃比に対応した酸素濃度であることを示すものとな
   るように、上記酸素ポンプ素子に流れるポンプ電流を双
   方向に制御する電流制御手段と、 上記ポンプ電流の電流経路に配設された検出抵抗と、 該検出抵抗の両端電圧に応じて変化し、且つ排ガスが理
   論空燃比であるときに所定の電圧となるように設定され
   た第１の空燃比信号を生成する空燃比信号出力手段と、 を備えた空燃比センサであって、 上記検出抵抗の両端電圧の大小を比較し、該比較結果を
   第２の空燃比信号として出力する比較手段を設けたこと
   を特徴とする空燃比センサ。
2. 【請求項２】 上記第２の空燃比信号が反転するタイミ
   ングで、上記第１の空燃比信号を検出し、該検出値を理
   論空燃比に対応した基準値として設定する基準値設定手
   段を設けたことを特徴とする請求項１に記載の空燃比セ
   ンサ。