JP2010048831A

JP2010048831A - ガスセンサ

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Publication number: JP2010048831A
Application number: JP2009275077A
Authority: JP
Inventors: Hiroshi Noda; 浩史野田; Takashi Kojima; 孝志児島
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 2003-12-24
Filing date: 2009-12-03
Publication date: 2010-03-04
Anticipated expiration: 2024-09-24
Also published as: US20050138989A1; US7178382B2; DE102004062189A1; DE102004062189B4; JP4706790B2

Abstract

【課題】外力を受けた場合に素子割れが生じ難いガスセンサを得ること。
【解決手段】ハウジング１０に素子側絶縁碍子２１を介して挿通固定したガスセンサ素子２と、ハウジング１０の先端側に配置した筒型の被測定ガス側カバー１１と、ハウジング１０の基端側に配置した筒型の大気側カバー３と、該大気側カバー３の内部において、ガスセンサ素子２の基端側を覆って配置した大気側絶縁碍子２２とを有する。大気側カバー３は、ビッカース硬度が２００〜４００となる硬化部を有する。
【選択図】図１

Description

本発明は，自動車エンジン等の内燃機関の排気系にとりつけて内燃機関の燃焼制御等に用いるガスセンサに関する。

従来、自動車エンジンにおいて空燃比制御を行うため、特許文献１のような構成を備えたガスセンサを、排気管上流部に設けることがある。
近年は、排気ガス規制の強化に伴って触媒コンバータから排出される排気ガスの状態をモニタするため、触媒コンバータの更に下流側等にガスセンサを設ける事例が増えてきた。

特開２００２−１７４６２２号公報

しかしながら、排気管の下流部にガスセンサを設けるということは、ガスセンサの搭載位置がより車両の下側となるため、飛び石があたる等、外力を受ける確率が高くなる。外力を受けた場合、表面に露出しているカバーが変形し、この変形をきっかけとしてガスセンサ内部に収納されているガス濃度を検出する素子に割れが生じるおそれがある。
したがって、外力を受けても素子割れが生じ難いガスセンサが求められている。
ここで、外力を受けても素子割れが生じ難いガスセンサを得るために表面に露出しているカバーの肉厚を厚くすることも考えられるが、カバーの肉厚が厚いガスセンサは、重量が増える、カバーの成形が困難となるという欠点が生じるため、好ましい解決策ではない。

以上、本発明は、従来の問題点を鑑みて、外力を受けた場合に素子割れが生じ難いガスセンサを得ようとするものである。

本発明は、筒型のハウジングと該ハウジングの内部に素子側絶縁碍子を介して挿通固定したガスセンサ素子と、上記ハウジングの先端側に、上記ガスセンサ素子の先端側を覆って配置した筒型の被測定ガス側カバーと、上記ハウジングの基端側に配置した筒型の大気側カバーと、該大気側カバーの内部において、ガスセンサ素子の基端側を覆って配置した大気側絶縁碍子とを有するガスセンサにおいて、
上記大気側カバーは、ビッカース硬度が２００〜４００となる硬化部を有することを特徴とするガスセンサにある（請求項１）。

外力が加わりガスセンサ内部で素子割れが生じる原因のひとつは、大気側カバーが外力で変形した結果、変形部分が大気側絶縁碍子に接触し、そこから外力がダイレクトにガスセンサ素子に伝達するためと考えられる。
それゆえ、大気側カバーが変形し難ければ、大気側カバーの変形部分が大気側絶縁碍子と接触する可能性が減少する。従って、大気側カバーに硬化部を設けることで、大気側カバーの変形を生じ難くして、素子割れの確率を減らすことができる。

以上、本発明によれば、外力を受けた場合に素子割れが生じ難いガスセンサを得ることができる。

実施例１にかかる、衝撃緩和部を有するガスセンサの断面説明図。実施例１にかかる、ガスセンサの大気側カバー径太部における横断面図の説明図。実施例２にかかる、大気側カバーの断面説明図。実施例２にかかる、大気側カバーに硬化部を有するガスセンサの断面説明図。実施例２にかかる、ガスセンサの大気側カバー径太部における横断面図の説明図。実施例２にかかる、大気側カバーの断面説明図。実施例３にかかる、素子割れ率と大気側カバーと大気側絶縁碍子との最短距離との関係を示す線図。実施例４にかかる、素子割れ率と大気側カバーの硬度との関係を示す線図。実施例５にかかる、大気側カバーに剛性強化部を有するガスセンサの断面説明図。実施例５にかかる、ガスセンサの大気側カバー径太部における横断面図の説明図。実施例５にかかる、大気側カバーの断面説明図。実施例５にかかる、大気側カバーに短い剛性強化部を有するガスセンサの断面説明図。実施例５にかかる、ガスセンサの大気側カバー径太部における横断面図の説明図。実施例５にかかる、大気側カバーの断面説明図。

本発明にかかるガスセンサとは、被測定ガス中の特定ガス濃度を検出可能なガスセンサ素子を内蔵したもので、特定ガスとしては酸素、ＮＯｘ、ＣＯ、ＨＣ等がある。また、酸素濃度の検出可能な素子としては限界電流式、濃淡起電力式いずれのタイプでも用いることができる。また、自動車等の各種車両のエンジン燃焼室のＡ／Ｆを測定するよう構成した素子を用いることができる。また、素子の構造も積層型、コップ型、素子を測定可能温度に加熱するヒータが一体式であっても別体式であってもよい。
なお、本明細書において、ガスセンサにおける先端側とは被測定ガス側カバーを設けた側、そして大気側カバーを設けた側を基端側と記載する。

また、大気側カバーはひとつのカバー部材からなる場合と、別体のカバー部材を複数組み合わせて構成する場合とがあり、また大気側カバーに対し別のカバー部材（例えば後述する実施例１にかかる外側カバー部材）を設けてなる構成もありうる。
このように本発明はガスセンサの各部の詳細構成にかかわらず、適用することができる。

参考発明として、筒型のハウジングと該ハウジングの内部に素子側絶縁碍子を介して挿通固定したガスセンサ素子と、上記ハウジングの先端側に、上記ガスセンサ素子の先端側を覆って配置した筒型の被測定ガス側カバーと、上記ハウジングの基端側に配置した筒型の大気側カバーと、該大気側カバーの内部において、ガスセンサ素子の基端側を覆って配置した大気側絶縁碍子とを有するガスセンサにおいて、
上記大気側カバーは、基端側から順に、内部に絶縁弾性体をかしめ固定する径細部と、該径細部から外方に突出し径の大きさが変わる切替部と、大気側絶縁碍子と対面する径太部と、上記ハウジングの基端側に圧入される圧入部とを有し、
上記径太部の内側面と上記大気側絶縁碍子の外側面との間に、最短距離が１〜２．５ｍｍであるクリアランスからなる衝撃緩和部を有することを特徴とするガスセンサがある。

上記参考発明のように、大気側カバーと内部の大気側絶縁碍子との距離を離してやり、大気側カバーの変形部分が大気側絶縁碍子に接触し難くすることで、素子割れの発生確率を減らすことができる。

上記参考発明において、上記径太部の内側面と上記大気側絶縁碍子の外側面との間に、最短距離が１〜２．５ｍｍであるクリアランスからなる衝撃緩和部が設けてあるが、大気側カバーをガスセンサ軸方向と直交する方向に沿った切断面を考えた場合、径太部の内側面と大気側絶縁碍子の外側面との間に、一箇所でも１〜２．５ｍｍとなる部分があれば、そこが衝撃緩和部として機能するが、内側面と外側面のいずれの間隙においても１〜２．５ｍｍの範囲内におさまることがより望ましい。
衝撃緩和部が１ｍｍ未満である場合は、外力により大気側カバーが変形した場合に、変形部分が大気側絶縁碍子に接触し、そこから外力がダイレクトにガスセンサ素子に伝達し、最悪の場合素子割れが発生するおそれがあり、２．５ｍｍより大きい場合、大気側カバーをより径大に構成せねばならず、ガスセンサの体格大型化につながり好ましくない。

次に、上記衝撃緩和部は、上記径太部の軸方向に沿った全体に設けてあることが好ましい。
これにより、径方向のみならず軸方向に沿って充分に大気側カバーと大気側絶縁碍子とのクリアランスを確保することができて、大気側カバーの変形部分が大気側絶縁碍子に接触し難くすることができ、素子割れの発生確率を減らすことができる。

また、本発明において、上記大気側カバーは、ビッカース硬度が２００〜４００となる硬化部を有する。
ここで硬化部のビッカース硬度が２００未満である場合は、本発明にかかる効果を充分えられないおそれがある。ビッカース硬度が４００を越えた場合は、硬すぎるため加工困難となるおそれがあり、実用的でない。

また、上記大気側カバーは、基端側から順に、内部に絶縁弾性体をかしめ固定する径細部と、該径細部から外方に突出し径の大きさが変わる切替部と、大気側絶縁碍子と対面する径太部と、上記ハウジングの基端側に圧入される圧入部とを有し、上記圧入部のビッカース硬度は１４０〜２００であることが好ましい（請求項２）。
これにより、圧入部をやわらかくすることができ、ハウジングに対する圧入を容易に実行することができる。
ビッカース硬度が１４０未満の耐食性を備えた大気側カバーに適する材料は入手し難く、２００を越えると硬すぎるため圧入が困難となるおそれがある。

また、上記大気側カバーは加工硬化面からなることが好ましい（請求項３）。
加工硬化とは、特異な例を除き、金属に応力を与えると結晶のすべりが生じ、そのすべり面に対しての抵抗がだんだん増して、該抵抗がある程度大きくなると他の面に順次移っていく（塑性変形）特性によって、冷間加工により変形が進めば進むほど抵抗が大きくなり金属が硬さを増す特性を利用して金属を硬化させる処理のことである。
本発明にかかる大気側カバーに対し、ビッカース硬度が所定の範囲にある硬化部を設ける際に、上述した加工硬化を利用することができる。

また、上記大気側カバーに剛性強化部を設けることが好ましい（請求項４）。
この場合には、剛性強化部により、外力による大気側カバーの変形が生じ難く、従って素子割れの確率を減らすことができる。
ここで、剛性強化部とは、大気側カバーの他の部分と比較して剛性が大きい部分をいう。剛性の大小は大気側カバーに外力を加えた場合において変形量が小の部分を剛性大、変形量が大の部分を剛性小と判断する。

この剛性強化部の具体例として、軸方向に延びる凸部と凹部が周方向に交互に配列された構造がある（請求項５）。軸方向に延びる凸部と凹部が周方向に交互に配列された構造は、単なる円筒形状と比較して剛性を大きくすることができる。ここで、「軸方向に延びる」とは、ガスセンサの軸線と平行な方向に延びるものに限らず、軸線に対して傾斜しているものを含む。また、「周方向に交互に配列」とは、周方向に等間隔に配置されているものに限らず、不等間隔に配置されているものも含む。

上記大気側カバーは、その肉厚が０．３〜０．８ｍｍであることが好ましい（請求項６）。肉厚が０．３ｍｍ未満だと肉厚が薄すぎるため成形時に材料が破断してしまうおそれがある。肉厚が０．８ｍｍを超えた場合は肉厚が厚すぎるため成形が困難になる上、ガスセンサの重量増加となるため好ましくない。

また、上記大気側カバーはオーステナイト系ステンレスであることが好ましい（請求項７）。オーステナイト系ステンレスであれば、耐蝕性に優れるガスセンサを得ることができる。

（実施例１）
本発明にかかる実施例として、図１にかかるガスセンサについて説明する。
本例のガスセンサ１は、図１に示すごとく、筒型のハウジング１０と該ハウジング１０の内部に素子側絶縁碍子２１を介して挿通固定したガスセンサ素子２と、上記ハウジング１０の先端側に、上記ガスセンサ素子２の先端側を覆って配置した筒型の被測定ガス側カバー１１と、上記ハウジング１０の基端側に配置した筒型の大気側カバー３と、該大気側カバー３の内部において、ガスセンサ素子２の基端側を覆って配置した大気側絶縁碍子２２とを有する。

上記大気側カバー３は、基端側から順に、内部に絶縁弾性体１３をかしめ固定する径細部３１と、該径細部３１から外方に突出し径の大きさが変わる切替部３２と、大気側絶縁碍子２２と対面する径太部３３と、上記ハウジング１０の基端側に圧入される圧入部３４とを有する。
そして、上記径太部３３の内側面３０と上記大気側絶縁碍子２２の外側面２２０との間に、最短距離が１〜２．５ｍｍであるクリアランスからなる衝撃緩和部３５を有する。
また、上記衝撃緩和部３５は、上記径太部３３の軸方向に沿った全体に設けてある。

以下、詳細に説明する。
筒型のハウジング１０の先端側に、二重構成の被測定ガス側カバー１１を配置し、基端側に大気側カバー３を配置する。大気側カバー３の基端側の外側には筒型の撥水フィルタ１２０を介して外側カバー１２をかしめ固定する。
ガスセンサ素子２は、筒型の素子側絶縁碍子２１に挿通され、素子２と素子側絶縁碍子２１との間は、ガラス質のシール材２１０でシール固定してある。
ガスセンサ素子２の先端側は、上記被測定ガス側カバー１１の内部にて被測定ガスにさらされ、基端側は電極取出パッド（図示略）を備え、該電極取出パッドは大気側絶縁碍子２２内において電極取出バネ２３と当接する。電極取出バネ２３はリード線２５と導通した接続端子２４と接続される。ここよりガスセンサ素子２の信号出力を取り出したり、該素子２に一体的に設けられたヒータ（図示略）に電力供給を行うことができる。
大気側カバー３の基端側は、上記リード線２５が通された絶縁弾性体１３がある。絶縁弾性体１３は、大気側カバー３の外側から外側カバー１２ごとかしめることで固定されている。

大気側カバー３は、肉厚０．５ｍｍのオーステナイト系ステンレス製筒からなり、断面は略円形である。
基端側から順に、内部に絶縁弾性体１３を、外部に上記外側カバー１２をかしめ固定する径細部３１と、該径細部３１から外方に突出し径の大きさが変わる切替部３２と、大気側絶縁碍子２２と対面する径太部３３と、上記ハウジング１０の基端側に圧入される圧入部３４とを有する。図１に示すように、径細部３１はＡ〜Ｂ１の間、切替部３２はＢ１〜Ｂ２の間、Ｂ２〜Ｃの間が径太部３３、圧入部３４はＣ〜Ｄの間である。
また、かしめや圧入等を行う前の大気側カバー３は、図３に示すように、径細部３１、径太部３３においてそれぞれ径が略一定である。

円盤型の皿バネ１４を、切替部３２の下側と大気側絶縁碍子２２の基端側の端面との間に配置する。
素子側絶縁碍子２１の基端側端面に大気側絶縁碍子２２を配置し、大気側カバー３をハウジング１０の基端側に対し圧入することで皿バネ１４に先端側に向かう押圧力を発生させる。この押圧力が大気側カバー３内の所定の位置に大気側絶縁碍子２２を固定する。

大気側カバー３の径太部の断面を図２に示す。
本例における大気側カバー３の径太部３３の内側面３０と上記大気側絶縁碍子２２の外側面２２０との間の最短距離は符号ｍであり（図１にも記載した）、本例にかかるｍは、径太部３３の内側面３０と大気側絶縁碍子２２との外側面２２０の周側、軸方向側の全体にわたって１〜２．５ｍｍの範囲にあり、この部分が衝撃緩和部３５となる。

本例にかかるガスセンサ１は、衝撃緩和部３５を設けることで、大気側カバー３と大気側絶縁碍子２２との距離が広くなる。
外力が加わりガスセンサ１の内部で素子割れが生じる原因のひとつは、大気側カバー３が外力で変形した結果、変形部分が大気側絶縁碍子２２に接触し、そこから外力がダイレクトにガスセンサ素子２に伝達するためと考えられる。
従って、本例にかかるガスセンサ１によれば、大気側カバー３の変形部分が大気側絶縁碍子２２に接触し難くすることができ、素子割れの発生確率を減らすことができる。

（実施例２）
本例にかかるガスセンサ１は、図４、図５、図６に示すごとく、筒型のハウジング１０と該ハウジング１０の内部に素子側絶縁碍子２１を介して挿通固定したガスセンサ素子２と、上記ハウジング１０の先端側に、上記ガスセンサ素子２の先端側を覆って配置した筒型の被測定ガス側カバー１１と、上記ハウジング１０の基端側に配置した筒型の大気側カバー３と、該大気側カバー３の内部において、ガスセンサ素子２の基端側を覆って配置した大気側絶縁碍子２２とを有する。

大気側カバー３は、基端側から順に径細部３１、切替部３２、径太部３３、圧入部３４とからなり、径細部３１〜径太部３３までの間が硬化部で、そこのビッカース硬度は２５０である。また、圧入部３４の硬度は１５０である。
その他詳細は実施例１と同様の構成を備える。
ただし、実施例１と異なって、径太部３３の内側面３０と大気側絶縁碍子２２の外側面２２０との間の最短距離は０．５ｍｍ未満に構成する。

本例にかかるガスセンサ１は、硬化部を大気側カバー３に設けることで、外力の作用によって大気側カバー３を変形し難くしている。よって、大気側カバー３の変形部分が大気側絶縁碍子２２と接触する可能性が減少し、素子割れし難くすることができる。
また、圧入部３４は大気側カバー３をハウジング１０に固定するための箇所であるため、この部分のみ、硬度を下げておくことで、大気側カバー３のハウジング１０に対する組付けを容易とすることができる。

（実施例３）
本例は、実施例１にかかるガスセンサに外力が作用した場合の素子割れ状態について測定した結果について説明する。
すなわち、実施例１にかかるガスセンサであって、大気側カバーの全体の硬度をビッカース硬度で１５０とし、ｍの値を０から２．５ミリまで違えたものをそれぞれ１０個準備し、これらを自動車の排気管下流部に搭載した状態を模擬して、人工的にガスセンサに石を当てる装置を用いた飛び石実験を行った。
この飛び石実験によって、飛び石によりいずれのガスセンサも大気側カバーに多数の凹みが発生した。
この状態のガスセンサにおいて素子割れを調べた結果を図７に記載した。
その結果、隙間が１ｍｍ未満である場合は素子割れが生じたが、それ以上とすることで素子割れをなくすことができたことがわかった。

（実施例４）
本例は、実施例２にかかるガスセンサに外力が作用した場合の素子割れ状態について測定した結果について説明する。
すなわち、実施例２にかかるガスセンサであって、大気側カバーにおける径細部から径太部の間の硬度をビッカース硬度で１５０、２００、２５０、３００、３５０、４００としたものをそれぞれ１０本づつ準備した。
そして実施例３と同様の方法にて素子割れについて測定し、結果を図８に記載した。
その結果、ビッカース硬度２００以上とすることで素子割れを防ぐことができることがわかった。

（実施例５）
本例にかかるガスセンサ１は、図９、図１０、図１１に示すごとく、筒型のハウジング１０と該ハウジング１０の内部に素子側絶縁碍子２１を介して挿通固定したガスセンサ素子２と、上記ハウジング１０の先端側に、上記ガスセンサ素子２の先端側を覆って配置した筒型の被測定ガス側カバー１１と、上記ハウジング１０の基端側に配置した筒型の大気側カバー３と、該大気側カバー３の内部において、ガスセンサ素子２の基端側を覆って配置した大気側絶縁碍子２２とを有し、おおよその構成は実施例１と同様である。
ただし大気側カバー３の側面に周方向に軸方向に延びる凸部３６１と凹部３６２とが交互に配列された構造からなる剛性強化部３６がある。また、この剛性強化部３６は大気側カバー３の切替部３２付近から圧入部３４の基端までの間に設けてある。

本例にかかるガスセンサ１では、剛性強化部３６により、外力による大気側カバー３の変形が生じ難く、従って素子割れを生じ難くすることができる。
その他は実施例１と同様の作用効果を有する。

また、図１２、図１３、図１４に示すごとく、剛性強化部３６を切替部３２から径太部３３の途中にあるＥと記した部分まで設け、Ｅから下に径太部３３の軸方向に沿った全体に上記衝撃緩和部３５を設け、衝撃緩和部３５に面する部分がビッカース硬度２００〜４００の硬化部になる構成のガスセンサ１もある。
このように各請求項を組み合わせることにより、上述した図１〜図１１に係るガスセンサ１と同等またはそれ以上の作用効果を得ることができる。

１ガスセンサ
１０ハウジング
１１被測定ガス側カバー
１３弾性絶縁体
２ガスセンサ素子
２１素子側絶縁碍子
２２大気側絶縁碍子
３大気側カバー
３１径細部
３２切替部
３３径太部
３４圧入部
３５衝撃緩和部
３６剛性強化部

Claims

筒型のハウジングと該ハウジングの内部に素子側絶縁碍子を介して挿通固定したガスセンサ素子と、上記ハウジングの先端側に、上記ガスセンサ素子の先端側を覆って配置した筒型の被測定ガス側カバーと、上記ハウジングの基端側に配置した筒型の大気側カバーと、該大気側カバーの内部において、ガスセンサ素子の基端側を覆って配置した大気側絶縁碍子とを有するガスセンサにおいて、
上記大気側カバーは、ビッカース硬度が２００〜４００となる硬化部を有することを特徴とするガスセンサ。
請求項１において、上記大気側カバーは、基端側から順に、内部に絶縁弾性体をかしめ固定する径細部と、該径細部から外方に突出し径の大きさが変わる切替部と、大気側絶縁碍子と対面する径太部と、上記ハウジングの基端側に圧入される圧入部とを有し、
上記圧入部のビッカース硬度は１４０〜２００であることを特徴とするガスセンサ。
請求項１または２において、上記大気側カバーが加工硬化面からなることを特徴とするガスセンサ。
請求項１〜３のいずれか一項において、上記大気側カバーに剛性強化部を設けたことを特徴とするガスセンサ。
請求項４において、上記剛性強化部は軸方向に延びる凸部と凹部とが周方向に交互に配列された構造であることを特徴とするガスセンサ。
請求項１〜５のいずれか一項において、上記大気側カバーの肉厚が０．３〜０．８ｍｍであることを特徴とするガスセンサ。
請求項１〜６のいずれか一項において、上記大気側カバーはオーステナイト系ステンレスからなることを特徴とするガスセンサ。