JP2006038508A

JP2006038508A - Ｏ２センサーの段状電極キャリアー

Info

Publication number: JP2006038508A
Application number: JP2004215438A
Authority: JP
Inventors: Shiau-Jung Wu; チュンウーシャオ
Original assignee: Sentec E&E Co Ltd
Current assignee: Sentec E&E Co Ltd
Priority date: 2004-07-23
Filing date: 2004-07-23
Publication date: 2006-02-09
Anticipated expiration: 2024-07-23
Also published as: JP4110535B2

Abstract

【課題】高価な酸化ジルコニウムの使用量を減らす。
【解決手段】 O_２センサーの段状電極キャリアーは、センサーに設置された検出用キャリアー端部４を含み、この検出用キャリアー端部は、正極リード４１、負極リード４２および大気と連通する通路４３を有し、検出用キャリアー端部の正極リードの一端は通路に露出した正極接点４１６を有して大気と接触でき、検出用キャリアー端部の一端は検出用キャリアー端部の外壁から露出した負極接点４２６を有して、被測定ガスと接触でき、センサーに設置された伝達用キャリアー端部５が正極リード５１および負極リード５２を有する。検出用キャリアー端部は酸化ジルコニウムでできており、伝達用キャリアー端部はA1₂0₃、CaOまたはMgOでできている。二種のキャリアーは、被測定ガスの酸素密度を検出するための正極リードおよび負極リードである。
【選択図】図３

Description

本発明は、O_２センサー、特にO_２センサーの段状電極キャリアー(staged electrode
carrier)に関し、その検出用キャリアー端部が酸化ジルコニウム(ZrO_２)で構成され、そして伝達用キャリアー端部がA1₂0₃、CaO またはMgOで構成されている。二種のキャリアーは、被測定ガスの酸素密度を検出するための正極リードおよび負極リードからなっている。

O_２センサーは、一般に、自動車やオートバイのエンジンの油や空気導入口ならびに排気管の中に設置され、油および空気導入口の空燃比や排ガス排出口内に含まれる酸素を検出する。すなわち、空燃比を最適値へ調整してエンジン制御ユニットに供給するために、被測定ガス
(油または排ガス)の酸素密度をO_２センサーで検出する。これにより、有害物質の空気中への排出を減らすことができる。

汎用のO_２センサーは、わかっているように、加熱型センサーと非加熱型センサーに分類可能である。二種の違いは、センサー内にサーモカップラーが付加されかどうかである。加熱型O_２センサーは、固体電解質材料中の電極キャリアーを350℃以上の温度に加熱させ、空燃比あるいはセンサーの電位差信号を検出する。一方、非加熱型O_２センサーは、油ガスまたは排ガスからの熱で電極キャリアーを加熱する。これにより、電位差信号を感知する反応は緩慢であるが、エンジンを一定の期間作動させる場合に正常な検出感度を達成することができる。

さらに、加熱型または非加熱型O_２センサーには、固体電解質電極隔離キャリアーを設けねばらない。従来、電極隔離キャリアーは、酸化ジルコニウム(ZrO_２)でできている。汎用のセンサーは、固体電解質高温O_２センサーであって、これは、単一の長帯状電極キャリアーからなる。該キャリアー内に外気に通ずる通路が形成され、該キャリアーは正極リードと負極リードで形成される。正極接点は該通路を通って大気と連通し、負極接点は排ガスと連通する。正極接点および負極接点は、固体電解質酸化ジルコニウムキャリアーと反応して、被測定大気およびガス中の酸素を分解して電圧を発生させる。電圧は、単一の酸化ジルコニウムキャリアーを介して伝達され、被測定ガス酸素密度または空燃比を検出する。

しかし、全体のキャリアーのうち、正極接点および負極接点の周辺部のみが、酸化ジルコニウムを使用した電圧発生に必要であることが知られている。キャリアーの他の電圧伝達部分は、酸化ジルコニウムを固体電解質として使用するのに必要でない。さらに、酸化ジルコニウムの価格は非常に高いため、汎用O_２センサーの電極キャリアーが固体電解質として酸化ジルコニウムを使用している間は、センサーの価格は高く、コストは下がらない。

従来技術の欠点を解消し、O_２センサーのコストを下げるために、本発明は、酸化ジルコニウムの量を減じたO_２センサーの段状電極キャリアーを提供する。本発明の他の目的は、電極キャリアーが異なるステージで作られ、酸化ジルコニウム製で小容量の検出用キャリアー端部、およびA1₂0₃、CaOまたはMgO製で大容量の伝達用キャリアー端部を含んだO_２センサーの段状電極キャリアーを提供する。

上記方法によって、酸化ジルコニウムの量は大幅に減ぜられ、そして電極キャリアーのコストも減少する。一方、検出用キャリアー端部の正極接点および負極接点の周辺は、酸化ジルコニウムによる電圧発生が確保される。さらに、電極キャリアーの電圧を伝達する部分の材質を伝達用キャリアー端部としてA1₂0₃、CaOまたはMgOに変更することのみが必要であり、これは、正極リードおよび負極リードを保護するのに充分である。これにより、正極接点および負極接点は、電圧を外部受信端末へ安定して伝達することができる。

そのほか、
正極リードおよび負極リードを、検出用キャリアー端部および伝達用キャリアー端部上に設置する。O_２センサー本体中の二種類のキャリアーは、伝達信号用の構造を形成するように、正極リードおよび負極リードの連結面を有する。

本発明において、さらに、大気と連通する通路(channel)が検出用キャリアー端部内に形成され、正極リードの正極接点が通路内に露出して大気と接触し、負極リードの負極接点が検出用キャリアー端部の外壁から露出して被測定ガスと接触する。これにより、大気および測定ガス中の酸素密度を検出および比較して、さまざまな電位差の電圧を発生する。

さらに、本発明の伝達用キャリアー端部は、開口型通路と連絡する通路を形成する。これにより、外気が、正極接点で測ろうとする検出用キャリアー端部の通路へ首尾よく流入することが可能となる。

さらに、本発明では、加熱用カップリングヒーターを伝達用キャリアー端部へ設けることが可能である。センサー本体内でのふく射効果および熱伝導によって、二種のキャリアーを正常作業温度範囲の３５０℃以上の温度へ加熱することができる。

本発明のさまざまな目的および利点は、以下の詳細な説明から、そして添付の図面と関連付けて読むことから容易に理解されよう。

当業者が本発明をさらに理解するために、以下に詳細に説明する。しかし、これらの記載および添付の図面は、当業者に本発明の目的、特徴および特性を理解させるためにのみ使用するものであって、添付の請求項で規定される本発明の範囲および精神を制限するために使用するものではない。

図1には、本発明のO_２センサーが示されている。O_２センサーは、本体１を含んでいる。本体1は基台10を有する。基台10の上部はカバー11と結合し、基台10の下方は通気マスク12と連結されている。基台10は、被測定ガスの流体管壁2へ埋め込まれ、通気マスク12が流体管壁2に埋め込まれるようになっている。

流体管壁2は、自動車またはオートバイのエンジンのガス導入口スタブの壁や、エンジンなどのガス排管の壁であり得、O_２センサーがエンジン内の油と空気との比や排気口に含有する酸素を検出することができる。

本発明では、本体1は、検出用キャリアー端部4 および伝達用キャリアー端部5と共に設置される（図1参照）。

検出用キャリアー端部4は、電解質型酸化ジルコニウム(ZrO_２)でできている。検出用キャリアー4には、正極リード41および負極リード42が埋め込まれる（図2）。大気と連結する通路43は、検出用キャリアー端部4の中に設置される。

正極リード41は、その一端に正極連結面41aを有し、これは検出用キャリアー端部4の壁から露出している。正極リードの他端には、通路43に露出する正極接点41bが設置されている。

検出用キャリアー端部内の負極リード42は、その一端に負極連結面42aを有し、これは、検出用キャリアー端部の壁から露出しており、他端は、検出用キャリアー端部4の外壁に露出する負極接点42bが形成されている。

本体1の基台10は、埋設台座13でその中にロックされる(図1および3参照)。埋設台座13は穴131を有する。検出用キャリアー端部4が穴131を通過する。穴131の一方は、テーパー状壁132へと延在している。検出用キャリアー端部4の外壁は、テーパー状外壁142を有する挿入リング14にしっかり固定されている。挿入リング14のテーパー状外壁142は、埋設台座13のテーパー状壁132に抗して、検出用キャリアー端部4を本体1の基台10へ安定化させる。こうして、検出用キャリアー端部4上の負極接点42bが、流体管壁2内の通気マスク12を介した被測定ガスと接触することができる。

伝達用キャリアー端部5は、A1₂0₃、CaOおよびMgOから選択されている。その中で、A1₂0₃が最も安価で、次にCaO、そしてMgOが最も高価である。三種の金属のいずれも伝達用キャリアー端部5を作製するのに選ぶことができる。伝達用キャリアー端部5の価格は、検出用キャリアー端部4(ZrO_２)よりもはるかに安い。伝達用キャリアー端部5の容積は、検出用キャリアー端部4より小さい。これにより、O_２センサーのコストは、著しく減少する。一方、伝達用キャリアー端部5には、正極リード51および負極リード52が埋め込まれる
(図2参照)。

伝達用キャリアー端部5内の正極リード51の二個の端部は、それぞれ、伝達用キャリアー端部5の二つの壁から露出した正極連結面51aよび51bで形成される。

伝達用キャリアー端部5内の負極リード52の二個の端部は、伝達用キャリアー端部5の二つの外壁から露出した負極連結面52a, 52bで形成される。

本体1のカバー11は、伝導性支持台座15へ取り外し可能に取り付けられる（図１および３参照）。埋込溝151が、伝達用キャリアー端部5の一端を受けるための伝導性支持台座15内に形成される。伝導性支持台座15は、正極信号伝導性台座15aおよび負極信号伝導性台座15bを有し、これらは上壁152および埋込溝151を通過して、伝達用キャリアー端部5の正極を連結する面51bを正極信号伝導性台座15aと接触させ、負極を連結する面52bを負極信号伝導性台座15bと接触させる。正極信号伝導性台座15a
は、正極信号線161と連結され、負極信号伝導性台座15bは、負極信号線162と連結されて、外部の信号受信端末と連結されるようになる。

伝導性支持台座15の上方には、図１に示すように、カバー11の内壁を押圧するためのスプリング16が設置され、伝導性支持台座15が伝達用キャリアー端部5を弾性的に押圧して、伝達用キャリアー端部5の正極連結面51bおよび負極連結面52bを、検出用キャリアー端部4の正極連結面41bおよび負極連結面42Bにしっかり押し付ける。

検出用キャリアー端部4および伝達用キャリアー端部5のリード41、42、51、52および連結面51a、41a、52a、42aは白金板で作製することができる。連結面51a、41a、52a、42aが互いに連結する場合、伝達用キャリアー端部5と検出用キャリアー端部4との間に通気用離隔17を形成する（図３参照）。一方、複数の通気口153、154を、図3に示すように、伝達用キャリアー端部5の上に形成する。通風口153、154は、開口110を通って本体1の外の空気と連通可能である（図１参照）。さらに、空気は、通気用離隔17に沿って案内され、検出用キャリアー端部4の通路43の中へ入り、通路43から露出した正極接点41bが空気と接触する。

上記した配置（検出）によって、検出用キャリアー端部4上の正極接点41bが大気中の酸素量を検出し、そして検出用キャリアー端部4の負極接点42bが流体管壁2内の被測定ガスの酸素量を検出する。これにより、大気中および測定ガス中の酸素は、さまざまな電位差を有する酸化物イオンへ分解される。化学反応を誘起するための酸化ジルコニウム(ZrO₂)でできた検出用キャリアー端部4が、大気および測定ガスに含まれる酸素
(酸化物イオンの量)を比較してさまざまな電位差の電圧信号を発生させる。検出用キャリアー端部4内の正極リード41および負極リード42、伝達用キャリアー端部5内の正極リード51および負極リード52、伝導性支持台座15の正極信号伝導性台座15aおよび負極信号伝導性台座15bを連結することによって、正極および負極からの電圧信号が正極および負極信号線161、162を通って外部受信端末に伝達される。受信端末は、例えば排ガス中の有害物質の排気量を減少させるために、最適な空燃比を調整するエンジン制御ユニット(ECU)である。

他にも、本発明では、伝達用キャリアー端部5は、連絡溝53（図４参照）で形成し得、これは、検出用キャリアー端部4の通路43と連絡可能である（図5参照）。これにより、伝導性支持台座15の出口およびカバー11の開口110を通って大気まで伝達される（図１参照）。これにより、伝達用キャリアー端部5と検出用キャリアー端部4との間の通気用離隔17を補助し、その結果、外気が通路43へ充分に供給される。これにより、正極接点41bは、大気を検出するための充分な酸素を有する。

さらに、連絡溝53は、伝達用キャリアー端部5内に設置されずに、伝達用キャリアー端部5にサーモカップルヒーター6を設置してもよい（図６）。ヒーター6は、正極電力ジョイント(power
joint)61と負極電力ジョイント62を有し（図７参照）、これらは伝達用キャリアー端部5の一側面から露出し、かつ伝導性支持台座15の正極信号伝導性台座15cおよび負極信号伝導性台座15dと接触する。正極信号伝導性台座15cおよび負極信号伝導性台座15dの連結端は、正極電線163および負極電線164を介して外部電源と連結される。電源は、自動車やオートバイのバッテリーでよく、ヒーター6に熱エネルギーを発生させるための電力を供給する。本体1の熱伝導と対流によって、伝達用キャリアー端部5と検出用キャリアー端部4は、迅速に350℃以上の正常作業温度まで加熱される。この間、サーモカップルヒーター6を伝達用キャリアー端部5に埋め込む方法は、連絡溝53を有する伝達用キャリアー端部5の構造内に使用できる（図８参照）。

本発明のO_２センサーの一実施態様の横断面図であり、O_２センサーは、被測定ガスの流体管壁に埋め込まれており、O_２センサー本体には、検出用キャリアー端部と伝達用キャリアー端部が設置されている。段状キャリアーの拡大斜視図であり、検出用キャリアー端部は、連絡溝で形成され、検出用キャリアー端部および伝達用キャリアー端部には、それぞれ、正極リードおよび負極リードが設置されている。図１の3-3線に沿った横断面図であり、O_２センサー本体と検出用キャリアー端部との間に埋設台座および挿入リングが設置され、該検出用キャリアー端部が本体内に置かれている。別のキャリアーステージの拡大斜視図であり、伝達用キャリアー端部には連絡溝が設けられている。図４の横断面図であり、伝達用キャリアー端部の連絡溝は、検出用キャリアー端部の連絡溝と連通する。別の段状キャリアーの拡大斜視図であり、伝達用キャリアー端部に加熱用カップリングヒーターが設けられている。図６の横断面図であり、加熱用カップリングヒーターは伝達用キャリアー端部に連絡溝を伴わないで埋め込まれており、そして電線と接続される。本発明の別の実施態様の横断面図であり、加熱用カップリングヒーターが、伝達用キャリアー端部に連絡溝と共に埋め込まれている。

Claims

O_２センサーの段状電極キャリアーであって、本体を有するセンサーおよび該センサーに設置された検出用キャリアー端部を含み、該検出用キャリアー端部は正極リード、負極リードおよび大気と連通する通路を有し、前記検出用キャリアー端部の正極リードの一端は通路に露出した正極接点を有して大気と接触でき、前記検出用キャリアー端部の一端は検出用キャリアー端部の外壁から露出した負極接点を有して被測定ガスと接触でき、センサーに設置された伝達用キャリアー端部が正極リードおよび負極リードを有することからなる、前記O_２センサーの段状電極キャリアー。
前記検出用キャリアー端部の容積が前記伝達用キャリアー端部の容積よりも小さいことを特徴とする、請求項１に記載のO_２センサーの段状電極キャリアー。
前記検出用キャリアー端部は、電位差固体電解質型ZrO_２でできていることを特徴とする、請求項1に記載のO_２センサーの段状電極キャリアー。
前記検出用キャリアー端部の外壁に挿入リングを設置し、該挿入リングのテーパー状壁をセンサー本体内の埋設台座の傾斜壁へ密着させて、検出用キャリアー端部を固定するようにしたことを特徴とする、請求項1に記載のO_２センサーの段状電極キャリアー。
正極リードおよび負極リードのそれぞれの接触面がセンサーから露出していることを特徴とする、請求項1に記載のO_２センサーの段状電極キャリアー。
前記伝達用キャリアー端部がA1₂0₃で作製されていることを特徴とする、請求項1に記載のO_２センサーの段状電極キャリアー。
前記伝達用キャリアー端部がCaOで作製されていることを特徴とする、請求項1に記載のO_２センサーの段状電極キャリアー。
前記伝達用キャリアー端部がMgOで作製されていることを特徴とする、請求項1に記載のO_２センサーの段状電極キャリアー。
前記伝達用キャリアー端部の正極リードおよび負極リードの連結面が露出していることを特徴とする、請求項1に記載のO_２センサーの段状電極キャリアー。
前記伝達用キャリアー端部の正極リードおよび負極リードが、検出用キャリアー端部の正極リードおよび負極リードと連結されていることを特徴とする、請求項９に記載のO_２センサーの段状電極キャリアー。
前記伝達用キャリアー端部の正極リードおよび負極リードが、センサー本体内の伝導性支持台座の二つの伝導性台座と接触し、各伝導性台座の一端は伝導性支持台座の上部から露出して、正極信号線および負極信号線に接続して外部受信端末と連結するようになっていることを特徴とする、請求項９に記載のO_２センサーの段状電極キャリアー。
伝導性支持台座の上部には、スプリングが設置されていることを特徴とする、請求項1に記載のO_２センサーの段状電極キャリアー。
前記伝達用キャリアー端部と検出用キャリアー端部の連結部に通気用離隔を形成し、該通気用離隔は、検出用キャリアー端部内の通路およびセンサー外部の大気と連絡可能であることを特徴とする、請求項1に記載のO_２センサーの段状電極キャリアー。
前記伝達用キャリアー端部内に開口した連絡溝を設け、該溝は検出用キャリアー端部内の通路およびセンサー外部の大気と連絡可能であることを特徴とする、請求項1に記載のO_２センサーの段状電極キャリアー。
前記伝達用キャリアー端部内に加熱用カップリングヒーターが設置されていることを特徴とする、請求項1に記載のO_２センサーの段状電極キャリアー。
前記加熱用カップリングヒーターは、伝達用キャリアー端部の表面に露出する正極電力ジョイントおよび負極電力ジョイントを有することを特徴とする、請求項1に記載のO_２センサーの段状電極キャリアー。
前記正極電力ジョイントおよび負極電力ジョイントは、センサー本体内の伝導性支持台座の中の正極信号伝導性台座および負極信号伝導性台座にそれぞれ連結し、該正極信号伝導性台座および負極信号伝導性台座は、外部電源にさらに連結する正極電線および負極電線に連結していることを特徴とする、請求項1に記載のO_２センサーの段状電極キャリアー。