JP2017133923A

JP2017133923A - ガスセンサ

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Publication number: JP2017133923A
Application number: JP2016013590A
Authority: JP
Inventors: 健弘大場; Takehiro Oba; 省吾永田; Shogo Nagata; 俊哉三原; Toshiya Mihara
Original assignee: NGK Spark Plug Co Ltd
Current assignee: Niterra Co Ltd
Priority date: 2016-01-27
Filing date: 2016-01-27
Publication date: 2017-08-03
Anticipated expiration: 2036-01-27
Also published as: US20170212074A1; DE102017101429A1; JP6607797B2

Abstract

【課題】フィルタの通気性を維持すると共に、外部の異物がフィルタに直接接触することを抑制したガスセンサを提供する。【解決手段】軸線Ｏ方向に延びる検出素子３と、検出素子を保持する筒状の主体金具２９と、主体金具に取り付けられると共に、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３３ｈを有する筒状の外筒３３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３７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３９ｈを有する筒状の保護外筒３９と、を備えたガスセンサ１であって、第２通気孔の直径が第１通気孔の直径より小さく、かつ第２通気孔の個数が第１通気孔の個数より多くなっている。【選択図】図２

Description

本発明は、被検出ガスの濃度を検出する検出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検出素子を有するものが知られている。
この種のガスセンサとして、軸線方向に延びる検出素子の径方向周囲を主体金具で保持し、主体金具の後端側に外筒を取り付けた構成が知られている（特許文献１）。このガスセンサにおいては、外筒内部の検出素子に基準酸素濃度の外気を導入するため、外筒の側面に第１通気孔が形成されている。そして、第１通気孔を通気性のフィルタで塞ぎつつ、さらにフィルタの外側から保護外筒を被せ、保護外筒と外筒とを加締めてフィルタを固定している。また、保護外筒にもフィルタに連通する第２通気孔が開口しており、外気がフィルタを介して外筒内部に導入されるようになっている。

特開平８−１４５９３９号公報（図３）

ところで、フィルタは保護外筒の第２通気孔から外部に露出しており、車両の洗車時の水滴や、走行時の雪などの外部の異物がフィルタに直接接触するおそれがある。そこで、これらの外部の異物がフィルタに直接接触することを抑制するため、特許文献１記載のガスセンサでは第２通気孔を第１通気孔よりも小径としている。
しかしながら、第２通気孔を第１通気孔より小径とすると、第２通気孔が通気抵抗となってフィルタの通気性が低下するおそれがある。

従って、本発明は、フィルタの通気性を維持すると共に、外部の異物がフィルタに直接接触することを抑制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、軸線方向に延びる検出素子と、前記検出素子の径方向周囲を取り囲んで該検出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、前記第２通気孔の直径が前記第１通気孔の直径より小さく、かつ前記第２通気孔の個数が前記第１通気孔の個数より多くなっている。
このガスセンサによれば、第２通気孔の直径が第１通気孔の直径より小さいことにより、第２通気孔からフィルタが外部に露出しても、外部の異物がフィルタに直接接触することを抑制できる。又、第２通気孔の個数が第１通気孔の個数より多いので、第１通気孔より小径の第２通気孔が通気抵抗となってフィルタの通気性が低下することを抑制できる。

前記第２通気孔の総面積が前記第１通気孔の総面積の７０〜１３０％であってもよい。
このガスセンサによれば、第２通気孔と第１通気孔の通気抵抗が近い値となるので、第２通気孔が通気抵抗となってフィルタの通気性が低下することをより一層抑制できる。

前記第２通気孔の直径が２．０ｍｍ以下であってもよい。
このガスセンサによれば、外部の異物がフィルタに直接接触することをより一層抑制できる。

前記軸線方向において前記第２通気孔の存在する領域および前記第１通気孔の存在する領域は重なり、かつ、前記第２通気孔および前記第１通気孔は周方向に重ならなくてもよい。
このガスセンサによれば、第２通気孔と第１通気孔とが軸線方向に少なくとも一部重なることで、軸線方向のガスセンサの高さを低減することができ、ガスセンサの小型化を図ることができる。又、保護外筒と外筒の間でフィルタを加締め固定する場合、軸線方向に加締め部を設けるためのスペースが必要になるが、第２通気孔と第１通気孔とが軸線方向に重なることで、このスペースを確実に設け、フィルタの加締め固定を確実に行える。
又、第２通気孔と第１通気孔とが周方向に重ならないことで、外部の異物がフィルタに接触したときにフィルタを貫通してフィルタが破損することを有効に抑制できる。
なお、図２に示すように、「軸線方向において第２通気孔の存在する領域」とは、「保護外筒３９の外周面において第２通気孔３９ｈが占める軸線方向の（帯状の）領域３９Ｒ」を意味し、「軸線方向において第１通気孔の存在する領域」とは、「外筒３３の外周面において第１通気孔３３ｈが占める軸線方向の（帯状の）領域３３Ｒ」を意味する。そして、「軸線方向において第２通気孔の存在する領域および第１通気孔の存在する領域が重なる」とは、「第２通気孔３９ｈが占める軸線方向の領域３９Ｒと、第１通気孔３３ｈが占める軸線方向の領域３３Ｒとが軸線方向において重なる」ことを意味する。
つまり、第２通気孔および第１通気孔が周方向に重ならなくても、第２通気孔および第１通気孔のそれぞれを軸線方向に投影した領域（帯）が重なるように各孔を配置することをいう。

前記保護外筒の先端縁が前記外筒の外面から離間していてもよい。
このガスセンサによれば、ガスセンサの先端側が被検出ガスに曝されて加熱され、外筒から後端側へ熱が伝わっても、外筒の外面から離間した保護外筒の先端縁がこの熱を放熱する放熱部として機能する。これにより、外筒と保護外筒の間に配置されたフィルタが受熱してクリープし（収縮し）、通気性やシール性が低下することを抑制できる。

この発明によれば、フィルタの通気性を維持すると共に、外部の異物がフィルタに直接接触することを抑制したガスセンサが得られる。

本発明の実施形態に係るガスセンサを軸線方向に沿う面で切断した断面図である。フィルタ近傍の図１の部分断面図である。加締め前の外筒を示す斜視図である。加締め前の保護外筒を示す斜視図である。加締め後の外筒と保護外筒を示す斜視図である。

以下、本発明の実施形態について説明する。
図１は、本発明の実施形態に係る酸素センサ（ガスセンサ）１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、酸素センサ１は自動車の排気管内に挿入されて先端（図１の保護キャップ３１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（保護キャップ３１側）を酸素センサ１の先端側とし、図１の上側を酸素センサ１の後端側とする。

酸素センサ１は、検出素子３がハウジング（主体金具）２９内に組み付けられている。この検出素子３は、軸線Ｏ方向に延びる酸素イオン伝導性の固体電解質体に一対の電極５，７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検出素子である。詳細には、検出素子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５及び外側電極７とからなる。そして、検出素子３の内部空間を基準ガス雰囲気とし、検出素子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。
検出素子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、主体金具２９の先端寄りの内周面には内側に縮径する段部２９ｅが設けられ、段部２９ｅの上にパッキン２７、筒状のセラミック部材２３が順に配置されている。そして、検出素子３を主体金具２９の内側に挿通し、鍔部３ａをセラミック部材２３に当てることにより、間接的に段部２９ｅに後端側から検出素子３の鍔部３ａが当接し、検出素子３が主体金具２９内に組み付けられている。
また、検出素子３の凹状の内部空間には、検出素子３を加熱するために、棒状のヒータ１７が挿入されている。

さらに、鍔部３ａの後端側における検出素子３と主体金具２９との径方向の隙間に、筒状のシール材（タルク粉末）２５が充填され、さらにシール材２５の後端側に筒状の絶縁部材（セラミックスリーブ）２１が配置されている。

この主体金具２９の後端側には、検出素子３及びヒータ１７の後端側の周囲を覆う様に、例えばステンレスからなる耐熱金属製の外筒３３が、Ｏリング３５を介して加締めによって取り付けられている。
なお、主体金具２９の後端側にＯリング３５と外筒３３の先端のフランジ部３３ｆ（図３参照）とを配し、主体金具２９の後端部を内側に屈曲して加締めることにより、絶縁部材２１が先端側に押し付けられてシール材２５を押し潰し、絶縁部材２１，シール材２５が加締め固定されるとともに、検出素子３と主体金具２９の隙間がシールされる。

更に、外筒３３の後端側には、後述するフィルタ３７を介して、例えばステンレスからなる耐熱金属製の保護外筒３９が外嵌されている。
外筒３３と保護外筒３９は、外筒３３の軸線Ｏ方向の中央付近で加締められて互いに固定され、加締め部Ａが設けられている。加締め部Ａにおいては、保護外筒３９だけでなく、外筒３３も径方向内側に凹んで変形するまで強く加締められている。
また、外筒３３の加締め部Ａよりも後端側に縮径された後端部３３ｅ（図３参照）が形成され、この縮径された後端部３３ｅと保護外筒３９との間の内部空間にフィルタ３７が介装されている。
なお、保護外筒３９は外筒３３よりも後端側へ突出して開口している。

外筒３３の後端部の開口を覆うようにして、絶縁性の筒状のセパレータ４５が配置されている。さらに、セパレータ４５の２個の挿通孔４３には、それぞれ端子金具９，１０の基部が挿通されている。この各基部にそれぞれリード線１３，１４が加締め接続されている。
なお、セパレータ４５は、外筒３３よりも小径の先端部と、外筒３３よりも大径の後端部とが段部４５ｓで繋がった形状をなし、セパレータの先端部を外筒３３の後端内側に挿入し、外筒３３の後端縁に段部４５ｓを当接させることで、セパレータ４５が外筒３３内に位置決めされている。

さらに、保護外筒３９の後端部の内側には、セパレータ４５の後端部に接するようにして、筒状のグロメット（弾性部材）４７が配置され、保護外筒３９で加締め固定されて加締め部Ｄが形成されている。グロメット４７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。
このグロメット４７には４個の挿通孔が貫通しており、リード線１３，１４がセパレータ４５の挿通孔４３及びグロメット４７の挿通孔から外部に引き出されている。又、セパレータ４５にはさらに２個の挿通孔（図示せず）が貫通しており、ヒータ１７の電極１８に接続された２本のリード線１５，１６が、セパレータ４５及びグロメット４７のこれらの挿通孔を通って外部に引き出されている。

端子金具９は、筒形状を有し、検出素子３の内側に内嵌され、検出素子３の内側に設けられた内側電極５と電気的に接続される。又、端子金具１０は、筒形状を有し、検出素子３の外側に外嵌めされ、検出素子３の外側に設けられた外側電極７と電気的に接続される。

一方、主体金具２９の先端には、金属製（ステンレスなど）で開口部３１ａを有する筒状の保護キャップ３１が固定され、主体金具２９から突出する検出素子３の先端が保護キャップ３１で覆われている。この保護キャップ３１は、排気ガスを保護キャップ３１の内部に取り込むための複数の孔部を有している。

なお、主体金具２９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２９ｃが設けられ、鍔部２９ｃより先端側の主体金具２９外側面には雄ねじ部２９ｄが形成されている。又、鍔部２９ｃの先端面と雄ねじ部２９ｄ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２８が嵌挿されている。
そして、主体金具２９の雄ねじ部２９ｄを排気管等のネジ孔に取付けることで、検出素子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、図２を参照し、外筒３３と保護外筒３９の間にフィルタ３７を配置する態様について説明する。
外筒３３の後端部の側面には、周方向に等間隔で４個（図２では１個のみ図示）の第１通気孔３３ｈが開口し、外筒３３内部へ外気を導入可能になっている。そして、外筒３３の径方向外側には、第１通気孔３３ｈを塞ぐように環状の通気性のフィルタ３７が被せられ、さらにフィルタ３７を径方向外側から保護外筒３９が囲んでいる。保護外筒３９の側面には周方向に等間隔で６個（図２では１個のみ図示）の第２通気孔３９ｈが開口し、第２通気孔３９ｈからフィルタ３７の外面の一部が露出することで第２通気孔３９ｈがフィルタ３７に連通し、外気がフィルタ３７を介して外筒３３内部に導入されるようになっている。

また、保護外筒３９は、後端部がグロメット４７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（図５参照）、後端部の中央に形成された開口にグロメット４７の挿通孔が臨み、リード線１３〜１６が外部に引き出される。
フィルタ３７は、例えばテフロン（登録商標）等の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検出素子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。フィルタ３７の厚さとしては、加締め前で、０.５〜２.０mm、加締め後で、０.２〜１.０mmの範囲のものを採用すると、十分な耐水性及び耐衝撃性を有するので好適である。また、フィルタ３７の軸線Ｏ方向の長さとしては、８〜２０mmの範囲のものを採用すると、十分な耐水性及び耐衝撃性を有するので好適である。

外筒３３と保護外筒３９は、第１通気孔３３ｈ及び第２通気孔３９ｈよりそれぞれ先後の２箇所で、フィルタ３７を介して加締められ、先端側加締め部Ｂ及び後端側加締め部Ｃが設けられている。
先端側加締め部Ｂ及び後端側加締め部Ｃにおいては、保護外筒３９が径方向内側に凹むように変形しているが、外筒３３は径方向に変形しない程度に加締められている。保護外筒３９だけでなく、外筒３３も径方向内側に凹んで変形するまで強く加締められてもよい。
但し、先端側加締め部Ｂ及び後端側加締め部Ｃは、第１通気孔３３ｈ及び第２通気孔３９ｈ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３３ｈ及び第２通気孔３９ｈにて正確な通気量を確保することができる。
加締めとしては、六角加締め、八角加締め、丸加締め等を採用できる。
また、外筒３３及び保護外筒３９の厚みは、０．２〜０．８ｍｍであるとよい。

次に、図３、図４を参照し、本発明の特徴部分である外筒３３及び保護外筒３９について説明する。
図３に示す外筒３３の第１通気孔３３ｈは、直径２．２ｍｍで後端部３３ｅの部位に４個形成され、図４に示す保護外筒３９の第２通気孔３９ｈは、直径１．８ｍｍで６個形成されている。
このように、第２通気孔３９ｈの直径が第１通気孔３３ｈの直径より小さい。これにより、第２通気孔３９ｈからフィルタが外部に露出しても、外部の異物がフィルタ３７に直接接触することを抑制できる。又、第２通気孔３９ｈの個数が第１通気孔３３ｈの個数より多いので、第１通気孔３３ｈより小径の第２通気孔が通気抵抗となってフィルタ３７の通気性が低下することを抑制できる。
なお、第２通気孔３９ｈ及び第１通気孔３３ｈの直径は、円換算径とする。第２通気孔３９ｈの直径が各孔で異なる場合、各孔の平均値を第２通気孔３９ｈの直径とみなす。又、第１通気孔３３ｈの直径が各孔で異なる場合、直径の平均値を第１通気孔３３ｈの直径とみなす。

第２通気孔３９ｈの総面積が第１通気孔３３ｈの総面積の７０〜１３０％であると、第２通気孔３９ｈと第１通気孔３３ｈの通気抵抗が近い値となるので、第２通気孔が通気抵抗となってフィルタ３７の通気性が低下することをより一層抑制できる。なお、第２通気孔３９ｈの総面積は、第２通気孔３９ｈの直径×個数である。第１通気孔３３ｈの総面積も同様である。
又、第２通気孔３９ｈの直径が２．０ｍｍ以下であると、外部の異物がフィルタ３７に直接接触することをより一層抑制できる。フィルタ３７の破損抑制の観点から、第２通気孔３９ｈの直径は小さければ小さいほど好ましい。

図２に示すように、軸線Ｏ方向において第２通気孔３９ｈの存在する領域および第１通気孔３３ｈの存在する領域は重なり、かつ、第２通気孔３９ｈおよび第１通気孔３３ｈは周方向に重ならないことが好ましい。
第２通気孔３９ｈと第１通気孔３３ｈとが軸線Ｏ方向に少なくとも一部重なることで、軸線Ｏ方向のガスセンサ１の高さを低減することができ、ガスセンサの小型化を図ることができる。又、保護外筒３９と外筒３３の間でフィルタ３７を加締め固定する場合、軸線Ｏ方向に加締め部を設けるためのスペースが必要になるが、第２通気孔３９ｈと第１通気孔３３ｈとが軸線Ｏ方向に重なることで、このスペースを確実に設け、フィルタの加締め固定を確実に行える。
一方、第２通気孔３９ｈと第１通気孔３３ｈとが周方向に一部でも重なると、重なり部分ではフィルタ３７が保護外筒３９と外筒３３のいずれにも保持されないので、外部の異物がフィルタ３７に接触したときにフィルタ３７を貫通してフィルタ３７が破損するおそれがある。そこで、第２通気孔３９ｈと第１通気孔３３ｈとが周方向に重ならないことで、フィルタ３７の破損を有効に抑制できる。

なお、図１、図５に示すように、本実施形態では、保護外筒３９の先端縁３９ｆが径方向外側に拡がり、外筒３３の外面から離間している。
このため、ガスセンサ１の先端側が被検出ガスに曝されて加熱され、外筒３３から後端側へ熱が伝わっても、外筒３９の外面から離間した保護外筒３９の先端縁３９ｆがこの熱を放熱する放熱部として機能する。これにより、外筒３３と保護外筒３９の間に配置されたフィルタ３７が受熱してクリープし（収縮し）、通気性やシール性が低下することを抑制できる。
なお、保護外筒３９を外筒３３に被せて加締め部Ａを形成後、先端縁３９ｆを拡げる加工を行う。

次に、本実施形態の酸素センサ１の製造方法の一例について説明する。まず、外筒３３の後端側に、筒状のフィルタ３７を外嵌するとともに、端子金具９、１０が装着されたセパレータ４５を配置する。この際、外筒３３の後端にセパレータ４５の段部４５ｓを当接させる。次に、外筒３３の外側に保護外筒３９を被せて両者を加締め、加締め部Ａを形成して外筒３３と保護外筒３９とを固定する。さらに、保護外筒３９の内側に、セパレータ４５の後端に接するようにグロメット４７を配置して加締め、加締め部Ｄを形成する。次いで、外筒３３と保護外筒３９とをフィルタ３７を介して加締め、先端側加締め部Ｂ及び後端側加締め部Ｃを形成する。

その後は、公知の方法にて酸素センサ１を作成する。具体的には、検出素子３、主体金具２９、保護キャップ３１等にて形成された下部組立体に上述の保護外筒３９が固定された外筒３３を組み付け、主体金具２９の後端側にＯリング３５と外筒３３とを配し、主体金具２９の後端部を内側に屈曲して加締め固定する。

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。

検出素子としては、例えば酸素濃度によって起電力が変化する素子や、抵抗値が変化する素子を採用できる。検出素子の固体電解質体としては、例えばジルコニアやイットリア等の酸素イオン伝導性固体電解質を採用できる。さらに、検出素子としては、上記した酸素センサ素子（λセンサ素子）の他、全領域空燃比センサ素子、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。

又、第１通気孔３３ｈと第２通気孔３９ｈ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３７は環状形状を有していたが、これに限られず、第１通気孔３３ｈと第２通気孔３９ｈ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よい。

又、上記実施形態では、グロメット（弾性部材）が保護外筒の後端側に内挿されて保護外筒の後端側の開口を封止したが、外筒が保護外筒よりも後端側に延びている場合、グロメットが外筒の後端側に内挿されて外筒（および保護外筒）を封止してもよい。

又、上記実施形態では、本発明を、検出素子に基準酸素濃度の外気を導入するタイプのガスセンサに適用したが、これに限らず、例えばガスセンサ内部の結露防止のためにフィルタから通気するタイプのガスセンサに適用してもよい。ガスセンサ内部が結露すると、セパレータの挿通孔に装着され、互いに隣接する端子金具の基部の間に水が付着して両端子が導通する不具合が生じることがある。

１ガスセンサ
３検出素子
２９主体金具
３３外筒
３３ｈ第１通気孔
３３Ｒ第１通気孔の存在する領域
３７フィルタ
３９保護外筒
３９ｆ保護外筒の先端縁
３９ｈ第２通気孔
３９Ｒ第２通気孔の存在する領域
Ｏ軸線

Claims

軸線方向に延びる検出素子と、
前記検出素子の径方向周囲を取り囲んで該検出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、
前記第２通気孔の直径が前記第１通気孔の直径より小さく、かつ前記第２通気孔の個数が前記第１通気孔の個数より多くなっているガスセンサ。
前記第２通気孔の総面積が前記第１通気孔の総面積の７０〜１３０％である請求項１に記載のガスセンサ。
前記第２通気孔の直径が２．０ｍｍ以下である請求項１又は２に記載のガスセンサ。
前記軸線方向において前記第２通気孔の存在する領域および前記第１通気孔の存在する領域は重なり、かつ、前記第２通気孔および前記第１通気孔は周方向に重ならない請求項１〜３のいずれか一項に記載のガスセンサ。
前記保護外筒の先端縁が前記外筒の外面から離間している請求項１〜４のいずれか一項に記載のガスセンサ。