JP3183149B2 - 酸素センサのヒータ構造 - Google Patents
酸素センサのヒータ構造Info
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Description
素子を有し、その素子の反応に基づいて酸素濃度を検出
する酸素センサに係る。詳しくは、素子を加熱するため
に酸素センサに設けられたヒータの構造に関する。
ために使用される酸素センサがある。図8は酸素センサ
の一例を示す。この酸素センサは金属製のハウジング2
1と、そのハウジング21に取り付けられた素子22
と、素子22を加熱するためのヒータ23と、素子22
を覆うカバー24とを備える。試験管形状をなす素子2
2はヒータ23を内包する。カバー24は複数の通気孔
24aを有する。素子22はジルコニアを材料として焼
結されることにより得られる。素子22の内周面及び外
周面を覆う電極25,26は白金よりなり、多孔質をな
す。素子22の外側が酸素を含む気体に曝されることに
より、両電極25,26の間には、気体中の酸素濃度の
大きさに応じた電圧(又は電流)が生じる。
に依存する。素子22は所定温度で活性化することによ
り、安定した出力を示す。従って、酸素センサをある時
点から早期に使用したい場合には、素子22を早期に活
性化させる必要がある。ヒータ23の一つの役割は、こ
のような場合に素子22を積極的に加熱することであ
る。
ヒータ23自身の温度上昇を速める必要がある。ヒータ
23自身の昇温速度を大きくした場合、ヒータ23が大
きな熱衝撃を受けるおそれがある。この熱衝撃を緩和す
るために、ヒータ23の材料として熱膨張係数の小さい
窒化珪素(Si3N4)が好適である。
タ23を窒化珪素製とした場合、その表面が黒色を呈す
ることから、昇温時におけるヒータ23からの熱放射率
は、窒化珪素以外のものからなるヒータに比べ高くなる
傾向にある。このため、素子22の内側の電極25がヒ
ータ23から受ける熱量が相対的に多くなり、電極25
が熱凝集し易くなる。電極25が熱凝集した場合、その
電極25の有効面積が減少することになる。この結果、
酸素センサの出力特性が変わり、センサの検出精度が低
下するおそれがある。
ものであって、その目的は、内外両側面に電極を設けて
なる筒状の素子と、その内側に配置された窒化珪素より
なるヒータとを備えた酸素センサにおいて、ヒータから
の熱放射に起因して素子内側の電極が熱凝集することを
抑え、電極の有効面積の減少を抑えることを可能にした
酸素センサのヒータ構造を提供することにある。
めに、請求項1に記載の発明では、酸素に反応する筒状
の素子と、その素子の内外両側面にそれぞれ設けられた
電極と、素子の内部に配置され、自身が昇温することに
より素子を加熱する窒化珪素よりなるヒータとを備えた
酸素センサのヒータ構造において、ヒータの表面に窒化
珪素よりも熱放射率の低い被覆膜を設けたことを趣旨と
する。また、請求項2に記載の発明では、酸素に反応す
る筒状の素子と、その素子の内外両側面にそれぞれ設け
られた電極と、素子の内部に配置され、自身が昇温する
ことにより素子を加熱する窒化珪素よりなるヒータとを
備えた酸素センサのヒータ構造において、ヒータの表面
に窒化珪素よりも白色を呈する被覆膜を設けたことを趣
旨とする。
サのヒータ構造」を具体化した一つの実施の形態を図面
を参照して説明する。
ジン(図示しない)に適用される酸素センサ1の主要構
造を示す。この酸素センサ1は、いわゆる限界電流式の
ものである。排気管2に取り付けられるセンサ1は、エ
ンジンの空燃比を制御するために使用される。このセン
サ1は金属製のハウジング3と、そのハウジング3の内
部に取り付けられた素子4と、その素子4を加熱するた
めのヒータ5とを備える。ハウジング3はフランジ6を
含み、そのフランジ6によりセンサ1が排気管2に取り
付けられる。試験管形状をなす素子4はヒータ5を内包
する。ハウジング3はその中間部に段部3aを有する。
この段部3aにおいてハウジング3が素子4の外周面と
接することにより、両者3,4の間がシールされる。こ
こで、段部3aの下側に位置するハウジング3の一部
を、便宜上、ハウジング3の検出部3bと称する。同様
に、段部3aの下方に位置する素子4の一部を、便宜
上、素子4の検出部4aと称する。
気孔3cを有する。素子4はジルコニアを材料として焼
結されたものである。素子4の検出部4aの内周面及び
外周面の一部に付着された内電極7及び外電極8は白金
を材料とし形成され、多孔質をなす。外電極8を覆うよ
うに検出部4aの外周面に付着された抵抗層9は、素子
4を通過する酸素の拡散を抑える。この抵抗層9は、ス
ピネール(MgO・Al2O3)を溶射で500μm程度の厚さに
形成することにより得られる。
気ガスに曝されることにより、そのガス中の酸素濃度の
大きさに応じ、両電極7,8の間には、両電極7,8の
間に印加される電圧に応じた電流が生じる。図2に示す
ように、空燃比がリーンのとき、即ち酸素濃度が相対的
に大きいときには、素子4はその外側から内側へ酸素
(O2 )を送る。空燃比がリッチのとき、即ち酸素濃度
が相対的に小さいときには、素子4はその内側から外側
へ酸素を送る。この酸素の移送に伴い、両電極7,8の
間に、印加電圧に対する限界電流が生じる。図3はその
印加電圧に対する限界電流の関係を示すグラフである。
このグラフにおいて、リッチ時の実線は、製造直後、即
ち使用初期における特性を示す。リッチ時の破線は、従
来のセンサに係り、所定期間経過後、即ち使用耐久後の
特性を示す。酸素センサ1は限界電流値を空燃比がリッ
チ又はリーンであることを示す検出値として出力する。
し、電気的に駆動されるものであり、自身が昇温するこ
とによって素子4を加熱する。このヒータ5は自身の昇
温速度を大きくすると共に、昇温による熱衝撃を緩和す
るために、熱膨張係数の小さい窒化珪素(Si3N4)を材料
として形成される。ヒータ5の表面を被覆する本発明の
被覆膜10は、二酸化珪素(SiO2) より形成される。こ
こで、窒化珪素の表面は黒色を呈することから、その熱
放射率は相対的に高い。その熱放射率は「0.9」程度
の値を示す。これに対し、二酸化珪素よりなる被覆膜1
0は、その表面が白色を呈し、熱放射率は窒化珪素のそ
れに比べて相対的に低くなる。その熱放射率は「0.
5」程度の値を示す。
を、還元雰囲気(通常は窒素雰囲気)の中で一度焼成し
た後、その焼成物を「1300〜1500℃」の酸化雰
囲気(通常は大気雰囲気)の中で再び焼成することによ
り得られる。
程を示す。第1の工程において、窒化珪素の粉末と有機
バインダーとを十分に混合した後、周知の「ドクターブ
レード方法」に従って窒化珪素のグリーンシートを形成
する。
シートを所要の大きさに切断し、各切断されたシート片
に発熱体であるタングステンをスクリーン印刷する。第
3の工程において、発熱体の印刷されたシート片の上
に、発熱体の印刷されシート片を積層し、互いに圧着さ
せることにより、平板状をなすヒータのグリーボディを
形成する。
ボディを、窒素雰囲気の中、「9気圧、1750℃」の
条件下で2時間だけ焼成することにより、平板状の窒化
珪素よりなるヒータ焼成体を形成する。
ヒータ焼成体を円柱状に研削することにより、前述した
試験管状の素子4に組み込み可能な形状に加工する。第
6の工程において、円柱状のヒータ焼成体を大気雰囲気
の中、「1400℃」の条件下で再び2時間だけ焼成す
ることにより、窒化珪素よりなるヒータ焼成体の表面に
厚さ数十μm程度の二酸化珪素よりなる被覆膜10を形
成する。
ータ焼成体に取り付けることにより、本実施形態におけ
る被覆膜10を有するヒータ5を得る。上記のように製
造されるヒータ5は、素子4を早期に加熱して活性化さ
せるために使われる。或いは、ヒータ5は、不安定な温
度条件下で素子4の温度を所要値に保つために素子4を
加熱するために使われる。素子4を加熱するために、ヒ
ータ5は「1100℃」程度の温度まで昇温される。
「1100℃」程度の温度まで昇温されたときでも、ヒ
ータ5が白色を呈する被覆膜10により覆われているこ
とから、昇温時におけるヒータ5からの熱放射率が相対
的に低く、内電極7がヒータ5から受ける熱量が相対的
に少なくなる。この意味から、ヒータ5からの熱放射に
起因して内電極7が熱凝集することを抑えることがで
き、内電極7の有効面積の減少を抑えることができる。
この結果、酸素センサ1の出力特性を長期間にわたって
ほぼ使用初期の状態に保つことができ、酸素センサ1の
検出精度の低下を長期間にわたって防止することができ
る。
(500時間)駆動したときの、酸素センサ1から出力
される限界電流値が飽和状態へ向かう傾き抵抗値の変化
を示すグラフである。ここで、「傾き抵抗値」とは、図
6にグラフで示すように、素子4に印加される電圧値
と、センサ1から出力される限界電流値との関係におけ
る曲線の傾きθに相当するものであり、両電極7,8間
の抵抗値に相当する。図5のグラフは、従来の酸素セン
サによる結果と、本実施形態の酸素センサ1による結果
とを比較して示す。これらグラフからも明らかなよう
に、本実施形態の酸素センサ1によれば、500時間が
経過しても傾き抵抗値の変化は少なく、従来の酸素セン
サによるものと比較して有利なことが明らかである。こ
の抵抗値の変化は、内電極7の熱凝集に起因する有効面
積の減少の少なさを意味する。
100℃」で長期間(500時間)駆動したときの、酸
素センサの素子抵抗値の変化を示すグラフである。この
グラフに関する酸素センサは、上記限界電流式の酸素セ
ンサ1とは異なるタイプのものであるが、同じ構造を有
するヒータ5を使用していることで共通する。このグラ
フからも明らかなように、本実施形態のヒータ5を使用
した酸素センサでは、500時間が経過しても素子抵抗
値の変化は少なく、従来の酸素センサによるものと比較
して有利なことが明らかである。
窒化珪素を焼成することにより、その表面に二酸化珪素
の被覆膜10を形成している。この場合、被覆膜10と
しては、ヒータ5の熱放射率を下げる観点で、白色を呈
する金属酸化物製であればよいのであるが、本実施形態
によれば、他の金属酸化物により被覆膜を形成するより
も製造を簡単にすることができる。
制することを、内電極7自体の厚みを大きくすることな
く、ヒータ5の熱放射率を低くすることにより達成して
いる。このため、内電極7に使われる白金の量を節約す
ることができる。
の検出部4aの一部に設けただけなので、両電極7,8
に使われる白金の量を節約することができる。尚、この
発明は次の別の実施形態に具体化することもできる。以
下の別の実施形態においても、前記実施形態と同等の作
用及び効果を得ることができる。
である窒化珪素を焼成することにより二酸化珪素からな
る被覆膜10をヒータ5の表面に形成した。これに対
し、ジルコニア等の金属酸化物からなる被覆膜10をヒ
ータ5の表面に形成してもよい。被覆膜10は白色を呈
する金属酸化物の中で可能なものを選択的に利用するこ
とができる。
に抵抗層9を設けたが、これを省略することもできる。 (3)前記実施形態では、素子4の検出部4aの一部に
内電極7及び外電極8を設けた。これに対し、素子4の
検出部4aの全体に内電極7及び外電極8を設けてもよ
い。
面に被覆膜10を形成したが、内電極7に隣接するヒー
タ5の表面にだけ被覆膜を形成してもよい。
に電極を付着してなる筒状の素子と、その内側に配置さ
れた窒化珪素よりなるヒータとを備えた酸素センサにお
いて、ヒータの表面に窒化珪素よりも熱放射率の低い被
覆膜を設けている。請求項2に記載の発明では、内外両
側面に電極を付着してなる筒状の素子と、その内側に配
置された窒化珪素よりなるヒータとを備えた酸素センサ
において、ヒータの表面に窒化珪素よりも白色を呈する
被覆膜を設けている。
載の発明によれば、ヒータからの熱放射に起因して素子
内側の電極が熱凝集することを抑えることができ、素子
内側の電極の有効面積の減少を抑えることができる。延
いては、センサの出力特性を長期間にわたってほぼ使用
初期の状態に保つことができるという効果を発揮する。
す断面図。
フ。
ラフ。
すグラフ。
ラフ。
8…外電極、10…被覆膜。
Claims (2)
- 【請求項1】 酸素に反応する筒状の素子と、その素子
の内外両側面にそれぞれ設けられた電極と、前記素子の
内部に配置され、自身が昇温することにより前記素子を
加熱する窒化珪素よりなるヒータとを備えた酸素センサ
のヒータ構造において、 前記ヒータの表面に窒化珪素よりも熱放射率の低い被覆
膜を設けたことを特徴とする酸素センサのヒータ構造。 - 【請求項2】 酸素に反応する筒状の素子と、その素子
の内外両側面にそれぞれ設けられた電極と、前記素子の
内部に配置され、自身が昇温することにより前記素子を
加熱する窒化珪素よりなるヒータとを備えた酸素センサ
のヒータ構造において、 前記ヒータの表面に窒化珪素よりも白色を呈する被覆膜
を設けたことを特徴とする酸素センサのヒータ構造。
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP03654496A JP3183149B2 (ja) | 1996-02-23 | 1996-02-23 | 酸素センサのヒータ構造 |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP03654496A JP3183149B2 (ja) | 1996-02-23 | 1996-02-23 | 酸素センサのヒータ構造 |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JPH09229899A JPH09229899A (ja) | 1997-09-05 |
JP3183149B2 true JP3183149B2 (ja) | 2001-07-03 |
Family
ID=12472722
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP03654496A Expired - Fee Related JP3183149B2 (ja) | 1996-02-23 | 1996-02-23 | 酸素センサのヒータ構造 |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
JP (1) | JP3183149B2 (ja) |
Families Citing this family (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP4241480B2 (ja) * | 2003-06-06 | 2009-03-18 | 株式会社デンソー | ガスセンサ |
JP4192823B2 (ja) * | 2003-06-06 | 2008-12-10 | 株式会社デンソー | ガスセンサ |
-
1996
- 1996-02-23 JP JP03654496A patent/JP3183149B2/ja not_active Expired - Fee Related
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