JPH0247494Y2 - - 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、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、
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
極との測定電極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提案
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、
多孔質白金電極が再結晶して排気ガスとの反応速
度が遅くなつたり、また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
器の超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、新しい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−Zu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、排気ガスの導入口とを有する
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、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せ
しめ、さらに該リード端子を固定してなる鑞材の
表面に、ニツケルからなる1μm以上の厚みの金属
被覆層を設けると共に、該金属被覆層の表面にコ
ーテイングした吸湿率１％以下の無機系耐熱コー
テイング材を存在せしめ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、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、その筒内が気密に収納され、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、図示はしないが、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、金属製保護カバー７には、第４図に示される
ように、その側壁部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１４が切り起こされ、
排気ガス導入口１５が形成されている。

また、第１図において固体電解質１の筒内に挿
入し、配置された棒状加熱器６は、第２図に示さ
れるように、発熱体（図示せず）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によつて鑞付固定されて
おり、また該リード端子９を固定せしめてなる鑞
付１１の表面には、ニツケルよりなる被覆層１
２、例えばニツケルメツキ層が形成されており、
そしてさらに無機系の耐熱コーテイング材１３が
該被覆層１２の表面全体を覆つているのである。

そして、本実施例では、かかる棒状加熱器６に
おける発熱体が、タングステン焼付抵抗体にて形
成され、該加熱器６の抵抗温度係数が0.5％／℃
とされており、これによつて排気ガスが高温の時
には、その抵抗値が増大し、発熱量が減少して、
固体電解質および棒状加熱器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電力発生までの時間
が短く、またアイドリング時等にも加熱が十分に
行われることとなるのである。

第５図は、排気ガス温度T_G（℃）と固体電解質
の温度Ts（℃）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５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、それぞれの検出器内
の固体電解質の外観及びヒーターの異常を調査し
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
は断線したものが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、起電力は速やかに発生
するのであり、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
加熱できることとなる。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。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こし、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
或いは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
表面にニツケルよりなる被覆層を有し、さらに該
被覆層の表面に所定の無機系耐熱コーテイング材
を有しているところから、かかる被覆層と耐熱コ
ーテイング材とが効果的に銀を保護し、Agイオ
ンとなるのを防止するためめ、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。

なお、鑞材の表面を覆う被覆層は、メツキ等の
公知の各種の手法にて形成され得、またこの被覆
層を構成する金属としては、銀以外のマイグレー
シヨンを発生しない金属のうち、ニツケルが、本
考案では選択される。けだし、ニツケルは、耐熱
性、耐食性の点において特に優れているからであ
る。また、この被覆層は、通常、ニツケルのメツ
キ層として形成されることとなる。そして、内部
の銀を保護するため、この被覆層の厚みは1μm以
上とされる必要がある。

さらに、かかる金属被覆層の表面に適用される
コーテイング材としては、特に耐熱性に優れた無
機系コーテイング材が用いられ、また該コーテイ
ング材の吸湿性は１％以下（常温95％RH、72時
間後の重量増）とするのが銀の反応を抑え、マイ
グレーシヨンを防止する上において一層効果があ
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用い、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、銀以外のマイグレーシヨンを生
じない金属として有効なニツケルの1μm以上の厚
みの被覆層を有し、さらにその金属被覆層の表面
に吸湿率が１％以下の無機系耐熱コーテイング材
がコーテイングしてあるので、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
間がシヨートす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
めて有用となつたのである。

【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−断面図を示す断面図であ
る。そして、第４図は、本考案の加熱器付酸素濃
度検出器に用いられる金属製保護カバーの一具体
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、１３……耐熱コーテイング材、
１４……ルーバー、１５……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、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せしめ、さらに
   該リード端子を固定してなる鑞材の表面に、ニ
   ツケルからなる1μm以上の厚みの金属被覆層を
   設けると共に、該金属被覆層の表面にコーテイ
   ングした吸湿率１％以下の無機系耐熱コーテイ
   ング材を存在せしめ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。