JP5310752B2 - ガスセンサ - Google Patents

Description

本発明は、被測定ガス中の特定ガス濃度を検出するガスセンサに関する。

従来から、自動車の内燃機関等の排気系には、排ガス中の酸素等の特定ガス濃度を検出するガスセンサが設けられている。
ガスセンサとしては、例えば、被測定ガス中の特定ガス濃度を検出するガスセンサ素子と、該ガスセンサ素子を内側に挿通保持するハウジングと、該ハウジングの基端側に配設された筒状の基端側カバーと、該基端側カバーの基端部を封止するシール部材とを有するものがある。

例えば、特許文献１には、シール部材（弾性絶縁部材）の通気孔（大気導入口）内に硬質のフィルタ部材（撥水性フィルタ）が挿入配置されたガスセンサが開示されている。
また、特許文献２には、シール部材の通気孔（貫通孔）内に通気性及び撥水性を有する柱状のフィルタ部材（フィルタ部）が嵌挿され、さらに通気孔とフィルタ部材との間にシール部材よりも変形しにくい筒状挿入部材が配置されたガスセンサが開示されている。

特許第３６２４５２６号公報 特開２００７−１５５４１４号公報

しかしながら、上記特許文献１に開示されたガスセンサは、シール部材が基端側カバー（保護カバー）によって径方向内方にかしめ固定されており、シール部材のかしめ固定部分が径方向内方に圧縮された状態となる。そのため、シール部材の内側に挿入配置されたフィルタ部材がシール部材から応力を受け、フィルタ部材に変形が生じることがある。これにより、フィルタ部材の通気性が低下し、ガスセンサの検出精度の低下を招く。

また、上記特許文献２に開示されたガスセンサは、シール部材のかしめ固定によるフィルタ部材の変形を防止するため、両者の間に筒状挿入部材を配置している。しかしながら、筒状挿入部材とフィルタ部材とは接着層を介して接着されているため、その接着部分における耐熱性を十分に確保することができないおそれがある。また、筒状挿入部材を配置することにより、部品点数が増加し、コストが高くなるという問題も生じる。

本発明は、かかる問題点に鑑みてなされたもので、構造の簡素化を図ると共に、フィルタ部材の変形を抑制することができるガスセンサを提供しようとするものである。

本発明は、被測定ガス中の特定ガス濃度を検出するガスセンサ素子と、該ガスセンサ素子を内側に挿通保持するハウジングと、該ハウジングの基端側に配設された筒状の基端側カバーと、該基端側カバーの基端部を封止するシール部材とを有するガスセンサにおいて、
上記シール部材には、軸方向に貫通してなる通気孔が設けられており、
上記シール部材の上記通気孔内には、通気性及び防水性を有する柱状のフィルタ部材が挿入保持されており、
該フィルタ部材は、多孔質の中心部と、該中心部よりも気孔率が小さい緻密な外周部と、上記中心部と上記外周部との間に設けられ、上記中心部と上記外周部との間の気孔率であり、上記中心部の側から上記外周部の側へ気孔率が徐々に小さくなっている中間部とを有し、
かつ、上記フィルタ部材は、上記中心部、上記中間部及び上記外周部を同一の材料によって一体的に形成してなることを特徴とするガスセンサにある（請求項１）。

上記ガスセンサにおいて、上記シール部材の通気孔内に挿入保持されている上記フィルタ部材は、内側から順に中心部、中間部及び外周部を有する多層構造である。そして、シール部材に対して直接又は間接的に接触する部分であり、例えばシール部材をかしめ固定した場合にシール部材から応力を受ける外周部については、中心部よりも気孔率が小さい緻密な層としている。

これにより、フィルタ部材の外側部分（外周部）の強度を高め、シール部材からの応力に伴うフィルタ部材の変形を防止することができる。また、フィルタ部材とシール部材との間のシール性についても、この緻密な外周部によって十分に確保することができる。
一方、外周部の内側にある中心部については、多孔質な層としている。これにより、フィルタ部材の本来の機能である通気性をこの多孔質な中心部によって十分に確保することができる。

また、フィルタ部材は、中心部、中間部及び外周部を同一の材料によって一体的に形成してなる。そのため、各層間の密着性を高めることができ、フィルタ部材全体の強度を向上させることができる。
特に、気孔率の異なる中心部と外周部との間には、両者の間の気孔率を有する中間部が設けられており、その中間部は、中心部の側から外周部の側へ気孔率が徐々に小さくなっている。中間部をこのような構造とすることにより、各層間の密着性をさらに高めることができると共に、フィルタ部材全体の強度もさらに向上させることができる。

また、フィルタ部材は、上記のごとく、中心部、中間部及び外周部を同一の材料によって一体的に形成してなる。すなわち、フィルタ部材を一部品で構成するため、複数の部品を互いに組み付けて構成する場合に比べて構造の簡素化を図ることができる。これにより、部品点数の低減、コストの低減等の効果が得られる。また、一部品とすることで、部品の組み付けが容易になる等、製造面での効果も得られる。また、従来のように部品同士を接着するための接着層等が不要となるため、耐熱性を十分に確保することもできる。

このように、本発明によれば、構造の簡素化を図ると共に、フィルタ部材の変形を抑制することができるガスセンサを提供することができる。

実施例における、ガスセンサの構造を示す説明図。 実施例における、ガスセンサの基端側カバーの基端部周辺の構造を示す説明図。 実施例における、フィルタ部材を示す説明図。 実施例における、予備成形体を作製する工程を示す説明図。 実施例における、フィルタ部材を作製する工程を示す説明図。 実施例における、組付用治具にシール部材及びフィルタ部材を配置した状態を示す説明図。 実施例における、シール部材にフィルタ部材を組付ける工程を示す説明図。

上記ガスセンサは、例えば、車両用の内燃機関等の排気系に配設され、被測定ガス（排ガス）中の特定ガス濃度（酸素濃度）に依存して電極間を流れる限界電流を基に内燃機関に供給される混合気の空燃比（Ａ／Ｆ）を検出するＡ／Ｆセンサ、被測定ガス（排ガス）と基準ガス（大気）との間の特定ガス濃度（酸素濃度）比に依存して電極間に生じる起電力を基に空燃比を検出する酸素センサ等に適用される。

また、上記フィルタ部材は、内側から順に中心部、中間部及び外周部を有し、径方向に分割された他層構造となっている。具体的には、上記中心部は、柱状のフィルタ部材の軸心を含む軸心周辺に設けられたフィルタ部材の中心部分である。また、上記外周部は、フィルタ部材の外周面を有すると共にその外周面に沿って設けられたフィルタ部材の外周部分である。また、上記中間部は、中心部と外周部との間に介在して設けられたフィルタ部材の中間部分である。

また、上記中心部の気孔率は、フィルタ部材の通気性を十分に確保すると共にフィルタ部材の強度を十分に確保するため、６０〜９５％であることが好ましい。
また、上記外周部の気孔率は、フィルタ部材の外側部分（外周部）の強度を高め、シール部材からの応力に伴うフィルタ部材の変形を防止するという効果を十分に発揮するため、０〜３０％であることが好ましい。
また、上記フィルタ部材全体の気孔率としては、該フィルタ部材の通気性、防水性、強度等を十分に確保するため、３５〜５５％であることが好ましい。

なお、上記フィルタ部材及び各部の気孔率は、水中置換法によって測定した比重と気孔率が０％とした場合の比重とを比較することにより求めることができる。
また、上記フィルタ部材及び各部の気孔率の調整は、原料に含有させる造孔剤の量を調整することによって行うことができる。造孔剤としては、例えば、アクリル系有機材料等を用いることができる。

また、上記フィルタ部材は、ポリテトラフルオロエチレンからなることが好ましい（請求項２）。
この場合には、フィルタ部材の通気性及び防水性を十分に確保することができる。また、気孔率の異なる中心部、中間部及び外周部を一体的に形成してなるフィルタ部材を容易に製造することができる。

また、上記フィルタ部材は、上記基端側カバーによって上記シール部材を径方向内方にかしめることにより、該シール部材の上記通気孔の内周面に対して押圧保持されていることが好ましい（請求項３）。
この場合には、フィルタ部材の外側部分（外周部）の強度を高め、シール部材からの応力に伴うフィルタ部材の変形を防止するという効果を有効に発揮することができる。

なお、上記フィルタ部材は、上記シール部材の上記通気孔内に圧入することによって保持されていてもよい。
このような場合であっても、フィルタ部材の外側部分（外周部）の強度を高め、シール部材からの応力に伴うフィルタ部材の変形を防止するという効果を十分に得られる。

本発明の実施例にかかるガスセンサについて、図を用いて説明する。
本例のガスセンサ１は、図１〜図３に示すごとく、被測定ガス中の特定ガス濃度を検出するガスセンサ素子２と、ガスセンサ素子２を内側に挿通保持するハウジング１２と、ハウジング１２の基端側に配設された筒状の基端側カバー１４と、基端側カバー１４の基端部１４１を封止するシール部材３とを有する。
シール部材３には、軸方向に貫通してなる通気孔３１が設けられている。シール部材３の通気孔３１内には、通気性及び防水性を有する柱状のフィルタ部材４が挿入保持されている。

フィルタ部材４は、多孔質の中心部４１と、中心部４１よりも気孔率が小さい緻密な外周部４３と、中心部４１と外周部４３との間に設けられ、中心部４１と外周部４３との間の気孔率であり、中心部４１の側から外周部４３の側へ気孔率が徐々に小さくなっている中間部４２とを有する。また、フィルタ部材４は、中心部４１、中間部４２及び外周部４３を同一の材料によって一体的に形成してなる。
以下、これを詳説する。

本例において、「先端側」とは、ガスセンサ１が被測定ガスに晒される側（図１のＸ方向側）をいい、「基端側」とは、その反対側（図１のＹ方向側）をいう。
図１に示すごとく、ガスセンサ１において、ガスセンサ素子２は、保持用絶縁碍子１１の内側に挿通保持されている。また、保持用絶縁碍子１１は、ハウジング１２の内側に保持されている。

ハウジング１２の先端側には、ガスセンサ素子２の先端部２１を覆うように、内側カバー１３１及び外側カバー１３２よりなる二重構造の先端側カバー１３が固定されている。先端側カバー１３の内側カバー１３１及び外側カバー１３２には、被測定ガスを導入するガス導入孔１３３がそれぞれ設けられている。
ハウジング１２の基端側には、ガスセンサ素子２の基端部２２を覆うように、基端側カバー１４が固定されている。

同図に示すごとく、基端側カバー１４の内部において、保持用絶縁碍子１１の基端側には、接点ユニット５が設けられている。接点ユニット５は、ガスセンサ素子２の基端部２２を覆う円筒状の基端側絶縁碍子５１と、基端側絶縁碍子５１内に保持された二対の接点部材５２とを有する。接点部材５２は、ガスセンサ素子２の基端部２２に設けられた端子電極２２１に対して電気的に接続されている。

また、基端側カバー１４の内部には、接点ユニット５の基端側絶縁碍子５１の一部を覆うように、接点カバー５３が設けられている。接点カバー５３は、円筒状の筒状部５３１と、筒状部５３１の基端から内方に突出する内方突出部５３２とを有する。筒状部５３１は、基端側カバー１４に対して溶接により固定されている。また、内方突出部５３２は、基端側絶縁碍子５１を基端側から支承している。また、内方突出部５３２と基端側絶縁碍子５１との間には、皿ばね５４が配設されている。皿ばね５４は、基端側絶縁碍子５１を先端側に付勢している。

図１、図２に示すごとく、基端側カバー１４の基端部１４１の基端開口部１４２は、ゴムブッシュからなるシール部材３によって封止されている。
シール部材３には、ガスセンサ１の内部に大気を導入するための通気孔３１が設けられている。通気孔３１は、シール部材３の中央部を軸方向に貫通して形成されている。また、通気孔３１内には、円柱状のフィルタ部材４が軸方向に挿入配置されている。

図３に示すごとく、フィルタ部材４は、内側から中心部４１、中間部４２、外周部４３の順に径方向に３層構造となっている。フィルタ部材４は、これらの中心部４１、中間部４２及び外周部４３を同一の材料によって一体的に形成してなる。本例において、フィルタ部材４は、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）からなる。また、フィルタ部材４は、外径が４．５ｍｍ、高さが８．０ｍｍである。

中心部４１は、フィルタ部材４の最も内側の多孔質層であり、主に大気を導入する部分である。中心部４１の気孔率は、６０〜９５％である。また、中心部４１の外径は、３．０ｍｍである。
外周部４３は、フィルタ部材４の最も外側の緻密層である。外周部４３の気孔率は、中心部４１の気孔率よりも小さく、０〜３０％である。

中間部４２は、中心部４１と外周部４３との間の層である。中間部４２の気孔率は、中心部４１の気孔率（６０〜９５％）と外周部４３の気孔率（０〜３０％）との間の気孔率である。また、中間部４２は、中心部４１の側から外周部４３の側へ気孔率が徐々に小さくなっている。すなわち、中間部４２は、内側から外側へ行くに従って気孔率が小さくなっている。

また、図１に示すごとく、シール部材３には、通気孔３１の外側において、外部に接続される４本のリード線１５が貫通配置されている。各リード線１５は、接点ユニット５の各接点部材５２に対して電気的に接続されている。
また、図１、図２に示すごとく、シール部材３は、基端側カバー１４のかしめ部１４３により、径方向内方にかしめ固定されている。これにより、基端側カバー１４の基端部１４１をシール部材３によって封止している。また、フィルタ部材４は、シール部材３の通気孔３１の内周面３１１に対して押圧保持されている。

そして、同図に示すごとく、本例のガスセンサ１は、フィルタ部材４を介して外部から内部へと大気を導入することができるよう構成されている。
具体的には、ガスセンサ１の外部にある大気は、基端側カバー１４の基端部１４１の基端開口部１４２からシール部材３の通気孔３１内に配設されたフィルタ部材４の内部を通過して、ガスセンサ１の内部に取り込まれる。このとき、フィルタ部材４によって大気中の水分等が除去される。そして、最終的にガスセンサ素子２の内部に設けられた基準ガス空間に導入される。

次に、本例のガスセンサ１の製造方法について、図４〜図７を用いて簡単に説明する。ここでは、特に、フィルタ部材４を作製する工程、フィルタ部材４をシール部材３に組み付ける工程及びシール部材３を基端側カバー１４に組み付ける工程について説明する。
まず、図４（ａ）に示すごとく、フィルタ部材４の中間成形体（後述する図４（ｃ））を成形するための有底円筒状の成形型６１を準備する。そして、成形型６１内を中心部と外周部とに仕切るための円筒状の仕切板６２を成形型６１内に配置する。

次いで、図４（ｂ）に示すごとく、成形型６１内に配置された仕切板６２の内側に中心部用材料４１０を充填する。また、仕切板６２の外側に外周部用材料４３０を充填する。
本例において、中心部用材料４１０は、主原料であるポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）と造孔剤であるアクリル系有機材料とを含有してなる。また、造孔剤は、例えば、粒径３０μｍのものを用い、含有率を２０体積％とすることができる。また、外周部用材料４３０は、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）を含有してなる。

次いで、図４（ｃ）に示すごとく、成形型６１内から仕切板６２を鉛直上方に持ち上げ、成形型６１内から仕切板６２を取り除く。このとき、外周部用材料４３０と中心部用材料４１０との間には、両者が混在する材料（中間部用材料４２０）の領域が形成される。
その後、成形型６１の開口部６１１に配置した加圧用治具６３を用いて、成形型６１内の外周部用材料４３０、中間部用材料４２０及び中心部用材料４１０に対して予備成形を行う。これにより、中間成形体４０を得る。

次いで、図５に示すごとく、押出成形型６４内に中間成形体４０を配置し、押出成形用治具６５を用いて中間成形体４０を押出成形する。このとき、中間成形体４０を押出成形しながら約３００℃の条件で加熱・焼成を行い、中間成形体４０内に含まれる造孔剤を揮発させ、気孔を形成する。
その後、押出成形型６４から押出成形された中間成形体４０をローラ６６によって延伸させ、気孔率を調整する。これにより、図３に示すフィルタ部材４を得る。

次いで、図６に示すごとく、フィルタ部材４をシール部材３に組み付けるための組付用治具７を準備し、所定の場所にシール部材３及びフィルタ部材４を配置する。
具体的には、シール部材３は、組付用治具７のシール部材配置部７１内に配置する。このとき、シール部材３の基端側端面３０２が下方となるように配置する。また、フィルタ部材４は、シール部材３の通気孔３１の上方において、組付用治具７のフィルタ部材配置部７２内に配置する。このとき、フィルタ部材４の基端側端面４０２が下方となるように配置する。

次いで、図７（ａ）に示すごとく、棒状治具７３を組付用治具７のフィルタ部材配置部７２内に挿入し、フィルタ部材４を下方に押し出す。
そして、図７（ｂ）に示すごとく、フィルタ部材４をシール部材３の通気孔３１内に挿入する。これにより、フィルタ部材４をシール部材３に組み付ける。

次いで、図２を参照のごとく、フィルタ部材４を組み付けたシール部材３に対してリード線１５を貫通配置した後、シール部材３を基端側カバー１４の基端部１４１の基端開口部１４２に挿入配置する。そして、基端側カバー１４のかしめ部１４３において、シール部材３を径方向内方にかしめる。これにより、シール部材３が基端側カバー１４のかしめ部１４３によってかしめ固定されると共に、フィルタ部材４がシール部材３の通気孔３１の内周面３１１に対して押圧保持される。以上により、シール部材３を基端側カバー１４に組み付ける。

次に、本例のガスセンサ１における作用効果について説明する。
本例のガスセンサ１において、シール部材３の通気孔３１内に挿入保持されているフィルタ部材４は、内側から順に中心部４１、中間部４２及び外周部４３を有する多層構造である。そして、シール部材３の通気孔３１の内周面３１１に対して接触する部分であり、シール部材３をかしめ固定した場合にシール部材３から応力を受ける外周部４３については、中心部４１よりも気孔率が小さい緻密な層としている。

これにより、フィルタ部材４の外側部分（外周部４３）の強度を高め、シール部材３からの応力に伴うフィルタ部材４の変形を防止することができる。また、フィルタ部材４とシール部材３との間のシール性についても、この緻密な外周部４３によって十分に確保することができる。
一方、外周部４３の内側にある中心部４１については、多孔質な層としている。これにより、フィルタ部材４の本来の機能である通気性をこの多孔質な中心部４１によって十分に確保することができる。

また、フィルタ部材４は、中心部４１、中間部４２及び外周部４３を同一の材料によって一体的に形成してなる。そのため、各層間の密着性を高めることができ、フィルタ部材４全体の強度を向上させることができる。
特に、気孔率の異なる中心部４１と外周部４３との間には、両者の間の気孔率を有する中間部４２が設けられており、その中間部４２は、中心部４１の側から外周部４３の側へ気孔率が徐々に小さくなっている。中間部４２をこのような構造とすることにより、各層間の密着性をさらに高めることができると共に、フィルタ部材４全体の強度もさらに向上させることができる。

また、フィルタ部材４は、上記のごとく、中心部４１、中間部４２及び外周部４３を同一の材料によって一体的に形成してなる。すなわち、フィルタ部材４を一部品で構成するため、複数の部品を互いに組み付けて構成する場合に比べて構造の簡素化を図ることができる。これにより、部品点数の低減、コストの低減等の効果が得られる。また、一部品とすることで、部品の組み付けが容易になる等、製造面での効果も得られる。

また、本例では、フィルタ部材４は、ポリテトラフルオロエチレンからなる。そのため、フィルタ部材４の通気性及び防水性を十分に確保することができる。また、気孔率の異なる中心部４１、中間部４２及び外周部４３を一体的に形成してなるフィルタ部材４を容易に製造することができる。

また、フィルタ部材４は、基端側カバー１４によってシール部材３を径方向内方にかしめることにより、シール部材３の通気孔３１の内周面３１１に対して押圧保持されている。そのため、フィルタ部材４の外側部分（外周部４３）の強度を高め、シール部材３からの応力に伴うフィルタ部材４の変形を防止するという効果を有効に発揮することができる。

このように、本例によれば、構造の簡素化を図ると共に、フィルタ部材４の変形を抑制することができるガスセンサ１を提供することができる。

１ ガスセンサ
１４ 基端側カバー
１４１ 基端部
３ シール部材
３１ 通気孔
４ フィルタ部材
４１ 中心部
４２ 中間部
４３ 外周部

Claims (3)

1. 被測定ガス中の特定ガス濃度を検出するガスセンサ素子と、該ガスセンサ素子を内側に挿通保持するハウジングと、該ハウジングの基端側に配設された筒状の基端側カバーと、該基端側カバーの基端部を封止するシール部材とを有するガスセンサにおいて、
   上記シール部材には、軸方向に貫通してなる通気孔が設けられており、
   上記シール部材の上記通気孔内には、通気性及び防水性を有する柱状のフィルタ部材が挿入保持されており、
   該フィルタ部材は、多孔質の中心部と、該中心部よりも気孔率が小さい緻密な外周部と、上記中心部と上記外周部との間に設けられ、上記中心部と上記外周部との間の気孔率であり、上記中心部の側から上記外周部の側へ気孔率が徐々に小さくなっている中間部とを有し、
   かつ、上記フィルタ部材は、上記中心部、上記中間部及び上記外周部を同一の材料によって一体的に形成してなることを特徴とするガスセンサ。
2. 請求項１に記載のガスセンサにおいて、上記フィルタ部材は、ポリテトラフルオロエチレンからなることを特徴とするガスセンサ。
3. 請求項１又は２に記載のガスセンサにおいて、上記フィルタ部材は、上記基端側カバーによって上記シール部材を径方向内方にかしめることにより、該シール部材の上記通気孔の内周面に対して押圧保持されていることを特徴とするガスセンサ。

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