JPH05188034A

JPH05188034A - 改良された金属−セラミックシ−ルをもつ電気化学型の排ガス酸素センサ−

Info

Publication number: JPH05188034A
Application number: JP4173650A
Authority: JP
Inventors: John Hrinevich Jr; ジョン・リネヴィッチ・ジュニア
Original assignee: Motors Liquidation Co
Current assignee: Motors Liquidation Co
Priority date: 1991-06-10
Filing date: 1992-06-09
Publication date: 1993-07-27
Also published as: EP0520528A1

Abstract

(57)【要約】【目的】内燃機関から放出される自動車の排ガスの酸
素濃度を検知するのに適した酸素感知器具１０の内部で
使用できるように、固体の電解質セラミック体１４を金
属ハウジング３０内にシールした改良シール手段１２を
提供する。【構成】比較的厚い環状部材１２がセラミック体１４
と金属ハウジング３０の間に設けられる。この環状体１
２の材料は、シールされるセラミック体１４と金属ハウ
ジング３０より高い熱膨張係数をもつように選ばれ、そ
して好ましくは、オーステナイト系ステンレス鋼であ
る。このように、シール領域が加熱されると、環状部材
１２は、セラミック体１４および金属ハウジング３０よ
りも膨張し、それによって、シール領域を圧縮状態に保
持し、セラミック体１４の基準空気室１６に望ましくな
い排ガスが侵入するのを有効にシールする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、概略的には、内燃機関
から放出される自動車の排ガス中の酸素濃度を検出する
のに適する電気化学型の固体電解質酸素センサーのよう
な金属とセラミックの組み立て体を製造する方法に関す
る。より詳細には、本発明は、セラミックの固体電解質
体とそれを支持する金属ハウジングとの間の改良された
シールをもつことを特徴とする形式の酸素センサーに関
するもので、この改良されたシールは広範な作動温度に
亘って完全なシール状態（sealing integrity）を保持
する。

【０００２】

【従来の技術】ガスセンサーは、質的及び量的なガスの
測定（determinations）を要求する各種の機器に使用さ
れている。自動車工業においては、自動車の排ガス中の
酸素濃度が空気−燃料比と直接的な関係をもつことがよ
く知られている。酸素ガスセンサ−は、最適な燃焼条件
の決定、有効燃料使用の最大限の達成、及び排気放出の
管理のために正確な排ガス酸素濃度の測定ができるよう
に自動車の内燃調整システム内で使用される。

【０００３】一般に、自動車機器において使用される電
気化学型の酸素センサーは筒状の（thimble-shaped）,
セラミック製の、電気化学的ガルバニー電池を利用して
排ガス流中に存在する相対的酸素量を測定または感知す
るもので、この一例は米国特許第３，８４４，９２０号
（バ−ゲット他）に開示されている。この形式の酸素セ
ンサーは、一般によく知られ、自動車工業全体に亘って
使用されており、典型的には、イットリアで安定化した
ジルコニアであるイオン伝導性固体電解質のセラミック
材料、測定されるべき排ガスに曝された固体電解質の外
部上の多孔質の電極被覆、および比較ガスの既知の濃度
に曝される固体電解質の内部上の多孔質の電極被覆から
なるものである。

【０００４】固体電解質を横切るガス濃度勾配は下記の
ネルンストの式によってガルバニックポテンシャルを生
じさせるが、これは二個の電極の位置におけるガスの分
圧の差に関連するものである。

【０００５】

【数１】Ｅ＝ＡＴ［ｌｎ（Ｐ₁／Ｐ₂）］ここで、Ｅはガルバニック電圧、Ｔはガスの絶対温度、
Ｐ₁／Ｐ₂は２個の電極の位置における比較ガスの分圧の
比、Ａ＝Ｒ／４Ｆであって、Ｒは気体定数、Ｆはファラ
ディ定数である。

【０００６】このように、酸素感知装置は、比較電極と
測定電極との間に生ずるガルバニックポテンシャルを測
定することによって排ガス中の酸素濃度を測定すること
ができる。

【０００７】センサ−の固有な作動のために、比較電極
と測定電極は、対応する分圧を測定すべきガス源にのみ
曝されることが絶対的に必要である。したがって、比較
電極は基準ガス（reference gas）にのみ曝されるよう
に外的漏洩からシールされていなければならない。しか
しながら、実際には、互いに結合しなければならない各
種材料のために、このシールを達成することが難しく、
特に、自動車の環境内においては典型的である広範な温
度範囲に亘ってセンサ−が循環するに応じて、材料の相
違する熱膨張特性のために、シールを維持することはな
おさら困難である。

【０００８】この臨界的シールに関連する難点は、主と
してセンサ−を組み立てるのに使われる技術のために生
じ、ジルコニアセラミック感知素子は、典型的には、ス
テンレス鋼である金属ハウジング内に装架され、かつ、
シールされる。セラミック感知素子と金属ハウジングと
の間の絶対シールを得ることは、二種の材料の異なる性
質のため非常に困難である。

【０００９】しかし、この形式の酸素センサーの固有の
作動のためには、排ガスがセラミック感知素子の基準室
への（かつ、したがって比較電極への）漏洩を防ぐよう
に絶対シールが要求される。しかも、このシールの完全
性は、広範な温度範囲に亘って、厳格に維持されなけれ
ばならない。

【００１０】セラミック感知素子と金属ハウジングとの
間に要求されるガス密なシールを達成するために、種々
の手段が過去に用いられてきたが、ほとんどの場合、あ
る形式のバネ部材を使用するものである。共通の実施手
段は、バネ部材を、熱い排ガスが流れる領域の近くの金
属ハウジングの内部、典型的には、絶縁体とセラミック
感知素子上の正の電気接点との間に置くことであった。
この設計は、排ガスが固体電解質体の上を流れるにつれ
て遭遇する高温度に耐えることができるバネ部材を要求
する。そのような材料は比較的高価で、かつ最適なバネ
性を発揮しない。しかもそのような配置は、一般に各部
材の組み立ての間にバネ部材に極端に高い負荷力（load
ing force）を受けさせ、その結果、そのバネ力の顕著
な損失を生じる。

【００１１】また一方では、バネ部材は、排ガスが流れ
るセンサ−組立体の極端に熱い断面部分から離して設け
られてきた。しかしながら、この設計はバネ部材用の比
較的安価な材料が使用できるとはいえ、全合成力がバネ
部材に負荷されることが要求され、それによって再度部
材のバネ力が低下し且つ相応してそのシール効果を減ず
る結果を生ずる。

【００１２】タルクやマイカのような屈折性の（yielda
ble）材料は、温度変化に曝されたときに該屈折材料が
変形して各部材間の凹凸（irregularities）を充填し、
それによって有効なシールを維持するように、二つの部
材間に導入されてきた。しかしながら、この形式の材料
に生ずる欠点は、これら材料が限られた弾力しかもた
ず、したがって、お互いの間で部材を強固に保持し合う
ように要求される力を生じないということである。

【００１３】最後に、電流で金属ハウジングの特定部分
を加熱し、ついでハウジングを反転させるという共通の
方法が用いられてきた。加熱されたシェルが冷却するに
つれて、金属は収縮し、セラミック素子は圧縮状態とさ
れかつシールが形成されるようになる。この形式のシー
ルの難点は、この器具が高温度で使用されるので、金属
がセラミック部材よりも大きく膨張し、これによって圧
縮負荷を低下させ、かつシールを破壊する。

【００１４】

【発明が解決すべき課題】したがって、従来技術の欠陥
を避けるこれらの形式の酸素センサーの範囲で金属ハウ
ジング内に設けられたセラミック体をシールする手段を
提供することが望ましい。より詳細には、このシール手
段は広範な温度範囲に亘って高品位のシールを保持する
ことができなければならない。もし、これらの部材をシ
ールする手段が同様に自動車製造技術に容易に馴染むも
のであったとしたら、このことは同様に望ましい。

【００１５】したがって、本発明の目的の一つは、固体
の電解質のセラミック体を、それを保持する金属ハウジ
ング内にシールする手段を提供することであり、この手
段は特に、酸素感知器具に使用するのに適している。

【００１６】本発明の他の目的は、セラミック体と金属
体との間のこのように改良されたシールを広範な作動温
度に亘って有効なものとすることである。

【００１７】最後に、本発明のさらにもう一つの目的
は、そのような改良されたシールを、現在行なわれてい
る自動車製造技術に適応させかつ容易に応用可能とする
ことである。

【００１８】

【課題を解決するための手段】本発明の好ましい具体例
によれば、これらの目的および他の目的及び効果は、以
下のように達成される。

【００１９】本発明によれば、固体の電解質のセラミッ
ク体を、特に、内燃機関から放出される自動車の排ガス
の酸素濃度を検出するのに適した酸素感知器具に使用で
きるように、金属ハウジング内にシールする改良された
手段が提供される。

【００２０】一般に、酸素感知器具は、金属ハウジング
内に強固に固定される実質的に円筒状で、固体の電解質
セラミック感知素子をもつ。固体の電解質体は、軸方向
に存在する長孔をもち、固体の電解質物質で閉塞された
第１の端部と開放された第２の端部をもつ。基準電極は
固体の電解質体の内表面上に設けられ、そして、測定電
極は外表面に設けられている。金属ハウジングは、固体
の電解質体の測定電極が測定されるべき外部ガスと接触
し、かつ基準電極が本質的に測定されるべき外部ガスに
対して気密になるように固体の電解質体を支持する。排
ガスの酸素の分圧は比較電極と測定電極との間で発生す
るガルバニックポテンシャルを測定することによって決
定される。

【００２１】本発明の好適な一側面によれば、固体の電
解質セラミック体と金属ハウジングとの間に改良された
高品位シールを形成する手段が提供され、そこにおいて
この改良されたシールは広範な温度範囲に亘って完全性
を有効に維持する。これは、セラミック体と金属ハウジ
ングとの間に中空な断面をもつ比較的厚い環状部材を設
けることによって達成できる。この中間環状部材の材料
はシールされるセラミック体および金属ハウジングより
も高い熱膨張係数をもつように選択され、そして、好ま
しくは、適当なステンレス鋼である。このようにして、
シール領域が加熱されるとき、中間環状部材はセラミッ
ク体や金属ハウジングより大きく膨張し、それによって
シール領域を圧縮状態に維持し、かつセラミック体を有
効にシールして望ましくない排ガスがその基準空気室
（reference air chamber）に入るのを防ぐ。

【００２２】本発明の有利な特徴は、中間環状部材が、
広範な温度範囲に亘っても、金属ハウジング内に固体電
解質を強固に保持し、シールするのを容易にすることで
ある。しかも、この改良されたシールを達成する手段
は、同様にこの形式の自動車の酸素センサーの組み立て
に使われる現在の製造技術に馴染み、それによってこの
設計の実用性を最大限に発揮させるものである。

【００２３】本発明の他の目的と効果は、添付図面を参
照した下記の説明からより明確となるであろう。、

【００２４】図１は、固体電解質の電気化学型の酸素セ
ンサーの断面図であって、本発明の好ましい具体例によ
る、固体電解質セラミック感知素子、金属ハウジングお
よび中間シール手段を示している。

【００２５】図２は、図１に示すシール手段とシールさ
れた領域の拡大された断面図である。図３は、本発明の
好ましい具体例によるシール手段を示している。

【００２６】本発明は、固体の電解質セラミック体を金
属ハウジング内にシールする改良された手段を提供する
もので、特に、これは内燃機関から放出される自動車の
排ガスの酸素濃度を検出するように設計された電気化学
型の酸素感知器具に使用するのに特に適している。セラ
ミック体と金属ハウジングの間の改良されたシールは、
広範な作動温度に亘ってその完全なシール特性を維持す
る。

【００２７】本発明の好適な具体例において、図１に断
面で示されるような酸素感知器具１０は、固体の電解質
セラミック体１４を金属ハウジング３０内にシールする
好適なシール手段１２を含む。図１に示される酸素感知
器具１０は、自動車の排ガスを検出するのに使用される
実際の酸素感知器具のほぼ１．５倍の寸法である。

【００２８】前述のように、この形式の典型的な酸素セ
ンサーにおいて、固体の電解質セラミック体１４は、他
の適当な電導性でイオン伝導性の材料も使用し得るとは
いえ、優れたイオン伝導性、証明された耐久性および有
用性のために、好ましくは、イットリアで安定化したジ
ルコニアによって形成される。固体の電解質体１４は、
実質的に軸方向に位置する長孔１６をもつ管状体であ
る。固体の電解質体１４の第１の端部１８は、固体の電
解質体で閉塞されている。固体の電解質体１４の第２の
端部２０は、開放されている。

【００２９】比較電極（図示していない）は、長孔１６
の中の固体の電解質体帯状１４の内表面２４上に設けら
れる。比較電極は好ましくは多孔質の白金の極端に薄い
層で作られる。多孔質の白金が選ばれるのは、多孔質の
金やパラジウムのような他の適当な電導性表面も使用で
きるとはいえ、他の貴金属触媒材料に比較して、高い表
面積、良好な触媒特性をもち、かつ、比較的低コストで
あるからである。比較電極は、既知の濃度の基準ガスと
接触する。空気は、容易に入手でき、且つ、固体の電解
質体１４の長孔１６中に容易に導入できるので、一般に
常に基準ガスとして使用される。他のガスも使用できる
が、比較電極と接触させるために、長孔１６にガスを導
入するに当たり、異常な、実行不可能な垂直特性（plum
bing features）が要求されることとなる。

【００３０】酸素センサー１０の固有な作用のために、
比較電極は基準ガスのみに曝されることが絶対的に必要
である。したがって、固体の電解質体１４の長孔１６
は、外部ガスが長孔１６中へ漏洩するのを防ぐために隔
離されている必要がある。この発明のシール手段には、
続いて詳述するように、必要な気密シールをただちに形
成する。

【００３１】上に述べたと同じ理由によって、多孔質の
白金の極度に薄い層から作られるのが好ましい測定電極
（図示されていない）は、固体の電解質体１４の外表面
２８上に設けられる。しかしながら、他の適当な導電性
の触媒性の表面も使用し得る。測定電極は酸素濃度が測
定されるべき排ガスに接触する。排ガスの酸素分圧は、
比較電極と測定電極の間に発生するガルバニックポテン
シャルを検出することによって測定される。典型的に
は、外側の測定電極、または、少なくとも排ガスに曝さ
れる部分は、測定電極を排ガス中の外来の有害物質また
は粒子から遮蔽するために、典型的には多孔質のセラミ
ック材料である保護コ−ティング（図示されていない）
の薄層によって被覆されている。一般に、測定電極は上
方に延び、且つ、ハウジング３０に接触する電導性金属
ガスケット３４と接触する。このハウジングは接地電位
（ground potential）となるように電気的に結合されて
いる。

【００３２】ハウジング３０は、自動車の排気管内に嵌
入するように、典型的には単純な台板（mounting plat
e）を利用して適用されている。ハウジング３０は、固
体の電解質体１４の外側表面２８上の測定電極が測定さ
れるべき外部の排ガスと接触するように、固体の電解質
体を保持する。その間、固体の電解質体１４の内側表面
２４上の比較電極は、外部排ガスにガス密である。固体
の電解質体１４は、排ガスの流れの中に指状の突起に似
るように装架されている。固体の電解質体１４の約１／
２から１／３は外に突出し、排ガスに曝される。ハウジ
ング３０は、さらに、詳細に後述するようにフェライト
系あるいはマルテンサイト系ステンレス鋼のような、高
強度で好ましくは耐食性の材料で製造されるのがよい。

【００３３】下方のガスケット３４は、固体の電解質体
１４の外側の角度をもった壁に設けられ、固体の電解質
体１４と金属ハウジング３０（本発明の特許性のあるシ
ール手段１２が同様に設けられている場合）との間の領
域における固体の電解質体１４をシールするのを助け、
比較電極が設けられている固体の電解質体１４の長孔へ
の外部排ガスの流入を防止する。この下部ガスケット３
４の目的は、固体の電解質体１４とハウジング３０の間
の凹凸を埋めるようにセンサ−１０の組み立て中に変形
させることである。

【００３４】本発明の好ましいシール部材１２によっ
て、この下部ガスケット３４は厳密には必要ではない。
しかしながら、下部ガスケット３４が、特に広範囲の温
度に曝されたときに外部の排ガスの漏洩を完全にシール
するとはいえないが、下部ガスケット３４の使用は、合
わせられる固体の電解質体１４とハウジング３０の間の
表面欠陥を充填するので、好ましい。

【００３５】穿孔シールド３８は、同様に固体の電解質
体１４の組み立ておよび使用中にそれを保護するために
ハウジング３０に付設されることとなる。隙間４０が、
固体の電解質体１４の感知領域における穿孔シ−ルド３
８と固体の電解質体１４の間に設けられ、遮断されない
排ガス流が穿孔シールド３８を通って固体の電解質体１
４の外表面２８上の多孔質白金測定電極へ流れるのを許
容する。

【００３６】端子ポスト４４は、ハウジング３０内に固
体の電解質体１４を強固に保持しかつ中心に置くように
設けられ、一方、外部の診断装置（diagnostic equipme
nt）に電気的に接続されている外部の電子的信号線（図
示されていない）に対し、比較電極と測定電極の間に生
じたガルバニック出力信号を接続する。図示されるよう
に、端子ポスト４４は、実質的に管状であり、固体の電
解質体１４の頂部表面に概ね合致するように形成された
外方に広がった（outwardly-flared ）領域をもつ。形
成されたワッシャ−４２は、固体の電解質体１４の頂端
部と端子ポスト４４との間に合致した合わせ面を形成
し、それによってさらに固体の電解質体１４の長孔１６
中に排ガスが漏れ出すのを防ぐように二つの部材間のシ
ールを完全にすることにより、固体の電解質体１４の頂
端部と端子ポスト４４の外方に広がった領域の間に配置
されている。同様に、形成ワッシャ−４２の内径は、固
体の電解質体１４内に挿入されるときにその内部比較電
極と電気的に接触するように、固体の電解質体１４の開
放端２０に合致せしめられている。（比較電極からの電
気信号は、ついで外部の診断装置に伝えられる。）

【００３７】端子ポスト４４は、一般に、電導性、高強
度および優れた耐食性のために、適当なステンレス鋼の
ような電導性の材料で形成されるが、他の電導性で強力
な材料も利用できる。センサ−１０は約５００°Ｃにも
達するような高温の腐食性の内燃機関の排ガスに曝され
るので、これらの材料のために優れた耐食性が要求され
る。

【００３８】端子ポスト４４の外方に広がった領域は、
固体の電解質体１４の環状部に本質的に直角である。こ
の外方にに広がった部分が一般に平らで端子ポスト４４
の環状部に直角であるということはセンサ−１０の組み
立ての際の整備のために重要である。端子ポスト４４の
外方に広がった領域の平らな表面は、続いて挿入される
部分のための座を形成する。

【００３９】端子ポスト４４は、物理的性質と使用中の
考察からアルミナのような絶縁物質から一般に形成され
るセラミック絶縁体４８によって包囲されている。セラ
ミック絶縁体４８は、電導性ハウジング３０と端子ポス
ト４４との間の電気的短絡を防ぐことが要求され、これ
は、外部の診断装置に電気信号ワイヤ−を経由して比較
電極と測定電極によって発生したガルバニック信号を電
気的に伝達する。実際には、電気信号ワイヤ−は、セラ
ミック絶縁体４８から延びる端子ポスト４４の端部に取
り付けられる。

【００４０】ワッシャ−４６は、端子ポスト４４の外方
に広がった領域の平らな表面とセラミック絶縁体４８と
の間に配置される。このワッシャ−４６は、特にセンサ
−１０が、種々の温度に曝されるにつれてセンサ−１０
の組み立てと使用の間に起こる部材間の寸法の相違を補
償するように、典型的には一般のスプリング状に巻き込
んだ形を特徴とするものである。寸法的な相違は一般
に、センサ−１０内で使用される種々の異なる材料と、
それらの相違する熱膨張係数のために生ずる。この発明
のシール手段１２は、この問題を軽減する。

【００４１】シールワッシャ−５０は、セラミック絶縁
体４８と金属ハウジング３０の間に設けられる。このシ
ールワッシャ−５０は、リングに似せて形成され、ハウ
ジング３０の頂端部の後続の襞つけ（crimping）を容易
にする。シールワッシャ−は好ましいが、必須ではな
い。

【００４２】基準ガスは、典型的には、端子ポスト４４
の直角で延長した部分内に設けられる一以上の孔５２を
通って、さもなくば酸素センサーの特殊な設計に応じ
て、固体の電解質体１４の基準室１６へ導入される。

【００４３】本発明の効果をよりよく理解するためにセ
ンサ−１０の組み立て手順が以下のように一般的に記載
される。センサ−１０の組み立ての間に、端子ポスト４
４、ワッシャ−４６、セラミック絶縁体４８およびシー
ルワッシャ−５０からなる端子ポストのサブ組立体がハ
ウジング３０の延伸された開放端内に挿入される。ハウ
ジング３０の延伸された開放端は図２にさらに明瞭に示
され、かつ、端子ポストのサブ組立体の挿入を許容す
る。端子ポスト４４は、固体の電解質体１４の開放端２
０の、および、開放端２０内の頂部表面上に設けられた
形成ワッシャ−４２と係合する。端子ポスト４４は、本
発明のシール手段に対して、また同時にハウジング３０
の角度をつけた座に対してもそれらの間に設けられたガ
スケット３４によって下向きに強固に固体の電解質体１
４を保持する。固体の電解質体１４は、電解質体１４と
ハウジング３０との間の電解質体１４の外径において形
成される摩擦接合（friction fit）によって強固にハウ
ジング３０内に保持される。

【００４４】端子ポスト４４のサブ組立体の挿入後、ハ
ウジング３０の伸長した開放端は室温でハウジング３０
内の部材を保持する従来の手段を用いて内方へ圧延され
る。この冷間襞付け加工後、各部材は、圧縮力を負荷さ
れさらに高温で熱間襞付けが行なわれる。これは、セン
サ−１０に充分に大きい圧縮力を負荷しながら、ハウジ
ング３０を抵抗加熱するためにハウジング３０を通って
充分に大きい電流を同時に流すことによって達成され
る。圧縮力はハウジング３０が冷えるまで負荷される。
圧力下でのハウジング３０のすでに冷間圧延された端部
の熱間圧延は、各部材がハウジング３０内で強固に保持
されることを保障する。

【００４５】特許性のある部分、特に、シール手段につ
いて次に説明する。本発明の好ましい一側面によれば、
シール手段１２は、固体の電解質セラミック体１４とハ
ウジング３０との間の改善されたシールを提供する。シ
ール手段１２は、ハウジング３０内に固体の電解質体１
４を保持する一方で、固体の電解質体１４の内部をその
開放端２０において排ガスからシールする。固体の電解
質体１４は、固体の電解質体１４をハウジング３０内に
挿入すると同時にシール手段１２に対して作用される下
向きの力によってハウジング３０内に保持される。

【００４６】図３に示されるように、本発明のシール手
段１２は基本的に比較的厚いが比較的短い環状部材であ
る。図２により詳しく示されるように、シール手段１２
は、ハウジング３０の内径に沿うその角度をつけた座に
おいて固体の電解質体１４と金属ハウジング３０の間に
設けられる。シール手段１２は、もし下部ガスケット３
４が設けられていればこれに接触する。シール手段１２
の直径は、図１および図２に示されるように、固体の電
解質体１４の直径とハウジング３０の直径に依存する。
環状シール手段１２の長さは、固体の電解質体１４と接
触するハウジング３０内のくぼんだ領域の対応長さに依
存する。そのくぼんだ領域の長さについては、ほぼ半分
が固体の電解質体１４と接触し、一方残りの半分は環状
のシール手段１２によって接触せしめられる。本発明に
対する予測し得ない有害な結果によって種々長さは変わ
り得るが、この比だけは、使用中の各部材の安定性を最
適にするように見える。さらに、環状のシール手段１２
の壁は、図示のように、種々の温度に曝される間に固体
の電解質体１４とハウジング３０に対する圧縮力を保持
する強度をもつように、充分に厚くなければならない。

【００４７】シール手段１２は、固体の電解質体１４や
金属ハウジング３０よりも高い熱膨張係数をもつことを
特徴とする材料で形成される。このようにして、シール
領域がセンサ−１０の作動中に高温度に曝される場合、
シール手段１２は、固体の電解質体１４はたは金属ハウ
ジング３０よりも大きい比率で膨張し、これによって、
これら部材（１４及び３０）を圧縮状態に保持させる。
この機構によって、シール手段１２は，固体の電解質セ
ラミック体１４を有効にシールして広範な温度範囲に亘
って望ましくない排ガスが基準空気室１６へ入るのを防
ぐ。

【００４８】特に好ましい具体例では、好ましいシール
手段１２は、ハウジング３０または固体の電解質セラミ
ック体１４の熱膨張係数よりも大きい熱膨張係数をもつ
適当なオ−ステナイト系ステンレス鋼から形成される。
オ−ステナイト系ステンレス鋼は一般に他のステンレス
鋼に比較して広範な温度域に亘って優れた靱性とともに
良好な耐食性をもつだけでなく、最も高い熱膨張係数を
もつことを特徴とし、このため、好適に用いられる。

【００４９】ハウジング３０は、適当なＡＩＳＩ４００
シリ−ズのフェライト系鉄−クロムステンレス鋼（ＡＩ
ＳＩは米国鉄鋼協会により付与された規格材料の呼称で
ある）のような高強度ステンレス鋼で形成される。フェ
ライト系ステンレス鋼は一般に広範な温度範囲に亘って
良好な耐食性をもつことを特徴とし、このため好適であ
る。

【００５０】ハウジング３０、固体の電解質セラミック
体１４およびシール手段１２用の特定材料およびそれら
の熱膨張係数は以下のとおりである。

【００５１】ハウジング３０は好ましくは、規格名ＡＩ
ＳＩ４０９およびＡＩＳＩ４３０（またはそれらの均等
材料）をもつフェライト系ステンレス鋼から作られる。
これの材料は類似の性質をもつことを特徴とし、このた
め、このうちの一種が他の種類よりかならず好ましいと
いうことはない。さらに他のフェライト系ステンレス鋼
も使用できることが予測できる。ＡＩＳＩ４０９および
ＡＩＳＩ４３０材料は、約０°Ｃ（３２°Ｆ）と約１０
０°Ｃ（２１２°Ｆ）の間の温度範囲に亘って、約１
０．４４〜１１．７×１０^-6cm／cm−°Ｃ（５．８〜
６．５×１０^-6インチ／インチ−°Ｆ）の平均熱膨張係
数をもち；約２１°Ｃ（７０°Ｆ）で測定された降伏強
度が約２０６８４２．８ＫＰａ（３０，０００ｐｓ
ｉ）；および約２１°Ｃ（７０°Ｆ）で測定された引張
強さが約３７９２１１．８〜４４８１５９．４Ｋｐａ
（５５，０００〜６５，０００ｐｓｉ）であることを特
徴とする。この２種の材料の化学組成は類似したもので
あり、下記の表１に掲載する。下記の表１に示される百
分率は重量％である。

【００５２】

【表１】

【００５３】前述のとおり、セラミック固体電解質体１
４は、酸素を感知する環境下で判明している成功のため
に、市場で入手可能なイットリアで安定化したジルコニ
アで作られるのが望ましい。このセラミック材料の熱膨
張係数は、金属部材の熱膨張係数よりもかなり低い。特
に、イットリア安定化ジルコニアの熱膨張係数は、ほぼ
室温から１００°Ｃ（２１２°−Ｆ）の温度範囲に亘っ
て、約７．２×１０^-6cm／cm−°Ｃ（４×１０^-6インチ
／インチ−°Ｆ）である。実際上、酸素センサー１０内
の感知素子１４に要求されるようにイオン伝導性で、電
導性の如何なる固体の電解質セラミック材料も充分に低
い熱膨張係数をもつことを特徴とする。これらの形式の
如何なる材料も、約９×１０^-6cm／cm−°Ｃ（５×１０
^-6インチ／インチ−°Ｆ）を超えない熱膨張係数をもつ
ことを特徴とし、かつ好ましい具体例に使用するのに適
していることが予想できる。

【００５４】本発明のシール手段１２は、このためハウ
ジング３０の熱膨張係数［１０．８×１０^-6cm／cm−°
Ｃ（約６×１０^-6インチ／インチ−°Ｆ）］およびセラ
ミック固体の電解質体１４の熱膨張係数［９×１０^-6cm
／cm−°Ｃ（約５×１０^-6インチ／インチ−°Ｆ）］よ
り大きい熱膨張係数をもつオ−ステナイト系ステンレス
鋼から作られるのが好ましい。好適な材料は、ＡＩＳＩ
３０１、ＡＩＳＩ３０２、ＡＩＳＩ３０３およびＡＩＳ
Ｉ３０４であるが、他のオ−ステナイト系ステンレス鋼
も同様に使用し得る。再度注意すべきことは、これらの
材料は類似の性質をもつので、かならずしも一つの材料
が他の材料よりも好ましいということはできない。これ
らの材料は、約０°Ｃ（３２°Ｆ）から約１００°Ｃ
（２１２°Ｆ）の間の温度範囲において、約１６．９２
〜１７．２８×１０^-6cm／cm−°Ｃ（９．４〜９．６×
１０^-6インチ／インチ−°Ｆ）の平均熱膨張係数をも
ち；約２１°Ｃ（７０°Ｆ）で測定された降伏強度が約
２０６８４２．８〜２４１３１６．６ＫＰａ（３０，０
００〜３５，０００ｐｓｉ）；および約２１°Ｃ（７０
°Ｆ）で測定された引張強さが約５１７１０７〜５８６
０５４．６Ｋｐａ（７５，０００〜８５，０００ｐｓ
ｉ）であることを特徴とする。同様にまた約１４．４×
１０^-6cm／cm−°Ｃ（８×１０^-6インチ／インチ−°
Ｆ）と同じぐらい低い熱膨張係数をもつ他のオ−ステナ
イト級のステンレス鋼も本発明に使用し得ることが予想
できる。これら４種の材料の化学組成は、類似のもので
あり、以下の表２に掲載のとおりである。示されている
百分率は重量％である。

【００５５】

【表２】

【００５６】前述のとおり、また、図２に明示のとお
り、シール手段１２は、固体の電解質セラミック体１４
と金属ハウジング３０の間のハウジング３０の内周面に
沿った角度をつけた座に近接した領域内に設けられる。
シール手段１２は、下部ガスケット３４（もしガスケッ
ト３４が存在するならば）に接触する。シール手段１２
は、固体の電解質セラミック体１４および金属ハウジン
グ３０よりも高い熱膨張係数をもつことを特徴とする材
料で作られるので、シール手段１２は、高温度に曝され
ている間に固体の電解質セラミック体１４または金属ハ
ウジング３０よりも大きい比率で熱膨張する。シール手
段１２のより大きい膨張によって、固体の電解質体１４
は強固にハウジング３０内に保持され、かつ、圧縮力が
残るようにされる。この機構によってシール手段１２
は、広範な温度範囲に亘って固体の電解質体１４とハウ
ジング３０の間のシールを有効に保持し、固体の電解質
体１４の内部空気基準室１６を、望ましくない排ガスの
侵入からシールする。本発明の有利な特徴は、シール手
段１２が広範な温度範囲に亘って金属ハウジング３０内
に固体の電解質体１４を強固に保持しシールするのを容
易にすることである。このシールは自動車の環境内で遭
遇する広い温度範囲に亘って完全性を有効に保持する。
さらに、この改良されたシールを達成するシール手段１
２は、この種の自動車の酸素センサーの組立に使われる
現在行なわれている製造技術にもよく馴染み、これによ
って設計の実用性を最大限に高めるものである。

【００５７】したがって、本発明を好ましい実施例につ
いて記載してきたが、当該技術分野における優れた技術
をもつ者にとっては、他の方法も採用し得ることは明ら
かである。シール手段、ハウジングおよび固体の電解質
体の材料は、確実に好適に改良することができ、そして
それらの熱膨張係数の間に同じ関係を生じさせることが
できる。さもなければ、任意の好適な材料が個々の部材
について置換でき、また、中空のシール手段が設けら
れ、また酸素センサーの他の種々の部材が修正される。
最後に、本発明の教示は、スパ−クプラグのようにセラ
ミック部品がシールされ、金属部品の内部に保持される
ような環境でも容易に使用し得る。

【００５８】したがって、本発明の範囲は前記の「特許
請求の範囲」の範囲によってのみ限定されるべきであ
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の好ましい具体例による、固体電解質セ
ラミック感知素子、金属ハウジングおよび中間シール手
段を示す、固体電解質の電気化学型の酸素センサーの断
面図である。

【図２】図１に示すシール手段とシールされた領域の拡
大された断面図である。

【図３】本発明の好ましい具体例によるシール手段を示
す図である。

【符号の説明】

１０酸素感知器具１２シール手段１４固体の電解質セラミック体１６長孔（基準室）１８閉塞端部２０開放端部２４内側表面２８外側表面３０ハウジング３４下部ガスケット３８穿孔シ−ルド４０隙間４２ワッシャ− ４４端子ポスト４６ワッシャ− ４８セラミック絶縁体５０シールワッシャ− ５２孔

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】固体の電解質セラミック体１４と金属ハ
ウジング３０をもつ酸素感知器具であって、該固体の電
解質セラミック体１４は軸方向に延びる長孔１６をもち
実質的に管状であり、第１の端部１８は該固体の電解質
セラミック体で閉塞されており、第２の端部２０は開放
されており、該固体の電解質セラミック体１４はその内
表面２４に設けられた比較電極とその外表面２８に設け
られた測定電極とをもち、上記比較電極と測定電極との
間で発生したガルバニック出力信号が測定可能であり、
そして、該固体の電解質セラミック体１４の該測定電極
が測定されるべき外部ガスと接触しかつ該固体の電解質
セラミック体１４の該比較電極が該長孔１６内の適宜の
基準ガスと接触するように該固体の電解質セラミック体
１４が該金属ハウジング３０内に軸方向に配置されてお
り、以下に記載の事項を特徴とする酸素感知器具：該固
体の電解質体１４は第１の熱膨張係数をもち、該金属ハ
ウジング３０は該第１の熱膨張係数よりも大きい第２の
熱膨張係数をもち、そして、酸素感知器具１０は、高温
度において該金属ハウジング３０内に該固体の電解質セ
ラミック体１４を圧縮して保持しかつシールするシール
手段１２を含み、該シール手段１２は該第１および第２
の熱膨張係数よりも大きい第３の熱膨張係数をもち、該
シール手段１２は、実質的に環状であり、かつ該固体の
電解質セラミック体１４の開放端２０の周りでかつそれ
に近接して、該固体の電解質セラミック体１４と該金属
ハウジング３０の間に設けられており、そのシール手段
１２が設けられる態様は、高温度に曝されたときに該シ
ール手段１２の膨張率は該固体の電解質セラミック体１
４または該金属ハウジング３０の対応熱膨張係数より大
きくなり、そのために、該固体の電解質セラミック体１
４の長孔１６が測定されるべき外部ガスに対して絶対的
にガス密となるように、該金属ハウジング３０内に該固
体の電解質セラミック体１４を圧縮してシールするのに
効果的となるものである。
【請求項２】該固体の電解質体１４がイットリアで安
定化したジルコニアで形成され、かつ比較電極及び測定
電極が白金からなる請求項１記載の酸素感知器具１０。
【請求項３】ハウジング３０が１４．４×１０^-6cm／
cm−°Ｃ（８×１０^-6インチ／インチ−°Ｆ）以下の熱
膨張係数をもつことを特徴とする材料で形成されている
請求項１記載の酸素感知器具１０。
【請求項４】該シール手段１２が１４．４×１０^-6cm
／cm−°Ｃ（８×１０^-6インチ／インチ−°Ｆ）以上の
熱膨張係数をもつことを特徴とする材料で形成されてい
る請求項１記載の酸素感知器具１０。
【請求項５】該ハウジング３０がフェライト系ステン
レス鋼で形成されている請求項３記載の酸素感知器具１
０。
【請求項６】該シール手段１２がオーステナイト系ス
テンレス鋼で形成されている請求項４記載の酸素感知器
具１０。
【請求項７】該固体の電解質セラミック体１４がイッ
トリアで安定化したジルコニア体であり、金属ハウジン
グ３０が１４．４×１０^-6cm／cm−°Ｃ（８×１０^-6イ
ンチ／インチ−°Ｆ）以下の熱膨張係数をもつことを特
徴とするフェライト系ステンレス鋼で形成されており、
そしてシール手段１２が１４．４×１０^-6cm／cm−°Ｃ
（８×１０^-6インチ／インチ−°Ｆ）以上の熱膨張係数
をもつオーステナイト系ステンレス鋼で形成されている
請求項１記載の酸素感知器具１０。
【請求項８】該ハウジング３０がＡＩＳＩ４０９及び
ＡＩＳＩ４３０からなる材料の群から選ばれるフェライ
ト系ステンレス鋼で形成されている請求項７記載の酸素
感知器具１０。
【請求項９】該シール手段１２がＡＩＳＩ３０１、Ａ
ＩＳＩ３０２，ＡＩＳＩ３０３及びＡＩＳＩ３０４から
なる材料の群から選ばれるオーステナイト系ステンレス
鋼で形成されている請求項７記載の酸素感知器具１０。