JPH08184577A - 積層空燃比センサ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 積層空燃比センサを提供する。 【構成】 多孔質基板１上に第１電極２、第１固体電解
質３及び第２電極４が順次積層され、第１固体電解質３
は第１電極２の周囲を含めて第１電極２を覆い隠し、第
２電極４は第１固体電解質３の周囲を含めて第１固体電
解質３を覆い隠し、更に第２電極４の上に、第１電極２
に対向する位置に第１電極２の面積以上の面積の第２電
極部分を残して第２電極４を被覆する絶縁層１２が設け
られ、絶縁層１２及び／又は第２電極４の上に第２固体
電解質５及び第３電極６が順次積層され、絶縁層１２、
第２固体電解質５及び第３電極６はそれぞれ第２電極４
の周辺部が露出するように配置されている。 【効果】 耐久性及び信頼性に優れ、性能が良く且つ著
しく小形化可能である。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は積層空燃比センサ、更に
詳しくは、著しく小形化可能で且つ性能が優れ、更に耐
久性及び信頼性が向上した積層空燃比センサに関するも
のである。

【０００２】

【従来の技術】空燃比センサとしては種々の形態のもの
が使用されている。例えば、酸素センサを用いた空燃比
センサが多数使用されている。然して、酸素センサの分
野においても、種々の形態や方式を有する極めて多くの
酸素センサが研究されている。それらの酸素センサの内
で、電気化学的ポンプ作用を利用して酸素イオンを伝導
する方式の酸素センサは、各々異なる基本構成を有する
３種類の酸素センサに分類される。

【０００３】第１の基本構成を有する酸素センサは、電
気化学的ポンプセルがＯ₂ モニターと共に用いられるも
のであり、第２の基本構成を有する酸素センサは、電気
化学的ポンプセルが漏洩用細孔と共に用いられるもので
あり、更に第３の基本構成を有する酸素センサは、電気
化学的ポンプセルがＯ₂ モニター及び漏洩用細孔と共に
用いられるものである。

【０００４】なお、酸素濃度の測定方法としても３種類
の方法が知られている。第１の測定方法はポンピング時
間により酸素濃度を測定する方法、第２の測定方法は限
界電流により酸素濃度を測定する方法、更に第３の測定
方法は定電流印加時の電圧により酸素濃度を測定する方
法である。

【０００５】リーン領域空燃比センサとしては、従来ジ
ルコニア限界電流式空燃比センサが広く使用されてい
る。ジルコニア限界電流式空燃比センサは限界電流の温
度依存性が小さいという優れた性質を有しており、非常
に使い易いので、種々の空燃比センサの中で最も広く使
用されている。

【０００６】ジルコニア限界電流式のリーン領域空燃比
センサは優れた特性を有するが、しかし下記に例示する
ような大きな課題を抱えている。 一つの空燃比センサでリーン領域とリッチ領域の両方
を合わせた全域を計測する必要がある。 エンジン始動直後の空燃比センサの急速作動性を向上
させる必要がある。 燃費改善のために空燃比センサの低消費電力化を計る
必要がある。

【０００７】又、米国での自動車の排気規制が厳しくな
るに従って、自動車のエンジン自体や触媒だけではな
く、車両に用いる空燃比センサにも厳しい要求が求めら
れるようになり、単なる従来技術の改良だけでは対応が
難しくなってきた。

【０００８】すなわち、 a)地球的規模で起こっている環境問題の改善のため、車
両用エンジンとしては低燃費で有害成分排出量が少な
く、必要な時には高出力が得られるエンジンが望まれて
いる。そのためには、エンジンの空燃比を理論空燃比だ
けでなくリーン領域からリッチ領域まで運転状態に応じ
て最適な空燃比に設定する必要がある。そして空燃比を
前記の如く設定された空燃比となるように忠実に制御し
ようとすれば、空燃比センサによる精密な空燃比の検出
とこの値に基づく空燃比のフィードバック制御が不可欠
である。そのため、リーン領域のみでなくリッチ領域も
含めた全域を計測可能な空燃比センサの開発が求められ
ている。

【０００９】b)車両のエンジンの冷間始動時の炭化水素
排出量は、空燃比センサが作動可能になる以前のエンジ
ン始動直後の炭化水素排出部分が大きな比率を占めてい
る。そして前記炭化水素排出量にはエンジン始動時の燃
料増量の適否が密接に関係している。それ故、前記炭化
水素排出量の低減のためにエンジン始動時の燃料増量を
最適化すべく、エンジン始動直後から空燃比センサを急
速に作動させることが求められている。

【００１０】しかしながら、空燃比センサを作動させる
ためには空燃比センサ（特にセンサ素子）を作動に適す
る高温にすることが必要なので、急速に作動させるため
には急速に昇温させることが必要である。然して、一般
的に空燃比センサの急速昇温は、該センサ各部の熱歪み
の増大による破損や特性劣化につながり易い。それ故、
前記熱歪みの増大を抑制して、それらの悪影響を軽減す
るためには空燃比センサを小形化する必要がある。

【００１１】しかし、ジルコニア限界電流式空燃比セン
サの場合には、リーン領域とリッチ領域の全域計測性を
持たせるためには、陰陽両電極を気密的に分離させ、排
気に暴露されない側の電極に高濃度の酸素（空気）を供
給する必要がある。それ故、そのための空気（外気）導
入用の通路をセンサの外部から空燃比検出部まで設けな
ければならず、このためセンサ素子として、通常は一端
が閉鎖された管状の形状（所謂コップ形状）を有するセ
ンサ素子が用いられている。しかしながら、前記の如き
制約の下では、いくら小形化しようとしても自ずから限
界がある。

【００１２】c)空燃比センサを加熱するための消費電力
が大きければ、発電機やバッテリーなどの加熱用電力の
供給系も従来以上に大きくせざるを得ず、これは車両重
量の増加を引起し、燃費の悪化をもたらすことになる。
従って、燃費改善のためには、空燃比センサの低消費電
力化が必要且つ有効である。

【００１３】ところで、全域空燃比を検出するために
は、空燃比センサ内に空気の導入や酸素の発生機構が必
要である。そして、それらの手段を有しない空燃比セン
サではリーン領域のみの計測は可能であるが、リッチ領
域に於いてもリーン領域に近い電流が流れる二価関数特
性が現れるのでリーン領域なのかリッチ領域なのかを判
別することができなくなり、リッチ領域においては有効
な空燃比の計測ができない。

【００１４】然して前記問題を克服するためには、リー
ン領域空燃比センサに、リーン領域の空燃比を検出する
手段とは別途にリッチ領域であることを検出する手段
と、電気化学的セルにより構成された酸素ポンプの電流
の極性の切り替えを行う何等かの手段とを付加する必要
がある。

【００１５】一方、空燃比センサ内に外気から空気を導
入する形式の空燃比センサでは、基本的に全域空燃比検
出性能を有する。しかしながら、空気導入通路の寸法が
大きいので、空燃比センサは全体として複雑で大きな構
造を有しており、その製造が非常に難しい。更に、寸法
が大きいことから、空燃比センサを加熱するための消費
電力が大きく、又、熱歪みが発生し易いことから急速加
熱が不可能であり、必然的に空燃比センサの始動時間が
長くなる。そのため、消費電力が大きくなり、車両の燃
費改善に対して悪影響を与えると共に、始動時間が長い
ことから車両のエンジンの冷間始動直後の炭化水素排出
量の低減にも寄与することができない。

【００１６】同様に、センサ内に酸素の生成機構を有す
る空燃比センサも基本的に全域空燃比検出性能を有す
る。しかしながら、前記空燃比センサは酸素生成機構を
付加するために複雑な構造を有しており、又、その寸法
も大きい。それ故、この様な空燃比センサは製造が非常
に難しく、又、消費電力が大きいため急速加熱が不可能
であり、空燃比センサの始動時間が長くなる。従って、
車両の燃費改善に対して悪影響を与えると共に、車両の
エンジンの冷間始動直後の炭化水素排出量の低減にも寄
与することができない。

【００１７】前述のような問題点を解決するため、本発
明者らは特開平６−２０１６４２号において図１０に示
す積層空燃比センサ（薄膜限界電流式全域空燃比セン
サ）を提案した。図１０に示す積層空燃比センサは、そ
の構成が例えばアルミナなどからなる多孔質基板１上に
第１電極２、第１固体電解質３及び第２電極４が順次積
層され、第１固体電解質３は第１電極２の周囲を含めて
第１電極２を覆い隠し、第２電極４は第１固体電解質３
の周囲を含めて第１固体電解質３を覆い隠し、更に第２
電極４の上に第２固体電解質５及び第３電極６が順次積
層され、第２固体電解質５及び第３電極６は共に第２電
極４の周辺部が露出するように配置され、第１電極２、
第２電極４及び第３電極６は多孔質でガス透過性を有す
る白金を用いて形成され（例えば、白金ペーストを塗布
する印刷法によって形成する）、第１固体電解質３及び
第２固体電解質５は緻密でガス透過性を有しない酸素イ
オン伝導性の固体電解質を用いて形成されている（例え
ば、ジルコニアが用いて形成する）。

【００１８】又、多孔質基板１の裏面にはヒータ７を設
けた。ヒータ７はヒータ加熱手段８に接続されている。
なお、ヒータ７の材質は白金やパラジウム又はそれらの
合金が適している。

【００１９】更に、図１０に示すように、第３電極６に
対して第２電極４に正の電圧を印加するための電圧印加
手段９を設けた。又、第１電極２に対して第２電極４に
正の電圧を印加するための電圧印加手段１０を設けた。
１１は流れる電流を計測するための電流計測手段であ
る。

【００２０】第３電極６に対して第２電極４に正の電圧
を印加すると、第２固体電解質５を含めたこの部分で
は、酸素ポンプ作用により、第３電極６側から第２電極
４側へ酸素イオンが輸送される。この場合、リーン空燃
比雰囲気下では、雰囲気中に残留している酸素がガス拡
散により第３電極６に供給される。一方、リッチ空燃比
雰囲気下では、雰囲気中に酸素が充分に存在しないた
め、雰囲気中からガス拡散により第３電極６に供給され
た水蒸気及び二酸化炭素が第３電極６で解離されて酸素
イオンが生成され、前記の場合と同様に酸素イオンが輸
送される。輸送された酸素イオンは第２固体電解質５と
第２電極４との界面で酸素ガスに変換される。このよう
にして、多孔質の第２電極４の中においては、リーン空
燃比雰囲気下であるかリッチ空燃比雰囲気下であるかに
係わらず、常に酸素過剰状態が保たれる。

【００２１】第１電極２、第１固体電解質３及び第２電
極４からなる部分は、限界電流式空燃比検出部として作
用し、限界電流から空燃比を測定することができる。

【００２２】

【発明が解決しようとする課題】ところが、図１０に示
す積層空燃比センサにおいても、センサ素子の性状によ
っては（例えば第２電極４の周辺部に亀裂などの損傷や
電極未形成部分が存在したり、又は電極の厚さの非常に
薄い箇所が存在している場合）、第１電極２と第２電極
４との間に印加された電圧は第２電極４と第３電極６と
の間に印加された電圧の影響を受け、その結果、第１電
極２と第３電極６との間にリーク電流（漏洩電流）が流
れることがある。前記リーク電流の存在は、積層空燃比
センサの特性を著しく悪化させる。この事を、以下の図
１１において更に詳しく説明する。

【００２３】図１１は、図１０に示す積層空燃比センサ
において第１電極２と第３電極６との間にリーク電流が
流れた場合の、センサ周囲の燃焼排気中の空気過剰量率
（λ）をパラメータにして測定された限界電流式空燃比
検出部の電流−電圧特性を示す。この場合、酸素ポンプ
セル（第２固体電解質５）に２．５Ｖの電圧を印加し
た。図１１から明らかな如く、空気過剰量率が１以下の
場合には電流−電圧特性において電圧が変化しても電流
があまり変化しない部分（フラットな部分：この部分
が、酸素濃度の測定に有用である）が少なく、又、空気
過剰量率が１を越える場合には同様に電流−電圧特性に
おいてフラットな部分が少なく且つフラットな部分が二
箇所生じるなど電流−電圧特性の変化が複雑である。

【００２４】更に、図１０に示す積層空燃比センサにお
いては別の問題もある。すなわち、前記センサでは電極
は多孔質基板又は固体電解質と直接接触しているが、電
極を形成する白金と多孔質基板の材料（例えば、アルミ
ナ）や固体電解質の材料（例えば、ジルコニア）との間
の物性の相違（例えば、線膨張係数の相違）や互いの親
和力に基づいて、電極と多孔質基板との間の界面、及び
電極と固体電解質との間の界面には密着不良が生じる場
合がある（例えば、白金粒子の経時的凝縮などにより生
じる）。その結果、前記界面の抵抗の増大や剥離等の不
都合が生じる可能性があり、これは前記センサの耐久性
及び信頼性を低下させる原因となる。

【００２５】本発明は前述の従来の空燃比センサにおけ
る問題点（課題）を解決するためになされたものであ
る。その目的とするところは、温度が変化しても限界電
流が小さいなどの従来のジルコニア空燃比センサ（例え
ば、ジルコニア限界電流式空燃比センサ）の優れた性質
を全て承継すると共に、空気（外気）導入用の通路を必
要とせず、且つ薄膜の積層構造を採用することにより原
理的に著しく小形化可能で性能が優れ、又、適用範囲が
広く、例えばリーン領域からリッチ領域にわたる全域に
おいて空燃比検出計測性能を有するセンサを製造するこ
とができ、更に従来の積層空燃比センサに比較しても耐
久性及び信頼性が一層向上した積層空燃比センサを提供
することにある。

【００２６】

【課題を解決するための手段】すなわち、本発明の積層
空燃比センサは、多孔質基板上に第１電極、第１固体電
解質及び第２電極が順次積層され、第１固体電解質は第
１電極の周囲を含めて第１電極を覆い隠し、第２電極は
第１固体電解質の周囲を含めて第１固体電解質を覆い隠
し、更に第２電極の上に、第１電極に対向する位置に第
１電極の面積以上の面積の第２電極部分を残して第２電
極を被覆する絶縁層が設けられ、絶縁層及び／又は第２
電極の上に第２固体電解質及び第３電極が順次積層さ
れ、絶縁層、第２固体電解質及び第３電極はそれぞれ第
２電極の周辺部が露出するように配置され、第１電極、
第２電極及び第３電極は多孔質でガス透過性を有する白
金を用いて形成され、第１固体電解質及び第２固体電解
質は緻密でガス透過性を有しない酸素イオン伝導性の固
体電解質を用いて形成され、絶縁層は電気絶縁性のセラ
ミックを用いて形成されたことを特徴とする。

【００２７】本発明において、第１電極の多孔質基板と
接している部分に微細で互いに連通する溝が高密度に設
けられた積層空燃比センサが好ましい。溝の大きさ、形
状、数等は適宜選択する。

【００２８】又、本発明において、第２電極に微細で互
いに連通する通路が高密度に設けられ、更に第２電極
に、それらの通路網の外周部と外部とを第２電極の外周
端面を介して接続する通路が設けられた積層空燃比セン
サも好ましい。通路の大きさ、形状、数等は適宜選択す
る。

【００２９】更に、本発明において、第１電極の多孔質
基板と接している部分に微細で互いに連通する溝が高密
度に設けられ、第２電極に微細で互いに連通する通路が
高密度に設けられ、且つ更に第２電極に、それらの通路
網の外周部と外部とを第２電極の外周端面を介して接続
する通路が設けられた積層空燃比センサは特に好まし
い。

【００３０】多孔質基板は、この分野において慣用の材
料、例えばアルミナなどを用いて形成してもよい。その
大きさや形状は最適に選択する。又、所望により適する
位置に例えばヒータなどの付帯機構を設けてもよい。

【００３１】固体電解質は、例えばジルコニアやイット
リアなどの慣用の材料を単独又は組み合わせて用いて適
する大きさ及び形状のものを形成することができる。

【００３２】電極は、例えば白金ペーストを用いて印刷
法によって形成してもよい。その形状や厚さは適宜選択
する。

【００３３】本発明の積層空燃比センサにおいて、絶縁
層は電気絶縁性で且つ耐熱性のセラミック、例えばこの
分野で絶縁層材料として慣用のアルミナ、シリカ、シリ
カ−アルミナ、マグネシア、チタニア等を単独又は組み
合わせて使用してよい。絶縁層の厚さは、充分な絶縁性
能が得られる厚さを適宜選択する。絶縁層の形成方法も
印刷法、セラミックグリーンシートを使用する方法、プ
ラズマ噴霧法等の慣用の方法であってよい。絶縁層を形
成する範囲は、所定位置に所定面積の第２電極部分を残
して第２電極を被覆し得る範囲であって且つ所望の性能
が得られる範囲とする。

【００３４】本発明において、多孔質基板の第１電極と
反対側の面上の第１電極に対向する位置に、第１電極の
面積以下の面積のヒータが設けられた積層空燃比センサ
が好ましい。ヒータは印刷法などの慣用の方法で形成し
てよく、その面積は、第１電極及びその上方のセンサ素
子検出部を有効に加熱し得るが、第１電極の周辺部を広
範囲に加熱しない面積とするとよい。

【００３５】本発明において、第２固体電解質内に、第
２電極と第３電極とを接続して通気孔が設けられた積層
空燃比センサが好ましい。通気孔の数は通常複数本と
し、又、その直径は、大きすぎると第３電極が形成し難
いなどの不都合が生じるため、１００μｍ以下とするの
が好ましい。通気孔の配置は、例えば格子状、放射状、
同心円状などの適する配置であってよい。

【００３６】本発明において、電極と固体電解質との間
に、白金と固体電解質との混合物からなり白金と固体電
解質との混合比が連続的又は断続的に変化する傾斜混合
層が設けられた積層空燃比センサも好ましい。白金と固
体電解質との混合比は、白金電極と固体電解質とが強固
に結合されるように適宜選択する。固体電解質として
は、緻密でガス透過性を有しない酸素イオン伝導性のも
のを使用する。ここで使用する固体電解質は、センサ素
子を構成する固体電解質と一致させることが好ましい。

【００３７】更に、本発明において、第１電極と多孔質
基板との間に、第１電極と多孔質基板との接合力を高め
るための白金以外の金属からなる金属層が設けられた積
層空燃比センサも好ましい。前記金属としては多孔質で
ガス透過性を有するものを使用し、具体的には、例えば
チタン、タングステン、モリブデン等が挙げられる。こ
れらの金属層の厚さは、厚すぎると第１電極の性能を低
下させるなどの不都合が生じるので、充分な効果が生じ
る厚さ以上で、例えば０．５μｍ以下の厚さが好まし
い。

【００３８】

【作用】本発明の積層空燃比センサにおいては、従来の
ジルコニア空燃比センサ（例えば、ジルコニア限界電流
式空燃比センサ）の場合のように、一方の電極に高濃度
の酸素濃度を維持するための空気（外気）導入用の通路
を設けて拡散により自然に空気をセンサ素子に供給する
のではなく、車両エンジンの燃焼排気中に多量に含まれ
る水蒸気及び二酸化炭素から酸素を解離させて酸素ポン
プ作用により強制的に供給する。このため、本発明のセ
ンサは、従来のジルコニア空燃比センサに比較して低消
費電力でセンサ素子の急速加熱、急速昇温、急速作動を
行い得る。そして、本発明のセンサは全域空燃比検出
性、急速作動性、低消費電力性である。更に、本発明の
積層空燃比センサでは、従来の同種目的の積層空燃比セ
ンサに比較してもリーク電流が抑制され、又、相手部材
への電極の接合性が向上した。

【００３９】

【実施例】以下の実施例により、本発明を更に詳細に説
明する。なお、以下の実施例においては、実施例１以外
はセンサ素子の構成のみを示す（電気配線は省略す
る）。センサ素子周辺の電気配線を示す場合にも、本発
明の積層空燃比センサにおいては、センサ素子は他の種
々の配線形態を取ることが可能であるので、これらは単
に説明の都合上のものであり、それ故、本発明の範囲を
何ら限定するものではない。

【００４０】実施例１ 図１に本発明の実施例１のセンサを示す。本センサの構
成としては、例えばアルミナなどからなる多孔質基板１
上に第１電極２、第１固体電解質３及び第２電極４が順
次積層され、第１固体電解質３は第１電極２の周囲を含
めて第１電極２を覆い隠し、第２電極４は第１固体電解
質３の周囲を含めて第１固体電解質３を覆い隠し、更に
第２電極４の上に、第１電極２に対向する位置に第１電
極２の面積と同じ（以上でもよい）面積の第２電極部分
を残して第２電極を被覆する絶縁層１２が設けられ、絶
縁層１２及び／又は第２電極４の上に第２固体電解質５
及び第３電極６が順次積層され、絶縁層１２、第２固体
電解質５及び第３電極６はそれぞれ第２電極４の周辺部
が露出するように配置されている。ここで、第１電極
２、第２電極４及び第３電極６は多孔質でガス透過性を
有する白金を用いて形成した（白金ペーストを塗布する
印刷法によって形成した）。又、第１固体電解質３及び
第２固体電解質５は緻密でガス透過性を有しない酸素イ
オン伝導性の固体電解質を用いて形成した（ジルコニア
を用いた）。更に、絶縁層は電気絶縁性のセラミックを
用いて形成した（アルミナを用いた）。

【００４１】多孔質基板１の第１電極２と反対側の面上
の第１電極２に対向する位置に、第１電極２の面積と同
じ（以下でもよい）面積のヒータ７を設けた。ヒータ７
はヒータ加熱手段８に接続されている。なお、ヒータ７
の材質は白金やパラジウム又はそれらの合金が適してお
り、本例では白金を用いた。ヒータ７によって、第１電
極２及びその上方のセンサ素子部分のみを有効に加熱す
ることができる。

【００４２】更に、図１に示すように、第３電極６に対
して第２電極４に正の電圧を印加するための電圧印加手
段９を設けた。又、第１電極２に対して第２電極４に正
の電圧を印加するための電圧印加手段１０を設けた。１
１は流れる電流を計測するための電流計測手段である。

【００４３】第３電極６に対して第２電極４に正の電圧
を印加すると、第２固体電解質５を含めたこの部分で
は、酸素ポンプ作用により、第３電極６側から第２電極
４側へ酸素イオンが輸送される。この場合、リーン空燃
比雰囲気下では、雰囲気中に残留している酸素がガス拡
散により第３電極６に供給される。一方、リッチ空燃比
雰囲気下では、雰囲気中に酸素が充分に存在しないた
め、雰囲気中からガス拡散により第３電極６に供給され
た水蒸気及び二酸化炭素が第３電極６で解離されて酸素
イオンが生成され、前記の場合と同様に酸素イオンが輸
送される。輸送された酸素イオンは第２固体電解質５と
第２電極４との界面で酸素ガスに変換される。このよう
にして、多孔質の第２電極４の中においては、リーン空
燃比雰囲気下であるかリッチ空燃比雰囲気下であるかに
係わらず、常に酸素過剰状態が保たれる。

【００４４】第１電極２、第１固体電解質３及び第２電
極４からなる部分は、限界電流式空燃比検出部として作
用し、限界電流から空燃比を測定することができる。こ
の状態で、センサ周囲の燃焼排気中の空気過剰量率をパ
ラメータにして、前記限界電流式空燃比検出部の電流−
電圧特性を測定すると、図２が得られた。この場合、酸
素ポンプセル（第２固体電解質５）に２．５Ｖの電圧を
印加した。更に、図２中の一点鎖線で示す印加電圧
（０．６Ｖ）を酸素濃度検出セル（第１固体電解質３）
に与えて測定した電流を図３に示す。

【００４５】図２を図１１と比較すると明らかな如く、
本発明の積層空燃比センサにおいては絶縁層及びヒータ
を最適な位置及び形状で設けたので、リーク電流が抑制
され、従来の積層空燃比センサの電流−電圧特性に比べ
て各空気過剰量率においてフラットな部分が多くなり、
それ故、電流−電圧特性が非常に安定しているのが判
る。

【００４６】更に、従来技術による空燃比センサ（本発
明品のような積層型の空燃比センサではない）の特性の
一例を図１２及び図１３に示す。図１２は図２に対応す
る図であり、図１３は図３に対応する図である。図２と
図１２、及び図３と図１３の比較から明らかなように、
従来技術の積層型ではない空燃比センサでは空気過剰率
が１より小さい（すなわち、燃料リッチ）雰囲気下にお
いて、限界電流特性が第３象限に現れていたのに対し、
本発明の積層空燃比センサでは第４象限に現れている。

【００４７】その結果、従来品では空気過剰率が１より
大きい（すなわち、燃料リーン）雰囲気下では正の印加
電圧、空気過剰率が１より小さい（すなわち、燃料リッ
チ）雰囲気下では負の印加電圧と、印加電圧の極性を切
り替える必要が有ったのに対し、本実施例品では常に正
の印加電圧でよいことから、極性切り替えの必要が無く
なった。

【００４８】従って、本実施例品においては検出雰囲気
が燃料リーンであるか燃料リッチであるかを検出するた
めの手段を別途設ける必要も無くなった。

【００４９】又、印加電圧の極性を切り替える必要が無
くなったことにより、本実施例品においては切り替えに
伴うノイズ的な出力信号成分の発生も無くなった。

【００５０】本センサでは、従来技術による全域空燃比
センサのように外気からの酸素導入部を有しないが、前
記の如く、第２電極４上に酸素ポンプとして作用する電
気化学セルを付加することにより酸素を供給せしめ、従
来技術による全域空燃比センサと等価な作用を行わせて
いる。

【００５１】第２電極４は多孔質体であり、その外周部
がセンサの外部と連通しているので、第２電極４へ過剰
な酸素が供給された場合には、外周部から外部へ過剰な
酸素が排出されるので測定の障害にはならない。又、第
１電極２内の酸素ガスは多孔質基板１内に排出される。

【００５２】実施例２ 図４に本発明の実施例２のセンサの素子構造を示す。本
センサは第２固体電解質５内に、第２電極４と第３電極
６とを接続して通気孔１３が設けられたこと以外は実施
例１のセンサと同じである。電気配線は、例えば実施例
１と場合と同様に設けよい。通気孔１３は直径１００μ
ｍ以下とし、第２電極４から第３電極６を通って酸素ガ
スが有効に外気に放出されるように、第２固体電解質５
内の第２電極４と第３電極６との対向部分に等間隔で複
数本設けた。

【００５３】実施例３ 図５に本発明の実施例３のセンサの素子構造を示す。本
センサは電極と固体電解質との間に、白金と固体電解質
との混合物からなり白金と固体電解質との混合比が連続
的又は断続的に変化する傾斜混合層１４が設けられたこ
と以外は実施例１のセンサと同じである。傾斜混合層１
４は、白金とジルコニアとの混合物を用いて形成した。
実施例３のセンサでは、実施例１のセンサに比較して、
傾斜混合層１４を設けたことにより、電極と固体電解質
との間の接合性が向上した。

【００５４】実施例４ 図６に本発明の実施例４のセンサの素子構造を示す。本
センサは第１電極２と多孔質基板１との間に、第１電極
２と多孔質基板１との接合力を高めるための白金以外の
金属からなる金属層１５が設けられたこと以外は実施例
１のセンサと同じである。前記金属はチタンを使用し
た。他にタングステン又はモリブデンを用いてもよい。
金属層の厚さは０．５μｍ以下とし、物理蒸着法（例え
ば、イオンビーム蒸着法，スパッタ蒸着法）により、固
体電解質（ジルコニア固体電解質）と金属を、各々の成
膜速度をコントロールし、混合傾斜層になるように同時
に蒸着させて、形成した。

【００５５】実施例５ 図７に本発明の実施例５のセンサを示す。本センサは第
１電極２の多孔質基板１と接している部分に微細で互い
に連通する溝１６が高密度に設けられ、又、第２電極４
に微細で互いに連通する通路１７が高密度に設けられ、
更に第２電極４に、それらの通路網の外周部と外部とを
第２電極４の外周端面を介して接続する通路１８が設け
られたこと以外は実施例１のセンサと同じである。図８
は図７のセンサの第１電極２の多孔質基板１側から見た
平面図である。本例では溝１６は所定間隔で格子状に設
けた。又、図９は図７のセンサの第２電極４のＡ−Ａ線
に沿った平面図である。本例では通路１７は所定間隔で
格子状に設け、通路１８は通路１７の外周部と外部とを
接続するように通路１７の外周部に縦横方向に設けた。

【００５６】図７のセンサ素子に図１のセンサ素子と同
様の電気配線を設けると限界電流式酸素センサが形成さ
れるが、限界電流式酸素センサでは電極の単位面積当た
りの電流（すなわち、電流密度）を大きくすると、電極
抵抗の影響が大きくなり初期特性が悪くなり易いばかり
でなく、長期安定性も得難くなる。そこで、拡散抵抗の
大きい多孔質基板１を用いて電流密度を下げるのが有効
な方法であるが、その反面、第１電極２の面内に酸素ガ
スが供給されない部分（無効部分）が多くなることによ
り電極抵抗の増加を招き易く、必ずしも充分な効果を得
難い。本実施例は、この問題に対して有効な解決策を与
えるものである。

【００５７】溝１６は、第１電極２の面内での酸素ガス
の拡散を容易にし、面内の酸素濃度分布を低く抑制する
作用が有る。これにより、拡散抵抗の大きな多孔質基板
１を用いた場合の第１電極２の面内の酸素ガスが供給さ
れない部分の増加を抑制でき、電極抵抗の増加を防止で
きる。従って、電流密度の低下と相まって、良好な初期
特性が得られると共に、長期安定性に対しても非常に良
い結果が得られるようになった。

【００５８】図８は図７のセンサの第１電極２の多孔質
基板１側から見た平面図である。本例では溝１６は所定
間隔で格子状に設けた。

【００５９】図７のセンサにおいては更に、酸素ポンプ
の作用により第２電極４内の圧力が外部の圧力より高ま
れば、上述の微細な通路１７及び通路１８を通じて過剰
な酸素ガスが外部に排出されることにより、第２電極４
内の圧力の上昇は抑制される。

【００６０】図９に図７のセンサの第２電極４のＡ−Ａ
線に沿った平面図を示す。本例では通路１７は所定間隔
で格子状に設け、又、通路１８は通路１７の外周部と外
部とを接続するように通路１７の外周部に縦横方向に設
けた。

【００６１】なお、本発明の積層空燃比センサの用途に
応じて、実施例２ないし実施例５のセンサ素子において
付加された構成のうちの二つ以上を実施例１のセンサ素
子に付加しても勿論よい。

【００６２】

【発明の効果】本発明の積層空燃比センサは上述の如き
構成を有するため、従来技術による積層型の空燃比セン
サ（例えば、特開平６−２０１６４２号公報記載の図１
０に示す積層空燃比センサ）に比較して、以下に例示す
るような種々の効果を奏する。 １）第１電極に対向する位置に第１電極の面積以上の面
積の第２電極部分を残して第２電極を被覆する絶縁層が
設けられているため、第１電極と第３電極との間のリー
ク電流が抑制され、その結果、例えば限界電流特性にお
いて、印加電圧の変化に対して電流が一定（フラット）
な部分（酸素濃度の測定に有用な部分）の範囲が広い非
常に安定した電流−電圧特性が得られた。又、酸素ポン
プセルと検出セル（例えば限界電流セル）とが絶縁層に
よって分離され、第３電極から第２電極に有効に酸素ガ
スを供給し得るため、酸素ポンプセルに印加する電流を
従来の１／１０以下としても、第２電極を基準極として
作動可能となった。更に、酸素ポンプセルに流れる電流
が低減したことにより、酸素ポンプセルを構成している
第２固体電解質のショート破壊が抑制された。

【００６３】２）本発明のセンサにおいて、多孔質基板
の第１電極と反対側の面上の第１電極に対向する位置
に、第１電極の面積以下の面積のヒータを設けると、第
１電極の近傍のみが有効に加熱されるので第１電極と第
２電極との間の導電性は向上するが、その周辺部の導電
性は小さくなるので、前記周辺部からのリーク電流によ
る影響が小さくなった。その結果、酸素ポンプセルのポ
ンプ電流が機能する部分が第１電極の近傍に限られ、そ
れ故、第２電極内部に有効な基準極を形成することがで
きた。

【００６４】３）本発明のセンサにおいて、第２固体電
解質内に、第２電極と第３電極とを接続して通気孔を設
けると、第３電極から第２電極に汲み出された酸素ガス
のうちの過剰な酸素ガスは、第２電極から通気孔を通っ
て第３電極に入り、次いで外気に放出される。その結
果、酸素ポンプセルと検出セル（例えば限界電流セル）
とが過剰の酸素ガスによって剥離されることがなくなり
（第２電極の両面の固体電解質との境界面での剥離がな
くなり）、センサ素子の安定性が向上した。

【００６５】４）本発明のセンサにおいて、電極と固体
電解質との間に、白金と固体電解質との混合物からなり
白金と固体電解質との混合比が連続的又は断続的に変化
する傾斜混合層を設けると、電極と固体電解質との間の
密着性が向上し、その結果、電極と固体電解質との間の
剥離や電極と固体電解質との間の界面の変化に伴う抵抗
の増大が起こらず、センサ素子の安定性及び耐久性が向
上した。

【００６６】５）本発明のセンサにおいて、第１電極と
多孔質基板との間に、第１電極と多孔質基板との接合力
を高めるための白金以外の金属からなる金属層を設けた
場合も前記と同様に、第１電極と多孔質基板との間の密
着性が向上し、その結果、電極と多孔質基板との間の剥
離や電極と多孔質基板との間の界面の変化に伴う抵抗の
増大が起こらず、センサ素子の安定性及び耐久性が向上
した。

【００６７】本発明の積層空燃比センサは又、従来技術
による空燃比センサ（本発明品のような積層型の空燃比
センサではない）に比較して、以下に例示するような種
々の効果を奏する。 ６）本センサは、酸素ポンプ作用によってセンサ素子部
に酸素を供給するため、センサ素子部に酸素導入部を設
ける必要が無く、ハウジングの外部と連通する部分を必
要とせず、それ故、センサ全体を小型にすることができ
る。 ７）本センサは、センサ素子部に酸素導入部を設ける必
要が無いので、センサ素子部を従来のセンサの如く管状
などの立体的な構造とする必要がなく平面的な構造とす
ることができるので、薄膜技術で調製するために好適で
ある。 ８）本センサは、酸素導入部を必要としないので、ハウ
ジングの気密構造が簡単になる。 ９）本センサは、酸素濃度検出部として作用させる部分
を始めとして酸素を解離させる部分及び酸素ポンプとし
て作用させる部分も多孔質基板上に薄膜技術により調製
するので、極めて小形にすることが可能である。 １０）本センサは小形なので加熱に要する電力が小さ
い。 １１）本センサは小形なので急速昇温をしても発生する
熱歪みが小さく、急速昇温が可能である。 １２）本センサは多孔質基板上に薄膜技術により調製す
るので、量産性がよく低コストで多量に供給でき、工業
生産上の利点が大きい。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施例１の積層空燃比センサの説明図
である。

【図２】実施例１の積層空燃比センサの限界電流式空燃
比検出部の電流−電圧特性を示す図である。

【図３】実施例１の積層空燃比センサにおいて、図２中
の一点鎖線で示す印加電圧を与えて測定した電流を示す
図である。

【図４】本発明の実施例２の積層空燃比センサのセンサ
素子の説明図である。

【図５】本発明の実施例３の積層空燃比センサのセンサ
素子の説明図である。

【図６】本発明の実施例４の積層空燃比センサのセンサ
素子の説明図である。

【図７】本発明の実施例５の積層空燃比センサのセンサ
素子の説明図である。

【図８】図７のセンサ素子の第１電極の多孔質基板側か
ら見た平面図である。

【図９】図７のセンサ素子の第２電極のＡ−Ａ線に沿っ
た平面図である。

【図１０】従来の積層空燃比センサの一例の説明図であ
る。

【図１１】図１０に示す積層空燃比センサにおいて第１
電極と第３電極との間にリーク電流が流れた場合の、セ
ンサ周囲の燃焼排気中の空気過剰量率（λ）をパラメー
タにして測定された限界電流式空燃比検出部の電流−電
圧特性を示す図である。

【図１２】従来の積層型ではない空燃比センサの一例の
限界電流式空燃比検出部の電流−電圧特性を示す図であ
る。

【図１３】図１２の空燃比センサにおいて、所定印加電
圧を与えて測定した電流を示す図である。

【符号の説明】

１：多孔質基板 ２：第１電極 ３：第１固体電解質 ４：第２電極 ５：第２固体電解質 ６：第３電極 ７：ヒータ ８：ヒータ加
熱手段 ９，１０：電圧印加手段 １１：電流測
定手段 １２：絶縁層 １３：通気孔 １４：傾斜混合層 １５：金属層 １６：溝 １７，１８：
通路

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 近藤 春義 愛知県愛知郡長久手町大字長湫字横道41番 地の１ 株式会社豊田中央研究所内 (72)発明者 佐治 啓市 愛知県愛知郡長久手町大字長湫字横道41番 地の１ 株式会社豊田中央研究所内

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 多孔質基板上に第１電極、第１固体電解
   質及び第２電極が順次積層され、第１固体電解質は第１
   電極の周囲を含めて第１電極を覆い隠し、第２電極は第
   １固体電解質の周囲を含めて第１固体電解質を覆い隠
   し、更に第２電極の上に、第１電極に対向する位置に第
   １電極の面積以上の面積の第２電極部分を残して第２電
   極を被覆する絶縁層が設けられ、絶縁層及び／又は第２
   電極の上に第２固体電解質及び第３電極が順次積層さ
   れ、絶縁層、第２固体電解質及び第３電極はそれぞれ第
   ２電極の周辺部が露出するように配置され、第１電極、
   第２電極及び第３電極は多孔質でガス透過性を有する白
   金を用いて形成され、第１固体電解質及び第２固体電解
   質は緻密でガス透過性を有しない酸素イオン伝導性の固
   体電解質を用いて形成され、絶縁層は電気絶縁性のセラ
   ミックを用いて形成されたことを特徴とする積層空燃比
   センサ。
2. 【請求項２】 多孔質基板の第１電極と反対側の面上の
   第１電極に対向する位置に、第１電極の面積以下の面積
   のヒータが設けられたことを特徴とする請求項１記載の
   積層空燃比センサ。
3. 【請求項３】 第２固体電解質内に、第２電極と第３電
   極とを接続して通気孔が設けられたことを特徴とする請
   求項１記載の積層空燃比センサ。
4. 【請求項４】 電極と固体電解質との間に、白金と固体
   電解質との混合物からなり白金と固体電解質との混合比
   が連続的又は断続的に変化する傾斜混合層が設けられた
   ことを特徴とする請求項１記載の積層空燃比センサ。
5. 【請求項５】 第１電極と多孔質基板との間に、第１電
   極と多孔質基板との接合力を高めるための白金以外の金
   属からなる金属層が設けられたことを特徴とする請求項
   １記載の積層空燃比センサ。