JP5209687B2

JP5209687B2 - ガスセンサ

Info

Publication number: JP5209687B2
Application number: JP2010239060A
Authority: JP
Inventors: 尚勝渥美; 康弘藤田
Original assignee: NGK Spark Plug Co Ltd
Current assignee: NGK Spark Plug Co Ltd
Priority date: 2010-10-25
Filing date: 2010-10-25
Publication date: 2013-06-12
Anticipated expiration: 2030-10-25
Also published as: JP2012093141A

Description

本発明は、酸素センサ、ＨＣセンサ、ＮＯ_Ｘセンサなど、測定対象となるガス中の被検出成分を検出するためのガスセンサに関する。

従来、上述のようなガスセンサとして、例えば自動車エンジンの空燃比制御等に使用するための各種酸素センサが開発されている。近年では特に、排気ガスによる大気汚染など環境保護上の問題に対応するために、排気ガス中の酸素濃度を検出するための酸素センサについて、とりわけ高性能で長寿命のものに対する需要が高まっている。

例えば、このような酸素センサとして代表的なものには、ＺｒＯ_２等の酸素イオン伝導性固体電解質により軸線方向に延びるよう形成された酸素検出素子を筒状のケーシング内に収容し、該酸素検出素子の先端側外面を排気ガスと接触させるとともに、ケーシングの後方側に配置された筒状部材内に基準ガスとしての大気を導入して、該検出素子に生ずる酸素濃淡電池起電力により被検出雰囲気中の酸素濃度を測定するようにした構造のものが広く使用されている。

ところで、上述のような酸素センサは自動車に搭載される場合、エンジンルーム以外にも、例えば車両の足周り部分に近い排気管等に取り付けられることも多い。このような状況においては、酸素センサは雨中走行時や洗車時等に水滴や油滴等により被水することとなる。この場合、酸素検出素子を水滴や汚れの付着から保護するために、これを収容する酸素センサの構造としては、高強度で密閉性の高いものを使用しなければならない。しかしながら、筒状部材内へは検出素子の基準ガスとして大気を導入する必要があることから、外部との連通部も必ず設けなければならない。すなわち、上記酸素センサを長期にわたって安定的に作動させるには、水滴や油滴等による被水に対する液密性を一定レベル以上に高めつつ、しかも通気性は確保するという相反した課題を同時に解決する必要がある。

そこで、このような要求に応じるため、筒状部材に通気孔を設け、さらにこれを撥水性フィルタで覆うことにより、水滴等の侵入は阻止しつつ大気の流通は確保できるようにした構造の酸素センサが開示されている。

特開平８−２０１３３８号公報特開２０００−４６７８６号公報

しかし、特許文献１の酸素センサでは、撥水性フィルタが外部に露出しているため、車両が走行時に跳ね上げた小石等が撥水性フィルタに直接衝突し、撥水性フィルタが破損してセンサ内へ水滴等が侵入する事で、酸素センサの故障が生じていた。

また、特許文献２の酸素センサでは、防護カバーを設けて撥水性フィルタを外部に露出させない構成を取っているため、小石等の飛散物による撥水性フィルタの破損を防止することが可能である。しかしながら、撥水性フィルタが外部に露出していないため、外気（基準ガス）が筒状部材内に導入されるまでの経路が長くなり、筒状部材内部の基準ガスが大気と交換されづらく、長期間、筒状部材内で滞留してしまうため、酸素センサの測定精度の低下を引き起こす原因となっていた。

そこで本発明は、耐衝撃性に優れるガスセンサでありながら、測定精度の低下を防ぐ事が可能なガスセンサを提供する事を目的とする。

本発明の実施態様によれば、軸線方向に延び、自身の先端側に被測定ガスにさらされる検出部を有するセンサ素子と、前記センサ素子が挿入される筒状のケーシングと、前記ケーシングの後方側に配置され、内部空間が該ケーシングと連通し、かつ外気を自身の内部空間に導入する為の内側導入孔が自身の壁部に１ないし複数形成された筒状の内筒と、前記内筒の径方向外側に配置され、液体の通過は阻止し気体の通過は許容するフィルタと、該フィルタの径方向外側に配置され、当該フィルタを前記内筒と自身との間に保持すると共に、前記フィルタを介して前記内筒の内部空間に外気を導入する為の外側導入孔が、フィルタ表面上の自身の壁部に複数形成された外筒と、を有するガスセンサにおいて、前記内側導入孔の直径よりも前記外側導入孔の直径のほうが小さく、且つ前記内側導入孔の断面積の合計が前記外側導入孔の断面積の合計よりも小さいことを特徴とする。

外側導入孔の直径を相対的に小さくすることで、小石等の飛散物による撥水性フィルタの破損を抑制することが可能である。その結果、ガスセンサ内へ水滴等が侵入することを抑制できた。しかしながら一方で、単に外側導入孔の直径を小さくするだけだと、外側導入孔の通気量が減少し、内筒の内部空間の基準ガスが大気と交換されづらくなり、長期間滞留してしまう。従って、ガスセンサの測定精度の低下を引き起こす原因となっていた。

これに対し、本発明のガスセンサによれば、個々の外側導入孔の直径は小さくしつつも、外側導入孔の断面積の合計が内側導入孔の断面積の合計よりも大きく形成されていることで、内筒の内部空間における基準ガスが大気と交換される際に、外側導入孔の影響を受けることが無いため（つまり、内側導入孔を通過する大気の通過量で調整するため）、内筒の内部空間における基準ガスが大気と容易に交換され、ガスセンサの測定精度の低下を抑制する事ができる。

なお、ここで述べる導入孔の断面積とは、導入孔を径方向（ガスセンサの軸線方向とは垂直な方向）から見たときの導入孔の占める面積のことである。

また、前記ガスセンサを径方向外側から見たときに、外側導入孔が見えることが好ましい。つまり、外筒の外側には他の部材が存在せず、フィルタが外部に直接露出する構成をとることで、速やかに外気（基準ガス）をガスセンサの内外で交換する事ができ、検出精度の低下を抑制できる。そして、外側導入孔の直径を内側導入孔の直径よりも小さくすることで、フィルタが外部に露出している構成をとっても、確実にフィルタを保護することが可能となる。

また、前記外側導入孔の直径は０．４ｍｍ以下であることが好ましい。自動車等の車両に取付けられるガスセンサの使用環境において、０．４ｍｍ以下の小石等の飛散物が車両走行時に跳ね上げられても、撥水性フィルタが破損する事は少ないが、０．４ｍｍを超える小石等の飛散物が車両走行時に跳ね上げられた場合には、撥水性フィルタは破損しやすい。そのため、外側導入孔の直径を０．４ｍｍ以下とすることで、小石等の飛散物が跳ね上げられたとしても、撥水性フィルタに破損を生じにくくすることができる。

さらに、前記フィルタは、前記内筒を径方向から取り囲むよう筒状に設けられていることが好ましい。このように、フィルタを全周に設けることで、仮にフィルタの位置が内筒と外筒との間で周方向にずれたとしても、常に外側導入孔を内側からフィルタが覆っているので、ガスセンサの内部に水が侵入する事が無い。

上記構成に加えて、前記内側導入孔と前記外側導入孔とが、ガスセンサを径方向から見たときに重ならない位置に設けられていることが好ましい。このように内側導入孔と外側導入孔とをずらして配置する事で、仮に外側導入孔から露出した部位のフィルタが破損し、破損した箇所から水滴等が侵入したとしても、フィルタが破損した部位と内側導入孔とが面していないため、内側導入孔まで水滴が到達しにくく、水滴が内側導入孔より内筒の内部空間に侵入することを抑制できる。なお、ここで「前記内側導入孔と前記外側導入孔とが、ガスセンサを径方向から見たときに重ならない位置に設けられている」とは、「ガスセンサを軸線方向から見たときに、ガスセンサの外表面と中心とを結ぶ線上に、内側導入孔と外側導入孔との両方が存在しない」という意味である。また、内側導入孔と外側導入孔とが重ならないよう配置するために、各導入孔を周方向にずらしても軸線方向にずらしてもどちらでもよい。さらに、軸線方向と周方向との両方向にずらしてもよい。

本発明の一実施例としての酸素センサの縦断面図。図１のＡ−Ａ´線における、内筒、外筒、及びフィルタの断面図。図２のＢ線方向から見たときの、外筒の正面図。図２のＣ線方向から見たときの、内筒の正面図。他の実施例における、内筒の正面図。他の実施例における、内筒、外筒、及びフィルタの断面図。

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、図１を参照し、ガスセンサの一例としての酸素センサ１の構造について説明する。図１に示す酸素センサ１は自動車等の内燃機関のエンジンから排出される排気ガスの排気管（図示外）に取り付けられて使用されるものである。以下では、酸素センサ１の軸線方向において、排気管内に挿入される酸素検出素子２の先端に向かう側（図中下側）を先端側とし、これと反対方向に向かう側（図中上側）を後端側として説明するものとする。

酸素センサ１は、軸線方向に延びる有底筒状の酸素検出素子２と、軸線方向に延びる棒状のセラミックヒータ３とが、ケーシング１０の内部に挿入されてなるよう構成される。酸素検出素子２は酸素イオン伝導性を有する固体電解質体と、固体電解質体の内外面に設けられた外側電極２ｂ及び内側電極２ｃにより構成されている。そのような固体電解質体としては、Ｙ_２Ｏ_３ないしＣａＯを固溶させたＺｒＯ_２が代表的なものであるが、それ以外のアルカリ土類金属ないし希土類金属の酸化物とＺｒＯ_２との固溶体を使用してもよい。また、ベースとなるＺｒＯ_２にはＨｆＯ_２が含有されていてもよい。

外側電極２ｂ及び内側電極２ｃはいずれも、酸素検出素子２を構成する固体電解質へ酸素を注入するための酸素分子の解離反応、及び該固体電解質から酸素を放出させるための酸素の再結合反応に対する可逆的な触媒機能（酸素解離触媒機能）を有する多孔質電極、例えばＰｔ多孔質電極として構成されている。

そして、酸素検出素子２用の一方のリード線２０は、内側端子金具２３を介して前述の酸素検出素子２の内側電極２ｃと電気的に接続されている。一方、他方のリード線２１は、外側端子金具３３を介して、酸素検出素子２の外側電極２ｂと電気的に接続されている。

ここで、酸素検出素子２は、排気ガス温が十分高温となっている場合には当該排気ガスで加熱されて活性化されるが、エンジン始動時など排気ガス温が低温である場合には前述のセラミックヒータ３で強制的に加熱することで活性化される。セラミックヒータ３は、例えばアルミナを主とするセラミック棒の先端部に、例えば蛇行状に形成された発熱部４が設けられたものである。この発熱部４は、ヒータ端子金具４３に接続されるヒータ用のリード線２２を経て通電されることにより、酸素検出素子２の先端部（検出部２ａ）を所定の活性化温度以上に加熱する役割を果たす。

まず、ケーシング１０に関して説明する。金属製のケーシング１０の内側には、絶縁性セラミックから形成されたインシュレータ６，７、並びにタルクから形成され、インシュレータ６、７に挟まれたセラミック粉末であるシール層８が設けられている。酸素検出素子２はケーシング１０と電気的に絶縁された状態で、ケーシング１０を軸線方向に貫通している。ケーシング１０の外側は、酸素センサ１を排気管等の取付部に取り付けるためのねじ部１１を有する。そして、ケーシング１０の後端側には自身の内部とケーシング１０の内部とが連通するように内筒５０が接続されており、内筒５０はインシュレータ６ケーシング１０との間にパッキン１５を介して加締められている。また、ケーシング１０の先端側には酸素検出素子２の先端側に形成された検出部２ａを所定の空間を隔てて覆うようにキャップ状のプロテクタ１００が接続されている。プロテクタ１００には、排気ガスを透過させる複数のガス透過口１０１が形成されている。これにより排気ガス中の酸素が酸素検出素子２の先端側表面に接触可能となっている。

次に、ケーシング１０の後端側に設けられる内筒５０に関して説明する。内筒５０の内部には、上述した内側端子金具２３、外側端子金具３３、及びヒータ端子金具４３並びにリード線２０，２１，２２を自身の内側に挿通させて保持するセラミックセパレータ１８が配置されている。セラミックセパレータ１８の後端又は後端寄り部位には、径方向に突出するフランジ部１８ａが設けられており、後述するグロメット１７と内筒５０とで軸線方向に挟持されている。そして、内筒５０及びセラミックセパレータ１８の後端を径方向から覆うように外筒６０が配置されている。外筒６０の先端側開口部は内筒５０に外挿されており、後端側開口部にはグロメット１７が内挿されている。グロメット１７はリード線２０，２１，２２を軸線方向に挿通させて保持している。外筒６０の先端側開口部は径方向内側に向けて加締められることで、内筒５０に固定されている。

次に、発明の要点であるフィルタ７０及び内筒５０と外筒６０とに設けられた導入孔について説明する。内筒５０の後端又は後端寄り部位の径方向外側にはフィルタ７０が配置されており、フィルタ７０は内筒５０と、外筒６０とで径方向に挟持されている。なおフィルタ７０を挟持するために、外筒６０は、フィルタ７０の先端部又は先端寄り部位に対応する位置のフィルタ用先端加締部６１と、フィルタ７０の先端部又は先端寄り部位に対応する位置のフィルタ用後端加締部６２とにおいて、径方向内側に向けて加締められている。そのため、フィルタ７０は、内筒５０と外筒６０との間で振動などによりずれることが防止されている。なお、ここで対応する位置とは、フィルタ用先端加締部６１及びフィルタ用後端加締部６２の径方向内側には、フィルタ７０が存在する事を意味する。

なお、フィルタ７０は液体の通過は阻止しつつも気体の通過は阻止することが可能な通気フィルタである。具体的には、本実施例のフィルタ７０としては、ポリテトラフルオロエチレン（PTFE）の多孔質構造体（商品名：例えばゴアテックス（ジャパンゴアテックス(株)））が使用されている。

また、フィルタの後端側には、ゴム製（例えばフッ素ゴムやシリコンゴム）の遮水部１９が配置されている。該遮水部１９の先端側はフィルタ用後端加締部６２により圧縮されている。これにより、仮にグロメット１７と外筒６０の後端との間から水等の異物が侵入してきても、フィルタ７０へと到達することを防いでいる。

そして、外筒６１には、フィルタ用先端加締部６１とフィルタ用後端加締部６２との間である外側導入孔形成部６３に外側導入孔６５が形成されている。また、内筒５０には、外側導入孔形成部６３に対応する位置に、内側導入孔５５が形成されている。なお、ここで対応する位置とは、外側導入孔形成部６３の径方向内側に、内側導入孔５５が存在する事を意味する。

そのため、ガスセンサ周囲の大気が、外側導入孔６５、フィルタ７０、内側導入孔５５を介して内筒５０及びケーシング１０の内部に導入され、その結果酸素検出素子２の内側へと到達する。なお、図面上は内側導入穴５５とセラミックセパレータ１８との間に隙間は無いが、実際は微細な隙間が存在しており、大気はこの隙間を通ってケーシング１０の内部へと到達する。また、セラミックセパレータ１８の側面に通気用の溝を設けて大気を導入させるようにしても良い。

次に、内側導入孔５５及び外側導入孔６５の配置を、図２、図３、及び図４を用いて説明する。図２は、図１のＡ−Ａ´線における内筒５０、外筒６０、及びフィルタ７０の断面図を表す。図３は、外筒６０を径方向（図２のＢ方向）から見たときの正面図、図４は、内筒５０を径方向（図２のＣ方向）から見たときの正面図（外筒６０及びフィルタ７０が存在しない状態の酸素センサ１を、径方向から観察した図）である。なお、外筒６０に対応する位置を、点線により表し、本来外側導入孔６５がある点も表現した。

図２、図３、及び図４に示すように、本実施例では、内側導入孔５５は、均一な導入孔が１個ずつ、４方向に形成されており、計４個設けられている。外側導入孔６５は、均一な導入孔が２９個ずつ、４方向に形成されており、計１１６個設けられている。内側導入孔５５及び外側導入孔６５の直径は、それぞれ１．６ｍｍ、０．３ｍｍであるので、内側導入孔５５の断面積の合計は、約８．０４ｍｍ^２、外側導入孔６５の断面積の合計は、約８．２０ｍｍ^２となる。

上記したように、外側導入孔６５の直径は小さくしつつも、内側導入孔５５の断面積の合計よりも外側導入孔６５の断面積の合計を大きくしているため、内筒５０の内部空間における基準ガスが大気と交換される際に、通気量は内側導入孔５５を通過する大気の通過量で調整されることになるため、酸素センサ１の測定精度の低下を抑制する事ができる。

また、自動車等の車両に取付けられるガスセンサの使用環境において、０．４ｍｍ以下の小石等の飛散物が車両走行時に跳ね上げられても、撥水性フィルタが破損する事は少ないが、０．４ｍｍを超える小石等の飛散物が車両走行時に跳ね上げられた場合には、撥水性フィルタは破損しやすい。そのため、本実施例の酸素センサ１においては、外部にフィルタ７０を露出させる外側導入孔６５の直径を０．４ｍｍ以下とすることで、小石等の飛散物が跳ね上げられたとしても、フィルタ７０の破損を抑制することが可能となっている。

また、図２に示すように、内側導入孔５５及び外側導入孔６５は、周方向にずらして配置されている。このため、仮に外側導入孔６５から露出した部位のフィルタ７０が破損し、破損した箇所から水滴等が侵入したとしても、フィルタ７０が破損した部位と、内側導入孔５５とは面していないため、内側導入孔５５まで水滴が到達しにくく、水滴が内側導入孔５５より内筒５０の内部空間に侵入することを抑制できる。

なお、内側導入孔５５と外側導入孔６５との距離が、外側導入孔の直径以上、周方向（又は軸線方向）に離して配置されていることが好ましい。これにより、内側導入孔５５に面した部位のフィルタ７０をより効果的に保護することが出来る。

また、フィルタ７０は周方向に切れ目無く存在しているため、仮に酸素センサ１へと外部から衝撃が加わり外筒６０が変形することで、内筒５０と外筒６０とによるフィルタの挟持力が低下し、フィルタ７０が周方向に回転又は移動可能となっても、常に内側導入孔５５及び外側導入孔６５に面した位置にフィルタ７０が存在するため、ケーシング１０の内部に水等の異物（大気以外の物質）が浸入することをより効果的に防ぐ事が可能となっている。

［他の実施形態］
（１）上記の実施形態では、有底筒状の酸素検出素子２を備える酸素センサ１を例に挙げて説明したが、これに限定されることは無く、ガスセンサの使用に際して基準ガス（大気）を利用するガスセンサであれば適用できる。例えば、板型の検出素子を備える酸素センサやＮＯｘセンサ等に、本発明を適用する事が出来る。

（２）また、上記の実施形態では、内側導入孔５５及び外側導入孔６５の数が、それぞれ４個、１１６個であって、且つ直径がそれぞれ１．６ｍｍ、０．３ｍｍである例で説明したが、これに限られるものではなく、「内側導入孔の直径よりも前記外側導入孔の直径のほうが小さく、前記内側導入孔の断面積の合計が前記外側導入孔の断面積の合計よりも小さい」という関係を満たせば、導入孔の数及び直径は適宜変更する事が可能である。例えば、直径３．２ｍｍの内側導入孔１つと、直径０．１５ｍｍの外側導入孔６５を４６４個形成しても良い。

但し、外側導入孔６５の直径が０．０５ｍｍ未満となると、ガスセンサ１を自動車等の車両に取付けて利用した場合には、車両の跳ね上げた泥水等がガスセンサ１にかかり、泥水等が外側導入孔６５に付着した時に目詰まりを生じることがある。その結果、外側導入孔６５の通気を阻害し、ケーシング内部の基準ガスを速やかに交換できなくなる虞がある。そのため、外側導入孔の直径は０．０５ｍｍ以上とすることが好ましい。

（３）また、上記の実施形態では、酸素センサ１を径方向から見たときに内側導入孔５５と外側導入孔６５とが重ならないよう配置するため、内側導入孔５５と外側導入孔６５とを周方向にずらして配置しているが、これは、図５に示すように、軸線方向にずらして配置しても問題無い。なお図５は、内筒５０を径方向外側から見たときの正面図である。図中の１５個形成された孔は、外筒６０に形成された外側導入孔６５に対応する孔の位置である。また、軸線方向にずらしつつ、且つ周方向にずらして配置することで、より一層水滴等の異物（大気以外の物質）がケーシング１０の内部に侵入する事を効果的に防ぐ事が可能となる。

（４）また、上記の実施形態のように、フィルタ７０が内筒５０を径方向から取り囲むように筒状に設けられていることが好ましいが、図６に示すように、外側導入孔６５に面した部位にのみフィルタ７０を配置しても良い。なおこの際には、外筒６０のフィルタ７０に対応する位置を径方向内側に加締めて、フィルタ７０が周方向にずれることの無い様に固定する事が好ましい。

１…酸素センサ
２…酸素検出素子
３…ヒータ
４…発熱部
６、７…インシュレータ
８…シール層
１０…ケーシング
１５…パッキン
１７…グロメット
１８…セラミックセパレータ
２０、２１、２２…リード線
２３…内側端子金具
３３…外側端子金具
４３…ヒータ端子金具
５０…内筒
５５…内側導入孔
６０…外筒
６１…フィルタ用先端加締部
６２…フィルタ用後端加締部
６３…外側導入孔形成部
６５…外側導入孔
７０…フィルタ
１００…プロテクタ
１０１…ガス透過口

Claims

軸線方向に延び、自身の先端側に被測定ガスにさらされる検出部を有するセンサ素子と、
前記センサ素子が挿入される筒状のケーシングと、
前記ケーシングの後方側に配置され、内部空間が該ケーシングと連通し、かつ外気を自身の内部空間に導入する為の内側導入孔が自身の壁部に１ないし複数形成された筒状の内筒と、
前記内筒の径方向外側に配置され、液体の通過は阻止し気体の通過は許容するフィルタと、
該フィルタの径方向外側に配置され、当該フィルタを前記内筒と自身との間に保持すると共に、前記フィルタを介して前記内筒の内部空間に外気を導入する為の外側導入孔が、フィルタ表面上の自身の壁部に複数形成された外筒と、
を有するガスセンサにおいて、
前記内側導入孔の直径よりも前記外側導入孔の直径のほうが小さく、且つ前記内側導入孔の断面積の合計が前記外側導入孔の断面積の合計よりも小さいことを特徴とするガスセンサ。
前記ガスセンサを径方向外側から見たときに、外側導入孔が見えることを特徴とする請求項１に記載のガスセンサ。
前記外側導入孔の直径は０．４ｍｍ以下であることを特徴とする、請求項１又は２に記載のガスセンサ。
前記フィルタは、前記内筒を径方向から取り囲むよう筒状に設けられていることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載のガスセンサ。
前記ガスセンサを径方向外側から見たときに、前記内側導入孔と前記外側導入孔とが重ならない位置に設けられていることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載のガスセンサ。