JP2012233788A

JP2012233788A - ガスセンサ

Info

Publication number: JP2012233788A
Application number: JP2011102650A
Authority: JP
Inventors: Yasushi Matsuo; 康司松尾; Hidekazu Kato; 秀和加藤
Original assignee: NGK Spark Plug Co Ltd
Current assignee: Niterra Co Ltd
Priority date: 2011-05-02
Filing date: 2011-05-02
Publication date: 2012-11-29
Anticipated expiration: 2031-05-02
Also published as: JP5529070B2

Abstract

【課題】フィルタの位置をガスセンサの先端側から遠ざけてフィルタの通気性を維持すると共に、保護外筒と外筒との隙間腐食を防止し、保護外筒を外筒に強固に固定したガスセンサを提供する。
【解決手段】ガスセンサ素子３と、主体金具２０と、第１通気孔４１を有する筒状の外筒４０と、外筒の後端側に内挿される弾性部材１３１と、第１通気孔を塞ぐように外筒の径方向外側に配置され、通気性を有するフィルタ５０と、フィルタを径方向外側から囲むと共に、フィルタに連通する第２通気孔６１を有する筒状の保護外筒６０と、を備えたガスセンサ１００であって、外筒と保護外筒とは、第１通気孔及び第２通気孔よりそれぞれ先後の２箇所でフィルタを介して加締められ、外筒と保護外筒とが直接接して加締められず、後端側加締め部Ｓ_２が弾性部材の軸線方向の領域Ｒ内に位置し、先端側加締め部Ｓ_１は外筒が径方向内側に凹むように変形している。
【選択図】図１

Description

本発明は、被検出ガスの濃度を検出するガスセンサ素子を備えたガスセンサに関する。

自動車等の排気ガス中の特定ガス（例えば、酸素やＮＯ_ｘ）の濃度を検出するガスセンサとして、固体電解質を用いたガスセンサ素子を有するものが知られている。
図４に示すように、この種のガスセンサ１０００は、軸線Ｏ方向に延びるガスセンサ素子３の径方向周囲を主体金具２０で保持し、主体金具２０の後端側に外筒４００を取り付けて構成されている。そして、外筒４００の内側でガスセンサ素子３の後端側に設けられた電極（図示せず）が端子金具７１、９１に電気的に接続され、さらに端子金具７１、９１に接続されたリード線１４１が外筒４００の後端側に内挿された弾性部材（グロメット）１３１を挿通して外部に取り出される。
又、外筒４００内部のガスセンサ素子３に基準酸素濃度の外気を導入するため、外筒４００の側面に第１通気孔４１０が形成されており、そして第１通気孔４１０を通気性のフィルタ５０で塞ぎつつ、さらにフィルタ５０の外側から保護外筒６００を被せ、保護外筒６００と外筒４００とを加締めてフィルタ５０を固定している（特許文献１）。なお、保護外筒６００にもフィルタに連通する第２通気孔６１０が開口しており、外気がフィルタ５０を介して外筒４００内部に導入されるようになっている。

特開２００３−１１４２１０号公報特開２００６−１４５３９７号公報（図２）

ところで、特許文献１記載のガスセンサ１０００の場合、保護外筒６００を外筒４００に強固に固定するために、フィルタ５０より後端のグロメット１３１の位置Ｓ_１０２で保護外筒６００と外筒４００とを直接加締めている。このため、樹脂製のフィルタ５０の位置が、ガスセンサ１０００の先端側（図３の下側）により近くなり（つまり、グロメット１３１が配置された位置よりも先端側に配置され）、熱源（例えば、排気管や排気ガス）からの受熱でフィルタ５０がクリープして、フィルタ５０の通気性が低下するおそれがある。
そこで、フィルタを熱源からできる限り離し、フィルタの通気性を維持するために、フィルタをガスセンサの後端側に配置されたグロメットの位置と重なるように配置し、グロメットの径方向外側でフィルタを介して保護外筒と外筒とを加締める技術が開発されている（特許文献２）。そして、特許文献２記載のガスセンサの場合、フィルタよりも先端側の位置で保護外筒と外筒とを直接加締めて直接加締め部を形成することで、保護外筒を外筒に強固に固定している。

しかしながら、上記した特許文献２記載の技術の場合、フィルタよりも先端側の位置で保護外筒と外筒とを直接加締めて直接加締め部を形成すると、隙間腐食が生じるという問題がある。
この隙間腐食は、直接加締め部よりも先端側に設けられた保護外筒と外筒との微少な隙間に、ガスセンサに被水した塩水等が表面張力によって長期間保持されることで、保護外筒と外筒との間で化学反応が起こり、外筒又は保護外筒が腐食する現象のことである。

従って、本発明は、フィルタの位置をガスセンサの先端側から遠ざけてフィルタの通気性を維持すると共に、保護外筒と外筒との隙間腐食を防止するためにフィルタよりも先端側に直接加締め部を形成せずに、保護外筒を外筒に強固に固定したガスセンサの提供を目的とする。

上記課題を解決するため、本発明のガスセンサは、軸線方向に延びるガスセンサ素子と、前記ガスセンサ素子の径方向周囲を取り囲んで該ガスセンサ素子を保持する筒状の主体金具と、前記主体金具に取り付けられると共に、前記主体金具よりも後端側に延び、自身の内部へ外気を導入する第１通気孔を有する筒状の外筒と、前記外筒の後端側に内挿され、前記外筒を封止する弾性部材と、前記第１通気孔を塞ぐように前記外筒の径方向外側に配置され、通気性を有するフィルタと、前記フィルタを径方向外側から囲むと共に、前記フィルタに連通する第２通気孔を有する筒状の保護外筒と、を備えたガスセンサであって、前記外筒と前記保護外筒とは、前記第１通気孔及び前記第２通気孔よりそれぞれ先後の２箇所で、前記フィルタを介して加締められた先端側加締め部及び後端側加締め部を有し、前記外筒と前記保護外筒とが直接接して加締められず、前記後端側加締め部が前記弾性部材の軸線方向の領域内に位置し、前記先端側加締め部は前記外筒が径方向内側に凹むように変形している。

このガスセンサによれば、後端側加締め部が弾性部材の軸線方向の領域内に位置している。これにより、フィルタをガスセンサの後端側に配置された弾性部材の位置と重なるように配置することができるので、フィルタの位置をガスセンサの先端側からより遠ざけることができ、熱源（排気管）からの受熱でフィルタがクリープして、フィルタの通気性が低下することを抑制できる。
また、外筒と保護外筒が直接接して加締められていない。これにより、外筒と保護外筒との直接加締め部に隙間腐食が生じることを防止できる。
その上、先端側加締め部において、外筒が内側に凹むように変形している。つまり、先端側加締め部において、外筒が径方向内側へ凹んで変形するまで強く加締められるので、保護外筒を外筒に強固に固定することができる。

さらに、本発明のガスセンサでは、前記後端側加締め部は前記外筒が径方向内側に凹むように変形している。後端側加締め部においては、径方向内側へ縮径する加締めに対して弾性部材が弾性力により反発するので、後端側加締め部の外筒が変形しなくとも、保護外筒を外筒に強固に固定できている。しかしながら、後端側加締め部においても、外筒が径方向内側へ凹んで変形するまで強く加締めているので、径方向内側へ縮径する加締めに対して弾性部材が弾性力により反発する力をより大きくすることができ、保護外筒を外筒により強固に固定することができる。

さらに、本発明のガスセンサは、前記先端側加締め部は前記弾性部材の先端よりも先端側に位置し、前記後端側加締め部よりも前記先端側加締め部にて、前記外筒が大きく変形している。これにより、弾性部材の弾性力を利用できず後端側加締め部よりも加締め力が弱くなる先端側加締め部においても、保護外筒を外筒に強固に固定することができる。

この発明によれば、フィルタの位置をガスセンサの先端側から遠ざけてフィルタの通気性を維持すると共に、保護外筒と該当との隙間腐食を防止するためにフィルタよりも先端側に直接加締め部を形成せずに、保護外筒を外筒に強固に固定することができる。

本発明の実施形態に係るガスセンサを軸方向に沿う面で切断した断面図である。加締め前の外筒と保護外筒の配置状態を示す断面図である。外筒の第１通気孔と保護外筒の第２通気孔との位置関係を示した別実施形態を示す斜視図である。従来のガスセンサを軸方向に沿う面で切断した断面図である。

以下、本発明の実施形態について説明する。
図１は、本発明の第１の実施形態に係るガスセンサ１００を軸線Ｏ方向（先端から後端に沿う方向）に沿う面で切断した断面構造を示す。この実施形態において、ガスセンサ１００は自動車の排気管内に挿入されて先端（図１のプロテクタ７側）が排気ガス中に曝され、排気ガス中の酸素濃度を検出する酸素センサになっている。
なお、図１の下側（プロテクタ７側）をガスセンサ１００の先端側とし、図１の上側をガスセンサ１００の後端側とする。

ガスセンサ１００は、ガスセンサ素子３がハウジング（主体金具）２０内に組み付けられている。このガスセンサ素子３は、酸素イオン伝導性の固体電解質体に一対の電極を積層した酸素濃淡電池を構成し、酸素量に応じた検出値を出力する公知の酸素ガスセンサ素子である。詳細には、ガスセンサ素子３は、先端に向かってテーパ状に縮径する有底筒状の固体電解質体と、固体電解質体の内周面と外周面にそれぞれ形成された内側電極及び外側電極（図示せず）とからなる。そして、ガスセンサ素子３の内部空間を基準ガス雰囲気とし、ガスセンサ素子３の外面に被検出ガスを接触させてガスの検知を行うようになっている。
ガスセンサ素子３の中央付近には、径方向外側に突出する鍔部３ａが設けられている。一方、ハウジング２０の先端寄りの内周面には内側に縮径する段部２０ｅが設けられ、鍔部３ａと段部２０ｅの間にパッキン１２が配置されている。そして、ガスセンサ素子３をハウジング２０の内側に挿通し、鍔部３ａをパッキン１２に当てることにより、間接的に段部２０ｅに後端側からガスセンサ素子３の鍔部３ａが当接し、ガスセンサ素子３がハウジング２０内に組み付けられている。

さらに、鍔部３ａの後端側におけるガスセンサ素子３とハウジング２０との径方向の隙間に、筒状のシール材（滑石粉末）６が充填され、さらにシール材６の後端側に筒状の絶縁部材（セラミックスリーブ）３１が配置されている。そして、絶縁部材３１の後端側に金属リング（ステンレス製の平ワッシャ）３０を配し、ハウジング２０の後端部を内側に屈曲して加締め部２０ａを形成することにより、絶縁部材３１が先端側に押し付けられてシール材６を押し潰し、絶縁部材３１及びシール材６が加締め固定されるとともに、ガスセンサ素子３とハウジング２０の隙間がシールされる。

さらに、ハウジング２０の後端には、ガスセンサ素子３の後端部を覆うため、金属製筒状の外筒４０が接合されている。この外筒４０は、例えば、ＳＵＳ４３０、ＳＵＳ３０４、ＳＵＳ３０４Ｌ、ＳＵＳ３１０Ｓ、ＳＵＳ３１６、ＳＵＳ３１６Ｌ等のステンレス鋼を用いることができる。外筒４０は、ハウジング２０に接続する先端部４０ａと先端部４０ａよりも縮径された後端部４０ｂとを有し、先端部４０ａと後端部４０ｂとの間には、段部４３が設けられている。

外筒４０の先端部４０ａの内側には、絶縁性の筒状のセパレータ１１１が配置されている。さらに、セパレータ１１１の２個の挿通孔には、それぞれ端子金具７１、９１の基部７４、９４が挿通されている。この各基部７４、９４の後端にはそれぞれ接続端部７５、９５が形成され、接続端部７５、９５にそれぞれリード線１４１、１４１が加締め接続されている。また、セパレータ１１１は、セパレータ１１１の後端面を段部４３に当接させつつ、セパレータ１１１の先端面をセパレータ１１１よりも先端側に配置した保持金具４５に当接させることで、外筒４０内に保持される。この保持金具４５は、セパレータ１１１よりも先端側に配置され、外筒４０の先端部４０ａが加締められることで外筒４０内に固定されている。

外筒４０の後端部４０ｂの内側には筒状のグロメット（特許請求の範囲の「弾性部材」に相当）１３１が内挿されて加締め固定されている。このグロメット１３１には、２個の挿通孔からそれぞれリード線１４１、１４１が外部に引き出されている。グロメット１３１としては、例えばシリコンゴムやフッ素ゴム等からなる弾性部材を用いることができる。又、本実施形態では、グロメット１３１の後端側がフランジ状に拡径しており、この拡径部分を外筒４０の後端に載置することにより、グロメット１３１の位置決めが容易になる。

端子金具７１は、筒形状を有し、ガスセンサ素子３の内側に内嵌され、ガスセンサ素子３の内側に設けられた内側電極と電気的に接続される。又、端子金具９１は、筒形状を有し、ガスセンサ素子３の外側に外嵌めされ、ガスセンサ素子３の外側に設けられた外側電極と電気的に接続される。

一方、ハウジング２０の先端部２０ｆには金属製（ステンレスなど）で筒状のプロテクタ７が固定され、ハウジング２０から突出するガスセンサ素子３の先端がプロテクタ７で覆われている。このプロテクタ７は、排気ガスをプロテクタ７の内部に取り込むための複数の孔部を有している。

なお、ハウジング２０の中央付近には、径方向外側に突出し六角レンチ等を係合するための多角形の鍔部２０ｃが設けられ、鍔部２０ｃと先端部２０ｆとの間のハウジング２０外側面には雄ねじ部２０ｄが形成されている。又、鍔部２０ｃの先端面と雄ねじ部２０ｄの後端との間の段部には、排気管に取付けた際のガス抜けを防止するガスケット（図示せず）が嵌挿されている。
そして、ハウジング２０の雄ねじ部２０ｄを排気管等のネジ孔に取付けることで、ガスセンサ素子３の先端を排気管内に露出させて被検出ガス（排気ガス）を検知している。

次に、本発明の特徴部分である外筒４０の後端部４０ｂ、フィルタ５０及び保護外筒６０について説明する。
外筒４０の後端部４０ｂの側面のうち、グロメット１３１の先端１３１ａより先端の位置には、周方向に等間隔で４個（図１では３個のみ図示）の第１通気孔４１が開口し、外筒４０内部へ外気を導入可能になっている。そして、外筒４０の後端部４０ｂの径方向外側には、第１通気孔４１を塞ぐように環状の通気性のフィルタ５０が被せられ、さらにフィルタ５０を径方向外側から金属製筒状の保護外筒６０が囲んでいる。この保護外筒６０は、例えば、ＳＵＳ４３０、ＳＵＳ３０４、ＳＵＳ３０４Ｌ、ＳＵＳ３１０Ｓ、ＳＵＳ３１６、ＳＵＳ３１６Ｌ等のステンレス鋼を用いることができる。保護外筒６０の側面には周方向に等間隔で４個（図１では２個のみ図示）の第２通気孔６１が開口し、第２通気孔６１からフィルタ５０の外面の一部が露出することで第２通気孔６１がフィルタ５０に連通し、外気がフィルタ５０を介して外筒４０内部に導入されるようになっている。
フィルタ５０は、例えばフッ素系樹脂等の樹脂の多孔質構造体からなり、撥水性を有しているため外部の水を通さずにセンサ素子３の内部空間に基準ガス（大気）を導入するようになっている。
また、保護外筒６０は、後端部がグロメット１３１の後端面上に設けられるように径方向内側に折り曲げられてなり、後端部の中央に開口６３が形成され、開口６３からリード線１４１、１４１が外部に引き出されている。

ここで、外筒４０（後端部４０ｂ）と保護外筒６０とには、第１通気孔４１及び第２通気孔６１よりそれぞれ先後の２箇所で、かつフィルタ５０を介して加締められた先端側加締め部Ｓ_１及び後端側加締め部Ｓ_２が設けられている。このうち、後端側加締め部Ｓ_２は、弾性部材１３１の軸線Ｏ方向の領域Ｒ内に位置する。
このようにして加締めると、フィルタ５０をガスセンサ１００の後端側に配置されたグロメット１３１の位置と重なるように配置することができるので、樹脂製のフィルタ５０の位置をガスセンサ１００の先端側からより遠ざけることができ、熱源（排気管）からの受熱でフィルタ５０が収縮してシール性が低下することを防止できる。

又、ガスセンサ１００は、外筒４０と保護外筒６０とが直接接して加締められていない。これにより、外筒４０と保護外筒６０との直接加締め部、もしくはそれよりも先端側の隙間が設けられず、外筒４０と保護外筒６０とに隙間腐食が生じることを防止できる。

さらに、ガスセンサ２００は、先端側加締め部Ｓ_１において、外筒４０が径方向内側に凹むように変形している。つまり、先端側加締め部Ｓ_１において、外筒４０が径方向内側へ凹んで変形するまで強く加締められるので、加締めが十分となり、保護外筒６０を外筒４０に強固に固定できる。

さらに、ガスセンサ１００では、後端側加締め部Ｓ_２は外筒４０が径方向内側に凹むように変形している。つまり、後端側加締め部Ｓ_２においても、外筒４０が径方向内側へ凹んで変形するまで強く加締めている。これにより、径方向内側へ縮径する加締めに対してグロメット１３１が弾性力により反発する力をより大きくすることができ、保護外筒６０を外筒４０により強固に固定することができる。

さらに、ガスセンサ１００では、先端側加締め部Ｓ_１はグロメット１３１の先端１３１ａよりも先端側に位置し、後端側加締め部Ｓ_２よりも先端側加締め部Ｓ_１にて、外筒４０が大きく変形している。これにより、グロメット１３１の弾性力を利用できず後端側加締め部Ｓ_２よりも加締め力が弱くなる先端側加締め部Ｓ_１においても、保護外筒６０を外筒４０に強固に固定することができる。

なお、後端側加締め部Ｓ_２がグロメット１３１の軸線Ｏ方向の領域Ｒ内に位置するとは、後端側加締め部Ｓ_２の一部が領域Ｒ内に位置することをいう。
また、外筒４０及び保護外筒６０の硬度が１００〜４００Ｈｖ、厚みは、０．２〜０．８ｍｍであるとよい。
さらに、先端側加締め部Ｓ１、及び後端側加締め部Ｓ２は、第１通気孔４１及び第２通気孔６１の孔形状が変形しないように加締められることが好ましい。これにより、第１通気孔４１及び第２通気孔６１にて正確な通気量を確保することができる。

次に、本実施形態のガスセンサ１００の製造方法について説明する。図２は、加締め前の外筒４０と保護外筒６０の配置状態を示す断面図である。まず、外筒４０の内側にセパレータ１１１を配置する。この際、外筒４０の段部４３にセパレータ１１１の後端面を当接させる。次に、セパレータ１１１の先端側に保持金具４５を配置し、外筒４０（先端部４０ａ）を加締めることで、保持金具４５を固定する。これによりセパレータ１１１が外筒４０の先端部４０ａ内に固定される。
次に、外筒４０の後端部４０ｂにフィルタ５０を配置すると共に、外筒４０の後端にグロメット１３１が係合するようにグロメット１３１を配置する。次いで、外筒４０の外側に保護外筒６０を被せ、外筒４０と保護外筒６０との間にフィルタ５０を介して加締め、先端側加締め部Ｓ_１及び後端側加締め部Ｓ_２とを形成し、外筒４０と保護外筒６０とを固定する。

その後は、公知の方法にてガスセン１００を作成する。具体的には、ガスセンサ素子３、主体金具１０、プロテクタ７等にて形成された下部組立体に上述の保護外筒６０が固定された外筒４０を組み付け、外筒４０と主体金具１０とをレーザ溶接等により固定する。

本発明は上記実施形態に限定されず、本発明の思想と範囲に含まれる様々な変形及び均等物に及ぶことはいうまでもない。

本実施形態では、後端側加締め部Ｓ_２は、外筒４０が変形していたが、これに限らず、外筒４０が変形していない構成であっても良い。後端側加締め部Ｓ_２は、径方向内側へ縮径する加締めに対してグロメット１３１が弾性力により反発するので、後端側加締め部Ｓ_２の外筒４０が変形しなくとも、保護外筒６０を外筒４０に強固に固定できる。

さらに、図３は、外筒４０の第１通気孔４１と保護外筒６０の第２通気孔６１との位置関係を示した別実施形態である。第１通気孔４１と第２通気孔６１との位置は一致する必要はなく、図３のように、第１通気孔４１と第２通気孔６１とが周方向に互い違いに配置されていてもよい。これは、第１通気孔４１と第２通気孔６１とがそれぞれフィルタ５０に連通しているので、外気を外筒４０内部に導入することができるためである。このように、第１通気孔４１と第２通気孔６１とをそれぞれ周方向に複数個設けると、外筒４０の第１通気孔４１と保護外筒６０の第２通気孔６１とが重なるように位置決めする必要がなく、生産性が向上する。
又、軸線Ｏ方向に見て、第１通気孔４１は、グロメット１３１の先端１３１ａより先端に位置する必要があるが、第２通気孔６１は後端側加締め部Ｓ_２より先端側であればグロメット１３１の先端１３１ａより後端に位置してもよい。

また、本実施形態では、第１通気孔４１のすべてがグロメット１３１の先端１３１ａより先端に位置していたが、これに限らず、第１通気孔４１の一部がグロメット１３１の先端１３１ａよりも先端に位置していても良い（つまり、第１通気孔４１がグロメット１３１の先端１３１ａを跨ぐように位置しても良い）。

又、上記実施形態では、第１通気孔４１と第２通気孔６１とをそれぞれ周方向に複数個設けたが、第１通気孔４１と第２通気孔６１の形成位置及び個数は上記に限られない。
さらに、本実施形態では、フィルタ５０は環状形状を有していたが、これに限られず、第１通気孔４１と第２通気孔６１とを連通する形態であれば、周方向に部分的に設けられていても良い。
さらに、ガスセンサ素子としては、上記した酸素センサ素子（全領域空燃比センサ素子）の他、λセンサ素子、ＮＯ_ｘセンサ素子、アンモニアセンサ素子を用いることができ、筒型の素子だけでなく、板型の素子であってもよい。

３ガスセンサ素子
２０主体金具
４０外筒
４１第１通気孔
５０フィルタ
６０保護外筒
６１第２通気孔
１００ガスセンサ
１３１弾性部材
１４１リード線
Ｏ軸線方向
Ｓ_１先端側加締め部
Ｓ_２後端側加締め部
Ｒ弾性部材の領域

Claims

軸線方向に延びるガスセンサ素子と、
前記ガスセンサ素子の径方向周囲を取り囲んで該ガスセンサ素子を保持する筒状の主体金具と、
前記主体金具に取り付けられると共に、前記主体金具よりも後端側に延び、自身の内部へ外気を導入する第１通気孔を有する筒状の外筒と、
前記外筒の後端側に内挿され、前記外筒を封止する弾性部材と、
前記第１通気孔を塞ぐように前記外筒の径方向外側に配置され、通気性を有するフィルタと、
前記フィルタを径方向外側から囲むと共に、前記フィルタに連通する第２通気孔を有する筒状の保護外筒と、
を備えたガスセンサであって、
前記外筒と前記保護外筒とは、前記第１通気孔及び前記第２通気孔よりそれぞれ先後の２箇所で、前記フィルタを介して加締められた先端側加締め部及び後端側加締め部を有し、
前記外筒と前記保護外筒とが直接接して加締められず、
前記後端側加締め部が前記弾性部材の軸線方向の領域内に位置し、
前記先端側加締め部は前記外筒が径方向内側に凹むように変形しているガスセンサ。
前記後端側加締め部は、前記外筒が径方向内側に凹むように変形している請求項１又は２に記載のガスセンサ。
前記先端側加締め部は前記弾性部材の先端よりも先端側に位置し、
前記後端側加締め部よりも前記先端側加締め部にて、前記外筒が大きく変形している請求項２に記載のガスセンサ。