JP4398385B2 - ガスセンサ - Google Patents

Description

本発明は、ガス検出素子及び主体金具を有するガスセンサに関する。

従来より、ガス検出素子を有するガスセンサとして、例えば内燃機関から排出される排気ガスの酸素濃度を測定する酸素センサ等が提案されている。このようなガスセンサは、ガス検出素子と、そのガス検出素子の先端側を自身の先端よりも突出させてガス検出素子を固定する筒状の主体金具とを備える構造が代表的である。しかして、このようなガスセンサは、主体金具に設けられたねじ部を、例えば内燃機関の排気管等に設けられるガスセンサ取付孔のねじ部に螺合し、排気管内にガス検出素子の先端側を晒すようにして、排気管に取り付けられる。

ところで、内燃機関等の使用時には、排気管にその内燃機関等から熱負荷を受け、さらにはこの熱が排気管に取り付けられたガスセンサにも伝導する。具体的には、センサ取付孔のねじ部から主体金具のねじ部に伝導することで、ガスセンサに熱が伝わる。このとき、過度の熱が両ねじ部を伝導すると、センサ取り付け穴のねじ部と主体金具のねじ部とが接合されてしまい、排気管と主体金具とが焼き付くことがあり、ガスセンサを排気管から取り外すことが困難となることがある。

そこで、従来では、主体金具のねじ部の表面に排気管との焼き付きを防止するための焼き付き防止層を設けることで、過度の熱が両ねじ部を伝導したとしても排気管と主体金具とが焼き付くことを防止し、ガスセンサを容易に排気管から取り外すことできるようにした。
特表２００４−５０３０５８号公報

しかしながら、近年、更なる内燃機関の高性能化により、排気管及び主体金具にかかる熱負荷が高くなってきている。更には、ガスセンサ自身の耐久性向上により、ガスセンサを長時間使用することが増加している。すると、特許文献１のような焼き付き防止層では、十分に主体金具と排気管との焼き付きを防止できないことがある。つまり、長時間ガスセンサを使用した後には、焼き付き防止層の効力が十分に発揮できずに焼き付きが発生し、ガスセンサを排気管から取り外すことが困難となることがある。

本発明は、かかる現状を鑑みてなされたものであって、ガスセンサの長時間の使用後も、ガスセンサが排気管から容易に取り外すことができるガスセンサを提供することを目的とする。

その解決手段として、本発明のガスセンサは、被測定ガスに先端側が晒されるガス検出素子と、該ガス検出素子の先端側を自身の先端よりも突出させて該ガス検出素子を固定する筒状の主体金具とを備え、該主体金具には、排気管に取り付けるためのねじ部を有するガスセンサにおいて、
前記ねじ部の表面上に、ビッカース硬度が３００ＨＶ以上であり、リンが１０ｗｔ％以下含有される被覆層を有することを特徴とする。

このように、本発明では、ねじ部の表面上にビッカース硬度が３００ＨＶ以上の被覆層を形成する。これにより、更なる内燃機関の高性能化により、排気管又は主体金具にかかる熱負荷が高くなったとしても排気管と主体金具との焼き付きを防止することができる。また、ガスセンサ自身の耐久性向上により、ガスセンサを長時間使用することが増加したとしても、主体金具と排気管との焼き付きを防止することができる。

なお、被覆層のビッカース硬度が３００ＨＶ未満では、十分な硬度が得られないため、焼き付きを防止できないことがある。また、被覆層のビッカース硬度が６００ＨＶを越えると、被覆層自身の硬度が固すぎて、ねじ部の表面上に形成することが困難となることがある。

そして、本発明では、被覆層にリンが１０ｗｔ％以下含有されていることが好ましい。被覆層にリンが含有することで、被覆層のビッカース硬度が３００ＨＶ以上とすることが容易にできる。なお、１０ｗｔ％を越えると、被覆層自身が脆くなり、本発明の効果を得ることが難しくなる。

ところで、主体金具と排気管とが同種金属材料で出来ているものは、特に焼き付きの現象が発生することを発明者が知見している。そこで、本発明のように、ビッカース硬度３００ＨＶ以上の被覆層を主体金具のねじ部の表面上に設けることで、主体金具と排気管とが同種金属材料で出来ていたとしても有効に焼き付きを防止できる。なお、同種金属材料とは、主成分が同種類の金属材料のことを指す。

また、ガスセンサの主体金具は、ステンレス鋼で形成されていることが一般的である。このとき、ガスセンサが取り付けられる排気管が、同系統のステンレス鋼である場合、特に焼き付きの現象が発生することを発明者が知見している。そこで、本発明のように、ビッカース硬度３００ＨＶ以上の被覆層をねじ部の表面上に設けることで、有効に焼き付きを防止できる。

以下、本発明の実施の形態を、図面を参照しつつ説明する。
本実施形態に係るガスセンサ１０１の断面図を図１に示す。なお、図１においては、下方が先端側、上方が後端側となる。このガスセンサ１０１は、被測定ガスである排気ガス中の酸素濃度を検出する酸素センサである。ガスセンサ１０１は、図１に示すように、軸線Ｃ方向に延びるガス検出素子１０３と、このガス検出素子１０３の周囲を取り囲む筒状の主体金具１２１とを備える。

このうち、ガス検出素子１０３は、先端部１０５が閉塞した有底筒状をなし、イットリアを安定化剤として固溶させた部分安定化ジルコニアを主体に形成されている。このガス検出素子１０３の内周面には、そのほぼ全面を覆うようにＰｔあるいはＰｔ合金により多孔質状に形成された内部電極層１０８が形成され、外周面には同様な多孔質状の外部電極層１０６が設けられている。また、このガス検出素子１０３の軸線方向の略中間位置には、径方向外側に向かって突出する係合フランジ部１１１が設けられている。この係合フランジ部１１１は、後述するように、このガス検出素子１０３を主体金具１２１に保持するために利用される。また、このガス検出素子１０３の内側には、棒状に形成されると共に、内部に発熱抵抗体を有するセラミックヒータ１０９が挿設されている。

主体金具１２１は、ＳＵＳ４３０からなる筒状をなしており、プロテクタ１５１内に挿入される先端部１２３を有する。また、主体金具１２１の内周には、先端部１２３より後端側の位置に、ガス検出素子１０３を軸線方向に保持するための棚部（支持面）１２５が設けられている。一方、主体金具１２１の外周には、先端部１２３よりも後端側の位置に、このガスセンサ１０１を排ガス管に取り付けるための取付ネジ部１２９が設けられている。なお、取付ネジ部１２９の詳細については語述する。また、この取付ネジ部１２９の後端側には、このガスセンサ１０１を排ガス管に取り付ける際に利用される六角フランジ部１３１（工具係合部）が設けられている。

この主体金具１２１は、ガス検出素子１０３の先端部１０５が自身の先端面から突出した状態で、ガス検出素子１０３を同軸状に保持している。具体的には、図１に示すように、主体金具１２１の棚部１２５上には、第１板パッキン１３３が配置されている。さらに、その上には、内周に段付部１３６を有する筒状の第１固定部材１３５（アルミナ製）が配置されている。ガス検出素子１０３は、この第１固定部材１３５に挿通され、ガス検出素子１０３の係合フランジ部１１１が、第２板パッキン１３７を介して、第１固定部材１３５の段付部１３６に係合している。第１固定部材１３５の後端側には、ガス検出素子１０３の外周面と主体金具１２１の内周面とによって形成される間隙に、滑石が圧縮充填された充填封止層１３９が配置されている。

さらに、この充填封止層１３９の後端側には、内側をガス検出素子１０３が貫通する筒状の第２固定部材１４１（アルミナ製）が配置されている。第２固定部材１４１の後端側には加締めリング１４５が配置され、主体金具１２１の後端部１３２が径方向内側に加締められることで、ガス検出素子１０３は、主体金具１２１内に気密状態で保持されている。

プロテクタ１５１は、主体金具１２１の先端部１２３に挿入され、固定される。このプロテクタ１５１は、ガス検出素子１０３の先端部１０５と間隙を介して覆うＳＵＳ３１０Ｓ製の筒状の内側カバー部１５３と、この内側カバー部１５３の外周に配置されたＳＵＳ３１０Ｓ製の筒状の外側カバー部１７３とを有する二重構造をなしており、それぞれにガス導入孔１７６を有している。

そして、主体金具１２１のうち、六角フランジ部１３１の後端側は、筒状の金属外筒２０１の先端部２０１Ｓが外側から全周レーザー溶接により固定されている。また、金属外筒２０１の後端側開口部２０１Ｋには、フッ素ゴムにて構成されたグロメット２０３が内挿され、金属外筒２０１を径方向内側に向かって加締めることにより、金属外筒２０１に気密状態で固定されている。グロメット２０３の中央部には貫通孔が設けられ、この貫通孔に、大気を金属外筒２０１の内側に導入する一方、水分の侵入を防ぐフィルタ部材２０５が配置されている。また、グロメット２０３の先端側には、絶縁性のアルミナからなるセパレータ２０７が配置されている。そして、グロメット２０３及びセパレータ２０７を貫通してセンサ出力リード線２１１、２１２およびヒータリード線２１３、２１４（図示せず）が配置されている。また、セパレータ２０７内には、第１、第２センサ端子金具２１５、２１６のコネクタ部２１５Ｂ、２１６Ｂ及びヒータ端子金具２１７、２１８（図示せず）が互いに絶縁されつつ配置されると共に、セラミックヒータ１０９の後端側が収容されている。

第１センサ端子金具２１５は、そのコネクタ部２１５Ｂがセンサ出力リード線２１１を加締めにより把持してこれに電気的に接続すると共に、挿入部２１５Ｃがガス検出素子１０３の有底孔内に挿入され、内部電極層１０８と電気的に接続している。また、第２センサ端子金具２１６は、そのコネクタ部２１６Ｂ
がセンサ出力リード線１２１を加締めにより把持してこれに電気的に接続すると共に、把持部２１６Ｃがガス検出素子１０３の後端付近の外周を把持して、外部電極層１０６と電気的に接続している。また、２本のヒータ端子金具２１７、２１８は、ヒータリード線２１３、２１４とそれぞれ電気的に接続すると共に、セラミックヒータ１０９の一対の電極パッド部１０９Ｂと接合されることによりそれぞれ電気的に接続している。

なお、セパレータ２０７には、径方向外側に向かって突出する鍔部２０７Ｃが形成されている一方、金属外筒２０１には、周方向に沿って等間隔に４ヶの内側凸部２０１Ｃが形成されている。そして、この内側凸部２０１Ｃに鍔部２０７Ｃの後端面を当接させた状態で、付勢部材２１９を用いて鍔部２０７Ｃを後方側に付勢することにより、セパレータ２０７は金属外筒２０１内に保持されている。なお、付勢部材２１９は、筒状をなすと共に自身の弾性力によりセパレータ２０７に保持され、自身の径方向外側に位置する金属外筒２０１が径方向内側に加締められることで変形し、セパレータ２０７の鍔部２０７Ｃを後方側に付勢するように構成されている。

次に本発明の主要部となる主体金具１２１の取付ネジ部１２９について説明する。主体金具１２１の取付ネジ部１２９の表面上に、被膜層３０１が形成されている。本実施例では、この被膜層３０１にリンが５ｗｔ％含有されている。また、この被覆層３０１はビッカース硬度を３００ＨＶ以上である。このように、このように、リンが１０ｗｔ％以下含有されていることで、ビッカース硬度３００以上の被複層３０１を形成することができ、後述する排気管４０１に取り付けた時、排気管４０１と主体金具１２１との焼き付きを防止することができる。

本実施例において、被覆層３０１の膜厚は５μｍである。この厚みは、１〜１０μｍにて形成されていることが好ましい。厚みが１μｍ未満では、被覆層３０１を形成する効果が十分に得られることが出来にくい。一方、厚みが１０μｍよりも大きくしても、焼き付き防止の効果が変化することなく、製造時間やコスト等が増大する。

このようなガスセンサ１０１は、図２に示すように、内燃機関等の排気管４０１（本実施例では、ＳＵＳ４０９Ｌのステンレス鋼）の設けられたガスセンサ取付孔４０２に固定される。具体的には、主体金具１２１の取付ネジ部１２９をガスセンサ取付孔４０２に設けられた取付孔ネジ部４０３に螺合することで、取り付けられる。そして、排気管４０１内を通過する排気ガスをガス検出素子１０３に晒してガス濃度を測定する。このとき、長時間、ガスセンサ１０１が排気管４０１に取り付けられるため、主体金具１２１及び排気管４０１は熱負荷の影響を受ける。しかしながら、本発明において、被覆層３０１を有することで、この熱負荷の影響を抑制し、排気管４０１と主体金具１２１との焼き付きを防止することができる。また、本実施例では、主体金具１２１がＳＵＳ４３０から構成されており、排気管４０１がＳＵＳ４０９Ｌで構成されているように、両方共にステンレス鋼であり、さらに同系統の材料であるが、ガスセンサ１０１に被覆層３０１を有することで、排気管４０１と主体金具１２１との焼き付きを防止することができる。

このガスセンサ１０１は、以下のように製造される。
まず、ＳＵＳ４３０の鋼材に対して塑性加工および切削加工を施し、六角フランジ部１３１、取付ネジ部１２９、棚部１３３、先端部１２３等を有する筒状の主体金具１２１を成形する。このとき、先端部１２３は、本実施形態において、プロテクタ１５１（外側カバー部１７３）との間で重なり部３０１を生じることが予定される部位にあたり、この先端部１２３に、大径部３０３と、この大径部３０３よりも後端側に位置し大径部３０３よりも小さい外径の小径部３０５とが形成されるように主体金具１２１は成形されている。

一方、所定寸法に予め成形されたＳＵＳ３１０Ｓ製の有底筒状をなす外側カバー部１７３と内側カバー部１５３を準備する。そして、４ヵ所でスポット溶接を行うことにより、内側カバー部１５３と外側カバー部１７３とを同軸状に固着し、プロテクタ１５１を得る。さらに、主体金具１２３の先端側よりプロテクタ１５１を移動させて、取付ネジ部１２９の先端面に外側カバー部１７３の後端が当接するまでプロテクタ１５１を移動させることで、外側カバー部１７３の後端部１８０を、主体金具１２１の先端部１２３外方に装着する。このとき、主体金具１２１の先端部１２３の大径部３０３に対して、外側カバー部１７３は圧入される。そして、主体金具１２１の小径部３０５の径方向外側に位置する外側カバー部１７３の外周面からレーザー光を照射して、溶接部Ｗを全周にわたって形成し、プロテクタ１５１と主体金具１２１とのレーザー溶接する。これにより、プロテクタ１５１と主体金具１２１とは、圧入固定とレーザー溶接により強固に固定される。

そして、このプロテクタ１５１を固定した主体金具１２１の内部に、第１板パッキン１３３、第１固定部材１３５、第２板パッキン１３７、ガス検出素子１０３、充填封止層１３９となる滑石リング、第２固定部材１４１、加締めリング１４５を順に挿入する。その後、主体金具１２１の後端部１３２を径方向内側に加締めて、滑石リングを圧縮充填させて充填封止層１３９を形成しつつ、主体金具１２１内にガス検出素子１０３を保持させて下部組立体４０１（図３参照）が作製される。

ついで、第１、第２センサ端子金具２１５、２１６および２本のヒータ端子金具２１７に、それぞれセンサ出力リード線２１１、２１２およびヒータリード線２１３を接続し、セラミックヒータ１０９を第１センサ端子金具２１５内に位置させた状態で、各リード線２１１、２１２、２１３（残り１本については、図示省略）をセパレータ２０７内に挿通する。なお、セパレータ２０７の鍔部２０７Ｃ
よりも先端側周囲には、付勢部材２１９を予め装着させておく。このように内部にリード線２１１、２１２、２１３を挿通したセパレータ２０７を、金属外筒２０１内に挿入する。ついで、各リード線２１１、２１２、２１３をグロメット２０３に形成したリード線挿通孔に挿通し、このグロメット２０３を金属外筒２０１の後端側開口部２０１Ｋに嵌め込む。これにより、上部組立体４０２（図３参照）が作製される。

そして、この上部組立体４０２を下部組立体４０１に向けて移動させ、金属外筒２０１の先端部２０１Ｓが主体金具１２１の六角フランジ部１３１に当接するまで上部組立体４０２を移動させる。このとき、ヒータ１５はガス検出素子１０３の内部に挿入されることになる。その後、金属外筒２０１の先端部２０１Ｓとこの内側に位置する主体金具１２１とを、金属外筒２０１を先端側に押圧しながら、加締め治具によって加締めて仮接続する。

ついで、金属外筒２０１のうちで、付勢部材２１９の径方向外側に位置する部位を径方向内側に向かって加締めて、付勢部材２１９を変形させつつ、付勢部材２１９と内側凸部２０１Ｃとの間でセパレータ２０７の鍔部２０７Ｃを挟持させる。これにより、セパレータ２０７が金属外筒２０１内に保持される。その後、金属外筒２０１のうち、グロメット２０３の径方向外側に位置する部位を径方向内側に向かって加締めて、グロメット２０３を金属外筒２０１に気密状態に固定する。そして、既に仮接続した金属外筒２０１の先端部２０１Ｓと主体金具１２１とを全周レーザー溶接する。

次に、取付ネジ部１２９にリンが５ｗｔ％含有された被覆層３０１材料を塗布することにより、ガスセンサ１０１を完成させる。なお、塗布の方法としては、筆やはけ等を用いる方法や、スプレーによって、吹き付ける方法等が挙げられる。

以上において、本発明を実施形態に即して説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で、適宜変更して適用できることはいうまでもない。
例えば、実施形態のガスセンサ１０１は、被覆層３０１のみを設けたが、これに限られること無く、被覆層３０１と主体金具１２１の取付ネジ部１２９との間に、従来の焼き付き防止層を更に設けても良い。これにより、更に有効に主体金具１２１と排気管４０１の設けられたガスセンサ取付孔４０２との焼き付きを防止できる。

実施形態にかかるガスセンサ１０１の部分断面図。 実施形態のガスセンサ１０１が排気管４０１に取り付けられる説明図。 実施形態のガスセンサ１０１の組み立て図。

符号の説明

１０１ ガスセンサ
１０３ ガス検出素子
１２１ 主体金具
１２９ 取付ネジ部
２０１ 金属外筒
２０３ グロメット
２０７ セパレータ
３０１ 被覆層
４０１ 排気管

Claims (3)

1. 被測定ガスに先端側が晒されるガス検出素子と、
   該ガス検出素子の先端側を自身の先端よりも突出させて該ガス検出素子を固定する筒状の主体金具とを備え、
   該主体金具には、排気管に取り付けるためのねじ部を有するガスセンサにおいて、
   前記ねじ部の表面上に、ビッカース硬度が３００ＨＶ以上であり、リンが１０ｗｔ％以下含有される被覆層を有することを特徴とするガスセンサ。
2. 前記主体金具と前記排気管とが同種金属材料から形成されていることを特徴とする請求項１に記載のガスセンサ。
3. 前記主体金具及び前記排気管はステンレス鋼により形成されており、
   該主体金具を形成するステンレス鋼と該排気管を形成するステンレス鋼は同系統であることを特徴とする請求項１に記載のガスセンサ。