JP2610679B2 - 防水型酸素センサ - Google Patents

防水型酸素センサ

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JP2610679B2
JP2610679B2 JP1058022A JP5802289A JP2610679B2 JP 2610679 B2 JP2610679 B2 JP 2610679B2 JP 1058022 A JP1058022 A JP 1058022A JP 5802289 A JP5802289 A JP 5802289A JP 2610679 B2 JP2610679 B2 JP 2610679B2
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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センサ素
子と、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
止部の空気と大気と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) 従来から防水型酸素センサは、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。第2図および第
3図はそれぞれ本発明の適用可能な防水型酸素センサの
一例を示し、各図において同一部材には同一符号を附
す。
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2図(a)に示すような板状の
センサ素子12においては、金属製キャップ10とセンサ素
子12との間にタルク8を充填する方法があり、第3図に
示すような酸素センサにおいては金属パッキン11を使用
したメタルシール構造がとられている。
このように被測定ガスから内面電極を隔離する一方
で、内面電極に大気を導入するための防水性を有する大
気導入路を設けている。
防水性を有する大気導入路としては、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、第2図
(b)のA部横断面詳細図に示すように金属製のキャッ
プ10とメタルブーツ9内の固定金具12との間の撥水性材
料のリング16に撥水性の微小間隙14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、または第3図に
示すように大気導入口18に撥水性の多孔質体19を設けた
構造のものが提案されている。
(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は高負
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、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しようとするものである。
(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する気
密封止部と、該気密封止部内の空気と大気とを連通する
が防水性を有する連通部とより成る防水型酸素センサに
おいて、 前記連通部の通気量Yと前記気密封止部の気密性を通
気量で表した値Xの関係を Y≧10X0.35 としたことを特徴とするものである。
(作 用) 上述した構成において、本発明は連通部の通気性と気
密封止部の気密性とを所定の関係に定めることにより、
高負荷運転状態においても起電力の低下を防止すること
を見出したことによる。
すなわち、本出願人は、従来の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。
したがって、気密封止部の気密性と大気導入路の通気
性とを良好にすることが重要となることがわかった。
このため、本発明では、気密封止部の気密性と大気導
入路の通気性との関係を適切に設定することにより、起
電力低下の問題を解決するものである。
なお、気密封止部の気密性と大気導入路の通気性との
関係は、以下の通りである。
第4図に気密封止部の気密性(第4図では通気量とし
て表す)と防水性大気導入路の通気量及び起電力低下発
生の有無の関係を示す。起電力低下の発生領域は、排気
圧力が高いほど、空燃比がリッチほど広がるが、自動車
の実使用下で生じる最高の排気圧力、最もリッチの条件
下で起電力低下が発生しないように気密封止部の気密性
と防水性大気導入路の通気性を設計すれば良い。気密封
止部の気密性は、自動車の使用過程における熱サイク
ル、振動等により徐々に低下するので、この低下分を見
込んで初期の気密性及び防水性大気導入路の通気性を設
定すれば良い。
第4図の関係から、防水性大気導入路の通気量は大き
ければ大きいほど、気密性は高ければ高いほど(換言す
れば気密封止部の通気量が小さければ小さいほど)起電
力低下が起こりにくいことが理解されるが、一般的に防
水性大気導入路の通気性と防水性は相反する関係に有
り、防水性大気導入路の通気量を際限なく大きくするこ
とはできない。
また、気密封止部は使用過程後も完全に気密を保つこ
とが難しいため、第4図の関係からこれらの要素を考慮
して防水性大気導入路の通気量が設定される。例えば、
リード線の撚線間にできる隙間を大気導入路として使用
する構造においてはリード線の太さ、芯線の太さ(芯線
の太さにより隙間の大きさが調節できる)また撥水性微
小間隙を大気導入路として利用する構造においては、微
小間隙の総断面積、長さを調節し、必要な防水性を確保
しつつ通気量を所定の値にする。
撥水性多孔質体の場合は、その通気量は、撥水性多孔
質体の気孔率、面積、厚み等により設定できるが、気孔
率をあまり大きくすると防水性が低下するため、防水性
能の要求を満たすように気孔率を設定した後、面積及び
/又は厚みにより必要とされる通気量を確保することに
なる。
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。
(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図は本発明の適用可能な従来から公知の酸素セン
サの一例の構成を示す図である。第1図に示す本発明の
酸素センサ20において、板状のセンサ素子22は、金属製
のハウジング24と、それに熔接固定された円筒形の金属
製の内筒26とに、スペーサ28;28a,28b,28cの間に充填さ
れたタルク30によって固定され、該タルク30によって気
密封止されている。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32をハウジング24の上部
環状突起34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。一方、外筒32のハウジング24と嵌合
する側とは反対側の、上部開口端側にはリード線36が挿
入されたゴム栓38が外筒32によりかしめ固定されて、外
筒32を密閉している。ところで、上記リード線36は、そ
の端部がセンサ素子22の端子電極37に電気的に接続され
る。
さらに上記開口端側の外筒32の外周部に、大気と通気
するための通気孔40が穿設される。この通気孔40の外周
周辺には円筒状の撥水性多孔質体42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44が配設され、こ
の固定金具44の上下端部がこれら端部全周にわたって加
締められて、その内側の撥水性多孔質体42を固定する。
この固定金具44にもその側壁に通気孔46が穿設されてい
る。さらに、固定金具44を覆うメタルブーツ48が配設さ
れる。したがって、メタルブーツ48と外筒32の間隙から
侵入し、通気孔46を通った大気は、撥水性多孔質体42を
介して、内側の外筒32の通気孔40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。
以上のようにして構成された酸素センサにおいて、ハ
ウジング24、内筒26、スペーサ28、タルク30、およびセ
ンサ素子22より成る気密封止部の、気密性即ち通気量
は、タルクの封止圧力を変化させることにより調節する
ことができる。また通気孔40,46および撥水性多孔質体4
2によって形成される連通部の通気量は、通気孔40,46の
孔面積を変化させることにより、調節できる。これら気
密封止部の通気量および連通部の通気量を適切に調節に
することにより、酸素センサの起電力の低下の有無を以
下のようにして検証した。即ち (a)排気ガス温度:850〜900℃ (b)排気ガス圧力:450〜500mmHg (c)空撚比:9.5〜10.0 の条件にて、酸素センサを1時間使用する。この条件
は、例えば酸素センサを自動車用の空撚比センサとして
使用する場合において、ほぼ最高に厳しい条件であり、
また実際に1時間連続に使用する事もごく稀にしか起こ
らない条件である。また、一定の条件下で連続して使用
して検証するのは、条件変動があると、排気ガス温度が
随時変化し、酸素センサの温度が変化するため、センサ
内部の空気の熱膨張変化が発生し、これによって新鮮な
空気の流通が生じ、起電力の低下が発生しないからであ
る。
上記条件下にて種々の酸素センサの試料について、タ
ルクの気密性(通気量)および撥水性多孔質体の通気量
をそれぞれ変化させて、起電力の低下の有無を測定した
結果を第1表に示す。
なお、通気量の測定は、タルクの気密性(通気量)に
対しては4kg/cm2の圧縮空気を用いて行い、撥水性多孔
質体の通気量に対しては0.1kg/cm2の圧縮空気を用いて
行い、この値をタルクの通気量に対応させるため、4.0k
g/cm2の値に換算した。
上記第1表をグラフ化した様子を第5図にて示す。第
5図の関係から明らかなように、撥水性多孔質体の通気
量Yとタルクの気密性を通気量で表した値Xとの関係
は、Y≧10X0.35の場合に、高負荷運転時の起電力の低
下を防止することができる。
本発明は上記実施例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。さらに防水性を有する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、リード線内に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、連通部の通気量と気密封止部材の気密性
を通気量で表した値との関係を適宜に設定することによ
り、高負荷運転状態で長期使用する場合における起電力
を安定させ、このため酸素センサの耐久性を向上し、酸
素センサを長期にわたって安定して動作させる。
【図面の簡単な説明】
第1図および第3図はそれぞれ本発明の酸素センサを示
す部分断面図、 第2図(a),(b)はそれぞれ本発明の酸素センサを
示す部分断面図およびそのA部横断面詳細図、 第4図は気密封止部の気密性と大気導入路の通気量及び
起電力低下の発生の有無の関係を示す図、 第5図は酸素センサの撥水性多孔質体の通気量と気密封
止部の通気量との関係を示すグラフ図である。 20……酸素センサ、22……センサ素子 24……ハウジング、26……内筒 28……スペーサ、30……タルク 32……外筒、34……上部環状突起 36……リード線、38……ゴム栓 40……通気孔、42……撥水性多孔質体 44……固定金具、46……通気孔 48……メタルブーツ

Claims (1)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【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する気密封止部と、該気密
    封止部内の空気と大気とを連通するが防水性を有する連
    通部とより成る防水型酸素センサにおいて、 前記連通部の通気量Yと前記気密封止部の気密性を通気
    量で表した値Xの関係を Y≧10X0.35 としたことを特徴とする防水型酸素センサ。
JP1058022A 1989-03-13 1989-03-13 防水型酸素センサ Expired - Lifetime JP2610679B2 (ja)

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