JPS6312257B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、酸素センサ素子とハウジングとの組
付構造並びに内外電極の取出し構造を改善するこ
とによつて、低温作動性の向上、素子割れの防止
及び出力の確実な取出し等を図つた酸素センサに
関するものである。

酸素センサとは、酸化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
器状基材の内外表面に、白金系金属からなる内外
電極層を形成せしめた固体電解質容器（センサ素
子）に、内部標準物質として、例えば空気の様に
一定の酸素を含有した気体等を用い、このセンサ
素子の内外電極に夫々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比を電位差に変換
し、もつて被測定ガスの酸素濃度を検出するもの
である。この酸素センサは、自動車においてはエ
ンジンの空燃比制御機構にフイードバツクされる
排ガス中の酸素濃度を検出する役割を果してお
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。

酸素センサには、いわゆる空気極酸素センサと
いわれる標準酸素分圧として大気中の酸素を利用
するものと、固体極酸素センサといわれる金属と
その酸化物との平衡酸素分圧を利用するものとの
２種類あるが、内部標準物質として空気を用いた
従来の酸素センサは、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１ｂ，１ｃ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
空気に先端部内側が接触し、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電位差の外側
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ツシヨンリン
グ５が載置せられ、さらに、このクツシヨンリン
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
用の貫通孔を持つ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を持つ
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２の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を全周にわたつて適当
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電リング
１１、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センサは完成する。

しかしながら、上記のように固体電解質容器を
鋼鉄製ハウジング内に保持する従来の酸素センサ
では、下記の如き欠点を有している。

(1) 被測定ガスと内部標準ガスとが混合すること
なくかつ被測定ガス中に一定の突出量を確保す
るためには素子を大きくしなければならない。
シール材をかねた黒鉛等の耐熱導電体は耐熱性
が充分でないため高温の被測定ガスがあたる測
定部分から離れた位置に取付けねばならないこ
とから、素子自体を大きくする必要がある。素
子が大きいと、上端部は外気に接触しているた
め、低温状態から素子が作動しはじめる最低作
動温度に達するまでに時間がかかり、特に被測
定ガス温が低い場合、最低作動温度に達しがた
い。

(2) 耐熱導電体に用いる黒鉛等は熱伝導率も高い
場合が多く、酸素センサを自動車の排気管に取
付けて走行したとき露出部（上半部）に水が飛
来した場合、水による温度降下が、ハウジング
導電リングを介して速やかに素子に伝達され
る。かかる事態が、素子が高温状態にあるとき
発生すれば、熱衝撃に弱いジルコニア等の材料
からなる素子は破壊される。

(3) また、ハウジングの上端部をかしめる際、前
記酸素センサの構造では、ハウジング上端部に
かかるかしめ力が素子に直接かかることになる
ので、細心の注意をはらつてかしめ作業を実施
しないと素子が破壊される。

本発明は、上記欠点を解消するためのもので、
素子が低温状態から最低作動温度に到るまでの時
間を短縮し、作動中露出部に水が付着しても素子
割れを生ぜず、あわせて組付時に素子が破壊する
ことを最少限に押さえることのできる酸素センサ
を提供することを目的とする。

本発明は、固体電解質容器の内外面に電極層を
形成した酸素センサ素子を円筒状セラミツクイン
シユレーターの先端に固定し、該円筒状セラミツ
クインシユレーターの外周にセラミツクよりなる
環状体を装着し、該環状体にてハウジングに該イ
ンシユレーターを係止固定せしめたことを特徴と
する。

本発明において、センサ素子は、従来の素子の
先端の測定に使用されていた部分程度の大きさの
小型な形状とするほかは従来のものと同様に構成
される。すなわち、固体電解質容器は材質的には
従来この種の目的に使用されていた、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
ン導電性セラミツク材料が使用される。容器形状
としては、一端が閉止した筒状体とし、開口部側
近傍の外周を大径として肩部を設け、セラミツク
インシユレーター先端に係止し得るようにする。

本発明は、従来の素子において測定に使用され
ない部分をセラミツクインシユレーターに置き換
えたもので、このインシユレーターとしてはアル
ミナ（Al₂O₃）、スピネル（MgO・Al₂O₃）、フオ
ルステライト、ムライト等の様に固体電解質に比
べ機械的強度、耐熱衝撃性に優れ、金属材料に比
べ熱伝導率の低い絶縁物質よりなる管状体が用い
られる。セラミツクインシユレーターは、素子を
係合保持する外側絶縁管と、中央に空気導入孔を
有する内側絶縁管とから構成すると有利である。

本発明では、セラミツクインシユレーターの外
周、該インシユレーターが内側及び外側絶縁管か
らなるときは外側絶縁管の外周の所定の位置に環
状体を嵌装せしめたことを特徴とする。この環状
体は好ましくは、セラミツクインシユレーターと
同じ材料料より構成する。環状体はセラミツクイ
ンシユレーターとできるだけ熱膨張率を合せたほ
うがよい。そして環状体は以下の実施例で述べる
ように、半環状体を用いインシユレーターに接合
して環状体としてもよい。

以下、本発明の各実施例を図面にしたがつて説
明する。

第２図は本発明の一実施例を示す断面図で、第
３図は第２図の主要構成を説明するための斜視図
を表わす。図において、２１はセンサ素子、２２
は内側絶縁管、２４は外側電極用リード金具、２
５は外側絶縁管、２６は環状体を示す。

素子２１は従来の酸素センサと同様に固体電解
質容器の内外面に内外電極２１ｂ，２１ｃが形成
され、外側電極層２１ｃ上には多孔質の保護コー
テイング層２１ｄが設けられており（第２図ａ参
照）、また開口部近傍外周は他より大径となつて
いて肩部２１ａが設けられている。

内側絶縁管２２は、前記絶縁材料よりなり、中
央に空気導入とリード線配線用を兼ねた貫通孔２
２ａを有し、外側には外側電極用リード金具２４
のリード部２４ａを入れるための溝２２ｂが設け
られており、先端には素子の開口部内面に密着す
る形状とした素子接触突出部２２ｃを有し、該接
触突出部２２ｃ上に設けた金属薄膜層は例えば溶
接等により導電性を確保しつつ一端が接合され前
記貫通孔２２ａ内に伸びるリード線２３を有して
いる。

外側絶縁管２５は、同様に前記絶縁材料からな
る円筒状で貫通孔２５ａの下端は素子２１の肩部
２１ａを受け得るよう小径となつている。

環状体２６は、外側絶縁管２５の外周に装着し
得る内径の孔２６ａと、該管２５をハウジング２
８に固定するに充分な肉厚を有し、前記材料より
なる。

組付にあたつては、上記各部品を第３図に矢印
で示すように、素子２１に内側絶縁管２２を当接
させ外側電極用リード金具２４を装着し、これを
外側絶縁管２５に挿入し、外側絶縁管２５の外周
に環状体２６を嵌合固着させてハウジング係止部
とする。なか、素子２１と内側絶縁管２２の接触
突出部２２ｃとの密着性、封着性向上のためにメ
タライズ処理等により導電性金属を用いて封着処
理を行うことは言うまでもなく、また更にガスも
れ防止処理として無機接着剤等の封着処理用ガス
止め材２７，２７′を充填した。

上記接合体をハウジング２８に挿入し、空気導
入用スリツト３１ａを持つた保護カバー３１をセ
ツトし、タルク、アスベスト、パイロフイライ
ト、グラフアイト等の耐熱性材料からなるクツシ
ヨン材２９を充填し、さらに位置決めのために例
えばステンレススチール製もしくは銅からなるリ
ング３０を載置し、かかる状態でハウジング２８
の上端を適当な量だけかしめて接合体を固定し
た。

外側電極用リード金具２４のリード部２４ａの
末端は保護カバー３１に溶接されており、また保
護カバー３１とハウジング２８ともより完全な電
気的導通を得るために溶接部３１ｃが設けてあ
る。リード線２３と被覆線３４とは圧着端子３２
にて連結され、保護カバー３１と被覆線３４との
間隙には例えばシリコンゴム等の耐熱性弾性体３
３を充填し、保護カバー３１の先端部３１ｄを半
径方向にかしめてコネクタを設け、本発明の実施
例たる酸素センサを完成した。

上記の例は、円筒状のセラミツクインシユレー
ターの外周に環状体を嵌合し、接着剤又は溶接等
により固着せしめる形式のものであるが、この形
式の他の実施例を第４図及び第５図に示す。第４
図は環状体２６の形状を若干かえた例であり、第
５図は単一のセラミツクインシユレーター２２′
の外周に環状体２６を装着した例を示す。なお、
第５図においてＡは金属薄膜層、Ｂは素子外側電
極層２１ｃと金属薄膜層Ａとを接続するための導
電体である。

本発明において、環状体は半環状体を用いセラ
ミツクインシユレーターに組付けたとき、環状体
となるようにしてもよい。この場合の例を第６図
及び第７図に示す。図において、同一記号は前記
と同じ意味を表わす。

第６図及び第７図の実施例の場合は、内側絶縁
管２２の途中にリング状の凹部２２ｅを設け、こ
の凹部２２ｅに半環状体２６ｂ，２６ｃを組付け
て接着等の方法により固定することよりなる。こ
の例の場合は、図からわかるように、リング状の
凹部２２ｅに環状体の一部を喰い込ませているた
め、環状体の固定が更に充分に行われるという利
点を有する。

半環状体を使用する他の実施例を第８図〜第１
０図に示す、図に示すように、環状体の表面にテ
ーパーを付したり、またセラミツクインシユレー
ターとの当接部（環状体の内周面）を適当に傾斜
させてもよい（第１０図参照）。

次に、本発明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の試験結果を示
す。

試験は、第２図に示した構造の本発明実施例の
酸素センサと、比較例として第１図に示した構造
の従来の酸素センサとを用い、これらを自動車用
エンジンの排気管に取付け、定常運転後一旦エン
ジンを停止し、一定時間後再始動した際の素子先
端の温度上昇の様子を測定した。結果を第１１図
に示す。図中、エンジン再スタート点Ｓを矢印で
示す。本発明の実施例においては、比較例に比べ
て素子先端の温度上昇が速く、制御信号も早い時
期に発生している。

第１２図は実施例及び比較例酸素センサを、リ
ツチ雰囲気にさらしておいて温度を上昇させてい
つた時のセンサ起電力の変化図である。図からも
明らかな様に、実施例センサは比較例センサと比
較すると約50℃早く立ち上がつていることが良く
わかる。

前記試験完了直後のエンジン及び酸素センサ
が、高温状態にある時、実施例、比較例の各々の
露出部に１の水をかけてから酸素センサを分解
したところ、従来の酸素センサ（比較例）では素
子にクラツクが発生していたが、本発明の酸素セ
ンサでは異状がなく、水たまり走行時の素子割れ
に対して特殊な防水対策をしなくても対処できる
と判定された。

また本発明の酸素センサでは組付時のかしめ力
を破壊強度の高いセラミツクインシユレーターに
加え、素子にはかしめ力が直接かからないため、
従来の酸素センサに比べて組付時の不良発生率が
低減でき、さらには素子が小型化できるため、ジ
ルコニア等の固体電解質の使用量が低減でき、省
資源の面からも効果がある。

したがつて、本発明の酸素センサによるとき
は、従来と同じ突出し量を確保しつつ低温作動性
が向上できるとともに、水たまり走行時の素子割
れの問題が解決できる。さらには、組付時の素子
割れによる不良発生率を低下せしめることができ
るなど多くの利点を有する。

本発明は、空気極酸素センサを主体として説明
したが、固体極酸素センサにも適用できることは
勿論であり、この場合にも上記と同様優れた効果
が得られることは言うまでもない。

【図面の簡単な説明】

第１図は従来の酸素センサの断面図、第２図は
本発明の一実施例の断面図、第２図ａは第２図Ａ
部の拡大断面図、第３図は第２図の主要構成を示
す斜視図、第４図及び第５図は素子とセラミツク
インシユレーターの接合体の他の実施例の断面
図、第６図は、本発明の他の実施例の断面図、第
７図は第６図の主要構成を示す斜視図、第８図な
いし第１０図は更に本発明の実施例を示す断面
図、第１１図は実施例と比較例の温度特性を示す
グラフ、第１２図は実施例と比較例の温度変化に
対するセンサ起電力の変化を示すグラフである。 図中、１，２１……素子、２，２８……ハウジ
ング、２２……内側絶縁管、２２ｃ……素子接触
突出部、２３……リード線、２４……外側電極用
リード金具、２５……外側絶縁管、２６……環状
体、３１……保護カバー、Ａ……金属薄膜層。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ 固体電解質容器の内外面に電極層を形成した
   酸素センサ素子を円筒状セラミツクインシユレー
   ターの先端に固定し、該円筒状セラミツクインシ
   ユレーターの外周にセラミツクよりなる環状体を
   装着し、該環状体にてハウジングに該インシユレ
   ーターを係止固定せしめたことを特徴とする酸素
   センサ。