JPH0131962Y2 - - Google Patents

Description

【考案の詳細な説明】 本考案は低温作動性の向上と出力取り出しを容
易にした酸素センサに関するものである。

酸素センサは、これまで種々の構造のものが考
えられているが、例えば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伝性固体
電解質を用いて一端が閉止された筒状容器を形成
し、この容器の外側表面に白金系からなる内外電
極を形成せしめ、容器内部には標準物質として例
えば空気のように一定の酸素を含む気体を入れ、
この固体電解質容器の内外電極にそれぞれ接触す
る内部標準物質と被測定ガスとの平衡酸素分圧比
を電位差に変換し、以つて被測定ガスの酸素濃度
を検出する構成のものが知られている。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。

従来の酸素センサは、内部標準物質として空気
を用いた場合、通常第１図に示すような構造より
なる。すなわち、素子ａは酸素イオン導伝性固体
電解質で形成された容器状本体a₁の内側及び外側
面に内外電極a₂，a₃を形成したもので、内側電極
a₂の電位は容器状本体a₁の開口部に挿入されたス
テムｅ、バネｋを介して電位取り出し用端子ｊか
ら取り出され、外側電極a₃の電位はハウジングｂ
に伝達され外部へ取り出される。

しかしながら上記第１図に示す構成の酸素セン
サは下記のような欠点を有している。

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、ま
た上端部が外気に接触す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
に時間がかかり同時に特に被測定ガス温が低い
場合には最低作動温度に達しがたい。

２ 自動車の排気管に取付けて走行する際、セン
サ上半の露出部に水がかかる場合があり、水に
よる温度降下がハウジング及びシーリングを介
して素子に速やかに伝達されるため、かかる事
態が高温状態にある時に発生すれば熱衝撃に弱
いジルコニア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が破壊
される。

４ 部品点数が多く構造が複雑であるためかしめ
などの組付作業時に非常に手間がかかり、また
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。

上記の欠点を解決するために改良型センサとし
て第２図に示すような構造のものが提案されてい
る。

この改良型酸素センサは、従来の酸素センサと
同様に酸化イツトリウム等で安定化されたジルコ
ニア固体電解質を用いて素子を形成するが、素子
は被測定ガスと接するのに必要な大きさに小型化
し、この素子をセラミツクインシユレーター先端
に密着固定してなるものである。その一例を第２
図及び第３図に従つて説明する。素子１は、一端
が閉止された筒状体で開口部近傍の外径が先端部
外径より大きくした多段の肩部１ｂに形成された
容器本体１ａの内外表面に内側電極１ｃ、外側電
極１ｄが形成され、更に外側電極１ｄ上には多孔
質コーテイング層１ｅが形成されてなる（第２図
ａ参照）。このように形成された素子１を、第３
図に示すように、先端内部に素子１の肩部１ｂの
形状に対応させて固定部２ａを設けた円筒状の外
側セラミツクインシユレーター２内に外側電極用
電位取り出し金具４とともに挿入し、固定部２ａ
にて封着処理する。次に、この外側セラミツクイ
ンシユレーター２内に貫通孔３ａ、素子接触部３
ｂ、内側電極用リード線５、溝３ｃを有している
内側セラミツクインシユレーター３を挿入し、素
子１の開口部に前記素子接触部３ｂが当接するよ
うにして組付け、最後に外側セラミツクインシユ
レーター２の外周に設けられた係止部２ｂにてハ
ウジング６内にセツトして改良型酸素センサを得
る。なお、図中、７は素子保護カバー、８は内外
セラミツクインシユレーター２，３の密着保持性
向上のために充填される無機接着剤、８ａは無機
接着剤からなるシール材、８ｂはハウジング６と
保護カバー９との溶接加工、９は保護カバー、９
ａは空気導入用スリツト、１０はクツシヨン材を
示す。

このような基本構成を有する改良型酸素センサ
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、なお次の様な欠点を有している。すな
わち、１）外側セラミツクインシユレーター２に
挿入する内側セラミツクインシユレーター３の形
状が複雑である。２）リード線５は接触突出部３
ｂにおいて溶接等により導電性を確保している
が、素子開口部との接触不良あるいは溶接不良に
よる脱着等によりセンサとしての機能を発揮しな
いことがある。更に、３）内側インシユレーター
３の形状が外側インシユレーター２内全体を閉塞
する大きさであるために熱伝導性が良くなり素子
温が不安定となる。また更に、４）充填剤、接着
剤として無機接着剤８を使用しているため、この
無機接着剤が素子の内部電極に浸入しセンサ特性
を悪化させる原因となつている。など多くの解決
すべき問題を有している。

本考案は、上記問題を解決するためのもので、
使用中において断線、接触不良等のおそれがな
く、加えて低温作動性を向上せしめた改良型酸素
センサを提供せんとするものである。

本考案酸素センサは、酸素イオン導伝性固体電
解質からなる容器状本体の内側及び外側表面にそ
れぞれ電極を形成してなる素子を円筒状セラミツ
クインシユレーター先端に密着固定してなる改良
型酸素センサにおいて、該セラミツクインシユレ
ーター内に軸方向の途中に膨出部を有する円筒状
の内側電極用電位取り出し金具を、該金具の先端
が素子開口部の内側電極に当接するように挿入、
位置せしめ、該セラミツクインシユレーターに位
置決め用パイプを素子固定側と反対側より嵌入し
前記膨出部に係止せしめることによつてセラミツ
クインシユレーター先端部内に空間を設けたこと
を特徴とする。

以下、本考案を第４図及び第５図に従つて説明
する。

第４図は、本考案センサの組立て順序を示した
分解斜視図で、第５図は本考案センサの断面図を
示す。

本考案において素子１は従来の改良型酸素セン
サと同様に、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伝性の固体電解質で
同様な形状に形成される。なお、素子１において
肩部１ｂは外側電極電位取り出し部１ｇ，１ｈ、
封着部１ｉよりなり、容器状本体１ａの内外表面
には白金系合金薄膜層からなる内側電極１ｃ、外
側電極１ｄが形成されている。１ｅは多孔質セラ
ミツクコーテイング層を示す。

本考案の場合、外側電極用電位取り出し金具
４′は好ましくは第４図に示したようにリード部
が板状となつているものを使用するとよい。ま
た、本考案では、内側電極用電位取り出し金具
５′として、第４図に示したような先端にテーパ
部５′ａを有し膨出部５′ｂ、空気導入孔５′ｃを
有する円筒状の金具を使用する。内側及び外側電
極用取り出し金具のいずれも、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スチ
ール例えばSUS310，SUS304，SUS340等の材質
よりプレス成形、引き抜き加工などによつて作ら
れる。

本考案酸素センサは、第４図に示すように、素
子１を外側電極用取り出し金具４′内に挿入し、
これらを更にセラミツクインシユレーター２′内
に挿入し、素子１の先端部がインシユレーター
２′から突出しているようにして固定し、その後
内側電極用取り出し金具５′を挿入し、位置決め
用パイプ３′を嵌挿する。このようにして得た接
合体をハウジング６′に組付けて完成する。

上記においてセラミツクインシユレーター２′
は、従来の外側セラミツクインシユレーターと同
様な形状としてよく、またセラミツクインシユレ
ーター２′及び位置決め用パイプ３′ともに、固体
電解質に比べ強度、耐熱衝撃性に優れ金属材料に
比べ熱伝導率の低い材料、例えばAl₂O₃，MgO−
Al₂O₃（スピネル）、フオルステライト、ムライト
等の絶縁材料からなる。なお、セラミツクインシ
ユレーター２′において、２′ａは素子１を固定す
るための固定部、２′ｂはハウジング２′の係止
部、２′ｃは貫通孔を示し、位置決め用パイプ
３′において３′ａは内側電極用リード金具５′の
膨出部５′ｂに係止するための係止部、３′ｂは貫
通孔を示す。

上記、組付けにあたり、素子１と外側電極用取
り出し金具４′とは、素子１の封着部１ｉに接着
剤８′ａを塗布して封着し、取り出し金具４′を電
位取り出し部１ｇ，１ｈの間には白金（Pt）ペ
ーストを塗布して導通性を向上させた。なお、
Ptペーストは内側電極用取り出し金具５′の先端
テーパー部５′ａにも塗布して素子開口部１ｆに
挿入して導通性を確保した。

封着用接着剤としては、Ca−Al₂O₃−MgO系、
SiO₂−CaO−Al₂O₃系、SiO₂−CaO−Al₂O₃−
MgO系、SiO₂−Al₂O₃−Na系、SiO₂−MgO系、
TiO₂−BaO系、Al₂O₃−SiO₂−Li系等のガラス
剤が挙げられる。これらの接着剤は、例えば
Al₂O₃−SiO₂−Na系の場合、1100℃×30分間還
元雰囲気で加熱することにより封着する。

セラミツクインシユレーター２′と位置決め用
パイプ３′との間にも、内側電極用取り出し金具
５′の固定のために無機接着剤８′、例えばアロン
セラミツクＤ、スミセラム（商品名）等を充填し
た。

ハウジング６′への接合体のセツトは、パツキ
ング１１を介してセラミツクインシユレーター
２′の係止部２′ｂで行い、この係止部２′ｂ上に
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１０
を充填し、その上から空気導入用スリツト９ａを
有する保護カバー９を取付ける。次に、保護カバ
ー９の位置決めのために、例えばステンレススチ
ール、銅などからなるリング１２を載置し、かか
る状態にて適当な量だけハウジング６′の上端を
かしめて固定した。なお、言うまでもないが、外
側電極用電位取り出し金具４′と保護カバー９は
接合点９ｃにおいて溶接されており、保護カバー
９とハウジング６′とのより完全な導通を得るた
めに溶接８b′がなされる。また、内側電極用取り
出し金具５′と被覆線１３との接点１３ａも溶接
により連結され、保護カバー９の上端部と被覆線
１３との間隙には例えばシリコーンゴム等の耐熱
性弾性体１４を充填し、保護カバー先端部９ｄを
半径方向にかしめ本考案における実施例たる酸素
センサを完成した。

次に、本考案酸素センサの低温作動性及び素子
割れ防止性について試験した結果を示す。

第５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図及び第２図に示した構造の酸素
センサを比較例Ａ、比較例Ｂとした。これらのセ
ンサを自動車用エンジン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６図に示
した。図中、エンジン再スタート点を矢印Ｓで示
す。第６図からも明らかな様に、エンジン排気温
の経時変化に対して本考案実施例はよく追従して
おり、良好な結果が得られた。これに対して比較
例Ａ，Ｂは素子先端部の温度上昇が遅く、制御信
号（星印）も遅い時期に発生していることがよく
わかる。

第７図は、実施例及び比較例Ａ，Ｂのセンサを
リツチ雰囲気中にさらしておいて温度を上昇させ
ていつたときのセンサ起電力の変化を示すグラフ
である。図からわかる様に、本考案実施例は比較
例Ａ，Ｂに比して急激な起電力の立ち上りを示し
ている。図において、起電力が0.45Vに達するま
での素子先端部の温度を比較すると、実施例セン
サは比較例Ａ，Ｂセンサに比べ約80℃から50℃も
はやく立ち上つていることがよくわかる。なお、
実施例センサは使用中での断線、接触不良は全く
みられなかつた。

次に、センサが高温状態にあるとき、実施例及
び比較例Ａ，Ｂのセンサの露出部に水をかけた後
分解したところ、比較例Ａでは素子にクラツクが
発生していたが、実施例センサは比較例Ｂのそれ
と同様に全く異常はみられず、水たまり走行時の
素子割れに対処できるものと判定できた。

上記のほか、本考案酸素センサによれば素子が
小型化できるため高価な固体電解質の使用量を少
くすることができ、また部品点数も少ないため、
省資源的にも、作業性の面でも有利であり、更に
はコスト的にも有利であるという利点が得られ
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
従来の改良型酸素センサの断面図、第２図ａは第
２図の要部拡大断面図、第３図は第２図のセンサ
の一部の分解斜視図、第４図は本考案酸素センサ
の構成を示す分解斜視図、第５図は本考案酸素セ
ンサの断面図、第６図は実施例及び比較例のセン
サのエンジン実機による温度特性の経時変化を示
すグラフ、第７図は実施例及び比較例のセンサの
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……素子、２……外側インシユレータ
ー、２′……セラミツクインシユレーター、３…
…内側インシユレーター、３′……位置決め用パ
イプ、４，４′……外側電極用電位取り出し金具、
５……内側電極用リード線、５′……内側電極用
電位取り出し金具、６，６′……ハウジング。

Claims (1)

1. 【実用新案登録請求の範囲】 酸素イオン導伝性固体電解質からなる容器状本
   体の内側及び外側表面にそれぞれ電極を形成して
   なる素子を円筒状セラミツクインシユレーター先
   端に密着固定してなる酸素センサにおいて、 該セラミツクインシユレーター内に軸方向の途
   中に膨出部を有する円筒状の内側電極用電位取り
   出し金具を位置せしめ、該セラミツクインシユレ
   ーターに位置決め用パイプを素子固定側と反対側
   より嵌入し前記膨出部に係止せしめることによつ
   て、セラミツクインシユレーター先端部内に空間
   を設けたことを特徴とする酸素センサ。