JP2008232921A - Oxygen sensor - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、酸素センサに関する。 The present invention relates to an oxygen sensor.
この種の酸素センサは、セラミック材料等によって形成された基体軸を有し、該基体軸の軸方向一方側の表面上に、検出電極と参照電極とを含む酸素検出部と、該酸素検出部を加熱するヒータ部とが、基体軸の中心軸を挟んで対向するように形成されており、例えば、車両に搭載された内燃機関の排気管に取り付けられ、排気ガス中の酸素成分の検出に用いられている。 This type of oxygen sensor has a base axis formed of a ceramic material or the like, and an oxygen detection unit including a detection electrode and a reference electrode on the surface on one side in the axial direction of the base axis, and the oxygen detection unit For example, is attached to an exhaust pipe of an internal combustion engine mounted on a vehicle to detect oxygen components in the exhaust gas. It is used.
しかしながら、このような従来の酸素センサでは、ヒータ加熱時における基体軸への熱の拡散範囲が広いため、酸素検出部を早期に活性化できないという問題があり、酸素検出部の昇温時間を短くするためにヒータ部の出力を大きくすることで対応していた。 However, such a conventional oxygen sensor has a problem that the oxygen detection unit cannot be activated at an early stage because the diffusion range of heat to the substrate shaft is wide when the heater is heated, and the temperature rise time of the oxygen detection unit is shortened. In order to achieve this, the output of the heater unit was increased.
そこで、このような問題を解決する一つの方策として、基体軸の内部を中空構造とした酸素センサが提案されている(例えば特許文献1)。この特許文献1に記載される従来技術では、ヒータ加熱時における基体軸への熱の拡散範囲が比較的狭いため、ヒータ部の出力を抑えながら、酸素検出部を速やかに昇温することができる。
しかしながら、上記従来技術のように基体軸の全領域で中空とした構成では、基体軸の軸方向一方側に設けたヒータ部の加熱により、基体軸の軸方向他方側への伝熱量が増大して温度が高くなってしまう。 However, in the configuration in which the entire region of the base shaft is hollow as in the above prior art, the amount of heat transferred to the other side in the axial direction of the base shaft increases due to the heating of the heater portion provided on the one side in the axial direction of the base shaft. Temperature rises.
この基体軸の軸方向他方側の近傍には、酸素検出部やヒータ部の電極に接触導通させる端子や、酸素センサの内外をシールするシール部材等が設けられているが、上述したように基体軸の軸方向他方側の温度が高くなると、その分、これら部品の材質やスペックを変更するなどして耐熱性を高める必要が生じ、製造コストの増大につながる虞があった。 In the vicinity of the other side of the base shaft in the axial direction, a terminal that makes contact with the electrodes of the oxygen detector and the heater, and a seal member that seals the inside and outside of the oxygen sensor are provided. When the temperature on the other side in the axial direction of the shaft is increased, it is necessary to increase the heat resistance by changing the material and specifications of these parts, which may increase the manufacturing cost.
そこで、本発明は、ヒータ部の出力を抑えながら酸素検出部の昇温速度を確保できるとともに、基体軸の軸方向他方側の温度を低減することが可能な酸素センサを得ることを目的とする。 SUMMARY OF THE INVENTION Accordingly, an object of the present invention is to provide an oxygen sensor that can secure the temperature increase rate of the oxygen detection unit while suppressing the output of the heater unit, and can reduce the temperature on the other axial side of the base shaft. .
請求項1の発明は、基体軸の軸方向一方側の表面上で、検出電極と参照電極とを含む酸素検出部と、当該酸素検出部を加熱するヒータ部とが、上記基体軸の中心軸を挟んで対向するように形成された酸素センサにおいて、上記基体軸は、上記酸素検出部とヒータ部とが対向する領域を除く部位に、中空部分を有することを趣旨とする。 According to the first aspect of the present invention, an oxygen detection unit including a detection electrode and a reference electrode and a heater unit for heating the oxygen detection unit on a surface on one side in the axial direction of the substrate axis include a central axis of the substrate axis. In the oxygen sensor formed so as to be opposed to each other, the base shaft has a hollow portion in a portion excluding a region where the oxygen detection portion and the heater portion face each other.
請求項2の発明は、上記中空部分は、上記基体軸の軸方向他方側の端部に開口していることを趣旨とする。
The invention of
請求項3の発明は、上記中空部分の断面積が、上記基体軸を中実とした場合の断面積に対して、20パーセント以上70パーセント以下であることを趣旨とする。
The invention of
請求項1の発明によれば、基体軸に中空部分を設けた分だけ、基体軸の熱容量を減らすことができて、ヒータ部の出力を低く抑えることができる。さらに、酸素検出部とヒータ部とが対向する部分が中実となって熱容量が増大する分、相対的に、基体軸の軸方向他方側への伝熱量を減らすことができて、当該基体軸の軸方向他方側の温度を低減することができる。すなわち、かかる構成によれば、ヒータ部の出力を抑えながら酸素検出部の昇温速度を向上させるとともに、基体軸の軸方向他方側の温度を低減することが可能となる。 According to the first aspect of the present invention, the heat capacity of the base shaft can be reduced by the amount of the hollow portion provided in the base shaft, and the output of the heater section can be kept low. Furthermore, the amount of heat transfer to the other side in the axial direction of the base shaft can be relatively reduced by the amount by which the portion where the oxygen detection section and the heater section face each other is solid and the heat capacity increases, so that the base shaft The temperature on the other side in the axial direction can be reduced. That is, according to such a configuration, it is possible to improve the temperature increase rate of the oxygen detection unit while suppressing the output of the heater unit, and to reduce the temperature on the other side in the axial direction of the base shaft.
請求項2の発明によれば、上記中空部分が基体軸の軸方向他方側の端部に開口しているので、当該中空部分を比較的容易に形成することができる。 According to the second aspect of the present invention, since the hollow portion opens at the end portion on the other side in the axial direction of the base shaft, the hollow portion can be formed relatively easily.
請求項3の発明によれば、基体軸を中実とした場合の断面積に対する中空部分の断面積の比率を、20パーセント以上かつ70パーセント以下の範囲に設定することで、基体軸の剛性および強度の確保と軸方向他方側の温度低減とをより確実に両立させることができる。
According to the invention of
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ながら詳細に説明する。ここでは、内燃機関に用いられる酸素センサを例示する。 DESCRIPTION OF EMBODIMENTS Hereinafter, embodiments embodying the present invention will be described in detail with reference to the drawings. Here, an oxygen sensor used in an internal combustion engine is illustrated.
図1は、本発明の一実施形態にかかる酸素センサの断面図、図2は、酸素センサの検出素子の断面図、図3は、図2のIII−III断面図、図4は、検出素子の軸方向の各位置における温度を示す特性図、図5は、検出素子の中空率と検出素子の軸方向他方側の端部の温度との関係を示す特性図、また、図6は、検出素子の中空率と破壊強度との関係を示す特性図である。 1 is a cross-sectional view of an oxygen sensor according to an embodiment of the present invention, FIG. 2 is a cross-sectional view of a detection element of the oxygen sensor, FIG. 3 is a cross-sectional view taken along line III-III in FIG. 2, and FIG. 5 is a characteristic diagram showing the temperature at each position in the axial direction, FIG. 5 is a characteristic diagram showing the relationship between the hollow ratio of the detection element and the temperature at the other end of the detection element in the axial direction, and FIG. It is a characteristic view which shows the relationship between the hollow ratio of an element, and breaking strength.
本実施形態にかかる酸素センサ1は、図1に示すように、酸素濃度を検出するとともに検出した酸素濃度を電気信号に変換する検出素子2と、この検出素子2を挿入する素子挿入孔3が形成されたホルダ4と、このホルダ4と検出素子2との間をシールし、かつ、検出素子2をホルダ4内に位置決めする素子位置決め部5と、ホルダ4より軸方向一方側(図1では上側)に露出した検出素子2の接点部2aに圧接されて検出素子2からの出力を取り出す端子6と、ホルダ4の基端側に固定されて端子6を保持する絶縁碍子7と、ホルダ4の基端側に固定されて絶縁碍子7の外周を被うケーシング8と、ホルダ4の軸方向他端側に固定されてホルダ4より突出した検出素子2の外周を被うプロテクタ9とを備えて概略構成されている。
As shown in FIG. 1, the
検出素子2は、図1および図2に示すように、絶縁材料であるアルミナ等のセラミック材料により形成される略円柱状(一部円筒状)の基体軸2cを有しており、軸方向一方側(図1では下側,図2では左側)の表面上には、検出電極と参照電極とを含む酸素検出部2bと該酸素検出部2bを加熱するヒータ部2dとが、基体軸2cの中心軸Cxを挟んで対向するように形成されている。これら酸素検出部2bやヒータ部2d等は保護層2eによって覆われており、検出素子2は、当該軸方向一方側で拡径された形状となっている。ヒータ部2d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ている。
As shown in FIGS. 1 and 2, the
図2に示すように、これら酸素検出部2bおよびヒータ部2dには、それぞれ基体軸2cの表面において軸方向に延設される帯状のリード線部2gが接続されている。また、図1にも示すように、保護層2eは軸方向他端側の一部で形成されておらず、これによりリード線部2gが検出素子2の表面上に露出されて、この露出部分が、端子6が所定の接圧で接触する接点部2aとして機能するようになっている。すなわち、酸素検出部2bおよびヒータ部2dは、それぞれ、リード線部2g、接点部2a、端子6、および配線コード17(内の導体部分)を介して、外部装置(例えば、電源や信号処理回路等)と導通される。なお、配線コード17は、ケーシング8の基端側の開口部を塞ぐシール部材18を貫通している。
As shown in FIG. 2, a strip-shaped
素子位置決め部5は、素子挿入孔3の全周に亘る粉充填スペース10と、この粉充填スペース10の開口縁に設けられたカシメ部11とを有する。この粉充填スペース10には、セラミック粉12とバネ性を有するスペーサ13とが収容され、カシメ変形したカシメ部11によってスペーサ13が圧縮され、その圧縮力によってセラミック粉12が圧縮状態で充填されることによって検出素子2とホルダ4との間でシールが確保され、かつ、検出素子2がホルダ4に位置決め固定されるようになっている。なお、充填材であるセラミック粉12としては、例えば未焼結のタルクが使用されている。また、スペーサ13には、例えばリング状のワッシャが使用される。
The
プロテクタ9は、二重の有底筒状に形成されており、側壁にはガス流通用の小孔9aが形成されている。なお、プロテクタ9とホルダ4との固定は、レーザ溶接や、スポット溶接、カシメ等によって行われる。
The protector 9 is formed in a double bottomed cylindrical shape, and a
上記構成の検出素子2を製作する際、まずアルミナ等のセラミック材料を射出成形して基体軸2cを形成した後、基体軸2cを回転させつつ、基体軸2cの円周面の略半分領域に、例えば白金またはタングステン等の発熱性材料を曲面スクリーン印刷してヒータ部2dおよびリード線部2gを形成する。また、基体軸2cの円周面上でヒータ部2dの領域と反対の半分領域に、曲面スクリーン印刷によって検出電極と参照電極とを含む酸素検出部2bおよびそのリード線部2gを形成し、基体軸2cの円周面の一部(上記露出部分)を除くほぼ全領域にわたって保護層2eを形成する。そして、上述した一連の工程を終えた円柱状作成物を高熱で焼成することにより一体的に終結された検出素子2が得られる。
When manufacturing the
基体軸2cには、図2に示すように、酸素検出部2bとヒータ部2dとが対向する領域(中実部分;図2の左側の区間)を除く部位(図2の右側の区間)に、中空部分2fが形成されている。具体的には、この中空部分2fは、基体軸2cの軸方向他方側の端部2hに開口し、当該基体軸2cと同芯状に形成されて軸方向に沿って伸びる有底丸穴として形成されている。
As shown in FIG. 2, the
そして、以上のようにして形成された検出素子2が、ホルダ4に形成された素子挿入孔3に挿入され、素子位置決め部5において当該ホルダ4に位置決め固定され、他の部分とアセンブリされて酸素センサ1が構成される。
Then, the
酸素センサ1は、ホルダ4のネジ部4aが排気管14のネジ孔15に螺入されることによって排気管14に固定され、この取付状態では、検出素子2のプロテクタ9で覆われた箇所が排気管14内に突出されるようになっている。なお、酸素センサ1と排気管14との間の気密はガスケット16によって確保される。
The
こうして排気管14に装着された酸素センサ1では、当該排気管14内を流通するガスが小孔9aよりプロテクタ9の内部に流入すると、そのガス内の酸素が検出素子2の酸素検出部2bに入り込む。すると、酸素検出部2bがガスの酸素濃度を検出し、この検出した酸素濃度を電気信号に変換した後、この電気信号の情報が端子6を経て外部に出力される。
In the
ところで、発明者らは、鋭意検討を重ねることで、基体軸2cの中空率、すなわち中空部分2fが形成されている部分の当該基体軸2cの断面において、中実である場合の断面積{π×(d1)2/4}に対する中空部分2fの断面積{π×(d2)2/4}の比率について、適切な範囲があることを見出した。以下、この中空率について、図4〜図6を参照しながら説明する。
By the way, the inventors have intensively studied, so that the hollow area of the
図4は、中空率の異なる複数の検出素子2について各部温度を測定した実験結果であって、図中A〜Gは、図2中のA〜Gに対応している。この図4から、中空率によらず、ヒータ部2dから離間するほど検出素子2の温度が低くなっていることがわかる。
FIG. 4 shows the experimental results of measuring the temperature of each part for a plurality of
図5は、図4の実験結果について、検出素子2の軸方向他端側の端部Gの温度が中空率によってどのように変化するかを示すものであるが、この図から、中空率を20%以上とすれば、当該端部Gの温度を300℃以下に抑えて、当該軸方向他端側の各部、すなわち、端子6や、配線コード17、シール部材18等に対する熱影響を軽減して、耐久信頼性を向上できることがわかる。
FIG. 5 shows how the temperature of the end G on the other end side in the axial direction of the
一方、中空率が高すぎる、すなわち中空部分2fの断面積が大きいと、基体軸2cが外力によって破壊してしまう虞がある。
On the other hand, if the hollow ratio is too high, that is, if the cross-sectional area of the
図6は、中空軸の異なる複数の検出素子2について破壊強度(限界応力)を調べた実験結果であるが、この図から、中空率を70%を超えると急激に破壊強度が低下することがわかる。すなわち、強度を確保する観点からは、中空率を70%以上とすれば良いことになる。なお、この実験結果は、基体軸2cの直径を3.4mmとし、基体軸2cの軸方向他方側の端部からの中空部分2fの長さ(深さ)L(図2)を24mmとして、当該中空部分2fの中間位置で径方向に一定の荷重(素子位置決め部5で印加される荷重相当の荷重)を印加した場合の結果である。
FIG. 6 shows the experimental results of investigating the breaking strength (limit stress) for a plurality of
以上のようにして、中空率は、20%以上70%以下の範囲で設定するのが好適であることが判明した。 As described above, it has been found that the hollow ratio is preferably set in the range of 20% to 70%.
以上の本実施形態にかかる酸素センサ1によれば、基体軸2cに中空部分2fを設けた分だけ、基体軸2cの熱容量を減らすことができて、ヒータ部2dの出力を低く抑えることができる。さらに、酸素検出部2bとヒータ部2dとが対向する部分が中実となって熱容量が増大する分、相対的に、基体軸2cの軸方向他方側への伝熱量を減らすことができて、当該基体軸2cの軸方向他方側の温度を低減することができる。すなわち、かかる構成によれば、ヒータ部2dの出力を抑えながら酸素検出部2bの昇温速度を向上させるとともに、基体軸2cの軸方向他方側の温度を低減することが可能となる。その結果、ヒータ部2dのコンパクト化、およびエネルギ低減を図ることができるとともに、基体軸2cの軸方向他方側に設ける部品の耐熱性を高める必要がないので、酸素センサ1の製造コストの上昇を抑えることができる。
According to the
また、本実施形態によれば、基体軸2cの軸方向他方側の端部に中空部分2fが開口しているので、当該中空部分2fを比較的容易に形成することができる。
Moreover, according to this embodiment, since the
また、本実施形態によれば、基体軸2cを中実とした場合の断面積に対する中空部分2fの断面積の比率(中空率)を、20パーセント以上でかつ70パーセント以下の範囲に設定することで、基体軸2cの剛性および強度の確保と軸方向他方側の温度低減とをより確実に両立させることができる。
Further, according to the present embodiment, the ratio of the cross-sectional area of the
以上、本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態に限定されず、種々の変形が可能である。例えば、中空部分を酸素検出部とヒータ部とが対向する領域まで進出させてもよい。また、中空部分が軸方向他端側の端部に開口することも必須ではない。また、検出素子および中空部分の断面形状は、略円形以外の形状(例えば矩形断面状や、多角形断面状等)としてもよいし、軸方向に沿って相互に平行な複数の中空部分を形成してもよい。 The preferred embodiments of the present invention have been described above. However, the present invention is not limited to the above embodiments, and various modifications can be made. For example, the hollow portion may be advanced to a region where the oxygen detection unit and the heater unit face each other. Moreover, it is not essential that the hollow portion opens at the end on the other end side in the axial direction. The cross-sectional shape of the detection element and the hollow portion may be a shape other than a substantially circular shape (for example, a rectangular cross-sectional shape or a polygonal cross-sectional shape), and a plurality of hollow portions parallel to each other along the axial direction are formed. May be.
1 酸素センサ
2b 酸素検出部
2c 基体軸
2d ヒータ部
2f 中空部分
2h 端部
Cx 中心軸
DESCRIPTION OF
Claims (3)
前記基体軸は、前記酸素検出部とヒータ部とが対向する領域を除く部位に、中空部分を有することを特徴とする酸素センサ。 Formed on one surface in the axial direction of the base shaft so that the oxygen detection section including the detection electrode and the reference electrode and the heater section for heating the oxygen detection section face each other across the central axis of the base shaft In the oxygen sensor
2. The oxygen sensor according to claim 1, wherein the base shaft has a hollow portion at a portion excluding a region where the oxygen detecting portion and the heater portion face each other.
Priority Applications (1)
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JP2007074924A JP2008232921A (en) | 2007-03-22 | 2007-03-22 | Oxygen sensor |
Applications Claiming Priority (1)
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