JPH0125419B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、酸素濃度検出用の限界電流式酸素セ
ンサを用いた限界電流式酸素濃度検出装置に関
し、その目的は、限界電流式酸素センサの温度を
一定に制御することによつて、そのセンサの内部
抵抗や出力の温度係数等による誤差の発生を防止
し、使用温度範囲、使用酸素濃度範囲の制約を解
放することにある。

今日の社会において火力発電所、自動車用内燃
機関等の多くの燃焼装置が実用され、様々な形で
我々の生活に貢献していることはいうまでもな
い。これ等の装置は運転条件が適切でないと多量
の有害ガスを発出する恐れがある。又、低燃費化
の要請も強い。

排気の清浄化と低燃費化を図る方法として燃料
希薄（リーンと略す）領域での燃焼が有望であ
る。例えばデイーゼル機関等は本来リーン領域で
運転されるのが常であるが、ガソリン機関におい
てもリーン領域での運転が有望である。

これ等のリーン領域で運転する機関においても
空燃比の調節が不適切なる時には煤の発生による
排気汚染、失火による未燃燃料排出や出力低下
等々の不都合な問題が生じ、リーン領域での運転
の目的にそぐわないばかりか却つて逆効果となる
ような恐れすらある。それ故、空燃比の調節は極
めて重要事項である。ところで、あらゆる制御の
常として制御対象（ここではリーン領域の空燃
比）を精密かつ高速に検出できねばならない。従
来この分野では必ずしも適切なセンサが存在しな
かつた。例えば磁気式酸素濃度検出器は応答が遅
く車載に不適切であり、密度式あるいは熱伝導度
式センサは微量の水素（H₂）混入により測定精
度に大きな影響を受ける等の問題があつて内燃機
関の燃焼制御には適さなかつた。

これに対し、我々は先に原理的構成の限界電流
式酸素センサを提案（特開昭52−72286号公報）
し、また陰極を多孔質層で被覆した酸素濃度セン
サを開発（特願昭55−123677号、特開昭57−
48648号公報）して対処した。これらのセンサは
従来センサの持つ種々の困難を解決するものであ
つた。この方式は非常に有効なものではあるが
尚、若干の問題点があることは否めない。すなわ
ち、自動車用機関等の燃焼装置では運転状態によ
つて排気の温度が変動するのが常である。それ
故、排気センサである限界電流値から酸素濃度を
検出するセンサ（以下、限界電流式酸素センサと
略称する）も低温から高温迄の広い温度領域での
作動を要求されている。ところで、限界電流式酸
素センサは低温度になると内部抵抗が増大して酸
素濃度測定範囲の制約を受け、また内部抵抗が問
題とならない高温においても酸素濃度と限界電流
との対応関係が若干変わるという問題を有する。
この問題は酸素センサを十分動作する一定の温度
に加熱すれば避けられる。本発明は限界電流式酸
素センサの内部抵抗が温度によつて変化すること
を利用して温度を検出し、これによつてセンサ温
度を一定温度に制御することを特徴とするもので
ある。

第１図ａには限界電流式酸素センサの構造の一
例を示す。１ａは酸素イオン伝導体から成る板あ
るいは円筒である。その材質としてはジルコニア
にY₂O₃，Yb₂O₃，Gd₂O₃，MgO，CaO，Sc₂O₃
等を安定剤として固溶させたもの、あるいは
Bi₂O₃にY₂O₃，Er₂O₃，WO₃等を安定剤として固
溶させたもの又はHfO₂，ThO₂等にCaO，MgO，
Y₂O₃，Yb₂O₃等を安定剤として固溶させた緻密
な焼結体である。１ｂは陽極であり、イオン伝導
体の一面に設け、それと対向する他の面に陰極１
ｄを設ける。陰陽両極はPt，Ag，Rh，Ir，Pd等
もしくはこれ等の混合材からなる耐熱性の電子伝
導体から成り、これ等の素材を用いれば酸素イオ
ン伝導体と電極の界面抵抗を実用上は小さくする
ことが可能である。陰極１ｄは有孔函体で被覆さ
れている。第１図ａにはその一実施態様として多
孔質層１ｆで被覆する構造例を示した。これは陰
極１ｄへ流入する酸素流量を制限する機能を有す
る。また陽極１ｂが付着物等によつて劣化するの
を防止する目的で多孔質の保護層１ｅで陽極を被
覆した。多孔質層１ｆおよび１ｅはアルミナ、マ
グネシヤ、ケイ石質、スピネル、ムライト等の耐
熱性無機物質から成る。多孔質層１ｅは多孔質層
１ｆと比較してガス透過性を同等かもしくは大き
くすることが望ましい。その理由は動作時におい
て多孔質層１ｆでは外界から陰極１ｄを経由して
酸素イオン伝導体１ａへ吸い込む酸素透過量を律
速する働きをさせるのに対し、多孔質層１ｅは酸
素イオン伝導体１ａから陽極１ｂを経由して外界
へ酸素を抵抗なく排出するためである。陰陽両極
からはそれぞれリード線１ｉを出す。リード線の
材質としては電極と同様にPt，Ag，Rh，Ir，Pd
等もしくはそれ等の混合材料から成る耐熱性の電
子伝導体である。

上記構成の限界電流式酸素センサの陰極に負
の、陽極に正の電圧を印加するとともに該素子全
体を被測定ガスに接触せしめると、被測定ガス中
の酸素ガスは陰極によつて還元せられて酸素イオ
ンとなり、該酸素イオンは酸素イオン伝導体中を
移動して陽極に達し、陽極によつて酸化されて再
び酸素ガスになつて素子の外へ排出される。何等
かの手法により陰極と酸素イオン伝導体の界面へ
到達する酸素ガス量を制限したとすると、陰極で
の還元によつて生成する酸素イオン量が制限を受
け、酸素イオンによつて運ばれる電荷量（電流）
が制限を受けるため、電圧にかかわらず一定の電
流しか流れられなくなり、第１図ｂに示したよう
な限界電流特性を生ずるようになる。このため酸
素センサの限界電流特性においては、陰陽両電極
に印加する電圧を零から徐々に増加していくと第
１図ｂに示すように電圧が低い間は陰陽両電極間
に流れる電流は電圧に略々比例的に増加する（こ
の電圧領域を抵抗支配領域と称する）が、ある電
圧範囲では電流は電圧によらず略々一定となる
（この電圧領域を過電圧支配領域と称する）。過電
圧領域での電流を限界電流と称するが、限界電流
値は被測定ガス中の酸素濃度と略々比例関係にあ
るから、限界電流値を求めれば被測定ガス中の酸
素濃度を検出できる。又、限界電流が酸素濃度に
略比例する理由は有孔函体等のガス流制限体内を
拡散によつて移動できる酸素量が該制限体の内外
の酸素濃度差に比例することと、過電圧支配領域
においては該制限体の内側の酸素が陰極を経由し
て酸素イオン伝導体へ吸い込まれるため酸素濃度
が零に近くなつており、該制限体の内外の酸素濃
度差が、該制限体の外側の酸素濃度とほとんど等
しくなることによる。

前述の如く、本例は該制限体として多孔質層を
用いる方式について説明したものであるが、陰極
自体を該制限体として利用した酸素センサについ
ても以下に述べる本発明は適用できる。抵抗支配
領域では電解質（酸素イオン伝導体）の内部抵抗
や電解質と電極界面の抵抗の和により電圧／電流
比がほぼ決められている。過電圧支配領域より電
圧電流の高い領域では少しの電圧上昇に対して急
に電流の増加する部分がある。これは限界電流式
酸素センサ印加電圧がある限界値を超えると排気
中に多量に含まれている二酸化炭素（CO₂）や水
蒸気（H₂O）の一部が分解されて、みかけの酸
素濃度が増加したように見えるためである。この
領域を過剰電流領域ということにする。上記の如
く、印加電圧が低いと抵抗支配領域になり、逆に
印加電圧が高いと過剰電流領域になるので限界電
流の検出は両領域にはさまれた部分で行なわねば
ならない。この範囲はガスの組成や電極の組成に
よつて異なる。窒素、アルゴン等の不活性ガス中
に一部酸素を含むガス中においては1.3〜1.6〔ｖ〕
程度であるが、燃焼排気のような二酸化炭素や水
蒸気を多量に含むガス中に一部酸素を含むガス中
では0.6〜0.8〔ｖ〕程度である。一般に内部抵抗
による電圧降下の最大値を0.5〔ｖ〕程度に限定し
て、印加電圧としては0.6〜0.75〔ｖ〕に設定して
用いると内部抵抗および過剰電流の影響を受けに
くく好都合な場合が多い。

第２図は従来技術による限界電流の測定回路を
示すもので、限界電流式酸素センサ１に定電圧印
加部２から定電圧を印加したときの電流を電流検
出部３によつて検出する構成となつている。第３
図はその従来技術による酸素濃度と限界電流の関
係を示すものである。図から明らかなようにセン
サの温度によつて酸素濃度と限界電流の対応関係
が変わるので温度の変動する雰囲気で使用すると
精度が悪化し問題である。

第４図は任意の酸素濃度における限界電流の温
度依存性を示すものである。この温度依存性は主
に気体の拡散係数の温度依存性の影響によるもの
である。

有孔函体の一実施態様としての多孔質層を酸素
ガス流の律速に用いる方式の限界電流式酸素セン
サの特性は次式のように表わすことができる。

I_l＝4FSDo₂effP／RTll_o（１／１−Po₂／Ｐ） (1)式 但し、I_l：限界電流 Ｆ：フアラデー定数 Ｓ：酸素流律速部の面積 Do₂eff：有効拡散係数 Po₂：酸素分圧 Ｐ：全圧 Ｒ：ガス定数 Ｔ：絶対温度 ｌ：多孔質層厚さ ln：自然対数 酸素分圧比Po₂／Ｐ≪１ならば近似的に I_l≒4FSDo₂effP／RTl Po₂／Ｐ (2)式 となる。ここでDo₂effは経験的に Do₂eff（Ｔ） ＝Do₂eff（T₀）（Ｔ／T₀）^m+1 (3)式 但し、T₀：基準の温度 Do₂eff（Ｔ）：Ｔにおける有効拡散係数 Do₂eff（T₀）：T₀における有効拡散係数 で表わされ、この式における指数ｍ＋１はほぼ
1.75であることが知られている。

したがつて、同一酸素分圧における温度T₀の
ときの出力電流I_l（T₀）に対する温度Ｔのときの
出力電流I_l（Ｔ）の比、すなわち出力電流の温度
依存性I_l（Ｔ）／I_l（T₀）は、 I_l（Ｔ）／I_l（T₀）＝（Ｔ／T₀）^m (4)式 となる。

(4)式、あるいは第３図、第４図から明らかなよ
うに、測定温度Ｔが変動すれば、限界電流I_l（Ｔ）
が変動し、誤差要因となる。それ故、一定の温度
で測定できればこの誤差の問題は当然解決するこ
とができる。

前述のように、内燃機関の排気温度は変動する
のが常であるから、一定の温度で使用するために
は温度検出と温度制御が必要になる。

温度検出は、限界電流式酸素センサの近傍に熱
電対や感温抵抗体等の感温体を設けて行なうのが
一般的であるが、この一般的な温度検出方法で
は、感温部まで含めた限界電流式酸素センサ全体
の構成が複雑化、大型化し、高コストになるとい
う実用上の問題が生ずる。また感温体と限界電流
式酸素センサ素子の温度が必ずしも同一でないと
いう問題も生ずる。

本発明は、このような問題を解決するために、
限界電流式酸素センサの内部抵抗が温度によつて
変化することを利用して温度を検出し、その検出
に応じて限界電流式酸素センサ温度を一定に制御
するものである。

第５図は、本発明の基本になる構成を示すブロ
ツク図で、第５図のものは、限界電流式酸素セン
サ１と、そのセンサ１に過電圧支配領域の電圧を
印加して限界電流を測定する限界電流測定部４
と、センサ１に抵抗支配領域の電圧または電流を
印加して内部抵抗を測定する内部抵抗測定部５
と、測定された内部抵抗から温度を求める温度演
算部６と、電力制御部７ａと、温度設定部７ｂ
と、偏差増幅部７ｃと、比例部７ｄと、積算部７
ｅと、微分部７ｆと、加算部７ｇとを備えてい
る。なお、温度演算部６を省略して内部抵抗測定
部５の出力を直接に偏差増幅部に導くよう構成す
ることもできる。又、微分部を除いて簡易な構成
とすることもできる。内部抵抗測定部５には種々
の測定方法のものを用いることができる。即ち、
例えば、内部抵抗測定法としては、酸素イオン伝
導体の一部に内部抵抗測定専用の部分を設ける方
法、抵抗支配領域を用いて測定する方法、等価回
路の特徴を生かして、交流を用いて測定する方法
等がある。本発明はどのような内部抵抗測定法を
利用してもよい。

センサ１の酸素イオン導電体の抵抗率ρと温度
の関係は第６図ａおよび第６図ｂに示すようなも
のであり、次式で近似できる。尚、第６図ｂには
片対数尺の場合を示す。

但し、c₁：係数 ｅ：自然対数の基底 Ｅ：活性化エネルギ Ｋ：ボルツマン定数 Ｔ：絶対温度 (5)式において係数c₁および活性化エネルギＥは
材料組成、焼成条件、不純物等によつて決まる値
である。酸素イオン伝導体としては前述の如きも
のを用いればc₁が低く良好である。いずれの組成
の酸素イオン伝導体であつても第６図ｂに示した
如く温度の低下に伴なつて急激に抵抗率が高くな
る。その理由は活性化エネルギの値が0.5〜1.4
〔ev〕程度と高いことによる。又、電解質の内部
抵抗の他にも電解質と電極の界面にも抵抗が存在
するが、これは電解質の表面処理状態、電極材料
等により変化する。電極材料として前述の如き材
料を用いれば界面抵抗を実用上は小さくすること
が可能である。

上記の如く限界電流式酸素センサの内部抵抗が
大きな温度依存性を有するので、内部抵抗を測定
することにより温度を知ることができる。

(5)式より、Ｔ＝T₀のときρ＝ρ₀としてc₁を求め
ると Ｔ＝１／（Ｋ／Ｅlog_e（ρ／ρ₀）＋１／T₀） (8)式 但し、log_e：自然対数 (8)式は抵抗率に関する式であるが、一般にセン
サの抵抗率と内部抵抗は比例するとしてさしつか
えないので Ｔ＝１／（Ｋ／Ｅlog_e（ρ／ρ₀）＋１／T₀） (9)式 但し、Ｒ：内部抵抗 R₀：T₀における内部抵抗 ＥおよびT₀とR₀の関係はセンサ毎に特定の値
をとるので、内部抵抗Ｒから絶対温度Ｔを求める
ことができる。温度演算部６では上記(9)式または
その近似式によつて温度を算出すればよい。

ハードウエア又はソフトウエアによつて(9)式を
演算し、温度を求めると良い。(9)式中の対数演算
部log_e（Ｒ／R₀）は例えばテレダインフイルブリツク 社の対数変換モジユール4366（又は4367）等を用
いれば容易に構成できる。

しかしながら、精度よりも簡単さを重視すると
きには対数演算を簡易な近似式で代用するのも良
い。

第６図ｃには y₁＝log_eＲ／R₀ (10)式 なる関数を Y₂＝２（Ｒ／R₀−１／Ｒ／R₀＋１） (11)式 なる近似式で代用した場合のＲ／R₀の適用可能範囲 とその精度について検討したものを示す。0.3＜
Ｒ／R₀＜３の範囲においては極めて良く一致してお り、近似式として十分実用できることがわかる。

又、更に簡単化して y₃＝Ｒ／R₀−１ (12)式 とした場合についても同図に示す。この場合は加
減算のみで構成できるので演算を著しく簡単化で
きるかわりに対数と近い値になるのは0.6＜Ｒ／R₀＜ 1.4位と(10)式、(11)式の場合と比べて比較的狭い範
囲に限定される。

(11)式の近似によれば Ｔ＝１／２Ｋ／Ｅ（Ｒ／R₀−１／Ｒ／R₀＋１）＋１／
T₀（13）式 である。

又、(12)式の近似によれば Ｔ＝１／Ｋ／Ｅ（Ｒ／R₀−１）＋１／T₀ （14）式 である。

第７図には(9)式に基づく温度演算を行なう場合
の実施例を示す。この実施例は第５図の温度演算
部６の具体例の一方法を示すものであり、対数変
換部６ｂ、抵抗式電圧分圧部６ｄおよび６ｅ、定
電圧源６ｆ、逆数演算部６ｃから成ることを特徴
とする。対数変換部には前述の如き物を用いれば
よい。又、逆数演算部６ｃを省略して、温度の逆
数を設定するようにしても良い。

第８図には第７図の例と比べて次の二点が異な
つている。第１は温度演算の方法を（13）式の簡
略式によつており、そのため対数演算部を用いて
おらず、そのかわりに定電圧源６ｋおよび６ｌ、
抵抗式電圧分圧部６ｇおよび６ｈ、同じく６ｉお
よび６ｊと商演算部６ｍより構成していることで
ある。又、第２は第７図において加算部７ｇとし
て示していた部分を抵抗７ｈ，７ｉ，７ｊで置き
かえたことである。

第９図は第８図の例と比べて温度演算の方法を
（14）式の簡略式によつたため、第８図における
６ｇ，６ｈ，６ｉ，６ｊ，６ｋ，６ｌ，６ｍの各
要素を省略することができ、極めて簡単な構成と
することができた。

第１０図は、内部抵抗の測定のためにセンサに
印加する電圧に交流を用い、また限界電流測定の
ために印加する電圧に直流を用いた例を示すもの
である。まず交流を用いて内部抵抗を測定する原
理を説明する。

第１１図には限界電流センサの過電圧支配領域
におけるインピーダンスの周波数による軌跡を示
す。すなわち、直流（DC）および無限大（∞）
周波数では抵抗成分のみでリアクタンス分は零で
あるが、途中の周波数においてはリアクタンス成
分も存在する。このようなほぼ半円形の軌跡を描
くセンサの電気的等価回路は第１２図の如く表わ
すことができる。第１２図においてR_bは抵抗支
配領域での内部抵抗に対応している。又、R_Dは
過電圧領域における電解質と電極との界面に存在
する抵抗を表わし、C_Dは同様に界面の静電容量
を表わす。

従つて、過電圧支配領域において内部抵抗R_b
を求めるにもいくつかの方法が存在し得る。

ａ １／2πC_DR_b以上か又はそれに近い周波数でイン ピーダンスの絶対値を求めてR_bの近似値とす
る。

ｂ 同上の方法において交流インピーダンス絶対
値と位相角から抵抗分を演算する。

ｃ 複数の周波数においてインピーダンスの絶対
値や位相角を測定し、等価回路の各定数を求め
る。

これ等の各方法の内でａ）の方法が最も簡便で
ある。なお、周波数としてはセンサ素子の大き
さ、製法等により最適に設定する必要があるが通
常は500〔Hz〕〜100〔ｋHz〕程度が適当である。

第１０図において、９は限界電流を測定するた
めの直流定電圧印加部である。１０は電流検出部
である。１１はローパスフイルタであり、電流検
出部１０で検出した直流と交流の重畳した電流の
内から直流分を分離して限界電流を求めるための
ものである。１２は内部抵抗を測定するための交
流電圧を印加する交流電圧印加部である。１３は
第２ハイパスフイルタであり、直流と交流の重畳
した印加電圧より交流分を分離するためのもので
ある。

１４は第１ハイパスフイルタであり、直流と交
流の重畳した電流の内から交流分を分離するため
のものである。１５は交流電圧を交流電流で除算
して商を演算し、内部抵抗を求めるための内部抵
抗演算部である。他の部分は第５図と同じであ
る。尚、内部抵抗演算部１５において交流同士を
除算するかわりに、第１ハイパスフイルタ１４お
よび第２ハイパスフイルタ１３の両フイルタの出
力を整流して直流に変換し、その後で商演算を行
なつても良い。又、交流電圧印加部１２の電圧を
一定としておき、第２ハイパスフイルタ１３を省
略し、第１ハイパスフイルタ１４の出力の逆数を
演算して内部抵抗を求めても良い。又、逆数の演
算を省略し、コンダクタンス（内部抵抗の逆数）
から温度を求めても良い。又、温度の演算も省略
し、第２ハイパスフイルタ１３の出力で直接温度
調節を行なつても良い。温度演算部６は第７図の
６ｂ〜６ｆ、又は第８図の６ｃ〜６ｍ、又は第９
図の６ｃ〜６ｆの如き構成にしてもよい。

又、直流定電圧印加部９として直流定電圧を印
加するかわりに、別途同時出願の内部抵抗と限界
電流の積になる電圧降下分を求めて、定電圧と加
算して印加する方法と併用しても良い。この寸法
によれば酸素濃度の測定範囲を拡大することがで
きると共に酸素濃度対限界電流の直線性を改善で
きるのですこぶる有用である。第１３図はその実
施例を示すものであり、第１０図の実施例と機能
的に対応する部分には同一の符号を付しており、
相違する点は、積演算部１６において内部抵抗に
よる電圧降下分を算出し、その電圧降下分を加算
器１７により一定電圧と加算することにより補正
された直流印加電圧が作られている点である。ま
た交流印加電圧と直流印加電圧とは加算器１８に
おいて重畳され限界電流式酸素センサ１に印加さ
れる。第１０図の項でも説明したように温度演算
部６は第７図の６ｂ〜６ｆ、又は第８図の６ｃ〜
６ｍ、又は第９図の６ｃ〜６ｆの如き構成にして
もよい。

第１４図は、本発明の一実施例を示すもので、
限界電流測定と内部抵抗測定とを交互に時分割的
に行なう場合の例を示している。１９は第１期間
において限界電流を測定するための電圧を印加す
る第１電圧印加部である。２０は第２期間におい
て内部抵抗を測定するための電圧を印加する第２
電圧印加部である。２１は第１期間と第２期間を
交番的に切り換える制御を行なう部分である。２
２は第２期間には限界電流の検出を行なうことが
できないけれども、限界電流の情報が失なわれて
は不都合なので、第１期間に検出した限界電流の
情報を保持しておくための第１保持部である。２
３は第１期間には内部抵抗の検出を行なうことが
できないけれども、内部抵抗の情報が失なわれて
は不都合なので、第２期間に検出した内部抵抗と
対応する電流の情報を保持しておくための第２保
持部である。その他の部分は第７図の例と同じで
ある。第１０図の項でも説明したように温度演算
部６は第７図の６ｂ〜６ｆ、第８図の６ｃ〜６
ｍ、又は第９図に６ｃ〜６ｆの如き構成にしても
よい。

第１４図の回路の働きと適正なる設定条件につ
いて以下に示す。第１電圧印加部１９での電圧は
限界電流を測定するのに適当な電圧にする必要が
あり、酸素濃度測定範囲、燃焼生成物濃度、電極
組成等によつて異なるが、被測定最低酸素濃度に
おける過電圧領域の電圧の最大値近傍の値にする
のがよい。第２電圧印加部２０の電圧は内部抵抗
を測定するのに適当な電圧にする必要があり、使
用条件等によつても異なるが被測定最低酸素濃度
における過電圧領域の電圧の最小値よりも更に低
く（例えば0.7倍以下）抵抗支配領域の電圧とす
べきである。この電圧は直流でも交流でも良い。

交番的制御の周期ならびに第１期間と第２期間
の割り合いについては以下に示すようにすると良
い。第１期間と第２期間の時間の長さを同一にし
ても良いが、内燃機関の燃焼制御の如き用途の場
合には、酸素濃度の変化が速く、それと比較して
排気温度の変化の方が遅い場合が多い。それ故、
第１期間を長くして第２期間を短かくし、酸素濃
度を検出できない期間を短かくして、酸素濃度を
検出できる期間を長くするのも、第１期間と第２
期間を同一にする場合よりも有効である。又、第
１、第２電圧期間の切り換え周波数は高い方が装
置としての応答性が良くなるから好ましいが、あ
まり高い周波数にすると電流が電圧に追従できな
くなるので、この面から上限周波数は１〔ｋHz〕
程度以内に制約される。内部抵抗演算部１５の働
きとしては第２電圧印加部２０の電圧を第２期間
に検出して保持している電流で除算すれば良い。
但し、第２電圧印加部２０の電圧を変更しない場
合には電流の逆数を演算し、比例係数を乗ずるこ
とによつて内部抵抗を求めることもできる。又、
一定の電流も印加しておいて電圧から内部抵抗を
求めることもできる。温度演算部６の働きとして
は(9)式の関係を用いて、抵抗から温度を求めてい
る。

第１５図においては限界電流式酸素センサ２４
は前述の第１図ａに示した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陰極層を
設けた構成、又は陰極層へのガスの拡散を制限す
るための部材で陰極を被覆した構成の部分（限界
電流検出側という）の基本構成に加えて、以下の
部分、すなわち、内部抵抗の検出を行なうための
酸素イオン伝導体１ａの一面に電極１ｃをこれと
対向する他の面に電極１ｂを有する部分（内部抵
抗検出側という）を設けた構成である。電極１ｂ
は本例では限界電流検出側も内部抵抗検出側も共
用にしている。電極１ｂを共用の構成にすると限
界電流式酸素センサの端子数を３本にできるとい
う利点がある。電極および多孔質層の組成は前述
の基本構成の場合と同じである。

本例では、各センサ部の機能が独立しているの
で、印加電圧、電流の切換えや、重畳、および分
離のための部分を要しない。

第１４図の項でも説明したように、温度演算部
６は第７図の６ｂ〜６ｆ、第８図の６ｃ〜６ｍ、
又は第９図の６ｃ〜６ｆの如き構成にしても良
い。

以上詳述したところから明らかなように、従来
技術では限界電流式酸素センサの温度検出のた
め、熱電対、サーミスタ等の感温体をセンサ近傍
に設ける必要があつたので、構成が複雑、大型、
高コスト、限界電流式酸素センサと感温体の温度
差による誤差等を招く原因になつていたが、本発
明によれば、直流のみで計測できるので、限界電
流式酸素センサ自身の内部抵抗から限界電流式酸
素センサの温度を簡潔且つ確実に検出できるの
で、構成の簡単化、小型化、低コスト化、温度差
による誤差の除去をすることができ、自動車用酸
素濃度検出装置としてすこぶる有用である。

【図面の簡単な説明】

第１図ａは限界電流式酸素センサの断面構成を
示す図であり、第１図ｂは限界電流式酸素センサ
の典型的な電圧対電流特性の一例、第２図は限界
電流式酸素センサの従来技術による測定回路の一
例、第３図は２つの温度における限界電流式酸素
センサの酸素濃度と限界電流の関係、第４図は一
定の酸素濃度における温度と限界電流の関係、第
５図は本発明の基本になる構成、第６図ａおよび
ｂは内部抵抗の温度依存性、第６図ｃは簡易な関
数近似法の精度と適用範囲をそれぞれ示すもので
ある。第７図は温度演算部の一実施態様を示すも
の、第８図は対数変換部を用いない温度演算部の
一実施態様、第９図は極めて簡易化した温度演算
部の実施態様を示す図である。第１０図は内部抵
抗の測定に交流を用いる一例、第１１図は限界電
流式酸素センサに過電圧支配領域に対する電圧
（電流）を印加している状態での微小な交流入力
電圧の周波数に対するインピーダンスの軌跡を示
す図、第１２図は同上の状態における電気的等価
回路を示し、第１３図はさらに他の例を示す。第
１４図および第１５図は本発明の実施例である。 １……限界電流式酸素センサ、４……限界電流
測定部、５……内部抵抗測定部、６……温度演算
部、６ｂ……対数変換部、６ｃ……逆数演算部、
６ｄ，６ｅ……抵抗、６ｆ……定電圧印加部、６
ｇ，６ｈ，６ｉ，６ｊ……抵抗、６ｋ，６ｌ……
定電圧印加部、６ｍ……商演算部、７ａ……電力
制御部、７ｂ……温度設定部、７ｃ……偏差増幅
部、７ｄ……比例部、７ｅ……積分部、７ｆ……
微分部、７ｇ……加算部、７ｈ，７ｉ，７ｊ……
抵抗、８……加熱部、９……直流定電圧印加部、
１０……電流検出部、１１……ローパスフイル
タ、１２……交流電圧印加部、１３……第２ハイ
パスフイルタ、１４……第１ハイパスフイルタ、
１５……内部抵抗演算部、１６……積演算部、１
７，１８……加算部、１９……第１電圧印加部、
２０……第２電圧印加部、２１……交番的制御
部、２２……第１保持部、２３……第２保持部、
２４……限界電流式酸素センサ、２７……定電流
印加部、２８……内部抵抗検出部。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 限界電流式酸素センサと、 前記限界電流式酸素センサの内部抵抗を測定す
   る内部抵抗測定部と、 測定した内部抵抗に基いて、前記限界電流式酸
   素センサの温度をほぼ一定の値に制御する温度制
   御部と、 前記限界電流式酸素センサの限界電流を測定す
   る限界電流測定部と、 を備え、 第１の期間の限界電流測定部を動作させ、第２
   の期間に内部抵抗測定部を作動させるよう交番的
   に切換える切換部を設けたことを特徴とする限界
   電流式酸素濃度検出装置。 ２ 限界電流式酸素センサと、 前記限界電流式酸素センサの内部抵抗を測定す
   る内部抵抗測定部と、 測定した内部抵抗に基いて、前記限界電流式酸
   素センサの温度をほぼ一定の値に制御する温度制
   御部と、 前記限界電流式酸素センサの限界電流を測定す
   る限界電流測定部と、 を備え、 前記限界電流式酸素センサが、内部抵抗検出の
   ための部分と限界電流検出のための部分とからな
   り、内部抵抗検出のための部分を前記内部抵抗測
   定部に、限界電流検出のための部分を前記限界電
   流測定部に、それぞれ接続したことを特徴とする
   限界電流式酸素濃度検出装置。