JPH04157358A - 酸素センサ - Google Patents

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］ 本発明は、酸素センサに関する。本発明の酸素センサは
例えば自動車等の内燃機関の排気ガス中の酸素濃度を検
出するのに供される。

［従来技術］ 特開昭５４−１３３９６号公報は、車両の始動時又はア
イドル時など、排気ガス温度が低い場合でも内燃機関の
排気ガス中の酸素濃度を良好に検出することを目的とし
て、電気抵抗発熱体内蔵型式の酸素センサを開示してい
る。

この酸素センサは、イオン伝導性で略試験管状の固定電
解質管と、固定電解質管の内外面に設ｃノられた一対の
電極部と、内部に棒状の中央電極が嵌入され固定電解質
管内部に挿入された両端開口で筒状の絶縁体と、この絶
縁体の外周面に螺旋状に巻装された線状の発熱体とを備
えており、絶縁体の先端は固定電解質管の先端内面に達
している。

［発明が解決しようとする課題］ 近年、排気ガス浄化の要求が高まり、そのためにはエン
ジン始動後できるだけ短時間に酸素センサをその活性化
温度まで加熱せねばならない。

そのためには、ヒータ電力を増加することが考えられる
が、ヒータ電力を増加すると発熱体の最高温度が高くな
りすぎ、更にはヒータ部の耐熱限界を超えてしまい、好
ましくない。

本発明はこのような問題点に鑑みなされたものであり、
ヒータ部温度を増大させることなくセンサ作動開始時間
の短縮が可能な酸素センサを提供することをその目的と
している。

［課題を解決するための手段］ 本発明の酸素センサは、酸素イオン伝導性の金属酸化物
からなる略試験管状の固体電解質部と、該固体電解質部
の内外面に設けられた一対の電極部と、セラミック絶縁
体及び該セラミック絶縁体表面に設けられる発熱体を有
し前記固体電解質部内部の空洞に収納される棒状のヒー
タ部とを具備する酸素センサにおいて、前記ヒータ部の
外径Ｒｈと前記固体電解質部の内径Ｒ５との比Ｒｈ／Ｒ
ｓｔｆｉｏ、ｓ以上、前記発熱体の軸方向長さＬと前記
ヒータ外径Ｒｈとの比Ｌ／Ｒｈが２以下、前記発熱体下
端から前記固体電解質部の先端部内面までの距離Ｃと前
記内径Ｒｓとの比乙／Ｒｓが０゜６以下となっているこ
とを特徴としている。

固体電解質部として用いる酸素イオン伝導性の金属酸化
物として、カルシア、イツトリア、イツテルビア等を添
加したジルコニアなどを採用することができる。固体電
解質部の外径は４〜５ｍｍ、内径は２〜５ｍｍ、軸長は
３０〜５Ｑｍｍの範囲で選択することが好ましい。

電極部として、白金、又は白金属合金などを採用するこ
とができる。固体電解質部の内外面に設けられる電極部
の膜厚は０．５〜２０μｍとすることが好ましい。

セラミック絶縁体として、アルミナ、ムライトなどを採
用することができる。

発熱体として、抵抗ペーストを印刷して焼成した抵抗パ
ターンを採用することができる。好適な実施例において
ピータ部は、抵抗ペーストにより抵抗パターンが印刷さ
れた絶縁セラミックシートからなるグリーンシートを棒
状のセラミック絶縁体に装着し、その後、これを焼成し
て作製される。

ヒータ部の外径Ｒｈと固体電解質部の内径Ｒ５との比Ｒ
ｈ／Ｒｓは、０．８以上好ましくは０゜８５以上とされ
る。比Ｒｈ／ＲＳが０．８より小さいと、固体電解質部
とヒータ部との間の空隙の熱抵抗が急激に増加して、固
体電解質部の温度上昇速度が低下し、活性化時間が延長
される。

発熱体の軸方向長ざＬとヒータの外径Ｒｈとの比Ｌ／Ｒ
ｈは２以下、好ましくは、１．５とされる。すなわち、
発熱体の発生熱量は供給電力により規制されて一定であ
り、もし、発熱体の軸方向長さしが長いと、実質的に固
体電解質部の先端部内面と発熱体の平均発熱中心点との
間の距離が延び、そのために固体電解質部の先端部を充
分加熱することができず、固体電解質部の先端部への伝
熱に時間がかかつてしまう。

発熱体下端から固体電解質部の先端部内面までの距離乙
と固体電解質部の内径Ｒｓとの比ｔ／Ｒｓは０．６以下
、好ましくは０．５５以下とされている。このようにす
ると、固体電解質部の内径の変化にかかわらず、固体電
解質部の先端部を速やかに加温することができる。

［作用及び発明の効果］ この発明は、ヒータ部の発熱体と固体電解質部との間の
伝熱抵抗を低減してセンサ活性化時間の短縮を図るもの
であり、そのために、上記構成の如く発熱体の形状、配
置を工夫している。

詳細に説明すれば、本発明者らは、この種の酸素センサ
の活性化時間を短縮するには、固体電解質部の一部領域
をまず速やかに活性化すればよいことに気がついた。す
なわち、固体電解質部は酸素分圧に応じた熱起電力を発
生するので、固体電解質部の一部の領域が活性化すれば
出力電圧が固体電解質部の内外面の電極対間に生じる。

そして、固体電解質部の一部を集中加熱するには、加熱
電力は一定であるので、ヒータ部の発熱体をこの部分に
近接させ、固体電解質部の一部を急速に立上がらせるこ
とが得策であることに気がついた。

更に、この高速に立上らせるべき固体電解質部の一部と
してはその先端部が最も好適であることに気がついた。

すなわち、固体電解質部の先端部は、排気ガスにより他
部に比較して最も加熱される部位であり、この部分を加
熱電力に集中加熱すれば排気ガス加熱及び加熱電力の双
方により最も活性化時間を短縮できるであろう。

本発明は以上の考察およびそれを実証する実験によりな
されたものであって、固体電解質部の先端部近傍に発熱
体を偏在させたものである。

実験によれば、発熱体の形状、配置を上記範囲内とする
ことにより、ヒータ電力を増大することなく、固体電解
質部の先端部を速やかに加熱することができ、その結果
として酸素センサの急速な立上がりが可能となることが
判明した。

［実施例］ 本発明の一実施例を第１図に示す。

この酸素センサは、略試験管状の固体電解質部１を有し
、固体電解質部１の内外面に一対の電極部（図示せず）
が設けられている。固体電解質部１は、イツトリア−ジ
ルコニア系の酸素イオン伝導性セラミックスから形成さ
れ、一端が閉塞している筒状のＭ素検知素子である。固
体電解質部１の内外面には一対の電極層（図示せず）が
設けられており、外面側の電極は酸素透過のために多孔
性となっている。固体電解質部１の中央部は、絶縁性セ
ラミックよりなるインシュレータ４．５、タルクよりな
るセラミック粉末６を介して両端開口で金属筒からなる
ハウジング３を電気絶縁されつつ貫通しており、このハ
ウジング３の図中、上端はスリーブ９の外周面にリング
１７を蔵して挾められている。スリーブ９の図中、上端
開口は、絶縁セラミックからなる栓体１０により封止さ
れており、栓体１０及びそれと軸方向に重なる栓体１１
はスリーブ９とともに、第２スリーブ１２中に挾められ
ている。

一方、ハウジング３の図中、下端はガス透過窓７ａ、７
ｂ付の二重カバー７の図中、上端を係止しており、これ
により固体電解質部１の先端部（図中、下側部分）は排
気ガス中の酸素ガスと接触可能にカバー内部に収容され
ている。

固体電解質部１内部には棒状のセラミックヒータ（本発
明でいうヒータ部）２が挿入されており、セラミック棒
〜り２の先端は小円板体状の突起部、　　２ａとなって
いる。突起部２ａ周端縁は固体電解質部１の先端部内面
に接し、セラミックヒータ２の他端は固体電解質部１か
ら図中、上方に突出している。

セラミックヒータ２は、第２図に示すように、アルミナ
からなるセラミック棒（本発明でいうセラミック絶縁体
）２５と、このセラミック棒２５の表面に設けられたく
し歯状の発熱体２６とで構成されている。発熱体２６は
抵抗ペーストを印刷し、セラミック棒２５とともに焼成
して作製される。

８は固体電解質部１の内周面上端にセラミックヒータ２
を固定し、同時に固体電解質部１内部を封止するための
筒状の固定用金具である。

一方、栓体１０．１１を貫通して一対の電極棒１３．１
４が設けられており、電極棒１３．１４の先端は引出し
線１５．１６により固体電解質部１の内外面の上記電極
対に個別に接続されている。

更に、栓体１０．１１の中央部を貫通して内部に延びる
電極線対が設けられており、この電極線対はセラミック
ヒータ２の先端部に埋設された発熱体２６（第２図参照
）の両端に接続されている。

ここで、固体電解質部１の内径Ｒ９は３．６ｒｎｍ１セ
ラミックヒータ２の外径Ｒｈは３．２ｍｍに設定されて
おり、発熱体２６軸方向長さしは５ｒｒ１ｍ、発熱体２
６の下端から固体電解質部１の先端部内面までの距Ｍｔ
は１．５ｍｍに設定されている。

以下、この実施例の酸素センサの作用効果について、第
６図〜第８図を用いて説明する。

第６図〜第８図は、発熱体２６の配置、寸法とセンサ活
性化時間との関係を示す実験結果である。

ただし、センサ活性化時間はエンジン始動（同時にヒー
タ通電）後、アイドリング状態でセンサが作動を開始す
るまでの時間とする。

第６図はセラミックヒータ２の外径ＲＨと素子内径Ｒｓ
の比（Ｒｈ／Ｒｓ）と活性化時間との関係を示す。発熱
体２６の長さＬは、Ｌ／Ｒｈ＝２とする。第６図から、
セラミックヒータ２の外径ＲＨと素子内径Ｒ５の比（Ｒ
ｈ／Ｒｓ＞か０．８以下になると急に活性化時間が長く
なってくることがわかる。

第８図は発熱体２６の長さ１とヒータ径Ｒｈとの比（Ｌ
／Ｒｈ）と活性化時間との関係を示す。

ＲＨ／Ｒｓは０．８５とする。る見たのが図４に示した
通りで、Ｌ／Ｒｈが小さくなるほど活性化時間も短くな
り、Ｌ／Ｒｈが２以下ではほぼ安定してくる。

第７図はセラミックヒータ２の先端部内面から固体電解
質部１の先端までの距離乙（図２参照）と素子内径Ｒｓ
との比乙／Ｒ５に対するセンサ活性化時間との関係の関
係を示す。ＲＨ／Ｒｓは０゜８５とする。比４／Ｒ３が
３１５を超えるとセンサ活性化時間は急に増加すること
がわかる。

これらの結果、この実施例の酸素センサでは、従来品よ
りも活性時間をほぼ１／２　（３５秒）に短縮すること
が可能となった。

［他の実施例］ 本発明の他の実施例を第３図〜第５図に示７゜センサ活
性化ＩＪ、′Ｉ＃Ｊを短縮するためには、セラミックヒ
ータ２から光ぜられる熱を、効率よくセンＶ素子に伝え
ることか、ポイン１〜となる。従って、セラミックヒー
タ２の先端部形状を第３図に示すように固体電解質部１
の先端部内面に沿う多段形状にすれば、セラミックヒー
タ２と固体電解質部１の先端部内面との接触面積か増加
して品性化時間は更に短縮される、更に、セラミックヒ
ータ２の先端部形状を第４図に示すように固体電解質部
１の先端部内面沿うテーパ形状又は曲面形状とすると、
セラミックヒータ２と固体電解質部１の先端部内面との
接触面積か一層増加して活性化１１．￥間は更に短縮さ
れる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の酸素センサの一実施例を示す断面図、
第２図はこの酸素センサの先端部拡大断面図、第３図〜
第５図は、発熱体の先端部形状の変型態様を一部正面図
、第６図〜第８図は、発熱体２６の配置、１法とセンサ
活性化時間との関係を示す線図である。 １・・・固体電解質部 ２・・・セラミックヒータ（ヒータ部）２５・・・セラ
ミック絶縁体 ２６・・・発熱体 特許出願人　　日本電装株式会社

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 　酸素イオン伝導性の金属酸化物からなる略試験管状の
   固体電解質部と、該固体電解質部の内外面に設けられた
   一対の電極部と、 セラミック絶縁体及び該セラミック絶縁体表面に設けら
   れる発熱体を有し先端が前記固体電解質部の先端内面に
   達するまで前記固体電解質部の内部空洞に収納される棒
   状のヒータ部と、 を具備する酸素センサにおいて、 前記ヒータ部の外径Ｒｈと前記固体電解質部の内径Ｒｓ
   との比Ｒｈ／Ｒｓが０．８以上、前記発熱体の軸方向長
   さＬと前記外径Ｒｈとの比Ｌ／Ｒｈが２以下、前記発熱
   体下端から前記固体電解質部の先端部内面までの距離ι
   と前記内径Ｒｓとの比ι／Ｒｓが０．６以下となってい
   ることを特徴とする酸素センサ。