JPH07280771A

JPH07280771A - 酸素センサ

Info

Publication number: JPH07280771A
Application number: JP6095670A
Authority: JP
Inventors: Seiji Totsuka; 清二戸塚
Original assignee: Unisia Jecs Corp
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1994-04-08
Filing date: 1994-04-08
Publication date: 1995-10-27

Abstract

(57)【要約】【目的】短時間でジルコニアチューブを活性化させる
と共に、応力集中によるジルコニアチューブの損傷を防
止する。【構成】ジルコニアチューブ２１を、先端側の蓋部２
２と、該蓋部２２の外径寸法Ｄ1 とほぼ同径かつ同等の
肉厚寸法Ｔで伸長した薄肉筒部２３と、該薄肉筒部２３
から第１の変曲点ｋ1 を介して漸次外径寸法を増大させ
て外径寸法Ｄ2 となるテーパ状のテーパ筒部２４と、該
テーパ筒部２４から第２の変曲点ｋ2 を介して拡径され
た厚肉フランジ部２５とから構成した。従って、ジルコ
ニアチューブ２１は薄肉筒部２３によって薄肉化される
から、内部抵抗が小さくなって活性化開始温度が低くな
る上に、ジルコニアチューブ２１全体の体積が小さくな
り、活性化開始温度まで短時間で加熱される。また、ジ
ルコニアチューブ２１に加わる応力は第１の変曲点ｋ1
と第２の変曲点ｋ2 に分散される。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、例えば自動車の排気ガ
ス中の酸素濃度を検出するのに用いて好適な酸素センサ
に関する。

【０００２】

【従来の技術】一般に、自動車等のエンジンにあって
は、空燃比を最適にフィードバック制御するため、排気
管等に酸素センサ（Ｏ₂ センサ）を取付けて、排気ガス
中の酸素濃度を常時検出し、空燃比制御に用いている。

【０００３】そこで、従来技術による酸素センサとして
例えばヒータ無し型の酸素センサを図５および図６を用
いて説明する。

【０００４】図中、１は酸素センサの本体を構成する段
付筒状のセンサ本体を示し、該センサ本体１は、一端側
外周におねじ部２Ａが形成され、他端側が筒状の嵌合部
２Ｂとなったホルダ２と、一端側が該ホルダ２の嵌合部
２Ｂにかしめ部３Ａを介して固着され、他端側に段部３
Ｂ、縮径部３Ｃが形成された段付筒状のキャップ３等と
からなり、これらはステンレス鋼等の金属材料によって
形成されている。また、前記ホルダ２，キャップ３内に
は、アルミナ等のセラミック材料により円筒状に形成さ
れた絶縁筒体４が挿嵌されている。そして、該センサ本
体１は、ホルダ２のおねじ部２Ａを介して自動車の排気
管（図示せず）に取付けられるようになっている。

【０００５】５は基端側がセンサ本体１の一端側に取付
けられ、先端側が該センサ本体１から突出して排気管内
に伸長したジルコニアチューブを示し、該ジルコニアチ
ューブ５は、酸化ジルコニウム等のセラミックス材料か
ら有蓋筒状に一体成形されている。また、該ジルコニア
チューブ５は、図６に示す如く、先端側に位置して半球
状に形成された蓋部６と、該蓋部６から基端側に向けて
伸長し、蓋部６の外径寸法ｄ1 から漸次外径寸法が増大
して伸長側で外径寸法ｄ2 となるテーパ状に形成された
テーパ筒部７と、該テーパ筒部７の伸長側を変曲点ｋと
し、肩部８Ａを介して厚肉に拡径されたフランジ部８と
から構成され、ジルコニアチューブ５は、該フランジ部
８の肩部８Ａがリング状のワッシャ９を介してホルダ２
の肩部２Ｃに押圧されることによりセンサ本体１に固定
されている。

【０００６】そして、該ジルコニアチューブ５は、内側
と外側との酸素に濃度差が生じると、酸素イオンが通り
抜けるようになり、後述の内側電極１０，外側電極１１
間に起電力（検出信号）を発生するようになっている。
また、該ジルコニアチューブ５の内，外面には多孔質の
白金（図示せず）がコーティングされ、該白金層は前記
起電力の増幅作用（触媒作用）を行なうものである。

【０００７】１０，１１はジルコニアチューブ５の内，
外面にそれぞれ設けられた内側電極，外側電極を示し、
該各電極１０，１１は白金とジルコニアとからなるペー
スト状の材料をジルコニアチューブ５の内，外面に塗布
することにより、帯状に伸長して形成されている。ま
た、内側電極１０の他端側はジルコニアチューブ５のフ
ランジ部８端面まで伸長して接続部１０Ａとなり、該接
続部１０Ａは後述のコンタクトプレート１２と接続され
ている。また、前記外側電極１１はホルダ２の肩部２Ｃ
にワッシャ９を介して接続され、排気管側にアースされ
るようになっている。

【０００８】１２は絶縁筒体４内に配設されたコンタク
トプレートを示し、該コンタクトプレート１２は導電性
の金属板を曲げ加工することにより形成され、その一端
側には円板状のコンタクト部１２Ａが、他端側にはリー
ド線１３と接続された接続部１２Ｂがそれぞれ設けられ
ている。そして、該コンタクトプレート１２のコンタク
ト部１２Ａはジルコニアチューブ５のフランジ部８端面
と絶縁筒体４との間にディスクスプリング１４のばね力
によって挟持され、内側電極１０の接続部１０Ａと接続
されている。

【０００９】さらに、１５はキャップ３の縮径部３Ｃ内
に配設され、リード線１３の周囲をシールするシール部
材、１６はジルコニアチューブ５を保護すべく、ホルダ
２に固着されたプロテクタを示し、該プロテクタ１６に
は排気ガス導入用の長孔１６Ａ，１６Ａ，…が形成され
ている。

【００１０】従来技術による酸素センサは上述の如き構
成を有するもので、ホルダ２のおねじ部２Ａを排気管に
螺着することによって該排気管にセンサ本体１を取付
け、ジルコニアチューブ５の先端側をプロテクタ１６と
共に排気管内に突出させ、排気ガス中の酸素濃度の検出
を行うようになっている。即ち、排気ガスは空気と燃料
との混合気を燃焼させた廃ガスであるから、排気ガス中
の酸素濃度はジルコニアチューブ５の内側の大気に比較
して低下し、ジルコニアチューブ５の内側と外側とには
大きな酸素濃度差が生じる。

【００１１】このため、ジルコニアチューブ５には内側
から外側へと酸素イオンが通り抜けて内側電極１０と外
側電極１１との間には起電力が生じる。そして、この起
電力は排気ガス中の酸素濃度変化に応じて増減するか
ら、この酸素濃度変化による起電力を検出信号としてコ
ンタクトプレート１２、リード線１３等を介して外部の
コントロールユニット（図示せず）に出力し、該コント
ロールユニットではこの検出信号に基づいて燃料噴射量
等を補正し、空燃比をフィードバック制御するようにな
っている。

【００１２】

【発明が解決しようとする課題】ところで、酸素センサ
は、ジルコニアチューブ５が所定の温度、例えば３２０
〜３５０℃で活性化して制御を開始する（検出信号を出
力する）ものであり、ヒータ無し型の酸素センサは、ヒ
ータ付き型の酸素センサに比較して制御を開始するまで
に長時間を要してしまい、始動特性の面で劣っている。

【００１３】特に、上述したヒータ無し型の酸素センサ
では、ジルコニアチューブ５を蓋部６，テーパ筒部７お
よびフランジ部８から構成し、該テーパ筒部７は、蓋部
６の外径寸法ｄ1 から漸次外径寸法が増大して伸長側で
外径寸法ｄ2 となるテーパ状に形成しているから、該テ
ーパ筒部７が全体的に厚肉となり、ジルコニアチューブ
５の体積が大きくなってしまう。

【００１４】この結果、テーパ筒部７の厚肉化によりジ
ルコニアチューブ５の内部抵抗が増大し、該ジルコニア
チューブ５が活性化して起電力を生じ始める温度が高く
なるばかりか、体積の増大によりジルコニアチューブ５
が排気ガスによって起電力を生じる温度まで加熱される
のに時間を要してしまい、エンジン始動時から空燃比制
御を開始するまでの制御不能時間が長くなるという問題
がある。

【００１５】また、従来技術のジルコニアチューブ５で
は、テーパ筒部７から変曲点ｋを介してフランジ部８を
形成するようにしているから、振動等による応力がこの
変曲点ｋに集中してジルコニアチューブ５の変曲点ｋ近
傍に亀裂等が生じ易くなり、酸素センサが短寿命となっ
てしまうという問題がある。

【００１６】本発明は上述した従来技術の問題に鑑みな
されたもので、短時間でジルコニアチューブを活性化で
きる上に、応力集中によるジルコニアチューブの損傷を
防止できるようにした酸素センサを提供することを目的
とする。

【００１７】

【課題を解決するための手段】上述した課題を解決する
ために、本発明が採用する酸素センサの構成は、センサ
本体と、基端側が該センサ本体に取付けられ、先端側が
センサ本体から突出した有蓋筒状のジルコニアチューブ
と、前記センサ本体内に設けられ、該ジルコニアチュー
ブによって検出される酸素濃度変化信号を出力するコン
タクトプレートとからなる。

【００１８】そして、本発明が採用する酸素センサの特
徴は、前記ジルコニアチューブは、先端側に位置する蓋
部と、該蓋部から基端側に向けてほぼ同径の筒体となっ
て伸長する薄肉筒部と、該薄肉筒部の伸長側を第１の変
曲点として漸次外径寸法が増大するテーパ状に形成され
たテーパ筒部と、該テーパ筒部の伸長側を第２の変曲点
として厚肉に拡径され、前記センサ本体に固着される厚
肉フランジ部とから構成したことにある。

【００１９】また、前記テーパ筒部の外周側は、第１の
変曲点から第２の変曲点に向けて直線的に拡開するテー
パ面としてもよい。

【００２０】さらに、前記テーパ筒部の外周側は、第１
の変曲点から第２の変曲点に向けて円弧状に拡開する円
弧状テーパ面としてもよい。

【００２１】

【作用】上記構成により、ジルコニアチューブは薄肉筒
部により薄肉化されて内部抵抗が小さくなり、活性化し
て起電力を生じ始める温度が低くなる上に、体積の減少
によって短時間で活性化開始温度まで加熱される。ま
た、ジルコニアチューブに加わる応力は第１の変曲点と
第２の変曲点とに分散される。

【００２２】

【実施例】以下、本発明の実施例による酸素センサ（Ｏ
₂ センサ）を図１ないし図４に基づいて説明する。な
お、実施例では前述した図５および図６に示す従来技術
と同一の構成要素に同一の符号を付し、その説明を省略
するものとする。

【００２３】まず、図１および図２に本発明の第１の実
施例による酸素センサとしてヒータ無し型の酸素センサ
を示す。

【００２４】図において、２１は基端側がセンサ本体１
の一端側に取付けられ、先端側が該センサ本体１から突
出して排気管（図示せず）内に伸長した本実施例による
ジルコニアチューブを示し、該ジルコニアチューブ２１
は、酸化ジルコニウム等のセラミックス材料から有蓋筒
状に一体成形されている。また、該ジルコニアチューブ
２１は、図２に示す如く、先端側に位置して半球状に形
成された蓋部２２と、該蓋部２２から基端側に向けて伸
長し、蓋部２２の外径寸法Ｄ1 とほぼ同径かつ該蓋部２
２と同等の肉厚寸法Ｔとなった薄肉円筒状の薄肉筒部２
３と、該薄肉筒部２３の伸長側を第１の変曲点ｋ1 とし
て漸次外径寸法を増大させることにより基端側で外径寸
法Ｄ2 となるテーパ状に形成されたテーパ筒部２４と、
該テーパ筒部２４の伸長側を第２の変曲点ｋ2 とし、肩
部２５Ａを介して厚肉に拡径された厚肉フランジ部２５
とから構成され、前記テーパ筒部２４の外周面は、第１
の変曲点ｋ1 から第２の変曲点ｋ2 に向けて直線的に拡
開するテーパ面２４Ａとなっている。

【００２５】また、前記第１の変曲点ｋ1 は、蓋部２２
先端から寸法Ｌ1 だけ離間した位置に配設され、この第
１の変曲点ｋ1 までが薄肉筒部２３となる。そして、蓋
部２２先端から第１の変曲点ｋ1 までの寸法Ｌ1 、即
ち、薄肉筒部２３の長さ寸法は、蓋部２２先端から第２
の変曲点ｋ2 までの寸法Ｌ2 の４０〜９５％、好ましく
は４０〜８０％程度となるように設定されている。

【００２６】本実施例による酸素センサのジルコニアチ
ューブ２１は上述の如き構成を有するもので、その基本
的動作については従来技術によるものと格別差異はな
い。

【００２７】然るに、本実施例では、ジルコニアチュー
ブ２１を、先端側に位置して半球状に形成された蓋部２
２と、該蓋部２２の外径寸法Ｄ1 とほぼ同径かつ同等の
肉厚寸法Ｔで伸長した薄肉筒部２３と、該薄肉筒部２３
から第１の変曲点ｋ1 を介して漸次外径寸法を増大させ
て外径寸法Ｄ2 となるテーパ状に形成されたテーパ筒部
２４と、該テーパ筒部２４から第２の変曲点ｋ2 を介し
て厚肉に拡径された厚肉フランジ部２５とから構成して
いるから、前記薄肉筒部２３によってジルコニアチュー
ブ２１を薄肉化して内部抵抗を大幅に小さくすることが
でき、該ジルコニアチューブ２１が活性化して起電力を
生じ始める温度を、例えば従来技術では３２０〜３５０
℃であったのを２５０℃程度まで低減することができ
る。また、前記薄肉筒部２３によりジルコニアチューブ
２１の全体の体積を小さくすることができるから、該ジ
ルコニアチューブ２１全体を容易に加熱することがで
き、ジルコニアチューブ２１を短時間のうちに活性化さ
せることができる。

【００２８】かくして、本実施例によれば、ジルコニア
チューブ２１が活性化して起電力を生じ始める温度を低
く設定することができる上に、該ジルコニアチューブ２
１をこの活性開始温度まで短時間で加熱することができ
るから、エンジン始動からジルコニアチューブ２１が活
性化されて起電力を生じるまでの制御不能時間を大幅に
短縮することができ、エンジン始動から短時間で空燃比
を安定させて、信頼性の向上を図ることができる。

【００２９】また、ジルコニアチューブ２１の薄肉筒部
２３に第１の変曲点ｋ1 を設けるようにしているから、
従来技術において変曲点ｋ（実施例では第２の変曲点ｋ
2 ）に集中していた応力を第１の変曲点ｋ1 側に分散さ
せることができ、応力集中によるジルコニアチューブ２
１の損傷を防止して、酸素センサの寿命を大幅に延ばす
ことができる。

【００３０】次に、図３に本発明の第２の実施例を示
す。

【００３１】図において、３１は本実施例によるジルコ
ニアチューブを示し、該ジルコニアチューブ３１は、前
記第１の実施例によるジルコニアチューブ２１とほぼ同
様に、先端側に位置して半球状に形成された蓋部３２
と、蓋部３２の外径寸法Ｄ1 とほぼ同径かつ同等の肉厚
寸法Ｔで伸長した薄肉筒部３３と、該薄肉筒部３３から
第１の変曲点ｋ1 を介して漸次外径寸法を増大させて外
径寸法Ｄ2 となるテーパ状に形成されたテーパ筒部３４
と、該テーパ筒部３４の伸長側を第２の変曲点ｋ2 と
し、肩部３５Ａを介して厚肉に拡径された厚肉フランジ
部３５とから構成されているものの、前記テーパ筒部３
４の外周面は、第１の変曲点ｋ1 から第２の変曲点ｋ2
に向けて半径寸法Ｒをもって円弧状に拡開する円弧状テ
ーパ面３４Ａとなっている。

【００３２】かくして、このように構成された本実施例
においても、前記第１の実施例とほぼ同様の作用効果を
得ることができるものの、特に、本実施例では、テーパ
筒部３４の外周を円弧状テーパ面３４Ａとすることによ
り、ジルコニアチューブ３１に加わる応力を第１の変曲
点ｋ1 ，第２の変曲点ｋ2 に加え、該円弧状テーパ面３
４Ａに分散させて応力集中を防止することができ、ジル
コニアチューブ３１の損傷を確実に防止できる。

【００３３】次に、図４に本発明の第３の実施例による
酸素センサとして、ヒータ付き型の酸素センサを示す。

【００３４】４１はジルコニアチューブ２１からの検出
信号を外部に導出するため、絶縁筒体４内に配設された
本実施例によるコンタクトプレートとしてのコンタクト
パイプを示し、該コンタクトパイプ４１は導電性の金属
材料によって段付筒状に形成され、その先端側内周には
後述のヒータ４２が位置決めされている。そして、該コ
ンタクトパイプ４１は先端側がジルコニアチューブ２１
内へと挿入され、内側電極１０に接続させている。

【００３５】４２はコンタクトパイプ４１内に位置決め
され、先端側がジルコニアチューブ２１内を軸方向に伸
長したヒータを示し、該ヒータ４２はアルミナ等のセラ
ミック材料によって小径のロッド状に形成されている。
また、該ヒータ４２の外周側にはタングステン等の材料
からなるヒータパターン（図示せず）が形成され、この
ヒータパターンはニッケル線４３Ａ，４３Ｂと接続され
ている。そして、該ヒータ４２は、その先端側がジルコ
ニアチューブ２１内へと伸長し、該ジルコニアチューブ
２１を内部から加熱して所定温度まで加温することによ
り、該ジルコニアチューブ２１を早期のうちに活性化さ
せるようになっている。

【００３６】４４Ａ，４４Ｂはヒータ４２に外部から給
電を行う給電用リード線で、該各リード線４４Ａ，４４
Ｂはコンタクトパイプ４１内へと導入され、その先端は
ニッケル線４３Ａ，４３Ｂと接続されている。

【００３７】また、４５はコンタクトパイプ４１にター
ミナル４６を介して接続された出力リード線で、該出力
リード線４５は、ジルコニアチューブ２１からの検出信
号を外部に導出するものである。

【００３８】かくして、このように構成された本実施例
においても、前記各実施例とほぼ同様の作用効果を得る
ことができるものの、特に、本実施例では、ジルコニア
チューブ２１内にヒータ４２を設ける構成としているか
ら、薄肉化されたジルコニアチューブ２１による効果と
ヒータ４２による加熱効果とによって、より一層ジルコ
ニアチューブ２１を短時間で所定温度まで加熱すること
ができ、制御不能時間を大幅に短縮することができる。

【００３９】

【発明の効果】以上詳述した通り、本発明によれば、ジ
ルコニアチューブを、先端側に位置する蓋部と、該蓋部
から基端側に向けてほぼ同径の筒体となって伸長する薄
肉筒部と、該薄肉筒部の伸長側を第１の変曲点として漸
次外径寸法が増大するテーパ状に形成されたテーパ筒部
と、該テーパ筒部の伸長側を第２の変曲点として厚肉に
拡径され、前記センサ本体に固着される厚肉フランジ部
とから構成しているから、前記薄肉筒部による薄肉化で
ジルコニアチューブの内部抵抗を小さくでき、該ジルコ
ニアチューブの活性化開始温度を低く設定することがで
きる上に、薄肉化によって体積を減少させることによ
り、短時間でジルコニアチューブを活性化開始温度まで
加熱することができ、例えば酸素センサを排気ガスの検
出に用いた場合には、エンジン始動からジルコニアチュ
ーブが加熱されて活性化し、起電力を生じるまでの制御
不能時間を大幅に短縮することができる。

【００４０】また、ジルコニアチューブに第１の変曲点
と第２の変曲点を設けることにより、ジルコニアチュー
ブに加わる応力を第１の変曲点と第２の変曲点とに分散
させることができ、応力集中によるジルコニアチューブ
の損傷を防止して酸素センサの寿命を延ばすことができ
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施例によるジルコニアチュー
ブを用いた酸素センサを示す縦断面図である。

【図２】図１中のジルコニアチューブを拡大して示す縦
断面図である。

【図３】本発明の第２の実施例によるジルコニアチュー
ブを示す縦断面図である。

【図４】本発明の第３の実施例による酸素センサを示す
縦断面図である。

【図５】従来技術による酸素センサを示す縦断面図であ
る。

【図６】図５中のジルコニアチューブを拡大して示す縦
断面図である。

【符号の説明】

１センサ本体１２コンタクトプレート２１，３１ジルコニアチューブ２２，３２蓋部２３，３３薄肉筒部２４，３４テーパ筒部２４Ａテーパ面３４Ａ円弧状テーパ面２５，３５厚肉フランジ部４１コンタクトパイプ（コンタクトプレート）ｋ1 第１の変曲点ｋ2 第２の変曲点Ｄ1 蓋部の外径寸法Ｄ2 テーパ筒部伸長側の外径寸法Ｔ肉厚寸法

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】センサ本体と、基端側が該センサ本体に
取付けられ、先端側がセンサ本体から突出した有蓋筒状
のジルコニアチューブと、前記センサ本体内に設けら
れ、該ジルコニアチューブによって検出される酸素濃度
変化信号を出力するコンタクトプレートとからなる酸素
センサにおいて、前記ジルコニアチューブは、先端側に
位置する蓋部と、該蓋部から基端側に向けてほぼ同径の
筒体となって伸長する薄肉筒部と、該薄肉筒部の伸長側
を第１の変曲点として漸次外径寸法が増大するテーパ状
に形成されたテーパ筒部と、該テーパ筒部の伸長側を第
２の変曲点として厚肉に拡径され、前記センサ本体に固
着される厚肉フランジ部とから構成したことを特徴とす
る酸素センサ。
【請求項２】前記テーパ筒部の外周側は、第１の変曲
点から第２の変曲点に向けて直線的に拡開するテーパ面
としてなる請求項１に記載の酸素センサ。
【請求項３】前記テーパ筒部の外周側は、第１の変曲
点から第２の変曲点に向けて円弧状に拡開する円弧状テ
ーパ面としてなる請求項１に記載の酸素センサ。