(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
板状の固体電解質基板の一方の面に測定電極を配設するとともに、他方の面に基準電極を配設した酸素センサにおいて、
前記測定電極を覆って、測定ガスの通気が可能な多孔質層と、
前記基準電極を覆って、該基準電極を保護する層と、
前記固体電解質体の前記一方の面側と前記他方の面側とを連通する連通孔と、
前記多孔質層とは異なる通気性を有し、且つ、酸素の拡散を実質的に律速する機能を有する通気部と、
を備えるとともに、
前記通気部を、前記測定ガス側と前記基準電極との間の酸素の拡散を律速するように、前記測定ガス側から前記連通孔を介して前記基準電極に至るまでの間に配置し、
前記連通孔及び前記通気部を介して、前記基準電極が前記測定ガスに晒される構成としたことを特徴とする酸素センサ。
【請求項２】
前記通気部は、前記基準電極のリード部を構成する多孔質体からなり、且つ、該リード部が前記連通孔と接続していることを特徴とする前記請求項１に記載の酸素センサ。
【請求項３】
前記通気部は、前記連通孔内に配置された多孔質体からなることを特徴とする前記請求項１に記載の酸素センサ。
【請求項４】
前記通気部は、前記一方の面に配設され、且つ、前記連通孔を覆う多孔体からなることを特徴とする前記請求項１に記載の酸素センサ。
【請求項５】
前記通気部は、前記測定電極及び基準電極の位置より低温側に配設されていることを特徴とする前記請求項１〜４のいずれかに記載の酸素センサ。
【請求項６】
前記電極及び前記固体電解質体を有する板状の検出部と板状のヒータ部とが積層された積層型のセンサであることを特徴とする前記請求項１〜５のいずれか記載の酸素センサ。
【請求項７】
未焼成の前記検出部と未焼成の前記ヒータ部とが積層された後に、同時焼成されて一体化されたものであることを特徴とする前記請求項６記載の酸素センサ。
【請求項８】
前記検出部と前記ヒータ部とが多孔質層を介して積層されていることを特徴とする前記請求項６又は７に記載の酸素センサ。
【請求項９】
前記電極及び前記固体電解質体を有する板状の検出部と板状のヒータ部とが、間隙を介して近接して配置されていることを特徴とする前記請求項１〜５のいずれか記載の酸素センサ。
【請求項１０】
前記請求項１〜９のいずれかに記載された酸素センサを用いた空燃比検出方法であって、
前記両電極間に電流を流し、酸素の拡散が律速される基準電極側に測定電極側から酸素を汲み込んで、前記基準電極側に酸素基準雰囲気を生成させ、その際に前記両電極間に生じる起電力に基づいて空燃比を検出することを特徴とする空燃比検出方法。
【請求項１１】
前記請求項１〜９のいずれかに記載された酸素センサを用いた空燃比検出方法であって、
前記両電極間に電圧を印加し、酸素の拡散が律速される基準電極側から測定電極側に酸素を汲み込み、その際に前記両電極間に流れる電流に基づいて空燃比を検出することを特徴とする空燃比検出方法。
【請求項１２】
前記請求項１〜９のいずれかに記載された酸素センサを用いた空燃比検出方法であって、
検出する空燃比に応じて、前記請求項１０と請求項１１の空燃比検出方法を切り換えて空燃比を検出することを特徴とする空燃比検出方法。
【請求項１３】
λ＝１近傍の空燃比を検出する場合は、前記酸素センサの両電極間に電流を流し、酸素の拡散が律速される基準電極側に測定電極側から酸素を汲み込んで、前記基準電極側に酸素基準雰囲気を生成させ、その際に前記両電極間に生じる起電力に基づいて空燃比を検出し、
λ＞１のリーン領域の空燃比を検出する場合は、前記酸素センサの両電極間に電圧を印加し、酸素の拡散が律速される基準電極側から測定電極側に酸素を汲み込み、その際に前記両電極間に流れる電流に基づいて空燃比を検出することを特徴とする前記請求項１２に記載の空燃比検出方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、例えば自動車等の排気ガス中の酸素濃度（空燃比）を検出することができる酸素センサ及び空燃比検出方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、例えば自動車の排気ガス中のＣＯ、ＮＯｘ、ＨＣを軽減するために、排気系に酸素センサを配置し、この酸素センサの出力に基づいて、エンジンに供給する燃料混合気の空燃比を例えば理論空燃比（λ＝１）に制御する空燃比フィードバック制御が知られている。
【０００３】
この空燃比フィードバック制御に使用される酸素センサとしては、ジルコニア等の酸素イオン伝導性の固体電解質体をセンサ素子に用い、λ＝１にてその出力が急変するいわゆるλセンサが多く採用されている。
前記λセンサは、固体電解質体の隔壁の両側に多孔質の電極を設け、一方の電極に基準となる一定の酸素濃度の雰囲気を接触させるとともに、他方の電極に測定ガスを接触させ、その酸素濃度差によって両電極間に発生する起電力を測定することにより、測定ガス中の酸素濃度を検出するものである。
【０００４】
そして、前記基準となる雰囲気を一方の電極（基準電極）に接触させる方法としては、例えば、大気などの既知の酸素濃度の雰囲気を基準電極まで導く大気導入路を素子中に形成する方法が提案されている（特開昭６３−５２０５２号公報参照）。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、上述した構成の酸素センサ（λセンサ）は、自動車の排気ガス中の酸素濃度（空燃比）を測定する場合に、λ＝１の近傍でその出力が急変するので、λ＝１の近傍の空燃比を検出することはできるが、広い範囲（例えばリーン領域）における空燃比を測定できないという問題があった。
【０００６】
この対策として、いわゆる酸素濃淡電池素子及び酸素ポンプ素子を備え、空燃比のリーン及びリッチの全領域で空燃比を検出できる全領域空燃比センサが提案されている（特開平６−２７０８０号公報参照）。この全領域空燃比センサは、基準電極を僅かな漏洩を持たせて密閉しておき、基準電極から測定ガスに接する電極（測定電極）に向かって電流を流すことで、測定電極側から基準電極側に酸素を汲み込んで、基準電極側の密閉空間に基準となる雰囲気（内部基準酸素源）を形成する自己基準生成型の酸素センサである。
【０００７】
しかしながら、前記の全領域空燃比センサは、空燃比の全領域を検出できるという利点はあるものの、構造が複雑であり、機械的強度や耐久性において通常のλセンサに及ばず、しかもコストも高いという問題があった。
本発明は、前記課題を解決するためになされたものであり、広い範囲の空燃比を検出できるだけでなく、構造が簡単で、機械的強度や耐久性に優れ、低コストの酸素センサ及び空燃比検出方法を提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
(1)請求項１の発明の酸素センサは、板状の固体電解質基板の一方の面に測定電極を配設するとともに、他方の面に基準電極を配設した酸素センサにおいて、前記測定電極を覆って、測定ガスの通気が可能な多孔質層と、前記基準電極を覆って、該基準電極を保護する層と、前記固体電解質体の前記一方の面側と前記他方の面側とを連通する連通孔と、前記多孔質層とは異なる通気性を有し、且つ、酸素の拡散を実質的に律速する機能を有する通気部と、を備えるとともに、前記通気部を、前記測定ガス側と前記基準電極との間の酸素の拡散を律速するように、前記測定ガス側から前記連通孔を介して前記基準電極に至るまでの間に配置し、前記連通孔及び前記通気部を介して、前記基準電極が前記測定ガスに晒される構成としたことを特徴とする。
【０００９】
従って、この構成の酸素センサを使用して、両電極間の酸素の汲み出し方向を切り換えることにより、いわゆるλセンサとしての機能とリーン領域空燃比センサ（リーン側における空燃比を検出できるセンサ）としての機能とを切り換えて使用することができる。そのため、この酸素センサを使用すれば、広い範囲の空燃比を検出できるだけでなく、構造が簡単で、機械的強度や耐久性に優れ、コストも低いという顕著な効果を奏する。
【００１０】
この酸素センサを用いて空燃比を検出する方法に関しては、後に詳述するが、例えばλ＝１近傍の空燃比を検出できるλセンサとして使用する場合には、測定電極側から基準電極側に酸素をポンピングし、その際の起電力を測定することにより空燃比を検出する。一方、λ＞１のリーン領域の空燃比を検出する場合には、基準電極側から測定電極側に酸素をポンピングし、それによって生じる電流を測定することにより空燃比を検出する。
【００１１】
尚、ここで、基準電極とは、ガス拡散制限が行われる側（即ち酸素の拡散を律速するガス拡散抵抗が大きい側）の一方の電極を示し、測定電極とは、ガス拡散制限があまり行われない側（即ち前記基準電極側のガス拡散抵抗より十分に小さなガス拡散抵抗を有している側）の他方の電極を示している（以下同様）。
【００１７】
(2)請求項２の発明の酸素センサでは、通気部は、基準電極のリード部を構成する多孔質体からなり、且つ、リード部が連通孔と接続している。
【００１８】
つまり、基準電極のリード部を多孔質とし且つ前記連通孔を設けることにより、基準電極と測定ガス側とを連通することができるが、この際に、多孔質体の通気の状態を酸素の拡散を実質的に律速する程度に設定することにより、この多孔質体を通気部として使用することができる。
【００１９】
(3)請求項３の発明の酸素センサでは、通気部は、連通孔内に配置された多孔質体からなる。
つまり、この連通孔内に配置された多孔質体の通気の状態を、酸素の拡散を実質的に律速する程度に設定することにより、この多孔質体を通気部として使用することができる。
(4)請求項４の発明の酸素センサでは、通気部は、一方の面に配設され、且つ、連通孔を覆う多孔体からなる。
(5)請求項５の発明の酸素センサでは、通気部は、電極位置より低温側に配設されている。
【００２０】
従って、通気部は温度の影響を受け難くなっているので、例えば排気ガスの温度が大きく変化しても、酸素の拡散の律速の程度は変化しない。そのため、温度が変化した場合でも、精度よく酸素濃度（即ち空燃比）を検出することができる。
【００２１】
(6)請求項６の発明の酸素センサでは、電極及び固体電解質体を有する検出部と板状のヒータ部とが積層されている。
前記検出部とは、ヒータ部を除いたいわゆるセンサ素子の部分であり、通常、電極や固体電解質体に加え保護層や絶縁層等を有する。ヒータ部とはセンサ素子を加熱する発熱体を有するものである。
【００２２】
この様な積層タイプの酸素センサは、ヒータ部の加熱により効率的にセンサ素子を暖めることができるので、迅速に空燃比の検出が可能になる。
(7)請求項７の発明の酸素センサは、未焼成の検出部と未焼成のヒータ部とが積層された後に、同時焼成されて一体化したものである。
【００２３】
つまり、本発明の酸素センサは、酸素センサを構成する未焼成のパーツであるグリーンシート等を積層して同時焼成した積層型の酸素センサであるので、その製造工程を簡易化でき、しかも強固に一体化しているので耐久性に富む。
尚、ここでは、同時焼成されて一体化したものを述べたが、前記請求項６の発明の酸素センサとしては、例えば検出部とヒータ部とを各々焼成して形成した後に、それらを例えば接着剤等を用いて接合したものも挙げられる。
【００２４】
(8)請求項８の発明の酸素センサは、検出部とヒータ部とが多孔質体を介して積層されており、この多孔質体が通気部となっている。
つまり、検出部とヒータ部とが多孔質体を介して積層されているので、この多孔質体を通気部とすることで、別途通気部を設ける必要がなく、また、ヒータ部からのリーク電流が検出部に与える影響を抑えることができる。
【００２５】
また、この様な積層タイプの酸素センサは、前記請求項６と同様に、ヒータ部の加熱により効率的にセンサ素子を暖めることができる。更に、この酸素センサは、前記請求項７と同様に、グリーンシート等を積層して同時焼成して製造できるので、その製造工程を簡易化でき、しかも強固に一体化しているので耐久性に富む。
【００２６】
(9)請求項９の発明の酸素センサは、電極及び固体電解質体を有する検出部と板状のヒータとが、間隙を介して近接して配置されている。
従って、前記請求項６とほぼ同様に、このヒータ部の加熱により効率的にセンサ素子を暖めることができるので、迅速に空燃比の検出が可能になる。また、本発明では、検出部とヒータ部とが別体であるので、ヒータ部の発熱体からの漏洩電流が、センサ出力に影響を及ぼすことがない。更に、検出部とヒータ部のどちらか一方の不良品である場合には、良品のみを使用して酸素センサを製造することができるので、歩留りが良いという利点がある。
【００２７】
(10)請求項１０の発明の空燃比検出方法では、両電極間に電流を流し、拡散律速される一方の電極側に他方の電極側から酸素を汲み込んで、その一方の電極側に酸素基準雰囲気を生成させ、その際に両電極間に生じる起電力に基づいて空燃比を検出する。
【００２８】
つまり、λ＝１近傍の空燃比を検出したいときには、基準電極から測定電極に微少な電流を流すことで、基準電極側（例えばその多孔質層）に酸素ガスを汲み込んで基準電極側を基準の雰囲気とし、それによって、基準電極と測定電極との間に生じる起電力を測定して、測定ガスの空燃比を検出する。尚、この様に、基準電極と測定電極との間に生じる起電力を測定して測定ガスの空燃比を検出するセンサを、酸素濃淡電池型の酸素センサと称す。
【００２９】
(11)請求項１１の発明の空燃比検出方法では、両電極間に電圧を印加し、拡散律速される一方の電極側から他方の電極側に酸素を汲み込み、その際に流れる電流に基づいて空燃比を検出する。
つまり、λ＞１の領域、即ち（Ａ／Ｆ）＜１４．４のリーン領域の空燃比を検出するときには、測定電極と基準電極に所定の電圧（測定電極側が＋）を印加することにより、基準電極側から測定電極側に酸素ガスを汲み込み、このときの電流値から測定ガスの空燃比を検出する。
【００３０】
即ち、基準電極側の例えば多孔質層は、ガス拡散抵抗が大きいので、所定の電圧（例えば０．７Ｖ）で酸素を汲み出すと、そのときの汲み出される酸素の量は、測定電極から基準電極に流れる電流から計算でき、よって、逆に電流の大きさから測定ガス中の酸素濃度、即ち空燃比を検出することができる。尚、この様に酸素を汲み出す際の電流から空燃比を検出する方式を限界電流方式と称すが、本発明では、通常の限界電流方式とは、酸素を汲み出す方向が逆であり、よって、そのために使用する構成も異なっている。
【００３１】
つまり、限界電流方式を採用し、リーン側での空燃比フィードバック制御を行なっている場合、センサ構成が電極の一方を大気に晒す従来の方法では、例えばエンジンが加速時等でリッチ側に振られた場合、センサの両電極間に起電力を発生するので、センサ出力にこの起電力による影響がでる。
【００３２】
ところが、本発明では、両電極は測定ガス側に晒されているため、この起電力による影響を小さくできる。また、瞬時のリッチ変動に対しても、基準電極側にて拡散律速を行なう方式により、基準電極側は殆ど酸素量が０近傍にあるため、測定電極にリッチガスが来たとしても、起電力の発生は殆ど無視される。
【００３３】
(12)請求項１２の発明の空燃比検出方法では、検出する空燃比に応じて、請求項１０と請求項１１の空燃比検出方法を切り換えて空燃比を検出する。
前記請求項１１の発明で示したλ＞１の領域の空燃比検出方法は、従来より限界電流方式と呼ばれているが、一つの素子で、前記（起電力を発生させる）酸素濃淡電池型の酸素センサとしても、限界電流方式の酸素センサとしても用いることができる点が本発明の効果である。特に、基準雰囲気の生成を行なう自己基準生成型の酸素センサにおいて、酸素の移動方向を逆にしている（酸素濃淡電池の場合は測定電極から基準電極、今回の限界電流方式の場合は基準電極から測定電極に酸素は移動する測定）点が大きな特徴である。
【００３４】
つまり、上述した様に、請求項１０と請求項１１の発明では、酸素の汲み出し方向は逆であるが、本発明では、その様に酸素の汲み出し方向を逆転させることで、例えば実質的に拡散律速する多孔質層の設定に比較的自由度をもたせ、酸素濃淡電池型の酸素センサとしての応答性を確保しつつ、限界電流型の酸素センサとしてのガス拡散抵抗を大きくできる。
【００３５】
即ち、従来の限界電流方式の酸素センサは、測定電極側のガス拡散抵抗を大きくすることでガスを制限し、所定電圧を印加したときの電流値から空燃比を検出しているので、この測定電極を酸素濃淡電池の測定電極としてそのまま用いれば、大きなガス拡散抵抗が酸素センサの応答性を大きく損なうことになるが、本発明では、測定電極側でガスの拡散を律速するものではなく、基準電極側で拡散律速を行なうので、その様な問題は生じない。
【００３６】
また、通常の酸素濃淡電池型の酸素センサは、測定電極側のガス拡散抵抗はガスを制限するには小さすぎるので、そのまま限界電流方式の酸素センサとして用いても、λが１よりもかなり大きな領域（酸素濃度が高い領域）ではガスを制限しきれずに、測定が不正確になるという問題があるが、本発明では、測定電極側でガスの拡散を律速するものではなく、ガス拡散抵抗の大きな基準電極側にて拡散律速を行なうので、その様な問題は生じない。
【００３７】
更に、通常の自己基準方式の酸素センサでは基準電極側の多孔質層は密閉されているので、限界電流方式の酸素センサとして酸素を汲み込むと、基準電極側の酸素分圧が上がりすぎて、センサ素子が破壊されてしまう恐れがあるが、本発明では、基準電極側は密閉されてはいないので、その様な問題は生じない。
【００３８】
つまり、本発明では、この様な不具合に対して、上記の様に基準電極側と測定電極側の多孔質層等の通気性を違える様に工夫し、更に検出するモードを２つに分けることで（λ＝１検出モードと、λ＞１の領域検出モード）、問題を解決している。
【００３９】
尚、前記２つのモードの切り換えは、例えばエンジンを制御する際に、目標空燃比が例えばストイキからリーンに切り換えられた場合（又はその逆）に、両電極に加える電圧や電流の状態を変更することにより、自動的に実行することができる。
【００４０】
(13)請求項１３の発明の空燃比検出方法では、λ＝１近傍の空燃比を検出する場合は、酸素センサの両電極間に電流を流し、酸素の拡散が律速される一方の電極側に他方の電極側から酸素を汲み込んで、一方の電極側に酸素基準雰囲気を生成させ、その際に両電極間に生じる起電力に基づいて空燃比を検出する。また、λ＞１のリーン領域の空燃比を検出する場合は、酸素センサの両電極間に電圧を印加し、酸素の拡散が律速される一方の電極側から他方の電極側に酸素を汲み込み、その際に両電極間に流れる電流に基づいて空燃比を検出する。
【００４１】
これにより、前記請求項１２と同様に、一つの簡易な構造の酸素センサを用い、λセンサ及びリーン領域空燃比センサの機能を切り替えて、広い領域の空燃比を検出することができる等の作用効果を奏する。
【００４２】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明の酸素センサ及び空燃比検出方法の例（実施例）について説明する。
（実施例１）
本実施例の酸素センサは、例えば自動車の排気系に取り付けられて、測定ガス（排気ガス）中の酸素濃度（空燃比）を測定するものであり、測定モードを切り替えることにより、λ＝１（理論空燃比点＝ストイキ）近傍の空燃比と、λ＞１のリーン領域の空燃比を測定することができる。尚、本実施例の酸素センサは、基準電極のリード部にて酸素ガスの拡散律速を行うものである。
【００４３】
ａ）図１及び図２に酸素センサ１の構造を示す様に、本実施例の酸素センサ１は、積層タイプの板状（厚み２．２ｍｍ×幅３．５ｍｍ×長さ３５ｍｍ）のものであり、大きく分けて空燃比を検出する板状の検出部２と、検出部２を加熱する板状のヒータ部３とからなる。以下詳細に説明する。
【００４４】
前記検出部２は、厚さ０．５ｍｍの板状の固体電解質体５を備え、この固体電解質体５の両側には多孔質電極６，７が形成されている。該多孔質電極６，７のうち、内側の電極７は酸素ガスの拡散が実質的に律速される側の基準電極７であり、外側の電極６は拡散が実質的に律速されない側の測定電極６である。前記固体電解質体５は、Ｙ2Ｏ3を５mol％添加したＺｒＯ2を主成分とするものであり（他にＭｇＯ，ＣａＯ，ＳｉＯ2等の不純物を１０ｗｔ％以下含んでいてもよい）、両電極６，７は、主として白金からなるものである（他にＺｒＯ2，Ａｌ2Ｏ3等２０％程度含む）。
【００４５】
前記各電極６，７は、電極反応部６ａ，７ａとリード部６ｂ，７ｂとからなり、各リード部６ｂ，７ｂは、白金ロジウム（１３％ロジウム入り）のリード線９，１０に各々接続される。このうち、基準電極７のリード部７ｂは、前記固体電解質体５の後端（図１の下方）と絶縁層１１の後端に設けられたスルーホール５ｂ，１１ｂを介して接続部１２に接続され、この接続部１２にリード線１０が接続されている。また、基準電極７のリード部７ｂが排気ガスと接触できる様に、固体電解質体５及び絶縁層１１の中央側には、連通孔１３を形成するスルーホール５ａ，５ｂが設けられている。
【００４６】
更に、測定電極６の先端（図１の上方）からスルーホール５ａの形成位置近傍までを覆うように、ＺｒＯ2にＡｌ2Ｏ3を４０ｗｔ％含有する多孔質の保護層１４が設けられ、リード部６ｂの後端側及びリード線９，１０を覆うように、ＺｒＯ2からなる保護層１５が設けられている。このうち、先端側の保護層１４は、酸素ガスを実質的に拡散律速しない程度の通気性を有する多孔質層であり、後端側の保護層１５は、通気性を有しない緻密な層である。
【００４７】
一方、検出部２の基準電極７側には、基準電極７の先端から基端近傍までを覆うように、前記固体電解質体５と同様の寸法で同様の組成の固体電解質体１７が、基準電極７を保護するために設けられている。
そして、前記連通孔１３は、基準電極７のリード部７ｂと先端側の実質的に拡散律速をしない保護層１４とを接続しているので、リード部７ｂはこの連通孔１３を介して排気ガス側と接触することができる。
【００４８】
特に本実施例では、基準電極７のリード部７ｂにて酸素ガスを実質的に拡散律速するために、即ち多孔質の通気性を抑えるために（即ち気密性を高めるために）、リード部７ｂにおける白金粒径を細かくしている。
尚、リード部７ｂにおいて実質的に拡散律速するための手法として、これ以外に、例えば、積層時におけるリード部７ｂの厚さを電極反応部７ａの厚さより大きくし、積層圧力によってその密度を高めて気密性を向上する手法を採用できる。或は、ガラス等のリード部７ｂのみに助剤を添加して、焼成時における焼結性を高めて、気密性を向上させてもよい。
【００４９】
一方、ヒータ部３では、前記固体電解質体５と同様の寸法で同様の組成の固体電解質体１８の上に、Ａｌ2Ｏ3を主成分とする（他にＭｇＯ，ＣａＯ，ＳｉＯ2等の不純物を５ｗｔ％以下含んでいてもよい）一対の絶縁層（厚さ各３０μｍ）１９，２０が設けられ、更にこの両絶縁層１９，２０の間に、発熱体２１が設けられている。この発熱体２１は、発熱部２１ａ及び一対の発熱リード部２１ｂ1，２１ｂ2からなり、各発熱リード部２１ｂ1，２１ｂ2には、各々リード線２２，２３が接続されている。
【００５０】
尚、前記検出部２とヒータ部３とは、アルミナ又はジルコニアからなる多孔質体１６を介して一体に接合されている。
また、この発熱体２１には、図示しないコントローラによって電流が印加され、電極反応部６ａ，７ａの近傍の温度が所定値（３５０℃）以上に維持される。
【００５１】
そして、上述した構造の酸素センサ１を製造する場合には、例えば前記各固体電解質体５，１７，１８、絶縁層１１，１９，２０、保護層１４，１５、多孔質体層１６などの生シートを積層するととも、必要に応じて各生シートに電極６，７や発熱体２１となる導電パターンを印刷等により形成し、この様にして得られた積層体を、例えば４００℃で１０時間加熱して樹脂抜きを行い、その後、１５００℃で２時間焼成して、一体焼成（同時焼成）を行う。
【００５２】
ｂ）次に、この様にして得られた酸素センサ１を用いて空燃比を検出する方法について、図３及び図４に基づいて説明する。
▲１▼本実施例の酸素センサ１をλセンサとして使用する場合、即ちλ＝１近傍の空燃比を検出する場合には、図３（ａ）に示す様に、基準電極７を＋側に、測定電極６を−側に接続し、５Ｖの外部電源２５から５００ｋΩの接続抵抗２６を介して、両電極間６，７に１０μＡの電流を流し、測定電極６側から基準電極７側に酸素をポンピングして供給する。
【００５３】
これによって両電極６，７間に生ずる起電力を、例えば同図に示す位置に接続した電圧計２７によって測定し、これを酸素センサ１の出力とする。
このセンサ出力を図３（ｂ）に示すが、例えば排気ガスの空燃比がリーン（λ＝１．１）からリッチ（λ＝０．９）に変化した場合には、その変化に応じて大きく変動する。よって、この変動の状態から実際の空燃比の変化の状態が分かるので、このセンサ出力を用いて空燃比をλ＝１にフィードバック制御することができる。例えばセンサ出力が空燃比のリッチを示す値であれば燃料を減量し、逆にリーンを示す値であれば燃料を増量することにより、目標空燃比（この場合は、λ＝１）に制御することができる。
【００５４】
▲２▼一方、酸素センサ１をリーン領域の空燃比センサとして使用する場合には、即ちλ＞１の空燃比を検出する場合には、図４（ａ）に示す様に、前記図３（ａ）に示すλセンサの場合とは逆に、基準電極７を−側に、測定電極６を＋側に接続し、外部電源３２により両電極間６，７にＶｐ（例えば０．７Ｖ）の電圧を印加し、例えば同図に示す位置に接続した電流計３３によって両電極間６，７に流れる電流Ｉｐを測定する。
【００５５】
このセンサ出力を図４（ｂ）に示すが、例えば排気ガスの酸素濃度が１％，３％，５％の様に変化した場合には、センサ出力は同図の様に変化する。即ち、限界電流方式のセンサ出力と同様に、印加電圧が一定の場合、電流Ｉｐは酸素濃度が大きくなるほど大きくなる。従って、図４（ｃ）に示す様に、この電流Ｉｐの大きさに基づいて酸素濃度（空燃比）を検出することができる。
【００５６】
この様に、本実施例の酸素センサ１では、λセンサとして作動させる場合とリーン領域空燃比センサとして作動させる場合には、電極６，７の極性を逆にして、酸素の供給方向を逆にするだけでよい。つまり、１つの構造の酸素センサ１を用い、その通電方向を逆にするだけで、異なる機能を実現できるという顕著な効果を奏する。即ち、本実施例の酸素センサ１を用いることにより、広い範囲の空燃比を検出できるだけでなく、λ＝１近くの空燃比を精度良く測定できる上に、λセンサの様に構造を簡単化できるので、機械的強度や耐久性に優れ、コストも低減することができる。
【００５７】
また、本実施例の酸素センサ１では、λセンサとして動作させる場合には、拡散を律速しない程度の先端側の保護層１４における雰囲気変化が速いので、高い応答性を確保できる。
更に、リーン領域空燃比センサとして動作させる場合には、両電極６，７は共に排気ガス側に晒されているため、例えばエンジンが加速時等で実際の空燃比がリッチ側に振られても、従来の大気導入型のセンサの様に両電極６，７間に起電力が発生しないので、正確なセンサ出力が得られる。また、瞬時のリッチ変動に対しても、拡散制限を行なう方式により、基準電極７は殆ど酸素量が０近傍にあるため、測定電極７にリッチガスが来たとしても、起電力の発生は殆ど無視され、その点からも正確な空燃比の検出を行うことができる。
【００５８】
（実施例２）
次に実施例２について説明する。
本実施例の酸素センサは、前記実施例１の酸素センサとはその構造が異なるが、動作等はほぼ同じであるので、異なる点を中心にして説明する。
【００５９】
図５に示す様に、本実施例の酸素センサ４１は、検出部４２とヒータ部４３とが接合層４４にて接合されたものであり、特に基準電極側の保護層にて拡散律速を行っている。
前記検出部４２においては、前記実施例１とほぼ同様に、ＺｒＯ2等からなる板状の固体電解質体４５の測定ガス側に、白金等からなる多孔質の測定電極４７が設けられている。そして、ＺｒＯ2等からなる板状の固体電解質体４８が設けられ、基準電極４６がその固体電解質体４８の上に設けられている。測定電極４７には、電極反応部４７ａを覆う様に多孔質の保護層５１が設けられ、電極反応部４７ａより後端側（図の下方）を覆う様に多孔質の保護層５２が設けられている。
【００６０】
特に、本実施例では、先端側（図の上方）の保護層５１は、実質的に拡散律速しない程度の通気性を備えた多孔質層であり、後端側の保護層５２は、実質的に拡散律速することができる程度に通気性を低くした多孔質層である。
また、前記基準電極４６の（固体電解質体４５側の）表面に沿って隙間５５が設けられており、この隙間５５と前記保護層５２とを連通する様に、即ち基準電極４６に接する隙間５５と排気ガス側とを連通する様に、連通孔５６が設けられている。
【００６１】
一方、ヒータ部４３は、ＺｒＯ2、ＭｇＯ、又はＡｌ2Ｏ3等のセラミックスからなる板状の一対の絶縁層５７，５８と、この両絶縁層５７，５８に挟まれた白金等からなる発熱体５９とから構成されている。
上述した構成の酸素センサ４１は、生シート等を積層してなる検出部形成用の積層体（図示せず）を焼成して検出部４２を形成するとともに、同様に生シート等を積層したヒータ部形成用の積層体（図示せず）を焼成してヒータ部４３を形成し、この検出部４２とヒータ部４３を、例えばセメント等の無機質の耐熱性の接着剤にて接合して製造する。
【００６２】
本実施例の酸素センサ１は、前記実施例１と同様に、λセンサとして機能させる場合には、測定電極４７側から基準電極４６側に酸素をポンピングすることにより、両電極４７，４８間の起電力を測定して、空燃比を検出する。一方、リーン領域空燃比センサとして機能させる場合には、基準電極４６側から測定電極４７側に酸素をポンピングすることによって流れる電流を測定して、空燃比を検出する。
【００６３】
よって、本実施例においても、前記実施例１と同様な効果を奏するとともに、基準電極４６に接する間隙５５と保護層５２を連通する連通孔５６を設け、この保護層５２にて酸素ガスの拡散律速を行うので、一旦製造した酸素センサ１において、拡散律速の程度を微調整することができるという利点がある。
【００６４】
また、基準電極４６を形成する際には、前記実施例１の様に、電極反応部４６ａとリード部４６ｂとを別の構造（別の気密性）にする必要がないので、特に基準電極４６の形成が容易である。
更に、検出部４２とヒータ部４３とを別に焼成して形成し、その後接着するので、検出部４２とヒータ部４３のどちらかに不良が発生した場合でも、適正品のみを組み合わせて使用することができ、歩留りが向上して製造コストが低減する。
【００７３】
（実施例３）
次に実施例３について説明する。
本実施例の酸素センサは、前記実施例１又は２の酸素センサとはその構造が異なるが、動作等はほぼ同じであるので、異なる点を中心にして説明する。
【００７４】
図６に示す様に、本実施例の酸素センサ１０１は、検出部１０２とヒータ部１０３とが、図示しないスペーサにより間隙１０４を介して近接して配置されている。
前記検出部１０２においては、例えばＺｒＯ2等の板状の固体電解質体１０６の一方の側に、白金等からなる多孔質の測定電極１０７が設けられ、他方の側に同様な白金等からなる基準電極１０８が配置されている。
【００７５】
そして、測定電極１０７の電極反応部１０７ａの表面を覆って、実質的に拡散律速しない程度の通気性を有する多孔質の（例えばＡｌ2Ｏ3からなる）保護層１１１が設けられ、また、図示しないリード部の表面を覆って、通気性のない例えばＡｌ2Ｏ3からなる絶縁層１１２が設けられている。また、基準電極１０８の表面（間隙１０４側）を覆って、例えばＺｒＯ2からなる固体電解質体１１３が設けられている。
【００７６】
特に本実施例では、基準電極１０８のリード部１０８ｂから排気ガス側に連通する連通孔１１４が設けられ、この連通孔１１４の内部には、図６（ｂ）に示す様に、実質的に拡散律速する程度に通気性を低くした多孔質の（例えばＡｌ2Ｏ3からなる）拡散律速層１１５が設けられている。
【００７７】
また、ヒータ部１０３は、Ａｌ2Ｏ3等からなる板状の絶縁層１１６，１１７の間に、白金等からなる発熱体１１８が設けられたものである。
本実施例の酸素センサ１０１は、前記実施例と同様な作用効果を奏する。
尚、本発明は前記実施例になんら限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において種々の態様で実施しうることはいうまでもない。
例えば図７に示す様に、連通孔１２１を、基準電極１２２のリード部１２２ｂの後端（図の下方）、即ち酸素センサ１２３を図示しない排気管に取り付けるための筒状の金具１２４の近傍に設けてもよい。
【００７８】
この様に連通孔１２１を配置することにより、前記実施例３の場合よりも温度の影響を受け難くなり、排気ガス等の温度が変化した場合でも、拡散律速の程度が変化し難くなるので、より精密な空燃比の検出を行うことができる。
【００７９】
【発明の効果】
以上詳述した様に、請求項１〜９の発明の酸素センサでは、測定電極を覆って、測定ガスの通気が可能な多孔質層と、基準電極を覆って、基準電極を保護する層と、固体電解質体の一方の面側と他方の面側とを連通する連通孔と、多孔質層とは異なる通気性を有し、且つ、酸素の拡散を実質的に律速する機能を有する通気部と、を備えるとともに、その通気部を、測定ガス側と基準電極との間の酸素の拡散を律速するように、測定ガス側から連通孔を介して基準電極に至るまでの間に配置し、連通孔及び通気部を介して、基準電極が測定ガスに晒される構成を有しているので、この酸素センサを使用すれば、広い範囲の空燃比を検出できるだけでなく、構造が簡単で、機械的強度や耐久性に優れ、低コストであるという顕著な効果を奏する。
【００８０】
請求項１０の発明の空燃比検出方法では、上述した構成の酸素センサを用い、酸素のポンピング方向を設定してその起電力を測定することにより、λセンサとしてλ＝１近傍の空燃比を検出することができる。
請求項１１の発明の空燃比検出方法では、上述した構成の酸素センサを用い、両電極間に電圧を印加してその電流値を測定することにより、リーン領域空燃比センサとしてλ＞１の領域の空燃比を検出することができる。
【００８１】
請求項１２，１３の発明の空燃比検出方法では、酸素センサに印加する電流や電圧の状態を、検出する空燃比に応じて切り換えることにより、酸素センサをλセンサ及びリーン領域空燃比センサとして使用することができる。よって、簡易な構成にて、広い領域の空燃比を検出することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  実施例１の酸素センサを示し、（ａ）はその一部を破断して示す斜視図、（ｂ）は（ａ）におけるＡ−Ａ断面図である。
【図２】  実施例１の酸素センサの分解斜視図である。
【図３】  実施例１の酸素センサを用いた空燃比検出方法を示し、（ａ）はその装置構成を示す説明図、（ｂ）はその信号を示すグラフである。
【図４】  実施例１の酸素センサを用いた他の空燃比検出方法を示し、（ａ）はその装置構成を示す説明図、（ｂ）はその信号の電流と電圧との関係を示すグラフ、（ｃ）はその信号の電流と酸素濃度との関係を示すグラフである。
【図５】  実施例２の酸素センサを示し、（ａ）はその一部を破断して示す斜視図、（ｂ）は（ａ）におけるＡ−Ａ断面図である。
【図６】  実施例３の酸素センサを示し、（ａ）はそのの一部を示す断面図、（ｂ）はその要部を拡大して示す説明図である。
【図７】  その他の酸素センサを示す説明図である。
【符号の説明】
１，４１，１０１…酸素センサ
２，４２，１０２…検出部
３，４３，１０３…ヒータ部
５，１７，１８，４５，４８，１０６，１１３…固体電解質体
６，４７，１０７…測定電極
６ａ，７ａ，４６ａ，４７ａ，１０７ａ…電極反応部
６ｂ，７ｂ，４６ｂ，１０８ｂ，１２２ｂ…リード部
７，４６，１０８…基準電極
１３，５６，１１４…連通孔
１４，１５，５１，５２，１１１…保護層
１６…多孔質体
１９，２０，５７，５８，１１２，１１６，１１７…絶縁層
２１，５９，１１８…発熱体
１１５…拡散律速層
【図１】
0003694377.tif 000002
【図２】
0003694377.tif 000003
【図３】
0003694377.tif 000004
【図４】
0003694377.tif 000005
【図５】
0003694377.tif 000006
【図６】
0003694377.tif 000007
【図７】
0003694377.tif 000008