>[0060]<空燃比傳感器的構(gòu)成>
[0061]接著，參照?qǐng)D3對(duì)本實(shí)施方式中的空燃比傳感器40、41的構(gòu)成進(jìn)行說(shuō)明。圖3是空燃比傳感器40、41的概略的截面圖。從圖3可知，本實(shí)施方式中的空燃比傳感器40、41是由固體電解質(zhì)層和一對(duì)電極構(gòu)成的單元(cell)為一個(gè)的單一單元型的空燃比傳感器。
[0062]如圖3所示，空燃比傳感器40、41具備:固體電解質(zhì)層51 ;配置在固體電解質(zhì)層51的一個(gè)側(cè)面上的排氣側(cè)電極(第一電極)52 ;配置在固體電解質(zhì)層51的另一個(gè)側(cè)面上的空氣側(cè)電極(第二電極)53 ;對(duì)通過(guò)的排氣進(jìn)行擴(kuò)散律速的擴(kuò)散律速層54 ;保護(hù)擴(kuò)散律速層54的保護(hù)層55 ;和對(duì)空燃比傳感器40、41進(jìn)行加熱的加熱器部56。
[0063]在固體電解質(zhì)層51的一個(gè)側(cè)面上設(shè)置有擴(kuò)散律速層54，在擴(kuò)散律速層54的與固體電解質(zhì)層51側(cè)的側(cè)面相反的一側(cè)的側(cè)面上設(shè)置有保護(hù)層55。在本實(shí)施方式中，在固體電解質(zhì)層51與擴(kuò)散律速層54之間形成有被測(cè)氣體室57。作為空燃比傳感器40、41的檢測(cè)對(duì)象的氣體、即排氣經(jīng)由擴(kuò)散律速層54被導(dǎo)入到該被測(cè)氣體室57中。另外，排氣側(cè)電極52配置在被測(cè)氣體室57內(nèi)，因此，排氣側(cè)電極52經(jīng)由擴(kuò)散律速層54暴露于排氣中。再者，被測(cè)氣體室57未必需要設(shè)置，可以被構(gòu)成為擴(kuò)散律速層54直接接觸到排氣側(cè)電極52的表面上。
[0064]在固體電解質(zhì)層51的另一個(gè)側(cè)面上設(shè)置有加熱器部56。在固體電解質(zhì)層51與加熱器部56之間形成有基準(zhǔn)氣體室58，基準(zhǔn)氣體被導(dǎo)入到該基準(zhǔn)氣體室58內(nèi)。在本實(shí)施方式中，基準(zhǔn)氣體室58對(duì)空氣開(kāi)放，因此空氣作為基準(zhǔn)氣體被導(dǎo)入到基準(zhǔn)氣體室58內(nèi)?？諝鈧?cè)電極53配置在基準(zhǔn)氣體室58內(nèi)，因此空氣側(cè)電極53暴露于基準(zhǔn)氣體(基準(zhǔn)氣氛)中。在本實(shí)施方式中，作為基準(zhǔn)氣體使用了空氣，因此空氣側(cè)電極53暴露于空氣中。
[0065]在加熱器部56中設(shè)置有多個(gè)加熱器59，能夠由這些加熱器59控制空燃比傳感器40,41的溫度、特別是固體電解質(zhì)層51的溫度。加熱器部56具有足以加熱到將固體電解質(zhì)層51活化的發(fā)熱容量。
[0066]固體電解質(zhì)層51由在ZrO2 (氧化鋯)、HfO2、ThO2、Bi2O3等中作為穩(wěn)定劑分配了Ca0、Mg0、Y203、Yb2O3等的氧離子傳導(dǎo)性氧化物的燒結(jié)體形成。另外，擴(kuò)散律速層54由氧化鋁、氧化鎂、硅石質(zhì)、尖晶石、莫來(lái)石等耐熱性無(wú)機(jī)物質(zhì)的多孔質(zhì)燒結(jié)體形成。而且，排氣側(cè)電極52以及空氣側(cè)電極53由鉑等的催化活性高的貴金屬形成。
[0067]另外，在排氣側(cè)電極52與空氣側(cè)電極53之間，由搭載于E⑶31的電壓施加裝置60施加傳感器施加電壓Vr。而且，在ECU31中設(shè)置有電流檢測(cè)裝置61，該電流檢測(cè)裝置61對(duì)在由電壓施加裝置60施加了傳感器施加電壓Vr時(shí)經(jīng)由固體電解質(zhì)層51在所述電極52、53之間流動(dòng)的電流(輸出電流)進(jìn)行檢測(cè)。由該電流檢測(cè)裝置61檢測(cè)出的電流是空燃比傳感器40、41的輸出電流。
[0068]<空燃比傳感器的工作>
[0069]接著，參照?qǐng)D4對(duì)這樣構(gòu)成的空燃比傳感器40、41的工作的基本概念進(jìn)行說(shuō)明。圖4是概略地示出空燃比傳感器40、41的工作的圖。在使用時(shí)，空燃比傳感器40、41被配置成保護(hù)層55以及擴(kuò)散律速層54的外周面暴露于排氣中。另外，空氣被導(dǎo)入到空燃比傳感器40、41的基準(zhǔn)氣體室58中。
[0070]如上所述，固體電解質(zhì)層51由氧離子傳導(dǎo)性氧化物的燒結(jié)體形成。因此，具有以下性質(zhì)(氧電池特性):若在因高溫而活化了的狀態(tài)下在固體電解質(zhì)層51的兩側(cè)面間產(chǎn)生氧濃度之差，則產(chǎn)生要使氧離子從濃度高的側(cè)面?zhèn)认驖舛鹊偷膫?cè)面?zhèn)纫苿?dòng)的電動(dòng)勢(shì)E。
[0071]相反地，固體電解質(zhì)層51還具有以下特性(氧泵特性):若對(duì)兩側(cè)面間給予電位差，則要引起氧離子的移動(dòng)，使得根據(jù)該電位差而在固體電解質(zhì)層的兩側(cè)面間產(chǎn)生氧濃度比。具體地講，在對(duì)兩側(cè)面間給予了電位差的情況下會(huì)引起氧離子的移動(dòng)，使得被給予了正極性的側(cè)面上的氧濃度相對(duì)于被給予了負(fù)極性的側(cè)面上的氧濃度以與電位差相應(yīng)的比率變高。另外，如圖3和圖4所示，在空燃比傳感器40、41中，對(duì)所述電極52、53之間施加了一定的傳感器施加電壓Vr，使得空氣側(cè)電極53成為正極性、排氣側(cè)電極52成為負(fù)極性。
[0072]在空燃比傳感器40、41周圍的排氣空燃比比理論空燃比稀時(shí)，固體電解質(zhì)層51的兩側(cè)面間的氧濃度之比并不那么大。因此，如果將傳感器施加電壓Vr設(shè)定為適當(dāng)?shù)闹?，則在固體電解質(zhì)層51的兩側(cè)面間，相比于與傳感器施加電壓Vr對(duì)應(yīng)的氧濃度比，實(shí)際的氧濃度比變小。因此，如圖4(A)所示那樣引起氧離子從排氣側(cè)電極52朝向空氣側(cè)電極53的移動(dòng)，使得固體電解質(zhì)層51的兩側(cè)面間的氧濃度比朝向與傳感器施加電壓Vr對(duì)應(yīng)的氧濃度比變大。其結(jié)果，從施加傳感器施加電壓Vr的電壓施加裝置60的正極經(jīng)由空氣側(cè)電極53、固體電解質(zhì)層51、以及排氣側(cè)電極52向電壓施加裝置60的負(fù)極流動(dòng)電流。
[0073]此時(shí)流動(dòng)的電流(輸出電流)Ir的大小，如果將傳感器施加電壓Vr設(shè)定為適當(dāng)?shù)闹?，則與通過(guò)擴(kuò)散從排氣中經(jīng)過(guò)擴(kuò)散律速層54向被測(cè)氣體室57流入的氧量成比例。因此，通過(guò)由電流檢測(cè)裝置61檢測(cè)該電流Ir的大小，能夠得知氧濃度，進(jìn)而能夠得知稀區(qū)域中的空燃比。
[0074]另一方面，在空燃比傳感器40、41周圍的排氣空燃比比理論空燃比濃時(shí)，未燃?xì)怏w從排氣中通過(guò)擴(kuò)散律速層54向被測(cè)氣體室57內(nèi)流入，因此即使在排氣側(cè)電極52上存在氧，也會(huì)與未燃?xì)怏w反應(yīng)而被除去。因此，在被測(cè)氣體室57內(nèi)氧濃度變得極低，其結(jié)果，固體電解質(zhì)層51的兩側(cè)面間的氧濃度之比變大。因此，如果將傳感器施加電壓Vr設(shè)定為適當(dāng)?shù)闹担瑒t在固體電解質(zhì)層51的兩側(cè)面間，相比于與傳感器施加電壓Vr對(duì)應(yīng)的氧濃度比，實(shí)際的氧濃度比變大。因此，如圖4(B)所示那樣引起氧離子從空氣側(cè)電極53向排氣側(cè)電極52的移動(dòng)，使得固體電解質(zhì)層51的兩側(cè)面間的氧濃度比朝向與傳感器施加電壓Vr對(duì)應(yīng)的氧濃度比變小。其結(jié)果，從空氣側(cè)電極53通過(guò)施加傳感器施加電壓Vr的電壓施加裝置60向排氣側(cè)電極52流動(dòng)電流。
[0075]此時(shí)流動(dòng)的電流(輸出電流)Ir的大小，如果將傳感器施加電壓Vr設(shè)定為適當(dāng)?shù)闹担瑒t由在固體電解質(zhì)層51中從空氣側(cè)電極53向排氣側(cè)電極52移動(dòng)的氧離子的流量決定。該氧離子與通過(guò)擴(kuò)散從排氣中經(jīng)過(guò)擴(kuò)散律速層54向被測(cè)氣體室57流入的未燃?xì)怏w在排氣側(cè)電極52上進(jìn)行反應(yīng)(燃燒)。因此，氧離子的移動(dòng)流量與流入到被測(cè)氣體室57內(nèi)的排氣中的未燃?xì)怏w的濃度對(duì)應(yīng)。因此，通過(guò)由電流檢測(cè)裝置61檢測(cè)該電流Ir的大小，能夠得知未燃?xì)怏w濃度，進(jìn)而能夠得知濃區(qū)域中的空燃比。
[0076]另外，在空燃比傳感器40、41周圍的排氣空燃比為理論空燃比時(shí)，向被測(cè)氣體室57流入的氧和未燃?xì)怏w的量達(dá)到化學(xué)當(dāng)量比。因而，通過(guò)排氣側(cè)電極52的催化作用，兩者完全燃燒，被測(cè)氣體室57內(nèi)的氧和未燃?xì)怏w的濃度未發(fā)生變動(dòng)。其結(jié)果，固體電解質(zhì)層51的兩側(cè)面間的氧濃度比沒(méi)有變動(dòng)而按與傳感器施加電壓Vr對(duì)應(yīng)的氧濃度比被維持。因而，如圖4(C)所示，沒(méi)有發(fā)生由氧泵特性引起的氧離子的移動(dòng)，其結(jié)果沒(méi)有產(chǎn)生在電路中流動(dòng)的電流。
[0077]<電壓施加裝置以及電流檢測(cè)裝置的電路>
[0078]圖5表示構(gòu)成電壓施加裝置60以及電流檢測(cè)裝置61的具體的電路的一例。在圖示的例子中，將因氧電池特性而產(chǎn)生的電動(dòng)勢(shì)表示為E，將固體電解質(zhì)層51的內(nèi)阻表示為Ri，將兩電極52、53間的電位差表示為Vs。
[0079]從圖5可知，電壓施加裝置60進(jìn)行著負(fù)反饋控制，使得因氧電池特性而產(chǎn)生的電動(dòng)勢(shì)E基本上與傳感器施加電壓Vr —致。換言之，電壓施加裝置60進(jìn)行著負(fù)反饋控制，使得在兩電極52、53間的電位差Vs根據(jù)固體電解質(zhì)層51的兩側(cè)面間的氧濃度比的變化而變化時(shí)該電位差Vs也變?yōu)閭鞲衅魇┘与妷篤r。
[0080]因此，在排氣空燃比變?yōu)槔碚摽杖急?、固體電解質(zhì)層51的兩側(cè)面間沒(méi)有發(fā)生氧濃度比的變化的情況下，固體電解質(zhì)層51的兩側(cè)面間的氧濃度比變?yōu)榕c傳感器施加電壓Vr對(duì)應(yīng)的氧濃度比。在該情況下，電動(dòng)勢(shì)E與傳感器施加電壓Vr —致，兩電極52、53間的電位差Vs也變?yōu)閭鞲衅魇┘与妷篤r，其結(jié)果沒(méi)有流動(dòng)電流Ir。
[0081]另一方面，在排氣空燃比變?yōu)榕c理論空燃比不同的空燃比、固體電解質(zhì)層51的兩側(cè)面間產(chǎn)生氧濃度比的變化的情況下，固體電解質(zhì)層51的兩側(cè)面間的氧濃度比沒(méi)有變?yōu)榕c傳感器施加電壓Vr對(duì)應(yīng)的氧濃度比。在該情況下，電動(dòng)勢(shì)E變?yōu)榕c傳感器施加電壓Vr不同的值。因此，為了在固體電解質(zhì)層51的兩側(cè)面間使氧離子移動(dòng)，對(duì)兩電極52、53間給予電位差Vs，以使得通過(guò)負(fù)反饋控制，電動(dòng)勢(shì)E與傳感器施加電壓Vr—致。而且，隨著此時(shí)的氧離子的移動(dòng)而流動(dòng)電流Ir。其結(jié)果，電動(dòng)勢(shì)E收斂于傳感器施加電壓Vr，電動(dòng)勢(shì)E —收斂于傳感器施加電壓Vr，不久電位差Vs也收斂于傳感器施加電壓Vr。
[0082]因此，可以說(shuō)電壓施加裝置60實(shí)質(zhì)上對(duì)兩電極52、53間施加了傳感器施加電壓Vr。再者，電壓施加裝置60的電路未必需要是如圖5所示那樣的電路，只要能夠?qū)呻姌O52,53間實(shí)質(zhì)地施加傳感器施加電壓Vr，則可以是任何方式的裝置。
[0083]另外，電流檢測(cè)裝置61不是實(shí)際地檢測(cè)出電流，而是檢測(cè)電壓出Etl,從該電壓Etl算出了電流。在此，Etl可如下述式(I)那樣表示。
[0084]E0= Vr+V0+IrR...(I)
[0085]在此，Vci為偏移電壓(offset voltage)(是預(yù)先施加使得E 不變?yōu)樨?fù)值的電壓，例如3V)，R為圖5所示的電阻的值。
[0086]在式⑴中，傳感器施加電壓Vr、偏移電壓Vci以及電阻值R為恒定，因此電壓Etl根據(jù)電流Ir而變化。因而，如果檢測(cè)出電壓Etl,則能夠從該電壓Etl算出電流Ir。
[0087]因此，可以說(shuō)電流檢測(cè)裝置61實(shí)質(zhì)上檢測(cè)了在兩電極52、53間流動(dòng)的電流Ir。再者，電流檢測(cè)裝置61的電路未必需要是圖5所示那樣的電路，只要能夠檢測(cè)在兩電極52、53間流動(dòng)的電流Ir，則可以是任何方式的裝置。
[0088]<空燃比傳感器的輸出特性>
[0089]如上述那樣構(gòu)成且工作的空燃比傳感器40、41，具有如圖6所示那樣的電壓-電流(V-1)特性。從圖6可知，在傳感器施加電壓Vr為O以下以及O附近的區(qū)域，在排氣空燃比為恒定的情況下，若將傳感器施加電壓Vr從負(fù)值逐漸地增加下去，則輸出電流Ir隨之增加下去。
[0090]S卩，在該電壓區(qū)域，傳感器施加電壓Vr較低，因此能夠經(jīng)由固體電解質(zhì)層51而移動(dòng)的氧離子的流量少。因此，與經(jīng)由擴(kuò)散律速層54的排氣的流入速度相比，能夠經(jīng)由固體電解質(zhì)層51而移動(dòng)的氧離子的流量變少，因此，輸出電流Ir根據(jù)能夠經(jīng)由固體電解質(zhì)層51而移動(dòng)的氧離子的流量而變化。由于能夠經(jīng)由固體電解質(zhì)層51而移動(dòng)的氧離子的流量根據(jù)傳感器施加電壓Vr而變化，因此在結(jié)果上輸出電流隨著傳感器施加電壓Vr的增加而增加。再者，這樣地輸出電流Ir與傳感器施加電壓Vr成比例地變化的電壓區(qū)域被稱為比例區(qū)域。另外，在傳感器施加電壓Vr為O時(shí)輸出電流Ir取得負(fù)值是因?yàn)椋蜓蹼姵靥匦远a(chǎn)生與固體電解質(zhì)層51的兩側(cè)面間的氧濃度比相應(yīng)的電動(dòng)勢(shì)E。
[0091]其后，若在將排氣空燃比設(shè)為恒定的狀態(tài)下將傳感器施加電壓Vr逐漸地增加下去，則與其相對(duì)的輸出電流的增加的比例逐漸變小，最終變?yōu)榇笾嘛柡蜖顟B(tài)。其結(jié)果，即使增加傳感器施加電壓Vr，輸出電流也幾乎不變化。該大致飽和的電流被稱為臨界電流，以下將發(fā)生該臨界電流的電壓區(qū)域稱為臨界電流區(qū)域。
[0092]S卩，在該臨界電流區(qū)域，傳感器施加電壓Vr某種程度地高，因此能夠經(jīng)由固體電解質(zhì)層51而移動(dòng)的氧離子的流量多。因而，與經(jīng)由擴(kuò)散律速層54的排氣的流入速度相比，能夠經(jīng)由固體電解質(zhì)層51而移動(dòng)的氧離子的流量變多。因此，輸出電流Ir根據(jù)經(jīng)由擴(kuò)散律速層54向被測(cè)氣體室57流入的排氣中的氧濃度和/或未燃?xì)怏w濃度而變化。即使將排氣空燃比設(shè)為恒定并使傳感器施加電壓Vr變化，基本上經(jīng)由擴(kuò)散律速層54向被測(cè)氣體室57流入的排氣中的氧濃度和/或未燃?xì)怏w濃度也不變化，因此輸出電壓Ir不變化。
[0093]但是，如果排氣空燃比不同，則經(jīng)由擴(kuò)散律速層54向被測(cè)氣體室57流入的排氣中的氧濃度和/或未燃?xì)怏w濃度也不同，因此輸出電流Ir根據(jù)排氣空燃比而變化。從圖6可知，在稀空燃比和濃空燃比(比理論空燃比濃的空燃比)下，臨界電流的流動(dòng)方向相反，在為稀空燃比時(shí)，空燃比越大，臨界電流的絕對(duì)值越大，在為濃空燃比時(shí)，空燃比越小，臨界電流的絕對(duì)值越大。
[0094]其后，若在將排氣空燃比設(shè)為恒定的狀態(tài)下將傳感器施加電壓Vr進(jìn)一步增加下去，則輸出電流Ir隨之再次開(kāi)始增加。若這樣地施加高的傳感器施加電壓Vr，則在排氣側(cè)電極52上發(fā)生排氣中所含的水分的分解，隨之流動(dòng)電流。另外，若將傳感器施加電壓Vr進(jìn)一步增加下去，則只靠水的分解不能維持電流，此次發(fā)生固體電解質(zhì)層51的分解。以下，將這樣發(fā)生水和/或固體電解質(zhì)層51的分解的電壓區(qū)域稱為水分解區(qū)域。
[0095]圖7是表示各傳感器施加電壓Vr下的排氣空燃比與輸出電流Ir的關(guān)系的圖。從圖7可知，如果傳感器施加電壓Vr為0.1V到0.9V左右，則至少在理論空燃比的附近，輸出電流Ir根據(jù)排氣空燃比而變化。另外，從圖7可知，如果傳感器施加電壓Vr為0.1V到0.9V左右，則在理論空燃比的附近，排氣空燃比與輸出電流Ir的關(guān)系，與傳感器施加電壓Vr無(wú)關(guān)地大致相同。
[0096]另一方面，從圖7可知，若排氣空燃比變低到某個(gè)恒定的排氣空燃比以下，則即使排氣空燃比發(fā)生變化，輸出電流Ir也幾乎不變化。該恒定的排氣空燃比，根據(jù)傳感器施加電壓Vr而變化，傳感器施加電壓Vr越高，其越高。因而，若使傳感器施加電壓Vr增大到某個(gè)特定的值以上，則如圖中由單點(diǎn)劃線所示那樣，不論排氣空燃比是怎樣的值，輸出電流Ir都不變?yōu)镺。
[0097]另一方面，若排氣空燃比變高到某個(gè)恒定的排氣空燃比以上，則即使排氣空燃比變化，輸出電流Ir也幾乎不變化。該恒定的排氣空燃比，也根據(jù)傳感器施加電壓Vr而變化，傳感器施加電壓Vr越低，其越低。因而，若使傳感器施加電壓Vr降低到某個(gè)特定的值以下，則如圖中由雙點(diǎn)劃線所示那樣，不論排氣空燃比是怎樣的值，輸出電流Ir都不變?yōu)镺 (例如在將傳感器施加電壓Vr設(shè)為OV的情況下，與排氣空燃比無(wú)關(guān)，輸出電流Ir不變?yōu)镺)。
[0098]<理論空燃比附近的微觀特性>
[0099]但是，本發(fā)明人等進(jìn)行了潛心研宄后發(fā)現(xiàn)了如下情況:若宏觀地觀察傳感器施加電壓Vr與輸出電流Ir的關(guān)系(圖6)、排氣空燃比與輸出電流Ir的關(guān)系(圖7)，則存在如上述那樣的傾向，但若在理論空燃比附近微觀地觀察這些關(guān)系，則存在與其不同的傾向。以下對(duì)此進(jìn)行說(shuō)明。
[0100]圖8是針對(duì)圖6的電壓-電流線圖放大地示出輸出電流Ir為O附近的區(qū)域(在圖6中由X-X所示的區(qū)域)的圖。從圖8可知，在臨界電流區(qū)域中，若將排氣空燃比設(shè)為恒定，則隨著傳感器施加電壓Vr增大，輸出電流Ir也極少量地增大。例如，以排氣空燃比為理論空燃比(14.6)的情況為例來(lái)觀察，在傳感器施加電壓Vr為0.45V左右時(shí)，輸出電流Ir變?yōu)镺。與此相對(duì)，若使傳感器施加電壓Vr相比于0.45V某種程度地低(例如0.2V)，則輸出電流變?yōu)榈陀贠的值。另一方面，若使傳感器施加電壓Vr相比于0.45V某種程度地高(例如0.7V)，則輸出電流變?yōu)楦哂贠的值。
[0101]圖9是針對(duì)圖7的空燃比-電流線圖，放大地示出排氣空燃比為理論空燃比附近且輸出電流Ir為O附近的區(qū)域(在圖7中用Y-Y表示的區(qū)域)的圖。從圖9可知，在理論空燃比附近的區(qū)域中，相對(duì)于同一排氣空燃比的輸出電流Ir在每個(gè)傳感器施加電壓Vr下稍有不同。例如，在圖示的例子中，在排氣空燃比為理論空燃比的情況下，在將傳感器施加電壓Vr設(shè)為0.45V時(shí)，輸出電流Ir變?yōu)镺。而且，若使傳感器施加電壓Vr大于0.45V，則輸出電流Ir也變大，若使傳感器施加電壓Vr小于0.45V，則輸出電流Ir也變小。
[0102]而且，從圖9可知，在每個(gè)傳感器施加電壓Vr下，輸出電流Ir變?yōu)镺時(shí)的排氣空燃比(以下稱為“電流為零時(shí)的排氣空燃比”)不同。在圖示的例子中，在傳感器施加電壓Vr為0.45V的情況下，在排氣空燃比為理論空燃比時(shí)輸出電流Ir變?yōu)镺。與此相對(duì)，在傳感器施加電壓Vr大于0.45V的情況下，在排氣空燃比比理論空燃比濃時(shí)輸出電流Ir變?yōu)镺，傳感器施加電壓Vr越大，電流為零時(shí)的排氣空燃比越小。相反地，在傳感器施加電壓Vr小于0.45V的情況下，在排氣空燃比比理論空燃比稀時(shí)輸出電流Ir變?yōu)?，傳感器施加電壓Vr越小，電流為零時(shí)的排氣空燃比越大。即，通過(guò)使傳感器施加電壓Vr變化，能夠使電流為零時(shí)的排氣空燃比變化。
[0103]在此，如使用圖2說(shuō)明的那