JP2980710B2 - センサの防水構造及びセンサの製造方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、例えば内燃機関からの
排気ガス中の酸素濃度を検出する酸素センサ等に使用さ
れるセンサの防水構造及びセンサの製造方法に関するも
のである。

【０００２】

【従来の技術】従来から、例えば酸素センサは、内燃機
関からの排気ガス中の酸素濃度を検出する手段として広
く知られている。この種の酸素センサにおいては、使用
しているうちに、排気ガスや液体（水，オイル等）のセ
ンサ内部への侵入によって、センサ電極やヒータ電極間
の短絡，端子の腐食，起電力の低下等の問題が生じるこ
とがあり、そのため、上記ガスや液体の侵入を防止する
目的でセンサの隙間に様々なシール材が使用されてい
る。

【０００３】このシール材としては、例えばシリコンゴ
ム等の耐熱性ゴム、或はカーボン繊維やガラス繊維等を
含有する発水性フィルタなどが使用されている。そし
て、上記シール材は、例えばセンサ後端の開口部を閉塞
する様に配置されており、このシール材を貫いて、セン
サ内部のセンサ電極やヒータ電極から伸びる端子に接続
されるリード線が配設されている。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記の
様な酸素センサでは、下記〜の様な問題があり、必
ずしも好適ではなかった。センサ作動時における自身
の熱伝導及び／又は排気ガスからの熱伝導によって、シ
ール材が耐熱劣化してガスが発生し、このガスがセンサ
の特性に影響を及ぼして、正確なガス測定が困難になる
という問題があった。

【０００５】シール材が耐久劣化することによって、
シール性が低下するという問題があった。シール材が
高温水蒸気により加水分解し劣化することによって、シ
ール性が低下するという問題があった。

【０００６】素子やヒータの電極或は端末に接続され
たリード線が屈曲することによって、シール性が低下す
るという問題があった。本発明は、上記課題を解決する
ためになされたもので、ガスの発生を防止するとともに
ガス及び液体の侵入を防いで、センサの性能の低下を防
止することができるセンサの防水構造及びセンサの製造
方法を提供することを目的とする。

【０００７】

【課題を解決するための手段】即ち、上記目的を達する
ためになされた請求項１記載の発明は、被測定ガス中の
ガス成分濃度を検出する検出部と、該検出部が格納され
たセンサ内部と外界とを気密するシール材と、該シール
材を貫通して上記検出部から伸びる被覆リード線と、を
備えたセンサの防水構造において、上記シール材の材料
として、上記リード線の被覆膜の融点より低い融点を有
する樹脂を用い、上記シール材を加熱することによって
溶融させて上記リード線の被覆膜に溶着させたことを特
徴とするセンサの防水構造を要旨とする。

【０００８】また、請求項２の発明は、被測定ガス中の
ガス成分濃度を検出する検出部と、該検出部が格納され
たセンサ内部と外界とを気密するシール材と、該シール
材を貫通して上記検出部から伸びる被覆リード線と、を
備えたセンサの製造方法において、上記シール材の材料
として、上記リード線の被覆膜の融点より低い融点を有
する樹脂を用い、上記シール材を加熱することによって
溶融させて上記リード線の被覆膜に溶着させたことを特
徴とするセンサの製造方法を要旨とする。

【０００９】ここで、本発明を適用できるセンサとして
は、センサのシール材自身の温度が例えば２００℃近く
の高温になるセンサ、例えば内燃機関の排気ガスの酸素
濃度を検出する酸素センサが挙げられる。上記リード線
の被覆膜としては、例えば融点が３２７℃であるＰＴＦ
Ｅを採用できる。

【００１０】また、上記シール材の材料としては、融点
が約２５０〜３１０℃のＰＦＡ（テトラフルオロエチレ
ン−パーフルオロアルキルビニルエーテル）やＦＥＰ
（テトラフルオロエチレン・ヘキサフルオロプロピレン
共重合体）を使用することができる。

【００１１】また、上記シール材使用温度とは、センサ
の使用に伴って上昇したシール材の温度であり、本発明
で使用される樹脂は、このシール材使用温度でも変形し
たりガスが発生することのない耐熱温度、即ち高い連続
最高使用温度を有するものである。尚、上記シール材
が、不燃性，低温でも割れ等が生じない低温特性，耐化
学薬品性，絶縁性等の電気的特性を備えていることが好
ましい。

【００１２】更に、上記シール材とリード線の被覆膜と
の溶着強度を向上させるために、被覆膜の表面に細かい
凹凸を形成するエッチング処理、或は被覆膜の表面に、
例えばＰＦＡ，ＦＥＰ等のシール材のディスパージョン
の様な表面活性処理を施すと一層好適である。

【００１３】

【作用】本発明では、シール材の材料として、リード線
の被覆膜の融点よりも低い融点を有する樹脂を使用して
いる。従って、リード線の貫通するシール材を加熱する
ことによって、シール材の温度をリード線の被覆膜の融
点より低い温度でしかもシール材の融点以上に上昇さ
せ、それによって、被覆膜ではなくシール材のみが溶融
することになる。その結果、この溶融したシール材がリ
ード線に溶着することにより、リード線とシール材との
隙間が閉ざされて気密される。

【００１４】そして、この様にして気密されたセンサで
は、シール材として高い耐熱温度の材料を用いる場合に
は、センサ使用時にシール材が高温になった場合でもガ
スの発生や変形が生じることが防止され、よって、セン
サの性能の劣化を防止することが可能になる。

【００１５】

【実施例】以下に本発明によるセンサの防水構造及びセ
ンサの製造方法の実施例を、図に基づいて説明する。図
１は、例えば内燃機関の排気通路に取り付けられる第１
実施例の酸素センサ１の全体構造を示している。

【００１６】図１に示すように、酸素センサ１は、筒状
のハウジング３の先端（下部）側に保護キャップ５が、
後端（上部）側に内筒７及び保護外筒９が取り付けられ
ており、更にハウジング３の内側に固体電解質の素子１
１が保持されている。上記ハウジング３は、その外周部
に六角部１３と取付ねじ１５とを備え、内周面にはセン
サの先端側に狭まるテーパ付段部１７が形成されてい
る。

【００１７】上記素子１１は、先端が閉じるとともに後
端が開口した中空円筒状であり、その内側及び外側表面
には、多孔質の白金電極１９ａ，１９ｂが形成されてい
る。この白金電極１９ａ，１９ｂのうち、外側電極１９
ｂには内燃機関からの排気ガスが接触し内側電極１９ａ
には基準ガスが接触して、かかるガス中の酸素濃度の差
に基づき起電力が発生する。

【００１８】上記ハウジング３と素子１１とによって形
成される環状隙間２１の先端側には、電気絶縁性のセラ
ミックス（例えば９２％アルミナ）からなる絶縁環２３
が配置されており、この絶縁環２３にはパッキン２５が
密接している。また、絶縁環２３の後端側には、滑石
（タルク）からなる粉末シール材２７が充填され、この
粉末シール材２７によって、排気ガス側と基準ガス側と
の気密が保たれている。更に、粉末シール材２７の後端
側には碍管２９が配置され、碍管２９の後端面にはパッ
キン３１を介して内筒７の脚部７ａが配置されている。

【００１９】そして、この状態で、上記ハウジング３の
後端部３ａを加締め、ハウジング３内に絶縁環２３を介
して素子１１を封止固着するとともに、脚部７ａと碍管
２９とを抜き止め状態に保持している。その後、ハウジ
ング３の後端側を高周波加熱装置などによって加熱する
ことにより、加締め変形に伴ってハウジング３内に発生
した内部応力を除去している。

【００２０】一方、上記素子１１の後端側の外周部に
は、外側電極１９ｂから導かれた電極リード部３３に接
続する端子３５ａが接続固定されており、この端子３５
ａの上部の表面にはＰＴＦＥ（ポリテトラフルオロエチ
レン）からなる絶縁被覆３７が形成されている。

【００２１】また、素子１１の後端側の内周面には、内
側電極１９ａから導かれた電極リード部３９に接続する
端子３５ｂが配置されており、この端子３５ｂは素子１
１の加熱を目的とするヒータ４３を保持し固定してい
る。尚、このヒータ４３の後端側外周面には、対向して
配置された通電用端末４５ａ，４５ｂが形成されてお
り、この端末４５ａ，４５ｂに端子３５ｃ，３５ｄが溶
接等によって接続されている。

【００２２】そして、各端子３５ａ〜３５ｄ（３５と総
称する）は各々外部接続用リード線４９ａ〜４９ｄ（４
９と総称する）に、加締め等の方法によって接続されて
いる。尚、このリード線４９は、ＰＴＦＥからなる被覆
膜５０によって周囲を覆われて、絶縁されている。

【００２３】上記内筒７の後端面は、コイル状スプリン
グ５１の受け台を兼ね、このスプリング５１の後端面
は、端子３５とリード線４９の接続部５３を収納するス
テアタイト等のセラミックスからなる絶縁管５５の先端
面と面接触している。上記絶縁管５５には、各リード線
４９を分離絶縁するための貫通孔５７が設けられ、各貫
通孔５７の内周面の後端側には、接続部５３に外部方向
への引力が働いた場合に、接続部５３及び端子３５にか
かる力を分散させる段部５９が形成されている。

【００２４】更に、上記絶縁管５５の後端側には、各リ
ード線４９が嵌挿される貫通孔６１が形成されたシール
部６３が設けられている。このシール部６３は、図２に
示す様に、異なるフッソ樹脂系の耐熱性樹脂からなるサ
ンドイッチ構造をしている。つまり、先端側の第１層６
５はＰＴＦＥ、第２層６７はＰＦＡ（テトラフルオロエ
チレン−パーフルオロアルキルビニルエーテル）、第３
層６９は第１層６５と同じくＰＴＦＥから構成されてい
る。

【００２５】尚、第１層６５の貫通孔６１の上部は、他
の層６７，６９の貫通孔６１より若干大径になされてい
るので、貫通孔６１の内周面とリード線４９との間に
は、後の加熱で充填される間隙７０（図１）が形成され
ている。そして、上記シール部６３等を収納した保護外
筒９は、その先端側がハウジング３に嵌合されて加締め
られるとともに、中央部で内筒７とともに加締められ、
更に後端側のシール部６３に対応する位置で外側から加
締められてシール部６３が固定される。

【００２６】その後、シール部６３の第２層６７の溶融
温度の近傍の温度（３１５℃）で加熱されることによっ
て、第２層６７が溶融される。尚、リード線４９の被覆
膜５０の溶融温度は３２７℃であり、また第１層６５及
び第３層６９の溶融温度も３２７℃であり、上記加熱温
度はこれらの溶融温度より低いので、リード線４９の被
覆膜５０，第１層６５及び第３層６９は溶融しない。

【００２７】従って、この加熱による第２層６７の溶融
によって、第２層６７はリード線４９の被覆膜５０に溶
着してシール部６３とリード線４９との間隙を気密す
る。更に、第２層６７は第１層６５及び第３層６９に溶
着して気密する。この様に、本実施例では、第２層６７
のシール材として、ＰＦＡの様な樹脂、即ち高い連続最
高使用温度，不燃性，低温でも割れ等が生じない低温特
性，耐化学薬品性，絶縁性等の電気的特性等の性質を備
えている樹脂を使用しているので、センサの性能や耐久
性が優れたものとなる。特に、シール部６３が例えば２
００℃近くの高い温度になる様な環境で酸素センサ１を
使用しても、シール部６３はガスや液体に対するシール
性が損なわれることがなく、またガスが発生することが
ないのでセンサの特性に影響を及ぼすこともない。

【００２８】更に、気密を行なう方法として、この樹脂
製のシール部６３を、第２層６７の溶融温度より高い温
度で加熱するので、第２層６７自身が溶融して周囲の部
材と密着することができ、それによって確実に気密を行
なうことができる。特に、本実施例では、第１層６５の
貫通孔６１に間隙７０が形成されているので、加熱時に
溶融した第２層６７がこの間隙７０に入り込んで、一層
気密性を向上させるという効果がある。その上、溶融す
る第２層６７が溶融しない第１層６５及び第３層６９に
挟まれているので、溶融した第２層６７が外部やセンサ
内部に流れ出ないという効果がある。

【００２９】次に、第２実施例について、図３に基づい
て説明する。図３に示す様に、本実施例の酸素センサ７
１は、その先端側は上記第１実施例とほぼ同様である
が、ハウジング７３より後端側が異なるものである。こ
のハウジング３の上端部７３ａには、内筒が接続されて
おらず、保護外筒７５が公知の接続手段（レーザ溶接，
アルゴン溶接，ロー接続等）によって全周密閉接合され
ている。

【００３０】そして、保護外筒７５の中央部近傍には内
側に突出する環状部７５ａが形成され、この環状部７５
ａにスプリング７７の下端が係止されている。上記スプ
リング７７の上部には、シール部７９が形成されてい
る。このシール部７９は、図４に示す様に、ＰＴＦＥか
らなる第１層８１とＰＦＡからなる第２層８３とからな
り、シール部７９を貫いて貫通孔８５が形成されてい
る。そして、貫通孔８５には、表面がＰＴＦＥからなる
被覆膜８７で覆われたリード線８９が嵌挿されている。

【００３１】そして、本実施例の酸素センサ７１は、シ
ール部７９に対応する位置で保護外筒７５の外側から加
締めが行なわれて、シール部７９が固定される。その
後、第２層８３の溶融温度の近傍で、しかも第１層８１
及びリード線８９の被覆膜８７の溶融温度以下の３１５
℃で加熱される。この加熱によって、第２層８３が溶融
してリード線８９の被覆膜８７に溶着するので、十分な
気密が行われる。

【００３２】この様な第２実施例によっても、上記第１
実施例と同様な効果を奏する。尚、本実施例では、構造
が簡単であるのでその製造が容易であり、その上、保護
外筒７５を全周にわたって接合するので、気密性が向上
するという利点がある。次に、第３実施例について、図
５に基づいて説明する。

【００３３】図５に示す様に、本実施例の酸素センサ９
１は、その先端側は上記第１実施例とほぼ同様である
が、絶縁管９２より後端側が異なるものである。絶縁管
９２の上部に形成されたシール部９３は、図６に示す様
に、ＰＦＡからなる第１層９４とＰＴＦＥからなる第２
層９５とから構成されている。

【００３４】第１層９４の上部には、上方に突出するテ
ーパ状凸部９４ａが各貫通孔９６毎に設けられ、一方、
第２層９５の下部には、上記テーパ状凸部９４ａに対応
して、下方に開口するテーパ状凹部９５ａが各貫通孔９
６毎に設けられている。そして、テーパ状凸部９４ａが
テーパ状凹部９５ａに圧入されることによって、上下に
連通する貫通孔９６が形成されている。

【００３５】上記貫通孔９６には、表面がＰＴＦＥから
なる被覆膜９７に覆われたリード線９８（図５）が嵌挿
され、シール部９３は、絶縁管９２を介してコイル状ス
プリング９９によるバネ圧によって、上方に付勢されて
保持されている。そして、この酸素センサ９１は、第１
層９４の溶融温度近傍で、しかも第２層９５及びリード
線９８の被覆膜９７の溶融温度以下の３１５℃で加熱さ
れることにより、第１層９４が溶融してリード線９８の
被覆膜９７に溶着するので、十分な気密が行われる。ま
た、外筒９９とシール部９３においては、第２層９５の
外周段部９５ｂにて密着して気密を保っている。

【００３６】この様な第３実施例においても、第１実施
例と同様な効果を奏する。また、本実施例では、構成部
品が減少し、かつ第１実施例で必要であったシール部の
加締め工程を省略できるという利点がある。更に、シー
ル部９３の第１層９４に設けられたテーパ状凸部９４ａ
及び第２層９５に設けられた凹部９５ａと、シール部９
３に加えられるバネ圧とによって、リード線９８及び被
覆膜９７に加圧しながら溶着を行うことができるので、
その気密性が一層向上するという効果がある。

【００３７】次に、第４実施例について、図７に基づい
て説明する。図７に示す様に、本実施例の酸素センサ１
０１は、その先端側は上記第３実施例とほぼ同様である
が、絶縁管１０２上に形成されたシール部１０３の形状
が異なるものである。

【００３８】シール部１０３は、図８に示す様に、ＰＦ
Ａからなる第１層１０４とＰＴＦＥからなる第２層１０
５とから構成されており、第２層１０５のテーパ状凹部
１０５ａに、該テーパ凹部１０５ａに対応した形状の第
１層１０４の上部１０４ａが圧入されることによって、
上下に連通する貫通孔１０６が形成されている。

【００３９】上記貫通孔１０６には、表面がＰＴＦＥか
らなる被覆膜１０７に覆われたリード線１０８（図７）
が嵌挿され、シール部１０３は、絶縁管１０２を介して
コイル状スプリング１０９によるバネ圧によって、上方
に付勢されている。そして、この酸素センサ１０１は、
第１層１０４の溶融温度近傍で、しかも第２層１０５及
びリード線１０８の被覆膜１０７の溶融温度以下の３１
５℃で加熱されることにより、第１層１０４が溶融して
リード線１０８の被覆膜１０７に溶着するので、十分な
気密が行われる。

【００４０】この様な第４実施例においても、上記第３
実施例と同様な効果を奏する。また、本実施例では、構
成部品の形が単純になることから、径方向に小型化でき
るという利点がある。尚、本発明は、上記各実施例の何
等限定されることなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲
内で各種の態様で実施できることは勿論である。

【００４１】

【発明の効果】以上説明した様に、本発明によれば、シ
ール材の材料としてリード線の被覆膜の融点よりも低い
融点を有する樹脂を使用している。従って、加熱してシ
ール材を溶融させることによって、シール材をリード線
の被覆膜に溶着させて十分な気密を行なうことができ
る。また、リード線の被覆膜に溶着したシール材として
高い耐熱温度を有する材料を使用する場合には、センサ
の使用時にシール材が高温になっても、シール材からガ
スが発生したり或はシール材が変形してシール性が低下
することがない。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１実施例の酸素センサを一部破断し
て示す正面図である。

【図２】第１実施例のシール部を分解して示す斜視図で
ある。

【図３】第２実施例の酸素センサを一部破断して示す正
面図である。

【図４】第２実施例のシール部を分解して示す斜視図で
ある。

【図５】第３実施例の酸素センサを一部破断して示す正
面図である。

【図６】第３実施例のシール部を分解して示す斜視図で
ある。

【図７】第４実施例の酸素センサを一部破断して示す正
面図である。

【図８】第４実施例のシール部を分解して示す斜視図で
ある。

【符号の説明】

１，７１，９１，１０１…酸素センサ ４９，４９ａ，４９ｂ，４９ｃ，４９ｄ，８９，９８，
１０８…リード線 ５０，８７，９７，１０７…被覆膜 ６７，８３，９５，１０５…第２層 ７９，６３，９３，１０３…シール部

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 実開 昭61−97720（ＪＰ，Ｕ) 実開 平２−91955（ＪＰ，Ｕ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁶，ＤＢ名) G01N 27/409 G01N 27/00 - 27/12

Claims (2)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 被測定ガス中のガス成分濃度を検出する
   検出部と、該検出部が格納されたセンサ内部と外界とを
   気密するシール材と、該シール材を貫通して上記検出部
   から伸びる被覆リード線と、を備えたセンサの防水構造
   において、 上記シール材の材料として、上記リード線の被覆膜の融
   点より低い融点を有する樹脂を用い、上記シール材を加
   熱することによって溶融させて上記リード線の被覆膜に
   溶着させたことを特徴とするセンサの防水構造。
2. 【請求項２】 被測定ガス中のガス成分濃度を検出する
   検出部と、該検出部が格納されたセンサ内部と外界とを
   気密するシール材と、該シール材を貫通して上記検出部
   から伸びる被覆リード線と、を備えたセンサの製造方法
   において、 上記シール材の材料として、上記リード線の被覆膜の融
   点より低い融点を有する樹脂を用い、上記シール材を加
   熱することによって溶融させて上記リード線の被覆膜に
   溶着させたことを特徴とするセンサの製造方法。