专利名称：氧气传感器和制造该氧气传感器的方法
技术领域：
本发明涉及一种基于内燃机排气中氧气浓度检测燃烧混合气空气燃料比用的氧气传感器以及制造该氧气传感器的方法。
背景技术：
在此之前，已经知道有基于内燃机排气中氧气浓度来检测空气燃料比的氧气传感器。
特开昭61-100651号公报披露了一种氧气传感器，该传感器构造为，抽取电极之间配置有氧离子导电电解质层，参比电极与抽取电极中的一个相对设置，且在该参比电极与其所相对置的抽取电极之间具有氧离子导电电解质层。
然后，在该种氧气传感器中，检测在抽取电极间施加电压时的极限电流，同时，基于参比电极的电压来判断空气燃料比是富还是贫。
然而，在该种常用的氧气传感器中存在一个问题，即由于在参比电极中电压特性的差异或者流向参比电极的抽取电流的流动，使得富/贫判定的精度降低。
发明内容
因此，本发明的目的之一是使得基于所述参比电极的电压的空气燃料比富/贫判定能稳定且精确地进行。
为了实现上述目的，根据本发明，在其间具有固体电解质层的参比电极和与该参比电极相对置的抽取电极之间，提供一个氧气供给电源，该电源施加电压用来向参比电极供给氧气。此外还设置一个覆盖参比电极的致密层。
此外，依照本发明，将固体电解质层分开的致密层被设置在参比电极和抽取电极之间，该抽取电极与参比电极并列设置。
本发明的其他目的和特征将会从下面的参考附图的描述中得到理解。
图1是氧气传感器的横截面图。
图2表示传感元件的第一实施方式，其中(A)是横截面图，(B)是透视图。
图3是图2中的传感元件的传感部分的放大的横截面图。
图4是表示图2所示的传感元件中的电动势和空气燃料比之间的关系图。
图5是传感元件的第二实施方式，其中(A)是横截面图，(B)是透视图。
图6是图5所示的传感元件的传感部的放大的横截面图。
图7是表示图5所示的传感元件中的极限电流和空气燃料比之间的关系图。
图8是表示图5所示的传感元件中的电动势和空气燃料比之间的关系图。
具体实施例方式
图1是一种实施方式中的氧气传感器的横截面图。
氧气传感器被安装在内燃机的排气管上，用来检测引擎的空气燃料比。
如图1所示，氧气传感器由支架1，传感元件2，保护器3，连接法兰4和套筒5等组成。
支架1由不锈钢等金属制成阶形筒状，在其末端部侧面外圆周上形成有作为安装部的阳螺纹部1A。
然后，阳螺纹部1A被螺紧到作为设置在内燃机排气管中的安装孔的阴螺母部中，使得氧气传感器贴在排气管上。
传感元件2形成为棒状，并在其端部侧面上配置有传感部2A，该传感部2A将在下面加以描述。
保护器3由耐热性很高的金属板等形成，在保护器3的多个点上形成有用于导入引擎排气的孔3A。
保护器3通过焊接到支架1的顶端部1C来固定。
传感元件2的传感部2A安置在保护器3内。
传感部2A暴露于经由保护器3导入的排气(欲检测的气体)，使得能检测出引擎的空气燃料比(欲检测的气体中的氧气浓度)。
棒状传感元件2通过筒状连接法兰4组装到支架1上。
将传感元件2这样组装到支架2上，使得传感元件2压入到连接法兰4中，并且传感元件2所压入的连接法兰4进一步压入到支架1中。
套筒5由高耐热性的金属板等制成，并通过焊接到支架1的基端部来固定。
与构成传感部2A的加热图案层(heater pattern)和电极连接的导线从套筒5的基端一侧导出。
图2和3是表示传感部2A的第一实施方式的图。
传感部2A通过在氧化铝棒51的外周上按加热图案层52、氧化铝绝缘层53、第一气体扩散层54和具有氧离子传导性的致密氧化锆固体电解质层55的顺序环状层压构成。
由铂等构成的第二抽取电极59环状设置于氧化锆固体电解质层55的外部。
由铂等构成的第一抽取电极58与第二抽取电极59相对置、环状设置于氧化锆固体电解质层55的内部。
此外，由铂等构成的参比电极60环状设置在氧化锆固体电解质层55的外部。
第二气体扩散层56和致密层57沿轴向并列设置，并覆盖氧化锆固体电解质层55的外周，使得设置有第二抽取电极59的部分被第二扩散层56覆盖以及设置有参比电极60的部分被致密层57覆盖。
应注意，致密层57由具有平均粒径0.3～0.5μm的富铝红柱石系(添加二氧化硅)氧化铝构成。
第一和第二气体扩散层54和56由具有平均粒径0.4～0.8μm的氧化铝和氧化锆基陶瓷混合粉末构成。
第一抽取电极58虚假接地(例如，参比电位为大约1.5V)。
氧气供给电源65连接在参比电极60上用于提供将氧气向参比电极60输送的电压。
此处，参比电极60的电压根据第一抽取电极58的氧气分压和参比电极60的氧气分压之差而变化。
即，在空气燃料比贫于理论空气燃料比以及排气中含有大量氧气的场合，氧气经第一气体扩散层54扩散到第一抽取电极58。
因此，虽然由于氧气供给电源65所施加的电压的作用，氧气从第一抽取电极58向参比电极60输送，但第一抽取电极58的氧气分压和参比电极60的氧气分压之差变小。
因此，在空气燃料比贫于理论空气燃料比的场合，由于氧气分压之差而在第一抽取电极58和参比电极60之间产生的电动势变小。
另一方面，在空气燃料比富于理论空气燃料比以及排气中的氧气量很少时，第一抽取电极58的氧气分压降低。
然而，从第一抽取电极58向参比电极60输送的氧气被填充到覆盖参比电极60的致密层57中，使得参比电极60的氧气分压稳定地维持在一个高水平。
因此，第一抽取电极58的氧气分压和参比电极60的氧气分压之差变大，以及由于该种大的氧气分压之差，在第一抽取电极58和参比电极60之间产生了大的电动势。
如上所述，由于为了输送氧气，参比电极60连接在氧气供给电源上，并覆盖有致密层57，因此可以将参比电极60的氧气分压稳定地维持在一个高水平而不会产生空气燃料比改变的实质影响。
所以，可以使参比电极60的电压具有稳定的输出特性，该输出特性根据空气燃料比贫/富以开/关的方式切换(参考图4)。
将参比电极60的电压输出作为理论空气燃料比传感器输出(富/贫输出)，并且将其输出给比较器61。
然后，在比较器61中，将参比电极60的电压与预定的对比电压66相比较(理论空气燃料比相当的电压)。
当空气燃料比为富以及参比电极60的电压高于对比电压66时，比较器61输出一个低于第一抽取电极58的电压的电压(例如，1V)作为抽取电压。
另一方面，当空气燃料比为贫且参比电极60的电压低于对比电压66时，比较器61输出一个比第一抽取电极58的电压高的电压(例如，2V)，作为抽取电压。
此处，第一抽取电极58的电位假想接地(例如，大约1.5V的参比电位)。
因此，抽取电压根据空气燃料比的富/贫在高于假想接地电压和低于假想接地电压之间切换，使得抽取电极58和59之间的电位方向可以切换。
如上所述，可以使参比电极60的电压为稳定的输出，该输出根据空气燃料比的富/贫以开/关的方式切换，因此，基于对空气燃料比贫/富判别的抽取电压切换可以以高的精确度进行。
将比较器61的输出电压施加给第二抽取电极59。
例如，在排气中的氧气很少以及氢气(H2)、一氧化碳(CO)和碳氢化合物(HC)的浓度高的富空气燃料比状态，电子被提供给在阴极一侧的第二抽取电极59中的二氧化碳和水以产生氧离子。
氧离子经过固体电解质层55向在阳极一侧的第一抽取电极58输送。
然后，在第一抽取电极58中，所输送的氧离子、排气中的一氧化碳和氢气互相反应，以被分解成二氧化碳，水和电子。
即，通过向第一抽取电极58输送氧气，参比电极60的氧气分压和第一抽取电极58的氧气分压之间的差被控制得较小。
也就是说，进行这样的控制使得基于参比电极60的电压的空气燃料比富/贫判别从富判别反转至贫判别。
另一方面，在大量氧气保留于排气中的贫空气燃料比状态，在位于阴极一侧的第一抽取电极58中，电子被给与保留在排气中的氧气，以产生氧离子。
然后，氧离子经由固体电解质层55向位于阳极一侧的第二抽取电极59输送，以在第二抽取电极59中分解成氧气和电子。
即，通过向第二抽取电极59输送氧气，控制参比电极60的氧气分压和第一抽取电极58的分压之间的差为较大。
也就是说，进行这样的控制使得基于参比电极60的电压的空气燃料比富/贫判别从贫判别向富判别反转。
在抽取电极58和59之间流动的、其电压方向根据空气燃料比的富/贫以上述方式切换的极限电流(抽取电流)Ip相对于以理论空气燃料比作为基准的空气燃料比改变而线性地改变。
因此，极限电流(抽取电流)Ip作为电流检测电阻R的端子电压被检测，作为空气燃料比传感器输出信号而被输出，使得可以基于理论空气燃料比传感器输出和空气燃料比传感器输出而得到空气燃料比。
在上述的实施方式中，使用了棒状的传感元件，然而，如果使用片状的传感元件在具有相似构造时可以得到相似的效果。
应注意，通过将传感元件构成为棒状，可以精确地探测氧气的浓度而不受传感器安装方向或者要检测的气体的流向的影响。
此外，由于棒状传感元件具有耐热冲击性，可以显著的降低由于冲刷而产生的裂缝发生的几率。
图5和6是表示传感部2A的第二实施方式的图。
传感部2A通过在作为基体的氧化铝棒51的外周面上以加热图案层52、氧化铝绝缘层53、第一气体扩散层54、具有氧离子传导性的氧化锆固体电解质层55和第二气体扩散层56的顺序层压构成。
氧化锆固体电解质层55沿轴向被分断成两层55a和55b。
此外，在氧化锆固体电解质层55的内侧，由铂等构成的阴极57(抽取电极)环向设置以跨接两层55a和55b。
两层55a和55b之间的间隔为大约0.3～0.5mm。
此外，由铂等构成的阳极68(抽取电极)环状设置在与阴极67相对置的位置上且在其与阴极67之间具有层55a。
此外，由铂等构成的参比电极60环状设置在与阴极67相对置的位置上且在其与阴极67之间具有层55b。
此外，由富铝红柱石系氧化铝构成的致密层57被安置在两层55a和55b之间的间隔中以及阳极68和参比电极60之间的间隔中。
此处，将直流电源69的恒定电压(例如，0.6V)施加在阴极57和阳极58之间。
然后，基于电流检测电阻器R的端子电压检测极限电流(抽取电流)Ip的流动。
此外，在阴极67和参比电极60之间产生的电动势经差动放大器62作为传感器电动势Ec输出。
应注意，阴极67与阳极68相对置的面积和阴极67与参比电极60相对置的面积基本相等。
此外，抽取部分的电阻值在任意温度条件下设定在50～100Ω。
在上述的构成中，当引擎的空气燃料比贫于理论空气燃料比时，由于排气中残留有大量的氧气，在阴极67中，电子被提供给残留在排气中的氧气以产生氧离子。
然后，氧离子经由氧化锆固体电解质层55(55a)向阳极58输送，以在阳极58中分解成氧气和电子。
所以，随空气燃料比变贫而增大的极限电流(抽取电流)Ip在阴极67和阳极68之间流过，如图7所示。
另一方面，当引擎的空气燃料比富于理论的空气燃料比时，虽然氧气少，但氢气(H2)、一氧化碳(CO)和碳氢化合物(HC)的浓度高。因此，在阴极67中电子被提供给二氧化碳和水，以产生氧离子。
然后，氧离子经由氧化锆固体电解质层55(55a)向阳极68输送，在阳极68中，从阴极67所输送的氧离子、排气中的一氧化碳和氢气互相反应，以分解成二氧化碳、水和电子。
所以，随空气燃料比变富而增加的极限电流(抽取电流)Ip在阴极57和阳极68之间流动，如图7所示。
如上所述，随空气燃料比变贫极限电流(抽取电流)Ip增加，但随空气燃料比变富极限电流也增加。
所以，空气燃料比不能仅基于极限电流(抽取电流)Ip被检测，有必要进行空气燃料比的富/贫判别。
应注意，参比电极60的氧气分压等于排气中的氧气分压。然而，在贫空气燃料比状态，由于氧离子从阴极67向阳极68输送，阴极67的氧气分压变得低于排气中的氧气分压。
因此，在贫空气燃料比状态，发生在参比电极60的氧气分压和阴极67的氧气分压之间产生差别，以产生电动势(参考图8)。
在富空气燃料比的状态，由于参比电极60和阴极67的氧气分压基本上为零，因此，在参比电极60和阴极67之间的氧气分压没有差别，基本上不产生电动势(参考图8)。
所以，当传感器电动势Ec高于阈值时可以判别空气燃料比为贫，而当传感器电动势Ec低于阈值时空气燃料比为富。
然后，基于该富/贫判别结果以及此时的极限电流(抽取电流)Ip，能够检测富空气燃料比或者贫空气燃料比。
应注意，由于氧化锆固体电解质层55沿轴向方向被分断成两层55a和55b，可以防止电流从阳极68流入到参比电极60。
所以，可以根据参比电极60的氧气分压与阴极67的氧气分压之差而精确地产生电动势，从而能够高精度地判别空气燃料比的富/贫。
此外，由于致密层57设置在氧化锆固体电解质层55被分断成两层的部分上，可以防止经过分断部分的气体扩散，从而使得能够避免由于氧化锆固体电解质层的分断而引起的检测精度的降低。
在上述的实施方式中，使用的是棒状传感元件，然而，如果使用片状传感元件也能在具有相似构成的情况下得到相似的效果。
要求优先权的、提交于2002年5月17日的日本专利申请No.2002-142749，和提交于2002年5月17日的日本专利申请No.2002-143154在此通过参考并入。
由于仅选择所挑选的实施例来阐述本发明，但很明显，对于本领域的技术人员来说能够从本披露中作出各种变化和改动而不脱离如本发明的权利要求所限定的发明范围。
此外，依照本发明的前面对实施例的描述仅用于阐述，并不是用来限制由权利要求和其等同特征所限定的本发明。
权利要求
1.一种氧气传感器，其特征在于，包括具有氧离子导电性的固体电解质层；一对相互对置的抽取电极，在该对抽取电极之间具有所述的固体电解质层；参比电极，该参比电极夹置所述的固体电解质层与所述一对抽取电极中的一个相对置；氧气供给电源，该氧气供给电源在所述的参比电极和所述的一个抽取电极之间施加用来向所述参比电极提供氧气的电压；和覆盖所述参比电极的致密层，其中在所述一个抽取电极和所述参比电极之间产生的电动势被输出作为第一检测信号，和以及在所述一对抽取电极之间流动的极限电流被输出作为第二检测信号。
2.如权利要求1所述的氧气传感器，其特征在于，进一步包括抽取电压切换部分，该抽取电压切换部分根据在所述的一个抽取电极和所述的参比电极之间所产生的电动势切换施加在所述抽取电极之间的电压。
3.如权利要求2所述的氧气传感器，其特征在于，所述氧气传感器是用来检测在内燃引擎的排出气体中的氧气浓度，和基于将所述电动势与理论空气燃料比相当的比较电压相比较，所述的抽取电压切换部分切换施加在所述抽取电极之间的电压。
4.如权利要求3所述的氧气传感器，其特征在于，基于将所述电动势与理论空气燃料比相当的比较电压相比较，所述的抽取电压切换部分切换在所述抽取电极之间的电位方向。
5.如权利要求1所述的氧气传感器，其特征在于，气体扩散层环状形成在棒状基体的外周；和所述固体电解质层、所述致密层、所述一对抽取电极和所述参比电极分别环状形成于所述气体扩散层的外周。
6.如权利要求1所述的氧气传感器，其特征在于，所述致密层由平均粒径为0.3～0.5μm的富铝红柱石系氧化铝构成。
7.如权利要求1所述的氧气传感器，其特征在于，加热图案层、绝缘层、第一气体扩散层和所述固体电解质层被依次层压在基体的外侧；第二抽取电极形成在所述固体电解质层的外侧；第一抽取电极形成在与所述第二抽取电极相面对的所述固体电解质层的内侧；所述参比电极形成在所述固体电解质层的外侧；和第二气体扩散层和所述致密层并列设置，且覆盖所述固体电解质层的外周，使得形成有所述第二抽取电极的部分覆盖有所述的第二气体扩散层，以及形成有所述参比电极的部分覆盖有所述的致密层。
8.如权利要求7所述的氧气传感器，其特征在于，所述第一和第二气体扩散层由平均粒径为0.4～0.8μm的氧化铝和氧化锆基陶瓷混合粉末构成。
9.一种制造氧气传感器的方法，其特征在于，包括依次在基体的外侧层压加热图案层、绝缘层、第一气体扩散层和固体电解质层；在所述固体电解质层的外侧形成第二抽取电极；在所述固体电解质层的内侧且与所述第二抽取电极相对形成第一抽取电极；在所述固体电解质层的外侧形成参比电极；设置并列的第二气体扩散层和致密层，且覆盖所述固体电解层的外周，使得形成有所述第二抽取电极的部分覆盖有所述第二气体扩散层以及形成有所述参比电极的部分覆盖有所述的致密层；将施加向所述参比电极供给氧气用的电压的氧气供给电源连接在所述参比电极和所述第一抽取电极之间。
10.一种氧气传感器，其特征在于，包括具有氧离子导电性的固体电解质层；一对抽取电极，该对抽取电极构成为相对置且之间具有所述的固体电解质层；构成为与所述一对抽取电极中的一个相面对的参比电极，且在该参比电极和与其相面对的抽取电极之间具有所述固体电解质；致密层，该致密层在另一个抽取电极和所述参比电极之间将所述固体电解质层隔断；在所述一个抽取电极和所述参比电极之间产生的电动势被输出作为第一检测信号，和以及在所述一对抽取电极之间流动的极限电流被输出作为第二检测信号。
11.如权利要求10所述的氧气传感器，其特征在于，环状内气体扩散层，所述固体电解质层和环状外气体扩散层依次被层压在棒状基体的外周上，在阴极一侧的抽取电极环状形成在所述固体电解质层的内侧，在阳极一侧的抽取电极和所述参比电极环状形成于所述固体电解质层的外侧。
12.如权利要求10所述的氧气传感器，其特征在于，所述氧气传感器是用来检测内燃引擎排气中的氧气浓度；和基于所述的电动势进行引擎的空气燃料比的富/贫判别，以及基于富/贫判别的结果和当恒定电压施加于所述的抽取电极之间时的极限电流来检测空气燃料比。
13.如权利要求10所述的氧气传感器，其特征在于，加热图案层、绝缘层、第一气体扩散层、所述固体电解质层和第二气体扩散层依次层压在基体的外侧；所述固体电解质层由相互平行放置且之间具有预定间隔的两个固体电解质层构成；第一抽取电极形成在所述固体电解质层的内侧以跨接所述两个固体电解质层；所述第二抽取电极设置在所述两个固体电解质层中的一个的外侧，所述参比电极设置在所述两个固体电解质层的另一个的外侧；和所述致密层设置在所述两个固体电解质层之间并且也在所述第二抽取电极和所述参比电极之间。
14.如权利要求10所述的氧气传感器，其特征在于，在所述的分断的两个固体电解质层之间的间隔是0.3～0.5mm。
15.如权利要求10所述的氧气传感器，其特征在于，将所述一个抽取电极与另一个抽取电极相面对的且之间具有固体电解质层的面积和所述的一个抽取电解质层与所述参比电极相面对的且之间具有固体电解质层的面积设置为彼此相等。
16.如权利要求10所述的氧气传感器，其特征在于，在所述抽取电极之间的电阻值设定为50～1000Ω。
17.如权利要求10所述的氧气传感器，其特征在于，所述致密层由富铝红柱石构成。
18.一种制造氧气传感器的方法，其特征在于，包括依次在基体的外侧层压加热图案层、绝缘层和第一气体扩散层；将两个相互平行放置且之间具有预定间隔的固体电解质层层压在所述第一气体扩散层的外侧；在所述两个固体电解质层的内侧形成第一抽取电极，以跨接所述的两个电解质层；在所述两个固体电解质层中的一个的外侧形成第二抽取电极，以及在另一个固体电解质层的外侧形成参比电极；在所述两个固体电解质之间以及在所述第二抽取电极和所述参比电极之间设置致密层；形成第二气体扩散层，该气体扩散层覆盖所述第二抽取电极、所述参比电极和所述两个固体电解质层。
全文摘要
在测量当将电压施加于抽取电极之间时的极限电流，以及基于在抽取电极中的一个和参比电极之间产生的电动势进行富/贫判别的氧气传感器中，施加一个用于向参比电极供给氧气的氧气供给电压，以及参比电极覆盖有致密层。
文档编号G01N27/417GK1458521SQ0313642
公开日2003年11月26日 申请日期2003年5月19日 优先权日2002年5月17日
发明者堺祥一, 一柳太 申请人:日立优喜雅汽车配件有限公司