JP4433429B2 - Oxygen sensor - Google Patents
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Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は排気ガス中の酸素濃度を検出する酸素センサに関する。
【0002】
【従来の技術】
酸素センサの多くは工業炉・ボイラや内燃機関の空燃比制御に用いられる。
酸素センサの原理は、電池の原理を応用したものであり、発生する起電力を測定するもの、また別に、固体電解質に電圧を印加し、コンダクタンス変化を測定するものも知られている。前者の酸素センサには、例えば、〔1〕実開平3−2256号公報「内燃機関用酸素センサ」に示されたものがある。この酸素センサは、同公報の第1図によれば、センサ素子部5(符号は同公報記載のものを引用する。以下同様。)を保護するためのプロテクタが外筒21と、内筒22とで二重筒構造を成し、外筒21及び内筒22の周壁に各々排気取入孔21a及び排気導入孔22a(第2図参照)を形成し、さらに内筒22の先端面に排気排出孔22bを形成したものである。
排気は排気取入孔21aから外筒21内に流入し、内筒22との間隙を旋回しながら混合され、排気導入孔22aから電極面5aに向って流入し、排気排出孔22bから排出される。排気は電極面5aの向きに関係なく、一定の方向から電極面5aに当るので、酸素センサはバラツキのない一定した酸素濃度検出性能を発揮できる。
【0003】
また、酸素センサとして、例えば、〔2〕特公平6−17885号公報「酸素センサ中間組立体」に示されたものがある。この酸素センサ中間組立体(ガス検出器1)は、同公報の第1図によれば、第1の絶縁性セラミック層1a上にガス検出素子2、サーミスタ素子3を設け、第1の絶縁性セラミック層1a上に第2の絶縁性セラミック層1b,1c,1dを重ねたものである。酸素センサは、ガス検出器1をスペーサ7、充填粉末8及びガラスシール9を介して主体金具4及び内筒6に把持し、主体金具4にガス検出器1を保護するためのプロテクタ5を取り付けたものである。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】
上記〔1〕の構造では、外筒21の排気取入孔21aは、一方の側縁を内側に折り曲げているため、形状が複雑で、加工費が嵩む。
また、外筒21と内筒22との間に排気を旋回させる間隙を設けなければならないため、外筒21の外径が大きくなり、プロテクタ21が大型になる。
【0005】
さらに、内筒22の内側空間は、電極面5a側に比べ反対面側が広い。そのため、第3図の様に両側方から流入する場合では、背面側は排気の流動性がよく、逆に、電極面5a側は悪くなる傾向があるから、応答性の点で改善の余地がある。例えば、応答が2/100秒遅れると、機関の回転数で数回転の応答遅れとなり、空燃比制御が遅れ傾向になる。酸素センサの応答性は、排気ガス浄化システムの性能に影響するため以前にも増して性能のよい酸素センサが求められている。
【0006】
上記〔2〕は、その第1図(ロ)によれば、ガス検出器1の長手方向でガス検出素子2が位置する部分を除く大部分に渡り、第2の絶縁性セラミック層1c,1dを重ね、階段状に成形しているので、主体金具4の中心軸線とガス検出器1の中心軸線とを一致させてもガス検出素子2及び第1の絶縁性セラミック層1a(厚さ1mm)がプロテクタ5の中心軸線近傍に位置するようになっている。
このため、ガス検出器1の形状が複雑化・大型化してしまい、質量増加やそれに伴う耐振性・耐衝撃性の低下が懸念される。
【0007】
そこで、本発明の目的は、応答性に優れるとともに、形状がシンプルで質量増加や耐震性・耐衝撃性の低下が少ない酸素センサを提供することにある。
【0008】
【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は、一対の電極が形成された固体電解質層と、固体電解質層の他方側に積層された板ヒータと、を有する板状センサ素子であり、固体電解質層の一方側におけるセンサ素子の表面を検出面とし、このセンサ素子を筒状プロテクタで囲い、このプロテクタとともにセンサ素子を機関の排気通路内に臨ませ、排気ガスの酸素成分を検出する酸素センサにおいて、プロテクタは、センサ素子を囲う内筒と、この内筒の外方を囲った外筒とからなり、板状センサ素子の検出面からプロテクタの内筒の内周面までを第1の距離、板状センサ素子の他方側の背面からプロテクタの内筒の内周面までを第2の距離としたときに、第1の距離を第2の距離より大きくし、内筒は、周壁に形成した通気孔有し、外筒は、内筒の通気孔に対向しない距離だけ離して外筒の周壁に形成した通気孔を有していることを特徴とする。
【0009】
第1の距離を第2の距離より大きくしたので、検出面側の空間は他方の面側より広くなり、検出面側に排気ガスを早く導くことができる。
【0010】
請求項2は、プロテクタ又はプロテクタを取り付ける本体の中心軸線と板状センサ素子の中心軸線とを互いにずらした位置に配置したことを特徴とする。
プロテクタの中心軸線と板状センサ素子の中心軸線とを互いにずらす。プロテクタに対し板状センサ素子を偏心させることにより、第1の距離を第2の距離より大きくする。
また、プロテクタを取り付ける本体の中心軸線と板状センサ素子の中心軸線とを互いにずらす。本体に対し板状センサ素子を偏心させることにより、第1の距離を第2の距離より大きくする。
【0011】
請求項3は、板状センサ素子が、略正方形断面の角柱状センサ素子であることを特徴とする。
板状センサ素子を略正方形断面に形成する。略正方形断面であるから、第2の距離はより小さく(狭く)なり、排気ガスは他方の面側へ流れ難くなる。その結果、排気ガスはプロテクタに流入すると、短時間で検出面側へ達し、酸素センサの応答性が向上する。
【0012】
請求項4は、プロテクタを取り付ける本体の中心軸線、前記プロテクタの中心軸線及び前記角柱状センサ素子の中心軸線を一致させ、角柱状センサ素子の検出面と反対の面に、検出面の位置に対応させてダミー層を形成したことを特徴とする。
【0013】
本体の中心軸線、プロテクタの中心軸線及び角柱状センサ素子の中心軸線を一致させる。本体の形状は全て対称であり、本体の切削が容易であり、且つ、組立が容易である。
また、角柱状センサ素子の検出面と反対の面に、検出面の位置に対応させてダミー層を形成する。三つの中心軸線を一致させても、ダミー層の厚さにより、第2の距離をより小さく(狭く)することができる。その結果、排気ガスは検出面側に流れやすくなり、酸素センサの応答時間をより早くできる。
さらに、検出面の位置に対応させてダミー層を形成するので、センサ長手方向の大半に形成する必要がなく、小型化・軽量化を図ることができるとともに、製造が容易である。
請求項5では、内筒の通気孔は、複数明けられた円形孔であって、センサ素子の検出面に少なくとも1個対向させた孔であることを特徴とする。
請求項6は、内筒の通気孔は、複数明けられた円形孔であって、検出面の延長線上に明けられていることを特徴とする。
請求項7は、内筒の通気孔と外筒の通気孔とは、センサ素子の中心軸線の方向に離して配置されていることを特徴とする。
請求項8では、内筒は、周壁に形成した通気孔と、先端面に形成した通気孔と、を有し、外筒は、周壁に形成した通気孔と、先端面に形成した通気孔と、を有し、外筒の通気孔は、内筒の通気孔から所定の角度だけ回して配置されていることを特徴とする。
【0014】
【発明の実施の形態】
本発明の実施の形態を添付図に基づいて以下に説明する。なお、図面は符号の向きに見るものとする。
図1は本発明に係る酸素センサの側面図であり、酸素センサ1は、本体部10と、この本体部10に取り付けたセンサ素子部20とからなる。Gはガスケット、Pは排気通路である。
【0015】
図2は本発明に係る酸素センサ(第1実施例)の断面図であり、本体部10は、本体11と、この本体11の端部に明けた孔12と、本体11に形成したおねじ13及びナット部14と、本体11の端部に溶接したパイプ15と、このパイプ15の開口部を封じるゴム栓16とからなる。C1は本体11の中心軸線である。
センサ素子部20は、本体11に溶接したプロテクタ21と、本体11の孔12に嵌め込んだセンサ素子30とからなる。22は端子圧着部、23はリード線である。
【0016】
プロテクタ21は、内筒24と、この内筒24の外方を囲った外筒25とからなる。C2はプロテクタ21の中心軸線であり、本体11の中心軸線C1と同心である。
内筒24は、周壁に形成した通気孔24a…(…は複数を示す。以下同様。)と、先端面に形成した通気孔24bとからなる。外筒25は、周壁に形成した通気孔25a…と、先端面に形成した通気孔25bとからなる。
センサ素子30の詳細については、後で述べるが、31は一方の面に形成した検出面であり、検出面31は排気ガス中の酸素が吸着する面である。32は他方の面に形成した背面である。C3はセンサ素子30の中心軸線である。なお、検出面31の向きは、酸素センサ1を取り付けるときのおねじ13の締付け力で決まる。
【0017】
図3(a),(b)は本発明に係るプロテクタとセンサ素子の位置関係を説明する図であり、(a)は通気孔の関係を示す図であり、(b)は(a)のb矢視図である。
(a)において、検出面31は、本体11に形成した基準面Kから軸方向に距離X1離した位置にある。
通気孔24a…の軸方向の位置は、内筒24の端面24cから距離X2の位置であり、検出面31から所定距離X3だけ離して形成したことを特徴とする。所定距離X3は、通気孔24aの径をdとすると、0.5d〜2dである。
通気孔25a…は2列に形成した孔であり、1列目は外筒25の端面25cから距離X4離れた位置にあり、2列目は1列目から距離X5離れた位置にある。これら1・2列目の通気孔25a…は、それぞれ通気孔24a…から距離X6だけ左右に離して形成する。
【0018】
(b)において、本体11の孔12は、本体11の中心軸線C1及びプロテクタ21の中心軸線C2から距離Y1だけセンサ素子30の中心軸線C3をオフセットした位置に明けた角孔であり、センサ素子30を配置するためのものである。
【0019】
図4は図2の4−4線断面図である。距離Y1だけオフセットし、検出面31をプロテクタ21の中心軸線C2上に配置するとともに、内筒24に対し、第1の距離H1を第2の距離H2より大きく保つ。
第1の距離H1はセンサ素子30の一方の面に形成した検出面31からプロテクタ21の内筒24の内周面までの距離である。
第2の距離H2はセンサ素子30の他方の面に形成した背面32からプロテクタ21の内筒24の内周面までの距離である。
【0020】
内筒24の通気孔24a…は、周壁に8等配に明けた円形孔であって、センサ素子30の検出面31と背面に各々1個づつ対向させた孔である。
外筒25の通気孔25a…は、円形で、通気孔24a…からずらすために角度θだけ回して配置した孔である。
【0021】
図5は図2の5−5線断面図であり、センサ素子30の拡大断面を示す。
センサ素子30は、中央の第1固体電解質層33と、この第1固体電解質層33の一方の面に接続した第1電極34と、他方の面に接続した第2電極35と、この第2電極35に形成した保護層36と、第1電極34に接続した第2固体電解質層37と、この第2固体電解質層37に接続した板ヒータ40と、この板ヒータ40に形成した保護層38とからなる。
【0022】
第1固体電解質層33は、母材がジルコニア(ZrO2−酸化ジルコニウム)で、母材にイットリア(Y2O3−酸化イットリウム)を所定量添加して安定化させた安定化ジルコニア(Y2O3−ZrO2系)の層である。
第2固体電解質層37は、母材がジルコニア(ZrO2−酸化ジルコニウム)で、母材にイットリア(Y2O3−酸化イットリウム)を所定量添加して安定化させた安定化ジルコニア(Y2O3−ZrO2系)の層である。
【0023】
第1電極34は、ガス透過性のある多孔質の白金(Pt)で形成したもので、第1固体電解質層33に接続して第1固体電解質層33の中に酸素イオンを流すための電極である。
第2電極35は、ガス透過性のある多孔質の白金(Pt)で形成したもので、第1固体電解質層33に接続して第1固体電解質層33の中に酸素イオンを流すための電極である。
【0024】
保護層36は、排気ガスを通す通気性のあるセラミック皮膜で、排気ガスの化合物による白金の劣化防止、排気ガスの粒子による白金の浸食防止、及び機械的、熱的衝撃による白金の剥離防止を目的とする層である。この層の表面が検出面31である。
保護層38は、セラミック皮膜で、板ヒータ40の保護を目的とする層である。この層の表面が背面32である。
【0025】
板ヒータ40は、ヒータ本体41と、このヒータ本体41に被せた絶縁層42とからなり、安定化ジルコニア(ZrO2)を所定温度(例えば、300℃)以上に昇温するためのヒータである。昇温することで、第1・第2固体電解質層33,37の抵抗値を小さくする。安定化ジルコニア(ZrO2)は、抵抗値が温度により変化する。始動時など常温の場合は、抵抗値が大きいため、検出が難かしく、板ヒータ40で検出の開始を早くする。
【0026】
なお、センサ素子30は、第1電極34と第2電極35に電圧を印加して酸素濃度を検出する酸素センサであり、濃度基準となる大気の酸素を必要としないものである。
【0027】
以上に述べた酸素センサの作用を次に説明する。
図6は本発明に係る酸素センサの作用図である。
酸素センサ1を排気通路Pにおねじ13(図1参照)で取り付け、検出面31が排気ガスの流れに対して平行になった状態を示す。排気ガスが白抜き矢印(1)の如く上流(機関側)から流れ、外筒25の通気孔25aから白抜き矢印(2)の如く外筒25内に流入する。一旦、内筒24に当って、広がりつつ内筒24の通気孔24a…から白抜き矢印(3)の如く内筒24内に流入する。内筒24内は、第1の距離H1を第2の距離H2より大きく配置したので、検出面31側の空間が広く、逆に背面側32の空間が狭い。検出面31側を広くすると、排気ガスは白抜き矢印(4)の如く検出面31側を流れやすくなるので、検出面31は排気ガス中の酸素との接触が早くなる。その結果、検出信号の出力開始が早くなり、酸素センサ1の応答時間が早くなる。
【0028】
プロテクタ21では、通気孔24a,25aを単純な円形にしたので、プロテクタ21の小型化を図ることができるとともに、加工費の低減を図ることができる。
【0029】
次に、本発明に係る酸素センサの別実施例を示す。
図7は本発明に係る酸素センサ(第2実施例)の断面図であり、上記図1〜図6に示す実施の形態と同様の構成については、同一符号を付し説明を省略する。
酸素センサ1Bは、本体部10Bと、この本体部10Bに取り付けたセンサ素子部20とからなる。
【0030】
本体部10Bは、本体11Bと、この本体11Bの端部に明けた孔12と、本体11Bに形成したおねじ13及びナット部14と、本体11Bの端部に溶接したパイプ15と、このパイプ15の開口部を封じるゴム栓16と、本体11Bの端部に形成した空間部17とからなる。C1は本体11Bの中心軸線、C4は本体11Bの中心軸線C1から距離Y1だけオフセットした孔12の中心軸線である。
【0031】
図8は図7の8−8線断面図であり、空間部17は、中心軸線C1を中心(本体11Bと同心)に形成した内面部51と、中心軸線C4を中心(孔12と同心)に形成した外面部52とからなり、外面部52が距離Y1だけ偏心した空間である。
【0032】
図9は図7の9−9線断面図であり、検出面31をプロテクタ21の中心軸線C2上に配置し、内筒24に対し、第1の距離H1を第2の距離H2より大きくしたことを示す。
【0033】
次に、酸素センサ1Bの作用を説明する。
図1及び図7に示すように、自動二輪車の排気通路Pに酸素センサ1Bを取り付け、センサ素子部20側を排気通路P内に臨ませる。
まず、排気通路Pから突出した本体11B及びパイプ15に路上の石などが当った場合、空間部17が衝撃を吸収する。従って、センサ素子30が受ける衝撃を小さくすることができ、センサ素子30の破壊を防止することができる。
また、排気通路Pから突出した本体11B及びパイプ15に雨や跳ね上げた水がかかった場合、空間部17内の空気が熱の伝達を低下させるので、センサ素子30の急冷を防止することができる。その結果、センサ素子30の割れを防止することがきる。
【0034】
さらに、図9に示すように、第1の距離H1を第2の距離H2より大きく検出面31を配置したので、検出面31側の空間が背面側32の空間より広くなり、検出面31は排気ガス中の酸素との接触が早くなる。その結果、検出信号の出力開始が迅速に行われ、酸素センサ1Bの応答性が向上する。
【0035】
図10は本発明に係る酸素センサ(第3実施例)の断面図であり、上記図1〜図9に示す実施の形態と同様の構成については、同一符号を付し説明を省略する。
酸素センサ1Cは、本体部10Cと、この本体部10Cに取り付けたセンサ素子部20とからなる。
本体部10Cは、本体11Cと、この本体11Cの端部に明けた孔12と、本体11Cに形成したおねじ13及びナット部14と、本体11Cの端部に溶接したパイプ15と、このパイプ15の開口部を封じるゴム栓16と、本体11Cの一方の端部に形成した空間部17Cと、他方の端部に形成したプロテクタ嵌合部18からなる。C5は、プロテクタ嵌合部18の中心軸線である。
【0036】
プロテクタ嵌合部18は、プロテクタ嵌合部18の中心軸線C5を本体11Cの中心軸線C1から距離Y2だけオフセットしたものである。従って、プロテクタ嵌合部18にプロテクタ21を取り付けることで、プロテクタ21の中心軸線C2を本体11の中心軸線C1から距離Y2だけ偏心させることができる。
【0037】
図11は図10の11−11線断面図であり、空間部17Cは、本体11Cと同心(中心軸線C1を中心)に形成した内面部51と、中心軸線C4を中心(孔12と同心)に形成した外面部52とからなり、対称である。
【0038】
図12は図10の12−12線断面図であり、本体11Cと同心(中心軸線C1を中心)にセンサ素子30の中心軸線C3を配置し、プロテクタ21の中心軸線C2を距離Y2だけ偏心(オフセット)させ、内筒24に対し、第1の距離H3を第2の距離H4より大きくしたことを示す。
ここで、第1の距離H3はセンサ素子30の一方の面に形成した検出面31からプロテクタ21の内筒24の内周面までの距離であり、第2の距離H4はセンサ素子30の他方の面に形成した背面32からプロテクタ21の内筒24の内周面までの距離である。
【0039】
次に、酸素センサ1Cの作用を説明する。
図1及び図10に示すように、自動二輪車の排気通路Pに酸素センサ1Cを取り付け、センサ素子部20側を排気通路P内に臨ませる。
空間部17Cを対称に形成したので、どの方向から小石のようなものが本体11Cに当っても、衝撃を吸収することができる。
また、雨などの水が本体11Bにかかった場合、空間部17内の空気が熱の伝達を低下させるので、センサ素子30の急冷を防止することができる。その結果、センサ素子30の割れを防止することがきる。
【0040】
また、図11に示すように、空間部17Cを対称に形成したので、内面部51及び外面部52の切削が容易である。
さらに、図12に示すように、プロテクタ21の中心軸線C2を本体11Cの中心軸線C1から距離Y2だけオフセットしたので、第1の距離H3を第2の距離H4より大きくすることができる。その結果、排気ガスは検出面31側へ先に流れ、酸素センサ1Cの応答時間が早くなる。
【0041】
図13は本発明に係る酸素センサ(第4実施例)の断面図であり、上記図1〜図12に示す実施の形態と同様の構成については、同一符号を付し説明を省略する。
酸素センサ1Dは、本体部10Dと、この本体部10Dに取り付けたセンサ素子部20Dとからなる。
本体部10Dは、本体11Dと、この本体11Dの端部に明けた孔12と、本体11Dに形成したおねじ13及びナット部14と、本体11Dの端部に溶接したパイプ15と、このパイプ15の開口部を封じるゴム栓16と、本体11Dの一方の端部に形成した空間部17Cとからなり、全て対称である。
【0042】
センサ素子部20Dは、本体11Dに溶接したプロテクタ21と、本体11Dの孔12に嵌め込んだセンサ素子30Dとからなる。C6はセンサ素子30Dの中心軸線である。
【0043】
図14は図13の14−14線断面図であり、センサ素子30Dの拡大断面を示す。
センサ素子30Dは、中央の第1固体電解質層33と、この第1固体電解質層33の一方の面に接続した第1電極34と、他方の面に接続した第2電極35と、この第2電極35に形成した保護層36と、第1電極34に接続した第2固体電解質層37と、この第2固体電解質層37に接続した板ヒータ40と、この板ヒータ40に形成した保護層54と、この保護層54に形成したダミー層55とからなり、略正方形断面の角柱状センサ素子である。
【0044】
保護層54は、セラミック皮膜で、板ヒータ40を保護する層である。
ダミー層55は、セラミック皮膜であり、ダミー層55の厚さは任意である。図では、略正方形断面を示したが、厚さをより厚くして縦長断面も形成可能である。56は他方の面に形成した背面である。
【0045】
図15は図13の15−15線断面図であり、本体11Dと同心(中心軸線C1を中心)にセンサ素子30Dの中心軸線C6を配置し、ダミー層55を形成し、内筒24に対し、第1の距離H5を第2の距離H6より大きくしたことを示す。
第1の距離H5はセンサ素子30Dの一方の面に形成した検出面31からプロテクタ21の内筒24の内周面までの距離である。
第2の距離H6はセンサ素子30Dの他方の面に形成した背面56からプロテクタ21の内筒24の内周面までの距離である。
【0046】
次に、酸素センサ1Dの作用を説明する。
図13に示すように、本体11Dの形状は全て対称なので、本体11Dの加工は極めて容易であり、生産コストを低減することができる。
また、本体11Cの中心軸線C1、プロテクタ21の中心軸線C2及びセンサ素子30Dの中心軸線C6を一致させたので、自動組立や自動溶接が容易であり、生産コストを低減することができる。
【0047】
さらに、ダミー層55は酸素センサ1Dの長手方向の大半に形成する必要がなく、小型化及び軽量化を図ることができるとともに、製造が容易である。
その上、センサ素子30Dは、ダミー層55を形成したものであり、穴や形状の変化がなく、シンプルである。その結果、振動や衝撃による応力集中が起き難く、耐振性・耐衝撃性の低下が少ない。
【0048】
図15に示すように、ダミー層55を形成することで、センサ素子30Dは、略正方形断面になり、本体11Cと同心(中心軸線C1を中心)にセンサ素子30Dの中心軸線C6を配置しても第1の距離H5を第2の距離H6より大きくできる。その結果、プロテクタ21内に流入した排気ガスは短時間で検出面31に達し、酸素センサ1Dの応答時間がより早くなる。
【0049】
また、ダミー層55をより厚くすることで、第1の距離H5を確保しながら、第2の距離H6をより小さく(狭く)することができる。その結果、排気ガスは検出面31側により流れやすくなり、酸素センサ1Dの応答時間がより早くなる。
【0050】
なお、センサ素子30に電圧を印加すると、排気ガス中の酸素は第2電極35により電子を受取り、酸素イオン(O2-)となって矢印(5)の如く第1固体電解質層33内を透過する。その結果、第1電極34に達すると同時に、第1電極34側で電子を放出し、酸素となって第2固体電解質層37に滞留する。酸素の酸化還元反応の発生具合により電極間に電流が生じるので、排気ガス中の酸素濃度の変動を電流値として検出する。酸素発生のための電圧の印加及び検出は、制御装置で行う。
【0051】
【発明の効果】
本発明は上記構成により次の効果を発揮する。
請求項1では、第1の距離を第2の距離より大きくしたので、検出面側の空間は他方の面側より広くなり、検出面側に排気ガスを早く導くことができる。その結果、検出面の向きによって起きる応答性のばらつきを小さくでき、酸素センサの応答性の向上を図ることができる。
【0052】
請求項2では、プロテクタの中心軸線と板状センサ素子の中心軸線とを互いにずらしたので、プロテクタに対し板状センサ素子が偏心し、第1の距離を第2の距離より大きくすることができる。また、本体の中心軸線と板状センサ素子の中心軸線とを互いにずらしたので、本体に対し板状センサ素子が偏心し、第1の距離を第2の距離より大きくすることができる。
従って、検出信号の出力開始が早くなり、酸素センサの応答性が向上する。
【0053】
また、検出面側の空間を広くして、応答性を向上させたので、従来のような通気孔に内側に折り曲げが必要なく、小型化を図ることができ、さらに、通気孔を単純な円形にしたので、加工費の低減を図ることができる。
【0054】
請求項3では、センサ素子の断面形状を略正方形に形成したので、板状と同様に配置しても第1の距離を第2の距離よりより大きくすることができ、排気ガスを積極的に検出面側に導くことができる。その結果、酸素センサの応答性をより向上させることができる。
【0055】
請求項4では、本体の中心軸線、プロテクタの中心軸線及び角柱状センサ素子の中心軸線の三つの中心軸線を一致させたので、本体の形状は全て対称になり、本体の切削が容易である。従って、生産コストを低減することができる。
また、三つの中心軸線が一致しているので、自動組立や自動溶接が容易である。従って、生産コストを低減することができる。
さらに、角柱状センサ素子の検出面と反対の面に、検出面の位置に対応させてダミー層を形成したので、三つの中心軸線を一致させても、ダミー層の厚さにより、第2の距離をより小さく(狭く)することができる。その結果、排気ガスは検出面側により流れやすくなり、酸素センサの応答時間がより早くなる。
【0056】
その上、検出面の位置に対応させてダミー層を形成したので、従来のように酸素センサの長手方向の大半に渡って階段状に形成する必要がなく、小型化及び軽量化を図ることができるとともに、製造が容易である。
加えて、角柱状センサ素子の検出面と反対の面に、検出面の位置に対応させてダミー層を形成したので、従来のような階段状の形状の変化がなく、且つ、シンプルである。その結果、振動や衝撃による応力集中が発生し難くく、耐振性及び耐衝撃性の低下を少なくすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明に係る酸素センサの側面図
【図2】本発明に係る酸素センサ(第1実施例)の断面図
【図3】本発明に係るプロテクタとセンサ素子の関係を説明する図
【図4】図2の4−4線断面図
【図5】図2の5−5線断面図
【図6】本発明に係る酸素センサの作用図
【図7】本発明に係る酸素センサ(第2実施例)の断面図
【図8】図7の8−8線断面図
【図9】図7の9−9線断面図
【図10】本発明に係る酸素センサ(第3実施例)の断面図
【図11】図10の11−11線断面図
【図12】図10の12−12線断面図
【図13】本発明に係る酸素センサ(第4実施例)の断面図
【図14】図13の14−14線断面図
【図15】図13の15−15線断面図
【符号の説明】
1,1B,1C,1D…酸素センサ、21…プロテクタ、24…内筒、24a,24b,25a,25b…通気孔、25…外筒、30,30D…センサ素子、31…検出面、32,56…他方の面(背面)、55…ダミー層、C2…プロテクタの軸(プロテクタの中心軸線)、H1,H3,H5…第1の距離、H2,H4,H6…第2の距離、P…排気通路、X3…所定距離。[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to an oxygen sensor that detects an oxygen concentration in exhaust gas.
[0002]
[Prior art]
Most oxygen sensors are used for air-fuel ratio control of industrial furnaces, boilers, and internal combustion engines.
The principle of the oxygen sensor is an application of the principle of a battery, and one that measures the electromotive force generated, and another one that measures a change in conductance by applying a voltage to a solid electrolyte is also known. Examples of the former oxygen sensor include those described in [1] Japanese Utility Model Publication No. 3-2256 “Oxygen sensor for internal combustion engine”. According to FIG. 1 of this publication, this oxygen sensor has a protector for protecting the sensor element portion 5 (the reference is cited in the publication, the same shall apply hereinafter) as an
Exhaust gas flows into the
[0003]
Further, as an oxygen sensor, for example, there is one shown in [2] Japanese Patent Publication No. 6-17885 “Oxygen sensor intermediate assembly”. According to FIG. 1 of the publication, this oxygen sensor intermediate assembly (gas detector 1) is provided with a
[0004]
[Problems to be solved by the invention]
In the structure [1], the exhaust intake hole 21a of the
In addition, since a gap for turning the exhaust gas must be provided between the
[0005]
Further, the inner space of the
[0006]
According to FIG. 1 (b), the above [2] is the second insulating ceramic layers 1c, 1d over most of the
For this reason, the shape of the
[0007]
SUMMARY OF THE INVENTION An object of the present invention is to provide an oxygen sensor that is excellent in responsiveness, has a simple shape, and has little increase in mass and reduction in earthquake resistance and impact resistance.
[0008]
[Means for Solving the Problems]
In order to achieve the above object,
[0009]
Since the first distance is made larger than the second distance, the space on the detection surface side becomes wider than the other surface side, and the exhaust gas can be guided to the detection surface side quickly.
[0010]
According to a second aspect of the present invention, the protector or the center axis of the main body to which the protector is attached and the center axis of the plate sensor element are arranged at positions shifted from each other.
The center axis of the protector and the center axis of the plate sensor element are shifted from each other. By decentering the plate sensor element with respect to the protector, the first distance is made larger than the second distance.
Further, the central axis of the main body to which the protector is attached and the central axis of the plate sensor element are shifted from each other. By decentering the plate sensor element with respect to the main body, the first distance is made larger than the second distance.
[0011]
According to a third aspect of the present invention, the plate sensor element is a prismatic sensor element having a substantially square cross section.
The plate sensor element is formed in a substantially square cross section. Since it has a substantially square cross section, the second distance becomes smaller (narrower), and the exhaust gas hardly flows to the other surface side. As a result, when exhaust gas flows into the protector, it reaches the detection surface side in a short time, and the responsiveness of the oxygen sensor is improved.
[0012]
According to a fourth aspect of the present invention, the center axis of the main body to which the protector is attached, the center axis of the protector, and the center axis of the prismatic sensor element are matched, and the detection surface of the prismatic sensor element corresponds to the position of the detection surface. And a dummy layer is formed.
[0013]
The central axis of the main body, the central axis of the protector, and the central axis of the prismatic sensor element are matched. All the shapes of the main body are symmetrical, and the main body can be easily cut and assembled.
A dummy layer is formed on the surface opposite to the detection surface of the prismatic sensor element so as to correspond to the position of the detection surface. Even if the three central axes coincide with each other, the second distance can be made smaller (narrower) depending on the thickness of the dummy layer. As a result, the exhaust gas easily flows to the detection surface side, and the response time of the oxygen sensor can be made faster.
Furthermore, since the dummy layer is formed corresponding to the position of the detection surface, it is not necessary to form the dummy layer in most of the sensor longitudinal direction, and the size and weight can be reduced, and the manufacturing is easy.
According to a fifth aspect of the present invention, the vent hole of the inner cylinder is a plurality of circular holes that are opposed to at least one detection surface of the sensor element.
A sixth aspect of the present invention is characterized in that a plurality of vent holes in the inner cylinder are circular holes that are opened on an extension line of the detection surface.
A seventh aspect of the present invention is characterized in that the vent hole of the inner cylinder and the vent hole of the outer cylinder are arranged apart from each other in the direction of the central axis of the sensor element.
In claim 8, the inner cylinder has a vent hole formed in the peripheral wall and a vent hole formed in the tip surface, and the outer cylinder has a vent hole formed in the peripheral wall and a vent hole formed in the tip surface. The vent hole of the outer cylinder is arranged to be rotated by a predetermined angle from the vent hole of the inner cylinder.
[0014]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Embodiments of the present invention will be described below with reference to the accompanying drawings. The drawings are viewed in the direction of the reference numerals.
FIG. 1 is a side view of an oxygen sensor according to the present invention. The
[0015]
FIG. 2 is a cross-sectional view of the oxygen sensor (first embodiment) according to the present invention. The
The
[0016]
The
The
Although details of the
[0017]
3 (a) and 3 (b) are diagrams for explaining the positional relationship between the protector and the sensor element according to the present invention, (a) is a diagram showing the relationship between the vent holes, and (b) is a diagram of (a). It is b arrow line view.
In (a), the
The position of the
The vent holes 25a ... are holes formed in two rows. The first row is located at a distance X4 from the
[0018]
In (b), the
[0019]
4 is a cross-sectional view taken along line 4-4 of FIG. The
The first distance H <b> 1 is the distance from the
The second distance H <b> 2 is a distance from the
[0020]
The vent holes 24a of the
The vent holes 25a ... of the
[0021]
5 is a cross-sectional view taken along line 5-5 of FIG. 2 and shows an enlarged cross section of the
The
[0022]
The first
The second
[0023]
The
The
[0024]
The
The
[0025]
The
[0026]
The
[0027]
Next, the operation of the oxygen sensor described above will be described.
FIG. 6 is an operation diagram of the oxygen sensor according to the present invention.
The
[0028]
In the
[0029]
Next, another embodiment of the oxygen sensor according to the present invention will be shown.
FIG. 7 is a cross-sectional view of an oxygen sensor (second embodiment) according to the present invention. The same reference numerals are given to the same components as those in the embodiment shown in FIGS.
The
[0030]
The
[0031]
8 is a cross-sectional view taken along the line 8-8 in FIG. 7. The
[0032]
FIG. 9 is a cross-sectional view taken along line 9-9 of FIG. 7, in which the
[0033]
Next, the operation of the
As shown in FIGS. 1 and 7, the
First, when a stone on the road hits the
In addition, when rain or splashed water is applied to the
[0034]
Further, as shown in FIG. 9, since the
[0035]
FIG. 10 is a cross-sectional view of an oxygen sensor (third embodiment) according to the present invention, and the same components as those in the embodiment shown in FIGS.
The
The
[0036]
The protector
[0037]
11 is a cross-sectional view taken along the line 11-11 in FIG. 10, and the
[0038]
FIG. 12 is a cross-sectional view taken along line 12-12 of FIG. 10, in which the center axis C3 of the
Here, the first distance H3 is a distance from the
[0039]
Next, the operation of the
As shown in FIGS. 1 and 10, the
Since the
Further, when water such as rain is applied to the
[0040]
Moreover, as shown in FIG. 11, since the
Further, as shown in FIG. 12, since the center axis C2 of the
[0041]
FIG. 13 is a cross-sectional view of an oxygen sensor (fourth example) according to the present invention, and the same components as those in the embodiment shown in FIGS.
The
The
[0042]
The
[0043]
14 is a cross-sectional view taken along line 14-14 of FIG. 13 and shows an enlarged cross section of the
The
[0044]
The
The
[0045]
FIG. 15 is a cross-sectional view taken along line 15-15 in FIG. 13. The central axis C6 of the
The first distance H5 is a distance from the
The second distance H6 is a distance from the
[0046]
Next, the operation of the
As shown in FIG. 13, since the shape of the
Moreover, since the center axis C1 of the
[0047]
Furthermore, the
In addition, the
[0048]
As shown in FIG. 15, by forming the
[0049]
Further, by making the
[0050]
When a voltage is applied to the
[0051]
【The invention's effect】
The present invention exhibits the following effects by the above configuration.
In the first aspect, since the first distance is made larger than the second distance, the space on the detection surface side becomes wider than the other surface side, and the exhaust gas can be led to the detection surface side quickly. As a result, variation in responsiveness caused by the orientation of the detection surface can be reduced, and the responsiveness of the oxygen sensor can be improved.
[0052]
In
Therefore, the output of the detection signal starts earlier and the responsiveness of the oxygen sensor is improved.
[0053]
In addition, since the space on the detection surface side is widened to improve responsiveness, it is not necessary to bend the inside of the conventional ventilation hole, and it is possible to reduce the size of the ventilation hole. Therefore, the processing cost can be reduced.
[0054]
According to the third aspect, since the cross-sectional shape of the sensor element is formed in a substantially square shape, the first distance can be made larger than the second distance even if the sensor element is arranged in the same manner as the plate shape, and the exhaust gas is positively increased. It can be guided to the detection surface side. As a result, the responsiveness of the oxygen sensor can be further improved.
[0055]
According to the fourth aspect, since the three central axes of the main body axis, the protector central axis, and the prismatic sensor element central axis coincide with each other, the shapes of the main body are all symmetric and the main body can be easily cut. Therefore, production cost can be reduced.
Further, since the three central axes coincide with each other, automatic assembly and automatic welding are easy. Therefore, production cost can be reduced.
Further, since the dummy layer is formed on the surface opposite to the detection surface of the prismatic sensor element so as to correspond to the position of the detection surface, even if the three central axes coincide with each other, the second layer depends on the thickness of the dummy layer. The distance can be made smaller (narrower). As a result, the exhaust gas flows more easily on the detection surface side, and the response time of the oxygen sensor becomes faster.
[0056]
In addition, since the dummy layer is formed corresponding to the position of the detection surface, it is not necessary to form it in a step shape over most of the longitudinal direction of the oxygen sensor as in the prior art, and the size and weight can be reduced. And easy to manufacture.
In addition, since the dummy layer is formed on the surface opposite to the detection surface of the prismatic sensor element so as to correspond to the position of the detection surface, there is no change in the step-like shape as in the prior art and it is simple. As a result, it is difficult for stress concentration due to vibration or impact to occur, and a decrease in vibration resistance and impact resistance can be reduced.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a side view of an oxygen sensor according to the present invention.
FIG. 2 is a sectional view of an oxygen sensor (first embodiment) according to the present invention.
FIG. 3 is a diagram for explaining a relationship between a protector and a sensor element according to the present invention.
4 is a cross-sectional view taken along line 4-4 of FIG.
5 is a cross-sectional view taken along line 5-5 of FIG.
FIG. 6 is an operation diagram of the oxygen sensor according to the present invention.
FIG. 7 is a cross-sectional view of an oxygen sensor (second embodiment) according to the present invention.
8 is a cross-sectional view taken along line 8-8 in FIG.
9 is a cross-sectional view taken along line 9-9 in FIG.
FIG. 10 is a sectional view of an oxygen sensor (third embodiment) according to the present invention.
11 is a sectional view taken along line 11-11 in FIG.
12 is a sectional view taken along line 12-12 of FIG.
FIG. 13 is a sectional view of an oxygen sensor (fourth embodiment) according to the present invention.
14 is a sectional view taken along line 14-14 of FIG.
15 is a sectional view taken along line 15-15 in FIG.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF
Claims (8)
前記プロテクタ(21)は、前記センサ素子(30)を囲う内筒(24)と、この内筒(24)の外方を囲った外筒(25)とからなり、
前記板状センサ素子(30)の検出面(31)からプロテクタ(21)の内筒(24)の内周面までを第1の距離(H1)、板状センサ素子(30)の他方側の背面(32)からプロテクタ(21)の内筒(24)の内周面までを第2の距離(H2)としたときに、第1の距離(H1)を第2の距離(H2)より大きくし、
前記内筒(24)は、周壁に形成した通気孔(24a)有し、
前記外筒(25)は、前記内筒(24)の通気孔(24a)に対向しない距離だけ離して外筒(25)の周壁に形成した通気孔(25a)を有していることを特徴とする酸素センサ(1)。 A plate-like sensor element (30) having a solid electrolyte layer (33) on which a pair of electrodes are formed and a plate heater (40) laminated on the other side of the solid electrolyte layer (33), the surface of the sensor element (30) on one side of the electrolyte layer (33) and a detection surface (31), surrounds the sensor element (30) in the tubular protector (21), the sensor element together with the protector (21) (30 ) In the exhaust passage (P ) of the engine, and in the oxygen sensor (1) for detecting the oxygen component of the exhaust gas,
The protector (21) includes an inner cylinder (24) surrounding the sensor element (30) and an outer cylinder (25) surrounding the outer side of the inner cylinder (24).
The first distance (H1) from the detection surface (31) of the plate sensor element (30) to the inner peripheral surface of the inner cylinder (24) of the protector (21) is the other side of the plate sensor element (30) . When the second distance (H2) is from the back surface (32) to the inner peripheral surface of the inner cylinder (24) of the protector (21) , the first distance (H1) is larger than the second distance (H2). and,
The inner cylinder (24) has a vent hole (24a) formed in the peripheral wall,
The outer cylinder (25) has a vent hole (25a) formed in the peripheral wall of the outer cylinder (25) at a distance not facing the vent hole (24a) of the inner cylinder (24). An oxygen sensor (1) .
前記外筒(25)は、周壁に形成した通気孔(25a)と、先端面に形成した通気孔(25b)と、を有し、 The outer cylinder (25) has a vent hole (25a) formed in the peripheral wall and a vent hole (25b) formed in the distal end surface,
前記外筒(25)の通気孔(25a)は、前記内筒(24)の通気孔(24a)から所定の角度だけ回して配置されていることを特徴とする請求項1〜7のいずれか1項に記載の酸素センサ。 The vent hole (25a) of the outer cylinder (25) is disposed by turning a predetermined angle from the vent hole (24a) of the inner cylinder (24). 2. The oxygen sensor according to item 1.
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