(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ロッド形状をなし、外部からの通電により発熱するヒータ部と、
該ヒータ部の外周側に筒状に形成され、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、
外部から給電されるポンプ電圧を該固体電解質層に印加するため該固体電解質層の外周側にそれぞれ位置して形成され、しかも該固体電解質層の軸方向に互いに離間して配置されると共にその外周側を周方向に延びて配置された第１，第２の電極と、
該第１，第２の電極のうち一方の電極との間で空燃比検出信号を出力するため該第１，第２の電極に対し前記固体電解質層の軸方向に離間して該固体電解質層の外周側に形成され、該固体電解質層の周方向に延びて配置された基準電極と、
多孔質材料を用いて前記固体電解質層の外周側に形成され、該固体電解質層、前記第１の電極、第２の電極および基準電極を外側から覆う拡散層とを備え、
前記第１の電極と第２の電極との離間距離は、前記基準電極と第１の電極との離間距離および前記基準電極と第２の電極との離間距離よりも小さくする構成としてなる空燃比検出装置。
【請求項２】
ロッド形状をなし、外部からの通電により発熱するヒータ部と、
該ヒータ部の外周側に２層構造をなして筒状に形成された内側電解質層と外側電解質とからなり、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、
外部から給電されるポンプ電圧を該固体電解質層に印加するため前記内側電解質層の外周側に周方向に延びて形成された内側電極と、
外部から給電されるポンプ電圧を該内側電極と一緒に前記固体電解質層に印加するため前記外側電解質層の外周側に周方向に延びて形成され、該内側電極との間で前記外側電解質層を径方向の内側と外側とから挟むように配置された外側電極と、
該外側電極との間で空燃比検出信号を出力するため該外側電極に対し前記外側電解質層の軸方向に離間して該外側電解質層の外周側に形成され、該外側電解質層の周方向に延びて配置された基準電極と、
多孔質材料を用いて前記外側電解質層の外周側に形成され、前記内側電解質層、外側電解質層、前記内側電極、外側電極および基準電極を外側から覆う拡散層とを備え、
前記内側電極と外側電極との離間距離は、前記基準電極と内側電極との離間距離および前記基準電極と外側電極との離間距離よりも小さくする構成としてなる空燃比検出装置。
【請求項３】
前記ヒータ部は、セラミックス材料により中空ロッド状に形成されたヒータコアと、該ヒータコアの外周面に形成されたヒータパターンと、該ヒータパターンを外側から覆うように前記ヒータコアの外周側に設けられた絶縁性のヒータ被覆層とにより構成してなる請求項１または２に記載の空燃比検出装置。
【請求項４】
前記拡散層は、予め決められた厚さで前記固体電解質層の外周側に形成され前記ヒータ部および固体電解質層と一緒に焼成される第１拡散層と、排気ガスに対する前記各電極のガス拡散抵抗値を調整するため該第１拡散層の外周側に溶射して形成される第２拡散層とにより構成してなる請求項１，２または３に記載の空燃比検出装置。
【請求項５】
前記第１拡散層は酸化アルミニウム材料またはジルコニアを含む酸化アルミニウム材料により形成し、前記第２拡散層は酸化マグネシウムを含む酸化アルミニウム材料により形成してなる請求項４に記載の空燃比検出装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、例えば自動車用エンジン等の空燃比（燃料と吸入空気との混合比）を排気ガス中の酸素濃度等から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（酸素センサ）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ようにしている。
【０００３】
そして、空燃比センサから出力される空燃比検出信号により、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。
【０００４】
また、この種の従来技術による空燃比センサとしては、プレート型の空燃比検出素子（空燃比検出装置）を用いたものが知られている（例えば、特開昭６１−１０７６２号公報、特開昭６１−１００６５１号公報、特表平７−５０１１５２号公報等）。
【０００５】
そして、プレート型の空燃比検出素子は、例えば細長いプレート状に形成されたヒータ部と、該ヒータ部の一側面上に積層化するように形成された固体電解質層および拡散層等とにより構成されている。
【０００６】
【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検出素子は、細長いプレート状をなすヒータ部上に固体電解質層および拡散層等を積層化することにより形成され、全体がプレート構造（平板形状）をなすものであるために、素子構造が複雑となり、生産性が悪いという問題がある。
【０００７】
また、プレート構造であるために空燃比検出素子の取付方向に制約があり、素子の取付方向を変更すると、これによって酸素濃度等の検出精度にバラツキが生じ易く、空燃比センサからの検出信号に基づいて燃料噴射量をフィードバック制御するときに、燃料の噴射量が過大となったり、過小となったりして、エンジン制御が不安定になるという問題がある。
【０００８】
また、ヒータ部の一側面には固体電解質層および拡散層を積層化しているものの、ヒータ部の他側面は外部に露出する構造となっているために、固体電解質層に対するヒータ部の伝熱面積を大きくできないばかりか、エンジンの停止時にはヒータ部が外気温の影響を受け易く、エンジンの始動時にヒータ部に給電を行っても該ヒータ部を早期に昇温させるのが難しいという問題がある。
【０００９】
これにより、ヒータ部からの熱で固体電解質層等を活性化させて酸素濃度等を検出できるまでに余分な時間がかかり、エンジンの始動時に空燃比センサからの信号に基づいて燃料の噴射量を早期にフィードバック制御することができないという問題がある。
【００１０】
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、取付方向によって検出精度にバラツキが生じるのを防止でき、排気ガス中の酸素濃度等を安定して検出できる上に、ヒータによる昇温時間を確実に短くでき、エンジンの始動時でも早期に空燃比を検出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。
【００１１】
【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、ロッド形状をなし、外部からの通電により発熱するヒータ部と、該ヒータ部の外周側に筒状に形成され、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、外部から給電されるポンプ電圧を該固体電解質層に印加するため該固体電解質層の外周側にそれぞれ位置して形成され、しかも該固体電解質層の軸方向に互いに離間して配置されると共にその外周側を周方向に延びて配置された第１，第２の電極と、該第１，第２の電極のうち一方の電極との間で空燃比検出信号を出力するため該第１，第２の電極に対し前記固体電解質層の軸方向に離間して該固体電解質層の外周側に形成され、該固体電解質層の周方向に延びて配置された基準電極と、多孔質材料を用いて前記固体電解質層の外周側に形成され、該固体電解質層、前記第１の電極、第２の電極および基準電極を外側から覆う拡散層とを備え、前記第１の電極と第２の電極との離間距離は、前記基準電極と第１の電極との離間距離および前記基準電極と第２の電極との離間距離よりも小さくする構成としている。
【００１２】
このように構成することにより、ロッド形状をなすヒータ部の外周側に曲面印刷等の手段を用いて固体電解質層および拡散層等を形成でき、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る。これにより、取付時の方向や排気ガスの流れ方向等に影響されることなく、排気ガス中の酸素濃度等を安定した精度で検出できる。
【００１３】
そして、第１，第２の電極間にはポンプ電圧を印加することにより、排気ガスがリーン状態のときには排気ガス中の酸素濃度に対応した拡散限界電流（ポンピング電流）を検出でき、排気ガスがリッチ状態のときには排気ガス中の可燃ガス成分濃度に対応した拡散限界電流を検出することができる。また、ヒータ部を心棒部をとし、その外周側には全周にわたって固体電解質層および拡散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。しかも、第１の電極、第２の電極および基準電極を、固体電解質層の軸方向に互いに離間して該固体電解質層の外周面にそれぞれ形成することにより、第１の電極、第２の電極および基準電極は曲面印刷等の手段を用いて固体電解質層の外周面に軸方向に互いに離間させて形成でき、その後の拡散層による各電極に対するガス拡散抵抗値の調整作業を容易に行うことができる。
また、請求項２の発明による空燃比検出装置は、ロッド形状をなし、外部からの通電により発熱するヒータ部と、該ヒータ部の外周側に２層構造をなして筒状に形成された内側電解質層と外側電解質とからなり、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、外部から給電されるポンプ電圧を該固体電解質層に印加するため前記内側電解質層の外周側に周方向に延びて形成された内側電極と、外部から給電されるポンプ電圧を該内側電極と一緒に前記固体電解質層に印加するため前記外側電解質層の外周側に周方向に延びて形成され、該内側電極との間で前記外側電解質層を径方向の内側と外側とから挟むように配置された外側電極と、該外側電極との間で空燃比検出信号を出力するため該外側電極に対し前記外側電解質層の軸方向に離間して該外側電解質層の外周側に形成され、該外側電解質層の周方向に延びて配置された基準電極と、多孔質材料を用いて前記外側電解質層の外周側に形成され、前記内側電解質層、外側電解質層、前記内側電極、外側電極および基準電極を外側から覆う拡散層とを備え、前記内側電極と外側電極との離間距離は、前記基準電極と内側電極との離間距離および前記基準電極と外側電極との離間距離よりも小さくする構成としている。
これにより、内側電極と外側電極とは固体電解質層の外側電解質層を径方向で挟むように対向配置でき、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。また、基準電極を内側電極と外側電極とから大きく離して形成でき、内側電極と外側電極との間に印加されるポンプ電圧の影響等が基準電極に及ぶのを抑えることができる。
【００１４】
また、請求項３の発明は、ヒータ部を、セラミックス材料により中空ロッド状に形成されたヒータコアと、該ヒータコアの外周面に形成されたヒータパターンと、該ヒータパターンを外側から覆うように前記ヒータコアの外周側に設けられた絶縁性のヒータ被覆層とにより構成している。
【００１５】
これにより、中空ロッド状をなすヒータコアの外周面にヒータパターンを形成し、該ヒータパターンを外側から覆うように前記ヒータコアの外周側に絶縁性のヒータ被覆層を設けるだけで、ヒータ部を簡単な構造に形成することができる。そして、ヒータコアは中空のセラミックパイプを用いて形成でき、これによって、ヒータ部全体の熱容量を小さくでき、該ヒータ部の昇温時間を確実に短くすることができる。
【００１６】
また、請求項４の発明は、拡散層を、予め決められた厚さで固体電解質層の外周側に形成されヒータ部および固体電解質層と一緒に焼成される第１拡散層と、排気ガスに対する各電極のガス拡散抵抗値を調整するため該第１拡散層の外周側に溶射して形成される第２拡散層とにより構成している。
【００１７】
これにより、ヒータ部、固体電解質層および第１拡散層等からなる空燃比検出素子を焼成した段階で、第１，第２の電極間、または内側電極と外側電極との間に加えられるポンプ電圧（ポンピング電流）の特性を確認した後に、例えばプラズマ溶射等の手段を用いて第２拡散層を形成でき、該第２拡散層の厚みに応じて第１，第２の電極（内側電極と外側電極と）のガス拡散抵抗値を調整することができる。また、基準電極を第１，第２拡散層で覆うことによって、排気ガスの酸素濃度がリッチ、リーンに切換わるときに空燃比検出信号がオーバシュートしたりするのを抑えることができる。
【００１８】
そして、請求項５の発明によると、第１拡散層は酸化アルミニウム材料またはジルコニアを含む酸化アルミニウム材料により形成し、第２拡散層は酸化マグネシウムを含む酸化アルミニウム材料により形成してなる構成としている。
【００１９】
これにより、第１拡散層は酸化アルミニウム材料またはジルコニアを含む酸化アルミニウム材料からなるペースト状物を固体電解質層の外周面に曲面印刷することによって形成でき、第２拡散層は酸化マグネシウムを含む酸化アルミニウム材料を第１拡散層の外側から、例えばプラズマ溶射することによって形成することができる。
【００２４】
【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、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。
【００２５】
ここで、図１ないし図１４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、先端部外周側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。
【００２６】
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。
【００２７】
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が無機接着剤等を用いて固着されている。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。
【００２８】
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。
【００２９】
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。
【００３０】
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、例えばポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）等の耐熱性を有する樹脂材料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。
【００３１】
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。
【００３２】
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。
【００３３】
また、プロテクタ１５の筒部側には、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、排気管内を流れる排気ガスを空燃比検出素子２１の先端側周囲に導くものである。
【００３４】
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、先端側がホルダ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７に示す如く後述のヒータ部２２、固体電解質層２７および拡散層３１等によって構成されている。
【００３５】
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空ロッド状に形成されたヒータコアとしてのコアパイプ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。
【００３６】
そして、ヒータパターン２４は、図３に示すようにコアパイプ２３の外周面に曲面印刷等の手段を用いて形成され、コアパイプ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を有している。また、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コアパイプ２３の外周側に厚膜印刷することにより形成されている。
【００３７】
ここで、コアパイプ２３はアルミナ等のセラミックス材料を射出成形することにより、例えば外形寸法が約３〜４ｍｍで、長さ寸法が約５０〜６０ｍｍとなる円筒状ロッドとして形成され、コアパイプ２３の内周側は軸方向に貫通して延びる軸穴２３Ａとなっている。そして、該軸穴２３Ａはコアパイプ２３の容積を減少させることによって、コアパイプ２３の熱容量を小さくする熱容量低減穴としても機能するものである。
【００３８】
一方、ヒータパターン２４は、例えば１０重量％のアルミナを混合した白金等の発熱性導体材料からなり、各リード部２４Ａはコアパイプ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に接続されている。そして、ヒータパターン２４は、後述のヒータ電源３４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６５０〜８００℃程度の温度にヒータ部２２を発熱させるものである。
【００３９】
２６はコアパイプ２３に設けられた栓部で、該栓部２６は、コアパイプ２３と同様にアルミナ等のセラミックス材料を用いて形成され、例えば図３に示す如くコアパイプ２３の基端側から軸穴２３Ａに嵌合されて軸穴２３Ａを閉塞するものである。なお、後述の固体電解質層２７、第１拡散層３２等を曲面印刷するときにも、コアパイプ２３の軸穴２３Ａを芯出し穴として用いる。
【００４０】
このため、栓部２６は、固体電解質層２７、第１拡散層３２等の曲面印刷が完了した段階で、これらを焼成する前にコアパイプ２３の軸穴２３Ａ内に設け、その後に栓部２６をコアパイプ２３と一緒に焼成するのがよい。
【００４１】
２７はヒータ部２２のヒータ被覆層２５外周側に曲面印刷等の手段を用いて形成された酸素イオン伝導性の固体電解質層を示し、該固体電解質層２７は、例えば９５％モルのジルコニア（Ｚr Ｏ2 ）の粉体に対して、５％モルのイットリア（Ｙ2 Ｏ3 ）の粉体を混合して所謂イットリア安定化ジルコニア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５に示す如くヒータ被覆層２５の外周側に厚膜印刷することにより筒状に形成されている。
【００４２】
そして、固体電解質層２７は、例えば５０〜１００μｍ程度の厚さを有し、後述の電極２８，２９間で酸素イオンを輸送させる。これにより、固体電解質層２７は、後述のポンピング起電力Ｅp を発生し、その内部抵抗はＲp として下記の数２のように表されるものである。
【００４３】
２８，２９は固体電解質層２７の外周面に互いに離間して形成された第１，第２の電極で、該第１，第２の電極２８，２９は、白金等からなる導電性ペーストを図５に示す如き印刷パターンで固体電解質層２７およびヒータ被覆層２５の外周面に曲面印刷することにより周方向に延びて形成され、そのリード部２８Ａ，２９Ａはヒータ部２２の基端側に向けて伸長するものである。そして、第１，第２の電極２８，２９の離間距離は、図２、図５に示す如く後述の基準電極３０と第１の電極２８との離間距離、基準電極３０と第２の電極２９との離間距離よりも小さくなるように配置されている。
【００４４】
ここで、第１の電極２８は、後述の化１、化３式等による接触分解反応を行うカソード電極となり、第２の電極２９は、後述の化２、化４式等による接触分解反応を行うアノード電極を構成している。そして、電極２８，２９のリード部２８Ａ，２９Ａは、図１に示すように空燃比検出素子２１の基端側で各コンタクトプレート１３、リード線１１に接続され、電極２８，２９間には後述の直流電源３５からポンプ電圧Ｖp が印加されるものである。
【００４５】
３０は電極２８，２９から離間して固体電解質層２７の外周面に形成された基準電極で、該基準電極３０は、電極２８，２９と同様に白金等からなる導電性ペーストを図５に示す如き印刷パターンで固体電解質層２７およびヒータ被覆層２５の外周面に曲面印刷することによって形成され、そのリード部３０Ａはヒータ部２２の基端側に向けて伸長するものである。
【００４６】
ここで、基準電極３０は、電極２８，２９に対し固体電解質層２７の軸方向に離間して配設され、そのリード部３０Ａは、図１に示す空燃比検出素子２１の基端側で電極２８，２９のリード部２８Ａ，２９Ａとは異なるコンタクトプレート１３、リード線１１に接続されている。そして、基準電極３０と第１の電極２８とは、図２に示す後述の差動増幅器３７に接続されるものである。
【００４７】
３１は固体電解質層２７および電極２８〜３０を外側から覆う多孔質材料からなる拡散層で、該拡散層３１は、図２、図７に示すように固体電解質層２７の外周側に曲面印刷等の手段を用いて形成された第１拡散層３２と、後述の第２拡散層３３とにより構成されている。
【００４８】
ここで、第１拡散層３２は、例えば酸化アルミニウム（アルミナ）の粉体からペースト状物を調整し、このペースト状物を固体電解質層２７の外周側に厚膜印刷することにより、例えば３０〜１００μｍ程度の厚さをもって筒状に形成されている。
【００４９】
なお、第１拡散層３２は、例えば酸化アルミニウムの粉体中に所定重量％のジルコニアの粉体を混合してペースト状物を調整し、このペースト状物を固体電解質層２７の外周側に厚膜印刷することにより形成してもよい。
【００５０】
そして、第１拡散層３２は第２拡散層３３と共に多孔質構造をなし、第２拡散層３３の周囲を流れる排気ガスの一部を電極２８〜３０に向けて透過させる機能を有している。この場合、第１拡散層３２は、第２拡散層３３に比較して空孔率が高く、目の粗い多孔質構造をなすように形成されるものである。
【００５１】
３３は第１拡散層３２の外周側に設けられた第２拡散層で、該第２拡散層３３は、例えば酸化マグネシウムと酸化アルミニウムからなる多孔質セラミックス材料を、図７に示す如く第１拡散層３２およびヒータ被覆層２５の外周面に全周にわたってプラズマ溶射することにより形成されている。
【００５２】
そして、第２拡散層３３は、例えば１００μｍ以下の厚みをもって第１拡散層３２を外側から覆うことにより、後述のポンピング電流Ｉp を調整するための調整代を与えると共に、ヒータ部２２のヒータ被覆層２５を覆うことにより電極２８〜３０のリード部２８Ａ，２９Ａ，３０Ａを保護する機能をも有する。また、第２拡散層３３は、第１拡散層３２に比較して目の細かい多孔質構造に形成されるものである。
【００５３】
次に、３４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３４は、図２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３４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６５０〜８００℃前，後の温度にヒータ部２２を発熱させる。
【００５４】
３５はケーシング１の外部に設けられる直流電源で、該直流電源３５は、図２に示すように電極２８，２９間にリード線１１等を介して接続され、カソード側の電極２８とアノード側の電極２９との間にポンプ電圧Ｖp を印加するものである。なお、直流電源３５によるポンプ電圧Ｖp は、例えば０．６Ｖ（ボルト）程度の一定電圧に通常は設定され、その電圧値を必要に応じて可変に調整できるものである。
【００５５】
３６は直流電源３５とアノード側の電極２９との間に接続された電流検出器を示し、該電流検出器３６は、カソード側の電極２８とアノード側の電極２９との間に流れる拡散限界電流としてのポンピング電流Ｉp を検出するものである。
【００５６】
３７はケーシング１の外部に設けられ、空燃比の検出回路を構成する差動増幅器で、該差動増幅器３７は、図２に示すようにその非反転入力端子がリード線１１等を介して基準電極３０に接続され、反転入力端子はカソード側の電極２８に接続されている。そして、差動増幅器３７は、その出力側端子３８から図１０、図１３および図１４に示すように空燃比検出信号としてのセンサ起電力Ｅs を出力するものである。
【００５７】
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３ないし図７を参照して説明する。
【００５８】
まず、ヒータ部２２を製造するときには、図３に示すようにコア成形工程で、アルミナ等のセラミックス材料からコアパイプ２３を中空の円筒状ロッドとして射出成形し、この状態でコアパイプ２３を仮焼成する。この場合、軸穴２３Ａはコアパイプ２３の熱容量を小さくするために可能な限り大きな穴径をもって形成するのがよい。
【００５９】
次に、パターン印刷工程では、チャック等の支持軸をコアパイプ２３の両端側に軸穴２３Ａ等を介して係合させ、コアパイプ２３を回転させつつ、例えば１０重量％のアルミナを混合した白金等の発熱性導体材料からなるヒータパターン２４をコアパイプ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をコアパイプ２３の基端側に向けて伸長するように印刷することににより一体形成する。
【００６０】
次に、ヒータ被覆層形成工程では、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するか、またはアルミナ等のセラミックスグリーンシートをコアパイプ２３の外周側に積層化してヒータ被覆層２５を形成する。これによって、コアパイプ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、図４に示すように形成する。
【００６１】
次に、図５に示す固体電解質層形成工程では、ヒータ被覆層２５の外周面に、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を形成する。
【００６２】
そして、次なる電極形成工程では、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の軸方向で互いに離間させて電極２８，２９，３０を形成する。また、それぞれのリード部２８Ａ，２９Ａ，３０Ａを互いに離間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。
【００６３】
また、これに続く第１の拡散層形成工程では、図５に示す電極２８〜３０を外側から覆うように固体電解質層２７の外周側に、例えばアルミナまたはジルコニアを含むアルミナからなるペースト状物を曲面印刷することにより第１拡散層３２を形成する。
【００６４】
そして、次なる焼成工程で、前述の如く形成したコアパイプ２３、ヒータパターン２４、ヒータ被覆層２５、固体電解質層２７、電極２８〜３０および第１拡散層３２からなる空燃比検出素子２１の成形品を、例えば１３００〜１５００℃前，後の高温度下で２時間程度焼成してこれらを一体的に焼結させる。なお、図３に示した栓部２６は、焼成工程の前にコアパイプ２３の軸穴２３Ａ内に設けるようにし、その後にコアパイプ２３等と一緒に焼成するのがよい。
【００６５】
次に、第２の拡散層形成工程では、このように焼成された空燃比検出素子２１の成形品に対して、例えば酸化マグネシウムを含んだアルミナ（酸化アルミニウム）からなるセラミックス材料をプラズマ溶射することにより第２拡散層３３を形成する。そして、この第２拡散層３３により図７に示す如く第１拡散層３２およびヒータ被覆層２５の外周面を全周にわたって覆うようにする。
【００６６】
この場合、第２拡散層３３は、例えば１００μｍ以下の調整代（厚み）をもって第１拡散層３２を外側から覆うもので、プラズマ溶射時に第２拡散層３３の厚さを可変に調整することにより、各製品毎に後述のポンピング電流Ｉp にバラツキが生じるのを抑えることができ、素子の焼成後にもガス拡散抵抗値の調整を容易に行い得るものである。
【００６７】
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、該空燃比検出素子２１を空燃比センサのケーシング１内に図１に示す如く収納し、各リード部２４Ａ，２８Ａ，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。
【００６８】
次に、当該空燃比センサによる空燃比の検出動作について説明するに、まず、当該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。
【００６９】
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第２拡散層３３および第１拡散層３２を透過して電極２８，２９の表面に達する。
【００７０】
また、この状態でヒータ電源３４からヒータパターン２４に給電を行ってヒータ部２２により空燃比検出素子２１全体を加熱すると、固体電解質層２７が活性化され、カソード側の電極２８とアノード側の電極２９との間には、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、可燃ガス成分濃度に基づいた拡散限界電流（ポンピング電流Ｉp ）が、後述する数１，数３，数４式の如く発生するものである。
【００７１】
即ち、エンジンの空燃比が理論空燃比（λ＝１）よりも大きい希薄混合気（リーン状態）のときには、拡散層３１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。
【００７２】
このため、電極２８，２９間にポンプ電圧Ｖp を印加した状態ではカソード側の電極２８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。
【００７３】
【化１】
Ｏ2 ＋４ｅ  →  ２Ｏ2-
但し、Ｏ2 ：酸素分子
ｅ  ：電子
Ｏ2-：酸素イオン
【００７４】
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カソード側の電極２８からアノード側の電極２９に向けて輸送される。このため、アノード側の電極２９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。
【００７５】
【化２】
２Ｏ2-  →  Ｏ2 ＋４ｅ
【００７６】
これにより、カソード側の電極２８とアノード側の電極２９との間には、拡散層３１による酸素のガス拡散係数Ｄo 、検出ガスの酸素分圧Ｐx1（例えば、基準電極３０側での酸素分圧）およびカソード（電極２８）側の酸素分圧Ｐx2等に従って下記の数１式による拡散限界電流としてのポンピング電流Ｉp が流れる。
【００７７】
【数１】
0004204773.tif 000002
【００７８】
また、電極２８，２９間の抵抗（固体電解質層２７の内部抵抗）をＲp としたときに、直流電源３５によるポンプ電圧Ｖp は、固体電解質層２７内に発生するポンピング起電力Ｅp 、ポンピング電流Ｉp に対して下記の数２式で示される関係を満たすものである。
【００７９】
【数２】
Ｖp ＝Ｅp ＋（Ｉp ×Ｒp ）
【００８０】
そして、直流電源３５によるポンプ電圧Ｖp を、図８に示すように零ボルト（０Ｖ）から漸次昇圧させてポンピング電流Ｉp の変化を電流検出器３６で調べると、リーン状態の空燃比λL1，λL2，λL3（１＜λL1＜λL2＜λL3）に対して、ポンピング電流Ｉp は、空燃比λL1のときに電流値ＩpL1 で拡散限界に達し、空燃比λL2のときには電流値ＩpL2 で拡散限界に達し、空燃比λL3のときには電流値ＩpL3 で拡散限界に達することが確認された。
【００８１】
これにより、図８に示すようにポンプ電圧Ｖp を、例えば０．６Ｖ程度の一定電圧Ｖpoに保つことにより、空燃比λとポンピング電流Ｉp との関係は、図９に示すリニアな特性線として表される。
【００８２】
従って、ポンプ電圧Ｖp を一定電圧Ｖpoに保った状態では、電流検出器３６を用いてポンピング電流Ｉp を検出することにより、このときの空燃比λを、図９に例示するように空燃比λL1，λL2，λL3等として検出することができる。
【００８３】
また、図２に示す差動増幅器３７の出力側端子３８からは、リーン状態の空燃比検出信号としてセンサ起電力Ｅs を、図１０に示す特性線の如く出力することができる。
【００８４】
一方、エンジンの空燃比が理論空燃比（λ＝１）よりも小さい過濃混合気（リッチ状態）のときには、拡散層３１の周囲を流れる排気ガス中に酸素が残らず、例えば一酸化炭素（ＣＯ）、水素（Ｈ2 ）等の可燃ガス成分が燃焼されることなく残っている。
【００８５】
このため、電極２８，２９間にポンプ電圧Ｖp を印加した状態では、カソード側の電極２８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。
【００８６】
【化３】
２ＣＯ2 ＋４ｅ  →  ２Ｏ2-  ＋２ＣＯ
但し、ＣＯ2 ：二酸化炭素分子
ｅ  ：電子
Ｏ2-：酸素イオン
ＣＯ：一酸化炭素分子
【００８７】
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カソード側の電極２８からアノード側の電極２９に向けて輸送される。
【００８８】
また、アノード側の電極２９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、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。
【００８９】
【化４】
２ＣＯ＋２Ｏ2-  →  ２ＣＯ2 ＋４ｅ
【００９０】
これにより、カソード側の電極２８とアノード側の電極２９との間には、拡散層３１による一酸化炭素のガス拡散係数Ｄco 、検出ガスの一酸化炭素分圧Ｐx3（例えば、基準電極３０側での一酸化炭素分圧）およびアノード（電極２９）側の一酸化炭素分圧Ｐx4等に従って下記の数３式による拡散限界電流としてのポンピング電流Ｉp が流れる。
【００９１】
【数３】
0004204773.tif 000003
【００９２】
また、排気ガス中の可燃ガス成分としての水素（Ｈ2 ）の場合は、カソード側の電極２８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。
【００９３】
【化５】
２Ｈ2 Ｏ＋４ｅ  →  ２Ｏ2-  ＋２Ｈ2
但し、Ｈ2 Ｏ：水分子
ｅ  ：電子
Ｏ2-：酸素イオン
Ｈ2 ：水素分子
【００９４】
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カソード側の電極２８からアノード側の電極２９に向けて輸送される。
【００９５】
また、アノード側の電極２９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。
【００９６】
【化６】
２Ｈ2 ＋２Ｏ2-  →  ２Ｈ2 Ｏ＋４ｅ
【００９７】
これにより、カソード側の電極２８とアノード側の電極２９との間には、拡散層３１による水素のガス拡散係数ＤH 、検出ガスの水素分圧Ｐx5（例えば、基準電極３０側での水素分圧）およびアノード（電極２９）側の水素分圧Ｐx6等に従って下記の数４式による拡散限界電流としてのポンピング電流Ｉp が流れる。
【００９８】
【数４】
0004204773.tif 000004
【００９９】
なお、空燃比がリッチ状態でも、直流電源３５によるポンプ電圧Ｖp は、固体電解質層２７内に発生するポンピング起電力Ｅp 、ポンピング電流Ｉp に対して上記の数２式で示される関係を満たすものである。
【０１００】
そして、直流電源３５によるポンプ電圧Ｖp を、図１１に示すように零ボルト（０Ｖ）から漸次昇圧させてポンピング電流Ｉp の変化を電流検出器３６で調べると、リッチ状態の空燃比λR1，λR2，λR3（１＞λR1＞λR2＞λR3）に対して、ポンピング電流Ｉp は、空燃比λR1のときに電流値ＩpR1 で拡散限界に達し、空燃比λR2のときには電流値ＩpR2 で拡散限界に達し、空燃比λR3のときには電流値ＩpR3 で拡散限界に達することが確認された。
【０１０１】
これにより、図１１に示すようにポンプ電圧Ｖp を、例えば０．６Ｖ程度の一定電圧Ｖpoに保つことにより、空燃比λとポンピング電流Ｉp との関係は、図１２に示すリニアな特性線として表される。
【０１０２】
従って、ポンプ電圧Ｖp を一定電圧Ｖpoに保った状態では、電流検出器３６を用いてポンピング電流Ｉp を検出することにより、リッチ状態の空燃比λを、図１２に例示するように空燃比λR1，λR2，λR3等として検出することができる。
【０１０３】
また、図２に示す差動増幅器３７の出力側端子３８からは、リッチ状態の空燃比検出信号としてセンサ起電力Ｅs を、図１３に示す特性線の如く出力することができる。
【０１０４】
かくして、差動増幅器３７の出力側端子３８から出力される空燃比検出信号としてのセンサ起電力Ｅs を、図１４中に実線で示す特性線３９のように取出すことができ、このセンサ起電力Ｅs によって、例えば時間ｔ1 までは空燃比がリーン状態にあると検出でき、時間ｔ1 〜ｔ2 まではリッチ状態にあり、時間ｔ2 以降は再びリーン状態になっているとして検出することができる。
【０１０５】
ところで、空燃比がリーンからリッチに切換わるとき、またはリッチからリーンに切換わるときには、図１４中に一点鎖線で示す特性線３９Ａ，３９Ｂのようにセンサ起電力Ｅs がオーバシュートを起こすことがある。
【０１０６】
そこで、本実施の形態では、固体電解質層２７の外周側に形成した基準電極３０を第１，第２の電極２８，２９と共に拡散層３１で覆い、かつ第２拡散層３３についてはプラズマ溶射等の手段を用いて形成し、第２拡散層３３の厚さを適宜に調整できるようにしている。
【０１０７】
これにより、図１４中に一点鎖線で示す特性線３９Ａ，３９Ｂのようなセンサ起電力Ｅs のオーバシュートを良好に抑えることができ、図１４中に実線で示す特性線３９のように安定した出力（センサ起電力Ｅs ）を取出すことができる。
【０１０８】
また、本実施の形態によれば、コアパイプ２３、ヒータパターン２４、ヒータ被覆層２５、固体電解質層２７、電極２８〜３０および第１拡散層３２からなる空燃比検出素子２１の成形品を焼成し、この状態でポンピング電流Ｉp の特性を確認した上で、前記成形品に対してアルミナ、酸化マグネシウムからなるセラミックス材料をプラズマ溶射することにより第２拡散層３３を形成するため、下記のような作用効果を得ることができる。
【０１０９】
即ち、空燃比検出素子２１は、前記成型品を焼成した段階で構成材料の物性にバラツキが生じる等の原因で製品毎に焼結状態に差があり、これによって第１，第２の電極２８，２９を覆う拡散層３１にはガス拡散抵抗値にバラツキが発生し易く、電極２８，２９間を流れるポンピング電流Ｉp が製品毎に不均一になることがある。
【０１１０】
そこで、前述の如く第２拡散層３３をプラズマ溶射するときに、該第２拡散層３３の厚さを可変に調整し、例えば１００μｍ以下の調整代をもって第１拡散層３２を外側から第２拡散層３３により覆うようにしている。
【０１１１】
この結果、プラズマ溶射時に第２拡散層３３の厚さを可変に調整することによって、例えば電極２８，２９，３０毎に拡散層３１によるガス拡散抵抗値を個別に調整でき、製品毎にポンピング電流Ｉp にバラツキが生じるのを抑えることができる。
【０１１２】
また、本実施の形態にあっては、小径の中空ロッド状をなすコアパイプ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コアパイプ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と共に、該ヒータ部２２の外周側に固体電解質層２７および拡散層３１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。
【０１１３】
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電極２８〜３０に十分な電極面積を確保しつつ、空燃比検出素子２１の体積を確実に小さくすることができる。
【０１１４】
そして、当該空燃比センサをエンジンの排気管等に実装したときに、拡散層３１の周囲から電極２８，２９の表面に向けて透過する排気ガスの透過量が、排気ガスの流れ方向や取付時の方向によって変化するのを防止でき、取付時の指向性をなくすことができる。
【０１１５】
また、ヒータ部２２を全周にわたって外側から固体電解質層２７および拡散層３１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。
【０１１６】
また、コアパイプ２３の軸穴２３Ａ等によりヒータ部２２全体の熱容量小さくでき、該ヒータ部２２の昇温時間を確実に短くすることができる。これにより、固体電解質層２７の活性時間を短くでき、エンジンの始動時にも早期に空燃比制御を行うことができる。
【０１１７】
さらに、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。
【０１１８】
従って、本実施の形態によれば、空燃比検出素子２１を短時間で活性化でき、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。
【０１１９】
そして、空燃比検出素子２１の製造時には、コアパイプ２３の外周側に順次ヒータパターン２４、ヒータ被覆層２５、固体電解質層２７および第１拡散層３２を曲面印刷し、その後に第２拡散層３３をプラズマ溶射することにより形成できるので、素子の焼成後にもガス拡散抵抗値（ポンピング電流Ｉp ）の調整を容易に行うことができ、製造時の作業性を大幅に向上できる。
【０１２０】
また、第１の電極２８、第２の電極２９および基準電極３０を固体電解質層２７の外周面に軸方向に離間して形成できるため、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。
【０１２１】
次に、図１５ないし図２０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、固体電解質層を２層構造とし、ポンプ電圧が印加される第１，第２の電極を固体電解質層の径方向に対向配置す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。
【０１２２】
図中、４１は本実施の形態よる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４１は、図１５に示す如く後述のヒータ部４２、固体電解質層４７および拡散層５１等によって構成されている。
【０１２３】
４２は細長いロッド状に形成され、空燃比検出装置４１の心棒部を構成するヒータ部で、該ヒータ部４２は、第１の実施の形態で述べたヒータ部２２と同様に軸穴４３Ａを有したヒータコアとしてのコアパイプ４３、リード部４４Ａを有したヒータパターン４４、ヒータ被覆層４５および図１６に示す栓部４６から構成されている。
【０１２４】
４７は酸素イオン伝導性の固体電解質層で、該固体電解質層４７は、第１の実施の形態で述べた固体電解質層２７とほぼ同様にイットリア安定化ジルコニアからなるペースト状物を、図１５、図１８に示す如くヒータ被覆層４５の外周側に厚膜印刷することにより筒状に形成されている。
【０１２５】
しかし、固体電解質層４７は、内側電解質層４７Ａと外側電解質層４７Ｂとから２層構造に形成され、その軸方向長さは、第１の実施の形態で述べた固体電解質層２７に比較して確実に短くなっているものである。
【０１２６】
即ち、本実施の形態による固体電解質層４７は積層構造をなし、１層目となる内側電解質層４７Ａがヒータ部４２のヒータ被覆層４５外周側に曲面印刷等の手段を用いて形成されている。そして、２層目となる外側電解質層４７Ｂは、後述の内側電極４８を外側から覆うように内側電解質層４７Ａ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。
【０１２７】
４８は内側電解質層４７Ａの外周面に曲面印刷等の手段を用いて形成された第１の電極としての内側電極、４９は外側電解質層４７Ｂの外周面に曲面印刷等の手段を用いて形成された第２の電極としての外側電極を示している。
【０１２８】
そして、これらの電極４８，４９は、第１の実施の形態で述べた電極２８，２９と同様に形成されるものの、外側電解質層４７Ｂを内側電極４８と外側電極４９との間で径方向の内側と外側とから挟むように形成している点で異なるものである。そして、内側電極４８と外側電極４９との離間距離は、図１５に示すように後述の基準電極５０と外側電極４９との離間距離、基準電極５０と内側電極４８との離間距離よりも小さくなっている。
【０１２９】
また、これらの電極４８，４９は、図１８に示すようにそれぞれリード部４８Ａ，４９Ａを有し、リード部４８Ａ，４９Ａはヒータ部４２の基端側に向けて伸長するものである。この場合、内側電極４８は、前述した化１、化３式等による接触分解反応を行うカソード電極を構成し、外側電極４９は、前述した化２、化４式等による接触分解反応を行うアノード電極を構成している。
【０１３０】
５０は外側電極４９から離間して外側電解質層４７Ｂの外周面に形成された基準電極で、該基準電極５０は、電極４８，４９と同様に白金等からなる導電性ペーストを図１８に示す如き印刷パターンで外側電解質層４７Ｂおよびヒータ被覆層４５の外周面に曲面印刷することによって形成され、そのリード部５０Ａはヒータ部４２の基端側に向けて伸長するものである。
【０１３１】
そして、基準電極５０は、外側電極４９に対し外側電解質層４７Ｂの軸方向に離間して配設され、第１の実施の形態で述べた基準電極３０と同様に図１５に示す差動増幅器３７に接続されるものである。
【０１３２】
５１は固体電解質層４７および電極４９，５０を外側から覆う多孔質材料からなる拡散層で、該拡散層５１は、第１の実施の形態で述べた拡散層３１とほぼ同様に第１拡散層５２と、第２拡散層５３とにより構成されている。
【０１３３】
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４１の製造方法について図１６ないし図２０を参照して説明する。
【０１３４】
まず、ヒータ部４２を製造するときには、図１６に示す如くコア成形工程で、アルミナ等のセラミックス材料からコアパイプ４３を中空の円筒状ロッドとして射出成形し、この状態でコアパイプ４３を仮焼成する。
【０１３５】
次に、パターン印刷工程では、チャック等の支持軸をコアパイプ４３の両端側に軸穴４３Ａ等を介して係合させ、コアパイプ４３を回転させつつ、例えば白金またはタングステン等の発熱性導体材料からなるヒータパターン４４をコアパイプ４３の外周面に曲面印刷する。
【０１３６】
そして、次なるヒータ被覆層形成工程でも、第１の実施の形態と同様にセラミックスグリーンシートをコアパイプ４３の外周側に積層化してヒータ被覆層４５を形成する。これによって、コアパイプ４３、ヒータパターン４４およびヒータ被覆層４５からなるヒータ部４２を、図１７に示すように形成する。
【０１３７】
次に、図１８に示す内側電解質層形成工程では、ヒータ被覆層４５の外周面にジルコニアとイットリアからなるペースト状物を塗布するように曲面印刷して酸素イオン伝導性の内側電解質層４７Ａを形成する。
【０１３８】
そして、次なる内側電極形成工程では、内側電解質層４７Ａ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内側電極４８を形成する。また、このときに内側電極４８のリード部４８Ａをヒータ被覆層４５の基端側まで伸長させるように印刷により形成する。
【０１３９】
次に、外側電解質層形成工程では、内側電解質層４７Ａの外周面にジルコニアとイットリアからなるペースト状物を塗布するように曲面印刷して酸素イオン伝導性の外側電解質層４７Ｂを形成する。
【０１４０】
そして、その後に外側電解質層４７Ｂ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、外側電解質層４７Ｂの軸方向で互いに離間させて外側電極４９と基準電極５０とを形成する。また、それぞれのリード部４９Ａ，５０Ａをヒータ被覆層４５の基端側まで伸長させるように印刷により形成する。
【０１４１】
また、これに続く第１の拡散層形成工程では、図１８に示す電極４９，５０を外側から覆うように外側電解質層４７Ｂの外周側に、例えばアルミナまたはジルコニアを含むアルミナからなるペースト状物を曲面印刷することにより第１拡散層５２を形成する。
【０１４２】
そして、次なる焼成工程で、第１の実施の形態と同様にコアパイプ４３、ヒータパターン４４、ヒータ被覆層４５、固体電解質層４７、電極４８〜５０および第１拡散層５２からなる空燃比検出素子４１の成形品を高温度下で焼成する。
【０１４３】
次に、第２の拡散層形成工程でも、第１の実施の形態と同様に多孔質のセラミックス材料をプラズマ溶射することにより第２拡散層５３を形成する。そして、この第２拡散層５３により図２０に示す如く第１拡散層５２およびヒータ被覆層４５の外周面を全周にわたって覆うようにする。
【０１４４】
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が、特に本実施の形態では、固体電解質層４７を内側電解質層４７Ａと外側電解質層４７Ｂとの２層構造に形成し、外側電解質層４７Ｂを内側電極４８と外側電極４９との間で挟む構成としている。
【０１４５】
このため、内側電極４８と外側電極４９を軸方向に幅広に形成でき、電極面積を確実に大きくできると共に、内側電極４８と外側電極４９を外側電解質層４７Ｂの厚さ方向で互いに近付け、電極間距離を小さくすることができる。
【０１４６】
これにより、電極４８，４９間の抵抗（前述した数２式の抵抗Ｒp に対応）を小さくでき、固体電解質層４７の低温活性（始動性）を高めることができる。そして、内側電極４８と外側電極４９は、電極面全体で前述した化１〜化６等の電極反応が進むため、電極の耐久性、寿命等を確実に延ばすことができる。
【０１４７】
また、第１の実施の形態と同様に第２拡散層５３を用いてガス拡散抵抗値等の調整を容易に行うことができると共に、例えば図２０に示す第２拡散層５３の先端側端面５３Ａ等を、ダイヤモンド研磨等の手段を用いて端面研磨することにより、これによってもガス拡散抵抗値等の調整を行うことができる。
【０１４８】
なお、前記第１の実施の形態では、例えばセラミックスグリーンシートをコアパイプ２３の外周側に積層化することによりヒータ被覆層２５を形成するものとして述べたが、これに替えて、例えばアルミナ等のセラミックス材料をコアパイプ２３の外周側に厚膜印刷し、所望の膜厚をもったヒータ被覆層２５を形成するようにしてもよい。この点は第２の実施の形態についても同様である。
【０１４９】
また、前記各実施の形態では、ヒータコアとなるコアパイプ２３（４３）を射出成形により形成するものとして述べたが、これに替えて、コアパイプ２３（４３）を押出し成形等の手段を用いて形成するようにしてもよい。さらに、コアパイプ２３（４３）等に替えて、例えば中実のヒータコアを用いてもよいものである。
【０１５０】
【発明の効果】
以上詳述した通り、請求項１に記載の発明によれば、ヒータ部の外周側に固体電解質層を形成し、該固体電解質層の外周側には、その軸方向に互いに離間して第１，第２の電極と基準電極とを設けると共に、固体電解質層の外周側には第１，第２の電極および基準電極を外側から覆う拡散層を設け、前記第１の電極と第２の電極との離間距離は、前記基準電極と第１の電極との離間距離および前記基準電極と第２の電極との離間距離よりも小さくする構成としたので、空燃比検出装置を円形のロッド状に形成でき、プレート型の空燃比検出装置に比較して各電極に十分な面積を確保しつつ、空燃比検出装置の体積を確実に小さくすることができる。そして、第１の電極、第２の電極および基準電極は、例えば曲面印刷等の手段を用いて固体電解質層の外周面に軸方向に互いに離間させて形成でき、各電極の面積を十分に確保できると共に、その後の拡散層による各電極に対するガス拡散抵抗値の調整作業を容易に行うことができる。また、第１の電極、第２の電極および基準電極は固体電解質層の外周面に軸方向に離間して形成されるため、空燃比検出装置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。
【０１５１】
そして、空燃比センサとして排気管等に取付けた場合には、取付方向や排気ガスの流れ方向によって検出精度にバラツキが生じるのを防止でき、排気ガス中の酸素濃度等を安定して検出できる上に、ヒータによる昇温時間を確実に短くでき、エンジンの始動時でも早期に空燃比を検出することができる。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。
一方、請求項２に記載の発明によると、内側電極と外側電極とは固体電解質層の外側電解質層を径方向で挟むように対向配置でき、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。また、基準電極を内側電極と外側電極とから大きく離して形成でき、内側電極と外側電極と間に印加されるポンプ電圧の影響等が基準電極に及ぶのを抑えることができる。
【０１５２】
また、請求項３に記載の発明は、ヒータ部を、ヒータコア、ヒータパターンおよびヒータ被覆層から構成しているので、ヒータコアは中空のセラミックパイプを用いて形成でき、ヒータ部全体の熱容量を小さくできると共に、該ヒータ部の昇温時間を確実に短くでき、固体電解質層を早期に活性化することができる。
【０１５３】
また、請求項４に記載の発明は、拡散層を、第１拡散層と、溶射して形成される第２拡散層とにより構成しているので、ヒータ部、固体電解質層および第１拡散層等からなる空燃比検出素子を焼成した段階で、ポンプ電圧に対するポンピング電流の特性を確認した後に、溶射手段を用いて第２拡散層を形成でき、これによって第１，第２の電極のガス拡散抵抗値を調整することができる。また、基準電極を第１，第２拡散層で覆うことにより、空燃比がリッチ、リーンに切換わるときに検出信号がオーバシュートしたりするのを良好に抑えることができる。
【０１５４】
そして、請求項５に記載の発明によると、第１拡散層は酸化アルミニウム材料またはジルコニアを含む酸化アルミニウム材料からなるペースト状物を固体電解質層の外周面に曲面印刷することにより形成でき、第２拡散層は酸化マグネシウムを含む酸化アルミニウム材料を第１拡散層の外側から、例えばプラズマ溶射することにより形成でき、これによって、ガス拡散抵抗値の調整作業等を容易に行うことができ、生産性を向上できる。
【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】図１に示す空燃比検出素子の拡大縦断面図である。
【図３】ヒータ部の形成工程を示す斜視図である。
【図４】ヒータ部を形成した状態を示す斜視図である。
【図５】固体電解質層上に電極等を形成する工程を示す斜視図である。
【図６】固体電解質層上に第１拡散層を形成した状態を示す素子の斜視図である。
【図７】空燃比検出素子の第１拡散層上に第２拡散層を溶射した状態を示す斜視図である。
【図８】空燃比がリーン状態でのポンプ電圧とポンピング電流との関係を示す特性線図である。
【図９】リーン状態の空燃比とポンピング電流との関係を示す特性線図である。
【図１０】リーン状態の空燃比とセンサ起電力との関係を示す特性線図である。
【図１１】空燃比がリッチ状態でのポンプ電圧とポンピング電流との関係を示す特性線図である。
【図１２】リッチ状態の空燃比とポンピング電流との関係を示す特性線図である。
【図１３】リッチ状態の空燃比とセンサ起電力との関係を示す特性線図である。
【図１４】センサ起電力の変化状態を示す特性線図である。
【図１５】第２の実施の形態による空燃比検出素子を示す縦断面図である。
【図１６】ヒータ部の形成工程を示す斜視図である。
【図１７】ヒータ部を形成した状態を示す斜視図である。
【図１８】固体電解質層上に電極等を形成する工程を示す斜視図である。
【図１９】固体電解質層上に第１拡散層を形成した状態を示す素子の斜視図である。
【図２０】空燃比検出素子の第１拡散層上に第２拡散層を溶射した状態を示す斜視図である。
【符号の説明】
１  ケーシング
１１，１２  リード線
１３，１４  コンタクトプレート
２１，４１  空燃比検出素子（空燃比検出装置）
２２，４２  ヒータ部
２３，４３  コアパイプ（ヒータコア）
２３Ａ，４３Ａ  軸穴
２４，４４  ヒータパターン
２４Ａ，２８Ａ〜３０Ａ，４４Ａ，４８Ａ〜５０Ａ  リード部
２５，４５  ヒータ被覆層
２７，４７  固体電解質層
２８  第１の電極（カソード）
２９  第２の電極（アノード）
３０，５０  基準電極
３１，５１  拡散層
３２，５２  第１拡散層
３３，５３  第２拡散層
３４  ヒータ電源
３５  直流電源
３６  電流検出器
３７  差動増幅器
４７Ａ  内側電解質層（１層目）
４７Ｂ  外側電解質層（２層目）
４８  内側電極（第１の電極）
４９  外側電極（第２の電極）
Ｖp   ポンプ電圧
Ｅs   センサ起電力（空燃比検出信号）
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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