JPH02238354A - 防水型酸素センサ - 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】 （産業上の利用分野） この発明は、内外面に電極を有し、外面電極が排気ガス
に、かつ内面電極が大気にそれぞれ接触するセンサ素子
と、センサ素子を収納する収納部と、収納部内に設けら
れ排気ガスと大気を隔離する気密封止部と、該気密封止
部内の空気と大気とを連通し防水性を有する連通部とよ
り成る酸素センサ、いわゆる防水型酸素センサの改良に
関するものである。

（従来の技術） 従来から防水型酸素センサは、自動車の排気ガスの酸素
濃度検出器どして広く知られている。第２図および第３
図はそれぞれ本発明の適用可能な防水型酸素センサの一
例を示し、各図において同一部材には同一符号を附す。

この酸素センサは、基準酸素雰囲気として大気を用いる
ため、基準酸素雰囲気である大気を被測定ガスから隔離
するように構成されている。大気を被測定ガスから隔離
する方法としては、第２図（ａ）に示すような板状のセ
ンサ素子１２においては、金属製キャップ１０とセンサ
素子１２との間にタルク８を充填する方法があり、第３
図に示すような酸素センサにおいては金属パッキン１１
を使用したメタルシール構造がとられている。

このように被測定ガスから内面電極を隔離する一方で、
内面電極に人気炎翼人這るための防水性を有する大気導
入路を設（３てい２と）。

防水性を有する大気導入路とし７ては、リード線の撚線
間にできる隙間を大気導入路として利用し、かつ破水し
ないリード線の開放・喘を大気導入口としたり、第２図
Ｇ））のＡ部横断面詳細図に示すように金属製のキャッ
プ１０とメタルブーツ９内の固定金具１２との間の溌水
性材料のリング１６に撥水性の微小間隙１４を設けて、
水をはじいて空気のみを通す様な構造にし２たり、また
は第３図ｂこ示ずよう己こ大気導入口１８に溌水性の多
孔ｎ体１９を設けた構造のものが捉案されでいる。

（発明が解決しようとする課題） し７かし７、このような構造の酸素センナにおいては高
負荷運転状態にで長期使用されていると、起電力が低丁
ずるという問題点があった。

本発明の目的は−ト述１−２だ課題を解消Ｌ、長期の使
用過程においても高負荷運転状態で起電力の低下をもた
らさない防水型酸素セ゛７・ザを提供（−７ようとする
ものである。

（課題を解決するだめの手段） 本発明の防水型酸素←ンサは、内外面に電極を有し、碧
面電極が排気ガス（託、かつ内面電極が人気（、こそれ
ぞれ接触する＋ンリ“素了一ｆ｝＝、該センザ素子を収
納する収納部と、該収納部内に設ルｊ−られ排気ガスと
大気を隔畔ずる気密封止部と、該気密１，１止部内の空
気と人気ｋを連通するが防水性を有する連通部とより成
る防水型酸累−←）′り゛＋＝おいて、前記連通部の通
気星Ｙと前記気密封ｔｈ部の気密性を通気量で表１〜だ
｛Ｌ！′ｆＸの関係をＹ　＞　１０　Ｘ　ｆｌ．　′３
Ｓ としたことを特徴とするものである。

（作　用） 上述した構成において、本発明は連通部のｉｆｄ気性と
気密封止部の気密性とを所定の関係に定めるごと６こよ
り、高負荷運転状態ぷご、！−９いても起電力の低下を
防止できることを見出（７たこと己こ上る。

すなわち、本出願人は、従来の酸素センサの高負荷運転
状態における起電力低下゛の原因について調査した結果
、以下のことを判明１−２だ。

（ａ）防水性の人気導入路を自ずる構造としたために、
大気導入路の通気性が低Ｆし，，基準空気の置換性が悪
化する、一と。

（ｂ）酸素センザの気密↑−、■止部の気密性が、糟朋
使用過程において徐々に劣化すること。

（ｃ）高負荷運転を続げていると、酸素センザが高温に
なるため、センナ素了と金属製のハウジングおよびギャ
ップ等の内部部品との熱膨張差が牛し、気密封止部の気
密性が低下すること。

（ｄ）挑気ガス中の還元ガス成分、特に拡散性の良い水
素ガス成分の濃度が、、高９荷運転時６こ高くなり、酸
素センザ内部に還元ガスが侵人（７やすくなること。

（ｅ）排気圧力が上昇すること６こより、排気ガスが酸
素センザ内部に侵入しやすくなること。

したがって、気密封止部の気密性と大気導入路の通気性
とを良好にすることが重要となることがわかった。

このため、本発明で（Ｊ＼気密封市部の気密性と大気導
入路の通気性との関係を適切に設定することにより、起
電力低下の問題を解決ずτ１ｔ）のである。

なお、気密封止部の気密性と人気導入路のｉｉｉ気性と
の関係は、以下の通りである，、 第４図に気密封止部の気密性（第４図−ごは通気量と（
〜で表す）と防水性大気導入路の通気量及び起電力低下
発生の有無の関係を示す。起電力低下の発生領域は、排
気圧力が高いほど、空燃比がリッチほど広がるが、自動
車の実使用下で生じる最高の排気圧力、最もリッチの条
件下で起電力低下が発生しないように気密封止部の気密
性と防水４／１大気導入路の通気性を設計すれば良い。

気密１，■正部の気密性は、自動車の使用過程におげろ
熱ザイクル、振動等により徐々に低下するので、この低
下分を見込んで初期の気密性及び防水性大気導入路の通
気性を設定すれば良い。

第４図の関係から、防水性大気導入路の通気偕は大きけ
れば大きいほど、気密１・：１は高りれば高いほど（換
ｇずれば気密封市部の通気星が小さｊ，Ｊ−れば小さい
ほど）起電力低下が起こりにくいことが理解されるが、
一般的に防水性大気導入路の通気性と防水性は相反する
関係に有り、防水性大気導入路の通気量を際限なく大き
くすることはできない。

また、気密封止部は使用過程後も完全に気密を保つこと
が難しいため、第４図の関係からこれらの要素を考慮し
て防水性大気導入路の通気量が設定される。例えば、リ
ード線の撚線間にできる隙間を大気導入路として利用す
る構造においてはリード線の太さ、芯線の太さ（芯線の
太さにより隙間の大きさが調節できる）また溌水性微小
間隙を大気導入路として利用する構造においては、微小
間隙の総断面積、長さを調節し、必要な防水性を確保し
つつ通気量を所定の値にする。

溌水性多孔質体の場合は、その通気量は、溌水性多孔質
体の気孔率、面積、厚み等により設定できるが、気孔率
をあまり大きくすると防水性が低下するため、防水性能
の要求を満たすように気孔率を設定した後、面積及び／
又は厚みにより必要とされる通気量を確保することにな
る。

なお、本発明における「防水性を有する連通部」とは、
冒頭段にて述べたようなリード線の撚線間に形成された
間隙又はリード線内の撚線間の間隙とは別に設けた通気
路、溌水性の微小な間隙或いは撥水性の多孔質体等のこ
とをいう。

（実施例） 本発明の実施例を以下に図面に基づき詳細に説明する。

第１図は本発明の適用可能な従来から公知の酸素センサ
の一例の構成を示す図である。第１図に示す本発明の酸
素センサ２０において、板状のセンサ素子２２は、金属
製のハウジング２４と、それに熔接固定された円筒形の
金属製の内筒２６とに、スベーサ２８　；　２８ａ　，
　２８ｂ　，　２８ｃの間に充填されたタルク３０によ
って固定され、該タルク３０によって気密封止されてい
る。さらにセンサ素子２２を外部環境から保護するため
に、金属製の外筒３２をハウジング２４の上部環状突起
３４の外周部に嵌合し、その全周にわたって熔接し気密
に固定する。一方、外筒３２のハウジング２４と嵌合す
る側とは反対側の、上部開口端側にはリード線３６が挿
入されたゴム栓３８が外筒３２によりかしめ固定されて
、外筒３２を密閉している。ところで、上記リード線３
６は、その端部がセンサ素子２２の端子電極３７に電気
的に接続される。

さらに上部開口端側の外筒３２の外周部に、大気と通気
するための通気孔４０が穿設される。この通気孔４０の
外周周辺には円筒状の撥水性多孔質体４２が配され、さ
らにその外側に円筒形かつ金属製の固定金具４４が配設
され、この固定金具４４の上下端部がこれら端部全周に
わたって加締められて、その内側の撥水性多孔質体４２
を固定する。この固定金具４４にもその側壁に通気孔４
６が穿設されている。

さらに、固定金具４４を覆うメタルブーツ４８が配設さ
れる。したがって、メタルブーツ４８と外筒３２の間隙
から侵入し、通気孔４６を通った大気は、撥水性多孔質
体４２を介して、内側の外筒３２の通気孔４ｏに侵入し
、内部空間を通り、板状のセンサ素子２２の内面電極に
到達する。

以上のようにして構成された酸素センサにおいて、ハウ
ジング２４、内筒２６、スペーサ２８、タルク３０、お
よびセンサ素子２２より成る気密封止部の、気密性即ち
通気量は、タルクの封止圧力を変化させることにより調
節することができる。また通気孔４０．　４６および撥
水性多孔質体４２によって形成される連通部の通気量は
、通気孔４０．　４６の孔面積を変化させることにより
、調節できる。これら気密封止部の通気量および連通部
の通気量を適切に調節にすることにより、酸素センサの
起電力の低下の有無を以下のようにして検証した。即ち
（ａ）排気ガス温度：８５０〜９００゜Ｃ（ｂ）排気ガ
ス圧力：４５０〜５００　ｍｍＨｇ（ｃ）空燃比：９．
５〜１０．０ の条件にて、酸素センサを１時間使用する。この条件は
、例えば酸素センサを自動車用の空燃比センサとして使
用する場合において、ほぼ最高に厳しい条件であり、ま
た実際に１時間連続に使用する事もご《稀にしか起こら
ない条件である。また、一定の条件下で連続して使用し
て検証するのは、条件変動があると、排気ガス温度が随
時変化し、酸素センサの温度が変化するため、センサ内
部の空気の熱膨張変化が発生し、これによって新鮮な空
気の流通が生じ、起電力の低下が発生しないからである
。

上記条件下にて種々の酸素センサの試料について、タル
クの気密性（通気量）および溌水性多孔質体の通気量を
それぞれ変化させて、起電力の低下の有無を測定した結
果を第１表に示す。

なお、通気量の測定は、タルクの気密性（通気量）に対
しては４ｋｇ／ｃｆｆｌの圧縮空気を用いて行い、撥水
性多孔質体の通気量に対してはＯ．　ｌｋｇ／ｃｎの圧
縮空気を用いて行い、この値をタルクの通気量に対応さ
せるため、４．０ｋｇ／ｃｆｆｌの値に換算した。

上記第１表をグラフ化した様子を第５図にて示す。第５
図の関係から明らかなように、撥水性多孔質体の通気量
Ｙとタルクの気密性を通気量で表した値Ｘとの関係は、
Ｙ≧１０Ｘ０・３５の場合に、高負荷運転時の起電力の
低下を防止することができる。

本発明は上記実施例に限定されるものではなく、種々、
様々に変形、変更することができる。

例えば、上記例では板状のセンサ素子を用いたものであ
ったが、試験管状のセンサ素子を用いた酸素センサにも
適用できる。また、気密封止部材材料としては、タルク
に限らず、セメント、ガラスまたは金属パッキンも適用
できる。さらに防水性を有する連通部の材料としては、
上述したような撥水性多孔質体に限定されず、ガラス繊
維を押し固めたもの、ガラス繊維に撥水性材料のコーテ
ィングを施して押し固めたもの、グラファイト繊維を押
し固めたもの、グラファイト繊維に撥水性材料のコーテ
ィングを施して押し固めたもの、金属の多孔質体に撥水
性材料のコーティングを施したもの、繊維状の金属に撥
水性材料のコーティングを施して押し固めたもの、その
他通気性を有し、撥水性を有する材料を用いた構造のも
のを適用できる。

また、撥水性材料により微小な間隙を形成し、大気導入
路としたもの、リード線の撚線間の隙間を利用して大気
導入路としたもの、リード線内に撚線間とは別に設けた
間隙を大気導入路としたもの等、防水性を有する大気導
入路を持つ酸素センサに適用できる。

（発明の効果） 以上の説明から明らかなように、本発明による防水型酸
素センサは、連通部の通気量と気密封止部材の気密性を
通気量で表した値との関係を適宜に設定することにより
、高負荷運転状態で長期使用する場合における起電力を
安定させ、このため酸素センサの耐久性を向上し、酸素
センサを長期にわたって安定して動作させる。

【図面の簡単な説明】

第１図および第３図はそれぞれ本発明の酸素センサを示
す部分断面図、 第２図（ａ），　（ｂ）はそれぞれ本発明の酸素センサ
を示す部分断面図およびそのＡ部横断面詳細図、第４図
は気密封止部の気密性と大気導入路の通気量及び起電力
低下の発生の有無の関係を示す図、第５図は酸素センサ
の↑發水性多孔質体の通気量と気密封止部の通気量との
関係を示すグラフ図である。 ２０・・・酸素センサ ２４・・・ハウジング ２８・・・固定部材 ３２・・・外筒 ３６・・・リード線 ４０・・・通気孔 ４４・・・固定金具 ４８・・・メタルブーツ ２２・・・センサ素子 ２６・・・内筒 ３０・・・タルク ３４・・・上部環状突起 ３８・・・ゴム栓 ４２・・・溌水性多孔質体 ４６・・・通気孔 第１図 第２図 （ａ） 第３図 第５図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、内外面に電極を有し、外面電極が排気ガスに、かつ
   内面電極が大気にそれぞれ接触するセンサ素子と、該セ
   ンサ素子を収納する収納部と、該収納部内に設けられ排
   気ガスと大気を隔離する気密封止部と、該気密封止部内
   の空気と大気とを連通するが防水性を有する連通部とよ
   り成る防水型酸素センサにおいて、前記連通部の通気量
   Ｙと前記気密封止部の 気密性を通気量で表した値Ｘの関係を Ｙ≧１０Ｘ＾０＾．＾３＾５ としたことを特徴とする防水型酸素センサ。