JP5214648B2 - ガスセンサ - Google Patents

Description

本発明は、検出対象ガス中の酸素の濃度を検出する検出素子を備えたガスセンサに関する。

自動車などの内燃機関から排出される排気ガス中の酸素濃度を検出する検出素子を備えたガスセンサが知られている。検出素子としては、軸線方向の先端側が閉じた筒状の固体電解質体を、内周側と外周側とから一対の電極で挟み、検出部を形成したものが知られている。

このようなガスセンサにおいて、検出素子の内周側の電極（基準電極）から出力を取り出すための接続端子（内側端子）は、先端部が筒状に形成されている。そして、内側端子の先端部は、検出素子の後端の開口から検出素子内に挿入され、内部電極と圧接して電気的な接続を確保している。内側端子の後端部は、先端部の後端から後方へ向けて棒状に延びており、外部回路に繋がるリード線と電気的に接続されている。また、ガスセンサ内には、検出素子の外周側の電極用の接続端子や、検出素子内に挿入されるヒータ用の接続端子も配置されている。そして、これらの接続端子同士の接触による短絡を防止するため、検出素子よりも軸線方向の後方側には、絶縁セラミックからなる筒状に形成され、各接続端子を離した状態に配置するセパレータが設けられる。セパレータは、検出素子の後端側を周方向に取り巻く外筒や、外筒の後端を塞ぐグロメット、あるいは外筒に固定された保持金具などにより、軸線方向に対してずれを生じないよう、位置決めされている（例えば、特許文献１参照。）。

ところで、ガスセンサの製造工数や部品点数の削減を図るには、例えば、セパレータの保持金具（特許文献１では、絶縁碍子の鍔部分の先端側に配置された環状の金具）を廃止することが考えられる。このようにした場合、特許文献１においては、セパレータは、鍔部分が外筒（大気側カバー）に当たって軸線方向の後方へは動かないものの、軸線方向先端側へは移動できるようになる。そこで、検出素子内に圧接されることによって位置決めされた内側端子の後端に、セパレータの先端面を突き当てるように設計すれば、セパレータの軸線方向先端側への移動を内側端子で規制できる。その上、セパレータと内側端子との間に間隙を設ける必要が無くなり、ガスセンサの軸線方向の長さを短くすることもできる。

特開２００１−３０５０９８号公報

しかしながら、上記のように設計したガスセンサを車両に取り付け、車両を駆動させた場合、エンジン等の振動の影響を受けると、セパレータが内側端子を検出素子内へさらに押し込んでしまう場合がある。すると、セパレータを軸線方向に位置決めできなくなり、セパレータががたつくおそれがあった。

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、製造工数や部品点数を削減しつつ、セパレータのがたつきを防止することができるガスセンサを提供することを目的とする。

本発明の第１態様によれば、軸線方向に延び、先端が閉じた筒状をなす検出素子と、前記検出素子の周囲を取り囲み、前記検出素子を保持する主体金具と、前記検出素子の筒穴内に挿入され、前記検出素子の内周面上に形成された電極と電気的に接続する筒状の先端部と、該先端部に接続し、後端側に向かって延びる棒状の後端部と、を有する端子金具と、前記端子金具の前記後端部を取り囲む筒状をなし、外周に突出する鍔部を有すると共に、自身の先端面が前記端子金具の前記先端部に当接するセパレータと、筒状をなし、前記セパレータの周囲を取り囲み、前記セパレータの前記鍔部の後端面が当接する係合部を有する外筒と、を備えたガスセンサにおいて、前記端子金具の先端部は、前記検出素子の前記内周面に対して圧接される圧接部と、該圧接部よりも後端側に配置され、前記検出素子に設けられた後端向き面に当接する規制部と、を備えたガスセンサが提供される。

セパレータは、鍔部の後端面が外筒の係合部に当接するので、軸線方向の後方への移動を規制することができる。他方、セパレータの先端面が端子金具の先端部に当接することで、セパレータが、端子金具を先端側に向かって押し込まれる虞があるが、その端子金具に、検出素子の後端向き面に当接する規制部を備える。このため、規制部よりも先端側に設けられた圧接部が、検出素子内へさらに押し込まれてしまうことがなく、セパレータの軸線方向の先端側への移動も規制することができる。したがって、ガスセンサが外部から振動等による応力を受けても、セパレータががたつくことがない。また、別部材を設けてセパレータの軸線方向先端側への移動規制を行う場合があるが、端子金具がその部材を兼ねることができるので、製造過程において別部材を取り付ける工程を省くことができ、部品点数も減らすことができる。さらに、セパレータと端子金具との間に間隙を設けなくともよいので、ガスセンサの軸線方向の長さを短くでき、小型化を図ることができる。

第１態様において、前記規制部は、前記軸線方向に対する周方向において、少なくとも３カ所以上に形成されていてもよい。また、第１態様において、前記規制部は、前記軸線方向に対する周方向において、連続して形成されていてもよい。このようにすれば、検出素子の軸に対し、端子金具の先端部が軸ずれすることを抑制することができる。これにより、端子金具の先端部とセパレータの先端面との当接状態を維持することができ、ひいては端子金具の先端部と外筒の係合部との間でセパレータの移動を確実に規制し、セパレータのがたつきを防止することができる。

ガスセンサ１の縦断面図である。 図１の矢印Ａ方向から検出素子６の後端部６６付近を拡大してみたガスセンサ１の部分断面図である。 変形例としての内側端子１０２を示す、ガスセンサ１０１の部分断面図である。 変形例としての内側端子２０２を示す、ガスセンサ２０１の部分断面図である。

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、ガスセンサ１を例に、その構造について、図１、図２を参照して説明する。なお、図１に示すガスセンサ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、ガスセンサ１の軸線Ｏ方向において、排気管内に挿入される検出素子６の先端に向かう側（閉じた側であり図中下側）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。

図１に示すガスセンサ１は、排気管内を流通する排気ガス中の酸素の濃度を検出するためのセンサであり、細長で先端が閉じた筒状の検出素子６を、主体金具５で取り囲んで保持した構造を有する。ガスセンサ１からは、検出素子６の出力する信号を取り出すための２本のリード線１８が引き出されている。また、検出素子６内に挿入されるヒータ７へ通電するための２本のリード線（図示外）も、ガスセンサ１から引き出されている。各リード線１８は、ガスセンサ１とは離れた位置に設けられる図示外のセンサ制御装置や自動車の電子制御装置（ＥＣＵ）に、電気的に接続されている。

ガスセンサ１の検出素子６は、ジルコニアを主成分とする固体電解質体６１を、軸線Ｏ方向に延び、先端が閉じた筒状に形成し、内周側に基準電極６２を設け、外周側に検出電極６３を設けたものである。基準電極６２はＰｔまたはＰｔ合金からなり、固体電解質体６１の内面のほぼ全面を覆うように多孔質状に形成されている。検出電極６３も同様にＰｔまたはＰｔ合金からなり、固体電解質体６１の外面に多孔質状に形成されている。これにより、検出素子６の先端側（閉じた側）が検出部６４として機能し、この検出部６４を、排気管（図示外）内を流通する排気ガス中に晒すことで、ガス濃度検出を行う。図示しないが、検出電極６３は耐熱性セラミックスよりなる多孔質状の電極保護層により被覆されており、排気ガスによる被毒から保護されている。また、検出素子６の軸線Ｏ方向の略中間位置には、径方向外側に向かって突出する鍔状のフランジ部６５が設けられている。そして、検出素子６の筒穴６９内には、固体電解質体６１を加熱して活性化させるための棒状のヒータ７が挿入されている。

検出素子６は、自身の径方向周囲を筒状の主体金具５に取り囲まれた状態で、主体金具５の筒孔５５内に保持されている。主体金具５はＳＵＳ４３０等のステンレス鋼からなる筒状の部材であり、先端側に、排気管の取付部（図示外）に螺合する雄ねじ部５２が形成されている。雄ねじ部５２よりも先端側には、その外周に、後述するプロテクタ４をはめ込み取り付ける先端取付部５６が形成されている。検出素子６の検出部６４は、先端取付部５６よりも先端側に突出されている。

主体金具５の雄ねじ部５２の後端側には径方向に拡径された工具係合部５３が形成されており、ガスセンサ１を排気管の取付部（図示外）に取り付ける際に使用される取り付け工具が係合される。この工具係合部５３と雄ねじ部５２との間の部位には、排気管の取付部を介したガス抜けを防止するための環状のガスケット１１が嵌挿されている。そして主体金具５の後端側には、筒孔５５内で保持する検出素子６を加締め固定するための加締部５７が設けられている。検出素子６の後端部６６は、この加締部５７よりも後端側に突出されている。また、工具係合部５３と加締部５７との間には、その外周に、後述する外筒３の先端部３１が係合される後端係合部５８が形成されている。

次に、主体金具５の筒孔５５内の先端側には、その内周を径方向内側に向けて突出させた段部５９が設けられており、この段部５９に、金属製のパッキン１２を介し、アルミナからなる筒状の支持部材１３が係止されている。支持部材１３の内周も段状に形成されており、その段状の部位に配置される金属製のパッキン１４を介し、検出素子６のフランジ部６５が支持部材１３により支持されている。さらに筒孔５５内には、支持部材１３の後端側に滑石粉末からなる充填部材１５が充填され、その充填部材１５を支持部材１３との間で挟むように、充填部材１５の後端側にアルミナ製で筒状のスリーブ１６が配置されている。

スリーブ１６の後端側には環状のリング１７が配置されており、主体金具５の加締部５７を内側先端方向に加締めることで、リング１７を介し、スリーブ１６が充填部材１５に対して押しつけられている。この加締部５７の加締めを通じ、充填部材１５が、主体金具５の段部５９に係止された支持部材１３に向けて検出素子６のフランジ部６５を押圧するよう主体金具５の筒孔５５内に圧縮充填されるとともに、筒孔５５の内周面と検出素子６の外周面との間の間隙が気密に埋められている。このように、検出素子６は、主体金具５の加締部５７と段部５９との間において挟持された各部材を介し、主体金具５の筒孔５５内で保持されている。

また、上記したように、検出素子６の検出部６４は、主体金具５の先端取付部５６から軸線Ｏ方向の先端側に向け突出されており、先端取付部５６に溶接によって組みつけられたプロテクタ４によって覆われている。プロテクタ４は、ガスセンサ１が排気管に取り付けられた際に排気管内に突き出される検出素子６の検出部６４を、排気ガス中に含まれる水滴や異物等の衝突から保護するものである。プロテクタ４は、有底筒状に形成され、開放された側の周縁部が先端取付部５６に接合される外側プロテクタ４１と、その外側プロテクタ４１の内部に固定される有底筒状の内側プロテクタ４５とからなる２重構造を有する。外側プロテクタ４１および内側プロテクタ４５の外周面には、内部に排気ガスを導入し、検出素子６の検出部６４へと導く導入口４２が、それぞれ開口されている（なお内側プロテクタ４５のガス導入口は図示せず）。また、外側プロテクタ４１および内側プロテクタ４５の底面には、内部に入り込んだ水滴や排気ガスを排出するための排出口４３，４８が、それぞれ開口されている。

次に、主体金具５の後端側には、ＳＵＳ３０４等のステンレス鋼からなる筒状の外筒３が組み付けられている。外筒３は、ステンレス鋼を軸線Ｏ方向に沿って延びる筒状に形成し、さらに略中央より先端側（図１において下側）を、後端側よりも大径に形成したものである。外筒３の先端部３１は、主体金具５の後端係合部５８にはめ込まれ、外周側から後端係合部５８に加締められている。さらに、先端部３１の外周を一周して、レーザ溶接が施されている。外筒３は、軸線Ｏ方向に沿って後端側へ向けて延びており、検出素子６の後端部６６や、それよりも後端側に配置されるセパレータ８およびグロメット９（後述）の外周を、径方向に取り囲んでいる。

外筒３に取り囲まれた検出素子６の後端部６６には、外周側に、検出電極６３との電気的な接続を行う外側端子７５の先端部７６がはめ込まれている。同様に、検出素子６の後端部６６の内周側には、基準電極６２との電気的な接続を行う内側端子２の先端部２１が挿入されている。なお、内側端子２の詳細については後述する。また、検出素子６の筒穴６９内には、固体電解質体６１を加熱して活性化させる棒状のヒータ７が挿入されている。内側端子２の先端部２１は、検出素子６とヒータ７との間に挟まれる位置に配置される。ヒータ７の後端には、ヒータ７に通電する一対の電極端子７１（図１では一方の電極端子７１のみを示す）が設けられている。そして内側端子２の後端部２５、外側端子７５の後端部７７および電極端子７１には、それぞれ、上記したリード線１８の芯線が、加締め接合されている。なお、内側端子２が、本発明における「端子金具」に相当する。

検出素子６の後端部６６よりも軸線Ｏ方向の後端側には、絶縁性セラミックスからなる筒状のセパレータ８が配置されている。セパレータ８は絶縁性セラミックスを筒状に形成したものであり、上記の内側端子２の後端部２５、外側端子７５の後端部７７、２つの電極端子７１が互いに接触しないよう分離するため、それらを独立に収容する収容部８２を有する。各収容部８２はセパレータ８を軸線Ｏ方向に貫通しており、セパレータ８を挟んで先端側と後端側との間で大気連通が可能となるように構成されている。内側端子２の後端部２５、外側端子７５の後端部７７、２つの電極端子７１にそれぞれ接続された４本のリード線１８は、後述するグロメット９の挿通孔９２を介してガスセンサ１の外部に引き出されている。また、セパレータ８の外周面には径方向外側に突出するフランジ部８１が設けられている。フランジ部８１の配置位置の後端に相当する外筒３の外周面には、周方向の３カ所以上において凹みが設けられており、この凹みによって、外筒３内において内向きに突出する係合部３２が形成されている。セパレータ８は、フランジ部８１の後端向きの面が係合部３２に当接し、軸線Ｏ方向後方への移動が規制されている。

また、セパレータ８の後端側にはフッ素系ゴムからなるグロメット９が配置されている。グロメット９は、外筒３の後端側の開口３３に嵌められて、開口３３付近の外周が加締められることにより、外筒３に保持されている。グロメット９には、外筒３内に大気を導入するための連通孔９１が、軸線Ｏ方向に貫通して形成されている。ガスセンサ１では、この連通孔９１およびセパレータ８の収容部８２を介し、外筒３内に大気を導入し、検出素子６の筒穴６９内に形成された基準電極６２が大気に晒されるように構成されている。連通孔９１内には、例えばＰＴＦＥ（ポリテトラフルオロエチレン）等のフッ素樹脂から形成された薄膜状のフィルタ部材８７およびその留め金具８８が挿入されており、水滴等の進入が防止されている。また、グロメット９には、上記した４本のリード線１８を挿通するための４つの挿通孔９２も、それぞれ独立に形成されている（図１ではそのうちの２つの挿通孔９２を示す）。

次に、内側端子２について説明する。内側端子２は、筒状に形成された先端部２１と、先端部２１から後方へ向け棒状に延びる後端部２５とからなる。また、図２に示すように、先端部２１は切れ目を有し、径方向に弾性的に撓むことができる。また、先端部２１の後端には、縁部分に断続的な切り欠きを設け、径方向外向きに広げた鍔部２３が形成されている。そして、内側端子２の先端部２１のうち先端側に設けられた圧接部２４は、検出素子６の後端側の筒穴６９内に圧入され、付勢力によって基準電極６２との電気的な接続を確保するとともに、検出素子６内に圧接している。また、内側端子２の先端部２１のうち、圧接部２４よりも後端側の側面には、矩形の切り欠きを軸線Ｏ方向の先端側に向かうにつれて径方向外向きに広げた形態の規制部２２が設けられている。規制部２２は、本実施の形態では先端部２１の周方向に２カ所設けられている。

本実施の形態では、検出素子６の後端側に、軸線Ｏ方向後端側に向かって拡径するテーパ形状の後端向き面６７が形成されており、内側端子２の規制部２２が、後端向き面６７に当接している。これにより、内側端子２の先端部２１（特に、圧接部２４）が軸線Ｏ方向先端側への押圧力を受けても、検出素子６の筒穴６９内に、さらに、押し込まれることがない。また、先端部２１の後端の鍔部２３は、セパレータ８の先端面８３（収容部８２の開口が形成されていない部分）に当接しており、セパレータ８の軸線Ｏ方向前方への移動が規制されている。セパレータ８は、前述したように、フランジ部８１が外筒３の係合部３２に当接し、軸線Ｏ方向後方への移動が規制されている。そして、係合部３２を有する外筒３が、検出素子６を保持する主体金具５に対し、先端部３１において接合されている。つまり、検出素子６の後端向き面６７と、外筒３の係合部３２との位置関係が、互いに固定されている。これにより、セパレータ８と内側端子２とは、係合部３２と後端向き面６７との間にて位置決めされ、軸線Ｏ方向に移動することがないので、がたつかない。

以上説明したように、本実施の形態では、セパレータ８は、フランジ部８１の後端向き面が外筒３の係合部３２に当接するので、軸線Ｏ方向の後方への移動を規制することができる。また、セパレータ８の先端面８３が内側端子２の先端部２１（その後端に設けた鍔部２３）に当接することで、セパレータ８が、内側端子２の先端部２１を先端側へ向かって押し込まれる虞があるが、その内側端子２に、検出素子６の後端向き面６７に当接する規制部２２を備える。このため、規制部２２よりも先端側に設けられた圧接部２４が、検出素子６内へさらに押し込まれてしまうことがなく、セパレータ８の軸線Ｏ方向先端側への移動も規制することができる。したがって、ガスセンサ１が外部から振動等による応力を受けても、セパレータ８ががたつくことがない。また、別部材を設けてセパレータ８の軸線Ｏ方向先端側への移動規制を行う場合があるが、本実施の形態では内側端子２がその部材を兼ねることができるので、製造過程において別部材を取り付ける工程を省くことができ、部品点数も減らすことができる。さらに、セパレータ８と内側端子２との間に間隙を設けなくともよいので、ガスセンサ１の軸線Ｏ方向の長さを短くでき、小型化を図ることができる。

なお、本実施の形態は、各種変更が可能である。例えば、内側端子２の規制部２２は、本実施の形態では切り欠きにより形成したが、先端部２１の壁面を内側から外向きに押し込んで凸部状に形成してもよい。

また、図３に示す、ガスセンサ１０１のように、内側端子１０２の先端部１２１に形成する規制部１２２が、検出素子６の後端面６８に当接するようにしてもよい。規制部１２２が検出素子６の後端面６８に当接する構造であれば、規制部１２２自身についても検出素子６の筒穴６９内に入り込みにくい。また、規制部１２２の先端側に設けられた圧接部１２４が検出素子６の筒穴６９内に押し込まれることを防止する上での確実性を高めることができる。また、検出素子６の後端向き面６７がテーパ状に形成されていないものに対しても有効に使用することができる。

また、図３に示す、内側端子１０２は、規制部１２２を先端部１２１の周方向に３カ所設けた例でもある。規制部１２２を周方向に３カ所以上設ければ、検出素子６の軸に対し、先端部１２１が軸ずれすることを抑制することができる。これにより、先端部１２１の鍔部１２３もセパレータ８の先端面８３との当接状態を維持することができ、ひいては内側端子１０２の先端部１２１と外筒３の係合部３２との間でセパレータ８の移動を確実に規制し、セパレータ８のがたつきを防止することができる。

また、図４に示す、ガスセンサ２０１のように、内側端子２０２の先端部２２１に、後端側において拡径した規制部２２２を有し、この規制部２２２が検出素子６の後端向き面６７に当接する構造としてもよい。これにおいても、規制部２２２の先端側に設けられた圧接部２２４が検出素子６の筒穴６９内に押し込まれることを確実に防止でき、さらに、検出素子６の軸に対して先端部２２１の軸をずれにくくすることができる。

１ ガスセンサ
２ 内側端子
３ 外筒
５ 主体金具
６ 検出素子
８ セパレータ
２１ 先端部
２２，１２２，２２２ 規制部
２４，１２４，２２４ 圧接部
２５ 後端部
３２ 係合部
６２ 基準電極
６７ 後端向き面
８１ フランジ部
８３ 先端面

Claims (3)

1. 軸線方向に延び、先端が閉じた筒状をなす検出素子と、
   前記検出素子の周囲を取り囲み、前記検出素子を保持する主体金具と、
   前記検出素子の筒穴内に挿入され、前記検出素子の内周面上に形成された電極と電気的に接続する筒状の先端部と、該先端部に接続し、後端側に向かって延びる棒状の後端部と、を有する端子金具と、
   前記端子金具の前記後端部を取り囲む筒状をなし、外周に突出する鍔部を有すると共に、自身の先端面が前記端子金具の前記先端部に当接するセパレータと、
   筒状をなし、前記セパレータの周囲を取り囲み、前記セパレータの前記鍔部の後端面が当接する係合部を有する外筒と、
   を備えたガスセンサにおいて、
   前記端子金具の先端部は、前記検出素子の前記内周面に対して圧接される圧接部と、該圧接部よりも後端側に配置され、前記検出素子に設けられた後端向き面に当接する規制部と、を備えたことを特徴とするガスセンサ。
2. 前記規制部は、前記軸線方向に対する周方向において、少なくとも３カ所以上に形成されていることを特徴とする請求項１に記載のガスセンサ。
3. 前記規制部は、前記軸線方向に対する周方向において、連続して形成されていることを特徴とする請求項１に記載のガスセンサ。

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