JP4475789B2 - ガスセンサ - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は自動車の排気ガス中のガス成分の検出などに用いられ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の一つとして、例えば特開平９−５４０６３号公報に示される外気導入型の酸素センサがある。この酸素センサは、外気を導入する通気孔を、ガスセンサの最上部に設けられたシール部材に形成すると共に、この通気孔を硬質の撥水性の通気フィルタにより閉塞することにより、ガスセンサ内に形成された基準ガス空間と大気との間の通気性と防水性を保持している。
【０００３】
シール部材にはリード線を通過させるための挿通孔（第１挿通孔）が複数設けられ、この挿通孔を介してリード線を基準ガス空間内に導入し、そして、シール部材の下方にある検出素子の電極に接続している。そしてシール部材と検出素子との間には、接続部品（リード線や端子金具等）を通過させる挿通孔（第２挿通孔）が形成された絶縁部材が配置され、接続部品の絶縁を図っている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記構成において、通気フィルタは、基準ガス空間への水（液体）の侵入を防止することはできるものの、気体である水蒸気の侵入を防止することはできない。このため、通気フィルタを介して侵入した水蒸気が、絶縁部材の表面で凝縮して水滴となり、そして第２挿通孔に浸入することにより、リード線間での短絡、即ち端子間での短絡を起こす可能性があった。
【０００５】
本発明はこうした問題に鑑みてなされたものであり、大気を外部から導入して機能するガスセンサにおいて、電極端子間の短絡等を生じさせることなく、その検出精度を良好に保持することができるようにすることを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段及び発明の効果】
上記課題を解決するため、本発明（請求項１記載）のガスセンサにおいては、絶縁部材の上端面に、シール部材の通気孔から検出素子に向けて大気を導くための通気溝を、当該通気溝から第２挿通孔へ液体の流入を妨げるよう形成している。
【０００７】
絶縁部材には、接続部品を外筒の軸方向に通過させる第２挿通孔が形成されており、絶縁部材の上端面には第２挿通孔の上端側開口部が位置することになるが、上記の様に通気溝を形成したため、シール部材の通気孔を通過した外気は、通気溝を介して検出素子方向に導かれることになる。このため、外気に含まれている水蒸気の一部が通気溝で凝縮するとしても、第２挿通孔への流入は妨げられるので、接続部材の絶縁性が低下するのを抑制することができ、当該ガスセンサの検出精度を保持することができる。また、万一、通気孔から水などの液体が基準ガス空間に浸入してきたとしても、少なくとも通気孔から第２挿通孔の上端側開口部へ液体の流入を妨げられるので、接続部材の絶縁性の低下を抑制することができる。
【０００８】
通気孔から第２挿通孔の上端側開口部へ液体の流入を妨げることができるようにするには、具体的には、請求項２に記載の様に、絶縁部材の上端面において、第２挿通孔の上端側開口部よりも低く通気溝の底部を形成するとよい。
ここで通気孔は単なる孔でも良いが、防水性を高めるために、請求項３に記載の様に、防水性の通気フィルタによって閉塞することが好ましい。
【０００９】
通気フィルタとしては、特開平９−５４０６３の様に硬質の通気フィルタを通気孔に挿入して通気孔を防水的に閉塞することが考えられる。
また、請求項４に記載の様に、通気フィルタとして、シート上に形成されたものを採用してもよい。通気フィルタにシート状の材料を用いると、通気量を多くする事が出来るので、基準ガス空間に新鮮な大気を大量に供給でき、好ましい。
【００１０】
シート状の通気フィルタは、シール部材が複数の構成部材から構成される場合には、その構成部材の間に挟み込んでも良いし、また、通気孔の中にシート状の通気フィルタを押し込み、通気フィルタの内側に別の筒状部材を挿入して、通気フィルタを通気孔内壁と筒状部材の間に挟持して固定してもよい。
【００１１】
そして筒状部材を用いる場合には、請求項５に記載の様に、筒状部材の下端側開口部が第２挿通孔の上端側開口部よりも低くなるよう、筒状部材を配置すると良い。こうすれば、外気が水蒸気を多く含んでいても、第２挿通孔の上端側開口部よりも低い位置で凝縮することが可能性が高くなり、水滴が第２挿通孔に進入するのを更に抑制できる。また、通気孔から水などの液体が浸入しても、第２挿通孔への流入を避けることができる。
【００１２】
また請求項６記載の様に、第２挿通孔の上端側開口部を、シール部材に密着させると、第２挿通孔への水の浸入を確実に抑制することができる。
更に、請求項１に記載の様に、第２挿通孔の上端側開口部を、通気孔の下端側開口部よりも高い位置に形成すると、第２挿通孔への水の浸入をより確実に抑制することができる。具体的には、例えば請求項７記載の様に、第２挿通孔の開口縁部を、シール部材に向けて、絶縁部材の上端面から突出させ、シール部材の下端面の嵌合凹部に挿入することにより、請求項１記載のガスセンサを実現できる。
【００１３】
以上の発明（請求項１〜７）は、請求項８記載の様に、通気孔がシール部材の軸心に形成されると共に、通気孔から検出素子への主たる通気経路が絶縁部材の外周面上に形成された構成を有するガスセンサに好適である。即ち、こうした構成においては、絶縁部材の上端面において中央部から外周面の方向に外気が流れることになるため、従来、絶縁部材の上端面で凝縮した水や通気孔から基準ガス空間内に浸入した水などが、第２挿通孔の上端側開口部に到達する可能性が高かったが、本発明（請求項１〜７）によれば、その可能性を少なくできる。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施例を図面と共に説明する。
図１は、本発明のガスセンサの第１実施例としての酸素センサについて、全体的構成を示す断面図である。
【００１５】
図１に示すように、この酸素センサ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を支持する主体金具９、主体金具９の上部に連設され内側に基準ガス空間Ａを形成する外筒１３、外筒１３の上部開口部４７に配設されたシール部材１４、検出素子２の出力電圧を外部に取り出すためのリード線２０，２１、これらリード線２０，２１などを絶縁するためのセパレータ２４などから構成されている。なお、図示しないが、セラミックヒータ３に通電するための一対のリード線も設けられており、本実施例の酸素センサ１には、計４本のリード線が基準ガス空間Ａに導入されている。
【００１６】
シール部材１４は、図１に示す様に、フッ素ゴムで形成された円柱状の基礎部材１５と押え部材１６との間に、円形のシート状に形成された撥水性の通気フィルタ５０を介装させて構成されている。本実施例では、基礎部材１５および押え部材１６の組合せにより、請求項の「シール部材」が構成されており、その中央を軸方向に（即ち軸心を）貫通して外気を導入する通気孔１７が形成されている。複数のリード線２０，２１等を通過させるために同本体を軸方向に貫通する第１挿通孔１８が、リード線２０，２１と同数形成されている。
【００１７】
通気フィルタ５０には、第１挿通孔１８に対応する位置に、リード線２０，２１等を通過させる挿通孔が形成されている。通気フィルタ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）））であり、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。
【００１８】
このように構成されたシール部材１４が外筒１３の上部開口部４７の内側に配置され、外筒１３を介して径方向に加締められることにより、外筒１３及びシール部材１４が互いに密着し、外筒１３の上部開口部４７におけるシール性が確保される。
【００１９】
セパレータ２４は請求項の「絶縁部材」に相当するものであり、セラミックにより筒状に形成されており、シール部材１４の下方、即ちシール部材１４と検出素子２との間に配置されている。
ここで図２〜図４は、このセパレータ２４を詳細に示す説明図であり、このうち図２はセパレータ２４の斜視図、図３はセパレータ２４の上面図、図４はセパレータ２４の破断面図である。
【００２０】
図１〜図４に示す様に、セパレータ２４の外周面２４ｂには周方向に鍔部２５が形成され、この鍔部２５が、外筒１３の内周面に形成された突出部１３ａに係合することにより、セパレータ２４は外筒１３の内部に保持される。外筒１３の突出部１３ａは、外筒１３の周方向に連続しているのではなく、断続的に数カ所形成されているだけであるので、セパレータ２４の外周面２４ｂ上における気体の流れは確保される。そして、セパレータ２４の外周面２４ｂ上、即ちセパレータ２４の外周面２４ｂと外筒１３の内周面との間に、通気孔１７から検出素子２に至る主たる通気経路が形成される。
【００２１】
セパレータ２４の上端面２４ａには、上記の通気孔１７から検出素子２に向けて大気を導くための通気溝２６が形成されている。また、セパレータ２４には、リード線２０，２１や後述の端子金具３０，３１を外筒１３の軸方向に挿通させるための第２挿通孔２８がリード線２０，２１と同数形成され、その開口部（上端側開口部）２９がセパレータ２４の上端面２４ａに形成されている。
【００２２】
通気溝２６は、セパレータ２４の上端面２４ａの中心部（即ち、シール部材１４の通気孔１７に対応する位置。より詳しくは、通気孔１７の直下。）から外周面２４ｂにむけて放射状（より具体的には十字状）に、第２挿通孔２８の上端側開口部２９の間を通過するよう形成されている。そして通気溝２６は、上端面２４ａから掘り下げられて構成されており、その底部２７は、第２挿通孔２８の上端側開口部２９よりも低い位置となっている。通気溝２６の深さ（即ち、通気溝２６の底部２７と第２挿通孔２８の上端側開口部２９との高低差）および幅は、本実施例では共に１ｍｍであり、同一寸法となっている。
【００２３】
上記のシール部材１４およびセパレータ２４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。
検出素子２に接続する一方のリード線２０は、一端が検出素子２の内側電極２ａに接触している端子金具３０の他端に加締られ、この端子金具３０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。検出素子２に接続する他方のリード線２１は、一端が検出素子２の外側電極２ｂに接触している端子金具３１の他端に加締られ、この端子金具３１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。
【００２４】
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４０が、セラミックヒータ３の上端に固定され、これらヒータ端子４０を経て、セラミックヒータ３に通電される。なお、本実施例においては、リード線２０，２１、端子金具３０，３１、ヒータ端子４０、セラミックヒータ３に通電するための図示しないリード線が、請求項の「接続部品」に相当する。
【００２５】
本実施例の酸素センサ１においては、通気孔１７を介して基準ガス空間Ａの方向に導入された外気は、セパレータ２４の上端面２４ａに形成された通気溝２６に突き当たり、通気溝２６を通って、セパレータ２４の外周面２４ｂに導かれ、更に外周面２４ｂ上を通過して検出素子２に到達する。
【００２６】
この様に本実施例の酸素センサ１においては、凝縮しやすい状態で外気に水蒸気が含まれており通気溝２６内で水滴となっても、通気溝２６の底部２７が第２挿通孔２８の上端側開口部２９よりも低くなっているので、その上端側開口部２９への水の流入が妨げられる。そのため、リード線２０，２１、端子金具３０，３１、ヒータ端子４０などの絶縁性が低下するのを抑制することができ、酸素センサ１の検出精度を保持することができる。
【００２７】
また、万一、通気孔１７から水などの液体が基準ガス空間Ａに浸入してきたとしても、少なくとも通気孔１７から第２挿通孔２８の上端側開口部２９へ液体の流入を妨げられるので、リード線２０，２１、端子金具３０，３１、ヒータ端子４０などの絶縁性低下を抑制でき、延いては酸素センサ１の出力信号に異常が発生する可能性を少なくすることができる。
【００２８】
図５〜図７は、参考例としてのセパレータ１２４を示す説明図である。このうち図５はセパレータ１２４の斜視図、図３はセパレータ１２４の上面図、図４はセパレータ１２４の破断面図である。
このセパレータ１２４においては、上端面１２４ａに通気溝１２６が形成されているものの、一部の第２挿通孔１２８の上端側開口部１２９と通気溝１２６の底部１２７とに高低差がなく、当該通気溝１２６から第２挿通孔へ液体の流入を許してしまう。発明者らが実験において、通気溝１２６の内の、通気孔１７に対応する位置に水滴を滴下したところ、図６、図７の点線の矢印で示す様に、通気溝１２６から水が第２挿通孔１２８に流れ込む結果となった。
【００２９】
一方、本実施例のセパレータ２４を用いて、通気溝２６の内の、通気孔１７に対応する位置に水滴を滴下したところ、図３の点線の矢印で示す様に、水は通気溝２６に沿ってセパレータ２４の外周面の方向に向けて流れ、第２挿通孔２８に流れ込むことはなかった。この様に、本実施例の酸素センサ１によれば、通気溝２６から第２挿通孔２８への水の流入を妨げることができるという効果が得られることが確かめられた。
【００３０】
なお、この酸素センサ１は、自動車の排気管に設けられるものであり、高温の環境下で使用されるものであるため、基準ガス空間Ａに水が浸入しても蒸発しやすい。そのため検出素子２に水が到達する可能性も少ないので、上記の様に、リード線２０，２１、端子金具３０，３１、ヒータ端子４０の絶縁性低下を抑制できれば、高い確実性で酸素センサ１の検出精度を保持できる。
【００３１】
また、本実施例の酸素センサ１においては、通気孔１７が防水性の、しかも撥水性の通気フィルタ５０で塞がれているため、酸素センサ１の検出精度維持の確実性を高めることができる。しかも通気フィルタ５０は、シート状に形成されているため高い通気性を確保できる。
【００３２】
次に第２実施例の酸素センサ２０１について説明する。なお、第１実施例の酸素センサ１と同一の部材には同一の符号を付して説明を省略する。
本実施例の酸素センサ２０１においては、図８に示す様に、外筒１３の開口端部４７内側に、フッ素ゴムで一体成形された柱状のシール部材２１４が設けられている。このシール部材２１４には、図９に示す様に通気孔２１７と、リード線２０，２１等を通過させる第１挿通孔２１８が形成されている。
【００３３】
通気孔２１７はシール部材２１４の軸心に形成され、その内部には、上記多孔質繊維構造体によりシート状に形成された撥水性の通気フィルタ２５０が、筒状部材２１５により押し込まれて固定される。この筒状部材２１５は両端が開口し、通気孔２１７に嵌合可能な筒状に形成されている。通気フィルタ２５０は、筒状部材２１５の一方の開口とその外周面とを覆うことができる程度に広げられ、筒状部材２１５に被せられた状態で、筒状部材２１５と共に通気孔２１７に挿入される。この様にして、通気フィルタ２５０は、筒状部材２１５の外周面と通気孔２１７の内周面との間に挟まれて、通気孔２１７を塞いだ状態で固定される。
【００３４】
筒状部材２１５の下端側開口部の外周には、鍔部２１５ａが形成されている。この鍔部２１５ａがシール部材２１４の下端面２１４ａにて係止され、通気孔２１７内における筒状部材２１５の軸方向の位置決めがなされる。
一方、セパレータ２２４の上端面２２４ａには、第１実施例と同様に通気溝２２６や第２挿通孔２２８の上端側開口部２２９が形成されており、しかも本実施例においては、通気溝２２６の堤部２２７には、筒状部材２１５の下端部（即ち鍔部２１５ａ）を嵌め込み可能な凹部２３０が形成されている。筒状部材２１５の鍔部２１５ａがこの凹部２３０に嵌め込まれることで、筒状部材２１５の下端側開口部が第２挿通孔２２８の上端側開口部２２９よりも低くなる。
【００３５】
そのため、本実施例の酸素センサ２０１においては、外気が水蒸気を多く含んでいても、第２挿通孔２２８の上端側開口部２２９よりも低い位置で凝縮することが可能性が高くなり、水滴が第２挿通孔２２８に進入するのを更に抑制できる。また、通気孔から水などの液体が浸入しても、第２挿通孔２２８への流入を避けることができる。その結果、リード線２０，２１、端子金具３０，３１、ヒータ端子４０などの絶縁性が低下するのを抑制することができ、酸素センサ１の検出精度を保持することができる。
【００３６】
次に第３実施例の酸素センサ３０１について説明する。なお、第１および第２実施例の酸素センサ１，２０１と同一の部材には同一の符号を付して説明を省略する。
本実施例においては、図１０、図１１に示すように、セパレータ３２４の上端面３２４ａから第２挿通孔３２８の上端側開口部３２９をシール部材３１４に向けて突出させ、シール部材３１４の下端面３１４ａに形成された嵌合凹部３１４ｂに挿入している。これにより、第２挿通孔３２８の上端側開口部３２９が、通気孔３１７の下端側開口部よりも高いところに位置することとなっており、第２挿通孔３２８への水の浸入を確実に抑制することができる。しかも第２挿通孔３２８の上端側開口部３２９を、図１０に示すように、シール部材２１４に密着させているため、第２挿通孔３２８への浸水防止効果がより高くなる。
【００３７】
以上、本発明の実施例について説明したが、本発明は上記実施例に限定されるものではなく、種々の態様をとることができる。
また、上述した通気孔等の配置や形状等は上記実施例のものに限られず、設計の便宜上適宜変更しうることはもちろんである。
【図面の簡単な説明】
【図１】 第１実施例の酸素センサを示す断面図である。
【図２】 第１実施例のセパレータを示す斜視図である。
【図３】 第１実施例のセパレータを示す上面図である。
【図４】 第１実施例のセパレータを示す破断面図である。
【図５】 比較例のセパレータを示す斜視図である。
【図６】 比較例のセパレータを示す上面図である。
【図７】 比較例のセパレータを示す破断面図である。
【図８】 第２実施例の酸素センサのセパレータ近傍を示す説明図である。
【図９】 第２実施例のシール部材及びセパレータの構造の説明図である。
【図１０】 第３実施例の酸素センサのセパレータ近傍を示す説明図である。
【図１１】 第３実施例のセパレータの斜視図である。
【符号の説明】
１，２０１，３０１…酸素センサ
２…検出素子 １３…外筒
１４，２１４，３１４…シール部材
１７，２１７…通気孔
１８，２１８…第１挿通孔
２０，２１…リード線
２４，２２４，３２４…セパレータ
２６，２２６…通気溝
２８…第２挿通孔
２９，２２９，３２９…上端側開口部
３０，３１…端子金具 ４０…ヒータ端子
５０、２５０…通気フィルタ
２１４…シール部材
２１５…筒状部材 ２３０…凹部
３２４…絶縁部材
Ａ…基準ガス空間

Claims (8)

1. 検出素子と、
   該検出素子の上方に基準ガス空間を形成する外筒と、
   前記基準ガス空間に外気を導入する通気孔および前記検出素子の電極に接続された接続部品を前記外筒の軸方向に通過させる第１挿通孔を有し、前記外筒に装着されて、該外筒と共に基準ガス空間を形成するシール部材と、
   前記接続部品を前記外筒の軸方向に通過させる第２挿通孔を有し、前記シール部材と前記検出素子との間に設けられた状態で該第２挿通孔内にて該接続部品を保持することにより、該接続部品の絶縁を図る絶縁部材と、
   を備えたガスセンサにおいて、
   前記絶縁部材の上端面に、前記通気孔から前記検出素子に向けて大気を導くための通気溝を、当該通気溝から前記第２挿通孔へ液体の流入を妨げるよう形成し、
   前記第２挿通孔の上端側開口部を、前記通気孔の下端側開口部よりも高い位置に設けた事、
   を特徴とするガスセンサ。
2. 前記通気溝の底部を、前記第２挿通孔の上端側開口部よりも低く形成した事、
   を特徴とする請求項１記載のガスセンサ。
3. 前記通気孔を、防水性の通気フィルタにより閉塞した事、
   を特徴とする請求項１又は２記載のガスセンサ。
4. 前記通気フィルタは、シート状に形成されている事、
   を特徴とする請求項３記載のガスセンサ。
5. 前記通気フィルタは、前記通気孔に挿入された筒状部材と該通気孔内壁との間で挟持されており、
   前記筒状部材の下端側開口部が前記第２挿通孔の上端側開口部よりも低くなるよう、該筒状部材を配置した事、
   を特徴とする請求項４記載のガスセンサ。
6. 前記第２挿通孔の上端側開口部を、前記シール部材に密着させた事、
   を特徴とする請求項１〜５の何れか記載のガスセンサ。
7. 前記第２挿通孔の上端側開口部を、前記絶縁部材の上端面から前記シール部材に向けて突出させ、前記シール部材の下端面に形成された嵌合凹部に嵌合させた事、
   を特徴とする請求項１〜６の何れか記載のガスセンサ。
8. 前記通気孔は、前記シール部材の軸心に形成されると共に、
   前記通気孔から前記検出素子への主たる通気経路は、前記絶縁部材の外周面上に形成されている事、
   を特徴とする請求項１〜７の何れか記載のガスセンサ。

Images