(57)【要約】【課題】本発明は、ヒータ部の出力を抑えながら酸素検出部の昇温速度を確保できるとともに、基体軸の軸方向他方側の温度を低減することが可能な酸素センサを得る。【解決手段】基体軸２ｃの軸方向一方側の表面には、酸素検出部２ｂとヒータ部２ｄとが形成され、当該基体軸２ｃには、酸素検出部２ｂとヒータ部２ｄとが対向する領域を除く部位に中空部分２ｆが形成されている。これにより、基体軸２ｃに中空部分２ｆを設けた分だけ基体軸２ｃの熱容量を減らすことができるとともに、酸素検出部２ｂとヒータ部２ｄとが対向する部分が中実となって熱容量が増大する分、相対的にヒータ部２ｄから軸方向他方側への伝熱量を減らすことができる。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
基体軸の軸方向一方側の表面で、検出電極と参照電極とを含む酸素検出部と、当該酸素検出部を加熱するヒータ部とが、前記基体軸の中心軸を挟んで対向するように形成された酸素センサにおいて、
前記基体軸は、前記酸素検出部とヒータ部とが対向する領域を除く部位に、中空部分を有することを特徴とする酸素センサ。
【請求項２】
前記中空部分は、前記基体軸の軸方向他方側の端部に開口していることを特徴とする請求項１に記載の酸素センサ。
【請求項３】
前記中空部分の断面積が、前記基体軸を中実とした場合の断面積に対して、２０パーセント以上７０パーセント以下であることを特徴とする請求項１または２に記載の酸素センサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、酸素センサに関する。
【背景技術】
【０００２】
この種の酸素センサは、セラミック材料等によって形成された基体軸を有し、該基体軸の軸方向一方側の表面上に、検出電極と参照電極とを含む酸素検出部と、該酸素検出部を加熱するヒータ部とが、基体軸の中心軸を挟んで対向するように形成されており、例えば、車両に搭載された内燃機関の排気管に取り付けられ、排気ガス中の酸素成分の検出に用いられている。
【０００３】
しかしながら、このような従来の酸素センサでは、ヒータ加熱時における基体軸への熱の拡散範囲が広いため、酸素検出部を早期に活性化できないという問題があり、酸素検出部の昇温時間を短くするためにヒータ部の出力を大きくすることで対応していた。
【０００４】
そこで、このような問題を解決する一つの方策として、基体軸の内部を中空構造とした酸素センサが提案されている（例えば特許文献１）。この特許文献１に記載される従来技術では、ヒータ加熱時における基体軸への熱の拡散範囲が比較的狭いため、ヒータ部の出力を抑えながら、酸素検出部を速やかに昇温することができる。
【特許文献１】特開２００３−２９４６９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、上記従来技術のように基体軸の全領域で中空とした構成では、基体軸の軸方向一方側に設けたヒータ部の加熱により、基体軸の軸方向他方側への伝熱量が増大して温度が高くなってしまう。
【０００６】
この基体軸の軸方向他方側の近傍には、酸素検出部やヒータ部の電極に接触導通させる端子や、酸素センサの内外をシールするシール部材等が設けられているが、上述したように基体軸の軸方向他方側の温度が高くなると、その分、これら部品の材質やスペックを変更するなどして耐熱性を高める必要が生じ、製造コストの増大につながる虞があった。
【０００７】
そこで、本発明は、ヒータ部の出力を抑えながら酸素検出部の昇温速度を確保できるとともに、基体軸の軸方向他方側の温度を低減することが可能な酸素センサを得ることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
請求項１の発明は、基体軸の軸方向一方側の表面上で、検出電極と参照電極とを含む酸素検出部と、当該酸素検出部を加熱するヒータ部とが、上記基体軸の中心軸を挟んで対向するように形成された酸素センサにおいて、上記基体軸は、上記酸素検出部とヒータ部とが対向する領域を除く部位に、中空部分を有することを趣旨とする。
【０００９】
請求項２の発明は、上記中空部分は、上記基体軸の軸方向他方側の端部に開口していることを趣旨とする。
【００１０】
請求項３の発明は、上記中空部分の断面積が、上記基体軸を中実とした場合の断面積に対して、２０パーセント以上７０パーセント以下であることを趣旨とする。
【発明の効果】
【００１１】
請求項１の発明によれば、基体軸に中空部分を設けた分だけ、基体軸の熱容量を減らすことができて、ヒータ部の出力を低く抑えることができる。さらに、酸素検出部とヒータ部とが対向する部分が中実となって熱容量が増大する分、相対的に、基体軸の軸方向他方側への伝熱量を減らすことができて、当該基体軸の軸方向他方側の温度を低減することができる。すなわち、かかる構成によれば、ヒータ部の出力を抑えながら酸素検出部の昇温速度を向上させるとともに、基体軸の軸方向他方側の温度を低減することが可能となる。
【００１２】
請求項２の発明によれば、上記中空部分が基体軸の軸方向他方側の端部に開口しているので、当該中空部分を比較的容易に形成することができる。
【００１３】
請求項３の発明によれば、基体軸を中実とした場合の断面積に対する中空部分の断面積の比率を、２０パーセント以上かつ７０パーセント以下の範囲に設定することで、基体軸の剛性および強度の確保と軸方向他方側の温度低減とをより確実に両立させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
以下、本発明を具現化した実施形態について図面を参照しながら詳細に説明する。ここでは、内燃機関に用いられる酸素センサを例示する。
【００１５】
図１は、本発明の一実施形態にかかる酸素センサの断面図、図２は、酸素センサの検出素子の断面図、図３は、図２のIII−III断面図、図４は、検出素子の軸方向の各位置における温度を示す特性図、図５は、検出素子の中空率と検出素子の軸方向他方側の端部の温度との関係を示す特性図、また、図６は、検出素子の中空率と破壊強度との関係を示す特性図である。
【００１６】
本実施形態にかかる酸素センサ１は、図１に示すように、酸素濃度を検出するとともに検出した酸素濃度を電気信号に変換する検出素子２と、この検出素子２を挿入する素子挿入孔３が形成されたホルダ４と、このホルダ４と検出素子２との間をシールし、かつ、検出素子２をホルダ４内に位置決めする素子位置決め部５と、ホルダ４より軸方向一方側（図１では上側）に露出した検出素子２の接点部２ａに圧接されて検出素子２からの出力を取り出す端子６と、ホルダ４の基端側に固定されて端子６を保持する絶縁碍子７と、ホルダ４の基端側に固定されて絶縁碍子７の外周を被うケーシング８と、ホルダ４の軸方向他端側に固定されてホルダ４より突出した検出素子２の外周を被うプロテクタ９とを備えて概略構成されている。
【００１７】
検出素子２は、図１および図２に示すように、絶縁材料であるアルミナ等のセラミック材料により形成される略円柱状（一部円筒状）の基体軸２ｃを有しており、軸方向一方側（図１では下側，図２では左側）の表面上には、検出電極と参照電極とを含む酸素検出部２ｂと該酸素検出部２ｂを加熱するヒータ部２ｄとが、基体軸２ｃの中心軸Ｃｘを挟んで対向するように形成されている。これら酸素検出部２ｂやヒータ部２ｄ等は保護層２ｅによって覆われており、検出素子２は、当該軸方向一方側で拡径された形状となっている。ヒータ部２ｄは、タングステンや白金等の発熱性導体材料により形成されている。
【００１８】
図２に示すように、これら酸素検出部２ｂおよびヒータ部２ｄには、それぞれ基体軸２ｃの表面において軸方向に延設される帯状のリード線部２ｇが接続されている。また、図１にも示すように、保護層２ｅは軸方向他端側の一部で形成されておらず、これによりリード線部２ｇが検出素子２の表面上に露出されて、この露出部分が、端子６が所定の接圧で接触する接点部２ａとして機能するようになっている。すなわち、酸素検出部２ｂおよびヒータ部２ｄは、それぞれ、リード線部２ｇ、接点部２ａ、端子６、および配線コード１７（内の導体部分）を介して、外部装置（例えば、電源や信号処理回路等）と導通される。なお、配線コード１７は、ケーシング８の基端側の開口部を塞ぐシール部材１８を貫通している。
【００１９】
素子位置決め部５は、素子挿入孔３の全周に亘る粉充填スペース１０と、この粉充填スペース１０の開口縁に設けられたカシメ部１１とを有する。この粉充填スペース１０には、セラミック粉１２とバネ性を有するスペーサ１３とが収容され、カシメ変形したカシメ部１１によってスペーサ１３が圧縮され、その圧縮力によってセラミック粉１２が圧縮状態で充填されることによって検出素子２とホルダ４との間でシールが確保され、かつ、検出素子２がホルダ４に位置決め固定されるようになっている。なお、充填材であるセラミック粉１２としては、例えば未焼結のタルクが使用されている。また、スペーサ１３には、例えばリング状のワッシャが使用される。
【００２０】
プロテクタ９は、二重の有底筒状に形成されており、側壁にはガス流通用の小孔９ａが形成されている。なお、プロテクタ９とホルダ４との固定は、レーザ溶接や、スポット溶接、カシメ等によって行われる。
【００２１】
上記構成の検出素子２を製作する際、まずアルミナ等のセラミック材料を射出成形して基体軸２ｃを形成した後、基体軸２ｃを回転させつつ、基体軸２ｃの円周面の略半分領域に、例えば白金またはタングステン等の発熱性材料を曲面スクリーン印刷してヒータ部２ｄおよびリード線部２ｇを形成する。また、基体軸２ｃの円周面上でヒータ部２ｄの領域と反対の半分領域に、曲面スクリーン印刷によって検出電極と参照電極とを含む酸素検出部２ｂおよびそのリード線部２ｇを形成し、基体軸２ｃの円周面の一部（上記露出部分）を除くほぼ全領域にわたって保護層２ｅを形成する。そして、上述した一連の工程を終えた円柱状作成物を高熱で焼成することにより一体的に終結された検出素子２が得られる。
【００２２】
基体軸２ｃには、図２に示すように、酸素検出部２ｂとヒータ部２ｄとが対向する領域（中実部分；図２の左側の区間）を除く部位（図２の右側の区間）に、中空部分２ｆが形成されている。具体的には、この中空部分２ｆは、基体軸２ｃの軸方向他方側の端部２ｈに開口し、当該基体軸２ｃと同芯状に形成されて軸方向に沿って伸びる有底丸穴として形成されている。
【００２３】
そして、以上のようにして形成された検出素子２が、ホルダ４に形成された素子挿入孔３に挿入され、素子位置決め部５において当該ホルダ４に位置決め固定され、他の部分とアセンブリされて酸素センサ１が構成される。
【００２４】
酸素センサ１は、ホルダ４のネジ部４ａが排気管１４のネジ孔１５に螺入されることによって排気管１４に固定され、この取付状態では、検出素子２のプロテクタ９で覆われた箇所が排気管１４内に突出されるようになっている。なお、酸素センサ１と排気管１４との間の気密はガスケット１６によって確保される。
【００２５】
こうして排気管１４に装着された酸素センサ１では、当該排気管１４内を流通するガスが小孔９ａよりプロテクタ９の内部に流入すると、そのガス内の酸素が検出素子２の酸素検出部２ｂに入り込む。すると、酸素検出部２ｂがガスの酸素濃度を検出し、この検出した酸素濃度を電気信号に変換した後、この電気信号の情報が端子６を経て外部に出力される。
【００２６】
ところで、発明者らは、鋭意検討を重ねることで、基体軸２ｃの中空率、すなわち中空部分２ｆが形成されている部分の当該基体軸２ｃの断面において、中実である場合の断面積｛π×（ｄ１）2／４｝に対する中空部分２ｆの断面積｛π×（ｄ２）2／４｝の比率について、適切な範囲があることを見出した。以下、この中空率について、図４〜図６を参照しながら説明する。
【００２７】
図４は、中空率の異なる複数の検出素子２について各部温度を測定した実験結果であって、図中Ａ〜Ｇは、図２中のＡ〜Ｇに対応している。この図４から、中空率によらず、ヒータ部２ｄから離間するほど検出素子２の温度が低くなっていることがわかる。
【００２８】
図５は、図４の実験結果について、検出素子２の軸方向他端側の端部Ｇの温度が中空率によってどのように変化するかを示すものであるが、この図から、中空率を２０％以上とすれば、当該端部Ｇの温度を３００℃以下に抑えて、当該軸方向他端側の各部、すなわち、端子６や、配線コード１７、シール部材１８等に対する熱影響を軽減して、耐久信頼性を向上できることがわかる。
【００２９】
一方、中空率が高すぎる、すなわち中空部分２ｆの断面積が大きいと、基体軸２ｃが外力によって破壊してしまう虞がある。
【００３０】
図６は、中空軸の異なる複数の検出素子２について破壊強度（限界応力）を調べた実験結果であるが、この図から、中空率を７０％を超えると急激に破壊強度が低下することがわかる。すなわち、強度を確保する観点からは、中空率を７０％以上とすれば良いことになる。なお、この実験結果は、基体軸２ｃの直径を３．４ｍｍとし、基体軸２ｃの軸方向他方側の端部からの中空部分２ｆの長さ（深さ）Ｌ（図２）を２４ｍｍとして、当該中空部分２ｆの中間位置で径方向に一定の荷重（素子位置決め部５で印加される荷重相当の荷重）を印加した場合の結果である。
【００３１】
以上のようにして、中空率は、２０％以上７０％以下の範囲で設定するのが好適であることが判明した。
【００３２】
以上の本実施形態にかかる酸素センサ１によれば、基体軸２ｃに中空部分２ｆを設けた分だけ、基体軸２ｃの熱容量を減らすことができて、ヒータ部２ｄの出力を低く抑えることができる。さらに、酸素検出部２ｂとヒータ部２ｄとが対向する部分が中実となって熱容量が増大する分、相対的に、基体軸２ｃの軸方向他方側への伝熱量を減らすことができて、当該基体軸２ｃの軸方向他方側の温度を低減することができる。すなわち、かかる構成によれば、ヒータ部２ｄの出力を抑えながら酸素検出部２ｂの昇温速度を向上させるとともに、基体軸２ｃの軸方向他方側の温度を低減することが可能となる。その結果、ヒータ部２ｄのコンパクト化、およびエネルギ低減を図ることができるとともに、基体軸２ｃの軸方向他方側に設ける部品の耐熱性を高める必要がないので、酸素センサ１の製造コストの上昇を抑えることができる。
【００３３】
また、本実施形態によれば、基体軸２ｃの軸方向他方側の端部に中空部分２ｆが開口しているので、当該中空部分２ｆを比較的容易に形成することができる。
【００３４】
また、本実施形態によれば、基体軸２ｃを中実とした場合の断面積に対する中空部分２ｆの断面積の比率（中空率）を、２０パーセント以上でかつ７０パーセント以下の範囲に設定することで、基体軸２ｃの剛性および強度の確保と軸方向他方側の温度低減とをより確実に両立させることができる。
【００３５】
以上、本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態に限定されず、種々の変形が可能である。例えば、中空部分を酸素検出部とヒータ部とが対向する領域まで進出させてもよい。また、中空部分が軸方向他端側の端部に開口することも必須ではない。また、検出素子および中空部分の断面形状は、略円形以外の形状（例えば矩形断面状や、多角形断面状等）としてもよいし、軸方向に沿って相互に平行な複数の中空部分を形成してもよい。
【図面の簡単な説明】
【００３６】
【図１】本発明の一実施形態にかかる酸素センサの断面図（軸方向に沿った断面図）である。
【図２】本発明の一実施形態にかかる酸素センサの検出素子の断面図（軸方向に沿った断面図）である。
【図３】図２のIII−III断面図である。
【図４】本発明の一実施形態にかかる酸素センサの検出素子の軸方向の各位置における温度を示す特性図である。
【図５】本発明の一実施形態にかかる酸素センサの検出素子の中空率と検出素子の軸方向他方側の端部の温度との関係を示す特性図である。
【図６】本発明の一実施形態にかかる酸素センサの検出素子の中空率と破壊強度との関係を示す特性図である。
【符号の説明】
【００３７】
１  酸素センサ
２ｂ  酸素検出部
２ｃ  基体軸
２ｄ  ヒータ部
２ｆ  中空部分
２ｈ  端部
Ｃｘ  中心軸
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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