JP4241480B2

JP4241480B2 - ガスセンサ

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Publication number: JP4241480B2
Application number: JP2004112419A
Authority: JP
Inventors: 弘一山田
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 2003-06-06
Filing date: 2004-04-06
Publication date: 2009-03-18
Anticipated expiration: 2024-04-06
Also published as: US7066009B2; US20040244467A1; JP2005017279A; CN100339704C; CN1573325A; DE102004027297A1

Description

本発明は、車両用エンジンの排気ガス中の酸素濃度等を測定して燃焼制御等に利用するガスセンサに関する。

車両用エンジンは排気ガス中の酸素濃度等に基づいて燃焼制御を行うことが、燃費向上、効率よい排気ガス浄化に有効である。
排気ガス中の酸素濃度等を検出するガスセンサは、被測定ガス中の特定ガス濃度を測定するセンサ素子を内蔵する。
上記ガスセンサ素子は、固体電解質体と一対の電極からなる電気化学セルを有し、大気ガスを基準ガスとして、電極間に生じる起電力や流れる限界電流等に基づいて、被測定ガス中の酸素濃度等を測定する素子である。

従って、ガスセンサは大気と被測定ガスとの双方に接触するように構成する必要があり、ガスセンサの外表面は被測定ガスにさらされる被測定ガス面と、大気にさらされる大気面とを有する。被測定ガス面にはガスセンサ内部に被測定ガスを導入する導入孔を、大気面にはガスセンサ内部に大気を導入する導入孔がある。

例えば、後述する図１にかかる構成のガスセンサでは、排気ガスが流れる排気管に設けた取付穴にガスセンサを挿入し、ハウジングの途中を境として、一方が大気面に、他方が被測定ガス面となる。

特開平１０−２０６３７３号公報特開２００１−１８８０６０号公報

ところで、ガスセンサの構成部材の中には耐熱性に劣る素材からなるものがある。例えば、大気側カバー内に大気は導入するが水が入らないようにするために、樹脂製の撥水フィルタ（図１等参照）を設けることがある。この撥水フィルタは、例えばテトラフルオロエチレン等の多孔質樹脂材料からなり、金属やセラミック材と比較すると耐熱性に劣る。
また、大気側カバーの基端を封止し、ガスセンサ外部から引き込んだリード線を固定するために弾性絶縁部材（図１等参照）を設けることがあるが、この弾性絶縁部材は樹脂やゴムからなり、こちらも耐熱性に劣る。

そして、近年排気ガスの規制が年々厳しくなり、これに伴って排気ガスの温度がますます高くなり、熱い排気ガスにより加熱された排気管の外表面が赤熱し、輻射熱をより多く発するようになった。
ガスセンサの外表面における大気面は排気管の外部に露出しているため、上記輻射熱の受熱面となることがある。上記輻射熱によって、ガスセンサの加熱が促進され、熱に弱い部材の耐熱限界を超えてしまうおそれがある。

大気側カバーの基端側の外側面を凹凸形状として、放熱部を形成する構成やガスセンサを大型化して、排気管と外表面の距離を長くすることで、ガスセンサの温度が上がりすぎないようにする構成が提案されている。
しかしながら、限られた空間に設置するガスセンサとしては、可能な限り小型でかさばらない構成が好まれるし、材料コストの観点からも大型化は望ましい方向性ではない。更に、外側面を凹凸形状に構成するのは製造が難しく、生産性の低下を招くおそれもある。

本発明は、かかる従来の問題点に鑑みてなされたもので、外部からの輻射熱を受け難く、温度上昇し難いガスセンサを提供しようとするものである。

本発明は、被測定ガス中の特定ガス濃度を測定するセンサ素子を内蔵するガスセンサであって、
該ガスセンサは、ハウジングと、該ハウジングの基端側に配設され大気雰囲気中にさらされる大気側カバーと、上記ハウジングの先端側に配設され被測定ガス雰囲気にさらされる被測定ガス側カバーとを有してなると共に、該ガスセンサの外表面は、被測定ガスにさらされる外表面である被測定ガス面と、大気にさらされて外部からの輻射熱を受ける外表面である大気面とを有し、
上記大気側カバーは、予め高温加熱して酸化膜を全体に設けた後に、該大気側カバーの内表面における上記酸化膜は除去することなく、当該大気側カバーの上記大気面をショットブラスト処理して上記酸化膜を除去したショットブラスト処理面としてなり、
上記ガスセンサの軸方向に沿って、上記大気面における基端から先端に至る距離をＨとすると、
上記ガスセンサの軸方向に沿って、上記基端から先端に向けて０．６Ｈ以上の距離を有する領域における大気面の輻射率は０．３以下であることを特徴とするガスセンサにある（請求項１）。

本発明にかかるガスセンサは、大気面に輻射率が０．３以下となる上記０．６Ｈ以上の特定領域を設けている。そのため、大気面に対する外部からの輻射熱による伝熱が少なくなり、ガスセンサの温度上昇が生じ難くなる。また、大気面に対する上記伝熱を防止することができるため、大気面近傍の温度上昇が生じ難くなる。

以上、本発明によれば、外部からの輻射熱を受け難く、温度上昇し難いガスセンサを提供することができる。

本発明は、各種ガスセンサに適用することができる。すなわち、酸素センサ、ＮＯｘセンサ、その他のガスセンサ、車両用エンジンの燃焼室内の空燃比を排気ガス中の酸素濃度から測定する空燃比センサ等である。
また、コップ型のセンサ素子を備えたガスセンサ、板状のセンサ素子を備えたガスセンサのいずれに対しても本発明を適用することができる。
ガスセンサの詳細構成は実施例にて詳述するが、実施例に記載した以外の形状のガスセンサであっても本発明の効果を得ることができる。

大気面に輻射率０．３以下となる上記特定領域が存在しない場合は、輻射熱によって、ガスセンサの加熱が促進され、熱に弱い部材の耐熱限界を超えてしまうおそれがある。
ここにガスセンサの構成部材で熱に弱い部材とは樹脂やゴム等からなる部材で、例えば撥水フィルタ、リード線挿通孔を備えて大気側カバーの基端に設けた弾性絶縁部材等がある（実施例１参照）。
また、輻射率は０とすることができる。この場合は、外部からの熱は全て反射してしまうため、ガスセンサが非常に熱を受け難くなり、温度上昇を更に抑制することができる。

また、上記ガスセンサの軸方向に沿って、上記大気面における基端から先端に至る距離をＨとすると、上記ガスセンサの軸方向に沿って、上記基端から先端に向けて０．６Ｈ以上の距離を有する領域における大気面の輻射率は０．１５以下であることが好ましい（請求項２）。
輻射率を０．１５以下とすることで大気面に対する輻射熱による伝熱がさらに少なくなって、温度上昇をさらに生じ難くすることができる。

また、上記輻射率は、波長が０．５〜１μｍの波長の電磁波に対する値であることが好ましい（請求項３）。
この場合、可視光、赤外線領域の輻射を反射することができる。排気管等の金属部材が赤熱して放射する電磁波の波長はだいたい可視光〜赤外線であり、この波長の電磁波を反射できればガスセンサの温度上昇抑制に十分な効果を得ることができる。

また、上記大気面はショットブラスト処理面からなることが好ましい（請求項４）。
ショットブラストで処理することで、大気面の表面に形成された酸化膜等を除去して金属光沢を発現させることができる。従って、小さい輻射率を得ることができる。
上記ショットブラストにおいては、ガラスやセラミック等の微粉末を研磨剤として利用することが好ましい。

また、本発明にかかるガスセンサにおいて、大気面は大気側カバー等やハウジング等からなる。
すなわち、ガスセンサは、後述する実施例１に示すごとく、ハウジングと該ハウジングの先端側に設けた被測定ガス側カバーと、ハウジングの基端側に設けた大気側カバーからなる場合が一般的である。大気側カバーや被測定ガス側カバー以外のカバー部材が外表面に露出することもある。
大気側カバーや被測定ガス側カバーの内部はそれぞれ大気雰囲気や被測定ガス雰囲気となり、ガスセンサが内蔵するセンサ素子は大気雰囲気と被測定ガス雰囲気の双方にまたがって配置される。

この構成において、上記大気側カバーは予め不動態膜（酸化皮膜）をその全体に設け、必要な領域をショットブラスト処理し、ショットブラスト処理面を形成してなることが好ましい。
すなわち、ガスセンサにおいて、センサ素子は大気雰囲気を基準ガスとして検出を行うため、高温環境下で大気側カバー等のガスセンサを構成する金属部材が酸化すると、大気雰囲気の酸素濃度が低下して検出値が狂ってしまう。
従って、一般的には、大気側カバー等を予め高温加熱して表面に強固な不動態膜（酸化膜）を形成し、使用中の高温環境下で酸化の進行が生じないようにする。この処理のため、大気側カバー等は褐色から暗褐色の光沢を持つ酸化面状態となり、輻射率も高くなりやすい。従って、本発明にかかる低い輻射率を得るには、ショットブラストで処理するのが一番工法的に容易である。
その他、各種の研磨処理や酸処理で不動態膜を除去することもできる。

なお、上記大気面における６０％以上の領域が輻射率０．３以下であることが好ましい。
これにより、大気面に対する輻射熱による伝熱が少なくなり、ガスセンサの温度上昇が生じ難くなる。また、大気面に対する伝熱を阻害することができるため、大気面の温度上昇が生じ難くなる。
仮に輻射率０．３以下となる領域が６０％未満である場合は、ガスセンサの温度上昇抑制効果が不十分となるおそれがある。
また輻射率は大気面の全てにわたって０．３以下になることが最も好ましい。

また、上記ガスセンサの軸方向に沿って、上記大気面における基端から先端に至る距離をＨとすると、
上記ガスセンサの軸方向に沿って、上記基端から先端に向けて０．６Ｈ以上の距離を有する領域に対して輻射率を０．３以下とする。

ガスセンサを、車両用エンジンの排気管に差し込んで排気ガス中にさらして使用する場合、熱い排気ガスによって排気管は加熱され、赤熱して輻射熱を発する。そして大半のガスセンサでは、後述する実施例１にあるように、熱に弱い樹脂やゴムからなる部材はガスセンサの基端側に位置する。従って、より基端側に低輻射率となる部分を設けることで、基端側近傍の温度上昇を特に抑制することができる。
仮に、輻射率が０．３以下となる領域が基端から０．６Ｈ未満の距離しか持たない場合は、特に基端側のガスセンサの温度上昇抑制効果が不十分となるおそれがある。

（実施例１）
本例にかかるガスセンサ１は、図１、図２に示すごとく、被測定ガス中の特定ガス濃度を測定するセンサ素子２を内蔵し、該ガスセンサ１の外表面１００は、被測定ガスにさらされる被測定ガス面１０１と、大気にさらされる大気面１０２とを有し、上記大気面１０２の少なくとも一部の輻射率は０．３以下である。

以下、詳細に説明する。
本例のガスセンサ１は、図１に示すごとく、自動車エンジンの排気管３に設けたガスセンサ固定穴（図示略）に設けたねじ止め部にハウジング１０をねじ止め固定することで、ガスセンサ１の先端側の一部を排気ガスにさらし、排気ガス中の酸素濃度から自動車エンジン燃焼室（図示略）の空燃比を測定するよう構成したものである。

本例のセンサ素子２は、図示は省略するが、板状の固体電解質体に一対の電極を設けて、一方の電極が被測定ガス雰囲気１１９に、他方の電極が大気雰囲気１２４と接触するよう構成してある。ガスセンサ１内の大気雰囲気１２４を基準ガスとして被測定ガス雰囲気１１９となる排気ガス中の酸素濃度を検出することができる。

図１に示すごとく、本例のガスセンサ１は、筒型のハウジング１０と該ハウジング１０の内側面に素子側絶縁碍子１３を介して挿通したセンサ素子２とを有する。
センサ素子２と素子側絶縁碍子１３との間はガスの流通が生じないように封止材２９を設ける。この封止材２９が大気雰囲気１２４と被測定ガス雰囲気１１９との境界となる。
ハウジング１０の先端側には、センサ素子２の先端側でガス濃度検出を行う部分を覆うように二重構成の被測定ガス側カバー１１が設けてある。被測定ガス側カバー１１はガスセンサ１の外部から被測定ガスをカバー１１内に導入する導入孔１１０を有する。カバー１１の内部は被測定ガス雰囲気１１９となる。

また、素子側絶縁碍子１３の基端側には、センサ素子２の基端側を覆うように筒型の大気側絶縁碍子１４を配置し、該大気側絶縁碍子１４の外方を覆うように、ハウジング１０の基端側に大気側カバー１２１を溶接固定する。
大気側カバー１２１の基端側の外周には筒型の撥水フィルタ１２５を介して外側カバー１２２を設け、外側カバー１２２の外方からかしめ固定することで、撥水フィルタ１２５を固定する。撥水フィルタ１２５を設けた位置は、大気側カバー１２１と外側カバー１２２との双方に大気側カバー１２１内部に大気を導入するための導入孔１２０がある。大気側カバー１２１の内部は大気雰囲気１２４となる。なお、大気側カバー１２１の基端側は後述する弾性絶縁部材１２９により封止される。

大気側絶縁碍子１４の内部において、センサ素子２に対する出力取出／電力印加用の端子（図示略）と端子バネ１５１とが当接し、端子バネ１５１の基端側は、大気側絶縁碍子１４の外部に配置し、ここで接続端子１５２を介してリード線１５３に接続される。リード線１５３は大気側カバー１２１の基端側の内部に設けた弾性絶縁部材１２９に設けた貫通穴からなるリード線挿通孔１２８を経由してセンサ外部に引き出される。

上記大気側カバー１２１、上記外側カバー１２２は共に高温に加熱して表面に不動態膜（酸化膜）を設けたステンレス材料からなる。ステンレス材料として耐熱性を持つオーステナイト系のＳＵＳ３１０かＳＵＳ３１６を用いる。
すなわち、ガスセンサ１において、センサ素子２はガスセンサ１内の大気雰囲気１２４を基準ガスとして検出を行うため、高温環境下で大気側カバー１２１等のガスセンサ１を構成する金属部材が酸化すると、大気雰囲気１２４の酸素濃度が低下して検出値が狂ってしまう。
従って、大気側カバー１２１等を予め高温加熱して表面に強固な不動態膜（酸化膜）を形成し、使用中の高温環境下で酸化の進行が生じないようにする。この処理のため、大気側カバー１２１等は褐色から暗褐色の光沢を持つ酸化面状態となる。
本例では大気側カバー１２１と外側カバー１２２に対しショットブラストを利用して大気面１０２に当たる部分の不動態膜を除去してステンレスの金属光沢を出させ、輻射率を０．３以下とする。
ショットブラストの際は、ガラス、セラミックなどの微粉を研磨剤として使用する。

上記ハウジング１０は先端側が小径、途中が大径、基端側が小径に構成され、途中の大径の部分の下面にバネ部１０５を有する。先端側の小径の部分の側面は排気管３のガスセンサ固定穴のねじ止め部に対応するねじ止め部１０６を有する。
ガスセンサ１のハウジング１０を排気管３にねじ止めすることで、バネ部１０５の先端側に向いた面が排気管３の表面３０に当接する。
そして、ガスセンサ１の外表面１００の中で排気管３の内部に露出する被測定ガス側カバー１１の表面が被測定ガス面１１０となり、ハウジング１０の基端側の側面、大気側カバー１２１の側面、外側カバー１２２の側面が大気面１０２となる。
なお、図１や図２において外表面１００、被測定ガス面１０１、大気面１０２はガスセンサ軸方向に沿った矢線で存在範囲を示した。

本例にかかるガスセンサ１は、大気面１０２を輻射率を０．３以下とすることで、大気面１０２に対する輻射熱による伝熱が少なくなり、ガスセンサ１の温度上昇が生じ難くなる。また、大気面１０２に対する伝熱を阻害することができるため、大気面１０２近傍の温度上昇が生じ難くなる。

本例にかかるガスセンサ１において、撥水フィルタ１２５はテトラフルオロエチレンからなり、弾性絶縁部材１２９はフッ素ゴムからなる。
排気管３の内部を流れる排気ガスの最高温度は８００℃程度であり、従って、排気管３の表面３０もその程度の温度に加熱され、赤熱し、およそ０．５μｍ〜１μｍ程度の波長の電磁波、すなわち赤外線、可視光線を発するようになる。

仮に、大気側カバー１２１等の表面に不動態膜が形成されたままであれば、後述する実施例２にあるようにガスセンサ１内の温度上昇は避けられず、撥水フィルタ１２５や弾性絶縁部材１２９に熱劣化が発生するおそれがある。
本例のように大気側カバー１２１等の大気面１０２をショットブラスト処理面とすることで、ステンレスの金属光沢が出て、輻射率が０．３以下となる。後述する実施例２にあるようにガスセンサ１の温度上昇が生じ難くなり、撥水フィルタ１２５や弾性絶縁部材１２９の熱劣化を防止できる。

以上、本例によれば、外部からの輻射熱を受け難く、温度上昇し難いガスセンサを提供することができる。

また、図３に示すごとく、大気側カバー１２１の外側に設けた外側カバー１２２をより長く構成することもできる。
更に、図３に示すごとく、大気面１０２の全体を輻射率０．３以下とせずに、範囲１０３として示した領域の輻射率を０．３以下とし、それ以外の部分が０．３より高くとも、本例にかかる効果を得ることができる。
この領域の範囲はガスセンサ１の基端から、軸方向に沿った長さで０．６Ｈ以上である。ここにＨは大気面１０２のガスセンサ軸方向に沿った長さである。

本例にかかるガスセンサ１で熱に弱いのは、大気側カバー１２１の基端を封止する弾性絶縁部材１２９と撥水フィルタ１２５である。弾性絶縁部材１２９は上述したごとく大気側カバー１２１の基端に、撥水フィルタ１２５は、これを設けた位置から大気を導入するため（実施例１参照）、基本的にガスセンサ１の基端側に配置する。従って、輻射率０．３以下となる領域を基端から０．６Ｈ以上の位置とすることで、特にガスセンサ１基端付近の温度上昇を防止して、弾性絶縁部材１２９や撥水フィルタ１２５を守ることができる。

（実施例２）
本例は、実施例１に記載した構成のガスセンサにおいて、大気面の輻射率や、大気面で低輻射率となった領域の広さ等を違えて、温度上昇抑制効果を測定する。
試料０は基準試料であり、ショットブラスト処理面を設けず、不動態膜が大気面に形成され、若干の金属光沢が存在するが、大気面の輻射率は高く０．４である。
試料１の大気面は、不動態膜を形成しない、そのままのＳＵＳ３１０の金属光沢が発現する。
試料３の大気面は、加熱により不動態膜が十分に形成されている。
試料２の大気面は、試料３の状態にある大気面に対しショットブラスト処理を行って処理面となっている。
また、試料１〜３にかかるガスセンサは、大気面における基端から先端までの全ての領域の輻射率を所定の値とした。

試料４〜６にかかるガスセンサは、大気面における所定の領域の輻射率を０．３とした。すなわち、試料４は大気面の基端から０．７Ｈまでの範囲を、試料５は基端から０．６Ｈまでの範囲を、試料６は０．５Ｈまでの距離をショットブラスト処理した。
なお、各試料にかかる大気面の輻射率は市販の可視光、近赤外線域の分光放射計にて、反射率を測定し、大気面で電磁波の透過がないので、輻射率＝１−反射率となる。

次に、ガスセンサの温度測定方法について説明する。
図４に示すごとく、取り付け治具４の固定穴４１にガスセンサ１を挿入する。治具４を加熱して、治具表面４０の温度を８００℃とする。この状態で、温度測定位置４２の温度が安定した３０分後に、温度測定位置４２に貼り付けた熱電対で測定した。温度測定位置４２はガスセンサ１の基端からｔ＝１０ｍｍ離れた位置である。
また、ガスセンサ１を挿入する際は、実使用時と同様に、被測定ガス面が治具表面４０より図面右方に、大気面が図面左方となるようにする。
試料０にて測定した値を基準値として、この基準値からの低減温度を表１に記載した。評価基準は低減温度が５℃以下を×、５〜１０℃を○、１０℃以上を◎とした。

表１より明らかであるが、試料１〜３から、輻射率が０．３以下となることで、大きな温度低減効果が得られることがわかった。
また、試料４〜６から、輻射率が０．３以下となる領域をガスセンサの基端から０．６Ｈ以上の範囲に設けることで、より優れた温度低減効果が得られることがわかった。

実施例１における、ガスセンサの軸方向の断面説明図。実施例１における、ガスセンサの側面図。実施例１における、他の構成のガスセンサの軸方向の断面説明図。実施例２における、ガスセンサの各部の温度を測定する測定方法の説明図。

符号の説明

１ガスセンサ
１００外表面
１０１大気面
１０２被測定ガス面

Claims

被測定ガス中の特定ガス濃度を測定するセンサ素子を内蔵するガスセンサであって、
該ガスセンサは、ハウジングと、該ハウジングの基端側に配設され大気雰囲気中にさらされる大気側カバーと、上記ハウジングの先端側に配設され被測定ガス雰囲気にさらされる被測定ガス側カバーとを有してなると共に、該ガスセンサの外表面は、被測定ガスにさらされる外表面である被測定ガス面と、大気にさらされて外部からの輻射熱を受ける外表面である大気面とを有し、
上記大気側カバーは、予め高温加熱して酸化膜を全体に設けた後に、該大気側カバーの内表面における上記酸化膜は除去することなく、当該大気側カバーの上記大気面をショットブラスト処理して上記酸化膜を除去したショットブラスト処理面としてなり、
上記ガスセンサの軸方向に沿って、上記大気面における基端から先端に至る距離をＨとすると、
上記ガスセンサの軸方向に沿って、上記基端から先端に向けて０．６Ｈ以上の距離を有する領域における大気面の輻射率は０．３以下であることを特徴とするガスセンサ。
請求項１において、上記ガスセンサの軸方向に沿って、上記大気面における基端から先端に至る距離をＨとすると、
上記ガスセンサの軸方向に沿って、上記基端から先端に向けて０．６Ｈ以上の距離を有する領域における大気面の輻射率は０．１５以下であることを特徴とするガスセンサ。
請求項１または２において、上記輻射率は、波長が０．５〜１μｍの波長の電磁波に対する値であることを特徴とするガスセンサ。
被測定ガス中の特定ガス濃度を測定するセンサ素子を内蔵し、ハウジングと、該ハウジングの基端側に配設され大気雰囲気中にさらされる大気側カバーと、上記ハウジングの先端側に配設され被測定ガス雰囲気にさらされる被測定ガス側カバーとを有してなるガスセンサを製造する方法において、
上記大気側カバーは、予め高温加熱して酸化膜を全体に設け、
その後、該大気側カバーの外表面である大気面をショットブラスト処理して上記酸化膜を除去してショットブラスト処理面とすることを特徴とするガスセンサの製造方法。