(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１の面および排気側に臨む第２の面を有する固体電解質体と、
この固体電解質体と一体に形成され、当該固体電解質体の前記第１の面が大気側に臨むように前記第１の面を排気側に対して遮蔽する遮蔽部材と、
この遮蔽部材によって囲まれた前記固体電解質体の第１の面に配される大気側電極と、
前記固体電解質体を挟んで前記大気側電極と対向するように前記第２の面に配される排気側電極と、
この排気側電極と前記固体電解質体の第２の面とを覆うように形成される拡散抵抗層と、
排気を前記排気側電極へ導くための領域を除いて前記拡散抵抗層の表面を覆うように形成されるマスキング層と、
前記固体電解質体および前記遮蔽部材および前記マスキング層の表面を覆うように形成される触媒層と
を具えたセンサ素子部を有することを特徴とする空燃比センサ。
【請求項２】
内部が排気側と連通する連通孔を形成した外側ケーシングと、
この外側ケーシングの内側に収容されて当該外側ケーシングとの間に画成された空隙に連通する連通孔を形成した内側ケーシングと
をさらに具え、前記センサ素子部が前記内側ケーシング内に収容されていることを特徴とする請求項１に記載の空燃比センサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、排気中の酸素濃度に基づいて内燃機関に供給された空気と燃料との割合である空燃比を検出するための空燃比センサに関する。
【背景技術】
【０００２】
車両に搭載された内燃機関から排出される排気中に含まれる有害物質に関する排出規制の強化に伴い、排気中の酸素濃度を検出する酸素センサや、内燃機関に対する吸気と燃料との割合を検出する空燃比センサなどの検出精度の更なる向上が検討されている。その対策の一つとして、排気側に臨むセンサ素子の表面に触媒層を形成するようにした技術が特許文献１などで提案されている。この触媒層は、酸素センサの検出精度の低下の原因となる水素ガスを無害な酸化化合物へと変化させ、これによって酸素センサの検出精度の低下を阻止し得るようにしたものである。
【０００３】
【特許文献１】特開２００２−１８１７６９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
特許文献１に開示された技術を空燃比センサに適用した場合、空燃比センサの拡散抵抗層の表面が触媒層にて覆われた状態となるため、拡散抵抗層を通過するガス（排気）の平衡化を図ることが可能となる。しかも、空燃比センサの検出作業に悪影響を与える可能性のある排気中の水素分子や炭化水素，一酸化炭素，窒素酸化物が無害化されるため、信頼性の高い安定した検出を行うことができる。反面、電極の反対側に位置する拡散抵抗層の表面領域が触媒層によって覆われているため、この部分で触媒反応が起こる結果、検出の応答性が低下してしまう欠点も有する。
【０００５】
本発明の目的は、応答性の低下をもたらすことなく、検出精度を向上させ得る空燃比センサを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明による空燃比センサは、第１の面および排気側に臨む第２の面を有する固体電解質体と、この固体電解質体と一体に形成され、当該固体電解質体の前記第１の面が大気側に臨むように前記第１の面を排気側に対して遮蔽する遮蔽部材と、この遮蔽部材によって囲まれた前記固体電解質体の第１の面に配される大気側電極と、前記固体電解質体を挟んで前記大気側電極と対向するように前記第２の面に配される排気側電極と、この排気側電極と前記固体電解質体の第２の面とを覆うように形成される拡散抵抗層と、排気を前記排気側電極へ導くための領域を除いて前記拡散抵抗層の表面を覆うように形成されるマスキング層と、前記固体電解質体および前記遮蔽部材および前記マスキング層の表面を覆うように形成される触媒層とを具えたセンサ素子部を有することを特徴とするものである。
【００１０】
本発明においては、排気を排気側電極へ導くための領域が触媒層によって覆われておらず、ここでは触媒反応が起こらない。排気は、マスキング層で覆われていない拡散抵抗層の領域から、これを通って排気側電極に到達することとなる。
【００１１】
本発明による空燃比センサにおいて、固体電解質体が平板状をなすものであってよい。
【００１２】
また、触媒層が排気中の水素ガスの酸化化合物への酸化を促進させるためのものであることが好ましい。
【００１３】
固体電解質体の第２の面に臨むように配され、センサ素子部を加熱するためのヒータをさらに具えることができる。
【００１４】
内部が排気側と連通する連通孔を形成した外側ケーシングと、この外側ケーシングの内側に収容されて当該外側ケーシングとの間に画成された空隙に連通する連通孔を形成した内側ケーシングとをさらに具え、センサ素子部が内側ケーシング内に収容されているものであってよい。
【発明の効果】
【００１５】
本発明の空燃比センサによると、拡散抵抗層を介して排気を排気側電極へ導くための領域を除いて拡散抵抗層の表面に触媒層を形成したので、空燃比センサによる検出に悪影響を与える可能性のある水素ガスを無害な酸化化合物に変えることができる。この結果、空燃比センサによる検出精度およびその信頼性を共に高めることができる。また、排気を排気側電極へ導くための拡散抵抗層の領域から、この拡散抵抗層を介して排気側電極へと導くことが可能となり、空燃比センサの応答性の低下を抑え、触媒層を形成しない従来のものと同程度の応答性を保つことができる。しかも、高価な触媒層をセンサ素子の表面全域に形成する必要がなくなり、貴重な触媒材料の使用量を抑制することができる。
【００１６】
内部が排気側と連通する連通孔を形成した外側ケーシングと、この外側ケーシングの内側に収容されて当該外側ケーシングとの間に画成された空隙に連通する連通孔を形成した内側ケーシングとをさらに具え、センサ素子部が内側ケーシング内に収容されている場合、次のような効果を得ることができる。すなわち、排気が外側ケーシングと内側ケーシングとの間の空隙を通って内側ケーシング内に流入する間に、この排気がより平衡化することとなり、空燃比センサによる検出精度およびその信頼性をさらに高めることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
本発明による空燃比センサを積層型のものに応用した実施形態について、図１〜図１０を参照しながら詳細に説明する。しかしながら、本発明はこのような実施形態のみに限らず、必要に応じてチューブ型のものに適用させたり、本発明の精神に帰属する他の任意の技術にも応用することができる。
【００１８】
本実施形態における空燃比センサのセンサ素子部の外観を図１に示し、その断面構造を図２に示し、そのIII−III矢視断面構造およびIV−IV矢視断面構造を図３および図４にそれぞれ示す。すなわち、本実施形態における空燃比センサの先端側を構成するセンサ素子部１１は、細長い板状をなす固体電解質体１２と、遮蔽部材１３と、大気側電極１４と、排気側電極１５と、拡散抵抗層１６と、マスキング層１７と、触媒層１８と、ヒータ１９とを具えている。
【００１９】
ジルコニアなどのセラミックスにて形成される固体電解質体１２は、大気側に連通する第１の面１２ａおよび排気側に臨む第２の面１２ｂを有する。
【００２０】
遮蔽部材１３は、固体電解質体１２と一体に形成され、固体電解質体１２の第１の面１２ａが大気側に臨むように第１の面１２ａを排気側に対して遮蔽する。換言すれば、遮蔽部材１３は基端側が大気側に連通する大気連通路２０と、この大気連通路２０の末端に連通して大気側電極１４を収容するチャンバ２１とを固体電解質体１２の第１の面１２ａとの間に画成する。本実施形態における遮蔽部材１３は、固体電解質体１２と同じジルコニアなどのセラミックスにて形成されているが、多孔質である必要性はない。
【００２１】
白金などで形成される大気側電極１４は、遮蔽部材１３との間に画成されたチャンバ２１に臨む固体電解質体１２の第１の面１２ａにそのリード線２２と共に配される。
【００２２】
大気側電極１４と同様に、白金などで形成される排気側電極１５は、固体電解質体１２を挟んで大気側電極１４と対向するように固体電解質体１２の第２の面１２ｂにそのリード線２３と共に配される。
【００２３】
排気流路内を流れる排気の流速に拘らず、排気側電極１５に到達する排気中の酸素分子の通過速度をほぼ一定に調整するための拡散抵抗層１６は、排気側電極１５と固体電解質体１２の第２の面１２ｂとを覆うように形成されている。本実施形態における拡散抵抗層１６は、その長手方向に対して直角な断面形状が台形をなし、その上底、すなわち短辺を画成する面１６ａに先のマスキング層１７が接合され、下底、すなわち長辺を画成する面１６ｂが固体電解質体１２の第２の面１２ｂに接合される。排気中の酸素分子は、一対の斜辺を画成する面１６ｃから排気側電極１５へと導かれるようになっている。この拡散抵抗層１６は、酸素分子を通過させるための多孔質体であることが有効であり、本実施形態では固体電解質体１２と同じジルコニアなどのセラミックスにて形成している。
【００２４】
アルミナなどのセラミックスにて形成されて気体の通過を阻止するためのマスキング層１７は、上述したように台形断面を有する拡散抵抗層１６の短辺を画成する面１６ａに形成されている。つまり、排気を排気側電極１５へ導くための領域、すなわち固体電解質体１２の一対の斜辺を画成する面１６ｃにはマスキング層１７が形成されていない。
【００２５】
白金−ロジウムなどで形成される触媒層１８は、外側に露出する固体電解質体１２および遮蔽部材１３およびマスキング層１７の表面を覆うように形成され、マスキング層１７と同様に台形断面を有する拡散抵抗層１６の一対の斜辺を画成する面１６ｃには触媒層１８が形成されない。周知のように、排気中に炭素や炭素化合物あるいは窒素酸化物や硫黄酸化物などが含まれる場合、これらが反応し合って水素ガスが発生し、この水素ガスが空燃比センサによる検出の際にその検出誤差の原因となる。触媒層１８は、その触媒機能によって排気中の水素ガスの無害な酸化化合物への変化を促進させるためのものである。
【００２６】
ヒータ１９は、固体電解質体１２の第２の面１２ｂに臨むように配され、低温状態にあるセンサ素子部１１をこれが正常に機能する温度へと迅速に昇温させるためのものである。本実施形態においては、大気側電極１４と対向するようにヒータ１９をその給電線２４と共に遮蔽部材１３内に埋設しているが、このヒータ１９を第１の面１２ａに臨む先のチャンバ２１に配することも可能である。
【００２７】
本実施形態におけるセンサ素子部１１は、外側ケーシング２５と内側ケーシング２６とからなる二重構造のケーシング内に収容される。内燃機関などの排気通路内に臨むように配される外側ケーシング２５には、その内部と排気通路とを連通する複数の連通孔２５ａが形成されている。内側ケーシング２６も同様に、外側ケーシング２５との間に画成された環状の空隙２７と、内側ケーシング２６の内部とを連通する複数の連通孔２６ａが形成されている。本実施形態では、外側ケーシング２５に形成された連通孔２５ａと、内側ケーシング２６に形成された連通孔２６ａとは、これらがほぼ１８０度隔てて対向するような位置に偏在して形成されている。これにより、センサ素子部１１が収容された内側ケーシング２６の内部に導かれる排気の平衡化を効率よく行うことができる。
【００２８】
なお、上述したセンサ素子部１１以外の空燃比センサの基本的な構造は、特開２００３−２０２３１６号公報などに開示された既知のものと同じであってよい。
【００２９】
従って、この空燃比センサを内燃機関の排気管の途中に装着した場合、この排気管に形成された排気通路内を流れる排気は、その一部が外側ケーシング２５の連通孔２５ａから外側ケーシング２５と内側ケーシング２６との間の環状の空隙２７内に導かれ、さらにこの空隙２７から内側ケーシング２６の連通孔２６ａを通って内側ケーシング２６内に流入することとなる。このようにして平衡化された状態となって内側ケーシング２６内に流入する排気の空燃比がセンサ素子部１１により検出される。この場合、空燃比センサによる検出誤差となる排気中の水素ガスが触媒層１８により酸化化合物となって無害化され、信頼性の高い検出結果を得ることができる。また、排気側電極１５には触媒層１８のない拡散抵抗層１６の一対の斜辺を画成する面１６ｃから排気が直接導かれることとなり、その検出に伴う応答遅れを阻止することができる。
【００３０】
なお、内側ケーシング２６内に流入した排気は、外側ケーシング２５および内側ケーシング２６の先端に形成した図示しない排出孔からベンチュリ効果により排気通路内に吸い出されるようになっている。
【００３１】
上述した実施形態では、細長い板状をなす固体電解質体１２を用いた積層型の空燃比センサについて説明したが、前述したように先端が閉じた筒状をなす固体電解質体１２を用いた、いわゆるチューブ（コップ）型の空燃比センサにも本発明を適用することができる。
【００３２】
このような本発明による空燃比センサの他の実施形態の断面構造を図５に示すが、先の実施形態と同一機能の要素にはこれと同一符号を記すに止め、重複する説明は省略するものとする。すなわち、本実施形態における空燃比センサのセンサ素子部１１は、先端が閉じた筒状をなし、大気側に臨む第１の面、すなわち内周面１２ａと、排気側に臨む第２の面、すなわち外周面１２ｂとを有する固体電解質体１２を具えている。環状をなす大気側電極１４は、固体電解質体１２の内周面にそのリード線２２と共に配されている。環状をなす排気側電極１５は、固体電解質体１２を挟んで大気側電極１４と対向するように固体電解質体１２の外周面にそのリード線２３と共に配される。拡散抵抗層１６は、排気側電極１５を含めて固体電解質体１２の外周面を覆うように形成されている。触媒層１８は、拡散抵抗層１６を介して排気を排気側電極１５へ導くための領域を除いて拡散抵抗層１６の表面に形成されている。本実施形態における排気を排気側電極１５へ導くための領域は、拡散抵抗層１６の外周面が排気側電極１５と対向するような環状の領域１６ｄである。給電線２４が組み込まれたヒータ１９は、大気側電極１４と対向するように固体電解質体１２の内部に収容され、このセンサ素子部１１を加熱する。
【００３３】
従って、内燃機関の排気通路内を流れる排気は、その一部が外側ケーシング２５の連通孔２５ａから外側ケーシング２５と内側ケーシング２６との間の環状の空隙２７内に導かれ、さらにこの空隙２７から内側ケーシング２６の連通孔２６ａを通って内側ケーシング２６内に流入する。このようにして平衡化された状態となって内側ケーシング２６内に流入する排気は、センサ素子部１１によりその空燃比が検出されることとなる。この場合も先の実施形態と同様に、空燃比センサによる検出誤差となる排気中の水素ガスが触媒層１８により水素酸化物となって無害化され、信頼性の高い検出結果を得ることができる。また、排気側電極１５には触媒層１８のない拡散抵抗層１６の環状の領域１６ｄから排気が導かれることとなり、その検出に伴う応答遅れを阻止することができる。
【００３４】
なお、本発明はその特許請求の範囲に記載された事項のみから解釈されるべきものであり、上述した実施形態においても、本発明の概念に包含されるあらゆる変更や修正が記載した事項以外に可能である。つまり、上述した実施形態におけるすべての事項は、本発明を限定するためのものではなく、本発明とは直接的に関係のないあらゆる構成を含め、その用途や目的などに応じて任意に変更し得るものである。
【図面の簡単な説明】
【００３５】
【図１】本発明による空燃比センサを積層型のものに適用した一実施形態におけるセンサ素子の部分の外観を表す立体投影図である。
【図２】図１に示した空燃比センサの断面図である。
【図３】図２中のIII−III矢視断面図である。
【図４】図２中のIV−IV矢視断面図である。
【図５】本発明による空燃比センサをチューブ型のものに適用した一実施形態におけるセンサ素子の部分の断面図である。
【符号の説明】
【００３６】
１１  センサ素子部
１２  固体電解質体
１２ａ  第１の面
１２ｂ  第２の面
１３  遮蔽部材
１４  大気側電極
１５  排気側電極
１６  拡散抵抗層
１６ａ  短辺を画成する面
１６ｂ  長辺を画成する面
１６ｃ  斜辺を画成する面
１６ｄ  環状の領域
１７  マスキング層
１８  触媒層
１９  ヒータ
２０  大気連通路
２１  チャンバ
２２，２３  リード線
２４  給電線
２５  外側ケーシング
２５ａ  連通孔
２６  内側ケーシング
２６ａ  連通孔
２７  空隙
【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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