JPS5991357A - ヒ−タ付酸素センサ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、加熱型固体電解質酸素センサ、特にセンサの
ためのヒータを有するものに関する。

固体電解質酸素センサは酸素イオン導電性固体電解質（
通例焼結体）を検出素子として均し、通る電極間の酸素
分圧の差に対応して電位差を生ぜしめ、この電位差を端
子に導いて検出する。

この種の酸素センサは、特に自動車等内燃４溝関の排気
ガス中の酸素（または未燃焼の可燃物質）の測定に用い
られ、固体電解質としてはジルコニア系、ハフニア系等
がある。但し、これらの固体電解質、約４００℃以上の
高温域でのみ作動するものであシ、また経時使用により
、その作動温度がさらに高くなる傾向全示す。そのため
、排気ガスの温度が低いときは作動しなく、なるという
問題がある。

かくて、従来、センサ素子の近傍１ｃヒータを配設した
ものが考案されている。例えば特開昭５５−６９０４８
の如く、有底筒状の固体電解質素子の内部底に、セラミ
ック碍管の先端にコイル状に加熱コイルを形成したもの
を挿入組立てたもの、或いは、さらに素子の外周にヒー
タ全配設したもの等がある。

しかし、これらの従来のヒータ付酸素センサは、単に、
素子先端部に別途製作した小型のヒータを組付けたもの
にすぎず、構造的に複雑化しく碍管等のヒータ支持構造
体ないし保護絶縁物、或いは特別のリード線、さらに組
付は手段）、また組付は工数も増大し製造コスト的にも
高価となるという欠点がある。なお、ヒータを素子の外
部につけたものでは、ヒータの劣化が生ずる。

本発明は、上述の如き従来法の欠点全解決した、よシ簡
単でかつ熱応力の発生及びこれに伴う破損・組付ゆるみ
などの生じない堅牢な構造であり、かつ安定した性能を
示す固体電解質酸素センサを提供することを目的、とす
る。σらに、本発明は、より少ない空間的配置とより少
ない材料ないし部材の使用と、よシ少ない電流をもって
所定効果を有するヒータ付酸素七ンサ全提供することを
併せて目的とする。

即ち、本発明は、固体電極質の両面に電極を有する酸素
検出素子とヒータとから成る固体電解質酸素センサにお
いて、セラミック絶縁体内に一体に焼結埋設された金属
パターンから成るセラミックヒータを該酸素検出素子に
囲繞される空間内に配設して成る固体電解質酸素センサ
を提供する。

酸素検出素子としては、好ましくはＭ底筒状のものを用
いるが、必要に応じ他の形状とすることができる（半球
形等）。

このセラミックヒータは筒状又は柱状のセラミック絶縁
体（例えば碍管等）内に金属（メタライズド）・やター
ンを一体焼結して埋設形成して有する。−例として、セ
ラミック絶縁体を碍管とする場合、その焼結前の碍管素
地外周部に、金属ペーストの・やターンを（好ましくは
印刷により）形成したセラミック生シートを巻付けて接
着し、一体焼結して円筒状セラミックヒータを得る。メ
タライズド・母ターンは、通例碍管の一端に形成するを
もって足りる。その他、一度焼成した碍管の周りに、／
ｆターン形成したセラミック生シートを巻きつけて再焼
成することも、パターンを碍管に形成した後に生シート
を巻き付けて焼成する等も可能である。

金属ペーストとしては公知のメタライズドパターン用金
属ペーストのうち、好ましくは耐熱性のものを用い、例
えば、Ｗ、Ｍａ、もしくはこれらの混合物又は白金など
の高融点金属を用いる。

このセラミックヒータは、耐熱性接着性の無機質材料即
ちセラミック系接着剤又はガラスで予め酸素検出素子（
以下素子と略称）の開端に隣接して配された絶縁体（通
例セラミック絶縁体）の内側（通例中心孔内壁）に・素
子の内側電極用のリード線と共に接着固定する。この耐
熱性のセラミック系接着剤としてはリン酸セメントやシ
リコンバウンドのほか、アルミナやシリカにバインダー
として水ガラスなどを混ぜこれに被着物とのなじみ改良
剤とか熱膨張係数調整剤とかの添加剤を添加した無機物
原料を主体とする接着剤（例えば商標が「アロンセラミ
ック」とか「スミセラム」とか「セラマデンド」である
もの）を含む側熱温度が少くとも摂氏７００度以上のも
のを含む。この種の接着剤は充填塗布等により接着面に
施した後、加熱処理することにより硬化する。このセラ
ミックヒータの固定にガラスを使用することもできる。

この場合はガラス粉末を充填後所定温歴で溶融させて固
定する。この除ヒーク絶縁物とガラスの熱膨張率を合わ
せると一定がより強固になる。素子としては、公知のＺ
ｒＯ２系、ＨｆＯ２系、Ｔｈ２Ｏ３系、Ｃｅ２Ｏ３系等
特に部分安定化もしくは安定化ＺｒＯ２系等かし適宜運
択して用いる。

セラミックヒータの形状は、素子の内側形状に対応して
定める゛と有利でアク、通例有底筒状の素子に対しては
、円筒状又は円柱状とするが、軸方向に貫通する孔を有
するものが特に好ましい。この外の形状も当然必要に応
じて可能である。円柱状（管状）ヒータの場合、外気と
素子の内部空間（特に素子端）との連通は、ヒータと素
子内表面との間の空隙を介して、さらに、素子開端とこ
れに隣接する絶縁体の端部との間に形成したスリット孔
を介して行えばよい。この場合、スリット孔は、適宜の
態様で形成できるが、素子開端の素子電極に当接しかつ
セラミックヒータと共に該絶縁体内に耐熱性接着性の無
機質材料により一体固看したリード線の端子部（好まし
くはシート状ないしリング状）の一部全切開してスリッ
ト孔を設けることにより有利かつ容易に形成できる。

他方、セラミックヒータを円筒状とするときは、その筒
孔を用いて外気と素子内部との連通を容易かつ充分に行
うことかで・きて好ましい。

セラミックヒータ内の埋設パターンは、発熱部と共にリ
ード部をも含んで形成し、ヒータの端子部には、所定の
端子をＵ出形成し、リード線に接続する。このツヤター
ンは、−例として第１図に展開して示す如く形成する。

他の任意のパターン形状が許容される。

以上の通シ、本発明によれば、絶縁体内に埋設形成され
て成るセラミックヒータを用いることによシ、極めて簡
単かつ堅牢な構造で、高い信頼性を示し耐久性に優れた
酸素センサが得られる。セラミックヒータは従来品よシ
もよシ少ない電流容量で所定の温度に発熱し、かつ応答
性にも優れる。

材料的にはツヤターンに要する金属ペーストはごくわず
かである。ヒータ固定はセラミック絶縁体に対しセラミ
ックヒータを耐熱性接着性無機質材料で接着して固定す
るので、強固でありｍ応力による破損の恐れもない。ヒ
ータは素子の内側（大気側）に配設され、ガスによる劣
化は生じない。特に筒状のセラミックヒータを用いるこ
とによシ、その中心筒孔を介して外気との流通路を容易
にかつ充分に形成できる。ヒータ自体を従来よシもより
小型化することが可能であり、もってセンサ素子部分の
小型化にも資する。部利数が減少しくセラミックヒータ
は一体焼成して製造可能）絶縁体に固定し−Ｃ組（＝Ｊ
けることにより組伺が容易となり組伺ＩＪ。又も少なく
なる。

以上を総合して、安定した性能及び耐久性とより少ない
′電流消費量を備えた、より低コストの酸素センサが本
発明により提供される。

以下、本発明を図示した実施例に基づいて説明する。

第１図は、本発明のセラミックヒータの一実施１；ｉｌ
　’；ｃ示し、その焼成前において、パターン２（２ａ
。

２ｂ）を施したセラミック生シート３−ｒ、別途形ｒＪ
Ｋシた碍菅生チューブ５（例えばアルミナ質）に端子・
ぞターン４を施したものに対し、巻付けるよう配置した
組付展開図を示す。端子パターン４は、生シート３のリ
ード部・ぞターン２ｂと車なる位置に、対応端子・ぐタ
ーン部分４ａを有する。−ぐターフ２は金属ペースト（
例えばタングステンＷ１００ＯＷ、　Ａ−１６（フルミ
ナ）２６０Ｆ、バインダー（：ｒ−）　セ／１−）４５
　Ｙ、溶剤（ブチルｉルヒソール）２００７の割合のも
の）により、スクリーン印刷等の手法で施す。

第１図の生チューブ５に生シート３をその・ぐターン面
を内側として巻付けて（その際溶剤により接合面を湿潤
化するか、又は別途セラミック接合被−ストを施す）、
第２図に示す形状とし、焼成することにより筒状のセラ
ミックヒータ１を得る。

第３図に、ヒータの端子４に接続端子６を取伺けた状態
を示す。この取付は金属波−スト焼付層にニッケルメッ
キを施した上で、銀ロー旧管公知の手段により接着して
行う。生シート３と生チューブ５は好ましくは同材質と
し、異種の場合熱膨張率を考慮して熱応力割れの生じな
い組合せを選定する。

第４図に、例えばアルミナ質のセラミック絶縁体８の中
心孔９内に円筒状セラミックヒータ１を素子の接続リー
ド線７（リング状端子７ａ）と共にセラミック系接着剤
（既述）１１により取イ・］げた状態を示し、付加的に
、延展性金属パツキン（Ｃｕ・　等）１０もセットした
中間組立体である１、第５図に、第４図の中間組立体を
組付けた、酸素センサ２０を示す。主体金具２２の内孔
２２ａ内にその鍔部２２ｄをもってメタルパツキン（Ｎ
　ｉ等）１３を介して素子２１が固定される。素子２１
の中心孔２１ａ内には、上方から、セラミックヒータ１
が嵌装（り１ノアランスをもって）され素子の中心孔底
端２１ｂに達する。

主体金具２２の内孔２２ａの先端には通孔２３ａを有す
る保護キャップ２３が固定され、素子２１は測定対象（
排気ガス等）に接する。素子２１の外面と内面には夫々
ｐｔ等による多孔質電極（図示時）が施され、内面電極
は素子２１の上端面に延在し−て端子部２１ｄを形成し
、外面電極は鍔部２１ｃまで延在して端子部２１ｃを形
成し、夫々・パツキン１２を介して素子用端子７ａに、
パツキン１３を介して主体金具２２（従ってアース）に
電気的に接続する。

主体金具２２の上部内孔は径太部２２ｂとなシ、セラミ
ック絶縁体８の下部径太部８ａを収容すると共に、軟質
メタル１４　、１’５を介して上部外筒２４を併せて曲
折かしめ部２２ｏによシ圧接して下方に抑圧固定する。

その際周知の熱かしめ法を適用して主体金具の中央薄肉
部２２ｅを集中発熱させて膨出させ圧接することによシ
絶縁体及び上部外筒が主体金具に組付けられると共に、
端子７ａは素子２１の上端面に対しメタルパツキン１０
゜１２を介して圧接固定される。

上部外筒２４内にはセラミック絶縁体８が延在し、その
中心孔内には素子接続リード線７、及びヒータ接続端子
６（図示では１本に見えるが２本）が互いに接すること
なく延在し、上端にて夫々外部リード線７ｂ、６ａに接
続する。外部リード線７ｂ、６ａは弾性（ゴム等）キャ
ップ２６で、上部保護キャップ２５内にス硬−サ（テフ
ロン、セラミック等）１６を介して保持される。キャッ
プ２５は上端に通孔を有する外筒２４の上部にその径大
部２５ａが嵌合し、スポット溶接２６等にょシ、クリア
ランスを介在させて固定される。

外筒２４の上方端もキャップ２５の径太部２５ａとの間
に所定クリアランスを有して配され、がくして、素子２
１の中心孔２１ａの底部２１ｂから、外気への空気連通
路が、セラミックヒータ１の筒孔１ａ、その上部端子部
、絶縁体の内孔９及び上端、外筒２４とキャップ２５０
間のクリアランスを経て形成される。

第６図は第５図矢視Ｖｌｌ−■方向から見たセンサの上
端面を示す。

第７図に、別の実施例を示す。この実施例は、中実の円
柱状のセラミックヒータ１′を用い、外気との空気流通
路を対応して異なった経路に構成したことを除き大略第
５図のものと同様である。

素子２１の上端端子部２１ｄには、素子用リード線７′
の下部の端子（リング状部分）７ｂが圧接され、該リン
グ状部分７ｂには、第９図に示す如きスリット孔７ｃが
半径方向に形Ｊ■されている。

さらに、その端子７′のリング状部分７ｂの外周にはや
はり、対応スリット孔１０ａを有するシート状のリング
ミ４ツキン１０′を有し、リング状部分７（ｂの内周は
セラミックヒータ１′の外周に密接する。

耐熱性接着剤（シリカセメント等の耐熱性セメント）１
１′はセラミックヒータ１′の上端を覆い、ヒータ接続
端子６、貴重り−；１−ｍ７’の部分を含峠て充填され
、これら絶縁体に固着する。

絶縁体８の外周は所定のクリアランス（又は縦溝等）に
よシ外筒２４の内周との間に空気流通路があり、外筒２
４の上部の孔２４ａを経て外筒２４の外側に連通し、キ
ャップ２５の内側と外筒２４との間のクリアランスを経
て外気に連通ずる。この場合、キャップ２５は外筒２４
の上端縁に密に嵌合（かしめ等）する。空気流通路はさ
らに外筒２４の下端から軟質金属パツキン１４′のスリ
ット（図示外）を経て、絶縁体の下部径太部８ａの外周
を経て、主体金具２２の内孔径太部２２ｂに連通し、こ
の部分に開口する端子１ｂのスリット７ｃに連なる。

耐熱セメント１１′としては、この部分が最高５００　
’Ｑ以上に達するので、それ以上、好ましくは７００℃
以上の耐熱性のもの（軟化温度８００００程度の硼硅酸
系ガラス、働酸系ガラス等）を用いる。

キャラｆ２５の外筒２４への固定は、ポンチによる点加
締（又はクリンプ）２６′でもよい。

第８図に、この実施例に用いる素子用接続端子７′の一
例を示し、リング状端子７ｂの先端にスリン）７ｃを有
するものである。

なお、素子２１の保護キャップ２３は主体金具２２の下
端に加締部材２２ｆによりｔａ定される。

この実施例においても、組立てに際しては、第１の実施
例と同様、セラミックヒータ１を素子リード線７，７′
と共に絶縁体８に予め接着固定して素子２１と共に主体
金具２２に嵌合セットとして熱加締により固定する。

第９図は第７図Ｘの部分の拡大図である。なお、−例と
してこのセラミックヒータ１は外径約２．５〃虚φ、内
径約０．６Ｂφの円筒状であり、長さは約４０〜５０絨
程度、抵抗値的５Ωのものが用いられる。但しこの寸法
、抵抗値は目的に応じ適宜変更されうる。

いずれの実施例においても素子２１とセラミックヒータ
１，１′との間には、ヒータ１，１′の熱膨張を許容す
る所定のクリアランスが設けられる。

また、Ｍｏのペーストを用いた場合、１２〜１５Ｖ１常
で５Ωの抵抗線・ぞターンを有するセラミックヒータが
容易に得られる。上述のようにして得たセラミックヒー
タ付酸素センサによれば排ガス温度３００℃まで良好に
作動したが、ヒータなしの場合３５０°Ｃですでに作動
が不安定となる。

【図面の簡単な説明】

第１図〜第３図は本発明のセラミックヒータの一実施例
を示し、第１図は生シートの巻き付は前の展開図を示す
。第４図は、セラミックヒータを絶縁体に接着した中間
組立体、第５図は、第４図の中間組立体を組付けた酸素
センサの一例、第６図は、第５図矢視ｖ■−■の端面図
、第７図は、第５図に対応する別の実施例、第８図は、
第７図の実施例に用いる素子用接続端子の一例、及び第
９図は、第７図Ｘの鎖線で囲ん７ビ部分の拡大図を、夫
々示す。 １・・・セラミックヒータ、２（２ａ、２ｂ）・・・抵
抗パターン、３・（（セラミック化）シート、６・・・
ヒータ接続端子、７，７′・・・素子リード線、７ｃ・
・・スリット、１２・・・通孔、１０．１２，１３，１
４゜１５・・・シール材、１１・・・耐熱性接着剤、２
１・・・素子、２２・・・主体金具、２３　素子保護キ
ャップ、２４・・・外筒、２５・・キャップ 出願人　　日本特殊陶業株式会社 代理人　　弁理士　加　藤　朝　道 ０ 第４図 第７図 第８図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １）固体電解質の両面に電極を有する酸素検出素子とヒ
   ータ倶から成る固体電解質酸素センサにおいて、セラミ
   ック絶縁体内に一体に焼結埋設４された金属・やターン
   から成るセラミックヒータを該酸素検出素子に囲撓され
   る空間内に配設して成るヒータ付固体電解質酸累センサ
   。 ２）前記セラミックヒータを該酸素検出素子の開端に隣
   接して配された絶縁体中に財熱性無機質接着割によって
   内側電極用リード線とともに挿通固定する特許請求の範
   囲第１項記載のセンサ。 ３）前記セラミックヒータは中空もしくは孔あきの略筒
   状体で内孔が空気流通路をなす特許請求の範囲第１項又
   は第２項記載のセンサ。 ４）前記セラミックヒータは略柱状体である特許請求の
   範囲第１項又は第２項記載のセンサ。 ５）前記酸素検出素子に囲撓される空間と外気との連通
   路を、前記絶縁体と酸素検出素子開端の間に形成したス
   リット孔を介して形成する特許請求の範囲第４項記載の
   センサ。 ６）前記絶縁体と酸素検出素子開端の間のスリット孔は
   、当該部分に配設した酸素検出素子の内側電極に接続す
   る端子部の切開部として形成される特許請求の範囲第５
   項記載のセンサ。