JPS62276453A - 空燃比センサ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ３、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
に基づき空燃比を検出する空燃比センサに関するもので
おる。

［従来の技術］ 内燃別間等、各種燃焼機器に供給される混合気の空燃比
を排気中の酸素濃度より検出する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
質電極が設けられた２枚の素子を、排気の拡散が制限さ
れた間隙（測定ガス至）を介して対向配設し、一方の素
子を間隙内の酸素を周囲に汲み出す酸素ポンプ素子、他
方の素子を周囲の測定ガス雰囲気と間隙との酸素濃度差
によって電圧を生ずる酸素濃淡電池素子として、少なく
とも空燃比のリーン域において空燃比に対応した信号を
検出し得るよう構成されたものがある（特開昭５９−１
７８３５４）。

ところがこの種の空燃比センサの場合、空燃比のリーン
域、即ち排気中に残留酸素が多く存在する場合だけでな
く、空燃比のリッチ域、即ち排気中に残留酸素が極めて
少量しか存在しない場合にでも、排気中のＣ０１ＣＯ２
、Ｈ２Ｏ等の反応により、リーン域における信号と同様
の信号を発生する特性を有することがわかった。つまり
検出信号に対して２つの空燃比が対応するようになるた
め、この種の空燃比センサを用いて空燃比制御を実行す
る場合、空燃比がリーン域にあるのか、あるいはリッチ
域にあるのかを区別する必要が生じてくるのである。

そこで、酸素濃淡電池素子の酸素ポンプ素子に対向しな
い面に大気を導入し、検出信号が理論空燃比近傍で反転
することを防止するようにしだものが提案されている。

しかし、酸素濃淡電池素子の一面に大気を導入すると、
空燃比センサを密閉化できず、防水対策が必要となり、
構造が複雑になってしまう。

ざらにこの欠点を改良するために近年では、空燃比セン
サに大気を導入しないで、酸素濃淡電池素子の一面に設
けた内部基準酸素源に酸素を発生させ、その酸素の一部
を漏出抵抗部を介して排気中あるいは測定ガス室内に漏
出させて内部基準酸素源の酸素ガス分圧を一定とし、こ
れにより大気基準を不要としたちのく特願昭６０−１３
７５８６．２１４００４＞が提案されている。

即ちこの種の空燃比センサでは、酸素濃淡電池素子に所
定の電流を流すことにより、測定ガス室内の酸素が内部
基準酸素源に入り、その酸素の一部が漏出抵抗部を介し
て外部に漏出し、内部基準酸素源の酸素ガス分圧が一定
となることから、大気を導入した場合と同様の効果が得
られ、大気を導入することなく空燃比を良好に検出する
ことができるようになるのである。

［発明の解決しようとする問題点］ このように上記空燃比センサでは、空燃比を排気中の酸
素濃度を大気に導入した場合と同様に精度よく検出する
ことが可能となるが、その検出特性は例えば第１１図に
示す如くなり、空燃比のリーン域とリッチ域とで傾きが
大きく異なり、リッチ域に比ベリーン域での検出精度が
悪いといった問題がある。つまり第１１図は酸素濃淡電
池素子両端に生ずる電圧が一定となるよう酸素ポンプ素
子を流れるポンプ電流を制御した場合のポンプ電流Ｉｐ
の変化を表わしているが、この図に示すように空燃比の
リッチ域ではその傾きがリーン域に比べ３倍程度大きく
なり、リーン域での検出精度が悪くなってしまうのであ
る。

尚これは酸素ガスに比べＣｏ、８２等の拡散速度が大き
いことに起因するものである。即ち、酸素ガスの少ない
リッチ域では、測定ガス室内の酸素ガス分圧を一定とす
るため、酸素ポンプ素子が排気中のＣＯ，ＣＯ２，Ｈ２
Ｏ等と反応して酸素を分解生成させ、これを測定ガス室
内に汲み込むように動作されるが、測定ガス室内では拡
散が速い排気中のＨ２，Ｇｏ等と汲み込まれた酸素とが
反応し合い酸素ガス分圧が低下することから、その分だ
け酸素を大きく汲み込む必要があり、ポンプ電流が大き
くなってしまうのである。

また上述の如き空燃比センサでは、自動車用として排気
中で用いると、排気を測定ガス室内に導くガス拡散制限
孔にデポジットが沈着して目づま　゛りを起し、ガス拡
散律速性の経時変化すなわち、Ａ／Ｆを表わす出力値に
誤差を生じてくる恐れがある。

本発明の１つの目的は、大気を導入することなく空燃比
を良好に検出することができ、しかも空燃比のリーン域
においてもリッチ域と同様の検出精度の検出特性が１ｑ
られる空燃比センサを提供することである。また本発明
の他の目的は上述の如き出力の経時変化の自己補正機能
をもつ空燃比センサを提供することである。

［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の構成は、 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
を配設してなる２個の検出素子と、該各検出素子の一方
の多孔質電極と接して形成され、ガス拡散制限部を介し
て測定ガス雰囲気と連通される測定ガス室と、 一方の検出素子の上記測定ガス室とは反対側の多孔質電
極と接して形成され、漏出抵抗部を介して外部と連通さ
れる内部基準酸素源と、を備えた検出素子部を２組有す
る空燃比センサであって、 第１の検出素子部の測定ガス室を、第１のガス拡散制限
部を介して測定ガス雰囲気と直接連通すると共に、 第２の検出素子部の測定ガス室を、第２のガス拡散制限
部を介して上記第１の検出素子部の測定ガス室と連通し
てなること、 を特徴とする空燃比センサを要旨としている。

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、ジルコニアとイツトリアの固溶体、あるい
はジルコニアとカルシアとの固溶体等が代表的なもので
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を用いればよ
く、その形成方法としては、これらの金属粉末を主成分
としてこれに固体電解質と同じセラミック材料の粉末を
混合してペースト化し、厚膜技術を用いて印刷後、焼結
して形成する方法、あるいはフレーム溶射、化学メッキ
、蒸着等の薄膜技術を用いて形成する方法等が挙げられ
る。尚、排気に直接的に接する電極や測定ガス室側の電
極には上記電極層に更に、アルミナ、スピネル、ジルコ
ニア、ムライト等の多孔質保護層を厚膜技術を用いて形
成することが好ましい。

次に測定ガス室は、測定ガス、即ち排気の拡散を制限す
るガス拡散制限部を介して、周囲の排気を拡散制限的に
導入する室であって、例えば２個の検出素子の間にＡΩ
２０３、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周囲の測定ガス雰囲
気と測定ガス室とを連通させる孔を設けることによって
形成することができる。このガス拡散制限部は、周囲排
ガス雰囲気と測定ガス室とを拡散制限的に連通させるも
のであって形状は限定されなく、例えば上記スペーサの
一部あるいは全部を多孔質体で置き換えたり、スペーサ
（厚膜コートを含む〉に孔を設けたり、更には、スペー
サを２個の検出素子の端子側にのみに設けて２個の検出
素子の間に空隙を形成し、この空隙を測定ガス室と一体
のガス拡散制限間隙として設けることもできる。また測
定ガス室全体に、電気絶縁性であることが望ましい多孔
質材を配してもよい。

また内部基準酸素源は、この内部基準酸素源に接する検
出素子に流す電流によって測定ガス室から移動せしめ酸
素を蓄える部分であって、例えば検出素子の測定ガス室
とは反対側の電ｔｆ！に対応する凹部を備えたＡΩ２０
３、スピネル、フォルステライト、ステアタイト、ジル
コニア等からなる遮蔽体を積層することによって形成で
きる。また更にこの内部基準酸素源は、内部の酸素を測
定ガス室側に漏出できるよう漏出抵抗部を介して測定ガ
ス室と連通されるが、この漏出抵抗部としては、例えば
検出素子に測定ガス室と連通するスルーホールを形成し
、このスルーホールと内部基準酸素源との間に多孔質層
を設けることによって形成できる。

尚この漏出抵抗部は内部基準酸素源内の酸素を徐々に測
定ガス室または外部（例えば外部の測定ガス）へ移動さ
せることができればよいので、内部基準酸素源と測定ガ
ス室または外部とを微孔で連通するようにしてもよい。

また上記内部基準酸素源としては、上記のように凹部を
有する遮蔽体を検出素子に積層し、その凹部を基準酸素
源としてもよいが、単に多孔質電極の連通孔自体を内部
基準酸素源とし、検出素子に偏平な遮蔽体をそのまま不
貞層するようにしてもよい。

次に本発明の空燃比センサでは、上記のように、２個の
検出素子、測定ガス室、及び内部酸素基準源により構成
された検出素子部が２組備えられている。これは上述し
たように１個の検出素子部のみでは空燃比のリーン域と
リッチ域とで排気成分の拡散速度が異なり、リーン域で
の検出精度が悪いことから、拡散速度の異なる２個の検
出素子部を一体化し、拡散速度が速い第１の検出素子部
でリーン域での空燃比を検知し、拡散速度が遅い第２の
検出素子部でリッチ域での空燃比を検知することで、リ
ーン域からリッチ域まで連続的に変化する検出特性が得
られるようにするためである。

即ち、第１の検出素子部の測定ガス室には第１のガス拡
散制限部を介して直接排気を導入し、第２の検出素子部
の測定ガス室には第２のガス拡散制限部を介して第１の
検出素子部の測定ガス室内の排気を導入するよう構成す
ることによって、第１の検出素子部で得られる空燃比リ
ーン域での検出特性を、第２の検出素子部で得られる空
燃比リッチ域での検出特性と同等レベルにすることが可
能となるのである。尚、検出特性の傾きが空燃比のリー
ン域に比ベリッチ域で３倍程度大きくなることから、上
記第２のガス拡散制限部の拡散抵抗は、第１のガス拡散
制限部の拡散抵抗に対し２倍以上にすることが好ましい
。

ところで上記各検出素子部を一体化するには、各検出素
子部の内部基準酸素源を覆う遮蔽体をそのまま互いに接
合し、第２の検出素子部の測定ガス室と第１の検出素子
部の測定ガス室とをガス拡散制限部を介して連通ずるこ
とによって行なうことができるが、例えば内部基準酸素
源を検出素子の多孔質電極の連通孔とする場合、その電
極を共用し、内部基準酸素源を１つとすることもできる
。

また内部基準酸素源を１つとした場合、この内部基準酸
素源内の酸素を各検出素子部の測定ガス室に漏出するよ
う２ｉ！ｉｌの漏出抵抗部を設けてもよいが、各測定ガ
ス室は連通されていることから、酸素を一方の測定ガス
室のみに漏出するよう、漏出抵抗部をいずれか一方の測
定ガス室へ連通するように１個設けるようにしてもよい
。なお外部の測定ガス雰囲気へ直接連通するようにして
もよい。

［作用］ このように構成された本発明の空燃比センサを使用する
には、各検出素子部毎に、内部基準酸素源と接する側の
検出素子を酸素発生及び酸素濃淡電池素子、他方の検出
素子を酸素ポンプ素子、として用いればよい。即ち内部
基準酸素源と接する側の検出素子（′Ｒ素濃淡電池素子
）では、この検出素子両端の電極に電圧を印加し定電流
を流すことによって、内部基準酸素源内に測定ガス室内
の酸素を汲み込むと同時に、その汲み込みによって生成
した内部基準酸素源内の酸素ガス分圧を基準として測定
ガス室内の酸素ガス分圧に応じた電圧を発生させること
ができ、他方の検出素子（酸素ポンプ素子）では、両端
の電極に所定の電圧を印加し双方向に電流を流すことに
よって、測定ガス室内の酸素を周囲の排気中に汲み出し
たり、あるいは排気中の酸素を測定ガス室内に汲み入れ
て、上記酸素濃淡電池素子の発生電圧を制御することが
できることから、例えば上記酸素濃淡電池素子に抵抗を
介して一定電圧を印加しておき、その抵抗両端に生じる
電圧が一定となるよう、上記酸素ポンプ素子に流れる電
流を制御し、その制御電流を検出すれば排気中の酸素濃
度、即ち空燃比が検出できるようになるのである。また
酸素ポンプ素子に一定電流を流し、測定ガス室の酸素を
所定量だけ汲み出すか汲み入れ、そのとき酸素濃淡電池
素子に生ずる電圧を検出しても空燃比を検出することが
できる。尚この場合にも酸素濃淡電池素子には一定もし
くはほぼ一定の電流を流し、内部基準酸素源内の酸素ガ
ス分圧を一定もしくはほぼ一定としておく必要はある。

また上述したように本発明の空燃比センサでは、第１の
検出素子部の測定ガス室に入った排気が第２のガス拡散
制限部を介して第２の検出素子部の測定ガス室に導入さ
れることから、第２の検出素子部の拡散速度が第１の検
出素子部に対し遅くなり、空燃比のリッチ域で第２の検
出素子部に導入されるＨ２．Ｃｏ等の拡散速度と、空燃
比のり−ン域で第１の検出素子部に導入される酸素の拡
散速度と、が近似される。従って、本発明の空燃比セン
サでは、リーン域の空燃比を第１の検出素子部で検出し
、リッチ域の空燃比を第２の検出素子部で検出する、よ
う動作させることによって、各空燃比領域での検出精度
が近づけられる。

この発明の空燃比センサはまた長時間の使用中に徐々に
起りうるガス拡散制限部の目づまりに起因する出力誤差
の自己補正機能をもつ。

一般に自動車等でこの種のセンサを使う場合、排ガス等
に含まれる金属酸化物成分の沈着または耐熱金属酸物等
の微粉末の付着がガス拡散制限部を防ぎ、Ａ／Ｆを示す
センサ出力が変化し精度が悪くなる恐れがある。しかし
ガス拡散制限部を２つ直列に配した構造の本発明センサ
は、デポジットによる孔詰り程度を測定雰囲気に関係な
く測定可能である。それは第１のガス拡散制限部はデポ
ジットにより孔が埋まるが第２のガス拡散制限部はデポ
ジットがほとんど付着せず孔が埋まることがないことに
よる。以下それを説明する。

一定容囲気において、第１の検出素子部により測定した
初期（使用直後）の電流出力（即ち第１の検出素子部の
酸素濃淡電池素子の出力電圧を一定に保つよう該第１の
検出素子部の酸素ポンプ素子に流す電流を調節したとき
の酸素ポンプ電流）をｒ　ｐｉ、デポジット付着後の第
１の検出素子部の、同様の電流出力をＩｐｌ−、第２の
検出素子部により測定した初期の電流出力をｌｐ２．デ
ポジット付着後の第２の検出素子部の電流出力を１ｐ２
−、で表すと、 デポジット付着による第１の検出素子部の電流出力の減
少率 ）ｐｌ”／Ｈ）１＝α と、初期における２つの検出素子部によりそれぞれ測定
した電流出力の比 Ｉ　ｐｌ／　Ｉ　ｐ２＝　Ｋ と、デポジット付着後の２つの検出素子部によりそれぞ
れ測定した電流出力の比 Ｉｐ１′／　Ｉ　ｐ２′＝Ｋ　− との間には、第１のガス拡散制限部にはデポジットによ
る孔詰りが起るが第２のガス拡散制限部にはデポジット
による孔詰りは生じないとの仮定のもとでは、次式に示
される関係が成立する。

α＝　（Ｋ′−１）／　（Ｋ−１）　　　・・・（１）
このに、に＝は測定雰囲気にかかわらず不変であるため
、測定雰囲気を選ばず、初期にＫを測定しておいた上で
、デポジット付着後にに′を測定することにより、αを
求めることができ、このαを用いて第１の検出素子部に
よる測定結果を補正することができるようになる。

またデポジット付着による第２の検出素子部の電流出力
の減少率 ■ｐ２−　／　Ｉ　ｐ２！＝β と、上記Ｋ及びに′との間には、第２のガス拡散制限部
にはデポジットによる孔詰りが生じないと仮定すると、 の関係が成立する。この為上記αと同様にβを求めるこ
とができ第２の検出素子部による測定結果も、このβを
用いて補正することができるようになる。

［実施例］ 以下に本発明の一実施例を図面と共に説明する。

まず第１図及び第２図は本実施例の空燃比センサ全体の
構成を表しており、第１図はその部分破断斜視図、第２
図は分解斜視図である。

図に示す如く本実施例の空燃比センサは、固体電解質板
１の両面に多孔質電極２及び３を積層してなる酸素ポン
プ素子４と、同じく固体電解質板５の両面に多孔質電極
６及び７を積層してなる酸素濃淡電池素子８と、これら
各検出素子４及び８の間に積層され、各検出素子４及び
８の対向する多孔質電極３及び６部分で中空部９ａが形
成されたスペーサ９と、からなる第１の検出素子部１０
、及び、固体電解質板１１の両面に多孔質電極７及び１
２を積層してなる電素濃淡電池素子１３と、同じく固体
電解質板１４の両面に多孔質電極１５及び１６を積層し
てなる酸素ポンプ素子１７と、これら各検出素子１３及
び１７の間に積層され、各検出素子１３及び１７の対向
する多孔質電極１２及び１５部分で中空部１８ａが形成
されたスペーサ１８と、からなる第２の検出素子部１９
により構成されている。

ここでまず第１の検出素子部１０のスペーサ９は、多孔
質電極３と多孔質電極６との間で測定ガスの拡散が制限
された測定ガス室を形成するためのものでおって、その
中空部９ａが測定ガス室とされる。またこのスペーサ９
には、その中空部９ａ内に周囲の測定ガスを導入できる
よう、中空部９ａ周囲の５箇所に多孔質のアルミナから
なる前記第１のガス拡散制限部としてのガス拡散制限部
９ｂ１〜９ｂ５が形成されている。

次に第２の検出素子部１９のスペーサ１８も上記スペー
サ９と同様、多孔質電極１２と多孔質電極１５との間で
、測定ガス室を形成するためのものであって、その中空
部１８ａが測定ガス室とされる。この中空部１８ａへの
測定ガスの導入は、上記第１の検出素子部１０の測定ガ
ス室である中空部９ａと連通される、多孔質電極６．７
，１２゜固体電解質板５，１１に形成された連通孔２０
によって、上記ガス拡散制限部９ｂｚ〜９ｂ５．中空部
９ａを介して行われる。尚この連通孔２０は前記第２の
ガス拡散制限部に相当し、本実施例ではその内部にアル
ミナ等からなる多孔質材２０ａが充填されている。

更に本実施例の空燃比センサでは、第１の検出素子部１
０を構成する酸素濃淡電池素子８．及び第２の検出素子
部１９を構成する酸素濃淡電池素子１３が、多孔質電極
７を共用することによって形成されている。この多孔質
電極７は、各酸素濃淡電池素子８及び／又は１３に所定
の電流を流すことによって酸素が発生される各検出素子
部１０及び１つの内部基準酸素源としても用いられ、発
生した酸素を第１の検出素子部１０の測定ガス室、即ち
中空部９ａ内に漏出できるよう、例えばアルミナ等から
なる多孔質絶縁体Ｚと、スルーホールＨと、を用いて多
孔質電極７及び６のリード部７Ω及び６Ｑが接続されて
いる。つまり多孔質絶縁体Ｚ、スルーホールＨ１多孔質
電極７及び６の各リード部７Ｑ、６Ωが、前述の漏出抵
抗部とじて形成され、内部基準酸素源としての多孔質電
極７内に発生された酸素をこの漏出抵抗部を介して第１
の検出素子部１０の測定ガス室内に漏出できるようにさ
れているのである。

また更に各酸素ポンプ素子４及び１７の多孔質電極２，
３，１５．１６の電極端子は、当該空燃比センサの外壁
面に形成されている。即ち多孔質電極２及び１６は外部
に露出して形成されることから、そのリード部２Ω、１
６Ωがそのまま電極端子とされ、内部に積層された多孔
質電極３及び１５においては、そのリード部３Ｑ及び１
５Ｑと、固体電解質板１及び１４の外壁面に積層された
電極端子３を及び１５ｔとを、スルーホール３ｈ。

１５ｈを介して電気的に接続することによって形成され
ているのである。また、各酸素濃淡電池素子８及び１３
の多孔質電極６，７．１２の電極端子には、各リード部
６Ｑ、７Ｑ、１２Ωに接続され、外部に突出されたリー
ド線６ｔ、７ｔ、１２ｔが用いられる。

このように構成された本実施例の空燃比センサは、通常
、例えば第３図に示す如く、多孔質電極層７の酸素が外
部に漏れないように密閉すると共に、当該空燃比センサ
Ｓを固定する固定部３１、及びねじ部３２を介して内燃
機関の排気管３３に取り付けられ、排気中の酸素濃度か
ら内燃機関に供給される燃料混合気の空燃比を検出する
のに用いられる。そこで上記の如く構成された空燃比セ
ンサＳを第３図に示すように内燃機関の排気管３３に取
り付け、空燃比検出回路３５を用いて動作させて、その
検出特性を実験的に求めた。以下これについて説明する
。尚第３図では、空燃比センサＳの取り付は状態を解り
易くするために、各多孔質電極のリード部及び電、極端
子か省略されている。

空燃比検出回路３５内は各検出素子部１０及び１９毎に
検出回路３７及び３８が夫々設けられている。検出回路
３７（又は３８〉は、検出素子部１０（又は１つ）の酸
素濃淡電池素子８（又は１３）に電流を流して内部基準
酸素源としての多孔質電極７内に酸素を発生させ、この
多孔質電極７内の酸素ガス分圧と、測定ガス室としての
中空部９ａ（又は１８ａ）内の酸素ガス分圧との比に応
じて酸素濃淡電池素子８（又は１３）の両端の電極に生
ずる電圧が一定となるよう、即ち中空部９ａ（又は１８
ａ）内の酸素ガス分圧が一定となるよう、酸素ポンプ素
子４（又は１４）に流れる電流を双方向に制御し、その
電流値を検出信号として出力するように構成されている
。

即ち検出回路３７（又は３８）は、第４図に示す如く、
酸素濃淡電池素子８（又は１３）の多孔質電極７に所定
電圧Ｖｂ（１０［Ｖ］）を印加し、基準電圧ｖｓ　（５
［Ｖ］　）が印加された他方の多孔質電極６（又は１２
）側に流れる電流を制限する抵抗Ｒと、酸素濃淡電池素
子８（又は１３）の両側の電極に発生し、基準電圧■Ｓ
で以って嵩上げされた電圧を検出する演算増幅器ＯＰ１
により構成されたバッフ７回路４１と、このバッファ回
路４１より出力される検出電圧を増幅する演算増幅器Ｏ
Ｐ２により構成された非反転増幅回路４２と、この非反
転増幅回路４２により増幅された検出電圧を所定の基準
電圧ＶＣと比較し、検出電圧が基準電圧ＶＣに対し大き
いときに所定の積分定数で以って徐々に低下し、逆の場
合に所定の積分定数で以って徐々に増加する第５図に示
す如き制御電圧を出力する、演算増幅器ＯＰ３を用いて
構成された比較・積分回路４３と、上記基準電圧■Ｓを
出力する演算増幅器ＯＰ４により構成されたバッファ回
路４４と、バッファ回路４４からの基準電圧Ｖｓを酸素
ポンプ素子４（又は１７〉の中空部９ａ（又は１８ａ）
側の多孔質電極３（又は１５）に印加し、この電極３（
又は１５〉と比較・積分回路４３からの制御電圧が印加
されたもう一方の多孔質電極２（又は１６）との間で流
れる電流を検出するための電流検出用抵抗Ｒ１と、この
抵抗Ｒ１に生ずる電圧を検出信号として、出力する演算
増幅器○Ｐ５により構成された出力回路４５と、により
構成されているのである。

次に第６図は、上記の如く構成された検出回路によって
各検出素子部１０及び１９を個々に動作させ、そのとき
得られる検出信号から各酸素ポンプ４及び１７に流れる
ポンプ電流Ｉｐを算出した結果を表す線図であって点線
が第１の検出素子部１０による算出結果、一点鎖線が第
２の検出素子部１９の算出結果を夫々表している。尚こ
の実験に用いた空燃比センサを構成する各部には、次表
に示す如きものを用いた。

図に示す如く、第１の検出素子部１０で得られるポンプ
電流Ｉｐの傾きは第２の検出素子部１９で得られるポン
プ電流Ｉｐの傾きに対し小さくなっている。これは第１
の検出素子部１０の中空部９ａ、即ち測定ガス室にはガ
ス拡散抵抗部９ｂ＋〜９ｂｓを介して測定ガスが直接導
入されるのに対し、第２の検出素子部１９の中空部１８
ａ、即ち測定ガス室にはガス拡散抵抗部９ｂ＋〜９ｂ５
゜中空部９ａ、及び多孔質材２０ａが充填された連通孔
２０を介して測定ガスが導入され、第２の検出素子部１
９の測定ガスの拡散速度が遅く、その分大きなポンプ電
流が必要となるからである。

従ってこの検出結果から、空燃比のリーン域では第１の
検出素子部１０を用いて空燃比の検出を行い、空燃比の
リッチ域では第２の検出素子部１９を用いて空燃比の検
出を行えば、空燃比のリッチ域とリーン域とで、傾きが
近似した検出特性が得られ、リーン域での検出精度とリ
ッチ域での検出精度を一定に保つことができるのがわか
る。つまり本実施例の空燃比センサＳを用いて空燃比を
検出する際、第１の検出素子部１０と第２の検出素子部
１９の動作を空燃比のリーン域とリッチ域とで自動的に
切替え、空燃比のリーン域では第１の検出素子部１０を
用いて空燃比を検出し、空燃比のリッチ域では第２の検
出素子部１９を用いて空燃比を検出するよう構成された
検出回路を用いれば、従来のように、空燃比のリッチ域
に比ベリーン域での検出感度が非常に悪く空燃比制御が
良好に実行できない、といった問題を良好に解決するこ
とができるようになるのである。

次に第７図は上記のように構成された空燃比センサＳの
ガス拡散制限部９ｂ１〜９ｂｓに故意に孔詰りを生ぜし
め、前述の式（１〉で表わされるαとに、に−との関係
が実際に成立しているか否かを実験的に求めた測定結果
を表わしている。図に示すようにこの実験は周囲雰囲気
をλ＝０．８゜λ＝１．２として２種の雰囲気中で行な
ったが、（Ｋ−−１）／　（Ｋ−１＞が大きくなるよう
ガス拡散制限部９ｂ１〜９ｂｓの孔詰りの程度を徐々に
大きくして行っても、周囲雰囲気に関係なく＜Ｋ−−１
）／　（Ｋ−１＞とＩｐｌ−／Ｉｐ１（即らα）とはほ
ぼ１対１で変化し、前述の式（１）が成立することがわ
かった。このため、既述したように、上記空燃比センサ
Ｓの作成直後にＫ（即ちＩ　ｐｌ／　Ｉ　ｐ２＞を求め
ておき、使用中定期的にに−（即らＩｐｌ−／Ｉｐ２−
）を求め、これに基づきαを設定して第１の検出素子部
１０での測定結果を補正するようにすれば、第１の検出
素子部１０で常時安定した検出結果を得ることができる
ようになる。

また前述の式（２）で表わされるβとに、に＝どの関係
に対しても上記と同様の実験を行なった結果、上記式（
２）のβとに、に−との関係も問題なく成立することが
確認された。このため、αと同様にβも定期的に求め、
第２の検出素子部１９による検出結果をβで補正するよ
うにすれば、第２の検出素子部１つでも常時安定した検
出結果を得ることができるようになる。

次に当該空燃比センサＳの使用例として、上記のように
空燃比のリーン域とリッチ域とで検出素子部の動作状態
を切替え、第６図に実線で示す如き検出結果が得られる
空燃比検出回路について説明する。

第８図の空燃比検出回路５０は上記第４図に示した検出
回路３７（又は３８）と同様、各検出素子部１０及び１
９毎に、バッファ回路４１−及び４１″と、非反転増幅
回路４２′及び４２″と、比較・積分回路４３−及び４
３″と、多孔質電極７に所定の電圧ｖｂ′を印加し、各
酸素濃淡電池素子８及び１３に電流を制限するための抵
抗Ｒ＝と、が備えられる他、各酸素濃淡電池素子８に生
ずる電圧が一定になるよう制御される酸素ポンプ素子４
及び１７に流れるポンプ電流を、第１の検出素子部１０
では中空部９ａ内の酸素を汲み出す方向に、第２の検出
素子部１９では中空部１８ａ内に酸素を汲み入れる方向
に、夫々制限するタイオードＤ１及びＤ２と、このタイ
オードＤ１及びＤ２によって流れる方向が現１ｌｌ１１
１されたポンプ電流の合成値を検出するための電流検出
用抵抗Ｒｉ−とが備えられている。

このように構成された空燃比検出回路５０では、空燃比
がリーンであるとき第１の検出素子部１０によって得ら
れるポンプ電流が検出信号として出力され、空燃比がリ
ッチであるとき第２の検出素子部１９によって得られる
ポンプ電流が検出信号として出力されることとなり、使
用する検出素子部を空燃比に応じて切り替える必要がな
くなる。

尚この検出回路による検出結果は、上述の第６図に実線
で示す如き特性となった。

以上詳述した如く本実施例の空燃比センサにおいては、
第６図に示したように、第１の検出素子部１０を動作し
たとき得られる検出信号の傾き（即ち検出感度）が、第
２の検出素子部１９を動作したとき得られる空燃比信号
の傾きの３倍程度となっている。このため空燃比がリー
ン域にあるとき第１の検出素子部１０を動作させ、空燃
比がリッチ域にあるとき第２の検出素子部１９を動作さ
せて、空燃比を検出すれば、空燃比のリッチ域からリー
ン域にかけて同程度の傾きで変化する検出信号を得るこ
とができるようになり、空燃比の検出精度を一定にする
ことが可能となる。

ここで上記実施例では、空燃比センサＳを、内部酸素基
準源としての多孔質電極７のリード部７１を多孔質絶縁
体Ｚ及びスルーホールＨを介して多孔質電極６のリード
部６１と接続し、多孔質電極７内に発生された酸素を第
１の検出素子部１０の測定ガス室内に漏出するよう構成
したが、例えば第９図に示すように、多孔質電極７′の
リード部７１−を多孔質絶縁体Ｚ−及びスルーホールＨ
′を介して多孔質電極１２−のリード部１２′と接続し
、多孔質電極７′内に発生された酸素を第２の検出素子
部１９′の測定ガス室内に漏出するよう構成しても、上
記実施例と同様の検出結果を得ることができる。この場
合、リード部７１−２多孔質絶縁体ｚ−，スルーホール
Ｈ−、リード部１２′が前述の漏出抵抗部となる。尚第
９図に示す空燃比センサの構成は第２図に示した上記実
施例の空燃比センサと殆ど同様の構成になっているので
、各部の番号に′を付して説明は省略する。

また上記実施例では、空燃比センサＳで空燃比を検出す
る隔月いる空燃比検出回路として、第８図に示した如く
、空燃比の検出に用いる検出素子部の切替えをダイオー
ドを用いて自動的に行うように構成された空燃比検出回
路５０を挙げて説明したが、上記第４図の検出回路と同
様に動作する検出回路を利用し、その検出回路と各検出
素子部との接続をスイッチ等を用いて空燃比のリーン域
とリッチ域とで切替えるように構成された第１０図に示
す如き空燃比検出回路６０を用いても、第６図に実線で
示した如き特性の検出信号を得ることができる。

尚空燃比検出回路６０は、第１０図に示す如く、多孔質
電極７に所定電圧ｖｂを印加すると共に多孔質電極６又
は１２側に流れる電流を制限する為の抵抗Ｒ１及びＲ２
と、多孔質電極７と多孔買電５慢６又は多孔質電極７と
多孔質電極１２の間に生ずる電圧（即ち酸素濃淡電池素
子８又は１３両端に生ずる電圧）を検出すると共に、そ
の電圧に所定電圧ＶＳを加算して増幅する反転増幅回路
６１と、反転増幅回路６１からの電圧を所定の基準電圧
Ｖｃと比較し、前記第５図に示した如き制御電圧を出力
する比較・積分回路６２と、比較・積分回路６２からの
電圧を検出信号として出力する出力回路６３と、比較・
積分回路６２の出力端子と多孔質電極３、又は比較・積
分回路６２の出力端子と多孔質電極１５を接続する抵抗
Ｒｊと、反転増幅回路６１及び多孔質電極３又は多孔質
電極１５に所定電圧Ｖｓを印加すると共に、比較・積分
回路６２からの出力信号に応じて多孔質電極２から３、
又は多孔質電極１５から１６へ流れる電流（即ち酸素ポ
ンプ素子４又は１８に流れるポンプ電流）を制御するバ
ッファ回路６４と、空燃比がリーン域にあるとき当該空
燃比検出回路６０と第１の検出素子部１０の多孔質電極
２，３．６．７とを接続し、空燃比がリッチ域にあると
き当該空燃比検出回路６０と第２の検出素子部１９の多
孔質電極７，１２，１５．１６とを接続する切替えスイ
ッチＳＷと、から構成されている。従ってこの空燃比検
出回路６０では、空燃比がリーン域にあるときには、第
１の検出素子部１０の酸素ボンプ素子４で多孔質電極２
から３方向に流れる電流を比較・積分回路６２からの出
力信号に応じて制御することで中空部９ａ内の空燃比を
理論空燃比近傍に制御しなから空燃比を検出し、逆に空
燃比がリッチ域にあるときには、第２の検出素子部１９
の酸素ポンプ素子１７で多孔質電極１５から１６方向に
流れる電流を比較・積分回路６２からの出力信号に応じ
て制御することで中空部１８ａ内の空燃比を理論空燃比
近傍に制御しなから空燃比を検出することとなる。

［発明の効果コ 以上詳述したように本発明の空燃比センサによれば、第
１の検出素子部で空燃比リーン域での空燃比を検出し、
第２の検出素子部で空燃比リッチ域での空燃比を検出す
ることによって、空燃比リーン域での検出特性の傾きを
リッチ域での検出特性に近付けることが可能となり、リ
ーン域での検出精度を向上することができる。また第１
の拡散制限部に対する第２の拡散制限部の拡散抵抗を２
倍にすることによって、リーン域からリッチ域にかけて
連続的に変化する検出特性が得られるようになり、空燃
比制御を実行するのに最適な空燃比センサとすることが
できる。

また、この発明の空燃比センサはガス拡散制限部を２つ
直列に配置する構成としたので、第１のガス拡散制限部
が排ガスからのデポジットによる孔づまりを生じて空燃
比出力特性に経時変化を来たしてもこれを自己補正する
ことも可能となり、長時間にわたる使用中の空燃比測定
精度を保証しうるという効果もある。

【図面の簡単な説明】

第１図は実施例の空燃比センサの構成を表わす部分破断
斜視図、第２図はその分解斜視図、第３図はこの空燃比
センサの排気管への取り付は状態を表わす断面図、第４
図は空燃比センサに備えられた各検出素子部の検出特性
を求める際に用いた検出回路を表わす電気回路図、第５
図はその検出回路内で発生される酸素ポンプ素子の制御
信号を表わす線図、第６図はこの検出回路により得られ
た検出結果の一例を表わす線図、第７図は実施例の空燃
比センサを用いて式（１）が成立するのを確認した実験
結果を表わす線図、第８図は実施例の空燃比センサを用
いて空燃比を検出するのに好適な空燃比検出回路の一例
を表わす電気回路図、第９図は空燃比センサの他の構成
例を表わす分解斜視図、第１０図は空燃比検出回路の他
の例を表わす電気回路図、第１１図は従来の空燃比セン
サの問題点を説明する線図、である。 １．５，１１．１４・・・固体電解質板２．３，６，７
，１２，１５．１６・・・多孔質電極４．１７・・・酸
素ポンプ素子 ８．１３・・・酸素濃淡電池素子 ９．１８・・・スペーサ ９ａ、１８ａ・・・中空部 ９ｂ７，９ｂｚ、９ｂａ、９ｂ４，９ｂｓ・・・ガス拡
散抵抗部 １０・・・第１の検出素子部 １９・・・第２の検出素子部 ２０・・・連通孔

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １　酸素イオン伝導性の固体電解質両面に一対の多孔質
   電極を配設してなる２個の検出素子と、該各検出素子の
   一方の多孔質電極と接して形成され、ガス拡散制限部を
   介して測定ガス雰囲気と連通される測定ガス室と、 一方の検出素子の上記測定ガス室とは反対側の多孔質電
   極と接して形成され、漏出抵抗部を介して外部と連通さ
   れる内部基準酸素源と、 を備えた検出素子部を２組有する空燃比センサであって
   、 第１の検出素子部の測定ガス室を、第１のガス拡散制限
   部を介して測定ガス雰囲気と直接連通すると共に、 第２の検出素子部の測定ガス室を、第２のガス拡散制限
   部を介して上記第１の検出素子部の測定ガス室と連通し
   てなること、 を特徴とする空燃比センサ。 ２　第２のガス拡散制限部は、第１のガス拡散制限部に
   対し２倍以上の拡散抵抗を有する特許請求の範囲第１項
   記載の空燃比センサ。 ３　内部基準酸素源が漏出抵抗部を介して測定ガス室に
   連通される特許請求の範囲第１項または第２項記載の空
   燃比センサ。