JPS61134656A - 酸素センサ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） この発明は、被測定ガス中、なかでも内燃機関より排出
される排気ガス中の酸素濃度を検出するための酸素セン
サに係り、特に、基準物質の供給を密閉した空間を用い
て行い得るようにした酸素センサに関する。

（従来の技術） 従来から、所謂酸素センサとして、内燃機関の排気ガス
中に含まれる酸素濃度を検知し、その検出信号に基づい
て内燃機関の燃焼状態を最適にコントロールすることに
より、排気ガスの浄化、燃費の節減等を行うものが知ら
れている。　　　　　　　　　　］このような酸素セン
サは、一般に、排気ガス等の被測定ガス学に曝される測
定電極と、酸素濃度が一定の基準物質に曝される基準電
極とを酸素イオン伝導正固体電解質を挾んで設け、両極
間の酸素イオン伝導作用による出力を検出信号としてい
る。

ところで、上記基準物質は、通常大気が用いられ、この
ため、従来の酸素センサは、この大気を取入れて、基準
電極に接触させるための大気取入孔が酸素センサのケー
ス外面に設けられている。

（発明が解決しようとする問題点） しかしながら、上記のように大気取入孔が設けられてい
る酸素センサにあっては、特に前述したような車輌に装
着された場合、上記大気取入孔から水が侵入したり、海
岸線では塩水が侵入することも考えられ、これによって
酸素センサ素子の損傷や絶縁不良が生じる虞れがある。

また、酸素センサは高温状態で使用されるため、内部に
侵入した水分は蒸気となり、基準物質である大気を追い
出してしまい、検出不能の状態になることも考えられる
。

なお、このような問題を解決するために、上記の大気取
入孔を排除するとともに、基準電極の周囲に多孔質体を
用いて微少空間を設け、酸素ポンプ電極を用いて、この
微少空間へ外気、たとえば排気ガスから酸素を取入れる
ようにした酸素センサが提案されている。

このような微少空間しか備えていないものにあっては、
この微少空間内の酸素分圧を一定にするため、若干の隙
間を設けて微少空間内の過剰気体を排出するようにしで
あるために、あるいは酸素センサの信号出力を外部計器
等で読みとる時に消費する酸素を微少空間内に補給する
ために、常時酸素ポンプを作動させておく必要がある。

しかし、酸素ポンプは低温状態では十分に働かないため
、この状態で良好に作動させるには高電圧を印加する必
要があるが、高電圧を印加すると固体電解質内の電気分
解が生じ易くなって素子劣化の原因となる。このような
ことを避けるために、ヒーターによって酸素ポンプ部を
酸素ポンプが十分に機能を示す高温度に常時加熱するよ
うにすることも考えられるが、これでは、ヒーター加熱
用の電力消費量が大となるし、このヒーター熱により素
子が早く劣化したり、ヒーターの寿命が短かくなったり
することにもなる。

（問題点を解決するための手段） 上記問題点を解決するために、本発明は、酸素センサ素
子を収容するケース内に、実質的に気密とされた気密空
間を設け、この気密空間と基準電極が収容された空隙と
を連通させ、かつ、この空隙に酸素を供給する酸素ポン
プ電極を設けたことを特徴とする。

（作　用） 酸素ポンプ電極によって基準電極を収容する空隙内に供
給された酸素は、気密空間内にも流入し、溜められる。

この気密空間は、比較的大きな容積であるため、酸素ポ
ンプを常時作動させなくても十分に基準物質の供給が行
われる。従って、例えば酸素ポンプ部が低温となって一
時的供給量が減少したり、酸素供給しなくなったりして
も、ヒーターで酸素ポンプ部を高温度に加熱したり、酸
素ポンプに高電圧を印加したりする必要がなく、素子劣
化やヒーターの寿命劣化を防止できる。勿論、外部から
水分や塩水等が侵入することが完全に阻止できることは
言うまでもない。

（実施例） 本発明の第１実施例を第１図および第２図に示す。

本実施例の酸素センサ１００は、長手板状に形成された
酸素センサ素子１を、円筒状の金属製保護管体２０内に
収容してなるものである。

上記酸素センサ素子１は、第２図に分解図で示す如く、
酸素イオン伝導性固体電解質からなる板（以下「固体電
解質板」と称す）３１〜３３を積層した構造であり、中
間の固体電解質板３２には、長手方向に切込まれた空隙
３５が設けられている。なお、固体電解質板３２は絶縁
セラミックスで構成してもよい。

上段０固体電解質板３１″上面の一端（図中の左　　　
　　　１端）部には、測定電極３７が付着されており、
その下面には測定電極３７と背向する位置に基準電極３
８が付着されてしνて、この基準電極３８は、上記空隙
３５に露呈している。

下段の固体電解質板３３の上面一端部（同じく図中左端
部）には、ポンプ電極３９が付着されており、その下面
には、ポンプ電極３９に背向する位置にもう一つのポン
プ電極４０が付着されている。

上記固体電解質板３１〜３３は、ＹｚＯｚ、ＣａＯ，Ｙ
ｂｚＯｉ。

ＭｇＯのうち１種以上を添加したジルコニア（ＺｒＯｔ
）を主成分としてなる酸素イオン伝導性固体電解質から
形成されている。

上段の固体電解質板３１上面には、測定電８ｉ３７に導
通する導体リード４１と、基準電極３８に導通ずる導体
リードの一部４３が設けられており、さらにセラミック
ス薄膜からなる保護層３４により、導体リード４１．４
３の図中右端部を除く他の面が覆われている。

上段の固体電解質板３１下面には、基準電極３８に導通
ずる導体４２が設けられており、その先端（図中右端）
は、スルーホール４６を介して、固体電解質板３１上面
の導体リード４３に導通されている。

同様に、下段の・固体電解質板３３の下面には、ポンプ
電極４０に導通ずる導体リード４５およびポンプ電極３
９に導通する導体リードの一部となる導体リード４８が
設けられており、さらに、これら導体リード４５．４８
の図中右端部を除く他の面がセラミックス薄膜からなる
保護層３６で覆われている。

下段の固体電解質板３３の上面には、ポンプ電極３９に
導通する導体リード４４が設けられており、その先端（
図中右端）は、スルーホール４７を介して、固体電解質
板３３下面の導体リード４８に導通されている。

第１図に戻って、保護管体２０は、その先端部が、酸素
センサ素子１の酸素検知部４（第２図に示すように、各
電極３７〜４０が設けられている部分）を取囲む保護カ
バー部２０ａと、この酸素検知部４以外の部分を収容す
る保護筒部２０ｂとから構成される。

上記保護カバー部２０ａの側面には、酸素センサ素子１
の幅方向の両側方となる位置に長手方向に並んだ４つず
つ計８個の被測定ガス導入孔７が設けられており、これ
ら被測定ガス導入孔７から流入した被測定ガスが酸素検
知部４に接触するようになっている。また、保護カバー
部２０ａの先端には、酸素センサ素子１を保護管体２０
内に挿入・位置火めする際の治具を挿入するための開口
２０ｃが形成されている。

上記保護筒部２０ｂの上端部外周には、酸素センサ１０
０を、例えば車両の排気管壁のような、被測定ガスを他
の部分から分離する隔壁２５に固定するためのハウジン
グ１５が嵌合固着されており、このハウジング１５と保
護筒部２０ｂとの境界から被測定ガスが漏れないように
ステンレス製の気密リング１６により、上記ハウジング
１５と保護筒部２０ｂとの境界は密封されている。

さらに、上記酸素センサ素子１の中央部分は、保護筒部
２０ｂ内において、第１〜第３絶縁碍子１７゜３．２お
よび第１．第２気密部材６．１４によって固定されてい
る。上記第１．第２気密部材６，１４は、酸素センサ素
子１を固定する働きの他、保護カバー部２０ａの側から
被測定ガスが保護筒部２０ｂの内部へ侵入することを防
止する働きを有しており、セメントやタルク等の無機充
填材を押し固めたものである。

そして、第３絶縁碍子２の上面に配置された押さえ板１
８とカシメ部２２により、上記第１〜第３絶縁碍子１７
，３．２および第１．第２気密部材６，１４が上方へ位
置ずれすることを防止している。

また、保護筒部２０ｂの上方には、上記酸素センサ素子
１の両大面に設けられている各電極用の導体リード４１
．４３．４５．４８の端部に外部回路からのリード線１
１〜１３および保護管体２０内面に接するアースリード
１０を接続するためのコネクタ碍子５が嵌入されており
、さらに、保護筒部２０ｂの上端には、上記リード線１
１〜１３が挿通されたゴム栓８が嵌入されることにより
完全に閉塞されている。さらに、このゴム栓８の部分に
おいて保護管体２０外周からカシメがなされて、このカ
シメ部２１により、ゴム栓８の抜は止めおよび気密性の
向上が行われている。　　　　　　　　　　　　　　　
　　　　　　　　１コネクタ碍子５には、酸素センサ素
子１の図中上端部両面に現れている各電極用の導体リー
ド４１゜４３．４５．４８の端部（この部分は接続端子
部となる）に圧接するバネ性を有した接触子５ａ　（図
中では１つを示すが他に３つの接触子を有している）が
設けられており、これらの接触子５ａにアースリード１
０またはリード線１１〜１３が接続されている。

そして、このコネクタ碍子５の下面と前記押さえ板１８
との間には空間が形成されており、この空間は、下面が
押え板１８、側面が保護筒部２０ｂ　、上面がコネクタ
碍子５の下面により囲まれており、また、この空間に連
通ずるコネクタ碍子５の接触子５ａが収容される空間も
その上端はゴム栓８の下面とリード線１１〜１３および
アースリード１０によって閉塞されていることから、雨
空間を合わせて気密空間９が形成されていることになる
。この気密空間９は、唯一、酸素センサ素子１の上端部
とコネクタ碍子５との隙間から第２図に示した基準電極
３日とポンプ電極３９が収容される空隙３５に連通して
いるのみである。

以上の構成により、本実施例の酸素センサ１００は、基
準電極３８を有する空隙３５に連通ずる気密空間９内に
基準物質となる大気を比較的大量に溜めておくことがで
き、かつ、この気密空間は外界から気密に隔離されてい
るため、従来のように、水分や塩水等の異物が侵入して
酸素センサに損傷を与えることを完全に防止できる。

また、酸素センサの作動に伴う上記気密空間９内の酸素
消費に対しては、酸素ポンプ電極３９．４０の働きによ
り被測定ガス内（酸素ポンプ電極部分が被測定ガス中に
曝される酸素検知部４となっているため）から酸素を汲
んで空隙３５内へ供給し、さらに気密空間９内に溜めら
れることになる。

そして、気密空間９内へ酸素を補給するのは、酸素セン
サの作動時の内、比較的高温時に行なえば十分（気密空
間９の容量が大きいため）であり、酸素ポンプ電極３９
．４０に印加する電圧は低い電圧でも十分に作動する。

従って、酸素ポンプ電極３９゜４０の部分が低温となっ
た場合に、酸素ポンプ電極３９、４０に印加される電圧
が低いため、酸素イオン伝導性固体電解質が電気分解等
をせず、素子劣化を生じることはない。この低温時には
酸素ポンプ電極３９．４０の作動は低下するが、気密空
間９の容量が大きいため、酸素ポンプを常時作動させる
必要がなく、酸素センサの作動に支障を来たすことはな
い。

次に、本発明の第２実施例を第３図を用いて説明する。

第３図は、酸素センサ素子の他の構成例を示す分解図で
あり、この酸素センサ素子６０は、第１実施例の酸素セ
ンサ素子ｌと同様に、第１図に示す構造と同一構造に組
立てられて、酸素センサを形成する。

第３図に示すように、測定電極６３と基準電極６４は、
前記第１実施例のものと同様に、固体電解質板６１の上
下面に形成され、測定電極６３用の導体リード７５が固
体電解質板６１上面に形成されている。

基準電極６４用の導体リード７７と７６は、固体電解質
板６１の上下面に形成されて、スルーホール７３で導通
している。固体電解質板６１上面は、測定電極６３、導
体リード７５．７６の右端部を除く部分が保護層７１で
覆われている。

固体電解質板６１の下面には、空隙８０が形成された絶
縁セラミックス製の絶縁板６３が積層されており、この
絶縁板６３の下面にはもう一枚の固体電解質板６２が積
層されている。

この固体電解質板６２の図中左端部の上下面には各々ポ
ンプ電極６５．６６が設けられている。

そして、固体電解質板６２の下面には、２つのヒーター
保護層６９．７０に挾みこまれたヒーター発熱部６７と
２本のヒーターリード８５．８６が絶縁層６８を介して
積層されている。絶縁層６８とヒーター保護層６９．７
０には、ポンプ電極６６を露出させるための窓８７〜８
９が形成されており、さらに、多孔質性の保護層７２に
よってポンプ電極６６表面が覆われている。また、ヒー
ター保護層６９．７０には、ヒーターリード８５．８６
間の絶縁を確実にするために、スリット８３．８４が設
けられている。

さらに、本実施例では、ポンプ電極６５の導体リード７
８がスルーホール７４を介してヒーター発熱部６７のＡ
点に、ポンプ電極６６の導体リード７９がヒ　　　　　
　　１−ターの導体リード部８６のＢ点に接続されてい
る。

従って、ポンプ電極６５．６６間には、ヒーター電源８
２からヒーター発熱部６７に印加される電圧の分圧値が
印加されることになる。

以上の構成によって、本実施例の酸素センサは、空隙８
０が第１図の気密空間９に連通ずることが、第１実施例
と同様の効果、すなわち、基準物質を溜めることができ
、かつ異物侵入による故障等の発生を防止できる。

また、ポンプ電極６５．６６および固体電解質板６２で
構成される酸素ポンプは、ヒーター発熱部６７用の電源
８２を共有しているため、特に、酸素ポンプ用の電源を
別個に設ける必要がなく、しかも、コネクタ部分（コネ
クタ碍子５が接続される部分）に現われている導体リー
ドの数も４つしかないため、前記第１実施例のコネクタ
碍子５がそのまま使用できる。従って、ヒーターを備え
ない酸素センサや酸素ポンプを備えない酸素センサ等の
４端子構造の酸素センサにおけるコネクタ（コネクタ碍
子５ではなく、例えば車両搭載回路にリード線１１〜１
３を接続するコネクタ）との互換性が有り、勿論コネク
タ碍子５も共通使用できることになる。

さらに、酸素ポンプ電極６５．６６に印加される電圧が
ヒーター電源８２の電圧の分圧を用いているため、ヒー
ター発熱部６７を正の抵抗温度係数を有する材質で形成
すれば、低温時の分圧値が高温時の分圧値よりも低くな
る（低温時は、ヒーターリード８５．８６の合計抵抗値
に対するヒーター発熱部６７の抵抗値の割合が減少する
ため）。

酸素ポンプは、低温時（５００℃以下）では、２〜３Ｖ
、理想的には１ｖ以下の印加電圧でないと素子劣化を生
じる場合がある。

従って、本実施例のように、正の抵抗温度係数を有する
ヒーター発熱部６７の一部からその印加電圧の分圧値を
取り出してポンプ電極６５．６６に印加することで、高
温時に２ｖ程度（ヒーター電源ｔ源は１２〜１６Ｖ）の
電圧をポンプ電ｉ６５．６６に印加して、気密空間９内
へ酸素を補給し、低温時には、１■程度に分圧値が下が
り、素子劣化を防止することができる。これは、車両の
場合、エンジン始動時のように、比較的低温の排気ガス
が接触する１１１合の多いときに有効である。

また、低温時には、酸素ポンプの作動は低下するが、気
密空間９の容量が大であるため、酸素センサは良好に作
動しつづけることができる。従って、気密空間９の容積
は、基準物質（酸素含有量が数％以上）を溜めるための
容積として十分な大きさがあればよく、特に上記のよう
に保護管体２０内の空所を利用することが最も効果的と
言える。

しかも、このように、基準物質をある程度溜めておくこ
とができるため、酸素ポンプを常時作動させる必要がな
く、従って、酸素ポンプの加熱のためにヒーター人力を
増大させることも不要となり、消費電力の削減とともに
、熱による素子劣化も軽減できる。

次に、第４図は、本発明の第３実施例を示す図である。

本実施例の酸素センサ２００では、第１図に示した第１
実施例の酸素センサ１００の構成に加え（酸素センサ素
子１の代わりに第２実施例の素子６０を用いてもよい）
、ゴム栓８と、コネクタ碍子５の間に、両者間を気密に
隔離する隔壁２３を設けである。

これは、ゴム栓８の部分が高温になると、ゴム材質特有
の有機ガスが発生することが有り、この有機ガスが気密
空間９内に充満し、気密空間９が汚染されることを防止
するためである。従って、上記ゴム栓８を他の材質で形
成した場合には、この隔壁２３は不要となることも考え
られる。

第５図は本発明の第４実施例を示す。この実施例では、
基準ガスを溜める空所９は、タルクやセメント等の無機
充填剤を押し固めた第１気密部材６により被測定ガスに
対して気密に保たれ、さらにタルクやセメント等の無機
充填剤を押し固めたり、又はガラス等の溶融封着した第
２気密部材１４により、上部ゴム栓等の存機物賞から高
温時に発生ずる可能性があるガス成分に対して気密に保
たれている。従って、酸素センサ素子１は第６図に示す
ように気密空間９に対応する部位に、気密空間に通ずる
通孔９２を有しており、一方その空隙９０の上端部は気
密に封じらている。このような酸素　　　　１センサ素
子は、例えば第２図、第３図で示した酸素センサ素子１
−、６０の空隙３５．８０の右端部を閉じ、固体電解質
板３１．６１及び保護層３４．７１を貫通するスルホー
ルを気密空間に通ずる通孔として形成しでも良いもので
ある。

上記第３．第４実施例はゴム栓部８が比較的高温になる
場合、たとえば排ガス温が高いエンジンや、エンジン近
くに酸素センサを取りつけるような場合に、より好まし
い実施例となっている。

なお、以上の各実施例では、酸素ポンプ（ポンプ電極６
５．６６）を酸素検知部４に設けた例を示しであるが、
これは、他の部分に設けても良く、例えば、被測定ガス
からではなく大気から酸素を汲んで気密空間９内へ補給
する構造としても良い。

また、保護管体２０やその内部の絶縁碍子１７．２．３
および気密部材６，１４等の形状や数量、材質は上記実
施例に限定されるものではなく、従って、気密空間９の
位置は、気密でかつ基準電極３８や６４が設けられた空
隙３５．８０に連通ずる構造であれば、酸素センサの何
れの場所に設けても良いことは言うまでもない。

（発明の効果） 以上詳細に説明したように、本発明は、酸素センサのケ
ース内に、気密空間を設け、基準電極が設けられた酸素
センサ素子内部の空隙とのみ連通させる構成としたこと
により、従来のような基準物質を取入れるための孔を設
ける必要がなく、従って、外部から水や塩水等の異物が
侵入して酸素センサ素子の劣化や損傷または作動不能と
なることを完全に防止できる。

また、上記気密空間内へ酸素を補給するための酸素ポン
プを設け、これにより、気密空間内に基準物質である酸
素を十分に溜め込んでおくことができる。しかも、気密
空間の容積を十分に′大きく形成することができるため
、酸素ポンプを常時作動させる必要がなく、これにより
、酸素ポンプの印加電圧を低く抑えることが可能となり
、かつ、ヒーターで強力に加熱して常時高温にしておく
必要もないためヒーター加熱人力も小さくでき、これに
よっても酸素センサ素子の劣化を軽減させることが可能
となる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の第１実施例の構成を示す断面図、 第２図は同実施例を構成する酸素センサ素子の分解斜視
図、 第３図は本発明の第２実施例を構成する酸素センサ素子
の分解斜視図、 第４図は本発明の第３実施例の構成を示す断面図、 第５図および第６図は本発明の第４実施例の構成図であ
る。 １００．２００・・・酸素センサ　１，６０・・・酸素
センサ素子１７．２．３・・・（第１〜第３）絶縁碍子
４・・・酸素検知部　　　５・・・コネクタ碍子８・・
・ゴム栓　　　　　６，１４・・・気密部材９・・・気
密空間　　　　１０・・・アースリード１１〜１３・・
・リード線　　１５・・・ハウジング２０・・・保護管
体（ケース） ２０ａ・・・保護カバー部　２０ｂ・・・保護筒部２３
・・・隔壁 ３１〜３３．６１〜６２・・・固体電解質板３７、６３
・・・測定電極　　３８．６４・・・基準電極３９．４
０．６５．６６・・・ポンプ電極６７・・・ヒーター発
熱部　３５．８０・・・空隙４１〜４５．４８．７５〜
７９．８５．８６・・・導体リード唄

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、主として酸素イオン伝導性固体電解質を用いて形成
   され、少なくとも基準電極と測定電極とを備えた酸素セ
   ンサ素子を所定のケースに収容してなる酸素センサにお
   いて、 前記ケース内に形成され、実質的に気密と された気密空間と、 前記酸素センサ素子内部に設けられ、前記基準電極を収
   容するとともに、前記気密空間にのみ連通する空隙と、 前記空隙内に酸素イオン伝導作用によって 酸素を供給する少なくとも一対の酸素ポンプ電極とを具
   備することを特徴とする酸素センサ。 ２、前記酸素センサ素子は加熱用ヒーターを備えており
   、かつ、前記酸素ポンプ電極用の導体リードのうち少な
   くとも１つは、酸素センサ素子内において、前記加熱用
   ヒーターの発熱部あるいはヒーター用の導体リードに接
   続されている特許請求の範囲第１項記載の酸素センサ。 ３、前記加熱用ヒーターの発熱部は、正の抵抗温度係数
   を有する物質からなる特許請求の範囲第２項記載の酸素
   センサ。 ４、前記対をなす酸素ポンプ電極の一方は被測定ガスに
   曝され、他方は前記基準電極を収容する空隙内に設けら
   れている特許請求の範囲第１項乃至第３項のいずれかに
   記載の酸素センサ。 ５、前記ケースは、前記酸素センサ素子の被測定ガスに
   曝される部分を保護する保護カバー部と、 被測定ガスを他の部分から分離する隔壁に 酸素センサを取付けるためのハウジングと、酸素センサ
   素子の被測定ガスに曝されない部分を保護する保護筒部
   と、 被測定ガスが保護筒部内に侵入しないようにする気密部
   材と、 酸素センサ素子と外部回路とを電気的に接続するための
   リード線が挿通され、保護筒部端を閉塞するゴム栓とを
   備え、 かつ、前記気密空間は、少なくとも、前記保護筒部と気
   密部材とリード線とゴム栓および前記酸素センサ素子と
   により囲まれてなる特許請求の範囲第１項乃至第４項の
   いずれかに記載の酸素センサ。 ６、前記気密空間とゴム栓との間に両者を気密に分離す
   る隔壁を設けてなる特許請求の範囲第５項記載の酸素セ
   ンサ。 ７、前記気密部材は、無機充填剤を押し固めてなり、か
   つ、酸素センサ素子を固定している特許請求の範囲第５
   項乃至第６項に記載の酸素センサ。 ８、前記酸素センサ素子は長手板状に形成されている特
   許請求の範囲第１項乃至第７項のいずれかに記載の酸素
   センサ。 ９、前記酸素イオン伝導正固体電解質は、Ｙ＿２Ｏ＿３
   、Ｙｂ＿２Ｏ＿３、ＭｇＯのうちの１種以上を添加した
   ＺｒＯ＿２を主成分とする特許請求の範囲第１項乃至第
   ８項のいずれかに記載の酸素センサ。