JPH0648258B2

JPH0648258B2 - 酸素濃度検出装置

Info

Publication number: JPH0648258B2
Application number: JP61205311A
Authority: JP
Inventors: 利孝斎藤; 博美佐野; 宗司太田
Original assignee: 日本電装株式会社
Priority date: 1986-09-01
Filing date: 1986-09-01
Publication date: 1994-06-22
Anticipated expiration: 2009-06-22
Also published as: JPS6361160A

Description

【発明の詳細な説明】［産業上の利用分野］この発明は、例えば自動車用の内燃機関の排気ガス中に
含まれる酸素の量を測定するために使用される酸素濃度
検出装置に関する。

［従来の技術］内燃機関において、例えば燃料噴射量を適正値に設定す
るためには、排気ガス中に含まれる酸素量を検出し、機
関の燃焼室における燃料量と空気量との関係を適正値に
設定する空燃比制御を実行するようにしている。

このような空燃比制御を実行するためには、内燃機関の
排気管部分に酸素濃度センサを設定し、このセンサから
の検出信号に基づき、燃料噴射量等を補正演算するよう
にしているものである。

このような酸素濃度検出装置としては、Ｙ_２Ｏ_３、Ｙb
_２Ｏ_３等をドープしたＺr Ｏ_２系の酸素イオン導電体で
なる固体電解質物質で構成した検出素子が使用されてい
る。例えば、コップ状の検出部を上記固体電解質物質に
よって構成するようにしているものであり、このコップ
状にした固体電解質物質の内面および外面にそれぞれ電
極層を形成し、内部中空部に大気が基準気体雰囲気とし
て導かれるようにしている。この場合、上記固体電解質
物質部は、酸素濃度が効果的に検出されるようにするた
め、ヒータによって加熱されるようになっている。

しかし、このような構成では固体電解質物質によってコ
ップ状の検出部を形成する必要があるものであるため、
その製作過程が複雑化する傾向にあり、且つ機械的な強
度を充分なものとすることが困難である。そして、さら
にヒータ部分の構成が複雑となる。

このような点を考慮したものとして、例えば特開昭５５
−１２５４４８号に示されるような検出素子が考えられ
ている。すなわち、板状に構成された固体電解質の両面
に、ヒータ、電極等を積層し一体化するようにしたもの
であり、さらにこの板状検出素子の面部分に大気導入口
を積層形成するようにしているものである。しかし、こ
の大気導入口を含む状態で積層型に構成された検出素子
にあっては、その形状が板状であるため検出ガス当りに
対する方向性が顕著に現れるようになる。また、その形
状が板状であるため組付け構造を充分なものとすること
が困難である。さらに板状の固体電解質の両面部分に内
外電極と共にヒータが積層構成されるようになるもので
るため、その相互の電気的な絶縁のために複数枚の絶縁
層も同時に積層形成する必要があり、その結果この検出
素子の構成が複雑化するようになる。

［発明が解決しようとする問題点］この発明は上記のような点に鑑みなされたもので、内燃
機関で生ずる機械的な振動に対しても充分耐えることが
できるようにした、機械的な強度の充分なものとするこ
とができると共に、その構成を充分簡易化してガス当り
の方向性を改善し、且つ組付け性も良好なものとして、
例えば自動車用内燃機関の排気ガス中の酸素含有率の測
定等に効果的に使用できるようにする酸素濃度検出装置
を提供しようとするものである。

［問題点を解決するための手段］すなわち、この発明に係る酸素濃度検出装置にあって
は、絶縁物によって先端を閉じた円筒状の中軸を用意
し、この中軸の先端部に近接する側面部に開口を形成す
る。そして、この開口部分に両面に電極を形成した板状
の固体電解質からなる酸素検出素子を嵌め込み設定す
る。また、上記中軸の外周部分には絶縁物からなるシー
ト部材を巻き付け設定するもので、このシート部材には
上記検出素子部に対応して開口が形成され、さらに上記
検出素子の電極部に接続されるリード線、およびヒータ
線を印刷等によって形成しているもので、このシート部
材を中軸に巻き付けた状態でヒータが設定され、また検
出素子の導出リード線が形成されるようにしている。

［作用］上記のように構成される酸素濃度検出装置にあっては、
中軸の内部中空部が大気に連通されるようになり、した
がって固体電解質からなる検出素子部の一方の面が上記
大気による基準気体雰囲気に接触設定され、他方の面が
シート部材の開口部を介して測定ガス雰囲気に接触され
るようになる。したがって、この測定ガス中に含まれる
酸素量に対応した電気信号が、上記リード線を介して導
出されるようになる。また、このリード線さらに固体電
解質部分を加熱するようになるヒータは、上記シート部
材に印刷等によって簡単に形成され、中軸と簡単に一体
構成とされるようになるものであり、構造が充分簡易化
されるばかりか、円筒状に構成されるものであるため、
ガス当りの方向性がなくなるものであり、さらに組付け
作業性も良好なものとすることができるものである。

［発明の実施例］以下、図面を参照してこの発明の一実施例を説明する。
第１図は酸素濃度検出装置に検出機構部の構成を示すも
ので、円筒管状に構成される中軸11を備える。この中軸
11はこの検出機構の基体となるもので、例えばＡｌ_２Ｏ
_３、Ｓi _３Ｎ_４等の電気絶縁体によって構成されるもの
で、第２図に取出して示すように大気導入口となる基端
部を開口した中空部12を備え、その先端部は封じられる
ようになっている。そして、この中軸11の基端部の外周
部には、リード線の取り出し部を形成するようになる例
えば４個の溝131 〜134 が軸線に平行に形成されてい
る。

上記中軸11の先端部に近接する部分の外周には、中空部
12に貫通するようにして開口14が形成されているもの
で、この開口14の外側部周縁部分には、段差による保持
部141 が形成されている。そして、この開口14の保持部
141 に酸素濃度検出素子15が嵌め込み設定されるように
している。

第３図はこの酸素濃度検出素子15を拡大して示すもの
で、板状に形成された固体電解質151 によって構成され
るもので、この固体電解質151 は例えばＹ_２Ｏ_３、Ｙb
_２Ｏ_３等をドープしたＺr Ｏ_２系の酸素イオン導電体材
料によって構成され、上記中軸11に形成した開口14の保
持部141 に、中軸11の円筒面に沿って湾曲されるように
して嵌め合せ設定されるようになるものである。そし
て、この板状に構成される固体電解質151 の両面に、そ
れぞれ第１および第２の電極152 および153 が蒸着、印
刷等によって形成されているものであり、この電極152
、153 それぞれから、１つの縁に向けて導出電極154
および155 が形成されるようになっている。

ここで、上記電極152 および153 は、それそれ白金によ
る多孔質の電極として構成され、その両面に存在するガ
スに含まれる酸素が、固体電解質151 に導かれるように
なっている。すなわち、この酸素濃度検出素子15は、酸
素の濃淡により作用する電池として働く電気化学的なセ
ルとして構成されるものである。

上記中軸11の外周部には、シート部材16が巻き付け設定
される。第４図はこのシート部材16を取出して示したも
ので、上記中軸11と同質の材料によって構成されたシー
ト161 を基体として構成される。このシート161 には、
中軸11に形成した開口14の位置に対応して貫通孔162 が
形成されているもので、この貫通孔162 を取囲むように
して、Ｐt あるいはＷから構成される薄膜によるヒータ
163 が形成されている。また、このシート161 の面に
は、貫通孔162 部分から中軸11の基端方向に向けて、Ｐ
t あるいはＷによって構成される第１および第２のリー
ド線164 および165 が形成されている。そして、このリ
ード線164 および165 は、それぞれ中軸11の基端部に形
成した溝131 および132 部に導かれるようになってい
る。

すなわち、前記酸素濃度検出素子15を中軸11の開口14内
に嵌め込み設定した状態で、上記シート部材16がそのヒ
ータ163 等を形成した面を内面として、上記中軸11の外
周に巻き付けられる。そして、このシート部材16によっ
て酸素濃度検出素子15が開口14部の保持部141 に固定保
持されるようにしている。この場合上記酸素濃度検出素
子15はシート部材16の貫通孔162 に対面設定され、この
検出素子16の第２の電極153 側が貫通孔162 を介して外
部に露出されるようになっている。

このような状態で、シート161 に形成した第１のリード
線164 は、第３図の（Ｃ）で示すように固体電解質151
の側面まで立下がるように形成された導出電極154 に接
触接続されるようになっており、また第２のリード線16
5 は導出電極155 に接触接続されるようになっている。
そして、この酸素濃度検出素子15の電極152 および153
が、中軸11の溝131 および132 部から導出されるように
している。

上記シート161 には、さらに上記ヒータ162 からの導出
リード線166 および167 が上記リード線164 、165 と平
行に形成され、中軸11の溝133 および134 部分に導か
れ、導出されるようになっている。

上記のように構成される検出機構部は、まず中軸11を所
定の材料によって成型加工し、この中軸11を基体として
それぞれスクリーン印刷等によって電極等が形成された
固体電解質151 による酸素濃度検出素子15と、同じくス
クリーン印刷等によってヒータ163 、リード線164 〜16
7 を形成したシート材料16をそれぞれ位置合せして上記
中軸11に巻き付け設定し、これを一体焼成することによ
って作製される。その後、プラズマ溶射等によって電極
等の保護層となる。Ａｌ_２Ｏ_３、あるいはＭg Ｏ・Ａｌ
_２Ｏ_３スピネルよりなるセラミックコーティング層によ
って形成した多孔質の保護層17を形成するものである。

この保護層17を構成するセラミックコーティング層は、
その気孔率が適宜調整できるものであり、この気孔率に
よってポテンショメトリック、あるいはポーラロメグラ
フィックなセンサとして選択的に使い分けできるように
なるものである。

第５図は上記のように構成される酸素濃度検出機構を用
いて構成した検出装置の構成を示しているもので、中軸
11を基体として構成された円筒状の検出機構は、支持ハ
ウジング20の中心軸部に形成した中空部内に設定され
る。この円筒状の検出機構は、リング21、22、タルク2
3、およびパッキング24によって上記ハウジング20の中
空部内に保持設定されているものであり、特にパッキン
グ24によってハウジング20の検出機構先端部と基端部と
を気密状態で分離できるようにしている。

そして、上記検出機構の酸素濃度検出素子15が設定され
ている先端部は、上記ハウジング20から突出するように
設定されているもので、上記ハウジング20には上記検出
機構の先端部を取囲むようにしてカバーエレメント25が
設けられている。このカバーエレメント25には多数の透
孔が形成されているもので、この透孔を介して周囲のガ
スが検出機構の先端検出部の周囲まで侵入し、検出機構
の保護層17を介してそのガスが検出素子15に接触される
ようになっている。

上記ハウジング20のカバーエレメント25と反対側には、
筒状のカバープロテクション26がロー付け等によって取
付け設定される。そして、このカバープロテクション26
の中心軸部分に検出機構の中軸11が設定されるようにす
る。そして、この中軸11とカバープロテクション26との
間には、適宜ホルダ27を介在し、このホルダ27によって
検出機構が保持設定されるようにする。

リードコネクション28は、上記カバープロテクション26
内にホルダ27と同軸的に設定されるインシュレータ29に
形成されているもので、このインシュレータ29はゴムブ
ッシュ30によってその位置が固定されるようになってい
る。この場合、上記インシュレータ29およびゴムブッシ
ュ30は、空気透過性を有するように構成しているもの
で、大気がこのゴムブッシュ30およびインシュレータ29
を介して、酸素濃度検出機構の中軸11の基端開口部に導
かれ、この中軸11の酸素濃度検出素子15の内面部分に、
大気による基準ガス雰囲気が設定されるようにしてい
る。

上記リードコネクション28には、リード線32が接続され
ているものであり、このリード線32は中軸11の基端部に
形成した溝131 〜134 部分で、検出素子15からのリード
線、さらにヒータからのリード線に接続されている。そ
して、このリードコネクション28は、ゴムブッシュ30を
貫通して設定されるワイヤリード33を介して外部に導出
されるようにしているものである。

上記保持用ハウジング20にはフランジ34が一体に取付け
られているもので、このフランジ34はこの図では示され
ていない、例えば内燃機関の排気管にこの検出装置を取
付け設定するために使用される。そして、ハウジング20
のカバーエレメント25部分が上記排気管内に設定され、
酸素濃度検出機構の先端の酸素濃度検出素子15部分が、
排気ガス中に位置設定されるようにしているものであ
る。

すなわち、上記のように構成される酸素濃度検出装置に
あっては、内燃機関の排気管に取付け設定された状態
で、酸素濃度検出機構の酸素濃度検出素子15部分が排気
ガス中に設定されるようになるものであり、この検出素
子15の外側の面が、保護面17および電極152 を介して被
測定ガス、すなわち排気ガスに接触されるようになる。
そして、上記検出素子15の内側の面は電極153 を介し
て、中軸11の中空部分に設定される基準ガスに接触され
るようになる。したがって、上記酸素濃度検出素子15の
両面に形成した電極152 および153 間に、排気ガス中に
含まれた酸素の量に対応した電気信号が得られるように
なる。この場合、ヒータ163 によって上記検出素子15部
分が加熱設定されているものであり、精度の高い酸素濃
度測定動作が実行されるようになる。

第６図および第７図は他の実施例を示しているもので、
この実施例にあっては、酸素濃度検出素子15が第６図
（Ａ）で示すように、中軸11の外周部の半周の範囲を巻
き付く状態に形成される固体電解質41によって構成され
るものであり、この固体電解質41において中軸11の開口
14に対応する部分に第１の電極42を形成し、その反対側
の面に第２の電極43を形成させるようにしている。そし
て、これら電極42および43からは、それぞれ固体電解質
41の、中軸11の基端部に向けてリード線44および45が印
刷形成されるようにする。

また、第６図（Ｂ）で示すように、中軸11の残りの半周
を取り巻くようにした中軸11と同一の材料によって構成
したシート51を用いるようにするもので、このシート51
の面にヒータ52およびリード線53、54を印刷形成するよ
うにする。

そして、この第６図の（Ａ）および（Ｂ）で示した固体
電解質41およびシート51を、第７図で示すように中軸11
の外周に、半周つづ巻き付け、一体に焼成するものであ
る。

［発明の効果］以上のようにこの発明に係る酸素濃度検出装置にあって
は、絶縁物によって構成される中軸を基体として構成さ
れるものであり、この中軸に取り付け設定され、また巻
き付け設定される部材によって、固体電解質およびこの
固体電解質に付属される電極が形成されるものである。
したがって、その組立て構成が積層構造体等が存在しな
いものであるため非常に簡易化されるものであり、また
機械的な強度も充分なものとすることができる。そし
て、形状も円筒形を基本として構成されるものであるた
め、その方向性は特に問われないものである。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明の一実施例に係る酸素濃度検出装置の
検出機構部を示すもので、（Ａ）は断面図、（Ｂ）は側
面図、第２図は上記検出機構の中軸を取出して示したも
ので（Ａ）は一部断面した側面図、（Ｂ）は（Ａ）図の
ｂ−ｂ線断面図、第３図は同じく酸素濃度検出素子を示
すもので、（Ａ）は平面図、（Ｂ）は裏面図、（Ｃ）は
断面図、第４図は同じくシート部材を示す図、第５図は
上記検出機構を使用した酸素濃度検出装置を説明する断
面構成図、第６図はこの発明の他の実施例を示すもの
で、（Ａ）は検出素子部、（Ｂ）はシート部材部をそれ
ぞれ示す図、第７図の（Ａ）（Ｂ）はこの実施例の検出
機構部の構成を説明する図である。 11……中軸、12……中空部、131 〜134 ……溝、14……
開口、15……酸素濃度検出素子、151 ……固体電解質、
152 、153 ……電極、16……シート部材、161 ……シー
ト、162 ……貫通孔、163 ……ヒータ、164 、165 ……
リード線、17……保護層。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】先端が閉じられた中空円筒状に形成された
絶縁物からなる中軸と、この中軸の上記先端部分に近接する周部に、上記中空部
に連通するように形成した開口部と、この開口部に嵌め合せ設定されるように形成され、上記
中空部および上記中軸の外側部分にそれぞれ対応する両
面に、それぞれ電極を形成した板状の固体電解質物質か
らなる酸素濃度検出素子と、上記中軸の外周に巻き付け設定され、上記酸素濃度検出
素子部分に対応して開口を形成した絶縁物シートに、金
属薄膜によるヒータ配線を含む電極リード線を形成した
シート部材と、このシート部材の上記開口部分を含んで上記中軸の先端
部外周部に被覆形成された通気孔を有する絶縁物による
保護層とを具備し、上記中軸とシート部材とは一体に焼成され、上記酸素濃
度検出部材のそれぞれ電極を有する両面は、上記中軸の
中空部の基準気体雰囲気、および上記保護層を介して測
定気体雰囲気にそれぞれ接触されるようにしたことを特
徴とする酸素濃度検出装置。
【請求項２】上記シート部材は上記中軸の軸線に沿った
線で第１および第２のシート部材に分割設定されるもの
であり、上記第１のシート部材には上記酸素濃度検出素
子部に対応する開口と共に、この開口内に設定される酸
素濃度検出素子の両面の電極にそれぞれ接続されるよう
にした第１および第２のリード線を形成し、第２のシー
ト部材にはヒータおよびこのヒータから導出つされるリ
ード線がそれぞれ形成されるようにした特許請求の範囲
第１項記載の酸素濃度検出装置。