JP3326899B2 - 薄膜積層空燃比センサ - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は薄膜積層空燃比センサ、
更に詳しくは著しく小形化可能で且つ性能の優れた薄膜
積層空燃比センサに関するものである。

【０００２】

【従来技術】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。その一つとして酸素センサを用いた空
燃比センサがある。この空燃比センサは例えば自動車エ
ンジン制御用の空燃比センサとして広く使われている。
ところで、前記空燃比センサに使用されている酸素セン
サは主として、酸化物半導体の抵抗変化を利用した抵抗
変化式酸素センサ、固体電解質を用いた酸素濃淡電池式
酸素センサ、及び酸素ポンプ式酸素センサ（研究開発段
階にあるもの及び既に実用化されているものを含む）の
３種類に分類される。以下に、３種類の酸素センサの特
徴を説明する。

【０００３】酸化物半導体の抵抗変化を利用した抵抗変
化式酸素センサには、ＴｉＯ₂ ，Ｎｂ₂ Ｏ₅ ，ＳｎＯ₂
等のｎ型半導体を用いたものと、ＣｏＯ，ＣｏＯ_1-x Ｍ
ｇ_x等のｐ型半導体を用いたものとがある。前記抵抗変
化式酸素センサは、酸素分圧の変化によって酸化物半導
体の抵抗が次式（Ｉ）の様に変化する。 Ｒ＝Ｐ_o ^1/n （Ｉ） 〔式（Ｉ）中、 Ｒ：酸化物半導体の抵抗 Ｐ_o ：酸素分圧 ｎ：ｐ型半導体では＋４〜＋６、ｎ型半導体では−４〜
−６ を表わす。〕

【０００４】車両走行時において、空気過剰率λ＝１の
点では、酸素分圧は１０^-0.2〜１０^-30 ａｔｍの範囲内
で急変する。それ故、空気過剰率λ＝１では酸素分圧の
変化に伴って酸化物半導体の抵抗も３〜４桁急変する。
この急変特性から、抵抗変化式酸素センサは理論空燃比
検出用センサとして用いられる。

【０００５】一方、固体電解質を用いた酸素濃淡電池式
酸素センサにおいては、センサ素子は例えばジルコニア
固体電解質からなる一端が閉鎖された円筒状の形態にな
っており、排気側と大気側の酸素分圧の変化（酸素分圧
差）が次式（II）の如く起電力として検出される。 Ｅ＝（ＲＴ／４Ｆ）ｌｎ（Ｐo ′／Ｐo ） （II） 〔式（II）中、 Ｒ：気体定数 Ｔ：絶対温度 Ｆ：ファラデー定数 Ｐ_o ′：カソード側の酸素分圧 Ｐ_o ：アノード側の酸素分圧 を表わす。〕

【０００６】それ故、酸素濃淡電池式酸素センサでは、
車両走行時において、空気過剰率λ＝１にて酸素分圧が
急変するのに伴って０〜１Ｖの範囲内の起電力が発生す
ることから、起電力０．５Ｖが発生した点を理論空燃比
（空気過剰率λ＝１）として検出する。

【０００７】酸素ポンプ式酸素センサは電気化学的ポン
プ作用を利用して電解質の酸素イオンの伝導度を計測す
る方式の酸素センサであり、基本構成の相違により、更
に以下の３種類に分類される。 （Ａ）酸素ポンプセルがＯ₂ モニターとして用いられる
もの。 （Ｂ）酸素ポンプセルが漏洩用細孔と共に用いられるも
の。 （Ｃ）酸素ポンプセルがＯ₂ モニターとして及び漏洩用
細孔と共に用いられるもの。

【０００８】又、酸素ポンプ式酸素センサにおける酸素
濃度の検出方法としても３種類の方法が知られている。
第１の検出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の検出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の検出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。よって、酸素
ポンプ式酸素センサを用いると広い範囲の酸素濃度を測
定できることから、この型式の酸素センサはとりわけ広
帯域の空燃比センサとして利用されている。

【０００９】理論空燃比センサとしては、従来、ジルコ
ニア酸素濃淡電池式センサ及びＴｉＯ₂ 抵抗変化式酸素
センサが広く使用されている。これらのセンサは、共に
理論空燃比での平衡酸素分圧の大幅な変化に伴い、出力
（起電力及び抵抗）が急変する特性（所謂Ｚ特性）を有
し、前記出力を各々の理論空燃比センサに対する適切な
基準値（電圧値又は抵抗値）と比較することにより、空
燃比がリーン領域に有るかリッチ領域に有るかを容易に
判定することができる。

【００１０】ジルコニア酸素濃淡電池式理論空燃比セン
サの場合には、起電力のセンサ個体間における相違や起
電力の温度依存性が小さい。それ故、前記センサを同種
の別のセンサに取り替えたり、又は前記センサを車両の
排気系に装着した場合に排気温が変化したときに基準電
圧を固定して使用しても、理論空燃比を高精度で検出す
ることができるという優れた性質を有している。この様
な性質を有することにより、三元触媒を併用する自動車
エンジンの空燃比制御用として非常に使用し易いので、
ジルコニア酸素濃淡電池式理論空燃比センサは前記用途
に最も広く使用されている。

【００１１】ＴｉＯ₂ 抵抗変化式酸素センサの場合に
は、ＴｉＯ₂ 抵抗体全体の抵抗が雰囲気の酸素分圧に応
じて変化する方式であることから、酸素濃度の測定に際
して基準酸素分圧を必要としない。従って、ＴｉＯ2 抵
抗変化式酸素センサは基準電極や該基準電極に対するガ
ス導入路が不要であり、又構造が簡単で小形化可能であ
ることから、自動車エンジンの空燃比制御用として徐々
に使用されるようになってきた。

【００１２】一方、広帯域空燃比センサとしてはジルコ
ニア限界電流式空燃比センサが広く使用されている。こ
のセンサはセンサ起電力及び出力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、種々の全域空燃比センサの中でも最も広く使用され
ている。

【００１３】

【発明が解決しようとする課題】このように、従来のセ
ンサ例えばジルコニア酸素濃淡電池式理論空燃比センサ
は優れた特性を有するが、しかし一方、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理論空燃比を精度±０．１％程
度で計測することが必要である。又、理論空燃比センサ
に全域空燃比センサを付加した場合には、全域空燃比を
精度±１％程度で計測することが必要である。 エンジン始動直後から空燃比を精度よく検出できるこ
とが必要である。 車両の燃費改善のために、センサ作動時の消費電力を
極力小さくすることが必要である。 低コスト化を図るため、簡単な構成にすることが要求
されている。

【００１４】米国、欧州、日本での自動車の排気規制は
年々厳しくなっており、自動車のエンジン自体の改善や
排気ガス浄化用触媒の浄化性能の向上だけでなく、空燃
比センサにも厳しい要求が求められるようになり、従来
技術の小規模な改良だけでは対応が難しくなってきた。

【００１５】即ち、 （ａ）地球規模で起っている環境破壊を改善するために
は、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も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
比に精密に制御する必要がある。又、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
で車両の走行状態に応じて最適な空燃比に設定すれが一
層好ましい。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、理論
空燃比を精密に検出することが求められている。又、理
論空燃比に加えて、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であればなお良い。

【００１６】（ｂ）エンジンの冷間始動時の炭化水素
（ＨＣ）排出量は、従来の空燃比センサでは、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（Ｈ
Ｃ）排出量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
ためにはエンジン始動時の燃料増量の最適化を図るた
め、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。更に、排出される有害成分
の浄化を図るため排気ガス浄化用触媒による排気ガスの
処理が行なわれる。その浄化性能を十分に引き出すには
理論空燃比を精密に検出できるセンサが求められてお
り、空燃比センサの機能として理論空燃比及び更に加え
て広範囲の空燃比を精密に検出できる機能が求められて
いる。

【００１７】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（特にその空燃比検出部）を作動
に適する温度（約７００℃）にすることが必要なので、
急速に作動させるため、センサの急速昇温加熱が必要で
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。

【００１８】しかし、ジルコニア限界電流式空燃比セン
サの場合には、理論空燃比を高精度で検出でき、更に加
えてリーン領域とリッチ領域の全域計測をするために
は、陰陽両電極を気密に保ち分離させ、排気に暴露され
ない側の電極には高濃度の酸素（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
ない。よって、センサ素子として、通常は一端が閉鎖さ
れた筒形状（コップ形状）のセンサ素子が用いられてい
る。しかし、前述のような素子ではいくら小形化しよう
としても自づから限界がある。

【００１９】（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
力の供給も従来以上に大きくせざるを得ず、これは燃費
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、更にセンサの機能
向上が必要且つ有効である。

【００２０】ところで、従来のジルコニア酸素濃淡電池
式理論空燃比センサでは、理論空燃比の検出をするため
には上述の如く基準電極が必要であり、理論空燃比セン
サ内に空気の導入機構や酸素の発生機構を設ける必要が
ある。しかしながら、センサ内に外気から空気を導入す
る形式の理論空燃比センサは、空気導入通路の寸法が大
きいので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放熱損も大き
くなり、空燃比センサを加熱するための消費電力が大き
くなる。又、寸法が大きいので熱歪みが発生し易く、急
速加熱が不可能であり、必然的に理論空燃比センサの始
動時間が長くなる。そのため、前記理論空燃比センサは
消費電力が大きいことから車両の燃費改善に悪影響を与
えると共に、始動時間が長いことから車両の冷間始動直
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。

【００２１】理論空燃比センサ内に酸素の発生機構を有
する従来のジルコニア酸素濃淡電池式理論空燃比センサ
においても、酸素発生機構を付加するために複雑で大き
な構造を有しており、空気の導入機構を有する前記理論
空燃比センサと同様の問題点を有している。

【００２２】従来のジルコニア限界電流式酸素センサに
おいても、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、又は酸素の発生機能を持った基準極
を作る必要がある。即ち、こ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
関数特性が現わ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。

【００２３】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かリーンかを判別する手段と、
リッチ領域の空燃比を検出する手段、更に、電気化学的
セルにより構成された酸素ガスを供給する酸素ポンプの
手段を付加する必要がある。

【００２４】一方、空燃比センサ内に外部から空気を導
入する形式の全域空燃比センサでは、基本的に全域空燃
比を高精度に検出する性能を有する。しかしながら、こ
の型式の全域空燃比センサは空気導入通路の寸法が大き
く、複雑で大きな構造を有しており、前記のジルコニア
酸素濃淡電池式理論空燃比センサと同様の問題点を有し
ている。

【００２５】本発明は前述の従来の理論空燃比センサに
おける課題を解決するためになされたものであり、その
第１の目的は、温度変化に伴う起電力の変化が小さいな
どの従来の酸素濃淡電池式理論空燃比センサ（例えばジ
ルコニア酸素濃淡電池式理論空燃比センサ）の優れた性
質を全て承継し、且つ空気導入用の通路を必要としない
小形で高性能の薄膜積層型の酸素濃淡電池式理論空燃比
センサ（例えばジルコニア酸素濃淡電池式理論空燃比セ
ンサ）を提供することにある。

【００２６】本発明の第２の目的は、前記酸素濃淡電池
式理論空燃比センサに加えて、耐熱性、安定性に優れ、
しかもセンサ出力の温度依存性が小さいなどの特長を持
ち、且つ空気導入用の通路を必要とせずにリーン領域か
らリッチ領域の全域にわたって空燃比検出計測性能を有
する限界電流式全域空燃比センサ（例えばジルコニア限
界電流式全域空燃比センサ）を有し、理論空燃検出部も
一体化し、原理的に著しく小形化が可能な薄膜積層空燃
比センサを提供することにある。

【００２７】

【課題を解決するための手段】即ち、本第１の発明の薄
膜積層空燃比センサ〔（ｉ）と称する〕は、多孔質基板
上に第１電極が形成され、第１電極の上に第１固体電解
質及び第３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３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３電極の上に第２固体電解質及び第４電極が
順次積層され、第２固体電解質及び第４電極は共に第３
電極の周辺部が露出するように配置され、第１電極，第
３電極及び第４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てなり、多孔質基板上に第１電
極，第１固体電解質及び第３電極によって構成され、酸
素濃淡電池式理論空燃比センサとして作動する部分と、
第３電極，第２固体電解質及び第４電極によって構成さ
れ、酸素ポンプセルとして作動する部分とが一体的に形
成されてなるセンサ素子を有することを特徴とする。

【００２８】本第１の発明の薄膜積層空燃比センサにお
いて、酸素濃淡電池式理論空燃比センサ部分に更に限界
電流式全域空燃比センサ部分を付加した本第１の発明の
好ましい態様〔（ii）と称する〕は、多孔質基板上に第
１電極と独立して更に第２電極が形成され、第１電極及
び第２電極の上に第１固体電解質及び第３電極が順次積
層され、第１固体電解質は第１電極及び第２電極の周囲
を含めて第１電極及び第２電極を覆い隠し、第３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３電極の上に第２固体電解質及び第４電極が
順次積層され、第２固体電解質及び第４電極は共に第３
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，第３電極及び第４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てなり、多孔質基板
上に第１電極，第１固体電解質及び第３電極によって構
成され、酸素濃淡電池式理論空燃比センサとして作動す
る部分と、多孔質基板上に第２電極，第１固体電解質及
び第３電極によって構成され、限界電流式全域空燃比セ
ンサとして作動する部分と、第３電極，第２固体電解質
及び第４電極によって構成され、酸素ポンプセルとして
作動する部分とが一体的に形成されてなるセンサ素子を
有する（ｉ）の薄膜積層空燃比センサである。

【００２９】本第１の発明の薄膜積層空燃比センサにお
いて、センサ素子の外表面全体を、触媒金属例えば白
金、ロジウム、パラジウム等の貴金属触媒（酸化触媒）
を所定量担持した被覆層にて被覆すると、排気ガス中の
未燃焼分を完全燃焼させることができ、未燃焼ガスの影
響を受けないのでセンサ特性が向上し好ましい。この場
合の触媒の種類、担持量、被覆層の厚さ、被覆材料は適
宜選択し、単独又は組み合わせて用いる。

【００３０】本第１の発明の薄膜積層空燃比センサにお
いて、第１電極と多孔質基板とが接している部分〔（i
i）では更に第２電極と多孔質基板とが接している部
分〕は、多孔質基板の表面の凹凸がピークとピークの間
が１μｍ以上あると、酸素濃淡電池式理論空燃比センサ
〔（ii）では更に限界電流式全域空燃比センサ〕として
の性能に良好な結果をもたらすので好ましい。

【００３１】本第１の発明の薄膜積層空燃比センサにお
いて、第１電極〔（ii）では第１電極及び／又は第２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ていると、第１電極〔（ii）
では第１電極及び／又は第２電極〕の面内全体に酸素ガ
スを均一に拡散させることができるので好ましい。前記
溝の大きさ、形状、数等は適宜選択する。

【００３２】本第１の発明の薄膜積層空燃比センサにお
いて、第３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３電極に、それらの通路網の外周部と
外部とを第３電極の外周端面を介して接続する通路が設
けられていると、第３電極内の過剰な酸素ガスを外部に
放出することができるので好ましい。前記通路の大き
さ、形状、数等は適時選択する。

【００３３】第１電極〔（ii）では第１電極及び／又は
第２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３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３電
極に、それらの通路網の外周部と外部とを第３電極の外
周端面を介して接続する通路が設けられていると、前記
二つの長所が併有されるので一層良い。

【００３４】それ故、本第１の発明の薄膜積層空燃比セ
ンサ〔（ｉ）〕及びその好ましい態様（ii）において、
一層好ましい態様は以下のものである。 （iii ）：センサ素子の外表面全体が、触媒金属を担持
した被覆層にて被覆されてなる（ｉ）又は（ii）の薄膜
積層空燃比センサ。 （iv）：第１電極〔（ii）では第１電極及び／又は第２
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てなる（ｉ）ないし（iii
）の何れか一つの薄膜積層空燃比センサ。 （ｖ）：第３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３電極に、それらの通路網の外周部
と外部とを第３電極の外周端面を介して接続する通路が
設けられてなる（ｉ）ないし（iii ）の何れか一つの薄
膜積層空燃比センサ。 （vi）：第１電極〔（ii）では第１電極及び／又は第２
電極〕の多孔質基板と接している部分３微細で互いに連
通する溝が高密度に設けられ、第３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３電極
に、それらの通路網の外周部と外部とを第３電極の外周
端面を介して接続する通路が設けられてなる（ｉ）ない
し（iii ）の何れか一つのの薄膜積層空燃比センサ。

【００３５】本第１の発明の薄膜積層空燃比センサに使
用する多孔質基板は、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。多孔質基板
の大きさや形状、気孔質、多孔度は最適に選択する。
又、所望により多孔質基板の適する位置にセンサ素子に
加熱手段例えばヒータなど設けてもよい。

【００３６】本第１の発明の薄膜積層空燃比センサに使
用する固体電解質は、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。

【００３７】本第１の発明の薄膜積層空燃比センサに使
用する電極は、適する貴金属ペースト例えば白金ペース
トを用いて慣用の方法例えば印刷法により形成してもよ
いし、又は蒸着等により形成してもよい。前記電極の大
きさ、形状及び厚さは適宜選択する。

【００３８】本第１の発明の薄膜積層空燃比センサは、
実際に使用する上でのこの分野における慣用の付帯手
段、例えば電圧印加手段、電圧又は電流測定手段、ヒー
タ加熱手段などを備えていてよい。

【００３９】本第２の発明の薄膜積層空燃比センサ
〔（vii ）と称する〕は、多孔質基板上に第１電極が形
成され、第１電極の上に第１固体電解質及び第３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３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３電極の
上に開口部を有する第２固体電解質が、第１固体電解質
との間に空間を設けて形成され、第２固体電解質の第３
電極と対向する面に第４電極が形成され且つ第２固体電
解質の第３電極と対向する面と反対側の面に第５電極が
形成され、第２固体電解質及び第５電極は共に第３電極
の周辺部が露出するように配置され、第１電極，第３電
極，第４電極及び第５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てなり、多孔質基板上に
第１電極，第１固体電解質及び第３電極によって構成さ
れ、酸素濃淡電池式理論空燃比センサとして作動する部
分と、第４電極，第２固体電解質及び第５電極によって
構成され、酸素ポンプセルとして作動する部分とが一体
的に形成されてなるセンサ素子を有することを特徴とす
る。

【００４０】本第２の発明の薄膜積層空燃比センサにお
いて、酸素濃淡電池式理論空燃比センサ部分に更に限界
電流式全域空燃比センサ部分を付加した本第１の発明の
好ましい態様〔（viii）と称する〕は、多孔質基板上に
第１電極と独立して更に第２電極が形成され、第１電極
及び第２電極の上に第１固体電解質及び第３電極が順次
積層され、第１固体電解質は第１電極及び第２電極の周
囲を含めて第１電極及び第２電極を覆い隠し、第３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３電極の上に開口部を有する第２固体電解
質が、第１固体電解質との間に空間を設けて形成され、
第２固体電解質の第３電極と対向する面に第４電極が形
成され且つ第２固体電解質の第３電極と対向する面と反
対側の面に第５電極が形成され、第２固体電解質及び第
５電極は共に第３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，第３電極，第４電極及び第５
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
形成されてなり、多孔質基板上に第１電極，第１固体電
解質及び第３電極によって構成され、酸素濃淡電池式理
論空燃比センサとして作動する部分と、多孔質基板上に
第２電極，第１固体電解質及び第３電極によって構成さ
れ、限界電流式全域空燃比センサとして作動する部分
と、第４電極，第２固体電解質及び第５電極によって構
成され、酸素ポンプセルとして作動する部分とが一体的
に形成されてなるセンサ素子を有することを特徴とす
る。

【００４１】本第２の発明の薄膜積層空燃比センサにお
いては、本第１の発明の薄膜積層空燃比センサと異な
り、第３電極の上に開口部を有する第２固体電解質が、
第１固体電解質との間に空間を設けて形成されている。
前記空間の大きさ（容積）、形状は適宜選択する。又、
前記空間は、適する多孔性材料例えば発泡セラミックに
より充填されていてもよい。第４電極，第２固体電解質
及び第５電極によって構成された酸素ポンプセルにより
前記空間内に供給される酸素ガスの量が過剰である場合
には、第２固体電解質の開口部より酸素ガスがセンサ素
子の外部に放出されるので、前記空間内の酸素ガス分圧
は常に最適に制御される。

【００４２】第２固体電解質に設ける開口部の大きさ、
形状、数は、センサ素子の所定の性能が得られる様に適
宜選択する。開口部としては例えばピンホールを用いる
ことができる。

【００４３】本第２の発明の薄膜積層空燃比センサ
〔（vii ）〕及びその好ましい態様（viii）において、
一層好ましい態様は以下のものである。（ix）センサ素
子の外表面全体が、触媒金属を担持した被覆層にて被覆
されてなる（vii ）又は（viii）の薄膜積層空燃比セン
サ。（ｘ）第１電極〔（viii）では第１電極及び／又は
第２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てなる（vii ）ないし
（ix）の何れか一つの薄膜積層空燃比センサ。（xi）第
３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３電極に、それらの通路網の外周部と外部と
を第３電極の外周端面を介して接続する通路が設けられ
てなる（vii ）ないし（ix）の何れか一つの薄膜積層空
燃比センサ。（xii ）第１電極〔（viii）では第１電極
及び／又は第２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３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３電極に、それらの通路網の外周部と外部とを第
３電極の外周端面を介して接続する通路が設けられてな
る（vii ）ないし（ix）の何れか一つの薄膜積層空燃比
センサ。

【００４４】本第２の発明の薄膜積層空燃比センサにお
ける他の構成要素及び付帯手段に関しては、本第１の発
明の薄膜積層空燃比センサにおける構成要素と同様の事
が言える。

【００４５】

【作用】本発明の薄膜積層空燃比センサは、従来のジル
コニア理論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、車両エンジン燃焼排気中に多量に含
まれている水蒸気及び二酸化炭素から酸素を解離させて
酸素イオンを酸素ポンプ作用により強制的に供給する。
又、本発明のセンサは、酸素ポンプセルの下に酸素濃淡
電池セルが多孔質基板上に薄膜手法にて積層されている
ため、低消費電力で急速加熱、急速昇温及び急速作動が
可能であり、理論空燃比を精度良く測定することができ
る。なお、本発明の薄膜積層空燃比センサにおいて、酸
素濃淡電池セルに加えて更に限界電流セルを付加した態
様は、理論空燃比に加えて更に全域空燃比も測定が可能
である。

【００４６】

【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。

【００４７】実施例１（第１の発明） 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３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３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３電極４の上に第２固体電解質５及び第４電極６が順
次積層され、第２固体電解質５及び第４電極６は共に第
３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３電極４及び第４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（白金ペーストを塗布する
印刷法によって形成した）、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）。

【００４８】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、ロジウム、パラジウム等
の貴金属又はそれらの合金やＳｉＣ，Ｗ，Ｒｅ，Ｍｏな
どからなる耐熱導電材料が適しており、本例では白金を
用いた。

【００４９】更に、図１に示すように、第４電極６に対
して第３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。１０は第１電極２に対する第３電極４の
電位差（電圧）を測定するための電圧測定手段である。

【００５０】第４電極６に対して第３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４電極６側から第３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４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４電極６に供給され
た水蒸気及び二酸化炭素が第４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３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３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。

【００５１】第１電極２、第１固体電解質３及び第３電
極４からなる部分は、酸素濃淡電池式空燃比検出部とし
て作用し、起電力から理論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、前記酸素濃淡電池式空燃比検出
部の起電力特性を測定すると、図２が得られた。

【００５２】第３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３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。

【００５３】実施例２（第１の発明） 図３に本発明の実施例２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１１が高密度に設けられたこと以外は実施
例１のセンサと同じである。理論空燃比センサでは白金
電極を用いているが、白金は酸化・還元の繰り返しに対
する耐久性が必ずしも充分ではないことから、多孔質層
によって表面を被覆して雰囲気中から電極表面に到達す
るガスの拡散量を制限することにより劣化を抑制する
と、長期安定性も得易くなる。そこで、拡散抵抗の大き
い多孔質基板１を用いてガスの拡散量を下げるのが有効
な方法であるが、その反面、第１電極２の面内に酸素ガ
スが供給され難い部分（無効部分）、即ち、過渡応答時
間の長い部分が生じる。すると、過渡応答時間の短い正
常な部分の起電力と、過渡応答時間の長い不正常な部分
の起電力とが相互に影響を及ぼし合うことにより、全体
として起電力の変化が緩慢な特性となり、これは空燃比
制御用センサとしては不適切である。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。

【００５４】溝１１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
れ難い部分（無効部分）、即ち、過渡応答時間の長い不
正常な部分の発生を抑制でき、電極面内の過渡応答時間
を一定に揃えることができる。従って、全体として起電
力の変化が緩慢な空燃比制御用センサとして不適切な特
性となることが防止され、良好な耐久性が得られると共
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。

【００５５】図４は図３のセンサの第１電極２の平面図
である。本例では溝１１は所定間隔で格子状に設けた。

【００５６】実施例３（第１の発明） 図５に本発明の実施例３のセンサを示す。本センサは第
３電極４に微細で互いに連通する通路１２が高密度に設
けられ、更に第３電極４に、それらの通路網の外周部と
外部とを第３電極４の外周端面を介して接続する通路１
３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。

【００５７】酸素ポンプの作用により第３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１２及
び通路１３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。

【００５８】図６に図５のセンサの第３電極４のＡ−Ａ
線に沿った平面図を示す。本例では通路１２は所定間隔
で格子状に設け、又、通路１３は通路１２の外周部と外
部とを接続するように通路１２の外周部に縦横方向に設
けた。

【００５９】実施例４（第１の発明） 図７に本発明の実施例４のセンサを示す。本センサは実
施例２のセンサと同様に第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１１が高密度に
設けられ、又、実施例３のセンサと同様に第３電極４に
微細で互いに連通する通路１２が高密度に設けられ、更
に第３電極４に、それらの通路網の外周部と外部とを第
３電極４の外周端面を介して接続する通路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。

【００６０】それ故、本センサは実施例２のセンサの前
記長所と実施例３のセンサの前記長所とを併有してい
る。

【００６１】図８は図７のセンサの第１電極２の平面図
である。本例では溝１１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３電極４のＡ−Ａ線に沿っ
た平面図である。本例では通路１２は所定間隔で格子状
に設け、通路１３は通路１２の外周部と外部とを接続す
るように通路１２の外周部に縦横方向に設けた。

【００６２】実施例５（第１の発明） 図１０に本発明の実施例５のセンサを示す。本センサの
構成は、例えばアルミナなどからなる多孔質基板１（多
孔質基板の表面の凹凸がピークとピークの間が１μｍ以
上ある）上に第１電極２、第１電極に並行して配列され
た第２電極１４、第１固体電解質３及び第３電極４が順
次積層され、第１固体電解質３は第１電極２及び第２電
極１４の周囲を含めて第１電極２及び第２電極１４を覆
い隠し、又第３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３電極４上に第
２固体電解質５及び第４電極６が順次積層され、第２固
体電解質５及び第４電極６は共に第３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１４、
第３電極４及び第４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（例えば、ジルコニア）を用い
て形成されている。

【００６３】又、多孔質基板１の裏側にはヒータ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、ロジウム、パラジウム等
の貴金属又はそれらの合金やＳｉＣ，Ｗ，Ｒｅ，Ｍｏな
どからなる耐熱導電材料が適しており、本例では白金を
用いた。

【００６４】更に、図１０に示すように、第４電極６に
対して第３電極４に正の電圧を印加するための電圧印加
手段１５を設けた。又、第２電極１４に対して第３電極
４に正の電圧を印加するための電圧印加手段１６を設け
た。１７は流れる電流を測定するための電流測定手段で
ある。又、第１電極２と第３電極４の間に発生する起電
力を測定するための電圧測定手段１０を設けた。

【００６５】第４電極６に対して第３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４電極６から第３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、排気中に残っている酸素ガス、更に、排
気中に含まれている水蒸気、二酸化炭素は第４電極６に
て解離され酸素イオンが生成される。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、排気中に含まれる水蒸気、二酸化炭素は第４電極６
で解離されて酸素イオンが生成される。生成した酸素イ
オンは第２固体電解質５中をイオン伝導し第３電極４へ
輸送され、第２固体電解質５と第３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３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。

【００６６】第２電極１４、第１固体電解質３及び第３
電極４からなる部分は、限界電流式全域空燃比センサと
して作動し、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率
をパラメータにして、前記限界電流式全域空燃比センサ
の電流−電圧特性を測定すると図１１が得られた。更
に、図１１中の一点鎖線で示す印加電圧を与えて測定し
た電流を図１２に示す。

【００６７】一方、第１電極２、第１固体電解質３及び
第３電極４からなる部分は、酸素濃淡電池式理論空燃比
センサとして作動し、起電力の急変特性から理論空燃比
を測定することができる。よって、センサ周囲の燃焼排
気中の空気過剰率をパラメータにして、前記酸素濃淡電
池式理論空燃比センサの起電力特性を測定すると図２に
示す関係と同様の関係が得られた。

【００６８】実施例５のセンサの空燃比センサ部分との
比較のために、従来技術による空燃比センサの特性を図
１８及び図１９に示す。図１８は図１１に対応する図で
あり、図１９は図１２に対応する図である。図１８は図
１１、及び図１９は図１２の比較から明らかなように、
従来技術の空燃比センサでは空気過剰率が１より小さい
（即ち、燃料リッチ）雰囲気下に於いて、限界電流特性
が第３象限に現れていたのに対し、本発明のセンサの空
燃比センサ部分では第４象限に現れている。

【００６９】その結果、従来品では空気過剰率が１より
大きい（即ち、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（即ち、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、本実施例品では空燃比センサ
部分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。

【００７０】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。

【００７１】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。

【００７２】本実施例のセンサの空燃比センサ部分で
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３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。

【００７３】実施例６（第１の発明） 図１３に本発明の実施例６のセンサを示す。本センサは
第１電極２及び第２電極１４の多孔質基板１と接してい
る部分に、実施例２のセンサと同様に微細で互いに連通
する溝１１が高密度に設けられたこと以外は実施例５の
センサと同じである。酸素センサでは電極の単位面積当
たりの電流（即ち、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及び第２電極１４
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。

【００７４】溝１１は、第１電極２及び第２電極１４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及び第２
電極１４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。

【００７５】実施例６のセンサの第１電極２及び第２電
極１４に設けた溝１１の平面図は図４と同じである。本
例では溝１１は所定間隔で格子状に設けた。

【００７６】実施例７（第１の発明） 図１４に本発明の実施例７のセンサを示す。本センサは
第３電極４に実施例３のセンサと同様に微細で互いに連
通する通路１２が高密度に設けられ、更に第３電極４
に、それらの通路網の外周部と外部とを第３電極４の外
周端面を介して接続する通路１３が設けられたこと以外
は実施例５のセンサと同じである。

【００７７】第３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、酸素ポンプの作用
により第３電極４へ過剰な酸素が供給され第３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１
２及び通路１３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３電極４内の圧力の上昇は抑制され
るので測定の障害にはならない。又、第１電極２及び第
２電極１４内の酸素ガスは多孔質基板１内に排出され
る。

【００７８】実施例７のセンサの第３電極４のＡ−Ａ線
に沿った平面図は図６と同じである。本例では通路１２
は所定間隔で格子状に設け、又、通路１３は通路１２の
外周部と外部とを接続するように通路１２の外周部に縦
横方向に設けた。

【００７９】実施例８（第１の発明） 図１５に本発明の実施例８のセンサを示す。本センサは
実施例６のセンサと同様に第１電極２及び第２電極１４
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１１が高密度に設けられ、又、実施例７のセンサと
同様に第３電極４に微細で互いに連通する通路１２が高
密度に設けられ、更に第３電極４に、それらの通路網の
外周部と外部とを第３電極４の外周端面を介して接続す
る通路１３が設けられたこと以外は実施例５のセンサと
同じである。

【００８０】それ故、本センサは実施例６のセンサの前
記長所と実施例７のセンサの前記長所とを併有してい
る。

【００８１】実施例８のセンサの第１電極２及び第２電
極１４の平面図は図４と同じである。本例では溝１１は
所定間隔で格子状に設けた。又、実施例８のセンサの第
３電極４のＡ−Ａ線に沿った平面図は図６と同じであ
る。本例では通路１２は所定間隔で格子状に設け、通路
１３は通路１２の外周部と外部とを接続するように通路
１２の外周部に縦横方向に設けた。

【００８２】実施例９（第１の発明） 図１６に本発明の実施例９のセンサを示す。本センサ
は、センサ素子全体が触媒金属を担持した被覆層１８で
被覆されていること以外は実施例５のセンサと同じであ
る。触媒金属としては例えば白金を用い、被覆層の材質
としては例えばアルミナを用いてよい。以下に、触媒金
属を担持した被覆層１８を設ける理由について説明す
る。

【００８３】限界電流式全域空燃比センサの出力電流特
性及び酸素濃淡電池式理論空燃比センサの起電力特性
は、被検体である自動車排気ガス中の未燃焼ガス成分の
影響を大きく受ける。

【００８４】然して、自動車エンジンでは、ガソリンと
空気を混合し、各気筒で燃焼させるが、その場合、気筒
ごとに発生する未燃焼ガス成分の濃度が違う場合があ
る。例えば、第１気筒では燃焼後の未燃焼ガス成分とし
てＨ₂ が多く、他の気筒ではＨＣガスが多かったとする
と、Ｈ₂ ガス未燃焼成分の多い第１気筒の影響を大きく
受ける位置にセンサが取り付けられていた場合、限界電
流式全域空燃比センサでは出力電流が大きくなり、酸素
濃淡電池式理論空燃比センサでは起電力急変点がリーン
側へ移動することが予想される。更に、他の気筒の影響
を受ける位置にセンサが取り付けられている場合には、
限界電流式全域空燃比センサでは出力電流は小さくな
り、酸素濃淡電池式理論空燃比センサは起電力急変点が
リッチ側へ移動することが予想される。

【００８５】このようにセンサに到達する未燃焼ガス成
分によってセンサ特性は変わることから、未燃焼ガス成
分の影響を極力小さくする必要がある。その対策法とし
て、白金、ロジウム、パラジウム等の触媒金属を担持し
た被覆層にてセンサ素子全体を被覆することが有効であ
る。このような触媒金属を担持した被覆層があると、セ
ンサ素子表面に到達した未燃焼ガス成分は触媒の作用に
より被覆層にて完全燃焼する。よってセンサ素子に供給
される被検ガスは、未燃焼成分ガスを含まないことか
ら、センサ出力特性を安定化する方法として有効であ
る。

【００８６】なお、触媒金属を担持した被覆層１８を設
ける場合において、被覆層の材質、多孔度、厚さ、更に
触媒の種類、担持量などは、目的とする性能が得られる
様に適宜選択する。

【００８７】実施例１０（第２の発明） 図１７に本発明の実施例１０のセンサを示す。本第２の
発明の薄膜積層空燃比センサにおいては、前記本第１の
発明の薄膜積層空燃比センサと異なり、センサ素子内に
空間を有する。即ち、本実施例のセンサにおいては、第
３電極４の上に開口部１９（ピンホール）を有する第２
固体電解質５が、第１固体電解質３との間に空間２０を
設けて形成されており、第２固体電解質５の第３電極４
側には第４電極２１が形成され且つ第２固体電解質５の
第３電極４の反対側には第５電極２２が形成されてい
る。他の構造は、前記実施例９のセンサと同様である。
以下に、空間２０の機能を説明する。

【００８８】本実施例のセンサでは酸素ポンプセルの酸
素ポンプ作用によって、空間２０内の圧力が高まれば、
開口部１９を通じて過剰な酸素ガスがセンサ素子の外部
に排出されることにより空間２０内の酸素ガス圧力が低
下するので、第３電極４近傍の雰囲気は一定酸素雰囲気
に保たれ、それ故、第３電極４は基準酸素極の作用をす
る。

【００８９】上記のように本発明のセンサでは、従来の
大気基準極に相当する基準極を作り出す酸素ポンプセル
と、酸素濃淡電池式理論空燃比センサとが一体化されて
いることから、酸素濃淡電池式理論空燃比センサの起電
力の急変特性から精度よく理論空燃比を検出することが
できる。又、酸素濃淡電池式理論空燃比センサに加えて
限界電流式全域空燃比センサを付加した態様において
は、出力電流に基づいてリッチ領域からリーン領域まで
の広い空燃比を検出することができる。

【００９０】

【発明の効果】本発明の薄膜積層空燃比センサは上述の
如き構成を有するため、以下に例示する様な種々の効果
を奏する。 １）本センサは、酸素ポンプ作用によってセンサ素子に
酸素を供給するため、センサ素子に酸素導入部を設ける
必要がなく、ハウジングの外部と連通する部分を必要と
しない。よって、センサ全体を小形にすることができ
る。 ２）本センサは、センサ素子に酸素導入部を設ける必要
がないので、センサ素子を従来のセンサのように筒状な
どの立体的な構造とする必要がなく、平面的な構成とす
ることができるので、薄膜技術で製作するために適して
いる。 ３）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。 ４）本センサは酸素を解離する部分及び酸素ポンプとし
て作用する部分、酸素濃淡電池式理論空燃比センサとし
て作動する部分が一体化されており、温度依存性が小さ
いことから使用方法が簡単である。 ５）本センサの酸素濃淡電池式理論空燃比センサ部分で
は、基準電圧を温度によって調整するなどの煩雑な操作
をすることなく、理論空燃比を正確に測定することがで
きる。 ６）本センサは小形化が可能であることから加熱に要す
る電力が小さい。 ７）本センサは薄膜手法で製作されているので急速昇温
しても発生する熱歪みが小さく、安定性が良い。 ８）本センサは多孔質基板上に薄膜技術により製作され
るので、量産性が良く、製造時の低コスト化が可能であ
る。 ９）本センサは種々の変形が可能であるので、適用範囲
が広い。 １０）本センサにおいて限界電流式全域空燃比センサと
して作動する部分を付加した態様においては、限界電流
式全域空燃比センサ部分では、印加電圧を切り換えるこ
となくリッチ領域からリーン領域までの空燃比を検出す
ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施例１の空燃比センサの説明図であ
る。

【図２】実施例１の空燃比センサの起電力特性を示す図
である。

【図３】本発明の実施例２の空燃比センサの説明図であ
る。

【図４】図３の空燃比センサの第１電極の平面図であ
る。

【図５】本発明の実施例３の空燃比センサの説明図であ
る。

【図６】図５の空燃比センサの第３電極のＡ−Ａ線に沿
った平面図である。

【図７】本発明の実施例４の空燃比センサの説明図であ
る。

【図８】図７の空燃比センサの第１電極の平面図であ
る。

【図９】図７の空燃比センサの第３電極のＡ−Ａ線に沿
った平面図である。

【図１０】本発明の実施例５の空燃比センサの説明図で
ある。

【図１１】実施例５の空燃比センサの限界電流式全域空
燃比センサ部分の電流−電圧特性を示す図である。

【図１２】実施例５の空燃比センサにおいて、図１１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１３】本発明の実施例６の空燃比センサの説明図で
ある。

【図１４】本発明の実施例７の空燃比センサの説明図で
ある。

【図１５】本発明の実施例８の空燃比センサの説明図で
ある。

【図１６】本発明の実施例９の空燃比センサの説明図で
ある。

【図１７】本発明の実施例１０の空燃比センサの説明図
である。

【図１８】従来の空燃比センサの限界電流式全域空燃比
センサ部分の電流−電圧特性を示す図である。

【図１９】従来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３電極 ５ 第２固体電解質 ６，２１ 第４電極 ７ ヒータ ８ ヒータ加熱手段 ９，１５，１６ 電圧印加手段 １０ 電圧測定手段 １１ 溝 １２，１３ 通路 １４ 第２電極 １７ 電流測定手段 １８ 被覆層 １９ 開口部 ２０ 空間 ２２ 第５電極

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 竹内 正治 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 颯田 耕三 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 (56)参考文献 特開 平６−201642（ＪＰ，Ａ) 特開 昭57−144454（ＪＰ，Ａ) 特開 昭59−95452（ＪＰ，Ａ) 特開 昭62−214347（ＪＰ，Ａ) 特開 平５−126793（ＪＰ，Ａ) 特開 昭59−108951（ＪＰ，Ａ) 実開 昭61−206863（ＪＰ，Ｕ) 実開 平１−158959（ＪＰ，Ｕ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) G01N 27/419 G01N 27/409 G01N 27/41

Claims (2)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 多孔質基板上に第１電極が形成され、第
   １電極の上に第１固体電解質及び第３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３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３電極の上に第２固
   体電解質及び第４電極が順次積層され、第２固体電解質
   及び第４電極は共に第３電極の周辺部が露出するように
   配置され、第１電極，第３電極及び第４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てな
   り、 多孔質基板上に第１電極，第１固体電解質及び第３電極
   によって構成され、酸素濃淡電池式理論空燃比センサと
   して作動する部分と、 第３電極，第２固体電解質及び第４電極によって構成さ
   れ、酸素ポンプセルとして作動する部分とが一体的に形
   成されてなるセンサ素子を有することを特徴とする薄膜
   積層空燃比センサ。
2. 【請求項２】 多孔質基板上に第１電極が形成され、第
   １電極の上に第１固体電解質及び第３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３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３電極の上に開口部
   を有する第２固体電解質が、第１固体電解質との間に空
   間を設けて形成され、第２固体電解質の第３電極と対向
   する面に第４電極が形成され且つ第２固体電解質の第３
   電極と対向する面と反対側の面に第５電極が形成され、
   第２固体電解質及び第５電極は共に第３電極の周辺部が
   露出するように配置され、第１電極，第３電極，第４電
   極及び第５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てなり、 多孔質基板上に第１電極，第１固体電解質及び第３電極
   によって構成され、酸素濃淡電池式理論空燃比センサと
   して作動する部分と、 第４電極，第２固体電解質及び第５電極によって構成さ
   れ、酸素ポンプセルとして作動する部分とが一体的に形
   成されてなるセンサ素子を有することを特徴とする薄膜
   積層空燃比センサ。