JPS6235060B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は固体電解質を有するガス流中の酸素濃
度センサに関し、特にセンサのハウジングから延
びる固体電解質を保持するシールドに関する。本
発明はさらに固体電解質とセンサのハウジング間
の密封シールに関する。

内燃機関の排気は一酸化炭素、燃焼していない
又は部分的に燃焼していない炭化水素、及び窒化
酸化物とを含み、これらは空気を汚す原因となつ
ている。できるだけ多くの汚染成分を排除するこ
とによつて空気汚染を減ずるように、車輛の内燃
機関から排出される排気物を監視する必要があ
る。一酸化炭素と炭化水素をそれらの高酸化状態
に変換することによつて、すなわち、一酸化炭素
の場合には無水炭酸へ、炭化水素の場合には水
に、窒化酸化物の場合には元素の窒素へ変換する
ことによつて、できるだけ多くの一酸化炭素と燃
焼していない炭化水素をこれらエンジンの排気か
ら取り除く必要がある。

内燃機関の排気から汚染要素を取り除くことは
触媒に600℃以上の温度の排気ガスを当てること
によつて行なうことができる。従つて排気ガスは
いわば後燃焼を受けるようになる。しかしなが
ら、排気ガスの成分は空気と燃料の関係がほぼ理
論計算値どうりになつていなければならない。そ
うであれば非汚染物に完全に変換することが実際
に可能となる。空気と燃料との理論計算値的関係
は単位値（λ＝１）のλ値によつて特徴づけられ
る。１より小さいラムダ（λ）値は、行なわれる
種々の動作のバランス状態を越えるほどの過剰な
酸素がないことを意味している。また、１より大
きいラムダ値は酸素が混合物に過剰に存在してい
ることを意味している。正確に１に等しいラムダ
値は排気ガスが還元することから酸化することへ
変化する状態である。

燃料効率ということで良く知られているエンジ
ンへ供給される燃料の最大使用量とともに環境上
許される排気ガスは、排気ガスのラムダ値がほぼ
単位値（λ＝１）である必要がある。排気ガスの
酸素含有量を監視して決定するのに電気−化学セ
ンサが用いられる時、これは内燃機関の排気ガス
にさらされる。それからセンサの出力信号に応じ
て制御システムはエンジンへ供給される空気と燃
料の関係を調整するように反応し、空気／燃料混
合物はエンジンから排出された排気ガスに影響す
る適切な混合比を有する。

酸素イオン濃度の原理を用いた本発明の酸素セ
ンサはイオン導電性の固体電解質を有する。一般
に固体電解質は管状のものでそれの一端は閉じて
おり、前記閉じた端部は排気システムの内側に延
びてそれの外側面は排気ガスにさらされる。内側
面とともに電解質の外側面も導電性層でコートさ
れており、外側面は触媒を含んでいる。条片状の
各導電性層は導電性端子に接続された接点を有す
る。端子は一般にそのうちの一つが、内燃機関の
排気システムに固定されるセンサの金属ハウジン
グによつて形成される。他の端子は酸素センサの
内部に電気的に接続される。このようなセンサに
用いられるほとんどの固体電解質は比較的弱い構
成物質である二酸化ジルコニウムである。このよ
うなセンサを車輛の排気システムのような熱せら
れた環境で用いる場合、二酸化ジルコニウムの温
度ストレスはセンサを破壊する主な原因となつて
しまう。さらに保護されていない二酸化ジルコニ
ウムセンサに力が加えられるとセンサ本体のひび
割れの原因ともなり得、および／又は密封シール
にストレスが加わり短寿命となつてしまう。この
問題に対して、酸素センサから延びる固体電解質
をとり巻く保護シールドが提供されている。この
ような保護シールドの一例が米国特許第3835012
号に示されている。この特許に示されたシールド
は取りはずし可能でなく取りつけ前に電解質の検
査することはできない。さらに固体電解質を保護
するシールドは固体電解質とセンサハウジング間
のセンサハウジングに延びており、よつてハウジ
ング、保護シールド、電解質、適当な密封ガスケ
ツト間に密封シールがなければならない。従つて
シールドへ加えられる力は密封シールに伝達され
多くの場合シールを壊してしまう。これは固体電
解質センサが、電解質の両側（互いに絶縁されて
いる）に異つた酸素の部分圧力を受けるという原
理に基いて動作することから不都合である。それ
故、固体電解質内の基準ガスを電解質の外側の排
気ガスと絶縁するためには密封シールが破壊され
ないことが基本となつている。

従つて、従来の酸素センサは電解質を検査でき
るように固体電解質のまわりのシールドが取りは
ずし可能ではなかつた。例えば、シールドはハウ
ジング内に延び、固体電解質とハウジング間の密
封シールの部分になり、従つてより複雑な密封シ
ールが必要となつてしまつた。シールドが密封シ
ールの部分である時シールドに加えられる力（落
下、打ちつけ、その他）は密封シールに伝達され
て破壊の原因になつた。

本発明は取りはずし可能な保護シールドを有す
る固体電解質センサを提供し、従つて固体電解質
は検査を受けることができる。本発明は、固体電
解質とハウジング間の密封シールの部分となつて
いないシールドを提供し、従つて密封シールはあ
まり複雑ではなくなる。

従つて、本発明は、前方部分と後方部分とを有
する全体として管状のハウジングと、閉じられた
一端をもつ管状であるとともに前記ハウジングの
前記前方部分からその閉じられた一端が突出すよ
うにして前記ハウジングに取付けられている固体
電解質管と、前記電解質管の内面に設けられて端
子に接続される第一電極と、酸素基準電位の確立
のため前記固体電解質管の内側に外気を取り入れ
るようにハウジングに形成された手段と、触媒層
を形成するとともにハウジングに接続されかつガ
スにさらされる、前記固体電解質管の外面に設け
られた第二電極と、前記固体電解質管の外側にガ
スを取り入れるように開放端と少くとも１つの側
部開口とを有する管状保護シールドとから構成さ
れ、ガス流中の酸素濃度を検出しそれに応じて電
気信号を発生するガス流中の酸素濃度センサであ
つて、前記ハウジングはその前記前方部分の内面
に環状溝を有し、管状の前記保護シールドは、そ
の前記開放端から半径外方へ前記環状溝に入り込
むように延在する縁部を有するとともに、その前
記開放端からその他方の端部へとのびる少くとも
３つのスロツトにして相互に離間している少くと
も３つのスロツトを有し、このスロツトは前記保
護シールドのスロツトとスロツトとの間の部分に
加えられる外力による、前記保護シールドの前記
開放端の圧縮を可能とし、この圧縮による前記開
放端の寸方減少化により前記保護シールドの前記
縁部を前記ハウジングの前記環状溝へはめ込んだ
り取り外したりでき、もつて前記ハウジングに対
する前記保護シールドの着脱が可能であることを
特徴とするガス流中の酸素濃度センサを提供する
ものである。

従つて本発明の目的は、センサから延びた固体
電解質を保護する取りはずし可能なシールドを有
する酸素センサを提供することである。

本発明の他の目的は、酸素センサの固体電解質
とハウジング間の密封シールを簡単にすることで
ある。

本発明の他の目的は、固体電解質酸素センサの
寿命を増加することである。

本発明のさらに他の目的は、改良された電気化
学酸素センサを提供することである。

本発明の目的や特徴は図面に基づいた以下の説
明でさらに明らかになろう。

第１図には従来の酸素濃度センサが示されてい
る。一般に酸素センサは、スチール外殻２０と金
属ハウジングスリーブ６０とから成る金属ハウジ
ング２２とハウジング内に設けられ、電解質の内
側に導電性コーテイング３２と電解質の外側に導
電性の触媒コーテイング３３とを有し、前記内側
のコーテイングは内側電極３２を形成し、かつ前
記外側のコーテイングは外側電極３３を形成する
固体電解質３０と、電解質３０の内側電極３２と
接触する導電部材４０と、ばね５０と、前記ばね
５０と電解質３０の内側電極３２と接触するとと
もに、外気を電解質３０に入れる通路７１を有す
る電気接点７０と、スチール外殻２０と接触して
いるハウジングスリーブ６０と外側電極３３から
接点７０を離すための電気的絶縁部材８０と、固
体電解質のまわりにスリーブ６０を保持するため
のスペーサ素子９０とを含む。固体電解質と外殼
２０間の密封シールは保護シールド１０の上方部
分１９と望ましくは軟ニツケルから成る２個のガ
スケツト１００，２００とを含む。保護シールド
１０には開口１５が設けられて固体電解質３０の
外面にガスが入るようになつている。保護シール
ド１０は一般に非常に硬いステンレススチールか
ら成り、少くともガスケツト２００を用いずには
スチール外殻と固体電解質とをシールすることは
できない。密封シールを確かなものにするには、
金属シールド１０の上方部分１９の両側に設けら
れた二つのニツケルガスケツト１００，２００が
必要とされる。

この従来技術の酸素センサには、固体電解質セ
ンサの適正な動作に必ず必要とされる完全なる密
封シールの他に、取りはずし可能な保護シールド
が示されてはいない。保護シールド１０の部分１
９を密封シールから取り外すことによつてガスケ
ツト２００は取りはずし可能になり、密封シール
があまり複雑でなくなる。

第２〜１２図には酸素センサと組合わされた保
護シールド１０の異つた形態が示されている。こ
れら酸素センサは固体電解質を検査できるように
シールドを取りはずせるものか又は固体電解質３
０とスチール外殼２０との間の密封シールを省け
るものである。

第２図にはスチール外殼２０の環状切込部
（溝）２１に設けられた環状縁部１２を有する保
護シールド１０が示されている。

第３図は、環状縁部１２がスロツト１１によつ
て互いに分離された３つのセグメントに形成され
ているシールド１０の平面図である。

第４図は第３図示の保護シールド１０の側面図
で、スロツト１１の望ましい配置が示されてい
る。図面では３つのスロツトが示されてはいる
が、もつと多くのスロツトが設けられると保護シ
ールド１０の開放端での圧縮を容易にして、スチ
ール外殼２０の穴２６（第２図）に挿入するに十
分小さな直径にそれを圧縮することができる。

第５図には本発明の別の実施例が示されてい
る。この実施例では、保護シールド１０は取りは
ずし可能ではないが固体電解質３０とスチール外
殼２０間の密封シールの部分となるものではな
い。外殼２０の前方端部２５は半径方向内側に巻
き込まれて保護シールドの外側環状延長部（縁
部）１４を留める。

第６図は、スロツト１１と２つの半径方向外側
に向つて延びているピン１３を有してる保護シー
ルド１０を示している。

第７図は第６図示の保護シールドの平面図であ
る。本発明の本実施例では、保護シールド１０は
その開放端に圧力が加えられると、ピン１３はス
チール外殼２０の内側に設けられた１つ又はそれ
以上の縁凹部（図示せず）にスナツプ係合され
る。

第８図は本発明の別の実施例を示しており、保
護シールド１０は、互いに直径方向の反対側に設
けられた２つの半径方向外側に延びたピン１４′
を有している。ピン１４′はスチール外殼２０の
内側の溝２６′に取りつけられる。

第９図は２つの半径方向外側に延びたピン１
４′の位置を示した第８図示の保護シールドの平
面図である。図では２つのピン１４′しか示され
ていないが、もつと多くのピンであつてもよい。

第１０図は、スチール外殼２０の内壁に位置す
る１つの溝２６′を示している。図から明らかな
ように、溝２６′は軸方向部分とその後に続く円
周方向に延びた部分とから成る。これによつてピ
ン１４′は軸方向部分にまず挿入されその後円周
方向部分に回転されることにより、保護シールド
１０は回転せずに引張るだけではずれることはな
い。

第８図、第９図および第１０図に示す本発明の
実施例は保護シールドを密封シールしていない。
又、この実施例では、保護シールドが簡単には回
転しないような適当な圧力でピン１４′と溝２
６′の内側間が係合されているならば第４図に示
すような軸方向スロツト１１を設ける必要はな
い。

第１１図は第８図および第９図に示すタイプの
保護シールドを示している。第４図に示すような
軸方向スロツト１１がない場合には、固体電解質
３０の外表面にガスを供給するために開口１５が
設けられなければならない。

第１２図は、保護シールド１０がねじ２８によ
つてスチール外殼２０に取りつけられた、本発明
の更に別の実施例である。従つて、保護シールド
１０を回転することによりシールドはセンサハウ
ジングに取りつけられたり、又はそこから取りは
ずされたりできる。電解質の検査を必要とする
時、保護シールドを取りはずし、かつ元に戻すこ
とができる。

本発明の望ましい実施例について述べてきた
が、本発明はこれら実施例に限定されず本発明に
基づいて変化し得ることは当業者には明らかであ
ろう。たとえば、第５図に示された本発明の実施
例は保護シールドを取りはずし可能に作られてい
ないが、保護シールドを新規な方法により取りつ
けることによつて保護シールド１０を密封シール
から取りはずせるようにすることができる。

従つて本発明は図面に示された実施例及びそれ
に関する説明に限定されるものではない。

【図面の簡単な説明】

第１図は固体電解物を有するタイプの従来技術
の酸素センサを示す図、第２，３，４図は本発明
の特徴の１つを組み込んだ酸素センサの部分図、
第５図は本発明の特徴の１つを実施した保護シー
ルドの別の実施例を示した図、第６，７図は本発
明の他の実施例を示した保護シールドを示した
図、第８，９，１０，１１図は酸素センサに用い
られ保護シールドの他の実施例を示した図、第１
２図は本発明の別の実施例の部分図である。 １０……保護シールド、１１……スロツト、１
３，１４′……ピン、１５……開口、２０……ス
チール外殼、２２……金属ハウジング、３０……
固体電解物、３２，３３……電極、５０……ば
ね、６０……スリーブ、７０……端子、９０……
スペーサ、１００，２００……ガスケツト。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 前方部分と後方部分とを有する全体として管
   状のハウジングと、閉じられた一端をもつ管状で
   あるとともに前記ハウジングの前記前方部分から
   その閉じられた一端が突出すようにして前記ハウ
   ジングに取付けられている固体電解質管と、前記
   電解質管の内面に設けられて端子に接続される第
   一電極と、酸素基準電位の確立のため前記固体電
   解質管の内側に外気を取り入れるようにハウジン
   グに形成された手段と、触媒層を形成するととも
   にハウジングに接続されかつガスにさらされる、
   前記固体電解質管の外面に設けられた第二電極
   と、前記固体電解質管の外側にガスを取り入れる
   ように開放端と少くとも１つの側部開口とを有す
   る管状保護シールドとから構成され、ガス流中の
   酸素濃度を検出しそれに応じた電気信号を発生す
   るガス流中の酸素濃度センサであつて、前記ハウ
   ジング２２はその前記前方部分２０の内面に環状
   溝２１を有し、管状の前記保護シールド１０は、
   その前記開放端から半径外方へ前記環状溝２１に
   入り込むように延在する縁部１２を有するととも
   に、その前記開放端からその他方の端部へとのび
   る少くとも３つのスロツト１１にして相互に離間
   している少くとも３つのスロツト１１を有し、こ
   のスロツト１１は前記保護シールド１０のスロツ
   トとスロツトとの間の部分に加えられる外力によ
   る、前記保護シールド１０の前記開放端の圧縮を
   可能とし、この圧縮による前記開放端の寸方減少
   化により前記保護シールド１０の前記縁部１２を
   前記ハウジング２２の前記環状溝２１へはめ込ん
   だり取り外したりでき、もつて前記ハウジング２
   ２に対する前記保護シールド１０の着脱が可能で
   あることを特徴とするガス流中の酸素濃度セン
   サ。 ２ 特許請求の範囲第１項記載のセンサにおい
   て、保護シールド１０は、ハウジング２２の前方
   部分２０から突出している固体電解質管の部分を
   離間をもつて囲むように配置されることを特徴と
   するセンサ。