JP2009002890A - ガスセンサ - Google Patents

Abstract

【課題】体格をほとんど長くすることなく絶縁体ヒータの電極部と基準電極金具間の絶縁性を高めセンサの信頼性を向上させること。
【解決手段】コップ型センサ素子３と、センサ素子３の中空内部に配設されセンサ素子３を加熱する絶縁体ヒータ４を備えたガスセンサ１であって、
絶縁体ヒータ４の電極部４ａ、４ｂとセンサ素子３に装着された基準電極金具１０との間における絶縁体ヒータ４の外周面４ｃに、当該外周面４ｃの沿面距離を延伸させる複数鍔部４０ａ、一体矩形鍔部４０ｂ、テーパ鍔部４０ｃ、屈曲鍔部４０ｆ等の沿面距離延伸領域部４０を設ける。
【選択図】 図１

Description

本発明はガスセンサに関するもので、特に排ガス浄化装置に使用されコップ型センサ素子と該センサ素子の中空内部に配設されるセンサ素子加熱用絶縁体ヒータを備えた酸素濃度センサに好適である。

コップ型センサ素子の中空内部にセンサ素子加熱用絶縁体ヒータを配設した構造のガスセンサが下記特許文献１の図１に記載されている。この構造のガスセンサは、センサ素子１５より上方に出ているセラミックヒータ３２の外周面（符号３２の引き出し線の始発部位付近）の形状は垂直面状態（平坦面）であり、電圧が印加されるセラミックヒータ３２の電極部とコップ型センサ素子１５の内周面に密着されて装着してある基準電極金具との間はほぼ直線状態である。

また、セラミックヒータ３２の電極部は電力を供給する電線とロウ付け接続するため銀、錫、銅等の材料が使用されている。

セラミックヒータ３２の表面が結露した場合、電極部と基準電極金具との間の絶縁性が低下し、セラミックヒータへの印加電力の一部が基準電極側にリークし、ガスセンサとしての出力信号に異常を来たす恐れがある。
また結露状態もしくは高湿度状態においては、直流電圧が印加された金属間にイオンマイグレーション現象が発生しやすくなり、セラミックヒータ３２の電極部と基準電極金具との間でその現象が顕著に発生し、セラミックヒータの電極部の故障や、絶縁性を低下させる等の不具合を生じる。電極部と基準電極金具間の絶縁性を低下させないように電極部と基準電極金具間の直線距離を長くすればよいが、電極部あるいは基準電極金具の位置を上方あるいは下方へ移動させなければならず、それに伴い他の部品の位置変更も必要となり、結果としてガスセンサの体格（全長）を長くしなければならないという不具合が生じる。
特開平１０−１００８２号公報

本発明は上記の点に鑑みてなされたもので、絶縁体ヒータに設けられた電極部とセンサ素子に装着された基準電極金具との間における絶縁体ヒータの外周面に、該外周面の沿面距離を延伸させる沿面距離延伸領域部を形成することにより、ガスセンサの体格をほとんど長くすることなく、電極部と基準電極金具間の電気的絶縁距離を延伸させ電極部と基準電極金具間の絶縁性を高めセンサの信頼性を向上させることにある。

請求項１に係る発明では、コップ型センサ素子と、前記センサ素子の中空内部に配設され前記センサ素子を加熱する絶縁体ヒータを備えたガスセンサであって、
前記絶縁体ヒータに設けられた電極部と前記センサ素子に装着された基準電極金具との間における前記絶縁体ヒータの外周面に、該外周面の沿面距離を延伸させる沿面距離延伸領域部を設ける。

上記構成によれば、従来の絶縁体ヒータ外周面の平坦形状構造では結露により絶縁性が低下するのに対し、前記絶縁体ヒータの電極部と前記センサ素子に装着された基準電極金具との間の電気的絶縁性を著しく高めて前記電極部の電圧が前記基準電極金具でのセンサ出力電圧に作用するのを防止でき、ガスセンサの信頼性を向上させることができる。また、前記電極部と前記基準電極金具との直線距離をほとんど変えることなく前記電極部と前記基準電極金具との間に沿面距離を延伸する沿面距離延伸領域部を形成しているから、従来に比べてガスセンサの体格は長くならない。

請求項２に係る発明では、前記沿面距離延伸領域部を、前記絶縁体ヒータの外周面から突き出させて沿面距離を延伸する鍔部とする。

上記構成によれば、前記電極部と前記基準電極金具との電気的絶縁経路を有効的に長くとることができ、電気的絶縁性を高めることができる。

請求項３に係る発明では、前記鍔部を前記絶縁体ヒータの外周面から垂直に突き出ている一体矩形鍔部とする。

上記構成によれば、前記電極部と前記基準電極金具との電気的絶縁経路をより有効的に長くとることができ、電気的絶縁性をより一層高めることができる。また、鍔部が一体矩形形状でるから形状が簡素であり形成しやすい。

請求項４に係る発明では、前記鍔部を前記絶縁体ヒータの軸方向に複数配置する。

上記構成によれば、前記電極部と前記基準電極金具との電気的絶縁経路を数倍長くとることができ、電気的絶縁性を数倍高めることができる。また、薄い垂直鍔部を複数配置することにより電気的絶縁経路を有効的にとることができるから、電気的絶縁性を確保するにあたってスペース的な余裕がない構造において有効である。

請求項５に係る発明では、前記鍔部を前記ヒータの外周面から先細テーパ状に突き出たテーパ鍔部とする。

上記構成によれば、前記電極部と前記基準電極金具との電気的経路を有効的に長くとることができると共に他の部品との干渉を起しにくい。

請求項６に係る発明では、前記鍔部を前記絶縁体ヒータの外周面から垂直に突き出た垂直鍔部と該垂直鍔部に続き前記絶縁体ヒータの外周面に沿った方向に伸びるほぼ水平鍔部との屈曲鍔部とする。

上記構成によれば、前記電極部と前記基準電極金具との電気的絶縁経路を有効的かつ全長を長くとるができ、前記電極部と前記基準電極金具との間の電気的絶縁性をより一層確実に高めることができる。また、前記鍔部を屈曲形状にすることにより電気的絶縁経路を有効的にとることができるから、電気的絶縁性を確保するにあたってスペース的な余裕がない構造において有効である。

請求項７に係る発明では、前記沿面距離延伸領域部を含み前記電極部から前記基準電極金具までの沿面長さを少なくとも５ｍｍ以上とする。

上記構成によれば、従来構造に比べ前記電極部と前記基準電極金具との間の前記絶縁体ヒータ外周面上の電気的絶縁距離が充分あり、前記電極部の電圧が前記基準電極金具でのセンサ出力電圧に作用する影響を小さくできる。

以下、本発明になるガスセンサ１の実施形態を図に基づき説明する。図１、図２は第１実施形態を示すもので、図１は縦断面図、図２は要部の拡大図である。なお、本発明ガスセンサ１の説明において図１に示すように図面の下方向をガスセンサ１の先端側、上方向をガスセンサ１の基端側と称する。また、本発明ガスセンサ１は自動車の排ガス浄化装置に使用される酸素濃度センサの例である。

ステンレス等の耐熱金属製のハウジング２は筒状であり、その中空内部には基端側が開口し先端側が閉塞したコップ型のセンサ素子３が配設されている。センサ素子３はジルコニア等の酸素イオン導電性材料で形成されている。

センサ素子３の中空内部にはアルミナ等のセラミック材料を長軸状に形成した絶縁体ヒータ４が配設されている。ハウジング２の中空内部面とセンサ素子３の外周面との間にはタルク等の絶縁性粉末５が充填してあり、その基端側に絶縁性粉末成形体６、セラミック、ガラス等のリング状絶縁性封止部材７が装着され、さらにその基端側に弾性部材からなるリング状金属製緩衝部材８が装着され、ハウジング２の中空内部の段部２ａにセンサ素子３の突出部３ａをリング状金属製緩衝部材９を介して係合させ、ハウジング２の基端側の基端部２ｂをかしめセンサ素子３を固定している。このかしめ固定により絶縁性粉末５、絶縁性粉末成形体６、リング状絶縁性封止部材７でセンサ素子３の外周面において先端側と基端側とを分離封止し排ガスが先端側から基端側へ流通するのを阻止している。

センサ素子３の基端側内周面には基準電極金具１０が内面に密着するように装着してあり、センサ素子３の先端側の内周面に形成された基準電極層１０ａに電気的に接続され、センサ素子３の基端側外周面には測定電極金具１１が把持装着してあり、センサ素子３の先端側の外周面に形成された測定電極層１１ａに電気的に接続され、両電極金具１０、１１で一対の電極を形成し両電極金具１０、１１には図面と直交する方向に両電極層１０ａ、１１ａ間に発生する起電力信号を取り出す一対の信号線（図示されない）が配置されている。

ハウジング２の先端側には排ガスからセンサ素子３を保護し複数の排ガス導入孔１２ａ、１３ａを有するカバー内筒１２、カバー外筒１３がその先端部２ｃでかしめ固定されている。

ハウジング２の基端側には筒状の金属製ケーシング１４が溶接等により固定されており、ケーシング１４の基端側にはゴム等の絶縁弾性材料からなる一対の封止部材１５、１６がかしめ固定してあり、封止部材１５、１６の軸方向にヒータ４に電力を供給する一対の通電線１７、１８が通してある。また、封止部材１５、１６の軸方向には両電極金具１０、１１と電気的に接続される一対の信号線（図示されない）が通してある。

ケーシング１４の基端側の外周には複数の横貫通穴１４ａが形成され、この貫通孔１４ａは封止部材１５、１６に形成された横穴１５ａ、封止部材１５、１６の中央に装着されたフィルタ保持部材１９に形成された一対の通気穴１９ａ、１９ｂと連通しており、外部のガス（空気）が貫通孔１４ａ、横穴１５ａ、通気穴１９ａ、１９ｂを通してケーシング１４の内部に導入され、導入されたガス（空気）はセンサ素子３の中空内部に導入され基準電極層１０ａと触れる。

２つの通気穴１９ａ、１９ｂは横穴１５ａの軸線に対して横穴１５ａに続く内側の拡大口１５ｂの範囲内で互いに位置をずらして形成してあり、封止部材１５、１６とフィルタ保持部材１９との組み付け時バラツキが生じても２つの通気穴１９ａ、１９ｂのどちらか一方が横穴１５ａと連通するようになっている。

絶縁体ヒータ４の基端側外周面には一対のヒータ電極部４ａ、４ｂが露出して設けられており、両電極部４ａ、４ｂ間には図示しない発熱体が電気的に接続されて絶縁体ヒータ４内に埋設されており、電極部４ａ、４ｂ間に電力が印加され発熱体が発熱しヒータをなす。

ケーシング１４のほぼ中央部には絶縁材料よりなるインシュレータ２０がリング部材２５により固定されており、インシュレータ２０に設けられた一対の貫通穴２０ａ、２０ｂには一対の接続金具２１、２２が挿通してあり、この接続金具２１、２２により外部からの電力を供給する通電線１７、１８と一対のリード線２３、２４が電気的にかしめ接続されている。一対のリード線２３、２４は屈曲した形状であり、その一端（基端側）は接続金具２１、２２に他端（先端側）はヒータ４の電極部４ａ、４ｂにロウ付けにより電気的に固定されている。一対の接続金具２１、２２はインシュレータ２０に対して固定されておらず変位移動が可能であり、一対のリード線２３、２４は接続金具２１、２２と接続する一端側（反ロウ付け固定部側）では自由端となっている。

本発明になるガスセンサ１おいては、絶縁体ヒータ４の電極部４ａ、４ｂと基準電極金具１０との間における絶縁体ヒータ４の外周面４ｃに、電極部４ａ、４ｂと基準電極金具１０との電気的絶縁距離を延伸するリング状の沿面距離延伸領域部４０を全周に亘って形成している。電極部４ａ、４ｂと基準電極金具１０との直線長さは従来と同じ（ほぼ２ｍｍ）であるが、電極部４ａ、４ｂと基準電極金具１０との間に沿面長さを長くする沿面距離延伸領域部４０を設けることにより、電極部４ａ、４ｂと基準電極金具１０との直線長さを長くすることなく電気的絶縁距離を延伸している。

上記構成になるガスセンサ１は排気管Ａにガスケット２６を介してハウジング２に設けられた取り付けねじ２ｄによりねじ締め固定される。

本発明の第１実施形態では沿面距離延伸領域部４０の構造は、絶縁体ヒータ４の外周面４ｃから垂直（水平方向）に突き出た垂直矩形鍔部を絶縁体ヒータ４の軸方向へ複数配置した複数鍔部４０ａである。この複数鍔部４０ａは絶縁体ヒータ４と同材料（セラミック材料）であり、複数鍔部４０ａを構成する薄い垂直矩形鍔部は絶縁体ヒータ４とは別部品としてリング状に作製され絶縁体ヒータ４の外周面４ｃに接着固定される。また、絶縁体ヒータ４の外周面４ｃにガラスコーティングして複数鍔部４０ａを形成してもよい。材質についても絶縁体ヒータ４と必ずしも同材料ではなくガラス等の絶縁性のある材料でもよい。複数鍔部４０ａの製法、材質については必要に応じ適宜選択すればよい。なお、複数鍔部４０ａの各鍔部の間隔ｔは結露が生じても絶縁性が低下しない距離を有している。

従来のヒータの外周面の平坦形状構造では結露により絶縁性が低下するに対し、本発明では上記のように電極部４ａ、４ｂと基準電極金具１０との間における絶縁体ヒータ４の外周面４ｃに、電極部４ａ、４ｂと基準電極金具１０との電気的絶縁距離を延伸する沿面距離延伸領域部４０を形成しているから、絶縁体ヒータ４の電極部部４ａ、４ｂとセンサ素子３に装着された基準電極金具１０との間の電気的絶縁性を著しく高めて電極部４ａ、４ｂの電圧が基準電極金具１０でのセンサ出力電圧に作用するのを防止でき、ガスセンサ１の信頼性を向上させることができる。

また、本発明の第１実施形態では、沿面距離延伸領域部４０の構造を、絶縁体ヒータ４の外周面４ｃから突き出た複数の垂直矩形鍔部からなる複数鍔部４０ａとしているから、電極部４ａ、４ｂと基準電極金具１０との電気的経路を数倍長くとることができ、電気的絶縁性を数倍高めることができる。また、薄い垂直矩形鍔部を複数配置することにより電気的絶縁性を確保するにあたってスペース的な余裕がない構造において有効である。

次に図３により本発明の第２実施形態を説明する。図３は沿面距離延伸領域部４０を含む要部の拡大図であり、他の部分は図１、図２と同様である。

本発明の第２実施形態では、沿面距離延伸領域部４０の具体的構造は、絶縁体ヒータ４の外周面４ｃから垂直に突き出（水平方向）したリング形状の一体矩形鍔部４０ｂである。この一体矩形鍔部４０ｂは絶縁体ヒータ４と同材料（セラミック材料）であり、この一体矩形鍔部４０ａを絶縁体ヒータ４と一体的に形成（アルミナシート一体焼成）してある。一体矩形鍔部４０ｂを絶縁体ヒータ４とは別部品の絶縁矩形リングとして作製し絶縁体ヒータ４の外周面４ｃに接着固定してもよく、また、絶縁体ヒータ４の外周面４ｃにガラスコーティングして一体矩形鍔部４０ｂを形成してもよい。材質についても絶縁体ヒータ４と必ずしも同材料ではなくガラス等の他絶縁性のある材料でもよい。一体矩形鍔部４０ｂの製法、材質については必要に応じ適宜選択すればよい。

本発明の第２実施形態では、沿面距離延伸領域部４０の構造を絶縁体ヒータ４の外周面４ｃから突き出たリング形状の一体矩形鍔部４０ｂとしているから、電極部４ａ、４ｂと基準電極金具１０との電気的絶縁経路を有効的に長くとることができ、電気的絶縁性を高めることができる。また、一体矩形鍔部４０ｂは形状が簡素なリング矩形状であるから形成が極めて容易である。

また、一体矩形鍔部４０ｂを絶縁体ヒータ４の外周面４ｃから垂直に突き出させているから、電極部４ａ、４ｂと基準電極金具１０との電気的絶縁経路をより有効的に長くとることができ、電気的絶縁性を一層高めることができる。

次に図４により本発明の第３実施形態を説明する。図４は沿面距離延伸領域部４０を含む要部の拡大図であり、他の部分は図１、図２と同様である。

本発明の第３実施形態では沿面距離延伸領域部４０の構造は、絶縁体ヒータ４の外周面４ｃから先細のテーパ状に突き出たテーパ鍔部４０ｃである。このテーパ鍔部４０ｃは絶縁体ヒータ４と同材料（セラミック材料）であり、このテーパ鍔部４０ｃを絶縁体ヒータ４と一体的に形成（アルミナシート一体焼成）してある。テーパ鍔部４０ｃを絶縁体ヒータ４とは別部品の絶縁テーパリングとして作製し絶縁体ヒータ４の外周面４ｃに接着固定してもよく、また、絶縁体ヒータ４の外周面４ｃにガラスコーティングしてテーパ鍔部４０ｃを形成してもよい。材質についても絶縁体ヒータ４と必ずしも同材料ではなくガラス等の絶縁性のある材料でもよい。テーパ鍔部４０ｃの製法、材質については必要に応じ適宜選択すればよい。

本発明の第３実施形態では、沿面距離延伸領域部４０の構造を絶縁体ヒータ４の外周面４ｃから突出したテーパ鍔部４０ｃとしているから、電極部４ａ、４ｂと基準電極金具１０との電気的絶縁経路を有効的に長くとることができると共に、絶縁体ヒータ４の外周面４ｃとの接触面積を矩形状に比べて多くすることができ、絶縁体ヒータ４の外周面４ｃへ強固に固着することができる。また、テーパ鍔部４０ｃは先細のテーパ状であるから、センサ素子３や基準電極金具１０の基端側部分等他の部品間との振動等による干渉を起こしにくい。

次に図５により本発明の第４実施形態を説明する。図５は沿面距離延伸領域部４０を含む要部の拡大図であり、他の部分は図１、図２と同様である。

本発明の第４実施形態では沿面距離延伸領域部４０の構造は、絶縁体ヒータ４の外周面４ｃから垂直に突き出た垂直鍔部４ｄと該垂直鍔部４ｄに続き絶縁体ヒータ４の外周面４ｃに沿った方向に伸びるほぼ平行鍔部４ｅでなる屈曲鍔部４ｆとしている。この屈曲鍔部４ｆは絶縁体ヒータ４と同材料（セラミック材料）であり、この屈曲鍔部４ｆを絶縁体ヒータ４とは別部品の屈曲絶縁リングとして作製し絶縁体ヒータ４の外周面４ｃに接着固定してある。材質についても絶縁体ヒータ４と必ずしも同材料ではなくガラス等の絶縁性のある材料でもよい。屈曲鍔部４ｆの材質については必要に応じ適宜選択すればよい。なお、絶縁体ヒータ４の外周面４ｃと平行鍔部４ｅとの間隔ｔは結露やマイグレーション現象が生じても絶縁性が低下しない距離を有している。なお、屈曲鍔部４ｆの平行鍔部４ｅの向きは上記とは反対方向の先端側に伸びる形状でもよい。

本発明の第４実施形態では、沿面距離延伸領域部４０の構造を絶縁体ヒータ４の外周面４ｃから垂直に突き出た垂直鍔部４ｄと該垂直鍔部４ｄに続き絶縁体ヒータ４の外周面４ｃに沿った方向に伸びるほぼ平行鍔部４ｅでなる屈曲鍔部４ｆとしているから、電極部４ａ、４ｂと基準電極金具１０との電気的経路を有効的かつ全長を長くとることができ、電極部４ａ、４ｂと基準電極金具１０との電気的絶縁性をより一層確実に高めることができる。

図６は本発明における沿面距離延伸領域部４０を含み電極部４ａ、４ｂと基準電極金具１０との沿面長さに対するセンサ出力電圧に作用する影響度合い即ち沿面距離延伸領域部４０の長さとセンサ出力電圧の異常発生有無の試験結果を示す図である。試験結果によれば沿面距離延伸領域部４０の各実施形態での形態において、上記沿面長さを５ｍｍ以上にすればセンサ出力電圧の異常発生が生じないことが確認できた。また、電極部４ａ、４ｂと基準電極金具１０との直線距離を変えることなく電極部４ａ、４ｂと基準電極金具１０との間に沿面距離を延伸する沿面距離延伸領域部４０を形成し沿面長さを５ｍｍ以上にすればガスセンサ１の体格（全長）を長くすることなく耐絶縁性の向上が得られた。なお、本発明においては、電極部４ａ、４ｂと基準電極金具１０との直線部分の距離を僅かに長くすると共に沿面距離を延伸する沿面距離延伸領域部４０を形成し、電極部４ａ、４ｂと基準電極金具１０との間に全体として電気的絶縁距離が５ｍｍ以上ある形態も含まれる。

本発明においては、沿面距離延伸領域部４０の具体的構造を上述のように４種類の形状で示したが、上記の形状に制限されず種々の形状たとえばヒータ４の外周面４ｃの内部側に凹部を形成してもよく、沿面距離延伸領域部４０を含み電極部４ａ、４ｂと基準電極金具１０との電気的絶縁沿面長さを５ｍｍ以上長くとることができる形状であればよい。沿面距離延伸領域部４０を含む電極部４ａ、４ｂと基準電極金具１０との電気的絶縁沿面長さは長ければ長い程結露によるリークに効果を発揮する。

また、本発明ガスセンサ１は電極部４ａ、４ｂの電圧がセンサ出力電圧にほとんど影響を与えない信頼性があるガスセンサ１でるから、排気浄化装置の酸素濃度センサに適用すれば当該酸素濃度センサで確実に排気浄化機能を達成することができる。

本発明になるガスセンサの第１実施形態を示す縦断面図である。 本発明になるガスセンサの第１実施形態の要部を示す拡大縦断面図である。 本発明になるガスセンサの第２実施形態の要部を示す拡大縦断面図である。 本発明になるガスセンサの第３実施形態の要部を示す拡大縦断面図である。 本発明になるガスセンサの第４実施形態の要部を示す拡大縦断面図である。 本発明の作用説明に供するもので、沿面距離延伸領域部を含む電極部と基準電極金具の沿面長さに対するセンサ出力電圧の異常発生有無の試験結果を示す図である。

符号の説明

１ ガスセンサ
２ ハウジング
３ センサ素子
４ 絶縁体ヒータ
４ａ、４ｂ 絶縁体ヒータ４の電極部
４ｃ 絶縁体ヒータ４の外周面
１０ 基準電極金具
１１ 測定電極金具
１２、１３ カバー内筒、カバー外筒
１７、１８ 通電線
２３、２４ リード線
４０ 沿面距離延伸領域部
４０ａ 複数鍔部
４０ｂ 一体矩形鍔部
４０ｃ テーパ鍔部
４０ｄ 垂直鍔部
４０ｅ 平行鍔部
４０ｆ 屈曲鍔部４ｆ

Claims (7)

1. コップ型センサ素子と、
   前記センサ素子の中空内部に配設され前記センサ素子を加熱する絶縁体ヒータを備えたガスセンサであって、
   前記絶縁体ヒータに設けられた電極部と前記センサ素子に装着された基準電極金具との間における前記絶縁体ヒータの外周面に、該外周面の沿面距離を延伸させる沿面距離延伸領域部が設けられていることを特徴とするガスセンサ。
2. 前記沿面距離延伸領域部は前記絶縁体ヒータの外周面から突き出ており沿面距離を延伸する鍔部であることを特徴とする請求項１記載のガスセンサ。
3. 前記鍔部は前記絶縁体ヒータの外周面から垂直に突き出ている一体矩形鍔部であることを特徴とする請求項２記載のガスセンサ。
4. 前記鍔部は前記絶縁体ヒータの軸方向に複数配置されていることを特徴とする請求項２記載のガスセンサ。
5. 前記鍔部は前記絶縁体ヒータの外周面から先細テーパ状に突き出たテーパ鍔部でることを特徴とする請求項２記載のガスセンサ。
6. 前記鍔部は前記絶縁体ヒータの外周面から垂直に突き出た垂直鍔部と該垂直鍔部に続き前記ヒータの外周面に沿った方向に伸びるほぼ水平鍔部との屈曲鍔部であることを特徴とする請求項２記載のガスセンサ。
7. 前記沿面距離延伸領域部を含み前記電極部から前記基準電極金具までの沿面長さは少なくとも５ｍｍ以上有していることを特徴とする請求項１〜６のいずれか一つに記載のガスセンサ。