JP6859217B2 - ガスセンサ - Google Patents

Description

本発明は、被検出ガス中に晒され、この中の特定ガス成分を検出するセンサ素子を備え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すると共に、センサ素子の後端側を金属製の外筒の内部に収容した構造が一般的に用いられている。又、センサ素子の検出信号を外部に取り出したり、センサ素子を加熱するヒータの電力を供給するため、センサ素子の後端側に端子金具が電気的に接続され、この端子金具は筒状のセラミック製セパレータの内部に保持されている。

さらに、センサ素子の検出セルは、酸素濃度の基準となる外気に晒される基準電極と、被検出ガス中に晒される検知電極とを有しており、外筒の内部に収容されたセンサ素子に外気を導入する必要がある。このため、外筒のうちセパレータに対向する側面に通気孔を設け、この通気孔に撥水性の通気フィルタを配置するガスセンサが開示されている（例えば、特許文献１参照）。
このガスセンサでは、通気孔から通気フィルタを介して外筒の内部に導入された外気は、外筒とセパレータとの隙間を経由してセンサ素子に導入される。

特開２０１６−２１１９８１号公報（図１）

しかしながら、外筒とセパレータとの隙間は狭いため、通気孔から外筒の内部に外気が導入され難く、センサ素子の検出出力が変動したり異常値を示すという問題がある。又、外筒とセパレータを組み付ける際に径方向の位置ズレがあると、セパレータが外筒に密着して通気孔を閉塞するおそれがある。さらに、ガスセンサの周囲温度が低下して外筒の内部が結露した場合、外気が導入され難いと結露水が隣接する端子金具間を短絡して絶縁性が低下するおそれがある。
一方、外筒のうち、セパレータ等の内部部品が存在しない部位に通気孔を設けようとすると、ガスセンサの軸線方向の長さが長くなって大型化したり、通気孔からセンサ素子に至る外筒の内部容積が増え過ぎて外筒内部の換気が進みにくくなるという不具合がある。
本発明は、かかる現状に鑑みてなされたものであって、ガスセンサへの外気の流通を促進させてセンサ素子の検出出力を安定化させると共に、ガスセンサ内部の結露を速やかに解消することができるガスセンサを提供することを目的とする。

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み、前記センサ素子の後端側を突出させつつ該センサ素子を保持する主体金具と、側面通気孔を有して前記主体金具の後端側に固定される外筒と、前記外筒の後端側に収容される弾性のシール部材と、前記軸線方向に前記シール部材と前記センサ素子との間で前記外筒の内面に配置される筒状部材と、前記軸線方向に前記筒状部材と前記センサ素子との間で前記外筒の内面に配置されるセパレータと、を備えるガスセンサであって、前記筒状部材は、先端側に設けられる小径部と、後端側に設けられて前記軸線方向に前記小径部と繋がり、前記小径部よりも径大となる最大外径をなす大径部と、を有し、前記大径部と前記小径部は、別部材を介さずに前記外筒に直接対向して配置されると共に、前記小径部の周囲には環状の内部空間が形成され、前記大径部と前記外筒との最大間隔は、前記小径部と前記外筒との最大間隔よりも小さく、前記側面通気孔は前記小径部に対向して配置され、前記軸線方向に、前記筒状部材は前記セパレータと前記シール部材とに接して挟まれるようにして保持されていることを特徴とする。

このガスセンサによれば、側面通気孔が小径部に対向して配置されると共に、小径部の後端側には小径部よりも径大な大径部が配置されている。これにより、側面通気孔からガスセンサの内部に導入された外気は、ガスセンサの内部の先端側のセンサ素子の方へ流れ易くなり、センサ素子への外気の流通を促進させることができる。又、外気が外筒内で後端側へ流れても、小径部よりも径大な大径部によって跳ね返されて先端側へ向かうので、ガスがセンサ素子の方へさらに流れ易くなる。
又、側面通気孔は、大径部より径小の小径部に対向しているので、外筒と筒状部材を組み付ける際に径方向に位置ズレしても、小径部と側面通気孔との隙間を確保することができ、側面通気孔に小径部が密着して側面通気孔を閉塞することを抑制できる。
以上により、ガスセンサへの外気の流通を促進させてセンサ素子の検出出力を安定化させると共に、ガスセンサ内部の結露を速やかに解消することができる。

本発明のガスセンサにおいて、前記小径部の前記側面通気孔に対向する部位に、先端に向かって先細るテーパ部が形成されていてもよい。
このガスセンサによれば、側面通気孔からガスセンサの内部に導入された外気がテーパ部に案内されて先端側へ向かってスムーズに流れ易くなるので、センサ素子への外気の流通をより促進させることができる。

本発明のガスセンサにおいて、前記筒状部材がセラミックからなっていてもよい。
このガスセンサによれば、筒状部材を弾性部材から形成した場合に比べ、形状保持性に優れ、外筒と筒状部材を組み付ける際に径方向に位置ズレしても、小径部と側面通気孔との隙間を安定して確保できる。

本発明のガスセンサにおいて、前記テーパ部の軸線方向の長さは、前記側面通気孔の軸線方向の長さよりも短くてもよい。
このガスセンサによれば、テーパ部付近の内部空間を狭くし、外気の換気性が向上する。

本発明のガスセンサにおいて、前記大径部の少なくとも一部は、前記外筒の内面と当接していてもよい。
このガスセンサによれば、外筒と筒状部材を組み付ける際、径方向に筒状部材を位置決めして径方向の位置ズレを抑制できる。

本発明のガスセンサは前記センサ素子と電気的に接続する端子金具をさらに備え、前記筒状部材は、自身の内部に前記端子金具を保持するセパレータであってもよい。
このガスセンサによれば、セパレータが筒状部材を兼用するので、部品点数が低減すると共に、ガスセンサを小型にすることができる。

この発明によれば、ガスセンサへの外気の流通を促進させてセンサ素子の検出出力を安定化させると共に、ガスセンサ内部の結露を速やかに解消することができる。

本発明の実施形態に係るガスセンサの長手方向に沿う断面図である。 筒状部材の周囲における図１の部分拡大図である。 筒状部材の変形例を示す断面図である。 筒状部材の別の変形例を示す断面図である。 筒状部材のさらに別の変形例を示す断面図である。 筒状部材の他の変形例を示す断面図である。

以下、本発明の実施形態について説明する。
図１は本発明の実施形態に係るガスセンサ（酸素センサ）２００の長手方向に沿う全体断面図、図２は図１の部分拡大図である。
このガスセンサ２００は、自動車や各種内燃機関の排気ガス中の酸素濃度を検出する酸素センサである。

図１において、ガスセンサ２００は、排気管に固定されるためのねじ部１３９が外表面に形成された筒状の主体金具１３８と、軸線Ｏ方向（ガスセンサ２００の長手方向：図中上下方向）に延びる板状形状をなすセンサ素子１０と、主体金具１３８の後端側に固定される金属製の外筒１４４と、外筒１４４の後端側１４４ｅに収容される弾性ゴム製のグロメット（シール部材）１７０と、グロメット１７０の先端側に配置される筒状部材３０と、筒状部材３０の先端側に配置されてセンサ素子１０の後端部の周囲を取り囲むセラミック製のセパレータ４０と、セパレータ４０の挿通孔４０ｈに保持される４個の端子金具２０と、を備えている。
又、センサ素子１０の先端側の検出部は、アルミナ等の多孔質保護層１４で覆われている。

主体金具１３８は、ステンレスから構成され、軸線方向に貫通する貫通孔１３４を有し、貫通孔１３４の径方向内側に突出する棚部１３２を有する略筒状形状に構成されている。この貫通孔１３４には、センサ素子１０の先端部を自身の先端よりも突出させるように当該センサ素子１０が配置されている。さらに、棚部１３２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。

なお、主体金具１３８の貫通孔１３４の内部には、センサ素子１０の径方向周囲を取り囲む状態で環状形状のアルミナ製のセラミックホルダ１５１、粉末充填層（滑石リング）１５３、およびセラミックスリーブ１０６がこの順に先端側から後端側にかけて積層されている。
また、セラミックスリーブ１０６と主体金具１３８の加締め部１３７との間には、加締めパッキン１５７が配置されており、加締め部１３７は、加締めパッキン１５７を介してセラミックスリーブ１０６を先端側に押し付けるように、加締められている。

一方、図１に示すように、主体金具１３８の先端側（図１における下方）外周には、センサ素子１０の突出部分を覆うと共に、複数の孔部を有する金属製（例えば、ステンレスなど）二重のプロテクタである、外部プロテクタ１４２および内部プロテクタ１４３が溶接等によって取り付けられている。
そして、主体金具１３８の後端側外周には、外筒１４４が固定されている。また、外筒１４４の後端側には、外筒１４４の後端開口を閉塞するように上述のグロメット１７０が配置されている。グロメット１７０には、４本のリード線１４６（図１では２本のみを表示）が挿通されるリード線挿通孔１７０ｈが形成されている。

また、主体金具１３８の加締め部１３７より突出されたセンサ素子１０の後端側（図１における上方）には、主体金具１３８と離間してセパレータ４０が配置される。なお、このセパレータ４０は、センサ素子１０の後端側の主面に形成される合計４個の電極パッド（図示せず）の周囲に配置される。このセパレータ４０は、軸線方向に貫通する挿通孔４０ｈを有する筒状形状に形成されると共に、外表面から径方向外側に突出する鍔部４０ａが備えられている。セパレータ４０は、鍔部４０ａを外筒１４４の段部に当接させると共に、保持部材１６９を介して外筒１４４を加締めることで、外筒１４４の内部に保持される。
そして、軸線Ｏ方向にセパレータ４０とグロメット１７０とで挟まれるようにして、外筒１４４の内部にセラミック製の筒状部材３０が配置されている。筒状部材３０は、グロメット１７０の弾性力によって先端側に押圧され、セパレータ４０の後端向き面側に係止されている。
又、セパレータ４０とセンサ素子１０の後端側との間の外筒１４４の内部が素子空間Ｖを形成している。

センサ素子１０自身は公知の構成であり、図示はしないが酸素イオン透過性の固体電解質体と１対の電極とを有するガス検出部と、ガス検出部を加熱して一定温度に保持するヒータ部とを備えている。又、ガス検出部の１対の電極は、酸素濃度の基準となる外気に晒される基準電極と、被検出ガス中に晒される検知電極とからなる。
そして、外筒１４４の内部に収容されたセンサ素子１０に外気を導入するため、外筒１４４には側面通気孔１４４ｓが周方向に等間隔で複数個設けられている。又、側面通気孔１４４ｓの外側には撥水性の通気フィルタ１４５が配置され、通気フィルタ１４５の外側に金属製の保護外筒１４７がはめられており、保護外筒１４７の外側から加締められることにより、外筒１４４、通気フィルタ１４５及び保護外筒１４７が一体に固定されている。
なお、保護外筒１４７にも側面通気孔１４４ｓと重なるように側面通気孔１４７ｓが設けられ、各側面通気孔１４４ｓ、１４７ｓ及び通気フィルタ１４５を介してガスセンサ２００の内部に外気を導入及び排出可能になっている。
通気フィルタ１４５は、通気は可能であるが水分の浸入を防止できるものである。

一方、センサ素子１０の後端側に配置された上述の電極パッドには、端子金具２０がそれぞれ電気的に接続され、センサ出力信号が端子金具２０からリード線１４６を介して外部に取り出されると共に、端子金具２０を介してヒータ部に電力を供給するようになっている。
なお、端子金具２０の後端側にリード線１４６が圧着されており、端子金具２０がセパレータ４０の挿通孔４０ｈに保持されると共に、リード線１４６は筒状部材３０の挿通孔（図示せず）及びグロメット１７０のリード線挿通孔１７０ｈを通して外部に引き出されている。
なお、筒状部材３０がセパレータ４０を兼ねるのが部品点数削減の点からは好ましいが、図１の例では、筒状部材３０とセパレータ４０とを別体としている。これは、セパレータ４０に挿入された端子金具２０に対し、セパレータ４０の後端側から筒状部材３０の先端を当接させることで、端子金具２０の軸線Ｏ方向の位置決め精度を向上させることができるためである。このように、部品点数削減の効果と、別の効果（端子金具２０の位置決め等）とを比較して筒状部材３０の構成を選択すればよい。

次に、図２を参照して筒状部材３０の作用について説明する。
図２に示すように、筒状部材３０は、先端側に設けられる小径部３１と、後端側に設けられる大径部３３と、を有する。大径部３３は、より詳しくは一定径の筒状をなして筒状部材３０の最大外径をなすと共に、軸線Ｏ方向に小径部３１と繋がっている。つまり、小径部３１と大径部３３との間に別の部材は介在しない。
一方、小径部３１は、先端側の一定径の筒状部３１ａと、筒状部３１ａの後端側に一体に繋がり、先端に向かって窄まるテーパ部３１ｂとを有し、テーパ部３１ｂの先端が大径部３３に繋がっている。

筒状部材３０（小径部３１及び大径部３３）は、別部材を介さずに外筒１４４に直接対向して配置されると共に、小径部３１の周囲には環状の内部空間Ｔが形成されている。一方、本実施形態では、大径部３３は外筒１４４の内面と接している。
又、大径部３３と外筒１４４との径方向の最大間隔Ｄ１（本例ではＤ１＝０）は、小径部３１（筒状部３１ａ）と外筒１４４との径方向の最大間隔Ｄ２よりも小さくなっている。
そして、側面通気孔１４４ｓが小径部３１に対向して配置されている。

このように、側面通気孔１４４ｓが小径部３１に対向して配置されると共に、小径部３１の後端側には小径部３１よりも径大な大径部３３が配置されている。これにより、側面通気孔１４４ｓからガスセンサ２００の内部に導入された外気Ｇは、内部空間Ｔから先端側の素子空間Ｖ（図１参照）へ流れ易くなり、センサ素子１０への外気の流通を促進させることができる。又、、外気Ｇが外筒１４４内で後端側へ流れても、小径部３１から拡径するテーパ部３１ｂや、小径部３１よりも径大な大径部３３によって跳ね返されて先端側へ向かうので、ガスＧが素子空間Ｖへさらに流れ易くなる。
又、側面通気孔１４４ｓは、大径部３３より径小の小径部３１に対向しているので、外筒１４４と筒状部材３０を組み付ける際に径方向に位置ズレしても、小径部３１と側面通気孔１４４ｓとの隙間を確保することができ、側面通気孔１４４ｓに小径部３１が密着して側面通気孔１４４ｓを閉塞することを抑制できる。
以上により、ガスセンサ２００への外気の流通を促進させてセンサ素子１０の検出出力を安定化させると共に、ガスセンサ２００内部の結露を速やかに解消することができる。

又、上述のように、小径部３１の側面通気孔１４４ｓに対向する部位に、先端に向かって先細るテーパ部３１ｂを設けると、側面通気孔１４４ｓからガスセンサ２００の内部に導入された外気Ｇがテーパ部３１ｂに案内されて先端側へ向かってスムーズに流れ易くなるので、センサ素子１０への外気の流通をより促進させることができる。
又、上述のように、筒状部材３０がセラミック等の硬質な部材からなると、筒状部材３０をグロメット１７０で兼用したり、グロメット１７０のような弾性部材から形成した場合に比べ、形状保持性に優れ、外筒１４４と筒状部材３０を組み付ける際に径方向に位置ズレしても、小径部３１と側面通気孔１４４ｓとの隙間を安定して確保できる。

又、図２に示すように、本実施形態では、テーパ部３１ｂの軸線方向の長さＬ１は、側面通気孔１４４ｓの軸線方向の長さＬ２よりも短い。これにより、テーパ部３１ｂ付近の内部空間を狭くし、外気の換気性が向上する。
又、本実施形態では、大径部３３は、外筒１４４の内面と当接している。これにより、外筒１４４と筒状部材３０を組み付ける際、径方向に筒状部材３０を位置決めして径方向の位置ズレを抑制できる。

図３〜図６は、筒状部材の変形例を示す。
図３に示す筒状部材１３０は、先端側に設けられる一定径の筒状の小径部１３１と、後端側に設けられる一定径の筒状の大径部１３３と、を有する。従って、大径部１３３と小径部１３１とは、軸線Ｏ方向に段状に繋がっている。筒状部材１３０においても、側面通気孔１４４ｓが小径部１３１に対向して配置され、側面通気孔１４４ｓからガスセンサ２００の内部に導入された外気が先端側に流れ易くなる。

図４に示す筒状部材２３０は、後端から先端に向かって窄まるテーパ状に形成され、最後端が最大外径をなす大径部２３３を構成し、それ以外の部位がテーパ状の小径部２３１を構成する。筒状部材２３０においても、側面通気孔１４４ｓが小径部２３１に対向して配置され、側面通気孔１４４ｓからガスセンサ２００の内部に導入された外気が先端側に流れ易くなる。

図５に示す筒状部材３３０は、最後端から先端に向かって後端側の所定位置までテーパ状に拡径して最大外径をなす大径部３３３と、大径部３３３よりも先端側の小径部３３１とを有している。小径部３３１は、先端側の一定径の筒状部３３１ａと、筒状部３３１ａの後端側に一体に繋がり、先端に向かって窄まるテーパ部３３１ｂとを有し、テーパ部３３１ｂの後端が大径部３３３に繋がっている。
筒状部材３３０においても、側面通気孔１４４ｓが小径部３３１のテーパ部３３１ｂに対向して配置され、側面通気孔１４４ｓからガスセンサ２００の内部に導入された外気が先端側に流れ易くなる。

図６に示す筒状部材４３０は、最後端から先端に向かって後端側の所定位置まで拡径して最大外径をなす大径部４３３と、大径部４３３よりも先端側の小径部４３１とを有している。小径部４３１は、先端側の一定径の筒状部４３１ａと、筒状部４３１ａの後端側に一体に繋がり、後端に向かって拡径する拡径部４３１ｂとを有し、拡径部４３１ｂの後端が大径部４３３に繋がっている。
筒状部材４３０においても、側面通気孔１４４ｓが小径部４３１の筒状部４３１ａに対向して配置され、側面通気孔１４４ｓからガスセンサ２００の内部に導入された外気が先端側に流れ易くなる。
なお、筒状部材４３０の最後端から大径部４３３まではテーパ状でなく断面が半円形の曲面にて拡径しており、拡径部４３１ｂも断面が半円形の曲面にて後端側へ拡径している。

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。
センサ素子は、上述の板状素子に限らず、筒状でもよい。又、センサ素子に端子金具を接続する態様は、上述の電極パッドの他、筒状素子にあっては筒状の端子金具を素子に内嵌又は外嵌する態様でもよい。
筒状部材の形状も上記に限定されない。
又、ガスセンサとしては、酸素センサ、全領域ガスセンサの他、ＮＯｘセンサが挙げられる。

又、筒状部材が、自身の内部に端子金具を保持するセパレータを兼用すると、部品点数が低減すると共に、ガスセンサを小型にすることができる。ここで、セパレータが軸線方向の先後に分離する２つのセパレータからなる場合、両セパレータにそれぞれ端子金具の一部が収容されていれば、外筒１４４の側面通気孔１４４ｓに対向する方のセパレータが「筒状部材」に相当する。

１０ センサ素子
２０ 端子金具
３０、１３０、２３０、３３０、４３０ 筒状部材
３１、１３１、２３１、３３１、４３１ 小径部
３３、１３３、２３３、３３３、４３３ 大径部
３１ｂ，３３１ｂ テーパ部
１３８ 主体金具
１４４ 外筒
１４４ｓ 側面通気孔
１７０ シール部材（グロメット）
２００ ガスセンサ
Ｏ 軸線
Ｔ 内部空間
Ｄ１ 大径部と外筒との最大間隔
Ｄ２ 小径部と外筒との最大間隔
Ｌ１ テーパ部の軸線方向の長さ
Ｌ２ 側面通気孔の軸線方向の長さ

Claims (6)

1. 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み、前記センサ素子の後端側を突出させつつ該センサ素子を保持する主体金具と、
   側面通気孔を有して前記主体金具の後端側に固定される外筒と、
   前記外筒の後端側に収容される弾性のシール部材と、
   前記軸線方向に前記シール部材と前記センサ素子との間で前記外筒の内面に配置される筒状部材と、
   前記軸線方向に前記筒状部材と前記センサ素子との間で前記外筒の内面に配置されるセパレータと、
   を備えるガスセンサであって、
   前記筒状部材は、先端側に設けられる小径部と、後端側に設けられて前記軸線方向に前記小径部と繋がり、前記小径部よりも径大となる最大外径をなす大径部と、を有し、
   前記大径部と前記小径部は、別部材を介さずに前記外筒に直接対向して配置されると共に、前記小径部の周囲には環状の内部空間が形成され、
   前記大径部と前記外筒との最大間隔は、前記小径部と前記外筒との最大間隔よりも小さく、
   前記側面通気孔は前記小径部に対向して配置され、
   前記軸線方向に、前記筒状部材は前記セパレータと前記シール部材とに接して挟まれるようにして保持されていることを特徴とするガスセンサ。
2. 前記小径部の前記側面通気孔に対向する部位に、先端に向かって先細るテーパ部が形成されている請求項１に記載のガスセンサ。
3. 前記筒状部材がセラミックからなる請求項１又は２に記載のガスセンサ。
4. 前記テーパ部の軸線方向の長さは、前記側面通気孔の軸線方向の長さよりも短い請求項２又は３に記載のガスセンサ。
5. 前記大径部の少なくとも一部は、前記外筒の内面と当接している請求項１〜４のいずれか一項に記載のガスセンサ。
6. 前記センサ素子と電気的に接続する端子金具をさらに備え、
   前記筒状部材は、自身の内部に前記端子金具を保持するセパレータである請求項１〜５のいずれか一項に記載のガスセンサ。

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