JPS6335405Y2

JPS6335405Y2 -

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Publication number: JPS6335405Y2
Application number: JP1980053346U
Authority: JP
Priority date: 1980-04-19
Filing date: 1980-04-19
Publication date: 1988-09-20
Also published as: JPS56155357U

Description

【考案の詳細な説明】本考案は、酸素センサ素子とハウジングとの組
付構造を改善し、低温作動性の向上、小型化、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。

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、白金系金属薄膜からなる
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、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、以下空気極酸素センサを例として
説明すると、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。

本考案は、上記欠点を解決するためのもので、
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飛着してきても
素子割れを発生せず、併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ができ、部品点数
も少なく、素子の小型化により低コスト化ができ
る構造を有する酸素センサを提供するものであ
る。

本考案の酸素センサは、固体電解質容器の内外
表面に内外電極層を設けた素子の開口部近傍外周
に肩部を設け該肩部をハウジングにより固定され
るセラミツクインシユレーターの先端部に係止固
定し前記素子全体を被測定ガスの存在する空間に
突出するように配置した酸素センサであつて、該
酸素センサは前記セラミツクインシユレーターが
中空管状の空気極酸素センサであるか又は金属と
該金属酸化物との混合物を前記固体電解質容器内
部に封入した固体極酸素センサである酸素センサ
において、前記肩部を多段とし、被測定ガス側の
肩部に素子とセラミツクインシユレーターのシー
ル部を形成し素子開口部側の肩部に外側電極層の
出力取出部を形成したことを特徴とする。

本考案において、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ほぼ同様に
構成される。すなわち、固体電解容器は材質的に
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るにあたり
多段形状となし、前記したように被測定ガス側の
肩部でセラミツクインシユレーターの先端に固着
できるようにし、開口部側の肩部で外側電極層の
出力を取り出し得るようにする。

本考案は、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、このセラミツクインシユレーターと
しては例えばアルミナ（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、（空気極酸素センサの場合は中央に空気導入
孔を有する）内側絶縁管とから構成すると有利で
ある。

以下、本考案の一実施例を図面にしたがつて説
明する。

第２図は本考案酸素センサの断面図、第３図は
センサ素子の組付を示すための分解斜視図、であ
る。

酸素センサの組付にあたつてはまず、酸素イオ
ン導電性材料からなり、開口部近傍の外径を先端
部外径より大となる様多段の肩部１４ａを形成し
た容器状の形状を持ち、内外表面に白金系合金薄
膜からなる内外電極層１４ｂ，１４ｃを形成し、
外側電極層１４ｃ上に該層を保護するための多孔
質コーテイング層１４ｄを形成した素子１４を作
る。

この素子１４を例えば耐熱鋼等の耐熱性導電体
の薄板からなり、素子１４の多段に形成した肩部
１４ａの一つの段部に嵌合するほぼ円筒形状の素
子接触部１５ａと円筒形状の一部より素子先端と
逆の方向に伸びたリード部１５ｂとからなる外側
電極用リード金具１５に挿入する。素子１４とリ
ード金具１５の接合には、例えば白金等の耐熱性
の良好な金属の粉末を含む導電性ペーストを素子
肩部１４ａの外面とリード金具１５内面との間に
少量塗布すると電気的な接触が確保されさらに耐
久性も向上する。

次に、前記絶縁材料からなり、空気導入とリー
ド線配線用を兼ねた貫通孔１９ｂを持ち、素子１
４の開口部内面に密着する形状とした素子接触突
出部１９ａを先端に有し、該接触突出部１９ａの
表面に設けた金属薄膜層に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１９
ｂ内に伸びる耐熱鋼等からなるリード線１６ａを
持ち、また外周部に外側電極用リード金具１５の
リード部１５ａを挿入するための取出し用溝１９
ｃを設けた内側絶縁管１９を用意する。

この内側絶縁管１９を、その先端の接触突出部
１９ａが素子１４開口部に当接するように組合わ
せる。

次に内側絶縁管１９と同材料からなり、係止部
１８ａ、貫通孔１８ｂを持ち素子１４の多段式肩
部１４ａ面に密着する金属膜層１８ｃを持つた外
側絶縁管１８に、前記組合せ物を組付ける。

外側絶縁管１８の接触面には、素子１４の外側
電極層１４ｃの電位をハウジング２３に伝達する
ために金属ペースト焼付、メツキ等により金属膜
層１８ｃを配設するが、更に素子１４と外側絶縁
管１８の接触部の密着性、封着性向上のために導
電性金属を用いて封着処理を処理を行つた。ま
た、より封着効果を増すために無機接着剤２０充
填した。

また、内外絶縁管の密着保持性向上のために無
機接着剤２０ａを充填した。

上記接合体をハウジング２３にセツトし、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剤２５を充填
し、さらに該クツシヨン剤２５に空気導入用スリ
ツト２４ａを持つた保護カバー２４の位置決めの
ために例えばステンレススチール製もしくは銅リ
ングからなるリング２６を載置し、かかる状態に
て適当な量だけハウジング２３の上端部をかしめ
接合体を固定した。言うまでもないが外側電極用
リード金具１５の先端と保護カバー２４は溶接等
の方法により接合され、又保護カバー２４とハウ
ジング２３もより完全な電気的導通を取るために
溶接接合される。

インコネル例えばインコ600、インコ601等ある
いはステンレス例えばSUS310 SUS304 SUS430
等よりなるリード線１６ａと被覆線２９を圧着端
子２７にて連結し、保護カバー２４と被覆線２９
との間隙に例えばシリコンゴム等の耐熱性弾性体
２８を充填し、保護カバー先端部２４ｃを半径方
向にかしめコネクタ３０を設けて本考案における
実施例たる酸素センサを完成した。

第４図及び第５図は、本考案にしたがつて素子
形状を変えた場合の接合体の他の実施例を示すも
ので、構成と作用、機構等は、第２図のものと同
じである。

第６図は、素子１４の肩部を多段としない酸素
センサの要部拡大図で、内外電極用リード金具１
６を用いた例を示す。この内側電極用リード金具
１６は耐熱鋼等の耐熱性導電体からなり、空気導
入孔１６ａを有し、先端が素子１４の開口部内周
に密着する形状を持ち、リード線１６ｂが溶接等
により接続されている。図に示すように、このリ
ード金具１６は素子１４の開口部に当接され、内
側絶縁管１９で押えられている。

本考案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試験を実施したので説
明する。

第２図に示した構造の酸素センサを本考案の実
施例とし、第１図、第６図に示した如き構造の酸
素センサを比較例Ａ、比較例Ｂとする。自動車の
排気管に取り付け、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
上昇の様子を第７図に示す。図中、エンジン再ス
タート点Ｓを矢印で示す。図からも明らかな様に
本発明の実施例においては比較例Ａ，Ｂに比べて
素子先端部の温度上昇が早く制御信号（☆印）も
早い時期に発生している。

第８図は実施例及び比較例Ａ，Ｂをリツチ雰囲
気中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、実施例酸素センサは急激に起電力が立ち
あがつており、また比較例センサと比較すると約
70℃から100℃も早く立ちあがつている。

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Ａ，Ｂ）
では素子にクラツクが発生していたが、本考案の
酸素センサでは異常がなく、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。

本考案では、素子の肩部の形状を多段とし、外
側電極用出力取出し部とシール部とに分けている
ため、出力の取出しが確実に行われることは勿
論、シールも完全となるため測定誤差、素子割れ
などの問題も生じない。

また本考案の酸素センサでは組付時のかしめ力
を破壊強度の高い外側絶縁管で設け、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、本考案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。

以上本考案は、空気極酸素センサを主体として
説明したが、固体極酸素センサの場合にも全く同
様に適用でき、同様の効果を得ることができる。

【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
本考案酸素センサの一実施例の断面図、第３図は
第２図の酸素センサの主要構成を示す斜視図、第
４図及び第５図は本考案の他の実施例を示す素子
とセラミツクインシユレーターの接合体の他の例
の断面図、第６図は改良型酸素センサの要部断面
図、第７図は実施例と比較例Ａ，Ｂの温度特性線
図、第８図は実施例と比較例Ａ，Ｂの温度変化に
対するセンサ起電力の変化図である。図中、１……素子、２……ハウジング、３……
保護カバー、１４……素子、１４ａ……素子肩
部、１５……外側電極用リード金具、１８……外
側絶縁管、１９……内側絶縁管、２３……ハウジ
ング。

Claims

【実用新案登録請求の範囲】

固体電解質容器の内外表面に内外電極層を設け
た素子の開口部近傍外周に肩部を設け該肩部をハ
ウジングにより固定されるセラミツクインシユレ
ーターの先端部に係止固定し前記素子全体を被測
定ガスの存在する空間に突出するように配置した
酸素センサであつて、該酸素センサは前記セラミ
ツクインシユレーターが中空管状の空気極酸素セ
ンサであるか又は金属と該金属酸化物との混合物
を前記固体電解質容器内部に封入した固体極酸素
センサである酸素センサにおいて、前記肩部を多
段とし、被測定ガス側の肩部に素子とセラミツク
インシユレーターのシール部を形成し素子開口部
側の肩部に外側電極層の出力取出部を形成したこ
とを特徴とする酸素センサ。