JP3721263B2 - Oxygen sensor with heater - Google Patents
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Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
この発明は、例えば内燃機関の排気ガス中の酸素濃度を検出するための酸素センサ、あるいは所定のガス中の酸素を検出するための酸素センサに関し、特に短時間に酸素センサを活性化温度まで加熱するヒータを備えた酸素センサに関する。
【0002】
【従来の技術】
上記のようなヒータ付き酸素センサの一形態として、先端部が閉じた中空軸状をなし、それの内壁面に電極層を有する酸素検知素子と、その酸素検知素子の中空部内に配置されてその酸素検知素子を加熱する軸状の発熱体とを備えた構造のものが知られている(例えば特開平4−157358号公報)。この種の酸素センサでは、酸素検知素子の内部空間に対し、軸状(棒状)の発熱体(ヒータ)をその先端内面に達するまで同心的に差し入れた構造のものが一般的であったが、特開平10−54822号公報には新しいタイプのセンサとして、先端の発熱部の近傍において発熱体の中心軸線が、酸素検知素子の中空部の中心軸線に対して片側に寄るように偏心した状態で位置決めされた構造のものが提案されている。
【0003】
上記センサにおいて、例えば発熱部が酸素検知素子と接触するいわば横当て構造を採用することで、発熱部で発生する熱が酸素検知素子へ直接的に熱伝導してセンサの活性化に要する時間が短縮される。これにより、例えば車両の始動時やアイドル時などの、排気ガス温度が低い場合でも酸素センサを有効に作動させることができる。また発熱体の発熱部が酸素検知素子の中空部内壁面に側方から接触した構造であれば、発熱部や酸素検知素子の熱膨張が生じても、発熱部の先端を酸素検知素子の先端内面に当てる構造に比べて、その熱膨張の影響を受けにくい。言い換えれば、そのような横当て構造をとることにより、発熱体や酸素検知素子が熱履歴を受けても両者の接触状態を良好に保ち易くなり、センサ特性のばらつきを少なく抑さえることができる。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、上記特開平10−54822号公報に開示されたセンサでは、酸素検知素子内において発熱体を上記偏心状態で固定するために端子金具が使用されている。端子金具の実例として、公報図1には、発熱体(3)を周方向に包囲するとともに酸素検知素子(2)の内側の電極層に接触する内部電極接続部(26)を有し、その内部電極接続部(26)の基端側に発熱体(3)を把持する発熱体把持部(27)が結合される一方、先端側には発熱体(3)を素子内壁面に弾性的に付勢するガイド部(28)が連結された構造のものが開示されている。他方、同公報図8には、内部電極接続部(26)の基端側と先端側との両方に発熱体把持部(27a,27b)を結合し、それら発熱体把持部(27a,27b)の中心軸線同士を互いに偏心させた構造のものが開示されている。
【0005】
しかしながら、これらの構成では、内部電極接続部の両側に発熱体把持部やガイド部が連結されるため、(発熱体把持部+内部電極接続部+発熱体把持部(あるいはガイド部))の部分、ひいてはセンサの全長が長くなり、近年高まりつつあるコンパクト化の要求を満たす上で不利となる。また、2ケ所の把持部(あるいは1ケ所の把持部とガイド部)により、横方向に強い曲げ力が作用した状態で発熱体が把持される形となるので、例えば端子金具を装着した発熱体を酸素検知素子の中空部内に挿入してセンサを組み立てる際に、端子金具を介して過剰な横方向の力が発熱体に作用し、折損等の不具合が生じる心配がある。
【0006】
本発明の課題は、中空軸状の酸素検知素子の内部に発熱体を偏心固定することにより短時間で効果的にセンサ活性化温度に加熱でき、かつ全長を短くしてコンパクト化を図ることができるヒータ付き酸素センサを提供することにある。
【0007】
【課題を解決するための手段及び作用・効果】
上述の課題を解決するために、本発明のヒータ付き酸素センサ(以下、単に酸素センサともいう)は、先端部が閉じた中空軸状をなし、それの内外面に電極層を有する酸素検知素子と、
該酸素検知素子の中空部内に配置されて該酸素検知素子を加熱する軸状の発熱体と、
発熱体を周方向に包囲するように形成され、酸素検知素子の内面に直接又は他部材を介して間接的に接触する固定部と、その固定部に対し発熱体の軸方向において少なくとも一方の側に連結されて発熱体を把持する発熱体把持部とを有し、固定部により発熱体を酸素検知素子の内側に固定する固定金具とを備え、
発熱体把持部は固定部に対し、該固定部の軸線に対して傾斜した状態で結合されており、これに把持される発熱体の中心軸線が酸素検知素子の中空部の中心軸線に対して傾斜することにより、該発熱体はその発熱部の近傍において片側に寄るように偏心した状態で位置決めされていることを特徴とする。なお、固定部の軸線とは、該固定部に内接する最大直円筒の中心軸線として定義する。
【0008】
ここで、上記のような偏心(オフセット)の結果として、発熱体の発熱部の表面が、酸素検知素子の中空部内壁面に接触していることが望ましい(請求項2)。この場合は、酸素検知素子の中空部の中心軸線に対して発熱体の発熱部の近傍において該発熱体の中心軸線が偏心していることにより、該発熱体の発熱部の表面が、該酸素検知素子の中空部内壁面に接触する構成となる。
【0009】
例えば発熱部が酸素検知素子と接触する横当て構造を採用することで、発熱体の発熱部で発生する熱がその接触に基づき、その発熱部から酸素検知素子へ直接的に熱伝導するとともに、その接触点近傍の輻射熱も酸素検知素子に効果的に作用して、その酸素検知素子を短時間で昇温させることができ、センサ活性化時間が短縮される。また発熱体の発熱部が酸素検知素子の中空部内壁面に側方から接触した構造であれば、発熱部や酸素検知素子の熱膨張が生じても、発熱部の先端を酸素検知素子の先端内面に当てる構造に比べて、その熱膨張の影響を受けにくい。言い換えれば、そのような横当て構造をとることにより、発熱体や酸素検知素子が熱履歴を受けても、両者の接触状態を良好に保ち易くなるのである。
【0010】
また、発熱部を側方から酸素検知素子の中空部内壁面に当てるようにすれば、接触による直接的な熱伝導並びに輻射熱の効果により、先端同士で当てる構造よりも全体としての熱伝達効率は高くなる。そして、上記のように、酸素センサにおける酸素検知素子と発熱体の発熱部との接触状態を安定に保証できることにより、酸素検知素子の加熱状態のばらつきが減少し、このことが酸素センサとしての特性のばらつきを減少させる効果につながる。
【0011】
また、上記構成によれば、酸素検知素子内において発熱体を、発熱部の近傍において片側に寄るように偏心させた構造が、固定部の軸線に対して傾斜した状態で発熱体把持部を結合した固定金具の構成により簡単に実現される。さらに、発熱体把持部が1カ所にのみ設けられるので、端子金具の発熱体軸線方向における長さを短くでき、ひいては酸素センサの上記軸線方向の長さを減じてこれをコンパクトに構成できるようになる。また、発熱体が1ケ所の把持部により把持される形としたから、例えば固定金具を装着した発熱体を酸素検知素子の中空部内に挿入してセンサを組み立てる際に、固定金具を介した過剰な横方向の力が発熱体に作用しにくくなり、ひいては組立時の発熱体の折損等を防止することができる。
【0012】
固定部と発熱体把持部とは、発熱体の周囲において対向する端面同士が周方向の一部区間にて上記連結部により一体化された構造とすることができる。この場合、発熱体把持部は固定部に対し、上記対向する端面の、連結部が形成されているのとは反対側の端縁同士が互いに近づく向きに傾斜して結合されていても、逆に遠ざかる向きに傾斜して結合されていてもいずれでもよい。
【0013】
固定金具は、具体的には、固定部が酸素検知素子の内側の電極層に接触する内部電極接続部とされた端子金具とすることができる。固定部が酸素検知素子からの出力取出し用の内部電極接続部を兼ねることにより、部品点数が削減されるので、センサをより安価に構成することが可能となり、組立工程も簡略化される。
【0014】
上記構成では、内部電極接続部と発熱体把持部とを、発熱体の周囲において対向する端面同士が周方向の一部区間にて連結部により一体化し、内部電極接続部の発熱体把持部が接続されているのと反対側の端部は、内部電極接続部の周方向において、該内部電極接続部と発熱体把持部とを連結する連結部に対応する位置に、発熱体の軸線方向に延びる接続線部の一端を一体化することができる。この場合、発熱体把持部は内部電極接続部に対し、対向する端面の、連結部が形成されているのとは反対側の端縁同士が互いに遠ざかる向きに傾斜して結合されていることが望ましい。このようにすれば、端子金具に対して、内部電極接続部側から発熱体把持部に発熱体を挿入してこれに組み付ける際に、接続線部と発熱体とが干渉しにくくなり、組付けをスムーズに行うことができる。
【0015】
【発明の実施の形態】
以下、図面に示すいくつかの実施例を参照しつつ、本発明の実施の形態を説明する。図1に示すヒータ付き酸素センサ(以下、単に酸素センサあるいはセンサとも称する)1は、先端が閉じた中空軸状の固体電解質部材である酸素検知素子2と、軸状のセラミックヒータである発熱体3とを備え、それらの外殻を構成する各種部材の組立体として構成される。酸素検知素子2は酸素イオン伝導性を有する固体電解質により構成されている。そのような固体電解質としては、Y2O3ないしCaOを固溶させたZrO2が代表的なものであるが、それ以外のアルカリ土類金属ないし希土類金属の酸化物とZrO2との固溶体を使用してもよい。また、ベースとなるZrO2にはHfO2が含有されていてもよい。
【0016】
この酸素検知素子2の中間部外側には、絶縁性セラミックから形成されたインシュレータ6,7、並びにタルクから形成されたセラミック粉末8を介して金属製の筒部材であるハウジング9が設けられ、酸素検知素子2はハウジング9と電気的に絶縁された状態で貫通している。また、図2に示すように、酸素検知素子2の内面及び外面には、そのほぼ全面を覆うように一対の電極層2b,2cが設けられている。これら電極層2b,2cはいずれも、酸素検知素子2を構成する固体電解質へ酸素を注入するための酸素分子の解離反応、及び該固体電解質から酸素を放出させるための酸素の再結合反応に対する可逆的な触媒機能(酸素解離触媒機能)を有する多孔質電極、例えばPt多孔質電極として構成されている。
【0017】
次に、ハウジング9の一方の開口部には、酸素検知素子2の先端側を所定の空間を隔てて覆うようにプロテクタ11が設けられ、プロテクタ11には排気ガスを透過させる複数のガス透過口12が形成され、これにより排気ガス中の酸素が酸素検知素子2の先端側表面に接触可能となっている。ハウジング9の他方の開口部には、第1のスリーブ14がインシュレータ6との間にリング15を介してかしめられ、このスリーブ14にさらに第2のスリーブ16が外側から嵌合・固定されている。このスリーブ16の図中上端側の開口は栓体17で封止され、またこれに続いてさらに内方に栓体18、及び19が設けられている。そして栓体17,18を貫通するようにリード線20,21が配置されている。
【0018】
一方のリード線20は、端子金具(固定金具)23のコネクタ部24及びこれに続く引出し線部25(絶縁管25aで覆われている)、並びに端子金具23の内部電極接続部(固定部)26を経て、前述の酸素検知素子2の図示しない内側の電極層と電気的に接続されている。他方のリード線21は、別の端子金具33のコネクタ部34及びこれに続く引出し線部35並びに外部電極接続部35bを経て、酸素検知素子2の図示しない外側の電極層と電気的に接続されている。また前述の発熱体3に通電するためのプラス側及びマイナス側の一対のヒータ端子部40が、発熱体3の基端部(図1において上端部)に固定され、これらヒータ端子部40を経て、発熱体3内に埋設された後述の発熱用抵抗回路に通電されるようになっている。なお図1で図示はしないが、一対のヒータ端子部40は、栓体17,18等を貫通して設けられたヒータ用の一対のリード線にそれぞれ接続される。
【0019】
このように構成された酸素センサ1は、酸素検知素子2の内側空間に対し、例えばリード線20,21の被覆部20a,21aと芯線20b,21bとの間に形成された空隙を介して基準ガスとしての大気が導入される一方、酸素検知素子2の外面にはプロテクタ11のガス透過口12を介して導入された排気ガスが接触し、該酸素検知素子2にはその内外面で生ずる酸素濃度差に応じて酸素濃淡電池起電力が生じる。そして、この酸素濃淡電池起電力を、排気ガス中の酸素濃度の検出信号として電極層2b,2cからリード線21,20を介して取り出す。ここで、酸素検知素子2は、排気ガス温が十分高温となっている場合には当該排気ガスで加熱されて活性化されるが、エンジン始動時など排気ガス温が低温である場合には前述の発熱体3で強制的に加熱することで活性化される。
【0020】
発熱体3は、通常はセラミックヒータであり、例えばアルミナを主とするセラミック棒45を芯材とし、図3に示すようにこのセラミック棒45の表面に例えば蛇行状に形成された抵抗線部(抵抗パターン)41からなる発熱部42を備える。これはシート状の外層セラミック部43に抵抗ペーストを所定のパターンで印刷し、これをセラミック棒45に巻き付けるように丸めて焼成したものである。セラミック棒45は外層セラミック部43の先端から若干突出しており、また抵抗パターン41にヒータ端子部40から延びる図示しない通電路を経て、発熱のための通電が行われる。このような発熱部42は発熱体3の先端側に偏って設けられ、その先端部で局部的に発熱するようになっている。
【0021】
そして、図4に示すように、発熱体3の発熱部42の近傍における中心軸線O1は、酸素検知素子2の中心軸線O2に対して片側に寄るように一定量δだけ偏心(オフセット)している。それによって、発熱体3の発熱部42の先端部表面が酸素検知素子2の中空部内壁面(以下、素子内壁面ともいう)2aに所定の面圧で押し付けられた状態で接触している。この接触位置は、図1から明らかなように酸素検知素子2の閉塞側先端からやや中間側へ寄ったところ、より好ましくは前述のプロテクタ11のガス透過口12にほぼ対応する位置にあたるとよい。
【0022】
上述のように発熱体3の中心軸線O1を酸素検知素子2の中空部の中心軸線O2から偏心させ、かつ発熱部42を素子内壁面2aに弾性的に押し付ける機能を果たしているのは端子金具23である。図5に端子金具23の単体状態を、図6に端子金具23を発熱体3に組み付けた状態を示す。これらの図から明らかなように、前述の内部電極接続部26に関して発熱体3の先端側(すなわち発熱部42に近い側)に発熱体把持部27が形成されている。発熱体把持部27は、発熱体3の周囲を包囲するC字状の横断面形状を有している。そして、発熱体3を未挿入の状態では該発熱体3の外径よりは少し小さい内径を有し、発熱体3の挿入にともない弾性的に拡径してその摩擦力により該発熱体3を把持するものである。
【0023】
内部電極接続部26は、左右両側の縁に鋸刃状の接触部26aがそれぞれ複数形成された板状部分を円筒状に曲げ加工することにより、発熱体3を包囲する形態で形成されている。そして、その外周面と酸素検知素子2の中空部内壁面2aとの間の摩擦力によって発熱体3を該中空部に対し軸線方向に位置決めする役割を果たすとともに、上記複数の接触部26aの各先端部において内側の電極層2c(図2)と接触・導通するようになっている。また、発熱体3との間には所定の隙間が形成されている。なお、これら両側の接触部26aは、鋸刃の山に相当する部分と谷に相当する部分とが、左右両側で互い違いに形成されており、例えばセンサ組立時において内部電極接続部26を酸素検知素子2の内側に挿入する際に、左右の接触部26aが同時に酸素検知素子2の開口縁に引っ掛かったりする等のトラブルが生じにくくなり、ひいては内部電極接続部26の酸素検知素子2に対する組み付けが容易となる効果を有している。また、鋸刃状の各接触部26aの高さをやや大きく設定することにより、上記板状部分を筒状に曲げて内部電極接続部26を形成する際に、その曲げ方向の幅が増大して加工が行いやすくなる効果も合わせて達成される。
【0024】
発熱体把持部27と内部電極接続部26との間には両者を接続する連結部30が形成されているが、該発熱体把持部27を内部電極接続部26に対し、該内部電極接続部26の軸線Od(内部電極接続部26の最大内接直円筒の中心軸線として定義する)に対し発熱体把持部27の軸線Ofが傾斜した状態となるように接続している。
【0025】
具体的には、内部電極接続26部の発熱体把持部27が接続されているのと反対側の端部に、内部電極接続部26の周方向において連結部30に対応する位置に、発熱体3の軸線方向に延びる接続線部25の一端が一体化されており、連結部30は、発熱体把持部27を内部電極接続部26に対し、接続線部25の側に傾くように連結している。
【0026】
また、連結部30は、発熱部42と酸素検知素子2の内壁面2aとの当接により生ずる反作用により押し戻される形で弾性変形しており、該連結部30はその弾性復帰力により発熱部42を、酸素検知素子2の内壁面2aに対して押しつける向きに付勢している。
【0027】
図5に示す端子金具23の単体状態では、内部電極接続部26の軸線Odと発熱体把持部27の軸線Ofとのなす角度θfは、図1の組付け状態よりも大きくなっている。図6に示すように、発熱体3は、内部電極接続部26の側から発熱体把持部27に挿通することで端子金具23に対し組み付けられる。ここで、発熱体把持部27は内部電極接続部26に対し接続線部25の側に傾くように連結されていることから、発熱体把持部27に発熱体3を挿入する際に、接続線部25と発熱体3との干渉が生じにくく、組付けをスムーズに行うことができる。
【0028】
酸素センサ1の製造工程では、発熱体3に端子金具23を固定した後、このアッセンブリを酸素検知素子2に挿入するのが普通である。ここで、発熱体3に対する酸素検知素子2の壁部からの拘束力が存在しないと仮定した場合に、発熱体把持部27の内部電極接続部26に対する半径方向の連結位置関係は、発熱体把持部27によって該発熱体3の中心軸線O1が酸素検知素子2の中空部の中心軸線O2に対し、発熱部42側が該中心軸線O2から遠ざかるように少し傾いた状態で保持されるように定められている。これにより、上記アッセンブリの挿入の際に、発熱体3の先端部は素子内壁面2aに弾性的に接触した状態でここを滑りつつ内部に挿入され、その中心軸線O1 が中空部の中心軸線O2に近づく向きにその傾斜状態が矯正されつつ該検知素子2に対して装着されることとなる。また、発熱体把持部27と内部電極接続部26との間の連結部30は、両側から周方向にU字状の切欠を形成することによりくびれた形態で形成されている。そして、発熱体3の検知素子2への装着時には、これが内向きに弾性変形し、その弾性復帰力によって発熱体3の発熱部42を検知素子2の中空部内壁面2aに押し付け、図1のような横当たり形態を生じさせる。
【0029】
この状態で発熱体3には、素子内壁面2aが発熱体3に及ぼす応力と発熱体把持部27において発熱体3に作用する応力とによって、これらの合成による曲げモーメントが生じるが、その曲げモーメントにより発熱体3が折れないように、言い換えれば発熱体3の許容強度範囲以上の応力が生じないようにされている。このような応力ひいては曲げモーメントの調整を図るのは、内部電極接続部26に隣接するくびれ形態の連結部30である。
【0030】
すなわち、連結部30は、上記挿入工程で発熱体把持部27を介して発熱体3に付与される曲げ力を吸収・緩和してその折損等を防止する役割も果たす。そして、その弾性力の調整は、くびれ部分の幅調整により可能となる。換言すれば、連結部30のくびれ幅を適切に設定することで、上記弾性力を適度な値に調整でき、図1の発熱体3の横当たり構造において、素子内壁面2aに対する弾性的な押付力を必要十分な値に確保できるのである。
【0031】
以下、上記酸素センサ1の作用について説明する。
上記酸素センサ1においては、発熱体3の素子内壁面2aに対する横当たり構造を採用することにより、発熱部42で生じた熱が上記接触に基づく熱伝導により速やかに酸素検知素子2に伝わってこれを加熱し、また発熱部42の上記接触部近傍の局部的に発熱した部分の熱輻射によっても酸素検知素子2が加熱される。そして、その熱伝導及び熱輻射による相乗的な熱伝達が、酸素検知素子2を急速に加熱し、活性化温度までの上昇時間を短縮する。
【0032】
ここで、図2に示すように酸素検知素子2は、その素子内壁面2aに横当て状態で配置された発熱部42により局所加熱されるのであるが、センサの立ち上がり時間は従来構成のセンサと同等レベルに維持されるか、あるいは却って短縮される。その要因としては、次のようなことが考えられる。すなわち、酸素イオン伝導性固体電解質により形成された酸素検知素子2に十分な濃淡電池起電力が生じるためには、酸素検知素子2の電気抵抗値が十分小さくなることのほかに、酸素分子の解離ないし再結合反応に対する電極層2b,2cの触媒活性が十分に高められている必要がある。そして、センサの検出出力レベルは、酸素検知素子2の電気抵抗値と上記2b,2cの触媒活性の兼ね合いで決まる。
【0033】
ここで、酸素検知素子2が発熱部42により局所加熱されると、固体電解質の活性化による酸素検知素子2の電気抵抗減少は、従来の構成ほどには進まないが、図2に示すように、その局所加熱された部分2dはより高温まで加熱されるので、当該部分で電極層2b,2cの触媒活性が高めらる。そして、電極層2bの触媒活性が向上すると被測定ガス中の酸素分子の解離が促進され、その効果により固体電解質の濃淡電池起電力ひいてはセンサの検出出力レベルが補われ、結果としてセンサの活性化時間(立ち上がり時間)が短縮されるものと推測される。
【0034】
また、図1に示すように、端子金具23において、発熱体把持部27が内部電極接続部26に対し発熱体3の発熱部42に近い側にのみ連結されているので、端子金具23の発熱体3の軸線方向における長さが短くなり、ひいては酸素センサ1は、その軸線方向の長さが減じられてコンパクトに構成されている。また、発熱体3が1ケ所の把持部27により把持される形としたから、端子金具23を装着した発熱体3を酸素検知素子2の中空部内に挿入してセンサ1を組み立てる際に、前述の通り、端子金具23を介した過剰な横方向の力が発熱体に作用しにくくなり、ひいては組立時の発熱体3の折損等を防止することができる。
【0035】
以下、上記酸素センサ1のいくつかの変形例について説明する。なお、上記酸素センサ1と共通する部分には同一の符号を付与して説明は省略し、主にその相違点について以下に説明する。図7に示す酸素センサ200は、端子金具23に代えて、内部電極接続金具120と、固定金具123とを設けた例である。内部電極接続金具120は、酸素検知素子2の中空部に対し、その開口側端部に嵌め込まれる筒状の内部電極接続部121を備え、その内部電極接続部121の後端側に、図1の酸素センサ1の端子金具23の、コネクタ部24及びこれに続く引出し線部25(絶縁管25aで覆われている)とを結合した構造を有している。
【0036】
図8に示すように、内部電極接続部121は、軸方向のスリット121bを有するC字状断面を有する略円筒状に形状を有し、自由状態において酸素検知素子2の開口側端部よりも少し大きい外径を有する。また、その後端面には、引出し線部25の一端がスリット121bと反対側の位置に一体化されている。図7に示すように、内部電極接続部121は、酸素検知素子2内に押し込まれることにより、スリット121bを縮小させつつ径方向に圧縮され、その弾性復帰力による摩擦で酸素検知素子2の内面に固定されるとともに、素子2の内面側の電極層2a(図2)と接し、引出し線部25を経て素子2からの出力電圧を取り出す役割を果たす。なお、内部電極接続部121の後端側開口縁には、外向きに突出する係止用凸部121aが周方向に沿って複数形成されている。これら係止用凸部121aは素子2の中空部の開口内縁と係合し、該素子2内において内部電極接続部121を軸線方向に位置決めする。
【0037】
一方、固定金具123は、図1の端子金具23からコネクタ部24及び引出し線部25を取り除いたものと略等価な形態を有する。発熱体把持部27は、発熱体3を把持する。他方、固定部126は、図1の端子金具23の内部電極接続部26に対応するものであり、形態もこれとほぼ同様である。そして、該固定金具123は内部電極接続部121内に押し込まれ、その外周面と内部電極接続部121の内壁面との間の摩擦力によって発熱体3を素子2の中空部に対し軸線方向に位置決めする役割を果たす。なお、固定部126は、内部電極接続部121を介して間接的に酸素検知素子2の内面に接する形となっている。
【0038】
また、図9の酸素センサ201のように、発熱体把持部27を内部電極接続部26に対し接続線部25と反対側に傾くように連結するようにしてもよい。この場合、発熱体3の傾斜方向は、図1とは逆向きとなる。また、図10は、その端子金具23の単体状態を示す。内部電極接続部26の軸線Odと発熱体把持部27の軸線Ofとのなす角度θfは、図9の組付け状態よりも大きくなっている。他方、図11は、発熱体3を組み付けた状態を示す。発熱体3は、内部電極接続部26の後端において引出し線部25側の内縁Uと、発熱体把持部27の前端において上記引出し線部25とは反対側の内縁Vとにそれぞれ当接するとともに、連結部30を、発熱体把持部27の傾斜方向と逆向きに弾性変形させる形で内部電極接続部26及び発熱体把持部27に挿通されている。
【0039】
なお、図12の酸素センサ202は、図9の酸素センサ201の端子金具23を、図7の酸素センサ200と同様に、内部電極接続金具120と固定金具123とで置き換えた例である。
【0040】
以上、図面に示す実施例を参照しながら説明したが、本発明は以上の実施例の記載により限定的に解釈されるものでは決してなく、特許請求の範囲の趣旨を逸脱しない限りにおいて、当業者の知識に基づく種々なる変更・改良が可能であることは言うまでもない。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の一実施例たるヒータ付き酸素センサの縦断面図。
【図2】図1の発熱部と酸素検知素子との接触部付近を拡大して示す断面図。
【図3】図1の発熱部の一例を示す図。
【図4】図1の発熱部近傍を概念化して示す部分断面図。
【図5】図1の端子金具を単体状態で示す図。
【図6】図5の端子金具に発熱体を組み付ける工程を説明する図。
【図7】図1の酸素センサの第一の変形例の縦断面図。
【図8】その内部電極接続金具と固定金具とを示す分解斜視図。
【図9】図1の酸素センサの第二の変形例の縦断面図。
【図10】図9の端子金具を単体状態で示す図。
【図11】図10の端子金具に発熱体を組み付けたアッセンブリを示す図。
【図12】図9の酸素センサの変形例の縦断面図。
【符号の説明】
1,200〜202 酸素センサ
2 酸素検知素子
2a 中空部内壁面(素子内壁面)
3 発熱体
23 端子金具(固定金具)
26 内部電極接続部(固定部)
27 発熱体把持部
30 連結部
42 発熱部
123 固定金具
126 固定部[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to an oxygen sensor for detecting, for example, an oxygen concentration in exhaust gas of an internal combustion engine, or an oxygen sensor for detecting oxygen in a predetermined gas, and in particular, heating the oxygen sensor to an activation temperature in a short time. The present invention relates to an oxygen sensor provided with a heater.
[0002]
[Prior art]
As one form of the oxygen sensor with a heater as described above, a hollow shaft with a closed tip is formed, an oxygen sensing element having an electrode layer on its inner wall surface, and the oxygen sensing element disposed in the hollow part of the oxygen sensing element A structure having a shaft-like heating element for heating the oxygen sensing element is known (for example, JP-A-4-157358). This type of oxygen sensor generally has a structure in which an axial (bar-shaped) heating element (heater) is inserted concentrically into the inner space of the oxygen sensing element until it reaches the inner surface of the tip. In Japanese Patent Laid-Open No. 10-54822, as a new type sensor, the central axis of the heating element is decentered so as to be closer to one side with respect to the central axis of the hollow part of the oxygen sensing element in the vicinity of the heating part at the tip. A positioned structure has been proposed.
[0003]
In the sensor described above, for example, by adopting a so-called horizontal structure in which the heat generating part comes into contact with the oxygen detecting element, the heat generated in the heat generating part is directly conducted to the oxygen detecting element and the time required for activation of the sensor is obtained. Shortened. As a result, the oxygen sensor can be effectively operated even when the exhaust gas temperature is low, such as when the vehicle is started or when the vehicle is idling. In addition, if the heat generating portion of the heating element is in contact with the inner wall surface of the hollow portion of the oxygen sensing element from the side, the tip of the heat generating portion is connected to the inner surface of the tip of the oxygen sensing element even if thermal expansion of the heat generating portion or the oxygen sensing element occurs. Compared to the structure applied to, it is less susceptible to thermal expansion. In other words, by adopting such a lateral structure, it is easy to maintain a good contact state between the heating element and the oxygen sensing element even when receiving heat history, and the variation in sensor characteristics can be suppressed to a small extent.
[0004]
[Problems to be solved by the invention]
By the way, in the sensor disclosed in Japanese Patent Laid-Open No. 10-54822, a terminal fitting is used to fix the heating element in the eccentric state in the oxygen sensing element. As an example of the terminal fitting, FIG. 1 has an internal electrode connection portion (26) that surrounds the heating element (3) in the circumferential direction and contacts the electrode layer inside the oxygen sensing element (2). A heating element gripping part (27) for gripping the heating element (3) is coupled to the proximal end side of the internal electrode connection part (26), while the heating element (3) is elastically attached to the inner wall surface of the element at the distal end side. A structure in which a biasing guide portion (28) is connected is disclosed. On the other hand, in FIG. 8 of the same publication, heating element gripping portions (27a, 27b) are coupled to both the proximal end side and the distal end side of the internal electrode connection portion (26), and these heating element gripping portions (27a, 27b). A structure in which the central axes of each other are eccentric from each other is disclosed.
[0005]
However, in these configurations, since the heating element gripping part and the guide part are coupled to both sides of the internal electrode connection part, the part of (heating element gripping part + internal electrode connection part + heating element gripping part (or guide part)) As a result, the total length of the sensor becomes longer, which is disadvantageous in meeting the demand for compactness that is increasing in recent years. In addition, since the heating element is gripped by two gripping parts (or one gripping part and a guide part) in a state where a strong bending force is applied in the lateral direction, for example, a heating element equipped with a terminal fitting. When an oxygen sensor is inserted into the hollow portion of the oxygen sensing element to assemble the sensor, excessive lateral force acts on the heating element via the terminal fitting, and there is a concern that problems such as breakage may occur.
[0006]
The object of the present invention is to heat the sensor to the sensor activation temperature effectively in a short time by fixing the heating element eccentrically inside the hollow shaft-shaped oxygen sensing element, and to shorten the overall length and achieve compactness. The object is to provide a heater-equipped oxygen sensor.
[0007]
[Means for solving the problems and actions / effects]
In order to solve the above-mentioned problems, an oxygen sensor with a heater according to the present invention (hereinafter also simply referred to as an oxygen sensor) has a hollow shaft shape with a closed tip, and has an electrode layer on the inner and outer surfaces thereof. When,
An axial heating element that is disposed in the hollow portion of the oxygen sensing element and heats the oxygen sensing element;
A fixing portion that is formed so as to surround the heating element in the circumferential direction and is in direct contact with the inner surface of the oxygen sensing element directly or indirectly through another member, and at least one side in the axial direction of the heating element with respect to the fixing portion A heating element gripping part connected to the heating element and holding the heating element, and a fixing bracket for fixing the heating element to the inside of the oxygen detection element by the fixing part,
The heating element gripping part is coupled to the fixing part in an inclined state with respect to the axis of the fixing part, and the central axis of the heating element gripped by this is relative to the central axis of the hollow part of the oxygen sensing element. By being inclined, the heating element is positioned in an eccentric state so as to be closer to one side in the vicinity of the heating part. The axis of the fixed part is defined as the central axis of the largest right cylinder that is inscribed in the fixed part.
[0008]
Here, as a result of the above-described eccentricity (offset), it is desirable that the surface of the heat generating portion of the heating element is in contact with the inner wall surface of the hollow portion of the oxygen detecting element. In this case, since the central axis of the heating element is decentered in the vicinity of the heating part of the heating element with respect to the central axis of the hollow part of the oxygen sensing element, the surface of the heating part of the heating element is It becomes a structure which contacts the hollow part inner wall face of an element.
[0009]
For example, by adopting a lateral support structure in which the heat generating part comes into contact with the oxygen detecting element, heat generated in the heat generating part of the heating element is directly conducted from the heat generating part to the oxygen detecting element based on the contact, The radiant heat in the vicinity of the contact point also effectively acts on the oxygen sensing element, so that the oxygen sensing element can be raised in a short time, and the sensor activation time is shortened. In addition, if the heat generating portion of the heating element is in contact with the inner wall surface of the hollow portion of the oxygen sensing element from the side, the tip of the heat generating portion is connected to the inner surface of the tip of the oxygen sensing element even if thermal expansion of the heat generating portion or the oxygen sensing element occurs. Compared to the structure applied to, it is less susceptible to thermal expansion. In other words, by adopting such a lateral support structure, it is easy to maintain a good contact state between the heating element and the oxygen sensing element even when the heating element or the oxygen sensing element receives a thermal history.
[0010]
Also, if the heat generating part is applied from the side to the inner wall surface of the hollow part of the oxygen sensing element, the heat transfer efficiency as a whole is higher than the structure applied by the tips due to the effect of direct heat conduction and radiant heat by contact. Become. As described above, the stable contact state between the oxygen sensing element and the heat generating portion of the heating element in the oxygen sensor reduces the variation in the heating state of the oxygen sensing element, which is a characteristic of the oxygen sensor. This leads to an effect of reducing the variation of the.
[0011]
Further, according to the above configuration, the heating element gripping part is coupled with the structure in which the heating element is decentered so as to be closer to one side in the vicinity of the heating part in the oxygen sensing element in an inclined state with respect to the axis of the fixed part. This is easily realized by the structure of the fixing bracket. Furthermore, since the heating element gripping portion is provided only at one location, the length of the terminal fitting in the axial direction of the heating element can be shortened, and by extension, the length of the oxygen sensor in the axial direction can be reduced so that it can be made compact. Become. In addition, since the heating element is gripped by a single gripping portion, for example, when the heating element with the mounting bracket is inserted into the hollow portion of the oxygen sensing element and the sensor is assembled, excess heat is passed through the mounting bracket. This makes it difficult for the lateral force to act on the heating element, and as a result, breakage of the heating element during assembly can be prevented.
[0012]
The fixing part and the heating element gripping part may have a structure in which end surfaces facing each other around the heating element are integrated by the connecting part in a partial section in the circumferential direction. In this case, the heating element gripping portion is connected to the fixed portion in such a manner that the opposite end surfaces of the opposing end surfaces are inclined in the direction in which they approach each other. It may be either inclined or coupled in a direction away from the center.
[0013]
Specifically, the fixing fitting can be a terminal fitting in which the fixing portion is an internal electrode connecting portion that contacts the electrode layer inside the oxygen sensing element. Since the fixing portion also serves as the internal electrode connection portion for taking out the output from the oxygen sensing element, the number of parts can be reduced, so that the sensor can be configured at a lower cost and the assembly process is simplified.
[0014]
In the above configuration, the internal electrode connection portion and the heating element gripping portion are integrated by a connecting portion in a circumferential section of the end surfaces facing each other around the heating element, and the heating element gripping portion of the internal electrode connection portion is The end on the opposite side of the connection is in the circumferential direction of the internal electrode connection portion at a position corresponding to the connecting portion connecting the internal electrode connection portion and the heating element gripping portion in the axial direction of the heating element. One end of the extending connection line portion can be integrated. In this case, the heating element gripping part may be coupled to the internal electrode connection part so that the opposite end faces on the opposite side of the connecting part are inclined to each other in a direction away from each other. desirable. In this way, when the heating element is inserted into the heating element gripping part from the internal electrode connecting part side and assembled to the terminal fitting, the connecting wire part and the heating element are less likely to interfere with each other. Can be done smoothly.
[0015]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to some examples shown in the drawings. An oxygen sensor with a heater (hereinafter also simply referred to as an oxygen sensor or a sensor) 1 shown in FIG. 1 includes an
[0016]
Outside the intermediate part of the
[0017]
Next, a
[0018]
One
[0019]
The
[0020]
The
[0021]
As shown in FIG. 4, the central axis O1 in the vicinity of the
[0022]
As described above, it is the terminal fitting 23 that functions to decenter the central axis O1 of the
[0023]
The internal
[0024]
A connecting
[0025]
Specifically, the heating element is located at a position corresponding to the connecting
[0026]
The connecting
[0027]
In the single state of the terminal fitting 23 shown in FIG. 5, the angle θf formed by the axis Od of the internal
[0028]
In the manufacturing process of the
[0029]
In this state, a bending moment is generated in the
[0030]
That is, the connecting
[0031]
Hereinafter, the operation of the
In the
[0032]
Here, as shown in FIG. 2, the
[0033]
Here, when the
[0034]
Further, as shown in FIG. 1, in the terminal fitting 23, the heating
[0035]
Hereinafter, some modified examples of the
[0036]
As shown in FIG. 8, the internal
[0037]
On the other hand, the fixing
[0038]
Further, like the
[0039]
Note that the
[0040]
Although the present invention has been described above with reference to the embodiments shown in the drawings, the present invention is not limited to the above description of the embodiments, and those skilled in the art will not depart from the spirit of the claims. It goes without saying that various modifications and improvements based on the knowledge of the above are possible.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a longitudinal sectional view of an oxygen sensor with a heater according to an embodiment of the present invention.
2 is an enlarged cross-sectional view showing the vicinity of a contact portion between a heat generating portion and an oxygen detection element in FIG. 1;
FIG. 3 is a diagram showing an example of a heat generating part in FIG.
4 is a partial cross-sectional view conceptually showing the vicinity of a heat generating portion in FIG.
5 is a diagram showing the terminal fitting of FIG. 1 in a single state.
6 is a diagram illustrating a process of assembling a heating element to the terminal fitting of FIG.
7 is a longitudinal sectional view of a first modification of the oxygen sensor of FIG. 1. FIG.
FIG. 8 is an exploded perspective view showing the internal electrode connecting metal fitting and the fixing metal fitting.
9 is a longitudinal sectional view of a second modification of the oxygen sensor in FIG. 1. FIG.
10 is a diagram showing the terminal fitting of FIG. 9 in a single state.
11 is a view showing an assembly in which a heating element is assembled to the terminal fitting of FIG.
12 is a longitudinal sectional view of a modification of the oxygen sensor of FIG.
[Explanation of symbols]
1,200-202
3
26 Internal electrode connection (fixed part)
27 Heating
Claims (3)
該酸素検知素子の中空部内に配置されて該酸素検知素子を加熱する軸状の発熱体と、
前記発熱体を周方向に包囲するように形成され、前記酸素検知素子の内側の電極層に接触する内部電極接続部と、その内部電極接続部に対し前記発熱体の軸方向における先端側に連結されて前記発熱体を把持する発熱体把持部とを有し、前記内部電極接続部により前記発熱体を前記酸素検知素子の内側に固定する固定金具とを備え、
前記内部電極接続部と前記発熱体把持部とは、前記発熱体の周囲において対向する端面同士が周方向の一部区間にて連結部により一体化されており、
前記内部電極接続部の前記発熱体把持部が接続されているのと反対側の端部には、前記内部電極接続部の周方向において、該内部電極接続部と前記発熱体把持部とを連結する連結部に対応する位置に、前記発熱体の軸線方向に延びる接続線部の一端が一体化されており、
かつ前記発熱体把持部は前記内部電極接続部に対し、前記対向する端面の、前記連結部が形成されているのとは反対側の端縁同士が互いに遠ざかる向きに傾斜して結合されており、
その傾斜した前記発熱体把持部に把持される前記発熱体の中心軸線が前記酸素検知素子の中空部の中心軸線に対して傾斜することにより、該発熱体はその発熱部の近傍において片側に寄るように偏心した状態で位置決めされていることを特徴とするヒータ付き酸素センサ。A hollow shaft with a closed tip, an oxygen sensing element having an electrode layer on the inner and outer surfaces thereof;
An axial heating element that is disposed in the hollow portion of the oxygen sensing element and heats the oxygen sensing element;
An internal electrode connecting portion that is formed so as to surround the heating element in the circumferential direction and is in contact with an electrode layer inside the oxygen sensing element, and is connected to the distal end side in the axial direction of the heating element with respect to the internal electrode connecting portion A heating element gripping part for gripping the heating element, and a fixing bracket for fixing the heating element inside the oxygen sensing element by the internal electrode connection part ,
The internal electrode connection part and the heating element gripping part are integrated by a connecting part in a partial section in the circumferential direction with the end faces facing each other around the heating element,
In the circumferential direction of the internal electrode connection portion, the internal electrode connection portion and the heating element gripping portion are connected to the end of the internal electrode connection portion opposite to the side where the heating element gripping portion is connected. One end of the connecting line portion extending in the axial direction of the heating element is integrated at a position corresponding to the connecting portion to be
In addition, the heating element gripping portion is coupled to the internal electrode connecting portion so that the opposite end surfaces of the opposing end faces away from the connecting portion are inclined in a direction away from each other. ,
When the central axis of the heating element gripped by the inclined heating element gripping part is inclined with respect to the central axis of the hollow part of the oxygen sensing element, the heating element approaches one side in the vicinity of the heating part. An oxygen sensor with a heater, which is positioned in an eccentric state as described above.
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