JP2913833B2

JP2913833B2 - 酸素センサ

Info

Publication number: JP2913833B2
Application number: JP2510923A
Authority: JP
Inventors: 章平鵜戸; 博美佐野; 勝博石川
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 1989-08-08
Filing date: 1990-08-02
Publication date: 1999-06-28
Anticipated expiration: 2014-06-28

Description

【発明の詳細な説明】技術分野本発明は、内燃機関等の排ガス中の酸素濃度を検出す
るために用いられる酸素センサに関する。

背景技術内燃機関等の排ガス中の酸素濃度を検出する酸素セン
サは、その検出機能を発揮させるために、酸素濃度感知
部を加熱する発熱体が、該感知部に一体に積層されて形
成されたセンサ素子より成るものが用いられている。

この種の酸素センサとして、例えば特公昭63−36461
号公報或いは特開昭62−222159号公報に開示されたもの
がある。

前者は、第11図に示すように、固体電解質層106の両
面に電極105,107を積層したものを、ガス透過性の絶縁
体101に積層して酸素濃度感知部を形成し、これに発熱
体103を積層して薄板状のセンサ素子１を形成するもの
であり、一方、後者は、第12図に示すように、大気導入
孔110aを有する円筒型の絶縁体110の側面に大気導入孔1
10aに連通する貫通孔110bを設け、固体電解質層106の両
面に電極105,107が積層された酸素濃度感知層に予め発
熱体103を積層し、これ等を貫通孔110bを覆って絶縁体1
10に積層して中空の円筒状のセンサ素子１を形成するも
のである。

併しながら、前者の特公昭63−36461号公報のもの
は、薄板状のセンサ素子のため強度的に弱く、振動・衝
撃によって折損し易いという問題があり、一方、後者の
特開昭62−222159号公報のものは、中空の円筒状のセン
サ素子のため熱容量が大きく、発熱体によるセンサ素子
の加熱効率が低いので、センサ素子の急速加熱を要する
内燃機関の始動時等に於いては、直ぐに機能を発揮しな
いという問題がある。

本発明は、上記の事情に鑑みてなされたもので、振動
・衝撃に対して強く、且つ急速加熱のできるセンサ素子
より成る酸素センサを提供することを目的とするもので
ある。

発明の開示上記目的を達成するために、一端側より基準ガスを導
入する中空状であって、他端側においては、胴部に比し
て細かい細化部が形成され、この細化部において一端側
より導入した基準ガスを導出する開口部を有する支持体
と、前記細化部に形成され、一方面が前記開口部を介し
て基準ガスに晒され、他方面が被測定ガスに晒される検
出素子と、少なくとも前記支持部材の前記細化部に設け
られ、前記検出素子を加熱する発熱体とからなる酸素セ
ンサを提供するものである。

また、前記細化部は、角筒形状の少なくとも一側面
が、先端程薄板状をなす斜面を形成するとともに、前記
斜面に前記検出素子が形成されている酸素センサを提供
するものである。

上記の手段によれば、一端側より基準ガスを導入し、
他端側において基準ガスが導出可能な開口部が形成され
た中空状の支持体において、この支持体の他端側には、
胴部に比して細い細化部が形成されているため、支持体
先端部の重量の減少により、支持体の支持固定部に加わ
る振動・衝撃による応力を低減することができる。ま
た、熱容量が小なる支持体の細化部に検出素子を設ける
ことにより、検出素子の加熱効率を向上させることがで
きる。

さらにまた、この細化部に斜面を形成し、この斜面に
おいて検出素子を設けた構成とした場合においては、一
端側より導入される新規な基準ガスに検出素子が晒され
やすい構成とすることができ、正確に酸素濃度を測定で
きる。

図面の簡単な説明第１図は本発明の酸素センサにおけるセンサ素子の一
実施例を示す分解斜視図、第２図は上記センサ素子を備
えた酸素センサの部分断面図、第３図は各酸素センサの
昇温特性の試験結果を示す図、第４図はセンサ素子の斜
視図、第５図（ａ），（ｂ），（ｃ）は他の実施例を示
す模式図、第６図，第７図はセンサ素子の他の実施例を
示す分解斜視図、第８図（ａ）は他の実施例を示す模式
図、第８図（ｂ）は第８図（ａ）の断面図、第９図およ
び第10図はセンサ素子の他の実施例を示す模式図、第11
図および第12図は従来の酸素センサにおけるセンサ素子
の分解斜視図である。

発明を実施するための最良の形態以下、本発明を図に示す実施例について説明する。

第１図は、本発明の酸素センサに於けるセンサ素子の
一実施例を示す展開図である。

第１図に於いて、101は、両端を開放した貫通孔を持
つ角筒状の支持体で、アルミナ磁器，ジルコニア磁器な
どから成り、この支持体101の排ガスに露出し晒される
側の開口端面101aは、側面のうち一面から連続的に細化
した傾斜面となって細化部101bを形成しており、横から
見た場合、この先端部は楔型の形状になっていて、他端
は胴部1bを介して大気を導入する大気導入孔111が設け
られている。103は、主に白金金属材料からなる発熱体
で、アルミナ等の絶縁層102を介して上記支持体101の傾
斜面と対向する面に、上記斜面開口部101aを発熱体103
の発熱部が投影図的に見て完全に覆うように積層し、さ
らに端子電極部114a,114bとを除いた部分に絶縁層102と
同材質の絶縁層104を積層する。106は、例えばイットリ
ウムを添加したジルコニアよりなる固体電解質層で、基
準電極105及び測定電極107を有し、支持体101の排ガス
側斜面開口部101aと、電極105が一致するように積層さ
れ、検出素子1aであるセンサ部を形成している。基準電
極105は、固体電解質106に設けられたスルーホール113
を介して基準電極端子112bに、また測定電極107は測定
電極端子112aにそれぞれ接続される。

108は、測定電極107が測定ガスに直接晒されることを
防ぐための保護層で、多孔質のアルミナ、或いはスピネ
ル等の無機質からなる保護層である。

ここで、支持体101は射出成形等により、固体電解質
層106は押出成形等により形成され、電極層105と107,発
熱体103および絶縁層102と104は印刷法等で設け、これ
等を未焼成の状態で積層の後、同時焼成してセンサ素子
が形成される。

なお、保護層108は、上記センサ素子の焼成後、原料
粉末を溶射することにより形成される。第２図は、上記
方法により形成されたセンサ素子を組み付けた酸素セン
サの部分断面図である。

第２図に於いて、１はセンサ素子、２はセンサ素子１
のセンサ部1aが直接排ガスに晒されることを防ぐための
保護カバー３を有するハウジングであり、この中にタル
ク等の粉体４を介して熱カシメ等の方法によりセンサ素
子１がハウジング２に組付固定される。さらに、センサ
素子１の端子電極部にリード線５がロー付等により接続
され、リード線５は酸素センサ本体の外部に取出されて
いる。

次に、上記の実施例について、その作用を説明する。

本発明は、酸素センサのセンサ素子は、前述のように
排ガス中に露出し晒される部分は先端ほど細化された細
化部を有しているため、センサ素子１に内蔵された発熱
体103により加熱される先端部の熱容量が小さくなり、
そのため発熱体103による加熱効率が向上して昇温が速
くなる。

第３図は、本発明の酸素センサと従来の酸素センサに
ついて、夫々のセンサ素子に内蔵された同一仕様の発熱
体によって加熱した場合のセンサ素子先端部の昇温特性
を試験した結果である。

但し、センサ素子の形状寸法は、従来のものは巾5mm,
厚さ5mm,長さ60mmの角筒型の素子を用い、一方、本発明
のものは、上記の形状寸法に於いて先端より25mmの位置
に起点として先端が巾5mm,厚さ2mmとなるように細化し
た、いわゆる先端部が楔型の素子を用いた。

その結果は、第３図に示すように、本発明の酸素セン
サは従来の酸素センサに比べて、400℃に到達する昇温
時間が約半分に短縮しており、極めて効果のあることが
解った。

なお、本発明の酸素センサは、センサ素子の先端部の
重量が従来より軽くなるため、振動・衝撃によってセン
サ素子の支持固定部に加わる応力が小さくなり、それに
よってセンサ素子は破損しにくくなる。

ここで、センサ素子の発熱体による加熱効率の向上と
センサ素子の支持固定部に加わる応力の低減に対して
は、例えば第４図に示すように、薄板状センサ部1aのハ
ウジング２への支持部1bに、補強材６を積層し、細化部
を形成してもよい。しかし、このような構成は連続的に
細化した場合に比べ、補強材６の積層工程の増加による
コストアップにつながるうえ、機能的にも以下の様な問
題を生じる。すなわち、センサ部1aに急加熱又は、急冷
却などによる急激な温度変化が生じた場合、熱容量がセ
ンサ部1aに比べ大きい胴部1bは、この温度変化に追従で
きず、センサ部1aと支持部1bとの間に熱膨張差が生じ、
これによる応力がその境界部に集中し、境界部に亀裂故
障が発生しやすく、始動時に急加熱を必要とするような
環境においては、信頼性に問題が生じる場合がある。

しかし、センサ素子１の先端から連続的に肉厚を細化
させることにより、上記の様な応力集中を緩和させるこ
とができ、急激な温度変化に対する信頼性に優れた酸素
センサを得ることができるというさらなる効果を有する
ことができる。

また、以上の様な特性を満足させるためには、センサ
素子１の胴部1bの厚さは、２〜6mmにすることが好まし
く（6mm以上になると、熱容量の増大により温度特性が
低下し、また、2mm以下とすると強度低下により組付性
が劣化する）、センサ素子１の胴部の幅は、ハウジング
２への組付性及び電極105,107と発熱体103の配置等を考
慮すると３〜6mm、センサ素子１の先端の楔型部の長さ
は、酸素センサの特性上、10〜30mmとすることが望まし
い。

なお、上記のセンサ素子１は、角筒型としたが多角筒
型としても良く、例えば第５図（ａ），（ｂ），（ｃ）
の如く円筒或いは楕円筒型の支持体401としても同様の
効果を得ることができる。

第６図及び第７図に本発明のセンサ素子他の実施例を
示す。

第６図は、固体電解質層106に設けられた基準電極105
及び測定電極107を、支持体101の斜面開口部101aのみな
らず斜面全体を覆うように配したもので、熱伝導性に優
れた金属電極層105,107をこのように全体に配すること
により、センサ素子の均熱性が向上され、熱衝撃に対す
る耐久性向上を図ることができる。

第７図は、発熱体103とセンサ部を支持体101の同一面
側に設けたことを特徴としており、これにより発熱体10
3の加熱効率をさらに向上することができる。

第８図（ａ），（ｂ）は、本願発明の更に他の実施例
を示すものである。第８図（ａ），（ｂ）では胴部の一
端は、連続的に薄板化された斜面を形成し、かつ測定部
分である電極および保護層108の形成された部分は平板
状をなしていることを特徴とする。このような構成を採
用することにより測定部分における熱的勾配がほとんど
ないため検出信号を安定して得ることができる。

第９図は本願発明のさらに他の実施例を示すものであ
り、胴部の一端に形成される細化部として、前記実施例
では側面のうちの一面から連続的に細化した傾斜面とし
たが、本実施例では上面又は下面から連続的に細化した
細化部とし、センサ素子の厚さは一定とした。このよう
な構成とすることにより発熱体からの熱の検出素子1aが
均一に受けることができ安定した検出信号を得ることが
できる。第10図は、本願発明の他の実施例を示す。第10
図では、素子の両側面にわたって胴部の一端より連続的
に細化させ相対向する斜面を形成し、かつ測定部分にお
いては、平板状としたことを特徴とする。このような構
成でもまた測定部分における熱的勾配がほとんどないた
め安定した検出信号を得ることができる。

尚、前記実施例において、発熱を主に白金金属材料よ
り得たが、その他タングステン，レニウム，モリブデン
等の高融点材料又はその合金材料よりなるヒータでもよ
い。

さらに、前記実施例では保護層を原料粉末の溶射によ
って形成したが、その他未焼成の状態で積層後、支持体
と同時焼成を行なってもよい。

発明の効果本発明は、以上説明したように構成されているので、
以下に記載する効果を奏する。

（１）センサ素子が振動・衝撃によって破損しにくくな
るため、酸素センサの信頼性が向上することに加え、セ
ンサ素子の発熱体の加熱による昇温速度が速くなるた
め、始動時等に於ける急加熱を要する場合にも、十分に
機能を発揮する。

（２）また、センサ素子は、角筒型で形状で先端部を楔
型の形状とすることにより、振動・衝撃に強く且つ昇温
速度の速いセンサ素子を容易に製作することができる。

産業上の利用可能性以上のように本発明にかかる酸素センサは、内燃機関
より排出される排気ガス中の酸素濃度を検出するために
用いられる。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献特開昭60−82952（ＪＰ，Ａ) 特開昭62−267654（ＪＰ，Ａ) 特開平２−287147（ＪＰ，Ａ) 実開平１−84053（ＪＰ，Ｕ) 実開昭61−135254（ＪＰ，Ｕ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁶，ＤＢ名) G01N 27/409,27/12

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】一端側より基準ガスを導入する中空状であ
って、他端側においては、胴部に比して細かい細化部が
形成され、この細化部において一端側より導入した基準
ガスを導出する開口部を有する支持体と、前記細化部に形成され、一方面が前記開口部を介して基
準ガスに晒され、他方面が被測定ガスに晒される検出素
子と、少なくとも前記支持部材の前記細化部に設けられ、前記
検出素子を加熱する発熱体とからなることを特徴とする
酸素センサ。
【請求項２】前記支持体は、棒状形状をなし、該棒状形
状の一端には先端ほど細化された細化部を有することを
特徴とする請求項１記載の酸素センサ。
【請求項３】前記支持体は、角筒型の形状の支持体より
成り、該支持体の他端部を楔型の形状としたことを特徴
とする請求項１記載の酸素センサ。
【請求項４】前記細化部は、角筒形状の少なくとも一側
面が、先端程薄板状をなす斜面を形成するとともに、前
記斜面に前記検出素子が形成されていることを特徴とす
る請求項１記載の酸素センサ。
【請求項５】前記細化部は、少なくとも対向する側面
が、先端程薄板状をなすように斜面を形成するととも
に、前記斜面に前記検出素子を形成することを特徴とす
る請求項１記載の酸素センサ。