JPS61223547A - リ−ンｏ↓２センサ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔発明の利用分野〕 本発明は、固体電解質を用いて酸素濃度の検出を行うリ
ーンＯ！センサに係り、特に燃焼ガス中の酸素濃度を検
出し、内燃機関の運転状態に応じて空気と燃料の混合割
合を適正制御するのに好適なり一７０２センナの組立て
構造に関する。

〔発明の背景〕

リーン０３センサの比較的新しい従来ガとして、特開昭
５９−４６５４８号に開示されたものが存在する。

この従来例では、固体電解質索子の外側の電極を素子の
開口端近傍の外周で軸に直角に形成された面まで延長し
、この面に７ランジ付金属パイプの７ランジ面を圧接し
導通をとり、パイプ他端内周に断面がかぎ形状の金属リ
ングを圧接している。

そして、この金属リングの他面には金属コイルはねを圧
接し、ばねの他端は７ランジ付の金属パイプで受け、こ
の金属パイプの他端（はリードを溶接してリードを引き
出す構造となっている。

一方、固体電解質索子の内側電極は、袋管素子の孔の段
差部まで電極を延長し、この段差部にヒータ外周に固定
された真鍮の７ランジ部ヲカーボングラファイトを介し
て圧着する。そして、７ランジの上面には７ランジ付金
属パイプの７ランジ面を圧接し、パイプの他端にはリー
ドを溶接してリードを引き出す構造をとっている。

上記のり−ンＯ！センサは、限界ｍ流掃性を利用して空
燃費に比例した出力を出している。

上記のり一７０２セ／すに用いられるジルコニア固体電
解質やヒータは、それぞれセラミックや耐熱金属などか
らなシ、高温中で焼成または焼付けされている。

リーンＯｘセンサの特性は、一般にジルコニア電解質の
材質や形状、電極の着膜状態やその有効面積、電極の膜
質や膜厚などの影響を受け、さらに加熱ヒータの加熱状
態によっても微妙に影響を受ける。し九がって、当初一
定のレベルに入らないリーン０意センサに使用不能であ
シ、破棄する何らかの補修が必要となる。

この補修の一的として、電極の膜厚を追加着膜してｖ４
整することができることがある。次だしこの場合、限界
電流値は下げる方向にａ１４整する。

リーンＣｈセンサの部品の検査は信頼性の点からいって
、目視だけの検査では不十分で、やはシ実便用状態のよ
うに通電して動作させてみる確実な方法をとることが良
策である。したがって、構造的にもこのような単体チェ
ックを可能な構造にしておくのがリーン０２センサの製
品の不良率を低減し、さらに安価に製作できることに繋
がるものである。

しかし、従来のリーン０３センサでは、リード引き出し
構造がヒータ電力供給用の２本と、出力取り出しのため
の２本の計４本で構成されている。

したがって、このように９・−ド線数が大きくなると、
リード中継部品が大きくなシ、それらをハウジングから
、あるいは他の引き出しリードから絶縁する必要が生じ
て、絶縁部品が多くなるざるを得なかつ比。しかも、各
部品の嵌合寸法、耐熱強度、機械的強度などそれぞれの
最適設計を施すというむずかしさが生じていた。

すなわち、従来構造のような部品点数の多いリーン０１
センサでは、部品の単体チェックが十分に行えず製品の
不良率が増加し、リーンＣｈセンサの信頼性低下の原因
となっていた。

〔発明の目的〕

本発明の目的は、リーン０３センサの部組状態での性能
チェックを可能にし、単体での補修を容易にできる構造
をもち、信頼性が高いリーン０３センサを提供すること
にある。

〔発明の概要〕

上記目的を達成するために、本発明は、酸素イオン伝導
性金属からなる固体電解質素子と、該素子の内外に設け
られ几多孔質膜状電極と、前記固体″成解質索子内に設
けられ九ヒータとを備え、気体中の酸素濃度を検出する
リーン（ｈセンサにおいて、前記固体電解質素子と前記
ヒータとが一体に構成されていることを特徴とするリー
ンＯｓセンサである。

上記本発明の構成において、固体電解質素子とヒータと
が一体に構成されているために、リーン０２セ／すの部
品状態での性能チェックが容易に行われ、さらに単体で
の補修が可能となシ、リーン０１センサの信頼性が向上
するものである。

〔発明の実施例〕

次に、本発明に係るリーン０８セ／すの好ましい実施例
を添付図面に従って詳説する。

第１図は固体電解質ジルコニア素子と、ヒータとが一体
に構成された部組の一実施例を示す断面構成図である。

図において、袋管状ジルコニア素子ｌの内部にＯ は棒状ヒータ１０が設けられている。このヒータ、はア
ルミナのグリンシートにタングステンヒータとリードを
バタン印刷して形成後、セラミックパイプま危は棒に巻
き付けて焼成し次構造となっている。ヒータ１０にはニ
ッケルリードＩＩＡ。

１１Ｂが接続されている。ヒータリード接合部はタング
ステン電極上に予めニッケルメッキを施し、ニッケルリ
ード１１人、ＩＩＢを銀ローを介して焼成し接合される
ことによシ構成嘔れる。

ジルコニア素子の開口部側には、ニッケルリード６人と
６Ｂが素子に銀ろうでろう接されている。

素子１とヒータ１０は、素子ｌの開口端部で通気孔１６
を備えたセラミック７ランジ１２を介してガラス１３Ａ
、１３Ｂ、１’４Ａ、１４Ｂにより焼付は接着固定され
、素子とヒータが一体に構成されている。また、前記ヒ
ータ１０にろう接されたり−ドＩＩＡとＩＩＢの銀ロー
付部は同時に接着ガラス１３Ｃで包埋されている。ま比
、リード６Ａとリード６Ｂの銀ロー付部は接着ガラスに
よシ完全に包埋されている。

このようにしてジルコニア素子ｌとヒータ１Ｇとが一体
になつ九部組は、ｌｌＣ気炉やガス組成を変えられる装
置を用いて空燃費を変えて、限界電流特性をチェックす
る。

このチェックはジルコニア素子ｌとヒータｌＯとが一体
になった部組を決められた空燃比の高温ガス中で通電し
、図４に示すように印加電圧Ｅに対する酸系ガスのボン
ピング電流１ｒの関係を測定することによ）行う。４図
におかて、λは空燃比を示す。

このチェックの結果、合格し九ものは、最終組立てライ
ンに載せることができる。特性が一部レベルに遅しなか
ったものすなわち所定の限界を売値が得られなかつ九も
のは、部組状態で予め用意されたデータに基づき、拡散
膜（素子！の内側の電極膜異面に設けられた多孔質膜）
の追加Ｎｆ＆による補修を行い所定の電流値に合せるこ
とができる。また、ジルコニア素子ＩＫ割れが入ったシ
ミ極の有効面積が少なかったシヒータの発熱量が少ない
などの場合には、特性値に異常が発生するため次工程に
入れないで済ませることができる。

このように、ジルコニア素子ｌとヒータｌＯの部組の一
体構造の採用によシ、特性チェック、補修を可能にし、
不良率は約２０−低減でき、しかも製品原価の４０−以
上を低減することができる。

本実施例では、リードとヒータま次は素子の接合部はガ
ラスで包埋されている九めに、接合部の銀ろう封部が酸
素によって酸化腐食されるのを防ぐことができる。した
がって、酸化腐食により生ずる虞れのある接触抵抗の増
大を防ぎ、長期にわたる安定した出力電流を得ることが
できる。このことによクリーン０８センナ全体の測定ｆ
ｆ１Ｌを良好に保つことができる。

また、リードの接合部は、ガラスによシ包埋することに
よって、耐熱性（６００Ｃ）を確保することができる。

ガラスで包埋しない場合の銀ろう接合部の耐熱性は２５
０Ｃ以下でるる。排気ガス管にリーンＯｓセンサを取シ
付け、工／ジンをスロットバルブ全開走行負荷で運転し
たときの検出器数シ付は部の排ガス温度は成馬８００Ｃ
であり１ハウジング表面温度は５００Ｕ、内部は５５０
Ｃになる。したがって、最も過酷な状態で本実施例に係
るリーンＯｘ　センサが使用されたとしても、十分に耐
久可能である。

次に、第２図について説明する。

第２図はジルコニア素子１の開口端側にリードを接合し
た状況、および素子ｌの内側および外側に電極が設けら
れ次状態を示す断面構成図でおる。

図において、袋管状ジルコニア電解質素子ｌの内側には
、白金メッキ電極２が形成され、その一部が素子ｌの開
口端段差部３内周に約１／３周２１の範囲で着膜され、
素子ｌの内部から開口端側に引き出される。

素子の外側は、一点鎖線で図示するように、先端近傍に
反応電極４を鉢巻状に形成し、この電極から素子の開口
端側に向って比較的細い幅で引き出し電極２２が形成さ
れる。この引き出し電極２２は、開口端２３を経由して
、素子の内側段差部３に向い、内側電極２の引き出し部
とは１８０度反対位置に１／３周の範囲で着膜され次形
で形成される。

引き出し電極２２の上には、ガラス等の密閉率の高い材
料を塗布して、反応電極として動作しないようにする。

さらに、外側電極４と外側引き出し電極２２の一部に、
マグネシャスピネル等からなる拡散膜５を第５図に示す
ように、３００μｍ前後にプラズマスプレー法などによ
〕着膜形成する。拡散膜５には、膜を貫通する状態で３
００Ａ〜４００人の微細孔５１が形成されている。この
微細孔５１を通して、例えばエンジン排ガス中の酸素が
反応電極４に導かれる。

次に、第３図について説明する。第３因は、最終組立て
が完了した本発明に係るリーン０冨セ／すの断面構造図
でおる。

図において、素子ｌに対する排ガスの熱衝撃の直撃を回
避するための保護筒３１、取付ねじ１７を有する栓体１
８の内部の座部に軟質の金属バッキング１９を敷いて、
前記素子とヒータとからなる部組１５を組み付ける。

栓体１８の内側と素子ｌの外周には軟質の金属リング２
０を入れ、その上からリングトルク２１を充填加工し、
金属ワッシャ２２を入れて加圧する。部組！５の上方に
延びた４本のリードは、インシュレータ２３を通し、小
屋の金属チューブ２４中でテフロン被覆リード線２５Ａ
、２５Ｂ。

２５Ｃ，２５Ｄとともに加締めされる。さらにテフロン
被覆リード線は、ゴムブツシュ２６を通して引き出す。

一方、インシュレーター２３の段差部には、コイルばね
２７が妖合し、軸方向に部組１５を栓体座部に加圧する
。

コイルばね２７の上面は、下部に外筒７ランジ２８Ａを
有する外筒２８で受ける。外筒２８の外周には、加締リ
ング２９を入れ、外筒２８をコイルばね２７に抗して軸
方向に加圧し、外筒７ランジ２８人の底面を金属ワッシ
ャ２２の上面に押し当てて、栓体１８の折シ曲げ加締部
１８ムを１．５〜λＯＴの加重で変形させて加締める。

外筒２８の金属チューブ２４側の外側には、外筒３０が
設けられている。外筒３０は、ゴムブツシュ２６を軸方
向に位置決めし、他端で外筒２８の外周との間で加圧加
締めて固定する。インシュノー夕３！は、リード中継部
の絶縁材である。

このようにして、最終組ではリードはセラミックインシ
ュレータを介して上方に引き出し、それぞれ金属チュー
ブを介してテフロン被覆リード線に中継する。このよう
な構造をとることによシ、リードの中継箇所は、従来で
は４〜５個所あつ念ものが、２箇所に削減することがで
きる。

第３図に示した実施例によれば、リーンＯｓセンナの部
品の点数を少なくシ、さらにリードの中継箇所を少なく
することができる。したがって、接触部分が少ないこと
によシ、接触抵抗が減少し、高い出力電流を得ることが
できる。したがって、検出精度は良好なものとなる。特
に、このようなリーンＯ雪センサでは、リードのろう接
部がガラスで包埋されているために、経時的な酸化腐食
が防がれる。したがって、長期にわたって安定した空燃
比（Ａ／Ｆ　）の直線が得られ、理論空燃費状態で常に
内燃機関を稼動することができる。

また、部品点数が少ないことによシ、加工工数を低減で
き、さらに製品単価を下げることも可能である。

〔発明の効果〕

以上説明し次ように、本発明に係るリーン０２センサに
よれば、ヒータと固体電解質素子が一体に形成されてい
る次めに、部組状態での性能チェックが可能でアシ、単
体の補修が容易にでき、信頼性の高いリーン０２センサ
を得ることができる。

また、部品点数が少ないことによシ、部品の中継部分が
少なくなるので、接触抵抗が少なくなり、安定した出力
を得ることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は固体電解質素子とヒータが一体に構成され九−
実施例を示す断面構成図、４１２図は固体電解質素子の
開口端側にリードを接合し次状態および素子の内外に電
極が設けられ次状態を示す断面構成図、第３図は最終組
立てが完了し九本発明に係す−ンＯ！センサの一実施例
を示す断面構成図、第４図は一体に構成されたヒータと
固体電解質素子の限界電流特性を示すグ２７、第５図は
固体電解質素子に電極および拡散膜を着膜した状態を示
す拡大断面構造因である。 １・・・ジルコニア素子、１０・・・ヒータ、１２・・
・７ランジ、１３Ａ、１３Ｂ、１３Ｃ，１４Ａ、１４Ｂ
・・・ガラス層。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １．　酸素イオン伝導性金属からなる固体電解質素子と
   、該素子の内外に設けられた多孔質膜状電極と、前記固
   体電解質素子内に設けられたヒータとを備え、気体中の
   酸素濃度を検出するリーンＯ＿２センサにおいて、前記
   固体電解質素子と前記ヒータとが一体に構成されている
   ことを特徴とするリーンＯ＿２センサ。