JPH022536B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

内燃機関を初め各種の燃焼機器における排ガス
中の酸素濃度を検出する酸素センサとして、固体
電解質材料を酸素検出素子に使用したものが広く
使用されている。 この種の酸素センサは、ジルコニア等からなる
有底筒状の酸素検出素子の閉塞端から上方へ伸び
る内部電極およびこれと対応する外部電極を例え
ば白金焼付等によつて通気性を有するようにそれ
ぞれ層状に形成し、前者内部電極に対しては外気
を上記閉塞端まで流通させるように例えば中心に
空気流通路を有するコイル状のリード線を具えた
出力取出し用電線によつて外方へ引出し、後者外
部電極は外部の排ガスを接触させるための小孔を
穿設した保護管を有する主体金具に導通するよう
になつていたが、該主体金具と酸素検出素子の封
着に種々の難点があつた。 すなわち、このような従来の酸素センサにおけ
る主体金具と酸素検出素子の封着は、該酸素検出
素子の胴部に設けた径大の鍔を主体金具の内径面
に設けた段座面に座定し、上記酸素検出素子の鍔
から上方の径小部と主体金具の軸孔の段座面上方
に形成される環状空隙に、滑性が高く密填性に優
れた内燃機関用点火栓の封着剤として広く実用さ
れる滑石（タルク）の粉末や炭素粉末を充填、圧
縮し、その上方に前記内部電極層と出力取出し用
電線の接続部を囲繞して絶縁的に保護する金属套
管を当て、上記主体金具の上端面を内方に加締め
るものであつた。そして酸素センサは高温の排ガ
ス管、殊に内燃機関の排ガス検知装置として排気
管に装着するときは、上記封着部分の上昇温度は
内燃機関用点火栓の場合よりも遥かに高い数百
度、特に甚だしい場合は650℃程度にも達する。 これに対し炭素は耐酸化性に乏しく400℃付近
から酸化し初め体積が減少して封着効果を失なつ
て最後には該封着部分の緩みに至る怖れがあるこ
とが判り、またこの酸化によつて生ずる体積の減
少は先に本出願人が特願昭55−159029号（特開昭
57−82762号公報）において提案したように、上
記黒鉛の微粉末からなる封着部分と金属套管の間
に主体金具の熱膨張係数よりも低い熱膨張係数を
有する金属リングを介挿し、該金属リングの外周
付近において通電によつて局部的に加熱される環
状の凹溝を設けた主体金具をその上端縁において
加締め、上記封着部分に強い圧縮力を付与するこ
とによつて改善されたが、黒鉛粉末の酸化による
耐久性の不安は依然として残されていた。一方滑
石を使用する場合は、充填された滑石から放出さ
れる結晶水に起因すると考えられるガスが発生
し、これが酸素検出素子の外周面に沿つて上記金
属套管内に侵入して前記出力取出し用電線のコイ
ル状リード線の中心の開口部を経て流通する酸素
検出素子内の大気を汚染して出力を低下させるこ
とを見出した。 本発明は、上記黒鉛粉末は数百度℃にも達する
この種の酸素センサの封止剤としては本質的に不
利と考え、これに代えて滑石の微粉末について更
に検討した結果、該滑石における前記の不具合の
発生は予め550℃以上で仮焼することによつてな
くすることができること、そして仮焼温度の上昇
に伴なつてその滑性を低下し充填密度を低下させ
るが、酸素センサの場合その受けるガスの圧力が
低く約１Kg／cm²程度に止まり著しく低く封止剤に
大きい充填密度を必要としないことに着目してな
されたもので、上記封止剤として550〜1000℃の
範囲内において仮焼した滑石の微粉末を採用する
ことによつて必要な封着効果（気密性）と満足す
べき耐久性を具えた酸素センサを得ることに成功
した。 図面は本発明に係る酸素センサの一実施例を示
し、１は安定化ジルコニア等酸素イオン伝導性固
体電解質からなり、有底孔１１と胴部に径大の鍔
１２を具えた有底筒状の酸素検出素子を示し、該
鍔１２から下方に伸びる脚部１３の末端の閉塞端
１３ａから有底孔１１の内面を上方に伸び上端面
に達する内部電極２ａおよび外面を上方に伸び脚
部１３を経て鍔１２に達する外部電極２ｂを白金
等耐火性金属からなる多孔質の薄膜によつて形成
する。３は排気管（図示省略）内に挿通され、上
記酸素検出素子の脚部１３に排ガスを流通させる
複数の小孔３１ａ，３１ａ…を設け、該酸素検出
素子の脚部１３を機械的に保護する保護管３１を
下方に突設し、酸素検出素子の鍔１２を座定する
と共に外部電極２ｂを電気的に導通する段座３２
を有する主体金具、４は該主体金具の段座３２の
上方の径大の軸孔３３と酸素検出素子の鍔１２の
上方の径小の頭部１４との間に形成される環状空
隙に充填、圧縮された封止剤を示し、本発明にお
いては550〜1000℃にて仮焼した滑石の微粉末を
使用する。５は該封止剤４の上方に配され上記主
体金具の径大の軸孔３３の内壁面およい酸素検出
素子の径小の頭部１４の外径面に嵌合する径大の
鍔５１を有する金属套管、６は該金属套管とその
鍔５１上において嵌合して主体金具３の上端面に
よつて加締められ、該金属套管５を介して上記封
止剤４の緩みを防止する金属リングで金属套管５
と一体に製作してもよいが、図示のように該金属
リング６と対応する主体金具３の外周面に薄肉の
溝３４を設け、該主体金具３の上端面を加締める
とき、これと同時に通電して上記薄肉の溝を軟
化、変形させて封止効果を更に高めようとすると
きは上記の変形した薄肉の溝３４の内径方向の変
形量に見合う径小部６１を設ける。なお、７は上
記封止剤４を下方にシールする金属リング、８お
よび９は同じく封止剤４の弾性を高めると共に上
方にシールするバルカシートおよび金属板からな
るパツキンであるが、これらはいずれも省略する
ことができる。 次に１００は前記酸素検出素子の有底孔１１の
開口端に刻設されたねじ１１ａに圧嵌して機械的
に保持されると共に該ねじ１１ａまで延設された
内部電極層２ａと電気的に接続するコイル状端子
１０１を有する出力導線を示し、その前端におい
て金属メツシユ１１３およびシリコンゴム等の弾
性絶縁材料１１２に被覆され、外気とその中心の
開口部１１１ａにおいて連通するように巻回され
た出力取出し用電線１１０の中心のコイル状リー
ド線１１１と接続する。１２０は上記出力取出し
用電線１００の絶縁を確保するため前記金属套管
５の内径面に設けられた合成樹脂あるいはセラミ
ツク等からなる絶縁筒で、上記酸素検出素子の有
底孔１１の上端に座定された支持片１３０によつ
て保持された剛性のばね１４０を介して該金属套
管５の上端における加締め等によつて固定され
る。また、１５０は出力取出し電線１１０をシリ
コンゴム等からなる軟質の絶縁管１６０を介して
金属套管５と同軸線上に保持する金属のキヤツプ
を示し、該金属套管５の上端部において加締め等
によつて固定し、その下方に同じく金属套管５の
側壁に穿設され、前記出力取出し用電線のコイル
状リード線１１１の中心の開口部１１１ａと共に
酸素検出素子の有底孔１１内に大気を通ずる空気
孔５２を囲繞する環状空隙Ｇを設ける。 なお、該環状空隙Ｇを形成する金属キヤツプの
延長部は、油類あるいは塵埃等による金属套管５
内の汚染を防止するためのものであるが、場合に
よつては金属キヤツプ１５０を省略すると共に金
属套管５を上方に延長して直接軟質の絶縁管１６
０を封止して空気孔５２を省略することができ
る。また、空気孔５２を設けるときは出力取出し
用電線１１０は中実のものを使用してもよい。 なお、前記出力導線１００から軟質の絶縁管１
６０に至る出力取出し用電線１１０の電気的接続
機構および該出力取出し用電線１１０の金属套管
５に対する機械的組付機構は代表的の構成として
示したもので、清浄な外気が酸素検出素子の軸孔
内に通ずると共に該酸素検出素子の軸孔内に設け
られた内部電極層が確実に出力取出し用電線に接
続できれば別の構成を採用することができる。 実施例 外径15mmで巾４mmの鍔１２を胴部に形成し、該
鍔から上方に外径10mmの径小の頭部１４を設けた
有底筒状の安定化ジルコニアからなる酸素検出素
子１を、該酸素検出素子の鍔１２の外径面と緩く
嵌合する主体金具３の径大の軸孔３３内に収納、
段座３２において直接支承し、該径大の軸孔３３
と酸素検出素子の径小の頭部１４との間に形成さ
れる巾約2.5mmの環状空隙に、550℃、800℃、
1000℃および1100℃でそれぞれ２時間仮焼した滑
石および黒鉛の微粉末（100メツシユパス）を充
填し、2500Kgで加圧した後圧縮された充填粉末を
主体金具の上端面から９mmの深さ（上記の鍔１２
の肩部から上面までの高さ６mm）に削り取り、該
充填粉末の上に上記環状空隙と略々等しい内・外
径で、高さ６mmの金属リング６を当て、主体金具
３の該金属リング６に対応する外径面に形成した
巾2.5mmで内径面との間に0.8mmの厚さを呈する薄
肉の溝３４に通電し、これを約800℃に加熱した
状態で主体金具３の上端面を4000Kgで加締めて得
た試料について高温保持における耐久性を測定し
た結果を次表に示す。高温における耐久性は空気
圧４Kg／cm²を加えて行ないシール部から空気が漏
洩するまでの時間で示した。

【表】 前表によつて明らかにされる通り、酸素センサ
の封止剤として従来の黒鉛の微粉末を使用した場
合は、550℃の加熱によつて300時間後、650℃の
場合は100時間後において漏洩を生じたのに対し
て、550〜1000℃の範囲内において仮焼した滑石
の微粉末を使用した本発明においては遥かに高い
耐久性を示したが、範囲外の1100℃まで仮焼温度
を高めた場合は効果が見られなかつた。これは滑
石の特性として1000℃付近から結晶水の放出が急
激に増大して密度が著しく低下することに起因す
ると考えられる。 なお、前表に示される通り滑石微粉末は仮焼温
度が低い程高い耐久性を示し、550℃および800℃
にて仮焼した場合は黒鉛の微粉末に比して２倍以
上の値を示すが、前述の通り滑石は温度上昇に伴
なつて結晶水を放出して弾力性を減少させていく
傾向をもつので仮焼温度を必要以上に高めること
は不利であり、その面から仮焼温度は実際上800
℃前後が適当である。

【図面の簡単な説明】

図面は本発明の酸素センサの実施例を示す４半
分縦断面図である。 １……酸素検出素子、１２……径大の鍔、１３
ａ……閉塞端、１４……径小の頭部、２ａ……内
部電極層、２ｂ……外部電極層、３……主体金
具、３１……保護管、３１ａ，３１ａ……開口
部、３２……段座、３３……軸孔、４……封止
剤、１１０……出力取出し用電線。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ 閉塞端の内面から上方に伸びて出力取出し用
   電線に接続すると共に外気に接する内部電極とこ
   れと対応して外面を上方に伸びる外部電極を具え
   た有底筒状の酸素検出素子の胴部に設けた径大の
   鍔を、主体金具の軸孔内の段座に座定し上記外部
   電極を主体金具と電気的に導通すると共に、上記
   酸素検出素子の鍔の上方の径小の頭部と、これを
   囲繞する主体金具の軸孔との形成される環状空隙
   に550〜1000℃にて仮焼した滑石の粉末からなる
   封止剤を充填して両者を封着したことを特徴とす
   る酸素センサ。