DE69737316T2

DE69737316T2 - Sauerstoffsensor mit einem Heizelelement

Info

Publication number: DE69737316T2
Application number: DE69737316T
Authority: DE
Inventors: Nobuhiro Mizuho-ku Nagoya-shi Hayakawa; Syogo Mizuho-ku Nagoya-shi Kawajiri; Yoshiro Mizuho-ku Nagoya-shi Noda; Hiroshi Mizuho-ku Nagoya-shi Miyata; Satoshi Mizuho-ku Nagoya-shi Ishikawa; Shoji Mizuho-ku Nagoya-shi Akatsuka
Original assignee: NGK Spark Plug Co Ltd
Current assignee: Niterra Co Ltd
Priority date: 1996-06-05
Filing date: 1997-06-05
Publication date: 2007-05-31
Anticipated expiration: 2017-06-06
Also published as: EP0811840B1; EP0811840A3; JPH1054822A; DE69737316D1; EP0811840A2; US5804050A; JP3027726B2

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
1. Sachgebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen Sauerstoffsensor zum Erfassen einer Sauerstoffkonzentration in Abgasen eines Verbrennungsmotors oder auf einen Sauerstoffsensor zum Erfassen von Sauerstoff in einem spezifischen Gas. Genauer gesagt bezieht sich die vorliegende Erfindung auf einen Sauerstoffsensor mit einer Heizeinrichtung, die den Sauerstoffsensor schnell bis zu seiner Aktivierungstemperatur erwärmen kann.
2. Beschreibung des in Bezug stehenden Stands der Technik
In neuerer Zeit ist ein zunehmender Bedarf für das Reinigen der Abgase zum Beispiel von einem Verbrennungsmotor eines Kraftfahrzeugs vorhanden. In diesem Fall wird ein Sauerstoffsensor mit einer Heizeinrichtung entwickelt, der in der Lage ist, gut eine Sauerstoffkonzentration in den Abgasen von dem Verbrennungsmotor gerade unter einem Zustand zu erfassen, dass die Abgastemperatur niedrig ist, zum Beispiel bei dem Starten des Motors oder zum Zeitpunkt eines Leerlaufs. Die ungeprüfte japanische Patentveröffentlichung (Kokai) No. Hei 4-157358 offenbart zum Beispiel einen Sauerstoffsensor, der ein Sauerstofferfassungselement mit einem ausgehöhlten, wellenähnlichen Element, das ein geschlossenes Ende und eine Elektrodenschicht auf der Innenwand davon besitzt, und ein wellenähnliches Heizglied, das innerhalb des Sauerstofferfassungselements angeordnet ist, um das Sauerstofferfassungselement zu erwärmen, umfasst. In dem Sauerstoffsensor ist ein wellen-(stab)-ähnliches Heizglied (Heizeinrichtung) koaxial in den Innenraum des testrohr-ähnlichen Sauerstofferfassungselements eingesetzt, das aus einem Festelektrolyt einer Sauerstoff-Eisen-Leitung, bis das äußerste Ende davon die innere Fläche des äußersten Endes des Erfassungselements erreicht oder in die Nähe davon gelangt, hergestellt ist.
Bei diesem Typ des Sauerstoffsensors bestehen, wenn das Sauerstofferfassungselement nicht gleichförmig erwärmt wird, ausreichend erwärmte und aktivierte Bereiche und unzureichend erwärmte und solche mit hohem Widerstand nebeneinander in dem Sauerstofferfassungselement. Ein elektrischer Widerstand des gesamten Erfassungselements wird häufig durch die Bereiche eines hohen Widerstands bestimmt. Das Ergebnis wird eine Ausdehnung für eine Zeit sein, die andauert, bis der Widerstandswert des Elements zufrieden stellend niedrig ist und das Element aktiviert wird, nämlich eine Anstiegszeit des Sensors. In dem herkömmlichen Aufbau des Sensors ist das Heizglied koaxial zu dem Sauerstofferfassungselement angeordnet, wobei das Sauerstofferfassungselement gleichförmig in der Umfangsrichtung erwärmt wird und deshalb gleichförmig in derselben Richtung aktiviert wird. Das äußerste Ende des Heizglieds steht nämlich in Kontakt mit der inneren Fläche des äußersten Endes des Sauerstofferfassungselements oder befindet sich nahe dazu. Deshalb wird sich eine Wärmeübertragung von dem äußersten Ende des Heizglieds auf das Sauerstofferfassungselement auf einem zufrieden stellenden Niveau befinden. In dieser Hinsicht wird das Ende, um die Anstiegszeit des Sensors zu verringern, in einem bestimmten Umfang erreicht werden.
Allerdings besitzt der herkömmliche Sensor die folgenden Probleme, die gelöst werden müssen. Wenn ein stabähnliches Heizglied und/oder ein ausgehöhltes Sauerstofferfassungselement thermisch expandiert wird/werden, wird das äußerste Ende des Heizglieds von der inneren Fläche des äußersten Endes des Sauerstofferfassungselements beabstandet, so dass eine Wärmeübertragungseffektivität verschlechtert wird. Zum Zeitpunkt eines thermischen Expandierens des Elements und des Teils kann es auftreten, dass das äußerste Ende des Heizglieds gegen die innere Fläche des äußersten Endes des Sauerstofferfassungselements gedrückt wird. In diesem Fall wird eine Spannung erzwungenermaßen erzeugt, die nachteilig die Haltbarkeit der Vorrichtung beeinflusst. Demzufolge wird der Sauerstoffsensor stark durch die thermische Expansion beeinflusst. Dies führt zu einer Ungleichförmigkeit des Heizzustands des Sauerstofferfassungsele ments und zu einer Variation der Charakteristika der Sauerstoffsensoren. Eine mögliche Maßnahme, um dieses Problem zu lösen, ist diejenige, dass ein relativ großer Raum zwischen dem Heizglied und dem Sauerstofferfassungselement gebildet wird. Allerdings schlägt diese Maßnahme dabei fehl, das Problem zu lösen, da die Wärmeübertragung effektiv herabgesetzt wird und die Sensoranstiegszeit lang ist.
Zum Beispiel berührt das Heizglied das Sauerstofferfassungselement, um die Verringerung der Anstiegszeit sicherzustellen. Herkömmlich wird, um die Anstiegszeit zu verringern, das Sauerstofferfassungselement gleichförmig erwärmt und das Heizglied wird koaxial zu dem Sauerstofferfassungselement angeordnet. Deshalb ist der Kontaktbereich des Heizglieds mit dem Sauerstofferfassungselement zwischen dem äußersten Ende des Heizglieds und der inneren Oberfläche des äußersten Endes des Sauerstofferfassungselements eingestellt worden.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Sauerstoffsensor mit einer Heizeinrichtung zu schaffen, die gut eine Sauerstoffkonzentration in den Abgasen von einem Verbrennungsmotor gerade unter einem Zustand erfassen kann, dass die Abgastemperatur niedrig ist, zum Beispiel bei einem Starten des Motors oder zum Zeitpunkt eines Leerlaufs, und zwar durch schnelles und effizientes Erwärmen eines Sauerstofferfassungselements eines Elements ähnlich einer ausgehöhlten Welle, und zwar durch ein Heizglied, das in dem Erfassungselement enthalten ist, und eine Variation der Charakteristika der Sensoren auf das Minimum unterdrücken kann.
Ein Sauerstoffsensor gemäß der vorliegenden Erfindung besitzt ein schaftähnliches Heizglied, das innerhalb eines Sauerstofferfassungselements eines ausgehöhlten, schaftähnlichen Elements mit dem geschlossenen Element angeordnet ist, wobei die Mittellinie des Heizglieds exzentrisch zu der Mittellinie des hohlen Abschnitts des Sauerstofferfassungselements in der Nähe des Heizabschnitts des Heizglieds liegt.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
In den beigefügten Zeichnungen:
1 zeigt eine Längsschnittansicht, die einen Sauerstoffsensor gemäß einer Ausführungsform 1 der vorliegenden Erfindung darstellt;
2 zeigt eine vergrößerte Querschnittsansicht, die die Kontaktposition eines Heizabschnitts eines Sauerstofferfassungselements in der Ausführungsform der 1 darstellt;
3 zeigt eine Teilquerschnittsansicht, die konzeptmäßig einen Schlüsselbereich der Ausführungsform darstellt;
4 zeigt eine Teilquerschnittsansicht, die konzeptmäßig einen Schlüsselbereich eines herkömmlichen Sauerstoffsensors darstellt;
5A und 5B zeigen Ansichten, die ein Beispiel des Heizglieds der 1 darstellen;
6A und 6B zeigen Ansichten, die eine Anordnung darstellen, bei der Anschlusselemente in das Heizglied montiert sind;
7A und 7B zeigen Ansichten, die das Anschlusselement der 6 darstellen;
8 zeigt eine Längsschnittansicht, die einen Sauerstoffsensor gemäß einer Ausführungsform 2 der vorliegenden Erfindung darstellt;
9A bis 9C zeigen Ansichten, die ein Anschlusselement der 8 darstellen;
10A und 10B zeigen Ansichten, die eine Anordnung darstellen, bei der das Anschlusselement in einem Heizglied montiert ist;
11A bis 11D zeigen Ansichten, die eine Platte darstellen, um das Anschlusselement der 8 zu bilden;
12 zeigt eine Ansicht, die übertrieben eine Betriebsweise des Anschlusselements der 8 darstellt;
13A und 13B zeigen grafische Darstellungen, die Variationen des Durchschnittswerts TAV und der Standardabweichung δT der Sensoranstiegszeiten darstellen, die über experimentelle Messungen, in Bezug auf die Differenz ΔD, erhalten sind; und
14A und 14B zeigen grafische Darstellungen, die Variationen des Durchschnittswerts TAV und der Standardabweichung δT von Sensoranstiegszeiten darstellen, die über experimentelle Messungen, in Bezug auf ΔD/DB, erhalten sind.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Die detaillierte Beschreibung der vorliegenden Erfindung wird nachfolgend angegeben.
In einem Sauerstoffsensor gemäß der vorliegenden Erfindung, der ein schaftähnliches Heizglied besitzt, das innerhalb eines Sauerstofferfassungselements eines ausgehöhlten, schaftähnlichen Elements mit dem geschlossenen Ende angeordnet ist, ist die Mittellinie des Heizglieds exzentrisch zu der Mittellinie des Hohlraums des Sauerstofferfassungselements in der Nähe des Heizabschnitts des Heizglieds angeordnet.
Dabei berührt. in dem Sauerstoffsensor gemäß der vorliegenden Erfindung, das Heizelement nicht das Bodenende des Sauerstofferfassungselements.
Als die Folge einer solchen Exzentrizität stößt die Oberfläche des Heizabschnitts des Heizglieds vorzugsweise an die Innenwand eines ausgehöhlten Raums des Sauerstofferfassungselements an.
Wenn die Mittellinie des Heizglieds exzentrisch zu der Mittellinie des Hohlraums des Sauerstofferfassungselements liegt, wird ein Abschnitt des Sauerstofferfassungselements, der näher zu dem Heizglied liegt, stärker erhitzt, und eine Wärmeverteilung über den Umfang des Sauerstofferfassungselements kann nicht gleichförmig sein. Allerdings ist es, gemäß dem Aufbau der vorliegenden Erfindung, möglich, dass eine Aktivierungszeit des Sauerstoffsensors kürzer als diejenige des herkömmlichen Sensors ist.
In der seitlich anstoßenden Struktur, bei der das Heizglied seitwärts an der inneren Wand des Sauerstofferfassungselements anstößt, wird Wärme, die in dem Heizabschnitt des Heizglieds erzeugt ist, direkt von dem Heizelement zu dem Sauerstofferfassungselement durch den Kontaktbereich übertragen. Wärme, die von dem Abschnitt um den Kontaktbereich herum abgestrahlt ist, erwärmt zusätzlich das Sauerstofferfassungselement. Deshalb wird das Sauerstofferfassungselement schnell erwärmt. Das bedeutet, dass eine Aktivierungszeit des Sensors verringert wird. Wenn der Heizabschnitt und das Sauerstofferfas sungselement thermisch expandiert werden, wird die Struktur, bei der der Heizabschnitt des Sauerstofferfassungselements seitwärts an die Innenwand des Sauerstofferfassungselements anstößt, weniger durch die thermische Expansion als bei der Struktur beeinflusst, bei der das äußerste Ende des Heizabschnitts an die innere Fläche des äußersten Endes des Sauerstofferfassungselements anstößt. Mit anderen Worten kann, wenn der Heizabschnitt und das Sauerstofferfassungselement eine Heiz-Historik haben (häufig erwärmt und abgekühlt), die seitlich anstoßende Struktur einen guten Kontakt von diesen beibehalten.
In der Struktur, bei der der Heizabschnitt des Sauerstofferfassungselements seitwärts an der Innenwand des Sauerstofferfassungselements anstößt, wirken die direkte Wärmeübertragung aufgrund des Kontakts und die Strahlungswärme so zusammen, um eine effizientere Wärmeübertragung als bei einer Struktur mit einem Kontakt Ende an Ende zu erreichen. Die Tatsache, dass ein stabiler Kontakt des Sauerstofferfassungselements und des Heizabschnitts des Heizglieds sichergestellt wird, führt zu der Verringerung der Ungleichförmigkeit der Wärmeverteilung über das Sauerstofferfassungselement, und demzufolge zu der Verringerung einer Variation der Charakteristika der Produkte der Sauerstoffsensoren.
Die Elektrodenschichten können jeweils auf den inneren und äußeren Flächen des Sauerstofferfassungselements geschichtet sein. In diesem Fall sind die Elektrodenschichten solche Elektroden (zum Beispiel poröse Pt-Elektroden), die eine katalytische Funktion (katalytische Funktion einer Sauerstoff-Dissoziation) in Bezug auf eine Dissoziationsreaktion von Sauerstoffmolekülen, um Sauerstoff in dem Festelektrolyt des Sauerstofferfassungselements zu injizieren, und eine Rekombinationsreaktion von Sauerstoff, um zu bewirken, dass Festelektrolyt Sauerstoff abgibt, haben. Der Grund, warum, wenn das Sauerstofferfassungselement lokal erwärmt wird, eine Anstiegszeit des Sensors auf einen Wert im Wesentlichen gleich zu demjenigen der Anstiegszeit des herkömmlichen Sensors beibehalten wird, oder stärker verringert wird als bei dem herkömmlichen Sensor, kann wie folgt abgeschätzt werden.
Der Sauerstoffsensor dieses Typs arbeitet wie folgt. Ein Referenzgas, wie beispielsweise Luft, wird in die Innenseite des Sauerstofferfassungselements eingeführt, und ein Gas, das gemessen werden soll, wie beispielsweise ein Abgas, wird auf die Außenseite des Sauerstofferfassungselements aufgebracht.
Eine Sauerstoffkonzentration in einem Gas, das gemessen wird, wird in Termen einer elektromotorischen Kraft erfasst, die in dem Sauerstofferfassungselement erzeugt wird, und zwar in Abhängigkeit einer Differenz zwischen den Sauerstoffkonzentrationen innerhalb und außerhalb des Sauerstofferfassungselements. Damit das Sauerstofferfassungselement, das mit einem Sauerstoffionen leitenden Festelektrolyt aufgebaut ist, um eine ausreichende elektromotorische Kraft bewirkt, ist es notwendig, dass ein elektrischer Widerstand des Sauerstofferfassungselements ausreichend klein ist und dass die katalytische Aktivität der Elektrodenschichten in Bezug auf die Dissoziation und die Rekombinationsreaktion der Sauerstoffmoleküle ausreichend hoch ist. Ein Ausgangspegel des Sauerstoffsensors wird in Abhängigkeit eines Kompromisses zwischen einem elektrischen Widerstandswerts des Sauerstofferfassungselements und der katalytischen Aktivität der Elektrodenschichten bestimmt.
Eine katalytische Aktivität der porösen Elektrode, die aus Pt, zum Beispiel, gebildet ist, tendiert dazu, dass sie sich stärker in Bezug auf die Temperatur im Vergleich zu einer Sauerstoffionen-Mobilität eines Festelektrolyts der ZrO₂-Gruppe, zum Beispiel, erhöht. Wenn das Sauerstofferfassungselement lokal durch den Aufbau der vorliegenden Erfindung erwärmt wird, verringert sich der elektrische Widerstand des Sauerstofferfassungselements geringer aufgrund einer Festelektrolyt-Aktivierung als in dem herkömmlichen Aufbau, bei dem das Sauerstofferfassungselement koaxial zu dem Heizglied angeordnet ist, um das Problem einer ungleichförmigen Erwärmung zu bewältigen. In diesem Fall ist ein erwärmter Abschnitt des Sauerstofferfassungselements in der Temperatur höher als in dem herkömmlichen Aufbau, so dass die katalytische Aktivität an den Bereichen der Elektrodenschichten entsprechend der Position zu dem erwärmten Abschnitt erhöht wird. Mit der Erhöhung der katalytischen Aktivität der Elektrodenschicht wird die Dissoziation der Sauerstoffmoleküle in dem Gas, das gemessen wird, unterstützt, so dass die elektromotorische Kraft des Fest-Elektrolyts und demzufolge der Ausgangspegel des Sensors erhöht wird, und die Aktivierungszeit (Anstiegszeit) des Sensors ist gleich zu dem herkömmlichen oder ist verringert, um kürzer als der herkömmliche zu sein.
In der vorliegenden Erfindung kann die folgende Struktur verwendet werden: das Heizglied befindet sich exzentrisch zu dem Sauerstofferfassungselement, allerdings wird die Oberfläche des Heizabschnitts des Heizglieds in die Nähe der Innenwand des Sauerstofferfassungselements gesetzt, nämlich nicht in Kontakt mit dem letzteren. In dem Aufbau wird mehr Wärme von dem Heizabschnitt zu dem Sauerstofferfassungselement als in dem Aufbau abgestrahlt, der keine Exzentrizität des Heizglieds besitzt, und zwar von dem Sauerstofferfassungselement. Dies trägt auch zu der Verringerung der Aktivierungszeit des Sauerstoffsensors bei.
In dem Sauerstoffsensor der Erfindung ist es bevorzugt, dass eine Differenz ΔD zwischen dem Innendurchmesser DA des Erfassungselements und dem Außendurchmesser DB des Heizglieds kürzer als 0,35 mm ist. Der Durchmesser der Innenseite eines Querschnitts des Sauerstofferfassungselements und der Durchmesser der Außenseite eines Querschnitts des Heizglieds bedeutet jeweils der Innendurchmesser des Sauerstofferfassungselements und der Außendurchmesser des Heizglieds, wenn die Innenfläche des Sauerstofferfassungselements und die Außenfläche des Heizglieds zylindrische Flächen sind. Wenn die Innenfläche des Sauerstofferfassungselements und die Außenfläche des Heizglieds im Querschnitt nicht kreisförmig sind, werden diese in die Flächen, die im Querschnitt kreisförmig sind, durch Berechnungen umgewandelt, und der Innendurchmesser und die Außendurchmesser von diesen, die umgewandelt sind, werden verwendet. Wenn der Durchmesser des Querschnitts variiert (zum Beispiel die äußere Oberfläche des Elements und des Glieds sind in der Längsrichtung konisch), wird ein Durchschnittswert der Durchmesser von jedem davon, in Längsrichtung gemessen, verwendet.
Wenn ΔD = DA – DB den Wert von 0,35 mm übersteigt, wird die Aktivierungszeit des Sauerstofferfassungselements und demzufolge die Sensoranstiegszeit erhöht oder die Anstiegszeiten der Produkte der Sauerstoffsensoren tendieren dazu, dass sie nicht gleichförmig sind. Der Grund hierfür kann so abgeschätzt werden, dass dann, wenn das Heizglied seitwärts an die Innenwand des Sauerstofferfassungselements anstößt, wenn die Differenz Δ groß ist, Kräfte, um das Heizglied an die Innenwand der Produkte anzustoßen, dazu tendieren, dass sie ungleichförmig sind. Die Differenz ΔD ist bevorzugter 0,30 mm oder kürzer. Wenn die Differenz ΔD kürzer als 0,1 mm ist, ist es schwierig, das Heizglied in das Sauerstofferfassungselement einzusetzen, was die Verringerung der Effektivität bei der Montage des Heizglieds an dem Sauerstofferfassungselement mit sich bringt. Aus diesem Grund beträgt die Differenz ΔD vorzugsweise 0,1 mm oder größer, noch bevorzugter 0,15 mm oder größer. Dieser Bereich wird bei einem Fall angewandt, bei dem das Heizglied nicht an die Innenwand des Sauerstofferfassungselements anstößt.
Ein Verhältnis der Differenz ΔD (ΔD = DA – DB) zu dem Außendurchmesser DB des Heizglieds beträgt vorzugsweise 0,13 oder geringer. Wenn das Verhältnis ΔD/DB den Wert von 0,13 übersteigt, ist die Anstiegszeit des Sensors länger oder die Charakteristika der Produkte der Sauerstoffsensoren tendieren dazu, dass sie ungleichförmig sind. Deshalb wird das Verhältnis ΔD/DB vorzugsweise auf 0,10 oder kleiner eingestellt.
Weiterhin ist in der vorliegenden Erfindung ein Teil des Heizabschnitts des Heizglieds, wenn in der Umfangsrichtung gesehen wird, niedrig in der Wärmeverteilung über den Heizabschnitt, wenn der Heizabschnitt des Heizglieds einen Teil auf der Umfangsrichtung haben kann, die in der Wärmeverteilung niedrig ist, und der Heizabschnitt des Heizglieds stößt an der Innenwand des Sauerstofferfassungselements an einer Position auf den verbleibenden Bereich an. Ein Wärme erzeugendes Widerstandsmuster wird auf einer keramischen, grünen Platte aufgedruckt, das erhaltene Teil wird dann um das Kernelement herum gewickelt, und gesintert, um dadurch einen Heizabschnitt zu bilden. In diesem Fall ist das die Wärme erzeugende Widerstandsmuster dünn an einem Bereich, wo die Enden der keramischen, grünen Platte, mit dem Widerstandsmuster darauf aufgedruckt, angeordnet sind. Die gegenüberliegende Seite der Heizabschnittsfläche zu dem dünnen Widerstandsmusterbereich stößt vorzugsweise gegen die Innenwand des Sauerstofferfassungselements an. Der dünne Bereich des Widerstandsmusters kann in Kontakt mit der Innenwand des Sauerstofferfassungselements gebracht werden. Auch kann in diesem Fall eine gegebene Wärmeübertragung sichergestellt werden. Wenn der Bereich, der ausreichend Wärme erzeugt, im Gegensatz zu dem dünnen Bereich des Widerstandsmusters, in Kontakt mit der Innenwand des Sauerstofferfassungselements, gebracht wird, wird eine effektivere Wärmeübertragung sicher gestellt. Da der Heizabschnitt des Heizglieds lokal existiert, wenn in der Umfangsrichtung gesehen wird, wird thermische Energie in einem kleineren Volumen konzentriert. Dieses besondere Merkmal ist insbesondere zum Verringern der Aktivierungszeit, nachdem der Strom zu der Heizeinrichtung zugeführt ist, effektiv.
Der Heizabschnitt kann näher zu einem Ende des Heizglieds angeordnet sein. Dieses besondere Merkmal ist dabei effektiv, schnell ein Erwärmen des Sauerstofferfassungselements vorzunehmen. Der Heizabschnitt kann über die gesamte Oberfläche des Heizglieds gebildet sein. In diesem Fall tendiert die thermische Energie dazu, dass sie sich verteilt. Um ein effektives Erwärmen des Sauerstofferfassungselements sicher zu stellen, ist es erwünscht, den Heizabschnitt näher zu einem Ende des Heizglieds anzuordnen, da Wärme lokal oder an einem lokalen Teil erzeugt wird. Die lokal erzeugte Wärme und die seitlich anstoßende Struktur arbeiten so zusammen, um stärker die Aktivierungszeit des Sensors zu verringern.
In der vorliegenden Erfindung kann das Heizglied in das Sauerstofferfassungselement mittels eines Anschlusselements eingebaut sein und der Heizabschnitt des Heizglieds wird gegen die Innenwand des Sauerstofferfassungselements durch das Anschlusselement gedrückt. Dieses Merkmal gestaltet die seitlich anstoßende Struktur stabil und unterdrückt weiterhin die charakteristischen Variationen der Sensorprodukte.
Vorzugsweise umfasst das Anschlusselement einen Heizglied-Halter, um das Heizglied zu halten, zumindest einen inneren Elektrodenverbinder, der umfangsmäßig das Heizglied umgibt und in Kontakt mit der Elektrodenschicht steht, die auf der Innenwand des Sauerstofferfassungselements geschichtet ist, und eine Führung, um das Heizglied in der Richtung orthogonal zu der axialen Richtung des Heizglieds zu drücken, wobei die Führung an dem gegenüberliegenden Ende zu dem Ende vorgesehen ist, das den Heizglied-Halter besitzt. In diesem Aufbau liegt die Mittellinie des Heizglieds exzentrisch zu der Mittellinie des ausgehöhlten Raums des Sauerstofferfassungselements durch die Führung, wodurch die Oberfläche des Heizabschnitts des Heizglieds gegen die innere Wand (häufig bezeichnet als die innere Wand des Elements) des ausgehöhlten Raums des Sauerstofferfassungselements gedrückt und daran befestigt wird. Dieses Merkmal, bei dem die Führung das Heizglied gegen die innere Wand des Elements drückt, gestaltet es einfach, die seitlich anstoßende Struktur zu realisieren.
Von der Sichtweise der Reaktionskräfte, die in dem Heizglied erzeugt sind, wird eine elastische Kraft der Führung in einem solchen Umfang verringert, dass die Führung in der Lage ist, einem Biegemoment, das sich aus einer Kombination einer Reaktionskraft, die auf das Heizglied in der inneren Wand des Sauerstofferfassungselements einwirkt, die auf das Heizglied einwirkt, ergibt, einer Reaktionskraft, die auf das Heizglied in der Führung einwirkt, und einer Reaktionskraft, die auf das Heizglied in dem Heizglied-Halter einwirkt, standhalten. Mit anderen Worten wird die elastische Kraft der Führung dazu verwendet, das Heizglied gegen die innere Wand des Elements zu drücken. Durch geeignetes Einstellen der elastischen Kraft kann ein drückender Zustand als eine aktive Form eines Kontakts stabil beibehalten werden, während das Heizglied gegen eine Beschädigung geschützt wird.
Als eine spezifische Form, um die elastische Kraft der Führung zu verringern, umfasst das Anschlusselement einen begrenzten Verbindungsteil, um die Führung und den inneren Elektrodenverbinder zu verbinden, und/oder einen begrenzten Verbindungsteil, um den inneren Elektrodenverbinder und den Heizglied-Halter miteinander zu verbinden. Durch die Vorsehung des Verbindungsteils wird die elastische Kraft der Führung geeignet reduziert, um effektiv die Beschädigung des Heizglieds zu vermeiden. Wenn das Heizglied durch eine thermische Spannung, die darin erzeugt wird, deformiert wird, wird der Verbindungsteil elastisch deformiert (oder plastisch deformiert), um dadurch die Deformation des Heizglieds durch die thermische Spannung zu verringern. Dieser nützliche Effekt kann auch dann erwartet werden, wenn der Verbindungsteil verwendet wird.
Als eine andere bevorzugte Form des Anschlusselements umfasst das Anschlusselement einen inneren Elektrodenverbinder, der umfangsmäßig das Heizglied umgibt und in Kontakt mit der Elektrodenschicht, die auf der inneren Wand des Sauerstofferfassungselements geschichtet ist, steht, einen ersten Heizglied-Halter, um das Heizglied zu halten, wobei der erste Heizglied-Halter integral mit dem inneren Elektrodenverbinder verbunden ist, während er an einem Ende des inneren Elektrodenverbinders angeordnet ist, wenn in der axialen Richtung des Heizglieds gesehen wird, und der das Heizglied umgibt, und einen zweiten Heizglied-Halter zum Halten des Heizglieds, wobei der zweite Heizglied-Halter integral mit dem inneren Elektrodenverbinder ausgebildet ist, während er an dem anderen Ende des inneren Elektrodenverbinders angeordnet ist, wenn in der axialen Rich tung des Heizglieds gesehen wird, und der das Heizglied umgibt, und wobei die axiale Mittellinie des zweiten Heizglied-Halters exzentrisch zu der axialen Mittellinie des ersten Heizglied-Halters liegt, wobei die axiale Mittellinie des Heizglieds schräg zu der axialen Mittellinie des ausgehöhlten Raums des Sauerstofferfassungselements durch den ersten und den zweiten Heizglied-Halter, deren axiale Mittellinien exzentrisch zueinander verlaufen, liegt, wodurch der Heizabschnitt des Heizglieds gegen die innere Wand des ausgehöhlten Raums gedrückt wird. In dem so aufgebauten Anschlusselement verläuft die axiale Mittellinie des Heizglieds schräg zu der axialen Mittellinie eines ausgehöhlten Raums des Sauerstofferfassungselements durch den ersten und den zweiten Heizglied-Halter, deren axiale Mittellinien exzentrisch zueinander liegen, wodurch der Heizabschnitt des Heizglieds gegen die Innenwand des Hohlraums gedrückt wird und daran befestigt wird. Das Heizglied wird gegen die innere Wand des Elements gedrückt, während es schräg durch den ersten und den zweiten Heizglied-Halter, deren axiale Mittellinien exzentrisch zueinander liegen, gehalten wird. Deshalb kann die seitlich anstoßende Struktur einfach mit der Hilfe des so aufgebauten Anschlusselements realisiert werden. Deshalb kann das Heizglied stabil in seinem schräg gestellten Zustand gehalten werden, so dass der seitlich anstoßende Effekt des Heizglieds weiter erhöht wird.
Genauer gesagt können der erste Heizglied-Halter und der zweite Heizglied-Halter mit jeweiligen entsprechenden Endabschnitten des inneren Elektrodenverbinders auf derselben Seite des Umfangs des Heizglieds in der Richtung des Durchmessers verbunden werden, und die axiale Mittellinie des ersten Heizglied-Halters kann weiter als die axiale Mittellinie des zweiten Heizglied-Halters in Bezug auf die Verbindungsteile davon liegen. Wenn der Heizabschnitt in dem distalen Ende des Heizglieds gebildet ist, verläuft der Heizabschnitt des Heizglieds schräg zu den Verbindungsteilen und stößt an der inneren Wand des Elements auf der Seite der Verbindungsteile an. Dort, wo der Ausgangsanschluss (oder der Erdungsanschluss) des Sauerstofferfassungselements vorgesehen ist, steht er von dem Ende des ersten Heizglied-Halters vor, das gegenüberliegend zu dem Ende davon liegt, das den inneren Elektrodenverbinder besitzt, und zwar an einer Position entsprechend zu den Verbindungsteilen. Wenn das Heizglied so angeordnet ist, wie dies vorstehend erwähnt ist, werden, bei der Montage des Sauerstoffsensors, die Heizeinrichtungsanschlüsse (gebildet an dem Ende des Heizglieds gegenüberliegend zu dem Ende davon, das den Heizabschnitt besitzt) des Heizglieds so gestaltet, um ein wenig mit dem Abführanschluss in Wechselwirkung zu treten. Dann ist der Montagevorgang des Sauerstoffsensors einfach.
Weiterhin können die axialen Mittellinien des ersten Heizglied-Halters und des inneren Elektrodenverbinders im Wesentlichen zueinander übereinstimmen, und die axiale Mittellinie des zweiten Heizglied-Halters kann exzentrisch zu den Verbindungsteilen zu der axialen Mittellinie des inneren Elektrodenverbinders übereinstimmen. Wenn sich der erste Heizglied-Halter koaxial zu dem inneren Elektrodenverbinder befindet, sind ein Raum zwischen dem und entlang dem Sauerstoffsensor und die Kombination des Verbinders und des herausführenden Drahtes relativ gleichförmig. Deshalb wird zum Beispiel praktisch kein Isolationsproblem dazwischen vorhanden sein.
Das Anschlusselement kann einen begrenzten Verbindungsteil zum Verbinden des ersten Heizglied-Halters mit dem inneren Elektrodenverbinder und/oder einen anderen begrenzten Verbindungsteil zum Verbinden des zweiten Heizglied-Halters mit dem inneren Elektrodenverbinder umfassen. Wenn das Heizglied durch die zwei Halter gehalten wird, ist es wahrscheinlich, dass diese Halter nach unten durch die thermische Expansion und Kontraktion des Heizglieds gehalten werden. Allerdings wird der Verbindungsteil elastisch deformiert oder plastisch deformiert, um dadurch die Deformation des Heizglieds durch die thermische Spannung zu verringern, und es demzufolge schwierig zu machen, das Heizglied zu beschädigen.
Der begrenzte Verbindungsteil (bezeichnet als ein erster Verbindungsteil) zum Verbinden des ersten Heizglied-Halters mit dem inneren Elektrodenverbinder und der begrenzte Verbindungsteil (bezeichnet als ein zweiter Verbindungsteil) zum Verbinden des zweiten Heizglied-Halters mit dem inneren Elektrodenverbinder können abgestuft erfolgen und nach innen in der radialen Richtung des inneren Elektrodenverbinders gebogen sein. In dem Aufbau wird, durch Einstellen eines Grads der Biegung, eine geeignete Exzentrizität zwischen den axialen Mittellinien des ersten und des zweiten Heizglied-Halters sichergestellt.
Bevorzugte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung werden unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben.
Ausführungsform 1
Ein Sauerstoffsensor 1 wird aus einem Sauerstofferfassungselement 2 als ein Festelektrolyt, einem ausgehöhlten, schaftähnlichen Element mit dem geschlossenen Ende, einem schaftähnlichen Heizglied 3 als eine keramische Heizeinrichtung, und verschiedenen Teilen, die eine äußere Umhüllung bilden, die sie abdecken, zusammengebaut. Das Sauerstofferfassungselement 2 ist aus einem Festelektrolyt mit einer Sauerstoff-Eisen-Leitung hergestellt. Ein typisches Beispiel des Festelektrolyts ist ZrO₂ als eine Festlösung aus Y₂O₃ oder CaO oder eine Festlösung aus ZrO₂ und einem Oxid eines Alkalierdmetalls oder eines Seltenerdmetalls. HfO₂ kann in ZrO₂ als eine Basis enthalten sein. Ein solcher Typ eines Sauerstoffsensors gemäß der vorliegenden Erfindung wird vorzugsweise als ein Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensor eines Fahrzeugs verwendet. Y₂O₃, CaO und/oder HfO₂ werden als ein teil-stabilisierendes Mittel verwendet. Eine solche Art eines Sensors wird als Sensor vom Typ mit teilweise stabilisiertem Zirkondioxid bezeichnet.
Das Sauerstofferfassungselement 2 ist so angeordnet, dass es durch ein Gehäuse 9 als ein Metallrohrelement hindurch führt, während es elektrisch gegen das Gehäuse isoliert ist. Genauer gesagt ist das Gehäuse 9 um die Mitte des Sauerstofferfassungselements 2 herum in einem Zustand angeordnet, dass die Isolatoren 6 und 7 aus isolierenden Keramiken und einem keramischen Pulvermaterial 8 aus Talk dazwischen eingesetzt sind. Wie in 2 dargestellt ist, sind Elektrodenschichten 2b und 2c direkt vollständig über die innere und die äußere Fläche des Sauerstofferfassungselements 2 jeweils geschichtet. Die Elektrodenschichten 2b und 2c sind Elektroden, zum Beispiel poröse Pt-Elektroden, die eine katalytische Funktion (katalytische Sauerstoff-Dissoziations-Funktion) in Bezug auf eine Dissoziationsreaktion von Sauerstoffmolekülen zum Injizieren von Sauerstoff in den Festelektrolyt des Sauerstofferfassungselements 2 und eine Rekombinationsreaktion von Sauerstoff, um zu bewirken, dass der Festelektrolyt Sauerstoff abgibt, haben. Die Elektrode kann Pd (Palladium), Rh (Rhodium), oder dergleichen, umfassen.
Ein Protektor 11 ist an einem der offenen Enden des Gehäuses 9 angeordnet, während er das äußere Ende des Sauerstofferfassungselements 2 abdeckt, wobei ein Raum dazwischen liegt. Eine Vielzahl von Gaslöchern 12, durch die Abgase hindurchführen, ist in dem Protektor 11 gebildet. Durch die Abgaslöcher gelangt der Sauerstoff, der in den Abgasen enthalten ist, in Kontakt mit der Oberfläche der Spitze des Sauerstofferfassungselements 2. Eine erste Hülse 14 ist an dem äußeren, offenen Ende des Gehäuses 9 in einem Zustand angepasst befestigt und daran verstemmt, dass ein Ring 15 zwischen diesem und dem Isolator 6 angeordnet ist. Eine zweite Hülse 16 ist an die erste Hülse 14 angepasst und daran befestigt. Die obere Öffnung der zweiten Hülse 16 ist mit einem Stopfen 17 abgedichtet. Weiterhin sind Stopfen 18 und 19 unter dem Stopfen 17 innerhalb der zweiten Hülse angeordnet. Leitungsdrähte 20 und 21 sind so vorgesehen, dass sie durch die Stopfen 17 und 18 hindurch führen.
Der Leitungsdraht 20 ist elektrisch mit der inneren Elektrodenschicht, die nicht dargestellt ist, des Sauerstofferfassungselements 2 über einen Verbinder 24 eines Anschlusselements 23, einen Anschlussdraht 25 (der mit einem isolierenden Rohr 25a abgedeckt ist), der damit verbunden ist, und einen inneren Elektrodenverbinder 26 des Anschlusselements 23 verbunden. Der Leitungsdraht 21 ist elektrisch mit der äußeren Elektrodenschicht, die nicht dargestellt ist, des Sauerstofferfassungselements 2 über einen Verbinder 34 eines anderen Anschlusselements 33, einen heraus führenden Anschlussdraht 35, der damit verbunden ist, und einen externen Elektrodenverbinder 35b verbunden. Ein Paar positiver und negativer Heizeinrichtungsanschlüsse 40 zum Zuführen von Strom zu dem Heizglied 3 sind an der Basis (oberes Ende in 1) des Heizglieds 3 verbunden, und Strom wird zu dem Heiz-Widerstandskreis (der später beschrieben wird) mittels der Heizeinrichtungsanschlüsse 40 zugeführt. Ein Paar Leitungsdrähte für die Heizeinrichtung ist mit dem Paar der Heizeinrichtungsanschlüsse 40 durch die Stopfen 17 und 18 verbunden.
In dem so aufgebauten Sauerstoffsensor 1 wird Luft als Basisgas in einen Raum innerhalb des Sauerstofferfassungselements 2 durch Spalte, die zwischen den Kabeldrähten 20b und 21b der Abdeckschichten 20a und 21a der Leitungsdrähte 20 und 21 gebildet sind, eingeführt. Abgas wird durch Gaslöcher 12 des Protektors 11 eingeführt und gelangt in Kontakt mit der äußeren Fläche des Sauerstofferfassungselements 2. Als eine Folge wird eine elektromotorische Kraft der Batterie in dem Sauerstofferfassungselement 2 erzeugt. Die erzeugte elektromotorische Kraft hängt von einer Sauerstoffkonzentrationsdifferenz zwischen der inneren und der äußeren Seite des Sauerstofferfassungselements 2 ab. Die elektromotorische Kraft wird durch die Leitungsdrähte 20 und 21 von den Elektrodenschichten 2b und 2c in der Form eines Erfassungssignals, das für eine Sauerstoffkon zentration repräsentativ ist, die in dem Abgas enthalten ist, abgeführt. Wenn die Abgastemperatur ausreichend hoch ist, wird das Sauerstofferfassungselement 2 durch das Abgas erwärmt, so dass es aktiviert wird. Wenn sich das Abgas auf einer niedrigen Temperatur bei dem Starten des Motors, zum Beispiel, befindet, wird das Sauerstofferfassungselement 2 erzwungener maßen durch das Heizglied 3 so erwärmt, um aktiviert zu werden.
Gewöhnlich ist das Heizglied 3 eine keramische Heizeinrichtung. In der keramischen Heizeinrichtung wird ein keramischer Stab 45, der hauptsächlich aus Aluminiumoxid gebildet ist, als ein Kernelement verwendet. Ein Heizabschnitt 42 ist an der Oberfläche des keramischen Stabs 45 gebildet. Der Heizabschnitt 42 besteht aus einem Widerstands-Drahtteil (Widerstandsmuster) 41, der in einer Zick-Zack-Art gemustert ist. Ein vorgegebenes Muster einer Widerstandspaste wird auf einem äußeren, keramischen Abschnitt 23, ähnlich einer Platte, aufgedruckt. Der äußere keramische Abschnitt 43 wird um den keramischen Stab 45 herum gewickelt und wird gesintert. Der keramische Stab 45 steht leicht nach außen von dem äußersten Ende des äußeren keramischen Abschnitts 43 vor. Strom wird zu dem Widerstands-Linienteil (Widerstandsmuster) 41 durch einen Stromdurchgang, der nicht dargestellt ist, zugeführt, der sich von den Heizeinrichtungsanschlüssen 40 aus erstreckt. Der Heizabschnitt 42 ist an einem Bereich des Heizglieds 3 näher zu dem äußersten Ende davon angeordnet. Dementsprechend wird Wärme lokal oder in dem äußersten Endabschnitt des Heizglieds erzeugt.
In der Nähe des Heizabschnitts 42 des Heizglieds 3 liegt, wie in 3 dargestellt ist, die Mittellinie O1 des Heizglieds 3 exzentrisch zu der Mittellinie O2 des Sauerstofferfassungselements 2 mit einem festgelegten Abstand 6. Die Oberfläche des äußersten Endes des Heizabschnitts 42 des Heizglieds 3 steht in Kontakt mit der Innenwand (bezeichnet auch als eine Innenwand des Elements) 2a eines ausgehöhlten Raums des Sauerstofferfassungselements 2, während es gegen die innere Wand des Elements unter einem vorgegebenen Oberflächendruck gedrückt wird. Wie anhand der 1 zu sehen ist, ist die Kontaktposition des Heizabschnitts vorzugsweise eine Position etwas näher zu der Mitte des Sauerstofferfassungselements 2 als das geschlossene Ende des Erfassungselements, vorzugsweise auf dem Niveau der Gaslöcher 12 des Protektors 11.
Die innere Wand des Sauerstofferfassungselements 2 verläuft konisch. Eine Differenz ΔD zwischen einem Durchschnittswert (nimmt nur auf einen Innendurchmesser Bezug) DA des Innendurchmessers des Erfassungselements und dem Außendurchmesser DB des Heizglieds 3 beträgt vorzugsweise 0,1 bis 0,35 mm (ΔD = DA – DB), und noch bevorzugter 0,15 bis 0,30 mm. Ein Verhältnis der Differenz ΔD zu dem Außendurchmesser DB des Heizglieds 3 beträgt 0,13 oder kürzer, vorzugsweise 0,10 oder kürzer. Weiterhin beträgt das Verhältnis der Differenz ΔD zu dem Außendurchmesser DB des Heizglieds 3 vorzugsweise 0,06 oder länger.
4 stellt einen Aufbau eines herkömmlichen Sauerstoffsensors dar, der dem bereits dargestellten Aufbau des Sauerstoffsensors der Erfindung entspricht. Wie in dem herkömmlichen Aufbau dargestellt ist, liegt die Mittellinie O1 des Heizglieds 3 koaxial zu der Mittellinie O2 des Sauerstofferfassungselements 2. Wie anhand des Vergleichs des Aufbaus der 3 zu sehen ist, ist, in dem Aufbau der Erfindung, die Mittellinie O1 des Heizglieds 3 unter einem Winkel θ zu der Mittellinie O2 des Sauerstofferfassungselements 2 in einem Zustand geneigt, dass die Oberfläche des äußersten Endes des Heizabschnitts 42 des Heizglieds 3 gegen die innere Wand 2a des ausgehöhlten Raums des Sauerstofferfassungselements 2 gedrückt wird. Der Aufbau der Erfindung kann als ein seitlich anstoßender Aufbau bezeichnet werden. In den 3 und 4 sind, zur Vereinfachung des Verständnisses, der Zwischenraum zwischen dem Heizglied 3 und dem Sauerstofferfassungselement 2 und die Neigung von θ des Ersteren zu dem Letzteren in einer übertriebenen Art und Weise dargestellt. Tatsächlich betragen der festgelegte Abstand 6 und die Neigung θ ungefähr 0,085 bis 0,385 mm und 0,1 bis 0,5°, wenn der Innendurchmesser, der durch die Innenwand 2a des Elements definiert ist, 2,8 bis 3,2 mm beträgt, und der Außendurchmesser des Heizglieds 3 2,7 bis 3 mm beträgt. Durch eine solche Auswahl wird eine zuverlässige, seitlich anstoßende Struktur sichergestellt, ohne Anlass für einen übermäßigen Druck, zwischen dem Heizglied 3 und dem Sauerstofferfassungselement 2 zu geben. Weiterhin ist anzumerken, dass der Heizabschnitt 42 der 3 einen schmaleren Bereich, abweichend von einer Seite in dem Bereich des distalen Endes des Heizglieds 3, als der Heizabschnitt 42' der 4 belegt.
Wie in den 5A und 5B dargestellt ist wird, wenn der äußere, keramische Abschnitt 43 des Heizglieds 3 um den keramischen Stab 45 herum gewickelt wird, ein Schlitz 44 zwischen den Enden des äußeren, keramischen Abschnitts 43, der um die äußere Fläche des Heizglieds 3 herum gewickelt ist, gebildet, während er axial verlängert wird. Das Widerstandsmuster 41 ist nicht entlang des Schlitzes 44 und seiner nahen Bereiche vorhanden, und weniger Wärme wird entlang dieser Bereiche erzeugt. Deshalb stößt, wenn die Oberfläche des Heizabschnitts 42 gegen die innere Wand 2a des Elements des Heizglieds 3 anstößt, die gegenüberliegende Seite der Oberfläche des Heizabschnitts zu der Seite des Schlitzes 44 vorzugsweise gegen die innere Wand des Heizglieds an. Hierdurch wird Wärme direkt und effektiv von dem Wärmeerzeugungsbereich auf das Sauerstofferfassungselement 2 übertragen.
Das Anschlusselement 23 funktioniert so, um elastisch den Heizabschnitt 42 des Heizglieds 3 gegen die innere Wand 2a des Elements zu drücken. In diesem Fall besitzt das Anschlusselement 23 drei Funktionen. Als erstes dient das Anschlusselement 23 als ein Ausgangsanschluss der inneren Elektrodenschicht des Sauerstofferfassungselements 2 und verbindet elektrisch das Sauerstofferfassungselement 2 mit dem Leitungsdraht 20. Als zweites fixiert das Anschlusselement 23 das Heizglied 3 an der Innenseite des Sauerstofferfassungselements 2. Diese Funktion ist dieselbe wie bei dem herkömmlichen Sensor. Als drittes drückt das Anschlusselement 23 elastisch das äußerste Ende des Heizglieds 3 gegen die innere Wand 2 des Elements, um so die seitlich anstoßende Struktur zu bilden. In diesem Fall führt eine Führung 28 hauptsächlich zu einer elastischen Kraft. Die Führung 28 ist an einem Ende des Anschlusselements 23 gebildet.
Die 6A und 6B stellen das Antriebselement 23 so dar, dass es in das Heizglied 3 hinein montiert ist, und die 7A und 7B stellen das Anschlusselement 23 alleine dar. Wie anhand dieser Figuren zu sehen ist, umfasst der innere Elektrodenverbinder 26 des Anschlusselements 23 einen Heizglied-Halter 27 an der Basis und der Führung 28 an dem distalen Ende (d. h. gegenüberliegend zu dem Ende, das den Heizglied-Halter 27 daran gebildet besitzt). Der Heizglied-Halter 27 wird um die äußere Fläche des Heizglieds 3 herum gelegt, während es in der Form eines Buchstabens C im Querschnitt geformt ist, und wird darauf verstemmt. Der Heizglied-Halter 27 ist an nur einem Ende des inneren Elektrodenverbinders 26 vorgesehen. Der innere Elektrodenverbinder 26 umgibt die äußere Fläche des Heizglieds 3, mit Ausnahme eines Teils der äußeren Oberfläche davon, während er von dem Heizglied 3 durch einen vorgegebenen Spalt dazwischen beabstandet ist. Der innere Elektrodenverbinder 26 gelangt in Kontakt mit der inneren Elektrodenschicht des Sauerstofferfassungselements 2.
In der vorliegenden Erfindung werden, um den inneren Elektrodenverbinder 26 zu bilden, ein plattenähnlicher oder Hauptabschnitt eines Zuschnitts, der sägezahnförmige Kontaktteile 26a besitzt, die sich von beiden Seiten davon erstrecken, zu einem zylindrischen Element gebogen, das durch das Heizglied 3 umgeben sein kann. Die sägezahnförmigen Kontaktteile 26a des inneren Elektrodenverbinders 26 sind in der Form so abgestuft, dass die Oberseiten des Sägezahns eines Kontakts zu den Bodenteilen des anderen Kontakts ausgerichtet sind. Hierdurch tritt es bei dem Montagevorgang, wenn der innere Elektrodenverbinder 26 in das Sauerstofferfassungselement 2 eingesetzt wird, selten auf, dass beide Sägezahn-Kontaktteile 26a an der Kante der Öffnung des Sauerstofferfassungselements 2 erfasst werden. Dies führt zu einer einfachen Montage des inneren Elektrodenverbinders 26 an dem Sauerstofferfassungselement 2. Es ist bevorzugt, dass die sägezahnförmigen Kontaktteile 26a so geformt sind, dass sie etwas länger sind. Aufgrund dieser Einstellung wird, wenn der Hauptbereich des Zuschnitts zu dem inneren Elektrodenverbinder 26 hin gebogen wird, die Länge des Zuschnitts, wenn in der Biegerichtung gesehen wird, erhöht, was zu einer einfachen Verarbeitung führt.
Die Führung 28, die der wesentlichste Teil des Anschlusselements 23, das diskutiert wird, ist, ist im Querschnitt halbkreisförmig und unter einem Winkel α nach innen zu der Mittellinie des Anschlusselements 23 schräg verlaufend, genauer gesagt zu dem Heizglied-Halter 27 und dem inneren Elektrodenverbinder 26, wie dies in 7 dargestellt ist. Die so schräg verlaufende Führung 28 drückt das Heizglied 3 in der Richtung orthogonal zu seiner axialen Richtung, um es gegen die innere Wand 2a des Sauerstofferfassungselements 2 zu drücken.
Zwischen dem Heizglied-Halter 27 und dem inneren Elektrodenverbinder 26 ist das Anschlusselement 23 in Umfangsrichtung von beiden Seiten aus so ausgeschnitten, um U-förmige Ausschnitte oder einen begrenzten Verbindungsteil 29 zu bilden. Der Verbindungsteil 29 verbindet den Heizglied-Halter 27 mit dem Verbindungsteil 29 und verhindert, dass sich eine Reaktionskraft in dem Anschlusselement 23 konzentriert. Auch ist zwischen dem inneren Elektrodenverbinder 26 und der Führung 28 ein begrenzter Verbindungsteil 30 gebildet, der sie verbindet. Der Verbindungsteil 30 stellt geeignet seine elastische Kraft in der Richtung orthogonal zu der axialen Richtung ein, die auf das Heizglied 3 einwirkt. Der begrenzte Verbindungsteil 30 arbeitet so, um eine elastische Kraft der Führung 28 zu verringern. In der seitlich anstoßenden Struktur des Heizglieds 3, dargestellt in 1, wird ein elastischer Druck des Heizglieds 3 auf die innere Elementenwand 2a hauptsächlich durch die Führung 28 aufgebracht.
In diesem Zustand werden eine Reaktionskraft der inneren Elementenwand 2a, die auf das Heizglied 3 einwirkt, eine Reaktionskraft, die auf das Heizglied 3 in der Führung 28 einwirkt, und eine Reaktionskraft, die auf das Heizglied 3 in dem Heizglied-Halter 27 einwirkt, zu einem Biegemoment kombiniert. Eine Maßnahme wird vorgenommen, um zu verhindern, dass das Biegemoment das Heizglied 3 bricht, mit anderen Worten um die Erzeugung einer Reaktionskraft außerhalb eines tolerierbaren Festigkeitsbereichs des Heizglieds 3 zu verhindern. Einrichtungen, um eine solche Reaktionskraft oder ein solches Biegemoment einzustellen, sind die Führung 28, der begrenzte Verbindungsteil 30 benachbart dazu, ein anderer Verbindungsteil 30 und ein Heizglied-Halter 27.
Bei der Herstellung des so aufgebauten Sauerstoffsensors 1 ist es eine übliche Praxis, dass, nachdem das Anschlusselement 23 an dem Heizglied 3 befestigt ist, die erhaltene Anordnung in das Sauerstofferfassungselement 2 eingesetzt wird. In diesem Einsetzvorgang gleitet das äußerste Ende des Heizglieds 3 auf der inneren Elementenwand 2a, während es elastisch die innere Elementenwand so berührt, dass die seitlich anstoßende Struktur nach oben versetzt wird und das Heizglied 3 auf dem Sauerstofferfassungselement 2, zusammen mit dem Anschlusselement 23, befestigt wird. Auch absorbiert bei diesem Vorgang die Führung 28, der Verbindungsteil 30, und dergleichen, eine Reaktionskraft, die in dem Heizglied 3 erzeugt ist, und verringert sie.
Die seitlich anstoßende Struktur, bei der das Heizglied 3 an die innere Elementenwand 2a anstößt, eingesetzt durch die vorliegende Ausführungsform, bringt viele Vorteile mit sich. Wärme, die in dem Heizabschnitt 42 erzeugt ist, wird schnell auf das Sauerstofferfassungselement 2 übertragen und erwärmt dieses. Wärme, die von einem lokal erwärmten Bereich in der Nähe der Kontaktposition des Heizabschnitts 42 abgestrahlt wird, erwärmt zusätzlich das Sauerstofferfassungselement 2. Die Wärmeleitung und die Wärmestrahlung wirken so zusammen, um schnell das Sauerstofferfassungselement 2 zu erwärmen, um dadurch die Zeit zu verringern, die benötigt wird, bis das Sauerstofferfassungselement 2 auf seine Aktivierungstemperatur erwärmt ist.
Das Sauerstofferfassungselement 2 wird, wie in 2 dargestellt ist, lokal durch den Heizabschnitt 42 erwärmt, der angeordnet ist, während er an der inneren Elementenwand 2a des Sauerstofferfassungselements anstößt. Eine Anstiegszeit des Sensors wird auf einen Wert im Wesentlichen gleich zu demjenigen der Anstiegszeit des herkömmlichen Sensors, dargestellt in 4, gehalten oder stärker als bei dem herkömmlichen verringert. Der Grund hierfür, so wie wir ihn einschätzen, ist wie folgt. Um zu bewirken, dass das Sauerstofferfassungselement 2, das mit einem Sauerstoffionen leitenden Festelektrolyt aufgebaut ist, eine ausreichende, elektromotorische Kraft erzeugt, ist es notwendig, dass ein elektrischer Widerstand des Sauerstofferfassungselements 2 ausreichend klein ist und dass die katalytische Aktivität der Elektrodenschichten 2b und 2c in Bezug auf die Dissoziations- und die Rekombinationsreaktion der Sauerstoffmoleküle ausreichend hoch ist. Ein Ausgangspegel des Sauerstoffsensors wird in Abhängigkeit von einem Kompromiss zwischen dem elektrischen Widerstandswert des Sauerstofferfassungselements 2 und der katalytischen Aktivität der Elektrodenschichten 2b und 2c bestimmt.
Wenn das Sauerstofferfassungselement 2 lokal durch den Heizabschnitt 42 des Heizglieds 3 erwärmt ist, verringert sich der elektrische Widerstand des Sauerstofferfassungselements 2 geringer aufgrund einer Festelektrolytaktivierung als in dem herkömmlichen Aufbau. In diesem Fall ist ein erwärmter Bereich 2d des Sauerstofferfassungselements 2 in der Temperatur höher, so dass die katalytische Aktivität an den Bereichen der Elektrodenschichten 2b und 2c entsprechend in der Position zu dem erwärmten Bereich erhöht wird. Mit der Erhöhung der katalytischen Aktivität der Elektrodenschicht 2b wird die Dissoziation der Sauerstoffmoleküle in dem Gas, das gemessen wird, unterstützt, so dass die elektromotorische Kraft des Festelektrolyts und demzufolge der Ausgangspegel des Sensors erhöht werden, und die Aktivierungszeit (Anstiegszeit) des Sensors wird so verringert, dass sie kürzer wird.
In unseren Experimenten wurden die folgenden Fakten bestätigt. In dem Aufbau des herkömmlichen Sensors wurden, wenn ein Widerstandswert der Heizeinrichtung 3 bis 3,5 Ω betrug, ungefähr 20 Sekunden benötigt, bis die Sensor-Aktivierungstemperatur erreicht wurde. In dem Fall der seitlich anstoßenden Struktur, die in 2 dargestellt ist, wurden, bei demselben Widerstandswert, ungefähr 15 Sekunden benötigt, bis die Aktivierungstemperatur erreicht wurde, wenn das Heizglied nur exzentrisch war, und ungefähr 9 Sekunden wurden benötigt, wenn das Heizglied exzentrisch war und an der inneren Wand des ausgehöhlten Sauerstofferfassungselements anstieß. Folglich wird die Anstiegszeit des Sensors merkbar verringert. Anhand dieser Fakten ist zu sehen, dass gerade dann, wenn die Abgastemperatur niedrig ist, z. B. bei Beginn des Starts des Motors des Kraftfahrzeugs oder zum Zeitpunkt eines Leerlaufs, der Sauerstoffsensor geeignet eine Sauerstoffkonzentration zu einer frühen Stufe erfasst, um dadurch die Abgasreinigung präziser und unter einer höheren Auflösung zu erreichen.
Ausführungsform 2
8 stellt eine zweite Ausführungsform eines Sauerstoffsensors gemäß der vorliegenden Erfindung dar. In dem Aufbau eines Sauerstoffsensors 50 der Ausführungsform 2 sind die Bereiche, die dieselben wie oder äquivalent zu solchen in dem Aufbau des Sauerstoffsensors 1 der Ausführungsform 1 sind, mit den entsprechenden Bezugszeichen, zur Vereinfachung, bezeichnet. Eine Beschreibung wird angegeben, die sich auf die Unterschiede in dem Aufbau des Sensors der Ausführungsform 2 gegenüber derjenigen der Ausführungsform 1 konzentriert.
Der Aufbau des Sauerstoffsensors 50 ist gegenüber demjenigen des Sauerstoffsensors 1 der Ausführungsform 2 in den folgenden Punkten unterschiedlich. Das Anschlusselement 23 umfasst einen inneren Elektrodenverbinder 26, der im Wesentlichen gleich zu demjenigen des Anschlusselements der Ausführungsform 1 ist (1). Der innere Elektrodenverbinder 26 ist mit einem ersten Heizglied-Halter 27a, gebildet an einem Ende, wenn in der axialen Richtung des Heizglieds 3 gesehen wird, und einem zweiten Heizglied-Halter 27b, der an dem äußeren Ende gebildet ist, versehen. Dieser erste und zweite Heizglied-Halter sind im Wesentlichen im Aufbau gleich zu dem Heizglied-Halter der Ausführungsform 1. Wie in den 9B und 9C zu sehen ist, liegt die axiale Mittellinie O11 des zweiten Heizglied-Halters 27b exzentrisch zu der axialen Mittellinie O10 des ersten Heizglied-Halters 27a mit einem Abstand d. Die 10A und 10B stellen eine Anordnung des Heizglieds 3 und des Anschlusselements 23 dar.
Genauer gesagt sind, wie in den 9A und 9B dargestellt ist, in dem Aufbau des Anschlusselements 23, der erste Heizglied-Halter 27a und der zweite Heizglied-Halter 27b integral mit dem Umfang des Heizglieds 3 angeordnet, und erstrecken sich von einem Teil des Umfangs des Heizglieds 3 aus, wobei ein erster Verbindungsteil 29 und ein zweiter Verbindungsteil 30 dazwischen so angeordnet sind, wie dies dargestellt ist. Der erste Verbindungsteil 29 und der zweite Verbindungsteil 30 sind abgestuft nach innen in der radialen Richtung des inneren Elektrodenverbinders 26 gebogen. Ein Grat des Biegens wird so eingestellt, um einen geeigneten Abstand oder eine Exzentrizität d zwischen den axialen Mittellinien O10 und O11 des ersten und des zweiten Heizglied-Halters 27a und 27b zu erzeugen. In der vorliegenden Ausführungsform liegt die axiale Mittellinie O10 des ersten Heizglied-Halters 27a weiter als die axiale Mittellinie O11 des zweiten Heizglied-Halters 27b von dem ersten und dem zweiten Verbindungsteil 29 und 30 (Verbindungsteile) weg. Genauer gesagt sind die Mittellinien O10 und Ox des ersten Heizglied-Halters 27a und des inneren Elektrodenverbinders 26 im Wesentlichen zueinander ausgerichtet. Die Mittellinie O11 des zweiten Heizglied-Halters 27b liegt exzentrisch zu den Verbindungsteilen 20 und 30 zu der Mittellinie Ox des inneren Elektrodenverbinders 26. In der Ausführungsform, wie sie in 9C dargestellt ist, ist ein Hauptteil 26b des inneren Elektrodenverbinders 26 um das zylindrische Heizglied 3 herum gewickelt, und die sägezahnförmigen Kontaktteile 26a sind jeweils so konturiert, dass sie nach außen schräg zu einer tangentialen Linie an einem Punkt auf einer Umfangsstelle entlang der äußeren Oberfläche des Heizglieds 3 verlaufen, wobei der sägezahnförmige Kontaktteil von diesem Punkt aus verlängert ist. Die Mittellinie Ox des inneren Elektrodenverbinders ist die axiale Mittellinie der Umfangsstelle, entlang der sich der Hauptteil 26b erstreckt.
Das Anschlusselement 23 kann durch geeignetes Biegen eines Metallzuschnitts 123, aufgebaut so, wie dies in den 11A bis 11D dargestellt ist, hergestellt werden. Der Metallzuschnitt 123 besteht, wie in 11A dargestellt ist, aus drei Abschnitten 127a, 126 und 127b. Ein Verbindungsteil 129, der der erste Verbindungsteil 29 ist, verbindet die Abschnitte 127a und 126, und ein anderer Verbindungsteil 130, der der zweite Verbindungs teil 30 ist, verbindet die Abschnitte 126 und 127b. Wie in den 11B bis 11D dargestellt ist, sind die Bereiche, die sich nach außen von beiden Seiten der Verbindungsteile 129 und 130 aus erstrecken, so gekrümmt, um ein zylindrisches Element zu bilden. Das Ergebnis ist die Bildung des ersten Heizglied-Halters 27a, des inneren Elektrodenverbinders 26 und des zweiten Heizglied-Halters 27b. Der erste Verbindungsteil 20 und der zweite Verbindungsteil 30 sind, wie in 11E dargestellt ist, abgestuft so gebogen, um die Exzentrizität zwischen den axialen Mittellinien O10 und O11 des ersten und des zweiten Heizglied-Halters 27a und 27b zu bilden.
In dem so aufgebauten Sauerstoffsensor 50 ist, wie in 8 dargestellt ist, die axiale Mittellinie des Heizglieds 3 schräg zu den ersten Verbindungsteilen 29 und 30 des Anschlusselements 23 in Bezug auf die axiale Mittellinie des ausgehöhlten Raums des Sauerstofferfassungselements 2 verlaufend (ist nämlich schräg in der entgegengesetzten Richtung in der Ausführungsform 1 (1) verlaufend), und zwar durch den ersten Heizglied-Halter 27a und den zweiten Heizglied-Halter 27b. Folglich wird der erste Heizabschnitt 42 des Heizglieds 3 gegen die innere Elementenwand 2a gedrückt und daran befestigt. Das Heizglied 3 wird gegen die innere Elementenwand 2a gedrückt, während es schräg durch den ersten und den zweiten Heizglied-Halter 27a und 27b verlaufend ausgerichtet wird, deren axiale Mittellinien exzentrisch sind. Deshalb kann das Heizglied 3 stabil seinen schräg verlaufenden Zustand beibehalten, so dass der seitlich anstoßende Effekt des Heizglieds 3 weiter erhöht wird.
Die Exzentrizität d der axialen Mittellinie O10 des ersten Heizglied-Halters 27a zu derjenigen O11 des zweiten Heizglied-Halters 27b kann wie folgt eingestellt werden. Wie in 12 dargestellt ist, die übertrieben zur Vereinfachung des Verständnisses gezeigt ist, beträgt ein Winkel θ der axialen Mittellinie O1 des Heizglieds 3 zu derjenigen O2 des ausgehöhlten Raums des Sauerstofferfassungselements 2 vorzugsweise 0,1 bis 0,5°, wie in der Ausführungsform 1, wenn der Innendurchmesser des ausgehöhlten Raums, der durch die innere Elementenwand 2a definiert ist, 2,8 bis 3,2 mm beträgt, und der Außendurchmesser des Heizglieds 3 2,43 bis 2,63 mm beträgt. Wenn ein Abstand zwischen den Endflächen des ersten und des zweiten Heizglied-Halters 27a und 27b (wenn in der axialen Richtung gesehen wird) L ist, gilt Tanθ = d/L. Tan0,1° beträgt ungefähr 0,017, und tan0,5° beträgt ungefähr 0,0017. Die Exzentrizität d wird so eingestellt, dass sie innerhalb des folgenden Bereichs liegt: 0,0017L ≤ d ≤ 0,0087L.
Wie vorstehend angegeben ist, liegt die axiale Mittellinie O11 des ersten Heizglied-Halters 27a weiter als die axiale Mittellinie O11 des zweiten Heizglied-Halters 27b in Bezug auf den ersten und den zweiten Verbindungsteil 29 und 30 entfernt. Dieses strukturelle Merkmal führt zu den folgenden, nützlichen Ergebnissen. Der Heizabschnitt 42 des Heizglieds 3 ist zu den Verbindungsteilen 29 und 30 schräg verlaufend und stößt an die innere Elementenwand auf der Seite der Verbindungsteile an. Der Verbinder 24 und der herausführende Draht 25 (der Ausgangsanschluss des Sauerstofferfassungselements 2) sind so vorgesehen, dass sie von dem ersten Heizglied-Halter 27a an einer Position entsprechend zu den Verbindungsteilen 29 und 30 vorstehen. Da das Heizglied 3, bei der Montage des Sauerstoffsensors 50, so angeordnet ist, dass es schräg verläuft, wie dies vorstehend erwähnt ist, werden die Heizeinrichtungsanschlüsse (Stromversorgungsanschlüsse) 40 des Heizglieds 3 so ausgerichtet, dass sie etwas mit dem Verbinder 24 und mit dem herausführenden Draht 25 in Wechselwirkung treten. Dann wird der Montagevorgang des Sauerstoffsensors 50 einfach. Es ist anzumerken, dass der erste Heizglied-Halter 27a koaxial zu dem inneren Elektrodenverbinder 26 verläuft. Dieses Merkmal erzeugt einen relativ gleichförmigen Raum zwischen dem Sauerstoffsensor 50 und der Kombination des Verbinders 24 und des herausführenden Drahts 25 und entlang davon. Deshalb findet zum Beispiel fast kein Isolationsproblem dazwischen statt.
BEISPIEL
Die Ausführungsformen der Erfindung werden in weiterem Detail unter Verwendung eines experimentellen Beispiels beschrieben. Sechs Kombinationen der Innendurchmesser (Durchschnittswert) DA jedes der ausgehöhlten Räume, definiert durch die schräg verlaufenden inneren Elementenwände 2a der Sauerstofferfassungselemente 2 und der Außendurchmesser DB der Heizglieder 3, wie dies in Tabelle 1 dargestellt ist, wurden verwendet. 50 Stück Sauerstoffsensoren 50, aufgebaut so, wie dies in 8 dargestellt ist, wurden für jede Kombination hergestellt. Die Sauerstofferfassungselemente 2 wurden als Erfassungselemente aus einem ZrO₂-Festelektrolyt, enthaltend 8,5 bis 9,0 Gew.-% an Y₂O₃, in einer Art und Weise, dass ZrO₂-Pulver, kombiniert mit Y₂O₃ als ein stabilisierendes Mittel, geformt wurde und das erhaltene Produkt gesintert wurde, hergestellt. Die Werte der Differenz ΔD (= DA – DB) und die Verhältnisse ΔD/DB für diese Kombination sind auch in Tabelle 1 dargestellt. Das Heizglied 3 wurde in den ausgehöhlten Raum bis zu der Tiefe von 47,4 mm eingesetzt. Die Tiefe war auf diesen Wert für diese Sauerstoffsensoren festgelegt. Die Größe des Heizabschnitts 42, gemessen in der axialen Richtung des Heizglieds 3, betrug 4 mm, und eine Ausgangsleistung davon betrug 10 W, wenn elektrischer Strom mit 12 V zugeführt wurde.
Für die Sauerstofferfassungselemente 2 dieser Sauerstoffsensoren 50 ist der Leitungsdraht 21 (die äußere Elektrodenschicht 2b) mit dem positiven Anschluss einer konstanten Gleichstromversorgungsquelle (mit 4 V) über einen Widerstand mit 800 kΩ verbunden, während der Leitungsdraht 20 (die innere Elektrodenschicht 2c) geerdet ist. In diesem Zustand wird Strom, mit 14 V, zu dem Heizabschnitt 42 des Heizglieds 3 zugeführt, wodurch das Sauerstofferfassungselement 2 erwärmt wird. Eine Variation eines elektrischen Widerstands jedes Sauerstofferfassungselements 2 wurde fortlaufend unter Verwendung einer geteilten Spannung, angelegt an das Sauerstofferfassungselement 2, überwacht. Es wurde festgestellt, dass das Sauerstofferfassungselement 2 bei 5,6 MΩ des elektrischen Widerstands aktiviert worden ist. Eine Zeitperiode, die von einem Fall reicht, dass die Zuführung des elektrischen Stroms begann, bis zu dem Zeitpunkt, zu dem das Sauerstofferfassungselement aktiviert wurde, wurde als eine Anstiegszeit des Sensors behandelt, und die Anstiegszeit für jeden Sensor wurde gemessen. Die Durchschnittswerte und die Standardabweichungen der Anstiegszeiten und der Sensoren sind in Tabelle 1 dargestellt. Variationen des Durchschnittswerts Tav und der Standardabweichung δT der Sensor-Anstiegszeiten in Bezug auf die Differenz ΔD und ΔD/DB sind in den 13 und 14 ausgedruckt. Tabelle 1
In den 13A und 13B erhöht sich, in dem Bereich der Differenz ΔD bis zu ungefähr 0,25 mm, der Durchschnittswert der Anstiegszeit stark mit ΔD. Wenn ΔD den Wert von 0,25 mm übersteigt, wird eine Erhöhungsrate von ΔD klein. Wenn ΔD 0,35 übersteigt, erhöht sich die Standardabweichung δT der Anstiegszeit, oder die Streuung der Anstiegszeitwerte der einzelnen Sensoren, unmittelbar. Um die Streuung der Anstiegszeitwerte der einzelnen Sensoren zu unterdrücken, wird ΔD vorzugsweise innerhalb von 0,35 mm eingestellt. Daten, die in den 14A und 14B ausgedruckt sind, lehren, dass ΔD/DB vorzugsweise innerhalb von 0,13 (noch bevorzugter von 0,10 oder kleiner) eingestellt wird, um das Streuen der Anstiegszeitwerte der einzelnen Sensoren zu unterdrücken.
Gemäß der vorliegenden Erfindung beträgt die Sensoranstiegszeit ungefähr 10 Sekunden. Allerdings beträgt die Sensoranstiegszeit eines herkömmlichen Sensors, bei dem die Mittellinie des Heizglieds nicht exzentrisch zu derjenigen des hohlen Bereichs des Erfassungselements liegt, ungefähr 40 bis 60 Sekunden. Weiterhin beträgt gerade dann, wenn das obere Ende des Heizglieds an dem Boden des Erfassungselements befestigt ist, die Sensoranstiegszeit ungefähr 15 bis 25 Sekunden. Deshalb ist die Anstiegszeit von 10 sec, die durch die vorliegende Erfindung erreicht wird, sehr effektiv.

Claims

Sauerstoffsensor, der umfasst: ein Sauerstofferfassungselement (2) eines hohlen schaftartigen Gliedes, das an einem Ende verschlossen ist und Elektrodenschichten (2b, 2c) an seiner Innen- und seiner Außenseite hat; und ein schaftartiges Heizglied (3), das in dem Sauerstofferfassungselement angeordnet ist, um das Sauerstofferfassungselement zu erhitzen, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittellinie (O1) des Heizgliedes exzentrisch zu der Mittellinie (O2) eines hohlen Abschnitts des Sauerstofferfassungselementes in der Nähe des Heizabschnitts des Heizgliedes ist.
Sauerstoffsensor nach Anspruch 1, wobei die Oberfläche des Heizabschnitts des Heizgliedes an der Innenwand des ausgehöhlten Raums des Sauerstofferfassungselementes anliegt.
Sauerstoffsensor nach Anspruch 1, wobei eine Differenz ΔD zwischen einem Innendurchmesser DA des Erfassungselementes und einem Außendurchmesser DB des Heizgliedes 0,35 mm oder weniger beträgt.
Sauerstoffsensor nach Anspruch 1, wobei ein Verhältnis einer Differenz ΔD zwischen einem Innendurchmesser DA des Erfassungselementes und einem Außendurchmesser DB des Heizgliedes zu dem Außendurchmesser DB des Heizgliedes 0,13 oder kürzer ist.
Sauerstoffsensor nach Anspruch 1, wobei ein Teil des Heizabschnitts des Heizgliedes in der Umfangsrichtung eine niedrige Wärmeverteilung über den Heizabschnitt aufweist und der Heizabschnitt des Heizgliedes an der Innenwand des Sauerstofferfassungselementes an einer Position an dem verbleibenden Abschnitt anliegt.
Sauerstoffsensor nach Anspruch 1, wobei der Heizabschnitt näher an einem Ende des Heizgliedes liegt.
Sauerstoffsensor nach Anspruch 1, wobei der Heizabschnitt des Heizgliedes an die Innenwand des Sauerstofferfassungselementes gepresst wird.
Sauerstoffsensor nach Anspruch 1, wobei das Heizglied mittels eines Anschlussgliedes in das Sauerstofferfassungselement eingesetzt wird und der Heizabschnitt des Heizgliedes durch das Anschlussglied an die Innenwand des Sauerstofferfassungselementes gepresst wird.
Sauerstoffsensor nach Anspruch 8, wobei das Anschlussglied umfasst: einen Heizglied-Halter zum Halten des Heizgliedes; wenigstens einen inneren Elektrodenverbinder, der das Heizglied in Umfangsrichtung umgibt und in Kontakt mit der Elektrodenschicht ist, die auf die Innenwand des Sauerstofferfassungselementes geschichtet ist; und eine Führung, die das Heizglied in der Richtung senkrecht zu der axialen Richtung des Heizgliedes schiebt, wobei die Führung an dem Ende vorhanden ist, das dem Ende gegenüber liegt, das den Heizglied-Halter aufweist; wobei die Mittellinie des Heizgliedes durch die Führung exzentrisch zu der Mittellinie des hohlen Abschnitts des Sauerstofferfassungselementes ist und die Oberfläche des Heizabschnitts des Heizgliedes an die Innenwand des ausgehöhlten Raums des Sauerstofferfassungselementes gepresst wird, um es zu fixieren.
Sauerstoffsensor nach Anspruch 9, wobei eine elastische Kraft der Führung so reduziert wird, dass die Führung einem Biegemoment widerstehen kann, das aus einer Kombination aus einer Rückwirkungskraft, die auf das Heizglied in der Innenwand des Sauerstofferfassungselementes wirkt, das auf das Heizglied wirkt, einer Rückwirkungskraft, die auf das Heizglied in der Führung wirkt, und einer Rückwirkungskraft, die auf das Heizglied in dem Heizglied-Halter wirkt, resultiert.
Sauerstoffsensor nach Anspruch 10, wobei das Anschlussglied einen verengten Verbindungsteil zum Verbinden der Führung und des inneren Elektrodenverbinders und/oder einen verengten Verbindungsteil zum Verbinden des inneren Elektrodenverbinders und des Heizglied-Halters enthält.
Sauerstoffsensor nach Anspruch 8, wobei das Anschlussglied umfasst: wenigstens einen inneren Elektrodenverbinder, der das Heizglied in Umfangsrichtung umgibt und in Kontakt mit der Elektrodenschicht ist, die auf die Innenwand des Sauerstofferfassungselementes geschichtet ist; einen ersten Heizglied-Halter zum Halten des Heizglieds, wobei der erste Heizglied-Halter integral mit dem inneren Elektrodenverbinder ausgebildet ist und sich, in der axialen Richtung des Heizgliedes gesehen, an einem Ende des inneren Elektrodenverbinders befindet und das Heizglied umgibt; und einen zweiten Heizglied-Halter zum Halten des Heizgliedes, wobei der zweite Heizglied-Halter integral mit dem inneren Elektrodenverbinder ausgebildet ist und sich, in der axialen Richtung des Heizgliedes gesehen, an dem anderen Ende des inneren Elektrodenverbinders befindet und das Heizelement umgibt und die axiale Mittellinie des zweiten Heizglied-Halters exzentrisch zu der axialen Mittellinie des ersten Heizglied-Halters ist; wobei die axiale Mittellinie des Heizgliedes zu der axialen Mittellinie eines ausgehöhlten Raums des Sauerstofferfassungselementes durch den ersten und den zweiten Heizglied-Halter geneigt ist, deren axiale Mittellinien exzentrisch zueinander sind, so dass der Heizabschnitt des Heizgliedes an die Innenwand des ausgehöhlten Raums gepresst wird.
Sauerstoffsensor nach Anspruch 12, wobei der erste Heizglied-Halter und der zweite Heizglied-Halter jeweils mit den entsprechenden Endabschnitten des inneren Elektrodenverbinders an der gleichen Seite des Umfangs des Heizgliedes in der Durchmesseinrichtung verbunden sind und die axiale Mittellinie des ersten Heizglied-Halters in Bezug auf die Verbindungsteile derselben weiter reicht als die axiale Mittellinie des zweiten Heizglied-Halters.
Sauerstoffsensor nach Anspruch 13, wobei die axialen Mittellinien des ersten Heizglied-Halters und des inneren Elektrodenverbinders einander im Wesentlichen decken und die axiale Mittellinie des zweiten Heizglied-Halters gegenüber der axialen Mittellinie des inneren Elektrodenverbinders exzentrisch zu den Verbindungsteilen ist.
Sauerstoffsensor nach Anspruch 14, wobei das Anschlussglied wenigstens einen ersten Verbindungsteil zum Verbinden des ersten Heizglied-Halters mit dem inneren Elektrodenverbinder und einem zweiten Verbindungsteil zum Verbinden des zweiten Heizglied-Halters mit dem inneren Elektrodenverbinder enthält.
Sauerstoffsensor nach Anspruch 15, wobei der erste Verbindungsteil und der zweite Verbindungsteil in der radialen Richtung des inneren Elektrodenverbinders nach innen gebogen sind, um einen Stufenabschnitt auszubilden, und ein Grad des Biegens des ersten und des zweiten Verbindungsteils so reguliert wird, dass eine geeignete Exzentrizität zwischen den axialen Mittellinien des ersten und des zweiten Heizglied-Halters erzeugt wird.
Sauerstoffsensor nach Anspruch 1, wobei der exzentrische Winkel der Mittellinie des Heizgliedes in Bezug auf die Mittellinie eines hohlen Abschnitts des Sauerstofferfassungselementes in dem Bereich von 0,1 bis 0,5° liegt.
Sauerstoffsensor nach Anspruch 4, wobei das Verhältnis der Differenz ΔD (ΔD = DA – DB) zu dem Außendurchmesser DB des Heizgliedes 0,06 oder länger ist.
Verwendung des Sauerstoffsensors nach Anspruch 1 als ein Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensor eines Fahrzeugs.
Sauerstoffsensor nach Anspruch 1, wobei das Sauerstoff-Erfassungselement Zirkoniumoxid umfasst.
Sauerstoffsensor nach Anspruch 20, wobei das Sauerstoff-Erfassungselement des Weiteren ein Teilstabilisierungsmittelumfasst.
Sauerstoffsensor nach Anspruch 21, wobei das Teilstabilisierungsmittel wenigstens Y₂O₃, CaO und HfO₂ ist.
Sauerstoffsensor nach Anspruch 1, wobei die Elektrodenschichten Platin umfassen.
Sauerstoffsensor nach Anspruch 23, wobei die Elektrodenschichten des Weiteren wenigstens Palladium oder Rhodium umfassen.