JPS5832346B2 - 酸素センサ - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、酸素センサ素子と絶縁管との取付構造を改善
し、低温作動性の向上及び素子割れの防止を図った固体
種型の酸素センサに関する。

酸素センサとは、酸素イツトリウム等で安定化されたジ
ルコニア等の固体電解質を材料とする容器状基材の表面
に、白金系金属膜からなる内外電極を形成せしめた固体
電解質容器に、内部標準物質として、たとえば空気の様
に一定の酸素を含有した気体、あるいは一定の平衡酸素
分圧を保持する固体、たとえば金属−金属酸化物の混合
物等を充填して素子を構成し、この素子の内外電極に夫
夫接触する内部標準物質と被測定ガスとの平衡酸素分圧
の差を電位差に変換し、もって被測定ガスの酸素濃度を
検出するものである。

自動車においては、エンジンの空燃比調節機構にフィー
ドバックされる排ガス中の酸素濃度を検出する役割を果
たしており、三元触媒を用いた排ガス浄化システムには
欠くことのできないものである。

前記の様な従来の酸素センサは、内部標準物質として空
気を用いた場合、通常第１図に示すような構造となる。

たとえば耐熱鋼等の耐熱金属からなるハウジング２に素
子保護カバー３を挿入し、その上に固体電解質容器の内
外表面に内外電極層を形成した素子１を挿入する。

この素子１は、先端部外側が被測定ガスに接触し、内部
標準物質たる空気に先端部内部が接触し、かつ被測定ガ
スと空気とが、混合しないよう隔てる役割を果すもので
、ハウジング２に固定するための肩部１ａが形成されて
おり、内外電極層は、この肩部１ａより上側の外側表面
もしくは開口部端面にて分離、絶縁されている。

ハウジング２と素子１との間隙には、たとえば黒鉛等の
耐熱導電体からなるシールリング４が充填される。

このシールリング４は、ハウジング２と素子１との間隙
から被測定ガスが漏出することを防ぐと同時に、被測定
ガス中の酸素濃度により誘起される内外電極層間の起電
力の外側電極層の電位をハウジング２に伝達する役割を
果たす。

シールリング４上には、たとえばタルク、アスベスト等
の耐熱材料からなるクッションリング５が載置せられ、
さらに、このクッションリング５上には、環状の押え板
６が載置される。

一方、素子１の開口部内側には、前記シールリング４と
同材質の導電リング１１と、中心に空気導通用の貫通孔
を持った耐熱鋼製の内部端子１２が挿入される。

この内部端子１２上にコイル状のバネ１３を載置し、さ
らに耐熱鋼からなり、下端部を外側に折り曲げてフラン
ジ状とし、上端部に絶縁体からなる端子保持具９を介し
て外部端子１０を固定し、かつ上端部近傍に空気導通孔
７ａを持った後部保護管７を載置し、この後部保護管７
とハウジング２０間隙に後部保護管の位置決めリング８
を挿入する。

上記の如く構成された状態にて、ハウジング２の上端部
２ａを全周にわたって適当な量だけかしめれば素子１は
、ハウジング２に固定され、外側電極層の電位は素子１
の肩部１ａ表面から導電性のシールリング４を介してハ
ウジング２に伝達され、内側電極層の電位は導１ング１
１、内部端子１２、バネ１３を介して外部端子１０に伝
達されることとなり、ハウジング２と外部端子１０との
間に電位差が発生して、被測定ガス中の酸素濃度を検出
できる。

かくして、内部標準物質を空気とした酸素上ンサは完成
する。

しかしながら、かかる酸素上ンサは、従来下記の如き欠
点を有している。

Ｈ）一定の突出し量を確保すると素子が大きくなり、ま
た上端部が外気に接触するため、低温状態から素子が作
動し始める最低作動温度に達するまでに時間がかかり、
同時に、特に被測定ガス塩が低い場合最低作動温度に達
し難い。

（ロ）自動車の排気管に取り付けて走行する際、露出部
（上半部）に水が飛来する場合があり、水による温度降
下がハウジング２、シールリング４を介して素子１に速
やかに伝達される。

かかる事態が、素子１が高温状態にある時に発生すれば
熱衝撃に弱いシリコニアからなる素子１は破壊される。

←→ ハウジング２の上端部２ａをかしめる際、前記酸
素上ンサの構造では、ハウジング上端部へにかかるかし
め力が素子１に直接かかることになり、細心の注意を払
ってかしめ作業を実施しないと素子１が破壊される。

一方、内部標準物質として、固体を用いた場合、酸素上
ンサは、従来、第２図に示すような構造となっている。

内外表面に内外電極層を形成し、開口部にメタライズ層
を設けた固体電解質容器１４に、たとえば鉄−酸化鉄混
合粉末からなる内部標準物質１５を充填し、固体電解質
もしくは一般のセラミックを挿入した後、開口部を、前
記メタライズ層と同一または、前記メタライズ層と相固
溶する金属の薄板からなるシール材１７及び固体電解質
もしくは、一般のセラミツタからなる蓋体１８によって
密封した素子Ｓを、たとえばアルミナ等の耐熱衝撃強度
の高い絶縁体からなり、素子Ｓの内外電極層の電位を取
り出すためのリード線２０゜２１を挿入した絶縁管１９
先端に配設し、絶縁体からなる絶縁キャップ２２をかぶ
せて間隙に耐熱接着剤を充填して固定する。

上記の素子Ｓ、絶縁管１９、絶縁キャップ２２からなる
構成体を、たとえば耐熱鋼等の耐熱材料からなり、下端
部に内外の素子保護カバー２８，２９をもったハウジン
グ２３に挿入し、絶縁管１９とハウジング２３との間隙
に、たとえばタルク、アスベスト等の耐熱材料からなる
か、耐熱鋼製スプリングからなるクッションリング２４
が挿入され、クッションリング２４上に耐熱鋼からなる
後部保護管２６及び後部保護管位置決めリング２５が載
置せられる。

上記の如く構成された状態で、ハウジング２３の上端部
２３ａを全周にわたって適当な量だけがしめれば、素子
Ｓ、絶縁管１９、絶縁キャップ２２からなる構成体はハ
ウジング内に固定され、従って素子Ｓも固定される。

さらに、後部保護管２６の上部に、たとえばテフロン（
登録商標名）等の絶縁樹脂からなるカバー２７を挿入し
、後部保護管２６の上端部２６ａをかしめてカバー２７
を固定する。

かくして、内部標準物質を固体とした固体種型の酸素上
ンサは完成する。

この酸素上ンサは、標準物質を空気とした酸素上ンサに
比較して素子Ｓが小型化されており、絶縁管１９に耐熱
衝撃強度の高いアルミナ等を用いているため、露出部に
水が飛来し付着しても素子Ｓが破壊されることがない。

しかしながら、素子Ｓの半分程度が肉厚の大きいハウジ
ング２３に囲まれているため、素子Ｓが作動温度に達す
るまでに時間がかかる。

また、ハウジング２３の上端部２３ａをかしめる際に力
が素子Ｓにかかり、素子Ｓが破壊する虞れがある等の欠
点は解消されていない。

本発明は、素子が低温状態から最低作動温度に到る時間
を短縮し、作動中露出部に水が付着しても素子割れを発
生せず、あわせて、組付時に素子が破壊することを最少
限に押えることのできる酸素上ンサの構造を提供するこ
とを目的とする。

本発明による酸素上ンサは、素子を、熱伝導率が低く、
かつ耐熱衝撃強度の高い絶縁体からなる絶縁管に固定す
るとともにこの絶縁管を・・ウジノブに固定する際に、
素子に力が加わらないような形状とすることを骨子とし
たものである。

以下に本発明の実施例を図に従って詳細に説明する。

第３図及び第４図において、酸化イツトリウム等で安定
化されたジルコニア等の酸素イオン導を性材料からなり
、開口部近傍の外径が先端部外径より大となるよう肩部
３０ａを形成した容器状の形状を持ち、内外素面に白金
系合金薄膜からなる内外電極層３０ｂ 、３０ｃを形成
した固体電解質容器３０に、鉄−酸化鉄−アルミナの混
合粉末からなる内部標準物質３１を充填し、この内部標
準物質３１上に固体電解質もしくは一般のセラミックか
らなる内栓３２を載置し、固体電解質容器側の開口部内
面に形成したメタライズ層３０ｄ上に、このメタライズ
層と同種の金属もしくは相固溶する金属からなるシール
リング３３を介して、固体電解質もしくは一般のセラミ
ックからなり、表面にメタライズ層３４ａを形成した蓋
体３４を載置し、拡散接合により、素子ぎを密封する。

この素子Ｓ′を、たとえばアルミナ等のように、固体電
解質に比較して強度、耐熱衝撃性に優れ、金属材料に比
較して熱伝達等の低い絶縁材料からなり、ハウジングに
固定するための肩部３５ａを持ち、素子びの最外周径よ
りやや大なる径で、先端に素子Ｓ′を係止するために径
を小とした係止部３５ｂを形成した貫通孔を持ち。

との係止部３５ｂ近傍から前記肩部３５ａに至る内外表
面に金属薄膜層３５ｃを金属ペースト焼付、蒸着、メッ
キ等により形成した外側絶縁管３５に挿入し、固体電解
質容器３０の肩部３０ａと外側絶縁管３５の内周に形成
した係止部３５ｂとを接触させ、素子Ｓ′を係止する。

さらに、外側絶縁管３５と同種の材料からなり、内側電
極層３０ｂの電位を取り出すリード線３７を挿入した内
側絶縁管３６を、リード線３７の先端が素子Ｓ′の蓋体
３４に接触するまで挿入し、接触を保持した状態で外側
絶縁管３５と内側絶縁管３６との間隙に、耐熱性接着剤
４６を充填する。

かくして素子Ｓ′は、外側絶縁管３５、内側絶縁管３６
に固定される。

一方、たとえば耐熱鋼等の耐熱材料からなり、下端部に
内外の素子保護カバー３９．４０を持った・・ウジノブ
３８に、導電リング４１を挿入し、さらに前記素子Ｓ′
、外側絶縁管３５、内側絶縁管３６からなる構成体を挿
入し、ノ・ウジノブ３８と外側絶縁管３５との間隙に、
たとえばタルク、アスベスト等の耐熱材料からなるクッ
ション材４２を充填する。

このクッション材４２上には環状の押さえ板４３が載置
せられ、押さえ板３４上には耐熱鋼からなる後部保護管
４４及び後部保護管位置決めリング４５が載置せられる
。

かかる状態にて、ハウジング３８の上端部３８ａを全周
にわたってかしめれば、外側絶縁管３５は、ハウジング
３Ｂに固定され、依って素子Ｓ′も固定される。

この場合、ハウジング３Ｂは素子Ｓ′を取り付けた状態
で素子Ｓ′が・・ウジノブ３８の先端より外方に位置す
るような形状に形成されている。

さらに、後部保護管４４の上部に、たとえばテフロン等
の絶縁樹脂からなるカバー４５を挿入し、後部保護管４
４の上端部４４ａをかしめてカバー４５を固定する。

かくして、本発明における実施例たる酸素上ンサは完成
する。

また素子Ｓ′の蓋体３４上のメタ２イズ層３４ａとリー
ド線３７との接触方法については、第５図に示す如く、
素子Ｓ′の蓋体３４に凹部３４ｂを設け、この凹部３４
ｂにリード線３７の先端を挿入してもよい。

さらに、リード線３７を廃止し、内側絶縁管３６の内表
面に金属薄膜層を形成し、リード線３７０代用としても
良い。

また、素子Ｓ′を内外絶縁管３５．３６に固定する際、
第５図に示す如く、固体電解質容器３０の肩部３０Ｂ及
び、外側絶縁管３５の係止部３５ｂを夫々テーパ形状と
して組み合わせても良い。

上記酸素上ンサにおいて、固体電解質容器３０の内外電
極層３０ｂ、３０ｃに発生する電位差は以下に記す如く
して外部に取り出される。

内側電極層３０ｂの電位は、固体電解質容器３０の開口
部内側に形成されたメタライズ層３０ｄかもシール材３
３を介して蓋体３４上に形成されたメタライズ層３４ａ
に導かれ、さらに、このメタライズ層３４ａからリード
線３７を介して外部へ取り出される。

一方、外側電極層３０ｃの電位は、固体電解質容器３０
の肩部３０ａ近傍から、外側絶縁管３５の係止部３５ｂ
近傍の金属薄膜層３５ｃに導かれ、外側絶縁管３５の肩
部３５ａから導電リング４１を介してハウジング３８へ
伝えられる。

このとき、各接触部分に、たとえば白金ペースト等の抗
酸化性金属ペーストを少量塗布すれば導電性はより確実
なものとなる。

かくして、固体電解質容器３０の内部電極層３０ｂ、３
０ｃに発生する電位差は、リード線３７゜ハウジング３
８間の電位差として取り出すことができるが、たとえば
外側電極層の電位をハウジング３８から取り出すことが
性能上不利となるような場合は、第５図に示す如く外側
絶縁管３５の金属薄膜層３５ｃを外側絶縁管３５０貫通
孔内面に形成し、さらに内側絶縁管３６の外表面にも金
属薄膜層３６ａを形成することにより、外側電極層３０
ｃの電位をハウジング３８を介することなく、内側絶縁
管３６の外表面から取り出すことができる。

本発明の酸素センサの低温作動性及び素子割れ防止に関
する作用については試験を行なったので、この試験に基
づいつ説明する。

第３図に示した如き構造の本発明実施例の酸素センサと
、第１図に示した如き従来の酸素センサである比較例１
．第２図で示した如き従来の酸素セ／すである比較例２
を、それぞれ一定の高温雰囲気中にさらしたときの素子
先端部の温度上昇の様子を第６図に示す。

本発明酸素センサでは素子Ｓ’Ｇ−！、ハウジング３８
の先端より外方に位置しているので、比較例１及び比較
例２よりも、本発明による実施例の酸素センサの方が、
素子先端部の温度上昇が早い。

前記実施例、比較例１、比較例２をエンジン排気管に取
り付け、一定時間エンジンを運転した後、各々の露出部
に１ｅの水をかげてから分解したところ、比較例１では
素子にクラックが発生していたが、実施例、比較例２に
関しては異常がなく、従来問題となっていた水たまり走
行時の素子割れに対する効果が有ると判定できる。

また、実施例においては、組付時のかしめ力を破壊強度
の高い外側絶縁管で受け、素子にはかしめ力が直接かか
らないため、比較例１，２に比べて組付時の不良発生率
が低減でき、さらには組付工程を簡素化できる効果も期
待できる。

従って、本発明の酸素センサによるときは、素子を絶縁
管の先端内周位置に固定し絶縁管外周に形成した肩部で
ハウジングに固定したので、かしめ力が素子にかかわら
ず素子割れを防止できるとともに、素子をハウジング先
端の外方に位置でせであるので、素子先端部の温度上昇
が良く、酸素センサの低温作動特性を向上ブせることか
できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は、空気を標準物質とした従来の酸素センサの断
面図、第２図は、固体を標準物質とした従来の酸素セン
サの断面図、第３図は、本発明に係る酸素センサの実施
例の断面図、第４図は、第３図の下半分を拡大した拡大
断面図、第５図は、他の実施例の断面図、第６図は、温
度特性線図である。 ３０・・・・・・固体電解質容器、３０ａ・・・・・・
肩部、３０ｂ・・・・・・内側電極層、３０ｃ・・・・
・・外側電極層、３１・・・・・・内部標準物質、３４
・・・・・・蓋体、３４ａ・・・・・・メタライズ層、
３５・・・・・・外側絶縁管、３５ａ・・・肩部、３５
ｂ・・・・・・係止部、３５ｃ・・・・・・金属薄膜層
、３６・・・・・・内側絶縁管、３７・・・・・・リー
ド線、３８・・・・・・ハウジング、ｓ、ｓ’−・・・
・・素子。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ 開口部外周に肩部を有する固体電解質容器の内外表
   面に電極層を形成し、該容器内に固体状の内部標準物質
   を封入してなる素子を、外側絶縁管に素子の測定部が該
   管先端より突出するように挿入し、鉄管の先端内周部に
   設けた係止部に素子の肩部を当接させて係止し、該外側
   絶縁管内にリード線を挿入した内側絶縁管を該リード線
   の先端が素子開口部に位置させた導電性蓋体に当接する
   まで挿入するとともに、外側絶縁管の外周に突出させて
   形成した肩部でハウジングに係止し固定したことを特徴
   とする酸素センサ。