JP4198386B2

JP4198386B2 - Oxygen sensor

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Publication number: JP4198386B2
Application number: JP2002128200A
Authority: JP
Inventors: 浩松崎
Original assignee: NGK Spark Plug Co Ltd
Current assignee: NGK Spark Plug Co Ltd
Priority date: 2002-04-30
Filing date: 2002-04-30
Publication date: 2008-12-17
Anticipated expiration: 2022-04-30
Also published as: JP2003322631A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、一端が閉じた筒状の固体電解質からなり、該固体電解質の内壁及び外壁にそれぞれ、基準電極と測定電極とを形成してなる検出素子を備えた酸素センサに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、自動車などのエンジンに取り付けられ、排気ガス中の酸素濃度を検出する様々な形態の酸素センサが開発されている。そして、その中の１つとして、一端が閉じた筒状の固体電解質（ジルコニアなど）からなる検出素子を備えた酸素センサが開発されている。
【０００３】
ここで、図１４は、従来の検出素子の外観を示す平面図である。そして、図１５は、従来の検出素子の図１４における背面側の平面図である。
図１４，１５に示すように、検出素子７０には、その内壁の全面と、排気ガス中に曝される閉じた一端（以下、「底部」という。）側の外壁のほぼ全面とにそれぞれ、白金などからなり酸素解離触媒機能を有した多孔質の基準電極（図示せず）と測定電極７１とが形成されている。
【０００４】
尚、検出素子７０は、測定電極７１に比べて検出素子７０の外周方向における幅が十分に狭い長尺状のリード部７２を測定電極７１から当該検出素子７０の上端部に至る部位に１つ有しており、このリード部７２によって、当該検出素子７０の上端部に形成された端子接続部７３と測定電極７１とが電気的に接続されている。
【０００５】
そして、検出素子７０の内部には、検出素子７０を加熱するためのヒータ（図示せず）が配置され、このヒータの熱と排気ガスの熱とによって検出素子７０を加熱するようにされている。尚、このヒータは、検出素子７０を確実に加熱できるように、検出素子７０の底部の内壁や底部近傍の内周壁に接触するように配置されることが一般的となっている。
【０００６】
このように構成された酸素センサでは、加熱により検出素子７０が活性化すると、検出素子７０の内部の酸素濃度と検出素子７０の外部の酸素濃度との濃度差に応じた量の酸素イオンが検出素子７０の電極間を往来するため、濃度差に応じた大きさの起電力が生じる。
【０００７】
従って、エンジンの制御を行うエンジン制御ＥＣＵなどは、この起電力に基づいて排気ガス中の酸素濃度を検出するようにされている。
尚、上記のような酸素センサでは、検出素子７０の底部から上部へ向かうに従って、排気ガスに曝され難くなる上、検出素子７０の底部の内壁や底部近傍の内周壁に接触させたヒータの熱も伝わり難くなる。このため、検出素子７０の上部に向かう程、活性温度に達するのに時間を要したり、十分な熱量を得られないことがある。そして、電極が形成された部位における固体電解質に不活性な部分があると、その部分は電気的抵抗が大きく、酸素イオンの往来を妨げるため、酸素センサ７０の応答性能が低下することがあった。即ち、ヒータを作動させてから酸素センサ７０の出力が安定するまでに時間を要したり、排気ガス中の酸素濃度が変動しても、それを検出するのに大きな遅延を有することがあった。
【０００８】
そこで、近年、図１６，１７に示すように、ヒータが接触するヒータ接触部位、及びヒータ接触部位の近傍の外壁にのみ測定電極８１を大きく形成した検出素子８０を備えた酸素センサが開発されている。尚、図１６は、検出素子８０の外観を示す平面図である。そして、図１７は、検出素子８０の図１６における背面側の平面図である。
【０００９】
このように構成された酸素センサでは、酸素イオンが検出素子８０の固体電解質が最も活性化した部位のみを介して電極間を往来するため、活性状態が不十分な固体電解質によって酸素イオンの往来が妨げられることがなく、良好な応答性能を発揮する。尚、検出素子８０における測定電極８１が大きく形成された部位からリード部８２に至る部位では、測定電極８１がリード部８２と同じ幅を有するように長尺上に成形され、リード部８２と接続している。そして、検出素子７０と同様、リード部８２によって、当該検出素子８０の上端部に形成された端子接続部８３と測定電極８１とが電気的に接続されている。
【００１０】
ここで、上記検出素子７０，８０における軸方向の中央付近から底部に至る部位Ｌ３，Ｌ４の外壁の全面には、プラズマ溶射法によって、スピネル（ＭｇＡｌ₂Ｏ₄）の粉末が塗着されており（図示せず）、測定電極７１，８１を排気ガスの熱から防護するようにされている。
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、基準電極や測定電極は、これらを構成する白金などが排気ガスの熱やヒータの熱によって昇華するため、次第に消耗してくる。特に、測定電極は、排気ガスに直接曝されるため基準電極よりも消耗の度合が大きい。そして、測定電極８１では、幅の狭い長尺状の部位が他の部位に比べて早く消耗することが考えられる。
【００１２】
又、電極を構成する白金などは昇華する前に液化し、表面張力によって凝集する。このため、長尺状の部位にて凝集が生じると、この部位にて測定電極８１が断線する可能性がある。
即ち、検出素子８０では、検出素子７０よりも良好な応答性能が得られる一方、熱に対する耐久性能が低下する虞があった。
【００１３】
そこで、本発明は、上記問題点を解決するために、良好な応答性能と熱に対する高い耐久性能とを両立させた検出素子を具備した酸素センサを提供することを目的とする。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するための発明である請求項１記載の酸素センサは、一端が閉じた底部を有する筒状の固体電解質からなり、該固体電解質の内壁及び外壁にそれぞれ、基準電極と測定電極とを形成してなる検出素子を備え、該検出素子の一端側を被測定ガス中に曝して、該被測定ガス中の酸素濃度を検出する酸素センサであって、前記検出素子の内部には、前記検出素子を加熱するヒータが配置され、前記検出素子は、前記検出素子の底部の内壁もしくは前記検出素子の中央部から前記底部に至る内周壁に、前記ヒータが接触するヒータ接触部位を有し、前記検出素子の内周方向における前記基準電極の形成範囲、及び前記検出素子の外周方向における前記測定電極の形成範囲のうち、少なくとも該測定電極の形成範囲は、前記ヒータ接触部位にて最も大きく、該ヒータ接触部位から前記検出素子の上端部に向かって離れるに従って縮小されていることを特徴とする。
【００１５】
このように構成された酸素センサでは、検出素子において、ヒータが接触している部位であるヒータ接触部位における電極の形成範囲が大きいため、熱に対する高い耐久性能を確保することができる。しかも、ヒータ接触部位から離れる程、電極の形成範囲が小さくなるため、固体電解質が不活性な部位から受ける影響を十分に抑えることができる。
【００１６】
従って、加熱された検出素子における各部位の温度に応じて電極の形成範囲を縮小していく割合を適切に設定すれば、熱に対する耐久性能を低下させることなく、良好な応答性能を有することができる。
即ち、本発明により、良好な応答性能と熱に対する高い耐久性能とを両立させた検出素子を具備した酸素センサを得ることができる。
また、ヒータによって、検出素子をより高い温度に加熱することができる。即ち、検出素子をより活性化できるため、酸素センサの応答性能をより向上できる。
【００１７】
尚、上記「該ヒータ接触部位から前記検出素子の上端部に向かって離れるに従って縮小される」とは、検出素子の軸方向に沿った一部の区間における基準電極及び測定電極の形成範囲が一様であっても良い。
ここで、電極の形成範囲が縮小される部位における電極の外縁は、例えば、請求項２記載のように連続的な形状に成形されていても良いし、請求項３記載のように、階段状に成形されていても良い。尚、「連続的な形状」とは、直線的な形状であっても良いし、曲線的な形状であっても良い。
【００１９】
尚、ヒータは、請求項４記載のように、前記検出素子の中央部から前記底部に至る内周壁に接触していることが望ましい。
このようにヒータが配置されていれば、検出素子へのヒータの接触面積が大きくなり、高温に加熱できる面積を増大させることができる。即ち、検出素子において、固体電解質の活性状態が良好な部位の面積が増大するため、酸素センサの応答性能を更に向上させることができる。
【００２０】
【発明の実施の形態】
以下に本発明の実施形態を図面と共に説明する。
［第１実施形態］
まず、図１は、本発明を適用した酸素センサの全体構成を示す断面図である。
【００２１】
図１に示すように、酸素センサ１は、ジルコニアを主成分とする固体電解質からなり、一端が閉じた筒状の検出素子２と、この検出素子２の内部に配置された棒状のセラミックヒータ（以下、単に「ヒータ」という。）３と、これら検出素子２とヒータ３とを収納するケーシング４と、ケーシング４の下端部に装着され、ケーシング４の下端部から突出された検出素子２の底部を覆う円筒状のプロテクタ５などとから構成されている。
【００２２】
尚、ケーシング４は、酸素センサ１を内燃機関の排気管などに固定すると共に、検出素子２の底部を排気ガス中に突出させながら、検出素子２を内部に収納した環状のセラミックホルダ６，７及びセラミック粉末８などによって当該ケーシング４内に固定する主体金具４０と、主体金具４０の上部に延設され、上方から検出素子２の内部に大気を導入するための円筒状の外筒４１とから構成されている。
【００２３】
ここで、検出素子２の上端部の内壁及び外壁には、検出素子２から起電力を取り出すための端子金具２０，２１が取り付けられている。更に、これら端子金具２０，２１には、引き出し線２２，２３を介して、外筒４１の上端部から突出された接続端子２４，２５が接続されている。又、ヒータ３の上端部にも、外筒４１の上端部から突出された接続端子３１が接続されている。尚、ヒータ３は、端子金具２１によって検出素子２の内部に固定されると共に、この端子金具２１から図中における左方向の押圧力を受け、検出素子２の軸方向の中央部付近から底部に至る部位の内周壁に接触するようにされている（以下、ヒータ３が接触している部位を「ヒータ接触部位」という。）。
【００２４】
そして、外筒４１の上端部には、検出素子２が発生する起電力を取り出すための信号線４２，４３、ヒータ３へ電力を供給するための電力線（図示せず）、信号線４２，４３と接続端子２４，２５とを連結する雌型端子４４，４５、電力線と接続端子３１とを連結する雌型端子（図示せず）を備えた保護外筒４６が加締めによって連結されており、検出素子２の起電力を外部に取り出すと共に、外部からヒータ３へ電力を供給するようにされている。
【００２５】
ここで、図２，３を用いて、検出素子２について詳述する。尚、図２は、検出素子２の図１における左側面図である。そして、図３は、検出素子２の図１における右側面図である。
図２，３に示すように、検出素子２には、当該検出素子２の底部近傍から当該検出素子２の軸方向の中央付近に至る部位の外壁に測定電極２６が形成されている。尚、測定電極２６は、当該検出素子２の底部近傍では、当該検出素子２を外周方向に一周し、又、当該検出素子２の上部へ向かうに従って、当該検出素子２の外周方向における形成範囲が縮小するように成形されている。但し、検出素子２の上方では、測定電極２６は、ヒータ接触部位側の外壁にのみ形成されている。そして、測定電極２６の形成範囲が縮小される部位における測定電極２６の外縁は、両側が共に直線的な連続性を有した形状に成形されている。
【００２６】
又、検出素子２は、当該検出素子２の外周方向における幅が測定電極２６の最上端部の幅と等しい長尺状のリード部２７を測定電極２６から当該検出素子２の上端部に至る部位に有している。そして、このリード部２７によって、端子金具２０を接続するために検出素子２の上端部に形成された端子接続部２８と測定電極２６とが電気的に接続されている。
【００２７】
尚、これらリード部２７、端子接続部２８は、検出素子２の該当部分に白金ペーストを印刷により塗布したのち、焼成することで形成される。そして、測定電極２６は、該当部分以外の部分をマスキングゴムで覆ったのちに、白金の無電解メッキ法により上記の形状に形成される。又、検出素子２の内壁には、上記白金からなる基準電極（図示せず）が無電解メッキ法によって、当該検出素子２の内壁の全面に形成されている。
【００２８】
ここで、検出素子２の軸方向の中央から底部に至る部位Ｌ１の外壁の全面には、プラズマ溶射法によって、スピネルの粉末が塗着されており（図示せず）、測定電極２６を排気ガスの熱から防護するようにされている。
以上のように構成された酸素センサ１では、検出素子２における排気ガスに最も曝され、高温となる底部や底部近傍において、測定電極２６の形成範囲が大きく設定されているため、熱に対する高い耐久性を確保できる。しかも、排気ガスに曝され難く、温度が低くなる上部へ向かう程、測定電極２６の形成範囲が小さく設定されているため、固体電解質が不活性な部位から受ける影響を十分に抑えることができる。
【００２９】
そして、ヒータ３が検出素子２の内周壁に接触し、ヒータ接触部位の外壁に測定電極２６が大きく形成されているため、良好な応答性能を発揮する。
［第２実施形態］
次に第２実施形態について説明する。
【００３０】
本実施形態の酸素センサは、第１実施形態の酸素センサ１の検出素子２を図４，５に示す検出素子５０に置き換えたものである。
従って、ここでは、検出素子５０についてのみ詳述する。尚、図４は、検出素子５０の外観を示す平面図であり、図５は、検出素子５０の図４における背面側の平面図である。
【００３１】
図４，５に示すように、検出素子５０は、検出素子２と同じ形状を有した固体電解質からなり、当該検出素子５０の底部近傍から当該検出素子５０の軸方向の中央付近に至る部位の外壁には測定電極５１が形成されている。尚、測定電極５１は、当該検出素子５０の底部近傍では、当該検出素子５０を半周するように形成されており、当該検出素子５０の上部へ向かうに従って、当該検出素子５０の外周方向における形成範囲が縮小するように成形されている。但し、測定電極５１の形成範囲が縮小される部位における測定電極５１の外縁は、両側が共に階段状に成形されている。
【００３２】
又、検出素子５０は、当該検出素子５０の外周方向における幅が測定電極５１の最上端部の幅と等しいリード部５２を測定電極５１から当該検出素子５０の上端部に至る部位に有している。そして、このリード部５２によって、端子金具２０を接続するために検出素子５０の上端部に形成された端子接続部５３と測定電極５１とが電気的に接続されている。
【００３３】
更に、検出素子５０は、当該検出素子５０の内壁の全面に基準電極（図示せず）が形成されている。又、上記検出素子２と同様、検出素子５０の軸方向の中央から底部に至る部位Ｌ２の外壁の全面には、プラズマ溶射法によって、スピネルの粉末が塗着されている。
【００３４】
そして、検出素子５０は、測定電極５１が形成された側の内周壁にヒータ３を接触させるようにして酸素センサに取り付けられる。
以上のように構成された本実施形態の酸素センサでは、検出素子５０において、最も高温となる底部や底部近傍において、測定電極５１の形成範囲が大きく設定され、又、温度が低くなる上部へ向かう程、測定電極５１の形成範囲が小さく設定されているため、第１実施形態の酸素センサ１と同様の効果を得ることができる。
【００３５】
ここで、上記効果を実証するために発明者が実証実験を行った。
この実証実験は、第１実施形態の酸素センサ１を実施例１、第２実施形態の酸素センサを実施例２、従来の検出素子（検出素子７０，８０）を備えた従来の酸素センサをそれぞれ比較例１，２として、応答性能と熱に対する耐久性能との比較を行ったものである。
【００３６】
尚、この実証実験において、検出素子２，５０，７０，８０の軸方向の中央から底部に至る部位Ｌ１〜Ｌ４の長さはいずれも２３．０ｍｍに設定されている。そして、Ｌ１〜Ｌ４の下部の径φ１〜φ４及びＬ１〜Ｌ４の上部の径φ５〜φ８は、それぞれ６．０ｍｍ及び５．０ｍｍに設定されている。
【００３７】
ここで、検出素子２，５０，８０の底部から測定電極２６，５１，８１までの距離Ｌ５〜Ｌ７は、いずれも３．０ｍｍに設定されている。又、測定電極２６，５１，８１における形成範囲が最も大きい部分の検出素子２，５０，８０の軸方向の長さＬ８〜Ｌ１０は、いずれも８．０ｍｍに設定されている。そして、検出素子２，５０，７０，８０の測定電極２６，５１，７１，８１の厚みはいずれも１．２μｍに設定されている。
【００３８】
又、検出素子２，５０，７０，８０のリード部２７，５２，７２，８２の幅Ｗ１〜Ｗ４はいずれも１．５ｍｍに設定され、その厚みは１０μｍに設定されている。尚、検出素子５０において、測定電極５１における形成範囲が最も大きな部分とリード部５２と同じ幅となる部分との間に位置する部分の幅Ｗ５は４．０ｍｍに設定されている。
【００３９】
そして、上記Ｌ１〜Ｌ４の部位には、２００μｍの厚さでスピネルが塗布されている。
以下、発明者が行った実証実験の結果を図６〜図１３に示す。
まず、図６〜図９は、上記４つの酸素センサを同一の内燃機関に順に取り付けて行うと共に、内燃機関の空燃比を０．５Ｈｚの周期でリーンからリッチ、リッチからリーンへと交互に切り替え、その際に記録した各酸素センサの出力波形図である。尚、図６は、実施例１の酸素センサの出力波形図、図７は、実施例２の酸素センサの出力波形図、図８は、比較例１の酸素センサの出力波形図、図９は、比較例２の酸素センサの出力波形図である。
【００４０】
ここで、図６〜図９では、酸素センサのヒータに電力を供給した直後から記録した酸素センサの出力がリッチとリーンとの境界となる閾値（４５０ｍＶ）を越える振幅を得られるまでの時間をＴ１とする。そして、酸素センサのヒータに電力を供給した直後から酸素センサの出力が最初に閾値を越え、内燃機関の空燃比の変化に追従して、再度、閾値に達し、更に閾値よりも大きく設定された規定値（５５０ｍＶ）に達するまでの時間をＴ２としている。ここでは、Ｔ１は、酸素センサの検出素子が活性化するまでの時間を示し、又、Ｔ２は、検出素子から安定した出力が得られるまでの時間を示している。
【００４１】
図６〜図９に示すように、本発明に係る実施例１，２の酸素センサでは、Ｔ１がそれぞれ、７．６秒、７．５秒、Ｔ２がそれぞれ、８．４秒、８．３秒であった。これに対し、比較例１，２の酸素センサでは、Ｔ１がそれぞれ８．９秒、７．７秒、Ｔ２がそれぞれ９．７秒、８．７秒であった。
【００４２】
この結果により、実施例１，２の酸素センサは、外壁の全面に測定電極が形成された検出素子７０を備えた比較例１の酸素センサよりも短時間で活性化すると共に、速やかに安定した出力が得られることが確認できる。更に、良好な応答性能を発揮する検出素子８０を備えた比較例２の酸素センサに対しても、活性化するまでの時間や安定した出力が得られるまでの時間に遜色がないことが確認できる。
【００４３】
次に、図１０〜図１３は、内燃機関の空燃比を制御する空燃比制御信号の変化に対する上記各酸素センサの出力の変化を記録した波形図である。尚、図１０は、実施例１の酸素センサ１の出力波形図、図１１は、実施例２の酸素センサの出力波形図、図１２は、比較例１の酸素センサの出力波形図、図１３は、比較例２の酸素センサの出力波形図である。
【００４４】
ここで、図１０〜図１３では、空燃比制御信号をリーンからリッチに切り替えてから、各酸素センサの出力が閾値を越えるまでの時間をＴＬＳ、空燃比制御信号をリッチからリーンに切り替えてから、各酸素センサの出力が閾値を下回るまでの時間をＴＲＳとしている。
【００４５】
図１０〜図１３に示すように、実施例１，２の酸素センサでは、ＴＬＳがそれぞれ０．３６秒、０．３３秒、ＴＲＳがそれぞれ０．３９秒、０．３８秒であった。これに対し、比較例１，２の酸素センサでは、ＴＬＳがそれぞれ０．３８秒、０．３４秒、ＴＲＳがそれぞれ０．４１秒、０．３７秒であった。
【００４６】
この結果により、実施例１，２の酸素センサは、比較例１の酸素センサよりも排気ガス中の酸素濃度の変動に対する反応が早いことが確認できる。更に、比較例２の酸素センサに対しても、反応速度に遜色がないことが確認できる。
以上の結果から、実施例１，２の酸素センサは、良好な応答性能を発揮することが証明された。
【００４７】
ここで、上記各酸素センサを８５０℃の排気ガス中に２０００時間曝したのち、再度、内燃機関の空燃比を制御する空燃比制御信号の変化に対する上記各酸素センサの出力の変化を確認した。
その結果、比較例１の酸素センサの応答時間（ＴＲＳ＋ＴＬＳ）は０．８１秒となったのに対し、実施例１の酸素センサの応答時間は０．７６秒、実施例２の酸素センサは０．７２秒であった。そして、比較例２の酸素センサにおいては、１２００時間経過時点で測定電極８１の長尺状に成形された部位に断線を生じた。
【００４８】
この結果から、実施例１，２の酸素センサはいずれも、高温の雰囲気に長時間曝されても測定電極に断線を生じたり、応答性能に大きな変化が生じることがなく、熱に対する高い耐久性能を有していることが証明された。
以上、本発明の実施の形態について説明したが、本発明は、上記実施形態に何ら限定されることはなく、本発明の技術的範囲に属する限り種々の形態をとり得ることはいうまでもない。
【００４９】
例えば、上記実施形態では、測定電極２６，５１を検出素子２，５０の底部の近傍から形成していたが、底部の先端から形成しても良い。又、検出素子２では、底部近傍において、測定電極２６が当該検出素子２を外周方向に一周するように形成されていたが、ヒータ接触部位の外壁にのみ形成されていても良い。又、検出素子５０においては、測定電極５１が、当該検出素子５０の底部近傍において当該測定電極５０を外周方向に一周するように形成されていても良い。
【００５０】
又、上記実施形態では、検出素子２において、測定電極２６の形成範囲が縮小される部位の測定電極２６の外縁が、直線的に成形されていたが、曲線的に成形されていても良い。
又、上記実施形態では、検出素子２，５０において、測定電極２６，５１の形成範囲が縮小される部位の測定電極２６，５１の外縁は、両側が連続的に成形されていたり、階段状に成形されていたが、片側だけが連続的もしくは階段状に成形されていても良いし、一方が連続的に成形され、他方が階段状に成形されていても良い。
【００５１】
又、上記実施形態では、基準電極を検出素子２，５０の内壁の全面に形成したが、ヒータ接触部位にのみ形成しても良い。この場合、基準電極の形状を象った孔を有するマスキングゴムを検出素子２，５０の内部に挿入し、孔内部にのみ白金を塗布すれば、所定の部位にのみ基準電極を形成できる。このように基準電極を形成すれば、酸素センサの応答速度をより高めることができる上、基準電極を形成するための白金の量を削減できるため、安価な酸素センサを実現できる。尚、この場合、検出素子２，５０の内周方向における基準電極の形成範囲が縮小される形状に基準電極を成形すれば、熱に対する耐久性能を損なうことなく、酸素センサの応答性能を高めることができる。
【００５２】
又、上記実施形態では、ヒータ３が検出素子２，５０の内周壁に接触するように配置されていたが、検出素子２，５０の内部の空間に浮かせて（検出素子２，５０の内壁に非接触な状態で）配置したり、又、検出素子２，５０の底部の内壁に接触するように配置しても良い。
【００５３】
又、上記実施形態では、本発明をヒータを備えた酸素センサに適用したが、ヒータを具備せず、排気ガスの熱だけで検出素子を活性化する酸素センサに本発明を適用しても良い。
【図面の簡単な説明】
【図１】第１実施形態の酸素センサ１の全体構成を示す断面図である。
【図２】検出素子２の図１における左側面図である。
【図３】検出素子２の図１における右側面図である。
【図４】第２実施形態の酸素センサに用いる検出素子５０の外観を示す平面図である。
【図５】検出素子５０の図４における背面側の平面図である。
【図６】実施例１の酸素センサのヒータに電力を供給した直後から記録した酸素センサ１の出力の波形図である。
【図７】実施例２の酸素センサのヒータに電力を供給した直後から記録した酸素センサの出力の波形図である。
【図８】比較例１の酸素センサのヒータに電力を供給した直後から記録した酸素センサの出力の波形図である。
【図９】比較例２の酸素センサのヒータに電力を供給した直後から記録した酸素センサの出力の波形図である。
【図１０】空燃比制御信号の変化に対する実施例１の酸素センサの出力の変化を示す波形図である。
【図１１】空燃比制御信号の変化に対する実施例２の酸素センサの出力の変化を示す波形図である。
【図１２】空燃比制御信号の変化に対する比較例１の酸素センサの出力の変化を示す波形図である。
【図１３】空燃比制御信号の変化に対する比較例２の酸素センサの出力の変化を示す波形図である。
【図１４】従来の検出素子７０の外観を示す平面図である。
【図１５】従来の検出素子７０の図１４における背面側の平面図である。
【図１６】従来の検出素子８０の外観を示す平面図である。
【図１７】従来の検出素子８０の図１６における背面側の平面図である。
【符号の説明】
１…酸素センサ、２，５０，７０，８０…検出素子、３…ヒータ、４…ケーシング、５…プロテクタ、６，７…セラミックホルダ、８…セラミック粉末、２０，２１…端子金具、２２，２３…引き出し線、２４，２５…接続端子、２６，５１，７１，８１…測定電極、２７，５２，７２，８２…リード部、２８，５３，７３，８３…端子接続部、３１…接続端子、４０…主体金具、４１…外筒、４２，４３…信号線、４４，４５…雌型端子、４６…保護外筒。[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to an oxygen sensor comprising a cylindrical solid electrolyte with one end closed, and a detection element formed by forming a reference electrode and a measurement electrode on the inner wall and outer wall of the solid electrolyte, respectively.
[0002]
[Prior art]
2. Description of the Related Art Various types of oxygen sensors that have been conventionally attached to engines such as automobiles and that detect oxygen concentration in exhaust gas have been developed. As one of them, an oxygen sensor having a detection element made of a cylindrical solid electrolyte (zirconia or the like) whose one end is closed has been developed.
[0003]
Here, FIG. 14 is a plan view showing an appearance of a conventional detection element. FIG. 15 is a plan view of the conventional detection element on the back side in FIG.
As shown in FIGS. 14 and 15, the detection element 70 has an entire inner wall surface and an almost entire outer wall on the closed end (hereinafter referred to as “bottom portion”) exposed to the exhaust gas, respectively. A porous reference electrode (not shown) made of platinum or the like and having an oxygen dissociation catalytic function and a measurement electrode 71 are formed.
[0004]
The detection element 70 has one long lead portion 72 having a sufficiently narrow width in the outer circumferential direction of the detection element 70 as compared with the measurement electrode 71 at a portion extending from the measurement electrode 71 to the upper end portion of the detection element 70. The terminal connection portion 73 formed on the upper end portion of the detection element 70 and the measurement electrode 71 are electrically connected by the lead portion 72.
[0005]
A heater (not shown) for heating the detection element 70 is disposed inside the detection element 70, and the detection element 70 is heated by the heat of the heater and the heat of the exhaust gas. . In general, the heater is disposed so as to be in contact with the inner wall at the bottom of the detection element 70 or the inner peripheral wall near the bottom so that the detection element 70 can be reliably heated.
[0006]
In the oxygen sensor configured as described above, when the detection element 70 is activated by heating, an amount of oxygen ions corresponding to the concentration difference between the oxygen concentration inside the detection element 70 and the oxygen concentration outside the detection element 70 is detected. Since it moves between the electrodes of the element 70, an electromotive force having a magnitude corresponding to the concentration difference is generated.
[0007]
Therefore, an engine control ECU or the like that controls the engine detects the oxygen concentration in the exhaust gas based on the electromotive force.
In the oxygen sensor as described above, as it goes from the bottom to the top of the detection element 70, it becomes difficult to be exposed to the exhaust gas, and the heat of the heater in contact with the inner wall of the bottom of the detection element 70 and the inner peripheral wall near the bottom. It becomes difficult to convey. For this reason, as it goes to the upper part of the detection element 70, it may take time to reach the activation temperature, or a sufficient amount of heat may not be obtained. If there is an inactive part of the solid electrolyte in the part where the electrode is formed, the part has a large electric resistance and prevents oxygen ions from coming and going, so that the response performance of the oxygen sensor 70 may deteriorate. . That is, it takes time until the output of the oxygen sensor 70 is stabilized after the heater is operated, and even if the oxygen concentration in the exhaust gas fluctuates, it may have a large delay in detecting it. .
[0008]
Therefore, in recent years, as shown in FIGS. 16 and 17, an oxygen sensor having a detection element 80 in which a measurement electrode 81 is formed large only on a heater contact portion with which a heater contacts and an outer wall in the vicinity of the heater contact portion has been developed. Yes. FIG. 16 is a plan view showing the appearance of the detection element 80. 17 is a plan view of the detection element 80 on the back side in FIG.
[0009]
In the oxygen sensor configured as described above, oxygen ions travel between the electrodes only through the site where the solid electrolyte of the detection element 80 is most activated. Therefore, oxygen ions are transported by the solid electrolyte having an insufficient active state. It is unhindered and exhibits good response performance. It should be noted that in the region from the portion where the measurement electrode 81 is largely formed in the detection element 80 to the lead portion 82, the measurement electrode 81 is formed in a long shape so as to have the same width as the lead portion 82 and is connected to the lead portion 82. is doing. Then, like the detection element 70, the terminal connection portion 83 formed on the upper end portion of the detection element 80 and the measurement electrode 81 are electrically connected by the lead portion 82.
[0010]
Here, spinel (MgAl) is formed on the entire outer wall of the portions L3 and L4 from the vicinity of the center in the axial direction to the bottom of the detection elements 70 and 80 by plasma spraying.₂O_Four) Is applied (not shown), and the measurement electrodes 71 and 81 are protected from the heat of the exhaust gas.
[0011]
[Problems to be solved by the invention]
By the way, the reference electrode and the measurement electrode are gradually consumed because platinum and the like constituting them are sublimated by the heat of the exhaust gas and the heat of the heater. In particular, since the measurement electrode is directly exposed to the exhaust gas, the degree of wear is greater than that of the reference electrode. In the measurement electrode 81, it is conceivable that the narrow elongated portion is consumed earlier than the other portions.
[0012]
Further, platinum constituting the electrode is liquefied before sublimation and aggregates due to surface tension. For this reason, if agglomeration occurs at a long part, the measurement electrode 81 may be disconnected at this part.
That is, in the detection element 80, better response performance than the detection element 70 can be obtained, but the durability performance against heat may be deteriorated.
[0013]
Accordingly, an object of the present invention is to provide an oxygen sensor including a detection element that achieves both good response performance and high durability against heat in order to solve the above problems.
[0014]
[Means for Solving the Problems]
  The oxygen sensor according to claim 1, which is an invention for achieving the above object, has one end closed.With bottomA detection element comprising a cylindrical solid electrolyte and having a reference electrode and a measurement electrode formed on the inner wall and the outer wall of the solid electrolyte, respectively,OneAn oxygen sensor that exposes an end side to a measurement gas and detects an oxygen concentration in the measurement gas,A heater for heating the detection element is disposed inside the detection element, and the detection element is disposed on an inner wall of a bottom portion of the detection element or an inner peripheral wall extending from a center portion of the detection element to the bottom portion. Having a heater contact area to contact,Of the formation range of the reference electrode in the inner circumferential direction of the detection element and the formation range of the measurement electrode in the outer circumferential direction of the detection element, at least the formation range of the measurement electrode is theHeater contact areaThe largest in theHeater contact areaFromTo the upper end of the detection elementIt is characterized by being reduced as it moves away.
[0015]
  In the oxygen sensor thus configured, the detection elementIn the heater contact part, which is the part in contact with the heaterSince the formation range of the electrode is large, high durability against heat can be ensured. Moreover,Heater contact areaSince the electrode formation range decreases as the distance from the surface increases, the influence of the solid electrolyte from the inactive portion can be sufficiently suppressed.
[0016]
  Therefore, if the ratio of reducing the electrode formation range according to the temperature of each part in the heated detection element is appropriately set, it has a good response performance without degrading the durability against heat. it can.
  That is, according to the present invention, it is possible to obtain an oxygen sensor including a detection element that achieves both good response performance and high durability against heat.
  Further, the detection element can be heated to a higher temperature by the heater. That is, since the detection element can be more activated, the response performance of the oxygen sensor can be further improved.
[0017]
  In addition, said "the saidFrom the heater contact area toward the upper end of the detection element“Reduced as the distance increases” means that the formation range of the reference electrode and the measurement electrode in a part of the section along the axial direction of the detection element may be uniform.
  Here, the outer edge of the electrode in the region where the formation range of the electrode is reduced may be formed into a continuous shape as described in claim 2, for example, or as stepped as described in claim 3. It may be molded. The “continuous shape” may be a linear shape or a curved shape.
[0019]
  The heater is, ContractClaim4As described, the detection elementFrom the center to the bottomIt is desirable to be in contact with the inner peripheral wall.
  If the heater is arranged in this way, the contact area of the heater with the detection element increases, and the area that can be heated to a high temperature can be increased. That is, in the detection element, since the area of the portion where the active state of the solid electrolyte is good increases, the response performance of the oxygen sensor can be further improved.
[0020]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings.
[First Embodiment]
First, FIG. 1 is a cross-sectional view showing the overall configuration of an oxygen sensor to which the present invention is applied.
[0021]
As shown in FIG. 1, the oxygen sensor 1 is made of a solid electrolyte mainly composed of zirconia, and has a cylindrical detection element 2 with one end closed, and a rod-shaped ceramic heater (inside this detection element 2). Hereinafter, simply referred to as a “heater”) 3, a casing 4 that houses the detection element 2 and the heater 3, and a bottom portion of the detection element 2 that is attached to the lower end portion of the casing 4 and protrudes from the lower end portion of the casing 4. And a cylindrical protector 5 and the like.
[0022]
The casing 4 fixes the oxygen sensor 1 to an exhaust pipe of an internal combustion engine or the like, and annular ceramic holders 6 and 7 that house the detection element 2 therein while projecting the bottom of the detection element 2 into the exhaust gas. And a metal shell 40 fixed in the casing 4 by the ceramic powder 8 and the like, and a cylindrical outer tube 41 extending from above the metal shell 40 and for introducing the atmosphere into the detection element 2 from above. It is configured.
[0023]
Here, terminal fittings 20 and 21 for taking out an electromotive force from the detection element 2 are attached to the inner wall and the outer wall of the upper end portion of the detection element 2. Further, connection terminals 24 and 25 protruding from the upper end portion of the outer cylinder 41 are connected to the terminal fittings 20 and 21 via lead wires 22 and 23. The connection terminal 31 protruding from the upper end portion of the outer cylinder 41 is also connected to the upper end portion of the heater 3. The heater 3 is fixed to the inside of the detection element 2 by the terminal fitting 21 and receives a pressing force in the left direction in the figure from the terminal fitting 21 to move from the vicinity of the central portion in the axial direction of the detection element 2 to the bottom. It is made to contact the inner peripheral wall of the part to reach (hereinafter, the part in contact with the heater 3 is referred to as “heater contact part”).
[0024]
At the upper end of the outer cylinder 41, signal lines 42 and 43 for taking out electromotive force generated by the detection element 2, power lines (not shown) for supplying power to the heater 3, and signal lines 42 and 43 A protective outer tube 46 having female terminals 44 and 45 for connecting the connection terminals 24 and 25, and a female terminal (not shown) for connecting the power line and the connection terminal 31 by caulking. The electromotive force of the detection element 2 is taken out and power is supplied to the heater 3 from the outside.
[0025]
Here, the detection element 2 will be described in detail with reference to FIGS. 2 is a left side view of the detection element 2 in FIG. FIG. 3 is a right side view of the detection element 2 in FIG.
As shown in FIGS. 2 and 3, in the detection element 2, a measurement electrode 26 is formed on the outer wall of a portion from the vicinity of the bottom of the detection element 2 to the vicinity of the center in the axial direction of the detection element 2. The measurement electrode 26 makes a round in the outer peripheral direction around the detection element 2 in the vicinity of the bottom of the detection element 2, and the formation range in the outer peripheral direction of the detection element 2 increases toward the upper part of the detection element 2. Shaped to shrink. However, above the detection element 2, the measurement electrode 26 is formed only on the outer wall on the heater contact portion side. And the outer edge of the measurement electrode 26 in the site | part in which the formation range of the measurement electrode 26 is reduced is shape | molded in the shape where both sides had linear continuity.
[0026]
Further, the detection element 2 has a long lead portion 27 in which the width in the outer circumferential direction of the detection element 2 is equal to the width of the uppermost end portion of the measurement electrode 26, and a portion from the measurement electrode 26 to the upper end portion of the detection element 2. Have. The lead connection portion 27 electrically connects the terminal connection portion 28 formed at the upper end portion of the detection element 2 and the measurement electrode 26 in order to connect the terminal fitting 20.
[0027]
The lead part 27 and the terminal connection part 28 are formed by applying a platinum paste to the corresponding part of the detection element 2 by printing and then baking it. The measurement electrode 26 is formed in the above-described shape by an electroless plating method of platinum after covering portions other than the corresponding portion with masking rubber. A reference electrode (not shown) made of platinum is formed on the entire inner wall of the detection element 2 by electroless plating on the inner wall of the detection element 2.
[0028]
Here, the entire outer wall of the portion L1 extending from the center in the axial direction to the bottom of the detection element 2 is coated with spinel powder (not shown) by plasma spraying, and the measurement electrode 26 is exhausted. Protects against the heat of heat.
In the oxygen sensor 1 configured as described above, since the formation range of the measurement electrode 26 is set to be large at the bottom portion or the vicinity of the bottom portion that is most exposed to the exhaust gas in the detection element 2 and becomes high temperature, the heat sensor has high durability against heat. Can be secured. In addition, since the formation range of the measurement electrode 26 is set smaller toward the upper part where the temperature is lower, the influence of the solid electrolyte can be sufficiently suppressed from being exposed to the exhaust gas.
[0029]
Since the heater 3 is in contact with the inner peripheral wall of the detection element 2 and the measurement electrode 26 is formed large on the outer wall of the heater contact portion, good response performance is exhibited.
[Second Embodiment]
Next, a second embodiment will be described.
[0030]
The oxygen sensor of this embodiment is obtained by replacing the detection element 2 of the oxygen sensor 1 of the first embodiment with a detection element 50 shown in FIGS.
Accordingly, only the detection element 50 will be described in detail here. 4 is a plan view showing the appearance of the detection element 50, and FIG. 5 is a plan view of the back side of the detection element 50 in FIG.
[0031]
As shown in FIGS. 4 and 5, the detection element 50 is made of a solid electrolyte having the same shape as that of the detection element 2, and is a part of the region from the vicinity of the bottom of the detection element 50 to the vicinity of the center in the axial direction of the detection element 50. A measurement electrode 51 is formed on the outer wall. The measurement electrode 51 is formed so as to make a half turn around the detection element 50 in the vicinity of the bottom of the detection element 50, and the formation range in the outer peripheral direction of the detection element 50 toward the upper part of the detection element 50. Is shaped to shrink. However, both sides of the outer edge of the measurement electrode 51 in a region where the formation range of the measurement electrode 51 is reduced are formed in a step shape.
[0032]
Further, the detection element 50 has a lead portion 52 in the outer peripheral direction of the detection element 50 that is equal to the width of the uppermost end portion of the measurement electrode 51 at a portion extending from the measurement electrode 51 to the upper end portion of the detection element 50. Yes. The lead connection part 52 electrically connects the terminal connection part 53 formed at the upper end part of the detection element 50 and the measurement electrode 51 in order to connect the terminal fitting 20.
[0033]
Further, the detection element 50 has a reference electrode (not shown) formed on the entire inner wall of the detection element 50. Similarly to the detection element 2, spinel powder is applied to the entire outer wall of the portion L2 from the center in the axial direction to the bottom of the detection element 50 by plasma spraying.
[0034]
The detection element 50 is attached to the oxygen sensor so that the heater 3 is in contact with the inner peripheral wall on the side where the measurement electrode 51 is formed.
In the oxygen sensor of the present embodiment configured as described above, in the detection element 50, the formation range of the measurement electrode 51 is set large in the bottom portion where the temperature is highest or in the vicinity of the bottom portion, and further toward the top where the temperature is lowered. As the formation range of the measurement electrode 51 is set to be smaller, the same effect as the oxygen sensor 1 of the first embodiment can be obtained.
[0035]
Here, the inventor conducted a verification experiment in order to verify the above effect.
In this demonstration experiment, the oxygen sensor 1 of the first embodiment is the example 1, the oxygen sensor of the second embodiment is the example 2, and the conventional oxygen sensor including the conventional detection elements (detection elements 70 and 80) is respectively used. As Comparative Examples 1 and 2, the response performance was compared with the durability performance against heat.
[0036]
In this demonstration experiment, the lengths of the portions L1 to L4 from the center in the axial direction to the bottom of the detection elements 2, 50, 70, and 80 are all set to 23.0 mm. The lower diameters φ1 to φ4 of L1 to L4 and the upper diameters φ5 to φ8 of L1 to L4 are set to 6.0 mm and 5.0 mm, respectively.
[0037]
Here, the distances L5 to L7 from the bottom of the detection elements 2, 50, 80 to the measurement electrodes 26, 51, 81 are all set to 3.0 mm. In addition, the lengths L8 to L10 in the axial direction of the detection elements 2, 50, 80 in the portion where the formation range of the measurement electrodes 26, 51, 81 is the largest are all set to 8.0 mm. The thicknesses of the measurement electrodes 26, 51, 71, 81 of the detection elements 2, 50, 70, 80 are all set to 1.2 μm.
[0038]
The widths W1 to W4 of the lead portions 27, 52, 72, and 82 of the detection elements 2, 50, 70, and 80 are all set to 1.5 mm, and the thickness is set to 10 μm. In the detection element 50, the width W5 of the portion located between the portion having the largest formation range in the measurement electrode 51 and the portion having the same width as the lead portion 52 is set to 4.0 mm.
[0039]
And the spinel is apply | coated to the site | part of said L1-L4 with the thickness of 200 micrometers.
Hereinafter, the results of the demonstration experiment conducted by the inventors are shown in FIGS.
First, in FIGS. 6 to 9, the above four oxygen sensors are attached to the same internal combustion engine in order, and the air-fuel ratio of the internal combustion engine is alternately switched from lean to rich and from rich to lean at a cycle of 0.5 Hz. It is an output waveform diagram of each oxygen sensor recorded at that time. 6 is an output waveform diagram of the oxygen sensor of Example 1, FIG. 7 is an output waveform diagram of the oxygen sensor of Example 2, FIG. 8 is an output waveform diagram of the oxygen sensor of Comparative Example 1, and FIG. FIG. 10 is an output waveform diagram of the oxygen sensor of Comparative Example 2.
[0040]
Here, in FIGS. 6 to 9, the time until the amplitude of the recorded oxygen sensor output exceeding the threshold (450 mV) that is the boundary between rich and lean immediately after supplying power to the heater of the oxygen sensor is obtained. Let T1. Immediately after supplying electric power to the heater of the oxygen sensor, the output of the oxygen sensor first exceeded the threshold, followed the change in the air-fuel ratio of the internal combustion engine, reached the threshold again, and was set larger than the threshold. The time to reach the specified value (550 mV) is T2. Here, T1 indicates the time until the detection element of the oxygen sensor is activated, and T2 indicates the time until a stable output is obtained from the detection element.
[0041]
As shown in FIGS. 6 to 9, in the oxygen sensors of Examples 1 and 2 according to the present invention, T1 is 7.6 seconds, 7.5 seconds, and T2 is 8.4 seconds, 8.3, respectively. Second. On the other hand, in the oxygen sensors of Comparative Examples 1 and 2, T1 was 8.9 seconds and 7.7 seconds, and T2 was 9.7 seconds and 8.7 seconds, respectively.
[0042]
As a result, the oxygen sensors of Examples 1 and 2 were activated in a shorter time than the oxygen sensor of Comparative Example 1 having the detection element 70 having the measurement electrode formed on the entire outer wall, and stabilized quickly. It can be confirmed that an output is obtained. Furthermore, it can be confirmed that there is no inferiority in the time until activation or the time until stable output is obtained even for the oxygen sensor of Comparative Example 2 including the detection element 80 that exhibits good response performance. .
[0043]
Next, FIGS. 10 to 13 are waveform diagrams that record changes in the outputs of the oxygen sensors with respect to changes in the air-fuel ratio control signal for controlling the air-fuel ratio of the internal combustion engine. 10 is an output waveform diagram of the oxygen sensor 1 of Example 1, FIG. 11 is an output waveform diagram of the oxygen sensor of Example 2, FIG. 12 is an output waveform diagram of the oxygen sensor of Comparative Example 1, and FIG. These are the output waveform diagrams of the oxygen sensor of Comparative Example 2. FIG.
[0044]
In FIGS. 10 to 13, the time from when the air-fuel ratio control signal is switched from lean to rich until the output of each oxygen sensor exceeds the threshold is TLS, and after the air-fuel ratio control signal is switched from rich to lean. The time until the output of each oxygen sensor falls below the threshold is TRS.
[0045]
As shown in FIGS. 10 to 13, in the oxygen sensors of Examples 1 and 2, TLS was 0.36 seconds and 0.33 seconds, and TRS was 0.39 seconds and 0.38 seconds, respectively. On the other hand, in the oxygen sensors of Comparative Examples 1 and 2, TLS was 0.38 seconds and 0.34 seconds, and TRS was 0.41 seconds and 0.37 seconds, respectively.
[0046]
From this result, it can be confirmed that the oxygen sensors of Examples 1 and 2 are more responsive to fluctuations in oxygen concentration in the exhaust gas than the oxygen sensor of Comparative Example 1. Furthermore, it can be confirmed that the reaction rate is comparable to the oxygen sensor of Comparative Example 2.
From the above results, it was proved that the oxygen sensors of Examples 1 and 2 exhibited good response performance.
[0047]
Here, after each oxygen sensor was exposed to exhaust gas at 850 ° C. for 2000 hours, the change in the output of each oxygen sensor with respect to the change in the air-fuel ratio control signal for controlling the air-fuel ratio of the internal combustion engine was confirmed again.
As a result, the response time (TRS + TLS) of the oxygen sensor of Comparative Example 1 was 0.81 seconds, whereas the response time of the oxygen sensor of Example 1 was 0.76 seconds, and the oxygen sensor of Example 2 was 0. 72 seconds. And in the oxygen sensor of the comparative example 2, the disconnection occurred in the site | part shape | molded by the elongate shape of the measurement electrode 81 at the time of 1200 hours progress.
[0048]
From these results, the oxygen sensors of Examples 1 and 2 both have high durability against heat without causing disconnection in the measurement electrode or large change in response performance even when exposed to a high temperature atmosphere for a long time. Proved to have
Although the embodiments of the present invention have been described above, the present invention is not limited to the above-described embodiments, and it goes without saying that various forms can be taken as long as they belong to the technical scope of the present invention. .
[0049]
For example, in the above embodiment, the measurement electrodes 26 and 51 are formed from the vicinity of the bottom of the detection elements 2 and 50, but may be formed from the tip of the bottom. Further, in the detection element 2, the measurement electrode 26 is formed so as to go around the detection element 2 in the outer peripheral direction in the vicinity of the bottom portion, but may be formed only on the outer wall of the heater contact portion. In the detection element 50, the measurement electrode 51 may be formed so as to go around the measurement electrode 50 in the outer peripheral direction in the vicinity of the bottom of the detection element 50.
[0050]
Further, in the above embodiment, the outer edge of the measurement electrode 26 at the part where the formation range of the measurement electrode 26 is reduced in the detection element 2 is linearly formed, but may be formed in a curved line.
In the above-described embodiment, the outer edges of the measurement electrodes 26 and 51 at the part where the formation range of the measurement electrodes 26 and 51 is reduced in the detection elements 2 and 50 are both continuously formed or stepped. Although formed, only one side may be formed continuously or stepwise, or one may be formed continuously and the other may be formed stepwise.
[0051]
In the above embodiment, the reference electrode is formed on the entire inner wall of the detection elements 2 and 50, but it may be formed only on the heater contact portion. In this case, if a masking rubber having a hole that represents the shape of the reference electrode is inserted into the detection elements 2 and 50 and platinum is applied only inside the hole, the reference electrode can be formed only at a predetermined portion. If the reference electrode is formed in this manner, the response speed of the oxygen sensor can be further increased, and the amount of platinum for forming the reference electrode can be reduced, so that an inexpensive oxygen sensor can be realized. In this case, if the reference electrode is formed in a shape that reduces the formation range of the reference electrode in the inner circumferential direction of the detection elements 2 and 50, the response performance of the oxygen sensor is improved without impairing heat durability. Can do.
[0052]
Further, in the above embodiment, the heater 3 is disposed so as to contact the inner peripheral wall of the detection elements 2 and 50, but is floated in the space inside the detection elements 2 and 50 (on the inner wall of the detection elements 2 and 50). (In a non-contact state), or in contact with the inner wall of the bottom of the detection elements 2 and 50.
[0053]
In the above embodiment, the present invention is applied to an oxygen sensor provided with a heater. However, the present invention may be applied to an oxygen sensor that does not include a heater and activates a detection element only by the heat of exhaust gas. .
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a cross-sectional view showing an overall configuration of an oxygen sensor 1 according to a first embodiment.
FIG. 2 is a left side view of the detection element 2 in FIG.
3 is a right side view of the detection element 2 in FIG.
FIG. 4 is a plan view showing an appearance of a detection element 50 used in the oxygen sensor of the second embodiment.
5 is a plan view of the back surface side of the detection element 50 in FIG. 4. FIG.
6 is a waveform diagram of the output of the oxygen sensor 1 recorded immediately after supplying power to the heater of the oxygen sensor of Example 1. FIG.
7 is a waveform diagram of the output of the oxygen sensor recorded immediately after supplying power to the heater of the oxygen sensor of Example 2. FIG.
8 is a waveform diagram of the output of the oxygen sensor recorded immediately after supplying power to the heater of the oxygen sensor of Comparative Example 1. FIG.
9 is a waveform diagram of the output of the oxygen sensor recorded immediately after supplying power to the heater of the oxygen sensor of Comparative Example 2. FIG.
FIG. 10 is a waveform diagram showing changes in the output of the oxygen sensor of the first embodiment with respect to changes in the air-fuel ratio control signal.
FIG. 11 is a waveform diagram showing changes in the output of the oxygen sensor of Example 2 with respect to changes in the air-fuel ratio control signal.
FIG. 12 is a waveform diagram showing changes in the output of the oxygen sensor of Comparative Example 1 with respect to changes in the air-fuel ratio control signal.
FIG. 13 is a waveform diagram showing changes in the output of the oxygen sensor of Comparative Example 2 with respect to changes in the air-fuel ratio control signal.
14 is a plan view showing the appearance of a conventional detection element 70. FIG.
15 is a plan view of the back side in FIG. 14 of a conventional detection element 70. FIG.
16 is a plan view showing the appearance of a conventional detection element 80. FIG.
17 is a plan view of the back side in FIG. 16 of a conventional detection element 80. FIG.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Oxygen sensor, 2,50,70,80 ... Detection element, 3 ... Heater, 4 ... Casing, 5 ... Protector, 6,7 ... Ceramic holder, 8 ... Ceramic powder, 20, 21 ... Terminal metal fitting, 22, 23 ... Lead wire, 24, 25 ... Connection terminal, 26, 51, 71, 81 ... Measurement electrode, 27, 52, 72, 82 ... Lead part, 28, 53, 73, 83 ... Terminal connection part, 31 ... Connection terminal, 40 ... metal shell, 41 ... outer cylinder, 42, 43 ... signal line, 44, 45 ... female terminal, 46 ... protective outer cylinder.

Claims

Consists tubular solid electrolyte having a bottom closed at one end, respectively on the inner wall and the outer wall of the solid electrolyte, comprising a detection element obtained by forming the reference electrode and the measuring electrode, an end side of the detection element to be An oxygen sensor that is exposed to a measurement gas and detects an oxygen concentration in the measurement gas,
A heater for heating the detection element is disposed inside the detection element,
The detection element has a heater contact portion with which the heater contacts the inner wall of the bottom of the detection element or the inner peripheral wall from the center of the detection element to the bottom,
Of the formation range of the reference electrode in the inner circumferential direction of the detection element and the formation range of the measurement electrode in the outer circumferential direction of the detection element, at least the formation range of the measurement electrode is the largest at the heater contact site , The oxygen sensor is reduced as it moves away from the heater contact portion toward the upper end of the detection element .

The oxygen sensor according to claim 1, wherein an outer edge of the electrode at a portion where a formation range of the electrode is reduced is formed in a continuous shape.

The oxygen sensor according to claim 1, wherein an outer edge of the electrode at a portion where a formation range of the electrode is reduced is formed in a step shape.

The oxygen sensor according to any one of claims 1 to 3, wherein the heater is in contact with an inner peripheral wall extending from a center portion of the detection element to the bottom portion.