(57)【要約】【課題】拡散限界電流の特性を安定化して、センサ出力の安定化を図り、検出精度を向上することを課題とする。【解決手段】被測定ガスが内部を拡散する第１ガス拡散層２と、酸素イオン伝導性の固体電解質層５と、第１ガス拡散層２と固体電解質層５との間に設けられ、第１ガス拡散層２を介して被測定ガスが導かれ、固体電解質層５の外側に設けられた外側電極との間で拡散限界電流が流れる内側電極３とを備え、第１ガス拡散層２と被測定ガスのガス雰囲気との間に、第２ガス拡散層４を配置形成して構成される。【選択図】      図１
2004340861.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
被測定ガスが内部を拡散する第１ガス拡散層と、
前記第１ガス拡散層の外側に設けられ、酸素イオン伝導性の固体電解質層と、
前記第１ガス拡散層と前記固体電解質層との間に設けられ、前記第１ガス拡散層を介して前記被測定ガスが導かれ、前記固体電解質層の外側に設けられた外側電極との間で拡散限界電流が流れる内側電極とを備え、
前記被測定ガスの酸素濃度を測定して前記被測定ガスの空燃比を検出する空燃比センサにおいて、
前記第１ガス拡散層と前記被測定ガスのガス雰囲気との間に、第２ガス拡散層を配置した
ことを特徴とする空燃比センサ。
【請求項２】
前記第２ガス拡散層は、そのガス拡散抵抗が前記第１ガス拡散層のガス拡散抵抗よりも十分大きく設定されている
ことを特徴とする請求項１記載の空燃比センサ。
【請求項３】
前記第１ガス拡散層は、アルミナを主成分としたセラミック材に平均粒径４〜６μｍ程度の球形カーボンを添加して形成され、
前記第２ガス拡散層は、アルミナを主成分とするセラミック材に平均線径１μｍ程度、平均長さ２〜３μｍ程度の繊維カーボンを添加して形成されている
ことを特徴とする請求項２記載の空燃比センサ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、例えば自動車エンジン等の燃焼機関に供給される混合気の空燃比（燃料と吸入空気との混合比）を検出するのに好適な空燃比センサに関する。
【０００２】
【従来の技術】
一般に、自動車エンジン等では、例えば排気管の途中に空燃比センサ（酸素センサを含む）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を検出する構成としている。従来、この種の技術としては、例えば以下に示す文献に記載されものが知られている（特許文献１参照）。
【０００３】
この種の従来技術による空燃比センサとしては、例えば図５の断面図に示すように構成されたものがある。図５（ａ）において、空燃比センサのセンサ素子部は、例えば曲面印刷により各層がロッド型に形成されており、基体としてのアルミナロッド５０の外周に、アルミナ絶縁層５１、第１ガス拡散層５２、酸素イオン伝導性の緻密な固体電解質層５３が、積層されて形成されている。また、第１ガス拡散層５２の内側に内側第１電極５４が形成され、固体電解質層５３を挟むようにこの内側第１電極５４に対向して外側電極５５が形成されている。さらに、第１ガス拡散層５２の内側に内側第１電極５４に隣り合って内側第２電極５６が形成され、固体電解質層５３を挟むようにこの内側第２電極５６に対向して基準電極５７が形成されている。
【０００４】
内側第２電極５６は、仮想グランド（例えば１．５Ｖ程度の基準電位）に接続され、基準電極５７は、基準電極５７に酸素を供給するための酸素ポンピング電源５８に接続されている。
【０００５】
このような構成において、空燃比が理論空燃比よりもリーン状態であって排気ガス中に多くの酸素が存在する場合には、内側第２電極５６の酸素分圧と基準電極５７の酸素分圧との差は小さく、基準電極５７の電圧は低くなる。一方、空燃比が理論空燃比よりもリッチ状態で排気ガス中の酸素濃度が低い場合には、内側第２電極５６の酸素分圧と基準電極５７の酸素分圧との差は大きくなり、基準電極５７の電圧は高くなる。
【０００６】
このように変化する基準電極５７の電位は、比較器５９に与えられ、所定の比較用電圧（理論空燃比相当電圧）と比較される。比較結果において、基準電極５７の電位が比較用電圧よりも高い場合には、ポンピング電圧として比較器５９から内側第２電極５６の電圧よりも低い電圧が出力され、基準電極５７の電位が比較用電圧よりも低い場合には、ポンピング電圧として比較器５９から内側第２電極５６の電圧よりも高い電圧が出力される。
【０００７】
【特許文献１】
特開昭６１−１９４３４４号公報
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
以上説明したように、図５（ａ）に示すような従来の空燃比センサにおいて、内側第１電極５４は、奥行き方向（センサ素子の素子軸方向、図５の左右方向）に所定の長さを有して形成されている。このため、図５（ｂ）に示すように、排気ガス等の被測定ガスが、センサ素子の先端部から第１ガス拡散層５２を通って内側第１電極５４に達するまでの経路が多数存在することになる。
【０００９】
この結果、被測定ガスが第１ガス拡散層５２を通って内側第１電極に達するときのガス拡散抵抗にばらつきが生じやすくなる。これにより、基準電極５７にポンピング電圧を印加した際に固体電解質層５３を介して基準電極５７と内側第１電極５４ならびに内側第２電極５６間に流れる拡散限界（ポンプ）電流の特性において、図６に示すように、フラット性が損なわれたり、ヒステリシスが発生したりする。このように、拡散限界電流特性のフラット性が損なわれたり、拡散限界電流特性にヒステリシスが発生すると、センサ出力にばらつきが生じて不安定となり、空燃比の検出精度が低下するといった不具合を招いていた。
【００１０】
そこで、この発明は、上記に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、拡散限界電流の特性を安定化して、センサ出力の安定化を図り、検出精度を向上した空燃比センサを提供することにある。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するため、請求項１記載の発明は、被測定ガスが内部を拡散する第１ガス拡散層と、前記第１ガス拡散層の外側に設けられ、酸素イオン伝導性の固体電解質層と、前記第１ガス拡散層と前記固体電解質層との間に設けられ、前記第１ガス拡散層を介して前記被測定ガスが導かれ、前記固体電解質層の外側に設けられた外側電極との間で拡散限界電流が流れる内側電極とを備え、前記被測定ガスの酸素濃度を測定して前記被測定ガスの空燃比を検出する空燃比センサにおいて、前記第１ガス拡散層と前記被測定ガスのガス雰囲気との間に、第２ガス拡散層を配置したことを特徴とする。
【００１２】
上記特徴においては、内側電極に到達する被測定ガスの経路における被測定ガスの拡散抵抗を、第２ガス拡散層で支配するようにしている。これにより、被測定ガスのガス拡散抵抗のばらつきを抑制することが可能なり、拡散限界電流特性を安定化させることができる。この結果、センサ出力が安定して、検出精度を向上させることができる。
【００１３】
請求項２記載の発明は、前記第２ガス拡散層は、そのガス拡散抵抗が前記第１ガス拡散層のガス拡散抵抗よりも十分大きく設定されていることを特徴とする。
【００１４】
上記特徴においては、第２ガス拡散層のガス拡散抵抗を第１ガス拡散層のガス拡散抵抗よりも大きく設定することで、内側電極に到達する被測定ガスの経路における被測定ガスの拡散抵抗を、第２ガス拡散層で支配するようにしている。これにより、被測定ガスのガス拡散抵抗のばらつきを抑制することが可能なり、拡散限界電流特性を安定化させることができる。この結果、センサ出力が安定して、検出精度を向上させることができる。
【００１５】
請求項３記載の発明は、前記請求項２記載の発明において、前記第１ガス拡散層は、アルミナを主成分としたセラミック材に平均粒径４〜６μｍ程度の球形カーボンを添加して形成され、前記第２ガス拡散層は、アルミナを主成分とするセラミック材に平均線径１μｍ程度、平均長さ２〜３μｍ程度の繊維カーボンを添加して形成されることを特徴とする。
【００１６】
上記特徴においては、第１ガス拡散層よりも十分に大きなガス拡散抵抗を有する第２ガス拡散層を、容易かつ確実に形成することができる。
【００１７】
【発明の実施の形態】
以下、図面を用いてこの発明の実施形態を説明する。
【００１８】
図１はこの発明の第１の実施形態に係る空燃比センサの構成を示す図である。この第１の実施形態の空燃比センサの特徴とするところは、図５に示す従来の空燃比センサにおいて、センサ素子における被測定ガスの導入部から内側電極に達するガスの経路に第２ガス拡散層を設けたことにある。
【００１９】
図１において、空燃比センサのセンサ素子の基体に積層された絶縁層１に、第１ガス拡散層２（図５に示す第１ガス拡散層５２に相当する）が積層形成されている。この第１ガス拡散層２には、内側電極３（図５に示す内側第１電極５４に相当する）が積層されて形成されている。また、第１ガス拡散層２に隣接して、センサ素子における被測定ガスの導入部から内側電極３に達するガスの経路には、絶縁層１に第２ガス拡散層４が積層されて形成されている。すなわち、第２ガス拡散層４は、被測定ガス雰囲気と第１ガス拡散層２との間に設けられている。
【００２０】
第１ガス拡散層２、内側電極３ならびに第２ガス拡散層４には、酸素イオン伝導性の緻密な固体電解質層５（図５に示す固体電解質層５３に相当する）が積層されて形成されている。また、固体電解質層５を挟んで内側電極３に対向するように形成された外側電極（図示せず）を保護する電極保護層６が第２ガス拡散層４ならびに固体電解質層５に積層されて形成されている。絶縁層１、第１ガス拡散層２、内側電極３、第２ガス拡散層４、固体電解質層５ならびに電極保護層６の各層は、基体となるロッドの周囲に曲面印刷により形成される。
【００２１】
第２ガス拡散層４は、ガス拡散抵抗値が第１ガス拡散層２のガス拡散抵抗値に比べて十分大きく設定されている。したがって、第１ガス拡散層２のガス拡散抵抗値は、第２ガス拡散層４のガス拡散抵抗値に比べて十分に小さく設定されている。
【００２２】
具体的には、第１ガス拡散層２は、例えばアルミナを主成分としたセラミック材に、平均粒径４〜６μｍ程度の球形カーボンを添加して形成される。第２ガス拡散層４は、例えばアルミナを主成分としたセラミック材に、平均線径約１μｍ程度、平均長さ２〜３μｍ程度の繊維カーボンを添加して形成される。また、第１ガス拡散層２は、その気孔率が６０〜８０％程度に設定され、第２ガス拡散層４は、その気孔率が１５〜２０％程度に設定されている。さらに、第２ガス拡散層４は、そのガス拡散距離が３００〜４００μｍ程度に設定されている。
【００２３】
このような構成において、センサ素子に導入された被測定ガスは、まず第２ガス拡散層４を通り、第２ガス拡散層４を通過した被測定ガスは第１ガス拡散層２を通り内側電極３に到達することになる。すなわち、被測定ガスは、内側電極３に到達するためには、第１ガス拡散層２のガス拡散抵抗値に比べて大きなガス拡散抵抗値の第２ガス拡散層４を通過しなければならない。このため、内側電極３に到達するまでの被測定ガスの流れにおいて、被測定ガスのガス拡散抵抗は、第２ガス拡散層４のガス拡散抵抗で決まることになる。すなわち、第２ガス拡散層４の拡散抵抗値は、第１ガス拡散層２のガス拡散抵抗値に比べて大きく設定されているので、内側電極３に到達するまでの被測定ガスの流れにおいて、ガスの拡散抵抗は、第２ガス拡散層４のガス拡散抵抗が支配することになる。
【００２４】
この結果、内側電極３に到達するまでの被測定ガスの流れにおいて、ガスの拡散抵抗は、従来に比べて大きくなり、ガスの流路における拡散抵抗のばらつきを抑制することが可能となる。これにより、拡散限界電流特性は、図２に示すように、特性がフラットとなるべき領域においてフラット性を確保することができると共に、ヒステリシスの発生も従来に比べて抑えることができる。したがって、図３に示すように、センサ出力のばらつきが抑制されてセンサ出力が安定し、空燃比の検出精度を向上させることができる。
【００２５】
また、第１ガス拡散層２の気孔率を１００％の空間層として構成せず、第１ガス拡散層２の気孔率を６０〜８０％程度とすることで、センサ出力のオーバーシュート、アンダーシュートを防止すると共に、センサを製造する際の製造歩留まりを向上させることが可能となる。
【００２６】
図４はこの発明の第２の実施形態に係る空燃比センサの構成を示す図である。
先に説明した図１に示す第１の実施形態の空燃比センサでは、第２ガス拡散層４を形成し、続いて固体電解質層５を形成し、外側電極（図示せず）を形成した後電極保護層６を形成し、固体電解質層５の内側に第２ガス拡散層４を形成していたのに対して、この第２の実施形態の空燃比センサの特徴とするところは、図４に示すように、電極保護層６を曲面印刷により形成する前に、第２ガス拡散層４を第１ガス拡散層２ならびに固体電解質層５の側面を覆うように形成配置したことにある。
【００２７】
また、先の第１の実施形態では、第１ガス拡散層２は、その気孔率が６０〜８０％程度に設定され、第２ガス拡散層４は、その気孔率が１５〜２０％程度に設定され、さらに第２ガス拡散層４は、そのガス拡散距離が３００〜４００μｍ程度に設定されているのに対して、この第２の実施形態では、第１ガス拡散層２は、その気孔率が６０〜８０％程度に設定され、第２ガス拡散層４は、その気孔率が３〜４％程度に設定され、さらに第２ガス拡散層４は、そのガス拡散距離が３０〜４０μｍ程度に設定されている。他は第１の実施形態と同様である
このように、第２ガス拡散層４を形成配置する構成では、前述した第１の実施形態と同様に、センサ素子に導入された被測定ガスは、まず第２ガス拡散層４を通り、第２ガス拡散層４を通過した被測定ガスは第１ガス拡散層２を通り内側電極３に到達することになる。すなわち、被測定ガスは、内側電極３に到達するためには、第１ガス拡散層２のガス拡散抵抗値に比べて大きなガス拡散抵抗値の第２ガス拡散層４を通過しなければならない。このため、内側電極３に到達するまでの被測定ガスの流れにおいて、被測定ガスのガス拡散抵抗は、第２ガス拡散層４のガス拡散抵抗で決まることになる。すなわち、第２ガス拡散層４の拡散抵抗値は、第１ガス拡散層２のガス拡散抵抗値に比べて大きく設定されているので、内側電極３に到達するまでの被測定ガスの流れにおいて、ガスの拡散抵抗は、第２ガス拡散層４のガス拡散抵抗値が支配することになる。
【００２８】
この結果、この第２の実施形態においても、前述した第１の実施形態で得られる効果と同様の効果を達成することができる。
【００２９】
さらに、上記実施形態から把握し得る請求項以外の技術的思想について、以下に効果と共に記載する。
【００３０】
請求項１、２及び３のいずれか１項に記載の空燃比センサにおいて、前記第１ガス拡散層は、その気孔率が６０％〜８０％程度に形成され、前記第２拡散層は、その気孔率が１５％〜２０％程度に形成されていることを特徴とする。
【００３１】
上記特徴においては、空燃比センサを製造する場合に、センサ出力のオーバーシュート、アンダーシュートを防止すると共に、センサの製造歩留まりを向上させることができる。
【００３２】
請求項１、２及び３のいずれか１項に記載の空燃費センサにおいて、前記第２拡散層は、その気孔率が３〜４％程度で形成されていることを特徴とする。
【００３３】
上記特徴において、被測定ガスの流れにおいて、ガスの流路におけるガス拡散抵抗のばらつきを抑制することが可能となり、センサ出力が安定し、検出精度が向上できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施形態に係る空燃比センサの構成を示す図である。
【図２】拡散限界電流特性を示す図である。
【図３】空燃比とセンサ出力との関係を示す図である。
【図４】本発明の第２の実施形態に係る空燃比センサの構成を示す図である。
【図５】従来の空燃比センサの構成を示す図である。
【図６】従来の拡散限界電流特性を示す図である。
【符号の説明】
１…絶縁層
２，５２…第１ガス拡散層
３…内側電極
４…第２ガス拡散層
５，５３…固体電解質層
６…電極保護層
５０…アルミナロッド
５１…アルミナ絶縁層
５４…第１電極
５５…外側電極
５６…第２電極
５７…基準電極
５８…酸素ポンピング電源
５９…比較器
【図１】
2004340861.tif 000003
【図２】
2004340861.tif 000004
【図３】
2004340861.tif 000005
【図４】
2004340861.tif 000006
【図５】
2004340861.tif 000007
【図６】
2004340861.tif 000008