JP4015569B2 - 空燃比検出装置 - Google Patents

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（空燃比センサを含む）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、該固体電解質層に設けられた合計３個の電極と、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、固体電解質層に合計３個の電極を設け、これら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、検出素子の内部抵抗が大きく、酸素濃度の出力感度幅を必ずしも十分に向上することができないという問題がある。
【０００８】
また、被測定ガスである排気ガス中の空燃比が理論空燃比近傍にあるときに、ガス拡散層を通って電極に達する反応ガス種が少ないと、空燃比の検出信号となるポンプ電流（拡散限界電流）がハンチングを起こすことがあり、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、検出素子の内部抵抗を下げて出力感度幅を向上できると共に、ポンプ電流の特性を安定させ、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て互いに導通する２つの電極部を有し、該各電極部に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の電極の各電極部のうち一方の電極部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前記一方の電極部との間に流れる第２の電極と、前記第１の電極の各電極部のうち他方の電極部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、被測定ガス中の酸素濃度に対応した起電力が前記他方の電極部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に位置して前記ヒータ部に設けられ、少なくとも該第３の電極を外側から覆うことによって被測定ガスが内部に侵入するのを抑える緻密層とを備え、前記ガス拡散層を通じて前記第１の電極に導かれる被測定ガスの空燃比を、前記第１の電極のうちの一方の電極部と前記第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】
これにより、第１の電極を構成する２つの電極部のうち一方の電極部を第２の電極と対向配置でき、他方の電極部を第３の電極と対向配置することができるので、固体電解質層を挟んだ他方の電極部、第３の電極間の内部抵抗（例えば、ネルンストセルの内部抵抗）を小さく抑えることができ、酸素濃度の出力感度幅を向上できる。しかも、第１の電極の一方の電極部は、固体電解質層を挟んで第２の電極と対向配置されることにより、ガス拡散層を通じた電極反応点へのガス拡散が速くなり、被測定ガスの空燃比が理論空燃比近傍にあるときに、ガス拡散層を通って電極に達する反応ガス種が少ない場合でも、空燃比の検出信号となるポンプ電流（拡散限界電流）がハンチングを起こすのを抑えることができ、空燃比の検出精度を高めることができる。
【００１２】
また、第３の電極を緻密層で覆っているため、固体電解質層を挟んだ第１の電極の他方の電極部と第３の電極との間に、被測定ガス中の酸素濃度に対応した起電力が発生するときに、前記他方の電極部から第３の電極に向け固体電解質層を介して輸送される酸素を、前記緻密層で覆われた第３の電極の周囲に溜めることができ、当該第３の電極を擬似的に基準酸素濃度の電極（参照電極）として、酸素濃度の検出精度を向上することができる。
【００１３】
また、請求項２の発明によると、ガス拡散層と固体電解質層との間には、前記ガス拡散層よりも大なる気孔率を有し第１の電極の各電極部を共に覆う多孔質空間層を設ける構成としている。
【００１４】
この場合には、第１の電極の各電極部を共に多孔質空間層で覆っているため、各電極部間の酸素濃度を均等に保つことができ、酸素ポンピング（ポンプ電流）による一方の電極部側での酸素濃度変化を他方の電極部側に遅れなく伝え、酸素濃度の検出感度を高めることができる。また、一方の電極部における電極反応点へのガス拡散をより速くすることができ、ポンプ電流のハンチング抑制効果を高めることができる。しかも、第１の電極（各電極部）には外部の被測定ガスがガス拡散層から多孔質空間層を通じて導かれるため、リッチ，リーン雰囲気のいずれでもシャープな限界電流曲線（ポンプ電流の特性）を得ることができる。
【００１５】
さらに、請求項３の発明によると、ガス拡散層は４５体積％以上の気孔率をもって形成し、ヒータ部には、該ガス拡散層よりも小なる気孔率を有し固体電解質層と共にガス拡散層を外側から覆うガス拡散制御層を設ける構成としている。
【００１６】
これにより、第１の電極（各電極部）にはガス拡散制御層を通過した被測定ガスのみがガス拡散層を通じて導かれるので、該ガス拡散層の気孔率を４５体積％以上に大きくすることができ、請求項２の発明とほぼ同様の作用効果を得ることができる。
【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、排気管内を流れる被測定ガス（以下、排気ガスという）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、先端側は自由端となってホルダ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４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、図４に示すようにヒータコア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，２４Ａ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、後述する外部のヒータ電源４２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７２０〜８００℃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２ないし図４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（例えば、気孔率が１０〜４５体積％）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３に示す先端側の端面２６Ａから矢示Ａ方向（軸方向）へとガス拡散層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２ないし図４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、後述の幅広電極部２８Ａと外側測定電極２９との間、幅狭電極部２８Ｂと基準電極３０との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ている。
【００３６】
なお、固体電解質層２７は、図２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２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、後述の緻密層３２で覆われている。
【００３７】
２８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は、白金等の導電性材料からなり、図２ないし図４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、内側電極２８は、図３、図４および図５に示す如く、後述する電極２９，３０間の離間寸法にほぼ等しい寸法ｔ（例えば、０．３〜０．５ｍｍ程度）の間隔をもって離間し、ヒータ部２２（ガス拡散層２６）の周方向に互いに平行に延びた２つの電極部２８Ａ，２８Ｂ（以下、幅広電極部２８Ａ，幅狭電極部２８Ｂという）と、該幅広電極部２８Ａ，幅狭電極部２８Ｂを互いに接続して導通させ、検出素子２１の基端側に向けて細長く延びたリード部２８Ｃとにより構成されている。
【００３９】
ここで、幅広電極部２８Ａは、図５に示す如く寸法Ｗ1 の電極幅を有し、後述の外側測定電極２９とほぼ等しい電極幅に形成されている。また、幅狭電極部２８Ｂは、寸法Ｗ2 の電極幅を有し、後述の基準電極３０とほぼ等しい電極幅に形成されている。そして、幅広電極部２８Ａの電極幅は、幅狭電極部２８Ｂの電極幅に対して３倍以上となる寸法Ｗ1 （Ｗ1 ≧３×Ｗ2 ）に形成されている。
【００４０】
また、これらの電極部２８Ａ，２８Ｂは、図３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２９，３０と固体電解質層２７を挟んで対向している。しかし、これらの電極部２８Ａ，２８Ｂは、リード部２８Ｃを介して互いに接続され、図３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。
【００４１】
この場合、内側電極２８のリード部２８Ｃは、図３および図４に示すようにヒータ部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、リード部２８Ｃの伸長部分を除いて内側電極２８の電極部２８Ａ，２８Ｂ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。
【００４２】
２９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２９は、図２ないし図４に示す如く幅広電極部２８Ａとの間で固体電解質層２７を挟むことにより、幅広電極部２８Ａと外側測定電極２９は、所謂ポンピング電極を構成するものである。また、外側測定電極２９は、後述の基準電極３０よりも３倍以上に大きい電極幅を有している。
【００４３】
そして、外側測定電極２９は、後述する基準電極３０のリード部３０Ａとほぼ平行に延びるリード部２９Ａを有し、このリード部２９Ａは、基準電極３０のリード部３０Ａ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。
【００４４】
３０は外側測定電極２９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３０は、図３、図４に示す如く幅狭電極部２８Ｂとの間で固体電解質層２７を挟むことにより所謂ネルンストセル３１を構成し、このネルンストセル３１には、後述の如く排気ガス中の酸素濃度に対応した起電力が、幅狭電極部２８Ｂと基準電極３０との間に発生するものである。
【００４５】
そして、これらの外側測定電極２９、基準電極３０は、内側電極２８（電極部２８Ａ，２８Ｂ）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３０は、ヒータ部２２の基端側に向けて伸長するリード部３０Ａ（図４中に図示）を有している。
【００４６】
また、内側電極２８（電極部２８Ａ，２８Ｂ）のリード部２８Ｃ、外側測定電極２９のリード部２９Ａおよび基準電極３０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３に例示するような電気回路を構成するものである。
【００４７】
３２はガス拡散層２６、固体電解質層２７および電極２９，３０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 Ｏ_２）の粉体を添加して調整したペースト状物を、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３、図４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長く延びている。
【００４８】
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って、ガス拡散層２６、固体電解質層２７よりも緻密な構造をなし、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３０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ものである。
【００４９】
また、固体電解質層２７および外側測定電極２９についても、後述の開口部３３の位置を除いて図２ないし図４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、排気ガス中の水素（分子量の小さい成分）等が固体電解質層２７内に侵入、拡散するのを、緻密層３２によって抑えることができるものである。
【００５０】
３３は緻密層３２に設けられた開口部で、該開口部３３は、図２ないし図４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の一部を、略四角形状に切取ることにより形成されている。そして、開口部３３は、外側測定電極２９を緻密層３２から部分的に露出させ、外部の排気ガスが図３中の矢示Ｂ方向で後述の保護層３４側から外側測定電極２９に侵入、接触するのを許すものである。
【００５１】
３４は開口部３３を外側から覆うように緻密層３２の外周側に設けられた保護層で、該保護層３４は、例えば空孔率が比較的高い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緻密層３２の外周側に曲面印刷することにより構成されるものである。
【００５２】
そして、保護層３４は、緻密層３２の開口部３３を介して外部に露出される外側測定電極２９を外側から覆い、外側測定電極２９等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の一部は、空孔率の高い保護層３４を透過し、開口部３３の位置から外側測定電極２９側に向けて図３中の矢示Ｂ方向に侵入するものである。
【００５３】
３５は内側電極２８の電極部２８Ａ，２８Ｂ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。
【００５４】
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３に示す如く調整抵抗Ｒ0 を介して基準電極３０に接続されている。そして、直流電源３６は、例えば５〜７Ｖ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 （例えば、５００ｋΩ）を介して基準電極３０に印加するものである。
【００５５】
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１式による出力電圧Ｖs を酸素濃度の検出信号として、図６に示す特性線の如く出力するものである。
【００５６】
【数１】
Ｖs ＝Ｅ＋（Ｒi ×Ｉ0 ）
【００５７】
この場合、空燃比検出素子２１の固体電解質層２７は、ネルンストセル３１側に図８に示す如く内部抵抗をＲi を有し、固体電解質層２７を挟んだ幅狭電極部２８Ｂと基準電極３０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。
【００５８】
そして、これらの電極部２８Ｂ，基準電極３０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、図６に示す特性線の如く出力されるものである。
【００５９】
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。
【００６０】
３９は検出端子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、図３に示すように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３０）側に接続されている。
【００６１】
また、差動増幅器３９の出力端子は、外側測定電極２９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空燃比の検出端子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。
【００６２】
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２９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、このポンプ電流Ｉp は、例えば図７に示す後述の特性線４６のように空燃比λに応じて変化するものである。
【００６３】
４２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４２は、図３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４２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７２０〜８００℃前，後の温度に空燃比検出素子２１（ヒータ部２２）を発熱させる。
【００６４】
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２ないし図４を参照して説明する。
【００６５】
まず、ヒータ部２２を製造するときには、図４に示すようにアルミナ等のセラミックス材料からヒータコア２３を円形ロッドとして成形し、この状態でヒータコア２３を仮焼成する。
【００６６】
次に、パターン印刷工程では、チャック等の支持軸をヒータコア２３の両端側に係合させ、ヒータコア２３を回転させつつ、例えば白金等の発熱性導体材料からなるヒータパターン２４をヒータコア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をヒータコア２３の基端側に向けて伸長するように印刷することにより一体形成する。
【００６７】
次に、ヒータ被覆層２５の形成工程では、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してヒータ被覆層２５を形成する。これによって、ヒータコア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を形成する。
【００６８】
次に、ガス拡散層２６の形成工程では、前述したアルミナの粉体等からなるペースト状物を、ヒータ被覆層２５の外周面に塗布するように曲面印刷してガス拡散層２６を形成する。
【００６９】
そして、次なる内側電極２８の形成工程では、前述した導電性ペーストをヒータ被覆層２５の外周面にガス拡散層２６の上側から重合わせるように曲面印刷して内側電極２８の幅広電極部２８Ａ、幅狭電極部２８Ｂおよびリード部２８Ｃを形成する。また、内側電極２８のリード部２８Ｃは、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。
【００７０】
また、次なる固体電解質層２７の形成工程では、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、ヒータ被覆層２５の外周面に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を形成し、この固体電解質層２７によって内側電極２８をガス拡散層２６との間で覆うようにする。
【００７１】
そして、次なる外側測定電極２９、基準電極３０の形成工程では、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の外側に外側測定電極２９、基準電極３０を形成する。また、これらの電極２９，３０のリード部２９Ａ，３０Ａを内側電極２８のリード部２８Ｃから離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。
【００７２】
次に、緻密層３２の形成工程では、固体電解質層２７の外周側およびヒータ被覆層２５の外周側に、例えばアルミナと酸化珪素からなるペースト状物を曲面印刷することにより緻密層３２を形成する。そして、緻密層３２には、外側測定電極２９と対応する位置に開口部３３を形成しておくようにする。
【００７３】
また、これに続く保護層３４の形成工程では、図２ないし図４に示す外側測定電極２９を外側から覆うように緻密層３２の外周側に、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ことにより保護層３４を形成する。
【００７４】
そして、次なる焼成工程では、前述の如く形成したヒータコア２３、ヒータパターン２４、ヒータ被覆層２５、ガス拡散層２６、固体電解質層２７、電極２８，２９，３０、緻密層３２および保護層３４からなる空燃比検出素子２１の成形品を、例えば１４００〜１５００℃程度の高温度下で約２時間にわたり同時焼成してこれらを一体的に焼結させる。
【００７５】
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、該検出素子２１を図１に示すようにケーシング１内に収納し、各リード部２４Ａ，２８Ｃ，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。
【００７６】
次に、当該空燃比センサによる酸素濃度、空燃比の検出動作について説明するに、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。
【００７７】
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の開口部３３を介して外側測定電極２９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の電極部２８Ａ，２８Ｂの表面にも導かれる。
【００７８】
また、この状態でヒータ電源４２からヒータパターン２４に給電を行い、ヒータ部２２により空燃比検出素子２１を７２０〜８００℃程度に加熱すると、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２８の幅狭電極部２８Ｂと基準電極３０との間には、直流電源３６から電圧が印加され、幅広電極部２８Ａと外側測定電極２９との間には、差動増幅器３９を介して電圧が印加される。
【００７９】
これにより、幅狭電極部２８Ｂ、基準電極３０間と、幅広電極部２８Ａ、外側測定電極２９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。
【００８０】
即ち、エンジンの空燃比が理論空燃比（λ＝１）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３中の矢示Ａ方向でガス拡散層２６を通じて電極部２８Ａ，２８Ｂへと供給される。
【００８１】
このため、ネルンストセル３１を構成する内側電極２８の幅狭電極部２８Ｂと基準電極３０との間では、直流電源３６からの電圧印加により、例えば幅狭電極部２８Ｂ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。
【００８２】
【化１】
Ｏ₂ ＋４ｅ → ２Ｏ^2-
但し、Ｏ₂ ：酸素分子
ｅ ：電子
Ｏ^2-：酸素イオン
【００８３】
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幅狭電極部２８Ｂから基準電極３０に向けて輸送される。このため、ネルンストセル３１の基準電極３０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。
【００８４】
【化２】
２Ｏ^2- → Ｏ₂ ＋４ｅ
【００８５】
これにより、基準電極３０内には、例えば内部の空孔（図示せず）等に酸素が吸入され、基準電極３０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２８の幅狭電極部２８Ｂに酸素が供給され続けるので、幅狭電極部２８Ｂ側も高い酸素分圧状態におかれて幅狭電極部２８Ｂと基準電極３０との間の酸素分圧差は小さい状態となる。
【００８６】
このため、両者の酸素分圧差等に基づいてネルンストセル３１（固体電解質層２７）に発生する前記数１式の起電力Ｅは小さく抑えられ、基準電極３０の電圧（出力端子３７の出力電圧Ｖs ）は、図６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。
【００８７】
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。
【００８８】
これにより、ガス拡散層２６を通じて電極部２８Ａ，２８Ｂ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、例えば幅狭電極部２８Ｂ側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３０側には、下記の化３、化５の反応により前記空孔内に酸素が溜め込まれているので、幅狭電極部２８Ｂと基準電極３０との間の酸素分圧差は大きくなる。
【００８９】
この結果、ネルンストセル３１（固体電解質層２７）に発生する前記数１式の起電力Ｅは、両者の酸素分圧差等に基づいて大きく増加し、基準電極３０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。
【００９０】
かくして、出力端子３７からの出力電圧Ｖs は、図６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。
【００９１】
また、この場合の基準電極３０は、図３に示す如く直流電源３６に接続され、内側電極２８から基準電極３０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。
【００９２】
そして、基準電極３０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３０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３０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。
【００９３】
これにより、出力端子３７からの出力電圧Ｖs （基準電極３０の電圧）を、図６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。
【００９４】
また、基準電極３０の電圧（出力端子３７の出力電圧Ｖs ）は、図３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。
【００９５】
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電極部２８Ａ，２８Ｂ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。
【００９６】
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、電極部２８Ａ，２８Ｂ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。
【００９７】
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、電極部２８Ａ，２８Ｂ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。
【００９８】
この結果、例えば内側電極２８の幅広電極部２８Ａと外側測定電極２９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３中の検出端子４０，４１等から取出すことができる。
【００９９】
そして、リッチ空燃比の状態では、外側測定電極２９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２９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。
【０１００】
【化３】
ＣＯ₂ ＋２ｅ → Ｏ^2- ＋ＣＯ
但し、ＣＯ₂ ：二酸化炭素分子
ｅ ：電子
Ｏ^2-：酸素イオン
ＣＯ：一酸化炭素分子
【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外側測定電極２９から内側電極２８の幅広電極部２８Ａに向け輸送される。また、アノード側となる内側電極２８の幅広電極部２８Ａ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。
【０１０２】
【化４】
ＣＯ＋Ｏ^2- → ＣＯ₂ ＋２ｅ
【０１０３】
なお、排気ガス中の可燃性ガス成分が水素（Ｈ₂ ）の場合には、外側測定電極２９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。
【０１０４】
【化５】
Ｈ₂ Ｏ＋２ｅ → Ｏ^2- ＋Ｈ₂
但し、Ｈ₂ Ｏ：水分子
ｅ ：電子
Ｏ^2-：酸素イオン
Ｈ₂ ：水素分子
【０１０５】
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外側測定電極２９から内側電極２８の幅広電極部２８Ａに向け輸送される。また、この幅広電極部２８Ａ側においては、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。
【０１０６】
【化６】
Ｈ₂ ＋Ｏ^2- → Ｈ₂ Ｏ＋２ｅ
【０１０７】
このように、リッチ空燃比の状態では外側測定電極２９から幅広電極部２８Ａに向けて酸素イオンを輸送することにより、内側電極２８（電極部２８Ａ，２８Ｂ）と基準電極３０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３０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。
【０１０８】
一方、リーン空燃比の状態では、外側測定電極２９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の幅広電極部２８Ａ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の幅広電極部２８Ａ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。
【０１０９】
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の幅広電極部２８Ａから外側測定電極２９に向け輸送される。このため、外側測定電極２９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。
【０１１０】
このようにリーン空燃比のときには、内側電極２８の幅広電極部２８Ａから外側測定電極２９に向けて酸素イオンを輸送することにより、内側電極２８（電極部２８Ａ，２８Ｂ）と基準電極３０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３０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。
【０１１１】
この結果、内側電極２８と基準電極３０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（λ＝１）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３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、これを図７に示す特性線の如く空燃比の検出信号として取出すことができる。
【０１１２】
ところで、このような空燃比センサにあっては、ガス拡散層２６と固体電解質層２７との間に設ける内側電極２８を、図９に示す比較例のように単一の電極部４３Ａとリード部４３Ｂとからなる内側電極４３として構成した場合に、ネルンストセル３１′（図３に示すネルンストセル３１に相当）の内部抵抗Ｒi が下記の如く大きくなって、酸素濃度の出力感度幅が悪くなる傾向がある。
【０１１３】
また、排気ガス中の空燃比が、図７に示す特性線４４の如く時間Ｔ1 〜Ｔ2 間で理論空燃比（λ＝１）近傍にあるときには、ガス拡散層を通って電極に達する排気ガスの反応ガス種が少ないと、空燃比の検出信号となるポンプ電流（拡散限界電流）が、図７中に示す特性線４５の如く振動してハンチングを起こすことがある。
【０１１４】
そこで、本実施の形態では、ガス拡散層２６と固体電解質層２７との間に設ける内側電極２８を、図３ないし図５に示すように、その長さ方向で寸法ｔの間隔をもって互いに離間した幅広電極部２８Ａ，幅狭電極部２８Ｂと、該幅広電極部２８Ａ，幅狭電極部２８Ｂを互いに接続して導通させ、検出素子２１の基端側に向けて細長く延びたリード部２８Ｃとにより構成している。
【０１１５】
そして、幅広電極部２８Ａ，幅狭電極部２８Ｂの電極幅（図５中の寸法Ｗ1 ，Ｗ2 ）を、外側測定電極２９，基準電極３０の電極幅にほぼ等しく形成すると共に、固体電解質層２７を挟んで幅広電極部２８Ａを外側測定電極２９と対向配置し、幅狭電極部２８Ｂを基準電極３０と対向配置する構成としている。
【０１１６】
これにより、図３に示すネルンストセル３１の内部抵抗Ｒi を下記の表１にも示す如く、例えば７０Ω程度まで引下げ得ることが確認された。このため、出力端子３７から図６に示す特性線の如く酸素濃度の検出信号として出力する出力電圧Ｖs の出力感度幅を向上できるものである。
【０１１７】
この場合、ネルンストセル３１と直流電源３６等との等価回路は、図８に示す電気回路で表され、直流電源３６の電圧Ｖ0 （ポンピング電圧Ｖ0 ）は、出力電圧Ｖs 、ポンピング電流Ｉ0 、調整抵抗Ｒ0 に対して下記の数２式による関係となっている。
【０１１８】
【数２】
Ｖ0 ＝Ｖs ＋（Ｒ0 ×Ｉ0 ）
【０１１９】
そして、前述した数１式を数２式に代入すると、ポンピング電流Ｉ0 は、下記の数３式で表されるものである。
【０１２０】
【数３】
Ｉ0 ＝（Ｖ0 −Ｅ）／（Ｒ0 ＋Ｒi ）
【０１２１】
また、この数３式によるポンピング電流Ｉ0 を前述した数１式に代入すると、出力電圧Ｖs は、下記の数４式で表されるものである。
【０１２２】
【数４】

【０１２３】
そして、数４式の第１項で起電力Ｅにかかる分母の成分｛１＋（Ｒi ／Ｒ0 ）｝は、ネルンストセル３１の内部抵抗Ｒi が下がると、これに伴って小さくなるので、出力電圧Ｖs の感度幅が向上するものである。
【０１２４】
このように本実施の形態は、図３に示す如く幅広電極部２８Ａと幅狭電極部２８Ｂとを有した内側電極２８を採用することにより、ネルンストセル３１の内部抵抗Ｒi を表１の如く、例えば７０Ω（０．０７ｋΩ）程度まで引下げることができ、出力端子３７から酸素濃度の検出信号として出力する出力電圧Ｖs の出力感度幅を向上することができる。
【０１２５】
これに対し、図９に示す内側電極４３を用いた比較例の場合には、例えば電極部４３Ａを基準電極３０に近付けるように、固体電解質２７の内周側で内側電極４３の配置位置を矢印のＤ方向にずらし、そのずらし量ｄを下記の表１の如く、ｄ＝０．４ｍｍ，ｄ＝０．１５ｍｍ，ｄ＝０ｍｍと小さくしても、ネルンストセル３１′の内部抵抗Ｒi は、それぞれ２０ｋΩ，７ｋΩ，１ｋΩとなる。
【０１２６】
また、ずらし量ｄを、例えばｄ＝−０．２ｍｍとし、電極部４３Ａを基準電極３０に対し０．２ｍｍ程度だけ径方向で対向（オーバラップ）させた場合でも、ネルンストセル３１′の内部抵抗Ｒi は０．３ｋΩとなり、内側電極２８を用いた本実施の形態のように、ネルンストセル３１の内部抵抗Ｒi を７０Ω（０．０７ｋΩ）程度まで下げることは難しいものである。
【０１２７】
【表１】

【０１２８】
また、本実施の形態にあっては、固体電解質層２７を挟んで内側電極２８の幅広電極部２８Ａを外側測定電極２９と対向配置し、幅狭電極部２８Ｂを基準電極３０と対向配置する構成としているので、比較例の如く内側電極４３をずらして配置する必要がなくなる上に、内側電極２８の幅広電極部２８Ａを図３に示す如くガス拡散層２６の端面２６Ａに近い位置に配置することができる。
【０１２９】
このため、図３中の矢示Ａ方向でガス拡散層２６内を拡散してくる排気ガスのガス拡散、即ち幅広電極部２８Ａの電極反応点（電極２８を構成する白金、固体電解質層２７を構成するＹＳＺおよびガスの３相界面）へのガス拡散を速めることができ、空燃比の検出信号となるポンプ電流（拡散限界電流）を、図７中に示す特性線４６の如く出力することがある。
【０１３０】
そして、この場合には、排気ガス中の空燃比が図７に示す時間Ｔ1 〜Ｔ2 間で理論空燃比（λ＝１）近傍にあるときに、ガス拡散層２６を通って電極に達する排気ガスの反応ガス種が少なくなったとしても、空燃比の検出信号となるポンプ電流（拡散限界電流）を図７中の特性線４６の如く、ほぼ零の値に保つことができ、従来技術（比較例を含む）による特性線４５の如くポンプ電流が振動してハンチングを起こすのを抑えることができる。
【０１３１】
また、固体電解質層２７の外側に設けた基準電極３０を緻密層３２で覆っているため、内側電極２８の幅狭電極部２８Ｂと基準電極３０との間で固体電解質層２７を挟んだネルンストセル３１に、排気ガス中の酸素濃度に対応した起電力Ｅが発生するときに、幅狭電極部２８Ｂから基準電極３０に向け固体電解質層２７を介して輸送される酸素を、緻密層３２で覆われた基準電極３０の周囲に溜めることができ、当該基準電極３０を擬似的に基準酸素濃度の電極（参照電極）として、酸素濃度の検出精度を向上することができる。
【０１３２】
そして、排気ガス中に可燃性ガス（水素ガス）等が多く存在するリッチ雰囲気でも、このときの水素が固体電解質層２７内に侵入して拡散するのを、緻密層３２によって抑えることができ、空燃比の検出信号となるポンプ電流を図７中の特性線４６の如く、従来技術（特性線４５）に比較してよりシャープな特性として検出することができる。
【０１３３】
また、固体電解質層２７、外側測定電極２９および基準電極３０を外側から覆う緻密層３２には、予め決められた開口面積を有する略四角形の開口部３３を設け、該開口部３３により外部の排気ガスが図３中の矢示Ｂ方向で外側測定電極２９に接触、侵入するのを許す構成としている。
【０１３４】
そして、ガス拡散層２６内には先端側の端面２６Ａ側から矢示Ａ方向に排気ガスを導入し、これを内側電極２８の幅広電極部２８Ａと幅狭電極部２８Ｂとに向けてガス拡散させる構成としている。
【０１３５】
これにより、排気ガスが図３中の矢示Ａ方向でガス拡散層２６を通って内側電極２８の電極部２８Ａ，２８Ｂ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。
【０１３６】
この結果、内側電極２８と外側測定電極２９との間を流れるポンプ電流Ｉp を安定させることができ、図７中に特性線４５で表される従来技術に比較して、図７中の特性線４６の如くポンプ電流Ｉp を、排気ガスのリーン雰囲気（例えば、図７中の時間Ｔ1 まで）、リッチ雰囲気（時間Ｔ2 以降）のいずれでも、例えば±１ｍＡ（ミリアンペア）程度の大きな電流値として取り出すことができる。
【０１３７】
従って、本実施の形態によれば、空燃比検出素子２１のネルンストセル３１側で内部抵抗Ｒi を低減でき、酸素濃度の出力感度幅を向上することができる。また、図７に示す特性線４６の如く理論空燃比（λ＝１）の近傍でもポンプ電流の特性を安定させ、空燃比の検出精度を高めることができる。
【０１３８】
また、本実施の形態にあっては、小径の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。
【０１３９】
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の電極部２８Ａ，２８Ｂ、外側測定電極２９、基準電極３０、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。
【０１４０】
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。
【０１４１】
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。
【０１４２】
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。
【０１４３】
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。
【０１４４】
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。また、内側電極２８の電極部２８Ａ，２８Ｂと外側測定電極２９，基準電極３０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３１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。
【０１４５】
次に、図１０および図１１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、ガス拡散層と固体電解質層との間に、ガス拡散層よりも大なる気孔率を有し第１の電極の各電極部を共に覆う多孔質空間層を設け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。
【０１４６】
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５２、固体電解質層２７、内側電極２８の電極部２８Ａ，２８Ｂ、外側測定電極２９、基準電極３０、緻密層３２、開口部３３および保護層３４等を有している。
【０１４７】
しかし、この場合の空燃比検出素子５１は、ガス拡散層５２と固体電解質層２７との間に後述の多孔質空間層５３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。また、ガス拡散層５２は、第１の実施の形態によるガス拡散層２６とほぼ同様に形成され、排気ガスの一部が先端側の端面５２Ａから矢示Ａ方向（軸方向）へと内部に拡散するものである。
【０１４８】
５３はガス拡散層５２と固体電解質層２７との間に設けた多孔質空間層で、該多孔質空間層５３は、ガス拡散層５２（例えば、気孔率が１０〜４５体積％）よりも大なる気孔率をもった多孔質セラミックス材料を用いて形成され、固体電解質２７との間で内側電極２８の電極部２８Ａ，２８Ｂを共に囲繞して覆う構成となっている。
【０１４９】
即ち、多孔質空間層５３は、ガス拡散層５２の外周側に前記多孔質セラミックス材料をからなるペースト状物を、曲面印刷等の手段を用いて厚膜印刷することにより環状に形成され、第１の実施の形態とほぼ同様に各層の印刷後に焼成することによって構成されるものである。そして、多孔質空間層５３は、ガス拡散層５２よりも膜厚が薄く、かつ短い長さ（軸方向寸法）に形成されている。
【０１５０】
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、ガス拡散層５２と固体電解質層２７との間に多孔質空間層５３を設け、内側電極２８の電極部２８Ａ，２８Ｂを多孔質空間層５３で径方向内側から覆う構成としている。
【０１５１】
これにより、内側電極２８の電極部２８Ａ，２８Ｂを多孔質空間層５３で共に覆って、該電極部２８Ａ，２８Ｂ間の酸素濃度を均等に保つことができる。そして、酸素ポンピング（ポンプ電流）による一方の電極部２８Ａ側での酸素濃度変化を他方の電極部２８Ｂ側に遅れなく伝えることができ、ネルンストセル３１による酸素濃度の検出感度を高めることができる。
【０１５２】
また、一方の電極部２８Ａにおける電極反応点（電極２８を構成する白金、固体電解質層２７を構成するＹＳＺおよびガスの３相界面）へのガス拡散をより速くすることができ、図７に例示したポンプ電流Ｉp のハンチング抑制効果を一層高めることができる。
【０１５３】
しかも、内側電極２８の電極部２８Ａ，２８Ｂには、外部の排気ガスが矢示Ａ方向にガス拡散層５２の端面５２Ａ側から多孔質空間層５３を通じて導かれるため、リッチ，リーン雰囲気のいずれでもシャープな限界電流曲線（ポンプ電流の特性）を、図１１中に実線で示す特性線５４の如く得ることができる。
【０１５４】
この場合、図１１中の特性線５４は素子温度を７５０℃とした状態で検出したもので、λ＝１．７のリーン雰囲気ではポンプ電流Ｉp を、例えば５ｍＡ（ミリアンペア）程度の電流値で出力でき、λ＝０．８のリッチ雰囲気ではポンプ電流Ｉp を、例えば−６ｍＡ程度の電流値で出力できることが確認された。
【０１５５】
これに対し、従来技術の場合は同様の条件下でも、図１１中に一点鎖線で示す特性線５５のようにシャープな限界電流曲線を得らず、リッチ，リーン雰囲気のいずれでもポンプ電流Ｉp の電流値が低く値に留まっている。
【０１５６】
次に、図１２は本発明の第３の実施の形態を示し、本実施の形態の特徴は、ガス拡散層を大なる気孔率で形成し、ヒータ部には、該ガス拡散層よりも小なる気孔率を有し固体電解質層と共にガス拡散層を外側から覆うガス拡散制御層を設け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。
【０１５７】
図中、６１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６１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６２、固体電解質層２７、内側電極２８の電極部２８Ａ，２８Ｂ、外側測定電極２９、基準電極３０、後述の緻密層６５および保護層６６等を有している。
【０１５８】
しかし、この場合の空燃比検出素子６１は、ガス拡散層６２を固体電解質層２７と共に外側から覆う後述のガス拡散制御層６３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。
【０１５９】
また、ガス拡散層６２は、第１の実施の形態によるガス拡散層２６とほぼ同様に形成されている。しかし、この場合のガス拡散層６２は、４５体積％以上の気孔率をもって形成され、先端側の端面６２Ａは後述のガス拡散制御層６３で完全に覆われている。
【０１６０】
このため、ガス拡散層６２内には、ガス拡散制御層６３を通過した排気ガスのみが端面６２Ａ側から矢示Ａ方向（軸方向）に導かれ、ガス拡散層６２内を内側電極２８に向けて拡散する。そして、このときの拡散速度は、ガス拡散層６２の気孔率分だけ速くなるものである。
【０１６１】
６３は固体電解質層２７の先端側に位置してヒータ部２２の外周側に設けられたガス拡散制御層で、該ガス拡散制御層６３は、ガス拡散層６２よりも小さい気孔率（例えば、気孔率が１０体積％程度）の多孔質セラミックス材料を用いて形成され、固体電解質２７の先端側およびガス拡散層６２の端面６２Ａ等を外側から覆う構成となっている。
【０１６２】
即ち、ガス拡散制御層６３は、前記多孔質セラミックス材料をからなるペースト状物を、ヒータ部２２（ヒータ被覆層２５）、固体電解質層２７およびガス拡散層６２の外側に曲面印刷等の手段を用いて厚膜印刷することにより環状に形成され、その先端（一端）側はガス拡散層６２の端面６２Ａを完全に覆う位置まで延びている。
【０１６３】
また、ガス拡散制御層６３の他端側は、外側測定電極２９を僅かに覆う位置まで延び、後述の緻密層６５との間には、第１の実施の形態で述べた開口部３３とほぼ対応する幅寸法で周方向に延びる間隙６４が形成されている。そして、この間隙６４は、外側測定電極２９を後述の保護層６６を介して外部の排気ガスに矢示Ｂ方向で接触させるものである。
【０１６４】
６５は本実施の形態で採用した緻密層で、該緻密層６５は、第１の実施の形態で述べた緻密層３２とほぼ同様に形成され、外部の排気ガスが内部に侵入するのを防ぐものである。しかし、この緻密層６５は、先端側が固体電解質層２７の外周側で外側測定電極２９を僅かに覆う位置までしか形成されておらず、固体電解質層２７の外周側ではガス拡散制御層６３と間隙６４を介して軸方向で対向しているものである。
【０１６５】
６６はガス拡散制御層６３と緻密層６５との間隙６４を覆うように固体電解質層２７の外周側に設けられた保護層で、該保護層６６は、第１の実施の形態で述べた保護層３４とほぼ同様に形成され、外部の排気ガスが間隙６４を介して外側測定電極２９に矢示Ｂ方向で接触、侵入するのを許すものである。
【０１６６】
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、ガス拡散層６２を４５体積％以上の気孔率をもって形成し、ヒータ部２２には、ガス拡散層６２よりも小なる気孔率を有し、固体電解質層２７と共にガス拡散層６２を外側から覆うガス拡散制御層６３を設ける構成としている。
【０１６７】
これにより、内側電極２８の電極部２８Ａ，２８Ｂには、ガス拡散制御層６３を通過した排気ガスのみがガス拡散層６２を通じて導かれるので、ガス拡散層６２の気孔率を４５体積％以上に大きくしてガス拡散速度を速くすることができ、請求項２の発明とほぼ同様の作用効果を得ることができる。
【０１６８】
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。
【０１６９】
（１）．請求項１，２または３に記載の空燃比検出装置において、前記第１の一方の電極部と第２の電極とは、ガス拡散層内を拡散してくる被測定ガスの流れに対し前記他方の電極部と第３の電極よりも上流側となる位置に配置してなる空燃比検出装置。
【０１７０】
これにより、固体電解質層を挟む各電極間に電圧を印加しているときに、ガス拡散層内を拡散してくる被測定ガス中の水素、一酸化炭素等からなる可燃性ガスを、上流側に位置する一方の電極部側で支配的に酸化することができ、下流側となる他方の電極部側に到達する可燃性ガスの量を減じることができる。
【０１７１】
（２）．請求項１，２または３に記載の空燃比検出装置において、前記第１の一方の電極部と第２の電極とは、前記他方の電極部と第３の電極よりも大なる電極面積をもって形成してなる空燃比検出装置。
【０１７２】
これによっても、固体電解質層を挟む各電極間に電圧を印加しているときに、ガス拡散層内を拡散してくる被測定ガス中の水素、一酸化炭素等からなる可燃性ガスを、電極面積の大きい一方の電極部と第２の電極側で支配的に酸化することができ、電極面積が小さい他方の電極部、第３の電極側に到達する可燃性ガスの量を減じることができる。
【０１７３】
（３）．請求項１，２または３に記載の空燃比検出装置において、前記ヒータ部を細長いロッド状に形成し、該ヒータ部の外周側には、前記ガス拡散層、第１の電極、固体電解質層、第２，第３の電極および緻密層をそれぞれ曲面印刷して積層化する構成としてなる空燃比検出装置。
【０１７４】
このように構成することにより、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、取付時の方向や被測定ガスの流れ方向等に影響されることなく、被測定ガス中の酸素濃度、空燃比を安定した精度で検出することができる。また、第１の電極の各電極部と第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。
【０１７５】
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、心棒部となるヒータ部の外周側には、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】空燃比検出素子を図１中の矢示II−II方向からみた拡大断面図である。
【図３】空燃比検出素子を図２中の矢示 III−III 方向からみた断面図である。
【図４】ヒータコアの外周にヒータパターン、ヒータ被覆層、ガス拡散層、内側電極、固体電解質層、外側測定電極、基準電極、緻密層および保護層等を形成する工程を示す斜視図である。
【図５】図４中の内側電極を拡大して示す展開図である。
【図６】空燃比検出素子による酸素濃度の出力特性を示す特性線図である。
【図７】空燃比検出素子によるポンプ電流の出力特性を空燃比との関係で示す特性線図である。
【図８】空燃比検出素子のネルンストセルを直流電源に接続した等価回路を示す電気回路である。
【図９】比較例による内側電極の位置を基準電極に対してずらす場合の説明図である。
【図１０】第２の実施の形態による空燃比検出素子を示す図３と同様位置での断面図である。
【図１１】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１２】第３の実施の形態による空燃比検出素子を示す図３と同様位置での断面図である。
【符号の説明】
１ ケーシング
２１，５１，６１ 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
２５ ヒータ被覆層
２６，５２，６２ ガス拡散層
２７ 固体電解質層
２８ 内側電極（第１の電極）
２８Ａ 幅広電極部（一方の電極部）
２８Ｂ 幅狭電極部（他方の電極部）
２９ 外側測定電極（第２の電極）
３０ 基準電極（第３の電極）
３２，６５ 緻密層
３３ 開口部
３４，６６ 保護層
３６ 直流電源
３７ 出力端子
４０，４１ 空燃比の検出端子
５３ 多孔質空間層
６３ ガス拡散制御層
６４ 間隙

Claims (3)

1. 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て互いに導通する２つの電極部を有し、該各電極部に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の電極の各電極部のうち一方の電極部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前記一方の電極部との間に流れる第２の電極と、
   前記第１の電極の各電極部のうち他方の電極部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、被測定ガス中の酸素濃度に対応した起電力が前記他方の電極部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に位置して前記ヒータ部に設けられ、少なくとも該第３の電極を外側から覆うことによって被測定ガスが内部に侵入するのを抑える緻密層とを備え、
   前記ガス拡散層を通じて前記第１の電極に導かれる被測定ガスの空燃比を、前記第１の電極のうちの一方の電極部と前記第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。
2. 前記ガス拡散層と固体電解質層との間には、前記ガス拡散層よりも大なる気孔率を有し前記第１の電極の各電極部を共に覆う多孔質空間層を設ける構成としてなる請求項１に記載の空燃比検出装置。
3. 前記ガス拡散層は４５体積％以上の気孔率をもって形成し、前記ヒータ部には、該ガス拡散層よりも小なる気孔率を有し前記固体電解質層と共にガス拡散層を外側から覆うガス拡散制御層を設ける構成としてなる請求項１に記載の空燃比検出装置。

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