(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
酸素イオン伝導性の固体電解質層を挟んで一対のポンピング電極を形成する一方、該一対のポンピング電極のうちのカソード側に対して前記固体電解質層を挟んで基準電極を形成し、前記カソード側のポンピング電極にガス拡散層を積層してなり、前記ポンピング電極間に電圧を印加したときの限界電流を計測すると共に、前記カソード側のポンピング電極と前記基準電極との間に生じる起電力を計測するよう構成された酸素センサであって、
前記一対のポンピング電極のうちのアノード側と前記基準電極との間の前記固体電解質層を分断し、前記カソード側のポンピング電極を前記分断された固体電解質層を跨ぐように形成し、かつ、前記固体電解質層が分断された部分に緻密層を配置したことを特徴とする酸素センサ。
【請求項２】
ロッド状の基体の外周に、環状の内側ガス拡散層，固体電解質層，外側ガス拡散層を順に積層し、前記固体電解質層の内側にカソード側のポンピング電極を環状に形成する一方、前記固体電解質層の外側にアノード側のポンピング電極及び基準電極を環状に形成してなる請求項１記載の酸素センサ。
【請求項３】
前記酸素センサが内燃機関の排気を被測定ガスとする構成であり、前記起電力に基づいて機関の空燃比のリッチ・リーンを判断し、該リッチ・リーンの判断と前記ポンピング電極間に一定の電圧を印加したときの限界電流とに基づいて空燃比を検出することを特徴とする請求項１又は２記載の酸素センサ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、例えば内燃機関の排気管に装着されて空燃比の検出に用いられる酸素センサに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来から、内燃機関の空燃比を検出する酸素センサとして、酸素イオン伝導性固体電解質層を挟んで設けられるポンピング電極間に電圧を印加したときの限界電流を計測する一方、前記ポンピング電極の一方と基準電極との間に発生する起電力から空燃比のリッチ・リーンを判別する構成の酸素センサが知られている（特開昭６１−１００６５１号公報参照）。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、上記酸素センサにおいて、基準電極に、ポンピング電流が流れ込み、これによって起電力が安定せず、リッチ・リーンの判定精度が低下することがあるという問題があった。
本発明は上記問題点に鑑みなされたものであり、基準電極に対するポンピング電流の流れ込みを防止でき、これによって、リッチ・リーンの判定精度を向上させることができる酸素センサを提供することを目的とする。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
そのため請求項１記載の発明は、酸素イオン伝導性の固体電解質層を挟んで一対のポンピング電極を形成する一方、該一対のポンピング電極のうちのカソード側に対して前記固体電解質層を挟んで基準電極を形成し、前記カソード側のポンピング電極にガス拡散層を積層してなり、前記ポンピング電極間に電圧を印加したときの限界電流を計測すると共に、前記カソード側のポンピング電極と前記基準電極との間に生じる起電力を計測するよう構成された酸素センサであって、前記一対のポンピング電極のうちのアノード側と前記基準電極との間の前記固体電解質層を分断し、前記カソード側のポンピング電極を前記分断された固体電解質層を跨ぐように形成し、かつ、前記固体電解質層が分断された部分に緻密層を配置する構成とした。
【０００５】
上記構成によると、アノード側のポンピング電極と基準電極との間の固体電解質層が分断されることで、固体電解質を介してポンピング電流（酸素イオン）が基準電極に対して流れ込む経路が絶たれ、また、緻密層によってガス拡散の防止が図られる。従って、基準電極にポンピング電流が流れ込むことを防止でき、カソード側のポンピング電極と基準電極との間に生じる起電力を安定化して、起電力に基づく酸素濃度判定の精度を向上させることができる。
【０００６】
請求項２記載の発明では、ロッド状の基体の外周に、環状の内側ガス拡散層，固体電解質層，外側ガス拡散層を順に積層し、固体電解質層の内側にカソード側のポンピング電極を環状に形成する一方、固体電解質層の外側にアノード側のポンピング電極及び基準電極を環状に形成する構成とした。
上記構成によると、ロッド状（円柱状）の基体の外周に、ガス拡散層で挟まれる固体電解質層を環状に設け、該固体電解質層の内側に設けられる環状のカソード側ポンピング電極と外側に設けられる環状のアノード側ポンピング電極との間に電圧を印加して限界電流を計測する一方、内側のカソード側ポンピング電極と外側の環状の基準電極と間に発生する起電力が計測される。
【０００７】
従って、ロッド状の基体の略全周がセンシング部として機能し、センサの取り付け方向や被検出ガスの流れ方向などに影響されることなく、酸素濃度を安定した精度で検出でき、また、ロッド形状であることで耐熱衝撃性が高く、被水によるクラックの発生率を大幅に低減できる。
請求項３記載の発明では、酸素センサが内燃機関の排気を被測定ガスとし、前記起電力に基づいて空燃比のリッチ・リーンを判断して、このリッチ・リーンの判断とポンピング電極間に一定の電圧を印加したときの限界電流とに基づいて空燃比を検出する構成とした。
【０００８】
上記構成によると、ポンピング電極間に一定の電圧を印加することで、排気中の酸素濃度（或いは可燃成分濃度）に応じた限界電流を得る一方、基準電極と一方のポンピング電極との間に発生する起電力から、そのときの空燃比が理論空燃比（空気過剰率λ＝１）よりもリッチであるかリーンであるかを判別し、例えばリッチ（リーン）であれば、リッチ（リーン）状態での空燃比と限界電流との相関から空燃比を検出する。
【０００９】
従って、機関の空燃比を、精度良くかつ簡便な構成で検出することができる。
【００１０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図に基づいて説明する。
図１は、実施形態における酸素センサの断面図であり、内燃機関の排気管に取り付けられて、空燃比を検出するセンサである。
この図１に示す酸素センサは、ホルダ１，センサ素子２，プロテクタ３，コンタクトフランジ４，ケース５等によって構成される。
【００１１】
前記ホルダ１は、ステンレス鋼などの金属材料によって段付筒状に形成され、先端側外周に取り付け部としてのおねじ部１Ａが形成されている。
そして、内燃機関の排気管の周壁を貫通して設けられる取り付け穴の内周に形成されるめねじ部に、前記おねじ部１Ａを締め付けることで、酸素センサが、その先端部を排気管内に内在させるようにして装着される。
【００１２】
前記センサ素子２は、ロッド状に形成されると共に、その先端側に後述するようなセンシング部２Ａを備える。
プロテクタ３は、耐熱性の高い金属板等を用いて有底筒状に形成されると共に、被測定ガス（機関排気）をプロテクタ３内に導入するための孔３Ａが複数箇所に形成されている。
【００１３】
そして、該プロテクタ３は、その開口端が、前記ホルダ１のおねじ部１Ａよりも先端側のおねじ部１Ａよりも外径が小さな先端部１Ｃに外挿されるように取り付けられ、溶接によって固定される。
前記プロテクタ３内には、センサ素子２のセンシング部２Ａが配置され、前記プロテクタ３を介して導入される排気ガス（被測定ガス）中にセンシング部２Ａが晒されることで、機関の空燃比（被測定ガス中の酸素濃度）が検出される。
【００１４】
前記ロッド状のセンサ素子２は、筒状のコンタクトフランジ４を介してホルダ１に組み付けられる。
前記コンタクトフランジ４には前記センサ素子２が圧入され、このセンサ素子２が圧入されたコンタクトフランジ４をホルダ１に圧入させることで、ホルダ１に対してセンサ素子２が組み付けられる。
【００１５】
ケース５は、耐熱性の高い金属板等を用いて有底筒状に形成され、ホルダ１の基端部に外挿されるように取り付けられて溶接によって固定され、その基端側からセンシング部２Ａを構成するヒータパターンや電極に接続されるリードが導出される。
図２及び図３は、前記センシング部２Ａの構成を詳細に示す図である。
【００１６】
前記センシング部２Ａは、基体としてのアルミナロッド５１の外周に、それぞれ環状に形成される、ヒータパターン５２，アルミナ絶縁層５３，第１ガス拡散層５４，酸素イオン伝導性のジルコニア固体電解質層５５，第２ガス拡散層（保護層）５６を積層して構成される。
前記ジルコニア固体電解質層５５は、軸方向に２つの層５５ａ，５５ｂに分断され、該ジルコニア固体電解質層５５の内側には、前記２つの層５５ａ，５５ｂを跨ぐようにして白金等からなるカソード電極５７（ポンピング電極）が環状に形成される。
【００１７】
尚、前記２つの層５５ａ，５５ｂの間隔は、0.3〜0.5ｍｍ程度とする。
また、前記カソード電極５７に対して層５５ａを挟んで対向する位置に環状に白金等からなるアノード電極５８（ポンピング電極）が形成され、更に、前記カソード電極５７に対して層５５ｂを挟んで対向する位置に環状に白金等からなる基準電極５９が形成される。
【００１８】
更に、前記２つの層５５ａ，５５ｂの間隔部分及びアノード電極５８と基準電極５９との間には、ムライト系アルミナからなる緻密層６０を配置してある。
そして、前記カソード電極５７とアノード電極５８との間に、直流電源６１の一定電圧（例えば0.6Ｖ）を印加して、そのときに流れる限界電流（ポンピング電流）Ｉｐが、電流検出抵抗Ｒの端子電圧に基づいて検出されるようになっている。
【００１９】
また、前記カソード電極５７と基準電極５９との間に発生する起電力が差動増幅器６２を介してセンサ起電力Ｅｓとして出力されるようになっている。ここで、カソード電極５７とアノード電極５８とが対向する面積と、カソード電極５７と基準電極５９とが対向する面積とを略等しくし、更に、任意の温度条件でポンピング部の抵抗値が、５０〜１００Ωとなるように設定する。
【００２０】
上記構成において、機関の空燃比が理論空燃比（空気過剰率λ＝１）よりもリーンであるときには、排気ガス中に多くの酸素が残存するため、前記カソード電極５７において、排気ガス中に残存する酸素に電子が付与されて、酸素イオンが発生する。
そして、前記酸素イオンは、ジルコニア固体電解質層５５（５５ａ）を介してアノード電極５８に向けて輸送され、アノード電極５８において酸素と電子とに分解される。
【００２１】
これにより、カソード電極５７とアノード電極５８との間には、図４に示すように、空気過剰率λが１よりも大きくなるに従って（空燃比がリーンであるほど）増大する限界電流（ポンピング電流）Ｉｐが流れる。
一方、機関の空燃比が理論空燃比よりもリッチであるときには、排気ガス中に酸素が残らず、代わりに、水素（Ｈ2），一酸化炭素（ＣＯ），炭化水素（ＨＣ）の濃度が高くなり、カソード電極５７において二酸化炭素，水に電子が付与されることで、酸素イオンが発生する。
【００２２】
そして、前記酸素イオンは、ジルコニア固体電解質層５５（５５ａ）を介してアノード電極５８に向けて輸送され、アノード電極５８では、カソード電極５７から輸送される酸素イオンと排気中の一酸化炭素，水素とが反応して、二酸化炭素，水分，電子に分解される。
これにより、カソード電極５７とアノード電極５８との間には、図４に示すように、空気過剰率λが１よりも小さくなるに従って（空燃比がリッチであるほど）増大する限界電流（ポンピング電流）Ｉｐが流れる。
【００２３】
上記のように、前記限界電流（ポンピング電流）Ｉｐは、空気過剰率λが１よりも大きくなるに従って増大すると共に、空気過剰率λが１よりも小さくなるに従って増大するため、限界電流（ポンピング電流）Ｉｐのみからは空燃比を検出することができず、リッチ・リーンの判別が必要となる。
ここで、前記基準電極５９は、その酸素分圧は排気ガス中の酸素分圧と等しくなるが、リーン状態では、酸素イオンがカソード電極５７からアノード電極５８に向けて輸送される結果、カソード電極５７における酸素分圧が排気ガス中の酸素分圧よりも低くなり、基準電極５９とカソード電極５７との間での酸素分圧の差が生じ、起電力が発生する（図５参照）。
【００２４】
また、リッチ状態では、基準電極５９及びカソード電極５７での酸素分圧が略０であって酸素分圧の差がないことから、起電力が殆ど発生しない（図５参照）。従って、センサ起電力Ｅｓが閾値よりも高いときにリーンで、センサ起電力Ｅｓが閾値よりも低いときにリッチであると判断でき、かつ、そのときの限界電流（ポンピング電流）Ｉｐから、リッチ空燃比又はリーン空燃比をリニアに検出できることになる。
【００２５】
ここで、前記ジルコニア固体電解質層５５が、軸方向に２つの層５５ａ，５５ｂに分断されているから、アノード電極５８から基準電極５９に流れ込む電流を防止でき、基準電極５９とカソード電極５７との間での酸素分圧差に応じた起電力を正確に発生させることができ、リッチ・リーンを精度良く判別することができる。
【００２６】
また、前記ジルコニア固体電解質層５５が分断される部分に緻密層６０を配置してあるから、分断部を介してガスが拡散することを防止でき、ジルコニア固体電解質層５５が分断されることによる検出精度の低下を防止できる。
尚、上記実施形態では、センサ素子２をロッド状のものとしたが、プレート状のセンサ素子２についても、同様な構成で同様な効果を得ることができる。
【００２７】
更に、上記実施形態から把握し得る請求項以外の技術思想について、以下にその効果と共に記載する。
（イ）請求項１〜３のいずれか１つに記載の酸素センサにおいて、前記固体電解質層の分断距離を、0.3〜0.5mmとすることを特徴とする酸素センサ。
上記構成によると、固体電解質層が、0.3〜0.5mmの距離を隔てて分断され、それぞれにポンピング電極と基準電極とが形成される。
【００２８】
これにより、基準電極への流れ込み電流を、最小限の分断距離で確実に防止できる。
（ロ）請求項１〜３のいずれか１つに記載の酸素センサにおいて、前記一方のポンピング電極が、前記他方のポンピング電極及び基準電極と前記固体電解質層を介して対向する面積が等しくなるように設定されることを特徴とする酸素センサ。
【００２９】
上記構成によると、一方のポンピング電極が、固体電解質層を介して他方のポンピング電極と対向する面積と、一方のポンピング電極が、固体電解質層を介して基準電極と対向する面積とが等しくなるように、各電極が設定される。
従って、固体電解質が分断される構成であっても、空燃比に応じた限界電流の検出、及び、起電力によるリッチ・リーン判別を安定して行わせることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】酸素センサの断面図。
【図２】センサ素子を示す図であり、（Ａ）は横断面図、（Ｂ）は斜視図。
【図３】センサ素子のセンシング部の部分拡大断面図。
【図４】限界電流と空燃比との相関を示す図。
【図５】起電力と空燃比との相関を示す図。
【符号の説明】
２…センサ素子、２Ａ…センシング部、５１…アルミナロッド、５２…ヒータパターン、５３…アルミナ絶縁層、５４…第１ガス拡散層、５５…ジルコニア固体電解質層、５６…第２ガス拡散層（保護層）、５７…カソード電極、５８…アノード電極、５９…基準電極、６０…緻密層
【図１】
0003860069.tif 000002
【図２】
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【図３】
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【図４】
0003860069.tif 000005
【図５】
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