JPH0754850Y2 - ヒータ付酸素センサ - Google Patents

Description

【考案の詳細な説明】 （考案の利用分野） 本考案は内燃機関等の排ガス中の酸素濃度を測定するヒ
ータ付酸素センサに関する。

（従来技術） 従来から、ジルコニア焼結体等の固体電解質（イオン伝
導固体質）の表面に測定用電極と基準用電極を設け、測
定用電極には被測定ガス中の酸素分圧を、基準用電極に
は大気の酸素分圧を印加し、これら被測定ガスの酸素分
圧と基準となる大気の酸素分圧との差によって生じる超
電力（又は電気抵抗）によって酸素濃度を測定する酸素
センサが一般に広く利用されている。

また、上記の如き酸素センサにおいて固体電解質表面や
電極近傍には排ガス中に存在するカーボン粉末や未然焼
粒子等が付着し易く、測定誤差を生じたり、特性の劣化
を招く原因をなしていた。

そのため、酸素センサには表面に付着した汚染物質の除
去や、低温におけるガス感応性の向上など双方の目的を
果たすため、酸素センサ自体を800℃程度に加熱するた
めのヒータを併設したものが使用されている。

例えば、第８図の横断面図に示すようにジルコニアセラ
ミックスの長尺状成型体１′の両面にメタライズ法等の
手法によって設けられた白金から成る測定用電極２′と
基準用電極３′とを有するセンサ本体Ａ′とアルミナ等
の長尺状成型体４′内にタングステン等のヒータ５′を
設けたヒータ本体Ｂ′を積層一体化した後焼結して製造
していた。

また一体型として全てがジルコニアセラミックスからな
り、内部にセンサ部とヒータ部が形成されたもの等が知
られている。

（考案が解決しようとする問題点） しかしながら、前者のヒータ付酸素センサはセンサ本体
Ａ′とヒータ本体Ｂ′とが広い面先で完全に接合されて
おり、ジルコニアとアルミナの熱膨張差が大きいために
焼成時や高温での使用時に応力が発生し、それによって
各本体に割れ等が生じ易いという問題があった。そのた
め、各本体の材質を熱膨張差の小さいものを選択する等
の材質上の制限があった。

また後者では同一のセラミックスから成るため前記のよ
うな熱膨張差による割れ等は生じないが、ヒータ用電極
として一般に使用されるタングステンはジルコニアの焼
成雰囲気、即ち酸化性雰囲気での焼成が困難であるた
め、タングステンに代わり白金等の貴金属を使用しなけ
ればならず、コストが非常に高くなるとともに、高温に
おける特性が不安定であり、耐久性に劣るという問題が
あった。

（考案の目的） 本考案は上記の問題点を解決することを目的とするもの
で、具体的にはヒータとしてアルミナ等ジルコニアと熱
膨張率の異なるものを用いても割れ等の発生がなく、ま
たコスト的にも安価に製造し得るヒータ付酸素センサを
提供することを目的とするものである。

（問題点を解決するための手段） 本考案者は上記問題点に対し改良を重ねた結果、酸素セ
ンサ本体と、ヒータ本体とを酸素センサセル部とヒータ
本体のヒータ部が対向するように両者を単に重畳し、そ
の重畳体の一部で適当な固定手段で固定した構造にする
ことによって前記目的が達成されることを知見した。

（作用） 上記の構成により、酸素センサ本体とヒータ本体とが一
部分で重畳固定され、その他の部分は互いに独立し、未
接合であるために両者の熱膨張差に起因する作動温度で
の割れの発生等は完全に解消される。またそれぞれが独
立に製造されることから材質が異なることによる同時焼
成等の困難さがなく極めて容易に且つ安価に製造するこ
とができる。

（実施例） 以下、本考案を第１図乃至第７図を参照して具体的に説
明する。

第１図は本考案の一実施例の一部切欠斜視図である。第
１図中、Ａは酸素センサ本体、Ｂはヒータ本体である。
酸素センサ本体Ａには、第１図からも明らかなように、
ジルコニアからなる長尺状固体電解質１と、その排気ガ
ス接触側に設けられた測定用電極２と、固体電解質内部
の大気導入口３側に設けられた基準用電極４とから成る
酸素センサセル部を有しており、さらに各電極には取り
出し電極５が設けられている。一方、ヒータ本体Ｂはア
ルミナ等の絶縁性材料６中にタングステン等からなるヒ
ータ７が設けられている。

本実施例ではこのような酸素センサ本体Ａとヒータ本体
Ｂとが実質的に同一の長さおよび幅の平面を有してお
り、その同一平面同士を酸素センサ本体Ａのセル部がヒ
ータ本体のヒータによって加熱されるような位置関係で
重畳する。そしてこの重畳体Ｃをその長手方向の一部で
適当な固定手段８で固定する。固定手段８は作動温度に
対して耐久性のあるものを用いることが必要で、第１図
ではアルミナ等のセラミックからなるＵ字状の保持部材
９に重畳体Ｃを係合させ、アルミナセメント等の耐熱性
接合剤10により本体Ａ、Ｂの一部と保持部材９とを接着
固定する。この時アルミナセメント等による接合は各本
体に対し悪影響を及ぼさない範囲の温度の熱処理により
達成される。

なお、固定手段による固定位置は長尺状の重畳体Ｃのう
ちセル部が形成された部分を除く他の部分で且つ安定に
固定し得る部分であればいずれでも良い。

また、固定に際しては、本体Ａ、Ｂの重畳体Ｃの固定幅
ｌが３乃至30mmになるように固定するのが好ましい。こ
の幅が3mmより小さいと固定が不安定となり、取扱時の
外部応力に対して固定部の破損等を招きやすく、30mmよ
り大きいと各本体間の接合面積が大となるため、酸素セ
ンサ本体とヒータ本体の主材質が異なる場合において長
手方向への熱膨張差が大きいために固定部の本体Ａ、Ｂ
に熱応力により割れ等が発生し易くなり、本考案の目的
が達成されない。この固定部の幅は固定部位が700℃程
度までは昇温し得る部分と想定した場合の寸法である
が、さらに低温側で固定する場合はその固定幅を長くす
ることも可能である。また、設置時の振動に対しては共
振振動数の振動が生じた場合、振幅が最大となるが、共
振周波数は自由端の長さで決まるのでセンサ本体Ａとヒ
ータ本体Ｂとの長さを一致させて固定すれば使用上特に
問題は生じない。

また本考案の他の実施例として固定手段８をヒータ付酸
素センサを排気ガス（図示せず）等の設置する場合のボ
ス部として機能させるために第２図の側面図、第３図の
正面図に示すように保持部材９に重畳体Ｃを保持固定す
るための開口部11を設けるとともにセル部形成側にテー
パ部12を設けることによって排気ガス管への取付けを容
易にすることができる。なおこの時の保持部材９は第３
図に示すように円形であっても良いし、その変形例とし
て第４図に示すように多角形状とすることによって排気
ガス管への固定時、セル部の保持角度の調整が可能とな
る。

さらに本体Ａ、Ｂの重畳体Ｃを保持部材９に設けられた
開口部11に挿入して固定する場合、セル側突出量を固定
するとともに、挿入固定を容易にするため第５図の平面
図に示す如く、重畳体Ｃにテーパ13を設けるとともに該
テーパに整合するように開口部11内にテーパを設けてお
くこともできる。また、固定手段８として第６図の側面
図に示すようにアルミナ等のセラミック製のネジ部材14
で止めることもできる。

一方、本体Ａ、Ｂの重畳体Ｃの変形例を第７図に示す。
第７図によれば、ヒータ本体Ｂの長手方向に溝部15を設
け、この溝部15に酸素センサ本体Ａを支持させ、所望に
より第６図に示すようにこの溝部15の側壁にテーパ16を
形成し、酸素センサ本体Ａ側にこれに整合するテーパを
形成することによって両者を重畳一体化した際に両者が
離間するのを防止することができる。なお、この時両者
の形状は作動時の熱膨張差による応力が各本体に付加し
ないように設計しなければならないことは言うまでな
い。

上記の方法で重畳された本体Ａ、Ｂはその長手方向の溝
部15の一部に前述した耐熱性接合剤を流し込み両者を固
定することができるが、保持固定を安定化させるために
第１図乃至第６図に示した保持部材等を用いて固定する
と良い。

（考案の効果） 本考案によれば、酸素センサ本体とヒータ本体とが一部
で固定され、その他の部分は、それぞれ独立し、未接合
状態であることから熱膨張差等による応力の発生が殆ど
無く、従来のように作製時及び作動温度での使用中の割
れ等の発生が全くない高信頼性が得られるとともに、材
質的な制限を全く受けることがないことから安価なヒー
タ付酸素センサを提供することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本考案の一実施例を示す一部切欠斜視図、第２
図乃至第６図はいずれも第１図における固定手段の種々
の変形例を示すもので、第２図はその１つの例の側面
図、第３図は第２図の例の正面図、第４図は他の例の正
面図、第５図もその他の例の平面図、第６図もその他の
例の側面図であり、第７図は重畳体Ｃの変形例を示す斜
視図、第８図は従来例を示す縦断面図である。 Ａ……センサ本体 Ｂ……ヒータ本体 １……固定電解質 ２……測定用電極 ４……基準用電極 ７……ヒータ ８……固定手段

Claims (1)

【実用新案登録請求の範囲】
1. 【請求項１】固体電解質の表面に測定用電極と基準用電
   極が形成されてなるセル部を備えた酸素センサ本体と、
   内部にヒータを内蔵するヒータ本体とを、前記セル部と
   前記ヒータ部が対向するように重ね合わせた状態で両者
   を一部分で固定したヒータ付酸素センサ。