JPH1144668A - ヒータ付き酸素センサ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 ヒータ付き酸素センサにおいて、酸素検知素
子２を急速に加熱し、酸素センサが活性化温度に達する
までの所要時間の短縮化を図る。 【解決手段】 中空軸状の酸素検知素子２に、軸状の発
熱体３が端子金具２３を介して挿入・固定される。発熱
体３の先端側に局部的に発熱部４２が形成され、この発
熱部４２の表面が素子内壁面２ａにいわば横当たり構造
で弾性的に押し付けられている。発熱体３は、端子金具
２３の内部電極接続部２６の内面から突出して形成され
た位置決め用突出部５０により、発熱体２の中心軸線が
酸素検知素子２の中空部の中心軸線とほぼ平行となるよ
うに中空部内に位置決めされる。このような横当たり構
造により、発熱部４２で発生した熱が直接的に酸素検知
素子２に熱伝導し、またその接触部の近傍の輻射熱も発
熱体素子２の加熱に効果的に作用して、酸素検知素子２
が短時間でセンサ活性化温度に達する。

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、例えば内燃機関
の排気ガス中の酸素濃度を検出するための酸素センサ、
あるいは所定のガス中の酸素を検出するための酸素セン
サに関し、特に短時間に酸素センサを活性化温度まで加
熱するヒータを備えた酸素センサに関する。

【０００２】

【従来の技術】近年、例えば自動車等の内燃機関の排ガ
ス浄化の要求が高まり、車両の始動時やアイドル時な
ど、排ガス温度が低い場合でも内燃機関の排ガス中の酸
素濃度を良好に検出することができるように、ヒータ付
き酸素センサが開発されている。例えば特開平４−１５
７３５８号公報には、先端部が閉じた中空軸状をなし、
それの内壁面に電極層を有する酸素検知素子と、その酸
素検知素子の中空部内に配置されてその酸素検知素子を
加熱する軸状の発熱体とを備えた酸素センサが開示され
ている。この酸素センサでは、酸素イオン電導性固体電
解質によりほぼ試験管状に形成された酸素検知素子の内
部空間に対し、軸状（棒状）の発熱体（ヒータ）がその
先端内面に達するまで同心的に差し入れられており、そ
の発熱体先端と酸素検知素子の先端内面とが接触又はご
く近接するように組み付けられる。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】ところで、この種のヒ
ータ付き酸素センサにおいては、酸素検出素子が不均一
に加熱された場合、十分に加熱されて活性化した部分と
加熱不十分な高抵抗部分とが混在する形となる。この場
合、検知素子の全体の電気抵抗値は、この高抵抗部分に
支配されることが多いから、結果として素子の抵抗値が
十分低くなり、活性化されるまでの時間、すなわちセン
サの立ち上げ時間が長くなることが考えられる。ここ
で、上記従来の構成では、発熱体が酸素検知素子に対し
て同心的に設けられており、酸素検知素子は発熱体によ
り周方向にほぼ均一に加熱され、活性化した領域も当該
周方向に一様に形成される。また発熱体先端が酸素検知
素子先端内面に接触又はごく近接しているので、発熱体
先端から酸素検知素子への熱伝達もある程度期待でき
る。その結果、センサの立ち上がり時間を短くするとい
う観点では一定の効果が得られるものと推考される。

【０００４】ところが、該従来の構成においては、軸状
の発熱体や中空軸状の酸素検知素子の相対的な熱膨張に
より、発熱体先端と酸素検知素子の先端内面とが離れて
しまって、熱伝達効率が低下したり、あるいは逆に両者
が過度に押し付けられて無理な応力を生じ、耐久性に悪
影響を及ぼすなど、熱膨張の影響を大きく受ける欠点が
ある。このことは、酸素検知素子の加熱状態のばらつ
き、ひいては酸素センサの特性のばらつきを生じる原因
ともなりやすい。この場合、発熱体と酸素検知素子との
間の接触状態を解消して、両者の間に始めから相当量の
隙間を形成したのでは、当然のことながら熱伝達効率が
低下して素子の立ち上がり時間が長くなる等の問題につ
ながる。

【０００５】従って、素子の立ち上がり時間の短縮化を
優先するためには、発熱体と酸素検知素子とを接触させ
る構成は必須となる。また、センサの立ち上がり時間短
縮のためには、検知素子の均一加熱のために発熱体をこ
れに対して同心的に配置することの必然性が、当業界で
はほぼ絶対常識のごとく認識されており、これに捕われ
る限りは、発熱体と酸素検知素子との接触部分は発熱体
先端と酸素検知素子先端内面との間に形成する以外に方
法はないということになる。その結果、酸素検知素子の
先端内面と発熱体の先端とを接触又はごく近接させる上
記従来の構成では、センサ立ち上がり時間を短縮する効
果が得られる代償として、酸素センサの特性ばらつきの
問題が必然的に生ずるので、酸素検知素子を短時間で効
果的に加熱する上で必ずしも最善の手法とは言えない。

【０００６】本発明の課題は、中空軸状の酸素検知素子
をその内部に収容した発熱体で短時間で効果的にセンサ
活性化温度に加熱して、例えば車両の始動時やアイドル
時などの、排気ガス温度が低い場合でも酸素センサが有
効に作動し、しかもセンサ特性のばらつきも少なく抑さ
えるようにすることにある。

【０００７】

【課題を解決するための手段及び作用・効果】上述の課
題を解決するために、請求項１のヒータ付き酸素センサ
（以下、単に酸素センサともいう）は、以下の〜の
要件、すなわち、先端部が閉じた中空軸状をなし、そ
れの内外面に電極層を有する酸素検知素子と、該酸素
検知素子の中空部内に配置されて該酸素検知素子を加熱
する軸状の発熱体と、発熱体を周方向に包囲するよう
に形成され、酸素検知素子の内面に直接又は他部材を介
して間接的に接触する固定部と、その固定部に対し発熱
体の軸方向において少なくとも一方の側に連結されて発
熱体を把持する発熱体把持部とを有し、固定部により発
熱体を酸素検知素子の内側に固定する固定金具とを備
え、その固定金具の固定部及び発熱体把持部の少なくと
もいずれかに、それら固定部ないし発熱体把持部の内面
から突出して発熱体の外周面に当接するとともに、その
発熱体を、発熱部の近傍において該発熱体の中心軸線が
該酸素検知素子の中空部の中心軸線に対して片側に寄る
ように偏心した状態で位置決めする位置決め用突出部が
形成されていることを特徴とする。ここで、そのような
偏心（オフセット）の結果として、発熱体の発熱部の表
面が、酸素検知素子の中空部内壁面に接触していること
が望ましい（請求項１２）。この場合は、酸素検知素子
の中空部の中心軸線に対して発熱体の発熱部の近傍にお
いて該発熱体の中心軸線が偏心していることにより、該
発熱体の発熱部の表面が、該酸素検知素子の中空部内壁
面に接触する構成となる。

【０００８】発熱体の中心軸線を、上述のように酸素検
知素子の中空部の中心軸線に対して片側に寄るように偏
心させた場合、その偏心側において酸素検知素子は局所
加熱され、当該酸素検知素子の中心軸線回りの加熱状態
は不均一なものになると考えられる。そして、このよう
に検知素子を不均一加熱する構成は、従来の常識と照合
すれば、酸素検知素子の電気抵抗値が全体として十分低
くなるまでに時間がかかり、結果としてセンサの立ち上
がり時間を長くするのではないかという懸念が生ずるな
ど、不都合が極めて多いもののように思われる。ところ
が、本発明者らは、この一見望ましくないと思われる上
記構成の採用により、意外にもセンサの活性化時間は従
来と同等であるかあるいは却って短縮されることを見い
出したのである。

【０００９】そして、発熱部が酸素検知素子と接触する
上記横当て構造を例えば採用することで、発熱体の発熱
部で発生する熱がその接触に基づき、その発熱部から酸
素検知素子へ直接的に熱伝導するとともに、その接触点
近傍の輻射熱も酸素検知素子に効果的に作用して、その
酸素検知素子を短時間で昇温させることができ、センサ
活性化時間が短縮される。また発熱体の発熱部が酸素検
知素子の中空部内壁面に側方から接触した構造であれ
ば、発熱部や酸素検知素子の熱膨張が生じても、発熱部
の先端を酸素検知素子の先端内面に当てる構造に比べ
て、その熱膨張の影響を受けにくい。言い換えれば、そ
のような横当て構造をとることにより、発熱体や酸素検
知素子が熱履歴を受けても、両者の接触状態を良好に保
ち易くなるのである。

【００１０】また、発熱部を側方から酸素検知素子の中
空部内壁面に当てるようにすれば、接触による直接的な
熱伝導並びに輻射熱の効果により、先端同士で当てる構
造よりも全体としての熱伝達効率は高くなる。そして、
上記のように、酸素センサにおける酸素検知素子と発熱
体の発熱部との接触状態を安定に保証できることによ
り、酸素検知素子の加熱状態のばらつきが減少し、この
ことが酸素センサとしての特性のばらつきを減少させる
効果につながる。

【００１１】さらに、上述のような発熱体の偏心配置構
造は、固定金具の固定部及び／又は発熱体把持部に形成
された位置決め用突出部が発熱体の外周面に当接し、こ
れを酸素検知素子の中空部内で上述のように偏心位置決
めすることにより実現される。このような位置決め用突
出部は、例えば固定金具が板金加工品で構成されている
場合は、プレス加工等により簡単に形成できる。また、
発熱体の中心軸線の中空部の中心軸線からの偏心量を、
位置決め用突出部の固定部及び／又は発熱体把持部内面
からの突出高さに応じて容易に調整できる利点も有す
る。

【００１２】なお、酸素検知素子の外面と中空部の内壁
面とには、酸素検知素子を構成する固体電解質へ酸素を
注入するための酸素分子の解離反応、及び該固体電解質
から酸素を放出させるための酸素の再結合反応に対する
可逆的な触媒機能（酸素解離触媒機能）を有する多孔質
電極（例えばＰｔ多孔質電極）を設けることができる。
この場合、酸素検知素子の局所加熱を行っても、センサ
の立ち上がり時間が従来と同等レベルに維持されるか、
あるいは却って短縮される要因としては、次のようなこ
とが考えられる。

【００１３】すなわち、該方式の酸素センサでは、例え
ば酸素検知素子の内側に大気等の基準ガスを導入する一
方、外側に排気ガス等の測定対象ガスを接触させ、酸素
検知素子の内外の酸素濃度差に基づいて該酸素検知素子
に生ずる濃淡電池起電力により、測定対象ガス中の酸素
濃度が検出される。この場合、酸素イオン電導性固体電
解質により形成された酸素検知素子に十分な濃淡電池起
電力が生じるためには、酸素検知素子の電気抵抗値が十
分小さくなることのほかに、酸素分子に対する解離ない
し再結合反応に対する上記多孔質電極の触媒活性が十分
に高められている必要がある。そして、センサの検出出
力レベルは、酸素検知素子の電気抵抗値と上記多孔質電
極の触媒活性との兼ね合いで決まることとなる。

【００１４】ここで、例えばＰｔ等で構成された多孔質
電極の触媒活性は、例えばＺｒＯ2系等の固体電解質の
酸素イオン移動度よりも温度に対して急激に増大する傾
向があるものと推測されている。そして、酸素検知素子
が本発明の構成により局所加熱されると、固体電解質の
活性化による酸素検知素子の電気抵抗減少は、不均一加
熱のため酸素検知素子と発熱体とを同心配置する従来の
構成ほどには進まないが、その局所加熱された部分は従
来の構成よりも高温まで加熱されるので、当該部分で多
孔質電極の触媒活性が高められて被測定ガス中の酸素分
子の解離が促進され、その効果により固体電解質の濃淡
電池起電力ひいてはセンサの検出出力レベルが補われ、
結果としてセンサの立ち上がり時間が従来と同等か、そ
れよりも短縮される効果が達成されるものと推測され
る。

【００１５】次に、請求項２の酸素センサにおいては、
酸素検知素子の前記中空部に対し、該中空部の中心軸線
を含むある仮想的な第一平面と、同じく中空部の中心軸
線を含むとともに第一平面と直交する仮想的な第二平面
とを設定して、該中空部をそれら第一平面と第二平面と
によって４つの領域に分割した場合に、発熱体は、その
中心軸線の中空部内に位置する部分の全体が、該中空部
の上記４つの領域のいずれか１つに収まるように配置さ
れる。該構成は、換言すれば、発熱体の中心軸線の中空
部内に位置する部分の全体が、中空部の４つの領域のい
ずれかに収まるように、上記仮想的な第一及び第二平面
がどこかに必ず設定できるということを意味している。

【００１６】上記構成によってもたらされる作用・効果
について、図１５を用いて説明する。なお、以下におい
ては説明の便宜のため、発熱部（４２）は発熱体（３）
の酸素検知素子（２）への挿入側端部に形成されてお
り、酸素検知素子（２）の中空部内壁面（２ａ）はほぼ
円筒状面をなすものと考える（ただし、中空部内壁面
（２ａ）には、酸素検知素子（２）を固体電解質粉末の
成形・焼成により製造する際に、成形時の離型性を高め
る等の目的で、底部側が縮径するテーパが付与されてい
る場合もある）。まず図１５（ｃ）は、上記仮想的な第
一及び第二平面Ｐ1，Ｐ2を如何に設定しようとも、上記
平面Ｐ1，Ｐ2で区切られる中空部の４領域のいずれか１
つに発熱体（３）の中心軸線Ｏ1を収めるのが不能な場
合を示している。すなわち、中心軸線Ｏ1は検知素子
（２）の中心軸線Ｏ2に対してかなり傾いて設定されて
おり、結果として該中心軸線Ｏ1は上記４領域の２以上
のものに必然的にまたがって位置せざるを得なくなって
いる。一方、図１５（ａ）は、上記仮想的な第一及び第
二平面Ｐ1，Ｐ2を適当に設定することで、４領域のいず
れかに発熱体（３）の中心軸線Ｏ1を収めることが可能
な場合を示している。この場合、発熱体（３）の中心軸
線Ｏ1の検知素子（２）の中心軸線Ｏ2に対する傾斜は、
図１５（ｃ）に示す場合と比べて必ず緩くなる。

【００１７】この両者を比較すれば、図１５（ｃ）に示
す構成では、発熱部（４２）の末端側の角部においては
検知素子（２）の中空部内壁面（２ａ）までの距離が短
くなり、発熱がこの部分にやや集中する傾向がある。こ
れに対し、同図（ａ）に示す請求項２の構成は、発熱体
（３）の中心軸線Ｏ1の検知素子（２）の中心軸線Ｏ2に
対する傾斜が（ｃ）の構成よりも緩やかであることか
ら、発熱部（４２）の側面が検知素子（２）の中空部内
壁面（２ａ）に対しほぼ沿う形となり、発熱部（４２）
により検知素子（２）の壁部をより均一に加熱すること
ができる。その結果、酸素センサの活性化時間を短縮す
る上でさらに大きな効果を期待できる。ただし、図１５
（ｃ）に示す構成でも、発熱体（３）の中心軸線Ｏ1が
検知素子（２）の中心軸線Ｏ2から偏心して位置するこ
とに変わりはなく、酸素センサの活性化時間を短縮する
上で一定以上の効果が期待できることはいうまでもな
い。

【００１８】この場合、図１５（ｂ）に示すように、発
熱体（３）は、該発熱体（３）の中心軸線Ｏ1が酸素検
知素子（２）の中空部の中心軸線Ｏ2とほぼ平行となる
ように中空部内に配置されていれば、発熱部（４２）の
側面を検知素子（２）の中空部内壁面（２ａ）に対し沿
わせる効果、ひいては検知素子（２）の壁部を均一加熱
する効果がさらに顕著に達成される（請求項３）。

【００１９】次に、固定金具において位置決め用突出部
は発熱体把持部に設けても、固定部に設けてもいずれで
もよい（双方に設けることも可能である）。しかしなが
ら、位置決め用突出部を固定部に設け、その固定部に連
結する発熱体把持部のうち、いずれか一方を省略する構
成とすれば、固定金具の発熱体軸線方向における長さを
短くでき、ひいては酸素センサの上記軸線方向の長さを
減じてこれをコンパクトに構成できるようになる。ま
た、発熱体が１ケ所の把持部により把持される形とした
から、例えば固定金具を装着した発熱体を酸素検知素子
の中空部内に挿入してセンサを組み立てる際に、固定金
具を介した過剰な横方向の力が発熱体に作用しにくくな
り、ひいては組立時の発熱体の折損等を防止することが
できる。

【００２０】なお、上記構成の固定金具において省略す
べき発熱体把持部は、発熱体の長手方向におけるいずれ
の側のものであってもよい。しかしながら、発熱体から
遠い側のものを省略する構成、換言すれば請求項４のよ
うに、固定金具において、発熱体把持部を固定部に対し
発熱体の発熱部に近い側にのみ連結する構成とすれば、
発熱体は、センサの出力端子部等を介して外力の影響を
受けやすい上記遠い側の把持が解除され、横方向の力を
受けてもこれを緩和し易くなって、前述の折損等を防止
する効果をさらに高めることができる。なお、より具体
的には、請求項５のように位置決め用突出部を固定部に
対し、前記発熱体把持部が連結されているのとは反対側
の端部近傍において、該発熱体把持部の固定部への連結
部に対応する位置に形成するようにすれば、発熱体の軸
線方向において、位置決め用突出部による支持点（当接
点）と発熱体把持部による支持点との間の距離を増すこ
とができ、ひいては固定金具により発熱体をさらに安定
的に位置決め支持させることが可能となる。

【００２１】次に、本発明の請求項７の酸素センサは、
先端部が閉じた中空軸状をなし、それの内外面に電極層
を有する酸素検知素子と、該酸素検知素子の中空部内に
配置されて該酸素検知素子を加熱する軸状の発熱体とを
備え、酸素検知素子の前記中空部に対し、該中空部の中
心軸線を含むある仮想的な第一平面と、同じく前記中空
部の中心軸線を含むとともに第一平面と直交する仮想的
な第二平面とを設定して、該中空部をそれら第一平面と
第二平面とによって４つの領域に区切ったときに、発熱
体は、その中心軸線の中空部内に位置する部分の全体
が、中空部の上記４つの領域のいずれか１つに収まるよ
うに配置され、発熱体の中心軸線が、中空部の中心軸線
に対して片側に寄るように偏心していることを特徴とす
る。

【００２２】また、本発明の請求項８の酸素センサは、
先端部が閉じた中空軸状をなし、それの内外面に電極層
を有する酸素検知素子と、該酸素検知素子の中空部内に
配置されて該酸素検知素子を加熱する軸状の発熱体とを
備え、発熱体は、該発熱体の中心軸線が酸素検知素子の
中空部の中心軸線とほぼ平行となり、かつその中心軸線
が、中空部の中心軸線に対して片側に寄るように偏心し
ていることを特徴とする。これら請求項７及び８の構成
における作用・効果の要点は、請求項２及び３の構成に
おいて、図１５を用いて説明したものと同じであるので
説明は省略する。ただし、請求項７及び８の構成におい
ては、発熱体の中心軸線を、中空部の中心軸線に対して
片側に寄るように偏心させるための手段は、位置決め突
出部を用いた請求項１の手法に限定されない。

【００２３】上記請求項７及び８の構成においては、発
熱体を周方向に包囲するように形成され、酸素検知素子
の内面に直接又は他部材を介して間接的に接触する固定
部と、その固定部に対し発熱体の軸方向においてその両
側に連結され、それぞれ発熱体を把持する１対の発熱体
把持部とを有する固定金具を設けることができる（請求
項９）。これによれば、２つの把持部によって発熱体を
より安定的に保持することができる効果も新たに加わ
る。

【００２４】また、請求項７及び８の構成においては、
発熱体を周方向に包囲するように形成され、酸素検知素
子の内面に直接又は他部材を介して間接的に接触する固
定部と、その固定部に対し発熱体の軸方向において該発
熱体の先端に近い側の端部にのみ連結され、発熱体を把
持する発熱体把持部とを有する固定金具を設けることも
できる（請求項１０）。この構成によれば、発熱体は１
ケ所の把持部により、軸線と交差する向きにおいて若干
の動きの自由度を生じた状態で把持されることとなる。
従って、発熱体を固定金具とともに酸素検知素子の中空
部内に挿入すると、該発熱体は先端部が酸素検知素子の
内壁面との接触に伴い、これに追従して該内壁面に沿う
形で位置決めされ、酸素センサの活性化時間を短縮する
上でさらに大きな効果を期待することができる。また、
センサを組み立てる際に、固定金具を介した過剰な横方
向の力が発熱体に作用しにくくなり、ひいては組立時の
発熱体の折損等を防止することができる。さらに、固定
金具の発熱体軸線方向における長さを短くでき、ひいて
は酸素センサの上記軸線方向の長さを減じてこれをコン
パクトに構成できるようになる。

【００２５】なお、上記請求項９及び１０の構成におい
て固定金具の発熱体把持部は、酸素検知素子の中空部に
対し、該中空部の中心軸線を含むある仮想的な第一平面
と、同じく前記中空部の中心軸線を含むとともに第一平
面と直交する仮想的な第二平面とを設定して、該中空部
をそれら第一平面と第二平面とによって４つの領域に区
切ったときに、発熱体が、その中心軸線の中空部内に位
置する部分の全体が、中空部の上記４つの領域のいずれ
か１つに収まるように、固定部に対し連結することがで
きる。より具体的には、固定金具の発熱体把持部は、そ
の中心軸線が、酸素検知素子の中空部の中心軸線から偏
心してこれとほぼ平行な共通の軸線上に位置するよう
に、固定部に対して連結することができる。

【００２６】固定金具は、具体的には、固定部が酸素検
知素子の内側の電極層に接触する内部電極接続部とされ
た端子金具とすることができる（請求項６、１１）。固
定部が酸素検知素子からの出力取出し用の内部電極接続
部を兼ねることにより、部品点数が削減されるので、セ
ンサをより安価に構成することが可能となり、組立工程
も簡略化される。

【００２７】以上の本発明の酸素センサにおいて、前述
のような発熱体の上記酸素検知素子に対する偏心配置に
かかわらず、発熱体の発熱部の表面が酸素検知素子の中
空部内壁面に接触はせず、ごく近接して位置する構成で
もよい。このような構成でも、偏心していない場合に比
べて、発熱部から酸素検知素子への熱輻射等の効果は高
まるため、酸素センサの活性化時間を短縮する上で一定
の効果がある。

【００２８】また、上記本発明の酸素センサの各構成に
おいては、酸素検知素子の軸断面内側寸法ＤAと発熱体
の軸断面外側寸法ＤBとの差ΔＤ＝ＤA−ＤBが０．３５m
m以下となっていることが望ましい（請求項１３）。こ
こで、酸素検知素子の軸断面内側寸法及び発熱体の軸断
面外側寸法は、酸素検知素子内周面ないし発熱体外周面
が円筒状面である場合には、その内径ないし外径を意味
するものとする。また、上記内周面及び外周面が円形か
ら外れた軸断面形状を有している場合には、これを同面
積の円形断面に換算した場合の内径ないし外径を意味す
るものとする。さらに、上記軸断面寸法が、その軸方向
において一定でない場合（例えばテーパ面状に形成され
ている場合）は、該軸断面寸法の軸方向における平均値
で代表させるものとする。

【００２９】ΔＤ＝ＤA−ＤBが０．３５mmを超えると、
酸素検知素子の活性化時間、ひいてはセンサ立ち上がり
時間が長くなったり、あるいは該立ち上がり時間にセン
サ個体間でのばらつきが生じやすくなる場合がある。例
えば、発熱部を側方から酸素検知素子の中空部内壁面に
当てる場合、ΔＤが大きくなるとその横当て力に固体間
ばらつきが生じやすくなることが、その原因として考え
られる。なお、ΔＤの値は、より望ましくは０．３０mm
以下に設定するのがよい。一方、ΔＤが０．１mm未満に
なると、発熱体を酸素検知素子の中空部内への挿入が行
いにくくなり、発熱体の酸素検知素子に対する組み付け
能率を低下させる場合がある。それ故ΔＤは０．１mm以
上に設定するのがよく、より望ましくは０．１５mm以上
に設定するのがよい。

【００３０】また、検知素子の軸断面内側寸法ＤAと発
熱体の軸断面外側寸法ＤBとの差ΔＤ＝ＤA−ＤBの、ＤB
に対する比ΔＤ／ＤBは、０．１３以下となっているこ
とが望ましい（請求項１４）。ΔＤ／ＤBが０．１３を
超えると、請求項１３と同様にセンサの立ち上がり時間
が長くなったり、あるいはそのセンサ個体間でのばらつ
きが生じやすくなる場合がある。ΔＤ／ＤBは、より望
ましくは０．１０以下に設定するのがよい。

【００３１】なお、上記請求項１３又は１４の内容は、
発熱体を１ケ所の把持部のみにより把持する請求項１０
の構成に適用した場合に特に有効である。すなわち、Δ
ＤないしΔＤ／ＤBを上記範囲で調整することにより、
酸素検知素子の内壁面との接触に伴い、発熱体の先端部
は酸素検知素子の中空部内壁面にさらに沿いやすくな
り、酸素センサの活性化時間を短縮する効果が一層高め
られるのである。

【００３２】次に、発熱体の発熱部が、その外周面の周
方向の一部において発熱分布の疎なる発熱疎部分を有す
る場合に、その発熱疎部分以外の部分において当該発熱
体の発熱部を酸素検知素子の中空部内壁面に接触させる
ことができる。例えばセラミックグリーンシートに発熱
抵抗パターンを印刷して、これを芯材に丸めて焼成する
ことにより発熱部を形成する場合は、その継ぎ合わせ側
で発熱パターンが疎になるため、例えばこれと反対側の
発熱部表面を酸素検知素子の中空部内壁面に接触させる
ことができる。つまり、発熱疎部分がその中空部内壁面
に接触した場合でも一定の熱伝達の効果はあるが、それ
より発熱の充分生じる部分を接触させた方がより効果的
であるという意味である。また、発熱体の発熱部が周方
向に偏在することで、より小さな容積に発熱エネルギー
が集中することになり、特にヒータ通電時間後の活性化
時間を短縮する上で効果がある。

【００３３】また、発熱体の発熱部を発熱体の先端部に
偏在させるようにすれば、酸素検知素子を速やかに加熱
する上で有効である。つまり、発熱部を発熱体の全体に
広げることもできるが、そうすると熱エネルギーが分散
しやすくなる。有効な酸素検知素子の加熱にとっては、
むしろ発熱部を発熱体の先端部に偏在させた方が、局部
的に発熱し好ましいと言える。このような発熱部の局部
的な発熱パターンと、前述の偏心による横当て構造との
組合せにより、センサの活性化時間をより短縮すること
ができる。

【００３４】さらに、発熱体が固定金具を介して酸素検
知素子内に組み付けられるとともに、その固定金具によ
って発熱体の発熱部が、酸素検知素子の中空部内壁面に
押し付けられている構造とすることができる。これによ
って前述のような横当て構造は一層安定に保証され、セ
ンサ特性のばらつき減少の効果はさらに高まる。

【００３５】上記本発明の各構成において使用される固
定金具においては、固定部と発熱体把持部との間を、く
びれた形態で連結する連結部を形成することができる。
このようなくびれた形態の連結部が存在することによ
り、例えば発熱体が熱応力により変形しようとした際
に、該連結部が弾性変形ないし塑性変形することで熱応
力が緩和され、ひいては発熱体の破損等も生じにくくな
る。

【００３６】

【発明の実施の形態】以下、図面に示すいくつかの実施
例を参照しつつ、本発明の実施の形態を説明する。 （実施例１）図１に示す酸素センサ１は、先端が閉じた
中空軸状の固体電解質部材である酸素検知素子２と、軸
状のセラミックヒータである発熱体３とを備え、それら
の外殻を構成する各種部材の組立体として構成される。
酸素検知素子２は酸素イオン電導性を有する固体電解質
により構成されている。そのような固体電解質として
は、Ｙ_２Ｏ_３ないしＣａＯを固溶させたＺｒＯ_２が代表
的なものであるが、それ以外のアルカリ土類金属ないし
希土類金属の酸化物とＺｒＯ_２との固溶体を使用しても
よい。また、ベースとなるＺｒＯ_２にはＨｆＯ_２が含有
されていてもよい。

【００３７】この酸素検知素子２の中間部外側には、絶
縁性セラミックから形成されたインシュレータ６，７、
並びにタルクから形成されたセラミック粉末８を介して
金属製の筒部材であるハウジング９が設けられ、酸素検
知素子２はハウジング９と電気的に絶縁された状態で貫
通している。また、図２に示すように、酸素検知素子２
の内面及び外面には、そのほぼ全面を覆うように一対の
電極層２ｂ，２ｃが設けられている。これら電極層２
ｂ，２ｃはいずれも、酸素検知素子２を構成する固体電
解質へ酸素を注入するための酸素分子の解離反応、及び
該固体電解質から酸素を放出させるための酸素の再結合
反応に対する可逆的な触媒機能（酸素解離触媒機能）を
有する多孔質電極、例えばＰｔ多孔質電極として構成さ
れている。

【００３８】次に、ハウジング９の一方の開口部には、
酸素検知素子２の先端側を所定の空間を隔てて覆うよう
にプロテクタ１１が設けられ、プロテクタ１１には排気
ガスを透過させる複数のガス透過口１２が形成され、こ
れにより排気ガス中の酸素が酸素検知素子２の先端側表
面に接触可能となっている。ハウジング９の他方の開口
部には、第１のスリーブ１４がインシュレータ６との間
にリング１５を介してかしめられ、このスリーブ１４に
さらに第２のスリーブ１６が外側から嵌合・固定されて
いる。このスリーブ１６の図中上端側の開口は栓体１７
で封止され、またこれに続いてさらに内方に栓体１８、
及び１９が設けられている。そして栓体１７，１８を貫
通するようにリード線２０，２１が配置されている。

【００３９】一方のリード線２０は、固定金具としての
端子金具２３のコネクタ部２４及びこれに続く引出し線
部２５（絶縁管２５ａで覆われている）、並びに端子金
具２３の固定部としての内部電極接続部２６を経て、前
述の酸素検知素子２の図示しない内側の電極層と電気的
に接続されている。他方のリード線２１は、別の端子金
具３３のコネクタ部３４及びこれに続く引出し線部３５
並びに外部電極接続部３５ｂを経て、酸素検知素子２の
図示しない外側の電極層と電気的に接続されている。ま
た前述の発熱体３に通電するためのプラス側及びマイナ
ス側の一対のヒータ端子部４０が、発熱体３の基端部
（図１において上端部）に固定され、これらヒータ端子
部４０を経て、発熱体３内に埋設された後述の発熱用抵
抗回路に通電されるようになっている。なお図１で図示
はしないが、一対のヒータ端子部４０は、栓体１７，１
８等を貫通して設けられたヒータ用の一対のリード線に
それぞれ接続される。

【００４０】このように構成された酸素センサ１は、酸
素検知素子２の内側空間に対し、例えばリード線２０，
２１の被覆部２０ａ，２１ａと芯線２０ｂ，２１ｂとの
間に形成された空隙を介して基準ガスとしての大気が導
入される一方、酸素検知素子２の外面にはプロテクタ１
１のガス透過口１２を介して導入された排気ガスが接触
し、該酸素検知素子２にはその内外面で生ずる酸素濃度
差に応じて酸素濃淡電池起電力が生じる。そして、この
酸素濃淡電池起電力を、排気ガス中の酸素濃度の検出信
号として電極層２ｂ，２ｃからリード線２１，２０を介
して取り出す。ここで、酸素検知素子２は、排気ガス温
が十分高温となっている場合には当該排気ガスで加熱さ
れて活性化されるが、エンジン始動時など排気ガス温が
低温である場合には前述の発熱体３で強制的に加熱する
ことで活性化される。

【００４１】発熱体３は、通常はセラミックヒータであ
り、例えばアルミナを主とするセラミック棒４５を芯材
とし、図５に示すようにこのセラミック棒４５の表面に
例えば蛇行状に形成された抵抗線部（抵抗パターン）４
１（図７）からなる発熱部４２を備える。これはシート
状の外層セラミック部４３（図７）に抵抗ペーストを所
定のパターンで印刷し、これをセラミック棒４５に巻き
付けるように丸めて焼成したものである。セラミック棒
４５は外層セラミック部４３の先端から若干突出してお
り、また抵抗パターン４１にヒータ端子部４０から延び
る図示しない通電路を経て、発熱のための通電が行われ
る。このような発熱部４２は発熱体３の先端側に偏って
設けられ、その先端部で局部的に発熱するようになって
いる。

【００４２】そして、図５に示すように、発熱体３の発
熱部４２の近傍における中心軸線Ｏ1は、酸素検知素子
２の中心軸線Ｏ2に対して片側に寄るように一定量δだ
け偏心（オフセット）している。それによって、発熱体
３の発熱部４２の先端部表面が酸素検知素子２の中空部
内壁面（以下、素子内壁面ともいう）２ａに所定の面圧
で押し付けられた状態で接触している。この接触位置
は、図１から明らかなように酸素検知素子２の閉塞側先
端からやや中間側へ寄ったところ、より好ましくは前述
のプロテクタ１１のガス透過口１２にほぼ対応する位置
にあたるとよい。

【００４３】また、図１５（ｂ）に概念的に示すよう
に、酸素検知素子２の中空部に対し、該中空部の中心軸
線Ｏ2を含むある仮想的な第一平面Ｐ1と、同じく中空部
の中心軸線Ｏ2を含むとともに第一平面Ｐ1と直交する仮
想的な第二平面Ｐ2とを設定して、該中空部をそれら第
一平面Ｐ1と第二平面Ｐ2とによって４つの領域に分割し
た場合に、発熱体３は、その中心軸線Ｏ1の上記中空部
内に位置する部分の全体が、該中空部の上記４つの領域
のいずれか１つに収まるように配置されている。より具
体的には、図５にも示すように発熱体３は、その中心軸
線Ｏ1が中空部の中心軸線Ｏ2とほぼ平行となるように配
置されている。これにより、発熱体３は、発熱部４２の
側面が検知素子２の中空部内壁面２ａに対しほぼ沿う形
となっている。

【００４４】ここで、上述のように発熱体３の中心軸線
Ｏ1を上述の配置関係で酸素検知素子２の中空部の中心
軸線Ｏ2から偏心させ、かつ発熱部４２を素子内壁面２
ａに弾性的に押し付ける機能を果たしているのは端子金
具２３である。この場合、端子金具２３は３つの役割を
果たす。第一は、酸素検知素子２の内側の電極層の出力
端子としてリード線２０との電気的接続を図ること、第
二は発熱体３を酸素検知素子２の内側に固定することで
あるが、これらは従来と同様の機能である。そして第三
の機能が、発熱体３の先端部を素子内壁面２ａに横当た
り構造で弾性的に押し付けることである。

【００４５】図３に端子金具２３の単体状態を、図４に
端子金具２３を発熱体３に組み付けた状態を示す。これ
らの図から明らかなように、前述の内部電極接続部２６
に関して発熱体３の先端側（すなわち発熱部４２に近い
側）に発熱体把持部２７が形成されている。発熱体把持
部２７は、発熱体３の周囲を包囲するＣ字状の横断面形
状を有している。そして、発熱体３を未挿入の状態では
該発熱体３の外径よりは少し小さい内径を有し、発熱体
３の挿入にともない弾性的に拡径してその摩擦力により
該発熱体３を把持するものである。この発熱体把持部２
７は内部電極接続部２６の軸方向端部の片側の１箇所に
のみ設けられている。

【００４６】内部電極接続部２６は、左右両側の縁に鋸
刃状の接触部２６ａがそれぞれ複数形成された板状部分
を円筒状に曲げ加工することにより、発熱体３を包囲す
る形態で形成されている。そして、その外周面と酸素検
知素子２の中空部内壁面２ａとの間の摩擦力によって発
熱体３を該中空部に対し軸線方向に位置決めする役割を
果たすとともに、上記複数の接触部２６ａの各先端部に
おいて内側の電極層２ｃ（図２）と接触・導通するよう
になっている。また、発熱体３との間には所定の隙間が
形成されている。なお、これら両側の接触部２６ａは、
鋸刃の山に相当する部分と谷に相当する部分とが、左右
両側で互い違いに形成されており、例えばセンサ組立時
において内部電極接続部２６を酸素検知素子２の内側に
挿入する際に、左右の接触部２６ａが同時に酸素検知素
子２の開口縁に引っ掛かったりする等のトラブルが生じ
にくくなり、ひいては内部電極接続部２６の酸素検知素
子２に対する組み付けが容易となる効果を有している。
また、鋸刃状の各接触部２６ａの高さをやや大きく設定
することにより、上記板状部分を筒状に曲げて内部電極
接続部２６を形成する際に、その曲げ方向の幅が増大し
て加工が行いやすくなる効果も合わせて達成される。

【００４７】また、内部電極接続部２６には、発熱体把
持部２７が連結されているのとは反対側の端部近傍にお
いて、該発熱体把持部２７の内部電極接続部２６への連
結部３０に対応する位置に、その内面から突出して発熱
体３の外周面に当接する位置決め用突出部５０が形成さ
れている。この位置決め突出部５０は、例えば内部電極
接続部２６の壁部をプレス加工等により内向きに凹ませ
ることにより形成されており、発熱体３を前述のように
酸素検知素子２の中空部の中心軸線Ｏ2に対して偏心し
た状態で位置決めするためのものである。

【００４８】酸素検知素子２の中空部内壁面２ａには、
これを固体電解質粉末の成形・焼成により製造する際
に、成形時の離型性を高める等の目的で、底部側が縮径
する僅かなテーパが付与されている。これに対し発熱体
３は、図５等に示すように、その中心軸線Ｏ1が検知素
子２側の中心軸線Ｏ2とほぼ平行となるように配置され
るわけであるから、発熱体３の基端側に向かうほど、発
熱体３と中空部内壁面２ａとの間に形成される隙間を大
きくする必要がある。上記位置決め用突出部５０は、該
突出部５０の形成位置におけるこの隙間量を所定の値に
規定することにより、発熱体３が発熱部４２の近傍にお
いて上記中空部内壁面２ａと接触し、かつ２つの中心軸
線Ｏ1と中心軸線Ｏ2とがほぼ平行となる位置関係を満足
させる役割を果たしている。

【００４９】なお、酸素センサ１の製造工程では、発熱
体３に端子金具２３を固定した後、このアッセンブリを
酸素検知素子２に挿入するのが普通である。ここで、発
熱体３に対する酸素検知素子２の壁部からの拘束力が存
在しないと仮定した場合に、発熱体把持部２７の内部電
極接続部２６に対する半径方向の連結位置関係は、発熱
体把持部２７と位置決め突出部５０とによって該発熱体
３の中心軸線Ｏ1が酸素検知素子２の中空部の中心軸線
Ｏ2に対し、発熱部４２側が該中心軸線Ｏ2から遠ざかる
ように少し傾いた状態で保持されるように定められてい
る。これにより、上記アッセンブリの挿入の際に、発熱
体３の先端部は素子内壁面２ａに弾性的に接触した状態
でここを滑りつつ内部に挿入され、図４（ｃ）に矢印で
示すように、その中心軸線Ｏ1 が中空部の中心軸線Ｏ2
と平行となる向きにその傾斜状態が矯正されつつ該検知
素子２に対して装着されることとなる。また、発熱体把
持部２７と内部電極接続部２６との間の連結部３０は、
両側から周方向にＵ字状の切欠を形成することによりく
びれた形態で形成されている。そして、発熱体３の検知
素子２への装着時には、これが内向きに弾性変形し、そ
の弾性復帰力によって発熱体３の発熱部４２を検知素子
２の中空部内壁面２ａに押し付け、図１のような横当た
り形態を生じさせる。

【００５０】この状態で発熱体３には、素子内壁面２ａ
が発熱体３に及ぼす応力、位置決め突出部５０において
発熱体３に作用する応力、発熱体把持部２７において発
熱体３に作用する応力とによって、これらの合成による
曲げモーメントが生じるが、その曲げモーメントにより
発熱体３が折れないように、言い換えれば発熱体３の許
容強度範囲以上の応力が生じないようにされている。こ
のような応力ひいては曲げモーメントの調整を図るの
は、内部電極接続部２６に隣接するくびれ形態の連結部
３０である。

【００５１】すなわち、連結部３０は、上記挿入工程で
発熱体把持部２７及び位置決め突出部５０を介して発熱
体３に付与される曲げ力を吸収・緩和してその折損等を
防止する役割も果たす。そして、その弾性力の調整は、
くびれ部分の幅調整により可能となる。換言すれば、連
結部３０のくびれ幅を適切に設定することで、上記弾性
力を適度な値に調整でき、図１の発熱体３の横当たり構
造において、素子内壁面２ａに対する弾性的な押付力を
必要十分な値に確保できるのである。

【００５２】次に、図７（ｂ）に示すように、発熱体３
の外層セラミック部４３がセラミック棒４５に巻き付け
られた際の接合隙間として、発熱体３の外周の１箇所に
軸方向と平行なスリット状部４４が生じ、この近傍では
抵抗パターン４１が存在せず、発熱疎部分となるが、発
熱体３の素子内壁面２ａの横当たり構造に際してはこの
スリット状部４４の反対側の発熱部４２表面を素子内壁
面２ａに当てることが望ましい。これによって充分発熱
する部分から直接的に酸素検知素子２に効果的な熱伝達
が生じる。

【００５３】また、酸素検知素子２の中空部内壁面２ａ
はテーパ状に形成されているが、その内径の平均値（以
下、単に内径という）ＤAと発熱体３の外径ＤBとの差Δ
Ｄ＝ＤA−ＤBは０．１〜０．３５mm、望ましくは０．１
５〜０．３０mmに設定されている。また、上記ΔＤの発
熱体３の外径ＤBに対する比ΔＤ／ＤBは、０．１３以
下、望ましくは０．１０以下に設定されている。

【００５４】以下、上記酸素センサ１の作用について説
明する。図６は、発熱体３の中心軸線Ｏ1と酸素検知素
子２の中心軸線Ｏ2とが同心的な従来構造の比較例を示
すもので、これと図５とを比較すると明らかなように、
図５の本件実施例では、酸素検知素子２の中心軸線Ｏ2
に対し、発熱体３の中心軸線Ｏ1がほぼ平行な状態で、
酸素検知素子２の中心軸線Ｏ2から距離δだけ偏心し、
その発熱部４２の先端部表面が素子内壁面２ａに側方か
ら押し付けられた、いわば横当たり構造とでも称すべき
形態となっている。なお、図３及び図４ともに、理解を
容易にするために発熱体３と酸素検知素子２との隙間は
実際のものより誇張して描かれているが、上述の偏心量
δは、素子内壁面２ａの内径を２．８〜３．２mm、発熱
体３の外径を２．４３〜２．６３mmとしたとき、発熱体
３と酸素検知素子２との間で過度な押し付け力を生ずる
ことなく上記横当り構造を確実なものとするために、例
えば０．０８５〜０．３８５mm程度の大きさに設定する
のがよい。また図６の発熱部４２’と比べて、図５の発
熱部４２は、前述のように発熱体３の先端側により狭い
領域に偏って形成されている。

【００５５】このような発熱体３の素子内壁面２ａに対
する横当たり構造を採用することにより、発熱部４２で
生じた熱が上記接触に基づく熱伝導により速やかに酸素
検知素子２に伝わってこれを加熱し、また発熱部４２の
上記接触部近傍の局部的に発熱した部分の熱輻射によっ
ても酸素検知素子２が加熱される。そして、その熱伝導
及び熱輻射による相乗的な熱伝達が、酸素検知素子２を
急速に加熱し、活性化温度までの上昇時間を短縮する。

【００５６】ここで、図２に示すように酸素検知素子２
は、その素子内壁面２ａに横当て状態で配置された発熱
部４２により局所加熱されるのであるが、センサの立ち
上がり時間は図６に示す従来構成のセンサと同等レベル
に維持されるか、あるいは却って短縮される。その要因
としては、次のようなことが考えられる。すなわち、酸
素イオン電導性固体電解質により形成された酸素検知素
子２に十分な濃淡電池起電力が生じるためには、酸素検
知素子２の電気抵抗値が十分小さくなることのほかに、
酸素分子に対する解離ないし再結合反応に対する電極層
２ｂ，２ｃの触媒活性が十分に高められている必要があ
る。そして、センサの検出出力レベルは、酸素検知素子
２の電気抵抗値と上記２ｂ，２ｃの触媒活性の兼ね合い
で決まる。

【００５７】ここで、酸素検知素子２が発熱部４２によ
り局所加熱されると、固体電解質の活性化による酸素検
知素子２の電気抵抗減少は、例えば図６に示す従来の構
成ほどには進まないが、図２に示すように、その局所加
熱された部分２ｄはより高温まで加熱されるので、当該
部分で電極層２ｂ，２ｃの触媒活性が高めらる。そし
て、電極層２ｂの触媒活性が向上すると被測定ガス中の
酸素分子の解離が促進され、その効果により固体電解質
の濃淡電池起電力ひいてはセンサの検出出力レベルが補
われ、結果としてセンサの活性化時間（立ち上がり時
間）が短縮されるものと推測される。

【００５８】また、発熱体３の中心軸線Ｏ1が検知素子
２側の中心軸線Ｏ2とほぼ平行となるように配置するこ
とにより、発熱部４２の側面が検知素子２の中空部内壁
面２ａに対しほぼ沿う形となり、発熱部４２により酸素
検知素子２の壁部をより均一に加熱することができるよ
うになり、ひいては酸素センサの活性化時間短縮の効果
がさらに高められている。

【００５９】さらに、図１に示すように、端子金具２３
において、発熱体把持部２７が内部電極接続部２６に対
し発熱体３の発熱部４２に近い側にのみ連結されている
ので、端子金具２３の発熱体３の軸線方向における長さ
が短くなり、ひいては酸素センサ１は、その軸線方向の
長さが減じられてコンパクトに構成されている。また、
発熱体３が１ケ所の把持部２７により把持される形とし
たから、端子金具２３を装着した発熱体３を酸素検知素
子２の中空部内に挿入してセンサ１を組み立てる際に、
前述の通り、端子金具２３を介した過剰な横方向の力が
発熱体に作用しにくくなり、ひいては組立時の発熱体３
の折損等を防止することができる。

【００６０】実験によれば、図６のような従来タイプの
もので、例えばヒータ抵抗値を３〜３．５Ωに設定した
とき、センサ活性化温度までの所要時間は２０秒程度要
するのに対し、図５の横当たり構造のものでは、同じヒ
ータ抵抗値の条件で活性化温度に達するまでの所要時間
が、単に偏心した場合で１５秒程度、更に横接触した場
合で９秒程度と大幅に短縮することが確認された。この
ことは、例えば自動車の始動時やアイドリング時等の、
排気ガス温度が低い場合でも、酸素センサが従来に比べ
て相当早い段階から酸素濃度を適正に検出し、従来より
高精度・高能力で排ガス浄化を達成することにつなが
る。

【００６１】以下、実施例１の酸素センサのいくつかの
変形例について説明する。なお、上記実施例１の酸素セ
ンサ１と共通する部分には同一の符号を付与して説明は
省略し、主にその相違点について以下に説明する。図１
８に示す酸素センサ２００においては、端子金具２３に
代えて、内部電極接続金具１２０と、固定金具１２３と
を設けた例である。内部電極接続金具１２０は、酸素検
知素子２の中空部に対し、その開口側端部に嵌め込まれ
る筒状の内部電極接続部１２１を備え、その内部電極接
続部１２１の後端側に、図１の酸素センサ１の端子金具
２３の、コネクタ部２４及びこれに続く引出し線部２５
（絶縁管２５ａで覆われている）とを結合した構造を有
している。

【００６２】図１９に示すように、内部電極接続部１２
１は、軸方向のスリット１２１ｂを有するＣ字状断面を
有する略円筒状に形状を有し、自由状態において酸素検
知素子２の開口側端部よりも少し大きい外径を有する。
また、その後端面には、引出し線部２５の一端がスリッ
ト１２１ｂと反対側の位置に一体化されている。図１８
に示すように、内部電極接続部１２１は、酸素検知素子
２内に押し込まれることにより、スリット１２１ｂを縮
小させつつ径方向に圧縮され、その弾性復帰力による摩
擦で酸素検知素子２の内面に固定されるとともに、素子
２の内面側の電極層２ｃ（図２）と接し、引出し線部２
５を経て素子２からの出力電圧を取り出す役割を果た
す。なお、内部電極接続部１２１の後端側開口縁には、
外向きに突出する係止用凸部１２１ａが周方向に沿って
複数形成されている。これら係止用凸部１２１ａは素子
２の中空部の開口内縁と係合し、該素子２内において内
部電極接続部１２１を軸線方向に位置決めする。

【００６３】一方、固定金具１２３は、図１の端子金具
２３からコネクタ部２４及び引出し線部２５を取り除い
たものと略等価な形態を有する。発熱体把持部２７は、
発熱体３を把持する。他方、固定部１２６は、図１の端
子金具２３の内部電極接続部２６に対応するものであ
り、形態もこれとほぼ同様である。そして、該固定金具
１２３は内部電極接続部１２１内に押し込まれ、その外
周面と内部電極接続部１２１の内壁面との間の摩擦力に
よって発熱体３を素子２の中空部に対し軸線方向に位置
決めする役割を果たす。なお、固定部１２６は、内部電
極接続部１２１を介して間接的に酸素検知素子２の内面
に接する形となっている。

【００６４】次に、図８及び図９に示すように、端子金
具２３においては、２つの発熱体把持部２７ａ，２７ｂ
をそれぞれ連結部２９，３０を介して、内部電極接続部
２６に対しその軸線方向両側に連結する構成とすること
もできる。また、位置決め突出部５０は、発熱体把持部
２７ａ，２７ｂのいずれかに形成するようにしてもよ
い。この場合、発熱体把持部の内径は、位置決め突出部
５０の突出量を考慮に入れて大きく設定しておく必要が
ある。

【００６５】例えば、図８の酸素センサ２０１では、発
熱部４２から遠い側の発熱体把持部２７ａに位置決め突
出部５０を形成している。図２０の酸素センサ２０３
は、その端子金具２３を図１８の酸素センサ２００と同
様に、内部電極接続金具１２０と固定金具１２３とで置
き換えた例である。

【００６６】また、図９の酸素センサ２０２は、発熱部
４２から近い側の発熱体把持部２７ｂに位置決め突出部
５０を形成した例であり、図２１の酸素センサ２０４
は、その端子金具２３を内部電極接続金具１２０と固定
金具１２３とで置き換えた例である。これらの場合は、
発熱体３は、連結部２９ないし３０が位置するのとは反
対側においてその発熱部４２が酸素検知素子２の中空部
内壁面２ａに当接している。これにより、発熱体３は、
図１０に示すように該側にやや大きく傾いて、その中心
軸線Ｏ1が中空部の中心軸線Ｏ2と所定の傾きθで交差す
る形態となっている。

【００６７】なお、図１０においては、理解を容易にす
るために発熱体３と酸素検知素子２との隙間や傾きθを
実際のものより誇張して描いている。ここで、発熱部４
２の近傍における中心軸線Ｏ1の酸素検知素子２の中心
軸線Ｏ2に対する偏心量δと、傾きθとは、素子内壁面
２ａの内径を２．８〜３．２mm、発熱体３の外径を２．
４３〜２．６３mmとしたとき、発熱体３と酸素検知素子
２との間で過度な押し付け力を生ずることなく上記横当
り構造を確実なものとするには、例えばδは０．０８５
〜０．３８５mm、またθは０．１〜０．５°程度の大き
さとするのがよい。

【００６８】（実施例２）図１１は、本発明の酸素セン
サの第二実施例を示すものである。なお、該酸素センサ
１５０の構成において上記実施例１の酸素センサ１と共
通する部分には同一の符号を付与して説明は省略し、主
にその相違点について以下に説明する。

【００６９】すなわち、該酸素センサ１５０が次のよう
に構成されている点で実施例１の酸素センサ１と相違す
る。すなわち、端子金具２３は、実施例１の端子金具
（図１）とほぼ同様に形成された内部電極接続部２６を
備え、発熱体３の軸方向において該内部電極接続部２６
の一方の側には、実施例１と同様の第一発熱体把持部２
７ａが形成される一方、他方の側にも第二発熱体把持部
２７ｂが同様の構成で形成されている。ここで、図１２
に示すように、上記１対の発熱体把持部２７ａ，２７ｂ
は、その中心軸線が、酸素検知素子２の中空部の中心軸
線Ｏ11から偏心してこれとほぼ平行な共通の軸線Ｏ10上
に位置するように、内部電極接続部２６に対して連結さ
れている。

【００７０】具体的には、端子金具２３においては、第
一発熱体把持部２７ａと第二発熱体把持部２７ｂとが、
内部電極接続部２６の各々対応する端部に対し、それぞ
れくびれた形態の第一及び第二連結部２９及び３０によ
り、発熱体３の径方向において同じ側の周縁に一体的に
接続されている。そして、これら連結部２９，３０は、
内部電極接続部２６の径方向内側に曲げられて段付き部
を形成するとともに、その曲げ量を調整することによ
り、発熱体把持部２７ａ，２７ｂの中心軸線Ｏ10は、酸
素検知素子２の中空部の中心軸線Ｏ11に対しほぼ平行な
状態で、連結部２９，３０の形成側とは反対方向に所定
の偏心量ｄで偏心させられている。

【００７１】このような端子金具２３は、例えば図１３
に示すような形状の板状金属部材１２８を曲げ加工する
ことにより製造することができる。すなわち、図１３
（ａ）に示すように板状金属部材１２８は、３つの部分
１２７ａ、１２６及び１２７ｂが、その幅方向中間部に
おいて、連結部２９及び３０となるべき接続部１２９及
び１３０により互いに一体化された形態をなし、同図
（ｂ）〜（ｄ）に示すように、接続部１２９及び１３０
の両側に張り出した部分を幅方向において筒状に丸める
ように曲げ加工することにより、それぞれ第一発熱体把
持部２７ａ、内部電極接続部２６及び第二発熱体把持部
２７ｂとなる。また、連結部２９及び３０は、同図
（ｅ）に示すように、発熱体把持部２７ａ，２７ｂの中
心軸線Ｏ10が、所期の位置となるように段付き状に曲げ
加工される。

【００７２】上記構成の酸素センサ１５０においても、
基本的には実施例１の酸素センサ１と同様の効果を奏す
ることができるほか、２つの把持部２７ａ，２７ｂによ
り発熱体３をより安定的に保持することができる効果も
新たに加わる。

【００７３】なお、図２２の酸素センサ２０５は、図１
１の酸素センサ１５０の端子金具２３を、図１８の酸素
センサ２００と同様に、内部電極接続金具１２０と固定
金具１２３とで置き換えた例である。

【００７４】次に、図１４の酸素センサ２０６において
は、発熱体把持部２７は、内部電極接続部２６に対し発
熱体３の軸方向において該発熱体３の先端に近い側の端
部において１ケ所にのみ設けられている。この構成によ
れば、発熱体３は１ケ所の把持部２７により、軸線と交
差する向きにおいて若干の動きの自由度を生じた状態で
把持されることとなる。従って、発熱体３を端子金具２
３とともに酸素検知素子２の中空部内に挿入すると、該
発熱体３は、先端部が酸素検知素子２の内壁面との接触
に伴い、これに追従して該内壁面に沿う形で位置決めさ
れ、酸素センサの活性化時間を短縮する上でさらに大き
な効果を期待することができるようになる。この場合、
ΔＤないしΔＤ／ＤBを前述の範囲で調整することによ
り、発熱体３の先端部は酸素検知素子２の中空部内壁面
にさらに沿いやすくなり、酸素センサの活性化時間を短
縮する効果が一層高められる。

【００７５】また、別の効果としては、センサを組み立
てる際に、端子金具２３を介した過剰な横方向の力が発
熱体３に作用しにくくなり、ひいては組立時の発熱体３
の折損等を防止することができる。さらに、端子金具２
３の発熱体軸線方向における長さを短くでき、ひいては
酸素センサの上記軸線方向の長さを減じてこれをコンパ
クトに構成できるようになる。

【００７６】なお、図２３の酸素センサ２０７は、図１
４の酸素センサ２０６の端子金具２３を、図１８の酸素
センサ２００と同様に、内部電極接続金具１２０と固定
金具１２３とで置き換えた例である。

【００７７】以上、図面に示す実施例を参照しながら説
明したが、本発明は以上の実施例の記載により限定的に
解釈されるものでは決してなく、特許請求の範囲の趣旨
を逸脱しない限りにおいて、当業者の知識の基づく種々
なる変更・改良が可能であることは言うまでもない。

【００７８】

【実施例】以下、実験例により、本発明の実施例をさら
に詳しく説明する。 （実験例１）図１に示す酸素センサ１を、酸素検知素子
２のテーパ状の中空部内壁面の内径（平均値）ＤAと、
発熱体３の外径ＤBとを表１に示す６つの組み合わせ条
件で各種変化させ、各条件毎に５０個ずつ作製した。こ
こで、酸素検知素子２は、ＺｒＯ_２粉末に安定化成分と
してのＹ_２Ｏ_３を配合して成形後、焼成することによ
り、Ｙ_２Ｏ_３を８．５〜９．０重量％含有するＺｒＯ_２
固体電解質として形成されたものである。なお、ΔＤ
（＝ＤA−ＤB）及びΔＤ／ＤBの各条件毎の値も表１に
合わせて示している。また、発熱体３の酸素検知素子２
の中空部に対する挿入深さは４７．４mm に固定した。
さらに、発熱部４２は、発熱体３の軸線方向における幅
が４mmであり、１２Ｖ通電時の出力が１０Ｗのものを用
いた。

【００７９】これらセンサ１の酸素検知素子２に対し、
以下の性能試験を行った。すなわち、リード線２１側
（外側の電極層２ｂ側）を、８００ｋΩの抵抗器を介し
て直流定電圧電源（電圧４Ｖ）の正極端子に接続する一
方、リード線２０側（内側の電極層２ｃ側）を接地し
た。この状態で発熱体３の発熱部４２に対し１４Ｖで定
電圧通電して酸素検知素子２を加熱するとともに、酸素
検出素子２に印加される分圧電圧に基づいてその電気抵
抗値の時間的な変化を連続的にモニタした。そして、そ
の電気抵抗値が５．６ＭΩに到達すれば酸素検出素子２
が活性化したと判断し、通電開始からその活性化するま
での時間を、センサ立ち上がり時間として各センサ毎に
測定した。表１に、各条件のセンサの立ち上がり時間の
平均値と標準偏差とを示す。また、図１６及び図１７
は、センサ立ち上がり時間の平均値Ｔav及び標準偏差σ
TをΔＤ及びΔＤ／ＤBに対してプロットしたものであ
る。

【００８０】

【表１】

【００８１】すなわち、図１６においては、センサ立ち
上がり時間の平均値ＴavはΔＤの増加とともに増加する
ことがわかる。また、ΔＤが０．３５mmを超えると、セ
ンサ立ち上がり時間の標準偏差σT、すなわちセンサ個
体間でのばらつきが急激に大きくなっている。従って、
上記センサ立ち上がり時間の個体間ばらつきを抑制する
ためには、該ΔＤの値を０．３５mm以下の範囲で設定す
ることが望ましいといえる。一方、図１７から、ΔＤ／
ＤBの値は、０．１３以下（より望ましくは、０．１０
以下）に設定することが、同様に上記立ち上がり時間の
個体間ばらつきを抑制する上で望ましいこともわかる。

【００８２】（実験例２）図１１に示す酸素センサ１５
０を、酸素検知素子２のテーパ状の中空部内壁面の内径
（平均値）ＤAと、発熱体３の外径ＤBとを、実験例１と
同様の６つの組み合わせ条件で各種変化させ、各条件毎
に５０個ずつ作製した。なお、酸素検知素子２と、発熱
体３とは実験例１と同じものを用いた。また、発熱体３
の酸素検知素子２の中空部に対する挿入深さは、４７．
４mm に固定した。そして、これらセンサ１５０に対
し、実験例１と同様の性能試験を行った。表２に、各条
件のセンサの立ち上がり時間の平均値Ｔavと標準偏差σ
Tとを示す。

【００８３】

【表２】

【００８４】すなわち、センサ立ち上がり時間の平均値
ＴavはΔＤの増加とともに増加することがわかる。ま
た、ΔＤが０．３５mmを超えると、センサ立ち上がり時
間の標準偏差σT、すなわちセンサ個体間でのばらつき
が急激に大きくなっている。従って、上記センサ立ち上
がり時間の個体間ばらつきを抑制するためには、該ΔＤ
の値を０．３５mm以下の範囲で設定することが望ましい
といえる。一方ΔＤ／ＤBの値は、０．１３以下（より
望ましくは、０．１０以下）に設定することが、同様に
上記立ち上がり時間の個体間ばらつきを抑制する上で望
ましいこともわかる。

【００８５】（実験例３）図１４に示す酸素センサ２０
６を、酸素検知素子２のテーパ状の中空部内壁面の内径
（平均値）ＤAと、発熱体３の外径ＤBとを、実験例１と
同様の６つの組み合わせ条件で各種変化させ、各条件毎
に５０個ずつ作製した。なお、酸素検知素子２と、発熱
体３とは実験例１と同じものを用いた。また、発熱体３
の酸素検知素子２の中空部に対する挿入深さは、４７．
４mm に固定した。そして、これらセンサ２０６に対
し、実験例１と同様の性能試験を行った。表３に、各条
件のセンサの立ち上がり時間の平均値Ｔavと標準偏差σ
Tとを示す。

【００８６】

【表３】

【００８７】すなわち、センサ立ち上がり時間の平均値
ＴavはΔＤの増加とともに増加することがわかる。ま
た、ΔＤが０．３５mmを超えると、センサ立ち上がり時
間の標準偏差σT、すなわちセンサ個体間でのばらつき
が急激に大きくなっている。従って、上記センサ立ち上
がり時間の個体間ばらつきを抑制するためには、該ΔＤ
の値を０．３５mm以下の範囲で設定することが望ましい
といえる。一方ΔＤ／ＤBの値は、０．１３以下（より
望ましくは、０．１０以下）に設定することが、同様に
上記立ち上がり時間の個体間ばらつきを抑制する上で望
ましいこともわかる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施例１の酸素センサの縦断面図。

【図２】図１の、発熱部と酸素検知素子との接触部付近
を拡大して示す断面図。

【図３】図１の端子金具を単体状態で示す図。

【図４】図３の端子金具に発熱体を組み付けたアッセン
ブリを示す図。

【図５】図２の要部を概念化して示す部分断面図。

【図６】比較例の同様な部分断面図。

【図７】図１の発熱部の一例を示す図。

【図８】図１の酸素センサの変形例を示す縦断面図。

【図９】同じく別の変形例を示す縦断面図。

【図１０】図９の発熱部近傍を概念化して示す部分断面
図。

【図１１】本発明の実施例２の酸素センサの縦断面図。

【図１２】図１１の端子金具を単体状態で示す図。

【図１３】図１２の端子金具を製造するための板状金属
部材の一例を示す図。

【図１４】実施例２の酸素センサの変形例を示す縦断面
図。

【図１５】本発明の酸素センサの作用の一部を参照例と
比較して説明する概念図。

【図１６】実験例で得られたＴav及びσTのデータを、
ΔＤに対してプロットしたグラフ。

【図１７】同じくＴav及びσTのデータを、ΔＤ／ＤBに
対してプロットしたグラフ。

【図１８】図１の酸素センサの変形例を示す縦断面図。

【図１９】その内部電極接続金具と固定金具とを示す分
解斜視図。

【図２０】図８の酸素センサの変形例を示す縦断面図。

【図２１】図９の酸素センサの変形例を示す縦断面図。

【図２２】図１１の酸素センサの変形例を示す縦断面
図。

【図２３】図１４の酸素センサの変形例を示す縦断面
図。

【符号の説明】

１，１５０，２００〜２０７ 酸素センサ ２ 酸素検知素子 ２ａ 中空部内壁面（素子内壁面） ３ 発熱体 ２３ 端子金具（固定金具） ２６ 内部電極接続部（固定部） ２７ 発熱体把持部 ２７ａ 第一発熱体把持部 ２７ｂ 第二発熱体把持部 ２９ 連結部（第一連結部） ３０ 連結部（第二連結部） ４２ 発熱部 １２３ 固定金具 １２６ 固定部

Claims (14)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 先端部が閉じた中空軸状をなし、それの
   内外面に電極層を有する酸素検知素子と、 該酸素検知素子の中空部内に配置されて該酸素検知素子
   を加熱する軸状の発熱体と、 前記発熱体を周方向に包囲するように形成され、前記酸
   素検知素子の内面に直接又は他部材を介して間接的に接
   触する固定部と、その固定部に対し前記発熱体の軸方向
   において少なくとも一方の側に連結されて前記発熱体を
   把持する発熱体把持部とを有し、前記固定部により前記
   発熱体を前記酸素検知素子の内側に固定する固定金具と
   を備え、 その固定金具の前記固定部及び発熱体把持部の少なくと
   もいずれかに、それら固定部ないし発熱体把持部の内面
   から突出して前記発熱体の外周面に当接するとともに、
   その発熱体を、発熱部の近傍において該発熱体の中心軸
   線が該酸素検知素子の中空部の中心軸線に対して片側に
   寄るように偏心した状態で位置決めする位置決め用突出
   部が形成されていることを特徴とするヒータ付き酸素セ
   ンサ。
2. 【請求項２】 前記酸素検知素子の前記中空部に対し、
   該中空部の中心軸線を含むある仮想的な第一平面と、同
   じく前記中空部の中心軸線を含むとともに前記第一平面
   と直交する仮想的な第二平面とを設定して、該中空部を
   それら第一平面と第二平面とによって４つの領域に分割
   した場合に、 前記発熱体は、その中心軸線の前記中空部内に位置する
   部分の全体が、前記中空部の前記４つの領域のいずれか
   １つに収まるように配置されている請求項１記載の酸素
   センサ。
3. 【請求項３】 前記発熱体は、該発熱体の中心軸線が前
   記酸素検知素子の中空部の中心軸線とほぼ平行となるよ
   うに前記中空部内に配置されている請求項１又は２に記
   載の酸素センサ。
4. 【請求項４】 前記固定金具において、前記発熱体把持
   部は前記固定部に対し前記発熱体の前記発熱部に近い側
   にのみ連結されており、前記位置決め用突出部は前記固
   定部に設けられている請求項１ないし３のいずれかに記
   載の酸素センサ。
5. 【請求項５】 前記位置決め用突出部は、前記固定部に
   対し、前記発熱体把持部が連結されているのとは反対側
   の端部近傍において、該発熱体把持部の固定部への連結
   部に対応する位置に形成されている請求項４記載の酸素
   センサ。
6. 【請求項６】 前記固定金具は、前記固定部が前記酸素
   検知素子の内側の電極層に接触する内部電極接続部とさ
   れた端子金具である請求項１ないし５のいずれかに記載
   の酸素センサ。
7. 【請求項７】 先端部が閉じた中空軸状をなし、その内
   外面に電極層を有する酸素検知素子と、該酸素検知素子
   の中空部内に配置されて該酸素検知素子を加熱する軸状
   の発熱体とを備え、 前記酸素検知素子の前記中空部に対し、該中空部の中心
   軸線を含むある仮想的な第一平面と、同じく前記中空部
   の中心軸線を含むとともに前記第一平面と直交する仮想
   的な第二平面とを設定して、該中空部をそれら第一平面
   と第二平面とによって４つの領域に区切ったときに、前
   記発熱体は、その中心軸線の前記中空部内に位置する部
   分の全体が、前記中空部の前記４つの領域のいずれか１
   つに収まるように配置され、前記発熱体の中心軸線が前
   記中空部の中心軸線に対して片側に寄るように偏心して
   いることを特徴とするヒータ付き酸素センサ。
8. 【請求項８】 先端部が閉じた中空軸状をなし、それの
   内外面に電極層を有する酸素検知素子と、該酸素検知素
   子の中空部内に配置されて該酸素検知素子を加熱する軸
   状の発熱体とを備え、 前記発熱体は、該発熱体の中心軸線が前記酸素検知素子
   の中空部の中心軸線とほぼ平行となり、かつその中心軸
   線が、前記中空部の中心軸線に対して片側に寄るように
   偏心していることを特徴とするヒータ付き酸素センサ。
9. 【請求項９】 前記発熱体を周方向に包囲するように形
   成され、前記酸素検知素子の内面に直接又は他部材を介
   して間接的に接触する固定部と、その固定部に対し前記
   発熱体の軸方向においてその両側に連結され、それぞれ
   前記発熱体を把持する１対の発熱体把持部とを有する固
   定金具を備えている請求項７又は８に記載の酸素セン
   サ。
10. 【請求項１０】 前記発熱体を周方向に包囲するように
    形成され、前記酸素検知素子の内面に直接又は他部材を
    介して間接的に接触する固定部と、その固定部に対し前
    記発熱体の軸方向において該発熱体の先端に近い側の端
    部にのみ連結され、前記発熱体を把持する発熱体把持部
    とを有する固定金具を備えている請求項７又は８に記載
    の酸素センサ。
11. 【請求項１１】 前記固定金具は、前記固定部が前記酸
    素検知素子の内側の電極層に接触する内部電極接続部と
    された端子金具である請求項９又は１０に記載の酸素セ
    ンサ。
12. 【請求項１２】 前記酸素検知素子の中空部の中心軸線
    に対して前記発熱体の発熱部の近傍において該発熱体の
    中心軸線が偏心していることにより、該発熱体の発熱部
    の表面が、該酸素検知素子の中空部内壁面に接触してい
    る請求項１ないし１１のいずれかに記載の酸素センサ。
13. 【請求項１３】 前記酸素検知素子の軸断面内側寸法Ｄ
    Aと前記発熱体の軸断面外側寸法ＤBとの差ΔＤ＝ＤA−
    ＤBが０．３５mm以下である請求項１ないし１２のいず
    れかに記載の酸素センサ。
14. 【請求項１４】 前記酸素検知素子の軸断面内側寸法Ｄ
    Aと前記発熱体の軸断面外側寸法ＤBとの差ΔＤ＝ＤA−
    ＤBの、前記ＤBに対する比ΔＤ／ＤBが０．１３以下で
    ある請求項１ないし１３のいずれかに記載の酸素セン
    サ。