JPS6337897B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は電気化学ガスセンサ、更に詳細には大
きな温度変化を受けるセラミツクと金属部分とか
ら成るセンサに関する。特にその適用対象として
は、内燃機関の排気ガス中の酸素濃度の検出に用
いるイオン導電形固体電解質ガスセンサがある。

米国特許第4111778号は、二酸化ジルコニウム
等のイオン導電形固体電解質の一面を酸素基準濃
度にさらし、他の面を検出すべき酸素濃度にさら
す型の酸素ガスセンサを開示している。このセン
サ素子の２つの面における酸素濃度の差は、この
２つの面間に、前記酸素濃度差を表わす電位を生
ずる。内燃機関の混合ガスの燃料対空気比を解析
し、制御するために、この固体電解質の表面は触
媒でコーテイングされていて、こうしたセンサ
は、空気対燃料比が濃い混合比から理論計算値を
経て薄い混合比まで移行するように電気的な階段
関数を生ずるようになつている。

多くの固体電解質センサに見られるように、米
国特許第4111778号の二酸化ジルコニウム素子も、
一端が閉じられ、他端が開放した管状の形態をし
ている。この管は、内燃機関の排気システム内に
ねじ込まれる金属シエル中に位置し、その管の閉
じた端部は解析すべきガス流中に配されるが、開
放端部は外気にさらされるように成つている。そ
して、管の開放端部上には通気孔のある金属スリ
ーブが被せられ、前記開放端部を水分及び固体の
汚染物から保護するようになつている。同様に管
の閉じた端部も孔のあるカツプ状の金属シールド
で覆われていて、固体電解質材をガス流中の粒子
から保護するようになつている。

固体電解質材の内外面とも、接触するガスに対
しては触媒として、又センサの電極として働く白
金又はパラジウムの多孔質層でコーテイングされ
ている。管の外面上のコーテイング層は、センサ
のアース端子となる金属シエルに接続されてお
り、管の内面上のコーテイング層は管内の座ぐり
孔内に座しているスタツドに電気的に接続してい
る。そして、このスタツド上に据えられた螺旋圧
縮ばねが金属端子に当接するように成つていて、
この端子は、管の開放端部を覆う孔のあるスリー
ブの端部に据えられた絶縁材で軸方向に支持され
ている。これにより管の内面と前記端子との間の
電気回路を完成するものである。

感知管の内面に対しての電気回路を閉成すると
いうのに加えて、この螺旋状圧縮ばねは、熱膨張
によつてセンサ各部が他の部分に対して動いた場
合にも、これを適正な関係に保とうとする働きが
ある。この働きは非常に重要である。というの
も、内燃機関の排気ガス内の酸素濃度を検出する
のに用いられる場合、センサは300℃から1000℃
に至る動作温度にさらされるからである。更に、
エンジン始動以前には、センサ温度が氷点下の場
合もあり得るので、電気端子と感知素子との間の
温度差も極めて大きなものとなる。従つて、感知
素子の座ぐり孔内に直接に収める圧縮コイルが、
粗く均一に巻かれているものだとすると、高温の
動作温度ではこの座ぐり孔内に入つているばね部
分がゆるんでしまい、端子と感知管の内面との電
気接触を損つてしまう。従つて、米国特許第
4111778号に開示のセンサでは、こうした問題を
緩和するためにばねを座ぐり孔内の高温領域より
上方へ持ち上げるスタツドを用いているが、スタ
ツドは製造コストが高いため、ひいてはセンサの
コストを上げてしまうという欠点があつた。

従つて本発明の第１の目的は、動作温度の全範
囲にわたつて信頼性があり、しかもできるだけ経
済的な固体電解質ガスセンサを提供することであ
る。

特にまた、本発明の目的は、センサの様々な構
成素子の熱膨張に対して適応し、全動作温度範囲
にわたつてセンサ回路の電気路の連続性を保つセ
ンサを提供することである。

更に、本発明の目的は、全動作温度範囲にわた
つて内部センサ電気回路の構成素子を、少くとも
最小限必要とする力で保持することができる螺旋
状圧縮ばねを提供することである。

これら目的のため、本発明は、一端が閉じて他
端が開放した管状のイオン導電形固体電解質感知
素子と、この感知素子の内面上にある第１導電体
と、前記感知素子の外面上にある第２導電体と、
前記感知素子の開放端部に固定され、前記開放端
部を越えて延びてこれを覆う管状スリーブと、前
記感知素子の開放端部に対して離間して前記スリ
ーブにより軸方向に保持された絶縁体と、前記絶
縁体により前記スリーブと軸方向に整合して保持
されるとともに前記スリーブに対して絶縁され、
かつ前記絶縁体を貫通して延びる細長い電気端子
と、前記スリーブ内を軸方向に延び前記端子と前
記感知素子との間で圧縮されるとともに、前記感
知素子の内面上の第１導電体と前記端子との間の
直列回路の一部分を形成する螺旋状圧縮ばねとか
ら成り、前記ばねが、ばねの空間を置いて巻かれ
た部分をゆるめるような温度にさらされる端部−
感知素子に包囲される範囲−においては密に巻か
れているとともに、その圧縮長さが、センサ素子
がさらされる全動作温度にわたつて前記端子と前
記感知素子とに対して少くともあらかじめ選択し
た力を維持し得る長さとなつていることを特徴と
する電気化学ガスセンサを提供するものである。

本発明の実施例では、ばねの密に巻かれた部分
は、感知素子の座ぐり孔に内に入るようになつて
いる。これに加えて、密に巻かれたばねの端面
は、螺旋軸を横切る平面内となるようにし、より
良い電気的接触を図つている。そして、ばねの他
端は中空の端子に嵌合する前にコイルの軸を横切
る平面内において半径方向内側に曲げて電気ワイ
ヤの端末としておく。

これに対して、螺旋状圧縮ばねの密に巻いた部
分をばねの各端に設けてもよく、このようにする
と、組立に際しいずれの端部からでもこのばねを
挿入することができる。このようにした場合、座
ぐり孔の深さは密に巻いた部分の長さと同じ程度
にし、又ばねの両端を螺旋軸に対して横方向平面
内において平になるようにする。

感知素子内面のコーテイング層の損傷を防ぎ圧
縮ばねとの電気接触をより良くするためには、感
知素子に座ぐり孔を設けてシヨルダを形成してい
る。このようにしてから、シヨルダ上に位置しか
つこのシヨルダ上方に延びるコーテイング層と電
気的に接触している環状接点素子にばねを当接さ
せるようにしてもよい。

本発明によれば、螺旋状圧縮ばねにより感知素
子と端子とに対して、全動作温度範囲にわたつて
良好な導電性を維持するのに十分な力を保持する
ことができる。このような効果をもたらすと同時
に、従来のセンサのコストの問題をも解決でき
る。更にまたばねの両端を対称に作つてどちらの
端部からも挿入できるようにすれば、組立時間も
短かくなり、これも結局コストの節減となるもの
である。

以下、図面に基づいて本発明について説明す
る。

第１図に示すガスセンサは、二酸化ジルコニウ
ムのようなイオン導電形固体電解質材料から成る
管状感知素子１を有している。一端が閉じて他端
は開放している孔３を有している管状感知素子１
の内面７と外面９は、白金又はパラジウムの多孔
層でコーテイングされており、この多孔層は、こ
れら面に接触するガスに対しては触媒として、又
センサに対しては電極として働く。管状感知素子
１の縦方向中央近くに半径方向に拡大した部分１
１があり、これは一対の環状シヨルダ１３，１５
を形成している。

管状感知素子１は、内部シヨルダ１９を有する
環状金属シエル１７中に位置している。このシヨ
ルダ１９は金属シールド２１の開放端部と導電性
ワツシヤ２３とを介して感知素子１のシヨルダ１
３と係合している。金属シエル１７はねじ部分２
５を有し、金属シエルの六角形の部分２７をレン
チで回わすことにより、内燃機関の排気システム
やマニホルドの壁の穴にねじ込めるようになつて
いる。センサは、排気システムに突出する管の閉
じた端部５をさらに有している。シールド２１は
底部に開口３１をさらに有し、この開口を通つて
ガスが流出するようになつている。

管状感知素子１の内面７の白金コーテイング
は、孔３３に形成したシヨルダ３５を経て上方に
延びている。シヨルダ３５上には導電性環状接点
素子３７が位置し、白金コーテイングと電気的に
接触している。導電性螺旋状圧縮ばね３９は座ぐ
り孔３３中に挿入され環状接点素子３７と係合し
ている。ばね３９の他端は、中空端子４３の底部
にあるフランジ４１と係合する。端子４３は環状
電気的絶縁体４５を貫通しフランジ４１へ軸方向
に延びている。ばね３９は、座ぐり孔４７中に形
成した絶縁体のシヨルダに対してフランジ４１を
押圧する。

絶縁体４５は、金属スリーブ５１の一端にある
半径方向内側に向いたフランジ４９により感知素
子１と離間して保持されている。このフランジ４
９は絶縁体４５の端部にある環状シヨルダ５３と
係合する。金属スリーブ５１の他端にある半径方
向外側に向いたフランジ５５は、感知素子１と金
属シエル１７との間の環状空隙中に位置する。ス
ペーサリング５７はフランジ５５上に位置してい
る。金属シエル１７の縁部５９は前記スペーサリ
ング５７上に折れ曲つてセンサを一体に保持して
いる。スリーブ５１のフランジ５５と感知素子の
シヨルダ１５との間にはタルクリング５８を充填
している。タルクリング５８は流出防止シールと
なつており、排気ガスが感知素子１の開放端部の
方へ流入しないようにしている。

スリーブ５１は絶縁体４５に隣接する開口６１
を有していて、外気がこの開口からスリーブ内に
入り、環状接点素子３７を通つて感知素子１の内
面の触媒コーテイングに接触する。米国特許第
4111778号明細書に示すように、開口６１を保護
クリツプ（図示せず）で部分的にカバーして、セ
ンサの内部に水や他の物質が入り込むのを妨げる
ようにしてもよい。

センサの電気的接続は、中空端子４３へ挿入し
た絶縁リード線６３と、シヤシーを通つてアース
接続する金属シエル１７とにより行なわれる。リ
ード線６３は、端子４３、螺旋圧縮ばね３９、環
状接点素子３７とを経て感知素子の内面７のコー
テイングに電気的に接続している。一方、シエル
１７は、導電ワツシヤ２３とシールド２１とを経
て感知素子の外面９に電気的に接続している。米
国特許第4111778号明細書に示すように、金属ス
リーブ５１に別個にアースワイヤを接続して、付
加的にアース接続をとつてもよい。

動作において、センサを内燃機関の排気システ
ムの壁に設けたねじのついた開口にねび込み、シ
ールドした管を排気ガス流に突出させる。感知素
子１の外面９を排気ガスにさらし、内面７を外気
にさらすと、リード線６３に電位を発生する。こ
の電位は排気ガス中に存在する酸素の部分圧の関
数となつている。あとは、従来技術に示すよう
に、この信号をエンジンの空気／燃料比の調整に
用いればよい。

前述したように、感知素子１は二酸化ジルコニ
ウムで作られ、スリーブ５１とシエル１７は鋼鉄
製である。動作状態下では、これら部品は最高
1000℃の動作温度にさらされる。動作中でない場
合には、これら部品は氷点下の温度にさらされる
こともある。このような温度範囲におけるこれら
材料の熱膨張は、部品の寸法をかなり変えてしま
うものである。このため、感知素子１と端子４３
との間の回路を完成するのにばねを用いていた。
しかしながら、接続を固定することなく電気接点
の抵抗を低く保持するため、ばねはこれら部品に
対して最小限の力は与えなければならない。セン
サを高温の動作温度にさらすと、ばねの加熱した
部分はゆるみ、よつて感知素子と端子間の電気接
続の抵抗を増し、排気ガス中の酸素の部分圧の測
定が不正確なものになつてしまうことが分つた。

高動作温度においてばね３９がゆるんでしまう
という欠点は、第２図に示すようにばね３９の端
部６５を密に巻くことにより解決できる。第１図
は、ばねの密に巻いた部分６５を感知素子１の孔
３３中に挿入して、ばねを高温下にさらすもので
ある。これに対してばねの密でないコイルは、ば
ねがセンサの全動作温度範囲にわたつて他の構成
素子に対して少くともあらかじめ選択した最小限
の力を保持し得るに足る程度に冷えた状態にあ
る。直径1.25mmのES−540ステンレススチールワ
イヤを用いた場合、密に巻いた部分６５の外側の
直径が6.25mmで全長34mmに対して密な部分の長さ
12.5mmと粗に巻いた部分の長さ21.5mmのコイルを
巻くと、２Kg／mm圧力のばねができる。このばね
をセンサ内に挿入して長さ31mmまで圧縮すると、
これのストレスが解放された場合、5.25Kgから
7.75Kgまでの力を発生する。密に巻いた端部６７
は良好な電気接点を形成するため螺旋軸を横切る
平面に対して平担になつており、自由端６９（第
３図）は螺旋軸を横切る平面の半径方向内側に曲
つて、中空端子４３に挿入するリード線６３の侵
入を妨げるようになつている。

第４図のばね３９′は、各端部６５ａ，６５ｂ
の6.25mmの密に巻いた部分と、中間部分の21.5mm
の密に巻いていない部分とから成つている。この
ばねの両端部６７ａ，ｂは前に述べたように平担
になつている。この形のばねの利点は、センサの
組立て中どちらの端部から先に感知素子１の孔に
挿入してもよいことである。他の寸法や発生する
力は前述のばねと同様である。このばねを感知素
子１に用いる場合、孔が6.25mmの深さになるよう
に感知素子１の上部を短くすればよい。

以上に説明した本発明の２つの実施例によれ
ば、センサの全動作温度範囲にわたつて感知素子
と端子との良好な接触をもたらす螺旋圧縮ばねを
有するセンサを提供することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明によるセンサの縦断面図、第２
図は本発明の一実施例に基づいた螺旋状圧縮ばね
の側面図、第３図は第２図示のばねの一端を示し
た端面図、第４図は本発明の別の実施例に基づい
た螺旋状圧縮ばねの側面図である。 １……感知素子、３……孔、７……内面、９…
…外面、１３，１５……シヨルダ、１７……シエ
ル、２１……シールド、２３……ワツシヤ、２５
……ねじ、３３……座ぐり孔、３７……接点素
子、３９……ばね、４３……端子、４５……絶縁
体、５１……スリーブ、６５，６５ａ，６５ｂ…
…密に巻いた部分。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 一端が閉じて他端が開放した管状のイオン導
   電形固体電解質感知素子１と、この感知素子の内
   面上の第１導電体７と、前記感知素子の外面上の
   第２導電体９と、感知素子１の開放端部を覆いこ
   の開放端部を越えて延び、かつこれに固定された
   管状スリーブ５１と、感知素子１の前記開放端部
   に対して離間して前記スリーブ５１により軸方向
   に保持された絶縁体４５と、前記絶縁体４５によ
   り前記スリーブ５１と軸方向に整合して保持され
   るとともに前記スリーブ５１に対して電気的に絶
   縁され、かつ前記絶縁体４５を貫通する細長い電
   気端子４３と、前記スリーブ５１内を軸方向に延
   び前記端子４３と前記感知素子１との間で圧縮さ
   れるとともに感知素子１の内面上の第１導電体７
   と前記端子４３との間の直列電気回路の一部分を
   形成する導電性螺旋圧縮ばね３９とから成る電気
   化学ガスセンサであつて、前記ばね３９は、上記
   感知素子１によつて包囲されている密に巻いた部
   分６５を有し、その圧縮長さが、上記センサがさ
   らされる全動作温度の範囲にわたつて端子４３と
   感知素子１とに対して少くともあらかじめ選択し
   た力を維持し得る長さとなつていることを特徴と
   する電気化学ガスセンサ。 ２ 特許請求の範囲第１項記載のガスセンサにお
   いて、螺旋状圧縮ばね３９の密に巻いた部分６５
   を、感知素子１に隣接する端部６７に配置するこ
   とを特徴とする電気化学ガスセンサ。 ３ 特許請求の範囲第１項記載のガスセンサにお
   いて、端子４３に隣接し螺旋状圧縮ばね３９を形
   成するワイヤの端部は、螺旋軸を横切る面におけ
   る螺旋の中心と交差して半径方向内側に曲つて、
   端子４３に挿入するリード線６３がさらに侵入す
   るのを妨げるようになつていることを特徴とする
   電気化学ガスセンサ。 ４ 特許請求の範囲第２項又は第３項記載のガス
   センサにおいて、螺旋状圧縮ばね３９の密に巻い
   た端部６５の端面は螺旋軸と交差する平面内にあ
   り、ばねの端部６７において良好な接点領域を形
   成するように成つていることを特徴とする電気化
   学ガスセンサ。 ５ 特許請求の範囲第１項記載のガスセンサにお
   いて、螺旋状圧縮ばね３９は、各端部に密に巻い
   た部分６７ａ，６７ｂを有することを特徴とする
   電気化学ガスセンサ。 ６ 特許請求の範囲第５項記載のガスセンサにお
   いて、螺旋状圧縮ばね３９の両方の密に巻いた部
   分６７ａ，６７ｂの端面は螺旋軸を横切る平面内
   にあり、ばねの両端において良好な接点領域を形
   成するように成つていることを特徴とする電気化
   学ガスセンサ。 ７ 特許請求の範囲第２項又は第５項記載のガス
   センサにおいて、管状感知素子１の開放端部の孔
   ３３はシヨルダ３５を形成し、感知素子１の内面
   の第１導電体７は前記シヨルダ３５を通つて上方
   に延び、かつガスセンサは、さらに前記シヨルダ
   ３５上に位置し第１導電体７と電気的に接触する
   導電性環状接点素子３７を有し、螺旋状圧縮ばね
   ３９は前記接点素子３７に対して押圧して前記管
   状感知素子１の内面の第１導電体７と端子４３間
   に電気回路を形成するように成つていることを特
   徴とする電気化学ガスセンサ。