JPH02238355A

JPH02238355A - 防水型酸素センサ

Info

Publication number: JPH02238355A
Application number: JP1058023A
Authority: JP
Inventors: Nobuhide Kato; 伸秀加藤; Masanori Katsu; 正則勝
Original assignee: NGK Insulators Ltd
Current assignee: NGK Insulators Ltd
Priority date: 1989-03-13
Filing date: 1989-03-13
Publication date: 1990-09-20
Anticipated expiration: 2012-09-30
Also published as: US5031445A; JP2659791B2

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酸素センサ
素子と、酸素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）従来から酸素センサは、自動車の排気ガスの酸素濃度検
出器として広く知られている。

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４図に示すような酸素センサ２に
おいては、金属製のハウジング４内に収納された板状の
センサ素子６と金属製のキャップ８との間に気密封止部
材として、例えばタルク１０を充填することによりなさ
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、
基準酸素電極に大気を導入するための大気導入路を設け
ている。この大気導入路は、第４図に示すようにキャッ
プ８に通気孔１２を設けたり、第５図に示す試験管状の
センサ素子１４を使用する酸素センサ２のように、金属
製のキャップ８とメタルブーツ１６との間に隙間を設け
ることにより形成している。

しかしながら、これら酸素センサは破水等を受けると、
水分が酸素センサ内部に侵入しこの水分が蒸発すること
により、基準酸素分圧が低下し、起電力が低下する問題
点があった。

そのため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端を大気導
入口としたり、金属製のキャップとメタルブーツとの間
に撥水性の間隙を設けて、水をはじいて空気のみを通す
様な構造にしたり、または大気導入口に溌水性の多孔質
体を設けた防水型構造のものすなわち防水型酸素センサ
が提案されている。

（発明が解決しようとする課題）しかし、このような構造の酸素センサにおいて、高負荷
運転状態にて長期使用されていると、起電力が低下する
という問題点があった。

本発明の目的は上述した課題を解消して、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
ない防水型酸素センサを提供するものである。

（課題を解決するだめの手段）本発明の防水型酸素センサは、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、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少な
くとも２個以上の気密封止部と、前記収納部内で前記気
密封止部材により排気ガスと隔離された第１の空間と、
該第１の空間と大気を連通し防水性を有する連通部と、
前記気密封止部間に形成された少なくとも１個以上の第
２の空間と、前記収納部に設けられ前記第２の空間と大
気とを連通ずる連通口とより成り、前記センサ素子の大
気導入口を前記第１の空間に開口させたことを特徴とす
る。

（作　用）上述した構成において、少なくとも２個以上の気密封止
部間に連通口を設け排気ガスを予じめ外部へ排出してい
るため、排気ガスが基準空気と混ざることがなく、高負
荷運転状態下であっても起電力の低下がない。

すなわち、本出願人は、上記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
下のことを判明した。

（ａ）防水性の大気導入路を有する構造としたために、
大気導入路の通気性が低下し、基準空気の置換性が悪化
すること。

（ｂ）酸素センサの気密封止部の気密性が、長期使用過
程において徐々に劣化すること。

（ｃ）高負荷運転を続けていると、酸素センサが高温に
なるため、センサ素子と金属製のハウジングおよびキャ
ップ等の内部部品との熱膨張差が生じ、気密封止部の気
密性が低下すること。

（ｄ）排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、高負荷運転時に高くなり、酸素セ
ンサ内部に還元ガスが侵入しやすくなること。

（ｅ）排気圧力が上昇することにより、排気ガスが酸素
センサ内部に侵入しやすくなること。

このため、本発明では、少なくとも２個の気密封止部と
それらの間に形成された少なくとも１個以上の第２の空
間を大気と連通させることにより、排気ガス側の気密封
止部から漏れ侵入してきた排気ガスを、大気側に逃がし
、このため排気ガスが基準空気側の気密封止部を通って
基準空気側に到達することがない。この場合、排気ガス
が気密封止部の間に形成された第２の空間と大気との連
通口を経て大気側に漏れ出る経路の通気量を、第２の空
間から第１の空間（即ち基準空気側）に漏れ出ようとす
る経路の通気量（即ち基準空気側の気密封止部の通気量
）に比べ、十分に大きくしておけば、基準空気側に排気
ガスが侵入することはない。好ましくはこれら通気量の
比率を１０以上にすれば十分であり、さらに好ましくは
１００以上にするのが良い。

基準空気側の気密封止部の材料としては、一般的にタル
ク、セメント、ガラスを用いるのがよいが、その通気量
が、２箇所の気密封止部の間に形成された空間と大気と
の連通口の通気量に比べて十分に小さくなるような材料
を選択すればよい。

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、撥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。基準空気と大気との連通部には、撥水性の微
小な間隙で形成された連通部材または撥水性の多孔質体
より形成された連通部材を配置するのが好ましい。ただ
しこの部分は高温にさらされる場合があり、溌水性の優
れる樹脂系のものを使用できない場合がある。

このため、センサ本体には大気との連通部を設けずに、
リード線の撚線間に形成される間隙を大気の導入通路と
して利用し、リード線の開放端を破水を受けない箇所に
配置し、防水性を有する連通部とすることもある。この
場合は、大気導入経路が長くなり、基準空気の置換性が
一層悪くなり、出力低下が発生しやすい。しかしこのよ
うな場合であっても、本発明によれば、僅かな基準空気
の置換のみでも、基準空気の空間に排気ガスが入り込ん
で出力低下を起こすことはない。

（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（ａ）　，　（ｂ）　，　（ｃ）はそれぞれ本発
明の酸素センサの一例を示す部分断面図、そのＡ−Ａ′
断面図および防水構造部の断面図である。第１図（ａ）
，（ｂ），　（ｃ）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、円筒形の金属製のキャ
ップ２６に、セラミック製のスペーサ２８　；　２８ａ
，　２８ｂ，２８ｃの間に充填されるタルク３０　；　
３０ａ．　３０ｂを介して固定されかつ気密封止される
。タルク３０によるセンサ素子２２の固定はタルク粉末
を加圧圧縮することによりなされる。ここにおいてスベ
ーサ２８ａ，２８ｂの間および２８ｂ，　２８ｃの間に
タルクによって形成された部分３０ａ，　３０ｂは、そ
れぞれ基準空気側気密封止部および排気ガス側気密封止
部となる。またこれら気密封止部によって、スペーサ２
８ｂとセンサ素子２２との間およびスペーサ２８ｂとキ
ャップ２６との間にはスペース（即ち空間）　３２ａ．
　３２ｂがそれぞれ形成される。

スペーサ２８ｂには、上記スペース３２ａと３２ｂとを
連通ずるために横穴３４が穿設されている。さらに、横
穴３４と対応する適切な位置にキャップ２６に２個の連
通口３６を形成する。さらに、第１図（ｂ）に示すＡ−
Ａ’断面図からもわかるように、横穴３４を通る軸線と
連通口３６を通る軸線とが直交するように形成する。し
かし、この配置に限定されるものではない。したがって
、酸素センサ内部のスペース３２ａは、横穴３４、スペ
ース３２ｂおよび連通口３６を経て大気に連通ずる。

一方、キャップ２６のハウジング２４に気密リング５２
により固定される側とは反対側の上部開口端側には、リ
ード線３２が挿入されたゴム栓３４がキャップ２６によ
りかしめ固定されて、キャップ２６を密閉している。と
ころで、上記リード線３２は、その端部がセンサ素子２
２の端子電極に電気的に接続される。

なお、本実施例では、第１図（ｃ）のＢ部横断面詳細図
に示すように、キャップ２６と固定金具２１との間の掲
水性材料のリング２３に搗水性の微小間隙２５を設けて
、水をはじいて空気のみを通す様な構造としている。

以上のようにして構成された酸素センサにおいて、スペ
ーサ２８ｃとセンサ素子２２およびキャップ２６の間に
形成されたスペースを通過し、排気側の気密封止部３０
ｂよりスペース３２ａ，　３２ｂに漏れ侵入した僅かな
排気ガスは、横穴３４およびスペース３２ｂを通り、或
いは直接に連通口３６を経て外部に放出される。したが
って、排気ガスは基準空気側のスベースに到達すること
はなく、酸素センサ素子の起電力を低下させることもな
い。

第２図（ａ），　（ｂ）はそれぞれ本発明の他の実施例
を示す部分断面図およびそのＡ−Ａ′断面図である。第
２図（ａ），　（ｂ）において、第１図（ａＬ　（ｂ）
，（ｃ）と同一部分には同一の符号を付し、その説明を
省略する。

この酸素センサ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金属
製の円筒形の内筒３８とに、スペーサ２８；２８ａ，　
２８ｂ，　２８ｃの間に充填されたタルク３０　；　３
０ａ，３０ｂを介して固定されて気密封止される。前述
した実施例と同様に、スペーサ２８ｂと、センサ素子２
２またはハウジング２４或いは内筒３８との間には、ス
ペース３２ａ，　３２ｂがそれぞれ形成される。またス
ペーサ２８ｂには上記スペース３２ａ，　３２ｂを連通
するための横穴３４が設けられている。さらに金属製の
ハウジング２４のスベーサ２８ｂと対応する位置にある
環状突出部４０には、スペース３２ｂを大気に連通ずる
ための連通口３６を形成する。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４２をハウ
ジング２４の環状突出部４０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．ただし、熔接は連
通口３６より環状突出部上端側で行ない、外筒４２のハ
ウジング側の端部を、環状突出部４０の連通口３６の手
前から僅かに拡開させて、連通口３６からガスが排出で
きるようにする。

一方、外筒４２がハウジング２４に嵌合する側とは反対
側の上部開口端側には、リード線３２が挿入されたゴム
栓３４が外筒４２によりかしめ固定されて、外筒４２を
密閉している。さらに上部開口端側の外筒４２の外周部
に、大気と連通ずるための通気孔４４が穿設される。こ
の通気孔４４の外周周辺には円筒状の溌水性多孔質体４
６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４８が配設され、この固定金具４日の上下端部がこ
れら端部全周にわたってかしめられて、その内側の撥水
性多孔質体４６を固定する。この固定金具４８にも通気
孔５０が穿設されている。さらに、固定金具４８を覆う
メタルブーツ５２が配設される。したがって、メタルプ
ーツ５２と外筒４２の間隙から侵入し通気孔５０を通っ
た大気は、撥水性多孔質体４６を介して内側の外筒４２
の通気孔４４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。

この例では、ハウジング２４の環状突出部４０に設けら
れた連通口３６の上に外筒４２が、通気性を損なわない
ようにして被冠されるため、第１の例より破水等に対す
る耐性がある。ここで、酸素センサ２０が破水を受けて
も水が金属製のハウジングの環状突出部４０に穿設され
た連通口３６を通り、基準空気の空間まで到達し、起電
力の低下（即ち水の蒸発による酸素分圧の低下）を引き
起こすことはない。この理由は、気密封止部の間に形成
された空間と大気との連通口３６から侵入した水は、基
準空気側の気密封止部によって、基準空気の空間への侵
入が阻止されるからである。上記観点から、基準空気側
の気密封止部は吸水性の小さい材料が望ましく、ガラス
、圧縮されたタルク等が良い。また、基準空気側のタル
ク３０ａは、内筒３８の外周部を絞っているため、加圧
圧縮されて、その気密性が排気ガス側のタルクより更に
高められている。

このため排気ガス側のスベーサ２８ｂの周辺のスペース
３２ａ，　３２ｂに侵入する僅かな排気ガスがタルク３
０ａを経て基準空気側のスペースに漏れ侵入することが
なくなる。

第３図（ａ）．　（ｂ）はそれぞれ他の実施例を示す部
分断面図およびそのＡ−Ａ’断面図である。第３図（ａ
），　（ｂ）においても、第２図（ａ）．　（ｂ）と同
一部分には同一符号を付しその説明を省略する。この例
において、前記第２実施例と異なる点は、センサ素子２
２を固定する２個のタルク３０ａ，　３０ｂおよびスペ
ーサ２８ａ．　２８ｂ，　２８ｃを金属製のキャップ２
６内で気密封止した点、金属製のキャップ２６を金属製
のハウジング２４に気密リング５２を介して気密固定し
ている点、さらに金属製外筒４２を固定リング５４を介
してハウシング２４に固定している点である。

このようにしたことにより、センサ素子の収納部の気密
性を一層高め、排気ガスの侵入をより防止することがで
きる。

排気ガスを逃がすための連通口３６はキャップ２６に形
成し、また外筒４２とキャップ２６との間にスペース５
５を形成し、リード線挿入側のスペース５６と連通させ
る。このスペース５６は大気と連通している．したがっ
て連通口３６から排出された排気ガスがスペース５５．
　５６を経て大気に排出される。大気と通気するための
、通気孔４４，　５０、撥水性多孔質体４６および固定
金具４８より成る連通部はキャップ２６に形成される。

このように、気密封止部の気密性を高め、しかも酸素セ
ンサの防水性も損なうことがない構成となっている。

本発明は上記実施例のみ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
に通気性を有する撥水性の連通部の材料としては、上述
したようなＩ發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、繊維状の金属に溌水
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、橋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、リード線内の撚線間
とは別に設けた間隙を大気導入路としたもの等、防水性
を存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、少なくとも２個の気密封上部とそれらの間
に形成された少なくとも１個以上の第２の空間を大気と
連通させることにより、排気ガス側の気密封止部から漏
れ侵入してきた排気ガスを、大気側に逃がし、このため
排気ガスが基準空気側の気密封止部を通って基準空気側
に到達することがない。したがって、僅かな基準空気の
置換のみでも所望の起電力が確保され、高負荷運転状態
で長期使用しても起電力が安定し、耐久性が向上し、長
期にわたって安定して動作する。

【図面の簡単な説明】

第１図（ａ），　（ｂ），　（ｃ）はそれぞれ本発明の
酸素センサの一例を示す部分断面図、Ａ−Ａ’線上の断
面図および防水構造部の断面図、第２図（ａ）．　（ｂ）はそれぞれ本発明の酸素センサ
の他の例を示す部分断面図およびＡ−Ａ’線上の断面図
、第３図（ａ）．　（ｂ）はそれぞれ本発明の酸素センサ
の他の例を示す部分断面図およびＡ−Ａ“線上の断面図
、第４図および第５図は従来の非防水型酸素センサの一例
を示す部分断面図である。２０・・・酸素センサ　　　２２・・・センサ素子２４
・・・ハウジング　　　２６・・・キャップ２８・・・
スベーサ　　　　３０・・・タルク３２・・・リード線３６・・・連通口４０・・・環状突起４４・・・通気孔４８・・・固定金具５２・・・気密リング５６・・・スペース

Claims

【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少なくとも２個以上の気密封止
部と、前記収納部内で前記２個以上の気密封止部により
排気ガスと隔離された第１の空間と、該第１の空間と大
気を連通し防水性を有する連通部と、前記２個以上の気
密封止部間に形成された少なくとも１個以上の第２の空
間と、前記収納部に設けられ前記第２の空間と大気とを
連通する連通口とより成り、前記センサ素子の大気導入
口を前記第１の空間に開口させたことを特徴とする防水
型酸素センサ。２、排気ガスが、前記連通口を経て大気に漏れ出る通気
量と、前記第２の空間から第１の空間に漏れ出る通気量
との比を１０以上となるようにしたことを特徴とする請
求項１記載の防水型酸素センサ。