JP6233223B2

JP6233223B2 - ガスセンサ

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Publication number: JP6233223B2
Application number: JP2014147131A
Authority: JP
Inventors: 健吾登口; 正毅中村
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 2014-07-17
Filing date: 2014-07-17
Publication date: 2017-11-22
Anticipated expiration: 2034-07-17
Also published as: US10429339B2; DE112015003306T5; US20170212072A1; JP2016023985A; WO2016009929A1; DE112015003306B9; DE112015003306B4

Description

本発明は、被測定ガス中の酸素濃度等を測定するガスセンサに関する。

内燃機関の排気管内に配置されて、排気管内を通過する排気ガス中の酸素濃度等を測定するガスセンサには、測定の速さを示す応答性、水分からの保護性能を示す耐被水性等が要求される。
例えば、特許文献１には、検出素子と、検出素子を保持する主体金具と、検出素子の検出部を収容するプロテクタとを備えるガスセンサについて開示されている。プロテクタは、大径部と小径部とを有している。大径部の第一先端壁には、軸線方向後端側に向かって窪んだ第一陥没部と、第一陥没部において開口する第一開口部とが設けられている。また、小径部の第二先端壁には、軸線方向後端側に向かって窪んだ第二陥没部と、第二陥没部において開口する第二開口部とが設けられている。そして、第一開口部又は第二開口部からプロテクタ内に水滴が浸入した場合でも、水滴が、第一陥没部又は第二陥没部に付着することにより、検出素子に付着することを防止している。

特開２０１３−２５７１９２号公報

しかしながら、第一陥没部及び第二陥没部は、第一開口部又は第二開口部を通過する被測定ガスの流れを遮る形でプロテクタの内側へ突出している。そのため、被測定ガスが検出素子の検出部へ到達する時間が遅れ、ガスセンサによる測定の応答性を十分に向上させることができない。

本発明は、かかる背景に鑑みてなされたもので、耐被水性を確保して、測定の応答性を高めることができるガスセンサを提供しようとして得られたものである。

本発明の一態様は、酸素イオン伝導性を有し、筒状の外周部の先端が閉塞されたコップ形状の固体電解質体と、
上記外周部の外周面に設けられた被測定ガス側電極と、
上記外周部の内周面に設けられた基準ガス側電極と、
上記固体電解質体の内周側に配置され、該固体電解質体を加熱するヒータと、
上記固体電解質体を保持するハウジングと、
該ハウジングに取り付けられ、上記固体電解質体を覆うカバーと、を備えており、
該カバーは、該カバーの基端側であって上記固体電解質体の外周側に位置する大径カバー部と、該大径カバー部の先端側において、該大径カバー部よりも縮径して形成された小径カバー部と、該小径カバー部と上記大径カバー部とを繋ぐ段部とを有しており、
上記大径カバー部、上記小径カバー部及び上記段部は一重のカバーとして形成されており、
上記小径カバー部の先端には、孔の全周が開かれた第１貫通孔が形成されており、
上記段部の周方向の複数個所には、孔の全周が開かれた第２貫通孔が形成されていることを特徴とするガスセンサにある。

上記ガスセンサにおいては、カバーを大径カバー部と小径カバー部との２段形状に形成している。そして、小径カバー部の先端には、孔の全周が打ち抜かれた第１貫通孔を形成し、大径カバー部と小径カバー部とを繋ぐ段部の周方向の複数個所には、孔の全周が打ち抜かれた第２貫通孔を形成している。
このカバーの構成により、被測定ガスが、第１貫通孔及び第２貫通孔を介して、カバーの外側と内側との間を通過しやすくなる。すなわち、被測定ガス側電極の近傍における被測定ガスの流速を高めることができる。そして、被測定ガスは、固体電解質体における被測定ガス側電極に到達しやすくなり、また、被測定ガス側電極からカバーの外部へ排出されやすくなる。そのため、ガスセンサによる酸素濃度等の特定ガス成分濃度を測定する応答性を高めることができる。

また、ガスセンサの応答性が高められることにより、ヒータの出力を抑えて、固体電解質体の温度を低くすることが可能になる。これにより、固体電解質体に、水分による被水ストレス、割れ等が生じにくくすることができ、ガスセンサの耐被水性を確保することができる。また、第１貫通孔及び第２貫通孔の孔径をできるだけ小さくすることによっても、水分がカバー内に浸入しにくくして、ガスセンサの耐被水性を確保することができる。
それ故、上記ガスセンサによれば、耐被水性を確保して、測定の応答性を高めることができる。

実施例にかかる、ガスセンサを示す断面説明図。実施例にかかる、横軸に、大径カバー部の内周面と測定ガス側電極との間の径方向の隙間Ｄ１をとり、縦軸に、固体電解質体の被測定ガス側電極の近傍における被測定ガスの流速をとって、両者の関係を示すグラフ。実施例にかかる、横軸に、小径カバー部の内径Ｄ２をとり、縦軸に、固体電解質体の被測定ガス側電極の近傍における被測定ガスの流速をとって、両者の関係を示すグラフ。実施例にかかる、横軸に、測定ガス側電極の先端から段部の基端面までの軸線方向の距離Ｄ３をとり、縦軸に、固体電解質体の被測定ガス側電極の近傍における被測定ガスの流速をとって、両者の関係を示すグラフ。実施例にかかる、横軸に、カバーの段部における第２貫通孔の孔径をとり、縦軸に、固体電解質体の被水量をとって、両者の関係を示すグラフ。実施例にかかる、横軸に、固体電解質体の測定ガス側電極の近傍における被測定ガスの流速をとり、縦軸に、ガスセンサの応答性をとって、両者の関係を示すグラフ。

上述したガスセンサにおける好ましい実施の形態について説明する。
上記ガスセンサにおいては、上記第１貫通孔は、孔径がφ０．９〜３ｍｍの大きさで１箇所に形成されており、上記第２貫通孔は、孔径がφ０．９〜１．５ｍｍの大きさで形成されていてもよい。
この場合には、第１貫通孔及び第２貫通孔を適切に小さくすることができ、被測定ガスの通過を容易にして、カバー内への水分の浸入を防ぐことができる。
第１貫通孔の孔径がφ０．９ｍｍ未満の場合、及び第２貫通孔の孔径がφ０．９ｍｍ未満の場合には、孔明けを行う型の管理が困難になる。一方、第１貫通孔の孔径がφ３ｍｍ超過の場合、及び第２貫通孔の孔径がφ１．５ｍｍ超過の場合には、耐被水性が悪化する。

また、上記大径カバー部の内周面と上記測定ガス側電極との隙間Ｄ１は、１〜２．５ｍｍの範囲内にあり、上記小径カバー部の内径Ｄ２は、φ３．８〜９．８ｍｍの範囲内にあり、上記被測定ガス側電極の先端から上記段部の基端面までの距離Ｄ３は、１〜６ｍｍの範囲内にあってもよい。
この場合には、カバー内において、被測定ガス側電極の近傍における被測定ガスの流速を高く維持することができ、ガスセンサの測定の応答性を高く維持することができる。

隙間Ｄ１がφ１ｍｍ未満の場合には、大径カバー部の内周面と被測定ガス側電極とが干渉するおそれが生じる。一方、隙間Ｄ１がφ２．５ｍｍ超過の場合には、ガスセンサの応答性が悪化するおそれがある。
内径Ｄ２がφ３．８ｍｍ未満の場合には、ガスセンサの応答性が悪化するおそれがある。一方、内径Ｄ２がφ９．８ｍｍ超過の場合には、大径カバー部と小径カバー部との２段形状を成立させることが困難になる。
距離Ｄ３が１ｍｍ未満の場合には、固体電解質体の先端と段部の基端面とが干渉するおそれが生じる。一方、距離Ｄ３が６ｍｍ超過の場合には、ガスセンサの応答性が悪化するおそれがある。

以下に、ガスセンサにかかる実施例について、図面を参照して説明する。
本例のガスセンサ１は、図１に示すごとく、固体電解質体２、測定ガス側電極２１、基準ガス側電極２２、ヒータ３、ハウジング４及びカバー５を備えている。固体電解質体２は、酸素イオン伝導性を有し、かつ筒状の外周部２３の先端が閉塞されたコップ形状を有している。測定ガス側電極２１は、固体電解質体２の外周部２３の外周面２０１に設けられており、基準ガス側電極２２は、外周部２３の内周面２０２に設けられている。ヒータ３は、固体電解質体２の内周側に配置されており、固体電解質体２を加熱するよう構成されている。ハウジング４は、固体電解質体２を内周側に保持する筒形状を有している。カバー５は、固体電解質体２を覆うとともに、その基端部がハウジング４に取り付けられている。

カバー５は、固体電解質体２の外周側に位置する大径カバー部５１と、大径カバー部５１の先端側に隣接して、大径カバー部５１よりも縮径して形成された小径カバー部５２と、小径カバー部５２と大径カバー部５１とを繋ぐ段部５３とを有している。小径カバー部５２の先端には、孔の全周が打ち抜かれた第１貫通孔５２１が形成されている。段部５３の周方向の複数個所には、孔の全周が打ち抜かれた第２貫通孔５３１が形成されている。

以下に、本例のガスセンサ１について、図１〜図６を参照して詳説する。
図１に示すごとく、本例のガスセンサ１は、車両の排気管内に配置されて使用され、排気管内を流れる排気ガスを被測定ガスＧとして、排気ガス中の酸素濃度を測定するものである。また、ガスセンサ１は、排気管内の、触媒が配置された位置よりも下流側の位置に配置され、排気管内の排気ガスの流れＦに略直交して配置される。
なお、ガスセンサ１は、酸素濃度センサとする以外にも、Ａ／Ｆ（空燃比）センサ等とすることができる。

同図に示すごとく、固体電解質体２の外周部２３は、ハウジング４の内周穴に挿通される挿通部分２３１が、先端側に行くほど縮径する傾斜円筒形状に形成されており、ハウジング４から先端側に突出する突出部分２３２が、ガスセンサ１の軸線方向Ｌに平行な円筒形状に形成されている。突出部分２３２の先端は、半球状の先端部２４によって閉塞されている。測定ガス側電極２１は、突出部分２３２の外周面２０１の全周に設けられており、基準ガス側電極２２は、突出部分２３２の内周面２０２の全周に設けられている。また、固体電解質体２、測定ガス側電極２１及び基準ガス側電極２２によってガスセンサ素子が構成されている。
ヒータ３は、セラミックス基板に、通電によって発熱する導体層を設けて構成されている。ヒータ３における導体層は、被測定ガス側電極２１及び基準ガス側電極２２が設けられた軸線方向Ｌの範囲に設けられている。カバー５は、大径カバー部５１、段部５３及び小径カバー部５２が形成された一重構造を有するものである。

カバー５の大径カバー部５１及び小径カバー部５２は、円筒形状に形成されており、軸線方向Ｌに平行に配置されている。カバー５は、固体電解質体２と同一軸線状に配置されている。固体電解質体２の突出部分２３２は、大径カバー部５１の内周側に配置されており、突出部分２３２の先端と、カバー５の段部５３の基端面５３０との間には、所定の隙間Ｄ１が形成されている。
小径カバー部５２の先端における第１貫通孔５２１の孔径はφ０．９〜３ｍｍの範囲内にある。第１貫通孔５２１は、小径カバー部５２の先端の中心位置の１箇所に形成されている。段部５３における第２貫通孔５３１の孔径はφ０．９〜１．５ｍｍの範囲内にある。第２貫通孔５３１は、固体電解質体２及びカバー５の中心軸線回りである周方向の複数箇所に等間隔に形成されている。

カバー５、及びカバー５とその周辺との間の寸法関係は、次のようにしている。
図１に示すごとく、大径カバー部５１の内周面と測定ガス側電極２１との間の径方向の隙間Ｄ１は、１〜２．５ｍｍの範囲内にある。また、小径カバー部５２の内径Ｄ２は、φ３．８〜９．８ｍｍの範囲内にある。また、測定ガス側電極２１の先端２１１から段部５３の基端面５３０までの軸線方向Ｌの距離Ｄ３は、１〜６ｍｍの範囲内にある。

図２には、隙間Ｄ１（ｍｍ）と、固体電解質体２の被測定ガス側電極２１の近傍における被測定ガスＧの流速（ｍ／ｓ）との関係を示す。同図において、内径Ｄ２はφ４ｍｍとし、距離Ｄ３は、３．５ｍｍとし、内径Ｄ４はφ１０ｍｍとした。同図に示すように、隙間Ｄ１が２．５ｍｍよりも大きくなると被測定ガスＧの流速が低下することが分かる。この理由は、隙間Ｄ１が大きくなると、大径カバー部５１と固体電解質体２の突出部分２３２との間に、被測定ガスＧが流入する空間が広くなり過ぎるためであると考える。一方、隙間Ｄ１が２．５ｍｍ以下である場合には、被測定ガスＧの流速が低下せず、ガスセンサ１による測定の応答性を高く維持することができる。また、大径カバー部５１の内周面と測定ガス側電極２１との干渉を避けるために、隙間Ｄ１はφ１ｍｍ以上とすることが好ましい。

図３には、内径Ｄ２（ｍｍ）と、固体電解質体２の被測定ガス側電極２１の近傍における被測定ガスＧの流速（ｍ／ｓ）との関係を示す。同図において、隙間Ｄ１は２．３ｍｍとし、距離Ｄ３は、３．５ｍｍとし、内径Ｄ４はφ１０ｍｍとした。同図に示すように、内径Ｄ２がφ３．８ｍｍよりも小さくなると被測定ガスＧの流速が低下することが分かる。この理由は、内径Ｄ２が小さくなると、小径カバー部５２内を被測定ガスＧが流れにくくなるためであると考える。一方、内径Ｄ２がφ３．８ｍｍ以上である場合には、被測定ガスＧの流速が低下せず、ガスセンサ１による測定の応答性を高く維持することができる。また、大径カバー部５１と小径カバー部５２との２段形状を成立させるためには、内径Ｄ２はφ９．８ｍｍ以下とすることが好ましい。

図４には、距離Ｄ３（ｍｍ）と、固体電解質体２の被測定ガス側電極２１の近傍における被測定ガスＧの流速（ｍ／ｓ）との関係を示す。同図において、隙間Ｄ１は２．３ｍｍとし、内径Ｄ２はφ４ｍｍとし、内径Ｄ４はφ１０ｍｍとした。同図に示すように、距離Ｄ３が６ｍｍよりも大きくなると被測定ガスＧの流速が低下することが分かる。この理由は、距離Ｄ３が大きくなると、大径カバー部５１内と小径カバー部５２内との間を被測定ガスＧが通過しにくくなるためであると考える。一方、距離Ｄ３が６ｍｍ以下である場合には、被測定ガスＧの流速が低下せず、ガスセンサ１による測定の応答性を高く維持することができる。また、固体電解質体２の先端部２４と段部５３の基端面５３０との干渉を避けるためには、距離Ｄ３はφ１ｍｍ以上とすることが好ましい。

また、図１に示すごとく、大径カバー部５１の内径Ｄ４は、φ８〜１４ｍｍの範囲内にある。大径カバー部５１の内径Ｄ４がφ８ｍｍ未満になると、大径カバー部５１が固体電解質体２における被測定ガス側電極２１と干渉するおそれが生じる。一方、大径カバー部５１の内径Ｄ４がφ１４ｍｍ超過になると、大径カバー部５１がその周囲の部品と干渉するおそれが生じる。

また、第２貫通孔５３１の全体の開口面積は、１４〜２５ｍｍ²の範囲内にある。第２貫通孔５３１の全体の開口面積が１４ｍｍ²未満になると、カバー５内へ被測定ガスＧが流入しにくくなり、ガスセンサ１による測定の応答性が悪化するおそれがある。一方、第２貫通孔５３１の全体の開口面積が２５ｍｍ²超過になると、第２貫通孔５３１からカバー５内へ水分が浸入しやすくなり、ガスセンサ１の耐被水性が悪化するおそれがある。

図５には、カバー５の段部５３における第２貫通孔５３１の孔径（ｍｍ）と、固体電解質体２の被水量（μＬ）との関係を示す。同図に示すように、第２貫通孔５３１の孔径がφ１．５ｍｍよりも大きくなると、固体電解質体２の被水量が多くなることが分かる。この理由は、第２貫通孔５３１の孔径が大きくなると、被測定ガスＧに混ざって飛散する水分が第２貫通孔５３１を通過してカバー５内に浸入しやすくなるためであると考える。一方、第２貫通孔５３１の孔径がφ１．５ｍｍ以下である場合には、固体電解質体２が被水しにくくなり、ガスセンサ１の耐被水性を高く維持することができる。また、第２貫通孔５３１の孔明けを行う型の管理を容易にするためには、第２貫通孔５３１の孔径はφ０．９ｍｍ以上とすることが好ましい。

本例のガスセンサ１においては、カバー５を大径カバー部５１と小径カバー部５２との２段形状に形成している。そして、小径カバー部５２の先端には、孔の全周が打ち抜かれた第１貫通孔５２１を形成し、大径カバー部５１と小径カバー部５２とを繋ぐ段部５３の周方向の複数個所には、孔の全周が打ち抜かれた第２貫通孔５３１を形成している。
このカバー５の構成により、被測定ガスＧが、第１貫通孔５２１及び第２貫通孔５３１を介して、カバー５の外側と内側との間を通過しやすくなる。すなわち、このカバー５の構成により、被測定ガス側電極２１の近傍における被測定ガスＧの流速を高めることができる。そして、被測定ガスＧは、固体電解質体２における被測定ガス側電極２１に到達しやすくなり、また、被測定ガス側電極２１からカバー５の外部へ排出されやすくなる。そのため、ガスセンサ１による酸素濃度を測定する応答性を高めることができる。

図６には、固体電解質体２の測定ガス側電極２１の近傍における被測定ガスＧの流速（ｍ／ｓ）と、ガスセンサ１の応答性（応答時間）（ｍｓ）との関係を示す。同図に示すように、被測定ガスＧの流速が速くなるほど、応答性が改善される（応答時間が短くなる）。このことより、被測定ガス側電極２１の近傍における被測定ガスＧの流速を高めることが、ガスセンサ１の応答性を高めることに効果的に寄与することが分かる。

また、ガスセンサ１の応答性が高められることにより、ヒータ３の出力を抑えて、固体電解質体２（ガスセンサ素子）の温度を低くすることが可能になる。これにより、固体電解質体２に、水分による被水ストレス、割れ等が生じにくくすることができ、ガスセンサ１の耐被水性を確保することができる。また、第１貫通孔５２１の孔径をφ３ｍｍ以下と小さくし、第２貫通孔５３１の孔径をφ１．５ｍｍ以下として小さくすることによっても、水分がカバー５内に浸入しにくくして、耐被水性を確保することができる。
それ故、本例のガスセンサ１によれば、耐被水性を確保して、測定の応答性を高めることができる。

１ガスセンサ
２固体電解質体
２０１外周面
２０２内周面
２１被測定ガス側電極
２２基準ガス側電極
２３外周部
３ヒータ
４ハウジング
５カバー
５１大径カバー部
５２小径カバー部
５２１第１貫通孔
５３段部
５３１第２貫通孔

Claims

酸素イオン伝導性を有し、筒状の外周部（２３）の先端が閉塞されたコップ形状の固体電解質体（２）と、
上記外周部（２３）の外周面（２０１）に設けられた被測定ガス側電極（２１）と、
上記外周部（２３）の内周面（２０２）に設けられた基準ガス側電極（２２）と、
上記固体電解質体（２）の内周側に配置され、該固体電解質体（２）を加熱するヒータ（３）と、
上記固体電解質体（２）を保持するハウジング（４）と、
該ハウジング（４）に取り付けられ、上記固体電解質体（２）を覆うカバー（５）と、を備えており、
該カバー（５）は、該カバー（５）の基端側であって上記固体電解質体（２）の外周側に位置する大径カバー部（５１）と、該大径カバー部（５１）の先端側において、該大径カバー部（５１）よりも縮径して形成された小径カバー部（５２）と、該小径カバー部（５２）と上記大径カバー部（５１）とを繋ぐ段部（５３）とを有しており、
上記大径カバー部（５１）、上記小径カバー部（５２）及び上記段部（５３）は一重のカバーとして形成されており、
上記小径カバー部（５２）の先端には、孔の全周が開かれた第１貫通孔（５２１）が形成されており、
上記段部（５３）の周方向の複数個所には、孔の全周が開かれた第２貫通孔（５３１）が形成されていることを特徴とするガスセンサ（１）。
上記第１貫通孔（５２１）の孔径はφ０．９〜３ｍｍの範囲内にあり、
上記第２貫通孔（５３１）の孔径はφ０．９〜１．５ｍｍの範囲内にあることを特徴とする請求項１に記載のガスセンサ（１）。
上記大径カバー部（５１）の内周面と上記被測定ガス側電極（２１）との隙間Ｄ１は、１〜２．５ｍｍの範囲内にあり、
上記小径カバー部（５２）の内径Ｄ２は、φ３．８〜９．８ｍｍの範囲内にあり、
上記被測定ガス側電極（２１）の先端（２１１）から上記段部（５３）の基端面（５３０）までの距離Ｄ３は、１〜６ｍｍの範囲内にあることを特徴とする請求項１又は２に記載のガスセンサ（１）。
上記ガスセンサ（１）は、車両の排気管内の、触媒が配置された位置よりも下流側において、上記排気管内の排気ガスの流れ（Ｆ）に略直交して配置されることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載のガスセンサ（１）。