(57)【要約】【課題】被測定ガス中の酸素分圧に応じた電流値の検出精度が低下することを抑制する。【解決手段】空燃比センサ４０は、第１固体電解質体６１と、第１固体電解質体６１の一方の面に配置されているガス検出電極６２と、第１固体電解質体６１の他方の面に配置されている基準電極６３と、第１固体電解質体６１の他方の面に積層されている第２固体電解質体７１と、第２固体電解質体７１において基準電極６３とは反対側に配置されている酸素供給電極７３とを備えている。第１固体電解質体６１と第２固体電解質体７１とによって区画されているとともに基準電極６３の外面から第１固体電解質体６１及び第２固体電解質体７１の外部へと至る通気用空間室８０に、多孔質性の材料で形成されたガス拡散体８８が配置されている。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１固体電解質体と、前記第１固体電解質体の一方の面に配置されているとともに被測定ガスに晒されるガス検出電極と、前記第１固体電解質体の他方の面に配置されている基準電極と、前記基準電極を間に挟み込んだ状態で前記第１固体電解質体の他方の面に積層されている第２固体電解質体と、前記第２固体電解質体の前記基準電極とは反対側に配置されて前記基準電極とともに前記第２固体電解質体を挟み込む酸素供給電極とを備え、前記ガス検出電極及び前記基準電極間には第１電源により電圧が印加され、前記酸素供給電極及び前記基準電極間には第２電源により電圧が印加される空燃比センサであって、
前記第１固体電解質体と前記第２固体電解質体とによって区画されているとともに前記基準電極の外面から前記第１固体電解質体及び前記第２固体電解質体の外部へと至る通気用空間室に、多孔質性の材料で形成されたガス拡散体が配置されている空燃比センサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、空燃比センサに関する。
【背景技術】
【０００２】
特許文献１に開示された空燃比検出装置は、排気中の酸素分圧に応じた電流値を検出するための空燃比センサを備えている。空燃比センサは、第１固体電解質層を備えている。第１固体電解質層の一方の面には、被測定ガスである排気に晒されるガス検出電極が配置されている。第１固体電解質層の他方の面には、基準電極が配置されている。また、第１固体電解質層の他方の面には、基準電極を間に挟んで第２固体電解質層が配置されている。第２固体電解質層において、基準電極と反対側の面には酸素供給電極が配置されている。
【０００３】
上記空燃比センサにおいては、ガス検出電極及び基準電極間に所定の電圧が印加されることで、排気中の酸素分圧と基準電極近傍の酸素分圧との差に応じて両電極間で第１固体電解質層を通じて酸素の移動が生じる。それとともに、上記の差に応じた量の電流が両電極間に流れる。この電流値が、排気中の酸素分圧に応じた検出信号として出力される。
【０００４】
また、上記空燃比センサにおいては、基準電極及び酸素供給電極間に電圧を印加することで、基準電極近傍の酸素分圧が調節される。すなわち、基準電極及び酸素供給電極間の電圧は、基準電極及び酸素供給電極間に流れる電流値が基準電極及びガス検出電極間を流れる電流値と一致するように制御される。これにより、基準電極と酸素供給電極との間に流れる電流値に応じて、第２固体電解質層を通じて酸素供給電極の側から基準電極の側へ酸素を供給したり、基準電極の側から酸素供給電極の側へ酸素を排出したりするようになっている。その結果、第１固体電解質層を通過する酸素量と同量の酸素量が第２固体電解質層を通過し、基準電極近傍の酸素分圧がほぼ一定に維持される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開平１１−７２４７３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
上述のようにして基準電極及び酸素供給電極間に流れる電流値を制御したとしても、第１固体電解質層と第２固体電解質層とを通過する酸素量が厳密には一致しない場合がある。こうした僅かな誤差の積み重なりにより、基準電極近傍の酸素分圧が徐々に上昇してしまうことがある。ここで、上記空燃比センサでは、基準電極の周囲が第１固体電解質層と第２固体電解質層とで密閉された状態となっている。そのため、基準電極近傍の酸素分圧が過度に上昇してしまうと、つぎのような問題が生じ得る。すなわち、ガス検出電極近傍と基準電極近傍との間の酸素分圧の差に応じてガス検出電極の側から基準電極の側に酸素が移動しようとした場合に、基準電極近傍で酸素が充満していて基準電極の側へ移動できる酸素の量が制限されてしまうおそれがある。この場合、排気中の酸素分圧に応じた電流値を正しく検出できなくなる。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記課題を解決するための空燃比センサは、第１固体電解質体と、前記第１固体電解質体の一方の面に配置されているとともに被測定ガスに晒されるガス検出電極と、前記第１固体電解質体の他方の面に配置されている基準電極と、前記基準電極を間に挟み込んだ状態で前記第１固体電解質体の他方の面に積層されている第２固体電解質体と、前記第２固体電解質体の前記基準電極とは反対側に配置されて前記基準電極とともに前記第２固体電解質体を挟み込む酸素供給電極とを備えている。前記ガス検出電極及び前記基準電極間には第１電源により電圧が印加される。前記酸素供給電極及び前記基準電極間には第２電源により電圧が印加される。そして、前記第１固体電解質体と前記第２固体電解質体とによって区画されているとともに前記基準電極の外面から前記第１固体電解質体及び前記第２固体電解質体の外部へと至る通気用空間室に、多孔質性の材料で形成されたガス拡散体が配置されている。
【０００８】
上記構成においては、基準電極近傍に酸素が多く供給された場合には、ガス拡散体を通じて基準電極近傍の酸素を空燃比センサの外部に排出できる。しがって、基準電極近傍の酸素分圧が上昇したとしても、当該酸素分圧が過度に高くなることは抑制される。そのため、ガス検出電極及び基準電極間に電圧を印加することに伴ってガス検出電極の側から基準電極の側へ酸素が移動しようとした場合に、基準電極近傍で酸素が充満していて基準電極の側へ移動できる酸素の量が制限されてしまうといった事態は生じにくい。したがって、上記構成によれば、基準電極近傍の酸素分圧が過度に高くなることに起因して、排気中の酸素分圧に応じた電流値の検出精度が低下することは抑制できる。
【０００９】
なお、通気用空間室に何も配置されていない場合に比べて、通気用空間室にガス拡散体が配置されている上記構成では、基準電極近傍から外部へと酸素が流通しにくく、基準電極近傍に相応の量の酸素を保持できる。したがって、基準電極の側からガス検出電極の側へ酸素が移動しようとした場合に、基準電極近傍で酸素が欠乏していてガス検出電極の側へ移動する酸素の量が不足しまうことが抑制される。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】空燃比センサを搭載した内燃機関の概略図。
【図２】空燃比センサの断面図。
【図３】空燃比センサの分解斜視図。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下、内燃機関に搭載されている空燃比センサの一実施形態を図１〜図３を参照して説明する。先ず、内燃機関Ｅの概略構成について説明する。
図１に示すように、内燃機関Ｅは、外部から吸気を導入するための吸気通路１１を備えている。吸気通路１１には、燃料と吸気との混合気を燃焼させる気筒１０が接続されている。気筒１０には、排気を外部に排出するための排気通路２１が接続されている。
【００１２】
吸気通路１１には、当該吸気通路１１に導入される空気を濾過するエアクリーナ１２が設けられている。吸気通路１１におけるエアクリーナ１２よりも下流側には、通路面積を可変とするスロットルバルブ１３が設けられている。吸気通路１１におけるエアクリーナ１２とスロットルバルブ１３との間には、吸気通路１１に導入された空気の流量を検出するエアフロメータ１４が設けられている。エアフロメータ１４は、検出した空気の流量値を、内燃機関Ｅの制御装置である電子制御ユニット３０（以下、ＥＣＵ３０と略記する。）に出力する。吸気通路１１におけるスロットルバルブ１３よりも下流側には、燃料を噴射するインジェクタ１５が設けられている。
【００１３】
排気通路２１には、排気中の成分を浄化する触媒２２が設けられている。排気通路２１における触媒２２よりも上流側には、排気中の酸素分圧に応じた検出信号を出力する空燃比センサ４０が設けられている。空燃比センサ４０は、具体的には、排気中の酸素分圧に応じた電流値をＥＣＵ３０に出力する。
【００１４】
ＥＣＵ３０は、空燃比センサ４０が検出した電流値に基づいて、排気通路２１における触媒２２の上流部分の酸素分圧を算出する。そして、ＥＣＵ３０は、算出した酸素分圧に基づいて、気筒１０に供給された混合気の空燃比を演算する。また、ＥＣＵ３０には、エアフロメータ１４、アクセルペダルの操作量を検出するアクセルセンサ、機関回転速度を検出する回転速度センサ等の各種センサの検出値が入力される。ＥＣＵ３０は、各種センサの検出値から把握される内燃機関Ｅの状況に応じて、スロットルバルブ１３やインジェクタ１５等を制御して空燃比制御を行う。
【００１５】
次に、空燃比センサ４０の具体的な構成について説明する。
図２に示すように、空燃比センサ４０は、外面が排気通路２１内に露出して配置されるセンサ素子４２を備えている。なお、空燃比センサ４０が内燃機関Ｅに搭載された状態では、センサ素子４２の外面は、内燃機関Ｅの駆動時に排気に晒される。
【００１６】
図２及び図３に示すように、センサ素子４２は、長方形板状のヒータ支持板５１を備えている。ヒータ支持板５１は、例えばアルミナ製である。ヒータ支持板５１は、材料密度が高く、気体が通過不能となっている。なお、以下の説明では、図３に示すように、ヒータ支持板５１の長辺方向を長さ方向とし、長辺方向に直交する短辺方向を幅方向とする。また、ヒータ支持板５１の厚み方向を上下方向とする。ヒータ支持板５１の下面及び側面は、センサ素子４２の外面の一部を構成している。
【００１７】
ヒータ支持板５１の内部には、センサ素子４２の温度を調整するヒータ５２が埋設されている。センサ素子４２を上側から平面視したとき、ヒータ５２は、略Ｍ字形状に延びている。ヒータ５２は電熱線であり、図示しないヒータ用電源からの給電により発熱する。ヒータ５２は、センサ素子４２の温度がおよそ６５０〜７５０℃になるように加熱制御されている。
【００１８】
ヒータ支持板５１の上面には全体として長方形板状をなす隔壁体５３が固定されている。隔壁体５３は、例えばアルミナ製である。隔壁体５３は、材料密度が高く、気体が通過不能となっている。隔壁体５３の厚み及び縦横の寸法（以下、これらを総称して外寸と略記する。）は、ヒータ支持板５１の外寸と一致している。隔壁体５３の側面は、センサ素子４２の外面の一部を構成している。
【００１９】
隔壁体５３には、四角形状の貫通孔５３ａが上下方向に貫通している。隔壁体５３において、貫通孔５３ａを囲む壁部のうち、長さ方向の一方側の壁部（図３において左下側の部分）は、当該隔壁体５３の外側に開放された開放壁部５３ｂとなっている。開放壁部５３ｂには、四角柱状の拡散抵抗体５４が嵌め込まれている。上下方向における拡散抵抗体５４の寸法は、隔壁体５３の厚みと一致している。拡散抵抗体５４は、多孔質性の材料で形成されており、通気性を有する。拡散抵抗体５４は、例えばアルミナ製である。拡散抵抗体５４の外面の一部はセンサ素子４２の外面の一部を構成している。
【００２０】
図３に示すように、隔壁体５３の上面には、下側に窪んだ凹条部５３ｃが形成されている。この凹条部５３ｃは、隔壁体５３における長さ方向の一端から隔壁体５３の貫通孔５３ａまで長さ方向に延びている。
【００２１】
図２及び図３に示すように、隔壁体５３及び拡散抵抗体５４の上面には、長方形板状の第１固体電解質体６１が固定されている。第１固体電解質体６１は、酸素イオン伝導性のある電解質体である。第１固体電解質体６１の酸素イオン伝導性は、ヒータ５２による加熱によって第１固体電解質体６１の温度が高くなるほど高まる。第１固体電解質体６１の外寸は、隔壁体５３の外寸と一致している。第１固体電解質体６１の側面は、センサ素子４２の外面の一部を構成している。
【００２２】
図２に示すように、第１固体電解質体６１の下面、隔壁体５３の貫通孔５３ａの内面、及びヒータ支持板５１の上面によって被測定ガス室５８が区画されている。内燃機関Ｅの駆動時においては、センサ素子４２の外部に流通する排気が拡散抵抗体５４を介して被測定ガス室５８に流入する。そして、拡散抵抗体５４を通過する際に排気の流速が低下する。そのため、排気通路２１を通過する排気の流速に脈動が生じても、被測定ガス室５８に流入する排気の流入速度はほぼ一定になる。
【００２３】
図２及び図３に示すように、第１固体電解質体６１の下面には、ガス検出電極６２が固定されている。ガス検出電極６２は、多孔質構造（ポーラス体）となっており、自身の内部にガスを含むことができる。ガス検出電極６２は、長方形板状の本体部６２ａと、本体部６２ａから長さ方向に延びている板状の接続部６２ｂとを備えている。センサ素子４２を上方から平面視したときのガス検出電極６２の本体部６２ａの面積は、隔壁体５３の貫通孔５３ａの面積よりも小さい。図２に示すように、本体部６２ａは、被測定ガス室５８に配置されており、被測定ガス室５８内に流入する排気に晒される。本体部６２ａは、第１固体電解質体６１の下面に面接触している。
【００２４】
図３に示すように、ガス検出電極６２の接続部６２ｂの幅方向の寸法は、隔壁体５３の凹条部５３ｃにおける幅方向の寸法と一致している。また、接続部６２ｂの厚みは、凹条部５３ｃにおける下側への窪みの深さと一致している。そして、接続部６２ｂは、隔壁体５３の凹条部５３ｃに嵌め込まれている。接続部６２ｂは、長さ方向において第１固体電解質体６１の外側まで延びている。つまり、接続部６２ｂは、センサ素子４２の外側まで延びている。
【００２５】
図２及び図３に示すように、第１固体電解質体６１の上面には、基準電極６３が固定されている。基準電極６３は、ガス検出電極６２と同一の多孔質構造となっている。基準電極６３は、長方形板状の本体部６３ａと、本体部６３ａから長さ方向に延びている板状の接続部６３ｂとを備えている。センサ素子４２を上側から平面視したときの基準電極６３の本体部６３ａの面積Ｔ１（図３のハッチング部分）は、ガス検出電極６２の本体部６２ａの面積Ｔ２（図３のハッチング部分）よりも大きい。また、センサ素子４２を上側から平面視したとき、基準電極６３の本体部６３ａの領域内にガス検出電極６２の本体部６２ａが位置している。さらに、基準電極６３の本体部６３ａの厚みは、ガス検出電極６２の本体部６２ａの厚みよりも大きい。
【００２６】
図３に示すように、基準電極６３の接続部６３ｂの厚み及び幅方向の寸法は、ガス検出電極６２の接続部６２ｂの厚み及び幅方向の寸法よりも大きい。換言すると、長さ方向に直交する断面視において、基準電極６３の接続部６３ｂの断面積Ｓ１（図３の黒塗り部分）は、ガス検出電極６２の接続部６２ｂの断面積Ｓ２（図３の黒塗り部分）よりも大きい。基準電極６３の接続部６３ｂの厚みは、基準電極６３の本体部６３ａの厚みと一致している。基準電極６３の接続部６３ｂは、長さ方向において第１固体電解質体６１の外側（センサ素子４２の外側）まで延びている。図示は省略するが、センサ素子４２の外側においては、接続部６３ｂに２つの配線が繋がれており、これらの２つの配線を通じて、接続部６３ｂは個別の電源に接続できるようになっている。なお、第１固体電解質体６１と、第１固体電解質体６１を挟み込むガス検出電極６２及び基準電極６３は、被測定ガス室５８の酸素分圧に応じた電流値を検出するためのセンサセル６０として機能する。
【００２７】
図２及び図３に示すように、第１固体電解質体６１の上面には、長方形板状の第２固体電解質体７１が固定されている。第２固体電解質体７１は、第１固体電解質体６１と同一材料でできている。第２固体電解質体７１の外寸は、第１固体電解質体６１の外寸と一致している。第２固体電解質体７１の上面及び側面は、センサ素子４２の外面の一部を構成している。
【００２８】
第２固体電解質体７１の下面においては、上側に向かって平面視四角形状の収容凹部７１ａが窪んでいる。センサ素子４２を上側から平面視したとき、この収容凹部７１ａの形状は、基準電極６３の本体部６３ａの形状と一致している。また、センサ素子４２を上側から平面視したとき、この収容凹部７１ａは、基準電極６３の本体部６３ａと同一の位置に配置されている。この収容凹部７１ａにおける上側への窪みの深さは、基準電極６３の本体部６３ａの厚みと一致している。そして、この収容凹部７１ａには、基準電極６３の本体部６３ａが嵌め込まれている。基準電極６３の本体部６３ａは、第２固体電解質体７１の下面と、第１固体電解質体６１の上面との両方に面接触している。
【００２９】
図３に示すように、第２固体電解質体７１の下面において、収容凹部７１ａと異なる位置においては、上側に向かって凹条部７１ｂが窪んでいる。凹条部７１ｂは、第２固体電解質体７１における長さ方向の一端である第１端部から収容凹部７１ａまで長さ方向に延びている。この凹条部７１ｂの幅方向の寸法は、基準電極６３の接続部６３ｂの幅方向の寸法と一致している。センサ素子４２を上側から平面視したとき、この凹条部７１ｂは、基準電極６３の接続部６３ｂと同一の位置に配置されている。この凹条部７１ｂにおける上側への窪みの深さは、基準電極６３の接続部６３ｂの厚みと一致している。そして、この凹条部７１ｂには、基準電極６３の接続部６３ｂが嵌め込まれている。
【００３０】
第２固体電解質体７１の下面において、収容凹部７１ａに対して凹条部７１ｂとは反対側には、上側に向かって平面視四角形状の区画用凹部７１ｃが窪んでいる。区画用凹部７１ｃは、長さ方向において上記第１端部とは反対側の端部である第２端部から収容凹部７１ａまで続いている。区画用凹部７１ｃの幅方向の寸法は、収容凹部７１ａの幅方向の寸法よりも小さくなっている。区画用凹部７１ｃにおける上側への窪みの深さは、収容凹部７１ａよりも小さくなっている。
【００３１】
図２に示すように、第２固体電解質体７１における区画用凹部７１ｃの内面と、第１固体電解質体６１の上面とによって、通気用空間室８０が区画されている。通気用空間室８０は、基準電極６３の本体部６３ａの外面のうち、長さ方向の一方側の端面Ｐ（本体部６３ａの厚みとなっている面）から、長さ方向において第１固体電解質体６１及び第２固体電解質体７１の外側へと至っている。つまり、通気用空間室８０は、基準電極６３における上記端面Ｐからセンサ素子４２の外側へと至っている。
【００３２】
通気用空間室８０には、四角柱状のガス拡散体８８が嵌め込まれている。ガス拡散体８８の上下方向の寸法は、区画用凹部７１ｃにおける上側への窪みの深さと一致している。また、ガス拡散体８８の幅方向及び長さ方向の寸法は、区画用凹部７１ｃの幅方向及び長さ方向の寸法と一致している。四角柱状のガス拡散体８８の５つの面は、区画用凹部７１ｃの内面と、第１固体電解質体６１の上面と、基準電極６３の本体部６３ａにおける上記端面Ｐとにそれぞれ面接触している。ガス拡散体８８における残りの一つの面は、センサ素子４２の外面の一部を構成している。ガス拡散体８８は、多孔質性の材料で形成されており、通気性を有する。ガス拡散体８８は、例えばアルミナ製である。
【００３３】
図２及び図３に示すように、第２固体電解質体７１の上面には、酸素供給電極７３が固定されている。酸素供給電極７３は、ガス検出電極６２と同一の多孔質構造となっている。酸素供給電極７３は、長方形板状の本体部７３ａと、本体部７３ａから長さ方向に延びている板状の接続部７３ｂとを備えている。センサ素子４２を上側から平面視したときの酸素供給電極７３の本体部７３ａの面積Ｔ３（図３のハッチング部分）は、ガス検出電極６２の本体部６２ａの面積Ｔ１と一致している。センサ素子４２を上側から平面視したとき、酸素供給電極７３の本体部７３ａは、ガス検出電極６２の本体部６２ａと同一の位置に配置されている。つまり、センサ素子４２を上側から平面視したとき、酸素供給電極７３の本体部７３ａは、基準電極６３の本体部６３ａの領域内に位置している。本体部７３ａは、第２固体電解質体７１の上面に面接触している。このように、酸素供給電極７３は、第２固体電解質体７１における基準電極６３とは反対側に配置されて、基準電極６３とともに第２固体電解質体７１を挟み込んでいる。なお、酸素供給電極７３の本体部７３ａの厚みは、ガス検出電極６２の本体部６２ａの厚みと一致している。
【００３４】
図３に示すように、酸素供給電極７３の接続部７３ｂの厚み及び幅方向の寸法は、ガス検出電極６２の接続部６２ｂの厚み及び幅方向の寸法と一致している。換言すると、長さ方向に直交する断面視において、酸素供給電極７３の接続部７３ｂの断面積Ｓ３（図３の黒塗り部分）は、ガス検出電極６２の接続部６２ｂの断面積Ｓ２と一致している。長さ方向に直交する断面視において、酸素供給電極７３の接続部７３ｂの断面積Ｓ３は、基準電極６３の接続部６３ｂの断面積Ｓ１よりも小さい。酸素供給電極７３の接続部７３ｂは、長さ方向において第２固体電解質体７１の外側まで延びている。つまり、接続部７３ｂは、センサ素子４２の外側まで延びている。
【００３５】
図２に示すように、酸素供給電極７３は、センサ素子４２の外面の一部を構成している。内燃機関Ｅの駆動時には、酸素供給電極７３がセンサ素子４２の外部に流通する排気に晒される。なお、第２固体電解質体７１と、第２固体電解質体７１を挟み込む酸素供給電極７３及び基準電極６３は、酸素供給電極７３の本体部７３ａから基準電極６３の本体部６３ａに酸素を供給するポンピングセル７０として機能する。
【００３６】
ガス検出電極６２の接続部６２ｂ及び基準電極６３の接続部６３ｂには、これらの間に一定の電圧を印加する第１電源１８１が接続されている。第１電源１８１の正極は基準電極６３側に接続され、第１電源１８１の負極はガス検出電極６２側に接続されている。つまり、基準電極６３側からガス検出電極６２側に電流が流れた場合、電流値は正となる。一方、ガス検出電極６２側から基準電極６３側に電流が流れた場合、電流値は負となる。第１電源１８１は、ＥＣＵ３０によって制御されている。
【００３７】
基準電極６３の接続部６３ｂと第１電源１８１との間には、電流測定装置１８３が接続されている。電流測定装置１８３は、第１電源１８１によってガス検出電極６２及び基準電極６３の間に電圧が印加された際に、ガス検出電極６２及び基準電極６３の間に流れる電流値を測定する。電流測定装置１８３は、検出した電流値をＥＣＵ３０に出力する。
【００３８】
基準電極６３の接続部６３ｂ及び酸素供給電極７３の接続部７３ｂには、これらの間に電圧を印加する第２電源１８２が接続されている。第２電源１８２の正極は酸素供給電極７３側に接続され、第２電源１８２の負極は基準電極６３側に接続されている。つまり、酸素供給電極７３側から基準電極６３側に電流が流れた場合、電流値は正となる。一方、基準電極６３側から酸素供給電極７３側に電流が流れた場合、電流値は負となる。第２電源１８２は、基準電極６３及び酸素供給電極７３間に一定の電流が流れるように電圧を印加する。第２電源１８２は、ＥＣＵ３０によって制御されている。
【００３９】
次に、排気中の酸素分圧に応じた電流値の検出原理について説明する。空燃比センサ４０の動作状態においては、第２電源１８２が、当該第２電源１８２の負極側である基準電極６３側から、第２電源１８２の正極側である酸素供給電極７３側に向けて常に一定量の電流が流れるように電圧を印加する。これに伴い、第２電源１８２の正極側である酸素供給電極７３側から第２電源１８２の負極側である基準電極６３側に向かって酸素イオンが移動する。そして、第２固体電解質体７１を通じて、酸素供給電極７３の本体部７３ａから基準電極６３の本体部６３ａの内部（多孔質構造の内部）に酸素が取り込まれる。こうして、基準電極６３の本体部６３ａには、常に酸素が供給される。
【００４０】
このようにして基準電極６３の本体部６３ａに常に酸素が供給されている状態のもと、第１電源１８１は、ガス検出電極６２及び基準電極６３間に一定の電圧を印加する。第１電源１８１が電圧を印加すると、ガス検出電極６２の本体部６２ａの酸素分圧と、基準電極６３の本体部６３ａの酸素分圧との差に応じた電流値が、ガス検出電極６２及び基準電極６３間に流れる。具体的には、例えば被測定ガス室５８の酸素分圧が基準電極６３の本体部６３ａの酸素分圧よりも高い場合、第１固体電解質体６１を通じて被測定ガス室５８の排気中から基準電極６３の本体部６３ａに酸素が排出される。このとき、第１電源１８１の負極側であるガス検出電極６２側から第１電源１８１の正極側である基準電極６３側に向かって酸素イオンが移動する。そして、第１電源１８１の正極側である基準電極６３側から第１電源１８１の負極側であるガス検出電極６２側に向かって電流が流れる。これに応じて、電流測定装置１８３は正の電流値を検出する。電流測定装置１８３は、この電流値をＥＣＵ３０に出力する。
【００４１】
一方、被測定ガス室５８の酸素分圧が基準電極６３の本体部６３ａの酸素分圧よりも低い場合、第１固体電解質体６１を通じて基準電極６３の本体部６３ａから被測定ガス室５８に酸素が持ち出される。このとき、第１電源１８１の正極側である基準電極６３側から第１電源１８１の負極側であるガス検出電極６２側に向かって酸素イオンが移動する。そして、第１電源１８１の負極側であるガス検出電極６２側から第１電源１８１の正極側である基準電極６３側に向かって電流が流れる。これに応じて、電流測定装置１８３は負の電流値を検出する。電流測定装置１８３は、この電流値はＥＣＵ３０に出力する。
【００４２】
なお、酸素供給電極７３の本体部７３ａから基準電極６３の本体部６３ａに供給されている酸素の量はつぎの設定量となっている。つまり、基準電極６３の本体部６３ａから被測定ガス室５８への酸素の持ち出しが必要となる場合に、被測定ガス室５８に本来持ち出されるべき酸素の量に対して、基準電極６３の本体部６３ａから被測定ガス室５８に常に不足なく酸素を供給できる量である。
【００４３】
次に、本実施形態におけるガス拡散体８８及び基準電極６３の接続部６３ｂの作用を、酸素の移動の態様と併せて説明する。本実施形態では、通気用空間室８０に、多孔質性の材料で形成されたガス拡散体８８が配置されている。そのため、基準電極６３の本体部６３ａにおける酸素の量が、当該本体部６３ａにて保持可能な酸素の量を超えた場合、当該本体部６３ａにて保持しきれいない分の酸素がガス拡散体８８を通じてセンサ素子４２の外部に排出される。
【００４４】
また、本実施形態では、基準電極６３の接続部６３ｂが、センサ素子４２の外側まで延びている。この接続部６３ｂは、本体部６３ａと同様、多孔質構造となっている。この接続部６３ｂは、基準電極６３の本体部６３ａからセンサ素子４２の外部への酸素の脱出ルートとなる。つまり、基準電極６３の本体部６３ａの酸素の量が、当該本体部６３ａにて保持可能な酸素の量を超えた場合、当該本体部６３ａにて保持しきれない分の酸素が、接続部６３ｂを通じてセンサ素子４２の外部まで流れる。そして、酸素はセンサ素子４２の外部に排出される。ここで、本実施形態では、長さ方向に直交する断面視において、基準電極６３の接続部６３ｂの断面積が、ガス検出電極６２の接続部６２ｂ及び酸素供給電極７３の接続部７３ｂの断面積よりも大きくなっている。したがって、基準電極６３の接続部６３ｂを流通可能な酸素の量が多くなる。そのため、基準電極６３の接続部６３ｂを通じて、酸素をセンサ素子４２の外部に排出しやすい。
【００４５】
こうした酸素排出機構が設けられていることにより、被測定ガス室５８の酸素分圧に応じた電流値を検出する際、酸素はつぎのように移動する。いま、第２電源１８２をオンにし、酸素供給電極７３の本体部７３ａから基準電極６３の本体部６３ａへの酸素の供給を開始したものとする。なお、第１電源１８１はオフのままである。基準電極６３の本体部６３ａへの酸素の供給を開始してからしばらくすると、基準電極６３の本体部６３ａでは酸素が充満してくる。そして、基準電極６３の本体部６３ａへ供給された酸素の累積量が、基準電極６３の本体部６３ａで保持可能な酸素の量を超えた場合、基準電極６３の本体部６３ａで保持しきれない分の酸素は、ガス拡散体８８及び基準電極６３の接続部６３ｂを通じてセンサ素子４２の外部に排出される。この後、基準電極６３の本体部６３ａで酸素が飽和した状態が維持されつつ、過剰な分の酸素が継続してセンサ素子４２の外部に排出される。なお、通気用空間室８０に何も配置されていない場合に比べて、通気用空間室８０のガス拡散体８８が配置されている本実施形態では、基準電極６３の本体部６３ａからセンサ素子４２の外部へと酸素が流通しにくい。つまり、基準電極６３の本体部６３ａに酸素を保持しやすくなっている。
【００４６】
この後、第１電源１８１がオンにされる。上述のとおり、基準電極６３の本体部６３ａでは酸素が飽和した状態となっている。そのため、第１電源１８１による電圧印加に伴って被測定ガス室５８から基準電極６３の本体部６３ａに酸素が排出される場合には、基準電極６３の本体部６３ａの酸素の量が、当然、当該本体部６３ａで保持できる量を超える。この場合、基準電極６３の本体部６３ａで保持できない分の酸素は、ガス拡散体８８及び基準電極６３の接続部６３ｂを通じてセンサ素子４２の外部に排出される。したがって、基準電極６３の本体部６３ａで酸素が充満していて被測定ガス室５８から基準電極６３の本体部６３ａに酸素を排出できないといった事態は生じにくい。なお、基準電極６３の本体部６３ａでは、酸素が飽和した状態が維持され続ける。つまり、基準電極６３の本体部６３ａの酸素の量は、当該本体部６３ａに保持可能な一定量に維持される。したがって、当該本体部６３ａにおける一定の酸素分圧を基準として、被測定ガス室５８の酸素分圧に応じた電流値を検出することが可能となる。
【００４７】
第１電源１８１による電圧印加に伴って基準電極６３の本体部６３ａから被測定ガス室５８に酸素が持ち出される場合には、酸素の移動はつぎのようになる。上述のとおり、基準電極６３の本体部６３ａには、酸素供給電極７３の本体部７３ａから上記設定量の酸素が供給され続けている。基準電極６３の本体部６３ａから被測定ガス室５８に酸素が持ち出される場合には、基準電極６３の本体部６３ａに供給されている酸素の一部のみが被測定ガス室５８に持ち出されることになる。残りの酸素は、その一部が基準電極６３の本体部６３ａに保持され、当該本体部６３ａで保持しきれない分の酸素は、ガス拡散体８８及び基準電極６３の接続部６３ｂを通じてセンサ素子４２の外部に排出される。このように、基準電極６３の本体部６３ａから被測定ガス室５８に酸素が持ち出される場合においては、基準電極６３の本体部６３ａの酸素の量が不足していて被測定ガス室５８に持ち出される酸素の量が不足してしまうことが抑制される。なお、基準電極６３の本体部６３ａの酸素の量は、当該本体部６３ａに保持可能な一定量に維持される。このため、当該本体部６３ａにおける一定の酸素分圧を基準として、被測定ガス室５８の酸素分圧に応じた電流値を検出することが可能となる。
【００４８】
本実施形態によれば、以下の効果が得られる。
（１）本実施形態では、通気用空間室８０にガス拡散体８８を配置することで、基準電極６３の本体部６３ａからセンサ素子４２の外部に酸素を排出できるようになっている。その上で、上記設定量の酸素を酸素供給電極７３の本体部７３ａから基準電極６３の本体部６３ａに常に供給している。これにより、被測定ガス室５８から基準電極６３の本体部６３ａに酸素が排出される場合でも、被測定ガス室５８に当該本体部６３ａから酸素が持ち出される場合でも、当該本体部６３ａで一定量の酸素を保持しながら、過剰な量の酸素をセンサ素子４２の外部に排出する態様を実現できる。したがって、基準電極６３の本体部６３ａでは酸素分圧が常に一定となる。そのため、基準電極６３の本体部６３ａにおけるこの一定の酸素分圧を基準として、被測定ガス室５８の酸素分圧に応じた電流値を検出できる。
【００４９】
また、本実施形態では、ガス拡散体８８を通じて過剰な酸素をセンサ素子４２の外部に排出できるため、被測定ガス室５８から基準電極６３の本体部６３ａへ酸素が排出される場合に、当該本体部６３ａで酸素が充満していて当該本体部６３ａへ移動できる酸素の量が制限されてしまうことが抑制される。また、本実施形態では、上記設定量の酸素を酸素供給電極７３の本体部７３ａから基準電極６３の本体部６３ａに供給し続けているため、基準電極６３の本体部６３ａから被測定ガス室５８に酸素が持ち出される場合に、基準電極近傍で酸素が欠乏していてガス検出電極の側へ移動する酸素の量が不足しまうことが抑制される。したがって、本実施形態によれば、被測定ガス室５８の酸素分圧に応じた電流値の検出精度が低下することを抑制できる。
【００５０】
（２）本実施形態では、センサ素子４２の長さ方向に直交する断面視において、基準電極６３の接続部６３ｂの断面積が、ガス検出電極６２の接続部６２ｂ及び酸素供給電極７３の接続部７３ｂの断面積よりも大きくなっている。そのため、基準電極６３の接続部６３ｂを流通可能な酸素の量が多くなり、当該接続部６３ｂを通じてセンサ素子４２の外部に排出できる酸素の量が多くなる。したがって、ガス拡散体８８に加え、この基準電極６３の接続部６３ｂを通じて、基準電極６３の本体部６３ａの酸素をセンサ素子４２の外部に効率よく排出できる。そのため、上記（１）に記した酸素の移動の態様に好適な構造を実現できる。したがって、被測定ガス室５８の酸素分圧に応じた電流値の検出精度が向上する。
【００５１】
（３）例えば基準電極６３の本体部６３ａで酸素分圧が高くなると、当該本体部６３ａを挟み込んでいる第１固体電解質体６１と第２固体電解質体７１とに対して、これらの第１固体電解質体６１と第２固体電解質体７１とを互いに引き離す方向にガス圧がかかることになる。仮にこのガス圧が強まったとすると、第１固体電解質体６１と第２固体電解質体７１とが剥離するおそれがある。
【００５２】
本実施形態では、ガス拡散体８８と基準電極６３の接続部６３ｂとを通じて基準電極６３の本体部６３ａの酸素をセンサ素子４２の外部に効率よく排出できる。そのため、基準電極６３の本体部６３ａに酸素が充満してしまって当該本体部６３ａのガス圧が高くなることが抑制される。したがって、基準電極６３を挟み込んでいる第１固体電解質体６１と第２固体電解質体７１とに対して、これらの第１固体電解質体６１と第２固体電解質体７１とを互いに引き離す方向にガス圧が強くかかって第１固体電解質体６１と第２固体電解質体７１とが剥離してしまうことが防止される。
【００５３】
（４）本実施形態では、センサ素子４２を上側から平面視した場合の基準電極６３の本体部６３ａの面積が、ガス検出電極６２の本体部６２ａ及び酸素供給電極７３の本体部７３ａの面積よりも大きくなっている。ここで、基準電極６３の本体部６３ａに保持される酸素の量は、基本的には、当該本体部６３ａに対する酸素の出入り量で決まる。基準電極６３の本体部６３ａに対する酸素の出入り量が同じであるという条件の下において、本実施形態と、基準電極６３の本体部６３ａの面積が、ガス検出電極６２の本体部６２ａ及び酸素供給電極７３の本体部７３ａの面積と同一である場合とを比較すると、本実施形態では、基準電極６３の本体部６３ａにおける単位面積あたりの酸素分圧が小さくなる。したがって、基準電極６３を挟み込んでいる第１固体電解質体６１と第２固体電解質体７１とに対して、これらの第１固体電解質体６１と第２固体電解質体７１とを互いに引き離す方向にガス圧が強くかかることが抑制される。そのため、第１固体電解質体６１と第２固体電解質体７１とが剥離してしまうことが防止される。
【００５４】
なお、上記実施形態は、以下のように変更して実施することもできる。
・第２電源１８２による基準電極６３及び酸素供給電極７３間への電圧のかけ方は変更可能である。例えば、第２電源１８２の負極側である基準電極６３側から、第２電源１８２の正極側である酸素供給電極７３に向けて流れる電流値が可変となるように電圧を印加してもよい。この場合、電流値の変化に応じて、酸素供給電極７３の本体部７３ａから基準電極６３の本体部６３ａに供給される酸素の量が変化する。例えば基準電極６３の本体部６３ａの酸素の量を調整したい場合には、こうして基準電極６３の本体部６３ａに供給する酸素の量を変更することが有効である。ただし、基準電極６３の本体部６３ａに供給する酸素の量を変更する場合には、つぎの条件を満たすことが必須である。つまり、基準電極６３の本体部６３ａから被測定ガス室５８への酸素の持ち出しが必要となる場合に、被測定ガス室５８に本来持ち出されるべき酸素の量に対して、基準電極６３の本体部６３ａから被測定ガス室５８に不足なく酸素を供給できることが条件である。なお、前記条件のもと、基準電極６３の本体部６３ａの酸素量に応じて、当該本体部６３ａから酸素供給電極７３の本体部７３ａに向けて酸素を排出するように第２電源１８２を制御してもよい。この場合、第２電源１８２の正極側である酸素供給電極７３側から第２電源１８２の負極側である基準電極６３に向けて電流が流れるように第２電源１８２に電圧が印加される。これに伴い、第２電源１８２の負極側である基準電極６３側から第２電源１８２の正極側である酸素供給電極７３側に向かって酸素イオンが移動する。そして、第２固体電解質体７１を通じて、基準電極６３の本体部６３ａから酸素供給電極７３の本体部７３ａに向けて酸素が排出される。例えば特許文献１に開示されている空燃比検出装置の手法に倣って第２電源１８２を制御し、基準電極６３及び酸素供給電極７３間に流れる電流値を、ガス検出電極６２及び基準電極６３間に流れる電流値と一致させるようにしてもよい。そして、基準電極６３の本体部６３ａから被測定ガス室５８に持ち出される量と同量の酸素を、酸素供給電極７３の本体部７３ａから基準電極６３の本体部６３ａへ供給したり、被測定ガス室５８から基準電極６３の本体部６３ａに排出される量と同量の酸素を、基準電極６３の本体部６３ａから酸素供給電極７３の本体部７３ａに排出したりしてもよい。
【００５５】
・ガス拡散体８８は、通気用空間室８０に嵌め込まれていればよく、必ずしも通気用空間室８０に整合した外寸及び外形でなくてもよい。つまり、ガス拡散体８８は、基準電極６３の本体部６３ａと接触していなくてもよい（本体部６３ａから離れた位置に配置されていてもよい）。また、基準電極６３の本体部６３ａの外面からセンサ素子４２の外部に至る間に、ガス拡散体８８と、通気用空間室８０を区画している壁面との間に隙間があってもよい。ただし、基準電極６３の本体部６３ａに酸素を保持しやすくする上では、基準電極６３の本体部６３ａの外面からセンサ素子４２の外部に至る間の少なくとも一箇所で通気用空間室８０がガス拡散体８８で完全に塞がれていることが好ましい。ガス拡散体８８が通気用空間室８０を塞いでいる距離が長いほど、基準電極６３の本体部６３ａに酸素を保持しやすくなる。換言すると、当該距離が長いほど、基準電極６３の本体部６３ａから酸素を排出しにくくなる。基準電極６３の本体部６３ａにおいて保持させたい酸素の量と、当該本体部６３ａからの酸素の排出効率とを加味した上で、ガス拡散体８８の外寸及び外形を設定すればよい。
【００５６】
・通気用空間室８０は、第１固体電解質体６１と第２固体電解質体７１とによって区画されているとともに基準電極６３の外面から第１固体電解質体６１及び前記第２固体電解質体７１の外部へと至るように構成されていれば、当該通気用空間室８０の大きさ、形状、位置を適宜変更可能である。
【００５７】
例えば、通気用空間室８０の幅方向の寸法は、基準電極６３の本体部６３ａの幅方向の寸法より大きくてもよい。通気用空間室８０の上下方向の寸法は、基準電極６３の本体部６３ａの厚みよりも大きくてもよい。第１固体電解質体６１に、第２固体電解質体７１の区画用凹部７１ｃと対向する下側への窪みを設けて、通気用空間室８０の上下方向の寸法を大きくしてもよい。なお、第１固体電解質体６１に、第２固体電解質体７１の収容凹部７１ａ及び凹条部７１ｂに相当する窪みを設けて当該窪みに基準電極６３を嵌め込むとともに、第１固体電解質体６１に、第２固体電解質体７１の区画用凹部７１ｃに相当する窪みを設けて当該窪みで通気用空間室を区画してもよい。
【００５８】
・通気用空間室８０の形状は、センサ素子４２を上側から視た平面視において四角形状でなくてもよく、当該平面視において例えば円形であってもよい。
・通気用空間室８０の位置は、例えば、第２固体電解質体７１の第１端部の側であってもよい。つまり、通気用空間室８０を、基準電極６３の本体部６３ａにおける上記端面Ｐとは反対側の端面からセンサ素子４２の外部に至るように設けてもよい。また、第２固体電解質体７１における幅方向の端部に通気用空間室８０を設けてもよい。そして、通気用空間室８０を、基準電極６３の本体部６３ａにおける幅方向の端面からセンサ素子４２の外部に至るようにしてもよい。通気用空間室８０を複数設けてもよい。通気用空間室８０を複数設けた場合、ガス拡散体８８は各通気用空間室８０に配置される。
【００５９】
・センサ素子４２の長さ方向に直交する断面視において、基準電極６３の接続部６３ｂの断面積が、ガス検出電極６２の接続部６２ｂ及び酸素供給電極７３の接続部７３ｂの断面積以下となっていてもよい。この場合でも、基準電極６３の接続部６３ｂを通じてセンサ素子４２の外部へ酸素を排出できるし、ガス拡散体８８を通じてセンサ素子４２の外部に酸素を排出することもできるため、基準電極６３の本体部６３ａでは酸素が過剰になりにくい。
【００６０】
・センサ素子４２の長さ方向に直交する断面視において、ガス検出電極６２の接続部６２ｂの断面積と、酸素供給電極７３の接続部７３ｂの断面積とが互いに異なっていてもよい。
【００６１】
・センサ素子４２を上側から平面視した場合の基準電極の本体部６３ａの面積を、ガス検出電極６２の本体部６２ａ及び酸素供給電極７３の本体部７３ａの面積以下としてもよい。この場合でも、ガス拡散体８８を通じて酸素を基準電極６３の本体部６３ａから排出できるため、基準電極６３を挟み込んでいる第１固体電解質体６１と第２固体電解質体７１とに対してガス圧が強くかかることは抑制される。ただし、基準電極６３の本体部６３ａにおける単位面積あたりの酸素分圧を小さくする上では、センサ素子４２を上側から平面視した場合の基準電極６３の本体部６３ａの面積を極力大きくすることが好ましい。
【００６２】
・センサ素子４２を上側から平面視した場合のガス検出電極６２の本体部６２ａの面積と、酸素供給電極７３の本体部７３ａの面積とを、互いに異なる大きさにしてもよい。
・基準電極６３の本体部６３ａと、酸素供給電極７３の本体部７３ａとは、センサ素子を上側から視た場合の平面視において互いに重ならない位置に配置されていてもよいし、一部のみが互いに重なる位置に配置されていてもよい。基準電極６３とガス検出電極６２の位置関係についても同様である。
【００６３】
・基準電極６３の本体部６３ａの厚みと、基準電極６３の接続部６３ｂの厚みとが互いに異なっていてもよい。ガス検出電極６２及び酸素供給電極７３についても同様である。
・基準電極６３の本体部６３ａの形状は、長方形板状以外でもよく、例えば円形板状でもよい。基準電極６３の接続部６３ｂの形状は、板状以外でもよく、例えば線状でもよい。ガス検出電極６２及び酸素供給電極７３についても同様である。
【００６４】
・第１固体電解質体６１の形状は適宜変更可能である。第２固体電解質体７１、ヒータ支持板５１、及び隔壁体５３についても同様である。第１固体電解質体６１、第２固体電解質体７１、ヒータ支持板５１、及び隔壁体５３の外寸は互いに一致していなくてもよい。
【符号の説明】
【００６５】
４０…空燃比センサ、６１…第１固体電解質体、６２…ガス検出電極、６３…基準電極、７１…第２固体電解質体、７３…酸素供給電極、８０…通気用空間室、８８…ガス拡散体、１８１…第１電源、１８２…第２電源。
【図１】
2019056677.tif 000003
【図２】
2019056677.tif 000004
【図３】
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