WO2022014282A1

WO2022014282A1 - ガスセンサ

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Publication number: WO2022014282A1
Application number: PCT/JP2021/023700
Authority: WO
Inventors: 晃児守田; 直人小澤; 朝文藤井
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 2020-07-14
Filing date: 2021-06-23
Publication date: 2022-01-20
Anticipated expiration: 2023-01-14
Also published as: JP7251527B2; US12326414B2; US20230152270A1; JP2022017803A; DE112021003741T5

Abstract

ガスセンサ（１）は、内周面に形成された係止段部（２１）を備えたハウジング（２）と、係止段部（２１）に基端側から係止される被係止鍔部（３１）を備え、ハウジング（２）の内側に保持されたセンサ本体（３）と、被係止鍔部（３１）の基端側において、ハウジング（２）の内周面とセンサ本体（３）の外周面との間の充填部（４０）に充填されたシール材（４）と、シール材（４）の基端側において、ハウジング（２）の内周面とセンサ本体（３）の外周面との間に配された絶縁部材（５）と、を有する。充填部（４０）は、外周側に突出した環状溝部（４１）を有する。

Description

ガスセンサ

関連出願の相互参照

　本出願は、２０２０年７月１４日に出願された日本出願番号２０２０－１２０５７１号に基づくもので、ここにその記載内容を援用する。

　本開示は、ガスセンサに関する。

　内燃機関の排気系等に配設されて、排ガス等、被測定ガス中の特定ガス濃度を検出するガスセンサが、種々開発されている。ハウジングの内側に、センサ本体を保持してなるガスセンサにおいては、ハウジングとセンサ本体との間の隙間を気密封止することが求められる場合がある。かかるガスセンサにおいては、上記の隙間にシール材を充填して、気密封止を図っている。そして、特許文献１に開示されたガスセンサにおいては、ハウジングの材料組成等を特定することにより、高熱環境下における気密性の向上を図っている。

特開２０１９－２０２３２号公報

　近年、ガスセンサに求められる高性能化に伴い、ハウジングとセンサ本体との間における気密性についても、高いレベルの気密性が求められる場合がある。

　本開示は、ハウジングとセンサ本体との間の気密性を向上させることができるガスセンサを提供しようとするものである。

　本開示の一態様は、内周面に形成された係止段部を備えたハウジングと、
　上記係止段部に基端側から係止される被係止鍔部を備え、上記ハウジングの内側に保持されたセンサ本体と、
　上記被係止鍔部の基端側において、上記ハウジングの内周面と上記センサ本体の外周面との間の充填部に充填されたシール材と、
　上記シール材の基端側において、上記ハウジングの内周面と上記センサ本体の外周面との間に配された絶縁部材と、を有し、
　上記充填部は、外周側に突出した環状溝部を有する、ガスセンサにある。

　上記ガスセンサにおいては、上記充填部が、上記環状溝部を有する。これにより、ハウジングとセンサ本体との間の気密性を向上させることができる。

　以上のごとく、上記態様によれば、ハウジングとセンサ本体との間の気密性を向上させることができるガスセンサを提供することができる。

　本開示についての上記目的およびその他の目的、特徴や利点は、添付の図面を参照しながら下記の詳細な記述により、より明確になる。その図面は、
図１は、実施形態１における、ガスセンサの軸方向に沿った断面図であり、図２は、実施形態１における、充填部付近の断面図であり、図３は、図１のIII－III線矢視断面図であり、図４は、実施形態１における、環状溝部の断面図であり、図５は、比較形態における、充填部付近の断面図であり、図６は、実験例における、測定結果を示す線図であり、図７は、実施形態２における、ガスセンサの軸方向に沿った断面図である。

（実施形態１）
　ガスセンサに係る実施形態について、図１～図４を参照して説明する。
　ガスセンサ１は、図１に示すごとく、ハウジング２と、センサ本体３と、シール材４と、絶縁部材５と、を有する。

　ハウジング２は、内周面に形成された係止段部２１を備えている。センサ本体３は、係止段部２１に基端側から係止される被係止鍔部３１を備え、ハウジング２の内側に保持されている。シール材４は、被係止鍔部３１の基端側において、ハウジング２の内周面とセンサ本体３の外周面との間の充填部４０に充填されている。絶縁部材５は、シール材４の基端側において、ハウジング２の内周面とセンサ本体３の外周面との間に配されている。充填部４０は、外周側に突出した環状溝部４１を有する。

　本形態において、センサ本体３は、図１、図３に示すごとく、センシング部を備えたセンサ素子３３と、センサ素子３３を保持する絶縁碍子３４とを有する。センサ素子３３は、固体電解質体を含む複数のセラミック層を積層した積層型のセンサ素子である。絶縁碍子３４は、センサ素子３３を軸方向に挿通させて保持している。絶縁碍子３４の基端部に設けた凹部には、ガラス封止部３５が充填されている。このガラス封止部３５が、絶縁碍子３４とセンサ素子３３との間を封止している。絶縁碍子３４は、例えば、アルミナ等のセラミックからなる。

　図１、図２に示すごとく、絶縁碍子３４の外周部に、被係止鍔部３１が形成されている。すなわち、本形態においては、絶縁碍子３４に設けた被係止鍔部３１が、ハウジング２の係止段部２１に係止されている。

　図１に示すごとく、ハウジング２の先端側には、センサ本体３を覆うように形成された先端側カバー１６が設けてある。本形態のガスセンサ１は、二重構造の先端側カバー１６を有する。これらの先端側カバー１６は、その基端部において、ハウジング２に固定されている。本形態において、先端側カバー１６の基端部が、ハウジング２の係止段部２１とセンサ本体３の被係止鍔部３１との間に介在している。

　図１、図２に示すごとく、被係止鍔部３１の基端側に、シール材４、パッキン１１１、絶縁部材５、金属リング１１２が、順次配置されている。また、これらの部材は、かしめ部２３によって軸方向Ｚにかしめられ、軸方向Ｚに圧縮荷重を受けている。シール材４は、例えばタルク等のセラミック粉末からなる。なお、軸方向Ｚは、ガスセンサ１の軸方向である。

　図１に示すごとく、先端側カバー１６には、被測定ガスを流通させるガス流通孔１６１が形成されている。ガス流通孔１６１を介して、排ガス等の被測定ガスが先端側カバー１６の内側に導入され、センサ素子３３の測定電極（図示略）に到達する。

　また、ハウジング２の基端側には、略円筒状の基端側カバー１５が固定されている。基端側カバー１５は、かしめ部２３の外周側において、ハウジング２の外周面に溶接等にて固定されている。

　基端側カバー１５の内側には、センサ素子３３の基端部に設けた端子に接続するための接点端子１７１が配置されている。接点端子１７１に接続されたリード１７２は、ガスセンサ１の基端側へ突出している。また、接点端子１７１は、絶縁性の端子保持体１１３に保持されている。端子保持体１１３は、絶縁碍子３４と同様に、アルミナ等のセラミックからなる。

　基端側カバー１５には、大気を内側に導入する大気導入部１５１が設けてある。大気導入部１５１から基端側カバー１５内に導入された大気は、センサ素子３３の内部に設けられた基準電極（図示略）に到達する。

　ガスセンサ１は、例えば、車両の内燃機関の排気管に設置されて、排気管内を流れる排ガスのガス検出を行うものとすることができる。本形態のガスセンサ１は、排ガスの組成から求まる内燃機関のＡ／Ｆ（すなわち、空燃比）を検出するＡ／Ｆセンサ（空燃比センサともいう。）として使用することができる。そして、先端側カバー１６内に導入された排ガス等の被測定ガスが、センサ本体３とハウジング２との間から基端側カバー１５内に漏れることを防ぐべく、シール材４が充填部４０に充填されている。なお、ガスセンサ１は、排ガスの組成から求められるＡ／Ｆが、理論空燃比に対して燃料リッチ側にあるのか燃料リーン側にあるのかをＯＮ－ＯＦＦにて判別する酸素センサとすることもできる。

　ガスセンサ１は、ハウジング２に設けた取付ネジ部２４において、排気管等の被取付部に取り付けられる。すなわち、ハウジング２の取付ネジ部２４を、被取付部に設けた雌ネジ部に螺合することで、ガスセンサ１が被取付部に取り付けられる。ハウジング２は、取付ネジ部２４の基端側に、下記の多角部２２を有する。被取付部に取付ネジ部２４を締結する際、この多角部２２に工具を係合する。

　多角部２２は、図２、図３に示すごとく、軸方向Ｚの両側の部位よりも外周側へ突出するとともに、軸方向Ｚから見た外形が多角形である。そして、環状溝部４１は、軸方向Ｚにおける多角部２２の形成領域に設けてある。本形態において、多角部２２は、軸方向から見た形状が、正六角形状である。

　係止段部２１、被係止鍔部３１、充填部４０、環状溝部４１は、ガスセンサ１の中心軸を中心とした円形状に形成されている。
　環状溝部４１は、先端側壁面４１１が、外周側へ向かうほど基端側へ向かうよう傾斜している。すなわち、図４に示す角度αが９０°未満である。より好ましくは、角度αは８５°以下である。なお、同図における破線Ｚ１は、軸方向Ｚに平行な直線である。なお、角度αは、例えば、６０°以上とすることができる。

　また、環状溝部４１は、基端側壁面４１２が、外周側へ向かうほど先端側へ向かうよう傾斜している。そして、基端側壁面４１２が軸方向Ｚとなす角度βが４５°以下である。なお、角度βは、例えば、１５°以上とすることができる。

　環状溝部４１は、０．２～０．５ｍｍの深さｄを有する。環状溝部４１は、外周側に軸方向Ｚに沿った溝底面４１３を有する。溝底面４１３の軸方向Ｚの長さＬｚは、環状溝部４１の深さｄよりも長くすることができる。長さＬｚは、例えば、０．７ｍｍ以上とすることができる。

　センサ本体３の被係止鍔部３１は、先端側面３１１が、外周側へ向かうほど基端側へ向かうよう傾斜している。被係止鍔部３１は、基端側面３１２が、外周側へ向かうほど先端側へ向かうよう傾斜している。また、被係止鍔部３１の突出端に、軸方向Ｚに沿った鍔頂面３１３を有する。被係止鍔部３１の基端側面３１２の外周端と、環状溝部４１の先端側壁面４１１の内周端とは、軸方向Ｚの位置の差が０．３ｍｍ以下である。本形態においては、基端側面３１２の外周端と、先端側壁面４１１の内周端とは、軸方向Ｚの位置が実質的に同等である。

　次に、本形態のガスセンサ１を製造するにあたり、ハウジング２にセンサ本体３を組み付ける際の方法の一例を説明する。
　ハウジング２にセンサ本体３を組み付ける前の状態において、ハウジング２のかしめ部２３は、軸方向Ｚに沿って立設した状態にある。この状態のハウジング２の内側に、軸方向Ｚの基端側から、センサ本体３を挿入する。センサ本体３は、予め、センサ素子３３と絶縁碍子３４とガラス封止部３５とを有するサブアッシーとして用意しておく。また、本形態の場合、ハウジング２には、予め、先端側カバー１６が取り付けられている。

　ハウジング２に挿入配置されたセンサ本体３は、被係止鍔部３１を、先端側カバー１６の基端部を介して、ハウジング２の係止段部２１に係止させる。
　次いで、センサ本体３の外周面とハウジング２の内周面との間の環状の空間に、基端側から、シール材４、パッキン１１１、絶縁部材５、金属リング１１２をこの順にて配置する。シール材４は、タルク等のセラミック粉末からなる。シール材４は、環状溝部４１を含めた充填部４０に、充填される。このとき、充填部４０の全体にわたり、シール材４が極力均等に充填されるように、シール材４を軸方向Ｚに加圧する。

　そして、ハウジング２の基端部を内側に曲げ加工することで、図２に示すごとく、かしめ部２３を形成する。このかしめ部２３によって、シール材４、パッキン１１１、絶縁部材５、金属リング１１２が軸方向Ｚにかしめ固定される。このかしめ固定は、熱かしめによって行うことができ、かしめ部２３となるハウジング２の基端部を高温に加熱してその変形を容易にすることができる。

　次に、本形態の作用効果につき説明する。
　ガスセンサ１においては、充填部４０が、環状溝部４１を有する。これにより、シール材４とハウジング２との間の界面の長さを長くすることができる。その結果、ハウジング２とセンサ本体３との間の気密性を向上させることができる。

　また、環状溝部４１を設けることで、充填部４０において、軸方向先端側からシール材４の面圧を受ける面積を大きくすることができる。それゆえ、センサ本体３の被係止鍔部３１にかかる荷重を過大にすることなく、シール材４にかける圧力を大きくすることができる。その結果、ハウジング２とセンサ本体３との間の気密性を向上させることができる。

　また、充填部４０に環状溝部４１を設けることで、充填部４０に充填できるシール材４の量を多くすることができる。これにより、ハウジング２とセンサ本体３との間の熱膨張差に起因する、シール材４の内部圧力の低下を抑制しやすい。かかる観点においても、ハウジング２とセンサ本体３との間の気密性を向上させることができる。

　Ａ／Ｆセンサには、センサ素子３３の内部へ大気を導入する大気ダクトを有するものがある。このＡ／Ｆセンサにおいては、Ａ／Ｆ（すなわち、空燃比）が燃料リッチ側にあるときには、排ガスに晒される電極において未燃ガスが化学反応することに伴い、固体電解質体を介して、大気に晒される電極から排ガスに晒される電極へ酸化物イオン（Ｏ^2-）が移動する。これにより、燃料リッチ側のＡ／Ｆが検出される。

　大気ダクトを有するＡ／Ｆセンサにおいては、Ａ／Ｆが燃料リッチ側にあるときに、センサ素子の内部に導かれる大気へ排ガスが混入すると、この大気中の酸素濃度の低下により、固体電解質体を介して、大気に晒される電極から排ガスに晒される電極へ酸化物イオン（Ｏ^2-）を送り込めなくなるおそれがある。この場合には、燃料リッチ側のＡ／Ｆを検出可能とする検出レンジの保証範囲を狭めるおそれがある。

　Ａ／Ｆセンサにおいては、上記のような観点において、シール材４による、基端側カバー１５内の空間と、先端側カバー１６内の空間との間のシール性が重要となる。そして、本形態においては、上述のように、シール材４のシール性を向上させることができるため、Ａ／Ｆセンサにおける、燃料リッチ側の検出レンジを確保しやすいといえる。

　また、酸素センサは、基端側カバー１５内の大気における酸素濃度と、先端側カバー１６内の排ガスにおける酸素濃度との差によって生じる起電力の出力により、燃料のリッチ、リーンを検出する。それゆえ、ガスセンサ１が酸素センサである場合には、大気側に排ガスが混入すると、検出精度に影響を及ぼすおそれがある。したがって、シール材４のシール性を向上させることができる本形態のガスセンサ１を、酸素センサに適用した場合にも、検出精度の向上の観点において利点がある。

　また、基端側カバー１５内には、接点端子１７１が配置されている。それゆえ、基端側カバー１５内に排ガスが混入すると、この排ガスが接点端子１７１に到達するおそれがある。この場合には、接点端子１７１が排ガス中の水分、窒素化合物等によって腐食するおそれがある。したがって、接点端子１７１を腐食から保護する観点においても、シール材４のシール性を向上させることができる本形態のガスセンサ１は、優れている。そして、本形態によれば、高温環境下における排ガスの基端側への漏れを低減できるので、より高温環境での接点端子１７１の耐食信頼性を確保することができる。

　また、環状溝部４１は、軸方向Ｚにおける多角部２２の形成領域に設けてある。これにより、ハウジング２の強度を充分に確保しつつ、環状溝部４１を設けることができる。

　環状溝部４１は、先端側壁面４１１が、外周側へ向かうほど基端側へ向かうよう傾斜している。これにより、環状溝部４１にもシール材４を充填しやすい。したがって、シール材４を充填する際の充填加重を大きくしすぎることなく、環状溝部４１も含めた充填部４０に、シール材４を充填することができる。その結果、センサ本体３の被係止鍔部３１に過大な荷重をかけることなく、充填部４０にシール材４を充填することができる。

　環状溝部４１は、基端側壁面４１２が、外周側へ向かうほど先端側へ向かうよう傾斜しており、軸方向Ｚとなす角度βが４５°以下である。これによっても、環状溝部４１へのシール材４の充填を円滑に行いやすくなる。その結果、センサ本体３の被係止鍔部３１に過大な荷重をかけることなく、充填部４０にシール材４を充填することができる。

　環状溝部４１は、０．２～０．５ｍｍの深さを有する。これにより、環状溝部４１へのシール材４の充填しやすさを確保しつつ、シール性の向上を図ることができる。

　また、環状溝部４１は、溝底面４１３を有する。これにより、環状溝部４１の全体に、シール材４を一層容易に充填することができる。

　以上のごとく、本形態によれば、ハウジングとセンサ本体との間の気密性を向上させることができるガスセンサを提供することができる。

（比較形態）
　本形態は、図５に示すごとく、充填部４０が環状溝部（図２の符号４１参照）を備えていないガスセンサ９の形態である。
　充填部４０に環状溝部を設けていない点以外は、実施形態１と同様である。なお、本比較形態以降において用いた符号のうち、既出の実施形態において用いた符号と同一のものは、特に示さない限り、既出の実施形態におけるものと同様の構成要素等を表す。

　本形態の場合、シール材４とハウジング２との間の界面の長さを長くし難い。
　また、充填部４０において、軸方向先端側からシール材４の面圧を受ける面が、実質的に、センサ本体３の被係止鍔部３１の基端側面のみとなる。それゆえ、シール材４にかける圧縮荷重を大きくし難く、ハウジング２とセンサ本体３との間の気密性を向上させ難い。

（実験例）
　本例においては、図６に示すごとく、環状溝部４１の深さｄと、ハウジング２とセンサ本体３との間の気密性との関係を調べた。
　試料としては、環状溝部４１の深さｄを、それぞれ０．５ｍｍ、０．２ｍｍ、０ｍｍとした試料１、試料２、試料３を用意した。試料１、試料２は、実施形態１に示したガスセンサ１と同様の構成を有する。試料３は、比較形態に示したガスセンサ９と同様の構成を有する。各試料は、４つずつ作製した。

　気密性の評価試験にあたっては、ハウジング２の加熱及び冷却を行うサイクルを３０００サイクル実施した。このサイクルは、ハウジング２の多角部２２を、６５０℃に加熱した後、エア冷却によって５０℃以下に冷却するサイクルとした。また、ハウジング２の多角部２２が６５０℃に加熱保持される状態を形成し、シール材４よりも先端側の空間の圧力が０．４ＭＰａとなるように排ガスを供給した状態で、ハウジング２とセンサ本体３との間における漏れ量を計測した。なお、シール材４よりも基端側の空間は、大気圧である。

　測定結果を、図６に示す。同図において、縦軸は、排ガスの漏れ率を示す。ここで、漏れ率は、環状溝部４１を設けない試料３における、単位時間当たりの排ガスの漏れ量を１としたときの、各試料における単位時間当たりの排ガスの漏れ量の比率である。また、同図において、円形のプロットが各試料における漏れ率を示し、曲線Ｓが各試料の平均値を概ねつなぐ近似曲線である。

　同図から分かるように、環状溝部４１を設けた試料１（ｄ＝０．５ｍｍ）及び試料２（ｄ＝０．２ｍｍ）は、環状溝部４１を有しない試料３（ｄ＝０ｍｍ）に比べて、大幅に漏れ率が低減されている。そして、深さｄが深いほど、漏れ率をより低減できる傾向も、同図から把握できる。この結果から、環状溝部４１を設けることによって、ハウジング２とセンサ本体３との間の気密性を向上させることができることが確認された。また、環状溝部４１の深さｄについては、０．２ｍｍ以上とすることで、充分な気密性向上が図られることが分かる。
　そして、加工性やハウジング２の強度確保等も含めて考慮すると、環状溝部４１の深さｄを、例えば、０．２～０．５ｍｍ程度とすることが考えられる。

（実施形態２）
　本形態は、図７に示すごとく、センサ本体３を有底筒状のセンサ素子３３０にて構成したガスセンサ１の形態である。
　すなわち、本形態において、センサ本体３は、先端側が閉塞され、基端側が開放された、コップ型のセンサ素子３３０である。本形態において、センサ本体３は、実施形態１における「絶縁碍子３４」に相当する部材を有していない。

　被係止鍔部３１は、センサ素子３３０の外周面の一部を拡径して形成されている。被係止鍔部３１は、環状のパッキン１１４を介して、ハウジング２の係止段部２１に係止されている。本形態において、先端側カバー１６は、ハウジング２の先端部において固定されている。ただし、本形態においても、先端側カバー１６を、係止段部２１と被係止鍔部３１との間に介在させた構成とすることもできる。

　ハウジング２とセンサ本体３との間における、被係止鍔部３１の基端側に、筒状の充填部４０が形成されている。そして、充填部４０は、環状溝部４１を有する。環状溝部４１を含む充填部４０には、シール材４が充填されている。そして、シール材４の基端側に、パッキン１１１、絶縁部材５、及び金属リング１１２が配置されている。シール材４、パッキン１１１、絶縁部材５、及び金属リング１１２は、ハウジング２のかしめ部２３にてかしめられ、軸方向Ｚに圧縮されている。

　センサ素子３３０の内側には、センサ素子３３０を加熱するヒータ３６が配置されている。センサ素子３３０及びヒータ３６には、リード１７２に接続される金属端子１７３が接続されている。

　センサ素子３３０の外周面には、測定電極３３１が設けてある。センサ素子３３０の内周面には、基準電極が設けてある（図示略）。測定電極３３１は、先端側カバー１６の内側空間に曝され、排ガス等の被測定ガスに曝される。一方、基準電極が配置されるセンサ素子３３０の内側空間は、基端側カバー１５内の空間と連通しており、大気が導入される。そして、シール材４は、センサ素子３３０とハウジング２との間の隙間を気密封止し、排ガス等の被測定ガスが、大気側へ漏れることを防いでいる。
　その他は、実施形態１と同様である。

　本形態においても、ハウジング２とセンサ本体３との間の気密性を向上させることができるガスセンサ１を提供することができる。その他、実施形態１と同様の作用効果を有する。

　本開示は上記各実施形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の実施形態に適用することが可能である。

　本開示は、実施形態に準拠して記述されたが、本開示は当該実施形態や構造に限定されるものではないと理解される。本開示は、様々な変形例や均等範囲内の変形をも包含する。加えて、様々な組み合わせや形態、さらには、それらに一要素のみ、それ以上、あるいはそれ以下、を含む他の組み合わせや形態をも、本開示の範疇や思想範囲に入るものである。

Claims

　内周面に形成された係止段部（２１）を備えたハウジング（２）と、
　上記係止段部に基端側から係止される被係止鍔部（３１）を備え、上記ハウジングの内側に保持されたセンサ本体（３）と、
　上記被係止鍔部の基端側において、上記ハウジングの内周面と上記センサ本体の外周面との間の充填部（４０）に充填されたシール材（４）と、
　上記シール材の基端側において、上記ハウジングの内周面と上記センサ本体の外周面との間に配された絶縁部材（５）と、を有し、
　上記充填部は、外周側に突出した環状溝部（４１）を有する、ガスセンサ（１）。
　上記ハウジングは、軸方向（Ｚ）の両側の部位よりも外周側へ突出するとともに軸方向から見た外形が多角形である多角部（２２）を有し、上記環状溝部は、軸方向における上記多角部の形成領域に設けてある、請求項１に記載のガスセンサ。
　上記環状溝部は、先端側壁面（４１１）が、外周側へ向かうほど基端側へ向かうよう傾斜している、請求項１又は２に記載のガスセンサ。
　上記環状溝部は、基端側壁面（４１２）が、外周側へ向かうほど先端側へ向かうよう傾斜しており、軸方向となす角度（β）が４５°以下である、請求項１～３のいずれか一項に記載のガスセンサ。
　上記環状溝部は、０．２～０．５ｍｍの深さを有する、請求項１～４のいずれか一項に記載のガスセンサ。
　上記環状溝部は、外周側に軸方向に沿った溝底面（４１３）を有する、請求項１～５のいずれか一項に記載のガスセンサ。