JPH021540A - 酸素センサの端子構造 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 （技術分野） 本発明は、被測定ガス中、なかでも内燃機関より排出さ
れる排気ガス中の酸素濃度を検出するための酸素センサ
の端子構造に係り、特に酸素検知部を加熱するためのヒ
ータ手段が一体的に設けられてなる加熱型酸素センサ素
子を有する酸素センサにおける端子構造に関するもので
ある。

（背景技術） 従来から、酸素濃度検出器として、内燃機関の排気ガス
中に含まれる酸素濃度を検知し、その検出信号に基づい
て内燃機関の燃焼状態を最適にコントロールすることに
より、排気ガスの浄化、燃費の節減等を行なう酸素セン
サが知られている。

このセンサの一つは、酸素イオン伝導性の固体電解質、
例えば酸化カルシウムや酸化イツトリウムをドープした
酸化ジルコニウム等を隔壁とし、その隔壁の両面に各々
所定の電極を設けたものをセンサ素子とし、それら電極
の一方・を基準雰囲気、また他方の電極を排気ガス等の
被測定ガスに晒し、酸素濃淡電池の原理によって生ずる
起電力を検出信号としている。また、他の一つのタイプ
の酸素センサとして、長手の板状体基板上に酸素濃度に
より電気抵抗値の変化する酸化物、例えば酸化チタンを
設けたものをセンサ素子として用い、これを排気ガス等
の被測定ガスに晒し、酸素分圧による素子の電気抵抗変
化を検出するようにしたものも知られている。

そして、このような各種の酸素センサにあっては、何れ
も、その酸素センサ素子の酸素検知部の温度が低くなる
と、被測定ガス中の酸素濃度に対応する該酸素検知部か
らの電気的出力が不安定となるところから、かかる酸素
センサ素子中に適当な電気的ヒータ手段を一体的に設け
て、その酸素検知部を強制的に加熱せしめて、かかる酸
素検知部からの電気的出力の安定化を図るようにした構
造のものが、広く提案されている（例えば、特開昭６０
−１２８３４８号公報、実開昭６０−１５０４４９号公
報等参照）。

ところで、この種のヒータ手段内蔵型の酸素センサ素子
を有する酸素センサにあっては、酸素検知部に設けた電
極から、その電気的出力を取り出すだめに、それに導通
ずる電極リード部や、酸素検知部を加熱するためのヒー
タ手段に電力を供給するためのヒータリード部が、酸素
センサ素子内に一体的に設けられ、そして酸素検知部か
ら離れた酸素センサ素子の端部（基部）において、外部
から導かれたリード線に対して適当な接続手段を介して
電気的に接続せしめられるようになっている。

そして、そのような外部リード線に対する接続構造の一
つとして、特開昭６０−１４３５７９号公報には、白金
ワイヤを、酸素センサ素子に一体的に設けられた酸素検
知部の電極リード部、ヒータ手段のヒータリード部と導
通せしめ、センサ素子内に一部埋め込むようにする一方
、かかる白金ワイヤをニッケル等の耐熱金属よりなるリ
ード端子にスポット溶接等で接続し、そしてその接続部
及びリード端子をガラスにより固定するようにした構造
のものが、明らかにされている。

しかしながら、かかる公報に開示の如き接続構造にあっ
ては、酸素センサの長期間の使用によって、上記の固定
用ガラスが高温下に長期間柄されると、かかるガラスの
電気絶縁性が低下する問題を生じ、そのために、甚だし
い場合には、ヒータ手段の正負の端子間でガラス中に大
きな電流が流れて、ガラスが？＠融したり、リードワイ
ヤたる白金ワイヤが溶融、切断する問題が惹起される。

また、ガラスは熱衝撃に弱いところから、例えば、酸素
センサが破水したりすると、ガラスにクラックが入り、
そして振動によってガラスが動き、細い白金ワイヤ、一
般には０．１〜０．５　ｍｍφのものが切断されてしま
うという問題も発生する。更に、ガラスは、比較的高温
（例えば、５００°Ｃ）以上で溶融せしめられて、適用
されるものであるところから、そのような高温によって
リード端子が酸化され、外部リード線と接続する際に、
導通が不充分となったり、また酸化膜を除去するための
処理が必要となる等の問題を内在しているのである。

（解決課題） ここにおいて、本発明は、かかる事情を背景にして為さ
れたものであって、その解決すべき課題とするところは
、上記の如き接続部やリード端子をガラスにより固定す
る従来構造において惹起される、長期間使用による電気
絶縁性の低下、熱衝撃によるクラックの発生、振動によ
るリードワイヤの切断等の問題を解消し、更に外部リー
ド線に強い引張力が加わっても、導通不良等の問題を惹
起しない端子構造を提供することにある。

（解決手段） そして、本発明は、かかる課題解決のために、酸素検知
部を加熱するためのヒータ手段が一体的に設けられた加
熱型酸素センサ素子と、該酸素センサ素子を収納する金
属ケースと、前記ヒータ手段のヒータリード部及び（又
は）前記酸素検知部の電極リード部に固着された、白金
族金属を主成分とするリードワイヤと、該リードワイヤ
に接続されたリード端子とを含む酸素センサの端子構造
において、該リード端子を充分な引張強度を有する素材
にて構成すると共に、少なくとも該リード端子の一部及
び（又は）該リード端子と前記リードワイヤとの接続部
をセメントにて被覆して、前記金屈ケース内に固定せし
めたことを、その要旨とするものである。

なお、かかる本発明に従う酸素センサの端子構造におい
て、セメントにて被覆された、少なくともリード端子の
一部及び該リード端子とリードワイヤとの接続部、また
はそれらの何れか一方は、−ｉに、そのままセメントに
て金属ケース内に固定される他、そのようなセメントに
よる被覆部を金属ケース内に収容して、ガラスにて固定
せしめる構成も、採用可能である。

（実施例） 以下、本発明を更に具体的に明らかにするために、本発
明の実施例を、図面に基づいて詳細に説明することとす
る。

先ず、第１図において、２は、ジルコニアを主成分とす
る固体電解質からなる狭幅な長平板状の酸素センサ素子
であって、よく知られているように、その先端部に酸素
検知部４が形成された構成となっている。即ち、本願出
願人が先に出願した特願昭５８−２３７０７６号、実願
昭５９−３８４０６号等にも明らかにされているように
、かかる酸素センサ素子２の酸素検知部４は、ジルコニ
アを主体とする酸素イオン伝導性の固体電解質体の外側
面に形成された、外部の被測定ガスに接触せしめられる
測定電極と、かかる固体電解質体の内側面に形成されて
、空気等の基準ガスに接触せしめられる基準電極とを含
んで構成されており、そしてそのような酸素検知部４を
所定の温度に加熱スルタめに、ヒータエレメントが印刷
、積層されて、一体的に配設されているのである。

このような酸素センサ素子２は、一般に積層構造におい
て形成されており、公知の積層法、厚膜法、印刷法等の
手法が適宜に採用されて、同時焼成により一体的に構成
されることとなる。また、このような酸素センサ素子２
にあっては、その酸素検知部４における電極の電気的出
力を外部に取り出すために、それぞれの電極から延びる
電極リード部や、ヒータエレメントの電気的な発熱のた
めに給電を行なう二つのヒータリード部が、酸素センサ
素子２の内部で、その基端部に至るように一体的に設け
られている。

そして、このように先端部に酸素検知部４が形成された
酸素センサ素子２は、第１図から明らかなように、その
中間部をセラミック・サポータ６ａ、６ｂ、’６ｃによ
って支持された状態で、金属製ハウジング８に溶接等に
よって固定された円筒状の金属ケースｌＯ内に収容され
、それらセラミック・サポータ６ａ、６ｂ；６ｂ、６ｃ
間に充填されたタルク等の充填材１２によって固定され
ている。また、それら充填材１２によって金属ケース１
０内の空間が気密に仕切られ、以て酸素センサ素子２の
基端部側の部位が、その先端部の被測定ガスに晒される
酸素検知部４側の部位から気密に仕切られるようになっ
ている。

なお、金属製ハウジング８の先端部には、ルーバ形態の
ガス導入口１４を側壁に備えた、有底円筒形状の金属製
の保護カバー１６が固設されている。そして、この保護
カバー１６内に、金属製ハウジング８の内孔の段付部に
て規制されるセラミック・サポータ６ａを貫通した酸素
センサ素子２が、その先端側の酸素検知部４を含む所定
長さ部分において突入、位置せしめられてちり、かかる
金属製ハウジング８が、その先端側の保護カバー１６部
分を被測定ガス存在空間に位置せしめた状態下において
、排気ガス管等の隔壁に取り付けられることによって、
ガス導入口１４を通じて導き入れられる排気ガス等の被
測定ガスに、酸素センサ素子２の酸素検知部４が接触せ
しめられるようになっている。

一方、酸素センサ素子２の基端部側においては、金属ワ
ッシャー１８と金属ケース１０に形成されたカシメ部２
０によって抜は出しが規制されるセラミック・サポータ
６ｃを貫通して、酸素センサ素子２の基端側の所定長さ
部分が突出せしめられており、そしてその基端側部分ま
で配設された電極リード部及びヒータリード部に対して
、公知の如く、白金族金属（例えば、Ｐｔ、Ｒｈ、Ｐｄ
Ｉｒ、Ｏｓ、Ｒｕ等）を主成分とするリードワイヤ２２
．２２が、それぞれ０．１５　＋ｎｍφ程度の細線とさ
れて、その一端部において、センサ素子２内に埋め込ま
れた状態において固着されて、接続せしめられている。

また、かかるリードワイヤ２２の他端部は、充分な引張
強度を有する素材、例えば、引張強度が６０　ｋｇ　／
　ｒｕｍ　”程度のステンレススチール等からなるリー
ド端子２４に、スポット溶接等によって電気的に接続せ
しめられている。なお、このリードワイヤ２２に接続せ
しめられるリード端子２４には、引張力が作用すること
となるところから、充分な引張強度とする必要があり、
一般に、５　ｋｇ以上の引張強度を有するように形成さ
れることとなる。

そして、このように酸素センナ素子２の基端部から延び
るリードワイヤ２２に接続されたリード端子２４は、そ
のセンサ素子側の端部の所定長さ部分が埋設された状態
において、酸素センサ素子２の基端部が位置する金属ケ
ースＩＯ内の空間、即ち第１図においてセラミック・サ
ポータ６ｃより上の空間に充填せしめられる、例えば２
００°Ｃで固化するセメント２６によって、固定せしめ
られている。なお、このセメント２６の材料とじては、
−ｉに、２５０°Ｃ以下で固化するものが有利に用いら
れ、特に室温で固化するものであれば、更に望ましい結
果を与える。また、本実施例では、金属ケース１０の端
部が内側に折り曲げられて、保持部２８が設けられてお
り、この保持部２８によるセメント２６の保持により、
引張作用が加わった場合におけるセメント２６の抜けが
阻止され得るようになっている。

また、リード端子２４は、セメント２６内に埋設された
端部とは反対側の端部において、ゴム栓３０を貫通して
導かれる外部リード線３２に対して、従来と同様に、接
続子３４を介して電気的に接続せしめられており、これ
によってヒータ電力が、外部リード線３２、リード端子
２４、リードワイヤ２２を通じて、酸素センサ素子２の
ヒータリード部に導かれ、該酸素センサ素子２内に一体
的に形成されたヒータエレメントによって、かかる酸素
センサ素子２の先端部に設けられた酸素検知部４が所定
の温度に加熱せしめられるようになっている一方、かか
る酸素検知部４における電気的出力が、それぞれの電極
の電極リード部から、リードワイヤ２２、リード端子２
４、外部リード線３２を通じて外部に取り出されるよう
になっているのである。

なお、本実施例においては、金属ケース１０の外側に、
それを取り囲むように、円筒形状の金属製の防水カバー
３６が配設され、かかる防水カバー３６の一端が金属製
ハウジング８に嵌着せしめられ、嵌着部全周に亘って全
周溶接が施されている一方、他端側の開口部内にゴム栓
３０が嵌入せしめられ、そしてカシメ部３８．３８によ
って、液密に且つ強固に固定されている。また、外部リ
ード線３２・・・は収束されて、保護チューブ４０内に
収容されている。

従って、このような酸素センサの端子構造にあっては、
この酸素センサを高温で長期間使用しても、酸素センサ
素子２のリード部から延びるリードワイヤ２２に接続さ
れたリード端子２４がセメント２６にて固定されている
ところから、該セメント２６によって、リード端子２４
間、更にはリードワイヤ２２間の電気絶縁性が有効に確
保され得て、その絶縁性が低下するようなことはないの
であり、またセメント２６を用いていることにより、熱
衝撃でクラックが入るようなことも少なく、従って、強
い振動が加わっても、細いリードワイヤ２２やそれとリ
ード端子２４との接続部（スポット溶接部）が動くよう
なこともなく、かがるリードワイヤ２２が切断されてし
まう恐れもなくなったのである。

また、外部リード線３２を強く引っ張っても、リード端
子２４は充分な引張強度を有しているため、リード端子
２４が切れるようなこともないことは勿論、セメント２
６の充填固化が低温度にて行なわれることにより、リー
ド端子２４が酸化されるようなこともなく、それ故に、
接続子３４を介しての外部リード線３２との電気的接続
も著しく向上せしめられ、更に酸化膜を除去するための
処理も全く必要でなくなったのである。

以上、第１図に示される本発明の一実施例について詳細
に説明してきたが、本発明が、かがる例示の構造に限定
して解釈されるものでは決してなく、当業者の知識に基
づいて種々なる変更、修正、改良等が施された形態にお
いて、実施されるものであることが、理解されるべきで
ある。

例えば、前記実施例では、リード端子２４が、そのリー
ドワイヤ２２接続側の端部において、所定長さに亘って
セメント２６内に埋設されて、固定せしめられる構造と
なっているが、またそのようなリード端子２４の少な（
とも一部の埋設と共に、或いはそれに換えて、リード端
子２４とリードワイヤ２２との接続部（スポット溶接部
）をセメント２６中に埋設、固定せしめても、何等差支
えないのであり、更にリードワイヤ２２を酸素センサ素
子２の基部の端面から取り出すばかりでなく、第２図に
示される如く、センサ素子２の側面からリードワイヤ２
２を取り出し、そして、そのようなリードワイヤ２２と
リード端子２４との接続部をセメント２６にて固定せし
めるようにした構造も採用可能である。

また、第３図に示されるように、酸素センサ素子２の基
端部にセメント２６からなる被覆部４２を設け、その被
覆部４２によって、リード端子２４の一部及び（又は）
該リード端子２４とセンサ素子２から取り出されたリー
ドワイヤ２２との接続部を埋設、固定せしめる一方、か
かる被覆部４２を適当なガラス４４によって金属ケース
１０内に固定するようにしても、リード端子２４やリー
ドワイヤ２２の電気絶縁性は有利に確保され得、従来の
ガラスのみによる固定の場合に見られる如き電気絶縁性
の低下の問題を良好に解消することが出来る。

なお、本発明にあっては、セメント２６を用いたリード
端子２４、リードワイヤ２２の電気絶縁は、酸素検知部
４からの電気的出力の取出しのための電極リード部側と
ヒータエレメントへの給電のためのヒータリード部側の
少なくとも何れが一方に対して実施されることとなるが
、好適には、少なくともヒータリード部側のリードワイ
ヤ２２やリード端子２４の絶縁、固定を、本発明に従っ
て実施することが望ましい。けだし、ヒータエレメント
に給電される電圧が高く、そのために、従来の溶融等の
問題が、ヒータリード部側で惹起されているからである
。

また、前例では、外部リード線３２を引っ張った時の金
属ケース１０からのセメント２６の抜けを防止するため
、かかる金属ケース１０の端部に内側に折り曲げられた
保持部２８が形成されているが、これに代えて、第４図
に示される如く、金属ケース１０のセメント２６の注入
、充填部位に凹凸４６を設けたり、かかる金属ケース１
０の内面を粗面化する等の手段を講じたりしても、何等
差支えない。なお、第４図においては、セメント２６の
下部にガラス４４を配置し、ガラスにより気密性を確保
している。この場合、第１図に示されるタルクによる気
密封止構造を併用しても良いし、削除しても良い。

なお、第４図に示される如く、ガラスによって気密性を
確保する場合に、ガラス４４とセラミック・サポータ（
６Ｃ）の熱膨脹係数が異なることが原因で、加熱・冷却
によりガラス４４にタラツクが発生し、気密性を確保出
来ないことがある。

このクラック防止のため、セラミック・サポータ６ｃは
、ガラスの熱膨脹係数に近いものを用いることが望まし
いが、第７図に示されるように、ガラス４４とセラミッ
ク・サポータ６ｃとの間に、ガラスに近い熱膨張係数を
有するセメント等の緩衝材料５１を入れても良い。なお
、ここで用いられるセメントとしては、耐熱性、耐強度
性の点から、リン酸系のセメントが好ましい。また、第
７図の構造の場合には、特にセメントを多孔体とすれば
、たとえセメント５１とセラミンク・サポータ６ｃとの
熱膨張係数が一部していなくても良い。

さらに、リード端子２４は、その強度を向上するために
、第５図に示される如（、断面がコ字状形状を為す構造
とするのが有効であり、更にまた、リード端子２４のセ
メント２６からの抜けを防止するために、それのセメン
ト埋入部の表面を粗面化したり、穴を開けたり、凹凸を
付けたりすることが望ましく、その−例が第６図に示さ
れている。

この第６図では、リード端子２４の両側部に設げた立上
り縁部４８に切込み部５０が形成されて、鋸歯状の凹凸
形状とされており、この鋸歯状の凹凸部がセメント２６
と係合することによって、リード端子２４の抜けが効果
的に抑制されることとなるのである。

そしてまた、リードワイヤ２２と酸素センサ素子２のヒ
ータリード部及び（又は）電極リード部との固着は、−
ｍに、リードワイヤ２２の端部を酸素センサ素子２内に
埋設して、それぞれのリード部と接触した状態において
、かかる酸素センサ素子を焼成することによって実現さ
れることとなるが、それらリードワイヤとリード部が電
気的に接続されるなら、他の固着接続方式を用いても何
等差支えなく、更にリードワイヤ２２の形態にあっても
、円形断面の他、板状断面であっても、何等差支えない
。

その他、−々列挙はしないが、本発明には、各種の実施
形態のものが存在し、それらが、何れも、本発明の趣旨
を逸脱しない限りにおいて、本発明の範囲内に含まれる
ものであることは、言うまでもないところである。

（発明の効果） 以上の説明から明らかなように、本発明にあっては、リ
ード端子及び（又は）リード端子とリードワイヤとの接
続部をセメントにて被覆して、金属ケース内に固定せし
める端子構造を採用するものであるところから、高温で
長期間使用しても、セメントの電気絶縁性が低下するよ
うなことはないのであり、それ故に、従来の端子構造に
おいて惹起されていた、絶縁性の低下に基づくガラスの
溶融やリードワイヤの溶融切断等の問題が効果的に解消
され得ることとなったのである。

また、リード端子やリードワイヤがセメントを用いて固
定されているので、熱衝撃により、これらの周りにクラ
ンクが惹起され難く、それ故に、振動によってリードワ
イヤやそのリード端子との接続部が動くようなことも回
避され、以て細いリードワイヤが切断されてしまう等の
問題も効果的に解消され得ることとなったのである。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明に係る端子構造を有する酸素センサ素
子の一実施例を示す要部切欠断面説明図であり、第２図
、第３図、第４図及び第７図は、それぞれ、本発明に従
う端子構造の異なる形態を有する酸素センサ素子基端部
の状態を示す要部拡大断面説明図であり、第５図及び第
６図は、それぞれ、本発明にて用いられるリード端子の
異なる形態を示す斜視説明図である。 ２：酸素センサ素子 ６ａ、６ｂ、６ｃ：セラ ８：金属製ハウジング １２：充填材 ２２：リードワイヤ ２６．５１：セメント ３０：ゴム栓 ３４：接続子 ４２：被覆部 ４：酸素検知部 ミンク・サポータ ｌＯ：金属ケース １６：保護カバー ２４：リード端子 ２８：保持部 ３２：外部リード線 ３６：防水カバー ４４＝ガラス 第２図 第３図 第６図 第５図 ？ｌ□ 第７図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 酸素検知部を加熱するためのヒータ手段が一体的に設け
   られた加熱型酸素センサ素子と、該酸素センサ素子を収
   納する金属ケースと、前記ヒータ手段のヒータリード部
   及び（又は）前記酸素検知部の電極リード部に固着され
   た、白金族金属を主成分とするリードワイヤと、該リー
   ドワイヤに接続されたリード端子とを含む酸素センサの
   端子構造において、 該リード端子を充分な引張強度を有する素材にて構成す
   ると共に、少なくとも該リード端子の一部及び（又は）
   該リード端子と前記リードワイヤとの接続部をセメント
   にて被覆して、前記金属ケース内に固定せしめたことを
   特徴とする酸素センサの端子構造。