JP3026836B2

JP3026836B2 - 酸素センサ

Info

Publication number: JP3026836B2
Application number: JP2310837A
Authority: JP
Inventors: 一徳鈴木; 太輔牧野; 喜則秋山
Original assignee: Denso Corp; Nippon Soken Inc
Current assignee: Denso Corp; Soken Inc
Priority date: 1990-11-15
Filing date: 1990-11-15
Publication date: 2000-03-27
Anticipated expiration: 2015-03-27
Also published as: JPH04181154A

Description

【発明の詳細な説明】〔産業上の利用分野〕この発明は、排気ガス等のガス中の酸素濃度を検出す
るようにした酸素センサに関するものである。

〔従来の技術〕一般に、例えば燃焼制御するために、排気ガス中の酸
素濃度が検出されるが、この検出のために酸素センサが
用いられる。

そして、この酸素センサにおいては、センサ素子を正
常に検出動作させるために、そのセンサ素子を所定の温
度までに昇温させることが必要である。従って、センサ
素子にはヒータが付設されるが、このヒータとして、従
来はコイル状に巻いたカンタル線や、抵抗発熱体が焼付
けられたセラミックシートなどが使用されてきた。

〔発明が解決しようとする課題〕

ところが、カンタル線を用いたヒータにおいては、巻
線が熱により変形して加熱面積が変化し、温度分布が不
均一になったりするおそれがあった。

これに対し、抵抗発熱体が焼き付けられたヒータは安
定した状態で長期間使用可能である。セラミックシート
とセンサ素子との接合は、抵抗発熱体が印刷されたセラ
ミックシートとセンサ素子とを重合して焼成することに
よって行われる。しかし、セラミックシートとセンサ素
子とは熱膨張率や収縮率が相違するため、前記焼成の終
了時やヒータの加熱時に剥離あるいは割れ等の問題が生
じことがあった。

また、ヒータとセンサ素子とを接着剤により接着固定
することも考えられるが、この場合、ヒータとセンサ素
子とが同形同大であると、それらを接着するためには両
者の外周端面間に接着剤を塗布する必要がある。この場
合、センサ素子がもともと薄く、かつヒータもそれほど
厚くないこともあって、それらの端面間に横方向から接
着剤を塗布する作業は面倒で難しい。また、接着剤の厚
みを充分にとることができず、ヒータの発熱時にセンサ
素子、ヒータ及び接着剤の熱膨張率の相違に基づくスト
レスが接着部に加えられると、割れや剥離を生じるおそ
れがある。

さらに、ヒータの外周端縁部は放熱量が多く、その部
分は温度が低いが、ヒータとセンサ素子とが同じ大きさ
であると、温度の低い外周端縁部がセンサ素子に接する
ことになり、センサ素子が均一に加熱されない。従っ
て、安定した検出を行い得ないばかりでなく、センサ素
子の昇温速度が遅れて立ち上がりが悪いというおそれも
ある。

この発明の目的は、以上の問題点を解消して、接着剤
の塗布が容易で、かつ強度に優れ、しかも良好な検出性
能を得ることができる酸素センサを提供することにあ
る。

〔課題を解決するための手段〕

以上の目的を達成するために、この発明においては、
板状のセンサ素子と、そのセンサ素子を動作温度まで加
熱する同じく板状のヒータとを有し、センサ素子により
ガス中の酸素濃度を検出する酸素センサにおいて、前記
ヒータをセンサ素子より大きく形成するとともに、セン
サ素子をヒータに重合密着させて、センサ素子の外周部
とヒータの一側面との間を耐熱性接着剤により接着した
ことを特徴としている。

〔作用〕

従って、この発明においては、センサ素子の端縁とヒ
ータの端縁との間におけるヒータの一側面を接着剤塗布
面として使用できるので、大きな接着面積を確保するこ
とができるとともに、接着剤の厚みを大きくすることが
できる。また、ヒータの加熱面がセンサ素子の被加熱面
より大きくなる。

〔実施例〕

以下、この発明を具体化した酸素センサの一実施例を
図面に基づいて説明する。

第１図に示すように、この実施例の酸素センサのケー
ス１はステンレス等の金属よりなり、有底円筒状をなす
検出筒２と、有底円筒状の電極収容筒３と、それらの両
筒2,3の間に介在固定された取付フランジ４とにより構
成されている。前記検出筒２の周壁の略中間部にはそれ
ぞれ円形をなす一対の雰囲気ガス導入孔５が180°隔て
て対向形成されている。第６図に示すように、この雰囲
気ガス導入孔５は直径が３ミリメートルで、検出筒２の
底面から18ミリメートルの所に形成されている。その他
の各部の寸法は第６図の通りである。

センサケース１内に酸素センサ本体11が遊挿状態で収
容されている。そこで、以下に酸素センサ本体11の構成
を説明する。

第１図〜第５図に示すように、ヒータ12は細長い板状
をなし、その一側面にはガス通過凹部13が形成されると
ともに、他側面の一端部には接続端子14が固定されてい
る。そして、このヒータ12はタングステンよりなる発熱
素子（図示しない）を焼付けした複数のセラミックシー
ト（図示しない）を積層固着して構成されており、前記
接続端子14は前記各発熱素子に電気的に接続されてい
る。発熱素子は接続端子14と反対側の端部に配置されて
いる。

前記ヒータ12のガス通過凹部13側の一側面にはヒータ
12とほぼ同じ形状で、かつヒータ12より若干小さいセン
サ素子15が密着状態で重合固定されている。このセンサ
素子15の基板の表裏両面にはセンサ素子電極16と給電路
17とよりなるパターンが焼付けられており、センサ素子
電極16は前記ヒータ12の発熱素子と近接する端部に位置
している。また、裏面側のセンサ素子電極16はガスと接
触できるように前記ガス通過凹部13の部分に位置してい
る。前記センサ素子電極16の反対側の端部において、セ
ンサ素子15には給電電極18が前記給電路17と接続するよ
うに固定され、それらの給電電極18にはそれぞれ接続端
子19が固着されている。

そして、センサ素子15はその外周部においてヒータ12
の一側面外周部に無機接着剤24により接着されている。
ヒータ12、センサ素子15及び無機系接着剤24としては相
互に熱膨張率の近いものが使用されている。この実施例
ではヒータ12としてアルミナが、センサ素子15としてジ
ルコニア使用されている。また、無機系接着剤24として
はアルミナとシリカの粉末が使用され、それらは焼成さ
れることにより接着機能を果たす。また、アルミナの熱
膨張率は６×10^-6、ジルコニアの熱膨張率は９×10^-6、
アルミナとシリカとの混合体の熱膨張率は８×10^-6であ
る。

そして、前記発熱素子への通電によりヒータ12が発熱
され、その熱によりセンサ素子電極16が加熱（摂氏約75
0度程度）される。この状態でセンサ素子電極16に所定
の直流電圧（数百ミリボルト程度）が印加されると、セ
ンサ素子電極16部分の酸素がマイナスイオン化され、表
裏のセンサ素子電極16間に電流が流れる。この電流は限
界電流と称されるが、この電流の値により雰囲気ガス中
の酸素濃度が検出される。

このように構成された酸素センサ本体11は、前記取り
付けフランジ４の挿通孔21に挿通されて、そのセンサ素
子電極16側の大部分が検出筒２内に位置し、センサ素子
電極16が雰囲気ガス導入口５の下方に位置するととも
に、センサ素子電極16の表面が前記両雰囲気ガス導入孔
５の軸線を通る平面と平行となっている。前記電極収容
筒３内において、酸素センサ本体11の端部にはアルミナ
製の封止板22がその挿通孔23において嵌合されて、無機
系接着剤32により取付フランジ４に接着固定されてい
る。センサ素子15の外周面と前記挿通孔23の内周縁との
間を密封するように、それらの間には無機系接着剤25が
設けられている。この封止板22は検出筒２内の温度や湿
気が電極収容筒３内に入り込むのを阻止する。

前記各接続端子14,19の先端にはリード線27の端部に
設けた圧着端子26がかしめ着され、絶縁被覆28によりそ
れらのかしめ着部分が被覆されて、絶縁が確保されてい
る。

前記給電電極18が埋設されるように、電極収容筒３内
にはシリコンゴムよりなる充填材29が充填されるととも
に、その充填剤29を覆うように電極収容筒３の開口には
無機系接着剤30が充填されている。この無機系接着剤30
及び前記無機系接着剤32、25はセンサ素子15とヒータ12
とを接着するための無機接着剤24と同じ成分である。

さて、以上のように構成された酸素センサにおいて、
ヒータ12が発熱されると、その熱によりセンサ素子電極
16が所定温度に加熱される。その状態において、燃焼が
行われると、雰囲気ガス導入孔５を通ってセンサケース
１外の排気ガスが同ケース１内に導入されるとともに、
ケース１内のガスが外部へ導出されるガス流が生じ、そ
のガス中の酸素濃度が検出される。

この場合、この実施例の酸素センサにおいては、ヒー
タ12がセンサ素子15より大きく形成され、ヒータ12の一
側面とセンサ素子15の外周部との間が接着剤24により接
着されている。従って、無機系接着剤24をセンサ素子15
の外周に沿って容易に塗布することができて、その塗布
が容易になる。しかも、ヒータ12の一側面も接着代とな
るので、両者12,15間の接着面積を大きくとることがで
きるとともに、第５図から明らかなように、センサ素子
15の厚みを利用して、無機系接着剤24の厚みを大きくす
ることができる。このため、接着部の強度が増して接着
部の剥離や割れ等を防止することができる。

しかも、ヒータ12、センサ素子15及び無機系接着剤24
はそれらの熱膨張率が相互に近接し、かつ無機系接着剤
24の熱膨張率がヒータ12の熱膨張率とセンサ素子15の熱
膨張率の間に位置していることも相まって、接着部にか
かるストレスを大幅に減じることができて、接着部の強
度向上に大きく寄与できる。

また、ヒータ12がセンサ素子15より大きいので、放熱
量の多いヒータ12の外周端がセンサ素子15に接すること
がなく、センサ素子15に対する加熱を均一に行い得ると
ともに、所定温度までの昇温速度を速くすることができ
る。従って、センサ素子電極16への電圧の印加とほぼ同
時に酸素濃度検出を開始することができるとともに、そ
の検出を正確に行なうことができる。

さらに、この検出時においては、センサ素子電極16の
表面が雰囲気ガス流の流れる方向と平行になるため、給
電電極18の部分の温度低下をほとんど招くことなく正確
な検出を行うことができる。

ちなみに、第７図は酸素センサ本体11をケース１に収
容することなく、むき出しの状態で雰囲気ガスの流れの
中に配置してセンサ素子15のインピーダンス出力を測定
したものである（センサ素子15に供給される直流電流は
１キロヘルツの交流成分を有している）。このインピー
ダンス出力によりセンサ素子15の温度を検出することが
できる。

第７図の下段に示すように、雰囲気ガス流がセンサ素
子及びヒータ12の側面に平行で、センサ素子電極16の表
面と平行である場合には無風の場合と比較してインピー
ダンス出力の変化、すなわちセンサ素子15の温度変化は
極めて小さい。これに対し、第７図の上段に示すように
雰囲気ガス流がセンサ素子電極16の表面に直角をなし、
その表面に直接当たる場合には、インピーダンス出力が
レンジオーバーとなるほどにセンサ素子電極16の温度低
下が著しい。さらに、第７図の中段に示すように、雰囲
気ガス流がヒータ12の表面と直角を成し、その表面に直
接当たる場合には、上段の場合ほどではないが、インピ
ーダンス出力が大きく変化し、温度低下もかなり大きな
ものとなる。

また、第８図に示すように、導入口５がケース１の底
面より５ミリメートル上方に位置して、センサ素子電極
16に対向している場合と比較して、導入口５がケース１
の底面から18ミリメートル上方に位置して素子電極16か
ら外れている場合には、センサ素子16のインピーダンス
出力がほとんど変化せず、つまり温度低下がほとんど発
生せず良好な検出結果を得ることができる。

しかも、第９図は酸素濃度の変化に対応したセンサ出
力及びインピーダンス出力を示したものであるが、雰囲
気ガス導入孔５がセンサ素子電極16の上方に位置して
も、ガス流はセンサ素子電極16に至り、同電極16は高い
応答性で酸素濃度に対応した出力をしている。

さらに、第10図は導入口５の各位置において雰囲気ガ
ス流の流速を変化させた場合におけるセンサ素子電極16
の出力変化割合を示したものである。この場合も導入口
５が素子電極16の上方に位置しているほうが出力変化量
が少なく、良好な結果をもたらす。

第11図は導入口５の数及び径を変えて、ガス流量を変
化させた場合のセンサ素子15の出力変化量を示したもの
である。導入口５の数及び径の相違は出力に対してあま
り影響を与えていない。

また、この実施例では給電電極18がシリコンゴムより
なる充填材29の内部に埋設されているので、給電電極18
間の絶縁が確実に保持され、リーク電流は生じない。こ
れに対し、充填材29としてシリコンゴムの代わりに無機
系接着剤が使用された場合には、その無機系接着剤はポ
ーラスであるため、この酸素センサを排気ガスのような
高温・多湿の条件下で使用すると、両電極間の絶縁性が
損なわれるおそれがあるばかりでなく、第12図に示すよ
うにセンサ素子電極16への通電時に酸素濃度を検出した
限界電流値にリーク電流の値を加算した値が検出されて
正確な計測を行い得ない。

なお、この発明は前記実施例の構成に限定されるもの
ではなく、以下のような対応で具体化してもよい。

（イ）第13図に示すように、アルミナ、ジルコニア等の
耐熱性無機材料よりなるカバー41を使用して、センサ素
子15を包囲被覆すること。このように構成すれば、ヒー
タ12とセンサ素子15との間の固定をより強固にすること
ができる。

（ロ）雰囲気ガス導入孔５の形状を丸形以外の四角形六
角形等の形状にすること。

（ハ）雰囲気ガス導入孔５の断面形状を内広がり又は外
広がりのテーパ状にすること。

（ニ）雰囲気ガス導入孔５の位置を、前記実施例よりも
取付フランジ４に近接した位置に設けること。

（ホ）ヒータ12とセンサ素子15とを接着するための接着
剤としてシリコンゴムを使用すること。

（ヘ）前記実施例では電極収容筒３内にシリコンゴムよ
りなる充填材29を充填するとともに、充填材29を無機系
接着剤30により封止したが、無機系接着剤30を使用する
ことなく、シリコンゴムよりなる充填材29のみで充填す
ること。

（ト）ヒータ12とセンサ素子15とを接着する耐熱性接着
剤として無機系接着剤の代わりにシリコンゴムを使用す
ること。

（チ）充填材29を用いることなく、その部分を中空にす
ること。

〔発明の効果〕

以上実施例において例示したように、この発明はヒー
タをセンサ素子よりも大きくしたので、接着を容易に行
なうことができるとともに、強度を高くすることがで
き、しかもセンサ素子を均一かつ素早く昇温させ、かつ
酸素濃度を正確に検出することができるという効果を発
揮する。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明を具体化した酸素センサの全体を示す
断面図、第２図は同酸素センサの上面図、第３図は酸素
センサ本体の背面図、第４図は同じく断面図、第５図は
第３図のＡ−Ａ線断面図、第６図は各部の寸法を示す断
面図、第７図はガス流と酸素センサ本体の向きとの関係
を示す説明図、第８図はガス導入口の位置と温度との関
係を示す説明図、第９図は酸素濃度検出の応答性を示す
説明図、第10図はガス導入口の位置とセンサ出力との関
係を示す説明図、第11図はガス導入口の数及び径とセン
サ出力との関係を示す説明図、第12図は限界電流とリー
ク電流との関係を示す説明図、第13図は別の実施例を示
す断面図である。 12……ヒータ、15……センサ素子、24……耐熱性接着剤
としての無機系接着剤

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者秋山喜則愛知県刈谷市昭和町１丁目１番地日本電装株式会社内 (56)参考文献特開平２−201257（ＪＰ，Ａ) 特開昭63−9860（ＪＰ，Ａ) 実開平２−95854（ＪＰ，Ｕ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) G01N 27/41

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】板状のセンサ素子（15）と、そのセンサ素
子（15）を動作温度まで加熱する同じく板状のヒータ
（12）とを有し、センサ素子（15）によりガス中の酸素
濃度を検出する酸素センサにおいて、前記ヒータ（12）をセンサ素子（15）より大きく形成す
るとともに、センサ素子（15）をヒータ（12）に重合密
着させて、センサ素子（15）の外周部とヒータ（12）の
一側面との間を耐熱性接着剤（24）により接着したこと
を特徴とする酸素センサ。