JP2004239688A - Air/fuel ratio detection device - Google Patents

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JP2004239688A JP2003027413A JP2003027413A JP2004239688A JP 2004239688 A JP2004239688 A JP 2004239688A JP 2003027413 A JP2003027413 A JP 2003027413A JP 2003027413 A JP2003027413 A JP 2003027413A JP 2004239688 A JP2004239688 A JP 2004239688A
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To improve the output sensitivity range by lowering the internal resistance of a detection element, to stabilize the characteristic of a pump current, and to heighten the detection accuracy of an air/fuel ratio. <P>SOLUTION: An air/fuel ratio detection element 21 is constituted of a rod-shaped heater part 22, a gas diffusion layer 26 provided by being laminated on its outer peripheral side, a solid electrolyte layer 27, an outside measuring electrode 29 sandwiching the solid electrolyte layer 27 between itself and an inside electrode 28, a reference electrode 30, and a dense layer 32 provided on the outer peripheral side of the heater part 22 so as to cover the reference electrode 30 from the outside. A wide-width electrode part 28A and a narrow-width electrode part 28B separated in the axial direction and conducted mutually electrically are formed on the inside electrode 28 provided between the gas diffusion layer 26 and the solid electrolyte layer 27. The wide-width electrode part 28A is arranged oppositely to the outside measuring electrode 29 across the solid electrolyte layer 27, and the narrow-width electrode part 28B is arranged oppositely to the reference electrode 30. <P>COPYRIGHT: (C)2004,JPO&NCIPI

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、例えば自動車用エンジン等の空燃比（燃料と吸入空気との混合比）を検出するのに好適に用いられる空燃比検出装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
一般に、自動車用エンジン等では、例えば排気管の途中に空燃比センサ（空燃比センサを含む）を設け、この空燃比センサを用いて排気ガス中に含まれる酸素濃度等を検出する構成としている（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
【特許文献１】
特開昭６１−１００６５１号公報
【０００４】
この種の従来技術による空燃比センサは、例えば細長いプレート状に形成されたヒータ部と、該ヒータ部に対して積層化するように形成され該ヒータ部からの熱によって活性化される酸素イオン伝導性の固体電解質層と、該固体電解質層に設けられた合計３個の電極と、これらの電極を固体電解質層と共に外側から覆うガス拡散層等とにより構成されている。
【０００５】
ここで、空燃比センサは、外部から電圧を印加したときに前記電極間に拡散限界電流としてのポンプ電流が流れ、このポンプ電流を計測することによりエンジンの空燃比を検出する。
【０００６】
そして、エンジンの制御装置は、空燃比センサから出力される空燃比信号により、燃料と空気との混合比である空燃比Ａ／Ｆを、例えば理論空燃比（Ａ／Ｆ＝１４．７）またはリーン空燃比（Ａ／Ｆ≧１５）等に近付けるように燃料噴射量をフィードバック制御し、これによって、エンジンの燃焼効率や燃料消費量（燃費）等を向上させるものである。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、上述した従来技術による空燃比センサは、固体電解質層に合計３個の電極を設け、これらの電極を多孔質材料からなるガス拡散層で覆っているに過ぎないので、検出素子の内部抵抗が大きく、酸素濃度の出力感度幅を必ずしも十分に向上することができないという問題がある。
【０００８】
また、被測定ガスである排気ガス中の空燃比が理論空燃比近傍にあるときに、ガス拡散層を通って電極に達する反応ガス種が少ないと、空燃比の検出信号となるポンプ電流（拡散限界電流）がハンチングを起こすことがあり、空燃比の検出精度が低下するという問題がある。
【０００９】
本発明は上述した従来技術の問題に鑑みなされたもので、本発明の目的は、検出素子の内部抵抗を下げて出力感度幅を向上できると共に、ポンプ電流の特性を安定させ、空燃比の検出精度を高めることができるようにした空燃比検出装置を提供することにある。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
上述した課題を解決するために、請求項１の発明による空燃比検出装置は、外部からの通電によって発熱するヒータ部と、該ヒータ部に設けられ、被測定ガスが内部を拡散するガス拡散層と、該ガス拡散層の外側に位置して前記ヒータ部に設けられ、前記ヒータ部からの熱により活性化される酸素イオン伝導性の固体電解質層と、該固体電解質層と前記ガス拡散層との間に設けられて互いに導通する２つの電極部を有し、該各電極部に前記ガス拡散層を通じて被測定ガスが導かれる第１の電極と、該第１の電極の各電極部のうち一方の電極部との間で前記固体電解質層を挟むように該固体電解質層の外側面に設けられ、外部から電圧を印加したときにポンプ電流が前記一方の電極部との間に流れる第２の電極と、前記第１の電極の各電極部のうち他方の電極部との間で前記固体電解質層を挟むように該固体電解質層の外側面に設けられ、被測定ガス中の酸素濃度に対応した起電力が前記他方の電極部との間に発生する第３の電極と、前記固体電解質層の外側に位置して前記ヒータ部に設けられ、少なくとも該第３の電極を外側から覆うことによって被測定ガスが内部に侵入するのを抑える緻密層とにより構成している。
【００１１】
これにより、第１の電極を構成する２つの電極部のうち一方の電極部を第２の電極と対向配置でき、他方の電極部を第３の電極と対向配置することができるので、固体電解質層を挟んだ他方の電極部、第３の電極間の内部抵抗（例えば、ネルンストセルの内部抵抗）を小さく抑えることができ、酸素濃度の出力感度幅を向上できる。しかも、第１の電極の一方の電極部は、固体電解質層を挟んで第２の電極と対向配置されることにより、ガス拡散層を通じた電極反応点へのガス拡散が速くなり、被測定ガスの空燃比が理論空燃比近傍にあるときに、ガス拡散層を通って電極に達する反応ガス種が少ない場合でも、空燃比の検出信号となるポンプ電流（拡散限界電流）がハンチングを起こすのを抑えることができ、空燃比の検出精度を高めることができる。
【００１２】
また、第３の電極を緻密層で覆っているため、固体電解質層を挟んだ第１の電極の他方の電極部と第３の電極との間に、被測定ガス中の酸素濃度に対応した起電力が発生するときに、前記他方の電極部から第３の電極に向け固体電解質層を介して輸送される酸素を、前記緻密層で覆われた第３の電極の周囲に溜めることができ、当該第３の電極を擬似的に基準酸素濃度の電極（参照電極）として、酸素濃度の検出精度を向上することができる。
【００１３】
また、請求項２の発明によると、ガス拡散層と固体電解質層との間には、前記ガス拡散層よりも大なる気孔率を有し第１の電極の各電極部を共に覆う多孔質空間層を設ける構成としている。
【００１４】
この場合には、第１の電極の各電極部を共に多孔質空間層で覆っているため、各電極部間の酸素濃度を均等に保つことができ、酸素ポンピング（ポンプ電流）による一方の電極部側での酸素濃度変化を他方の電極部側に遅れなく伝え、酸素濃度の検出感度を高めることができる。また、一方の電極部における電極反応点へのガス拡散をより速くすることができ、ポンプ電流のハンチング抑制効果を高めることができる。しかも、第１の電極（各電極部）には外部の被測定ガスがガス拡散層から多孔質空間層を通じて導かれるため、リッチ，リーン雰囲気のいずれでもシャープな限界電流曲線（ポンプ電流の特性）を得ることができる。
【００１５】
さらに、請求項３の発明によると、ガス拡散層は４５体積％以上の気孔率をもって形成し、ヒータ部には、該ガス拡散層よりも小なる気孔率を有し固体電解質層と共にガス拡散層を外側から覆うガス拡散制御層を設ける構成としている。
【００１６】
これにより、第１の電極（各電極部）にはガス拡散制御層を通過した被測定ガスのみがガス拡散層を通じて導かれるので、該ガス拡散層の気孔率を４５体積％以上に大きくすることができ、請求項２の発明とほぼ同様の作用効果を得ることができる。
【００１７】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態による空燃比検出装置を、自動車用エンジンの排気管側に取付けられる空燃比センサに適用した場合を例に挙げ、添付図面に従って詳細に説明する。
【００１８】
ここで、図１ないし図９は本発明の第１の実施の形態を示している。図中、１は空燃比センサのケーシングで、該ケーシング１は、軸方向一側（先端側）外周に取付部としてのおねじ部２Ａが形成された段付筒状のホルダ２と、該ホルダ２の軸方向他側（基端側）に一体的に固着された有底筒状のキャップ３と、該キャップ３内に同軸に配設され、後述のシールキャップ１０とホルダ２との間に位置決めされたガイド筒４とにより構成されている。
【００１９】
また、ケーシング１の構成部品であるホルダ２、キャップ３およびガイド筒４は、例えばステンレス鋼等の金属材料を用いて形成されている。そして、ケーシング１は、後述の空燃比検出素子２１を自動車用エンジンの排気管（図示せず）内に突出状態で取付けるために、ホルダ２のおねじ部２Ａが排気管に螺着されるものである。
【００２０】
５はケーシング１のホルダ２内に金属製のシールリング６を介して配設された絶縁支持体を示し、該絶縁支持体５は、例えば酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３ ）等のセラミックス材料により筒状に形成され、その内周側には空燃比検出素子２１が固定されている。そして、絶縁支持体５は、ケーシング１内に空燃比検出素子２１を位置決めすると共に、空燃比検出素子２１を電気的および熱的に絶縁状態で保持するものである。
【００２１】
７，８はケーシング１のガイド筒４内に配設された絶縁筒体を示し、該絶縁筒体７，８は、酸化アルミニウム（以下、アルミナという）等のセラミックス材料により筒状に形成され、後述の各コンタクトプレート１３，１４等をケーシング１に対して絶縁状態に保持するものである。
【００２２】
９はケーシング１内に位置して絶縁支持体５と絶縁筒体７との間に配設された弾性部材としてのスプリングで、該スプリング９は、絶縁支持体５をホルダ２側に向けて常時付勢し、ケーシング１に外部から作用する振動や衝撃等が空燃比検出素子２１に直接伝わるのを防止するものである。
【００２３】
１０はキャップ３の基端側を閉塞したシールキャップを示し、該シールキャップ１０は、耐熱性を有する樹脂材料等によって段付き筒状に形成され、ケーシング１内に絶縁筒体７，８等をスプリング９を介して位置決めしている。
【００２４】
また、シールキャップ１０には、検出用のリード線１１，１１，…と、ヒータ用のリード線１２，１２（一方のみ図示）とが挿通されている。そして、これらの各リード線１１，１２は、絶縁筒体８内でそれぞれ検出用のコンタクトプレート１３，１３，…と、ヒータ用のコンタクトプレート１４，１４とにそれぞれ個別に接続されている。
【００２５】
１５はケーシング１のホルダ２に設けられたプロテクタで、該プロテクタ１５は、例えば耐熱性の高い金属板等を用いて有蓋筒状に形成されている。そして、プロテクタ１５は、後述する空燃比検出素子２１の先端部分を外側から覆うように基端側がホルダ２に取付けられ、先端（蓋部）側がホルダ２から軸方向に突出して設けられている。
【００２６】
また、プロテクタ１５の筒部側には、被測定ガスとなる排気ガスの流通を許す複数の窓部１５Ａ，１５Ａ，…が形成されている。そして、これらの窓部１５Ａは、排気管内を流れる被測定ガス（以下、排気ガスという）を空燃比検出素子２１の先端側周囲に導くものである。
【００２７】
次に、２１は空燃比検出装置としての空燃比検出素子で、該空燃比検出素子２１は、ケーシング１のホルダ２内に絶縁支持体５を介して取付けられ、先端側は自由端となってホルダ２から軸方向に突出している。そして、空燃比検出素子２１は、図２ないし図４に示す如く後述のヒータ部２２、ガス拡散層２６、固体電解質層２７、緻密層３２および保護層３４等によって構成されている。
【００２８】
２２は細長いロッド状に形成された心棒部となるヒータ部で、該ヒータ部２２は、図２ないし図４に示す如く、例えばアルミナ等のセラミックス材料により小径の中実ロッド状に形成されたヒータコア２３と、ヒータパターン２４および絶縁性のヒータ被覆層２５とから構成されている。
【００２９】
ここで、ヒータパターン２４は、例えばアルミナを混合した白金等の発熱性導体材料からなり、ヒータコア２３の外周面に曲面印刷等の手段を用いて形成されている。また、ヒータパターン２４は、図４に示すようにヒータコア２３の先端側から基端側に向けて延びる一対のリード部２４Ａ，２４Ａを有し、これらのリード部２４Ａは、ヒータコア２３の基端側で図１に示すようにヒータ用の各コンタクトプレート１４に接続される。
【００３０】
そして、ヒータパターン２４は、後述する外部のヒータ電源４２からヒータ用の各リード線１２、各コンタクトプレート１４および各リード部２４Ａを介して給電されることにより、例えば約７２０〜８００℃程度の温度にヒータ部２２を発熱させるものである。
【００３１】
また、ヒータ部２２のヒータ被覆層２５は、ヒータパターン２４をリード部２４Ａと一緒に径方向外側から保護するために、例えばアルミナ等のセラミックス材料を曲面印刷等の手段でヒータコア２３の外周側に厚膜印刷することにより形成されている。また、ヒータ被覆層２５の外周側には、後述のガス拡散層２６等が曲面印刷等の手段を用いて積層化するように形成されている。
【００３２】
２６はヒータ部２２のヒータ被覆層２５の外周側に設けられた多孔質構造のガス拡散層で、該ガス拡散層２６は、例えばアルミナの粉体（所定重量％のジルコニアの粉体を混合してもよい）からなるペースト状物を、曲面印刷等の手段を用いて図２ないし図４に示すようにヒータ被覆層２５の外周側に厚膜印刷することにより環状に形成されている。
【００３３】
そして、ガス拡散層２６は、連続気泡からなる空孔を有して多孔質構造（例えば、気孔率が１０〜４５体積％）に形成され、空燃比検出素子２１の周囲を流れる排気ガスの一部を、図３に示す先端側の端面２６Ａから矢示Ａ方向（軸方向）へとガス拡散層２６の内部に拡散させつつ、この排気ガスを後述の内側電極２８に向けて透過させる機能を有している。
【００３４】
２７はヒータ被覆層２５の外周側に曲面印刷等の手段を用いて設けられた酸素イオン伝導性の固体電解質層で、該固体電解質層２７は、例えばイットリア安定化ジルコニア（ＹＳＺ）からなるペースト状物を調整した後、このペースト状物を図２ないし図４に示す如くガス拡散層２６の外側からヒータ被覆層２５の外周側に厚膜印刷することにより環状に形成されている。
【００３５】
そして、固体電解質層２７は、後述の幅広電極部２８Ａと外側測定電極２９との間、幅狭電極部２８Ｂと基準電極３０との間でそれぞれ酸素イオン等を輸送する機能を有するものである。また、固体電解質層２７は、後述の緻密層３２とほぼ同様に緻密な構造を有している。
【００３６】
なお、固体電解質層２７は、図２に示すようにヒータ被覆層２５の外周側でガス拡散層２６の上側に積層化するように形成され、その周方向長さは固体電解質層２７の方がガス拡散層２６よりも小さい寸法となっている。このため、ガス拡散層２６は、固体電解質層２７によって外側から完全に覆われることはなく、ガス拡散層２６の周方向両側は、図２に示す如く固体電解質層２７からヒータ被覆層２５の周方向にはみ出し、後述の緻密層３２で覆われている。
【００３７】
２８はガス拡散層２６と固体電解質層２７との間に位置して固体電解質層２７の内周側に設けられた第１の電極としての内側電極で、該内側電極２８は、白金等の導電性材料からなり、図２ないし図４に示すように固体電解質層２７を曲面印刷する前に、ガス拡散層２６の外周側に曲面印刷等の手段を用いて形成されるものである。
【００３８】
そして、内側電極２８は、図３、図４および図５に示す如く、後述する電極２９，３０間の離間寸法にほぼ等しい寸法ｔ（例えば、０．３〜０．５ｍｍ程度）の間隔をもって離間し、ヒータ部２２（ガス拡散層２６）の周方向に互いに平行に延びた２つの電極部２８Ａ，２８Ｂ（以下、幅広電極部２８Ａ，幅狭電極部２８Ｂという）と、該幅広電極部２８Ａ，幅狭電極部２８Ｂを互いに接続して導通させ、検出素子２１の基端側に向けて細長く延びたリード部２８Ｃとにより構成されている。
【００３９】
ここで、幅広電極部２８Ａは、図５に示す如く寸法Ｗ１ の電極幅を有し、後述の外側測定電極２９とほぼ等しい電極幅に形成されている。また、幅狭電極部２８Ｂは、寸法Ｗ２ の電極幅を有し、後述の基準電極３０とほぼ等しい電極幅に形成されている。そして、幅広電極部２８Ａの電極幅は、幅狭電極部２８Ｂの電極幅に対して３倍以上となる寸法Ｗ１ （Ｗ１ ≧３×Ｗ２ ）に形成されている。
【００４０】
また、これらの電極部２８Ａ，２８Ｂは、図３に示すようにガス拡散層２６の軸方向で互いに離間して配置され、径方向では後述の電極２９，３０と固体電解質層２７を挟んで対向している。しかし、これらの電極部２８Ａ，２８Ｂは、リード部２８Ｃを介して互いに接続され、図３に示す後述の仮想グランド３５と同電位におかれるものである。
【００４１】
この場合、内側電極２８のリード部２８Ｃは、図３および図４に示すようにヒータ部２２の基端側に向けヒータ被覆層２５の軸方向に伸長している。そして、固体電解質層２７は、リード部２８Ｃの伸長部分を除いて内側電極２８の電極部２８Ａ，２８Ｂを外側から完全に包込むようにヒータ被覆層２５の外周面に曲面印刷されるものである。
【００４２】
２９はヒータ部２２の先端側寄りに位置して固体電解質層２７の外周面に設けられた第２の電極としての外側測定電極で、該外側測定電極２９は、図２ないし図４に示す如く幅広電極部２８Ａとの間で固体電解質層２７を挟むことにより、幅広電極部２８Ａと外側測定電極２９は、所謂ポンピング電極を構成するものである。また、外側測定電極２９は、後述の基準電極３０よりも３倍以上に大きい電極幅を有している。
【００４３】
そして、外側測定電極２９は、後述する基準電極３０のリード部３０Ａとほぼ平行に延びるリード部２９Ａを有し、このリード部２９Ａは、基準電極３０のリード部３０Ａからヒータ被覆層２５の周方向に離間した状態で、ヒータ被覆層２５の外周に沿って基端側へと軸方向に延びて形成されるものである。
【００４４】
３０は外側測定電極２９からヒータ部２２の軸方向に離間して固体電解質層２７の外周面に設けられた第３の電極としての基準電極で、該基準電極３０は、図３、図４に示す如く幅狭電極部２８Ｂとの間で固体電解質層２７を挟むことにより所謂ネルンストセル３１を構成し、このネルンストセル３１には、後述の如く排気ガス中の酸素濃度に対応した起電力が、幅狭電極部２８Ｂと基準電極３０との間に発生するものである。
【００４５】
そして、これらの外側測定電極２９、基準電極３０は、内側電極２８（電極部２８Ａ，２８Ｂ）と同様の導電性材料からなり、この導電性ペーストを固体電解質層２７の外周面にそれぞれ曲面印刷することによって形成される。また、基準電極３０は、ヒータ部２２の基端側に向けて伸長するリード部３０Ａ（図４中に図示）を有している。
【００４６】
また、内側電極２８（電極部２８Ａ，２８Ｂ）のリード部２８Ｃ、外側測定電極２９のリード部２９Ａおよび基準電極３０のリード部３０Ａは、図１に示す空燃比検出素子２１の基端側でそれぞれのコンタクトプレート１３およびリード線１１に接続され、図３に例示するような電気回路を構成するものである。
【００４７】
３２はガス拡散層２６、固体電解質層２７および電極２９，３０等を外側から覆うように設けられた緻密層で、この緻密層３２は、例えばアルミナの粉体に酸化珪素（Ｓｉ Ｏ２）の粉体を添加して調整したペースト状物を、固体電解質層２７等の外側からヒータ被覆層２５の外周側に厚膜印刷することにより形成され、図３、図４に示す如くヒータ被覆層２５の先端側から基端側に向けて長く延びている。
【００４８】
そして、緻密層３２は、前記ペースト状物となる粉体の平均粒径が小さく（例えば、０．３〜０．５μｍ程度）に形成されることによって、ガス拡散層２６、固体電解質層２７よりも緻密な構造をなし、これにより排気ガスが内部に侵入するのを遮断して抑える機能を有している。このため、基準電極３０は、固体電解質層２７と緻密層３２によって完全に周囲が取囲まれ、外部の排気ガスから隔離した状態に保たれるものである。
【００４９】
また、固体電解質層２７および外側測定電極２９についても、後述の開口部３３の位置を除いて図２ないし図４に示す如く緻密層３２で覆われるため、この緻密層３２で覆われた部分では、排気ガスの侵入、接触が遮断される。これにより、排気ガス中の水素（分子量の小さい成分）等が固体電解質層２７内に侵入、拡散するのを、緻密層３２によって抑えることができるものである。
【００５０】
３３は緻密層３２に設けられた開口部で、該開口部３３は、図２ないし図４に示す如くヒータ部２２の先端側寄りに位置する緻密層３２の一部を、略四角形状に切取ることにより形成されている。そして、開口部３３は、外側測定電極２９を緻密層３２から部分的に露出させ、外部の排気ガスが図３中の矢示Ｂ方向で後述の保護層３４側から外側測定電極２９に侵入、接触するのを許すものである。
【００５１】
３４は開口部３３を外側から覆うように緻密層３２の外周側に設けられた保護層で、該保護層３４は、例えば空孔率が比較的高いアルミナ等の多孔質材料を用いて形成され、これらの粉体からなるペースト状物を緻密層３２の外周側に曲面印刷することにより構成されるものである。
【００５２】
そして、保護層３４は、緻密層３２の開口部３３を介して外部に露出される外側測定電極２９を外側から覆い、外側測定電極２９等を外部のダスト等から保護する機能を有している。また、保護層３４の周囲を流れる排気ガスの一部は、空孔率の高い保護層３４を透過し、開口部３３の位置から外側測定電極２９側に向けて図３中の矢示Ｂ方向に侵入するものである。
【００５３】
３５は内側電極２８の電極部２８Ａ，２８Ｂに接続された仮想グランドで、該仮想グランド３５は、例えば１．５Ｖ（ボルト）程度の基準電位におかれるものである。
【００５４】
３６は直流電圧を印加する電圧印加手段としての直流電源で、該直流電源３６は、図３に示す如く調整抵抗Ｒ０ を介して基準電極３０に接続されている。そして、直流電源３６は、例えば５〜７Ｖ程度の予め決められた直流電圧Ｖ０ （疑似参照極用のポンピング電圧Ｖ０ ）を、調整抵抗Ｒ０ （例えば、５００ｋΩ）を介して基準電極３０に印加するものである。
【００５５】
３７は排気ガス中の酸素濃度に対応した信号を出力する出力端子で、該出力端子３７は、後述の数１式による出力電圧Ｖｓ を酸素濃度の検出信号として、図６に示す特性線の如く出力するものである。
【００５６】
【数１】
Ｖｓ ＝Ｅ＋（Ｒｉ ×Ｉ０ ）
【００５７】
この場合、空燃比検出素子２１の固体電解質層２７は、ネルンストセル３１側に図８に示す如く内部抵抗をＲｉ を有し、固体電解質層２７を挟んだ幅狭電極部２８Ｂと基準電極３０との間には、排気ガス中の酸素濃度に対応した起電力Ｅが発生する。
【００５８】
そして、これらの電極部２８Ｂ，基準電極３０間に直流電源３６から流込み電流としてのポンピング電流Ｉ０ が供給されるときには、出力端子３７から酸素濃度の検出信号が出力電圧Ｖｓ として、図６に示す特性線の如く出力されるものである。
【００５９】
３８は比較用電圧ＶＲ を設定する比較電源部で、該比較電源部３８は、理論空燃比（Ａ／Ｆ＝１４．７、またはλ＝１）に相当する比較用電圧ＶＲ を後述の差動増幅器３９に出力するものである。
【００６０】
３９は検出端子４０，４１間で空燃比信号を出力させるための差動増幅器で、該差動増幅器３９は、図３に示すように非反転入力端子が比較用電圧ＶＲ の比較電源部３８に接続され、反転入力端子が出力電圧Ｖｓ の出力端子３７（空燃比検出素子２１の基準電極３０）側に接続されている。
【００６１】
また、差動増幅器３９の出力端子は、外側測定電極２９に検出抵抗Ｒｐ を介して接続され、この検出抵抗Ｒｐ の両端に接続された空燃比の検出端子４０，４１間には、空燃比信号としてのポンプ電流（拡散限界電流）を検出するための検出器（図示せず）等が設けられるものである。
【００６２】
そして、差動増幅器３９は、理論空燃比相当の比較用電圧ＶＲ と出力電圧Ｖｓ とを比較し、その比較結果に応じた信号をポンプ電圧Ｖｐ として検出端子４０，４１側に出力し、このときに内側電極２８と外側測定電極２９との間を空燃比信号となるポンプ電流Ｉｐ が流れる。そして、このポンプ電流Ｉｐ は、例えば図７に示す後述の特性線４６のように空燃比λに応じて変化するものである。
【００６３】
４２はケーシング１の外部に設けられるヒータ電源で、該ヒータ電源４２は、図３に示すようにリード線１２等を介してヒータパターン２４に接続されるものである。そして、ヒータ電源４２は、ヒータ部２２のヒータパターン２４に電圧を印加することにより、例えば７２０〜８００℃前，後の温度に空燃比検出素子２１（ヒータ部２２）を発熱させる。
【００６４】
本実施の形態による空燃比センサは上述の如き構成を有するもので、次に空燃比検出素子２１の製造方法について図２ないし図４を参照して説明する。
【００６５】
まず、ヒータ部２２を製造するときには、図４に示すようにアルミナ等のセラミックス材料からヒータコア２３を円形ロッドとして成形し、この状態でヒータコア２３を仮焼成する。
【００６６】
次に、パターン印刷工程では、チャック等の支持軸をヒータコア２３の両端側に係合させ、ヒータコア２３を回転させつつ、例えば白金等の発熱性導体材料からなるヒータパターン２４をヒータコア２３の外周面に曲面印刷する。また、ヒータパターン２４の各リード部２４Ａをヒータコア２３の基端側に向けて伸長するように印刷することにより一体形成する。
【００６７】
次に、ヒータ被覆層２５の形成工程では、ヒータパターン２４を径方向外側から覆うようにして、例えばアルミナ等からなるペースト状物を曲面印刷してヒータ被覆層２５を形成する。これによって、ヒータコア２３、ヒータパターン２４およびヒータ被覆層２５からなるヒータ部２２を形成する。
【００６８】
次に、ガス拡散層２６の形成工程では、前述したアルミナの粉体等からなるペースト状物を、ヒータ被覆層２５の外周面に塗布するように曲面印刷してガス拡散層２６を形成する。
【００６９】
そして、次なる内側電極２８の形成工程では、前述した導電性ペーストをヒータ被覆層２５の外周面にガス拡散層２６の上側から重合わせるように曲面印刷して内側電極２８の幅広電極部２８Ａ、幅狭電極部２８Ｂおよびリード部２８Ｃを形成する。また、内側電極２８のリード部２８Ｃは、ヒータ被覆層２５の基端側まで伸長させるように印刷により形成する。
【００７０】
また、次なる固体電解質層２７の形成工程では、例えばジルコニアとイットリアからなるペースト状物を、ヒータ被覆層２５の外周面に塗布するように曲面印刷して酸素イオン伝導性の固体電解質層２７を形成し、この固体電解質層２７によって内側電極２８をガス拡散層２６との間で覆うようにする。
【００７１】
そして、次なる外側測定電極２９、基準電極３０の形成工程では、固体電解質層２７の外周面に白金等からなる導電性ペーストを曲面印刷することにより、固体電解質層２７の外側に外側測定電極２９、基準電極３０を形成する。また、これらの電極２９，３０のリード部２９Ａ，３０Ａを内側電極２８のリード部２８Ｃから離した状態でヒータ被覆層２５の基端側まで伸長させるように印刷により形成する。
【００７２】
次に、緻密層３２の形成工程では、固体電解質層２７の外周側およびヒータ被覆層２５の外周側に、例えばアルミナと酸化珪素からなるペースト状物を曲面印刷することにより緻密層３２を形成する。そして、緻密層３２には、外側測定電極２９と対応する位置に開口部３３を形成しておくようにする。
【００７３】
また、これに続く保護層３４の形成工程では、図２ないし図４に示す外側測定電極２９を外側から覆うように緻密層３２の外周側に、例えばアルミナ等からなるペースト状物を曲面印刷することにより保護層３４を形成する。
【００７４】
そして、次なる焼成工程では、前述の如く形成したヒータコア２３、ヒータパターン２４、ヒータ被覆層２５、ガス拡散層２６、固体電解質層２７、電極２８，２９，３０、緻密層３２および保護層３４からなる空燃比検出素子２１の成形品を、例えば１４００〜１５００℃程度の高温度下で約２時間にわたり同時焼成してこれらを一体的に焼結させる。
【００７５】
かくして、前述した各工程により空燃比検出素子２１を製造した後、該検出素子２１を図１に示すようにケーシング１内に収納し、各リード部２４Ａ，２８Ｃ，２９Ａ，３０Ａをそれぞれのコンタクトプレート１３，１４にばね性をもって当接させ、これらを電気的に接続することによって当該空燃比センサを完成させる。
【００７６】
次に、当該空燃比センサによる酸素濃度、空燃比の検出動作について説明するに、まず、当該空燃比センサのケーシング１は、ホルダ２のおねじ部２Ａを介して車両の排気管等に螺着され、空燃比検出素子２１の先端側を排気管内へと突出させた状態で固定される。
【００７７】
そして、エンジンの作動により排気管内を流れる排気ガスが空燃比検出素子２１の周囲にプロテクタ１５を介して導入されると、この排気ガスの一部が保護層３４および緻密層３２の開口部３３を介して外側測定電極２９の表面に達すると共に、ガス拡散層２６を通じて内側電極２８の電極部２８Ａ，２８Ｂの表面にも導かれる。
【００７８】
また、この状態でヒータ電源４２からヒータパターン２４に給電を行い、ヒータ部２２により空燃比検出素子２１を７２０〜８００℃程度に加熱すると、固体電解質層２７が活性化される。そして、固体電解質層２７を挟んで対向する内側電極２８の幅狭電極部２８Ｂと基準電極３０との間には、直流電源３６から電圧が印加され、幅広電極部２８Ａと外側測定電極２９との間には、差動増幅器３９を介して電圧が印加される。
【００７９】
これにより、幅狭電極部２８Ｂ、基準電極３０間と、幅広電極部２８Ａ、外側測定電極２９間とには、後述の化１から化６の反応式により、排気ガス中の酸素濃度、可燃性ガス成分濃度に基づいた出力電圧Ｖｓ ，ポンプ電圧Ｖｐ がそれぞれの空燃比λに対応して発生し、このときのポンプ電流Ｉｐ （拡散限界電流）が検出端子４０，４１間の検出信号として出力されるものである。
【００８０】
即ち、エンジンの空燃比が理論空燃比（λ＝１）よりも大きくなるリーン空燃比のときには、エンジンの燃焼室内で希薄混合気が形成され、この希薄混合気により空燃比検出素子２１（例えば、保護層３４）の周囲を流れる排気ガス中に酸素が燃焼されることなく残っている。そして、この排気ガス中の酸素は、図３中の矢示Ａ方向でガス拡散層２６を通じて電極部２８Ａ，２８Ｂへと供給される。
【００８１】
このため、ネルンストセル３１を構成する内側電極２８の幅狭電極部２８Ｂと基準電極３０との間では、直流電源３６からの電圧印加により、例えば幅狭電極部２８Ｂにおいて下記の化１による電気化学的な接触分解反応が行われ、排気ガス中に残留した酸素に電子が付与されて酸素イオンが発生する。
【００８２】
【化１】

Figure 2004239688
【００８３】
そして、このときの酸素イオンは、固体電解質層２７中の酸素欠陥を介して幅狭電極部２８Ｂから基準電極３０に向けて輸送される。このため、ネルンストセル３１の基準電極３０においては、下記の化２による電気化学的な接触分解反応が行われ、このときに酸素イオンが酸素と電子とに分解される。
【００８４】
【化２】
２Ｏ２− → Ｏ２ ＋４ｅ
【００８５】
これにより、基準電極３０内には、例えば内部の空孔（図示せず）等に酸素が吸入され、基準電極３０内には相対的に高い酸素分圧が生じる。しかし、リーン空燃比の状態では、ガス拡散層２６を通じて内側電極２８の幅狭電極部２８Ｂに酸素が供給され続けるので、幅狭電極部２８Ｂ側も高い酸素分圧状態におかれて幅狭電極部２８Ｂと基準電極３０との間の酸素分圧差は小さい状態となる。
【００８６】
このため、両者の酸素分圧差等に基づいてネルンストセル３１（固体電解質層２７）に発生する前記数１式の起電力Ｅは小さく抑えられ、基準電極３０の電圧（出力端子３７の出力電圧Ｖｓ ）は、図６に示す特性線の如く排気ガス中の酸素濃度に対応して理論空燃比状態（λ＝１）よりも低い電圧値をとることになる。
【００８７】
一方、エンジンの空燃比が理論空燃比よりも小さくなるリッチ空燃比のときには、燃焼室内での過濃混合気により空燃比検出素子２１の保護層３４等の周囲を流れる排気ガス中に酸素は残らず、例えば一酸化炭素（ＣＯ）、水素（Ｈ２ ）等の可燃性ガス成分が燃焼されることなく残っている。
【００８８】
これにより、ガス拡散層２６を通じて電極部２８Ａ，２８Ｂに供給される排気ガス中には、酸素が存在しない状態となり、例えば幅狭電極部２８Ｂ側の酸素分圧は急激に下がる。しかし、この状態でも基準電極３０側には、下記の化３、化５の反応により前記空孔内に酸素が溜め込まれているので、幅狭電極部２８Ｂと基準電極３０との間の酸素分圧差は大きくなる。
【００８９】
この結果、ネルンストセル３１（固体電解質層２７）に発生する前記数１式の起電力Ｅは、両者の酸素分圧差等に基づいて大きく増加し、基準電極３０の電圧（出力端子３７の出力電圧Ｖｓ ）は、排気ガス中の酸素濃度に対応して理論空燃比状態（λ＝１）よりも高い電圧値をとることになる。
【００９０】
かくして、出力端子３７からの出力電圧Ｖｓ は、図６に示す特性線のように排気ガス中の酸素濃度に対応して大きく変化し、この出力電圧Ｖｓ に従って空燃比がリッチ状態であるか、リーン状態であるかを判別することができる。
【００９１】
また、この場合の基準電極３０は、図３に示す如く直流電源３６に接続され、内側電極２８から基準電極３０に固体電解質層２７を介して酸素イオンを輸送させるための直流電圧Ｖ０ （疑似参照極用のポンピング電圧Ｖ０ ）が印加されている。
【００９２】
そして、基準電極３０は、固体電解質層２７と緻密層３２によって完全に周囲が取囲まれ、外部の排気ガスから隔離した状態に保たれるので、基準電極３０の酸素分圧を空燃比変化に影響されることなく、高い酸素分圧状態に安定して保持することができ、基準電極３０を擬似的に基準酸素濃度の電極（参照電極）として機能させることができる。
【００９３】
これにより、出力端子３７からの出力電圧Ｖｓ （基準電極３０の電圧）を、図６に示す特性線のように、空燃比がリッチであるか、リーンであるかに従ってオン、オフ的に切換わる安定した出力特性とすることができ、排気ガス中の酸素濃度を高精度に検出することができる。
【００９４】
また、基準電極３０の電圧（出力端子３７の出力電圧Ｖｓ ）は、図３に示す如く差動増幅器３９に出力され、理論空燃比相当の比較用電圧ＶＲ と比較される。そして、空燃比がリッチ状態のときには出力電圧Ｖｓ が高い電圧値となり、理論空燃比相当の比較用電圧ＶＲ よりも高い電圧になる。
【００９５】
このため、差動増幅器３９の出力端子からは、リッチ空燃比のときに電極部２８Ａ，２８Ｂ側の仮想グランド３５（例えば，１．５Ｖ）よりも低い電圧値（例えば、１．０Ｖ）のポンプ電圧Ｖｐ が出力される。
【００９６】
一方、空燃比がリーン状態のときには出力電圧Ｖｓ が、理論空燃比相当の比較用電圧ＶＲ よりも低い電圧になるため、差動増幅器３９の出力端子からは、電極部２８Ａ，２８Ｂ側の仮想グランド３５（例えば，１．５Ｖ）よりも高い電圧値（例えば、２．０Ｖ）のポンプ電圧Ｖｐ が出力される。
【００９７】
このように、差動増幅器３９からは、空燃比がリッチであるか、リーンであるかによって、電圧値が大きく増，減するポンプ電圧Ｖｐ を出力でき、このポンプ電圧Ｖｐ は、電極部２８Ａ，２８Ｂ側の仮想グランド３５に対して低い電圧と高い電圧値とに切換わる特性となる。
【００９８】
この結果、例えば内側電極２８の幅広電極部２８Ａと外側測定電極２９との間を固体電解質層２７を介して流れるポンプ電流Ｉｐ の方向を、リッチ空燃比かリーン空燃比かによって切換えることができ、このときのポンプ電流Ｉｐ を空燃比信号として図３中の検出端子４０，４１等から取出すことができる。
【００９９】
そして、リッチ空燃比の状態では、外側測定電極２９が内側電極２８よりも低い電位となるため、カソード側の外側測定電極２９において下記の化３による電気化学的な接触分解反応が行われ、例えば排気ガス中に残留した二酸化炭素に電子が付与されて酸素イオンと一酸化炭素が発生する。
【０１００】
【化３】
Figure 2004239688
【０１０１】
そして、このときの酸素イオンは、固体電解質層２７中の酸素欠陥を介して外側測定電極２９から内側電極２８の幅広電極部２８Ａに向け輸送される。また、アノード側となる内側電極２８の幅広電極部２８Ａにおいては、下記の化４による電気化学的な接触分解反応が行われ、ガス拡散層２６を透過して内側電極２８に導かれる排気ガス中の一酸化炭素（ＣＯ）が、このときの酸素イオンと結合して二酸化炭素と電子とに分解される。
【０１０２】
【化４】
ＣＯ＋Ｏ２− → ＣＯ２ ＋２ｅ
【０１０３】
なお、排気ガス中の可燃性ガス成分が水素（Ｈ２ ）の場合には、外側測定電極２９において、下記の化５による電気化学的な接触分解反応が行われ、排気ガス中に残留した水分子に電子が付与されて酸素イオンと水素が発生する。
【０１０４】
【化５】
Figure 2004239688
【０１０５】
そして、このときの酸素イオンは、固体電解質層２７中の酸素欠陥を介して外側測定電極２９から内側電極２８の幅広電極部２８Ａに向け輸送される。また、この幅広電極部２８Ａ側においては、下記の化６による電気化学的な接触分解反応が行われ、排気ガス中の水素（Ｈ２ ）がこのときの酸素イオンと結合して水分子と電子とに分解されるものである。
【０１０６】
【化６】
Ｈ２ ＋Ｏ２− → Ｈ２ Ｏ＋２ｅ
【０１０７】
このように、リッチ空燃比の状態では外側測定電極２９から幅広電極部２８Ａに向けて酸素イオンを輸送することにより、内側電極２８（電極部２８Ａ，２８Ｂ）と基準電極３０との間の酸素分圧差を縮小させるように、換言すれば、基準電極３０の電圧（出力電圧Ｖｓ ）によるリッチ・リーン判定が、リッチからリーンに反転するように制御される。
【０１０８】
一方、リーン空燃比の状態では、外側測定電極２９が内側電極２８よりも高い電位となるため、カソード側となる内側電極２８の幅広電極部２８Ａにおいて、上記の化１による電気化学的な接触分解反応が行われ、ガス拡散層２６を透過して内側電極２８の幅広電極部２８Ａに導かれる排気ガス中の酸素に電子が付与されて酸素イオンが発生する。
【０１０９】
そして、このときの酸素イオンは、固体電解質層２７中の酸素欠陥を介して内側電極２８の幅広電極部２８Ａから外側測定電極２９に向け輸送される。このため、外側測定電極２９においては、上記の化２による電気化学的な接触分解反応が行われ、このときに酸素イオンが酸素と電子とに分解される。
【０１１０】
このようにリーン空燃比のときには、内側電極２８の幅広電極部２８Ａから外側測定電極２９に向けて酸素イオンを輸送することにより、内側電極２８（電極部２８Ａ，２８Ｂ）と基準電極３０との間の酸素分圧差を増大させるように、換言すれば、基準電極３０の電圧（出力電圧Ｖｓ ）によるリッチ・リーン判定が、リーンからリッチに反転するように制御される。
【０１１１】
この結果、内側電極２８と基準電極３０との間を流れる拡散限界電流としてのポンプ電流Ｉｐ は、空燃比がリッチかリーンかによって流れ方向が切換わり、理論空燃比（λ＝１）を基準としてリニアに変化するようになる。そして、このポンプ電流Ｉｐ を、図３中に示す検出抵抗Ｒｐ を挟んだ検出端子４０，４１間の電圧として検出し、これを図７に示す特性線の如く空燃比の検出信号として取出すことができる。
【０１１２】
ところで、このような空燃比センサにあっては、ガス拡散層２６と固体電解質層２７との間に設ける内側電極２８を、図９に示す比較例のように単一の電極部４３Ａとリード部４３Ｂとからなる内側電極４３として構成した場合に、ネルンストセル３１′（図３に示すネルンストセル３１に相当）の内部抵抗Ｒｉ が下記の如く大きくなって、酸素濃度の出力感度幅が悪くなる傾向がある。
【０１１３】
また、排気ガス中の空燃比が、図７に示す特性線４４の如く時間Ｔ１ 〜Ｔ２ 間で理論空燃比（λ＝１）近傍にあるときには、ガス拡散層を通って電極に達する排気ガスの反応ガス種が少ないと、空燃比の検出信号となるポンプ電流（拡散限界電流）が、図７中に示す特性線４５の如く振動してハンチングを起こすことがある。
【０１１４】
そこで、本実施の形態では、ガス拡散層２６と固体電解質層２７との間に設ける内側電極２８を、図３ないし図５に示すように、その長さ方向で寸法ｔの間隔をもって互いに離間した幅広電極部２８Ａ，幅狭電極部２８Ｂと、該幅広電極部２８Ａ，幅狭電極部２８Ｂを互いに接続して導通させ、検出素子２１の基端側に向けて細長く延びたリード部２８Ｃとにより構成している。
【０１１５】
そして、幅広電極部２８Ａ，幅狭電極部２８Ｂの電極幅（図５中の寸法Ｗ１ ，Ｗ２ ）を、外側測定電極２９，基準電極３０の電極幅にほぼ等しく形成すると共に、固体電解質層２７を挟んで幅広電極部２８Ａを外側測定電極２９と対向配置し、幅狭電極部２８Ｂを基準電極３０と対向配置する構成としている。
【０１１６】
これにより、図３に示すネルンストセル３１の内部抵抗Ｒｉ を下記の表１にも示す如く、例えば７０Ω程度まで引下げ得ることが確認された。このため、出力端子３７から図６に示す特性線の如く酸素濃度の検出信号として出力する出力電圧Ｖｓ の出力感度幅を向上できるものである。
【０１１７】
この場合、ネルンストセル３１と直流電源３６等との等価回路は、図８に示す電気回路で表され、直流電源３６の電圧Ｖ０ （ポンピング電圧Ｖ０ ）は、出力電圧Ｖｓ 、ポンピング電流Ｉ０ 、調整抵抗Ｒ０ に対して下記の数２式による関係となっている。
【０１１８】
【数２】
Ｖ０ ＝Ｖｓ ＋（Ｒ０ ×Ｉ０ ）
【０１１９】
そして、前述した数１式を数２式に代入すると、ポンピング電流Ｉ０ は、下記の数３式で表されるものである。
【０１２０】
【数３】
Ｉ０ ＝（Ｖ０ −Ｅ）／（Ｒ０ ＋Ｒｉ ）
【０１２１】
また、この数３式によるポンピング電流Ｉ０ を前述した数１式に代入すると、出力電圧Ｖｓ は、下記の数４式で表されるものである。
【０１２２】
【数４】
Figure 2004239688
【０１２３】
そして、数４式の第１項で起電力Ｅにかかる分母の成分｛１＋（Ｒｉ ／Ｒ０ ）｝は、ネルンストセル３１の内部抵抗Ｒｉ が下がると、これに伴って小さくなるので、出力電圧Ｖｓ の感度幅が向上するものである。
【０１２４】
このように本実施の形態は、図３に示す如く幅広電極部２８Ａと幅狭電極部２８Ｂとを有した内側電極２８を採用することにより、ネルンストセル３１の内部抵抗Ｒｉ を表１の如く、例えば７０Ω（０．０７ｋΩ）程度まで引下げることができ、出力端子３７から酸素濃度の検出信号として出力する出力電圧Ｖｓ の出力感度幅を向上することができる。
【０１２５】
これに対し、図９に示す内側電極４３を用いた比較例の場合には、例えば電極部４３Ａを基準電極３０に近付けるように、固体電解質２７の内周側で内側電極４３の配置位置を矢印のＤ方向にずらし、そのずらし量ｄを下記の表１の如く、ｄ＝０．４ｍｍ，ｄ＝０．１５ｍｍ，ｄ＝０ｍｍと小さくしても、ネルンストセル３１′の内部抵抗Ｒｉ は、それぞれ２０ｋΩ，７ｋΩ，１ｋΩとなる。
【０１２６】
また、ずらし量ｄを、例えばｄ＝−０．２ｍｍとし、電極部４３Ａを基準電極３０に対し０．２ｍｍ程度だけ径方向で対向（オーバラップ）させた場合でも、ネルンストセル３１′の内部抵抗Ｒｉ は０．３ｋΩとなり、内側電極２８を用いた本実施の形態のように、ネルンストセル３１の内部抵抗Ｒｉ を７０Ω（０．０７ｋΩ）程度まで下げることは難しいものである。
【０１２７】
【表１】
Figure 2004239688
【０１２８】
また、本実施の形態にあっては、固体電解質層２７を挟んで内側電極２８の幅広電極部２８Ａを外側測定電極２９と対向配置し、幅狭電極部２８Ｂを基準電極３０と対向配置する構成としているので、比較例の如く内側電極４３をずらして配置する必要がなくなる上に、内側電極２８の幅広電極部２８Ａを図３に示す如くガス拡散層２６の端面２６Ａに近い位置に配置することができる。
【０１２９】
このため、図３中の矢示Ａ方向でガス拡散層２６内を拡散してくる排気ガスのガス拡散、即ち幅広電極部２８Ａの電極反応点（電極２８を構成する白金、固体電解質層２７を構成するＹＳＺおよびガスの３相界面）へのガス拡散を速めることができ、空燃比の検出信号となるポンプ電流（拡散限界電流）を、図７中に示す特性線４６の如く出力することがある。
【０１３０】
そして、この場合には、排気ガス中の空燃比が図７に示す時間Ｔ１ 〜Ｔ２ 間で理論空燃比（λ＝１）近傍にあるときに、ガス拡散層２６を通って電極に達する排気ガスの反応ガス種が少なくなったとしても、空燃比の検出信号となるポンプ電流（拡散限界電流）を図７中の特性線４６の如く、ほぼ零の値に保つことができ、従来技術（比較例を含む）による特性線４５の如くポンプ電流が振動してハンチングを起こすのを抑えることができる。
【０１３１】
また、固体電解質層２７の外側に設けた基準電極３０を緻密層３２で覆っているため、内側電極２８の幅狭電極部２８Ｂと基準電極３０との間で固体電解質層２７を挟んだネルンストセル３１に、排気ガス中の酸素濃度に対応した起電力Ｅが発生するときに、幅狭電極部２８Ｂから基準電極３０に向け固体電解質層２７を介して輸送される酸素を、緻密層３２で覆われた基準電極３０の周囲に溜めることができ、当該基準電極３０を擬似的に基準酸素濃度の電極（参照電極）として、酸素濃度の検出精度を向上することができる。
【０１３２】
そして、排気ガス中に可燃性ガス（水素ガス）等が多く存在するリッチ雰囲気でも、このときの水素が固体電解質層２７内に侵入して拡散するのを、緻密層３２によって抑えることができ、空燃比の検出信号となるポンプ電流を図７中の特性線４６の如く、従来技術（特性線４５）に比較してよりシャープな特性として検出することができる。
【０１３３】
また、固体電解質層２７、外側測定電極２９および基準電極３０を外側から覆う緻密層３２には、予め決められた開口面積を有する略四角形の開口部３３を設け、該開口部３３により外部の排気ガスが図３中の矢示Ｂ方向で外側測定電極２９に接触、侵入するのを許す構成としている。
【０１３４】
そして、ガス拡散層２６内には先端側の端面２６Ａ側から矢示Ａ方向に排気ガスを導入し、これを内側電極２８の幅広電極部２８Ａと幅狭電極部２８Ｂとに向けてガス拡散させる構成としている。
【０１３５】
これにより、排気ガスが図３中の矢示Ａ方向でガス拡散層２６を通って内側電極２８の電極部２８Ａ，２８Ｂに達するまでのガス拡散距離をほぼ一定に保つことが可能となり、このときのガス拡散抵抗にバラツキが発生するのを良好に抑えることができる。
【０１３６】
この結果、内側電極２８と外側測定電極２９との間を流れるポンプ電流Ｉｐ を安定させることができ、図７中に特性線４５で表される従来技術に比較して、図７中の特性線４６の如くポンプ電流Ｉｐ を、排気ガスのリーン雰囲気（例えば、図７中の時間Ｔ１ まで）、リッチ雰囲気（時間Ｔ２ 以降）のいずれでも、例えば±１ｍＡ（ミリアンペア）程度の大きな電流値として取り出すことができる。
【０１３７】
従って、本実施の形態によれば、空燃比検出素子２１のネルンストセル３１側で内部抵抗Ｒｉ を低減でき、酸素濃度の出力感度幅を向上することができる。また、図７に示す特性線４６の如く理論空燃比（λ＝１）の近傍でもポンプ電流の特性を安定させ、空燃比の検出精度を高めることができる。
【０１３８】
また、本実施の形態にあっては、小径のロッド状をなすヒータコア２３の外周面にヒータパターン２４を形成し、該ヒータパターン２４を外側から覆うように前記ヒータコア２３の外周側に絶縁性のヒータ被覆層２５を設けることによってヒータ部２２を細長いロッド状に形成する構成としている。
【０１３９】
そして、このようなヒータ部２２の外周側には、ガス拡散層２６、固体電解質層２７、内側電極２８の電極部２８Ａ，２８Ｂ、外側測定電極２９、基準電極３０、緻密層３２および保護層３４等を曲面印刷等の手段を用いて形成する構成としている。
【０１４０】
このため、全体が円形のロッド状をなす空燃比検出素子２１を製造することができ、プレート型の空燃比検出素子に比較して環状の電極２８，２９，３０に十分な電極面積を確保でき、内部抵抗を低減できると共に、空燃比検出素子２１の外径寸法、容積等を確実に小さくすることができる。
【０１４１】
また、外側にエッジ部が形成されるプレート型の素子に比較して、空燃比検出素子２１の外形状をエッジ部がない、円形のロッド状に成形することができるので、空燃比検出素子２１の熱応力等を低減することが可能となり、例えば固体電解質層２７に割れ等が発生するのを抑えることができる。
【０１４２】
また、ヒータ部２２の外周側をガス拡散層２６、固体電解質層２７および緻密層３２等で覆うことにより、ヒータ部２２が直接外気と接触するのを抑えて外気温による影響を低減することができ、ヒータ部２２の伝熱面積を大きくして該ヒータ部２２からの熱を固体電解質層２７等に効率的に伝えることができる。
【０１４３】
これにより、ヒータ部２２の昇温時間を確実に短くすることができ、固体電解質層２７の活性時間を短くできると共に、エンジンの始動時でも排気ガス中の酸素濃度等を早期に検出して、燃料噴射量のフィードバック制御を即座に行うことが可能になる。また、当該空燃比センサの取付自由度を大きくすることができ、ヒータ部２２の消費電力も低減できる。
【０１４４】
一方、空燃比検出素子２１の内部に基準となる大気室等を特別に形成して大気を導入する必要がないので、当該空燃比検出素子２１の構造を簡略化することができ、製造時の作業性を向上することができる。また、内側電極２８の電極部２８Ａ，２８Ｂと外側測定電極２９，基準電極３０との間で固体電解質層２７を挟むことにより、一層の固体電解質層２７を用いるだけで所謂ポンプセル，ネルンストセル３１等を構成できるので、空燃比検出素子２１全体の外径寸法を小さくすることが可能となり、装置の小型化を図ることができる。
【０１４５】
次に、図１０および図１１は本発明の第２の実施の形態を示し、本実施の形態の特徴は、ガス拡散層と固体電解質層との間に、ガス拡散層よりも大なる気孔率を有し第１の電極の各電極部を共に覆う多孔質空間層を設ける構成としたことにある。なお、本実施の形態では前記第１の実施の形態と同一の構成要素に同一の符号を付し、その説明を省略するものとする。
【０１４６】
図中、５１は本実施の形態で採用した空燃比検出装置としての空燃比検出素子で、該空燃比検出素子５１は、第１の実施の形態で述べた空燃比検出素子２１とほぼ同様に構成され、ヒータ部２２、ガス拡散層５２、固体電解質層２７、内側電極２８の電極部２８Ａ，２８Ｂ、外側測定電極２９、基準電極３０、緻密層３２、開口部３３および保護層３４等を有している。
【０１４７】
しかし、この場合の空燃比検出素子５１は、ガス拡散層５２と固体電解質層２７との間に後述の多孔質空間層５３を設けている点で、第１の実施の形態とは異なるものである。また、ガス拡散層５２は、第１の実施の形態によるガス拡散層２６とほぼ同様に形成され、排気ガスの一部が先端側の端面５２Ａから矢示Ａ方向（軸方向）へと内部に拡散するものである。
【０１４８】
５３はガス拡散層５２と固体電解質層２７との間に設けた多孔質空間層で、該多孔質空間層５３は、ガス拡散層５２（例えば、気孔率が１０〜４５体積％）よりも大なる気孔率をもった多孔質セラミックス材料を用いて形成され、固体電解質２７との間で内側電極２８の電極部２８Ａ，２８Ｂを共に囲繞して覆う構成となっている。
【０１４９】
即ち、多孔質空間層５３は、ガス拡散層５２の外周側に前記多孔質セラミックス材料をからなるペースト状物を、曲面印刷等の手段を用いて厚膜印刷することにより環状に形成され、第１の実施の形態とほぼ同様に各層の印刷後に焼成することによって構成されるものである。そして、多孔質空間層５３は、ガス拡散層５２よりも膜厚が薄く、かつ短い長さ（軸方向寸法）に形成されている。
【０１５０】
かくして、このように構成される本実施の形態でも、前記第１の実施の形態とほぼ同様の作用効果を得ることができる。特に本実施の形態では、ガス拡散層５２と固体電解質層２７との間に多孔質空間層５３を設け、内側電極２８の電極部２８Ａ，２８Ｂを多孔質空間層５３で径方向内側から覆う構成としている。
【０１５１】
これにより、内側電極２８の電極部２８Ａ，２８Ｂを多孔質空間層５３で共に覆って、該電極部２８Ａ，２８Ｂ間の酸素濃度を均等に保つことができる。そして、酸素ポンピング（ポンプ電流）による一方の電極部２８Ａ側での酸素濃度変化を他方の電極部２８Ｂ側に遅れなく伝えることができ、ネルンストセル３１による酸素濃度の検出感度を高めることができる。
【０１５２】
また、一方の電極部２８Ａにおける電極反応点（電極２８を構成する白金、固体電解質層２７を構成するＹＳＺおよびガスの３相界面）へのガス拡散をより速くすることができ、図７に例示したポンプ電流Ｉｐ のハンチング抑制効果を一層高めることができる。
【０１５３】
しかも、内側電極２８の電極部２８Ａ，２８Ｂには、外部の排気ガスが矢示Ａ方向にガス拡散層５２の端面５２Ａ側から多孔質空間層５３を通じて導かれるため、リッチ，リーン雰囲気のいずれでもシャープな限界電流曲線（ポンプ電流の特性）を、図１１中に実線で示す特性線５４の如く得ることができる。
【０１５４】
この場合、図１１中の特性線５４は素子温度を７５０℃とした状態で検出したもので、λ＝１．７のリーン雰囲気ではポンプ電流Ｉｐ を、例えば５ｍＡ（ミリアンペア）程度の電流値で出力でき、λ＝０．８のリッチ雰囲気ではポンプ電流Ｉｐ を、例えば−６ｍＡ程度の電流値で出力できることが確認された。
【０１５５】
これに対し、従来技術の場合は同様の条件下でも、図１１中に一点鎖線で示す特性線５５のようにシャープな限界電流曲線を得らず、リッチ，リーン雰囲気のいずれでもポンプ電流Ｉｐ の電流値が低く値に留まっている。
【０１５６】
次に、図１２は本発明の第３の実施の形態を示し、本実施の形態の特徴は、ガス拡散層を大なる気孔率で形成し、ヒータ部には、該ガス拡散層よりも小なる気孔率を有し固体電解質層と共にガス拡散層を外側から覆うガス拡散制御層を設ける構成としたことにある。なお、本実施の形態では前記第１の実施の形態と同一の構成要素に同一の符号を付し、その説明を省略するものとする。
【０１５７】
図中、６１は本実施の形態で採用した空燃比検出装置としての空燃比検出素子で、該空燃比検出素子６１は、第１の実施の形態で述べた空燃比検出素子２１とほぼ同様に構成され、ヒータ部２２、ガス拡散層６２、固体電解質層２７、内側電極２８の電極部２８Ａ，２８Ｂ、外側測定電極２９、基準電極３０、後述の緻密層６５および保護層６６等を有している。
【０１５８】
しかし、この場合の空燃比検出素子６１は、ガス拡散層６２を固体電解質層２７と共に外側から覆う後述のガス拡散制御層６３を設けている点で、第１の実施の形態とは異なるものである。
【０１５９】
また、ガス拡散層６２は、第１の実施の形態によるガス拡散層２６とほぼ同様に形成されている。しかし、この場合のガス拡散層６２は、４５体積％以上の気孔率をもって形成され、先端側の端面６２Ａは後述のガス拡散制御層６３で完全に覆われている。
【０１６０】
このため、ガス拡散層６２内には、ガス拡散制御層６３を通過した排気ガスのみが端面６２Ａ側から矢示Ａ方向（軸方向）に導かれ、ガス拡散層６２内を内側電極２８に向けて拡散する。そして、このときの拡散速度は、ガス拡散層６２の気孔率分だけ速くなるものである。
【０１６１】
６３は固体電解質層２７の先端側に位置してヒータ部２２の外周側に設けられたガス拡散制御層で、該ガス拡散制御層６３は、ガス拡散層６２よりも小さい気孔率（例えば、気孔率が１０体積％程度）の多孔質セラミックス材料を用いて形成され、固体電解質２７の先端側およびガス拡散層６２の端面６２Ａ等を外側から覆う構成となっている。
【０１６２】
即ち、ガス拡散制御層６３は、前記多孔質セラミックス材料をからなるペースト状物を、ヒータ部２２（ヒータ被覆層２５）、固体電解質層２７およびガス拡散層６２の外側に曲面印刷等の手段を用いて厚膜印刷することにより環状に形成され、その先端（一端）側はガス拡散層６２の端面６２Ａを完全に覆う位置まで延びている。
【０１６３】
また、ガス拡散制御層６３の他端側は、外側測定電極２９を僅かに覆う位置まで延び、後述の緻密層６５との間には、第１の実施の形態で述べた開口部３３とほぼ対応する幅寸法で周方向に延びる間隙６４が形成されている。そして、この間隙６４は、外側測定電極２９を後述の保護層６６を介して外部の排気ガスに矢示Ｂ方向で接触させるものである。
【０１６４】
６５は本実施の形態で採用した緻密層で、該緻密層６５は、第１の実施の形態で述べた緻密層３２とほぼ同様に形成され、外部の排気ガスが内部に侵入するのを防ぐものである。しかし、この緻密層６５は、先端側が固体電解質層２７の外周側で外側測定電極２９を僅かに覆う位置までしか形成されておらず、固体電解質層２７の外周側ではガス拡散制御層６３と間隙６４を介して軸方向で対向しているものである。
【０１６５】
６６はガス拡散制御層６３と緻密層６５との間隙６４を覆うように固体電解質層２７の外周側に設けられた保護層で、該保護層６６は、第１の実施の形態で述べた保護層３４とほぼ同様に形成され、外部の排気ガスが間隙６４を介して外側測定電極２９に矢示Ｂ方向で接触、侵入するのを許すものである。
【０１６６】
かくして、このように構成される本実施の形態でも、前記第１の実施の形態とほぼ同様の作用効果を得ることができる。特に本実施の形態では、ガス拡散層６２を４５体積％以上の気孔率をもって形成し、ヒータ部２２には、ガス拡散層６２よりも小なる気孔率を有し、固体電解質層２７と共にガス拡散層６２を外側から覆うガス拡散制御層６３を設ける構成としている。
【０１６７】
これにより、内側電極２８の電極部２８Ａ，２８Ｂには、ガス拡散制御層６３を通過した排気ガスのみがガス拡散層６２を通じて導かれるので、ガス拡散層６２の気孔率を４５体積％以上に大きくしてガス拡散速度を速くすることができ、請求項２の発明とほぼ同様の作用効果を得ることができる。
【０１６８】
次に、上記各実施の形態から把握し得る請求項以外の技術的思想について、以下にその効果と共に記載する。
【０１６９】
（１）．請求項１，２または３に記載の空燃比検出装置において、前記第１の一方の電極部と第２の電極とは、ガス拡散層内を拡散してくる被測定ガスの流れに対し前記他方の電極部と第３の電極よりも上流側となる位置に配置してなる空燃比検出装置。
【０１７０】
これにより、固体電解質層を挟む各電極間に電圧を印加しているときに、ガス拡散層内を拡散してくる被測定ガス中の水素、一酸化炭素等からなる可燃性ガスを、上流側に位置する一方の電極部側で支配的に酸化することができ、下流側となる他方の電極部側に到達する可燃性ガスの量を減じることができる。
【０１７１】
（２）．請求項１，２または３に記載の空燃比検出装置において、前記第１の一方の電極部と第２の電極とは、前記他方の電極部と第３の電極よりも大なる電極面積をもって形成してなる空燃比検出装置。
【０１７２】
これによっても、固体電解質層を挟む各電極間に電圧を印加しているときに、ガス拡散層内を拡散してくる被測定ガス中の水素、一酸化炭素等からなる可燃性ガスを、電極面積の大きい一方の電極部と第２の電極側で支配的に酸化することができ、電極面積が小さい他方の電極部、第３の電極側に到達する可燃性ガスの量を減じることができる。
【０１７３】
（３）．請求項１，２または３に記載の空燃比検出装置において、前記ヒータ部を細長いロッド状に形成し、該ヒータ部の外周側には、前記ガス拡散層、第１の電極、固体電解質層、第２，第３の電極および緻密層をそれぞれ曲面印刷して積層化する構成としてなる空燃比検出装置。
【０１７４】
このように構成することにより、空燃比検出装置全体を円形のロッド状をなす構造とすることができ、取付時の方向や被測定ガスの流れ方向等に影響されることなく、被測定ガス中の酸素濃度、空燃比を安定した精度で検出することができる。また、第１の電極の各電極部と第２，第３の電極とは、固体電解質層を径方向で挟むように配置でき、それぞれの電極面積を大きくできると共に、電極間距離を小さくして電気抵抗を低減することができる。
【０１７５】
また、空燃比検出素子の内部に基準となる大気を導入する必要がないので、空燃比検出装置の構造を簡略化でき、製造時の作業性を向上することができる。さらに、心棒部となるヒータ部の外周側には、ガス拡散層、固体電解質層、第１，第２，第３の電極および緻密層等を形成することにより、ヒータ部を小径に形成した場合でも、固体電解質層に対するヒータ部の伝熱面積を大きくすることができ、該ヒータ部からの熱を固体電解質層等に効率的に伝熱することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施の形態による空燃比検出素子が設けられた空燃比センサを示す縦断面図である。
【図２】空燃比検出素子を図１中の矢示ＩＩ−ＩＩ方向からみた拡大断面図である。
【図３】空燃比検出素子を図２中の矢示 ＩＩＩ−ＩＩＩ 方向からみた断面図である。
【図４】ヒータコアの外周にヒータパターン、ヒータ被覆層、ガス拡散層、内側電極、固体電解質層、外側測定電極、基準電極、緻密層および保護層等を形成する工程を示す斜視図である。
【図５】図４中の内側電極を拡大して示す展開図である。
【図６】空燃比検出素子による酸素濃度の出力特性を示す特性線図である。
【図７】空燃比検出素子によるポンプ電流の出力特性を空燃比との関係で示す特性線図である。
【図８】空燃比検出素子のネルンストセルを直流電源に接続した等価回路を示す電気回路である。
【図９】比較例による内側電極の位置を基準電極に対してずらす場合の説明図である。
【図１０】第２の実施の形態による空燃比検出素子を示す図３と同様位置での断面図である。
【図１１】空燃比検出用のポンプ電圧とポンプ電流との関係を示す特性線図である。
【図１２】第３の実施の形態による空燃比検出素子を示す図３と同様位置での断面図である。
【符号の説明】
１ ケーシング
２１，５１，６１ 空燃比検出素子（空燃比検出装置）
２２ ヒータ部
２３ ヒータコア
２４ ヒータパターン
２５ ヒータ被覆層
２６，５２，６２ ガス拡散層
２７ 固体電解質層
２８ 内側電極（第１の電極）
２８Ａ 幅広電極部（一方の電極部）
２８Ｂ 幅狭電極部（他方の電極部）
２９ 外側測定電極（第２の電極）
３０ 基準電極（第３の電極）
３２，６５ 緻密層
３３ 開口部
３４，６６ 保護層
３６ 直流電源
３７ 出力端子
４０，４１ 空燃比の検出端子
５３ 多孔質空間層
６３ ガス拡散制御層
６４ 間隙[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to an air-fuel ratio detection device suitably used for detecting an air-fuel ratio (mixing ratio between fuel and intake air) of, for example, an automobile engine.
[0002]
[Prior art]
Generally, in an automobile engine or the like, for example, an air-fuel ratio sensor (including an air-fuel ratio sensor) is provided in the middle of an exhaust pipe, and the air-fuel ratio sensor is used to detect the concentration of oxygen and the like contained in exhaust gas. For example, see Patent Document 1).
[0003]
[Patent Document 1]
JP-A-61-100651
[0004]
This type of prior art air-fuel ratio sensor includes, for example, a heater portion formed in an elongated plate shape, and an oxygen ion conductive member formed so as to be stacked on the heater portion and activated by heat from the heater portion. A solid electrolyte layer, a total of three electrodes provided on the solid electrolyte layer, a gas diffusion layer covering these electrodes from the outside together with the solid electrolyte layer.
[0005]
Here, in the air-fuel ratio sensor, when a voltage is applied from the outside, a pump current as a diffusion limit current flows between the electrodes, and the air-fuel ratio of the engine is detected by measuring the pump current.
[0006]
Then, the control device of the engine uses the air-fuel ratio signal output from the air-fuel ratio sensor to change the air-fuel ratio A / F, which is the mixture ratio of fuel and air, to a stoichiometric air-fuel ratio (A / F = 14.7) or The fuel injection amount is feedback-controlled so as to approach a lean air-fuel ratio (A / F ≧ 15) and the like, thereby improving the combustion efficiency and fuel consumption (fuel consumption) of the engine.
[0007]
[Problems to be solved by the invention]
By the way, the air-fuel ratio sensor according to the prior art described above only has a total of three electrodes on the solid electrolyte layer and covers these electrodes with a gas diffusion layer made of a porous material. Therefore, there is a problem that the output sensitivity range of the oxygen concentration cannot always be sufficiently improved.
[0008]
Further, when the air-fuel ratio in the exhaust gas to be measured is close to the stoichiometric air-fuel ratio and there are few reactive gas species reaching the electrode through the gas diffusion layer, the pump current (diffusion) becomes a detection signal of the air-fuel ratio. In some cases, the hunting may occur due to the limit current), and the detection accuracy of the air-fuel ratio is reduced.
[0009]
SUMMARY OF THE INVENTION The present invention has been made in view of the above-described problems of the related art, and an object of the present invention is to reduce the internal resistance of a detection element to improve an output sensitivity range, stabilize characteristics of a pump current, and detect an air-fuel ratio. It is an object of the present invention to provide an air-fuel ratio detecting device capable of improving accuracy.
[0010]
[Means for Solving the Problems]
In order to solve the above-mentioned problem, an air-fuel ratio detection device according to the present invention is provided with a heater section that generates heat when energized from the outside, and a gas diffusion layer provided in the heater section and through which a gas to be measured diffuses inside. An oxygen ion-conductive solid electrolyte layer provided on the heater portion outside the gas diffusion layer and activated by heat from the heater portion; and the solid electrolyte layer and the gas diffusion layer. A first electrode through which the gas to be measured is guided through the gas diffusion layer to each of the electrode portions; and a first electrode between the first electrode and the second electrode portion. A second electrode provided on an outer surface of the solid electrolyte layer so as to sandwich the solid electrolyte layer between the first electrode and the one electrode; and a pump current flowing between the first electrode and the one electrode when an external voltage is applied. And the electrode portions of the first electrode The solid electrolyte layer is provided on the outer surface of the solid electrolyte layer so as to sandwich the solid electrolyte layer between the other electrode portion, and an electromotive force corresponding to the oxygen concentration in the gas to be measured is generated between the solid electrolyte layer and the other electrode portion. A third electrode that is generated, and a dense layer that is provided on the heater portion outside the solid electrolyte layer and covers at least the third electrode from the outside to suppress the gas to be measured from entering the inside. It consists of:
[0011]
Accordingly, one of the two electrode portions constituting the first electrode can be arranged to face the second electrode, and the other electrode portion can be arranged to face the third electrode. The internal resistance (for example, the internal resistance of a Nernst cell) between the other electrode portion and the third electrode with the layer interposed therebetween can be reduced, and the output sensitivity range of the oxygen concentration can be improved. In addition, since one electrode portion of the first electrode is disposed to face the second electrode with the solid electrolyte layer interposed therebetween, gas diffusion to the electrode reaction point through the gas diffusion layer is accelerated, and the gas to be measured is When the air-fuel ratio is close to the stoichiometric air-fuel ratio, the hunting of the pump current (diffusion limit current), which is the detection signal of the air-fuel ratio, occurs even when the amount of reactive gas reaching the electrode through the gas diffusion layer is small. Thus, the detection accuracy of the air-fuel ratio can be improved.
[0012]
Further, since the third electrode is covered with the dense layer, the third electrode between the other electrode portion of the first electrode and the third electrode with the solid electrolyte layer interposed therebetween corresponds to the oxygen concentration in the gas to be measured. When an electromotive force is generated, oxygen transported from the other electrode portion toward the third electrode through the solid electrolyte layer can be stored around the third electrode covered with the dense layer. By using the third electrode as an electrode having a reference oxygen concentration (reference electrode), the detection accuracy of the oxygen concentration can be improved.
[0013]
According to the second aspect of the present invention, a porous space is provided between the gas diffusion layer and the solid electrolyte layer and has a porosity larger than that of the gas diffusion layer and covers both electrode portions of the first electrode. A layer is provided.
[0014]
In this case, since the respective electrode portions of the first electrode are both covered with the porous space layer, the oxygen concentration between the respective electrode portions can be kept uniform, and one electrode by oxygen pumping (pump current) is used. The change in the oxygen concentration on the part side is transmitted to the other electrode part side without delay, and the detection sensitivity of the oxygen concentration can be increased. Further, gas diffusion to the electrode reaction point in one electrode portion can be made faster, and the effect of suppressing hunting of the pump current can be increased. In addition, since the external gas to be measured is guided to the first electrode (each electrode portion) from the gas diffusion layer through the porous space layer, a sharp limit current curve (pump current characteristic) is obtained in both rich and lean atmospheres. Can be obtained.
[0015]
Further, according to the invention of claim 3, the gas diffusion layer is formed with a porosity of 45% by volume or more, and the heater portion has a porosity smaller than the gas diffusion layer and has a gas diffusion layer together with the solid electrolyte layer. Is provided with a gas diffusion control layer that covers from the outside.
[0016]
As a result, only the gas to be measured, which has passed through the gas diffusion control layer, is guided to the first electrode (each electrode portion) through the gas diffusion layer. Thus, substantially the same operation and effect as those of the second aspect can be obtained.
[0017]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Hereinafter, an example in which the air-fuel ratio detection device according to the embodiment of the present invention is applied to an air-fuel ratio sensor attached to the exhaust pipe side of an automobile engine will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
[0018]
Here, FIGS. 1 to 9 show a first embodiment of the present invention. In the drawing, reference numeral 1 denotes a casing of an air-fuel ratio sensor. The casing 1 has a stepped cylindrical holder 2 having an external thread portion 2A formed on an outer periphery on one axial side (tip side), and the holder. 2 and a bottomed cylindrical cap 3 integrally fixed to the other side (base end side) in the axial direction, and coaxially disposed in the cap 3, between a seal cap 10 and a holder 2 described later. The guide tube 4 is positioned.
[0019]
The holder 2, the cap 3, and the guide cylinder 4, which are components of the casing 1, are formed using a metal material such as stainless steel. The casing 1 has an external thread portion 2A of the holder 2 screwed to the exhaust pipe in order to mount an air-fuel ratio detecting element 21 described later in an exhaust pipe (not shown) of an automobile engine in a protruding state. It is.
[0020]
Reference numeral 5 denotes an insulating support provided in the holder 2 of the casing 1 via a metal seal ring 6. The insulating support 5 is made of, for example, aluminum oxide (Al). 2 O 3 ), Etc., is formed in a cylindrical shape, and an air-fuel ratio detecting element 21 is fixed to an inner peripheral side thereof. The insulating support 5 positions the air-fuel ratio detecting element 21 in the casing 1 and holds the air-fuel ratio detecting element 21 in an electrically and thermally insulated state.
[0021]
Reference numerals 7 and 8 denote insulating cylinders disposed in the guide cylinder 4 of the casing 1. The insulating cylinders 7 and 8 are formed in a cylindrical shape from a ceramic material such as aluminum oxide (hereinafter, referred to as alumina). The contact plates 13, 14 and the like described below are held in an insulated state with respect to the casing 1.
[0022]
Reference numeral 9 denotes a spring serving as an elastic member disposed in the casing 1 and disposed between the insulating support 5 and the insulating cylinder 7, and the spring 9 always directs the insulating support 5 toward the holder 2 side. This is to prevent the vibration and impact acting on the casing 1 from being externally transmitted to the air-fuel ratio detection element 21 directly.
[0023]
Reference numeral 10 denotes a seal cap in which the base end side of the cap 3 is closed. The seal cap 10 is formed in a stepped cylindrical shape using a heat-resistant resin material or the like. Positioning is performed via a spring 9.
[0024]
Also, lead wires 11, 11,... For detection and lead wires 12, 12 (only one is shown) for heaters are inserted through the seal cap 10. These lead wires 11 and 12 are individually connected to the detection contact plates 13, 13,... And the heater contact plates 14, 14 in the insulating cylinder 8.
[0025]
Reference numeral 15 denotes a protector provided on the holder 2 of the casing 1, and the protector 15 is formed in a closed cylindrical shape using, for example, a metal plate having high heat resistance. The protector 15 has a proximal end attached to the holder 2 so as to cover a distal end portion of an air-fuel ratio detecting element 21 to be described later from the outside, and a distal end (lid) side is provided to protrude from the holder 2 in the axial direction.
[0026]
Further, a plurality of windows 15A, 15A,... Are formed on the cylinder side of the protector 15 to allow the exhaust gas to be measured to flow. The windows 15 </ b> A guide the gas to be measured (hereinafter, referred to as exhaust gas) flowing in the exhaust pipe to the periphery of the front end side of the air-fuel ratio detection element 21.
[0027]
Next, reference numeral 21 denotes an air-fuel ratio detecting element as an air-fuel ratio detecting device. The air-fuel ratio detecting element 21 is mounted in the holder 2 of the casing 1 via the insulating support member 5 and has a free end on the distal end side. It protrudes from the holder 2 in the axial direction. The air-fuel ratio detecting element 21 includes a heater section 22, a gas diffusion layer 26, a solid electrolyte layer 27, a dense layer 32, a protective layer 34, and the like, which will be described later, as shown in FIGS.
[0028]
Numeral 22 denotes a heater portion which is a mandrel portion formed in an elongated rod shape. As shown in FIGS. 2 to 4, the heater portion 22 is a heater core formed in a small diameter solid rod shape by a ceramic material such as alumina. 23, a heater pattern 24 and an insulating heater coating layer 25.
[0029]
Here, the heater pattern 24 is made of a heat-generating conductive material such as platinum mixed with alumina, for example, and is formed on the outer peripheral surface of the heater core 23 by using means such as curved surface printing. Further, the heater pattern 24 has a pair of leads 24A, 24A extending from the distal end side to the proximal end side of the heater core 23, as shown in FIG. Are connected to the respective contact plates 14 for the heater as shown in FIG.
[0030]
The heater pattern 24 is supplied with power from an external heater power supply 42, which will be described later, through each of the heater lead wires 12, each of the contact plates 14, and each of the lead portions 24A. The heater 22 is caused to generate heat.
[0031]
The heater coating layer 25 of the heater portion 22 is formed on the outer periphery of the heater core 23 by means of, for example, printing a ceramic material such as alumina on a curved surface so as to protect the heater pattern 24 together with the lead portion 24A from the radial outside. It is formed by thick film printing. On the outer peripheral side of the heater coating layer 25, a gas diffusion layer 26, which will be described later, and the like are formed so as to be laminated by using means such as curved surface printing.
[0032]
Reference numeral 26 denotes a gas diffusion layer having a porous structure provided on the outer peripheral side of the heater coating layer 25 of the heater section 22. The gas diffusion layer 26 is made of, for example, alumina powder (a predetermined weight% of zirconia powder mixed therewith). 2 to 4 is printed in a thick film on the outer peripheral side of the heater coating layer 25 by means of curved surface printing or the like as shown in FIGS.
[0033]
The gas diffusion layer 26 is formed in a porous structure (for example, having a porosity of 10 to 45% by volume) having pores formed of open cells, and is one of exhaust gases flowing around the air-fuel ratio detecting element 21. The function of diffusing the exhaust gas toward an inner electrode 28 described later while diffusing the exhaust gas into the gas diffusion layer 26 from the front end surface 26A shown in FIG. Have.
[0034]
Reference numeral 27 denotes an oxygen ion conductive solid electrolyte layer provided on the outer peripheral side of the heater coating layer 25 by means such as curved printing, and the solid electrolyte layer 27 is, for example, a paste made of yttria-stabilized zirconia (YSZ). After the preparation, the paste is formed in a ring shape by thick-film printing from the outside of the gas diffusion layer 26 to the outer periphery of the heater coating layer 25 as shown in FIGS.
[0035]
The solid electrolyte layer 27 has a function of transporting oxygen ions and the like between the wide electrode portion 28A and the outer measurement electrode 29, and between the narrow electrode portion 28B and the reference electrode 30, which will be described later. Further, the solid electrolyte layer 27 has a dense structure substantially similar to a dense layer 32 described later.
[0036]
The solid electrolyte layer 27 is formed so as to be stacked on the outer peripheral side of the heater coating layer 25 and above the gas diffusion layer 26 as shown in FIG. 2, and the solid electrolyte layer 27 has a circumferential length longer than that of the solid electrolyte layer 27. The size is smaller than the gas diffusion layer 26. For this reason, the gas diffusion layer 26 is not completely covered from the outside by the solid electrolyte layer 27, and both sides of the gas diffusion layer 26 in the circumferential direction are separated from the solid electrolyte layer 27 to the heater coating layer 25 as shown in FIG. It protrudes in the direction and is covered with a dense layer 32 described later.
[0037]
Reference numeral 28 denotes an inner electrode serving as a first electrode provided between the gas diffusion layer 26 and the solid electrolyte layer 27 and provided on the inner peripheral side of the solid electrolyte layer 27. The inner electrode 28 is made of a conductive material such as platinum. As shown in FIGS. 2 to 4, the solid electrolyte layer 27 is formed on the outer peripheral side of the gas diffusion layer 26 by means of curved surface printing or the like, as shown in FIGS.
[0038]
As shown in FIGS. 3, 4 and 5, the inner electrode 28 is spaced apart from the electrodes 29 and 30 by a dimension t (for example, about 0.3 to 0.5 mm) which is substantially equal to the dimension between the electrodes 29 and 30. In addition, two electrode portions 28A and 28B (hereinafter, referred to as wide electrode portion 28A and narrow electrode portion 28B) extending parallel to each other in the circumferential direction of the heater portion 22 (gas diffusion layer 26), and the wide electrode portions 28A and 28B. The narrow electrode portions 28B are connected to each other to make them conductive, and are constituted by a lead portion 28C elongated toward the base end side of the detection element 21.
[0039]
Here, the wide electrode portion 28A has an electrode width of a dimension W1 as shown in FIG. 5, and is formed to have an electrode width substantially equal to an outer measurement electrode 29 described later. Further, the narrow electrode portion 28B has an electrode width of the dimension W2 and is formed to have an electrode width substantially equal to a reference electrode 30 described later. The electrode width of the wide electrode portion 28A is formed to have a dimension W1 (W1 ≧ 3 × W2) that is at least three times the electrode width of the narrow electrode portion 28B.
[0040]
These electrode portions 28A and 28B are arranged apart from each other in the axial direction of the gas diffusion layer 26 as shown in FIG. 3, and opposed to electrodes 29 and 30 described later with the solid electrolyte layer 27 interposed therebetween in the radial direction. are doing. However, these electrode portions 28A and 28B are connected to each other via a lead portion 28C and are at the same potential as a virtual ground 35 described later shown in FIG.
[0041]
In this case, the lead portion 28C of the inner electrode 28 extends in the axial direction of the heater coating layer 25 toward the base end side of the heater portion 22, as shown in FIGS. The solid electrolyte layer 27 is printed on the outer peripheral surface of the heater coating layer 25 so as to completely cover the electrode portions 28A and 28B of the inner electrode 28 from the outside except for the extended portion of the lead portion 28C. .
[0042]
Reference numeral 29 denotes an outer measurement electrode serving as a second electrode provided on the outer peripheral surface of the solid electrolyte layer 27 near the front end side of the heater section 22. The outer measurement electrode 29 is, as shown in FIGS. By sandwiching the solid electrolyte layer 27 with the wide electrode portion 28A, the wide electrode portion 28A and the outer measurement electrode 29 constitute a so-called pumping electrode. Further, the outer measurement electrode 29 has an electrode width that is at least three times larger than a reference electrode 30 described later.
[0043]
The outer measurement electrode 29 has a lead portion 29A extending substantially in parallel with a lead portion 30A of a reference electrode 30, which will be described later. In a state separated from the heater coating layer 25, it is formed to extend in the axial direction toward the base end along the outer periphery of the heater coating layer 25.
[0044]
Reference numeral 30 denotes a reference electrode as a third electrode provided on the outer peripheral surface of the solid electrolyte layer 27 at a distance from the outer measurement electrode 29 in the axial direction of the heater section 22. The reference electrode 30 is shown in FIGS. As shown, a so-called Nernst cell 31 is formed by sandwiching the solid electrolyte layer 27 between the narrow electrode portion 28B and the Nernst cell 31. This is generated between the narrow electrode portion 28B and the reference electrode 30.
[0045]
The outer measurement electrode 29 and the reference electrode 30 are made of the same conductive material as the inner electrode 28 (the electrode portions 28A and 28B), and this conductive paste is printed on the outer peripheral surface of the solid electrolyte layer 27 by a curved surface. Formed by Further, the reference electrode 30 has a lead portion 30A (illustrated in FIG. 4) extending toward the base end side of the heater portion 22.
[0046]
Further, the lead portion 28C of the inner electrode 28 (electrode portions 28A and 28B), the lead portion 29A of the outer measurement electrode 29, and the lead portion 30A of the reference electrode 30 are located at the base end side of the air-fuel ratio detecting element 21 shown in FIG. The contact plate 13 and the lead wire 11 constitute an electric circuit as illustrated in FIG.
[0047]
Reference numeral 32 denotes a dense layer provided so as to cover the gas diffusion layer 26, the solid electrolyte layer 27, the electrodes 29 and 30 and the like from the outside. 2 3) is formed by thick-film printing the paste-like material prepared by adding the powder from the outside of the solid electrolyte layer 27 or the like to the outer peripheral side of the heater coating layer 25. As shown in FIGS. The layer 25 extends from the distal end toward the proximal end.
[0048]
The dense layer 32 is formed to have a smaller average particle diameter (for example, about 0.3 to 0.5 μm) of the powder to be the paste-like substance, and thus the dense layer 32 is smaller than the gas diffusion layer 26 and the solid electrolyte layer 27. Also has a dense structure, which has a function of blocking and suppressing exhaust gas from entering the inside. Therefore, the reference electrode 30 is completely surrounded by the solid electrolyte layer 27 and the dense layer 32, and is kept in a state of being isolated from external exhaust gas.
[0049]
Also, the solid electrolyte layer 27 and the outer measurement electrode 29 are covered with the dense layer 32 as shown in FIGS. 2 to 4 except for the position of the opening 33 described later. Intrusion of exhaust gas and contact are cut off. Thus, the dense layer 32 can prevent hydrogen (a component having a small molecular weight) and the like in the exhaust gas from entering and diffusing into the solid electrolyte layer 27.
[0050]
Reference numeral 33 denotes an opening provided in the dense layer 32. The opening 33 cuts a part of the dense layer 32 located near the front end side of the heater section 22 into a substantially square shape as shown in FIGS. It is formed by taking. Then, the opening 33 partially exposes the outer measurement electrode 29 from the dense layer 32, and external exhaust gas enters the outer measurement electrode 29 from the protective layer 34 side described later in the direction of arrow B in FIG. It allows you to make contact.
[0051]
Reference numeral 34 denotes a protective layer provided on the outer peripheral side of the dense layer 32 so as to cover the opening 33 from the outside. The protective layer 34 is formed using a porous material such as alumina having a relatively high porosity. The paste-like material made of these powders is printed on the outer peripheral side of the dense layer 32 by a curved surface.
[0052]
The protective layer 34 has a function of covering the outer measurement electrode 29 exposed to the outside through the opening 33 of the dense layer 32 from the outside, and protecting the outer measurement electrode 29 and the like from external dust and the like. . Further, a part of the exhaust gas flowing around the protective layer 34 passes through the protective layer 34 having a high porosity, and flows from the position of the opening 33 toward the outer measurement electrode 29 in the direction indicated by the arrow B in FIG. It is something that invades.
[0053]
Reference numeral 35 denotes a virtual ground connected to the electrode portions 28A and 28B of the inner electrode 28. The virtual ground 35 is set at a reference potential of, for example, about 1.5 V (volt).
[0054]
Reference numeral 36 denotes a DC power supply as a voltage applying means for applying a DC voltage. The DC power supply 36 is connected to the reference electrode 30 via an adjustment resistor R0 as shown in FIG. The DC power supply 36 applies a predetermined DC voltage V0 (pumping voltage V0 for a pseudo reference electrode) of, for example, about 5 to 7 V to the reference electrode 30 via an adjustment resistor R0 (for example, 500 kΩ). It is.
[0055]
Reference numeral 37 denotes an output terminal for outputting a signal corresponding to the oxygen concentration in the exhaust gas. Output.
[0056]
(Equation 1)
Vs = E + (Ri × I0)
[0057]
In this case, the solid electrolyte layer 27 of the air-fuel ratio detecting element 21 has an internal resistance Ri on the Nernst cell 31 side as shown in FIG. During this period, an electromotive force E corresponding to the oxygen concentration in the exhaust gas is generated.
[0058]
When a pumping current I0 as a flowing current is supplied from the DC power supply 36 between the electrode portion 28B and the reference electrode 30, a detection signal of the oxygen concentration is output from the output terminal 37 as an output voltage Vs as shown in FIG. It is output as a characteristic line.
[0059]
Reference numeral 38 denotes a comparison power supply for setting a comparison voltage VR. The comparison power supply 38 converts a comparison voltage VR 1 corresponding to a stoichiometric air-fuel ratio (A / F = 14.7 or λ = 1) to a differential voltage described later. The signal is output to the amplifier 39.
[0060]
Reference numeral 39 denotes a differential amplifier for outputting an air-fuel ratio signal between the detection terminals 40 and 41. The differential amplifier 39 has a non-inverting input terminal connected to a comparison power supply 38 having a comparison voltage VR as shown in FIG. The inverting input terminal is connected to the output terminal 37 (the reference electrode 30 of the air-fuel ratio detecting element 21) of the output voltage Vs.
[0061]
An output terminal of the differential amplifier 39 is connected to the outer measurement electrode 29 via a detection resistor Rp, and an air-fuel ratio signal is connected between the air-fuel ratio detection terminals 40 and 41 connected to both ends of the detection resistor Rp. And a detector (not shown) for detecting a pump current (diffusion limit current).
[0062]
Then, the differential amplifier 39 compares the comparison voltage VR corresponding to the stoichiometric air-fuel ratio with the output voltage Vs, and outputs a signal corresponding to the comparison result to the detection terminals 40 and 41 as a pump voltage Vp. Then, a pump current Ip serving as an air-fuel ratio signal flows between the inner electrode 28 and the outer measurement electrode 29. The pump current Ip changes according to the air-fuel ratio λ, for example, as shown by a characteristic line 46 shown in FIG.
[0063]
Reference numeral 42 denotes a heater power supply provided outside the casing 1, and the heater power supply 42 is connected to the heater pattern 24 via the lead wires 12 and the like as shown in FIG. The heater power supply 42 applies a voltage to the heater pattern 24 of the heater section 22 to cause the air-fuel ratio detecting element 21 (heater section 22) to generate heat at a temperature before and after 720 to 800 ° C., for example.
[0064]
The air-fuel ratio sensor according to the present embodiment has the above-described configuration. Next, a method for manufacturing the air-fuel ratio detecting element 21 will be described with reference to FIGS.
[0065]
First, when the heater section 22 is manufactured, the heater core 23 is formed as a circular rod from a ceramic material such as alumina as shown in FIG. 4, and the heater core 23 is provisionally fired in this state.
[0066]
Next, in a pattern printing step, a heater pattern 24 made of a heat-generating conductive material such as platinum is attached to the outer peripheral surface of the heater core 23 while a support shaft such as a chuck is engaged with both ends of the heater core 23 and the heater core 23 is rotated. Print on a curved surface. Further, each lead portion 24A of the heater pattern 24 is integrally formed by printing so as to extend toward the base end side of the heater core 23.
[0067]
Next, in the step of forming the heater coating layer 25, the heater coating layer 25 is formed by printing a paste-like material made of, for example, alumina or the like on the curved surface so as to cover the heater pattern 24 from the outside in the radial direction. As a result, the heater section 22 including the heater core 23, the heater pattern 24, and the heater coating layer 25 is formed.
[0068]
Next, in the step of forming the gas diffusion layer 26, the gas diffusion layer 26 is formed by performing a curved surface printing on the outer peripheral surface of the heater coating layer 25 with the paste-like substance made of the above-described alumina powder or the like.
[0069]
In the subsequent step of forming the inner electrode 28, the above-mentioned conductive paste is printed on the outer peripheral surface of the heater coating layer 25 in a curved surface so as to overlap from above the gas diffusion layer 26, and the wide electrode portion 28A of the inner electrode 28 is formed. The narrow electrode portion 28B and the lead portion 28C are formed. The lead portion 28C of the inner electrode 28 is formed by printing so as to extend to the base end side of the heater coating layer 25.
[0070]
In the next step of forming the solid electrolyte layer 27, the oxygen ion-conductive solid electrolyte layer 27 is formed by performing a curved surface printing so that a paste-like material made of, for example, zirconia and yttria is applied to the outer peripheral surface of the heater coating layer 25. The solid electrolyte layer 27 covers the inner electrode 28 with the gas diffusion layer 26.
[0071]
In the next step of forming the outer measurement electrode 29 and the reference electrode 30, a conductive paste made of platinum or the like is curved-printed on the outer peripheral surface of the solid electrolyte layer 27, so that the outer measurement electrode 29 is formed outside the solid electrolyte layer 27. , A reference electrode 30 is formed. The leads 29A and 30A of the electrodes 29 and 30 are formed by printing so as to extend to the base end side of the heater coating layer 25 in a state where they are separated from the lead 28C of the inner electrode 28.
[0072]
Next, in the step of forming the dense layer 32, the dense layer 32 is formed on the outer peripheral side of the solid electrolyte layer 27 and the outer peripheral side of the heater coating layer 25 by, for example, performing a curved surface printing of a paste made of alumina and silicon oxide. . An opening 33 is formed in the dense layer 32 at a position corresponding to the outer measurement electrode 29.
[0073]
In the subsequent step of forming the protective layer 34, a paste-like substance made of, for example, alumina or the like is printed on the outer peripheral side of the dense layer 32 so as to cover the outer measuring electrode 29 shown in FIGS. Thereby, the protective layer 34 is formed.
[0074]
In the next firing step, the heater core 23, heater pattern 24, heater coating layer 25, gas diffusion layer 26, solid electrolyte layer 27, electrodes 28, 29, 30, dense layer 32 and protective layer 34 formed as described above are used. The molded product of the air-fuel ratio detecting element 21 is simultaneously fired at a high temperature of, for example, about 1400 to 1500 ° C. for about 2 hours, and these are integrally sintered.
[0075]
Thus, after manufacturing the air-fuel ratio detecting element 21 by the above-described steps, the detecting element 21 is housed in the casing 1 as shown in FIG. 1, and the lead portions 24A, 28C, 29A, 30A are connected to the respective contact plates. The air-fuel ratio sensor is completed by making the springs 13 and 14 abut against each other and electrically connecting them.
[0076]
Next, the operation of detecting the oxygen concentration and the air-fuel ratio by the air-fuel ratio sensor will be described. First, the casing 1 of the air-fuel ratio sensor is screwed to an exhaust pipe or the like of the vehicle via the male thread 2A of the holder 2. Then, the air-fuel ratio detecting element 21 is fixed in a state where the tip side thereof protrudes into the exhaust pipe.
[0077]
When the exhaust gas flowing through the exhaust pipe by the operation of the engine is introduced around the air-fuel ratio detecting element 21 through the protector 15, a part of the exhaust gas passes through the opening 33 of the protective layer 34 and the dense layer 32. It reaches the surface of the outer measurement electrode 29 through the gas diffusion layer 26 and is also guided to the surfaces of the electrode portions 28A and 28B of the inner electrode 28 through the gas diffusion layer 26.
[0078]
Further, in this state, when power is supplied from the heater power supply 42 to the heater pattern 24 and the air-fuel ratio detecting element 21 is heated to about 720 to 800 ° C. by the heater section 22, the solid electrolyte layer 27 is activated. Then, a voltage is applied from a DC power supply 36 between the narrow electrode portion 28B of the inner electrode 28 and the reference electrode 30 which are opposed to each other with the solid electrolyte layer 27 interposed therebetween, and a voltage is applied between the wide electrode portion 28A and the outer measurement electrode 29. Between them, a voltage is applied via a differential amplifier 39.
[0079]
Thereby, the oxygen concentration in the exhaust gas and the flammability between the narrow electrode portion 28B and the reference electrode 30 and between the wide electrode portion 28A and the outer measurement electrode 29 are calculated by the following reaction formulas 1 to 6. An output voltage Vs based on the gas component concentration and a pump voltage Vp are generated corresponding to the respective air-fuel ratios λ, and the pump current Ip (diffusion limit current) at this time is output as a detection signal between the detection terminals 40 and 41. Things.
[0080]
That is, when the air-fuel ratio of the engine is a lean air-fuel ratio that is larger than the stoichiometric air-fuel ratio (λ = 1), a lean air-fuel mixture is formed in the combustion chamber of the engine. Oxygen remains in the exhaust gas flowing around the protective layer 34) without being burned. The oxygen in the exhaust gas is supplied to the electrodes 28A and 28B through the gas diffusion layer 26 in the direction indicated by the arrow A in FIG.
[0081]
For this reason, between the narrow electrode portion 28B of the inner electrode 28 constituting the Nernst cell 31 and the reference electrode 30, by applying a voltage from the DC power supply 36, for example, the electrochemical Catalytic cracking reaction is performed, and electrons are given to oxygen remaining in the exhaust gas to generate oxygen ions.
[0082]
Embedded image
Figure 2004239688
[0083]
Then, the oxygen ions at this time are transported from the narrow electrode portion 28 </ b> B to the reference electrode 30 via oxygen defects in the solid electrolyte layer 27. Therefore, in the reference electrode 30 of the Nernst cell 31, an electrochemical catalytic decomposition reaction according to the following Chemical Formula 2 is performed, and at this time, oxygen ions are decomposed into oxygen and electrons.
[0084]
Embedded image
2O 2- → O 2 + 4e
[0085]
As a result, oxygen is sucked into the reference electrode 30 into, for example, internal holes (not shown) or the like, and a relatively high oxygen partial pressure is generated in the reference electrode 30. However, in the state of the lean air-fuel ratio, oxygen continues to be supplied to the narrow electrode portion 28B of the inner electrode 28 through the gas diffusion layer 26. The oxygen partial pressure difference between the portion 28B and the reference electrode 30 is in a small state.
[0086]
For this reason, the electromotive force E of the above formula (1) generated in the Nernst cell 31 (solid electrolyte layer 27) based on the oxygen partial pressure difference between the two is suppressed to a small value, and the voltage of the reference electrode 30 (the output voltage Vs of the output terminal 37). ) Takes a voltage value lower than the stoichiometric air-fuel ratio state (λ = 1) corresponding to the oxygen concentration in the exhaust gas as shown by the characteristic line in FIG.
[0087]
On the other hand, when the air-fuel ratio of the engine is a rich air-fuel ratio that becomes smaller than the stoichiometric air-fuel ratio, oxygen remains in the exhaust gas flowing around the protection layer 34 and the like of the air-fuel ratio detection element 21 due to the rich mixture in the combustion chamber. For example, carbon monoxide (CO), hydrogen (H 2 ) Remains without being burned.
[0088]
As a result, oxygen does not exist in the exhaust gas supplied to the electrode portions 28A and 28B through the gas diffusion layer 26, and, for example, the oxygen partial pressure on the narrow electrode portion 28B side drops sharply. However, even in this state, oxygen is stored in the pores on the side of the reference electrode 30 by the reaction of the following chemical formulas 3 and 5, so that the oxygen content between the narrow electrode portion 28B and the reference electrode 30 is reduced. The pressure difference increases.
[0089]
As a result, the electromotive force E of the formula 1 generated in the Nernst cell 31 (solid electrolyte layer 27) greatly increases based on the oxygen partial pressure difference between the two, and the voltage of the reference electrode 30 (the output voltage of the output terminal 37). Vs) takes a voltage value higher than the stoichiometric air-fuel ratio state (λ = 1) corresponding to the oxygen concentration in the exhaust gas.
[0090]
Thus, the output voltage Vs from the output terminal 37 greatly changes in accordance with the oxygen concentration in the exhaust gas as shown by the characteristic line in FIG. 6, and the air-fuel ratio is in a rich state or lean according to the output voltage Vs. The state can be determined.
[0091]
In this case, the reference electrode 30 is connected to a DC power supply 36 as shown in FIG. 3, and a DC voltage V0 (pseudo-reference) for transporting oxygen ions from the inner electrode 28 to the reference electrode 30 via the solid electrolyte layer 27. The pumping voltage V0 for the pole is applied.
[0092]
Since the reference electrode 30 is completely surrounded by the solid electrolyte layer 27 and the dense layer 32 and is kept in a state of being isolated from external exhaust gas, the oxygen partial pressure of the reference electrode 30 is changed to the air-fuel ratio. Without being affected, it is possible to stably maintain the high oxygen partial pressure state, and the reference electrode 30 can function as an electrode (reference electrode) having a pseudo oxygen concentration.
[0093]
Thus, the output voltage Vs (the voltage of the reference electrode 30) from the output terminal 37 is switched on and off according to whether the air-fuel ratio is rich or lean, as shown by the characteristic line in FIG. Stable output characteristics can be obtained, and the oxygen concentration in the exhaust gas can be detected with high accuracy.
[0094]
The voltage of the reference electrode 30 (the output voltage Vs of the output terminal 37) is output to the differential amplifier 39 as shown in FIG. 3, and is compared with a comparison voltage VR corresponding to a stoichiometric air-fuel ratio. When the air-fuel ratio is in a rich state, the output voltage Vs becomes a high voltage value, and becomes higher than the comparison voltage VR corresponding to the stoichiometric air-fuel ratio.
[0095]
Therefore, from the output terminal of the differential amplifier 39, a pump having a voltage value (for example, 1.0 V) lower than the virtual ground 35 (for example, 1.5 V) on the electrode portions 28A, 28B side at the rich air-fuel ratio The voltage Vp is output.
[0096]
On the other hand, when the air-fuel ratio is in the lean state, the output voltage Vs becomes lower than the comparison voltage VR corresponding to the stoichiometric air-fuel ratio, so that the output terminal of the differential amplifier 39 is connected to the virtual ground on the electrode units 28A and 28B side. A pump voltage Vp having a voltage value (for example, 2.0 V) higher than 35 (for example, 1.5 V) is output.
[0097]
As described above, the pump voltage Vp whose voltage value greatly increases or decreases depending on whether the air-fuel ratio is rich or lean can be output from the differential amplifier 39, and this pump voltage Vp is equal to the electrode portions 28A, The characteristic is such that the voltage is switched between a low voltage and a high voltage value with respect to the virtual ground 35 on the 28B side.
[0098]
As a result, for example, the direction of the pump current Ip flowing between the wide electrode portion 28A of the inner electrode 28 and the outer measurement electrode 29 via the solid electrolyte layer 27 can be switched depending on whether the air-fuel ratio is rich or lean, The pump current Ip at this time can be taken out from the detection terminals 40 and 41 in FIG. 3 as an air-fuel ratio signal.
[0099]
Then, in the state of the rich air-fuel ratio, the outer measurement electrode 29 has a lower potential than the inner electrode 28, and therefore, the electrochemical catalytic decomposition reaction by the following Chemical Formula 3 is performed on the cathode-side outer measurement electrode 29, for example, Electrons are provided to carbon dioxide remaining in the exhaust gas to generate oxygen ions and carbon monoxide.
[0100]
Embedded image
Figure 2004239688
[0101]
Then, the oxygen ions at this time are transported from the outer measurement electrode 29 to the wide electrode portion 28A of the inner electrode 28 via oxygen defects in the solid electrolyte layer 27. Further, in the wide electrode portion 28A of the inner electrode 28 on the anode side, an electrochemical catalytic decomposition reaction according to the following chemical formula 4 is performed, and the exhaust gas permeated through the gas diffusion layer 26 and guided to the inner electrode 28 is formed. Carbon monoxide (CO) combines with oxygen ions at this time and is decomposed into carbon dioxide and electrons.
[0102]
Embedded image
CO + O 2- → CO 2 + 2e
[0103]
The flammable gas component in the exhaust gas is hydrogen (H 2 In the case of (2), an electrochemical catalytic decomposition reaction is performed on the outer measurement electrode 29 according to the following chemical formula 5, and electrons are given to water molecules remaining in the exhaust gas to generate oxygen ions and hydrogen.
[0104]
Embedded image
Figure 2004239688
[0105]
Then, the oxygen ions at this time are transported from the outer measurement electrode 29 to the wide electrode portion 28A of the inner electrode 28 via oxygen defects in the solid electrolyte layer 27. Further, on the side of the wide electrode portion 28A, an electrochemical catalytic cracking reaction is carried out according to the following chemical formula 6, and hydrogen (H 2 ) Is bonded to oxygen ions at this time and decomposed into water molecules and electrons.
[0106]
Embedded image
H 2 + O 2- → H 2 O + 2e
[0107]
As described above, in the state of the rich air-fuel ratio, by transporting oxygen ions from the outer measurement electrode 29 to the wide electrode portion 28A, the oxygen content between the inner electrode 28 (electrode portions 28A and 28B) and the reference electrode 30 is increased. In order to reduce the pressure difference, in other words, the rich / lean determination based on the voltage (output voltage Vs) of the reference electrode 30 is controlled so as to be inverted from rich to lean.
[0108]
On the other hand, in the state of the lean air-fuel ratio, the outer measurement electrode 29 has a higher potential than the inner electrode 28, and therefore, at the wide electrode portion 28A of the inner electrode 28 on the cathode side, the electrochemical catalytic decomposition by the above chemical formula 1 is performed. The reaction is performed, and electrons are given to oxygen in the exhaust gas that passes through the gas diffusion layer 26 and is guided to the wide electrode portion 28A of the inner electrode 28 to generate oxygen ions.
[0109]
Then, the oxygen ions at this time are transported from the wide electrode portion 28A of the inner electrode 28 to the outer measurement electrode 29 via oxygen defects in the solid electrolyte layer 27. Therefore, in the outer measurement electrode 29, an electrochemical catalytic decomposition reaction according to the above chemical formula 2 is performed, and at this time, oxygen ions are decomposed into oxygen and electrons.
[0110]
As described above, when the air-fuel ratio is lean, oxygen ions are transported from the wide electrode portion 28A of the inner electrode 28 to the outer measurement electrode 29, so that the distance between the inner electrode 28 (electrode portions 28A and 28B) and the reference electrode 30 is increased. In other words, the rich / lean determination based on the voltage (output voltage Vs) of the reference electrode 30 is controlled so as to reverse from lean to rich.
[0111]
As a result, the pump current Ip as a diffusion limit current flowing between the inner electrode 28 and the reference electrode 30 changes its flow direction depending on whether the air-fuel ratio is rich or lean, and is based on the stoichiometric air-fuel ratio (λ = 1). It changes linearly. Then, the pump current Ip is detected as a voltage between the detection terminals 40 and 41 across the detection resistor Rp shown in FIG. 3, and this is extracted as an air-fuel ratio detection signal as shown by a characteristic line shown in FIG. it can.
[0112]
Incidentally, in such an air-fuel ratio sensor, the inner electrode 28 provided between the gas diffusion layer 26 and the solid electrolyte layer 27 is provided with a single electrode portion 43A and a lead portion as in the comparative example shown in FIG. When the inner electrode 43 is formed as the inner electrode 43B, the internal resistance Ri of the Nernst cell 31 '(corresponding to the Nernst cell 31 shown in FIG. 3) increases as described below, and the output sensitivity range of the oxygen concentration tends to deteriorate. There is.
[0113]
When the air-fuel ratio in the exhaust gas is close to the stoichiometric air-fuel ratio (λ = 1) between time T1 and time T2 as indicated by a characteristic line 44 shown in FIG. If the number of reactive gas species is small, the pump current (diffusion limit current) serving as a detection signal of the air-fuel ratio may oscillate as shown by a characteristic line 45 in FIG. 7 to cause hunting.
[0114]
Therefore, in the present embodiment, the inner electrodes 28 provided between the gas diffusion layer 26 and the solid electrolyte layer 27 are separated from each other at intervals of a dimension t in the length direction as shown in FIGS. The wide electrode section 28A and the narrow electrode section 28B and the lead section 28C which connects and connects the wide electrode section 28A and the narrow electrode section 28B to each other to extend toward the base end side of the detection element 21 are formed. are doing.
[0115]
Then, the electrode widths (dimensions W1 and W2 in FIG. 5) of the wide electrode portion 28A and the narrow electrode portion 28B are substantially equal to the electrode widths of the outer measurement electrode 29 and the reference electrode 30, and the solid electrolyte layer 27 is formed. The wide electrode portion 28A is arranged to face the outer measurement electrode 29, and the narrow electrode portion 28B is arranged to face the reference electrode 30.
[0116]
As a result, it was confirmed that the internal resistance Ri of the Nernst cell 31 shown in FIG. 3 can be reduced to, for example, about 70Ω as shown in Table 1 below. Therefore, the output sensitivity range of the output voltage Vs output from the output terminal 37 as the oxygen concentration detection signal as shown by the characteristic line in FIG. 6 can be improved.
[0117]
In this case, an equivalent circuit of the Nernst cell 31 and the DC power supply 36 and the like is represented by an electric circuit shown in FIG. 8, and the voltage V0 (pumping voltage V0) of the DC power supply 36 is the output voltage Vs, the pumping current I0, and the adjustment resistance. R0 is represented by the following equation (2).
[0118]
(Equation 2)
V0 = Vs + (R0 × I0)
[0119]
Then, when the above equation (1) is substituted into equation (2), the pumping current I0 is represented by the following equation (3).
[0120]
[Equation 3]
I0 = (V0-E) / (R0 + Ri)
[0121]
By substituting the pumping current I0 according to the equation (3) into the equation (1), the output voltage Vs is represented by the following equation (4).
[0122]
(Equation 4)
Figure 2004239688
[0123]
The denominator component {1+ (Ri / R0)} related to the electromotive force E in the first term of Equation 4 decreases as the internal resistance Ri of the Nernst cell 31 decreases, so that the output voltage Vs Is improved.
[0124]
As described above, the present embodiment employs the inner electrode 28 having the wide electrode portion 28A and the narrow electrode portion 28B as shown in FIG. 3 to reduce the internal resistance Ri of the Nernst cell 31 as shown in Table 1. For example, it can be reduced to about 70Ω (0.07 kΩ), and the output sensitivity range of the output voltage Vs output from the output terminal 37 as the oxygen concentration detection signal can be improved.
[0125]
On the other hand, in the case of the comparative example using the inner electrode 43 shown in FIG. And the displacement d is reduced to d = 0.4 mm, d = 0.15 mm, and d = 0 mm as shown in Table 1 below, the internal resistance Ri of the Nernst cell 31 ′ is 20 kΩ, 7 kΩ, and 1 kΩ.
[0126]
Further, even when the shift amount d is set to, for example, d = −0.2 mm and the electrode portion 43 </ b> A radially opposes (overlaps) the reference electrode 30 by about 0.2 mm, the internal resistance of the Nernst cell 31 ′ is increased. Ri becomes 0.3 kΩ, and it is difficult to lower the internal resistance Ri of the Nernst cell 31 to about 70Ω (0.07 kΩ) as in the present embodiment using the inner electrode 28.
[0127]
[Table 1]
Figure 2004239688
[0128]
In the present embodiment, the wide electrode portion 28A of the inner electrode 28 is arranged to face the outer measurement electrode 29 with the solid electrolyte layer 27 interposed therebetween, and the narrow electrode portion 28B is arranged to face the reference electrode 30. Therefore, it is not necessary to displace the inner electrode 43 as in the comparative example, and the wide electrode portion 28A of the inner electrode 28 is disposed at a position close to the end surface 26A of the gas diffusion layer 26 as shown in FIG. Can be.
[0129]
Therefore, the gas diffusion of the exhaust gas diffused in the gas diffusion layer 26 in the direction of arrow A in FIG. 3, that is, the electrode reaction point of the wide electrode portion 28A (the platinum and solid electrolyte layer The diffusion of gas into the YSZ and the three-phase interface of the gas) can be accelerated, and a pump current (diffusion limit current) serving as an air-fuel ratio detection signal can be output as a characteristic line 46 shown in FIG. is there.
[0130]
In this case, when the air-fuel ratio in the exhaust gas is near the stoichiometric air-fuel ratio (λ = 1) between times T1 and T2 shown in FIG. 7, the pump current (diffusion limit current) serving as the detection signal of the air-fuel ratio can be maintained at almost zero as indicated by the characteristic line 46 in FIG. Hunting due to oscillation of the pump current as indicated by the characteristic line 45 (including the example).
[0131]
Further, since the reference electrode 30 provided outside the solid electrolyte layer 27 is covered with the dense layer 32, a Nernst cell in which the solid electrolyte layer 27 is sandwiched between the narrow electrode portion 28 </ b> B of the inner electrode 28 and the reference electrode 30. When the electromotive force E corresponding to the oxygen concentration in the exhaust gas is generated at 31, the oxygen transported from the narrow electrode portion 28 </ b> B to the reference electrode 30 via the solid electrolyte layer 27 is covered with the dense layer 32. The reference electrode 30 can be pooled around the reference electrode 30, and the accuracy of detecting the oxygen concentration can be improved by using the reference electrode 30 as an electrode having a reference oxygen concentration (reference electrode).
[0132]
Then, even in a rich atmosphere in which a large amount of combustible gas (hydrogen gas) or the like is present in the exhaust gas, the dense layer 32 can suppress the penetration of hydrogen at this time into the solid electrolyte layer 27 and diffusion. The pump current serving as the air-fuel ratio detection signal can be detected as a sharper characteristic as shown by a characteristic line 46 in FIG. 7 as compared with the conventional technology (characteristic line 45).
[0133]
The dense layer 32 covering the solid electrolyte layer 27, the outer measurement electrode 29, and the reference electrode 30 from the outside is provided with a substantially rectangular opening 33 having a predetermined opening area. The gas is allowed to contact and enter the outer measurement electrode 29 in the direction indicated by the arrow B in FIG.
[0134]
Then, exhaust gas is introduced into the gas diffusion layer 26 in the direction of arrow A from the end surface 26A on the tip side, and the gas is diffused toward the wide electrode portion 28A and the narrow electrode portion 28B of the inner electrode 28. It has a configuration.
[0135]
Thereby, the gas diffusion distance until the exhaust gas reaches the electrode portions 28A and 28B of the inner electrode 28 through the gas diffusion layer 26 in the direction of arrow A in FIG. 3 can be kept substantially constant. Variation in the gas diffusion resistance can be satisfactorily suppressed.
[0136]
As a result, the pump current Ip flowing between the inner electrode 28 and the outer measurement electrode 29 can be stabilized, and the characteristic curve in FIG. 7 is compared with the prior art represented by the characteristic curve 45 in FIG. 46, the pump current Ip is extracted as a large current value of, for example, about ± 1 mA (milliamperes) in either the lean atmosphere of the exhaust gas (for example, until time T1 in FIG. 7) or the rich atmosphere (after time T2). Can be.
[0137]
Therefore, according to the present embodiment, the internal resistance Ri can be reduced on the Nernst cell 31 side of the air-fuel ratio detecting element 21, and the output sensitivity range of the oxygen concentration can be improved. Further, even in the vicinity of the stoichiometric air-fuel ratio (λ = 1) as indicated by a characteristic line 46 shown in FIG. 7, the characteristics of the pump current can be stabilized, and the detection accuracy of the air-fuel ratio can be improved.
[0138]
Further, in the present embodiment, a heater pattern 24 is formed on the outer peripheral surface of the heater core 23 having a small-diameter rod shape, and an insulating material is provided on the outer peripheral side of the heater core 23 so as to cover the heater pattern 24 from the outside. By providing the heater coating layer 25, the heater portion 22 is formed in a long and narrow rod shape.
[0139]
The gas diffusion layer 26, the solid electrolyte layer 27, the electrode portions 28A and 28B of the inner electrode 28, the outer measurement electrode 29, the reference electrode 30, the dense layer 32, and the protective layer 34 are provided on the outer peripheral side of the heater 22. Etc. are formed using means such as curved surface printing.
[0140]
Therefore, the air-fuel ratio detecting element 21 having a circular rod shape as a whole can be manufactured, and a sufficient electrode area can be secured for the annular electrodes 28, 29, and 30 as compared with the plate-type air-fuel ratio detecting element. In addition, the internal resistance can be reduced, and the outer diameter dimension, volume, and the like of the air-fuel ratio detecting element 21 can be reliably reduced.
[0141]
In addition, since the outer shape of the air-fuel ratio detecting element 21 can be formed into a circular rod shape having no edge portion, compared to a plate-type element having an edge portion formed on the outside, the air-fuel ratio detecting element 21 can be formed. Of the solid electrolyte layer 27 can be suppressed.
[0142]
Further, by covering the outer peripheral side of the heater portion 22 with the gas diffusion layer 26, the solid electrolyte layer 27, the dense layer 32, and the like, it is possible to suppress the heater portion 22 from directly contacting the outside air and reduce the influence of the outside air temperature. As a result, the heat transfer area of the heater section 22 can be increased, and the heat from the heater section 22 can be efficiently transmitted to the solid electrolyte layer 27 and the like.
[0143]
As a result, the temperature rise time of the heater section 22 can be reliably shortened, the activation time of the solid electrolyte layer 27 can be shortened, and even at the time of starting the engine, the oxygen concentration and the like in the exhaust gas can be detected early. Feedback control of the fuel injection amount can be performed immediately. Further, the degree of freedom in mounting the air-fuel ratio sensor can be increased, and the power consumption of the heater section 22 can be reduced.
[0144]
On the other hand, since there is no need to specially form an air chamber or the like as a reference inside the air-fuel ratio detecting element 21 to introduce the atmosphere, the structure of the air-fuel ratio detecting element 21 can be simplified, and Workability can be improved. Further, by sandwiching the solid electrolyte layer 27 between the electrode portions 28A and 28B of the inner electrode 28 and the outer measurement electrode 29 and the reference electrode 30, a so-called pump cell, Nernst cell 31, and the like can be obtained by using only one solid electrolyte layer 27. Therefore, the outer diameter of the entire air-fuel ratio detecting element 21 can be reduced, and the size of the apparatus can be reduced.
[0145]
Next, FIGS. 10 and 11 show a second embodiment of the present invention. The feature of this embodiment is that a porosity between the gas diffusion layer and the solid electrolyte layer is larger than that of the gas diffusion layer. And a porous space layer covering both electrode portions of the first electrode. In the present embodiment, the same components as those in the first embodiment are denoted by the same reference numerals, and description thereof will be omitted.
[0146]
In the figure, reference numeral 51 denotes an air-fuel ratio detecting element as an air-fuel ratio detecting device employed in the present embodiment. The air-fuel ratio detecting element 51 is substantially the same as the air-fuel ratio detecting element 21 described in the first embodiment. It has a heater section 22, a gas diffusion layer 52, a solid electrolyte layer 27, electrode sections 28A and 28B of an inner electrode 28, an outer measurement electrode 29, a reference electrode 30, a dense layer 32, an opening 33, a protective layer 34, and the like. are doing.
[0147]
However, the air-fuel ratio detecting element 51 in this case is different from the first embodiment in that a porous space layer 53 described later is provided between the gas diffusion layer 52 and the solid electrolyte layer 27. is there. Further, the gas diffusion layer 52 is formed substantially in the same manner as the gas diffusion layer 26 according to the first embodiment, and a part of the exhaust gas is internally formed in the direction indicated by the arrow A (axial direction) from the front end surface 52A. It is something that spreads.
[0148]
53 is a porous space layer provided between the gas diffusion layer 52 and the solid electrolyte layer 27. The porous space layer 53 is larger than the gas diffusion layer 52 (for example, having a porosity of 10 to 45% by volume). It is formed by using a porous ceramic material having a porosity, and surrounds and covers both the electrode portions 28A and 28B of the inner electrode 28 with the solid electrolyte 27.
[0149]
That is, the porous space layer 53 is formed in an annular shape by printing a paste-like material made of the porous ceramic material on the outer peripheral side of the gas diffusion layer 52 using a means such as curved surface printing. It is configured by baking after printing of each layer almost in the same manner as in the first embodiment. The porous space layer 53 has a smaller thickness and a shorter length (axial dimension) than the gas diffusion layer 52.
[0150]
Thus, in the present embodiment configured as described above, substantially the same operation and effect as those in the first embodiment can be obtained. Particularly, in the present embodiment, a configuration in which a porous space layer 53 is provided between the gas diffusion layer 52 and the solid electrolyte layer 27, and the electrode portions 28A and 28B of the inner electrode 28 are covered with the porous space layer 53 from the radial inside. And
[0151]
Thereby, the electrode portions 28A and 28B of the inner electrode 28 are both covered with the porous space layer 53, and the oxygen concentration between the electrode portions 28A and 28B can be kept uniform. Then, a change in oxygen concentration on one electrode portion 28A side due to oxygen pumping (pump current) can be transmitted to the other electrode portion 28B side without delay, and the sensitivity of the Nernst cell 31 for detecting oxygen concentration can be increased.
[0152]
In addition, gas diffusion to an electrode reaction point (a three-phase interface of platinum constituting the electrode 28, YSZ constituting the solid electrolyte layer 27, and gas) in the one electrode portion 28A can be made faster, and is illustrated in FIG. The hunting suppressing effect of the pump current Ip can be further enhanced.
[0153]
Moreover, since the external exhaust gas is guided to the electrode portions 28A and 28B of the inner electrode 28 in the direction of arrow A from the end face 52A side of the gas diffusion layer 52 through the porous space layer 53, any of rich and lean atmospheres is possible. A sharp limit current curve (characteristic of the pump current) can be obtained as shown by a characteristic line 54 shown by a solid line in FIG.
[0154]
In this case, the characteristic line 54 in FIG. 11 is detected when the element temperature is set to 750 ° C. In a lean atmosphere of λ = 1.7, the pump current Ip is output at a current value of, for example, about 5 mA (milliamps). It was confirmed that the pump current Ip could be output at a current value of, for example, about −6 mA in a rich atmosphere of λ = 0.8.
[0155]
On the other hand, in the case of the prior art, even under the same conditions, a sharp limit current curve as shown by the characteristic line 55 shown by the one-dot chain line in FIG. The current value remains low.
[0156]
Next, FIG. 12 shows a third embodiment of the present invention. The feature of this embodiment is that the gas diffusion layer is formed with a large porosity, and the heater portion has a smaller porosity than the gas diffusion layer. Another object of the present invention is to provide a gas diffusion control layer having a porosity and covering the gas diffusion layer from the outside together with the solid electrolyte layer. In the present embodiment, the same components as those in the first embodiment are denoted by the same reference numerals, and description thereof will be omitted.
[0157]
In the figure, reference numeral 61 denotes an air-fuel ratio detecting element as an air-fuel ratio detecting device employed in the present embodiment. The air-fuel ratio detecting element 61 is substantially the same as the air-fuel ratio detecting element 21 described in the first embodiment. It has a heater section 22, a gas diffusion layer 62, a solid electrolyte layer 27, electrode sections 28A and 28B of an inner electrode 28, an outer measurement electrode 29, a reference electrode 30, a dense layer 65 and a protective layer 66 described later, and the like. I have.
[0158]
However, the air-fuel ratio detecting element 61 in this case is different from the first embodiment in that a gas diffusion control layer 63 described later that covers the gas diffusion layer 62 from the outside together with the solid electrolyte layer 27 is provided. is there.
[0159]
Further, the gas diffusion layer 62 is formed almost similarly to the gas diffusion layer 26 according to the first embodiment. However, in this case, the gas diffusion layer 62 is formed with a porosity of 45% by volume or more, and the end face 62A on the front end side is completely covered with a gas diffusion control layer 63 described later.
[0160]
Therefore, only the exhaust gas that has passed through the gas diffusion control layer 63 is guided from the end face 62 </ b> A in the arrow A direction (axial direction) into the gas diffusion layer 62, and the inside of the gas diffusion layer 62 is directed toward the inner electrode 28. Spread. The diffusion speed at this time is increased by the porosity of the gas diffusion layer 62.
[0161]
Reference numeral 63 denotes a gas diffusion control layer provided on the outer peripheral side of the heater section 22 at a position on the tip side of the solid electrolyte layer 27. The gas diffusion control layer 63 has a porosity (for example, porosity) smaller than that of the gas diffusion layer 62. (A rate of about 10% by volume) is used to cover the front end side of the solid electrolyte 27, the end face 62A of the gas diffusion layer 62, and the like from the outside.
[0162]
That is, the gas diffusion control layer 63 is formed by applying a paste-like material made of the porous ceramic material to the outside of the heater section 22 (heater coating layer 25), the solid electrolyte layer 27, and the gas diffusion layer 62 by means such as curved surface printing. The gas diffusion layer 62 is formed in a ring shape by performing thick film printing, and its front end (one end) extends to a position that completely covers the end face 62A of the gas diffusion layer 62.
[0163]
Further, the other end side of the gas diffusion control layer 63 extends to a position slightly covering the outer measurement electrode 29, and is substantially between the opening 33 described in the first embodiment and the dense layer 65 described later. A circumferentially extending gap 64 having a corresponding width dimension is formed. The gap 64 allows the outer measurement electrode 29 to come into contact with external exhaust gas in the direction of arrow B via a protective layer 66 described later.
[0164]
Reference numeral 65 denotes a dense layer employed in the present embodiment. The dense layer 65 is formed substantially in the same manner as the dense layer 32 described in the first embodiment, and prevents external exhaust gas from entering the inside. Things. However, the dense layer 65 is formed only up to a position where the tip side slightly covers the outer measurement electrode 29 on the outer peripheral side of the solid electrolyte layer 27, and has a gap with the gas diffusion control layer 63 on the outer peripheral side of the solid electrolyte layer 27. It is opposed in the axial direction via the reference numeral 64.
[0165]
Reference numeral 66 denotes a protective layer provided on the outer peripheral side of the solid electrolyte layer 27 so as to cover the gap 64 between the gas diffusion control layer 63 and the dense layer 65. The protective layer 66 is the protective layer described in the first embodiment. It is formed substantially in the same manner as the layer 34, and allows external exhaust gas to contact and enter the outer measurement electrode 29 through the gap 64 in the direction of arrow B.
[0166]
Thus, in the present embodiment configured as described above, substantially the same operation and effect as those in the first embodiment can be obtained. In particular, in the present embodiment, the gas diffusion layer 62 is formed with a porosity of 45% by volume or more, and the heater portion 22 has a porosity smaller than that of the gas diffusion layer 62, and the gas diffusion layer 62 is formed together with the solid electrolyte layer 27. A gas diffusion control layer 63 that covers the layer 62 from outside is provided.
[0167]
As a result, only the exhaust gas that has passed through the gas diffusion control layer 63 is guided to the electrode portions 28A and 28B of the inner electrode 28 through the gas diffusion layer 62, so that the porosity of the gas diffusion layer 62 is increased to 45% by volume or more. As a result, the gas diffusion rate can be increased, and substantially the same effects as those of the second aspect can be obtained.
[0168]
Next, technical ideas other than the claims that can be grasped from the above embodiments will be described below together with their effects.
[0169]
(1). 4. The air-fuel ratio detection device according to claim 1, wherein the first one electrode portion and the second electrode are connected to the flow of a gas to be measured diffusing in a gas diffusion layer. 5. An air-fuel ratio detection device disposed at a position upstream of the electrode portion and the third electrode.
[0170]
Thus, when a voltage is applied between the electrodes sandwiching the solid electrolyte layer, the flammable gas consisting of hydrogen, carbon monoxide, etc. in the gas to be measured diffused in the gas diffusion layer is transferred to the upstream side. Can be predominantly oxidized on one electrode portion side, and the amount of flammable gas reaching the other electrode portion downstream can be reduced.
[0171]
(2). 4. The air-fuel ratio detection device according to claim 1, wherein the first one electrode portion and the second electrode have an electrode area larger than the other electrode portion and the third electrode. 5. Air-fuel ratio detector.
[0172]
In this way, when a voltage is applied between the electrodes sandwiching the solid electrolyte layer, the combustible gas consisting of hydrogen, carbon monoxide, etc. in the gas to be measured diffused in the gas diffusion layer is removed from the electrodes. Oxidation can be predominantly oxidized on one electrode portion having a large area and the second electrode side, and the amount of flammable gas reaching the other electrode portion having a small electrode area and the third electrode side can be reduced. .
[0173]
(3). 4. The air-fuel ratio detection device according to claim 1, wherein the heater portion is formed in an elongated rod shape, and the gas diffusion layer, the first electrode, the solid electrolyte layer, An air-fuel ratio detection device having a configuration in which second and third electrodes and a dense layer are each printed on a curved surface and laminated.
[0174]
With such a configuration, the entire air-fuel ratio detection device can be formed into a circular rod-like structure. Oxygen concentration and air-fuel ratio can be detected with stable accuracy. In addition, each electrode portion of the first electrode and the second and third electrodes can be arranged so as to sandwich the solid electrolyte layer in the radial direction, thereby increasing the area of each electrode and reducing the distance between the electrodes. Electric resistance can be reduced.
[0175]
In addition, since it is not necessary to introduce a reference atmosphere into the air-fuel ratio detecting element, the structure of the air-fuel ratio detecting device can be simplified, and workability during manufacturing can be improved. Further, when the heater portion is formed to have a small diameter by forming a gas diffusion layer, a solid electrolyte layer, first, second, and third electrodes and a dense layer on the outer peripheral side of the heater portion serving as the mandrel portion. However, the heat transfer area of the heater with respect to the solid electrolyte layer can be increased, and the heat from the heater can be efficiently transferred to the solid electrolyte layer and the like.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a longitudinal sectional view showing an air-fuel ratio sensor provided with an air-fuel ratio detecting element according to a first embodiment of the present invention.
FIG. 2 is an enlarged cross-sectional view of the air-fuel ratio detecting element as viewed from the direction of arrows II-II in FIG.
FIG. 3 is a cross-sectional view of the air-fuel ratio detecting element as viewed from the direction of arrows III-III in FIG. 2;
FIG. 4 is a perspective view showing a step of forming a heater pattern, a heater coating layer, a gas diffusion layer, an inner electrode, a solid electrolyte layer, an outer measurement electrode, a reference electrode, a dense layer, a protective layer, and the like on the outer periphery of the heater core.
FIG. 5 is an enlarged development view showing an inner electrode in FIG. 4;
FIG. 6 is a characteristic diagram showing an output characteristic of an oxygen concentration by an air-fuel ratio detecting element.
FIG. 7 is a characteristic diagram showing an output characteristic of a pump current by an air-fuel ratio detecting element in relation to an air-fuel ratio.
FIG. 8 is an electric circuit showing an equivalent circuit in which a Nernst cell of the air-fuel ratio detecting element is connected to a DC power supply.
FIG. 9 is an explanatory diagram when a position of an inner electrode is shifted with respect to a reference electrode according to a comparative example.
FIG. 10 is a sectional view showing the air-fuel ratio detecting element according to the second embodiment at the same position as in FIG. 3;
FIG. 11 is a characteristic diagram illustrating a relationship between a pump voltage and a pump current for detecting an air-fuel ratio.
FIG. 12 is a cross-sectional view showing an air-fuel ratio detecting element according to a third embodiment at the same position as in FIG. 3;
[Explanation of symbols]
1 casing
21, 51, 61 Air-fuel ratio detecting element (air-fuel ratio detecting device)
22 heater section
23 heater core
24 Heater pattern
25 Heater coating layer
26,52,62 Gas diffusion layer
27 Solid electrolyte layer
28 inner electrode (first electrode)
28A wide electrode part (one electrode part)
28B narrow electrode part (the other electrode part)
29 Outside measuring electrode (second electrode)
30 Reference electrode (third electrode)
32,65 dense layer
33 opening
34,66 protective layer
36 DC power supply
37 output terminal
40, 41 Air-fuel ratio detection terminal
53 Porous space layer
63 Gas diffusion control layer
64 gap

Claims (3)

外部からの通電によって発熱するヒータ部と、
該ヒータ部に設けられ、被測定ガスが内部を拡散するガス拡散層と、
該ガス拡散層の外側に位置して前記ヒータ部に設けられ、前記ヒータ部からの熱により活性化される酸素イオン伝導性の固体電解質層と、
該固体電解質層と前記ガス拡散層との間に設けられて互いに導通する２つの電極部を有し、該各電極部に前記ガス拡散層を通じて被測定ガスが導かれる第１の電極と、
該第１の電極の各電極部のうち一方の電極部との間で前記固体電解質層を挟むように該固体電解質層の外側面に設けられ、外部から電圧を印加したときにポンプ電流が前記一方の電極部との間に流れる第２の電極と、
前記第１の電極の各電極部のうち他方の電極部との間で前記固体電解質層を挟むように該固体電解質層の外側面に設けられ、被測定ガス中の酸素濃度に対応した起電力が前記他方の電極部との間に発生する第３の電極と、
前記固体電解質層の外側に位置して前記ヒータ部に設けられ、少なくとも該第３の電極を外側から覆うことによって被測定ガスが内部に侵入するのを抑える緻密層とにより構成してなる空燃比検出装置。A heater section that generates heat when energized from the outside,
A gas diffusion layer provided in the heater section, in which the gas to be measured diffuses inside;
An oxygen ion-conductive solid electrolyte layer provided outside the gas diffusion layer and provided in the heater section and activated by heat from the heater section;
A first electrode, which is provided between the solid electrolyte layer and the gas diffusion layer and has two electrode portions that are electrically connected to each other, and a gas to be measured is guided to the respective electrode portions through the gas diffusion layer;
The first electrode is provided on an outer surface of the solid electrolyte layer so as to sandwich the solid electrolyte layer between one of the electrode portions of the first electrode portion, and a pump current is applied when a voltage is externally applied. A second electrode flowing between one of the electrode portions;
An electromotive force corresponding to the oxygen concentration in the gas to be measured, provided on the outer surface of the solid electrolyte layer so as to sandwich the solid electrolyte layer between the other electrode portions of the first electrode; A third electrode is generated between the other electrode portion,
An air-fuel ratio comprising a dense layer provided on the heater portion outside the solid electrolyte layer and covering at least the third electrode from the outside to prevent the gas to be measured from entering the inside; Detection device. 前記ガス拡散層と固体電解質層との間には、前記ガス拡散層よりも大なる気孔率を有し前記第１の電極の各電極部を共に覆う多孔質空間層を設ける構成としてなる請求項１に記載の空燃比検出装置。A porous space layer having a porosity greater than that of the gas diffusion layer and covering both electrode portions of the first electrode is provided between the gas diffusion layer and the solid electrolyte layer. 2. The air-fuel ratio detection device according to 1. 前記ガス拡散層は４５体積％以上の気孔率をもって形成し、前記ヒータ部には、該ガス拡散層よりも小なる気孔率を有し前記固体電解質層と共にガス拡散層を外側から覆うガス拡散制御層を設ける構成としてなる請求項１に記載の空燃比検出装置。The gas diffusion layer is formed with a porosity of 45% by volume or more, and the heater portion has a porosity smaller than that of the gas diffusion layer and has a gas diffusion control covering the gas diffusion layer from the outside together with the solid electrolyte layer. The air-fuel ratio detection device according to claim 1, wherein the air-fuel ratio detection device has a configuration in which a layer is provided.
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