JPH0584854U - 酸素センサ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 構造が簡単で、容易に製作でき、且つ長期間
の使用に耐えることのできる、被測定ガス中の酸素濃度
を測定するための、酸素センサを提供する。 【構成】 先端部に酸素検知部１２が設けられた酸素検
知素子１０と；該酸素検知素子１０が内部に収容され
る、被測定ガス中に挿入，位置せしめられ、該被測定ガ
スに晒される、前記酸素検知部１２を含む酸素検知素子
１０部分を保護する保護カバー部４４と該酸素検知素子
１０の被測定ガスに晒されない部分を覆う保護筒部４６
とを一体に構成した保護管体２０と；該保護管体２０の
軸心方向の所定部位外周部に気密に取り付けられた、前
記被測定ガスの存在する流通管等を仕切る隔壁に該保護
管体２０を取り付けるためのハウジング５０とを有し、
且つ該保護管体２０内に収容された前記酸素検知素子１
０と該保護管体２０内面間に、無機質粉体からなる気密
層２６を、該保護管体２０の軸心方向に設けた。

Description

【考案の詳細な説明】

【０００１】

【技術分野】

本考案は、被測定ガス中の酸素濃度を測定するための酸素センサに係り、特に 先端部に酸素検知部が設けられた長手形状の酸素検知素子を備えた酸素センサに 関するものである。

【０００２】

【背景技術】

被測定ガス中の酸素濃度を検出する酸素センサ、例えばエンジンやボイラー等 の排気ガス中の酸素濃度を測定する酸素センサにおいては、従来より、酸素検知 素子として、有底円筒形状の固体電解質を主体とするものが一般に用いられてい たが、近年、製造が容易であること、あるいはコンパクト化が可能であること等 から、かかる有底円筒形状の酸素検知素子に代わり、酸素検知素子を長手形状と し、その先端部に酸素検知部を設けたものが注目されるようになってきた。

【０００３】 そして、そのような先端部に酸素検知部が設けられた長手形状の酸素検知素子 を備えた酸素センサとしては、例えば、本願出願人が先に実願昭５９−３８４０ ７号において提案したものがあるが、そこにおいて提案されているように、先端 部に酸素検知部が設けられた長手形状の酸素検知素子を備えた酸素センサにあっ ては、酸素検知素子が内部に収容される、被測定ガス中に挿入，位置せしめられ て、該被測定ガスに晒される、少なくとも前記酸素検知部を含む酸素検知素子部 分を保護する保護カバー部と該酸素検知素子の被測定ガスに晒されない部分を覆 う保護筒部とを一体に構成せしめた保護管体と；該保護管体の軸心方向における 所定部位の外周部に気密に取り付けられた、前記被測定ガスの存在する流通管等 の空間を仕切る隔壁に該保護管体を取り付けるためのハウジングとを有する構成 とされることが、構造を簡単にでき、また製作を容易にできる点で望ましいので ある。

【０００４】 ところで、このような酸素センサでは、酸素検知素子の酸素検知部側に被測定 ガス以外のガスが侵入したり、あるいは被測定ガスが酸素濃度の比較基準となる 基準ガス側に漏れたりすると、被測定ガス中の酸素濃度の検出精度が低下するこ とから、保護管体内面と酸素検知素子との間に気密層を設け、酸素検知素子の先 端部側と基端部側とを気密に隔てることが必要であるが、かかる保護管体内面と 酸素検知素子との間を長期間にわたって気密に維持する技術は未だ確立されてい ないのが実情であった。

【０００５】

【解決課題】

本考案は、かかる事情を背景として為されたものであって、その解決課題とす るところは、構造が簡単で、容易に製作でき、しかも長期間の使用に耐えること のできる酸素センサを提供することにある。

【０００６】

【解決手段】

そして、上記の課題を解決するために、本考案にあっては、先端部に酸素検知 部が設けられてなる長手形状の酸素検知素子と；該酸素検知素子が内部に収容さ れる、被測定ガス中に挿入，位置せしめられて、該被測定ガスに晒される、少な くとも前記酸素検知部を含む酸素検知素子部分を保護する保護カバー部と該酸素 検知素子の被測定ガスに晒されない部分を覆う保護筒部とを一体に構成せしめた 保護管体と；該保護管体の軸心方向における所定部位の外周部に気密に取り付け られた、前記被測定ガスの存在する流通管等の空間を仕切る隔壁に該保護管体を 取り付けるためのハウジングとを有し、且つ該保護管体内に収容された前記酸素 検知素子と該保護管体内面との間に、無機質粉体からなる気密層を、該保護管体 の軸心方向に所定長さにわたって設けたことを特徴とする酸素センサを、その要 旨とするものである。

【０００７】

【作用・効果】

このような構成の酸素センサによれば、保護カバー部と保護筒部が一体とされ ることから、構造が簡単になって、その製作乃至は組付け性が容易になることは 勿論、長期間の使用によって酸素センサが繰り返し加熱・冷却されても気密層の 気密が良好に保持されて、酸素濃度の検出精度が長期間にわたって良好に維持さ れるのである。

【０００８】

【実施例】

以下、本考案を更に具体的に明らかにするために、その一実施例を、図面に基 づいて詳細に説明する。

【０００９】 まず、図１において、１０は、安定化ジルコニア等の酸素イオン伝導性の固体 電解質を主体に構成された酸素検知素子であって、図２にその断面形状が、また 図３にはその外形形状が示されているように、狭幅な板状の長手形状を成してい る。そして、この長手形状の酸素検知素子１０の先端部（図１および図３におい て左側端部）に、酸素濃淡電池の原理を利用した酸素検知部１２が形成され、そ の酸素検知部１２において酸素濃淡電池の原理に基づいて得られた所定の電気信 号が酸素検出素子１０の基端部（図１および図３において右側端部）から取り出 され得るようになっている。

【００１０】 すなわち、酸素検知素子１０には、図３に示されているように、基端部から先 端部近傍まで延びる行き止まり穴１４が形成され、この行き止まり穴１４の先端 部（奥部）の内外に、それぞれ行き止まり穴１４および外部空間に露出した状態 で内部電極および外部電極（共に図示せず）が設けられて、酸素検知素子１０の 基端部と先端部とが互いに酸素濃度の異なる雰囲気中に位置せしめられ、それら 内部電極と外部電極とに互いに異なる酸素濃度のガスが接触せしめられた場合に おいて、それら内部電極と外部電極との間にそれらに接触せしめられるガスの酸 素濃度の差に基づいて起電力が生じるようにされているのである。そしてそれら 内部電極と外部電極との間に生じた起電力が図示しない導電部を通じて酸素検知 素子１０の基端部に導かれるようになっているのである。

【００１１】 また、この酸素検知素子１０には、図示はしないが、酸素検知部１２を加熱す るためのヒータも内蔵させられており、後述するように、酸素検知素子１０の基 端部に設けられたヒータ給電部への給電によって酸素検知部１２を積極的に加熱 し得るようになっている。このヒータによる加熱によって、作動開始時等におけ る作動の立ち上がり時間を短縮し、あるいは雰囲気温度が低い場合においても酸 素濃度の検出を安定して行い得るようになっているのである。

【００１２】 なお、このような酸素検知素子１０は、固体電解質のグリーンシートに電極や ヒータ、更には絶縁シート等を重ね合わせて積層体と為し、これを焼成する積層 方式や、固体電解質のグリーンシートに電極やヒータ、絶縁層等を印刷、形成し た後、焼成を行う印刷方式等の通常の手法によって容易に形成される。

【００１３】 そして、このように先端部に酸素検知部１２が形成された酸素検知素子１０が 、図１に示されているように、その先端側の中間部および中央部分をそれぞれ第 一絶縁碍子１６および第二絶縁碍子１８によって支持された状態で、パイプ状の 保護管体２０内に収容され、第二絶縁碍子１８の基端側にワッシャ２２を挟んで 設けられた固着層２４、および第一絶縁碍子１６と第二絶縁碍子１８との間に形 成された所定長さの気密層２６によって固定されている。すなわち、酸素検知素 子１０は、それぞれその先端側の酸素検知部１２と基端側の行き止まり穴１４の 開口部とが、気密層２６によって気密に隔てられた保護管体２０の先端側の空間 と基端側の空間とに位置せしめられた状態で、保護管体２０内に収容・固定され ているのである。なお、第一絶縁碍子１６，気密層２６，第二絶縁碍子１８およ びワッシャ２２は、図１から明らかなように、保護管体２０にカシメ形成された 第一突起２８および第二突起３０によって、それぞれ先端側への移動および基端 側への移動を阻止されている。

【００１４】 また、保護管体２０内には、先端側の一部において上記酸素検知素子１０の基 端部を覆う状態で接続碍子３２が挿入されており、保護管体２０の基端側の開口 に挿入・固定されたゴム栓３４によって固定されている。そして、この保護管体 ２０の開口を塞ぐゴム栓３４を貫通して３本のリード線３６ａ，３６ｂ，３６ｃ が設けられており、これらのリード線３６ａ，３６ｂ，３６ｃが接続碍子３２内 においてそれぞれコネクタを介して前記酸素検知素子１０の内側電極の導電部お よびヒータの一対の給電部に接続されている。また、外部電極は接続碍子３２の 図示しないコネクタによって保護管体２０に接続され、さらに後述のハウジング ５０を介して接地されるようになっている。つまり、内外両電極間に発生する起 電力はリード線３６ａとアース間から取り出されるようになっているのであり、 またリード線３６ｂ，３６ｃからの給電によってヒータが加熱され、前述のよう に酸素検知部１２が加熱されるようになっているのである。

【００１５】 なお、本実施例では、上述のように保護管体２０の開口がゴム栓３４によって 塞がれているので、保護管体２０内に水等の液体が侵入することはない。また、 本実施例では、図１から明らかなように、ゴム栓３４が保護管体２０のカシメ加 工によって固定されて、ゴム栓３４の径方向に圧縮力が作用させられ、これによ って各リード線が強固に固定されて、外部からの振動がリード線を経て酸素検知 素子１０との間の接続部に伝わらないようにされているので、その接続部の疲労 破壊を効果的に防止することができる。

【００１６】 一方、前記酸素検知素子１０が収容・固定せしめられた保護管体２０には、そ の先端部に複数のガス導入孔４０が形成されるとともに、前記接続碍子３２に対 応する部分に通孔４２が形成され、後述するように、先端部が被測定ガス通路内 に突出する状態で取り付けられた場合において、被測定ガスがガス導入孔４０か ら酸素検知素子１０の酸素検知部１２に導かれるとともに、大気が通孔４２を通 じて酸素検知素子１０の行き止まり穴１４内に導かれるようになっている。

【００１７】 なお、以上の説明から明らかなように、本実施例では、保護管体２０の上記ガ ス導入孔４０が形成された先端側の部分（厳密には気密層２６よりも先端側の部 分）が保護カバー部４４を成しているのであり、その保護カバー部４４よりも基 端側の部分（気密層２６よりも基端側の部分）が保護筒部４６を成しているので ある。

【００１８】 そして、本実施例では、このような保護カバー部４４と保護筒部４６とが一体 に構成された保護管体２０の前記気密層２６に対応する外周部に、気密リング４ ８を介してハウジング５０が気密に装着され、このハウジング５０のネジ部５１ が自動車の排気ガス管等の被測定ガス流通路の隔壁に螺着されることによって、 先端側の保護カバー部４４がその被測定ガス流通路内に挿入された状態で、保護 管体２０が被測定ガス流通路の隔壁に気密に固定され得るようになっている。保 護管体２０がハウジング５０によって上述のように被測定ガス流通路の隔壁に気 密に取り付けられることによって、前述のように、酸素検知部１２の外部電極が ガス導入孔４０を経て導かれる被測定ガスに晒され、また酸素検知部１２の内部 電極が通孔４２，行き止まり穴１４を経て導かれる空気に晒されるのであり、こ れによって被測定ガスと空気との酸素濃度差に基づいて発生する電気信号（起電 力）がリード線３６ａとアース間から取り出されることとなる。

【００１９】 なお、気密リング４８は、図１に示されているように、先端部が楔状とされて 、ハウジング５０の基端側（図１において右側）に形成されたシール空間５２内 に収容され、ハウジング５０の基端側の円筒状突部５４のカシメ加工によって先 端部の楔状部分がハウジング５０と保護管体２０との間の隙間を埋めるように固 定されている。ハウジング５０と保護管体２０との間に、気密リング４８が、こ のように介在させられることによって、それらの間の気密が効果的に保たれるよ うになっているのである。

【００２０】 そして、このような酸素センサにおいて、本実施例では、前記気密層２６が耐 熱性を有するタルク，アルミナ等の無機質の予圧縮成形された粉体によって構成 され、また前記固着層２４が無機系の固着剤であるガラスによって形成されてい るのである。このように、気密層２６を耐熱性（使用環境にもよるが、一般には 、５００℃以上の耐熱性）の無機質粉体にて構成すれば、加熱と冷却の繰り返し によっても気密層２６の気密が長期間にわたって維持されるのである。また、無 機系の固着剤からなる固着層２４を設ければ、酸素検知素子１０を保護管体２０ 内において安定して支持することができる。

【００２１】 なお、この気密層２６は前記酸素検知素子１０の固定と同時に形成されるよう になっている。すなわち、酸素検知素子１０を固定するに際しては、図３に示さ れているように、第一絶縁碍子１６，第二絶縁碍子１８およびワッシャ２２と共 に、気密層２６の形状に予め圧縮成形されたタルク等の無機質粉体からなる成形 品５６が用意され、また保護管体２０としては、前記２つの突起２８，３０のう ち先端側の第一突起２８だけがカシメ形成されたものが用意される。

【００２２】 そして、まず、上記第一絶縁碍子１６，成形品５６，第二絶縁碍子１８および ワッシャ２２に形成された挿通穴に対して酸素検知素子１０が挿通され、この酸 素検知素子１０が挿通された組立品が、基端側の開口から保護管体２０内に挿入 される。この時、保護管体２０は基端側を上方にした姿勢で所定の治具によって 支持され、従って組立品は第一絶縁碍子１６が第一突起２８に当接せしめられた 位置で停止する。また、酸素検知素子１０も、上記治具によって同時に位置決め される。

【００２３】 次いで、かかる状態において、上記治具とは別の治具によって、ワッシャ２２ が上方から下方に向かって押圧される。このワッシャ２２の押圧によって、成形 品５６は加圧されて変形し、酸素検知素子１０と保護管体２０との間に密に充填 される。そして、このワッシャ２２の押圧状態下において、第二突起３０がカシ メ形成され、組立品が固定される。つまり、酸素検知素子１０が固定されるので あり、この時同時に予圧縮成形された無機質粉体によって気密層２６が形成され るのである。

【００２４】 そして、このように酸素検知素子１０が固定されるとともに、気密層２６が形 成された後、固着層２４の形状に成形されたガラスが保護管体２０に挿入され、 溶融されて固着層２４が形成されることとなる。

【００２５】 また、本実施例では、上記気密層２６の形成後、前記ハウジング５０が、この 気密層２６に対応する保護管体２０の外周部に装着されるようになっており、こ れによって気密層２６の気密性と前記ハウジング５０と保護管体２０との間の気 密性とがより一層向上させられている。すなわち、ハウジング５０は、前述のよ うに、気密リング４８をシール空間５２内に収容した状態で円筒状突部５４がカ シメ加工されることにより、保護管体２０に装着されるようになっていることか ら、図４の（ａ）および（ｂ）に示されるように、そのカシメ加工によって保護 管体２０の管壁が気密層２６側に向かって突出せしめられることとなるが、気密 層２６は第一絶縁碍子１６，第二絶縁碍子１８，酸素検知素子１０および保護管 体２０の管壁によってその広がりが制限されているため、その管壁の内側への突 出によって粉体がより圧縮されることとなり、その分気密層２６の気密性が向上 するのである。また、気密層２６からの反作用によって保護管体２０の管壁およ び気密リング４８との間に作用する圧力も大きくなるため、ハウジング５０と保 護管体２０との間の気密性も向上するのである。

【００２６】 また、この実施例では、前記保護管体２０が、０〜６００℃における平均熱膨 脹係数が１７．５×１０^-6のＳＵＳ３１０Ｓによって、またハウジング５０およ び気密リング４８が、０〜６００℃における平均熱膨張係数が１８．９×１０^-6 のＳＵＳ３０４によって形成されており、これによってハウジング５０と保護管 体２０との間の気密が長期間にわたって安定して保たれるようになっている。す なわち、それら保護管体２０，ハウジング５０および気密リング４８の熱膨張係 数の差が大きいと、長期間の使用による加熱・冷却によって保護管体２０とハウ ジング５０との間が緩み、それらの間の気密性が損なわれる恐れがあったのであ るが、上述のように、それらの材質として熱膨張係数の比較的近いものを採用す ることによって、そのような不都合を解消し得ることとなったのである。なお、 それらの材質として熱膨張係数の差が３×１０^-6以下の金属材料を採用すれば、 保護管体２０とハウジング５０との間を長期間にわたって気密に保つことが可能 となる。

【００２７】 さらに、本実施例では、前述のように、保護カバー部４４と保護筒部４６とが 保護管体２０として一体とされていることから、保護カバー部４４と保護筒部４ ６とが別部品とされる酸素センサに比べて、その構造が極めて単純化且つ簡略化 されているのであり、これによって、その製作乃至は組付け作業が著しく容易と されているのである。

【００２８】 以上、本考案の一実施例を説明したが、これは文字通りの例示であって、本考 案は、かかる具体例に限定して解釈されるべきものではない。

【００２９】 例えば、前記実施例では、酸素検知素子１０が、酸素イオン伝導性を有する安 定化ジルコニア等の固体電解質材料を主体として構成されているものとされてい たが、酸素検知部が、酸素濃度により電気抵抗値の変化する酸化物半導体、例え ば酸化チタン等にて実質的に構成された酸素検知素子を採用することも可能であ る。

【００３０】 また、気密層２６を構成する無機質粉体としては、前記実施例のように、特に タルクを採用することが望ましいのであるが、前掲したように、アルミナ等の他 の耐熱性の無機質粉体を採用することも可能であり、またこのような気密層が酸 素検知素子１０の長手方向において２箇所以上設けられてもよいのである。なお 、この気密層を２箇所以上設ける場合において、基端側に位置する気密層に上記 固着層と同様な機能をもたせ、酸素検知素子１０の固定を行なうようにすること も可能である。

【００３１】 また、前記実施例では、先端部が楔状とされた気密リング４８を介して、ハウ ジング５０が保護管体２０に気密に装着されるようになっていたが、かかるハウ ジング５０は、鑞付け，溶接，圧入等によって保護管体に取り付けられてもよい のである。

【００３２】 さらに、前記実施例では、保護管体２０は全長にわたって一律に同径とされて いたが、図５に示されるように、先端側が小径部５８、基端側が大径部６０とさ れた段付状のパイプから構成されていてもよいのである。なお、保護管体２０を このように段付状のパイプにて構成すれば、気密層２６を圧縮形成するに際して 保護管体２０をその段付部において治具にて支持することができるところから、 保護管体２０の端部で受けるときに発生する座屈などの現象を良好に回避するこ とが可能となると共に、保護管体２０の段付部６２とハウジング５０の段付部６ ４とが密着するため、保護管体２０とハウジング５０との間の気密がさらに良好 となる。

【００３３】 その他、一々列挙はしないが、本考案がその趣旨を逸脱しない範囲内において 種々なる変形，改良等を施した態様で実施し得ることは言うまでもないところで ある。

【図面の簡単な説明】

【図１】本考案に係る酸素センサの一実施例を示す要部
切欠断面説明図である。

【図２】図１におけるII−II線断面を示す断面図であ
る。

【図３】図１の酸素センサの酸素検知素子の保護管体へ
の組付け操作を説明するための要部分解図である。

【図４】図１の酸素センサにおけるハウジングの取付操
作を説明するための要部断面説明図であって、（ａ）は
取付完了前の状態の、また（ｂ）は取付完了後の状態の
断面説明図である。

【図５】本考案の他の実施例を示す図４の（ｂ）に相当
する図である。

【符号の説明】

１０：酸素検知素子 １２：酸素検知部 １６，１８：絶縁碍子 ２０：保護管体 ２４：固着層 ２６：気密層 ３２：接続碍子 ３４：ゴム栓 ３６ａ，３６ｂ，３６ｃ：リード線 ４４：保護カバー部 ４６：保護筒部 ４８：気密リング ５０：ハウジング ５６：成形品 ５８：小径部 ６０：大径部 ６２：保護管体の段付部 ６４：ハンジングの段付部

Claims (8)

【実用新案登録請求の範囲】
1. 【請求項１】 先端部に酸素検知部が設けられてなる長
   手形状の酸素検知素子と；該酸素検知素子が内部に収容
   される、被測定ガス中に挿入，位置せしめられて、該被
   測定ガスに晒される、少なくとも前記酸素検知部を含む
   酸素検知素子部分を保護する保護カバー部と該酸素検知
   素子の被測定ガスに晒されない部分を覆う保護筒部とを
   一体に構成せしめた保護管体と；該保護管体の軸心方向
   における所定部位の外周部に気密に取り付けられた、前
   記被測定ガスの存在する空間を仕切る隔壁に該保護管体
   を取り付けるためのハウジングとを有し、且つ該保護管
   体内に収容された前記酸素検知素子と該保護管体内面と
   の間に、無機質粉体からなる気密層を、該保護管体の軸
   心方向に所定長さにわたって設けたことを特徴とする酸
   素センサ。
2. 【請求項２】 前記気密層を構成する無機質粉体がタル
   クである請求項１に記載の酸素センサ。
3. 【請求項３】 前記保護管体が、該保護管体に外挿せし
   められた気密リングを介して、前記ハウジングに気密に
   取り付けられている請求項１または請求項２に記載の酸
   素センサ。
4. 【請求項４】 前記保護管体，気密リング，ハウジング
   のそれぞれの熱膨脹係数の差が、３×１０^-6以内である
   請求項３に記載の酸素センサ。
5. 【請求項５】 前記保護管体内に設けられる気密層が、
   該保護管体の管壁を介して、前記気密リングに相対向し
   て位置せしめられる請求項３または請求項４に記載の酸
   素センサ。
6. 【請求項６】 前記気密層が、前記保護管体内におい
   て、その軸心方向の２ヶ所以上の位置に設けられている
   請求項１乃至請求項５の何れかの一つに記載の酸素セン
   サ。
7. 【請求項７】 前記酸素検知素子が、前記保護管体内に
   おいて少なくとも１ヶ所以上の位置でセメント，ガラス
   等の無機系の固着剤にて固定せしめられている請求項１
   乃至請求項６の何れかの一つに記載の酸素センサ。
8. 【請求項８】 前記保護管体が、小径部と大径部とから
   構成されたパイプである請求項１乃至請求項７の何れか
   の一つに記載の酸素センサ。