CN106471362A - 包括传感器元件、壳体及元件罩的气体传感器 - Google Patents

Abstract

一种气体传感器(1)，具备具有测定电极(22)及基准电极(23)的传感器元件(2)、供该传感器元件(2)插通于内侧的壳体(3)、以及配设在该壳体(3)的前端侧的元件罩(4)。元件罩具有内罩(41)、以覆盖该内罩(41)的方式配设的外罩(42)。内罩(41)具有沿着轴向(Z)的内侧壁部(411)及相对于轴向(Z)交叉的内底壁部(412)，上述外罩(42)具有沿着轴向(Z)的外侧壁部(421)及相对于轴向(Z)交叉的外底壁部(422)。形成于该内侧壁部(411)的内侧面孔位于比测定电极更靠基端侧，形成于外侧壁部(421)的外侧面孔位于比内侧面孔更靠前端侧，内底面孔位于比测定电极更靠前端侧，外底面孔位于比内底面孔更靠外侧。外侧面孔的总面积相对于内底面孔的总面积之比为8～47，内侧面孔的总面积为2～8mm²。

Description

包括传感器元件、壳体及元件罩的气体传感器

技术领域

本公开涉及对被测定气体中的特定气体浓度进行检测的气体传感器。

背景技术

在车辆用的内燃机等的排气系统中，配设有对废气等被测定气体中的特定气体浓度(例如，氧浓度)进行检测的气体传感器。该气体传感器具备：传感器元件，具有固体电解质体和分别设置在该固体电解质体的一个面和另一个面上的测定电极以及基准电极；供该传感器元件插通到内侧的壳体；以及配设在该壳体的前端侧的元件罩。

设置元件罩的一个目的在于，抑制与废气等被测定气体一起飞来的水滴等液滴附着于传感器元件(在以下适当地称为“被液”。)。即，当液滴附着于传感器元件时，担心传感器元件产生应力，而成为元件破裂的重要因素。因此，通过元件罩来抑制传感器元件的被液。在以下，将该元件罩的功能称为被液抑制功能。

而另一方面，为了使被测定气体良好地到达传感器元件的检测部(测定电极)，而在元件罩上形成有通气孔。即，需要以被测定气体充分地向元件罩内导入、并从元件罩排出的方式形成通气孔，由此，确保气体传感器的响应性。

但是，在一般情况下，响应性与被液抑制功能处于相反的关系，以往，例如在日本特开2012-18188号公报中，为了兼顾响应性和被液抑制功能，而对于元件罩的构造进行了各种研究。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：日本特开2012-18188号公报

发明内容

发明要解决的课题

然而，近年来，对气体传感器要求的响应性和被液抑制功能均提高。即，例如，随着车辆的使用地域的多样化，在各地域使用的油、燃料的多样化、废气限制的强化、燃料消耗量降低的要求等进一步发展。由此，在气体传感器中，要求更高度的响应性和被液抑制功能的兼顾。

本公开是鉴于上述情况而进行的，提供能够兼顾较高的响应性和被液抑制功能的气体传感器。

用于解决课题的手段

本公开的一个方式为一种气体传感器，具备：传感器元件，具有氧离子传导性的固体电解质体、和分别设置在该固体电解质体的一个面以及另一个面的测定电极以及基准电极；壳体，供该传感器元件插通于内侧；以及元件罩，配设在该壳体的前端侧，该气体传感器的特征在于，该元件罩具有：内罩，被配设为从外周侧以及前端侧覆盖上述传感器元件的前端部；以及外罩，被配设为从外周侧以及前端侧覆盖该内罩，上述内罩具有沿着轴向的内侧壁部以及设置于该内侧壁部的前端侧并相对于轴向交叉的内底壁部，上述外罩具有沿着轴向的外侧壁部以及设置于该外侧壁部的前端侧并相对于轴向交叉的外底壁部，形成于上述内侧壁部的内侧面孔位于比上述测定电极更靠基端侧，形成于上述外侧壁部的外侧面孔位于比上述内侧面孔更靠前端侧，形成于上述内底壁部的内底面孔位于比上述测定电极更靠前端侧，形成于上述外底壁部的外底面孔位于比上述内底面孔更靠外侧，上述外侧面孔的总面积相对于上述内底面孔的总面积之比为8～47，上述内侧面孔的总面积为2～8mm²。

发明的效果

在上述气体传感器中，如上述那样规定了测定电极、内侧面孔、外侧面孔、内底面孔、外底面孔的相互的位置关系，并且将外侧面孔的总面积相对于内底面孔的总面积之比(在以下，也简称为“总面积比”。)、以及内侧面孔的总面积规定为上述那样的范围。本申请发明人考虑到：上述总面积比以及内侧面孔的总面积，对向传感器元件的测定电极附近的被测定气体的更换容易度产生较大影响，作为其结果，对响应性和被液抑制功能的双方产生较大影响。因此，着眼于这一点，如后述那样进行研究的结果，可知上述构成的气体传感器能够兼顾较高的响应性和被液抑制功能。

如上所述，根据本公开，能够提供能够兼顾较高的响应性和被液抑制功能的气体传感器。

附图说明

在附图中：

图1是实施例1的气体传感器的元件罩周边的截面图。

图2是实施例1的气体传感器的截面图。

图3是实施例1的与图1的III-III线的向视截面相当的内罩的截面图。

图4是实施例1的从前端侧观察的内罩的平面图。

图5是实施例1的与图1的V-V线的向视截面相当的外罩的截面图。

图6是实施例1的从前端侧观察的内罩的平面图。

图7是表示实施例1的外底面孔与内底面孔之间的位置关系的平面图。

图8是实施例2的气体传感器的元件罩周边的截面图。

图9是实施例2的基于包含中心轴的平面的内罩的截面图。

图10是图9的X-X线的向视截面图。

图11是实施例2的从前端侧观察的内罩的平面图。

图12是实验例2的基于包含中心轴的平面的外罩的截面图。

图13是图12的XIII-XIII线的向视截面图。

图14是实施例2的从前端侧观察的外罩的平面图。

图15是表示实验例1的总面积比与平均响应时间之间的关系的实验结果的图表。

图16是表示实验例1的内侧面孔的总面积与平均响应时间之间的关系的实验结果的图表。

图17是实验例1的平均响应时间的定义的说明图。

图18是表示实验例2的总面积比与被水痕面积之间的关系的实验结果的图表。

图19是表示实验例2的内侧面孔的总面积与被水痕面积之间的关系的实验结果的图表。

具体实施方式

上述气体传感器例如配设在车辆用的内燃机等的排气系统中使用。此外，在本说明书中，将使气体传感器向排气系统等插入的一侧称为前端侧，将其相反侧称为基端侧。此外，只要不特别提及，则轴向是指气体传感器的轴向。此外，所谓内底面孔的总面积，例如，在存在多个内底面孔的情况下，意味着该全部内底面孔的面积的合计，在内底面孔为一个的情况下，意味着该一个内底面孔的面积。对于外侧面孔的总面积、内侧面孔的总面积等也是同样的。

实施例

(实施例1)

使用图1～图7对上述气体传感器的实施例进行说明。

如图1、图2所示那样，本例的气体传感器1具备传感器元件2、供传感器元件2插通于内侧的壳体3、以及配设在壳体3的前端侧的元件罩4。传感器元件2具有氧离子传导性的固体电解质体21和分别设置在该固体电解质体21的一个面以及另一个面上的测定电极22以及基准电极23。

如图1所示那样，元件罩4具有：内罩41，被配设为从外周侧以及前端侧覆盖传感器元件2的前端部；以及外罩42，被配设为从外周侧以及前端侧覆盖该内罩41。

内罩41具有沿着轴向Z的内侧壁部411、以及设置于内侧壁部411的前端侧并相对于轴向Z交叉的内底壁部412。外罩42具有沿着轴向Z的外侧壁部421、以及设置于外侧壁部421的前端侧并相对于轴向Z交叉的外底壁部422。

形成于内侧壁部411的内侧面孔51，位于比测定电极22更靠基端侧。形成于外侧壁部421的外侧面孔61，位于比内侧面孔51更靠前端侧。形成于内底壁部412的内底面孔52，位于比测定电极22更靠前端侧。形成于外底壁部422的外底面孔62，位于比内底面孔52更靠外侧。

并且，外侧面孔61的总面积相对于内底面孔52的总面积之比(总面积比)为8～47。此外，内侧面孔51的总面积为2～8mm²。

此外，上述总面积比优选为11～35，更优选为16～30。此外，内侧面孔51的总面积优选为3～7mm²，更优选为3.5～6mm²。

内底面孔52形成于相对于轴向Z正交的内底壁部412。在此，相对于轴向Z正交，不仅包括相对于轴向Z的角度准确地成为90°的情况，也包括概略地正交的状态。例如，在相对于轴向Z的角度例如为88～92°的内底壁部412上形成有内底面孔52。

传感器元件2形成为前端侧被封闭并且基端侧开放的有底筒状的杯型。即，固体电解质体21具有上述那样的有底筒状的杯型的形状。并且，在其外侧面上形成有测定电极22，在内侧面形成有基准电极23。

固体电解质体21以氧化锆为主成分。此外，测定电极22以及基准电极23均优选由铂族元素构成，特别是在本实施例中由铂金构成。

基准电极23形成于固体电解质体21的内侧面的大致整面。另一方面，测定电极22设置在固体电解质体21的前端部附近的一部分。其中，在本例中，测定电极22的前端位于比固体电解质体21的前端更靠基端侧的位置。此外，测定电极22形成于周方向的整体。

元件罩4在其基端的凸缘部413、423，凿密固定于壳体3的前端部。内罩41和外罩42，在使它们的凸缘部413、423相互重叠的状态下，凿密固定于壳体3。

内罩41在凸缘部413与内侧壁部411之间具有倾斜面部414。内侧面孔51在比倾斜面部414更靠前端侧形成于内侧壁部411。即，内侧面孔51在轴向Z上形成于倾斜面部414与测定电极22之间的位置。如图3所示那样，内侧面孔51在周方向上等间隔地形成有6个。

此外，内底壁部412具有与轴向Z正交的正交平面部415、以及在该正交平面部415的周围以向内侧凹陷并且与内侧壁部411相连的方式形成的凹陷部416。并且，内底面孔52形成于内底壁部412的正交平面部415。此外，如图4所示那样，内底面孔52形成有三个。

此外，如图1所示那样，外罩42的外侧壁部421形成为，从凸缘部423朝向前端侧延伸。并且，以与外侧壁部421的前端相连的方式、且以与轴向Z正交的方式形成有外底壁部422。如图1、图5所示那样，外侧面孔61在比内侧面孔51更靠前端侧、并且比传感器元件2的前端部更靠前端侧的位置，在周方向上等间隔地形成有8个。

此外，如图6所示那样，外底面孔62在外底壁部422上形成有8个。如图1、图7所示那样，这些外底面孔62均形成于比内底面孔52更靠外侧。此外，内底面孔52、外底面孔62、内侧面孔51、外侧面孔61均为圆形的孔。

此外，如图1所示那样，在内侧壁部411与外侧壁部421之间形成有间隙，在内底壁部412与外底壁部422之间也形成有间隙。

此外，内侧壁部411以及外侧壁部421沿着有底圆筒状的传感器元件2的外周面，以与传感器元件2的中心轴共享中心轴的方式形成为大致圆筒状。

此外，如图2所示那样，在传感器元件2的内侧，配设有用于对传感器元件2进行加热的加热器11。在加热器11中，在以氧化铝(Al₂O₃)为主成分的加热器基材形成有发热体以及导线部(省略图示)。发热体以及导线部由以钨为主成分、并至少含有铼、钼的任一种的材料构成。此外，加热器11具有圆柱形状。

此外，本例的气体传感器1是在内燃机的排气系统中设置于比催化过滤器更靠下游侧的后用气体传感器。此外，本例的气体传感器1是如下的极限电流式的气体传感器：通过对测定电极22与基准电极23之间施加规定的电压，由此输出取决于被测定气体(废气)中的特定气体浓度(氧浓度)的极限电流值。

即，气体传感器1在汽车发动机的排气系统中，配置在对废气进行净化的催化过滤器的下游侧。并且，输出取决于通过催化过滤器之后的废气中的氧浓度的极限电流值。能够构成为，基于所得到的极限电流值，计算向内燃机供给的混合气中的空燃比，并向发动机控制系统反馈。

接下来，对本例的作用效果进行说明。在上述气体传感器1中，如上述那样规定了测定电极22、内侧面孔51、外侧面孔61、内底面孔52、外底面孔62的相互的位置关系，并且将外侧面孔61的总面积相对于内底面孔52的总面积之比(总面积比)、以及内侧面孔51的总面积规定为上述那样的范围。由此，如后述那样，能够兼顾较高的响应性和被液抑制功能。

此外，传感器元件2为有底筒状的杯型。由此，能够得到输出精度较高的气体传感器1。

此外，气体传感器1是被设置在内燃机的排气系统中的比催化过滤器更靠下游侧的后用气体传感器。因此，特别是对气体传感器1要求的响应性以及被液抑制功能的水平变高，但是通过成为上述构成，由此能够满足该要求。

此外，气体传感器1为极限电流式的气体传感器，因此能够得到较高的输出精度(化学计量精度)。

如上所述，根据本例，能够提供能够兼顾较高的响应性和被液抑制功能的气体传感器。

(实施例2)

如图8～图14所示那样，本例是对元件罩4的形状进行了变更的例子。此外，图8仅表示元件罩4中比壳体3的前端更靠前端侧的部分，省略了凸缘部413、423。

在本例的气体传感器1中，外侧面孔61形成于外侧壁部421中的轴向Z的2个位置。即，在外侧壁部421，在接近外底壁部422的位置形成有8个外侧面孔61，并且，在比这些外侧面孔61更靠基端侧的位置，同样形成有8个外侧面孔61。前端侧的8个外侧面孔61位于比内底面孔52更靠前端侧，基端侧的8个外侧面孔61位于比内底面孔52更靠基端侧的位置。

如图9～图11所示那样，内罩41具有与实施例1所示的大致同样的形状。并且，内侧面孔51在离内底壁部412的前端面为12.9mm的位置具有中心。此外，各内侧面孔51形成为直径1mm的圆形状。此外，内底面孔52在从内罩41的中心轴离开1.75mm的位置具有中心。并且，各内底面孔52形成为直径1.2mm的圆形状。

此外，如图12～图14所示那样，在外罩42中，前端侧的8个外侧面孔61在离外底壁部422的前端面为2mm的位置具有中心，前端侧的8个外侧面孔61在离外底壁部422的前端面为5mm的位置具有中心。并且，各外侧面孔61形成为直径2mm的圆形状。此外，外底面孔62在从外罩42的中心轴离开3.6mm的位置具有中心。然后，各外底面孔62形成为直径1.2mm的圆形状。

关于其他的基本构成，与实施例1的构成同样。此外，本例的气体传感器1也是，外侧面孔61的总面积相对于内底面孔52的总面积之比(总面积比)为8～47，内侧面孔51的总面积为2～8mm²。更具体地说，本例的气体传感器1为，内底面孔52的总面积为2.6mm²，外侧面孔61的总面积为56.5mm²，上述总面积比为21.8。此外，内侧面孔51的总面积为4.7mm²。此外，在本实施例或者与本实施例相关的附图中使用的符号中、与在实施例1中使用的符号相同的符号，只要不特别提及，则表示与实施例1同样的构成要素等。

在对于本例的气体传感器1进行了后述的实验例1、2的试验时，得到以下的值作为具体的数据。即，平均响应时间T为692ms，被水痕面积为2.3mm²。

如此，本例的气体传感器能够兼顾较高的响应性和被液抑制功能。

(实验例1)

如图15～图17所示那样，本例是将使基本构成与实施例1、2的气体传感器1大致相同的各种气体传感器，设置于实际的发动机的排气管，而对其响应性进行了评价的例子。此外，在本例或者与本例相关的附图中使用的符号中、与在实施例1中使用的符号相同的符号，只要不特别提及，表示与实施例1同样的构成要素等。

在试验中，在2.5L的直列4缸的发动机的排气管上，设置了各气体传感器。并且，以转速1000转/分使发动机运转。此外，分多次交替地形成向发动机供给的混合气的空燃比A/F成为14的状态、以及成为15的状态。此外，气体传感器的元件温度为750℃。

然后，此时对由气体传感器实际测定的A/F的值进行了调查。即，如图17的曲线L1所示那样，当在时刻t1使发动机的空燃比从14转移到15时，测定了从时刻t1起到曲线L2所表示的由气体传感器测定的A/F的值从14朝向15上升63％为止(即，A/F的值成为14.63为止)的时间。并且，将该测定的时间与时刻t1之间的时间偏差计算为响应时间Δt1。

此外，当在时刻t2使发动机的空燃比(曲线L1)从15向14转移时，测定了从时刻t2起到由气体传感器测定的A/F的值(曲线L2)从15朝向14减少63％为止(即，A/F的值成为14.37为止)的时间。并且，将该测定的时间与时刻t2之间的时间偏差计算为响应时间Δt2。

此外，将该过程反复进行多次，计算多个响应时间Δt1以及多个响应时间Δt2的平均值作为各气体传感器的平均响应时间T。

此外，多个气体传感器，是对内罩41的形状、外罩42的形状、内侧面孔51、内底面孔52、外侧面孔61、外底面孔62的位置、大小、个数等进行了各种变更而得到的。由此，多个气体传感器为，外侧面孔61的总面积相对于内底面孔52的总面积之比(总面积比)以及内侧面孔51的总面积，被进行各种变更。

本例的实验的测定结果如图15、图16所示。图15是将测定结果表示为总面积比与平均响应时间T之间的关系的图表。此外，图16是将测定结果表示为内侧面孔51的总面积与平均响应时间T之间的关系的图表。

如根据图15可知的那样，通过使总面积比成为8以上，由此能够将平均响应时间T降低到800ms(毫秒)以下。此外，通过使总面积比成为11以上，由此能够将平均响应时间T降低到750ms以下。进而，通过使总面积比成为16以上，由此能够将平均响应时间T降低到700ms以下。

此外，如根据图16可知的那样，通过使内侧面孔51的总面积成为2～8mm²的范围，由此能够将平均响应时间T降低到800ms以下。此外，通过使内侧面孔51的总面积成为3～7mm²，由此能够将平均响应时间T降低到750ms以下。进而，通过使内侧面孔51的总面积成为3.5～6mm²，由此能够将平均响应时间T降低到700ms以下。

(实验例2)

如图18、图19所示那样，本实施例是对气体传感器的被液抑制功能进行了评价的例子。首先，与实验例1同样，准备了对内罩41的形状、外罩42的形状、内侧面孔51、内底面孔52、外侧面孔61、外底面孔62的位置、大小、个数等进行了各种变更而得到的多个气体传感器。此外，对于这些气体传感器进行了被水(被液)试验。

被水试验是使用日本特开2007-225592号公报详细记载的被水确认试验方法，按照以下顺序来进行的。即，在相对于水平面倾斜的配管上安装气体传感器。此外，从配管的上端开口部，由喷射机多次喷射含有水滴的空气。测定了此时的向内置于气体传感器的传感器元件2的被水痕面积。

实验结果如图18、图19所示。图18是将测定结果表示为总面积比与被水痕面积之间的关系的图表。此外，图19是将测定结果表示为内侧面孔51的总面积与被水痕面积之间的关系的图表。

如图18可知的那样，通过使总面积比成为8～47，由此能够将被水痕面积降低到低于大约30mm²。此外，通过使总面积比成为11～35，由此能够将被水痕面积降低到低于大约25mm²。进而，通过使总面积比成为16～30，由此能够将被水痕面积降低到低于大约20mm²。

此外，如根据图19可知的那样，通过使内侧面孔51的总面积成为2～8mm²，由此能够将被水痕面积降低到低于大约30mm²。此外，通过使内侧面孔51的总面积成为3～7mm²，由此能够将被水痕面积降低到低于大约25mm²。并且，通过使内侧面孔51的总面积成为3.5～6mm²，由此能够将被水痕面积降低到低于大约20mm²。

根据以上的结果可知，通过使外侧面孔61的总面积相对于内底面孔52的总面积之比(总面积比)成为8～47、并且使内侧面孔51的总面积成为2～8mm²，由此能够实现气体传感器的较高的响应性和被液抑制功能的双方。此外，还可知，通过将上述总面积比以及内侧面孔51的总面积进一步缩小到上述的特定范围，由此能够进一步提高气体传感器的响应性和被液抑制功能。

此外，在上述实施例中，对具有有底筒状的杯型的传感器元件的气体传感器进行了说明，但是对于具有在板棒状的固体电解质体上层叠其他层而形成的传感器元件的气体传感器，也能够应用本公开。

符号的说明

1 气体传感器

2 传感器元件

21 固体电解质体

22 测定电极

23 基准电极

3 壳体

4 元件罩

41 内罩

42 外罩

411 内侧壁部

412 内底壁部

421 外侧壁部

422 外底壁部

51 内侧面孔

52 内底面孔

61 外侧面孔

62 外底面孔

Z 轴向

Claims (9)

1.一种气体传感器(1)，具备：传感器元件(2)，具有氧离子传导性的固体电解质体(21)和分别设置在该固体电解质体(21)的一个面以及另一个面的测定电极(22)以及基准电极(23)；壳体(3)，供该传感器元件(2)插通于内侧；以及元件罩(4)，配设在该壳体(3)的前端侧，该气体传感器(1)的特征在于，

该元件罩(4)具有：内罩(41)，被配设为从外周侧以及前端侧覆盖上述传感器元件(2)的前端部；以及外罩(42)，被配设为从外周侧以及前端侧覆盖该内罩(41)，

上述内罩(41)具有沿着轴向(Z)的内侧壁部(411)、以及设置在该内侧壁部(411)的前端侧并相对于轴向(Z)交叉的内底壁部(412)，上述外罩(42)具有沿着轴向(Z)的外侧壁部(421)、以及设置于该外侧壁部(421)的前端侧并相对于轴向(Z)交叉的外底壁部(422)，

形成于上述内侧壁部(411)的内侧面孔(51)位于比上述测定电极(22)更靠基端侧，形成于上述外侧壁部(421)的外侧面孔(61)位于比上述内侧面孔(51)更靠前端侧，形成于上述内底壁部(412)的内底面孔(52)位于比上述测定电极(22)更靠前端侧，形成于上述外底壁部(422)的外底面孔(62)位于比上述内底面孔(52)更靠外侧，

上述外侧面孔(61)的总面积相对于上述内底面孔(52)的总面积之比为8～47，上述内侧面孔(51)的总面积为2～8mm²。

2.如权利要求1所述的气体传感器(1)，其特征在于，

上述外侧面孔(61)的总面积相对于上述内底面孔(52)的总面积之比为11～35。

3.如权利要求2所述的气体传感器(1)，其特征在于，

上述外侧面孔(61)的总面积相对于上述内底面孔(52)的总面积之比为16～30。

4.如权利要求1～3任一项所述的气体传感器(1)，其特征在于，

上述内侧面孔(51)的总面积为3～7mm²。

5.如权利要求4所述的气体传感器(1)，其特征在于，

上述内侧面孔(51)的总面积为3.5～6mm²。

6.如权利要求1～5任一项所述的气体传感器(1)，其特征在于，

上述内底面孔(52)形成于相对于轴向(Z)正交的上述内底壁部(412)。

7.如权利要求1～6任一项所述的气体传感器(1)，其特征在于，

上述传感器元件(2)为前端侧被封闭并且基端侧开放的有底筒状的杯型。

8.如权利要求1～7任一项所述的气体传感器(1)，其特征在于，

该气体传感器是配置在内燃机的排气系统中的比催化过滤器更靠下游侧的后用气体传感器。

9.如权利要求1～8任一项所述的气体传感器(1)，其特征在于，

该气体传感器是如下的极限电流式的气体传感器：通过对上述测定电极(22)与上述基准电极(23)之间施加规定的电压，由此输出取决于被测定气体中的特定气体浓度的极限电流值。