JPH10293115A - 酸素センサ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 センサ素子とヒータとが積層された積層型酸
素センサにあって、より小さな消費電力にて検出部の全
域を活性化温度に保持する。 【解決手段】 酸素センサ１１の検出部１２は、ジルコ
ニア製の板材２５〜２８からなるセンサ素子１４とヒー
タ２４との積層体として構成される。センサ素子１４中
に積層された板材（固体電解質層）２６は、センサ素子
１４の先端部付近にあって陰陽の電極３１，３３に挟ま
れた所定部位（電流検出部）をヒータ２４により活性化
温度まで加熱され、且つ同電極３１，３３に通電される
ことによって酸素濃度の検出を行う。ヒータ２４に内蔵
された発熱体４４は、その中心位置Ｃ２が、電極３１，
３３の中心位置Ｃ１に対し、センサ素子１４の基端部よ
りに長さＬ４だけオフセットされている。

Description

【発明の詳細な説明】

【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ヒータ
とが積層されて構成される酸素センサに関する。

【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６に示す酸素センサ１１
１のように、ケース（図示略）に内蔵された保持ユニッ
ト（図示略）内において、積層センサ素子（ジルコニア
素子）１１４と該センサ素子１１４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）１２４とが互いに積層されて検出部１１
２を構成するものが知られている。このセンサ素子１１
４とヒータ１２４の先端部は、互いに接合された状態で
保持ユニットの外側へ突出し、ガス流入カバー（図示
略）により覆われている。なお、前記センサ素子１１４
は、被検出気体を拡散律速させる拡散律速板１２８、上
記所定の活性化温度下で酸素イオンを透過させることの
できる固体電解質層１２６、及び該固体電解質層１２６
の両面に配されて被検出気体中の酸素をイオン化せしめ
る陰陽の検出用電極１３１，１３３等を備えて構成され
ている。

【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１１１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、排気管内に設けられる
酸素センサ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も自ずと大きくなる傾向にある。

【０００４】ところが、図６に示すような酸素センサ１
１１にあっては、センサ素子１１４において上記活性化
温度に加熱されることの必要な箇所は、両電極１３１，
１３３に挟まれた固体電解質層１２６の一部分（以下、
電流検出部という）にすぎないにもかかわらず、同電流
検出部を上記活性化温度に保持するための消費電力量は
予想外に大きなものとなっている。これは、ヒータ１２
４に内蔵された発熱体１４４がセンサ素子１１４の先端
部付近に在する検出部を加熱する際、同加熱された検出
部からヒータ１２４或いはセンサ素子１１４を伝わって
両部材の基端部に流れていく放熱量が無視できないほど
大きいためである。

【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、より小さな消費
電力にて上記検出部の全域を活性化温度に保持すること
のできる酸素センサを提供することにある。

【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
ってその両面に陰陽の検出用電極を備えたセンサ素子
と、該センサ素子を加熱するための発熱体をその内部に
備えた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、前記発熱体はそのセンサ長手方向中心が前記各
検出用電極の同センサ長手方向中心に対して当該センサ
の基端部よりに所定距離だけオフセットされた位置に配
設されてなることを要旨とする。

【０００７】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、当該センサの先端部に対する
前記発熱体の先端と前記各検出用電極の先端とは略同一
距離におかれることを要旨とする。

【０００８】請求項３に記載した発明では、請求項１又
は２記載の酸素センサにおいて、前記発熱体のセンサ長
手方向中心と前記各検出用電極の同センサ長手方向中心
とのオフセット量は当該センサの先端と前記各検出用電
極の先端との距離の５０〜３００％に設定されることを
要旨とする。

【０００９】これら請求項１〜３記載の発明によれば、
発熱体から発せられた熱がヒータ自身或いはセンサ素子
を介してセンサ基端部側へ逃げても、上記各検出用電極
により挟まれている検出部のセンサ基端部側へは十分な
活性化温度を供給できるようになる。また、センサ先端
部は、断熱されてそもそも熱がこもり易い構造となって
いるため、同検出部のセンサ先端部側へも十分な活性化
温度は供給される。このため上記構成によれば、より小
さな消費電力にて当該酸素センサの検出部全域を活性化
温度に加熱保持することができるようになる。

【００１０】

【発明の実施の形態】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
体化した実施形態について図１〜図５を参照して説明す
る。

【００１１】図１は、酸素センサ１１における検出部１
２部分を示し、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。これらの
図に示されるように、酸素センサ１１は、センサ素子１
４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の下面に固定され、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
ば吸気管（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。

【００１２】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、さらにこ
のセンサ素子１４は、アルミナ（Ａｌ2Ｏ3）から形成さ
れるヒータ２４とともに同図１〜図３に示される態様で
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、ヒータ２４内部には、発熱体４４が
図２及び図３に示される態様で設けられている。

【００１３】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（図示略）及び陽電極側リード取り出
し部（図示略）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。

【００１４】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。

【００１５】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、数１００
〜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
て例えば吸気管を流れる吸入空気と排気再循環（ＥＧ
Ｒ）ガス等との混合ガスが導入されるようになってい
る。

【００１６】一方ヒータ２４は、上述のように発熱体４
４を内蔵している。このヒータ２４は絶縁性であり、且
つ高い熱伝導性を有するアルミナ（Ａｌ2Ｏ3）により形
成されている。同ヒータ２４は、リード４４ｂを介した
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。さらに図３に示すように、発熱体４４をセンサ素子
１４の前記リード線等と同一方向に沿った断面からみる
と、同発熱体４４は、固体電解質層２６のうち陰陽の電
極３１，３３に挟まれた部分（電流検出部）に十分な熱
を供給すべく、その先端位置がそれら両電極３１，３３
の先端位置とほぼ等位置に合わせられるとともに、その
全長（Ｌ２＋Ｌ３）が同両電極３１，３３の長さＬ２よ
りもやや長く形成されている。すなわち、両電極３１，
３３の中心位置Ｃ１と発熱体４４の中心位置Ｃ２を比較
すると、位置Ｃ２は位置Ｃ１に対してセンサ素子１４の
基端部よりに長さＬ４だけオフセットされている。

【００１７】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に埋設された発熱体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３
３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３
１に達した被検出ガス中の酸素分子は、同電極３１上で
イオン化され、さらに板材（固体電解質）２６中を陰電
極３１側から陽電極３３側に向かって移動する。該酸素
イオンは陽電極３３に電子を供与し自らは通気孔４１よ
り排出されるが、このとき両電極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
り被検出ガス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。

【００１８】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、ヒータ２４に内蔵された発熱体４
４の中心位置Ｃ２が、両電極３１，３３の中心位置Ｃ１
に対して長さＬ４だけセンサ素子基端部よりにオフセッ
トされている。因みに、従来のこうした積層型の酸素セ
ンサにあっては図６に例示したように、固体電解質層を
挟む陰陽の電極１３１，１３３の中心位置（電流検出部
の中心位置）と、ヒータ１２４に内蔵される発熱体１４
４の中心位置とがほぼ一致するよう構成されていた。し
たがって、このような構成では、ヒータ１２４が熱伝導
性の高い部材から形成されていることに起因して、発熱
体１４４から発生された熱は、センサ素子１１４の先端
部近傍では逃げ場を失いこもり易く、逆にセンサ素子１
１４の基端部方向では、容易に伝熱が起こり、むしろ温
度は下がる傾向にある。これに対し、本実施形態の酸素
センサ１１にあっては、ヒータ２４に内蔵された発熱体
４４はその中心位置Ｃ２が両電極３１，３３に比して素
子１４基端部よりにオフセットされているため、素子１
４基端部側へその熱が逃げても、それら両電極３１，３
３により挟まれている電流検出部へは十分な活性化温度
を供給できるとともに、素子１４の先端部においても、
上記電流検出部の先端位置とほぼ等しい位置に同発熱体
４４の先端がおかれることで、無駄のない好適な活性化
温度を電流検出部に供給することができるようになる。

【００１９】このことを、図５を参照して更に詳述す
る。図５は、ヒータに対する所定の通電によってセンサ
素子が加熱された際における、同素子内に積層された固
体電解質層の温度分布を示す。同図において、横軸は素
子先端部からの距離、縦軸は温度を示し、図中点線で表
す水平線は、酸素濃度検出に必要な前記電流検出部の活
性化温度（例えば７００℃）を示す。また、同図５に示
す距離Ｌ１及びＬ２は、図３に示した検出部１２の断面
における前記電流検出部の先端側端部から素子先端まで
の距離Ｌ１と、同電流検出部の範囲Ｌ２とにそれぞれ対
応している。そして同図５において、一点鎖線（Ａ）
は、電流検出部の中心位置Ｃ１と発熱体４４の中心位置
Ｃ２とがほぼ一致している（オフセット量Ｌ４＝０）従
来の酸素センサ、また実線（Ｂ）は、電流検出部の中心
位置Ｃ１に対する発熱体４４の中心位置Ｃ２を適宜にオ
フセットした（オフセット量Ｌ４＝0.5×L１〜3.0×Ｌ
１程度）本実施形態の酸素センサ１１、そして二点鎖線
（Ｃ）は、オフセット量Ｌ４を更に大きく設定したもの
（Ｌ４＝4.0×Ｌ１）の上記固体電解質層における温度
分布をそれぞれ表している。

【００２０】同図５に示すように、従来の酸素センサで
は、一点鎖線（Ａ）で示されるように、温度分布のピー
クがセンサ素子の先端部に寄りすぎ、電流検出部のセン
サ素子基端側では十分な活性化温度が得られなくなって
いる。また、電流検出部の範囲Ｌ２全域を活性化温度に
保持するためにはかなり大きな電力量が必要とされる。

【００２１】他方、二点鎖線（Ｃ）で示されるように、
オフセット量Ｌ４が過剰であると、電流検出部の範囲Ｌ
２全域を活性化温度に保持することはできるものの、セ
ンサ素子基端側の同電流検出部以外の部分も余分に昇温
させることとなり、無駄な電力が消費されるようにな
る。

【００２２】この点、実線（Ｂ）で示されるように、本
実施形態に係る酸素センサ１１の場合には、電流検出部
の範囲Ｌ２全域が活性化温度範囲に入るとともに、同電
流検出部以外の部分が余分に昇温されることもない。す
なわち、電流検出部に対して必要十分な加熱を行うこと
ができて且つ、無駄な電力の消費も好適に抑制されてい
る。

【００２３】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、以下に示す効果が奏せられるように
なる。・より小さな消費電力にてセンサ素子１４の電流
検出部全域を活性化温度に保持することができる。

【００２４】なお、上記実施形態では、電流検出部の中
心位置に対する発熱体中心位置のオフセット量Ｌ４をＬ
４＝0.5×Ｌ１〜3.0×Ｌ１とした場合について示した
が、同オフセット量をＬ１〜3.0×Ｌ１との範囲で選ぶ
場合でも、ほぼ上記実施形態に準じた効果が得られるこ
とが発明者によって確認されている。

【００２５】また、図５の実線Ｂとして示されるよう
に、センサ素子の先端側では上記電流検出部の範囲をや
や越えた部分でも多少余分な昇温が行われることに鑑み
れば、発熱体４４の先端位置は、同電流検出部の先端位
置と等しい位置に限らず、これよりやや内側にあっても
よい。

【００２６】また、上記実施形態では、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、被検出ガス
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と
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。

【００２７】また、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。

【００２８】

【発明の効果】本発明によれば、より小さな消費電力に
て当該酸素センサの検出部全域を活性化温度に加熱保持
することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明にかかる酸素センサの一実施形態を示す
斜視図。

【図２】図１のII−II線に沿った断面図。

【図３】図２のIII−III線に沿った断面図。

【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。

【図５】ヒータにより加熱された固体電解質層中の温度
分布を示グラフ。

【図６】従来の積層型酸素センサの構造を示す断面図。

【符号の説明】

１４（２５〜２８）…センサ素子、２４…ヒータ、３１
…陰電極、３３…陽電極、４４…発熱体。

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】固体電解質からなってその両面に陰陽の検
   出用電極を備えたセンサ素子と、該センサ素子を加熱す
   るための発熱体をその内部に備えた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、 前記発熱体はそのセンサ長手方向中心が前記各検出用電
   極の同センサ長手方向中心に対して当該センサの基端部
   よりに所定距離だけオフセットされた位置に配設されて
   なることを特徴とする酸素センサ。
2. 【請求項２】請求項１記載の酸素センサにおいて、 当該センサの先端部に対する前記発熱体の先端と前記各
   検出用電極の先端とは略同一距離におかれることを特徴
   とする酸素センサ。
3. 【請求項３】請求項１又は２記載の酸素センサにおい
   て、 前記発熱体のセンサ長手方向中心と前記各検出用電極の
   同センサ長手方向中心とのオフセット量は当該センサの
   先端と前記各検出用電極の先端との距離の５０〜３００
   ％に設定されることを特徴とする酸素センサ。