WO1991002245A1 - Oxygen sensor - Google Patents

Description

明 細 書 酸素セ ンサ · 技術分野

本発明は、 内燃機関等の排ガス中の酸素濃度を検出する ために用い られる酸素セ ンサに関する。 背景技術

内燃機関等の排ガス中の酸素濃度を検出する酸素セ ンサは、 その検 出機能を発揮させるために、 酸素濃度感知部を加熱する発熱体が、 該 感知部に一体に積層されて形成されたセ ンサ素子より成るものが用い られている。

この種の酸素セ ンサと して、 例えば特公昭 6 3 — 3 6 4 6 1 号公報 或いは特開昭 6 2 - 2 2 2 1 5 9号公報に開示されたものがある。

前者は、 第 1 1 図に示すよう に、 固体電解質層 1 0 6 の両面に電極 1 0 5 , 1 0 7 を積層したものを、 ガス透過性の絶縁体 1 0 1 に積層 して酸素濃度感知部を形成し、 これに発熱体 1 0 3 を積層して薄板状 のセ ンサ素子 1 を形成する ものであり、 一方、 後者は、 第 1 2図に示 すよう に、 大気導入孔 1 1 0 a を有する円筒型の絶緣体 1 1 0 の側面 に大気導入孔 1 1 0 a に連通する貫通孔 1 1 0 bを設け、 固体電解質 層 1 0 6 の両面に電極 1 0 5 , 1 0 7 が積層された.酸素濃度感知層に 予め発熱体 1 0 3 を積層し、 これ等を貫通孔 1 1 0 bを覆って絶緣体 1 1 0 に積層して中空の円筒状のセ ンサ素子 1 を形成する ものである , 併しながら、 前者の特公昭 6 3 — 3 6 4 6 1 号公報のものは、 薄板 状のセ ンサ素子のため強度的に弱 く 、 振動 * 衝撃によつて折損し易い とい う問題があり、 一方、 後者の特開昭 6 2 — 2 2 2 1 5 9号公報の ものは、 中空の円筒状のセ ンサ素子のため熱容量が大き く 、 発熱体に よるセ ンサ素子の加熱効率が低いので、 セ ンサ素子の急速加熱を要す る内燃機関の始動時等に於いては、 直ぐに機能を発揮しないという問 題がある。

本発明は、 上記の事情に鑑みてなされたもので、 振動 · 衝撃に対し て強く、 且つ急速加熱のでぎるセ ンサ素子より成る酸素セ ンサを提供 することを目的とするものである。 発明の開示

本発明は、 上記の目的を達成するために、 胴部とこ の胴部に比して 細い細化部とを有するセ ンサ素子と、 細化部に形成され、 酸素濃度を 測定する検出素子と、 セ ンサ素子の細化部に形成され、 検出素子を加 熱する発熱体とからなる酸素センサを提供するものである。

上記の手段によれば、 セ ンサ素子には胴部に比して細い細化部が形 成されているため、 セ ンサ素子先端部の重量の減少により、 セ ンサ素 子の支持固定部に加わる振動 · 衝撃による応力が低減し、 且つこの細 化部に検出素子を形成するこ とによ り 、 発熱体によるセ ンサ素子の加 熱効率が向上する。 図面の簡単な説明

第 1図は本発明の酸素セ ンサにおげるセ ンサ素子の一実施例を示す 分解斜視図、 第 2'図は上記セ ンサ素子を備えた酸素セ ンサの部分断面 図、 第 3図は各酸素セ ンサの昇温特性の試験結果を示す図、 第 4図は ゼンサ素子の斜視図、 第 5図 (a) , (b) , (c)は他の実施例を示す模式図、 第 6図， 第 7 Hはセ ンサ素子の他の実施例を示す分解斜視図、 第 8図 (a)は他 0実施例を示す模式図、 第 8図 (b)は第 8図 (a)の'断面図、 第 9図 および第 1 0図はセ ンサ素子の他の実施例を示す模式図、 第 1 1図お よび第 1 2図は従来の酸素セ ンサにおけるセンサ素子の分解斜視図で ある。 ' . 発明を実施するための最良の形態 以下、 本発明を図に示す実施例について説明する - 第 1 図は、 本発.明の酸素セ ンサに於ける セ ンサ素子の一実施例を示

(以下余白）

'

す展開図である。 -.

第 1 図に於いて、 1 0 1 は、 両端を開故した貫通孔を持つ角筒状の 支持体で、 アル ミ.ナ磁器， ジルコニァ磁器などから成り、. この支持体

1 0 1 の排ガスに露出し晒される側の開口端面 1 0 1 a は、 側面のう ち一面から連続的に細化した傾斜面となって細化部 1 0 1 bを形成し ており、 横から見た場合、 こ の先端部は楔型の形状になっていて、 他 端は胴部 1 bを介して大気を導入する大気導入孔 1 1 1 が設 られて いる。 〗 0 3 は、 主に白金金属材料からなる発熱体で、 アルミ ナ等の 絶緣層 1 0 2 を介して上記支持体 1 0 1 0傾斜面と対向する面に、 上 記斜面開口部 1 0 1 a を発熱体 1 0 3 の発熱部が投影図的に見て完全 に覆う よう に積層し、 さ らに端子電極部 1 1 4 a , 1 1 4 b とを除い た部分に絶緣層 1 0- 2 と同材質の絶緣層 1 0 4 を積層する。 1 0 6 は、 例えばィ ッ ト リ ゥムを添加したジルコユアよりなる固体電解質層で、 基準電極 1 0 5及び測定電極 1 0 7 を有し、 支持体 1 0 1 の排ガス側 斜面開口部 1 0 1 a と、 電極 1 0 5がー致するよう に積層され、 検出 素子 1 a であるセ ンサ部を形成している。 基準電極 1 0 5 は、 固体電 解質 1 0 6 に設けられたスルーホール 1 1 3 を介して基準電極端子 1 1 2 わ に、 また測定電極 1 0 7 は測定電極端子 1 1 2 a にそれぞれ接 - 続される。

1 0 8 は、 測定電極 1 0 7 が測定ガスに直接晒される こ とを防ぐた めの保護層で、 多孔 Kのアルミ ナ、 或いはス ピネル等の無機質からな る保護 ίである。

こ こで、 支持体 1 .0 1 は射出成形等により、 固体電解質層 1 0 6 は- 押出成形等により形成され、 電極層 1 0 5 と 1 0 7 , 発熱体 1 0 3 お よび絶縁層 1 0 2 と 1 0 4 は印刷法等で設け、 これ等を未焼成の状態 で積層の後、 同 _時焼成してセ ンサ素子が形成ざれる。

なお、 保護層 1 0 8 は、 上記セ ンサ素子の焼成後、 原料粉末を溶射 する こ とにより形成される。 第 2図は、 上記方法により形成されたセ ンサ素子を組み付けた酸素セ ンサの部分断面図である。 第 2 図に於いて、 1 はセ ン 素子、 2 はセ ンサ素子 1 のセ ンサ部 1 a が直接排ガスに晒される こ とを防ぐための保護カバ一 3 を有するハ ゥ ジ ングであり、 この中にタルク等の粉体 4 を介して熱カ シメ等の方 法によ り セ ンサ素子 1 がハウ ジング 2 に組付固定される。 さ らに、 セ ンサ素子 1 の端子電極部に リ ー ド線 5 がロー付等により接続され、 リ 一ド線 5 は酸素セ ンサ本体の外部に取出されている。

次に、 上記の実施例について、 その作用を説明する。

本発明は、 酸素セ ンサのセ ンサ素子は、 前述のよう に排ガス中に露 出し晒される部分は先端ほど細化された細化部を有しているため、 セ ンサ素子 1 に内蔵された発熱体 1 0 3 によ り加熱される先端部の熱容 量が小さ く なり、 そのため発熱体 1 0 3 による加熱効率が向上して舁 温が速 く なる。

第 3図は、 本発明の酸素セ ンサ と従来の酸素セ ンサについて、 夫々 のセ ンサ素子に内蔵された同一仕様の発熱体によって加熱した場合の セ ンサ素子先端部の舁温特性を試験した結果である。

但し、 セ ンサ素子の形状寸法は、 従来のものは巾 5 mm , 厚さ 5 讓， 長さ 6 0 腿の角筒型の素子を用い、 一方、 本発明のものは、 上記の形 状寸法に於いて先端より 2 5 i iの位置を起点と して先端が巾 5 讓， 厚 さ 2 腿となるよう に細化した、 いわゆる先端部が楔型の素子を用いた： その結果は、 第 3図に示すよう に、 本発明の酸素セ ンサは従来の酸 素セ ンサに比べて、 4 0 0。Cに到達する昇温時間が約半分に短縮して おり、 極めて効果のあることが解った。 - なお、 本発明の酸素セ ンサは、 セ ンサ素子の先端部の重量が従来よ り軽く なるため、 振動 · 衝撃によつてセ ンサ素子の支持固定部に加わ る応力が小さ く なり、 それによつてセ ンサ素子は破損しに く く なる。

こ こで、 セ ンサ素子の発熱体による加熱効率の向.上とセ ンサ素子の 支持固定部に加わる応力の低減に対しては、 例えば第 4図に示すよう に、 蘀板状セ ンサ部 1 a のハウ ジ ング 2 への支持部 1 わ に、 補強材 6 を積層し、 細化部を形成してもよい。 しかし、 このよう な構成は連続 的に細化した場合に比べ、 補強材 6 の積層工程の増加 よるコ ス ト ア ップにつながる うえ、 機能的にも以下の様な問題を生ずる。 すなわち、 セ ンサ部 1 a に急加熱又は、 急冷却などによる急激な温度変化が生じ た場合、 熱容量がセ ンサ部 i a に比べ大きい胴部 1 b は、 こ の温度変 化に追従できず、 セ ンサ部 1 a と支持部 1 b との間に熱膨張差が生じ、 これによる応力がその境界部に集中し、 境界部に亀裂故障が発生しや す く 、 始動時に急加熱を必要とするよう な環境においては、 信頼性に 問題が生じる場合がある。

しかし、 セ ンサ素字 1 の先端から連続的に肉厚を細化させる こ とに より、 上記の様な JS.力集中を緩和させる こ とができ、 急激な温度変化 に対する信頼性に優れた酸素セ ンサを得る こ とができる とい う さ らな る効果を有する こ とができる。

また、 以上の様な特性を満足するためには、 セ ンサ素子 1 の胴部 1 b の厚さは、 2 〜 6 腿にする こ とが好ま し く （ 6 ram以上になる と、 熱 容量の増大により温度特性が低下し、 また、 2 讓以下とする と強度低 下により組付性が..劣化する） 、 セ ンサ素子 1 の胴部の幅は、 ハウジ ン グ 2 への組付性及び電極 1 0 5 , 1 0 7 と発熱体 1 0 3 の配置等を考 慮する と 3 〜 6 麵 '、 セ ンサ素子 1 の先端の楔型部の長さは、 酸素セ ン サの特性上、 1 .0 3 0掘とする こ とが望ま しい。

なお、 上記 φ ·έ ンサ素子 1 は、 角筒型と したが多角筒型としても良 く 、 例えば第 5図 (a) , (b) , (c)の如く 円筒或いは楕円筒型の支持体 4 0 1 と しても同様の効果を得る こ とができる。

第 6図及び第 7図に本発明のセ ンサ素子他の実施例を示す。

第 6図は 固体電解質層 1 0 6 に設けられた基準電極 1 0 5及び測 定電極 1 0 7 を、 支持体 1 0 1 の斜面開口部 1 0 1 a のみならず斜面 全体を覆う ように配したもので、 熱伝導性に優れた金属電極層 1 0 5 : 1 0 7 をこのように全体に配する こ とにより、 セ ンサ素子の均熱性が 向上され、 熱衝撃に対する耐久性向上を図る こ とができ る。

第 7 図は、 発熱体 1 0 3 とセ ンサ部を支持体 1 0 1 の同一面側に設 けたこ とを特徴と しており、 こ によ り発熱体 1 0 3 の加熱効率をさ らに向上する こ とができ る。

第 8図 (a) , (b)は、 本願発明の更：こ他の実施例を示すものである。 第 8図 (a) , (b)では胴部の一端は、 連続的に薄板化された斜面を形成し、 かつ測定部分である電極および保護層 1 0 8 の形成された部分は平板 状をなしている こ とを特徴とする。 このよう な構成を採用する こ とに より測定部分における熱的勾配が ' とんどないため検出信号を安定し て得る こ とができ る。

第 9図は本願発明のさ らに他の実施例を示すものであり、 胴部の一 端に形成される ffi化部と して、 前記実施例では側面のう ちの一面から 連続的に細化した傾斜面と したが、 本実施例では上面又は下面から連 続的に細化した細化部と し、 セ ンサ素子の厚さは一定と した。 このよ う な構成とする こ とによ り発熱体からの熱を検出素子 1 a が均一に受 ける こ とができ安定した検出信号を得る こ とができ る。 第 1 0図は、 本願発明の他の実施例を示す。 第 1 0図では、 素子の両側面にわたつ て胴部の一端より連続的に細化させ相対向する斜面を形成し、 かつ測 定部分においては、 平板状と したこ とを特徴とする。 このよう な構成 でもまた測定部分における熱的勾配がほとんどないため安定した検出 信号を得る こ とができる。

尚、 前記実施例において、 発熱を主に白金金属材料より得たが、 そ の他タ ングステ ン， レニウ ム， モ リ ブデン等の高融点材料又はその合 金材料よ り なる ヒータで よい。

さ らに、 前記実施例では保護層を原料粉末の溶射によつて形成した 力 その他未焼成の状態で積層後、 支持体と同時焼成を行なってもよ い。 発明の効果

本発明は、 以上説明したよ う ：こ構成されている のて、 以下に記載す る効果を奏する。 (1)セ ンサ素子が振動 · 衝撃によ つて破損しに く く なるため、 酸素セ ンサの信頼性が向上する こ とに加え、 セ ンサ素子の発熱体の加熱によ る舁温速度が速 く なるため、 始動時等に於ける急加熱を要する場合に も、 十分に機能 >を発揮する。

(2)また、 セ ンサ'素子は、 角筒型の形状で先端部を楔型の形状とする こ とによ り 、 振動 - 衝撃に強く 且つ昇温速度の速いセ ンサ素子を容易 に製作する こ とができ る。

- 産業上の利用可能性

以上のよう 本発明にかかる酸素セ ンサ 、 内燃機関よ り排出され る排気ガス中の酸素濃度を検出するために用いられる。

Claims

請求 の 範 固

1 . 胴部と該胴部に比して細かい細化部とを有するセ ンサ素子と、 前記細化部に形成され、 酸素濃度を測定する検出素子と、

前記セ ンサ素子の前記細化部に形成され、 前記検出素子を加熱する 発熱体と

からなる こ とを特徴とする酸素セ ンサ。

2 . 前記胴部は、 棒状形状をなし、 該棒状形状の一端には先端ほど 細化された細化部を有する こ とを特徴とする請求項 1 記載の酸素セ ン サ c

3 . 前記セ ンサ素子は、 角筒型の形状の素子より成り、 該素子の先 端部を楔型の形状と したこ とを特徴とする請求項 1 記載 O酸素七 ンサ

4 . 排ガス中の酸素濃度を検出する酸素濃度検出素子と、

該酸素濃度検出素子を加熱する発熱体とを一体に積層 して形成され る とともに、 排ガス中に露出する部分を、 先端ほど細化させたセ ンサ 素子と、

からなる こ とを特徴とする酸素セ ンサ。

5 . 前記セ ンサ素子は、 角筒型の形状の素子より成り、 該素子の先 端部を楔型の形状と したこ とを特徴とする請求項 4 記載の酸素セ ンサ <

6 . 角筒型の形状をなし、 一端には先端ほど薄板状をなす細化部を 有するセ ンサ素子と、 .

該セ ンサ素子の前記細化部に形成され、 酸素濃度を検出する検出素 子と、

前記セ ンサ素子に一体に形成され、 前記検出素子を加熱する発熱素 子と

からなる こ とを特徴とする酸素セ ンサ。

7 . 前記細化部は、 角筒形状の一側面が、 先端程薄板状をなすよう に斜面を形成する とともに、

前記斜面に前記検出素子を形成する こ とを特徴とする請求項 6記載 の酸素セ ンサ。 · ίθ

ε . 前記細化部は、 少な く と も対向する側面が先端程薄板状をなす よう に斜面を形成する と と もに、 前記斜面に前記検出素子を形成する 二 とを特徴とする請求項 6 記載の酸素セ ンサ