JP2005164246A

JP2005164246A - ガスセンサ

Info

Publication number: JP2005164246A
Application number: JP2003399447A
Authority: JP
Inventors: Masaaki Murase; 昌明村瀬; Yoshiaki Kuroki; 義昭黒木
Original assignee: NGK Spark Plug Co Ltd
Current assignee: Niterra Co Ltd
Priority date: 2003-11-28
Filing date: 2003-11-28
Publication date: 2005-06-23

Abstract

【課題】ケーシング部材から、ガス検出素子あるいはガス検出素子を保持した保持部材を取り出すにあたり、ガス検出素子を傷つけることなく、容易に取り出すことができるガスセンサを提供する。
【解決手段】本発明のガスセンサ１００は、ガス検出素子１２０及びケーシング部材１６０を備える。ケーシング部材１６０は、主体金具１６１（第１ケーシング部）と、この主体金具１６１に対し着脱可能に固定された螺着部材１６４（第２ケーシング部）とを有し、螺着部材１６４が、間接に、ガス検出素子１２０を保持する保持部材１３０を軸線方向先端側へ押圧すると共に、主体金具１６１が、直接に、保持部材１３０を軸線方向後端側へ押圧することによって、ガス検出素子１２０を保持する保持部材１３０を固定している。
【選択図】図１

Description

本発明は、内燃機関の空燃比制御等に利用される酸素センサ、全領域空燃比センサ、ＮＯｘセンサといったガスセンサ、特に、軸線方向に延び、自身の先端側が被測定ガスに晒されるガス検出素子と、このガス検出素子を包囲すると共に、ガス検出素子を固定するケーシング部材とを備えるガスセンサに関する。

従来のガスセンサとしては、例えば、主体金具（ケーシング部材）に挿入したガス検出素子を間接にあるいは直接に軸線方向先端側に押圧しつつ、主体金具（ケーシング部材）の後端部を加締めることによって、ガス検出素子を固定するものが知られている（例えば、特許文献１、特許文献２参照）。

特開２００１−１４７２１３号公報特開２００１−５０９２８号公報

ところが、このようなガスセンサでは、ガス検出素子あるいはガス検出素子を保持した保持部材を脱着することが容易でなかった。具体的には、何かの理由でガス検出素子を取り出したい場合（例えば、ガスセンサについて耐久試験を実施し、試験後のガス検出素子の状態を検査する場合）には、主体金具（ケーシング部材）の加締め部等を破壊しなければならず、ガス検出素子を取り出すことが容易でなかった。さらに、加締め部等を破壊する場合、ガス検出素子などを傷つけないようにするには、相当の注意あるいは設備が必要となり、例えば、製造工程において主体金具の加締め不良等が生じた場合に、ガス検出素子等を傷つけることなく取り出して、新たな主体金具（ケーシング部材）に組付け直すことは困難であった。

本発明は、かかる現状に鑑みてなされたものであって、ケーシング部材から、ガス検出素子あるいはガス検出素子を保持した保持部材を取り出すにあたり、ガス検出素子を傷つけることなく、容易に取り出すことができるガスセンサを提供することを目的とする。

その解決手段は、軸線方向に延び、自身の先端側が被測定ガスに晒されるガス検出素子、及び上記ガス検出素子を包囲すると共に、当該ガス検出素子を固定するケーシング部材、を備えるガスセンサであって、上記ケーシング部材は、第１ケーシング部と、この第１ケーシング部に対し着脱可能に固定された第２ケーシング部と、を有し、上記第２ケーシング部が、直接にあるいは間接に、上記ガス検出素子あるいは上記ガス検出素子を保持する保持部材を上記軸線方向の先端側へ押圧すると共に、上記第１ケーシング部が、直接にあるいは間接に、上記ガス検出素子あるいは上記保持部材を上記軸線方向の後端側へ押圧することによって、上記ガス検出素子あるいは上記保持部材を固定してなるガスセンサである。

本発明のガスセンサでは、ケーシング部材が、第１ケーシング部と、この第１ケーシング部に対し着脱可能に固定された第２ケーシング部とを有している。しかも、第２ケーシング部が、直接にあるいは間接に、ガス検出素子あるいはガス検出素子を保持する保持部材を軸線方向先端側へ押圧すると共に、第１ケーシング部が、直接にあるいは間接に、ガス検出素子あるいは保持部材を軸線方向後端側へ押圧することによって、ガス検出素子あるいは保持部材を固定している。

従って、本発明のガスセンサでは、ガス検出素子あるいはガス検出素子を保持する保持部材を着脱可能に固定することができる。このようなガスセンサでは、ガス検出素子あるいはガス検出素子を保持する保持部材を、容易に、且つ傷つけることなくケーシング部材から取り出すことができ、再利用することも可能となる。

なお、第２ケーシング部を第１ケーシング部に対し着脱可能に固定する形態としては、例えば、第２ケーシング部の外周面あるいは内周面に雄ネジ（雌ネジ）が形成されており、第１ケーシング部の内周面あるいは外周面に上記雄ネジ（雌ネジ）と螺合する雌ネジ（雄ネジ）が形成されており、第１ケーシング部に対し第２ケーシング部をねじ込んで固定する形態が挙げられる。また、第２ケーシング部の外周面の一部に、一または複数の突起部を設け、第１ケーシング部の内周面側には、自身の後端から第２ケーシング部の突起部を挿入させることができる幅で、先端側に延びその後屈曲して周方向に延びる形状の溝部を、突起部の数だけこれに対応する位置に設け、第２ケーシング部の突起部を第１ケーシング部の溝部内に挿入させつつ、第２ケーシング部を第１ケーシング部内の先端側に押し込んで、その状態でいずれかのケーシング部材を周方向に回して固定する形態としても良い。あるいは、第２ケーシング部を第１ケーシング部内に押し込んで、ガス検出素子あるいはガス検出素子を保持する保持部材を先端側に押圧した状態で、Ｃ型止め輪等で固定するようにしても良い。

さらに、上記のガスセンサであって、前記第１ケーシング部は、自身の外周面あるいは内周面に形成された第１ネジ部を有し、前記第２ケーシング部は、自身の内周面あるいは外周面に形成され、上記第１ネジ部に螺合する第２ネジ部を有し、上記第２ケーシング部を上記第１ケーシング部に螺着することによって、前記ガス検出素子を固定してなるガスセンサとすると良い。

ところで、従来のように、主体金具（ケーシング部材）の後端部を加締める手法としては、主体金具（ケーシング部材）の後端部を加熱しつつ加締める手法（以下、熱加締めとも言う）、あるいは主体金具（ケーシング部材）の後端部を加熱することなく（例えば常温で）加締める手法（以下、冷間加締めとも言う）が用いられている。しかしながら、熱加締めの手法では、加熱が必要なうえ、加熱された主体金具（ケーシング部材）が高温脆化してしまう虞があった。一方、冷間加締めの手法では、加締め部を適切な位置に形成することが容易ではなく、加締め部によって、ガス検出素子あるいはガス検出素子を保持する保持部材を適切な押圧力で固定することが困難であった。

これに対し、本発明のガスセンサでは、第１ケーシング部が、自身の外周面あるいは内周面に形成された第１ネジ部を有し、第２ケーシング部が、自身の内周面あるいは外周面に形成され、第１ネジ部に螺合する第２ネジ部を有しており、第２ケーシング部を第１ケーシング部に螺着することによって、ガス検出素子を固定している。このため、第２ケーシング部を螺着するトルクを管理することにより、第１ケーシング部及び第２ケーシング部によって、ガス検出素子あるいは保持部材を適切な押圧力で固定することができる。
また、ガス検出素子あるいは保持部材を固定するために、ケーシング部材を加熱する必要がなく、ケーシング部材が高温脆化してしまう虞がない。

さらに、上記のガスセンサであって、前記第２ケーシング部は、所定のトルクによって前記第１ケーシング部に螺着されてなるガスセンサとすると良い。

本発明のガスセンサでは、第２ケーシング部が、所定のトルクによって第１ケーシング部に螺着されている。このため、第１ケーシング部及び第２ケーシング部によって、ガス検出素子あるいは保持部材を適切な押圧力で固定することができる。

次に、本発明の実施例について、図面を参照しつつ説明する。

図１は、本実施例１のガスセンサ１００の側面視断面図である。このガスセンサ１００は、図示しない排気管に取付けられ、排気中の酸素濃度を検出する酸素センサである。ガスセンサ１００は、ガス検出素子１２０、保持部材１３０、ケーシング部材１６０、セパレータ１９０、ケーブルユニット１７０、グロメット１８５等を有する。

ケーシング部材１６０は、主体金具１６１、プロテクタ１６２、外筒部材１６３、及び螺着部材１６４を有している。
主体金具１６１はＳＵＳ４３０からなり、略円筒状に形成されている。この主体金具１６１の内周の先端側（図１において下側）には、後述する保持部材１３０の先端部１３０ｂと当接する内周段部１６１ｄが、後端側（図１において上側）向き拡径状のテーパをなして周設されている。さらに、主体金具１６１の内周の後端側には、雌ネジ１６１ｂが形成されている。また、この主体金具１６１の外周には、ガスセンサ１００を図示しない排気管に取付けるためのネジ部１６１ｆが形成されている。

プロテクタ１６２は、ＳＵＳ３０４Ｌからなり、略円筒状の筒体を２重に重ねた構造で、図示しない排気管内の排気をガスセンサ１００の内部に導入するための通気孔１６２ｂを複数有している。このプロテクタ１６２は、主体金具１６１の先端部に固着されている。
外筒部材１６３は、ＳＵＳ３０４Ｌからなり、略円筒状の筒体で、主体金具１６１の後端部に全周レーザ溶接され、ガス検出素子１２０の後端部やセパレータ１９０などを包囲している。
螺着部材１６４は、ＳＵＳ４３０からなり、略円筒状の筒体で、その外周の先端側には、主体金具１６１の雌ネジ１６１ｂと螺合する雄ネジ１６４ｂが形成されている。さらに、この螺着部材１６４の後端側には、外周を六角形状とした工具係合部１６４ｃが形成されている。なお、螺着部材１６４には、保持部材１３０の後端部の外径よりも大きい内径を有する先端側貫通孔１６４ｄと、セパレータ１９０の先端部の外径よりも大きく且つ先端側貫通孔１６４ｄの内径よりも大きい内径を有する後端側貫通孔１６４ｅとが連なって形成されている。

ガス検出素子１２０は、積層型のガス検出素子であり、図示しないが、電極保護層、Ｐｔを主成分とする検知電極、酸素イオン伝導性を有する固体電解質層、Ｐｔを主成分とする基準電極、アルミナを主成分とする第１絶縁層、Ｐｔを主成分とする発熱抵抗体、及びアルミナを主成分とする第２絶縁層が、順に積層されている。なお、ガス検出素子１２０を構成する固体電解質としては、例えば、Ｙ２Ｏ３またはＣａＯを固溶させたＺｒＯ２が代表的なものであるが、それ以外のアルカリ土類金属または希土類金属の酸化物とＺｒＯ２との固溶体を使用しても良い。さらには、これにＨｆＯ２が含有されていても良い。
また、本実施例では、ガスセンサ１００の軸線Ｃに沿う方向のうち、ガス検出素子１２０の先端部１２０ｂ側を軸線方向先端側、その反対側を軸線方向後端側とし、他の実施例においても同様とする。

保持部材１３０は、アルミナを主成分とする絶縁性セラミックからなり、略円筒形状で、その軸線方向略中央部に径方向外向きに突出した鍔部１３０ｃを有している。この保持部材１３０は、ガス検出素子１２０を、自身の内部を挿通させた状態で保持している。具体的には、保持部材１３０の内部を挿通するガス検出素子１２０が、結晶化ガラス粉末を溶融し凝固させたガラスシール材１３５によって保持部材１３０に固着されている。

このような保持部材１３０は、先端部１３０ｂを主体金具１６１の内周段部１６１ｄに当接させた状態で、鍔部１３０ｃにおいて、主体金具１６１に螺着された螺着部材１６４によって、滑石充填層１８２及び金属製の環状パッキン１８１を介して先端側に押圧されている。これにより、ガス検出素子１２０を保持した保持部材１３０は、ケーシング部材１６０の内部に固定される。すなわち、螺着部材１６４が、滑石充填層１８２及び環状パッキン１８１を介して間接に、ガス検出素子１２０を保持した保持部材１３０を軸線方向先端側へ押圧すると共に、主体金具１６１が、直接に、ガス検出素子１２０を保持した保持部材１３０を軸線方向後端側へ押圧することによって、ガス検出素子１２０を保持した保持部材１３０を主体金具１６１内に固定している。

従って、本実施例のガスセンサ１００では、ガス検出素子１２０を保持した保持部材１３０を、主体金具１６１に対し着脱可能に固定することができる。このようなガスセンサ１００では、ガス検出素子１２０及び保持部材１３０を、容易に、且つ傷つけることなく主体金具１６１から取り出すことができ、ガス検出素子１２０及び保持部材１３０を再利用することも可能となる。また、上記のようにしてガス検出素子１２０を保持した保持部材１３０を固定するため、ケーシング部材１６０（主体金具１６１）を加締めるための加熱をする必要がなく、ケーシング部材１６０（主体金具１６１）が高温脆化してしまう虞もない。

さらに、本実施例のガスセンサ１００では、螺着部材１６４を所定のトルク（具体的には、８５Ｎｍ）で主体金具１６１に螺着している。このように、螺着部材１６４の締付けトルクを管理することによって、螺着部材１６４及び主体金具１６１によって、ガス検出素子１２０を保持した保持部材１３０を適切な押圧力で固定することができる。
なお、本実施例のガスセンサ１００では、主体金具１６１が第１ケーシング部に、螺着部材１６４が第２ケーシング部に相当し、主体金具１６１の雌ネジ１６１ｂが第１ネジ部に、螺着部材１６４の雄ネジ１６４ｂが第２ネジ部に相当する。

ケーブルユニット１７０は、端子部材１７１と、この端子部材１７１を外部装置（例えば、ＥＣＵ）に接続するリード線１７２とを有している。本実施例のガスセンサ１００では、このケーブルユニット１７０が４本設けられており、これらの端子部材１７１が、ガス検出素子１２０に形成された図示しない４つの接続端子（具体的には、検知電極の端子、基準電極の端子、及び発熱抵抗体の通電用端子２つ）に各々接続されている。

セパレータ１９０は、アルミナを主成分とする絶縁性セラミックからなり、略円筒形状を有している。このセパレータ１９０の内部には、各ケーブルユニット１７０を挿入する４つの挿入孔１９１が軸線方向に貫通して形成されている。このため、各ケーブルユニット１７０をセパレータ１９０の挿入孔１９１内に挿入することにより、各ケーブルユニット１７０は、他のケーブルユニット１７０との電気的導通、及び他部材との電気的導通を防止することができる。

グロメット１８５は、フッ素系ゴムからなり、略円柱状で、リード線１７０を挿通する４つの貫通孔１８５ｂを有している。このグロメット１８５は、各貫通孔１８５ｂ内に各リード線１７２を挿通させた状態で、外筒部材１６３の後端部１６３ｃに密着しつつ、外筒部材１６３の後端開口部１６３ｂを閉塞している。このようにして、各リード線１７２を外部に導出させつつ、外筒部材１６３の内部への浸水を防止している。

ここで、このようなガスセンサ１００の製造方法について、図２〜図５を参照しつつ説明する。
まず、図２に示すように、主体金具１６１とプロテクタ１６２とを溶接により一体にする。次いで、ガス検出素子１２０をガラスシール材１３５により保持した保持部材１３０を、その軸線方向先端側から主体金具１６１の内部に挿入し、先端部１３０ｂを主体金具１６１の内周段部１６１ｄに当接させる（図３参照）。次いで、環状パッキン１８１、滑石充填層１８２となる滑石リングを順に主体金具１６１内に挿入し、保持部材１３０の鍔部１３０ｃ上に載置する（図３参照）。その後、螺着部材１６４の工具係合部１６４ｃに図示しないトルクレンチを係合させて、所定のトルク（具体的には８５Ｎｍ）で螺着部材１６４を主体金具１６１に螺着させる。これにより、滑石リングが圧縮充填されて滑石充填層１８２となり、図３に示すように、ガス検出素子１２０を保持した保持部材１３０が、適切な押圧力で固定される。

次いで、図３に示すように、各ケーブルユニット１７０をセパレータ１９０の各挿入孔１９１内に挿入し、端子金具１７１を各挿入孔１９１内に配置させた状態で、セパレータ１９０を螺着部材１６４内に挿入して、その先端面を保持部材１３０の後端面に当接させる。これにより、図４に示すように、各端子金具１７１が、ガス検出素子１２０の図示しない各接続端子（具体的には、検知電極の端子、基準電極の端子、及び発熱抵抗体の通電用端子２つ）に接続される。その後、予めケーブルユニット１７０を挿通させておいたリング部材１８４及びグロメット１８５を、この順にセパレータ１９０上に載置する（図５参照）。

次いで、図５に示すように、予めケーブルユニット１７０を挿通させておいた外筒部材１６３を、その先端部１６３ｄが主体金具１６１の工具係合部１６１ｇに当接するまで軸線方向先端側に移動させつつ、外筒部材１６３を主体金具１６１に嵌合させる。そして、外筒部材１６３の先端部１６３ｄを主体金具１６１に全周レーザ溶接することで、図１に示すガスセンサ１００が完成する。このとき、グロメット１８５が外筒部材１６３の後端部１６３ｃに密着し、外筒部材１６３の後端開口部１６３ｂを閉塞する。

次に、本発明の実施例２にかかるガスセンサ２００について説明する。図６は、ガスセンサ２００の側面視断面図である。実施例１のガスセンサ１００では、積層型のガス検出素子１２０を用いたが、本実施例２のガスセンサ２００では、有底筒状のガス検出素子２２０を用いている。なお、このガスセンサ２００も、実施例１のガスセンサ１００と同様に、図示しない排気管に取付けられ、排気中の酸素濃度を検出する酸素センサである。

このガス検出素子２２０は、酸素イオン伝導性を有する固体電解質からなり、先端部２２０ｂが閉塞された略円筒形状で、その軸線方向略中央部に径方向外向きに突出した鍔部２２０ｃを有している。さらに、このガス検出素子２２０の外側面２２０ｄと内側面２２０ｆには、ＰｔあるいはＰｔ合金を多孔質に形成した図示しない外側電極と内側電極が形成されている。なお、ガス検出素子２２０を構成する固体電解質としては、例えば、Ｙ２Ｏ３またはＣａＯを固溶させたＺｒＯ２が代表的なものであるが、それ以外のアルカリ土類金属または希土類金属の酸化物とＺｒＯ２との固溶体を使用しても良い。さらには、これにＨｆＯ２が含有されていても良い。なお、このガス検出素子２２０の筒内には、固体電解質を早期活性させるために、棒状のヒータ２２１が配置されている。

このような有底筒状のガス検出素子２２０は、次のようにして、ケーシング部材２６０の内部に固定されている。なお、ケーシング部材２６０は、主体金具２６１、プロテクタ２６２、外筒部材２６３、及び螺着部材２６４を有している。主体金具２６１の軸線方向後端部内周には、雌ネジ２６１ｂが形成されており、螺着部材２６４の略軸線方向中央部外周には、主体金具２６１の雌ネジ２６１ｂに螺合する雄ネジ２６４ｂが形成されている。

ガス検出素子２２０は、主体金具２６１の内周段部２６１ｄ上に環状のパッキン２８１を介して絶縁スリーブ２８６を載置し、さらに、この絶縁スリーブ２８６の段差部２８６ｂ上に環状のパッキン２８７を配置した状態で、主体金具２６１の内部に挿入されている。このため、ガス検出素子２２０の鍔部２２０ｃが、絶縁スリーブ２８６の段差部２８６ｂに、パッキン２８７を介して間接に接触する。さらに、主体金具２６１の内部には、滑石充填層２８２が、ガス検出素子２２０の鍔部２２０ｃ上で滑石粉末を圧縮充填させた形態で配置されている。

さらに、上記のように、ガス検出素子２２０等が内部に配置された主体金具２６１に対し、略円筒状の螺着部材２６４が螺着されている。これにより、ガス検出素子２２０は、その鍔部２３０ｃにおいて、螺着部材１６４によって、滑石充填層２８２を介して軸線方向先端側に押圧された状態で、ケーシング部材２６０内に固定される。すなわち、螺着部材１６４が、滑石充填層２８２を介して間接に、ガス検出素子２２０を軸線方向先端側へ押圧すると共に、主体金具２６１が、パッキン２８１、絶縁スリーブ２８６、及びパッキン２８７を介して間接に、ガス検出素子２２０を軸線方向後端側へ押圧することによって、ガス検出素子２２０を固定している。

従って、本実施例２のガスセンサ２００では、ガス検出素子２２０を着脱可能に固定することができる。このようなガスセンサ２００では、ガス検出素子２２０を、容易に、且つ傷つけることなく主体金具２６１から取り出すことができ、ガス検出素子２２０やヒータ２２１を再利用することも可能となる。また、上記のようにしてガス検出素子２２０を固定するため、ケーシング部材２６０（主体金具２６１）を加締めるための加熱をする必要がなく、ケーシング部材１６０（主体金具２６１）が高温脆化してしまう虞もない。

また、本実施例のガスセンサ２００でも、螺着部材２６４を所定のトルク（具体的には、２１０Ｎｍ）で主体金具２６１に螺着している。このように、螺着部材２６４の締付けトルクを管理することによって、螺着部材２６４及び主体金具２６１によって、ガス検出素子２２０を適切な押圧力で固定することができる。
なお、本実施例のガスセンサ２００でも、主体金具２６１が第１ケーシング部に、螺着部材２６４が第２ケーシング部に相当し、主体金具２６１の雌ネジ２６１ｂが第１ネジ部に、螺着部材２６４の雄ネジ２６４ｂが第２ネジ部に相当する。

以上において、本発明を実施例１，２に即して説明したが、本発明は上記実施例に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で、適宜変更して適用できることはいうまでもない。
例えば、実施例１，２では、螺着部材１６４，２６４（第２ケーシング部）を主体金具１６１，２６１（第１ケーシング部）に螺着することによって、ガス検出素子１２０を保持する保持部材１３０、あるいはガス検出素子２２０を軸線方向に押圧して固定した。しかし、ガス検出素子あるいは保持部材を押圧する第１，第２ケーシング部は、螺着する形態に限定されるものではなく、第２ケーシング部を第１ケーシング部に対し着脱可能に固定する形態であれば良い。

実施例１にかかるガスセンサ１００の側面視断面図である。実施例１にかかるガスセンサ１００の製造方法を説明する説明図である。実施例１にかかるガスセンサ１００の製造方法を説明する説明図である。実施例１にかかるガスセンサ１００の製造方法を説明する説明図である。実施例１にかかるガスセンサ１００の製造方法を説明する説明図である。実施例２にかかるガスセンサ２００の側面視断面図である。

符号の説明

１００，２００ガスセンサ
１２０，２２０ガス検出素子
１３０包囲部材
１６０，２６０ケーシング部材
１６１，２６１主体金具（第１ケーシング部）
１６１ｂ，２６１ｂ雌ネジ（第１ネジ部）
１６４，２６４螺着部材（第２ケーシング部）
１６４ｂ，２６４ｂ雄ネジ（第２ネジ部）

Claims

軸線方向に延び、自身の先端側が被測定ガスに晒されるガス検出素子、及び
上記ガス検出素子を包囲すると共に、当該ガス検出素子を固定するケーシング部材、
を備えるガスセンサであって、
上記ケーシング部材は、
第１ケーシング部と、
この第１ケーシング部に対し着脱可能に固定された第２ケーシング部と、を有し、
上記第２ケーシング部が、直接にあるいは間接に、上記ガス検出素子あるいは上記ガス検出素子を保持する保持部材を上記軸線方向の先端側へ押圧すると共に、
上記第１ケーシング部が、直接にあるいは間接に、上記ガス検出素子あるいは上記保持部材を上記軸線方向の後端側へ押圧することによって、上記ガス検出素子あるいは上記保持部材を固定してなる
ガスセンサ。
請求項１に記載のガスセンサであって、
前記第１ケーシング部は、自身の外周面あるいは内周面に形成された第１ネジ部を有し、
前記第２ケーシング部は、自身の内周面あるいは外周面に形成され、上記第１ネジ部に螺合する第２ネジ部を有し、
上記第２ケーシング部を上記第１ケーシング部に螺着することによって、前記ガス検出素子あるいは前記保持部材を固定してなる
ガスセンサ。
請求項２に記載のガスセンサであって、
前記第２ケーシング部は、所定のトルクによって前記第１ケーシング部に螺着されてなる
ガスセンサ。