(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
断面Ｕ字型で内室を有するセンサ素子と，先端部が該センサ素子の内室に挿入され，上記センサ素子が格納された本体部の外部より熱を導入するための熱導入部材と，上記本体部の外部に配設され，上記熱導入部材の後端部に接続された外部熱源とよりなり，
上記熱導入部材は光ファイバであり，
また上記熱導入部材の後端部には，センサ素子内部の温度を測定するための温度測定器が接続されており，
かつ該温度測定器は，上記センサ素子の内部から輻射される温度に応じた光に基づいてセンサ素子の温度を計測することを特徴とする空燃比センサ。
【請求項２】
請求項１において，上記熱導入部材の開口端は上記センサ素子の内室の底部に向けて開口していることを特徴とする空燃比センサ。
【請求項３】
請求項１又は２において，上記外部熱源はハロゲンランプ，又はタングステンからなる赤外線球より選ばれる一つ以上であることを特徴とする空燃比センサ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【技術分野】
本発明は，自動車エンジン等の空燃比制御に利用される空燃比センサに関するものである。
【０００２】
【従来技術】
従来，自動車エンジンの排気系には，空燃比を検知する空燃比センサが設置され，ここにおいて検知された空燃比を元に上記自動車エンジンの燃焼制御が行われている。これにより，上記自動車エンジンの排気系に設けた三元触媒コンバータ等における排気ガスの浄化効率を高めることができる。
【０００３】
上記空燃比センサとしては，断面Ｕ字型で基準ガスとなる大気が導入された内室を有するセンサ素子と，該センサ素子が配設されたハウジングと，このハウジングの下方を覆う被測定ガス側カバー及びハウジングの上方を覆う大気側カバーとよりなるものがよく知られている（後述の図１参照）。
【０００４】
また，上記センサ素子の内室にはセンサ素子を活性化温度まで速やかに加熱するためのヒータが設けてある。
この場合のヒータとしては，通電により発熱する発熱部を内蔵した絶縁性のセラミックの内部にＷ，Ｗ−Ｒｅ，Ｗ−Ｍｏ，Ｐｔ等の発熱体を有した構成のセラミックヒータがよく利用されている。
【０００５】
【解決しようとする課題】
しかしながら，上記従来のセラミックヒータはセラミックが振動・衝撃等により損傷し易いため，機械的強度が小さく，折れ易いという問題があった。このため，空燃比センサの機械的な耐久性が低くなるという問題があった。
【０００６】
また，セラミックヒータの発熱体材質（Ｗ，Ｐｔ等）の耐熱性はあまり高くないため，温度１０００℃以上で長時間使用可能なヒータを得ることが困難であった。このため，センサ素子の昇温性は低く，始動性に優れた空燃比センサを得ることが難しかった。なお，「始動性に優れる空燃比センサ」とは，セラミックヒータによるセンサ素子の加熱開始後すぐに空燃比の検出ができる空燃比センサを意味している。
【０００７】
更に，空燃比センサにおいて，センサ素子内部の温度を測定することはセンサ素子の耐久性の確保，破損の防止，センサ素子の特性精度の向上等の観点より必要である。しかしながら，センサ素子の形状は小さいため，内室に温度センサ等を配置することは大変困難であった。このため，空燃比センサ作動時のセンサ素子内部の温度を知ることは困難であった。
【０００８】
本発明は，かかる従来の問題点に鑑みてなされたもので，機械的な耐久性に優れ，始動性に優れ，センサ素子内部の温度を容易に知ることが可能な空燃比センサを得ようとするものである。
【０００９】
【課題の解決手段】
請求項１の発明は，断面Ｕ字型で内室を有するセンサ素子と，先端部が該センサ素子の内室に挿入され，上記センサ素子が格納された本体部の外部より熱を導入するための熱導入部材と，上記本体部の外部に配設され，上記熱導入部材の後端部に接続された外部熱源とよりなり，
上記熱導入部材は光ファイバであり，
また上記熱導入部材の後端部には，センサ素子内部の温度を測定するための温度測定器が接続されており，
かつ該温度測定器は，上記センサ素子の内部から輻射される温度に応じた光に基づいてセンサ素子の温度を計測することを特徴とする空燃比センサ。
【００１０】
上記外部熱源として発熱源を利用することができる。この場合，上記熱導入部材は熱伝達性の高い物質よりなることが好ましい。これにより，始動性に優れた空燃比センサを得ることができる。
【００１１】
また，上記外部熱源として光源を利用することができる。また，この光源は特に赤外線を多く発する光源であることが好ましい。なお，この場合の熱導入部材は，後述する請求項２に示すごとく，光の通路となることができる材料より構成されている。
【００１２】
また，上記熱導入部材は柔軟性の高い物質よりなることが好ましい。これにより，外部熱源及び空燃比センサの本体部との配置の自由度を高めることができ，限られた空間への空燃比センサの設置を容易に行うことができる。
なお，上記熱導入部材を複数本内室に配置することもできる。
【００１３】
また，上記本体部は，後述する図１及び実施形態例１に示すごとく，例えばセンサ素子が挿入固定されるハウジングと該ハウジングの下方に設けられ，被測定ガス室を構成する被測定ガス側カバー，該ハウジングの上方に設けられる大気側カバー等より構成されている。
外部熱源はこのような本体部の外方に設けることができる。
【００１４】
次に，本発明の作用につき説明する。
本発明にかかる空燃比センサにおいては，センサ素子の内室に外部熱源が接続された熱導入部材を設けてある。
上記熱導入部材が外部熱源からの熱を内室に導入してセンサ素子を加熱しているため，該熱導入部材として機械的強度の高いものを選択すれば機械的強度の高い空燃比センサを容易に得ることができる。
【００１５】
また，熱導入部材が外部熱源からの熱を内室に導入してセンサ素子を加熱しているため，高温の外部熱源を利用することで加熱開始から短い時間でセンサ素子を素子活性温度まで容易に加熱することができる。よって，始動性に優れた空燃比センサを得ることができる。
また，高温となる外部熱源は本体部の外部にあるため，空燃比センサ内部が熱で損傷するおそれもない。
【００１６】
また，上記熱導入部材は外部熱源から熱を内室に導入することができる。言い換えれば，内室の熱を外部に導出することもできる。このため，外部熱源が停止している間は内室の熱を外部に導出し，これを利用して，センサ素子の内部の温度を知ることができる。
【００１７】
上述したごとく，本発明によれば，機械的な耐久性に優れ，始動性に優れ，センサ素子内部の温度を容易に知ることが可能な空燃比センサを得ることができる。
【００１８】
また，上記熱導入部材は光ファイバである。
これにより，外部からセンサ素子の内部へ，またその逆への熱的エネルギーの移動を高速で，中間損失を少なく，容易に行うことができる。
【００１９】
次に，請求項２の発明のように，上記熱導入部材の開口端は上記センサ素子の内室の底部に向けて開口していることが好ましい。
これにより，効率よくセンサ素子を加熱することができる。
【００２０】
次に，請求項３の発明のように，上記外部熱源はハロゲンランプ，又はタングステンからなる赤外線球より選ばれる一つ以上であることが好ましい。
これにより，多くの赤外線（熱的エネルギー）をセンサ内部へ供給できる。
なお，上記に挙げたもの以外として，ニクロム，タンタル等よりなる電熱器，ヒータ，セラミックよりなるネルンストグロア等を使用することもできる。
【００２１】
また，外部熱源としては赤外線をよく多く発するものが好ましいが，Ｗ，Ｍｏ，Ｖ，Ｐｔ，Ｆｅ，Ｍｎ，Ｎｉ，Ｔａ，ニクロム，カンタル，ステンレス，アルメル，炭素，グラファイト等は通電により赤外線を発するため，これらの材料を利用したヒータの類を使用することができる。
また，シーズヒータ，ＩＲＳ形ランプ，ラジアントバーナー，カーボンアーク灯，水銀ランプ，キセノンランプ，ＣＯ2 レーザー等を利用することも可能である。
【００２２】
次に，上記熱導入部材の後端部には，センサ素子内部の温度を測定するための温度測定器が接続されている。
これにより，センサ素子の温度を検出することができるため，センサ素子の高温による破損を防止することができ，信頼性の向上を図ることができる。
【００２３】
【発明の実施の形態】
実施形態例
本発明の実施形態例にかかる空燃比センサについて図１を用いて説明する。
図１に示すごとく，本例の空燃比センサ１は，断面Ｕ字型で内室２０を有するセンサ素子２と，該センサ素子２の内室２０に挿入され，熱をセンサ素子２が格納された本体部４０の外部より導入するための熱導入部材１０と，上記本体部４０の外部に配設され，上記熱導入部材１０の後端部１０３に接続された外部熱源３１とよりなる。
【００２４】
上記熱導入部材１０は光ファイバよりなり，上記外部熱源３１はハロゲンランプよりなる。また，上記熱導入部材１０の後端部３１には，センサ素子２内部の温度を測定するための温度測定器３４が接続されている。なお，この温度測定器３４は放射温度計である。
【００２５】
以下，詳細に説明する。
本例の空燃比センサ１は，図１に示すごとく，ハウジング４００と該ハウジング４００に挿入固定されたセンサ素子２とよりなる。ハウジング４００の下端は二重の被測定ガス側カバー４１１，４１２よりなり，該被測定ガス側カバー４１１，４１２により被測定ガス室４１が形成され，また該被測定ガス側カバー４１１，４１２には被測定ガス導入孔４１０が設けてある。
【００２６】
また，ハウジング４００の上端には大気側カバー４２１，４２２，４２３がかしめ固定されている。この大気側カバー４２１，４２２，４２３の内部にはセンサ素子２の接続端子２１１，２２１及び熱導入部材１０が挿通配置されたインシュレータ４３及びゴムブッシュ（弾性材料）４４が設けてある。なお，ハウジング４００，被測定ガス側カバー４１１，４１２，大気側カバー４２１，４２２，４２３により空燃比センサ１の本体部４０が形成されている。
【００２７】
上記センサ素子２は断面Ｕ字型で酸素イオン導電性の固体電解質体２００と，該固体電解質２００の内側面及び外側面にそれぞれ形成された内側電極２２及び外側電極２１とよりなる。上記内側電極２２及び外側電極２１のそれぞれに対し電気的導通が確保された端子２１０，２２０が設けられ，該端子２１０，２２０より延設されたリード部は接続端子２１１，２２１によりリード線２１２，２２２に接続され，このリード線２１２，２２２よりセンサ出力が外部へと取出される。
【００２８】
上記センサ素子２の内室２０には固定部材１０２により固定された熱導入部材１０が配置されている。熱導入部材１０は開口端１００の近傍を除いてカバー部材１０１により被覆されている。上記開口端１００は内室２０の底部２００に向けて開口されている。
上記熱導入部材１０はインシュレータ４３，ゴムブッシュ（弾性材料）４４を経て空燃比センサ１の本体部４０の外部に引き出されている。
【００２９】
上記熱導入部材１０の後端部１０３は本体部４０の外部にあり，ここにおいてケース３に接続されている。ケース３の内部には外部熱源３１であるハロゲンランプ，温度測定器３４に接続された受光素子３２が設けてある。
符号３３はハロゲンランプの電源，符号３４は温度測定器，符号３５は制御装置である。
【００３０】
本例の空燃比センサの作動について以下に説明する。
制御装置３５により電源３３がＯＮとなり外部熱源３１であるハロゲンランプが点灯する。このハロゲンランプから発した光３１０は光ファイバである熱導入部材１０を通じて開口端１００より内室２０の底部２００に投射される。これにより，センサ素子２が加熱される。
【００３１】
その後，センサ素子２内部の温度を測定するために，制御装置３５により電源３３をＯＦＦとして，外部熱源３１であるハロゲンランプを消灯させる。
次に，制御装置３５は温度測定器３４を起動する。
センサ素子２の内部からは，該センサ素子２の温度に応じた光が輻射され，この光が熱導入部材１０を経て，ケース３の内部に導入され，受光素子３２で受信される。この光３２０に基づいて温度測定器３４がセンサ素子２の温度を測定する。
【００３２】
次に，本例にかかる空燃比センサ１の性能について以下に示すごとく試験を行った。
まず，ハロゲンランプを取付けた光源ボックスを準備した。これが空燃比センサ１におけるケース３に相当する。また，ハロゲンランプは出力が１００Ｗ，１５０Ｗ，３００Ｗのものを準備した。このボックスに対し素線径５０μｍ，バンドル径５ｍｍ，長さ１０００ｍｍである光ファイバを接続した。なお，素線径とは熱的エネルギーを送るファイバー体の径を意味している。バンドル径とは素線を束にした外径を意味している。また，この光ファイバは多成分ガラスファイバである。
【００３３】
そして，上記光ファイバにおいて，ハロゲンランプから発せられた光が入射する入射面，光ファイバを経由して光が外部に放たれる出射面，また光ファイバの外周面についてそれぞれ熱電対を用いて温度を測定した。また，この測定は室温２８．１℃で行った。また，加熱開始より入射面の温度が２５０℃となるまでの時間を到達時間とした。
この結果を表１に記載した。
【００３４】
同表より知れるごとく，ハロゲンランプの点灯により光ファイバの出射面の温度が上昇したことが分かった。また，熱導入部材である光ファイバの外周面の温度は出射面程は高くならないことが分かった。
【００３５】
以上により，本例にかかる空燃比センサ１において，光ファイバよりなる熱導入部材１０が外部熱源３１であるハロゲンランプから発した光をセンサ素子２内部に導入することができ，センサ素子２を加熱できることが分かった。
また，熱導入部材１０を配設することで，空燃比センサ１のセンサ素子２の内部以外の部分が加熱されるおそれもないことが分かった。
更に，同表より知れるごとく，入射面の温度が２５０℃に達する到達時間が十数秒以下と非常に短いことが分かった。
【００３６】
この点から，本例にかかる空燃比センサ１においては，外部熱源３１であるハロゲンランプの点灯から僅かの時間でセンサ素子２が素子活性温度に到達し，空燃比検出を行うことができることが分かった。つまり，本例にかかる空燃比センサ１が始動性に優れた空燃比センサであることが分かった。
【００３７】
本例にかかる空燃比センサの作用効果について説明する。
本例にかかる空燃比センサ１においては，センサ素子２の内室２０に外部熱源３１が接続された熱導入部材１０を設けてあり，上記熱導入部材１０は光ファイバよりなる。よって，本例の空燃比センサ１は機械的強度に優れている。
【００３８】
また，熱導入部材１０が外部熱源３１のハロゲンランプからの光を内室２０に導入してセンサ素子２を加熱しているため，加熱開始から短い時間でセンサ素子２を素子活性温度まで容易に加熱することができる（表１参照）。よって，本例にかかる空燃比センサ１は始動性に優れている。
また，高温となる外部熱源３１は本体部４０の外部にあるため，空燃比センサ１内部が熱で損傷するおそれもない。
【００３９】
また，上記熱導入部材１０は内室２０の輻射を外部に導出することができる。そして，これを受光素子３２と温度測定器３４により検出することにより，センサ素子２の内部の温度を測定することができる。
このため，センサ素子２の熱的エネルギーの導入を少なくする，あるいは中止する，あるいは車両内燃機関の燃焼制御系に設置することにより該内燃機関の燃焼状態をコントロールすることができる。
【００４０】
以上により本例によれば，機械的な耐久性に優れ，始動性に優れ，センサ素子内部の温度を容易に知ることが可能な空燃比センサを提供することができる。
【００４１】
【表１】
0003855448.tif 000002
【図面の簡単な説明】
【図１】実施形態例にかかる，空燃比センサの構造を示す説明図。
【符号の説明】
１．．．空燃比センサ，
１０．．．熱導入部材，
１０１．．．開口端，
１０３．．．後端部，
２．．．センサ素子，
２０．．．内室，
２００．．．底部，
３１．．．外部熱源，
３４．．．温度測定器，
４０．．．本体部，
【図１】
0003855448.tif 000003