JPH0833369B2 - 酸素センサ - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明は、酸素センサ、特に車両の排ガス系に配備さ
れる酸素センサ（以下、車両用酸素センサという。）に
関する。

（従来技術および問題点） 車両用酸素センサには、袋状の固体電解質素子を有
し、該素子の内外面に一対の電極を備え、内面側の電極
（基準電極）を基準酸素ガスに、外面側の電極（測定電
極）を測定酸素ガスに接触させ、素子内外面の酸素濃度
差に対応して両電極間に電位差を生ぜしめ、かかる電位
差に基づく信号を制御回路に出力し、酸素濃度を検知す
るようにしたものがある。

そして、かかる車両用酸素センサは、そのハウジング
が排ガス系のマニホールドに取付けられ、一方の電極
（通常は基準電極）を制御回路に導通する一方、他方の
電極（通常は測定電極）をハウジングしたがって排ガス
系を通じてアースするのが普通であった（たとえば、特
公昭59−41952）。

しかしながら、この種の酸素センサにあっては、出力
が微弱であることからエンジン系の若干のノイズ、たと
えば点火プラグによるノイズまたはアース電流の電位差
によるノイズによっても影響を受けてしまい、正確な検
知が困難である、といった問題を有する。

これに対して、上記他方の電極（通常は測定電極）も
ハウジングに対して電気的に絶縁して制御回路側へ導き
ノイズの混入をなくするようにした言うなれば両絶縁型
の酸素センサが特開昭51−103494号公報や特開昭60−18
3857号公報に提案されている。しかし、これらのもの
は、高温での使用も行なわれる実際使用上不満足なもの
でしかなかった。

（目的） 本発明の目的は、かかる従来技術の問題点に鑑み、高
温時においてもエンジン系のノイズによって酸素センサ
の出力が影響されることを極力抑止して車両用酸素セン
サによる常に正確な酸素濃度の検知を可能にすることに
ある。

（問題点の解決手段） 本発明の酸素センサは、先方が検出部（4a）とされ、
後方が出力取出部（4b）とされ且つ中間部に外方に突出
する鍔部（4c）が形成された固体電解質素子（４）と、
検出部において外素子の内外面に備えられた１対の電極
と、素子の外面に備えられ、先端が外面に備えられた電
極の後端に接続されるとともに後端が出力取り出し部に
至る線状、帯状あるいは膜状に形成されたリード部
（８′）と、出力取出部（4b）におけるリード部と外部
リードとを電気的に接続するための接続手段と、全体と
して筒状体をなして内面にテーパ段部（13a）と後端に
加締部（13b）を備え、電極とリード部（８′）とを備
えた固体電解質素子（４）を同軸状に挿通せしめるとと
もにこれを鍔部（4c）がテーパ段部（13a）と加締部（1
3b）との間で軸方向に強圧介装されるようになして把持
するための取付金具（13）と、素子リード部（８′）と
取付金具（13）との間の電気絶縁性を確保するために固
体電解質素子（４）と取付金具との間の環状空間部に介
装された絶縁体ユニット（17）とを備えた酸素センサで
あって、絶縁体ユニット（17）が、固体電解質素子の鍔
部（4c）の先方を向く面と取付金具のテーパ段部（13
a）との間に鍔部の先方側の突出肩面に直接作用するよ
うに軸方向に強圧介装されたセラミック焼結体から成る
先方筒状絶縁体（18）と、加締部と鍔部の後方を向く面
との間においてそれぞれ鍔部の後側の突出肩面に直接作
用するように軸方向に強圧介装された圧縮充填セラミッ
ク粉末からなる中間筒状絶縁体（19）と、取り付け金具
から該軸方向に強圧され、中間筒状絶縁体（19）を軸方
向に強圧する、セラミック焼結体から成る後方筒状絶縁
体（20）とからなることを特徴とする。

（実施態様） （１） 前記リードとしては、素子外面の先後方向に沿
って帯状に延びたものが好ましい。

リード部の材料としては、貴金属たとえば白金（Pt）
が挙げられる。

（２） 前記絶縁体としては、前記素子の鍔部に対し
て、より先方に位置する絶縁体とより後方に位置する絶
縁体と、その中間に配設される弾性部材および気密封止
材としての圧縮充填セラミックス粉末からなる分割構成
が好ましい。

絶縁体の材料としては、高温電気絶性と強度において
有利なセラミックを用いる。

（３） 基準電極及び測定電極からの電位を伝える導電
性材料として、グラファイトのような高温（600℃以
上）で酸素と反応するような材料を用いる必要がない構
造であるので、高温（特に600℃以上）での使用に本発
明の酸素センサは好適である。

（作用） こうした構成とすることにより、素子外面のリード部
は、600〜800℃の高温においてもハウジングに対して充
分な電気絶縁性を保持してハウジング外に出力（アー
ス）することができるとともに固体電解質素子は取付金
具に対して高温・強振動下でも常に確実にかつ反発力が
常時バネ作用の如く作用して固定されかくて良好な気密
性、絶縁性及び必要な電極端子の接続性を保持して固定
される。

（実施例） 以下、本発明の実施例を図面に基づいて説明する。

第１図〜第４図において、１は酸素センサであり、こ
の酸素センサ１は、車両のエンジン系の排ガスマニホー
ルド２に取付けられ、その信号が制御回路３に出力され
るものである。

前記酸素センサ１は、大略、酸素ガス濃度に応じて分
圧差を生ずる袋状の固体電解質素子４と、素子４に基づ
く信号を前記制御回路３に出力するリード素５と、素子
４およびリード素５（の一部）を包囲するハウジング６
とから構成されている。

前記素子４は、その先端部が検出部4aとされ、その外
側には排ガスＡが、その内側には基準ガスＢがそれぞれ
存在し、排ガスＡと基準ガスＢとによって酸素濃度差を
生じ得るようになっている。また、その後端部は出力取
出部4bとされ、素子４からの信号はこの出力取出部4bよ
り前記制御回路へ伝送される。なお、4cは素子４の先後
方向中間部位において外方に突出形成された鍔部であ
る。

その素子４には、検出部4aの周回り方向全域におい
て、その内面に多孔性基準電極７、その外面に多孔性測
定電極７′が備えられ、前記酸素濃度差に基づいて電位
差を生じるようになっている。

前記リード素５は、素子リード８、８′、外部リード
９、９′および上記素子リード８、８′と外部リード
９、９′を電気的に接続するための接続手段としての中
間リード10、10′からなる。素子リード８、８′は、素
子４の内外面に備えられるものであり、その先端が各電
極７、７′の後端に接続されて素子４形状に沿って後方
へ帯状に延び、出力取出部4bに至っている。一方、外部
リード９、９′は、前記制御回路３から伸び、前記ハウ
ジング６の後端部に挿入されている。中間リード10、1
0′は、ハウジング６内において前記素子４の出力取出
部4bと外部リード９、９′の挿入端部との間に配設さ
れ、素子４に係る一対の電極７、７′と制御回路３に係
る一対の外部リード９、９′とを接続している。ここで
は、中間リード10、10′はバネ性の耐熱性材料（例えば
析出硬化性ステンレス）からなり、その先端部がバネ性
帯状体10a、10′ａとされ、素子４の出力取出部4bにお
いて、帯状体10aが素子リード８後端に対してその半径
方向外方へ向うバネ力によって圧接するように嵌着され
るとともに、帯状体10′ａが素子リード８′後端に対し
てその半径方向内方に向うバネ力によっては圧接するよ
うに嵌着されることにより、電極７、７′と中間リード
10、10′とが素子リード８、８′を介して接続されてい
る。一方、中間リード10、10′の後端部は割欠き筒状体
10b、10′ｂとされ、この筒状体10b、10′ｂが外部リー
ド９、９′の挿入端部にそれぞれ嵌合されることによ
り、制御回路３と中間リード10、10′とが外部リード
９、９′を介して接続されている。そして、制御回路３
において、測定電極７′に係る出力がアースされる。

ここで、前記素子４の外面側においては、測定電極
７′を被覆して多孔性保護層11が積層されており、測定
電極７′および保護層11が多孔性であることから、排ガ
スＡの素子４への接触が確保されている。

前記ハウジング６は、前記マニホールド２に固定され
る取付金具13を有し、この取付金具13の先方には素子４
の検出部4aの熱劣化を防止する保護キャップ14が配設さ
れる一方、後方には前記中間リード10、10′および外部
リード９、９′の一部（挿入端部）を包囲して第１筒体
15および第２筒体16が配設されている。取付金具13の後
端には加締部13bが形成され、また内面側にはテーパ段
部13aが形成されている。

前記素子４と前記取付金具13との間の環状空間部に
は、素子リード８′と取付金具13との間の電気絶縁性と
熱的絶縁性を確保するために絶縁体17が介装されてい
る。この絶縁体17ユニットは、先方より後方へ向って順
次位置する先方絶縁体18、中間絶縁体19および後方絶縁
体20からなる。先方絶縁体18はセラミック（例えばアル
ミナ）焼結体からなり、その内面中央にテーパ部18a、
外面先端にテーパ部18bを有する筒状体であり、内面テ
ーパ部18aが前記鍔部4cの先方テーパ部に当接する一
方、外面テーパ部18bが前記段部13aに当接している。中
間絶縁体19は、充填セラミック粉末（例えばタルクの粉
末）からなる筒状体であり、常時反発力を作用させるた
めのいわばバネ材ないし弾性部材及び気密封止材として
働くものである。後方絶縁体20はセラミック（例えばア
ルミナ）焼結体からなり、ここでは、その外面後端が大
径部20aとされた同じく筒状体であり、この大径部20aが
取付金具13の後端部（その内径が若干大径とされてい
る。）に係止することにより先後方向への最大変位が規
制されている。ここで、取付金具13の後端加締部13bは
かしめられており、前記第１筒体15先端の外向きフラン
ジ15aを介して後方絶縁体20したがって弾性部材及び気
密防止材として働く中間絶縁体19が素子４の鍔部4cを後
方より押圧する一方、取付金具13の段部13aしたがって
先方絶縁体18が該鍔部4cを先方より押圧し、これによっ
て素子４は上記各絶縁体18、19、20とともに取付金具13
に対して所定位置に保持されている。なお、21は金属パ
ッキンである。

また、筒体15、16と外部リード９′ないしは中間リー
ド10、10′との間には先後方向に亘って適宜に絶縁体2
2、22が介装されている。

なお、23はヒータ、そして24は該ヒータに係るリード
素である。

次に、こうした構成の実施例の酸素センサについて、
その作用を述べる。

いま、酸素ガスの濃度差に基づく電位差が両電極７、
７′との間に発生したとする。すると、基準電極７から
の信号は、素子リード８、中間リード10および外部リー
ド９を介して、制御回路３に出力される。一方、測定電
極７′からの信号は、素子リード８′、中間リード10′
および外部リード９′を介して、制御回路３に出力さ
れ、アースされる。ここで、こうした信号の出力系は、
両電極７、７′のいずれに係るものについても、エンジ
ン系に導通し得るハウジング（すなわち取付金具13、保
護キャップ14および筒体15、16）とは、絶縁要素（すな
わち、絶縁体ユニット17および絶縁体22、22）によって
絶縁されている。そのため、酸素センサ１からリード素
５を経由して制御回路３に至る出力信号が、エンジン系
からのノイズによって殆ど影響を受けない。特に取付金
具13は高温になるがその部分はセラミックの絶縁体ユニ
ット、すなわち先方筒状セラミック絶縁体18、充填セラ
ミック粉末からなる中間筒状絶縁体19および後方筒状セ
ラミック絶縁体とからなるので、高い電気絶縁性能（例
えば1MΩ以上）が容易にえられ、常に安定してエンジン
系からのノイズ混入が阻止される。

また、これらの絶縁体18、19、20は固体電解質素子４
の鍔部4cとともに取付金具のテーパ段部13aと加締部13b
との間で軸方向に強圧介装することにより固着されてい
るので、組付体としてコンパクトな構成のもとで高温・
強振動下でも常に頑丈にして気密性良好な酸素センサが
得られる。

（他の実施態様） 電極７、７′に係る信号は、エンジン系に直結するハ
ウジング６を通じてアースしない限り、いかなる態様に
よってアースしてもよい。

たとえば、外部リード９′によってハウジング６外に
出力された信号を、制御回路３を経由することなくアー
スしてもよい。また、基準電極７に係る信号をアースし
てもよい。

（発明の効果） 以上の如く、本発明によれば、前述した従来技術の問
題点を解消して、酸素センサによる酸素濃度の検知精度
を高温下においても常に安定して向上させることができ
るという顕著な効果を奏する。

また固体電解質素子を取付金具に対してセラミック粉
末からなる弾性部材を中間に有するセラミック絶縁体ユ
ニット介してをカシメ取付したことにより、高温・強振
動下でも常に、確実に絶縁すると共にしてかつ良好な気
密性を維持する組付けが果たされる。

さらに加うるに、固体電解質素子外面に接着形成され
たリード部の後端を上記素子の外側電極の出力取付部と
することで外部への出力（アース）取出しも確実かつ容
易に行なうことができ、正負両極が絶縁されると共に確
実に外部への電気接続が達成され、しかも酸素センサ全
体としての組付け構造をコンパクトとすることができ、
また組付けも容易となる。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明に係る酸素センサの取付位置の一例を
示す一部断面図、 第２図は、本発明の一実施例の全体を示す一部断面図、 第３図は、前記実施例の固体電解質素子に係るリード状
態を示す斜視図、そして、 第４図は、前記実施例の絶縁体（取付金具に係るもの）
を示す斜視図であって、第４図（イ）は先方絶縁体およ
び第４図（ロ）は後方絶縁体を示したもの、 を示す。 １……酸素センサ、 ４……固体電解質素子、 4a……検出部、 4b……出力取出部、 4c……鍔部、 ６……ハウジング、 ７、７′……電極（基準電極、測定電極）、 ８′……リード（外面に備えられた素子リード）、 13……取付金具、 13a……テーパ段部、 13b……加締部 17……絶縁体ユニット 18……先方筒状絶縁体 19……中間筒状絶縁体 20……後方筒状絶縁体

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 昭57−178152（ＪＰ，Ａ) 特開 昭51−103494（ＪＰ，Ａ) 実開 昭60−179862（ＪＰ，Ｕ) 実開 昭57−86452（ＪＰ，Ｕ) 実開 昭60−183857（ＪＰ，Ｕ)

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】先方が検出部（4a）とされ、後方が出力取
   出部（4b）とされ且つ中間部に外方に突出する鍔部（4
   c）が形成された固体電解質素子（４）と、 上記検出部において該素子の内外面に備えられた１対の
   電極と、 前記素子の外面に備えられ、先端が該外面に備えられた
   前記電極の後端に接続されるとともに後端が前記出力取
   り出し部に至る線状、帯状あるいは膜状に形成されたリ
   ード部（８′）と、 上記出力取出部（4b）における上記リード部と外部リー
   ドとを電気的に接続するための接続手段と、 全体として筒状体をなして内面にテーパ段部（13a）と
   後端に加締部（13b）を備え、前記電極とリード部
   （８′）とを備えた該固体電解質素子（４）を同軸状に
   挿通せしめるとともにこれを上記鍔部（4c）が該テーパ
   段部（13a）と該加締部（13b）との間で軸方向に強圧介
   装されるようになして把持するための取付金具（13）
   と、 上記素子リード部（８′）と上記取付金具（13）との間
   の電気絶縁性を確保するために上記固体電解質素子
   （４）と該取付金具との間の環状空間部に介装された絶
   縁体ユニット（17）とを備えた酸素センサであって、 上記絶縁体ユニット（17）が、上記固体電解質素子の鍔
   部（4c）の先方を向く面と上記取付金具のテーパ段部
   （13a）との間に該鍔部の先方側の突出肩面に直接作用
   するように軸方向に強圧介装されたセラミック焼結体か
   ら成る先方筒状絶縁体（18）と、上記加締部と該鍔部の
   後方を向く面との間においてそれぞれ該鍔部の後側の突
   出肩面に直接作用するように軸方向に強圧介装された圧
   縮充填セラミック粉末からなる中間筒状絶縁体（19）
   と、上記取り付け金具から該軸方向に強圧され、該中間
   筒状絶縁体（19）を該軸方向に強圧する、セラミック焼
   結体から成る後方筒状絶縁体（20）とからなることを特
   徴とする酸素センサ。
2. 【請求項２】特許請求の範囲第１項に記載の酸素センサ
   において、該接続手段が先方にバネ性の耐熱性材料の帯
   状体が備え該帯状体を上記素子リード部（８′）の後端
   部が形成された上記固体電解質素子（４）の出力取出部
   （4a）に対してその半径方向に向かうバネ力によって圧
   接嵌着される金属の中間リードである酸素センサ。
3. 【請求項３】素子外面のリード部が600℃以上の高温と
   なる環境下で使用されることを特徴とする特許請求の範
   囲第１項又は第２項記載の酸素センサ。