(57)【要約】【課題】単純構造で酸化雰囲気から還元雰囲気までの広範囲の空燃比を検出可能な空燃比センサ及び空燃比検出装置を提供する。【解決手段】ポンピングセル２は、ポンプ用固体電解質２１及びポンプ用電極２２ａ、２２ｂから成る。このポンピングセル２のポンプ用電極２２ａ、２２ｂ間に定電流を流すと、ポンプ用電極２２ａからポンプ用電極２２ｂに向かって一定濃度の酸素ガスが汲み出され、ガス律速体４に導入される。ガス律速体４には排ガスも導入され、内部で排ガスと汲み出された一定濃度の酸素ガスが混合される。また、酸素濃度測定セル３は、測定用固体電解質３１及び測定用電極３２ａ、３２ｂから成る。この酸素濃度測定セル３には、被測定ガスとポンピングセル２により汲み出された一定濃度の酸素ガスとの混合ガスが供給される。そして、酸素濃度測定セル３の測定用電極３２ａ、３２ｂ間に定電圧を印加すると、測定用電極３２ａ、３２ｂ間に混合ガス中の酸素濃度に応じた電流が流れる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
酸素イオン伝導性を有するポンプ用固体電解質及び該ポンプ用固体電解質の両面の少なくとも一部に設けられたポンプ用電極対から成り、該ポンプ用電極対間に定電流を流すと該ポンプ用電極対の一方から他方に向かって一定濃度の酸素ガスを汲み出すポンピングセルと、
酸素イオン伝導性を有する測定用固体電解質及び該固体電解質の両面の少なくとも一部に設けられた測定用電極対から成り、被測定ガスと前記ポンピングセルにより汲み出された一定濃度の酸素ガスとの混合ガスが供給され、前記測定用電極対間に定電圧を印加すると前記測定用電極対間に前記混合ガス中の酸素濃度に応じた電流が流れる酸素濃度測定セルとを備えたことを特徴とする空燃比センサ。
【請求項２】
被測定ガスを拡散律速させるガス律速体をさらに備え、
前記ガス律速体の一面と前記ポンプ用固体電解質とで前記ポンプ用電極対の一方を挟むように前記ポンピングセルが設けられ、前記ガス律速体の一面と対向する対向面と前記測定用固体電解質とで前記測定用電極対の一方を挟むように前記酸素濃度測定セルが設けられたことを特徴とする請求項１記載の空燃比センサ。
【請求項３】
前記ポンピングセルのポンプ用固体電解質及びポンプ用電極対の他方の少なくとも一部は前記ガス律速体の一面上に搭載され、または、前記酸素濃度測定セルの測定用固体電解質及び測定用電極対の他方の少なくとも一部は前記ガス律速体の対向面上に搭載されていることを特徴とする請求項２記載の空燃比センサ。
【請求項４】
請求項１〜３何れか１項記載の空燃比センサと、
前記ポンピングセルのポンプ用電極対間に前記定電流を流す定電流源と、
前記酸素濃度測定セルの測定用電極対間に前記定電圧を印加する定電圧源と、
前記酸素濃度測定セルの測定用電極対間に流れる電流を検出する電流検出手段とを備えたことを特徴とする空燃比検出装置。
【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検出装置に係り、特に、酸化雰囲気から還元雰囲気までの広範囲の雰囲気の空燃比を検出することができる空燃比センサ及び空燃比濃度検出装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
内燃機関においては、燃焼室で空気と燃料との混合気が燃焼される。この燃焼室内での燃焼を完全燃焼とするため、一般に燃焼後の排気ガスが排出される排気通路に空燃比を検出する空燃比検出装置が設けられている。そして、空燃比検出装置が検出した空燃比が燃料の完全燃焼に必要な最小の空気量のときの空燃比である理想空燃比と一致するように混合気中の燃料量が制御されている。
【０００３】
上述したような空燃比検出装置として、従来より図４に示すような限界電流式酸素センサを用いたものが知られている。図中、酸素センサ１０において、安定化ジルコニアからなる固体電解質１１の両面の少なくとも一部には、白金等からなる多孔質の電極１２ａ及び電極１２ｂが設けられ、さらに、固体電解質１１の一面には電極１２ｂを挟んで、拡散律速された酸素ガスを供給するガス律速体としてのアルミナ多孔質基板１３が設けられている。そして、アルミナ多孔質基板１３には、固体電解質１１を４００[℃]以上に加熱して、酸素イオンの伝導率を良くするためのヒータ１５が設けられている。
【０００４】
また、上述した酸素センサ１０の電極１２ａ及び電極１２ｂには、電圧を印加するための直流電圧源Ｅ１がそれぞれ接続され、さらに、該直流電圧源Ｅ１には固体電解質１１内の酸素イオンの伝導をキャリアとして流れる電流を検出する電流検出部２０が直列に接続されている。
【０００５】
上述した構成の酸素濃度検出装置の動作を以下説明する。アルミナ多孔質板１３により律速された酸素ガスは、電極１２ｂを介して固体電解質１１に対して供給されている。このとき、直流電圧源Ｅ１により電極１２ａ−電極１２ｂ間に電圧を印加すると、酸素ガスは電極１２ｂと固体電解質１１との境界面にて直流電圧源Ｅ１から供給される電子を受け取って酸素イオン（＝Ｏ2-陰イオン）に変換される。変換された酸素イオンは固体電解質１１中を伝導し、電極１２ａに到達し、電極１２ａと固体電解質１１との境界面にて、電子を放出して再び酸素ガスに戻る。
【０００６】
上述した固体電解質１１中を伝導する酸素イオンをキャリアとして発生する電流は、電極１２ａ−電極１２ｂ間に対する印加電圧が大きくなるに従って増大するが、印加電圧が所定値以上となると飽和して印加電圧を大きくしても増大しなくなる。これは電極１２ｂに対する酸素ガスの供給量がアルミナ多孔質基板１３により律速され、電流のキャリアとなる酸素イオン数が制限されるためである。上述した飽和時の電流を限界電流という。この限界電流は周囲の酸素ガスの濃度に対応した値となるため、電流検出部２０により固体電解質１１に流れる電流である酸素センサ１０の出力電流を検出することにより酸素濃度を検出することができる。空燃比検出装置は、この酸素濃度から空燃比を検出している。
【０００７】
次に、上述した限界電流酸素センサを用いた空燃比検出装置の性能機能を説明する。一定電圧が印加される電極１２ａ・電極１２ｂを有するアルミナ多孔質板１３からなる酸素センサ１０は、図５に示すように、空燃比が理想空燃比１５％以上、即ち余剰酸素の酸化雰囲気中ではその余剰分に対応して出力電流がほぼリニアに変化する特性ａを示すので、その空燃比が計測可能となる。しかし、その雰囲気が燃焼排ガスのように余剰酸素が零で還元性の未燃ガス（ハイドロカーボンＨＣ、一酸化炭素ＣＯ、水素ガスＨ2）の含まれる還元雰囲気中では、出力電流がリニアに変化せずに、特性ｂのように還元電流が流れ、見かけの出力として酸素が多量に存在する値を示すことになる。
【０００８】
自動車エンジンの混合気は運転状態により、定速時の燃費対策上良好な酸化混合気と、加速高速時の出力良好な還元混合気とに広範囲に変動するが、このような混合気状態を作り出す為には、酸化雰囲気から還元雰囲気までの広範囲の雰囲気の空燃比を排気中に設けた酸素センサにより正確に計測し、その計測値により所定の空燃比になるようにフィードバック制御するなどの制御をする必要がある。然るに、従来の当該酸素センサでは、計測できる雰囲気が空燃比１５％以上でのみリニアな出力を示すものであるため、空燃比が１５％以上の酸化雰囲気の計測に限定されたものとなり、前述の必要性を満足させるものではなかった。
【０００９】
ところで、図４とは逆極性の電圧を電極１２ａ−電極１２ｂ間に印加すると、酸素センサからは還元雰囲気と酸化雰囲気とが逆転した電流が出力される。つまり、還元雰囲気中では未燃ガス濃度に対応して出力がほぼリニアに変化して空燃比が検出可能になるが、酸化雰囲気中では、出力電流がリニアに変化しないため空燃比の検出ができない。そこで、上述した酸化雰囲気での空燃比が検出可能な酸素センサと、この酸素センサとは逆極性を印加して還元雰囲気での空燃比が検出可能な酸素センサとの２つのセンサを用いて酸化雰囲気から還元雰囲気までの広い範囲の空燃比を検出することが考えられている（例えば特許文献１）。しかしながら、上述した空燃比検出装置では、２つのセンサを還元雰囲気と酸化雰囲気とで切り替えて用いる必要があり、切替制御が難しいという問題があった。
【００１０】
また、酸化雰囲気から還元雰囲気までの広い範囲の空燃比を検出可能な装置としては例えば図６に示されるものが知られている（例えば、特許文献２、３）。この空燃比検出装置は、ポンピングセル１０１及びセンシングセル１０２とから構成されている。ポンピングセル１０１及びセンシングセル１０２はそれぞれ、アルミナ多孔質板１０３及びこのアルミナ多孔質板１０３の両面を挟む電極対１０４から構成されている。
【００１１】
大気室１０５は、センシングセル１０２に電流を流すことにより、ポンピングセル１０１−センシングセル１０２間のギャップ１０６から酸素ガスが供給され、１００％Ｏ2の雰囲気となる。また、センシングセル１０２の電極対１０４間にはギャップ１０６と大気室１０５との酸素濃度差に対応した起電力が生じている。このセンシングセル１０２の電極対間電圧Ｖｓが所定電圧（＝ギャップ１０６の濃度が０％Ｏ2となる電圧）となるようにポンピングセル１０１に電流を流し、ギャップ１０６からポンピングセル１０１を通して外部へ酸素を放出する。大気室１０５の酸素濃度が１００％Ｏ2であるので、大気室１０５と外側雰囲気との間にある酸素濃度差があると、排ガス入口１０７を通して同一の濃度となるように、酸素ガスがギャップ１０６へ拡散する。
【００１２】
この拡散する酸素の量が、外側雰囲気の酸素濃度に比例する。排ガス入口１０７を通して拡散した酸素は、ポンピングセル１０１を介して全て放出される。すなわち、ポンピングセル１０１に流れる電流と排ガス入口１０７からの流入酸素とは等価となり、ポンピングセル１０１に流れる電流を検出することにより、雰囲気中の酸素濃度が検出することができる。しかしながら、この酸素センサでは図にも示すようにセラミックシートを何層も重ねており、構造が複雑で、かつ層間でのクラックや剥がれが問題となっている。また、ギャップ１０６や大気室１０５が必要であり、応答性の低下につながるという問題があった。
【特許文献１】特開平７−７７５１３号公報
【特許文献２】特開平１０−２８２０４９号公報
【特許文献３】特開平１１−２５８１９４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
そこで、本発明は、上記のような問題点に着目し、単純構造で酸化雰囲気から還元雰囲気までの広範囲の空燃比を検出可能な空燃比センサ及び空燃比検出装置を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
上記課題を解決するためになされた請求項１記載の発明は、酸素イオン伝導性を有するポンプ用固体電解質及び該ポンプ用固体電解質の両面の少なくとも一部に設けられたポンプ用電極対から成り、該ポンプ用電極対間に定電流を流すと該ポンプ用電極対の一方から他方に向かって一定濃度の酸素ガスを汲み出すポンピングセルと、酸素イオン伝導性を有する測定用固体電解質及び該固体電解質の両面の少なくとも一部に設けられた測定用電極対から成り、被測定ガスと前記ポンピングセルにより汲み出された一定濃度の酸素ガスとの混合ガスが供給され、前記測定用電極対間に定電圧を印加すると前記測定用電極対間に前記混合ガス中の酸素濃度に応じた電流が流れる酸素濃度測定セルとを備えたことを特徴とする空燃比センサに存する。
【００１５】
請求項１記載の発明によれば、ポンピングセルは、酸素イオン伝導性を有するポンプ用固体電解質及び該ポンプ用固体電解質の両面の少なくとも一部に設けられたポンプ用電極対から成る。このポンピングセルのポンプ用電極対間に定電流を流すと、ポンプ用電極対の一方から他方に向かって一定濃度の酸素ガスが汲み出される。また、酸素濃度測定セルは、酸素イオン伝導性を有する測定用固体電解質及び該測定用固体電解質の両面の少なくとも一部に設けられた測定用電極対から成る。この酸素濃度測定セルには、被測定ガスとポンピングセルにより汲み出された一定濃度の酸素ガスとの混合ガスが供給される。そして、酸素濃度測定セルの測定用電極対間に定電圧を印加すると、測定用電極対間に混合ガス中の酸素濃度に応じた電流が流れる。
【００１６】
従って、被測定ガスが還元雰囲気であった場合、被測定ガス中に含まれるＨＣ、ＣＯ、Ｈ2といった未燃ガスがポンピングセルにより汲み出された一定濃度の酸素ガスと燃焼反応を起こし酸素ガスを消費する。このため、混合ガス中の酸素濃度はポンピングセルにより汲み出された一定濃度の酸素ガスが消費され零になるまで被測定ガス中の未燃ガス濃度に対応した値を示す。一方、被測定ガスが酸化雰囲気であった場合、混合ガス中の酸素濃度は被測定ガスの酸素濃度に対応した値を示す（ただし、ポンピングセルにより汲み出された酸素ガス分、嵩増しされている）。
【００１７】
請求項２記載の発明は、被測定ガスを拡散律速させるガス律速体をさらに備え、前記ガス律速体の一面と前記ポンプ用固体電解質とで前記ポンプ用電極対の一方を挟むように前記ポンピングセルが設けられ、前記ガス律速体の一面と対向する対向面と前記測定用固体電解質とで前記測定用電極対の一方を挟むように前記酸素濃度測定セルが設けられたことを特徴とする請求項１記載の空燃比センサに存する。
【００１８】
請求項２記載の発明によれば、ポンピングセルがガス律速体の一面とポンプ用固体電解質とでポンプ用電極対の一方を挟むように設けられる。酸素濃度測定セルがガス律速体の一面と対向する対向面と測定用固体電解質とで測定用電極対の一方を挟むように設けられる。従って、ポンピングセルから汲み上げられた一定濃度の酸素ガスは、ポンプ用電極対の一方からガス律速体に導入される。ポンプ用電極対及び測定用電極対の何れも設けられておらず被測定ガスに直接、曝されている部分から被測定ガスがガス律速体に導入される。ガス律速体内でポンピングセルから汲み上げられた一定濃度の酸素ガスと被測定ガスと混合される。
【００１９】
請求項３記載の発明は、前記ポンピングセルのポンプ用固体電解質及びポンプ用電極対の他方の少なくとも一部は前記ガス律速体の一面上に搭載され、または、前記酸素濃度測定セルの測定用固体電解質及び測定用電極対の他方の少なくとも一部は前記ガス律速体の対向面上に搭載されていることを特徴とする請求項２記載の空燃比センサに存する。
【００２０】
請求項３記載の発明によれば、ポンピングセルのポンプ用固体電解質及びポンプ用電極対の他方の少なくとも一部がガス律速体の一面上に搭載されている。または、酸素濃度測定セルの測定用固体電解質及び測定用電極対の他方の少なくとも一部はガス律速体の対向面上に搭載されている。以上の構成により、ただ単にポンプ用電極対の一方にポンプ用固体電解質及びポンプ用電極対の他方を積層したり、測定用電極対の一方に測定用固体電解質及び測定用電極対の他方を積層する構造に比べて、ポンプ用固体電解質、ポンプ用電極対の他方、測定用固体電解質、測定用電極対の他方をガス律速体上にも搭載するように設けることにより、各部材間でのクラックが生じにくく、かつ剥がれにくくすることができる。
【００２１】
請求項４記載の発明は、請求項１〜３何れか１項記載の空燃比センサと、前記ポンピングセルのポンプ用電極対間に前記定電流を流す定電流源と、前記酸素濃度測定セルの測定用電極対間に前記定電圧を印加する定電圧源と、前記酸素濃度測定セルの測定用電極対間に流れる電流を検出する電流検出手段とを備えたことを特徴とする空燃比検出装置に存する。
【００２２】
請求項４記載の発明によれば、定電流源が、ポンピングセルのポンプ用電極対間に定電流を流す。定電圧源が、酸素濃度測定セルの測定用電極対間に定電圧を印加する。電流検出手段が酸素濃度測定セルの測定用電極対間に流れる電流を検出する。従って、定電流源によりポンピングセルに一定濃度の酸素ガスを汲み出させ、定電圧源により酸素濃度測定セルに混合ガス中の酸素濃度に応じた電流を流させることにより、電流検出手段が検出した電流は被測定ガスが酸化雰囲気であるときは被測定ガスの酸素濃度、還元雰囲気であるときは被測定ガスの未燃ガス濃度に応じた値となる。
【発明の効果】
【００２３】
以上説明したように請求項１記載の発明によれば、被測定ガスが還元雰囲気であった場合、被測定ガス中に含まれるＨＣ、ＣＯ、Ｈ2といった未燃ガスがポンピングセルにより汲み出された一定濃度の酸素ガスと燃焼反応を起こし酸素ガスを消費する。このため、混合ガス中の酸素濃度はポンピングセルにより汲み出された一定濃度の酸素ガスが消費され零になるまで被測定ガス中の未燃ガス濃度に対応した値を示す。一方、被測定ガスが酸化雰囲気であった場合、混合ガス中の酸素濃度は被測定ガスの酸素濃度に対応した値を示す（ただし、ポンピングセルにより汲み出された酸素ガス分、嵩増しされている）ので、酸素濃度測定セルの測定用電極対間に流れる電流は、被測定ガスが酸化雰囲気であるときは被測定ガスの酸素濃度、還元雰囲気であるときは被測定ガス中の未燃ガス濃度に応じた値となり、２つの酸素センサを用いない単純な構造で酸化雰囲気から還元雰囲気までの広範囲の空燃比を検出することができる。
【００２４】
請求項２記載の発明によれば、ポンピングセルから汲み上げられた一定濃度の酸素ガスは、ポンプ用電極対の一方からガス律速体に導入される。ポンプ用電極対及び測定用電極対の何れも設けられておらず被測定ガスに直接、曝されている部分から被測定ガスがガス律速体に導入される。ガス律速体内でポンピングセルから汲み上げられた一定濃度の酸素ガスと被測定ガスと混合されるので、ギャップなどを設けて混合する必要がなく、より単純な構造にすることができる。
【００２５】
請求項３記載の発明によれば、各部材でのクラックが生じにくく、かつ剥がれにくくすることができ、信頼性の向上を図ることができる。
【００２６】
請求項４記載の発明によれば、定電流源によりポンピングセルに一定濃度の酸素ガスを汲み出させ、定電圧源により酸素濃度測定セルに混合ガス中の酸素濃度に応じた電流を流させることにより、電流検出手段が検出した電流は被測定ガスが酸化雰囲気であるときは被測定ガスの酸素濃度、還元雰囲気であるときは被測定ガスの未燃ガス濃度に応じた値となるので、単純な構造で酸化雰囲気から還元雰囲気までの広範囲の空燃比を検出することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２７】
以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。図１は、本発明による空燃比センサを組み込んだ空燃比検出装置の一実施の形態を示すブロック図である。図２は、酸化雰囲気（酸素濃度２１％、１０％、５％、１％）の時と還元雰囲気（未燃ガスＨ2濃度１％、５％）の時における酸素濃度測定セル３に流れる電流と酸素濃度測定セル３に印加される定電圧との関係を示すグラフである。図３は、酸素濃度測定セル３に流れる電流と排ガス中の酸素濃度との関係を示すグラフである。
【００２８】
同図に示すように、空燃比センサ１は、ポンピングセル２と、酸素濃度測定セル３と、ガス律速体４とを備えている。ポンピングセル２は、安定化ジルコニアからなる板状のポンプ用固体電解質２１と、このポンプ用固体電解質２１の両面の少なくとも一部に設けられた白金などからなる多孔質のポンプ用電極２２ａ及び２２ｂ（ポンプ用電極対）とから構成されている。
【００２９】
また、上述したポンピングセル２は、ガス律速体４の一面４１とポンプ用固体電解質２１とでポンプ用電極２２ａ（ポンプ用電極対の一方）を挟むように設けられている。また、ポンプ用固体電解質２１は、ポンプ用電極２２ａ上に搭載された電極搭載部２１ａと、ガス律速体４の一面４１上に搭載され、かつポンプ用電極２２ａの端面に接して設けられた律速体搭載部２１ｂとが一体形成されている。さらに、ポンプ用電極２２ｂ（ポンプ用電極対の他方）は、ポンプ用固体電解質２１上に搭載された電解質搭載部２２ｂ１と、ガス律速体４の一面４１上に搭載され、かつポンプ用固体電解質２１の電極搭載部２１ａ側の端面に接して設けられた律速体搭載部２２ｂ２とが一体形成されている。
【００３０】
また、酸素濃度測定セル３は、安定化ジルコニアからなる板状の測定用固体電解質３１と、この測定用固体電解質３１の両面の少なくとも一部に設けられた白金などからなる多孔質の測定用電極３２ａ及び３２ｂ（測定用電極対）とから構成されている。
【００３１】
また、上述した酸素濃度測定セル３は、ガス律速体４の一面と対向する対向面４２と測定用固体電解質３１とで測定用電極３２ａ（測定用電極対の一方）を挟むように設けられている。（また、測定用固体電解質３１は、測定用電極３２ａ上に搭載された電極搭載部３１ａと、ガス律速体４の対向面４１上に搭載され、かつ測定用電極３２ａの端面に接して設けられた律速体搭載部３１ｂとが一体形成されている。さらに、測定用電極３２ｂ（測定用電極対の他方）は、測定用固体電解質３１上に搭載された電解質搭載部３２ｂ１と、ガス律速体４の対向面４２上に搭載され、かつ測定用固体電解質３１の電極搭載部３１ａ側の端面に接して設けられた律速体搭載部３２ｂ２とが一体形成されている。
【００３２】
さらに、空燃比検出装置は、上述したポンピングセル２のポンプ用電極２２ａ、２２ｂ間に定電流を流す定電流源としての定電流回路５と、酸素濃度測定セル３の測定用電極３２ａ、３２ｂ間に定電圧を印加する定電圧源６とを備えている。上述した定電流回路５は、ポンプ用電極２２ａを陽極、ポンプ用電極２２ｂを陰極として定電流を流す。つまり、ポンプ用電極２２ａからポンプ用電極２２ｂに向かって定電流が流れる。
【００３３】
一方、定電圧源６は、測定用電極３２ａを陽極、測定用電極３２ｂを陰極として定電圧を印加する。また、酸素濃度測定セル３と定電圧源６との間には電流検出手段としての電流検出部７が直列接続されている。電流検出部７は、酸素濃度測定セル３の測定用電極３２ａから測定用電極３２ｂに向かって流れる電流を検出する。
【００３４】
上述した構成の空燃比検出装置の動作について以下説明する。上述した空燃比センサ１は排ガス（被測定ガス）が排出される排気通路などに配置される。
【００３５】
上述した定電流回路５は、ポンピングセル２に対してポンプ用電極２２ａからポンプ用電極２２ｂに向かって流れる定電流を供給する。これにより、ポンピングセル２は、排気通路中に存在する酸素ガスＯ2、水蒸気Ｈ2Ｏ、炭酸ガスＣＯ2をポンプ用電極２２ｂで、下記に示す式（１）〜（３）に示す分解により酸素イオンＯ2-を固体電解質２１中へ汲み取り、汲み取られた酸素イオンはポンプ用固体電解質２１中を伝導する。酸素イオンがポンプ用電極２２ａに達すると電子を放出して酸素ガスとしてガス律速体４内に導入される。
Ｏ2→２Ｏ2-  …（１）
２Ｈ2Ｏ→２Ｈ2＋Ｏ2-  …（２）
ＣＯ2→Ｃ＋Ｏ2-  …（３）
【００３６】
ポンピングセル２は定電流回路５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４内に導入する。また、ガス律速体４には、ポンプ用電極２２ａ及び測定用電極３２ａの何れも設けられておらず排ガスに直接、曝されている側面４３などから自然拡散により排ガスが導入される。従って、ガス律速体４内では、拡散律速された排ガスとポンピングセル２により導入された一定濃度の酸素ガスとが混合される。そして、ガス律速体４は、拡散律速された排ガスとポンピングされた一定濃度の酸素ガスとの混合ガスを酸素濃度測定セル３の測定用電極３２ａに供給する。
【００３７】
酸素濃度測定セル３では、定電圧源６により一定電圧を印加することにより、ガス律速体４内で混合された拡散律速された排ガスとポンピングセル２により導入された一定濃度の酸素ガスとの混合中の酸素ガスをキャリアとした電流が流れる。定電圧源６は、測定用電極３２ａ、３２ｂ間に流れる電流が飽和するような定電圧を印加する。飽和時の電流は、混合ガス中の酸素濃度に対応した値となる。このため、電流検出部７により検出される測定用電極３２ａ、３２ｂ間に流れる電流は上記混合ガス中の酸素濃度に応じた値となる。
【００３８】
今、排ガスが還元雰囲気である場合について考えてみる。還元雰囲気の排ガスには、余剰酸素が零で還元性の未燃ガス（ＨＣ、ＣＯ、Ｈ2）が含まれる。ガス律速体４内では、還元雰囲気の排ガス中のＨＣ、ＣＯ、Ｈ2といった未燃ガスがポンピングセル２により導入された酸素ガスと燃焼反応を起こして酸素ガスを消費する。このため、ガス律速体４内の混合ガスの酸素濃度はポンピングセル２により汲み出された一定濃度の酸素ガスが消費され尽くし零になるまで排ガス中の未燃ガス濃度に対応した値を示す。
【００３９】
一方、排ガスが酸化雰囲気であった場合について考えてみる。酸化雰囲気の排ガスには、余剰酸素が多く含まれ、未燃ガスは含まれていない。従って、ガス律速体４内の混合ガス中の酸素濃度は排ガスの酸素濃度に対応した値を示す（正確には、ポンピングセル２により汲み出された酸素ガス分、嵩増しされている）。
【００４０】
従って、電流検出部７により検出した酸素濃度測定セル３に流れる限界電流は、図２に示すように、酸化雰囲気であった場合排ガス中の酸素ガス濃度に応じた値となり、還元雰囲気であった場合排ガス中の未燃ガス濃度に応じた値となる。従って、酸素濃度測定セル３に流れる電流は、図３に示すように、酸素濃度が０％以上の酸化雰囲気領域だけでなく０％以下の還元雰囲気領域に対してもリニアに変化する。これにより本実施形態の空燃比検出装置によれば、従来のように２つの酸素センサを切り替えて用いない単純な構造で、酸化雰囲気から還元雰囲気までの広範囲の空燃比を検出することができる。
【００４１】
上述した空燃比検出装置によれば、ポンピングセル２がガス律速体４の一面４１とポンプ用固体電解質２１とでポンプ用電極２２ａを挟むように設けられている。酸素濃度測定セル３がガス律速体４の一面４１と対向する対向面４２と測定用固体電解質３１とで測定用電極３２ａを挟むように設けられている。これにより、ポンピングセル２から汲み上げられた一定濃度の酸素ガスは、ポンプ用電極２２ａからガス律速体４に導入される。ポンプ用電極２２ａ及び測定用電極３２ａの何れも設けられておらず排ガスに直接、曝されている側面４３部分から排ガスがガス律速体４に導入される。つまり、ガス律速体４内でポンピングセル２から汲み上げられた一定濃度の酸素ガスと排ガスと混合されるので、ギャップなどを設けて混合する必要がなく、より単純な構造にすることができる。
【００４２】
また、ポンピングセル２のポンプ用固体電解質２１及びポンプ用電極２２ｂの少なくとも一部にはガス律速体４の一面４１上に搭載された律速体搭載部２１ｂ及び２２ｂ２が設けられている。さらに、酸素濃度測定セル３の測定用固体電解質３１及び測定用電極対３２ｂの少なくとも一部にもガス律速体４の対向面４２上に搭載された律速体搭載部３１ｂ及び３２ｂ２が設けられている。以上の構成により、ただ単にポンプ用電極２２ａにポンプ用固体電解質２１及びポンプ用電極２２ｂを積層したり、測定用電極３２ａに測定用固体電解質３１及び測定用電極３２ｂを積層する構造に比べて、各部材でのクラックが生じにくく、かつ剥がれにくくすることができ、信頼性の向上を図ることができる。
【００４３】
なお、上述した実施形態によれば、ポンピングセル２がガス律速体４の一面４１とポンプ用固体電解質２１とでポンプ用電極２２ａの一方を挟むように設けられている。また酸素濃度測定セル３がガス律速体４の対向面４２と測定用固体電解質３１とで測定用電極３２ａを挟むように設けられている。しかしながら、本発明の構成はこれに限らず、排ガスとポンピングセル２がポンピングした一定濃度の酸素ガスとの混合ガスが酸素濃度測定セル３に導入されるような構成であればよい。例えばポンピングセル２及び酸素濃度測定セル３間にギャップを設けると共に、ガス律速体４を介してギャップ間に排ガスを導入し、ギャップにて排ガスとポンピングされた酸素ガスとを混合させるような構成であってもよい。
【００４４】
また、前述した実施形態は本発明の代表的な形態を示したに過ぎず、本発明は、実施形態に限定されるものではない。即ち、本発明の骨子を逸脱しない範囲で種々変形して実施することができる。
【図面の簡単な説明】
【００４５】
【図１】本発明による空燃比センサを組み込んだ空燃比検出装置の一実施の形態を示すブロック図である。
【図２】酸化雰囲気（酸素濃度２１％、１０％、５％、１％）の時と還元雰囲気（未燃ガスＨ2濃度１％、５％）の時における酸素濃度測定セル３に流れる電流と酸素濃度測定セル３に印加される定電圧との関係を示すグラフである。
【図３】酸素濃度測定セル３に流れる電流と排ガス中の酸素濃度との関係を示すグラフである。
【図４】従来の限界電流式酸素センサの一例を示す図である。
【図５】図４に示す限界電流式酸素センサの出力を示すグラフである。
【図６】従来の酸素センサの一例を示す図である。
【符号の説明】
【００４６】
１      空燃比センサ
２      ポンピングセル
２１    ポンプ用固体電解質
２２ａ  ポンプ用電極（ポンプ用電極対の一方）
２２ｂ  ポンプ用電極（ポンプ用電極対の他方）
３      酸素濃度測定セル
３１    測定用固体電解質
３２ａ  測定用電極（測定用電極対の一方）
３２ｂ  測定用電極（測定用電極対の他方）
４      ガス律速体
５      定電流回路（定電流源）
６      定電圧源
７      電流検出部（電流検出手段）
【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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