JPH0416931Y2 - - Google Patents

Description

【考案の詳細な説明】 本考案は、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
めの酸素センサに係り、特に先端部に酸素検知部
が設けられた長手形状の酸素検知素子を用いた、
構造の簡単な、また製作ないしは組付け作業の容
易な酸素検知器に関するものである。

従来から、所謂酸素センサとして、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検知器が知られている。
例えば、そのような酸素検知器の一つは、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
極層を設けたものを検知素子とし、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に
晒し、酸素濃淡電池の原理によつて生ずる起電力
を検出信号として、近年、製造の容易性やコンパ
クト化の容易性等の観点から、有底円筒形状のも
のに代わつて、かかる検知素子を長手の板状体と
為し、その一方の端部に上記排気ガス等の被測定
ガスに晒される酸素検知部を設けたものが、注目
を浴びている。

ところで、このような酸素検知器にあつては、
何れもその酸素検知素子の酸素検知部において検
出される被測定ガス中の酸素分圧に応じた電気的
出力を外部に取り出す必要があり、このためかか
る酸素検知素子に設けられたリードに対して、酸
素検知器内に挿入せしめられた外部リード線を接
続せしめる必要があるのであるが、酸素検知素子
が長手の板状形状を有するものであるが故に、か
かる酸素検知素子に設けられたリードに直接に外
部のリード線を接続せしめることはできず、また
該酸素検知素子のリードから適当な補助リードを
延ばし、そしてこの補助リードと検知器外部から
のリード線とを、適当なカシメ接続子を介して電
気的に接続せしめるようにした構造を採用したと
ころで、その接続作業は面倒な、また困難なもの
であつて、目的とする酸素検知器の製作ないしは
組付け工程における生産性を低下せしめる一つの
大きな要因となる他、接続構造が複雑となり、ま
た接続の信頼性等においても少なからぬ問題を内
在しているのである。

しかも、このような外部のリード線に対する接
続に関して、単に、上記の如き酸素検知素子にお
ける電気的出力の取出しのためのリード部との接
続の他、酸素検知部の電気的出力の安定化のため
に、一般に該酸素検知素子内に所定のヒータが設
けられることを考えると、そのようなヒータに電
源を供給するためのヒータリードに対しても、外
部のリード線との接続を行なう必要があるのであ
る。そして、このために、酸素検知器内において
は、外部から挿入せしめられた複数本のリード線
に対して、酸素検知素子の複数のリード部を接続
せしめる必要があるが、このようなヒータリード
とリード線との接続にあつても、上述の如き問題
は内在しているのであり、更にまたコンパクトな
酸素検知器内部において、それらヒータリード、
出力リードと外部リード線との幾つかの接続を行
なうことは、その作業を著しく困難とすることは
勿論、その接続構造上においても複雑となるので
ある。

ここにおいて、本考案は、かかる事情を背景に
して為されたものであつて、その目的とするとこ
ろは、酸素検知素子に対する電気的な接続を極め
て簡単な接続構造にて迅速に行ない得るようにし
て、その製作乃至は組立て作業を著しく簡略化せ
しめた酸素検知器を提供することにあり、そして
そのために、本考案にあつては、被測定ガス中の
酸素分圧を測定するための酸素検知器であつて、
酸素検知素子が細長い板状形状よりなるものにお
いて、該酸素検知素子の長手方向の一端近傍に酸
素検知部を設けて被測定ガスに接触せしめるよう
にする一方、他の一端近傍には電気接点を有する
電気接続端子部を酸素検知素子上に直接設けて、
該電気接続端子部を所定の電気接続用端子金具に
直接嵌合せしめるようにした構造を採用したので
ある。

以下、本考案を更に具体的に明らかにするため
に、本考案の実施例を、図面に基づいて詳細に説
明することとする。

まず、第１図において、２は、ジルコニアを主
成分とする狭幅な長手板状の固体電解質からなる
酸素検知素子であつて、第２図にも示されている
ように、その先端部に酸素検知部４が形成された
構成となつている。

すなわち、第２図〜第５図において、ジルコニ
アを主体とする固体電解質からなる長手板状の基
板６に対して、その片面の一端側近傍に、白金等
からなる多孔質な内側電極８が印刷形成されてい
る。また、この内側電極８が印刷されている側の
基板６の面には、該内側電極８の上から、ジルコ
ニアを主体とする固定電解質からなるジルコニア
枠１０、そしてそのジルコニア枠１０と同様な成
分からなる酸素検知層１２が積層形成され、更に
かかる酸素検知層１２の上に、前記内側電極８と
同様の多孔質な外側電極１４が印刷形成され、そ
してその上に、外側電極１４の検知部以外の部分
をマスクするための酸素検知層１２と同様な成分
からなる保護層１６が積層形成されている。

また、ジルコニア枠１０の中央部には、第３図
〜第５図から明らかなように、その基端部から先
端部近傍まで貫通した状態で空所２０が形成され
をおり、そして該空所２０の先端部において、前
述の内側電極８が露出せしめられている。一方、
かかる内側電極８に対応するように、酸素検知層
１２の反対側の面に形成された外側電極１４は、
保護層１６に設けられた窓部２２を介して、外部
空間に露出せしめられるようになつている。そし
て、それら内側電極８及び外側電極１４からそれ
ぞれ長手方向に基端部側に延びるリード部２４，
２６が設けられているが、内側電極８のリード部
２４は、外側電極１４のリード部２６と同一の平
面上に位置するように、基端部側においてジルコ
ニア枠１０及び酸素検知層１２に穿設されたスル
ーホール２８を通じて持ち上げられ、該酸素検知
層１２の一方の面上において、他方のリード部２
６と略平行となるように導き出され、そして第２
図に示される如く、酸素検知素子２の基端部にお
いて露出せしめられて、電気接続端子部の電気接
点を構成している。

従つて、このような酸素検知素子２の先端部の
外部空間とジルコニア枠１０内に形成された空所
２０とを互いに気密に保ち、そして内側電極８及
び外側電極１４に酸素分圧の異なる気体を接触さ
せれば、酸素濃淡電池の原理によつて、それら電
極間から、酸素分圧の差に応じた電気信号を、そ
れらのリード部２４，２６を通じて外部に取り出
し得るのである。

なお、本実施例では、後述の説明から明らかに
なるように、ジルコニア枠１０の空所２０内に空
気が導かれ、また酸素検知素子２の先端部の外部
空間には、自動車のエンジン等の内燃機関からの
排気ガスが導かれるようになつており、これによ
つて空気を基準ガスとし、排気ガス中の酸素濃度
が検出されるようになつているのである。そし
て、その検出信号は、基端部において外部空間に
露出せしめられたリード部２４，２６を介して取
り出されることとなるのである。

一方、前記基板６の内側電極８が形成された側
とは反対側の面には、アルミナ絶縁層３０及びジ
ルコニア絶縁層３２を介して、ヒータ３４が設け
られている。このヒータ３４には、酸素検知素子
２の先端部の前記酸素検知部４に対応する部分に
位置するように、発熱部３６が形成されており、
このヒータ３４への通電によつて、酸素検知部６
が加熱されるようになつている。また、このヒー
タ３４は、酸素検知素子２の基端部まで延びるリ
ード部３８，３８を介して電源が供給されるよう
になつており、且つそれらリード部３８、３８の
基端部側の所定長さの部分を除いて、ジルコニア
からなるヒータ保護層４０によつて覆われ、排気
ガス等から保護されている。そして、その基端部
において露出せしめられたリード部３８，３８
は、また、電気接続端子部の電気接点を構成して
いるのである。

そして、このように先端部に酸素検知部４が形
成された酸素検知素子２は、第１図から明らかな
ように、その中間部を絶縁碍子４２によつて、ま
たその基端部を接続碍子４４によつて支持された
状態で、円筒状の金属製保護管体４６内に収容さ
れ、該絶縁碍子４２の前後に充填されたセメント
等の充填材４８によつて固定されている。また、
それら充填材４８によつて、保護管体４６の内部
の空間が気密に隔てられ、この隔てられた酸素検
知素子２の先端側の空間に、該検知素子２の酸素
検知部４が位置せしめられる一方、保護管体４６
の基端部側の空間（第１図において右側の部分）
に、酸素検知素子２内に形成された空所２０の出
口が開口せしめられて、連通されるようになつて
いる。

一方、接続碍子４４内においては、酸素検知素
子２の基端部の両面にそれぞれ露出せしめられた
前記内側電極８及び外側電極１４のそれぞれのリ
ード部２４及び２６と、ヒータ３４のヒータリー
ド部３８，３８が、保護管体４６の基端部（後端
部）に嵌入、固定されたゴム栓５０を貫いて挿入
されたリード線５２ａ，５２ｂ，５２ｃ及びアー
スリード５４に対して、それぞれ接続せしめられ
るようになつている。

すなわち、第６図〜第８図に示されるように、
接続碍子４４は、全体として円筒形状を為すもの
であり、その一方の側に、酸素検知素子２の基端
部が挿入せしめられる挿入孔５６を有しており、
またこの挿入孔５６に対して、他方の側から延び
るリード線挿入孔５８の四個がそれぞれ連通せし
められている。そして、図示の如くバネ材料から
なる接続端子金具６０に、所定のリード線（ここ
では５２ａ）がカシメ固定されて、電気的に接続
された後、リード線挿入孔５８から、接続端子金
具６０を先にして、接続碍子４４内に挿入せしめ
ることにより、かかる接続端子金具６０を、接続
碍子４４内において、挿入せしめられる酸素検知
素子２の基端部の上下両側にそれぞれ二個ずつ位
置するように、装着、配置せしめるのである。

また、この接続端子金具６０は、その両側に戻
り防止片６２，６２を有しており、接続碍子４４
内において、その戻り防止片６２がリード線挿入
孔５８に設けた段付部６４に係合することによつ
て、その有効な戻り防止が図られている。さら
に、この接続端子金具６０には、その先端側に、
くの字状に折曲された接触片６６が設けられてお
り、その接触片６６が酸素検知素子２の挿入孔５
６内に位置せしめられて、第７図に示される如
く、挿入された酸素検知素子２の基端部に対して
上下方向から弾性的に押圧、接触せしめられて、
それらの間の電気的な接続が為され得るようにな
つているのである。

すなわち、挿入せしめられる酸素検知素子２の
基端部に露出せしめられた各リード部２４，２
６；３８，３８が、電気接点を有する電気接続端
子部として機能し、これらが各リード線挿入孔５
８から延びる接続端子金具６０の接触片６６の間
に嵌合、接触せしめられて、直接に電気的接続が
行なわれることとなるのである。なお、ここで
は、酸素検知素子２の外側電極１４から延びるリ
ード部２６に接触せしめられる接続端子金具６０
は、所定のアースリード５４、例えば裸線に電気
的に接続され、第１図に示される如く、かかるア
ースリード５４が、ゴム栓５０の外周部に位置せ
しめられることによつて、保護管体４６にせしめ
られて、電気的に接続され、以て後述のハウジン
グを介して接地されるようになつている。

なお、保護管体４６の端部に嵌入せしめられた
ゴム栓５０には、該保護管体４６を介してカシメ
操作が加えられ、二条の周方向の溝状のカシメ部
６８，６８が形成されて、径方向に圧縮力が作用
せしめられており、以て三本のリード線５２ａ，
５２ｂ，５２ｃが強固に固定せしめられている。
このようなゴム栓５０を貫通するリード線５２ａ
〜５２ｃの強固な固定によつて、それらリード線
の振動乃至はその伝達が効果的に抑制され、以て
そのような振動が酸素検知器の内部、特に電気的
接続部分に伝わり、悪影響をもたらさないように
配慮されている。

また、接続碍子４４は、それに挿入された酸素
検知素子２とゴム栓５０との共働作用によつて、
その移動を規制されており、またゴム栓５０によ
つて保護管体４６の後端側開口部が密閉されると
ころから、保護管体４６の側壁に空気孔７０が設
けられて、これにより前記酸素検知素子２の空所
２０が保護管体４６に外部空間に連通せしめられ
得るようになつている。

さらに、かくの如く、酸素検知素子２を内部に
収納せしめた金属製の保護管体４６においては、
第１図から明らかなように、そのやや小径とされ
た先端部分に、複数の被測定ガス導入孔７２が設
けられており、かかる被測定ガス導入孔７２から
導入される排気ガス等の被測定ガスが、保護管体
４６の小径部分内に位置する酸素検知素子２の酸
素検知部４に接触せしめられるようになつてい
る。そして、かかる金属製保護管体４６の先端部
よりの外周面には、かかる保護管体４６を、自動
車の排気ガス管の如き被測定ガス流通管等の隔壁
にそれを貫通するように固定するためのハウジン
グ７４が、外挿、装着されており、該保護管体４
６の先端側の小径部を被測定ガス通路内に挿入し
た状態で、該保護管体４６を被測定ガス通路の隔
壁に気密に固定し得るようになつている。なお、
７６は、ハウジング７４と保護管体４６との間を
気密に保つための金属製の気密リングである。

従つて、かかる構成の酸素検知器にあつては、
酸素検知素子２の先端部に設けられた二つの電極
のうち、該検知素子２内の空所２０に露出させら
れた内側電極８には、前記空気孔７０を経て供給
される大気が接触させられることとなるのであ
り、一方酸素検知素子２の先端部において、外部
空間に露出せしめられる外側電極１４は、エンジ
ン等からの排気ガスの如き被測定ガスに晒される
ようになつているのである。そして、内側電極８
に接続されたリード線５２ａとアースとの間に、
被測定ガス中の酸素濃度に応じた電気信号が得ら
れることとなるのである。

以上の説明から明らかなように、上述の実施例
では、酸素検知素子２のそれぞれのリード部２
４，２６；３８，３８と外部のリード線５２ａ〜
５２ｃ、アースリード５４とが、単に酸素検知素
子２の基端部を接続碍子４４の挿入孔５６内に挿
入せしめて、所定の接続端子金具６０の接触片６
６に直接的に嵌合接触せしめることだけで、電気
的に接続されることとなるのである。

このように、酸素検知器における酸素検知素子
２への電気的な接続は、単に該酸素検知素子２の
基端部を接続碍子４４内の接続端子金具６０に対
して挿入、嵌合せしめるだけで済むこととなり、
換言すれば酸素検知素子２を雄プラグとして、雌
プラグとなる接続碍子４４（具体的には、四個の
接続端子金具６０の接触片６６）内に嵌入せしめ
ることによつて、簡単に電気的な接続が行なわれ
得るところから、酸素検知素子２の各リード部２
４，２６；３８，３８に対する電気的な接続作業
が極めて簡単となり、以て酸素検知器の製作乃至
は組付け作業が著しく簡略化され得たのである。

特に、本実施例においては、酸素検知素子２に
ヒータ３４が一体的に設けられ、酸素検知部４が
そのヒータ３４によつて加熱されるようになつて
いるが、このようなヒータ３４を設けた場合にあ
つても、上例の構造によれば、そのヒータリード
部３８，３８と外部のヒータ線であるリード線５
２ｂ，５２ｃに対して、酸素検知器内において、
電極のリード部２４，２６の接続と同時に、且つ
簡便に電気的に接続することができるのである。
そして、このように複数のリード部に対する電気
的な接続が同時に、且つ酸素検知素子２の基端部
の嵌入操作によつて為され得るところから、酸素
検知器における電気的接続作業、ひいては酸素検
知器の組立て作業の簡略化、迅速化の効果は更に
顕著なものとなるのであり、さらに、電気的に接
続すべきリード部の数が多ければ、多い程、その
ような効果はより良く発揮されることとなるので
ある。

なお、本実施例では、酸素検知素子２にヒータ
３４を一体的に内蔵せしめて、その酸素検知部４
を加熱せしめ得るようになつているところから、
作動開始時等における作動の立上り時間を更に短
縮し得るのみならず、排気ガスの温度が低くても
酸素検知部４の温度を常に一定温度以上に保つこ
とができるので、排気ガス中の酸素濃度の検出を
常に安定して行なうことができる等の利点があ
る。

また、本実施例の如く、酸素検知素子２の基端
部に露出せしめられるそれぞれのリード部２４，
２６：３８；３８は第９図に示されるように、か
かる基端部の板状形状面より、所定の高さをもつ
て突出せしめられていることが望ましく、これに
よつて、酸素検知素子２にその幅方向で反りが発
生しても、そのような反りのある基端部を接続碍
子４４内に嵌入せしめて、接続端子金具６０の接
触片６６間に嵌合せしめた場合に、それら接触片
６６との接触が有効に確保され得て、効果的な電
気的接続を為し得るのである。尤も、ここでは、
各リード部のみに所定の高さとなるように構成さ
れているが、これに代えて、酸素検知素子の基端
部の板状形状面に所定高さのベースを形成して、
そのベース上に所定のリード部が形成されるよう
にして、目的とする電気接点を有する電気接続端
子部が設けられるようにすることも可能である。

以上、本考案の一つの具体例について説明して
きたが、それはあくまでも文字通りの例示であつ
て、本考案は、そのような例示の具体例にのみ限
定して解釈されるものでは決してない。

例えば、前記実施例では、検知素子２は積層手
法によつて製造されたジルコニアを主成分とする
固体電解質材料によつて構成されているものであ
つたが、その他、そのような酸素検知素子を構成
する各層を印刷手法によつて形成せしめ、その後
焼成して製造する印刷タイプのものであつてもよ
く、また酸素検知素子２としては、一般にジルコ
ニアを主成分とする固体電解質材料にて実質的に
構成されることが望ましいものであるが、その他
の固体電解質材料を用いたものであつても何等差
支えないものである。

また、酸素検知素子２の酸素検知部４を、酸素
濃度により電気抵抗値の変化する酸化物半導体、
例えば酸化チタン等にて実質的に構成し、これを
排気ガス等の被測定ガスに晒し、酸素分圧による
酸素検知部４の電気抵抗変化を検知するようにし
たものも使用可能である。

さらに、かかる酸素検知素子２の基端部におい
て形成される電気接続端子部の構成としても、前
例の如く、一方の側に位置せしめられるリード部
が同一平面上に位置させられる場合の他、第１０
図に示される如く、その基端部が段付き形状とさ
れたものであつても、接続碍子４４側において、
そのような段付き形状に応じた接続端子金具６０
による直接の嵌合、接触可能な構造とされている
ならば、本考案において採用可能である。なお、
第１０図に示される如き、内側電極のリード部２
４と外側電極のリード部２６とが異なる平面上に
位置せしめられる構造の酸素検知素子２は、一般
にスクリーン印刷等の印刷方式にて形成されるこ
ととなる。

更にまた、例示の具体例では、酸素検知素子２
の基端部が雄プラグとして機能するように構成さ
れ、雌プラグとしての接続碍子４４の接続端子金
具６０に対して嵌合せしめられる構造となつてい
るが、この逆、即ち酸素検知素子２の基端部を雌
プラグとして機能する構造と為し、雄プラグ構造
とした接続碍子４４内の接続端子金具に対して嵌
合せしめるようにした構造であつても何等差支え
ないのである。

その他、一々列挙はしないが、本考案が、その
趣旨を逸脱しない範囲内において、当業者の知識
に基づいて種々なる変形、改良、修正等を加えた
態様で実施し得ることは、言うまでもないところ
である。

【図面の簡単な説明】

第１図は本考案に係る酸素検知器の一実施例を
示す要部切欠断面説明図であり、第２図は第１図
の検知器に用いられる酸素検知素子の一例を示す
斜視図であり、また第３図及び第４図は第２図に
おける−断面図及び−断面図であり、第
５図はその分解図であり、第６図は第１図の検知
器に用いられる接続碍子の一例を示す横断面図、
第７図及び第８図はそれぞれその−断面図及
び−断面図であり、第９図は第２図に示され
る酸素検知素子の基端部のリード部が露出せしめ
られた部分の一例を示す横断面図であり、第１０
図は本考案に用いられる酸素検知素子の他の一例
を示す第２図に対応する図である。 ２……酸素検知素子、４……酸素検知部、８…
…内側電極、１２……酸素検知層、１４……外側
電極、２０……空所、２２……窓部、２４……リ
ード部、２６……リード部、２８……スルーホー
ル、３４……ヒータ、３６……発熱部、３８……
ヒータリード部、４２……絶縁碍子、４４……接
続碍子、４６……保護管体、５０……ゴム栓、５
２ａ，５２ｂ，５２ｃ……リード線、５４……ア
ースリード、５６……挿入孔、５８……リード線
挿入孔、６０……接続端子金具、６２……戻り防
止片、６４……段付き部、６６……接触片、６８
……カシメ部、７４……ハウジング、７６……気
密リング。

Claims (1)

1. 【実用新案登録請求の範囲】 (1) 被測定ガス中の酸素分圧を測定するための酸
   素検知器であつて、酸素検知素子が細長い板状
   形状よりなるものにおいて、該酸素検知素子の
   長手方向の一端近傍に酸素検知部を設けて被測
   定ガスに接触せしめるようにする一方、他の一
   端近傍には電気接点を有する電気接続端子部を
   酸素検知素子上に直接設けて、該電気接続端子
   部を所定の電気接続用端子金具に直接嵌合せし
   めるようにしたことを特徴とする酸素検知器。 (2) 前記酸素検知素子の電気接続端子部が雄プラ
   グとして機能し、雌プラグとしての前記電気接
   続用端子金具に嵌合せしめられる実用新案登録
   請求の範囲第１項記載の酸素検知器。 (3) 前記酸素検知素子の電気接続端子部が雌プラ
   グとして機能し、雄プラグとしての前記電気接
   続用端子金具に嵌合せしめられる実用新案登録
   請求の範囲第１項記載の酸素検知器。 (4) 前記電気接続端子部が、少なくとも出力信号
   端子部とアース接地端子部を有し、且つ該アー
   ス接地端子部が、前記電気接続用端子金具を介
   して、前記酸素検知素子を収納する金属製容器
   に電気的に接続されている実用新案登録請求の
   範囲第１項乃至第３項の何れかに記載の酸素検
   知器。 (5) 前記酸素検知素子の酸素検知部が、実質的に
   ジルコニアを主成分とする固体電解質よりなる
   酸素濃淡電池の原理を利用したものである実用
   新案登録請求の範囲第１項乃至第４項の何れか
   に記載の酸素検知器。 (6) 前記酸素検知素子の酸素検知部が、酸素分圧
   によつて抵抗が変化する酸化物半導体を利用し
   て構成されたものである実用新案登録請求の範
   囲第１項乃至第４項の何れかに記載の酸素検知
   器。 (7) 前記酸素検知素子を加熱するヒータを有する
   実用新案登録請求の範囲第１項乃至第６項の何
   れかに記載の酸素検知器。 (8) 前記電気接続端子部が、前記ヒータに電源を
   供給するためのヒータ端子部を更に有する実用
   新案登録請求の範囲第７項記載の酸素検知器。 (9) 前記電気接続端子部の電気接点が前記酸素検
   知素子の板状形状面より突出して形成されてい
   る実用新案登録請求の範囲第１項乃至第８項の
   何れかに記載の酸素検知器。