JPS6283650A - 酸素濃度検出器 - 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】 〔発明の利用分野〕 本発明は固体電解質を用いて酸素濃度の検出を行なう酸
素濃度検出器に係り、特に自動車の運転状態に応じて空
気と燃料の混合比を適正に制御するに好適な酸素濃度検
出器に関する。

〔発明の背景〕

自動車の排ガス中の酸素濃度を検出する空燃比センサは
袋管ジルコニア電解質の近傍にヒータを配置して、ジル
コニア素子の内部抵抗が一定になるように温度調整をし
て用いる。この袋管ジルコニア電解質は内側及び外側に
それぞれ白金電極を形成し、外側の電極上にはマグネシ
アスピネルをプラズマスプレーで被覆した拡散膜を形成
してなって°いる。このジルコニア電解質は栓体に組付
けられ、ジルコニア素子の外側が排気ガス中に曝さ１・
れている。上記のように構成された従来の酸素濃一度検
出器の作用を以下に説明する。内側電極をプラス、外側
電極をマイナスとして直流電圧を印加し、この電圧を増
加していくと除々に電流が増加し、やがて飽和して一定
値に収斂する。この電流値を限界電流値と称し、徘ガス
濃度によって第９図に示すように空気過剰率λの大きい
希薄域では増加し、１ｓい領域では低下する特性を示す
。このことは排気ガス中の酸素ガスが拡散膜中の拡散孔
に律則されて通過するために生ずる特性である。

なお希薄域では排気ガス中に酸素が多量に存在し、拡散
膜を通過して外側電極でイオン化し、電解質中を通って
内側電極で再び酸素分子に戻る。このとき限界電流は増
加し、逆に濃い領域では減少する。この限界電流は第９
図に実線及び鎖線で示すように、素子温度によって著し
く変わるため、ヒータを袋管電解質の内側にいれて検知
部近傍を付属の電子回路により一定温度になるように加
熱制御して用いている。

上記のような従来の方式によれば、例えば予め、印加電
圧　１．ＯＶをジルコニア電解質の内外電極から引出さ
れたリードに印加しておくことにより、空気過剰率λ＝
１．０乃至１．５の範囲で連続的にほぼ一定の限界電流
値を出力として得ることができる。なおλく１では極性
を入れ変えて通電することにより、０．８くλく１．５
の範囲でほぼ一定の限界電流出力を得ることができる。

上記のような酸素濃度検出器としては、特開昭５９−４
６５４８号公報で開示されたものがある。この提案は、
第８図に示すようにジルコニア電解質］、の検出部を排
気ガス管内に約２０乃至３０ｎｖｎ入れて、栓体に固定
された通気孔を有する保１ｉ管６で外周を被ったものマ
ある。この提案によると高速高流量域で排気管内の流れ
は温度７００’Ｃ乃至８００℃、最大流速４０乃至５０
ｍ／ｓｅｅ、最大質量流景４００乃至５００ｋｇ／　ｈ
となり、高熱エネルギが保護管外周に開口した断面積２
０ｍｍ２前後の通気孔を通り、ジルコニア素子の検出部
に衝突し熱交換する。従ってヒータにより加熱すること
なくジルコニア電解質は設定温度の６５０℃乃至７００
℃を超過する。このためジルコニア電解質の温度”・Ｉ
１ｍ整が不能となり、酸素濃度検出器の動作範囲が狭く
なるという問題があった。

ここで制御の基準となるジルコニア電解質の内部抵抗に
ついて第７図の実線で示すグラフにより説明する。自動
車のエンジンはアイドル付近の運転状態に於いて排気管
集合部の排ガス温度は２００℃前後である。袋管状電解
質の材料はイツトリヤ安定化ジルコニアであり、検出部
の肉厚は１ｍｍ長さ３０ｍｍ前後に成形される。その外
側には、白金電極１μｍ〜２μｎ１を表面積３０ｍｍ”
ではち巻状に着膜し、その上に拡散膜０，５ｍ＋＋＋前
後を着膜する。一方ヒータは、袋管電解質の内壁との間
隙を０．５　とし外径φ４、発熱体はアルミナにタング
ステンの厚膜形成されたものを利用するとして発熱部長
さ３０ｍｎ＋の時、アイドル運転時のジルコニア素子の
内部抵抗は１００Ω前後である。（第７図参照）従って
、アイドルから使用するためにはジルコニア電解質の温
度調整のための内部抵抗は例えばｂよ−ｂ２ラインから
求まる１１０Ωにする必要がある。しかし、前述のよう
に高流量側では排気ガス温度７００℃以上でヒータを通
電しなくても内部抵抗は１００Ω以下になり温度ｗｓｊ
ｏが不能になることは明らかである。従って、アイドル
から例えば１００１ａｎ／ｈ走行までの範囲のみ高精度
が得られるがそれ以上の運転域での検出精度は低下する
。さらに高熱エネルギによる加熱のためジルコニア電解
質に着膜された白金電極や拡散膜が剥離し経時変化を大
きくする二また、カーボンや其他の固形塵埃が付着、堆
積し経時変化の原因になる。一方、栓体とジルコニア素
子間や其他の部材間の熱膨張差により部品間に間隙が生
じ、排ガス漏洩の原因になる。各構成部品の温度が１昇
するため耐熱性材料を選択し採用する必要があり部品単
価が上がり高価になるなどの問題があった。

〔発明の目的〕

本発明は上述した点に鑑みてなされたもので、その目的
とするところは、自動車の広い運転状態にわたって精度
よく酸素濃度を検出することかで台、経時変化の少ない
信頼性の高い安価な酸素濃度検出を提供するにある。

〔発明の概要〕

本発明は内部及び外周に電極を有する袋管状の固体電解
質からなる素子により自動車の排ガス中の酸素濃度を検
出する酸素濃度検出器において、前記素子゛を収納する
栓体と、この栓体を支持し排気ガス管に固設された取付
はボスと、前記栓体の前記排気ガス管内に接する端部に
取り付けられ排気ガス導入孔が形成された保護筒とを具
備するとともに、前記固体電解質からなる素子が前記排
気が管内周より外側に設けることにより、所期の目的を
達成するようになしたものである。

〔発明の実施例〕

以下、本発明に係る酸素濃度検出器の一実施例を図面を
参照して説明する。

第１図乃至第５図に本発明の一実施例を示す。

第２図に示すように袋管状ジルコニア電解質の素子］−
の内側には白金メッキ電極２が形成されており、その一
端は素子１の開口端まで延長されている。この素子】の
先端部近くの外周には反応白金［！４がけち巻状に形成
されており、この電極４から素子１の開口端に向って比
較的細い巾の引出電極３が形成されていて開口端外側ま
で延長されている。この引出電極３の上にはガラスなど
の密閉率の高い材料が塗布されていて、反応電極として
動作しないようになっている。さらに外側の電極４と引
出型ｔ＠３のガラスコートの上には、マグネシャスピネ
ルなどからなる拡散膜５が３００μｍ前後の厚さにプラ
ズマスプレー法などによって着膜形成されており、この
拡散膜５には膜を貫通した３００人乃至４００人の径の
微細孔が形成されている。

上述したように構成された袋管状電Ｍ１ｎ、内には第１
図及び第３図に示すようにヒータ１０が設けられている
。ヒータ〕Ｏはアルミナのグリンシートにタングステン
ヒータとリードを厚膜パタン印刷して形成後、セラミッ
クパイプまたは棒に巻付けて焼成した構造である。ヒー
タリード接合部はタングステン電極上に予めニッケルメ
ッキを施行し、ニッケルリード１．１ａ、ｌｌｂを銀ロ
ーを介して焼成し接合する６尚、このヒータには通気孔
を有するフランジ１２を固定する。この時、ヒータのリ
ード引出部の銀ロー付部は接着ガラスにより完全に包埋
する。また、素子１に対する排ガスの熱Ｗｆ撃の直撃を
回避するための保護筒１６取付ねじ１７を有する栓体１
８の内部の座部に軟質の金属リング２０を入れ、その上
からリングタルク２１を充填加圧し、金属ワッシャ２２
を入れて加圧する。素子１の開１コ端の突部の内側、及
び外側の平坦部には端部がリング状の白金メッキを施し
たリードｌｌｃ、Ｌｉｄをそれぞれ圧接する。ヒータリ
ート２本を含゛めて上方に伸びた４本のリードはインシ
ュレータ２３を通し、小形の金属チューブ２４中でテフ
ロン被覆リードセン２５ａ。

２５ｂ、２５ｃ、２５ｄと共加締されろ。さらにテフロ
ン被菌リードセンはゴムブツシュ２６を通して引出す。

一方インシコレータ２３の段差部にはコイルばね２７が
萩合し軸方向にリング状リードやヒータを素子端部に加
圧する機能を有する。

コイルばね２７の上面は下部にフランジ２８ａを有する
ガイトウで受ける。ガイトウ２８の外周にはカシメリン
グを入れ、ガイトウ２８をコイルばね２７に抗して軸方
向に加圧し、ガイトウフランジ２８ａの１氏而を金属ワ
ッシャ２２の−１−而に押し当て、栓体１８の折り曲げ
加締め部１８ａを１．５〜２．ＯＴの荷重で変形させて
加締める。ガイｌ−ウニ３０はゴムブツシュ２６を釉方
向に位置決めし、他端でガイトウ２８の外周との間で加
圧加締めて固定する。インシュレータ３１はリード中継
部の絶縁材である。

またジルコニア電解質からなる素子１は、第４図に示す
ように栓体１８に形成されたねじ部１７と同等の長さを
有するボス４０にこのねじ部１７を介して取り付けられ
たとき、保護筒１６が５乃至Ｌｏａｎ排気ガス管内周か
ら突出するようになっている。この保護筒１６の先端近
くには小孔１６ａが形成されていて、この小孔Ｉ　Ｇ　
ａを通じて排気ガスを素子１に導入し排気ガス濃度を検
出するように構成されている。

上述したように構成された本実施例の作用を以下に説明
する。ジルコニア電解質の検出部を排気ガス管内周から
外側に移動し、排気管側にある保護管１６ａの小孔１６
ａから排気ガスを導入するようにしたので、ｒＡ衝撃流
が功利さ扛下６図に示すようにスロットルバルブ全開付
近で電解質の温度がヒータ動作時、従来８００℃位であ
ったものが７００”Ｃ近くまで低減できる。一方向部抵
抗はヒータ無通電で第７図に示すように従来２０Ω位で
あったものがＩＫΩ以上になる。なお低流量側ではヒー
タ動作時にジルコニア電解質に対して流れる排気ガス流
速が低下したため、抵抗値を下げることができる。この
結果素子１の検出部の温度調節範囲を自動車の全運転域
に広げ、酸素濃度を高精度で検出することができる。

本実施例によれば、エンジンの高出力側における熱衝撃
流の影響を緩和して素子１の検出部の温度調節範囲を広
げ、検出精度を向上させることができる。一方熱衝撃流
を緩和することにより、ジルコニア電解質に着膜された
電極や拡散膜の剥離を制御し、経時変化を小さくするこ
とができろ。

またカーボンや固形塵埃の付着や堆積を軽減することに
よっても経時変化を小さくすることができる。さらにま
た各構成部品の温度上昇を抑制し、各部品間の熱膨張差
を小さくして排気ガスの漏洩を防止し、検出精度を向」
二できる。これらの各構成部品の温度上昇を抑制できる
ため、耐熱温度仕様を下げて安価な材料を用いることが
でき、原価低減をはかることもできる。

第５図に本発明の他の実施例を示す。図において栓体１
８の外周に形成された鍔部４３を座として圧縮ばね４４
を当接させ、この圧縮はね４４の上端を固定金具４５で
支承させである。この固定金具４５の下部内周面にはね
じが形成されていて、排気ガス管に固設された取付はボ
ス４０の上部外周面に形成されたねじ部に嵌合し締付は
固定されるようになっている。これらの栓体１８と取付
はボス４０との間にはシールリング４６が設けられてい
て、ガス洩れを防止している。そして栓体１゛８が固定
金具４５に対して気密に摺動可能に装着されている。

本実施例によれば、エンジンの出力が上昇し排気ガス流
量が上昇すると、排気管内の静圧が上昇して最大３５０
乃至５００ｍｍＨｇ位になり、酸素濃度検出器は２点鎖
線の位置から実線の位置まで移動する。この結果熱衝撃
流の影響を緩和する効果が得られる。この移動手段とし
ては排気管内の圧力あるいはエンジン出力などをセンサ
により検出して、モータや比例ダイヤフラムなどのアク
チュエータを作動させる手段をとってもよい。またこの
方式によると低流量側で高速応答性がよくなり、例えば
１００ｍ５以下を要求される場合に特に有効である。

〔発明の効果〕

上述したように本実施例によれば、ジルコニア素子には
直接排気ガスの熱衝撃流を当てないように検出器を排気
ガス管の外に配管するが、検出器軸方向に移動可能にし
て、排気ガスは保護管に形ゞ成した小孔を通じて検出器
内に導入するようにし４こものであるから、高精度で高
信頼性のある酸素濃度検出器を提供することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明に係る酸素濃度検出器の一実施例を示す
縦断図面、第２図は第１図のジルコニア素子の構造を示
す一部破断正面図、第３図は第１図のＡ−Ａ線断面図、
第４図は第１図の要部を示す要部拡大断面図、第５図は
本発明の他の実施例を示す要部拡大断面図、第６図は排
気ガス温度と電解質温度との関係を示すグラフ、第７図
は排気ガス温度とジルコニア素子の内部抵抗との関係を
示すグラフ、第８図は従来の酸素１度検出器を示す縦断
面図、第９図は空気過剰率一定時における限界電流特性
を示すグラフである。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. １．内部及び外周に電極を有する袋管状の固体電解質か
   らなる素子により自動車の排気ガス中の酸素濃度を検出
   する酸素濃度検出器において、前記素子を収納する栓体
   と、この栓体を支持し排気ガス管に固設された取付けボ
   スと、前記栓体の前記排気ガス管内に接する端部に取り
   付けられ排気ガス導入孔が形成された保護筒とを具備す
   るとともに、前記固体電解質からなる素子が前記排気ガ
   ス管内周より外側に設けられたことを特徴とする酸素濃
   度検出器。
2. ２．前記栓体は前記取付けボスに対し、前記排気ガス管
   の外側に向って移動可能に設けられたことを特徴とする
   特許請求の範囲第１項記載の酸素濃度検出器。