JPS6335406Y2 - - Google Patents

Description

【考案の詳細な説明】 本考案は、酸素センサ素子のハウジングへの組
付構造を改良することによつて、低温作動性の向
上、小型化及び素子割れを防止した酸素センサに
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
であつて、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１
１、内部端子１２、バネ１３を介して外部端子１
０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 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。またシー
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。

４ 部品点数が多く構造が複雑であり、また高価
なセンサ素子を小型化できないためコストが高
くなり、生産性に乏しい。

本考案者らは、さきに上記欠点を解決するため
に第２図に示す如き改良型酸素センサを提案し
た。この改良型酸素センサは第２図に示す如く素
子２１の形状を従来のものよりも小型とし、この
素子２１を第２図Ａに示す如き外側絶縁管２５の
先端内周の係止部２５ｃに素子２１の肩部２１ａ
を係止固定せしめ、内側電極用リード金具２２′
を素子２１の開口部内側に当接させ、内側絶縁管
１４を挿入し、このように組付けた接合体を外側
絶縁管２５の外周に突設して設けた肩部２５ｂに
よつてハウジング２８に固定せしめてなるもので
ある。なお、第２図及び第２図Ａにおいて、３は
素子保護カバー、２１ｂ及び２１ｃはそれぞれ内
側及び外側電極層、２３はリード線、２５ｄは外
側電極層の電位を取り出すための金属薄膜を示
す。

この様な基本構成を持つた改良型酸素センサ
は、素子を小型化できるうえに一定の突出し量を
確保でき、さらには高温時に露出部に水が飛来し
ても、素子割れを起さないという利点を有する。
しかしながらその反面、セラミツクインシユレー
ターとしての内側及び外側絶縁管がきつちり嵌合
しなければならないなど、製作上の問題も残され
ている。

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、素子と素子支持体とのシー
リングを向上させ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
面に電極を形成してなる素子の開口部近傍を、セ
ラミツク製又は金属製の円筒状の支持体先端部に
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、前記素子の開口
部を閉止するように内側電極リード具を当接さ
せ、前記支持体と内側電極リード具との間に耐熱
性充填材を充填せしめた酸素センサであつて、該
酸素センサは前記内側電極リード具が中空管状の
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化イオン
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、円筒状の支持
体の先端部内周に係止されるようにする。

本考案は、従来の素子において測定に使用され
なかつた部分を支持体に置き換えたもので、この
支持体としては、従来のものと多少形状を変えた
鋼鉄製のハウジングであつてもよいし、ハウジン
グ内に保持される円筒状のセラミツクインシユレ
ーターであつてもよく、また保護カバーを用いて
もよい。

上記支持体に素子を保持せしめた後、素子の開
口部に当接させる内側電極用リード具は、金属製
でもセラミツク製でもよく、素子開口部への接触
部と（空気極酸素センサの場合は空気供給用と）
リード線配線用を兼ねた出力取出部とから構成さ
れる。

以下、本考案の各実施例を図面にしたがつて説
明する。

第３図ないし第４図は、本考案の一実施例で支
持体としてセラミツクインシユレーターを用いた
例を示す。

本例の酸素センサは次の如くして作られる。

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に肩部２１ａ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２１ｂ，２１ｃを形成し、外側
電極層２１ｃ上に該層を保護するための多孔質コ
ーテイング層２１ｄを形成した素子２１を作る。

この素子２１を例えば耐熱鋼等の耐熱性導電体
の薄板からなり、素子２１の肩部２１ａ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２４ａとからなる外側電極用リード金具２４に
挿入する。素子２１とリード金具２４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２１ａの外面とリ
ード金具２４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、アルミナ（Al₂O₃）、スピネル（MgO・
Al₂O₃）、フオルステライト、ムライト等の耐熱
性絶縁材料からなり、空気導入とリード線配線用
を兼ねた貫通孔２２ａを持ち、素子２１の開口部
内面に密着する形状とした素子接触部２２ｂを先
端に有し、該接触部２２ｂ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２２ａ内に伸びる耐熱鋼
等からなるリード線２３を持つ内側電極用リード
具２２を用意する。

この内側電極用リード具２２を、その先端の接
触部２２ｂが素子２１開口部に当接するように組
合わせる。

次に内側電極用リード具２２と同材料からな
り、係止部２５ｂ、貫通孔２５ａを持ち素子２１
の多肩部２１ａ面に密着する形状の係止部２５ｃ
を持つた外側絶縁管（外側セラミツクインシユレ
ーター）２５に、前記組合せ物を組付ける。

外側絶縁管２５の接触面には、素子２１の外側
電極層２１ｃの電位をハウジング２８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
層を配設するが、更に素子２１と外側絶縁管２５
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行つた。また、より封着効
果を増すためにガス止め剤２７を充填した。

上記のようにセツトしたのち、外側絶縁管２５
の貫通孔２５ａに、耐熱性充填材２６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３１ｂ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、さらに該クツシヨン材２９に後
部保護カバー３１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３０を載置し、かかる状態にて適当な量だけハ
ウジング２８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２４
の先端と保護カバー３１は溶接等の方法により接
合３１ｄされ、又保護カバー３１とハウジング２
８もより完全な電気的導通を取るために溶接接合
３１ｃ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２３と被覆線３４を圧着端子
３２にて連結し、保護カバー３１と被覆線３４と
の間隙に例えばシリコンゴム等の耐熱性弾性体３
３を充填し、保護カバー先端部３１ａを半径方向
にかしめコネクタ３５を設けて本考案の第１実施
例たる酸素センサを完成した。

第５図及び第６図は、本考案の第２実施例の断
面図及び要部の分解斜視図である。本例の場合
は、第１実施例と同様に外側絶縁管２５を素子支
持体として用いた例であるが、第１実施例の内側
電極用リード具２２がセラミツク製であるのに対
し、本例では金属製のものを使用する。すなわ
ち、貫通孔２２ａを持つ耐熱金属パイプよりなる
管状部２２ｃと、先端に素子２１の開口部内面に
密着する形状の接触部２２ｂを持ち、他端に被覆
線３４との連結部２２ｄを有している耐熱金属製
内側電極用リード具２２を用いる。その他の構成
及び作用機構等は第１実施例と同じである。図
中、同一符号は前記と同じ意味を表わす（以下同
じ）。

第７図及び第８図は、本考案の第３実施例を示
す断面図及び要部分解斜視図である。本例の場
合、第２実施例の場合と同様に内側電極用リード
具２２として金属製パイプからなるものを使用す
るが、外側絶縁管は使用せず、その代りに外側絶
縁管と同様にアルミナ等の耐熱絶縁材料からな
り、外側電極用リード金具２４の最外周径よりや
や大なる内径を持ち、貫通孔を先端近傍において
径を小として素子２１を係止できるようにした素
子係止部品３６と該素子係止部品３６を保持し得
るようにしたハウジング２８とを使用する。

酸素センサの組付にあたつては、第８図に矢印
で示されているように順次組付け、最後にハウジ
ング２８に挿入し、ハウジング２８内に耐熱性充
填材２６を充填し、後部保護カバー３１を取りつ
け、その他前記実施例と同様に行い、シリコンゴ
ム等の耐熱弾性体からなるカバー３７を取りつけ
て目的とする酸素センサを得る。

なお、上記において、素子係止部品３６は耐熱
性金属からなつていてもよい。また、ハウジング
２８は、例えば耐熱鋼等の耐熱材料からなり、前
記素子係止部品３６の外径よりやや大なる内径を
持つた有底円筒体で、先端部（底）近傍に被測定
ガス流入用のスリツト２８ａを持ち、該スリツト
２８ａのやや上方部分に円筒体の径を小とした係
止部２８ｂが形成されており、開口部近傍にはエ
ンジン排気管等に取りつけるためのフランジ２８
ｃが設けられている。

該酸素センサにおいて、内部標準物質たる空気
は、カバー３７と後部保護カバー３１との間隙か
らカバー３７内に入り、内側電極用リード具２２
の空気孔２２ｅを経て素子２１の内部に達するこ
とができ、被測定ガスの酸素濃度を示す信号は、
ハウジング２８と被覆線３４との間の電位差とし
て取出すことができる。

このようにハウジングを支持体として素子を係
止、保持した型の酸素センサの例を第９図ないし
第１１図に第４〜６実施例として示す。

第９図は、素子係止部品３６として耐熱鋼等の
耐熱導電体を用いた場合で、この場合は外側電極
用リード金具２４を省略してもよい。第１０図
は、素子２１を直接ハウジング２８の係止部２８
ｂに係止し、外側電極用リード金具２４及び素子
係止部品３６を省略した例を示す。なお第９図の
如く内側電極用リード金具２２の素子接触部２
２′ｂの形状が変化しても考案の効果に変わりは
無いが、この場合は管状部２２′ｃの途中にへこ
み２２′ｆを設けておくと内側電極用リード金具
２２′の固定がより確実となる。

一方、内部標準物質として例えば金属・金属酸
化物等の固体極を用いた場合にも、第１１図に示
す如く本考案の適用は可能であり、同様の効果を
得ることができる。すなわち第１１図において、
内外表面に内外電極層２１ｂ，２１ｃを設けた素
子２１内に、内部標準物質として例えばFe／
FeOの混合粉末の如く一定の酸素分圧を保持し得
る金属／金属酸化物系の粉末３８を充填し、素子
２１の開口部内面近傍に設けたメタライズ層上に
該メタライズ層と同種の金属から成るリング３９
を載置する。さらに素子２１と熱膨脹係数が一致
又は類似した固体電解質もしくは一般的セラミツ
クから成り、一方の端が素子２１の開口部内面と
同じテーパ形状を成し、他端において内側電極用
リード金具２２１に接触すべくテーパ形状とし、
外周に素子２１と同種のメタライズ層を形成した
蓋体４０を載置し、拡散接合等により接合密封す
る。かくして得られた固体極センサ素子を、外側
電極用リード金具２４１内に挿入し、耐熱絶縁体
から成る素子係止部品３６を用いてハウジング２
８の係止部２８ｂに係止する。さらに、前記蓋体
４０の上端部に接触できる形状に成形した耐熱導
電体薄板と同種の材料から成るリード線２３１ｂ
とから成る内側電極用リード金具２２１を蓋体４
０上に載置し、必要であればアルミナ等の耐熱絶
縁体から成り２本の貫通孔を持つた絶縁管４１を
用いて、リード線２３１ｂ，２３１b′の接触を防
止し、端子３２によつて２３１ｂ，２３１b′と被
覆線３４とを接合する。次に前記の後部保護管３
１をハウジング２８の開口部に嵌め合わせて固定
し、後部保護管３１の開口部より、耐熱充填材２
６を充填して、内部構造をハウジングに固定し、
後部保護管３１と被覆線３４との間隙に耐熱弾性
体３３を充填して後部保護管３１の上端部３１ａ
を半径方向にかしめる。かくして、内部標準物質
を固体とした場合の本考案酸素センサは完成し、
信号出力は、被覆線３４内の２本の芯線間の電位
差として取り出すことができる。

第１２図及び第１３図は本考案の第７実施例を
示す断面図及び要部分解斜視図である。図からわ
かるように、本例の場合は、第３実施例の場合の
ハウジングの代りに素子保護カバーを用いた例で
ある。

素子保護カバー３は、図に示す如く耐熱鋼等よ
りなる有底円筒体で上部（開口部側）に肩部３ｂ
を有し下部近傍に通気孔３ｃを持ち、素子係止部
３ｅを設けてある。この素子保護カバー３に素子
２１等を第３実施例の場合と同様に矢印にしたが
つて組付け、このようにして組付けた接合体をハ
ウジング２８に挿入し、各間隙に無機接着剤及び
充填剤を耐熱性充填材２６として充填し固定す
る。加熱脱水させて前記無機接着剤を硬化させた
のち後部保護カバー３１等を取りつけて本考案酸
素センサを得る。なお、図中３ｄはハウジング２
８と保護カバー３との溶接部を示す。

保護カバーを素子支持体とした他の例を第１４
図ないし第２２図に示す。第１４図と第１５図に
示す第８実施例は、ハウジングと素子保護カバー
が一体となつている場合の例であり、第１６図と
第１７図に示す第９実施例は素子係止部品と外側
電極用リード金具を省略し、直接外側電極層の出
力をハウジングに取出すようにした例である。

第１８図と第１９図に示す第10実施例、第２０
図と第２１図に示す第11実施例、第２２図に示す
第12実施例は、それぞれハウジングと素子保護カ
バーが一体となつているものの例で、内側電極用
リード具２２を導電性金属製としたほかは前記の
実施例と同じである。

第２３図と第２４図及び第２５図と第２６図の
例は、内側電極用リード具２２として耐熱性絶縁
材料よりなるものを使用した例で、前者の第13実
施例は第１実施例と同様にリード線２３を用いた
例であり、後者の第14実施例はセラツク製リード
具２２の外周に内側電極層の出力取出し用の導電
性金属薄膜層２２ｇを設けた例である。

以上実施例を数点あげて説明したが、本考案は
このほか種々の組合せが考えられることは言うま
でもなく、前記実施例と同一の作用及び効果が得
られる。

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３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図に示した如き構造の酸素センサ
を比較例とする。自動車の排気管に取り付け、定
常運転後一旦エンジンを低止し、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２７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考案の実施例にお
いては比較例に比べ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２８図は実施例及び比較例をリツチ雰囲気中
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、また比較例酸素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）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。

以上述べたとおり、本考案では素子支持体とし
てハウジング、素子保護カバーまたはセラミツク
インシユレーターを従来のものよりも小型化し、
また従来の酸素センサにおいて測定に使用されな
かつた素子の部分は耐熱充填材でおきかえている
ため、使用中の水たまり走行時の素子割れの問題
が解決できる。耐熱充填材はセラミツクフアイバ
ー、セラミツク粉末などのほか無機質接着剤など
も使用できるため素子と素子支持体とのシーリン
グも完全に行うことができるため測定誤差の問題
もなくまた保温等の効果も得られるので、低温作
動性を向上させることもできる。

また本考案の酸素センサでは組付時のかしめ力
が素子に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。

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
改良型酸素センサの断面図、第２図Ａは、第２図
の酸素センサの外側絶縁管の斜視図、第３図は本
考案の第１実施例の断面図、第３図Ａは第３図の
要部拡大断面図、第４図は第３図の構成を示す要
部分解斜視図、第５図ないし第２６図は本考案の
各実施例を示す断面図及び要部分解斜視図、第２
７図は実施例と比較例の温度特性線図、第２８図
は実施例と比較例の温度変化に対するセンサ起電
力の変化図である。 図中、１，２１……素子、１ｂ，２１ｂ……内
側電極層、１ｃ，２１ｃ……外側電極層、２，２
８……ハウジング、３……素子保護カバー、１４
……内側絶縁管、２２，２２′……内側電極用リ
ード具（同リード金具）、２３……リード線、２
４……外側電極用リード金具、２５……外側絶縁
管、２６……耐熱性充填材、３１……後部保護カ
バー、３４……被覆線、３５……コネクタ、３６
……素子係止部品。

Claims (1)

1. 【実用新案登録請求の範囲】 (1) 固体電解質容器の内外面に電極を形成してな
   る素子の開口部近傍を、セラミツク製又は金属
   製の円筒状の支持体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、前記素子の開口部を閉止する
   ように内側電極リード具を当接させ、前記支持
   体と内側電極リード具との間に耐熱性充填材を
   充填せしめた酸素センサであつて、該酸素セン
   サは前記内側電極リード具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ことを特徴とする酸素
   センサ。 (2) 支持体がハウジングである実用新案登録請求
   の範囲第１項記載の酸素センサ。 (3) 支持体がセラミツクインシユレーターである
   実用新案登録請求の範囲第１項記載の酸素セン
   サ。 (2) 支持体が保護カバーである実用新案登録請求
   の範囲第１項記載の酸素センサ。