JPH0623964Y2

JPH0623964Y2 - 酸素センサ

Info

Publication number: JPH0623964Y2
Application number: JP1993026181U
Authority: JP
Inventors: 伸秀加藤; 隆生村瀬
Original assignee: NGK Insulators Ltd
Current assignee: NGK Insulators Ltd
Priority date: 1993-04-20
Filing date: 1993-04-20
Publication date: 1994-06-22
Anticipated expiration: 2004-06-22
Also published as: JPH0584854U

Description

【考案の詳細な説明】

【０００１】

【技術分野】本考案は、被測定ガス中の酸素濃度を測定
するための酸素センサに係り、特に先端部に酸素検知部
が設けられた長手形状の酸素検知素子を備えた酸素セン
サに関するものである。

【０００２】

【背景技術】被測定ガス中の酸素濃度を検出する酸素セ
ンサ、例えばエンジンやボイラー等の排気ガス中の酸素
濃度を測定する酸素センサにおいては、従来より、酸素
検知素子として、有底円筒形状の固体電解質を主体とす
るものが一般に用いられていたが、近年、製造が容易で
あること、あるいはコンパクト化が可能であること等か
ら、かかる有底円筒形状の酸素検知素子に代わり、酸素
検知素子を長手形状とし、その先端部に酸素検知部を設
けたものが注目されるようになってきた。

【０００３】そして、そのような先端部に酸素検知部が
設けられた長手形状の酸素検知素子を備えた酸素センサ
としては、例えば、本願出願人が先に実願昭５９−３８
４０７号において提案したものがあるが、そこにおいて
提案されているように、先端部に酸素検知部が設けられ
た長手形状の酸素検知素子を備えた酸素センサにあって
は、酸素検知素子が内部に収容される、被測定ガス中に
挿入，位置せしめられて、該被測定ガスに晒される、少
なくとも前記酸素検知部を含む酸素検知素子部分を保護
する保護カバー部と該酸素検知素子の被測定ガスに晒さ
れない部分を覆う保護筒部とを一体に構成せしめた保護
管体と；該保護管体の軸心方向における所定部位の外周
部に気密に取り付けられた、前記被測定ガスの存在する
流通管等の空間を仕切る隔壁に該保護管体を取り付ける
ためのハウジングとを有する構成とされることが、構造
を簡単にでき、また製作を容易にできる点で望ましいの
である。

【０００４】ところで、このような酸素センサでは、酸
素検知素子の酸素検知部側に被測定ガス以外のガスが侵
入したり、あるいは被測定ガスが酸素濃度の比較基準と
なる基準ガス側に漏れたりすると、被測定ガス中の酸素
濃度の検出精度が低下することから、保護管体内面と酸
素検知素子との間に気密層を設け、酸素検知素子の先端
部側と基端部側とを気密に隔てることが必要であるが、
かかる保護管体内面と酸素検知素子との間を長期間にわ
たって気密に維持する技術は未だ確立されていないのが
実情であった。

【０００５】

【解決課題】本考案は、かかる事情を背景として為され
たものであって、その解決課題とするところは、構造が
簡単で、容易に製作でき、しかも長期間の使用に耐える
ことのできる、気密性の高い酸素センサを提供すること
にある。

【０００６】

【解決手段】そして、上記の課題を解決するために、本
考案にあっては、先端部に酸素検知部が設けられてなる
長手形状の酸素検知素子と；該酸素検知素子が内部に収
容される、被測定ガス中に挿入，位置せしめられて、該
被測定ガスに晒される、少なくとも前記酸素検知部を含
む酸素検知素子部分を保護する保護カバー部と該酸素検
知素子の被測定ガスに晒されない部分を覆う保護筒部と
を一体に構成せしめた保護管体と；該保護管体の軸心方
向における所定部位の外周部に気密に取り付けられた、
前記被測定ガスの存在する流通管等の空間を仕切る隔壁
に該保護管体を取り付けるためのハウジングと；該保護
管体に外挿せしめられ、該保護管体と該ハウジングとの
間に介挿されて、それらの間の気密を確保する、先端が
楔形状の気密リングとを有し、且つ該保護管体内に収容
された前記酸素検知素子と該保護管体内面との間に、無
機質粉体からなる気密層を、該保護管体の管壁を介して
前記気密リングに相対向して位置するように、該保護管
体の軸心方向に所定長さにわたって設けると共に、前記
保護管体，気密リング，ハウジングのそれぞれの熱膨脹
係数の差が、３×１０ ^-6 以内であるように構成したこと
を特徴とする酸素センサを、その要旨とするものであ
る。

【０００７】

【作用・効果】このような構成の酸素センサによれば、
保護カバー部と保護筒部が一体とされることから、構造
が簡単になって、その製作乃至は組付け性が容易になる
ことは勿論、気密リングの介挿によって気密性が高めら
れ、更には保護管体、気密リング、ハウジング相互間の
熱膨張係数差の規定により、長期間の使用によって酸素
センサが繰り返し加熱・冷却されても気密層の気密が良
好に保持されて、酸素濃度の検出精度が長期間にわたっ
て良好に維持されるのである。

【０００８】

【実施例】以下、本考案を更に具体的に明らかにするた
めに、その一実施例を、図面に基づいて詳細に説明す
る。

【０００９】まず、図１において、１０は、安定化ジル
コニア等の酸素イオン伝導性の固体電解質を主体に構成
された酸素検知素子であって、図２にその断面形状が、
また図３にはその外形形状が示されているように、狭幅
な板状の長手形状を成している。そして、この長手形状
の酸素検知素子１０の先端部（図１および図３において
左側端部）に、酸素濃淡電池の原理を利用した酸素検知
部１２が形成され、その酸素検知部１２において酸素濃
淡電池の原理に基づいて得られた所定の電気信号が酸素
検出素子１０の基端部（図１および図３において右側端
部）から取り出され得るようになっている。

【００１０】すなわち、酸素検知素子１０には、図３に
示されているように、基端部から先端部近傍まで延びる
行き止まり穴１４が形成され、この行き止まり穴１４の
先端部（奥部）の内外に、それぞれ行き止まり穴１４お
よび外部空間に露出した状態で内部電極および外部電極
（共に図示せず）が設けられて、酸素検知素子１０の基
端部と先端部とが互いに酸素濃度の異なる雰囲気中に位
置せしめられ、それら内部電極と外部電極とに互いに異
なる酸素濃度のガスが接触せしめられた場合において、
それら内部電極と外部電極との間にそれらに接触せしめ
られるガスの酸素濃度の差に基づいて起電力が生じるよ
うにされているのである。そしてそれら内部電極と外部
電極との間に生じた起電力が図示しない導電部を通じて
酸素検知素子１０の基端部に導かれるようになっている
のである。

【００１１】また、この酸素検知素子１０には、図示は
しないが、酸素検知部１２を加熱するためのヒータも内
蔵させられており、後述するように、酸素検知素子１０
の基端部に設けられたヒータ給電部への給電によって酸
素検知部１２を積極的に加熱し得るようになっている。
このヒータによる加熱によって、作動開始時等における
作動の立ち上がり時間を短縮し、あるいは雰囲気温度が
低い場合においても酸素濃度の検出を安定して行い得る
ようになっているのである。

【００１２】なお、このような酸素検知素子１０は、固
体電解質のグリーンシートに電極やヒータ、更には絶縁
シート等を重ね合わせて積層体と為し、これを焼成する
積層方式や、固体電解質のグリーンシートに電極やヒー
タ、絶縁層等を印刷、形成した後、焼成を行う印刷方式
等の通常の手法によって容易に形成される。

【００１３】そして、このように先端部に酸素検知部１
２が形成された酸素検知素子１０が、図１に示されてい
るように、その先端側の中間部および中央部分をそれぞ
れ第一絶縁碍子１６および第二絶縁碍子１８によって支
持された状態で、パイプ状の保護管体２０内に収容さ
れ、第二絶縁碍子１８の基端側にワッシャ２２を挟んで
設けられた固着層２４、および第一絶縁碍子１６と第二
絶縁碍子１８との間に形成された所定長さの気密層２６
によって固定されている。すなわち、酸素検知素子１０
は、それぞれその先端側の酸素検知部１２と基端側の行
き止まり穴１４の開口部とが、気密層２６によって気密
に隔てられた保護管体２０の先端側の空間と基端側の空
間とに位置せしめられた状態で、保護管体２０内に収容
・固定されているのである。なお、第一絶縁碍子１６，
気密層２６，第二絶縁碍子１８およびワッシャ２２は、
図１から明らかなように、保護管体２０にカシメ形成さ
れた第一突起２８および第二突起３０によって、それぞ
れ先端側への移動および基端側への移動を阻止されてい
る。

【００１４】また、保護管体２０内には、先端側の一部
において上記酸素検知素子１０の基端部を覆う状態で接
続碍子３２が挿入されており、保護管体２０の基端側の
開口に挿入・固定されたゴム栓３４によって固定されて
いる。そして、この保護管体２０の開口を塞ぐゴム栓３
４を貫通して３本のリード線３６ａ，３６ｂ，３６ｃが
設けられており、これらのリード線３６ａ，３６ｂ，３
６ｃが接続碍子３２内においてそれぞれコネクタを介し
て前記酸素検知素子１０の内側電極の導電部およびヒー
タの一対の給電部に接続されている。また、外部電極は
接続碍子３２の図示しないコネクタによって保護管体２
０に接続され、さらに後述のハウジング５０を介して接
地されるようになっている。つまり、内外両電極間に発
生する起電力はリード線３６ａとアース間から取り出さ
れるようになっているのであり、またリード線３６ｂ，
３６ｃからの給電によってヒータが加熱され、前述のよ
うに酸素検知部１２が加熱されるようになっているので
ある。

【００１５】なお、本実施例では、上述のように保護管
体２０の開口がゴム栓３４によって塞がれているので、
保護管体２０内に水等の液体が侵入することはない。ま
た、本実施例では、図１から明らかなように、ゴム栓３
４が保護管体２０のカシメ加工によって固定されて、ゴ
ム栓３４の径方向に圧縮力が作用させられ、これによっ
て各リード線が強固に固定されて、外部からの振動がリ
ード線を経て酸素検知素子１０との間の接続部に伝わら
ないようにされているので、その接続部の疲労破壊を効
果的に防止することができる。

【００１６】一方、前記酸素検知素子１０が収容・固定
せしめられた保護管体２０には、その先端部に複数のガ
ス導入孔４０が形成されるとともに、前記接続碍子３２
に対応する部分に通孔４２が形成され、後述するよう
に、先端部が被測定ガス通路内に突出する状態で取り付
けられた場合において、被測定ガスがガス導入孔４０か
ら酸素検知素子１０の酸素検知部１２に導かれるととも
に、大気が通孔４２を通じて酸素検知素子１０の行き止
まり穴１４内に導かれるようになっている。

【００１７】なお、以上の説明から明らかなように、本
実施例では、保護管体２０の上記ガス導入孔４０が形成
された先端側の部分（厳密には気密層２６よりも先端側
の部分）が保護カバー部４４を成しているのであり、そ
の保護カバー部４４よりも基端側の部分（気密層２６よ
りも基端側の部分）が保護筒部４６を成しているのであ
る。

【００１８】そして、本実施例では、このような保護カ
バー部４４と保護筒部４６とが一体に構成された保護管
体２０の前記気密層２６に対応する外周部に、気密リン
グ４８を介してハウジング５０が気密に装着され、この
ハウジング５０のネジ部５１が自動車の排気ガス管等の
被測定ガス流通路の隔壁に螺着されることによって、先
端側の保護カバー部４４がその被測定ガス流通路内に挿
入された状態で、保護管体２０が被測定ガス流通路の隔
壁に気密に固定され得るようになっている。保護管体２
０がハウジング５０によって上述のように被測定ガス流
通路の隔壁に気密に取り付けられることによって、前述
のように、酸素検知部１２の外部電極がガス導入孔４０
を経て導かれる被測定ガスに晒され、また酸素検知部１
２の内部電極が通孔４２，行き止まり穴１４を経て導か
れる空気に晒されるのであり、これによって被測定ガス
と空気との酸素濃度差に基づいて発生する電気信号（起
電力）がリード線３６ａとアース間から取り出されるこ
ととなる。

【００１９】なお、気密リング４８は、図１に示されて
いるように、先端部が楔状とされて、ハウジング５０の
基端側（図１において右側）に形成されたシール空間５
２内に収容され、ハウジング５０の基端側の円筒状突部
５４のカシメ加工によって先端部の楔状部分がハウジン
グ５０と保護管体２０との間の隙間を埋めるように固定
されている。ハウジング５０と保護管体２０との間に、
気密リング４８が、このように介在させられることによ
って、それらの間の気密が効果的に保たれるようになっ
ているのである。

【００２０】そして、このような酸素センサにおいて、
本実施例では、前記気密層２６が耐熱性を有するタル
ク，アルミナ等の無機質の予圧縮成形された粉体によっ
て構成され、また前記固着層２４が無機系の固着剤であ
るガラスによって形成されているのである。このよう
に、気密層２６を耐熱性（使用環境にもよるが、一般に
は、５００℃以上の耐熱性）の無機質粉体にて構成すれ
ば、加熱と冷却の繰り返しによっても気密層２６の気密
が長期間にわたって維持されるのである。また、無機系
の固着剤からなる固着層２４を設ければ、酸素検知素子
１０を保護管体２０内において安定して支持することが
できる。

【００２１】なお、この気密層２６は前記酸素検知素子
１０の固定と同時に形成されるようになっている。すな
わち、酸素検知素子１０を固定するに際しては、図３に
示されているように、第一絶縁碍子１６，第二絶縁碍子
１８およびワッシャ２２と共に、気密層２６の形状に予
め圧縮成形されたタルク等の無機質粉体からなる成形品
５６が用意され、また保護管体２０としては、前記２つ
の突起２８，３０のうち先端側の第一突起２８だけがカ
シメ形成されたものが用意される。

【００２２】そして、まず、上記第一絶縁碍子１６，成
形品５６，第二絶縁碍子１８およびワッシャ２２に形成
された挿通穴に対して酸素検知素子１０が挿通され、こ
の酸素検知素子１０が挿通された組立品が、基端側の開
口から保護管体２０内に挿入される。この時、保護管体
２０は基端側を上方にした姿勢で所定の治具によって支
持され、従って組立品は第一絶縁碍子１６が第一突起２
８に当接せしめられた位置で停止する。また、酸素検知
素子１０も、上記治具によって同時に位置決めされる。

【００２３】次いで、かかる状態において、上記治具と
は別の治具によって、ワッシャ２２が上方から下方に向
かって押圧される。このワッシャ２２の押圧によって、
成形品５６は加圧されて変形し、酸素検知素子１０と保
護管体２０との間に密に充填される。そして、このワッ
シャ２２の押圧状態下において、第二突起３０がカシメ
形成され、組立品が固定される。つまり、酸素検知素子
１０が固定されるのであり、この時同時に予圧縮成形さ
れた無機質粉体によって気密層２６が形成されるのであ
る。

【００２４】そして、このように酸素検知素子１０が固
定されるとともに、気密層２６が形成された後、固着層
２４の形状に成形されたガラスが保護管体２０に挿入さ
れ、溶融されて固着層２４が形成されることとなる。

【００２５】また、本実施例では、上記気密層２６の形
成後、前記ハウジング５０が、この気密層２６に対応す
る保護管体２０の外周部に装着されるようになってお
り、これによって気密層２６の気密性と前記ハウジング
５０と保護管体２０との間の気密性とがより一層向上さ
せられている。すなわち、ハウジング５０は、前述のよ
うに、気密リング４８をシール空間５２内に収容した状
態で円筒状突部５４がカシメ加工されることにより、保
護管体２０に装着されるようになっていることから、図
４の（ａ）および（ｂ）に示されるように、そのカシメ
加工によって保護管体２０の管壁が気密層２６側に向か
って突出せしめられることとなるが、気密層２６は第一
絶縁碍子１６，第二絶縁碍子１８，酸素検知素子１０お
よび保護管体２０の管壁によってその広がりが制限され
ているため、その管壁の内側への突出によって粉体がよ
り圧縮されることとなり、その分気密層２６の気密性が
向上するのである。また、気密層２６からの反作用によ
って保護管体２０の管壁および気密リング４８との間に
作用する圧力も大きくなるため、ハウジング５０と保護
管体２０との間の気密性も向上するのである。

【００２６】また、この実施例では、前記保護管体２０
が、０〜６００℃における平均熱膨脹係数が１７．５×
１０^-6のＳＵＳ３１０Ｓによって、またハウジング５０
および気密リング４８が、０〜６００℃における平均熱
膨張係数が１８．９×１０^-6のＳＵＳ３０４によって形
成されており、これによってハウジング５０と保護管体
２０との間の気密が長期間にわたって安定して保たれる
ようになっている。すなわち、それら保護管体２０，ハ
ウジング５０および気密リング４８の熱膨張係数の差が
大きいと、長期間の使用による加熱・冷却によって保護
管体２０とハウジング５０との間が緩み、それらの間の
気密性が損なわれる恐れがあったのであるが、上述のよ
うに、それらの材質として熱膨張係数の比較的近いもの
を採用することによって、そのような不都合を解消し得
ることとなったのである。なお、それらの材質として熱
膨張係数の差が３×１０^-6以下の金属材料を採用すれ
ば、保護管体２０とハウジング５０との間を長期間にわ
たって気密に保つことが可能となる。

【００２７】さらに、本実施例では、前述のように、保
護カバー部４４と保護筒部４６とが保護管体２０として
一体とされていることから、保護カバー部４４と保護筒
部４６とが別部品とされる酸素センサに比べて、その構
造が極めて単純化且つ簡略化されているのであり、これ
によって、その製作乃至は組付け作業が著しく容易とさ
れているのである。

【００２８】以上、本考案の一実施例を説明したが、こ
れは文字通りの例示であって、本考案は、かかる具体例
に限定して解釈されるべきものではない。

【００２９】例えば、前記実施例では、酸素検知素子１
０が、酸素イオン伝導性を有する安定化ジルコニア等の
固体電解質材料を主体として構成されているものとされ
ていたが、酸素検知部が、酸素濃度により電気抵抗値の
変化する酸化物半導体、例えば酸化チタン等にて実質的
に構成された酸素検知素子を採用することも可能であ
る。

【００３０】また、気密層２６を構成する無機質粉体と
しては、前記実施例のように、特にタルクを採用するこ
とが望ましいのであるが、前掲したように、アルミナ等
の他の耐熱性の無機質粉体を採用することも可能であ
り、またこのような気密層が酸素検知素子１０の長手方
向において２箇所以上設けられてもよいのである。な
お、この気密層を２箇所以上設ける場合において、基端
側に位置する気密層に上記固着層と同様な機能をもた
せ、酸素検知素子１０の固定を行なうようにすることも
可能である。

【００３１】

【００３２】さらに、前記実施例では、保護管体２０は
全長にわたって一律に同径とされていたが、図５に示さ
れるように、先端側が小径部５８、基端側が大径部６０
とされた段付状のパイプから構成されていてもよいので
ある。なお、保護管体２０をこのように段付状のパイプ
にて構成すれば、気密層２６を圧縮形成するに際して保
護管体２０をその段付部において治具にて支持すること
ができるところから、保護管体２０の端部で受けるとき
に発生する座屈などの現象を良好に回避することが可能
となると共に、保護管体２０の段付部６２とハウジング
５０の段付部６４とが密着するため、保護管体２０とハ
ウジング５０との間の気密がさらに良好となる。

【００３３】その他、一々列挙はしないが、本考案がそ
の趣旨を逸脱しない範囲内において種々なる変形，改良
等を施した態様で実施し得ることは言うまでもないとこ
ろである。

【図面の簡単な説明】

【図１】本考案に係る酸素センサの一実施例を示す要部
切欠断面説明図である。

【図２】図１におけるII−II断面を示す断面図である。

【図３】図１の酸素センサの酸素検知素子の保護管体へ
の組付け操作を説明するための要部分解図である。

【図４】図１の酸素センサにおけるハウジングの取付操
作を説明するための要部断面説明図であって、（ａ）は
取付完了前の状態の、また（ｂ）は取付完了後の状態の
断面説明図である。

【図５】本考案の他の実施例を示す図４の（ｂ）に相当
する図である。

【符号の説明】

１０：酸素検知素子１２：酸素検知部１６，１８：絶縁碍子２０：保護管体２４：固着層２６：気密層３２：接続碍子３４：ゴム栓３６ａ，３６ｂ，３６ｃ：リード線４４：保護カバー部４６：保護筒部４８：気密リング５０：ハウジング５６：成形品５８：小径部６０：大径部６２：保護管体の段付部６４：ハンジングの段付部

Claims

【実用新案登録請求の範囲】

【請求項１】先端部に酸素検知部が設けられてなる長
手形状の酸素検知素子と；該酸素検知素子が内部に収容
される、被測定ガス中に挿入，位置せしめられて、該被
測定ガスに晒される、少なくとも前記酸素検知部を含む
酸素検知素子部分を保護する保護カバー部と該酸素検知
素子の被測定ガスに晒されない部分を覆う保護筒部とを
一体に構成せしめた保護管体と；該保護管体の軸心方向
における所定部位の外周部に気密に取り付けられた、前
記被測定ガスの存在する空間を仕切る隔壁に該保護管体
を取り付けるためのハウジングと；該保護管体に外挿せ
しめられ、該保護管体と該ハウジングとの間に介挿され
て、それらの間の気密を確保する、先端が楔形状の気密
リングとを有し、且つ該保護管体内に収容された前記酸
素検知素子と該保護管体内面との間に、無機質粉体から
なる気密層を、該保護管体の管壁を介して前記気密リン
グに相対向して位置するように、該保護管体の軸心方向
に所定長さにわたって設けると共に、前記保護管体，気
密リング，ハウジングのそれぞれの熱膨脹係数の差が、
３×１０ ^-6 以内であるように構成したことを特徴とする
酸素センサ。
【請求項２】前記気密層を構成する無機質粉体がタル
クである請求項１に記載の酸素センサ。
【請求項３】前記気密層が、前記保護管体内におい
て、その軸心方向の２ヶ所以上の位置に設けられている
請求項１または請求項２に記載の酸素センサ。
【請求項４】前記酸素検知素子が、前記保護管体内に
おいて少なくとも１ヶ所以上の位置でセメント，ガラス
等の無機系の固着剤にて固定せしめられている請求項１
乃至請求項３の何れかの一つに記載の酸素センサ。
【請求項５】前記保護管体が、小径部と大径部とから
構成されたパイプである請求項１乃至請求項４の何れか
の一つに記載の酸素センサ。