JP2019219237A

JP2019219237A - ガスセンサ

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Publication number: JP2019219237A
Application number: JP2018115924A
Authority: JP
Inventors: 正名岡井; Masana Okai; 健弘大場; Takehiro Oba; 大輔多比良; Daisuke Tahira; 野村　昌史; Masashi Nomura; 昌史野村
Original assignee: NGK Spark Plug Co Ltd
Current assignee: Niterra Co Ltd
Priority date: 2018-06-19
Filing date: 2018-06-19
Publication date: 2019-12-26
Anticipated expiration: 2038-06-19
Also published as: US20210072177A1; DE112019003113T5; JP6962870B2; CN112105925B; CN112105925A; US11821865B2; WO2019244391A1

Abstract

【課題】ガスセンサにおいて、セパレータを保持する保持部材の剛性を高める技術を提供する。【解決手段】検出素子と、主体金具と、筒状の外筒と、端子金具と、外筒内に配置され、端子金具と検出素子とを内部に収容する筒状のセパレータと、セパレータと軸線方向に当接する保持部材と、を少なくとも備え、保持部材の先端向き面または後端向き面には、軸線方向に見て自身の厚み以上の長さの領域において、リブが周方向に亘って所定の間隔で複数設けられている。【選択図】図３

Description

本発明は、ガスセンサの技術に関する。

自動車エンジンなどの内燃機関の排気通路に取り付けられ、排気ガス中のＮＯｘ（窒素酸化物）や酸素等の特定ガスの濃度に応じて出力が変化する検出素子を備えたガスセンサが知られている（例えば、特許文献１）。検出素子は、固体電解質体に一対の電極を設けたセルを少なくとも１つ以上有する構成をなし、特定ガスの濃度に応じてセルから出力される出力信号に基づき特定ガスの濃度を測定する。

この検出素子は、ガスセンサを排気管に取り付けるための主体金具に保持される。また、検出素子の後端部側は主体金具よりも後方に突出され、主体金具の後端側に取り付けられる外筒によって取り囲まれる。検出素子の後端部には、出力を取り出すための複数の電極パッドが設けられており、電極パッドは、リード線と端子金具とを介して外部回路と電気的に接続される。外筒内にはさらに、絶縁セラミックからなるセパレータが配置される。複数の端子金具はセパレータの内部に収容され、互いに非接触の状態で維持される。

さらに、セパレータと外筒との間には、自身の内部にセパレータを保持する筒状の保持部材が配置される。保持部材は、セパレータの外側面を取り囲む筒部と、筒部よりも後端側に位置し、周方向に間隔をあけて配置された複数の支持部と、複数の支持部の間に配置された内側延出部とを有する。複数の支持部は、セパレータに当接することでセパレータを軸線方向に支持する。詳細には、複数の支持部は、セパレータが軸線方向の先端側に移動することを規制している。また内側延出部は、セパレータの外側面と当接することで径方向にセパレータを挟持する。

特開２０１２−２２５７３７号公報

しかしながら、従来の保持部材では、複数の支持部が全体的にしなることでセパレータを保持する力が逃げてしまう構造であったため、外部からの振動がセパレータに伝わった際にセパレータの軸線方向への移動を規制しきれずにセパレータががたつき、セパレータの内部に収容している端子金具とセパレータ内壁とが繰り返し接触して端子金具が疲労破壊する虞があった。その結果、検出素子と端子金具との電気的接続の信頼性が低下する虞があった。

本発明は、上述の課題を解決するためになされたものであり、以下の形態又は適用例として実現することが可能である。

本発明の一形態によれば、ガスセンサは、軸線方向に延び、特定ガスの濃度を検出するための検出素子と、前記検出素子の周囲を取り囲んで保持する主体金具と、前記主体金具の後端側に取り付けられた筒状の外筒と、一端側にリード線が接続されると共に、他端側にて前記検出素子と電気的に接続される端子金具と、前記外筒内に配置され、前記端子金具と前記検出素子とを内部に収容する筒状のセパレータと、前記セパレータと前記軸線方向に当接する保持部材と、を少なくとも備え、前記保持部材の先端向き面または後端向き面には、前記軸線方向に見て自身の厚み以上の長さの領域において、リブが周方向に亘って所定の間隔で複数設けられている。

この形態のガスセンサによれば、保持部材の先端向き面または後端向き面にリブが周方向に亘って所定の間隔で複数設けられていることから、保持部材のセパレータとの当接箇所近傍の軸線方向における剛性が強化される。これにより、保持部材のしなりを抑制でき、セパレータのがたつきを防止することができる。

本形態のガスセンサにおいて、前記リブは、高低差を有する凹凸形状であってもよい。

この形態のガスセンサによれば、リブの剛性がより高まるため、好ましい。

本形態のガスセンサにおいて、前記保持部材は、前記セパレータの外側面を取り囲む筒部と、前記筒部の後端に周方向に亘って接続され、径方向内側に向かって縮径するように湾曲する外側屈曲部と、前記外側屈曲部のうち前記径方向内側の端部に周方向に間隔をあけて接続され、前記径方向内側に向かって延びると共に、前記セパレータを前記軸線方向に支持する複数の支持部と、を有し、前記リブは、前記支持部に設けられていてもよい。

この形態のガスセンサによれば、保持部材のうちセパレータを当接支持する支持部の軸線方向における剛性が強化されるため、好ましい。

本形態のガスセンサにおいて、前記保持部材は、前記外側屈曲部のうち前記径方向内側の端部に接続されると共に、周方向に隣り合う２つの前記支持部の間に配置された内側延出部であって、前記軸線方向の先端側に向かって湾曲した内側屈曲部を有し、先端側端部が前記セパレータの前記外側面に当接することで前記径方向に前記セパレータを挟持する複数の内側延出部をさらに有してもよい。

この形態のガスセンサによれば、内側延出部によってセパレータを径方向に挟持することができ、セパレータのがたつきをより防止することができるため好ましい。

本発明の第１実施形態としてのガスセンサの断面図である。保持部材によってセパレータが支持された状態の図である。保持部材の断面図である。保持部材の上面図である。図４のＦ４ａ−Ｆ４ａ断面図である。図４のＦ４ｂ−Ｆ４ｂ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実施形態としてのガスセンサ１の断面図である。図１において、ガスセンサ１の軸線Ｏ（１点鎖線で示す）に平行な軸線方向ＣＤを上下方向として図示し、検出素子１０の先端部１１側をガスセンサ１の先端側ＡＳ、後端部１２側をガスセンサ１の後端側ＢＳとして説明する。

図１において、ガスセンサ（全領域空燃比ガスセンサ）１は、センサ素子２１と、軸線Ｏ方向に貫通してセンサ素子２１を挿通させる貫通孔３２を有するホルダ（セラミックホルダ）３０と、セラミックホルダ３０の径方向周囲を取り囲む主体金具１１と、を備えている。
センサ素子２１のうち、検知部２２が形成された先端寄り部位が、セラミックホルダ３０より先端に突出している。このように貫通孔３２を通されたセンサ素子２１は、セラミックホルダ３０の後端面側（図示上側）に配置されたシール材（本例では滑石）４１を、絶縁材からなるスリーブ４３、リングワッシャ４５を介して先後方向に圧縮することによって、主体金具１１の内側において先後方向に気密を保持して固定されている。
なお、センサ素子２１の後端２９を含む後端２９寄り部位はスリーブ４３及び主体金具１１より後方に突出しており、その後端２９寄り部位に形成された各電極端子２４に、シール材８５を通して外部に引き出された各リード線６６の先端に設けられた端子金具４０が圧接され、電気的に接続されている。また、この電極端子２４を含むセンサ素子２１の後端２９寄り部位は、外筒８１でカバーされている。以下、さらに詳細に説明する。

センサ素子２１は軸線Ｏ方向に延びると共に、測定対象に向けられる先端側（図示下側）に、検知用電極等（図示せず）からなり被検出ガス中の特定ガス成分を検出する検知部２２を備えた帯板状（板状）をなしている。センサ素子２１の横断面は、先後において一定の大きさの長方形（矩形）をなし、セラミック（固体電解質等）を主体として細長いものとして形成されている。このセンサ素子２１自体は、従来公知のものと同じものであり、固体電解質（部材）の先端寄り部位に検知部２２をなす一対の検知用電極が配置され、これに連なり後端寄り部位には、検知用出力取り出し用のリード線６６接続用の電極端子２４が露出形成されている。また、本例では、センサ素子２１のうち、固体電解質（部材）に積層状に形成されたセラミック材の先端寄り部位内部にヒータ（図示せず）が設けられており、後端寄り部位には、このヒータへの電圧印加用のリード線６６接続用の電極端子２４が露出形成されている。なお、図示はしないが、これら電極端子２４は縦長矩形に形成され、例えばセンサ素子２１の後端２９寄り部位において、帯板の幅広面（両面）に３つ又は２つの電極端子が横に並んでいる。
なお、センサ素子２１の検知部２２に、アルミナ又はスピネル等からなる多孔質の保護層２３が被覆されている。

主体金具１１は、先後において同心異径の筒状をなし、先端側が小径で、後述するプロテクタ５１、６１を外嵌して固定するための円筒状の円環状部（以下、円筒部ともいう）１２を有し、その後方（図示上方）の外周面には、それより大径をなす、エンジンの排気管への固定用のネジ１３が設けられている。そして、その後方には、このネジ１３によってセンサ１をねじ込むための多角形部１４を備えている。また、この多角形部１４の後方には、ガスセンサ１の後方をカバーする保護筒（外筒）８１を外嵌して溶接する円筒部１５が連設され、その後方には外径がそれより小さく薄肉のカシメ用円筒部１６を備えている。なお、このカシメ用円筒部１６は、図１では、カシメ後のために内側に曲げられている。なお、多角形部１４の下面には、ねじ込み時におけるシール用のガスケット１９が取着されている。
一方、主体金具１１は、軸線Ｏ方向に貫通する内孔１８を有している。内孔１８の内周面は後端側から先端側に向かって径方向内側に先細るテーパ状の段部１７を有している。

主体金具１１の内側には、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３０が配置されている。セラミックホルダ３０は、先端に向かって先細りのテーパ状に形成された先端向き面３０ａを有している。そして、先端向き面３０ａの外周寄りの部位が段部１７に係止されつつ、セラミックホルダ３０が後端側からシール材４１で押圧されることで主体金具１１内にセラミックホルダ３０が位置決めされ、かつ隙間嵌めされている。
一方、貫通孔３２は、セラミックホルダ３０の中心に設けられると共に、センサ素子２１が略隙間なく通るように、センサ素子２１の横断面とほぼ同一の寸法の矩形の開口とされている。

センサ素子２１は、セラミックホルダ３０の貫通孔３２に通され、センサ素子２１の先端をセラミックホルダ３０及び主体金具１１の先端１２ａよりも先方に突出させている。
一方、センサ素子２１の先端部位は、本形態では、２層構造からなり、共にそれぞれ通気孔（穴）５６、６７を有する有底円筒状のプロテクタ（保護カバー）５１，６１で覆われている。このうち内側のプロテクタ５１の後端が、主体金具１１の円筒部１２に外嵌され、溶接されている。なお、通気孔５６はプロテクタ５１の後端側で周方向において例えば８箇所設けられている。一方プロテクタ５１の先端側にも、周方向において例えば４箇所、排出穴５３が設けられている。
また、外側のプロテクタ６１は、内側のプロテクタ５１に外嵌して、同時に円筒部１２に溶接されている。外側のプロテクタ６１の通気孔６７は、先端寄り部位に、周方向において例えば８箇所設けられており、また、外側のプロテクタ６１先端の底部中央にも排出孔６９が設けられている。

又、図１に示すように、センサ素子２１の後端２９寄り部位に形成された各電極端子２４には、外部にシール材８５を通して引き出された各リード線６６の先端に設けられた各端子金具４０がそのバネ性により圧接され、電気的に接続されている。そして、この圧接部を含む各端子金具４０は、外筒８１内に配置された絶縁性のセパレータ９０内に設けられた各収容部内にそれぞれ対向配置で設けられている。なお、セパレータ９０は、外筒８１内にカシメ固定された保持部材７０を介して径方向及び先端側への動きが規制されている。そして、この外筒８１の先端部を、主体金具１１の後端寄り部位の円筒部１５に外嵌して溶接することで、ガスセンサ１の後方が気密状にカバーされている。
なお、リード線６６は外筒８１の後端部の内側に配置されたシール材（例えばゴム）８５を通されて外部に引き出されており、この小径筒部８３を縮径カシメしてこのシール材８５を圧縮することにより、この部位の気密が保持されている。

因みに、外筒８１の軸線Ｏ方向の中央よりやや後端側には、先端側が径大の段部８１ｄが形成され、この段部８１ｄの内面がセパレータ９０の後端を先方に押すように支持する。一方、セパレータ９０はその外周に形成されたフランジ９３を外筒８１の内側に固定された保持部材７０の上に支持させられており、段部８１ｄと保持部材７０とによってセパレータ９０が軸線Ｏ方向に保持されている。

図２は、保持部材７０によってセパレータ９０が支持された状態の図である。図３は、保持部材７０の断面図である。図４は、保持部材７０の上面図である。図５は、図４のＦ４ａ−Ｆ４ａ断面図である。図６は、図４のＦ４ｂ−Ｆ４ｂ断面図である。図２，３，５，６は、筒部７１が外筒８０の加締めに対応して変形する前の状態を示している。また、図２，３，５，６には、保持部材７０の径方向ＲＤを矢印によって図示している。図４には、保持部材７０をガスセンサ１に組み付けた場合にセパレータ９０の外側面９２が配置される位置を、二点鎖線で示す。さらに、図５，６においては、セパレータ９０の内部の詳細な構造を省略する。

図２に示すように、セパレータ９０は、筒状の保持部材７０内に挿通されている。セパレータ９０のうち後端側部分は保持部材７０よりも後端側ＢＳに突出し、先端側部分は保持部材７０の先端開口７５から先端側ＡＳに突出している。

図３及び図４に示すように、保持部材７０は、筒部７１と、外側屈曲部７２と、複数の支持部７６と、複数の内側延出部７３とを備える。筒部７１は、図２に示すように、セパレータ９０の外側面９２を取り囲むように配置されている。図３に示すように、外側屈曲部７２は、筒部７１の後端に接続され、径方向ＲＤ内側に向かって縮径するように湾曲する。詳細には、外側屈曲部７２は、上側に凸を形成するように（すなわち、先端側ＡＳに円弧の中心が位置するように）湾曲する。外側屈曲部７２は、筒部７１の後端に周方向に亘って接続されている。

図３に示すように、支持部７６は、外側屈曲部７２のうち径方向ＲＤ内側の端部７２ｅから径方向ＲＤ内側に向かって延びる。第１実施形態では、支持部７６は、径方向ＲＤに平行な方向に延びる。図４に示すように、支持部７６は、周方向に亘って間隔をあけて複数（本実施形態では、６つ）設けられている。また、支持部７６のそれぞれには、端部７９から径方向ＲＤ外側に向かって延びるリブ７６ａが設けられている。即ち、リブ７６ａは、周方向に亘って間隔をあけて複数（本実施形態では、６つ）設けられている。リブ７６ａは軸線方向に高低差を有する凹凸形状をなしている。図５に示すように、支持部７６のうち径方向ＲＤ内側の端部７９は、テーパ部９４と当接することで、セパレータ９０を軸線方向ＣＤに支持する。具体的には、端部７９とテーパ部９４とが当接することで、セパレータ９０が先端側ＡＳに移動することを規制する。ここで、セパレータ９０から各端部７９が受ける先端側ＡＳ方向の力を力Ｆ１とする。また、筒部７１と、セパレータ９０と支持部７６との当接位置（端部７９）との径方向ＲＤに沿った最大長さを最大長さＬＡとし、支持部７６のうちリブ７６ａが形成された領域の径方向ＲＤに沿った長さを長さＬ７６とする。なお、第１実施形態では、図１に示すように、筒部７１の中央部のみが加締めによって変形しているだけであり、筒部７１の後端部付近は加締めによる変形が生じていないため、最大長さＬＡは、変形前の筒部７１の外側面と支持部７６の端部７９との長さに相当する。

図４に示すように、本実施例では支持部７６におけるリブ７６ａが形成された領域の径方向ＲＤに沿った長さＬ７６は、保持部材の厚みよりも長い。具体的には、支持部７６におけるリブ７６ａが形成された領域は、保持部材の筒部７１の外周面から内周面にかけての長さＬＢよりも長い。このような長さの領域に亘ってリブ７６ａを支持部７６に形成することで、支持部７６の剛性が強化される。これにより、セパレータ９０が先端側ＡＳに移動することを規制する効果が増大し、セパレータ９０のがたつきを防止することができる。

図４に示すように、内側延出部７３は、周方向に隣り合う２つの支持部７６の間に配置されている。本実施形態では、内側延出部７３は、６つ設けられている。図３に示すように、内側延出部７３は、内側屈曲部７３ａと、内側ストレート部７３ｂと、内側当接部７３ｃとを有する。内側屈曲部７３ａは、端部７３ｅに接続され、先端側ＡＳに向かって湾曲する。詳細には、内側屈曲部７３ａは、上側に凸を形成するように（すなわち、先端側ＡＳに円弧の中心が位置するように）湾曲する。内側ストレート部７３ｂは、内側屈曲部７３ａの径方向ＲＤ内側の端部から先端側ＡＳに延びる部材である。内側ストレート部７３ｂは平板状である。内側当接部７３ｃは、内側ストレート部７３ｂの先端側ＡＳ端部から径方向ＲＤ内側に延びる部材である。内側ストレート部７３ｂ及び内側当接部７３ｃは、径方向ＲＤに弾性変形可能なように構成されている。図６に示すように、円弧状の先端側端部７８が弧全体に亘って外側面９２と当触する。また、外側面９２が筒部７１内に挿通された状態では、外側面９２から径方向ＲＤに力Ｆ２を受けることで、内側延出部７３（つまり、内側当接部７３ｃ）は自由状態に比べて径方向ＲＤ外側に弾性変形している。これにより、複数の内側当接部７３ｃによって径方向ＲＤ内側にセパレータ９０が挟持されるため、セパレータ９０が径方向ＲＤにおいてある程度位置決めされる。

なお、この発明は上記の実施例や実施形態に限られるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の態様において実施することが可能である。
上記実施形態では、自動車の排気管内を流通する排気ガス中の酸素の有無を検出するガスセンサについて説明したが、これに限定されるものではなく、他の気体中の特定のガス（例えば、ＮＯｘ）を検出するための各種ガスセンサに本実施形態は適用可能である。

本実施形態では、リブ７６ａが形成された領域の径方向ＲＤに沿った長さＬ７６は、筒部７１と端部７９との径方向ＲＤに沿った最大長さＬＡの約５０％の長さであったが、これ以上の長さであっても良く、最大長さＬＡと同値であってもよい。即ち、ＬＢ≦Ｌ７６≦ＬＡを満たすことで、本発明の効果を奏することができる。

また、本実施形態では、リブ７６ａは高低差を有する凹凸形状をなしていたが、これに限られず、支持部７６の先端向き面または後端向き面において、凹部または凸部が形成されていてもよい。

また、本実施形態では、リブ７６ａは形成領域の全面に渡って一様の凹部と、それに対応する凸部が形成されていたが、これに限られず、長さＬＢよりも短い凹部または凸部が支持部７６のリブ形成領域の全面に渡って複数形成されていてもよい。左記態様は、例えばローレット加工やエンボス加工を施すことで達成可能である。

１…ガスセンサ
１１…主体金具
１９…ガスケット
２１…センサ素子
２２…検知部
２３…保護層
３０…セラミックホルダ
４０…端子金具
４１…シール材（滑石）
４３…スリーブ
４５…リングワッシャ
５１…内側のプロテクタ
６１…外側のプロテクタ
６６…リード線
７０…保持部材
７１…筒部
７２…外側屈曲部
７３…内側延出部
７３ａ…内側屈曲部
７３ｂ…内側ストレート部
７３ｃ…内側当接部
７３ｅ…端部
７５…先端開口
７６…支持部
７６ａ…リブ
７６ｅ…端部
７８…先端側端部
７９…端部
８１…外筒
８５…シール材（ゴム）
９０…セパレータ
９２…外側面
９３…フランジ
９４…テーパ部
ＡＳ…先端側
ＢＳ…後端側
ＣＤ…軸線方向
Ｆ１…力
Ｆ２…力
Ｏ…軸線
ＲＤ…径方向

Claims

軸線方向に延び、特定ガスの濃度を検出するための検出素子と、
前記検出素子の周囲を取り囲んで保持する主体金具と、
前記主体金具の後端側に取り付けられた筒状の外筒と、
一端側にリード線が接続されると共に、他端側にて前記検出素子と電気的に接続される端子金具と、
前記外筒内に配置され、前記端子金具と前記検出素子とを内部に収容する筒状のセパレータと、
前記セパレータと前記軸線方向に当接する保持部材と、を少なくとも備え、
前記保持部材の先端向き面または後端向き面には、前記軸線方向に見て自身の厚み以上の長さの領域において、リブが周方向に亘って所定の間隔で複数設けられているガスセンサ。
前記リブは、高低差を有する凹凸形状である請求項１に記載のガスセンサ。
前記保持部材は、前記セパレータの外側面を取り囲む筒部と、前記筒部の後端に周方向に亘って接続され、径方向内側に向かって縮径するように湾曲する外側屈曲部と、前記外側屈曲部のうち前記径方向内側の端部に周方向に間隔をあけて接続され、前記径方向内側に向かって延びると共に、前記セパレータを前記軸線方向に支持する複数の支持部と、を有し、
前記リブは、前記支持部に設けられている請求項１または２に記載のガスセンサ。
前記保持部材は、前記外側屈曲部のうち前記径方向内側の端部に接続されると共に、周方向に隣り合う２つの前記支持部の間に配置された内側延出部であって、前記軸線方向の先端側に向かって湾曲した内側屈曲部を有し、先端側端部が前記セパレータの前記外側面に当接することで前記径方向に前記セパレータを挟持する複数の内側延出部をさらに有する請求項３に記載のガスセンサ。