JPS639180B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、酸素センサ素子をセラミツク等より
なる絶縁管の先端に固定してなる酸素センサにお
いて外側電極の電位を確実に取出し得る構造とし
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
用いて、一端が閉止された筒状の容器を作り、そ
の内外表面に内外電極層１ｂ，１ｃを形成せしめ
た固体電解質容器を素子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
り上方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導電
リング３が充填され、更に導電リング３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。このような構造において、素子１
の外側電極層１ｃに発生した電位は、肩部１ａを
介して、ハウジング２に伝達される。

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。

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図に示す如くセンサ素子５を絶
縁管６の先端に固定し、該絶縁管６をハウジング
８に係止固定してなる酸素センサである。

このような構造とすることによつて、素子５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物質よりなる絶縁管６と
することができる。そのため従来の欠点を防止で
きるが、このような酸素センサでは、素子５は熱
伝導率の低い絶縁管６によつて保持されているた
め、内外電極層５ｂ，５ｃから出力を取り出すた
めには、確実に電極層に当接し、しかも高温の排
ガスによつて変質しないような出力取り出し金具
が必要である。

このような酸素センサを図面にしたがつて説明
すると、第２図に示す如く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材
料からなり、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、例えばアルミナ
等のような前記性質を有する絶縁材料からなり、
ハウジングに固定するための肩部６ａを持ち、素
子５の最大外径よりやや大なる径で先端に素子５
を係止するために径を小とした係止部６ｂを形成
した貫通孔を持ち、さらに前記係止部６ｂ近傍か
ら外側表面に沿つて肩部６ａの下面に到る迄の間
に白金系合金等の耐熱性導電体からなる導電部６
ｃを焼付、メツキ、蒸着等により形成した外側絶
縁管６の内周先端に固定し、素子５の肩部５ａの
外側電極と外側絶縁管６の係止部６ｂ近傍の導電
部６ｃとの電気的接触を保ちつつ、素子５と外側
絶縁管６との間隙が気密となる様ガラス等の耐熱
シール材７によつてシールと同時に接着を行う。
かかる状態で、例えば耐熱鋼等の耐熱材料からな
り素子保護カバー８ａを持つたハウジング８に絶
縁管６を固定すれば、素子５も固定される。この
時素子５の外側電極５ｃの電位は素子肩部５ａか
ら絶縁管６の係止部６ｂ近傍より導電部６ｃを介
して絶縁管の肩部６ａ下面へ伝達され、さらに素
子保護カバー８ａの開口部近傍を介してハウジン
グ８に伝達される。この様な基本構成を持つた酸
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、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
ス中で長期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等の欠点を有してい
る。

本発明は、上記の欠点を解決するためのもの
で、センサ素子の外側電極の電位取出しに関し、
工程を簡略化でき、安価でかつ使用断線の恐れの
ない手段を備えた酸素センサを提供することを目
的とするものである。

本発明酸素センサは、開口部近傍に外側に突出
させた肩部を有する固体電解質容器の内外表面に
電極を形成した素子を、絶縁管先端に固定し、該
絶縁管を金属製ハウジングに係止、固定してなる
酸素センサにおいて、端部において径が縮小する
略円筒形状を持ち素子肩部の外周面の少なくとも
一部に密着しうる接触部と、該接触部と逆の方向
に伸びる取出し部とを有する外側電極用電位取出
し部品を素子に装着し、該外側電極用電位取出し
部品の後端部をハウジングもしくはハウジングと
電気的に導通している保護カバーに電気的に接触
させたことを特徴とする。

本発明を実施例に基いて以下に詳細に説明す
る。

第４図及び第５図において、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
性材料からなり、開口部近傍の外径が先端部より
大となる様肩部１０ａ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１０ｂ，１０ｃを形成し、必要であれば外側
電極層を保護するための多孔質コーテイング層を
形成（図示せず）した素子１０を、例えば耐熱鋼
等の耐熱性導電体薄板から成り、素子１０の最外
周径よりやや大なる内径を持つた円筒部と、該円
筒部の直径を縮少して素子１０の最外周径より小
で素子先端部外径より大とし、かつ素子１０の肩
部１０ａと形状をあわせたテーパ部とからなる素
子接触部１１ａと、前記円筒部とほぼ同値の曲率
を持ち前記テーパ部と逆の方向に伸びる板状の取
出し部１１ｂとからなる外側電極用リード金具１
１に挿入する。この時例えば白金等の耐熱性の良
好な金属粉末を含む導電性ペーストを素子肩部１
０ａの外面とリード金具１１の内面との間に少量
塗布すると電気的な接触が確保され、耐久性も向
上する。さらに耐熱鋼等の耐熱導電体からなり空
気導入孔１２ａを持ち一方の端に素子１０の開口
部内面に密着する形状を持ち、例えば耐熱鋼線等
からなるリード線１２ｂを溶接等により導電性を
確保しつつ保持した内側電極用リード金具１２を
素子１０の開口部に挿入する。この時耐熱性導電
ペーストを素子開口部内面とリード金具との間に
少量塗布するのが効果的であるのは前述のとおり
である。さらに前記性質を有する絶縁材料からな
り、素子１０の最大外径よりやや小なる外径を持
つた円筒状を成し中央部に空気導入孔１３ａを有
した内側絶縁管１３を、空気導入孔１３ａ内に内
側電極用リード金具１２のリード線１２ａを挿入
する様にして組合わせる。このように組合わせた
構成体を、前記内側絶縁管１３と同種の耐熱絶縁
材料からなり、ハウジングに固定するための肩部
１４ａを持ち、外側電極用リード金具１１の円筒
部外径よりやや大なる径で先端に素子１０を係止
するために径を小とした素子係止部１４ｂを形成
した貫通孔を持つた外側絶縁管１４に挿入し、外
側電極用リード金具１１を介して素子１０を外側
絶縁管１４の素子係止部１４ｂに係止する。この
時例えばガラス等の様な耐熱シール材１５を外側
絶縁管１４の素子係止部１４ｂ内面に装着してお
き、素子１０の肩部１０ａにおいて外側電極層と
外側電極用リード金具１１との接触を保持した状
態で熱処理等により耐熱シール材を溶融してシー
ルし、被測定ガスが、外側絶縁管１４内部に侵入
しない様にする。さらに内側電極用リード金具１
２と素子１０の開口部近傍の内側電極層との接触
を保持した状態で、外側絶縁管１４と内側絶縁管
１３との間隙に耐熱性接着材１６を充填する。か
くして素子１０は外側絶縁管１４と内側絶縁管１
３とによつて固定され、前記両絶縁管の上端部に
は外側電極用リード金具１１の取出し部１１ｂ、
内側電極用リード金具のリード線が第６図の如く
突出した状態となる。第５図に示した如き構成体
を、例えば耐熱鋼からなり下端部に素子保護カバ
ー１７ａを持つたハウジング１７に挿入し、耐熱
鋼からなり上端部に空気導入用の切欠き又はへこ
み１８ａを持つた保護カバー１８を載置し、該保
護カバー１８とハウジング１７との間隙に例えば
タルク、アスベスト等の耐熱材料からなるクツシ
ヨン材１９を充填し、さらに該クツシヨン材１９
上に保護カバー位置決めリング２０を載置する。
かかる状態にてハウジング１７の上端部１７ｂを
全周にわたつて適当な量だけかしめれば外側絶縁
管１４はハウジングに固定され、依つて素子１０
も固定される。さらに、外側電極用リード金具１
１の取出部１１ｂ上端部と前記保護カバー１８の
上部１８ｂとを、例えば溶接、ロウ付等により電
気的導通を確保しつつ接合する。一方内側電極用
リード金具１２のリード線１２ｂを端子２１によ
り被覆線２２に接続する。上記の如き状態で、耐
熱鋼からなり下端部に空気導入用スリツト２３ａ
を持つた後部保護カバー２３を、前記保護カバー
１８の空気導入用切欠き又はへこみ１８ａと後部
保護カバー２３の空気導入用スリツト２３ａとの
位置をあわせて嵌合わせ、溶接又はかしめによつ
て保持する。しかる後に後部保護カバー２３の上
端部２３ｂと被覆線２２の間隙に例えばシリコン
ゴム等の耐熱弾性体２４を充填し、後部保護カバ
ー２３の上端部２３ｂを半径方向にかしめれば、
被覆線２２は後部保護カバー２３に固定される。
かくして本発明における酸素センサは完成し、素
子１０の外側電極層１０ｃに発生する電位は素子
１０の肩部１０ａから外側電極用リード金具１１
の接触部１１ａ、取出し部１１ｂを介して保護カ
バー１８に伝達され、保護カバー位置決めリング
２０を介するか又は直接にハウジング１７にアー
スされ、酸素センサの信号出力は、被覆線２２と
ハウジング１７との間の電位差として取出され
る。

また、第７図に示す如く素子１０の肩部がテー
パ形状となつていない場合は、外側電極用リード
金具１１の素子接触部１１ａの形状を円筒部端面
において径を縮小する形状として素子１０の肩部
１０ａと接触する様にすれば良い。

本発明における効果は、第２図に示した如き白
金系合金薄膜を外側絶縁管に形成した場合に比べ
て、導電性薄膜形成のための複雑な工程が省略で
き、高価な白金系合金を用いることなく、素子の
外側電極の電位をハウジングに確実に伝達でき、
さらに導電性薄膜劣化による断線といつた問題が
起ることも防止できるという効果を示す。

以上、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全く同様に適
用できる。

【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３図は第２図の酸
素センサの外側絶縁管の斜視図、第４図は本発明
の一実施例の断面図、第５図および第６図は本発
明の実施例の主要構成を示す斜視図、第７図は本
発明の他の実施例を示す斜視図である。 図中、１，５，１０…素子、１ｃ，５ｃ，１０
ｃ…外側電極、２，８，１７…ハウジング、６，
１４…外側絶縁管、１１…外側電極用リード金
具、１２…内側電極用リード金具、１３…内側絶
縁管。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ 開口部近傍にて外側に突出させた肩部を有す
   る固体電解質容器の内外表面に電極を形成した素
   子を絶縁管先端に固定し、該絶縁管を金属製ハウ
   ジングに係止、固定してなる酸素センサにおい
   て、端部において径が縮小する略円筒形状を持ち
   素子肩部の外周面の少なくとも一部に密着しうる
   接触部と、該接触部と逆の方向に伸びる取出し部
   とを有する外側電極用電位取出し部品を素子に装
   着し、該外側電極用電位取出し部品の取出し部の
   後端部をハウジングもしくはハウジングと電気的
   に導通している保護カバーに電気的に接触させた
   ことを特徴とする酸素センサ。