JP4180215B2 - ガスセンサ - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、排気ガス等の被測定ガスが流れる流路を形成する管に取り付けられ、基準ガスとしての大気を外部から導入して機能するガスセンサに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、混合ガス中から特定のガス成分の濃度を検出するガスセンサとして、ＨＣセンサやＮＯｘセンサ等種々のものが知られている。
この種のガスセンサとしては、例えば先行する特許出願（特願平１０−３７４１１７）に示されるように、外気を導入する通気孔を、ガスセンサの上部に設けられたシール部材の中央を軸方向に貫通するように形成し、ガスセンサ下部に設置されたヒータ（熱源）から遠ざけることにより、当該通気孔を閉塞する撥水性フィルタの熱劣化を防止する構成を有するものがある。当該ガスセンサでは、シート状の撥水性フィルタを、通気孔に嵌挿可能な筒状挿入部材の外周面と通気孔の内周面との間に挟持する態様で前記通気孔内に固定することにより通気孔を閉塞し、その通気性と防水性を保持している。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記構成では、フィルタを固定する際に、固定する方法によってはフィルタが引っ張られた状態で固定される事が有る。例えば、筒状挿入部材に被せた状態で、通気孔に挿入する様な場合には、通気孔の内面との間の摩擦力によりフィルタが引っ張られる状態となる。このため、フィルタとして、ある方向に延伸されて製造されることによりその方向とは直角の方向（以下「第１軸方向」という）に伸びやすくなった繊維構造体からなるものを使用する場合に問題となる。このような一軸加工のものは比較的製造が容易であるため安価に入手することができるが、一方で、その延性に方向性を有するため、通気孔に挿入しようとすると第１軸方向に延伸し、これに伴いそれとは直角方向（以下「第２軸方向」という）に収縮してしまうため、均一に挿入することが困難となる。特にフィルタを真円形のシート状に構成した場合には、第１軸方向に伸び、これと直角な第２軸方向には縮むことになるため、当該フィルタを筒状挿入部材の外周面と通気孔の内周面との界面に均一に挟持することが困難となる。この結果、フィルタが縮んだ側で界面から外れやすくなり、シール性が悪くなるといった問題が生じる。このような問題は、特にガスセンサの使用時にシール部材が熱膨張することにより、これに引きずられてフィルタが上昇し、使用後シール部材が冷却されて収縮する際に一旦上昇したフィルタが元に戻らずに抜け落ちてしまうといった現象となって現れる。
【０００４】
また、このような問題に対処するために、真円形のシートの直径を大きく形成することも考えられるが、この場合は延伸方向のシートが余分となる。このため、不必要に材料コストが嵩み好ましくないといった問題があった。
本発明はこうした問題に鑑みてなされたものであり、基準ガス室と大気を通気状態に維持した状態で作動するガスセンサにおいて、低廉なフィルタを合理的に使用しつつ、そのシール性を保証できるガスセンサを提供することを目的とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段及び発明の効果】
上記課題に鑑み、請求項１記載のガスセンサは、上記のように、第１軸方向に伸びやすいシート状のフィルタを、通気経路を閉塞するに設けるタイプのものであるが、シート状のフィルタを、前記第２軸方向（相対的に縮みやすい方向：以下、「収縮方向」ともいう）の長さが前記第１軸方向（相対的に伸びやすい方向：以下、「延伸方向」ともいう）の長さよりも長くなるように形成している。
【０００６】
このため、フィルタを通気経路に固定する際には、上記延伸方向が延伸し、これに直角な収縮方向が収縮することになるが、この延伸方向の長さと収縮方向の長さを予め適切に設定すれば、この延伸・収縮により、結果としてフィルタが通気孔に均一に挿入されることになる。このため、フィルタが通気孔への挿入の際或いはガスセンサの使用時に、通気孔から抜け落ちる等の問題は生じない。この結果、フィルタによるシール性の信頼性を確保することができる。また、延伸方向の長さと収縮方向の長さを予め適切に設定することにより、収縮方向の長さを最小限に設定することもでき、材料を合理的に使用することができる。
【０００７】
なお、前記通気経路としては、ガスセンサの基準ガス室を大気と隔離する壁の一部に設けた弾性を有するシール部材を貫通するように設けられていると、フィルタで通気経路を閉塞する際に、フィルタは弾性体であるシール部材に固定されることになるので、フィルタの固定面が弾性的に密着シールされ、フィルタの固定面での防水性が良好となり好ましい。
【０００８】
更に、請求項２の様に前記通気経路を前記シール部材に設けた貫通孔とし、フィルタを貫通孔内に挿入して固定する様にすると、フィルタの固定が容易であり、フィルタの固定面がシール部材に気密に密着するので、フィルタの固定面での防水性が更に良好となる。
【０００９】
更に、請求項３の様に前記貫通孔内に筒状部材を挿入し、フィルタをシール部材と筒状部材の間に固定する様にすると、フィルタはシール部材と筒状部材の間に気密に挟まれるので、フィルタの固定面における防水性が更に良好となる。
また、フィルタとしては、その低廉さから、上記のように、一軸方向に延伸成形された繊維構造体からなるもの使用することが望ましい。このようなフィルタは、延伸成形される際に繊維粒塊が分裂し繊維の糸を引く方向（繊維方向）に繊維質が硬化しておりその延伸性が小さくなっているが、逆にこれと直角の方向の延伸性は大きく、繊維の糸の間隔を大きくする態様で容易に延伸するという性質を有する。このため、上記と同様に繊維方向と直角な方向に伸びやすくなっている。
【００１０】
そこで、請求項４記載のフィルタでは、この繊維方向を上記第２軸方向（収縮方向）として設定し、この繊維方向に直角な方向を上記第１軸方向（延伸方向）として設定することにより、同様の問題を解決している。
また、このように構成することで、一軸方向に延伸成形された安価なフィルタを採用することができ、ガスセンサのコスト低減を図ることができる。
【００１１】
上記フィルタの具体的形状としては、例えば請求項５に記載のように、上記第２軸方向を長軸に、上記第１軸方向を短軸とした楕円形状に形成することが考えられる。ただし、このような楕円形に限られず、長方形状等のように長軸と短軸を有するような形状であれば採用できることはいうまでもない。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明の好適な実施例を図面と共に説明する。本実施例は、本発明のガスセンサを酸素センサとして構成したものであり、図１は、当該酸素センサの全体構成を示す断面図である。
【００１３】
同図に示すように、酸素センサ１は、ＺｒＯ₂を主成分とする固体電解質体により先端が閉じた中空軸状に形成された検出素子２、検出素子２内に配置された軸状のセラミックヒータ３、検出素子２を収容するケーシング１０等から構成されている。
【００１４】
この検出素子２は、その軸方向における中央部付近の外周にて、絶縁性セラミックから形成されたセラミックホルダ６，７と、タルクから形成されたセラミック粉末８とを介して、電気的に絶縁された状態で金属製のケーシング１０内に設けられている。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、Ｐｔからなる一対の多孔質電極層（内側電極２ａ、外側電極２ｂ）が設けられている。
【００１５】
ケーシング１０は、酸素センサ１を排気管等の取付部に固定すると共に、セラミックホルダ６，７及びセラミック粉末８を内部に収容し、検出素子２の閉じた先端部を排気管等の内部に突出させる主体金具９と、主体金具９の上部に延設され、上方から検出素子２の内面に大気を導入するための外筒１６とから構成されている。
【００１６】
主体金具９の下端部は縮管しており、この縮管部によりセラミックホルダ６，７及びセラミック粉末８を下方から支持している。また、当該下端部には、検出素子２の先端側を一定の空間を隔てて覆うようにプロテクタ１１が取り付けられ、プロテクタ１１には排ガスを透過させる複数のガス透過口１２が形成されている。
【００１７】
また、主体金具９の上端部には、内側に延出したフランジ部９ａの先端縁により円形の上部開口部が形成されており、このフランジ部９ａがリング５を介してセラミックホルダ６，７及びセラミック粉末８を上方から固定している。そして、その上部開口部を覆う態様で外筒１６の下端開口端部が嵌合装着されている。
【００１８】
外筒１６の上部開口近傍には、セラミックで筒状に形成された絶縁性のセパレータ１８が内挿されている。セパレータ１８は、その上端部に鍔部１８ａが設けられ、外筒１６が外方から加締められることにより、鍔部１８ａの下端面が外筒１６上部に係止される態様で外筒１６内に保持されている。
【００１９】
また、外筒１６の上端開口部には、ゴムで構成された円柱形状のシール部材１７が設けられており、このシール部材１７およびセパレータ１８を貫通するように、検出素子２の電極に夫々接続されるリード線２０，２１及びセラミックヒータ３に接続される一対のリード線（図示せず）が配置されている。
【００２０】
検出素子２用の一方のリード線２０は、コネクタ部２４、引出し線部２５および内部電極接続部２６で構成される端子金具２３を介して、検出素子２の内側電極２ａと電気的に接続されている。他方のリード線２１は、コネクタ部３４、引出し線部３５および外部電極接続部３６で構成される端子金具３３を介して、検出素子２の外側電極２ｂと電気的に接続されている。
【００２１】
また、セラミックヒータ３に通電するための一対のヒータ端子部４０が、セラミックヒータ３の上端に固定され、このヒータ端子部４０を介して、セラミックヒータ３内に埋設された図示しない発熱用抵抗回路に通電が行われる。
そして、酸素センサ１における外筒１６の内部空間の換気は、シール部材１７内部に設けられた撥水性フィルタ５０を介して行われる。すなわち、撥水性フィルタ５０を介して導入された外気は、セパレータ１８の上端面に設けられた溝に沿って左右に分流し、その各々がセパレータ１８に設けられた上記リード線２０，２１用の挿通孔を通って下方に配置された検出素子２の内面（つまり、内側電極２ａ）に送り込まれるのである。
【００２２】
以下、この撥水性フィルタの取付構造について説明する。
図２に示すように、外筒１６の開口端部４７内側に設けられるシール部材１７は、外部から酸素センサ１内部に気体を導入するための通気孔５８と、酸素センサ１内部から引き出すべきリード線（即ち検出素子２用のリード線２０，２１及びセラミックヒータ３用のリード線）を夫々通過させる複数の挿通孔６０を備えている。
【００２３】
通気孔５８はシール部材１７に同軸に形成され、その内部には、撥水性フィルタ５０が筒状挿入部材６４を介して挿入され固定される。この筒状挿入部材６４は両端が開口し、通気孔５８に嵌合可能な筒状に形成されている。撥水性フィルタ５０は、筒状挿入部材６４の一方の開口６４ａとその外周面とを覆うように筒状挿入部材６４に被せられた状態で、筒状挿入部材６４と共に通気孔５８に挿入される。このようにして、撥水性フィルタ５０は、筒状挿入部材６４の外周面と通気孔５８の内周面との間に挟まれ、通気孔５８を塞いだ状態で固定される。
【００２４】
なお、筒状挿入部材６４の両開口端の内、通気孔５８への挿入方向（図２では上方）に対して反対側（図２では下方）にある開口端外周部には、鍔部６４ｂが形成されている。筒状挿入部材６４が通気孔５８の下方から挿入されると、鍔部６４ｂは通気孔５８下側の開口縁部にて係止され、その結果、通気孔５８内における筒状挿入部材６４および撥水性フィルタ５０の位置決めがなされる。
【００２５】
ところで、撥水性フィルタ５０は、例えばポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）の未焼成成形体を、ＰＴＦＥの融点よりも低い加熱温度で一軸方向に延伸することにより得られる多孔質繊維構造体（例えば、商品名：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、かつ気体（空気、水蒸気等）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。また、さらに撥油コートした多孔質繊維構造体（商品名：オレオベントフィルタ（ジャパンゴアテックス（株））を用いることもできる。これを用いることにより、付着した油分が気化して内部に侵入する危険性を低下させることができる。
【００２６】
この撥水性フィルタ５０は、一軸方向の延伸成形により比較的容易に製造されるため安価に入手することができるが、一軸方向に延伸されて製造されることにより、その延性に方向性が付与されている。すなわち、一方向に伸びやすくなり、相対的にこれと直角な方向に縮みやすくなっている。このため、撥水性フィルタ５０を筒状挿入部材６４に被せた状態で、通気孔５８に挿入する際には、通気孔の内面との間の摩擦力により撥水性フィルタが一方向に偏って引っ張られる状態となる。このため、例えば撥水性フィルタ５０を円形のシートで構成する場合には、一方向に延伸し、これと直角な方向には収縮することになるため、筒状挿入部材６４の外周面と通気孔５８の内周面との界面に均一に挟持することが困難となる。この結果、特にガスセンサの使用時にシール部材が熱膨張することにより、これに引きずられて撥水性フィルタが上昇したような場合には、使用後シール部材が冷却されて収縮する際に、一旦上昇した撥水性フィルタの収縮部が通気孔５８から抜け落ちてしまうことが懸念される。
【００２７】
このため、本実施例では、撥水性フィルタ５０を、図３（ａ）に示すように、長軸の長さがａ、短軸の長さがｂ（ａ＞ｂ）の楕円形のシート状に形成している。図３（ｂ）に図３（ａ）の部分拡大図を示すように、撥水性フィルタ５０には、微視的にみると繊維の方向性が確認される。つまり、複数の繊維粒塊５０ａが多数の繊維の糸５０ｂで繋がれた状態となっている。これは、一軸方向に延伸加工される際に繊維粒塊５０ａが糸を引いた状態で分裂するためである。このような繊維は、延伸された方向（Ｘ方向：繊維方向）に繊維質が硬化しており延伸性は小さくなっているが、逆にこれと直角方向（Ｙ方向）の延伸性は大きく、繊維の糸の間隔を大きくする態様で容易に延伸するという性質を有する。このため、撥水性フィルタ５０には、引っ張られた際にほぼ真円形状となるように、予め繊維方向を長くし、これと直角な方向を短くした楕円形状を採用している。尚、上記長軸の長さａ及び短軸の長さｂは、撥水性フィルタ５０が挿入される通気孔５８の深さ等によりその最適値が異なるため、酸素センサ１の設計条件によって適切な値を適宜設定するものとする。
【００２８】
そして、このように撥水性フィルタ５０が装着されたシール部材１７が外筒１６の開口端部４７の内側に配置され、外筒１６を介して径方向に加締められ、筒状挿入部材６４とシール部材１７との間のシール性がより確実なものとされる。以上のように構成された酸素センサ１が、主体金具９の外周に形成されたネジ部９ｂを介し、外筒１６が略上向きとなるよう、被測定ガスの流路を形成する管の取付孔に取り付けられると、プロテクタ１１にて保護された検出素子２の先端部が流路を形成する管内部に突出して、被測定ガスに晒される。一方、検出素子２の内部には、通気孔５８を介した換気により、上記外筒１６を介して大気が導入される。通気孔５８は、シート状に形成された通気性の撥水性フィルタ５０にて塞がれていることから、外筒１６内部への大気の導入を十分行うことができると共に、水等の侵入を防止している。その結果、検出素子２の内側電極２ａと外側電極２ｂとの間には、大気中の酸素濃度と被測定ガス中の酸素濃度との比に応じた電圧が発生し、リード線２０、２１により検出信号として外部に出力される。 また、上述のように、上記撥水性フィルタ５０の長軸の長さａと短軸の長さｂを予め適切に設定することにより、撥水性フィルタ５０を通気孔５８に嵌挿する際の、撥水性フィルタ５０の延伸・収縮により、結果として撥水性フィルタ５０が通気孔５８に均一に挿入されることになる。このため、撥水性フィルタ５０が、通気孔５８への挿入の際或いは酸素センサ１の使用時に通気孔５８から抜け落ちる等の問題は生じない。この結果、撥水性フィルタ５０によるシール性の信頼性を保持することができる。また、長軸の長さａと短軸の長さｂさを予め適切に設定することにより、収縮方向の長さ（つまり、長軸の長さａ）を最小限に設定することもでき、材料を合理的に使用することができる。また、このように構成することで、一軸方向に延伸成形された安価な繊維構造体を撥水性フィルタ５０の材料として採用することができ、酸素センサ１のコスト低減を図ることができる。
【００２９】
以上、本発明の実施例について説明したが、本発明の実施の形態は、上記実施例に何ら限定されることなく、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、上記実施例では、撥水性フィルタ５０の形状として楕円形状のものを用いたが、このような楕円形に限られず、長方形状等のように長軸と短軸を有するような形状であれば採用できることはいうまでもない。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の実施例に係る酸素センサの全体構成を示す断面図である。
【図２】 実施例の酸素センサを構成するシール部材および筒状挿入部材の構成を示す説明図である。
【図３】 実施例の撥水性フィルタの構成を示す説明図である。
【符号の説明】
１・・・酸素センサ、 ２・・・検出素子、 ２ａ・・・内側電極、
２ｂ・・・外側電極、 ９・・・主体金具、 １０・・・ケーシング、
１６・・・外筒、 １７・・・シール部材、 ５０・・・撥水性フィルタ、
５８・・・通気孔、 ６４・・・筒状挿入部材

Claims (5)

1. 基準ガス室と、
   前記基準ガス室と大気を通気状態に維持する通気経路と、
   を有するガスセンサであって、
   前記通気経路を閉塞するように、通気性と防水性を有するシート状のフィルタが設けられ、
   前記フィルタは、第１軸方向に伸び易く、前記第１軸に垂直な第２軸方向に伸び難く、
   前記フィルタは、前記第１軸方向に短く、前記第２軸方向に長い形状であり、
   前記ガスセンサは、前記基準ガス室を大気から隔離する壁を有し、
   前記壁の一部は、弾性体からなるシール部材であり、
   前記通気経路は、前記シール部材を貫通して設けられている事、
   を特徴とするガスセンサ。
2. 前記通気経路は、前記シール部材に設けられた貫通孔であり、
   前記フィルタは、前記貫通孔に挿入されている事、
   を特徴とする請求項１記載のガスセンサ。
3. 前記貫通孔には筒状部材が挿入されており、
   前記貫通孔内面と前記筒状部材外面の間に前記フィルタを挟んで固定する事、
   を特徴とする請求項２記載のガスセンサ。
4. 基準ガス室と、
   前記基準ガス室と大気を通気状態に維持する通気経路と、
   を有するガスセンサであって、
   前記通気経路を閉塞するように、通気性と防水性を有するシート状のフィルタが設けられ、
   前記フィルタは、第１軸方向に伸び易く、前記第１軸に垂直な第２軸方向に伸び難く、
   前記フィルタは、前記第１軸方向に短く、前記第２軸方向に長い形状であり、
   前記フィルタは、前記第２軸方向に伸ばされることで、前記第２軸方向に繊維方向が形成された繊維構造体である事、
   を特徴とするガスセンサ。
5. 基準ガス室と、
   前記基準ガス室と大気を通気状態に維持する通気経路と、
   を有するガスセンサであって、
   前記通気経路を閉塞するように、通気性と防水性を有するシート状のフィルタが設けられ、
   前記フィルタは、第１軸方向に伸び易く、前記第１軸に垂直な第２軸方向に伸び難く、
   前記フィルタは、前記第１軸方向に短く、前記第２軸方向に長い形状であり、
   前記フィルタは、前記第２軸方向を長軸とし、前記第１軸方向を短軸とした楕円形状である事、
   を特徴とするガスセンサ。

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