JP2002162377A

JP2002162377A - ガスセンサ

Info

Publication number: JP2002162377A
Application number: JP2000356362A
Authority: JP
Inventors: Tatsuya Yamada; 達哉山田; Yoshihiko Nakatsuka; 佳彦中塚; Shinichi Nakamura; 伸一中村
Original assignee: NGK Spark Plug Co Ltd
Current assignee: Niterra Co Ltd
Priority date: 2000-11-22
Filing date: 2000-11-22
Publication date: 2002-06-07
Anticipated expiration: 2020-11-22
Also published as: JP4426084B2

Abstract

(57)【要約】【課題】特定の構造の保護管を装着することにより、
応答性が向上し、また、素子の被毒、被水が十分に抑え
られるガスセンサを提供する。【解決手段】主体金具３と、この主体金具に挿通さ
れ、先端側の検知部Ｘが主体金具の先端面３４より突出
しているセンサ素子Ａと、主体金具に固定され、素子の
検知部を囲繞する外側と内側の二重構造からなる保護管
と、を備え、内側保護管６２の通気孔がセンサ素子の検
知部より基端側に対応する位置に設けられているガスセ
ンサを得る。外側保護管６１の後端部は主体金具の先端
縁にレーザ溶接により気密に接合され、内側保護管の先
端部は外側保護管の先端部の内面に固定される。また、
内側保護管の外径を主体金具の内径より小さくし、後端
部を外方に向かって折り曲げて鍔部６２２を形成し、こ
の鍔部に通気孔６２１を設け、先端部６２２ａを主体金
具の先端面３４又は内周面３３に当接させて固定する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、優れた応答性を有
するガスセンサに関する。更に詳しく言えば、特定の二
重管構造からなる保護管を備え、応答性に優れ、検知部
が被毒、被水等から十分に保護されるガスセンサに関す
る。本発明における保護管の構造は各種の材質、構造か
らなるガスセンサに適用することができ、このガスセン
サは、特に、車両等の内燃機関から排出される排気ガス
に含まれる酸素ガス及びＮＯｘガスなどを検知するため
のガスセンサとして有用である。

【０００２】

【従来の技術】車両用のガスセンサは、センサを排気管
等に取り付けるための主体金具と、この主体金具に挿通
され、少なくとも検知部が主体金具から突出して配設さ
れているセンサ素子とを備え、素子の先端側には保護管
が取り付けられている。この保護管には、素子の先端側
に形成された検知部に被検知ガスを導入するための通気
孔が設けられている。また、この保護管によって検知部
を被毒、被水等から保護することもできる。このような
ガスセンサにおいて、排気ガスの流路を最適化すること
によりセンサの応答性を向上させるため、保護管の素子
の後端側に対応する位置に通気孔を設けたものが提案さ
れている。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかし、保護管は主体
金具の端縁部に装着されているため、保護管の通気孔は
主体金具の先端面を多少なりとも離れた素子の先端側に
対応する位置に設けざるを得ない。その一方で、保護管
を強固に保持するためには主体金具の先端部をある程度
の長さ突出させる必要がある。そのため、保護管の通気
孔を素子の検知部から十分に離れた位置に設けることは
難しく、保護管の取り付け側において排気ガスが流通し
ない滞留部が形成され、センサの応答性が低下すること
がある他、検知部の被毒、被水を十分に抑えることがで
きないこともある。尚、最近では、素子の被水、或いは
素子冷え等を防止するため、主体金具からの素子の突出
量を少なくする方向にあるが、これによって保護管の通
気孔と素子の検知部とがより近接し、却って被水し易く
なっている。

【０００４】本発明は、上記の従来の問題を解決するも
のであり、内側保護管の通気孔をセンサ素子の検知部か
ら十分に離れた主体金具の先端面より後端側に設けるこ
とができるため、排気ガスの流路を最適化することがで
き、保護管の取り付け側における排気ガスの滞留が防止
され、センサの応答性を向上させることができる。ま
た、検知部の被毒及び被水を確実に防止することができ
る。本発明は、このように優れた応答性及び耐久性を有
するガスセンサを提供することを目的とする。

【０００５】

【課題を解決するための手段】上記の課題は、長さ方向
に貫通孔を有する主体金具と、この貫通孔に挿通され、
先端側の検知部が主体金具の先端面より突出しているセ
ンサ素子と、主体金具に固定され、検知部を囲繞する保
護管と、を備えるガスセンサにおいて、保護管は、それ
ぞれ通気孔を有する外側保護管と内側保護管とからな
り、内側保護管の通気孔を、主体金具の先端面より後端
側に対応する位置に設けることにより達成される。

【０００６】このガスセンサでは、特定の構造を有する
保護管を有する他は、その構造及び材質等は特に限定さ
れず、例えば、全領域空燃比センサ等の一般的な酸素セ
ンサ及びＮＯｘセンサなどのガスセンサとすることがで
きる。また、排気管等への取り付け方法も特定はされな
いが、通常、主体金具の外周面に形成された取り付けね
じ部により、素子の先端側において検知電極及び基準電
極が形成されている検知部が排気管等の内部に突出する
ようにして取り付けられる。

【０００７】外側保護管及び内側保護管には排気ガス等
の被検知ガスを保護管の内部に導入し、素子の検知部と
接触させるための通気孔が、所定位置に所要個数形成さ
れている。また、保護管の先端部の特に中心部にも通気
孔が形成されている。この場合に、内側保護管の通気孔
が主体金具から離れた位置に形成されていると、保護管
の取り付け側において被検知ガスが滞留し、センサの応
答性が低下する。更に、内側保護管の通気孔が素子の検
知部の近傍に設けられていると、導入された直後の被検
知ガスがそのまま素子の検地部に接触することになり、
排気ガス等の被検知ガスに含まれている被毒物質及び水
等により、素子が被毒、或いは被水することにもなる。

【０００８】本発明のガスセンサでは、内側保護管の通
気孔は素子の検知部より離れた主体金具の先端面より後
端側に対応する位置に設けられている。このようにすれ
ば被検知ガスは主体金具の先端面より後端側から検知部
へ、更には保護管の先端部へと流通し、保護管の取り付
け側において被検知ガスが滞留することによるセンサの
応答性の低下が防止され、被検知ガスの濃度の変化に対
するセンサ出力の追随性に優れる、即ち、応答性の高い
ガスセンサとすることができる。また、導入直後の被検
知ガスが素子の検知部と接触しないため、素子の被毒、
被水等も十分に抑えられる。

【０００９】保護管はステンレス鋼等の金属からなる外
側保護管と内側保護管により形成され、通常、これらは
円筒形であり、同心円状に配置されている。そして、外
側保護管の後端部の内周面が、主体金具の先端縁の外周
面に固定されることにより、主体金具に固定されてい
る。この固定は保護管が主体金具から容易に脱落しない
限り、どのような方法により行ってもよいが、レーザ溶
接により固定することが好ましい。このようにすれば気
密状態を保って接合されるため、固定部分から侵入する
水分による素子の検知部の被水が防止される。

【００１０】一方、内側保護管は、先端部の外面が外側
保護管の先端部の内面に固定されており、内側保護管の
外径が主体金具の内径より小さく、内側保護管の後端部
が外方へ向かって折り曲げられ、鍔部が形成されてい
る。そして、この鍔部の先端部を主体金具の内周面に当
接させることにより、内側保護管の後端部を固定するこ
とができ、内側保護管が全体として十分に安定して保持
される。また、このような構成とすれば、内側保護管の
通気孔を主体金具の先端面より後端側に対応する位置、
即ち、素子の検知部から離れた位置に設けることが容易
となる。

【００１１】内側保護管の通気孔は鍔部に所要個数の切
り欠きを形成することによって設けることもでき、この
ようにすれば被検知ガスの滞留をほぼ完全に防止するこ
とができ、センサの応答性の低下を確実に防止すること
ができる。また、素子の被毒、被水を十分に防止するこ
ともできる。尚、内側保護管の固定も内側保護管が揺動
したり、外側保護管から容易に脱落することがない限
り、溶接、ボルト、ナットによる固定等、どのような方
法により行ってもよい。

【００１２】

【発明の実施の形態】以下、特定の保護管構造を有する
本発明のガスセンサを、その一例である積層型酸素セン
サ素子を組み込んだ酸素センサにより詳しく説明する。［１］ガスセンサの構造図１は、積層型酸素センサ素子Ａが組み込まれた酸素セ
ンサＢであり、内燃機関の排気管に取り付けられ、排気
ガスに含まれる酸素濃度の測定に使用されるλ型酸素セ
ンサと通称される酸素センサの一例を示す断面図であ
る。

【００１３】この酸素センサＢに組み込まれた積層型酸
素センサ素子Ａは、検知部が形成されている前方側が主
体金具３の先端面より突出するように主体金具３に形成
された貫通孔３２に挿通されている。この貫通孔３２の
周面と素子Ａの外周面との間は、結晶化亜鉛シリカほう
酸系ガラス等のガラスを主体とする封着層４１により封
着されている。また、素子Ａの、主体金具３から突出し
た部分は金属製の二重管からなる外側保護管６１及び内
側保護管６２により囲繞されている。そして、外側保護
管６１の後端部が主体金具３の先端縁の外周面にレーザ
溶接によって固着されている。

【００１４】外側及び内側保護管６１、６２は、それぞ
れ先端部を底面とする有底円筒形であり、その先端面、
或いは周面に、排気ガスを保護管６１、６２の内部に導
入するための通気孔６１１、６２１が設けられている。
また、主体金具３の後端部は外筒７の先端縁内側に挿入
され、それらが重なった部分は、周方向にレーザ溶接に
より接合され、固着されている。尚、主体金具３の外周
面には、酸素センサＢを排気管に取り付けるための取り
付けねじ部３１が螺設されている。

【００１５】素子Ａは、第１コネクタ部５１、長尺状金
属薄板５２、更には第２コネクタ部５３及び絶縁板（図
示せず）（これらを総称して「外部端子」という。）
と、リード線９とにより、外部回路（図示せず）と電気
的に接続されている。合計４本のリード線９は、それぞ
れ外筒７の後端側に位置するグロメット８を貫通して外
部へと導出されている。

【００１６】尚、素子Ａの長手方向（軸線方向）におい
て、封着層４１の少なくとも一方の側に隣接する形で
（図１では封着層４１の素子の検出部Ｘに近接した端面
側に隣接して）、タルク滑石等の無機粉末の圧粉成形
体、或いは多孔質仮焼体等の多孔質無機物質などにより
形成された緩衝層４２が設けられている。この緩衝層４
２は、封着層４１から軸線方向に突出する素子Ａを外側
から包み込むように支持し、素子Ａに過度の曲げ応力及
び熱応力等が加わるのを抑制する作用を有する。

【００１７】［２］積層型酸素センサ素子の構造積層型酸素センサ素子について図２を用いて説明する。
この図２は、図１に示す酸素センサＢに装着されている
素子Ａの分解斜視図であり、素子Ａは酸素濃淡電池素子
１及びセラミックヒータ２により構成されている。

【００１８】酸素濃淡電池素子１は、酸素イオン伝導性
を有するジルコニアを主体に形成された酸素濃淡電池用
固体電解質層１１を備え、酸素濃淡電池用固体電解質層
１１の一端側（図１において主体金具３の先端より突出
している側）の表裏面には検知電極部１３１ａ及び基準
電極部１３１ｂが直接形成され、図１における検知部Ｘ
を構成している。

【００１９】こられ検知電極部１３１ａ及び基準電極部
１３１ｂには、酸素濃淡電池用固体電解質層１１の長手
方向に導体リード部１３２ａ及び１３２ｂがそれぞれ延
設されている。但し、これらの各々の導体リード部１３
２ａ及び１３２ｂは、酸素濃淡電池用固体電解質層１１
の表裏面に酸素濃淡電池用第１絶縁層１２ａ及び酸素濃
淡電池用第２絶縁層１２ｂを介して形成されている。
尚、酸素濃淡電池用第１絶縁層１２ａ及び酸素濃淡電池
用第２絶縁層１２ｂは、いずれも絶縁性に優れるアルミ
ナを主体に構成されている。

【００２０】導体リード部１３２ａの末端は、外部回路
接続用の外部端子（図示せず）と接続されるとともに、
検知電極部１３１ａと電気的に接続される信号取り出し
用端子１３３ａを構成する。また、リード部１３２ｂの
末端は、この末端を、酸素濃淡電池用固体電解質層１
１、酸素濃淡電池用第１絶縁層１２ａ及び酸素濃淡電池
用第２絶縁層１２ｂを貫通するスルーホール１５を介し
て外部端子と接続するための信号取り出し用端子１４と
接続される。

【００２１】一方、セラミックヒータ２は、白金或いは
白金合金等により形成される発熱抵抗体２１を備え、こ
の発熱抵抗体２１は、絶縁性に優れるアルミナを主体に
構成されるヒータ用第１絶縁層２２ａ及びヒータ用第２
絶縁層２２ｂに挟持されている。そして、これらの絶縁
層に挟持された発熱抵抗体２１は、ジルコニアを主体に
構成される第１ヒータ本体層２３ａ及び第２ヒータ本体
層２３ｂに挟持され、更にアルミナを主体とするセラミ
ックからなるヒータ用第３絶縁層２４ａ及びヒータ用第
４絶縁層２４ｂにより挟持される多層構造を有してい
る。

【００２２】この発熱抵抗体２１は、ヒータ用第４絶縁
層２４ｂ、ヒータ用第２本体層２３ｂ及びヒータ用第３
絶縁層２２ｂを貫通するスルーホール２６ａ及び２６ｂ
を介して、外部回路用の外部端子と接続されるヒータ通
電端子２５ａ及び２５ｂと電気的に接続されている。

【００２３】［３］保護管の構造の詳細以下、外側及び内側の二重管からなる従来の、又は本発
明のガスセンサにおける保護管の構造について図３乃至
図６に基づいて詳しく説明する。（１）従来の保護管が取り付けられた酸素センサ図６は従来の保護管が取り付けられた酸素センサの一例
の前端部の断面図である。外側保護管６１の後端部は主
体金具３の先端縁の外周面に接合され、内側保護管６２
の先端部の外面は外側保護管６１の先端部の内面に固定
され、この固定部分の中心部には通気孔６３が設けられ
ている。一方、内側保護管６２の後端部は拡径され、こ
の拡径された部分の外周面が、外側保護管６１の主体金
具３の先端面３４に隣接した部位の内周面に固定されて
いる。

【００２４】この従来の保護管では、図６のように、外
側保護管６１及び内側保護管６２の各々の所要個所に複
数個の通気孔６１１及び６２１が設けられている。この
ような保護管が取り付けられた酸素センサを排気管の所
定位置に装着した場合、排気ガスの多くは通気孔６１１
から外側保護管６１と内側保護管６２により形成される
空間へ流入し、次いで、通気孔６２１から内側保護管６
２の内部に流入し、素子の検知部Ｘ等に接触した後、通
気孔６３から流出する。

【００２５】このように図６の従来の構造の保護管が取
り付けられた酸素センサでは、通気孔６２１が主体金具
３の先端面３４から離れた位置に設けられており、排気
ガスの主たる流路が上記のように形成されるため、特に
主体金具３の先端面３４の周縁において排気ガスが滞留
し易く、センサの応答性の低下が避けられない。また、
内側保護管６２の内部に流入した直後の排気ガスが素子
の検知部Ｘに接触し易く、被毒、被水等が十分に抑えら
れない。

【００２６】（２）本発明のガスセンサに取り付けられ
た保護管の構造内側保護管の鍔部に通気孔が設けられた保護管が取り
付けられた酸素センサ図３は本発明のガスセンサに取り
付けられた保護管の一例をセンサの前端部とともに示す
断面図である。外側保護管６１の後端部は主体金具３の
先端縁の外周面に接合され、内側保護管６２の先端部の
外面は外側保護管６１の先端部の内面に固定されてお
り、この固定部分の中心部には通気孔６３が設けられて
いる。一方、内側保護管６２の外径は主体金具３の先端
部の内径より小さく、且つ内側保護管６２の後端部には
鍔部６２２が形成されている。この鍔部６２２の先端部
６２２ａは主体金具３の先端面３４から基端側に入り込
んだ位置において主体金具３の内周面３３に接してい
る。

【００２７】この本発明のガスセンサに取り付けられた
保護管では、図３のように、外側保護管６１の所要個所
にの従来例の場合と同様に複数個の通気孔６１１が設
けられている。一方、内側保護管６２には、図４のよう
に、鍔部６２２の周方向に等間隔で４個の切り欠きが設
けられ、これが通気孔６２１となっており、内側保護管
６２のその他の部位には通気孔は設けられていない。こ
のような保護管が取り付けられた酸素センサを排気管の
所定位置に装着した場合、排気ガスの多くは通気孔６１
１から外側保護管６１と内側保護管６２により形成され
る空間へ流入し、次いで、内側保護管６２の鍔部６２２
に設けられた通気孔６２１から保護管の内部に流入し、
素子の検知部Ｘ等に接触した後、通気孔６３から流出す
る。

【００２８】このように図３の本発明のガスセンサに取
り付けられた保護管では、通気孔６２１が主体金具３の
先端面３４よりも基端側に設けられており、排気ガスの
主たる流路が上記のように形成されるため、排気ガスの
滞留はほとんどなく、優れた応答性を有するセンサとす
ることができる。また、外側保護管６１の通気孔６１１
から流入した排気ガスは、十分な距離を流通した後に素
子の検知部Ｘに接触することになり、被毒、被水等が十
分に抑えられる。

【００２９】本発明のガスセンサに取り付けられた保
護管の他の例図５は本発明のガスセンサに取り付けられた保護管をセ
ンサの前端部とともに示す断面図である。このセンサで
は内側保護管６２の鍔部６２２の先端部６２２ａが主体
金具３の先端面３４より後端側に入り込んだ位置におい
て主体金具３の内周面３３に接しており、通気孔６２１
は主体金具３の先端面３４より後端側に対応する位置に
設けられている。

【００３０】このような保護管が取り付けられた酸素セ
ンサを排気管の所定位置に装着した場合、排気ガスの多
くは通気孔６１１から外側保護管６１と内側保護管６２
により形成される空間へ流入し、次いで、内側保護管６
２の、主体金具３の先端面３４より後端側に対応する位
置に設けられた通気孔６２１から保護管の内部に流入
し、素子の検知部Ｘ等に接触した後、通気孔６３から流
出する。

【００３１】このように図５の本発明のガスセンサに取
り付けられた保護管では、排気ガスの主たる流路が上記
のように形成されるため、排気ガスの滞留はほとんどな
く、優れた応答性を有するセンサとすることができる。
また、外側保護管６１の通気孔６１１から流入した排気
ガスは、十分な距離を流通した後に素子の検知部Ｘに接
触することになり、被毒、被水等が十分に抑えらる。

【００３２】

【発明の効果】本発明によれば、応答性に優れ、検知部
が被毒、被水等から十分に保護されるガスセンサとする
ことができる。本発明における保護管の構造は各種の材
質、構造からなるガスセンサに適用することができ、特
に、車両等の内燃機関から排出される排気ガスに含まれ
る酸素ガス及びＮＯｘガスなどを検知するためのガスセ
ンサ等において有用である。

【図面の簡単な説明】

【図１】積層型酸素センサ素子が組み込まれた酸素セン
サの断面を示す模式図である。

【図２】積層型酸素センサ素子を分解して示す斜視図で
ある。

【図３】本発明のガスセンサ（酸素センサ）に取り付け
られた保護管の一例をセンサの前端部とともに示す断面
図である。

【図４】図３の鍔部に設けられた通気孔をセンサの軸方
向の基端側のａ−ａ’断面においてみた模式図である。

【図５】本発明のガスセンサ（酸素センサ）に取り付け
られた保護管の他の例をセンサの前端部とともに示す断
面図である。

【図６】図１とは異なる他の従来の保護管の構造を示す
断面図である。

【符号の説明】

Ａ；積層型酸素センサ素子、１；酸素濃淡電池素子、１
１；酸素濃淡電池用固体電解質層、１２ａ；酸素濃淡電
池用第１絶縁層、１２ｂ；酸素濃淡電池用第２絶縁層、
１３ａ；検知電極、１３ｂ；基準電極、２；セラミック
ヒータ、２１；発熱抵抗体、２２ａ；ヒータ用第１絶縁
層、２２ｂ；ヒータ用第２絶縁層、２３ａ；第１ヒータ
本体層、２３ｂ；第２ヒータ本体層、２４ａ；ヒータ用
第３絶縁層、２４ｂ；ヒータ用第４絶縁層、Ｂ；酸素セ
ンサ、３；主体金具、３１；取り付けねじ部、３２；貫
通孔、３３；内周面、３４；先端面、６１；外側保護
管、６１１通気孔；６２；内側保護管、６２１；通気
孔、６２２；鍔部、６２２ａ；鍔部の先端部、６３；保
護管の先端部に設けられた通気孔。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者中村伸一名古屋市瑞穂区高辻町14番18号日本特殊陶業株式会社内Ｆターム(参考） 2G004 BB04 BF18 BF20 BF27 BJ03 BM07

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】長さ方向に貫通孔を有する主体金具と、
該貫通孔に挿通され、先端側の検知部が該主体金具の先
端面より突出しているセンサ素子と、該主体金具に固定
され、該検知部を囲繞する保護管と、を備えるガスセン
サにおいて、該保護管は、それぞれ通気孔を有する外側
保護管と内側保護管とからなり、該内側保護管の通気孔
は、上記主体金具の上記先端面より後端側に対応する位
置に設けられていることを特徴とするガスセンサ。
【請求項２】上記外側保護管の後端部が上記主体金具
の先端縁の外周面に固定され、上記内側保護管の先端部
の外面が該外側保護管の先端部の内面に固定され、該内
側保護管の外径は上記主体金具の内径より小さく、該内
側保護管の後端部が外方に向かって折り曲げられて鍔部
が形成されており、該内側保護管は、上記主体金具の上
記先端面を越えて該主体金具の内部まで延設されている
請求項１記載のガスセンサ。
【請求項３】上記鍔部の先端部が上記主体金具の内周
面に接している請求項２記載のガスセンサ。
【請求項４】上記内側保護管の通気孔が、上記鍔部に
設けられている請求項２又は３に記載のガスセンサ。
【請求項５】上記外側保護管の後端部と、上記主体金
具の先端縁の外周面とが、レーザ溶接により固定されて
いる請求項２乃至４のうちのいずれか１項に記載のガス
センサ。