JP4390841B2 - 酸素センサ - Google Patents

Description

本発明は、例えば内燃機関の排気ガス中の酸素濃度を検出するための酸素センサ、あるいは所定のガス中の酸素を検出するための酸素センサに関する。

近年、自動車エンジン等の内燃機関において、その空燃比制御等に使用するための各種酸素センサが開発されている。特に、排気ガスによる大気汚染など環境保護上の問題が大きな課題となっており、排気ガス中の酸素濃度を検出するための酸素センサについても、高性能で長寿命のものに対する需要が高まっている。

このような酸素センサとして代表的なものとして、ＺｒＯ２等の酸素イオン電導性固体電解質により先端部が閉じた中空軸状に形成された酸素検知素子を筒状のケーシング内に収容し、該酸素検知素子の先端外面の検出面を被検出雰囲気と接触させるとともに、その内側空間に基準ガスとしての大気を導入して、その内面（基準面）に接触させ、両面に接触するガスの酸素濃度の相違により発生する酸素濃淡電池起電力を検出することにより被検出雰囲気中の酸素濃度を測定するようにした構造のものが広く使用されている。

上記酸素センサにおいては、酸素検知素子あるいはそれを加熱するための発熱体からのリード線を外部へ引き出すための構造として、セラミックセパレータを内蔵し、その個別のリード線挿通孔に各リード線を通すようにしたものが用いられている。このようなセラミックセパレータを使用することにより、リード線間あるいはリード線に続く端子部間での短絡が防止され得る。

ところで、このようなセラミックセパレータを内蔵する従来の酸素センサのケーシング構造は、例えば特開平１１−７２４６３号で開示されているように、酸素検知素子を収容する筒状の主体金具と、該主体金具に連結される主筒，該主筒に外嵌される外筒を備えてなり、外筒にフィルタを外嵌して、これを防護カバーで覆うようにしている。この構成にあって、あらかじめ外筒内に金属弾性部材を装着した後、外筒内にリード線を挿通したセラミックセパレータを収納して、外筒，フィルタ及びセラミックセパレータでまとまりのある一ユニットとする。しかる後、外筒を主体金具に連結される主筒に外嵌して、外筒に形成した係止段面とセラミックセパレータ間の金属弾性部材の付勢力によりセラミックセパレータの前端を主筒の後端に弾接させ、この状態で主筒にかしめ固定する。而して、これにより各部材が組み付けられることとなる。

このように、従来の酸素センサのケーシング構造は、このような組み付けを前提とするために、主体金具，主筒，外筒からなり、部品点数が多く、構造が複雑であり、このため製造が面倒で、高コストとなっていた。

本発明は、酸素センサのケーシング構造の部品点数を少なくすることにより、製造が容易で、しかも低廉な酸素センサを提供しようとするものである。

本発明は、軸状の酸素検知素子と、酸素検知素子を内部で保持して、その検出面を突出する短筒状の主体金具と、前端を主体金具の後端部に密嵌状に連結され、かつ後部内周面に係止段を備えた金属製筒状基体と、後面側を係止段に係止されて筒状基体に内嵌され、軸方向に貫通して形成された複数のリード線挿通孔に酸素検知素子からの各リード線がそれぞれ挿通されるセラミックセパレータと、筒状基体に内嵌され、セラミックセパレータの前面側に弾接して、該セラミックセパレータの後面側を係止段に圧接保持する金属弾性部材と、筒状基体の後端開口に密閉状に嵌着されて、各リード線を気密状に挿通する弾性シール部材とを備え、
前記係止段と、当該径止段に圧接される前記セラミックセパレータの前記後面とは、共に前記筒状基体の前端に向かう程広がるテーパ面をなしていることを特徴とする酸素センサである。ここでは、酸素検知素子の軸方向においてその先端部に向かう側を前側、これと反対方向に向かう側を後側としている。

この構成にあって、金属弾性部材を、筒状基体に設けられた係止突部と、セラミックセパレータの前面側との間に圧入されて、前端を係止突部に支持され、後端をセラミックセパレータの前面側に弾接することにより、セラミックセパレータの後面側を係止段に圧接保持する波形座金等の座金により構成することができる。この構成にあっては、係止突部により、座金の前端が確実に保持され得ることとなる。

また、金属弾性部材を、筒状基体に圧入され、セラミックセパレータの筒状基体の内面に、周縁に形成した歯を係合して位置決めされ、その内周縁をセラミックセパレータの前面側に弾接する歯付座金により構成しても良い。この構成にあっては、筒状基体に係止突部を形成する必要が無いという利点がある。

ここで、筒状基体の後端部に形成された気体導入孔を囲繞するように環状フィルタを外筒に外嵌し、かつ気体導入孔からの気体を酸素検知素子の基準面に導入する空気流路を確保する。

かかる本発明の基本構成にあっては、金属弾性部材により、セラミックセパレータを後方付勢するようにして、該セラミックセパレータを安定保持するようにしている。このため、セラミックセパレータを保持する為の外筒等を要せず、ケーシング構造は、筒状の主体金具と金属製筒状基体とにより構成される。従って、部品点数が従来に比して少なくなる。

またそのケーシング構造の組み付けにあって、金属製筒状基体内に酸素検知素子等に接続するリード線を挿通したセラミックセパレータを収納した状態で、前端開口から挿入した波形座金，歯付座金等の金属弾性部材を圧入し、セラミックセパレータと係止突部との間に圧縮状態で配置し、これによりその復元弾力によりセラミックセパレータを係止段に弾接して保持する。而して後、金属製筒状基体を主体金具の後端部に、外嵌して圧入または溶接等の手段により固結する。このようにこの金属弾性部材を筒状基体に圧入するだけで、セラミックセパレータが保持され、これによりセラミックセパレータを備えるケーシング構造が完結的にユニット化され、このため、主体金具への組み付け工程が容易となる。

本発明は、上述したように、酸素検知素子を内部で保持する主体金具と、金属製筒状基体とでケーシングを構成し、複数のリード線がそれぞれ挿通されるセラミックセパレータを筒状基体に設けると共に、筒状基体に金属弾性部材を圧入して、該セラミックセパレータを係止段に圧接保持するようにしたものであり、ケーシング構造は、筒状の主体金具と金属製筒状基体とにより構成される。このため、従来構成のように、筒状の主体金具，外筒，主筒によりケーシングを構成するものと異なり、部品点数が少なく、製造が簡単で、かつ低廉となる等の優れた効果がある。

しかもこの金属弾性部材を筒状基体に圧入するだけで、セラミックセパレータが保持され、これによりセラミックセパレータを備えるケーシング構造が完結的にユニット化され、このため、主体金具への組み付け工程が容易となる。

本発明の実施の形態を図面に示す実施例に基づき説明する。
図１に示す酸素センサ１は、先端が閉じた中空軸状の固体電解質部材である酸素検知素子２と、軸状のセラミックヒータである発熱体３とを備え、さらにこれらを内蔵するケーシング構造により構成される。

ここで酸素検知素子２は酸素イオン伝導性を有する固体電解質により構成されている。このような固体電解質としては、Ｙ２Ｏ３又はＣａＯを固溶させたＺｒＯ２が代表的なものであるが、それ以外のアルカリ土類金属ないし希土類金属の酸化物とＺｒＯ２との固溶体を使用してもよい。また、ベースとなるＺｒＯ２にはＨｆＯ２が含有されていてもよい。

この酸素検知素子２は金属製の短筒状主体金具９内に挿入してその先端部を突出して保持され、周面の被検出ガス（排気ガス）と接触する検出面２ａを露出している。この酸素検知素子２と短筒状主体金具９の内面間には、絶縁性セラミックから形成されたインシュレータ６，７、及び該インシュレータ６，７間のタルクから形成されたセラミック粉末８が設けられ、酸素検知素子２は主体金具９と電気的に絶縁された状態で貫通して保持されている。主体金具９の周面には、酸素センサ１を排気管等の取付部に取り付けるためのねじ部９ｂを有する。また、主体金具９の後端に形成されたカシメ突部１０をインシュレータ６の後端側にかしめて、主体金具９内部の各部材を緊密に保持するようにしている。

主体金具９から突出した酸素検知素子２の表面の検出面２ａ及び内面の基準面２ｂには、そのほぼ全面を覆うように電極層が設けられている。これら内外の電極層はいずれも、酸素検知素子２を構成する固体電解質へ酸素を注入するための酸素分子の解離反応、及び該固体電解質から酸素を放出させるための酸素の再結合反応に対する可逆的な触媒機能（酸素解離触媒機能）を有する多孔質電極、例えばＰｔ多孔質電極として構成されている。

また、発熱体３は、通常はセラミックヒータであり、例えばアルミナを主とするセラミック棒を芯材とし、このセラミック棒の表面に例えば蛇行状に形成された抵抗線からなる発熱部４を備え、ヒータ端子部５（図１等）から延びるリード線を経てまた、発熱体３は、通常はセラミックヒータであり、例えばアルミナを主とするセラミック棒を芯材とし、このセラミック棒の表面に例えば蛇行状に形成された抵抗線からなる発熱部４を備え、ヒータ端子部５（図１等）から延びるリード線を経て、発熱のための通電が行われる。このような発熱部４は発熱体３の先端側に偏って設けられて酸素検知素子２に接触し、その先端部で局部的に発熱するようになっている。これにより発熱部４で生じた熱がその接触に基づく熱伝導により速やかに酸素検知素子２に伝わってこれを加熱し、また発熱部４の上記接触部近傍の局部的に発熱した部分の熱輻射によっても酸素検知素子２が加熱される。そして、その熱伝導及び熱輻射による相乗的な熱伝達が、酸素検知素子２を急速に加熱し、活性化温度までの上昇時間を短縮する。

主体金具９の一方の開口部９ａには、酸素検知素子２の先端側を所定の空間を隔てて覆うようにプロテクタ１１が設けられ、プロテクタ１１には排気ガスを透過させる複数のガス透過口１２が形成され、これにより排気ガス中の酸素が酸素検知素子２の先端側表面の検出面２ａに接触可能となっている。主体金具９の他方のカシメ突部１０の周囲には、本発明の要部に係る金属製筒状基体１４が固結される。

この金属製筒状基体１４は、主体金具９後端からリード線の引き出し端に至る長さを有し、その後部が縮径されて内面に係止段１５が形成されている。そして金属製筒状基体１４に内嵌したセラミックセパレータ１８に周設した連係鍔部１９を該係止段１５で係止して、該セラミックセパレータ１８の後方移動を拘束している。また、金属製筒状基体１４の後端開口にはゴム等で形成された弾性シール部材１７が密閉状に嵌着される。

そして、セラミックセパレータ１８及び弾性シール部材１７を貫通するように、酸素検知素子２のリード線２０，２１及び発熱体３のリード線（図示せず）が外方へ引き出されている。

酸素検知素子２に接続された一方のリード線２０は、端子金具２４及びこれに続く引出し線部２５（絶縁管２５ａで覆われているが、これを省略してもよい）、並びに端子金具２３の内部電極接続部２６を経て、前述の酸素検知素子２の内側基準面２ｂの電極層と電気的に接続されている。一方、他方のリード線２１は、別の端子金具３４及びこれに続く引出し線部３５を経て、酸素検知素子２の外側の検出面２ａの電極層と電気的に接続されている。また前述の発熱体３に通電するためのプラス側及びマイナス側の一対のヒータ端子部５が、発熱体３の基端部（図１において上端部）に固定され、これらヒータ端子部５を経て、発熱体３内に埋設された後述の発熱用抵抗回路に通電されるようになっている。なお、これら一対のヒータ端子部５に対し、発熱体用のリード線（図示せず）がそれぞれ接続される。

金属製筒状基体１４には、係止段１５で係止されたセラミックセパレータ１８の連係鍔部１９の前部位置で、円周方向に係止突部４０が内方突成され、この係止突部４０と連係鍔部１９間に金属弾性部材４１が配設される。そしてこれにより、連係鍔部１９は係止段１５に弾接し、セラミックセパレータ１８が安定的に保持されることとなる。このセラミックセパレータ１８には、各リード線２０及び２１を挿通するための複数のリード線挿通孔７２が軸方向に貫通して形成されている。

この係止突部４０は筒状基体１４を内方に環状又は部分的に膨隆させた突部で構成したり、図４で示すように、筒状基体１４の外側からビス６０等を螺入して、その突出端により構成する等種々の態様が提案され得る。

また、金属製筒状基体１４の後部周面には気体導入孔５０が形成され、これを囲繞するように環状フィルタ５３が外嵌している。このフィルタ５３は、金属製筒状基体１４に対し後方外側からほぼ同軸的に連結される筒状形態をなすとともに、その外側には保持筒５４が周設されている。この保持筒５４のフィルタ５３を囲繞する主面には外気が通入する補助気体導入孔５５が形成される。また、この保持筒５４の上縁は基体１４の周面に沿って縮径状に延出され、該縮径面５６の周面でかしめることにより筒状基体１４と連結している。さらには、フィルタ５３を囲繞する面もかしめて、該フィルタ５３との結合を確保するようにしている。更に、保持筒５４の外側からさらに保護筒を被着するようにしても良い。この場合には保護筒にも気体導入孔を形成する必要がある。また該保護筒は上下に延出して、その延出部で筒状基体１４にかしめ固定され得る。

ここで、フィルタ５３は、例えばポリテトラフルオロエチレン（以下、ＰＴＦＥという）の未焼成成形体を、ＰＴＦＥの融点よりも低い加熱温度で１軸以上の方向に延伸することにより得られる多孔質繊維構造体（商品名：例えばゴアテックス（ジャパンゴアテックス（株）））により、水滴等の水を主体とする液体の透過を阻止し、かつ空気及び／又は水蒸気などの気体の透過を許容する撥水性フィルタとして構成されている。これにより、補助気体導入孔５５からフィルタ５３を経て気体導入孔５０より、基準ガスとしての大気（外気）が金属製筒状基体１４内に導入されるとともに、フィルタ５３により水滴等の液体状態の水は金属製筒状基体１４内に侵入することが阻止されるようになっている。

フィルタ５３の外面は保持筒５４の内面と密着しているので、補助気体導入孔５５からフィルタ５３と保持筒５４との間にゴミや油分が侵入しにくくなり、ひいてはフィルタ５３の外面側の撥油性あるいは撥水性の低下が阻止ないし抑制されて、例えば基準ガス温度が高くなった場合でも、センサ出力の低下が起こりにくくなる。

金属弾性部材４１はばね座金、例えば図３に示すような波型座金により構成されており、セラミックセパレータ１８の連係鍔部１９の前面（セラミックセパレータ１８の前面側）と係止突部４０との間に圧縮状態で配置される。これにより、金属弾性部材４１は、セラミックセパレータ１８を係止段１５に弾接させてその保持を安定的なものとする。また、金属弾性部材４１は、その構成材質が金属であることから耐熱性に優れ、セラミックセパレータのがたつき防止効果を長期に渡って良好に維持することができる。

しかもこの金属弾性部材４１は、図４で示すように、厚み方向に変形し、該厚み方向での弾縮が可能な主環部４１ａと、係止突部４０と係合する外方へ突成した複数の係合突片４１ｂからなる。この金属弾性部材４１は、セラミックセパレータ１８を筒状基体１４の前端開口から装着した後に圧入される。この圧入にあって、係合突片４１ｂの湾曲により環状の係止突部４０の通過が可能となる。そしてこの圧入により、主環部４１ａは厚み方向へ弾縮し、その復元弾力により上述したようにセラミックセパレータ１８は係止段１５に弾接する。而して、セラミックセパレータ１８はこの圧入のみにより保持され、これによりセラミックセパレータ１８を備えるケーシング構造が完結的にユニット化される。このため、主体金具９への組み付け工程が容易となる。

ちなみに、上述した特開平１１−７２４６３号で開示されている構成にあっては、金属弾性部材によりセラミックセパレータは突出方向に付勢されて未保持状態となっており、その組み付けに際してはその付勢に抗した状態で、セラミックセパレータを主筒に圧接して、この状態を保持しながらかしめ加工を施さなければならず、その組み付けが面倒であった。

さらに金属弾性部材の弾縮により外筒と主筒との相対位置が変位するから、外筒を常に一定位置で、主筒に固定することが困難であった。これに比して、本発明にあっては、セラミックセパレータ１８は係止段１５で位置決めされ、かつ金属弾性部材４１の装着間隙は、係止突部４０と連係鍔部１９間で定まっているから、セラミックセパレータを筒状基体１４に対して常に一定位置で弾性保持することが可能となる。

弾性シール部材１７は、筒状基体１４の後端開口に対しその内側に弾性的にはめ込まれて密閉状に嵌着されるものであって、各リード線２０，２１等を挿通するためのリード線挿通孔７３を有するとともに、これらリード線２０，２１の外面とフィルタ保持部５１の内面との間をシールして、各リード線２０，２１を気密状に挿通する。

一方、セラミックセパレータ１８の周面には、気体導入孔５０と一致するように気体導入孔７５が形成され、気体導入孔５０からの気体は気体導入孔７５を通ってリード線挿通孔７２から筒状基体１４内に導かれる。尚、リード線挿通孔７２とは別に、気体導入孔７５と連通する通気用貫通孔を別途配設し、該貫通孔から空気を筒状基体１４内に導入するようにしてもよい。

一方、弾性シール部材１７及びセラミックセパレータ１８に対し、互いに異なるピッチ円径でリード線２０，２１等が挿通される構造となっているので、各リード線には弾性シール部材１７とセラミックセパレータ１８との間で必ず曲がりが生ずる。しかしながら、弾性シール部材１７とセラミックセパレータ１８との間には適度な隙間７７が形成されており、この隙間７７において各リード線２０，２１等を比較的緩やかに曲げることができる。これにより、酸素センサ１の組立て時等にリード線が強く曲げられて痛んだり、断線したりするトラブルが生じにくくなる。

かかる構成の組み付けにあって、前記金属製筒状基体１４内に、あらかじめ、酸素検知素子２の内外の電極及び端子金具２３に、セラミックセパレータ１８を挿通させた各リード線を接続し、このセラミックセパレータ１８を金属製筒状基体１４内に装着する。さらにこの金属製筒状基体１４の後端の開口に弾性シール部材１７を嵌着し、かつフィルタ５３を保持筒５４と共に嵌着し、かしめ加工を施して一体化する。そして、波形座金等の金属弾性部材４１を筒状基体１４の前端開口から圧入し、連係鍔部１９と係止突部との間に圧縮状態で配置し、これによりその復元弾力によりセラミックセパレータ１８を係止段１５に弾接する。

而して後、金属製筒状基体１４を主体金具９の後端部に、外嵌して圧入する。または、溶接を施して固結する。これにより各部材は連結され、主体金具９と筒状基体１４とからなるケーシング構造内に酸素検知素子２が収納されることとなる。

このため、セラミックセパレータを保持する為の外筒等を要せず、ケーシング構造は、筒状の主体金具９と金属製筒状基体１４とにより構成される。従って、部品点数が従来に比して少なくなる。

上述の構成は、波型座金等からなる金属弾性部材４１を適用し、その前端を係止突部４０に係合して支持し、後端をセラミックセパレータ１８の前面側に弾接するようにしたものであるが、図５，６で示すように、歯付座金からなる金属弾性部材８０を適用することにより、係止突部４０が不要となる。

すなわち図６で示すように、この金属弾性部材８０は円環状をなし、かつその側面形状は截頭円錐状であり、その周縁に複数の外歯８１が放射状に形成されてなる。そして、外歯８１を前側として、筒状基体１４の前端開口から圧入し、後側の内周縁８２を連係鍔部１９の前面に圧接し、かつ金属弾性部材８０を厚み方向に弾縮させる。この位置で、外歯８１の先端が筒状基体１４の内面に食い込んでその拡径方向の復元力により係合する。而して、該金属弾性部材８０は弾縮状態で位置決めされ、その内周縁８２を連係鍔部１９の前面に弾接することとなり、セラミックセパレータ１８を係止段１５に圧接させてその保持を安定的なものとする。

この構成は、係止突部４０の形成が不要となり、加工工程が減少すると共に、上述したと同様の組み付け容易性及びセラミックセパレータの安定保持をもたらすことができる。

上記酸素センサ１において、前述の通りフィルタ５３を介して基準ガスとしての大気が導入されると共に内部に確保された空気流路により、該空気が酸素検知素子２の基準面２ｂに導入される。一方、酸素検知素子２の外面の検出面２ａにはプロテクタ１１のガス透過口１２を介して導入された排気ガスが接触する。このため、該酸素検知素子２には、その内外面の酸素濃度差に応じて酸素濃淡電池起電力が生じる。そして、この酸素濃淡電池起電力が、排気ガス中の酸素濃度の検出信号として内外の電極層からリード線２１，２０を介して取り出される。これにより酸素濃度を検出することが可能となる。この酸素センサ１は自動車エンジン等の内燃機関において、その空燃比制御等に使用されることとなる。ここで、酸素検知素子２は、排気ガス温が十分高温となっている場合には当該排気ガスで加熱されて活性化されるが、エンジン始動時など排気ガス温が低温である場合には前述の発熱体３で強制的に加熱することで活性化される。

本発明に係る酸素センサ１の縦断側面図である。 要部の拡大断面図である。 金属弾性部材４１として用いられる波型座金の斜視図である。 係止突部４０をビス６０の突出端で構成した実施例の拡大縦断側面図である。 金属弾性部材８０を用いた要部の拡大縦断側面図である。 金属弾性部材８０を示し、イは底面図、ロは側面図である。

符号の説明

１ 酸素センサ
２ 酸素検知素子
２ａ 測定面
２ｂ 基準面
９ 主体金具
１４ 金属製筒状基体
１５ 係止段
１７ 弾性シール部材
１８ セラミックセパレータ
４０ 係止突部
４１ 金属弾性部材
５０ 気体導入孔
５３ 環状フィルタ
７３ 連係鍔部
８０ 金属弾性部材
８１ 外歯

Claims (4)

1. 軸状の酸素検知素子と、
   酸素検知素子を内部で保持して、その検出面を突出する短筒状の主体金具と、
   前端を主体金具の後端部に密嵌状に連結され、かつ後部内周面に係止段を備えた金属製筒状基体と、
   後面側を係止段に係止されて筒状基体に内嵌され、軸方向に貫通して形成された複数のリード線挿通孔に酸素検知素子からの各リード線がそれぞれ挿通されるセラミックセパレータと、
   筒状基体に内嵌され、セラミックセパレータの前面側に弾接して、該セラミックセパレータの後面側を係止段に圧接保持する金属弾性部材と、
   筒状基体の後端開口に密閉状に嵌着されて、各リード線を気密状に挿通する弾性シール部材とを備え、
   前記係止段と、当該径止段に圧接される前記セラミックセパレータの前記後面とは、共に前記筒状基体の前端に向かう程広がるテーパ面をなしていることを特徴とする酸素センサ。
2. 金属弾性部材が、筒状基体に設けられた係止突部と、セラミックセパレータの前面側との間に圧入されて、前端を係止突部に支持され、後端をセラミックセパレータの前面側に弾接することにより、セラミックセパレータの後面側を係止段に圧接保持する座金であることを特徴とする請求項１記載の酸素センサ
3. 金属弾性部材が、筒状基体に圧入され、セラミックセパレータの筒状基体の内面に、周縁に形成した外歯を係合して位置決めされ、その内周縁をセラミックセパレータの前面側に弾接する歯付座金であることを特徴とする請求項１記載の酸素センサ。
4. 筒状基体の後端部周面に形成された気体導入孔を囲繞するように環状フィルタを筒状基体に外嵌し、かつ気体導入孔からの気体を酸素検知素子の基準面に導入する空気流路を確保したことを特徴とする請求項１，請求項２又は請求項３記載の酸素センサ。