JP2659791B2

JP2659791B2 - 防水型酸素センサ

Info

Publication number: JP2659791B2
Application number: JP1058023A
Authority: JP
Inventors: 伸秀加藤; 正則勝
Original assignee: NIPPON GAISHI KK
Current assignee: NIPPON GAISHI KK
Priority date: 1989-03-13
Filing date: 1989-03-13
Publication date: 1997-09-30
Anticipated expiration: 2012-09-30
Also published as: JPH02238355A; US5031445A

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、
該気密封止部間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被水等を受ける
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、かつ被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撥水性の多孔
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。

（課題を解決するための手段）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し、且
つスペーサ間に包囲された少なくとも２個以上の気密封
止部と、前記収納部内で気密封止部により排気ガスと隔
離され、且つ前記センサ素子の大気導入口と連通する第
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
る防水型酸素センサにおいて、前記２個以上の気密封止
部の内、第１の空間側の気密封止部の気密性を、その周
囲の収納部を加締めることにより、排気ガス側の気密封
止部の気密性より高め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、撥水性
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被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
ペーサ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28b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とを連通す
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
経て大気に連通する。

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61が挿入されたゴム栓60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61は、その端部がセンサ素子22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との間の撥水
性材料のリング23に撥水性の微小間隙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30b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
空気側のスペ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（ａ），（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;30a,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22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
ペーサ28bと対応する位置にある環状突出部40には、ス
ペース32bを大気に連通するための連通口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61が挿入されたゴム栓60
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
通するための通気孔44が穿設される。この通気孔44の外
周周辺には円筒状の撥水性多孔質体46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48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58が配設される。
したがって、メタルブーツ58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の例より被水等に対する耐性
がある。ここで、酸素センサ20が被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3
8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ペーサ28bの周辺のスペース32a,3
2bに侵入する僅かな排気ガスがタルク30a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22
を固定する２個のタルク30a,30bおよびスペーサ28a,28
b,28cを金属製のキャップ26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を介してハウジング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55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、少なくとも２個の気密防止部とそれらの
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。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……スペーサ、30……タルク 32……スペース、34……横穴 36……連通口、38……内筒 40……環状突起、42……外筒 44……通気孔、46……撥水性多孔質体 48……固定金具、50……通気孔 52……気密リング、55……スペース 56……スペース、60……ゴム栓、61……リード線

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項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し、且つスペーサ間に包囲
された少なくとも２個以上の気密封止部と、前記収納部
内で気密封止部により排気ガスと隔離され、且つ前記セ
ンサ素子の大気導入口と連通する第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る防水型酸素センサ
において、前記２個以上の気密封止部の内、第１の空間
側の気密封止部の気密性を、その周囲の収納部材を加締
めることにより、排気ガス側の気密封止部の気密性より
高めたことを特徴とする防水型酸素センサ。
【請求項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の空簡易漏れ出
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。