JPH10282050A - 酸素センサ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 積層型のセンサ素子を備えた酸素センサにお
いて、その長手方向における長さを短縮して同センサの
小型化を図る。 【解決手段】 酸素センサ１７は、酸素濃度を検出する
ためのセンサ素子１８、同素子１８を固定する第１ハウ
ジング１９、及び第１ハウジング１９の外周を覆う第２
ハウジング２０等を備える。センサ素子１８は、検出信
号を出力するための電極や同素子１８を活性化温度にま
で加熱する発熱部等を備える。第１ハウジング１９内に
は、電極用出力ターミナル２１及び発熱部用出力ターミ
ナル２２が設けられている。各出力ターミナル２１，２
２の先端側部分は、第１ハウジング１９から突出して遮
熱部材２３を貫通する。各出力ターミナル２１，２２に
おいて遮熱部材２３よりも先端側の部分には、センサ素
子１８が酸素センサ１７の長手方向と略垂直となるよう
に固定される。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は、内燃機関の空燃
比制御等に用いられる酸素センサに係り、詳しくは、固
体電解質板及びヒータ板を含む積層型のセンサ素子がハ
ウジングに固定されてなる酸素センサに関する。

【０００２】

【従来の技術】内燃機関の空燃比制御に用いられる酸素
センサの一般的な構成を図１３に示す。同図に示すよう
に、この酸素センサ１００は、酸素イオン導電性ジルコ
ニア等の固体電解質により形成された固体電解質板１０
１とヒータ板１０２とが積層されたセンサ素子１０３を
備えている。固体電解質板１０１において先端側（同図
の下側）の両面には酸素濃度に応じた検出信号を出力す
るための電極（図示略）がそれぞれ設けられており、各
電極は同板１０１の長手方向に延びるリード部（図示
略）を介して電極用出力ターミナル１０４に接続されて
いる。また、固体電解質板１０１において一方の電極が
設けられた先端側の一面は被検出気体が接触する検出面
Ｓ１となっている。

【０００３】ヒータ板１０２において先端側の内部に
は、固体電解質板１０１を所定の活性化温度にまで加熱
するための発熱部（図示略）が設けられており、同発熱
部はヒータ板１０２の長手方向に延びるリード部（図示
略）を介して発熱部用ターミナル１０５に接続されてい
る。

【０００４】センサ素子１０３はハウジング１０６によ
って固定されており、その先端部はハウジング１０６の
先端側に取り付けられた２重構造をなすカバー１０７の
内部に突出している。また、カバー１０７には、その内
部に被検出気体を導入するための導入孔１０８が複数形
成されている。

【０００５】こうした構成を備えた酸素センサ１００
は、通常、内燃機関の燃焼室（図示略）に接続された排
気管（図示略）に取り付けられる。そして、排気管内を
流れる排気の一部が導入孔１０８を通じてカバー１０７
の内部に導入され前記検出面Ｓ１に接触する。更に、固
体電解質板１０１はヒータ板１０２の発熱部により所定
の活性化温度にまで加熱される。その結果、固体電解質
板１０１の各電極からは排気の酸素濃度に応じた検出信
号が出力される。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】上記のような酸素セン
サ１００では、固体電解質板１０１においてカバー１０
７の内部に突出した部分の一面を被検出気体の酸素濃度
を検出するための検出面Ｓ１としているが、この検出面
Ｓ１は、精度良く酸素濃度を検出するために所定の面積
を有していなければならない。従って、従来の酸素セン
サ１００では、センサ素子１０３においてカバー１０７
の内部に突出する部分の長さＬ１をある程度確保する必
要があり、その長手方向における小型化が制約されると
いう問題があった。

【０００７】酸素センサ１００の小型化を図ることは、
同センサ１００における搭載自由度を増大させることが
可能になることから、上記のような内燃機関に適用され
る酸素センサ１００に限らず、例えば一般の燃焼機器に
適用される酸素センサにおいても共通の課題である。

【０００８】この発明は上記実情に鑑みてなされたもの
であり、その目的は、積層型のセンサ素子を備えた酸素
センサにおいて、その長手方向における長さを短縮して
同センサの小型化を図ることにある。

【０００９】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、請求項１記載の発明は、酸素濃度が検出される被検
出気体が接触する検出面と当該検出面の反対側に位置す
る面とにそれぞれ電極が設けられた固体電解質板に同固
体電解質板を加熱するための発熱部を有するヒータ板が
積層されてなるセンサ素子と、一方の電極を覆うように
して検出面上に設けられた拡散律速層と、各電極に接続
された一対の電極用出力ターミナルと、発熱部に接続さ
れた一対の発熱部用出力ターミナルと、センサ素子が固
定されたハウジングとを備えた酸素センサにおいて、セ
ンサ素子は、検出面が酸素センサの長手方向に対して略
垂直となるようにハウジングに対して固定されているこ
とをその趣旨としている。

【００１０】上記構成によれば、センサ素子の検出面を
酸素センサの長手方向に対して略垂直に配置するように
したため、同素子を酸素センサの長手方向に延伸させる
ことなく、検出面において被検出気体の酸素濃度を精度
良く検出するのに必要な所定面積が確保される。

【００１１】上記目的を達成するために、請求項２記載
の発明は、請求項１に記載した酸素センサにおいて、少
なくとも拡散律速層と各出力ターミナルにおいて被検出
気体が接触する部位とが多孔質材料からなるトラップ層
により覆われていることをその趣旨としている。

【００１２】上記構成によれば、被検出気体に含まれる
煤がトラップ層により捕捉されるとともに、その捕捉さ
れた煤はヒータ板の熱により燃焼され同層から最終的に
除去される。従って、拡散律速層や各出力ターミナルへ
の煤の付着が抑制される。

【００１３】上記目的を達成するために、請求項３記載
の発明は、請求項１又は２に記載した酸素センサにおい
て、センサ素子はハウジングに対して非接触状態で各出
力ターミナルを介して同ハウジングに固定されているこ
とをその趣旨としている。

【００１４】上記構成によれば、センサ素子は出力ター
ミナルによりハウジングに固定されるため、センサ素子
をハウジングに固定するための部材を別途に設ける必要
がなくなり、また、センサ素子とハウジングが直接接触
していないため同素子からハウジング側に伝播する熱量
が減少する。

【００１５】上記目的を達成するために、請求項４記載
の発明は、請求項３に記載した酸素センサにおいて、セ
ンサ素子とハウジングとの間に遮熱部材を介在させたこ
とをその趣旨としている。

【００１６】上記構成によれば、センサ素子からのハウ
ジングへの輻射熱の伝播が遮熱部材によって抑制され
る。

【００１７】

【発明の実施の形態】本発明を車輌用ディーゼルエンジ
ンのＥＧＲ量フィードバック制御に用いられる酸素セン
サに適用した実施形態について図１〜５を参照して説明
する。

【００１８】図１はディーゼルエンジンシステムの概略
構成を示している。同図に示すように、ディーゼルエン
ジン１０には吸気管１１が接続されており、同管１１を
通じて吸気がエンジン１０の燃焼室（図示略）内に導入
される。吸気管１１内にはスロットル弁１２が設けられ
ており、同弁１２によって燃焼室に導入される吸気の量
が調節される。そして、燃焼室内に導入された吸気と、
同燃焼室内においてインジェクタ（図示略）から噴射さ
れた燃料とが混合され、この混合気が燃焼することによ
りエンジン１０に駆動力が得られる。また、燃焼後の排
気は燃焼室から排気管１３に導入された後、触媒等（図
示略）を通過して外部に排出されるようになっている。

【００１９】更に、エンジン１０システムには排気還流
装置（ＥＧＲ装置）１４が設けられている。このＥＧＲ
装置１４は、排気管１３と吸気管１１においてスロット
ル弁１２より下流側の部分とを連通するＥＧＲ通路１５
と、同通路１５の途中に設けられた流量調整弁１６とを
備えている。排気管１３における排気の一部はＥＧＲ通
路１５を通過して吸気管１１内に戻される。このように
ＥＧＲ通路１５を通過して吸気管１１に戻される排気の
量（ＥＧＲ量）は、流量調整弁１６の開度がエンジン１
０の電子制御装置（図示略）によって制御されることに
より調節されるようになっている。

【００２０】また、このエンジン１０システムには、吸
気管１１においてＥＧＲ通路１５の開口部分よりも下流
側の位置に、全体が略棒状をなす酸素センサ１７が設け
られている。この酸素センサ１７によって、ＥＧＲ通路
１５を通じて吸気管１１内に導入されたＥＧＲガスを含
んだ吸気の酸素濃度が検出されるとともに、その検出信
号が電子制御装置に出力される。電子制御装置は、酸素
センサ１７からの検出信号に基づいてＥＧＲ量フィード
バック制御を実行する。

【００２１】図２は、この酸素センサ１７を示す断面図
である。同図に示すように、酸素センサ１７は、円板状
に形成されたセンサ素子１８と、同センサ素子１８が固
定された第１ハウジング１９と、同ハウジング１９の先
端側（同図の上側）外周を覆う第２ハウジング２０とを
備えている。

【００２２】第１ハウジング１９は、後述する各出力タ
ーミナル２１，２２間の絶縁性を確保するために、例え
ばポリイミド樹脂等の高耐熱性を備えた樹脂材料によっ
て略円柱状をなすように形成されている。また、第２ハ
ウジング２０は金属材料により円筒状をなすように形成
されており、第１ハウジング１９はこの第２ハウジング
２０内に挿通され固定されている。酸素センサ１７は、
この第２ハウジング２０が吸気管１１に固定されること
により、その先端部が同吸気管１１の内部に突出するよ
うにして同管１１に取り付けられるようになっている
（図１参照）。

【００２３】第１ハウジング１９の内部には、酸素セン
サ１７の長手方向（図２の上下方向）に延びる一対の電
極用出力ターミナル２１（同図ではその一方のみを示
す）と、同じく酸素センサ１７の長手方向に延びる一対
の発熱部用出力ターミナル２２（同図ではその一方のみ
を示す）とがその一部が露出した状態で埋設されてい
る。また、第２ハウジング２０の先端側には円板状をな
す遮熱部材２３が酸素センサ１７の長手方向に対して略
垂直となるように取り付けられている。この遮熱部材２
３は例えば、アルミナや窒化珪素等の熱伝導率の大きい
材料によって形成されている。

【００２４】この電極用出力ターミナル２１及び発熱部
用出力ターミナル２２の先端側部分（図２の上側部分）
は、いずれも第１ハウジング１９の先端面から突出する
とともに遮熱部材２３内を貫通している。そして、各出
力ターミナル２１，２２において遮熱部材２３より先端
側の部分には、センサ素子１８が挿通され固定されてい
る。従って、遮熱部材２３はセンサ素子１８と第１ハウ
ジング１９の間に両者に対して所定の間隔を隔てて介在
されていることになる。尚、図２に示すように、センサ
素子１８は、第１ハウジング１９、第２ハウジング２
０、或いは後述するカバー２６のいずれに対しても非接
触状態となっている。

【００２５】また、第１ハウジング１９の基端側部分に
は凹状をなすソケット部２５が形成されており、各出力
ターミナル２１，２２の基端側部分（図２の下側部分）
はこのソケット部２５の内部に突出している。このソケ
ット部２５に外部コネクタ（図示略）が接続されること
により、各出力ターミナル２１，２２はエンジン１０の
電子制御装置に設けられた駆動回路（いずれも図示略）
に電気的に接続されるようになっている。更に、各出力
ターミナル２１，２２においてソケット部２５の内部に
突出した部分には、同部分と外部コネクタとの接触抵抗
が増加することを抑制するための金鍍金が施されてい
る。

【００２６】第２ハウジング２０の先端側部分には、セ
ンサ素子１８及び各出力ターミナル２１，２２の先端側
部分を覆うようにしてカバー２６が取り付けられてい
る。このカバー２６には複数の導入孔２７が形成されて
おり、同カバー２６の内部にはこの導入孔２７を通じて
吸気管１１内を流れる吸気の一部が導入されるようにな
っている。

【００２７】後述するように、センサ素子１８と各出力
ターミナル２１，２２の一部はトラップ層２８に覆われ
ており、カバー２６の内部に導入された吸気は、このト
ラップ層２８を介してセンサ素子１８及び各出力ターミ
ナル２１，２２において遮熱部材２３より先端側にある
部分（以下、このセンサ素子１８及び各出力ターミナル
２１，２２の一部を「酸素センサ１７の吸気接触部分」
という）に接触するようになっている。

【００２８】図３はセンサ素子１８及び各出力ターミナ
ル２１，２２等を拡大して示す断面図であり、図４は図
３の４−４線に沿った断面図である。尚、図３は図４の
３−３線に沿った断面図である。また、図５はこのセン
サ素子１８を各構成部材に分解して示す斜視図である。
図３に示すように、センサ素子１８は、ヒータ部３０、
検出部４０、及び拡散律速部５０とを備え、これら各部
３０，４０，５０を構成する複数の円板状素材（グリー
ンシート）を積層した後、これら各素材を一体焼成する
ことにより形成されている。

【００２９】更に、酸素センサ１７の吸気接触部分は、
トラップ層２８により覆われている。このトラップ層２
８は吸気に含まれる煤を捕捉する機能を有するものであ
り、アルミナ（γ−アルミナ）からなる多孔質材料によ
って形成されている。

【００３０】本実施形態では、アルミナのスラリー中に
上記吸気接触部分を所定時間浸漬した後、同部分に付着
したアルミナスラリーを熱乾燥することによってトラッ
プ層２８を形成するようにしている。尚、各出力ターミ
ナル２１，２２及び後述する筒状ターミナル６３，６４
の先端側外周面は、アルミナスラリーが付着しやすいよ
うに、予めアルミナ微粉末を用いたショットブラスト処
理が施されている。

【００３１】ここで、トラップ層２８は、センサ素子１
８側への吸気の移動を阻害しないように、スラリー中に
おけるアルミナ粉末の粒径や、前記浸漬時間或いは熱乾
燥時間等が適宜調整されることによって、その気孔径が
２〜１０μｍ、層厚が２０〜２００μｍに設定されてい
る。

【００３２】また、図５に示すように、後述するヒータ
板３１、排出室形成板４１、固体電解質板４２、導入室
形成板４３、及び拡散律速板５１には、各出力ターミナ
ル２１，２２が挿通される４つの挿通孔３１ａ，４１
ａ，４２ａ，４３ａ，５１ａがそれぞれ形成されてお
り、これら挿通孔３１ａ，４１ａ，４２ａ，４３ａ，５
１ａによって、センサ素子１８には４つのスルーホール
６０（図３，４参照）が形成されている。

【００３３】ヒータ部３０を構成するヒータ板３１は、
酸素イオン導電性ジルコニアによって形成されており、
その内部にはアルミナからなる絶縁層３２により覆われ
た白金製の発熱部３３が埋設されている。図５に示すよ
うに、この発熱部３３はヒータ板３１の略中央部にて略
Ｍ字形状を呈しており、その両端部はヒータ板３１の挿
通孔３１ａの周囲に形成された一対の環状端子３４，３
５に電気的に接続されている。

【００３４】検出部４０は、ヒータ板３１に順に積層さ
れた排出室形成板４１、固体電解質板４２、及び導入室
形成板４３によって構成されており、これら各板４１〜
４３はいずれもヒータ板３１と同様に酸素イオン導電性
ジルコニアによって形成されている。

【００３５】固体電解質板４２の上下面における中央に
は、白金製の第１電極４４及び第２電極４５が設けられ
ており、各電極４４，４５はリード部４４ａ，４５ａを
介して挿通孔４２ａの周囲に形成された環状端子４６，
４７に電気的にそれぞれ接続されている。

【００３６】排出室形成板４１の中央部において第２電
極４５と対応する位置には矩形孔４１ｂが形成されてい
る。この矩形孔４１ｂの内周面、ヒータ板３１の上面、
及び固体電解質板４２の下面とによって囲まれた空間に
より排出室４８（図３参照）が区画形成されている。図
３に示すように、第２電極４５はこの排出室４８の内部
に配置されている。また、排出室形成板４１には、その
外周側から矩形孔４１ｂにまで延びる切欠き４１ｃが形
成されており、この切欠き４１ｃの内周面、ヒータ板３
１の上面、及び固体電解質板４２の下面とによって囲ま
れた空間によって排出通路（図示略）が区画形成されて
いる。

【００３７】この排出通路によって排出室４８とセンサ
素子１８の外部とが連通されており、後述する導入室４
９から固体電解質板４２の内部を通過して排出室４８に
移動した酸素は、この排出通路から大気中に放出される
ようになっている。

【００３８】また、導入室形成板４３の中央部において
第１電極４４と対応する位置には矩形孔４３ｂが形成さ
れている。この矩形孔４３ｂの内周面、固体電解質板４
２の上面、及び後述する拡散律速板５１の下面とによっ
て囲まれた空間により導入室４９が区画形成されてい
る。図３に示すように、第１電極４４はこの導入室４９
の内部に配置されている。また、後述するように、この
導入室４９には拡散律速板５１を通過した吸気が導入さ
れる。尚、第１電極４４が設けられた固体電解質板４２
の上面は、吸気の酸素濃度を検出するための検出面とな
っている。

【００３９】拡散律速部５０を構成する拡散律速板５１
は導入室形成板４３に積層されており、固体電解質板４
２等と同様に酸素イオン導電性ジルコニアによって形成
されている。この拡散律速板５１には同板５１の上下を
貫通する複数の気孔（図示略）が形成されており、この
気孔により吸気管１１内を流れる吸気が拡散律速された
状態で導入室４９内に導入される。

【００４０】また、拡散律速板５１の上面において各挿
通孔５１ａの周囲には一対の電極用環状端子６１及び発
熱部用環状端子６２が設けられている。これら各環状端
子６１，６２は拡散律速板５１の上面に白金ペーストを
スクリーン印刷することにより形成されている。そし
て、各電極用環状端子６１はスルーホール６０を介して
固体電解質板４２に設けられた各環状端子４６，４７に
電気的に接続されている。また、各発熱部用環状端子６
２はヒータ板３１に設けられた各環状端子３４，３５に
電気的に接続されている。従って、電極用環状端子６１
は各電極４４，４５に、発熱部用環状端子６２は発熱部
３３にそれぞれ電気的に接続されている。

【００４１】図３に示すように、スルーホール６０内に
は電極用筒状ターミナル６３及び発熱部用筒状ターミナ
ル６４がそれぞれ挿通されている。そして、各筒状ター
ミナル６３，６４が各環状端子６１，６２に対して銀を
用いてロウ付けされることにより、両者が電気的に接続
されるとともに、各ターミナル６３，６４がセンサ素子
１８に対して固定されている。

【００４２】更に、電極用筒状ターミナル６３の内部に
は前述した電極用出力ターミナル２１が挿通されてい
る。そして、両ターミナル６３，２１は抵抗溶接によっ
て固定されるとともに電気的に接続されている。同様
に、発熱部用筒状ターミナル６４の内部には発熱部用出
力ターミナル２２が挿通されている。そして、両ターミ
ナル６４，２２は抵抗溶接によって固定されるとともに
電気的に接続されている。その結果、各電極４４，４５
及び発熱部３３は各筒状ターミナル６３，６４及び各出
力ターミナル２１，２２等を介して、いずれも電子制御
装置の駆動回路に接続されている。本実施形態において
は、各筒状ターミナル６３，６４と各出力ターミナル２
１，２２との接合性を向上させるために、各筒状ターミ
ナル６３，６４及び各出力ターミナル２１，２２をいず
れもニッケルによって形成するようにしている。

【００４３】また、このように各筒状ターミナル６３，
６４と各出力ターミナル２１，２２とが固定されること
により、センサ素子１８は前記検出面が酸素センサ１７
の長手方向に対して略垂直となるように第１ハウジング
１９に固定されている。

【００４４】更に、本実施形態においては、各筒状ター
ミナル６３，６４の内部に各出力ターミナル２１，２２
を挿通させる作業が円滑に行われるように、各筒状ター
ミナル６３，６４の基端側部分はフランジ状に拡径成形
されており、その内径が基端側に向けて徐々に拡大され
ている。

【００４５】このように構成された酸素センサ１７にあ
っては、電子制御装置により発熱部３３が通電制御され
ることにより、同発熱部３３が発熱する。そして、この
発熱部３３の熱により固体電解質板４２が所定の活性化
温度にまで加熱される。更に、各電極４４，４５間には
所定の電圧が印加される。一方、導入孔２７を通じてカ
バー２６内に導入されたＥＧＲガスを含む吸気は、トラ
ップ層２８の内部を通過した後、拡散律速板５１の気孔
を通過して拡散律速された状態で導入室４９に導入され
る。このように、導入室４９内に吸気が導入されること
により、各電極４４，４５間には吸気の酸素濃度に応じ
た電流（限界電流）が流れるようになる。そして、電子
制御装置は、この限界電流の大きさから吸気の酸素濃度
を算出し、この酸素濃度に基づいてＥＧＲ量をフィード
バック制御する。

【００４６】次に、本実施形態における作用及び効果に
ついて説明する。本実施形態における酸素センサ１７で
は、前記検出面が酸素センサ１７の長手方向に対して略
垂直となるようにセンサ素子１８を第１ハウジング１９
に対して固定するようにしている。従って、この検出面
において酸素濃度を精度良く検出するのに必要な所定面
積を確保するために、センサ素子１８を酸素センサ１７
の長手方向に延伸させる必要がない。その結果、本実施
形態によれば、酸素センサ１７の長手方向における長さ
を短縮して、その小型化を図ることができる。

【００４７】特に、車輌に搭載されるエンジン１０にあ
っては、エンジンルーム内にある吸気管１１に酸素セン
サ１７を取り付ける場合に、その取付可能な位置が制限
される傾向にある。この点、本実施形態によれば、酸素
センサ１７の小型化を図り、その搭載自由度を増大させ
ることができるため、吸気の酸素濃度を検出するうえで
より適した位置に同センサ１７を取り付けることができ
る。その結果、吸気の酸素濃度をより高精度に検出する
ことができる。

【００４８】また、吸気管１１に取り付けられる酸素セ
ンサ１７にあっては、排気管１３に取り付けられる酸素
センサと比較して、発熱部３３における消費電力が増大
する傾向がある。排気の温度が通常、７００℃以上であ
るのに対して、吸気の温度は、ＥＧＲガスが混合される
ことを考慮しても３００℃程度であるため、固体電解質
板４２を活性化温度（例えば、７００℃）に保持するた
めには、より多くの電力量が発熱部３３において必要と
なるからである。

【００４９】この点、本実施形態においては、センサ素
子１８を各出力ターミナル２１，２２を介して第１ハウ
ジング１９に固定するようにしている。このため、図１
３に示すように、センサ素子１０３を酸素センサ１００
の長手方向に延伸させ、その延伸部分をハウジング１０
６内にて固定するようにした従来の酸素センサ１００と
比較して、センサ素子１８が全体的に小型化されてい
る。更に、本実施形態では、このセンサ素子１８を第１
ハウジング１９、第２ハウジング２０、或いはカバー２
６のいずれに対しても非接触の状態としている。

【００５０】従って、本実施形態によれば、センサ素子
１８の熱容量を減少させることができるとともに、同素
子１８から第１ハウジング１９等の他の部材に伝播する
熱量を減少させることができる。その結果、発熱部３３
における消費電力を低減することができ、ひいてはエン
ジン１０の燃費を向上させることができる。更に、固体
電解質板４２を活性化温度に加熱するうえで発熱部３３
の温度をより低く設定しておくことができるようにな
り、同発熱部３３の耐久寿命を向上させることができ
る。

【００５１】加えて、本実施形態によれば、センサ素子
１８を第１ハウジング１９に固定するための部材を別途
に設ける必要がないため、酸素センサ１７の構成を簡素
化することができ、製造コストの低減を図ることができ
る。

【００５２】また、本実施形態では、センサ素子１８を
多孔質材料からなるトラップ層２８によって覆うように
したため、センサ素子１８から外部への放熱量が減少す
る。従って、本実施形態によれば、この点においても発
熱部３３の消費電力を低減することができる。

【００５３】更に、本実施形態によれば、トラップ層２
８を設けることにより、吸気に含まれる煤が拡散律速板
５１や各筒状ターミナル６３，６４或いは各出力ターミ
ナル２１，２２に付着することに起因した不具合の発生
を抑制することができる。

【００５４】即ち、吸気に混合されるＥＧＲガスはカー
ボン微粒子等からなる煤を含んでおり、この煤が拡散律
速板５１に付着すると同板５１の気孔が目詰まりして同
板５１における拡散律速機能が低下してしまうおそれが
ある。また、煤は導電性を有しているため、この煤が各
出力ターミナル２１，２２或いは各筒状ターミナル６
３，６４に付着すると、各ターミナル間２１，２２，６
３，６４に微弱なリーク電流が流れ、酸素センサ１７の
検出精度や発熱部３３における消費電力の増大を招くお
それがある。

【００５５】特に、吸気に含まれる煤は、吸気の温度が
低いことから、排気に含まれる煤と比較して粘着性が高
いため、吸気管１１に取り付けられる酸素センサ１７に
あっては、拡散律速板５１等に煤がより付着しやすい状
況にある。

【００５６】この点、本実施形態においては、吸気に含
まれる煤がトラップ層２８によって捕捉されるととも
に、その捕捉された煤は発熱部３３の熱により燃焼され
同層２８から最終的に除去される。従って、拡散律速板
５１や各出力ターミナル２１，２２等への煤の付着を抑
制することができ、煤の付着に起因した拡散律速板５１
の目詰まりや各ターミナル２１，２２，６３，６４間に
おけるリーク電流の発生を防止することができる。

【００５７】ところで、第１ハウジング１９は各出力タ
ーミナル２１，２２間の絶縁性を確保するために樹脂材
料によって形成されている。ここで、高温に保持される
センサ素子１８の熱が第１ハウジング１９に伝播するこ
とにより、同ハウジング１９に熱変形が生じることが懸
念される。

【００５８】しかしながら、本実施形態においては、セ
ンサ素子１８と第１ハウジング１９に遮熱部材２３が介
在されているため、同遮熱部材２３によってセンサ素子
１８から第１ハウジング１９への輻射熱の伝播が抑制さ
れる。更に、遮熱部材２３はアルミナや窒化珪素等の熱
伝導率の大きい材料によって形成されるとともに、第２
ハウジング２０に固定されている。

【００５９】従って、センサ素子１８から遮熱部材２３
に熱が伝播した場合でも、その熱は同部材２３から第２
ハウジング２０に逃がされるため、同遮熱部材２３の温
度上昇が抑制される。その結果、遮熱部材２３がより低
温に保持されるようになり、同部材２３から第１ハウジ
ング１９への輻射熱の伝播が抑制される。

【００６０】以上のように、本実施形態によれば、セン
サ素子１８や遮熱部材２３から第１ハウジング１９への
輻射熱の伝播が抑制されるため、第１ハウジング１９の
温度上昇を抑制することができ、同ハウジング１９の熱
変形を防止することができる。

【００６１】尚、上記実施形態は以下に示すようにその
構成を変更することもできる。このように構成を変更し
ても上記実施形態と略同等の作用効果を奏することがで
きる。

【００６２】・上記実施形態では、センサ素子１８の各
環状端子６１，６２にロウ付けされた各筒状ターミナル
６３，６４に出力ターミナル２１，２２を抵抗溶接する
ことにより、センサ素子１８を出力ターミナル２１，２
２に固定するようにした。これに対して、例えば、以下
のようにして、センサ素子１８を出力ターミナル２１，
２２に固定するようにしてもよい。

【００６３】即ち、図６に示すように、上部に拡径部７
０ａ，７１ａを有した棒状ターミナル７０，７１をスル
ーホール６０に挿通させ、その拡径部７０ａ，７１ａに
て同ターミナル７０，７１を各環状端子６１，６２に対
してロウ付けする。一方、出力ターミナル２１，２２の
先端側部分を筒状に形成し、その筒状部分に棒状ターミ
ナル７０，７１の基端側部分を挿通させる。そして、出
力ターミナル２１，２２と棒状ターミナル７０，７１と
を抵抗溶接することにより、両者を固定してセンサ素子
１８を出力ターミナル２１，２２に固定する。

【００６４】このような構成によれば、出力ターミナル
２１，２２と棒状ターミナル７０，７１との支持長さを
確保しつつ、出力ターミナル２１，２２をセンサ素子１
８の先端側部分に突出させないようにすることができる
ため、酸素センサ１７の長手方向における長さを更に短
縮してその小型化を図ることができる。

【００６５】・上記実施形態では、発熱部３３の形成材
料として白金を用いるようにしたが、所定の発熱量を確
保することができれば、例えば、タングステン等を用い
ることもできる。

【００６６】・上記実施形態では、センサ素子１８にロ
ウ付けされた各筒状ターミナル６３，６４に対して出力
ターミナル２１，２２を抵抗溶接して両者を固定するよ
うにした。これに対して、この各筒状ターミナル６３，
６４を省略した構成を採用することもできる。この場合
には、図７（ａ）に示すように、各出力ターミナル２
１，２２を遮熱部材２３に挿通させるとともに、その先
端側部分をセンサ素子１８のスルーホール６０に挿通さ
せセンサ素子１８の環状端子（図示略）に直接ロウ付け
する。次に、このようにセンサ素子１８が固定された出
力ターミナル２１，２２の基端側周囲部分を同図（ｂ）
に示すように樹脂モールドすることにより、第１ハウジ
ング１９を形成する。

【００６７】このような構成によれば、部品点数を減少
させることができるとともに、センサ素子１８の環状端
子と出力ターミナル２１，２２との確実な電気的導通を
図ることができる。

【００６８】・上記実施形態では、酸素センサ１７の吸
気接触部分をトラップ層２８により覆うことにより拡散
律速板５１の目詰まりや各ターミナル間でのリーク電流
の発生を防止するようにした。これに対して、例えば、
被検出気体（吸気）に含まれる煤の量が比較的少なく拡
散律速板５１への煤の付着量が比較的少ない場合には、
このトラップ層２８を省略することができる。このよう
な構成を採用した場合、図８に示すように、各出力ター
ミナル２１，２２（同図では出力ターミナル２２のみ示
す）においてセンサ素子１８と遮熱部材２３との間にあ
る部分と、各筒状ターミナル６３，６４（同図では筒状
ターミナル６４のみ示す）においてセンサ素子１８から
突出した部分を全周にわたり高耐熱絶縁材料により被覆
して絶縁層７２，７３を形成することが、各ターミナル
２１，２２，６３，６４間におけるリーク電流の発生を
防止するうえで望ましい。この高耐熱絶縁材料として
は、ポリイミド樹脂、シリコン樹脂、或いはテフロン樹
脂等の樹脂材料の他、各ターミナル２１，２２，６３，
６４の温度が比較的高温になる場合においてはセラミッ
ク材料が好適である。

【００６９】・上記実施形態では、遮熱部材２３の材料
として、アルミナや窒化珪素等の熱伝導率の大きい材料
を選択することにより、遮熱部材２３の熱を第２ハウジ
ング２０側に逃がして同部材２３の温度上昇を抑えるよ
うにした。これに対し、遮熱部材２３の材料としてジル
コニア等からなる多孔質セラミック材料を用いてその断
熱効果を向上させることにより、同部材２３を透過する
熱量を更に減少させるようにすることもできる。更に、
図９に示すように、遮熱部材２３をアルミナや窒化珪素
等の熱伝導率の大きい材料からなる第１遮熱部２３ａと
多孔質セラミック材料からなる第２遮熱部２３ｂとから
構成するようにしてもよい。

【００７０】・上記実施形態では、センサ素子１８を構
成する各板材３１，４１〜４３，５１を積層した後、こ
れらを一体焼成することにより同素子１８を形成するよ
うにした。これに対して、以下のように、ヒータ板３１
のみを別に焼成した後、これを排出室形成板４１に対し
て接合するようにしてもよい。

【００７１】即ち、図１０に示すように、電極用環状端
子６１を排出室形成板４１の下面に設けるとともに、発
熱部用環状端子６２をヒータ板３１の下面に設ける。そ
して、検出部４０及び拡散律速部５０を構成する各板４
１〜４３，５１を積層して焼成する一方で、ヒータ部３
０を構成するヒータ板３１を別途に焼成する。更に、電
極用筒状ターミナル６３を電極用環状端子６１にロウ付
けするとともに、発熱部用筒状ターミナル６４を発熱部
用環状端子６２にロウ付けする。そして、同図の矢印で
示すように、発熱部用筒状ターミナル６４を検出部４０
側のスルーホール６０内に挿通させることにより、同検
出部４０とヒータ部３０とを接合させる。

【００７２】ヒータ部３０と検出部４０とを異種材料を
用いて形成するようにした場合、焼成時における熱膨張
率が両部３０，４０間で異なるため、一体焼成時におい
て両部３０，４０の間で熱応力が発生するおそれがあ
る。

【００７３】この点、上記のような構成によれば、ヒー
タ部３０と検出部４０とを別々に焼成するようにしたた
め、ヒータ板３１の材料として、例えば、アルミナ、窒
化珪素、炭化珪素、ムライト、コージェライトといっ
た、ジルコニアより絶縁性が高くヒータ板３１としてよ
り好適な材料を選択することができるとともに、ヒータ
部３０及び検出部４０の形成材料に適した条件で各部３
０，４０を焼成することができる。更に、このようにヒ
ータ板３１を絶縁性の高い材料により形成することによ
り、発熱部３３を覆う絶縁層３２を省略することができ
る。

【００７４】・上記実施形態とは異なり、センサ素子１
８を機能的な部材を含むチップ型の素子部８０と、同素
子部８０を保持する支持部８１とによって構成すること
もできる。即ち、図１１に示すように、支持部８１は酸
素イオン導電性ジルコニアの板材からなり、同支持部８
１には４つのスルーホール８３が形成されている。支持
部８１の上面において各スルーホール８３の周囲には、
電極用環状端子６１及び発熱部用環状端子６２がそれぞ
れ設けられている。一方、素子部８０は上記実施形態に
おけるセンサ素子１８と同様、各電極、発熱部（いずれ
も図示略）等を有しており、これら各電極及び発熱部は
白金リード線８４，８５を介して支持部８１の各環状端
子６１，６２に電気的に接続されている。そして、上記
実施形態と同様のトラップ層２８（図示略）によって素
子部８０、支持部８１、及び各ターミナル２１，２２，
６３，６４が覆われることにより、素子部８０が支持部
８１に対し固定されている。

【００７５】このようにチップ型の素子部８０を採用す
ることによって、発熱部３３により活性化温度にまで加
熱させる必要がある部位の体積を減少させることができ
るため、同発熱部３３の消費電力を更に低減することが
できる。

【００７６】・上記実施形態では、焼成時における検出
部４０及びヒータ部３０間における熱応力を緩和するた
めに、ヒータ板３１を検出部４０の各板４１〜４３と同
様に酸素イオン導電性ジルコニアにより形成するように
した。これに対して、ヒータ部３０（ヒータ板３１）を
アルミナにより形成し、検出部４０とヒータ部３０とを
別々に焼成した後、両部３０，４０を無機接着剤により
接合するようにしてもよい。更に、ヒータ部３０をアル
ミナにより形成するとともに、同部３０と検出部４０と
の間にアルミナとジルコニアの混合材料からなる熱応力
緩和層を介在させ、同層により焼成時における熱応力の
緩和を図るようにしてもよい。

【００７７】・上記実施形態では、各出力ターミナル２
１，２２及び各筒状ターミナル６３，６４をいずれもニ
ッケルにより形成するようにした。これら各ターミナル
２１，２２，６３，６４の形成材料としては、上記ニッ
ケルの他、表面にニッケル鍍金を施した燐青銅やコバー
ル、或いは４２アロイ等が各ターミナル２１，２２，６
３，６４を抵抗溶接により接合させるうえで好適であ
る。また、各ターミナル２１，２２，６３，６４をステ
ンレスによって形成しても両者を良好に抵抗溶接するこ
とができる。

【００７８】・上記実施形態では、各出力ターミナル２
１，２２と各筒状ターミナル６３，６４とを抵抗溶接に
より接合するようにしたが、両ターミナル２１，２２，
６３，６４はレーザ溶接、かしめ、ロウ付け等によって
も接合させることができる。・上記実施形態において
は、遮熱部材２３から第１ハウジング１９への熱伝導を
抑制するために、同部材２３の下面と第１ハウジング１
９の上面との間に隙間が形成されている。そこで、この
隙間を利用するために、図１２に示すように、遮熱部材
２３の下面に、酸素濃度検出性能のバラツキを補償する
機能や、検出信号の増幅機能、或いは断線等の異常検出
機能を有する制御部９０を設けるようにしてもよい。こ
の場合、各出力ターミナル２１，２２を、センサ素子１
８と制御部９０とを電気的に接続する第１接続部２１
ａ，２２ａと、制御部９０と外部コネクタとを電気的に
接続する第２接続部２１ｂ，２２ｂとにより構成する。

【００７９】・上記実施形態では、本発明をディーゼル
エンジン１０の吸気管１１に取り付けられる酸素センサ
１７として具体化した。これに対して、本発明をディー
ゼルエンジン１０の排気管１３や、ガソリンエンジンの
吸気管若しくは排気管に取り付けられる酸素センサに適
用したりすることもできる。更に、エンジン用に限定さ
れず、各種燃焼装置に用いられる酸素センサに本発明を
適用することもできる。

【００８０】・上記各実施形態では、本発明をＥＧＲ装
置１４を備えたエンジン１０に用いられる酸素センサ１
７として具体化したが、前述したＰＣＶ装置を備えたエ
ンジンや、ＥＧＲ装置及びＰＣＶ装置の双方を備えたエ
ンジンに用いられる酸素センサ１７として具体化するこ
ともできる。

【００８１】

【発明の効果】請求項１記載の発明では、センサ素子の
検出面が酸素センサの長手方向に対して略垂直となるよ
うに同素子をハウジングに対して固定するようにしてい
る。従って、センサ素子を酸素センサの長手方向に延伸
させることなく、検出面において被検出気体の酸素濃度
を精度良く検出するのに必要な所定面積が確保される。
その結果、本発明によれば、酸素センサの長手方向にお
ける長さを短縮して、その小型化を図ることができる。

【００８２】請求項２記載の発明では、請求項１に記載
した酸素センサにおいて、少なくとも拡散律速層と各出
力ターミナルにおいて被検出気体が接触する部位とを多
孔質材料からなるトラップ層により覆うようにしてい
る。従って、被検出気体に含まれる煤がトラップ層によ
り捕捉されるとともに、その捕捉された煤はヒータ板の
熱により燃焼され同層から最終的に除去されることか
ら、拡散律速層や各出力ターミナルへの煤の付着が抑制
される。その結果、本発明によれば、請求項１に記載し
た発明の効果に加えて、煤の付着に起因した拡散律速層
の目詰まりや各ターミナル間におけるリーク電流の発生
を防止することができる。

【００８３】請求項３記載の発明では、請求項１又は２
に記載した酸素センサにおいて、センサ素子をハウジン
グに対して非接触状態で各出力ターミナルを介して同ハ
ウジングに固定するようにしている。従って、センサ素
子をハウジングに固定するための部材が不要となるとと
もに、センサ素子とハウジングとが直接接触していない
ため、同素子からハウジング側に伝播する熱量が減少す
る。その結果、本発明によれば、請求項１又は２に記載
した発明の効果に加えて、酸素センサにおける構成の簡
素化を図ることができるとともに、ヒータ板の発熱部に
おける消費電力を減少させることができる。

【００８４】請求項４記載の発明では、請求項３に記載
した酸素センサにおいて、センサ素子とハウジングとの
間に遮熱部材を介在させるようにしている。従って、こ
の遮熱部材によってセンサ素子からのハウジングへの輻
射熱の伝播が抑制される。その結果、本発明によれば、
請求項３に記載した発明の効果に加えて、ハウジングの
温度上昇を抑制することができ、ハウジングの熱変形等
を防止することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】ディーゼルエンジンシステムを示す概略構成
図。

【図２】酸素センサを示す断面図。

【図３】同酸素センサのセンサ素子等を示す断面図。

【図４】図３の４−４線に沿った断面図。

【図５】センサ素子を分解して示す斜視図。

【図６】センサ素子の構成変更例を示す断面図。

【図７】第１ハウジングの形成工程を示す断面図。

【図８】センサ素子の構成変更例を示す断面図。

【図９】遮熱部材の構成変更例を示す断面図。

【図１０】センサ素子の構成変更例を示す断面図。

【図１１】センサ素子の構成変更例を示す断面図。

【図１２】制御部が設けられた遮熱部材等を示す平面
図。

【図１３】従来の酸素センサを示す断面図。

【符号の説明】

１０…ディーゼルエンジン、１７…酸素センサ、１８…
センサ素子、１９…第１ハウジング、２０…第２ハウジ
ング、２１…電極用出力ターミナル、２２…発熱部用出
力ターミナル、２３…遮熱部材、２８…トラップ層、３
１…ヒータ板、３３…発熱部、４２…固体電解質板、４
４…第１電極，４５…第２電極、５１…拡散律速板。

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 酸素濃度が検出される被検出気体が接触
   する検出面と当該検出面の反対側に位置する面とにそれ
   ぞれ電極が設けられた固体電解質板に同固体電解質板を
   加熱するための発熱部を有するヒータ板が積層されてな
   るセンサ素子と、前記一方の電極を覆うようにして前記
   検出面上に設けられた拡散律速層と、前記各電極に接続
   された一対の電極用出力ターミナルと、前記発熱部に接
   続された一対の発熱部用出力ターミナルと、前記センサ
   素子が固定されたハウジングとを備えた酸素センサにお
   いて、 前記センサ素子は、前記検出面が前記酸素センサの長手
   方向に対して略垂直となるように前記ハウジングに対し
   て固定されていることを特徴とする酸素センサ。
2. 【請求項２】 少なくとも前記拡散律速層と前記各出力
   ターミナルにおいて前記被検出気体が接触する部位とが
   多孔質材料からなるトラップ層により覆われていること
   を特徴とする請求項１記載の酸素センサ。
3. 【請求項３】 前記センサ素子は前記ハウジングに対し
   て非接触状態で前記各出力ターミナルを介して同ハウジ
   ングに固定されていることを特徴とする請求項１又は２
   記載の酸素センサ。
4. 【請求項４】 前記センサ素子と前記ハウジングとの間
   に遮熱部材が介在されていることを特徴とする請求項３
   記載の酸素センサ。