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JP4137698B2 - Air-fuel ratio sensor - Google Patents

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JP4137698B2
JP4137698B2 JP2003140303A JP2003140303A JP4137698B2 JP 4137698 B2 JP4137698 B2 JP 4137698B2 JP 2003140303 A JP2003140303 A JP 2003140303A JP 2003140303 A JP2003140303 A JP 2003140303A JP 4137698 B2 JP4137698 B2 JP 4137698B2
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JP
Japan
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gas diffusion
diffusion layer
gas
air
fuel ratio
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祥一 堺
太 一柳
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Hitachi Ltd
Original Assignee
Hitachi Ltd
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  • Measuring Oxygen Concentration In Cells (AREA)

Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
この発明は、例えば自動車エンジン等の燃焼機関に供給される混合気の空燃比(燃料と吸入空気との混合比)を検出するのに好適な空燃比センサに関する。
【0002】
【従来の技術】
一般に、自動車エンジン等では、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を検出する構成としている。従来、この種の技術としては、例えば以下に示す文献に記載されものが知られている(特許文献1参照)。
【0003】
この種の従来技術による空燃比センサとしては、例えば図5の断面図に示すように構成されたものがある。図5(a)において、空燃比センサのセンサ素子部は、例えば曲面印刷により各層がロッド型に形成されており、基体としてのアルミナロッド50の外周に、アルミナ絶縁層51、第1ガス拡散層52、酸素イオン伝導性の緻密な固体電解質層53が、積層されて形成されている。また、第1ガス拡散層52の内側に内側第1電極54が形成され、固体電解質層53を挟むようにこの内側第1電極54に対向して外側電極55が形成されている。さらに、第1ガス拡散層52の内側に内側第1電極54に隣り合って内側第2電極56が形成され、固体電解質層53を挟むようにこの内側第2電極56に対向して基準電極57が形成されている。
【0004】
内側第2電極56は、仮想グランド(例えば1.5V程度の基準電位)に接続され、基準電極57は、基準電極57に酸素を供給するための酸素ポンピング電源58に接続されている。
【0005】
このような構成において、空燃比が理論空燃比よりもリーン状態であって排気ガス中に多くの酸素が存在する場合には、内側第2電極56の酸素分圧と基準電極57の酸素分圧との差は小さく、基準電極57の電圧は低くなる。一方、空燃比が理論空燃比よりもリッチ状態で排気ガス中の酸素濃度が低い場合には、内側第2電極56の酸素分圧と基準電極57の酸素分圧との差は大きくなり、基準電極57の電圧は高くなる。
【0006】
このように変化する基準電極57の電位は、比較器59に与えられ、所定の比較用電圧(理論空燃比相当電圧)と比較される。比較結果において、基準電極57の電位が比較用電圧よりも高い場合には、ポンピング電圧として比較器59から内側第2電極56の電圧よりも低い電圧が出力され、基準電極57の電位が比較用電圧よりも低い場合には、ポンピング電圧として比較器59から内側第2電極56の電圧よりも高い電圧が出力される。
【0007】
【特許文献1】
特開昭61−194344号公報
【0008】
【発明が解決しようとする課題】
以上説明したように、図5(a)に示すような従来の空燃比センサにおいて、内側第1電極54は、奥行き方向(センサ素子の素子軸方向、図5の左右方向)に所定の長さを有して形成されている。このため、図5(b)に示すように、排気ガス等の被測定ガスが、センサ素子の先端部から第1ガス拡散層52を通って内側第1電極54に達するまでの経路が多数存在することになる。
【0009】
この結果、被測定ガスが第1ガス拡散層52を通って内側第1電極に達するときのガス拡散抵抗にばらつきが生じやすくなる。これにより、基準電極57にポンピング電圧を印加した際に固体電解質層53を介して基準電極57と内側第1電極54ならびに内側第2電極56間に流れる拡散限界(ポンプ)電流の特性において、図6に示すように、フラット性が損なわれたり、ヒステリシスが発生したりする。このように、拡散限界電流特性のフラット性が損なわれたり、拡散限界電流特性にヒステリシスが発生すると、センサ出力にばらつきが生じて不安定となり、空燃比の検出精度が低下するといった不具合を招いていた。
【0010】
そこで、この発明は、上記に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、拡散限界電流の特性を安定化して、センサ出力の安定化を図り、検出精度を向上した空燃比センサを提供することにある。
【0011】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するため、請求項1記載の発明は、被測定ガスが内部を拡散する第1ガス拡散層と、前記第1ガス拡散層の外側に設けられ酸素イオン伝導性の固体電解質層と、前記第1ガス拡散層と前記固体電解質層との間に設けられ、前記第1ガス拡散層を介して前記被測定ガスが導かれ、前記固体電解質層の外側に設けられた外側電極との間で拡散限界電流が流れる内側電極とを備え、前記被測定ガスの酸素濃度を測定して前記被測定ガスの空燃比を検出する空燃比センサにおいて、前記第1ガス拡散層と前記被測定ガスのガス雰囲気との間に、第2ガス拡散層を配置し、前記第2ガス拡散層は、繊維カーボンを添加して形成されたことを特徴とする。
【0012】
上記特徴においては、内側電極に到達する被測定ガスの経路における被測定ガスの拡散抵抗を、第2ガス拡散層で支配するようにしている。これにより、被測定ガスのガス拡散抵抗のばらつきを抑制することが可能なり、拡散限界電流特性を安定化させることができる。この結果、センサ出力が安定して、検出精度を向上させることができる。
【0013】
請求項2記載の発明は、前記第2ガス拡散層は、そのガス拡散抵抗が前記第1ガス拡散層のガス拡散抵抗よりも十分大きく設定されていることを特徴とする。
【0014】
上記特徴においては、第2ガス拡散層のガス拡散抵抗を第1ガス拡散層のガス拡散抵抗よりも大きく設定することで、内側電極に到達する被測定ガスの経路における被測定ガスの拡散抵抗を、第2ガス拡散層で支配するようにしている。これにより、被測定ガスのガス拡散抵抗のばらつきを抑制することが可能なり、拡散限界電流特性を安定化させることができる。この結果、センサ出力が安定して、検出精度を向上させることができる。
【0015】
請求項3記載の発明は、前記請求項2記載の発明において、前記第1ガス拡散層は、アルミナを主成分としたセラミック材に平均粒径4〜6μm程度の球形カーボンを添加して形成され、前記第2ガス拡散層は、アルミナを主成分とするセラミック材に平均線径1μm程度、平均長さ2〜3μm程度の繊維カーボンを添加して形成されることを特徴とする。
【0016】
上記特徴においては、第1ガス拡散層よりも十分に大きなガス拡散抵抗を有する第2ガス拡散層を、容易かつ確実に形成することができる。
【0017】
【発明の実施の形態】
以下、図面を用いてこの発明の実施形態を説明する。
【0018】
図1はこの発明の第1の実施形態に係る空燃比センサの構成を示す図である。この第1の実施形態の空燃比センサの特徴とするところは、図5に示す従来の空燃比センサにおいて、センサ素子における被測定ガスの導入部から内側電極に達するガスの経路に第2ガス拡散層を設けたことにある。
【0019】
図1において、空燃比センサのセンサ素子の基体に積層された絶縁層1に、第1ガス拡散層2(図5に示す第1ガス拡散層52に相当する)が積層形成されている。この第1ガス拡散層2には、内側電極3(図5に示す内側第1電極54に相当する)が積層されて形成されている。また、第1ガス拡散層2に隣接して、センサ素子における被測定ガスの導入部から内側電極3に達するガスの経路には、絶縁層1に第2ガス拡散層4が積層されて形成されている。すなわち、第2ガス拡散層4は、被測定ガス雰囲気と第1ガス拡散層2との間に設けられている。
【0020】
第1ガス拡散層2、内側電極3ならびに第2ガス拡散層4には、酸素イオン伝導性の緻密な固体電解質層5(図5に示す固体電解質層53に相当する)が積層されて形成されている。また、固体電解質層5を挟んで内側電極3に対向するように形成された外側電極(図示せず)を保護する電極保護層6が第2ガス拡散層4ならびに固体電解質層5に積層されて形成されている。絶縁層1、第1ガス拡散層2、内側電極3、第2ガス拡散層4、固体電解質層5ならびに電極保護層6の各層は、基体となるロッドの周囲に曲面印刷により形成される。
【0021】
第2ガス拡散層4は、ガス拡散抵抗値が第1ガス拡散層2のガス拡散抵抗値に比べて十分大きく設定されている。したがって、第1ガス拡散層2のガス拡散抵抗値は、第2ガス拡散層4のガス拡散抵抗値に比べて十分に小さく設定されている。
【0022】
具体的には、第1ガス拡散層2は、例えばアルミナを主成分としたセラミック材に、平均粒径4〜6μm程度の球形カーボンを添加して形成される。第2ガス拡散層4は、例えばアルミナを主成分としたセラミック材に、平均線径約1μm程度、平均長さ2〜3μm程度の繊維カーボンを添加して形成される。また、第1ガス拡散層2は、その気孔率が60〜80%程度に設定され、第2ガス拡散層4は、その気孔率が15〜20%程度に設定されている。さらに、第2ガス拡散層4は、そのガス拡散距離が300〜400μm程度に設定されている。
【0023】
このような構成において、センサ素子に導入された被測定ガスは、まず第2ガス拡散層4を通り、第2ガス拡散層4を通過した被測定ガスは第1ガス拡散層2を通り内側電極3に到達することになる。すなわち、被測定ガスは、内側電極3に到達するためには、第1ガス拡散層2のガス拡散抵抗値に比べて大きなガス拡散抵抗値の第2ガス拡散層4を通過しなければならない。このため、内側電極3に到達するまでの被測定ガスの流れにおいて、被測定ガスのガス拡散抵抗は、第2ガス拡散層4のガス拡散抵抗で決まることになる。すなわち、第2ガス拡散層4の拡散抵抗値は、第1ガス拡散層2のガス拡散抵抗値に比べて大きく設定されているので、内側電極3に到達するまでの被測定ガスの流れにおいて、ガスの拡散抵抗は、第2ガス拡散層4のガス拡散抵抗が支配することになる。
【0024】
この結果、内側電極3に到達するまでの被測定ガスの流れにおいて、ガスの拡散抵抗は、従来に比べて大きくなり、ガスの流路における拡散抵抗のばらつきを抑制することが可能となる。これにより、拡散限界電流特性は、図2に示すように、特性がフラットとなるべき領域においてフラット性を確保することができると共に、ヒステリシスの発生も従来に比べて抑えることができる。したがって、図3に示すように、センサ出力のばらつきが抑制されてセンサ出力が安定し、空燃比の検出精度を向上させることができる。
【0025】
また、第1ガス拡散層2の気孔率を100%の空間層として構成せず、第1ガス拡散層2の気孔率を60〜80%程度とすることで、センサ出力のオーバーシュート、アンダーシュートを防止すると共に、センサを製造する際の製造歩留まりを向上させることが可能となる。
【0026】
図4はこの発明の第2の実施形態に係る空燃比センサの構成を示す図である。先に説明した図1に示す第1の実施形態の空燃比センサでは、第2ガス拡散層4を形成し、続いて固体電解質層5を形成し、外側電極(図示せず)を形成した後電極保護層6を形成し、固体電解質層5の内側に第2ガス拡散層4を形成していたのに対して、この第2の実施形態の空燃比センサの特徴とするところは、図4に示すように、電極保護層6を曲面印刷により形成する前に、第2ガス拡散層4を第1ガス拡散層2ならびに固体電解質層5の側面を覆うように形成配置したことにある。
【0027】
また、先の第1の実施形態では、第1ガス拡散層2は、その気孔率が60〜80%程度に設定され、第2ガス拡散層4は、その気孔率が15〜20%程度に設定され、さらに第2ガス拡散層4は、そのガス拡散距離が300〜400μm程度に設定されているのに対して、この第2の実施形態では、第1ガス拡散層2は、その気孔率が60〜80%程度に設定され、第2ガス拡散層4は、その気孔率が3〜4%程度に設定され、さらに第2ガス拡散層4は、そのガス拡散距離が30〜40μm程度に設定されている。他は第1の実施形態と同様である
このように、第2ガス拡散層4を形成配置する構成では、前述した第1の実施形態と同様に、センサ素子に導入された被測定ガスは、まず第2ガス拡散層4を通り、第2ガス拡散層4を通過した被測定ガスは第1ガス拡散層2を通り内側電極3に到達することになる。すなわち、被測定ガスは、内側電極3に到達するためには、第1ガス拡散層2のガス拡散抵抗値に比べて大きなガス拡散抵抗値の第2ガス拡散層4を通過しなければならない。このため、内側電極3に到達するまでの被測定ガスの流れにおいて、被測定ガスのガス拡散抵抗は、第2ガス拡散層4のガス拡散抵抗で決まることになる。すなわち、第2ガス拡散層4の拡散抵抗値は、第1ガス拡散層2のガス拡散抵抗値に比べて大きく設定されているので、内側電極3に到達するまでの被測定ガスの流れにおいて、ガスの拡散抵抗は、第2ガス拡散層4のガス拡散抵抗値が支配することになる。
【0028】
この結果、この第2の実施形態においても、前述した第1の実施形態で得られる効果と同様の効果を達成することができる。
【0029】
さらに、上記実施形態から把握し得る請求項以外の技術的思想について、以下に効果と共に記載する。
【0030】
請求項1、2及び3のいずれか1項に記載の空燃比センサにおいて、前記第1ガス拡散層は、その気孔率が60%〜80%程度に形成され、前記第2拡散層は、その気孔率が15%〜20%程度に形成されていることを特徴とする。
【0031】
上記特徴においては、空燃比センサを製造する場合に、センサ出力のオーバーシュート、アンダーシュートを防止すると共に、センサの製造歩留まりを向上させることができる。
【0032】
請求項1、2及び3のいずれか1項に記載の空燃費センサにおいて、前記第2拡散層は、その気孔率が3〜4%程度で形成されていることを特徴とする。
【0033】
上記特徴において、被測定ガスの流れにおいて、ガスの流路におけるガス拡散抵抗のばらつきを抑制することが可能となり、センサ出力が安定し、検出精度が向上できる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の第1の実施形態に係る空燃比センサの構成を示す図である。
【図2】拡散限界電流特性を示す図である。
【図3】空燃比とセンサ出力との関係を示す図である。
【図4】本発明の第2の実施形態に係る空燃比センサの構成を示す図である。
【図5】従来の空燃比センサの構成を示す図である。
【図6】従来の拡散限界電流特性を示す図である。
【符号の説明】
1…絶縁層
2,52…第1ガス拡散層
3…内側電極
4…第2ガス拡散層
5,53…固体電解質層
6…電極保護層
50…アルミナロッド
51…アルミナ絶縁層
54…第1電極
55…外側電極
56…第2電極
57…基準電極
58…酸素ポンピング電源
59…比較器
[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to an air-fuel ratio sensor suitable for detecting an air-fuel ratio (mixing ratio of fuel and intake air) of an air-fuel mixture supplied to a combustion engine such as an automobile engine.
[0002]
[Prior art]
In general, in an automobile engine or the like, for example, an air-fuel ratio sensor (including an oxygen sensor) is provided in the middle of an exhaust pipe, and the oxygen concentration contained in the exhaust gas is detected using the air-fuel ratio sensor. Conventionally, as this type of technology, for example, those described in the following documents are known (see Patent Document 1).
[0003]
As this type of prior art air-fuel ratio sensor, for example, there is one configured as shown in the sectional view of FIG. 5A, each layer of the sensor element portion of the air-fuel ratio sensor is formed in a rod shape by, for example, curved surface printing. An alumina insulating layer 51, a first gas diffusion layer are provided on the outer periphery of an alumina rod 50 as a base. 52, a dense solid electrolyte layer 53 having oxygen ion conductivity is formed by being laminated. Further, an inner first electrode 54 is formed inside the first gas diffusion layer 52, and an outer electrode 55 is formed facing the inner first electrode 54 so as to sandwich the solid electrolyte layer 53. Further, an inner second electrode 56 is formed on the inner side of the first gas diffusion layer 52 adjacent to the inner first electrode 54. The reference electrode 57 is opposed to the inner second electrode 56 so as to sandwich the solid electrolyte layer 53. Is formed.
[0004]
The inner second electrode 56 is connected to a virtual ground (for example, a reference potential of about 1.5 V), and the reference electrode 57 is connected to an oxygen pumping power source 58 for supplying oxygen to the reference electrode 57.
[0005]
In such a configuration, when the air-fuel ratio is leaner than the stoichiometric air-fuel ratio and there is a lot of oxygen in the exhaust gas, the oxygen partial pressure of the inner second electrode 56 and the oxygen partial pressure of the reference electrode 57 And the voltage of the reference electrode 57 is low. On the other hand, when the air-fuel ratio is richer than the stoichiometric air-fuel ratio and the oxygen concentration in the exhaust gas is low, the difference between the oxygen partial pressure of the inner second electrode 56 and the oxygen partial pressure of the reference electrode 57 becomes large, and the reference The voltage of the electrode 57 increases.
[0006]
The potential of the reference electrode 57 that changes in this way is supplied to the comparator 59 and is compared with a predetermined comparison voltage (a theoretical air-fuel ratio equivalent voltage). In the comparison result, when the potential of the reference electrode 57 is higher than the comparison voltage, a voltage lower than the voltage of the inner second electrode 56 is output from the comparator 59 as the pumping voltage, and the potential of the reference electrode 57 is compared. When the voltage is lower than the voltage, a voltage higher than the voltage of the inner second electrode 56 is output from the comparator 59 as a pumping voltage.
[0007]
[Patent Document 1]
Japanese Patent Laid-Open No. 61-194344
[Problems to be solved by the invention]
As described above, in the conventional air-fuel ratio sensor as shown in FIG. 5A, the inner first electrode 54 has a predetermined length in the depth direction (the element axis direction of the sensor element, the left-right direction in FIG. 5). It is formed. For this reason, as shown in FIG. 5B, there are many paths from the measured gas such as exhaust gas to the inner first electrode 54 through the first gas diffusion layer 52 from the tip of the sensor element. Will do.
[0009]
As a result, the gas diffusion resistance when the gas to be measured reaches the inner first electrode through the first gas diffusion layer 52 is likely to vary. Thus, in the characteristics of the diffusion limit (pump) current flowing between the reference electrode 57 and the inner first electrode 54 and the inner second electrode 56 via the solid electrolyte layer 53 when a pumping voltage is applied to the reference electrode 57, As shown in FIG. 6, flatness is impaired or hysteresis occurs. As described above, if the flatness of the diffusion limit current characteristic is impaired or hysteresis occurs in the diffusion limit current characteristic, the sensor output varies and becomes unstable, leading to a problem that the air-fuel ratio detection accuracy is lowered. It was.
[0010]
Therefore, the present invention has been made in view of the above, and an object of the present invention is to provide an air-fuel ratio sensor that stabilizes the characteristics of the diffusion limit current, stabilizes the sensor output, and improves the detection accuracy. It is to provide.
[0011]
[Means for Solving the Problems]
In order to solve the above-mentioned problems, the invention described in claim 1 includes a first gas diffusion layer in which a gas to be measured diffuses inside, and an oxygen ion conductive solid electrolyte layer provided outside the first gas diffusion layer. And an outer electrode provided between the first gas diffusion layer and the solid electrolyte layer, the gas to be measured is guided through the first gas diffusion layer, and provided outside the solid electrolyte layer; And an inner electrode through which a diffusion limit current flows, and an air-fuel ratio sensor for measuring an oxygen concentration of the gas to be measured to detect an air-fuel ratio of the gas to be measured. A second gas diffusion layer is disposed between the gas atmosphere of the gas, and the second gas diffusion layer is formed by adding fiber carbon .
[0012]
In the above feature, the diffusion resistance of the gas to be measured in the path of the gas to be measured reaching the inner electrode is controlled by the second gas diffusion layer. As a result, it is possible to suppress variations in the gas diffusion resistance of the gas to be measured, and to stabilize the diffusion limit current characteristics. As a result, the sensor output is stable and the detection accuracy can be improved.
[0013]
The invention according to claim 2 is characterized in that the gas diffusion resistance of the second gas diffusion layer is set sufficiently larger than the gas diffusion resistance of the first gas diffusion layer.
[0014]
In the above feature, by setting the gas diffusion resistance of the second gas diffusion layer to be larger than the gas diffusion resistance of the first gas diffusion layer, the diffusion resistance of the measurement gas in the path of the measurement gas reaching the inner electrode is reduced. The second gas diffusion layer dominates. As a result, it is possible to suppress variations in the gas diffusion resistance of the gas to be measured, and to stabilize the diffusion limit current characteristics. As a result, the sensor output is stable and the detection accuracy can be improved.
[0015]
The invention according to claim 3 is the invention according to claim 2, wherein the first gas diffusion layer is formed by adding spherical carbon having an average particle diameter of about 4 to 6 μm to a ceramic material mainly composed of alumina. The second gas diffusion layer is formed by adding fiber carbon having an average wire diameter of about 1 μm and an average length of about 2 to 3 μm to a ceramic material mainly composed of alumina.
[0016]
In the above feature, the second gas diffusion layer having a gas diffusion resistance sufficiently larger than that of the first gas diffusion layer can be easily and reliably formed.
[0017]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings.
[0018]
FIG. 1 is a diagram showing the configuration of an air-fuel ratio sensor according to the first embodiment of the present invention. The air-fuel ratio sensor of the first embodiment is characterized in that, in the conventional air-fuel ratio sensor shown in FIG. 5, the second gas diffusion is introduced into the gas path from the measurement gas introduction part to the inner electrode in the sensor element. In providing a layer.
[0019]
In FIG. 1, a first gas diffusion layer 2 (corresponding to the first gas diffusion layer 52 shown in FIG. 5) is laminated and formed on an insulating layer 1 laminated on a base of a sensor element of an air-fuel ratio sensor. The first gas diffusion layer 2 is formed by laminating an inner electrode 3 (corresponding to the inner first electrode 54 shown in FIG. 5). Further, adjacent to the first gas diffusion layer 2, a second gas diffusion layer 4 is laminated on the insulating layer 1 in a gas path reaching the inner electrode 3 from the measurement gas introduction part in the sensor element. ing. That is, the second gas diffusion layer 4 is provided between the measured gas atmosphere and the first gas diffusion layer 2.
[0020]
The first gas diffusion layer 2, the inner electrode 3, and the second gas diffusion layer 4 are formed by laminating a dense solid electrolyte layer 5 (corresponding to the solid electrolyte layer 53 shown in FIG. 5) having an oxygen ion conductivity. ing. Further, an electrode protective layer 6 for protecting an outer electrode (not shown) formed to face the inner electrode 3 with the solid electrolyte layer 5 interposed therebetween is laminated on the second gas diffusion layer 4 and the solid electrolyte layer 5. Is formed. Each of the insulating layer 1, the first gas diffusion layer 2, the inner electrode 3, the second gas diffusion layer 4, the solid electrolyte layer 5, and the electrode protective layer 6 is formed by curved surface printing around a rod serving as a base.
[0021]
The gas diffusion resistance value of the second gas diffusion layer 4 is set sufficiently larger than the gas diffusion resistance value of the first gas diffusion layer 2. Therefore, the gas diffusion resistance value of the first gas diffusion layer 2 is set sufficiently smaller than the gas diffusion resistance value of the second gas diffusion layer 4.
[0022]
Specifically, the first gas diffusion layer 2 is formed by adding spherical carbon having an average particle size of about 4 to 6 μm to a ceramic material mainly composed of alumina, for example. The second gas diffusion layer 4 is formed, for example, by adding fiber carbon having an average wire diameter of about 1 μm and an average length of about 2 to 3 μm to a ceramic material mainly composed of alumina. Further, the porosity of the first gas diffusion layer 2 is set to about 60 to 80%, and the porosity of the second gas diffusion layer 4 is set to about 15 to 20%. Furthermore, the gas diffusion distance of the second gas diffusion layer 4 is set to about 300 to 400 μm.
[0023]
In such a configuration, the measurement gas introduced into the sensor element first passes through the second gas diffusion layer 4, and the measurement gas that has passed through the second gas diffusion layer 4 passes through the first gas diffusion layer 2 to the inner electrode. 3 will be reached. That is, the gas to be measured must pass through the second gas diffusion layer 4 having a larger gas diffusion resistance value than the gas diffusion resistance value of the first gas diffusion layer 2 in order to reach the inner electrode 3. For this reason, in the flow of the gas to be measured until it reaches the inner electrode 3, the gas diffusion resistance of the gas to be measured is determined by the gas diffusion resistance of the second gas diffusion layer 4. That is, since the diffusion resistance value of the second gas diffusion layer 4 is set larger than the gas diffusion resistance value of the first gas diffusion layer 2, in the flow of the gas to be measured until it reaches the inner electrode 3, The gas diffusion resistance of the second gas diffusion layer 4 is governed by the gas diffusion resistance.
[0024]
As a result, in the flow of the gas to be measured until it reaches the inner electrode 3, the diffusion resistance of the gas becomes larger than in the conventional case, and it is possible to suppress the dispersion of the diffusion resistance in the gas flow path. Thereby, as shown in FIG. 2, the diffusion limit current characteristic can ensure flatness in a region where the characteristic should be flat, and can suppress the occurrence of hysteresis as compared with the conventional case. Therefore, as shown in FIG. 3, variations in sensor output are suppressed, the sensor output is stabilized, and air-fuel ratio detection accuracy can be improved.
[0025]
In addition, the porosity of the first gas diffusion layer 2 is not configured as a 100% space layer, and the porosity of the first gas diffusion layer 2 is set to about 60 to 80%, thereby overshooting and undershooting the sensor output. It is possible to improve the manufacturing yield when manufacturing the sensor.
[0026]
FIG. 4 is a diagram showing the configuration of an air-fuel ratio sensor according to the second embodiment of the present invention. In the air-fuel ratio sensor of the first embodiment shown in FIG. 1 described above, after the second gas diffusion layer 4 is formed, the solid electrolyte layer 5 is subsequently formed, and the outer electrode (not shown) is formed. Whereas the electrode protective layer 6 is formed and the second gas diffusion layer 4 is formed inside the solid electrolyte layer 5, the air-fuel ratio sensor of the second embodiment is characterized in FIG. As shown in FIG. 2, the second gas diffusion layer 4 is formed and arranged so as to cover the side surfaces of the first gas diffusion layer 2 and the solid electrolyte layer 5 before the electrode protective layer 6 is formed by curved surface printing.
[0027]
In the first embodiment, the first gas diffusion layer 2 has a porosity of about 60 to 80%, and the second gas diffusion layer 4 has a porosity of about 15 to 20%. Further, the gas diffusion distance of the second gas diffusion layer 4 is set to about 300 to 400 μm, whereas in the second embodiment, the first gas diffusion layer 2 has its porosity. Is set to about 60 to 80%, the porosity of the second gas diffusion layer 4 is set to about 3 to 4%, and the gas diffusion distance of the second gas diffusion layer 4 is about 30 to 40 μm. Is set. Others are the same as in the first embodiment. Thus, in the configuration in which the second gas diffusion layer 4 is formed and arranged, the gas to be measured introduced into the sensor element is the same as in the first embodiment described above. First, the gas to be measured that has passed through the second gas diffusion layer 4 and passed through the second gas diffusion layer 4 passes through the first gas diffusion layer 2 and reaches the inner electrode 3. That is, the gas to be measured must pass through the second gas diffusion layer 4 having a larger gas diffusion resistance value than the gas diffusion resistance value of the first gas diffusion layer 2 in order to reach the inner electrode 3. For this reason, in the flow of the gas to be measured until it reaches the inner electrode 3, the gas diffusion resistance of the gas to be measured is determined by the gas diffusion resistance of the second gas diffusion layer 4. That is, since the diffusion resistance value of the second gas diffusion layer 4 is set larger than the gas diffusion resistance value of the first gas diffusion layer 2, in the flow of the gas to be measured until it reaches the inner electrode 3, The gas diffusion resistance value of the second gas diffusion layer 4 dominates the gas diffusion resistance.
[0028]
As a result, also in the second embodiment, the same effect as that obtained in the first embodiment described above can be achieved.
[0029]
Furthermore, technical ideas other than the claims that can be grasped from the above embodiment will be described below together with the effects.
[0030]
4. The air-fuel ratio sensor according to claim 1, wherein the first gas diffusion layer has a porosity of about 60% to 80%, and the second diffusion layer has The porosity is about 15% to 20%.
[0031]
In the above features, when manufacturing an air-fuel ratio sensor, sensor output overshoot and undershoot can be prevented, and the sensor manufacturing yield can be improved.
[0032]
The air-fuel consumption sensor according to any one of claims 1, 2, and 3, wherein the second diffusion layer is formed with a porosity of about 3 to 4%.
[0033]
In the above feature, it is possible to suppress variations in gas diffusion resistance in the gas flow path in the flow of the gas to be measured, the sensor output is stabilized, and the detection accuracy can be improved.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a diagram showing a configuration of an air-fuel ratio sensor according to a first embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a diagram showing diffusion limit current characteristics.
FIG. 3 is a diagram illustrating a relationship between an air-fuel ratio and a sensor output.
FIG. 4 is a diagram showing a configuration of an air-fuel ratio sensor according to a second embodiment of the present invention.
FIG. 5 is a diagram showing a configuration of a conventional air-fuel ratio sensor.
FIG. 6 is a diagram showing conventional diffusion limit current characteristics.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Insulating layer 2,52 ... 1st gas diffusion layer 3 ... Inner electrode 4 ... 2nd gas diffusion layer 5,53 ... Solid electrolyte layer 6 ... Electrode protective layer 50 ... Alumina rod 51 ... Alumina insulating layer 54 ... 1st electrode 55 ... outer electrode 56 ... second electrode 57 ... reference electrode 58 ... oxygen pumping power source 59 ... comparator

Claims (3)

被測定ガスが内部を拡散する第1ガス拡散層と、
前記第1ガス拡散層の外側に設けられ酸素イオン伝導性の固体電解質層と、
前記第1ガス拡散層と前記固体電解質層との間に設けられ、前記第1ガス拡散層を介して前記被測定ガスが導かれ、前記固体電解質層の外側に設けられた外側電極との間で拡散限界電流が流れる内側電極とを備え、
前記被測定ガスの酸素濃度を測定して前記被測定ガスの空燃比を検出する空燃比センサにおいて、
前記第1ガス拡散層と前記被測定ガスのガス雰囲気との間に、第2ガス拡散層を配置し、
前記第2ガス拡散層は、繊維カーボンを添加して形成された
ことを特徴とする空燃比センサ。
A first gas diffusion layer in which the gas to be measured diffuses;
An oxygen ion conductive solid electrolyte layer provided outside the first gas diffusion layer;
Between the first gas diffusion layer and the solid electrolyte layer, the measurement gas is guided through the first gas diffusion layer, and between the outer electrode provided outside the solid electrolyte layer And an inner electrode through which the diffusion limit current flows,
In the air-fuel ratio sensor for measuring the oxygen concentration of the measurement gas and detecting the air-fuel ratio of the measurement gas,
A second gas diffusion layer is disposed between the first gas diffusion layer and the gas atmosphere of the gas to be measured;
The air-fuel ratio sensor, wherein the second gas diffusion layer is formed by adding fiber carbon .
前記第2ガス拡散層は、そのガス拡散抵抗が前記第1ガス拡散層のガス拡散抵抗よりも十分大きく設定されている
ことを特徴とする請求項1記載の空燃比センサ。
2. The air-fuel ratio sensor according to claim 1, wherein the second gas diffusion layer has a gas diffusion resistance set sufficiently larger than a gas diffusion resistance of the first gas diffusion layer.
前記第1ガス拡散層は、アルミナを主成分としたセラミック材に平均粒径4〜6μm程度の球形カーボンを添加して形成され、
前記第2ガス拡散層は、アルミナを主成分とするセラミック材に平均線径1μm程度、平均長さ2〜3μm程度の繊維カーボンを添加して形成されている
ことを特徴とする請求項2記載の空燃比センサ。
The first gas diffusion layer is formed by adding spherical carbon having an average particle size of about 4 to 6 μm to a ceramic material mainly composed of alumina,
3. The second gas diffusion layer is formed by adding fiber carbon having an average wire diameter of about 1 [mu] m and an average length of about 2 to 3 [mu] m to a ceramic material mainly composed of alumina. Air-fuel ratio sensor.
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