JP3296214B2 - Oxygen sensor - Google Patents
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Description
【0001】[0001]
【発明の属する技術分野】この発明は、発熱体を有する
ヒータ板を含む積層型素子を備え、発熱体の熱により素
子の活性化を図るようにした酸素センサに関する。BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to an oxygen sensor having a laminated element including a heater plate having a heating element, wherein the element is activated by the heat of the heating element.
【0002】[0002]
【従来の技術】酸素センサの構成としては、酸素濃度測
定用の一対の電極と、ヒータとを含む固体電解質の素子
を備えたものが一般的である。この酸素センサにおいて
は、各電極に酸素濃度の異なる気体が接触した際にその
酸素濃度差に応じた検出信号が出力される。また、ヒー
タは通電により発熱して素子を加熱する。素子が活性化
温度にまで温度上昇することにより、安定した検出信号
の出力が可能となる。2. Description of the Related Art An oxygen sensor generally includes a solid electrolyte element including a pair of electrodes for measuring oxygen concentration and a heater. In this oxygen sensor, when a gas having a different oxygen concentration comes into contact with each electrode, a detection signal corresponding to the oxygen concentration difference is output. Further, the heater generates heat when energized to heat the element. When the temperature of the element rises to the activation temperature, a stable detection signal can be output.
【0003】例えば、エンジンの空燃比制御にあって
は、同エンジンの排気管に取り付けられた酸素センサに
よって排気の酸素濃度が検出される。そして、エンジン
の電子制御装置は、この酸素濃度から算出される空燃比
が目標値と一致するようにエンジンを制御する。For example, in the air-fuel ratio control of an engine, the oxygen concentration of the exhaust is detected by an oxygen sensor attached to an exhaust pipe of the engine. Then, the electronic control unit of the engine controls the engine such that the air-fuel ratio calculated from the oxygen concentration matches the target value.
【0004】また、排気還流装置(EGR装置)或いは
ブローバイガス還元装置(PCV装置)を備えたエンジ
ンにあっては、その吸気管に更に酸素センサが取り付け
られ、同センサにより検出される吸気の酸素濃度と排気
の酸素濃度とを併せ参照することにより、空燃比制御の
制御精度を向上させる方法も講じられている。[0004] In an engine equipped with an exhaust gas recirculation device (EGR device) or a blow-by gas reduction device (PCV device), an oxygen sensor is further attached to the intake pipe of the engine, and oxygen of the intake air detected by the sensor is detected. A method of improving the control accuracy of the air-fuel ratio control by referring to the concentration and the oxygen concentration of the exhaust gas together has been taken.
【0005】[0005]
【発明が解決しようとする課題】上記のような酸素セン
サの素子は、通常700℃以上にまで加熱されなければ
安定した動作が保証されない。従って、素子をヒータの
熱によって早期に活性化温度まで加熱することは、例え
ば空燃比制御における制御精度を向上させる上で重要で
ある。The stable operation of the above-described oxygen sensor element cannot be guaranteed unless the element is heated to 700 ° C. or higher. Therefore, early heating of the element to the activation temperature by the heat of the heater is important for improving control accuracy in air-fuel ratio control, for example.
【0006】ところが、従来の酸素センサではヒータに
発生する熱の一部が素子の温度上昇に寄与することなく
外部に伝播されてしまうことから、その熱損失分だけ加
熱効率が低下して素子の活性化が遅れる虞があった。従
って、これを回避するためにヒータに流す電流値を増加
させなければならず、消費電力の増大を招くという問題
が生じていた。However, in the conventional oxygen sensor, part of the heat generated in the heater is transmitted to the outside without contributing to an increase in the temperature of the element. Activation may be delayed. Therefore, in order to avoid this, the value of the current flowing through the heater must be increased, which causes a problem of increasing power consumption.
【0007】エンジンの排気管に取り付けられた酸素セ
ンサにおいては、通常、排気温度が約600〜900℃
にまで達することから前記熱損失は比較的少ない。これ
に対して、吸気管に取り付けられた酸素センサでは、E
GRガスが混合されることを考慮しても吸気の温度は2
00℃以下であるため、前記熱損失が極めて大きくな
る。その結果、ヒータに流す電流が極めて大きくなり、
消費電力の大幅な増大を招くととともに、同ヒータの耐
久性を低下させることとなる。[0007] In an oxygen sensor attached to an exhaust pipe of an engine, the exhaust gas temperature is usually about 600 to 900 ° C.
, The heat loss is relatively small. On the other hand, in the oxygen sensor attached to the intake pipe, E
Considering that the GR gas is mixed, the intake air temperature is 2
Since the temperature is not higher than 00 ° C., the heat loss becomes extremely large. As a result, the current flowing through the heater becomes extremely large,
This leads to a significant increase in power consumption and to a decrease in the durability of the heater.
【0008】特実昭58−193243号公報は、上記
のようなヒータの熱損失を低減するための技術の一例を
開示する。しかしながら、同公報に記載された酸素セン
サの取付構造によれば、ヒータの熱が熱伝導により酸素
センサの各部材を介して外部に伝播することを抑制でき
るものの、その熱が熱輻射或いは熱伝達により素子から
排気(或いは吸気)へ直接伝播することを防止すること
はできない。Japanese Patent Publication No. 58-193243 discloses an example of a technique for reducing the heat loss of the heater as described above. However, according to the mounting structure of the oxygen sensor described in the publication, although the heat of the heater can be suppressed from being transmitted to the outside through each member of the oxygen sensor by heat conduction, the heat is radiated or transferred. Therefore, it is impossible to prevent direct propagation from the element to exhaust (or intake).
【0009】特に、前述した吸気管に取り付けられた酸
素センサにあっては、素子に接する低温の吸気により熱
が奪われることによる熱損失が極めて大きくなる。この
ため、上記公報に係る技術ではこれに対処することがで
きず、前述したようなヒータにおける消費電力の増大、
ひいてはその耐久性の低下を招くこととなる。In particular, in the above-described oxygen sensor attached to the intake pipe, the heat loss due to the heat taken by the low-temperature intake air in contact with the element becomes extremely large. For this reason, the technique according to the above publication cannot cope with this, and the power consumption in the heater as described above increases,
Eventually, its durability will be reduced.
【0010】また、上記公報では、素子の周囲を保護層
により覆う旨の記載があるが、ヒータの熱損失を低減す
る上で好適な保護層の構成については何ら言及されてい
ない。Although the above publication describes that the periphery of the element is covered with a protective layer, there is no reference to the structure of the protective layer suitable for reducing the heat loss of the heater.
【0011】本発明は上記実情に鑑みてなされたもので
あり、その目的は酸素センサの素子活性化用発熱体(ヒ
ータ)における加熱効率を向上させることにある。The present invention has been made in view of the above circumstances, and an object thereof is to improve the heating efficiency of a heating element (heater) for activating an element of an oxygen sensor.
【0012】[0012]
【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、請求項1に記載した発明は、発熱体を有するヒータ
板と、一対の電極を有する固体電解質板とを積層してな
る素子と、当該素子の一側面に電極の一方が配された固
体電解質板を覆うようにして設けられた拡散律速層とを
備えた酸素センサであって、ヒータ板及び固体電解質板
をジルコニアを主成分とする材料にて形成するととも
に、拡散律速層において被検出ガスの通過経路となる部
分を除く素子の各面を前記各板と同一の材料からなる断
熱層により覆ったことをその趣旨とする。Means for Solving the Problems In order to achieve the above object, the invention according to claim 1 provides an element comprising a heater plate having a heating element and a solid electrolyte plate having a pair of electrodes laminated. A diffusion-controlling layer provided so as to cover a solid electrolyte plate provided with one of the electrodes on one side surface of the element, wherein the heater plate and the solid electrolyte plate
Is made of a material mainly composed of zirconia.
It is intended that each surface of the element except for a portion serving as a passage of the gas to be detected in the diffusion control layer is covered with a heat insulating layer made of the same material as the above-mentioned respective plates .
【0013】上記構成では、通電によりヒータ板の発熱
体が発熱する。そして、発熱体の熱で素子が加熱される
ことにより、同素子の活性化が図られる。加熱された素
子の表面からは熱が外部に向けて伝播しようとする。拡
散律速層において被検出ガスの通過経路となる部分を除
く素子の各面は前記各板と同一の材料からなる断熱層に
より覆われているため、この断熱層によって素子からの
放熱が抑制される。In the above configuration, the heating element of the heater plate generates heat when energized. Then, the element is heated by the heat of the heating element, so that the element is activated. Heat tends to propagate outward from the heated surface of the element. Since the surfaces of the device other than the portion that becomes the passage of the gas to be detected in the diffusion-controlling layer are covered with a heat insulating layer made of the same material as the respective plates , heat radiation from the device is suppressed by the heat insulating layer. .
【0014】[0014]
【0015】更に上記構成では、素子を構成するヒータ
板及び固体電解質板と同一のジルコニアを主成分とする
材料によって断熱層が形成されているため、同層と各板
との密着性が向上する。更に、ジルコニアは極めて熱伝
導率が小さいため、断熱層による放熱抑制作用が大きく
なる。 Further, in the above configuration, since the heat insulating layer is formed of the same material containing zirconia as the main component, the same as the heater plate and the solid electrolyte plate constituting the element, the adhesion between the same layer and each plate is improved. . Further, since zirconia has a very low thermal conductivity, the effect of suppressing heat radiation by the heat insulating layer is increased.
【0016】[0016]
【発明の実施の形態】本発明をディーゼルエンジンの空
燃比制御に用いられる酸素センサに具体化した実施形態
について図1〜5を参照して説明する。DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS An embodiment in which the present invention is embodied in an oxygen sensor used for air-fuel ratio control of a diesel engine will be described with reference to FIGS.
【0017】図1は本実施形態におけるディーゼルエン
ジンシステムの概略構成を示している。同図に示すよう
に、ディーゼルエンジン11には吸気管12が接続され
ており、同管12を通じて吸気がエンジン11の燃焼室
(図示略)内に導入される。吸気管12内に設けられた
スロットル弁13は燃焼室に導入される吸気の量を調節
する。燃焼室内においてインジェクタ(図示略)から噴
射された燃料と吸気とが混合され、この混合気が爆発燃
焼することによりエンジン11に駆動力が得られる。燃
焼後の排気は燃焼室から排気管14に導入された後、触
媒等(図示略)を通過して外部に排出される。FIG. 1 shows a schematic configuration of a diesel engine system according to this embodiment. As shown in FIG. 1, an intake pipe 12 is connected to the diesel engine 11, and intake air is introduced into a combustion chamber (not shown) of the engine 11 through the pipe 12. A throttle valve 13 provided in the intake pipe 12 controls the amount of intake air introduced into the combustion chamber. In the combustion chamber, fuel injected from an injector (not shown) and intake air are mixed, and the air-fuel mixture explodes and burns, so that a driving force is obtained for the engine 11. After the combustion, the exhaust gas is introduced into the exhaust pipe 14 from the combustion chamber and then discharged outside through a catalyst or the like (not shown).
【0018】エンジン11には排気還流装置(EGR装
置)15が設けられている。このEGR装置15は、排
気管14と吸気管12においてスロットル弁13の下流
側部分とを連通するEGR通路16と、同通路16の途
中に設けられた流量調整弁17とを備えている。排気管
14における排気の一部はEGR通路16を通過して吸
気管12内に戻される。流量調整弁17は電子制御装置
(図示略)によって制御されることにより、EGR通路
16を通過する排気の量を調節する。The engine 11 is provided with an exhaust gas recirculation device (EGR device) 15. The EGR device 15 includes an EGR passage 16 that communicates the exhaust pipe 14 with a downstream portion of the throttle valve 13 in the intake pipe 12, and a flow control valve 17 provided in the passage 16. Part of the exhaust gas in the exhaust pipe 14 passes through the EGR passage 16 and is returned into the intake pipe 12. The flow control valve 17 is controlled by an electronic control unit (not shown) to control the amount of exhaust gas passing through the EGR passage 16.
【0019】吸気管12において、EGR通路16の開
口部分よりも下流側の位置には酸素センサ20が取り付
けられており、同センサ20の先端部が吸気管12内に
突出している。酸素センサ20は、スロットル弁13を
通過した空気とEGR通路16を通じて吸気管12内に
導入されたEGRガスとを含む吸気の酸素濃度を検出
し、その検出信号を電子制御装置に出力する。電子制御
装置は、酸素センサ20からの検出信号と、排気管14
に別途設けられた別の酸素センサ(図示略)からの検出
信号に基づいて、エンジン11の空燃比制御を実行す
る。尚、吸気はEGRガスが含まれているため、その温
度が150〜200℃にまで上昇する。In the intake pipe 12, an oxygen sensor 20 is attached at a position downstream of the opening of the EGR passage 16, and the tip of the sensor 20 projects into the intake pipe 12. The oxygen sensor 20 detects the oxygen concentration of the intake air including the air that has passed through the throttle valve 13 and the EGR gas introduced into the intake pipe 12 through the EGR passage 16 and outputs a detection signal to the electronic control unit. The electronic control unit detects the detection signal from the oxygen sensor 20 and the exhaust pipe 14.
The air-fuel ratio of the engine 11 is controlled based on a detection signal from another oxygen sensor (not shown) provided separately. Since the intake air contains EGR gas, its temperature rises to 150 to 200 ° C.
【0020】酸素センサ20は、素子と、同素子の外周
を覆う有孔カバー22とを備えている。素子及びカバー
22はいずれも酸素センサ20のハウジング23に支持
されている。The oxygen sensor 20 has an element and a perforated cover 22 for covering the outer periphery of the element. Both the element and the cover 22 are supported by the housing 23 of the oxygen sensor 20.
【0021】図2は、この素子21の先端部を示してい
る。同図に示すように、素子21は複数の板材31〜4
0が積層された構造を有し、断面が略矩形状を呈してい
る。また、図3は素子21を各板材31〜40に分解し
た状態を示し、図4は図2に示す素子21の4−4線断
面を示している。FIG. 2 shows the tip of the element 21. As shown in the drawing, the element 21 includes a plurality of plate members 31 to 4.
0 are laminated, and the cross section has a substantially rectangular shape. 3 shows a state where the element 21 is disassembled into respective plate members 31 to 40, and FIG. 4 shows a cross section taken along line 4-4 of the element 21 shown in FIG.
【0022】これら各図に示すように、素子21はヒー
タ41と、このヒータ41上に設けられた検出部42
と、同検出部42上に設けられた拡散律速板36と、ヒ
ータ41及び検出部42の一部を覆う断熱層43とを備
えている。As shown in these figures, the element 21 includes a heater 41 and a detecting section 42 provided on the heater 41.
And a diffusion-controlling plate 36 provided on the detection unit 42, and a heat insulating layer 43 covering a part of the heater 41 and the detection unit 42.
【0023】ここで、ヒータ41は一対のヒータ用板3
1,32と、各板31,32間に設けられた発熱体44
とを備えている。図3に示すように、発熱体44は素子
21の先端側に配置された略W字形状をなす発熱部44
aと、同発熱部44aと前記電子制御装置とを電気的に
接続するための一対のリード44bとを備えている。発
熱体44(発熱部44a)は通電により発熱して素子2
1の先端側部分を所定温度(活性化温度:700℃)以
上に加熱する。この加熱により素子21の活性化が図ら
れるようになっている。発熱体44の上下にはアルミナ
からなる絶縁層(Al2 O3 )(図示略)が形成されて
おり、発熱体44と各ヒータ用板31,32とは電気的
に絶縁されている。Here, the heater 41 is composed of a pair of heater plates 3.
1, 32 and a heating element 44 provided between the plates 31, 32
And As shown in FIG. 3, the heating element 44 is a substantially W-shaped heating section 44 disposed on the tip side of the element 21.
a, and a pair of leads 44b for electrically connecting the heating section 44a to the electronic control unit. The heating element 44 (heating section 44a) generates heat when energized, and
1 is heated above a predetermined temperature (activation temperature: 700 ° C.). The element 21 is activated by this heating. An insulating layer (Al2 O3) (not shown) made of alumina is formed above and below the heating element 44, and the heating element 44 and the heater plates 31, 32 are electrically insulated.
【0024】また、検出部42は固体電解質板34と、
同板34の上下に積層された大気室形成板33及び排気
室形成板35とを備えている。固体電解質板34の上下
面には排気側電極46及び排気側リード47と、大気側
電極48(図4参照)及び大気側リード(図示略)とが
設けられている。この排気側電極46及び大気側電極4
8は各リード47を介してエンジン11の電子制御装置
(図示略)に電気的に接続されている。The detecting unit 42 includes the solid electrolyte plate 34,
An air chamber forming plate 33 and an exhaust chamber forming plate 35 are provided above and below the plate 34. On the upper and lower surfaces of the solid electrolyte plate 34, an exhaust-side electrode 46 and an exhaust-side lead 47, and an atmosphere-side electrode 48 (see FIG. 4) and an atmosphere-side lead (not shown) are provided. The exhaust side electrode 46 and the atmosphere side electrode 4
Reference numeral 8 is electrically connected to an electronic control unit (not shown) of the engine 11 via each lead 47.
【0025】大気室形成板33は全体がコ字形状を呈し
ており、同板33の内壁面、一方のヒータ用板32の上
面、及び固体電解質板34の下面とによって区画された
空間によって大気室49(図4参照)が形成されてい
る。この大気室49内には大気が導入可能になってい
る。The atmosphere chamber forming plate 33 has a U-shape as a whole, and is formed by a space defined by an inner wall surface of the plate 33, an upper surface of one heater plate 32, and a lower surface of the solid electrolyte plate 34. A chamber 49 (see FIG. 4) is formed. The atmosphere can be introduced into the atmosphere chamber 49.
【0026】排気室形成板35の先端側(図3の左側)
には、排気側電極46と対応する位置に矩形孔35aが
形成されている。そして、排気室形成板35の上面には
矩形孔35aを閉塞するようにして拡散律速板36が積
層されている。この拡散律速板36の下面、矩形孔35
aの内周面、及び固体電解質板34の上面によって区画
された空間により排気室50(図4参照)が形成されて
いる。この拡散律速板36には後述する焼成時において
複数の細孔(図示略)が形成されている。拡散律速板3
6の上面からこの細孔を通じて被検出ガスである排気が
排気室50内に導入されるようになっている。The tip side of the exhaust chamber forming plate 35 (left side in FIG. 3)
, A rectangular hole 35a is formed at a position corresponding to the exhaust side electrode 46. On the upper surface of the exhaust chamber forming plate 35, a diffusion controlling plate 36 is laminated so as to close the rectangular hole 35a. The lower surface of the diffusion control plate 36, the rectangular hole 35
An exhaust chamber 50 (see FIG. 4) is formed by a space defined by the inner peripheral surface of “a” and the upper surface of the solid electrolyte plate 34. A plurality of pores (not shown) are formed in the diffusion controlling plate 36 during firing described later. Diffusion controlling plate 3
Exhaust gas to be detected is introduced into the exhaust chamber 50 from the upper surface of the exhaust gas through the fine holes.
【0027】図2〜図4に示すように、素子21の先端
面と同素子21の両側面及び底面の先端側部分には、そ
れら各面を覆うようにして断熱板37〜40が貼付され
ている。これら各板37〜40により断熱層43が形成
されている。各断熱板37〜40は断熱効果を得るため
に所定の厚さ(本実施形態では「1.5mm」)を有し
ている。また、素子21の両側面及び底面の先端側部分
を覆う断熱板38〜40の長さL1,L2,L3(図3
参照)は、発熱部44aの長さL4(図3参照)よりも
長く(本実施形態では「20mm」)設定されている。
また、本実施形態においては後述するように、各断熱板
37〜40は上記各板31〜36と同一の材料により形
成されている。As shown in FIGS. 2 to 4, heat insulating plates 37 to 40 are attached to the front end face of the element 21 and both side faces and the front end side of the bottom face of the element 21 so as to cover those faces. ing. A heat insulating layer 43 is formed by these plates 37 to 40. Each of the heat insulating plates 37 to 40 has a predetermined thickness (“1.5 mm” in the present embodiment) in order to obtain a heat insulating effect. In addition, the lengths L1, L2, L3 of the heat insulating plates 38 to 40 covering both side surfaces of the element 21 and the front end portion of the bottom surface (FIG.
(See FIG. 3) is set to be longer ("20 mm" in the present embodiment) than the length L4 (see FIG. 3) of the heat generating portion 44a.
In the present embodiment, as described later, each of the heat insulating plates 37 to 40 is formed of the same material as each of the above plates 31 to 36.
【0028】こうした酸素センサ20にあっては、エン
ジン11の電子制御装置によって排気側電極46と大気
側電極48との間に所定の電圧が印加されると、固体電
解質板34の内部で酸素イオンの移動が生じることによ
り各電極46,48間には電流が流れるようになる。こ
の際、排気室50内に導入される酸素分子が細孔によっ
て拡散律速されることにより、各電極46,48間を流
れる電流は排気ガスの酸素濃度に応じた一定値(限界電
流値)をとるようになる。従って、電子制御装置はこの
限界電流値の大きさに基づいてエンジン11の空燃比を
算出することができる。In the oxygen sensor 20, when a predetermined voltage is applied between the exhaust-side electrode 46 and the atmosphere-side electrode 48 by the electronic control unit of the engine 11, oxygen ions are generated inside the solid electrolyte plate 34. As a result, current flows between the electrodes 46 and 48. At this time, the oxygen molecules introduced into the exhaust chamber 50 are diffusion-controlled by the pores, so that the current flowing between the electrodes 46 and 48 has a constant value (limit current value) corresponding to the oxygen concentration of the exhaust gas. I will take it. Therefore, the electronic control unit can calculate the air-fuel ratio of the engine 11 based on the magnitude of the limit current value.
【0029】次に、図5を併せ参照して本実施形態にお
ける酸素センサ20の製造方法をその製造工程に従って
順に説明する。 1)平均粒径0.1μmの酸素イオン導電性ジルコニア
(ZrO2 )粉末にイットリア(Y2 03 )8重量%を
添加し、これに溶媒(イオン交換水)とバインダー(メ
チルセルロース)と活性材(グリセリン)とを加えたも
のを、混合機により混合する。そして、この混合物を混
練機により攪拌混合する。Next, a method of manufacturing the oxygen sensor 20 according to the present embodiment will be sequentially described with reference to FIGS. 1) 8% by weight of yttria (Y203) is added to oxygen ion conductive zirconia (ZrO2) powder having an average particle size of 0.1 .mu.m, and a solvent (ion-exchanged water), a binder (methylcellulose), and an active material (glycerin) are added thereto. Is added and mixed by a mixer. Then, this mixture is stirred and mixed by a kneader.
【0030】2)この混練物を成形機により押出成形
し、その成形シートを乾燥機により乾燥する。ここで、
拡散律速板36の素材については、上記各板と同一成分
であるが攪拌時間等を変更した混練物を用いて成形され
る。2) The kneaded product is extruded by a molding machine, and the molded sheet is dried by a dryer. here,
The material of the diffusion-controlling plate 36 is formed by using a kneaded material having the same components as those of the above-mentioned respective plates, but having changed the stirring time and the like.
【0031】3)各成形シートを打抜き機により打ち抜
き、前記各板31〜40の素材を所定形状に成形する。 4)固体電解質板34の素材の排気側面、即ち図3にお
ける同素材の上面に白金ペーストを所定形状に印刷する
ことにより、排気側電極46と排気側リード47とを形
成する。また、前記素材の大気側面、即ち図3における
同素材の下面にも同様にして白金ペーストを印刷するこ
とにより大気側電極48及び大気側リードを形成する。
各電極46,48,及びリード47を印刷した後、固体
電解質板34の素材を乾燥させる。3) Each formed sheet is punched by a punching machine, and the material of each of the plates 31 to 40 is formed into a predetermined shape. 4) The exhaust side electrode 46 and the exhaust side lead 47 are formed by printing platinum paste in a predetermined shape on the exhaust side surface of the material of the solid electrolyte plate 34, that is, the upper surface of the material in FIG. Similarly, the atmosphere side electrode 48 and the atmosphere side lead are formed by printing a platinum paste on the atmosphere side surface of the material, that is, the lower surface of the material in FIG.
After printing the electrodes 46 and 48 and the leads 47, the material of the solid electrolyte plate 34 is dried.
【0032】5)一方のヒータ用板31,32となる素
材の表面に、前述した絶縁層用のアルミナペーストを印
刷した後、その表面に白金ペーストを所定形状に印刷す
ることにより発熱体44を形成する。更に、その発熱体
44を覆うようにしてアルミナペーストを印刷する。そ
の後、この素材を乾燥させる。5) After the above-mentioned alumina paste for an insulating layer is printed on the surface of the material to be one of the heater plates 31 and 32, the heating element 44 is printed by printing a platinum paste on the surface in a predetermined shape. Form. Further, an alumina paste is printed so as to cover the heating element 44. Thereafter, the material is dried.
【0033】6)各板31〜40の素材の貼着面に水を
塗布する。 7)各ヒータ用板31,32、大気室形成板33、固体
電解質板34、排気室形成板35、及び拡散律速板36
となるそれぞれの素材をこの順で積層する。更に、この
積層状態となった素材の先端面と、両側面及び底面の先
端側部分に各断熱板37〜40を積層する。そして、積
層状態の各素材を約400kPaで加圧してそれらを互
いに接着する。6) Water is applied to the surfaces of the plates 31 to 40 to which the materials are to be attached. 7) Each heater plate 31, 32, atmosphere chamber forming plate 33, solid electrolyte plate 34, exhaust chamber forming plate 35, and diffusion control plate 36.
Are laminated in this order. Further, the heat insulating plates 37 to 40 are laminated on the front end surface of the laminated material and on the front end portions of both side surfaces and the bottom surface. Then, the respective materials in the laminated state are pressurized at about 400 kPa, and they are adhered to each other.
【0034】8)積層状態にある各板31〜40の素材
に対して、図5(a),(b)に示す温度推移パターン
により脱脂及び焼成を行う。以上の工程1)〜8)によ
り素子21が製造される。8) The material of each of the plates 31 to 40 in the laminated state is degreased and fired according to the temperature transition patterns shown in FIGS. 5 (a) and 5 (b). The element 21 is manufactured by the above steps 1) to 8).
【0035】次に本実施形態における作用効果について
説明する。本実施形態では、前述したように各断熱板3
7〜40によって素子21の先端側部分を覆う断熱層4
3を形成するようにしている。このような断熱層43を
有しない場合、発熱体44により加熱され温度上昇した
素子21の先端部からは多量の熱が外部に伝播する。特
に、本実施形態における素子21は低温の吸気によって
多量の熱が奪われるため熱損失が大きい。その結果、素
子21を所定の活性化温度にまで加熱するためには、発
熱部44aにおいてより多量の熱を発生させなければな
らない。Next, the function and effect of this embodiment will be described. In the present embodiment, as described above, each heat insulating plate 3
Heat insulating layer 4 covering the front end portion of element 21 with 7 to 40
3 is formed. When the heat insulating layer 43 is not provided, a large amount of heat is transmitted from the tip of the element 21 heated by the heating element 44 and heated. In particular, the element 21 in this embodiment has a large heat loss because a large amount of heat is taken away by low-temperature intake air. As a result, in order to heat the element 21 to a predetermined activation temperature, a larger amount of heat must be generated in the heat generating portion 44a.
【0036】この点、本実施形態によれば、断熱層43
を設けることにより素子21の先端側表面に吸気が直接
接触しなくなるため、吸気により奪われる熱量が大幅に
減少する。また、断熱層43により素子21の表面から
輻射熱が直接放射されることもない。従って、発熱体4
4の加熱効率を向上させることができる。これにより発
熱体44における消費電力の低減を図り、その耐用寿
命、ひいては酸素センサ20の耐久性を向上させること
ができる。In this regard, according to the present embodiment, the heat insulating layer 43
Is provided, the intake air does not directly contact the surface of the element 21 on the front end side, so that the amount of heat taken by the intake air is greatly reduced. Further, radiant heat is not directly radiated from the surface of the element 21 by the heat insulating layer 43. Therefore, the heating element 4
4 can improve the heating efficiency. As a result, the power consumption of the heating element 44 can be reduced, and its useful life and, consequently, the durability of the oxygen sensor 20 can be improved.
【0037】更に、本実施形態では、断熱層43を形成
する各断熱板37〜40をジルコニアを主成分とした材
料により形成するようにしている。このジルコニアは熱
伝導率が極めて小さいことから、素子21から断熱層4
3に伝播される熱量を更に低減させて発熱体44の熱効
率を大きく向上させることができる。Further, in the present embodiment, each of the heat insulating plates 37 to 40 forming the heat insulating layer 43 is made of a material containing zirconia as a main component. Since this zirconia has a very low thermal conductivity, the element 21 can be removed from the heat insulating layer 4.
The heat efficiency of the heating element 44 can be greatly improved by further reducing the amount of heat transmitted to the heating element 3.
【0038】加えて、本実施形態では、各断熱板37〜
40と、ヒータ41及び検出部42を構成する各板31
〜35とを同一の材料により形成するようにしている。
従って、断熱層43と素子21(ヒータ41及び検出部
42)との密着性が向上する。その結果、断熱層43が
各板31〜35から剥離してしまう等の不具合を回避す
ることができ、酸素センサ20の耐久性の向上を図るこ
とができる。In addition, in the present embodiment, each of the heat insulating plates 37 to
40, each plate 31 constituting the heater 41 and the detection unit 42
To 35 are formed of the same material.
Therefore, the adhesion between the heat insulating layer 43 and the element 21 (the heater 41 and the detection unit 42) is improved. As a result, problems such as the heat insulating layer 43 being peeled off from each of the plates 31 to 35 can be avoided, and the durability of the oxygen sensor 20 can be improved.
【0039】本発明は、以下に示す他の実施形態として
具体化することもできる。これら他の実施形態よっても
上記各実施形態と略同様の作用効果を奏することができ
る。 (1)上記実施形態では、本発明をディーゼルエンジン
11の吸気管12に取り付けられる酸素センサ20に具
体化した。これに対して、本発明をディーゼルエンジン
11の排気管14や、ガソリンエンジンの吸気管若しく
は排気管に取り付けられる酸素センサに具体化すること
もできる。更に、エンジン用に限定されず、各種燃焼装
置に用いられる酸素センサに本発明を具体化するように
してもよい。The present invention can be embodied as other embodiments described below. According to these other embodiments, substantially the same functions and effects as those of the above embodiments can be obtained. (1) In the above embodiment, the present invention is embodied in the oxygen sensor 20 attached to the intake pipe 12 of the diesel engine 11. On the other hand, the present invention can be embodied as an oxygen sensor attached to an exhaust pipe 14 of a diesel engine 11 or an intake pipe or an exhaust pipe of a gasoline engine. Furthermore, the present invention is not limited to the engine, and may be embodied in an oxygen sensor used in various combustion devices.
【0040】(2)上記実施形態では、断熱層43を各
断熱板37〜40によって形成するようにした。これに
対して、例えば、溶射等により断熱層43を形成するよ
うにしてもよい。(2) In the above embodiment, the heat insulating layer 43 is formed by the heat insulating plates 37 to 40. On the other hand, for example, the heat insulating layer 43 may be formed by thermal spraying or the like.
【0041】(3)上記実施形態では、より大きな断熱
効果を得るために各断熱板37〜40の厚さを「1.5
mm」に設定した。これに対して、各断熱板37〜40
の厚さを任意に変更してよいが、断熱効果を考慮した場
合、その厚さは「0.5mm」以上であることが望まし
い。また、各断熱板37〜40の厚さは全て等しくする
必要はない。例えば、素子21において比較的放熱量が
多くなると推定される面(例えば、素子21の底面)に
貼付けられる断熱板40の厚さを他の板37〜39より
も厚くするようにしてもよい。このような構成によれ
ば、素子21の大型化を抑制しつつ効果的な断熱作用を
奏することができる。(3) In the above embodiment, the thickness of each of the heat insulating plates 37 to 40 is set to “1.5” to obtain a larger heat insulating effect.
mm ". On the other hand, each of the heat insulating plates 37 to 40
May be arbitrarily changed, but in consideration of a heat insulating effect, the thickness is desirably “0.5 mm” or more. Further, it is not necessary that all the heat insulating plates 37 to 40 have the same thickness. For example, the thickness of the heat insulating plate 40 attached to the surface of the element 21 where the amount of heat radiation is estimated to be relatively large (for example, the bottom surface of the element 21) may be made thicker than the other plates 37 to 39. According to such a configuration, an effective heat insulating effect can be achieved while suppressing an increase in the size of the element 21.
【0042】(4)上記実施形態では、本発明をEGR
装置15を備えたエンジン11に用いられる酸素センサ
20に具体化したが、前述したPCV装置を備えたエン
ジンに用いられる酸素センサに具体化することもでき
る。(4) In the above embodiment, the present invention employs the EGR
Although the present invention has been embodied in the oxygen sensor 20 used in the engine 11 having the device 15, it can be embodied in the oxygen sensor used in the engine having the PCV device described above.
【0043】(5)上記実施形態では、素子21の両側
面及び底面を覆う断熱板38〜40の長さL1〜L3を
「20mm」に設定したが、任意の長さに設定してもよ
い。但し、大きな断熱効果を得るためには、各長さL1
〜L3は発熱部44aの長さL4よりも長くなるように
設定して、同発熱部44aの周囲が各断熱板38〜40
によって囲まれるようにすることが望ましい。(5) In the above embodiment, the lengths L1 to L3 of the heat insulating plates 38 to 40 covering the side surfaces and the bottom surface of the element 21 are set to "20 mm", but may be set to any length. . However, in order to obtain a large heat insulating effect, each length L1
L3 is set to be longer than the length L4 of the heat generating portion 44a, and the periphery of the heat generating portion 44a is insulated from the heat insulating plates 38 to 40.
It is desirable to be surrounded by
【0044】(6)上記実施形態では、素子21の上面
には断熱層43が形成されていないが、拡散律速板36
の上面を除く部分にも断熱板を積層することにより、断
熱層43を形成するようにしてもよい。このようにすれ
ば、発熱体44の加熱効率を更に向上させることができ
る。(6) In the above embodiment, the heat insulating layer 43 is not formed on the upper surface of the element 21, but the diffusion
The heat insulating layer 43 may be formed by laminating a heat insulating plate also on a portion other than the upper surface of the semiconductor device. By doing so, the heating efficiency of the heating element 44 can be further improved.
【0045】上記各実施形態から把握できる技術的思想
について以下にその効果とともに記載する。 (イ)請求項1に記載した酸素センサにおいて、同セン
サは内燃機関の吸気管12に取り付けられ、吸気の酸素
濃度を検出するものであることを特徴とする。The technical ideas that can be grasped from the above embodiments will be described below together with their effects. (A) In the oxygen sensor according to the first aspect, the sensor is attached to the intake pipe 12 of the internal combustion engine and detects the oxygen concentration of the intake air.
【0046】内燃機関の吸気管12に取り付けられた酸
素センサでは、前述したように素子に温度の低い吸気が
接することから、発熱体における消費電力が増大する傾
向がある。上記(イ)に記載した構成によれば、このよ
うな傾向にある酸素センサにおいて、発熱体の加熱効率
を大幅に向上させる上で好適である。In the oxygen sensor attached to the intake pipe 12 of the internal combustion engine, since the low-temperature intake air comes into contact with the element as described above, the power consumption of the heating element tends to increase. According to the configuration described in the above (A), the oxygen sensor having such a tendency is suitable for greatly improving the heating efficiency of the heating element.
【0047】[0047]
【発明の効果】請求項1に記載した発明では、ヒータ板
及び固体電解質板をジルコニアを主成分とする材料にて
形成するとともに、拡散律速層において被検出ガスの通
過経路となる部分を除く素子の各面をそれら各板と同一
の材料からなる断熱層により覆うようにしている。従っ
て、この断熱層により素子から外部への放熱が抑制され
る。その結果、発熱体における加熱効率を向上させるこ
とができる。これにより発熱体での消費電力の低減を図
り、その耐用寿命、ひいては酸素センサの耐久性を向上
させることができる。According to the first aspect of the present invention, the heater plate is provided.
And a solid electrolyte plate made of a material mainly composed of zirconia
Each surface of the element is the same as each plate except for the part that becomes the passage of the gas to be detected in the diffusion-controlling layer.
And to cover the heat-insulating layer made of the material. Therefore, heat radiation from the element to the outside is suppressed by the heat insulating layer. As a result, the heating efficiency of the heating element can be improved. As a result, the power consumption of the heating element can be reduced, and its useful life and, consequently, the durability of the oxygen sensor can be improved.
【0048】更に、この断熱層とヒータ板及び固体電解
質板とが同一の材料によって形成されていることから、
同層と各板との密着性が向上する。その結果、発熱体に
おける加熱効率を更に向上させることができる。加え
て、断熱層が各板から剥離してしまう等の両者の密着性
が低いことに起因した不具合を回避することができるた
め、酸素センサにおける耐久性の更なる向上を図ること
ができる。[0048] Further, the since the heat insulating layer and the heater plate and the solid electrolyte plate is formed of the same material,
The adhesion between the same layer and each plate is improved. As a result, the heating efficiency of the heating element can be further improved. In addition, it is possible to avoid a problem caused by low adhesion between the two, such as the heat insulating layer being peeled off from each plate, so that it is possible to further improve the durability of the oxygen sensor.
【図1】ディーゼルエンジンシステムを示す概略構成
図。FIG. 1 is a schematic configuration diagram showing a diesel engine system.
【図2】酸素センサの素子先端部を示す斜視図。FIG. 2 is a perspective view showing an element tip of the oxygen sensor.
【図3】素子を分解して示す斜視図。FIG. 3 is an exploded perspective view showing an element.
【図4】図2の4−4線断面図。FIG. 4 is a sectional view taken along line 4-4 of FIG. 2;
【図5】脱脂及び焼成時における温度推移パターンを示
すグラフ。FIG. 5 is a graph showing a temperature transition pattern during degreasing and firing.
44…発熱体、41…ヒータ、46…排気側電極、48
…大気側電極、21…素子、34…固体電解質板、36
…拡散律速板、20…酸素センサ、43…断熱層。44: heating element, 41: heater, 46: exhaust side electrode, 48
... atmosphere side electrode, 21 ... element, 34 ... solid electrolyte plate, 36
... Diffusion controlling plate, 20 ... Oxygen sensor, 43 ... Heat insulation layer.
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) G01N 27/41 ──────────────────────────────────────────────────続 き Continued on front page (58) Field surveyed (Int.Cl. 7 , DB name) G01N 27/41
Claims (1)
を有する固体電解質板とを積層してなる素子と、当該素
子の一側面に前記電極の一方が配された固体電解質板を
覆うようにして設けられた拡散律速層とを備えた酸素セ
ンサであって、前記ヒータ板及び固体電解質板をジルコニアを主成分と
する材料にて形成するとともに、 前記拡散律速層において被検出ガスの通過経路となる部
分を除く前記素子の各面を前記各板と同一の材料からな
る断熱層により覆ったことを特徴とする酸素センサ。An element formed by laminating a heater plate having a heating element and a solid electrolyte plate having a pair of electrodes, and a solid electrolyte plate having one of the electrodes disposed on one side of the element. An oxygen sensor comprising a diffusion-controlling layer provided in the above , wherein the heater plate and the solid electrolyte plate are mainly composed of zirconia.
Oxygen thereby forming at which material is characterized in that said covered by the heat insulating layer comprising the surfaces of the elements except for the portion to be a passing path of the gas to be detected from the respective plate identical to the material in the diffusion control layer Sensor.
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