JP2006112918A - 酸素センサ - Google Patents

Abstract

【課題】 大気を参照ガスとして用いることなく、より検出精度の高い酸素センサを得る。
【解決手段】 酸素センサ１において、外側電極２７と内側電極２６との間に電流Ｉを印加して検出ガス中の酸素を内側電極２６近傍に導入し、当該導入した酸素を参照ガスとして用いるようにした。
【選択図】 図３

Description

本発明は、酸素センサに関する。

従来より種々の酸素センサが提案されている。特許文献１は、その一例としての酸素センサを開示する。

特許文献１の酸素センサは、基準電極（内側電極）側の参照ガス中の酸素量を基準として、測定電極（外側電極）に接触する検出ガス中の酸素量を検出するものであるが、この参照ガスとして大気を酸素センサ内に導入して換気を行っている。そして、大気導入路からセンサ内に水分が浸入しないよう、その入口部分に撥水フィルタが設けられている。
特開２０００−３２１２３６号公報

しかしながら、上記従来の酸素センサでは、酸素濃度の低い検出ガスがセンサ内部に侵入すると、参照ガスの酸素分圧が低下してしまい、検出誤差が生じるおそれがあった。

また、撥水フィルタは高価である上、撥水フィルタを設置するスペースが必要となる分、酸素センサが大型化するという問題もあった。

本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、大気を参照ガスとして用いることなく、より検出精度の高い酸素センサを得ることにある。

上記目的を達成するために、請求項１の発明は、酸素センサにおいて、内側電極近傍に導入される参照ガスの酸素分圧を、大気圧中の酸素分圧以上で維持するようにしたことを趣旨とする。

また、請求項２の発明は、上記請求項１の発明において、外側電極と内側電極との間に電流を印加して検出ガス中の酸素を内側電極側に導入するようにした構成としている。

また、請求項３の発明は、上記請求項２の発明において、検出ガスから導入した酸素の排出路を形成し、当該排出路の流通抵抗により参照ガスの圧力を大気圧中の酸素分圧以上で維持するようにした構成としている。

請求項１の発明によれば、内側電極近傍に導入される参照ガスの酸素分圧を、大気圧中の酸素分圧以上で維持するようにしたため、酸素センサの内部に不要な酸素が浸入するのを抑制することができ、安定したセンサ出力を得ることができる。

請求項２の発明によれば、外側電極と内側電極との間に電流を印加して検出ガスから内側電極近傍に酸素を導入して内圧を上昇させ、内側電極近傍の参照ガス中の酸素分圧を大気圧中の酸素分圧以上で維持することができる。

請求項３の発明によれば、導入した酸素の排出路の流通抵抗により参照ガスの圧力を大気圧中の酸素分圧以上で維持することができる。また、排出路を形成することで、内圧が異常に上昇して素子割れ等が発生するのを抑制することができる。

以下、本発明を具現化した実施形態について図面を参照して説明する。ここでは、内燃機関を搭載した自動車の排気管に装着された空燃比検出用の酸素センサを例示する。

図１は、本実施形態にかかる酸素センサの断面図である。ホルダ４には、円筒状の素子挿入孔３が形成され、この素子挿入孔３に円柱ロッド状の検出素子２が嵌挿されている。検出素子２はホルダ４を貫通し、軸方向の両端面から露出しており、一端側には酸素測定部２ｂが、また他端側には電極２ａが形成されている。

酸素測定部２ｂは、ホルダ４に溶接やかしめ等で固定された有底円筒状で二重管構成のプロテクタ９内に挿入されている。プロテクタ９には、ガス流通用の小孔９ａが形成されており、検出ガスは、この小孔９ａを経由してプロテクタ９内に進入し、酸素測定部２ｂの周囲に到達する。

素子挿入孔３の電極２ａ側には拡径部１０が形成されており、この拡径部１０に設けられたシール部５により、素子挿入孔３と検出素子２との隙間における気密が保たれている。具体的には、拡径部１０のテーパ部分にセラミック粉（例えば未焼結のタルク等）１２を充填し、これをスペーサ（例えばワッシャ等）１３を用いてテーパ部分の先細方向に押し込むことで、当該隙間を埋めるようにしている。

ホルダ４の電極２ａ側には有底円筒状の端子保持用硝子７が固定されており、検出素子２の電極２ａ側を被覆している。さらに、その端子保持用硝子７の外周を所定の間隙をもって覆うように、筒状のケーシング８が設けられている。ケーシング８は、ホルダ４の外周に全周レーザ溶接等で固定されており、ケーシング８とホルダ４との隙間において気密が確保されている。

また、ケーシング８の酸素測定部２ｂの反対側の端部には、略円柱状のシールラバー１６が内装されており、このシールラバー１６を複数（例えば４本）のリード線１７が貫通して外部に導出されている。このシールラバー１６はケーシング８のカシメ部８ａによってケーシング８に固定されていると共に、このシールラバー１６によってシールラバー１６とリード線１７との間、ならびに、シールラバー１６とケーシング８との間の気密が確保されている。なお、シールラバー１６としては、例えばフッ素ゴム等、耐熱性の高い材質を用いるのが好適である。

各リード線１７の内側端部には、端子６が接続されており、この端子６が端子保持用硝子７に保持されている。各端子６は、弾性体として構成され、その弾性力により、検出素子２の表面に形成される各電極２ａに端子６がより確実に当接し、この部分でより確実な導通が得られるようにしてある。

かかる構成の酸素センサ１は、ホルダ４のネジ部４ｂを排気管３０のネジ孔３１に螺入することにより排気管３０に固定され、プロテクタ９で覆われた箇所が排気管３０内に突出された状態で配置される。酸素センサ１と排気管３０との間は、ガスケット１９によってシールされる。

酸素センサ１の内部に形成される内部空間１５は、シール部５、シールラバー１６、および、ホルダ４とケーシング８との接合部分において、酸素センサ１外部に対して気密が確保されている。ただし、リード線１７の内部における極めて微小な隙間（芯線と被覆との隙間等）を経由して酸素センサ１の外部と連通している。

かかる構成において、排気管３０内を流通する検出ガスがプロテクタ９の小孔９ａより内部に流入すると、そのガス内の酸素が検出素子２の酸素測定部２ｂに入り込む。すると、酸素測定部２ｂによって検出ガスの酸素濃度が検出され、当該酸素濃度を示す電気信号に変換される。そして、この電気信号の情報が電極２ａ、端子６およびリード線１７を経由して外部に出力される。

ここで、酸素測定部２ｂのより詳細な構成について説明する。図２は、検出素子２の横断面図（図１のＡ−Ａ断面図）、また、図３は、検出素子２の縦断面図（図２のＢ−Ｂ断面図）である。

検出素子２は、基体としての芯ロッド２２と、この芯ロッド２２の外周面２２ａの所定領域（略半周に亘る領域）に形成されたヒータ部としてのヒータパターン２３と、このヒータパターン２３を覆うヒータ絶縁層２４と、芯ロッド２２の外周面２２ａ上でヒータパターン２３の反対側の位置に形成された酸素イオン伝導性の固体電解質層２５と、この固体電解質層２５の内面に形成された内側電極（参照電極）２６と、固体電解質層２５の外面に形成された外側電極（検出電極）２７と、内側電極２６の内面と芯ロッド２２の外周面２２ａとの間に設けられた緩和層２８と、固体電解質層２５と外側電極２７の外面に形成され、電極用窓部２９ａを有する緻密層２９と、この緻密層２９やヒータ絶縁層２４の外面を全体的に覆う印刷保護層２１と、この印刷保護層２１の外面全体の領域を覆うスピネル保護層２０とから大略構成されている。

芯ロッド２２は、絶縁材料であるアルミナ等のセラミック材料により、中実円柱状に形成される。

ヒータ部としてのヒータパターン２３は、タングステンや白金等の発熱性導体材料により形成される。このヒータパターン２３には、４本のリード線１７（図１）のうち２本が電気的に接続され、このリード線１７を通じた外部からの通電によって発熱し、固体電解質層２５を昇温させて活性化させる。

ヒータ絶縁層２４は、絶縁性材料により形成され、ヒータパターン２３の電気的絶縁を確保する。

固体電解質層２５は、例えば、ジルコニアの粉体中に所定重量％のイットリアの粉体を混合させてペースト状にしたものをパターニングし、それを焼成して形成される。固体電解質層２５は、内側電極２６と外側電極２７との間で、周囲の酸素濃度差に応じた起電力を発生させ、その厚さ方向に酸素イオンを輸送する。

そして、これら固体電解質層２５、内側電極２６、および外側電極２７により酸素濃度を電気信号として取り出す検出部３２が構成される。なお、検出部３２とヒータパターン２３とは、芯ロッド２２の外周面２２ａ上においてそれぞれ径方向の対向位置に設けられている。

内側電極２６および外側電極２７は、それぞれ導電性を有し、かつ酸素が透過できる金属材料（例えば白金等）によって形成される。これら内側電極２６および外側電極２７には、４本のリード線１７（図１）のうち２本が１本ずつ電気的に接続されており、内側電極２６と外側電極２７との間に生じた出力電圧がこれらリード線１７間の電圧として検出できるようになっている。

さらに、本実施形態では、内側電極２６は、貴金属材料（例えば白金等）に例えばテオブロミン等の空孔形成剤を加えて混合したものをパターニングし、それを焼成することにより形成する。このように空孔形成剤を混合して形成することにより、焼成時に空孔形成剤（消失剤）が焼き飛ばされて電極内に空孔ができ、電極を多孔質構造とすることができる。

また、緩和層２８は、ジルコニアとアルミニウムの混合材料に、さらに例えばカーボン等の空孔形成剤（消失剤）を加えて混合したものをパターニングし、それを焼成することにより形成し、多孔質構造とする。したがって、固体電解質層２５を通じて内側電極２６側に導入された酸素は、さらに、緩和層２８内に進入することができる。

緻密層２９は、検出ガス中の酸素が透過できない材料、例えばアルミナ等のセラミック材料によって形成されている。緻密層２９は、電極用窓部２９ａを除き、固体電解質層２５の外面を被覆している。すなわち、電極用窓部２９ａからは外側電極２７が露出し、検出ガス中の酸素は、電極用窓部２９ａのみから外側電極２７に入り込むことができるようになっている。

印刷保護層２１は、緻密層２９の電極用窓部２９ａから外部に露出されている外側電極２７とともに、緻密層２９、ヒータ絶縁層２４の外側全面を覆っている。そして、印刷保護層２１は検出ガス中の有毒ガスやダスト等は透過させないが、検出ガス中の酸素は透過させることのできる材質、例えばアルミナと酸化マグネシウムの混合物のような多孔質構造体によって形成されている。

スピネル保護層２０は、素子の外側全面を覆っており、検出ガス中の酸素を通過させることができ、印刷保護層２１よりも粗い多孔質体によって形成されている。

ここで、緩和層２８は、図３に示すように、検出素子２の軸方向に沿って帯状に延設されており、検出素子２の電極２ａ側の端部に形成される露出部２８ａを除き、同じく軸方向に沿って延設される緻密層２９（および印刷保護層２１）によって被覆されている。したがって、内側電極２６の近傍で緩和層２８内に進入した酸素は、検出素子２の軸方向に沿って緩和層２８内を電極２ａ側に移動し、露出部２８ａから内部空間１５内に放出される。内部空間１５内に放出された酸素は、リード線１７の内部を経由して酸素センサ１の外部に放出される。

さらに、本実施形態では、内側電極２６から外側電極２７に向かう電流を生じさせ、この電流により、検出ガス中の酸素を緩和層２８内に積極的に取り込み、これを参照ガスとして用いている。具体的には、内側電極２６には抵抗３３を介して電源電池３４の正極側を接続する一方、外側電極２７は負極側（グラウンド）に接続している。これにより、抵抗３３を流れる電流値Ｉに応じて、検出ガス中の酸素が緩和層２８内に取り込まれることになる。なお、センサ出力（電圧値）は、内側電極２６から抵抗３３を介さずに取り出される。

こうして緩和層２８内に取り込まれた酸素は、露出部２８ａから内部空間１５およびリード線１７の内部を経由して酸素センサ１外に放出されることになるが、本実施形態では、その排出路の流通抵抗を調整することで、緩和層２８における酸素の圧力が大気中の酸素分圧以上となるようにしている。具体的には、緩和層２８に含める空孔形成剤（消失剤）の添加率を調整することで、緩和層２８における流通抵抗を調整している。すなわち、空孔形成剤の添加率を多くすれば、緩和層２８内部の空孔が増加して流通抵抗が小さくなるし、逆に添加率を少なくすれば、緩和層２８内部の空孔が減少して流通抵抗が大きくなる。

ここで、緩和層２８における空孔形成剤の添加率の具体的な設定例について説明する。図５は、内側電極側の酸素圧力（分圧）と酸素センサの出力電圧との相関関係の一例を示すグラフ、また、図６は、酸素センサの出力電圧と緩和層への空孔形成剤（カーボン粉末）の添加率（体積比）との相関関係の一例を示すグラフである。

酸素センサ１の常用温度を６００［℃］とすると、該常用温度において、固体電解質層２５に含まれるジルコニアの強度は、２５０［ＭＰａ］である。安全率を２０倍として、緩和層２８内の酸素圧力（分圧）の上限値を１２．５［ＭＰａ］（≒１２７．５［ａｔｍ］）とすると、酸素センサ１の出力電圧の上限値は、図５から、大気圧中で０．１１１［Ｖ］となる。

大気圧中で、酸素センサ１の出力電圧をこの上限値（０．１１１［Ｖ］）以下とするには、図６から、緩和層２８中のカーボン添加率を、２３〜５６［％］（体積比）とすれば良いことがわかる。

上記各グラフは、内側電極２６と外側電極２７との間で生じさせる電流値Ｉは、１０［μＡ］とした場合の結果であるが、電流値Ｉは、センサ出力に応じて１［μＡ］まで低下することがある。したがって、これを考慮して、緩和層２８中のカーボン添加率を、２．３〜５６［％］（体積比）とする。

以上説明したように、本実施形態によれば、検出ガス中から内側電極２６近傍に酸素を導入し、これを参照ガスとして用いるようにしたため、大気を参照ガスとして導入してこれを換気に用いたりするための経路を設ける必要がなく、その分、酸素センサをより小型かつより軽量に構成することができる。

また、本実施形態によれば、検出ガス中から導入した酸素の排出路を形成したため、酸素センサ内で酸素が蓄積され、酸素センサの内圧が異常に上昇するのを抑制することができる。

また、本実施形態では、緩和層２８を内側電極２６に隣接して形成することで、上記排出路を比較的容易に具現化することができる。

また、本実施形態では、排出路の流通抵抗を調整して、参照ガスとして取り込んだ酸素の圧力を大気圧中の酸素分圧以上で維持するようにしたため、参照ガスの酸素分圧が検出ガス中の酸素分圧より高くなり、酸素センサ１の内部（緩和層２８等）に不要な気体や液体が浸入するのを抑制することができる。しかも、その取り込んだ酸素の圧力が固体電解質層２５の耐圧限界より低くなるように排出路の流通抵抗を調整することで、圧力上昇による固体電解質層２５ひいては酸素センサ１の破損を抑制することができる。

さらに、本実施形態では、空孔形成剤（消失剤）を含む材質を焼成することにより緩和層２８を形成したので、流通抵抗を空孔形成剤の添加率の調整によって極めて容易に調整することができる。

なお、本発明は、次のような別の実施形態に具現化することができる。以下の別の実施形態でも上記実施形態と同様の作用および効果を得ることができる。

（１）上記各実施形態では、緻密層２９の端部に矩形状の切り欠きを設けることで、緩和層２８の露出部２８ａを形成したが、これ以外の方法（例えば緻密層２９の被覆部分を短くする等）により露出部を形成してもよい。

（２）また、緩和層その他各層は、上記実施形態に記載した以外の材質、成分等あるいは製法を用いて形成もよい。

また、上記実施形態から把握し得る請求項以外の技術思想について、以下にその効果と共に記載する。

（イ）請求項３に記載の酸素センサでは、前記排出路をなす多孔質層を内側電極に隣接して形成するのが好適である。

こうすれば、多孔質層を内側電極に隣接して多孔質層を形成することで、排出路を比較的容易に具現化することができる。

（ロ）上記（イ）に記載の酸素センサでは、取り込んだ酸素の分圧が固体電解質の耐圧限界より低くなるよう、排出路の流通抵抗を設定するのが好適である。

こうすれば、固体電解質の破損を抑制することができる。

（ハ）上記（イ）または（ロ）に記載の酸素センサでは、空孔形成剤を含む材質を焼成することで前記多孔質層を形成するのが好適である。

こうすれば、多孔質層を比較的容易に形成することができる上、空孔形成剤の添加率を調整することで、緩和層における流通抵抗を比較的容易に調整することができるようになる。

（ニ）請求項３および上記（イ）〜（ハ）のうちいずれか一つに記載の酸素センサでは、検出素子からの信号の取り出しあるいは該検出素子を通電加熱するために用いるリード線の内部の隙間を、前記排出路として用いるのが好適である。

こうすれば、別途排出路を形成した場合に比べて、製造の手間が減り、コスト的にも有利となる。

本発明の実施形態にかかる酸素センサの断面図（軸方向に沿った断面図）。 本発明の実施形態にかかる酸素センサの酸素測定部の断面図（図１のＡ−Ａ断面図）。 本発明の実施形態にかかる酸素センサの酸素測定部の断面図（図２のＢ−Ｂ断面図）。 本発明の実施形態にかかる酸素センサの緩和層露出部の外観図（図３の矢視Ｃ）。 本発明の実施形態にかかる酸素センサの内側電極側の酸素分圧とセンサ出力との相関関係の一例を示す図。 本発明の実施形態にかかる酸素センサのセンサ出力と緩和層へのカーボン添加率との相関関係の一例を示す図。

符号の説明

１ 酸素センサ
２３ ヒータパターン
２４ ヒータ絶縁層
２５ 固体電解質層
２６ 内側電極
２７ 外側電極
２８ 緩和層（排出路、多孔質層）

Claims (3)

1. 通電加熱されるヒータ部と、該ヒータ部の発熱によって活性化する酸素イオン伝導性の固体電解質層と、該固体電解質層の外面に形成される外側電極と、該外側電極に対向して前記固体電解質層の内側に形成される内側電極と、を備え、内側電極近傍に導入される参照ガスを基準として外側電極に接触する検出ガス中の酸素濃度を検出する酸素センサにおいて、
   前記内側電極近傍に導入される参照ガスの酸素分圧を、大気圧中の酸素分圧以上で維持するようにしたことを特徴とする酸素センサ。
2. 前記外側電極と内側電極との間に電流を印加して検出ガス中の酸素を内側電極側に導入するようにしたことを特徴とする請求項１に記載の酸素センサ。
3. 検出ガスから導入した酸素の排出路を形成し、当該排出路の流通抵抗により参照ガスの圧力を大気圧中の酸素分圧以上で維持するようにしたことを特徴とする請求項２に記載の酸素センサ。

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