JP2012117965A - ガスセンサの構造 - Google Patents

Abstract

【課題】本発明は、ガスセンサの構造に係り、センサ素子の内側電極とヒータとの結露によるショートを防止することにある。
【解決手段】先端が封止された筒状部材と、筒状部材の内面に配設された基準ガスと接触する内側電極と、筒状部材の外面に配設された被測定ガスと接触する外側電極と、を有するセンサ素子と、筒状部材の内部空間に挿入され、センサ素子を加熱するヒータと、筒状部材の内面とヒータとの間に介在し、内側電極と該ヒータとを絶縁する絶縁部材と、内側電極及び／又はヒータの表面に塗布された比表面積を大きくする塗布部材と、絶縁部材を貫通し、内側電極に基準ガスを導くガス導入孔と、筒状部材の内部空間内で接続される外部電線と内側電極又はヒータとの接続部位に施された止水手段と、を設ける。
【選択図】図３

Description

本発明は、ガスセンサの構造に係り、特に、先端が封止された筒状部材の内面及び外面に配設された内側電極及び外側電極を有するセンサ素子と、そのセンサ素子の筒状部材の内部空間に挿入されたヒータと、を備え、そのヒータによりセンサ素子を加熱しながら内側電極に接触する基準ガスに対する外側電極に接触する被測定ガスの状態を測定するうえで好適なヒータ一体型ガスセンサの構造に関する。

従来、センサ素子とヒータとを備え、ヒータによりセンサ素子を加熱しながらセンサ素子によりガスの状態を測定するガスセンサの構造が知られている（例えば、特許文献１及び２参照）。これらのガスセンサは、センサ素子として、先端が封止された筒状部材の内面に配設された基準ガスに接触する内側電極と、その筒状部材の外面に配設された被測定ガスに接触する外側電極と、を有すると共に、また、筒状部材の内部空間に挿入されてセンサ素子の先端を加熱するヒータを有する。

特開２００５−３５１７４０号公報 特開２００２−２９６２２５号公報

ところで、上記したガスセンサの構造において、外部の水蒸気又はエンジン燃焼により生じた水蒸気が内側電極に接続する電線やヒータに接続する電線を通じて筒状部材の内部空間に浸入することがあり、かかる浸入が発生すると、その内部空間内のヒータ表面や絶縁体表面が結露することがある。しかし、かかる結露が生ずると、絶縁低下が生じて端子間がショートし、更には、内側電極とヒータとがショートすることに起因してヒータ電圧がセンサ素子に印加されてセンサ素子が破壊され或いはセンサ素子の信号出力レベルが異常となるおそれがある。

本発明は、上述の点に鑑みてなされたものであり、センサ素子の内側電極とヒータとの結露によるショートを防止することが可能なガスセンサの構造を提供することを目的とする。

上記の目的は、先端が封止された筒状部材と、前記筒状部材の内面に配設された基準ガスと接触する内側電極と、前記筒状部材の外面に配設された被測定ガスと接触する外側電極と、を有するセンサ素子と、前記筒状部材の内部空間に挿入され、前記センサ素子を加熱するヒータと、前記筒状部材の内面と前記ヒータとの間に介在し、前記内側電極と該ヒータとを絶縁する絶縁部材と、前記内側電極及び／又は前記ヒータの表面に塗布された比表面積を大きくする塗布部材と、前記絶縁部材を貫通し、前記内側電極に基準ガスを導くガス導入孔と、前記筒状部材の内部空間内で接続される外部電線と前記内側電極又は前記ヒータとの接続部位に施された止水手段と、を備えるガスセンサの構造により達成される。

本発明によれば、センサ素子の内側電極とヒータとの結露によるショートを防止することができる。

本発明の一実施例であるガスセンサの全体構成図である。 図１に示すガスセンサの先端側の拡大図である。 図２に示すガスセンサの要部拡大図である。 図３に示すガスセンサをＡ−Ａ´で切断した際の断面図である。 本実施例のガスセンサを含むシステムの回路構成図である。

以下、図面を用いて、本発明に係るガスセンサの構造の具体的な実施の形態について説明する。

図１は、本発明の一実施例であるガスセンサ１０の全体構成図を示す。図２は、図１に示すガスセンサ１０の先端側の拡大図を示す。図３は、図２に示すガスセンサ１０の要部拡大図を示す。図４は、図３に示すガスセンサ１０をＡ−Ａ´で切断した際の断面図を示す。また、図５は、本実施例のガスセンサ１０を含むシステムの回路構成図を示す。

本実施例のガスセンサ１０は、エンジンから排出される排気ガス中の酸素濃度又は空気と燃料との空燃比に応じた信号を出力する排気ガスセンサであって、電子制御ユニット（ＥＣＵ）に排気ガス中の酸素濃度又は空燃比に基づいて空燃比をコントロールさせるためのセンサである。

ガスセンサ１０は、排気ガス中の酸素濃度に応じた信号を出力するセンサ素子１２を備えている。センサ素子１２は、丸棒状に形成されており、その先端側（図１における下端側）が円筒状の内側ケーシング１４と円筒状の外側ケーシング１６とからなる二重構造のケーシング１８内に収容された構造を有している。外側ケーシング１６は、その内径が内側ケーシング１４の外径よりも大きくなるように形成されており、また、内側ケーシング１４は、その内径がセンサ素子１２の外径よりも大きくなるように形成されている。

ガスセンサ１０は、その先端側が排気通路内に臨むように配設されており、排気通路に対して固定されている。外側ケーシング１６は、排気通路を流れる排気ガスに晒されている。外側ケーシング１６には、排気通路とその外側ケーシング１６の内部空間２０とを連通する連通孔２２が形成されている。内側ケーシング１４には、内側ケーシング１４と外側ケーシング１６との間に画成された内部空間２０とその内側ケーシング１４の内部空間２４とを連通する連通孔２６が形成されている。連通孔２２及び連通孔２６はそれぞれ、外側ケーシング１６又は内側ケーシング１４の側面や底面に一つ又は複数設けられている。排気通路を流れる排気ガスの一部は、ガスセンサ１０の外側ケーシング１６の連通孔２２及び内側ケーシング１４の連通孔２６を介して、センサ素子１２が収容された内側ケーシング１４の内部空間２４に流入する。

センサ素子１２は、円筒状の固体電解質層３０と、固体電解質層３０の外面に配設された外側電極３２と、固体電解質層３０の内面に配設された内側電極３４と、により構成されている。固体電解質層３０は、酸素イオン伝導性を有する例えばジルコニアなどのセラミックスにより形成されている。固体電解質層３０の先端は封止されており、その先端側外面は内側ケーシング１４の内部空間２４に臨んでいる。

外側電極３２及び内側電極３４は共に、例えば白金などの金属電極により形成されている。外側電極３２は、固体電解質層３０の先端側外面に例えば全面に亘って配設されている。外側電極３２は、排気通路から内側ケーシング１４の内部空間２４に流入した排気ガスと接触する。また、固体電解質層３０の内部空間３６は、大気に連通している。内側電極３４は、固体電解質層３０の先端側内面に例えば全面に亘って又はその一部の面に配設されている。内側電極３４は、大気と接触する。

円筒状の固体電解質層３０の内部空間３６には、通電によりセンサ素子１２を加熱するためのヒータ４０が挿入されている。ヒータ４０は、アルミナ等のセラミック材料により丸棒状に形成された芯ロッド４２と、ダングステンや白金などの発熱性導電材料により線状に形成されたヒータパターン４４と、により構成されている。芯ロッド４２は、固体電解質層３０の内部空間３６の径よりも小さい外径を有している。ヒータパターン４４は、芯ロッド４２の外面などに配設されており、特にセンサ素子１２の先端側を加熱する発熱部を有している。

固体電解質層３０の内部空間３６には、固体電解質層３０の内面とヒータ４０の外面との間に介在する絶縁部材４６が配設されている。絶縁部材４６は、ガラスやセラミック材料などにより円筒状に形成されており、固体電解質層３０及びヒータ４０の芯ロッド４２の長手方向の一部（具体的には、内部空間３６の、内側電極３４が配設される軸方向先端側ではない中途の部位のみ）に、ヒータ４０の全周に亘ってヒータ４０を囲むように設けられている。絶縁部材４６は、固体電解質層３０及びヒータ４０の双方に接着されており、固体電解質層３０とヒータ４０との径方向における相対変位を防止して、それらの固体電解質層３０とヒータ４０との絶縁性を確保する機能を有している。

芯ロッド４２には、その中心において軸方向に向けて貫通する円柱状の貫通孔４８が形成されている。貫通孔４８には、大気が連通している。固体電解質層３０の内部空間３６の先端側は、緻密性の高い絶縁部材４６により大気（酸素）の流通が遮断される可能性があるが、上記した貫通孔４８は、センサ外部から固体電解質層３０の内部空間３６の先端側へ大気を導入するガス導入孔である。このため、芯ロッド４２の貫通孔４８を通じて、固体電解質層３０の先端側内面に配設される内側電極３４へ大気を導くことが可能である。

センサ素子１２の固体電解質層３０の内面（特に、内側電極３４の表面）及びヒータ４０の表面には、比表面積を大きくするアルミナ粒子などの塗布部材５０が塗布されている。塗布部材５０は、その塗布部材５０が塗布されていない場合と比べて、固体電解質層３０（特に内側電極３４）とヒータ４０（特にヒータパターン４４）との間に電流が流れる際の電流経路を延ばし、両者間の絶縁距離を確保する機能を有している。

ガスセンサ１０の後端側（図１における上端側）には、内部でセンサ素子１２の固体電解質層３０及びヒータ４０が保持される外套としての金属製のケーシング５２が設けられている。ケーシング５２の後端は開口している。ケーシング５２の開口には、その開口を塞ぐゴム製の栓体５４が挿嵌されている。栓体５４には、ガスセンサ１０の軸方向に沿って貫通した通気孔が形成されている。この栓体５４の通気孔は、固定電解質層３０の内部空間３６と大気とを連通させる。尚、この通気孔には、通気性、撥水性、及び撥油性のある耐熱樹脂により形成されたフィルタが装着される。

栓体５４には、また、リード線５６が貫通している。リード線５６の一端は、センサ素子１２の内部においてヒータ４０のヒータパターン４４に接続し又は内側電極３４に接続しており、リード線５６の他端は、センサ素子１２の外部において外部のＥＣＵ６０に接続し又は車載バッテリ６２に接続している。リード線５６の一端とヒータパターン４４との接続部位及びリード線５６の一端と内側電極３４との接続部位には、センサ素子１２の外部から内部への水の浸入を防止する止水処理が施されている。具体的には、リード線５６の一端とヒータパターン４４とはかしめ接続されており、また、リード線５６の一端と内側電極３４とはかしめ接続されている。リード線５６及びヒータパターン４４又は内側電極３４のリード線５６の一端との接続部位は、ガラスやアルミナ等の絶縁体で全体を覆われている。

ヒータ４０の開口側端部は、ケーシング５２内に挿嵌されたアルミナ等の絶縁体６４に支持されたヒータホルダ６６により保持されている。ヒータホルダ６６は、円筒状に形成されており、その中心にヒータ４０が挿通された際にそのヒータ４０を保持するように径方向中心へ向けて弾性力を発生する。ヒータホルダ６６の基材は金属により形成されているが、そのヒータホルダ６６の表面には絶縁コートが施されている。このため、ヒータ４０とヒータホルダ６６との絶縁性は確保されており、ヒータ４０に流れた電流がヒータホルダ６６及びそのヒータホルダ６６を介して固定電解質層３０の内面側へ流通することは回避される。

次に、本実施例のガスセンサ１０の動作について説明する。

本実施例において、排気通路を流れた排気ガスの一部は、ガスセンサ１０の外側ケーシング１６の連通孔２２及び内側ケーシング１４の連通孔２６を介して、センサ素子１２が収容された内側ケーシング１４の内部空間２４に流入する。内側ケーシング１４の内部空間２４に流入した排気ガスは、センサ素子１２の外側電極３２に接触する。

排気ガスと大気との酸素分圧に差が生じると、酸素分圧の高い側（通常は大気側）の酸素が、イオン化して固体電解質層３０を通過し、酸素分圧の低い側（通常は排気側）へ移動する。酸素分子は、イオン化する過程で電子を内側電極３４から受け取り、イオン化した状態から分子に戻る過程で電子を外側電極３２に放出する。かかる酸素分子の移動に伴って外側電極３２から内側電極３４に向かう電子の移動が生じ、その結果として、内側電極３４と外側電極３２との間に起電力が発生する。この起電力は酸素分圧比に比例するが、混合気が燃料の濃いリッチな状態で燃焼したときの排気ガス中のＨＣやＣＯは、外側電極３２の表面において白金などの触媒作用により、酸素と化学平衡に達するまで反応する。その結果、理論空燃比を境界にして酸素分圧が急激に低下して起電力が大きく変化するので、センサ素子１２の出力電圧の大小により空燃比がリッチであるか或いはリーンであるかを判定することが可能である。

ガスセンサ１０の外側電極３２及び内側電極３４は、上記したリード線５６を介してＥＣＵ６０に接続されている。ＥＣＵ６０は、リード線５６を介して入力される外側電極３２の電圧と内側電極３４の電圧との差（電位差）を検出し、その電位差に基づいて排気ガス中の酸素濃度（空燃比）を算出する。そして、ＥＣＵ６０は、その酸素濃度（空燃比）に基づいて、空燃比が目標空燃比に一致するようにフィードバック制御を行う。

また、ヒータ４０のヒータパターン４４の一端は、上記したリード線５６を介してＥＣＵ６０に接続されている。また、ヒータパターン４４の他端は、上記したリード線５６を介して車載バッテリ６２に接続されている。ＥＣＵ６０は、ガスセンサ１０のセンサ素子１２が目標温度（例えば５５０℃）に達せず活性化していない場合に、車載バッテリ６２から電力供給が行われて発熱が行われるようにヒータ４０の通電制御を行う。かかる通電が行われると、ヒータ４０のヒータパターン４４の発熱部が発熱するので、センサ素子１２の先端側が加熱され、センサ素子１２が活性化される。

本実施例のガスセンサ１０の構造においては、センサ素子１２の固体電解質層３０の内面とヒータ４０の外面との間に絶縁部材４６が介在している。この絶縁部材４６は、ヒータ４０の全周に亘ってヒータ４０を囲むように形成された円筒状の部材である。このため、固体電解質層３０とヒータ４０とが径方向に相対変位するのを防止することができるので、固体電解質層３０（特に内側電極３４）とヒータ４０（特にヒータパターン４４）との絶縁性を確保することが可能である。

尚、固体電解質層３０の内面とヒータ４０の外面との間に絶縁部材４６が介在すると、固体電解質層３０の内部空間３６の、内側電極３４が配設される軸方向先端側が酸欠に陥る可能性がある。これに対して、本実施例においては、ヒータ４０の芯ロッド４２に、軸方向に向けて貫通する貫通孔４８が形成されている。このため、その貫通孔４８を通じて固体電解質層３０の内部空間３６の軸方向先端側に大気を導くことができるので、センサ素子１２の外側電極３２と内側電極３４とを用いた排気ガス中の酸素濃度の検出精度が低下するのを防止することが可能である。

また、本実施例のガスセンサ１０の構造においては、固体電解質層３０の内面（特に、内側電極３４の表面）及びヒータ４０の表面には、比表面積を大きくする塗布部材５０が塗布されている。かかる塗布部材５０による塗布がなされていると、その塗布がなされていない場合と比べて、固体電解質層３０（特に内側電極３４）とヒータ４０（特にヒータパターン４４）との間に電流が流れる際の電流経路が長くなる。このため、固体電解質層３０（特に内側電極３４）とヒータ４０（特にヒータパターン４４）との絶縁性を確保することが可能である。

また、本実施例のガスセンサ１０の構造においては、ヒータ４０の開口側端部がケーシング５２内においてヒータホルダ６６により保持されている。このヒータホルダ６６の表面には、絶縁コートが施されている。ヒータ４０は、固定電解質層３０の内部空間３６内において絶縁部材４６により保持されかつケーシング５２内においてヒータホルダ６６により保持される。

従って、本実施例においては、ヒータ４０を保持するホルダがセンサ素子１２の内側電極３４を兼ねている或いはその内側電極３４と接続しているセンサ構造と異なり、ヒータ４０（特にヒータパターン４４）の、他の部位（例えば固定電解質層３０の内面側）との絶縁性を確保することができ、ヒータ４０に流れた電流がヒータホルダ６６ひいてはヒータホルダ６６を介して固定電解質層３０の内面側へ流通するのを回避することができる。このため、ヒータ４０に印加した電圧がヒータホルダ６６を介してセンサ素子１２の内側電極３４に印加されるのを防止することができ、その結果として、ヒータ４０による加熱時にセンサ素子１２が破壊され或いはセンサ素子１２の信号出力レベルが異常となるのを防止することが可能である。

更に、本実施例のガスセンサ１０の構造においては、ヒータパターン４４や内側電極３４と、他端が外部のＥＣＵ６０や車載バッテリ６２に接続するリード線５６の一端と、はセンサ素子１２の内部においてかしめ接続されており、ヒータパターン４４や内側電極３４とリード線５６の一端との接続部位には、センサ素子１２の外部から内部への水の浸入を防止する止水処理が施されている。このため、センサ素子１２の外部からリード線５６を介してセンサ素子１２の内部へ水が浸入するのを抑止することができ、その結果として、センサ素子１２の内側電極３４とヒータ４０との結露に起因するショートを防止することが可能である。

尚、上記の実施例においては、固体電解質層３０が特許請求の範囲に記載した「筒状部材」に、大気が特許請求の範囲に記載した「基準ガス」に、排気ガスが特許請求の範囲に記載した「被測定ガス」に、貫通孔が特許請求の範囲に記載した「ガス導入孔」に、リード線５６の一端とヒータパターン４４とがかしめ接続され、かつ、リード線５６の一端と内側電極３４とがかしめ接続されることが特許請求の範囲に記載した「止水手段」に、それぞれ相当している。

ところで、上記の実施例においては、ガスセンサ１０を、エンジンから排出される排気ガスを大気と比較することでその排気ガス中の酸素濃度又は空燃比を検出するのに用いているが、本発明はこれに限定されるものではなく、被測定ガスを基準ガスと比較してその被測定ガスの状態を検出するものであればよい。

また、上記の実施例においては、センサ素子１２が円筒状に形成されているが、少なくとも筒状に形成されていればよい。

１０ ガスセンサ
１２ センサ素子
３０ 固体電解質層
３２ 外側電極
３４ 内側電極
３６ 内部空間
４０ ヒータ
４４ ヒータパターン
４６ 絶縁部材
４８ 貫通孔
５０ 塗布部材
５６ リード線

Claims (1)

1. 先端が封止された筒状部材と、前記筒状部材の内面に配設された基準ガスと接触する内側電極と、前記筒状部材の外面に配設された被測定ガスと接触する外側電極と、を有するセンサ素子と、
   前記筒状部材の内部空間に挿入され、前記センサ素子を加熱するヒータと、
   前記筒状部材の内面と前記ヒータとの間に介在し、前記内側電極と該ヒータとを絶縁する絶縁部材と、
   前記内側電極及び／又は前記ヒータの表面に塗布された比表面積を大きくする塗布部材と、
   前記絶縁部材を貫通し、前記内側電極に基準ガスを導くガス導入孔と、
   前記筒状部材の内部空間内で接続される外部電線と前記内側電極又は前記ヒータとの接続部位に施された止水手段と、
   を備えることを特徴とするガスセンサの構造。

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