JP7008577B2 - ガスセンサ - Google Patents

Description

本発明は、検出素子とプロテクタとを備えたガスセンサに関する。

従来から、筒状の主体金具に板状の検出素子を組み付ける共に、検出素子の先端側をプロテクタで保護するガスセンサが知られている（特許文献１）。このガスセンサは、プロテクタとしてインナーカバーとアウタカバーとからなる二重構造のものを備えており、インナーカバーには被測定ガスを導入するインナ導入開口部と、インナ導入開口部の軸方向先端からインナーカバーの内側に折り曲げられたルーバ―部とが設けられている。このルーバ―部は、インナ導入開口部に導入された被測定ガスの流れを調整してインナーカバーの内側に導入するものである。

特開２０１４－１２２８７６号公報

ところで、ガスセンサの寸法の小型化要求に伴い、検出素子の短縮化が望まれているが、特許文献１記載のガスセンサの場合、インナ導入開口部よりも検出素子が先端側に配置されているため、検出素子を短くするとインナ導入開口部を後端側に移動させる余地が無く、小型化が図れない。又、このガスセンサにおいて、単純に検出素子を後端側に配置すると、インナ導入開口部に設けられたルーバ―部のガスの流れとマッチングせず、検出素子が十分に被測定ガスに晒されずに応答性が低下するおそれがある。
又、特許文献１記載のガスセンサの場合、インナ導入開口部よりも検出素子が先端側に配置されているために、インナ導入開口部から内部に水が浸入した場合に、検出素子が被水し易いという問題もある。

本発明は、かかる現状に鑑みてなされたものであって、応答性を確保しつつガスセンサを小型化できると共に、検出素子の被水を抑制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、自身の先端側に被測定ガス中の特定ガス成分を検出するための検出部を有する板状の検出素子と、前記検出部を自身の先端から突出させつつ、前記検出素子の径方向周囲を取り囲む筒状の主体金具と、内部に前記検出素子の前記検出部を収容しつつ、前記主体金具に固定されるプロテクタと、を備えるガスセンサにおいて、前記プロテクタは、前記検出部と間隙を介して配置される筒状の内側プロテクタと、該内側プロテクタの径方向外側に配置される筒状の外側プロテクタとを有し、前記内側プロテクタは、被測定ガスを外部に導出可能な内側ガス排出孔を自身の底部に有すると共に、前記被測定ガスを自身の内部に導入可能な内側ガス導入孔を前記内側ガス排出孔よりも後端側に有し、前記内側ガス導入孔は前記検出素子の先端よりも先端側に配置され、前記外側プロテクタは、前記被測定ガスを自身の内部に導入可能な外側ガス導入孔を有し、前記内側ガス導入孔の先端に接し、自身の後端向き面の延長線が前記検出部と交差するように該検出部に向かって延びるルーバをさらに有することを特徴とする。

このガスセンサによれば、ルーバの後端向き面の延長線が検出部と交差するので、内側ガス導入孔から内側プロテクタ内に導入された被測定ガスは、ルーバにガイドされて検出部に向かって流れる。
このため、検出素子を短くしてガスセンサを小型化した際、内側ガス導入孔が検出素子の先端よりも先端側になっても、ルーバによって検出部が十分に被測定ガスＧに晒されるので、応答性を確保しつつガスセンサを小型化できる。
又、内側ガス導入孔が検出素子の先端よりも先端側に位置するので、内側ガス導入孔から内部に水が浸入しても、検出素子の被水を抑制することができる。

本発明のガスセンサにおいて、前記外側ガス導入孔が前記内側ガス導入孔よりも先端側に配置されていてもよい。
このガスセンサによれば、外側ガス導入孔から内部に水が浸入しても、内側ガス導入孔の内部まで水が浸入し難く、検出素子の被水をさらに抑制することができる。

本発明のガスセンサにおいて、前記内側ガス導入孔が先端に向かって窄まるテーパ壁に設けられていてもよい。
このガスセンサによれば、外部から内側ガス導入孔に向かう被測定ガスの流れ方向が斜め後端向きとなるので、ルーバの作用と相俟って、被測定ガスを（後端側の）検出部に向かってより確実に案内することができる。

本発明のガスセンサにおいて、前記ルーバの前記検出部に向かう長さが前記外側ガス導入孔の円相当径の１/２以上であってもよい。
このガスセンサによれば、外側ガス導入孔、ひいては内側ガス導入孔から導入される被測定ガスの流量に対し、ルーバの長さが十分となり、被測定ガスを検出部に向かってより確実に案内することができる。

この発明によれば、応答性を確保しつつガスセンサを小型化できると共に、検出素子の被水を抑制することができるガスセンサが得られる。

本発明の実施形態にかかるガスセンサの断面図である。 検出素子の先端側の部分拡大断面図である。 図１の部分拡大断面図である。 内側プロテクタの内側ガス導入孔近傍の外観を示す部分斜視図である。 内側ガス導入孔の変形例を示す図である。

本発明の実施形態について、図１～図４に基づいて詳細に説明する。図１は、本発明の実施形態にかかるガスセンサ１の断面図、図２は検出素子２１の先端側の部分拡大断面図、図３は図１の部分拡大断面図、図４は内側プロテクタ５１の内側ガス導入孔５６近傍の外観を示す部分斜視図である。

図１において、ガスセンサ（全領域空燃比ガスセンサ）１は、検出素子２１と、軸線Ｏ方向に貫通して検出素子２１を挿通させる貫通孔３２を有するホルダ（セラミックホルダ）３０と、セラミックホルダ３０の径方向周囲を取り囲む主体金具１１と、を備えている。
検出素子２１のうち、検出部２２が形成された先端寄り部位が、セラミックホルダ３０より先端に突出している。このように貫通孔３２を通された検出素子２１は、セラミックホルダ３０の後端面側（図示上側）に配置されたシール材（本例では滑石）４１を、絶縁材からなるスリーブ４３、リングワッシャ４５を介して先後方向に圧縮することによって、主体金具１１の内側において先後方向に気密を保持して固定されている。
なお、検出素子２１の後端２９を含む後端２９寄り部位はスリーブ４３及び主体金具１１より後方に突出しており、その後端２９寄り部位に形成された各電極端子２４に、グロメット８５を通して外部に引き出された各リード線７１の先端に設けられた端子金具７５が圧接され、電気的に接続されている。また、この電極端子２４を含む検出素子２１の後端２９寄り部位は、外筒８１でカバーされている。以下、さらに詳細に説明する。

検出素子２１は軸線Ｏ方向に延びると共に、測定対象に向けられる先端側（図示下側）に、検知用電極等（図２参照）からなり被検出ガス中の特定ガス成分を検出する検出部２２を備えた帯板状（板状）をなしている。検出素子２１の横断面は、先後において一定の大きさの長方形（矩形）をなして細長いものとして形成されている。この検出素子２１自体は、従来公知のものと同じものであり、固体電解質（部材）の先端寄り部位に検出部２２をなす一対の検知用電極が配置され、これに連なり後端寄り部位には、検知用出力取り出し用のリード線７１接続用の電極端子２４が露出形成されている。
また、本例では、検出素子２１のうち、先端寄り部位内部にヒータ（図示せず）が設けられており、後端寄り部位には、このヒータへの電圧印加用のリード線７１接続用の電極端子２４が露出形成されている。なお、図示はしないが、これら電極端子２４は縦長矩形に形成され、例えば検出素子２１の後端２９寄り部位において、帯板の幅広面（両面）に３つ又は２つの電極端子が横に並んでいる。
なお、検出素子２１の検出部２２に、アルミナ又はスピネル等からなる多孔質の保護層２３が被覆されている。

主体金具１１は、先後において同心異径の筒状をなし、先端側が小径で、後述するプロテクタ５０を外嵌して固定するための円筒状の円環状部（以下、円筒部ともいう）１２を有し、その後方（図示上方）の外周面には、それより大径をなす、エンジンの排気管への固定用のネジ１３が設けられている。そして、その後方には、このネジ１３によってセンサ１をねじ込むための多角形部１４を備えている。また、この多角形部１４の後方には、ガスセンサ１の後方をカバーする保護筒（外筒）８１を外嵌して溶接する円筒部１５が連設され、その後方には外径がそれより小さく薄肉のカシメ用円筒部１６を備えている。なお、このカシメ用円筒部１６は、図１では、カシメ後のために内側に曲げられている。なお、多角形部１４の下面には、ねじ込み時におけるシール用のガスケット１９が取着されている。
一方、主体金具１１は、軸線Ｏ方向に貫通する内孔１８を有している。内孔１８の内周面は後端側から先端側に向かって径方向内側に先細るテーパ状の段部１７を有している。

主体金具１１の内側には、絶縁性セラミック（例えばアルミナ）からなり、概略短円筒状に形成されたセラミックホルダ３０が配置されている。セラミックホルダ３０は、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３０ａを有している。そして、先端向き面３０ａの外周寄りの部位が段部１７に係止されつつ、セラミックホルダ３０が後端側からシール材４１で押圧されることで主体金具１１内にセラミックホルダ３０が位置決めされ、かつ隙間嵌めされている。
一方、貫通孔３２は、セラミックホルダ３０の中心に設けられると共に、検出素子２１が略隙間なく通るように、検出素子２１の横断面とほぼ同一の寸法の矩形の開口とされている。

検出素子２１は、セラミックホルダ３０の貫通孔３２に通され、検出素子２１の先端をセラミックホルダ３０及び主体金具１１の先端１２ａよりも先方に突出させている。
一方、検出素子２１の先端部位は、それぞれ筒状の内側プロテクタ５１と外側プロテクタ６１との２重構造からなる有底円筒状のプロテクタ（保護カバー）５０で覆われている。このうち内側プロテクタ５１の後端が、主体金具１１の円筒部１２に外嵌され、溶接されている。また、外側プロテクタ６１は、内側プロテクタ５１に外嵌して、同時に円筒部１２に溶接されている。
内側プロテクタ５１は検出部２２と間隙を介して配置され、内側ガス導入孔５６、内側ガス排出孔５３を有する。又、外側プロテクタ６１は内側プロテクタ５１の径方向外側に配置され、外側ガス導入孔６６、外側水抜き孔６３を有する。
内側ガス導入孔５６は、内側プロテクタ５１の周方向において例えば６箇所設けられており、内側ガス排出孔５３は内側プロテクタ５１の底部中央に１個設けられている。
外側ガス導入孔６６は、外側プロテクタ６１の周方向において例えば６箇所設けられており、外側水抜き孔６３は外側プロテクタ６１の底部中央に１個設けられている。
プロテクタ５０の詳細な構成については後述する。

又、図１に示すように、検出素子２１の後端２９寄り部位に形成された各電極端子２４には、外部にグロメット８５を通して引き出された各リード線７１の先端に設けられた各端子金具７５がそのバネ性により圧接され、電気的に接続されている。そして、この圧接部を含む各端子金具７５は、本例のガスセンサ１では、外筒８１内に配置された絶縁性のセパレータ９１内に設けられた各収容部内に、それぞれ対向配置で設けられている。なお、セパレータ９１は、外筒８１内にカシメ固定された保持部材８２を介して径方向及び先端側への動きが規制されている。そして、この外筒８１の先端部を、主体金具１１の後端寄り部位の円筒部１５に外嵌して溶接することで、ガスセンサ１の後方が気密状にカバーされている。
なお、リード線７１は外筒８１の後端に位置する小径筒部８３の内側に配置されたグロメット（例えばゴム）８５を通されて外部に引き出されており、この小径筒部８３を縮径カシメてこのグロメット８５を圧縮することにより、この部位の気密が保持されている。

因みに、外筒８１の軸線Ｏ方向の中央よりやや後端側には、先端側が径大の段部８１ｄが形成され、この段部８１ｄの内面がセパレータ９１の後端を先方に押すように支持する。一方、セパレータ９１はその外周に形成されたフランジ９３を外筒８１の内側に固定された保持部材８２の上に支持させられており、段部８１ｄと保持部材８２とによってセパレータ９１が軸線Ｏ方向に保持されている。

次に、図２を参照し、検出素子２１について説明する。なお、見やすくするため、図２は検出素子２１の厚み方向を誇張した寸法にしてある。

検出素子２１は、酸素濃度検出セル１３０、酸素ポンプセル１４０、及びヒータ２００を備える。
酸素濃度検出セル１３０は、第１固体電解質体１０５と、その第１固体電解質１０５の両面に形成された第１電極１０４及び第２電極１０６とから形成されている。酸素ポンプセル１４０は、第２固体電解質体１０９と、その第２固体電解質体１０９の両面に形成された第３電極１０８、第４電極１１０とから形成されている。
ヒータ２００は、アルミナを主体とする第１基体１０１及び第２基体１０３と、第１基体１０１と第２基体１０３とに挟まれ、白金を主体とする発熱体１０２を有している。

そして、上記酸素ポンプセル１４０と酸素濃度検出セル１３０との間に、絶縁層１０７が形成されている。絶縁層１０７のうち、第２電極１０６及び第３電極１０８に対応する位置に中空部のガス検出室１０７ｃが形成されている。このガス検出室１０７ｃは、絶縁層１０７の幅方向で外部と連通しており、該連通部分には、外部とガス検出室１０７ｃとの間のガス拡散を所定の律速条件下で実現する拡散律速部１１５が配置されている。
拡散律速部１１５は、アルミナからなる多孔質体である。この拡散律速部１１５によって検出ガスがガス検出室１０７ｃへ流入する際の律速が行われる。
この拡散律速部１１５のようなガス検出室１０７ｃと外部とが流通する流通孔が検出素子２１の外面に露出する部位を「検出部２２」とみなす。これは、後述するルーバ５５によって検出素子２１に案内された被測定ガスが検出素子２１内に流入する部位が拡散律速部１１５であるからである。

なお、第２固体電解質体１０９の表面には保護層１１１が形成され、保護層１１１のうち第４電極１１０を覆う部位には第４電極１１０と外気との間で酸素を出入させるための多孔質部１１３ａが設けられている。そして、検出素子２１は、酸素濃度検知セル１３０の電極間に生じる電圧（起電力）が所定の値（例えば、４５０ｍＶ）となるように、酸素ポンプセル１４０の電極間に流れる電流の方向及び大きさが調整され、酸素ポンプセル１４０に流れる電流に応じた被測定ガス中の酸素濃度をリニアに検出する。

次に、図３～図４を参照し、プロテクタ５０について説明する。
内側プロテクタ５１は先端側が閉じた有底円筒状に形成され、その底部中央に内側ガス排出孔５３を有している。外側プロテクタ６１も先端側が閉じた有底円筒状に形成され、その底部中央に外側水抜き孔６３を有している。
外側水抜き孔６３は、内側プロテクタ５１の先端部の外径よりも径大であり、外側水抜き孔６３の内側に、外側プロテクタ６１の先端と内側プロテクタ５１の先端とが面一になるように内側プロテクタ５１の先端部を配置すると、外側水抜き孔６３の内面と内側プロテクタ５１の先端部の外面との間にリング状の間隙Ｃｖが形成され、この間隙Ｃｖから外側プロテクタ６１と内側プロテクタ５１との間に溜まった水を排出することができる。
一方、被測定ガスＧは、外側ガス導入孔６６から内側ガス導入孔５６を介して内側プロテクタ５１の内部に導入された後、内側ガス排出孔５３から外部に排出される。

又、内側プロテクタ５１の軸線Ｏ方向中央部に先端に向かって窄まるテーパ壁５１ｔが設けられ、テーパ壁５１ｔより後端側で内側プロテクタ５１が径大になっている。そして、このテーパ壁５１ｔに矩形の内側ガス導入孔５６が設けられている（図４参照）。
さらに、図４に示すように、内側ガス導入孔５６の先端５６ｆに接し、検出部２２に向かって径方向内側に延びるルーバ５５が設けられている。本実施形態では、ルーバ５５は、テーパ壁５１ｔを先端が残るようにコ字状に切り抜き、切り抜き片を径方向内側に向かって切り起こすことで形成している。又、この切り抜かれた部位が矩形の内側ガス導入孔５６となる。このようにして、内側ガス導入孔５６の先端５６ｆとルーバ５５の基端が一体に繋がっている（接している）。

図３に戻り、ルーバ５５の後端向き面５５ｅの延長線ＥＬが検出部２２と交差するように、ルーバ５５が延びている。又、内側ガス導入孔５６は検出素子２１の先端２１ｅよりも先端側に配置されている。さらに、内側ガス導入孔５６が内側ガス排出孔５３よりも後端側に配置されている。
さらに、本実施形態では、外側ガス導入孔６６が内側ガス導入孔５６よりも先端側に配置されている。又、ルーバ５５の検出部２２に向かう長さＬ１（図４参照）が、外側ガス導入孔６６の円相当径の１/２以上である。
ここで、検出素子２１の先端２１ｅとは、検出素子２１の最先端であるが、保護層２３が検出素子２１の表面を覆う場合は保護層２３の先端とする。
又、内側ガス導入孔５６が内側ガス排出孔５３よりも後端側に配置される、とは、内側ガス導入孔５６の先端が内側ガス排出孔５３の後端よりも後端側に位置することをいい、内側ガス導入孔５６と内側ガス排出孔５３とが軸線Ｏ方向に一部で重なる場合を含まない。外側ガス導入孔６６が内側ガス導入孔５６よりも先端側に配置される、も同様に外側ガス導入孔６６の後端が内側ガス導入孔５６の先端よりも先端側に位置することをいう。

以上のように、ルーバ５５の後端向き面５５ｅの延長線ＥＬが検出部２２と交差するので、内側ガス導入孔５６から内側プロテクタ５１内に導入された被測定ガスＧは、ルーバ５５にガイドされて検出部２２に向かって流れる。
このため、検出素子２１を短くしてガスセンサを小型化した際、内側ガス導入孔５６が検出素子２１の先端２１ｅよりも先端側になっても、ルーバ５５によって検出部２２が十分に被測定ガスＧに晒されるので、応答性を確保しつつガスセンサを小型化できる。
又、内側ガス導入孔５６が検出素子２１の先端２１ｅよりも先端側に位置するので、内側ガス導入孔５６から内部に水が浸入しても、検出素子２１の被水を抑制することができる。
なお、延長線ＥＬを、ルーバ５５の後端向き面５５ｅを基準にする理由は、被測定ガスＧが重力の影響を受けるため、被測定ガスＧの下から被測定ガスＧの流れをガイドする必要があるからである。

又、本実施形態では、外側ガス導入孔６６が内側ガス導入孔５６よりも先端側に配置されている。これにより、外側ガス導入孔６６から内部に水が浸入しても、内側ガス導入孔５６の内部まで水が浸入し難く、検出素子２１の被水をさらに抑制することができる。
又、本実施形態では、内側ガス導入孔５６が先端に向かって窄まるテーパ壁５１ｔに設けられている。これにより、外部（外側ガス導入孔６６）から内側ガス導入孔５６に向かう被測定ガスＧの流れ方向が斜め後端向きとなるので、ルーバ５５の作用と相俟って、被測定ガスＧを（後端側の）検出部２２に向かってより確実に案内することができる。
又、本実施形態では、ルーバ５５の検出部２２に向かう長さＬ１が外側ガス導入孔６６の円相当径の１/２以上である。これにより、外側ガス導入孔６６、ひいては内側ガス導入孔５６から導入される被測定ガスＧの流量に対し、ルーバ５５の長さＬ１が十分となり、被測定ガスＧを検出部２２に向かってより確実に案内することができる。

本発明のガスセンサは、本発明の要旨を逸脱しない限りにおいて、適宜にその構造、構成を設計変更して具体化できる。
例えば上記実施形態では、内側ガス導入孔５６が矩形であったが、図５に示すように、例えば内側ガス導入孔７６の先端７６ｆが直線状で他の部分が半円状の形態でもよい。この場合、ルーバ７５も先端側が半円状であってよい。
又、例えば上記実施形態では、内側ガス導入孔５６が内側プロテクタ５１のテーパ壁５１ｔに設けられたが、これに限らず、内側プロテクタ５１の側面に設けられても良い。
例えば上記実施形態では、外側ガス導入孔６６が内側ガス導入孔５６よりも先端側に配置されていたが、これに限らず、内側ガス導入孔５６よりも後端側に配置されても良い。
内側ガス導入孔５６、内側ガス排出孔５３、外側ガス導入孔６６の個数も限定されない。
例えば、拡散律速部１１５が検出素子２１の先端向き面に設けられた場合は、検出部２２の位置は先端向き面にあるとみなす。

又、プロテクタ全体の形状も上記実施形態に限定されず、例えば外側プロテクタ６１の外側水抜き孔６３を無くしてもよい。又、外側プロテクタ６１の底部に内側ガス排出孔５３と連通する外側ガス排出孔を設けてもよい。

１ ガスセンサ
１１ 主体金具
２１ 検出素子
２１ｅ 検出素子の先端
２２ 検出部
５０ プロテクタ
５１ 内側プロテクタ
５１ｔ テーパ壁
５３ 内側ガス排出孔
５５、７５ ルーバ
５５ｅ ルーバの後端向き面
５６、７６ 内側ガス導入孔
５６ｆ、７６ｆ 内側ガス導入孔の先端
６１ 外側プロテクタ
６６ 外側ガス導入孔
Ｏ 軸線
Ｇ 被測定ガス
ＥＬ 延長線
Ｌ１ ルーバの検出部に向かう長さ

Claims (4)

1. 軸線方向に延び、自身の先端側に被測定ガス中の特定ガス成分を検出するための検出部を有する板状の検出素子と、
   前記検出部を自身の先端から突出させつつ、前記検出素子の径方向周囲を取り囲む筒状の主体金具と、
   内部に前記検出素子の前記検出部を収容しつつ、前記主体金具に固定されるプロテクタと、
   を備えるガスセンサにおいて、
   前記プロテクタは、前記検出部と間隙を介して配置される筒状の内側プロテクタと、該内側プロテクタの径方向外側に配置される筒状の外側プロテクタとを有し、
   前記内側プロテクタは、被測定ガスを外部に導出可能な内側ガス排出孔を自身の底部に有すると共に、前記被測定ガスを自身の内部に導入可能な内側ガス導入孔を前記内側ガス排出孔よりも後端側に有し、
   前記内側ガス導入孔は前記検出素子の先端よりも先端側に配置され、
   前記外側プロテクタは、前記被測定ガスを自身の内部に導入可能な外側ガス導入孔を有し、
   前記内側ガス導入孔の先端に接し、自身の後端向き面の延長線が前記検出部と交差するように該検出部に向かって延びるルーバをさらに有することを特徴とするガスセンサ。
2. 前記外側ガス導入孔が前記内側ガス導入孔よりも先端側に配置されている請求項１に記載のガスセンサ。
3. 前記内側ガス導入孔が先端に向かって窄まるテーパ壁に設けられている請求項１又は２に記載のガスセンサ。
4. 前記ルーバの前記検出部に向かう長さが前記外側ガス導入孔の円相当径の１/２以上である請求項１～３のいずれか一項に記載のガスセンサ。

Images