JP7186131B2 - ガスセンサ - Google Patents
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Description
前記検知部が前記軸方向の先端側(L1)に突出する状態で、前記センサ素子が挿通された筒形状のハウジング(41)と、
前記センサ素子の前記軸方向の基端側位置に設けられた端子部(22)に接触する接点端子(44)と、
前記接点端子を保持するインシュレータ(43)と、
前記接点端子に接続されて外部に引き出されたリード線(48)と、
前記リード線を保持する封止部材(47)と、
前記ハウジングの前記軸方向の基端側位置の外周に装着された内周側カバー(5)と、
前記内周側カバーの外周側に配置されるとともに、前記内周側カバーとの間に環状空間(50)を形成し、かつ前記封止部材を内周側に保持する外周側カバー(46A,46B)と、を備え、
前記内周側カバーの前記軸方向の先端部は、前記ハウジングの前記軸方向の基端側位置の外周に、接合、圧入又はかしめ固定によって装着されており、
前記環状空間における前記軸方向の先端側の端部(501)は、前記外周側カバーにおける前記軸方向の先端部の全周が前記内周側カバーにおける前記軸方向の先端部の全周に、接合、圧入又はかしめ固定によって装着されていることによって、閉じられており、
前記環状空間は、前記内周側カバーにおける、前記軸方向の先端部の外径よりも、前記先端部の基端側に位置する部分の外径が小さいことによって形成されており、
前記環状空間における前記軸方向の基端側の開口部(502)は、前記内周側カバーにおける前記軸方向の基端部が、前記外周側カバーの内周側に配置されていることによって、開放されており、
前記内周側カバーにおける前記軸方向の基端部には、前記内周側カバーの筒状本体部(51)に対して内周側に屈曲して、前記インシュレータにおける前記軸方向の基端側の端面との間に、かしめ部材を挟み込む屈曲部(52)が形成されている、ガスセンサ(1)にある。
本発明の他の態様は、ガス検知が可能な検知部(21)を軸方向(L)の先端側位置に有するセンサ素子(2)と、
前記検知部が前記軸方向の先端側(L1)に突出する状態で、前記センサ素子が挿通された筒形状のハウジング(41)と、
前記センサ素子の前記軸方向の基端側位置に設けられた端子部(22)に接触する接点端子(44)と、
前記接点端子を保持するインシュレータ(43)と、
前記接点端子に接続されて外部に引き出されたリード線(48)と、
前記リード線を保持する封止部材(47)と、
前記ハウジングの前記軸方向の基端側位置の外周に装着された内周側カバー(5)と、
前記内周側カバーの外周側に配置されるとともに、前記内周側カバーとの間に環状空間(50)を形成し、かつ前記封止部材を内周側に保持する外周側カバー(46A,46B)と、を備え、
前記内周側カバーの前記軸方向の先端部は、前記ハウジングの前記軸方向の基端側位置の外周に、接合、圧入又はかしめ固定によって装着されており、
前記環状空間における前記軸方向の先端側の端部(501)は、前記外周側カバーにおける前記軸方向の先端部の全周において径方向の内周側に屈曲して形成された屈曲先端部が、前記内周側カバーにおける前記軸方向の先端部の全周に、接合、圧入又はかしめ固定によって装着されていることによって、閉じられており、
前記環状空間は、前記屈曲先端部によって前記外周側カバーと前記内周側カバーとの間隔が空けられることによって形成されており、
前記環状空間における前記軸方向の基端側の開口部(502)は、前記内周側カバーにおける前記軸方向の基端部が、前記外周側カバーの内周側に配置されていることによって、開放されている、ガスセンサ(1)にある。
本発明のさらに他の態様は、ガス検知が可能な検知部(21)を軸方向(L)の先端側位置に有するセンサ素子(2)と、
前記検知部が前記軸方向の先端側(L1)に突出する状態で、前記センサ素子が挿通された筒形状のハウジング(41)と、
前記センサ素子の前記軸方向の基端側位置に設けられた端子部(22)に接触する接点端子(44)と、
前記接点端子を保持するインシュレータ(43)と、
前記接点端子に接続されて外部に引き出されたリード線(48)と、
前記リード線を保持する封止部材(47)と、
前記ハウジングの前記軸方向の基端側位置の外周に装着された内周側カバー(5)と、
前記内周側カバーの外周側に配置されるとともに、前記内周側カバーとの間に環状空間(50)を形成し、かつ前記封止部材を内周側に保持する外周側カバー(46A,46B)と、を備え、
前記内周側カバーの厚み(t2)は、前記外周側カバーの厚み(t1)よりも大きい、ガスセンサ(1)にある。
<実施形態>
本形態のガスセンサ1は、図1~図4に示すように、センサ素子2、ハウジング41、接点端子44、インシュレータとしての第2インシュレータ43、リード線48、封止部材47、内周側カバー5及び外周側カバー46A,46Bを備える。センサ素子2は、ガス検知が可能な検知部21を軸方向Lの先端側L1の位置に有する。ハウジング41は筒形状に形成されており、ハウジング41の内周側には、センサ素子2が挿通されている。センサ素子2の検知部21は、ハウジング41における軸方向Lの先端側L1の端面よりも先端側L1に突出している。
(ガスセンサ1)
図1に示すように、ガスセンサ1は、車両の内燃機関(エンジン)の排気管7の取付口71に配置され、排気管7を流れる排ガスGを検出対象ガスとして、検出対象ガスにおける酸素濃度等を検出するために用いられる。ガスセンサ1は、排ガスGにおける酸素濃度、未燃ガス濃度等に基づいて、内燃機関における空燃比を求める空燃比センサ(A/Fセンサ)として用いることができる。空燃比センサは、理論空燃比と比べて空気に対する燃料の割合が多い燃料リッチの状態から、理論空燃比と比べて空気に対する燃料の割合が少ない燃料リーンの状態まで定量的に連続して空燃比を検出することができるものである。また、ガスセンサ1は、空燃比センサ以外にも、酸素濃度を求める種々の用途として用いることができる。
図5及び図6に示すように、本形態のセンサ素子2は、長尺の長方形状に形成されており、固体電解質体31、排気電極311及び大気電極312、第1絶縁体33A、第2絶縁体33B、ガス室35、大気ダクト36及び発熱体34を備える。センサ素子2は、固体電解質体31に、各絶縁体33A,33B及び発熱体34が積層された積層タイプのものである。
図5及び図6に示すように、固体電解質体31は、所定の活性温度において、酸素イオン(O2-)の伝導性を有するものである。固体電解質体31の第1表面301には、排ガスGに晒される排気電極311が設けられており、固体電解質体31の第2表面302には、大気Aに晒される大気電極312が設けられている。排気電極311と大気電極312とは、センサ素子2の軸方向Lの、排ガスGに晒される先端側L1の部位において、固体電解質体31を介して積層方向Dに重なる位置に配置されている。センサ素子2の軸方向Lの先端側L1の部位には、排気電極311及び大気電極312と、これらの電極311,312の間に挟まれた固体電解質体31の部分とによる検知部21が形成されている。第1絶縁体33Aは、固体電解質体31の第1表面301に積層されており、第2絶縁体33Bは、固体電解質体31の第2表面302に積層されている。
図5及び図6に示すように、固体電解質体31の第1表面301には、第1絶縁体33Aと固体電解質体31とに囲まれたガス室35が隣接して形成されている。ガス室35は、第1絶縁体33Aの軸方向Lの先端側L1の部位において、排気電極311を収容する位置に形成されている。ガス室35は、第1絶縁体33Aと拡散抵抗部32と固体電解質体31とによって閉じられた空間部として形成されている。排気管7内を流れる排ガスGは、拡散抵抗部32を通過してガス室35内に導入される。
図5に示すように、本形態の拡散抵抗部32は、ガス室35の軸方向Lの先端側L1に隣接して設けられている。拡散抵抗部32は、第1絶縁体33Aにおいて、ガス室35の軸方向Lの先端側L1に隣接して開口された導入口内に配置されている。拡散抵抗部32は、アルミナ等の多孔質の金属酸化物によって形成されている。ガス室35に導入される排ガスGの拡散速度(流量)は、排ガスGが拡散抵抗部32における気孔を透過する速度が制限されることによって決定される。
図5~図7に示すように、固体電解質体31の第2表面302には、第2絶縁体33Bと固体電解質体31とに囲まれた大気ダクト36が隣接して形成されている。大気ダクト36は、第2絶縁体33Bにおける、大気電極312を収容する軸方向Lの部位から、センサ素子2の軸方向Lにおける、大気Aに晒される基端位置まで形成されている。センサ素子2の軸方向Lの基端位置には、大気ダクト36の大気導入部としての基端開口部361が形成されている。大気ダクト36は、基端開口部361から固体電解質体31を介してガス室35と積層方向Dに重なる位置まで形成されている。大気ダクト36には、基端開口部361から大気Aが導入される。
図5~図7に示すように、発熱体34は、大気ダクト36を形成する第2絶縁体33B内に埋設されており、通電によって発熱する発熱部341と、発熱部341に繋がる発熱体リード部342とを有する。発熱部341は、固体電解質体31と各絶縁体33A,33Bとの積層方向Dにおいて、少なくとも一部が排気電極311及び大気電極312に重なる位置に配置されている。
図5及び図6に示すように、第1絶縁体33Aは、ガス室35を形成するものであり、第2絶縁体33Bは、大気ダクト36を形成するとともに発熱体34を埋設するものである。第1絶縁体33A及び第2絶縁体33Bは、アルミナ(酸化アルミニウム)等の金属酸化物によって形成されている。各絶縁体33A,33Bは、排ガスG又は大気Aである気体が透過することができない緻密体として形成されており、各絶縁体33A,33Bには、気体が通過することができる気孔がほとんど形成されていない。
図1に示すように、センサ素子2の端子部22は、排気電極311及び大気電極312の各電極リード部313、及び一対の発熱体リード部342の軸方向Lの基端部に電気的に接続されている。端子部22は、センサ素子2の軸方向Lの基端部における両側の側面に配置されている。各電極リード部313及び発熱体リード部342の軸方向Lの基端部は、各絶縁体34A,34Bに形成されたスルーホールを介して端子部22に接続されている。
図1に示すように、センサ素子2の軸方向Lの先端側L1の部位の全周には、排気電極311に対する被毒物質、排気管7内に生じる凝縮水等を捕獲するための多孔質層37が設けられている。多孔質層37は、アルミナ等の多孔質のセラミックス(金属酸化物)によって形成されている。多孔質層37の気孔率は、拡散抵抗部32の気孔率よりも大きく、多孔質層37を透過することができる排ガスGの流量は、拡散抵抗部32を透過することができる排ガスGの流量よりも多い。
図1~図3に示すように、ハウジング41は、ガスセンサ1を排気管7の取付口71に締め付けるために用いられる。ハウジング41は、最大外径部を構成するフランジ部411と、フランジ部411の軸方向Lの先端側L1に形成された先端側筒部412と、フランジ部411の軸方向Lの基端側L2に形成された基端側筒部414とを有する。「最大外径部」とは、ハウジング41において、径方向Rの半径寸法が最も大きい部位のことを示す。フランジ部411の外周は、ガスセンサ1が工具によって取付口71に締め付けられる際に利用される六角形状に形成されている。先端側筒部412及び基端側筒部414は、円筒形状に形成されている。
図1及び図2に示すように、内周側カバー5は、ハウジング41における熱を吸収し、ハウジング41における熱がガスセンサ1の軸方向Lの基端側L2の端部に位置する封止部材47まで伝わりにくくするためのものである。内周側カバー5は、円筒形状の筒状本体部51と、筒状本体部51の軸方向Lの基端部において径方向Rの内周側に屈曲した屈曲部52とを有する。換言すれば、内周側カバー5における軸方向Lの基端部には、内周側カバー5の筒状本体部51に対して内周側に屈曲して、第2インシュレータ43における軸方向Lの基端側L2の端面に間接的に接触する屈曲部52が形成されている。
図1及び図2に示すように、外周側カバー46A,46Bは、ガスセンサ1の軸方向Lの基端側L2に位置する配線部を覆って、この配線部を大気A中の水等から保護するためのものである。配線部は、センサ素子2に電気的に繋がる部分としての、接点端子44、接点端子44とリード線48との接続部分(接続金具441)等によって構成される。
図2及び図4に示すように、内周側カバー5の径方向Rの厚みt2は、外周側カバー46A,46Bの径方向Rの厚みt1よりも大きい。内周側カバー5は、ハウジング41の熱を逃がすための放熱部としての機能を持たせるために、できるだけ厚く形成されている。内周側カバー5の厚みt2は、外周側カバー46A,46Bの厚みt1の2~5倍とすることができる。内周側カバー5の厚みt2が外周側カバー46A,46Bの厚みt1よりも大きいことにより、ハウジング41から外周側カバー46A,46Bへの伝熱量よりも、ハウジング41から内周側カバー5への伝熱量を多くすることができる。これにより、ハウジング41の熱が外周側カバー46A,46Bから封止部材47へより伝わりにくくすることができる。
図1及び図2に示すように、環状空間50は、内周側カバー5と外周側カバー46Aとの間の所定の隙間(間隔)として形成されている。環状空間50は、内周側カバー5と外周側カバー46Aとの間に、空気(大気)Aの断熱層を形成するものである。環状空間50が形成されていることにより、ハウジング41から内周側カバー5へ伝わった熱が、内周側カバー5から外周側カバー46A,46Bへ伝わることを抑制することができる。
図8に示すように、外周側カバー46Aにおける軸方向Lの先端部の全周は、径方向Rの内周側に屈曲して、内周側カバー5の筒状本体部51の外周の全周に接触していてもよい。この場合には、外周側カバー46A及び内周側カバー5によって環状空間50における軸方向Lの先端側L1の端部501が閉じられるとともに、環状空間50が内周側カバー5の軸方向Lの先端部まで位置させることができる。そして、環状空間50を軸方向Lにできるだけ長く形成することができる。
図1及び図3に示すように、第1インシュレータ42は、ハウジング41の中心部を軸方向Lに貫通する中心穴410内に配置されている。第1インシュレータ42は、第1碍子とも呼ばれ、絶縁性のセラミックス材料によって構成されている。第1インシュレータ42の中心部には、センサ素子2を挿通させるために、軸方向Lに貫通する第1挿通穴420が形成されている。第1挿通穴420における軸方向Lの基端側L2の端部には、センサ素子2を固定するためのガラス粉末422が配置される固定用凹部421が形成されている。センサ素子2は、第1インシュレータ42の第1挿通穴420に挿通された状態で、固定用凹部421に配置されたガラス粉末422によって第1インシュレータ42に固定されている。
図2及び図4に示すように、第2インシュレータ43は、第1インシュレータ42の軸方向Lの基端側L2に配置され、センサ素子2の端子部22に接触する接点端子44を保持するものである。第2インシュレータ43は、第2碍子とも呼ばれ、絶縁性のセラミックス材料によって構成されている。第2インシュレータ43の中心部には、センサ素子2が挿通される第2挿通穴430が軸方向Lに貫通して形成されている。第2インシュレータ43における、第2挿通穴430に連通する位置には、接点端子44を配置するための溝部432が形成されている。第2インシュレータ43は、内周側カバー5及び外周側カバー46Aの径方向Rの内周側に配置されている。
図2及び図4に示すように、接点端子44は、センサ素子2の端子部22に接触し、端子部22をリード線48に電気的に接続するものである。接点端子44は、第2インシュレータ43の溝部432に配置されている。接点端子44は、接続金具441を介してリード線48に接続されており、弾性変形の復元力を作用させて端子部22に接触している。接点端子44は、センサ素子2における端子部22の数、換言すれば、排気電極311及び大気電極312の各電極リード部313、及び一対の発熱体リード部342の数に合わせて複数個が配置されている。
図2に示すように、封止部材(ブッシュ)47は、第2外周側カバー46Bの内周側に配置されて、複数のリード線48を、シールを行って保持するものである。封止部材47は、シール材としての機能を有するために、弾性変形可能なゴム材料によって構成されている。封止部材47には、リード線48が挿通された貫通孔が形成されている。封止部材47に第2外周側カバー46Bがかしめられることにより、各リード線48と各貫通孔との間、及び封止部材47と第2外周側カバー46Bとの間の各隙間がシールされる。リード線48は、各接点端子44を、ガスセンサ1の外部のセンサ制御装置6に接続するためのものである。リード線48は、内部の導体が被覆層によって被覆されたものである。
図3に示すように、先端側カバー45A,45Bは、ハウジング41の軸方向Lの先端側L1の端面から先端側L1へ突出する、センサ素子2の検知部21を覆うものである。先端側カバー45A,45Bは、ハウジング41の先端側筒部412に形成された装着部413の外周に装着されている。本形態の先端側カバー45A,45Bは、第1先端側カバー45Aと、第1先端側カバー45Aを覆う第2先端側カバー45Bとの二重構造を有している。第1先端側カバー45A及び第2先端側カバー45Bには、排ガスGが流通可能なガス流通孔451が形成されている。
図1に示すように、ガスセンサ1におけるリード線48は、ガスセンサ1におけるガス検出の制御を行うセンサ制御装置6に電気接続される。センサ制御装置6は、エンジンにおける燃焼運転を制御するエンジン制御装置と連携してガスセンサ1における電気制御を行うものである。センサ制御装置6には、図5に示すように、排気電極311と大気電極312との間に流れる電流を測定する電流測定回路61、排気電極311と大気電極312との間に電圧を印加する電圧印加回路62、発熱体34に通電を行うための通電回路等が形成されている。なお、センサ制御装置6は、エンジン制御装置内に構築してもよい。
ガスセンサ1は、NOx(窒素酸化物)等の特定ガス成分の濃度を検出するものとしてもよい。NOxセンサにおいては、固体電解質体31における、排気電極311に接触する排ガスGの流れの上流側に、電圧の印加によって大気電極312へ酸素をポンピングするポンプ電極が配置される。大気電極312は、ポンプ電極に対して固体電解質体31を介して積層方向Dに重なる位置にも形成される。
本形態のガスセンサ1においては、封止部材47を保持する外周側カバー46A,46Bの径方向Rの内周側に内周側カバー5を配置している。この内周側カバー5と外周側カバー46A,46Bとの間には、断熱層として機能する環状空間50が形成されており、内周側カバー5と外周側カバー46A,46Bとは軸方向Lの先端部においてのみ接触している。そして、ハウジング41から軸方向Lの基端側L2へは、内周側カバー5を通る熱の移動経路と、外周側カバー46A,46Bを通る熱の移動経路とが形成される。
本確認試験においては、内周側カバー5を備える実施形態のガスセンサ1について、ガスセンサ1が配置された排気管7内に1100℃の排ガスGが流れる場合に、ガスセンサ1の各部がどれだけ加熱されるかのシミュレーションを行った。また、比較のために、内周側カバー5を備えない比較形態1のガスセンサと、内周側カバー5の代わりに、外周側カバー46A,46Bの外周側に放熱部材を設けた比較形態2のガスセンサとについても、同様にシミュレーションを行った。このシミュレーションにおいては、各ガスセンサの各部の温度の分布が表示される。そして、実施形態のガスセンサ1及び比較形態1,2のガスセンサにおける各封止部材47の温度を確認した。
2 センサ素子
41 ハウジング
43 第2インシュレータ
44 接点端子
46A,46B 外周側カバー
47 封止部材
48 リード線
5 内周側カバー
50 環状空間
Claims (4)
- ガス検知が可能な検知部(21)を軸方向(L)の先端側位置に有するセンサ素子(2)と、
前記検知部が前記軸方向の先端側(L1)に突出する状態で、前記センサ素子が挿通された筒形状のハウジング(41)と、
前記センサ素子の前記軸方向の基端側位置に設けられた端子部(22)に接触する接点端子(44)と、
前記接点端子を保持するインシュレータ(43)と、
前記接点端子に接続されて外部に引き出されたリード線(48)と、
前記リード線を保持する封止部材(47)と、
前記ハウジングの前記軸方向の基端側位置の外周に装着された内周側カバー(5)と、
前記内周側カバーの外周側に配置されるとともに、前記内周側カバーとの間に環状空間(50)を形成し、かつ前記封止部材を内周側に保持する外周側カバー(46A,46B)と、を備え、
前記内周側カバーの前記軸方向の先端部は、前記ハウジングの前記軸方向の基端側位置の外周に、接合、圧入又はかしめ固定によって装着されており、
前記環状空間における前記軸方向の先端側の端部(501)は、前記外周側カバーにおける前記軸方向の先端部の全周が前記内周側カバーにおける前記軸方向の先端部の全周に、接合、圧入又はかしめ固定によって装着されていることによって、閉じられており、
前記環状空間は、前記内周側カバーにおける、前記軸方向の先端部の外径よりも、前記先端部の基端側に位置する部分の外径が小さいことによって形成されており、
前記環状空間における前記軸方向の基端側の開口部(502)は、前記内周側カバーにおける前記軸方向の基端部が、前記外周側カバーの内周側に配置されていることによって、開放されており、
前記内周側カバーにおける前記軸方向の基端部には、前記内周側カバーの筒状本体部(51)に対して内周側に屈曲して、前記インシュレータにおける前記軸方向の基端側の端面との間に、かしめ部材を挟み込む屈曲部(52)が形成されている、ガスセンサ(1)。 - ガス検知が可能な検知部(21)を軸方向(L)の先端側位置に有するセンサ素子(2)と、
前記検知部が前記軸方向の先端側(L1)に突出する状態で、前記センサ素子が挿通された筒形状のハウジング(41)と、
前記センサ素子の前記軸方向の基端側位置に設けられた端子部(22)に接触する接点端子(44)と、
前記接点端子を保持するインシュレータ(43)と、
前記接点端子に接続されて外部に引き出されたリード線(48)と、
前記リード線を保持する封止部材(47)と、
前記ハウジングの前記軸方向の基端側位置の外周に装着された内周側カバー(5)と、
前記内周側カバーの外周側に配置されるとともに、前記内周側カバーとの間に環状空間(50)を形成し、かつ前記封止部材を内周側に保持する外周側カバー(46A,46B)と、を備え、
前記内周側カバーの前記軸方向の先端部は、前記ハウジングの前記軸方向の基端側位置の外周に、接合、圧入又はかしめ固定によって装着されており、
前記環状空間における前記軸方向の先端側の端部(501)は、前記外周側カバーにおける前記軸方向の先端部の全周において径方向の内周側に屈曲して形成された屈曲先端部が、前記内周側カバーにおける前記軸方向の先端部の全周に、接合、圧入又はかしめ固定によって装着されていることによって、閉じられており、
前記環状空間は、前記屈曲先端部によって前記外周側カバーと前記内周側カバーとの間隔が空けられることによって形成されており、
前記環状空間における前記軸方向の基端側の開口部(502)は、前記内周側カバーにおける前記軸方向の基端部が、前記外周側カバーの内周側に配置されていることによって、開放されている、ガスセンサ(1)。 - ガス検知が可能な検知部(21)を軸方向(L)の先端側位置に有するセンサ素子(2)と、
前記検知部が前記軸方向の先端側(L1)に突出する状態で、前記センサ素子が挿通された筒形状のハウジング(41)と、
前記センサ素子の前記軸方向の基端側位置に設けられた端子部(22)に接触する接点端子(44)と、
前記接点端子を保持するインシュレータ(43)と、
前記接点端子に接続されて外部に引き出されたリード線(48)と、
前記リード線を保持する封止部材(47)と、
前記ハウジングの前記軸方向の基端側位置の外周に装着された内周側カバー(5)と、
前記内周側カバーの外周側に配置されるとともに、前記内周側カバーとの間に環状空間(50)を形成し、かつ前記封止部材を内周側に保持する外周側カバー(46A,46B)と、を備え、
前記内周側カバーの厚み(t2)は、前記外周側カバーの厚み(t1)よりも大きい、ガスセンサ(1)。 - 前記内周側カバーにおける前記軸方向の基端部には、前記内周側カバーの筒状本体部(51)に対して内周側に屈曲して、前記インシュレータにおける前記軸方向の基端側の端面との間に、かしめ部材を挟み込む屈曲部(52)が形成されている、請求項2又は3のいずれか1項に記載のガスセンサ。
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