JP4426084B2

JP4426084B2 - ガスセンサ

Info

Publication number: JP4426084B2
Application number: JP2000356362A
Authority: JP
Inventors: 達哉山田; 佳彦中塚; 伸一中村
Original assignee: NGK Spark Plug Co Ltd
Current assignee: NGK Spark Plug Co Ltd
Priority date: 2000-11-22
Filing date: 2000-11-22
Publication date: 2010-03-03
Anticipated expiration: 2020-11-22
Also published as: JP2002162377A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、優れた応答性を有するガスセンサに関する。更に詳しく言えば、特定の二重管構造からなる保護管を備え、応答性に優れ、検知部が被毒、被水等から十分に保護されるガスセンサに関する。本発明における保護管の構造は各種の材質、構造からなるガスセンサに適用することができ、このガスセンサは、特に、車両等の内燃機関から排出される排気ガスに含まれる酸素ガス及びＮＯｘガスなどを検知するためのガスセンサとして有用である。
【０００２】
【従来の技術】
車両用のガスセンサは、センサを排気管等に取り付けるための主体金具と、この主体金具に挿通され、少なくとも検知部が主体金具から突出して配設されているセンサ素子とを備え、素子の先端側には保護管が取り付けられている。この保護管には、素子の先端側に形成された検知部に被検知ガスを導入するための通気孔が設けられている。また、この保護管によって検知部を被毒、被水等から保護することもできる。このようなガスセンサにおいて、排気ガスの流路を最適化することによりセンサの応答性を向上させるため、保護管の素子の後端側に対応する位置に通気孔を設けたものが提案されている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、保護管は主体金具の端縁部に装着されているため、保護管の通気孔は主体金具の先端面を多少なりとも離れた素子の先端側に対応する位置に設けざるを得ない。その一方で、保護管を強固に保持するためには主体金具の先端部をある程度の長さ突出させる必要がある。そのため、保護管の通気孔を素子の検知部から十分に離れた位置に設けることは難しく、保護管の取り付け側において排気ガスが流通しない滞留部が形成され、センサの応答性が低下することがある他、検知部の被毒、被水を十分に抑えることができないこともある。尚、最近では、素子の被水、或いは素子冷え等を防止するため、主体金具からの素子の突出量を少なくする方向にあるが、これによって保護管の通気孔と素子の検知部とがより近接し、却って被水し易くなっている。
【０００４】
本発明は、上記の従来の問題を解決するものであり、内側保護管の通気孔をセンサ素子の検知部から十分に離れた主体金具の先端面より後端側に設けることができるため、排気ガスの流路を最適化することができ、保護管の取り付け側における排気ガスの滞留が防止され、センサの応答性を向上させることができる。また、検知部の被毒及び被水を確実に防止することができる。本発明は、このように優れた応答性及び耐久性を有す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】
上記の課題は、長さ方向に貫通孔を有する主体金具と、この貫通孔に挿通され、先端側の検知部が主体金具の先端面より突出しているセンサ素子と、主体金具に固定され、検知部を囲繞する保護管と、を備えるガスセンサにおいて、保護管は、それぞれ通気孔を有する外側保護管と内側保護管とからなり、内側保護管の通気孔を、主体金具の先端面より後端側に対応する位置に設け、外側保護管の後端部が主体金具の先端縁の外周面に固定され、内側保護管の先端部の外面が外側保護管の先端部の内面に固定され、内側保護管の外径は主体金具の内径より小さいことにより達成される。
【０００６】
このガスセンサでは、特定の構造を有する保護管を有する他は、その構造及び材質等は特に限定されず、例えば、全領域空燃比センサ等の一般的な酸素センサ及びＮＯｘセンサなどのガスセンサとすることができる。また、排気管等への取り付け方法も特定はされないが、通常、主体金具の外周面に形成された取り付けねじ部により、素子の先端側において検知電極及び基準電極が形成されている検知部が排気管等の内部に突出するようにして取り付けられる。
【０００７】
外側保護管及び内側保護管には排気ガス等の被検知ガスを保護管の内部に導入し、素子の検知部と接触させるための通気孔が、所定位置に所要個数形成されている。また、保護管の先端部の特に中心部にも通気孔が形成されている。この場合に、内側保護管の通気孔が主体金具から離れた位置に形成されていると、保護管の取り付け側において被検知ガスが滞留し、センサの応答性が低下する。更に、内側保護管の通気孔が素子の検知部の近傍に設けられていると、導入された直後の被検知ガスがそのまま素子の検地部に接触することになり、排気ガス等の被検知ガスに含まれている被毒物質及び水等により、素子が被毒、或いは被水することにもなる。
【０００８】
本発明のガスセンサでは、内側保護管の通気孔は素子の検知部より離れた主体金具の先端面より後端側に対応する位置に設けられている。このようにすれば被検知ガスは主体金具の先端面より後端側から検知部へ、更には保護管の先端部へと流通し、保護管の取り付け側において被検知ガスが滞留することによるセンサの応答性の低下が防止され、被検知ガスの濃度の変化に対するセンサ出力の追随性に優れる、即ち、応答性の高いガスセンサとすることができる。また、導入直後の被検知ガスが素子の検知部と接触しないため、素子の被毒、被水等も十分に抑えられる。
【０００９】
保護管はステンレス鋼等の金属からなる外側保護管と内側保護管により形成され、通常、これらは円筒形であり、同心円状に配置されている。そして、外側保護管の後端部の内周面が、主体金具の先端縁の外周面に固定されることにより、主体金具に固定されている。この固定は保護管が主体金具から容易に脱落しない限り、どのような方法により行ってもよいが、レーザ溶接により固定することが好ましい。このようにすれば気密状態を保って接合されるため、固定部分から侵入する水分による素子の検知部の被水が防止される。
【００１０】
一方、内側保護管は、先端部の外面が外側保護管の先端部の内面に固定されており、内側保護管の外径が主体金具の内径より小さい。内側保護管の後端部が外方へ向かって折り曲げられ、鍔部が形成されていることが好ましい。そして、この鍔部の先端部を主体金具の内周面に当接させることにより、内側保護管の後端部を固定することができ、内側保護管が全体として十分に安定して保持される。また、このような構成とすれば、内側保護管の通気孔を主体金具の先端面より後端側に対応する位置、即ち、素子の検知部から離れた位置に設けることが容易となる。
【００１１】
内側保護管の通気孔は鍔部に所要個数の切り欠きを形成することによって設けることもでき、このようにすれば被検知ガスの滞留をほぼ完全に防止することができ、センサの応答性の低下を確実に防止することができる。また、素子の被毒、被水を十分に防止することもできる。尚、内側保護管の固定も内側保護管が揺動したり、外側保護管から容易に脱落することがない限り、溶接、ボルト、ナットによる固定等、どのような方法により行ってもよい。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下、特定の保護管構造を有する本発明のガスセンサを、その一例である積層型酸素センサ素子を組み込んだ酸素センサにより詳しく説明する。
［１］ガスセンサの構造
図１は、積層型酸素センサ素子Ａが組み込まれた酸素センサＢであり、内燃機関の排気管に取り付けられ、排気ガスに含まれる酸素濃度の測定に使用されるλ型酸素センサと通称される酸素センサの一例を示す断面図である。
【００１３】
この酸素センサＢに組み込まれた積層型酸素センサ素子Ａは、検知部が形成されている前方側が主体金具３の先端面より突出するように主体金具３に形成された貫通孔３２に挿通されている。この貫通孔３２の周面と素子Ａの外周面との間は、結晶化亜鉛シリカほう酸系ガラス等のガラスを主体とする封着層４１により封着されている。また、素子Ａの、主体金具３から突出した部分は金属製の二重管からなる外側保護管６１及び内側保護管６２により囲繞されている。そして、外側保護管６１の後端部が主体金具３の先端縁の外周面にレーザ溶接によって固着されている。
【００１４】
外側及び内側保護管６１、６２は、それぞれ先端部を底面とする有底円筒形であり、その先端面、或いは周面に、排気ガスを保護管６１、６２の内部に導入するための通気孔６１１、６２１が設けられている。また、主体金具３の後端部は外筒７の先端縁内側に挿入され、それらが重なった部分は、周方向にレーザ溶接により接合され、固着されている。尚、主体金具３の外周面には、酸素センサＢを排気管に取り付けるための取り付けねじ部３１が螺設されている。
【００１５】
素子Ａは、第１コネクタ部５１、長尺状金属薄板５２、更には第２コネクタ部５３及び絶縁板（図示せず）（これらを総称して「外部端子」という。）と、リード線９とにより、外部回路（図示せず）と電気的に接続されている。合計４本のリード線９は、それぞれ外筒７の後端側に位置するグロメット８を貫通して外部へと導出されている。
【００１６】
尚、素子Ａの長手方向（軸線方向）において、封着層４１の少なくとも一方の側に隣接する形で（図１では封着層４１の素子の検出部Ｘに近接した端面側に隣接して）、タルク滑石等の無機粉末の圧粉成形体、或いは多孔質仮焼体等の多孔質無機物質などにより形成された緩衝層４２が設けられている。この緩衝層４２は、封着層４１から軸線方向に突出する素子Ａを外側から包み込むように支持し、素子Ａに過度の曲げ応力及び熱応力等が加わるのを抑制する作用を有する。
【００１７】
［２］積層型酸素センサ素子の構造
積層型酸素センサ素子について図２を用いて説明する。この図２は、図１に示す酸素センサＢに装着されている素子Ａの分解斜視図であり、素子Ａは酸素濃淡電池素子１及びセラミックヒータ２により構成されている。
【００１８】
酸素濃淡電池素子１は、酸素イオン伝導性を有するジルコニアを主体に形成された酸素濃淡電池用固体電解質層１１を備え、酸素濃淡電池用固体電解質層１１の一端側（図１において主体金具３の先端より突出している側）の表裏面には検知電極部１３１ａ及び基準電極部１３１ｂが直接形成され、図１における検知部Ｘを構成している。
【００１９】
こられ検知電極部１３１ａ及び基準電極部１３１ｂには、酸素濃淡電池用固体電解質層１１の長手方向に導体リード部１３２ａ及び１３２ｂがそれぞれ延設されている。但し、これらの各々の導体リード部１３２ａ及び１３２ｂは、酸素濃淡電池用固体電解質層１１の表裏面に酸素濃淡電池用第１絶縁層１２ａ及び酸素濃淡電池用第２絶縁層１２ｂを介して形成されている。尚、酸素濃淡電池用第１絶縁層１２ａ及び酸素濃淡電池用第２絶縁層１２ｂは、いずれも絶縁性に優れるアルミナを主体に構成されている。
【００２０】
導体リード部１３２ａの末端は、外部回路接続用の外部端子（図示せず）と接続されるとともに、検知電極部１３１ａと電気的に接続される信号取り出し用端子１３３ａを構成する。また、リード部１３２ｂの末端は、この末端を、酸素濃淡電池用固体電解質層１１、酸素濃淡電池用第１絶縁層１２ａ及び酸素濃淡電池用第２絶縁層１２ｂを貫通するスルーホール１５を介して外部端子と接続するための信号取り出し用端子１４と接続される。
【００２１】
一方、セラミックヒータ２は、白金或いは白金合金等により形成される発熱抵抗体２１を備え、この発熱抵抗体２１は、絶縁性に優れるアルミナを主体に構成されるヒータ用第１絶縁層２２ａ及びヒータ用第２絶縁層２２ｂに挟持されている。そして、これらの絶縁層に挟持された発熱抵抗体２１は、ジルコニアを主体に構成される第１ヒータ本体層２３ａ及び第２ヒータ本体層２３ｂに挟持され、更にアルミナを主体とするセラミックからなるヒータ用第３絶縁層２４ａ及びヒータ用第４絶縁層２４ｂにより挟持される多層構造を有している。
【００２２】
この発熱抵抗体２１は、ヒータ用第４絶縁層２４ｂ、ヒータ用第２本体層２３ｂ及びヒータ用第３絶縁層２２ｂを貫通するスルーホール２６ａ及び２６ｂを介して、外部回路用の外部端子と接続されるヒータ通電端子２５ａ及び２５ｂと電気的に接続されている。
【００２３】
［３］保護管の構造の詳細
以下、外側及び内側の二重管からなる従来の、又は本発明のガスセンサにおける保護管の構造について図３乃至図６に基づいて詳しく説明する。
（１）従来の保護管が取り付けられた酸素センサ
図６は従来の保護管が取り付けられた酸素センサの一例の前端部の断面図である。
外側保護管６１の後端部は主体金具３の先端縁の外周面に接合され、内側保護管６２の先端部の外面は外側保護管６１の先端部の内面に固定され、この固定部分の中心部には通気孔６３が設けられている。一方、内側保護管６２の後端部は拡径され、この拡径された部分の外周面が、外側保護管６１の主体金具３の先端面３４に隣接した部位の内周面に固定されている。
【００２４】
この従来の保護管では、図６のように、外側保護管６１及び内側保護管６２の各々の所要個所に複数個の通気孔６１１及び６２１が設けられている。このような保護管が取り付けられた酸素センサを排気管の所定位置に装着した場合、排気ガスの多くは通気孔６１１から外側保護管６１と内側保護管６２により形成される空間へ流入し、次いで、通気孔６２１から内側保護管６２の内部に流入し、素子の検知部Ｘ等に接触した後、通気孔６３から流出する。
【００２５】
このように図６の従来の構造の保護管が取り付けられた酸素センサでは、通気孔６２１が主体金具３の先端面３４から離れた位置に設けられており、排気ガスの主たる流路が上記のように形成されるため、特に主体金具３の先端面３４の周縁において排気ガスが滞留し易く、センサの応答性の低下が避けられない。また、内側保護管６２の内部に流入した直後の排気ガスが素子の検知部Ｘに接触し易く、被毒、被水等が十分に抑えられない。
【００２６】
（２）本発明のガスセンサに取り付けられた保護管の構造
▲１▼内側保護管の鍔部に通気孔が設けられた保護管が取り付けられた酸素センサ図３は本発明のガスセンサに取り付けられた保護管の一例をセンサの前端部とともに示す断面図である。
外側保護管６１の後端部は主体金具３の先端縁の外周面に接合され、内側保護管６２の先端部の外面は外側保護管６１の先端部の内面に固定されており、この固定部分の中心部には通気孔６３が設けられている。一方、内側保護管６２の外径は主体金具３の先端部の内径より小さく、且つ内側保護管６２の後端部には鍔部６２２が形成されている。この鍔部６２２の先端部６２２ａは主体金具３の先端面３４から基端側に入り込んだ位置において主体金具３の内周面３３に接している。
【００２７】
この本発明のガスセンサに取り付けられた保護管では、図３のように、外側保護管６１の所要個所に▲１▼の従来例の場合と同様に複数個の通気孔６１１が設けられている。一方、内側保護管６２には、図４のように、鍔部６２２の周方向に等間隔で４個の切り欠きが設けられ、これが通気孔６２１となっており、内側保護管６２のその他の部位には通気孔は設けられていない。このような保護管が取り付けられた酸素センサを排気管の所定位置に装着した場合、排気ガスの多くは通気孔６１１から外側保護管６１と内側保護管６２により形成される空間へ流入し、次いで、内側保護管６２の鍔部６２２に設けられた通気孔６２１から保護管の内部に流入し、素子の検知部Ｘ等に接触した後、通気孔６３から流出する。
【００２８】
このように図３の本発明のガスセンサに取り付けられた保護管では、通気孔６２１が主体金具３の先端面３４よりも基端側に設けられており、排気ガスの主たる流路が上記のように形成されるため、排気ガスの滞留はほとんどなく、優れた応答性を有するセンサとすることができる。また、外側保護管６１の通気孔６１１から流入した排気ガスは、十分な距離を流通した後に素子の検知部Ｘに接触することになり、被毒、被水等が十分に抑えられる。
【００２９】
▲２▼本発明のガスセンサに取り付けられた保護管の他の例
図５は本発明のガスセンサに取り付けられた保護管をセンサの前端部とともに示す断面図である。このセンサでは内側保護管６２の鍔部６２２の先端部６２２ａが主体金具３の先端面３４より後端側に入り込んだ位置において主体金具３の内周面３３に接しており、通気孔６２１は主体金具３の先端面３４より後端側に対応する位置に設けられている。
【００３０】
このような保護管が取り付けられた酸素センサを排気管の所定位置に装着した場合、排気ガスの多くは通気孔６１１から外側保護管６１と内側保護管６２により形成される空間へ流入し、次いで、内側保護管６２の、主体金具３の先端面３４より後端側に対応する位置に設けられた通気孔６２１から保護管の内部に流入し、素子の検知部Ｘ等に接触した後、通気孔６３から流出する。
【００３１】
このように図５の本発明のガスセンサに取り付けられた保護管では、排気ガスの主たる流路が上記のように形成されるため、排気ガスの滞留はほとんどなく、優れた応答性を有するセンサとすることができる。また、外側保護管６１の通気孔６１１から流入した排気ガスは、十分な距離を流通した後に素子の検知部Ｘに接触することになり、被毒、被水等が十分に抑えらる。
【００３２】
【発明の効果】
本発明によれば、応答性に優れ、検知部が被毒、被水等から十分に保護されるガスセンサとすることができる。本発明における保護管の構造は各種の材質、構造からなるガスセンサに適用することができ、特に、車両等の内燃機関から排出される排気ガスに含まれる酸素ガス及びＮＯｘガスなどを検知するためのガスセンサ等において有用である。
【図面の簡単な説明】
【図１】積層型酸素センサ素子が組み込まれた酸素センサの断面を示す模式図である。
【図２】積層型酸素センサ素子を分解して示す斜視図である。
【図３】本発明のガスセンサ（酸素センサ）に取り付けられた保護管の一例をセンサの前端部とともに示す断面図である。
【図４】図３の鍔部に設けられた通気孔をセンサの軸方向の基端側のａ−ａ’断面においてみた模式図である。
【図５】本発明のガスセンサ（酸素センサ）に取り付けられた保護管の他の例をセンサの前端部とともに示す断面図である。
【図６】図１とは異なる他の従来の保護管の構造を示す断面図である。
【符号の説明】
Ａ；積層型酸素センサ素子、１；酸素濃淡電池素子、１１；酸素濃淡電池用固体電解質層、１２ａ；酸素濃淡電池用第１絶縁層、１２ｂ；酸素濃淡電池用第２絶縁層、１３ａ；検知電極、１３ｂ；基準電極、２；セラミックヒータ、２１；発熱抵抗体、２２ａ；ヒータ用第１絶縁層、２２ｂ；ヒータ用第２絶縁層、２３ａ；第１ヒータ本体層、２３ｂ；第２ヒータ本体層、２４ａ；ヒータ用第３絶縁層、２４ｂ；ヒータ用第４絶縁層、Ｂ；酸素センサ、３；主体金具、３１；取り付けねじ部、３２；貫通孔、３３；内周面、３４；先端面、６１；外側保護管、６１１通気孔；６２；内側保護管、６２１；通気孔、６２２；鍔部、６２２ａ；鍔部の先端部、６３；保護管の先端部に設けられた通気孔。

Claims

長さ方向に貫通孔を有する主体金具と、該貫通孔に挿通され、先端側の検知部が該主体金具の先端面より突出しているセンサ素子と、該主体金具に固定され、該検知部を囲繞する保護管と、を備えるガスセンサにおいて、該保護管は、それぞれ通気孔を有する外側保護管と内側保護管とからなり、該内側保護管の通気孔は、上記主体金具の上記先端面より後端側に対応する位置に設けられており、
上記外側保護管の後端部が上記主体金具の先端縁の外周面に固定され、上記内側保護管の先端部の外面が該外側保護管の先端部の内面に固定され、該内側保護管の外径は上記主体金具の内径より小さいことを特徴とするガスセンサ。
上記内側保護管の後端部が外方に向かって折り曲げられて鍔部が形成されており、該内側保護管は、上記主体金具の上記先端面を越えて該主体金具の内部まで延設されている請求項１記載のガスセンサ。
上記鍔部の先端部が上記主体金具の内周面に接している請求項２記載のガスセンサ。
上記内側保護管の通気孔が、上記鍔部に設けられている請求項２又は３に記載のガスセンサ。
上記外側保護管の後端部と、上記主体金具の先端縁の外周面とが、レーザ溶接により固定されている請求項２乃至４のうちのいずれか１項に記載のガスセンサ。