JPH10260154A

JPH10260154A - 酸素センサ

Info

Publication number: JPH10260154A
Application number: JP9063071A
Authority: JP
Inventors: Tomoshi Kikuchi; 智志菊池
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 1997-03-17
Filing date: 1997-03-17
Publication date: 1998-09-29

Abstract

(57)【要約】【課題】ヒータの無駄な放熱を抑制し、消費電力を好
適に低減し得る酸素センサを提供する。【解決手段】酸素センサ１１の検出部１２は、ジルコ
ニア製の板材２５〜２８からなるセンサ素子１４とアル
ミナヒータ２４との積層体として構成される。アルミナ
ヒータ２４の下面にはアルミナ多孔質体からなる板材２
３を、またセンサ素子１４の上面にはジルコニア多孔質
体からなる板材２９をそれぞれ更に積層して、ヒータ２
４からの熱を断熱する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、気体中の酸素濃度
を検出する酸素センサに係り、特に、固体電解質からな
るセンサ素子と、このセンサ素子の酸素濃度に対する感
応特性を向上させるべく同センサ素子を加熱する発熱体
とが積層されて構成される酸素センサに関する。

【０００２】

【従来の技術】例えば内燃機関における空燃比のフィー
ドバック制御システムにあっては、同機関の排気ガス
中、或いは排気再循環（ＥＧＲ）ガスやブローバイガス
を含む吸入空気（吸気）中の酸素濃度を検出する手段と
して酸素センサが用いられている。そして、このような
酸素センサとしては、例えば図７に示すように、ケース
６０に内蔵された保持ユニット６０ａ内において、積層
センサ素子（ジルコニア素子）６１と該センサ素子６１
を所定の活性化温度（例えば７００℃）に加熱、保持す
るためのヒータ（アルミナヒータ）６２とが互いに積層
されて位置決め固定された構造を有するものが知られて
いる。このセンサ素子６１とヒータ６２の先端部は、互
いに接合された状態で保持ユニット６０ａの外側へ突出
し、排気ガス流入カバー６３により覆われている。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】ところで、近年、エン
ジンシステムは、その運転の電子制御化に伴って、上記
の酸素センサを含む多様なセンサ及び電子制御機器類を
搭載するようになってきている。このような傾向ととも
に、酸素センサにとってその消費電力の低減化は、他の
センサや電子制御機器類と同様必須の課題となってい
る。中でも吸気中の酸素濃度を検出すべく吸気管内等に
設けられる酸素センサの場合、排気中に比べ低温下で使
用されることから、ヒータに要する電力消費量が大きく
なる傾向がある。

【０００４】ところが、同図７に示すような酸素センサ
にあっては、センサ素子６１を加熱するために、板状に
形成された熱伝導性の高いアルミナヒータ６２の片面が
同素子６１に接触しているにすぎない。このため、アル
ミナヒータ６２のジルコニア素子６１に接しない部分か
らの放熱量も無視できないものとなっている。さらに、
その放熱に起因して、センサ素子６１を加熱すべくヒー
タ６２が消費する電力の消費量は深刻であり、しかも高
電力による連続使用によってヒータ６２にかかる負担も
大きくなっている。そしてその結果、使用コストの高沸
ばかりでなく、ヒータの信頼性低下を招く等々の不都合
を抱えることとなっている。

【０００５】本発明は、こうした実情に鑑みてなされた
ものであり、その目的とするところは、ヒータの無駄な
放熱、ひいては無駄な消費電力を好適に抑制し、長期に
亘り高い信頼性を維持し得る酸素センサを提供すること
にある。

【０００６】

【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
めに、請求項１に記載した発明では、固体電解質からな
るセンサ素子と、該センサ素子を加熱するヒータとの積
層体として構成される酸素センサにおいて、前記積層体
は少なくともそのヒータ面が多孔質体によって覆われる
よう更に積層されてなることを要旨とする。

【０００７】同構成によれば、多孔質体がいわば断熱材
として作用することから、ヒータから発生される熱は外
部へ逃げにくくなり、効率よくセンサ素子へ伝導され
る。したがって、酸素センサとしての性能が安定に保た
れ、且つヒータの消費電力も節減できる。

【０００８】請求項２に記載した発明では、請求項１記
載の酸素センサにおいて、前記多孔質は前記積層体の接
合される側の材料と同質の材料からなることを要旨とす
る。同構成によれば、前記多孔質体とセンサ素子及びヒ
ータからなる積層体との接合状態が好適に維持され、酸
素センサとしての品質及び性能が安定に保たれる。

【０００９】

【発明の実施の形態】

（第１実施形態）本発明をエンジンのリーン空燃比制御
システムに用いられる限界電流型の酸素センサに具体化
した第１の実施形態について図１〜図４を参照して説明
する。

【００１０】図１は、酸素センサ１１における検出部１
２並びにリード線取り出し部を示し、図２は図１のII−
II線断面を示し、さらに図３は図２のIII−III線断面を
示している。酸素センサ１１は、センサ素子１４と、同
センサ素子１４を所定の活性化温度に加熱、保持するた
めのヒータ２４と、それらの積層体の外周を覆う有孔カ
バー（図示略）とを備えている。ヒータ２４はセンサ素
子１４に固定され、センサ素子１４及びカバーはいずれ
も酸素センサ１１のハウジング（図示略）に支持されて
いる。酸素センサ１１は、センサ素子１４、ヒータ２４
及びカバーの先端部がエンジンの例えば排気管（図示
略）内部に突出するようにして同管に取り付けられる。

【００１１】図１〜図３に示すように、センサ素子１４
はそれ自体積層構造をなし、酸素イオン導電性ジルコニ
ア（ＺｒＯ2）とイットリア（Ｙ2Ｏ3）との混合物から
なる複数の板材２５〜２８によって構成されている。ま
たこのセンサ素子１４は、アルミナ（Ａｌ2Ｏ3）から形
成されるヒータ２４と同図１〜図３に示される態様で積
層され、それら積層体（２４〜２８）は更に、多孔質体
からなる板材２３及び２９によって挟まれるかたちで、
同板材２３及び２９と積層されている。なお、センサ素
子１４の検出部１２において、その最上部に積層されて
いる板材２８は拡散律速板である。また、本実施形態に
おいて、多孔質体からなる板材２３及び２９のうち、板
材２３はヒータ２４と同様、アルミナ（ただしサブミク
ロンのもの）からなり、板材２９はセンサ素子１４を構
成する板材２５〜２８と同様、ジルコニアとイットリア
との混合物からなるとする。また、ヒータ２４には、図
２及び図３に示される態様で発熱体４４が設けられてい
る。

【００１２】図４は、こうした酸素センサ１１の各部を
分解して示している。同図４に示すように、こうした酸
素センサ１１にあって、その検出部１２は、電極形成用
の板材（固体電解質層）２６と、同板材２６の上下面に
積層される陰電極側空間形成用の板材２７及び陽電極側
空間形成用の板材２５を備えている。板材２６の上下面
には陰電極３１及び陰電極側リード３２と、陽電極３３
（図２及び図３において示す）及び陽電極側リード（図
示略）とが設けられている。これら陰電極３１及び陽電
極３３の各リードは、センサ素子１４基端部の陰電極側
リード取り出し部３１ａ及び陽電極側リード取り出し部
３３ａからそれぞれ取り出され、エンジンの電子制御装
置（図示略）等に電気的に接続されるようになる。

【００１３】上記板材２５には、その先端付近の上記陽
電極３３に対応する位置に矩形孔３４が形成されてい
る。矩形孔３４は、その矩形を形成する内壁の先端部側
が一部途切れ、外部への通気孔４１を形成している。こ
の結果、板材２５の内壁面、板材２４の上面、及び板材
２６の下面とによって区画された空間により陽電極側空
間３４ａ（図２及び図３参照）が形成され、また、この
陽電極側空間３４ａは、前記通気孔４１を介してセンサ
素子１４の外部と通じている。

【００１４】これに対して、板材２７の先端側（図３の
左側）には、陰電極３１と対応する位置に矩形孔３５が
形成されている。そして、板材２７の上面にはこの矩形
孔３５を閉塞するようにして上記拡散律速板２８が積層
されている。この結果、拡散律速板２８の下面、矩形孔
３５の内周面、及び板材２６の上面によって区画された
空間により陰電極側空間３５ａ（図２及び図３参照）が
形成される。なお、この拡散律速板２８には、５００〜
１０００Åの径を有する細孔（図示略）が複数形成され
ており、陰電極側空間３５ａ内にはこれら細孔を通じて
例えば排気管を流れる排気ガスが導入されるようになっ
ている。

【００１５】一方、ヒータ２４は上述のように、例えば
白金等からなる発熱体４４及び発熱体用リード４４ｂを
内蔵している。このヒータ２４を形成するアルミナ（Ａ
ｌ2Ｏ3）は絶縁性であり、且つ高い熱伝導性を有する。
このヒータ２４は、発熱体４４への通電により発熱して
センサ素子１４を所定温度（例えば７００℃）以上に加
熱する。この加熱によりセンサ素子１４の活性化が図ら
れるようになっている。また、多孔質体からなる板材２
３及び２９が、それぞれセンサ素子１４及びヒータ２４
からなる積層体を挟むよう上下に積層されている。すな
わち、同板材２３及び２９は、センサ素子１４とヒータ
２４とからなる積層体の両面を覆うよう構成されてい
る。また、同積層体中の前記両電極側リード及び発熱体
用リード４４ｂは、これら多孔質体からなる板材２３，
２９の端部からそれぞれ電極用リード取り出し部３１
ａ，３３ａ及び発熱体用リード取り出し部４４ａを通じ
て積層体外部に取り出されている。

【００１６】次に上記のように構成された酸素センサ１
１の作用について述べる。エンジンが始動されると、ヒ
ータ２４の発熱体４４への通電によりセンサ素子１４が
加熱されるとともに、陰電極３１と陽電極３３との間に
所定の電圧が印加される。拡散律速板２８によって拡散
律速されつつ、同板２８を通過して陰電極３１に達した
被検出気体中の酸素分子は、同電極上でイオン化され
る。そして、酸素イオンとして電極が形成された板材
（固体電解質）２６中を陽電極３３に向かって移動す
る。該酸素イオンは陽電極に電子を供与し自らは通気孔
４１より排出されるが、この時両電極３１，３３間に流
れる電流が限界電流値として検出される。この限界電流
値より被検出気体中の酸素濃度が算出されることにな
る。また、前記電極が形成された板材（固体電解質層）
２６は、ヒータ２４からの加熱により活性化され続ける
ことで酸素イオンの透過性を常に安定に保つ。

【００１７】ここで、本実施形態の酸素センサ１１にあ
っては上述のように、センサ素子１４及びヒータ２４か
らなる積層体が、その上下を多孔質体からなる板材２３
及び２９によって挟まれている。このため、同板材２３
及び２９が断熱材として作用して周囲への無駄な放熱が
好適に抑制されるようになる。

【００１８】また、この種の積層型酸素センサの検出部
を構成する各板材は、比較的緻密な材料から構成されて
いるのが一般的であった。しかしながら、実際に酸素濃
度検出が行われる部位（拡散律速層、固体電解質層、電
極等）を除けば、他の部位はセンサ素子の体格を確保す
るために必要な強度を有していれば十分であり、検出部
のすべての部材を緻密な材料から構成することは、むし
ろヒータから発生される熱がそれら緻密な材料から構成
された部材によって無駄に吸収されてしまうという不具
合を生じさせる。この望まざる熱吸収は、ヒータの消費
電力量の増大ばかりでなく、各電極３１，３３或いは発
熱体４４のリード、更にはリード取り出し部に過剰な熱
を供与することとなり、リード及びリード取り出し部の
耐熱性強化等によるコスト高を生じせしめていた。

【００１９】これに対し、本実施形態においては、積層
体上下に設けられた多孔質体の板材２３及び２９が、同
酸素センサ１１としての体格を十分確保しつつ、ヒータ
２４から発生される熱を外部に放熱することなくセンサ
素子１４内部に効率よく閉じ込めることができ、ヒータ
２４の消費電力量の好適な節減を図ることができるよう
になる。さらに、リード又はリード取り出し部がヒータ
２４の過剰な加熱によって高温になることも好適に防止
され、同部材の耐熱温度を低く抑えることができるよう
になる。そしてこのため、同部材の更なるコンパクト化
やコストの低減を図ることができるようにもなる。

【００２０】しかも、同多孔質体からなる板材２３及び
２９のうち、板材２３はヒータ２４と同質の材料（アル
ミナ）によって形成され、板材２９はセンサ素子１４を
構成する他の部材２５〜２８と同質の材料（ジルコニ
ア）により形成されるため、積層状の組み付けにおいて
他部材との相性も好適である。

【００２１】以上説明したように、本実施形態に係る酸
素センサによれば、以下に列記する効果が奏せられるよ
うになる。・センサ素子１４及びヒータ２４からの無駄な放熱がな
く、ヒータ２４の消費電力量が節減される。また、構造
も単純であるため、組み付けに要する手間も少なく製造
コストも低い。

【００２２】・センサ素子１４及びヒータ２４を上下か
ら挟む多孔質板材２３及び２９として、それぞれそれら
センサ素子１４及びヒータ２４と同質の材料を用いてい
るため、同酸素センサとしての積層状態を安定に保持す
ることができる。

【００２３】・センサ素子１４とヒータ２４とからなる
積層体の体格が、最小限の部材により好適に確保でき
る。・発熱体４４又は電極３１，３３のリード又はリード取
り出し部が高温となることが好適に防止される。

【００２４】なお、本実施形態にあっては、センサ素子
１４及びヒータ２４からなる積層体の上下を上記多孔質
板材２３及び２９により挟む構造としたが、センサ素子
１４を構成する板材（ジルコニア）はそもそもが熱伝導
率の低い材料であるため、それら積層体のうちの少なく
ともヒータ２４面を覆う板材２３が配されることでも本
実施形態に準じた効果を得ることはできる。また、この
多孔質板材２３としては、アルミナ（サブミクロンのも
の）に限らず、センサ素子１４に用いたジルコニア、若
しくはそのイットリアとの混合物なども同様に採用する
ことができる。いずれにしろ、板材２３，２９を構成す
る材料として要は、熱伝導率が低く、断熱性の高いもの
であればよい。（第２実施形態）次に、本発明の第２の実施形態に係る
酸素センサを前記第１の実施形態と異なる点を中心に説
明する。なお、前記第１の実施形態と同等の作用を有す
る部材には同一の符号を付する。

【００２５】図５は、本実施形態に係るチップ型酸素セ
ンサ５１の検出部５２を示す平面図であり、図６は図５
のVI−VI線断面を示す。両図に示すように、酸素センサ
５１の検出部５２は、センサ素子５４と、同センサ素子
５４を所定の活性化温度に加熱、保持するためのヒータ
２４と、それらの積層体の外周を覆う有孔カバー（図示
略）とを備えている。

【００２６】センサ素子５４は、円形の板材２５，２
６，及び２８による積層構造を有する。板材２６はその
上下面に陰電極３１と陽電極３３とを有する固体電解質
層である。さらに、センサ素子５４の下部には、同素子
５４と同型状のヒータ２４が図６に示される態様で積層
されている。さらにこのヒータ２４の下面は、アルミナ
多孔質体の板材２３によって覆われ、この板材２３が同
酸素センサ５１の台座として組付用ターミナルＴに固定
されている。

【００２７】なお、検出部５２を構成する積層体のう
ち、最上部の拡散律速板２８は、固体電解質層（板材２
６）上の陰電極３１に直接接触して積層されている。さ
らに、前記陰電極３１とあわせて、板材（固体電解質
層）２６の下面に設けられた陽電極３３は、積層体内に
組み込まれたリード（図示略）を介して上記組付用ター
ミナルＴを兼ねたリード取り出し部３１ｂ，３２ｂに接
続されている。また、前記板材２６の更に下層をなす板
材２５は、中心部に矩形孔３４を有し、同矩形孔３４の
一部より円形の外周部に延び外部に開放された通気孔４
１を有する。板材２５の下部には、アルミナヒータ２４
が積層されている。結果として板材２４，２５，及び２
６による積層体内部には、通気孔４１によって積層体外
部に通じる陽電極側空間３４ａが形成されることにな
る。また、前記ヒータ２４の内部には発熱体４４が設け
られており、同発熱体４４はヒータ２４内のリードを介
してこれも上記組付用ターミナルＴを兼ねたリード取り
出し部４４ｂに接続されている。

【００２８】上記のように構成された酸素センサ５１の
作用について述べる。前述同様、拡散律速板２８に接触
した被検出気体中の酸素分子は、板材２８を通過する過
程において拡散律速されつつ陰電極３１に達する。さら
に、同酸素分子は陰陽両電極３１及び３３間に印加され
た所定電圧に応じて固体電解質層としての板材２６中を
移動し、陽電極３３下部の陽電極側空間３４ａを通過し
て通気孔４１から検出部５２外部へ排出される。この時
両電極３１，３３間に流れる限界電流の値が検出され、
この値から酸素濃度が算出される。該限界電流値の検出
時には、ヒータ２４がセンサ素子５４を所定温度に加熱
し、活性化し続けることで酸素イオンの透過性を常に安
定に保つ。

【００２９】ここで、本実施形態の酸素センサ５１にあ
っては、ヒータ２４の下面が多孔質体からなる板材２３
によって覆われているとともに、この多孔質体からなる
板材２３を通じて組付用ターミナルＴに固定されてい
る。このため、同板材２３が断熱材として作用して周囲
への無駄な放熱が抑制されるとともに、発熱体４４から
発生される熱が、上記ターミナルＴを兼ねるリード取り
出し部３１ｂ，３２ｂ，又は４４ｂに不要に伝導される
こともない。

【００３０】しかも、同多孔質体からなる板材２３はヒ
ータ２４と同質の材料（アルミナ）によって形成されて
いるため、積層状の組み付けにおいて他部材との相性も
好適である。

【００３１】これに加え、本実施形態の酸素センサ５１
にあっては、センサ素子５４を構成する各板材２５，２
６及び２８を、酸素濃度検出に必要最小限の面積を有す
る円形状のチップ型としているため、センサ素子５４を
所定温度に加熱、保持するためにヒータ２４に必要とさ
れる電力も大幅な節減が図られている。

【００３２】以上説明したように、本実施形態に係る酸
素センサによれば、以下に列記する効果が奏せられるよ
うになる。・ヒータ２４からの無駄な放熱がなく、またセンサ素子
５４の加熱に必要な熱量も低いため、消費電力量が節減
される。さらに、構造も単純であるため、組み付けに要
する手間も少なく製造コストも低い。・センサ素子５４の小型化が容易であり車両への搭載性
が向上している。

【００３３】・多孔質体からなる板材２３の断熱効果に
より各リード取り出し部が高温となることも好適に防止
される。なお、本実施形態にあっても、上記板材２３と
しては、アルミナに限らず、センサ素子５４に用いたジ
ルコニア、若しくはそのイットリアとの混合物などを同
様に採用することができる。板材２３を構成する材料と
して要は、熱伝導率が低く、断熱性の高いものであれば
よい。

【００３４】ところで、上記各実施形態では、限界電流
型の酸素センサについて説明したが、他に例えば、排気
ガスと大気との相対的な酸素濃度比を検出する酸素濃淡
電池型等の酸素センサについても本発明は同様に適用す
ることができる。さらに、酸素イオンを伝導させる検出
素子と、その検出素子を昇温させるためのアルミナヒー
タを備えるいかなるタイプの酸素センサに対しても、上
記実施形態に準じたかたちで本発明を適用することがで
きる。

【００３５】さらに、本発明の酸素センサはエンジン用
に限定されず、気体中の酸素濃度を検出する各種機器に
用いられるものであってもよい。

【００３６】

【発明の効果】請求項１に記載した発明によれば、多孔
質体がいわば断熱材として作用することから、ヒータか
ら発生される熱は外部へ逃げにくくなり、効率よくセン
サ素子へ伝導される。したがって、酸素センサとしての
性能が安定に保たれ、且つヒータの消費電力も節減でき
る。

【００３７】請求項２に記載した発明によれば、前記多
孔質体とセンサ素子及びヒータからなる積層体との接合
状態が好適に維持され、酸素センサとしての品質及び性
能が安定に保たれる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明にかかる酸素センサの第１の実施形態を
示す斜視図。

【図２】図１のII−II線に沿った断面図。

【図３】図２のIII−III線に沿った断面図。

【図４】同実施形態の酸素センサの検出部を分解して示
す斜視図。

【図５】第２の実施形態に係る酸素センサの平面図。

【図６】図５のVI−VI線に沿った断面図。

【図７】従来の積層型酸素センサの構造を示す断面図。

【符号の説明】

１４（２５〜２８）…センサ素子、２３，２９…多孔質
体、２４…ヒータ（アルミナヒータ）、３１…陰電極、
３３…陽電極。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】固体電解質からなるセンサ素子と、該セ
ンサ素子を加熱するヒータとの積層体として構成される
酸素センサにおいて、前記積層体は少なくともそのヒータ面が多孔質体によっ
て覆われるよう更に積層されてなることを特徴とする酸
素センサ。
【請求項２】前記多孔質体は前記積層体の接合される
側の材料と同質の材料からなることを特徴とする請求項
１記載の酸素センサ。