JP2019203849A - センサ - Google Patents

Abstract

【課題】高温下での使用後における通気量の低下を抑制できるセンサを提供する。【解決手段】内部空間を有する第１外筒４と、第１外筒の径方向外側に配置された第２外筒５と、第１外筒と第２外筒との間に配置された撥水性のフィルタ６とを備えるセンサである。第２外筒は、第１外筒の軸方向に離間した２つの加締め部５１Ａ、５１Ｂにおいてフィルタと共に第１外筒に加締めされると共に、２つの加締め部の間かつフィルタと径方向に重なる領域に開口した少なくとも１つの第２気孔５２を有する。第１外筒は、径方向内側に凹んだ少なくとも１つの凹部と、少なくとも１つの凹部のうち少なくとも１つの第２気孔と対向する領域に開口した少なくとも１つの第１気孔４２とを有する。フィルタは、対向する第１気孔と第２気孔との間において、第２気孔に向かって凸となるように湾曲した少なくとも１つの湾曲部を有する。【選択図】図２

Description

本開示は、センサに関する。

例えば自動車等に搭載されるガスセンサでは、被測定ガスを取り入れる機構とは別に、大気をセンサのケーシング内部に取り入れる通気機構が設けられる。この通気機構は、内側に設けた第１外筒の第１気孔と、外側に設けた第２外筒の第２気孔とから構成される。また、水分の進入を防ぐため、第１気孔と第２気孔との間には樹脂製のフィルタが配置される。

このフィルタにおいて、第２気孔に向かってフィルタを凸状に変形させることで、第１気孔の通気面積を確保したセンサが公知である（特許文献１参照）。

特開２０１７−２０３６３２号公報

通気機構に設けられたフィルタは、センサの高温下での使用に伴い、熱によって収縮する。そのため、上記公報記載のセンサでは、この収縮によってフィルタの凸状部分が凹み、第１外筒の外周面にフィルタが張り付く。その結果、第１気孔の有効通気面積が低下し、通気量が減少する。

本開示の一局面は、高温下での使用後における通気量の低下を抑制できるセンサを提供することを目的とする。

本開示の一態様は、センサ素子と、センサ素子が収納されたケーシングと、ケーシングの内部と連通する内部空間を有する第１外筒と、第１外筒の径方向外側に配置された第２外筒と、第１外筒と第２外筒との間に配置された撥水性のフィルタと、を備えるセンサである。第２外筒は、第１外筒の軸方向に離間した２つの加締め部においてフィルタと共に第１外筒に加締めされると共に、２つの加締め部の間かつフィルタと径方向に重なる領域に開口した少なくとも１つの第２気孔を有する。

また、第１外筒は、径方向内側に凹んだ少なくとも１つの凹部と、少なくとも１つの凹部のうち少なくとも１つの第２気孔と対向する領域に開口した少なくとも１つの第１気孔と、を有する。フィルタは、対向する少なくとも１つの第１気孔と少なくとも１つの第２気孔との間において、少なくとも１つの第２気孔に向かって凸となるように湾曲した少なくとも１つの湾曲部を有する。

このような構成によれば、第２外筒の第２気孔に向かってフィルタが湾曲しているため、第１気孔の有効通気面積を大きくできる。また、第１外筒の凹部に第１気孔が設けられているため、フィルタが熱によって収縮しても、フィルタと第１気孔との間に空隙が確保される。そのため、高温下での使用後の第１気孔における通気量の低下が抑制される。

本開示の一態様では、凹部の第１外筒の軸方向に沿った長さは、湾曲部の第１外筒の軸
方向に沿った長さよりも小さくてもよい。このような構成によれば、第１気孔の有効通気面積が増すので、第１気孔における通気量を大きくすることができる。

本開示の別の態様は、センサ素子と、センサ素子が収納されたケーシングと、ケーシングの内部と連通する内部空間を有する第１外筒と、第１外筒の径方向外側に配置された第２外筒と、第１外筒と第２外筒との間に配置された撥水性のフィルタと、を備えるセンサである。第２外筒は、第１外筒の軸方向に離間した２つの加締め部においてフィルタと共に第１外筒に加締めされると共に、２つの加締め部の間かつフィルタと径方向に重なる領域に開口した少なくとも１つの第２気孔を有する。

また、第１外筒は、径方向内側に凹んだ少なくとも１つの凹部と、少なくとも１つの凹部のうち少なくとも１つの第２気孔と対向する領域に開口した少なくとも１つの第１気孔と、を有する。フィルタは、対向する少なくとも１つの第１気孔と少なくとも１つの第２気孔との間において、少なくとも１つの第１気孔に向かって凸となるように湾曲すると共に少なくとも１つの第１気孔と離間した少なくとも１つの湾曲部を有する。

このような構成によれば、第１外筒の第１気孔と離間しつつ第１気孔に向かってフィルタが湾曲しているため、第１気孔の有効通気面積を大きくできる。また、フィルタが熱によって収縮する際には、フィルタが第１気孔に対しさらに離間する方向に変形する。そのため、高温下での使用後の第１気孔における通気量の低下が抑制される。

本開示の一態様では、湾曲部におけるフィルタの厚みは、凹部の深さよりも小さくてもよい。このような構成によれば、フィルタが変形した際に、フィルタが第１気孔に当接して通気量が低下することを抑制できる。

本開示の一態様では、湾曲部におけるフィルタの厚みは、凹部の深さよりも大きくてもよい。このような構成によれば、例えば第２気孔から高圧が加わった際にフィルタが破損することが抑制される。

本開示の一態様では、凹部のうち、第１外筒の凹部以外の領域と連続する角部は、丸みを有してもよい。このような構成によれば、角部との接触によるフィルタの損傷を抑制できる。

本開示の一態様では、凹部における第１外筒の厚みは、凹部以外の部分における第１外筒の厚みよりも小さくてもよい。このような構成によれば、凹部の径方向内側に配置される部品と第１外筒との干渉が避けられる。また、第１外筒の内側におけるガスの流通スペースを確保できる。

本開示の一態様では、湾曲部と第２外筒の内周面との間には空隙が形成されてもよい。このような構成によれば、第２気孔における通気量の低下を抑制できる。

実施形態のセンサを示す模式的な中央縦断面図である。 図１のセンサの通気機構を示す模式的な部分拡大断面図である。 図２の通気機構の高温下で使用後の状態を示す模式的な部分拡大断面図である。 図１のセンサとは異なる実施形態のセンサにおける通気機構を示す模式的な部分拡大断面図である。 図１及び図４のセンサとは異なる実施形態のセンサにおける通気機構を示す模式的な部分拡大断面図である。 図１、図４及び図５のセンサとは異なる実施形態のセンサにおける通気機構を示す模式的な部分拡大断面図である。

以下、本開示が適用された実施形態について、図面を用いて説明する。
［１．第１実施形態］
［１−１．構成］
図１に示すセンサ１は、例えば自動車等の内燃機関の排気管に装着され、排気ガスの酸素濃度又は空燃比を検出する用途に用いられるガスセンサである。

センサ１は、センサ素子２と、ケーシング３と、第１外筒４と、第２外筒５と、フィルタ６と、通気機構７と、端子部８と、２つのリード線１０Ａ，１０Ｂと、を備える。
センサ１は、軸方向に延伸する棒状の外形を有する。なお、以下では、センサ素子２の検知部が配置される側を「先端側」、リード線１０Ａ，１０Ｂが接続される側を「後端側」と呼称する。

＜センサ素子＞
センサ素子２は、被測定ガス中の特定ガスの濃度を検出する素子である。センサ素子２は、例えば、固体電解質体と２つの電極とを有する酸素センサ素子である。

センサ素子２は、センサ１の軸方向に沿って延伸している。センサ素子２の先端部は、センサ１の先端部に設けられた検出空間２１に配置され、検知部を構成している。センサ素子２の後端部は、端子部８によって２つのリード線１０Ａ，１０Ｂに電気的に接続されている。

＜ケーシング＞
ケーシング３は、センサ素子２の少なくとも一部を収納する金属製の筒体である。ケーシング３は、胴部３Ａと、突出部３Ｂと、先端カバー３Ｃとを有する。

胴部３Ａは、センサ素子２のセンサ１の軸方向における中央部分を保持し、検出空間２１のうち、センサ素子２が配置される部分を構成している。突出部３Ｂは、検出空間２１のうち、センサ素子２よりも先端側の部分を形成する有底筒状の部材である。

先端カバー３Ｃは、突出部３Ｂを外側から囲う有底筒状の部材である。突出部３Ｂ及び先端カバー３Ｃは、それぞれ、側面又は底面に開口を有する。被測定ガスは、これらの開口を通過して検知空間に取り込まれ、センサ素子２と接触する。

＜第１外筒＞
第１外筒４は、ケーシング３の内部（つまりセンサ素子２が収納された空間）と連通する内部空間２２を有する金属製の筒状の部材である。第１外筒４の材質は、例えばステンレスである。

第１外筒４は、センサ素子２の後端部と、端子部８とを囲う筒状の部材である。第１外筒４の先端部は、ケーシング３に固定されている。第１外筒４の後端部は、封止材（つまりグロメット）９によって封止されている。

第１外筒４の一部は、第２外筒５の内側に配置されている。また、第１外筒４は、複数の凹部４１と、複数の第１気孔４２とを有する（図２参照）。これらの位置や形状については、後述する。

＜第２外筒＞
第２外筒５は、第１外筒４の径方向外側に配置された金属製の筒状の部材である。第２外筒５の材質は、例えばステンレスである。第２外筒５は、第１外筒４のうち、少なくとも複数の凹部４１が形成された領域を被覆している。

第２外筒５は、第１外筒４の軸方向に離間した２つの加締め部５１Ａ，５１Ｂにおいて、後述するフィルタ６と共に第１外筒４に第１外筒４の径方向に加締めされている。また、第２外筒５は、複数の第２気孔５２を有する（図２参照）。第２気孔５２の位置や形状については、後述する。

＜フィルタ＞
フィルタ６は、第１外筒４と第２外筒５との間に配置された筒状の撥水性フィルタである。

フィルタ６は、空気を通過させる一方で、水分を実質的に通過させない。フィルタ６は、樹脂製の多孔質体で構成されている。フィルタ６の具体的な材質としては、例えば、テトラフルオロエチレン等のフッ素樹脂が挙げられる。なお、フィルタ６は、想定される圧力下で水分の透過を防止できればよく、過大な圧力が加わった場合まで水分の透過を完全に防止する必要はない。

フィルタ６は、第２外筒５の２つの加締め部５１Ａ，５１Ｂによって、第１外筒４に固定されている。フィルタ６は、複数の湾曲部６１を有する（図２参照）。湾曲部６１の位置や形状については、後述する。

＜通気機構＞
センサ１は、例えば、基準ガスの導入、結露の防止等を目的として、内部に大気を取り込むための複数の通気機構７を備える。

図２に示すように、センサ１の各通気機構７は、それぞれ、第１外筒４の１つの凹部４１及び１つの第１気孔４２と、第２外筒５の１つの第２気孔５２と、フィルタ６の１つの湾曲部６１とによって構成されている。

第２気孔５２は、２つの加締め部５１Ａ，５１Ｂの間かつフィルタ６と径方向に重なる領域に開口している。第２気孔５２は、センサ１の外部から、第２外筒５の内側に大気を導入する。

凹部４１は、第１外筒４において、径方向内側に凹んでいる（つまり陥没した）部位である。第１気孔４２は、凹部４１のうち第２気孔５２と対向する領域に開口している。第１気孔４２は、第１外筒４の外側の大気を第１外筒４の内側に導入する。

湾曲部６１は、フィルタ６のうち、対向する第１気孔４２と第２気孔５２との間において、第２気孔５２に向かって凸となるように湾曲している部位である。なお、「湾曲する」とは、第１外筒４の軸方向における同一位置の外周面及び内周面が共に、他の部分よりも径方向の同じ側に変位していることを意味する。つまり、フィルタ６の厚みが他の部分より増大することで外周面のみ又は内周面のみが突出している部分は「湾曲部」には含まれない。

凹部４１の第１外筒４の軸方向に沿った長さＬ１は、湾曲部６１の第１外筒４の軸方向に沿った長さＬ２よりも小さいとよい。Ｌ１＜Ｌ２であると、第１気孔４２の有効通気面積が増すので、第１気孔４２における通気量が大きくなる。

本実施形態では、湾曲部６１におけるフィルタ６の厚みは、凹部４１の深さよりも大きい。なお、「凹部４１の深さ」とは、凹部４１における第１外筒４の外周面と、凹部４１の周辺における第１外筒４の外周面との第１外筒４の径方向における距離のうち、最大距離を意味する。

また、本実施形態では、第１外筒４は一定の厚みを有する。つまり、凹部４１における第１外筒４の厚みは、凹部４１以外の部分における第１外筒４の厚みと同じである。そのため、凹部４１は、第１外筒４の一部を内側に凹ませる変形によって形成されている。さらに、凹部４１のうち、第１外筒４の凹部４１以外の領域と連続する角部４１Ａは、丸みを有している。言い換えると、凹部４１と、第１外筒４の凹部４１以外の領域とは、曲面を介して接続されている。さらに言い換えると、凹部４１と、第１外筒４の凹部４１以外の領域との接続部分は湾曲している。

本実施形態では、熱によってフィルタ６が変形する前の状態において、湾曲部６１と凹部４１との間には第１空隙Ｓ１が形成され、湾曲部６１と第２外筒５の内周面との間には第２空隙Ｓ２が形成されている。また、湾曲部６１は、第２気孔５２の縁又は内周面と離間している。

熱によってフィルタ６が収縮すると湾曲部６１が平坦化されるので、湾曲部６１は、突出量が小さくなるか、あるいは図３に示すように消滅する。このように湾曲部６１が消滅しても、フィルタ６と第１気孔４２との間には、第１空隙Ｓ１が維持される。

＜端子部＞
端子部８は、第１外筒４の内側に収納され、センサ素子２に２つのリード線１０Ａ，１０Ｂを電気的に接続している。

＜リード線＞
２つのリード線１０Ａ，１０Ｂは、それぞれ、端子部８を介して、センサ素子２の端子に電気的に接続されている。２つのリード線１０Ａ，１０Ｂは、第１外筒４の後端側の端部を封止する封止材９を貫通して、第１外筒４の内部に挿通されている。

２つのリード線１０Ａ，１０Ｂは、外部回路（例えば電子制御装置（ＥＣＵ）等）に接続される。センサ素子２は、２つのリード線１０Ａ，１０Ｂを介して、外部からの電力の供給を受けると共に、外部に信号を出力する。

［１−２．効果］
以上詳述した実施形態によれば、以下の効果が得られる。
（１ａ）第２外筒５の第２気孔５２に向かってフィルタ６が湾曲しているため、第１気孔４２の有効通気面積を大きくできる。また、第１外筒４の凹部４１に第１気孔４２が設けられているため、フィルタ６が熱によって収縮しても、フィルタ６と第１気孔４２との間に第１空隙Ｓ１が確保される。そのため、高温下での使用後の第１気孔４２における通気量の低下が抑制される。

（１ｂ）湾曲部６１におけるフィルタ６の厚みが凹部４１の深さよりも大きいので、例えば高圧洗浄等によって第２気孔５２から高圧が加わった際にフィルタ６が破損することが抑制される。

（１ｃ）凹部４１のうち、第１外筒４の凹部４１以外の領域と連続する角部４１Ａが丸みを有しているので、角部４１Ａとの接触によるフィルタ６の損傷を抑制できる。
（１ｄ）湾曲部６１と第２外筒５の内周面との間には第２空隙Ｓ２が形成されているので、第２気孔５２における通気量の低下を抑制できる。

［２．第２実施形態］
［２−１．構成］
本開示の第２実施形態のセンサは、図１のセンサ１において、通気機構７を図４に示す通気機構７Ａに置き換えたものである。

第２実施形態のセンサの構成要素は、湾曲部６１Ａを有するフィルタ６Ａを除いて、図１のセンサ１と同じである。湾曲部６１Ａは、図４に示すように、対向する第１気孔４２と第２気孔５２との間において第１気孔４２に向かって凸となるように湾曲している。

熱によってフィルタ６Ａが変形する前の状態において、湾曲部６１Ａと凹部４１との間には第１空隙Ｓ１が形成され、湾曲部６１Ａと第２外筒５の内周面との間には第２空隙Ｓ２が形成されている。また、湾曲部６１Ａは、第１気孔４２の縁又は内周面と離間している。

［２−２．効果］
以上詳述した実施形態によれば、以下の効果が得られる。
（２ａ）第１外筒４の第１気孔４２と離間しつつ第１気孔４２に向かってフィルタ６Ａが湾曲しているため、第１気孔４２の有効通気面積を大きくできる。また、フィルタ６Ａが熱によって収縮する際には、フィルタ６Ａが第１気孔４２に対しさらに離間する方向に変形する。そのため、高温下での使用後の第１気孔４２における通気量の低下が抑制される。

［３．他の実施形態］
以上、本開示の実施形態について説明したが、本開示は、上記実施形態に限定されることなく、種々の形態を採り得ることは言うまでもない。

（３ａ）上記実施形態のセンサにおける通気機構７，７Ａにおいて、図５に示す通気機構７Ｂのように、湾曲部６１におけるフィルタ６の厚みを凹部４１の深さよりも小さくしてもよい。これにより、フィルタ６が変形した際に、フィルタ６が第１気孔４２に当接して通気量が低下することを抑制できる。

（３ｂ）上記実施形態のセンサにおける通気機構７，７Ａにおいて、図６に示す通気機構７Ｃのように、凹部４１における第１外筒４の厚みを凹部４１以外の部分における第１外筒４の厚みよりも小さくしてもよい。

この場合、凹部４１は、第１外筒４を外側から削って厚みを減じることによって形成される。これにより、凹部４１の径方向内側に配置される部品と第１外筒４との干渉が避けられる。また、第１外筒４の内側におけるガスの流通スペースを確保できる。

（３ｃ）上記実施形態のセンサ１における通気機構７において、湾曲部６１は、第２外筒５の内周面に当接していてもよい。また、湾曲部６１と第２外筒５の内周面との間に必ずしも第２空隙Ｓ２が形成されなくてもよい。

（３ｄ）本開示は、例えば、温度センサや圧力センサ等の流体の状態を測定する各種センサに適用することができる。また、本開示のセンサは、棒形状以外であってもよい。つまり、センサの通気機構以外の部分は必ずしも筒状又は柱状である必要はない。

（３ｅ）上記実施形態における１つの構成要素が有する機能を複数の構成要素として分散させたり、複数の構成要素が有する機能を１つの構成要素に統合したりしてもよい。また、上記実施形態の構成の一部を省略してもよい。また、上記実施形態の構成の少なくとも一部を、他の上記実施形態の構成に対して付加、置換等してもよい。なお、特許請求の範囲に記載の文言から特定される技術思想に含まれるあらゆる態様が本開示の実施形態である。

１…センサ、２…センサ素子、３…ケーシング、３Ａ…胴部、３Ｂ…突出部、
３Ｃ…先端カバー、４…第１外筒、５…第２外筒、６，６Ａ…フィルタ、
７，７Ａ，７Ｂ，７Ｃ…通気機構、８…端子部、９…封止材、
１０Ａ，１０Ｂ…リード線、２１…検出空間、２２…内部空間、４１…凹部、
４１Ａ…角部、４２…第１気孔、５１Ａ，５１Ｂ…加締め部、５２…第２気孔、
６１，６１Ａ…湾曲部。

Claims (8)

1. センサ素子と、
   前記センサ素子が収納されたケーシングと、
   前記ケーシングの内部と連通する内部空間を有する第１外筒と、
   前記第１外筒の径方向外側に配置された第２外筒と、
   前記第１外筒と前記第２外筒との間に配置された撥水性のフィルタと、
   を備えるセンサであって、
   前記第２外筒は、前記第１外筒の軸方向に離間した２つの加締め部において前記フィルタと共に前記第１外筒に加締めされると共に、前記２つの加締め部の間かつ前記フィルタと径方向に重なる領域に開口した少なくとも１つの第２気孔を有し、
   前記第１外筒は、径方向内側に凹んだ少なくとも１つの凹部と、前記少なくとも１つの凹部のうち前記少なくとも１つの第２気孔と対向する領域に開口した少なくとも１つの第１気孔と、を有し、
   前記フィルタは、対向する前記少なくとも１つの第１気孔と前記少なくとも１つの第２気孔との間において、前記少なくとも１つの第２気孔に向かって凸となるように湾曲した少なくとも１つの湾曲部を有する、センサ。
2. 前記凹部の前記第１外筒の軸方向に沿った長さは、前記湾曲部の前記第１外筒の軸方向に沿った長さよりも小さい、請求項１に記載のセンサ。
3. センサ素子と、
   前記センサ素子が収納されたケーシングと、
   前記ケーシングの内部と連通する内部空間を有する第１外筒と、
   前記第１外筒の径方向外側に配置された第２外筒と、
   前記第１外筒と前記第２外筒との間に配置された撥水性のフィルタと、
   を備えるセンサであって、
   前記第２外筒は、前記第１外筒の軸方向に離間した２つの加締め部において前記フィルタと共に前記第１外筒に加締めされると共に、前記２つの加締め部の間かつ前記フィルタと径方向に重なる領域に開口した少なくとも１つの第２気孔を有し、
   前記第１外筒は、径方向内側に凹んだ少なくとも１つの凹部と、前記少なくとも１つの凹部のうち前記少なくとも１つの第２気孔と対向する領域に開口した少なくとも１つの第１気孔と、を有し、
   前記フィルタは、対向する前記少なくとも１つの第１気孔と前記少なくとも１つの第２気孔との間において、前記少なくとも１つの第１気孔に向かって凸となるように湾曲すると共に前記少なくとも１つの第１気孔と離間した少なくとも１つの湾曲部を有する、センサ。
4. 前記湾曲部における前記フィルタの厚みは、前記凹部の深さよりも小さい、請求項１から請求項３のいずれか１項に記載のセンサ。
5. 前記湾曲部における前記フィルタの厚みは、前記凹部の深さよりも大きい、請求項１から請求項３のいずれか１項に記載のセンサ。
6. 前記凹部のうち、前記第１外筒の前記凹部以外の領域と連続する角部は、丸みを有する、請求項１から請求項５のいずれか１項に記載のセンサ。
7. 前記凹部における前記第１外筒の厚みは、前記凹部以外の部分における前記第１外筒の厚みよりも小さい、請求項１から請求項６のいずれか１項に記載のセンサ。
8. 前記湾曲部と前記第２外筒の内周面との間には空隙が形成される、請求項１から請求項７のいずれか１項に記載のセンサ。

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