JPH0430537Y2

JPH0430537Y2 -

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Publication number: JPH0430537Y2
Application number: JP1984066875U
Authority: JP
Priority date: 1984-05-07
Filing date: 1984-05-07
Publication date: 1992-07-23
Also published as: JPS60179862U; US4626337A

Description

【考案の詳細な説明】〔産業上の利用分野〕本考案は、例えば希薄燃焼式内燃機関の空燃比
制御に用いる酸素濃度検出器に関するものであ
る。

〔従来技術〕

従来の酸素濃度検出器としては、例えば特開昭
58−100746号公報に記載されたものがある。

これは酸素イオン伝導性金属酸化物よりなるコ
ツプ状の固体電解質素子の内表面に多孔質の薄膜
状内側電極を設け、この固体電解質素子の外表面
に、この閉塞端近傍に位置して所定の面積を除い
て耐熱性セラミツク材料よりなる電気絶縁層を形
成し、上記所定面積に該当する絶縁層の開口部の
上記固体電解質素子外表面に多孔質薄膜状の外側
電極を設け、かつ上記絶縁層の外表面にリード部
分を形成し、これら絶縁層、外側電極およびリー
ド部分の外表面を多孔質電気絶縁性セラミツク材
料からなる層で被つた構成を有している。

しかしながら、上記構造の酸素濃度検出器は長
期間の使用によつて、抵抗が増大し所定電圧を印
加しても限界電流値が得られなくなる等の特性劣
化を生じるという問題があり、内燃機関の空燃比
の制御を行なうことができなくなる。

そこで、上記の問題について検討したところ、
電気絶縁層の外表面の薄膜状のリード部分が高温
ガスに使用の都度されされることにより、リード
部分を構成している材料の金属粒子が凝集し、切
れ切れ（島状になる）になり電気的導通が悪くな
るため、上記の問題が生じることがわかつた。こ
の問題を詳細に検討するに、リード部の下地は電
気絶縁層であり、外表面の凹凸が激しく、固体電
解質素子上の電極に比べて凝集が起こりやすいこ
とが大きく影響している。そして、リード部の抵
抗が増大し、電極のリードとしての役割を十分果
たすことができなくなるのである。

〔考案の目的〕

本考案は、上記の点に鑑み、導電性金属粉末と
ガラス粉末、電気絶縁金属酸化物等の耐熱結合材
との焼結物よりなる、絶縁層上の薄膜リード部分
の外表面に結合し、かつ外側電極に電気的に導通
した導電性の骨材を有し、骨材を補助リード部と
することにより、耐久性を向上しようとするもの
である。

〔考案の効果〕

そして、本考案によれば、骨材と薄膜状のリー
ド部とはともに導電性金属である点で同じである
ことにより、両者の付着強度は強く、しかも薄膜
状のリード部のうち骨材に付着している部分は金
属粒子の凝集が抑制され、また骨材はその一構成
要素である耐熱結合材によつて強固にリード部に
結合していて凝集はほとんどなく、従つて薄膜状
のリード部が薄膜状であるがためにたとえ凝集し
たとしても、この骨材が補助リード部としての役
割を十分果たすことができ、従つて長期間の使用
によつて抵抗が増大するという問題を解決できて
耐久性のよい酸素濃度を検出器を得ることができ
る。

〔実施例〕

以下本考案の一実施例を第１図ないし第６図に
もとづき説明する。

図中１は固体電解質素子であり、被検ガス中の
酸素濃度に応じた起電力を示すとともに負の抵抗
温度特性を有する酸素イオン伝導性の金属酸化
物、たとえばZrO₂92モル％とYb₂O₃８モル％と
を固溶させた緻密な焼結体により形成されてい
る。上記固体電解質素子１は一端が閉塞されると
ともに他端が開放されたコツプ状の形状を成して
いる。この素子１の中央部外周には環状拡大部１
ａを設けてあり、また内周の開放端側には環状座
部１ｂが設けられている。

２は薄膜状の多孔質の内側電極であり、上記素
子１の内表面において上記座部１ｂまで略全面に
設けられている。３は同じく薄膜状の多孔質の外
側電極であり、これは素子１の検出ガス側におけ
る閉塞端側側面の一部分にのみ設けてある。この
電極３の面積は20mm²〜100mm²としてある。なおこ
の電極３部分の素子１の厚みは0.2mmから0.8mm程
度としてある。

４は耐熱セラミツク材料からなる電気絶縁層で
あり、固体電解質素子１の外表面に、上記電極３
部分を除いて被覆してある。この絶縁層４は上記
電極３を形成するよりも先立つて、該電極３に相
当する部分をマスキングしておき、アルミナやア
ルミナ・マグネシアスピネル等の耐熱絶縁セラミ
ツク材料をプラズマ溶射によつて100μ程度の厚
みに被覆したものである。このようなコーテイン
グ後に上記マスクを除去し、しかるのち素子１、
絶縁層４の外表面全面に亘つて白金等を化学メツ
キで被覆する。すると上記マスキングしておいた
絶縁層４の開口部分における素子１の露出面に白
金が被覆されるため当該部分が第２図に示される
ように電極３となり、また絶縁層４の外表面に被
着された白金は電極３と電気的に導通されたリー
ド部分５となる。なおリード部分５は絶縁層４に
よつて固体電解質素子１と電気絶縁されることに
なる。リード部分５は素子１の環状拡大部１ａの
頂面まで延在されている。さらに、リード部分５
の外表面上には、Ptの粉末、硼珪酸ガラス等の
低融点ガラス粉末とを混合してペースト状にした
ものを塗布して焼付けた線状の導電性の骨材５ａ
が１本設けてある。この骨材５ａはその一端が電
極３に電気的に導通しており、他端はリード部分
５の上端よりわずか上方に位置している。この骨
材５ａの形成方法は例えばPt粉末（粒径2μ）80
容量％に耐熱結合材として硼珪酸ガラス20容量％
を混合して有機溶剤を加えてペースト状にし、こ
のペースト状のものを筆塗り、タコ印刷、あるい
はデイスペンサによりリード部分５の外表面上に
付着させ、その後化学メツキ（リード部分）の焼
付けと同時に1000〜1100℃の温度で焼付ける。こ
の同時焼付けによつて硼珪酸ガラスを部分的に介
して強固にリード部分５に結合する。なお、骨材
５ａの厚さは約5μである。

６はガス拡散抵抗層であり、たとえばAl₂O₃ま
たはZrO₂などの多孔質電気絶縁性セラミツク材
料より形成されている。このガス拡散抵抗層６
は、外側電極３、リード部分５、および骨材５ａ
の排気ガスに晒される側の外表面を覆つており、
たとえばプラズマ溶射、もしくは予め構成したセ
ラミツクフイルタを接着するなどによつて形成さ
れている。なお、第１，２図は一点鎖線で表わし
てある。

７は棒状のセラミツクヒータであり、一端が素
子の内部に挿入されている。セラミツクヒータ７
はたとえばアルミン磁器中にニクロム線などから
なるコイル状もしくはクシ型パターン形状のヒー
タ線７ａを内蔵しており、比較的長尺に形成され
ている。

８は金属パイプでありその外周にフランジ部８
ａを設けてあるとともに１つ以上の貫通孔８ｂを
設けてある。このパイプ８は上記ヒータ７の外周
囲に嵌着されてたとえば銀ろう付により接合して
ある。パイプ８はそのフランジ部８ａを第５図に
示すように、Cuなどのリングパツキン９および
圧縮成形したグラフアイトリング１０を介して素
子１の環状座部１ｂに位置決めしてあり、したが
つてヒータ７の素子１の内部に対する突出量がパ
イプ８のフランジ部８ａにより決定されるように
なつている。１１は金属パイプで、ヒータ７の外
周に嵌挿してある。１２はアルミナなどよりなる
絶縁碍子で、パイプ１１の外周囲に嵌挿してあ
る。１３はコイルスプリングで、絶縁碍子１２と
パイプ１１との間に介装されており、パイプ８の
フランジ部８ａを押圧している。

１４は金属カバーであり、素子１の開放端側に
嵌挿され、その先端は素子１の環状拡大部１ａの
頂面に設けたリード線５に接触させてある。また
カバー１４の他端側は上記パイプ１１の外側に嵌
挿したシリコンゴム製リングスペース１５にかし
め固定してある。１６は金属製筒状ハウジングで
あり、このハウジング１６の内側の環状座部１６
ａに第６図に示されるように、リングパツキング
１７を介して上記素子１が載置されている。この
素子１の環状拡大部１ａの上方とハウジング１６
との間には、圧縮成形したリングタルク１８、ア
スベストリング１９、耐熱金属リング２０が配置
されている。２１はアルミナなどからなる絶縁碍
子で、上記カバー１４の外周に嵌挿してある。２
２は円筒状金属保護カバーであり、上記絶縁碍子
２１の外周に嵌挿してある。

上記絶縁碍子２１の一部ならびに保護カバー２
２の一部はハウジング１６の内側に挿通され、上
記リング２０の上部に金属かしめリング２３を載
置して、ハウジング１６の上端をかしめ固定して
ある。

２４はリード線で、ターミナル２４ａを介して
上記カバー１４に溶接されている。２５もリード
線で、ターミナル２５ａを介して上記パイプ１１
に溶接されている。２６はゴムチユーブで、この
チユーブ２６はカバー１４の端部側に嵌着してあ
り、金属カラー２７により強固にかしめ固定して
ある。２８，２９は前記ヒータ線７ａの端子であ
る。３０は取付孔３０ａを有する取付フランジ、
３１は穴あき部３１ａを有する保護カバーであ
り、該穴あき部３１ａを通じて被検ガスを導入す
る。３２はゴムブツシユである。

以上の構成により、電極３はリード部分５、骨
材５ａ、カバー１４を介してリード線２４に接続
され、また電極２はパツキング９、リング１０、
パイプ８，１１を介してリード線２５に導通して
いるものである。

このような構成にもとづく実施例の作用につい
て説明する。

リード線２５を電源の陽極に、かつリード線２
４を電源の陰極に接続し、電圧を加えると電流が
電極３から電極２へ流れる。ここで素子１は酸素
イオン伝導性の固体電解質であるから、被検ガス
中の酸素はガス拡散抵抗層６を経て電極３に至
り、この電極３にて電子の供給を受け、酸素イオ
ンとなる。この酸素イオンは素子１の内部を拡散
していき、電極２にて電子を放出して酸素分子に
戻る。

なお酸素分子はパイプ８の貫通孔８ｂを経て各
構成部品の〓間より大気中へ放出される。

上記の反応において、ガス拡散抵抗層６の厚さ
を一定以上の厚さ、たとえば300μとし、電極３
の面積を実質的に20〜100mm²の範囲内の一定値と
して電圧を徐々に上げていくと、ガス拡散抵抗層
６の影響にもとづき電圧を変化させても電流が変
化しない領域、すなわち限界電流が発生する。こ
の限界電流値Il次式(1)によつて計算される。

Il〜4F・DO₂／Ｒ・Ｔ・Ｓ／ｌ・PO₂ ……(1) Ｆ…フアラデイー定数Ｒ…気体定数 DO₂…酸素分子の拡散定数Ｔ…絶対温度Ｓ…電極面積ｌ…拡散抵抗層の有効拡散距離 PO₂…酸素分圧したがつて限界電流値は被検ガス中の酸素濃度
（分圧）に応じて変化するため、一定電圧を印加
しこの限界電流を測定すれば被検ガス中の酸素濃
度を知ることができ、例えば自動車内燃機関の空
燃比を制御できる。

ところで、酸素濃度検出器の使用の都度、固体
電解質素子１は排気ガスに晒されることになる。
排気ガスの温度は周知のごとく変動が激しく、従
つて固体電解質素子１の排気ガスに晒される側の
表面は排気ガス温度の冷熱サイクルの影響を直接
受けることになる。ここにおいては、骨材５ａ
は、薄膜状のリード部分５と同種の金属（白金）
から成り、かつこのリード部分５と製造の際に同
時に焼付けることにより両者の結合力は強い。ま
た、骨材５ａは硼珪酸ガラスを含んでいるため、
骨材５ａの材料どうしの結合も強固である。ゆえ
に、上記冷熱サイクルを受けても骨材５ａが凝集
し切れ切れになることはない。従つて、たとえ薄
膜状のリード部分５が凝集して切れ切れになつて
も、外側電極３の導電性は骨材５ａにより維持さ
れる。

なお、本考案において、第３図図示の検出器は
限界電流式（リーン）検出器として使用する場合
について説明したが、これを理論空燃比検出器に
使用することができる。

また、骨材５ａの材料における耐熱結合材はジ
ルコニア、アルミナ等の電気絶縁金属酸化物粉末
を用いてもよい。

また、内側電極２、外側電極３、リード部分
５、および骨材５ａの材質は白金（Pt）である
が、他のPd等の触媒作用をもつ材質、あるいは
合金組成にしてもよい。

また、層６はMgO・Al₂O₃（スピネル）等で構
成しても勿論よく、要は耐熱電気絶縁性セラミツ
クであればよい。

また、骨材５ａにおいて、導電性金属材料と耐
熱結合材との範囲は、導電性金属材料55〜95容量
％、耐熱結合材45〜５容量％がよい。また、導電
性金属材料の粒径は2μｍが望ましい。また、骨
材５ａの数は１本に限らず、複数本であつてもよ
い。

更に、本考案は溶鉱炉などの燃焼機構の空気制
御にも適用可能である。

【図面の簡単な説明】

第１図は本考案の検出器の要部である固体電解
質素子部分を示す外観図、第２図は第１図のＡ−
Ａ断面図、第３図は本考案検出器の一実施例を示
す全体構成断面図、第４図、第５図、第６図はそ
れぞれ第３図中のＢ，Ｃ，Ｄ部分を拡大して示す
断面図である。１……固定電解質素子、３……電極、４……電
気絶縁層、５……リード部分、５ａ……骨材、６
……層。

Claims

【実用新案登録請求の範囲】 (1) 酸素イオン伝導性金属酸化物よりなる固体電
解質素子の検出ガス側の表面に所定の面積を除
いて耐熱性セラミツク材料よりなる電気絶縁層
を形成し、前記所定面積に該当する前記絶縁層
の開口部に前記固体電解質素子外表面に多孔質
薄膜状電極を設け、かつ前記絶縁層上の外表面
に、前記電極と電気的に導通する薄膜状のリー
ド部分を形成し、更にこのリード部分上の外表
面に、導電性金属材料と耐熱絶縁結合材とを焼
結して成り、その結合材を介して前記リード部
分に結合して成る導電性の骨材を設け、この骨
材を前記電極に電気的に導通せしめ、これら前
記電極、前記リード部分、および前記骨材の外
表面を、多孔質電気絶縁性セラミツクから成る
層で被つた酸素濃度検出器。 (2) 前記骨材において、前記導電性金属材料は白
金粉末であり、前記耐熱結合材はガラス粉末、
ジルコニア粉末、アルミナ粉末より選ばれた１
つである実用新案登録請求の範囲第１項記載の
酸素濃度検出器。 (3) 前記骨材において、白金55〜95容量％、ガラ
ス45〜５容量％の組成で構成されている実用新
案登録請求の範囲第２項記載の酸素濃度検出
器。 (4) 前記酸素濃度検出器は、限界電流式酸素濃度
検出器である実用新案登録請求の範囲第１項〜
第３項いずれか記載の酸素濃度検出器。