WO2023067855A1 - ガスセンサ - Google Patents

Abstract

【課題】セパレータの破損を抑制すると共に、セパレータの振動による金属粉の発生を抑制して電極パッドと端子金具との電気的接続の信頼性を確保したガスセンサを提供する。 【解決手段】電極パッド２４を有するセンサ素子２１と、主体金具１１と、金属製で筒状の外筒８１と、外筒に収容され、センサ素子の電極パッドに接続される端子金具７５を保持するセパレータ９１と、を備えたガスセンサ１であって、外筒は先端側から順に、大径部８１ａと、大径部の後端から径方向内側に延びて軸線Ｏ方向に垂直な段部８１ｄと、段部から後端側へ向かって延びつつ縮径する縮径部８１ｂと、縮径部に繋がる小径部８１ｃと、を有し、セパレータの後端向き面が段部の先端向き面に係止され、外筒とセパレータとの径方向の隙間Ｇが１ｍｍ以上であり、かつ、小径部の内径Ｄ１と、大径部の隙間が形成された領域における内径Ｄ２とが、０．５≦Ｄ１/Ｄ２≦０．８の関係を満たす。

Description

ガスセンサ

　本発明は、センサ素子を収容する外筒を備えたガスセンサに関する。

　従来から、被測定ガス中の特定ガスを検出するセンサ素子を主体金具に保持し、センサ素子の後端側を金属製の外筒に収容した構成のガスセンサが知られている。ここで、外筒の先端側は主体金具の後端側に接続され、外筒の後端側は固定されていない自由端となっている。又、外筒の先端側は大径部となっていて、大径部の後端側には段部（立上り部）を介して小径部が形成されている。そして、この段部の内側（先端向き面）に、セパレータの後端側を係止させている。
　ところが、このガスセンサを車両等に搭載して使用すると、車両の走行振動等によって、自由端となる外筒の後端側が振れ、主体金具との接続部位に近い外筒の立上り部付近に応力が集中して亀裂が生じるという不具合がある。
　そこで、外筒の立上り部から後端側へ向かって窄まるテーパ部を設け、立上り部付近の応力集中を緩和した技術が報告されている（特許文献１）。

特許第６７７８１２５号公報

　ところで、ガスセンサへの飛石の衝突等の衝撃や振動により、外筒が変形して内部のセパレータまでもが破損したり、外筒内部の重量物であるセパレータが振れ、セパレータに隣接する外筒や、セパレータを保持する金具が摩耗して金属粉が発生するという問題がある。この金属粉は、センサ素子の電極パッドと、セパレータに保持された端子金具との間に混入し、電極パッドと端子金具との電気的接続の信頼性を低下させるおそれがある。

　本発明は、かかる現状に鑑みてなされたものであって、セパレータの破損を抑制すると共に、セパレータの振動による金属粉の発生を抑制して電極パッドと端子金具との電気的接続の信頼性を確保した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、自身の後端側に電極パッドを有するセンサ素子と、前記センサ素子を取り囲んで保持する主体金具と、前記主体金具の後端側に取り付けられ、前記センサ素子の後端側を収容する金属製で筒状の外筒と、前記外筒に収容され、前記センサ素子の前記電極パッドに接続される端子金具を保持するセパレータと、を備えたガスセンサであって、前記外筒は先端側から順に、大径部と、前記大径部の後端から径方向内側に延びて前記軸線方向に垂直な段部と、前記段部から後端側へ向かって延びつつ縮径する縮径部と、前記縮径部に繋がる小径部と、を有し、前記セパレータの後端向き面が前記段部の先端向き面に係止され、前記外筒と前記セパレータとの前記径方向の隙間が１ｍｍ以上であり、かつ、前記小径部の内径Ｄ１と、前記大径部の前記隙間が形成された領域における内径Ｄ２とが、０．５≦Ｄ１/Ｄ２≦０．８の関係を満たすことを特徴とする。

　このガスセンサによれば、隙間を１ｍｍ以上とすることで、ガスセンサへの飛石の衝突等の衝撃や振動により、セパレータが外筒の内面に接触し、セパレータが破損したり、外筒等の金属部材から金属粉が発生することを抑制できる。
　又、Ｄ１/Ｄ２≦０．８とすることで、段部の径方向長さが長くなるので、セパレータを小型化（小径化）しても段部に確実に係止させて固定することができる。その結果、外筒内部の重量物であるセパレータの振れを低減し、外筒等の金属部材が摩耗して金属粉が発生することを抑制できる。
　又、０．５≦Ｄ１/Ｄ２とすることで、小径部が小径化し過ぎず、小径部の内部にガスセンサの内部部品（シール材、リード線等）を確実に収容できる。
　そして、外筒の段部と小径部との間に縮径部を設けることで、段部付近に応力が集中して亀裂が生じることを抑制できる。

　以上により、振動による外筒の破損を抑制すると共に、セパレータの振動による金属粉の発生を抑制して電極パッドと端子金具との電気的接続の信頼性を確保することができる。

　本発明のガスセンサにおいて、前記縮径部の前記軸線方向の長さＬＴが、前記縮径部の前記径方向の長さＬＤよりも長くてもよい。
　このガスセンサによれば、ＬＴ＜ＬＤの場合に比べ、縮径部の内径を大きくすることができ、縮径部の内面に内部部品（端子金具等）が接触しないようにスペースを確保できる。

　本発明のガスセンサにおいて、前記端子金具は前記セパレータよりも後端側に突出しており、前記縮径部が前記端子金具よりも後端側まで延びていてもよい。
　このガスセンサによれば、小径部よりも拡径した縮径部の内部に端子金具が配置されるので、振動により端子金具が振れても、外筒の内面に接触し難く、端子金具の破損や位置ズレを抑制できる。

　本発明のガスセンサにおいて、前記縮径部は円錐台状であってもよい。
　縮径部が円錐台状であるとは、換言すれば軸線方向に沿う断面を見たときに、縮径部は直線状のテーパである。このように縮径部が直線状のテーパであると、曲線状の（内側に凹んだ）テーパに比べて縮径部の内部空間が大きくなるので、振動により縮径部の内部部品（端子金具等）が振れても、外筒の内面に接触し難くなる。

　本発明のガスセンサにおいて、前記小径部は、自身の先端部の内径に対する自身の後端部の内径の径差が５％以内であってもよい。
　このガスセンサによれば、小径部を、ほぼ軸線方向に沿う輪郭を有するストレートな筒状とすることができる。

　この発明によれば、セパレータの破損を抑制すると共に、セパレータの振動による金属粉の発生を抑制して電極パッドと端子金具との電気的接続の信頼性を確保した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。 図１の部分拡大図である。

　本発明の実施形態について、図１～図２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の断面図、図２は図１の部分拡大図である。

　図１において、ガスセンサ（全領域空燃比ガスセンサ）１は、センサ素子２１と、軸線Ｏ方向に貫通してセンサ素子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、外筒８１と、を備えている。
　センサ素子２１のうち、検知部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を通されたセンサ素子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、センサ素子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パッド２４に、シール材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、この電極パッド２４を含むセンサ素子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。

　センサ素子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（図示せず）からなり被検出ガス中の特定ガス成分を検出する検知部２２を備えた帯板状（板状）をなしている。センサ素子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、セラミック（固体電解質等）を主体として細長いものとして形成されている。このセンサ素子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知部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接続用の電極パッド２４が露出形成されている。

　また、本例では、センサ素子２１のうち、固体電解質（部材）に積層状に形成されたセラミック材の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接続用の電極パッド２４が露出形成されている。なお、図示はしないが、これら電極パッド２４は縦長矩形に形成され、例えばセンサ素子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つの電極パッドが横に並んでいる。
　なお、センサ素子２１の検知部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６０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、センサ素子２１が略隙間なく通るように、センサ素子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。

　センサ素子２１は、セラミックホルダ３０の貫通孔３２に通され、センサ素子２１の先端をセラミックホルダ３０及び主体金具１１の先端よりも先方に突出させている。
　一方、センサ素子２１の先端部位は、本形態では、１重構造からなり、通気孔（穴）６１，６３を有する有底円筒状のプロテクタ（保護カバー）６０で覆われている。そして、プロテクタ６０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。なお、通気孔６１はプロテクタ６０の軸線Ｏ方向の中央付近の段部に周方向に離間して複数個設けられている。一方プロテクタ６０の先端側に、排出穴となる通気孔６３が一個設けられている。

　又、図１に示すように、センサ素子２１の後端２９寄り部位に形成された各電極パッド２４には、外部にシール材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保持されている。なお、セパレータ９１は、外筒８１内にカシメ固定された保持金具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の後端部の内側に配置されたシール材（例えばゴム）８５を通されて外部に引き出されており、この小径な第２加締め部８１ｒ（後述）を縮径カシメしてこのシール材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。

　次に、外筒８１について詳しく説明する。
　外筒８１は先端側から順に、大径部８１ａと、大径部８１ａの後端から径方向内側に延びて軸線Ｏ方向に垂直な段部８１ｄと、段部８１ｄから後端側へ向かって延びつつ縮径する縮径部８１ｂと、縮径部８１ｂに繋がる小径部８１ｃと、を有している。
　段部８１ｄは、外筒８１の軸線Ｏ方向の中央よりやや後端側に形成され、この段部８１ｄの先端向き面にセパレータ９１の後端向き面に係止される。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金具８２の上に支持させられており、段部８１ｄと保持金具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。
　なお、大径部８１ａを径方向内側に加締めた第１加締め部８１ｐにより、保持金具８２が外筒８１の内側に固定されている。又、小径部８１ｃの後端側を径方向内側に加締めた第２加締め部８１ｒにより、シール材８５が外筒８１の内側に固定されている。
　又、「段部８１ｄの先端向き面にセパレータ９１の後端向き面に係止される」とは、セパレータ９１の後端向き面の一部が段部８１ｄの先端向き面の一部に片当たりしていてもよいものとする。

　次に、図２を参照し、本発明の特徴部分について説明する。
　図２に示すように、外筒８１（の内周面）とセパレータ９１との径方向の隙間Ｇが１ｍｍ以上である。
　さらに、小径部８１ｃの内径Ｄ１と、大径部８１ａの隙間Ｇが形成された領域における内径Ｄ２とが、０．５≦Ｄ１/Ｄ２≦０．８の関係を満たす。

　ここで、隙間Ｇは、ガスセンサ１を径方向に切断した任意の断面における最小の隙間の値である。この断面は例えばＸ線画像で得られる。
　内径Ｄ１は、小径部８１ｃの内面が他部材と非接触の部位（例えば図２ではシール材８５と接触している第２加締め部８１ｒ等を除く）における内径の最小値である。
　又、内径Ｄ２は、上記領域における内径の最小値であり、上記した隙間Ｇの算定に用いた断面を用いて算出する。

　このように、隙間Ｇを１ｍｍ以上とすることで、ガスセンサ１への飛石の衝突等の衝撃や振動により、セパレータ９１が振れてセパレータ９１に近接（又は接触）する金属部材（外筒８１や保持金具８２等）に接触し、セパレータ９１が破損したり、これら金属部材から金属粉が発生することを抑制できる。
　又、Ｄ１/Ｄ２≦０．８とすることで、段部８１ｄの径方向長さが長くなるので、セパレータ９１を小型化（小径化）しても段部８１ｄに確実に係止させて固定することができる。その結果、外筒８１内部の重量物であるセパレータ９１の振れを低減し、セパレータ９１の保持金具８２が摩耗して金属粉が発生することを抑制できる。
　又、０．５≦Ｄ１/Ｄ２とすることで、小径部８１ｃが小径化し過ぎず、小径部８１ｃの内部にガスセンサ１の内部部品（シール材８５、リード線７１等）を確実に収容できる。
　そして、外筒８１の段部８１ｄと小径部８１ｃとの間に縮径部８１ｂを設けることで、段部８１ｄ付近に応力が集中して亀裂が生じることを抑制できる。
　以上により、振動による外筒８１の破損を抑制すると共に、セパレータ９１の振動による金属粉の発生を抑制して電極パッド２４と端子金具７５との電気的接続の信頼性を確保することができる。

　Ｄ１/Ｄ２＞０．８になるとセパレータ９１を小径化するのが困難になり、振動によるセパレータの振れを低減することも困難になる。
　０．５＞Ｄ１/Ｄ２になると、小径部８１ｃへの内部部品の収容が困難になると共に、外筒８１の成形時に段部８１ｄ付近の絞り加工がきつくなり、段部８１ｄ付近の残留応力が増大して振動による外筒の破損を抑制することが困難になる。
　なお、セパレータ９１を段部８１ｄに係止させるためには、段部８１ｄとの接続部（つまり、縮径部８１ｂの先端）における縮径部８１ｂの内径よりも、セパレータ９１の先端向き面における外径が大きい必要がある。
　又、Ｄ２は、例えば１３～１５ｍｍである。

　本例においては、図２に示すように、縮径部８１ｂの軸線方向の長さＬＴが、径方向の長さＬＤよりも長い。
　このようにすると、ＬＴ＜ＬＤの場合に比べ、縮径部８１ｂの内径を大きくすることができ、縮径部８１ｂの内面に内部部品（端子金具７５等）が接触しないようにスペースを確保できる。
　ＬＴ/ＬＤの比は、１．８５以上であると好ましい。
　なお、ＬＴ及びＬＤは、縮径部８１ｂの内面の寸法である。

　又、本例においては、図２に示すように、端子金具７５の後端７５ｅはセパレータ９１よりも後端側に突出しており、縮径部８１ｂが端子金具７５の後端７５ｅよりも後端側まで延びている。
　このようにすると、小径部８１ｃよりも拡径した縮径部８１ｂの内部に端子金具７５が配置されるので、振動により端子金具７５が振れても、外筒８１の内面に接触し難く、端子金具７５の破損や位置ズレを抑制できる。

　又、本例においては、図２に示すように、縮径部８１ｂは円錐台状である。換言すれば、図２の軸線Ｏ方向に沿う断面を見たときに、縮径部８１ｂは直線状のテーパである。
　このように縮径部８１ｂが直線状のテーパであると、曲線状の（内側に凹んだ）テーパに比べて縮径部８１ｂの内部空間が大きくなるので、振動により縮径部８１ｂの内部部品（端子金具７５等）が振れても、外筒８１の内面に接触し難くなる。

　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。
　センサ素子としては、酸素の濃度を測定するものに限定されず、窒素酸化物（ＮＯｘ）又は炭化水素（ＨＣ）等の濃度を測定するものを用いてもよい。
　小径部８１ｃの形状は限定されないが、例えば自身の先端部の内径に対する自身の後端部の内径の径差が５％以内である、つまり、ほぼ軸線Ｏ方向に沿う輪郭を有するストレートな筒状とすることができる。
　セパレータ９１に近接（又は接触）して金属粉が発生するおそれがある金属部材は、ガスセンサの構造に応じて種々存在し、外筒８１や保持金具８２に限られない。

１　ガスセンサ
１１　主体金具
２１　センサ素子
２４　電極パッド
７５　端子金具
８１　外筒
８１ａ　大径部
８１ｂ　縮径部
８１ｃ　小径部
８１ｄ　段部
９１　セパレータ
Ｏ　軸線
Ｇ　隙間

Claims (5)

1. 　軸線方向に延び、自身の後端側に電極パッドを有するセンサ素子と、
   　前記センサ素子を取り囲んで保持する主体金具と、
   　前記主体金具の後端側に取り付けられ、前記センサ素子の後端側を収容する金属製で筒状の外筒と、
   　前記外筒に収容され、前記センサ素子の前記電極パッドに接続される端子金具を保持するセパレータと、
   　を備えたガスセンサであって、
   　前記外筒は先端側から順に、大径部と、前記大径部の後端から径方向内側に延びて前記軸線方向に垂直な段部と、前記段部から後端側へ向かって延びつつ縮径する縮径部と、前記縮径部に繋がる小径部と、を有し、
   　前記セパレータの後端向き面が前記段部の先端向き面に係止され、
   　前記外筒と前記セパレータとの前記径方向の隙間が１ｍｍ以上であり、
   　かつ、前記小径部の内径Ｄ１と、前記大径部の前記隙間が形成された領域における内径Ｄ２とが、０．５≦Ｄ１/Ｄ２≦０．８の関係を満たすことを特徴とするガスセンサ。
2. 　前記縮径部の前記軸線方向の長さＬＴが、前記縮径部の前記径方向の長さＬＤよりも長いことを特徴とする請求項１に記載のガスセンサ。
3. 　前記端子金具は前記セパレータよりも後端側に突出しており、
   　前記縮径部が前記端子金具よりも後端側まで延びていることを特徴とする請求項２に記載のガスセンサ。
4. 　前記縮径部は円錐台状であることを特徴とする請求項２又は３に記載のガスセンサ。
5. 　前記小径部は、自身の先端部の内径に対する自身の後端部の内径の径差が５％以内である、請求項１～４のいずれか一項に記載のガスセンサ。

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