JPH019001Y2

JPH019001Y2 -

Info

Publication number: JPH019001Y2
Application number: JP1981067636U
Authority: JP
Priority date: 1981-05-11
Filing date: 1981-05-11
Publication date: 1989-03-10
Also published as: JPS57179156U

Description

【考案の詳細な説明】

本考案は低温作動性の向上を図つた酸素センサ
に関するものである。酸素センサはこれまで種々の構造のものが考え
られているが、例えば酸化イツトリウム等で安定
化されたジルコニア等により一端が閉止された筒
状容器を形成し、この容器の内外表面に白金系か
らなる内外電極をそれぞれ形成せしめ、容器内部
には標準物質として例えば空気のように一定の酸
素を含む気体を入れ、この固体電解質容器の内外
電極にそれぞれ接触する内部標準物質と被測定ガ
スとの平衝酸素分圧比を電位差に変換し、以つて
被測定ガスの酸素濃度を検出する構成のものがあ
る。自動車においては排ガス中の酸素濃度を検出
することによりエンジンの空燃比制御機構にフイ
ードバツクされ、三元触媒を用いた排ガス浄化シ
ステムには欠くことのできないものである。従来の酸素センサは、内部標準物質として空気
を用いた場合、通常第１図に示すような構成のも
のである。すなわち、素子ａは酸素イオン透過性
固体電解質で形成された容器状本体a₁の内側及び
外側面に内外電極a₂，a₃を形成したもので、内側
電極a₂の電位は容器状本体a₁の開口部に挿入され
たステムｅ、バネｋを介して電位取り出し用端子
ｊから取り出され、外側電極a₃の電位はハウジン
グｂに伝達され外部へ取り出される。しかしながら上記第１図に示す構成の酸素セン
サは下記のような欠点を有している。 (1) 被測定ガスと内部標準ガスとが混合すること
なくかつ被測定ガス中に一定の突出量を確保す
るためには素子を大きくしなければならない。
また、シール材をかねた黒鉛等の耐熱導電体は
耐熱性が充分でないため高温の被測定ガスがあ
たる測定部分から離れた位置に取付けねばなら
ないことから、素子自体を大きくする必要があ
る。 (2) 酸素センサを自動車の排気管に取付けて走行
したとき露出部（上半部）に水が飛来した場
合、水による温度降下が、ハウジングｂ、導電
リングｃを介して速やかに素子a₁に伝達され
る。かかる事態が、素子a₁が高温状態にある時
発生すれば熱衡撃に弱いジルコニア等から成る
素子a₁は破壊される。近年、自動車に対してエネルギー危機及び大気
汚染の見地から、種々の厳しい条件が要求されて
おり、具体的には例えば次のようなものである。燃費を向上させる。自動車の軽量化を計る。エンジンの出力向上をねらつてターボ付エン
ジンが開発されている。上述の諸条件下に有利に使用される酸素センサ
として、最近第２図に示すような構成の酸素セン
サが開発された。図に示す酸素センサは、固体電
解質からなる断面Ｕ字形状容器（本体）１ａの内
外周面にそれぞれ白金系の金属電極１ｂ，１ｃを
設け、素子本体１ａ開口部近傍の外径を素子先端
の外径より大きくして肩部１ｄを設けてなる素子
１と、この素子１を先端に保持する略円筒状セラ
ミツクインシユレータ２と、前記素子１の外側電
極１ｃと電気的に接続するパイプ状外側電極用リ
ード金具６と、前記素子１の開口部に挿入され内
側電極１ｂと電気的に接続するパイプ状内側電極
用リード金具７とからなり、各構成部品を組み付
けた後、全体をセラミツクインシユレータ２を介
して先端に多数の通気孔１０ａ，１０ａ…を有す
るハウジング１０内に収納してなるものである。
このとき、パイプ状内側金属用リード金具７は、
その途中に外方へ膨出したふくれ部７ｂを有し、
内側電極用リード金具７と外側電極用リード金具
６とを素子１に装着したときこれらリード金具
６，７の間に介在させる絶縁用セラミツクパイプ
８をこのふくれ部７ｂに当接させて素子１上方に
密閉された適度の空間を設けている。上記構成の酸素センサは、セラミツクインシユ
レータ２先端に素子１を保持する構造としたの
で、第１図に示す構成のものに比べ、固体電解質
容器１ａの形状を小型化することができ、またこ
の素子１をインシユレータ２を介してハウジング
１０に取り付けているのでハウジング１０に水が
かかつたり温度が急激に低下した場合でも素子１
はこの温度変化が直接かからないため素子割れを
防止することができるという利点を有する。ま
た、リード金具７の途中に設けられたふくれ部７
ｂにセラミツクパイプ８を介在させて素子１上部
が直接外気に触れないように密閉したので、素子
１の温度低下を防止することができるという利点
を有している。しかしながら、上記構成の酸素センサにおいて
も、素子１下部（突出し部）に接触する被測定ガ
ス（排ガス）の温度が低い場合には、素子１の温
度が上がらず最低作動温度に達するまで時間がか
かり、固体電解質の内部抵抗が増加してフイード
バツクまでに時間がかかる、あるいは作動しても
誤動差する、ということが多かつた。本考案は、第２図に示す酸素センサの有する上
述の欠点を解消するためのもので、低温作動性の
向上した酸素センサを提供することを目的とする
ものである。すなわち、本考案酸素センサは、開口部近傍に外径を大きくして肩部が形設され
ている酸素イオン透過性固体電解質でできた断面
略Ｕ字状容器の内側及び外側面にそれぞれ内側電
極及び外側電極を設けてなる素子と；略円筒状で
あつて長手方向中央付近の内壁面に突出部を有
し、この突出部で前記素子の肩部を固定して素子
全体を収納し、該素子の先端部を間隔を置いて包
囲する壁部に発熱体が内設されているインシユレ
ータと；前記素子の内側電極及び外側電極それぞ
れに電気的に接続する内側電極電位取り出し用金
具及び外側電極電位取り出し用金具と；これら両
金具を絶縁的に固定する部品とをハウジング内に
組み付けてなることを特徴とする。以下、本考案酸素センサの一例を図面を用いて
説明する。第３図は本考案酸素センサの要部を構成する各
部品を示す分解斜視図、第４図は本考案酸素セン
サの全体を示す断面図である。これらの図において、１は酸素センサ素子で、
断面略Ｕ字状容器本体１ａの開口部近傍に、外方
に向つて突出した肩部１ｄを設け、容器１ａの内
側及び外側面にそれぞれ白金系金属により電極１
ｂ，１ｃを形成し、外周に設けた金属電極（外側
電極）１ｃ上面には金属電極保護のためにコーテ
イング層１ｅを形成してなるものである。肩部１
ｄの外周にも外側電極１ｃを設けるがその形成範
囲は容器１開口端よりやや下方とし、容器１ａの
内周に設けた電極（内側電極）１ｂは容器１ａを
開口端までの内周全範囲にわたつて設け、容器１
ａ開口端面で内側電極１ｂと外側電極１ｃとを分
離絶縁している。酸素センサ形成材料としては、酸素イオン透過
性のもので、例えば酸化イツトリウム、酸化カル
シユウム等で安定化されたジルコニアがある。２は、概略円筒状セラミツクインシユレータで
長手方向中心よりやや下方内周面に内方に向かつ
て突出する固定部２ａを有し、この固定部２ａと
反対方向端部外周面の相対向する位置に、それぞ
れ白金ペースト等からなる帯状導電部２ｄ，２
d′を形成し、Ni線２ｃ，２c′を円筒状セラミツク
インシユレータ２の長手方向に平行に配設しその
Ni線２ｃ，２c′の先端を前記導電部２ｄ，２d′に
銀ロウ付処理２ｅ，２e′を行い接続する。固定部
２ａは、この固定部２ａに素子１の肩部１ｄを固
定したとき、素子１の突出し方向先端がインシユ
レータ２下端面より内方に収納することができる
ような位置に設ける。セラミツクインシユレータ２は、前記素子１に
用いられる固体電解質に比べ、強度、耐熱衝撃性
に優れ、金属材料に比べ熱伝導率の低い、例えば
Al₂O₃，MgO，Al₂O₃、フオルステライト、ムラ
イト等の絶縁材料からなるものである。３は、絶縁材料で形成されたグリンシートで、
セラミツクインシユレータ２外周壁の高さよりや
や短かい高さと、セラミツクインシユレータ２の
外周を一重に被覆しうる横巾とを有するほぼ長方
形形状で、このグリンシート３の内周面すなわち
インシユレータ２の外周面と接する表面上には、
発熱体３ａが配線されている。発熱体３ａは、例
えば白金帯またはタングステン帯等を印刷するこ
とにより形成される。グリンシート３上への発熱
体３ａ及び導電部３ｂ，３b′の印刷パターンは、
例えば第５図Ａ，Ｂ，Ｃに示すように、グリンシ
ート３をセラミツクインシユレータ２に巻いたと
き前記インシユレータ２外周面に形成した導電部
２ｄ，２d′に接する位置に導電部３ｂ，３b′を設
け、グリンシート３をセラミツクインシユレータ
２に巻いたときインシユレータ２の下部外周面に
位置する部分に前記２つの導電部３ｂ，３b′を結
ぶ線状発熱体３ａを印刷する。しかしながら、発
熱体３ａの印刷パターンは、図示したものに限定
されず、インシユレータ２下部外周面に位置する
部分のグリンシート３上に均一にしかも密度が高
くなるように形成すれば良い。グリンシート３は、絶縁材料好ましくは前記イ
ンシユレータ２と同一の材料で形成され、例えば
Al₂O₃に、水４重量％とでんぷん糊（水分80重量
％）16重量％とを混合し、この混合物をニーダー
で充分混練りした後、所定寸法のシートに成形し
乾燥して得られる。このグリンシート３上に形成
する発熱体３ａ及び導電部３ｂ，３b′は上述のよ
うにタングステンまたは白金が好ましい。セラミツクインシユレータ４は、前記インシユ
レータ２の側周壁高さより十分低い高さの側周壁
を有する概略円筒体で、円筒体内周面の所定の位
置にこの内周面の周方向に沿つて段部４ａを設
け、また外周側壁には突部（係止部）４ｂを形成
してなるものである。セラミツクインシユレータ
４の内径は、前記インシユレータ２の外周にグリ
ンシート３を巻いたものを十分収納しうる大きさ
とする。セラミツクインシユレータ４の材料はイ
ンシユレータ２と同一の絶縁材料からなるもので
ある。６は、素子１の肩部１ｄを係止し素子１の外側
電極１ｃに生じる電位を外部へ取り出すための外
側電極用リード金具で、素子１の肩部１ｄ外周に
当接しうる径のリング６ａ、このリング６ａ下部
に連設されたテーパ部６ｂ、及びリング６ａ上端
より上方へ向かつて垂設された偏平板状のリード
部６ｃとからなる。この外側電極用リード金具６
は、インコネル〔インコ社製〕例えばインコ600、
インコ601等、あるいはステンレス例えば
SUS310、SUS304、SUS340等の材質からなり、
所定形状にプレス加工することにより得られる。７は、素子１の内径と当接しうる外径を有する
細長いパイプ状内側電極用リード金具で、長尺円
筒体７ａの途中例えばほぼ中央ないしそれより下
方に外側へ向けて突出しているふくれ部７ｂを有
し、下端にテーパ部７ｃを有し、上端開口部の円
周の一部をさらに上方に垂設してリード部７ｄを
形成してなるものである。内側電極用リード金具
７は、例えばSUS310、SUS304、SUS340等のス
テンレスあるいはインコネルで形成される。セラミツクパイプ８は、前記内側電極用リード
金具７を収納しうる内径を有する円筒体で、下端
開口部には内面から外面に向けてアール部８ａを
設けてなるものである。セラミツクパイプ８は、
内側電極用リード金具７の外周に装着してセラミ
ツクパイプ８の下端アール部８ａがふくれ部７ｂ
と当接したとき、パイプ８の上端面から内側電極
用リード金具７の円筒体７ａ上端が突出する程度
の高さとする。上記各部材を組み付けて酸素センサを形成する
には次のようにして行なう。セラミツクインシユレータ２の外周に、セラミ
ツクインシユレータ２に設けた導電部２ｄ，２
d′下部と導電部３ｂ，３b′が接するようにしてグ
リンシート３を巻きつけ焼成した後、これをセラ
ミツクインシユレータ４に挿入する。セラミツク
インシユレータ４の内周面に設けた段部４ａとグ
リンシート３の上端縁とが同じ位置になるように
両者を位置決めした後、グリンシート３とセラミ
ツクインシユレータ４との間隙に無機接着剤、例
えば市販のアロンセラミツクＤ、スミセラム等を
充填接着させる。これにより発熱体３ａを有する
セラミツクインシユレータＡが得られる。一方、酸素センサ素子１を外側電極用リード金
具６に挿入し、素子１の肩部１ｄをリング６ａ及
びテーパ部６ｂにて係止することにより保持す
る。この場合、両部材の間隙の一部には導電性を
さらに確保するために導電性の良好な白金ペース
ト６ｄを塗布処理する。これにより素子１の肩部
１ｄ外周に設けた外側電極１ｃと外側電極用リー
ド金具６とが電気的に接続する。上記のように組み付けた酸素センサ素子を前記
インシユレータＡに挿入し、肩部１ｄ下面を固定
部２ａに当接することにより素子１を固定保持し
た。この素子１の肩部１ｄ外周と固定部２ａの間
には接着剤５が塗布、介在されており、両者を以
下のような封着処理により密着させた。接着剤…Ca−Al₂O₃−Mg系、SiO₂−CaO−
Al₂O₃系、SiO₂−CaO−Al₂O₃−MgO
系、SiO₂−Al₂O₃−Na系、SiO₂−
MgO系、TiO₂−BaO系、Al₂O₃−
SiO₂−Li系等のガラスが挙げられる。
好ましくはAl₂O₃−SiO₂−Na系であ
る。接着方法…還元雰囲気下で1100℃×30分処理。以上により素子１をセラミツクインシユレータ
Ａに接着し、次にこの素子１の開口部に内側電極
用リード金具７をそのテーパ部７ｃから挿入する
ことによりセツトする。なお、接触テーパ部７ｃ
と素子１の内周面との間隙には白金ペースト７ｅ
を塗布し導電性を向上させた。さらに、この内側
電極用リード金具７の外周にセラミツクパイプ８
をその下端のアール部８ａがふくれ部７ｂに当接
するようにして装着し、さらにセラミツクインシ
ユレータＡ（２と４）の内周面とセラミツクパイ
プ８外周面との間隙及びセラミツクパイプ８内周
面と内側電極用リードパイプ金具７外周面との間
隙に、それぞれ固定のために接着剤９、例えば無
機接着剤（アロンセラミツクＤ、スミセラム）を
充填し、固定する。これにより内側電極用及び外
側電極用リード金具７，６を装着した素子１をイ
ンシユレータＡに組み付けた接合体が得られる。この接合体をパツキング１１を介してハウジン
グ１０にセツトし、セラミツクインシユレータ４
の係止部４ｂの上にタルク、アスベスト、パイロ
フイライト、グラフアイト等の耐熱性材料からな
るクツシヨン剤１２を充填し、その上から空気導
入用スリツト１３ａを有している保護カバー１３
を設置した。１０ａ，１０ａ，…は、ハウジング
１０先端に開口する被測定ガス導入用孔である。次に、保護カバー１３の位置決めのために、例
えばステンレス、銅リング等からなるリング１４
を載置し、かかる状態にて適当量だけかしめ固定
した。次に、内側電極用リード金具７、外側電極用リ
ード金具６、発熱体用入力端子（Ni線）２ｃ，
２c′と各々のリード線１７を圧着端子１６を用い
て連結し、保護カバー１３と各々のリード線１７
との間隙には例えばシリコンゴム等の耐熱性弾性
体１５を充填し、保護カバー先端部１３ｂを半径
方向にかしめ、本考案酸素センサを完成した。上記構成の酸素センサにおいて、素子１の内部
には、保護カバー１３に設けたスリツト１３ａか
ら内側電極用リード金具７を通つて空気（内部標
準物質）が導入されており、一方素子突出し部外
周面にはハウジング１０に穿設された通気孔１０
ａ，１０ａ…から入つた被測定ガスが接触してお
り、素子１の内部標準物質の酸素分圧と被測定ガ
ス中の酸素分圧に応じて電極１ｂと１ｃに電位が
発生する。この電位をそれぞれ内側電極用リード
金具７、外側電極用リード金具６を介してリード
線１７から外部へ取り出して、各電極の電位差を
測定することにより被測定ガス中の酸素濃度を検
知する。従来の構成の酸素センサ（第１図または
第２図に示す構造のもの）にあつては、発熱体を
有していないため、始動時等の被測定ガスの温度
が低い場合にはセンサ素子自体の温度も低く、従
つて作動開始までに時間がかかつたりまたは誤動
作をするということがあつたが、本考案酸素セン
サ素子は、素子周囲に発熱体を配置し、この発熱
体により素子を加熱するため、被測定ガスの温度
が低くても固体電解質の内部抵抗が小さくなり、
誤動作がなく直ちに作動する。次に、各種酸素センサについて以下のような試
験を行ない、性能を評価した。試験すべき酸素センサは下記表のものを用い
た。

【表】試験例１素子部に熱電対を取り付けた各酸素センサを、
エンジン（ターボ付型）の排気管内に取り付け、
エンジン作動直後からの各酸素センサ素子の温度
と時間の関係を調べた。同時に、排ガス温度も測
定した。結果を第６図に示す。図中、記号〜
は各酸素センサの記号に相当する。また、各酸素
センサ〜についてセンサ信号を発生する時期
を矢印で示した。また、Ｘはエンジン排ガスの温
度を表わす。第６図からも明らかなように、エンジンからの
排ガス温度の経時変化に対して本発明の酸素セン
サ、は非常に早く昇温し、矢印で示したよう
にセンサの制御信号も早い時期に発生しているこ
とが良くわかる。これに対し比較例センサ，
は、素子先端部の昇温が遅く、制御信号も遅い時
期に発生していることがよくわかる。なお、酸素
センサととの経時変化が似ているのは、両者
の素子構造が類似しているためである。試験例２上記各酸素センサ〜をリツチ雰囲気（Ａ／
Ｆ＝11.5）の排ガス中にさらしておいて温度を上
昇させていつた時の各センサの起電力特性を調べ
た。結果を第７図に示す。第７図から明らかなように、本発明酸素センサ
、は非常に早い時期、すなわち低温雰囲気に
おいても急激な起電力の立ち上がりを示してい
る。これに対し酸素センサ〜は高温雰囲気で
ないと起電力は発生しないことが良くわかる。ま
た、起電力が0.5Vまでに達するまでの素子先端
部の温度を酸素センサとについて比較する
と、酸素センサはに対し約150℃も早くセン
サが制御していることがわかる。以上の記載から、本発明酸素センサは、センサ
素子が発熱体で加温されるため排ガス温度が低温
でも素子自体は作動温度に達するため早い時期に
センサ信号を送ることができる。また排ガスが非
平衡雰囲気であつてもガス中の真の酸素濃度を検
出することができ、誤動作が少なくてすむ等の利
点を有する。

【図面の簡単な説明】

第１図は従来の酸素センサを示す断面図、第２
図は従来の別の酸素センサを示す断面図、第３図
は本考案酸素センサの要部を構成する部品の分解
斜視図、第４図は本考案酸素センサの全体を示す
断面図、第５図Ａ〜Ｃは、本考案の発熱体形成パ
ターンを示すグリンシート表面図、第６図は試験
例１における酸素センサの時間と温度の関係を示
す曲線、第７図は試験例２における酸素センサの
被測定ガス温度とセンサ起電力の関係を示す曲線
を表わす。図中、１……酸素センサ、１ａ……容器本体、
１ｂ……内側電極、１ｃ……外側電極、２，４…
…セラミツクインシユレータ、３……グリンシー
ト、６，７……電極用リード金具、８……セラミ
ツクパイプ。

Claims

【実用新案登録請求の範囲】

開口部近傍に外径を大きくして肩部が形設され
ている酸素イオン透過性固体電解質でできた断面
略Ｕ字状容器の内側及び外側面にそれぞれ内側電
極及び外側電極を設けてなる素子と；略円筒状で
あつて長手方向中央付近の内壁面に突出部を有
し、この突出部で前記素子の肩部を固定して素子
全体を収納し、該素子の先端部を間隔を置いて包
囲する壁部に発熱体が内設されているインシユレ
ータと；前記素子の内側電極及び外側電極それぞ
れに電気的に接続する内側電極電位取り出し用金
具及び外側電極電位取り出し用金具と；これら両
金具を絶縁的に固定する部品とをハウジング内に
組み付けてなることを特徴とする酸素センサ。