JP2017194330A - ガスセンサ - Google Patents

Abstract

【課題】高分子材料からなる基体部とフランジ部とを有し、小型化を実現できるガスセンサを提供する。【解決手段】検出部を有するガスセンサ素子と、ガスセンサ素子を保持する主体金具と、主体金具の後端側に直接又は他部材を介して接続されてガスセンサ素子の後端側を覆う、高分子材料からなる基体部と、基体部から径方向に一体に延出し、取付け対象体３００に取り付けられるための取付け孔を備えたフランジ部１２１と、取付け孔に固定され、取付け対象体に接続するための接続部材３１０が挿通される金属筒状のカラー８０と、を備えるガスセンサであって、カラーの先端向き面８０ａは、フランジ部の先端向き面１２１ａよりも先端側に突出している。【選択図】図５

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。

ディーゼルエンジンやガソリンエンジン等の内燃機関の吸気系統（例えば、吸気管や吸気マニホールド等）にガスセンサを取り付け、特定ガスの濃度をモニタして燃焼状態等を制御することが行われている。従来、このガスセンサは、ガス検出素子を内部に収容するケース（主体金具）の外側に設けられた雄ねじ部を、吸気管の壁面に孔開けされた雌ねじ部にねじ止めして固定されている。
ところで、内燃機関を搭載した車両が衝突した際、被衝突体への衝撃を和らげるためにボンネットとエンジンの部品の隙間を確保する必要がある。そのため吸気管の外側へのガスセンサの突き出し長さを短くすることが必要になっている。
そこで、ガスセンサ素子を金属からなる主体金具で保持する一方、主体金具の後端側に樹脂製のカバーを接合し、カバーに端子金具を収容することで、ガスセンサの突き出し長さを短くしたガスセンサが知られている（特許文献１）。このガスセンサにおいては、カバーから径方向に一対のフランジ部が延出し、各フランジ部には取付け孔が設けられると共に、取付け孔に金属円筒状のカラーがインサート成形等により一体に装着されている。そして、このカラーにねじを挿通し、吸気管にガスセンサをねじ止めするようになっている。

特開２０１１−１４５２６７号公報（図２）

ところで、図６に示すように、特許文献１記載のガスセンサにおいては、フランジ部６２０の先端向き面（取付け面）６２０ｓが吸気管（取付け対象体）３００の外面３００ｓに接するように固定されている。又、フランジ部６２０はねじ３１０の押圧力Ｆによって先端側に押し付けられている。ねじ３１０の押圧力Ｆが作用している状態で周囲温度が高温になると、樹脂製のフランジ部６２０は熱膨張により矢印Ｈの軸方向先端側に伸びようとする。ところが、フランジ部６２０はねじ３１０の押圧力Ｆによって先端側に押し付けられて外面３００ｓに密着しているため、矢印Ｈの方向に伸びることができず、反対向き（軸方向後端側）に圧縮応力Ｃがフランジ部６２０に作用するようになる。このため、圧縮応力Ｃに耐える強度を確保すべく、カラー８００とフランジ部６２０との間の径方向の寸法ｄｘを大きくする必要があり、ガスセンサが大型化するという問題がある。
そこで、本発明は、高分子材料からなる基体部とフランジ部とを有し、小型化を実現できるガスセンサを提供することを目的とする。

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、自身の先端側に被測定ガス中の特定ガス成分を検出するための検出部を有す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み、該ガスセンサ素子を保持する主体金具と、前記主体金具の後端側に直接又は他部材を介して接続されて前記ガスセンサ素子の後端側を覆う、高分子材料からなる基体部と、前記基体部から径方向に一体に延出し、取付け対象体に取り付けられるための取付け孔を備えたフランジ部と、前記取付け孔に固定され、前記取付け対象体に接続するための接続部材が挿通される金属筒状のカラーと、を備えるガスセンサであって、前記カラーの先端向き面は、前記フランジ部の先端向き面よりも先端側に突出していることを特徴とする。

このガスセンサによれば、カラーに接続部材を挿通してガスセンサを取り付け対象体に取り付けた際、カラーの先端向き面が取り付け対象体の外面に接し、フランジ部の先端向き面と外面との間に隙間が生じる。この隙間により、接続部材の押圧力によってフランジ部が先端側に押し付けられても、フランジ部は外面に拘束されずにフリーな状態となる。従って、周囲温度が高温になると、高分子材料からなるフランジ部は拘束力を受けずに熱膨張により軸方向に伸びることができ、圧縮応力が生じることを抑制できる。このため、圧縮応力に耐えるほどの強度を確保する必要がなく、カラーとフランジ部との間の径方向の寸法を小さくすることができ、ガスセンサの小型化を実現できる。

前記カラーの内径をｒ（ｍｍ）とし、前記カラーの外面と前記フランジ部の外周縁との最短距離をｄ（ｍｍ）としたとき、ｄ≦ｒ／２を満たすとよい。
このガスセンサによれば、カラーとフランジ部との間の径方向の寸法をより小さくすることができ、ガスセンサのさらなる小型化を実現できる。

前記カラーの外表面には凹部又は貫通孔が形成され、前記基体部を構成する前記高分子材料が前記凹部又は前記貫通孔に入り込んでいるとよい。
このガスセンサによれば、カラーとフランジ部とを強固に固定できるため、熱膨張によりフランジ部が軸方向に伸びたとしても、カラーとフランジ部とが分離することを抑制できる。

この発明によれば、高分子材料からなる基体部とフランジ部とを有するガスセンサを小型化することができる。

本発明の実施形態に係るガスセンサの構成を示す斜視図である。 図１のＡ−Ａ線に沿う断面図である。 ガスセンサの構成を示す上面図である。 ガスセンサを取付け対象体に取り付けた状態を示す図である。 図４の部分拡大図である。 従来のガスセンサを取付け対象体に取り付けた状態を示す図である。

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ガスセンサ２００の斜視図、図２は図１のＡ−Ａ線に沿う断面図、図３はガスセンサ２００の上面図、図４はガスセンサ２００を取付け対象体３００に取り付けた状態を示す図である。なお、図１は、ガスセンサ２００の先端側から見た下面図である。
なお、ガスセンサ素子１０の軸線Ｏ方向（１点鎖線で示す。）を上下方向として図示し、ガスセンサ素子１０の後端部１２側をガスセンサ素子１０（及びガスセンサ）の後端側、その反対側にあるガスセンサ素子１０の検出部１１（図２参照）側をガスセンサ素子１０（及びガスセンサ）の先端側、として説明する。又、軸線Ｏ方向に垂直な方向を適宜「径方向」と称する。
又、図２においては、簡便のため、接続端子３０、３１を３本のみ表示し、コネクタ端子６０を１つのみ表示しているが、実際には、接続端子３０、３１及びコネクタ端子６０は複数本（本発明の実施形態では、各５本づつ）設けられている。

図１に示すように、ガスセンサ２００は、ガスセンサ素子１０（図示せず）と、ガスセンサ素子１０の検出部１１を覆う外側プロテクタ１００と、ガスセンサ素子１０を保持する主体金具５０と、主体金具５０の後端側に配置される高分子材料からなる基体部１２０と、主体金具５０と基体部１２０とを接続する金属製の筒体１１０と、を有する。

基体部１２０は、円筒状で後端側が閉じた本体部１２３と、本体部１２３の一側面から径方向外側に延びる一個の半円状のフランジ部１２１と、本体部１２３の他の側面から径方向外側に延びる略矩形状のコネクタ部１２５とを有している。フランジ部１２１とコネクタ部１２５とは、本体部１２３の周方向に約９０度異なって配置されている。そして、これら本体部１２３、フランジ部１２１及びコネクタ部１２５は成形性のよい絶縁性の高分子材料（樹脂）、例えばＰＰＳ（ポリエチレンサルファイド）により一体に形成されている。又、コネクタ部１２５は、径方向外側に向く開口部１２５ｈを有する雄コネクタであって、開口部１２５ｈにて外部装置の相手コネクタ（この例では、雌コネクタ）を径方向に差抜可能になっている。

フランジ部１２１には取付け孔１２１ｈが１つ開口し、取付け孔１２１ｈの内面に接して金属円筒状のカラー８０がインサート成形されて一体に固定されている（図３参照）。このカラー８０は、金属材料、例えばＳＵＳ３０４Ｌ等のステンレス鋼により形成されている。そして、図４に示すように、カラー８０にねじ３１０を挿通し、このねじ３１０を取り付け対象体３００（例えば、内燃機関の吸気系統）に設けたねじ孔にねじ止めすることで、ガスセンサ２００を取り付け対象体３００に取り付けることができる。
ねじ３１０が特許請求の範囲の「接続部材」に相当する。
又、主体金具５０には周方向に沿って凹溝５０ｂ（図２参照）が形成され、この凹溝５０ｂにシール部材（Ｏリング）９０が外嵌されている。従って、図４に示すように、取付け対象体３００の開口３００ｈにガスセンサ２００を先端側から挿入して取り付けた際、シール部材９０が取付け対象体３００の開口３００ｈの壁面で潰され、取付け対象体３００とガスセンサ２００（主体金具５０）との間をシールするようになっている。

一方、筒体１１０の後端側に基体部１２０がインサート成形されて一体化している。筒体１１０が特許請求の範囲の「他部材」に相当する。なお、筒体１１０を設けずに、主体金具５０の後端側に基体部１２０を直接インサート成形等により接続（一体化）してもよい。
又、フランジ部１２１の先端向き面１２１ａは面一になっている。ここで、フランジ部１２１の先端向き面とは、主体金具５０の最大外径（筒体１１０を有する場合は、主体金具５０と筒体１１０うちの最大外径）より径方向に外側の部位をいう。この部位が取付け対象体３００の表面（取付け面３００ｓ）に臨むこととなる。
さらに、外側プロテクタ１００の側面には複数個のガス導入孔１１５が設けられ、外側プロテクタ１００の先端の中央には１個のガス排出孔１１６が設けられている。

次に、図２を用いてガスセンサ２００の各構成部分についてさらに詳細に説明する。
ガスセンサ素子１０は公知であるような軸線Ｏ方向に延びる略角柱状をなし、酸素濃度の検出を行う検出素子と、その検出素子を早期活性化させるために加熱を行うヒータとが互いに貼り合わされた積層体である。検出素子は、ジルコニアを主体とする固体電解質体と、白金を主体とする一対の電極とを、中空の測定室が一部に形成された絶縁層を介して積層した構成をなしている。この検出素子は、より具体的には、固体電解質体の両面に形成された一対の電極の一方を外部に晒すと共に、他方の電極を測定室に配置した酸素ポンプセルと、固体電解質体の両面に形成された一対の電極の一方を測定室に配置すると共に、他方の電極を基準ガス室に配置した酸素濃度測定セルとを有してなり、酸素濃度測定セルの出力電圧が所定の値になるように、酸素ポンプセルの一対の電極間に流す電流を制御することで、測定室内の酸素を汲み出したり、測定室内に外部から酸素を汲み入れたりする構成をなしている。

なお、酸素ポンプセルのうち、一対の電極、及び、固体電解質体のうちでこれら電極に挟まれる部位は、酸素濃度に応じた電流が流れる検出部１１をなす。一方、ガスセンサ素子１０の後端部１２には、検出素子からの出力を取り出すためや、ヒータに電力を供給するための５つの電極パッド１２ａ（図２ではそのうちの２つがガスセンサ素子１０の第２面１０ｂ側に配置され、第１面１０ａに残りの３つが配置される。）が形成されている。これら電極パッド１２ａは、接続端子３０，３１にそれぞれ接続される。

そして、ガスセンサ素子１０の軸方向中央よりやや先端側には、絶縁性セラミック（例えばアルミナ）からなり、概略短円筒状に形成されたセラミックホルダ２１が、自身の内部にガスセンサ素子１０を挿通させ、検出部１１を自身より先端側へ突出させた状態で配置されている。
ガスセンサ素子１０は、その周囲を筒状の主体金具５０に取り囲まれて保持されている。この主体金具５０はＳＵＳ４３０等のステンレス鋼からなる。具体的には、主体金具５０の内周には段部５４が形成されており、この段部５４に、ガスセンサ素子１０を挿通したセラミックホルダ２１の先端側周縁部が係止されている。更に、主体金具５０の内周にはシール材２２が、自身をガスセンサ素子１０に挿通させた状態で、セラミックホルダ２１の後端側から装填されている。そして、シール材２２を後端側から押さえるように、筒状のスリーブ２３が主体金具５０内に嵌め込まれている。スリーブ２３の後端側外周には、円環状の加締めパッキン２９が配置されている。

一方、主体金具５０の外周後端側には、縮径された後端部５９が形成され、後端部５９より先端には径方向外側に段状に拡径する拡径部５７が形成されている。拡径部５７には周方向に沿って凹溝５０ｂが形成され、この凹溝５０ｂにシール部材（Ｏリング）９０が外嵌されている。さらに、拡径部５７よりも先端側には、拡径部５７より小径で、かつ後述する外側プロテクタ１００及び内側プロテクタ１０２が係合される先端係合部５６が形成されている。他方、後端部５９の後端側には、主体金具５０内にガスセンサ素子１０を加締め保持するための加締め部５３が形成されている。
主体金具５０の加締め部５３が、加締めパッキン２９を介してスリーブ２３を先端側に向けて押圧するように加締められている。加締め部５３の形成によって、スリーブ２３を介して押圧されたシール材２２は、主体金具５０内で押し潰されて細部にわたって充填され、このシール材２２によって、セラミックホルダ２１およびガスセンサ素子１０が主体金具５０内で位置決めされ、気密に保持される。

一方、ガスセンサ素子１０の検出部１１の外周面は、多孔質状の保護層１５により被覆され、検出部１１のうち外部に晒される電極を吸気等による被毒や被水から保護している。そして、主体金具の先端係合部５６には、外側プロテクタ１００及び内側プロテクタ１０２が嵌められ、レーザ溶接によって固定され、内部に収容された検出部１１を保護している。外側プロテクタ１００にはガス導入孔１１５が形成されており、内側プロテクタ１０２にはガス導入孔１１７が形成されている。又、外側プロテクタ１００の先端の中央には１個のガス排出孔１１６が設けられている。

次に、基体部１２０及び筒体１１０について説明する。
筒体１１０は、後端側が段部を介して拡径する例えばステンレス製の円筒状をなし、この段部を含む筒体１１０の後端側に基体部１２０がインサート成形され、段部は基体部１２０が筒体１１０から抜けるのを防止する。
そして、基体部１２０から露出する筒体１１０の先端側を主体金具５０の後端部５９に外嵌し、レーザ溶接等で接続することにより、基体部１２０を主体金具５０に固定している。
又、基体部１２０は、主体金具５０の後端側に突出したガスセンサ素子１０の後端部１２側を囲むカバーとなっている。さらに、コネクタ部１２５の内部には、外部装置と電気的に接続するコネクタ端子６０が保持されている。コネクタ端子６０を含むコネクタ部１２５はインサート成形により形成されている。
さらに、本体部１２３の内部には、先端に向かって延びる略升状のセパレータ部１２７が一体に形成され、各接続端子３０、３１を保持している。なお、接続端子３０、３１の一端にバネ片３０ｆ、３１ｆが設けられ、対応するコネクタ端子６０の端部６０ａと電気的に接続されるようになっている。このようにして、ガスセンサ２００内部のガスセンサ素子１０と外部装置とを電気的に接続する。

次に、図５を参照してフランジ部１２１及びカラー８０について説明する。図５は図４の部分拡大図である。
図５に示すように、本実施形態においては、カラー８０の先端向き面８０ａがフランジ部１２１の先端向き面１２１ａよりも先端側に突出している。このため、カラー８０にねじ３１０を挿通し、取り付け対象体３００のねじ孔にねじ止めすると、カラー８０の先端向き面８０ａが取り付け対象体３００の外面３００ｓに接し、フランジ部１２１の先端向き面１２１ａと外面３００ｓとの間に隙間Ｇが生じる。
この隙間Ｇにより、ねじ３１０の押圧力Ｆによってフランジ部１２１がカラー８０を介して先端側に押し付けられても、フランジ部１２１は外面３００ｓに密着せず、外面３００ｓに拘束されずにフリーな状態となる。従って、周囲温度が高温になると、高分子材料からなるフランジ部１２１は拘束力を受けずに熱膨張により矢印Ｈの軸方向に伸びることができ、フランジ部１２１の熱膨張に起因して取り付け対象体３００の外面３００ｓから受ける圧縮応力がフランジ部１２１に生じることを抑制できる。このため、圧縮応力に耐えるほどの強度を確保する必要がなく、カラー８０とフランジ部１２１との間の径方向の寸法ｄ１を小さくすることができ、ガスセンサの小型化を実現できる。

特に、図３に示すように、カラー８０の内径をｒ（ｍｍ）とし、カラー８０の外面とフランジ部１２１の外周縁との最短距離をｄ（ｍｍ）としたとき、ｄ≦ｒ／２を満たすようにすると、上記寸法ｄ１をより小さくすることができ、ガスセンサのさらなる小型化を実現できる。
なお、カラーの貫通孔の断面形状が真円でない場合、貫通孔に内接する内接円をカラーの内径とする。

なお、カラー８０の先端向き面８０ａを、フランジ部１２１の先端向き面１２１ａよりも０．１〜０．２ｍｍ程度突出させるとよい。
又、カラー８０の後端向き面もフランジ部１２１の後端向き面よりも後端側に突出しているが、これは、金属製のねじ３１０を金属製のカラー８０に接触させないと、ねじ３１０の押圧力Ｆによってねじ３１０が樹脂製のフランジ部１２１に陥入してしまうからである。

カラー８０の外表面には凹部が形成され、この凹部にフランジ部１２１を構成する高分子材料が入り込んでいるとよい。
これにより、カラー８０とフランジ部１２１とが分離することを抑制できる。なお、凹部に替えて、カラーの外表面から内表面に貫通する貫通孔を形成してもよい。

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。
例えば、フランジ部１２１は１個に限らず、基体部１２０の両側に１個ずつ設けてもよい。
また、基体部１２０（本体部１２３）と、主体金具５０又は他部材（筒体１１０）との接続もインサート成形に限られない。
接続部材としては、ねじに限られず、例えばボルト、リベット等でもよい。
また、上記形態ではセンサ素子を、横断面が長方形（矩形）の帯板状のものとしたが、本発明のガスセンサに使用されるセンサ素子は、横断面が正方形のものであっても、それ以外のものであってもよい。さらに、上記においては全領域空燃比ガスセンサにおいて具体化したが、本発明に係るガスセンサは、その他のガスセンサにおいても具体化できる。

１０ ガスセンサ素子
１１ 検出部
５０ 主体金具
８０ カラー
８０ａ カラーの先端向き面
１１０ 他部材（筒体）
１２０ 基体部
１２１ フランジ部
１２１ａ フランジ部の先端向き面
１２１ｈ 取付け孔
２００ ガスセンサ
３００ 取り付け対象体
３１０ 接続部材（ねじ）
Ｏ 軸線
ｒ カラーの内径
ｄ カラーの外面とフランジ部の外周縁との最短距離

Claims (3)

1. 軸線方向に延び、自身の先端側に被測定ガス中の特定ガス成分を検出するための検出部を有す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み、該ガスセンサ素子を保持する主体金具と、
   前記主体金具の後端側に直接又は他部材を介して接続されて前記ガスセンサ素子の後端側を覆う、高分子材料からなる基体部と、
   前記基体部から径方向に一体に延出し、取付け対象体に取り付けられるための取付け孔を備えたフランジ部と、
   前記取付け孔に固定され、前記取付け対象体に接続するための接続部材が挿通される金属筒状のカラーと、
   を備えるガスセンサであって、
   前記カラーの先端向き面は、前記フランジ部の先端向き面よりも先端側に突出していることを特徴とするガスセンサ。
2. 前記カラーの内径をｒ（ｍｍ）とし、前記カラーの外面と前記フランジ部の外周縁との最短距離をｄ（ｍｍ）としたとき、ｄ≦ｒ／２を満たす請求項１記載のガスセンサ。
3. 前記カラーの外表面には凹部又は貫通孔が形成され、前記基体部を構成する前記高分子材料が前記凹部又は前記貫通孔に入り込んでいる請求項１又は２に記載のガスセンサ。

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