JPH084610Y2 - ヒータ付酸素センサ - Google Patents

Description

【考案の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本考案は、例えば自動車の排気ガス管路中に設置して
排気ガス中の酸素濃度を検出する為のヒータ付センサに
関する。

（従来の技術） 自動車の排気ガス中の酸素濃度を測定することは、エ
ンジンの空燃比を調整する上で極めて重要である。斯か
る酸素濃度の検出手段としては、ジルコニア等の固体電
解質の基材両面に２個の電極部を対設し、一方の電極部
は排気ガスに接するよう、また他方の電極部は外気に接
するようにし、両電極部間での起電力（排気ガスと外気
との酸素濃度比に比例する）を測定することにより排気
ガス中の酸素濃度を検出するようにした酸素センサが主
に使用されている。そして、上記起電力は温度にも影響
を受け、しかも排気ガス側は高温に晒される為、正確な
酸素濃度を検出するには測定部位が排気ガス温度の影響
を受けないように出来るだけ一定温度に保たれる必要が
あり、その為ヒータも並設された構造とされる。斯かる
酸素センサとしては、第７図に示す如く発熱部11′を内
蔵したヒータ１′と、酸素センサ６′とを積層した積層
タイプのもの、或いは固体電解質基材を袋管状にし内部
にヒータを配設したものが知られ、特に前者が一般的に
実用化されている。

（考案が解決しようとする課題） しかし、上記実用化されているヒータ付酸素センサの
うち、積層タイプのものは、一方の電極部が排気ガス流
中に直接晒される為、ヒータを内蔵していても排気ガス
の温度の影響を受け易く、また強度上も問題があり、更
に方向性があり、即ちガス流に電極部を直交状態で配置
する場合と平行に配置する場合とで測定値にバラ付を生
じる、等の欠点があった。一方、袋管タイプのものは、
積層タイプのものと同様排気ガス流に電極部が直接晒さ
れるから排気ガスの温度の影響を受け易く、しかもヒー
タによる電極部の昇温が遅れると云った問題点があっ
た。

（考案の目的） 本考案は、上記に鑑みなされたもので、排気ガス温度
による影響が少なく、高精度の酸素濃度測定が約束され
るものでありながら、センサ主体の排気ガスに曝される
部分を必要最小限にして耐久性を向上すると共に、セン
サ主体のパイプ状ヒータへの組立を容易にし且つ組立強
度の大なる新規なヒータ付酸素センサを提供せんとする
ものである。

（課題を解決する為の手段） 上記目的を達成する本考案のヒータ付酸素センサを添
付図面に基づき説明する。第１図は本考案ヒータ付酸素
センサの一例を示す部分切欠斜視図、第２図は第１図の
II−II線縦断面図、第３図は第２図のIII−III線断面
図、第４図は他の実施例の部分切欠平面図である。

即ち、本考案のヒータ付酸素センサは、先端部が封止
され後端部が開口した横断面が方形状の中空固体電解質
からなり、かつ先端部の中空内外面に一対のセンサ電極
３、４を対設するとともに、これらセンサ電極３、４を
後端側に導出する各リード部31、41を中空内外面に備え
た中空センサ主体２を、先端側のみを円筒状発熱部11と
し且つ横断面が方形状の貫通孔を有するパイプ状ヒータ
１の該貫通孔内に内嵌するとともに、上記円筒状発熱部
11の内壁面と上記センサ電極３との間に間隙20を設けて
なることを特徴とする。

上記パイプ状ヒータ１は、アルミナセラミック等の耐
熱性且つ絶縁性の円筒管10の先側に電熱線11aを埋設
し、該電熱線11aからの電極線11b、11bを該円筒管10の
厚み内を経て基端部に導出させたものであり、該電極線
11b、11bの基端部は不図示の外部電源に結線される。

また、センサ主体２はジルコニア等の固体電解質によ
って中空に形成され、その先端部は封止され、基端部は
開放されている。該センサ主体２の先側21中空内外両周
面には白金等による電極部３、４が薄膜手法等により被
着対設される。この電極部３、４は、外部から電圧を印
加しない場合は、電極部３側が排気ガスに接し、電極部
４側が外気と接することによりセンシングセルとして機
能し、電極部３側が陰極となる様に外部から0.5〜2V程
度の電圧を印加した場合はポンピングセルとして機能す
るものである。該電極部３、４に接続されたリード部3
1、41は、センサ主体２に沿って基端部側に導設され、
不図示の起電力測定器に接続される。

そして、上記センサ主体２の横断面形状は方形であ
り、一方パイプ状ヒータ１のセンサ主体２との嵌合内面
は該センサ主体２に符合する方形状、発熱部11形成部位
の内面は円形状であり、この円形状の発熱部11形成部位
の内面とセンサ主体２の先側21との間に空間隙20が形成
される。

また、パイプ状−ヒータ１の発熱部11は、電極部３、
４形成箇所において、発熱線11aがセンサ主体２の先側2
1を囲撓するよう埋設形成されることが望ましい。

更に、上記パイプ状ヒータ１とセンサ主体２との嵌合
部先側が同勾配の先行漸縮状テーパ段部12、22とされ、
センサ主体２はパイプ状ヒータ１の基端部より挿入さ
れ、該テーパ段部12、22の整合性により位置決め固定さ
れるようにしたものも望ましく採用される。

更に、上記パイプ状ヒータ１とセンサ主体２との嵌合
部がガラス若しくはセラミックセメントより成るシール
材５によって密嵌固定されていることが望ましい。

また、センサ主体２上に形成された電極部３上にはス
ピネル等から成る電極保護層（拡散律速層）を設けてお
くことが望ましい。

（作用） 上記構成の酸素センサは、例えば、自動車の排気ガス
管路にガス流に直交するよう配設される。この状態で
は、電極部３は、空間隙20に浸入したガス流に接し、電
極部４は外気に接する。センサ主体２はパイプ状ヒータ
１に内嵌されて保護されるから、高圧のガス流によって
も毀損することがない。そして、パイプ状ヒータ１の電
熱線11aに導電されると発熱部11が発熱し、その近傍が
一定温度に均一に加温され、両電極部３、４は略同温度
に維持されることになる。両電極部３、４のリード部3
1、41を起電力測定器に接続すると、両測定部位の酸素
濃度の相違に基づくセンサ主体２の固体電解作用によ
り、両電極部３、４間に起電力が生じこれが検出され
る。而して、外気即ち電極部４側の酸素濃度は既知であ
り、また測定部位の温度も一定であるから、これらより
電極部３側即ち排気ガス中の酸素濃度が算出される。

このように、電極部３は空間隙20に浸入した被測定ガ
スと接するから、ガス流の影響を受けることが少なく、
またその方向性が問題となることがない。しかもこの空
間隙20の近傍に発熱部11が配置されているから、電極部
３、４は常に均一な温度に維持されると同時に起電力の
変動因子の一つである雰囲気温度が一定に保たれ、測定
起電力値は両測定部位の酸素濃度比のみに対応し、これ
によりガス流中の酸素濃度が高精度で算出される。さら
に、中空センサ主体２の横断面形状が方形であり、パイ
プ状ヒータ１の中空センサ主体２との嵌合内面が該中空
センサ主体２に符合する方形状とされ且つ発熱部11形成
部位の内面が円形状とされているため、中空センサ主体
２がパイプ状ヒータ１に密嵌状態で位置決め固定され、
中空センサ主体２の軸回り方向の回転が阻止され、本願
考案のヒータ付酸素センサが、例えば、自動車等の排気
ガス管路内に配置された場合でも、中空センサ主体２が
回転してパイプ状ヒータ１から脱落することがないので
ある。

また、円筒状発熱部内の中空センサ主体２のみ（電極
部３、４のみ）が排気ガスに曝されることになるため、
最低限の電極部のみを排気ガスに曝すだけで酸素濃度を
検出することができる。

（実施例） 次に実施例について述べる。

第１図乃至第３図に於いて、センサ主体２は先端部が
封止された断面方形の筒状に形成され、その先側21の内
外両面に薄膜手法等による白金の電極部３、４が被着対
設され、該電極部３、４とセンサ主体２とにより酸素セ
ンサ６が構成されている。また、電極部３上にはスピネ
ルから成る電極保護層７が設けられている。パイプ状ヒ
ータ１の発熱部11形成部位の内面は断面円形であり、こ
の円形部分から基端部にかけてはセンター主体２の外形
状に符合する断面方形状とされている。センサ主体２は
パイプ状ヒータ１を構成する円筒管10内に嵌挿され、両
者の嵌合部分の先側は上記シール材５により密嵌状態で
固定されると共に発熱部11形成部位の円形内面とセンサ
主体２の先側21との間に空間隙20が形成されている。電
極部３、４のリード部31、41はセンサ主体２の内外両面
に被着形成され、その基端部側に導設されて端子部32、
42が形成されている。該端子部32、42に起電力測定器が
接続される。また、発熱部11を形成する発熱線11aが、
センサ主体２の先側21を囲撓するよう上記円筒管10内に
埋設され、該発熱線11aからその電極線11b、11bが円筒
管10の厚み内を経てその基端部に導出されている。

第４図に示す例では、パイプ状ヒータ１とセンサ主体
２との嵌合部の形状は上記と同様であるが、該嵌合部の
先側が同勾配の先行漸縮状テーパ段部12、22とされてい
る点で上記とは異なる。この場合、センサ主体２はパイ
プ状ヒータ１を構成する円筒管10の基端部のみから嵌挿
され、テーパ段部12、22の整合性によりセンサ主体２の
先側21が所定位置に適確に配置されることになる。この
ように相互の位置決めが自動的になされ、所望構造のセ
ンサの組み立てが確実になし得る利点が付加される。そ
の他の構成は上記と同様であるので図面上同一符号を付
し、その詳細な説明を割愛する。

次に、本考案のヒータ付酸素センサの効果の一つであ
る電極部の温度の均一性を実証する為、第１図の酸素セ
ンサと第７図のヒータが積層された従来のヒータ付酸素
センサとを次の方法で比較した。各酸素センサのガスと
接する側の電極部（第１図では電極部３）側に第５図に
示すポイントに熱電対を５個（２個は電極部の近傍位
置）をセットした状態で、夫々700℃に加熱を行ない、
各ポイントでの温度を測定し、測定部位と温度との関係
を第６図に示した。第６図によれば、従来の積層型ヒー
タ付酸素センサは電極部において30℃以上の温度差が生
じているのに対し、本考案の酸素センサでは温度差が10
℃以下であることから、本考案品が電極における温度の
均一性において優れていることが実証された。

（考案の効果） 叙上の如く、本考案の酸素センサは、センサ主体がパ
イプ状ヒータに内嵌されているから、該パイプ状ヒータ
によって保護されることになり、高圧のガス流内に晒し
ても毀損したりする懸念がない。しかもパイプ状ヒータ
とセンサ主体の先側との間に形成された空間隙に浸入し
たガスが実質的に被測定ガスとされるから、その方向性
が問題となることもない。亦、電極部は発熱部によって
一定温度に維持されるから、ガス流の温度の影響を受け
ず高精度の酸素濃度検出が約束される。更に、センサ主
体の排気ガスに曝される部分が必要最小限に限定されて
耐久性が向上すると共に、方形断面部を介してのセンサ
主体のパイプ状ヒータへの組立によって組立作業が容易
に成り且つ組立強度が大きくなる。このように著効を奏
する本考案の実用価値は極めて大である。

【図面の簡単な説明】

第１図は本考案ヒータ付酸素センサの一例を示す部分切
欠斜視図、第２図は第１図のII−II線縦断面図、第３図
は第２図のIII−III線断面図、第４図は他の実施例の部
分切欠平面図、第５図は温度測定位置を示す図、第６図
は測定位置と温度との関係を示す図、第７図は従来の積
層型ヒータ付酸素センサの一例を示す斜視図である。 （符号の説明） １……パイプ状ヒータ、11……発熱部、２……センサ主
体、20……空間隙、21……センサ主体の先側、３、４…
…電極部、31、41……リード部、12、22……テーパ段
部、５……シール材、６……酸素センサ。

Claims (1)

【実用新案登録請求の範囲】
1. 【請求項１】先端部が封止され後端部が開口した横断面
   が方形状の中空固体電解質からなり、かつ先端部の中空
   内外面に一対のセンサ電極を対設するとともに、これら
   センサ電極を後端側に導出する各リード部を中空内外面
   に備えた中空センサ主体を、先端側のみを円筒状発熱部
   とし且つ横断面が方形状の貫通孔を有するパイプ状ヒー
   タの該貫通孔内に内嵌するとともに、上記円筒状発熱部
   の内壁面と上記センサ電極との間に間隙を設けてなるヒ
   ータ付酸素センサ。