JPS6361160A - 酸素濃度検出装置 - 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］ この発明は、例えば自動車用の内燃機関の排気ガス中に
含まれる酸素の量を測定するために使用される酸素濃度
検出装置に関する。

［従来の技術］ 内燃機関において、例えば燃料噴射量を適正値に設定す
るためには、排気ガス中に含まれる酸素量を検出し、機
関の燃焼室における燃料量と空気量との関係を適正値に
設定する空燃比制御を実行するようにしている。

このような空燃比制御を実行するためには、内燃機関の
排気管部分に酸素濃度センサを設定し、このセンサから
の検出信号に基づき、燃料噴射量等を補正演算するよう
にしているものである。

このような酸素濃度検出装置としては、Ｙ２０３、Ｙｂ
　２０３等をドープしたＺｒＯ２系の酸素イオン導電体
でなる固体電解質物質で構成した検出素子が使用されて
いる。例えば、コツプ状の検出部を上記固体電解質物質
によって構成するようにしているものであり、このコツ
プ状にした固体電解質物質の内面および外面にそれぞれ
電極層を形成し、内部中空部に大気が基準気体雰囲気と
して導かれるようにしている。この場合、上記固体電解
質物質部は、酸素濃度が効果的に検出されるようにする
ため、ヒータによって加熱されるようになっている。

しかし、このような構成では固体電解質物質によってコ
ツプ状の検出部を形成する必要があるものであるため、
その製作過程が複雑化する傾向にあり、且つ機械的な強
度を充分なものとすることか困難である。そして、さら
にヒータ部分の構成が複雑となる。

このような点を考慮したものとして、例えば特開昭５５
−１２５４４８号に示されるような検出素子が考えられ
ている。すなわち、板状に構成された固体電解質の両面
に、ヒータ、電極等を積層し一体化するようにしたもの
であり、さらにこの板状検出素子の面部分に大気導入口
を積層形成するようにしているものである。しかし、こ
の大気導入口を含む状態で積層型に構成された検出素子
にあっては、その形状が板状であるため検出ガス当りに
対する方向性が顕著に現れるようになる。

また、その形状が板状であるため組付け構造を充分なも
のとすることが困難である。さらに板状の固体電解質の
両面部分に内外電極と共にヒータが積層構成されるよう
になるものでるため、その相互の電気的な絶縁のために
複数枚の絶縁層も同時に積層形成する必要があり、その
結果この検出素子の構成が複雑化するようになる。

［発明が解決しようとする問題点］ この発明は上記のような点に鑑みなされたもので、内燃
機関で生ずる機械的な振動に対しても充分耐えることが
できるようにした、機械的な強度の充分なものとするこ
とができると共に、その構成を充分簡易化してガス・当
りの方向性を改苦し、且つ組付け性も良好なものとして
、例えば自動車用内燃機関の排気ガス中の酸素含有率の
測定等に効果的に使用できるようにする酸素濃度検出装
置を提供しようとするものである。

［問題点を解決するための手段］ すなわち、この発明に係る酸素濃度検出装置にあっては
、絶縁物によって先端を閉じた円筒状の中軸を用意し、
この中軸の先端部に近接する側面部に開口を形成する。

そして、この開口部分に両面に電極を形成した板状の固
体電解質からなる酸素検出素子を嵌め込み設定する。ま
た、上記中軸の外周部分には絶縁物からなるシート部材
を巻き付け設定するもので、このシート、部材には上記
検出素子部に対応して開口が形成され、さらに上記検出
素子の電極部に接続されるリード線、およびヒータ線を
印刷等によって形成しているもので、このシート部材を
中軸に巻き付けた状態でヒータが設定され、また検出素
子の導出リード線が形成されるようにしている。

［作用］ 上記のように構成される酸素濃度検出装置にあっては、
中軸の内部中空部が大気に連通されるようになり、しｆ
こがって固体電解質からなる検出素′　　子部の一方の
面が上記大気による基準気体雰囲気に接触設定され、他
方の面がシート部材の開口部を介して測定ガス雰囲気に
接触されるようになる。

したがって、この測定ガス中に含まれる酸素量に対応し
た電気信号が、上記リード線を介して導出されるように
なる。また、このリード線さらに固体電解質部分を加熱
するようになるヒータは、上記シート部材に印刷等によ
って簡単に形成され、中軸と簡単に一体構成とされるよ
うになるものであり、構造が充分簡易化されるばかりか
、円筒状に構成されるものであるため、ガス当りの方向
性がなくなるものであり、さらに組付け作業性も良好な
ものとすることができるものである。

［発明の実施例コ 以下、図面を参照してこの発明の一実施例を説明する。

第１図は酸素濃度検出装置に検出機構部の構成を示すも
ので、円筒管状に構成される中軸１１を備える。この中
軸１１はこの検出機構の基体となるもので、例えばＡｊ
’　２０３　、Ｓ　１３　Ｎ番等の電気絶縁体によって
構成されるもので、第２図に取出して示すように大気導
入口となる基端部を開口した中空部１２を備え、その先
端部は封じられるようになっている。そして、この中軸
１１の基端部の外周部には、リード線の取り出し部を形
成するようになる例えば４個の溝１３１〜１３４が軸線
に平行に形成されている。

上記中軸１１の先端部に近接する部分の外周には、中空
部１２に貫通するようにして開口■４が形成されている
もので、この開口１４の外側部局縁部分には、段差によ
る保持部１４１が形成されている。そして、この開口１
４の保持部１４１に酸素濃度検出素子■５が嵌め込み設
定されるようにしている。

第３図はこの酸素濃度検出素子１５を拡大して示すもの
で、板状に形成された固体電解質１５１によって構成さ
れるしので、この固体電解質１５１は例えば　Ｙ２０３
　、Ｙｂ　２０．等をドープしたＺｒ　０２系の酸素イ
オン導電体材料によって構成され、上記中軸１１に形成
した開口１４の保持部１４１に、中軸１１の円筒面に沿
って湾曲されるようにして嵌め合せ設定されるようにな
るものである。そして、この板状に構成される固体電解
質１５１の両面に、それぞれ第１および第２の電極１５
２および１５３か蒸着、印刷等によって形成されている
ものであり、この電極１５２．１５３それぞれから、１
つの縁に向けて導出電極１５４および１５５が形成され
るようになっている。

ここで、上記電極１５２および１５３は、それぞれ白金
による多孔質の電極として構成され、その両面に存在す
るガスに含まれる酸素が、固体電解質１５１に導かれる
ようになっている。すなわち、この酸素濃度検出素子１
５は、酸素の濃淡により作用する電池として働く電気化
学的なセルとして構成されるものである。

」−記中軸１１の外周部には、シート部材１６が巻き付
け設定される。第４図はこのシート部材１６を取出して
示したもので、上記中軸１１と同質の材料によって構成
されたシート１６１を基体として構成される。このシー
ト１６１には、中軸１１に形成した開口１４の位置に対
応して貫通孔１６２が形成されているもので、この＊；
ａ孔１６２を取囲むようにして、ｐｔあるいはＷから構
成される薄膜によるヒータ１６３が形成されている。ま
た、このシート１６１の面には、直通孔１６２部分から
中軸１１の基端方向に向けて、ＰｔあるいはＷによって
構成される第１および第２のリード線１６４および１６
５が形成されている。そして、このリード線１６４およ
び１６５は、それぞれ中軸１１の基端部に形成した溝１
３１および１３２部に導かれるようになっている。

すなわち、前記酸素濃度検出素子１５を中軸１１の開口
１４内に嵌め込み設定した状態で、上記シート部材１６
がそのヒータ１６３等を形成した面を内面として、上記
中軸１１の外周に巻き付けられる。そして、このシート
部材１６によって酸素濃度検出素子１５が開口１４部の
保持部１４１に固定保持されるようにしている。この場
合上記酸素濃度検出素子１５はシーート部材１６の貫通
孔１６２に対面設定され、この検出素子１６の第２の電
極１５３側が貫通孔１６２を介して外部に露出されるよ
うになっている。

このような状態で、シート１８１に形成した第１のリー
ド線１６４は、第３図の（Ｃ）で示すように固体電解質
１５１の側面まで立下がるように形成された導出電極１
５４に接触接続されるようになっており、また第２のリ
ード線１１１ｉ５は導出電極＋５５に接触接続されるよ
うになっている。そして、この酸素濃度検出素子１５の
電極１５２および１５３が、中軸１１の？＄１３１およ
び１３２部から導出されるようにしている。

上記シート１８１には、さらに上記ヒータ１６２からの
導出リード線１６６および１６７が上記リード線１６４
．１６５と平行に形成され、中軸１１の溝１３３および
１３４部分に導かれ、導出されるようになっている。

上記のように構成される検出機構部は、まず中軸１１を
所定の材料によって成型加工し、この中軸１１を基体と
してそれぞれスクリーン印刷等によって電極等が形成さ
れた固体電解質１５１による酸素濃度検出素子１５と、
同じくスクリーン印刷等によってヒータ１６３、リード
線１８４〜１６７を形成したシート材料１６をそれぞれ
位置合せして上記中軸１１に巻き付け設定し、これを一
体焼成することによって作製される。その後、プラズマ
溶射等によって電極等の保護層となる、Ａノコ０３、あ
るいはＭｇ　０−Ａ７２０３スピネルよりなるセラミッ
クコーティング層によって形成した多孔質の保護層１７
を形成するものである。

この保護層１７を構成するセラミックコーティング層は
、その気孔率が適宜調整できるものであり、この気孔率
によってポテンショメトリック、あるいはポーラロメグ
ラフィックなセンサとして選択的に使い分けできるよう
になるものである。

第５図は上記のように構成される酸素濃度検出機構を用
いて構成した検出装置の構成を示しているもので、中軸
１１を基体として構成された円筒状の検出機構は、支持
ハウジング２０の中心軸部に形成した中空部内に設定さ
れる。この円筒状の検出機構は、リング２１．２２、タ
ルク２８、およびバッキング２４によって上記ハウジン
グ２０の中空部内に保持設定されているものであり、特
にバッキング２４によってハウジング２０の検出機構先
端部と基端部とを気密状態で分離できるようにしている
。

そして、上記検出機構の酸素濃度検出素子１５が設定さ
れている先端部は、上記ハウジング２０から突出するよ
うに設定されているもので、上記ハウジング２０には上
記検出機構の先端部を取囲むようにしてカバーエレメン
ト２５が設けられている。このカバーエレメント２５に
は多数の透孔が形成されているもので、この透孔を介し
て周囲のガスが検出機構の先端検出部の周囲まで侵入し
、検出機構の保護層１７を介してそのガスが検出素子１
５に接触されるようになっている。

上記ハウジング２００カバーエレメント２５と反対側に
は、筒状のカバープロテクション２Ｂがロー付け等によ
って取付け設定される。そして、このカバープロテクシ
ョン２６の中心軸部分に検出機構の中軸１１が設定され
るようにする。そして、この中軸１１とカバープロテク
ション２６との間には、適宜ホルダ２７を介在し、この
ホルダ２７によって検出機構が保持設定されるようにす
る。

リードコネクション２８は、上記カバープロテクション
２Ｂ内にホルダ２７と同軸的に設定されるインシュレー
タ２９に形成されているもので、このインシュレータ２
９はゴムブツシュ３０によってその位置が固定されるよ
うになっている。この場合、上記インシュレータ２９お
よびゴムブツシュ３０は、空気透過性を有するように構
成しているもので、大気がこのゴムブツシュ３０および
インシュレータ２９を介して、酸素濃度検出機構の中軸
１１の基端開口部に導かれ、この中軸１１の酸素濃度検
出索子１５の内面部分に、大気による基準ガス雰囲気が
設定されるようにしている。

上記リードコネクション２８には、リード線３２が接続
されているものであり、このリード線３２は中軸１１の
基端部に形成した溝１３１〜１３４部分で、検出素子１
５からのリード線、さらにヒータからのリード線に接続
されている。そして、このリードコネクション２８は、
ゴムブツシュ３０を貫通して設定されるワイヤリード３
３を介して外部に導出されるようにしているものである
。

上記保持用ハウジング２０にはフランジ３４が一体に取
付けられているもので、このフランジ３４はこの図では
示されていない、例えば内燃機関の排気管にこの検出装
置を取付け設定するために使用される。そして、ハウジ
ング２０のカバーエレメント２５部分が上記排気管内に
設定され、酸素濃度検出機構の先端の酸素濃度検出素子
１５部分が、排気ガス中に位置設定されるようにしてい
るものである。

すなわち、上記のように構成される酸素濃度検出装置に
あっては、内燃機関の排気管に取付け設定された状態で
、酸素濃度検出機構の酸素濃度検出素子１５部分が排気
ガス中に設定されるようになるものであり、この検出素
子１５の外側の面が、保護層１７および電極１５２を介
して被測定ガス、すなわち排気ガスに接触され゛るよう
になる。そして、上記検出素子１５の内側の面は電極１
５３を介して、中軸１１の中空部分に設定される基準ガ
スに接触されるようになる。したがって、上記酸素濃度
検出素子１５の両面に形成した電極１５２および１５３
間に、排気ガス中に含まれた酸素の量に対応した電気信
号が得られるようになる。この場合、ヒータ１６３によ
って上記検出素子１５部分が加熱設定されているもので
あり、精度の高い酸素製炭測定動作が実行されるように
なる。

第６図および第７図は他の実施例を示しているもので、
この実施例にあっては、酸素濃度検出素子１５が第６図
（Ａ）で示すように、中軸１１の外周部の半周の範囲を
巻き付く状態に形成される固体電解質４１によって構成
されるものであり、この固体電解質４１において中軸１
１の開口１４に対応する部分に第１の電極４２を形成し
、その反対側の面に第２の電極４３を形成させるように
している。そして、これら電極４２および４３からは、
それぞれ固体電解質４１の、中軸１１の基端部に向けて
リード線４４および４５が印刷形成されるようにする。

また、第６図（Ｂ）で示すように、中軸１１の残りの半
周を取り巻くようにした中軸１１と同一の材料によって
構成したシート５１を用いるようにするもので、このシ
ート５１の面にヒータ５２およびリード線５３．５４を
印刷形成するようにする。

そして、この第６図の（Ａ）および（Ｂ）で示した固体
電解質４１およびシート５１を、第７図で示すように中
軸１１の外周に、半周つづ巻き付け、−体に焼成するも
のである。

［発明の効果］ 以上のようにこの発明に係る酸素濃度検出装置にあって
は、絶縁物によって構成される中軸を基体として構成さ
れるものであり、この中軸に取り付け設定され、また巻
き付け設定される部材によって、固体電解質およびこの
固体電解質に付属される電極が形成されるものである。

したがって、その組立て構成が積層構造体等が存在しな
いものであるため非常に簡易化されるものであり、また
機械的な強度も充分なものとすることができる。

そして、形状も円筒形を基本として構成されるものであ
るため、その方向性は特に問われないものである。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明の一実施例に係る酸素濃度検出装置の
検出機構部を示すもので、（Ａ）は断面図、（Ｂ）は側
面図、第２図は上記検出機構の中軸を取出して示したも
ので（Ａ）は一部所面した側面図、（Ｂ）は（Ａ）図の
ｂ−ｂ線断面図、第３図は同じく酸素濃度検出素子を示
すもので、（Ａ）は平面図、（Ｂ）は裏面図、（Ｃ）は
断面図、第４図は同じくシート部材を示す図、第５図は
上記検出機構を使用した酸素濃度検出装置を説明する断
面構成図、第６図はこの発明の他の実施１１・・・中軸
、１２・・・中空部、１３１〜１３４・・・溝、１４・
・・開口、１５・・・酸素濃度検出素子、１５１・・・
固体電解質、１５２．１５３・・・電極、１Ｂ・・・シ
ート部材、１６１・・・シート、１Ｂ２・・・貫通孔、
１６３・・・ヒータ、１６４．１８５・・・リード線、
１７・・・保護層。 出願人代理人　弁理士　鈴　江　武　３第１図 第２図 （Ｃ）　　　第３図 第４図 第５図 （Ｂ） 第６図 （Ａ）　　　　　　　　　　　　（Ｂ）第７図

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）先端が閉じられた中空円筒状に形成された絶縁物
   からなる中軸と、 この中軸の上記先端部分に近接する周部に、上記中空部
   に連通するように形成した開口部と、この開口部に嵌め
   合せ設定されるように形成され、上記中空部および上記
   中軸の外側部分にそれぞれ対応する両面に、それぞれ電
   極を形成した板状の固体電解質物質からなる酸素濃度検
   出素子と、 上記中軸の外周に巻き付け設定され、上記酸素濃度検出
   素子部分に対応して開口を形成した絶縁物シートに、金
   属薄膜によるヒータ配線を含む電極リード線を形成した
   シート部材と、 このシート部材の上記開口部分を含んで上記中軸の先端
   部外周部に被覆形成された通気孔を有する絶縁物による
   保護層とを具備し、 上記中軸とシート部材とは一体に焼成され、上記酸素濃
   度検出部材のそれぞれ電極を有する両面は、上記中軸の
   中空部の基準気体雰囲気、および上記保護層を介して測
   定気体雰囲気にそれぞれ接触されるようにしたことを特
   徴とする酸素濃度検出装置。
2. （２）上記シート部材は上記中軸の軸線に沿った線で第
   １および第２のシート部材に分割設定されるものであり
   、上記第１のシート部材には上記酸素濃度検出素子部に
   対応する開口と共に、この開口内に設定される酸素濃度
   検出素子の両面の電極にそれぞれ接続されるようにした
   第１および第２のリード線を形成し、第２のシート部材
   にはヒータおよびこのヒータから導出つされるリード線
   がそれぞれ形成されるようにした特許請求の範囲第１項
   記載の酸素濃度検出装置。