JP5152863B2 - ガスセンサ - Google Patents

Description

本発明は、ガスセンサに関する。更に詳しくは、酸素センサ、炭化水素センサ、酸化窒素センサなど、測定雰囲気中の特定ガス濃度を検出するためのガスセンサに関する。

従来より、特許文献１のようなガスセンサが知られている。このガスセンサは、被測定ガス中の特定ガス濃度を検出する検出部を先端に備える検出素子と、検出部を被測定ガスに晒すようにして検出素子を保持する主体金具と、検出部を覆うようにして主体金具に固定されるプロテクタと、検出素子の後端側を覆うようにして主体金具に固定される筒状の外筒等の複数の部材が組み合わされて構成されている。

このガスセンサは、自動車等の被測定ガスが流れる流路（例えば給気管や排気管等）に取り付けられて、被測定ガス中の酸素濃度を検出する等に用いられる。そのため、主体金具の外表面には、ガスセンサを自動車の流路に取り付けるための雄ねじ部が形成されており、流路に設けられた雌ねじ部に螺合させてガスセンサを流路に固定させている。
特開２００５−６１４２０号公報

ところで、一般的にエンジンを配置するエンジンルームのレイアウトや流路のレイアウトは機種毎に異なるものであり、ガスセンサの配置位置も機種毎に異なるものである。これに対し、ガスセンサの取付位置が主体金具に形成された雄ねじ部のみに形成されていると、エンジンルームや流路のレイアウトに適合できず、ガスセンサが取り付けられてない虞がある。

これに対し、主体金具以外に雄ねじ部を形成して、エンジンルームや流路のレイアウトに適合させようとすると、機種毎にガスセンサの部品（具体的には、検出素子、主体金具、外筒等）を作製する必要があり、多品種にわたってしまう。

本発明は、上記問題点を解決するためになされたものであり、多品種のガスセンサを作製することなく、機種毎に異なるエンジンルームや流路に取付可能なガスセンサを提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、請求項１に係る発明のガスセンサは、軸線方向に延び、自身の先端側に被測定ガス中の特定ガス成分を検出するための検出部を有する検出素子と、前記検出部の先端側及び後端側を突出させつつ、前記検出素子の径方向周囲を取り囲む筒状の主体金具と、内部に前記検出素子の前記検出部を収容しつつ、前記主体金具に固定されるプロテクタと、内部に前記検出素子の後端側を収容しつつ、前記主体金具に固定される筒状の金属外筒と、を備えるガスセンサにおいて、
前記ガスセンサは、少なくとも前記主体金具及び前記外筒のいずれか一方に固着され、前記被測定ガスが流れる流路へ取り付けるための取付部を有する樹脂製の固定部を備え、前記プロテクタは、前記被測定ガスを外部から前記プロテクタ内に導入可能なガス導入部を有し、前記取付部と前記ガス導入部とが特定の位置関係にあり、前記固定部は、少なくとも前記主体金具及び前記外筒のいずれか一方の周囲を取り囲む本体部と、該本体部から軸線方向に垂直な方向に突出し、前記取付部を有するフランジ部と、を備え、前記本体部の前記フランジ部よりも先端側には凹部が形成されてなることを特徴とする。

さらに、請求項２に係る発明のガスセンサは、請求項１記載の発明の構成に加え、前記フランジ部は、前記軸線方向において前記外筒と同じ位置に配置されていることを特徴とする。

請求項１に係る発明のガスセンサでは、前記主体金具及び前記外筒の少なくともいずれか一方に固着され、被測定ガスが流れる流路へ取り付けるための取付部を有する樹脂製の固定部を有する。これにより、機種毎に異なるエンジンルームや流路であっても、主体金具又は外筒のうち機種毎にあわせた所定の部位に、樹脂製の固定部を固着させてガスセンサと一体とすることで、それぞれのレイアウトに適合することができる。

その上、機種毎にガスセンサの部品（具体的には、検出素子、主体金具、外筒等）を作製する必要がなくなり、多品種にわたることを防止できる。

さらに、プロテクタは、被測定ガスを外部からプロテクタ内に導入可能なガス導入部を有しているが、このガス導入部と固定部の取付部とを特定の位置関係にすることで、被測定ガスを効果的にプロテクタ内に導入することができ、ガス検出精度を高めることができる。他方、被測定ガス中には水滴が含まれており、検出素子に付着することで、検出素子にクラックが生じる虞がある。また、被測定ガスには不純物（例えば煤）が含まれており、ガス導入部近傍に付着することで、ガス導入部を塞いでしまう（以下、目詰まりとも言う）虞がある。これに対し、ガス導入部と固定部の取付部とを特定の位置関係にすることで、被測定ガスが直接プロテクタ内に導入されないようにすることができ、検出素子に水滴が付着することを抑制したり、ガス導入部近傍に煤が付着することを抑制できる。

なお、固定部は主体金具のみに固着されていてもよいし、外筒のみに固着されていてもよいし、主体金具と外筒の両方に固着されていてもよい。つまり、エンジンルームや流路のレイアウトにあわせた部位に固着されていればよい。
また、取付部は、流路にネジ等で取り付ける取付孔にて構成しても良いし、袋ナット等を用いて取り付けられる構成でも良い。
さらに、「特定の位置関係」とは、固定部を用いてガスセンサを流路等に取り付けた場合に、ガス導入孔から被測定ガスが導入されやすい位置、もしくは被測定ガス中の不純物や水滴等を考慮し、流路の上流側から下流側に流れる被測定ガスが直接プロテクタ内に導入されない位置にすることを指す。

さらに、固定部は、少なくとも前記主体金具及び前記外筒のいずれか一方の周囲を取り囲む本体部と、該本体部から軸線方向に垂直な方向に突出し、取付部を有するフランジ部とを備えることが好ましい。この構成により、主体金具や外筒を有するガスセンサにおいて、機種毎に異なるエンジンルームや流路であっても、それぞれのレイアウトに適合することができる。

さらに、フランジ部は、軸線方向において前記外筒と同じ位置に配置されていることが好ましい。これにより、ガスセンサの主体金具、プロテクタ、外筒の一部を流路内に配置できるため、流路の外側に配置される部位が少なくなる。よって、ガスセンサを配置する場所が小さくすることができ、それぞれのレイアウトに適合することができる。

以下、本発明を具体化したガスセンサの一実施の形態について、図面を参照して説明する。まず、一例としてのガスセンサ１の構造について、図１、図２、図３を参照して説明する。図１は、ガスセンサ１の部分断面図である。図２は、ガスセンサ１の斜視図である。図３はガスセンサ１の後端側から先端側に向かって見た斜視図である。なお、図１において、ガスセンサ１の軸線Ｏ方向（１点鎖線で示す。）を上下方向として図示し、内部に保持する検出素子１０の検出部１１側をガスセンサ１の先端側、後端部１２側をガスセンサ１の後端側として説明する。

図１に示すガスセンサ１は、内燃機関の吸気流路（図示せず）に取り付けられ、内部に保持する検出素子１０の検出部１１が吸気流路を流通する吸気ガスや吸気再循環ガス中に晒されて、その吸気ガスや吸気再循環ガス中の酸素濃度から空燃比を検出する、いわゆる全領域空燃比センサである。なお、以下の文章では吸気ガス及び吸気再循環ガスをまとめて「ガス」という。

検出素子１０は公知にあるような軸線Ｏ方向に延びる短冊状をなし、酸素濃度の検出を行うガス検出体と、そのガス検出体を早期活性化させるために加熱を行うヒータ体とが互いに貼り合わされ、略角柱状をなす積層体として一体化されたものである。ガス検出体はジルコニアを主体とする固体電解質体と白金を主体とする検出電極と（共に図示しない）から構成され、その検出電極は、検出素子１０の先端側に形成された検出部１１に配置されている。そして、検出電極をガスによる被毒から保護するため、検出素子１０の検出部１１には、その外周面を包むように保護層１５が形成されている。他方、検出素子１０の後端側の後端部１２には、ガス検出体やヒータ体から電極を取り出すための５つの電極パッド１６（図１ではそのうちの１つを図示している。）が形成されている。なお、本実施の形態では検出素子１０を本発明における「検出素子」として説明を行うが、厳密には、検出素子の構成としてヒータ体は必ずしも必要ではなく、ガス検出体が本発明の「検出素子」に相当する。

検出素子１０の胴部１３の中央よりやや先端側には、有底筒状をなす金属製の金属カップ２０が、自身の内部に検出素子１０を挿通させ、その検出部１１を筒底の開口２５から突出させた状態で配置されている。金属カップ２０は主体金具５０内に検出素子１０を保持するための部材であり、筒底の縁部分の先端周縁部２３は外周面にかけてテーパ状に形成されている。金属カップ２０内には、アルミナ製のセラミックリング２１と滑石粉末を圧縮して固めた滑石リング２２とが、自身を検出素子１０に挿通させた状態で収容されている。滑石リング２２は金属カップ２０内で押し潰されて細部に充填されており、これにより、検出素子１０が金属カップ２０内で位置決めされて保持されている。

金属カップ２０と一体となった検出素子１０は、その周囲を筒状の主体金具５０に取り囲まれて保持されている。主体金具５０は、ＳＵＳ４３０等の低炭素鋼からなり、通常の場合に外周先端側に吸気流路への取り付け用の雄ねじ部５１が形成されている。この雄ねじ部５１よりも先端側には、後述するプロテクタ１００が係合される先端係合部５６が形成されている。また、主体金具５０の外周中央には突出部５２が形成されており、その突出部５２の先端面と雄ねじ部５１の後端との間にはガスケット５５が嵌挿されている。更に、突出部５２の後端側には、後述する外筒３０が係合される後端係合部５７と、その後端側に、主体金具５０内に検出素子１０を加締め保持するための加締め部５３とが形成されている。

また、主体金具５０の内周で雄ねじ部５１付近には段部５４が形成されている。この段部５４には、検出素子１０を保持する金属カップ２０の先端周縁部２３が係止されている。更に、主体金具５０の内周には滑石リング２６が、自身を検出素子１０に挿通させた状態で、金属カップ２０の後端側から装填されている。そして、滑石リング２６を後端側から押さえるように、筒状のスリーブ２７が主体金具５０内に嵌め込まれている。スリーブ２７の後端側外周には段状をなす肩部２８が形成されており、その肩部２８には、円環状の加締めパッキン２９が配置されている。この状態で主体金具５０の加締め部５３が、加締めパッキン２９を介してスリーブ２７の肩部２８を先端側に向けて押圧するように加締められている。スリーブ２７に押圧された滑石リング２６は主体金具５０内で押し潰されて細部にわたって充填され、この滑石リング２６と、金属カップ２０内にあらかじめ装填された滑石リング２２とによって、金属カップ２０および検出素子１０が主体金具５０内で位置決め保持される。主体金具５０内の気密は、加締め部５３とスリーブ２７の肩部２８との間に介在される加締めパッキン２９によって維持され、燃焼ガスの流出が防止される。

検出素子１０は、その後端部１２が主体金具５０の後端（加締め部５３）よりも後方に突出されており、その後端部１２には、絶縁性セラミックスからなる筒状のセパレータ６０が被せられている。セパレータ６０は、検出素子１０の後端部１２に形成された５つの電極パッド１６とそれぞれ電気的に接続される５つの接続端子６１（図１ではそのうちの１つを図示している。）を内部に保持すると共に、それら各接続端子６１と、ガスセンサ１の外部に引き出される５本のリード線６５（図１ではそのうちの３本を図示している。）との各接続部分を収容して保護している。

そして、セパレータ６０が嵌められた検出素子１０の後端部１２の周囲を囲うように、筒状の外筒３０が配設されている。外筒３０はステンレス（例えばＳＵＳ３０４）製であり、主体金具５０の後端係合部５７の外周に自身の先端側の開口端３１が係合されている。その開口端３１は、外周側から加締められ、更に外周を一周してレーザ溶接が施されて後端係合部５７に接合されており、外筒３０と主体金具５０とが一体に固定されている。

また、外筒３０とセパレータ６０との間の間隙には、金属製で筒状の保持金具７０が配設されている。保持金具７０は自身の後端を内側に折り曲げて構成した支持部７１を有し、自身の内部に挿通されるセパレータ６０の後端側外周に鍔状に設けられた鍔部６２を支持部７１に係止させて、セパレータ６０を支持している。この状態で、保持金具７０が配置された部分の外筒３０の外周面が加締められ、セパレータ６０を支持した保持金具７０が外筒３０に固定されている。

そして外筒３０の後端側の開口には、フッ素系ゴム製のグロメット７５が嵌合されている。グロメット７５は５つの挿通孔７６（図１ではそのうちの１つを図示している。）を有し、各挿通孔７６に、セパレータ６０から引き出された５本のリード線６５が気密に挿通されている。この状態でグロメット７５は、セパレータ６０を先端側に押圧しつつ、外筒３０の外周から加締められて、外筒３０の後端に固定されている。

そして、主体金具５０の先端係合部５６には、センサ素子１０の検出部１１を、ガス中のデポジット（燃料灰分やオイル成分など被毒性の付着物質）による汚損や被水などによる折損等から保護するためのプロテクタ１００が嵌められ、レーザ溶接によって固定されている。プロテクタ１００は、側面に複数の孔を有した有底筒状の内側プロテクタ１２０と、内側プロテクタ１２０の外周面との間に空隙を有した状態で内側プロテクタ１２０の径方向周囲を取り囲む筒状をなし、側面に複数の孔を有した外側プロテクタ１１０とから構成される２重構造を有する。

内側プロテクタ１２０は、その内径が主体金具５０の先端係合部５６よりも小さく形成されており、後端側の基端部１２１は、先端係合部５６に係合するように拡径されている。内側プロテクタ１２０の側壁１２２には、周方向にわたって複数の内側導入孔１３０が形成されている。また、内側プロテクタ１２０の側壁１２２の先端側には、内部に向けて切り込み状に開口された水抜き孔１５０が、外周面の周方向の複数箇所に設けられている。さらに、内側プロテクタ１２０の底壁１２３にも、排出孔１６０が開口されている。

他方、外側プロテクタ１１０は、内側プロテクタ１２０と同様に開口端側の基端部１１１の外径が拡径されており、その基端部１１１が、内側プロテクタ１２０の基端部１２１に係合されている。また、この外側プロテクタ１１０の先端側の端部１１３は、内側プロテクタ１２０の底壁１２３付近にて内側プロテクタ１２０の外周面に向けて内側に折り曲げられている。また、外側プロテクタ１１０の側壁１１２には、周方向にわたって外側導入孔１１５が形成されている。これら外側導入孔１１５のそれぞれには、内側に向けて延出するガイド体が設けられている。

次に、本発明の主要部である固定部２００について説明する。
固定部２００は、主体金具５０の工具係合部５２と外筒３０の先端側を取り囲むようにして固着されている。この固定部２００は、３０％のガラス繊維が含まれるＰＰＳ等の樹脂材料からなり、本体部２１０と本体部２１０からガスセンサ１の径方向に突出するフランジ部２２０を有する。

本体部２１０は、略均一の厚みを有するとともに、主体金具５０の工具係合部５２及び外筒３０に固着されている。そして、本体部２１０の略中央には、凹部２１１が形成されている。この凹部２１１には、固定部２００を、例えば吸気流路に取り付けた際に、固定部２００と吸気流路とのクリアランスによってガスが外部に流れないように、パッキン（図示せず）が配置される。

他方、フランジ部２２０は、ガスセンサ１のうち、外筒３０の径方向外側に向かって突出する略菱形形状を有する。フランジ部２２０には、ガスセンサ１を排気管に取り付けるための取付孔２２１が、ガスセンサ１を挟んで対称に軸方向に貫通するように設けられている。なお、取付孔２２１は、プロテクタ１００のうち、外側プロテクタ１１０の外側導入孔１１５と、所定の位置関係を有するようにしてフランジ部２２０に設けられている。なお、取付孔２２１が特許請求の範囲の「取付部」に相当する。

次にガスセンサ１の製造方法について説明する。
ガスセンサ１は公知の方法により、センサ素子１０、主体金具５０、外筒３０、プロテクタ１００等を組み付ける。その後、主体金具５０、及び外筒３０の外周に固定部２００を型取った治具を取り付け、樹脂材料を治具内に流しこむことで固定部２００が形成される。

このように、主体金具５０及び外筒３０に固着され、吸気流路へ取り付けるための取付孔２２１を有する樹脂製の固定部２００を有する。これにより、機種毎に異なるエンジンルームや吸気流路であっても、主体金具５０及び外筒３０のうち機種毎にあわせた所定の部位に、樹脂製の固定部２００を固着させてガスセンサ１と一体とすることで、それぞれのレイアウトに適合することができる。

その上、機種毎にガスセンサ１のセンサ素子１０、主体金具５０、外筒３０等を作製する必要がなくなり、多品種にわたることを防止できる。

さらに、プロテクタ１００は、被測定ガスを外部からプロテクタ１００内に導入可能なガス導入部（本実施形態では外側ガス導入部１１５）を有しているが、この外側ガス導入部１１５と固定部２００の取付孔２２１とを特定の位置関係にすることで、被測定ガスを効果的にプロテクタ１００内に導入することができたり、また、被測定ガスが直接プロテクタ１００内に導入されないようにすることができる。

さらに、固定部２００は、主体金具５０及び外筒３０の周囲を取り囲む本体部２１０と、該本体部２１０から軸線方向に垂直な方向に突出し、取付孔２２１を有するフランジ部２２０とを備えることで、主体金具５０や外筒３０を有するガスセンサ１において、機種毎に異なるエンジンルームや吸気流路であっても、それぞれのレイアウトに適合することができる。

さらに、フランジ部２２０は、軸線方向において外筒３０と同じ位置に配置されていることで、ガスセンサ１の主体金具５０、プロテクタ１００、外筒３０の一部を吸気流路内に配置できるため、吸気流路の外側に配置される部位が少なくなる。よって、ガスセンサ１を配置する場所が小さくすることができ、それぞれのレイアウトに適合することができる。

なお、本発明は上記各実施の形態に限られず、各種の変形が可能である。例えば、本実施形態では、プロテクタ１００を外側プロテクタ１１０及び内側プロテクタ１２０の２重のプロテクタを用いたが、これに限られず、１重のプロテクタであってもよいし、３重以上のプロテクタであってもよい。

また、本実施形態では、外側ガス導入部１１５が矩形状、内側ガス導入孔１３０が円形状であるが、これに限られず、いずれもが円形状や矩形状であってもよい。

また、本実施形態では全領域空燃比センサを例に説明したが、酸素センサ、ＮＯｘセンサ、ＨＣセンサ、温度センサ等にも同様に適用できる。

本実施形態のガスセンサ１の部分断面図である。 本実施形態のガスセンサ１の斜視図である。 本実施形態のガスセンサ１の後端側から先端側に向かって見た斜視図である。

符号の説明

１ ガスセンサ
１０ 検出素子
１１ 検出部
３０ 外筒
５０ 主体金具
１００ プロテクタ
１１０ 外側プロテクタ
１２０ 内側プロテクタ
２００ 固定部
２１０ 本体部
２２０ フランジ部

Claims (2)

1. 軸線方向に延び、自身の先端側に被測定ガス中の特定ガス成分を検出するための検出部を有する検出素子と、
   前記検出部の先端側及び後端側を突出させつつ、前記検出素子の径方向周囲を取り囲む筒状の主体金具と、
   内部に前記検出素子の前記検出部を収容しつつ、前記主体金具に固定されるプロテクタと、
   内部に前記検出素子の後端側を収容しつつ、前記主体金具に固定される筒状の金属外筒と、
   を備えるガスセンサにおいて、
   前記ガスセンサは、少なくとも前記主体金具及び前記外筒のいずれか一方に固着され、前記被測定ガスが流れる流路へ取り付けるための取付部を有する樹脂製の固定部を備え、
   前記プロテクタは、前記被測定ガスを外部から前記プロテクタ内に導入可能なガス導入部を有し、
   前記取付部と前記ガス導入部とが特定の位置関係にあり、
   前記固定部は、少なくとも前記主体金具及び前記外筒のいずれか一方の周囲を取り囲む本体部と、該本体部から軸線方向に垂直な方向に突出し、前記取付部を有するフランジ部と、を備え、前記本体部の前記フランジ部よりも先端側には凹部が形成されてなることを特徴とするガスセンサ。
2. 前記フランジ部は、前記軸線方向において前記外筒と同じ位置に配置されていることを特徴とする請求項１記載のガスセンサ。