(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
固体電解質体及び一対の多孔質電極を有し、酸素のポンピングを行うポンプセルと、
前記一対の多孔質電極の一方と接する測定室と、
該測定室を外界から遮蔽する遮蔽部と、
前記測定室と外界とを連通してガス拡散律速を行う律速部と、
を備えた空燃比センサの制御装置であって、
前記酸素を、前記測定室から外界に汲み出し又は前記外界から測定室に汲み入れるように、前記ポンプセルの一対の多孔質電極に印加する電圧の大きさ及び向きを周期的に変化させるとともに当該印加電圧の増減を徐々に行う電圧制御装置と、
該電圧制御装置により印加する電圧を変化させた際に、前記ポンプセルに流れるポンプ電流が略一定となる電流値を測定する電流測定装置と、
該電流測定装置により測定した略一定のポンプ電流から空燃比を求める空燃比検出装置と、
を備えたことを特徴とする空燃比センサの制御装置。
【請求項２】
前記電圧制御装置により印加する電圧が、直線状の傾きを有する電圧であることを特徴とする前記請求項１に記載の空燃比センサの制御装置。
【請求項３】
前記電圧制御装置により印加する電圧が、正逆２方向に変化する三角波状の電圧であることを特徴とする前記請求項２に記載の空燃比センサの制御装置。
【請求項４】
固体電解質体及び一対の多孔質電極を有し、酸素のポンピングを行うポンプセルと、
前記一対の多孔質電極の一方と接する測定室と、
該測定室を外界から遮蔽する遮蔽部と、
前記測定室と外界とを連通してガス拡散律速を行う律速部と、
を備えた空燃比センサを用いて、被測定ガスの空燃比を測定する空燃比測定方法であって、
前記酸素を、前記測定室から外界に汲み出し又は前記外界から測定室に汲み入れるように、前記ポンプセルの一対の多孔質電極に印加する電圧の大きさ及び向きを周期的に変化させるとともに当該印加電圧の増減を徐々に行い、その印加電圧を変化させた際にポンプセルに流れるポンプ電流が略一定となる電流値を測定し、この略一定のポンプ電流から空燃比を求めることを特徴とする空燃比測定方法。
【請求項５】
前記印加する電圧を、時間に対して１次関数的に増減させることを特徴とする前記請求項４に記載の空燃比測定方法。
【請求項６】
前記印加する電圧を、三角波状に変化させることを特徴とする前記請求項５に記載の空燃比測定方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ポンプセルを有する空燃比センサの制御装置及びその空燃比センサを用いた空燃比測定方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、空燃比を広範囲に測定する空燃比センサとしては、板状のジルコニアを３層に重ね合わせた構造の全領域空燃比センサ（ＵＥＧＯセンサ）が知られている。
【０００３】
この種の全領域空燃比センサは、例えば図７に示す様に、固体電解質体Ｐ１の両側に多孔質電極Ｐ２，Ｐ３を有し、酸素（Ｏ2）のポンピングを行う酸素ポンプセル（Ｉｐセル）Ｐ４と、固体電解質体Ｐ５の両側に多孔質電極Ｐ６，Ｐ７を有し、起電力から酸素濃度の測定を行う酸素濃度測定セル（Ｖｓセル）Ｐ８と、この両セルＰ４，Ｐ８の間に設けられた空間（測定室）Ｐ９と、測定室Ｐ９と外界とを連通する多孔質律速層Ｐ１０と、ＶｓセルＰ８と遮蔽層Ｐ１１との間に設けられて酸素を溜め込む空間（基準室）Ｐ１２とを備えている。
【０００４】
この全領域空燃比センサでは、２層目のＶｓセルＰ８が測定室Ｐ９内の雰囲気をモニタし、ＶｓセルＰ８の起電力が例えば０．４５Ｖとなる様に、１層目のＩｐセルＰ４を用いて、測定室Ｐ９内にＯ2の汲み出し（又は汲み入れ）を行う。そして、このときにＩｐセルＰ４に流れるポンプ電流を測定し、このポンプ電流と空燃比との関係から、被測定ガスの空燃比を測定している。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、上述した全領域空燃比センサでは、素子部に３枚のジルコニアシート（ＩｐセルＰ４，ＶｓセルＰ８，遮蔽層Ｐ１１）が使用されているので、その構造が複雑であり、製造工程が多くなって、製造コストが高くなるという問題があった。
【０００６】
また、ＶｓセルＰ８及びＩｐセルＰ４の制御とＩｐセルＰ４の電流の測定とを同時に行わなければならないため、空燃比を測定するための回路が複雑となり、同様に、製造工程が多くなり、その点からも製造コストが高くなるという問題があった。
【０００７】
本発明は、前記問題点を解決するためになされたものであり、その目的は、構造がシンプルであり、その回路も簡易化できる空燃比センサの制御装置及び空燃比測定方法を提供することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
（１）かかる目的を達成するためになされた請求項１の発明は、
固体電解質体及び一対の多孔質電極を有し、酸素のポンピングを行うポンプセルと、前記一対の多孔質電極の一方と接する測定室と、該測定室を外界から遮蔽する遮蔽部と、前記測定室と外界とを連通してガス拡散律速を行う律速部と、を備えた空燃比センサの制御装置であって、前記酸素を、前記測定室から外界に汲み出し又は前記外界から測定室に汲み入れるように、前記ポンプセルの一対の多孔質電極に印加する電圧の大きさ及び向きを周期的に変化させるとともに当該印加電圧の増減を徐々に行う電圧制御装置と、該電圧制御装置により印加する電圧を変化させた際に、前記ポンプセルに流れるポンプ電流が略一定となる電流値を測定する電流測定装置と、該電流測定装置により測定した略一定のポンプ電流から空燃比を求める空燃比検出装置と、を備えたことを特徴とする空燃比センサの制御装置を要旨とする。
【０００９】
ａ）本発明における空燃比センサの構造は、従来の様な３枚のジルコニアシートが積層された３層構造ではなく、図１に例示する様に、ポンプセル（３）と遮蔽部（５）とが測定室（７）を挟んで積層されたシンプルな２層構造である。
この空燃比センサは、測定室（７）と外界との間の被測定ガスの流通は、律速部（９）にてガス拡散律速されるので、（ある印加電圧の範囲内では、ポンプ電流の変化がない）限界電流が現れる、いわゆる限界電流型のセンサである。
【００１０】
ｂ）次に、この構造の空燃比センサを制御する本発明の空燃比センサの制御装置の動作を説明する。
まず、本発明では、電圧制御装置によって、ポンプセルに印加する電圧の大きさ及び向きを周期的に変化させるとともに当該印加電圧の増減を徐々に行う。例えば図２のグラフの一部に示す様に、印加電圧（Ｖｐ）を直線状の傾斜で変化させると、ポンプ電流（Ｉｐ）は、同図に示す様に変化するが、雰囲気の空燃比に対応した限界電流に至ると、ポンプセルに印加する電圧を変化させても、ある範囲（限界電流に対応した範囲）内では、ポンプ電流は変化せず、その電流変化はフラットな状態となる。このあまり変化しない電流の値（限界電流Ｉｐ0）を、電流測定装置により測定する。
【００１１】
そして、この限界電流を用いて空燃比を検出する。例えば図３に示す様に、予め実験等により、ポンプセルに電圧を印加した場合において、空燃比（Ａ／Ｆ又はλ）と限界電流（Ｉｐ）との関係を求めておく。そして、この関係データ（マップ）に、前記測定によって得られた限界電流（Ｉｐ0）を当てはめることにより、対応する空燃比を求めることができるのである。
【００１２】
尚、ここでは、直線状に電圧を変化させる例を挙げたが、滑めらかなカーブや階段状に電圧を印加するなど、限界電流が測定できる様に徐々に電圧を印加すればよい。
（２）請求項２の発明は、
前記電圧制御装置により印加する電圧が、直線状の傾きを有する電圧であることを特徴とする前記請求項１に記載の空燃比センサの制御装置を要旨とする。
【００１３】
本発明は、前記請求項１の発明のおける印加電圧の変化の状態を例示したものである。例えば前記図２のグラフの直線状の部分の様に、電圧を変化させることにより、限界電流を検出し、この限界電流を用いて、空燃比を検出することができる。
【００１４】
（３）請求項３の発明は、
前記電圧制御装置により印加する電圧が、正逆２方向に変化する三角波状の電圧であることを特徴とする前記請求項２に記載の空燃比センサの制御装置を要旨とする。
【００１５】
本発明は、前記請求項２の発明における印加電圧の変化の状態を例示したものである。例えば前記図２のグラフの様に、正逆２方向に且つ三角波状に電圧を変化させることにより、限界電流を検出し、この限界電流を用いて、空燃比を検出することができる。
【００１６】
（４）請求項４の発明は、
固体電解質体及び一対の多孔質電極を有し、酸素のポンピングを行うポンプセルと、前記一対の多孔質電極の一方と接する測定室と、該測定室を外界から遮蔽する遮蔽部と、前記測定室と外界とを連通してガス拡散律速を行う律速部と、を備えた空燃比センサを用いて、被測定ガスの空燃比を測定する空燃比測定方法であって、前記酸素を、前記測定室から外界に汲み出し又は前記外界から測定室に汲み入れるように、前記ポンプセルの一対の多孔質電極に印加する電圧の大きさ及び向きを周期的に変化させるとともに当該印加電圧の増減を徐々に行い、その印加電圧を変化させた際にポンプセルに流れるポンプ電流が略一定となる電流値を測定し、この略一定のポンプ電流から空燃比を求めることを特徴とする空燃比測定方法を要旨とする。
【００１７】
本発明では、前記請求項１の発明で説明した原理を用いて、空燃比を測定することができる。これにより、前記請求項１と同様な効果を奏する。
（５）請求項５の発明は、
前記印加する電圧を、時間に対して１次関数的に増減させることを特徴とする前記請求項４に記載の空燃比測定方法を要旨とする。
【００１８】
本発明は、前記請求項２の発明で説明した原理により、同様な効果を奏する。
（６）請求項６の発明は、
前記印加する電圧を、三角波状に変化させることを特徴とする前記請求項５に記載の空燃比測定方法を要旨とする。
【００１９】
本発明は、前記請求項３の発明で説明した原理により、同様な効果を奏する。
ここで、前記ポンプセルの固体電解質としては、電圧を印加した場合に酸素のポンピングが可能な物質、即ち酸素イオン伝導性の例えばジルコアが挙げられる。また、多孔質電極としては、例えば白金電極が挙げられる。
【００２０】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明の空燃比センサの制御装置及びその装置を用いた空燃比の測定方法の実施の形態の例（実施例）を、図面に基づいて説明する。
（実施例）
ａ）まず、空燃比センサの構成について説明する。
【００２１】
図１に示す如く、空燃比センサ１は、ポンプセル３及び遮蔽部５と、その間に設けられた測定室７及び律速部９から構成されている。つまり、空燃比センサ１は、ポンプセル３及び遮蔽部５の２枚の板状の部材を積層した２層構造のセンサである。尚、必要に応じて、ポンプセル３の外側にポンプセル３を加熱するヒータ（図示せず）を設けてもよい。
【００２２】
前記ポンプセル３は、薄板状ジルコニアセラミックスからなる固体電解質層１１の両側に、それぞれ矩形状の多孔質電極１３ａ，１３ｂ（１３と総称する）を備えたものであり、両電極１３間に電圧を印加することにより、酸素のポンピングを行なう。
【００２３】
具体的には、図４（ａ）に示す様に、電源のプラス極を外側の多孔質電極１３ａに接続し、電源のマイナス極を内側の多孔質電極１３ｂに接続して、電圧を印加した場合を、正方向（プラス方向）に電圧を印加したとする。これにより、酸素は、測定室７から外界に汲み出される。一方、図４（ｂ）に示す様に、電源のプラス極を内側の多孔質電極１３ｂに接続し、電源のマイナス極を外側の多孔質電極１３ａに接続して、電圧を印加した場合を、逆方向（マイナス方向）に電圧を印加したとする。これにより、酸素は、外界から測定室７に汲み入れられる。
【００２４】
また、図１に示す様に、前記遮蔽部５は、薄板状ジルコニアセラミックスからなる固体電解質層からなり、測定室７と外界との間のガスの通過を遮断するものである。
測定室７は、ポンプセル３と遮蔽部５との間に挟まれた空間であり、内側の多孔質電極１３ｂに面している。
【００２５】
律速部９は、例えばアルミナ等からなる多孔質の充填材が詰められて形成されており、測定室７と外界とを連通するとともに、ガス拡散律速を行なう。
ｂ）次に、空燃比センサの制御装置の構成ついて説明する。
図５に示す様に、空燃比センサの制御装置は、空燃比センサ１に接続されたマイクロコンピュータである電子制御装置（ＥＣＵ）１５を備えている。
【００２６】
ＥＣＵ１５は、第１配線１７を介して内側の多孔質電極１３ｂに接続され、第２配線１９を介して外側の多孔質電極１３ａに接続されている。第１配線１７には第１アンプ２１が接続され、第２配線１９には第２アンプ２３と抵抗２５が接続されている。更に、第２配線１９には、抵抗２５間の電圧降下から第２配線１９に流れる電流（従ってポンプ電流Ｉｐ）を検出するために、第３配線２７及び第４配線２９が分岐し、ＥＣＵ１５に接続されている。
【００２７】
また、ＥＣＵ１５には、測定した空燃比を表示するために、表示装置３１が接続されている。
従って、この構成により、第１配線１７側をプラスとするか又は第２配線１９側をプラスとすることにより、前記図２に示す様に、プラスとマイナスの方向を違え且つその大きさを徐々に変化させた三角波状の電圧（ポンプ電圧Ｖｐ）を多孔質電極１３に印加し、その際に流れるポンプ電流（Ｉｐ）を検出することができる。
【００２８】
また、このポンプ電流から、後述する様に、正確な空燃比の検出を行なうことができる。
ｃ）次に、上述した空燃比センサの制御装置を用いて行う空燃比の測定方法について、図６のフローチャート等に基づいて説明する。
【００２９】
まず、図６のステップ１００に示す様に、ポンプセル３に三角波状の電圧を印加する。
具体的には、前記図２に示す様に、一定期間、例えば徐々に増加する電圧を印加する。即ち、マイナス方向の印加電圧→０電圧→プラス方向の印加電圧の様に、電圧の大きさ及び向きを変えて、徐々に印加電圧を変化させる。その後、同じ期間、徐々に減少する電圧を印加する。即ち、プラス方向の印加電圧→０電圧→マイナス方向の印加電圧の様に、電圧の大きさ及び向きを変えて、徐々に印加電圧を変化させる。これにより、周期的に、正逆２方向にて増減を繰り返す電圧を印加する。
【００３０】
次に、ステップ１１０では、前記三角波状の電圧を印加する際に、ポンプセル３に流れる電流を測定する。
次に、この測定した電流から、印加電圧の変化にもかかわらず、あまり電流が変化しない電流値、即ち電流の変化がフラットとなる電流値（限界電流）を検出する。
【００３１】
次に、この限界電流を、前記図３に示す様なポンプ電流（Ｉｐ）と空燃比との関係のデータに当てはめて、正確な空燃比を求め、一旦本処理を終了する。
ｄ）この様に、本実施例では、（ジルコニア板を積層した）２層構造の空燃比センサ１を用いるので、従来の３層構造の空燃比センサに比べて、構造をシンプルにすることができ、それにより、製造コストを低減することができる。
【００３２】
更に、従来の空燃比センサは、ＶｓセルやＩｐセルの制御を同時に行なう必要があり、そのため制御回路も複雑であったが、本実施例では、その様な複雑な制御は不要である。よって、制御回路の構造をシンプルにすることができ、それにより、製造コストを低減することができる。
【００３３】
また、本実施例では、ポンプセルに三角波状の電圧を印加し、その際のポンプ電流から限界電流を検出するので、この限界電流から正確な空燃比を容易に検出することができる。
尚、本発明は、前記実施例に限定されることなく、本発明の範囲内にて各種の態様で実施できることは勿論である。
【００３４】
【発明の効果】
以上詳述した様に、本発明によれば、従来使われていた空燃比センサに比べて、構造をシンプルにすることができ、それにより、製造コストを低減することができる。
【００３５】
また、従来使われていた空燃比センサの制御回路に比べて、構造をシンプルにすることができ、それにより、製造コストを低減することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  実施例における空燃比センサを示す断面図である。
【図２】  印加電圧とポンプ電流との関係を示すグラフである。
【図３】  空燃比とポンプ電流との関係を示すグラフである。
【図４】  実施例における空燃比センサの動作を示す説明図である。
【図５】  空燃比センサの制御装置を示す説明図である。
【図６】  空燃比の測定のためのフローチャートである。
【図７】  従来技術の説明図である。
【符号の説明】
１…空燃比センサ
３…ポンプセル
５…遮蔽部
７…測定室
９…律速部
１１…固体電解質層
１３，１３ａ，１３ｂ…多孔質電極
１５…電子制御装置（ＥＣＵ）
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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