JP4063996B2 - Gas sensor - Google Patents
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Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、酸素センサ、HCセンサ、NOXセンサなど、測定対象となるガス中の被検出成分を検出するためのガスセンサに関する。
【0002】
【従来の技術】
上述のようなガスセンサとして、被検出成分を検出する検出部が先端に形成された棒状ないし筒状の検出素子を、金属製のケーシングの内側に配置した構造のものが知られている。このようなガスセンサは、該ケーシングの一部をなす主体金具の外周面に形成されたねじ部により排気管等の所定の取付部に取り付けられるとともに、主体金具の端部から突出する検出部が測定雰囲気中に保持され、被検出成分を検出する。そして、多くのガスセンサにおいては、測定雰囲気中に位置する検出部を被水や被毒から保護するために、該検出部を覆うプロテクタが設けられている。プロテクタの側壁部には気体流通孔が形成され、被測定ガスはこの気体流通孔からプロテクタ内に導かれ、検出部と接触させられる。
【0003】
最近では、検出部の保護性能を高めるため、該プロテクタを内外2つの筒状部からなる二重構造としたものも多く使用されている。このような二重構造プロテクタにおいては、その内外の筒状部に形成される気体流通孔の形成位置に重なりが生じていると、その重なり部において水や被毒成分が検出部に直接到達する経路が形成されるので、二重構造による保護性能の向上効果が必ずしも十分に達成できない場合がある。そのため、多くの二重構造プロテクタにおいては、内側の筒状部と外側の筒状部とで気体流通孔の形成位置をずらせることで、上記のような経路が発生しないようにし、保護性能を高める工夫がなされている。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、上記のような二重構造プロテクタにおいて、内外の筒状部は、気体流通孔が初期の位置関係を満足するものとなるように、周方向に位置合わせした状態で固定しなければならない。この場合、従来は、例えば2つの筒状部を底部が互いに重なるように配置するとともに、その重なり面に凹凸を形成しておき、それら凹凸の係合により位置合わせを行うようにしていたが、内外の筒状部は振動等により軸線方向に動きやすいため、組付け作業時において上記位置合わせ用の凹凸の係合が外れやすく、作業能率が極めて悪い欠点がある。また、位置合わせ後の両筒状部は、重なった底部同士を抵抗溶接により接合する形で固定されていたが、センサが高温環境で使用される場合には溶接部の劣化や振動付加により該固定が外れやすい問題がある。
【0005】
本発明の課題は、2以上の筒状部を重ね配置した構造のプロテクタを有するとともに、それら筒状部の周方向の位置合わせが容易であり、ひいては組立て作業が容易なガスセンサを提供することにある。
【0006】
【課題を解決するための手段及び作用・効果】
上記課題を解決するために本発明のガスセンサは、
先端部に検出部が形成された棒状又は筒状形態をなし、測定対象となるガス中の被検出成分を検出する検出素子と、前記検出部を一方の端部側から突出させた状態で、前記検出素子を覆う筒状の素子収容体と、その素子収容体の、前記検出部が突出する側の開口端部に結合されるとともに、前記被測定ガスの流通を許容した状態で該検出部を覆うプロテクタとを備え、そのプロテクタは、内外2つの筒状部、すなわち外側の第一筒状部と、その内側に軸方向に挿入される第二筒状部とを有するものとされ、かつ前記第二筒状部の外周面には、前記第一筒状部内への挿入に伴い該第一筒状部の内周面に形成された第一側係合部と係合して、前記第二筒状部を当該第一筒状部に対して周方向の所定位置に位置決め保持させる第二側係合部が形成され、
前記第一側係合部は前記第一筒状部の内周面から突出形成された係合凸部であり、前記第二側係合部は、前記第二筒状部の外周面においてその軸線方向に延び、前記係合凸部が嵌まり込んで該軸線方向に相対的にスライド移動することを許容する溝部であり、
前記素子収容体の前方側開口部には筒状のプロテクタ装着部が形成され、
前記第二筒状部は、前記第一筒状部の開口縁よりも所定距離内側に入り込むように、前記第一筒状部よりも軸線方向の長さが短く形成されており、該第一筒状部の開口側には、前記プロテクタ装着部への装着代部が所定幅で形成され、該装着代部に対し前記素子収容体の前記プロテクタ装着部を挿入し、該装着代部とプロテクタ装着部との重なり部に対し全周の環状溶接部を形成することにより取り付けられたことを特徴とする。
【0007】
上記構成では、プロテクタの組立作業時において、内側の第二筒状部を外側の第一筒状部に挿入する際に、該第一筒状部の内周面に形成された第一側係合部と、第二筒状部の外周面に形成された第二側係合部とを互いに係合させることにより、第二筒状部が第一筒状部に対して周方向の所定位置に位置決め保持されるようにした。これにより、少なくとも2つの筒状部を重ね配置した構造のプロテクタを有するガスセンサにおいて、それら筒状部の周方向の相対的な位置決めが極めて行いやすくなり、プロテクタ組立の作業性が向上する。
【0008】
なお、第一筒状部と第二筒状部とは、軸断面を略円形状に形成することができるが、この場合は第一側係合部と第二側係合部とは、それらの係合により両筒状部の相対回転を阻止するものとして構成することができる。これにより、略円形状軸断面を有する2つの筒状部同士の位置決め位置からの相対回転が、上記係合部の係合により阻止されるため、プロテクタの組立作業を一層容易に行うことができる。
【0009】
上記ガスセンサにおいては、第一筒状部と第二筒状部との各側壁部に、気体の流通を許容する第一側気体流通孔及び第二側気体流通孔をそれぞれ厚さ方向に貫通する形態で形成することができる。この場合、第一側係合部と第二側係合部との係合により、それら第一側気体流通孔と第二側気体流孔とが所定の位置関係を満足するように、第一筒状部と第二筒状部とを容易に位置決め保持することが可能となる。
【0010】
例えば、第一筒状部と第二筒状部との外壁部同士の間に所定量の隙間を形成し、第一側気体流通孔と第二側気体流孔とをそれら筒状部の周方向において互いにずれた位置関係となるように位置決めすれば、水や被毒成分がプロテクタを経て検出部に直接到達する経路が形成されにくくなり、検出部に対するプロテクタの保護性能が高められる。この場合、第一側係合部と第二側係合部とを設けることで、第一筒状部と第二筒状部とを上記位置関係を満足する形で容易に組み立てることができるようになる。
【0011】
第一側係合部は、具体的には第一筒状部の内周面から突出形成された係合凸部とすることができ、第二側係合部は、第二筒状部の外周面においてその軸線方向に延び、係合凸部が嵌まり込んで該軸線方向に相対的にスライド移動することを許容する溝部とすることができる。この構成によれば、第二筒状部側の溝部に対し、第二筒状部側の係合凸部を嵌め入れ、その状態で該凸部を上記溝部内で相対的にスライドさせながら、第二筒状部を第一筒状部内に挿入することにより、両筒状部の位置決め組立の作業を極めて簡単に行うことができる。
【0012】
なお、溝部は、第二筒状部の外周面においてその周方向にほぼ等角度間隔で複数形成することができる。この場合、係合凸部は、第一筒状部の内周面上の所定位置に1つ、又は該内周面の周方向において溝部の形成角度間隔の整数倍となる角度間隔で複数形成することができる。こうすれば、係合凸部を複数の溝部のいずれかに選択的に係合させることが可能となり、例えば係合凸部と溝部とを1組のみ形成する場合と比較して、その係合位置を探す手間が省けるので、組立作業の能率が一層向上する。
【0013】
次に、本発明のガスセンサは、より具体的には、第二筒状部の側壁部は軸方向中間部に形成された段差部により開口端部側が拡径され、その拡径された開口端部を第一部分、段差部を挟んでその第一部分と反対側に位置する部分を第二部分として、溝部がその第一部分に形成される一方、第二部分において、第一筒状部と第二筒状部との間には、段差部に対応する大きさの隙間が形成されるとともに、第二筒状部には第二部分に第二側気体流通孔が、また第一筒状部の第二部分に対応する側壁部分に第一側気体流通孔がそれぞれ形成されたものとして構成することができる。該構成によれば、第二筒状部に段差部を設けることで第一筒状部と第二筒状部との間に気体流通に必要な隙間を容易に形成でき、かつ該段差部により拡径された第一部分を、位置決めに必要な溝部の形成部位として有効活用することが可能となる。
【0014】
この場合、第二筒状部の第一部分を、第一筒状部の側壁部に対し、溝部と干渉しない位置に形成された溶接部により接合することができる。この構成によれば、両筒状部の重ね合わされた底部同士を溶接接合する従来の二重構造プロテクタの構成と比較して、溶接部の衝撃に対する耐性が増し、また高温となるプロテクタ先端位置から溶接部が離れるので、センサが高温環境で使用される場合においても溶接部に劣化や損傷が生じにくくなる。これにより、筒状部同士の位置決め結合状態が外れたりするトラブルが生じにくくなる。この場合、両筒状部の重ね合わされた底部同士にも、それらを接合する溶接部を形成すれば、筒状部間の位置決め結合強度をさらに高めることができる。
【0015】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図面に示す実施例に基づき説明する。
図1は本発明のガスセンサの一実施例たる酸素センサの内部構造を示している。該酸素センサ1は、先端が閉じた中空軸状の固体電解質部材である酸素検出素子2と、軸状のセラミックヒータである発熱体3とを備えて構成される。酸素検出素子2は酸素イオン伝導性を有する固体電解質により構成されている。そのような固体電解質としては、Y2O3ないしCaOを固溶させたZrO2が代表的なものであるが、それ以外のアルカリ土類金属ないし希土類金属の酸化物とZrO2との固溶体を使用してもよい。また、ベースとなるZrO2にはHfO2が含有されていてもよい。
【0016】
この酸素検出素子2の中間部外側には、絶縁性セラミックから形成されたインシュレータ6,7、並びにタルクから形成されたセラミック粉末8を介して、素子収容体としての金属製のケーシング10が設けられ、酸素検出素子2はケーシング10と電気的に絶縁された状態でこれらを貫通している。ケーシング10は、酸素センサ1を排気管等の取付部に取り付けるためのねじ部9bを有する主体金具9、その主体金具9の一方の開口部に内側が連通するように結合された内筒部材14等を備える。また、図2に示すように、酸素検出素子2の内面及び外面には、そのほぼ全面を覆うように一対の電極層2b,2cが設けられている。これら電極層2b,2cはいずれも、酸素検出素子2を構成する固体電解質へ酸素を注入するための酸素分子の解離反応、及び該固体電解質から酸素を放出させるための酸素の再結合反応に対する可逆的な触媒機能(酸素解離触媒機能)を有する多孔質電極、例えばPt多孔質電極として構成されている。
【0017】
なお、以下においては、酸素検出素子2の軸方向においてその閉じた先端部に向かう側を「前方側(あるいは先端側)」、これと反対方向に向かう側を「後方側(あるいは後端側)」として説明を行う。
【0018】
まず、主体金具9の後方側の開口部には、前述の内筒部材14がインシュレータ6との間にリング15を介してかしめられ、この内筒部材14にさらに外筒部材54が外側から嵌合・固定されている。この外筒部材54の図中上端側の開口はゴム等で構成されたグロメット(弾性シール部材)17で封止され、またこれに続いてさらに内方にセラミックセパレータ18が設けられている。そして、それらセラミックセパレータ18及びグロメット17を貫通するように、酸素検出素子2用のリード線20,21及び発熱体3用のリード線(リード線20,21の影になって見えない)が配置されている。
【0019】
酸素検出素子2用の一方のリード線20は、端子金具23のコネクタ部24及びこれに続く引出し線部25、並びに端子金具23の内部電極接続部26を経て、前述の酸素検出素子2の内側の電極層2c(図2)と電気的に接続されている。一方、他方のリード線21は、別の端子金具33のコネクタ部34及びこれに続く引出し線部35並びに外部電極接続部35bを経て、酸素検出素子2の図示しない外側の電極層と電気的に接続されている。
【0020】
ここで、酸素検出素子2は、排気ガス温が十分高温となっている場合には当該排気ガスで加熱されて活性化されるが、エンジン始動時など排気ガス温が低温である場合には前述の発熱体3で強制的に加熱することで活性化される。発熱体3は、通常はセラミックヒータであり、例えばアルミナを主とするセラミック棒45の先端部に、例えば蛇行状に形成された抵抗発熱線部(図示せず)を有する発熱部42が設けられたものである。この抵抗発熱線部は、ヒータ端子部40から延びるリード線を経て通電されることにより、酸素検出素子2の先端部(検出部)を所定の活性化温度以上に加熱する役割を果たす。
【0021】
また、上述の発熱体3は、端子金具23により酸素検出素子2の中空部内に保持される。この端子金具23には、前述の内部電極接続部26に関して発熱体3の先端側(すなわち発熱部42に近い側)に発熱体把持部27が形成されている。発熱体把持部27は、発熱体3の周囲を包囲するC字状の横断面形状を有している。そして、発熱体3を未挿入の状態では該発熱体3の外径よりは少し小さい内径を有し、発熱体3の挿入に伴い弾性的に拡径してその摩擦力により該発熱体3を把持する。図1の構成において、この発熱体把持部27は内部電極接続部26の片側の1箇所にのみ設けられている。
【0022】
内部電極接続部26は、左右両側の縁に鋸刃状の接触部26aがそれぞれ複数形成された板状部分を円筒状に曲げ加工することにより、発熱体3を包囲する形態で形成されている。そして、その外周面と酸素検出素子2の中空部内壁面2aとの間の摩擦力によって発熱体3を該中空部に対し軸線方向に位置決めする役割を果たすとともに、上記複数の接触部26aの各先端部において内側の電極層2c(図2)と接触・導通するようになっている。
【0023】
次に、図1に示すように、外筒部材54は、内筒部材14(ケーシング10)に対し後方外側からほぼ同軸的に連結される筒状形態をなす。また、内筒部材14の後端部には、段付き部51により、該段付き部51に関して軸方向前方側を第一部分61、同じく軸方向後方側を第二部分62として、該第二部分62が第一部分61よりも径小となるように構成され、その第二部分62には周方向の複数の気体導入孔52が形成されている。また、第二部分62の外側には、上記気体導入孔52を塞ぐ筒状のフィルタ53が配置され、さらに、そのフィルタ53の外側が外筒部材54により覆われている。そして、フィルタ53に対応する位置において外筒部材54の壁部には、周方向に所定の間隔で複数の補助気体導入孔55が形成されるとともに、それら補助気体導入孔55の列を挟んで両側に、フィルタ53を自身と内筒部材14の第二部分62との間で圧着固定する環状のフィルタかしめ部56,57が形成されている。
【0024】
他方、外筒部材54は、第一部分61において内筒部材14に対し外側からこれに重なりを生じるように配置され、その重なり部には周方向の環状の外筒/内筒連結かしめ部75が形成されている。この外筒/内筒連結かしめ部75により、外筒部材54が内筒部材14に対して結合される。
【0025】
なお、フィルタ53は、例えばポリテトラフルオロエチレン(以下、PTFEという)の未焼成成形体を、PTFEの融点よりも低い加熱温度で1軸以上の方向に延伸することにより得られる多孔質繊維構造体(商品名:例えばゴアテックス(ジャパンゴアテックス(株)))により、水滴等の水を主体とする液体の透過は阻止し、かつ空気及び/又は水蒸気などの気体の透過は許容する撥水性フィルタとして構成されている。これにより、補助気体導入孔55からフィルタ53を経て気体導入孔52より、基準ガスとしての大気(外気)が内筒部材14(ケーシング10)内に導入されるとともに、水滴等の液体状態の水は内筒部材14内に侵入することが阻止されるようになっている。
【0026】
次に、主体金具9の前方側開口部には筒状のプロテクタ装着部9aが形成され、ここから突出する酸素検出素子2の先端側、すなわち検出部2kを所定の空間を隔てて覆うように、キャップ状のプロテクタ100が装着されている。該プロテクタ100は、有底の第一筒状部101と、その内側に所定の隙間を経て同心的に配置された有底の第二筒状部102とを有する二重構造となっている。
【0027】
図3(b)に示すように、第二筒状部102は、その側壁部に対し軸方向において開口端部寄りの中間位置に、テーパ面状の段差部102bが形成されている。そして、その段差部102bに関して開口側に位置する端部が、第一筒状部101の内径にちょうど嵌まる程度に拡径されて第一部分102aを形成する一方、上記段差部102bに関してこれと反対側に位置する部分は、該第一部分102aよりも径小の第二部分102cとされている。
【0028】
また、第一筒状部101の側壁部には、軸線方向に並ぶ2つの長孔状の第一側気体流通孔103,103の組が周方向に略一定の角度間隔で複数形成されている。また、第二筒状部102の側壁部にも同様の第二側気体流通孔104,104の組が、第一側気体流通孔103,103の組と同じ角度間隔で複数形成されている。そして、第一筒状部101と第二筒状部102とは、水滴等の侵入防止のために、図3(c)に示すように、第一側気体流通孔103,103と第二側気体流通孔104,104との周方向の形成位置位相が互いにずれたものとなるよう位置決めされている。
【0029】
次に、第一筒状部101と第二筒状部102とを上記のような位置関係で位置決め配置するために、図3(a)に示すように、第二筒状部102の第一部分102aには、第二側係合部としての所定幅の溝部250が、周方向に所定の角度間隔で、具体的には第一側気体流通孔103,103ないし第二側気体流通孔104,104の形成角度間隔の整数倍となる角度間隔で複数形成されている。この溝部250は、金型プレス加工等により第一部分102aを溝形状に内向きに凹ませることにより、段差部102bに対応する端部側がこれに開放する形態で形成されている。なお、本実施例では、第一側気体流通孔103,103ないし第二側気体流通孔104,104の形成角度間隔を45°、溝部250の形成角度間隔をその2倍の90°としている。
【0030】
他方、第一筒状部101の側壁部内面には、軸線方向において上記溝部250に対応する位置に第一側係合部としての係合凸部251が形成されている。この係合凸部251は、第一筒状部101を金型プレス加工等で内向きに凹ませることにより、溝部250の幅よりも少し狭幅に形成されており、上記複数の溝部250のいずれかと選択的に係合することにより、第一筒状部101と第二筒状部102との周方向の相対回転を阻止するとともに、第一側気体流通孔103,103と第二側気体流通孔104,104とが、周方向において互いにずれた位置関係で配列するよう、第一筒状部101と第二筒状部102とを互いに位置決めする役割を果たす。ここで、溝部250の形成角度間隔が、第一側気体流通孔103,103ないし第二側気体流通孔104,104の形成角度間隔の整数倍となっていることで、該係合凸部251がいずれの溝部250と係合した状態においても、上記位置決め状態が得られるようになっている。
【0031】
第二筒状部102は、第一部分102aにおいて、溝部250と干渉しない位置において周方向に所定の間隔で形成された複数の溶接部107(例えばスポット溶接等の抵抗溶接にて形成される)により、第一筒状部101の側壁部と結合されている。なお、第二筒状部102は、第一筒状部101よりも軸線方向の長さが短く形成されており、その第一部分102aの開口縁が第一筒状部101の開口縁よりも所定距離内側に入り込む形で配置されている。これにより、第一筒状部101の開口側には、プロテクタ装着部9aの装着代部101aが所定幅で形成される形となっている。
【0032】
他方、第一筒状部101と第二筒状部102との各底部は互いに密着した形態とされ、各々その中央にはガス透過口105,106が互いに連通する形で形成される。そして、図3(d)に示すように、それら底部は、溶接部152(例えばスポット溶接等の抵抗溶接にて形成されたもの)により互いに結合されている。本実施例では、該溶接部152は、ガス透過口105,106の周囲を取り囲む形で複数個形成されている。なお、この溶接部152は省略してもよい。
【0033】
このようなプロテクタ100は、その装着代部101aに対し主体金具9のプロテクタ装着部9aを挿入し、装着代部101aとプロテクタ装着部9aとの重なり部に対し環状の溶接部90を、例えばレーザー溶接等により形成することで取り付けられている。
【0034】
なお、図6により示すプロテクタ100の各部の寸法は、例えば以下のように設定できる(なお、括弧内は、図3に示すものの具体的な数値例である)。
P1:10.15〜12.05mm(10.35mm)
P2:3.7〜4.1mm(3.9mm)
P3:例えば20mm
P4:7.5〜7.9mm(7.7mm)
【0035】
また、図7により示す主体金具9の各部の寸法は、例えば以下のように設定できる(なお、括弧内は、図1に示すものの具体的な数値例である)。
K1:25〜30mm(29.6mm)
K2:13〜17mm(16.8mm)
K3:12.5〜13mm(12.86mm)
K4:8.8〜9.2mm(9mm)
K5:3.6〜4mm(3.8mm)
K6:1〜2.5mm(2mm)
K7:0.5〜1.5mm(1mm)
K8:12〜14mm(13.9mm)
K9:7〜10mm(9.6mm)
K10:7.5〜10.5mm(10mm)
K11:20〜23.6mm(23.1mm)
K12:5〜7mm(6.5mm)
K13:21.8〜22.2mm(22mm)
K14:例えばM18
K15:9.3〜11.2mm(9.5mm)
K16:7.3〜7.7mm(7.5mm)
K17:16.3〜16.7mm(16.5mm)
K18:11.4〜11.8mm(11.6mm)
K19:15.8〜16.2mm(16mm)
【0036】
また、図1において、センサ1の全長L1は約84mmである。また、主体金具9のガスケットGの受け面9dから、プロテクタ100の先端面までの長さL2は約29mmである。
【0037】
以下、酸素センサ1の作動について説明する。
上記酸素センサ1においては、前述の通り外筒部材54のフィルタ53を介して基準ガスとしての大気が導入される一方、酸素検出素子2の外面にはプロテクタ100のガス透過口105、106を介して導入された排気ガスが接触し、該酸素検出素子2には、その内外面の酸素濃度差に応じて酸素濃淡電池起電力が生じる。そして、この酸素濃淡電池起電力を、排気ガス中の酸素濃度の検出信号として電極層2b,2cからリード線21,20を介して取り出すことにより、排気ガス中の酸素濃度を検出できる。
【0038】
そして、検出素子2の検出部2kを覆うプロテクタ100は、第一筒状部101と第二筒状部102とを有する二重構造とされ、かつ各側壁面には、それぞれ周方向に並ぶ第一側気体流通孔103,103と第二側気体流通孔104,104とが、互いにずれた位置関係で配列している。これにより、プロテクタの外側から内側に向けて、第一筒状部101と第二筒状部102とを径方向に直接的に貫く流通経路が生じなくなるので、検出部2kに対する水滴や被毒成分からの保護機能が高められている。
【0039】
他方、プロテクタ100は、図3に示すように、第一筒状部101に前述の係合凸部251が形成され、第二筒状部102に溝部250が形成されていることで、第一側気体流通孔103,103と第二側気体流通孔104,104とを相対的に位置決めしながらの組立作業を、次のようにして極めて簡単に行うことができる。すなわち、図4に示すように、第一筒状部101に対し第二筒状部102を、その開口部から軸線方向に挿入する。この状態で、例えば第二筒状部102を第一筒状部101の内側で、係合凸部251が複数ある溝部250のいずれかに係合する位置まで回転させる。係合凸部251と溝部250とが係合状態となれば、係合凸部251を溝部250内で相対的に滑らせながら、第二筒状部102を、その底部が第一筒状部101の底に当たる位置まで押し込む。この状態で、図3に示す溶接部107ないし152を形成することで、第一筒状部101と第二筒状部102との接合を行う。このとき、第一筒状部101と第二筒状部102とは、係合凸部251と溝部250との係合により相対回転が阻止されるから、溶接作業が極めて行いやすく、また、作業に伴う第一側気体流通孔103,103と第二側気体流通孔104,104との位置ずれもほとんど生じない。
【0040】
なお、図5(a)に示すように、第一筒状部101側の係合凸部251を、その周方向に沿って複数形成するようにしてもよい。他方、図5(b)に示すように、係合凸部251と溝部250とを1組のみ設ける構成としてもよい。また、第一側係合部と第二側係合部とは、第一筒状部101と第二筒状部102との相対回転が阻止できるものであれば、係合凸部と溝部との組み合わせに限らず、例えば図5(c)に示すように、第二筒状部102の第一部分102aの外周面形状を多角形状とし、第一筒状部101側には、その軸方向中間位置にて、挿入後の第一部分102aに対応する位置に、多角形状の内周面形状を有した第一側係合部101fを形成するようにしてもよい。この場合、第二筒状部102の第一部分102aを、この第一側係合部101fに嵌め合わせることにより、第一筒状部101と第二筒状部102との相対回転が阻止されることとなる。
【0041】
なお、プロテクタ100は主体金具9に対し、以下の図8〜図11に示す方法にて形成される加締め溶接構造部150により接合することもできる。すなわち、図8に示すように、主体金具9のプロテクタ装着部9aを、プロテクタ100の装着代部101aに対し、該装着代部101aの開口縁が金具端面に当たる位置まで挿入する。そして、図9に示すように、この状態で装着代部101aの軸方向中間部を、プロテクタ装着部9aに向けて周方向に加締めることにより、図10に示すように加締め部81を形成する。このとき、プロテクタ装着部9a側には、この加締め部81に対応して環状の凹所が形成される場合がある。
【0042】
次いで、図11(a)に示すように、この加締め部81に対し、周方向の溶接部83を、例えばレーザー溶接により形成すれば、目的とする加締め溶接構造部150が得られる。ここで、溶接部83の幅をw1、加締め部81の幅をw2とした場合、接合強度確保の観点からw1/w2は0.5以上とするのがよい(図1の例では、w1は約0.7mm、w2は約1mm、w1/w2は約0.7である)。また、図11(b)に示すように、加締めによる圧着力をプロテクタ装着部9a(内側部材)側に十分生じさせ、良好な圧着状態を確保するために、装着代部101a(外側部材)の厚さt2は1mm以下に設定するのがよい(図1の例では、t2は約0.4mmである)。さらに、プロテクタ装着部9a(内側部材)側の溶接部83の侵入深さd1は、接合強度確保の観点から0.3mm以上となっているのがよい。ただし、プロテクタ装着部9a(内側部材)を厚さ方向に貫く形で溶接部83が形成されると、溶接欠陥等の影響を受けて接合強度が低下する場合があるので、上記侵入深さd1はプロテクタ装着部9aの厚さt1よりも小さくなっていることが望ましい。
【0043】
プロテクタ100とプロテクタ装着部9aとの重なり部に加締め部81を予め形成して、両者の密着を高めた状態で、ここに全周の溶接部83を形成して接合する構造とすることで、溶接部83における欠陥発生が効果的に防止され、接合の気密性を高めることができる。例えば、酸素センサ1が低温となったときに、凝結した水滴がプロテクタの外面に付着することがある。この場合、主体金具9とプロテクタ100とを接合する溶接部83に欠陥があると、その欠陥部から凝結した水滴が侵入して検出部をぬらしたり、あるいは錆等の汚れを付着させたりする場合がある。しかしながら、主体金具9とプロテクタ100との接合構造が上記加締め溶接構造部150となっていることで、そのような水滴や汚れの侵入等の不具合を効果的に防止することができる。
【0044】
なお、このような全周溶接部の形成は、従来は隙間嵌めあるいは圧入によりプロテクタ100とプロテクタ装着部9aとを嵌め合わせ、その状態で溶接部を形成するようにしていた。しかしながら、この方法では、プロテクタ100とプロテクタ装着部9aとの寸法管理、特にプロテクタ100の内径とプロテクタ装着部9aの外径との差に対する寸法管理を極度に厳しく行わないと良好な溶接接合状態が得られない場合があった。しかしながら、上記構成では、嵌め合わせの段階で多少径差がばらついていても、加締め部81の形成により密着状態を確保できるので、上記のような厳しい寸法管理は不要となる。その結果、センサの製造能率及び歩留まりが向上する。
【0045】
なお、プロテクタ100の開口基端部に、予め周方向の縮径部を例えばプレス加工等により帯状に形成しておき、その状態でその縮径部に主体金具9側のプロテクタ装着部9aを圧入して、その縮径部に溶接部を形成することにより両者を接合してもよい。縮径部にプロテクタ装着部9aを圧入することにより、プロテクタ100の開口側が裾拡がり形態になりにくくなるので、同様に溶接部への欠陥発生確率を低減することができる。
【0046】
なお、以上説明した本発明のセンサの構造は、酸素センサ以外のガスセンサ、例えばHCセンサやNOXセンサなどにも同様に適用できる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明のガスセンサの一実施例たる酸素センサの内部構造を示す縦断面図。
【図2】図1の、発熱部と酸素検出素子との接触部付近を拡大して示す断面図。
【図3】プロテクタの一例を示す平面図及び正面半断面図、A−A断面図及び底面図。
【図4】プロテクタの組立工程を説明する斜視図。
【図5】プロテクタの第一筒状部と第二筒状部との軸線周りの相対回転を阻止する機構のいくつかの変形例を示す説明図。
【図6】プロテクタの寸法説明図。
【図7】主体金具の寸法説明図。
【図8】プロテクタと主体金具とを、加締め溶接構造部の形成により接合する工程を説明する図。
【図9】図8に続く工程説明図。
【図10】図9に続く工程説明図。
【図11】図10に続く工程説明図。
【符号の説明】
1 酸素センサ(ガスセンサ)
2 酸素検出素子
9 主体金具
9a プロテクタ装着部
10 ケーシング(検出素子収容体)
250 溝部(第二側係合部)
251 係合凸部(第二側係合部)
100 プロテクタ
101 第一筒状部
102 第二筒状部
103 第一側気体流通孔
104 第二側気体流通孔[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to oxygen sensors, HC sensors, NO X The present invention relates to a gas sensor for detecting a component to be detected in a gas to be measured, such as a sensor.
[0002]
[Prior art]
As a gas sensor as described above, a gas sensor having a structure in which a rod-like or cylindrical detection element having a detection portion for detecting a component to be detected is disposed inside a metal casing is known. Such a gas sensor is attached to a predetermined mounting portion such as an exhaust pipe by a screw portion formed on the outer peripheral surface of the metal shell forming a part of the casing, and a detection portion protruding from the end of the metal shell is measured. It is kept in the atmosphere and detects the component to be detected. In many gas sensors, a protector that covers the detection unit is provided in order to protect the detection unit located in the measurement atmosphere from being exposed to water and poisoning. A gas flow hole is formed in the side wall of the protector, and the gas to be measured is introduced into the protector from the gas flow hole and brought into contact with the detection unit.
[0003]
Recently, in order to enhance the protection performance of the detection unit, a protector having a double structure composed of two cylindrical parts inside and outside is often used. In such a double structure protector, if there is an overlap at the formation position of the gas flow hole formed in the inner and outer cylindrical portions, water and poisoning components directly reach the detection portion in the overlap portion. Since the path is formed, the effect of improving the protection performance by the double structure may not always be sufficiently achieved. For this reason, in many double structure protectors, it is possible to prevent the occurrence of the above-mentioned path by shifting the formation position of the gas flow hole between the inner cylindrical portion and the outer cylindrical portion, thereby improving the protection performance. A device to raise is made.
[0004]
[Problems to be solved by the invention]
By the way, in the above double structure protector, the inner and outer cylindrical portions must be fixed in a state of being aligned in the circumferential direction so that the gas flow holes satisfy the initial positional relationship. In this case, conventionally, for example, the two cylindrical portions are arranged so that the bottom portions overlap each other, and an unevenness is formed on the overlapping surface, and the alignment is performed by the engagement of the unevennesses. Since the inner and outer cylindrical portions easily move in the axial direction due to vibration or the like, the engagement of the positioning irregularities is easily disengaged during the assembling work, and the work efficiency is extremely poor. In addition, both cylindrical parts after alignment are fixed in such a manner that the overlapping bottom parts are joined together by resistance welding. However, when the sensor is used in a high temperature environment, the welded parts are deteriorated or vibrations are applied. There is a problem that the fixation is easy to come off.
[0005]
An object of the present invention is to provide a gas sensor that has a protector having a structure in which two or more cylindrical portions are arranged in an overlapping manner, and that the cylindrical portions can be easily aligned in the circumferential direction, and thus easy to assemble. is there.
[0006]
[Means for solving the problems and actions / effects]
In order to solve the above problems, the gas sensor of the present invention is
In a rod-like or cylindrical form in which a detection part is formed at the tip part, with a detection element for detecting a detected component in a gas to be measured, and a state in which the detection part protrudes from one end side, A cylindrical element container that covers the detection element, and the detection part that is coupled to the opening end of the element container on the side from which the detection part protrudes and allows the gas to be measured to flow A protector that covers the inner and outer two cylindrical portions, that is, an outer first cylindrical portion, and a second cylindrical portion that is inserted axially inside thereof, and The outer peripheral surface of the second cylindrical portion is engaged with the first side engaging portion formed on the inner peripheral surface of the first cylindrical portion along with the insertion into the first cylindrical portion, A second side engaging portion is formed that positions and holds the second cylindrical portion at a predetermined position in the circumferential direction with respect to the first cylindrical portion. ,
The first side engaging part is an engaging convex part protruding from the inner peripheral surface of the first cylindrical part, and the second side engaging part is formed on the outer peripheral surface of the second cylindrical part. A groove that extends in the axial direction and allows the engagement convex portion to be fitted and slide relative to the axial direction;
Above Element container A cylindrical protector mounting portion is formed in the front opening of the
The second cylindrical portion is formed to have an axial length shorter than the first cylindrical portion so as to enter a predetermined distance inside the opening edge of the first cylindrical portion. On the opening side of the cylindrical portion, a mounting margin to the protector mounting portion is formed with a predetermined width, and the mounting margin is formed with respect to the mounting margin. Element container The protector mounting portion is inserted, and an annular welded portion is formed around the overlapping portion between the mounting allowance portion and the protector mounting portion.
[0007]
In the above configuration, when the protector is assembled, the first side member formed on the inner peripheral surface of the first cylindrical portion is inserted when the inner second cylindrical portion is inserted into the outer first cylindrical portion. By engaging the joint portion and the second side engaging portion formed on the outer peripheral surface of the second cylindrical portion, the second cylindrical portion is positioned at a predetermined position in the circumferential direction with respect to the first cylindrical portion. The positioning was maintained. Thereby, in a gas sensor having a protector having a structure in which at least two cylindrical portions are arranged in an overlapping manner, the relative positioning in the circumferential direction of the cylindrical portions is extremely easy, and the workability of the protector assembly is improved.
[0008]
The first cylindrical portion and the second cylindrical portion can be formed to have a substantially circular axial cross section. In this case, the first side engaging portion and the second side engaging portion The relative rotation of both cylindrical parts can be prevented by the engagement. Thereby, since relative rotation from the positioning position of two cylindrical parts which have a substantially circular-shaped axial cross section is blocked | prevented by engagement of the said engaging part, an assembly operation | work of a protector can be performed more easily. .
[0009]
In the gas sensor, the first side gas flow hole and the second side gas flow hole that allow gas flow are respectively penetrated in the thickness direction in the side wall portions of the first cylindrical portion and the second cylindrical portion. It can be formed in the form. In this case, the first side gas flow hole and the second side gas flow hole satisfy the predetermined positional relationship by the engagement between the first side engagement part and the second side engagement part. It becomes possible to easily position and hold the cylindrical portion and the second cylindrical portion.
[0010]
For example, a predetermined amount of gap is formed between the outer wall portions of the first cylindrical portion and the second cylindrical portion, and the first side gas flow hole and the second side gas flow hole are arranged around the cylindrical portions. If positioning is performed so that the positional relationship is shifted from each other in the direction, it is difficult to form a path for water and poisoning components to reach the detection unit directly through the protector, and the protection performance of the protector against the detection unit is enhanced. In this case, by providing the first side engaging part and the second side engaging part, the first cylindrical part and the second cylindrical part can be easily assembled in a form satisfying the positional relationship. become.
[0011]
Specifically, the first side engaging portion can be an engaging convex portion that protrudes from the inner peripheral surface of the first cylindrical portion, and the second side engaging portion is the second cylindrical portion. It can be a groove that extends in the axial direction on the outer peripheral surface and allows the engaging convex portion to be fitted and slide relatively in the axial direction. According to this configuration, the engaging projection on the second cylindrical portion side is fitted into the groove portion on the second cylindrical portion side, and while the convex portion is relatively slid in the groove portion in that state, By inserting the second cylindrical part into the first cylindrical part, the positioning and assembling work of both cylindrical parts can be performed very easily.
[0012]
Note that a plurality of groove portions can be formed at substantially equal angular intervals in the circumferential direction on the outer peripheral surface of the second cylindrical portion. In this case, one or more engaging convex portions are formed at predetermined positions on the inner peripheral surface of the first cylindrical portion, or a plurality of engagement convex portions are formed at an angular interval that is an integral multiple of the groove portion forming angular interval in the circumferential direction of the inner peripheral surface. can do. In this way, it is possible to selectively engage the engagement convex portion with any of the plurality of groove portions. For example, the engagement convex portion and the groove portion are compared with the case where only one set is formed. The efficiency of assembling work is further improved because the labor for searching the position can be saved.
[0013]
Next, in the gas sensor of the present invention, more specifically, the side wall portion of the second cylindrical portion is enlarged in diameter on the opening end side by a stepped portion formed in the intermediate portion in the axial direction, and the expanded opening end. The groove portion is formed in the first portion with the first portion as the first portion and the portion located on the opposite side of the first portion across the step portion as the second portion. A gap having a size corresponding to the step portion is formed between the cylindrical portion, the second cylindrical portion has a second side gas flow hole in the second portion, and the first cylindrical portion. The first side gas flow holes can be formed on the side wall portions corresponding to the second portion. According to this configuration, by providing the step portion in the second cylindrical portion, a gap necessary for gas flow can be easily formed between the first cylindrical portion and the second cylindrical portion, and the step portion The expanded first portion can be effectively used as a groove forming portion necessary for positioning.
[0014]
In this case, the 1st part of a 2nd cylindrical part can be joined with the weld part formed in the position which does not interfere with a groove part with respect to the side wall part of a 1st cylindrical part. According to this structure, compared with the structure of the conventional double structure protector which welds and joins the overlapped bottom parts of both cylindrical parts, resistance to the impact of the welded part is increased, and from the protector tip position where the temperature becomes high. Since the welded portion is separated, even when the sensor is used in a high temperature environment, the welded portion is hardly deteriorated or damaged. Thereby, the trouble that the positioning coupling state of the cylindrical portions is removed is less likely to occur. In this case, if the welding part which joins them is formed also in the bottom parts on which both the cylindrical parts were overlapped, the positioning coupling strength between the cylindrical parts can be further increased.
[0015]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described based on examples shown in the drawings.
FIG. 1 shows the internal structure of an oxygen sensor as an embodiment of the gas sensor of the present invention. The
[0016]
A
[0017]
In the following, the side toward the closed tip in the axial direction of the
[0018]
First, the
[0019]
One
[0020]
Here, when the exhaust gas temperature is sufficiently high, the
[0021]
The
[0022]
The internal
[0023]
Next, as shown in FIG. 1, the
[0024]
On the other hand, the
[0025]
The
[0026]
Next, a cylindrical protector mounting portion 9a is formed at the front opening of the
[0027]
As shown in FIG. 3B, the second
[0028]
In addition, a plurality of sets of two long-hole-like first gas flow holes 103, 103 arranged in the axial direction are formed in the side wall portion of the first
[0029]
Next, in order to position and arrange the first
[0030]
On the other hand, on the inner surface of the side wall portion of the first
[0031]
The second
[0032]
On the other hand, the bottom portions of the first
[0033]
In such a
[0034]
Note that the dimensions of each part of the
P1: 10.15 to 12.05 mm (10.35 mm)
P2: 3.7 to 4.1 mm (3.9 mm)
P3: 20mm for example
P4: 7.5 to 7.9 mm (7.7 mm)
[0035]
Moreover, the dimension of each part of the
K1: 25-30 mm (29.6 mm)
K2: 13-17mm (16.8mm)
K3: 12.5-13mm (12.86mm)
K4: 8.8 to 9.2 mm (9 mm)
K5: 3.6 to 4 mm (3.8 mm)
K6: 1 to 2.5mm (2mm)
K7: 0.5 to 1.5 mm (1 mm)
K8: 12-14mm (13.9mm)
K9: 7 to 10 mm (9.6 mm)
K10: 7.5 to 10.5 mm (10 mm)
K11: 20 to 23.6 mm (23.1 mm)
K12: 5-7mm (6.5mm)
K13: 21.8 to 22.2mm (22mm)
K14: For example, M18
K15: 9.3 to 11.2 mm (9.5 mm)
K16: 7.3 to 7.7 mm (7.5 mm)
K17: 16.3 to 16.7 mm (16.5 mm)
K18: 11.4 to 11.8mm (11.6mm)
K19: 15.8 to 16.2 mm (16 mm)
[0036]
In FIG. 1, the total length L1 of the
[0037]
Hereinafter, the operation of the
In the
[0038]
And the
[0039]
On the other hand, as shown in FIG. 3, the
[0040]
In addition, as shown to Fig.5 (a), you may make it form multiple engagement
[0041]
The
[0042]
Next, as shown in FIG. 11A, if a circumferential welded
[0043]
A
[0044]
It should be noted that, conventionally, the entire circumference welded portion is formed by fitting the
[0045]
A circumferentially reduced diameter portion is formed in advance in the base end of the opening of the
[0046]
The structure of the sensor of the present invention described above is a gas sensor other than an oxygen sensor, such as an HC sensor or NO. X The same applies to sensors.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a longitudinal sectional view showing the internal structure of an oxygen sensor as an embodiment of a gas sensor of the present invention.
2 is an enlarged cross-sectional view of the vicinity of a contact portion between a heat generating portion and an oxygen detection element in FIG. 1;
FIG. 3 is a plan view, a front half sectional view, an AA sectional view, and a bottom view showing an example of a protector.
FIG. 4 is a perspective view illustrating an assembling process of the protector.
FIGS. 5A and 5B are explanatory views showing some modified examples of a mechanism for preventing relative rotation around the axis between the first cylindrical portion and the second cylindrical portion of the protector. FIGS.
FIG. 6 is an explanatory diagram of the dimensions of the protector.
FIG. 7 is an explanatory diagram of dimensions of the metal shell.
FIG. 8 is a diagram for explaining a process of joining the protector and the metal shell by forming a caulking weld structure.
FIG. 9 is a process explanatory diagram following FIG. 8;
FIG. 10 is a process explanatory diagram following FIG. 9;
FIG. 11 is a process explanatory diagram following FIG. 10;
[Explanation of symbols]
1 Oxygen sensor (gas sensor)
2 Oxygen detection element
9 Main metal fittings
9a Protector mounting part
10 Casing (detecting element housing)
250 Groove (second side engagement part)
251 Engaging convex part (second side engaging part)
100 protector
101 1st cylindrical part
102 Second cylindrical part
103 1st side gas flow hole
104 Second side gas flow hole
Claims (6)
前記第一側係合部は前記第一筒状部の内周面から突出形成された係合凸部であり、前記第二側係合部は、前記第二筒状部の外周面においてその軸線方向に延び、前記係合凸部が嵌まり込んで該軸線方向に相対的にスライド移動することを許容する溝部であり、
前記素子収容体の前方側開口部には筒状のプロテクタ装着部が形成され、
前記第二筒状部は、前記第一筒状部の開口縁よりも所定距離内側に入り込むように、前記第一筒状部よりも軸線方向の長さが短く形成されており、該第一筒状部の開口側には、前記プロテクタ装着部への装着代部が所定幅で形成され、該装着代部に対し前記素子収容体の前記プロテクタ装着部を挿入し、該装着代部とプロテクタ装着部との重なり部に対し全周の環状溶接部を形成することにより取り付けられたことを特徴とするガスセンサ。In a rod-like or cylindrical form in which a detection part is formed at the tip part, with a detection element for detecting a detected component in a gas to be measured, and a state in which the detection part protrudes from one end side, A cylindrical element container that covers the detection element, and the detection part that is coupled to the opening end of the element container on the side from which the detection part protrudes and allows the gas to be measured to flow A protector that covers the inner and outer two cylindrical portions, that is, an outer first cylindrical portion, and a second cylindrical portion that is inserted axially inside thereof, and The outer peripheral surface of the second cylindrical portion is engaged with the first side engaging portion formed on the inner peripheral surface of the first cylindrical portion along with the insertion into the first cylindrical portion, A second side engaging portion is formed that positions and holds the second cylindrical portion at a predetermined position in the circumferential direction with respect to the first cylindrical portion. ,
The first side engaging part is an engaging convex part protruding from the inner peripheral surface of the first cylindrical part, and the second side engaging part is formed on the outer peripheral surface of the second cylindrical part. A groove that extends in the axial direction and allows the engagement convex portion to be fitted and slide relative to the axial direction;
A cylindrical protector mounting part is formed in the front side opening of the element container ,
The second cylindrical portion is formed to have an axial length shorter than the first cylindrical portion so as to enter a predetermined distance inside the opening edge of the first cylindrical portion. A mounting margin to the protector mounting portion is formed with a predetermined width on the opening side of the cylindrical portion, and the protector mounting portion of the element container is inserted into the mounting margin, and the mounting margin and the protector are inserted. A gas sensor, which is attached by forming an annular welded portion around the entire circumference of the overlapping portion with the mounting portion.
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