氧气传感器和制造该氧气传感器的方法技术

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。（*该技术在2023年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本专利技术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。
技术介绍
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。
技术实现思路
因此，本专利技术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，根据本专利技术，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，依照本专利技术，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。本专利技术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。附图说明图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，通过向第一抽取本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：堺祥一，一柳太，
申请(专利权)人：株式会社日立制作所，
类型：发明
国别省市：