JPS644146B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、気体中の酸素濃度、とくに好適な例
として自動車エンジン等の燃焼機関排気中におい
て酸素濃度を検出する酸素濃度検出素子およびそ
の素子を用いた酸素濃度検出装置に関するもので
ある。

従来、上記用途における酸素濃度センサは酸素
濃淡電池の原理を応用したもの、すなわちジルコ
ニア固体電解質体の両面に白金電極を形成し、一
方の電極表面に燃焼機関排気を導入、接触させ、
もう一方の電極面には基準酸素濃度ガス、たとえ
ば空気を導入し、両電極間に発生する超電力Ｅが
Ｅ＝RI／4FlnP₀₂、₁／P₀₂、₂であらわされることを利用
して この超電力を測定することによつて被測定気体の
酸素濃度を検出するものが用いられていた。ここ
でＲは気体定数、Ｆはフアラデイ定数、Ｔは絶対
温度、P₀₂、₁、P₀₂、₂は基準および被測定酸素濃度
である。希薄燃料混合比自動車エンジンの排気中
では１〜20％程度の範囲の酸素濃度となるが、こ
れは空気の酸素濃度である20％に近いため発生起
電力が微小となり、また酸素濃度の変化幅が狭い
ため従来の酸素濃度センサでは微少な起電力変化
しか得られないので高感度の計器が必要とされ、
自動車用としては望ましくないという欠点があつ
た。

これに対し、酸素の拡散律速電流が酸素濃度に
比例することを利用する酸素ガス濃度分析装置
（特開昭52−72286号公報参照）は、基準酸素濃度
ガスを要せずセンサ出力電流が酸素濃度に比例す
るものであるので、とくに１〜20％程度のような
高濃度酸素を測定するのに適しており、希薄混合
エンジン等の酸素検出器として従来の酸素濃度検
出方式に勝るものである。この方式の酸素検出器
の電流電圧特性の例を第１図に示す。このような
特性を持つ素子に1V程度の電圧を印加すれば酸
素濃度に比例する出力電流が得られる。第１図に
示す飽和電流特性（限界電流特性と称する）は、
次のような機構によつて生じている。

酸素イオン伝導体の板の一面に陰極を、他の面
に陽極を設けた素子において、陽極に正、陰極に
負の電圧を印加し電流を流せば陰極付近の酸素ガ
スは陰極によつて酸素イオン（２価の負イオン）
に変換され、これは酸素イオン伝導体中を移動し
て陽極に達し、ここで酸素ガスに再び変換されて
素子の外へ放出される。この場合素子に電流が流
れるためには陰極に酸素ガスを供給しなければな
らないが、この量を制限してやると逆に電流が制
限されるようになる。素子に印加する電圧を零か
ら徐々に増加して行くと素子電流が陰極に供給さ
れる最大酸素量に相当する電流より小さい間は電
流は増加することができるが、陰極への酸素供給
量に相当する電流まで到達すると、それ以後電圧
を増加しても電流は増加することができない。こ
の結果第１図のような電流電圧特性となる。

本発明は上記の原理に基づく酸素濃度検出素子
（以下、限界電流式酸素センサまたは単に酸素セ
ンサと略記する）において、有孔函体のうちの一
形態である多孔質層を用いた酸素センサに関する
ものである。

酸素ガスの拡散律速による限界電流を得る手段
としては有孔函体、陰極、酸素イオン伝導体、陽
極という構成とすればよい。ここで有孔函体とは
陰極を覆い、その一部にガス拡散孔を有するガス
拡散律速体を意味する。

多孔質体を陰極に被覆した構造の酸素センサを
第２図に示す。これは多光質体４のガス透過性に
よつて酸素濃度対限界電流の大きさの関係の決ま
る酸素検出素子として作用する。多孔質層５は陽
極を被測定ガス中に含まれる煤、残焼残溜分等の
汚染物質から保護するためのものである。第２図
に示す酸素センサは構造が簡単であり、安価に大
量生産することを要する用途特に自動車用には好
適なものである。

第２図に示す酸素センサの電流電圧特性の一例
を第３図に示す。第３図の特性はC₄H₁₀ガスと空
気とを図中に示す空気過剰率λになるよう混合し
て燃焼させた後の排気ガス中において酸素センサ
を770℃に保つて測定した結果である。

第３図から明らかなように、空気過剰率が１よ
り大きな範囲（燃料リーン領域、以下単にリーン
領域という）では明瞭な限界電流特性が見られ、
酸素センサに0.7〜0.8V程度の一定電圧を印加す
れば、空気過剰率λに対応する限界電流すなわち
酸素センサ出力電流が得られる。しかしながら、
第３図において空気過剰率λが１より小さい場合
（燃料リツチ領域、以下単にリツチ領域という）
には、素子印加電圧に対して単調に電流が増加す
るのみであり、限界電流特性は見られない。第４
図は酸素センサに0.7Vの一定電圧を印加して流
れる電流を燃焼系の空気過剰率を連続的に変化さ
せて記録した結果である。このように、リーン領
域だけでなく、リツチ領域でも電流が流れるので
単に酸素センサ電流を観測したのではリツチ領域
であるのかリーン領域であるのか判定できない。
自動車用希薄燃料混合比エンジンの空燃比計測で
は限界電流式酸素センサは極めて好適なものであ
るが、エンジン負荷状態によつてはリツチ領域と
する場合があり、このような場合が起こり得る用
途に限界電流式酸素センサを適用しようとすれば
リツチ領域であるかリーン領域であるかを判定す
る、何らかの補助的手段、つまり別の検出器を要
することになり、装置が複雑になるという欠点が
ある。

本発明は上記の欠点を取除いた酸素センサを提
供しようとするものである。

第５図は本発明による酸素センサの一実施例を
示すもので、７は酸素イオン伝導体、８は陰極、
９は陽極、１０は多孔質層、１１は酸素蓄積層、
１２はリード線である。

酸素イオン伝導体７はZrO₂、H₅O₂、ThO₂、
Bi₂O₃等にCaO、MgO、Y₂O₃、Yb₂O₃、Sc₂O₃等
を安定剤として固溶させた緻密な焼結体を円板状
に成形したものである。この酸素イオン伝導体の
両面には、Pt、Ph、Ir、Pd、Ag等もしくはそれ
らの合金からなる耐熱性の電子伝導性の層である
陰極８、および陽極９がスパツタ、メツキ、真空
蒸着、ペースト焼付等の方法によつて形成され
る。多孔質層１０はケイ石質、アルミナ質、スピ
ネル質、マグネシア質、ジルコン質、等の耐熱性
無機材料から成り、陰極８を被覆する。被測定気
体中の酸素はガス拡散によつて陰極８へ供給され
るが、多孔質層１０はこの酸素拡散量を律速する
作用を持ち、酸素センサに流れる電流はこの律速
された酸素量に対応したものとなる。酸素蓄積層
１１は酸素を一時的に蓄積する作用を有する多孔
体であり、陽極９を被覆している。酸素蓄積層１
１は多孔質層１０よりもできるだけ多量の酸素を
蓄積するため微細な細孔を持つ多孔体である。酸
素蓄積層１１は被測定ガスがリーンからリツチ雰
囲気に変化したときに、陽極へのリツチ雰囲気ガ
スの到着を陰極への到着より遅らせる作用をす
る。つまり、被測定ガスがリーンからリツチに変
化したとき陰極には速やかにリツチガスが供給さ
れるが、陽極には酸素蓄積層１１に蓄積された酸
素が存在するのでリツチガスと蓄積された酸素と
が入れ替わるまでの間、しばらくは陽極を酸素過
剰雰囲気に保ち、この期間は酸素濃淡電池の原料
に従つて陰極から陽極に向かつて約1Vの超電力
を発生させるのである。この超電力は、外部より
印加する電圧に逆らう向きであり、外部印加電圧
が陰極陽極間に発生する逆起電力よりも小さけれ
ば酸素センサに流れる電流を逆転させる。したが
つて電流の方向あるいは逆起電力を検出すればリ
ーンからリツチ雰囲気に変化したことがわかる。
しばらく時間が経過しても陽極もリツチ雰囲気と
なれば上記逆起電力は削滅するので、そのまま酸
素センサに電圧を外部から印加していればそれに
よつて電流が流れる。この状態は酸素のない雰囲
気で素子を作動させているため、陰極、陽極ある
いは酸素イオン伝導体の劣化を加速する恐れがあ
り、好ましくない。これを防ぐには上記逆起電力
の発生を検知して素子電流を遮断するのが簡便な
方法である。上記とは反対に被測定ガスがリツチ
雰囲気からリーン雰囲気に変化したときは、やは
り速やかにリーン雰囲気のガスが陰極に到着し、
しばらく時間を経て陽極にもリーン雰囲気のガス
が到着する。したがつて陰極へリーン雰囲気のガ
スが到着してからしばらくは陽極にリツチ雰囲気
のガスが残留しているが、その間は陽極から陰極
に向う向きに起電力が発生する。この起電力が検
知すればリツチからリーンへ変化したことがわか
る。

上述した動作が安定に行なわれ、またこのとき
の起電力信号を確実なものとするためには逆起電
力の発生する時間長さをセンサの酸素濃度変化に
対する応答時間程度以上とすることが好ましい。
このためには陽極側での酸素蓄積量を陰極のそれ
の少なくとも２倍以上に大きくしなければならな
い。すなわち、リーン雰囲気においては限界電流
方式の酸素センサとして動作しており、陰極陽極
間には通常数mA程度の電流が流れている。リー
ン雰囲気からリツチ雰囲気に被測定ガスが変化し
たとき、酸素センサには前述のように逆起電力を
生ずるが、限界電流センサとして動作している電
流の向きが逆転したことを安定に検出するために
はセンサ応答時間程度の一定時間以上電流が逆方
向に流れ続ける必要がある。つまり、電流が反転
したと検知されるまでは電流を逆方向に流すだけ
の酸素量を少なくとも蓄積しておかなければなら
ない。陽極層に多孔質層を設けただけではセンサ
でも電流反転は生ずるがこの場合の電流反転時間
は極めて短かいので電流反転検出回路を高感度と
しなければならない。しかしこうすることによつ
てノイズ等の影響を受けやすくなることは避けら
れず、安定な動作をさせるにはこれは適さない。
陽極層に多孔質層を設けただけのセンサの反転時
間を概算すると次のようになる。

700℃、１気圧の下では１cm³当りの気体モル数
は約1.25×10^-5モルである。酸素蓄積効果の顕著
でない単なる多孔質層の場合には多孔質層内の空
間に存在する酸素量が蓄積量となり、たとえば多
孔質層の気孔率10％、気体中の酸素濃度を５％と
すれば多孔質層１cm³当りでは 1.25×10^-5×0.1×0.05＝6.25×10^-8モル だけ酸素が存在する。後述する実施例の酸素セン
サと同じ大きさを例にとれば、センサ直径3.5mm、
陽極側多孔質層厚さ１mmでは多孔質層体積が
0.00962cm³であり、したがつてこれに蓄積される
酸素は 6.25×10^-8×0.00962＝６×10^-10モル と計算される。上記酸素量の半分が反転電流とな
つたとすれば（酸素は単に多孔質層内に存在する
のみであるのでセンサ外部へも拡散して失なわれ
るのでこのように仮定した）このときの電気量は
フアラデー定数をＦとして4Fを乗ずることによ
り求められ ６×10^-10×0.5×４×964870.116×10^-3クーロ
ン となる反転電流が１ｍＡであればこれは0.116秒
間で消費される。この時間は最大値であり、実際
にはこれよりかなり短いものとなる。なおガスの
蓄積効果はセンサの応答遅れの主原因であるため
この時間はほぼセンサ応答時間となる。このよう
に、陽極層に単に多孔質層を被覆するのみでは電
流反転時間は非常に短かいものとなつてしまう。

電流反転時間を長くするためには陽極側の酸素
の蓄積量を増加させればよい。この方法としては
陽極側の多孔質層を厚くすること、気孔率を増す
ことが先ず考えられるが、前者は酸素センサが大
形となるので好ましく無く、また後者については
あまり気孔率を大きくすると機械的強度が低下す
るので好ましくない。

本発明においては多量に酸素を蓄積する多孔質
層を得るため比表面積の大きい多孔質層に白金
や、パラジウム、ロジウム等の触媒作用を持つ金
属微粒子を分散させ、あるいはさらに比較的簡単
に還元される金属酸化物たとえばCeO₂微粒子を
分散させている。なお、酸素センサ雰囲気がリツ
チのときはセンサ電流を遮断しておけばリツチか
らリーンに変化するときは陰極側多孔質層内の酸
素は電流を流すためには消費されないので発生す
る起電力は大きく陰極側多孔質層をとくに酸素蓄
積体としなくても起電力検出は容易であり上述の
ような問題は起こらない。

第５図の本発明による酸素センサの製法の一例
を次に説明する。

酸素イオン伝導体７は組成（ZrO₂）_0.92（Y₂O₃）
_0.08の緻密な焼結体円板であり、次のような手法
で製作した。まず、高純度（99.9％以上）のZrO₂
粉末とY₂O₃粉末とをモル比92：８の割合で混合
し、湿式ボールミルで10時間粉砕し、これを乾燥
する。得られた混合粉末を1250℃10時間、仮焼
し、その後さらにメノウ乳鉢で微粉末に粉砕す
る。この粉末にポリビニルアルコールを0.5重量
％だけ水溶液の状態で混合、造粒し、金型を用い
てプレス法により1000Kg／cm²の荷重で圧縮し、厚
さ約0.4mm直径４mmの円板状に成型した。これを
2000℃２時間空気中にて焼結し、焼結後の円板寸
法は直径3.5mm、厚さ0.3〜0.35mmの緻密な焼結体
を得た。陰極８および陽極９は酸素イオン伝導体
の上下面中央部に白金をスパツタリングの手法を
用いて厚さ1μｍ、直径1.9mmの円板状に形成した。
リード線１２は直径0.3mmの白金線であり、陰極
および陽極にそれぞれ熱圧着によつて接続した。
多孔質１０は陰極８を被覆するものであり600μ
ｍの厚さにスピネル質粉末を原料としてプラズマ
溶射法により形成した。スピネル質粉末の平均粒
径は47μｍであり、形成後の多孔質層体積気孔率
は９％であつた。酸素蓄積層１１はアルミナを主
成分とする多孔質体に白金微粒子を分散させたも
ので、厚さ1μｍである。この層は平均粒径0.02μ
ｍのδ−アルミナの微粉末を主成分とする泥漿を
陽極９を被覆するように塗布し、これを110℃で
５時間乾燥後、700℃で３時間焼成してアルミナ
からなる多孔質体を形成し、さらにこれに塩化白
金酸水溶液を含浸し、120℃で１時間乾燥後、700
℃に３時間加熱することによつて白金微粒子を分
散させて製作した。本例では白金量は酸素蓄積層
重量に対し3wt％である。

なお酸素蓄積層内に酸素蓄積効果の顕著な物質
である白金、CeO₂等の物質を均一に分散して添
加するには、前記製法の他に多孔質層を形成する
ときのδアルミナを主成分とする泥漿にあらかじ
め白金、CeO₂等をこれらの微粉末あるいは塩化
白金酸、硝酸セリウム等の状態で、よく混合して
おき、これを陽極に塗付、乾燥、焼成することに
よつても良い。この場合には白金、CeO₂等が極
めて均一に分散された酸素蓄積層が形成できる。

このように製作した酸素センサの特性を第６図
に示す。第６図ａはガソリンエンジンにおいて、
空気過剰率を0.95〜1.15との間で５秒周期で矩形
波状に変化させた様子を示すものである。本実施
例酸素センサをこの排気ガス流中に置き酸素セン
サ近傍のヒータにより700℃に加熱した。この状
態で酸素センサのリード線間に出力される電圧の
時間的変化を記録した結果が第６図ｂである。本
実施例の酸素センサでは、リーン雰囲気からリツ
チ雰囲気に変化したことによつてピーク値約
0.7Vの逆起電力信号が発生した。またリツチ雰
囲気からリーン雰囲気への変化にはピーク値で約
0.5Vの順方向電圧信号が発生した。第６図ｃは
同図ａの雰囲気中で本実施例の酸素センサに
0.4Vの一定電圧を印加したとき、酸素センサに
流れる電流波形を記録した結果を示すものであ
り、このようにセンサ印加電圧わ第６図ｂの見ら
れる逆起電領ピーク値より小さくしたもので、リ
ーンからリツチに雰囲気が変化した場合にセンサ
電流を一時的に反転させることができた。

ここで電流反転時間は長ければ長いほど良いと
いうわけでなく、本発明の酸素センサではリーン
からリツチへの雰囲気変化による逆起電力のピー
ク値および幅と、リツチからリーンへの雰囲気変
化による順方向起電力のそれらとが適切なる関係
に保たれていないと誤動作を生ずる原因となる。
たとえば、陽極側に被覆した酸素蓄積層内の酸素
蓄積量が過大であると長時間逆起電力が発生して
おり、この間に生じたリツチからリーンへ戻つた
際のセンサ発生順方向起電力が逆起電力より小さ
い場合にはセンサ端子電圧が正とならないため零
囲気変化を検出できない。この場合、陰極側の多
孔質層に陽極側の酸素蓄積量を越えない範囲で酸
素蓄積効果を付加してやればリツチからリーンに
変化したときの発生起電力も大きくなるので上記
の問題は解決できる。実験的には陰極側酸素蓄積
量の陽極側のそれの1/20〜1/2倍程度とすれば上
記問題を解決できることがわかつた。つまり、本
発明の酸素センサでは、陰極側と陽極側との酸素
蓄積量の関係が、後者が前者より常に大であり、
後者が前者の２から20倍程度以内とすることが必
要である。実施例では、陰極側多孔質層には白金
等の酸素蓄積効果を示す物質を添加していない
が、添加しなくても前述のように0.1秒程度の蓄
積効果すなわち応答遅れを有しているので、陽極
側が0.2〜２秒程度に相当する蓄積量となれば上
記条件は満たされる。実施例の場合は第６図ｂの
ように約0.8秒間だけ酸素が蓄積されたものであ
る。白金等の微粒子は酸素蓄積効果が著しく大き
いので、陽極側、陰極側ともこれらを添加する場
合には、これらの添加量でほぼ酸素蓄積量が決め
られる。陰極側の酸素蓄積量を前記のように陽極
のそれの1/20〜1/2倍とするためには陰極側酸素
蓄積層に添加する白金等の添加量を陽極側のほぼ
１／２０〜1/2倍とすれば良い。すなわち、なお顕著
な酸素蓄積効果を示す添加量は白金の場合0.5〜
10wt％の濃度であつた。

なお、リーンからリツチに変化した際の逆起電
力値より、リツチからリーンに変化したときの起
電力値の方が小さいときは、電気回路手段によつ
て、センサ端子電圧が急変したことを感知して雰
囲気変化を検出しても良いが、回路構成が複雑と
なり、また電気的ノイズ等の影響を受け易くなる
のであまり好ましいものではない。

以上説明した本発明の酸素センサ素子は、被測
定ガスがリツチからリーンに、あるいはこの逆へ
変化するときに起電力を発生するものであり、定
常的な起電力を発生するものではないので、起電
力の発生していない期間のために酸素センサの上
記起電力を一時的に記憶しておくことにより、常
時被測定ガスの状態がリツチであるかリーンであ
るかを知ることができる。

第７図は本発明の酸素センサ素子の出力処理回
路の一例を示すものである。電源１４は酸素セン
サ１５に一定電圧を印加する電源であり、その一
方の端子は酸素センサ１５の一方のリード線１２
に直接接続され、他方の端子は電流検出回路１
６、スイツチ回路１７を介して他方のリード線１
２に接続されている。電流検出回路１６は酸素セ
ンサ１５に流れる電流を検出し出力する回路で、
その出力は出力端子１８および電流反転検出回路
１９の入力に接続されている。電流反転検出回路
１９は酸素センサに流れる電流が反転したここと
を検出し、その結果を出力する回路である。電圧
比較回路２０は酸素センサの端子電圧が基準電圧
と比較して高いか低いかを比較し、その結果を出
力する回路である。双安定回路２１は２つの入力
端子を持ち、その第１の入力端子は電流反転検出
回路１９の出力端子に接続され、第２の入力端子
は電圧比較回路２０の出力端子に接続されてお
り、第１の入力端子に信号が印加されたとき第１
の状態となりこの状態を第２の入力端子に信号が
印加されるまで維持し、この時点から第１の入力
端子に次の信号が印加されるまで第２の状態を維
持し、第１および第２の状態に対応した出力信号
を出力する回路である。その出力信号によつてス
イツチ回路１７が制限され、酸素センサ１５に流
れる電流が開閉される。

以上のように構成された出力処理回路におい
て、スイツチ回路１７が閉の状態で酸素センサの
被測定雰囲気がリーンからリツチに変化したとす
れば、第６図ｃに示すように酸素センサに流れる
電流が反転するので、これを電流検出回路１６と
電流反転検出回路１９で検知し、この出力を双安
定回路２１の第１の入力端子に入力する。この結
果、双安定回路２１の出力が反転し、これによつ
てスイツチ回路１７を開の状態にすることによ
り、酸素センサに流れる電流は遮断される。この
遮断によつて、酸素センサが正常に動作しない期
間、即ち被測定雰囲気がリツチである期間、にお
ける酸素センサの電流検出を阻止するのである。
この状態では酸素センサは電源１４と切り離され
ているので酸素センサ端子電圧は第６図ｂのよう
な時間的変化を示す。つまり酸素センサの逆起電
力の大きさは徐々に小さくなつており、次にリツ
チからリーンに雰囲気が変化すれば酸素センサ端
子電圧は順方向の起電力を発生するので、センサ
端子電圧を電圧比較回路２０によつてある基準電
圧（たとえば＋0.1V）と比較して前者が基準電
圧を越えれば電圧比較回路２０は出力を双安定回
路２１の第２の入力端子に入力し、これによつて
双安定回路の出力をもとにもどし、これによつて
スイツチ回路１７は閉の状態にもどされる。この
時点以後は酸素センサに電源１４から電圧が印加
され、電流検出回路１６によつて被測定気体の酸
素濃度情報が出力される。

上記のように、第７図の回路構成は、酸素セン
サ雰囲気がリツチである期間はその動作を一時的
に停止させ、もとに復帰させる信号を酸素センサ
自身の発生する起電力から作成するものである。
第７図における双安定回路２１は始動時の酸素セ
ンサ雰囲気がリーンであればスイツチ回路１７が
閉になる状態に初期設定する必要がある。しかし
特に初期設定を旋こさなくとも一サイクルだけリ
ーンからリツチへ雰囲気を強制的に変化させてや
ればそのとき発生するセンサ起電力信号によつて
初期状態が設定される。また、酸素蓄積層は細孔
半径50Åから1μｍの範囲の多孔質体が適当であ
り、これに含浸する白金等の触媒物質は0.1wt％
から10wt％が良い。また酸素蓄積層の厚さは、
その内部に蓄積された酸素を効率良く陽極に到達
させるため陽極直径以内が良い。

なお上記実施例では酸素蓄積層１１に白金微粒
子を分散させたが、陰極を被覆する多孔質層１０
にも同様に白金微粒子を分散すれば陰極側の酸素
蓄積量が増し、リツチからリーンに雰囲気が変化
するときの酸素センサの起電力信号が大きくなり
また時間幅も長くすることができる。しかし、陰
極の酸素蓄積量が多過ぎればそれだけ酸素センサ
としての応答時間が長くなるので上限は酸素セン
サに要求される許容応答時間で制限を受ける。

また、第５図に示した素子構造以外にも第８図
に示すように多孔質層１０および酸素蓄積層１１
の外周に緻密な耐熱無機材質からなる層１３を塗
付して素子の横方向から多孔質層１０あるいは酸
素蓄積層１１に浸入する被測定気体を防ぎ酸素蓄
蓄効果が低減されないようにすることもできる。

また、第７図に示した回路において、酸素セン
サの電流が反転している期間はセンサ端子電圧も
反転しているので、電流反転検出回路１９の代り
にセンサ端子電圧の反転検出回路を用いてこの出
力を双安定回路に入力しても同様である。

また、第７図に示した回路において、酸素セン
サ電流の反転検出を安定に行なうため、電流反転
検出回路１９の機能として電流反転から一定時間
経過後にその情報を出力する次限回路を付加して
もよい。また、電圧比較回路２０においても同様
の付加機能を設けることができる。

以上述べたように、本発明による酸素センサ
は、酸素イオン伝導体の両面に陰極および陽極を
設け、陰極に多孔質層を被覆して陰極に供給され
る酸素を律速し、これによつて酸素濃度に対応し
た出力電流を得るようにし、さらに陽極層を酸素
蓄積層で被覆することにより、リーン雰囲気から
リツチ雰囲気へ変化し、あるいはその逆の変化が
あつたときに陰極層と陽極層間に起電力を発生さ
せるようにしている。そして出力処理回路は、こ
の起電力を検出して、被測定ガスがリツチ領域に
あるかリーン領域にあるかを判定し、その判定結
果により酸素センサ出力の制御を行なうよう構成
されている。このように本発明の酸素センサは極
めて簡単な構成であり、熱的強度が大きく、しか
もリツチ領域であるかリーン領域であるかの判定
をするための十分な信号を得ることができ、また
出力処理回路の構成も簡単であるので、本発明
は、被測定ガスがリツチ領域となることがある用
途にも適用し得る酸素濃度検出装置として好適で
あり、とくに自動車用として好適である。

【図面の簡単な説明】

第１図は限界電流式酸素センサの電流電圧特性
を示す図、第２図は多孔質体を陰極に被覆した酸
素センサの断面図、第３図は第２図の酸素センサ
の電流電圧特性を示す図、第４図は第２図の酸素
センサの空気過剰率出力電流特性を示す図、第５
図は本発明の一実施例の酸素センサの断面図、第
６図は第５図の酸素センサをリーン、リツチ、リ
ーン雰囲気に変化させたときのセンサ端子電圧、
センサ電流の時間的変化を示す図、第７図は本発
明の酸素センサ出力処理回路の一例を示す図、第
８図は本発明の他の実施例の酸素センサの断面図
である。 １……酸素イオン伝導体、２……陰極、３……
陽極、４……多孔質層、５……多孔質保護層、６
……リード線、７……酸素イオン伝導体、８……
陰極、９……陽極、１０……多孔質層、１１……
酸素蓄積層、１２……リード線、１３……緻密な
無機材質からなる層、１４……電源、１５……酸
素センサ、１６……電流検出回路、１７……スイ
ツチ回路、１８……出力端子、１９……電流反転
検出回路、２０……電圧比較回路、２１……双安
定回路。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 酸素イオン伝導体の一面に陰極層を、これと
   対向する他の面に陽極層を設け、陽極層を触媒作
   用をもつ白金、パラジウム、ロジウム等の金属微
   粉末または比較的簡単に還元されるCeO₂等の金
   属酸化物の微粒子を分散させた多孔質層で被覆
   し、陰極を被覆した多孔質層内の金属微粉末また
   は金属酸化物の量を陽極を被覆した多孔質内の金
   属微粉末または金属酸化物の量より少なくしたこ
   とを特徴とする酸素濃度検出素子。 ２ 陰極を多孔質層で被覆し、陰極を被覆した多
   孔質層内の金属微粉末または金属酸化物の量を陽
   極を被覆した多孔質内の金属微粉末または金属酸
   化物の量の1/20〜1/2倍とした特許請求の範囲第
   １項記載の酸素濃度検出素子。 ３ 特許請求の範囲第１項または第２項記載の酸
   素濃度検出素子の周囲を陰極側および陽極側に開
   口を持つように緻密層で被覆したことを特徴とす
   る酸素濃度検出素子。 ４ 酸素イオン伝導体の一面に陰極層を、これと
   対向する他の面に陽極層を設け、陽極層を触媒作
   用をもつ白金、パラジウム、ロジウム等の金属微
   粉末または比較的簡単に還元されるCeO₂等の金
   属酸化物の微粒子を分散させた多孔質層で被覆
   し、陰極を被覆した多孔質層内の金属微粉末また
   は金属酸化物の量を陽極を被覆した多孔質層内の
   金属微粉末または金属酸化物の量より少なくした
   酸素濃度検出素子と、それに電圧を印加する電源
   と、酸素濃度検出素子に流れる電流を検出する電
   流検出回路と、被測定ガスが燃料リーンから燃料
   リツチへあるいはその逆に変化したことを酸素濃
   度検出素子の電流あるいは電圧により検出するリ
   ツチ、リーン反転検出回路と、その検出回路の出
   力により酸素濃度検出素子に流れる電流を制御す
   る制御回路とを備え、前記リツチ、リーン反転検
   出回路が酸素濃度検出素子に流れる電流の反転を
   検出する電流反転検出回路と、酸素濃度検出素子
   に発生する電圧を基準電圧と比較する電圧比較回
   路とを備え、前記酸素濃度検出素子に流れる電流
   を制御する制御回路が、前記電流反転検出回路お
   よび前記電圧比較回路の出力が入力される双安定
   回路と、この出力によつて駆動されるスイツチ回
   路とからなることを特徴とする酸素濃度検出装
   置。 ５ 陰極を多孔質層で被覆し、陰極を被覆した多
   孔質層内の金属微粉末または金属酸化物の量が陽
   極を被覆した多孔質内の金属微粉末または金属酸
   化物の量の1/20〜1/2倍であることを特徴とする
   特許請求の範囲第４項記載の酸素濃度検出装置。