JP2669699B2

JP2669699B2 - 空燃比センサ

Info

Publication number: JP2669699B2
Application number: JP1307886A
Authority: JP
Inventors: 隆生村瀬; 恒則吉村
Original assignee: NGK Insulators Ltd
Current assignee: NGK Insulators Ltd
Priority date: 1989-11-28
Filing date: 1989-11-28
Publication date: 1997-10-29
Anticipated expiration: 2012-10-29
Also published as: DE4037740C2; DE4037740A1; US5236569A; JPH03167467A

Description

【発明の詳細な説明】（技術分野）本発明は、自動車の内燃機関における燃焼制御系や各
種の工業炉等における燃焼排ガス中の酸素濃度を検知す
ることにより、燃焼用混合気の空燃比を測定するに際し
て、好適に用いられ得る空燃比センサに関するものであ
る。

（背景技術）従来より、自動車用内燃機関の排気ガス（燃焼排ガ
ス）中の酸素濃度や、工業炉、ボイラー等から排出され
る燃焼排ガス中の酸素濃度を検知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
器等を用いた、酸素濃淡電池の原理を利用したものが知
られている。そして、内燃機関等においては、一般に、
空気と燃料とから構成される燃焼用混合気の空燃比を、
高精度に目標値に制御するために、そのような酸素セン
サを用いて、空燃比と相関関係を有する排気ガス中の酸
素濃度を検知することにより、混合気の空燃比を検出し
て、内燃機関等に供給される燃料供給量をフィードバッ
ク制御するようにしているのである。

そして、この種の酸素センサを利用した空燃比センサ
の一種であって、理論空燃比以外の領域においても優れ
た測定能力を有する空燃比センサとして、二つの電気化
学的セルを組み合わせてなる、所謂ダブルセル型のもの
が知られている。このダブルセル型のセンサは、特開昭
59−190652号公報等から明らかなように、外部空間から
所定の拡散抵抗の下に導かれる被測定ガス（排ガス）が
存在せしめられる内部空間と、該内部空間に導かれた被
測定ガスに晒される測定電極および所定の基準ガスに晒
される基準電極を有し、酸素濃淡電池の原理に基づいて
起電力を出力する電気化学的酸素センサセルと、前記外
部空間に存在する被測定ガスに晒される外側電極および
前記内部空間に存在する被測定ガスに晒される内側電極
を有し、かかる内部空間内の雰囲気を酸素ポンプ作用に
よって制御する電気化学的酸素ポンプセルとを一体的に
有する素子本体を備え、かかる酸素センサセルの発生起
電力が一定の値となるように、該酸素センサセルの測定
電極が晒される内部空間内の雰囲気中の酸素量を前記酸
素ポンプセルの酸素ポンプ作動にて制御せしめた場合に
おける、この酸素ポンプセルに給電されるポンプ電流値
により、被測定ガス中の酸素濃度を測定するようになっ
ている。

ところで、このようなダブルセル型の空燃比センサに
あっては、内部空間内における酸素センサセルの測定電
極周りの雰囲気と酸素ポンプセルの内側電極周りの雰囲
気との間にガス成分の分圧差が生じると、応答速度の低
下やポンプセルの劣化等といった問題が惹起されること
となる。

そこで、かかる問題を解決する一手法として、本願出
願人は、先に、特開昭61−194345号公報において、酸素
センサセル及び酸素ポンプセルの固体電解質体を、所定
の固体電解質層を介して電気的に接続せしめると共に、
酸素センサセルの測定電極を、酸素ポンプセルを構成す
る何れか一方の電極と共に、該酸素ポンプセルにポンプ
電流を流すための電圧の基準点（基準電位）を設定する
導体（例えばグラウンド）に接続して、それらを同電位
とすることにより、酸素ポンプセルに給電されるポンプ
電流を、かかる酸素センサセルの測定電極にリークせし
めるようにした構造のものを明らかにした。即ち、かか
る構造の空燃比センサにおいては、酸素ポンプセルから
のリーク電流によって、酸素センサセルの測定電極にお
いても補助的な酸素ポンピング作用が行なわれることか
ら、上記内部空間内における酸素センサセルの測定電極
周りの雰囲気と酸素ポンプセルの内側電極周りの雰囲気
との間のガス成分の分圧差を補正することができるので
ある。

しかしながら、本発明者らが更なる検討を加えたとこ
ろ、かかる構造の空燃比センサにおいては、そのリーク
電流によって、酸素センサセルに抵抗電位降下による電
位変化が惹起されるために、空燃比センサの測定精度が
低下することに加え、該抵抗電位降下による電位変化量
は固体電解質体の内部抵抗値に応じて変化するために、
空燃比センサの測定精度の温度依存性がより増大すると
いった、問題を内在していることが明らかとなったので
ある。

更にまた、かかるリーク電流による測定電極での酸素
ポンピング作用により、該測定電極に対し、O₂のイオン
化に際しての電位降下が惹起されるため、この電位降下
によっても、酸素センサセルの出力特性が変化し、空燃
比センサの測定精度が低下することとなると共に、かか
る測定電極でのポンピング作用に起因する電位降下量
は、電極やその保護層の表面状態、即ち電極周りのガス
拡散抵抗の影響を受け易いことから、センサの使用中
に、例えばガス吸着や飛来物質の付着等によってガス拡
散抵抗が変化すると、センサの出力特性が大きく変化す
るために、経時的な安定性および信頼性が充分に確保さ
れ難いという不具合をも有していたのである。

そして、このようなポンプ電流の酸素センサセル側へ
のリークに起因するセンサの出力精度の低下の問題、或
いは出力特性の経時変化の問題は、特に、ポンプ電流量
が増加する、理論空燃比から外れたリーン領域或いはリ
ッチ領域の空燃比測定の場合に、大きな問題となるので
あり、それ故、かかる点において、未だ改良の余地を有
していたのである。

（解決課題）ここにおいて、本発明は、上述の如き事情を背景とし
て為されたものであって、その解決課題とするところ
は、酸素ポンプセルに対して給電せしめられるポンプ電
流を酸素センサセル側に積極的にリークさせることによ
る、前述の如き、酸素センサセルの測定電極周りの雰囲
気と酸素ポンプセルの内側電極周りの雰囲気との間に生
じるガス成分の分圧差の補正効果を有効に確保しつつ、
かかるリーク電流に起因するセンサの出力精度の低下お
よび出力特性の経時変化が、可及的に軽減せしめられ
得、以てリーン領域或いはリッチ領域の空燃比測定に際
しても有利に用いられ得る、改良された空燃比センサを
提供することにある。

（解決手段）そして、かかる課題を解決するために、本発明の要旨
とするところは、酸素イオン伝導性の第一の固体電解質
体とこれに接して設けられた第一及び第二の電極とを有
する電気化学的酸素ポンプセルと、酸素イオン伝導性の
第二の固体電解質体とこれに接して設けられた第三及び
第四の電極とを有する電気化学的酸素センサセルと、外
部の燃焼排ガスを所定の拡散抵抗の下に導き入れ、前記
電気化学的酸素ポンプセルの第二の電極及び前記電気化
学的酸素センサセルの第三の電極にそれぞれ接触せしめ
る拡散律速手段とを有する素子本体を備えた空燃比セン
サにおいて、前記電気化学的酸素ポンプセルの第一及び
第二の電極のうちの一方を、該電気化学的酸素ポンプセ
ルにポンプ電流を流すための電圧の基準点を設定する導
体に接続する一方、前記電気化学的酸素センサセルの第
三の電極を、電気抵抗体を介して、該導体に接続せしめ
て、それら電気化学的酸素ポンプセルと電気化学的酸素
センサセルとの間の電気的リーク量を制御するようにし
たことにある。

なお、このような空燃比センサにおいて、前記電気抵
抗体は、前記素子本体に対して一体的に設けられる他、
該素子本体とは別個に、その電気的作動を制御する外部
電気回路上に設けられるものである。

また、このような空燃比センサにおいて、前記電気抵
抗体の抵抗値は、好ましくは、前記電気化学的酸素ポン
プセルに給電せしめられる全電流量に対する、該電気化
学的酸素ポンプセルを構成する電極から前記電気化学的
酸素センサセルを構成する電極へのリーク電流量の割合
が、0.1〜５％となるように、設定せしめられることと
なる。

（作用・効果）ところで、前述の如きダブルセルタイプの空燃比セン
サについて、本発明者らが実験、検討を加えたところ、
電気化学的酸素センサセルの測定電極（第三の電極）周
りの雰囲気と電気化学的酸素ポンプセルの内側電極（第
二の電極）周りの雰囲気との間に生じるガス成分の分圧
差は、濃度差としては小さい値であることから、測定電
極において補助ポンピング作用を行なわしめるリーク電
流は電気化学的酸素ポンプセルのポンプ電流に比して小
さな値でも充分な効果が得られること、およびかかるリ
ーク電流を小さくすることによって、該リーク電流によ
る抵抗電位降下やO₂のイオン化に際しての電位降下が、
極めて有効に軽減され得、出力精度および経時的安定性
が、何れも有利に確保され得ることが明らかとなったの
であり、そして、かかる知見を基に、本発明は完成され
るに至ったのである。

すなわち、本発明に従う空燃比センサにおいては、電
気化学的酸素センサセルの第三の電極と、電気化学的酸
素ポンプセルの第一の電極乃至は第二の電極に対して基
準電圧を与える導体との接続路に介装された所定の電気
抵抗体によって、リーク電流が流れることとなる第三の
電極と第一乃至は第二の電極との間の電位差が、ポンプ
電流が流れることとなる第一の電極と第二の電極との間
に設定される電位差よりも、常に、該電気抵抗体による
電位降下分だけ小さな値に設定され得るのである。

そして、それ故、かかる空燃比センサにあっては、電
気抵抗体の抵抗値の大きさに応じて、リーク電流量が、
有利に抑えられ得るのであり、それによって、該リーク
電流に起因する空燃比センサの出力精度および経時的安
定性の低下を回避しつつ、該リーク電流によって行なわ
れる第三の電極での補助ポンピング作用による応答速度
の向上等の効果を、有効に得ることができるのである。

また、特に、本発明者らの検討したところによれば、
上記電気抵抗体の抵抗値を調節せしめて、リーク電流量
の、電気化学的酸素ポンプセルに給電される前記ポンプ
電流量に対する割合が、0.1〜５％となるように制御す
ることにより、リーク電流に起因する空燃比センサの出
力精度および経時的安定性の低下が、一層有利に軽減さ
れ得ることとなるのである。

（実施例）以下、本発明を更に具体的に明らかにするために、本
発明の実施例について、図面を参照しつつ、詳細に説明
することとする。

先ず、第１図及び第２図には、本発明に従う空燃比セ
ンサの一実施例における具体的構成が示されている。か
かる図において、10は、空燃比センサの素子本体であっ
て、電気化学的酸素ポンプセル12と電気化学的酸素セン
サセル14とを含んで構成されている。

そこにおいて、かかる酸素ポンプセル12は、イットリ
ア添加ジルコニア等の酸素イオン伝導性の固体電解質か
らなる板状の第一の固体電解質体16と、該第一の固体電
解質体16の両側で相対向する位置に接して設けられた、
酸素の電気化学的反応に対する触媒性を有する白金等の
金属乃至はサーメット材料からなる外側電極（第一の電
極）18および内側電極（第二の電極）20とから構成され
ている。なお、かかる外側電極18の表面上には、電気絶
縁性を有するアルミナ等からなる多孔質保護層22が一体
的に積層形成されている。

また一方、前記酸素センサセル14は、酸素ポンプセル
12と同様、それぞれイットリア添加ジルコニア等からな
る板状の固体電解質体27、44、46が、板厚方向に重ね合
わされることによって構成された第二の固体電解質体26
に対して、白金等の金属乃至はサーメット材料からなる
測定電極（第三の電極）28および基準電極（第四の電
極）30が、それぞれ接して設けられてなる構造とされて
いる。なお、かかる測定電極28の表面上にも、アルミナ
等からなる多孔質保護層32が一体的に積層形成されてい
る。

そして、これら酸素ポンプセル12と酸素センサセル14
とは、イットリア添加ジルコニア等の酸素イオン伝導性
の固体電解質からなる略枠体形状の接続固体電解質層34
および該接続固体電解質層34の枠体内に位置せしめられ
る、アルミナ等の電気絶縁性材料からなる絶縁層35を挟
んで、互いに重ね合わされており、且つそれら酸素ポン
プセル12と酸素センサセル14との間には、所定のガス拡
散抵抗を有し、拡散律速手段として機能する細隙な平坦
空間36が形成されている。また、かかる平坦空間36内
は、酸素ポンプセル12を構成する第一の固体電解質体16
等を貫通して設けられたガス導入孔38を通じて、外部の
被測定ガス存在空間40に連通されており、該被測定ガス
（排ガス）が、該平坦空間36内に導き入れられるように
なっている。

また、かかる酸素センサセル14を構成する第二の固体
電解質体26の内部には、一体的に積層された固体電解質
体27、44、46の重ね合わせ間に、基準ガスとしての大気
に連通される空気通路48が、板面方向に形成されてい
る。

そして、酸素ポンプセル12の外側電極18が、被測定ガ
ス存在空間40に露呈されて、被測定ガス雰囲気に晒され
るようになっている一方、酸素ポンプセル12の内側電極
20および酸素センサセル14の測定電極28が、それぞれ、
前記平坦空間36内に露呈されて、該平坦空間36内に所定
の拡散抵抗下に導入される被測定ガスに接触せしめられ
るようになっており、更に、酸素センサセル14の基準電
極30が、前記空気通路48内に露呈されて、基準ガスとし
ての大気に接触せしめられるようになっている。なお、
これらの酸素ポンプセル12および酸素センサセル14を構
成する各電極18、20、28、30を後述する電気回路に接続
するためのリード部と、固体電解質体との間には、それ
ぞれ、電気的な絶縁層42が介装されている。

さらに、前記第二の固体電解質体26を構成する固体電
解質体46の外側面上には、ヒータエレメント50が２枚の
電気絶縁層52、53にて挟まれてなる構造のセラミックヒ
ータ層54が、一体的に積層形成されており、該セラミッ
クヒータ層54にて、上記酸素ポンプセル12および酸素セ
ンサセル14が、それぞれ、所定の温度にまで加熱せしめ
られ得るようになっている。なお、該ヒータ層54は、そ
の外周部分を気密質セラミックス板55、57によって囲ま
れていると共に、最外側の気密質セラミックス板57の外
表面は、更に電気絶縁性の保護層59にて覆われている。

また、上述の如き素子本体10においては、酸素ポンプ
セル12の外側電極18のリード部が、第一の分流抵抗体64
および第二の分流抵抗体66を通じて、それぞれ、外部接
続端子68および外部接続端子70に導通されている一方、
酸素センサセル14の測定電極28のリード部が、外部接続
端子72に導通されている。更にまた、酸素ポンプセル12
の内側電極20のリード部と酸素センサセル14の測定電極
28のリード部とが、電気抵抗体56を通じて、互いに接続
されており、該電気抵抗体56と測定電極28とを接続する
側のリード部において、外部接続端子72に導通せしめら
れていると共に、該電気抵抗体56と内側電極20とを接続
する側のリード部において、外部接続端子60に導通せし
められている。なお、かかる外部接続端子60は、外部接
続端子62と共に、前記ヒータエレメント50にも接続され
ており、それら両端子60、62を通じて、該ヒータエレメ
ント50に対する給電が為され得るようになっている。

なお、上記第一及び第二の分流抵抗体64、66および電
気抵抗体56は、例えば、第２図に示されている如く、素
子本体10の焼成後において、公知の厚膜抵抗体形成用の
厚膜ペースト等を用い、絶縁層42の表面上に設けられた
リード部間に跨る状態で、所定形状に印刷焼付すること
等によって、有利に形成され得ることとなる。

而して、このような構造とされた素子本体10にあって
は、第一図に示されている如き、該素子本体10の電気的
作動を制御する外部電気回路に対して接続せしめられて
いる。より詳細には、先ず、外部接続端子60は、基準電
位を与える導体、具体的には車両の車体や大地等に対し
て接続（接地）されている。即ち、かかる外部接続端子
60の接地によって、酸素ポンプセル12の内側電極20の電
位が、該酸素ポンプセル12にポンプ電流を流すための電
圧の基準点（基準電位）に設定されることとなるのであ
り、一方、酸素センサセル14の測定電極28にあっては、
電気抵抗体56を介して接地されることから、かかる基準
電位に対して、該電気抵抗体56による電位降下分だけ異
なる電位に設定せしめられることとなるのである。換言
すれば、この電気抵抗体56は、酸素ポンプセル12を構成
する内側電極20と基準電位を与える導体との接続路にお
ける電気抵抗値よりも大きな電気抵抗値を、酸素センサ
セル14を構成する測定電極28と該導体との接続路に与え
ることとなるのであり、それによってかかる測定電極28
に対して、内側電極20とは異なる電位が設定されるよう
になっているのである。

また、かかる外部接続端子60と外部接続端子62との間
には、ヒータ電源74が接続されており、それによってヒ
ータエレメント50に対する給電が行なわれ得るようにな
っている。

さらに、酸素センサセル14の測定電極28および基準電
極30に対して導通された外部接続端子58、72は、それぞ
れ、増幅器76、78を通じて、差動アンプ80に接続されて
いる。即ち、かかる酸素センサセル14において、前記平
坦空間36内の雰囲気中の酸素濃度に応じて生ぜしめられ
る、測定電極28及び基準電極30における電位が、それぞ
れ、増幅器76、78にて取り出され、更に差動アンプ80に
よって、それら両電極28、30間の電位差として得られる
こととなるのである。

更にまた、かかる差動アンプ80の出力側は、比較器82
およびＶ−Ｉコンバータ84を経た後、分岐せしめられ
て、前記酸素ポンプセル12の外側電極18に導通された外
部接続端子68、70に対して、それぞれ接続せしめられて
いる。そして、それによって、上述の如くして得られた
酸素センサセル14の電極28、30間における電位差が、比
較器82にて、参照電圧86と比較され、その比較結果に応
じた電圧に変換されると共に、こうして得られた電圧
が、Ｖ−Ｉコンバータ84によって、所定のプラス電流ま
たはマイナス電流に変換せしめられた後、かかる電流
が、酸素ポンプセル12に対して、ポンプ電流として給電
せしめられるようになっているのである。

すなわち、公知の如く、このような外部電気回路によ
って、上記素子本体10においては、その酸素ポンプセル
12に対し、前記平坦空間36内の雰囲気を中性付近に近づ
けるようなポンピング作用が為され得るように、酸素セ
ンサセル14における起電力に基づいたポンプ電流が給電
せしめられることとなるのであり、それ故、かかる制御
下、そのポンプ電流を、出力端子88、90間で計測するこ
とによって、目的とする被測定ガスの酸素濃度を検出す
ることができるのである。

なお、そこにおいて、かかるポンプ電流量の計測は、
本実施例では、上記Ｖ−Ｉコンバータ84と外側電極18と
を接続する二つの接続路のうちの一方を流れる電流を測
定することによって、為されることとなる。即ち、かか
る二つの接続路を流れる電流量は、それぞれの接続路に
配された、前記第一及び第二の分流抵抗体64、66の抵抗
値を調節することにより、相対的に設定され得ることと
なるところから、ポンプ電流量と被測定ガス中の酸素濃
度との対応関係のセンサ個体間における誤差を、かかる
抵抗体64、66の抵抗値の調節によって消去することがで
きるのである。

また、上述の如き制御下におけるセンサの作動時にお
いては、酸素ポンプセル12を構成する第一の固体電解質
体16と酸素センサセル14を構成する第二の固体電解質体
26とが、接続固体電解質層34を介して部分的に電気的に
接続されているところから、ポンプ電流の一部が、酸素
ポンプセル12から酸素センサセル14にリークし、外側電
極18から測定電極28に向かって、或いはその逆方向に流
れることとなる。そして、かかるリーク電流によって、
外側電極18と測定電極28との間においても、補助的なポ
ンピング作用が行なわれることとなる。

ところで、そこにおいて、上記素子本体10にあって
は、かかる測定電極28が、酸素ポンプセル12の内側電極
20が接続された、基準電位を与える導体に対して、電気
抵抗体56を介して接続されて、その電位が、内側電極20
の電位よりも、該電気抵抗体56による電位降下分だけ異
なる値に設定されているところから、かかる電気抵抗体
56の抵抗値を適当に調節することにより、上記リーク電
流量を抑え、且つ有利に制御することができるのであ
る。

より具体的には、例えば、燃焼用ガスの空燃比がリー
ン領域にある場合には、第３図にモデル的に示されてい
る如く、酸素ポンプセル12の外側電極18が、内側電極20
に設定された基準電位（零電位）よりもプラス電位とさ
れることから、リーク電流は、該外側電極18から酸素セ
ンサセル14の測定電極28に向かって流れることとなる
が、その場合、該測定電極28は、電気抵抗体56によっ
て、基準電位よりも所定量だけプラス電位に保持され得
るのであり、それ故、かかるリーク電流量が有利に抑え
られ得、且つ該電気抵抗体56の抵抗値を調節することに
より、かかるリーク電流量のポンプ電流に対する割合を
制御することが可能となるのである。なお、燃焼用ガス
の空燃比がリッチ領域にある場合には、酸素ポンプセル
12の外側電極18は、内側電極20に設定された基準電位よ
りもマイナス電位とされることにより、リーク電流が、
内側電極20から外側電極18に向かって流れることとなる
が、その場合でも同様に、測定電極28は、電気抵抗体56
によって、該基準電位よりも所定量だけマイナス電位に
保持されることにより、リーク電流量が抑制、制御され
得ることとなる。

そして、かかる電気抵抗体56によって、ポンプ電流の
測定電極28へのリーク電流量が有効に抑えられ得ること
となる結果、該リーク電流によって惹起される抵抗電位
降下が軽減され得て、該抵抗電位降下に起因するところ
の、センサの測定精度の低下や温度依存性の増大等とい
った問題が、何れも有利に軽減乃至は解消され得ると共
に、かかるリーク電流による測定電極でのポンピング作
用によって惹起される該測定電極の電位降下も軽減され
得ることから、それに起因するところの、センサの測定
精度の低下や経時的な特性変化等の問題が、何れも有利
に軽減乃至は解消され得ることとなるのである。

また、ここにおいて、特に有利には、酸素ポンプセル
12に給電せしめられる全ポンプ電流量（Ip）に対する、
リーク電流量（Ip′）の割合：（Ip′/Ip）が、0.1〜５
％、より好適には0.5〜３％になるように、上記電気抵
抗体56の抵抗値が設定されることとなる。そして、それ
によって、リーク電流による酸素センサセル14の出力特
性に対する影響が、より効果的に軽減され得るのであ
る。

けだし、かかる（Ip′/Ip）の値が、0.1％より小さく
なると、リーク電流の補助ポンピング作用によるセンサ
応答速度等の効果が充分に発揮され難くなるばかりか、
上述の如きセンサの制御系がセンサ部とアンプ部との閉
回路構成となっているために、ポンプ電流の変化に対す
る酸素センサセルの起電力の変化の位相がπ以上遅れる
ことにより、該センサ部とアンプ部とのフィードバック
系として発振の危険性が生じるからである。なお、かか
るセンサ部とアンプ部とのフィードバック系における発
振を防止するためには、アンプ部における利得を下げる
ことによっても可能であるが、利得を下げると該フィー
ドバック系としての精度および応答性が低下することと
なるところ、上述の如く、（Ip′/Ip）の値を0.1％以上
とすれば、ポンプ電流の変化に対する酸素センサセルの
起電力の変化の位相の遅れがπ以下となることから、そ
のような問題を生じることなく、発振を防止することが
できるのである。また一方、かかる（Ip′/Ip）の値
が、５％を越えると、リーク電流が酸素センサセル14の
起電力に対して及ぼす影響が急に大きくなるところか
ら、この（Ip′/Ip）の値を５％以下とすることによっ
て、上述の如き効果を、より有効に得ることができるの
である。

因みに、上述の如き構造とされた空燃比センサにおい
て、ポンプ電流のリーク量（Ip′/Ip）を、０〜15％の
種々なる値に設定した複数のものを用いて、その出力特
性乃至は精度を実際に測定した結果を、第４図乃至第７
図に示しておくこととする。そこにおいて、先ず、第４
図は、ポンプ電流のリーク量を15％以下に設定したもの
と、５％以下に設定したものの、各複数個について、そ
れぞれに酸素濃度の変化に対する出力値のばらつきを示
すものである。なお、かかる第４図における出力比率
は、大気中でのセンサ出力を100％として示されてい
る。また、第５図にあっては、ポンプ電流のリーク量
を、０％、５％、10％および15％に設定した、それぞれ
の空燃比センサを用いて、酸素濃度が10％のガスを複数
回測定した場合におけるセンサ出力のばらつきの程度
を、柱状グラフにて示すものである。更に、第６図は、
ポンプ電流のリーク量を、１％、５％、10％および15％
に設定した、それぞれの空燃比センサについて、雰囲気
温度を室温から500℃まで加熱せしめた場合のセンサ出
力値の変化率を、柱状グラフにて示すものである。更に
また、第７図は、ポンプ電流のリーク量を、0.1％、１
％、５％、10％および15％に設定した、それぞれの空燃
比センサを用い、ディーゼルエンジンのアイドリング時
に排気される燃焼ガスを被測定ガスとして、その空燃比
を連続的に測定した場合の、経時的な出力変化率を示す
グラフである。

これらの測定結果からも、前記ポンプ電流のリーク量
（Ip′/Ip）を、0.1％〜５％に抑えることが、特に有効
であることが、容易に理解され得るところである。

次に、第８図には、本発明に従って構成された空燃比
センサの別の実施例を示す概略図が示されている。な
お、本実施例においては、前記第一の実施例と同様な構
造とされた部材に対して、それぞれ、第一の実施例と同
一の符号を付しておくことにより、その詳細な説明は省
略することとする。

すなわち、本実施例における空燃比センサにあって
は、酸素センサセル14の測定電極28が、素子本体10内で
は酸素ポンプセル12の電極と接続されてはおらず、外部
接続端子によって、直接に外部電気回路に対して接続さ
れるようになっている。そして、素子本体10の電気的作
動を制御する外部電気回路上において、かかる測定電極
28に導通された外部接続端子と増幅器76との接続路上に
おいて、電気抵抗体56を介して接地されてなる構造とさ
れている。なお、ここにおいて、かかる電気抵抗体56を
介して接続される導体の電位は、前記実施例と同様、酸
素ポンプセル12の内側電極20に接続されて、該内側電極
20に対し、ポンプ電流を流すための基準電位を設定する
ものである。

従って、このような外部電気回路の構造を採用するこ
とによって、電気抵抗体56を、素子本体10とは別体とし
て設けることが可能となるのである。なお、かかる本実
施例構造の空燃比センサにおいても、電気抵抗体56の抵
抗値を調節することによって、ポンプ電流の測定電極28
側へのリーク量を制御することが出来、それによって、
前記第一の実施例と同様な効果を、何れも有効に得るこ
とができるものであることは、勿論である。

以上、本発明の代表的な実施例について詳述してきた
が、これらは文字通りの例示であって、本発明は、かか
る具体例にのみ限定して解釈されるものではない。

例えば、素子本体10を構成する酸素ポンプセル12や酸
素センサセル14或いは拡散律速手段の構造は、公知の各
種のものが採用可能であり、具体的には、ガス導入孔38
をオリフィス通路として、該ガス導入孔38に拡散律速手
段としての機能を付与せしめること等も可能である。

また、前記実施例においては、酸素ポンプセル12の内
側電極20が接地されることにより、基準電位に設定され
ていたが、外側電極18側を接地して、それを基準電位に
設定することも可能である。

更にまた、電気抵抗体56の材質は限定されるものでは
なく、公知のものが何れも採用可能であり、例えば、前
記第一の実施例の如く、素子本体10に対して一体的に設
ける場合には、酸化ルテニウム粉末とガラス粉末に有機
バインダを混合して作製した厚膜ペーストや、白金、白
金ーロジウム等の耐熱性金属粉末とアルミナ、ジルコニ
ア等のセラミックス粉末に有機バインダを混合して作製
した厚膜ペーストを用いて、素子本体10の焼成体乃至は
未焼成体に対して印刷乃至は塗布し、焼成することによ
って得られた厚膜抵抗体等が、何れも好適に用いられ
得、更にまた、前記第二の実施例の如く、外部電気回路
上に設ける場合には、通常の電気回路に用いられる炭素
皮膜抵抗や金属皮膜抵抗等を用いることが可能である。

また、そのような電気抵抗体56として、抵抗値の調節
が可能な可変抵抗素子や半固定抵抗素子等を用いること
も可能である。

さらに、かかる電気抵抗体56を素子本体10に対して一
体的に設ける場合には、素子本体10の内部に積層構造に
おいて、一体的に形成するようにしても良い。

更にまた、かかる電気抵抗体は、リーク電流が流れる
こととなる測定電極28と外側電極18乃至は内側電極20と
の間の電位差を、ポンプ電流が流れることとなる外側電
極18と内側電極20との間の電位差よりも所定量だけ小さ
く設定し得るものであればよく、そのような機能を有す
るものであれば、測定電極28の基準電位に対する接続路
上に配された抵抗体であると外部から明確には認識され
ない構造のものであっても差支えなく、例えば、前記第
二の実施例中、第８図のａ部に換えて、第９図に示され
ている如き、電気抵抗体92、94を備えた反転増幅器96を
用いることも可能であり、或いはまた、増幅器の入力抵
抗を用いて電気抵抗体56を代用することも可能であるば
かりでなく、コイルやコンデンサの抵抗成分を利用する
ことも可能である。

その他、一々列挙はしないが、本発明は、当業者の知
識に基づいて、種々なる変更、修正、改良等を加えた態
様において実施され得るものであり、またそのような実
施態様が、本発明の趣旨を逸脱しない限り、何れも本発
明の範囲内に含まれるものであること、言うまでもない
ところである。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明に従う空燃比センサの一実施例を概略
的に示す断面説明図であり、第２図は、第１図に示され
ている空燃比センサを構成する素子本体の構造を説明す
るための分解斜視図である。また、第３図は、第１図に
示されている空燃比センサの一作動状態を説明するため
の要部モデル図である。更に、第４図乃至第７図は、そ
れぞれ、第１図に示されている如き構造の空燃比センサ
であって、ポンプ電流のリーク量が種々なる値に設定さ
れた複数のものを用いて測定を行なった実験結果を示す
グラフである。更にまた、第８図は、本発明に従う空燃
比センサの別の実施例を概略的に示す、第１図に対応す
る断面説明図である。また、第９図は、第８図に示され
ている空燃比センサにおいて電気抵抗体および増幅器の
代用として採用され得る反転増幅器を示す説明図であ
る。 10:素子本体、12:酸素ポンプセル 14:酸素センサセル 16:第一の固体電解質体 18:外側電極（第一の電極） 20:内側電極（第二の電極） 26:第二の固体電解質体 28:測定電極（第三の電極） 30:基準電極（第四の電極） 34:接続固体電解質層 36:平坦空間、38:ガス導入孔 40:被測定ガス存在空間 48:空気通路、56:電気抵抗体 76,78:増幅器、80:差動アンプ 82:比較器、84:V−Ｉコンバータ 92,94:電気抵抗体 96:反転増幅器

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】酸素イオン伝導性の第一の固体電解質体と
これに接して設けられた第一及び第二の電極とを有する
電気化学的酸素ポンプセルと、酸素イオン伝導性の第二
の固体電解質体とこれに接して設けられた第三及び第四
の電極とを有する電気化学的酸素センサセルと、外部の
燃焼排ガスを所定の拡散抵抗の下に導き入れ、前記電気
化学的酸素ポンプセルの第二の電極及び前記電気化学的
酸素センサセルの第三の電極にそれぞれ接触せしめる拡
散律速手段とを有する素子本体を備えた空燃比センサに
おいて、前記電気化学的酸素ポンプセルの第一及び第二の電極の
うちの一方を、該電気化学的酸素ポンプセルにポンプ電
流を流すための電圧の基準点を設定する導体に接続する
一方、前記電気化学的酸素センサセルの第三の電極を、
電気抵抗体を介して、該導体に接続せしめて、それら電
気化学的酸素ポンプセルと電気化学的酸素センサセルと
の間の電気的リーク量を制御するようにしたことを特徴
とする空燃比センサ。
【請求項２】前記電気抵抗体が、前記素子本体に対して
一体的に設けられている請求項（１）記載の空燃比セン
サ。
【請求項３】前記電気抵抗体が、前記素子本体の電気的
作動を制御する外部電気回路上に設けられている請求項
（１）記載の空燃比センサ。
【請求項４】前記電気化学的酸素ポンプセルに給電せし
められる全電流量に対する、該電気化学的酸素ポンプセ
ルを構成する電極から前記電気化学的酸素センサセルを
構成する電極へのリーク電流量の割合が、0.1〜５％と
なるように、前記電気抵抗体の抵抗値が、設定されてい
る請求項（１）乃至（３）の何れかに記載の空燃比セン
サ。