JPH0781986B2 - 内燃機関用酸素センサ - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〈産業上の利用分野〉 本発明は内燃機関用酸素センサに関し、詳しくは内燃機
関の排気管に装着して該機関に供給される混合気の空燃
比と密接な関係にある排気中の酸素濃度を測定し、空燃
比フィードバック制御におけるフィードバック信号の提
供に用いるものに関する。

〈従来の技術〉 従来、この種の酸素センサとして、酸素濃度の高い領域
（空燃比リーン領域）から低い領域（空燃比リッチ領
域）まで広範囲に測定できる例えばSAE paper 850378に
おいて示されているものがある。

かかる酸素センサのセンサ素子部の構造を第４図に示す
と、例えば白金で構成された加熱ヒータ１を装着したア
ルミナ等からなる基板２上に、先端側が閉塞する平面略
コ字型の例えばアルミナからなる平板３を設けて大気が
導入される大気室４を形成し、前記平板３上に酸素濃度
検出部５を設けてある。この酸素濃度検出部５は、第１
酸素イオン伝導性固体電解質であるジルコニアシート６
の大気室４側に白金からなる検出電極７を設け、反大気
室４側に同じく白金からなる検出電極８を設けて構成さ
れる。更に、この酸素濃度検出部５の上方に機関排気が
導入される測定室９を介して酸素ポンプ部10が設けられ
る。この酸素ポンプ部10は、第２酸素イオン伝導性固体
電解質であるジルコニアシート11の両面に白金からなる
ポンプ電極12,13を設けると共に、前記測定室９に機関
排気を導入する排気導入孔14を設けて構成される。

そして、大気室４内の大気（酸素濃度略一定）と測定室
９内の排気の酸素濃度の比によって検出電極7,8間に電
位差が生じ、この電位差に基づいて測定室９内の雰囲気
を検出する。

また、酸素ポンプ部10は、ポンプ電極12,13の極性を逆
にすることにより、ジルコニアシート11を介して酸素を
測定室９内から外側（排気管側）に汲み出したり、外側
から測定室９内に汲み入れたりする。

従って、測定室９内の雰囲気を一定（理論空燃比相当の
酸素濃度）にするために酸素ポンプ部10のポンプ作用で
調整し、そのときにポンプ電極12,13間に流す電流値を
測定することにより排気中の酸素濃度を検出する。

例えば、排気中の酸素濃度の高いリーン領域での空燃比
を検出する場合には、外側のポンプ電極13を陽極、測定
室９側のポンプ電極12を陰極にして電圧を印加する。す
ると、電流に比例した酸素が測定室９内から外側に汲み
出される。そして、印加電圧が所定値以上になると、流
れる電流は限界値に達し、この限界電流値を測定するこ
とにより排気中の酸素濃度、言い換えれば空燃比を検出
できる。逆にポンプ電極13を陰極、ポンプ電極12を陽極
にして、測定室９内に酸素を汲み入れるようにすれば、
排気中の酸素濃度の低い空燃比リッチ領域での検出がで
きる。

このようにして、上記酸素センサは、広範囲な酸素濃度
領域で測定することができる。

次に酸素センサの従来の全体構造を第５図に示す。

図において、センサ素子部20は、その中間部でパッキン
21及びタルク（滑石）22を介してホルダ23によって保持
されている。前記ホルダ23の先端外周には、スリット24
aを有するプロテクタ24がセンサ素子部20を覆うように
して嵌合し、ホルダ23の基端外周は、円筒状のアウタキ
ャップ（外側ケース）25に嵌合保持されている。センサ
素子部20の基端部は、ガラス層26を介して円筒状のイン
ナキャップ（内側ケース）27によって保持されており、
センサ素子部20の検出電極，ポンプ電極及びヒータの端
子にそれぞれ接続されるリード線28は、接続部29を介し
てリードハーネス30に接続されている。尚、31は前記接
続部29を保護するグロメット、32はガスケットホルダで
ある。

ここで、かかるセンサ素子部20の積層構造及び第４図に
示した検出電極7,8、ポンプ電極12,13及び加熱ヒータ１
の取り出し構造を第６図に示す。

第６図は、センサ素子部20の積層前の状態を示す分解斜
視図である。酸素ポンプ部10の外側のポンプ電極13はジ
ルコニアシート11の上面の長手方向中央に沿ってセンサ
素子部20の基端部にまで延設されて端子40に接続され
る。一方、測定室９側のポンプ電極12は、ジルコニアシ
ート11の下面の長手方向一方端縁に沿ってセンサ素子部
20の基端側にまで延設された後、ジルコニアシート11に
形成したスルーホール41を介してジルコニアシート11上
面の端子42に接続される。尚、ポンプ電極12,13は、排
気導入孔14を中心とするリング状に形成されている。

また、測定室９側のポンプ電極12と、同じく測定室９側
の検出電極８との間には、積層焼成時の熱で焼失するこ
とによって測定室９を形成する高温分解物質（ポリビニ
ル，ポリエチレン等）43を介装してある。

測定室９側の検出電極８は、ジルコニアシート６の上面
のポンプ電極12の延設される側とは反対側の長手方向端
縁に沿って基端側まで延設され、ジルコニアシート11に
設けられたスルーホール44を介してジルコニアシート11
上面の端子45に接続される。これにより、ジルコニアシ
ート11の上面には、両ポンプ電極12,13及び測定室９側
の検出電極８にそれぞれ接続される端子40,42,45が配設
される。

一方、大気室４側の検出電極７は、ジルコニアシート６
の下面に沿って基端側にまで延設されて端子46に接続さ
れる。測定室４を形成する平板３は、その先端側をジル
コニアシート６（ジルコニアシート11と同じ外形）の先
端と一致させて積層するが、その長手方向長さがジルコ
ニアシート6,11よりも所定だけ短く形成されているた
め、前記端子46はジルコニアシート６の平板３とによっ
て挟まれることなく、外部に露出されるようになってい
る。また、平板３は前述のようにその平面が略コ字型に
形成されており、基端側の切欠き開口端の大気導入孔51
から大気を大気室４内に導入する。

平板３と基板２との間に挟まれる加熱ヒータ１は、その
両極が基端側にまで延設され、基板２に形成したスルー
ホール47,48を介して基板２の下面の端子49,50に接続さ
れる。

ここで、平板３と基板２とは略同外形に形成さており、
その先端がそれぞれジルコニアシート6,11の先端と一致
するように積層されるため、積層時のセンサ素子部20の
外形は、第７図に示すように階段状となる。また、ポン
プ電極12,13、検出電極7,8及び加熱ヒータ１それぞれに
接続される端子40,42,45,46,49,50は、端子40,42,45が
ジルコニアシート11上面に、端子46がジルコニアシート
６下面に、端子49,50が基板２下面に、それぞれ配設さ
れている。

かかる構造のセンサ素子部20を有した酸素センサの全体
構成を再び第５図に戻って説明すると、前記端子40,42,
45,46,49,50それぞれに接続されたリード線28は前述の
ように接続部29を介してリードハーネス30に接続され
る。また、平板３に形成される大気導入孔51にはパイプ
52の基端部を嵌挿させ、その先端開口部が、センサ素子
部20をホルダ23保持させた状態でインナキャップ27の開
口端縁よりも上方に位置するようにしてある。これは、
センサ素子部20をインナキャップ27内に固定するのに用
いられるガラス層26が、インナキャップ27内に充填した
ガラス粉を焼成することによって形成されるものであ
り、このガラス粉が大気導入孔51から大気室４側へ進入
することを防ぐためである。

即ち、前記ガラス粉はパッキン21及びタルク22によって
センサ素子部20をある程度固定した状態でインナキャッ
プ27の略開口端縁にまでガラス粉を充填した後に焼成す
ることによって形成されるため、パイプ52を設けずにガ
ラス粉を充填すると、図に示すようにインナキャップ27
の開口端縁よりも下方に位置されるセンサ素子部20の基
端側端面に設けられる大気導入孔51から大気室４側へガ
ラス粉が進入して、大気室４への大気の導入ができなく
なる惧れがあるためであり、パイプ52の先端開口部をイ
ンナキャップ27の開口端縁よりも上方に位置させること
により、インナキャップ27へのガラス充填時に大気室４
に対する大気の導入経路にガラス粉が進入することを防
止する。

〈発明が解決しようとする問題点〉 ところで、かかる従来の酸素センサによると、第７図に
示したように、積層構造が階段状となっているため、こ
の階段状となっていて積層が薄くなるジルコニアシート
6,11の部分に変形（反り等）が発生したり、また、応力
集中等によって平板３及び基板２の端部の剥がれやジル
コニアシート6,11の割れが発生する惧れがあった。

また、ポンプ電極12,13及び測定室９側の検出電極８、
更に加熱ヒータ１は、積層方向端面に配設された端子か
らそれぞれ取り出すようになっているが、大気室４側の
検出電極７のみが階段状となっている積層部分（ジルコ
ニアシート６下面）から取り出すようになっているた
め、リード線28との接続や単品評価の際の接続が容易で
ないという問題があった。

更に、ガラス粉が大気導入経路へ進入することを防止す
るためにパイプ52を設けてあるが、このパイプ52が大気
導入孔51に嵌挿される構成であるため、ガラス粉の充填
時にこのパイプ52の基端開口部が大気導入孔51から外れ
たり、嵌挿された状態でも隙間からガラス粉が大気導入
孔51に進入したりする惧れがあると共に、パイプ52はガ
ラス粉進入阻止のためにのみ必要とする部品であるた
め、コストの面及び工数の面からは廃止が望まれる部品
であった。

本発明はセンサ素子部の積層構造及び電極の取り出しを
改善することにより、上記問題点を解決しようとするも
のである。

〈問題点を解決するための手段〉 そのため本発明では、第１酸素イオン伝導性固体電解質
の両面に一対の検出電極を設けて酸素濃度検出部を形成
し、該酸素濃度検出部を加熱ヒータを装着した基板上
に、大気室を形成する平板を介して積層することにより
前記検出電極の下方側を大気に接触させるようにすると
共に、第２酸素イオン伝導性固体電解質の両面に一対の
ポンプ電極を設けて形成される酸素ポンプ部を機関排気
が導入される測定室を介して前記酸素濃度検出部の上方
に積層し、前記検出電極の上方側及びポンプ電極の下方
側を前記測定室内に臨ませかつ前記ポンプ電極の上方側
を排気に接触させるようにしたセンサ素子部を備えた内
燃機関用酸素センサであって、前記センサ素子部の基端
側がその周囲に充填した粉末状ガラスを焼成した焼成ガ
ラス層によってケース内に抱締固定され、かつ、前記セ
ンサ素子部の基端側端面に前記大気室へ大気を導入する
ための導入孔が開口される内燃機関用酸素センサにおい
て、前記センサ素子部の積層外形を方形にし、かつ、そ
の基端側端面が前記焼成ガラス層の焼成前の粉末ガラス
充填上面よりも上方に位置するようにすると共に、前記
測定室側の検出電極及びポンプ電極を前記第２酸素イオ
ン伝導性固体電解質に設けたスルーホールにより第２酸
素イオン伝導性固体電解質の端面に設けた端子に接続
し、前記加熱ヒータを前記基板に設けたスルーホールを
介して基板端面に設けた端子に接続し、かつ、大気室側
の検出電極を前記平板に設けたスルーホールによって前
記平板と前記基板との間に形成された接続電極板に接続
し、更に、前記接続電極板を前記基板に設けたスルーホ
ールを介して基板端面に設けた端子に接続する一方、前
記非測定室側のポンプ電極を第２酸素イオン伝導性固体
電解質の端面に沿って延設して第２酸素イオン伝導性固
体電解質の端面に設けた端子に接続する構成とした。

〈作用〉 かかる構成の酸素センサによれば、センサ素子部の積層
外形を方形とすることによって、階段状の形状による応
力集中や変形等が発生することを回避することができ
る。また、大気導入孔が開口されるセンサ素子部の基端
側端面が粉末ガラス充填上面よりも上方に位置するよう
にしたことにより、パイプ等を使用することなくガラス
粉の充填時にガラス粉が大気導入経路へ進入することを
防止できる。更に、加熱ヒータ，検出電極及びポンプ電
極がセンサ素子部の積層方向端面からそれぞれ取り出さ
れることにより、取り出し部が階段状に配設される場合
に比べ、それぞれの取り出し部に対する接続作業等が容
易となる。更に、大気室側の検出電極については、接続
電極板を介した２段階のスルーホールを用いて基板端面
に設けた端子に接続させるから、平板及び基板を介した
電極の取り出しが比較的容易に行える。

〈実施例〉 以下に本発明の一実施例を図面に基づいて説明する。
尚、従来例と同一要素には同一符号を付して説明を省略
する。

第１図は本発明にかかるセンサ素子部20の積層前の状態
を示す分解斜視図である。

ここで、ポンプ電極12,13及び測定室９側の検出電極
は、従来と同様にしてジルコニアシート11の上面の端子
40,42,45に接続されるようにしてあるが、本実施例では
これら端子40,42,45を横方向１列に配設してある。

また、大気室４側の検出電極７は、ジルコニアシート６
の下面に沿って基端側に延設された後、平板３に形成し
たスルーホール55を介し平板３と基板２との間に積層さ
れる接続電極板54の一方端に接続される。前記接続電極
板54は、スルーホール55側からセンサ素子部20の先端側
に延設された後、基板２に設けられたスルーホール53を
介して基板２の下面の端子46に接続される。即ち、大気
室４側の検出電極７は、スルーホール55,接続電極板54
及びスルーホール53を介して基板２の下面の端子46に接
続され、平板３及び基板２を貫通する１つのスルーホー
ルによって端面に取り出す構成に比べて、スルーホール
による電気的接続が容易に行える。尚、基板２の下面に
は、従来と同様にして加熱ヒータ１の端子49,50が配置
されており、前記端子46はこれらの中間位置に横１列と
なるように配置される。即ち、本実施例におけるセンサ
素子部20では、第２図に示すように端子40,42,45,46,4
9,50が積層方向両端面にそれぞれ３個づつ横１列に配設
される。このように、端子それぞれを積層方向端面に然
も横１列となるように配設すると、例えば単品評価（断
線やショートを評価する）の際にクリップ状のコネクタ
によってセンサ素子部20を挟み込むようにすることによ
って各端子40,42,45,46,49,50との接続を図ることがで
き、単品評価の作業性を向上させることができると共
に、酸素センサの組み立て時においてリード線28との接
続作業（半田付け作業）が容易となり作業の自動化の面
でも有利となる。

更に、本実施例におけるセンサ素子部20において、基板
2,平板３及びジルコニアシート6,11の平面外形を同じく
してあるため、第１図に示した構成のセンサ素子部20を
積層することによって、第２図に示すようにセンサ素子
部20の外形は方形状となり、この方形状センサ素子部20
の基端側端面には大気室４に大気を導入するための大気
導入孔51が開口される。このように、センサ素子部20の
外形を方形状にしてあれば、積層が階段状に行われた場
合のように、応力が集中したり、積層の薄い部分の変形
が発生することがない。

また、センサ素子部20の基端側端面は、第３図に示すよ
うにインナキャップ27の開口端縁よりもも上方に位置さ
れるように、平面外形を同じくした基板2,平板３及びジ
ルコニアシート6,11の基端側を延長してある。これによ
り、パイプ等の補助部品を使用しなくとも、ガラス層26
を形成するガラス粉の大気導入孔51からの進入を防止す
ることができる。即ち、センサ素子部20をインナキャッ
プ27内に固定するため、インナキャップ27の開口端縁付
近までガラス粉を充填した後焼成してガラス層26を形成
する場合に、ガラス粉を充填してもセンサ素子部20の基
端側端面が露出され然もインナキャップ27の開口端縁以
上にガラス粉が充填されることがないため、大気導入孔
51からガラス粉が進入することがなく、大気室４への大
気導入経路を確保できる。

〈発明の効果〉 以上説明したように本発明によると、積層が階段状とな
らないため積層面の変形，剥がれ，割れ等を回避でき、
また、積層方向端面から各電極や加熱ヒータが取り出さ
れるため接続作業等が容易となり、更に、専用部品を必
要とすることなく大気室への大気導入孔にガラス粉が進
入することを防止でき、また、電極とセンサ素子端面に
設けた端子との接続が容易に行えるという効果がある。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例を示すセンサ素子部分解斜視
図、第２図は同上実施例におけるセンサ素子部外形を示
す図であり（Ａ）は正面図，（Ｂ）は平面図，（Ｃ）は
底面図，（Ｄ）は側面図、第３図は同上実施例における
酸素センサの全体構成を示す断面図、第４図は本発明に
かかる酸素センサの検出作用を説明するためのセンサ素
子部断面図、第５図は従来の酸素センサの全体構成を示
す断面図、第６図は同上従来例におけるセンサ素子部分
解斜視図、第７図は同上従来例におけるセンサ素子部外
形を示す図であり（Ａ）は正面図，（Ｂ）は平面図，
（Ｃ）は底面図，（Ｄ）は側面図である。 １……加熱ヒータ、２……基板、３……平板、４……大
気室、５……酸素濃度検出部、6,11……ジルコニアシー
ト、7,8……検出電極、９……測定室、10……酸素ポン
プ部、12,13……ポンプ電極、20……センサ素子部、26
……ガラス層、40,42,45,46,49,50……端子、51……大
気導入孔

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】第１酸素イオン伝導性固体電解質の両面に
   一対の検出電極を設けて酸素濃度検出部を形成し、該酸
   素濃度検出部を加熱ヒータを装着した基板上に、大気室
   を形成する平板を介して積層することにより前記検出電
   極の下方側を大気に接触させるようにすると共に、第２
   酸素イオン伝導性固体電解質の両面に一対のポンプ電極
   を設けて形成される酸素ポンプ部を機関排気が導入され
   る測定室を介して前記酸素濃度検出部の上方に積層し、
   前記検出電極の上方側及びポンプ電極の下方側を前記測
   定室内に臨ませかつ前記ポンプ電極の上方側を排気に接
   触させるようにしたセンサ素子部を備えた内燃機関用酸
   素センサであって、前記センサ素子部の基端側がその周
   囲に充填した粉末状ガラスを焼成した焼成ガラス層によ
   ってケース内に抱締固定され、かつ、前記センサ素子部
   の基端側端面に前記大気室へ大気を導入するための導入
   孔が開口される内燃機関用酸素センサにおいて、 前記センサ素子部の積層外形を方形にし、かつ、その基
   端側端面が前記焼成ガラス層の焼成前の粉末ガラス充填
   上面よりも上方に位置するようにすると共に、前記測定
   室側の検出電極及びポンプ電極を前記第２酸素イオン伝
   導性固体電解質に設けたスルーホールによる第２酸素イ
   オン伝導性固体電解質の端面に設けた端子に接続し、前
   記加熱ヒータを前記基板に設けたスルーホールを介して
   基板端面に設けた端子に接続し、かつ、大気室側の検出
   電極を前記平板に設けたスルーホールによって前記平板
   と前記基板との間に形成された接続電極板に接続し、更
   に、前記接続電極板を前記基板に設けたスルーホールを
   介して基板端面に設けた端子に接続する一方、前記非測
   定室側のポンプ電極を第２酸素イオン伝導性固体電解質
   の端面に沿って延設して第２酸素イオン伝導性固体電解
   質の端面に設けた端子に接続したことを特徴とする内燃
   機関用酸素センサ。