JPH035902Y2 - - 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な
どの被測定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体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。

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。

さらに、〓材として用いる銀が長時間の通電中
に移動する現象である銀のマイグレーシヨンの発
生により、リード端子〓付部間でシヨートした
り、鑞付部にクラツクが発生したりする欠点も有
していた。

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被測定ガス中に曝す
一方、その筒内を被測定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、被測定ガスの導入口を有
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、ニツケル−燐からなる1μｍ
以上の厚みの無電解メツキ層よりなる被覆層を設
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、内外面にそれぞれ多孔質白金
電極を有する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。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１４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、配置された棒状加熱器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更に詳しい構成を第
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−燐からなる被覆層１２、即
ち無電解メツキ層が形成されている。

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時間保持した後に、固体電解質の外観及
びヒーターの異常の有無を調査したところ、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、以つて固体電
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。それ故、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、従つて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、こ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。

ところで、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−燐からなる1μｍ以上の厚
みの無電解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。

なお、鑞材の表面を覆う被覆層はメツキなどの
公知の各種の手法にて形成され得るが、本考案で
は、無電解メツキ法によつて形成される必要があ
る。これは、電解メツキ法ではヒータ本体部とメ
ツキ層が充分に密着しないために、鑞付部を完全
に覆うことができず、ヒータ本体部とメツキ層の
隙間を通つて鑞材が外気と接触してしまうのに対
して、無電解メツキ法では、ヒーター本体部とメ
ツキ層が充分に密着するために、確実に鑞付部を
外気より遮断することができるためである。ま
た、この被覆層を構成する金属としては、本考案
においては、耐熱性、耐食性、密着性等の点より
ニツケル−燐が採用され、特にニツケルに約10％
の燐を混入したニツケル−燐からなる被覆層が、
ピンホールができにくく密着性が良いので好まし
く用いられる。そして、内部の銀を保護するた
め、この被覆層の厚みは1μm以上とされることと
なるのである。

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被測
定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、そしてかかるセ
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、ニツケル−燐からなる1μｍ以
上の厚みの無電解メツキ層よりなる被覆層を有し
ているところから、被測定ガスが低温にあるとき
においても固体電解質が十分に加熱され、例えば
エンジン始動時から起電力が発生するまでの時間
が極めて短かくなるのであり、また被測定ガスが
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、安定な起電力が長時間得ら
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など
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（無電解メツキ層）、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被測定
   ガス中に曝す一方、その筒内を被測定ガスより
   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、被測
   定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、ニツケル−燐からなる1μｍ以上の厚
   みの無電解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。