JP3966805B2 - 空燃比検出装置 - Google Patents
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Description
【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等を検出する構成としている（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
【特許文献１】
特開昭６１−１００６５１号公報
【０００４】
この種の従来技術による空燃比センサは、例えば細長いプレート状に形成されたヒータ部と、該ヒータ部に対して積層化するよう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、該固体電解質層の表面側に設けられた複数の電極と、これらの電極を固体電解質層と共に外側から覆うガス拡散層等とにより構成されている。
【０００５】
ここで、空燃比センサは、外部から電圧を印加したときに前記電極間に拡散限界電流としてのポンプ電流が流れ、このポンプ電流を計測することによりエンジンの空燃比を検出する。
【０００６】
そして、エンジンの制御装置は、空燃比センサから出力される空燃比信号により、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。
【０００７】
【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センサは、固体電解質層の表面側に設けた複数の電極を、多孔質材料からなるガス拡散層で覆っているに過ぎないので、排気ガス等の被測定ガスがガス拡散層を通って電極に達するまでの経路が多方向に存在している。
【０００８】
このため、排気ガスがガス拡散層を通って電極に達するときのガス拡散抵抗にバラツキが発生し易くなり、ポンプ電流（拡散限界電流）の特性が不安定となって、空燃比の検出精度が低下するという問題がある。
【０００９】
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、外部の被測定ガスがガス拡散層を通って電極に達するまでのガス拡散距離をほぼ一定にし、拡散限界電流の特性を安定させると共に、空燃比の検出精度を向上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。
【００１０】
【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、外部からの通電によって発熱するヒータ部と、該ヒータ部に設けられ、被測定ガスが内部を拡散するガス拡散層と、該ガス拡散層の外側に位置して前記ヒータ部に設けられ、前記ヒータ部からの熱により活性化される酸素イオン伝導性の固体電解質層と、該固体電解質層と前記ガス拡散層との間に設けられ、前記ガス拡散層を通じて被測定ガスが導かれる第１の電極と、該第１の電極との間で前記固体電解質層を挟むように該固体電解質層の外側面に設けられ、外部から電圧を印加したときにポンプ電流が該第１の電極との間に流れる第２の電極と、該第２の電極から離間して前記固体電解質層の外側面に設けられ、前記被測定ガス中の酸素濃度に対応した起電力が前記第１の電極との間に発生する第３の電極と、前記固体電解質層の外側面に設けられ、該第３の電極、固体電解質層、第２の電極および前記ガス拡散層を外側から覆うことにより前記被測定ガスが内部に侵入するのを抑える緻密層と、該緻密層に予め決められた開口幅をもって設けられ、前記被測定ガスが開口幅の範囲内で前記ガス拡散層と第２の電極とに向けて侵入するのを許す開口部とを備え、前記ガス拡散層を通じて第１の電極に導かれる被測定ガスの空燃比を前記第１の電極と第２の電極との間に流れる前記ポンプ電流により検出する構成としている。
【００１１】
このように構成することにより、緻密層に設けた開口部は、外部からの被測定ガスがガス拡散層と第２の電極とに向けて侵入する経路を開口幅の範囲内に制限でき、被測定ガスがガス拡散層を通って第１の電極に達する経路をほぼ一方向の経路とすることができる。
【００１２】
このため、被測定ガスがガス拡散層を通って第１の電極に達するまでのガス拡散距離をほぼ一定に保つことができ、第１，第２の電極間を流れるポンプ電流の拡散限界値にバラツキが生じて、拡散限界電流が不安定になるのを防ぐことができる。これにより、ポンプ電流である拡散限界電流のフラット性を向上させ、ヒステリシスの発生を抑えることができると共に、空燃比検出信号としての特性を安定させ、空燃比の検出精度を高めることができる。
【００１３】
また、請求項２の発明によると、開口部は、緻密層の端部をコ字形状に切欠くことにより凹形状に形成され、ガス拡散層を固体電解質層および第２の電極と共に部分的に露出させる構成としている。
【００１４】
これにより、空燃比検出装置全体を略円形のロッド形状に形成した場合には、例えば緻密層の外径寸法Ｄに対し、（２／３〜１）×Ｄなる開口幅をもった凹形状の開口部を緻密層に形成でき、外部の被測定ガスがガス拡散層内に侵入する経路を、開口幅の範囲内でほぼ一方向（例えば、空燃比検出装置の軸方向）に制限できると共に、被測定ガスがガス拡散層を通って第１の電極に達するときのガス拡散抵抗にバラツキが発生するのを良好に抑えることができる。
【００１５】
さらに、請求項３の発明によると、第１，第２，第３の電極は、ヒータ部の長さ方向に延びるリード線部をそれぞれ有し、これらの各リード線部のうち前記第１の電極のリード線部と前記第３の電極のリード線部との間には、被測定ガスの侵入を抑える他の緻密層を設ける構成としている。
【００１６】
これにより、第３の電極のリード線部を第１の電極のリード線部から隔離して被測定ガスとの接触をより確実に防止でき、第３の電極における酸素分圧を基準となる酸素分圧としてほぼ一定に保つことができる。この結果、安定したセンサ出力を得ることができ、外部から印加する電圧をより低い電圧まで下げてエネルギ効率を向上することができる。
【００１７】
【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、自動車用エンジンの排気管側に取付けられる広域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。
【００１８】
ここで、図１ないし図９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、軸方向一側（先端側）外周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の軸方向他側（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。
【００１９】
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。
【００２０】
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が固定されている。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。
【００２１】
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。
【００２２】
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。
【００２３】
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、耐熱性を有する樹脂材料等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。
【００２４】
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。
【００２５】
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。
【００２６】
また、プロテクタ１５の筒部側には、被測定ガスとなる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。
【００２７】
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、ガス拡散層２６、固体電解質層２７、緻密層３２および保護層３４等によって構成されている。
【００２８】
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実ロッド状に形成されたヒータコア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。
【００２９】
ここで、ヒータパターン２４は、例えばアルミナを混合した白金等の発熱性導体材料からなり、ヒータコア２３の外周面に曲面印刷等の手段を用いて形成されている。また、ヒータパターン２４は、ヒータコア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（図２中に１個のみ図示）を有し、これらのリード部２４Ａは、ヒータコア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に接続される。
【００３０】
そして、ヒータパターン２４は、外部のヒータ電源（図示せず）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。
【００３１】
また、ヒータ部２２のヒータ被覆層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曲面印刷等の手段でヒータコア２３の外周側に厚膜印刷することにより形成されている。また、ヒータ被覆層２５の外周側には、後述のガス拡散層２６等が曲面印刷等の手段を用いて積層化するように形成されている。
【００３２】
２６はヒータ部２２のヒータ被覆層２５の外周側に設けられた多孔質構造のガス拡散層で、該ガス拡散層２６は、例えばアルミナの粉体（所定重量％のジルコニアの粉体を混合してもよい）からなるペースト状物を、曲面印刷等の手段を用いて図４ないし図７に示すようにヒータ被覆層２５の外周側に厚膜印刷することにより環状に形成されている。
【００３３】
そして、ガス拡散層２６は、連続気泡からなる空孔を有して多孔質構造に形成され、空燃比検出素子２１の周囲を流れる排気ガスの一部を、図５中に示す矢示Ａ方向（軸方向）から後述のガス導入窓３３を介してガス拡散層２６の内部に拡散させつつ、この排気ガスを後述の内側電極２８に向けて透過させる機能を有している。
【００３４】
２７はヒータ被覆層２５の外周側に曲面印刷等の手段を用いて設けられた酸素イオン伝導性の固体電解質層で、該固体電解質層２７は、例えばイットリア安定化ジルコニア（ＹＳＺ）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４ないし図７に示す如くガス拡散層２６の外側からヒータ被覆層２５の外周側に厚膜印刷することにより環状に形成されている。
【００３５】
そして、固体電解質層２７は、後述の電極２８，２９間、電極２８，３１間でそれぞれ酸素イオン等を輸送する機能を有するものである。また、固体電解質層２７は、後述の緻密層３２とほぼ同様に緻密な構造を有し、排気ガス等が内部に透過、侵入することはないものである。
【００３６】
なお、固体電解質層２７は、図４に示すようにヒータ被覆層２５の外周側でガス拡散層２６の上側に積層化するように形成され、その周方向長さは固体電解質層２７の方がガス拡散層２６よりも小さい寸法となっている。このため、ガス拡散層２６は、固体電解質層２７によって外側から完全に覆われることはなく、ガス拡散層２６の周方向両側は、図４に示す如く固体電解質層２７からヒータ被覆層２５の周方向にはみ出している。
【００３７】
２８，２９はガス拡散層２６と固体電解質層２７との間に位置して固体電解質層２７の内周側に設けられた第１の電極としての内側電極で、該内側電極２８，２９は、白金等の導電性材料からなり、図４ないし図７に示すように固体電解質層２７を曲面印刷する前に、ガス拡散層２６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。
【００３８】
そして、これらの内側電極２８，２９は、図５ないし図７に示すようにガス拡散層２６の軸方向で互いに離間して配置され、径方向では後述の電極３０，３１と固体電解質層２７を挟んで対向している。しかし、これらの内側電極２８，２９は、リード線（図示せず）等を介して互いに接続され、図７に示す後述の仮想グランド３５と同電位におかれるものである。
【００３９】
また、これらの内側電極２８，２９は、例えば内側電極２９側にリード線部としてのリード部２９Ａ（図２中に図示）を有し、このリード部２９Ａはヒータ部２２の基端側に向けヒータ被覆層２５の軸方向に伸長している。そして、固体電解質層２７は、このリード部２９Ａを除いて内側電極２８，２９を外側から完全に包込むようにヒータ被覆層２５の外周面に曲面印刷されるものである。
【００４０】
３０はヒータ部２２の先端側寄りに位置して固体電解質層２７の外周面に設けられた第２の電極としての外側測定電極で、該外側測定電極３０は、図４ないし図７に示す如く内側電極２８との間で固体電解質層２７を挟むことにより、内側電極２８と外側測定電極３０は、所謂ポンピング電極を構成するものである。
【００４１】
そして、外側測定電極３０は、後述する基準電極３１のリード部３１Ａと同様にリード線部となるリード部（図示せず）を有し、このリード部は、基準電極３１のリード部３１Ａからヒータ被覆層２５の周方向に離間した状態で、ヒータ被覆層２５の外周に沿って基端側へと軸方向に延びて形成されるものである。
【００４２】
３１は外側測定電極３０からヒータ部２２の軸方向に離間して固体電解質層２７の外周面に設けられた第３の電極としての基準電極で、該基準電極３１は、図５ないし図７に示す如く内側電極２９との間で固体電解質層２７を挟むように配置され、後述の如く排気ガス中の酸素濃度に対応した起電力が内側電極２９との間に発生するものである。
【００４３】
そして、これらの外側測定電極３０、基準電極３１は、内側電極２８，２９と同様の導電性材料からなり、この導電性ペーストを固体電解質層２７の外周面にそれぞれ曲面印刷することによって形成される。また、基準電極３１は、ヒータ部２２の基端側に向けて伸長するリード線部としてのリード部３１Ａ（図２中に図示）を有している。
【００４４】
また、内側電極２８，２９のリード部２９Ａ、外側測定電極３０のリード部および基準電極３１のリード部３１Ａは、図１に示す空燃比検出素子２１の基端側でそれぞれのコンタクトプレート１３およびリード線１１に接続され、図７に例示するような電気回路を構成するものである。
【００４５】
３２はガス拡散層２６、固体電解質層２７および電極３０，３１等を外側から覆うように設けられた緻密層で、この緻密層３２は、例えばアルミナの粉体に酸化珪素（Ｓi Ｏ２）の粉体を添加してペースト状物を調整し、このペースト状物をガス拡散層２６、固体電解質層２７等の外側からヒータ被覆層２５の外周側に厚膜印刷することにより形成され、図７に示す如くヒータ被覆層２５の先端側から基端側に向けて延びている。
【００４６】
そして、緻密層３２は、前記ペースト状物となる粉体の平均粒径が小さく（例えば、０．３〜０．５μｍ程度）に形成されることにより、ガス拡散層２６等に比較して緻密な構造をなし、これにより排気ガスが内部に侵入するのを遮断して抑える機能を有している。このため、基準電極３１は、リード部３１Ａを除いて固体電解質層２７と緻密層３２によって完全に周囲が取囲まれ、外部の排気ガスから隔離した状態に保たれるものである。
【００４７】
また、ガス拡散層２６および外側測定電極３０についても、後述のガス導入窓３３の位置を除いて図２、図３に示す如く緻密層３２で覆われるため、この緻密層３２で覆われた部分では、排気ガスの侵入、接触が遮断される。これにより、ガス拡散層２６に対する排気ガスの侵入経路は、図５に示す矢示Ａ方向（ヒータ部２２、ガス拡散層２６等の長さ方向）に制限されるものである。
【００４８】
３３は緻密層３２に設けられた開口部としてのガス導入窓で、該ガス導入窓３３は、図２ないし図５に示す如くヒータ部２２の先端側寄りに位置する緻密層３２の端部を、コ字形状に切欠くことにより凹形状の開口として形成され、その開口幅Ｗは、例えば緻密層３２の外径寸法Ｄに対し、下記の数１式による関係に設定されるものである。
【００４９】
【数１】
Ｗ＝（２／３〜１）×Ｄ
【００５０】
そして、ガス導入窓３３は、図４に示す如く開口角θをもって形成され、開口幅Ｗと開口角θとの関係は、緻密層３２の外径寸法Ｄに対して下記の数２式で表されるものである。例えば、緻密層３２の外径寸法Ｄが３ｍｍの場合、ガス導入窓３３の開口幅Ｗは、例えば２．０〜３．０ｍｍ、好ましくは２．５〜２．８ｍｍ程度の大きさに形成される。
【００５１】
【数２】
Ｗ＝（θ／３６０）×Ｄ×π
【００５２】
また、ガス導入窓３３は、空燃比検出素子２１の長さ方向（軸方向）で図２、図３に示す如く外側測定電極３０の位置まで延び、該外側測定電極３０をガス拡散層２６および固体電解質層２７と共に緻密層３２から部分的に露出させるものである。そして、ガス導入窓３３は、外部の排気ガスが開口幅Ｗの範囲内でガス拡散層２６、外側測定電極３０に侵入、接触するのを許すものである。
【００５３】
この場合、ガス拡散層２６の外周側は、緻密層３２とほぼ同様に緻密な構造を有した固体電解質層２７により径方向外側から覆われており、外部の排気ガスが固体電解質層２７を透過してガス拡散層２６に達することはない。
【００５４】
このため、ガス拡散層２６は、長さ方向の一側となる先端側のみがガス導入窓３３の位置で排気ガスと接触可能となる。そして、ガス導入窓３３は、外部の排気ガスをガス拡散層２６内に向けて長さ方向（図５中の矢示Ａ方向）に導入し、これ以外の方向から排気ガスがガス拡散層２６内に侵入するのを制限するものである。
【００５５】
３４はガス導入窓３３と共に緻密層３２を外側から覆う保護層で、該保護層３４は、例えばアルミナ等の多孔質材料を用いて形成され、これらの粉体からなるペースト状物を図２、図３中に仮想線で示すように曲面印刷することにより構成されるものである。
【００５６】
この場合、図２、図３中ではガス導入窓３３を明示するために、保護層３４を仮想線で示したが、実際には図４ないし図７中に実線で示すように、保護層３４は設けられるものである。そして、保護層３４は、ガス拡散層２６よりも空孔率が高く、目の粗い多孔質構造をなすように形成される。
【００５７】
そして、保護層３４は、ガス導入窓３３を介して外部に露出されるガス拡散層２６、固体電解質層２７および外側測定電極３０等を外側から覆い、これらを外部のダスト等から保護する機能を有している。また、保護層３４の周囲を流れる排気ガス（被測定ガス）の一部は、空孔率の高い保護層３４を透過し、ガス導入窓３３の位置からガス拡散層２６、外側測定電極３０等に向けて侵入するものである。
【００５８】
３５は図７に示す如く内側電極２８，２９に接続された仮想グランドで、該仮想グランド３５は、例えば１．５Ｖ（ボルト）程度の基準電位におかれるものである。
【００５９】
３６は直流電圧を印加する電圧印加手段としての直流電源で、該直流電源３６は、図７に示す如く調整抵抗Ｒ0 を介して基準電極３１に接続されている。そして、直流電源３６は、例えば２〜３Ｖ程度の予め決められた直流電圧Ｖ0 （疑似参照極用のポンピング電圧Ｖ0 ）を、調整抵抗Ｒ0 を介して基準電極３１に印加するものである。
【００６０】
３７は排気ガス中の酸素濃度に対応した信号を出力する出力端子で、該出力端子３７は、後述の数３式による出力電圧Ｖs を酸素濃度の検出信号として、図８に示す特性線の如く出力するものである。
【００６１】
【数３】
Ｖs ＝Ｅ＋（Ｒi ×Ｉ0 ）
【００６２】
この場合、空燃比検出素子２１の固体電解質層２７は内部抵抗をＲi を有し、固体電解質層２７を挟んだ内側電極２９と基準電極３１との間には、排気ガス中の酸素濃度に対応した起電力Ｅが発生する。そして、これらの電極３１，２９間に直流電源３６から流込み電流としてのポンピング電流Ｉ0 が供給されるときには、出力端子３７から酸素濃度の検出信号が出力電圧Ｖs として出力されるものである。
【００６３】
３８は比較用電圧ＶR を設定する比較電源部で、該比較電源部３８は、理論空燃比（Ａ／Ｆ＝１４．７、またはλ＝１）に相当する比較用電圧ＶR を後述の差動増幅器３９に出力するものである。
【００６４】
３９は図７に示す検出端子４０，４１間で空燃比信号を出力させるための差動増幅器で、該差動増幅器３９は、非反転入力端子が比較用電圧ＶR の比較電源部３８に接続され、反転入力端子が出力電圧Ｖs の出力端子３７（空燃比検出素子２１の基準電極３１）側に接続されている。
【００６５】
また、差動増幅器３９の出力端子は、外側測定電極３０に検出抵抗Ｒp を介して接続され、この検出抵抗Ｒp の両端に接続された検出端子４０，４１間には、空燃比信号としてのポンプ電流（拡散限界電流）を検出するための検出器（図示せず）等が設けられるものである。
【００６６】
そして、差動増幅器３９は、理論空燃比相当の比較用電圧ＶR と出力電圧Ｖs とを比較し、その比較結果に応じた信号をポンプ電圧Ｖp として検出端子４０，４１側に出力し、このときに内側電極２８と外側測定電極３０との間を空燃比信号となるポンプ電流Ｉp が流れる。そして、ポンプ電圧Ｖp とポンプ電流Ｉp との関係は、例えば図９中に実線で示す特性線４２のように表されるものである。
【００６７】
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、その検出動作について説明する。
【００６８】
まず、当該空燃比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保護層３４および緻密層３２のガス導入窓３３を介して外側測定電極３０の表面に達すると共に、ガス拡散層２６を通じて内側電極２８，２９の表面にも導かれる。
【００７０】
また、この状態でヒータ電源（図示せず）からヒータパターン２４に給電を行い、ヒータ部２２によって空燃比検出素子２１全体を加熱すると、固体電解質層２７が活性化される。そして、固体電解質層２７を挟んで対向する内側電極２９と基準電極３１との間には、直流電源３６から電圧が印加され、内側電極２８と外側測定電極３０との間には、差動増幅器３９を介して電圧が印加される。
【００７１】
これにより、内側電極２９、基準電極３１間と、内側電極２８、外側測定電極３０間とには、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、可燃性ガス成分濃度に基づいた出力電圧Ｖs ，ポンプ電圧Ｖp がそれぞれの空燃比λに対応して発生し、このときのポンプ電流Ｉp （拡散限界電流）が検出端子４０，４１間の検出信号として出力されるものである。
【００７２】
即ち、エンジンの空燃比が理論空燃比よりも大きくなるリーン空燃比のときには、エンジンの燃焼室内で希薄混合気が形成され、この希薄混合気により空燃比検出素子２１（例えば、保護層３４）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。そして、この排気ガス中の酸素は、図５中の矢示Ａ方向でガス拡散層２６を通じて内側電極２８，２９へと供給される。
【００７３】
このため、内側電極２９と基準電極３１との間では、直流電源３６からの電圧印加により、例えば内側電極２９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。
【００７４】
【化１】
Ｏ2 ＋４ｅ → ２Ｏ2-
但し、Ｏ2 ：酸素分子
ｅ ：電子
Ｏ2-：酸素イオン
【００７５】
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内側電極２９から基準電極３１に向けて輸送される。このため、基準電極３１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。
【００７６】
【化２】
２Ｏ2- → Ｏ2 ＋４ｅ
【００７７】
これにより、基準電極３１内には、例えば電極内の空孔（図示せず）等に酸素が吸入され、基準電極３１内には相対的に高い酸素分圧が生じる。しかし、リーン空燃比の状態では、ガス拡散層２６を通じて内側電極２９に酸素が供給され続けるので、内側電極２９も高い酸素分圧状態におかれ、電極２９，３１間の酸素分圧差は小さい状態となる。
【００７８】
このため、両者の酸素分圧差等に基づいて固体電解質層２７に発生する前記数３式の起電力Ｅは小さく抑えられ、基準電極３１の電圧（出力端子３７の出力電圧Ｖs ）は、図８に示す特性線の如く排気ガス中の酸素濃度に対応して理論空燃比状態（λ＝１）よりも低い電圧値をとることになる。
【００７９】
一方、エンジンの空燃比が理論空燃比よりも小さくなるリッチ空燃比のときには、燃焼室内での過濃混合気により空燃比検出素子２１の保護層３４等の周囲を流れる排気ガス中に酸素は残らず、例えば一酸化炭素（ＣＯ）、水素（Ｈ2 ）等の可燃性ガス成分が燃焼されることなく残っている。
【００８０】
これにより、ガス拡散層２６を通じて内側電極２８，２９に供給される排気ガス中には、酸素が存在しない状態となり、例えば内側電極２９の酸素分圧は急激に下がる。しかし、この状態でも基準電極３１側には、前記空孔内に酸素が溜め込まれているので、電極２９，３１間の酸素分圧差は大きくなる。
【００８１】
この結果、両者の酸素分圧差等に基づいて固体電解質層２７に発生する前記数３式の起電力Ｅは大きく増加し、基準電極３１の電圧（出力端子３７の出力電圧Ｖs ）は、排気ガス中の酸素濃度に対応して理論空燃比状態（λ＝１）よりも高い電圧値をとることになる。
【００８２】
かくして、出力端子３７からの出力電圧Ｖs は、図８に示す特性線のように排気ガス中の酸素濃度に対応して大きく変化し、この出力電圧Ｖs に従って空燃比がリッチ状態であるか、リーン状態であるかを判別することができる。
【００８３】
また、この場合の基準電極３１は、図７に示す如く直流電源３６に接続され、内側電極２９から基準電極３１に固体電解質層２７を介して酸素イオンを輸送させるための直流電圧Ｖ0 （疑似参照極用のポンピング電圧Ｖ0 ）が印加されている。
【００８４】
そして、基準電極３１は、固体電解質層２７と緻密層３２によって完全に周囲が取囲まれ、外部の排気ガスから隔離した状態に保たれるので、基準電極３１の酸素分圧を空燃比変化に影響されることなく、高い酸素分圧状態に安定して保持することができ、基準電極３１を擬似的に基準酸素濃度の電極（参照電極）として機能させることができる。
【００８５】
これにより、出力端子３７からの出力電圧Ｖs （基準電極３１の電圧）を、図８に示す特性線のように、空燃比がリッチであるか、リーンであるかに従ってオン、オフ的に切換わる安定した出力特性とすることができ、排気ガス中の酸素濃度を高精度に検出することができる。
【００８６】
また、基準電極３１の電圧（出力端子３７の出力電圧Ｖs ）は、図７に示す如く差動増幅器３９に出力され、理論空燃比相当の比較用電圧ＶR と比較される。そして、空燃比がリッチ状態のときには出力電圧Ｖs が高い電圧値となり、理論空燃比相当の比較用電圧ＶR よりも高い電圧になる。
【００８７】
このため、差動増幅器３９の出力端子からは、リッチ空燃比のときに内側電極２８，２９側の仮想グランド３５（例えば，１．５Ｖ）よりも低い電圧値（例えば、１．０Ｖ）のポンプ電圧Ｖp が出力される。
【００８８】
一方、空燃比がリーン状態のときには出力電圧Ｖs が、理論空燃比相当の比較用電圧ＶR よりも低い電圧になるため、差動増幅器３９の出力端子からは、内側電極２８，２９側の仮想グランド３５（例えば，１．５Ｖ）よりも高い電圧値（例えば、２．０Ｖ）のポンプ電圧Ｖp が出力される。
【００８９】
このように、差動増幅器３９からは、空燃比がリッチであるか、リーンであるかによって、電圧値が大きく増，減するポンプ電圧Ｖp を出力でき、このポンプ電圧Ｖp は、内側電極２８，２９側の仮想グランド３５に対して低い電圧と高い電圧値とに切換わる特性となる。
【００９０】
この結果、例えば内側電極２８と外側測定電極３０との間を固体電解質層２７を介して流れるポンプ電流Ｉp の方向を、リッチ空燃比かリーン空燃比かによって切換えることができ、このときのポンプ電流Ｉp を空燃比信号として図７中の検出端子４０，４１等から取出すことができる。
【００９１】
そして、リッチ空燃比の状態では、外側測定電極３０が内側電極２８よりも低い電位となるため、カソード側の外側測定電極３０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。
【００９２】
【化３】
ＣＯ2 ＋２ｅ → Ｏ2- ＋ＣＯ
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
【００９３】
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外側測定電極３０からアノード側の内側電極２８に向け輸送される。また、アノード側の内側電極２８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、ガス拡散層２６を透過して内側電極２８に導かれる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。
【００９４】
【化４】
ＣＯ＋Ｏ2- → ＣＯ2 ＋２ｅ
【００９５】
なお、排気ガス中の可燃性ガス成分が水素（Ｈ2 ）の場合には、カソード側となる外側測定電極３０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。
【００９６】
【化５】
Ｈ2 Ｏ＋ｅ → Ｏ2- ＋Ｈ2
但し、Ｈ2 Ｏ：水分子
ｅ ：電子
Ｏ2-：酸素イオン
Ｈ2 ：水素分子
【００９７】
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外側測定電極３０からアノード側の内側電極２８に向け輸送される。また、アノード側の内側電極２８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ものである。
【００９８】
【化６】
Ｈ2 ＋Ｏ2- → Ｈ2 Ｏ＋２ｅ
【００９９】
このように、カソード側の外側測定電極３０からアノード側の内側電極２８に向けて酸素イオンを輸送することにより、リッチ空燃比の状態では内側電極２８，２９と基準電極３１との間の酸素分圧差を縮小させるように、換言すれば、基準電極３１の電圧（出力電圧Ｖs ）によるリッチ・リーン判定が、リッチからリーンに反転するように制御される。
【０１００】
一方、リーン空燃比の状態では、外側測定電極３０が内側電極２８よりも高い電位となるため、カソード側となる内側電極２８において、上記の化１による電気化学的な接触分解反応が行われ、ガス拡散層２６を透過して内側電極２８に導かれる排気ガス中の酸素に電子が付与されて酸素イオンが発生する。
【０１０１】
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内側電極２８から外側測定電極３０に向けて輸送される。このため、外側測定電極３０においては、上記の化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。
【０１０２】
このようにリーン空燃比のときには、カソード側の内側電極２８からアノード側の外側測定電極３０に向けて酸素イオンを輸送することにより、内側電極２８，２９と基準電極３１との間の酸素分圧差を増大させるように、換言すれば、基準電極３１の電圧（出力電圧Ｖs ）によるリッチ・リーン判定が、リーンからリッチに反転するように制御される。
【０１０３】
この結果、内側電極２８と基準電極３１との間を流れる拡散限界電流としてのポンプ電流Ｉp は、空燃比がリッチかリーンかによって流れ方向が切換わり、理論空燃比を基準としてリニアに変化するようになる。そして、このポンプ電流Ｉp を、図７中に示す検出抵抗Ｒp を挟んだ検出端子４０，４１間の電圧として検出し、これを空燃比の検出信号として取出すことができる。
【０１０４】
ところで、排気ガスの侵入を抑える緻密層３２により基準電極３１を覆い、外側測定電極３０、ガス拡散層２６等を緻密層３２からほぼ全周にわたって露出させる構成とした場合には、排気ガスがガス拡散層２６を通って内側電極２８，２９に達するまでの経路が多方向にわたって存在することにある。
【０１０５】
これにより、排気ガスがガス拡散層２６を通って内側電極２８，２９に達するときのガス拡散抵抗にバラツキが発生し易くなる。そして、ポンプ電流Ｉp （拡散限界電流）の特性が、図９中に一点鎖線で示す特性線４３のようにフラットな特性とはならず、またヒステリシス等をもって安定した特性を得ることが難しくなり、空燃比の検出精度が低下してしまう可能性がある。
【０１０６】
そこで、本実施の形態では、ガス拡散層２６、外側測定電極３０および基準電極３１を外側から覆うように固体電解質層２７の外周側に設けた緻密層３２に、予め決められた開口幅Ｗをもったガス導入窓３３を設け、該ガス導入窓３３により外部の排気ガスが開口幅Ｗの範囲内でガス拡散層２６と外側測定電極３０とに向けて侵入するのを許す構成としている。
【０１０７】
そして、ガス導入窓３３は、緻密層３２の一側端部をコ字形状に切欠くことにより凹形状をなして形成し、ガス拡散層２６の一側端部を、図２、図３に示す如く固体電解質層２７および外側測定電極３０と共に部分的に露出させる構成としている。
【０１０８】
これにより、全体が略円形のロッド形状をなす空燃比検出素子２１において、例えば緻密層３２の外径寸法Ｄに対し、（２／３〜１）×Ｄなる開口幅Ｗをもった凹形状のガス導入窓３３を緻密層３２に形成でき、外部の排気ガスがガス拡散層２６内に侵入する経路を、開口幅Ｗの範囲内でほぼ一方向（例えば、図５中に示す矢示Ａ方向）に制限することができる。
【０１０９】
このため、排気ガスが図５中の矢示Ａ方向でガス拡散層２６を通って内側電極２８，２９に達するまでのガス拡散距離をほぼ一定に保つことが可能となり、このときのガス拡散抵抗にバラツキが発生するのを良好に抑えることができる。
【０１１０】
これにより、内側電極２８と外側測定電極３０との間を流れるポンプ電流Ｉp の拡散限界値にバラツキが生じて、ポンプ電流Ｉp が図９中に一点鎖線で示す特性線４３の如く不安定になるのを防ぐことができる。そして、実線で示す本来の特性線４２のように、ポンプ電流Ｉp の拡散限界電流値にフラット性を与えることができ、ヒステリシスの発生を抑えることができる。
【０１１１】
従って、本実施の形態によれば、外部の排気ガスがガス拡散層２６を通って内側電極２８，２９に達するまでのガス拡散距離をほぼ一定にして、拡散限界電流であるポンプ電流Ｉp の特性を安定させることができ、空燃比の検出精度を確実に向上することができる。
【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ヒータコア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ヒータコア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構成としている。
【０１１３】
そして、このようなヒータ部２２の外周側には、ガス拡散層２６、固体電解質層２７、内側電極２８，２９、外側測定電極３０、基準電極３１、緻密層３２および保護層３４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。
【０１１４】
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環状の電極２８，２９，３０，３１に十分な電極面積を確保でき、内部抵抗を低減できると共に、空燃比検出素子２１の外径寸法、容積等を確実に小さくすることができる。
【０１１５】
また、外側にエッジ部が形成されるプレート型の素子に比較して、空燃比検出素子２１の外形状をエッジ部がない、円形のロッド状に成形することができるので、空燃比検出素子２１の熱応力等を低減することが可能となり、例えば固体電解質層２７に割れ等が発生するのを抑えることができる。
【０１１６】
そして、空燃比検出素子２１の製造時には、ヒータコア２３の外周側に順次ヒータパターン２４、ヒータ被覆層２５、ガス拡散層２６、内側電極２８，２９、固体電解質層２７、外側測定電極３０、基準電極３１、緻密層３２および保護層３４を順次曲面印刷することにより形成でき、製造時の作業性を大幅に向上することができる。
【０１１７】
また、ヒータ部２２の外周側をガス拡散層２６、固体電解質層２７および緻密層３２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。
【０１１８】
これにより、ヒータ部２２の昇温時間を確実に短くすることができ、固体電解質層２７の活性時間を短くできると共に、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】
一方、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。
【０１２０】
また、内側電極２８，２９と外側測定電極３０，基準電極３１との間で固体電解質層２７を挟むことにより、一層の固体電解質層２７を用いるだけで所謂ポンプセル，ネルンストセル等を構成できるので、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１０は本発明の第２の実施の形態を示し、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】
しかし、本実施の形態の特徴は、内側電極２９のリード線部であるリード部２９Ａと、基準電極３１のリード線部であるリード部３１Ａとの間に、被測定ガスの侵入を抑える後述の緻密層５２を設ける構成としている。
【０１２３】
図中、５１は本実施の形態で採用した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５１は、第１の実施の形態で述べた空燃比検出素子２１とほぼ同様に構成され、ヒータ部２２、ガス拡散層２６、固体電解質層２７、内側電極２８，２９、外側測定電極３０、基準電極３１、緻密層３２、ガス導入窓３３および保護層３４等を有している。
【０１２４】
しかし、この場合の空燃比検出素子５１は、内側電極２９のリード部２９Ａと基準電極３１のリード部３１Ａとの間に後述の緻密層５２を設けている点で、第１の実施の形態とは異なるものである。
【０１２５】
５２は本実施の形態で採用した他の緻密層で、該緻密層５２は、第１の実施の形態で述べた緻密層３２とほぼ同様の材料を用いて形成され、外部の排気ガスが内部に侵入するのを防ぐものである。
【０１２６】
しかし、この緻密層５２は、ガス拡散層２６の外周側に固体電解質層２７を曲面印刷した後に、その上から外側測定電極３０、基準電極３１を曲面印刷する前の段階で、例えばヒータ被覆層２５の外周側に曲面印刷等の手段を用いて形成される。そして、緻密層５２は、内側電極２９のリード部２９Ａをヒータ被覆層２５との間でほぼ全長にわたって覆うものである。
【０１２７】
そして、固体電解質層２７の外周側には、緻密層５２の印刷後に外側測定電極３０、基準電極３１が曲面印刷され、これらのリード部３１Ａ等は、緻密層５２に沿って空燃比検出素子５１の軸方向に延びるように印刷により形成される。また、これらの上から緻密層３２が第１の実施の形態で述べた如く形成される。
【０１２８】
これによって、外側測定電極３０のリード部（図示せず）と基準電極３１のリード部３１Ａとは、緻密層５２，３２間に挟まれた状態となり、外部の排気ガスまたはガス拡散層２６を透過した排気ガスが、基準電極３１のリード部３１Ａに接触するのを緻密層３２，５２により遮断するものである。
【０１２９】
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。特に本実施の形態では、内側電極２９のリード部２９Ａと基準電極３１のリード部３１Ａとの間に緻密層５２を追加して設ける構成としている。
【０１３０】
これにより、基準電極３１のリード部３１Ａを内側電極２８，２９のリード部２９Ａから隔離して排気ガスとの接触をより確実に防止でき、例えば基準電極３１内に溜め込んだ酸素が、ガス拡散層２６側に向けて漏れるのを抑え、酸素の漏洩量を確実に低減することができる。
【０１３１】
この結果、基準電極３１における酸素分圧を基準となる酸素分圧としてほぼ一定に保つことができ、安定したセンサ出力を得ることができる。そして、外部から印加する直流電源３８の電圧Ｖ0 を、より低い電圧まで下げることが可能となり、エネルギ効率を向上することができる。
【０１３２】
なお、前記各実施の形態では、第１の電極となる内側電極２８，２９を、ガス拡散層２６の軸方向で互いに離間させて形成するものとして述べた。しかし、本発明はこれに限るものではなく、例えば内側電極２８，２９を一体に連結して軸方向に長く延びる環状の単一電極として形成してもよい。
【０１３３】
また、内側電極２８，２９のうち、例えば内側電極２９を廃止し、内側電極２８のみで第１の電極を構成してもよく、この場合には、内側電極２８を仮想グランド３５に接続する構成とすればよい。そして、このように構成した場合でも、前述した各実施の形態の形態とほぼ同様の作用効果を得ることができるものである。
【０１３４】
次に、上記各実施の形態から把握し得る請求項以外の技術的思想について、以下にその効果と共に記載する。
【０１３５】
細長いロッド状に形成され、外部からの通電によって発熱するヒータ部と、該ヒータ部の外周側に設けられ、被測定ガスが内部を拡散するガス拡散層と、該ガス拡散層の外周側に設けられ、前記ヒータ部からの熱により活性化される酸素イオン伝導性の固体電解質層と、該固体電解質層の内周側に設けられ、前記ガス拡散層と固体電解質層との間に挟まれた第１の電極と、前記固体電解質層の外周側に設けられ、電圧を印加したときのポンプ電流が該第１の電極との間に流れる第２の電極と、該第２の電極から離間して前記固体電解質層の外周側に設けられ、前記被測定ガス中の酸素濃度に対応した起電力が前記第１の電極との間に発生する第３の電極と、前記固体電解質層の外周側に設けられ、該第３の電極を前記固体電解質層、第２の電極および前記ガス拡散層を外側から覆うことにより前記被測定ガスの侵入を抑える緻密層と、該緻密層に予め決められた開口幅をもって設けられ、前記被測定ガスが開口幅の範囲内で前記ガス拡散層および第２の電極に向けて侵入するのを許す開口部とにより構成してなる空燃比検出装置。
【０１３６】
このように構成することにより、細長い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ガス拡散層、第１の電極、固体電解質層、第２，第３の電極および緻密層等を順次積層するように形成でき、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。これによって、取付時の方向や被測ガスの流れ方向等に影響されることなく、被測ガス中の酸素濃度等を安定した精度で検出することができる。
【０１３７】
また、第１の電極と第２，第３の電極とは固体電解質層を径方向で挟むように配置でき、それぞれの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、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。さらに、ヒータ部を心棒部をとし、その外周側にはガス拡散層、固体電解質層、第１，第２，第３の電極および緻密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することができ、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。
【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中の空燃比検出素子を拡大して示す斜視図である。
【図３】図２に示す空燃比検出素子の平面図である。
【図４】図３中の矢示IV−IV方向からみた空燃比検出素子の横断面図である。
【図５】図４中の矢示Ｖ−Ｖからみた空燃比検出素子の縦断面図である。
【図６】図４中の矢示VI−VI方向からみた空燃比検出素子の縦断面図である。
【図７】空燃比検出素子を直流電源および検出端子等と共に示す回路構成図である。
【図８】空燃比検出素子による出力電圧と空燃比との関係を示す特性線図である。
【図９】空燃比検出用のポンプ電圧とポンプ電流との関係を示す特性線図である。
【図１０】第２の実施の形態による空燃比検出素子を直流電源および検出端子等と共に示す回路構成図である。
【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
２１，５１ 空燃比検出素子（空燃比検出装置）
２２ ヒータ部
２３ ヒータコア
２４ ヒータパターン
２４Ａ，２９Ａ，３１Ａ リード部（リード線部）
２５ ヒータ被覆層
２７ 固体電解質層
２８，２９ 内側電極（第１の電極）
３０ 外側測定電極（第２の電極）
３１ 基準電極（第３の電極）
３２ 緻密層
３３ ガス導入窓（開口部）
３４ 保護層
３５ 仮想グランド
３６ 直流電源
３７ 出力端子
４０，４１ 空燃比の検出端子
５２ 緻密層
【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等を検出する構成としている（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
【特許文献１】
特開昭６１−１００６５１号公報
【０００４】
この種の従来技術による空燃比センサは、例えば細長いプレート状に形成されたヒータ部と、該ヒータ部に対して積層化するよう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、該固体電解質層の表面側に設けられた複数の電極と、これらの電極を固体電解質層と共に外側から覆うガス拡散層等とにより構成されている。
【０００５】
ここで、空燃比センサは、外部から電圧を印加したときに前記電極間に拡散限界電流としてのポンプ電流が流れ、このポンプ電流を計測することによりエンジンの空燃比を検出する。
【０００６】
そして、エンジンの制御装置は、空燃比センサから出力される空燃比信号により、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。
【０００７】
【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センサは、固体電解質層の表面側に設けた複数の電極を、多孔質材料からなるガス拡散層で覆っているに過ぎないので、排気ガス等の被測定ガスがガス拡散層を通って電極に達するまでの経路が多方向に存在している。
【０００８】
このため、排気ガスがガス拡散層を通って電極に達するときのガス拡散抵抗にバラツキが発生し易くなり、ポンプ電流（拡散限界電流）の特性が不安定となって、空燃比の検出精度が低下するという問題がある。
【０００９】
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、外部の被測定ガスがガス拡散層を通って電極に達するまでのガス拡散距離をほぼ一定にし、拡散限界電流の特性を安定させると共に、空燃比の検出精度を向上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。
【００１０】
【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、外部からの通電によって発熱するヒータ部と、該ヒータ部に設けられ、被測定ガスが内部を拡散するガス拡散層と、該ガス拡散層の外側に位置して前記ヒータ部に設けられ、前記ヒータ部からの熱により活性化される酸素イオン伝導性の固体電解質層と、該固体電解質層と前記ガス拡散層との間に設けられ、前記ガス拡散層を通じて被測定ガスが導かれる第１の電極と、該第１の電極との間で前記固体電解質層を挟むように該固体電解質層の外側面に設けられ、外部から電圧を印加したときにポンプ電流が該第１の電極との間に流れる第２の電極と、該第２の電極から離間して前記固体電解質層の外側面に設けられ、前記被測定ガス中の酸素濃度に対応した起電力が前記第１の電極との間に発生する第３の電極と、前記固体電解質層の外側面に設けられ、該第３の電極、固体電解質層、第２の電極および前記ガス拡散層を外側から覆うことにより前記被測定ガスが内部に侵入するのを抑える緻密層と、該緻密層に予め決められた開口幅をもって設けられ、前記被測定ガスが開口幅の範囲内で前記ガス拡散層と第２の電極とに向けて侵入するのを許す開口部とを備え、前記ガス拡散層を通じて第１の電極に導かれる被測定ガスの空燃比を前記第１の電極と第２の電極との間に流れる前記ポンプ電流により検出する構成としている。
【００１１】
このように構成することにより、緻密層に設けた開口部は、外部からの被測定ガスがガス拡散層と第２の電極とに向けて侵入する経路を開口幅の範囲内に制限でき、被測定ガスがガス拡散層を通って第１の電極に達する経路をほぼ一方向の経路とすることができる。
【００１２】
このため、被測定ガスがガス拡散層を通って第１の電極に達するまでのガス拡散距離をほぼ一定に保つことができ、第１，第２の電極間を流れるポンプ電流の拡散限界値にバラツキが生じて、拡散限界電流が不安定になるのを防ぐことができる。これにより、ポンプ電流である拡散限界電流のフラット性を向上させ、ヒステリシスの発生を抑えることができると共に、空燃比検出信号としての特性を安定させ、空燃比の検出精度を高めることができる。
【００１３】
また、請求項２の発明によると、開口部は、緻密層の端部をコ字形状に切欠くことにより凹形状に形成され、ガス拡散層を固体電解質層および第２の電極と共に部分的に露出させる構成としている。
【００１４】
これにより、空燃比検出装置全体を略円形のロッド形状に形成した場合には、例えば緻密層の外径寸法Ｄに対し、（２／３〜１）×Ｄなる開口幅をもった凹形状の開口部を緻密層に形成でき、外部の被測定ガスがガス拡散層内に侵入する経路を、開口幅の範囲内でほぼ一方向（例えば、空燃比検出装置の軸方向）に制限できると共に、被測定ガスがガス拡散層を通って第１の電極に達するときのガス拡散抵抗にバラツキが発生するのを良好に抑えることができる。
【００１５】
さらに、請求項３の発明によると、第１，第２，第３の電極は、ヒータ部の長さ方向に延びるリード線部をそれぞれ有し、これらの各リード線部のうち前記第１の電極のリード線部と前記第３の電極のリード線部との間には、被測定ガスの侵入を抑える他の緻密層を設ける構成としている。
【００１６】
これにより、第３の電極のリード線部を第１の電極のリード線部から隔離して被測定ガスとの接触をより確実に防止でき、第３の電極における酸素分圧を基準となる酸素分圧としてほぼ一定に保つことができる。この結果、安定したセンサ出力を得ることができ、外部から印加する電圧をより低い電圧まで下げてエネルギ効率を向上することができる。
【００１７】
【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、自動車用エンジンの排気管側に取付けられる広域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。
【００１８】
ここで、図１ないし図９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、軸方向一側（先端側）外周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の軸方向他側（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。
【００１９】
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。
【００２０】
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が固定されている。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。
【００２１】
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。
【００２２】
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。
【００２３】
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、耐熱性を有する樹脂材料等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。
【００２４】
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。
【００２５】
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。
【００２６】
また、プロテクタ１５の筒部側には、被測定ガスとなる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。
【００２７】
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、ガス拡散層２６、固体電解質層２７、緻密層３２および保護層３４等によって構成されている。
【００２８】
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実ロッド状に形成されたヒータコア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。
【００２９】
ここで、ヒータパターン２４は、例えばアルミナを混合した白金等の発熱性導体材料からなり、ヒータコア２３の外周面に曲面印刷等の手段を用いて形成されている。また、ヒータパターン２４は、ヒータコア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（図２中に１個のみ図示）を有し、これらのリード部２４Ａは、ヒータコア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に接続される。
【００３０】
そして、ヒータパターン２４は、外部のヒータ電源（図示せず）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。
【００３１】
また、ヒータ部２２のヒータ被覆層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曲面印刷等の手段でヒータコア２３の外周側に厚膜印刷することにより形成されている。また、ヒータ被覆層２５の外周側には、後述のガス拡散層２６等が曲面印刷等の手段を用いて積層化するように形成されている。
【００３２】
２６はヒータ部２２のヒータ被覆層２５の外周側に設けられた多孔質構造のガス拡散層で、該ガス拡散層２６は、例えばアルミナの粉体（所定重量％のジルコニアの粉体を混合してもよい）からなるペースト状物を、曲面印刷等の手段を用いて図４ないし図７に示すようにヒータ被覆層２５の外周側に厚膜印刷することにより環状に形成されている。
【００３３】
そして、ガス拡散層２６は、連続気泡からなる空孔を有して多孔質構造に形成され、空燃比検出素子２１の周囲を流れる排気ガスの一部を、図５中に示す矢示Ａ方向（軸方向）から後述のガス導入窓３３を介してガス拡散層２６の内部に拡散させつつ、この排気ガスを後述の内側電極２８に向けて透過させる機能を有している。
【００３４】
２７はヒータ被覆層２５の外周側に曲面印刷等の手段を用いて設けられた酸素イオン伝導性の固体電解質層で、該固体電解質層２７は、例えばイットリア安定化ジルコニア（ＹＳＺ）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４ないし図７に示す如くガス拡散層２６の外側からヒータ被覆層２５の外周側に厚膜印刷することにより環状に形成されている。
【００３５】
そして、固体電解質層２７は、後述の電極２８，２９間、電極２８，３１間でそれぞれ酸素イオン等を輸送する機能を有するものである。また、固体電解質層２７は、後述の緻密層３２とほぼ同様に緻密な構造を有し、排気ガス等が内部に透過、侵入することはないものである。
【００３６】
なお、固体電解質層２７は、図４に示すようにヒータ被覆層２５の外周側でガス拡散層２６の上側に積層化するように形成され、その周方向長さは固体電解質層２７の方がガス拡散層２６よりも小さい寸法となっている。このため、ガス拡散層２６は、固体電解質層２７によって外側から完全に覆われることはなく、ガス拡散層２６の周方向両側は、図４に示す如く固体電解質層２７からヒータ被覆層２５の周方向にはみ出している。
【００３７】
２８，２９はガス拡散層２６と固体電解質層２７との間に位置して固体電解質層２７の内周側に設けられた第１の電極としての内側電極で、該内側電極２８，２９は、白金等の導電性材料からなり、図４ないし図７に示すように固体電解質層２７を曲面印刷する前に、ガス拡散層２６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。
【００３８】
そして、これらの内側電極２８，２９は、図５ないし図７に示すようにガス拡散層２６の軸方向で互いに離間して配置され、径方向では後述の電極３０，３１と固体電解質層２７を挟んで対向している。しかし、これらの内側電極２８，２９は、リード線（図示せず）等を介して互いに接続され、図７に示す後述の仮想グランド３５と同電位におかれるものである。
【００３９】
また、これらの内側電極２８，２９は、例えば内側電極２９側にリード線部としてのリード部２９Ａ（図２中に図示）を有し、このリード部２９Ａはヒータ部２２の基端側に向けヒータ被覆層２５の軸方向に伸長している。そして、固体電解質層２７は、このリード部２９Ａを除いて内側電極２８，２９を外側から完全に包込むようにヒータ被覆層２５の外周面に曲面印刷されるものである。
【００４０】
３０はヒータ部２２の先端側寄りに位置して固体電解質層２７の外周面に設けられた第２の電極としての外側測定電極で、該外側測定電極３０は、図４ないし図７に示す如く内側電極２８との間で固体電解質層２７を挟むことにより、内側電極２８と外側測定電極３０は、所謂ポンピング電極を構成するものである。
【００４１】
そして、外側測定電極３０は、後述する基準電極３１のリード部３１Ａと同様にリード線部となるリード部（図示せず）を有し、このリード部は、基準電極３１のリード部３１Ａからヒータ被覆層２５の周方向に離間した状態で、ヒータ被覆層２５の外周に沿って基端側へと軸方向に延びて形成されるものである。
【００４２】
３１は外側測定電極３０からヒータ部２２の軸方向に離間して固体電解質層２７の外周面に設けられた第３の電極としての基準電極で、該基準電極３１は、図５ないし図７に示す如く内側電極２９との間で固体電解質層２７を挟むように配置され、後述の如く排気ガス中の酸素濃度に対応した起電力が内側電極２９との間に発生するものである。
【００４３】
そして、これらの外側測定電極３０、基準電極３１は、内側電極２８，２９と同様の導電性材料からなり、この導電性ペーストを固体電解質層２７の外周面にそれぞれ曲面印刷することによって形成される。また、基準電極３１は、ヒータ部２２の基端側に向けて伸長するリード線部としてのリード部３１Ａ（図２中に図示）を有している。
【００４４】
また、内側電極２８，２９のリード部２９Ａ、外側測定電極３０のリード部および基準電極３１のリード部３１Ａは、図１に示す空燃比検出素子２１の基端側でそれぞれのコンタクトプレート１３およびリード線１１に接続され、図７に例示するような電気回路を構成するものである。
【００４５】
３２はガス拡散層２６、固体電解質層２７および電極３０，３１等を外側から覆うように設けられた緻密層で、この緻密層３２は、例えばアルミナの粉体に酸化珪素（Ｓi Ｏ２）の粉体を添加してペースト状物を調整し、このペースト状物をガス拡散層２６、固体電解質層２７等の外側からヒータ被覆層２５の外周側に厚膜印刷することにより形成され、図７に示す如くヒータ被覆層２５の先端側から基端側に向けて延びている。
【００４６】
そして、緻密層３２は、前記ペースト状物となる粉体の平均粒径が小さく（例えば、０．３〜０．５μｍ程度）に形成されることにより、ガス拡散層２６等に比較して緻密な構造をなし、これにより排気ガスが内部に侵入するのを遮断して抑える機能を有している。このため、基準電極３１は、リード部３１Ａを除いて固体電解質層２７と緻密層３２によって完全に周囲が取囲まれ、外部の排気ガスから隔離した状態に保たれるものである。
【００４７】
また、ガス拡散層２６および外側測定電極３０についても、後述のガス導入窓３３の位置を除いて図２、図３に示す如く緻密層３２で覆われるため、この緻密層３２で覆われた部分では、排気ガスの侵入、接触が遮断される。これにより、ガス拡散層２６に対する排気ガスの侵入経路は、図５に示す矢示Ａ方向（ヒータ部２２、ガス拡散層２６等の長さ方向）に制限されるものである。
【００４８】
３３は緻密層３２に設けられた開口部としてのガス導入窓で、該ガス導入窓３３は、図２ないし図５に示す如くヒータ部２２の先端側寄りに位置する緻密層３２の端部を、コ字形状に切欠くことにより凹形状の開口として形成され、その開口幅Ｗは、例えば緻密層３２の外径寸法Ｄに対し、下記の数１式による関係に設定されるものである。
【００４９】
【数１】
Ｗ＝（２／３〜１）×Ｄ
【００５０】
そして、ガス導入窓３３は、図４に示す如く開口角θをもって形成され、開口幅Ｗと開口角θとの関係は、緻密層３２の外径寸法Ｄに対して下記の数２式で表されるものである。例えば、緻密層３２の外径寸法Ｄが３ｍｍの場合、ガス導入窓３３の開口幅Ｗは、例えば２．０〜３．０ｍｍ、好ましくは２．５〜２．８ｍｍ程度の大きさに形成される。
【００５１】
【数２】
Ｗ＝（θ／３６０）×Ｄ×π
【００５２】
また、ガス導入窓３３は、空燃比検出素子２１の長さ方向（軸方向）で図２、図３に示す如く外側測定電極３０の位置まで延び、該外側測定電極３０をガス拡散層２６および固体電解質層２７と共に緻密層３２から部分的に露出させるものである。そして、ガス導入窓３３は、外部の排気ガスが開口幅Ｗの範囲内でガス拡散層２６、外側測定電極３０に侵入、接触するのを許すものである。
【００５３】
この場合、ガス拡散層２６の外周側は、緻密層３２とほぼ同様に緻密な構造を有した固体電解質層２７により径方向外側から覆われており、外部の排気ガスが固体電解質層２７を透過してガス拡散層２６に達することはない。
【００５４】
このため、ガス拡散層２６は、長さ方向の一側となる先端側のみがガス導入窓３３の位置で排気ガスと接触可能となる。そして、ガス導入窓３３は、外部の排気ガスをガス拡散層２６内に向けて長さ方向（図５中の矢示Ａ方向）に導入し、これ以外の方向から排気ガスがガス拡散層２６内に侵入するのを制限するものである。
【００５５】
３４はガス導入窓３３と共に緻密層３２を外側から覆う保護層で、該保護層３４は、例えばアルミナ等の多孔質材料を用いて形成され、これらの粉体からなるペースト状物を図２、図３中に仮想線で示すように曲面印刷することにより構成されるものである。
【００５６】
この場合、図２、図３中ではガス導入窓３３を明示するために、保護層３４を仮想線で示したが、実際には図４ないし図７中に実線で示すように、保護層３４は設けられるものである。そして、保護層３４は、ガス拡散層２６よりも空孔率が高く、目の粗い多孔質構造をなすように形成される。
【００５７】
そして、保護層３４は、ガス導入窓３３を介して外部に露出されるガス拡散層２６、固体電解質層２７および外側測定電極３０等を外側から覆い、これらを外部のダスト等から保護する機能を有している。また、保護層３４の周囲を流れる排気ガス（被測定ガス）の一部は、空孔率の高い保護層３４を透過し、ガス導入窓３３の位置からガス拡散層２６、外側測定電極３０等に向けて侵入するものである。
【００５８】
３５は図７に示す如く内側電極２８，２９に接続された仮想グランドで、該仮想グランド３５は、例えば１．５Ｖ（ボルト）程度の基準電位におかれるものである。
【００５９】
３６は直流電圧を印加する電圧印加手段としての直流電源で、該直流電源３６は、図７に示す如く調整抵抗Ｒ0 を介して基準電極３１に接続されている。そして、直流電源３６は、例えば２〜３Ｖ程度の予め決められた直流電圧Ｖ0 （疑似参照極用のポンピング電圧Ｖ0 ）を、調整抵抗Ｒ0 を介して基準電極３１に印加するものである。
【００６０】
３７は排気ガス中の酸素濃度に対応した信号を出力する出力端子で、該出力端子３７は、後述の数３式による出力電圧Ｖs を酸素濃度の検出信号として、図８に示す特性線の如く出力するものである。
【００６１】
【数３】
Ｖs ＝Ｅ＋（Ｒi ×Ｉ0 ）
【００６２】
この場合、空燃比検出素子２１の固体電解質層２７は内部抵抗をＲi を有し、固体電解質層２７を挟んだ内側電極２９と基準電極３１との間には、排気ガス中の酸素濃度に対応した起電力Ｅが発生する。そして、これらの電極３１，２９間に直流電源３６から流込み電流としてのポンピング電流Ｉ0 が供給されるときには、出力端子３７から酸素濃度の検出信号が出力電圧Ｖs として出力されるものである。
【００６３】
３８は比較用電圧ＶR を設定する比較電源部で、該比較電源部３８は、理論空燃比（Ａ／Ｆ＝１４．７、またはλ＝１）に相当する比較用電圧ＶR を後述の差動増幅器３９に出力するものである。
【００６４】
３９は図７に示す検出端子４０，４１間で空燃比信号を出力させるための差動増幅器で、該差動増幅器３９は、非反転入力端子が比較用電圧ＶR の比較電源部３８に接続され、反転入力端子が出力電圧Ｖs の出力端子３７（空燃比検出素子２１の基準電極３１）側に接続されている。
【００６５】
また、差動増幅器３９の出力端子は、外側測定電極３０に検出抵抗Ｒp を介して接続され、この検出抵抗Ｒp の両端に接続された検出端子４０，４１間には、空燃比信号としてのポンプ電流（拡散限界電流）を検出するための検出器（図示せず）等が設けられるものである。
【００６６】
そして、差動増幅器３９は、理論空燃比相当の比較用電圧ＶR と出力電圧Ｖs とを比較し、その比較結果に応じた信号をポンプ電圧Ｖp として検出端子４０，４１側に出力し、このときに内側電極２８と外側測定電極３０との間を空燃比信号となるポンプ電流Ｉp が流れる。そして、ポンプ電圧Ｖp とポンプ電流Ｉp との関係は、例えば図９中に実線で示す特性線４２のように表されるものである。
【００６７】
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、その検出動作について説明する。
【００６８】
まず、当該空燃比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保護層３４および緻密層３２のガス導入窓３３を介して外側測定電極３０の表面に達すると共に、ガス拡散層２６を通じて内側電極２８，２９の表面にも導かれる。
【００７０】
また、この状態でヒータ電源（図示せず）からヒータパターン２４に給電を行い、ヒータ部２２によって空燃比検出素子２１全体を加熱すると、固体電解質層２７が活性化される。そして、固体電解質層２７を挟んで対向する内側電極２９と基準電極３１との間には、直流電源３６から電圧が印加され、内側電極２８と外側測定電極３０との間には、差動増幅器３９を介して電圧が印加される。
【００７１】
これにより、内側電極２９、基準電極３１間と、内側電極２８、外側測定電極３０間とには、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、可燃性ガス成分濃度に基づいた出力電圧Ｖs ，ポンプ電圧Ｖp がそれぞれの空燃比λに対応して発生し、このときのポンプ電流Ｉp （拡散限界電流）が検出端子４０，４１間の検出信号として出力されるものである。
【００７２】
即ち、エンジンの空燃比が理論空燃比よりも大きくなるリーン空燃比のときには、エンジンの燃焼室内で希薄混合気が形成され、この希薄混合気により空燃比検出素子２１（例えば、保護層３４）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。そして、この排気ガス中の酸素は、図５中の矢示Ａ方向でガス拡散層２６を通じて内側電極２８，２９へと供給される。
【００７３】
このため、内側電極２９と基準電極３１との間では、直流電源３６からの電圧印加により、例えば内側電極２９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。
【００７４】
【化１】
Ｏ2 ＋４ｅ → ２Ｏ2-
但し、Ｏ2 ：酸素分子
ｅ ：電子
Ｏ2-：酸素イオン
【００７５】
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内側電極２９から基準電極３１に向けて輸送される。このため、基準電極３１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。
【００７６】
【化２】
２Ｏ2- → Ｏ2 ＋４ｅ
【００７７】
これにより、基準電極３１内には、例えば電極内の空孔（図示せず）等に酸素が吸入され、基準電極３１内には相対的に高い酸素分圧が生じる。しかし、リーン空燃比の状態では、ガス拡散層２６を通じて内側電極２９に酸素が供給され続けるので、内側電極２９も高い酸素分圧状態におかれ、電極２９，３１間の酸素分圧差は小さい状態となる。
【００７８】
このため、両者の酸素分圧差等に基づいて固体電解質層２７に発生する前記数３式の起電力Ｅは小さく抑えられ、基準電極３１の電圧（出力端子３７の出力電圧Ｖs ）は、図８に示す特性線の如く排気ガス中の酸素濃度に対応して理論空燃比状態（λ＝１）よりも低い電圧値をとることになる。
【００７９】
一方、エンジンの空燃比が理論空燃比よりも小さくなるリッチ空燃比のときには、燃焼室内での過濃混合気により空燃比検出素子２１の保護層３４等の周囲を流れる排気ガス中に酸素は残らず、例えば一酸化炭素（ＣＯ）、水素（Ｈ2 ）等の可燃性ガス成分が燃焼されることなく残っている。
【００８０】
これにより、ガス拡散層２６を通じて内側電極２８，２９に供給される排気ガス中には、酸素が存在しない状態となり、例えば内側電極２９の酸素分圧は急激に下がる。しかし、この状態でも基準電極３１側には、前記空孔内に酸素が溜め込まれているので、電極２９，３１間の酸素分圧差は大きくなる。
【００８１】
この結果、両者の酸素分圧差等に基づいて固体電解質層２７に発生する前記数３式の起電力Ｅは大きく増加し、基準電極３１の電圧（出力端子３７の出力電圧Ｖs ）は、排気ガス中の酸素濃度に対応して理論空燃比状態（λ＝１）よりも高い電圧値をとることになる。
【００８２】
かくして、出力端子３７からの出力電圧Ｖs は、図８に示す特性線のように排気ガス中の酸素濃度に対応して大きく変化し、この出力電圧Ｖs に従って空燃比がリッチ状態であるか、リーン状態であるかを判別することができる。
【００８３】
また、この場合の基準電極３１は、図７に示す如く直流電源３６に接続され、内側電極２９から基準電極３１に固体電解質層２７を介して酸素イオンを輸送させるための直流電圧Ｖ0 （疑似参照極用のポンピング電圧Ｖ0 ）が印加されている。
【００８４】
そして、基準電極３１は、固体電解質層２７と緻密層３２によって完全に周囲が取囲まれ、外部の排気ガスから隔離した状態に保たれるので、基準電極３１の酸素分圧を空燃比変化に影響されることなく、高い酸素分圧状態に安定して保持することができ、基準電極３１を擬似的に基準酸素濃度の電極（参照電極）として機能させることができる。
【００８５】
これにより、出力端子３７からの出力電圧Ｖs （基準電極３１の電圧）を、図８に示す特性線のように、空燃比がリッチであるか、リーンであるかに従ってオン、オフ的に切換わる安定した出力特性とすることができ、排気ガス中の酸素濃度を高精度に検出することができる。
【００８６】
また、基準電極３１の電圧（出力端子３７の出力電圧Ｖs ）は、図７に示す如く差動増幅器３９に出力され、理論空燃比相当の比較用電圧ＶR と比較される。そして、空燃比がリッチ状態のときには出力電圧Ｖs が高い電圧値となり、理論空燃比相当の比較用電圧ＶR よりも高い電圧になる。
【００８７】
このため、差動増幅器３９の出力端子からは、リッチ空燃比のときに内側電極２８，２９側の仮想グランド３５（例えば，１．５Ｖ）よりも低い電圧値（例えば、１．０Ｖ）のポンプ電圧Ｖp が出力される。
【００８８】
一方、空燃比がリーン状態のときには出力電圧Ｖs が、理論空燃比相当の比較用電圧ＶR よりも低い電圧になるため、差動増幅器３９の出力端子からは、内側電極２８，２９側の仮想グランド３５（例えば，１．５Ｖ）よりも高い電圧値（例えば、２．０Ｖ）のポンプ電圧Ｖp が出力される。
【００８９】
このように、差動増幅器３９からは、空燃比がリッチであるか、リーンであるかによって、電圧値が大きく増，減するポンプ電圧Ｖp を出力でき、このポンプ電圧Ｖp は、内側電極２８，２９側の仮想グランド３５に対して低い電圧と高い電圧値とに切換わる特性となる。
【００９０】
この結果、例えば内側電極２８と外側測定電極３０との間を固体電解質層２７を介して流れるポンプ電流Ｉp の方向を、リッチ空燃比かリーン空燃比かによって切換えることができ、このときのポンプ電流Ｉp を空燃比信号として図７中の検出端子４０，４１等から取出すことができる。
【００９１】
そして、リッチ空燃比の状態では、外側測定電極３０が内側電極２８よりも低い電位となるため、カソード側の外側測定電極３０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。
【００９２】
【化３】
ＣＯ2 ＋２ｅ → Ｏ2- ＋ＣＯ
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
【００９３】
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外側測定電極３０からアノード側の内側電極２８に向け輸送される。また、アノード側の内側電極２８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、ガス拡散層２６を透過して内側電極２８に導かれる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。
【００９４】
【化４】
ＣＯ＋Ｏ2- → ＣＯ2 ＋２ｅ
【００９５】
なお、排気ガス中の可燃性ガス成分が水素（Ｈ2 ）の場合には、カソード側となる外側測定電極３０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。
【００９６】
【化５】
Ｈ2 Ｏ＋ｅ → Ｏ2- ＋Ｈ2
但し、Ｈ2 Ｏ：水分子
ｅ ：電子
Ｏ2-：酸素イオン
Ｈ2 ：水素分子
【００９７】
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外側測定電極３０からアノード側の内側電極２８に向け輸送される。また、アノード側の内側電極２８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ものである。
【００９８】
【化６】
Ｈ2 ＋Ｏ2- → Ｈ2 Ｏ＋２ｅ
【００９９】
このように、カソード側の外側測定電極３０からアノード側の内側電極２８に向けて酸素イオンを輸送することにより、リッチ空燃比の状態では内側電極２８，２９と基準電極３１との間の酸素分圧差を縮小させるように、換言すれば、基準電極３１の電圧（出力電圧Ｖs ）によるリッチ・リーン判定が、リッチからリーンに反転するように制御される。
【０１００】
一方、リーン空燃比の状態では、外側測定電極３０が内側電極２８よりも高い電位となるため、カソード側となる内側電極２８において、上記の化１による電気化学的な接触分解反応が行われ、ガス拡散層２６を透過して内側電極２８に導かれる排気ガス中の酸素に電子が付与されて酸素イオンが発生する。
【０１０１】
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内側電極２８から外側測定電極３０に向けて輸送される。このため、外側測定電極３０においては、上記の化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。
【０１０２】
このようにリーン空燃比のときには、カソード側の内側電極２８からアノード側の外側測定電極３０に向けて酸素イオンを輸送することにより、内側電極２８，２９と基準電極３１との間の酸素分圧差を増大させるように、換言すれば、基準電極３１の電圧（出力電圧Ｖs ）によるリッチ・リーン判定が、リーンからリッチに反転するように制御される。
【０１０３】
この結果、内側電極２８と基準電極３１との間を流れる拡散限界電流としてのポンプ電流Ｉp は、空燃比がリッチかリーンかによって流れ方向が切換わり、理論空燃比を基準としてリニアに変化するようになる。そして、このポンプ電流Ｉp を、図７中に示す検出抵抗Ｒp を挟んだ検出端子４０，４１間の電圧として検出し、これを空燃比の検出信号として取出すことができる。
【０１０４】
ところで、排気ガスの侵入を抑える緻密層３２により基準電極３１を覆い、外側測定電極３０、ガス拡散層２６等を緻密層３２からほぼ全周にわたって露出させる構成とした場合には、排気ガスがガス拡散層２６を通って内側電極２８，２９に達するまでの経路が多方向にわたって存在することにある。
【０１０５】
これにより、排気ガスがガス拡散層２６を通って内側電極２８，２９に達するときのガス拡散抵抗にバラツキが発生し易くなる。そして、ポンプ電流Ｉp （拡散限界電流）の特性が、図９中に一点鎖線で示す特性線４３のようにフラットな特性とはならず、またヒステリシス等をもって安定した特性を得ることが難しくなり、空燃比の検出精度が低下してしまう可能性がある。
【０１０６】
そこで、本実施の形態では、ガス拡散層２６、外側測定電極３０および基準電極３１を外側から覆うように固体電解質層２７の外周側に設けた緻密層３２に、予め決められた開口幅Ｗをもったガス導入窓３３を設け、該ガス導入窓３３により外部の排気ガスが開口幅Ｗの範囲内でガス拡散層２６と外側測定電極３０とに向けて侵入するのを許す構成としている。
【０１０７】
そして、ガス導入窓３３は、緻密層３２の一側端部をコ字形状に切欠くことにより凹形状をなして形成し、ガス拡散層２６の一側端部を、図２、図３に示す如く固体電解質層２７および外側測定電極３０と共に部分的に露出させる構成としている。
【０１０８】
これにより、全体が略円形のロッド形状をなす空燃比検出素子２１において、例えば緻密層３２の外径寸法Ｄに対し、（２／３〜１）×Ｄなる開口幅Ｗをもった凹形状のガス導入窓３３を緻密層３２に形成でき、外部の排気ガスがガス拡散層２６内に侵入する経路を、開口幅Ｗの範囲内でほぼ一方向（例えば、図５中に示す矢示Ａ方向）に制限することができる。
【０１０９】
このため、排気ガスが図５中の矢示Ａ方向でガス拡散層２６を通って内側電極２８，２９に達するまでのガス拡散距離をほぼ一定に保つことが可能となり、このときのガス拡散抵抗にバラツキが発生するのを良好に抑えることができる。
【０１１０】
これにより、内側電極２８と外側測定電極３０との間を流れるポンプ電流Ｉp の拡散限界値にバラツキが生じて、ポンプ電流Ｉp が図９中に一点鎖線で示す特性線４３の如く不安定になるのを防ぐことができる。そして、実線で示す本来の特性線４２のように、ポンプ電流Ｉp の拡散限界電流値にフラット性を与えることができ、ヒステリシスの発生を抑えることができる。
【０１１１】
従って、本実施の形態によれば、外部の排気ガスがガス拡散層２６を通って内側電極２８，２９に達するまでのガス拡散距離をほぼ一定にして、拡散限界電流であるポンプ電流Ｉp の特性を安定させることができ、空燃比の検出精度を確実に向上することができる。
【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ヒータコア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ヒータコア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構成としている。
【０１１３】
そして、このようなヒータ部２２の外周側には、ガス拡散層２６、固体電解質層２７、内側電極２８，２９、外側測定電極３０、基準電極３１、緻密層３２および保護層３４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。
【０１１４】
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環状の電極２８，２９，３０，３１に十分な電極面積を確保でき、内部抵抗を低減できると共に、空燃比検出素子２１の外径寸法、容積等を確実に小さくすることができる。
【０１１５】
また、外側にエッジ部が形成されるプレート型の素子に比較して、空燃比検出素子２１の外形状をエッジ部がない、円形のロッド状に成形することができるので、空燃比検出素子２１の熱応力等を低減することが可能となり、例えば固体電解質層２７に割れ等が発生するのを抑えることができる。
【０１１６】
そして、空燃比検出素子２１の製造時には、ヒータコア２３の外周側に順次ヒータパターン２４、ヒータ被覆層２５、ガス拡散層２６、内側電極２８，２９、固体電解質層２７、外側測定電極３０、基準電極３１、緻密層３２および保護層３４を順次曲面印刷することにより形成でき、製造時の作業性を大幅に向上することができる。
【０１１７】
また、ヒータ部２２の外周側をガス拡散層２６、固体電解質層２７および緻密層３２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。
【０１１８】
これにより、ヒータ部２２の昇温時間を確実に短くすることができ、固体電解質層２７の活性時間を短くできると共に、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】
一方、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。
【０１２０】
また、内側電極２８，２９と外側測定電極３０，基準電極３１との間で固体電解質層２７を挟むことにより、一層の固体電解質層２７を用いるだけで所謂ポンプセル，ネルンストセル等を構成できるので、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１０は本発明の第２の実施の形態を示し、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】
しかし、本実施の形態の特徴は、内側電極２９のリード線部であるリード部２９Ａと、基準電極３１のリード線部であるリード部３１Ａとの間に、被測定ガスの侵入を抑える後述の緻密層５２を設ける構成としている。
【０１２３】
図中、５１は本実施の形態で採用した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５１は、第１の実施の形態で述べた空燃比検出素子２１とほぼ同様に構成され、ヒータ部２２、ガス拡散層２６、固体電解質層２７、内側電極２８，２９、外側測定電極３０、基準電極３１、緻密層３２、ガス導入窓３３および保護層３４等を有している。
【０１２４】
しかし、この場合の空燃比検出素子５１は、内側電極２９のリード部２９Ａと基準電極３１のリード部３１Ａとの間に後述の緻密層５２を設けている点で、第１の実施の形態とは異なるものである。
【０１２５】
５２は本実施の形態で採用した他の緻密層で、該緻密層５２は、第１の実施の形態で述べた緻密層３２とほぼ同様の材料を用いて形成され、外部の排気ガスが内部に侵入するのを防ぐものである。
【０１２６】
しかし、この緻密層５２は、ガス拡散層２６の外周側に固体電解質層２７を曲面印刷した後に、その上から外側測定電極３０、基準電極３１を曲面印刷する前の段階で、例えばヒータ被覆層２５の外周側に曲面印刷等の手段を用いて形成される。そして、緻密層５２は、内側電極２９のリード部２９Ａをヒータ被覆層２５との間でほぼ全長にわたって覆うものである。
【０１２７】
そして、固体電解質層２７の外周側には、緻密層５２の印刷後に外側測定電極３０、基準電極３１が曲面印刷され、これらのリード部３１Ａ等は、緻密層５２に沿って空燃比検出素子５１の軸方向に延びるように印刷により形成される。また、これらの上から緻密層３２が第１の実施の形態で述べた如く形成される。
【０１２８】
これによって、外側測定電極３０のリード部（図示せず）と基準電極３１のリード部３１Ａとは、緻密層５２，３２間に挟まれた状態となり、外部の排気ガスまたはガス拡散層２６を透過した排気ガスが、基準電極３１のリード部３１Ａに接触するのを緻密層３２，５２により遮断するものである。
【０１２９】
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。特に本実施の形態では、内側電極２９のリード部２９Ａと基準電極３１のリード部３１Ａとの間に緻密層５２を追加して設ける構成としている。
【０１３０】
これにより、基準電極３１のリード部３１Ａを内側電極２８，２９のリード部２９Ａから隔離して排気ガスとの接触をより確実に防止でき、例えば基準電極３１内に溜め込んだ酸素が、ガス拡散層２６側に向けて漏れるのを抑え、酸素の漏洩量を確実に低減することができる。
【０１３１】
この結果、基準電極３１における酸素分圧を基準となる酸素分圧としてほぼ一定に保つことができ、安定したセンサ出力を得ることができる。そして、外部から印加する直流電源３８の電圧Ｖ0 を、より低い電圧まで下げることが可能となり、エネルギ効率を向上することができる。
【０１３２】
なお、前記各実施の形態では、第１の電極となる内側電極２８，２９を、ガス拡散層２６の軸方向で互いに離間させて形成するものとして述べた。しかし、本発明はこれに限るものではなく、例えば内側電極２８，２９を一体に連結して軸方向に長く延びる環状の単一電極として形成してもよい。
【０１３３】
また、内側電極２８，２９のうち、例えば内側電極２９を廃止し、内側電極２８のみで第１の電極を構成してもよく、この場合には、内側電極２８を仮想グランド３５に接続する構成とすればよい。そして、このように構成した場合でも、前述した各実施の形態の形態とほぼ同様の作用効果を得ることができるものである。
【０１３４】
次に、上記各実施の形態から把握し得る請求項以外の技術的思想について、以下にその効果と共に記載する。
【０１３５】
細長いロッド状に形成され、外部からの通電によって発熱するヒータ部と、該ヒータ部の外周側に設けられ、被測定ガスが内部を拡散するガス拡散層と、該ガス拡散層の外周側に設けられ、前記ヒータ部からの熱により活性化される酸素イオン伝導性の固体電解質層と、該固体電解質層の内周側に設けられ、前記ガス拡散層と固体電解質層との間に挟まれた第１の電極と、前記固体電解質層の外周側に設けられ、電圧を印加したときのポンプ電流が該第１の電極との間に流れる第２の電極と、該第２の電極から離間して前記固体電解質層の外周側に設けられ、前記被測定ガス中の酸素濃度に対応した起電力が前記第１の電極との間に発生する第３の電極と、前記固体電解質層の外周側に設けられ、該第３の電極を前記固体電解質層、第２の電極および前記ガス拡散層を外側から覆うことにより前記被測定ガスの侵入を抑える緻密層と、該緻密層に予め決められた開口幅をもって設けられ、前記被測定ガスが開口幅の範囲内で前記ガス拡散層および第２の電極に向けて侵入するのを許す開口部とにより構成してなる空燃比検出装置。
【０１３６】
このように構成することにより、細長い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ガス拡散層、第１の電極、固体電解質層、第２，第３の電極および緻密層等を順次積層するように形成でき、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。これによって、取付時の方向や被測ガスの流れ方向等に影響されることなく、被測ガス中の酸素濃度等を安定した精度で検出することができる。
【０１３７】
また、第１の電極と第２，第３の電極とは固体電解質層を径方向で挟むように配置でき、それぞれの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、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。さらに、ヒータ部を心棒部をとし、その外周側にはガス拡散層、固体電解質層、第１，第２，第３の電極および緻密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することができ、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。
【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中の空燃比検出素子を拡大して示す斜視図である。
【図３】図２に示す空燃比検出素子の平面図である。
【図４】図３中の矢示IV−IV方向からみた空燃比検出素子の横断面図である。
【図５】図４中の矢示Ｖ−Ｖからみた空燃比検出素子の縦断面図である。
【図６】図４中の矢示VI−VI方向からみた空燃比検出素子の縦断面図である。
【図７】空燃比検出素子を直流電源および検出端子等と共に示す回路構成図である。
【図８】空燃比検出素子による出力電圧と空燃比との関係を示す特性線図である。
【図９】空燃比検出用のポンプ電圧とポンプ電流との関係を示す特性線図である。
【図１０】第２の実施の形態による空燃比検出素子を直流電源および検出端子等と共に示す回路構成図である。
【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
２１，５１ 空燃比検出素子（空燃比検出装置）
２２ ヒータ部
２３ ヒータコア
２４ ヒータパターン
２４Ａ，２９Ａ，３１Ａ リード部（リード線部）
２５ ヒータ被覆層
２７ 固体電解質層
２８，２９ 内側電極（第１の電極）
３０ 外側測定電極（第２の電極）
３１ 基準電極（第３の電極）
３２ 緻密層
３３ ガス導入窓（開口部）
３４ 保護層
３５ 仮想グランド
３６ 直流電源
３７ 出力端子
４０，４１ 空燃比の検出端子
５２ 緻密層
Claims (3)
- 外部からの通電によって発熱するヒータ部と、
該ヒータ部に設けられ、被測定ガスが内部を拡散するガス拡散層と、
該ガス拡散層の外側に位置して前記ヒータ部に設けられ、前記ヒータ部からの熱により活性化される酸素イオン伝導性の固体電解質層と、
該固体電解質層と前記ガス拡散層との間に設けられ、前記ガス拡散層を通じて被測定ガスが導かれる第１の電極と、
該第１の電極との間で前記固体電解質層を挟むように該固体電解質層の外側面に設けられ、外部から電圧を印加したときにポンプ電流が該第１の電極との間に流れる第２の電極と、
該第２の電極から離間して前記固体電解質層の外側面に設けられ、前記被測定ガス中の酸素濃度に対応した起電力が前記第１の電極との間に発生する第３の電極と、
前記固体電解質層の外側面に設けられ、該第３の電極、固体電解質層、第２の電極および前記ガス拡散層を外側から覆うことにより前記被測定ガスが内部に侵入するのを抑える緻密層と、
該緻密層に予め決められた開口幅をもって設けられ、前記被測定ガスが開口幅の範囲内で前記ガス拡散層と第２の電極とに向けて侵入するのを許す開口部とを備え、
前記ガス拡散層を通じて第１の電極に導かれる被測定ガスの空燃比を前記第１の電極と第２の電極との間に流れる前記ポンプ電流により検出する構成としてなる空燃比検出装置。 - 前記開口部は、前記緻密層の端部をコ字形状に切欠くことにより凹形状に形成され、前記ガス拡散層を前記固体電解質層および第２の電極と共に部分的に露出させる構成としてなる請求項１に記載の空燃比検出装置。
- 前記第１，第２，第３の電極は、前記ヒータ部の長さ方向に延びるリード線部をそれぞれ有し、これらの各リード線部のうち前記第１の電極のリード線部と前記第３の電極のリード線部との間には、前記被測定ガスの侵入を抑える他の緻密層を設ける構成としてなる請求項１または２に記載の空燃比検出装置。
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