JPH0245806Y2 - - Google Patents

Description

【考案の詳細な説明】 本考案は、内燃機関より排出される排気ガス中
の酸素濃度を検出するための酸素濃度検出器に係
り、特に有底筒状固体電解質の筒内に棒状加熱器
を配置した加熱器付酸素濃度検出器に関する。

従来、ジルコニア等の酸素イオン伝導性の固体
電解質を用いて、酸素濃淡電池の原理により、自
動車等の内燃機関から排出される排気ガス中の酸
素濃度を検知し、かかる内燃機関の空燃比を制御
することが知られている。そして、この種の酸素
濃度検出器としては、有底筒状のジルコニア固体
電解質の内外面に多孔質の白金電極を付与し、筒
内面の電極を大気と連通して基準酸素濃度の電極
とし、一方筒外面の電極を被測定ガスである排気
ガス中に曝して測定電極としている。そして、そ
れら基準電極と測定電極との間の酸素濃度の差に
基づく起電力を測定することにより、被測定ガス
中の酸素濃度を測定しているのである。

しかしながら、この起電力は、固体電解質があ
る程度加熱されていないと不安定であり、このた
め内燃機関の排気ガスが低温となるアイドリング
時、あるいは始動直後には、正確な空燃比の制御
ができないという欠点があつた。

この問題を解決するために、発熱線を棒状の絶
縁体表面に巻きつけた加熱器を固体電解質の筒内
部に挿入したり（特開昭54−13396号）、抵抗線コ
イルと熱伝導性の良い絶縁性の粉末を金属製のス
リーブ内に充填した、いわゆるシーズヒーターを
固体電解質の筒内部に挿入（特開昭54−22894号）
して、固体電解質を強制的に加熱することが堤案
されている。

しかしながら、この種の従来の加熱器付酸素濃
度検出器は、内燃機関の排気ガスが高温になつた
場合において、固体電解質が加熱を受け過ぎて、
多孔質白金電極を保護するスピネルコーテイング
層にクラツクが生じたり、剥離したりする欠点が
あり、さらに加熱器自体も、自己発熱による加熱
と排気ガスによる加熱とが相まつて異常に高温と
なり、内部の抵抗線が断線したりする欠点があつ
たのである。

ところが、この問題を幾分でも和らげるため
に、加熱器の発熱量を小さく抑えると、排気ガス
が低温である時には加熱不足が生じたり、またエ
ンジン始動時から加熱が行われても酸素濃度検出
器の起電力が正確に発生するまでに時間がかかり
過ぎる等という、新たな問題が惹起されるのであ
る。

さらに、エンジン始動時あるいは寒冷時には、
バツテリ電圧が低下して、前記加熱不足の問題に
拍車がかかり、またエンジン回転数が高くなつて
バツテリ電圧が上昇した場合には、排気ガスも高
温になり、加熱器の発熱量も増大して、前記過熱
の問題にも拍車がかかる欠点を有していたのであ
る。

一方、加熱器は、一般に、その本体部の外表面
にリード端子鑞付部が設けられ、そしてそこに発
熱体のためのリード端子が鑞材によつて固定され
た構造とされているが、このリード端子を鑞付固
定するために、鑞材として広く利用されている
Ag−Cu−Znの共晶鑞あるいは銀を含む鑞材を用
いると、特に高温度あるいは高湿度の環境下で使
用された場合に、リード端子間で鑞材中の銀がマ
イグレーシヨンを起こし、シヨートしたり、鑞材
部にクラツクが発生したりする問題があつた。

本考案は、かかる欠点を解決した酸素濃度検出
器であつて、その特徴とするところは、内外面に
多孔質白金電極を有する有底筒状の固体電解質
と、該固体電解質の閉鎖端を排気ガス中に曝す一
方、その筒内を排気ガスより気密に隔離して収納
するハウジングと、前記固体電解質の閉鎖端側の
外周部を取り囲み、排気ガスの導入口を有する金
属製保護カバーと、前記固体電解質の筒内に挿入
される棒状加熱器とを有する加熱器付酸素濃度検
出器において、前記棒状加熱器として、セラミツ
クに正の抵抗温度係数を有する発熱体を設けたセ
ラミツクヒーターを用いると共に、該セラミツク
ヒーター本体部の外表面に、前記発熱体と導通す
るリード端子鑞付部を設けて、該リード端子鑞付
部に所定のリード端子を銀を含む鑞材により鑞付
固定し、さらに該リード端子を固定してなる鑞材
の表面に、1μｍ以上の厚みのニツケルメツキ層
からなる被覆層を設けた加熱器付酸素濃度検出器
にある。

以下、図示の実施例に基づいて、本考案の構成
を詳細に説明する。

第１図において、有底筒状の固体電解質１は、
排気ガス管（図示せず）内を通る排気ガス（図示
せず）に対して、その管内が気密に隔離されるよ
うに、ハウジング２内にタルク３、金属製ワツシ
ヤ４、および金属製リング５を用いて収納され、
またかかる固体電解質１の筒内には棒状加熱器６
が収納されている。なお、図示はされていない
が、有底筒状の固体電解質１の内外面には、従来
と同様にして、多孔質な白金電極が設けられてい
る。そして、かかる有底筒状固体電解質１の閉鎖
端側の外周部には、排気ガスが直接固体電解質１
に当たるのを防ぐための有底筒状の金属製保護カ
バー７が設けられ、その上端側がハウジング２の
底面に固着されている。また、この金属製保護カ
バー７には、第４図に示されるように、その側壁
面において金属製保護カバー７の内側に向かつて
ルーバー１３が切り起こされ、排気ガス導入口１
４が形成されている。

また、第１図において筒状の固体電解質１内に
挿入、配置される棒状加熱器６は、第２図に示さ
れるように、発熱体を埋設したセラミツクヒータ
ー本体部８にリード端子９を鑞付固定したもので
ある。この鑞付固定部分のさらに詳しい構成を第
２図の−断面図である第３図によつて説明す
ると、セラミツクヒーター本体部８の外表面に設
けられ、発熱体（図示せず）と導通するリード端
子鑞付部１０に、所定のリード端子９が、銀を含
む鑞材１１によつて鑞付けされており、そして更
に該リード端子９を固定せしめてなる鑞材１１の
表面には、ニツケルメツキ層よりなる被覆層１２
が形成されている。

そして、本実施例では、棒状加熱器６は、その
発熱体としてタングステン焼付抵抗体が採用さ
れ、またその抵抗温度係数が0.5％／℃とされて
おり、排気ガスが高温の時には、その抵抗値が増
大して発熱量が減少し、固体電解質およびヒータ
ー自体の過熱を防止するようになるのである。ま
た、低温時には、抵抗値が減少して発熱量が増大
するので、エンジン始動直後の酸素濃度検出器の
起動力発生までの時間が短く、またアイドリング
時等にも加熱が十分行われるのである。

第５図は、排気ガス温度T_G（℃）と固体電解質
の温度T_S（℃）の関係を示すもので、図中、曲線
ａは本考案に従うセラミツクヒーターを用いた場
合、曲線ｂは本考案に従うセラミツクヒーターを
用いた場合とエンジン始動時から起電力発生まで
の時間がほぼ同一となるニクロム線を用いたシー
ズヒーターの場合を示している。そこにおいて、
ガス温度が800℃のときに、本考案に従うセラミ
ツクヒーターを用いた曲線ａでは固体電解質の温
度は800℃、従来のシーズヒーターを用いた曲線
ｂでは950℃であり、それ故本考案のものは排気
ガス温度が高い場合に過熱しないことを示してい
るのである。

また、かかる第４図の測定に用いた二つの酸素
濃度検出器について、ガス温度を800℃として、
連続300時間の経過の後に、固体電解質の外観及
びヒーターの異常を調査をしたところ、従来のシ
ーズヒーターを用いたものでは、固体電解質の外
表面に付着させたスピネルコーテイング層に亀裂
発生が見られ、またヒーターが断線したものが70
％あつたのに対し、本考案のものでは、固体電解
質およびセラミツクヒーターに何の異常も認めら
れなかつた。

このように、酸素濃度検出器に正の抵抗温度係
数を有するセラミツクヒーターを用いた場合、エ
ンジン始動直後にはヒーターの抵抗値が極めて小
さいため、大きな発熱量が得られ、以て固体電解
質の加熱が急速に行われ、起電力が速やかに発生
するのである。そして、アイドリング時のように
ガス温度が低いときには、未だ抵抗値が低いた
め、発熱量が大きく、それ故固体電解質を十分に
加熱できるのであり、またガス温度が高温になつ
たときは、抵抗値は著しく増大するため（ガス温
度800℃で室温時の約５倍）、固体電解質およびヒ
ーターが過熱されることがないのである。また、
このような発熱量の制御機能をもつた正の抵抗温
度係数を有するセラミツクヒーターの抵抗温度係
数は、内燃機関用の酸素濃度検出器に適用する場
合において、0.3％／℃以上とするのが望ましく、
そしてセラミツクヒーターの発熱体を印刷する際
のペースト中の金属粉末の種類、ガラスフリツト
の量、等を適宜選択することにより、そのような
正の抵抗温度係数が所望の値に調整され得るので
ある。

また、セラミツクヒーターのリード端子鑞付部
に所定のリード端子を鑞付固定するために、鑞材
として広く利用されているAg−Cu−Znの共晶鑞
あるいは銀を含む鑞材を用いると、リード端子間
で鑞材中の銀がマイグレーシヨンを起きし、シヨ
ートしたり、鑞付部にクラツクが発生したりす
る。この銀のマイグレーシヨンは、銀がAgOH
あるいはAg₂Oとなり、これが電離してAgイオン
が生じ、電界によつて移動する現象である。而し
て、本考案にて用いるセラミツクヒーターにおい
ては、上例のように、リード線を固定した鑞材の
表面にニツケルメツキ層よりなる被覆層を有する
ところから、かかる被覆層が銀を保護し、Agイ
オンとなるのを防止するため、銀のマイグレーシ
ヨンの発生が効果的に阻止されるのである。さら
に、銀が反応しやすい、例えば硫化ガス中におい
ても、鑞材を構成する銀が硫化銀となることを防
止する効果も生ずるのである。

また、鑞材の表面を覆う被覆層は公知の各種の
メツキ手法にて形成され得、更にこの被覆層を構
成する金属としては、特に耐熱性、耐食性の点よ
りニツケルが用いられることとなる。そして、内
部の銀を保護するため、この被覆層の厚みは1μ
ｍ以上とされるのである。

なお、本考案において用いられるセラミツクヒ
ーターは、セラミツクに印刷・焼付けして発熱体
を形成するものの他、正の抵抗温度係数の大きい
タングステン、ニツケル、白金等の発熱線をセラ
ミツク中に埋設したものでも良く、さらに他の手
法にて形成されたものであつてもよいが、主とし
てその発熱する部分が、筒状の固体電解質の排気
ガスに曝される部分のみに位置するように設けら
れた構造とするのが望ましい。

以上詳記のように、本考案に従う酸素濃度検出
器は、棒状加熱器として、正の抵抗温度係数を有
するセラミツクヒーターを有し、さらにかかるセ
ラミツクヒーターのリード端子鑞付部に適用され
た鑞材の表面に、1μｍ以上の厚みのニツケルメ
ツキ層よりなる被覆層を有しているとこから、排
気ガスが低温であるときにおいても固体電解質が
十分に加熱され、エンジン始動時から起電力が発
生するまでの時間が極めて短かく、また、排気ガ
スが高温の時には固体電解質、棒状加熱器の過熱
が少なく、さらにリード端子鑞付部にリード端子
を鑞付けした鑞材中の銀がマイグレーシヨンして
リード端子間をシヨートさせることもないのであ
り、そしてこれにより、安定な起電力が長期間得
られ、信頼性の高い酸素濃度検出器となり、内燃
機関の空燃比を制御するための酸素濃度検出器と
して産業上極めて有用である。

【図面の簡単な説明】

第１図は本考案の加熱器付酸素濃度検出器の一
実施例を示す断面図であり、第２図は本考案の加
熱器付酸素濃度検出器に用いられる棒状加熱器の
一具体例を示す斜視説明図であり、さらに第３図
は第２図における−断面を示す断面図であ
る。そして、第４図は、本考案の加熱器付酸素濃
度検出器に用いる金属製保護カバーの具体例を示
す斜視説明図であり、第５図は従来の加熱器付酸
素濃度検出器と本考案の加熱器付酸素濃度検出器
の排気ガス温度に対する固体電解質温度の関係を
示すグラフである。 １：有底筒状固体電解質、２：ハウジング、
３：タルク、４：ワツシヤ、５：リング、６：棒
状加熱器、７：保護カバー、８：セラミツクヒー
ター本体部、９：リード端子、１０：リード端子
鑞付部、１１：鑞材、１２：被覆層（メツキ層）、
１３：ルーバー、１４：排気ガス導入口。

Claims (1)

1. 【実用新案登録請求の範囲】 (1) 内外面に多孔質白金電極を有する有底筒状の
   固体電解質と、該固体電解質の閉鎖端を排気ガ
   ス中に曝す一方、その筒内を排気ガスより気密
   に隔離して収納するハウジングと、前記固体電
   解質の閉鎖端側の外周部を取り囲み、排気ガス
   の導入口を有する金属製保護カバーと、前記固
   体電解質の筒内に挿入される棒状加熱器とを有
   する加熱器付酸素濃度検出器において、前記棒
   状加熱器として、セラミツクに正の抵抗温度係
   数を有する発熱体を設けたセラミツクヒーター
   を用いると共に、該セラミツクヒーター本体部
   の外表面に前記発熱体と導通するリード端子鑞
   付部を設けて、該リード端子鑞付部に所定のリ
   ード端子を銀を含む鑞材により鑞付固定し、さ
   らに該リード端子を固定してなる鑞材の表面
   に、1μｍ以上の厚みのニツケルメツキ層より
   なる被覆層を設けたことを特徴とする加熱器付
   酸素濃度検出器。 (2) 前記セラミツクヒーターの抵抗温度係数が、
   0.3％／℃以上であることを特徴とする実用新
   案登録請求の範囲第(1)項記載の加熱器付酸素濃
   度検出器。