CN1243954A

CN1243954A - 氧传感器

Info

Publication number: CN1243954A
Application number: CN99110165.0A
Authority: CN
Inventors: 狩野宏司; 嶋村幸一; 草光男
Original assignee: Honda Motor Co Ltd
Current assignee: Honda Motor Co Ltd
Priority date: 1998-07-06
Filing date: 1999-07-05
Publication date: 2000-02-09
Anticipated expiration: 2019-07-05
Also published as: JP2000019149A; JP3841957B2; ITTO990562A1; DE19929771B4; DE19929771A1; CN1135385C; US6365021B1; IT1308771B1

Abstract

检测元件(30)在板状的第1电极(33)的两侧,通过第1固体电解质层(34)和第2固体电解质层(35),分别相对地设置第2、第3电极(36、37),从而可检测第1与第2电极间,以及第1与第3电极间的氧离子的移动。由于第1电极的两个面均形成检测面(31、32),方向性沿2个方向扩大。由于第2、第3电极(36、37)中的任何一个靠近排气流,这样其与排气较早地接触,反应时间较早。

Description

氧传感器

本发明涉及检测排气中的氧浓度的氧传感器。

多数的氧传感器用于工业锅炉、锅炉或内燃机的空燃比的控制。

人们还知道，氧传感器的原理是这样地应用电池的原理，即对所产生的电动势进行测定，另外，其对固体电解质外加电压，对导电率的变化进行测定。前者的氧传感器包括有比如，JP实开平3-2256号文献中公开的“内燃机用氧传感器”的形式。如该文献中的图1所示，在该氧传感器中，用于保护传感元件部5(此标号引用该文献中的标号。下面也相同)的护罩由外筒21、内筒22形成双重筒结构，在外筒21与内筒22的周壁上分别形成排气接纳孔21a和排气导入孔22a(参照图2)，另外在内筒22的前端面形成排气排出孔22b。

排气从排气接纳孔21a流入外筒21内部，在外筒21与内筒22的间隙中旋转，同时进行混合，从排气导入孔22a，朝向电极面5a(具有方向性)流入，从排气排出孔22b排出。由于排气与电极面5a的方向无关，沿一定方向与电极面5a相接触，氧传感器可具有没有误差的一定的氧浓度检测性能。

按照上述结构，由于外筒21中的排气接纳孔21a在其中一个侧边，朝向内侧弯曲，从而其形状复杂，加工费用较高。

另外，由于在外筒21与内筒22之间必须设置有使排气旋转的间隙，这样外筒21的外径较大，护罩的尺寸较大。由于以旋转的方式对排气进行混合，这样在排气流至电极面5a之前，容易产生时间的浪费。

此外，电极面5a一侧的内筒22的内侧空间小于相对面侧的相应空间。由此，在按照图3的方式，从两侧流入的场合，背面侧的排气的流动性较高。反之，由于电极面5a一侧具有变差的倾向，这样在灵敏度方面，具有改善的余地。因此，人们要求一种下述的氧传感器，其灵敏度即使在对排气净化系统的性能造成影响之前也增加，从而具有良好的性能。

因此，本发明的目的是提供灵敏度优良的氧传感器。

为了实现上述目的，本发明氧传感器1的特征在于传感器的传感元件部在板状的第1电极的两侧，通过固体电解质层，分别相对地设置第2、第3电极，从而可检测第1电极与第2电极之间，以及第1电极与第3电极之间的氧离子的移动。

由于在板状的第1电极的两个面，通过固体电解质层，分别相对地设置第2、第3电极，上述两个面均为检测面，方向性沿2个方向扩大。由于第2、第3电极中的任何一个靠近排气流，这样其与排气较早地接触，反应时间较早。

另一特征在于在上述第1电极与上述第2电极之间，与上述第1电极与上述第3电极之间的至少一个中设置有具有使上述氧离子通过的开口部分的板状发热器。

由于在板状发热器中形成使氧离子通过的开口，这样在第2电极一侧设置板状发热器的场合，氧离子从第2电极，通过开口，朝向第1电极移动，产生电流。在于第3电极一侧设置板状发热器的场合，氧离子从第3电极，通过开口，朝向第1电极移动。因此，即使在设置板状发热器的情况下，检测性能仍不会降低。

图1为本发明的氧传感器的侧面图；

图2为本发明的氧传感器的剖面图；

图3为沿图2中的3-3线的剖面图；

图4为沿图2中的4-4线的剖面图；

图5为本发明的检测元件的分解透视图；

图6为本发明的氧传感器的第1作用图；

图7为本发明的氧传感器的第2作用图。

下面根据附图，对本发明实施例进行描述。另外，附图中标注有标号。

图1为本发明的氧传感器的侧面图，氧传感器1由主体部10、安装于该主体10上的传感元件部20构成。字母G表示气门，字母P表示排气通路。

图2为本发明的氧传感器的剖面图，主体10由主体11、开设于该主体11的中间部的孔12、形成于主体11上的外螺纹13和螺母部14、焊接于主体11的端部的管15、将该管15的开口密封的橡胶栓16构成。

传感元件部20由焊接于主体11上的护罩21、与主体的孔21连通的检测元件30构成。标号22表示端子压靠部，标号23表示导线。

护罩21由内筒24、外套于该内筒24上的外筒25构成。在内筒24中，开设有形成于周壁上的通气孔24a…(…表示多个。下面也相同)和形成前端面上的通气孔24b。在外筒25中，开设有形成于周壁上的通气孔25a…和形成于前端面上的通气孔25b。

检测元件30的具体结构将在后面进行描述，标号31、32表示检测面，该面用于吸附排气中的氧。另外，检测面31和检测面32的方向由安装氧传感器1时的外螺纹13的紧固力决定。

图3为沿图2中的3-3线的剖面图，该图表示检测元件30通过开设于主体11的中间部的孔12，检测面31、32在内筒24内形成相同的较大空间。

内筒24中的通气孔24a…为按照等间距开设于周壁8上的圆形孔，其与检测元件30的检测面31、32逐一相对。

外筒25中的通气孔25a…为圆形，其按照相对通气孔24a…刚好旋转θ的方式设置。

图4为沿图2中的4-4线的剖面图，其表示检测元件30的放大剖面。

检测元件30由板状的第1电极33、连接于该第1电极33的两侧的第1固体电解质层34和第2固体电解质层35、形成于第1固体电解质层34上的第2电极36、形成第2固体电解质层35上的第3电极37、形成于第2电极36上的保护层38、形成于第3电极37上的保护层39、介于第1电极33和第3电极37之间的板状发热器40构成。

第1电极33由具有透气性的多孔质的白金(Pt)形成，其与第1、第2固体电解质层34、35连接，用于使氧离子在第1、第2固体电解质层34、35中流动。

第2电极36由具有透气性的多孔质的白金(Pt)形成，其与第1固体电解质层34连接，用于使氧离子在第1固体电解质层34中流动。

第3电极37由具有透气性的多孔质白金(Pt)形成，其与第2固体电解质层35连接，使氧离子从第2固体电解质层35中流动。

第1固体电解质层34为稳定化氧化锆(Y₂O₃-ZrO₂系)层，该层是按照下述方式形成的，该方式为：以氧化锆(ZrO₂-氧化锆)为母材，在该母材中添加规定量的氧化钇(Y₂O₃-三氧化二钇)，使其保持稳定。

板状发热器40由发热主体41、覆盖于该发热主体41上的绝缘层42、形成于中间部的开口43构成，其用于使稳定化氧化锆(Y₂O₃-ZrO₂系)升温至规定温度(比如，300℃)以上。通过上述升温，使第1和2固体电解质层34、35的电阻值减小。稳定化氧化锆(Y₂O₃-ZrO₂系)的电阻值随温度而变化。在开始启动时等的常温的场合，由于电阻值较大，难于进行检测，通过板状加热器40，便使检测较早地开始进行。

下面对这些部件的状态，以及制作的主要工艺进行描述。

图5为本发明的检测元件的分解透视图，其以分层的方式表示检测元件30。另外，各层为薄膜，但是为了便于说明，每层画得较厚。

第1、第2、第3电极33、36、37的尺寸基本相同。

在第1固体电解质层34的中间部设置有电极连接部34c，在该电极连接部34c的边缘设置有规定幅度的连接部34d、34e、34f。通过设置连接部34d、34e、34f，可连接由相同材料形成的固体电解质(第2固体电解质层35)。

在第2固体电解质层35的第1层35a中，设置有发热器安装部35c，在该发热器安装部35c的边缘设置有规定宽度的第1连接部35d、35e、35f，在其中间部设置有第2连接部35g。通过第1、第2连接部35d～35g，可连接由相同材料形成的固体电解质(第2层35b)。

保护层38由具有通气性的第1保护层38a、不具有通气性的第2保护层38b形成。第1保护层38a为使排气通过的具有通气性的陶瓷薄膜，其目的是防止因排气的化合物而使白金的性能变差，防止因排气的粒子而使白金受到腐蚀，并且防止防止白金受到机械的、热的冲击。

保护层39由具有通气性的第1保护层39a、无通气性的第2保护层39b形成。第1保护层39a与第1保护层38a相同，故省略对其的说明。

发热器主体41为在中间部开设有开口44，具有宽度W的发热器。该宽度W刚好比第1和第2固体电解质层34、35的宽度小规定尺寸。由于设置有开口44，第1层35a与第35b以较大的面积成整体连接。

绝缘层42为在发热器主体41上按照规定膜厚所形成的薄膜，沿该发热器主体41的开口4，形成有开口43。

下面通过图4、图5对制造的主要工艺的一个实例进行描述。

首先，通过作为原料的稳定化氧化锆(Y₂O₃-ZrO₂系)，按照规定形状，形成平整的薄片状的第1固体电解质层34，通过煅烧炉(比如，常压的隧道式烘炉)对其进行烧结(升温至1300～1600℃)，制作基板。根据需要，添加加工工序，对其进行整形。接着，以白金(Pt)，按照规定膜厚，在构成基板的第1固体电解质层34上形成作为薄膜的第1、第2电极33、36(比如，进行涂敷处理→印刷→烧结)。

接着，对第1层35a进行烧结，在该第1层35a的发热器安装部35c上，依次印刷作为薄膜的绝缘层42、发热器主体41、绝缘层42、形成板状发热器40。对第2层35b进行烧结，在该第2层35b上，通过白金，形成第3电极37。接着，依次叠置第1固体电解质层34、第1层35a、板状发热器40、第2层35b，将它们连接。最后，比如，通过氧化锆或氧化铝((Al₃O₂-三氧化二铝)，在第1固体电解质层34和第2电极36上形成第1保护层38a(比如，通过火焰喷涂法)。同样，在第2固体电解质层35和第3电极37上形成第1保护层39a。形成剩余的第2保护层38b、39b。

下面对上面所描述的氧传感器的作用进行说明。

图6(a)、(b)为本发明的氧传感器的第1作用图，其中图6(a)表示比较实例，图6(b)表示实施例。

在图6(a)中，在排气通路上安装氧传感器100，如图中的双线箭头①所示，排气从上游(装置一侧)流动。排气从护罩101的排气导入孔102…，如双线箭头②所示，流入护罩101内部，如双线箭头③所示，从排气导入孔102…流出，向下游流动，最后排出。此时，如箭头④所示，排气与外侧电极106相接触，传感元件部105对氧浓度进行检测。在传感元件部105中，具有仅仅沿特定的方向灵敏性良好的方向角N。由此，当排气如双线箭头③，靠近指向角N的范围时，传感元件部105便可对氧进行检测。

在图6(b)中，在排气通路上安装氧传感器1，如双线箭头⑤所示，排气从上游流动，如图双线箭头⑥所示，流入内筒24内部。排气如双线箭头⑦所示，向下游流动，此时，如双线箭头⑧所示，与第2电极36相接触，流动减慢，如箭头⑨所示，与第3电极37一侧相接触。由于氧传感器1设置第2、第3电极36，37，这样指向性沿2个方向扩大。在第2电极36一侧具有方向角E，在第3电极37一侧具有方向角N1。由于第2电极36的方向角E相对排气的流动，朝向上游，这样该电极36与氧接触较早，先于第3电极37，发出检测信号。当如双线箭头⑦所示，排气流动到与比较实例相同的位置，第3电极37靠近方向角N1时，发出检测信号。

另外，检测面31、32的反向是相反的，如果第3电极37朝向上游侧，则第3电极37先于第2电极36，与排气相接触，早于第2电极36，输出检测信号。

即，在安装氧传感器1时的外螺纹13(参照图1)紧固的状态下，第2电极36和第3电极37的反向发生改变，但是由于与排气的流动相对，朝向上游的电极(第2电极36或第3电极37)先输出检测信号，这样经常反应时间较早。

由于在护罩21中，不必使排气在内筒24与外筒25之间产生旋转，这样可使护罩21的尺寸减小。另外，由于通气孔24a、25a为纯圆形，这样可使加工费用降低。

另外，在比较实例中，采用将大气中的氧气导入，通过氧浓度差，对电动势进行检测的氧传感器。在实施例中，由于采用对电极外加电压，检测氧浓度的的氧传感器，这样大气中的氧气是不必要的。于是，不必设置大气导入孔。

图7为本发明的氧传感器的第2作用图。

如箭头⑨所示，排气与检测面32相接触，如箭头⑧所示，排气与相反的检测面31相接触。当对检测元件30的中间的第1电极33外加阳极(+)的电压，对第2电极36外加阴极(-)的电压，对第3电极37外加阴极(-)的电压时，在检测面32一侧，通过第3电极37获得排气中的氧，形成氧离子(O^2-)。该氧离子朝向第1电极33，从个体电解质层35穿过。此时，如箭头a所示，氧离子的穿过因板状发热器40的绝缘层42而受到限制，但是由于在板状发热器40中形成氧离子穿过的开口43，在第1层35a(参照图5)中设置第2连接部35g，这样如图6(b)所示，氧离子通过开口43，直至第1电极33，在第1电极33的一侧，放出电子，形成氧，造成滞留。

另外，由于使板状发热器40形成规定的宽度尺寸，在第2固体电解质层35中连接形成规定宽度的第1连接部35d、35e(参照图5)，35f，氧离子如箭头C所示，通过第1连续部35d、35e、35f，通过第1电极33发出电子，形成氧，造成滞留。按照上述方式，由于在板状发热器40的内部、外部，可使氧离子通过，这样即使在第1电极33与第3电极37之间设置板状发热器40的情况下，仍不会使检测性能降低。

在检测面31一侧，通过第2电极，排气中的氧接收电子，形成氧离子(O^2-)。如箭头d所示，该氧离子穿过固体电解质层34，在第1电极33一侧发出电子，形成氧，造成滞留。由于在产生氧的氧化还氧反应的情况下，在电极之间产生电流，这样排气中的氧浓度的改变作为电流值而检测到。用于产生氧的电压的外加和检测通过控制装置进行。

由于当通过板状发热器40，稳定化稳定化氧化锆(Y₂O₃-ZrO₂系)的温度上升到规定温度(比如，300℃)以上时，第1、第2固体电解质层34、35的电阻值减小，从而可较早地开始进行检测。

另外，本实施例中所描述的图4中的固体电解质层34、35的母材不限于氧化锆(ZrO₂)，其也可为二氧化铈(CeO₂)、三氧化二铋(Bi₂O₃)、二氧化铪(HfO₂)、二氧化钍(ThO₂)等固体电解质(导电离子为氧离子(O^2-))。

图4中的稳定剂不限于氧化钇(Y₂O₃)，其也可为氧化钙(CaO)、氧化镁(MgO)、三氧化二钪(Sc₂O₃)。

虽然图4中的板状发热器40为平板状，但是其也由线材形成，还可为能够使氧离子通过的形状。

另外，图4表示制作工艺的主要内容的一个实例，固体电解质层34形成基板，但是该基板为任意的，比如，也可将固体电解质层35作为基板依次叠置起来。

按照上述结构，本发明具有下述效果。

由于在第1电极的两侧，通过固体电解质层，分别相对地设置第2、第3电极，这样两个面均构成检测面，方向性沿2个方向扩大。由于第2、第3电极中的任何一个靠近排气流，这样其与排气较早地接触，反应时间较早。

当第2电极朝向下游侧时，第3电极朝向上游侧，第3电极先于第2电极，发出检测信号。与已有的在下游侧进行检测的时间相比较，检测的时间较早，灵敏度提高。

另外，由于通过第1电极两侧的固体电解质层，可检测氧离子的移动，这样第2、第3电极均可将氧浓度变换为电信号，第1电极的两个面均可检测排气中的氧浓度。

由于在板状发热器中设置有使氧离子通过的开口，这样在于第2电极一侧设置板状发热器的场合，氧离子可从第2电极通过固体电解质层，通过开口，直至第1电极，可将氧浓度变换为电信号。另外，在于第3电极一侧设置板状发热器的场合，氧离子可同样从第3电极，运动到第1电极，可将氧浓度变换为电信号。于是，即使在电极与电极之间设置板状发热器的情况下，检测性能仍不会降低。

Claims

1.一种氧传感器，其安装于装置的排气通路中，对排气的氧成分进行检测，其特征在于该传感器的传感元件部在板状的第1电极的两侧，通过固体电解质层，分别相对地设置第2、第3电极，从而可检测第1电极与第2电极之间，以及第1电极与第3电极之间的氧离子的移动。

2.根据权利要求1所述的氧传感器，其特征在于在上述第1电极与上述第2电极之间，与上述第1电极与上述第3电极之间的至少一个中设置有具有使上述氧离子通过的开口的板状发热器。