JP6890061B2

JP6890061B2 - ガスセンサ

Info

Publication number: JP6890061B2
Application number: JP2017147524A
Authority: JP
Inventors: 大輔多比良
Original assignee: NGK Spark Plug Co Ltd
Current assignee: NGK Spark Plug Co Ltd
Priority date: 2017-07-31
Filing date: 2017-07-31
Publication date: 2021-06-18
Anticipated expiration: 2037-07-31
Also published as: JP2019027917A

Description

本発明は、被検出ガスの濃度を検出するセンサ素子を備えたガスセンサに関する。

自動車等の排気ガス中の酸素やＮＯｘの濃度を検出するガスセンサとして、固体電解質体を用いたセンサ素子を有するものが知られている。
この種のガスセンサとして、排気管に固定される筒状の主体金具（ハウジング）内にセンサ素子を保持し、その一端を被測定ガスに晒す構成が知られている。そして、センサ素子を主体金具に安定して保持すると共に、排気ガスのガスセンサ内部への漏洩を防止するため、主体金具とセンサ素子との隙間に滑石粉末を圧縮充填する構造が採られている（特許文献１参照）。
このガスセンサは、アルミナ製で長尺筒状の絶縁体の内側にセンサ素子を収容し、絶縁体の後端側をガラスで封止することで、センサ素子と絶縁体の間をシールしている。
一方、センサ素子を固定した絶縁体を主体金具の内側に収容し、両者の隙間に滑石粉末を圧縮充填して絶縁体と主体金具の間をシールしている。

特開２０１６−１４６１５号公報（図１３）

ところで、近年、ガスセンサの使用環境が高温になる等の理由により、滑石粉末とセンサ素子との間のシール性の確保が困難となり、排気ガスがガスセンサ内部へ漏洩するという問題がある。
これに対し、滑石粉末の圧縮荷重を高める方策があるが、滑石粉末の圧力が上昇してセンサ素子が折れ易くなるという問題が生じる。又、特に板状の素子の場合、圧縮荷重を高くしても素子の角部の滑石粉末には圧力が掛かり難く、この部分からのリークを抑制するのが難しい。
又、特許文献１のガスセンサのように、１個の長尺の絶縁体の内側にセンサ素子を収容する場合、センサ素子の軸線方向の長さの大部分を絶縁体に挿通する必要があり、素子が折れやすくなったり、絶縁体とセンサ素子の軸心がずれた場合に修正し難いという問題がある。後者の場合、センサ素子の電極パッドと、センサ素子の後端側のセパレータに配置された端子金具との電気的接続が不良となったり、センサ素子の後端部が斜めにセパレータに挿入されてセンサ素子が破損するおそれがある。

そこで、本発明は、組み付け時の素子折れやセンサ素子が斜めに固定されることを防止し、外部ガスのガスセンサ内部への漏洩を抑制したガスセンサを提供することを目的とする。

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、先端側にガスを検知する検知部が形成されるセンサ素子と、センサ素子の外面に直接接合されて径方向外側に突出し、該センサ素子と別体のセラミック焼結部材又はガラスからなる筒状の絶縁鍔部と、当該センサ素子の前記検知部を露出させた状態で、前記絶縁鍔部の先端向き面が当接しつつ前記センサ素子が挿通される筒状のセラミックホルダと、前記セラミックホルダ及び前記絶縁鍔部の径方向周囲を取り囲みつつ、自身の内側に前記セラミックホルダを保持する筒状の主体金具と、前記絶縁鍔部の外面と前記主体金具の内面との間に充填されている圧縮粉末体と、前記圧縮粉末体の後端を先端側に向かって押圧する筒状の押圧部材と、を備えるガスセンサであって、前記圧縮粉末体の後端向き面が、前記絶縁鍔部の後端よりも先端側に位置する。

このガスセンサによれば、軸線方向に沿って、センサ素子を絶縁鍔部とセラミックホルダの２つの部材で保持する方式を採ることで、センサ素子を１つの部材で保持する場合に比べ、センサ素子の挿通時の素子折れを抑制し、センサ素子の軸心がずれた場合にも修正しやすくなる。
一方、この方式では、絶縁鍔部よりも先端側のセラミックホルダとセンサ素子の外面との間がシールされず、セラミックホルダとセンサ素子との間からガスセンサ内部へ被検出ガスが流入する。そこで、センサ素子の外面に接合された絶縁鍔部をセラミックホルダの後端側に配置し、絶縁鍔部の外面と主体金具の内面との間に圧縮粉末体を充填することで、セラミックホルダの後端側がシールされることになる。このとき、センサ素子の外面に絶縁鍔部が直接接合されているので、セラミックホルダとセンサ素子との間から流入した被検出ガスは、絶縁鍔部で妨害されてセンサ素子よりも径方向外側へ流れ、圧縮粉末体でシールされる。そして、圧縮粉末体でシールし難いセンサ素子の外面、特に圧縮荷重を高くしても圧力が掛かり難い板状素子の角部に絶縁鍔部が直接接合されているので、滑石粉末の圧縮荷重を高めなくとも、センサ素子の外面側の隙間をシールでき、素子折れを抑制できる。
又、絶縁鍔部と主体金具との間に充填された圧縮粉末体を確実に圧縮することができ、シール性が向上する。

本発明のガスセンサにおいて、前記絶縁鍔部が単一部材からなってもよい。
このガスセンサによれば、絶縁鍔部が単一部材からなるため複数部材の物と比べて部品点数が少なく、かつ、絶縁鍔部が複数部材の物と比べて小型に成形しやすいため、センサの小型化とシール性の維持を両立することができる。

本発明のガスセンサにおいて、前記絶縁鍔部と前記主体金具とが接しなくてもよい。
このガスセンサによれば、絶縁鍔部と主体金具との間に圧縮粉末体を充填することができ、この部位でシールを行うことができる。

本発明のガスセンサにおいて、前記圧縮粉末体が、滑石、アルミナ、又は窒化ホウ素からなっていてもよい。
このガスセンサによれば、圧縮粉末体を低コストで得られる。

本発明のガスセンサにおいて、前記絶縁鍔部の径方向の断面形状が円形又は五角形以上の多角形であるとよい。
このガスセンサによれば、主体金具との隙間に配置された圧縮粉末体を径方向に均等に圧縮することができ、シール性が向上する。

この発明によれば、組み付け時の素子折れやセンサ素子が斜めに固定されることを防止し、外部ガスのガスセンサ内部への漏洩を抑制した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（酸素センサ）の長手方向に沿う断面図である。図１の部分断面図である。図１のＡ−Ａ線に沿う断面図である。被検出ガスのガスセンサ内部への流入経路を示す図である。絶縁鍔部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）１の長手方向（軸線Ｏ方向）に沿う断面図である。

図１に示すように、ガスセンサ１は、軸線Ｏ方向に延びる板状のセンサ素子（酸素センサ素子）１００、センサ素子１００が挿通される筒状のセラミックホルダ３５、主体金具３０、圧縮粉末体３７、センサ素子１００に接合された絶縁鍔部３８、金属リング３４（押圧部材）等を有している。センサ素子１００は軸線Ｏ方向に延びるように配置されている。

センサ素子１００は公知の酸素センサ素子であり、詳細な説明は行わないが、固体電解質体の表面に一対の電極を有する検知部を先端側に備え、検知部が被測定ガスに晒されることで、信号を出力する。この信号を図示しない外部回路に出力することで、被測定ガス中の酸素濃度を検知する。さらに、センサ素子１００の検知部は、耐被水性及び耐被毒性を有する多孔質保護層２０で覆われている。

主体金具３０は、ＳＵＳ４３０等のステンレス製筒状であり、ガスセンサを排気管に取り付けるための雄ねじ部３１と、取り付け時に取り付け工具をあてがう六角部３２と、貫通孔３０ｈと、を有している。また、貫通孔３０ｈの先端側には、径方向内側に向かって突出する段部３３が周方向にわたって設けられており、この段部３３はセンサ素子１００を内挿したセラミックホルダ３５を保持している。

セラミックホルダ３５は、概略短円筒状に形成され、先端に向かって先細りのテーパ状に形成された先端向き面３５ａを有している。又、セラミックホルダ３５の中心には、センサ素子１００が略隙間なく通るように、センサ素子の横断面とほぼ同一の寸法の矩形の開口をなす挿通孔３５ｈが設けられている。そして、セラミックホルダ３５の挿通孔３５ｈの先端側が後方に凹み、貫通孔より径大な凹孔３５ｒ（図４参照）が形成されている。
そして、先端向き面３５ａが主体金具３０の段部３３に係止され、セラミックホルダ３５の挿通孔３５ｈにセンサ素子１００を挿通されると共に、セラミックホルダ３５の後端側に、センサ素子１０の外面に接合された絶縁鍔部３８の先端向き面が当接している。

ここで、セラミックホルダ３５の外径は、主体金具３０の貫通孔３０ｈの径よりもわずかに小さく、セラミックホルダ３５と主体金具３０との隙間は極めて小さくなっている。一方、絶縁鍔部３８の外径はセラミックホルダ３５の外径より小さく、セラミックホルダ３５の後端側と、絶縁鍔部３８の外面と主体金具３０の内面との間に生じる空隙に、圧縮粉末体３７が充填されている。さらに、圧縮粉末体３７の後端に金属リング３４が配置されている。
そして、主体金具３０の後端部３０ａが径方向内側に向かって折り曲げるように加締められ、後端部３０ａは金属リング３４を介して圧縮粉末体３７を先端側に押圧している。これにより、圧縮粉末体３７は金属リング３４と絶縁鍔部３８との間で圧縮充填され、セラミックホルダ３５と主体金具３０との間のシール及び固定を行うようになっている。
又、セラミックホルダ３５は後端側から絶縁鍔部３８及び圧縮粉末体３７で押圧され、主体金具３０内にセラミックホルダ３５が位置決めされている。

一方、主体金具３０の先端側外周には、主体金具３０の先端から突出するセンサ素子１００の先端部を覆うと共に、複数のガス取り入れ孔を有する金属製のプロテクタ２４が溶接によって取り付けられている。このプロテクタ２４は、二重構造をなしており、外側には有底円筒状の外側プロテクタ４１、内側には有底円筒状の内側プロテクタ４２が配置されている。
外側プロテクタ４１及び内側プロテクタ４２の後端部は、主体金具３０の先端の外側に嵌合され、レーザ溶接等で固定されている。

一方、主体金具３０の後端側には、ＳＵＳ３０４製の外筒２５の先端部が挿入され、先端部を主体金具３０にレーザ溶接等により固定している。外筒２５の内部には、セパレータ５０が配置され、セパレータ５０と外筒２５の隙間に保持部材５１が介在している。
外筒２５の軸線Ｏ方向中央付近には、後端向き面を有する段部２５ｄが形成され、セパレータ５０の後端向き面が段部２５ｄに係止された状態で、保持部材５１がセパレータ５０の鍔部５０ａに係合し、段部２５ｄと保持部材５１との間にセパレータ５０が固定されている。

また、セパレータ５０には、センサ素子１００の５本のリード線１１（図１では２本のみ図示）を挿入するための挿通孔が貫設されている。挿通孔内には、リード線１１と、センサ素子１００の後端部に配置された電極パッド（図示せず）とを接続する５本の接続端子１６（図１では２本のみ図示）が収容されている。
さらに、セパレータ５０の後端側には、外筒２５の後端側の開口部を閉塞するための略円柱状のゴムキャップ５２が配置されている。このゴムキャップ５２は、外筒２５の後端内側に挿入された状態で、先端側から保持部材５５に保持され、保持部材５５の外側で外筒２５の外周を径方向内側に向かって加締めることにより、外筒２５の後端と保持部材５１との間に固定されている。ゴムキャップ５２にも、リード線１１〜１５をそれぞれ挿入するための挿通孔が先端側から後端側にかけて貫設されている。

次に、本発明の特徴部分である、絶縁鍔部３８、セラミックホルダ３５について説明する。
図２に示すように、絶縁鍔部３８は、センサ素子１００と別体の筒状のセラミック焼結部材又はガラスからなり、センサ素子１００の外面に直接接合されて径方向外側に突出している。この絶縁鍔部３８は、例えば、セラミック又はガラスを仮焼して筒状に形成した仮焼絶縁鍔部を、未焼成のセンサ素子に挿通し、全体を焼成することでセンサ素子１００の外面に直接接合させることができる。
これにより、絶縁鍔部３８とセンサ素子１００の外面との間は一体となって気密にシールされる。
ここで、「直接接合される」とは、絶縁鍔部３８とセンサ素子１００の外面との間に、他部材が介在しないことをいう。
なお、図３に示すように、絶縁鍔部３８の中心には、センサ素子１００が略隙間なく通るように、センサ素子の横断面とほぼ同一の寸法の矩形の開口をなす挿通孔３８ｈが設けられている。

絶縁鍔部３８のセラミックとしては、アルミナ、ジルコニア、窒化ホウ素等が挙げられる。又、ガラスとしては、例えばホウケイ酸塩ガラスや、アルミノケイ酸塩ガラス等が挙げられる。特に、絶縁鍔部３８が滑石（タルク）、アルミナ、又は窒化ホウ素からなると好ましい。

一方、軸線Ｏ方向に沿って、センサ素子１００は、２つの部材（絶縁鍔部３８、セラミックホルダ３５）で保持されている。このように、軸線Ｏ方向に沿って、センサ素子１００を２つの部材で保持する方式を採ることで、センサ素子１００を１つの部材で保持する場合に比べ、センサ素子１００の挿通時の素子折れを抑制し、センサ素子１００の軸心がずれた場合にも修正しやすくなる。
ところが、この方式では、絶縁鍔部３８よりも先端側のセラミックホルダ３５とセンサ素子１００の外面との間がシールされず、図４に示すようにセラミックホルダ３５とセンサ素子１００との間からガスセンサ１内部へ被検出ガスＧが流入する。このため、セラミックホルダ３５の後端側でシールを行う必要がある。

そこで、センサ素子１００の外面に接合された絶縁鍔部３８をセラミックホルダ３５の後端側に配置し、絶縁鍔部３８の外面と主体金具３０の内面との間に圧縮粉末体３７を充填することで、セラミックホルダ３５の後端側がシールされることになる。
このとき、センサ素子１００の外面に絶縁鍔部３８が直接接合されている。これにより、図４に示すようにしてセラミックホルダ３５とセンサ素子１００との間から流入した被検出ガスＧは、絶縁鍔部３８で妨害されてセンサ素子１００よりも径方向外側へ流れ、圧縮粉末体３７でシールされる。
又、圧縮粉末体３７でシールし難いセンサ素子１００の外面、特に圧縮荷重を高くしても圧力が掛かり難い板状素子の角部に絶縁鍔部３８が直接接合されているので、滑石粉末の圧縮荷重を高めなくとも、センサ素子１００の外面側の隙間をシールでき、素子折れを抑制できる。

絶縁鍔部が単一部材からなると好ましい。このガスセンサによれば、絶縁鍔部が単一部材からなるため複数部材の物と比べて部品点数が少なく、かつ、絶縁鍔部が複数部材の物と比べて小型に成形しやすいため、センサの小型化とシール性の維持を両立することができる。

なお、本実施形態では、圧縮粉末体３７の後端向き面が、絶縁鍔部３８の後端よりも先端側に位置する．このようにすると、絶縁鍔部３８と主体金具３０との間に充填された圧縮粉末体３７を確実に圧縮することができ、シール性が向上する。
又、絶縁鍔部３８と主体金具３０とが接しないようにすることで、絶縁鍔部３８と主体金具３０との間に圧縮粉末体３７を充填することができ、この部位でシールを行うことができる。

また、図４に示すように、本実施形態ではセラミックホルダ３５に、セラミックホルダ３５の先端向き面から後端側に凹むように凹孔３５ｒが空いている。このようなセラミックホルダ３５を用いる場合、圧縮粉末体３７とセラミックホルダ３５との径方向の接触面が、凹孔３５ｒよりも径方向外側にあることが好ましい。換言すると、軸線Ｏ方向から見た時に、圧縮粉末体３７とセラミックホルダ３５との接触面が、凹孔３５ｒを包囲する領域にあることが好ましい。セラミックホルダ３５の凹孔３５ｒよりも径方向外側の部位は軸線方向に肉厚であり、このような構造をとることで、セラミックホルダの肉厚な部分に圧縮荷重がかかるため、効率的に圧縮することが出来る。また、セラミックホルダ３５の肉薄な部位（図４において凹孔３５ｒより上の部位）にかかる圧縮荷重が弱いため、セラミックホルダ３５が割れるリスクが低減される。

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、絶縁鍔部３８の形状は上記実施形態に限定されず、図５に示すように、絶縁鍔部３８１の外面に凹凸３８１ｓを設けて圧縮粉末体３７との接触面積を増やしてもよい。又、上記実施形態では絶縁鍔部３８の外面が軸線Ｏ方向に平行になっていたが、例えば絶縁鍔部３８を先端又は後端に向かって窄まるテーパ状としてもよい。特に後端に向かって窄まるテーパ状であれば、主体金具３０の後端部３０ａによって圧縮粉末体３７が押圧される際に、効率よく圧縮することができ、シール性が向上する。
又、絶縁鍔部３８の径方向の断面形状が円形でなくてもよい。但し、絶縁鍔部３８の径方向の断面形状が円形又は五角形以上の多角形であると、主体金具３０との隙間に配置された圧縮粉末体３７を径方向に均等に圧縮することができ、シール性が向上するので好ましい。

センサ素子は板状に限らず、筒状であってもよい。さらに、ガスセンサとしては、酸素センサの他、全領域空燃比センサ、及びＮＯｘセンサ等を用いることができる。

１ガスセンサ
３０主体金具
３４押圧部材（金属リング）
３５セラミックホルダ
３７圧縮粉末体
３８、３８１絶縁鍔部
１００センサ素子
Ｏ軸線

Claims

軸線方向に延び、先端側にガスを検知する検知部が形成されるセンサ素子と、
センサ素子の外面に直接接合されて径方向外側に突出し、該センサ素子と別体のセラミック焼結部材又はガラスからなる筒状の絶縁鍔部と、
当該センサ素子の前記検知部を露出させた状態で、前記絶縁鍔部の先端向き面が当接しつつ前記センサ素子が挿通される筒状のセラミックホルダと、
前記セラミックホルダ及び前記絶縁鍔部の径方向周囲を取り囲みつつ、自身の内側に前記セラミックホルダを保持する筒状の主体金具と、
前記絶縁鍔部の外面と前記主体金具の内面との間に充填されている圧縮粉末体と、
前記圧縮粉末体の後端を先端側に向かって押圧する筒状の押圧部材と、
を備えるガスセンサであって、
前記圧縮粉末体の後端向き面が、前記絶縁鍔部の後端よりも先端側に位置するガスセンサ。
前記絶縁鍔部が単一部材からなる請求項１に記載のガスセンサ。
前記絶縁鍔部と前記主体金具とが接しない請求項１又は２に記載のガスセンサ。
前記圧縮粉末体が、滑石、アルミナ、又は窒化ホウ素からなる請求項１〜３のいずれか一項に記載のガスセンサ。
前記絶縁鍔部の径方向の断面形状が円形又は五角形以上の多角形である請求項１〜４のいずれか一項に記載のガスセンサ。