JPH06235714A - 内燃機関排気用の酸素センサ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 応答特性と耐久性に優れ，堅牢で構造の簡素
な内燃機関排気用の酸素センサを提供すること。 【構成】 センサ素子１１と，多孔質セラミックの胴部
２５を有する保護カバー２０と，金属ハウジング３０と
を有する酸素センサ１０である。保護カバー２０は，セ
ンサ素子１１の少なくともその先端部分１１１を収容
し，金属ハウジング３０はその内周面３１を保護カバー
２０の外周面２０１に圧接して保護カバー２０を把持す
る。保護カバー２０の多孔質セラミックは，その気孔の
平均直径が５〜２００μｍの間にあり，また気孔率５０
〜８０％の間にある。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は，自動車の内燃機関の空
燃比制御などに用いられる，内燃機関の排気中の酸素濃
度を検出するための，酸素センサに関する。

【０００２】

【従来技術】自動車の内燃機関における排気ガス中の酸
素濃度を検出するための酸素センサとしては，起電力
式，Ｏ₂ （酸素）ポンプ電流式，限界電流式などが一般
的によく知られており，実用化されている。上記起電力
式酸素センサは，酸素イオン化反応により変化した電位
を，別途設けた基準電位と比較することにより，酸素濃
度を検出するものである。

【０００３】上記Ｏ₂ ポンプ式酸素センサは，例えば酸
素イオン導通性の安定化ジルコニア（ＺｒＯ₂ −Ｙ₂ Ｏ
₃ 等）系固体電解質を用い，電流を流したときの固体電
解質間に生ずる酸素イオン起電力を測定するものであ
る。上記限界電流式酸素センサは，電圧を印加して固体
電解質中を流れる酸素イオン電流を拡散抵抗層により制
限して測定するものである。

【０００４】これらの酸素センサ９は，図６に示すごと
く，その先端にセンサ素子９０を有している。該センサ
素子９０は，コップ型形状の素子であり，内側電極，Ｚ
ｒＯ₂ 固体電解質，外側電極，及び拡散抵抗層を，内側
から順に積層することにより形成されている。そして，
センサ素子９０の内腔には，ヒータ６が挿入されてい
る。上記ヒータ６は，リード線９１，９２を介してセン
サ素子９０の上方のコネクタ９８と接続している。

【０００５】また，上記センサ素子９０の電極は，リー
ド線９１，９２を介して，センサ素子９０の上方のコネ
クタ９８と接続されている。そして，センサ素子９０
は，ハウジング９６及び保護カバー９５中に収容され，
ハウジング９６に取付けられたフランジ９７により排気
通路に固定される。なお，自動車等の内燃機関の排気用
の酸素センサにおいては，従来より排気ガス中のオイル
成分やガソリン成分等が付着して特性劣化を引き起こす
という問題がある。

【０００６】この対策として，上記保護カバーを多重構
造とし，保護カバーの間にフィルターを装着するという
方法が提案されている（特開昭５３−１４２２９６号公
報等）。また，上記保護カバーを多孔質の焼結材料によ
って形成し，通気性を持たせると同時に異物が内部に侵
入しないようにするという方法も提案されている（特開
昭５６−１０４２４５号公報参照）。

【０００７】

【解決しようとする課題】しかしながら，上記従来の酸
素センサには次のような問題がある。まず，保護カバー
に設けたフィルタによって，排気ガス中の異物を除去す
る方法は，保護カバーを多重化するなど構造が複雑であ
り，組付工数もかかり，コストが高いという問題があ
る。

【０００８】一方，保護カバーに多孔質の焼結材料を用
いる場合には，該焼結材料は熱的に安定でかつ酸化等に
よって変質しないものであることが必要である。例え
ば，上記保護カバーに多孔質金属を用いた場合には，使
用中に排気による酸化や熱劣化等を生じ，多孔質が変質
して初期の特性を維持できなくなる。また，捕捉した排
気中の異物と化学反応を起こし，多孔質が変質して同様
に初期の特性を維持できなくなるという問題がある。

【０００９】このような観点から，多孔質焼結材料には
セラミック材を用いることが好ましい。しかしながら金
属ハウジングとセラミック材とを接着材等によって固定
する従来の酸素センサにおいては，次のような不具合が
ある。即ち，接着剤の劣化や金属とセラミックとの熱膨
張率の差による熱応力によって金属ハウジングから保護
カバーの離脱を生ずるという問題がある。

【００１０】また，多孔質焼結材料の種類によっては，
排気ガス中の有害物質が保護カバーの気孔中を通過して
しまってセンサ素子表面に付着し，センサ素子に目詰ま
りを起こすという不具合を生ずることがある。また，焼
結材料の種類によっては多孔質の気孔中に上記有害物質
が堆積して検出ガスが通りにくくなるものがある。いず
れの場合も，結果として酸素センサの耐用時間数の低下
という問題となって表れる。

【００１１】また，多孔質の種類によっては検出ガスの
透過に時間がかかるため，酸素センサの応答速度が遅く
なるという問題がある。本発明は，かかる従来の問題点
に鑑み，応答特性と耐久性に優れていると共に，堅牢に
して構造の簡素な内燃機関排気用の酸素センサを提供し
ようとするものである。

【００１２】

【課題の解決手段】本発明は，固体電解質とその表面に
設けた電極とを有するセンサ素子と，排気通路に挿入さ
れ，上記センサ素子に排気を導入する多孔質セラミック
の胴部を有する筒状の保護カバーと，筒状の金属ハウジ
ングとを有する内燃機関排気用の酸素センサであって，
上記保護カバーは，上記センサ素子の少なくともその先
端部分を収容しており，また上記金属ハウジングは，そ
の内周面を上記保護カバーの外周面に圧接して，これを
密着把持しており，一方，上記保護カバーの多孔質セラ
ミックは，その気孔の平均直径が５〜２００μｍの間に
あると共にその気孔率は５０〜８０％の間にあることを
特徴とする内燃機関排気用の酸素センサにある。

【００１３】本発明において，最も注目すべき第１点
は，筒状の保護カバーの外周面に，金属ハウジングの内
周面を圧接して保護カバーを密着把持するようにしたこ
とである。即ち，金属ハウジングは，いわばかしめ工法
のような態様によって保護カバーを圧着し保持するよう
にしている。

【００１４】本発明において，最も注目すべき第２点
は，保護カバーは多孔質セラミックからなる胴部を有し
ており，多孔質セラミックの気孔の平均直径は５〜２０
０μｍの間にあり，また多孔質セラミックの気孔率は５
０〜８０％の間にあることである。気孔の平均直径が５
μｍより小さければ，排気ガス中に含まれる異物が，気
孔中に目詰まりして，排気が多孔質セラミックを通過し
にくくなる現象が早期に発生する。

【００１５】一方，気孔の平均直径が２００μｍを越え
ると，排気中の異物が多孔質セラミックを通過し易くな
り，センサ素子に異物が付着し，センサ素子の目詰まり
を生ずる。いずれの場合も酸素センサの耐用期間が短く
なるから，充分な耐用期間を得るためには気孔の平均直
径は５〜２００μｍの間にあることが必要である。

【００１６】また，多孔質セラミックの気孔率が５０％
より小さいと，被検出ガスである排気が多孔質セラミッ
クを通過しセンサ素子に達するのに時間がかかる。その
ため，酸素センサの応答時間がかかり，いわゆる応答特
性が悪化する。一方，気孔率が８０％を越えると，多孔
質セラミックの強度が低下しすぎる。従って，応答特性
が良く耐久力に優れた酸素センサを得るためには，多孔
質セラミックの気孔率は，５０〜８０％の間の必要があ
る。

【００１７】

【作用及び効果】本発明の酸素センサの保護カバーは，
多孔質セラミックからなる胴部を有しており，保護カバ
ーは排気通路に挿入されている。排気は，多孔質セラミ
ック中を通過しセンサ素子に達するが，排気中の異物
は，気孔を通過中に多孔質セラミック中に捕捉（トラッ
プ）される。従って，排気中の異物をトラップするため
のフィルターなどは不要であり，構造は簡素である。

【００１８】また，多孔質のセラミックは，金属などの
多孔質焼結材料に比べて熱的にも化学的にも安定であ
り，排気ガスの悪環境下にさらされる酸素センサとして
優れた素材である。一方，金属ハウジングと保護カバー
とはその内外周面を圧接して固定され，接着剤による固
定ではない。従って，排気ガスによる悪環境下において
も，従来例のように経年的に離脱を引き起こすこともな
く，安定的に両者は固定される。

【００１９】また，前記のように，多孔質セラミックの
気孔の平均直径は５〜２００μｍの間にあるから，排気
中の異物による目詰まり等が生じにくく，耐用年数が長
い。そして，前記のように，多孔質セラミックの気孔率
は５０〜８０％の間にあるから，センサの応答特性が良
好で，かつ充分な強度を有している。上記のように，本
発明によれば，応答特性と耐久性に優れていると共に，
堅牢にして構造の簡素な内燃機関排気用の酸素センサを
提供することができる。

【００２０】

【実施例】

実施例１ 本発明の実施例にかかる酸素センサにつき，図１〜図３
を用いて説明する。本例は，図１に示すように，固体電
解質とその表面に設けた電極とを有するセンサ素子１１
と，排気通路に挿入され，上記センサ素子１１に排気を
導入する多孔質セラミックの胴部２５を有する筒状の保
護カバー２０と，筒状の金属ハウジング３０とを有する
内燃機関排気用の酸素センサ１０である。

【００２１】上記保護カバー２０は，上記センサ素子１
１の少なくとも先端部分１１１を収容しており，また上
記金属ハウジング３０は，その内周面３１を保護カバー
２０の外周面２０１に圧接して，これを密着把持してい
る。一方，保護カバー２０の多孔質セラミックは，気孔
の平均直径が５〜２００μｍの間にあると共に，その気
孔率は５０〜８０％の間にある。

【００２２】以下それぞれについて詳説する。本例は，
自動車のエンジンの排気ガス中の酸素濃度を検出する限
界電流式の酸素センサである。本例は，図１に示すよう
に，金属ハウジング３０と保護カバー２０の内部にセン
サ素子１１を収容した酸素センサ１０である。該酸素セ
ンサ１０は，金属ハウジング３０に取付けられたフラン
ジ３５によって，エンジンの排気通路に装着され，保護
カバー２０は排気中に挿入される。

【００２３】センサ素子１１の内腔には，リング状バネ
材のヒータホルダ１６によってヒータ１５が収容されて
いる。そして，該ヒータ１５は，ヒータ線４２と接続さ
れている。また，電気化学的セルであるセンサ素子１１
の電極（図示せず）は，リード線４１と接続されてい
る。なお，図１において，符号１３は気密性保持のため
のタルク等の充填部材であり，符号１８，１９は金属性
のパッキンである。

【００２４】上記センサ素子１０は，次のような順序で
組付けが行われる。まず，保護カバー２０をパッキン１
８を介して金属ハウジング３０内に挿入し，次いで上部
からセンサ素子１１をパッキン１９を介して保護カバー
２０内に収容する。そして，センサ素子１１と金属ハウ
ジング３０との間に，上記充填部材１３を充填した後，
金属ハウジング３０をかしめるように締めつけて，セン
サ素子１１と保護カバー２０とを金属ハウジング３０の
内壁に圧接し固定する。

【００２５】保護カバー２０は，Ａｌ₂ Ｏ₃ ，コージエ
ライト，ムライト等の多孔質セラミックからなり，その
外壁の厚さは約３ｍｍである。この多孔質セラミック保
護カバー２０の拡大した断面は，図２に示すように，セ
ラミック焼結体よりなる骨格部２０２が互いに連結して
全体の構造を保ついわゆるフォーム状の構造を有してい
る。この骨格部２０２の間に排気ガスを通過させる気孔
部２０３が形成されている。

【００２６】そして，排気ガス中に含まれるオイル成分
等の異物は上記気孔部２０３の表面に付着し捕捉され
る。上記のような，フォーム状の多孔質セラミックは，
ウレタンフォーム等にセラミックのスラリーを含浸さ
せ，焼成することにより得られる。

【００２７】保護カバー２０は，予めフォームを型によ
って成型し，その後焼成して製造する方法，あるいは焼
成したバルク状の多孔質セラミックを研削等によって加
工して製造する方法等によって得られる。なお，本例の
多孔質セラミックの気孔の平均直径は５〜２００μｍの
間にあり，多孔質セラミックの気孔率は５０〜８０％の
間にある。

【００２８】次に，本例の酸素センサ１０の作用効果に
ついて述べる。本例の酸素センサ１０においては，セン
サ素子１１を保護カバー２０に収容し，更に金属ハウジ
ング３０の内周面３１を保護カバー２０の外周面２０１
に圧接して一体化する。

【００２９】即ち，保護カバー２０は接着剤を用いるこ
となく金属ハウジング３０に固定される。従って，排気
ガスの悪環境下や熱サイクルのくり返しによっても経年
的に両者２０，３０の固着状態が変化することなく，安
定的に保護カバー２０は金属ハウジング３０に固定され
る。

【００３０】また，多孔質セラミックの気孔によって，
排気中の異物をトラップし，フィルタなど異物をトラッ
プするものを別個に設けないから，構造は簡素である。
また，多孔質セラミックの気孔の平均直径は５〜２００
μｍの間にあり，後述する図３に示す実験例から知られ
るように，本例の酸素センサ１０は異物を含む排気ガス
の悪環境においても長時間に渡って特性が劣化しない。

【００３１】図３は，排気中にエンジンオイルの成分を
人為的に増量し，特性変化を加速させた限界電流式酸素
センサの耐久特性図である。図３において，曲線ａは気
孔の平均直径が１００μｍ，曲線ｂは２００μｍ，曲線
ｃは５μｍの多孔質セラミックの保護カバーを用いた酸
素センサの経時的特性変化を示すものである。

【００３２】一方，曲線ｄは気孔の平均直径が１μｍ，
曲線ｅは平均直径が３００μｍの場合である。同図から
知られるように，本例のように，気孔の平均直径が５〜
２００μｍにある場合は，他の場合（曲線ｄ，ｅ）に比
べてはるかに大きな耐久性が得られる。

【００３３】また，図４は多孔質セラミックにおける気
孔率を変化させたときの酸素センサの応答時間の変化を
示すものである。同図から知られるように，気孔率が５
０％以下においては，応答時間が加速度的に増加する。
一方，前記のように気孔率が８０％を越えると多孔質セ
ラミックの強度が低下する。従って，気孔率が５０〜８
０％の間において応答特性が良くかつ強度のある酸素セ
ンサを得ることができる。

【００３４】上記のように，本例によれば，応答特性と
耐久性に優れていると共に，堅牢にして構造の簡素な内
燃機関排気用の酸素センサを得ることができる。なお，
フォーム状の多孔質セラミックの代わりに、ハニカム状
に細孔を穿設したハニカム状セラミックを用いてもよ
い。また，ガソリンエンジン用として用いる場合には多
孔質セラミック中に燃焼平衡用のＰｔ系触媒や，排気中
の有害物質のトラップ機能に優れたγ−Ａｌ₂ Ｏ₃粒子
等を混入してもよい。

【００３５】実施例２ 本例は，図５に示すように，実施例１において，保護カ
バー２１を通常のセラミックからなるスリーブ２１１と
多孔質セラミックからなる胴部２６により構成した，も
う１つの実施例である。保護カバー２１は，気孔を有し
ていない通常のセラミック製スリーブ２１１と多孔質セ
ラミックの胴部２６とを接着剤２１２により一体化した
ものである。

【００３６】そして，金属ハウジング３０は，保護カバ
ー２１のスリーブ２１１の外周面２１３に圧接して，保
護カバー２１を把持している。このようにして保護カバ
ー２１を把持すれば，多孔質セラミックからなる胴部２
６には金属ハウジング３０による把持力が加わらない。

【００３７】従って，気孔を有することにより相対的に
強度の弱い胴部２６には把持力が加わらないから，より
強度的に優れた酸素センサ１０を得ることができる。な
お，胴部２６とスリーブ２１１とは，共にセラミックで
あるから接着剤２１２により強固に接着することがで
き，また安定的である。その他については，実施例１と
同様であり同様の効果を得ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】実施例１の酸素センサの断面図。

【図２】実施例１の酸素センサの保護カバーの部分拡大
断面図。

【図３】実施例１の酸素センサと従来の酸素センサとの
経時的特性変化の比較図。

【図４】実施例１の酸素センサの応答特性図。

【図５】実施例２の酸素センサの断面図。

【図６】従来の酸素センサの断面図。

【符号の説明】

１０．．．酸素センサ， １１．．．センサ素子， ２０，２１．．．保護カバー， ２０１，２１３．．．外周面， ２５，２６．．．胴部， ３０．．．金属ハウジング， ３１．．．内周面，

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 鈴木 雅寿 愛知県刈谷市昭和町１丁目１番地 日本電 装株式会社内

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 固体電解質とその表面に設けた電極とを
   有するセンサ素子と，排気通路に挿入され，上記センサ
   素子に排気を導入する多孔質セラミックの胴部を有する
   筒状の保護カバーと，筒状の金属ハウジングとを有する
   内燃機関排気用の酸素センサであって，上記保護カバー
   は，上記センサ素子の少なくともその先端部分を収容し
   ており，また上記金属ハウジングは，その内周面を上記
   保護カバーの外周面に圧接して，これを密着把持してお
   り，一方，上記保護カバーの多孔質セラミックは，その
   気孔の平均直径が５〜２００μｍの間にあると共にその
   気孔率は５０〜８０％の間にあることを特徴とする内燃
   機関排気用の酸素センサ。