JPS636677Y2 - - Google Patents

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JPS636677Y2
JPS636677Y2 JP1980164424U JP16442480U JPS636677Y2 JP S636677 Y2 JPS636677 Y2 JP S636677Y2 JP 1980164424 U JP1980164424 U JP 1980164424U JP 16442480 U JP16442480 U JP 16442480U JP S636677 Y2 JPS636677 Y2 JP S636677Y2
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oxygen sensor
fitting
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groove
electrode
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Description

【考案の詳細な説明】 本考案は、出力取出し部を特殊な構造とした酸
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を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
造よりなる。
すなわち、従来の酸素センサは一端が閉止され
た筒状の固体電解質容器の内外表面に電極層1
b,1cを形成せしめたものを素子1とし、この
素子1をその上部外側に突設した肩部1aにてた
とえば耐熱鋼等の耐熱材料からなるハウジング2
に固定せしめてなる。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、内外電
極層1b,1cはハウジング2に固定するための
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、導電リング3が充填され、更に
導電リング3上にはクツシヨンリング4が充填せ
られ、さらにこのクツシヨンリング4上には環状
の押え板が載置されている。
しかしながら、上記のようにセンサ素子を直接
鋼鉄製ハウジング内に保持する構造の従来の酸素
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ず、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
場合が多い、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 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り細心の注
意をはらつて作業を実施しないと素子は破壊さ
れる。
4 部品点数が多く構造が複雑であるため組付作
業例えばかしめ時に非常な手間がかかる。ある
いは素子が大きいためにコストが高くなり、生
産性にとぼしいものになつている。
かかる欠点を解決するために次の如き提案がな
されている。
すなわち、第2図に示す如く従来のものと同じ
固体電解質からなり、開口部近傍の外径が先端部
外径より大となる様肩部5aを形成した容器状の
形状を持ち、内外表面に白金系合金からなる内外
電極層5b,5cを形成した素子5を、アルミナ
等のような絶縁材料からなる円筒状体で、ハウジ
ング7に固定するための肩部6aを外周に持ち、
内周面先端に素子5を係止するために径を小とし
た素子係止部6bを形成し、さらに該素子係止部
6bから外側表面に沿つて肩部6aの下面に到る
までの白金系合金等の耐熱導電体からなる導電部
6cを焼付、メツキ、蒸着等により形成した外側
絶縁管6(第2図B参照)に挿入し、その先端に
固定する。固定は素子5の肩部5aを外側絶縁管
6の素子係止部6bに係止させ、電気的接触を保
ちつつ、かつ気密性となる様ガラス等の耐熱性シ
ール剤8により素子5と外側絶縁管6のシールと
接着をかねて行う。なお、外側絶縁管6のなかに
は、リード線10を溶接等により取付けた内側電
極用リード金具9および外側絶縁管と同様に絶縁
材料よりなる内側絶縁管11を挿入してなる。こ
のように構成したものをハウジング7にセツトし
てかしめることによつて、酸素センサは出来てい
る。
このような構造とすることによつて、素子の大
きさを従来の酸素センサの素子において測定に使
用されていた部分程度の大きさのものとすること
ができ、また従来の素子において測定に使用され
なかつた部分をアルミナ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材料よりなる絶縁管とする
ことができる。この酸素センサは、1)素子の小
型化、2)素子割れの防止、3)作業性の向上、
4)簡略化という利点を有しているが、その反面
外側絶縁管の導電部に白金系合金薄膜を形成する
手段が複雑であり、かつある程度の厚さがないと
エンジン排ガス中で長時間使用すると剥離等によ
つて電気的導通が失われる場合があり、高価な白
金系合金を多量に用いなければならないという欠
点を有する。
本考案は、上記欠点を解決するためのもので、
出力取出し部を特殊な構造とすることによつて、
安価で、使用中断線および接触不良の虞れが無
く、かつ低温作動性の向上、素子割れの防止、作
業性の向上等を図つた酸素センサを提供すること
を目的とする。
本考案酸素センサは、固体電解質容器の内外面
に電極層を形成した素子を絶縁管先端に固定して
なる酸素センサにおいて、素子開口部近傍の肩部
外周および/または内側電極出力取出用端子の外
周に白金系合金の導電体層を設けた溝を設け、該
溝に導電性金属針金よりなり一部に切り欠いた円
形の接触リング部と該リング部から素子先端と逆
方向に伸びるリード部とからなる出力取出し金具
を、該接触リング部を嵌めることにより装着した
ことを特徴とする。
以下、本考案を実施例の図面にしたがつて説明
する。
第3図は本考案の一実施例の断面図、第4図は
第3図の酸素センサの要部分解斜視図を示す。図
において素子5、外側絶縁管6、ハウジング7等
は第2図で示した酸素センサと同じ材質よりなり
ほゞ同じ形状を有する。第2図のものと異なる点
は、素子5の肩部5aに溝5eを設け該溝5eに
出力取出し金具12を装着したこと、外側絶縁管
6には素子係止部6b以外のところには導電体層
を設けないことであり、その他の点では内側電極
用リード金具9の代りに標準空気流通路9′aを
有するパイプ状のリード部を連設した内側電極用
リード金具9′を使用したこと、内側絶縁管11
の代りに固定管13を使用したことである。
本例の空気極酸素センサは、まず素子5の溝5
eに出力取出し金具12の接触リング部12aを
嵌合させて装着し、しかるのちこの素子5を外側
絶縁管6の素子係止部6bに素子5の肩部5aが
当接するようにしてセツトし、接着剤8にて接合
した。外側絶縁管6の素子係止部6bには前記し
たように金属薄膜層が設けられており、この金属
薄膜層は外側電極の電位をハウジング7に伝達し
やすくするとともに、また封着を助ける。また、
出力取出し金具12の接触リング部12aには導
電ペーストを塗布することによつて導電性を向上
させた。
しかるのち、外側絶縁管6内に出力取出し金具
12と同質の材料よりなり前記の形状を有する内
側電極用リード金具9′を挿入し、次にリード金
具9′と出力取出し金具12とを固定するために
貫通孔13a、溝13bを有する固定管13を挿
入セツトした。なお、内外極用出力取出し金具の
リード部が互いに接触するのをさけるために、外
側電極用出力取出し金具12のリード部にセラミ
ツクパイプ14を被覆した。
固定管13は、固定剤15によつて外側絶縁管
6に固定される。固定剤としては、無機接着剤例
えばアロンセラミツクD、スミセラム等(いずれ
も商標名)が使用される。
上記の如く外側絶縁管6に素子5、外側電極用
出力取出し金具12等をセツトしたものをハウジ
ング7にセツトし、その上から保護カバー16を
取り付けた。次に、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17をハウジング7の上部に充填
し、さらに該クツシヨン材17上に、空気導入用
スリツト16aを有する保護カバー16の位置決
めのために、例えばステンレススチールまたは銅
からなるリング18を載置し、かかる状態にて適
当な量だけハウジング7の上端部をかしめて固定
した。言うまでもないが、外側電極用出力取出し
金具12のリード部先端と保護カバー16の接合
部22は溶接等の方法により接合されており、ま
た保護カバー16とハウジング7との間にもより
完全な電導性を確保するために溶接23がされて
いる。内側電極用リード金具9′と被覆線20と
を圧着端子19により連結し、保護カバー16と
被覆線20との間に例えばシリコンゴム等の耐熱
性弾性体21を充填し、保護カバー先端部16b
を半径方向にかしめ、コネクタ24を設けて本考
案による酸素センサを完成した。
なお、上記において外側電極用出力取出し金具
12は、導電体例えばインコネル(インコ600,
インコ601等)、ステンレス(sus310,sus304,
sus430等)等からなる針金、すなわち細い棒状体
を用い、素子接触リング部12aを一部が切り欠
いた円形状とし、この接触リング部12aから素
子先端と逆方向に伸びる細い棒状のリード部とか
らなる。素子接触リング部12aは、素子5の肩
部5aに設けたリング状の溝5eよりもやや小径
に作つておけば材質の有するバネ力により素子の
溝5eに容易に嵌合する。
また、上記した接着剤および固定剤としては、
Ca−Al2O3−MgO系,SiO2−CaO−Al2O3系,
SiO2−CaO−Al2O3−MgO系,SiO2−Al2O3
Na系,SiO2−Mgo系、TiO2−BaO系等の無機接
着剤が使用される。
出力取出し金具等に塗布する導電性ペーストと
しては、導電性金属例えば白金−ロジウム合金と
有機バインダーからなるものであり、例えばエチ
ルセルローズ+BCA(ブチルカルビトールアセテ
ート)またはニトロセルローズ+酢酸ブチル等の
有機バインダーに白金を15重量%以上好ましくは
15〜20重量%の割合で混合したものを用いた。
第3図Bは、素子5の部分拡大断面図で内外電
極層5b,5cおよび60〜80μの多孔質セラミツ
ク保護コーテイング層5dが設けられている状態
を示す。
外側絶縁管(セラミツクインシユレータ)6
は、アルミナ(Al2O3)のほか、スピネル
(MgO・Al2O3)、フオルステライト、ムライト等
によつて構成される。
次に第2実施例として、固体極酸素センサの例
を第5図および第6図に示す。
本例の場合の特徴は、第3図のものの場合と同
様に素子5の肩部5aに溝5eを設けこれに外側
電極用出力取出し金具12を装着するほか、素子
5の開口部内周に当接する内側電極の出力取出し
用チツプ9″の上部に溝9″eを設けこれに内側電
極用出力取出し金具12′を装着した点にある。
第5図に示したようにセツトした素子を、外側絶
縁管に前記第3図の空気極酸素センサと同様にし
て固定し、ハウジングにセツトして目的とする酸
素センサを得る。なお、図中25は金属および金
属酸化物の混合物(固体極)を示す。本例におい
て、内側電極用出力取出し金具12′は、外側電
極用のものと同様に構成される。またチツプ9″
は、素子材料と同一のもの、即ち酸化イツトリウ
ム等で安定化されたジルコニア等の固体電解質材
料が最適であるが、外側絶縁管6のようなアルミ
ナ(Al2O3)でもよい。いうまでもないが、チツ
プ9″表面には導電体層が設けてある。
上記の如く構成された本考案酸素センサでは、
例えば素子5の外側電極層5cの電位は素子5の
肩部5aに設けた溝5eより出力取出用金具12
を経て導電溶接22からハウジング7へと伝達さ
れる。
本考案酸素センサは、第2図に示した外側絶縁
管にリード部として白金系合金薄膜を形成した酸
素センサと比較して、次の如き利点を有する。
1 素子部での外側電極出力取出し用導電部と素
子肩部でのシール部が分離でき、より完全な出
力取出しおよびシールができる。
2 導電性薄膜形成の工程が不必要となり、高価
な白金系合金を多量に用いる必要がなくなりコ
ストを低減できる。
3 外側または内側電極用出力取出し金具は、耐
熱性のある導電体であればいかなるものでもよ
いため広い範囲から選択使用できる。
4 出力取出しが簡単に接続できる様になる。
5 電極電位取出し時において、出力取出し金具
の断線、接触不良によるトラブルがなくなる。
本考案では出力取出し金具が、針金状のものを
加工することによつて容易に作れるため製作が簡
単であり、素子の形状の如何にかかわらずまた素
子の径に多少大小があつても接触リング部を素子
に嵌合できるという利点を有する。それ故、作業
性の向上、素子小型化によるコストダウン等多く
の利点を併有するものである。
【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A
は改良型酸素センサの断面図、第2図Bは第2図
Aの酸素センサの外側絶縁管の斜視図、第3図A
は本考案の一実施例を示す酸素センサの断面図、
第3図Bは素子の部分拡大断面図、第4図は第3
図の酸素センサの要部分解斜視図、第5図は本考
案の他の実施例を示す酸素センサの要部断面図、
第6図は第5図の分解斜視図である。 図中、1,5……素子、1b,1c,5c,5
b……内外電極層、5e……溝、2,7……ハウ
ジング、6……外側絶縁管、9……内側電極用リ
ード金具、11……内側絶縁管、12……外側電
極用出力取出し金具、13……固定管。

Claims (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た素子
    を絶縁管先端に固定してなる酸素センサにおい
    て、素子開口部近傍の肩部外周および/または内
    側電極出力取出用端子の外周に溝を設け、該溝に
    導電性金属針金よりなり一部を切り欠いた円形の
    接触リング部と該リング部からのびるリード部と
    で構成される出力取出し金具を該接触リング部を
    嵌めることにより装着したことを特徴とする酸素
    センサ。
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JP2514000B2 (ja) * 1986-06-24 1996-07-10 日本特殊陶業株式会社 酸素センサ
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