JPH10260154A - Oxygen sensor - Google Patents

Oxygen sensor

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Publication number
JPH10260154A
JPH10260154A JP9063071A JP6307197A JPH10260154A JP H10260154 A JPH10260154 A JP H10260154A JP 9063071 A JP9063071 A JP 9063071A JP 6307197 A JP6307197 A JP 6307197A JP H10260154 A JPH10260154 A JP H10260154A
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JP
Japan
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heater
sensor element
oxygen sensor
plate
oxygen
Prior art date
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Application number
JP9063071A
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Japanese (ja)
Inventor
Tomoshi Kikuchi
智志 菊池
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Toyota Motor Corp
Original Assignee
Toyota Motor Corp
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Filing date
Publication date
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Publication of JPH10260154A publication Critical patent/JPH10260154A/en
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide an oxygen sensor which can prevent excessive heat radiation from a heater and reduce electric power consumption appropriately. SOLUTION: The detection part 12 of an oxygen sensor 11 is formed of a laminated body consisting of a sensor element 14 which consists of plate materials 25 to 28 made of zirconia and an alumina heater 24. A plate material 23 made of alumina porous body is piled up on the lower surface of the alumina heater 24 and a plate material 29 made of zirconia porous body is piled up on the upper surface of the sensor element 14, thereby insulating a heat from the heater 24.

Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【0001】[0001]

【発明の属する技術分野】本発明は、気体中の酸素濃度
を検出する酸素センサに係り、特に、固体電解質からな
るセンサ素子と、このセンサ素子の酸素濃度に対する感
応特性を向上させるべく同センサ素子を加熱する発熱体
とが積層されて構成される酸素センサに関する。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to an oxygen sensor for detecting the concentration of oxygen in a gas, and more particularly, to a sensor element made of a solid electrolyte and the sensor element for improving the sensitivity of the sensor element to the oxygen concentration. The present invention relates to an oxygen sensor configured by stacking a heating element that heats a heat source.

【0002】[0002]

【従来の技術】例えば内燃機関における空燃比のフィー
ドバック制御システムにあっては、同機関の排気ガス
中、或いは排気再循環(EGR)ガスやブローバイガス
を含む吸入空気(吸気)中の酸素濃度を検出する手段と
して酸素センサが用いられている。そして、このような
酸素センサとしては、例えば図7に示すように、ケース
60に内蔵された保持ユニット60a内において、積層
センサ素子(ジルコニア素子)61と該センサ素子61
を所定の活性化温度(例えば700℃)に加熱、保持す
るためのヒータ(アルミナヒータ)62とが互いに積層
されて位置決め固定された構造を有するものが知られて
いる。このセンサ素子61とヒータ62の先端部は、互
いに接合された状態で保持ユニット60aの外側へ突出
し、排気ガス流入カバー63により覆われている。
2. Description of the Related Art For example, in a feedback control system for an air-fuel ratio in an internal combustion engine, the oxygen concentration in exhaust gas of the engine or in intake air (intake air) including exhaust gas recirculation (EGR) gas and blow-by gas is measured. An oxygen sensor is used as a detecting means. As such an oxygen sensor, for example, as shown in FIG. 7, a laminated sensor element (zirconia element) 61 and the sensor element 61 in a holding unit 60 a built in a case 60.
A heater (alumina heater) 62 for heating and maintaining a heater at a predetermined activation temperature (for example, 700 ° C.) is laminated and positioned and fixed. The distal ends of the sensor element 61 and the heater 62 project outside the holding unit 60a in a state where they are joined to each other, and are covered with an exhaust gas inflow cover 63.

【0003】[0003]

【発明が解決しようとする課題】ところで、近年、エン
ジンシステムは、その運転の電子制御化に伴って、上記
の酸素センサを含む多様なセンサ及び電子制御機器類を
搭載するようになってきている。このような傾向ととも
に、酸素センサにとってその消費電力の低減化は、他の
センサや電子制御機器類と同様必須の課題となってい
る。中でも吸気中の酸素濃度を検出すべく吸気管内等に
設けられる酸素センサの場合、排気中に比べ低温下で使
用されることから、ヒータに要する電力消費量が大きく
なる傾向がある。
In recent years, engine systems have been equipped with various sensors including the above-described oxygen sensor and electronic control equipment with the electronic control of the operation. . Along with such a tendency, reduction of the power consumption of the oxygen sensor has become an indispensable subject like other sensors and electronic control devices. In particular, an oxygen sensor provided in an intake pipe or the like to detect the oxygen concentration in intake air is used at a lower temperature than in exhaust gas, and thus the power consumption required for the heater tends to increase.

【0004】ところが、同図7に示すような酸素センサ
にあっては、センサ素子61を加熱するために、板状に
形成された熱伝導性の高いアルミナヒータ62の片面が
同素子61に接触しているにすぎない。このため、アル
ミナヒータ62のジルコニア素子61に接しない部分か
らの放熱量も無視できないものとなっている。さらに、
その放熱に起因して、センサ素子61を加熱すべくヒー
タ62が消費する電力の消費量は深刻であり、しかも高
電力による連続使用によってヒータ62にかかる負担も
大きくなっている。そしてその結果、使用コストの高沸
ばかりでなく、ヒータの信頼性低下を招く等々の不都合
を抱えることとなっている。
However, in the oxygen sensor as shown in FIG. 7, one side of a plate-shaped alumina heater 62 having high thermal conductivity contacts the element 61 in order to heat the sensor element 61. It is just doing. Therefore, the heat radiation from the portion of the alumina heater 62 not in contact with the zirconia element 61 cannot be ignored. further,
Due to the heat dissipation, the amount of power consumed by the heater 62 to heat the sensor element 61 is serious, and the load on the heater 62 is increased due to continuous use of the high power. As a result, in addition to the high boiling of the use cost, there are inconveniences such as a decrease in the reliability of the heater.

【0005】本発明は、こうした実情に鑑みてなされた
ものであり、その目的とするところは、ヒータの無駄な
放熱、ひいては無駄な消費電力を好適に抑制し、長期に
亘り高い信頼性を維持し得る酸素センサを提供すること
にある。
[0005] The present invention has been made in view of such circumstances, and a purpose thereof is to appropriately suppress wasteful heat dissipation of a heater and wasteful power consumption, and maintain high reliability for a long period of time. It is to provide an oxygen sensor which can be used.

【0006】[0006]

【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
めに、請求項1に記載した発明では、固体電解質からな
るセンサ素子と、該センサ素子を加熱するヒータとの積
層体として構成される酸素センサにおいて、前記積層体
は少なくともそのヒータ面が多孔質体によって覆われる
よう更に積層されてなることを要旨とする。
In order to achieve the above object, according to the first aspect of the present invention, a sensor element made of a solid electrolyte and a heater for heating the sensor element are provided. The gist of the oxygen sensor is that the laminate is further laminated so that at least a heater surface thereof is covered with a porous body.

【0007】同構成によれば、多孔質体がいわば断熱材
として作用することから、ヒータから発生される熱は外
部へ逃げにくくなり、効率よくセンサ素子へ伝導され
る。したがって、酸素センサとしての性能が安定に保た
れ、且つヒータの消費電力も節減できる。
[0007] According to this configuration, since the porous body acts as a so-called heat insulating material, heat generated from the heater is difficult to escape to the outside, and is efficiently conducted to the sensor element. Therefore, the performance of the oxygen sensor is kept stable, and the power consumption of the heater can be reduced.

【0008】請求項2に記載した発明では、請求項1記
載の酸素センサにおいて、前記多孔質は前記積層体の接
合される側の材料と同質の材料からなることを要旨とす
る。同構成によれば、前記多孔質体とセンサ素子及びヒ
ータからなる積層体との接合状態が好適に維持され、酸
素センサとしての品質及び性能が安定に保たれる。
According to a second aspect of the present invention, in the oxygen sensor according to the first aspect, the porosity is made of a material having the same quality as a material to be joined to the laminate. According to the configuration, the bonding state between the porous body and the laminate including the sensor element and the heater is suitably maintained, and the quality and performance of the oxygen sensor are stably maintained.

【0009】[0009]

【発明の実施の形態】BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION

(第1実施形態)本発明をエンジンのリーン空燃比制御
システムに用いられる限界電流型の酸素センサに具体化
した第1の実施形態について図1〜図4を参照して説明
する。
(First Embodiment) A first embodiment in which the present invention is embodied in a limiting current type oxygen sensor used in a lean air-fuel ratio control system for an engine will be described with reference to FIGS.

【0010】図1は、酸素センサ11における検出部1
2並びにリード線取り出し部を示し、図2は図1のII−
II線断面を示し、さらに図3は図2のIII−III線断面を
示している。酸素センサ11は、センサ素子14と、同
センサ素子14を所定の活性化温度に加熱、保持するた
めのヒータ24と、それらの積層体の外周を覆う有孔カ
バー(図示略)とを備えている。ヒータ24はセンサ素
子14に固定され、センサ素子14及びカバーはいずれ
も酸素センサ11のハウジング(図示略)に支持されて
いる。酸素センサ11は、センサ素子14、ヒータ24
及びカバーの先端部がエンジンの例えば排気管(図示
略)内部に突出するようにして同管に取り付けられる。
FIG. 1 shows a detecting unit 1 in an oxygen sensor 11.
2 and a lead wire take-out part.
FIG. 3 shows a cross section taken along the line II, and FIG. 3 shows a cross section taken along the line III-III of FIG. The oxygen sensor 11 includes a sensor element 14, a heater 24 for heating and maintaining the sensor element 14 at a predetermined activation temperature, and a perforated cover (not shown) for covering the outer periphery of a stacked body thereof. I have. The heater 24 is fixed to the sensor element 14, and both the sensor element 14 and the cover are supported by a housing (not shown) of the oxygen sensor 11. The oxygen sensor 11 includes a sensor element 14, a heater 24,
The cover is attached to the engine such that the tip of the cover projects into, for example, an exhaust pipe (not shown) of the engine.

【0011】図1〜図3に示すように、センサ素子14
はそれ自体積層構造をなし、酸素イオン導電性ジルコニ
ア(ZrO2)とイットリア(Y2O3)との混合物から
なる複数の板材25〜28によって構成されている。ま
たこのセンサ素子14は、アルミナ(Al2O3)から形
成されるヒータ24と同図1〜図3に示される態様で積
層され、それら積層体(24〜28)は更に、多孔質体
からなる板材23及び29によって挟まれるかたちで、
同板材23及び29と積層されている。なお、センサ素
子14の検出部12において、その最上部に積層されて
いる板材28は拡散律速板である。また、本実施形態に
おいて、多孔質体からなる板材23及び29のうち、板
材23はヒータ24と同様、アルミナ(ただしサブミク
ロンのもの)からなり、板材29はセンサ素子14を構
成する板材25〜28と同様、ジルコニアとイットリア
との混合物からなるとする。また、ヒータ24には、図
2及び図3に示される態様で発熱体44が設けられてい
る。
As shown in FIG. 1 to FIG.
Has a laminated structure itself, and is constituted by a plurality of plate members 25 to 28 made of a mixture of oxygen ion conductive zirconia (ZrO2) and yttria (Y2 O3). The sensor element 14 is laminated with a heater 24 made of alumina (Al2O3) in the mode shown in FIGS. 1 to 3 and the laminated body (24 to 28) is further made of a plate material 23 made of a porous material. And 29,
It is laminated with the plate members 23 and 29. In the detecting section 12 of the sensor element 14, the plate 28 laminated on the uppermost portion is a diffusion-controlling plate. Further, in the present embodiment, of the plate members 23 and 29 made of a porous body, the plate member 23 is made of alumina (submicron one) similarly to the heater 24, and the plate material 29 is made of the plate materials 25 to 25 constituting the sensor element 14. Similar to 28, it is assumed that the material is a mixture of zirconia and yttria. The heater 24 is provided with a heating element 44 in the manner shown in FIGS. 2 and 3.

【0012】図4は、こうした酸素センサ11の各部を
分解して示している。同図4に示すように、こうした酸
素センサ11にあって、その検出部12は、電極形成用
の板材(固体電解質層)26と、同板材26の上下面に
積層される陰電極側空間形成用の板材27及び陽電極側
空間形成用の板材25を備えている。板材26の上下面
には陰電極31及び陰電極側リード32と、陽電極33
(図2及び図3において示す)及び陽電極側リード(図
示略)とが設けられている。これら陰電極31及び陽電
極33の各リードは、センサ素子14基端部の陰電極側
リード取り出し部31a及び陽電極側リード取り出し部
33aからそれぞれ取り出され、エンジンの電子制御装
置(図示略)等に電気的に接続されるようになる。
FIG. 4 is an exploded view of each part of the oxygen sensor 11. As shown in FIG. 4, in such an oxygen sensor 11, the detection unit 12 includes a plate member (solid electrolyte layer) 26 for forming an electrode, and a negative electrode side space formation layered on the upper and lower surfaces of the plate member 26. And a plate member 25 for forming a space on the positive electrode side. On the upper and lower surfaces of the plate member 26, a cathode 31 and a cathode-side lead 32, and a cathode 33
(Shown in FIGS. 2 and 3) and a positive electrode side lead (not shown) are provided. The respective leads of the negative electrode 31 and the positive electrode 33 are taken out from the cathode-side lead take-out part 31a and the cathode-side lead take-out part 33a at the base end of the sensor element 14, respectively, and are connected to an engine electronic control unit (not shown). Will be electrically connected to the

【0013】上記板材25には、その先端付近の上記陽
電極33に対応する位置に矩形孔34が形成されてい
る。矩形孔34は、その矩形を形成する内壁の先端部側
が一部途切れ、外部への通気孔41を形成している。こ
の結果、板材25の内壁面、板材24の上面、及び板材
26の下面とによって区画された空間により陽電極側空
間34a(図2及び図3参照)が形成され、また、この
陽電極側空間34aは、前記通気孔41を介してセンサ
素子14の外部と通じている。
A rectangular hole 34 is formed in the plate member 25 at a position corresponding to the positive electrode 33 near the front end thereof. The rectangular hole 34 is partially cut off at the tip end side of the inner wall forming the rectangle to form a vent hole 41 to the outside. As a result, a space defined by the inner wall surface of the plate member 25, the upper surface of the plate member 24, and the lower surface of the plate member 26 forms a positive electrode side space 34a (see FIGS. 2 and 3). 34 a communicates with the outside of the sensor element 14 via the ventilation hole 41.

【0014】これに対して、板材27の先端側(図3の
左側)には、陰電極31と対応する位置に矩形孔35が
形成されている。そして、板材27の上面にはこの矩形
孔35を閉塞するようにして上記拡散律速板28が積層
されている。この結果、拡散律速板28の下面、矩形孔
35の内周面、及び板材26の上面によって区画された
空間により陰電極側空間35a(図2及び図3参照)が
形成される。なお、この拡散律速板28には、500〜
1000Åの径を有する細孔(図示略)が複数形成され
ており、陰電極側空間35a内にはこれら細孔を通じて
例えば排気管を流れる排気ガスが導入されるようになっ
ている。
On the other hand, a rectangular hole 35 is formed at a position corresponding to the negative electrode 31 on the front end side (left side in FIG. 3) of the plate member 27. The diffusion-controlling plate 28 is stacked on the upper surface of the plate 27 so as to close the rectangular hole 35. As a result, a space defined by the lower surface of the diffusion-controlling plate 28, the inner peripheral surface of the rectangular hole 35, and the upper surface of the plate member 26 forms a negative electrode-side space 35a (see FIGS. 2 and 3). In addition, this diffusion control plate 28 has 500 to
A plurality of pores (not shown) having a diameter of 1000 ° are formed, and exhaust gas flowing through, for example, an exhaust pipe is introduced into the cathode-side space 35a through these pores.

【0015】一方、ヒータ24は上述のように、例えば
白金等からなる発熱体44及び発熱体用リード44bを
内蔵している。このヒータ24を形成するアルミナ(A
l2O3)は絶縁性であり、且つ高い熱伝導性を有する。
このヒータ24は、発熱体44への通電により発熱して
センサ素子14を所定温度(例えば700℃)以上に加
熱する。この加熱によりセンサ素子14の活性化が図ら
れるようになっている。また、多孔質体からなる板材2
3及び29が、それぞれセンサ素子14及びヒータ24
からなる積層体を挟むよう上下に積層されている。すな
わち、同板材23及び29は、センサ素子14とヒータ
24とからなる積層体の両面を覆うよう構成されてい
る。また、同積層体中の前記両電極側リード及び発熱体
用リード44bは、これら多孔質体からなる板材23,
29の端部からそれぞれ電極用リード取り出し部31
a,33a及び発熱体用リード取り出し部44aを通じ
て積層体外部に取り出されている。
On the other hand, as described above, the heater 24 has a built-in heating element 44 made of, for example, platinum and a heating element lead 44b. The alumina (A) forming the heater 24
l2O3) is insulating and has high thermal conductivity.
The heater 24 generates heat by energizing the heating element 44 to heat the sensor element 14 to a predetermined temperature (for example, 700 ° C.) or higher. The heating activates the sensor element 14. Further, a plate material 2 made of a porous body
3 and 29 are the sensor element 14 and the heater 24, respectively.
Are laminated vertically so as to sandwich a laminated body composed of That is, the plate members 23 and 29 are configured to cover both surfaces of the stacked body including the sensor element 14 and the heater 24. In addition, the two electrode-side leads and the heating element leads 44b in the same laminate are made of the plate member 23 made of these porous bodies.
The electrode lead take-out portions 31 from the ends of the respective 29
a, 33a and the lead-out portion 44a for the heating element are taken out of the laminate.

【0016】次に上記のように構成された酸素センサ1
1の作用について述べる。エンジンが始動されると、ヒ
ータ24の発熱体44への通電によりセンサ素子14が
加熱されるとともに、陰電極31と陽電極33との間に
所定の電圧が印加される。拡散律速板28によって拡散
律速されつつ、同板28を通過して陰電極31に達した
被検出気体中の酸素分子は、同電極上でイオン化され
る。そして、酸素イオンとして電極が形成された板材
(固体電解質)26中を陽電極33に向かって移動す
る。該酸素イオンは陽電極に電子を供与し自らは通気孔
41より排出されるが、この時両電極31,33間に流
れる電流が限界電流値として検出される。この限界電流
値より被検出気体中の酸素濃度が算出されることにな
る。また、前記電極が形成された板材(固体電解質層)
26は、ヒータ24からの加熱により活性化され続ける
ことで酸素イオンの透過性を常に安定に保つ。
Next, the oxygen sensor 1 constructed as described above
1 will be described. When the engine is started, the sensor element 14 is heated by energizing the heating element 44 of the heater 24, and a predetermined voltage is applied between the negative electrode 31 and the positive electrode 33. Oxygen molecules in the gas to be detected that have passed through the plate 28 and reached the negative electrode 31 while being diffusion controlled by the diffusion control plate 28 are ionized on the same electrode. Then, the oxygen ions move toward the positive electrode 33 in the plate (solid electrolyte) 26 on which the electrodes are formed as oxygen ions. The oxygen ions donate electrons to the positive electrode and are themselves discharged from the vent 41. At this time, the current flowing between the two electrodes 31, 33 is detected as a limit current value. The oxygen concentration in the gas to be detected is calculated from the limit current value. Further, a plate material (solid electrolyte layer) on which the electrodes are formed
26 keeps oxygen ion permeability stable at all times by being continuously activated by heating from the heater 24.

【0017】ここで、本実施形態の酸素センサ11にあ
っては上述のように、センサ素子14及びヒータ24か
らなる積層体が、その上下を多孔質体からなる板材23
及び29によって挟まれている。このため、同板材23
及び29が断熱材として作用して周囲への無駄な放熱が
好適に抑制されるようになる。
Here, in the oxygen sensor 11 of the present embodiment, as described above, the laminated body composed of the sensor element 14 and the heater 24 is made of a plate material 23 made of a porous material above and below.
And 29. Therefore, the same plate material 23
And 29 act as a heat insulating material, and wasteful heat radiation to the surroundings can be suitably suppressed.

【0018】また、この種の積層型酸素センサの検出部
を構成する各板材は、比較的緻密な材料から構成されて
いるのが一般的であった。しかしながら、実際に酸素濃
度検出が行われる部位(拡散律速層、固体電解質層、電
極等)を除けば、他の部位はセンサ素子の体格を確保す
るために必要な強度を有していれば十分であり、検出部
のすべての部材を緻密な材料から構成することは、むし
ろヒータから発生される熱がそれら緻密な材料から構成
された部材によって無駄に吸収されてしまうという不具
合を生じさせる。この望まざる熱吸収は、ヒータの消費
電力量の増大ばかりでなく、各電極31,33或いは発
熱体44のリード、更にはリード取り出し部に過剰な熱
を供与することとなり、リード及びリード取り出し部の
耐熱性強化等によるコスト高を生じせしめていた。
In addition, each plate constituting the detection section of this type of stacked oxygen sensor is generally made of a relatively dense material. However, except for the part where the oxygen concentration is actually detected (diffusion-controlling layer, solid electrolyte layer, electrode, etc.), the other parts are sufficient if they have the strength necessary to secure the physique of the sensor element. However, forming all the members of the detection unit from a dense material rather causes a problem that the heat generated from the heater is wastedly absorbed by the members made of the dense material. This undesired heat absorption not only increases the power consumption of the heater, but also provides excessive heat to the leads of the electrodes 31, 33 or the heating element 44, and further to the lead take-out portion, and thus leads and lead take-out portions. This has resulted in higher costs due to enhanced heat resistance.

【0019】これに対し、本実施形態においては、積層
体上下に設けられた多孔質体の板材23及び29が、同
酸素センサ11としての体格を十分確保しつつ、ヒータ
24から発生される熱を外部に放熱することなくセンサ
素子14内部に効率よく閉じ込めることができ、ヒータ
24の消費電力量の好適な節減を図ることができるよう
になる。さらに、リード又はリード取り出し部がヒータ
24の過剰な加熱によって高温になることも好適に防止
され、同部材の耐熱温度を低く抑えることができるよう
になる。そしてこのため、同部材の更なるコンパクト化
やコストの低減を図ることができるようにもなる。
On the other hand, in the present embodiment, the porous plates 23 and 29 provided on the upper and lower sides of the laminated body have a sufficient heat buildup as the oxygen sensor 11 and the heat generated from the heater 24. Can be efficiently confined inside the sensor element 14 without dissipating heat to the outside, and a suitable reduction in power consumption of the heater 24 can be achieved. Further, it is also possible to suitably prevent the lead or the lead take-out portion from becoming high temperature due to excessive heating of the heater 24, and it is possible to keep the heat resistant temperature of the member low. Therefore, it is possible to further reduce the size and cost of the member.

【0020】しかも、同多孔質体からなる板材23及び
29のうち、板材23はヒータ24と同質の材料(アル
ミナ)によって形成され、板材29はセンサ素子14を
構成する他の部材25〜28と同質の材料(ジルコニ
ア)により形成されるため、積層状の組み付けにおいて
他部材との相性も好適である。
Further, of the plate members 23 and 29 made of the same porous material, the plate member 23 is formed of the same material (alumina) as the heater 24, and the plate member 29 is connected to the other members 25 to 28 constituting the sensor element 14. Since it is formed of the same material (zirconia), compatibility with other members in a laminated assembly is also suitable.

【0021】以上説明したように、本実施形態に係る酸
素センサによれば、以下に列記する効果が奏せられるよ
うになる。 ・センサ素子14及びヒータ24からの無駄な放熱がな
く、ヒータ24の消費電力量が節減される。また、構造
も単純であるため、組み付けに要する手間も少なく製造
コストも低い。
As described above, according to the oxygen sensor of the present embodiment, the following effects can be obtained. -There is no wasteful heat radiation from the sensor element 14 and the heater 24, and the power consumption of the heater 24 is reduced. Further, since the structure is simple, the labor required for assembling is small and the manufacturing cost is low.

【0022】・センサ素子14及びヒータ24を上下か
ら挟む多孔質板材23及び29として、それぞれそれら
センサ素子14及びヒータ24と同質の材料を用いてい
るため、同酸素センサとしての積層状態を安定に保持す
ることができる。
Since the porous plates 23 and 29 sandwiching the sensor element 14 and the heater 24 from above and below are made of the same material as the sensor element 14 and the heater 24, respectively, the laminated state as the oxygen sensor can be stably maintained. Can be held.

【0023】・センサ素子14とヒータ24とからなる
積層体の体格が、最小限の部材により好適に確保でき
る。 ・発熱体44又は電極31,33のリード又はリード取
り出し部が高温となることが好適に防止される。
The physique of the laminated body composed of the sensor element 14 and the heater 24 can be suitably secured with a minimum number of members. The temperature of the heating element 44 or the leads of the electrodes 31 and 33 or the lead extraction portion is preferably prevented from becoming high.

【0024】なお、本実施形態にあっては、センサ素子
14及びヒータ24からなる積層体の上下を上記多孔質
板材23及び29により挟む構造としたが、センサ素子
14を構成する板材(ジルコニア)はそもそもが熱伝導
率の低い材料であるため、それら積層体のうちの少なく
ともヒータ24面を覆う板材23が配されることでも本
実施形態に準じた効果を得ることはできる。また、この
多孔質板材23としては、アルミナ(サブミクロンのも
の)に限らず、センサ素子14に用いたジルコニア、若
しくはそのイットリアとの混合物なども同様に採用する
ことができる。いずれにしろ、板材23,29を構成す
る材料として要は、熱伝導率が低く、断熱性の高いもの
であればよい。 (第2実施形態)次に、本発明の第2の実施形態に係る
酸素センサを前記第1の実施形態と異なる点を中心に説
明する。なお、前記第1の実施形態と同等の作用を有す
る部材には同一の符号を付する。
In this embodiment, the laminated body composed of the sensor element 14 and the heater 24 has a structure in which the upper and lower portions are sandwiched between the porous plates 23 and 29. However, the plate (zirconia) constituting the sensor element 14 is used. In the first place, since a material having a low thermal conductivity is used, an effect similar to that of the present embodiment can be obtained by arranging the plate member 23 that covers at least the heater 24 of the laminate. The porous plate 23 is not limited to alumina (submicron), but may be zirconia used for the sensor element 14 or a mixture thereof with yttria. In any case, the material constituting the plate members 23 and 29 may be any material as long as it has low thermal conductivity and high heat insulation. (Second Embodiment) Next, an oxygen sensor according to a second embodiment of the present invention will be described focusing on differences from the first embodiment. The members having the same functions as in the first embodiment are denoted by the same reference numerals.

【0025】図5は、本実施形態に係るチップ型酸素セ
ンサ51の検出部52を示す平面図であり、図6は図5
のVI−VI線断面を示す。両図に示すように、酸素センサ
51の検出部52は、センサ素子54と、同センサ素子
54を所定の活性化温度に加熱、保持するためのヒータ
24と、それらの積層体の外周を覆う有孔カバー(図示
略)とを備えている。
FIG. 5 is a plan view showing the detecting section 52 of the chip type oxygen sensor 51 according to the present embodiment, and FIG.
1 shows a cross section taken along line VI-VI of FIG. As shown in both figures, the detecting section 52 of the oxygen sensor 51 covers the sensor element 54, the heater 24 for heating and maintaining the sensor element 54 at a predetermined activation temperature, and the outer periphery of the stacked body thereof. And a perforated cover (not shown).

【0026】センサ素子54は、円形の板材25,2
6,及び28による積層構造を有する。板材26はその
上下面に陰電極31と陽電極33とを有する固体電解質
層である。さらに、センサ素子54の下部には、同素子
54と同型状のヒータ24が図6に示される態様で積層
されている。さらにこのヒータ24の下面は、アルミナ
多孔質体の板材23によって覆われ、この板材23が同
酸素センサ51の台座として組付用ターミナルTに固定
されている。
The sensor element 54 is formed of a circular plate 25, 2
6, and 28. The plate member 26 is a solid electrolyte layer having a negative electrode 31 and a positive electrode 33 on its upper and lower surfaces. Further, a heater 24 having the same shape as that of the sensor element 54 is stacked below the sensor element 54 in a manner shown in FIG. Further, the lower surface of the heater 24 is covered with a plate 23 made of an alumina porous body, and this plate 23 is fixed to a mounting terminal T as a base of the oxygen sensor 51.

【0027】なお、検出部52を構成する積層体のう
ち、最上部の拡散律速板28は、固体電解質層(板材2
6)上の陰電極31に直接接触して積層されている。さ
らに、前記陰電極31とあわせて、板材(固体電解質
層)26の下面に設けられた陽電極33は、積層体内に
組み込まれたリード(図示略)を介して上記組付用ター
ミナルTを兼ねたリード取り出し部31b,32bに接
続されている。また、前記板材26の更に下層をなす板
材25は、中心部に矩形孔34を有し、同矩形孔34の
一部より円形の外周部に延び外部に開放された通気孔4
1を有する。板材25の下部には、アルミナヒータ24
が積層されている。結果として板材24,25,及び2
6による積層体内部には、通気孔41によって積層体外
部に通じる陽電極側空間34aが形成されることにな
る。また、前記ヒータ24の内部には発熱体44が設け
られており、同発熱体44はヒータ24内のリードを介
してこれも上記組付用ターミナルTを兼ねたリード取り
出し部44bに接続されている。
The uppermost diffusion-controlling plate 28 of the laminate constituting the detecting section 52 is a solid electrolyte layer (the plate material 2).
6) It is laminated in direct contact with the upper negative electrode 31. Further, together with the negative electrode 31, the positive electrode 33 provided on the lower surface of the plate (solid electrolyte layer) 26 also serves as the mounting terminal T via a lead (not shown) incorporated in the laminate. Connected to the lead take-out portions 31b and 32b. The plate member 25, which is a lower layer of the plate member 26, has a rectangular hole 34 at the center, and the vent hole 4 extending from a part of the rectangular hole 34 to a circular outer peripheral portion and open to the outside.
One. An alumina heater 24 is provided below the plate material 25.
Are laminated. As a result, the plates 24, 25 and 2
6, a positive electrode side space 34a communicating with the outside of the laminate is formed by the vent hole 41 inside the laminate. A heating element 44 is provided inside the heater 24. The heating element 44 is connected to a lead extraction portion 44b also serving as the mounting terminal T via a lead in the heater 24. I have.

【0028】上記のように構成された酸素センサ51の
作用について述べる。前述同様、拡散律速板28に接触
した被検出気体中の酸素分子は、板材28を通過する過
程において拡散律速されつつ陰電極31に達する。さら
に、同酸素分子は陰陽両電極31及び33間に印加され
た所定電圧に応じて固体電解質層としての板材26中を
移動し、陽電極33下部の陽電極側空間34aを通過し
て通気孔41から検出部52外部へ排出される。この時
両電極31,33間に流れる限界電流の値が検出され、
この値から酸素濃度が算出される。該限界電流値の検出
時には、ヒータ24がセンサ素子54を所定温度に加熱
し、活性化し続けることで酸素イオンの透過性を常に安
定に保つ。
The operation of the oxygen sensor 51 configured as described above will be described. As described above, oxygen molecules in the gas to be detected contacting the diffusion-controlling plate 28 reach the negative electrode 31 while being diffusion-controlled in the process of passing through the plate 28. Further, the oxygen molecules move in the plate member 26 as a solid electrolyte layer in accordance with a predetermined voltage applied between the negative and positive electrodes 31 and 33, pass through the positive electrode side space 34a below the positive electrode 33, and pass through the vent hole. It is discharged from 41 to the outside of the detection unit 52. At this time, the value of the limit current flowing between both electrodes 31, 33 is detected,
The oxygen concentration is calculated from this value. When the limit current value is detected, the heater 24 heats the sensor element 54 to a predetermined temperature and keeps activating the sensor element 54, so that the oxygen ion permeability is always kept stable.

【0029】ここで、本実施形態の酸素センサ51にあ
っては、ヒータ24の下面が多孔質体からなる板材23
によって覆われているとともに、この多孔質体からなる
板材23を通じて組付用ターミナルTに固定されてい
る。このため、同板材23が断熱材として作用して周囲
への無駄な放熱が抑制されるとともに、発熱体44から
発生される熱が、上記ターミナルTを兼ねるリード取り
出し部31b,32b,又は44bに不要に伝導される
こともない。
Here, in the oxygen sensor 51 of the present embodiment, the lower surface of the heater 24 is made of a plate material 23 made of a porous material.
And is fixed to the assembling terminal T through the plate member 23 made of the porous body. For this reason, the plate member 23 acts as a heat insulating material, so that unnecessary heat radiation to the surroundings is suppressed, and the heat generated from the heating element 44 is transferred to the lead extraction portions 31b, 32b, or 44b also serving as the terminals T. There is no unnecessary conduction.

【0030】しかも、同多孔質体からなる板材23はヒ
ータ24と同質の材料(アルミナ)によって形成されて
いるため、積層状の組み付けにおいて他部材との相性も
好適である。
Moreover, since the plate member 23 made of the same porous body is formed of the same material (alumina) as the heater 24, compatibility with other members in a laminated assembly is also suitable.

【0031】これに加え、本実施形態の酸素センサ51
にあっては、センサ素子54を構成する各板材25,2
6及び28を、酸素濃度検出に必要最小限の面積を有す
る円形状のチップ型としているため、センサ素子54を
所定温度に加熱、保持するためにヒータ24に必要とさ
れる電力も大幅な節減が図られている。
In addition, the oxygen sensor 51 of the present embodiment
, Each plate 25, 2 constituting the sensor element 54
Since the chips 6 and 28 are circular chips having a minimum area required for oxygen concentration detection, the power required for the heater 24 to heat and maintain the sensor element 54 at a predetermined temperature is also greatly reduced. Is planned.

【0032】以上説明したように、本実施形態に係る酸
素センサによれば、以下に列記する効果が奏せられるよ
うになる。 ・ヒータ24からの無駄な放熱がなく、またセンサ素子
54の加熱に必要な熱量も低いため、消費電力量が節減
される。さらに、構造も単純であるため、組み付けに要
する手間も少なく製造コストも低い。 ・センサ素子54の小型化が容易であり車両への搭載性
が向上している。
As described above, according to the oxygen sensor of the present embodiment, the following effects can be obtained. Since there is no wasteful heat radiation from the heater 24 and the amount of heat required for heating the sensor element 54 is low, the amount of power consumption is reduced. Further, since the structure is simple, the labor required for assembling is small and the manufacturing cost is low. The size of the sensor element 54 can be easily reduced, and the mountability on the vehicle is improved.

【0033】・多孔質体からなる板材23の断熱効果に
より各リード取り出し部が高温となることも好適に防止
される。なお、本実施形態にあっても、上記板材23と
しては、アルミナに限らず、センサ素子54に用いたジ
ルコニア、若しくはそのイットリアとの混合物などを同
様に採用することができる。板材23を構成する材料と
して要は、熱伝導率が低く、断熱性の高いものであれば
よい。
The high temperature of each lead take-out portion is preferably prevented by the heat insulating effect of the plate member 23 made of a porous body. In the present embodiment, the plate 23 is not limited to alumina, but may be zirconia used for the sensor element 54 or a mixture thereof with yttria. What is essential is a material constituting the plate member 23 as long as it has low thermal conductivity and high heat insulation.

【0034】ところで、上記各実施形態では、限界電流
型の酸素センサについて説明したが、他に例えば、排気
ガスと大気との相対的な酸素濃度比を検出する酸素濃淡
電池型等の酸素センサについても本発明は同様に適用す
ることができる。さらに、酸素イオンを伝導させる検出
素子と、その検出素子を昇温させるためのアルミナヒー
タを備えるいかなるタイプの酸素センサに対しても、上
記実施形態に準じたかたちで本発明を適用することがで
きる。
In the above embodiments, the limiting current type oxygen sensor has been described. However, for example, an oxygen concentration cell type oxygen sensor for detecting a relative oxygen concentration ratio between the exhaust gas and the atmosphere may be used. The present invention can be similarly applied. Further, the present invention can be applied to any type of oxygen sensor including a detection element that conducts oxygen ions and an alumina heater for raising the temperature of the detection element in a manner similar to the above-described embodiment. .

【0035】さらに、本発明の酸素センサはエンジン用
に限定されず、気体中の酸素濃度を検出する各種機器に
用いられるものであってもよい。
Further, the oxygen sensor of the present invention is not limited to an engine, and may be used for various devices for detecting oxygen concentration in gas.

【0036】[0036]

【発明の効果】請求項1に記載した発明によれば、多孔
質体がいわば断熱材として作用することから、ヒータか
ら発生される熱は外部へ逃げにくくなり、効率よくセン
サ素子へ伝導される。したがって、酸素センサとしての
性能が安定に保たれ、且つヒータの消費電力も節減でき
る。
According to the first aspect of the present invention, since the porous body acts as a so-called heat insulating material, heat generated from the heater is difficult to escape to the outside, and is efficiently conducted to the sensor element. . Therefore, the performance of the oxygen sensor is kept stable, and the power consumption of the heater can be reduced.

【0037】請求項2に記載した発明によれば、前記多
孔質体とセンサ素子及びヒータからなる積層体との接合
状態が好適に維持され、酸素センサとしての品質及び性
能が安定に保たれる。
According to the second aspect of the present invention, the bonded state of the porous body and the laminated body including the sensor element and the heater is suitably maintained, and the quality and performance of the oxygen sensor are stably maintained. .

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

【図1】本発明にかかる酸素センサの第1の実施形態を
示す斜視図。
FIG. 1 is a perspective view showing a first embodiment of an oxygen sensor according to the present invention.

【図2】図1のII−II線に沿った断面図。FIG. 2 is a sectional view taken along the line II-II in FIG.

【図3】図2のIII−III線に沿った断面図。FIG. 3 is a sectional view taken along the line III-III in FIG. 2;

【図4】同実施形態の酸素センサの検出部を分解して示
す斜視図。
FIG. 4 is an exemplary exploded perspective view showing a detection unit of the oxygen sensor according to the embodiment;

【図5】第2の実施形態に係る酸素センサの平面図。FIG. 5 is a plan view of an oxygen sensor according to a second embodiment.

【図6】図5のVI−VI線に沿った断面図。FIG. 6 is a sectional view taken along the line VI-VI of FIG. 5;

【図7】従来の積層型酸素センサの構造を示す断面図。FIG. 7 is a cross-sectional view showing the structure of a conventional stacked oxygen sensor.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

14(25〜28)…センサ素子、23,29…多孔質
体、24…ヒータ(アルミナヒータ)、31…陰電極、
33…陽電極。
14 (25 to 28): sensor element, 23, 29: porous body, 24: heater (alumina heater), 31: negative electrode,
33 ... Positive electrode.

Claims (2)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 固体電解質からなるセンサ素子と、該セ
ンサ素子を加熱するヒータとの積層体として構成される
酸素センサにおいて、 前記積層体は少なくともそのヒータ面が多孔質体によっ
て覆われるよう更に積層されてなることを特徴とする酸
素センサ。
1. An oxygen sensor configured as a laminate of a sensor element made of a solid electrolyte and a heater for heating the sensor element, wherein the laminate is further laminated so that at least the heater surface is covered by a porous body. An oxygen sensor, comprising:
【請求項2】 前記多孔質体は前記積層体の接合される
側の材料と同質の材料からなることを特徴とする請求項
1記載の酸素センサ。
2. The oxygen sensor according to claim 1, wherein the porous body is made of a material of the same quality as a material on a side of the laminate to be joined.
JP9063071A 1997-03-17 1997-03-17 Oxygen sensor Pending JPH10260154A (en)

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Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2004105333A (en) * 2002-09-17 2004-04-08 Matsushita Electric Ind Co Ltd Boiled rice warmer
JP2020064005A (en) * 2018-10-18 2020-04-23 株式会社Soken Gas sensor

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