KR100397207B1 - 가열기를 갖춘 산소감지기 - Google Patents

Abstract

샤프트형 가열부재는 단자부재와 함께 공동 샤프트형 부재의 산소감지부재내로 삽입되어 고정된다. 가열부분은 그 맨끝 단부에 가까이 있는 가열부재의 일부분에 배치된다. 가열부분의 표면은 측면 접촉 구조에서 산소감지부재의 내벽에 압착된다. 이 경우, 유도기는 주로 탄성력을 일으킨다. 그와 같은 측면 접촉 구조에 있어서, 가열부분에서 발생한 열은 직접적으로 산소감지부재에 전달되어 그것을 가열한다. 그 접촉위치 근처의 한 부분으로 부터 방사된 열은 산소감지부재를 가열한다. 산소 감지기의 온도는 빠르게 활성온도에 도달한다.

Description

가열기를 갖춘 산소 감지기

본 발명은 내연기관의 배기가스 속의 산소 농도를 감지하기 위한 산소 감지기 또는 특정한 가스내의 산소를 감지하기 위한 산소 감지기에 관한 것이다. 보다 구체적으로 말하자면, 본 발명은 산소 감지기를 재빨리 활성온도까지 가열할 수 있는 가열기를 갖춘 산소 감지기에 관한 것이다.

최근들어, 예컨데 자동차의 내연기관으로 배출되는 배기가스를 정화하고자 하는 욕구가 증대되고 있다. 이러한 상황에서, 예를 들면 엔진 시동시에 또는 헛도는 때에 배출가스 온도가 낮은 상태하에서도 내연기관으로 부터 배출되는 배기가스내의 산소 농도를 잘 감지할 수 있는, 히터를 갖춘 산소 감지기가 개발된다. 예를 들면, 심사되지 않은 일본특허공보 No. 평. 4-157358은 밀폐된 단부와 내벽위의 전극층, 그리고 산소감지부재를 가열하기 위해 산소감지부재내에 배치된 샤프트형 가열부재를 가지는 공동(空洞) 샤프트형 부재의 산소감지부재를 포함하는 산소 감지기를 공개하고 있다. 산소 감지기에 있어서, 샤프트형 가열부재는 그 맨끝 단부가 감지부재의 맨끝 단부의 내면에 도달하거나 또는 근접할 때까지 산소철 전도의 고체 전해물로 만들어지는 시험관(test tube)형 산소감지부재의 내부 공간으로 공축으로 삽입된다.

이런형의 산소 감지기에 있어서, 산소감지부재가 균등하게 가열되지 않을 때는, 충분히 가열되고 활성화된 부분과 불충분하게 가열되고 고저항을 갖는 부분이 산소감지부재에 공존한다. 감지부재의 전체 전기저항은 흔히 고저항 부분에 의해 결정된다. 그 결과는 그 부재의 저항값이 성공적으로 낮고 활성화된, 즉, 감지기의 상승 시간 까지 지속하는 시간의 연장이 될 것이다.

종래의 감지기의 구조에 있어서, 가열부재는 산소감지부재와 동축으로 배치되고, 산소감지부재는 원주 방향에서 균등하게 가열되어 동일한 방향에서 균등하게 활성화된다. 가열부재의 맨끝 단부는 산소감지부재의 맨끝 단부의 내면과 접촉하거나 그에 근접한다. 그러므로, 가열부재의 맨끝 단부로 부터 산소감지부재로의 열 전달은 성공적인 수준이 될 것이다. 이러한 면에서, 감지기의 상승 시간을 줄이는 단부는 어느 정도 확보될 것이다.

그러나, 종래의 감지기는 다음과 같은 해결해야 할 문제점을 갖고 있다.

봉형 가열부재 또는 공동(空洞)형 산소감지부재는 열 팽창되고, 가열부재의 맨끝단부는 산소감지부재의 맨끝 단부의 내면으로부터 떨어져 있으므로 열전달 효율이 나쁘다. 가열부재와 산소감지부재의 열팽창시에 가열부재의 맨끝 단부는 상소감지부재의 맨끝 단부의 내면에 대해 압착된다. 이 경우에는 압력이 강하게 발생되고, 이것은 기구의 내구성에 악영향을 미친다. 그래서, 산소 감지기는 열팽창에 의해 크게 영향을 받는다. 이것은 산소감지부재의 가열 상태의 불균등과 산소 감지기의 특성의 변이를 야기시킨다. 이 문제를 해결하기 위한 가능한 방법은 가열부재와 산소감지부재 사이에 비교적 큰 공간을 만드는 것이다. 그러나, 열전달 효율이 낮고, 감지기의 상승 시간이 길기 때문에 그와 같은 방법으로 그 문제를 해결하지는 못한다.

예를 들면, 가열부재는 상승 시간을 줄이기 위해 산소감지부재와 접촉한다. 종래에는, 상승 시간을 줄이기 위해 산소감지부재는 균등하게 가열되고, 가열부재는 산소감지부재와 동축으로 배치된다. 그러므로, 가열부재와 산소감지부재가 접촉하는 부분은 가열부재의 맨끝 단부와 산소감지부재의 맨끝 단부의 내면 사이에 설정된다.

본 발명의 목적은, 예를 들면, 엔진 시동시에 또는 헛도는 때에 배기가스 온도가 낮은 상태에서도 감지부재에 내장된 가열부재로 공동 샤프트형 부재의 산소감지부재를 빠르고 효율적으로 가열함으로서 내연기관으로 부터 배출되는 배기가스내의 산소 농도를 잘 감지할 수 있고 감지기의 특성의 변이를 최소한으로 억제할 수 있는 가열기를 갖춘 산소 감지기를 제공하는 것이다.

본 발명에 따른 산소 감지기는 밀폐 단부와 함께 공동 샤프트형 부재의 산소감지부재내에 배치된 샤프트형 가열부재를 가지며, 가열부재의 중앙선은 가열부재의 가열부분과 근접하는 산소감지부재의 공동부의 중앙선에 편심(偏心)되어 있다.

아래에서는 본 발명에 대해 보다 상세히 설명하기로 한다.

밀폐 단부와 함께 공동 샤프트형 부재의 산소감지부재내에 배치된 샤프트형 가열부재를 갖는 본 발명의 산소 감지기는 가열부재의 가열부분과 근접하는 산소감지부재의 공동의 중앙선에 편심되어 있다. 본 발명의 산소 감지기에 있어서, 가열부재는 산소감지부재의 내부 바닥 단부에 부착되지 않는다. 상기 편심의 결과, 가열부재의 가열부분의 표면은 산소감지부재의 공동 공간의 내벽에 접촉한다.

가열부재의 중앙선이 산소감지부재의 공동의 중앙선에 편심되면, 가열부재에 보다 가까운 산소감지부재의 부분은 더욱 가열되고, 산소감지부재 주변으로의 열배분은 균등하지 않을 것이다. 그러나, 본 발명의 산소 감지기의 활성 시간은 종래의 감지기보다 짧을 수 있다.

가열부재가 산소감지부재의 내벽에 측면으로 접촉되는 측면 접촉 구조에 있어서, 가열부재의 가열부분에서 발생한 열은 접촉 부분을 통하여 가열 부재로 부터 산소감지부재에 직접적으로 전달된다. 접촉 부분 주위의 부분으로 부터 방사된 열은 산소감지부재를 가열한다. 그러므로, 산소감지부재는 재빨리 가열된다. 즉, 감지기의 활성 시간이 단축된다. 가열부분과 산소 감지부분이 열팽창되면, 산소감지부재의 가열부분이 산소감지부분의 내벽에 측면으로 접촉하는 구조는 가열부분의 맨끝 단부가 산소감지부재의 맨끝 단부의 내면에 접촉하는 구조보다 열팽창에 의해 영향을 덜 받는다. 다시 말해, 가열부분과 산소감지부분이 열 경력(hest history : 자주 가열되고 냉각되는)을 가지면, 측면 접촉 구조는 상기 양 부재간의 양호한 접촉을 가질 수 있다.

산소감지부재의 가열부분이 산소감지부분의 내벽에 측면으로 접촉하는 구조에 있어서, 접촉과 방사열로 인한 직접적인 열전달은 단부대 단부 접촉 구조보다 더욱 효율적인 열전달을 제공하게 된다.

산소감지부재와 가열부재의 가열부분의 안정적인 접촉이 보증된다는 사실은 산소감지부재로의 열배분의 불균등을 감소시키며, 아울러 산소 감지기 제품의 특성의 변이를 감소시킨다.

전극층은 각기 산소감지부재의 내면과 외면에 놓일 수 있다. 이 경우, 전극층은 산소를 산소감지부재의 고체 전극 속으로 주입하기 위한 산소 분자의 분해반응과 고체 전극이 산소를 방출하도록 하는 산소의 재결합 반응에 대한 촉매반응(산소 분해 촉매작용)을 가지는 전극들이다. 만약 산소감지부재가 국부적으로 가열되면, 감지기의 상승 시간이 종래의 감지기의 상승시간과 실제로 동일하거나 단축된 값에서 유지되는 이유는 아래와 같이 판단될 수 있다.

이러한 타입의 산소 감지기는 다음과 같이 작동한다. 공기와 같은 기체가 산소감지부재내로 유입되고, 측정될 기체(예컨대, 배기)는 산소감지부재의 외부로 연결된다.

측정되는 기체내의 산소 농도는 산소감지부재의 내부 산소 농도와 외부 산소 농노간의 차이에 따라 산소감지부재에서 발생하는 기전력에 의하여 탐지된다. 산소 이온을 전도하는 고체전극으로 만들어진 산소감지부재로 하여금 충분한 기전력을 생산하도록 하기 위하여는 산소감지부재의 전기저항이 충분히 작아야 하고, 산소 분자의 분해와 재결합에 대한 전극층의 촉매 활동성이 충분히 높아야 한다. 산소 감지기의 출력준위는 산소감지부재의 전기저항값과 전극층의 촉매 활동성간의 절충에 의해 결정된다.

플래티늄으로 만들어진 다공성 전극의 촉매 활동성은 온도에 대해 예컨대ZrO₂군의 고체전극의 산소이온 이동성에 비하여 더 크게 증가하는 경향이 있다. 산소감지부재가 본 발명구조를 통하여 국부적으로 가열되면, 산소감지 부재의 전기저항은 고체 전해물 활성으로 인해, 불균등한 가열 문제를 극복하기 위해 산소감지부재가 가열부재와 동축상에 배치되는 종래의 구조보다 덜 감소한다. 이 경우, 산소감지부배의 가열된 부분은 종래의 구조보다 온도가 높고, 촉매 활동성은 가열된 부분에 대응하는 위치의 전극층 부분에서 증가된다. 전극층의 촉매 활동성의 증가로 인해, 측정되는 기체내의 산소분자의 분해가 촉진되고, 고체전극의 기전력과 감지기의 출력 준위가 증가되며, 감지기의 활성시간(상승시간)은 종래의 것과 동일하거나 또는 더 짧게 감축된다.

본 발명에 있어서는 다음과 같은 구조가 사용될 수 있다 : 가열부재는 산소감지부재에 편심되고, 한편 가열부재의 가열부분의 표면은 산소감지부재의 내벽에 근접하게 된다(접촉하지는 않음). 이 구조에서는 산소감지부재로부터 가열부재의 편심이 없는 구조보다 더 많은 열이 가열부분으로 부터 산소감지부재로 방사된다. 이로 인해 산소 감지기의 활성시간이 단축된다.

본 발명의 산소 감지기에 있어서, 감지부재의 내직경 DA와 가열부재의 외직경 DB 간의 차이 △D는 0.35mm 보다 짧은 것이 좋다. 산소감지부재의 횡단면의 내부의 직경과 가열부재의 횡단면의 외부의 직경은 산소감지부재의 내면과 가열부재의 외면이 원통형 면일 때 각각 산소감지부재의 내직 경과 가열부재의 외직경을 의미한다. 산소감지부재의 내면과 가열부재의 외면은 횡단면에서 원형이 아니며, 이것들은 계산에 의하여 횡단면에서 원형의 면으로 전환되고, 이렇게 전환된 것들의 내직경과 외직경이 사용된다. 횡단면의 직경이 다양할 경우(예를 들면, 산소감지부재와 가열부재의 외면이 길이 방향에서 점점 줄어듦)에는 길이 방향으로 측정한 그 각각의 직경의 평균값이 사용된다.

만약 △D = DA-DB가 0.35mm를 초과하면, 산소감지부재의 활성시간과 감지기의 상승시간이 증가하거나 또는 산소 감지기의 상승시간이 불균등하게 되기 쉽다. 이러한 이유는 만약 차이값 △D가 크면, 가열부재가 산소감지부재이 내벽에 측면으로 접촉될 때 가열부재를 산소 감지기의 내벽에 접촉시키는 힘은 불균등하게 되기 쉽다는 것으로 부터 판단될 수 있다. 차이값 △D는 0.3mm 또는 그 보다 짧은 것이 더 좋다. 차이값 △D가 0.1mm 보다 짧으면, 가열부재를 산소감지부재에 조립하는 효율성이 감소되고 가열부재를 산소감지부재내에 삽입하는 것이 어렵다. 이러한 이유로 해서, 차이값 △D는 0.1mm 또는 그 보다 크거나, 0.15mm 또는 그 보다 큰 것이 좋다. 이 범위는, 가열부재가 산소감지부재의 내벽에 접촉되지 않는 경우에 적용된다.

가열부재의 외직경 DB에 대한 차이값 △D(△D = DA-DB)의 비율은 0.13 또는 그 보다 짧은 것이 좋다. △D/△B의 비율이 0.13을 초과하면 감지기의 상승시간이 더 길어지고 또는 산소 감지기의 특성이 불균등하게 되기 쉽다. 그러므로, △D/DB의 비율이 0.10 또는 그 보다 작게 설정되는 것이 좋다.

또한, 본 발명에 있어서, 가열부재의 가열부분이 열 배분이 낮은 원주방향상의 한 부품을 가질 때, 그리고 가열부재의 가열부분이 나머지 부분위의 한 위치에서 산소감지부재의 내벽에 접촉될 때 원주방향에시 본 가열부재의 가열부분의 한 부품은 가열부분에 대한 열배분이 낮다. 열발생 저항기 패턴은 세라믹 녹색 시이트 위에 인쇄되고, 그 결과물은 심선부재에 감싸지고 소결되어 가열부분을 형성한다. 이 경우, 열발생 저항기 패턴은 그 위에 인쇄되는 저항기 패턴을 갖는 세라믹 녹색 시이트의 양단부가 배치되는 부분에서는 가늘다. 저항기 패턴이 가는 부분에 대한 가열부분면의 대향면은 산소감지부재의 내벽에 접촉하는 것이 좋다. 저항기 패턴이 가는 부분은 산소감지부재의 내벽과 접촉될 수 있다. 또한 이 경우에 소정의 열전달이 이루어진다. 저항기 패턴이 가는 부분보다 충분히 열을 발생시키는 부분이 산소감지부재의 내벽과 접촉하게 되면, 더욱 효과적인 열전달이 이루어진다. 원주방향에서 보았을 때 가열부재의 가열부분은 국부적으로 존재하기 때문에 열에너지는 보다 작은 용적에 집중된다. 이 독특한 특성은 전류가 히터에 공급된 후의 활성시간을 단축하는데 특히 효과적이다.

가열부분은 가열부재의 한 단부에 가까이 배치될 수 있다. 이 독특한 특성은 산소감지부재를 재빨리 가열하는데 효과적이다. 가열부분은 가열부재의 전체면위에 형성될 수 있다. 이 경우, 열에너지는 분산되기 쉽다. 산소감지부재를 효과적으로 가열하기 위해서는, 열은 국부적으로 발생하기 때문에 가열부분을 가열부재의 한 단부 가까이 배치하는 것이 바람직하다. 국부적으로 발생한 열과 측면 접촉 구조는 모두 감지기의 활성시간을 단축시키게 한다.

본 발명에 있어서, 가열부재는 단자부재에 의하여 산소감지부재내에 조립될 수 있고, 가열부재의 가열부분은 단자부재에 의해 산소감지부재의 내벽에 압착된다. 이러한 특성은 측면 접촉 구조를 안정하게 만들고 감지기의 특성 변이를 억제한다.

단자부재는 가열부재를 고정하기 위한 가열부재 고정기와, 가열부재를 원주형으로 둘러싸고 산소감지부재의 내벽에 놓여있는 전극층과 접촉하는 내부 전극 콘넥터와, 가열부재를 그것의 축방향에 직각인 방향으로 미는 유도기(guide)를 구비하며, 유도기는 가열부재 고정기를 갖는 단부의 대향하는 단부에 제공된다. 가열부재의 중앙선은 유도기에 의해 산소감지부재의 공동 공간의 중앙선에 편심되고, 이로 인해 가열부재의 가열부분은 산소감지부재의 공동 공간의 내벽에 압착 고정된다. 유도기가 가열부재를 산소감지부재의 내벽에 압착하는 이러한 특성으로 인해 측면 접촉 구조를 실현하기 쉽게 된다. 가열부재에서 발생하는 반응력의 견지에서 보면, 유도기의 탄성력은 가열부재에 작용하는 산소감지부재의 내벽에서 가열부재에 작용하는 반응력의 조합과, 유도기에서 가열부재에 작용하는 반응력의 조합과, 가열부재 고정기에서 가열부재에 작용하는 반응력의 조합으로 부터 발생하는 굴절 모멘트(bending moment)를 유도기가 견딜 수 있는 정도까지 감소된다. 바꾸어 말하면, 유도기의 탄성력은 가열부재를 산소감지부재의 내벽에 압착하는데 이용된다. 탄성력을 적절히 조절함으로써 활성 접촉 형태로서의 압착상태는 가열부재가 손상되는 것을 보호하는 동안에 안정적으로 유지될 수 있다. 유도기의 탄성력을 줄이기 위한 특정한 형태로서, 단자부재는 유도기와 내부 전극 콘넥터를 연결하는 압축된 연결부나 또는 내부 전극 콘넥터와 가열부재 고정기를 연결하는 압축된 연결부를 구비한다. 연결부의 공급으로, 유도기의 탄성력은 가열부재의 손상을 효과적으로피할 수 있도록 적절히 감소된다. 가열부재가 열압력에 의해 변형되면, 연결부는 탄력적으로 변형되어 열압력에 의한 가열부재의 변형을 감소시킨다. 연결부가 사용되는 경우에 있어서는 이러한 유용한 효과도 기대할 수 있게 된다.

단자부재의 또다른 유용한 형태로서, 단자부재는 가열부재를 원주형으로 둘러싸고 산소감지부재의 내벽에 놓인 전극층과 접촉하는 내부 전극 콘넥터와, 가열부재를 고정하기 위한 제1가열부재 고정기와, 가열부재를 고정하기 위한 제2가열부재 고정기와, 제1가열부재 고정기의 축 중심선에 편심되는 제2가열부재 고정기의 축 중심선을 구비하며, 제1가열부재 고정기는 가열부재의 축방향에서 보았을 때 내부 전극 콘넥터의 한 단부에 배치된 동안에 내부 전극 콘넥터와 일체로 형성되고 가열부재를 둘러싸며, 제2가열부재 고정기는 가열부재의 축방향에서 보았을 때 내부 전극 콘넥터의 다른 단부에 배치된 동안에 내부 전극 콘넥터와 일체로 형성되고 가열부재를 둘러싸며, 가열부재의 축 중심선은 축 중심선이 상호 편심되는 제1가열부재 고정기와 제2가열부재 고정기에 의해 산소감지부재의 공동 공간의 축 중심선으로 기울어지며, 이로 인해 가열부재의 가열부분은 공동 공간의 내벽에 압착된다. 이렇게 만들어지 단자부재에 있어서, 가열부재의 축 중심선은 축 중심선이 상호 편심되는 제1가열부재 고정기와 제2가열부재 고정기에 의해 산소감지부재의 공동 공간의 축 중심선으로 기울어지며, 이로 인해 가열부재의 가열부분은 공동 공간의 내벽에 압착되어 단단히 고정된다. 가열부재는 축 중심선이 편향되는 제1가열부재 고정기와 제2가열부재 고정기에 의해 기울어지는 동안에 산소감지부재의 내벽에 압착된다. 그러므로, 이렇게 만들어진 단자 부재의 도움으로 측면 접촉 구조가 쉽게 실현될 수 있으며, 가열부재는 기울어진 상태를 안정적으로 유지할 수 있고, 그리하여 가열부재의 측면 접촉 효과가 더욱 향상된다.

보다 구체적으로는, 제1가열부재 고정기와 제2가열부재 고정기는 직경 방향으로 가열부재의 동일한 주위면에서 내부 전극 콘넥터의 각각의 대응하는 단부와 연결될 수 있고, 제1가열부재 고정기의 축 중심선은 연결부에 대해 제2가열부재의 축 중심선보다 더 멀다. 가열부분이 가열부재의 말단에 형성되면, 가열부재의 가열부분은 연결부로 기울어지고, 연결부 면 위의 산소감지부재의 내벽에 접촉된다. 내부 전극 콘넥터를 가지며 연결부에 대향하는 위치에서 감지부재의 단부에 대향하는 제1가열부재 고정기의 단부로 부터 돌출되는 동안에 산소감지부재의 출력 단자(또는 접지 단자)가 재공된다. 가열부재가 상기와 같이 배치되면, 산소 감지기를 조립하는데 있어서, 가열부재의 가열기 단자(가열부분을 갖는 단부에 대향하는 가열부재의 단부에 형성됨)는 도출 단자를 약간 간섭하도록 만들어진다. 그때는, 산소 감지기의 조립 작업이 쉽다.

또한, 제1가열부재 고정기의 축 중심선과 내부 전극 콘넥터는 상호 일치하며, 제2가열부재 고정기의 축 중심선은 내부 전극 콘넥터의 축 중심선으로 부터 연결부에 편심된다. 제1가열부재 고정기가 내부 전극 콘넥터와 동축일 때는, 콘넥터와 도출선의 결합은 균등하다. 그러므로, 예컨데 그들간의 절연 문제는 거의 발생하지 않는다.

단자부재는 제1가열부재 고정기와 내부 전극 콘넥터를 연결하기 위한 압축된 연결부나 또는 제2가열부재 고정기와 내부 전극 콘넥터를 연결하기 위한 다른 압축된 연결부를 구비할 수 있다. 가열부재가 상기 2개의 고정기에 의해 고정되면, 이 고정기들은 가열부재의 열팽창과 열수축을 억제할 수 있다. 그러나, 연결부는 탄력적으로 또는 유연하게 변형되어 열압력에 의한 가열부재의 변형을 감소시키며, 가열부재가 손상되지 않도록 한다.

제1가열부재 고정기와 내부 전극 콘넥터를 연결하기 위한 압축된 연결부( '제1연결부' 로 칭함)와, 제2가열부재 고정기와 내부 전극 콘넥터를 연결하기 위한 압축된 연결부( '제2연결부' 로 칭함)는 내부 전극 콘넥터의 방사상 방향에서 점차적으로 안쪽으로 구부러진다. 구부러지는 정도를 조절함으로써 제1가열부재 고정기와 제2가열부재 고정기의 축 중심선 사이의 적절한 편심이 이루어진다.

아래에서는 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 상술하기로 한다.

실시예 1

산소 감지기(1)는 고체 전해물로서의 산소감지부재(2)와, 밀폐 단부를 갖는 공동 샤프트형 부재와, 세라믹 가열기로서의 샤프트형 가열부재(3)와, 이 부재들을 덮는 외피를 형성하는 여러 부품들로 이루어져 있다. 산소감지부재(2)는 산소 철 전도의 고체 전해물로 만들어진다. 산소감지부재(2)는 산소 철 전도의 고체 전해물로 만들어진다. 고체 전해물의 전형적인 예는 Y₂O₃또는 CaO의 고체 용해로서의 ZrO₂, 또는 ZrO₂의 고체 용해와, 알카리토류 금속 또는 회토류 금속의 산화물이다. HfO₂는 기본으로 ZrO₃내에 포함된다. 본 발명에 따른 이와 같은 유형의 산소 감지기는 차량의 공기연료율 감지기로 사용되는 것이 좋다. Y2O3, CaO 또는 HfO2는 부분적인 안정제로서 사용된다. 이런 종류의 감지기는 "부분 안정된 지르코니아 형 감지기" 라고 불린다.

산소감지부재(2)는 하우징(9)으로 부터 전기적으로 절연되는 동안에 금속관형부재로서 하우징으로 관통하여 배치된다. 특히, 하우징(9)은 절연 세라믹의 절연체(6, 7)와, 활석의 세라믹 분말물질(8)이 그들 사이에 삽입되는 상태에서 산소감지부재(2)의 중간 둘레에 배치된다.

제2도에 도시된 바와 같이, 전극층(2b, 2c)은 각기 산소감지부재(2)의 내면과 외면위에 전체적으로 깔려있다. 전극층(2b, 2c)은 예를 들면, 산소를 산소감지부재(2)의 고체전극내로 주입하기 위한 산소분자의 분해반응과 고체전해물이 산소를 방출하게 하는 산소의 재결합반응을 위한 촉매작용을 갖는 플래티늄 다공성 전극과 같은 전극이다. 전극은 Pd(팔라듐), Rh(로듐) 등 속을 포함할 수 있다.

개방 단부들 사이에 있는 공간을 갖는 산소감지부재(2)의 최단부를 덮는 동안에 보호장치(11)는 하우징(9)의 개방단부의 하나에 배치된다. 배기가스가 통과하는 다수의 가스구멍(12)은 보호장치(11)에 형성된다. 가스구멍을 통하여 배기가스내의 산소는 산소감지부재(2)의 맨끝면과 접촉하게 된다. 제1슬리브(14)는 링(15)이 하우징(9)과 절연체(6) 사이에 배치되는 상태에서 하우징(9)의 다른 개방단부에 꼭 끼워진다. 제2슬리브(16)는 제1슬리브에 꼭 끼워져 고정된다. 제2슬리브(16)의 상부 개구는 플러그(17)로 밀페되어 있다. 플러그(18, 19)는 제2슬리브내에서 플러그(17)아래에 배치된다. 도입선(20)은 단자부재(23)의 콘넥터(24)와, 도출선(25)과, 단자부재(23)의 내부 전극 콘넥터(26)를 통하여 산소감지부재(2)의내부전극층(도시되지 않음)에 전기적으로 연결된다. 도입선(21)은 다른 단자부재(33)의 콘넥터(34)와, 도출선(35)과, 내부 전극 콘넥터(35b)를 통하여 산소감지부재(2)의 외부전극층(도시되지 않음)에 전기적으로 연결된다. 전류를 가열부재(3)에 공급하기 위한 한쌍의 정, 부 가열기 단자(40)는 가열부재(3)의 바닥(제1도의 상단부)에 고정되고, 전류는 가열기 단자(40)를 거쳐 가열저항기 회로에 공급된다. 가열기를 위한 한쌍의 도입선은 플러그(17, 18)를 통하여 한쌍의 가열기 단자(40)에 연결된다.

이렇게 만들어진 산소 감지기(1)에 있어서, 공기는 도입선(20, 21)의 커버층(20a, 21a)의 케이블선(20b, 21b) 사이에 형성된 틈을 통하여 산소감지부재(2)내의 공간으로 유입된다. 배기가스는 보호장치(11)의 가스구멍(12)을 통하여 도입되어 산소감지부재(2)의 외면과 접촉한다. 그 결과, 밧데리 기전력이 산소감지부재(2)내에 발생한다. 발생된 기전력은 산소감지부재(2)의 내면과 외면사이의 산도농도 차이에 의존한다. 기전력은 배기가스내의 산소농도의 탐지 부호의 형태로 전극층(2b, 2c)으로 부터 도입선(20, 21)을 통하여 도출된다. 배기가스 온도가 충분히 높으면, 산소감지부재(2)는 배기가스에 의해 가열되어 활성화된다. 엔진 시동시에 배기가스 온도가 낮으면, 산소감지부재(2)는 가열부재에 의해 가열되어 활성화된다.

일반적으로, 가열부재(3)는 세라믹 가열기이다. 세라믹 가열기에 있어서, 주로 알루미나로 만들어진 세라믹 봉(45)은 중심부재로 사용된다. 가열부분(42)은 세락믹 봉(45)의 표면에 형성된다. 가열부분(42)은 지그재그 모양의 저항기 선(저항기 패턴)으로 이루어진다. 저항기 페이스트(paste)의 소정의 패턴은 시이트 같은 외부 세라믹 부분(43)에 인쇄된다. 외부 세라믹 부분(43)은 세라믹 봉(45) 둘레에 감기고 소결된다. 세라믹 봉(45)은 외부 세라믹 부분(43)의 맨끝 단부로 부터 약간 돌출된다. 전류는 가열기 단자(40)로 부터 뻗은 전류통로(도시되지 않음)를 통하여 저항기 선(저항기 패턴)에 공급된다. 가열부분(42)은 그 맨끝 단부에 가까이 있는 가열부재(3)의 한 부분에 배치된다. 따라서, 열은 국부적으로 또는 가열부재의 맨끝 단부에서 발생한다.

제3도에 도시된 바와 같이, 가열부재(3)의 가열부분(42) 근처에서, 가열부재(3)의 중심선(O1)은 고정 간격(δ)에 의해 산소감지부재(2)의 중심선(O2)에 편심된다. 가열부재(3)의 가열부분(42)의 맨끝 단부면은 소정의 표면 압력에서 산소김지부재의 내벽에 압착되는 동안에 산소감지부재(2)의 공동 공간의 내벽(2a)파 접촉한다. 제1도에 도시된 바와 같이, 가열부분의 접촉위치는 산소감지부재의 밀폐단부보다 산소감지부재의 중간부분에 더 가까운 위치에 있는 것이 좋고, 보호장치(11)의 가스구멍(12)과 같은 높이에 있는 것이 좋다.

산소감지부재(2)의 내벽은 점점 가늘어진다. 산소감지부재의 내직경의 평균값 DA(단순히 내직경이라 함)와 가열분재(3)의 외직경 DB 간의 차이 △D는 0.1mm 내지 0.35mm가 좋고(△D = DA-DB), 0.15mm 내지 0.31mm 인 것이 더 좋다. 가열부재(3)의 외직경 DB에 대한 차이 △B에 대한 차이 △D의 비율은 0.13 또는 그보다 짧고, 바람직하게는 0.10 또는 그보다 짧은 것이 좋다. 또한, 가열부재(3)의 외직경 DB에 대한 차이 △D의 비율은 0.06 또는 그보다 긴 것이 좋다.

제4도는 이미 예시된 본 발명의 산소 감지기의 구조에 대응하는 종래의 산소 감지기의 구조를 나타낸다. 종래의 구조에 있어서, 가열부재(3)의 중심선(O1)은 산소감지부재(2)의 중심선(O2)과 동축이다. 본 발명이 구조에 있어서 제3도의 구조와의 비교로 부터 볼 수 있듯이, 가열부재(3)의 중심선(O2)에 대해 θ의 각도로 경사진다.

본 발명의 구조는 측면 접촉 구조로 불릴 수 있다. 제3도와 제4도에 있어서, 가열부재(3)와 산소감지부재(2) 사이의 틈과, 산소감지부재(2)에 대한 가열부재의 경사 θ가 확대 표시되어 있다. 실제로, 산소감지부재(2)의 내벽(2a)에 의해 한정된 내직경이 2.8mm 내지 3.2mm 이며, 경사 θ는 0.1 ˚ 내지 0.5 ˚ 이다. 이와 같이 설정될 때, 가열부재(3)와 산소감지부재(2) 사이에 과도한 압력을 일으킴이 없이 신뢰할 만한 측면 접촉 구조가 이루어진다. 또한 제3도의 가열부분(42)은 가열부재(3)의 말단부에서 한면으로 벗어난, 제4도의 가열부분(42')보다 더 좁은 구역을 점하고 있다.

제5A도와 제5B도에 도시된 바와 같이, 가열부재(3)의 외부 세라믹 부분(43)은 세라믹 봉(45) 둘레에 감겨질 때, 가열부재(3)의 외면 둘레에 감긴 외부 세라믹 부분(43)의 양단부 사이에 공극(44)이 형성된다. 공극(44)과 그 주변에는 저항기 패턴(41)이 없으며, 이 부분에서는 열이 덜 발생한다. 그러므로, 가열부분(42)의 표면이 가열부재(3)의 산소감지부재 내벽(2a)에 접촉될 때, 공극(44)면에 대한 가열부분면의 대향면은 가열부재(3)의 산소감지부재 내벽(2a)에 접촉되는 것이 좋다. 이렇게 함으로써 열발생 부분으로 부터 산소감지부재(2)로 열이 직접적으로 그리고효율적으로 전달된다.

단자부재(23)는 가열부재(3)의 가열부분(42)을 산소감지부재 내벽(2a)에 탄력적으로 압착하는 기능을 한다. 이 경우, 단자부재(23)는 3가지의 기능을 갖는다. 첫째, 단자부재(23)는 산소감지부재(2)의 내부 전극층의 출력단자로서 역할을 하고 산소감지부재(2)를 도입선(20)에 전기적으로 연결한다. 둘째, 단자부재(23)는 가열부재(3)를 산소감지부재(2)의 내부에 고정한다. 이 기능은 종래의 감지기와 동일하다. 셋째, 단자부재(23)는 측면 접촉 구조를 형성하기 위하여 가열부재(3)의 맨끝 단부를 산소감지부재 내벽(2a)에 압착한다. 이 경우, 유도기(28)는 주로 탄성력을 일으킨다. 유도기(28)는 단자부재(23)의 한 단부에서 형성된다.

제6A도와 제6B도는 가열부재(3)내에 조립된 단자부재(23)를 나타내면, 제7A도와 제7B도는 단자부재(23)만을 나타낸다. 이 도면들에 나타나 있는 바와 같이, 단자부재(23)의 내부 전극 콘넥터(26)는 바닥부에 있는 가열부재 고정기(27)와 말단부에 있는 유도기(28)를 구비한다. 가열부재 고정기(27)는 횡단면에서 C자형으로 되고 그위에서 틀어막히는 동안에 가열부재(3)의 외면 둘레에 놓인다. 가열부재 고정기(27)는 내부 전극 콘넥터(26)의 한단부에만 제공된다. 내부 전극 콘넥터(26)는 그 사이의 소정의 틈에 의해 가열부재(3)으로 부터 떨어지는 동안에 그것의 외면의 한부분을 제외하고 가열부재(3)의 외면을 둘러싼다. 내부 전극 콘넥터(26)는 산소감지부재(2)내부 전극층과 접촉한다.

본 발명의 실시예에 있어서, 내부 전극 콘넥터(26)를 형성하기 위해, 내부 전극 콘넥터의 양면으로 부터 뻗어있는 톱니형 접촉부(26a)를 갖는 공(空)시이트의주요 부분이 가열부재(3)를 둘러싸는 원통형부재내로 접혀진다. 내부전극 콘넥터(26)의 톱니형 접촉부(26a)는 한 접촉부의 톱니의 맨윗부분이 다른 접촉부의 바닥과 결합되는 모양으로 서로 엇갈려 있다. 그렇게 되면, 조립작업에서, 내부 전극 콘넥터(26)가 산소감지부재(2)내에 삽입될 때는, 톱니형 접촉부(26a)가 산소감지부재(2)의 개구의 가장자리에 고정되는 일은 거의 발생하지 않는다. 이로 인해 내부 전극 콘넥터(26)를 산소감지부재(2)에 쉽게 조립할 수 있다. 톱니형 접촉부(26a)는 약간 긴모양으로 만들어지는 것이 좋다. 공시이트의 주요부분이 내부 전극 콘넥터(26)내로 구부러질 때는, 구부러진 방향에서 본 공시이트의 길이는 증가되어 쉽게 작업할 수가 있다.

단자부재(23)의 가장 필수부품인 유도기(28)는 횡단면에서 반원형이며 단자부재(23), 더욱 정확히는 제7도에서와 같이 가열부재 고정기(27)와 내부 전극 콘넥터(26)의 중심선으로 부터 안쪽으로 α각도로 기울어진다. 이렇게 기울어진 유도기(28)는 가열부재(3)를 그 축방향에 직각인 방향으로 밀어 가열부재(3)를 산소감지부재(2)의 내벽(2a)에 압착시킨다.

가열부재 고정기(27)와 내부 전극 콘넥터(26) 사이에서, 단자부재(23)는 양면으로 부터 원주형으로 잘려져 U자형 배기장치 또는 압축된 연결부(29)를 형성한다. 연결부(29)는 가열부재 고정기(27)와 연결부(29)를 연결하고, 반응력이 단자부재(23)에 집중되는 것을 방지한다. 또한, 압축된 연결부(30)는 내부 전극 콘넥터(26)와 유도기(28) 사이에서 이것들을 연결하도록 만들어진다. 연결부(30)는 축방향에 대해 직각인 방향에서, 가열부재(3)에 작용하는 탄성력을 조절한다. 압축된 연결부(30)는 유도기(28)의 탄성력을 줄이도록 기능한다. 제1도에서 보는 바와 같은 가열부재(3)의 측면 접촉 구조에 있어서, 가열부재(3)는 주로 유도기(28)에 의해 산소감지부재(2) 내벽(2a)에 탄력적으로 압착된다.

이 상태에서, 가열부재(3)에 작용하는 산소감지부재 내벽(2a)의 반응력과, 유도기(28)에서 가열부재(3)에 작용하는 반응력과, 가열부재 고정기(27)에서 가열부재(3)에 작용하는 반응력은 굴절 모멘트내로 결합된다. 굴절 모멘트가 가열부재(3)를 파손하는 것을 방지하기 위한 측정, 즉, 가열부재(3)의 강도를 참을 수 있는 범위를 넘는 반응력의 발생을 방지하기 위한 측정이 이루어진다. 반응력 또는굴절 모멘트를 조절하는 수단은 유도기(28)와, 유도기에 가까이 있는 압축된 연결부(30)와, 다른 연결부(30) 및 가열부재고정기(27)이다.

이와 같은 산소 감지기(1)를 만드는데 있어서, 단자부재(21)가 가열부재(3)에 고정된 후에, 그 결과로서의 어셈블리는 산소감지부재(2)내로 삽입된다. 삽입공정에 있어서, 가열부재(3)의 맨끝 단부는, 산소감지부재의 내벽과 탄력적으로 접촉하는 동안에 산소감지부재 내벽(2a)위에서 활주하고, 그리하여 측면 접촉 구조가 설정되고, 가열부재(3)는 단자부재(23)와 함께 산소감지부재(2)위에 단단히 고정된다. 또한 이 공정에서, 유도기(28)와 연결부(30)등속은 가열부재(3)에서 발생한 발생한 반응력을 흡수하고 감소시킨다.

가열부재(3)가 산소감지부재 내벽(2a)에 접촉되는, 본 발명의 실시예에 의한 측면 접촉 구조는 많은 장점을 갖는다. 가열부분(42)에서 발생한 열은 산소감지부재(2)로 빠르게 전달되고 그것을 가열한다. 가열부분(42)의 접촉 위치 근처에서 국부적으로 가열된 부분으로 부터 방사된 열은 산소감지부재(2)를 가열한다. 열전도와 열방사는 함께 산소감지부재를 바르게 가열하고, 이로 인해 산소감지부재(2)가 활성온도까지 가열되는데 걸리는 시간을 감소시켜준다.

제2도에서 보는 바와 같이, 산소감지부재(2)는 산소감지부재의 내벽(2a)에 접촉되는 동안에 배치되는 가열부분(42)에 의해 국부적으로 가열된다. 산소 감지기의 상승시간은 제4도에서 보는 바와 같은 종래의 감지기의 상승시간과 같은 값에서 유지되거나 또는 종래의 감지기의 상승시간보다 감소된다. 우리가 조사한 바에 의하면, 그 이유는 다음과 같다.

산소이온 전도 고체 전해물로 만들어진 산소감지부재(2)로 하여금 충분한 기전력을 생산하도록 하기 위하여는, 산소감지부재(2)의 전기저항은 충분히 작아야 하고, 산소분자의 분해와 재결합 반응에 대한 전극층(2b, 2c)의 촉매 활동성은 충분히 높아야 한다는 것이 필요하다. 산소 감지기의 출력수준은 산소감지부재(2)의 전기저항값과 전극층(2b, 2c)의 촉매 활동성 사이의 절충에 의하여 결정된다.

산소감지부재(2)가 가열부재(3)의 가열부분(42)에 의해 국부적으로 가열되면, 산소감지부재(2)의 전기저항은 종래의 구조보다 고체 전극 활성으로 인해 덜 감소한다. 이 경우, 산소감지부재(2)의 가열된 부분(2d)은 온도가 더 높고, 그리하여 촉매 활동성은 가열된 부분의 위치에 대응하는 전극층(2b, 2c)의 부분에서 증가된다. 전극층(2b)의 촉매 활동성의 증가로 인해, 측정되는 가스내의 산소분자의 분해가 촉진되며, 그리하여 고체 전해물의 기전력과 산소 감지기의 출력수준은 증가되고, 산소 감지기의 활성시간(상승시간)은 감소되어 짧아진다.

우리의 실험에 의하여 다음과 같은 사실이 확인되었다.

종래의 산소 감지기 구조에 있어서, 가열기 저항값이 3Ω 내지 3.5Ω일때 산소 감지기 활성온도까지 도달되는데 걸리는 시간이 20초였다. 제2도에서와 같은 측면 접촉 구조의 경우에는 동일한 저항값에서 가열부재가 단지 편심될 때 활성온도까지 도달되는데 걸리는 시간이 15초였으면, 가열부재가 편심되고, 공동(空洞) 산소감지부재의 내벽에 접촉할 때 활성온도까지 도달되는데 9초가 걸렸다. 그리하여 산소 감지기의 상승시간이 매우 단축되었다. 이러한 사실로 부터, 엔진 시동시 또는 헛도는 때에 배기가스 온도가 낮을 경우에도 산소 감지기는 초기 상태에서 산소농도를 적절히 감지하고, 이로 인해 더욱 정확하게 배기가스 정화를 할 수 있다.

실시예 2

제8도는 본 발명에 따른 산소 감지기의 제1실시예를 나타낸다. 실시예2의 산소 감지기(5)의 구조에 있어서, 실시예1의 산소 감지기(1)의 구조와 동일 또는 대응하는 부분들은 참조부호가 매겨져 있다. 실시예1의 산소 감지기 구조와 실시예2의 산소 감지기 구조의 차이점에 중점을 두면서 설명하기로 한다.

산소 감지기(50) 구조는 다음과 같은 점에서 실시예1의 산소 감지기 구조(1)와 다르다. 단자부재(23)는 실시예1의 단자부재(제1도)의 내부 전극 콘넥터와 실제로 같은 내부 전극 콘넥터(26)를 구비한다. 내부 전극 콘넥터(26)는 가열부재(3)의 축방향에서 볼 때 한 단부에 형성된 제1가열부재 고정기(27a)와, 다른 단부에 형성된 제2가열부재 고정기(27b)를 구비한다. 제1가열부재 고정기(27a)와 제2가열부재 고정기(27b) 는 각기 구조에 있어서 실시예1의 가열부재 고정기와 동일하다. 제9B도와 제9C도에 도시된 바와 같이, 제2가열부재 고정기(27b)의 축 충심선(O11)은 제1가열부재 고정기(27a)의 축 중심선(O10)에 간격 d만큼 편심된다. 제10A도와 제10B도는 가열부재(3)와 단자부재(23)의 어셈블리를 나타낸다.

보다 구체적으로, 제9A도와 제9B도에 도시된 바와 같이, 단자부재(23)의 구조에 있어서, 제1가열부재 고정기(27a)와 제2가열부재 고정기(27b)는 제1연결부(29)와, 제2연결부(30)와 함께 내부 전극 콘넥터(16)의 양면에 배치되고 가열부재(3)의 원주의 한 부분으로 부터 뻗어있다. 제1연결부(29)와 제2연결부(30)는 내부 전극 콘넥터(26)의 방사상 방향에서 안쪽으로 구부러진다. 구부러지는 정도는 제1가열부재 고정기(27a)의 축 중심선(O10)과 제2가열부재 고정기(27b)의 축 중심선(O11) 사이의 적절한 간격 또는 편심도 d를 만들기 위하여 조절된다.

실시예2에 있어서, 제1가열부재 고정기(27a)의 축 중심선(O10)은 제1연결부(29)와 제2연결부(30)로 부터 제2가열부재 고정기(27b)의 축 중심선(O11)보다 더 멀다. 제1가열부재 고정기(27a)의 중심선(O10)과, 내부 전극 콘넥터(26)의 중심선(Ox)은 서로 정렬된다. 제2가열부재 고정기(27b)의 중심선(O11)은 내부 전극 콘넥터(26)의 중심선(Ox)으로 부터 연결부(29,30)에 편심된다. 실시예2에 있어서, 제9C도에 도시된 바와 같이 내부 전극 콘넥터(26)의 주요부분(26b)은 원통형 가열부재(3) 둘레에 감기고, 톱니형 접촉부(26a)는 가열부재(3)의 외면을 따라 원주상의 위치의 한점에서 접선에 대해 바깥으로 기울어지게 만들어지며, 상기 한점으로 부터 뻗어있다. 내부 전극 콘넥터(26)의 중심선(Ox)은 주요부분(26b)가 뻗어있는 원주상의 위치의 축 중심선이다.

단자부재(23)는 제11A도 내지 제11D도에 도시된 바와 같이 금속 공(空)시이트(123)를 적절히 구부림으로써 만들어질 수 있다.

제11A도에서, 금속 공시이트(123)는 세부분(127a, 126, 127b)으로 이루어져 있다. 연결부(129)는 127a와 126 부분을 연결하고, 다른 연결부(13)는 126과 127b 부분을 연결한다. 제11B도 내지 제11D도에서, 연결부(129, 130)의 양면으로 부터 바깥쪽으로 뻗은 부분은 원통형 부재를 형성하기 위하여 구부러진다. 그 결과, 제1가열부재 고정기(27a), 내부 전극 콘넥터(26) 및 제2가열부재 고정기(27b)가 형성된다. 제11E도에서, 제1연결부(29)와 제2연결부(30)는 제1가열부재 고정기(27a)의 축 중심선(O10)과 제2가열부재 고정기(27b)의 축 중심선(O11) 사이에서 편심되도록 하기 위하여 측면으로 구부러진다.

제8도에 도시된 바와 같이, 이와 같은 산소 감지기(50)에 있어서, 가열부재(3)의 축 중심선은 산소감지부재(2)의 공동 공간의 축 중심선에 대해 제1가열부재 고정기(27a)와 제2가열부재 고정기(27b)에 의해 터미널부재(23)의 제1연결부(29)와 제2연결부(30)에 기울어져 있다(제1실시예의 대향방향으로 기울어짐). 그래서, 가열부재(3)의 가열부분(42)은 산소감지부재 내벽(2a)에 압착 고정된다. 가열부재(3)는 축 중심선이 편심되는 제1가열부재 고정기(27a)와 제2가열부재 고정기(27b)에 의해 기울여지는 동안에 산소감지부재 내벽(2a)에 압착된다. 그러므로, 가열부재(3)는 기울어진 상태를 안정적으로 유지할 수 있고, 가열부재(3)의 측면 접촉 효과는 더욱 향상된다.

제2가열부재 고정기(27b)의 축 중심선(O11)에 대한 제1가열부재 고정기(27a)의 축 중심선(O11)의 편심도 d는 다음과 같이 설정될 수 있다.

제12도에서, 산소감지부재(2)의 공동 공간의 축 중심선(O2)에 대한 가열부재(3)의 축 중심선(O1)의 각도θ는 산소감지부재 내벽(2a)에 의해 한정된 공동 공간의 내직경이 2.8mm 내지 3.2mm이고 가열부재(3)의 외직경이 2.43mm 내지 2.63mm일 때, 실시예1에서 처럼 0.1˚ 내지 0.5˚ 인 것이 좋다.

축방향에서 보았을 때, 제1가열부재 고정기(27a)와 제2가열부재 고정기(27b)의 양단부면 사이의 간격이 L일 때, tanθ=d/L 이다. tan 0.1˚ 는 약 0.0017이며, tan 0.5˚ 는 약 0.0087이다. 편심도 d는 0.0017L ≤d≤ 0.0087L 내의 범위에서 설정된다.

전술한 바와 같이, 제1가열부재 고정기(27a)의 축 중심선(O10)은 제1연결부(29)와 제2연결부(30)에 대해 제2가열부재 고정기(27b)의 축 중심선보다 더 멀다. 이러한 구조적 특성은 다음과 같은 유용한 결과를 초래한다.

가열부재(3)의 가열부분(42)은 연결부(29, 30)에 기울어지고, 연결부 표면위의 산소감지부재 내벽(2a)에 접촉된다. 연결부(29, 30)에 대응히는 위치에서 제1가열부재 고정기(27a)로 부터 돌출되는 동안에 콘넥터(24)와 도출선(25)이 제공된다. 그러므로, 가열부재(3)는 상기와 같이 기울어지는 동안에 배치되고, 산소감지부재(50)을 조립하는데 있어서, 가열부재(3)의 가열기 단자(40)는 콘넥터(24)와 도출선(25)을 약간 간섭하도록 만들어진다. 그러면, 산소 감지기의 조립작업이 쉬어진다. 제1가열부재 고정기(27a)는 내부 전극 콘넥터(26)와 동축이다. 이러한 특성으로 인해 콘넥터(24)와 도출선(25)의 결합과 산소 감지기(50) 사이에 비교적 균등한 공간이 생긴다. 그러므로, 그들간의 절연문제는 거의 발생하지 않는다.

실험예

실험예를 이용하여 본 발명의 실시예들을 보다 상세히 설명하기로 한다.

산소감지부재(2)의 내벽(2a)과 가열부재(3)의 외직경(DB)에 의해 한정된 각각의 공동 공간의 내직경(평균값)(DA)의 6개의 조합이 이용되었다. 제8도에 도시된 바와 같이 구성된 50개의 산소 감지기(50)가 각 조합을 위해 만들어졌다. 산소감지부재(2)는 안정화 제재로서의 Y₂O₃와 결합된 ZrO₂분말이 만들어지고 그 결과물이 소결되는 방식으로 8.5% 내지 9.0% 중량의 Y₂O₃를 함유하는 고체 전해물의 감지부재로서 만들어졌다.

차이값 △D(= DA-DB)과 그 조합들에 대한 △D/DB 비율은 아래의 표1에 나타나 있다. 가열부재(3)는 공동 공간에 47.4mm의 깊이로 삽입된다. 그 깊이는 산소 감지기들에 대한 이 값에서 고정되었다. 가열부재(1)의 축방향에서 측정된 가열부재(42)의 크기는 4mm였고, 12V 이하의 전력이 공급되었을 때 그 출력은 10W였다.

산소 감지기(50)의 산소감지부재(2)에 대해, 도입선(21)(외부 전극층 2b)은 800kΩ의 저항기를 통하여 일정한 DC 전압원(4V)의 정 단자에 연결되고, 도입선(20)(내부 전극층 2c)은 접지된다. 이 상태에서, 14V 이하로 전류가 가열부재(3)의 가열부분(42)에 공급되고, 이로 인해 산소감지부재(2)는 가열된다. 산소감지부재(2)의 전기저항 변이는 산소감지부재(2)에 제공된 분리전압을 이용하여 계속적으로 탐지되었다. 산소감지부재(2)는 5.6MΩ의 전기저항에서 활성화된 것으로 판단되었다. 전력공급이 시작되는 순간부터 산소감지부재가 활성화되기 까지의 시간은 산소 감지기의 상승 시간으로 간주되었고, 모든 감지기의 상승 시간이 측정되었다. 산소 감지기의 상승 시간의 평균값과 표준편차는 표1에 나타나 있다. 차이값 △D와 △D/DB에 대한 산소 감지기의 상승 시각의 평균값(Tav)과 표준편차δT의 변이는 제13도와 제14도에 표시되어 있다.

표1

제13A도와 제13B도에 있어서, 0.25mm까지의 차이값△D의 범위에 있어서 상승 시간의 평균값은 △D와 함께 급격히 증가한다. △D가 0.25mm를 초과하면 △D의 증가율은 작아진다. △D가 0.35를 초과하면, 상승 시간의 표준편차 또는 각각의 감지기의 상승 시간값의 산란은 매우 증가한다. 각 산소 감지기의 상승 시간값의 산란을 억제하게 위하여 △D는 0.35mm내로 설정되는 것이 좋다. 제14A도와 제14B도에 표시된 데이타에 의하면, 각 산소 감지기의 상승 시간값의 산란을 억제하기 위하여 △D/DB는 0.13 내로(더욱 바람직하게는 0.10 또는 그 이하로)설정되는 것이 좋다.

본 발명에 있어서, 산소 감지기 상승 시간은 약 10초이다 그러나, 가열부재의 중심선이 산소감지부재의 공동 부분의 중심선에 편심되지 않는 종래의 산소 감지기의 감지기 상승 시간은 약 40초 내지 60초이다. 또한, 가열부재의 맨위쪽 단부가 산소감지부재의 맨아래쪽 단부에 부착되더라도, 감지기 상승 시간은 약 15초 내지 25초이다. 그러므로, 본 발명에 의한 약 10초의 감지기 상승 시간이 매우 효과적이다.

제1도는 본 발명의 제1실시예에 따른 산소 감지기의 종단면도.

제2도는 제1도의 제1실시예의 가열부재와 산소감지부재의 접촉부분의 확대 횡단면도.

제3도는 제1실시예의 주요부의 부분 횡단면도.

제4도는 종래의 산소 감지기의 주요부의 부분 횡단면도.

제5A도와 제5B도는 제1도의 가열부분의 예시도.

제6A도와 제6B도는 단자부재가 가열부재에 조립되어 있는 조립체를 나타내는 도면.

제7A도와 제7B도는 제6도의 단자부재를 나타내는 도면.

제8도는 본 발명의 제2실시예에 따른 산소 감지기의 종단면도.

제9A도 내지 제9C도는 제8도의 단자부재를 나타내는 도면.

제10A도와 제10B도는 단자부재가 가열부재에 조립되어 있는 조립체를 나타내는 도면.

제11A도 내지 제11D도는 제8도의 단자부재를 형성하기 위한 공 시이트(blank sheet)를 나타내는 도면.

제12도는 제8도의 단자부재의 작동 모습의 확대도.

제13A도와 제13B도는 평균값 TAV의 변이와, 차이값△D에 대해 실험측정을 통해 얻어진 감지기 상승시간의 표준 편차 δT의 변이를 나타내는 그래프.

제14A도와 제14B도는 평균값 TAV의 변이와, △D/DB에 대해 실험측정을 통해 얻어진 감지기 상승시간의 표준 편차 δT의 변이를 나타내는 그래프.

Claims (24)

1. 한 단부에서 밀폐되며 내부면과 외부면에서 전극층(2b, 2c)을 갖는 공동 샤프트형 부재의 산소감지부재(2)와,

   상기 산소감지부재를 가열하기 위하여 산소감지부재(2)내에 배치된 샤프트형 가열부재(3)를 구비하며,

   상기 가열부재의 중심선이 상기 가열부재(3)의 가열부분(42)의 근처에서 상기 산소감지부재(2)의 공동(空洞) 부분의 중심선에 편심되는 것을 특징으로 하는 산소 감지기.
2. 제1항에 있어서,

   상기 가열부재(3)의 중심선은 상기 가열부재의 가열부분(42)의 근처에서 상기 산소감지부재(2)의 공동 부분의 중심선에 편심되고, 상기 가열부재의 가열부분의 표면은 상기 산소감지부재의 공동 공간의 내벽(2a)에 접촉되는 것을 특징으로 하는 산소 감지기.
3. 제1항에 있어서,

   상기 산소감지부재(2)의 내직경 DA와 상기 가열부재(3)의 외직경 DB사이의 차이값 △D은 0.35mm 또는 그보다 짧음을 특징으로 하는 산소 감지기.
4. 제1항에 있어서,

   상기 산소감지부재(2)의 내직경 DA와 상기 가열부재(3)의 외직경 DB사이의 차이값 △D의 비율은 0.13 또는 그보다 짧음을 특징으로 하는 산소 감지기.
5. 제1항에 있어서,

   원주방향에서 상기 가열부재(3)의 가열부분(42)의 일부는 상기 가열부분에 대한 열배분이 낮고, 상기 가열부재의 가열부분은 나머지 부분위의 위치에서 상기 산소감지부재(2)의 내벽(2a)에 접촉되는 것을 특징으로 하는 산소 감지기.
6. 제1항에 있어서,

   상기 가열부분(42)은 상기 가열부재(3)의 한 단부에 가까이 배치되는 것을 특징으로 하는 산소 감지기.
7. 제1항에 있어서,

   상기 가열부재(3)의 가열부분(42)은 상기 산소감지부재(2)의 내벽(2a)에 압착되는 것을 특징으로 하는 산소 감지기.
8. 제1항에 있어서,

   상기 가열부재(3)는 단자부재(23, 33)에 의해 상기 산소감지부재(2)내로 조립되고, 상기 가열부재(3)의 가열부분(42)은 상기 단자부재(23, 33)에 의해 상기산소감지부재(2)의 내벽(2a)에 압착됨을 특징으로 하는 산소 감지기.
9. 제8항에 있어서,

   상기 단자부재(23, 33)는,

   상기 가열부재(3)를 고정하기 위한 가열부재 고정기(27, 27a, 27b)와,

   상기 가열부재(3)를 원추형으로 둘러싸고 상기 산소감지부재(2)의 내벽(2a)에 배치된 전극층(2b, 2c)과 접촉하는 내부 전극 콘넥터(26)와,

   상기 가열부재(3)의 축방향에 직각인 방향으로 상기 가열부재를 밀기 위한 유도기(28)를 구비하며,

   상기 유도기(28)는 상기 가열부재 고정기(27, 27a, 27b)를 갖는 단부의 대향하는 단부에 배치되고, 상기 가열부재(3)의 중심선은 상기 유도기(28)에 의해 상기 산소감지부재(2)의 공동 부분의 중심선에 편심되며, 이로 인해 상기 가열부재(3)의 가열부분(42)의 표면은 고정될 상기 산소감지부재의 공동공간의 내벽에 압착되는 것을 특징으로 하는 산소 감지기.
10. 제9항에 있어서,

    상기 유도기(28)의 탄성력은 유도기가 상기 가열부재(3)에 작용하는 산소감지부재(2)의 내벽에서 상기 가열부재(3)에 작용하는 반응력의 결합으로부터 발생하는 굴절 모멘트를 견딜 수 있을 정도로 감소되는 것을 특징으로 하는 산소 감지기.
11. 제10항에 있어서,

    상기 단자부재(23, 33)는 상기 유도기(28)와 내부 전극 콘넥터(26)를 연결하기 위한 압축된 연결부(29)와, 상기 내부 전극 콘넥터(26)와 가열부재 고정기(27, 27a, 27b)를 연결하기 위한 압축된 연결부(30)를 구비하는 것을 특징으로 하는 산소 감지기.
12. 제8항에 있어서,

    상기 단자부재(23, 33)는,

    상기 가열부재(3)를 원추형으로 둘러싸고 상기 산소감지부재(2)의 내벽(2a)에 배치된 전극층(2b, 2c)과 접촉하는 내부 전극 콘넥터(26)와,

    상기 가열부재(3)를 고정하기 위한 제1가열부재 고정기(27a)와,

    상기 가열부재를 고장하기 위한 제2가열부재 고정기(27b)를 구비하며,

    상기 제1가열부재 고정기(27a)는 상기 가열부재(3)의 축방향에서 볼 때 상기 내부 전극 콘넥터(26)의 한 단부에 배치되고 상기 가열부재(3)를 둘러싸는 동안에 상기 내부 전극 콘넥터(26)와 일체로 형성되고, 상기 제2가열부재 고정기(27b)는 상기 가열부재(3)의 축방향에서 볼 때 상기 내부 전극 콘넥터(26)의 다른 단부에 배치되고 상기 가열부재(3)를 둘러싸는 동안에 상기 내부 전극 콘넥터(26)와 일체로 형성되며, 상기 제2가열부재 고정기(27b)의 축 중심선은 상기 제1가열부재 고정기(27a)의 축 중심선에 편심되고, 상기 가열부재(3)의 축 중심선은 그 축 중심선이 서로에 편심되는 제1가열부재 고정기(27a)와 제2가열부재 고정기(27b)에 의해 상기산소감지부재(2)의 공동공간의 축 중심선으로 기울어지며, 이로 인해 상기 가열부재(3)의 가열부분(42)은 상기 공동 공간의 내벽에 압착되는 것을 특징으로 하는 산소 감지기.
13. 제12항에 있어서,

    상기 제1가열부재 고정기(27a)와 제2가열부재 고정기(27b)는 직경방향으로 가열부재(3)의 동일한 외면에서 내부 전극 콘넥터(26)의 각각의 대응하는 단부와 연결되고, 상기 제1가열부재 고정기(27a)의 축 중심선은 그들의 연결부에 대해 제2가열부재 고정기(27b)의 축 중심선보다 더 먼 것을 특징으로 하는 산소 감지기.
14. 제13항에 있어서,

    상기 제1가열부재 고정기(27a)의 축 중심선과 상기 내부 전극 콘넥터(26)의 축 중심선은 서로 일치하며, 상기 제2가열부재 고정기(27b)의 축 중심선은 상기 내부 전극 콘넥터(26)의 축 중심선으로 부터 연결부(29, 30)에 편심되는 것을 특징으로 하는 산소 감지기.
15. 제14항에 있어서,

    상기 단자부재(23, 33)는 상기 제1가열부재 고정기(27a)를 상기 내부 전극 콘넥터(26)와 연결하기 위한 제1연결부(29)와, 상기 제2가열부재 고정기(27b)를 상기 내부 전극 콘넥터(26)와 연결하기 위한 제2연결부(30)를 구비하는 것을 특징으로 하는 산소 감지기.
16. 제15항에 있어서,

    상기 제1연결부(29)와 제2연결부(30)는 상기 내부 전극 콘넥터(26)의 방사상 방향으로 구부러져 계단부분을 형성하고, 상기 제1연결부(29)와 제2연결부(30)의 구부러지는 정도는 상기 제1가열부재 고정기(27a)와 제2가열부재 고정기(27b)의 축 중심선 사이에서 적절한 편심도를 만들도록 조절되는 것을 특징으로하는 산소 감지기.
17. 제1항에 있어서,

    상기 산소감지부재(2)의 공동 부분의 중심선에 대한 상기 가열부재(3)의 중심선의 편심각은 0.1˚ 내지 0.5˚ 의 범위인 것을 특징으로 하는 산소 감지기.
18. 제4항에 있어서,

    상기 가열부재(3)의 외직경 DB에 대한 차이값 △D(△D = DA-DB)의 비율은 0.06 또는 그 보다 긴 것을 특징으로 하는 산소 감지기.
19. 제1항에 있어서,

    상기 산소 감지기(1, 5, 50)는 차량의 공기 연료율 감지기로서 사용되는 것을 특징으로 하는 산소 감지기.
20. 제1항에 있어서,

    상기 산소감지부재(2)는 지르코니아를 구비하는 것을 특징으로 하는 산소 감지기.
21. 제20항에 있어서,

    상기 산소감지부재(2)는 부분 안정화 제재를 구비하는 것을 특징으로 하는 산소 감지기.
22. 제21항에 있어서,

    상기 부분 안정화 제재는 Y₂O₃와 CaO 및 HfO₂중의 하나인 것을 특징으로 하는 산소 감지기.
23. 제1항에 있어서,

    상기 전극은 플래티늄을 구비하는 것을 특징으로 하는 산소 감지기.
24. 제23항에 있어서,

    상기 전극은 팔라듐과 로듐을 구비하는 것을 특징으로 하는 산소 감지기.

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