JP2010121967A - ガスセンサ - Google Patents
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Abstract
【解決手段】本発明のガスセンサ1は、ガスセンサ素子2と、ハウジング3と、素子カバー4とを有する。素子カバー4は、ガスセンサ素子2を覆うインナーカバー41と、インナーカバー41の外側に配設される一つのアウターカバー42とを有する。インナーカバー41は、内側導入部412と、内側排出部414とを有する。アウターカバー42である水切カバー43は、被測定ガスを水切カバー43内に導入する側面開口部432と、水切カバー43内に導入されている被測定ガスを排出する排出用開口部434とを有する。側面開口部432は、開口方向Nがガスセンサ1の軸方向の先端側に向かう成分を有するよう形成されており、かつ、開口方向Nがガスセンサ1の周方向及び内側導入部412に向かう成分を実質的に有しないよう形成されている。
【選択図】図1
Description
かかるガスセンサ9は、被測定ガス中の特定ガス濃度を検出するガスセンサ素子92と、ガスセンサ素子92を内側に挿通するハウジング93と、ハウジング93の先端側に固定されたインナーカバー941とアウターカバー942とからなる素子カバー94と、を有する。
そして、かかるガスセンサ9における素子カバー94は、ガスセンサ素子92を覆うインナーカバー941と、該インナーカバー941の外側に配設されるアウターカバー942とを有する。インナーカバー941は、側面部に形成された内側導入部941aと、底面部に形成された内側排出部941bとを有する。また、アウターカバー942は、インナーカバー941の外周に配設されるとともに、側面部に形成された側面開口部942aと、底面部に形成された排出用開口部942bとを有する。
また、側面開口部942aは、U字状の切断位置に沿って開口しており、その開口面が正対する方向、つまり、その開口方向がガスセンサ9の軸方向先端側に向かう成分を有するとともに、ガスセンサ9の周方向に向かう成分をも有するよう形成されている。
一方で、ガスセンサ素子92が被水しにくいようにインナーカバー941の内側導入部941aの位置決めをすることも考えられるが、かかる場合には、ガスセンサ9の応答性が低下してしまうおそれがある。
上記素子カバーは、上記ガスセンサ素子を覆うインナーカバーと、該インナーカバーの外側に配設される一又は二以上のアウターカバーとを有し、
該アウターカバーは、少なくとも、上記被測定ガスを上記アウターカバー内に導入する外側導入部を有し、
上記インナーカバーは、上記被測定ガスを上記インナーカバー内に導入する内側導入部と、上記インナーカバー内に導入された上記被測定ガスを排出する内側排出部とを有し、
上記一又は二以上のアウターカバーのうちの一つである水切カバーは、略筒状に形成された側面部に配設されるとともに上記外側導入部として機能する側面開口部と、上記側面部の先端側に形成された底面部に配設されるとともに上記水切カバー内に導入された上記被測定ガスを排出する排出用開口部とを有し、
上記側面開口部は、上記水切カバーの外部から内部へ向かう開口方向が上記ガスセンサの軸方向の先端側に向かう成分を有するよう形成されており、かつ、上記開口方向が上記ガスセンサの周方向及び上記内側導入部に向かう成分を実質的に有しないよう形成されていることを特徴とするガスセンサにある(請求項1)。
上記側面開口部は、上記開口方向が上記軸方向の先端側に向かう成分を有するよう形成されており、かつ、上記開口方向が上記周方向及び上記内側導入部に向かう成分を実質的に有しないよう形成されている。このように構成することにより、本願発明者は、応答性を確保しつつ被水割れを防ぐことのできるガスセンサを得ることができることを見いだした。すなわち、従来における側面開口部は、その開口方向が軸方向の先端側のみならず、周方向に向かう成分をも有するよう形成されていた。そのため、被測定ガスとともにアウターカバー内に浸入した水が、そのまま周方向に回り込んでインナーカバーの内側導入部から浸入してしまい、ガスセンサ素子が被水割れしてしまうことがあった。
そしてさらに、側面開口部は、その開口方向が軸方向先端側に向かう成分を有する。このため、被測定ガスとともに流れてくる水が側面開口部から水切カバー内に入った後、その水をそのまま慣性力によって先端側へと比較的直線的に向かわせて排出用開口部から排出することができる。特に本発明では、開口方向が周方向に向かう成分を有しないため、上記水を強制的に先端側に向かわせることができ、上記のような作用効果を顕著に発揮することができる。
その結果、インナーカバー内に水が浸入することを十分に防ぐことができ、ガスセンサ素子の被水割れを十分に防ぐことができる。
その結果、従来のガスセンサと同等の応答性を確保することができる。
また、本発明において、上記ガスセンサとしては、自動車エンジン等の各種車両用内燃機関の排気管に設置して、排気ガスフィードバックシステムに使用する空燃比センサ(A/Fセンサ)、排気ガス中の酸素濃度を測定する酸素センサ(O2センサ)、また排気管に設置する三元触媒の劣化検知等に利用するNOx等の大気汚染物質濃度を調べるNOxセンサ等がある。
また、上記水切カバーにおいては、上記側面開口部が、上記アウターカバーにおける上記外側導入部としての機能を果たしている。
また、側面開口部の開口方向が内側導入部に向かう成分を有しないとは、ガスセンサの軸方向位置において仮に側面開口部と内側導入部とが略同位置にある場合であっても、実質的に側面開口部の開口方向が内側導入部へと向かっていなければよいということを示すものである。
この場合には、簡易な構造のため、低コストにて、応答性を確保しつつガスセンサ素子の被水割れを防ぐことができるガスセンサを構成することができる。
この場合には、被測定ガスとともに流れてくる水は、水切カバー内に浸入した後、排出用開口部からそのほとんどが排出されることとなる。そのため、ガスセンサ素子の被水割れが一層生じにくいガスセンサを得ることができる。
この場合には、水を排出用開口部からより一層排出しやすくすることができるため、ガスセンサ素子の被水割れがより一層生じにくいガスセンサを得ることができる。
この場合には、新たに部材を追加することなく水切カバーを形成することができるため、本発明のガスセンサの生産性を向上させることができる。
この場合には、側面部の一方向に切り込みを入れた後、その部分を上記凹部と逆パターンの形状を有する押圧冶具にて押圧することにより、凹部と側面開口部とを容易に形成することができる。
この場合には、被測定ガス及び水を、凹部の形状に沿わせて水切カバー内に導入することができ、本発明の作用効果をより効果的に発揮することができる。
この場合には、ガスセンサの軸方向に直交する方向から被測定ガスや水が素子カバー内に導入されることがない。そのため、軸方向に向かって強制的に被測定ガス及び水を導入することができる。したがって、アウターカバーとインナーカバーとの間の空間において、水が周方向に回り込むことを抑制して本発明の作用効果を顕著に発揮することができる。
この場合には、より一層被水割れを防ぐことのできるガスセンサを得ることができる。
この場合には、応答性に優れるガスセンサを得ることができる。
この場合には、水及び一部の被測定ガスは排出用開口部へと比較的直線的に向かう一方、水と分離した大部分の被測定ガスは曲線的に基端側に向かってその後内側導入部からインナーカバー内へと導入される。このため、耐被水性を十分に確保しつつ応答性に優れるガスセンサを得ることができる。
本発明に係る実施例について、図1〜図6とともに説明する。
本例のガスセンサ1は、図1、図2に示すように、被測定ガス中の特定ガス濃度を検出するガスセンサ素子2と、該ガスセンサ素子2を内側に挿通するハウジング3と、該ハウジング3の先端側に固定された素子カバー4とを有する。
すなわち、本例のガスセンサ1においては、素子カバー4は、インナーカバー41と、水切カバー43であるアウターカバー42とからなる二重構造である。
側面開口部434は、略筒状に形成された側面部431に配設されるとともに被測定ガスを水切カバー43内に導入するために設けられている。
また、排出用開口部434は、側面部431の先端側に形成された底面部433に配設されるとともに水切カバー43内に導入された被測定ガスを排出するために設けられている。
一方、側面開口部432は、開口方向Nがガスセンサ1の周方向及び内側導入部412に向かう成分を実質的に有しないよう形成されている。
すなわち、本例においては、開口方向Nは周方向に向かう成分を有しておらず、側面開口部432は、開口方向Nが排出用開口部434のみに向かう成分を有するよう形成されている。
さらに、本例のガスセンサ1においては、側面開口部432の輪郭線をつないでなる開口面は略平面にて形成されている。
本例のガスセンサとしては、自動車エンジン等の各種車両用内燃機関の排気管に設置して、排気ガスフィードバックシステムに使用する空燃比センサ(A/Fセンサ)、排気ガス中の酸素濃度を測定する酸素センサ(O2センサ)、また排気管に設置する三元触媒の劣化検知等に利用するNOx等の大気汚染物質濃度を調べるNOxセンサ等がある。
なお、本例においては、ガスセンサ素子2としては積層型のものを用いたが、有底筒状のコップ型のガスセンサ素子を用いることもできる。
かかる素子側絶縁碍子11の基端側には、ガスセンサ素子2の基端部を覆う大気側絶縁碍子12が配設されており、その大気側絶縁碍子12を覆うように配された大気側カバー13がハウジング3の基端部に固定されている。
また、該金属端子14に接続された外部リード15は、大気側カバー13の基端部を閉塞するブッシュ16を挿通するように配線されている。
そして、インナーカバー41は、自身の側面部411に配設されるとともに内部に被測定ガスを導入する内側導入部412と、自身の底面部413に配設されるとともに外部に被測定ガスを排出する内側排出部414とを有する。
また、インナーカバー41の側面部411の基端側には、内側導入部412が穿設されている。
そして、内側導入部412は、図1、図2に示すように、側面開口部432よりも基端側に形成されている。
また、内側導入部412は、側面部411の周方向において、例えば6個形成することができる。
内側排出部414は、例えば、0.4〜2.0mmの範囲内の内径φ1を有し、かつ、その開口方向は軸方向と平行である。
そして、水切カバー43は、底面部433に、インナーカバー41の内側径変部415の基端側における側面部411よりも内径の大きい先端側排出部435を有している。そして、かかる先端側排出部435とインナーカバー41の側面部411との間において排出用開口部434が形成されている。
そして、側面開口部432は、開口方向Nが排出用開口部434のみに向かう成分を有するよう形成されている。
水切カバー43は、図3(a)、図4に示すように、側面部411を水切カバー43の径方向内側に向かって窪ませてなる凹部432aを有している。
また、凹部432aは、図4(a)、(b)に示すように、凹部432aを含む上記軸方向に平行な断面において現れる凹部432aの輪郭線432bが、上記軸方向の先端側に向かうにつれてガスセンサ1の径方向の内側に向かうよう形成されている。
また、側面開口部432は、外側径変部436よりも基端側において形成されている側面部411の周方向において、例えば8個形成することができる。
一方、水切カバー43の厚みが0.3mm未満の場合には、凹部432aを十分に形成することができず、また、その強度が弱くなってしまうおそれがある。また、水切カバー43の厚みが0.7mmを超えることとした場合には、押圧治具の型寿命が短くなり、コストアップの要因となるおそれがある。
なお、インナーカバー41と水切カバー43とは、上記とは異なり、ハウジング3の先端部によってかしめることによって固定することもできる。
本例のガスセンサ1は、自動車エンジン等の排気管内を流れる被測定ガスの流れ方向に対して直交するように配設される(図示略)。
かかる排気管内には、該排気管の軸方向に略平行に被測定ガスが流れている。そして、被測定ガスは、水切カバー43の側面開口部432から水切カバー43の内部に導入される。
これにより、水切カバー43とインナーカバー41との間に導入された被測定ガスの一部(G1参照)は、排出用開口部434へ向かって流れ、そのまま排出用開口部434から外部へと排出される。
次いで、インナーカバー41の内部に導入された被測定ガス(G2参照)は、内側導入部412と内側排出部414とを通過して外部へと排出される(G3参照)。
このとき、インナーカバー41内に導入された被測定ガスは、ガスセンサ素子2に十分供給される。
側面開口部432は、開口方向Nが周方向に向かう成分を有していない。そのため、側面開口部432から導入された被測定ガスに含まれる水は、インナーカバー41と水切カバー43との間の空間を周方向に回り込むことがない。具体的には、図2における矢印Wに示すように、水は被測定ガスの一部の流れ(G1)と同様に流れて、慣性力によって先端側へと向かい、そのまま排出用開口部434から外部へと排出される。
したがって、水は内側導入部412の内部へと導入されることを抑制できる。
また、本例において紹介した内側径変部415や外側径変部436は、本発明においては必須の構成要件ではない。
側面開口部432は、開口方向Nが軸方向の先端側に向かう成分を有するよう形成されており、かつ、開口方向Nが周方向及び内側導入部412に向かう成分を実質的に有しないよう形成されている。このように構成することにより、本願発明者は、応答性を確保しつつ被水割れを防ぐことのできるガスセンサ1を得ることができることを見いだした。すなわち、従来における側面開口部(図15における符号942a参照)は、その開口方向が軸方向の先端側のみならず、周方向に向かう成分をも有するよう形成されていた。そのため、被測定ガスとともにアウターカバー(図15における符号942参照)内に浸入した水が、そのまま周方向に回り込んでインナーカバー(図15における符号941)の内側導入部(図15における符号941a)から浸入してしまい、ガスセンサ素子(図15における符号92)が被水割れしてしまうことがあった。
その結果、インナーカバー41内に水が浸入することを十分に防ぐことができ、ガスセンサ素子2の被水割れを十分に防ぐことができる。
その結果、従来のガスセンサ1と同等の応答性を確保することができる。
本例は、図7〜図10に示すように、ガスセンサの応答性、及びガスセンサ素子への被水性を評価した例である。
すなわち、本例では、後述する本発明品、比較品1、及び比較品2の三種類のガスセンサを試料として各試料について4個ずつ作製し、それぞれの試料について応答性を評価する実験を行った。
すなわち、まず、3L、直列6気筒直噴エンジンの排気管に上記ガスセンサを設置した。そして、エンジンの回転数を1000回転/分として運転した。
また、図7の曲線L1に示すように、エンジンの空燃比A/Fが14となる状態と、15となる状態とを複数回にわたって交互に形成した。
また、ガスセンサの素子温度は750℃とした。
そして、これを複数回繰り返し、応答時間の平均値を算出して本発明品と比較品1と比較品2とを比較した。
同図から、比較品1及び比較品2と本発明品とを比べても、その応答性にはほとんど差異がないことがわかる。
なお、被測定ガスの流速や素子カバーの形状が変わっても本例と同様の結果が得られるものと考えられる。
具体的には、水を噴射する前にガスセンサ素子の表面に黒色のカーボン粉末を塗布しておく。そして、水が当たった部分ではカーボン粉末がガスセンサ素子の表面から剥離するため、このカーボン粉末が剥離した部分の面積を被水面積として測定した。
本例においては、かかる被水面積の大小によって被水評価を行った。なお、3mm2以下であれば実質的に素子割れが生じないため、これを基準とした。
同図から、本発明品は、その被水面積を0.8mm2と、比較品1や比較品2と比べて、格段に被水面積を小さくできることがわかる。
一方、比較品1は5.5mm2、比較品2は17mm2と、被水面積が大きいことがわかる。
本例は、図11、図12に示すように、側面開口部432の開口深さDと開口高さHとを種々変更させてガスセンサを作製し、各ガスセンサについて、上記実施例2と同様の被水試験を実施した。
すなわち、図11(a)、(b)に示すように、開口高さHが2mmの側面開口部432を塞ぐように遮蔽板44を少しずつずらしながら設け、その開口高さHを種々変更させたガスセンサを作製した。なお、上記のように開口高さHがマイナスとなるのは、図11(b)に示すように、遮蔽板44の基端部が側面開口部432の基端部よりも基端側に配置された場合を示すものである。
同図から、開口深さDが1.5mm以下、かつ、開口高さHが0.6mm以下である場合には、被水面積は3mm2以下となり、ガスセンサ素子の耐被水性を十分に向上できることがわかる。
一方、開口高さHが0.75mmを超える場合には、開口高さHが大きくなるにつれて被水面積が急激に大きくなっており、十分な耐被水性を得ることが困難となることがわかる。
本例は、図13に示すように、開口深さDを種々変更して作製したガスセンサについて、その応答性を評価した例である。
具体的には、開口深さDは0.25〜1.5mmと種々変更し、それぞれの開口深さDを有するガスセンサを4個ずつ作製した。そして、そのそれぞれのガスセンサに対して応答性の実験を行った。
なお、応答性の評価方法は実施例2に示したものと同様である。
また、各ガスセンサにおけるその他の構成は、実施例3に示したガスセンサと同様である。
同図から、開口深さDが0.5mm以上の場合には、応答時間は約550m秒と、十分に応答性を確保できることがわかる。
一方、開口深さDが0.5mm未満の場合には、応答時間が次第に大きくなっていくことがわかる。
2 ガスセンサ素子
3 ハウジング
4 素子カバー
41 インナーカバー
412 内側導入部
414 内側排出部
42 アウターカバー
43 水切カバー
431 側面部
432 側面開口部
433 底面部
434 排出用開口部
N 開口方向
Claims (11)
- 被測定ガス中の特定ガス濃度を検出するガスセンサ素子と、該ガスセンサ素子を内側に挿通するハウジングと、該ハウジングの先端側に固定された素子カバーとを有するガスセンサであって、
上記素子カバーは、上記ガスセンサ素子を覆うインナーカバーと、該インナーカバーの外側に配設される一又は二以上のアウターカバーとを有し、
該アウターカバーは、少なくとも、上記被測定ガスを上記アウターカバー内に導入する外側導入部を有し、
上記インナーカバーは、上記被測定ガスを上記インナーカバー内に導入する内側導入部と、上記インナーカバー内に導入された上記被測定ガスを排出する内側排出部とを有し、
上記一又は二以上のアウターカバーのうちの一つである水切カバーは、略筒状に形成された側面部に配設されるとともに上記外側導入部として機能する側面開口部と、上記側面部の先端側に形成された底面部に配設されるとともに上記水切カバー内に導入された上記被測定ガスを排出する排出用開口部とを有し、
上記側面開口部は、上記水切カバーの外部から内部へ向かう開口方向が上記ガスセンサの軸方向の先端側に向かう成分を有するよう形成されており、かつ、上記開口方向が上記ガスセンサの周方向及び上記内側導入部に向かう成分を実質的に有しないよう形成されていることを特徴とするガスセンサ。 - 請求項1において、上記素子カバーは、上記インナーカバーと、上記水切カバーである上記アウターカバーとからなる二重構造であることを特徴とするガスセンサ。
- 請求項1又は2において、上記側面開口部は、上記開口方向が上記ガスセンサの軸方向先端側のみに向かう成分を有するよう形成されていることを特徴とするガスセンサ。
- 請求項1〜3のいずれか一項において、上記側面開口部は、上記開口方向が上記排出用開口部のみに向かう成分を有するよう形成されていることを特徴とするガスセンサ。
- 請求項1〜4のいずれか一項において、上記側面開口部は、上記側面部において一体的に形成されていることを特徴とするガスセンサ。
- 請求項5において、上記水切カバーは、上記側面部において該側面部を上記水切カバーの径方向内側に向かって窪ませてなる凹部を有しており、該凹部は、上記軸方向における先端部において上記側面開口部を有していることを特徴とするガスセンサ。
- 請求項6において、上記凹部は、該凹部を含む上記軸方向に平行な断面において現れる上記凹部の輪郭線が、上記軸方向の先端側に向かうにつれて上記ガスセンサの径方向の内側に向かうよう形成されていることを特徴とするガスセンサ。
- 請求項1〜7のいずれか一項において、上記側面開口部は、上記水切カバーの外側から上記軸方向に直交する方向に上記側面開口部を見たとき、上記水切カバーの内部が見えないよう形成されていることを特徴とするガスセンサ。
- 請求項1〜8のいずれか一項において、上記側面開口部は、上記側面部における上記ガスセンサの径方向の最も外側の部分から該径方向の最も内側の部分までの径方向距離である開口深さが1.5mm以下であり、かつ、上記側面部における上記軸方向の最も基端側の部分から最も先端側の部分までの軸方向距離である開口高さが0.6mm以下であることを特徴とするガスセンサ。
- 請求項9において、上記側面開口部は、上記開口深さが0.5mm以上であることを特徴とするガスセンサ。
- 請求項1〜10のいずれか一項において、上記内側導入部は、上記側面開口部よりも基端側に形成されていることを特徴とするガスセンサ。
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