JP4608145B2 - ガスセンサ - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、筒状に形成された主体金具の一方の開放端である先端側から検出素子の検出部を外部に突出させた形状のガスセンサに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、ガスセンサの一種であって、酸素濃度を検出する酸素センサがある。この酸素センサは、排気管に直接取り付けられ、排気管を流れる排気ガス中の測定対象ガスである酸素濃度を検出して、排気ガスの濃度を調べるためのものである。
【０００３】
この酸素センサ１００は、図７に示すように、排気管に固定するためのネジ部１０２ａが外表面に形成された筒状の主体金具１０２と、先端に検出部１０４ａが形成された長板状の検出素子１０４と、検出素子１０４を保持するために主体金具１０２の筒内下方から順に積層されるセラミックホルダ１０６、タルク粉末１０８、セラミックスリーブ１１０と、複数の孔部を有する金属で形成され、主体金具１０２の先端側（図７における下方）を覆う二重のプロテクタ１２０ａ，１２０ｂとを備えている。
【０００４】
このうち検出素子１０４は、先端側（図７における上方）に、プロテクタ１２０ａ，１２０ｂで覆われた検出部１０４ａが形成され、一方、後端側（図７における上方で）に、検出部１０４ａからの検出信号を外部に出力するための図示しない複数の電極が形成されている。そしてこの電極には、セラミックスリーブ１１０に設けられた挿通孔１１０ａに検出素子１０４とともに挿入された断面Ｌ字状のリードフレーム１３０が接触している。
【０００５】
このリードフレーム１３０は、検出素子１０４から出力された電気信号を外部に導くものであり、Ｌ字を形成する折曲部１３０ａが下端に形成され、この折曲部１３０ａがセラミックスリーブ１１０の下面に当接した状態で組み付けられている。そのため、この折曲部１３０ａはタルク粉末１０８に接触している。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、排気管内、特に触媒の下流側の排気管内では、燃料の燃焼により発生した水分が結露する等して、排気凝集水となって排気管の内壁を伝って流れることがある。上述した酸素センサ１００は、触媒の下流側の排気管にも取り付けられており、この酸素センサ１００に排気凝集水が酸素センサ１００に到達すると、排気凝集水は、プロテクタ１２０ａ，１２０ｂに設けられた孔から侵入して、プロテクタ１２０ａ，１２０ｂ内に溜まり、検出素子１０４を挿通するためホルダ１０６に設けられた挿通孔１０６ａ等を介して主体金具１０２内に侵入し、タルク粉末１０８がこの排気凝集水を吸ってしまうことがあった。そのため、上述した酸素センサ１００では、折曲部１３０ａがタルク粉末１０８に接触しているので、リードフレーム１３０間の絶縁抵抗が低下して、酸素濃度の正確な検出ができなくなるという問題があった。
【０００７】
本発明は上記問題点を解決することを課題とするものであり、水分が検出素子の先端に設けられた検出部側から主体金具内に侵入しても、測定対象ガスの正確な検出ができるガスセンサを提供することを目的とする。
【０００８】
【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請求項１記載の発明は、検出部が一端側に形成され、他端側に前記検出部からの信号を外部に取り出すための複数の電極部が形成された長尺状の検出素子と、中空筒状に形成され、前記検出部を一方の開放端である先端側から外部に突出させた状態で中空部内に保持して、前記検出部を検出対象物中に固定するための主体金具と、前記主体金具の前記先端側の中空部内に嵌挿され、前記検出素子を把持して前記中空部内に位置決めするホルダと、前記主体金具の中空部内で前記ホルダの後端側に充填される充填材と、前記検出素子が挿通される挿通孔を有し、前記主体金具の前記充填材よりも後端側の中空部内に挿嵌され、前記検出素子の電極部周囲を囲んで該電極を電気的に保護する、絶縁材料からなるスリーブと、前記挿通孔内で前記検出素子の電極部と前記スリーブとの間に挟持され、前記電極部からの信号を前記主体金具の後端側から外部に引き出す複数のリードフレームとを備えたガスセンサにおいて、前記検出素子が挿通される第２挿通孔を有し、前記主体金具の前記スリーブと前記充填材との間の中空部内に嵌挿された補助スリーブを備え、前記検出素子は、前記挿通孔及び前記第２挿通孔に嵌挿した状態で前記主体金具に対し固定されていることを特徴とする。
【０００９】
本発明のガスセンサでは、主体金具の先端側から中空部内に水分が侵入してきても、リードフレームが設置されるスリーブと充填材との間に補助スリーブを介在させ、水分がスリーブ側へ侵入するのを防止しているので、リードフレーム間の絶縁抵抗は低下しない。特に、従来の技術の欄で説明したように、リードフレームの下端に折曲部が形成され、この折曲部がスリーブの下端に当接するようにして、リードフレームが組み付けられるガスセンサの場合、折曲部が直接充填材に触れないので、充填材が水分を吸ってしまったとしても、リードフレーム間の絶縁抵抗は低下しない。
【００１０】
従って、本発明のガスセンサを用いると、排気凝集水等の水分が主体金具内に侵入したとしても、測定対象ガスの正確な検出が確実にできる。
次に、請求項２に記載したガスセンサのように、補助スリーブは、先端側から後端側への水分の侵入を防止する防水手段を備えていることが好ましい。このようにすれば、防水手段により、水分が先端側に侵入することが確実に防止されるので、このガスセンサを用いれば、測定対象ガスのより正確な検出ができる。
【００１１】
尚、防水手段としては、第２挿通孔の後端側開口の縁部を面取りして形成された面取部を設けてもよいし、第２挿通孔内の内壁を窪ませて形成された窪部を設けてもよい。窪部は、第２挿通孔の内壁を周方向に一周するように形成してもよいし、後端側から先端側に向かって螺旋状に形成してもよい。あるいは、検出素子にゴム片を巻き付けて、ゴム片が検出素子と補助スリーブとの間に挟まれる位置に配置し、検出素子と第２挿通孔のとの隙間を埋めるようにしてもよい。
【００１２】
次に、請求項５に記載したガスセンサのように、検出素子が挿通される第３挿通孔を有し、充填材と補助スリーブとの間の中空部内に嵌挿された第２補助スリーブを備え、検出素子は、第３挿通孔にも嵌挿した状態で主体金具に対し固定されているとよい。このように、第２補助スリーブを嵌挿させれば、補助スリーブのみを嵌挿させた場合に比べ水分の侵入をより効果的に防止できる。従って、このガスセンサを用いると、測定対象ガスのより正確な検出ができる。
次に、請求項６に記載したように、第３挿通孔の内壁に、先端側から後端側への水の侵入を防止する第２防水手段を備えるのが好ましいことはもちろんである。補助スリーブの防水手段と合わせてより強力に防水効果を発揮するからである。
尚、さらに第３、第４の補助スリーブを設けてもよいことはもちろんである。
【００１３】
【発明の実施の形態】
[第１実施形態]
以下、本発明が適用されたガスセンサの第１実施形態について説明する。なお、本実施例では、ガスセンサの一種である酸素センサについて説明する。
【００１４】
図１は、本実施形態の酸素センサ２の全体構成を示す断面図である。なお、酸素センサ２は、図７に示した酸素センサ１００とは、セラミックスリーブの構造が異なり、その他の部分は略同様に構成されている。
本実施形態の酸素センサ２の全体構成について説明する。
【００１５】
本実施形態の酸素センサ２は、図１に示すように、下端側に検出部４ａが形成され、上端側に検出部４ａからの信号（即ち、酸素濃淡電池起電力）等を外部に取り出すための後述する複数の電極部３０，３２，３４，３６（図２参照）が形成された長板状の検出素子４と、中空筒状に形成され、検出部４ａを下方側の開放端である先端側から外部に突出させた状態で中空部内に保持して、検出部４ａを排気管内に固定するための主体金具１０２とを備えている。
【００１６】
また、本実施形態の酸素センサ２は、主体金具１０２の下端側の中空部内に嵌挿され、挿通孔１０６ａに検出素子４を挿通・把持して中空部内に位置決めするホルダ１０６と、主体金具１０２の中空部内でホルダ１０６上に充填されるタルク粉末１０８（本発明の充填材に相当）とを備えている。さらに、本実施形態の酸素センサ２は、主体金具１０２の中空部内で、このタルク粉末１０８の上方に嵌挿されるセラミック製の補助スリーブ８と、この補助スリーブ８の更に上方に嵌挿されるセラミック製のスリーブ６とを備えている。このうちスリーブ６は、上部に突部６０が形成されており、この突部６０が主体金具１０２の上方側の開放端から外部上方に突出するよう主体金具１０２に嵌挿される。また、このスリーブ６及び補助スリーブ８は、検出素子４を挿通する挿通孔６ａ（本発明の挿通孔に相当する）及び挿通孔８ａ（本発明の第２挿通孔に相当する）を有し、挿通孔６ａ，８ａに検出素子４を挿通した状態で主体金具１０２内に嵌挿される。そして、特にスリーブ６は、この検出素子４の電極部３０，３２，３４，３６を囲む位置に嵌挿され、電極部３０，３２，３４，３６周囲を囲んで電極部３０，３２，３４，３６を電気的に保護している。
【００１７】
また、本実施形態の酸素センサ２は、スリーブ６の挿通孔６ａ内で検出素子４の後述する電極部３０，３２，３４，３６とスリーブ６との間に挟持され、電極部３０，３２，３４，３６からの信号等を主体金具１０２の上方から外部に引き出す複数の（本実施例では４本）のリードフレーム１０とを備えている。
【００１８】
そして、本実施形態の酸素センサ２は、突出部６０周囲の端面上に加締リング１１２が配置され、主体金具１０２の後端部を加締リング１１２を介してセラミックスリーブ１１０側に加締めることにより、タルク粉末１０８が加圧充填され、この結果、検出素子４，セラミックホルダ１０６，スリーブ６，補助スリーブ８，及び，リードフレーム１０が主体金具１０２に固定される。
【００１９】
また、本実施形態の酸素センサ２は、主体金具１０２の下端側を覆う二重のプロテクタ１２０ａ，１２０ｂを備えている。さらに、この酸素センサ２は、主体金具１０２の上端側外周に、溶接等により固定された外筒５０を備えている。このうち外筒５０の上端側の開口部には、検出素子４にて生じた酸素濃淡電池起電力を外部に取り出すためのリード線５２が挿通されるリード線挿通孔が形成されたセラミックセパレータ５４とグロメット５６とが配置されている。本実施形態のセラミックセパレータ５４には、リード線５２を挿通する挿通孔５４ａが６つ設けられ、中央の挿通孔５４ａの周囲に等間隔に残り５つの挿通孔５４ａが形成されている。そして、本実施形態では、図１には表れていない、残り４つの挿通孔５４ａにリード線５２が挿通されている。
【００２０】
次に、本実施形態の酸素センサ２の各構成部品について詳細に説明する。
まず、検出素子４について説明する。
ここで、図２は検出素子４の説明図で、（ａ）は分解斜視図、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ’断面図、（ｃ）は（ａ）のＢ−Ｂ’断面図、（ｄ）は（ａ）のＣ−Ｃ’断面図である。
【００２１】
検出素子４は、図２（ａ）に示すように、長方形状の軸断面を有し、それぞれ長板状に形成された酸素濃淡電池素子２０と、酸素濃淡電池素子２０を活性化させるためのヒータ２２とが積層されて形成されている。尚、酸素濃淡電池素子２０は、例えば、ジルコニア等を主体とする酸素イオン伝導性固体電解質体により形成されている。また、ヒータ２２は、例えば、導電性セラミックからなる抵抗発熱体パターン２４をアルミナ等の絶縁性セラミック基体中に埋設した公知のセラミックヒータから形成されている。
【００２２】
そして、酸素濃淡電池素子２０の長手方向の先端側（図２（ａ）における左方）には、両面に多孔質電極２６，２８が形成され、これら多孔質電極２６，２８とそれらの間に挟まれる固体電解質部分とが検出素子４の検出部４ａを構成する。
【００２３】
また、多孔質電極２６，２８からは、酸素濃淡電池素子２０の長手方向に沿って酸素センサ２の後端側（図２（ａ）における右方）に向けて延びる電極リード部２６ａ，２８ａが一体形成されている。この内、ヒータ２２と対向しない側の多孔質電極２６からの電極リード部２６ａは、その末端が電極部３０として用いられる。一方、ヒータ２２に対向する側の電極２８の電極リード部２８ａは、図２（ｃ）に示すように、酸素濃淡電池素子２０を厚さ方向に横切るビア２８ｂにより、反対側の素子面に形成された電極部３２と接続され、各電極部３０，３２は、酸素濃淡電池素子２０の板面末端に間隔を空けて配置されている。
【００２４】
一方、ヒータ２２には、抵抗発熱体パターン２４に導通するための二本のリード部２４ａが形成され、図２（ｄ）に示すように、ヒータ２２の酸素濃淡電池素子２０と対向しない側の板面末端に形成された電極部３４，３６に、それぞれビア３８を介して接続されている。そして、図２（ｂ）に示すように、酸素濃淡電池素子２０とヒータ２２とは、セラミック（例えば、ジルコニア系セラミックやアルミナ系セラミック）層４０を介して互いに接合される。
【００２５】
次にリードフレーム１０について説明する。
ここで、図３はリードフレームの説明図で、（ａ）は側面図、（ｂ）はリードフレームが取り付けられたスリーブ６の断面図、（ｃ）は（ｂ）の拡大図である。なお、図３（ｃ）では、スリーブ６の図示を省略している。
【００２６】
リードフレーム１０は、図３（ａ）に示すように、全体の外観が略Ｌ字状を呈するように形成され、フレーム本体１２と、フレーム本体１２の一端側が折り曲げられて形成された折曲部１４と、フレーム本体１２の折曲部１４側に形成された波状部分１６とを備える。また、リードフレーム１０は、例えば、高温に繰り返し晒されても、弾性（バネ弾性）を保持可能な周知のインコネルやステンレス鋼などにて形成されている。
【００２７】
このうち、波状部分１６は、図３（ｃ）に示すように、検出素子４とスリーブ６との間隔方向に高低差を有する波形形状に形成され、検出素子４の電極部３０，３２，３４，３６に当接する第１波状部分１６ａと、検出素子４の本体部分に当接する第２波状部分１６ｂとから構成されている。
【００２８】
このように構成されたリードフレーム１０は、図３（ｂ）に示すように、波状部分１６が、後述するスリーブ６の挿通孔６ａに挿通され、折曲部１４がスリーブ６の下端面に当接してスリーブ６と補助スリーブ８との間に挟まれた状態で設置される。そして、このリードフレーム１０を検出素子４とともにスリーブ６の挿通孔６ａに挿通すると、波状部分１６が長さ方向に延びて前述した間隔方向に弾性力が生じ、リードフレーム１０，検出素子４およびスリーブ６は、一体に組み付けられて、主体金具１０２に固定される。
【００２９】
ただし、第１波状部分１６ａは、第２波状部分１６ｂよりも高低差の小さい波形形状に形成されている。そのため、この波状部分が挟まれたとき、第１波状部分１６ａの有する弾性力は、第２波状部分１６ｂの有する弾性力よりも小さくなる。波状部分１６をこのように構成しているのは、第１波状部分１６ａが電極部３０，３２，３４，３６に強く当たりすぎ、電極部３０，３２，３４，３６を削ってしまうことを防止するためである。
【００３０】
一方、フレーム本体１２の上端（図１における上方）は、図１に示すように、リード線５２が抵抗溶接により固定される。つまり、酸素センサ２では、リード線５２およびリードフレーム１０を介して、検出素子４にて生じた電気信号（酸素濃淡電池起電力）を外部に取り出すことができる。
【００３１】
次に、スリーブ６及び補助スリーブ８について説明する。
ここで、図４は、スリーブ６及び補助スリーブ８を説明するための説明図で、（ａ）はスリーブ６を側面から見た一部断面図、（ｂ）はスリーブ６の底面図、（ｃ）は補助スリーブ８の底面図である。尚、図４（ａ）では、スリーブ６の右半分を、図４（ｂ）中のＤ−Ｄ’断面図で示している。
【００３２】
スリーブ６は、図４（ａ）に示すように、外観が略円筒状に形成され、検出素子４を挿通可能な挿通孔６ａが中心軸に沿って穿設されている。検出素子４は挿通孔６ａを介して保持される。そして、挿通孔６ａには、図４（ｂ）に示すように、検出素子４の電極部３０，３２，３４，３６が形成された側の板面に対応する内壁に、それぞれ溝部６６が形成されている。つまり、挿通孔６ａには、４つの溝部６６が形成され、これにより、挿通孔６ａは、断面が略「エ」字状を呈している。そのため、前述したリードフレーム１０の波状部分１６は、スリーブ６の挿通孔６ａの溝部６６に配置された状態で、検出素子４の電極部３０，３２，３４，３６に当接する。
【００３３】
一方、補助スリーブ８は、図４（ａ）に示すように、外観が略円筒状に形成され、検出素子４の断面形状に沿った略長方形状の挿通孔８ａが中心軸に沿って穿設されている。そして、図４（ａ）に示すように、この補助スリーブ８の挿通孔６ａのスリーブ６側の開口縁部には面取８２ｂが施されている。
【００３４】
以上のように構成される酸素センサ２を、検出部４ａが排気管内に晒されるように取り付けると、従来技術の欄でも説明したように、燃料の燃焼により発生した水分等が凝集した排気凝集水が、プロテクタ１２０ａ,１２０ｂ内に溜まって、主体金具１０２の下方の先端側から中空部内に侵入し、タルク粉末１０８がこの排気凝集水を吸水してしまうことがある。
【００３５】
また、本実施形態の酸素センサ２では、従来技術の欄で示した酸素センサと同様、リードフレーム１０の下端に折曲部１４を設け、この折曲部１４がスリーブ６の下端に当接するようにしている
しかし、本実施形態の酸素センサ２では、スリーブ６とタルク粉末１０８との間に補助スリーブ８を設け、折曲部１４が直接タルク粉末１０８に触れないようにしているので、タルク粉末１０８が排気凝集水等により吸湿したとしても、リードフレーム１０間の絶縁抵抗は低下しない。
【００３６】
また、本実施形態の酸素センサ２では、補助スリーブ８を設けることにより、水分が上方に移動し難くなっていることに加え、タルク粉末１０８に到達した排気凝集水等が補助スリーブ８の挿通孔８ａを通って、さらに上方に水分が移動しようとしても、その水分は面取部８２ｂに水分が溜められ、上方に移動することが防止されるので、リードフレーム１０間の絶縁抵抗は低下しない。
【００３７】
従って、本実施形態の酸素センサ２を用いると、排気凝集水等の水分が主体金具１０２内に侵入したとしても、酸素濃度の正確な検出が確実にできるのである。
［第２実施形態］
以下、本発明が適用された第２実施形態について説明する。
【００３８】
尚、本実施形態は、第１実施形態と異なる部分のみ説明する。
ここで、図５は、本実施形態の酸素センサ２の全体構成を示す断面図である。
本実施形態の酸素センサ２は、補助スリーブ８とタルク粉末１０８との間に、さらに第２補助スリーブ９を備える点が、第１実施形態と異なる。
【００３９】
この第２補助スリーブ９は、図５に示すように、検出素子４を嵌挿可能な大きさの挿通孔９ａ（本発明の第３挿通孔に相当する）が形成されており、補助スリーブ８側の開口縁部には面取９２ｂが施されている。
本実施形態の酸素センサ２では、第２補助スリーブ９を設けることにより、水分が上方に移動し難くしていることに加え、タルク粉末１０８に到達した排気凝集水等が第２補助スリーブ９の挿通孔９ａを通って、上方に移動しようとしても、その水分は面取部９２ｂに溜められ、上方に移動することが防止される。
【００４０】
従って、本実施形態の酸素センサ２を用いると、酸素濃度のより正確な検出ができる。
以上、本発明の実施形態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、種々の態様を採ることができる。
【００４１】
例えば、本実施形態では、補助スリーブ８に溝８２ａを一つ設けたものについて説明したが、複数設けてもよいことはもちろんである。
また、本実施形態では、第２補助スリーブ９まで説明したが、第３、第４、あるいはそれ以上の補助スリーブを設置してもよいことはもちろんである。
【００４２】
さらに、図６に示すように、補助スリーブ８の軸方向中央の内周面上に、周方向に沿って溝８２ａ（本発明の窪部に相当する）を形成してもよい。あるいは第２補助スリーブ９に同様の溝を設けてもよい。
【図面の簡単な説明】
【図１】 第１実施形態の酸素センサの全体構成を示す断面図である。
【図２】 検出素子の説明図である。
【図３】 リードフレームの説明図で、（ａ）は側面図、（ｂ）はリードフレームが取り付けられたスリーブ６の断面図、（ｃ）は（ｂ）の拡大図である。
【図４】 スリーブ６及び補助スリーブ８を説明するための説明図で、（ａ）はスリーブ６を側面から見た一部断面図、（ｂ）はスリーブ６の底面図、（ｃ）は補助スリーブ８の底面図である。
【図５】 第２実施形態の酸素センサの全体構成を示す断面図である。
【図６】 スリーブ６を側面から見た一部断面図である。
【図７】 従来の酸素センサの全体構成を示す断面図である。
【符号の説明】
２…酸素センサ、４…検出素子、４ａ…検出部、６…スリーブ、６ａ…挿通孔、８…補助スリーブ、８ａ…挿通孔、９…第２補助スリーブ、９ａ…挿通孔、１０…リードフレーム、３０〜３６…電極部、８２…挿通孔、８２ａ…溝、８２ｂ…面取部、９２ａ…溝、９２ｂ…面取部、１０２…主体金具、１０６…セラミックホルダ、１０８…タルク粉末

Claims (6)

1. 検出部が一端側に形成され、他端側に前記検出部からの信号を外部に取り出すための複数の電極部が形成された長尺状の検出素子と、
   中空筒状に形成され、前記検出部を一方の開放端である先端側から外部に突出させた状態で中空部内に保持して、前記検出部を検出対象物中に固定するための主体金具と、
   前記主体金具の前記先端側の中空部内に嵌挿され、前記検出素子を把持して前記中空部内に位置決めするホルダと、
   前記主体金具の中空部内で前記ホルダの後端側に充填される充填材と、
   前記検出素子が挿通される挿通孔を有し、前記主体金具の前記充填材よりも後端側の中空部内に挿嵌され、前記検出素子の電極部周囲を囲んで該電極を電気的に保護する、絶縁材料からなるスリーブと、
   前記挿通孔内で前記検出素子の電極部と前記スリーブとの間に挟持され、前記電極部からの信号を前記主体金具の後端側から外部に引き出す複数のリードフレームと
   を備えたガスセンサにおいて、
   前記検出素子が挿通される第２挿通孔を有し、前記主体金具の前記スリーブと前記充填材との間の中空部内に嵌挿された補助スリーブを備え、
   前記検出素子は、前記挿通孔及び前記第２挿通孔に嵌挿した状態で前記主体金具に対し固定されていることを特徴とするガスセンサ。
2. 前記補助スリーブは、前記先端側から前記後端側への水の侵入を防止する防水手段を備えていることを特徴とする請求項１記載のガスセンサ。
3. 前記防水手段は、前記第２挿通孔の後端側開口の縁部を面取りして形成された面取部であることを特徴とする請求項２記載のガスセンサ。
4. 前記防水手段は、前記第２挿通孔内の内壁を窪ませて形成された窪部であることを特徴とする請求項２記載のガスセンサ。
5. 前記検出素子が挿通される第３挿通孔を有し、前記充填材と前記補助スリーブとの間の中空部内に嵌挿された第２補助スリーブを備え、
   前記検出素子は、前記第３挿通孔にも嵌挿した状態で前記主体金具に対し固定されていることを特徴とする請求項１〜４何れか記載のガスセンサ。
6. 前記第３挿通孔の内壁には、前記先端側から前記後端側への水の侵入を防止する第２防水手段を備えていることを特徴とする請求項５記載のガスセンサ。

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