JPH01305350A

JPH01305350A - 酸素センサ

Info

Publication number: JPH01305350A
Application number: JP63136087A
Authority: JP
Inventors: Tetsumasa Yamada; 哲正山田; Nobuhiro Hayakawa; 暢博早川; Akira Kato; 彰加藤
Original assignee: Honda Motor Co Ltd; NGK Spark Plug Co Ltd
Current assignee: Honda Motor Co Ltd; Niterra Co Ltd
Priority date: 1988-06-02
Filing date: 1988-06-02
Publication date: 1989-12-08
Anticipated expiration: 2012-09-17
Also published as: JP2653831B2

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、板状素子間にカス拡散室を有する酸素センサ
に関するもので、詳しくは、ガス拡散室へのガスの導入
経路に関するものである。

［従来の技術］従来、この種の酸素センサには、固体電解質からなる２
枚のセラミック基板に挟まれ、かつガス拡散部から測定
ガスを導入するガス拡散室が形成され、これらの基板の
両面には、ヒータが配置され、さらにこれらを覆う保護
筒が設けられている。

この保護筒には、測定ガスを導入するガス導入孔が形成
されている。このような酸素センサによる排ガスの測定
は、測定ガスが保護筒のガス導入孔、検出素子のガス拡
散口、拡散部を介して拡散室に導入され、固体電解質問
に発生する電気信号に基づいて行われる。

ところで、このタイプの酸素センサでは、保護筒を半円
状に切込み、この切込み片を筒内側に折曲することによ
り、半円状の導入口を形成するとともに、その切込み片
により、暖機時等にガスが素子に直接当たるのを防止し
、素子の活性化温度までの上昇を速やかにしている。

［発明が解決しようとする課題］しかしながら、従来の酸素センサによれは、導入孔自体
は半円状であり、しかも切込み片によって拡散室へのガ
スの導入が遅くなるため、センサの応答性がさほどよく
ないという問題があった。

本発明は、上記従来の技術の問題点を解消するためにな
されたもので、センサの応答性を向上させるとともに、
測定ガスにより素子が過冷却されないで所定の温度特性
を得ることができる酸素センサを提供することを目的と
する。

［課題を解決するための手段］上記問題点を解決するためになされた本発明は、少なく
とも一方が固体電解質からなる２枚のセラミック基板に
挟まれ、その間にガス拡散室を形成した素子部と、該ガ
ス拡散室ヘガス拡散口を介してガスを導入するガス拡散
部と、上記素子部の基板の両面に設けられた加熱素子と
、上記素子部および加熱素子を覆う保護筒とを備え、上
記ガス拡散口を素子部の側面に形成し、ガス導入孔を保
護筒に複数個形成した酸素センサにおいて、上記保護筒のカス導入孔は、素子基板のガス拡散口を軸
中心とした周方向に対して、４５度の位置付近であって
ほぼ等間隔にそれぞれ配置したことを特徴とする。

［作用コ本発明の酸素センサは、保護筒に形成されたガス導入孔
を通じて素子部の周囲にガスが導かれ、さらにガス拡散
口からガス導入ｇＢを経てガス拡散室へガスが導入され
る。そして、該ガス拡散室内のガスの酸素）温度に応じ
て固体電解質には電気信号が得られ、酸素温度が測定さ
れる。

このような外部の測定雰囲気からガス拡散室へ測定ガス
を導入する際に、保護筒のガス導入孔をからガス拡散口
へ導かれるのであるが、ガス導入孔のそれぞれは、ガス
拡散口を軸中心とした周方向に対して、４５度の位置付
近であってその周方向にほぼ等間隔に配置されているか
ら、ガス流がガス導入孔から直接素子部の側面に設けた
ガス拡散口へ達しないで、加熱素子の隅部やその周辺部
に当たってからガス拡散口へ達する。

したがって、ガス導入孔から入ったガスが一旦加熱素子
により暖められてからガス拡散口へ導入されるので、検
出素子部の側面に直接カス流が当たることによるガス流
による冷却作用が小さく、優れた暖機特性を得ることが
可能となる。

また、各ガス導入孔は、周方向に等間隔に設けられ、か
つガス拡散口に対して４５度の位置に設けられているの
で、各ガス導入孔とガス拡散口とがほぼ等しい距離で、
かつ同じ位置関係に取り付けられることとなり、よって
、酸素センサをカス流に対する取付位置等に何ら配慮し
なくてもほぼ同一の安定した応答性を得ることができる
。

［実施例コ以下本発明の一実施例を図面にしたがって説明する。

第２図は酸素センサの半断面図を示している。

同図において、１は主体金具であり、この主体金具１は
その下部のねじ部２にて被測定装置（図示省略）に装着
されるものである。この主体金具１は、その上端部に外
筒３及び内筒４を、また、取付穴５内にスペーサ６およ
び充填剤７によって検出素子ＦｊｒＩＪ８を、さらに下
端部に検出素子部８を覆うように設けられた保護筒９等
をそれぞれ装着している。

上記検出素子部８は、第３図の一部破断図及び第４図の
分解斜視図に示すように固体電解質板１１の両面にそれ
ぞれ多孔質電極１２．１３を積層してなる酸素ポンプ素
子１４と、固体電解質板１５の両面に多孔質電極１６．
１７を積層してなる酸素濃淡電池素子１８と、これらの
各素子１４５．１日の間に設けられ、各素子１４．１８
の対向する多孔質電極部分に中空部１９ａを形成するス
ペーサ１９と、酸素）農法電池素子１８の多孔質電極１
７側に積層される遮蔽体２０と、を備えている。

また、酸素ポンプ素子１４及び遮蔽体２０の側方には、
スペーサ２１．２２を介して、発熱抵抗パターン２３．
２４を有するヒータ素子２５．２６（第４図）が設けら
れ、スペーサ２１．２２によって形成される間隙を介し
て酸素ポンプ素子１４及び酸素濃淡電池素子１８を加熱
できるように配置されている。

上記スペーサ１９は、多孔質電極１３と多孔質電極１６
間における中空部９ａを、測定ガスの拡散が制限された
ガス拡散室として形成するためのものある。このスペー
サ１つには、その中空部１９ａ内に周囲の測定ガスを導
入できるように、４箇所に切欠きが形成され、各切欠部
分には、中空部９ａに導入されるカスの導入を制限する
ガス拡散部３０が設けられており、その人口部がガス拡
散口３０ａとなっている。

上記遮蔽体２０は、酸素濃淡電池素子１８の多孔質電極
１７を外部の測定ガスから遮断し、この電極１７を内部
酸素基準源として動作させるためのものである。

すなわち、上述したように酸素濃？？Ａ電池繁子１日に
所定の電流を流して中空部１９ａ内の酸素を多孔質電極
１７側に汲み出し、その汲み出された酸素を一定量外部
に漏出するように構成すれば、多孔質電極１７の酸素ガ
ス分圧がほぼ一定となって、酸素濃淡電池素子１８の各
電極１６．１７間に中空部１９ａ内の酸素分圧に応じた
電圧が発生することから、遮蔽体２０を用いて多孔質電
極１７を外部から遮蔽することで、多孔質電極１７を内
部酸素基準源として動作させることができるようにして
いるのである。

また、多孔質電極１７を内部酸素基準源として動作させ
るには、多孔質電極１７内の酸素を外部に漏出させる必
要があるが、このために本実施例では、多孔質電極１７
と多孔質電極１６とをアルミナ等からなる多孔質絶縁体
Ｚ及びスルーホールＨを介して接続し、多孔質電極１７
側の酸素を多孔質絶縁体Ｚ及びスルーホールＨを介して
中空部１９ａに漏出できるように構成されている。

このように構成された本実施例の酸素センサは、各加熱
素子２５．２６の発熱抵抗パターン２３．２４に、それ
ぞれ端子２３ａ、２３ｂ、端子２４ａ、２４ｂを介して
所定の電圧を印加することにより、酸素ポンプ素子１４
及び酸素濃ン炎電池素子１８を加熱して活性化させ、酸
素ポンプ素子１４の多孔質電極１２．１３、酸素）農）
炎電池素子１日の多孔質電極１６．１７を、端子１２　
ａ、１３ａ、６ａ、１７ａを介して外部制御Ｂ回路と接
続して駆動されるものである。こうした酸素センサのガ
ス拡散室に測定ガスを導く経路は、以下の構成によって
いる。

すなわち、第１図および第５図の保護筒９の横断面図に
示すように、検出素子部８を覆う保護筒９には、力”ス
導入孔４０ａ〜４０ｄが該箇の周方向に９０度で、かつ
等間隔に円形状に穿設されており、このカス導入孔４０
ａ〜４．　Ｏｄは、ガス拡散口３０ａ、３０ｂに対して
その軸ｃＱを中心として周方向へ４５度の位置に設けら
れており、つまり検出素子部８の各コーナ部８ａ〜８ｄ
に対向する位置に設けられている。

次に本実施例の構成による酸素センサの作用及び効果を
調べるために次の実験を行った。すなわち、本実施例に
よるガス導入孔とガス拡散口との位置関係を有するもの
と（第６図（Ａ））、比較例として第６図（Ｂ）に示す
ように検出素子部８Ａを４５度回転した位置関係を有す
るものについての応答性等を調べた。

実験方法として、これらの酸素センサを力゛ソリンエン
ジンの排気マニホールドに取り付け、このときの取付方
向をガス流に対して入方向〜Ｄ方向となるように各状態
に設置し、そして、排気ガス温度Ｔ　ＧＡＳを３４０℃
、エンジン回転数を９００「ｐｍ、吸気管圧力を一５５
０ｍｍＨｇとなるようにエンジンの駆動状態を調整し、
この状態にて空燃比Ａ／Ｆを１８．０から１４．７に切
り換えたとき酸素センサ出力がこれに対応した空・燃比
の信号を出力する。までの時間を測定した。なお、酸素
センサの各寸法は、Ｑｌを１６ｍｍ、Ｑ２を３．５ｍｍ
、Ｌを１０ｍｍとしく第２図）、ガス導入孔４０ａ〜４
０ｄの開口総面積を２８ｍｍ２とし、検出素子部８の長
さ、幅及び厚さを、４５ｍｍ、３゜６ｍｍ、１．１５ｍ
ｍとし、加熱素子１５．２６の厚さを０．９ｍｍ、検出
部の電極面積の大きさを１．６ｍｍＸ４．０ｍｍとし、
発検出素子部８と加熱素子２５．２Ｇとの間隙を約０．
１ｍｍとした。

その結果、本実施例の酸素センサでは、第７図（Ａ）に
示すようにＡ、　　Ｂ、　　Ｃ方向のいずれのガス流に
対しても、応答時間が５００〜６００ｍ５ｅｃでほぼ一
定であり、取付位置による差が小さかった。これに対し
て、比較例のものでは、第７図（Ｂ）に示すように応答
性は、ガス導入孔からガス拡散口に直接ガス流を受ける
Ｄ方向では高いが、Ｃ方向からＢ方向になるにしたがっ
て低くなり、つまり、取付位置に応じてガス流に対する
応答時間に差が生じた。

したがって、本実施例では、取付位置にかかわらず安定
した応答性を得ることができる。

次の実験として、本実施例における第６図（Ａ）のＢ方
向のガス流をうけるものと、比較例における第６図（Ｂ
）のＤ方向のガス流を受けるものについて、車両の走行
実験によって暖機時の素子温度の上昇特性、つまり、検
出素子部を所定温度まで上昇させて活性化させるのに必
要とする時間特性を調べた。

すなわち、第８図に示すように、イグニッションＯＮに
より起動した後（ヒータも同時にＯＮされる。）、図示
するような車速にて走行させた。

このとき、ヒータへの電圧を１２Ｖに設定し、酸素セン
サの活性化温度（約５５０℃）に達するまでの時間を測
定した。

その結果、本実施例の酸素センサでは、５５０℃まで達
するのに３５秒であったのに対し、比較例のセンサでは
１２０秒要した。

これは、本実施例においては、ガス導入孔４０ａ〜４０
ｄから入った測定ガスが一旦加熱素子２５．２６により
暖められてから、酸素ポンプ素子１４及び酸素）清談電
池素子１８の側面等に当たるために画素子１４．１日が
ガス流から受ける冷却作用が小さく、加熱素子２５．２
６により速やかに暖められるのに対して、比較例のもの
では、上述した実験にて示したように、ガス流を検出素
子部の側面で直接受けるために応答性は高いが、冷却作
用も大きいために素子自体の温度が上昇するのに長時間
を要し、エンジンの暖機時の特性が劣ることになる。

したがって、本実施例のようなガス導入孔４０ａ〜４０
ｄとガス拡散口３０ａ、３０ｂの配置によれは、酸素セ
ンサと被測定装置との取付位置に何ら配慮しなくてもほ
ぼ同一の応答性を得ることができ、また、素子の暖機特
性も優れた酸素センサを得ることができる。

次にカス導入孔４０ａ−４０ｄの開口総面積の最適値を
求める実験を行った。すなわち、ガス導入孔４０ａ〜４
０ｄは、その開口総面積の大小によりガス流量が異なり
、センサの応答性と暖機時間に影響を与える。

この実験結果を第９図に示す。この実験に用いたガス導
入孔４０ａ〜４０ｄは、直径φ２．Ｏｍｍ〜φ４．Ｏｍ
ｍで９０度の等間隔に４箇所形成し、その開口総面積を
１５ｍｒｎ２〜５０ｍｍ２の範囲に設定した。

まず、暖機時の応答時間を測定するために、エンジンの
排気マニホールドに酸素センサを取り付け、排気ガス温
度Ｔ　ＧＡＳを３４０℃、エンジン回転数を９００ｒｐ
ｍ、吸気管圧力を一５００ｍｍＨｇに設定し、空燃比Ａ
／Ｆを１８から１４．７に切り換え、このときの応答時
間が７５０ｍ５ｅｃ以下となる開口総面積を値を求めた
。この結果、開口総面積が２０ｍｒｎ２以下になると、
応答時間が７５０　ｍ５ｅｃ以上になり応答性が低下す
ることが判明した。

一方、暖機時のポンプ電圧に関する特性を調べる実験を
行った。上記センサを取り付けたエンジンの駆動条件と
して、排気ガス温度Ｔ　ＧＡＳを３４０℃、エンジン回
転数を９０Ｏｒｐｍ、吸気管圧力を一５００ｍｍＨｇ、
空燃比Ａ／Ｆを１２に設定し、このときの酸素ポンプ電
圧ｖｐが−１，５〜１．５Ｖにあるガス導入孔の開口総
面積を調べた。

このように酸素センサのポンプ電圧ＶＰが−１゜５〜１
．５Ｖの範囲内にあることが必要であるのは、以下の理
由による。すなわち、ブラックニングの耐電圧の要請か
ら、耐久後であっても、ポンプ電圧■Ｐは、−２Ｖ〜２
■の範囲内に維持する必要がある。ところが、ポンプ電
圧ＶＰは、経時変化により初間値に対して１．３２倍程
度増大する。

したがって、初朋値のポンプ電圧を−１，５〜１゜５Ｖ
に範囲内に設定できるようにすれは、経時変化により電
圧範囲が広がっても、」二連の範囲を越えない値におさ
めることができるのである。

以上の観点から実験を行った結果、ポンプ電圧ＶＰの初
！！ｉ′Ｉｆｉを−１，５〜１．　５Ｖ（７）範囲ニ設
定するには、開口総面積を４０ｍｍ２以下に形成する必
要があることが判明した。

したがって、ガス導入孔４０ａ〜４０ｄの開口総面積は
、応答性の点から２０ｍｒｎ２以上に、また暖機時の耐
ブラックニング特性から４０ｍｍ２以下であることが必
要である。

なお、ガス導入孔の数は、第１０図（Ａ）のように４つ
に限らず、開口総面積が上述した範囲内にあれはよいこ
とが上述と同様な実験から分かり、例えは、加工のしや
すさなどを考慮して、第１０図（Ｂ）のようにφ２．５
ｍｍを縦に２つ形成したものを４箇所に設けたもの、あ
るいは第１０図（Ｃ）のようにφ１．５ｍｍを４つ集合
させ、さらにこれを４箇所に配置したものであってもよ
い。

なお、検出素子部の下端部がガス導入孔からのガス流を
直接受けない位置、すなわち、第２図に示すＱ３の長さ
を短くすれは、ガス流が直接検出素子部８にも当たらな
いから一層暖機特性を向上させることができる。なお、
この場合において、検出宏子部の位置は、応答性により
制限されるのは、勿論である。

［発明の効果コ以上説明したように、本発明によれは、カス導入孔とガ
ス拡散口との位置関係をほぼ４５度に設定したので、カ
′ス導入孔から入ったガスが一旦加熱素子により暖めら
れてからガス拡散口へ導かれるので、素子の側面に直接
ガス流が当たることによるガス流による冷却作用が小さ
く、優れた暖機特性を得ることが可能となる。

また、各ガス導入孔は、周方向に等間隔で、かつガス拡
散口に対して４５度の位置に設けられているので、各ガ
ス導入孔とガス拡散口とがほぼ等しい距離で、かつ同じ
位置関係に取り付けられていることになるので、ガス流
に対する取付位置を何ら配慮しなくてもほぼ同一の安定
した応答性を得ることができる。

【図面の簡単な説明】

第１園は本発明の一実施例による酸素センサの下端部の
斜視図、第２図は酸素センサの半断面図、第３図は検出
素子等の一部破断した斜視図、第４図は検出素子部等の
分解斜視図、第５図は酸素センサの下部の断面図、第６
図（Ａ）（Ｂ）は同実施例の作用を説明するための説明
図、第７図（Ａ）（Ｂ）はカス流と応答時間を示すグラ
フ、第８図は酸素センサの暖機特性を示すタイムチャー
ト、第９図は開口総面積と暖機特性を示すグラフ、第１
０図（Ａ）（Ｂ）（、Ｃ）は保護筒の外観を示す側面図
である。１１．１５・・・固体電解質１２．１３．１４．１８・・・多孔質電極１４・・・酸
素ポンプ素子１８・・・酸素濃淡電池素子２５・・・、２６・・・ヒータ素子９ａ・・・中空部（ガス拡散室）３０ａ、３０ｂ・・・ガス拡散口４０ａ〜４０ｄ・・・ガス導入孔代理人　　弁理士　　定立　勉（ぼか２名）第１図８ｄ４Ｕσ　　　　　　　　　　゛４０ｂ第２図第３図第５図第９図間口糾面＃（ｒｎｍり第１０図（Ａ〕　　　　　　　　　　（Ｂ）　　　　　　　　　
　／Ｃノ＋（、Ｉａ　　　　　　　　　　　　４υａ　
　　　　　　　　　　　ｔｔｕａ手続補正書

Claims

【特許請求の範囲】少なくとも一方が固体電解質からなる２枚のセラミック
基板に挟まれ、その間にガス拡散室を形成した素子部と
、該ガス拡散室へガス拡散口を介してガスを導入するガ
ス拡散部と、上記素子部の基板の両面に設けられた加熱
素子と、上記素子部および加熱素子を覆う保護筒とを備
え、上記ガス拡散口を素子部の両側面にそれぞれ形成し、ガ
ス導入孔を保護筒に複数個形成した酸素センサにおいて
、上記保護筒のガス導入孔は、素子基板のガス拡散口を軸
中心とした周方向に対して、４５度の位置付近であって
ほぼ等間隔にそれぞれ配置したことを特徴とする酸素セ
ンサ。