JPH01180447A

JPH01180447A - ガス検出センサ

Info

Publication number: JPH01180447A
Application number: JP63005472A
Authority: JP
Inventors: Toshiki Sawada; 澤田　俊樹; Toshihiko Aoyama; 青山　俊彦; Haruhisa Shiomi; 塩見　治久; Takeshi Minowa; 美濃羽　健
Original assignee: NGK Spark Plug Co Ltd
Current assignee: Niterra Co Ltd
Priority date: 1988-01-13
Filing date: 1988-01-13
Publication date: 1989-07-18

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】［産業上の利用分野コ本発明は、保護筒を備えたガス検出センサに関するもの
である。

［従来の技術］従来より、例えば、内燃機関等の燃焼機器において、燃
費やエミッションの改善を図り最適な条件で運転するた
めに、酸素ガス検出センサにより排気中の酸素潤度を検
出し、燃焼機器中で燃焼される混合気を理論空燃比近傍
に制御することが行われている。

内燃機関等の排気は、非平衡ガスであるため、排気に酸
素ガス検出センサを直接晒すと、センサの出力が正しく
なｋなる。

そのため、検出素子に適度に排ガスを供給する開口部を
有する保護筒によって検出素子を覆う。

このようなガス検出センサとして、円ｉ部及び該円筒部
の一端に形成された閉止端部を有し、かつ円筒部側面の
上記検出素子の軸方向端部よりも先側に対応する位置及
び閉止端部に開口部が形成されると共に、上記検出素子
を覆う保護筒を備えたものが提案されている（特開昭５
７−６９２３６等）。

このガス検出センサは、上記形状の保護筒を使用するこ
とによって、非平衡のガスの流入を制限する。そして、
制限された非平衡のガスは、センサ電極近傍で十分平衡
化してから検出素子に供給される。また、開口部が検出
素子の軸方向端部より・も先側にあるので、流人したガ
スは直接検出素子に接触しない。そのため、板状や一方
向に検出部を有する柱状の検出素子を使用した場合にも
、検出特性に方向性が生じない。

［発明が解決しようとする課題］しかし、ガス検出センサに使用される検出素子は、金属
酸化物を焼結して製造さ゛れ、一定の検出特性を得るこ
とが難しい。

そのため、上記のような保護筒を用いた場合にも、製造
されたガス検出センサ間の特性むらを解消することは難
しかった。

［課題を解決するための手段］本発明は上記課題を解決するために次の手段を　・採用
した。

即ち、本発明の要旨は、周囲のガス成分及び／又はその濃度に応じて電気的特性
が変化する検出素子と、円筒部及び該円筒部の一端に形成された閉止端部を有し
、かつ円筒部側面の上記検出素子の軸方向端部よりも先
側に対応する位置及び閉止端部に開口部が形成される保
護筒と、を備え、該保護筒が上記検出素子を覆うよう構成された
ガス検出センサにおいて、上記円筒側面に設けられた開口部の総開口面積が０　、
１〜０．２　ｅｙｅ　２であると共に、上記円筒側面に
設けられた開口部の総開口面積に対して、上記閉止端部
に設けられた開口部の総開口面積が２０〜４０％であり
、かつ上記円筒側面に設けられた開口部の総開口面積に対
して、上記円筒側面に設けられた開口部の１つの開口面
積が１０〜２５％であること、を特徴とするガス検出セ
ンサにある。

ここで、上記円筒側面に設けられた開口部の総開口面積
が０．１ｃ１Ｔ１２より少ないと、保護筒内に流入する
周囲ガスが少なすぎて応答性が低下し、逆に０．２ｃｍ
２より多いと、保護筒内に流入する周囲ガスが多すぎて
製造されたガス検出センサ間の特性むらをなくすことが
できない。

また、上記円筒側面に設けられた開口部の総開口面積に
対して、上記閉止端部に設けられた開口部の総開口面積
が２０〜４０％の範囲外であり、かつ上記円筒側面に設
けられた開口部の総開口面積に対して、上記円筒側面に
設けられた開口部の１つの開口面積が１０〜２５％の範
囲外であると、製造されたガス検出センサ間の特性むら
をなくすことができない。

なお、上記保護筒の閉止端部は一半球状、平坦状のいず
れであってもよい。

また、上記検出素子としては、従来検出素子として使用
される種々のものが使用できる。例えば、酸素ガス検出
センサとするならば、５ｎ０２．ＴｉＯ２等の遷移金属
酸化物を用いた検出素子や、Ｚ　ｒ　０２系等の酸素イ
オン伝導性固体電解質体を用いた検出素子を使用するこ
とができる。

［作用］本発明は、保護筒の円筒側面における開口部の総開口面
積、該総開口面積と閉止端部の開口部との面積比等を所
定範囲内とすることによって、得られるガス検出センサ
の製造時における特性むらがなくなることを見いだして
なされたものである。

上記のように開口部を規定すると製造時に特性むらが非
電に少なくなる理由は、開口部の面積等を規定すること
によって、保護筒内に流入する排気ガスが適度に制限さ
れ、検出素子自体の特性むらが緩和されるためと思われ
る。

［実施例コ第１図は、本発明の第１実施例である酸素センサ５１で
ある。

本実施例は、柱状の酸素検出素子１０、主体金具２０、
プロテクタ３０を備えており、酸素検出素子１０はスペ
ーサ４０．４５によって主体金具２０に固定され、また
プロテクタ３０は主体金具２０に固定され、酸素検出素
子ｌＯが周囲の排ガスに直接晒されないようにする。な
お、酸素センサＳ１における電極、り一ド線等の構成は
本発明の要旨と直接関係無いので説明を省略する。

この酸素検出素子１０は、特願昭６１−１６５３２３に
記載される検出素子と同様の構成であり、中空の芯材を
、表裏面に対向する一対の電極を有する固体電解質層で
覆っており、固体電解質層の一方の電極は、芯材に設け
られた孔を介して大気に晒される。一方、固体電解質層
の他の電極は、排ガスに晒され、両電極間の酸素ガス分
圧差によって生じる起電力から排ガス中の酸素ガス分圧
を知るものである。なお、この酸素検出素子１０の外径
は３ｍｍφである。

本実施例に使用されるプロチク・り３０は、外径が９．
５ｍｍφであり、円筒側面３０ａに直径１．５ｍｍφの
開口部５０を８個有すると共に、閉止端部３０ｂに直径
２．５ｍｍφの開口部５５を１個有する。したがって、
円筒側面３０ａに設けられた開口部５０の総開口面積は
０．１４１３ｃｍ２、閉止端部３０ｂに設けられた開口
部５５の開口面積は０．０４９１ｃｍ２となる。また、
閉止端部３０ｂに設けられた開口部５５の円筒側面３０
ａの総開口面積に対する割合は３４．７５％、円筒側面
３０ａに設けられた１つの開口部５００円筒側面３０ａ
の総開口面積に対する割合は１２．５０％である。

そして、本実施例の酸素センサＳ１は、検出素子１０の
先端と円筒側面３０ａの開口部５０の中心との距離Ｑが
１．５ｍｍとなるように組み立てられる。

第２図は、本発明の第１比較例である酸素センサＳ２で
ある。

本比較例の酸素センサＳ２は、プロテクタ１００の構成
を除いて、上記酸素センサＳ１と同様の構成である。し
たがって、プロテクタ１００以外の構成の説明は省略す
る。

本比較例に使用されるプロテクタ１００は、外径が９．
５ｍｍφであり、円筒側面１００ａに直径４．０ｍｍφ
の半月形開口部１１０を１６６個有る。したがって、円
筒側面１００ａに設けられた開口部１１０の総開口面積
は１．００ｃｍ”となる。

第３図は、本発明の第２実施例である酸素センサＳ３で
ある。

本実施例は、袋状の酸素検出素子２００、主体金具２１
０、プロテクタ２２０を備えており、酸素検出素子２０
０はスペーサ２３０．２３５によって主体金具２１０に
固定され、またプロテクタ２２０は主体金具２１Ｏに固
定され、酸素検出素子２００が周囲の排ガスに直接晒さ
れないようにする。なお、酸素センサＳ３における電極
、リード線等の構成は本発明の要旨と直接関係無いので
説明を省略する。

この酸素検出素子２００は、従来より使用される袋状の
検出素子と同様の構成であり、表裏面に対向する一対の
電極２００ａ、　２００ｂを有する袋状固体電解質体２
００ｃからなり、袋状固体電解質体２００ｃの内部は大
気と連通ずると共に、ヒータ２３０が挿入されている。

そして、内側の電極２００ａと外側の電極２００ｂとの
酸素ガス分圧差によって生じる起電力から排ガス中の酸
素ガス分圧を知ることができる。

なお、この酸素検出素子２００の先端部で４．５ｍｍφ
、付根で５．０ｍｍφである。

本実施例に使用されるプロテクタ２２０は、外径が９．
５ｎ＋＋ｗφであり、円筒側面２２０ａに直径１．５ｍ
ｍφの開口部２５０を８個有すると共に、閉止端部２２
０ｂに直径２．５市φの開口部２５５を１個有する。し
たがって、円筒側面２２０ａに設けられた開口部２５０
の総開口面積は０．１４１ｃｍ”、閉止端部２２０ｂに
設けられた開口部２５５の開口面積は０．０４９１ｃｍ
２どなる。また、閉止端部２２０ｂに設けられた開口部
２５５の円筒側面２２０ａの総開口面積に対する割合は
３４．７５％、円筒側面２２０ａに設けられた１つの開
口部２５０の円筒側面２２０ａの総開口面積に対する割
合は１２．５０％である。

そして、本実施例の酸素センサＳ３は、検出素子２００
の先端と円筒側面２２０ａの開口部２５０の中心との距
離Ｑが１．５ｍｍとなるように組み立てられる。

第４図は、本発明の第２比較例である酸素センサＳ４で
ある。

本比較例の酸素センサＳ４は、プロテクタ３００の構成
を除いて、上記酸素センサＳ３と同様の構成である。し
たがって、プロテクタ３００以外の構成の説明は省略す
る。

本比較例に使用されるプロテクタ３００は、外径が９．
５ｍｍφであり、円筒側面１００ａに直径４．０ｍｍφ
の半月形開口部３１０を１６個有する。したがって、円
筒側面１００ａに設けられた開口部３１０の総開口面積
は１−０１−０Ｏどなる。

本発明の実施例である酸素センサＳ１．　Ｓ、３および
その比較例である酸素センサＳ２．　Ｓ４を用いて以下
の実験を行った。

φ実験１上記酸素センサを各々２０個づつ製造し、実車に取り１
１け、時速５０マイル（時速８０ｋｍ）で定速走行した
ときの制御空燃比を測定した。結果を第５図に示す。

第５図に明らかなように、本発明の酸素センサＳｌ、　
Ｓ３は、従来の酸素センサＳ２．　Ｓ４に比べ、製造さ
れた酸素センサ間の特性むらが非常に少ない。

これは、保護筒として、円筒側面の総開口面積、閉止端
部の開口部の面積等を選んだために、製造時における検
出素子間の特性むらが打ち消されたためと思われる。

・実験２上記酸素センサを、エンジン台上試験機に取り付け、酸
素センサの耐久試験を行った。結果を第６図に示す。

第６図から明らかなように、本発明の酸素センサＳ１．
　Ｓ３は、従来の酸素センサＳ２．５４に比べ、特性の
変化が非常に少ない。これは、プロテクタの開口部が検
出素子より閉止端部側にあるため、検出素子に非平衡の
ガスが接触せず、触媒の機能を低下させないためと思わ
れる。

・実験３上記酸素センサＳｌの閉止端部３０ｂの開口部５５の径
を種々変化させると共に、円筒側面３０ａの開口部５０
の径を種々変化させた酸素センサを多数製造し、実験１
と同様、実車に取り付は製造された酸素センサ間の特性
むらを調べた。

この実験では、円筒側面３０ａの総開口面積が０゜１５
〜０．７５（？１１１２であり、かつ側面３０ａの一つ
の開口部５０の側面部総開口面積に対する割合が１０〜
２５％である酸素センサＳ１を使用した。

そして、その酸素センサＳ１の閉止部３０ｂの開口部５
５の径を変化させ、側面部総開口面積に対する閉止端部
３０ｂの開口部５５の開口割合を５〜５０％にした場合
の制御空燃比を第７図に示し、また、閉止端部３０ｂの
開口部５５の側面部総開口面積に対する割合を２０〜４
０％の範囲内とした状態で、円筒側面３Ｑａの開口部５
０の径を変化させた場合の制御空燃比を第８図に示す。

第７図および第８図から明らかなように、円筒側面３０
ａに設けられた開口部５０の総開口面積に対して、閉止
端部３０ｂに設けられた開口部５５の総開口面積が２０
〜４０％であり、かつ円筒側面３０ａに設けられた開口
部５０の総開口面積に対して、円筒側面３０ａに設けら
れた開口部５０の１つの開口面積が１０〜２５％である
と、製造された酸′素センサ間の特性むらが非常に少な
くなる。

なお、第２実施例である酸素センサＳ３についても、上
記と同様の結果が得られた。

φ−実験４上記酸素センサＳ１．　Ｓ２を各々多数製造し、実験１
と同様の方法により製造されたセンサ間の特性むらの分
布を調べた。第９図に結果を示す。

第９図から明らかなように、本発明の実施例である酸素
センサＳ１の製造時における特性むらは非常に少ない。

・実験５上記酸素センサ５１．　Ｓ２の方向性について調べた。

検出素子ｌＯは、排気ガスに晒される電極が柱全周を覆
っていないために、検出特性に方向性が生じる。

排気ガス流に対する検知部（電極部）の向きを変化させ
ながら、制御空燃比を測定した結果を第１０図に示す。

第１０図に明らかなように、本発明の実施例である酸素
センサＳｌは、検出特性の方向性が非常に少なくなる。

・実験６上記酸素センサ５１．５２について検出素子の付根近傍
におけるデポジット付着量を調べた。結果を第１１図に
示す。

第１１図に明らかなように、本発明の実施例である酸素
センサＳ１は、デポジットの付着が非常に少なく、長期
に亙って安定した検出特性が期待できる。

［発明の効果］以上のように、本発明は、保護筒における開口部の位置
、円筒側面における開口部の総開口面積、円筒側面にお
ける開口部と閉止端部の開口部との面積比等を所定範囲
とすることによって、ガス検出センサの製造時における
特性むらをなくすことができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の第１実施例の部分断面図、第２図は本
発明の第１比較例の部分断面図、第３図は本発明の第２
実施例の・部分断面図、第４図は本発明の第２比較例の
部分断面図、第５図ないし第１１図は本発明の効果を示
す線図である。５１、Ｓ２．Ｓ３．Ｓ４・・・酸素センサ１０．２００
・・・検出素子２０．１００，２２０，３００・・・プロテクタ（保護
筒）５０．５５，１１０，２５０，２５５，３１０・・
・開口部代理人　弁理士　定立　勉（ばか１名）第５図第７図閉止１１１ＩＰ、間口別合第８ｒＭ円′ｄＡ側面の開口部°ｆ１１合第９図蓄１　卸　空　夫ざ　ｒヒ第１０図第１１図

Claims

【特許請求の範囲】周囲のガス成分及び／又はその濃度に応じて電気的特性
が変化する検出素子と、円筒部及び該円筒部の一端に形成された閉止端部を有し
、かつ円筒部側面の上記検出素子の軸方向端部よりも先
側に対応する位置及び閉止端部に開口部が形成される保
護筒と、を備え、該保護筒が上記検出素子を覆うよう構成された
ガス検出センサにおいて、上記円筒側面に設けられた開口部の総開口面積が０．１
〜０．２ｃｍ＾２であると共に、上記円筒側面に設けら
れた開口部の総開口面積に対して、上記閉止端部に設け
られた開口部の総開口面積が２０〜４０％であり、かつ上記円筒側面に設けられた開口部の総開口面積に対
して、上記円筒側面に設けられた開口部の１つの開口面
積が１０〜２５％であることを特徴とするガス検出セン
サ。