JP4018733B2 - ガスセンサ - Google Patents

Description

本発明は、被測定ガスに曝した状態で用いられるガスセンサであって、内部に収納しているセンサ素子などを被測定ガスに含まれている水分などから防護するプロテクタを備えたガスセンサに関する。

従来より、自動車のエンジンなどの内燃機関に取り付けられ、排気ガス中の酸素濃度を検出する様々な形態の酸素センサが開発されている。そして、その中の１つとして、ジルコニアなどの固体電解質からなるセンサ素子を用いた酸素センサが知られている。

一般的に、この形態の酸素センサは、センサ素子に形成されたガス接触部を排気ガスに曝した構造をしており、ヒータを用いてセンサ素子を高温（約３００℃）に加熱して活性化し、排気ガス中の酸素濃度を検出している。

ところで、固体電解質からなるセンサ素子は、熱衝撃に対して脆いので、高温に加熱された状態のセンサ素子に排気ガス中の水分が付着し、急激に冷却されると、クラックが発生するなどしてセンサ素子が破損する虞がある。

このため、上記のような酸素センサには、センサ素子のガス接触部を覆うプロテクタが装着されている。このプロテクタは、有底筒状の管部材からなるものが現在一般的となっており、その側面には、排気ガスをプロテクタ内部に導入すると共に、導入した排気ガスをプロテクタ外部に排出するための挿通孔（以下、「側面孔」という。）が形成されている。

ここで、プロテクタの外部を流れる排気ガスが、プロテクタの外壁に接触すると、排気ガス中の水分が凝縮し、その凝縮水がプロテクタの外壁に付着する。そして、外壁に付着した凝縮水がプロテクタの外壁を伝い、側面孔からプロテクタ内部に侵入することがある。又、プロテクタ内部に導入した排気ガスについても、プロテクタの内壁に接触すると、排気ガス中の水分が凝縮し、凝縮水が生成される。このため、プロテクタの底部には、排気ガスの導入や排出を行うと共に、プロテクタ内部に蓄積される凝縮水を排出するための底孔が形成されている。

又、プロテクタの中には、上記の管部材を二重に重ねてなる二重構造のものも開発されている。この二重構造プロテクタは、外側のプロテクタ（以下、「外側プロテクタ」という。）の側面孔と、内側のプロテクタ（以下、「内側プロテクタ」という。）の側面孔とが互いにずれた位置に形成されており、外側プロテクタの側面孔から導入した排気ガスを内側プロテクタの外壁に接触させ、導入した排気ガスがセンサ素子に至る前に排気ガス中の水分を凝縮するようにされている。

尚、上記した、いずれのプロテクタにおいても、プロテクタに形成された側面孔や底孔の径は小さく設定されており、これら側面孔や底孔が排気ガス中の異物を取り込んでしまうことがないようにされている。

ところで、従来の酸素センサでは、プロテクタ内部に蓄積された凝縮水を効率良く排出できないという問題点があった。そして、凝縮水の排出速度が凝縮水の蓄積速度に追いつかなくなった場合には、プロテクタ内に収納されたセンサ素子やヒータが凝縮水に被水する虞があった。

これは、上述したように、従来の酸素センサでは、プロテクタの底孔の径が小さく設定されているため、凝縮水が底孔を通過する際に、底孔の内部では凝縮水の体積が小さくなってしまい、底孔の底部にて凝縮水に働く表面張力に逆らって凝縮水を底孔の底部から剥離させるのに十分な大きさの重力が底孔内部の凝縮水に作用しないことが原因であると考えられる。

そこで、本発明は、上記問題点を解決するために、凝縮水の排出性能が従来よりも高いガスセンサを提供することを目的とする。

上記目的を達成するためになされた請求項１記載の発明は、被測定ガスに接触させるガス接触部を有するガス検出素子と、前記ガス接触部を前記被測定ガスへ曝した状態で前記ガス検出素子を保持するケーシングと、前記ケーシングに設けられ、前記ガス検出素子の前記ガス接触部を覆う有底筒状のプロテクタとを備えたガスセンサであって、前記プロテクタは、２つの有底筒状の管部材の底部を二重に重ね、内側に位置する該管部材の底部の外面と外側に位置する該管部材の底部の内面とを一体化してなると共に、当該プロテクタを挿通する底孔が形成され、且つ、外側に位置する前記管部材に形成された前記底孔は、内側に位置する前記管部材に形成された前記底孔よりも開口面積が大きく設定されていることを特徴とする。

このように構成されたガスセンサでは、凝縮水が底孔を通じて外部へ落下する際、底孔の開口面積が大きくなっていくのに対し、凝縮水の表面積は、表面張力によって小さくなっていくため、底孔を通過する間に、凝縮水は底孔の外縁から剥離していく。即ち、重力のみならず凝縮水の表面張力をも利用して凝縮水を底孔から剥離させるため、従来のガスセンサよりも凝縮水の排出性能が高い。
尚、請求項１記載の発明において、底孔の平面形状が円形からなる場合には、請求項２記載のように、互いに隣り合う前記管部材において、外側に位置する前記管部材の前記底孔と、内側に位置する前記管部材の前記底孔との径の差は１．０ｍｍ以上であることが望ましい。
又、請求項１，２記載の発明において、２つの前記管部材の外周壁にそれぞれ側面孔が形成されている場合には、請求項３記載のように、外側に位置する前記管部材の外周壁に形成された前記側面孔と、内側に位置する前記管部材の外周壁に形成された前記側面孔とは、互いに重なり合わないように設定されているとよい。
又、請求項４記載のように、請求項３記載の発明において、内側に位置する前記管部材の外周壁に形成された前記側面孔は、外側に位置する前記管部材の外周壁に形成された前記側面孔よりも前記プロテクタの底部側に位置するとよい。
又、請求項５記載のように、請求項３，４記載の発明において、内側に位置する前記管部材の外周壁に形成された前記側面孔は、前記ガス検出素子の前記ガス接触部よりも前記プロテクタの底部側に位置するとよい。

以下に本発明の実施形態及び参考形態を図面と共に説明する。
［実施形態］
図１は、本発明を適用した酸素センサの構造を示す断面図である。

図１に示すように、酸素センサ１は、排気ガス中の酸素濃度を検出するセンサ素子２、センサ素子２などを内部に保持するケーシング３、ケーシング３の下端部に装着されたプロテクタ４を有している。

まず、センサ素子２は、ジルコニアからなる長板状に形成された複数のグリーンシートなどを積層して構成されており、センサ素子２の一端部分には、排気ガス中の酸素を当該センサ素子２内に汲み取ったり、当該センサ素子２内の酸素を外部へ汲み出すガス接触部２１が形成されている。そして、センサ素子２には、長板状のヒータ１３が積層されている。

又、センサ素子２には、ガス接触部形成端とは反対側の端部に、当該センサ素子２から信号を取り出したり、ヒータ１３へ電力を供給するための複数の電極端子５がリード線６を介して接続されている。

次に、ケーシング３は、酸素センサ１を内燃機関の排気管などに固定するための主体金具３１と、主体金具３１の上部に設けられた円筒形状の外筒３２とから構成されている。そして、このケーシング３には、センサ素子２、センサ素子２に接続された電極端子５、センサ素子２とケーシング３とを絶縁するための円筒形状の絶縁管８、センサ素子２を絶縁管８内に固定するための滑石粉末からなる充填部材９，１４などが収納されている。尚、ケーシング３の上端部からは、電極端子５が突出するようにされ、又、ケーシング３の下端部からは、センサ素子２のガス接触部２１が突出するようにされている。更に、ケーシング３の上端部には、電極端子５に嵌合する雌型端子１５と、雌型端子１５に接続された外部リード線１６とを備えた保護外筒１７が加締めによって連結されており、センサ素子２やヒータ１３へ外部から電力を供給すると共に、センサ素子２の起電力を外部へ取り出すようにされている。

そして、プロテクタ４は、二重構造からなり、外側には、一様な外径を有する有底円筒状の管部材からなる外側プロテクタ４１、内側には、上部の外径が下部の外径よりも大きく形成された有底円筒状の管部材からなる内側プロテクタ４２が配置されている。尚、内側プロテクタ４２の底部の外面は、外側プロテクタの底部の内面にスポット溶接されており、外側プロテクタ４１と内側プロテクタ４２とは、一体化されている。

又、外側プロテクタ４１及び内側プロテクタ４２の外周壁には、夫々、丸孔からなる複数の側面孔４１１，４２１が形成されており、外部から排気ガスをプロテクタ４内部に導入するようにされている。但し、側面孔４１１，４２１は、互いに重なり合わないように設定されている。

ここで、図２にプロテクタ４の底部付近の断面図を示す。
図２に示すように、外側プロテクタ４１の底部及び内側プロテクタ４２の底部の中心部分には、平面形状が円形からなる底孔４１２，４２２が互いに重なり合って形成されており、底孔４１２の径Ｗ２は、底孔４２２の径Ｗ１よりも大きく設定されている。

以上のように構成された酸素センサ１では、ヒータ１３を用いてセンサ素子２を活性化し、プロテクタ４内部に導入した排気ガス中の酸素濃度を検出する。そして、プロテクタ４の内部に蓄積した凝縮水を底孔４１２，４２２を通じて外部に排出する。

ここで、上述したように、底孔４１２の径Ｗ２は底孔４２２の径Ｗ１よりも大きく設定されており、底孔４１２と底孔４２２との境界部４３では、開口面積が大きくなる。そして、この境界部４３では、プロテクタ４の底孔の開口面積が大きくなっていくのに対し、凝縮水の表面積は表面張力により小さくなっていくため、凝縮水は、プロテクタ４の底孔の外縁から剥離していく。

即ち、本実施形態の酸素センサ１では、重力のみならず凝縮水の表面張力をも用いて凝縮水をプロテクタ４の底孔から剥離させるため、従来の酸素センサに比べ、凝縮水の排出性能が高い。

ここで、上記効果を実証するために発明者が実証実験を行っている。
この実証実験は、側面孔を具備せず、１つの底孔のみが形成された有底円筒状の二重構造プロテクタを用いて行ったもので、この二重構造プロテクタの内側プロテクタの内部にスポイトで水を滴下していき、内側プロテクタの内部に蓄積された水が排出され始めるまでに滴下した水の量を測定している。

尚、この二重プロテクタは、高さ２０ｍｍ、外径１０．３５ｍｍ、肉厚０．４ｍｍの外側プロテクタと、高さ１５．４ｍｍ、外径９．４ｍｍ、肉厚０．３ｍｍの内側プロテクタからなり、内側プロテクタの底面の外壁を外側プロテクタの底面に外壁にスポット溶接して一体化して構成されている。又、発明者は、底孔の径が２．０ｍｍ、２．５ｍｍ、３．０ｍｍからなる３種類の内側プロテクタと、底孔の径が２．０ｍｍ、２．５ｍｍ、３．０ｍｍ、３．５ｍｍ、４．０ｍｍ、４．５ｍｍからなる６種類の外側プロテクタとを夫々複数用意し、それらを全て異なるパターンで組み合わせて実証実験を行っている。

そして、この実証実験は、二重構造プロテクタを水平方向から上方に９０゜の角度を持たせた状態（つまり、直立させた状態）と、酸素センサを実際に自動車のエンジンに取り付けた場合と同じ水平方向から上方に６０゜の角度を持たせた状態とで行った。

ここで、図３は、二重構造プロテクタを水平方向から上方に９０゜の角度を持たせた状態で行った実験結果を示すグラフであり、図４は、二重構造プロテクタを水平方向から上方に６０゜の角度を持たせた状態で行った実験結果を示すグラフである。

図３，４に示すように、外側プロテクタの径が内側プロテクタの径よりも大きくなるに従い（グラフの横軸における右方向）、少ない滴下量で水が排出され始めている。そして、二重構造プロテクタの角度や内側プロテクタの底孔の径がいずれの場合でも、外側プロテクタの底孔の径が内側プロテクタの底孔の径よりも１．０ｍｍ大きい場合に、最も少ない滴下量で二重構造プロテクタ内部の水が排出され始めている。

つまり、底孔の平面形状が円形からなる二重構造プロテクタにおいて、内側プロテクタの底孔の径が２．０ｍｍ〜３．０ｍｍの範囲にある場合には、外側プロテクタの底孔の径を内側プロテクタの底孔の径よりも１．０ｍｍ大きく設定することが最適といえる。
［参考形態］
次に参考形態について説明する。

本参考形態の酸素センサは、実施形態の酸素センサ１におけるプロテクタ４を別の形態のプロテクタに置き換えただけである。
従って、ここでは、酸素センサのプロテクタについてのみ詳述し、その他の構成要素についての説明は省略する。

ここで、図５は、本参考形態の酸素センサに用いるプロテクタ１０の断面図である。
図５に示すように、プロテクタ１０は、一重構造からなり、外径及び内径が一様な円筒状の管部材から構成されている。そして、プロテクタ１０の下端付近の外周壁には、丸孔からなる側面孔１１が形成されており、この側面孔１１から排気ガスを内部に導入するようにされている。

又、プロテクタ１０の底部には、平面形状が円形からなる底孔１２が形成されている。尚、この底孔１２は、プロテクタ１０の内側から外側にかけて開口面積が大きくなるようにテーパ状の断面形状を有している。即ち、プロテクタ１０は、実施形態のプロテクタ４と同様に、凝縮水の表面張力を利用して、凝縮水をプロテクタ１０の底孔から剥離させる。

このため、プロテクタ１０を備えた本参考形態の酸素センサは、実施形態の酸素センサ１と同様の効果を得ることができる。
尚、本参考形態の酸素センサにおいて、上述のプロテクタ１０の底孔は、図６，７に示すプロテクタ５０，６０の底孔５２，６２のように、プロテクタ５０，６０の内側から外側に至る一区間の径の大きさが一様（つまり、開口面積が一様）であり、それ以外の部分は、プロテクタ５０，６０の外部に向かって開口面積が大きくなるように、テーパ状の断面形状を有するように形成されていても良い。

又、本参考形態の酸素センサにおいて、上述のプロテクタ１０を図８に示すプロテクタ７０に置き換えても良い。
図８に示すように、プロテクタ７０は、プロテクタ１０の底面の外壁に、底孔１２を囲繞するとともに、プロテクタ１０の底面からプロテクタ１０の軸方向に沿って外側に向かうに従って開口面積が大きくなるスカート部７１を備えたものである。

尚、このプロテクタ７０のようにスカート部を備える場合、プロテクタ７０の底孔１２は、図９に示すプロテクタ８０の底孔８２のように、プロテクタの内側から外側にかけて開口面積が一様にされていても良いし、上述したプロテクタ５０，６０のように、プロテクタの内側から外側に至る一区間の開口面積が一様で、それ以外の部分は、プロテクタの外部に向かって開口面積が大きくなるようにテーパ状の断面積を有するように形成されていても良い。

又、スカート部は、プロテクタの底部から外部に至る一区間の開口面積が一様にされ、それ以外の部分の開口面積はプロテクタの外部に向かって広がっていくようにテーパ状に断面積を有していても良い。

以上、本発明の実施の形態について説明したが、本発明は、上記実施形態に何ら限定されることはなく、本発明の技術的範囲に属する限り種々の形態をとり得ることはいうまでもない。

例えば、上記実施形態におけるプロテクタの底孔の平面形状は、円形であったが、楕円形や多角形からなっていても良い。
又、上記実施形態におけるプロテクタには、底孔が１つ形成されているだけであったが、底孔を複数形成しても良い。

この場合、プロテクタの排水性能をより向上させることができる。
又、上記実施形態では、プロテクタは、一重もしくは二重構造であったが、３つ以上のプロテクタを重ねて構成されていても良い。

又、上記実施形態では、本発明を酸素センサに適用したが、被測定ガス中における他の成分の濃度を検出したり、空燃比の検出を行うガスセンサに適用しても良い。

実施形態における酸素センサ１の構造を示す断面図である。 酸素センサ１に装着したプロテクタ４の断面図である。 二重構造プロテクタを水平方向から上方に９０゜の角度を持たせた状態で行った実証実験の結果を示すグラフである。 二重構造プロテクタを水平方向から上方に６０゜の角度を持たせた状態で行った実証実験の結果を示すグラフである。 参考形態の酸素センサに装着するプロテクタ１０の断面図である。 プロテクタ５０の断面図である。 プロテクタ６０の断面図である。 プロテクタ７０の断面図である。 プロテクタ８０の断面図である。

符号の説明

１…酸素センサ、 ２…センサ素子、 ３…ケーシング、 ４…プロテクタ、
５…電極端子、 ６…リード線、 ８…絶縁管、 ９…充填部材、 １０…プロテクタ、 １１…側面孔、 １２…底孔、 １３…ヒータ、 １４…充填部材、 １５…雌型端子、 １６…外部リード線、 １７…保護外筒、 ３１…主体金具、 ３２…外筒、 ４１…外側プロテクタ、 ４２…内側プロテクタ、 ４３…境界部、 ５０…プロテクタ、 ５２…底孔、 ６０…プロテクタ、 ６２…底孔、 ７０…プロテクタ、 ７１…スカート部、 ８０…プロテクタ、 ８２…底孔、 ４１１…側面孔、 ４１２…底孔、 ４２１…側面孔、 ４２２…底孔。

Claims (5)

1. 被測定ガスに接触させるガス接触部を有するガス検出素子と、
   前記ガス接触部を前記被測定ガスへ曝した状態で前記ガス検出素子を保持するケーシングと、
   前記ケーシングに設けられ、前記ガス検出素子の前記ガス接触部を覆う有底筒状のプロテクタと、
   を備えたガスセンサであって、
   前記プロテクタは、２つの有底筒状の管部材の底部を二重に重ね、内側に位置する該管部材の底部の外面と外側に位置する該管部材の底部の内面とを一体化してなると共に、当該プロテクタを挿通する底孔が形成され、且つ、
   外側に位置する前記管部材に形成された前記底孔は、内側に位置する前記管部材に形成された前記底孔よりも開口面積が大きく設定されていることを特徴とするガスセンサ。
2. 前記底孔の平面形状は円形からなり、
   互いに隣り合う前記管部材において、外側に位置する前記管部材の前記底孔と、内側に位置する前記管部材の前記底孔との径の差は１．０ｍｍ以上であることを特徴とする請求項１記載のガスセンサ。
3. ２つの前記管部材の外周壁には、それぞれ側面孔が形成され、
   外側に位置する前記管部材の外周壁に形成された前記側面孔と、内側に位置する前記管部材の外周壁に形成された前記側面孔とは、互いに重なり合わないように設定されていることを特徴とする請求項１又は請求項２記載のガスセンサ。
4. 内側に位置する前記管部材の外周壁に形成された前記側面孔は、外側に位置する前記管部材の外周壁に形成された前記側面孔よりも前記プロテクタの底部側に位置することを特徴とする請求項３記載のガスセンサ。
5. 内側に位置する前記管部材の外周壁に形成された前記側面孔は、前記ガス検出素子の前記ガス接触部よりも前記プロテクタの底部側に位置することを特徴とする請求項３又は請求項４記載のガスセンサ。

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