JP2007078473A

JP2007078473A - ガスセンサ

Info

Publication number: JP2007078473A
Application number: JP2005265635A
Authority: JP
Inventors: Keiichiro Aoki; 圭一郎青木
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2005-09-13
Filing date: 2005-09-13
Publication date: 2007-03-29

Abstract

【課題】従来のＯ₂センサは、装着箇所からの熱的要因でシール部の熱劣化や、かしめトルクの低下によって大気側から空気が侵入し、検出される酸素濃度が多めとなってしまう。
【解決手段】本発明によるＯ₂センサは、検出雰囲気を仕切る隔壁に形成された開口部に気密に装着される環状のハウジング１１と、このハウジング１１に一体的に嵌着され、検出雰囲気に臨む先端側が閉じた筒状をなす固体電解質体１４と、この固体電解質体１４の内側面に形成された第１の電極層１７と、検出雰囲気中に露出するように固体電解質体１４の外側面の先端部に形成された第２の電極層２０と、この電極層２０に導通するリード層２２と、これら第２の電極層２０およびリード層２２を覆うように固体電解質体１４の外側面に形成された保護層２４とを具え、この保護層２４の材質や厚みまたは密度を調整した。
【選択図】図２

Description

本発明は、特定のガス成分の含有量を検出するガスセンサに関し、特に自動車の排気ガス中に占める酸素濃度を検出する酸素濃度センサ（以下、Ｏ₂センサと記述する）として好適なものである。

排気ガス中に占める有害成分の排出規制が強化される中、排気ガス中に占める酸素濃度をＯ₂センサにより検出し、これによって吸入空気量や燃料供給量をフィードバックするようにしたエンジンシステムが製品化されている。このようなエンジンシステムにおいては、Ｏ₂センサにおける酸素余剰率λの特性が排気ガス中の成分変化を左右する。このため、排気ガス中の有害成分を無害化するための触媒を通過した後の排気ガス中の酸素濃度をＯ₂センサによって検出する場合、本質的に酸素濃度が少なくなっていることから、特に影響が大きくなる傾向を持つ。具体的には、経時的な材質の劣化などにより、Ｏ₂センサ自体のシール部を介して外部から空気が微小量流入することにより、検出される酸素濃度が増大するため、そのλ特性に悪影響を与えてしまうことが知られている。

従って、このシール部のシール性を如何に長期に亙って維持するかがＯ₂センサの信頼性、つまりλ特性の安定化を確保する上での重要な要件となる。このような観点に基づく従来のＯ₂センサの一例が特許文献１に開示されている。このＯ₂センサにおいては、酸素センサの排気側電極の基端部に位置する導電路にガラス化材料からなる絶縁層と、その近傍にセラミックからなる被覆層とを形成し、外部から侵入する空気中の酸素による影響が少なくなるように配慮している。

特表平８−５０７６１５号公報

特許文献１に開示された従来のＯ₂センサにおいても、排気管側からの熱的要因でシール部に介在するタルクなどの熱劣化や、かしめトルクが次第に低下し、その気密性が経時的に悪化してしまう。この結果、大気側からの空気の侵入により、Ｏ₂センサによって検出される酸素濃度が多めとなり、予測される空燃比の状態がリーン側にずれてしまうことを避けることができなかった。特に、近年の排気ガスの規制強化に伴い、触媒を通過した後の排気ガス中に含まれる酸素濃度が低くなる傾向にあり、これに伴って外部から侵入する空気の影響が極めて大きくなってしまう問題がある。

本発明の目的は、経時的な劣化に伴い、外部からシール部を介して侵入する空気による影響を極力低減し、排気ガス中に含まれる酸素濃度を高精度に検出し得るガスセンサを提供することにある。

本発明の第１の形態は、検出雰囲気を仕切る隔壁に形成された開口部に気密に装着される環状のハウジングと、このハウジングに一体的に嵌着され、検出雰囲気に臨む先端側が閉じた筒状をなす固体電解質体と、この固体電解質体の内側面に形成されて前記固体電解質体の基端側に設けられた接続端子に連通する第１の電極層と、検出雰囲気中に露出するように前記固体電解質体の外側面に形成され、前記固体電解質体の基端側に設けられた接続端子に連通する第２の電極層と、この第２の電極層を覆うように前記固体電解質体の外側面に形成されて気体の透過を規制する保護層とを具え、前記固体電解質体の基端側における前記保護層の厚みは、前記固体電解質体の先端側における前記保護層の厚みよりも厚く設定されていることを特徴とするガスセンサにある。

本発明においては、ハウジングと固体電解質体との嵌合部分の隙間から検出雰囲気内に外気が流入した場合、その影響が最も大きくなると懸念される固体電解質体の基端側を覆う保護層の厚みが先端側よりも厚く設定されている。従って、固体電解質体の基端側から保護層を透過して第２の電極層へ到達する気体の到達割合が先端側よりも抑制されることとなる。

本発明の第１の形態によるガスセンサにおいて、ハウジングと固体電解質体との嵌合部分の隙間から検出雰囲気内に流入する外気の流入状態に基づき、固体電解質体の基端側と先端側とにおける保護層の厚みを設定することが好ましい。

本発明の第２の形態は、検出雰囲気を仕切る隔壁に形成された開口部に気密に装着される環状のハウジングと、このハウジングに一体的に嵌着され、検出雰囲気に臨む先端側が閉じた筒状をなす固体電解質体と、この固体電解質体の内側面に形成されて前記固体電解質体の基端側に設けられた接続端子に連通する第１の電極層と、検出雰囲気中に露出するように前記固体電解質体の外側面に形成され、前記固体電解質体の基端側に設けられた接続端子に連通する第２の電極層と、この第２の電極層を覆うように前記固体電解質体の外側面に形成されて気体の透過を規制する保護層とを具え、前記固体電解質体の基端側における前記保護層の密度は、前記固体電解質体の先端側における前記保護層の密度よりも高密度に設定されていることを特徴とするガスセンサにある。

本発明においては、ハウジングと固体電解質体との嵌合部分の隙間から検出雰囲気内に外気が流入した場合、その影響が最も大きくなると懸念される固体電解質体の基端側を覆う保護層の密度が先端側よりも高密度に設定されている。従って、固体電解質体の基端側から保護層を透過して第２の電極層へ到達する気体の到達割合が先端側よりも抑制されることとなる。

本発明の第２の形態によるガスセンサにおいて、ハウジングと固体電解質体との嵌合部分の隙間から検出雰囲気内に流入する外気の流入状態に基づき、固体電解質体の基端側と先端側とにおける保護層の密度を設定することが好ましい。

本発明の第１および第２の形態によるガスセンサにおいて、第２の電極層を固体電解質体の先端側にのみ形成し、この第２の電極層とその接続端子とを導通させるリード層を固体電解質体の外側面に形成することができる。この場合、リード層が保護層にて被覆されていることが好ましい。

保護層をガラスを含むセラミックスにて形成することができる。

ハウジングから突出する固体電解質体を囲むようにハウジングに取り付けられる外側カバーと、この外側カバーと固体電解質体との間に介装される内側カバーとをさらに具えることができ、この場合、内側カバーと固体電解質体との間に形成される空隙と、外側カバーの外側の検出雰囲気とを連通させる複数の連通孔を外側カバーおよび内側カバーにそれぞれ形成することが好ましい。

検出雰囲気中に露出するように固体電解質体の外側面に形成され、固体電解質体の基端側に設けられた接続端子に連通する第２の電極層と、この第２の電極層を覆うように固体電解質体の外側面に形成されて気体の透過を規制する保護層とを具えた本発明のガスセンサによると、固体電解質体の基端側における保護層の厚みを、固体電解質体の先端側における保護層の厚みよりも厚く設定するか、あるいは固体電解質体の基端側における保護層の密度を、固体電解質体の先端側における保護層の密度よりも高密度に設定したので、シール部の劣化に伴って気密性が低下し、ハウジングと固体電解質体との嵌合部分の隙間から外気が侵入した場合であっても、固体電解質体の基端側から保護層を透過して第２の電極層へ到達する気体の到達割合が先端側よりも抑制されることとなる。この結果、長期に亙って外気の侵入による悪影響を受けにくい高信頼性のガスセンサを得ることができる。

ハウジングと固体電解質体との嵌合部分の隙間から検出雰囲気内に流入する外気の流入状態に基づき、固体電解質体の基端側と先端側とにおける保護層の厚みを設定した場合、シール部の劣化に伴って気密性が低下しても、これによる悪影響を最小限に抑えて検出雰囲気中のガス濃度を高精度に検出することができる。

同様に、ハウジングと固体電解質体との嵌合部分の隙間から第２の電極層への外気の流入量に基づき、保護層の密度を固体電解質体の先端側ほど高密度に設定した場合、シール部の劣化に伴って気密性が低下しても、これによる悪影響を最小限に抑えて検出雰囲気中のガス濃度を高精度に検出することができる。

第２の電極層を固体電解質体の先端側にのみ形成し、この第２の電極層とその接続端子とを導通させるリード層を固体電解質体の外側面に形成した場合、シール部の劣化に伴って気密性が低下しても、これによる影響を受けにくくすることができる。しかも、第２の電極層の電極面積が小さくなってその材料コストを削減することも可能である。特に、リード層を保護層にて被覆した場合、リード層にハウジングと固体電解質体との嵌合部分の隙間から外気が流入しても、リード層に与える悪影響を最小限に抑えることができる。

保護層をガラスを含むセラミックスにて形成した場合、気体の透過性や保護層の厚みまたは密度を容易に制御することができる。

ハウジングから突出する固体電解質体を囲むようにハウジングに取り付けられる外側カバーと、この外側カバーと固体電解質体との間に介装される内側カバーとをさらに具え、内側カバーと固体電解質体との間に形成される空隙と、外側カバーの外側の検出雰囲気とを連通させる複数の連通孔を外側カバーおよび内側カバーにそれぞれ形成した場合、第２の電極層に対して検出雰囲気中の気体を安定して効率よく導くことができる。

本発明によるガスセンサとして、三元触媒よりも下流側の排気管に形成された取り付け穴に装着されるＯ₂センサに応用した実施形態について、図１〜図３を参照しながら詳細に説明するが、本発明はこれらの実施形態のみに限らず、これらをさらに組み合わせたり、特許請求の範囲に記載された本発明の概念に包含されるあらゆる変更や修正が可能であり、従って本発明の精神に帰属する他の任意の技術にも当然応用することができる。また、本実施形態のＯ₂センサは、三元触媒よりも上流側の排気管または排気マニホルドに装着することも当然可能であることに注意されたい。

本実施形態によるＯ₂センサの全体の断面構造を図１に示し、その主要部の抽出拡大断面構造を図２に示すが、Ｏ₂センサの基本的な構造は、例えば特開平１１−２３７３６１号公報や特開２０００−１７１４２９号公報などで周知の通りである。本実施形態におけるＯ₂センサ１０の環状をなすハウジング１１には、スパナ掛けされるフランジ部１１ａと、排気管１２に形成された取り付け穴１２ａにねじ込まれる雄ねじ部１１ｂとが外面側に形成されている。ハウジング１１の雄ねじ部１１ｂは、取り付け穴１２ａを囲むように配されるシールガスケット１３を介して排気管１２の取り付け穴１２ａに強固にねじ止めされ、シールガスケット１３によって排気管１２の取り付け穴１２ａとハウジング１１の雄ねじ部１１ｂとの間の隙間が完全にシールされ、外気がここを介して排気管１２内へ侵入し得ないようになっている。

ハウジング１１を貫通し、排気管１２内に位置する先端部が半球状となって塞がれた筒状をなす固体電解質体１４は、ジルコニア（ＺrＯ₂）またはチタニア（ＴiＯ₂）を焼結成形したものである。この固体電解質体１４の長手方向中間部分には、ハウジング１１の内面に形成された段部１１ｃに係止する環状の係止部１４ａが形成されている。ハウジング１１の内面と固体電解質体１４の外面との間には、ハウジング１１の段部１１ｃと固体電解質体１４の係止部１４ａとに臨むシール部材１５などが組み込まれ、ハウジング１１とその基端に一体的に連結される筒状の外カバー１６とでかしめられた状態で固定されている。

固体電解質体１４の内面には、第１の電極層１７が白金などを蒸着することによって形成され、固体電解質体１４の基端に取り付けられた第１の接続端子１８に導通する第１検出用ケーブル１９が外部に引き出されている。また、固体電解質体１４の外面の半球状をなす先端部には、第２の電極層２０が白金などを蒸着することによって形成され、また、この第２の電極層２０と固体電解質体１４の基端に取り付けられた第２の接続端子２１とをつなぐ線状をなすリード層２２が白金などを蒸着することによって固体電解質体１４の外面に形成されている。第２の接続端子２１には、上述した第１検出用ケーブル１９と共に外部に引き出される第２検出用ケーブル２３が連結され、これらは酸素濃度の検出に供される。

このように、本実施形態では、第２の電極層２０を固体電解質体１４の外面全域に形成せずに先端部のみ形成し、これをリード層２２によって第２の接続端子２１に導通させているため、高価な白金の使用量を抑えて材料コストを低減することが可能である。

この固体電解質体１４の外面には、上述した第２の電極層２０およびリード層２２を含めて固体電解質体１４の外面全域を覆う保護層２４がさらに形成されている。この保護層２４は、気体の透過を抑制する多孔質体、例えばアルミナ（Ａl₂Ｏ₃）単体か、またはアルミナにシリカ（ＳiＯ₂）を添加したものを溶射またはＣＶＤ法などによって形成することができる。この保護層２４は、これら以外の他のセラミックスを採用することも当然可能である。保護層２４の厚みは、これを構成する材料の特性やガスセンサ自体の構造などに応じて変わるけれども、本実施形態におけるＯ₂センサ１０の場合、１００〜５００μm程度が好ましいと言える。

なお、上述した保護層２４を固体電解質体１４の外面全域に形成する必要性はなく、少なくとも第２の電極層２０とリード層２２とが覆われていれば良い。特に、リード層２２を覆う保護層２４の部分は排気管１２内の排気ガスを透過させてリード層２２に導く必要性が全くないので、保護層２４の第２の電極層２０を覆う部分よりも緻密なガラス質のシリカなどで形成することができる。

固体電解質体１４の内側には、これを活性化させるための電気ヒータとなる棒状の発熱体２５が収容され、その基端に取り付けられた接続端子２６に接続するヒータ用ケーブル２７が外部に引き出されている。

排気管１２内に臨むハウジング１１の先端面には、ハウジング１１の先端から排気管１２内に突出する固体電解質体１４を囲むカップ形の外側カバー２８の基端部が一体的に固定されている。また、この外側カバー２８の内面に基端部が圧入係止する内側カバー２９が外側カバー２８と固体電解質体１４との間に介装されている。外側カバー２８および内側カバー２９には、排気管１２内を流れる排気ガスを固体電解質体１４、より具体的には第２の電極層２０が位置するその半球状をなす先端部に導いて再びこれらカバー２８，２９の外の排気管１２内に流出させる貫通孔２８ａ，２９ａがそれぞれ複数個形成されている。これら貫通孔２８ａ，２９ａの位置や数などは固体電解質体１４自体の特性や排気管１２内の状況に応じて成形箇所や形成個数あるいはその径などが最適に設定される。

このような構造のＯ₂センサ１０においては、シール部材１５の存在に拘らず、経時的な劣化によってハウジング１１の段部１１ｃと固体電解質体１４の係止部１４ａとの間の隙間から排気管１２外の空気が外側カバー２８および内側カバー２９と固体電解質体１４との間の空隙に侵入する可能性があり、当然のことながらこれによる酸素濃度は固体電解質体１４の基端側ほど高く、先端側ほど薄くなる傾向を持つ。本実施形態では、第２の電極層２０を固体電解質体１４の先端部にのみ形成しているため、侵入した外気がこの第２の電極層２０に接する確率を著しく少なくすることができ、排気ガス中に含まれる酸素濃度の検出を長期間に亙って安定かつ正確に行うことが可能である。また、リード層２２を覆う保護層２４として気体を透過させない緻密なガラス質材料によって形成した場合には、外気がリード層２２に触れる可能性も確実に排除することができ、第２の電極層２０による酸素濃度の検出精度を悪化させるような不具合を解消することができる。換言すれば、第２の電極層２０の形成領域は、外部から侵入する空気の影響をそれほど受けないような固体電解質体１４の部分に設定することが好ましい。

上述した実施形態では、第２の電極層２０を固体電解質体１４の外側面の先端部にのみ形成したが、従来と同じように固体電解質体１４の外面の全域に亙って形成することも可能である。このような本発明の他の実施形態における主要部の断面構造を図３に示すが、先の実施形態で示した部材と同一機能の部材にはこれと同じ符合を記し、重複する説明は省略するものとする。本実施形態における固体電解質体１４の外面全域には第２の電極層２０が形成されており、さらにこの第２の電極層２０を覆う第１の保護層２４が第２の電極層２０に重ねて形成されている。この第１の保護層２４は、先の実施形態における固体電解質体１４の先端部を覆う保護層２４と同じものである。本実施形態では、固体電解質体１４の先端部を除き、第２の保護層３０がこの第１の保護層２４に重ねて形成されている。第２の保護層３０は、基本的に気体の透過を遮断する緻密なガラス質材料からなる。

従って、ハウジング１１の段部１１ｃと固体電解質体１４の係止部１４ａとの間の隙間から排気管１２外の空気が外側カバー２８および内側カバー２９と固体電解質体１４との間の空隙に侵入したとしても、気体の透過を遮断する第２の保護層３０が固体電解質体１４をその先端部のみを残して覆った状態となっているため、侵入した外気が第２の電極層２０に接する確率を著しく少なくすることができる。これにより、排気ガス中に含まれる酸素濃度の検出を長期間に亙って安定かつ正確に行うことが可能であり、上述した同じ効果を得ることができる。

上述した実施形態では、固体電解質体１４の先端部以外の部分を覆うように第１の保護層２４に重ねて第２の保護層３０を形成したが、単一の保護層２４の膜厚またはその密度を固体電解質体１４の先端部から基端部にかけて連続的または段階的に増大させることによっても、同じ効果を得ることができる。

本発明によるガスセンサをＯ₂センサに応用した一実施形態の内部構造を表す断面図である。図１に示した実施形態における主要部の抽出拡大断面図である。本発明の他の実施形態の主要部を表す断面図である。

符号の説明

１０Ｏ₂センサ
１１ハウジング
１１ａフランジ部
１１ｂ雄ねじ部
１１ｃ段部
１２排気管
１２ａ取り付け穴
１３シールガスケット
１４固体電解質体
１４ａ係止部
１５シール部材
１６外カバー
１７第１の電極層
１８第１の接続端子
１９第１検出用ケーブル
２０第２の電極層
２１第２の接続端子
２２リード層
２３第２検出用ケーブル
２４保護層（第１の保護層）
２５発熱体
２６接続端子
２７ヒータ用ケーブル
２８外側カバー
２８ａ貫通孔
２９内側カバー
２９ａ貫通孔
３０第２の保護層

Claims

検出雰囲気を仕切る隔壁に形成された開口部に気密に装着される環状のハウジングと、
このハウジングに一体的に嵌着され、検出雰囲気に臨む先端側が閉じた筒状をなす固体電解質体と、
この固体電解質体の内側面に形成されて前記固体電解質体の基端側に設けられた接続端子に連通する第１の電極層と、
検出雰囲気中に露出するように前記固体電解質体の外側面に形成され、前記固体電解質体の基端側に設けられた接続端子に連通する第２の電極層と、
この第２の電極層を覆うように前記固体電解質体の外側面に形成されて気体の透過を規制する保護層と
を具え、前記固体電解質体の基端側における前記保護層の厚みは、前記固体電解質体の先端側における前記保護層の厚みよりも厚く設定されていることを特徴とするガスセンサ。
前記固体電解質体の基端側と先端側とにおける前記保護層の厚みは、前記ハウジングと前記固体電解質体との嵌合部分の隙間から検出雰囲気内に流入する外気の流入状態に基づいて設定されていることを特徴とする請求項１に記載のガスセンサ。
検出雰囲気を仕切る隔壁に形成された開口部に気密に装着される環状のハウジングと、
このハウジングに一体的に嵌着され、検出雰囲気に臨む先端側が閉じた筒状をなす固体電解質体と、
この固体電解質体の内側面に形成されて前記固体電解質体の基端側に設けられた接続端子に連通する第１の電極層と、
検出雰囲気中に露出するように前記固体電解質体の外側面に形成され、前記固体電解質体の基端側に設けられた接続端子に連通する第２の電極層と、
この第２の電極層を覆うように前記固体電解質体の外側面に形成されて気体の透過を規制する保護層と
を具え、前記固体電解質体の基端側における前記保護層の密度は、前記固体電解質体の先端側における前記保護層の密度よりも高密度に設定されていることを特徴とするガスセンサ。
前記固体電解質体の基端側と先端側とにおける前記保護層の密度は、前記ハウジングと前記固体電解質体との嵌合部分の隙間から検出雰囲気内に流入する外気の流入状態に基づいて設定されていることを特徴とする請求項３に記載のガスセンサ。
前記第２の電極層が前記固体電解質体の先端側にのみ形成され、この第２の電極層とその接続端子とを導通させるリード層が前記固体電解質体の外側面に形成されていることを特徴とする請求項１から請求項４の何れかに記載のガスセンサ。
前記リード層が前記保護層にて被覆されていることを特徴とする請求項５に記載のガスセンサ。
前記保護層がセラミックスにて形成されていることを特徴とする請求項１から請求項６の何れかに記載のガスセンサ。
ハウジングから突出する前記固体電解質体を囲むようにハウジングに取り付けられる外側カバーと、
この外側カバーと前記固体電解質体との間に介装される内側カバーと
をさらに具え、これら外側カバーおよび内側カバーには、前記内側カバーと固体電解質体との間に形成される空隙と、前記外側カバーの外側の検出雰囲気とを連通させる複数の連通孔がそれぞれ形成されていることを特徴とする請求項１から請求項７の何れかに記載のガスセンサ。