JPH0527660U - 酸素センサ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【構成】センサ素子とヒータとの間に介在する空間にセ
ラミックファイバー又はセラミックウイスカーを充填さ
せた酸素センサである。特に、自動車の空燃比検出のた
めに使用される筒状酸素センサに適用される。ヒータの
熱はセラミックファイバー類を介して伝導されてセンサ
素子を加熱する。 【効果】加熱効率を高め、省エネ及びヒータ寿命の長期
化に寄与できる。特に、冷却起動時における立上り時間
を従来品に比べて短縮でき（例えば６０秒を４０秒に短
縮）、迅速な空燃比制御が可能である。

Description

【考案の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】

本考案は酸素センサ、特に筒状ジルコニア酸素センサのヒーター加熱方式のよ うに直接素子に接しないで加熱しているものに関する。

【０００２】

【従来技術・課題】

従来の筒状ジルコニア酸素センサにおいてヒーターによる加熱は筒状素子の内 側に離間させてヒーターロッドを挿入し、その輻射熱で素子を加熱していたため 、板状ないしは膜状酸素センサにおける様にヒーターが素子と一体になった型に 比べ加熱効率が悪い。特にコールドスタート時キーオン後の加熱スピードが遅い と、センサ素子が作動温度に達するまでの時間がかかり、その間は空燃比制御出 来ないので、例えばＬＡ−４などのモードでのエミッション値が悪くなる。通常 、空燃比制御がなされていない、いわゆるオープン制御時はリッチ状態のため、 多大なＨＣが放出される。又、それをカバーしようとヒーターパワーを上げると 今度はヒーター自身の発熱が強すぎるためヒーター寿命が短くなってしまう。

【０００３】

【課題を解決するための手段】

本考案の酸素センサは、ヒーターと素子との間に介在する空間にセラミックフ ァイバー及び／又はセラミックウイスカー（以下「セラミックファイバー類」と いう）を充填することを特徴とする。ここで、「セラミック」とは広義であり、 非晶質ガラスや結晶化ガラスも包含するものとする。

【０００４】 通常この空間は２ｍｍ以下の隙間でしかも先方位置においてはテーパ状であり ストレートではない。従って、硬いものでは厳密な寸法精度が要求され、十分密 着して充填することは非常に困難である。一方無理に入れると素子が破壊する。 又、ヒータの熱を伝導するものであるから耐熱性を、そして素子による検知特性 を阻害しないため絶縁性を有すべきことは当然である。そこで変形自在でありか つ耐熱性、絶縁性に優れたセラミックファイバー類が最適となる。

【０００５】 セラミックファイバー類はセンサーの使用温度により色々考えられる。５００ ℃〜８００℃程度はガラスファイバーでも使用できる。しかし１０００℃を越え る場合はアルミナファイバーが良い。勿論、その他種々のセラミックファイバー 類例えばアルミナシリケート質ファイバー、炭化ケイ素ファイバーなども使用で きる。

【０００６】 但し、例えば炭化物系などは酸素を消費して雰囲気濃度を変化させ正確な酸素 濃度を測定できなくなるおそれがあるため、電気絶縁性、高温安定性などの点か ら酸化物系セラミックが特に好ましい。更に、結晶化ガラスファイバーやセラミ ックウイスカー例えばアルミナウイスカーなども使用してもよい。セラミックフ ァイバー類の直径、長さなどは特に限定されない。

【０００７】

【作用】

従来技術にあっては空気を介しての輻射又は対流による加熱に対して、本考案 の場合はセラミックファイバー類を通じた伝導により加熱されるので加熱効率が よい。因みに、空気は熱伝導体としては最も悪い。又、振動・衝撃に対して緩衝 材としても作用できる。

【０００８】

【実施例】

図１は一実施例を示したものである。同図において、（１）は筒状センサ素子 であり、主としてジルコニア固体電解質の内外面に多孔質電極を形成してなる。 （２）はセラミックヒータロッドであり、筒状センサ素子１の内側に先端から約 ２ｍｍ離間して位置し、素子１の中心軸に沿って延びる棒状体とされ、ヒータリ ード（２１）に連結している。そして、（３）が素子１とヒータロッド（２）と の間に介在されたセラミックファイバーである。なお、（４）はハウジング、（ ５）は保護キャップである。

【０００９】 かかる酸素センサの製法は、基本的には既知の技術と同様である。一例を挙げ ればＺｒＯ₂−Ｙ₂Ｏ₃Ｕ字管型焼結体（長さ４５×外径７×内径３ｍｍ）の内外 面に化学メッキでＰｔ層（厚さ0.9μｍ）を析着し、外面側には更にスピネル粉 末をプラズマ溶射して保護層（１５０μｍ）を形成して、センサ素子（１）を得 る。又、第１、第２Ａｌ₂Ｏ₃質グリーンシート（0.5ｍｍ）の間にＰｔ発熱性パ ターンをスクリーン印刷したものをＡｌ₂Ｏ₃質円柱状基材（長さ８０×径２ｍｍ ）に巻回、圧着して、ヒータ（２）を得る。詳細は例えば特開平１−２４５１４ ７を参照されたい。

【００１０】 次に、市販のアルミナファイバー（３）としてイビウール（イビデン（株）製 ）を用いて長さ２０×内径２ｍｍ×外径３ｍｍに成形し、アルミナファイバー（ ３）からなるチューブ状成形体を得た。このファイバー（３）成形体を、前記セ ラミックヒータロッド（２）に嵌合させる。この場合、ロッド（２）先端からの 軸方向距離が２〜２０ｍｍの所にファイバー（３）成形体が位置するように設定 した。その後、このファイバー（３）成形体が嵌合されたセラミックヒータロッ ド（２）を筒状センサ素子（１）の内側に挿入する。この場合、センサ素子（１ ）は先方へ向かうにつれて徐々に細くなっているので所定位置まで多少圧力をか けて押込むとファイバー（３）成形体が変形しながら空間を埋めていく。

【００１１】 その他は通常の工程と同様にして酸素センサを製造した。

【００１２】 こうして得られた本考案品と、セラミックファイバー（３）を介在していない 従来品について、立上り特性を調べた。即ち、ＬＡ−４モードのコールドスター トにおいて、従来品は約９０秒経たないとセンサが作動しないのに対し、本考案 品では５０秒で作動することができた。又、同じヒーターパワー３．５Ｗにおい て、本考案品の方が従来品よりも素子の温度が高かった。即ち、本考案品３５０ ℃であったのに対し、従来品は２８０℃であった。

【００１３】 又、２０００ｃｃエンジンによる低温活性特性の試験結果を図３に示す。図３ から明らかなように、かかる低温域（２００〜３００℃）においても本考案品は 従来品に比べて、三元触媒によって最も効率良く有害物質（Ｎｏｘ、ＣＯ、ＨＣ ）を浄化できるいわゆるウインド領域に制御Ａ／Ｆをより維持し易いことがわか る。

【００１４】 上記例ではセラミックファイバー（３）を予めチューブ状に成形したものをヒ ータロッド（２）に嵌合したので、筒状センサ素子（１）のヒータ伝熱を必要と する部分への位置決め、充填が容易である。もっとも、所定部位へ充填できる限 りにおいて、未成形のセラミックファイバー（３）をそのままセンサ素子（１） 内に充填してもよい。

【００１５】 なお、自動車用酸素センサを例にとって説明したが、本発明はセンサ素子とヒ ータとが別体であり、ヒータ熱の伝導による、いわば間接加熱によってセンサ素 子を作動温度に加熱するガス検知器に広く適用できることは自明であろう。

【００１６】

【考案の効果】

ヒータによる素子の加熱効率を高め省エネルギーに寄与すると共に、ヒータ寿 命を長くでき、コールドスタート時においても、センサ素子が速やかに作動温度 に達し、空燃比制御できない時間を極めて短くすることができる。同一ヒータパ ワーにおいて、従来品よりもセンサ素子の温度を高くでき、より高精度の空燃比 制御が可能となる。厚膜・板状のヒーター体型に比べて電気的リークの発生が殆 ど無くかつ生産性も高い筒状酸素センサを有効に活用できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本考案の酸素センサの一例を示す一部断面正面
図

【図２】図１の主要部の拡大図であって、素子への組付
前の状態を示したもの

【図３】本考案品を従来品とについて、２０００ｃｃエ
ンジンによる低温活性特性を調べた結果を示すグラフ

【符号の説明】

１ 筒状センサ素子 ２ セラミックヒータロッド（ヒータ） ３ セラミックファイバー又はセラミックウイスカー

Claims (2)

【実用新案登録請求の範囲】
1. 【請求項１】空間を介して筒状固体電解質素子を加熱す
   るヒータを具備し、上記空間をセラミックファイバー及
   び／又はセラミックウイスカーで充填することを特徴と
   する酸素センサ。
2. 【請求項２】セラミックファイバー及び／又はセラミッ
   クウイスカーが、充填すべき空間に略対応したチューブ
   状成形体とされている請求項１記載の酸素センサ。