JP2009075066A

JP2009075066A - ガスセンサ

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Publication number: JP2009075066A
Application number: JP2008151712A
Authority: JP
Inventors: Tsunetoshi Goto; 常利後藤
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 2007-08-24
Filing date: 2008-06-10
Publication date: 2009-04-09
Anticipated expiration: 2028-06-10
Also published as: JP4363492B2

Abstract

【課題】基準ガスとしての大気の導入は容易でありながら水滴の侵入が起こり難く、耐久性に優れた構造のガスセンサを提供する。
【解決手段】少なくとも、ガス濃度検出素子１０と、ガス濃度検出素子１０を収容するケーシング３１０と検出電位を外部に引き出すリード線１１４と、リード線１１４を絶縁保持するインシュレータ３３０と、柱状弾性封止部材３７０と、ケーシング３１０内側に大気を導入する通気孔３１４と、撥水フィルタ３５０とを具備するガスセンサ１において、撥水フィルタ３５０は、略筒状に形成し、ケーシング３１０とインシュレータ３３０との間に挿入し、撥水フィルタ３５０とケーシング３１０との間、又は、撥水フィルタ３５０とインシュレータ３３０との間の少なくともいずれか一方に、筒状弾性部材３４０を介挿し、上記ケーシング３１０の加締めによって撥水フィルタ３５０と筒状弾性部材３４０とを固定する。
【選択図】図２

Description

本発明は、自動車エンジン等の燃焼排気中の特定ガス成分濃度を検出するガスセンサの構造に関するものである。

従来、自動車エンジン等の内燃機関の燃焼排気流路に、燃焼排気中に含まれる酸素等の特定ガス成分の濃度を検知するガスセンサを配設して、検知された特定ガス成分の濃度によって空燃比制御や排気処理触媒の温度制御等を行っている。

このようなガスセンサとして、ジルコニア等の酸素イオン伝導性固体電解質の基体表面に被測定ガスに接する測定電極層と基準ガスとして導入された大気に接する基準電極層とを施した酸素濃度検出素子を具備し、被測定ガス中の酸素濃度と基準ガス中の酸素濃度との差によって両電極間に発生する電位差を検出して被測定ガス中の酸素濃度を測定する酸素センサ等が広く用いられている。

このようなガスセンサは、通常極めて高温の環境下で使用され、また、エンジンルーム以外に車両の足回りに近い排気管等にも搭載され、厳しい環境下に晒されている。外部からの水滴等の侵入があるとガス濃度検出素子の破損や誤動作を招く虞があり、これを防止するために高い防水性が必要とされている。一方、基準電極層は基準ガスとなる大気に接しなければならず、外部との良好な通気性が確保されなければならない。このため、ガスセンサにおいては防水性と通気性との二律背反する課題を同時に解決する必要がある。

特許文献１には、酸素センサのリード線周りの気密を行うゴムブッシュと、該ゴムブッシュの外側に配設された金属筒体とを備えた酸素センサの防水構造において、前記金属筒体が加締めによってゴムブッシュを径方向に圧縮する部分にて、該ゴムブッシュと前記金属筒体との間にポリテトラフルオロエチレン層を設けた酸素センサが開示されている。

特許文献２には、軸状をなす酸素検知素子と、該酸素検知素子を収容する筒状のケーシングと、前記ケーシングの後方側に同軸的に設けられる筒状形態をなすとともに、内部が該ケーシングと連通し、かつ壁部に１ないし複数の気体導入孔が形成されたフィルタ保持部と、該フィルタ保持部の前記気体導入孔を塞ぐように配置され、液体の透過は阻止し気体の透過は許容するフィルタとを有し、前記フィルタ及び前記気体導入孔を経て外気を前記ケーシング内に導入させる気体導入構造部と、その気体導入構造部を外側から覆う筒状に設けられ、前記フィルタへの直接的な液滴の噴射あるいは油や汚れ等の付着物の付着を阻止ないし抑制する防護カバーとを備えた酸素センサが開示されている。

また、特許文献１や特許文献２にあるような従来のガスセンサの構造においては、いずれの場合も、撥水フィルタとして、ポリテトラフルオロエチレン等のフッ素系樹脂からなり筒状に形成された多孔質繊維構造体を、同心に配設された外筒と内筒との間に挟んで加締め固定し、外筒に設けられた通気孔からの水滴の侵入を防止している（特許文献１図４、特許文献２図３参照）。

特開平９−１７８６９４号公報特開平１１−７２４６４号公報

ところが、ポリテトラフルオロエチレン等のフッ素系樹脂からなる多孔質繊維構造体を撥水フィルタとして使用した場合、加締め部において外筒の形状に沿うように塑性変形されている。このため、加締め部において、機械的又は熱的な応力を一定時間以上受けたときに不可逆的な変形を生じるクリープを引起し易くなっている。したがって、従来のガスセンサの構造では、撥水フィルタに生じたクリープによって、外筒又は内筒と撥水フィルタとの間に間隙が形成され、特に雰囲気温度の高い環境化に曝された場合においては、この間隙が徐々に拡大され、水滴の侵入を許す虞がある。

本発明は、かかる実情に鑑みてなされたものであり、簡易な構造で、基準ガスとしての大気の導入は容易でありながらも水滴の侵入が起こり難く、耐久性に優れた構造のガスセンサを提供するものである。

請求項１の発明では、少なくとも、固体電解質からなる基体と該基体の一方の表面に設けられ基準ガスに接する基準電極層と、上記基体の他方の表面に設けられ被測定ガスに接する測定電極層とで構成されて被測定ガス中の特定成分の濃度を検出するガス濃度検出素子と、上記ガス濃度検出素子を収容する略筒状のケーシングと、上記基準電極層又は上記測定電極層のいずれかに接続され外部に引き出されるリード線と、上記リード線と上記筒状ケーシングとを電気的に絶縁しつつ上記リード線を保持するインシュレータと、上記リード線の周囲を覆い上記ケーシングの基端側で固定する略柱状の封止部材と、上記ケーシングの基端側に設けられ、上記ケーシング内側に上記基準ガスとして大気を導入する通気孔と、気体の透過は許容し、液体の透過は遮断する撥水フィルタとを具備するガスセンサにおいて、略筒状に形成した上記撥水フィルタを上記ケーシングと上記インシュレータとの間に挿入し、筒状に形成した弾性部材を、上記撥水フィルタと上記ケーシングとの間、又は、上記撥水フィルタと上記インシュレータとの間の少なくともいずれか一方に挿入し、上記ケーシングを加締めて、上記撥水フィルタと上記筒状弾性部材とを上記ケーシングと上記インシュレータとの間に固定する。

請求項１の発明によれば、上記撥水フィルタを加締めたときに上記撥水フィルタが上記ケーシングに沿って変形しても、上記筒状弾性部材が上記撥水フィルタを常に弾性的に押圧し、上記ケーシングと上記撥水フィルタと上記筒状弾性部材と上記インシュレータとが互いに密着状態となるので、上記撥水フィルタがクリープ変形しても、上記ケーシングと上記撥水フィルタと上記筒状弾性部材と上記インシュレータとの間に間隙が形成されることがない。したがって、撥水フィルタによる防水効果が確実となりガスセンサの耐久性、信頼性が向上する。

請求項２の発明では、少なくとも、固体電解質からなる基体と該基体の一方の表面に設けられ基準ガスに接する基準電極層と、上記基体の他方の表面に設けられ被測定ガスに接する測定電極層とで構成されて被測定ガス中の特定成分の濃度を検出するガス濃度検出素子と、上記ガス濃度検出素子を収容する略筒状の第１のケーシングと、上記第１のケーシングの外側に上記第１のケーシングと同心に配設される略筒状の第２のケーシングと、上記基準電極層又は上記測定電極の少なくともいずれかに接続され外部に引き出されるリード線と、上記リード線の周囲を覆い上記ケーシングの基端側で固定する略柱状の封止部材と、上記リード線を挿入するリード線挿入孔とを具備し、上記リード線と上記第１のケーシングとを電気的に絶縁しつつ上記リード線を保持するインシュレータと、上記第１のケーシングと上記第２のケーシングとに設けられて、上記ケーシング内側に上記基準ガスとして大気を導入する通気孔と、気体の透過は許容し、液体の透過は遮断する撥水フィルタとを具備するガスセンサにおいて、
略筒状に形成した上記撥水フィルタを上記第１のケーシングと上記第２のケーシングとの間に挿入し、筒状に形成した弾性部材を、上記撥水フィルタと上記第１のケーシングとの間、又は、上記撥水フィルタと上記第２のケーシングとの間の少なくともいずれか一方に挿入し、上記第２のケーシングを加締めて、上記撥水フィルタと上記筒状弾性部材とを上記第１のケーシングと上記第２のケーシングとの間に固定する。

請求項２の発明によれば、上記撥水フィルタを加締めたときに上記撥水フィルタが上記第２のケーシングに沿って変形しても、上記筒状弾性部材が上記撥水フィルタを常に弾性的に押圧し、上記第１のケーシングと上記撥水フィルタと上記筒状弾性部材と上記第２のケーシングとが互いに密着状態となるので、上記撥水フィルタがクリープ変形しても、上記第１のケーシングと上記撥水フィルタと上記筒状弾性部材と上記第２のケーシングとの間に間隙が形成されることがない。したがって、撥水フィルタによる防水効果が確実となりガスセンサの耐久性、信頼性が向上する。

具体的には、請求項３の発明のように、上記筒状弾性部材は、ＪＩＳ−Ｋ６２５３：２００６又はＩＳＯ４８：１９９４及びＩＳＯ７９１６−１：２００４により求めたゴム硬度が５０〜９０（デュロメータＡ）とするのが望ましい。上記筒状弾性部材のゴム硬度を請求項３に記載の範囲に設定することによって、最も効果的に、撥水フィルタのクリープを補完することができる。したがって、撥水フィルタによる防水効果が確実となりガスセンサの耐久性、信頼性が向上する。

また、請求項４の発明のように、上記筒状弾性部材は、肉厚が１ｍｍ以上とするのが望ましい。上記筒状弾性部材の肉厚を請求項５に記載の範囲に設定することによって、上記筒状弾性部材が長期に渡って弾性力を維持でき、最も効果的に、撥水フィルタのクリープを補完することができる。したがって、撥水フィルタによる防水効果が確実となりガスセンサの耐久性、信頼性が向上する。

請求項５の発明では、上記筒状弾性部材の上端又は下端の少なくともいずれか一方には、端部における熱的又は機械的応力による変形を吸収する変形吸収領域を設ける。

請求項５の発明によれば、上記筒状弾性部材が加締め固定されたときに端面に膨らみが発生したり、上記ケーシングや上記インシュレータに比べて熱膨張係数の大きい上記筒状弾性部材の熱膨張によってその端面に膨らみが発生したりしても、上記撥水フィルタに過剰な応力を与えることがなく、安定して上記撥水フィルタの位置を固定できる。また、上記筒状弾性部材の端面に外部からの圧縮力が働かず、長期間に渡って使用しても永久変形することなく弾性力を維持できる。したがって、撥水フィルタによる防水効果が更に確実となりガスセンサの耐久性、信頼性が向上する。

具体的には、請求項６の発明のように、上記変形吸収領域は、上記筒状弾性部材の端縁の肉厚を先端に向かって径小となるテーパ状又はＲ状若しくは段付き形状のいずれかの形状に切り欠いた肉薄部を形成することによって実現できる。したがって、高い防水性と良好な通気性を兼ね備えた耐久性、信頼性の高いガスセンサが実現できる。

請求項７の発明では、上記インシュレータに設けられ上記リード線を挿入するリード線挿入孔の少なくとも一部には、上記リード線外径との間に０．１ｍｍ以上の間隙となる縦溝部を形成する。

請求項７の発明によれば、上記撥水フィルタによって水滴の侵入を阻止された大気が上記縦溝部を通って上記基準電極に導入できる。したがって、高い防水性と良好な通気性を兼ね備えた耐久性、信頼性の高いガスセンサが実現できる。

請求項８の発明では、上記リード線は、その被覆部先端を上記リード線挿入孔内に挿入係止せしめる。

請求項８の発明によれば、上記リード線が上記インシュレータに固定され、振動等によるリード線の断線を回避できる。また、上記筒状弾性部材が外部から上記インシュレータに加わる振動を吸収する緩衝部材としても作用し、よりリード線の断線を起こりがたくできる。したがってガスセンサの信頼性が更に向上する。

請求項９の発明では、上記柱状封止部材の下端面と上記筒状弾性部材の上端面との間に上記通気孔と連通する基準ガス導入路を形成する。

請求項９の発明によれば、上記撥水フィルタによって水滴の侵入を阻止された大気が上記基準ガス導入路を通って上記基準電極に導入できる。したがって、高い防水性と良好な通気性を兼ね備えた耐久性、信頼性の高いガスセンサが実現できる。

具体的には、請求項１０の発明のように、上記基準ガス導入路は、上記柱状封止部材と上記筒状弾性部材とを別体で設けて、上記柱状封止部材の下端面と上記筒状弾性部材の上端面との間に距離を設けて載置して形成しても良い。

請求項１０の発明によれば、上記柱状封止部材を加締め固定したときや上記柱状封止部材が熱膨張したときに、その下端面が膨らんでも上記基準ガス導入路が閉鎖されることがなく、上記撥水フィルタによって水滴の侵入を阻止された大気が上記基準ガス導入路を通って確実に上記基準電極に導入できる。したがって、高い防水性と良好な通気性を兼ね備えた耐久性、信頼性の高いガスセンサが実現できる。

また、請求項１１の発明のように、上記基準ガス導入路は、上記封止部材の下端面を基端側に向かって溝状に窪ませた溝部によって形成しても良い。

請求項１１の発明によれば、請求項１０の発明と同様に、上記柱状封止部材を加締め固定したときや上記柱状封止部材が熱膨張したときに、その下端面が膨らんでも上記基準ガス導入路が閉鎖されることがなく、上記撥水フィルタによって水滴の侵入を阻止された大気が上記基準ガス導入路を通って確実に上記基準電極に導入できる。したがって、高い防水性と良好な通気性を兼ね備えた耐久性、信頼性の高いガスセンサが実現できる。

更にまた、請求項１２の発明のように、上記基準ガス導入路は、上記インシュレータの上端面を先端側に向かって溝状に窪ませた溝部によって形成しても良い。

請求項１２の発明によれば、請求項１０の発明と同様に、上記柱状封止部材を加締め固定したときや上記柱状封止部材が熱膨張したときに、その下端面が膨らんでも上記基準ガス導入路が閉鎖されることがなく、上記撥水フィルタによって水滴の侵入を阻止された大気が上記基準ガス導入路を通って確実に上記基準電極に導入できる。したがって、高い防水性と良好な通気性を兼ね備えた耐久性、信頼性の高いガスセンサが実現できる。

また、請求項１３の発明のように、上記基準ガス導入路は、柱状に形成した上記封止部材の下端面の外周部を筒状に延設して上記筒状弾性部材と一体となし、当該筒状の延設部位の内外を連通するように形成した弾性部材通気孔によって形成しても良い。

請求項１３の発明によれば、予め膨らみを考慮して弾性部材通気孔の内径を設けることが可能で、請求項１０の発明と同様に、上記柱状封止部材を加締め固定したときに、その下端面が膨らんでも上記基準ガス導入路が閉鎖されることがなく、上記撥水フィルタによって水滴の侵入を阻止された大気が上記基準ガス導入路を通って確実に上記基準電極に導入できる。加えて、組み付けが容易である。したがって、高い防水性と良好な通気性を兼ね備えた耐久性、信頼性の高いガスセンサが実現できる。

請求項１４の発明では、上記基準ガス導入路は、開口部の開口径を内側より径大となるように形成し、開口部に水滴滞留領域を形成する。

上記撥水フィルタは気体の透過は許容するので、水蒸気は透過し、これが冷却され凝縮水として上記濃度検出素子に到達する虞があるが、請求項１４の発明によれば、該凝縮水が上記水滴滞留領域に滞留し素子内への侵入を防ぐと期待できる。したがってガスセンサの信頼性が更に向上する。

請求項１５の発明では、上記撥水フィルタは発泡部材である。

請求項１５の発明によれば、上記撥水フィルタを加締め固定したときに、上記撥水フィルタの加締め部位では、上記筒状弾性部材と上記ケーシングとからの圧縮力によって緻密化し、透過性を失い密性が向上するので、加締めによって圧縮されていない上記通気孔に連通する部位のみにおいて気体の透過が確保される。したがってガスセンサの信頼性が更に向上する。

請求項１６の発明では、上記撥水フィルタはポリテトラフルオロエチレンからなる多孔質繊維構造体である。

請求項１６の発明によれば、上記筒状弾性部材によって上記撥水フィルタのクリープが補完され耐久性が向上し、優れた通気性と防水性を兼ね備えた信頼性の高いガスセンサの実現が可能となる。

図１は、本発明の第１の実施形態におけるガスセンサ１の全体を示す断面図である。本実施形態におけるガスセンサ１は、自動車エンジン、自動二輪車エンジン等の内燃機関の燃焼排気流路において内燃機関の排気筒に近い位置に載置され、燃焼排気の高い温度を利用してガス濃度検出素子を活性化するヒータレスタイプのガスセンサである。

ガス濃度検出素子１０は、ジルコニア等の酸素イオン伝導性の固体電解質材料を用いて、先端が閉塞する有底筒状に形成された固体電解質基体１００と、固体電解質基体１００の内周表面と外周表面とに形成された、白金又は白金合金からなる多孔質な基準電極層１１０と測定電極層１２０とによって形成されている。固体電解質基体１００の内側は基準ガス導入室１０１となり、固体電解質基体１００の中腹には、外側に向かって拡径された基体係止部１０２が形成されている。

接続金具１１１は、固体電解質基体１００の内径よりも僅かに大きい径の一部切り欠き管状の接続部を縮径しながら固体電解質基体１００の内側に挿嵌されている。上記接続部は、基準電極層１１０と弾性的に密着し、基準電極層１１０と導通状態となっている。更に、接続金具１１１の基端側には端子部１１２が形成されており、端子部１１２は、圧着金具１１３によりリード線１１４と接続されている。リード線１１４は、図略の電子制御装置に接続されている。

リード線１１４は、段付き筒状のインシュレータ３３０によってケーシング３１０内に電気的絶縁を維持しながら保持されている。インシュレータ３３０は、保持金具３２０によってケーシング３１０内に固定されている。インシュレータ３３０の小径部には、略筒状の撥水フィルタ３５０が挿嵌され、撥水フィルタ３５０とケーシング３１０との間にゴム等からなる筒状弾性部材３４０が挿入され、ケーシング３１０の加締めによって、インシュレータ３３０の基端側小径部とケーシング３１０との気密が保持されている。

更に、ケーシング３１０の基端側には、略柱状の弾性封止部材３７０が挿嵌され、ケーシング３１０の基端部と弾性封止部材３７０との間に撥水フィルタ３５０の基端側が挿入され、ケーシング３１０の基端側の加締めによって封止されている。ケーシング３１０には、通気孔３１４が穿設されており、基準ガスとして大気が導入され、撥水フィルタ３５０によって液体の侵入が阻止され、気体のみがケーシング３１０の内側に導入されるようになっている。また、ケーシング３１０の内側に導入された大気に含まれる水蒸気は、撥水フィルタ３５０を透過して排出可能である。

固体電解質基体１００は、ステンレス等の耐熱性金属材料によって略筒状に形成されたハウジング３００に挿入され、基体係止部１０２がハウジング３００の内側が縮径されたハウジング係止部３０５に係止し、金属製シール部材５００、セラミック粉末５０１、セラミック成形体５０２、セラミック製保持部材５０３、金属製封止部材５０４等を介してハウジング加締め部３０２を加締めて固定されている。測定電極層１２０は、金属製シール部材５００を介してハウジング３００と電気的に導通状態となっている。

ハウジング３００の基端側にはボス部３０１が形成され、段付き筒状に形成されたケーシング３１０の先端側の大径部がボス部３０１に挿嵌されレーザ溶接３０６等により固着されている。
ハウジング３００の外周には、ネジ部３０３が形成され、図略の内燃機関の燃焼排気流路壁面６００にガスケット６０１を介して螺結され、ガス濃度検出素子１０の先端部を燃焼排気流路６２０内に配設している。測定電極層１２０はハウジング３００を介して燃焼排気流路壁面６００をグランドとして接地状態となっている。

更に、ガス濃度検出素子１０の被測定ガスに晒される部位は、これを保護する略ハット型のカバー体４００によって覆われている。カバー体４００の基端側にはフランジ部４０１が形成され、ハウジング３００の先端に設けられたカバー体加締め部３０４によって加締め固定されている。
カバー体４００の側面並びに底面には、被測定ガスをカバー体内に導入、導出するための側面開口４０２並びに底面開口４０３がそれぞれ複数穿設されている。

ここで、図２を参照して本発明の要部であるガスセンサ１の基端側要部の構造について更に詳述する。
図２（ａ）は、本実施形態におけるガスセンサ１の基端側の要部断面図、（ｂ）は、本図中Ａ−Ａに沿った矢視断面図である。
インシュレータ３３０は、ケーシング３１０の内側に載置され、リード線１１４とケーシング３１０との電気的絶縁を保持している。インシュレータ３３０の大径部３３１の外周壁がケーシング３１０の大径部３１１の内周壁によって拘束され、インシュレータ３３０は、ケーシング３１０の径変部底面３１２と図１に示したインシュレータ保持金具３２０とによって挟持固定されている。

インシュレータ３３０に形成されたリード線挿入孔３３４にリード線１１４の先端を係止して端子部１１２からリード線１１４までをケーシング３１０と電気的に絶縁し保持している。リード線１１４の先端はリード線挿入孔３３４に深さＥ（０ｍｍ以上）だけ挿入されている。リード線挿入孔３３４の内径φＤ３３４はリード線１１４の被覆外径φＤ１１４と同程度又は僅かに小径に形成されている。更にリード線挿入孔３３４には、リード線１１４の被覆外径φＤ１１４よりも大きい径で縦溝部３３５が形成されている。縦溝部３３５の内径φＤ３３５は、リード線挿入孔３３４とリード線１１４との間に少なくとも０．１ｍｍ以上の間隙が形成されるように設定してある。これによりインシュレータ３３０の内側への大気の導入が容易となっている。

インシュレータ３３０の小径部３３２には、本発明の要部である略筒状の撥水フィルタ３５０の先端側３５２が嵌着されている。更に、ケーシング３１０の小径部３１３と撥水フィルタ３５０との間に略筒状の弾性部材３４０が挿嵌され、ケーシング３１０の第１の加締め部３１２が内側に凸となるように外部から加締められ固定されている。
撥水フィルタ３５０は、ポリテトラフルオロエチレン等のフッ素樹脂の成形体を融点以下の加熱温度で１軸以上の方向に延伸することにより、気体の透過は許容し、液体の透過は阻止する多孔質繊維構造体としたものをチューブ状に形成してある。
撥水フィルタ３５０の第１の加締め部３５２は、ケーシング３１０の第１の加締め部３１２からの押圧が筒状弾性部材３４０を介して弾性的に伝達されているのでクリープによって間隙を発生することなくインシュレータ３３０の小径部３３２に固定されている。
さらに、撥水フィルタ３５０の加締め部３５２は長期の使用に伴うクリープによって、ケーシング３１０の第１の加締め部２１３との間に間隙を生じる虞があるが、筒状弾性部材３４０の弾性力によって補完されるので、常に気密性、水密性が確保され、水滴の侵入を阻止できる。

ケーシング３１０には、ケーシング３１０の内側に基準ガスとして大気を導入する通気孔３１４が形成されている。筒状弾性部材３４０の上端部３４１は通気孔３１４よりも先端側に位置し、ケーシング３１０は、通気孔３１４の近傍から基端側に向かって径小となっており、撥水フィルタ３５０と通気孔３１４との間に空隙が形成されている。このため、筒状弾性部材３４０が撥水フィルタ３５０とともにケーシング３１０の第１の加締め部３１２によって圧縮されても、上端部３４１には圧縮力が加わらず、長期間に渡る使用によっても永久変形することなく弾性力の劣化を防ぐことができる。
さらに、筒状弾性部材３４０の下端部３４３は、径小となるように切り欠かれており、ケーシング３１０との間に空隙が形成されている。
これらの空隙は、変形吸収領域となって、ケーシング３１０やインシュレータ３３０に比べて熱膨張係数の大きい筒状弾性部材３４０の熱膨張によって上端部３４１と下端部３４３とに膨らみが発生したりしても、撥水フィルタ３５０に過剰な応力を与えることがなく、安定して撥水フィルタ３５０の位置を固定できる。

更に、通気孔３１４から、水滴を伴って大気が侵入しても撥水フィルタ３５０により、侵入を阻止された水滴は、上端部３４１とケーシング３１０との間に形成される大きな空隙が水滴滞留領域３４７となって留まり、ガス濃度検出素子側へ侵入することがない。

柱状弾性封止部材３７０は、ケーシング３１０の第２の加締め部３１６を外部から中心に向かって凸となるように加締めて、撥水フィルタ３５０とともに固定されている。
撥水フィルタ３５０の第２の加締め部３５６は、ケーシング３１０の第２の加締め部３１６の形状に沿って変形し、ケーシング３１０の第２の加締め部３１６と柱状弾性封止部材３７０の加締め部３７６とによって圧縮され緻密化され、気密性が高くなっている。

尚、筒状弾性部材３４０と柱状弾性封止部材３７０とは、ＪＩＳ−Ｋ６２５３：２００６、又は、ＩＳＯ４８：１９９４及びＩＳＯ７９１６−１：２００４により求めたゴム硬度が５０〜９０（デュロメータＡ）のゴム等からなる弾性部材によって形成するのが望ましい。
尚、ＪＩＳ−Ｋ６２５３：２００６は、ＩＳＯ４８：１９９４及びＩＳＯ７９１６−１：２００４に相当するものである。
筒状弾性部材３４０のゴム硬度をこの範囲に設定することによって、最も効果的に、撥水フィルタ３５０のクリープを補完できることが判明した。
また、筒状弾性部材３４０の肉厚は、１ｍｍ以上とするのが望ましい。筒状弾性部材３４０の肉厚をこの範囲に設定することによって、筒状弾性部材３４０が長期に渡って弾性力を維持でき、最も効果的に、撥水フィルタ３５０のクリープを補完できることが判明した。
また、フッ素ゴム、シリコーンゴム等の耐熱性の高い弾性部材を用いれば、更に耐久性の向上が期待できる。

図３及び図４を参照して本発明の第２の実施形態におけるガスセンサ１ａについて説明する。
なお、以下の実施形態の説明において、上記実施形態と同一の構成については同一の符号を付し、また、上記実施形態と類似の機能、形態を有する部位については、同一の番号に枝番として各実施形態ごとに対応するアルファベット記号を付加したので詳細な説明を省略し、各実施形態における特徴的な相違点を中心に説明する。
本実施形態において、筒状弾性部材３４０ａをインシュレータ３３０の小径部３３２に嵌着し、撥水フィルタ３５０ａを筒状弾性部材３４０ａとケーシング３１０ａとの間に挿嵌した点が上記実施形態と相違する。
図３は、本発明の第２の実施形態におけるガスセンサ１ａの全体を示す断面図である。図４は、本実施形態におけるガスセンサ１ａの基端側の要部断面図である。

インシュレータ３３０の小径部３３２には、本発明の要部である略筒状の弾性部材３４０ａが嵌着されている。更に、ケーシング３１０ａの小径部３１３ａと筒状弾性部材３４０ａとの間に撥水フィルタ３５０ａが挿嵌され、ケーシング３１０ａの第１の加締め部３１２ａが内側に凸となるように外部から加締められ固定されている。
撥水フィルタ３５０ａの第１の加締め部３５２ａは、ケーシング３１０ａの第１の加締め部３１２ａの形状に沿って変形し、また筒状弾性部材３４０ａから弾性的に押圧されているので、緻密化され第１の加締め部３５２ａの気密性が向上している。

ケーシング３１０ａには、ケーシング３１０ａの内側に基準ガスとして大気を導入する通気孔３１４ａが形成されている。筒状弾性部材３４０ａの上端部３４１ａ並びに下端部３４３ａは、テーパ状に切り欠かれている。このため筒状弾性部材３４０ａが撥水フィルタ３５０ａとともにケーシング３１０ａの第１の加締め部３１２ａによって圧縮されても、上端部３４１ａ及び下端部３４３ａには圧縮力が加わらず、長期間に渡る使用によっても永久変形することなく弾性力の劣化を防ぐことができる。
また、ケーシング３１０ａやインシュレータ３３０に比べて熱膨張係数の大きい筒状弾性部材３４０ａの熱膨張によって上端部３４１ａと下端部３４３ａとに膨らみが発生したりしても、撥水フィルタ３５０ａに過剰な応力を与えることがなく、安定して撥水フィルタ３５０ａの位置を固定できる。

更に、上端部３４１ａをテーパ状にすることによって、柱状弾性封止部材３７０ａの下端面との間に形成される空間が大きくなり、これを水滴滞留領域３４７ａとして利用できる。
インシュレータ３３０の上端面と、柱状弾性封止部材３７０ａの下端面との間には距離Ｃ（０．１ｍｍ以上）が維持され基準ガス導入路３３３ａを形成している。
大気中に含まれる水蒸気は、撥水フィルタ３５０ａを透過し、ケーシング３１０ａ内に侵入し得る。このような水蒸気が、低温の外気によって冷却されると、ケーシング３１０ａの内周壁表面又は撥水フィルタ３５０ａの内周壁表面で結露、凝縮して水滴状態となる虞がある。しかし、水滴滞留領域３４７ａが外側に向かって径大となっているので、ケーシング３１０ａ内で水滴が発生しても、水滴滞留領域３４７ａ内に留めることができ、ガス濃度検出素子１０内へ移動することがない。

図５（ａ）〜（ｄ）に本実施形態に用いることのできる筒状弾性部材３４０の形状例の断面切り欠き斜視図を示す。本図（ａ）は、上述した第１の実施形態に用いた筒状弾性部材３４０であり、上端部３４１は水平に切り欠いた形状とし、下端部３４３が小径となるように段付き状に切り欠いてある。
また、本図（ｂ）は、上記第２の実施形態に用いた筒状弾性部材３４０ａであり、上端部３４１ａと下端部３４３ａとが先端に向かって徐々に径小となる略円錐テーパ状に形成してある。また、（ｃ）に示すように、上端部３４１ｃと下端部３４１ｃとが径小となるように段付き状に切り欠いても第２の実施形態と同様の効果が得られる。さらに、（ｄ）に示すように、上端部３４１ｄを水平に切り欠いた形状とし、下端部３４３ｄが徐々に径小となる略円錐テーパ状に形成してもよい。

図６（ａ）〜（ｃ）に本実施形態に適用可能なガスセンサ要部の変形例を示す要部断面図である。（ａ）は、柱状弾性封止部材の下端面を筒状に延設して筒状弾性部材と一体の弾性部材３４０ｂとなし、複数の基準ガス導入路３３３ｂを形成してあり、基準ガス導入路３３３ｂの開口部３４７ｂは通気口３１４よりも開口径を大きくしてある。（ｂ）は、柱状弾性封止部材３７０ｃの下端面を基端側に向かって溝状に窪ませた溝部３７７ｃが形成してあり、柱状弾性封止部材３７０ｃを加締めたときに、下端面が膨らんでインシュレータ３３０の上端面と接しても基準ガス導入路３３３が塞がれることがなく、確実に大気をガス濃度検出素子へ導入できる。（ｃ）は、インシュレータ３３０の上端面を先端側に向かって溝状に窪ませた溝部３３６ｂが形成してあり、柱状弾性封止部材３７０を加締めたときに、下端面が膨らんでインシュレータ３３０の上端面と接しても基準ガス導入路３３３が塞がれることがなく、確実に大気をガス濃度検出素子へ導入できる。
尚、これらの実施形態は組み合わせて採用しても良いし、以下に述べる他の実施形態にも適宜採用可能である。

図７を参照して、本発明の第３の実施形態におけるガスセンサ１ｅについて説明する。本実施形態において第２の実施形態と同一又は実質的に同一の部分につては、図面に同じ符号を付したので説明を省略し、本実施形態における特徴的な部分について詳述する。
図７（ａ）は、ガスセンサ１ｅの全体構成を示す断面図で、（ｂ）は本図中Ａ−Ａに沿った矢視断面図である。本実施形態においては、測定電極層１２０はハウジング３００と電気絶縁性が保たれている点、ガス濃度検出素子を活性化するためのヒータ２００が挿入されている点が第２の実施形態と異なる。本実施形態は、第２の実施形態に比べてより高い精度でのガス濃度の検出が要求されるガスセンサに適用可能である。

接続金具１１１は、固体電解質基体１００の内径よりも僅かに径大の一部切り欠き管状に形成され、これを縮径しながら、固体電解質基体１００内に挿嵌し、基準電極層１１０と弾性的に接続状態となっている。その先端側には、ヒータ１００を保持するヒータ保持部１１５が形成されている。ヒータ保持部１１５はヒータ１００の外径よりも僅かに小径となる一部切り欠き管状に形成され、これを拡径した状態でヒータ１００を挿入し、ヒータ１００を弾性的に保持している。更に基端側には端子部１１２が形成され、リード線１１４と圧着金具１１３によって接続されている。

接続金具１２１は、固体電解質基体１００頭部の外径よりも僅かに径小の一部切り欠き管状に形成され、これを拡径しながら、固体電解質基体１００頭部に挿嵌して、測定電極層１２０と弾性的に接続状態となっている。基端側には端子部１２２が形成され、リード線１２４と圧着金具１２３によって接続されている。

ヒータ２００の基端側には、ヒータ端子２１０、２２０が形成され、端子線２１１、２２１がロウ付けされている。更に端子線２１１、２２１は、圧着金具２１２、２１３によって導通線２１３、２１４と接続されている。
ヒータ２００の先端にはヒータ端子２１０、２２０への通電によって発熱する発熱体２３０が内蔵されている。

リード線１１４、１２４、通電線２１３、２２３は、図略の電子制御装置に接続されている。リード線１１４、１２４、通電線２１３、２２３は、インシュレータ３３０ｅと柱状弾性封止部材３７０ｅとによってケーシング３１０ｅとの電気的絶縁性を維持しながら保持されている。
インシュレータ３３０の小径部には筒状弾性部材３４０が挿嵌されている。筒状弾性部材３４０とケーシング３１０との間には、撥水フィルタ３５０挿入され、加締め固定されている。

ガス濃度検出素子１０は、被水をより防止するため２重筒構造のカバー体４００、４１０で覆われている。カバー体４００、４１０は、被測定ガスの導入導出のために、それぞれ側面開口４０２、４１２、底部開口４０３、４１３が複数穿設され、基端側に形成されたフランジ部４０１、４０２でハウジング３００の加締め部３０４に加締め固定されている。

本実施形態のガスセンサ１ｅにおいては、通気孔３１４から導入された大気は、撥水フィルタ３５０によって液体の侵入が阻止され、気体のみが基準ガス導入路３３３を通ってガス濃度検出素子１０の基準ガス室１０１内へ導入される。
また、筒状弾性部材３４０と柱状弾性封止部材３７０ｅとが、それぞれの加締め部において、撥水フィルタ３５０を弾性的に押圧し、撥水フィルタ３５０のクリープを補完できるので、ガスセンサ１ｅの耐久性が向上している。

図８、９、１０にそれぞれ本発明の第４、５、６の実施形態におけるガスセンサ１ｆ、１ｇ、１ｈを示す。これらの実施形態は、上記第３の実施形態を基本構造とし、筒状弾性部材、撥水フィルタ、ケーシングの構造が相違する。
図８に示すように、第４の実施形態におけるガスセンサ１ｆでは、第１のケーシング３１０ｆの外側を覆う第２のケーシング３６０ｆを配設して、筒状弾性部材３４０ｆと撥水フィルタ３５０ｆとを第１のケーシング３１０ｆと第２のケーシング３６０ｆとの間に挿入し、第２のケーシング３６０ｆを加締めて、これらを固定してある。
更に、本実施形態においては、筒状弾性部材３４０ｆと撥水フィルタ３５０ｆとインシュレータ３３０ｆの小径部とを通気孔３１４ｆよりも基端側上方に延設して、水滴の侵入を更に起こり難くしている。
このため筒状弾性部材３４０ｆと第２のケーシング３６０ｆとには、第１のケーシング３１０ｆに穿設された通気孔３１４ｆの位置に合わせてそれぞれ通気孔３４４ｆ、通気孔３６４ｆが穿設されている。
加えて筒状弾性部材３４０ｆの通気孔３４４ｆの開口径は外側が径大となるようにテーパ状に形成してある。このように形成することによって、水滴滞留部３４１ｆを形成することができる。更に、第２のケーシング３６０ｆは、通気孔３６４ｆの上下に第２の加締め部３４５ｆ、第１の加締め部３４２ｆを形成している。通気孔３６４ｆを挟んで２箇所で加締め固定することにより、撥水フィルタ３５０ｆの通気部の上下（３４５ｆ、３４２ｆ、３５５ｆ、３５２ｆ、３６５ｆ、３６２ｆ）が加締められ、緻密化し、防水性が向上しているので更に水滴の侵入が起こり難くなっている。
本実施形態においても本発明の要部である筒状弾性部材３４０ｆの弾性力によって、撥水フィルタ３５０ｆのクリープが補完され、気密性、水密性が長期に渡って確保され、ガスセンサ１ｆの耐久性の向上を図ることができる。

また、図９に示すように、本発明の第５の実施形態におけるガスセンサ１ｇでは、筒状弾性部材３４０ｇと撥水フィルタ３５０ｇとの配設順を上記実施形態とは逆に撥水フィルタ３５０ｇの外側に筒状弾性部材３４０ｇを挿入してある。このような構成としても上記実施形態と同様の効果が得られ、ガスセンサ１ｇの耐久性の向上を図ることができる。

更に、図１０に示すように、本発明の第６の実施形態におけるガスセンサ１ｈでは、複数の筒状弾性部材を配設して、第１の筒状弾性部材３４０ｈと第２の筒状弾性部材３９０ｈとの間に撥水フィルタ３５０ｈを挿入してある。このような構成とすることで加締め部位での撥水フィルタ３５０ｈのクリープが更に補完され、ガスセンサ１ｈの耐久性が向上すると期待できる。

図１１に本発明の第７の実施形態におけるガスセンサ１ｉの全体構成を示す。本実施形態においては、ガス濃度検出素子として積層型ガス濃度検出素子１０ｉを用いた点が相違している。
積層型ガス濃度検出素子１０ｉは、平板状の固体電解質基体１００ｉの対向する表面に基準電極層１１０ｉと測定電極層１２０ｉとが印刷等により形成され、これに積層して基準電極層１１０ｉに大気を導入する基準ガス室を構成する基準ガス室形成層と通電によって発熱する発熱体２３０ｉの内蔵されたヒータ層とが積層され一体となっており、基端側に検出信号を取り出す基準電極端子１１１ｉ、測定電極端子１２１ｉ、ヒータ通電端子２１０ｉ、２２０ｉが形成されている。
積層型ガス濃度検出素子１０ｉはハウジング３００に絶縁部材５０３ｉ等を介して固定され、先端側は、２重円筒状のカバー体４００、４１０によって保護されている。
基準電極端子１１１ｉ、測定電極端子１２１ｉ、ヒータ通電端子２１０ｉ、２２０ｉは、それぞれ金属端子１１２ｉ、１２２ｉ、２１１ｉ、２２１ｉ、圧着端子１１３ｉ、１２３ｉ、２１２ｉ、２２２ｉ等を介してリード線１１４ｉ、１２４ｉ、通電線２１３ｉ、２２３ｉに接続され更に図略の電子制御装置に接続されている。
上記実施形態と類似の方法により、リード線１１４ｉ、１２４ｉ、通電線２１３ｉ、２２３ｉは、ケーシング３１０ｉによって、撥水フィルタ３５０ｉ、筒状弾性部材３４０ｉ、柱状弾性封止部材３７０ｉ、インシュレータ３３０ｉを介して加締め固定されている。
通気孔３３１ｉから導入された大気は、撥水フィルタ３５０ｉによって液体の流入を阻止され、基準電極層１１０ｉに導入される。
本実施形態においても、撥水フィルタ３５０ｉは、筒状弾性部材３４０ｉによって、クリープの発生が補完され、上記実施形態と同様に高い通気性と防水性を兼ね備え耐久性に優れたガスセンサ１ｉが実現できる。

尚、本発明は、上記実施形態に限定するものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更可能である。
例えば、上記実施形態においては、濃度検出素子として酸素イオン導電性の固体電解質体の内外面に電極層を形成した酸素濃度センサの場合について説明したが、本発明は、測定部に複数の電極層と固体電解質層を形成したＮＯｘセンサ等においても適宜採用し得るものである。

本発明の第１の実施形態におけるガスセンサの全体構成を示す断面図。本発明の第１の実施形態における本発明の効果を示す要部拡大断面図。本発明の第２の実施形態におけるガスセンサの全体構成を示す断面図。本発明の第２の実施形態における本発明の効果を示す要部拡大断面図。（ａ）〜（ｄ）は、本発明に用いられる筒状弾性部材の形状例を示す一部切り欠き斜視図。（ａ）〜（ｃ）は、本発明の第２の実施形態における変形例を示す要部断面図。（ａ）は、本発明の第３の実施形態におけるガスセンサの全体構成を示す断面図、（ｂ）は、本図中Ｂ−Ｂ断面に沿った矢視断面図。本発明の第４の実施形態におけるガスセンサの要部断面図。本発明の第５の実施形態におけるガスセンサの要部断面図。本発明の第６の実施形態におけるガスセンサの要部断面図。本発明の第７の実施形態におけるガスセンサの全体構成を示す断面図。

符号の説明

１ガスセンサ
１０ガス濃度検出素子
１１４リード線
３１０ケーシング
３１４通気孔
３３０インシュレータ
３４０筒状弾性部材
３５０撥水フィルタ
３７０柱状弾性封止部材

Claims

少なくとも、固体電解質からなる基体と該基体の一方の表面に設けられ基準ガスに接する基準電極層と、上記基体の他方の表面に設けられ被測定ガスに接する測定電極層とで構成されて被測定ガス中の特定成分の濃度を検出するガス濃度検出素子と、上記ガス濃度検出素子を収容する略筒状のケーシングと、上記基準電極層又は上記測定電極層のいずれかに接続され外部に引き出されるリード線と、上記リード線と上記筒状ケーシングとを電気的に絶縁しつつ上記リード線を保持するインシュレータと、上記リード線の周囲を覆い上記ケーシングの基端側で固定する略柱状の封止部材と、上記ケーシングの基端側に設けられ、上記ケーシング内側に上記基準ガスとして大気を導入する通気孔と、気体の透過は許容し、液体の透過は遮断する撥水フィルタとを具備するガスセンサにおいて、
略筒状に形成した上記撥水フィルタを上記ケーシングと上記インシュレータとの間に挿入し、
筒状に形成した弾性部材を、上記撥水フィルタと上記ケーシングとの間、又は、上記撥水フィルタと上記インシュレータとの間の少なくともいずれか一方に挿入し、
上記ケーシングを加締めて、上記撥水フィルタと上記筒状弾性部材とを上記ケーシングと上記インシュレータとの間に固定したことを特徴とするガスセンサ。
少なくとも、固体電解質からなる基体と該基体の一方の表面に設けられ基準ガスに接する基準電極層と、上記基体の他方の表面に設けられ被測定ガスに接する測定電極層とで構成されて被測定ガス中の特定成分の濃度を検出するガス濃度検出素子と、上記ガス濃度検出素子を収容する略筒状の第１のケーシングと、上記第１のケーシングの外側に上記第１のケーシングと同心に配設される略筒状の第２のケーシングと、上記基準電極層又は上記測定電極の少なくともいずれかに接続され外部に引き出されるリード線と、上記リード線の周囲を覆い上記ケーシングの基端側で固定する略柱状の封止部材と、上記リード線を挿入するリード線挿入孔とを具備し、上記リード線と上記第１のケーシングとを電気的に絶縁しつつ上記リード線を保持するインシュレータと、上記第１のケーシングと上記第２のケーシングとに設けられて、上記ケーシング内側に上記基準ガスとして大気を導入する通気孔と、気体の透過は許容し、液体の透過は遮断する撥水フィルタとを具備するガスセンサにおいて、
略筒状に形成した上記撥水フィルタを上記第１のケーシングと上記第２のケーシングとの間に挿入し、
筒状に形成した弾性部材を、上記撥水フィルタと上記第１のケーシングとの間、又は、上記撥水フィルタと上記第２のケーシングとの間の少なくともいずれか一方に挿入し、
上記第２のケーシングを加締めて、上記撥水フィルタと上記筒状弾性部材とを上記第１のケーシングと上記第２のケーシングとの間に固定したことを特徴とするガスセンサ。
上記筒状弾性部材は、ＪＩＳ−Ｋ６２５３：２００６又はＩＳＯ４８：１９９４及びＩＳＯ７９１６−１：２００４により求めたゴム硬度が５０〜９０（デュロメータＡ）である請求項１又は２に記載のガスセンサ。
上記筒状弾性部材は、肉厚が１ｍｍ以上である請求項１ないし３のいずれか１項に記載のガスセンサ。
上記筒状弾性部材の上端又は下端の少なくともいずれか一方には、端部における熱的又は機械的応力による変形を吸収する変形吸収領域を設けた請求項１又は２に記載のガスセンサ。
上記変形吸収領域は、上記筒状弾性部材の端縁の肉厚を先端に向かって径小となるテーパ状又はＲ状若しくは段付き形状のいずれかの形状に切り欠いた肉薄部である請求項５に記載のガスセンサ。
上記インシュレータに設けられ上記リード線を挿入するリード線挿入孔の少なくとも一部には、上記リード線外径との間に０．１ｍｍ以上の間隙となる縦溝部を形成した請求項１ないし６のいずれか１項に記載のガスセンサ。
上記リード線は、その被覆部先端を上記リード線挿入孔内に挿入係止せしめた請求項１ないし７項に記載のガスセンサ。
上記柱状封止部材の下端面と上記筒状弾性部材の上端面との間に上記通気孔と連通する基準ガス導入路を形成した請求項１ないし８のいずれか１項に記載のガスセンサ。
上記基準ガス導入路は、上記柱状封止部材と上記筒状弾性部材とを別体で設けて、上記柱状封止部材の下端面と上記筒状弾性部材の上端面との間に距離を設けて載置して形成した請求項９に記載のガスセンサ。
上記基準ガス導入路は、上記封止部材の下端面を基端側に向かって溝状に窪ませた溝部である請求項９に記載のガスセンサ。
上記基準ガス導入路は、上記インシュレータの上端面を先端側に向かって溝状に窪ませた溝部である請求項９に記載のガスセンサ。
上記基準ガス導入路は、柱状に形成した上記封止部材の下端面の外周部を筒状に延設して上記筒状弾性部材と一体となし、当該筒状の延設部位の内外を連通するように形成した弾性部材通気孔である請求項９に記載のガスセンサ。
上記基準ガス導入路は、開口部の開口径を内側より径大となるように形成し、開口部に水滴滞留領域を形成した請求項９ないし１３のいずれか１項に記載のガスセンサ。
上記撥水フィルタは発泡部材である請求項１ないし１３のいずれか１項に記載のガスセンサ。
上記撥水フィルタはポリテトラフルオロエチレンからなる筒体である請求項１ないし１５のいずれか１項に記載のガスセンサ。