JP4433429B2

JP4433429B2 - 酸素センサ

Info

Publication number: JP4433429B2
Application number: JP19766799A
Authority: JP
Inventors: 宏司狩野; 幸一嶋村; 光男草; 久治西尾
Original assignee: Honda Motor Co Ltd; NGK Spark Plug Co Ltd
Current assignee: Honda Motor Co Ltd; NGK Spark Plug Co Ltd
Priority date: 1998-07-29
Filing date: 1999-07-12
Publication date: 2010-03-17
Anticipated expiration: 2019-07-12
Also published as: DE19935301B4; DE19935301A1; JP2000105215A

Description

【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、〔１〕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】
また、酸素センサとして、例えば、〔２〕特公平６−１７８８５号公報「酸素センサ中間組立体」に示されたものがある。この酸素センサ中間組立体（ガス検出器１）は、同公報の第１図によれば、第１の絶縁性セラミック層１ａ上にガス検出素子２、サーミスタ素子３を設け、第１の絶縁性セラミック層１ａ上に第２の絶縁性セラミック層１ｂ，１ｃ，１ｄを重ねたものである。酸素センサは、ガス検出器１をスペーサ７、充填粉末８及びガラスシール９を介して主体金具４及び内筒６に把持し、主体金具４にガス検出器１を保護するためのプロテクタ５を取り付けたものである。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
上記〔１〕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。
【０００５】
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。例えば、応答が２／１００秒遅れると、機関の回転数で数回転の応答遅れとなり、空燃比制御が遅れ傾向になる。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。
【０００６】
上記〔２〕は、その第１図（ロ）によれば、ガス検出器１の長手方向でガス検出素子２が位置する部分を除く大部分に渡り、第２の絶縁性セラミック層１ｃ，１ｄを重ね、階段状に成形しているので、主体金具４の中心軸線とガス検出器１の中心軸線とを一致させてもガス検出素子２及び第１の絶縁性セラミック層１ａ（厚さ１ｍｍ）がプロテクタ５の中心軸線近傍に位置するようになっている。
このため、ガス検出器１の形状が複雑化・大型化してしまい、質量増加やそれに伴う耐振性・耐衝撃性の低下が懸念される。
【０００７】
そこで、本発明の目的は、応答性に優れるとともに、形状がシンプルで質量増加や耐震性・耐衝撃性の低下が少ない酸素センサを提供することにある。
【０００８】
【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、一対の電極が形成された固体電解質層と、固体電解質層の他方側に積層された板ヒータと、を有する板状センサ素子であり、固体電解質層の一方側におけるセンサ素子の表面を検出面とし、このセンサ素子を筒状プロテクタで囲い、このプロテクタとともにセンサ素子を機関の排気通路内に臨ませ、排気ガスの酸素成分を検出する酸素センサにおいて、プロテクタは、センサ素子を囲う内筒と、この内筒の外方を囲った外筒とからなり、板状センサ素子の検出面からプロテクタの内筒の内周面までを第１の距離、板状センサ素子の他方側の背面からプロテクタの内筒の内周面までを第２の距離としたときに、第１の距離を第２の距離より大きくし、内筒は、周壁に形成した通気孔有し、外筒は、内筒の通気孔に対向しない距離だけ離して外筒の周壁に形成した通気孔を有していることを特徴とする。
【０００９】
第１の距離を第２の距離より大きくしたので、検出面側の空間は他方の面側より広くなり、検出面側に排気ガスを早く導くことができる。
【００１０】
請求項２は、プロテクタ又はプロテクタを取り付ける本体の中心軸線と板状センサ素子の中心軸線とを互いにずらした位置に配置したことを特徴とする。
プロテクタの中心軸線と板状センサ素子の中心軸線とを互いにずらす。プロテクタに対し板状センサ素子を偏心させることにより、第１の距離を第２の距離より大きくする。
また、プロテクタを取り付ける本体の中心軸線と板状センサ素子の中心軸線とを互いにずらす。本体に対し板状センサ素子を偏心させることにより、第１の距離を第２の距離より大きくする。
【００１１】
請求項３は、板状センサ素子が、略正方形断面の角柱状センサ素子であることを特徴とする。
板状センサ素子を略正方形断面に形成する。略正方形断面であるから、第２の距離はより小さく（狭く）なり、排気ガスは他方の面側へ流れ難くなる。その結果、排気ガスはプロテクタに流入すると、短時間で検出面側へ達し、酸素センサの応答性が向上する。
【００１２】
請求項４は、プロテクタを取り付ける本体の中心軸線、前記プロテクタの中心軸線及び前記角柱状センサ素子の中心軸線を一致させ、角柱状センサ素子の検出面と反対の面に、検出面の位置に対応させてダミー層を形成したことを特徴とする。
【００１３】
本体の中心軸線、プロテクタの中心軸線及び角柱状センサ素子の中心軸線を一致させる。本体の形状は全て対称であり、本体の切削が容易であり、且つ、組立が容易である。
また、角柱状センサ素子の検出面と反対の面に、検出面の位置に対応させてダミー層を形成する。三つの中心軸線を一致させても、ダミー層の厚さにより、第２の距離をより小さく（狭く）することができる。その結果、排気ガスは検出面側に流れやすくなり、酸素センサの応答時間をより早くできる。
さらに、検出面の位置に対応させてダミー層を形成するので、センサ長手方向の大半に形成する必要がなく、小型化・軽量化を図ることができるとともに、製造が容易である。
請求項５では、内筒の通気孔は、複数明けられた円形孔であって、センサ素子の検出面に少なくとも１個対向させた孔であることを特徴とする。
請求項６は、内筒の通気孔は、複数明けられた円形孔であって、検出面の延長線上に明けられていることを特徴とする。
請求項７は、内筒の通気孔と外筒の通気孔とは、センサ素子の中心軸線の方向に離して配置されていることを特徴とする。
請求項８では、内筒は、周壁に形成した通気孔と、先端面に形成した通気孔と、を有し、外筒は、周壁に形成した通気孔と、先端面に形成した通気孔と、を有し、外筒の通気孔は、内筒の通気孔から所定の角度だけ回して配置されていることを特徴とする。
【００１４】
【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。
【００１５】
図２は本発明に係る酸素センサ（第１実施例）の断面図であり、本体部１０は、本体１１と、この本体１１の端部に明けた孔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。Ｃ１は本体１１の中心軸線である。
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に嵌め込んだセンサ素子３０とからなる。２２は端子圧着部、２３はリード線である。
【００１６】
プロテクタ２１は、内筒２４と、この内筒２４の外方を囲った外筒２５とからなる。Ｃ２はプロテクタ２１の中心軸線であり、本体１１の中心軸線Ｃ１と同心である。
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。
センサ素子３０の詳細については、後で述べるが、３１は一方の面に形成した検出面であり、検出面３１は排気ガス中の酸素が吸着する面である。３２は他方の面に形成した背面である。Ｃ３はセンサ素子３０の中心軸線である。なお、検出面３１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。
【００１７】
図３（ａ），（ｂ）は本発明に係るプロテクタとセンサ素子の位置関係を説明する図であり、（ａ）は通気孔の関係を示す図であり、（ｂ）は（ａ）のｂ矢視図である。
（ａ）において、検出面３１は、本体１１に形成した基準面Ｋから軸方向に距離Ｘ１離した位置にある。
通気孔２４ａ…の軸方向の位置は、内筒２４の端面２４ｃから距離Ｘ２の位置であり、検出面３１から所定距離Ｘ３だけ離して形成したことを特徴とする。所定距離Ｘ３は、通気孔２４ａの径をｄとすると、０．５ｄ〜２ｄである。
通気孔２５ａ…は２列に形成した孔であり、１列目は外筒２５の端面２５ｃから距離Ｘ４離れた位置にあり、２列目は１列目から距離Ｘ５離れた位置にある。これら１・２列目の通気孔２５ａ…は、それぞれ通気孔２４ａ…から距離Ｘ６だけ左右に離して形成する。
【００１８】
（ｂ）において、本体１１の孔１２は、本体１１の中心軸線Ｃ１及びプロテクタ２１の中心軸線Ｃ２から距離Ｙ１だけセンサ素子３０の中心軸線Ｃ３をオフセットした位置に明けた角孔であり、センサ素子３０を配置するためのものである。
【００１９】
図４は図２の４−４線断面図である。距離Ｙ１だけオフセットし、検出面３１をプロテクタ２１の中心軸線Ｃ２上に配置するとともに、内筒２４に対し、第１の距離Ｈ１を第２の距離Ｈ２より大きく保つ。
第１の距離Ｈ１はセンサ素子３０の一方の面に形成した検出面３１からプロテクタ２１の内筒２４の内周面までの距離である。
第２の距離Ｈ２はセンサ素子３０の他方の面に形成した背面３２からプロテクタ２１の内筒２４の内周面までの距離である。
【００２０】
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、センサ素子３０の検出面３１と背面に各々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…からずらすために角度θだけ回して配置した孔である。
【００２１】
図５は図２の５−５線断面図であり、センサ素子３０の拡大断面を示す。
センサ素子３０は、中央の第１固体電解質層３３と、この第１固体電解質層３３の一方の面に接続した第１電極３４と、他方の面に接続した第２電極３５と、この第２電極３５に形成した保護層３６と、第１電極３４に接続した第２固体電解質層３７と、この第２固体電解質層３７に接続した板ヒータ４０と、この板ヒータ４０に形成した保護層３８とからなる。
【００２２】
第１固体電解質層３３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３７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。
【００２３】
第１電極３４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３３に接続して第１固体電解質層３３の中に酸素イオンを流すための電極である。
第２電極３５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３３に接続して第１固体電解質層３３の中に酸素イオンを流すための電極である。
【００２４】
保護層３６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。この層の表面が検出面３１である。
保護層３８は、セラミック皮膜で、板ヒータ４０の保護を目的とする層である。この層の表面が背面３２である。
【００２５】
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３３，３７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。
【００２６】
なお、センサ素子３０は、第１電極３４と第２電極３５に電圧を印加して酸素濃度を検出する酸素センサであり、濃度基準となる大気の酸素を必要としないものである。
【００２７】
以上に述べた酸素センサの作用を次に説明する。
図６は本発明に係る酸素センサの作用図である。
酸素センサ１を排気通路Ｐにおねじ１３（図１参照）で取り付け、検出面３１が排気ガスの流れに対して平行になった状態を示す。排気ガスが白抜き矢印（１）の如く上流（機関側）から流れ、外筒２５の通気孔２５ａから白抜き矢印（２）の如く外筒２５内に流入する。一旦、内筒２４に当って、広がりつつ内筒２４の通気孔２４ａ…から白抜き矢印（３）の如く内筒２４内に流入する。内筒２４内は、第１の距離Ｈ１を第２の距離Ｈ２より大きく配置したので、検出面３１側の空間が広く、逆に背面側３２の空間が狭い。検出面３１側を広くすると、排気ガスは白抜き矢印（４）の如く検出面３１側を流れやすくなるので、検出面３１は排気ガス中の酸素との接触が早くなる。その結果、検出信号の出力開始が早くなり、酸素センサ１の応答時間が早くなる。
【００２８】
プロテクタ２１では、通気孔２４ａ，２５ａを単純な円形にしたので、プロテクタ２１の小型化を図ることができるとともに、加工費の低減を図ることができる。
【００２９】
次に、本発明に係る酸素センサの別実施例を示す。
図７は本発明に係る酸素センサ（第２実施例）の断面図であり、上記図１〜図６に示す実施の形態と同様の構成については、同一符号を付し説明を省略する。
酸素センサ１Ｂは、本体部１０Ｂと、この本体部１０Ｂに取り付けたセンサ素子部２０とからなる。
【００３０】
本体部１０Ｂは、本体１１Ｂと、この本体１１Ｂの端部に明けた孔１２と、本体１１Ｂに形成したおねじ１３及びナット部１４と、本体１１Ｂ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、本体１１Ｂの端部に形成した空間部１７とからなる。Ｃ１は本体１１Ｂの中心軸線、Ｃ４は本体１１Ｂの中心軸線Ｃ１から距離Ｙ１だけオフセットした孔１２の中心軸線である。
【００３１】
図８は図７の８−８線断面図であり、空間部１７は、中心軸線Ｃ１を中心（本体１１Ｂと同心）に形成した内面部５１と、中心軸線Ｃ４を中心（孔１２と同心）に形成した外面部５２とからなり、外面部５２が距離Ｙ１だけ偏心した空間である。
【００３２】
図９は図７の９−９線断面図であり、検出面３１をプロテクタ２１の中心軸線Ｃ２上に配置し、内筒２４に対し、第１の距離Ｈ１を第２の距離Ｈ２より大きくしたことを示す。
【００３３】
次に、酸素センサ１Ｂの作用を説明する。
図１及び図７に示すように、自動二輪車の排気通路Ｐに酸素センサ１Ｂを取り付け、センサ素子部２０側を排気通路Ｐ内に臨ませる。
まず、排気通路Ｐから突出した本体１１Ｂ及びパイプ１５に路上の石などが当った場合、空間部１７が衝撃を吸収する。従って、センサ素子３０が受ける衝撃を小さくすることができ、センサ素子３０の破壊を防止することができる。
また、排気通路Ｐから突出した本体１１Ｂ及びパイプ１５に雨や跳ね上げた水がかかった場合、空間部１７内の空気が熱の伝達を低下させるので、センサ素子３０の急冷を防止することができる。その結果、センサ素子３０の割れを防止することがきる。
【００３４】
さらに、図９に示すように、第１の距離Ｈ１を第２の距離Ｈ２より大きく検出面３１を配置したので、検出面３１側の空間が背面側３２の空間より広くなり、検出面３１は排気ガス中の酸素との接触が早くなる。その結果、検出信号の出力開始が迅速に行われ、酸素センサ１Ｂの応答性が向上する。
【００３５】
図１０は本発明に係る酸素センサ（第３実施例）の断面図であり、上記図１〜図９に示す実施の形態と同様の構成については、同一符号を付し説明を省略する。
酸素センサ１Ｃは、本体部１０Ｃと、この本体部１０Ｃに取り付けたセンサ素子部２０とからなる。
本体部１０Ｃは、本体１１Ｃと、この本体１１Ｃの端部に明けた孔１２と、本体１１Ｃに形成したおねじ１３及びナット部１４と、本体１１Ｃ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、本体１１Ｃの一方の端部に形成した空間部１７Ｃと、他方の端部に形成したプロテクタ嵌合部１８からなる。Ｃ５は、プロテクタ嵌合部１８の中心軸線である。
【００３６】
プロテクタ嵌合部１８は、プロテクタ嵌合部１８の中心軸線Ｃ５を本体１１Ｃの中心軸線Ｃ１から距離Ｙ２だけオフセットしたものである。従って、プロテクタ嵌合部１８にプロテクタ２１を取り付けることで、プロテクタ２１の中心軸線Ｃ２を本体１１の中心軸線Ｃ１から距離Ｙ２だけ偏心させることができる。
【００３７】
図１１は図１０の１１−１１線断面図であり、空間部１７Ｃは、本体１１Ｃと同心（中心軸線Ｃ１を中心）に形成した内面部５１と、中心軸線Ｃ４を中心（孔１２と同心）に形成した外面部５２とからなり、対称である。
【００３８】
図１２は図１０の１２−１２線断面図であり、本体１１Ｃと同心（中心軸線Ｃ１を中心）にセンサ素子３０の中心軸線Ｃ３を配置し、プロテクタ２１の中心軸線Ｃ２を距離Ｙ２だけ偏心（オフセット）させ、内筒２４に対し、第１の距離Ｈ３を第２の距離Ｈ４より大きくしたことを示す。
ここで、第１の距離Ｈ３はセンサ素子３０の一方の面に形成した検出面３１からプロテクタ２１の内筒２４の内周面までの距離であり、第２の距離Ｈ４はセンサ素子３０の他方の面に形成した背面３２からプロテクタ２１の内筒２４の内周面までの距離である。
【００３９】
次に、酸素センサ１Ｃの作用を説明する。
図１及び図１０に示すように、自動二輪車の排気通路Ｐに酸素センサ１Ｃを取り付け、センサ素子部２０側を排気通路Ｐ内に臨ませる。
空間部１７Ｃを対称に形成したので、どの方向から小石のようなものが本体１１Ｃに当っても、衝撃を吸収することができる。
また、雨などの水が本体１１Ｂにかかった場合、空間部１７内の空気が熱の伝達を低下させるので、センサ素子３０の急冷を防止することができる。その結果、センサ素子３０の割れを防止することがきる。
【００４０】
また、図１１に示すように、空間部１７Ｃを対称に形成したので、内面部５１及び外面部５２の切削が容易である。
さらに、図１２に示すように、プロテクタ２１の中心軸線Ｃ２を本体１１Ｃの中心軸線Ｃ１から距離Ｙ２だけオフセットしたので、第１の距離Ｈ３を第２の距離Ｈ４より大きくすることができる。その結果、排気ガスは検出面３１側へ先に流れ、酸素センサ１Ｃの応答時間が早くなる。
【００４１】
図１３は本発明に係る酸素センサ（第４実施例）の断面図であり、上記図１〜図１２に示す実施の形態と同様の構成については、同一符号を付し説明を省略する。
酸素センサ１Ｄは、本体部１０Ｄと、この本体部１０Ｄに取り付けたセンサ素子部２０Ｄとからなる。
本体部１０Ｄは、本体１１Ｄと、この本体１１Ｄの端部に明けた孔１２と、本体１１Ｄに形成したおねじ１３及びナット部１４と、本体１１Ｄ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、本体１１Ｄの一方の端部に形成した空間部１７Ｃとからなり、全て対称である。
【００４２】
センサ素子部２０Ｄは、本体１１Ｄに溶接したプロテクタ２１と、本体１１Ｄの孔１２に嵌め込んだセンサ素子３０Ｄとからなる。Ｃ６はセンサ素子３０Ｄの中心軸線である。
【００４３】
図１４は図１３の１４−１４線断面図であり、センサ素子３０Ｄの拡大断面を示す。
センサ素子３０Ｄは、中央の第１固体電解質層３３と、この第１固体電解質層３３の一方の面に接続した第１電極３４と、他方の面に接続した第２電極３５と、この第２電極３５に形成した保護層３６と、第１電極３４に接続した第２固体電解質層３７と、この第２固体電解質層３７に接続した板ヒータ４０と、この板ヒータ４０に形成した保護層５４と、この保護層５４に形成したダミー層５５とからなり、略正方形断面の角柱状センサ素子である。
【００４４】
保護層５４は、セラミック皮膜で、板ヒータ４０を保護する層である。
ダミー層５５は、セラミック皮膜であり、ダミー層５５の厚さは任意である。図では、略正方形断面を示したが、厚さをより厚くして縦長断面も形成可能である。５６は他方の面に形成した背面である。
【００４５】
図１５は図１３の１５−１５線断面図であり、本体１１Ｄと同心（中心軸線Ｃ１を中心）にセンサ素子３０Ｄの中心軸線Ｃ６を配置し、ダミー層５５を形成し、内筒２４に対し、第１の距離Ｈ５を第２の距離Ｈ６より大きくしたことを示す。
第１の距離Ｈ５はセンサ素子３０Ｄの一方の面に形成した検出面３１からプロテクタ２１の内筒２４の内周面までの距離である。
第２の距離Ｈ６はセンサ素子３０Ｄの他方の面に形成した背面５６からプロテクタ２１の内筒２４の内周面までの距離である。
【００４６】
次に、酸素センサ１Ｄの作用を説明する。
図１３に示すように、本体１１Ｄの形状は全て対称なので、本体１１Ｄの加工は極めて容易であり、生産コストを低減することができる。
また、本体１１Ｃの中心軸線Ｃ１、プロテクタ２１の中心軸線Ｃ２及びセンサ素子３０Ｄの中心軸線Ｃ６を一致させたので、自動組立や自動溶接が容易であり、生産コストを低減することができる。
【００４７】
さらに、ダミー層５５は酸素センサ１Ｄの長手方向の大半に形成する必要がなく、小型化及び軽量化を図ることができるとともに、製造が容易である。
その上、センサ素子３０Ｄは、ダミー層５５を形成したものであり、穴や形状の変化がなく、シンプルである。その結果、振動や衝撃による応力集中が起き難く、耐振性・耐衝撃性の低下が少ない。
【００４８】
図１５に示すように、ダミー層５５を形成することで、センサ素子３０Ｄは、略正方形断面になり、本体１１Ｃと同心（中心軸線Ｃ１を中心）にセンサ素子３０Ｄの中心軸線Ｃ６を配置しても第１の距離Ｈ５を第２の距離Ｈ６より大きくできる。その結果、プロテクタ２１内に流入した排気ガスは短時間で検出面３１に達し、酸素センサ１Ｄの応答時間がより早くなる。
【００４９】
また、ダミー層５５をより厚くすることで、第１の距離Ｈ５を確保しながら、第２の距離Ｈ６をより小さく（狭く）することができる。その結果、排気ガスは検出面３１側により流れやすくなり、酸素センサ１Ｄの応答時間がより早くなる。
【００５０】
なお、センサ素子３０に電圧を印加すると、排気ガス中の酸素は第２電極３５により電子を受取り、酸素イオン（Ｏ₂-）となって矢印（５）の如く第１固体電解質層３３内を透過する。その結果、第１電極３４に達すると同時に、第１電極３４側で電子を放出し、酸素となって第２固体電解質層３７に滞留する。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。
【００５１】
【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の距離を第２の距離より大きくしたので、検出面側の空間は他方の面側より広くなり、検出面側に排気ガスを早く導くことができる。その結果、検出面の向きによって起きる応答性のばらつきを小さくでき、酸素センサの応答性の向上を図ることができる。
【００５２】
請求項２では、プロテクタの中心軸線と板状センサ素子の中心軸線とを互いにずらしたので、プロテクタに対し板状センサ素子が偏心し、第１の距離を第２の距離より大きくすることができる。また、本体の中心軸線と板状センサ素子の中心軸線とを互いにずらしたので、本体に対し板状センサ素子が偏心し、第１の距離を第２の距離より大きくすることができる。
従って、検出信号の出力開始が早くなり、酸素センサの応答性が向上する。
【００５３】
また、検出面側の空間を広くして、応答性を向上させたので、従来のような通気孔に内側に折り曲げが必要なく、小型化を図ることができ、さらに、通気孔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。
【００５４】
請求項３では、センサ素子の断面形状を略正方形に形成したので、板状と同様に配置しても第１の距離を第２の距離よりより大きくすることができ、排気ガスを積極的に検出面側に導くことができる。その結果、酸素センサの応答性をより向上させることができる。
【００５５】
請求項４では、本体の中心軸線、プロテクタの中心軸線及び角柱状センサ素子の中心軸線の三つの中心軸線を一致させたので、本体の形状は全て対称になり、本体の切削が容易である。従って、生産コストを低減することができる。
また、三つの中心軸線が一致しているので、自動組立や自動溶接が容易である。従って、生産コストを低減することができる。
さらに、角柱状センサ素子の検出面と反対の面に、検出面の位置に対応させてダミー層を形成したので、三つの中心軸線を一致させても、ダミー層の厚さにより、第２の距離をより小さく（狭く）することができる。その結果、排気ガスは検出面側により流れやすくなり、酸素センサの応答時間がより早くなる。
【００５６】
その上、検出面の位置に対応させてダミー層を形成したので、従来のように酸素センサの長手方向の大半に渡って階段状に形成する必要がなく、小型化及び軽量化を図ることができるとともに、製造が容易である。
加えて、角柱状センサ素子の検出面と反対の面に、検出面の位置に対応させてダミー層を形成したので、従来のような階段状の形状の変化がなく、且つ、シンプルである。その結果、振動や衝撃による応力集中が発生し難くく、耐振性及び耐衝撃性の低下を少なくすることができる。
【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（第１実施例）の断面図
【図３】本発明に係るプロテクタとセンサ素子の関係を説明する図
【図４】図２の４−４線断面図
【図５】図２の５−５線断面図
【図６】本発明に係る酸素センサの作用図
【図７】本発明に係る酸素センサ（第２実施例）の断面図
【図８】図７の８−８線断面図
【図９】図７の９−９線断面図
【図１０】本発明に係る酸素センサ（第３実施例）の断面図
【図１１】図１０の１１−１１線断面図
【図１２】図１０の１２−１２線断面図
【図１３】本発明に係る酸素センサ（第４実施例）の断面図
【図１４】図１３の１４−１４線断面図
【図１５】図１３の１５−１５線断面図
【符号の説明】
１，１Ｂ，１Ｃ，１Ｄ…酸素センサ、２１…プロテクタ、２４…内筒、２４ａ，２４ｂ，２５ａ，２５ｂ…通気孔、２５…外筒、３０，３０Ｄ…センサ素子、３１…検出面、３２，５６…他方の面（背面）、５５…ダミー層、Ｃ２…プロテクタの軸（プロテクタの中心軸線）、Ｈ１，Ｈ３，Ｈ５…第１の距離、Ｈ２，Ｈ４，Ｈ６…第２の距離、Ｐ…排気通路、Ｘ３…所定距離。

Claims

一対の電極が形成された固体電解質層（３３）と、該固体電解質層（３３）の他方側に積層された板ヒータ（４０）と、を有する板状センサ素子（３０）であり、前記固体電解質層（３３）の一方側におけるセンサ素子（３０）の表面を検出面（３１）とし、このセンサ素子（３０）を筒状プロテクタ（２１）で囲い、このプロテクタ（２１）とともにセンサ素子（３０）を機関の排気通路（Ｐ）内に臨ませ、排気ガスの酸素成分を検出する酸素センサ（１）において、
前記プロテクタ（２１）は、前記センサ素子（３０）を囲う内筒（２４）と、この内筒（２４）の外方を囲った外筒（２５）とからなり、
前記板状センサ素子（３０）の検出面（３１）からプロテクタ（２１）の内筒（２４）の内周面までを第１の距離（Ｈ１）、板状センサ素子（３０）の他方側の背面（３２）からプロテクタ（２１）の内筒（２４）の内周面までを第２の距離（Ｈ２）としたときに、第１の距離（Ｈ１）を第２の距離（Ｈ２）より大きくし、
前記内筒（２４）は、周壁に形成した通気孔（２４ａ）有し、
前記外筒（２５）は、前記内筒（２４）の通気孔（２４ａ）に対向しない距離だけ離して外筒（２５）の周壁に形成した通気孔（２５ａ）を有していることを特徴とする酸素センサ（１）。
前記プロテクタ（２１）又はプロテクタ（２１）を連ねて取り付けている本体（１１）の中心軸線（Ｃ２、Ｃ１）と前記板状センサ素子（３０）の中心軸線（Ｃ３）とを互いにずらした位置に配置したことを特徴とする請求項１記載の酸素センサ。
前記板状センサ素子（３０Ｄ）は、略正方形断面の角柱状センサ素子であることを特徴とする請求項１記載の酸素センサ。
前記プロテクタ（２１）を取り付けている本体（１１）の中心軸線（Ｃ１）、前記プロテクタ（２１）の中心軸線（Ｃ２）及び前記角柱状センサ素子（３０Ｄ）の中心軸線（Ｃ６）を一致させ、角柱状センサ素子（３０Ｄ）の検出面（３１）と反対の面に、検出面（３１）の位置に対応させてダミー層（５５）を形成したことを特徴とする請求項３記載の酸素センサ。
前記内筒（２４）の通気孔（２４ａ）は、複数明けられた円形孔であって、前記センサ素子（３０）の検出面（３１）に少なくとも１個対向させた孔であることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の酸素センサ。
前記内筒（２４）の通気孔（２４ａ）は、複数明けられた円形孔であって、前記検出面（３１）の延長線上に明けられていることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の酸素センサ。
前記内筒（２４）の通気孔（２４ａ）と前記外筒（２５）の通気孔（２５ａ）とは、前記センサ素子（３０）の中心軸線（Ｃ３）の方向に離して配置されていることを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に記載の酸素センサ。
前記内筒（２４）は、周壁に形成した通気孔（２４ａ）と、先端面に形成した通気孔（２４ｂ）と、を有し、
前記外筒（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、を有し、
前記外筒（２５）の通気孔（２５ａ）は、前記内筒（２４）の通気孔（２４ａ）から所定の角度だけ回して配置されていることを特徴とする請求項１〜７のいずれか１項に記載の酸素センサ。