JP6287098B2 - ガスセンサ - Google Patents
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Description
自動二輪車エンジンにおいては、ガスセンサを搭載するスペースが限られており、被測定ガスとなる燃焼排気の温度の高い位置に配設して、固体電解質体の活性化のためのヒータを用いることなく、排熱を利用する構造とすることで、製造コストの削減と、小型化との両立を図っている。
このため、乗用車用のガスセンサ以上に激しい冷熱ストレスに晒される上に、外部からの激しい振動や、被水等の過酷な環境で使用され、小型化並びに、耐振動性、耐久性の向上に対する要求が高い。
このため、数百℃以上の被測定ガスに晒されるガスセンサの先端に設けた検出部から、セパレータを熱伝導体として、グロメットが加熱されることになる。
特に、特許文献1のように、セパレータを検出素子とグロメットとで挟持する構造においては、グロメットの底面が広い範囲でセパレータと接触しており、セパレータから受ける熱量が多くなり、グロメットの熱劣化を招くおそれがある。
このような状態で、外部からの振動が加わると、端子金具と検出素子との導通が瞬断され易くなり、端子金具の導通信頼性の低下を招くことになる。
また、従来のガスセンサでは、セパレータを長くして、熱源からの距離を遠ざけることで、グロメットの熱劣化を抑制することが可能であるが、ガスセンサの小型化を阻害する要因となっていた。
さらに、被測定ガスの高い温度によって、固体電解質体を活性化して特定ガス成分の検出を図る簡易な構造のガスセンサであっても、前記断熱空間によって、前記グロメットの底面への熱伝導が遮断され高温に晒される虞もない。
このため、従来のように、アルミナ等の熱伝導性の高い絶縁体が熱媒体となって、グロメットの底面が直接的に加熱され、熱劣化を起こすというような問題が発生しない。
前記端子金具の前記断熱層形成用筒状部が前記ガスセンサ素子と前記グロメットとによって弾性的に挟持されているので、外部からの振動に対しても、端子金具と検出素子との導通信頼性が損なわれることもなく、高い導通信頼性も発揮できる。
なお、以下の説明において、ガスセンサ8の被測定ガスに露出する側を先端側とし、信号線2を外部に引き出す側を基端側と称する。
本発明のガスセンサ8は、自動車エンジン、自動二輪車エンジン等の内燃機関の燃焼排気等を被測定ガス91とし、内燃機関の排気筒に近い位置において、被測定ガス流路90に固定され、被測定ガス91の高い温度を利用して固体電解質体を活性化して、被測定ガス中の特定成分を検出する、いわゆるヒータレスタイプのガスセンサである。
なお、本発明の理解を容易にするため、以下の説明においては、ジルコニア等の酸素イオン伝導性を有する固体電解質材料を用いた酸素センサを例に説明するが、本発明において、検出対象を限定するものではなく、検出対象に応じて、ガスセンサ素子3を構成する固体電解質材料としてプロトン伝導体等を用いたり、酸素濃度だけでなく、空燃比、NOx、アンモニア等の検出に利用したりすることも可能である。
ガスセンサ素子3は、いわゆるコップ型の素子となっており、特定イオンに対して伝導性を有する固体電解質材料を一端が閉塞し他端が開口する有底筒状に形成した固体電解質体300と、その外周表面301に形成され、被測定ガス91に接する測定電極層310と、固体電解質体300の内周表面321に形成され、基準ガスとして基準ガス空間32内に導入した大気に接する基準電極層320とからなる検出部30を具備する。
固体電解質体30の内側には基準ガスとして大気が導入される基準ガス室32が区画されている。
検出部30の基端側で固体電解質体300の中腹には、外周側に向かって径大となるように拡径した大径部31が形成されている。
さらに大径部31の基端側には、筒状に形成され、外部との接続を図るための信号取出部33が形成されている。
測定電極層310は、ハウジング7を介して、被測定流路90に電気的に接続され、接地状態となっている。
ガスセンサ8は、端子金具1と、信号線2と、ガスセンサ素子3と、グロメット4と、ケーシング5と、6と、ハウジング7とによって構成されている。
信号線2は、ガスセンサ素子3と外部との接続を図っている。端子金具1は、ガスセンサ素子3と信号線2との接続を図っている。
断熱層形成用筒状部15は、固体電解質体300の内周面321の内径よりも径大で、断面C字形で軸方向に伸びる一部切り欠き筒状に形成されている。
断熱層形成用筒状部15は、端子金具1を固体電解質体300に装着したときにガスセンサ素子3の基端側から所定の長さで露出するように形成されている。
本実施形態においては、固電解質体300の基端側端面を変面部34としている。
また本実施形態における基端側当接部16は、径方向に張り出す鍔状に形成されている。鍔状とすることで、グロメット4の底面40を押圧する圧力を分散させ、グロメット4に局所的な圧力が作用して亀裂を生じるのを防ぐことができる。
導通部12は、外径方向に付勢されているので、導通部12を縮径しながら固体電解質体300に装着したとき、基準電極層320と弾性的に当接して、導通を図ることでできるようになっている。
テーパ部17を形成することによって、端子金具1を固体電解質体300に装着する際に、テーパ部17の先端が挿入ガイドとして機能し、縮径しながら固体電解質体300の内周面321内にスムーズに挿入することができる。
圧着部10は、信号線2の芯線20を圧着固定するものである。
本実施形態において圧着部10は、導通部12の先端側に設けられており、ガスセンサ素子3から露出する端子金具1の体格を小さくし、ガスセンサ8の小型化を図ることができる。
なお、連結部11、13に傾斜を設けることで、図2Cに示すように、圧着部10と導通部12と断熱層形成用筒状部15とが同心となるように配設しても良いし、図2Dに変形例1aとして示すように、断熱層形成用筒状部15の位置を導通部12の外周縁に一致するように偏心させて配設しても良い。
さらに、本図では、導通部12の外径を断熱層形成用筒状部15の外径よりも小さく形成した例を示してあるが、導通部12の外径を断熱層形成用筒状部15の外径と同径に形成し、縮径しながら固体電解質体300内に圧入することで固体電解質体300の内周面に形成した基準電極層320と密着させるようにしても良い。
グロメット4は、撥水フィルタ61の基端部と共にケーシング5の基端側開口に挿入され、かしめ部54によって封止固定されている。
ケーシング5の先端側大径部50は、ハウジング7のボス部74に嵌着され、レーザ溶接等の溶接部56によって封止固定されている。
ケーシング5の中径部51の側面には、複数の通気孔52が穿設され、ケーシング5の内側に大気を導入している。
通気孔52には、気体は透過し、液体の侵入は阻止する撥水フィルタ61が設けられている。
ハウジング7の先端側外周にはネジ部75が形成され、被測定ガス流路壁90に固定され、検出部30を被測定ガス91中に配設・固定する。
ハウジング7の基端側には、ボス部74が形成され、ケーシング5の大径部50が装着され、レーザ溶接等の固定手段により固定部5を形成し気密に固定している。
絶縁性封止部材63には、アルミナ等の耐熱性セラミック焼結体を環状に形成したものが用いられている。
シール部材64は、ステンレス等に耐熱性の高い金属材料を環状に形成したものが用いられている。
ハウジング7の基端側からガスセンサ素子3の一部が露出し、信号取出部33を構成している。
撥水フィルタ61は、通気孔52に対向する位置に設けられ、通気孔52からセンサ内部への気体の透過を許容し、液体の透過は阻止する。
本実施形態においては、筒状弾性部材60を撥水フィルタ61よりも、内側に配設してある。
ケーシング5の中径部51基端側の一部を径方向中心側に向かって圧縮して、かしめ部54を設けて、撥水フィルタ61の基端側を、グロメット4、信号線2と共にかしめ固定してある。
グロメット4及び筒状弾性部材61には、フッ素ゴム、シリコーンゴム等の耐熱性弾性部材が用いられ、かしめ部54、55を内側から弾性的に押圧する反力を発生させて、撥水フィルタ61との間に間隙を生じないようにしている。
本図に示したような、単数のものに限らず、複数のカバー体を同心に配設したものを用いても良い。
空気断熱空間SPTIは、断熱層として機能し、従来のように、熱伝導率の高いアルミナ等の絶縁体が設けられていないので、温度の高い被測定ガスの熱が絶縁体を介してグロメット4の底面40に伝達されることがないので、熱劣化が抑制され、端子金具1の導通部12と基準電極層321と間の導通信頼性に優れたガスセンサ8を実現することができる。
なお、以下の実施形態において、第1の実施形態におけるガスセンサ8と同一の構成については、同じ符号を付し、相違する部分については、枝番としてアルファベットの符号を付したので、同一部分については、説明を省略し、それぞれの実施形態における特徴的な部分を中心に説明する。
断熱層形成用筒状部15bの外径は、固体電解質体300の内周径よりも径大となるように形成されている。
導通部12bの外径は、固体電解質体300の内周径よりも僅かに径大となるように形成され、縮径された状態で固体電解質体300の内側に圧入されている。
本実施形態においても、固体電解質体300の基端側端面を平面部34として、素子側当接部14が当接し、グロメット4の底面40に鍔状に形成されていない基端側当接部16bが当接している。
本実施形態においても、前記実施形態と同様、断熱空間SPTIによって、グロメット4の熱劣化が抑制されている。
また、本実施形態においては、鍔部及び傾斜面を廃した構成とすることにより、構造を簡略化し、さらなる製造コストの削減を図っている。
本実施形態におけるガスセンサ素子3cでは、固体電解質体300の基端側に設けた信号取出部33cにおいて、平面部34cとして、内周面321cを先端側が径小となり基端側が径大となるように、段階的に径変せしめた段差部が設けられている。
断熱層形成用筒状部15cの先端側の一部が、固体電解質体300の内側に圧入されている。
固体電解質体300の内側に圧入された導通部12cは、内周面321cを内側から径方向に弾性的に押圧して基準電極層320との導通を図っている。
本実施形態においても、断熱空間SPTIによって、グロメット4の熱劣化が抑制されている。
なお、本実施形態において基端側当接部16cを鍔状に広げつつ花弁状に切り欠いてあるが、鍔部を設けない、第2の実施形態における端子金具1bを除き、いずれの実施形態においても採用し得るものである。
基端側当接部16cを花弁状に切り欠くことで、鍔状に形成する際の亀裂の発生や変形を抑制することができる。
本実施形態においても、断熱空間SPTIによって、グロメット4の熱劣化が抑制されている。
本実施形態における端子金具1dでは、断熱層形成用筒状部15dと導通部12dとの間に、素子側傾斜当接部14dが設けられている。
これにより、素子側傾斜当接部14dを、傾斜面34dに当接させたときに、径方向と軸方向との両方に弾性的な押圧力が作用し、外部からの振動に対して高い導通信頼性を発揮できる。
本実施形態におけるガスセンサ素子3eでは、固体電解質体300eの内周表面321eに形成した基準電極層320を、固体電解質体300eの基端側に形成した信号取出部33eにおいて、固体電解質体300eの外周面331eまで延設してある。
本実施形態においても、グロメット4とガスセンサ素子3eとの間に断熱空間SPTIを形成することで、グロメット4の熱劣化が抑制されている。
導通部12eは、固体電解質体300eの外周面331eの外径よりも僅かに小さい径で一部が切り欠かれた断面C字形に形成されており、導通部12eを外周面321eに嵌着したときに外側から中心に向かう方向の押圧力を生じるよう付勢されている。
導通部を固体電解質体300の内周面321に圧入する場合にくらべ、導通部12eの外径が大きくなることで、導通部12eの表面積が拡大され、冷却効果が向上し、グロメット4への伝熱量の低減を図ることも可能となる。
さらに、導通部12eの外周を覆うように筒状弾性部材60が嵌着され、撥水フィルタ61と共にかしめ部55によって外周方向から圧縮されている。
導通部12eは、信号取出部33eの外周面331eに延設した基準電極層320を中心に向かって、弾性的に押圧するように付勢されているが、筒状弾性部材60が重畳的に導通部12eを中心に向かって弾性的に押圧するので、より一相導通信頼性を向上させることができる。
本実施形態における要部である端子金具1fの導通部12の先端側に、連結部19を介して接続する第2の導通部18を設けて、固体電解質体30の内径を縮径した径変部322において基準電極層320に当接せしめてある。
本実施形態においては、前記実施形態と同様に、グロメットの熱劣化を抑制して、導通信頼性の確保と耐久性の向上を図る効果に加え、第2の導通部によって補完的に導通信頼性が向上されている。
第2の導通部18は、先端側で二股に分かれた舌片状に形成されており、傾斜した径変部322に当接することで軸方向と径方向とに押圧することになる。
その結果、端子金具1fに外部からの振動が作用しても、基準電極層320を径方向に弾性的に押圧する導通部12と基準電極層320を軸方向にも径方向にも端正的に押圧する第2の導通部18とのいずれかが常に基準電極層320との導通を維持することになるので、極めて高い導通信頼性を発揮できる。
本実施形態においては、かしめ固定するに際し、撥水フィルタ61を筒状弾性部材60よりも、内側に配設せしめてある。
撥水フィルタ61の先端部を筒状弾性部材60よりも、内側に配設することにより、かしめ部55を形成する際に、筒状弾性部材60を介して撥水フィルタ61が圧縮されるので、過剰な変形が抑制され、撥水フィルタ61と筒状弾性部材60との間に間隙が形成されることがなく、確実に水滴の侵入を阻止できる。
前記実施形態においては、圧着部10を端子金具1、1a〜1fの先端に設けた構成を示したが、本実施形態における端子金具1gでは、圧着部10gが断熱層形成用筒状部15gよりも基端側に設けられている点が相違する。
さらに、図9Cに示すように、グロメット4の先端側に、圧着部10gを収容するための圧着部空間部41を設けてグロメット4gの内側に収容するようにしても良い。
本実施形態によれば、圧着部10gが通気路52よりも基端側に位置し、比較的低温の環境に配置されるので、信号線2の絶縁被覆への熱的ダメージを低減することもできる。
この場合、熱伝導率の高い絶縁体がグロメット4の底面40に接することになるが、絶縁体よりも先端側に、断熱層形成用筒状部15gによって支持されつつ、通気孔52を介して大気に連通された断熱空間SPTIが存在するため、ガスセンサ素子3を加熱する被測定ガスの熱がグロメット4に到達することが ほとんどなく、グロメット4の熱劣化を抑制することが可能となる。
加えて、本実施形態においては、図10Cに示すように、圧着部10hがガスセンサ素子3の内側に収容されるので、ガスセンサ8hの体格を小さくすることができる。
さらに、圧着部10hが、導通部12hよりも基端側に設けられているため、圧着部10を先端に設けた場合にくらべ、熱源からの距離が遠くなるので、信号線2の絶縁被覆への熱的ダメージを軽減できる。
本実施形態においては、撥水フィルタ61の先端部を筒状弾性部材60よりも、内側に配設することにより、かしめ部55を形成する際に、筒状弾性部材60を介して撥水フィルタ61が圧縮されるので、過剰な変形が抑制され、撥水フィルタ61と筒状弾性部材60との間に間隙が形成されることがなく、確実に水滴の侵入を阻止できる。
前記第1の実施形態から第8の実施形態のおけるガスセンサ8〜8hにおいては、ケーシング5の先端をハウジング7のボス部74にレーザ溶接により固定した溶接部56を設けた例を示したが、本実施形態においては、ケーシング5iの先端に外周方向に張り出す鍔部56iを設けて、粉末充填部材62i、絶縁性封止部材63i、シール部材64と共に、ハウジング7iの粉末充填部係止部72とかしめ部73iとの間に挟持し、軸方向の軸力を負荷して、かしめ固定した点が相違する。
本実施形態におけるケーシング5iの中径部51の先端には、径方向に向かってハット型に広がるケーシング鍔部56iが設けられている。
ケーシング鍔部56iは、封止部材64と共に、ハウジング7iのかしめ部73iによってかしめ固定されている。
本実施形態においても、前記実施形態と同様に、断熱層形成用筒状部15によって、ガスセンサ素子3の基端とグロメット4との間に、撥水フィルタ61を介して大気導入孔52に連なる空気断熱空間SPTIが形成されるので、グロメット4の熱劣化が抑制され、端子金具1iの導通部12と基準電極層321と間の導通信頼性に優れたガスセンサ8iを実現することができる。
10 圧着部
12 導通部
14 素子側当接部
14d 素子側傾斜当接部
15 断熱層形成用筒状部
16 基端側当接部
2 信号線
20 信号線芯線
3 ガスセンサ素子
30 検出部
300 固体電解質体
301 固体電解質体外周表面
310 測定電極層
32 基準ガス室
320 基準電極層
321 固体電解質体内周表面
34 固体電解質体平面部
34d 固体電解質体傾斜部
4 グロメット
40 グロメット底面
5 ケーシング
52 通気孔
61 撥水フィルタ
7 ハウジング
8 ガスセンサ
91 被測定ガス
SPTI 断熱空間
Claims (14)
- 少なくとも、
特定イオンに対して伝導性を有する有底筒状の固体電解質体(300)と、該固体電解質体の外周表面(301)に形成され、被測定ガス(91)に接する測定電極層(310)と、前記固体電解質体の内周表面(321)に形成され、基準ガスとして導入した大気に接する基準電極層(320)とからなる検出部(30)を具備して、被測定ガス中の特定成分を検出するガスセンサ素子(3)と、
該ガスセンサ素子と外部との接続を図る信号線(2)と、
前記ガスセンサ素子と前記信号線との接続を図る端子金具(1、1a〜1h)と、前記ガスセンサ素子を収容し、前記検出部を被測定ガス(91)中に配設・固定するハウジング(7)と、
前記ガスセンサ素子の基端側を前記端子金具と共に覆いつつ、内側に大気を導入する通気孔(52)を備えた筒状のケーシング(5)と、
該ケーシングの基端側を気密に封止しつつ、前記端子金具に接続された前記信号線を保持するグロメット(4)と、
前記通気孔に対向して設けられ、気体の透過は許容し液体の透過は阻止する多孔質繊維構造体からなる撥水フィルタ(61)と、を具備し、
被測定ガス中の特定成分を検出するガスセンサであって、
前記端子金具が、筒状に形成され、前記ガスセンサ素子の基端側から所定の長さで露出する断熱層形成用筒状部(15、15b〜15g)と、
該断熱層形成用筒状部の先端側において前記固体電解質体の長手軸に垂直な平面部(34、34c)に当接する素子側当接部(14、14c、14e)、若しくは、垂直成分を含む傾斜部(34d)に当接する素子側傾斜当接部(14d)と、
前記断熱層形成用筒状部の基端側において前記グロメットの底面(40)に当接する基端側当接部(16、16c)と、
前記基準電極層と弾性的に当接して、導通を図る導通部(12、12b〜12e、12h)と、
前記信号線の芯線(20)を圧着固定する圧着部(10、10g、10h)と、を具備して、
前記グロメット(4)と前記ガスセンサ素子(3)との間を離隔しつつ、前記通気孔(52)に連通する断熱空間(SPTI)を設けたことを特徴とするガスセンサ(8、8a〜8i) - 前記端子金具において、前記断熱層形成用筒状部を、前記固体電解質体の内周径よりも径大となる一部切り欠き筒状に形成すると共に、前記固体電解質体の基端側端面を前記平面部として、前記素子側当接部を当接せしめた請求項1に記載のガスセンサ
- 前記ガスセンサ素子が、前記固体電解質体の基端側に設けた信号取出部において、前記平面部として、内周面を先端側が径小となり基端側が径大となるように、段階的に径変せしめた段差部を設け、
前記端子金具の前記断熱層形成用筒状部の一部を、前記導通部として、前記固体電解質体の内側に圧入すると共に、前記導通部が、前記内周面を内側から径方向に弾性的に押圧して前記基準電極層との導通を図りつつ、前記素子側当接部が、前記段差部に当接して軸方向に押圧する請求項1に記載のガスセンサ - 前記ガスセンサ素子が、前記固体電解質体の基端側に設けた信号取出部の開口端において、基端側に向かって徐々に径大となるように径変する傾斜面を具備すると共に、
前記端子金具の前記断熱層形成用筒状部と前記導通部との間に、前記素子側傾斜当接部を設け、
前記素子側傾斜当接部を、前記傾斜面に当接せしめた請求項1に記載のガスセンサ - 前記ガスセンサ素子が、固体電解質体の内周表面に形成した基準電極層を、固体電解質体の基端側に形成した信号取出部において、固体電解質体の外周面まで延設すると共に、 前記端子金具の前記断熱層形成用筒状部の一部を、前記導通部として、前記固体電解質体の外周面に嵌着せしめて、
前記導通部が、前記外周面を外側から径方向に弾性的に押圧して前記基準電極層との導通を図りつつ、前記信号取出部の外周に設けた段差部を前記平面部として、前記素子側当接部を当接せしめた請求項1に記載のガスセンサ - 前記端子金具の前記導通部の先端側に、前記固体電解質体の内径を縮径した径変部において前記基準電極層に当接する第2の導通部を設けた請求項1ないし4のいずれかに記載のガスセンサ
- 前記端子金具の前記断熱層形成用筒状部の前記基端側当接部を径方向に張り出す鍔状に形成した請求項1ないし6のいずれかに記載のガスセンサ
- 前記圧着部を、前記端子金具の導通部よりも先端側に配設した請求項1ないし7のいずれかに記載のガスセンサ
- 前記圧着部を前記断熱層形成用筒状部よりも基端側に配設した請求項1ないし7のいずれかに記載のガスセンサ
- 前記圧着部を、前記断熱層形成用筒状部と前記導通部との間に配設した請求項1ないし7のいずれかに記載のガスセンサ
- 前記ケーシングと前記ガスセンサ素子の信号取出部との間に、前記撥水フィルタの先端側と筒状弾性部材とを介装し、前記信号取出部の外周面を背にして前記ケーシングの中径部を径方向中心側に向かって圧縮して、かしめ部を設けて固定するに際し、前記筒状弾性部材を前記撥水フィルタよりも、内側に配設した請求項1ないし10のいずれかに記載のガスセンサ
- 前記ケーシングと前記ガスセンサ素子の信号取出部との間に、前記撥水フィルタの先端側と筒状弾性部材とを介装し、前記信号取出部の外周面を背にして前記ケーシングの中径部を径方向中心側に向かって圧縮して、かしめ部を設けて固定するに際し、前記撥水フィルタを前記筒状弾性部材よりも、内側に配設した請求項1ないし10のいずれかに記載のガスセンサ
- 前記ケーシングの大径部を前記ハウジングのボス部に嵌着し、溶接部を設けて気密に封止した請求項1ないし12のいずれかに記載のガスセンサ
- 前記ケーシングの中径部の先端に、径方向に向かってハット型に広がる鍔部を設けて、封止部材と共に、前記ハウジングのかしめ部によってかしめ固定した請求項1ないし12のいずれかに記載のガスセンサ
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