JP6224378B2 - ガスセンサ - Google Patents

Description

本発明は、被測定ガス中の特定ガスを検出するガス検出素子と、ガス検出素子の径方向周囲を取り囲む主体金具と、ガス検出素子の検出部を覆うように主体金具に固定されたプロテクタと、を備えたガスセンサに関する。

被測定ガス中の特定ガスを検出するガス検出素子と、ガス検出素子の径方向周囲を取り囲む主体金具と、ガス検出素子の検出部を覆うように主体金具に固定されたプロテクタと、を備えたガスセンサが知られている。

ガスセンサの一例としては、排気ガスなどの被測定ガス中の特定ガスを検出するための酸素センサ，ＮＯｘセンサ，ＨＣセンサなどが挙げられる。
また、ガスセンサとしては、主体金具がＳＵＳ４３０で構成され、プロテクタがＳＵＳ３１０Ｓで構成されたものがある（特許文献１）。このガスセンサでは、主体金具の先端に対してプロテクタが溶接により取り付けられている。

特開２００６−２０８１６５号公報

しかし、上述のガスセンサにおいては、高温時にプロテクタにおいて酸化減量が生じてプロテクタの脱落が生じる場合があり、また、プロテクタにσ相脆化が生じて耐衝撃性が低下する虞がある。

つまり、プロテクタのうち主体金具との接合部に酸化減量が生じると、プロテクタが主体金具から脱落する虞がある。換言すれば、上述のガスセンサにおいては、高温時でのプロテクタの耐酸化性が十分ではない場合がある。

また、プロテクタのうち主体金具との接合部にσ相脆化が生じると、衝撃に対する体力が低下するため、外部からの衝撃によってプロテクタが主体金具から脱落するなどの問題が生じる虞がある。換言すれば、上述のガスセンサにおいては、σ相脆化が生じるとプロテクタの耐衝撃性が十分ではなくなる場合がある。

そこで、本発明はこうした問題に鑑みなされたものであり、高温環境下での耐酸化性に優れると共に、σ相脆化によるプロテクタの耐衝撃性の低下を抑制できるガスセンサを提供することを目的とする。

上記目的を達成するためになされた請求項１に記載の発明は、後端側から先端側にかけて軸線方向に延びると共に、被測定ガスに接触する検出部を先端部に有し、被測定ガス中の特定ガスを検出するガス検出素子と、検出部を先端から突き出させた状態でガス検出素子の径方向周囲を取り囲む主体金具と、ガス検出素子の検出部を覆うように、主体金具に固定されたプロテクタと、を備えたガスセンサであって、プロテクタは、Ｎｉの含有量が３０．０〜３５．０［ｗｔ％］であり、Ｃｒの含有量が１９．０〜２３．０［ｗｔ％］であり、Ａｌの含有量が０．１５〜０．６０［ｗｔ％］であり、残部として少なくともＦｅを含有すること、を特徴とするガスセンサである。

Ｎｉの含有量が３０．０〜３５．０［ｗｔ％］であり、Ｃｒの含有量が１９．０〜２３．０［ｗｔ％］であり、Ａｌの含有量が０．１５〜０．６０［ｗｔ％］であり、残部として少なくともＦｅを含有する
プロテクタを構成する上記材料は、後述する比較測定結果（図２）に示すように、ＳＵＳ３１０Ｓに比べて、高温環境下（例えば、６５０〜９００［℃］）においても、酸化減量が生じ難い特性がある。Ａｌを含有することで、酸化物の成長が抑制されて、酸化物として脱落し減量する事象が抑制されるため、上記材料は、耐酸化性に優れている。

また、上記材料は、後述する比較測定結果（図２）に示すように、ＳＵＳ３１０Ｓに比べて、高温（６５０℃）環境下でのσ相脆化が生じ難い特性を有している。
さらに、上記材料は、後述する比較測定結果（図２）に示すように、高温（８００〜１０００℃）環境下において、ＳＵＳ３１０Ｓと同程度の強度を有する。

このような材料で構成されたプロテクタは、ＳＵＳ３１０Ｓで構成される従来のプロテクタに比べて、高温環境下での酸化減量が生じ難いため、酸化減量に起因して主体金具から脱落する可能性が低くなる。つまり、このプロテクタは、高温環境下での耐酸化性に優れている。

また、本発明のガスセンサに備えられるプロテクタは、ＳＵＳ３１０Ｓで構成される従来のプロテクタに比べて、高温環境下でのσ相脆化が生じ難いため、σ脆化に起因して主体金具から脱落する可能性が低くなる。つまり、このプロテクタは、高温環境下でのσ脆化に起因する耐衝撃性の低下を抑制できる。

さらに、本発明のガスセンサに備えられるプロテクタは、ＳＵＳ３１０Ｓで構成される従来のプロテクタに比べて、同程度の強度を有することから、従来のプロテクタに代わるプロテクタとして利用可能である。

よって、本発明のガスセンサによれば、高温環境下でのプロテクタの耐酸化性に優れると共に、σ相脆化によるプロテクタの耐衝撃性の低下を抑制できる。
なお、本発明のプロテクタを構成する材料における各成分の合計値は１００［ｗｔ％］である。

上述のガスセンサにおいては、プロテクタは、さらにＴｉを含有する、という構成を採ることができる。
プロテクタを構成する上記材料は、さらにＴｉを含有することで、高温環境下での強度がより向上する。このため、Ｔｉを含有する上記材料で構成されたプロテクタは、高温環境下での強度に優れたものとなる。

よって、本発明のガスセンサによれば、高温環境下での強度に優れたプロテクタを備えるため、高温環境下での強度低下によるプロテクタの破損を抑制できる。

本発明のガスセンサによれば、高温環境下でのプロテクタの耐酸化性に優れると共に、σ相脆化によるプロテクタの耐衝撃性の低下を抑制できる。

第１実施形態の全領域空燃比センサの全体構成を示す断面図である。 第１実施形態と比較例との比較測定の測定結果である。 第２実施形態の酸素センサの全体構成を示す断面図である。

以下、本発明が適用された実施形態について、図面を用いて説明する。
尚、本発明は、以下の実施形態に何ら限定されるものではなく、本発明の技術的範囲に属する限り種々の形態を採り得ることはいうまでもない。

［１．第１実施形態］
［１−１．全体構成］
図１は、本発明を適用した実施形態の全領域空燃比センサ２（以下、空燃比センサ２ともいう）の全体構成を示す断面図である。

空燃比センサ２は、ガスセンサの一種であって、例えば、自動車や各種内燃機関における空燃比フィードバック制御に使用するために、内燃機関の排気管に装着される。また、空燃比センサ２は、測定対象となる排ガス（被測定ガス）中の酸素（特定ガス）を検出するガス検出素子を備えて構成される。

空燃比センサ２は、ハウジング３８と、ガス検出素子４と、プロテクタ４２と、セラミックスリーブ６と、絶縁コンタクト部材６６と、５個の接続端子１０と、を備えている。
ハウジング３８は、排気管に固定するためのネジ部３９が外表面に形成された筒状の部材であり、ＳＵＳ４３０で構成されている。ガス検出素子４は、軸線方向（空燃比センサ２の長手方向：図中上下方向）に延びる板状形状である。プロテクタ４２は、ガス検出素子４の先端部周囲を覆うようにハウジング３８の先端側外周に固定された有底筒状の部材である。セラミックスリーブ６は、ガス検出素子４の径方向周囲を取り囲むように配置される筒状の部材である。絶縁コンタクト部材６６は、軸線方向に貫通するコンタクト挿通孔６８の内壁面がガス検出素子４の後端部の周囲を取り囲む状態で配置される。５個の接続端子１０は、ガス検出素子４と絶縁コンタクト部材６６との間に配置される金属部材である。

ガス検出素子４は、軸線方向に延びる板状形状をなし、測定対象となるガスに向けられる先端側（図中下方）に保護層に覆われた検出部８が形成され、後端側（図中上方）の外表面のうち表裏の位置関係となる第１板面２１および第２板面２３に電極端子部３０，３１，３２，３４，３６が形成されている。ガス検出素子４は、特定ガスが検出部８に接触すると、特定ガスの濃度等に応じたセンサ出力信号を電極端子部から外部に出力する。

接続端子１０は、ガス検出素子４と絶縁コンタクト部材６６との間に配置されることで、ガス検出素子４の電極端子部３０，３１，３２，３４，３６にそれぞれ電気的に接続される。また、接続端子１０は、外部からセンサの内部に配設されるリード線４６にも電気的に接続されており、リード線４６が接続される外部機器と電極端子部３０，３１，３２，３４，３６との間に流れる電流の電流経路を形成する。

ハウジング３８は、軸線方向に貫通する貫通孔５４を有し、貫通孔５４の径方向内側に突出する棚部５２を有する略筒状形状に構成されている。ハウジング３８は、検出部８を貫通孔５４の先端側外部に配置し、電極端子部３０，３１，３２，３４，３６を貫通孔５４の後端側外部に配置する状態で、貫通孔５４に挿通されたガス検出素子４を保持する。棚部５２は、軸線方向に垂直な平面に対して傾きを有する内向きのテーパ面として形成されている。

ハウジング３８の貫通孔５４の内部には、ガス検出素子４の径方向周囲を取り囲む状態で、環状形状のセラミックホルダ５１、粉末充填層５３，５６（以下、滑石リング５３，５６ともいう）、および上述のセラミックスリーブ６が、この順に先端側から後端側にかけて積層されている。

セラミックスリーブ６とハウジング３８の後端部４０との間には、加締パッキン５７が配置されている。ハウジング３８の後端部４０は、加締パッキン５７を介してセラミックスリーブ６を先端側に押し付けるように、加締められている。

セラミックホルダ５１とハウジング３８の棚部５２との間には、気密性を維持するための金属ホルダ５８が配置されている。金属ホルダ５８は、滑石リング５３やセラミックホルダ５１を保持する機能も有している。

つまり、ハウジング３８は、検出部８を先端から突き出させた状態でガス検出素子４の径方向周囲を取り囲む構成である。
ガス検出素子４は、軸線方向に延びる板状形状に形成された素子部と、同じく軸線方向に延びる板状形状に形成されたヒータとが積層されて、長方形状の軸断面を有する板状形状に形成されている。なお、空燃比センサ２として用いられるガス検出素子４は従来公知のものであるため、その内部構造等の詳細な説明は省略する。

ガス検出素子４は、図１に示すように、先端側（図１における下方）の検出部８がハウジング３８の先端より突出すると共に、後端側の電極端子部３０，３１，３２，３４，３６がハウジング３８の後端より突出した状態で、ハウジング３８の内部に固定される。

そして、ハウジング３８の後端側外周には、外筒４４が固定されている。外筒４４の後端側（図１における上方）の開口部には、ガス検出素子４の各電極端子部３０，３１，３２，３４，３６とそれぞれ電気的に接続される５本のリード線４６（図１では３本が図示）が挿通されるリード線挿通孔６１が形成されたグロメット５０が配置されている。

また、ハウジング３８の後端部４０より突出されたガス検出素子４の後端側（図１における上方）には、絶縁コンタクト部材６６が配置される。なお、この絶縁コンタクト部材６６は、ガス検出素子４の後端側の表面に形成される電極端子部３０，３１，３２，３４，３６の周囲に配置されている。

［１−２．プロテクタの構成］
プロテクタ４２は、複数のガス流通口を有する有底筒状に形成されており、ガス検出素子４の突出部分を覆う状態で、ハウジング３８の先端側（図１における下方）外周に取り付けられている。プロテクタ４２とハウジング３８との接合部４３は、溶接等により形成される。

プロテクタ４２は、有底筒状の外側筒状部材８１と、外側筒状部材８１の内側に配置された有底筒状の内側筒状部材９１と、を備えた二重構造に形成されている。
外側筒状部材８１は、筒状の外側側壁８２と、外側側壁８２の先端側に設けられる外側底壁８３と、を有して構成される。外側筒状部材８１は、外側側壁８２に複数（本実施形態では、８個）の外壁ガス流通口８４を備えている。

内側筒状部材９１は、外側側壁８２の内部に配置される筒状の内側側壁９２と、内側側壁９２の先端側に設けられる内側底壁９３と、を有して構成される。内側筒状部材９１は、内側側壁９２に複数（本実施形態では、８個）の内壁ガス流通口９４を備えている。

内側側壁９２は、軸線方向の後端側から先端側にかけて、固定部９５，固定用段差部９６，最大内径部９７，寸法変更段差部９８，最小内径部９９を備えて構成されている。
寸法変更段差部９８は、軸線方向に垂直な板面形状に形成されており、軸線方向に垂直な断面における内側側壁９２の内径寸法を変更するために備えられている。最大内径部９７は、軸線方向に垂直な断面における内径寸法が寸法変更段差部９８の最大内径寸法と等しい寸法となるように形成されている。最小内径部９９は、軸線方向に垂直な断面における内径寸法が寸法変更段差部９８の最小内径寸法と等しい寸法となるように形成されている。

内壁ガス流通口９４は、内側側壁９２のうち最小内径部９９において、周方向にわたり複数箇所に形成されている。
内側筒状部材９１は、内側底壁９３において、被測定ガスを内側筒状部材９１の内部から外部に排出するための内側底壁流通口１００を備えている。

他方、外壁ガス流通口８４は、外側側壁８２のうち内側側壁９２の最大内径部９７に対応する位置において、周方向にわたり複数箇所に形成されている。つまり、外壁ガス流通口８４は、軸線方向における形成位置が内壁ガス流通口９４とは異なっている。

また、外側筒状部材８１は、外側底壁８３において、被測定ガスを外側筒状部材８１の内部から外部に排出するための外側底壁流通口８５を備えて構成されている。
プロテクタ４２の外側筒状部材８１および内側筒状部材９１は、それぞれ、３２Ｎｉ−２０Ｃｒ−Ｔｉ−Ａｌを成分とする材料で構成されている。具体的には、プロテクタ４２の外側筒状部材８１および内側筒状部材９１は、それぞれ、Ｎｉの含有量が３０．０〜３５．０［ｗｔ％］であり、Ｃｒの含有量が１９．０〜２３．０［ｗｔ％］であり、Ａｌの含有量が０．１５〜０．６０［ｗｔ％］であり、Ｔｉの含有量が０．１５〜０．６０［ｗｔ％］であり、残部として少なくともＦｅを含有する材料で構成されている。

なお、プロテクタ４２を構成する材料における各成分の合計値は１００［ｗｔ％］である。残部としては、Ｆｅの他に、不可避的不純物（Ｃ、Ｓｉ、Ｍｎ、Ｐ、Ｓ）を含有する場合がある。不可避的不純物は、できる限り少ないことが望ましい。

［１−３．プロテクタの材料に関する比較測定］
本実施形態のプロテクタ４２（外側筒状部材８１および内側筒状部材９１）を構成する材料について、ＳＵＳ３１０Ｓとの比較測定結果を説明する。

比較測定は、耐酸化性（酸化減量）、σ相脆化、高温強度、の３項目について実施した。また、ＳＵＳ３１０Ｓの成分は、２０Ｎｉ−２５Ｃｒである。
耐酸化性（酸化減量）の比較測定は、１０００℃の環境下に３０分間保持した後に１０分間常温（２５℃）で冷却するサイクルを、２００サイクル繰り返した場合において、各材料の酸化減量を測定する方法を採用した。

σ相脆化の比較測定は、６５０℃の環境下において、σ相脆化が生じるか否かを測定する方向を採用した。
高温強度の比較測定は、８００℃、９００℃、１０００℃の各温度での引張り強度を測定する方法を採用した。

比較測定の測定結果を図２に示す。図２では、本実施形態の材料を実施例と記載し、ＳＵＳ３１０Ｓを比較例と記載する。
図２の測定結果に示すとおり、まず、耐酸化性に関しては、本実施形態のプロテクタ４２を構成する材料は、ＳＵＳ３１０Ｓと比べて、酸化減量が少ないことから、耐酸化性に優れていることが判る。

次に、σ相脆化に関しては、本実施形態のプロテクタ４２を構成する材料は、σ相脆化が生じ難いのに対して、ＳＵＳ３１０Ｓはσ相脆化が生じている。このことから、本実施形態のプロテクタ４２を構成する材料は、ＳＵＳ３１０Ｓに比べて、σ相脆化が生じがたいことが判る。

次に、高温強度に関しては、本実施形態のプロテクタ４２を構成する材料は、ＳＵＳ３１０Ｓと比べて、いずれの温度でもほぼ同等の強度を有している。このため、本実施形態のプロテクタ４２は、ＳＵＳ３１０Ｓで構成された従来のプロテクタの代わりとして利用できることが判る。

［１−４．効果］
以上説明したように、本実施形態の全領域空燃比センサ２においては、プロテクタ４２は、Ｎｉの含有量が３０．０〜３５．０［ｗｔ％］であり、Ｃｒの含有量が１９．０〜２３．０［ｗｔ％］であり、Ａｌの含有量が０．１５〜０．６０［ｗｔ％］であり、Ｔｉの含有量が０．１５〜０．６０［ｗｔ％］であり、残部として少なくともＦｅを含有する材料で構成されている。

このプロテクタ４２は、上述の比較測定結果によれば、ＳＵＳ３１０Ｓで構成される従来のプロテクタに比べて、高温環境下での酸化減量が生じ難いため、酸化減量に起因してハウジング３８から脱落する可能性が低くなる。つまり、プロテクタ４２は、高温環境下での耐酸化性に優れている。

また、プロテクタ４２は、上述の比較測定結果によれば、ＳＵＳ３１０Ｓで構成される従来のプロテクタに比べて、高温環境下でのσ相脆化が生じ難いため、σ脆化に起因してハウジング３８から脱落する可能性が低くなる。つまり、このプロテクタ４２は、高温環境下でのσ脆化に起因する耐衝撃性の低下を抑制できる。

さらに、プロテクタ４２は、上述の比較測定結果によれば、ＳＵＳ３１０Ｓで構成される従来のプロテクタに比べて、同程度の強度を有することから、従来のプロテクタに代わるプロテクタとして利用可能である。

よって、本実施形態の全領域空燃比センサ２によれば、高温環境下でのプロテクタ４２の耐酸化性に優れると共に、σ相脆化によるプロテクタ４２の耐衝撃性の低下を抑制できる。

また、プロテクタ４２は、Ｔｉを含有している。プロテクタ４２を構成している材料は、Ｔｉを含有しない場合に比べて、Ｔｉを含有することで、高温環境下での強度がより向上する。このため、Ｔｉを含有するプロテクタ４２は、高温環境下での強度に優れたものとなる。

よって、本実施形態の全領域空燃比センサ２によれば、高温環境下での強度に優れたプロテクタ４２を備えるため、高温環境下での強度低下によるプロテクタ４２の破損を抑制できる。

［１−５．特許請求の範囲との対応関係］
ここで、特許請求の範囲と本実施形態とにおける文言の対応関係について説明する。
全領域空燃比センサ２（空燃比センサ２）がガスセンサの一例に相当し、ハウジング３８が主体金具の一例に相当し、排ガスが被測定ガスの一例に相当し、酸素が特定ガスの一例に相当する。

［３．他の実施形態］
以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において、様々な態様にて実施することが可能である。

例えば、上記実施形態では、プロテクタとして、外側筒状部材と内側筒状部材とを備えた二重構造のプロテクタについて説明したが、プロテクタはこのような形態に限定されることはない。具体的には、外側筒状部材のみを備える一重構造のプロテクタであっても良い。あるいは、外側筒状部材と中間筒状部材と内側筒状部材とを備える三重構造のプロテクタであっても良い。

また、ガス検出素子は、上述のような板状形状に限られることはなく、有底筒状形状のガス検出素子であってもよい。
ここで、第２実施形態として、有底筒状形状の筒型検出素子１０４を備えるガスセンサ１０１（酸素センサ１０１）について簡単に説明する。なお、酸素センサ１０１は、例えば、内燃機関の排ガス中の酸素を検出する用途に用いられる。

ガスセンサ１０１（酸素センサ１０１）の全体構成を表す断面図を、図３に示す。
酸素センサ１０１は、図に示すように、有底筒状の筒型検出素子１０４と、ハウジング１３８と、プロテクタ１４２と、を備えている。

筒型検出素子１０４は、ジルコニアを主成分とする固体電解質体により構成されており、軸線方向に延びて先端（図の下側）が閉じた有底筒状に形成されている。筒型検出素子１０４は、被測定ガスに接触する検出部１０８を先端に有している。筒型検出素子１０４は、自身の内部に配置される棒状のセラミックヒータ１０３によって加熱されることで、酸素（特定ガス）を検出可能な活性化状態となる。

ハウジング１３８は、検出部１０８を先端から突き出させた状態で筒型検出素子１０４の径方向周囲を取り囲むとともに、酸素センサ１０１の内部構造物を収容する。また、ハウジング１３８は、酸素センサ１０１を排気管等の取付部に固定するために備えられている。

プロテクタ１４２は、筒型検出素子１０４の検出部１０８を覆うように、ハウジング１３８に固定されている。プロテクタ１４２は、有底筒状の外側筒状部材１８１と、外側筒状部材１８１の内側に配置された有底筒状の内側筒状部材１９１と、を備えた二重構造に形成されている。プロテクタ１４２とハウジング１３８との接合部１４３は、溶接等により形成される。

プロテクタ１４２の外側筒状部材１８１および内側筒状部材１９１は、それぞれ、第１実施形態のプロテクタ４２と同様の材料で構成されている。
このため、酸素センサ１０１は、第１実施形態の全領域空燃比センサ２と同様に、高温環境下でのプロテクタ１４２の耐酸化性に優れると共に、σ相脆化によるプロテクタ１４２の耐衝撃性の低下を抑制できる。

ここで、特許請求の範囲と第２実施形態とにおける文言の対応関係について説明する。
酸素センサ１０１がガスセンサの一例に相当し、筒型検出素子１０４がガス検出素子の一例に相当し、ハウジング１３８が主体金具の一例に相当し、排ガスが被測定ガスの一例に相当し、酸素が特定ガスの一例に相当する。

２…全領域空燃比センサ（空燃比センサ）、４…ガス検出素子、８…検出部、３８…ハウジング、４２…プロテクタ、４３…接合部、８１…外側筒状部材、９１…内側筒状部材、１０１…ガスセンサ（酸素センサ）、１０４…筒型検出素子、１０８…検出部、１３８…ハウジング、１４２…プロテクタ、１４３…接合部、１８１…外側筒状部材、１９１…内側筒状部材

Claims (2)

1. 後端側から先端側にかけて軸線方向に延びると共に、被測定ガスに接触する検出部を先端部に有し、前記被測定ガス中の特定ガスを検出するガス検出素子と、
   前記検出部を先端から突き出させた状態で前記ガス検出素子の径方向周囲を取り囲む主体金具と、
   前記ガス検出素子の前記検出部を覆うように、前記主体金具に固定されたプロテクタと、
   を備えたガスセンサであって、
   前記プロテクタは、Ｎｉの含有量が３０．０〜３５．０［ｗｔ％］であり、Ｃｒの含有量が１９．０〜２３．０［ｗｔ％］であり、Ａｌの含有量が０．１５〜０．６０［ｗｔ％］であり、残部として少なくともＦｅを含有しており、
   前記主体金具は、ＳＵＳ４３０で構成されており、
   前記プロテクタは、前記主体金具に溶接固定されていること、
   を特徴とするガスセンサ。
2. 前記プロテクタは、さらに、Ｔｉを含有すること、
   を特徴とする請求項１に記載のガスセンサ。

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