JPH061255B2 - 酸素濃度検出装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ この発明は、例えば自動車用エンジン等の内燃機関の排
気管部分に取付け設定され、この排気管に流れる排気ガ
ス中の酸素の含有状態を測定検出する酸素濃度検出装置
に関する。

［発明の背景技術］ 内燃機関に対する例えば内燃噴射量、点火時期等の制御
状態を電子的に制御するには、この機関の運転状態を検
出する必要のあるものであり、特に機関における燃焼状
態を検出するには、排気ガス中に含まれる酸素の量を測
定検出する必要がある。このため、内燃機関の制御装置
にあっては、その排気管に対して酸素濃度検出装置を取
付け設定し、この排気管を介して排出されるガスに含有
される酸素の量を測定検出するようにしている。

このような酸素濃度検出装置としては、例えば特開昭５
４−１３３９６号公報、あるいは特開昭５７−１７８１
５２号公報に示されているようなものが知られているも
ので、酸素イオン伝導性材料で構成される固体電解質を
用いて構成されている。

例えば、上記のような固体電解質物質によって検出素子
を構成するもので、この検出素子はコップ状に形成され
た固体電解質物質の内外両面にそれぞれ正および負の電
極を形成してこの両電極間に電圧を印加設定するもの
で、この電極間に電流が流れる状態に設定される。すな
わち、この検出素子が被測定ガス雰囲気中に設定される
と、このガス中の酸素が上記正の電極で電子の供給を受
けて酸素イオンとされる。この酸素イオンは上記固定電
解質物質内を拡散して上記負の電極で電子を放出して酸
素分子に戻るものであるが、この酸素イオンの移動に対
応して上記両電極間に電流が流れ、その電流量によって
酸素ガスの量が測定検出されるようになる。

この場合、上記量電極間に印加設定する電圧値をある特
定範囲に設定すると、その電圧の変動に関係なくこの両
電極間に流れる電流量が酸素量に対応して一定の状態と
なり、このような状態で得られる限界電流値によって酸
素濃度検出動作を実行させるものである。

このような限界電流値を用いるような酸素濃度検出装置
にあっては、その検出素子の検出部、すなわち固体電解
質物質部分の温度を設定される温度以上の状態に設定す
る必要がある。このため、上記固体電解質からなる検出
素子部分には加熱用のヒータが組み合せ設定されている
もので、このヒータによって検出素子の温度を一定に保
つようにしている。

また、このような検出素子は、測定すべきガス雰囲気中
に設定する必要があるもので、例えば内燃機関の吸気管
の中に上記検出素子を突出する状態で取付け設定する。
このため、この検出素子に対しては保護用の目的で、ま
た上記検出素子からの放熱を少なくしてその温度を安定
に保持させるために素子カバーが設けられている。しか
し、このような検出素子を長期間に亙り使用すると、上
記素子カバーが酸化するようになり、特にその内面の酸
化が進行するとその内面の熱副射の効率が悪い状態とな
る。したがって、この素子カバーの内部に設定される検
出素子の放熱が大きい状態となり、その温度が低下する
ようになって、限界電流値を正確に測定検出することが
困難な状態となるおそれがある。耐久試験によれば、検
出素子の温度が約５０℃低下することが確認された。

［発明が解決しようとする問題点］ この発明は上記のような点に鑑みなされたもので、検出
素子を構成する固体電解質部分の温度をより効果的に特
定温度状態に安定設定できるようにして、限界電流値が
確実に高精度に測定検出され、特に長期間に亙って安定
した測定精度が保たれるようにして、例えば自動車用の
エンジンの電子的制御システムに対して効果的に利用さ
れるようにする酸素濃度検出装置を提供しようとするも
のである。

［問題点を解決するための手段］ すなわち、この発明に係る酸素濃度検出装置にあって
は、内部に加熱用ヒータを設定した酸素イオン伝導性金
属酸化物からなる固体電解質素子の外周部に設定される
素子カバーの特に内面部分を、前記ヒータによる輻射熱
がほぼ一定である材料により構成するもので、例えばこ
のカバーの内面をＰｔ、Ｒｈ、Ａｕ等の金属材料、ある
いは内面を研磨したセラミックコーティング層で構成す
るものである。

［作用］ すなわち、素子カバーの内面がＰｔ、Ｒｈ、Ａｕ等の金
属材料、あるいは表面を研磨したセラミックコーティン
グ層で被覆するようにしたので、内部に設定されるヒー
タによって加熱された固体電解質素子からの輻射熱が上
記カバー内面で良好に反射され、上記固体電解質素子の
温度が安定に保持されるようになる。また、上記素子カ
バーの内面に形成した金属あるいはセラミックコーティ
ングによる耐酸化性、耐熱性の高い物質による層が存在
するものであるため、そのカバー内面の酸化の進行状態
が効果的に抑制され、上記固体電解質素子の温度を安定
に保持する効果は長期間に亙り保証されるようになるも
のである。したがって、酸素濃度に対応した限界電流値
が常に正確に測定検出されるようになって、例えば自動
車用エンジンの制御システムにおいて利用される、排気
ガス中の酸素濃度の検出動作を、充分な信頼性と耐久性
をもって実行させるようになるものである。

［実施例］ 以下、図面を参照してこの発明の一実施例を説明する。
第２図は全体的な構成を示したもので、固体電解質素子
11は例えば円筒状にされ、その一方の端部が閉じられた
コップ状に構成されるもので、この固体電解質素子11の
内部の中心軸部分には棒状にした加熱ヒータ12が設定さ
れ、このヒータ12によって上記固体電解質素子11が加熱
設定されるようになっている。ここで、上記固体電解質
素子11は測定ガス中の酸素濃度に応じた起電力を示すと
共に負の抵抗温度特性を有する酸素イオン伝導性の金属
酸化物、例えばＺｒＯ_２９９モル％と、Ｙｂ_２Ｏ_３８モ
ル％とを固溶させた緻密な焼結体によって構成されてい
る。

この場合特に詳細には示してないが、上記コップ状にし
た固体電解質素子11の表裏両面にはそれぞれガスを通過
させるように多孔質状態に構成される電極層が形成され
ているもので、この電極層の相互間に所定の電圧が印加
設定されるようになる。

上記加熱用ヒータ12はその基端部分で円筒状の固体電解
質素子11の基端開口部分に絶縁性のヒータホルダ13を介
して嵌め込み設定されるもので、このヒータ12を保持す
る状態となる固体電解質素子11は、金属性の筒状のハウ
ジング14の内部に嵌め込み設定される。

この場合、固体電解質素子11の外周部分にはホルダ15設
定し、さらにタルク16、アスベスト17、リングパッド18
を順次挿入設定してリングパッド18の上部からプレスし
て圧縮固定する。このリングパッド18に対しては、円筒
状のカバープロテクション19が対接設定されるもので、
このプロテクション19は上記ハウジング14と同軸的に設
定され、このハウジング14をかしめることによって、こ
のハウジング14に対して結合設定されるようになってい
るもので、上記カバープロテクション19が固定保持され
るようになっているものである。

上記カバープロテクション19の内部には、インシュレー
タ20および21が同軸的に重ねられるように配置され、ス
プリング22によって上記インシュレータ20がヒータ12の
ホルダ13を固定電解質素子11の方向に押し付けるように
設定されているもので、このインシュレータ20によって
加熱ヒータ12が固体電解質素子11に対して固定設定され
るものである。

第１図は上記のような酸素濃度検出装置の特に固体電解
質素子11部分に対応する主要部分を取り出して示してい
るもので、加熱ヒータ12はその先端部分が発熱部として
構成されており、この発熱部分に対応する固体電解質素
子11の先端部分を加熱するようになっている。この加熱
される固体電解質素子11の先端部分が酸素濃度検出部と
なるもので、上記ハウジング14に対して一体に取付けた
フランジ23から突出する状態に設定される。例えば、こ
の検出装置でエンジンの排気ガス中の酸素濃度を検出す
る場合には、上記フランジ23を用いてこの検出装置を排
気管に対して取付け、固体電解質素子11部分が上記排気
管の中に突設され、排気ガスが固体電解質素子11に対し
て接触設定されるようにするものである。

そして、このように設定される固体電解質素子11の先端
検出部分の外周部には、２重構造にした素子カバー24お
よび25を設定するもので、内部の素子カバー25は素子カ
バー24に対して溶接等によって一体に構成され、この外
部の素子カバー24は上記ハウジング14に対して結合設定
してなる。

この素子カバー24および25は、上記固体電解質素子11の
検出部分を保護する目的で設定されるもので、このカバ
ー24および25にはそれぞれ排気ガスを検出素子となる固
体電解質素子11の表面部分に導くための多数の小孔が形
成されている。この場合、この素子カバー24、25は例え
ば強度的また熱的に充分な強度を得るために金属によっ
て構成されている。

すなわち、フランジ23によってこの検出装置を排気管に
対して取付け設定した状態では、排気管の中の排気ガス
が素子カバー24および25に形成した小孔を介して固体電
解質素子11部分に導かれ、この固体電解質素子11で排気
ガス中の酸素濃度が検出されるようになる。具体的に
は、固体電解質素子11の外側の表面に設定された電極が
正となる状態で電圧を印加設定すると、排気ガス中の酸
素がこの電極部分で酸素イオンに変換され、固体電解質
素子11の内部を拡散して他方の負の電圧に設定された電
極部分に至り、再び酸素に戻るようになるもので、酸素
イオンの量すなわち排気ガス中の酸素の量に対応した電
流が、固体電解質素子11の表裏両面に設定した電極間に
流れるようになる。この場合、上記電極間に設定される
電圧が特定される領域にある状態では、上記両電極間に
流れる電流量が印加電圧を変化させても変動しない限界
電流となるもので、この限界電流値によって酸素濃度を
測定検出することができる。

このような酸素濃度検出状態で、固体電解質素子11の温
度が６５０℃以上の状態とならないと、正確に酸素濃度
を検出することができない状態となる。このため、加熱
ヒータ12によって上記固体電解質素子11を加熱設定し、
特に排気温度が低い状態で素子11を加熱し、この素子11
が一定温度以上の状態に保たれるようにしている。

しかし、この固体電解質素子11の温度状態は、特に内部
の素子カバー25の状態に影響されるようになる。すなわ
ち、固体電解質素子11の熱は放熱されるものであるが、
この素子11からの輻射熱は素子カバー25の内面で反射さ
れ、したがって素子11の温度の低下の状態が抑制され
て、この素子11の温度が効果的に保持されるようにな
る。

この時、素子カバー25の内面の反射熱は、この内面の
酸化状態によって異なるようになるもので、その熱効率
は酸化の進行と共に悪くなるものである。

すなわち、特に内面の素子カバー25を耐熱性に構成する
と共に、酸化の少ない構成とすることによって、固体電
解質素子11部分からの輻射熱を有効に利用して、この素
子11の温度の低下を効果的にするようにすれば、この酸
素濃度検出装置は安定した検出動作状態に設定されるも
のである。

このため、上記素子カバー25の内面部分に対して酸化の
少ないＰｔをメッキして保護被膜26を形成するものであ
る。すなわち、この保護被膜26によって長期間高熱状態
に設定しても素子カバー25の内面は酸化から保護される
ようになるものであり、固体電解質素子11からの輻射熱
が有効に利用されて、この素子11の温度低下が効果的に
抑制されるようになる。そして、信頼性の高い酸素濃度
検出動作を保証するようになるものである。

第３図の（Ａ）および（Ｂ）はヒータ12の温度と固体電
解質素子11の温度状態を、素子カバー25に保護被膜26を
形成しない状態でテストした場合と、Ｐｔによる被膜26
を形成した場合の耐久テストした場合とを示している。
このテストにおいては、中軸に直径０．７mmの孔をあけ
た丸棒状のセラミックヒータを用い、この中軸の孔の中
に直径０．５mmのシース型電熱対を通し、ヒータ発熱部
の最高温度位置にセラミック接着剤で熱電対先端を固定
して温度測定できるようにして構成した。また素子温度
も、同様に熱電対を素子最高温度表面位置に固定して測
定した。そして、この様に熱電対を装備して温度計測で
きるようにした酸素濃度検出装置を使用し、一定のエン
ジン動作条件下に設定して、ヒータには一定電力が供給
されるようにして温度計測を行う。

この様な耐久テストに際して保護カバーを装着した状態
で所定温度で長時間処理することが困難であるため、予
め所定の熱処理がそれぞれ施された複数の保護カバーを
用意し、この素子カバーのみを交換して、すなわち素子
カバーを毎回付け替えて繰り返し測定して、第３図で示
すようなデータを得た。この場合、ヒータ温度は変えて
いない。

第３図は素子カバーの熱輻射状態が経時的に変化するた
め熱輻射の効率が落ち、素子温度およびヒータ温度も低
く変化することを示している。そのため、熱効率のよい
素子カバーに戻すと素子温度もヒータ温度も新品状態の
温度になるもので、結果的にヒータ温度も変化してい
る。したがって、この第３図で示される結果は同一の温
度計測できる酸素濃度検出装置を使用し、同一条件下で
素子カバーのみを交換しているため、素子カバーの熱輻
射の影響、すなわち経時変化の影響を表現するようにな
る。

この第３図では示した結果においては、保護被膜の存在
しない状態では、線で結んで示すように新品の状態、９
００℃の熱処理を空気中で１時間、５時間、１２時間実
行した場合、および実車で５マイル走行する耐久テスト
した場合には、ヒータ温度および素子11の温度共に低下
して、ヒータ温度では２０℃、素子11の温度では５０℃
も低下するようになる。

これに対して、Ｐｔによる保護被膜26を設定した状態で
は、９００℃で１２時間熱処理を施した状態でも、ヒー
タ温度および素子11の温度共に新品と同じ状態にあるも
のであり、充分にこの検出装置の耐久性が確認されるも
のである。

また、上記のようにＰｔ被膜26を形成する代わりに、素
子カバー25自体をＰｔによって構成するようにしても、
固体電解質素子11の温度の低下を抑制するために大きな
効果を発揮する。すなわち、上記第３図に同時にテスト
して示されるように、むしろ従来の新品よりも温度の高
い状態に効果的に設定されるものである。

その他に、素子カバー25自体を耐熱性があり、且つ耐酸
化性の強いセラミックによって構成するようにしてもよ
いものであり、またセラミックコーティング層を形成し
て、このコーティング層を上記保護被膜26として用いる
ようにしてもよいものである。この場合、上記セラミッ
ク層の内面を特に研磨して熱の反射特性を良好に設定す
れば、固体電解質素子11の温度低下の抑制に大きな効果
を発揮するようになる。

尚、上記実施例では素子カバーを２重構造として示して
いるが、この素子カバーはもちろん１重構造であっても
よいものである。

［発明の効果］ 以上のようにこの発明によれば、固体電解質素子の温度
状態が常に安定して保たれる状態となるものであり、限
界電流値によって正確な酸素濃度が確実に測定検出され
るようになるものである。そして、特にこの固体電解質
素子の温度安定状態は耐久性をもって保証されるように
なるものであるため、例えば自動車用エンジンの排気ガ
ス中の酸素濃度を測定する場合に効果的に使用すること
のできるのであり、このようにエンジンの電子的制御シ
ステムに対して効果的に応用できるものである。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明の一実施例に係る酸素濃度検出装置の
検出素子部分を特に取り出して示す断面構成図、第２図
は上記検出装置の全体的な構成状態を説明する断面構成
図、第３図は上記検出装置の固体電解素子部分に対応す
る部分の温度状態を耐久テストする状態で示す図であ
る。 11…固体電解質素子、12…加熱ヒータ、13…ヒータホル
ダ、14…ハウジング、24、25…素子カバー、26…保護被
膜（Ｐｔメッキ膜）。

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】内部に加熱用ヒータを設定した酸素イオン
   伝導性金属酸化物からなる固体電解質素子と、 この固体電解質素子の外側にこの素子を保護するように
   設定され、前記固体電解質素子の表面部分に被測定ガス
   を導く複数の透孔を形成した素子カバーとを備え、 この素子カバーの少なくとも内面部分は、前記ヒータに
   よる輻射熱がほぼ一定である部材より構成されるように
   したことを特徴とする酸素濃度検出装置。
2. 【請求項２】前記内面を前記ヒータによる輻射熱がほぼ
   一定である部材より構成される素子カバーは、その内面
   にＰｔ、Ｒｈ、Ａｕ等の耐熱性および耐酸化性に富む金
   属材料による被膜を形成して構成した特許請求の範囲第
   １項記載の酸素濃度検出装置。
3. 【請求項３】前記内面を前記ヒータによる輻射熱がほぼ
   一定である部材より構成される素子カバーは、Ｐｔ、Ｒ
   ｈ、Ａｕ等の耐熱性および耐酸化性の高い材料によって
   構成するようにした特許請求の範囲第１項記載の酸素濃
   度検出装置。