JP4693115B2 - ガスセンサ - Google Patents

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Description

この発明は、排気ガス等の被測定ガス中の特定ガス成分の濃度を検出するガスセンサに関する。
従来、内燃機関の排気系に設置され、排気ガス中の酸素濃度を検出して内燃機関の燃焼制御に利用されるガスセンサとして、酸素センサが知られている。この酸素センサとして、酸素センサの上部に設けられたシール部材の中央に、基準ガスとなる外気を導入するための通気孔を形成し、通気孔を閉塞するように通気性及び撥水性を有するフィルタを設けた構成が知られている(特許文献1参照)。この酸素センサは、詳細には、シート状の撥水性フィルタを、通気孔に嵌挿可能な筒状挿入部材の外周面と通気孔の内周面との間に挟持する形態で通気孔内に固定している。
ところが、このような酸素センサでは、シート状の撥水性フィルタが外部に露出しているために外部からの衝撃等により、フィルタが破れる虞があった。これに対して、シール部材の中央に貫通する通気孔に、柱状のフィルタを配置する酸素センサが提案されている(特許文献2参照)。この酸素センサでは、フィルタが外部からの衝撃等を受けたとしても、フィルタが容易に破れない構成となっている。
特開2001−208724号公報 特開平9−54063号公報
しかしながら、特許文献2のような酸素センサは、フィルタの一部が極度に変形してしまい、通気性が低下することがある。具体的には、特許文献2では、フィルタの周方向を覆うシール部材が外部に位置するケーシングにて加締め固定されており、この加締め固定に対応するシール部材の部位は内側に圧縮された状態となる。すると、その部位が内側に向かって変形するため、シール部材の内側に設けられたフィルタの一部がシール部材の変形により内側に圧縮される状態となる。すると、フィルタの一部が極度に変形してしまい、フィルタの通気性が低下してしまい、ガスセンサの検出精度の低下につながる。
本発明は、かかる従来の問題点に鑑みてなされたもので、ケーシングに加締め固定されるシール部材に柱状のフィルタを配置させる構成のガスセンサにおいて、ケーシングの加締めによるフィルタの極度な変形を防止し、被測定ガスの検出精度の低下を防止するガスセンサを提供するものである。
そこで本発明のガスセンサは、軸線方向に延び、被測定ガス中の特定ガス成分を検出する検出素子と、該検出素子の先端側を自身の先端よりも突出させて被測定ガスに晒すと共に、該検出素子の周囲を取り囲むケーシングと、前記検出素子よりも後方側で且つ該ケーシングの後端側内部に加締め固定され、軸線方向に貫通する貫通孔が形成されたシール部材と、該貫通孔に嵌挿された通気性及び撥水性を有する柱状のフィルタ部とを備えるガスセンサにおいて、
前記貫通孔の軸線方向に沿って延びる壁面と前記フィルタ部との間には前記シール部材よりも変形しにくい筒状部材が配置されていることを特徴とする。
このように、貫通孔の軸線方向に沿って延びる壁面とフィルタ部との間にシール部材よりも変形しにくい筒状部材を配置することで、ケーシングにてシール部材を加締め固定したとき、加締め固定に対応するシール部材の部位が内側に向かって圧縮変形しても、筒状部材がシール部材の圧縮力を受け止め、筒状部材の内側に設けられたフィルタ部が極度に変形することを防止できる。よって、フィルタ部の通気性が低下することを防止し、ガスセンサの検出精度の低下を防止できる。
なお、フィルタ部は、自身が外部からの衝撃等の影響により破れない柱状形状であれば良いことはいうまでもない。具体的には、三角柱や四角柱等の多角柱でも円柱でも良い。また、フィルタ部は、筒状部材の軸線方向長さと同等である必要はなく、筒状部材の一部に配置されていても良い。さらに、フィルタ部は、一部材から形成されている必要は無く、例えば、複数の柱状部材が軸線方向に重ね合わされた形状や、筒状部材内に複数の繊維状部材が軸線方向に並ぶようにして束ねられた形状であっても良い。なお、この場合、繊維状部材自身が通気性を有しているものであっても良いし、繊維状部材は通気性を有しておらず、繊維状部材同士の隙間で通気を図るものであっても良い。
また、筒状部材は、シール部材よりも変形しにくい部材で形成されていれば良く、例えば、金属やセラミックから形成されていれば良い。また、筒状部材は、貫通孔の軸線方向長さと同等である必要はなく、貫通孔の一部に配置されていても良い。さらに、筒状部材は、フィルタ部に対して全周にわたって覆う必要はなく、周方向の一部にスリットや孔が形成された部材であっても良い。但し、シール部材の変形に対してフィルタ部が変形しないことは言うまでもない。
そして、貫通孔の内周面、筒状部材の外周面、筒状部材の内周面及びフィルタの外周面のいずれかの面には、リブ形状のような突出部が形成されていてもよい。なお、この突出部は、断面が三角であっても、四角であってもよい。但し、筒状部材の外周と貫通孔の内周、又はフィルタ部の外周と筒状部材の内周とのそれぞれが水を通さない形態となっていることはいうまでもない。
さらに、本発明のガスセンサは、前記筒状部材が、前記フィルタ部の柱状を維持していることが好ましい。これにより、ケーシングにてシール部材を加締め固定したとき、加締め固定に対応するシール部材の部位が内側に向かって圧縮変形しても、筒状部材がそのシール部材の圧縮力を受け止め、筒状部材の内側に設けられたフィルタ部が変形することをさらに防止できる。よって、フィルタ部の通気性が低下することを防止し、ガスセンサの検出精度の低下を防止できる。なお、筒状部材がフィルタ部の柱状を維持しているとは、ガスセンサ内に配置された筒状部材を取り外したとしても、取り外し前と取り外し後で変形しないことを指す。
さらに、本発明のガスセンサは、前記フィルタ部が、前記筒状部材に圧接して配置されていることが好ましい。これにより、筒状部材に対してフィルタ部を強固に固定することができる。なお、筒状部材に圧接している形態としては、筒状部材の内径よりも外径が径大なフィルタ部を用いて圧入された形態や、フィルタ部の外径よりも内径が径大な筒状部材内にフィルタを配置し、スエージング等を行って筒状部材の内径を縮小させた形態を指す。
さらに本発明のガスセンサは、前記フィルタ部の少なくとも一部が、前記筒状部材に接着層を介して配置されていることが好ましい。これにより、筒状部材に対してフィルタ部を強固に固定することができる。なお、接着層は、フィルタ部の外周面の全面に形成されていてもよいし、一部に形成されていてもよい。
さらに本発明のガスセンサは、前記フィルタ部の少なくとも一部が、前記筒状部材により加締め固定されていることが好ましい。このように、筒状部材の少なくとも一部をフィルタ部に対して加締め固定することで、フィルタ部を筒状部材に安定して固定することができる。なお、この加締め固定は、フィルタ部が通気性を低下させない程度となっていることは言うまでもない。
さらに本発明のガスセンサは、前記筒状部材が、後端側に蓋部を有すると共に、該蓋部に挿通孔を有する金属カップであることが好ましい。このような蓋部を有する金属カップを筒状部材として用いることで、蓋部によりフィルタ部に対する外部からの衝撃等を低減することができる。なお、フィルタ部を蓋部に当接する形態を取り入れれば、筒状部材に対するフィルタ部を挿入する際の位置決めを行うこともできる。
以下に、本発明を適用した実施形態であるガスセンサを図面と共に説明する。本実施形態では、自動車の排気管に装着されて排気ガス中の酸素の濃度を検出するガスセンサ(酸素センサ)について説明する。図1は、本実施形態のガスセンサ1の全体構成を示す断面図である。
図1に示すように、ガスセンサ1は、先端部が閉じた有底筒状をなすセンサ素子2、センサ素子2の有底孔21に挿入されるセラミックヒータ3と、センサ素子2を自身の内側にて保持する主体金具4を備える。なお、本実施形態において、図1に示すセンサ素子2の軸に沿う方向のうち、測定対象ガス(排気ガス)に晒される先端部に向かう側(閉じている側、図中の下側)を「先端側」とし、これと反対方向(図中上側)に向かう側を「後端側」として説明する。
このセンサ素子2は、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成分とする酸素イオン伝導性を有する固体電解質体からなり、先端部に検出部22を有している。この検出部22のうち有底孔21の内面に、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24と、検出部22の外面に、内部電極層24と同様に多孔質状に形成された外部電極層23を有している。また、このセンサ素子2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25が設けられている。なお、本実施形態のセンサ素子2が特許請求の範囲の「検出素子」に相当する。一方、セラミックヒータ3は、棒状に形成されると共に、内部に発熱抵抗体を有する発熱部31を備えている。このセラミックヒータ3は、後述するヒータ用リード線190、220を介して通電されることにより発熱部31が発熱することになり、センサ素子2を活性化させるべく当該センサ素子2を加熱する機能を果たす。
主体金具4は、ガスセンサ1を排気管の取付部に取り付けるためのネジ部41と、排気管の取付部への取り付け時に取付工具をあてがう工具係合部42を有している。そして、主体金具4には、先端側内周に径方向内側に向かって突出した金具側段部43が設けられており、この金具側段部43にパッキン8を介して支持部材5を係止させている。なお、センサ素子2は、係合フランジ部25が支持部材5上にパッキン9を介して支持されることにより、主体金具4に支持される。支持部材5の後端側における主体金具4の内面とセンサ素子2の外面との間には、充填部材6が配設され、さらにこの充填部材6の後端側にスリーブ7および環状リング10が順次同軸状に内挿された状態で配置される。そして、主体金具4の金具側後端部44を内側先端方向に加締めることで、主体金具4にセンサ素子2が固定されている。なお、ガスセンサ1においては、主体金具4の金具側後端部44を加締めることを通じて、充填部材6がスリーブ7を介して圧縮充填される構造になっており、これによりセンサ素子2が筒状の主体金具4の内側に気密状に保持されている。
一方、主体金具4の先端部26には、外側カバー15が接合されている。この外側カバー15は、主体金具4から突出するセンサ素子2の検出部22の周囲を覆う有底筒状となっている。さらに、外側カバー15の内部には、内側カバー16が形成されている。この内側カバー16も外側カバー15と同様にセンサ素子2の検出部22を覆う有底筒状である。そして、外側カバー15、内側カバー16には、それぞれセンサ素子2に排気ガスを晒すための通気孔151、161が形成されている。
また、主体金具4の後端側内側には外筒部材11の先端部が接合されている。外筒部材11は、軸線方向における略中間位置に外筒段付き部111が形成されており、外筒段付き部111よりも先端側が外筒先端側胴部112として形成され、外筒段付き部111よりも後端側が外筒後端側胴部113として形成される。このうち、外筒後端側胴部113には、後述する保持部材17を保持するための第1加締め部114、及び後述するシール部材13を気密状に固定するための第2加締め部115が形成されている。なお、本実施形態の主体金具4及び外筒部材11が特許請求の範囲の「ケーシング」に相当する。
また、外筒部材11の外筒後端側胴部113内に保持部材17を介して配置されるセパレータ12は、素子用リード線200、210と、ヒータ用リード線190、220とを挿通するためのセパレータリード線挿通孔121が先端側から後端側にかけて貫通するように形成されている。また、セパレータ12には、先端面に開口する有底状の保持孔122が軸線方向に形成されている。この保持孔122内には、セラミックヒータ3の後端部が挿入され、セラミックヒータ3の後端面が保持孔122の底面に当接することでセパレータ12に対するセラミックヒータ3の軸線方向の位置決めがなされる。このセパレータ12は、周方向外側に延設されたセパレータフランジ部123を有している。
また、素子用リード線200、210およびヒータ用リード線190、220は、セパレータ12のセパレータリード線挿通孔121、後述するシール部材13のリード線挿通孔131を通じて、外筒部材11の内部から外部に向かって引き出されている。なお、これら4本のリード線190、200、210、220は外部において、図示しないコネクタに接続される。そして、このコネクタを介してECU等の外部機器と各リード線190、200、210、220とは電気信号の入出力が行われることになる。
また、各リード線190、200、210、220は、詳細は図示しないが、導線を樹脂からなる絶縁皮膜にて被覆した構造を有しており、導線の後端側がコネクタに設けられるコネクタ端子に接続される。そして、素子用リード線200の導線の先端側は、センサ素子2の外面に対して外嵌される端子金具14の後端部と加締められ、素子用リード線210の導線の先端側は、センサ素子2の内面に対して圧入される端子金具14の後端部と加締められる。これにより、素子用リード線200は、センサ素子2の外部電極層23と電気的に接続され、素子用リード線210は、内部電極層24と電気的に接続される。他方、ヒータ用リード線190、220の導線の先端部は、セラミックヒータ3の発熱抵抗体と接合された一対のヒータ用端子金具と各々接続される。
次に、本発明の主要部であるシール部材13について詳細に説明する。
外筒部材11の後端側内部に配置されるシール部材13は、図1、2に示す様に、センサ素子2に電気的に接続される2本の素子用リード線200、210と、セラミックヒータ3に電気的に接続される2本のヒータ用リード線190、220とを挿通するための4つのリード線挿通孔131が、先端側から後端側にかけて貫通するように形成されている。さらに、シール部材13の略中央には、先端側から後端側に向かって大気導入孔132が形成されている。このシール部材13は、フッ素ゴム等からなる。なお、本実施形態の大気導入孔132が特許請求の範囲の「貫通孔」に相当する。
そして、大気導入孔132の内部には、円柱状のフィルタ133が大気導入孔132の略先端から略後端に渡って配置されている。このフィルタ133は、例えばPTFE等の材料から形成され、通気性及び撥水性を有している。なお、本実施形態のフィルタ133が特許請求の範囲の「フィルタ部」に相当する。このように、フィルタが柱状にて形成されているので、フィルタ133が外部に露出しており、外部からの衝撃等を受けても破れない。
さらに、シール部材13の大気導入孔132とフィルタ133との間には、金属カップ134が配置されている。この金属カップ134は、SUS304Lなどのオーステナイト系ステンレス鋼等からなり、軸線O方向に延びる筒部135と、筒部135の後端側に形成された蓋部136と、筒部135の先端側に径方向に突出する突出部137とを有する。そして蓋部136には、大気挿通孔138が形成されており、外部から大気挿通孔138、フィルタ133を介して外筒部材11内部に大気を導入することができる。なお、本実施形態の金属カップ134が特許請求の範囲の「筒状部材」に相当し、大気挿入孔138が特許請求の範囲の「挿通孔」に相当する。
このように、大気導入孔132とフィルタ133との間にシール部材13よりも変形しにくい金属カップ134を配置することで、外筒部材11にてシール部材13を加締め固定し、第2加締め部115を形成した場合、第2加締め部115に対応するシール部材13の部位が内側に向かって圧縮変形しても、金属カップ134がシール部材13の圧縮力を受け止め、金属カップ134の内側に設けられたフィルタ133が極度に変形することを防止できる。よって、フィルタ133の通気性が低下することを防止し、ガスセンサ1の検出精度の低下を防止できる。
さらに、金属カップ134が、フィルタ133の円柱状を維持しているので、外筒部材11にてシール部材13を加締め固定し、第2加締め部115を形成した場合、第2加締め部115に対応するシール部材13の部位が内側に向かって圧縮変形しても、金属カップ134がそのシール部材13の圧縮力を受け止め、金属カップ134の内側に設けられたフィルタ133が変形することを防止できる。よって、フィルタ133の通気性が低下することを防止し、ガスセンサ1の検出精度の低下を防止できる。
また、フィルタ133は、金属カップ134に圧接された状態で配置されている。これにより、金属カップ134に対してフィルタ133を強固に固定することができる。
さらに、蓋部136を有する金属カップ134を用いることで、蓋部136によりフィルタ133に対する外部からの衝撃等の影響を低減することができる。なお、フィルタ133を蓋部136に当接する形態を取り入れれば、金属カップ134に対するフィルタ133を挿入する際の位置決めを行なうこともできる。
次に、本実施形態のガスセンサ1の製造方法について詳細に説明する。
まず、ジルコニアに、イットリアを5mol%添加して造粒した後、先端部が閉じた有底筒状に成形し、電気炉にて1400〜1600℃の温度で焼成し、固体電解質体を得た。次いで、この固体電解質体の外周面に蒸着や化学メッキ等を用いて、白金よりなる外部電極層23を設ける。一方、固体電解質体の内側面にも同様に、蒸着や化学メッキ等を用いて、内部電極層24を設け、センサ素子2を得た。
ついで、主体金具4の先端部26に内側カバー16が挿入された外側カバー15を外挿し、レーザ溶接にて全周溶接する。そしてこの主体金具4にパッキン8、支持部材5、パッキン9、センサ素子2、充填部材6、スリーブ7を順に挿入し、主体金具4の金具側後端部44を加締めセンサ下部中間体を準備する。
一方、端子金具14、14にそれぞれ素子用リード線200、210を接合し、セラミックヒータ3のヒータ用端子金具にヒータ用リード線190、220を接合しておく。そして、端子金具14の内側にセラミックヒータ3を位置させた状態で、各リード線190、200、210、220をセパレータ12の各セパレータリード線挿通孔121に挿通する。
ついで、図3に示すように、筒部135、蓋部136、突出部137が形成された金属カップ134に対して円柱状のフィルタ133を圧入し、金属部材に圧接して固定する。このように金属カップ134に対してフィルタ133を圧接して固定することで、金属カップ134に対してフィルタ133を強固に固定することができる。さらに、図3に示すように、フィルタ133が挿入された金属カップ134をシール部材13に圧入して配置する。そして、フィルタ133、金属カップ134が一体となったシール部材13を外筒部材11の後端側に配置する。
ついで、各リード線190、200、210、220をシール部材13のリード線挿通孔131に挿通させた状態で、このシール部材13の先端面にセパレータ12の後端面が当接するように、セパレータ12を外筒部材11内に配置する。そして、セパレータ12の先端から保持部材17を挿入する。このようにしてセンサ上部中間体を作製する。
そして、センサ上部中間体の外筒部材11を主体金具4の後端側に挿入し、外筒部材11と主体金具4との重なり部を加締める。また、保持部材17を保持するように、外筒部材11を加締め、第1加締め部114を形成する。さらに、弾性シール部材13を保持するように外筒部材11を加締め、第2加締め部115を形成する。なお、加締めは八方丸加締めにて行った。そして、上記重なり部をレーザ溶接することにより固定し、ガスセンサ1が完成する。
以上、この発明の本実施形態について説明したが、この発明は本実施形態に限定されることはなく、様々に設計変更することができる。
例えば、図4に別実施形態を示す。この別実施形態は、本実施形態の金属カップ134に対するフィルタ133の配置形態のみが異なるものであり、その部分を中心に説明し、その他の部分については省略する。
図4に示すように、シール部材13の略中央には、先端側から後端側に向かって大気導入孔132が形成されている。そして、その大気導入孔132の内部には、円柱状のフィルタ133が大気導入孔132の略先端から略後端に渡って配置されている。さらに、シール部材13の大気導入孔132とフィルタ133との間には、金属カップ134が配置されている。この金属カップ134は、軸線O方向に延びる筒部135と、筒部135の後端側に形成された蓋部136と、筒部135の先端側に径方向に突出する突出部137とを有する。そして筒部135の軸線方向略中央が周方向に加締められており、金属カップ134の内部に配置されたフィルタ133を固定している。これにより、フィルタ133を金属カップ134に安定して固定することができる。
さらに、本実施形態や別実施形態では金属カップ134にフィルタ133を直接接して配置する形態であったが、これに限らず、例えば、図5に示すように、本実施形態の金属カップ134とフィルタ133との間に接着層150を設けても良い。なお、この接着層は、耐熱性を有する接着剤からできている。このように、金属カップ134とフィルタ133との間に接着層150を介することで、金属カップ134に対してフィルタ133を強固に固定することができる。なお、接着層150は、フィルタ133の通気性及び撥水性に影響が出ないようにすることはいうまでもない。また、図5では、接着層150がフィルタ133の外周面の全面に形成されているが、一部に形成された状態となっていてもよい。
また、本実施形態の金属カップ134にフィルタ133を圧接して配置する形態や、別実施形態の金属カップ134を加締めてフィルタ133を配置する形態に代えて、金属カップ134とフィルタ133との間に接着層を介して、金属カップ134内にフィルタ133を配置することもできる。
さらに、本実施形態、別実施形態では、円柱状のフィルタ133を用いたが、これに限らず、多角柱のフィルタを用いてもよい。また、図6に示す形態でもよい。図6では、金属カップ134の内部に複数の繊維状部材が束ねられてフィルタ部としている。この形態は、金属カップ134内に複数の繊維状部材を嵌挿した後、金属カップ134にスエージングを行って金属カップ134の内径を縮小させ、金属カップ134内に複数の繊維状部材を固定している。このフィルタ部は、繊維状部材が通気性を有しておらず、繊維状部材同士の隙間で通気性を図っている。
さらに、本実施形態や別実施形態では、大気導入孔132、金属カップ134、フィルタ133の軸線O方向長さが略同等であるが、これに限らず、図7に示すような金属カップ134内の一部にフィルタ133が配置される形態でもよい。また、大気導入孔132内の一部に金属カップ134が配置される状態でもよい(図示せず)。
さらに、本実施形態の大気導入孔132の内周面に、リブ形状のような突出部が形成されていてもよい。なお、この突出部は、断面が三角であっても、四角であってもよい。また、大気導入孔132の内周面だけでなく、金属カップ134の外周面、金属カップ134の内周面及びフィルタ133の外周面でも同様に突出部を設けることができる。
本実施形態のガスセンサ1の断面図である。 本実施形態のガスセンサ1に配置されたシール部材13付近の部分拡大断面図である。 本実施形態のフィルタ133、金属カップ134、シール部材13の製造過程を示した図である。 別実施形態のガスセンサ1に配置されたシール部材13付近の部分拡大断面図である。 本実施形態のガスセンサ1に接着層150が形成されたシール部材13付近の部分拡大断面図である。 本実施形態のガスセンサ1のフィルタとして繊維状部材を用いたフィルタ部及び金属カップ134の部分断面斜視図である。 本実施形態の変形形態であるガスセンサ1のシール部材13付近の部分拡大断面図である。
符号の説明
1・・・・・ガスセンサ
2・・・・・センサ素子
4・・・・・主体金具
11・・・・外筒部材
13・・・・シール部材
132・・・大気導入孔
133・・・フィルタ
134・・・金属カップ
135・・・筒部
136・・・蓋部
138・・・挿通孔

Claims (6)

  1. 軸線方向に延び、被測定ガス中の特定ガス成分を検出する検出素子と、
    該検出素子の先端側を自身の先端よりも突出させて被測定ガスに晒すと共に、該検出素子の周囲を取り囲むケーシングと、
    前記検出素子よりも後方側で且つ該ケーシングの後端側内部に加締め固定され、軸線方向に貫通する貫通孔が形成されたシール部材と、
    該貫通孔に嵌挿された通気性及び撥水性を有する柱状のフィルタ部とを備えるガスセンサにおいて、
    前記貫通孔の軸線方向に沿って延びる壁面と前記フィルタ部との間には前記シール部材よりも変形しにくい筒状部材が配置されていることを特徴とするガスセンサ。
  2. 請求項1記載のガスセンサにおいて、
    前記筒状部材は、前記フィルタ部の柱状を維持していることを特徴とするガスセンサ。
  3. 請求項1または2に記載のガスセンサにおいて、
    前記フィルタ部は、前記筒状部材に圧接して配置されていることを特徴とするガスセンサ。
  4. 請求項1乃至3のいずれか一項に記載のガスセンサにおいて、
    前記フィルタ部の少なくとも一部は、前記筒状部材に接着層を介して配置されていることを特徴とするガスセンサ。
  5. 請求項1乃至4のいずれか一項に記載のガスセンサにおいて、
    前記フィルタ部の少なくとも一部が、前記筒状部材により加締め固定されていることを特徴とするガスセンサ。
  6. 請求項1乃至5のいずれか一項に記載のガスセンサにおいて、
    前記筒状部材は、後端側に蓋部を有すると共に、該蓋部に挿通孔を有する金属カップであることを特徴とするガスセンサ。
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