JPS63138257A - 内燃機関用酸素センサ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

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Ｓ　Ａ　Ｅ　ｐａｐｅ
ｒ　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ｌ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路
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を設けである。この酸素濃度検出部５は、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、酸素イオン伝導性固体電解
質であるジルコニアシー［１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（酸素濃度路一定）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例のポンプ電極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１
２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ヂ領域での
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、その中間部でパツキ
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２４ａ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）２
７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３
０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ｌ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１
３はジルコニアシー目１の上面の長手方向中央に沿って
センサ素子部２０の基端側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
ニアシー目１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を介装しである。

測定室９例の検出電極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１
１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１２．１
３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例の検出電極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Ｈ１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と平板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＋１ｉ２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４０，４２．４５．４
６，４９．５０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
リード綿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１方に
位置するようにしである。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、前記ガラス粉はパツキン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の略開目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の開目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５
２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の割れが発生する慣れがあっ
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ｌ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を設けであるが、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５
１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に進入したりする慣れがあると共に、
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、センサ素子部の積層外形を方形に
し、かつ、その基端側端面がセンサ素子部を固定する焼
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、加熱ヒータ、検出電極及び
ポンプ電極をセンサ素子部の積層方向端面からそれぞれ
取り出すようにした。

く作用〉 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思人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。

（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例の検出電
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であるが、
本実施例ではこれら端子４０．４２．４５を横方向１列
に配設しである。

また、大気室４例の検出電極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２
０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５
５．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，
４２，４５．４６．４９．５０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４０．４２，４
５，４６．４９．５０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綿２８との接続作業（
半田付は作業）が容易となり作業の自動化の面でもを利
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
を同じくしであるため、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の開目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の基端側を延長しである
。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Ｎ２６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２
０をインナキャ・ノブ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の開目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がらガラス粉が進入
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２剥がれ２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。 ■・・・加熱ヒータ　　２・・・基板　　３・・・平板
４・・・大気室　　５・・・酸素濃度検出部　　６．１
１・・・ジルコニアシート　　７，８・・・検出電極　
　９・・・測定室　　ＩＯ・・・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・・・大気導入孔特許出願人　
日本電子機器株式会社 代理人　弁理士　笹　島　　富二雄 第２図 第４図 第５図 第７図

Claims (1)

【特許請求の範囲】
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が導入される大気室を
   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、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、前記加熱ヒータ、検出電極及びポンプ
   電極をセンサ素子部の積層方向端面からそれぞれ取り出
   すようにしたことを特徴とする内燃機関用酸素センサ。