JP5298633B2 - 酸素センサ - Google Patents
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上記酸素センサ素子は、
先端側が閉じられ基端側が開口した筒状に形成されるとともに、酸素イオン伝導性を有する固体電解質体と、
該固体電解質体の先端部を含む領域の内面に形成され、上記基準ガスに曝される基準電極と、
上記固体電解質体の上記先端部を含む領域の外面に形成され、上記被測定ガスに曝される測定電極と、
上記固体電解質体の上記先端部を含む領域において、上記測定電極の外面の少なくとも一部を被覆するとともに上記被測定ガスを透過するセラミック多孔体からなる保護層と、
上記固体電解質体の外面に、上記保護層よりも基端側に形成され、上記被測定ガスを透過しない緻密な緻密層と、
を備え、上記酸素センサ素子には、上記被測定ガスに曝されるガス露出領域と、上記被測定ガスに曝されないガス非露出領域とがあり、上記緻密層と上記保護層とは、いずれも上記ガス露出領域にのみ形成されており、
上記保護層と上記緻密層とは重なり合っていないことを特徴とする酸素センサにある(請求項1)。
第1の発明では、固体電解質体が保護層と緻密層とによって被覆されている。緻密層は被測定ガスを透過しないため、保護層よりも揮発性有機物が付着しにくい。これにより、従来のように固体電解質体を全て保護層で被覆した場合と比較して(図9参照)、酸素センサ素子に付着する揮発性有機物の量を減らすことが可能となる。
そのため、酸素濃度の測定開始後、正確に酸素濃度を測定できる状態に短時間ででき、空燃比の制御を正常に行えるまでの時間を短くできる。
上記酸素センサ素子は、
酸素イオン伝導性を有する板状の固体電解質体と、
該固体電解質体の一方の主面に形成され、上記基準ガスに曝される基準電極と、
上記固体電解質体の他方の主面に形成され、上記被測定ガスに曝される測定電極と、
上記測定電極の外面の少なくとも一部を被覆するとともに上記被測定ガスを透過するセラミック多孔体からなる保護層と、
上記固体電解質体の上記他方の主面に、上記保護層よりも基端側に形成され、上記被測定ガスを透過しない緻密な緻密層と、
を備え、上記酸素センサ素子には、上記被測定ガスに曝されるガス露出領域と、上記被測定ガスに曝されないガス非露出領域とがあり、上記緻密層と上記保護層とは、いずれも上記ガス露出領域にのみ形成されており、
上記保護層と上記緻密層とは重なり合っていないことを特徴とする酸素センサにある(請求項2)。
第2の発明では、固体電解質体が板状に形成されており、その一方の主面に基準電極が形成され、他方の主面に測定電極が形成されている。そして、固体電解質体の他方の主面が、保護層と緻密層とによって被覆されている。緻密層は被測定ガスを透過しないため、保護層よりも揮発性有機物が付着しにくい。これにより、従来のように固体電解質体の他方の主面を全て保護層で被覆した場合と比較して(図10参照)、酸素センサ素子に付着する揮発性有機物の量を減らすことが可能となる。
そのため、酸素濃度の測定開始後、正確に酸素濃度を測定できる状態に短時間ででき、空燃比の制御を正常に行えるまでの時間を短くできる。
本発明(請求項1)において、上記酸素センサ素子のうち上記被測定ガスと接触する部分の長手方向長さをLとし、上記保護層の長手方向長さをL1とした場合、
0.2≦L1/L≦0.5
を満たすことが好ましい(請求項3)。
この場合には、酸素濃度を測定しやすくできるとともに、揮発性有機物の揮発時間を短くできる。すなわち、L1/Lが0.2未満の場合は、ガス透過性を有する保護層の面積が小さくなるため、酸素濃度の測定精度を充分確保することが困難となる。また、L1/Lが0.5を超える場合は、保護層の面積が大きくなるため、保護層に付着する揮発性有機物が多くなる。そのため、酸素濃度の測定開始後、揮発性有機物が揮発するまでの時間が長くなり、酸素濃度を正確に測定できるまでの時間が長くなる。
この場合には、本発明の酸素センサの作用効果を充分に発揮することができる。すなわち、リア用酸素センサは、三元触媒の下流側に配置されているため、浄化された排ガスを測定している。そのため、三元触媒の上流に配置されるセンサ(例えばA/Fセンサ)よりも酸素濃度を高精度に測定することが要求される。このようなリア用酸素センサには、本発明のように、使用開始後に測定精度を短時間で上げられる酸素センサを用いることが好ましい。
ガラス質材料は緻密であり、空気中の揮発性有機物が付着しにくいため、本発明の緻密層として好適に用いることができる。また、ガラス質材料の成分を調整することにより、固体電解質体との熱膨張率を合わせることができるため、製造工程中に熱膨張率の差による割れ等の問題が生じにくい。
本発明の実施例にかかる酸素センサ素子につき、図1〜図5を用いて説明する。
本例の酸素センサ素子1は、被測定ガス中の酸素濃度を基準ガス中の酸素濃度との差に基づいて検出する。図1、図2に示すごとく、本例の酸素センサ素子1は、先端側が閉じられ基端側が開口した筒状に形成されるとともに、酸素イオン伝導性を有する固体電解質体15を備える。そして、固体電解質体15の先端部159を含む領域の内面160に、基準ガスに曝される基準電極12が形成されている。固体電解質体15の先端部159を含む領域の外面150に、被測定ガスに曝される測定電極11が形成されている。
また、本例の固体電解質体15は部分安定化ジルコニアよりなる。基準電極12、測定電極11、リード部111,121、ターミナル部112,122はいずれも白金よりなる。
なお、図3(b)に示すごとく、基準電極12のリード部121と、測定電極11のリード部111とは、各々2本形成されている。
ヒータ2により加熱された状態にて、基準ガスと被測定ガスとの酸素濃度差に対応した電位差が固体電解質体15の各電極11,12間に生じ、この電位差により被測定ガスの酸素濃度が求められる。
固体電解質体15の外面150に、貴金属化合物であるジベンジリデンPtを含むペーストを用いて、パッド印刷等で印刷部を形成する。この印刷部の形状は、得ようとする測定電極11、基準電極12、リード部111,121、ターミナル部112,122の形状と同様の形状である。この印刷部に対して熱処理を施し、Pt核形成部を得る。
その後、上記Pt核形成部に対し無電解メッキを施し、測定電極11、基準電極12、リード部111,121、ターミナル部112,122を形成する。
図4に示すように、上記酸素センサ3はハウジング30と該ハウジング30にシール固定された酸素センサ素子1とよりなる。また、上記酸素センサ素子1の基準ガス室16にはヒータ2が挿入配置されている。
上記ハウジング30の上方には、三段の大気側カバー321,322,323が設けてある。
上記被測定ガス室310の内部は被測定ガスが流通し、上記大気側カバーの内部は大気が流通した状態にある。酸素センサ3は、被測定ガスと大気とが混じらないように構成されている。
また、上記リード線371は、ヒータ2に通電するためのものである。
また、上記金属端子383,393は、それぞれ酸素センサ素子1のターミナル部112,122(図2参照)に対し接触固定されている。
本例の酸素センサ3は、図1に示すごとく、固体電解質体15が保護層14と緻密層17とによって被覆されている。緻密層17は被測定ガスを透過しないため、保護層14よりも揮発性有機物が付着しにくい。これにより、従来のように固体電解質体15を全て保護層14で被覆した場合と比較して(図9参照)、付着する揮発性有機物の量を減らすことが可能となる。
そのため、酸素濃度の測定開始後、正確に酸素濃度を測定できる状態に短時間ででき、空燃比の制御を正常に行えるまでの時間を短くできる。
より詳しくは、図9に示す従来の酸素センサでは、上記時間が約1000秒かかっていたが、本例の酸素センサ3を用いることにより、この時間を約200秒に短縮できる。
この場合には、酸素濃度を測定しやすくできるとともに、揮発性有機物の揮発時間を短くできる。すなわち、L1/Lが0.2未満の場合は、ガス透過性を有する保護層14の面積が小さくなるため、酸素濃度を測定しにくくなる。また、L1/Lが0.5を超える場合は、保護層14の面積が大きくなるため、保護層14に付着する揮発性有機物が多くなる。そのため、酸素濃度の測定開始後、揮発性有機物が揮発するまでの時間が長くなり、酸素濃度を正確に測定できるまでの時間が長くなる。
この場合には、本発明の酸素センサ3の作用効果を充分に発揮することができる。すなわち、リア用酸素センサは、三元触媒5の下流側に配置されているため、浄化された排ガスを測定している。そのため、三元触媒5の上流に配置されるセンサ(A/Fセンサ6)よりも酸素濃度を高精度に測定することが要求される。このようなリア用酸素センサには、本発明のように、使用開始後に測定精度を短時間で上げられる酸素センサ3を用いることが好ましい。
ガラス質材料は緻密であり、空気中の揮発性有機物が付着しにくいため、本発明の緻密層17として好適に用いることができる。また、ガラス質材料の成分を調整することにより、固体電解質体15との熱膨張率を合わせることができるため、製造工程中に熱膨張率の差による割れ等の問題が生じにくい。
本例は、図6〜図8に示すごとく、酸素センサ素子1aを積層型にした例である。図示するごとく、本例の酸素センサ素子1aは、酸素イオン伝導性を有する固体電解質体15aを備える。また、固体電解質体15aの一方の主面153に、基準ガスに曝される基準電極12aが形成される。固体電解質体15aの他方の主面154に、被測定ガスに曝される測定電極11aが形成される。
なお、本例の固体電解質体15aはジルコニアから構成され、基準電極12a、測定電極11a、リード線111a、ターミナル部112a,122aは白金から構成される。
その他、実施例1と同様の構成を有する。
図6、図7に示すごとく、本例では、固体電解質体15aの主面154が、保護層14cと緻密層17aとによって被覆されている。緻密層17aは被測定ガスを透過しないため、保護層14cよりも揮発性有機物が付着しにくい。これにより、従来のように固体電解質体15aの他方の主面を全て保護層14cで被覆した場合と比較して(図10参照)、酸素センサ素子1aに付着する揮発性有機物の量を減らすことが可能となる。
そのため、酸素濃度の測定開始後、正確に酸素濃度を測定できる状態に短時間ででき、空燃比の制御を正常に行えるまでの時間を短くできる。
その他、実施例1と同様の作用効果を有する。
11 測定電極
12 基準電極
14 保護層
14a 第1保護層
14b 第2保護層
15 固体電解質体
159 先端部
17 緻密層
2 ヒータ
3 酸素センサ
5 三元触媒
Claims (5)
- 被測定ガス中の酸素濃度を基準ガス中の酸素濃度との差に基づいて検出する酸素センサ素子と、該酸素センサ素子を固定するハウジングとを備える酸素センサであって、
上記酸素センサ素子は、
先端側が閉じられ基端側が開口した筒状に形成されるとともに、酸素イオン伝導性を有する固体電解質体と、
該固体電解質体の先端部を含む領域の内面に形成され、上記基準ガスに曝される基準電極と、
上記固体電解質体の上記先端部を含む領域の外面に形成され、上記被測定ガスに曝される測定電極と、
上記固体電解質体の上記先端部を含む領域において、上記測定電極の外面の少なくとも一部を被覆するとともに上記被測定ガスを透過するセラミック多孔体からなる保護層と、
上記固体電解質体の外面に、上記保護層よりも基端側に形成され、上記被測定ガスを透過しない緻密な緻密層と、
を備え、上記酸素センサ素子には、上記被測定ガスに曝されるガス露出領域と、上記被測定ガスに曝されないガス非露出領域とがあり、上記緻密層と上記保護層とは、いずれも上記ガス露出領域にのみ形成されており、
上記保護層と上記緻密層とは重なり合っていないことを特徴とする酸素センサ。 - 被測定ガス中の酸素濃度を基準ガス中の酸素濃度との差に基づいて検出する酸素センサ素子と、該酸素センサ素子を固定するハウジングとを備える酸素センサであって、
上記酸素センサ素子は、
酸素イオン伝導性を有する板状の固体電解質体と、
該固体電解質体の一方の主面に形成され、上記基準ガスに曝される基準電極と、
上記固体電解質体の他方の主面に形成され、上記被測定ガスに曝される測定電極と、
上記測定電極の外面の少なくとも一部を被覆するとともに上記被測定ガスを透過するセラミック多孔体からなる保護層と、
上記固体電解質体の上記他方の主面に、上記保護層よりも基端側に形成され、上記被測定ガスを透過しない緻密な緻密層と、
を備え、上記酸素センサ素子には、上記被測定ガスに曝されるガス露出領域と、上記被測定ガスに曝されないガス非露出領域とがあり、上記緻密層と上記保護層とは、いずれも上記ガス露出領域にのみ形成されており、
上記保護層と上記緻密層とは重なり合っていないことを特徴とする酸素センサ。 - 請求項1または請求項2において、上記酸素センサ素子のうち上記被測定ガスと接触する部分の長手方向長さをLとし、上記保護層の長手方向長さをL1とした場合、
0.2≦L1/L≦0.5
を満たすことを特徴とする酸素センサ。 - 請求項1ないし請求項3のいずれか1項において、車両の排気ガスの酸素濃度を測定するために用いられ、上記車両のエンジンと、上記排気ガスの排気口との間のガス排出経路上であって、上記排気ガス中の有害物質を分解する三元触媒よりも下流側に配置されるリア用酸素センサであることを特徴とする酸素センサ。
- 請求項1ないし請求項4のいずれか1項において、上記緻密層はガラス質材料からなることを特徴とする酸素センサ。
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