JPH10160704A

JPH10160704A - 酸素センサ及び空燃比検出方法

Info

Publication number: JPH10160704A
Application number: JP8319809A
Authority: JP
Inventors: Takao Kojima; 孝夫小島; Koichi Takahashi; 浩一高橋; Mitsunori Oi; 三徳大井; Takuya Saito; 卓也斎藤
Original assignee: NGK Spark Plug Co Ltd
Current assignee: Niterra Co Ltd
Priority date: 1996-11-29
Filing date: 1996-11-29
Publication date: 1998-06-19
Anticipated expiration: 2016-11-29
Also published as: US6007688A; EP0845669A3; EP0845669B1; EP0845669A2; DE69736050D1; JP3694377B2; DE69736050T2

Abstract

(57)【要約】【課題】広い範囲の空燃比を検出できるだけでなく、
構造が簡単で機械的強度や耐久性に優れ、低コストの酸
素センサ及び空燃比検出方法を提供すること。【解決手段】酸素センサ１は、検出部２とヒータ部３
とが多孔質体１６を介して積層されたものである。検出
部２の板状の固体電解質体５の一方の側（内側）には、
酸素ガスが拡散律速される側の基準電極７が設けられ、
他方の側（外側）には、拡散律速されない側の測定電極
６が設けられている。測定電極６の表面を覆って、酸素
ガスの拡散を実質的に律速しない程度の通気性を有する
保護層１４が設けられている。基準電極７のリード部７
ｂは、酸素ガスの拡散を実質的に律速する多孔質層であ
り、このリード部７ｂと前記保護層１４とを連通して、
排気ガスをリード部７ｂに接触させるための連通孔１３
が設けられている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、例えば自動車等の
排気ガス中の酸素濃度（空燃比）を検出することができ
る酸素センサ及び空燃比検出方法に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来より、例えば自動車の排気ガス中の
ＣＯ、ＮＯｘ、ＨＣを軽減するために、排気系に酸素セ
ンサを配置し、この酸素センサの出力に基づいて、エン
ジンに供給する燃料混合気の空燃比を例えば理論空燃比
（λ＝１）に制御する空燃比フィードバック制御が知ら
れている。

【０００３】この空燃比フィードバック制御に使用され
る酸素センサとしては、ジルコニア等の酸素イオン伝導
性の固体電解質体をセンサ素子に用い、λ＝１にてその
出力が急変するいわゆるλセンサが多く採用されてい
る。前記λセンサは、固体電解質体の隔壁の両側に多孔
質の電極を設け、一方の電極に基準となる一定の酸素濃
度の雰囲気を接触させるとともに、他方の電極に測定ガ
スを接触させ、その酸素濃度差によって両電極間に発生
する起電力を測定することにより、測定ガス中の酸素濃
度を検出するものである。

【０００４】そして、前記基準となる雰囲気を一方の電
極（基準電極）に接触させる方法としては、例えば、大
気などの既知の酸素濃度の雰囲気を基準電極まで導く大
気導入路を素子中に形成する方法が提案されている（特
開昭６３−５２０５２号公報参照）。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】ところで、上述した構
成の酸素センサ（λセンサ）は、自動車の排気ガス中の
酸素濃度（空燃比）を測定する場合に、λ＝１の近傍で
その出力が急変するので、λ＝１の近傍の空燃比を検出
することはできるが、広い範囲（例えばリーン領域）に
おける空燃比を測定できないという問題があった。

【０００６】この対策として、いわゆる酸素濃淡電池素
子及び酸素ポンプ素子を備え、空燃比のリーン及びリッ
チの全領域で空燃比を検出できる全領域空燃比センサが
提案されている（特開平６−２７０８０号公報参照）。
この全領域空燃比センサは、基準電極を僅かな漏洩を持
たせて密閉しておき、基準電極から測定ガスに接する電
極（測定電極）に向かって電流を流すことで、測定電極
側から基準電極側に酸素を汲み込んで、基準電極側の密
閉空間に基準となる雰囲気（内部基準酸素源）を形成す
る自己基準生成型の酸素センサである。

【０００７】しかしながら、前記の全領域空燃比センサ
は、空燃比の全領域を検出できるという利点はあるもの
の、構造が複雑であり、機械的強度や耐久性において通
常のλセンサに及ばず、しかもコストも高いという問題
があった。本発明は、前記課題を解決するためになされ
たものであり、広い範囲の空燃比を検出できるだけでな
く、構造が簡単で、機械的強度や耐久性に優れ、低コス
トの酸素センサ及び空燃比検出方法を提供することを目
的とする。

【０００８】

【課題を解決するための手段】

(1)請求項１の発明の酸素センサでは、一対の電極を配
設した固体電解質体を備えた酸素センサにおいて、各電
極は酸素が通過可能な各通気部を介して各々測定ガス側
に晒されるとともに、両通気部が異なる通気性を有し、
且つ一方の通気部が酸素の拡散を実質的に律速する機能
を有している。

【０００９】従って、この構成の酸素センサを使用し
て、両電極間の酸素の汲み出し方向を切り換えることに
より、いわゆるλセンサとしての機能とリーン領域空燃
比センサ（リーン側における空燃比を検出できるセン
サ）としての機能とを切り換えて使用することができ
る。そのため、この酸素センサを使用すれば、広い範囲
の空燃比を検出できるだけでなく、構造が簡単で、機械
的強度や耐久性に優れ、コストも低いという顕著な効果
を奏する。

【００１０】この酸素センサを用いて空燃比を検出する
方法に関しては、後に詳述するが、例えばλ＝１近傍の
空燃比を検出できるλセンサとして使用する場合には、
測定電極側から基準電極側に酸素をポンピングし、その
際の起電力を測定することにより空燃比を検出する。一
方、λ＞１のリーン領域の空燃比を検出する場合には、
基準電極側から測定電極側に酸素をポンピングし、それ
によって生じる電流を測定することにより空燃比を検出
する。

【００１１】尚、ここで、基準電極とは、ガス拡散制限
が行われる側（即ち酸素の拡散を律速するガス拡散抵抗
が大きい側）の一方の電極を示し、測定電極とは、ガス
拡散制限があまり行われない側（即ち前記基準電極側の
ガス拡散抵抗より十分に小さなガス拡散抵抗を有してい
る側）の他方の電極を示している（以下同様）。

【００１２】(2)請求項２の発明の酸素センサは、一対
の電極を配設した固体電解質体と、両電極を各々覆う多
孔質層とを備えた酸素センサであって、両多孔質層は測
定ガス側に晒されるとともに、両多孔質層が異なる通気
性（気密性）を有し、且つ一方の多孔質層が酸素の拡散
を実質的に律速する通気性（気密性）を有する。

【００１３】つまり、本発明では、各々の電極の表面に
異なる気密性を有する多孔質層が形成されており、一方
の（基準電極側の）多孔質層が酸素の拡散を実質的に律
速している。即ち、この気密性の異なる両多孔質層が前
記両通気部として機能しているので、前記請求項１と同
様な作用効果を奏する。

【００１４】尚、本発明では、例えば板状の固体電解質
体の一方の面に２つの電極を配置することができるの
で、例えば印刷により電極パターンを形成する場合に
は、製造が簡易化されるという利点がある。 (3)請求項３の発明の酸素センサは、両側に各々電極を
配設した固体電解質体と、両電極を各々覆う多孔質層と
を備えた酸素センサであって、両多孔質層は測定ガス側
に晒されるとともに、一方の電極と測定ガス側との間の
酸素の拡散を実質的に律速する律速用通気部を有する。

【００１５】つまり、本発明では、両電極に多孔質層を
備えるだけでなく、一方の電極（基準電極）と測定ガス
側との間に律速用通気部を備えており、この律速用通気
部がガス拡散制限を行なうので、前記請求項１と同様な
作用効果を奏する。 (4)請求項４の発明の酸素センサでは、律速通気部とし
て、一方の電極（基準電極）を保護する多孔質層を採用
できる。

【００１６】つまり、例えば基準電極を保護するため
に、基準電極を覆うように多孔質の保護層を形成する場
合には、この多孔質の保護層における通気の状態を、酸
素の拡散を実質的に律速する程度に設定することによ
り、保護層を拡散の律速のための多孔質層として使用す
ることができる。

【００１７】(5)請求項５の発明の酸素センサでは、一
方の通気部は、一方の電極のリード部を構成する多孔質
体からなり、且つリード部が連通孔を介して測定ガス側
と接触することで、一方の電極と測定ガス側との間の酸
素の拡散を実質的に律速する律速用通気部となる。

【００１８】つまり、基準電極のリード部を多孔質とし
且つ前記連通孔を設けることにより、基準電極と測定ガ
ス側とを連通することができるが、この際に、例えば多
孔質体の通気の状態を酸素の拡散を実質的に律速する程
度に設定することにより、この多孔質体を律速用通気部
として使用することができる。

【００１９】(6)請求項６の発明の酸素センサでは、律
速用通気部として、一方の電極（基準電極）のリード部
と測定ガス側と連通する連通孔内に配置された多孔質体
を採用できる。つまり、この連通孔内に配置された多孔
質体の通気の状態を、酸素の拡散を実質的に律速する程
度に設定することにより、この多孔質体を律速用通気部
として使用することができるまた、これとは別に、連通
孔の径を小さくして、連通孔自体によって拡散を実質的
に律速してもよい。 (7)請求項７の発明の酸素センサでは、拡散用通気部
は、電極位置より低温側に配設されている。

【００２０】従って、律速用通気部は温度の影響を受け
難くなっているので、例えば排気ガスの温度が大きく変
化しても、酸素の拡散の律速の程度は変化しない。その
ため、温度が変化した場合でも、精度よく酸素濃度（即
ち空燃比）を検出することができる。

【００２１】(8)請求項８の発明の酸素センサでは、電
極及び固体電解質体を有する検出部と板状のヒータ部と
が積層されている。前記検出部とは、ヒータ部を除いた
いわゆるセンサ素子の部分であり、通常、電極や固体電
解質体に加え保護層や絶縁層等を有する。ヒータ部とは
センサ素子を加熱する発熱体を有するものである。

【００２２】この様な積層タイプの酸素センサは、ヒー
タ部の加熱により効率的にセンサ素子を暖めることがで
きるので、迅速に空燃比の検出が可能になる。 (9)請求項９の発明の酸素センサは、未焼成の検出部と
未焼成のヒータ部とが積層された後に、同時焼成されて
一体化したものである。

【００２３】つまり、本発明の酸素センサは、酸素セン
サを構成する未焼成のパーツであるグリーンシート等を
積層して同時焼成した積層型の酸素センサであるので、
その製造工程を簡易化でき、しかも強固に一体化してい
るので耐久性に富む。尚、ここでは、同時焼成されて一
体化したものを述べたが、前記請求項８の発明の酸素セ
ンサとしては、例えば検出部とヒータ部とを各々焼成し
て形成した後に、それらを例えば接着剤等を用いて接合
したものも挙げられる。

【００２４】(10)請求項１０の発明の酸素センサは、検
出部とヒータ部とが多孔質体を介して積層されており、
この多孔質体が通気部となっている。つまり、検出部と
ヒータ部とが多孔質体を介して積層されているので、こ
の多孔質体を通気部とすることで、別途通気部を設ける
必要がなく、また、ヒータ部からのリーク電流が検出部
に与える影響を抑えることができる。

【００２５】また、この様な積層タイプの酸素センサ
は、前記請求項８と同様に、ヒータ部の加熱により効率
的にセンサ素子を暖めることができる。更に、この酸素
センサは、前記請求項９と同様に、グリーンシート等を
積層して同時焼成して製造できるので、その製造工程を
簡易化でき、しかも強固に一体化しているので耐久性に
富む。

【００２６】(11)請求項１１の発明の酸素センサは、電
極及び固体電解質体を有する検出部と板状のヒータと
が、間隙を介して近接して配置されている。従って、前
記請求項８とほぼ同様に、このヒータ部の加熱により効
率的にセンサ素子を暖めることができるので、迅速に空
燃比の検出が可能になる。また、本発明では、検出部と
ヒータ部とが別体であるので、ヒータ部の発熱体からの
漏洩電流が、センサ出力に影響を及ぼすことがない。更
に、検出部とヒータ部のどちらか一方の不良品である場
合には、良品のみを使用して酸素センサを製造すること
ができるので、歩留りが良いという利点がある。

【００２７】(12)請求項１２の発明の空燃比検出方法で
は、両電極間に電流を流し、拡散律速される一方の電極
側に他方の電極側から酸素を汲み込んで、その一方の電
極側に酸素基準雰囲気を生成させ、その際に両電極間に
生じる起電力に基づいて空燃比を検出する。

【００２８】つまり、λ＝１近傍の空燃比を検出したい
ときには、基準電極から測定電極に微少な電流を流すこ
とで、基準電極側（例えばその多孔質層）に酸素ガスを
汲み込んで基準電極側を基準の雰囲気とし、それによっ
て、基準電極と測定電極との間に生じる起電力を測定し
て、測定ガスの空燃比を検出する。尚、この様に、基準
電極と測定電極との間に生じる起電力を測定して測定ガ
スの空燃比を検出するセンサを、酸素濃淡電池型の酸素
センサと称す。

【００２９】(13)請求項１３の発明の空燃比検出方法で
は、両電極間に電圧を印加し、拡散律速される一方の電
極側から他方の電極側に酸素を汲み込み、その際に流れ
る電流に基づいて空燃比を検出する。つまり、λ＞１の
領域、即ち（Ａ／Ｆ）＜１４．４のリーン領域の空燃比
を検出するときには、測定電極と基準電極に所定の電圧
（測定電極側が＋）を印加することにより、基準電極側
から測定電極側に酸素ガスを汲み込み、このときの電流
値から測定ガスの空燃比を検出する。

【００３０】即ち、基準電極側の例えば多孔質層は、ガ
ス拡散抵抗が大きいので、所定の電圧（例えば０．７
Ｖ）で酸素を汲み出すと、そのときの汲み出される酸素
の量は、測定電極から基準電極に流れる電流から計算で
き、よって、逆に電流の大きさから測定ガス中の酸素濃
度、即ち空燃比を検出することができる。尚、この様に
酸素を汲み出す際の電流から空燃比を検出する方式を限
界電流方式と称すが、本発明では、通常の限界電流方式
とは、酸素を汲み出す方向が逆であり、よって、そのた
めに使用する構成も異なっている。

【００３１】つまり、限界電流方式を採用し、リーン側
での空燃比フィードバック制御を行なっている場合、セ
ンサ構成が電極の一方を大気に晒す従来の方法では、例
えばエンジンが加速時等でリッチ側に振られた場合、セ
ンサの両電極間に起電力を発生するので、センサ出力に
この起電力による影響がでる。

【００３２】ところが、本発明では、両電極は測定ガス
側に晒されているため、この起電力による影響を小さく
できる。また、瞬時のリッチ変動に対しても、基準電極
側にて拡散律速を行なう方式により、基準電極側は殆ど
酸素量が０近傍にあるため、測定電極にリッチガスが来
たとしても、起電力の発生は殆ど無視される。

【００３３】(14)請求項１４の発明の空燃比検出方法で
は、検出する空燃比に応じて、請求項１２と請求項１３
の空燃比検出方法を切り換えて空燃比を検出する。前記
請求項１３の発明で示したλ＞１の領域の空燃比検出方
法は、従来より限界電流方式と呼ばれているが、一つの
素子で、前記（起電力を発生させる）酸素濃淡電池型の
酸素センサとしても、限界電流方式の酸素センサとして
も用いることができる点が本発明の効果である。特に、
基準雰囲気の生成を行なう自己基準生成型の酸素センサ
において、酸素の移動方向を逆にしている（酸素濃淡電
池の場合は測定電極から基準電極、今回の限界電流方式
の場合は基準電極から測定電極に酸素は移動する測定）
点が大きな特徴である。

【００３４】つまり、上述した様に、請求項１２と請求
項１３の発明では、酸素の汲み出し方向は逆であるが、
本発明では、その様に酸素の汲み出し方向を逆転させる
ことで、例えば実質的に拡散律速する多孔質層の設定に
比較的自由度をもたせ、酸素濃淡電池型の酸素センサと
しての応答性を確保しつつ、限界電流型の酸素センサと
してのガス拡散抵抗を大きくできる。

【００３５】即ち、従来の限界電流方式の酸素センサ
は、測定電極側のガス拡散抵抗を大きくすることでガス
を制限し、所定電圧を印加したときの電流値から空燃比
を検出しているので、この測定電極を酸素濃淡電池の測
定電極としてそのまま用いれば、大きなガス拡散抵抗が
酸素センサの応答性を大きく損なうことになるが、本発
明では、測定電極側でガスの拡散を律速するものではな
く、基準電極側で拡散律速を行なうので、その様な問題
は生じない。

【００３６】また、通常の酸素濃淡電池型の酸素センサ
は、測定電極側のガス拡散抵抗はガスを制限するには小
さすぎるので、そのまま限界電流方式の酸素センサとし
て用いても、λが１よりもかなり大きな領域（酸素濃度
が高い領域）ではガスを制限しきれずに、測定が不正確
になるという問題があるが、本発明では、測定電極側で
ガスの拡散を律速するものではなく、ガス拡散抵抗の大
きな基準電極側にて拡散律速を行なうので、その様な問
題は生じない。

【００３７】更に、通常の自己基準方式の酸素センサで
は基準電極側の多孔質層は密閉されているので、限界電
流方式の酸素センサとして酸素を汲み込むと、基準電極
側の酸素分圧が上がりすぎて、センサ素子が破壊されて
しまう恐れがあるが、本発明では、基準電極側は密閉さ
れてはいないので、その様な問題は生じない。

【００３８】つまり、本発明では、この様な不具合に対
して、上記の様に基準電極側と測定電極側の多孔質層等
の通気性を違える様に工夫し、更に検出するモードを２
つに分けることで（λ＝１検出モードと、λ＞１の領域
検出モード）、問題を解決している。

【００３９】尚、前記２つのモードの切り換えは、例え
ばエンジンを制御する際に、目標空燃比が例えばストイ
キからリーンに切り換えられた場合（又はその逆）に、
両電極に加える電圧や電流の状態を変更することによ
り、自動的に実行することができる。

【００４０】(15)請求項１５の発明の空燃比検出方法で
は、λ＝１近傍の空燃比を検出する場合は、酸素センサ
の両電極間に電流を流し、酸素の拡散が律速される一方
の電極側に他方の電極側から酸素を汲み込んで、一方の
電極側に酸素基準雰囲気を生成させ、その際に両電極間
に生じる起電力に基づいて空燃比を検出する。また、λ
＞１のリーン領域の空燃比を検出する場合は、酸素セン
サの両電極間に電圧を印加し、酸素の拡散が律速される
一方の電極側から他方の電極側に酸素を汲み込み、その
際に両電極間に流れる電流に基づいて空燃比を検出す
る。

【００４１】これにより、前記請求項１４と同様に、一
つの簡易な構造の酸素センサを用い、λセンサ及びリー
ン領域空燃比センサの機能を切り替えて、広い領域の空
燃比を検出することができる等の作用効果を奏する。

【００４２】

【発明の実施の形態】以下に、本発明の酸素センサ及び
空燃比検出方法の例（実施例）について説明する。（実施例１）本実施例の酸素センサは、例えば自動車の
排気系に取り付けられて、測定ガス（排気ガス）中の酸
素濃度（空燃比）を測定するものであり、測定モードを
切り替えることにより、λ＝１（理論空燃比点＝ストイ
キ）近傍の空燃比と、λ＞１のリーン領域の空燃比を測
定することができる。尚、本実施例の酸素センサは、基
準電極のリード部にて酸素ガスの拡散律速を行うもので
ある。

【００４３】ａ）図１及び図２に酸素センサ１の構造を
示す様に、本実施例の酸素センサ１は、積層タイプの板
状（厚み２．２ｍｍ×幅３．５ｍｍ×長さ３５ｍｍ）の
ものであり、大きく分けて空燃比を検出する板状の検出
部２と、検出部２を加熱する板状のヒータ部３とからな
る。以下詳細に説明する。

【００４４】前記検出部２は、厚さ０．５ｍｍの板状の
固体電解質体５を備え、この固体電解質体５の両側には
多孔質電極６，７が形成されている。該多孔質電極６，
７のうち、内側の電極７は酸素ガスの拡散が実質的に律
速される側の基準電極７であり、外側の電極６は拡散が
実質的に律速されない側の測定電極６である。前記固体
電解質体５は、Ｙ₂Ｏ₃を５mol％添加したＺｒＯ₂を主成
分とするものであり（他にＭｇＯ，ＣａＯ，ＳｉＯ₂等
の不純物を１０ｗｔ％以下含んでいてもよい）、両電極
６，７は、主として白金からなるものである（他にＺｒ
Ｏ₂，Ａｌ₂Ｏ₃等２０％程度含む）。

【００４５】前記各電極６，７は、電極反応部６ａ，７
ａとリード部６ｂ，７ｂとからなり、各リード部６ｂ，
７ｂは、白金ロジウム（１３％ロジウム入り）のリード
線９，１０に各々接続される。このうち、基準電極７の
リード部７ｂは、前記固体電解質体５の後端（図１の下
方）と絶縁層１１の後端に設けられたスルーホール５
ｂ，１１ｂを介して接続部１２に接続され、この接続部
１２にリード線１０が接続されている。また、基準電極
７のリード部７ｂが排気ガスと接触できる様に、固体電
解質体５及び絶縁層１１の中央側には、連通孔１３を形
成するスルーホール５ａ，５ｂが設けられている。

【００４６】更に、測定電極６の先端（図１の上方）か
らスルーホール５ａの形成位置近傍までを覆うように、
ＺｒＯ₂にＡｌ₂Ｏ₃を４０ｗｔ％含有する多孔質の保護
層１４が設けられ、リード部６ｂの後端側及びリード線
９，１０を覆うように、ＺｒＯ₂からなる保護層１５が
設けられている。このうち、先端側の保護層１４は、酸
素ガスを実質的に拡散律速しない程度の通気性を有する
多孔質層であり、後端側の保護層１５は、通気性を有し
ない緻密な層である。

【００４７】一方、検出部２の基準電極７側には、基準
電極７の先端から基端近傍までを覆うように、前記固体
電解質体５と同様の寸法で同様の組成の固体電解質体１
７が、基準電極７を保護するために設けられている。そ
して、前記連通孔１３は、基準電極７のリード部７ｂと
先端側の実質的に拡散律速をしない保護層１４とを接続
しているので、リード部７ｂはこの連通孔１３を介して
排気ガス側と接触することができる。

【００４８】特に本実施例では、基準電極７のリード部
７ｂにて酸素ガスを実質的に拡散律速するために、即ち
多孔質の通気性を抑えるために（即ち気密性を高めるた
めに）、リード部７ｂにおける白金粒径を細かくしてい
る。尚、リード部７ｂにおいて実質的に拡散律速するた
めの手法として、これ以外に、例えば、積層時における
リード部７ｂの厚さを電極反応部７ａの厚さより大きく
し、積層圧力によってその密度を高めて気密性を向上す
る手法を採用できる。或は、ガラス等のリード部７ｂの
みに助剤を添加して、焼成時における焼結性を高めて、
気密性を向上させてもよい。

【００４９】一方、ヒータ部３では、前記固体電解質体
５と同様の寸法で同様の組成の固体電解質体１８の上
に、Ａｌ₂Ｏ₃を主成分とする（他にＭｇＯ，ＣａＯ，Ｓ
ｉＯ₂等の不純物を５ｗｔ％以下含んでいてもよい）一
対の絶縁層（厚さ各３０μｍ）１９，２０が設けられ、
更にこの両絶縁層１９，２０の間に、発熱体２１が設け
られている。この発熱体２１は、発熱部２１ａ及び一対
の発熱リード部２１ｂ1，２１ｂ2からなり、各発熱リー
ド部２１ｂ1，２１ｂ2には、各々リード線２２，２３が
接続されている。

【００５０】尚、前記検出部２とヒータ部３とは、アル
ミナ又はジルコニアからなる多孔質体１６を介して一体
に接合されている。また、この発熱体２１には、図示し
ないコントローラによって電流が印加され、電極反応部
６ａ，７ａの近傍の温度が所定値（３５０℃）以上に維
持される。

【００５１】そして、上述した構造の酸素センサ１を製
造する場合には、例えば前記各固体電解質体５，１７，
１８、絶縁層１１，１９，２０、保護層１４，１５、多
孔質体層１６などの生シートを積層するととも、必要に
応じて各生シートに電極６，７や発熱体２１となる導電
パターンを印刷等により形成し、この様にして得られた
積層体を、例えば４００℃で１０時間加熱して樹脂抜き
を行い、その後、１５００℃で２時間焼成して、一体焼
成（同時焼成）を行う。

【００５２】ｂ）次に、この様にして得られた酸素セン
サ１を用いて空燃比を検出する方法について、図３及び
図４に基づいて説明する。本実施例の酸素センサ１をλセンサとして使用する場
合、即ちλ＝１近傍の空燃比を検出する場合には、図３
（ａ）に示す様に、基準電極７を＋側に、測定電極６を
−側に接続し、５Ｖの外部電源２５から５００ｋΩの接
続抵抗２６を介して、両電極間６，７に１０μＡの電流
を流し、測定電極６側から基準電極７側に酸素をポンピ
ングして供給する。

【００５３】これによって両電極６，７間に生ずる起電
力を、例えば同図に示す位置に接続した電圧計２７によ
って測定し、これを酸素センサ１の出力とする。このセ
ンサ出力を図３（ｂ）に示すが、例えば排気ガスの空燃
比がリーン（λ＝１．１）からリッチ（λ＝０．９）に
変化した場合には、その変化に応じて大きく変動する。
よって、この変動の状態から実際の空燃比の変化の状態
が分かるので、このセンサ出力を用いて空燃比をλ＝１
にフィードバック制御することができる。例えばセンサ
出力が空燃比のリッチを示す値であれば燃料を減量し、
逆にリーンを示す値であれば燃料を増量することによ
り、目標空燃比（この場合は、λ＝１）に制御すること
ができる。

【００５４】一方、酸素センサ１をリーン領域の空燃
比センサとして使用する場合には、即ちλ＞１の空燃比
を検出する場合には、図４（ａ）に示す様に、前記図３
（ａ）に示すλセンサの場合とは逆に、基準電極７を−
側に、測定電極６を＋側に接続し、外部電源３２により
両電極間６，７にＶｐ（例えば０．７Ｖ）の電圧を印加
し、例えば同図に示す位置に接続した電流計３３によっ
て両電極間６，７に流れる電流Ｉｐを測定する。

【００５５】このセンサ出力を図４（ｂ）に示すが、例
えば排気ガスの酸素濃度が１％，３％，５％の様に変化
した場合には、センサ出力は同図の様に変化する。即
ち、限界電流方式のセンサ出力と同様に、印加電圧が一
定の場合、電流Ｉｐは酸素濃度が大きくなるほど大きく
なる。従って、図４（ｃ）に示す様に、この電流Ｉｐの
大きさに基づいて酸素濃度（空燃比）を検出することが
できる。

【００５６】この様に、本実施例の酸素センサ１では、
λセンサとして作動させる場合とリーン領域空燃比セン
サとして作動させる場合には、電極６，７の極性を逆に
して、酸素の供給方向を逆にするだけでよい。つまり、
１つの構造の酸素センサ１を用い、その通電方向を逆に
するだけで、異なる機能を実現できるという顕著な効果
を奏する。即ち、本実施例の酸素センサ１を用いること
により、広い範囲の空燃比を検出できるだけでなく、λ
＝１近くの空燃比を精度良く測定できる上に、λセンサ
の様に構造を簡単化できるので、機械的強度や耐久性に
優れ、コストも低減することができる。

【００５７】また、本実施例の酸素センサ１では、λセ
ンサとして動作させる場合には、拡散を律速しない程度
の先端側の保護層１４における雰囲気変化が速いので、
高い応答性を確保できる。更に、リーン領域空燃比セン
サとして動作させる場合には、両電極６，７は共に排気
ガス側に晒されているため、例えばエンジンが加速時等
で実際の空燃比がリッチ側に振られても、従来の大気導
入型のセンサの様に両電極６，７間に起電力が発生しな
いので、正確なセンサ出力が得られる。また、瞬時のリ
ッチ変動に対しても、拡散制限を行なう方式により、基
準電極７は殆ど酸素量が０近傍にあるため、測定電極７
にリッチガスが来たとしても、起電力の発生は殆ど無視
され、その点からも正確な空燃比の検出を行うことがで
きる。

【００５８】（実施例２）次に実施例２について説明す
る。本実施例の酸素センサは、前記実施例１の酸素セン
サとはその構造が異なるが、動作等はほぼ同じであるの
で、異なる点を中心にして説明する。

【００５９】図５に示す様に、本実施例の酸素センサ４
１は、検出部４２とヒータ部４３とが接合層４４にて接
合されたものであり、特に基準電極側の保護層にて拡散
律速を行っている。前記検出部４２においては、前記実
施例１とほぼ同様に、ＺｒＯ₂等からなる板状の固体電
解質体４５の測定ガス側に、白金等からなる多孔質の測
定電極４７が設けられている。そして、ＺｒＯ₂等から
なる板状の固体電解質体４８が設けられ、基準電極４６
がその固体電解質体４８の上に設けられている。測定電
極４７には、電極反応部４７ａを覆う様に多孔質の保護
層５１が設けられ、電極反応部４７ａより後端側（図の
下方）を覆う様に多孔質の保護層５２が設けられてい
る。

【００６０】特に、本実施例では、先端側（図の上方）
の保護層５１は、実質的に拡散律速しない程度の通気性
を備えた多孔質層であり、後端側の保護層５２は、実質
的に拡散律速することができる程度に通気性を低くした
多孔質層である。また、前記基準電極４６の（固体電解
質体４５側の）表面に沿って隙間５５が設けられてお
り、この隙間５５と前記保護層５２とを連通する様に、
即ち基準電極４６に接する隙間５５と排気ガス側とを連
通する様に、連通孔５６が設けられている。

【００６１】一方、ヒータ部４３は、ＺｒＯ₂、Ｍｇ
Ｏ、又はＡｌ₂Ｏ₃等のセラミックスからなる板状の一対
の絶縁層５７，５８と、この両絶縁層５７，５８に挟ま
れた白金等からなる発熱体５９とから構成されている。
上述した構成の酸素センサ４１は、生シート等を積層し
てなる検出部形成用の積層体（図示せず）を焼成して検
出部４２を形成するとともに、同様に生シート等を積層
したヒータ部形成用の積層体（図示せず）を焼成してヒ
ータ部４３を形成し、この検出部４２とヒータ部４３
を、例えばセメント等の無機質の耐熱性の接着剤にて接
合して製造する。

【００６２】本実施例の酸素センサ１は、前記実施例１
と同様に、λセンサとして機能させる場合には、測定電
極４７側から基準電極４６側に酸素をポンピングするこ
とにより、両電極４７，４８間の起電力を測定して、空
燃比を検出する。一方、リーン領域空燃比センサとして
機能させる場合には、基準電極４６側から測定電極４７
側に酸素をポンピングすることによって流れる電流を測
定して、空燃比を検出する。

【００６３】よって、本実施例においても、前記実施例
１と同様な効果を奏するとともに、基準電極４６に接す
る間隙５５と保護層５２を連通する連通孔５６を設け、
この保護層５２にて酸素ガスの拡散律速を行うので、一
旦製造した酸素センサ１において、拡散律速の程度を微
調整することができるという利点がある。

【００６４】また、基準電極４６を形成する際には、前
記実施例１の様に、電極反応部４６ａとリード部４６ｂ
とを別の構造（別の気密性）にする必要がないので、特
に基準電極４６の形成が容易である。更に、検出部４２
とヒータ部４３とを別に焼成して形成し、その後接着す
るので、検出部４２とヒータ部４３のどちらかに不良が
発生した場合でも、適正品のみを組み合わせて使用する
ことができ、歩留りが向上して製造コストが低減する。

【００６５】（実施例３）次に実施例３について説明す
る。本実施例の酸素センサは、前記実施例１，２の酸素
センサとはその構造が異なるが、動作等はほぼ同じであ
るので、異なる点を中心にして説明する。

【００６６】図６に示す様に、本実施例の酸素センサ６
１は、例えばＺｒＯ₂等の板状の固体電解質体６２の一
方の側に、白金等からなる多孔質の測定電極６３と基準
電極６４とが配置されている。そして、測定電極６３の
表面を覆って、実質的に拡散律速しない程度の通気性を
有する多孔質の保護層６６が設けられ、また、基準電極
６４の表面を覆って、実質的に拡散律速する程度に通気
性を低くした多孔質の保護層６７が設けられている。つ
まり、この保護層６６，６７は、同様な例えばＡｌ₂Ｏ₃
からなる多孔質層であるが、その孔の状態が異なること
により、通気性（気密性）が異なっている。

【００６７】また、固体電解質体６２の内部には、ヒー
タ部７１が設けられており、このヒータ部７１は、白金
等からなる発熱体７２の周囲を覆うようにＡｌ₂Ｏ₃等か
らなる絶縁層７３が設けられたものである。本実施例の
酸素センサ６１は、前記実施例１と同様な作用効果を奏
するとともに、特に板状の固体電解質体６２の一方の面
にのみ電極６３，６４を配置する構造であるので、その
製造が容易であるという利点がある。

【００６８】（実施例４）次に実施例４について説明す
る。本実施例の酸素センサは、前記実施例１〜３の酸素
センサとはその構造が異なるが、動作等はほぼ同じであ
るので、異なる点を中心にして説明する。

【００６９】図７に示す様に、本実施例の酸素センサ８
１は、検出部８２とヒータ部８３とが、図示しないスペ
ーサにより間隙８４を介して近接して配置されている。
前記検出部８２においては、例えばＺｒＯ₂等の板状の
固体電解質体８６の一方の側に、白金等からなる多孔質
の測定電極８７が設けられ、他方の側に同様な白金等か
らなる基準電極８８が配置されている。

【００７０】そして、測定電極８７の電極反応部８７ａ
の表面を覆って、実質的に拡散律速しない程度の通気性
を有する多孔質の（例えばＡｌ₂Ｏ₃からなる）保護層９
１が設けられ、また、図示しないリード部の表面を覆っ
て、通気性のない例えばＡｌ ₂Ｏ₃からなる保護層９２が
設けられている。また、基準電極８８の表面（間隙８４
側）を覆って、例えばＺｒＯ₂からなる板状の固体電電
解質体９３が設けられている。

【００７１】特に本実施例では、基準電極８８の上端
（図の上方）から排気ガス側に連通する連通孔９４が設
けられ、この連通孔９４の内部には、実質的に拡散律速
する程度に通気性を低くした多孔質の（例えばＡｌ₂Ｏ₃
からなる）拡散律速層９５が設けられている。

【００７２】また、ヒータ部８３は、Ａｌ₂Ｏ₃等からな
る板状の絶縁層９６，９７の間に、白金等からなる発熱
体９８が設けられたものである。本実施例の酸素センサ
８１は、前記実施例１と同様な作用効果を奏するととも
に、特に検出部８２とヒータ部８３とが間隙８４を介し
て配置されているので、発熱体９８を流れる電流がセン
サ出力に影響を及ぼすことがなく、精密な空燃比の検出
ができるという効果があり、また、別体の部材を使用す
ることにより、歩留りが向上するという利点がある。更
に、熱膨張の異なる材料を用いても、ソリや割れ等が発
生しない。

【００７３】（実施例５）次に実施例５について説明す
る。本実施例の酸素センサは、前記実施例１〜４の酸素
センサとはその構造が異なるが、動作等はほぼ同じであ
るので、異なる点を中心にして説明する。

【００７４】図８に示す様に、本実施例の酸素センサ１
０１は、検出部１０２とヒータ部１０３とが、図示しな
いスペーサにより間隙１０４を介して近接して配置され
ている。前記検出部１０２においては、例えばＺｒＯ₂
等の板状の固体電解質体１０６の一方の側に、白金等か
らなる多孔質の測定電極１０７が設けられ、他方の側に
同様な白金等からなる基準電極１０８が配置されてい
る。

【００７５】そして、測定電極１０７の電極反応部１０
７ａの表面を覆って、実質的に拡散律速しない程度の通
気性を有する多孔質の（例えばＡｌ₂Ｏ₃からなる）保護
層１１１が設けられ、また、図示しないリード部の表面
を覆って、通気性のない例えばＡｌ₂Ｏ₃からなる絶縁層
１１２が設けられている。また、基準電極１０８の表面
（間隙１０４側）を覆って、例えばＺｒＯ₂からなる固
体電解質体１１３が設けられている。

【００７６】特に本実施例では、基準電極１０８のリー
ド部１０８ｂから排気ガス側に連通する連通孔１１４が
設けられ、この連通孔１１４の内部には、図８（ｂ）に
示す様に、実質的に拡散律速する程度に通気性を低くし
た多孔質の（例えばＡｌ₂Ｏ₃からなる）拡散律速層１１
５が設けられている。

【００７７】また、ヒータ部１０３は、Ａｌ₂Ｏ₃等から
なる板状の絶縁層１１６，１１７の間に、白金等からな
る発熱体１１８が設けられたものである。本実施例の酸
素センサ１０１は、前記実施例４と同様な作用効果を奏
する。尚、本発明は前記実施例になんら限定されるもの
ではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において種々
の態様で実施しうることはいうまでもない。例えば、前
記実施例５では、実質的に拡散律速する連通孔１１４
は、基準電極１０８のリード部１０８ｂの略中央に設け
られているが、例えば図９に示す様に、連通孔１２１
を、基準電極１２２のリード部１２２ｂの後端（図の下
方）、即ち酸素センサ１２３を図示しない排気管に取り
付けるための筒状の金具１２４の近傍に設けてもよい。

【００７８】この様に連通孔１２１を配置することによ
り、前記実施例５の場合よりも温度の影響を受け難くな
り、排気ガス等の温度が変化した場合でも、拡散律速の
程度が変化し難くなるので、より精密な空燃比の検出を
行うことができる。

【００７９】

【発明の効果】以上詳述した様に、請求項１〜１１の発
明の酸素センサでは、両電極は通気部を介して測定ガス
側に晒されるとともに、両通気部が異なる通気性を有
し、且つ一方の通気部が酸素の拡散を実質的に律速する
機能を有しているので、この酸素センサを使用すれば、
広い範囲の空燃比を検出できるだけでなく、構造が簡単
で、機械的強度や耐久性に優れ、低コストであるという
顕著な効果を奏する。

【００８０】請求項１２の発明の空燃比検出方法では、
上述した構成の酸素センサを用い、酸素のポンピング方
向を設定してその起電力を測定することにより、λセン
サとしてλ＝１近傍の空燃比を検出することができる。
請求項１３の発明の空燃比検出方法では、上述した構成
の酸素センサを用い、両電極間に電圧を印加してその電
流値を測定することにより、リーン領域空燃比センサと
してλ＞１の領域の空燃比を検出することができる。

【００８１】請求項１４，１５の発明の空燃比検出方法
では、酸素センサに印加する電流や電圧の状態を、検出
する空燃比に応じて切り換えることにより、酸素センサ
をλセンサ及びリーン領域空燃比センサとして使用する
ことができる。よって、簡易な構成にて、広い領域の空
燃比を検出することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】実施例１の酸素センサを示し、（ａ）はその
一部を破断して示す斜視図、（ｂ）は（ａ）におけるＡ
−Ａ断面図である。

【図２】実施例１の酸素センサの分解斜視図である。

【図３】実施例１の酸素センサを用いた空燃比検出方
法を示し、（ａ）はその装置構成を示す説明図、（ｂ）
はその信号を示すグラフである。

【図４】実施例１の酸素センサを用いた他の空燃比検
出方法を示し、（ａ）はその装置構成を示す説明図、
（ｂ）はその信号の電流と電圧との関係を示すグラフ、
（ｃ）はその信号の電流と酸素濃度との関係を示すグラ
フである。

【図５】実施例２の酸素センサを示し、（ａ）はその
一部を破断して示す斜視図、（ｂ）は（ａ）におけるＡ
−Ａ断面図である。

【図６】実施例３の酸素センサを示し、（ａ）はその
一部を破断して示す平面図、（ｂ）は（ａ）におけるＡ
−Ａ断面図である。

【図７】実施例４の酸素センサの一部を示す断面図で
ある。

【図８】実施例５の酸素センサを示し、（ａ）はその
の一部を示す断面図、（ｂ）はその要部を拡大して示す
説明図である。

【図９】その他の酸素センサを示す説明図である。

【符号の説明】

１，４１，６１，８１，１０１…酸素センサ２，４２，８２，１０２…検出部３，４３，７１，８３，１０３…ヒータ部５，１７，１８，４５，４８，６２，８６，９３，１０
６，１１３…固体電解質体６，４７，６３，８７，１０７…測定電極６ａ，７ａ，４６ａ，４７ａ，８７ａ，１０７ａ…電極
反応部６ｂ，７ｂ，４６ｂ，１０８ｂ，１２２ｂ…リード部７，４６，６４，８８，１０８…基準電極１３，５６，９４，１１４…連通孔１４，１５，５１，５２，６６，６７，９１，９２，１
１１…保護層１６…多孔質体１９，２０，５７，５８，７３，９６，９７，１１２，
１１６，１１７…絶縁層２１，５９，７２，９８，１１８…発熱体９５，１１５…拡散律速層

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者斎藤卓也愛知県名古屋市瑞穂区高辻町14番18号日本特殊陶業株式会社内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】一対の電極を配設した固体電解質体を備
えた酸素センサにおいて、前記各電極は酸素が通過可能な各々の通気部を介して測
定ガス側に晒されるとともに、該両通気部が異なる通気
性を有し、且つ一方の通気部が酸素の拡散を実質的に律
速する機能を有することを特徴とする酸素センサ。
【請求項２】一対の電極を配設した固体電解質体と、
前記両電極を各々覆う多孔質層と、を備えた酸素センサ
であって、前記両多孔質層は測定ガス側に晒されるとともに、該両
多孔質層が異なる通気性を有し、且つ一方の多孔質層が
酸素の拡散を実質的に律速する通気性を有することを特
徴とする前記請求項１記載の酸素センサ。
【請求項３】両側に各々電極を配設した固体電解質体
と、前記両電極を各々覆う多孔質層と、を備えた酸素セ
ンサであって、前記両多孔質層は測定ガス側に晒されるとともに、前記
一方の電極と測定ガス側との間の酸素の拡散を実質的に
律速する律速用通気部を有することを特徴とする前記請
求項１記載の酸素センサ。
【請求項４】前記律速用通気部は、前記一方の電極を
保護する前記多孔質層であることを特徴とする前記請求
項３記載の酸素センサ。
【請求項５】前記一方の通気部は、前記一方の電極の
リード部を構成する多孔質体からなり、且つ該リード部
が連通孔を介して前記測定ガス側と接触することで、前
記一方の電極と測定ガス側との間の酸素の拡散を実質的
に律速する律速用通気部となることを特徴とする前記請
求項１記載の酸素センサ。
【請求項６】前記律速用通気部は、前記一方の電極の
リード部と前記測定ガス側と連通する連通孔内に配置さ
れた多孔質体からなることを特徴とする前記請求項５記
載の酸素センサ。
【請求項７】前記律速用通気部は、前記電極位置より
低温側に配設されていることを特徴とする前記請求項３
〜６のいずれか記載の酸素センサ。
【請求項８】前記電極及び前記固体電解質体を有する
板状の検出部と板状のヒータ部とが積層された積層型の
センサであることを特徴とする前記請求項１〜７のいず
れか記載の酸素センサ。
【請求項９】未焼成の前記検出部と未焼成の前記ヒー
タ部とが積層された後に、同時焼成されて一体化された
ものであることを特徴とする前記請求項８記載の酸素セ
ンサ。
【請求項１０】前記検出部と前記ヒータ部とが多孔質
体を介して積層され、該多孔質体が前記通気部となるこ
とを特徴とする前記請求項９記載の酸素センサ。
【請求項１１】前記電極及び前記固体電解質体を有す
る板状の検出部と板状のヒータ部とが、間隙を介して近
接して配置されていることを特徴とする前記請求項１〜
７のいずれか記載の酸素センサ。
【請求項１２】前記請求項１〜１１のいずれかに記載
された酸素センサを用いた空燃比検出方法であって、前記両電極間に電流を流し、酸素の拡散が律速される一
方の電極側に他方の電極側から酸素を汲み込んで、前記
一方の電極側に酸素基準雰囲気を生成させ、その際に前
記両電極間に生じる起電力に基づいて空燃比を検出する
ことを特徴とする空燃比検出方法。
【請求項１３】前記請求項１〜１１のいずれかに記載
された酸素センサを用いた空燃比検出方法であって、前記両電極間に電圧を印加し、酸素の拡散が律速される
一方の電極側から他方の電極側に酸素を汲み込み、その
際に前記両電極間に流れる電流に基づいて空燃比を検出
することを特徴とする空燃比検出方法。
【請求項１４】前記請求項１〜１１のいずれかに記載
された酸素センサを用いた空燃比検出方法であって、検出する空燃比に応じて、前記請求項１２と請求項１３
の空燃比検出方法を切り換えて空燃比を検出することを
特徴とする空燃比検出方法。
【請求項１５】 λ＝１近傍の空燃比を検出する場合
は、前記酸素センサの両電極間に電流を流し、酸素の拡
散が律速される一方の電極側に他方の電極側から酸素を
汲み込んで、前記一方の電極側に酸素基準雰囲気を生成
させ、その際に前記両電極間に生じる起電力に基づいて
空燃比を検出し、 λ＞１のリーン領域の空燃比を検出する場合は、前記酸
素センサの両電極間に電圧を印加し、酸素の拡散が律速
される一方の電極側から他方の電極側に酸素を汲み込
み、その際に前記両電極間に流れる電流に基づいて空燃
比を検出することを特徴とする前記請求項１４に記載の
空燃比検出方法。