JP2006098248A - ガスセンサ - Google Patents

Abstract

【課題】 保護部の製造工程が容易で製造効率を向上させるとともにコストが低減できるガスセンサを提供することを目的とする。
【解決手段】 本発明のガスセンサ１００は、軸線方向に向かって延び、先端側が被測定ガスに晒されるガス検出素子１１０と、ガス検出素子１１０の先端側を自身の先端から突出させた状態でガス検出素子１１０を保持する筒状の主体金具１２０と、一端が主体金具１２０と接合され、ガス検出素子１１０の先端側周囲に複数配置される保護部１８０とを備える。
【選択図】 図１

Description

本発明は、セラミックからなるガス検出素子を有するガスセンサに関する。

従来より、有底筒状のガス検出素子が筒状の主体金具の内側に保持されたガスセンサが知られている。例えば、図３に部分断面図を示す、特許文献１のガスセンサ９００が挙げられる。このガスセンサ９００は、内燃機関の排ガス管に取り付けて、排気ガス中の酸素濃度を測定する酸素センサである。ガスセンサ９００は、軸線Ｏ方向先端側（図中下側）が閉じた有底筒状のガス検出素子９１０と、このガス検出素子９１０の先端側を突出させた状態で保持する筒状の主体金具９２０とを備える。また、主体金具９２０の後端側には、ガス検出素子９１０を後端部の周囲を取り囲む筒状のセラミック包囲体９４０が配置される。そして、ガス検出素子９１０及びセラミック包囲体９４０の貫通孔には端子９５０が挿入され、ガスセンサ９００の使用時に外部と電気的に接続することとなる。

また、特許文献１のガスセンサ９００は、主体金具９２０の先端側にガス検出素子９１０の先端側を保護するための保護部９８０が装着されている。この保護部９８０は、排気管内の排気ガスを内部に導入するためのガス導入孔９８１が設けられている。このガスセンサ９００が一例であるように、ガスセンサを排気管に挿入するときに主体金具から突出するガス検出素子の先端部が排気管等に接触し、亀裂、破壊等が起こることを防止するために、ガスセンサには主体金具の先端側にガス検出素子の先端部を保護するための保護部が設けられている。
実開昭５３−９５８８４号公報

ところで、この保護部は、板材を所定形状に打ち抜き、さらに鍛造加工を施すことでカップ形状に加工する。その後、カップ形状の加工部材の所定位置に気体導入孔を設ける。そして、これを主体金具の先端面にレーザ溶接等で接合する。このように、上記方法を用いて保護部を形成すると、製造工程に３つの工程が必要となり、製造効率が悪い。また、それぞれの工程の製造設備等も必要となり、製造コストもかかることとなる。

本発明は、かかる現状を鑑みてなされたものであって、保護部の製造工程が容易で製造効率を向上させるとともにコストが低減できるガスセンサを提供することを目的とする。

本発明のガスセンサは、軸線方向に向かって延び、先端側が被測定ガスに晒されるガス検出素子と、該ガス検出素子の先端側を自身の先端から突出させた状態で当該ガス検出素子を保持する筒状の主体金具と、一端が該主体金具と接合される棒状の保護部であって、ガス検出素子の先端側周囲に複数配置される保護部と、を備えることを特徴とする。

このように棒状の部材を主体金具に接合することで保護部を形成しているので、従来のように保護部を形成するための板材をカップ形状に加工する必要や、カップ形状に加工された加工部材の所定位置に気体導入孔を設ける必要が無くなる。よって、製造工程が減り、製造効率が向上する。また、それにより製造設備等や、製造コストも低減することができる。

そして、保護部は、ガス検出素子の先端側周囲に複数配置される。これにより、ガスセンサが、排気管に対して周方向のいずれの方向に傾いたり、ずれたりしつつ挿入されたとしても、保護部によってガス検出素子の先端部が排気管等に接触することを防止できる。棒状の保護部の数は多ければ多いほうがよりガス検出素子の保護効果が上昇するが、主体金具に棒状の保護部をそれぞれ接合することが必要となり、製造効率が低下する。よって、棒状の保護部の数としては、３本〜４本が好ましい。

さらに、複数の棒状の保護部は、主体金具の周方向に等間隔に配置されることが好ましい。これにより、保護部が均一に配置されるので、ガスセンサが排気管に対して周方向のいずれの方向に傾いたり、ずれたりしつつ挿入されたとしても、保護部によってガス検出素子の先端部が排気管等に接触することを効率よく防止できる。

さらに、上記のガスセンサは、保護部の他端部が前記ガス検出素子の軸に向かって内側に曲げられてなることが好ましい。これにより、ガス検出素子の先端に亀裂、破壊等が起こることも防止でき、ガス検出素子を保護することができる。

さらに、絶縁性セラミックからなる筒状で、上記ガス検出素子の後端側の周囲を取り囲み、自身の後端側を主体金具の後端より突出させる形態で当該主体金具に保持されるセラミック包囲体とを備えるガスセンサに本発明を使用することが好ましい。上記のガスセンサは、セラミック包囲体を保護するための外筒や、外筒の後端側でガス検出素子の内側電極や外側電極と外部とを接続するためのリード線及びそのリード線を保持するセパレータ及び弾性部材等を備えられておらず、コストが低減されている。そこで、このようなガスセンサに本発明を用いることで、更なるコストの低減化をすることができる。

さらに、他の解決手段のガスセンサは、軸線方向に向かって延び、先端側が被測定ガスに晒されるガス検出素子と、自身の先端が該ガス検出素子の先端よりも先端側に位置する状態で当該ガス検出素子の少なくとも先端側の周囲を取り囲むように保持する筒状の主体金具であって、該ガス検出素子の先端側に対応する部位にガス導入孔を設ける主体金具と、を備えることを特徴とする。

このように主体金具の先端が該ガス検出素子の先端よりも先端側に位置する状態でガス検出素子の少なくとも先端側の周囲を取り囲むように保持しているので、従来のような保護部を形成するための板材を別途設ける必要や、その板材をカップ形状に加工する必要が無くなる。よって、製造工程が減り、製造効率が向上する。また、製造設備等や、製造コストも低減することができる。一方、ガスセンサが排気管に対して周方向のどの方向に傾いたり、ずれたりしつつ挿入されたとしても、保護部によってガス検出素子の先端部が排気管等に接触することを防止できる。

さらに、絶縁性セラミックからなる筒状で、上記ガス検出素子の後端側の周囲を取り囲み、自身の後端側を主体金具の後端より突出させる形態で当該主体金具に保持されるセラミック包囲体とを備えるガスセンサに本発明を使用することが好ましい。セラミック包囲体を備えるガスセンサには、セラミック包囲体を保護するための外筒や、外筒の後端側でガス検出素子の内側電極や外側電極と外部とを接続するためのリード線及びそのリード線を保持するセパレータ及び弾性部材等を備えられておらず、コストが低減されている。そこで、このようなガスセンサに本発明を用いることで、更なるコストの低減化をすることができる。

（実施形態１）
本発明の第1の実施の形態について、図面を参照しつつ説明する。
図1は、本実施形態１のガスセンサ１００の断面図である。このガスセンサ１００は、内燃機関の排気ガス管に取り付けて、排気ガス中の酸素濃度を測定する酸素センサである。ガスセンサ１００には、軸線O方向先端側（図１における下側）が閉じた有底筒状のガス検出素子１１０と、このガス検出素子１１０を内側に保持する筒状の主体金具１２０とを備える。

ガス検出素子１１０は、酸素イオン伝導性を有する固体電解質、例えば、部分安定化ジルコニアを主成分とする固定電解質からできている。ガス検出素子１１０には、軸線Ｏ方向中央付近に周方向に形成され径方向外側に突出する突出部１１３を有する。この突出部１１３は、その先端側に位置し先端側から後端側に向けて拡がる先端面１１３ａと、後端側に位置し後端側から先端側に向けて拡がる後端面１１３ｂとを有する。

そして、ガスセンサ素子１１０の内周面１１０ａの略全面には内側電極１１１が被着形成されている。一方、外周面１１０ｂのうち、主体金具１２０から突出した先端部分の略全面には、外側電極１１２が被着形成されている。また、上記先端部分よりも後端側にも、突出部１１３まで軸線方向に線状に外側電極１１２が被着形成されている。内側電極１１１及び外側電極１１２は、ＰｔあるいはＰｔ合金を多孔質に形成したものである。

次に、主体金具１２０は、ステンレス鋼（ＳＵＳ４３０）からできており、先端部１２１（図中下側）と中央部１２２と後端部１２３（図中上側）とからなり、さらに、内周面１２０ａにより構成される貫通孔は、後端側から先端側に向けて先細りとなる形状とされている。
先端部１２１には、貫通孔のうち最も小さい孔を構成する先端部内周面１２１ａが形成されている。一方、先端部１２１の外周には、このガスセンサ１００を排ガス管に取り付けるための取付ねじ部１２４が周方向に形成されている。
中央部１２２には、先端部内周面１２１ａと繋がり後端側に向けて拡がる支持面１２２ｂと、この支持面１２２ｂと繋がり、先端部内周面１２１ａより径大な中央部内周面１２２ａと、中央部内周面１２２ａと繋がり後端側に向けて拡がるテーパ面１２２ｃが形成されている。一方、中央部１２２の外側には、このガスセンサ１００を排ガス管に取り付ける際に利用される六角状の工具係合部１２５が形成されている。さらに、工具係合部１２５の先端側には、ステンレス鋼からなるガスケット１２６が取り付けられている。
後端部１２３には、中央部１２２のテーパ面１２２ｃに繋がり、中央部内周面１２２ａより径大な後端部内周面１２３ａを有する。

そして、主体金具１２０の中央部１２２の支持面１２２ｂ上には、ステンレス製（ＳＵＳ４３０）の第１パッキン１３０が配置される。なお、主体金具１２０の中央部１２２の支持面１２２ｂとガス検出素子１１０の突出部１１３の先端面１１３ａとが環状のステンレス製（ＳＵＳ４３０）の第１パッキン１３０を介して係合している。これにより、ガス検出素子１１０の外側電極１１２と主体金具１２０とが電気的に接続している。

一方、内挿されたガス検出素子１１０の突出部１１３の後端面１１３ｂと主体金具１２０の中央部１２２の中央部内周面１２２ａとに当接する状態で、Ｃ状の第２パッキン１３１が配置されている。さらに、第１パッキン１３１の後端側において、ガス検出素子１１１の後端側の外周面１１１ｂと主体金具１２０の中央部１２２のテーパ面１２２ｃ及び後端部１２３の後端部内周面１２３ａとによって構成された空隙に、主として滑石からなる粉体が充填され、充填封止層１３２が形成されている。

さらに、充填封止層１３２の後端側、即ち、ガス検出素子１１０の外周面１１０ｂと主体金具１２０の後端部１２３の後端部内周面１２３ａとによって構成された空隙には、筒状をなすセラミック包囲体１４０の先端部１４１が挿入されている。このセラミック包囲体１４０は、アルミナからできている。セラミック包囲体１４０の先端部１４１は、周方向に形成され外側に突出する径大部とされ、先端側に向けて拡がる外周面１４１ａを有する。そして、この外周面１４１ａ上には、ステンレス鋼（ＳＵＳ４３０）からなる第３パッキン１３３が配置され、さらに、この第３パッキン１３３を覆うように主体金具１２０の後端部１２３の後端が内側に加締められている。この加締めにより、充填封止層１３２は軸線方向に圧縮されて、ガス検出素子１１０が主体金具１２０に同軸上に保持されている。

ガス検出素子１１０の内側には、端子１５０が挿入され、ガス検出素子１１０の内側電極１１１と電気的に接続している。さらに、この端子１５０はインコネル等のＮｉ合金からできている。

次に、本発明の主要部である保護部１８０について説明する。
保護部１８０は、Ｎｉ合金からなる棒状部材であり、主体金具１２０の先端部１２１に溶接等で接合されている。この保護部１８０は、ガス検出素子１１０の先端側周囲に複数配置されている。（本実施例では、４つ）。このように、棒状の部材を主体金具に接合することで保護部を形成しているので、製造工程が減り、製造効率が向上する。また、製造設備等も必要が無く、製造コストも低減することができる。さらに、保護部が１８０が複数配置されているので、ガスセンサ１００が排気管に対して周方向にいずれの方向に傾いたり、ずれたりして挿入されたとしても、保護部１８０によってガス検出素子１１０の先端部が排気管等に接触することを防止できる。特に、本実施例では、棒状の保護部１８０が主体金具１２０の周方向に等間隔（本実施例では、９０°間隔）に配置される。これにより、保護部１８０が均一に配置されるので、ガスセンサ１００が排気管に対して周方向にいずれの方向に傾いたり、ずれたりしつつ挿入されたとしても、保護部１８０によってガス検出素子１１０の先端部が排気管等に接触することを効率よく防止できる。

さらに、保護部１８０の他端部１８１がガス検出素子１１０の軸Ｏに向かって内側に曲げられている。これにより、ガス検出素子１１０の先端に亀裂、破壊等が起こることも防止でき、ガス検出素子１１０を保護することができる。

次いで、上記ガスセンサ１００の製造方法について説明する。
まず、公知の方法により所定形状に成形した主体金具１２０を用意する。
その後、主体金具１２０の先端部１２１に棒状の保護部１８０をそれぞれ抵抗溶接で接合する。このとき、既に保護部１８０は公知の手法により所定の大きさの棒状に成形されている。そして、保護部１８０の他端側１８１を軸Ｏに向かう方向に曲げる。

一方、公知の手法により固体電解質体に内側電極１１１と外側電極１１２を被著させ焼成したガス検出素子１１０を用意する。そして、主体金具１２０に第１パッキン１３０を挿入し、第１パッキン１３０を主体金具１２０の中央部１２２の支持面１２２ａ上に配置する。その後、主体金具１２０にガス検出素子１１０を同軸状に挿入し、ガス検出素子１１０の突出部１１３の先端面１１３ａを第１パッキン１３０に当按させる。そして、第１パッキン１３０とガス検出素子１１０とを軸線方向に押圧することにより、第１パッキン１３０を主体金具１２０の中央部１２２の支持面１２２ｂにならわせる。

次に、ガス検出素子１１０が内挿された主体金具１２０に、第２パッキン１３１を挿入し、第２パッキン１３１をガス検出素子１１０の突出部１１３の後端面１１３ｂと主体金具１２０の中央部内周面１２２ａとに当接するように配置する。そして、この第２パッキン１３１を治具により、軸線方向に押圧する。その後、充填封止層１３２を形成するために、公知の手法により、滑石を主成分とする粉体をガス検出素子１１０の後端側の外周面１１０ｂと主体金具１３０の後端部内周面１２３ａとによって構成された空隙に充填する。そして、上記空隙に、セラミック包囲体１４０の先端部１４１を挿入し、軸線方向に押圧する。その後、第３パッキン１３３を挿入し、セラミック包囲体１４０の先端部１４１の外周面１４１ａ上に配置する。そして、主体金具１２０の後端部１２３の後端を内側に折り曲げ軸線方向に圧縮して加締める。そして、ガス検出素子１１０及びセラミック包囲体１４０内に端子１５０を挿入し、ガス検出素子１１０の内側電極１１１と接触させる。また、主体金具１２０の中央部１２２の先端側にガスケット１２６を取り付ける。
このようにしてガスセンサ１００が完成する。

（実施形態２）
次に、本発明の第２の実施の形態について、図面を参照しつつ説明する。
図２は、本実施形態２のガスセンサ２００の断面図である。本実施形態２のガスセンサ２００は、実施形態１のガスセンサ１００と比較して、保護部１８０が設けないことや主体金具２２０の形状が異なり、その他の部分については同様である。実施形態２のガスセンサ２００については、実施形態１のガスセンサ１００と異なる部分を中心に説明し、同様の部分については、省略することにする。

図２のガスセンサ２００は、実施形態１のガスセンサ１００と同様のガス検出素子１１０と、このガス検出素子を内側に保持する筒状の主体金具２２０とを備える。

このうち、主体金具２２０は、ステンレス鋼（ＳＵＳ４３０）からできており、先端部２２１と中央部２２２と後端部２２３と、先端部２２１の先端側に設けられて、ガス検出素子１１０の先端部を取り囲む突出部２８０とからなる。また、主体金具２２０内周面１２０ａにより構成される貫通孔は、後端側から先端側に向けて先細りとなる形状とされている。

先端部２２１には、貫通孔のうち最も小さい孔を構成する先端部内周面２２１ａが形成されている。一方、先端部２２１の外周には、このガスセンサ２００を排ガス管に取り付けるための取付ねじ部２２４が周方向に形成されている。
中央部２２２には、先端部内周面２２１ａと繋がり後端側に向けて拡がる支持面２２２ｂと、この支持面２２２ｂと繋がり、先端部内周面２２１ａより径大な中央部内周面２２２ａと、中央部内周面２２２ａと繋がり後端側に向けて拡がるテーパ面２２２ｃが形成されている。一方、中央部２２２の外側には、このガスセンサ２００を排ガス管に取り付ける際に利用される六角状の工具係合部２２５が形成されている。さらに、工具係合部２２５の先端側には、ステンレス鋼からなるガスケット２２６が取り付けられている。
後端部２２３には、中央部１２２のテーパ面２２２ｃに繋がり、中央部内周面２２２ａより径大な後端部内周面２２３ａを有する。

突出部２８０には、主体金具２２０の先端部内周面２２１ａに繋がり、先端側内周面２２１ａと同径の突出部内周面２８０ａが形成されている。この突出部２８０は、ガス検出素子１１０の先端よりも先端側まで位置している。そして、突出部２８０には、軸線方向先端側から後端に向かって切り欠き形状となる気体導入孔２８１が形成されている。（本実施形態では、２つ）この突出部２８０は、公知の手法により主体金具２２０を形成する際に、主体金具２２０と一体形成される。そして、突出部２８０が主体金具２２０と一体形成された後、気体導入孔２８１が公知の手法により形成される。このように、主体金具２２０の先端が該ガス検出素子１１０の先端よりも先端側に位置する状態でガス検出素子１１０の先端側の周囲を取り囲むように保持しているので、従来のように保護部を形成するための板材を別途設ける必要や、その板材をカップ形状に加工する必要が無くなる。よって、製造工程が減り、製造効率が向上する。また、製造設備等も必要が無く、製造コストも低減することができる。

以上において、本発明を実施形態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、実施形態１のガスセンサ１００は、４本の棒状の保護部１８０であったが、これに限定されることはなく、複数本あれば良い。そして、特に保護部１８０が主体金具１２０の周方向に等間隔に形成されていることがさらに好ましい。

また、実施形態２のガスセンサ２００は、主体金具の突出部２８０に先端から切り欠いた形状を持つ気体導入孔２８１を設けたが、これに限定されることはなく、気体導入孔が突出部２８０の側面に備えられた貫通孔であっても良い。

実施形態１にかかるガスセンサ１００の部分断面図。 実施形態２にかかるガスセンサ２００の部分断面図。 従来技術に係るガスセンサ９００の部分断面図。

符号の説明

１００、２００、９００ ガスセンサ
１１０ ガス検出素子
１２０ 主体金具
１４０ セラミック包囲体
１５０ 端子
１８０ 保護部
２８０ 突出部

Claims (5)

1. 軸線方向に向かって延び、先端側が被測定ガスに晒されるガス検出素子と、
   該ガス検出素子の先端側を自身の先端から突出させた状態で当該ガス検出素子を保持する筒状の主体金具と、
   一端が該主体金具と接合される棒状の保護部であり、ガス検出素子の先端側周囲に複数配置される保護部と、
   を備えることを特徴とするガスセンサ。
2. 前記保護部の他端側は、前記ガス検出素子の軸に向かって内側に曲げられてなることを特徴とする請求項１に記載のガスセンサ。
3. 絶縁性セラミックからなる筒状で、上記ガス検出素子の後端側の周囲を取り囲み、自身の後端側を主体金具の後端より突出させる形態で当該主体金具に保持されるセラミック包囲体と、
   を備えることを特徴とする請求項１または２に記載のガスセンサ。
4. 軸線方向に向かって延び、先端側が被測定ガスに晒されるガス検出素子と、
   自身の先端が該ガス検出素子の先端よりも先端側に位置する状態で当該ガス検出素子の少なくとも先端側の周囲を取り囲むように保持する筒状の主体金具であり、該ガス検出素子の先端側に対応する部位にガス導入孔を設ける主体金具と、
   を備えることを特徴とするガスセンサ。
5. 絶縁性セラミックからなる筒状で、上記ガス検出素子の後端側の周囲を取り囲み、自身の後端側を主体金具の後端より突出させる形態で当該主体金具に保持されるセラミック包囲体と、
   を備えることを特徴とする請求項４に記載のガスセンサ。