JP6170442B2

JP6170442B2 - ガスセンサ

Info

Publication number: JP6170442B2
Application number: JP2014002956A
Authority: JP
Inventors: 健弘大場; 伊藤　慎悟; 慎悟伊藤
Original assignee: NGK Spark Plug Co Ltd
Current assignee: NGK Spark Plug Co Ltd
Priority date: 2014-01-10
Filing date: 2014-01-10
Publication date: 2017-07-26
Anticipated expiration: 2034-01-10
Also published as: JP2015132493A

Description

本発明は、センサ素子の後端をセパレータに収容した構成を有し、特定ガス成分の濃度を検出するガスセンサに関する。

自動車エンジン等の内燃機関の燃費向上や燃焼制御を行うガスセンサとして、排気ガス中の酸素濃度を検出する酸素センサや空燃比センサが知られている。
このようなガスセンサとして、特定ガスの濃度検出を行うセンサ素子を主体金具に保持し、センサ素子の後端側の表面に配置された電極取出部（電極パッド）を筒状のセラミック製セパレータで囲んだ構造が一般的に用いられている。そして、セパレータに取付けられた端子金具がセンサ素子の各電極パッドにそれぞれ電気的に接続され、セパレータよりも後端側にはゴム製のグロメットが配置され、セパレータ及びグロメットが金属製の外筒に覆われている。又、端子金具にはリード線が接続され、リード線はグロメットの貫通孔を通して外部に引き出される。
ここで、セパレータと外筒との間には環状の留め金具が配置されている。留め金具は筒状の周壁部と、周壁部から径方向内部へ向けて折り返された複数の長片（バネ片）とを有しており、長片がセパレータの外側面に当接してセパレータを周壁部内で弾性的に保持している（特許文献１）。そして、セパレータの鍔部の先端向き面が留め金具の後端向き面に係止すると共に、セパレータの後端向き面がグロメットに係止することで、セパレータの先後が外筒内で固定されている。

特開２０１２−２２５７３７号公報

ところで、上記留め金具を外筒に組み付ける際、セパレータを内包した留め金具を、治具を介して後端側へ押圧してグロメットに当接させ、留め金具の位置で外筒を加締めて留め金具を外筒内に固定する。このとき、セパレータを確実に位置決めして留め金具内に固定させるため、留め金具を後端側へ強く押圧する必要があるが、押圧が過度になると留め金具の後端側の折り返し部がセパレータの鍔部に押されて潰れ、長片が径方向外側へ広がり、長片によるセパレータの保持が不安定になることがある。その結果として、エンジンの駆動に伴う振動等が外筒からセパレータに伝わり易くなり、セパレータ内の端子金具と電極パッドとの電気的接続の信頼性が低下したり、セパレータに衝撃が掛かるおそれがある。
そこで、本発明は、留め金具の変形を防止してセパレータの保持の確実性を高め、センサ素子との電気的接続の信頼性を維持すると共に、セパレータへの衝撃を低減することができるガスセンサの提供を目的とする。

上記課題を解決するため、本発明のガスセンサは、軸線方向に延び、先端側に検出部を有するセンサ素子と、前記センサ素子の周囲を取り囲む筒状の主体金具と、径方向外側に突出する鍔部を有し、前記主体金具の後端側に配置されて前記センサ素子の後端側を取り囲む絶縁性のセパレータと、前記セパレータを覆いつつ前記主体金具の後端側に配置される筒状の外筒と、前記鍔部の先端向き面に接しつつ前記外筒に固定される環状の留め金具と、を備えるガスセンサであって、前記留め金具は、前記セパレータの外側面を取り囲む筒状の周壁部と、前記周壁部から径方向内部へ向けて折り返された折り返し部を介して先端側へ延びて前記セパレータの前記外側面に接し、前記セパレータを弾性的に保持する複数の長片と、周方向に沿って前記長片の間に設けられて前記鍔部の先端向き面に接する複数の肩部と、を有し、前記鍔部の先端向き面と前記折り返し部とが離間している。
留め金具を外筒に組み付ける際、セパレータを内包した留め金具を、治具を介して後端側へ強く押圧する。そこで、本発明のガスセンサによれば、セパレータの鍔部の先端向き面と折り返し部とが離間しているため、折り返し部が鍔部に押されて潰れることが抑制される。その結果、折り返し部の変形によって長片が径方向外側へ広がることが防止され、長片がセパレータの外側面に確実に接する。そのため、セパレータの保持の確実性を高め、センサ素子との電気的接続の信頼性を維持すると共に、セパレータへの衝撃を低減することができる

前記肩部のうち前記鍔部の先端向き面に接する部位が、前記折り返し部よりも後端側に位置してもよい。
このガスセンサによれば、肩部が鍔部に押されて多少変形しても、鍔部の先端向き面と折り返し部とを確実に離間させることができ、折り返し部が鍔部に押されて潰れることがより確実に抑制される。

前記肩部は、前記周壁部から径方向内部へ向け、かつ径方向に対して斜めに延びていてもよい。
このガスセンサによれば、肩部の実際の長さは、肩部の軸線方向の長さＬより長く、その分だけ肩部に弾性荷重が掛かったときの肩部の撓み量（ストローク）が大きくなる。従って、セパレータの軸線方向の振動や衝撃を、肩部の弾性力により吸収することができ、セパレータへの衝撃をより一層低減することができる。

前記鍔部の先端向き面は、先端に向かって窄まるテーパ状に形成されていてもよい。
このガスセンサによれば、テーパ面となる先端向き面が肩部に接する際、軸線の中心に保持され易くなり、セパレータを軸線の中心に確実に合わせて保持することができる。

前記長片の先端部が前記セパレータの前記外側面に接してもよい。
このガスセンサによれば、長片の先端部が外側面に引っ掛ってセパレータをより確実に保持し、セパレータの位置ズレを抑制する。又、セパレータを保持する部位である肩部と長片との軸線方向の長さ（スパン）が長くなるので、セパレータの軸線方向のブレを一層抑制することができる。

この発明によれば、留め金具の変形を防止してセパレータの保持の確実性を高め、センサ素子との電気的接続の信頼性を維持すると共に、セパレータへの衝撃を低減することができるガスセンサが得られる。

本発明の実施形態に係るガスセンサの軸線方向に沿う断面図である。セパレータ、留め金具の分解斜視図である。セパレータと留め金具との係合状態を示す軸線方向に沿う断面図である。変形例の留め金具の分解斜視図である。図４におけるセパレータと留め金具との係合状態を示す軸線方向に沿う断面図である。別の変形例の留め金具の分解斜視図である。図６におけるセパレータと留め金具との係合状態を示す軸線方向に沿う断面図である。

以下、本発明の実施形態について説明する。
まず、図１〜図３を参照し、本発明の実施形態に係るガスセンサ（酸素センサ）１００について説明する。図１はガスセンサ１００の軸線Ｏ方向に沿う断面図、図２はセパレータ７０、留め金具８０の分解斜視図、図３はセパレータ７０と留め金具８０との係合状態を示す断面図である。なお、図１の下側（センサ素子１０の検出部１０ａが位置する側）を「先端側」と称し、上側（センサ素子１０の電極取出部（電極パッド）１０ｅが位置する側）を「後端側」と称する。

ガスセンサ１００は、センサ素子１０を組み付けたアッセンブリである。ガスセンサ１００は、軸線Ｏ方向（図１の上下方向）に延びる板状のセンサ素子１０と、自動車エンジンの排気管に固定される主体金具２とを備えている。主体金具２は略円筒状をなし、排気管に固定されるためのねじ部２４が外表面に形成される一方、内孔２５を有し、内孔２５から径方向内側に突出する棚部２ｐを先端側に有している。そして、主体金具２はセンサ素子１０を内孔２５内に収容すると共に、センサ素子１０の先端側に設けられた検出部１０ａと後端側に設けられた電極パッド１０ｅをそれぞれ主体金具２から突出させた状態で、センサ素子１０を保持している。また、主体金具２の内周面とセンサ素子１０の外周面との間には、センサ素子１０の外周面を囲むセラミック製の環状の保持部材２１、粉末充填材（滑石リング）２２、２３、およびセラミック製のスリーブ３０がこの順に検出部１０ａ側から積層されている。そして、主体金具２の後端部２ａを加締めてスリーブ３０を先端側に押し付けることにより、保持部材２１が棚部２ｐに係止されつつ滑石リング２２，２３が押し潰れて内孔２５内に充填され、センサ素子１０が主体金具２内の所定位置にしっかりと固定される。滑石リング２２，２３としては、滑石（セラミック粉末）、ガラス（ケイ酸ガラスまたはケイ酸塩ガラス等のケイ酸化合物）を挙げることができる。
なお、保持部材２１及び滑石リング２２は金属カップ２０を介して主体金具２の内孔２５内に収容されている。

また、主体金具２の先端側外周には、センサ素子１０の検出部１０ａを囲む金属製の外部プロテクタ４および内部プロテクタ３が取り付けられている。
なお、この例ではセンサ素子１０は、固体電解質層表面に一対の電極を配置した構成の酸素センサ素子になっていて、又、セルを活性化させるためのヒータや、固体電解質層を保護するための絶縁層（アルミナ等）が積層されている。さらに、センサ素子１０の検出部１０ａの表面を多孔質保護層１２が覆っている。

一方、センサ素子１０の後端側の両板面にそれぞれ設けられた電極パッド１０ｅ（この例では各面に２個ずつ計４個）は、円筒状のセラミック製セパレータ７０で囲まれている。後述するように、セパレータ７０は、センサ素子１０の挿通孔７０ｈを中心に有すると共に、この挿通孔７０ｈに連通して複数の端子金具６０（この例では４個）をそれぞれ収容する空孔７１ｈ（図２参照、この例では４個）を有している。そして、それぞれ仕切られた空孔７１ｈに各端子金具６０が絶縁を確保してそれぞれ取付けられ、端子金具６０がセンサ素子１０の各電極パッド１０ｅにそれぞれ電気的に接続されている。
セパレータ７０は、先端側に筒状の外側面７０ｃが設けられると共に、後端側には、外側面７０ｃから拡径するように径方向外側に突出する鍔部７０ｄが設けられている。そして、外側面７０ｃと鍔部７０ｄとは、先端に向かって縮径する先端向き面７０ｂ（テーパー面）により繋がっている。

セパレータ７０の後端には、円筒状でゴム製のシール部材（グロメット）５０がセパレータ７０と離間して配置され、セパレータ７０とグロメット５０が金属製の外筒９０に覆われている。外筒９０の軸線Ｏ方向中央付近には、セパレータ７０を保持する環状の留め金具８０が加締め固定され、さらに外筒９０の上記加締め部より後端部が後端側へ向かって縮径して内側凸部９０ａを形成している。図２に示すように、留め金具８０は金属製で略円筒状をなす周壁部８０ａと、周壁部８０ａの後端縁から径方向内部へ向けて折り返された折り返し部８０ｂを介して先端側へ延び、周方向に等間隔で並ぶ複数の長片８０ｓ（この例では６個）を有している。又、周方向に沿って隣接する長片８０ｓの間には、折り返し部８０ｂから径方向内部へ向け、かつ径方向に平行に延びる複数の肩部８０ｅ（この例では６個）がそれぞれ設けられている。
そして、留め金具８０の折り返し部８０ｂ側がセパレータ７０の先端向き面７０ｂに嵌め込まれ、肩部８０ｅが鍔部７０ｄの先端向き面７０ｂに当接すると共に、内側凸部９０ａ（の先端向き面）がセパレータ７０の後端向き面７０ａに係止する。これにより、セパレータ７０が先端側と後端側の上下で軸線Ｏ方向に挟まれつつ、軸線Ｏ方向に主体金具２（の後端部２ａ）と離間して保持される。又、長片８０ｓは外側面７０ｃに当接し、長片８０ｓの弾性力により、外筒９０に加えられた衝撃がセパレータ７０に直接伝わらないようになっている。

セパレータ７０内に保持された各端子金具６０は先端で内側に折り返され、折り返し部分がセンサ素子１０の各電極パッド１０ｅに電気的に接続するようになっている。一方、各端子金具６０の後端側はセパレータ７０の後端から突出する圧着部６５になっている。圧着部６５は自身の内側にリード線６８を加締め接続している。各リード線６８は、グロメット５０のそれぞれ別個のリード孔５１ｈ（図２参照）を通されて外部に引き出されている。
さらに、外筒９０の後端側が加締められ、グロメット５０が外筒９０内に保持されている。このようにして内部にセパレータ７０及びグロメット５０を保持した外筒９０は、主体金具２の後端側に嵌合され、嵌合部を全周溶接して両者が接続される。

次に、図３を参照し、セパレータ７０と留め金具８０との係合状態について説明する。
図３に示すように、セパレータ７０の鍔部７０ｄの先端向き面７０ｂは、留め金具８０の後端から突出する肩部８０ｅと当接する。
このとき、肩部８０ｅは折り返し部８０ｂと軸線Ｏ方向に面一であるが、肩部８０ｅが折り返し部８０ｂよりも径方向内側に突出しているため、テーパ状の先端向き面７０ｂとの位置関係で折り返し部８０ｂが先端向き面７０ｂと離間することになる。これにより、留め金具８０を外筒９０に組み付ける際、セパレータ７０を内包した留め金具８０を、治具を介して後端側へ強く押圧しても、留め金具８０の折り返し部８０ｂがセパレータ７０の鍔部７０ｄの先端向き面７０ｂに押されて潰れることが抑制される。その結果、折り返し部８０ｂの変形によって長片８０ｓが径方向外側へ広がることが防止され、長片８０ｓがセパレータ７０の外側面７０ｃに確実に当接する。そのため、セパレータ７０の保持の確実性を高め、セパレータ７０に保持された端子金具６０とセンサ素子１０の電極パッド１０ｅとの電気的接続の信頼性を維持し、セパレータ７０への衝撃を低減することができる。
但し、後述する図７に示すセパレータ７２の場合、先端向き面７２ｂが径方向に平行であるため、本例の留め金具８０を用いた場合には折り返し部８０ｂが先端向き面７２ｂと接してしまう。従って、図７に示すセパレータ７２の場合には、肩部が留め金具の後端（折り返し部）から突出している留め金具８１、８２（図４〜図７参照）を用いる必要がある。

本例では、鍔部７０ｄの先端向き面７０ｂは、先端に向かって窄まるテーパ状に形成されているため、テーパ面となる先端向き面７０ｂが肩部８０ｅに当接する際、軸線Ｏの中心に保持され易くなり、セパレータ７０を軸線Ｏの中心に確実に合わせて保持することができる。
さらに、本例では、長片８０ｓの先端部８０ｓ１がセパレータ７０の外側面７０ｃに当接している。これにより、先端部８０ｓ１が外側面７０ｃに引っ掛ってセパレータ７０をより確実に保持し、セパレータ７０の位置ズレを抑制する。又、セパレータ７０を保持する部位である肩部８０ｅと長片８０ｓとの軸線Ｏ方向の長さ（スパン）が長くなるので、セパレータ７０の軸線Ｏ方向のブレを一層抑制することができる。

なお、本例では、図２に示すように、グロメット５０の内部に通気フィルタ５２が配置されている。具体的には、グロメット５０の中心には軸線Ｏ方向に貫通する通気孔５０ｈが形成され、通気孔５０ｈより径方向外側には、軸線Ｏ方向に貫通する複数（この例では４個）のリード孔５１ｈが周方向に沿って形成されている。
通気孔５０ｈには、筒状のフィルタ留め金具５５と、フィルタ留め金具５５の外側を覆う撥水性の通気フィルタ５２が挿入されている。これにより、グロメット５０の外部から基準ガス（大気）をガスセンサ内に導入可能になっている。通気フィルタ５２はＰＴＦＥ（ポリテトラフルオロエチレン）等のフッ素樹脂からなり、水滴を通さず大気を通すことができる。
フィルタ留め金具５５は、金属製で後端側が閉じた有底円筒状をなしている。フィルタ留め金具５５の後端向き面には中心孔５５ｈが形成され、中心孔５５ｈから通気フィルタ５２を介して基準大気がガスセンサ内に流入する。一方、フィルタ留め金具５５の先端側には径方向外側に突出するフランジ部５５ｆが形成されている。又、グロメット５０の先端向き面５０ａ側にて、通気孔５０ｈの周縁が後端側へ凹んで凹部５０ａ１を形成し、フランジ部５５ｆの後端向き面５５ａが凹部５０ａ１に当接し（凹部５０ａ１に収容され）、フィルタ留め金具５５の後端側への脱落を防止する。
なお、凹部５０ａ１は、リード孔５１ｈよりも径方向外側まで延びている。そして、凹部５０ａ１内に収容された通気フィルタ５２の外周縁は、リード孔５１ｈよりも径方向外側にはみ出している。

次に、図４、図５を参照して留め金具の変形例について説明する。図４は留め金具８１の斜視図、図５はセパレータ７０と留め金具８１との係合状態を示す断面図である。
図４に示すように、留め金具８１は金属製で略円筒状をなす周壁部８１ａと、周壁部８１ａの後端縁から径方向内部へ向けて折り返された折り返し部８１ｂを介して先端側へ延び、周方向に等間隔で並ぶ複数の長片８１ｓ（この例では６個）を有している。又、周方向に沿って隣接する長片８１ｓの間には、後端側へ突出する複数の肩部８１ｅ（この例では６個）がそれぞれ設けられている。つまり、留め金具８１は肩部８１ｅが異なること以外は、図２の留め金具８０と同一の構成を有している。なお、肩部８１ｅは周壁部８１ａの後端縁から径方向内部へ向け、かつ径方向に対して斜め上方（後端側）に延びている。
そして、図５に示すように、セパレータ７０の鍔部７０ｄの先端向き面７０ｂは、留め金具８１の肩部８１ｅと当接する一方で、折り返し部８１ｂは先端向き面７０ｂと離間する。これにより、留め金具８１の折り返し部８１ｂがセパレータ７０の鍔部７０ｄに押されて潰れることが抑制される。
なお、本例では、折り返し部８１ｂは肩部８１ｅより軸線Ｏ方向の先端側に位置するため、折り返し部８１ｂが鍔部７０ｄの先端向き面７０ｂと確実に離間する。そして、本例では、肩部８１ｅが周壁部８１ａの後端から径方向内部へ向け、かつ径方向に対して斜めに延びている。このため、肩部８１ｅの実際の長さは、肩部８１ｅの軸線Ｏ方向にの長さＬより長く、その分だけ肩部８１ｅに弾性荷重が掛かったときの肩部８１ｅの撓み量（ストローク）が大きくなる。従って、セパレータ７０の軸線Ｏ方向の振動や衝撃を、肩部８１ｅの弾性力により吸収することができ、セパレータ７０への衝撃をより一層低減することができる。

次に、図６、図７を参照して留め金具の別の変形例について説明する。図６は留め金具８２の斜視図、図７はセパレータ７２と留め金具８２との係合状態を示す断面図である。
図６に示すように、留め金具８２は金属製で略円筒状をなす周壁部８２ａと、周壁部８２ａの後端縁から径方向内部へ向けて折り返された折り返し部８２ｂを介して先端側へ延び、周方向に等間隔で並ぶ複数の長片８２ｓ（この例では６個）を有している。又、周方向に沿って隣接する長片８２ｓの間には、折り返し部８２ｂから軸線Ｏ方向に沿って後端側へ突出する複数の肩部８２ｅ（この例では６個）がそれぞれ設けられている。つまり、留め金具８２は肩部８２ｅが異なること以外は、図２の留め金具８０と同一の構成を有している。
一方、図７に示すように、セパレータ７２は先端側に筒状の外側面７２ｃが設けられると共に、後端側には、外側面７２ｃから拡径するように突出する鍔部７２ｄが設けられている。そして、外側面７２ｃと鍔部７２ｄとは、径方向に平行な先端向き面７２ｂ（平坦面）により繋がっている。
そして、セパレータ７２の先端向き面７２ｂは、留め金具８２の後端（折り返し部）から突出する肩部８２ｅと当接する一方で、折り返し部８２ｂは先端向き面７２ｂと離間する。これにより、留め金具８２の折り返し部８２ｂがセパレータ７２の鍔部７２ｄに押されて潰れることが抑制される。

本発明は上記実施形態に限定されず、本発明の思想と範囲に含まれる様々な変形及び均等物に及ぶことはいうまでもない。例えば、セパレータ及び留め金具の形状は上記に限定されない。
又、センサとしては、酸素センサの他、ＮＯｘセンサ、ＨＣ、Ｈ_２等のガス濃度を測定するためのガスセンサに適用することもできる。

２主体金具
１０センサ素子
１０ａ検出部
７０、７２セパレータ
７０ｂ、７２ｂ鍔部の先端向き面
７０ｃ、７２ｃセパレータの外側面
７０ｄ、７２ｄセパレータの鍔部
８０〜８２留め金具
８０ａ〜８２ａ周壁部
８０ｂ〜８２ｂ折り返し部
８０ｅ〜８２ｅ肩部
８０ｓ〜８２ｓ長片
８０ｓ１長片の先端部
９０外筒
１００ガスセンサ
Ｏ軸線方向

Claims

軸線方向に延び、先端側に検出部を有するセンサ素子と、
前記センサ素子の周囲を取り囲む筒状の主体金具と、
径方向外側に突出する鍔部を有し、前記主体金具の後端側に配置されて前記センサ素子の後端側を取り囲む絶縁性のセパレータと、
前記セパレータを覆いつつ前記主体金具の後端側に配置される筒状の外筒と、
前記鍔部の先端向き面に接しつつ前記外筒に固定される環状の留め金具と、
を備えるガスセンサであって、
前記留め金具は、前記セパレータの外側面を取り囲む筒状の周壁部と、前記周壁部から径方向内部へ向けて折り返された折り返し部を介して先端側へ延びて前記セパレータの前記外側面に接し、前記セパレータを弾性的に保持する複数の長片と、周方向に沿って前記長片の間に設けられて前記鍔部の先端向き面に接する複数の肩部と、を有し、
前記鍔部の先端向き面と前記折り返し部とが離間しているガスセンサ。
前記肩部のうち前記鍔部の先端向き面に接する部位が、前記折り返し部よりも後端側に位置する請求項１記載のガスセンサ。
前記肩部は、前記周壁部から径方向内部へ向け、かつ径方向に対して斜めに延びている請求項１記載のガスセンサ。
前記鍔部の先端向き面は、先端に向かって窄まるテーパ状に形成されている請求項１〜３のいずれかに記載のガスセンサ。
前記長片の先端部が前記セパレータの前記外側面に接する請求項１〜４のいずれかに記載のガスセンサ。