WO2023074046A1 - ガスセンサ - Google Patents

Abstract

【課題】セパレータを小径化しつつ、振動による外筒の破損を抑制したガスセンサを提供する。 【解決手段】センサ素子２１と、主体金具１１と、センサ素子の後端側を収容する金属製で筒状の外筒８１と、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、大径部８１ａと、大径部よりも後端側に配置されストレートに延びる小径部８１ｃと、大径部に接続されると共に小径部に接続線Ｌ１にて接続されて径方向に延びる段部８１ｄと、を有し、さらに、小径部に接続されて小径部よりも外側に突出すると共に、接続線を跨いで段部の一部に接続されて段部よりも後端側に突出する複数の凸状の補強リブ８１ｅ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、段部の先端向き面における大径部の内径Ｄ１と、小径部の内径Ｄ２との比Ｄ２/Ｄ１で表される絞り率が０．７２以下であり、補強リブが周方向に離間して配置される。

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（特許文献１）。

特開２００５－１７２７８号公報

　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段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。
　ここで、上述のように、外筒の段部の内側には重量物であるセパレータが保持されているため、振動等による外筒の振れを大きくする作用がある、そこで、セパレータを軽量化（小径化）することで外筒の振れを低減する対策が考えられる。しかしながら、セパレータを小径化するためには、大径部に比べて小径部をより細くする必要があり、段部のくびれが大きくなって段部付近の亀裂を促進することが判明した。
　さらに、一般に外筒の後端側にはゴム製のグロメットが保持されるが、ガスセンサの使用環境が高温になり、グロメットの耐熱温度を超えると、グロメットによる気密性の確保が困難になる。そこで、外筒の厚みを薄くして外筒からグロメットへの熱伝導を抑制する対策がある。しかし、この場合には振動等による外筒の破損がより生じ易くなる。

　本発明は、かかる現状に鑑みてなされたものであって、セパレータを小径化しつつ、振動による外筒の破損を抑制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、前記外筒は大径部と、前記大径部よりも後端側に配置されストレートに延びる小径部と、前記大径部に接続されると共に前記小径部に接続線にて接続されて径方向に延びる段部と、を有し、さらに、前記小径部に接続されて前記小径部よりも外側に突出すると共に、前記接続線を跨いで前記段部の一部に接続されて前記段部よりも後端側に突出する複数の凸状の補強リブを有し、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、前記段部の先端向き面における前記大径部の内径Ｄ１と、前記小径部の内径Ｄ２との比Ｄ２/Ｄ１で表される絞り率が０．７２以下であり、前記補強リブが周方向に離間して配置されることを特徴とする。

　このガスセンサによれば、Ｄ２/Ｄ１≦０．７２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を小径化（軽量化）することができ、振動等による外筒の振れを低減することができる。又、セパレータを小径化することで、ガスセンサ１全体の軽量化やコストダウンを実現できる。
　一方、セパレータを小径化するために、上述のようにＤ２/Ｄ１≦０．７２とすると、大径部に比べて小径部がより細くなり、段部のくびれが大きくなって段部と小径部の接続線付近の亀裂を促進する。
　そこで、接続線を跨いで小径部と段部との一部に複数の凸状の補強リブを設けることで、段部の特に接続線付近の強度を向上させ、セパレータを小径化しつつ、振動による外筒の破損を抑制することができる。

　本発明のガスセンサにおいて、前記補強リブの外面が前記段部及び前記小径部の外面に沿った形状であってもよい。
　このガスセンサによれば、リブをプレス加工等で形成する際の外筒の変形量が少なく、残留応力が小さくなるため、振動による外筒の応力腐食割れを抑制できる。

　本発明のガスセンサにおいて、前記外筒の後端側に、前記端子金具に接続されたリード線を挿通する挿通孔を有するグロメットが保持され、前記外筒の最大厚みが０．４ｍｍ以下であってもよい。
　このガスセンサによれば、外筒の厚みが薄いので、外筒の後端側にグロメットが保持されている場合に、外筒からグロメットへの熱伝導を抑制することができる。特に、ガスセンサの使用環境が高温になり、グロメットの耐熱温度を超え易い場合に有利である。
　また、補強リブを設けることで、外筒の厚みが薄くなっても振動等による外筒の破損を抑制できる。

　この発明によれば、セパレータを小径化しつつ、振動による外筒の破損を抑制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。 外筒の斜視図である。 外筒の上面図である。 外筒の変形例を示す斜視図である。

　本発明の実施形態について、図１～図３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は外筒８１の斜視図、図３は外筒８１の上面図である。

　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、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、小径筒部８１ｃを縮径カシメしてこのグロメット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。

　次に、図１～図３を参照し、外筒８１について詳しく説明する。
　外筒８１は、大径部８１ａと、大径部８１ａよりも後端側に配置されて軸線Ｏ方向にストレートに延びる小径部８１ｃと、大径部８１ａに接続されると共に小径部８１ｃに接続線Ｌ１にて接続されて径方向に延びる段部８１ｄと、補強リブ８１ｅ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ている。接続線Ｌ１は小径部８１ｃの先端でもあり、環状になっている。

　一方、補強リブ８１ｅは、小径部８１ｃに接続されると共に、接続線Ｌ１を跨いで段部８１ｄの一部に接続されている。
　又、補強リブ８１ｅは、小径部８１ｃと段部８１ｄから隆起するように形成されている。つまり、補強リブ８１ｅは、小径部８１ｃよりも外側に突出すると共に、段部８１ｄよりも後端側に突出してなる複数の凸状の部材である。
　ここで、補強リブ８１ｅの位置では、小径部８１ｃと段部８１ｄとの境界が隆起するため、接続線Ｌ１は存在しない。そこで、補強リブ８１ｅの位置では、補強リブ８１ｅを除く小径部８１ｃと段部８１ｄの間の接続線Ｌ１を外挿した仮想線を接続線Ｌ１とみなす。

　なお、本例では、補強リブ８１ｅは接続線Ｌ１から段部８１ｄに沿うように径方向外側に延びるが、大径部８１ａまで延びずに段部８１ｄの径方向中央付近で終端となっている。
　そして、図２に示すように、各補強リブ８１ｅは周方向に離間して（本例では６個）配置されている。

　ここで、外筒８１の内面側から見ると、補強リブ８１ｅが段部８１ｄより凹んでいるので、セパレータ９１の後端向き面９１ｅは段部８１ｄの先端向き面に係止されることになる。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、グロメット８５が外筒８１の内側に固定されている。
　又、「セパレータ９１の後端向き面が段部８１ｄの先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。

　さらに、段部８１ｄの先端向き面における大径部８１ａの内径Ｄ１と、小径部８１ｃの内径Ｄ２との比Ｄ２/Ｄ１で表される絞り率が０．７２以下である。
　このように、Ｄ２/Ｄ１≦０．７２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を小径化（軽量化）することができ、振動等による外筒の振れを低減することができる。又、セパレータ９１を小径化することで、ガスセンサ１全体の軽量化やコストダウンを実現できる。

　一方、セパレータ９１を小径化するために、上述のようにＤ２/Ｄ１≦０．７２とすると、大径部８１ａに比べて小径部８１ｃがより細くなり、段部８１ｄのくびれが大きくなって段部８１ｄと小径部８１ｃの接続線Ｌ１付近の亀裂を促進することが判明した。
　そこで、接続線Ｌ１を跨いで小径部８１ｃと段部８１ｄとの一部に複数の凸状の補強リブ８１ｅを設けることで、段部８１ｄの特に接続線Ｌ１付近の強度を向上させ、セパレータ９１を小径化しつつ、振動による外筒８１の破損を抑制することができる。

　Ｄ２/Ｄ１が０．６５以下であると、セパレータ９１をさらに小径化できるので、好ましい。Ｄ２/Ｄ１の下限は制限されないが、例えば０．５である。

　また、本例においては、図２に示すように、補強リブ８１ｅの外面が段部８１ｄ及び小径部８１ｃの外面に沿った形状である。
　このようにすると、リブをプレス加工等で形成する際の外筒の変形量が少なく、残留応力が小さくなるため、振動による外筒の応力腐食割れを抑制できる。
　なお、「補強リブ８１ｅの外面が段部８１ｄ及び小径部８１ｃの外面に沿った形状」とは、補強リブ８１ｅの外面が段部８１ｄ及び小径部８１ｃの外面と略平行なことをいう。本例では、図１の断面を見たときに、補強リブ８１ｅの外面の輪郭が、段部８１ｄ及び小径部８１ｃの外面の輪郭に沿って略Ｌ字状になっている。

　外筒８１の最大厚みが０．４ｍｍ以下であると、外筒８１の後端側にグロメット８５が保持されている場合に、外筒８１からグロメット８５への熱伝導を抑制することができる。そして、補強リブ８１ｅを設けることで、外筒８１の厚みが薄くなっても振動等による外筒８１の破損を抑制できる。

　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、図４に示すように、外筒１８１の各補強リブ１８１ｅが接続線Ｌ１から段部１８１ｄに沿うように径方向外側に大径部１８１ａまで延びていてもよい。
　又、図４に示すように、各補強リブ１８１ｅの外面が接続線Ｌ１から径方向外側に向かって先端に下がり、大径部１８１ａに接続するようなフラット面であってもよい。
　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。

１　ガスセンサ
１１　主体金具
２１　センサ素子
７１　リード線
７５　端子金具
８１、１８１　外筒
８１ａ、１８１ａ　大径部
８１ｃ、１８１ｃ　小径部
８１ｄ、１８１ｄ　段部
８１ｅ、１８１ｅ　補強リブ
８５　グロメット
９１　セパレータ
Ｏ　軸線
Ｌ１　接続線

Claims (3)

1. 　軸線方向に延びるセンサ素子と、
   　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、大径部と、前記大径部よりも後端側に配置されストレートに延びる小径部と、前記大径部に接続されると共に前記小径部に接続線にて接続されて径方向に延びる段部と、を有し、
   　さらに、前記小径部に接続されて前記小径部よりも外側に突出すると共に、前記接続線を跨いで前記段部の一部に接続されて前記段部よりも後端側に突出する複数の凸状の補強リブを有し、
   　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、
   　前記段部の先端向き面における前記大径部の内径Ｄ１と、前記小径部の内径Ｄ２との比Ｄ２/Ｄ１で表される絞り率が０．７２以下であり、
   　前記補強リブが周方向に離間して配置されることを特徴とするガスセンサ。
2. 　前記補強リブの外面が前記段部及び前記小径部の外面に沿った形状であることを特徴とする請求項１に記載のガスセンサ。
3. 　前記外筒の後端側に、前記端子金具に接続されたリード線を挿通する挿通孔を有するグロメットが保持され
   　前記外筒の最大厚みが０．４ｍｍ以下であることを特徴とする請求項１又は２に記載のガスセンサ。

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