JP2020020731A - ガスセンサ - Google Patents

Abstract

【課題】小型化が可能となると共に、コストを低減したガスセンサを提供する。【解決手段】検出素子３と、筒状の主体金具２９と、主体金具に取り付けられると共に、主体金具よりも後端側に延びる筒状の外筒３３と、外筒の径方向外側に配置され、通気性を有するフィルタ３７と、フィルタを径方向外側から囲むと共に、フィルタに連通する通気孔３９ｈを有する筒状の保護外筒３９と、保護外筒の後端側の径方向内側に配置されると共に、外筒の後端に自身の先端向き面５０ｆを当接させる弾性部材５０と、を備えたガスセンサ１であって、弾性部材の先端向き面に、外筒の後端３３ｅを径方向に跨ぐと共にフィルタに連通し、フィルタを介して外筒の内部空間に外気を導入する通気溝５０ｒが設けられている。【選択図】図３

Description

本発明は、被検出ガスの濃度を検出する検出素子を備えたガスセンサに関する。

自動車等の排気ガス中の特定ガス（例えば、酸素やＮＯ_ｘ）の濃度を検出するガスセンサとして、固体電解質を用いた検出素子を有するものが知られている。
この種のガスセンサとして、図１０に示すように、軸線方向に延びる検出素子２００の径方向周囲を主体金具（図示せず）で保持し、主体金具の後端側に外筒２０２を取り付けた構成が知られている（特許文献１）。

このガスセンサにおいては、外筒２０２内部の検出素子２００に基準酸素濃度の外気ＡＲを導入するため、外筒２０２の後端側の側面に第１通気孔２０２ｈが形成されている。そして、第１通気孔２０２ｈを通気性のフィルタ２０６で塞ぎつつ、さらにフィルタ２０６の外側から保護外筒２０８を被せ、保護外筒２０８と外筒２０２とを加締めてフィルタ２０６を固定している。また、保護外筒２０８にもフィルタ２０６に連通する第２通気孔２０８ｈが開口しており、外気ＡＲがフィルタ２０６を介して外筒２０２内部に導入されるようになっている。さらに、保護外筒２０８の後端にグロメット２０４が収容されている。
そして、外筒２０２内部に導入された外気ＡＲは、グロメット２０４と、グロメット２０４の先端側のセパレータ２１０との間に第１通気孔２０２ｈに連通して設けたギャップＧを通って、セパレータ２１０のリード線挿通孔２１０ｈから、リード線挿通孔２１０ｈとリード線２１２とのわずかな隙間を通って検出素子２００に到達する。

特開２０１６−１８０７４４号公報（図２）

しかしながら、外筒２０２に第１通気孔２０２ｈを設けるために余分な工程が必要であり、コストアップになるという問題がある。

従って、本発明は、小型化が可能となると共に、コストを低減したガスセンサの提供を目的とする。

上記課題を解決するため、本発明のガスセンサは、軸線方向に延びる検出素子と、前記検出素子の径方向周囲を取り囲んで該検出素子を保持する筒状の主体金具と、前記主体金具に取り付けられると共に、前記主体金具よりも後端側に延びる筒状の外筒と、前記外筒の径方向外側に配置され、通気性を有するフィルタと、前記フィルタを径方向外側から囲むと共に、前記フィルタに連通する通気孔を有する筒状の保護外筒と、前記保護外筒の後端側の径方向内側に配置されると共に、前記外筒の後端に自身の先端向き面を当接させる弾性部材と、を備えたガスセンサであって、前記弾性部材の前記先端向き面に、前記外筒の前記後端を径方向に跨ぐと共に前記フィルタに連通し、前記フィルタを介して前記外筒の内部空間に外気を導入する通気溝が設けられている。

このガスセンサによれば、弾性部材の先端向き面を外筒の後端に当接させて配置しているので、弾性部材と外筒の後端とに隙間を有する場合に比べてガスセンサの軸線方向の長さを短くして小型化が可能となる。
さらに、外筒にフィルタに連通する通気孔を設けず、外筒の後端を径方向に跨ぐ弾性部材の通気溝によって外筒の内部空間へ外気を導入するので、外筒の側面に通気孔を設ける工程が不要でコストを低減できる。
なお、外筒の内部空間へ外気を導入する目的としては、検出素子の基準酸素濃度を得るために限らず、例えばガスセンサ内部（外筒内部）の結露防止がある。

本発明のガスセンサにおいて、前記弾性部材の前記先端向き面に、先端から後端に向かって広がるテーパ面が設けられ、前記テーパ面に前記通気溝が設けられていてもよい。

本発明のガスセンサにおいて、前記テーパ面が前記外筒の前記後端に当接していてもよい。

本発明のガスセンサにおいて、前記通気溝が前記弾性部材の外側面に延びていてもよい。
このガスセンサによれば、外側面部分の通気溝がフィルタ側面と対向し、両者がより連通し易くなって外筒の内部空間へ外気をより導入し易くなる。

本発明のガスセンサは、前記外筒の径方向内側に配置されると共に、前記弾性部材の前記先端向き面に自身の後端向き面を当接させるセパレータと、前記セパレータ及び前記弾性部材のリード線挿通孔に挿通されて前記検出素子に電気的に接続されるリード線と、をさらに備え、前記通気溝は、前記弾性部材の前記リード線挿通孔に連通していてもよい。
このガスセンサによれば、弾性部材にセパレータを当接させるので、ガスセンサの軸線方向の長さをさらに短くして更なる小型化が可能となる。なお、フィルタから通気溝を通った外気は、弾性部材のリード線挿通孔に到達し、さらにリード線挿通孔とリード線とのわずかな隙間を通って外筒の内部空間へ到達する。

この発明によれば、小型化が可能となると共に、コストを低減したガスセンサが得られる。

本発明の第１の実施形態に係るガスセンサを軸線方向に沿う面で切断した断面図である。 第１の実施形態におけるグロメットを示す斜視図である。 フィルタ近傍の図１の部分断面図である。 本発明の第２の実施形態におけるグロメットを示す斜視図である。 第２の実施形態におけるフィルタ近傍の部分断面図である。 本発明の第３の実施形態におけるグロメットを示す斜視図である。 第３の実施形態におけるフィルタ近傍の部分断面図である。 グロメットのその他の例を示す斜視図である。 グロメットのさらに別の例を示す平面図である。 従来のガスセンサのフィルタ近傍の部分断面図である。

以下、本発明の実施形態について説明する。
図１は、本発明の第１の実施形態に係る酸素センサ（ガスセンサ）１を軸線Ｏ方向（先端から後端に沿う方向）に沿う面で切断した断面図、図２はグロメット５０を示す斜視図、図３はフィルタ３７近傍の図１の部分断面図を示す。
第１の実施形態において、酸素センサ１は自動車の排気管内に挿入されて先端（図１の保護キャップ３０側）が排気ガス中に曝され、排気ガス中の酸素濃度を検出する酸素センサになっている。
なお、図１の下側（保護キャップ３０側）を酸素センサ１の先端側とし、図１の上側を酸素センサ１の後端側とする。

酸素センサ１は、検出素子３がハウジング（主体金具）２９内に組み付けられている。この検出素子３は、軸線Ｏ方向に延びる酸素イオン伝導性の固体電解質体に一対の電極を積層した酸素濃淡電池を構成し、酸素量に応じた検出値を出力する公知の酸素検出素子である。詳細には、検出素子３は、先端に向かってテーパ状に縮径する有底筒状の固体電解質体と、固体電解質体の内周面と外周面にそれぞれ形成された内側電極５及び外側電極７とからなる。そして、検出素子３の内部空間を基準ガス雰囲気とし、検出素子３の外面に被検出ガスを接触させてガスの検知を行うようになっている。
検出素子３の中央より先端側には、径方向外側に突出する鍔部３ａが設けられている。一方、主体金具２９の先端寄りの内周面には内側に縮径する段部２９ｅが設けられ、段部２９ｅの上に金属製のパッキン２７が配置されている。そして、検出素子３を主体金具２９の内側に挿通し、鍔部３ａをパッキン２７に当てることにより、間接的に段部２９ｅに後端側から検出素子３の鍔部３ａが当接し、検出素子３が主体金具２９内に組み付けられている。

さらに、鍔部３ａの後端側における検出素子３と主体金具２９との径方向の隙間に、筒状のシール材（タルク粉末）２５が充填され、さらにシール材２５の後端側に筒状の絶縁部材（セラミックスリーブ）２１が配置されている。

この主体金具２９の後端側の外面には、検出素子３及びヒータ１７の後端側の周囲を覆う様に、例えばステンレスからなる耐熱金属製の外筒３３が嵌められ、溶接によって外筒３３が主体金具２９に取り付けられている。外筒３３は、先端部と、先端部よりも小径の後端部とが段部３３ｄで繋がった形状になっている。
なお、主体金具２９の後端側にＯリング２６を配し、主体金具２９の後端部を内側に屈曲して加締めることにより、絶縁部材２１が先端側に押し付けられてシール材２５を押し潰し、絶縁部材２１，シール材２５が加締め固定されるとともに、検出素子３と主体金具２９の隙間がシールされる。

更に、外筒３３の段部３３ｄよりも後端側には、フィルタ３７を介して、例えばステンレスからなる耐熱金属製の保護外筒３９が外嵌されている。外筒３３と保護外筒３９は、径方向内側に加締められて互いに固定されている。
外筒３３の径方向外側には環状の通気性のフィルタ３７が被せられ、さらにフィルタ３７を径方向外側から保護外筒３９が囲んでいる。保護外筒３９の側面には周方向に等間隔で４個（図１では２個のみ図示）の通気孔３９ｈが開口し、通気孔３９ｈからフィルタ３７の外面の一部が露出することで通気孔３９ｈがフィルタ３７に連通し、外気がフィルタ３７に導入されるようになっている。
なお、保護外筒３９は外筒３３よりも後端側へ突出するように配置されている。

フィルタ３７は、例えばテフロン（登録商標）等のフッ素系樹脂等の樹脂の多孔質構造体からなり、撥水性を有しているため外部の水を通さずに検出素子３の内部空間に基準ガス（大気）を導入するようになっている。
外筒３３と保護外筒３９は、通気孔３９ｈよりそれぞれ先後の２箇所で、フィルタ３７を介して加締められている。

そして、外筒３３の後端部の開口を覆うようにして、絶縁性の筒状のセパレータ４５が配置されている。さらに、セパレータ４５の挿通孔４５には、端子金具９の基部が挿通され、この基部にリード線１３が加締め接続されている。
端子金具９は、筒形状を有し、検出素子３の内側に内嵌され、検出素子３の内側に設けられた内側電極５と電気的に接続される。一方、検出素子３の外側に設けられた外側電極７は鍔部３ａを跨ぐリードに接続されており、このリードがパッキン２７を介して主体金具２９に接することで、センサボディでアースを取っている。
又、検出素子３はヒータレスで動作するようになっている。このため、本実施形態の酸素センサ１は、リード線１３を１つのみ有し、挿通孔４５はセパレータ４５の中心に１個のみ貫通している。

セパレータ４５は、先端部と、先端部よりも大径の後端部とが段部４５ｄで繋がった形状をなし、セパレータを外筒３３の先端内側に挿入し、外筒３３の段部３３ｄに段部４５ｄの後端向き面を当接させることで、セパレータ４５が外筒３３内に位置決めされている。又、セパレータ４５の段部４５ｄの先端向き面には、金属製の保持具３５が配置され、セパレータ４５を先端側から保持している。
さらに、保護外筒３９の後端部の内側には、セパレータ４５の後端部と隙間Ｇを設けて筒状のグロメット（弾性部材）５０が配置され、保護外筒３９で加締め固定されている。グロメット５０としては、例えばシリコンゴムやフッ素ゴム等からなる弾性部材を用いることができる。
このグロメット５０の中心には１個の挿通孔５０ｈが貫通しており、リード線１３がセパレータ４５の挿通孔４５ｈ及びグロメット５０の挿通孔５０ｈから外部に引き出されている。

一方、主体金具２９の先端には、金属製（ステンレスなど）で開口部を有する筒状の保護キャップ３０が固定され、主体金具２９から突出する検出素子３の先端が保護キャップ３０で覆われている。この保護キャップ３０は、排気ガスを保護キャップ３０の内部に取り込むための複数の孔部を有していると共に、内側プロテクタ３１と、内側プロテクタ３１の外側に離間して配置される外側プロテクタ３２との二重プロテクタからなる。

なお、主体金具２９の中央付近には、径方向外側に突出し六角レンチ等を係合するための多角形の鍔部２９ｃが設けられ、鍔部２９ｃより先端側の主体金具２９外側面には雄ねじ部２９ｄが形成されている。
そして、主体金具２９の雄ねじ部２９ｄを排気管等のネジ孔に取付けることで、検出素子３の先端を排気管内に露出させて被検出ガス（排気ガス）を検知している。

次に、図２を参照し、グロメット５０の構成について説明する。
図２に示すように、グロメット５０の先端向き面５０ｆには、外側から中心（挿通孔５０ｈ）に向かって延びる凹状の通気溝５０ｒが、周方向に等間隔で離間して４つ設けられている。なお、図２の例では、通気溝５０ｒは挿通孔５０ｈに連通していない。又、通気溝５０ｒはグロメット５０の外側面５０ｓに延びている。

そして、図３に示すように、このグロメット５０は、外筒３３の後端３３ｅに自身の先端向き面５０ｆを当接させて保護外筒３９の後端側の径方向内側に配置されている。これにより、各通気溝５０ｒは、外筒３３の後端３３ｅを径方向に跨いで延びると共にフィルタ３７に対向（連通）する。
この酸素センサ１においては、次のようにして、外筒３３の内部空間に位置する検出素子３に基準酸素濃度の外気ＡＲが導入される。まず、外気ＡＲは、保護外筒３９の通気孔３９ｈからフィルタ３７に導入され、フィルタ３７に連通する通気溝５０ｒを介して外筒３３の内部に導入される。
そして、外筒３３内部に導入された外気ＡＲは、グロメット５０とセパレータ４５の後端部との隙間Ｇを通って、セパレータ４５の挿通孔４５ｈから、挿通孔４５ｈとリード線１３とのわずかな隙間を通って検出素子３に到達する。

このように、本実施形態においては、グロメット５０の先端向き面５０ｆを外筒３３の後端３３ｅに当接させて配置しているので、グロメット５０と外筒３３の後端３３ｅとに隙間を有する場合に比べて酸素センサ１の軸線Ｏ方向の長さを短くして小型化が可能となる。
さらに、外筒３３にフィルタ３７に連通する通気孔を設けず、外筒３３の後端３３ｅを径方向に跨ぐグロメット５０の通気溝５０ｒによって外筒３３の内部空間へ外気ＡＲを導入するので、外筒３３の側面に通気孔を設ける工程が不要でコストを低減できる。
なお、通気溝５０ｒがグロメット５０の外側面５０ｓに延びていると、外側面５０ｓ部分の通気溝５０ｒがフィルタ３７側面と対向し、両者がより連通し易くなって外筒３３の内部空間へ外気ＡＲをより導入し易くなる。

次に、図４、図５を参照し、本発明の第２の実施形態に係るガスセンサに付いて説明する。但し、第２の実施形態に係るガスセンサは、グロメット５２の形状が異なること以外は、第１の実施形態に係るガスセンサ（酸素センサ）１と同一構成であるので、同一構成部分の図示及び説明を適宜省略し、又、図示した同一構成部分については同一符号を付すこととする。
図４は本発明の第２の実施形態におけるグロメット５２を示す斜視図、図５は第２の実施形態におけるフィルタ３７近傍の部分断面図である。

図４に示すように、グロメット５２の先端向き面５２ｆには、外側から中心（挿通孔５２ｈ）に向かって延びる凹状の通気溝５２ｒが、周方向に等間隔で離間して４つ設けられている。なお、図２の例では、通気溝５２ｒは挿通孔５２ｈに連通していない。又、通気溝５２ｒはグロメット５２の外側面５２ｓに延びている。
さらに、グロメット５２の先端向き面５２ｆには、先端から後端に向かって広がり外側面５２ｓに繋がるテーパ面５２ｔが設けられ、通気溝５２ｒはテーパ面５２ｔを跨いで設けられている。

そして、図５に示すように、このグロメット５２は、外筒３３の後端３３ｅに自身のテーパ面５２ｔを当接させて保護外筒３９の後端側の径方向内側に配置されている。これにより、各通気溝５２ｒは、外筒３３の後端３３ｅを径方向に跨いで延びると共にフィルタ３７に対向（連通）する。
第２の実施形態に係るガスセンサにおいても、外気ＡＲは、保護外筒３９の通気孔３９ｈからフィルタ３７に導入され、フィルタ３７に連通する通気溝５２ｒを介して外筒３３の内部に導入される。
そして、外筒３３内部に導入された外気ＡＲは、グロメット５２とセパレータ４５の後端部との隙間Ｇを通って、セパレータ４５の挿通孔４５ｈから、挿通孔４５ｈとリード線１３とのわずかな隙間を通って検出素子３に到達する。

ここで、第２の実施形態においては、外筒３３の後端３３ｅにグロメット５２のテーパ面５２ｔを当接させている。これにより、グロメット５２のうち外筒３３の後端３３ｅへの当接面が、（テーパでない）水平な面に比べて当接面積が大きくなり、グロメット５２が外筒３３と径方向にずれてもテーパ面５２ｔの作用で後端３３ｅと確実に当接でき、グロメット５２の脱落等の不具合が防止される。

次に、図６、図７を参照し、本発明の第３の実施形態に係るガスセンサに付いて説明する。但し、第３の実施形態に係るガスセンサは、グロメット５４の形状が異なること以外は、第１の実施形態に係るガスセンサ（酸素センサ）１と同一構成であるので、同一構成部分の図示及び説明を適宜省略し、又、図示した同一構成部分については同一符号を付すこととする。
図６は本発明の第３の実施形態におけるグロメット５４を示す斜視図、図７は第３の実施形態におけるフィルタ３７近傍の部分断面図である。

図６に示すように、グロメット５４の先端向き面５４ｆには、外側から中心（挿通孔５４ｈ）に向かって延びる凹状の通気溝５４ｒが、周方向に等間隔で離間して４つ設けられている。各通気溝５４ｒは挿通孔５４ｈまで延びて挿通孔５４ｈに連通している。又、通気溝５４ｒはグロメット５４の外側面５４ｓに延びている。

そして、図７に示すように、このグロメット５４は、外筒３３の後端３３ｅに自身の先端向き面５４ｆを当接させて保護外筒３９の後端側の径方向内側に配置されている。これにより、各通気溝５４ｒは、外筒３３の後端３３ｅを径方向に跨いで延びると共にフィルタ３７に対向（連通）する。
又、第３の実施形態においては、グロメット５４の先端向き面５４ｆがセパレータ４５の後端向き面４５ｅに当接していて、隙間Ｇ（図１、図３）を有しない。
そして、第３の実施形態に係るガスセンサにおいて、外気ＡＲは、保護外筒３９の通気孔３９ｈからフィルタ３７に導入され、フィルタ３７及び挿通孔５４ｈに連通する通気溝５４ｒを介して挿通孔５４ｈに到達する。さらに外気ＡＲは、挿通孔５４ｈ及びセパレータ４５の挿通孔４５ｈとリード線１３とのわずかな隙間をそれぞれ通って検出素子３に到達する。
挿通孔４５ｈ、５４ｈがそれぞれ特許請求の範囲の「リード線挿通孔」に相当する。

ここで、第３の実施形態においては、グロメット５４をセパレータ４５と当接させるので、酸素センサ１の軸線Ｏ方向の長さをさらに短くして更なる小型化が可能となる。

本発明は上記実施形態に限定されず、本発明の思想と範囲に含まれる様々な変形及び均等物に及ぶことはいうまでもない。

グロメットの通気溝の形状は限定されず、例えば図８に示すように、グロメット５６の通気溝５６ｒのうち、外側面５６ｓ側の通気溝５６ｒ１を先端に向かって長くし、先端向き面５６ｆ側の通気溝５６ｒ２の長さを短くしてもよい。
又、リード線は１本でなく、複数本であってもよく、図９に示すように、グロメット５８のリード線挿通孔５８ｈもリード線の本数（図９では４本）に合わせて複数個（図９では４個）設けてもよい。この場合、グロメット５８の通気溝５８ｒを４個設け、各通気溝５８ｒをリード線挿通孔５８ｈまで延ばしてリード線挿通孔５８ｈに連通するようにするとよい。

検出素子としては、例えば酸素濃度によって起電力が変化する素子や、抵抗値が変化する素子を採用できる。検出素子の固体電解質体としては、例えばジルコニアやイットリア等の酸素イオン伝導性固体電解質を採用できる。さらに、検出素子としては、上記した酸素センサ素子（λセンサ素子）の他、全領域空燃比センサ素子、ＮＯ_ｘセンサ素子、アンモニアセンサ素子を用いることができ、筒型の素子だけでなく、板型の素子であってもよい。

又、保護外筒の通気孔の形成位置及び個数は上記に限られない。さらに、本実施形態では、フィルタは環状形状を有していたが、これに限られず、通気孔と連通する形態であれば、周方向に部分的に設けられていてもよい。

又、上記実施形態では、本発明を、検出素子に基準酸素濃度の外気を導入するタイプのガスセンサに適用したが、これに限らず、例えばガスセンサ内部（外筒内部）の結露防止のためにフィルタから通気するタイプのガスセンサに適用してもよい。ガスセンサ内部が結露すると、セパレータの挿通孔に装着され、互いに隣接する端子金具の基部の間に水が付着して両端子が導通する不具合が生じることがある。

１ ガスセンサ
３ 検出素子
１３ リード線
２９ 主体金具
３３ 外筒
３３ｅ 外筒の後端
３７ フィルタ
３９ 保護外筒
３９ｈ 通気孔
４５ セパレータ
４５ｅ セパレータの後端向き面
５０、５２、５４、５６、５８ 弾性部材（グロメット）
５０ｆ、５２ｆ、５４ｆ、５６ｆ、５８ｆ 弾性部材の先端向き面
５０ｒ、５２ｒ、５４ｒ、５６ｒ、５８ｒ 通気溝
５０ｓ、５２ｓ、５４ｓ、５６ｓ、５８ｓ 弾性部材の外側面
５２ｔ テーパ面
４５ｈ、５０ｈ、５２ｈ、５４ｈ、５６ｈ、５８ｈ （リード線）挿通孔
Ｏ 軸線

Claims (5)

1. 軸線方向に延びる検出素子と、
   前記検出素子の径方向周囲を取り囲んで該検出素子を保持する筒状の主体金具と、
   前記主体金具に取り付けられると共に、前記主体金具よりも後端側に延びる筒状の外筒と、
   前記外筒の径方向外側に配置され、通気性を有するフィルタと、
   前記フィルタを径方向外側から囲むと共に、前記フィルタに連通する通気孔を有する筒状の保護外筒と、
   前記保護外筒の後端側の径方向内側に配置されると共に、前記外筒の後端に自身の先端向き面を当接させる弾性部材と、
   を備えたガスセンサであって、
   前記弾性部材の前記先端向き面に、前記外筒の前記後端を径方向に跨ぐと共に前記フィルタに連通し、前記フィルタを介して前記外筒の内部空間に外気を導入する通気溝が設けられているガスセンサ。
2. 前記弾性部材の前記先端向き面に、先端から後端に向かって広がるテーパ面が設けられ、前記テーパ面に前記通気溝が設けられている請求項１に記載のガスセンサ。
3. 前記テーパ面が前記外筒の前記後端に当接している請求項２に記載のガスセンサ。
4. 前記通気溝が前記弾性部材の外側面に延びている請求項１〜３のいずれか一項に記載のガスセンサ。
5. 前記外筒の径方向内側に配置されると共に、前記弾性部材の前記先端向き面に自身の後端向き面を当接させるセパレータと、
   前記セパレータ及び前記弾性部材のリード線挿通孔に挿通されて前記検出素子に電気的に接続されるリード線と、をさらに備え、
   前記通気溝は、前記弾性部材の前記リード線挿通孔に連通している請求項１〜４のいずれか一項に記載のガスセンサ。

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