CN1699987A

CN1699987A - 氧传感器

Info

Publication number: CN1699987A
Application number: CN 200410045317
Authority: CN
Inventors: 一柳太; 松田笃士
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 2004-05-20
Filing date: 2004-05-20
Publication date: 2005-11-23
Anticipated expiration: 2024-05-20
Also published as: CN100495012C

Abstract

本发明的氧传感器通过在设置于保护器的气体通道内使被测气体中的水分蒸发，防止检测元件与水滴接触，提高可靠性。在内侧保护器(13)和外侧保护器(14)之间划分成气体通道(16)，在这些保护器(13、14)上设置排气的流入孔(17)、通气孔(18)、流出孔(19)。而且，保护器(13)和检测杆(6)之间的间隙形成的较小，加热器(7)的热量也传导至气体通道(16)。并且，使排气从流入孔(17)流入气体通道(16)后，经通气孔(18)从流出孔(19)向外部流出。从而，可以将包含在排气中的冷凝水在气体通道内加热汽化，从而能够防止水滴与高温的检测杆(6)接触损伤加热器部(7)、传感器部(8)等。

Description

氧传感器

技术领域

本发明涉及设置于例如车辆的排气管等、适于检测排气中的氧浓度的氧传感器。

背景技术

一般情况下，汽车等车辆是在发动机的排气管侧设置氧传感器，通过该氧传感器检测排气中的氧浓度，从而反馈控制发动机的空燃比(例如参照专利文献1)

【专利文献1】

日本特开平9-222416号公报

此种现有技术的氧传感器由以下构成：安装于发动机排气管的筒状壳体；设置于该壳体、检测排气中的氧浓度并一端封口的筒状的氧浓度检测元件；保护该氧浓度检测元件不受排气中的异物等影响的保护器。

这里，氧浓度检测元件通过例如氧离子传导性的陶瓷材料(固体电解质)等构成，其底端侧被嵌插到壳体内，同时，其顶端侧从壳体突出。另外，将杆状的加热器插入氧浓度检测元件的内周侧，该加热器通过在例如发动机起动时等加热氧浓度检测元件，从而形成尽早激活检测元件的结构。

保护器形成例如由内筒和外筒构成的双层的一端封口的筒状体，在覆盖氧浓度检测元件的突出端侧的位置上安装在壳体上。并且，在保护器的内筒和外筒，分别形成用以将流向传感器的外部的排气导入氧浓度检测元件的周围的开口部，这些开口部向内筒和外筒的径向开口。

此种情况下，内筒的开口部和外筒的开口部形成于相对轴向相互不同的位置，形成含在排气中的冷凝水的水滴等难于侵入保护器的内部的结构。

并且，氧传感器由于在发动机的排气管内流动的排气经过保护器的开口部流入氧浓度检测元件的周围，该排气与被充分加热的检测元件接触，从而来检测含在排气中的氧浓度，并输出检测信号的。

然而，在上述现有技术中，保护器形成双层构造的一端封口的筒状体、并且在其内筒和外筒的不同位置形成开口部的结构，以使含在排气中的冷凝水很难浸入保护器的内部。

然而，根据发动机运转环境的不同，排气管内容易产生冷凝水，有时附着在保护器的外周侧的冷凝水量会增多。而且，一旦如此大量的冷凝水附着在保护器的外周侧，冷凝水的一部分就会通过外筒和内筒的开口部浸入氧浓度检测元件的周围。

因此，现有技术存在这样的问题，例如一旦在排气管内产生大量的冷凝水，仅凭在保护器的内筒和外筒之间错开开口部位置的构造，无法充分阻止冷凝水的浸入，浸入的冷凝水与高温的检测元件接触，容易使检测元件上产生龟裂等的损伤，很难提高耐久性、可靠性。

发明内容

本发明是鉴于上述现有技术的问题点而提出的，目的是提供即使在保护器周围存在大量水分的情况下，也可通过简单的构造保护氧浓度检测元件不与水分接触，能够加强保护器的防水性，提高耐久性和可靠性的氧传感器。

为了解决上述课题，本发明第一方面的氧传感器，其特征在于，由以下构成：安装在被测气体的流路中途的壳体；设置于该壳体用于检测所述流路内流动的被测气体中的氧浓度的氧浓度检测元件；内侧保护器，所述内侧保护器底端侧成为安装于所述壳体的筒部，其顶端侧形成作为盖部的一端封口的筒状，覆盖所述氧浓度检测元件；筒状的外侧保护器，所述外侧保护器从径向外侧包围该内侧保护器的筒部地进行设置、在与所述筒部之间划分成气体通道；流入孔，所述流入孔设置在该外侧保护器的顶端侧使所述流路内流动的被测气体流入所述气体通道；通气孔，所述通气孔在轴向与该流入孔分开并设置在所述内侧保护器的筒部的底端侧，使所述气体通道内的被测气体流通到所述内侧保护器的内周侧；流出孔，所述流出孔设置在所述内侧保护器的顶端侧使所述内侧保护器内流动的被测气体向外部流出。

通过这样的结构，在内侧保护器和外侧保护器之间，可以划分成在轴向上延伸的气体通道，在该气体通道中，可以使被测气体从顶端侧的流入孔向底端侧的流通孔在轴向流通。并且，通过气体通道的被测气体可以从通气孔进入内侧保护器的内周侧与氧浓度检测元件接触，通过该检测元件能够检测被测气体中的氧浓度。

此种情况下，例如当通过加热器等加热氧浓度检测元件将其进行激活时，构成气体通道的周壁的内侧保护器的筒部等也可通过加热器进行加热。因此，即使在被测气体中包含较多的水分(水滴)等的情况下，也可以在气体通道内加热该水滴，使之汽化。

从而，当进入内侧保护器内的被测气体通过检测元件时，可以防止包含在被测气体中的水滴与高温的检测元件接触。因此，通过在内、外的保护器之间隔成气体通道的简单构造就可防止氧浓度检测元件与水滴接触，可以提高保护器的防水性。

由于内侧保护器的顶端侧形成从外侧保护器露出的结构，在该顶端侧设置被侧气体的流出孔，所以在内侧保护器的内周侧，从底端侧的通气孔向顶端侧的流出孔，可以使被测气在检测元件的周围流通。从而，使检测元件和被测气体可以充分接触，稳定地检测氧浓度。

根据本发明第二方面，在内侧保护器的筒部和氧浓度检测元件之间形成径向间隙，该间隙的尺寸形成得比气体通道的径向尺寸小。

这样，可以缩短构成气体通道的周壁的内侧保护器的筒部和氧浓度检测元件之间的距离，因此，当通过加热器等加热检测元件时，可以将加热器的热量很好地传导至气体通道。从而，可以利用加热器的发热高效地使气体通道的温度上升，使被测气体中的水滴稳定地在气体通道内蒸发。

根据本发明第三方面，外侧保护器形成将轴向的两侧中装在内侧保护器的筒部的外周侧的结构，流入孔与通气孔在前述外侧保护器的轴向两侧分开配置，流出孔配置在比前述外侧保护器的安装部位更靠近顶端侧。

这样，在内侧保护器和外侧保护器之间，可以形成在轴向上延伸同时将两端侧封闭的气体通道，在顶端侧和底端侧分开配置流入孔和通气孔。因此可以充分确保气体通道的轴向长度。另外，在内侧保护器上，可在比外侧保护器的安装部位更靠近顶端侧的盖部等上配置流出孔，所以在氧浓度检测元件的周围，可以使被测气体在足够的轴向距离流通，使其检测精度稳定。

附图说明

图1是表示本发明的实施例的氧传感器的纵向截面图。

图2是放大表示氧传感器的顶端侧的部分放大截面图。

图3是从图2中的III-III方向所视的放大横截面图。

图4是从图2中的IV-IV方向所视的放大横截面图。

图5是表示在装配内侧保护器与外侧保护器之前的状态下的分解图。

图6是从与图3相同的位置所视本发明变型例的氧传感器的放大横截面图。

具体实施方式

下面，参照图纸举例详细介绍作为本发明的实施方式的检测包含在车辆的排气中的氧浓度的氧传感器。

图中，1是构成氧传感器的外廓的壳体，该壳体1采用例如金属材料等做成阶梯形筒状，由后面将要述及的座部件2和盖部件4构成。

2是构成壳体1的顶端侧的阶梯形筒状的座部件，该座部件2由钢材等金属材料构成，在其外周侧形成与后面将要述及的排气管20侧进行螺纹安装的外螺纹部2A。而且，在座部件2上，于其底端侧形成筒状的盖部件配合部2B，于其顶端侧形成筒状的保护器配合部2C。另外，在座部件2的内周侧设置留有间隙地插通后面将要述及的检测杆6的插通孔3。

4是构成壳体1的底端侧的盖部件，该盖部件4采用例如薄壁的金属管等做成筒状。而且，在盖部件4的底端侧设置通过使其一部分直径缩小而将后面将要述及的弹性密封体10固定在盖部件4内的例如3处铆接部4A。

此种情况下，各铆接部4A，通过使弹性密封体10向径向内侧减小直径，而将后面将要述及的检测杆6弹性保持在检测杆配合孔10A内，并通过弹性密封体10将后面将要述及的连接端子11顶到检测杆6的外周面，同时，在各嵌插孔10B内对后面将要述及的导线12进行夹紧。另一方面，盖部件4的顶端侧配合到座部件2的盖部件配合部2B的外周侧，这些配合部位通过环状的焊接部5相互接合。

6是设置在壳体1内作为氧浓度检测元件的检测杆，如图2所示，该检测杆6具有由圆柱状的陶瓷加热器构成的加热器部7，以及在该加热器7的顶端侧外周一体成形的氧离子传导性固体电解质层构成的筒状的传感器部8。

这里，加热器部7，其底端侧嵌插在壳体1内，其顶端侧与传感器部8一起突出在壳体1的外部，同时，在该突出端侧形成将传感器部8加热使之活化的加热板7A。并且，在加热器部7的底端侧外周上通过向加热板7A或传感器部8供电，在周向上留有间隔地形成将来自传感器部8的检测信号输出到外部的例如5个电极(未图示)。

传感器8例如含有氧化锆(ZrO₂)、氧化钇(Y₂O₃)等陶瓷材料，配置成从径向外侧覆盖加热板7A。并且，传感器8，在通过加热加热板7A而被激活的状态下与排气接触时，产生与含在排气中的氧浓度相应的电动势，该电动势作为氧浓度的检测信号，被输出到外部的控制单元等(未图示)。

9是在座部件2的插通孔3内支撑检测杆6的加热器7的支撑筒，该支撑筒9由具有弹性的截面为C字形的金属板等构成，其底端侧9A在向减小直径方向产生弹性变形的状态下嵌插到座部件2的插通孔3内，同时，顶端侧9B在向扩大直径方向产生弹性变形的状态下从外侧把持检测杆6的加热部7。从而，支撑筒9将检测杆6在插通孔3内进行弹性定位，同时，将加热器部7产生的热量传导至座部件2侧。

10是配合在盖部件4的底端侧设置的有盖筒状的弹性密封体，该弹性密封体10由例如氟化橡胶等树脂材料构成，采用各铆接部4A固定在盖部件4内。另外，在弹性密封体10的内周侧形成：将加热器部7的端部进行配合的有盖的检测杆配合孔10A；在该检测杆配合孔10A的周壁上以一定间隔进行配置，后面将要述及的连接端子11连同导线12以嵌入量进行嵌插的例如5个嵌插孔10B(仅图示1个)。而且，弹性密封体10汽液密封在盖部件4内，同时，在密封的状态下，将各导线12从嵌插孔10B引到外部。

11是设置在弹性密封体10的各嵌插孔10B内的连接端子，该各连接端子11由与各导线12连接的压焊端子等构成，通过弹性密封体10顶到检测杆6的各电极，与这些电极连接。另外，各连接端子11用于例如向传感器8加载泵电压等、向加热器部7供电、和通过传感器8输出检测信号等。

13是设置在壳体1的顶端侧的内侧保护器，如图2～图5所示，通过例如金属材料、陶瓷材料等构成有盖筒状，在其内周侧插入从壳体1突出的检测杆6的突出端侧(传感器部8等)。而且，内侧保护器13与后面将要述及的外侧保护器14联动，将检测杆6的突出端侧覆盖，从而从排气中的异物保护传感器8。

这里内侧保护器13由以下构成：位于其底端侧的大径筒部13A；在该大径筒部13A的顶端侧呈阶梯状减小直径形成的小径筒部13B；施放到该小径筒部13B的顶端侧的盖部13C。并且，大径筒部13A配合到座部件2的保护器配合部2C的外周侧，这些配合部位通过后面将要述及的焊接部15被接合。

另外，如图2、图3所示，小径筒部13B的内侧，与检测杆6的传感器部8保持径向的间隙对置。而且，该间隙的尺寸Sa作为微小的尺寸值而形成，以通过间隙的空气层将加热器部7(加热板7A)产生的热量充分地传导至后面将要述及的气体通道，例如形成比气体通道16的径向尺寸Sb还小(Sa＜Sb)。

从而，当通过加热板7A加热传感器8时，由于小径筒部13B也被一起加热，所以冷凝水与排气一起浸入气体通道16内的情况下，通过加热板7A的热量，使该冷凝水以更高效率蒸发。

14是设置在内侧保护器13的外周侧的筒状的外侧保护器，盖外侧保护器14由例如金属材料、陶瓷材料等形成。这里，外侧保护器14形成比前述保护器13的大径筒部13A还大的内径，在其盖部13C露出的位置，将其配置成从径向外侧将大径筒部13A与小径筒部13B围住。而且，外侧保护器14的底端侧与大径筒部13A的外周侧配合，这些配合部位通过环状的焊接部15与座部件2的保护器配合部2C接合。

另外，外侧保护器14的顶端侧向内侧保护器13的小径筒部13B，减小直径至径向内，在靠紧小径筒部13B的外周侧的状态下，将配合的圆形的配合口14A设置在该减小直径部位。另外，将外侧保护器14的轴向中间部位保持径向的间隙配置在小径筒部13B的外周侧，在其间划分成气体通道16。

16是在保护器13、14之间被隔成的气体通道，如图2～图4所示，该气体通道16由将内侧保护器13的小径筒部13B和外侧保护器14之间在轴向上延伸的环状的间隙空间构成，具有规定的径向尺寸Sb，同时，通过内侧保护器13和外侧保护器14的配合部位将轴向的两侧封闭。而且，在气体通道16内形成气体从后面将要述及的流入孔17流向通气孔18，此时，含在排气中的冷凝水通过从检测杆6的加热板7A传来的热量蒸发的结构。

17是设置在外侧保护器14的顶端侧的多个流入孔，如图4所示，该各流入孔17在周向上保持规定的间隔配置，将保护器14的外部和气体通道16的流入侧(顶端侧)连通。而且，流入孔17沿着排气管20内流动的排气的流通方向(图1中的箭头A方向)在保护器的径向开口。因此，形成排气管20内的排气从流入孔17通畅地流入气体通道16内的结构。

18是设置在内侧保护器13的底端侧的多个通气孔，如图3所示，该各通气孔18在周向上保持规定的间隔配置，将气体通道16的流出侧(底端侧)和保护器13的内部连通。此种情况下，流入孔17和流出孔18分隔在外侧保护器14(气体通道16)的轴向两侧。并且，通气孔18使通过气体通道16的排气向保护器13内(传感器部8的周围)流通。

19是设置在内侧保护器13的盖部13C的流出孔，如图2所示，该流出口19配置在比外侧保护器14的安装部位(配合开口14A)的更靠近顶端侧，连通保护器13的内、外。此种情况下，流出孔19在保护器13的轴向上开口，并与排气管20内流动的排气的流通方向正交。从而，形成这样的结构，即在流出孔19内，由于气体向排气管20内的流动而出现真空，所以内侧保护器13内的排气被该真空吸引，从流出孔19向内侧保护器13的外部顺畅地流出。

另外，图1中，20是作为与发动机排气侧连接的流路的排气管，在该排气管20内，作为被测气体的排气向箭头A方向流通。另外，在排气管20的中途，将氧传感器用的毂部20A突出设置在径向。而且，氧传感器通过将座部件2的外螺纹部2A螺纹安装在毂部20A，在保护器13、14等在排气管20内露出的状态下，安装于该排气管20。

本发明的实施例的氧传感器具有如上的结构，接下来，介绍其动作。

发动机要起动时等，为了尽快激活氧传感器的传感器部8，从外部的控制单元通过供电导线12、连接端子11等向加热器部7的加热板7A供电。结果，传感器部8由于加热板7A被加热，温度上升，变成可以检测氧浓度的激活状态。

并且，发动机运转时，如图2所示，当排气在箭头A方向向排气管20内流通时，该排气从外侧保护器14的流入孔17流入通道16，沿轴向在气体通道16内流通。

此种情况下，内侧保护器13的小径筒部13B与检测杆6(传感器部8)之间的尺寸Sa形成的较小，被配置在加热板7A的近处。从而，构成气体通道16的轴壁的小径筒部13B等由于加热板7A的热量，将温度保持在较高的状态。

因此，即使在排气中含有较多的冷凝水等，由于该冷凝水与排气一起通过气体通道16时，通过加热板7A被加热，在汽化状态下，从也会从通气孔18进入内侧保护器13内。从而，当进入保护器13内的排气通过检测杆6的外周侧时，能够防止含在排气中的冷凝水的水滴等与高温的检测杆6接触，可以保护加热器部7、传感器部8等不与水滴接触。

传感器部8通过与进入保护器1 3内的排气接触，产生相应排气中的氧浓度的检测信号，该检测信号通过信号输出用连接端子11、导线12等被输出到外部的控制单元等。

接着，内侧保护器13内的排气从其盖部13C的流出孔19流到保护器13的外部，返回排气管20内。此种情况下，流出孔19上，由于向箭头方向A流到保护器13的外部的排气的流动，容易出现真空，所以，由于真空的出现，可以使保护器13内的排气顺畅地流到外部。

这样，根据本实施例，形成这样的结构，即分别在内侧保护器13和外侧保护器14之间设置在轴向上延伸的气体通道16，在外侧保护器14的顶端侧设置流入孔17，在内侧保护器13的底端侧和顶端侧设置通气孔18和流出口19。

这样，通过加热板7A加热检测杆6的传感器部8时，也能将气体通道16一起加热，即使在例如排气中含有较多的水分(水滴)等的情况下，也能使该水滴在气体通道16内加热蒸发。

因此，由于排气中的水滴从通气孔18浸入保护器13的内周侧，浸入的水滴与高温的加热器部7、传感器部8等接触，所以可以确实防止在这些部位产生龟裂等损伤(元件破裂)。从而，通过在内、外保护器13、14之间隔成气体通道16的简单构造，可以防止检测杆6与水滴的接触，提高保护气13、14的防水性，提高传感器的耐久性和可靠性。

此种情况下，由于位于内侧保护器13和检测杆6之间的间隙尺寸Sa形成的比气体通道16的径向尺寸Sb小，所以可以缩短构成气体通道16的周壁的内侧保护器13的小径筒部13B和检测杆6的加热板7A之间的距离，从而可以将加热板7A产生的热量也很好地传导至气体通道16。因此，利用加热板7A的热量，可以高效地使气体通道16的温度上升，使排气中的水滴能够稳定地在气体通道16内蒸发。

另外，由于是将外侧保护器14的轴向两侧安装在内侧保护器13的筒部13A、13B的外周侧，将流入孔17和通气孔18在保护器14(气体通道16)的轴向两侧分开配置，所以可以充分地确保气体通道16的轴向长度，在该气体通道16上，可以使排气从顶端侧流入孔17向底端侧的通气孔18，几乎在整个全长流通。从而，可以将气体通道16内流动的排气在充分的距离上加热，确实地使排气中的水滴蒸发。

内侧保护器13的盖部13C侧形成比外侧保护器14更向顶端侧露出的结构，在该盖部13C上设置排气的流出孔19，在保护器13的内周侧，使排气从底端侧的通气孔18向顶端侧的流出孔19跨过较长的距离流通。从而，可以使传感器部8和排气充分地接触，通过传感器8稳定地测量排气中的氧浓度。

通过使流出孔19设置在盖部13C，可以使流出孔19在与排气管20内流动的排气的流动方向正交的方向上开口。从而，在流出孔19内，由于排气管20内的排气的流动，能够出现真空，由于真空的出现可以使内侧保护器13内的排气顺畅地流向外部。并且，排气从流入孔17经通气孔18可以顺畅地流到流出孔19，使流动方向稳定。

而且，在前述实施例中，形成采用具有圆形截面形状的检测杆6的结构。但是，本发明不限于此，例如如图6所示的变型例所示，也适用具有大致四角形截面形状的检测杆6′。此种情况下，检测杆6′由加热器部7′和传感器部8′构成。另外，内侧保护器13′的小径筒部13B′和外侧保护器14′与检测杆6′对应，形成大致四角形的截面形状。

另外，实施例中对将氧传感器安装在车辆的排气管20上的例子进行了说明。但是，本发明并不限于此，例如也可以设置在车辆以外的排气管等，各种被测气体的流路中。

Claims

1.氧传感器，其特征在于，由以下构成：

安装在被测气体的流路中途的壳体；

设置于该壳体用于检测所述流路内流动的被测气体中的氧浓度的氧浓度检测元件；

内侧保护器，所述内侧保护器的底端侧成为安装于所述壳体的筒部，其顶端侧形成作为盖部的一端封口的筒状，覆盖所述氧浓度检测元件；

筒状的外侧保护器，所述外侧保护器从径向外侧包围该内侧保护器的筒部地进行设置、在与所述筒部之间划分成气体通道；

流入孔，所述流入孔设置在该外侧保护器的顶端侧使所述流路内流动的被测气体流入所述气体通道；

通气孔，所述通气孔在轴向与该流入孔分开并设置在所述内侧保护器的筒部的底端侧，使所述气体通道内的被测气体流通到所述内侧保护器的内周侧；

流出孔，所述流出孔设置在所述内侧保护器的顶端侧使所述内侧保护器内流动的被测气体向外部流出。

2.如权利要求1记载的氧传感器，其特征在于，在所述内侧保护器的筒部和所述氧浓度检测元件之间形成径向间隙，该间隙的尺寸形成得比所述气体通道的径向尺寸小。

3.如权利要求1或2记载的氧传感器，其特征在于，所述外侧保护器是将轴向的两侧安装在所述内侧保护器的筒部外周侧的结构，所述流入孔与通气孔在所述外侧保护器的轴向两侧分开配置，所述流出孔配置在比所述外侧保护器的安装部位更靠近顶端侧。