[发明专利]气体传感器、具备该传感器的空燃比控制装置及运输设备

说明书

技术领域

本发明涉及气体传感器，特别涉及在高温环境下使用的气体传感器。 另外，本发明涉及具备这样的气体传感器的空燃比控制装置和运输设备。

背景技术

从环境问题、能源问题的观点出发，要求提高内燃机的燃料利用率， 降低内燃机的排气中所含的限制物质(NO_X等)的排出量。为此，需要根 据燃烧状态适当控制燃料与空气的比例，使得一直在最合适的条件下进行 燃料的燃烧。空气与燃料的比例被称作空燃比(A/F)，在使用三元催化 剂的情况下，最合适的空燃比为理论空燃比。所谓理论空燃比，是空气与 燃料都没有过量/不足地燃烧的空燃比。

在燃料以理论空燃比下燃烧时，在排气中含有一定的氧。在空燃比比 理论空燃比小(即燃料的浓度相对较高)时，排气中的氧浓度比理论空燃 比时的氧浓度减少。另一方面，在空燃比比理论空燃比大(即燃料的浓度 相对较低)时，排气中的氧浓度增加。因此，通过计测排气中的氧浓度， 能够推定空燃比从理论空燃比偏离何种程度，进行控制使得调节空燃比、 燃料在最合适条件下燃烧。

作为用于计测排气中的氧浓度的氧传感器，已知专利文献1所公开的 电动势型的氧传感器和专利文献2所公开的电阻型的氧传感器。电动势型 的氧传感器，检测设置在固体电解质层的表面上的基准电极以及测定电极 (分别暴露在空气以及排气中)之间的氧分压的差别作为电动势，由此测 定氧浓度。与此相对，电阻型的氧传感器，检测暴露在排气中的氧化物半 导体层的电阻率的变化，由此测定氧浓度。

在图14中，表示以往的氧传感器800。图14所示的氧传感器800包 括传感器元件810和传感器元件810插通固定的壳体840。

传感器元件810具有用于检测氧的气体检测层811和支撑气体检测层 811的基板812。传感器元件810被配置成气体检测层811在壳体840的顶 端侧露出。

壳体840在其外侧面上具有形成有螺纹牙的螺纹部840a(螺纹牙没有 图示)。通过将壳体840的螺纹部840a与形成在排气管上的螺纹孔螺纹配 合，将氧传感器800固定在排气管上。

在壳体840的顶端部，以覆罩传感器元件810的气体检测层811的方 式，设有顶端侧罩850。顶端侧罩850由内侧罩构件851以及外侧罩构件 852构成。在内侧罩构件851以及外侧罩构件852，分别形成有用于将排气 导入内部的开口部(通气孔)853。

壳体840与传感器元件810之间，由玻璃密封部870气密性密封。玻 璃密封部870是通过由热处理将玻璃材料熔化、然后将其固化而形成的。

以夹着玻璃密封部870的方式，配置有一对陶瓷套筒(sleeve)871以 及872。在陶瓷套筒871以及872，分别形成有传感器元件810插通的孔。

传感器元件810与外部的电输入输出经由导线820进行。导线820与 传感器元件810由端子830连接。端子830与传感器元件810的连接通过 将由金属制的板簧材料形成的端子830插入形成在陶瓷套筒872上的端子 插入孔872a而进行的。

在壳体840的基端侧，以收纳端子830等的方式设有筒状的基端侧罩 860。在基端侧罩860的内部，配置有具有导线820插通的贯通孔的橡胶构 件862。通过将由金属材料形成的基端侧罩860的一部分(配置有橡胶构 件862的部分)向内侧堑紧(かしめる，凿密、压紧、挤紧)，将导线820 固定，并且将基端侧罩860封口。

在图15中，表示传感器元件810的构造的一例。图15所示的传感器 元件810，是电阻型的传感器元件，在基板812的主面812a上，设有作为 气体检测层的氧化物半导体层811。另外，在基板812的主面812a上，还 设有用于检测氧化物半导体层811的电阻率的检测电极813。氧化物半导 体层811的电阻率根据环境气体中的氧分压而变化，所以通过由检测电极 813计测该电阻率的变化，能够检测氧浓度。

在基板812的背面812b侧，设有用于使氧化物半导体层811升温的加 热器814。加热器814是利用电阻损耗进行加热的电阻加热型的发热元件。 当在从加热器814引出的加热器电极814a上施加电压时，电流在形成为预 定的形状的发热体中流动从而发热体发热，由此进行加热。通过由加热器 814使氧化物半导体层811升温而使其迅速活化，能够提高内燃机的起动 时的检测精度。