(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
機関の排気通路に取付け、排気ガスの酸素成分を検出するセンサであって、このセンサのセンサ素子部は、板状の第１電極の両側に固体電解質層を介して第２・第３電極を各々対向配置し、第１電極と第２電極との間、及び第１電極と第３電極との間の酸素イオンの移動を検出するようにし、
前記第２電極は、排気通路の上流側に向けて取付けられるとともに、前記第３電極は排気通路の下流側に向けて取付けられ、
前記第１電極と前記第３電極との間に、板ヒータを備え、
前記板ヒータは、酸素イオンを通過させるための開口部を有していることを特徴とする酸素センサ。
【請求項２】
機関の排気通路に取付け、排気ガスの酸素成分を検出するセンサであって、このセンサのセンサ素子部は、板状の第１電極の両側に固体電解質層を介して第２・第３電極を各々対向配置し、第１電極と第２電極との間、及び第１電極と第３電極との間の酸素イオンの移動を検出するようにし、
前記第１電極と前記第２電極との間、又は前記第１電極と前記第３電極との間に板ヒータを介在させ、
前記板ヒータは、酸素イオンを通過させるための開口部を有し、
前記板ヒータが配置される固体電解質層は、２つの固体電解質層からなり、そのうちの一つの固体電解質層には、板ヒータを載せるためのヒータ取り付け部が形成されていることを特徴とする酸素センサ。
【請求項３】
機関の排気通路に取付け、排気ガスの酸素成分を検出するセンサであって、このセンサのセンサ素子部は、板状の第１電極の両側に固体電解質層を介して第２・第３電極を各々対向配置し、第１電極と第２電極との間、及び第１電極と第３電極との間の酸素イオンの移動を検出するようにし、
前記第１電極と前記第２電極との間、又は前記第１電極と前記第３電極との間に板ヒータを介在させ、
前記板ヒータは、酸素イオンを通過させるための開口部を有し、この開口部は、コの字形に形成されていることを特徴とする酸素センサ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は排気ガス中の酸素濃度を検出する酸素センサに関する。
【０００２】
【従来の技術】
酸素センサの多くは工業炉・ボイラや内燃機関の空燃比制御に用いられる。
酸素センサの原理は、電池の原理を応用したものであり、発生する起電力を測定するもの、また別に、固体電解質に電圧を印加し、コンダクタンス変化を測定するものも知られている。前者の酸素センサには、例えば、実開平３−２２５６号公報「内燃機関用酸素センサ」に示されたものがある。この酸素センサは、同公報の第１図によれば、センサ素子部５（符号は同公報記載のものを引用する。以下同様。）を保護するためのプロテクタが外筒２１と、内筒２２とで二重筒構造を成し、外筒２１及び内筒２２の周壁に各々排気取入孔２１ａ及び排気導入孔２２ａ（第２図参照）を形成し、さらに内筒２２の先端面に排気排出孔２２ｂを形成したものである。
排気は排気取入孔２１ａから外筒２１内に流入し、内筒２２との間隙を旋回しながら混合され、排気導入孔２２ａから電極面５ａ（指向性を有す）に向って流入し、排気排出孔２２ｂから排出される。排気は電極面５ａの向きに関係なく、一定の方向から電極面５ａに当るので、酸素センサはバラツキのない一定した酸素濃度検出性能を発揮できる。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
上記の構造では、外筒２１の排気取入孔２１ａは、一方の側縁を内側に折り曲げているため、形状が複雑で、加工費が嵩む。
また、外筒２１と内筒２２との間に排気を旋回させる間隙を設けなければならないため、外筒２１の外径が大きくなり、プロテクタ２１が大型になる。それに、排気を旋回させながら混合するため、電極面５ａに至るまでに時間的な無駄が発生しやすい。
【０００４】
さらに、内筒２２の内側空間は、電極面５ａ側に比べ反対面側が広い。そのため、第３図の様に両側方から流入する場合では、背面側は排気の流動性がよく、逆に、電極面５ａ側は悪くなる傾向があるから、応答性の点で改善の余地がある。酸素センサの応答性は、排気ガス浄化システムの性能に影響するため以前にも増して性能のよい酸素センサが求められている。
【０００５】
そこで、本発明の目的は、応答性の優れた酸素センサを提供することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために請求項１は、センサのセンサ素子部が、板状の第１電極の両側に固体電解質層を介して第２・第３電極を各々対向配置し、第１電極と第２電極との間、及び第１電極と第３電極との間の酸素イオンの移動を検出するようにし、第２電極は、排気通路の上流側に向けて取付けられるとともに、第３電極は排気通路の下流側に向けて取付けられ、第１電極と前記第３電極との間に、板ヒータを備え、板ヒータは、酸素イオンを通過させるための開口部を有していることを特徴とする。
【０００７】
板状の第１電極の両面に固体電解質層を介して第２・第３電極を各々対向配置したので、両面がともに検出面となり、指向性が２方向に広がる。第２・第３電極のどちらかが排気ガスの流れに臨むので、排気ガスとの接触が早く、応答時間が早い。
また、第２電極は、排気通路の上流側に向けて取付けられるとともに、第３電極は排気通路の下流側に向けて取付けられ、第１電極と前記第３電極との間に、板ヒータを備え、板ヒータは、酸素イオンを通過させるための開口部を有しているので、板ヒータを下流側に配置したことにより、始動の暖気状態であっても、上流側よりも冷たい下流側を迅速に温度上昇させることができるので、より一層、酸素濃度に対する応答時間の短縮化を図ることができるという利点がある。
【０００８】
請求項２は、第１電極と第２電極との間、又は第１電極と第３電極との間に板ヒータを介在させ、板ヒータは、酸素イオンを通過させるための開口部を有し、板ヒータが配置される固体電解質層は、２つの固体電解質層からなり、そのうちの一つの固体電解質層には、板ヒータを載せるためのヒータ取り付け部が形成されていることを特徴とする。
【０００９】
板ヒータが配置される固体電解質層は、２つの固体電解質層からなり、そのうちの一つの固体電解質層には、板ヒータを載せるためのヒータ取り付け部が形成されているので、固体電解質層のヒータ取り付け部にヒータ本体を印刷で形成することができるという利点がある。
請求項３は、第１電極と第２電極との間、又は第１電極と第３電極との間に板ヒータを介在させ、板ヒータは、酸素イオンを通過させるための開口部を有し、この開口部は、コの字形に形成されていることを特徴とする。
板ヒータに酸素イオンの通過する開口部がコの字形に形成されている。その結果、ヒータ本体を印刷で形成することができるとともに、コの字形の内方で酸素イオンを通過させることができるという利点がある。
【００１０】
【発明の実施の形態】
本発明の実施の形態を添付図に基づいて以下に説明する。なお、図面は符号の向きに見るものとする。
図１は本発明に係る酸素センサの側面図であり、酸素センサ１は、本体部１０と、この本体部１０に取り付けたセンサ素子部２０とからなる。Ｇはガスケット、Ｐは排気通路である。
【００１１】
図２は本発明に係る酸素センサの断面図であり、本体部１０は、本体１１と、この本体１１の中央に明けた孔１２と、本体１１に形成したおねじ１３及びナット部１４と、本体１１の端部に溶接したパイプ１５と、このパイプ１５の開口部を封じるゴム栓１６とからなる。
センサ素子部２０は、本体１１に溶接したプロテクタ２１と、本体１１の孔１２に通した検出素子３０とからなる。２２は端子圧着部、２３はリード線である。
【００１２】
プロテクタ２１は、内筒２４と、この内筒２４の外方に被せた外筒２５とからなる。内筒２４は、周壁に形成した通気孔２４ａ…（…は複数を示す。以下同様。）と、先端面に形成した通気孔２４ｂとからなる。外筒２５は、周壁に形成した通気孔２５ａ…と、先端面に形成した通気孔２５ｂとからなる。
【００１３】
検出素子３０の詳細な構造は後述するが、３１，３２は検出面であり、排気ガス中の酸素が吸着する面である。なお、検出面３１及び検出面３２の向きは、酸素センサ１を取り付けるときのおねじ１３の締付け力で決まる。
【００１４】
図３は図２の３−３線断面図であり、本体１１の中央に明けた孔１２に検出素子３０を通し、検出面３１，３２が内筒２４内に同じ広さの空間を形成したことを示す。
内筒２４の通気孔２４ａ…は、周壁に８等配に明けた円形孔であって、検出素子３０の検出面３１，３２に各々１個づつ対向させた孔である。
外筒２５の通気孔２５ａ…は、円形で、通気孔２４ａ…から角度θだけ回して配置した孔である。
【００１５】
図４は図２の４−４線断面図であり、検出素子３０の拡大断面を示す。
検出素子３０は、板状の第１電極３３と、この第１電極３３の両側に接続した第１固体電解質層３４及び第２固体電解質層３５と、第１固体電解質層３４に形成した第２電極３６と、第２固体電解質層３５に形成した第３電極３７と、第２電極３６に形成した保護層３８と、第３電極３７に形成した保護層３９と、第１電極３３と第３電極３７との間に介在させた板ヒータ４０とからなる。
【００１６】
第１電極３３は、ガス透過性のある多孔質の白金（Ｐｔ）で形成したもので、第１・第２固体電解質層３４，３５に接続して第１・第２固体電解質層３４，３５の中に酸素イオンを流すための電極である。
第２電極３６は、ガス透過性のある多孔質の白金（Ｐｔ）で形成したもので、第１固体電解質層３４に接続して第１固体電解質層３４の中に酸素イオンを流すための電極である。
第３電極３７は、ガス透過性のある多孔質の白金（Ｐｔ）で形成したもので、第２固体電解質層３５に接続して第２固体電解質層３５の中に酸素イオンを流すための電極である。
【００１７】
第１固体電解質層３４は、母材がジルコニア（ＺｒＯ2−酸化ジルコニウム）で、母材にイットリア（Ｙ2Ｏ3−酸化イットリウム）を所定量添加して安定化させた安定化ジルコニア（Ｙ2Ｏ3−ＺｒＯ2系）の層である。
第２固体電解質層３５は、第１層３５ａと、第２層３５ｂとからなる。これら第１・第２層３５ａ，３５ｂはともに母材がジルコニア（ＺｒＯ2−酸化ジルコニウム）で、母材にイットリア（Ｙ2Ｏ3−酸化イットリウム）を所定量添加して安定化させた安定化ジルコニア（Ｙ2Ｏ3−ＺｒＯ2系）の層である。
【００１８】
板ヒータ４０は、ヒータ本体４１と、このヒータ本体４１に被せた絶縁層４２と、中央に形成した開口部４３とからなり、安定化ジルコニア（ＺｒＯ2）を所定温度（例えば、３００℃）以上に昇温するためのヒータである。昇温することで、第１・第２固体電解質層３４，３５の抵抗値を小さくする。安定化ジルコニア（ＺｒＯ2）は、抵抗値が温度により変化する。始動時など常温の場合は、抵抗値が大きいため、検出が難かしく、板ヒータ４０で検出の開始を早くする。
次に、これらの形状、及び製造要領を説明する。
【００１９】
図５は本発明に係る検出素子の分解斜視図であり、検出素子３０を層別に示す。なお、各層は薄膜であるが、説明の都合上、厚く書き表した。
第１・第２・第３電極３３，３６，３７の寸法は、ほぼ同一寸法である。
第１固体電解質層３４には、中央に電極接続部３４ｃを設け、この電極接続部３４ｃの縁に所定幅の接続部３４ｄ，３４ｅ，３４ｆを設ける。接続部３４ｄ，３４ｅ，３４ｆを設けることで、同材の固体電解質（第２固体電解質層３５）を接続できる。
第２固体電解質層３５の第１層３５ａには、ヒータ取り付け部３５ｃを設け、このヒータ取り付け部３５ｃの縁に所定幅の第１接続部３５ｄ，３５ｅ，３５ｆを設け、中央に第２接続部３５ｇを設ける。第１・第２接続部３５ｄ〜３５ｇを設けることで、同材の固体電解質（第２層３５ｂ）を接続できる。
【００２０】
保護層３８は、通気性のある第１保護層３８ａと、通気性のない第２保護層３８ｂとからなる。第１保護層３８ａは、排気ガスを通す通気性のあるセラミック皮膜で、排気ガスの化合物による白金の劣化防止、排気ガスの粒子による白金の浸食防止、及び機械的、熱的衝撃による白金の剥離防止を目的とする層である。保護層３９は、通気性のある第１保護層３９ａと、通気性のない第２保護層３９ｂとからなる。第１保護層３９ａは、第１保護層３８ａと同じなので、説明を省略する。
【００２１】
ヒータ本体４１は、中央に開口４４を設け、幅寸法Ｗを有するヒータである。幅寸法Ｗは、第１・第２固体電解質層３４，３５の幅より所定寸法だけ小さい寸法である。開口４４を設けたので、第１層３５ａと第２層３５ｂとを広い面積で一体的に接続できる。
絶縁層４２は、ヒータ本体４１に所定の膜厚で形成した皮膜であり、ヒータ本体４１の開口４４に沿って開口部４３を形成したものである。
【００２２】
次に図４、図５で製造要領の一例を説明する。
まず、原料の安定化ジルコニア（Ｙ2Ｏ3−ＺｒＯ2系）で、平坦なシートの第１固体電解質層３４を所定の形状に成形し、焼成炉（例えば、常圧のトンネル炉）で焼結（１，３００〜１，６００℃に昇温）して基板を製作する。必要に応じて加工工程を追加し、形状を整える。次に、基板となる第１固体電解質層３４に白金（Ｐｔ）で薄膜の第１・第２電極３３，３６を所定の膜厚に形成（例えば、塗料化→印刷→焼結）する。
【００２３】
続いて、第１層３５ａを焼結し、この第１層３５ａのヒータ取り付け部３５ｃに薄膜の絶縁層４２→ヒータ本体４１→絶縁層４２を順に印刷して板ヒータ４０を形成する。第２層３５ｂを焼結し、この第２層３５ｂに白金で第３電極３７を形成する。そして、第１固体電解質層３４，第１層３５ａ，板ヒータ４０，第２層３５ｂを順に積層し、接続する。最後に、第１固体電解質層３４及び第２電極３６に、例えばジルコニアあるいはアルミナ（Ａｌ2Ｏ3−酸化アルミニウム）で第１保護層３８ａを形成（例えば、溶射）する。同様に第２固体電解質層３５及び第３電極３７に第１保護層３９ａを形成する。残りの第２保護層３８ｂ，３９ｂを形成する。
【００２４】
以上に述べた酸素センサの作用を次に説明する。
図６（ａ），（ｂ）は本発明に係る酸素センサの第１作用図であり、（ａ）は比較例、（ｂ）は実施例である。
（ａ）において、排気通路に酸素センサ１００を取り付け、排気ガスが白抜き矢印▲１▼の如く上流（機関側）から流れる。排気ガスはプロテクタ１０１の排気導入孔１０２…から白抜き矢印▲２▼の如くプロテクタ１０１内に流入し、白抜き矢印▲３▼の如く排気導入孔１０２…から抜けて下流へ至り、排出される。その際、矢印▲４▼の如く排気ガスは外側電極１０６に接触し、センサ素子部１０５で酸素濃度が検出される。センサ素子部１０５には特定の方向にのみ応答性がよくなる指向角Ｎがある。そのため、排気ガスが白抜き矢印▲３▼の如く指向角Ｎの範囲に接近すると、センサ素子部１０５は酸素を検出できる。
【００２５】
（ｂ）において、排気通路に酸素センサ１を取り付け、排気ガスが白抜き矢印▲５▼の如く上流から白抜き矢印▲６▼の如く内筒２４内に流入する。排気ガスは白抜き矢印▲７▼の如く下流へ向って流れ、その際、矢印▲８▼の如く第２電極３６に接触し、遅れて矢印▲９▼の如く第３電極３７側に接触する。酸素センサ１は第２・第３電極３６，３７を配置することで、指向性を２方向に広げた。第２電極３６側に指向角Ｅがあり、第３電極３７側に指向角Ｎ１がある。第２電極３６の指向角Ｅは、排気ガスの流れに対向して上流を向いているので、酸素との接触が早く、第３電極３７より早く検出信号を出力する。一方、第３電極３７は、排気ガスが白抜き矢印▲７▼の如く比較例と同様の位置に流れ、指向角Ｎ１に接近すると、検出信号を出力する。
【００２６】
また、検出面３１，３２の向きが逆になって、第３電極３７が上流側を向くと、第３電極３７は第２電極３６よりも先に排気ガスに接触し、第２電極３６より早く検出信号を出力する。
つまり、酸素センサ１を取り付けるときのおねじ１３（図１参照）の締付け具合で、第２電極３６及び第３電極３７の向きが変るが、排気ガスの流れに対向して上流を向いた電極（第２電極３６又は第３電極３７）が先に検出信号を出力するので、常に応答時間が早い。
【００２７】
プロテクタ２１では、内筒２４と外筒２５との間で排気ガスを旋回させる必要がないので、プロテクタ２１の小型化を図ることができ、また、通気孔２４ａ，２５ａを単純な円形にしたので、加工費の低減を図ることができる。
【００２８】
なお、比較例は大気の酸素を導入し、酸素濃度差により起電力を検出する酸素センサである。一方、実施例は電極に電圧を印加して酸素濃度を検出する酸素センサなので、大気の酸素を必要としない。このため、大気導入孔を設ける必要はない。
【００２９】
図７は本発明に係る酸素センサの第２作用図である。
検出面３２に排気ガスが矢印▲９▼の如く接触し、逆の検出面３１に排気ガスが矢印▲８▼の如く接触する。検出素子３０の中央の第１電極３３に陽極（＋）、第２電極３６に陰極（−）、第３電極３７に陰極（−）の電圧を印加すると、検出面３２側では、第３電極３７により排気ガス中の酸素が電子を受取り、酸素イオン（Ｏ2-）となる。この酸素イオンが第１電極３３に向って固体電解質層３５内を透過する。その際、矢印ａの如く酸素イオンは板ヒータ４０の絶縁層４２によって透過を規制されるが、板ヒータ４０に酸素イオンの通過する開口部４３を形成し、第１層３５ａ（図５参照）に第２接続部３５ｇを設けたので、酸素イオンは矢印ｂの如く開口部４３を通過し、第１電極３３に至り、第１電極３３側で電子を放出し、酸素となって滞留する。
【００３０】
また、板ヒータ４０を所定の幅寸法にし、第２固体電解質層３５に所定幅の第１接続部３５ｄ，３５ｅ（図５参照），３５ｆを形成して接続したので、酸素イオンは矢印ｃの如く第１接続部３５ｄ，３５ｅ，３５ｆを通過し、第１電極３３で電子を放出し、酸素となって滞留する。このように、板ヒータ４０の内方、外方で酸素イオンを通過させるようにしたので、第１電極３３と第３電極３７との間に板ヒータ４０を配置しても検出性能が低下することはない。
【００３１】
一方、検出面３１側では、第２電極３６により排気ガス中の酸素が電子を受取り、酸素イオン（Ｏ2-）となる。この酸素イオンは矢印ｄの如く固体電解質層３４を透過して第１電極３３側で電子を放出し、酸素となって滞留する。酸素の酸化還元反応の発生具合により電極間に電流が生じるので、排気ガス中の酸素濃度の変動を電流値として検出する。酸素発生のための電圧の印加及び検出は、制御装置で行う。
【００３２】
板ヒータ４０で安定化ジルコニア（ＺｒＯ2）を所定温度（例えば、３００℃）以上に昇温すると、第１・第２固体電解質層３４，３５の抵抗値は小さくなるので、検出の開始を早くすることができる。
【００３３】
尚、本発明の実施の形態に示した図４の固体電解質層３４，３５の母材はジルコニア（ＺｒＯ2）に限らず、酸化セリウム（ＣｅＯ2）、酸化ビスマス（Ｂｉ2Ｏ3）、酸化ハフニウム（ＨｆＯ2）、酸化トリウム（ＴｈＯ2）などの固体電解質（導電イオンが酸素イオン（Ｏ2-））でもよい。
図４の安定化剤は、イットリア（Ｙ2Ｏ3）に限らず、酸化カルシウム（ＣａＯ）、酸化マグネシウム（ＭｇＯ）、酸化スカンジウム（Ｓｃ2Ｏ3）でもよい。
図４の板ヒータ４０は平板形状であるが、線材で成形してもよく、酸素イオンが通過できる形状であればよい。
また、図４で製造要領の一例を示し、固体電解質層３４を基板としたが、基板は任意であり、例えば、固体電解質層３５を基板として順次積層しても差支えない。
【００３４】
【発明の効果】
本発明は上記構成により次の効果を発揮する。
請求項１では、第１電極の両側に固体電解質層を介して第２・第３電極を各々対向配置したので、両面がともに検出面となり、指向性が２方向に広がる。第２・第３電極のどちらかが排気ガスの流れに臨むので、排気ガスとの接触が早く、応答時間が早い。
第２電極が下流側に向くと、第３電極が上流側を向き、第３電極は第２電極よりも先に検出信号を出力する。従来の下流側で検出していた時間に比べ、検出の時間が早くなり、応答性が向上する。
また、第１電極の両側の固体電解質層を介して酸素イオンの移動を検出するようにしたので、第２・第３電極がともに酸素の濃度を電気信号に変換することができ、両面がともに排気ガス中の酸素濃度を検知できる。
従って、検出の指向性を２方向に広げることができるとともに応答性の向上を図ることができる。
さらに、第２電極は、排気通路の上流側に向けて取付けられるとともに、第３電極は排気通路の下流側に向けて取付けられ、第１電極と第３電極との間に、板ヒータを備え、板ヒータは、酸素イオンを通過させるための開口部を有しているので、排気通路の上流側であっても下流側であっても、即座に酸素濃度の検出を行うことができる。
その上、板ヒータを下流側に配置したことにより、始動の暖気状態であっても、上流側よりも冷たい下流側を迅速に温度上昇させることができるので、より一層、酸素濃度に対する応答時間の短縮化を図ることができる。
【００３５】
請求項２では、第１電極と第２電極との間、又は第１電極と第３電極との間に板ヒータを介在させ、板ヒータは、酸素イオンを通過させるための開口部を有し、板ヒータが配置される固体電解質層は、２つの固体電解質層からなり、そのうちの一つの固体電解質層には、板ヒータを載せるためのヒータ取り付け部が形成されているので、固体電解質層のヒータ取り付け部にヒータ本体を印刷で形成することができるという利点がある。
請求項３では、第１電極と第２電極との間、又は第１電極と第３電極との間に板ヒータを介在させ、板ヒータは、酸素イオンを通過させるための開口部を有し、この開口部は、コの字形に形成されているので、ヒータ本体を印刷で形成することができるとともに、コの字形の内方で酸素イオンを通過させることができるという利点がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る酸素センサの側面図
【図２】本発明に係る酸素センサの断面図
【図３】図２の３−３線断面図
【図４】図２の４−４線断面図
【図５】本発明に係る検出素子の分解斜視図
【図６】本発明に係る酸素センサの第１作用図
【図７】本発明に係る酸素センサの第２作用図
【符号の説明】
１…酸素センサ、１０…本体部、２０…センサ素子部、２１…プロテクタ、３３…第１電極、３４…第１固体電解質層、３５…第２固体電解質層、３５ｇ…第２接続部、３６…第２電極、３７…第３電極、４０…板ヒータ、４１…ヒータ本体、４３…開口部、４４…開口、Ｐ…排気通路。
【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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【図７】
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