(57)【要約】【課題】還元雰囲気における測定制度について向上させることが可能な空燃比センサ、及び空燃比測定方法を提供する。【解決手段】空燃比センサ１は、ポンピングセル２０と、センサセル３０と、電位差測定部７０と、制御部８０とを備えている。電位差測定部７０は、センサセル３０の第３電極３１と第４電極３２との電位差を検出するものである。この電位差は、周囲が酸化雰囲気であるか還元雰囲気であるかによって異なってくるものである。制御部８０は、検出された電位差に応じて、電圧回路５０の電圧値を制御する。すなわち、制御部８０は、酸化雰囲気であるか還元雰囲気であるかに応じて電圧回路５０の電圧値を制御することとなる。これにより、空燃比センサ１は、酸化雰囲気においても還元雰囲気においても出力電流がリニアに変化するように電圧回路５０の印加電圧を設定でき、還元雰囲気における測定制度について向上させることができる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
定電流回路から供給される定電流に応じた濃度の酸素ガスをガス律速体に供給するポンピングセルと、
電圧回路から電圧が印加されると共に、前記ポンピングセルによって供給された酸素ガスの濃度と自然拡散により前記ガス律速体に導入されたガスの濃度とに応じた電流を出力可能なセンサセルと、
前記センサセルの電極間の電位差を検出する電位差検出手段と、
前記電位差検出手段により検出された電位差に応じて、前記電圧回路の電圧値を制御する制御手段と、
を備えることを特徴とする空燃比センサ。
【請求項２】
前記制御手段は、前記電位差が所定値以上である場合に還元雰囲気であると判断して前記電圧回路の電圧値を還元雰囲気に応じた電圧値とすると共に、前記電位差が所定値未満である場合に酸化雰囲気であると判断して前記電圧回路の電圧値を酸化雰囲気に応じた電圧値とする
ことを特徴とする請求項１に記載の空燃比センサ。
【請求項３】
前記電位差検出手段は、前記電圧回路からの印加電圧の遮断時において前記センサセルの電極間の電位差を検出する
ことを特徴とする請求項１又は請求項２のいずれかに記載の空燃比センサ。
【請求項４】
前記ポンピングセルは、前記ガス律速体側から順に第１電極と、ポンピングセル側固体電解質と、第２電極とを順次積層させた積層構造からなる
ことを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の空燃比センサ。
【請求項５】
前記センサセルは、前記ガス律速体側から順に第３電極と、センサセル側固体電解質と、第４電極とを順次積層させた積層構造からなる
ことを特徴とする請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の空燃比センサ。
【請求項６】
定電流回路から供給される定電流に応じた濃度の酸素ガスをガス律速体に供給するポンピングセルと、電圧回路から電圧が印加されると共に、前記ポンピングセルによって供給された酸素ガスの濃度と前記ガス律速体の自然拡散によりガス律速体に導入されたガスの濃度とに応じた電流を出力可能なセンサセルと、を備えた空燃比センサの空燃比測定方法であって、
前記センサセルの電極間の電位差を検出する電位差検出工程と、
前記電位差検出工程において検出された電位差に応じて、前記電圧回路の電圧値を制御する制御工程と、
を有することを特徴とする空燃比測定方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、空燃比センサ、及び空燃比測定方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、限界電流に基づいて雰囲気中の酸素濃度を測定する限界電流式酸素センサが知られている。この限界電流式酸素センサは、車両の排気ガスが排出される排気通路に配置され、空燃比を検出するための空燃比センサとして用いられることがある（例えば特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００７−１０１２０１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかし、従来の空燃比センサでは、理想空燃比が１５％以上、すなわち余剰酸素が存在する酸化雰囲気において出力電流がリニアに変化するため空燃比の計測が可能であるものの、余剰酸素が存在しない還元雰囲気では出力電流がリニアに変化せず、空燃比の計測が困難となってしまう。
【０００５】
本発明はこのような従来の課題を解決するためになされたものであり、その目的とするところは、還元雰囲気における測定制度について向上させることが可能な空燃比センサ、及び空燃比測定方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の空燃比センサは、定電流回路から供給される定電流に応じた濃度の酸素ガスをガス律速体に供給するポンピングセルと、電圧回路から電圧が印加されると共に、前記ポンピングセルによって供給された酸素ガスの濃度と自然拡散により前記ガス律速体に導入されたガスの濃度とに応じた電流を出力可能なセンサセルと、前記センサセルの電極間の電位差を検出する電位差検出手段と、前記電位差検出手段により検出された電位差に応じて、前記電圧回路の電圧値を制御する制御手段と、を備えることを特徴とする。
【０００７】
また、本発明の空燃比センサにおいて、前記制御手段は、前記電位差が所定値以上である場合に還元雰囲気であると判断して前記電圧回路の電圧値を還元雰囲気に応じた電圧値とすると共に、前記電位差が所定値未満である場合に酸化雰囲気であると判断して前記電圧回路の電圧値を酸化雰囲気に応じた電圧値とすることが好ましい。
【０００８】
この空燃比センサによれば、センサセルの電極間の電位差を検出し、検出された電位差に応じて、電圧回路の電圧値を制御する。ここで、本件出願人は、酸化雰囲気におけるセンサセルの電極間電位差と、還元雰囲気におけるセンサセルの電極間電位差が異なることを見出した。すなわち、還元雰囲気において一方の電極の酸素濃度はポンピングセル側から供給される酸素により酸素濃度が高くなるが、他方の電極の酸素濃度は還元雰囲気に曝されて酸素濃度が低くなる。このように、電極間において酸素濃度に差が生じる。これにより、電極間電位差が異なることとなり、酸化雰囲気であるか還元雰囲気であるかを判断でき、これに応じて電圧回路の印加電圧を設定できることとなる。従って、酸化雰囲気においても還元雰囲気においても出力電流がリニアに変化するように電圧回路の印加電圧を設定でき、還元雰囲気における測定制度について向上させることができる。
【０００９】
また、本発明の空燃比センサにおいて、前記電位差検出手段は、前記電圧回路からの印加電圧の遮断時において前記センサセルの電極間の電位差を検出することが好ましい。
【００１０】
この空燃比センサによれば、電位差検出手段は、電圧回路からの印加電圧の遮断時においてセンサセルの電極間の電位差を検出する。このため、電位差検出にあたり印加電圧が電位差に合算してしまい、正確な電位差を検出できなくなってしまう事態を防止することができる。
【００１１】
また、本発明の空燃比センサにおいて、前記ポンピングセルは、前記ガス律速体側から順に第１電極と、ポンピングセル側固体電解質と、第２電極とを順次積層させた積層構造からなることが好ましい。
【００１２】
この空燃比センサによれば、ポンピングセルは、ガス律速体側から順に第１電極と、ポンピングセル側固体電解質と、第２電極とを順次積層させた積層構造からなるため、簡素の構成により空燃比センサを製造等することができる。
【００１３】
また、本発明の空燃比センサにおいて、前記センサセルは、前記ガス律速体側から順に第３電極と、センサセル側固体電解質と、第４電極とを順次積層させた積層構造からなることが好ましい。
【００１４】
この空燃比センサによれば、センサセルは、ガス律速体側から順に第３電極と、センサセル側固体電解質と、第４電極とを順次積層させた積層構造からなるため、簡素の構成により空燃比センサを製造等することができる。
【００１５】
また、本発明の空燃比測定方法は、定電流回路から供給される定電流に応じた濃度の酸素ガスをガス律速体に供給するポンピングセルと、電圧回路から電圧が印加されると共に、前記ポンピングセルによって供給された酸素ガスの濃度と前記ガス律速体の自然拡散によりガス律速体に導入されたガスの濃度とに応じた電流を出力可能なセンサセルと、を備えた空燃比センサの空燃比測定方法であって、前記センサセルの電極間の電位差を検出する電位差検出工程と、前記電位差検出工程において検出された電位差に応じて、前記電圧回路の電圧値を制御する制御工程と、を有することを特徴とする。
【００１６】
この空燃比測定方法によれば、センサセルの電極間の電位差を検出し、検出された電位差に応じて、電圧回路の電圧値を制御する。ここで、本件出願人は、酸化雰囲気におけるセンサセルの電極間電位差と、還元雰囲気におけるセンサセルの電極間電位差が異なることを見出した。すなわち、還元雰囲気において一方の電極の酸素濃度はポンピングセル側から供給される酸素により酸素濃度が高くなるが、他方の電極の酸素濃度は還元雰囲気に曝されて酸素濃度が低くなる。このように、電極間において酸素濃度に差が生じる。これにより、電極間電位差が異なることとなり、酸化雰囲気であるか還元雰囲気であるかを判断でき、これに応じて電圧回路の印加電圧を設定できることとなる。従って、酸化雰囲気においても還元雰囲気においても出力電流がリニアに変化するように電圧回路の印加電圧を設定でき、還元雰囲気における測定制度について向上させることができる。
【発明の効果】
【００１７】
本発明によれば、還元雰囲気における測定制度について向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】本発明の実施形態に係る空燃比センサの構成図である。
【図２】酸化雰囲気における限界電流を示すグラフであり、（ａ）はポンピングセルに定電流を供給しない場合の限界電流を示し、（ｂ）はポンピングセルに定電流を供給した場合の限界電流を示している。
【図３】酸化雰囲気において電圧回路による印加電圧が０．８Ｖのときの限界電流を示すグラフである。
【図４】還元雰囲気における電流を示すグラフであり、（ａ）はポンピングセルに定電流を供給しない場合の電流を示し、（ｂ）はポンピングセル２０に定電流を供給した場合の電流を示している。
【図５】還元雰囲気において電圧回路による印加電圧が０．４Ｖのときの電流を示すグラフである。
【図６】酸化雰囲気及び還元雰囲気における電流値を示すグラフである。
【図７】本実施形態に係る空燃比センサにより空燃比測定方法を示すフローチャートである。
【図８】本実施形態に係る空燃比センサによる空燃比と出力電流との相関を示す特性図である。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
以下、本発明の好適な実施形態を図面に基づいて説明する。図１は、本発明の実施形態に係る空燃比センサの構成図である。図１に示す空燃比センサ１は、車両の排気ガスが排出される排気通路に配置され、空燃比を検出するためのものである。
【００２０】
この空燃比センサ１は、ガス律速体１０と、ポンピングセル２０と、センサセル３０と、定電流回路４０と、電圧回路５０と、出力電流測定部６０と、電位差測定部（電位差検出手段）７０と、制御部（制御手段）８０とを備えている。
【００２１】
ガス律速体１０は、例えば多孔質セラミック基板からなり、拡散律速された酸素ガスをセンサセル３０側に供給するものとして機能する。
【００２２】
ポンピングセル２０は、酸素ガスをガス律速体１０に供給するものであって、ガス律速体１０側から順に、第１電極２１と、固体電解質（ポンピングセル側固体電解質）２３と、第２電極２２とを積層した積層構造となっている。詳細に第１電極２１は、白金などからなる例えば平板状の部材であって、ガス律速体１０の一面側に設けられている。固体電解質２３は、安定化ジルコニアからなる部材であって、図１に示すように例えば断面略Ｌ字状に形成されている。この固体電解質２３は、第１電極２１の一部を覆うと共にＬ字の先端側がガス律速体１０に接するように配置されている。第２電極２２は、第１電極２１と同様に白金などからなり、例えば断面略Ｌ字状に形成されている。この第２電極２２は、固体電解質２３の一部を覆うと共にＬ字の先端側がガス律速体１０に接するように配置されている。
【００２３】
なお、各電極２１，２２及び固体電解質２３は、図１に示した形状に限るものではない。例えば、第２電極２２及び固体電解質２３がすべて平板状であってもよいし、第１電極２１が断面Ｌ字状であってもよい。また、各電極２１，２２及び固体電解質２３は、他の形状であってもよい。加えて、各電極２１，２２及び固体電解質２３を平面視した形状は、各電極２１，２２の配索の関係などから種々の形状を採用可能である。
【００２４】
センサセル３０は、ガス濃度に応じた電流を発生させるものであって、ガス律速体１０側から順に、第３電極３１と、固体電解質（センサセル側固体電解質）３３と、第４電極３２とを積層した積層構造となっている。詳細に第３電極３１は、白金などからなる例えば平板状の部材であって、ガス律速体１０の他面側に設けられている。固体電解質３３は、安定化ジルコニアからなる部材であって、図１に示すように例えば断面略Ｌ字状に形成されている。この固体電解質３３は、第３電極３１の一部を覆うと共にＬ字の先端側がガス律速体１０に接するように配置されている。第４電極３２は、第３電極３１と同様に白金などからなり、例えば断面略Ｌ字状に形成されている。この第４電極３２は、固体電解質３３の一部を覆うと共にＬ字の先端側がガス律速体１０に接するように配置されている。
【００２５】
なお、各電極２１，２２及び固体電解質２３は、図１に示した形状に限るものではない。例えば、第２電極２２及び固体電解質２３がすべて平板状であってもよいし、第１電極２１が断面Ｌ字状であってもよい。また、各電極２１，２２及び固体電解質２３は、他の形状であってもよい。加えて、各電極２１，２２及び固体電解質２３を平面視した形状は、各電極２１，２２の配索の関係などから種々の形状を採用可能である。
【００２６】
定電流回路４０は、ポンピングセル２０に定電流を供給するものである。この定電流回路４０は、第１電極２１が陰極で第２電極２２が陽極となるように接続される。また、定電流回路４０の接続により、ポンピングセル２０は、定電流に応じた濃度の酸素ガスをガス律速体１０に供給することとなる。
【００２７】
電圧回路５０は、センサセル３０に電圧を印加するものである。また、センサセル３０と電圧回路５０との間には、出力電流測定部６０が直列接続されている。出力電流測定部６０は、センサセル３０の電極３１，３２間に流れる電流の値を測定するものである。
【００２８】
電位差測定部７０は、センサセル３０の電極３１，３２間の電位差を検出するものである。制御部８０は、空燃比センサ１の周囲雰囲気が酸化雰囲気（余剰酸素が存在する雰囲気）であるか還元雰囲気（酸素がゼロ又はほぼゼロの雰囲気）であるかに応じて、電圧回路５０の電圧値を制御するものである。周囲雰囲気が酸化雰囲気であるか還元雰囲気であるかについては、電位差測定部７０により検出された電位差に応じて判断される。
【００２９】
次に、本実施形態に係る空燃比センサ１の基本動作を説明する。まず、定電流回路４０はポンピングセル２０に定電流を供給する。これにより、ポンピングセル２０は、第２電極２２において酸素ガスＯ２、水蒸気Ｈ２Ｏ、及び炭酸ガスＣＯ２を下記式により分解する。
Ｏ２＋４ｅ−→２Ｏ２−
２Ｈ２Ｏ＋２ｅ−→２Ｈ２＋Ｏ２−
ＣＯ２＋４ｅ−→Ｃ＋２Ｏ２−
また、分解された酸素イオンは固体電解質２３へ汲み取られ、固体電解質２３中を伝導し、第１電極２１に達する。そして、酸素イオンは、第１電極２１において電子を放出し、酸素ガスとなってガス律速体１０に導入される。
【００３０】
また、図１に示すように、ガス律速体１０の側面などは電極２１，３１等が載置されておらず排気通路を流れる排ガスに曝されるため、ガス律速体１０には自然拡散により排ガスが導入される。ここで、空燃比センサ１の周囲雰囲気が酸化雰囲気である場合、排ガス中の酸素が自然拡散によりガス律速体１０に導入される。
【００３１】
このため、センサセル３０の第３電極３１には、ポンピングセル２０から送られてきた酸素ガスと自然拡散により導入された酸素ガスとが到達することとなる。そして、酸素ガスは第３電極３１において電子を受け取って酸素イオンとなり、酸素イオンは、固体電解質３３中を伝導し、第４電極３２において電子を放出して酸素ガスとなる。特に、センサセル３０では電極３１，３２において電子の授受があるため、電流が流れることとなる。また、流れる電流の値は、電圧回路５０の電圧値が高くなると初期的には電圧値の上昇にあわせて高くなっていくが、ある電圧値以上となると電流値は上昇せずに飽和状態となる。これを限界電流という。
【００３２】
図２は、酸化雰囲気における限界電流を示すグラフであり、（ａ）はポンピングセル２０に定電流を供給しない場合の限界電流を示し、（ｂ）はポンピングセル２０に定電流を供給した場合の限界電流を示している。
【００３３】
ポンピングセル２０に定電流を供給しない場合、自然拡散のみによってガス律速体１０に酸素ガスが導入されることとなる。この場合、図２（ａ）に示すように、酸素濃度が２１％のときの限界電流は約０．２８ｍＡとなる。また、酸素濃度が１０％であるとき、限界電流は約０．１３ｍＡとなり、酸素濃度が１％であるとき、限界電流は約０．０１ｍＡとなる。
【００３４】
一方、ポンピングセル２０に０．５ｍＡの定電流を供給した場合、ポンピングセル２０及び自然拡散の双方によって酸素ガスが導入されることとなる。この場合、図２（ｂ）に示すように、酸素濃度が２１％のときの限界電流は約０．５５ｍＡとなる。また、酸素濃度が１０％である場合、限界電流は約０．４２ｍＡとなり、酸素濃度が１％である場合、限界電流は約０．２７ｍＡとなる。
【００３５】
図３は、酸化雰囲気において電圧回路５０による印加電圧が０．８Ｖのときの限界電流を示すグラフである。図３に示すように、酸化雰囲気において限界電流の値は酸素濃度にあわせてリニアに変化している。すなわち、限界電流の値は酸素濃度が高まるに従って、高くなる傾向にある。これにより、空燃比センサ１は、周囲雰囲気の酸素濃度を求めることができる。そして、酸素濃度から空燃比についても求めることが可能となる。
【００３６】
ところで、図１に示す空燃比センサ１の周囲雰囲気が還元雰囲気である場合、ガス律速体１０には、自然拡散により排ガス中の未燃ガス（ＨＣ、ＣＯ、Ｈ２）が導入される。
【００３７】
このため、ガス律速体１０においてポンピングセル２０から供給された酸素ガスは、未燃ガスと反応して消費されてしまう。このため、還元雰囲気では、図２及び図３に示した特性とは異なった特性が得られてしまう。
【００３８】
図４は、還元雰囲気における電流を示すグラフであり、（ａ）はポンピングセル２０に定電流を供給しない場合の電流を示し、（ｂ）はポンピングセル２０に定電流を供給した場合の電流を示している。
【００３９】
ポンピングセル２０に定電流を供給しない場合、すなわちガス律速体１０に酸素ガスが供給されず、自然拡散によって未燃ガスが導入されることとなる。この場合、図４（ａ）に示すように、限界電流が得られなくなってしまう。具体的に説明すると、水素濃度１％〜２％のいずれの場合においても、電流値が飽和する限界電流が存在しない。そして、電流値は、電圧回路５０の印加電圧が約１Ｖあたりで急激に上昇してしまう。
【００４０】
また、ポンピングセル２０に０．５ｍＡの定電流を供給した場合であっても、図４（ｂ）に示すように限界電流が得られなくなってしまう。具体的には水素濃度が１％〜２％のいずれの場合においても、電流値は電圧回路５０の印加電圧の上昇にあわせて緩やかに上昇してしまい、限界電流が得られなくなってしまう。
【００４１】
図５は、還元雰囲気において電圧回路５０による印加電圧が０．４Ｖのときの電流を示すグラフである。図５に示すように、還元雰囲気において電流の値は水素濃度にあわせてリニアに変化しない。このため、空燃比センサ１は、周囲雰囲気の水素濃度を求めることができず、空燃比についても求めることができない。
【００４２】
しかし、本件出願人は、還元雰囲気においても限界電流と同様の特性を示す領域が存在することを見出した。図６は、酸化雰囲気及び還元雰囲気における電流値を示すグラフである。なお、図６に示す数値等は空燃費センサ１の素子温度が６５０℃のときに得られたものを示している。
【００４３】
図６に示すように、水素濃度が１％〜２％の場合、符号ａで示す箇所、すなわち電圧回路５０の印加電圧が−０．７Ｖ〜０Ｖの箇所では、水素濃度に応じて電流値が異なっている。従って、還元雰囲気においては、電圧回路５０の印加電圧を−０．７Ｖ〜０Ｖとすることにより、水素濃度に応じた電流値を得ることができ、水素濃度を測定できることとなる。
【００４４】
これに対して酸化雰囲気では、符号ｂで示す箇所、すなわち電圧回路５０の印加電圧が０．３Ｖ〜１．０Ｖの箇所において、酸素濃度に応じて電流値が異なることとなる。このため、本実施形態に係る空燃比センサ１では、酸化雰囲気である場合には電圧回路５０の印加電圧を例えば０．４Ｖ〜０．８Ｖ程度とし、還元雰囲気である場合には電圧回路５０の印加電圧を例えば−０．７Ｖ〜−０．３Ｖ程度とする。これにより、出力電流測定部６０は、酸化雰囲気と還元雰囲気との双方において、ガス濃度に応じた電流を得ることができる。
【００４５】
また、本件出願人は、図６の符号ｃ，ｄに示すように、酸化雰囲気と還元雰囲気とでは第３電極３１と第４電極３２との電位差に相違があることを見出した。すなわち、符号ｃに示すように、酸化雰囲気では電極３１，３２間の電位差が約０．２Ｖ程度であるが、還元雰囲気では電位差が約０．９Ｖまで上昇することを見出した。
【００４６】
本実施形態に係る空燃比センサ１は、この電位差に基づいて、周囲雰囲気が酸化雰囲気であるか還元雰囲気であるかを判断して、電圧回路５０の印加電圧を変更することとなる。
【００４７】
具体的に電位差は以下のようにして求めることができる。まず、第３電極３１の電位Ｅ１は、
Ｅ１＝Ｅ０＋（ＲＴ／４Ｆ）Ｉｎ（ｐＯ２〔１〕）
なる式によって表わすことができる。
【００４８】
また、第４電極３２の電位Ｅ２は、
Ｅ２＝Ｅ０＋（ＲＴ／４Ｆ）Ｉｎ（ｐＯ２〔２〕）
なる式によって表わすことができる。
【００４９】
ここで、Ｅ０は起電力であり、Ｒは気体定数であり、Ｆはファラデー定数である。また、ｐＯ２〔１〕は第３電極３１における酸素濃度であり、ｐＯ２〔２〕は第４電極３２における酸素濃度である。
【００５０】
そして、電位差Ｅは、上記式から、
Ｅ＝Ｅ１−Ｅ２＝（ＲＴ／４Ｆ）Ｉｎ（ｐＯ２〔１〕／ｐＯ２〔２〕）
で表わすことができる。この式から明らかなように、電位差は両電極３１，３２の酸素濃度によって変化するといえる。
【００５１】
そして、両電極３１，３２の酸素濃度は還元雰囲気において差が大きくなる。まず、空燃比センサ１においてポンピングセル２０に定電流を供給した場合、ガス律速体１０に酸素ガスが供給される。この酸素ガスは、還元雰囲気において一部消費されるが、残り一部の酸素ガスは第３電極３１に到達する。これに対して、第４電極３２は還元雰囲気に曝されており、酸素ガスが殆ど存在しない雰囲気となっている。これにより、（ｐＯ２〔１〕／ｐＯ２〔２〕）の分母が小さくなり、全体として電位差が大きくなる。
【００５２】
よって、本実施形態に係る空燃比センサ１において制御部８０は、電位差測定部７０により測定された電位差が所定値（例えば０．５Ｖ）以上である場合に、還元雰囲気であると判断する。そして、制御部８０は、電圧回路５０の電圧を還元雰囲気に応じた電圧値（例えば図６において示した−０．７Ｖ〜−０．４Ｖであって具体的には−０．５Ｖ）とする。
【００５３】
また、制御部８０は、電位差測定部７０により測定された電位差が所定値（例えば０．５Ｖ）未満である場合に、酸化雰囲気であると判断する。そして、制御部８０は、電圧回路５０の電圧を酸化雰囲気に応じた電圧値（例えば図６において示した０．４Ｖ〜０．８Ｖであって具体的には０．５Ｖ）とする。
【００５４】
以上により、本実施形態に係る空燃比センサ１では還元雰囲気において水素濃度に応じた電流値を取得できると共に、酸化雰囲気においては酸素濃度に応じた電流値を取得することができる。なお、図６に示す例では素子温度が６５０℃であったが、素子温度が変化すると上記した電圧値についても変化することとなる。
【００５５】
図７は、本実施形態に係る空燃比センサ１により空燃比測定方法を示すフローチャートである。まず、空燃比センサ１及びその周辺回路に電源電圧が供給されると、定電流回路４０はポンピングセル２０に対して定電流を供給する。そして、図７に示すフローチャートが実行される。
【００５６】
まず、制御部８０は、電圧回路５０をオフとする（Ｓ１）。その後電位差測定
は、第３電極３１と第４電極３２との電位差を測定する（Ｓ２）。なお、ステップＳ１において電源回路５０をオフする理由は、電位差測定時に電圧回路５０の電圧が重畳して正確な電位差を検出できなくなってしまう事態を防止するためである。
【００５７】
次に、制御部８０は、ステップＳ２において測定した電位差が０．５Ｖ以上であるかを判断する（Ｓ３）。電位差が０．５Ｖ以上であると判断した場合（Ｓ３：ＹＥＳ）、制御部８０は還元雰囲気であると判断して（Ｓ４）、電圧回路５０の印加電圧を−０．５Ｖとする（Ｓ５）。そして、処理はステップＳ８に移行する。
【００５８】
一方、電位差が０．５Ｖ以上でないと判断した場合（Ｓ３：ＮＯ）、制御部８０は酸化雰囲気であると判断して（Ｓ６）、電圧回路５０の印加電圧を０．５Ｖとする（Ｓ７）。そして、処理はステップＳ８に移行する。
【００５９】
ステップＳ８において出力電流測定部６０は出力電流を測定する。そして、図７に示す処理は終了する。なお、出力電流の測定後、出力電流の値に基づいて所定の演算部が空燃比を演算することとなる。
【００６０】
図８は、本実施形態に係る空燃比センサ１による空燃比と出力電流との相関を示す特性図である。図８に示すように、酸化雰囲気及び還元雰囲気の双方において、出力電流は空燃比に応じてリニアに変化していることがわかる。これにより、本実施形態に係る空燃比センサ１は、酸化雰囲気のみならず還元雰囲気においても測定精度の向上が図れることとなる。
【００６１】
このようにして、本実施形態に係る空燃比センサ１及び空燃比測定方法によれば、センサセル３０の電極３１，３２間の電位差を検出し、検出された電位差に応じて、電圧回路５０の電圧値を制御する。ここで、本件出願人は、酸化雰囲気におけるセンサセル３０の電極間電位差と、還元雰囲気におけるセンサセル３０の電極間電位差が異なることを見出した。すなわち、還元雰囲気において一方の電極３１の酸素濃度はポンピングセル２０側から供給される酸素により酸素濃度が高くなるが、他方の電極３２の酸素濃度は還元雰囲気に曝されて酸素濃度が低くなる。このように、電極３１，３２間において酸素濃度に差が生じる。これにより、電極間電位差が異なることとなり、酸化雰囲気であるか還元雰囲気であるかを判断でき、これに応じて電圧回路５０の印加電圧を設定できることとなる。従って、酸化雰囲気においても還元雰囲気においても出力電流がリニアに変化するように電圧回路５０の印加電圧を設定でき、還元雰囲気における測定制度について向上させることができる。
【００６２】
また、電位差測定部７０は、電圧回路５０からの印加電圧の遮断時においてセンサセル３０の電極３１，３２間の電位差を検出する。このため、電位差検出にあたり印加電圧が電位差に合算してしまい、正確な電位差を検出できなくなってしまう事態を防止することができる。
【００６３】
また、ポンピングセル２０は、ガス律速体１０側から順に第１電極２１と、固体電解質２３と、第２電極２２とを順次積層させた積層構造からなるため、簡素の構成により空燃比センサ１を製造等することができる。
【００６４】
また、センサセル３０は、ガス律速体１０側から順に第３電極３１と、固体電解質３３と、第４電極３２とを順次積層させた積層構造からなるため、簡素の構成により空燃比センサ１を製造等することができる。
【００６５】
以上、実施形態に基づき本発明を説明したが、本発明は上記実施形態に限られるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で、変更を加えてもよい。例えば、本実施形態に係る空燃比センサ１において、制御部８０は、電位差に基づいて酸化雰囲気であるか還元雰囲気であるかを判断し、判断結果に基づいて電圧回路５０の印加電圧を調整しているが、制御部８０の構成はこれに限られるものではない。すなわち、制御部８０は、酸化雰囲気であるか還元雰囲気であるかを判断する機能を有しておらず、電位差に基づいて電圧回路５０の電圧値を調整するアナログ回路等であってもよい。
【符号の説明】
【００６６】
１…空燃比センサ
１０…ガス律速体
２０…ポンピングセル
２１…第１電極
２２…第２電極
２３…固体電解質（ポンピングセル側固体電解質）
３０…センサセル
３１…第３電極
３２…第４電極
３３…固体電解質（センサセル側固体電解質）
４０…定電流回路
５０…電圧回路
６０…出力電流測定部
７０…電位差測定部（電位差検出手段）
８０…制御部（制御手段）
【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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【図８】
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