JP5095915B2 - 酸素センサ - Google Patents

Description

本発明は、酸素センサに関する。

従来より種々の酸素センサが提案されている。特許文献１は、その一例としての酸素センサを開示する。

上記公報の酸素センサでは、ケーシングの根元側（検出部の反対側）に、当該ケーシング内の気密を確保するためのシールラバーが設けられている。このシールラバーは、ケーシングの根元側開口部を塞ぐように設けられており、センサの内部回路を通電するリード線（被覆線）が、このシールラバーを貫通している。

この種の酸素センサは、内燃機関（エンジン）の排気管中の酸素濃度を検出するのに用いられる場合があるが、その場合、シールラバーは、高温の排気管に近いほど熱劣化しやすくなるため、従来は、なるべく耐熱性の高い（熱劣化の少ない）材質を用いるとともに、酸素センサを長く伸ばして、シールラバーを熱源から遠ざけるようにしていた。
特開平９−１７８６９４号公報

上記従来の酸素センサでも、一定の条件の下では、シールラバーの耐熱性を十分確保することができる。

しかしながら、より高い環境温度（排気温度）で使用する場合や、設置スペースが十分に確保できず酸素センサを長くすることができない場合等には、シールラバーの耐熱性が不足するおそれがあった。

本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、酸素センサにおいて、シールラバーの耐熱性を向上させることを目的とする。

上記目的を達成するために、請求項１の発明は、酸素センサにおいて、ケーシングの根元側に内装されるシールラバーを貫通する複数のリード線は、シールラバーの軸方向に垂直な断面を複数のリード線の本数と同数に等分割した各分割部分の重心となる位置に配置し、かつ、リード線の断面積を、シールラバーの断面積の１０％〜５０％としたことを趣旨とする。

また、請求項２の発明は、上記請求項１の発明において、リード線に含まれる芯線の断面積をリード線の断面積の４０％以上とした構成としている。

また、請求項３の発明は、上記請求項２の発明において、芯線の５０重量％以上を熱伝導率が３００Ｗ／（ｍ・Ｋ）以上の金属材料で構成している。

請求項１の発明によれば、リード線を経由して放熱が促進されるため、シールラバーの温度を下げ、耐熱性を向上することができる。

請求項２の発明によれば、リード線の芯線により放熱効果が高まるため、シールラバーの耐熱性をさらに向上することができる。

請求項３の発明によれば、芯線による放熱効果をより一層高め、シールラバーの耐熱性をより一層向上することができる。

以下、本発明を具現化した実施形態について図面を参照して説明する。ここでは、内燃機関を搭載した自動車の排気管に装着された空燃比検出用の酸素センサを例示する。

図１は、本実施形態にかかる酸素センサの断面図である。ホルダ４には、円筒状の素子挿入孔３が形成され、この素子挿入孔３に円柱ロッド状の検出素子２が嵌挿されている。検出素子２はホルダ４を貫通し、軸方向の両端面から露出しており、一端側には酸素測定部２ｂが、また他端側には電極２ａが形成されている。

酸素測定部２ｂは、ホルダ４に溶接やかしめ等で固定された有底円筒状で二重管構成のプロテクタ９内に挿入されている。プロテクタ９には、ガス流通用の小孔９ａが形成されており、検出ガスは、この小孔９ａを経由してプロテクタ９内に進入し、酸素測定部２ｂの周囲に到達する。

素子挿入孔３の電極２ａ側には拡径部１０が形成されており、この拡径部１０に設けられたシール部５により、素子挿入孔３と検出素子２との隙間における気密が保たれている。具体的には、拡径部１０にセラミック粉（例えば未焼結のタルク等）１２を充填し、これをスペーサ（例えばワッシャ等）１３を用いて奥側に押し込むことで、当該隙間を埋めるようにしている。

ホルダ４の電極２ａ側には有底円筒状の端子保持用硝子７が固定されており、検出素子２の電極２ａ側を被覆している。さらに、その端子保持用硝子７の外周を所定の間隙をもって覆うように、筒状のケーシング８が設けられている。ケーシング８は、ホルダ４の外周に全周レーザ溶接等で固定されており、ケーシング８とホルダ４との隙間において気密が確保されている。

また、ケーシング８の酸素測定部２ｂの反対側の端部には、略円柱状のシールラバー１６が内装されており、このシールラバー１６を複数（例えば４本）のリード線１７が貫通して外部に導出されている。このシールラバー１６はケーシング８のカシメ部８ａによってケーシング８に固定されていると共に、このシールラバー１６によってシールラバー１６とリード線１７との間、ならびに、シールラバー１６とケーシング８との間の気密が確保されている。なお、シールラバー１６としては、例えばフッ素ゴム等、耐熱性の高い材質を用いるのが好適である。

各リード線１７の内側端部には、端子６が接続されており、この端子６が端子保持用硝子７に保持されている。各端子６は、弾性体として構成され、その弾性力により、検出素子２の表面に形成される各電極２ａに端子６がより確実に当接し、この部分でより確実な導通が得られるようにしてある。

かかる構成の酸素センサ１は、ホルダ４のネジ部４ｂを排気管３０のネジ孔３１に螺入することにより排気管３０に固定され、プロテクタ９で覆われた箇所が排気管３０内に突出された状態で配置される。酸素センサ１と排気管３０との間は、ガスケット１９によってシールされる。

かかる構成において、排気管３０内を流通する検出ガスがプロテクタ９の小孔９ａより内部に流入すると、そのガス内の酸素が検出素子２の酸素測定部２ｂに入り込む。すると、酸素測定部２ｂによって検出ガスの酸素濃度が検出され、当該酸素濃度を示す電気信号に変換される。そして、この電気信号の情報が電極２ａ、端子６およびリード線１７を経由して外部に出力される。

図２は酸素センサを根元側から見た図、また、図３は、シールラバーの断面積に対するリード線の断面積の比（ハーネス占有率Ｒｈ）に対するシールラバーの温度を示すグラフである。

本実施形態では、リード線１７を従来のものに比べて太くし、このリード線１７による放熱効果でシールラバー１６の温度を低減することで、該シールラバー１６の耐熱性の向上（長寿命化）を図っている。図３は、発明者らによる実験結果の一例を示すもので、シールラバー１６の断面積（軸に垂直な断面積）Ａｒに対するリード線１７の断面積（軸に垂直な断面積）Ａｌの比Ｒｈ（＝Ａｌ／Ａｒ、以下Ｒｈをハーネス占有率とする）と、同一温度の排気管に装着した状態で測定したシールラバー１６の温度Ｔ（収束した温度）との相関関係を示すグラフである。なお、図３の実験結果は、芯線が銅線（熱伝導率：３９８Ｗ／（ｍ・Ｋ））、被覆がフッ素樹脂からなるリード線１７についての実験結果である。

この図３から、ハーネス占有率Ｒｈが大きいほど、すなわちリード線１７を太くするほど放熱効果が高まり、シールラバー１６の温度Ｔが低減していることがわかる。そして、ハーネス占有率Ｒｈが１０％未満になると、当該占有率Ｒｈの増大によるラバー部温度Ｔの低減効果（低減率）は鈍くなっており、よって、シールラバー１６の熱劣化（熱に対する耐久性）の観点からは、ハーネス占有率Ｒｈを１０％以上とするのが好適であることがわかる。

一方、発明者らの研究により、ハーネス占有率Ｒｈが５０％を超える範囲までリード線１７を太くすると、シールラバー１６の体積が小さくなる分、弾性力が弱まり、シール性能（漏れ限界圧力等）が低下してしまうという知見が得られた。すなわち、ハーネス占有率Ｒｈを５０％以下とすれば所期のシール機能を確保でき、さらに、ハーネス占有率Ｒｈを３０％以下とすれば十分なシール性能を確保できることが判明した。

以上より、ハーネス占有率Ｒｈを１０％〜５０％とすれば、シールラバー１６のシール機能を確保しつつ耐熱性を向上することができ、さらに、ハーネス占有率Ｒｈを１０％〜３０％とすれば、より一層高いシール性能を得ることができる。

なお、複数のリード線１７は、シールラバー１６の軸方向に垂直な断面をリード線１７の本数と同数の同一形状に等分割（周方向に等分割；４本の場合には９０°ずつに分割）した各分割部分の重心となる位置に、リード線１７を配置するのが好適である。

さらに、図４は、発明者らによる別の実験結果の一例を示すもので、リード線１７全体の断面積（軸に垂直な断面積）Ａｌに対する金属導体からなる芯線の断面積（軸に垂直な断面積）Ａｃの比Ｒｃ（＝Ａｃ／Ａｌ、以下Ｒｃを芯線占有率とする）と、同一温度の排気管に装着した状態で測定したシールラバー１６の温度Ｔ（収束した温度）との相関関係を示すグラフである。なお、図４の実験結果は、芯線が銅線（熱伝導率：３９８Ｗ／（ｍ・Ｋ））、被覆がフッ素樹脂からなり、上記ハーネス占有率Ｒｈが３０％のリード線１７についての実験結果である。

この図４から、芯線占有率Ｒｃが大きいほど、すなわち芯線を太くするほど放熱効果が高まり、シールラバー１６の温度Ｔが低減していることがわかる。そして、芯線占有率Ｒｃが４０％未満になると、当該占有率Ｒｃの増大によるラバー部温度Ｔの低減効果は鈍くなっており、よって、シールラバー１６の熱劣化（熱に対する耐久性）の観点からは、芯線占有率Ｒｃを４０％以上とするのが好適であることがわかる。これは、熱伝導率の大きい金属導体からなる芯線が細くなると、その分、リード線１７全体としての放熱量が少なくなるからである。また、芯線が細くなり過ぎるのは、電気抵抗の点からも好ましくない。

さらに、図５は、発明者らによる別の実験結果の一例を示すもので、芯線の金属導体中の銅の含有率Ｒｕ（重量％）と、同一温度の排気管に装着した状態で測定したシールラバー１６の温度Ｔ（収束した温度）との相関関係を示すグラフである。なお、図５の実験結果は、芯線が銅とステンレススチールとの混合線（銅の熱伝導率：３９８Ｗ／（ｍ・Ｋ）、ステンレススチールの熱伝導率：２３Ｗ／（ｍ・Ｋ））についての実験結果である。

この図５から、銅含有率Ｒｕが大きいほど、すなわち芯線の熱伝導率が高くなるほど放熱効果が高まり、シールラバー１６の温度Ｔが低減していることがわかる。そして、銅含有率Ｒｕが５０％以上になると、当該含有率Ｒｕの増大によるラバー部温度Ｔの低減効果は鈍くなっており、よって、シールラバー１６の熱劣化（熱に対する耐久性）の観点からは、銅含有率Ｒｕを５０％以上とするのが好適であることがわかる。これは、熱伝導率の高い金属の含有量が少ないと、その分、芯線、ひいてはリード線１７全体としての放熱量が少なくなるからである。なお、熱伝導率が３００Ｗ／（ｍ・Ｋ）以上の金属としては、例えば銅、銀、金等があり、よって、芯線を成す金属材料としては、例えば、黄銅、リン青銅、銅メッキを施したステンレス等を採用することができる。

以上、説明したように、本実施形態によれば、ケーシング８の根元側に内装されるシールラバー１６を貫通するリード線１７の断面積を、シールラバー１６の断面積の１０％〜５０％とし、リード線１７による放熱効果を高めることで、シールラバー１６の温度を下げ、耐熱性を向上することができる。

また、本実施形態によれば、リード線１７に含まれる芯線の断面積をリード線１７の断面積の４０％以上とし、リード線１７の芯線による放熱効果を高めることで、シールラバー１６の耐熱性をさらに向上することができる。

また、本実施形態によれば、芯線の５０％以上を熱伝導率が３００Ｗ／（ｍ・Ｋ）以上の金属材料で構成し、芯線による放熱効果をより一層高めることで、シールラバー１６の耐熱性をより一層向上することができる。

なお、本発明は、酸素センサの内部構造（シールラバー１６より先端側（検出素子側）の構造）には関係なく、他の構造の酸素センサでも同様に具現化することができ、上記実施形態と同様の作用および効果を得ることができる。

また、上記実施形態から把握し得る請求項以外の技術思想について、以下にその効果と共に記載する。

（イ）請求項２または３に記載の酸素センサでは、リード線の断面積をシールラバーの断面積の１０％〜３０％とするのが好適である。

こうすれば、シールラバーにつき、より一層高いシール性能を得ることができる。

本発明の実施形態にかかる酸素センサの断面図。 本発明の実施形態にかかる酸素センサを根元側から軸方向に見た図。 本発明の実施形態にかかる酸素センサにおいてシールラバーの断面積に対するリード線の断面積の比（ハーネス占有率Ｒｈ）とシールラバーの温度Ｔとの相関関係を示す図。 本発明の実施形態にかかる酸素センサにおいてリード線の断面積に対する芯線の断面積の比（芯線占有率Ｒｃ）とシールラバーの温度Ｔとの相関関係を示す図。 本発明の実施形態にかかる酸素センサにおいて金属導体としての芯線における銅含有率Ｒｕとシールラバーの温度Ｔとの相関関係を示す図。

符号の説明

１ 酸素センサ
２ｂ 酸素測定部（検出部）
８ ケーシング
１６ シールラバー
１７ リード線

Claims (3)

1. 略筒状のケーシングと、
   前記ケーシングの先端側に設けられ、酸素濃度を検出する検出部と、
   前記検出部に接続され、ケーシングの根元側から外方に導出される複数のリード線と、
   前記ケーシングの根元側端部に内装され、前記リード線を貫通させるシールラバーと、
   を備える酸素センサにおいて、
   前記複数のリード線は、前記シールラバーの軸方向に垂直な断面を前記複数のリード線の本数と同数に等分割した各分割部分の重心となる位置に配置し、かつ、
   前記リード線の断面積をシールラバーの断面積の１０％〜５０％としたことを特徴とする酸素センサ。
2. 前記リード線に含まれる金属導体からなる芯線の断面積をリード線の断面積の４０％以上としたことを特徴とする請求項１に記載の酸素センサ。
3. 前記芯線の５０重量％以上を熱伝導率が３００Ｗ／（ｍ・Ｋ）以上の金属材料で構成したことを特徴とする請求項２に記載の酸素センサ。

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