JPH0430536Y2 - - Google Patents

Description

【考案の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本考案は、例えば内燃機関のリーン側の空燃比
制御に用いる酸素濃度検出器に関するものであ
る。

〔従来技術〕

従来公知のこの種の酸素濃度検出器は特開昭57
−178152号公報に記載されたものがある。これ
は、コツプ形状を有した酸素イオン導電性金属酸
化物より成る固体電解質素子の外周に、該素子の
検出ガス側の電極と電気的に絶縁して金属ハウジ
ングを固定し、かつ前記電極を外部へ取出すため
に前記固体電解質素子の開口部側に金属ホルダと
嵌挿して前記電極に接触せしめ、更に固体電解質
素子の開口部側に前記ハウジングとの間に気密保
持用のタルク等の電気絶縁材より成る気密封止材
を配設した構造となつている。

しかしながら、上記従来技術のものでは、前記
の気密封止材が金属ホルダと電極との電気的接触
部に侵入しやすく、このため両者間の接触抵抗が
増大して導通不良が生じるという欠点がある。

〔考案の目的〕

本考案はホルダの電極との導通部と気密封止材
との間を仕切つて該封止材の侵入を防ぐことによ
り、上記のごとき導通不良を解消しようとするも
のである。

〔実施例〕

以下本考案の実施例を第１図から第８図にもと
づき説明する。

図中１は固体電解質素子であり、被検ガス中の
酸素濃度に応じた起電力を示すとともに負の抵抗
温度特性を有する酸素イオン伝導性の金属酸化
物、たとえばZrO₂92モル％とY₂O₃８モル％とを
固溶させた緻密な焼結体により形成されている。
上記固体電解質素子１は一端が開口されるととも
に他端が閉塞されたコツプ状の形状を成してい
る。この素子１の中央部外周には環状拡大部１ａ
を設けてあり、また内周の開口端側には環状座部
１ｂが設けられている。

２は薄膜状の多孔質電極であり、上記素子１の
の内表面において上記座部１ｂまで略全面に設け
られている。３は同じく薄膜状の多孔質電極であ
り、これは素子１の閉塞端側側面の一部分にのみ
設けてある。この電極３の面積は20mm²〜100mm²と
してある。なおこの電極３部分の素子１の厚みは
0.2mm〜0.8mm程度としてある。

４は耐熱金属酸化物からなる電気絶縁層であ
り、固体電解質素子１の外表面に、上記電極３部
分を除いて被覆してある。この絶縁層４は上記電
極３を形成するよりも先立つて、該電極３に相当
する部分をマスキングしておき、アルミナやアル
ミナ・マグネシアスピネル等の耐熱絶縁金属酸化
物をプラズマ溶射によつて100μ程度の厚みに被
覆したものである。このコーテイング後に上記マ
スクを除去し、しかるのち素子１、絶縁層４の外
表面全面に亘つて白金等を化学メツキあるいはペ
ースト塗布等の手段で被覆する。すると上記マス
キングしておいた絶縁層４の開口部分における素
子１の露出面に白金が被覆されるため当該部分が
第４図に示されるように電極３となり、また絶縁
層４の外表面に被着された白金は電極３と電気的
に導通されたリード線部分５となる。なおリード
線部分５は絶縁層４によつて固体電解質素子１と
電気絶縁されることになる。リード線部分５は素
子１の環状拡大部１ａの頂面よりやや上方まで延
在されている。

６はガス拡散抵抗層であり、たとえばAl₂O₃、
MgO−Al₂O₃、またはZrO₂などの多孔質電気絶
縁性金属酸化物より形成されている。このガス拡
散抵抗層６は、電極３の全面、リード線部分５の
上記環状拡大図１ａを除く部分の全面（第１図）
を覆つており、たとえばプラズマ溶射、もしくは
セラミツクフイルタによつて形成されている。７
は耐熱金属酸化物からなる電気絶縁層であり、第
１図のごとく抵抗層６の一部、リード線部分５の
うち環状拡大部１ａの外表部を被覆してある。こ
れはAl₂O₃，MgO−Al₂O₃等の耐熱酸化物をプラ
ズマ溶射によつて100μ程度の厚みに被覆してあ
る。これにより、前記素子１を金属パツキン１２
を介してハウジング１３に固定する際、該ハウジ
ング１３よりリード線部分５は電気的に完全に絶
縁されている。９はリング状の金属ホルダであ
り、素子１の開口部側に嵌挿され、その先端の内
面は素子１の環状拡大部１ａの頂面に設けたリー
ド線部分５に金属リング８を介して接触させてあ
る。この出力取出し部の電気的導通をより信頼性
の高いものにするためホルダ９の環状拡大部９ｂ
を利用しタルクのごとき気密封止材１４、アスベ
スト１５、金属パツド１６を介して上方より押圧
して仮固定し、第２図のごとく金属カバー１７、
金属リングスペーサ１８を挿入後ハウジング１３
の上部を冷熱鋏めを行ない、ホルダ９を強固に押
圧して前記導通部を強固に圧着固定してある。

この時、センシング部であるリード線部分５、
リング８、ホルダー９の接触面に、気密封止材１
４である絶縁性粉末の浸入を防止するため、その
端部であるカバー部９ａが設けてあり、このカバ
ー部９ａによつて封止材１４と上記接触面との間
を仕切つてある。１１は耐熱金属酸化物からなる
電気絶縁層であり、金属ホルダ９の外表部に、上
記９ａ，ｂ部を除いて被覆してある。この絶縁層
１１は、あらかじめ金属ホルダ９に結合材１０、
例えばNi−Al₂O₃等の熱膨張調整材をプラズマ溶
射によつて30μ程度の厚みに被覆した後に、Al₂
O₃，ZrO₂，MgO−Al₂O₃等の耐熱絶縁性酸化物
をプラズマ溶射によつて100μ程度の厚みに被覆
したものである。

１９は棒状セラミツクヒータであり、一端が素
子１の内部に挿入されている。セラミツクヒータ
１９は、中空の絶縁体を予め押し出成形し、一方
ドクターブレード法により膜状に成形した同一材
料のセラミツク膜の上にスクリーン印刷により膜
状のヒータ線を成形し、上記絶縁体の上に巻き付
けた後、同時焼成したもので、比較的長尺に形成
されている。

該ヒータ１９の外周には金属ステム２０がろう
付により取付けてあり、該ヒータ１９のステム２
０と素子１の座部１ｂとの間にはグラフアイト３
６が配設されている。該グラフアイト３６によつ
て素子１の内側の電極２がステム２０に電気的に
導通している。ステム２０には、第７図に示すご
とく、電極２を外部へ取出すためニツケル製リー
ド線２５が先端を埋めた状態でろう付けしてあ
る。一方、前記のホルダ９にも、第６図のごと
く、ニツケル製のリード線２６が先端を埋めた状
態でろう付けしてある。これら各リード線２５，
２６はAl₂O₃よりなるリング状の第１の絶縁碍子
２１に設けた孔に挿通してある。なお、前記ヒー
タ１９の先端も絶縁碍子２１の中心に設けた孔に
挿通してある。

第２図中、２３はAl₂O₃よりなる円筒状の第２
の絶縁碍子であり、該絶縁碍子２３には第８図の
ごとく４つの孔２３ａが設けてある。このうち、
２つの孔には前記リード線２５，２６が、他の２
つの孔には前記ヒータ１９の通電用ニツケル製リ
ード線２７ａ，ｂが、それぞれ挿通してある。第
２図の絶縁碍子２３の環状拡大部２３ａとカバー
１７の先端との間にはスプリング２４が配置して
あり、このスプリング２４の荷重で前記第１の絶
縁碍子２１をステム２０の方向へ押圧している。
なお、両絶縁碍子２１，２３の間にはニツケル製
のリングパツキン２２が介在せしめてある。３０
はフツ素樹脂で構成したスペーサーであり、４つ
の隔置した孔（第２図では２つしか見えない）を
有し、各孔に前記のリード線２５，２６，２７
ａ，２７ｂが挿通されている。そして、この各孔
内において、例えばリード線２５，２６はコネク
タ２８，２９を介してリードワイヤ３７，３８に
電気的に接合してある。その構造は、例えばリー
ド線２５を例にとると第９図のごとくである。な
お、ヒータ１９のリード線２７ａ，２７ｂも同様
な構造にしてリードワイヤ３９に接合してある。

なお、図中、３２はダストカバーで、一端はカ
バー１７にめ固定され、他端はブツシユ３１に
め固定されている。また、３３は取付用フラン
ジ、３４，３５は保護カバーを示している。

上記構造において、次に作動を述べる。

リード線２５を電源の陽極に、かつリード線２
６を電源の陰極に接続し、電圧を加えると電流が
電極３から電極２へ流れる。ここで素子１は酸素
イオン伝導性の固体電解質であるから、被検ガス
中の酸素はガス拡散抵抗層６を経て電極３に至
り、この電極３にて電子の供給を受け、酸素イオ
ンとなる。この酸素イオンは素子１内部を拡散し
ていき、電極２にて電子を放出して酸素分子に戻
る。

なお酸素分子はヒーター１９の貫通孔１９ａを
経て各構成部品の〓間より大気中へ放出される。

上記の反応において、ガス拡散抵抗層６の厚さ
を一定以上の厚さ、たとえば300μとし、電極３
の面積を実質的に20〜100mm²の範囲内の一定値と
して電圧を徐々に上げていくと、ガス拡散抵抗層
６の影響にもとづき電圧を変化させても電流が変
化しない領域、すなわち限界電流が発生する。こ
の限界電流値Ilは下記の(1)式で計算される。

Il｛（4F・DO₂）／（Ｒ・Ｔ）｝・（Ｓ／ｌ）・
PO₂ ……(1) Ｆ…フアラデイー定数 Ｒ…気体定数 DO₂…酸素分子の拡散定数 Ｔ…絶対温度 Ｓ…電極面積 ｌ…拡散抵抗層の有効拡散距離 PO₂…酸素分圧 したがつて限界電流値は被検ガス中の酸素濃度
（分圧）に応じて変化するため、一定電圧を印加
しこの限界電流を測定すれば被検ガス中の酸素濃
度を知ることが出来る。

ところで、本実施例においては、素子の陰極リ
ード線部分５からの出力取出しに際して、金属ホ
ルダ９を配置して陰極取出しのセンシング部に気
密封止材１４であるたとえばタルクがセンシング
部接点へ侵入するのをカバー９ａで防止できるの
で、高精度な特性が得られる。また、ホルダ９の
円筒外表部にあらかじめ結合材１０を形成した後
に耐熱絶縁金属酸化層１１をコーテイングしてあ
るため、ハウジング１３との電気絶縁が完全に確
保され、従つてエンジンボデーからのノイズが入
る等の不具合がなくなる。しかも製造に際しては
部品のコンパクト化、陰極取出し構造の簡略化か
つ信頼性の高い構造とすることが出来る。

なお、本考案は上述の実施例に限定されず、以
下のごとく種々の変形が可能である。

(1) 第１０図のごとく、ホルダ９とリード線部分
５とをろう材４０によりろう付け接合してもよ
い。

(2) 第１１図のごとく、ステム２０と電極２とを
ろう材４１によりろう付け接合してもよい。

(3) 変形案であるが、第１２図のごとく、リード
線２５，２６を素子１に埋め、かつリード部分
５とろう付け接合してもよい。

(4) 本考案は理論空燃比を検出する酸素濃度検出
器にも適用できる。

(5) 更に本考案に溶鉱炉の空気制御にも適用でき
る。

〔考案の効果〕

以上のごとく本考案によれば、気密保持用の電
気絶縁材より成る気密封止材がホルダの電極との
導通部に侵入するのを防ぐことができ、従つて電
極の取出しを確実に行なうことができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本考案の一実施例の要部を示すもの
で、第２図のＢ部拡大断面図、第２図は本考案の
一実施例の全体構成を示す断面図、第３図は第１
図の素子部を示す断面図、第４図は第２図のＡ部
拡大断面図、第５図は第１図の一部分の拡大断面
図、第６図は第２図の一部分の拡大断面図、第７
図は第２図の一部分の拡大断面図、第８図は第２
図のＸ−Ｘ断面図、第９図はリードワイヤとリー
ド線との接合構造を示す斜視図、第１０図乃至第
１２図は本考案の変形例を示す断面図である。 １……固体電解質素子、３……電極、５……リ
ード線部分、９……ホルダ、９ａ……端部、１３
……ハウジング、１４……気密封止材。

Claims (1)

【実用新案登録請求の範囲】
1. 一端が開口し他端が閉塞したコツプ形状の、酸
   素イオン伝導性金属酸化物より成る固体電解質素
   子を有し、該固体電解質素子の外周に、その検出
   ガス側に形成した電極と電気的に絶縁して金属ハ
   ウジングを固定し、該ハウジングと前記固体電解
   質素子の開口部側との間に、前記ハウジングと前
   記固体電解質素子との間の気密保持用の電気絶縁
   材より成る気密封止材を配設し、該固体電解質素
   子の前記開口部側にリング状の金属ホルダを嵌挿
   するとともに、該ホルダの内面と前記固体電解質
   素子の前記電極とを電気的に導通し、該ホルダの
   端部によつて前記ホルダの前記電極との導通部と
   前記気密封止材との間を仕切るようにした酸素濃
   度検出部。