JP5509251B2 - ガスセンサ - Google Patents
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Description
このガスセンサにおいて、ガスセンサ素子は筒状の主体金具の内側に挿通されて保持されており、ガスセンサ素子と主体金具との間隙にはシール部材(滑石からなる粉末充填層)が介装されている。又、シール部材の後端側には、主体金具の後端を加締めることでシール部材を先端に向かって押圧する環状のセラミックスリーブ及び金属パッキンが配置され、この押圧によりシール部材が充填され、上記間隙の気密を維持するようになっている(特許文献1、2参照)。
そこで、本発明は、シール部材を介して主体金具の内側に挿通し保持されるガスセンサ素子のクラックや折損を低減すると共に、コスト低減が可能なガスセンサを提供することを目的とする。
このガスセンサによれば、金属パッキンの平坦面が、シール部材の後端向き面に直接接して該シール部材を先端に向かって押圧してなる。これにより、従来のセラミックスリーブを削減することができ、コストを低減できる。又、セラミックスリーブに比べ、金属パッキンの厚みを薄くしても金属パッキンの強度を確保することができるので、主体金具の内側に挿通し保持されるガスセンサ素子の軸線方向の長さが短くなり、金属パッキンに挿通されているガスセンサ素子が金属パッキンに干渉する干渉代を低減することができる。よって、ガスセンサ素子にクラックや折損が生じることを低減できる。
主体金具の後端側に金属パッキンを先端側に押し付ける加締め部を有するガスセンサにおいては、センサ素子との接触を考慮し、加締め部とセンサ素子との間に間隙を設けることが好ましい。しかしながら、この間隙を設けることで、加締め部により金属パッキン全体を軸線方向に覆うことができず、金属パッキンの平坦面のうち、内側端付近の平坦面に所定の押圧力を与えることが困難となる場合がある。しかしながら、このガスセンサによれば、金属パッキンが、前記加締め部と軸線方向に重なる位置において、最大厚みTを有しており、かつ金属パッキンの最大厚みTを加締め部の最大厚みtよりも厚くすることで、センサ素子との間に間隙を設けた加締め部であっても、金属パッキンの内側端付近の平坦面に所定の押圧力を与えることでき、金属パッキンの平坦面全体がシール部材を確実に押圧することができる。
なお、金属パッキンの平坦面が、径方向外側に向かうにつれて先端側に延びる形態であれば、金属パッキンの平坦面がシール部材をより強固に押圧することができる。
このように、断面が幅方向の長さが厚み方向の長さよりも長い略長方形状を有するガスセンサ素子においては、ガスセンサ素子と金属パッキンとの厚み方向のクリアランスを幅方向のクリアランスよりも小さくすることで、より金属パッキンの平坦面がシール部材をより確実に押圧することができる。
このガスセンサによれば、粉末充填層からの押圧力が最も掛かる棚部が、薄肉となるねじ部より後端側となるので、ねじ部に押圧力が掛からず、ねじ部が軸線方向に延びてガスセンサ素子と主体金具との間隙の気密が損なわれることが防止される。
又、酸素センサ素子10の対向する両表面101a、101bのうち、片面101aには上記ヒータの絶縁層が露出しており、他の面101bには酸素濃度検出セルを構成する固体電解質体が向いているが、この固体電解質体の外表面には絶縁層が被覆されている。さらに、酸素センサ素子10の両表面101a、101bに接続する2つの表面も絶縁層にて覆われている。従って、酸素センサ素子10の4つの表面はいずれも絶縁材料にて構成されており、酸素センサ素子10を主体金具138の内部に保持する際、後述する金属パッキン108を用いたとしても、酸素センサ素子10の固体電解質体が金属パッキン108と接触することが無く、金属パッキン108を介した酸素センサ素子10と主体金具138との導通を防止することができる。
なお、図1は酸素センサ素子10の両表面101a、101bに垂直な断面を示し、酸素センサ素子10の後端部の一方の面101a(図1の左側)に2個の電極端子10aが形成され、他の面101b(図1の右側)に3個の電極端子10bが形成されている。又、酸素センサ素子10の先端部の外表面には、多孔質保護層20が被覆されている。
なお、棚部152の後端向き面は、ねじ部138bの後端より後端側に位置している。
なお、先端向き面108aが特許請求の範囲の「平坦面」に相当する。
なお、棚部152は、セラミックホルダ151及び金属ホルダ104を介し、粉末充填層156の先端側を間接的に保持しているが、セラミックホルダ151を削除して、粉末充填層156を金属ホルダ104内に配置してもよい。
なお、例えば主体金具138がSUS430から成る場合、金属パッキン108をSUS304から製造すれば、金属パッキン108の熱膨張率が主体金具138の熱膨張率より大きくなる。
弾性部材150は円柱状に形成され、リード線を軸線方向Oにそれぞれ挿通させる貫通孔が形成されている。又、セパレータ保持部材170は金属製の筒体となっている。
一方、コンタクト挿通孔166a内において、端子金具30の先端側の突起31pが設けられており、酸素センサ素子10の電極端子10a、10bに電気的に接触するようになっている。このようにして、端子接続構造が形成されている。なお、端子金具30の後端側の圧着端子部33eにて、リード線146と接続している。
まず、分割された2つの絶縁部材166に端子金具30(図示せず)を組み込み、さらに絶縁部材166の後端側にそれぞれセパレータ保持部材170、セパレータ169をこの順に組み付ける。さらに、端子金具30の後端に接続したリード線146を、弾性部材150の貫通孔に挿通させて後端側に引き出す(図3(a))。
次に、両絶縁部材166の外周にバネ性を有する挟み付け部材167を外嵌して両絶縁部材166を結合する(挟み付ける)(図3(b))。
次に、両絶縁部材166及び挟み付け部材167を包囲するように内筒180を被せる(図3(c))。なお、主体金具138との接触面積を増やすため、本実施形態では内筒180の先端が花弁状に径方向外側に広がってフランジ部180Lを形成しているが、内筒180の先端が単に切断面になっていてもよい。
そして、このように偏移した位置で、内筒180を主体金具138の後端向き面138dに溶接する(溶接位置W1)(図3(e))。
次に、外筒144を内筒180の外側に配置し、外筒144の先端側を主体金具138の後端側外周面138c(図3(e)参照)に外筒144の先端を外嵌する。そして、それぞれ加締め部S2、S3で外筒144を縮径状に加締め、弾性部材150及びセパレータ保持部材170を外筒144内に保持した後、外筒144の先端側と主体金具138の後端側外周面138cとの間を溶接し(溶接位置W2)、外筒144を主体金具138に接続する(図3(f))。
以上により、酸素センサ200が作製される。
実施例1として、加締め部138s形成前の主体金具138、酸素センサ素子10、金属パッキン108、金属ホルダ104、セラミックホルダ151及び粉末充填層156を準備した。なお、主体金具138の内径うち、金属パッキン108や粉末充填層156が配置される部位の内径はφ10mm、酸素センサ素子10の幅方向の長さは4.25mm、酸素センサ素子10の厚み方向の長さは1.46mmである。また、粉末充填層156の重量は2.4gとする。そして、金属パッキン108として、外径がφ9.9mm、挿通孔が4.55mm×1.7mm、高さ1.5mmの断面が略長方形状となる金属パッキン108を準備した。
次に、主体金具138内に、それぞれ酸素センサ素子10、金属ホルダ104、セラミックホルダ151、粉末充填層156及び金属パッキン108を挿入し、主体金具138の後端側を加締め、加締め部138sを形成した。この際、滑石の充填密度が2.5g/cm3となるように、主体金具の加締め部138sに加締め荷重αkgを加えた。また、この組み付け後の酸素センサ素子10と金属パッキン108とのクリアランスSとしては、0.12mm、または0.15mmとなっている。
その後、この組み付け体の酸素センサ素子10と主体金具138との間隙に対して、酸素センサ素子10の先端側から加圧1.5MPaにてエアーを吹き付け、酸素センサ素子10の後端側へのリーク量(ml/min)を測定した。
その結果、実施例1では、リーク量が1.1ml/minとなった。
また、比較例2では、金属パッキンとして、外径がφ9.1mm、挿通孔が4.55mm×1.7mm、高さ1.5mmの断面が略長方形状となる金属パッキンを準備した。
さらに、比較例3では、金属パッキンして、外径がφ9.9mm、挿通孔が5.8mm×3mm、高さ1.5mmの断面が略長方形状となる金属パッキンを準備した。
そして、実施例1と同様に、それぞれ酸素センサ素子10、金属ホルダ104、セラミックホルダ151、粉末充填層156及び比較例1〜3の金属パッキンをそれぞれ挿入し、主体金具138の後端側を加締め、加締め部138sを形成した。なお、この時の加締め荷重としては、実施例1と同一の値であるαkgを加えた。
その結果、比較例1では、リーク量が2.0ml/min、比較例2では、リーク量が1.5ml/min、比較例3では、リーク量が1.8ml/minとなり、いずれも実施例1よりもリーク量が増加してしまった。
これは、比較例1では、金属パッキンの先端向き面が粉末充填層の後端向き面に対して平坦面になっていないため、粉末充填層が十分に充填でいなかったためと考えられる。
また、比較例2では、金属パッキンの平坦面の外径がシール部材の後端向き面の外径未満であったため、粉末充填層が十分に充填でいなかったためと考えられる。
また、比較例3では、金属パッキンの平坦面の内側端とガスセンサ素子の表面とのクリアランスの大きさが、ガスセンサ素子の厚みの半分を越えたため、粉末充填層が十分に充填でいなかったためと考えられる。
例えば、金属パッキン108の形状は特に限定されず、シール部材に接する先端向き面が平坦であれば、反対面(後端向き面)は平坦でなく面取り等がされていてもよい。たとえば、図6に示すように、金属パッキン208の先端向き面は平坦面208aを有しているが、後端向き面208cは、金属パッキン208が内側に向かうにつれて厚みが減少するように曲面形状に形成されていてもよい。
また、上記実施形態では、金属パッキン108の平坦面108aは、軸線方向に略垂直な方向に延びているが、図6に示すように、軸線方向に垂直な破線と比較して、径方向外側に向かうにつれて先端側に延びていてもよい。このように、径方向外側に向かうにつれて先端側に延びることで、金属パッキン208の平坦面208aが粉末充填層156をより強固に押圧することができることがある。
又、センサ素子は上記した酸素センサ素子(全領域空燃比センサ素子)の他、λセンサ素子、NOxセンサ素子、アンモニアセンサ素子を用いることができる。
108 金属パッキン
108a 金属パッキンの先端向き面
138 主体金具
138a 六角形部
138b ねじ部
152 棚部
154 主体金具の貫通孔
156 粉末充填層
200 ガスセンサ
O 軸線方向
Claims (6)
- 軸線方向に沿って延び、固体電解質体と該固体電解質体の表面に設けられる1対の電極とを備えたセルを少なくとも1つ有する板状のガスセンサ素子と、
前記ガスセンサ素子を自身の内側に挿通する貫通孔を有し、前記ガスセンサ素子の先端側に形成された検出部が突出するように保持する筒状の主体金具と、
前記主体金具の内表面と前記ガスセンサ素子の外表面との間に配置され、前記ガスセンサ素子と前記主体金具との間隙の気密を維持するシール部材とを備えたガスセンサにおいて、
前記ガスセンサ素子を自身の内側に挿通する略矩形状の挿通孔を有し、かつ前記シール部材の後端向き面に自身の平坦面が直接接して該シール部材を先端に向かって押圧してなる金属パッキンを備え、前記金属パッキンの前記平坦面の外径が該シール部材の後端向き面の外径以上であり、かつ前記金属パッキンの前記平坦面の内側端と前記ガスセンサ素子の表面とのクリアランスの大きさが、前記ガスセンサ素子の厚みの半分以下であり、
前記金属パッキンの熱膨張率が前記主体金具の熱膨張率より大きいガスセンサ。 - 前記金属パッキンの前記挿通孔内に配置された前記ガスセンサ素子の側面は、絶縁材料にて形成されてなる請求項1に記載のガスセンサ。
- 前記主体金具と前記パッキンとの間隙は、前記ガスセンサ素子と前記金属パッキンとの間隙よりも小さい請求項1または請求項2記載のガスセンサ。
- 前記主体金具は、前記金属パッキンよりも後端側にて前記ガスセンサ素子と間隙を有しつつ径方向内側に向かって突出し、前記金属パッキンを先端側に押し付ける加締め部を有し、
前記金属パッキンは、前記加締め部と軸線方向に重なる位置において、最大厚みTを有しており、
前記金属パッキンの最大厚みTは、前記加締め部の最大厚みtよりも厚いことを特徴とする請求項1〜3のいずれか記載のガスセンサ。 - 前記金属パッキンの前記平坦面を通る径方向に沿った断面で見たときに、前記ガスセンサ素子は、幅方向の長さが厚み方向の長さよりも長い略長方形状を有していると共に、前記ガスセンサ素子と前記金属パッキンとの前記厚み方向の前記クリアランスの大きさは、前記幅方向の前記クリアランスの大きさよりも小さいことを特徴とする請求項1〜4のいずれか記載のガスセンサ。
- 前記主体金具は、六角形部と、該六角形部より先端側に配置されて前記六角形部より縮径のねじ部とを有し、かつ前記主体金具の貫通孔の径方向内側には前記シール部材の先端側を直接又は間接的に当接する棚部が突出し、
前記棚部の後端向き面が前記ねじ部より後端側に位置する請求項1〜5のいずれか記載のガスセンサ。
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