JP4128357B2 - ガスセンサ - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、被測定ガスの流路を形成する管に取り付けられ、特定の被測定ガス成分を検出するガスセンサに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、混合ガス中から特定のガス成分の濃度を検出するガスセンサとして、ＨＣセンサやＮＯｘセンサ等種々のものが知られている。
この種のガスセンサとしては、例えば図４の断面図に示されるガスセンサ１０１が知られている。このガスセンサ１０１は、大気側から内部の基準ガス空間側に導入される複数のリード線を挿通するゴム製のシール部材１０２を、外筒１０３の後端部（上端部）に加締接合し、ガスセンサ１０１の先端部（下端部）の高温部（ヒータ１０４（熱源）や高温の排気ガス等）から遠ざけることにより、シール部材１０２の熱劣化を防止する構成を有する。
【０００３】
また、このシール部材１０２の先端面に当接するように筒状のセパレータ１０５が設けられ、その内部に各リード線の先端から検出素子１０６の電極端子（図示せず）に延びる複数の端子部１０７を挿通して、これらの端子部１０７と外筒１０３との絶縁性を保持している。このセパレータ１０５は、その外周面に外向きに突出したフランジ部１０８を有し、このフランジ部１０８の下端面が、外筒１０３に設けられた複数のダボ部１０９（窪み）に係止される態様で外筒１０３内に位置決めされ保持されている（図５の正面図参照）。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記構成ではシール部材１０２の上端部が開放されているため、図６にガスセンサ１０１の上部拡大断面図を示すように、高温下におけるガスセンサ１０１の使用時にシール部材１０２が膨張し、その上端部に実線矢印に示すような外方へのねじり応力が発生する。その結果、シール部材１０２の加締部１１２の上端部（図中Ａ部）において、外筒１０３との摩擦による局所的な引張応力が発生し、そこから図示のような亀裂が発生してシール部材１０２が破損し、ガスセンサ１０１のシール性を保持できなくなることがあった。
【０００５】
また、このとき膨張したシール部材１０２がセパレータ１０５を押圧することになるため、セパレータ１０５のフランジ部１０８と外筒１０３のダボ部１０９との間に局所的なせん断応力が発生し（図中Ｂ部）、フランジ部１０８が図示のように破損するといった問題があった。
【０００６】
本発明はこうした問題に鑑みてなされたものであり、ガスセンサの使用時にシール部材が熱膨張した際の当該シール部材及びセパレータの破損を防止して、ガスセンサの耐久性を向上させることを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段及び発明の効果】
上記課題に鑑み、請求項１記載のガスセンサは、被測定ガス成分を検出する長尺状の検出素子と、検出素子の先端部を被測定ガスに晒すように保持する主体金具と、主体金具の後端側に設けられた外筒と、複数のリード線を挿通すると共に、外筒の後端部に内挿されて加締め接合されたゴム製のシール部材と、このシール部材の先端面に当接して設けられ、リード線の先端から検出素子の電極端子に延びる端子部を内部に挿通して、端子部と外筒との絶縁性を保持する筒状のセパレータとを備える。
【０００８】
そして、シール部材の熱膨張時に当該シール部材に上述した亀裂が発生するのを防止するため、外筒の後端には、シール部材の後端縁を覆うように内方に屈曲した肩部が設けられている。
すなわち、かかる構成によれば、ガスセンサの使用時にシール部材が熱膨張してその後端部に上述したねじり応力が発生し、シール部材の後端縁が外方に逃れようとしても、この肩部がシール部材の後端縁に当接して逆にこれを内方に押し戻すため、シール部材と外筒との摩擦による上述した局所的な引張応力の発生を抑制することができるのである。このため、シール部材の亀裂の発生を防止することができ、ガスセンサのシール性を良好に保持することができる。
【０００９】
しかし、かかる構成をとる場合、シール部材の後端側への膨張が上記肩部の存在によりある程度制限されるため、シール部材がその分先端側に膨張して、その先端面に当接するセパレータをより強く押圧することになる。従って、かかる構成において、図４及び図５の従来構成に示したようにセパレータ外周のフランジ部を外筒のダボ部により固定して、セパレータの先端方向への移動を阻止する構成をとると、セパレータと外筒との間の押圧力が増大する。また、特に図５のようにダボ部を外筒の周囲に散点的に設けた場合には、このダボ部付近で応力が局所的に大きくなるため、セパレータのフランジ部がより破損しやすくなるといった問題が生じる。
【００１０】
そこで、請求項１記載のガスセンサにおいては、このようなダボ部を設ける必要がない構成を有する。
すなわち、主体金具の後端面とセパレータの先端面との間に、（セパレータをシール部材側に付勢するとともに）シール部材の熱膨張によりセパレータに加わる押圧力を吸収可能なバネ部材が介装されているのである。かかる構成では、バネ部材がセパレータをシール部材側に付勢しつつ保持するため、セパレータが外筒内で脱落するといった問題は生じない。また、バネ定数がある程度大きなバネ部材を使用することで、セパレータを外筒内に安定に固定することができる。また、シール部材の熱膨張によりセパレータに押圧力が加わっても、バネ部材によりこれをある程度吸収することができ、セパレータに加わる押圧力はバネによる押圧力程度となるため、セパレータがその押圧力により破損するといった問題も生じない。
【００１１】
さらに、上記構成では、バネ部材と主体金具との間に何ら部品を介装することなく、バネ部材が主体金具の後端面に直接装着されるため、セパレータを保持するための構造部品を最小限にすることができ、ガスセンサの製造コストを低く抑えることができる。
【００１２】
ところで、上記肩部は、例えばガスセンサの製造時において、シール部材を外筒内に挿入した後、外筒の後端縁をシール部材に向かって加締めることにより密着させて構成することもできる。しかし、このように構成すると、シール部材が後端側に膨張する余地が全くなくなってしまい、シール部材が熱膨張した際に、シール部材の後端縁の材料の逃げ場が無く、外筒とシール部材との間に大きな押圧力がかかることになる。その結果、場合によってはシール部材の後端縁がせん断破損したり、肩部が変形してしまうことも想定される。
【００１３】
そこで、本発明では、シール部材の後端面における肩部で覆われた後端縁と肩部との間に、所定の空間を形成する。すなわち、ガスセンサの製造工程において、例えばシール部材の固定とは関係なく肩部を成形し、その肩部とシール部材の後端縁との間に隙間を設けておく。そして、シール部材が熱膨張した際に、シール部材の後端縁がその隙間に逃げられるようにしておくのである。
【００１４】
かかる構成によれば、シール部材が熱膨張した際に、シール部材の後端縁の材料が上記空間にある程度逃れることができるため、シール部材の後端縁と肩部との間に発生する押圧力を緩和することができ、シール部材の後端縁の破損や肩部の変形等を有効に防止することができる。
【００１５】
また、上記構成では、バネ部材によりセパレータがシール部材側に付勢されるため、セパレータのシール部材側への移動を何らかの形で阻止しなければ、この付勢力がシール部材にも伝わってしまうことになる。そして、このような付勢力がシール部材に継続的に負荷されると、その付勢力の大きさ等によってはゴムが硬化してシール部材の弾性が劣化してしまうことが予想される。
【００１６】
そこで、請求項２に記載のように、セパレータの外周部に、外方に突出したフランジ部を周設し、外筒の内壁には、このフランジ部に当接してこれを係止し、セパレータのシール部材側への移動を阻止可能な係止部を周設するとよい。この係止部は、後述する実施例で述べるように、例えば外筒に縮管部を設け、その縮管部の内壁により構成することができる。
【００１７】
かかる構成によれば、外筒に設けられた係止部によってセパレータのシール部材側への移動が阻止されるため、シール部材に大きな付勢力が伝わることもなく、シール部材の耐久性を向上させることができる。また、このような係止部を設けることで、シール部材の熱膨張のないガスセンサの不使用時には、バネ力が外筒とセパレータとの間の押圧力として表れることになるが、その際セパレータに加わる力はバネ部材による押圧力程度に過ぎないため、バネ定数が過大でない限りセパレータが破損するといった問題も発生しない。
【００１８】
尚、上記バネ部材は、セパレータを単に支持するだけでなく、外部からの衝撃があった場合にもセパレータを安定に支持し、その内部に収容された端子部等を保護できるだけの強さを有する必要がある。また逆に、バネ部材が強すぎて上記セパレータのフランジ部と外筒の係止部との間に過度な押圧力が生じないようにする必要もある。
【００１９】
かかる点を考慮すると、請求項３に記載のように、バネ部材として、そのバネ定数が０．５〜１．５Ｎ/ｍｍの範囲にあるものを用いるのがよい。
【００２０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を一層明確にするため、本発明の好適な実施例を図面と共に説明する。本実施例は、本発明のガスセンサを酸素センサとして構成したものであり、図１は当該酸素センサの全体構成を表す断面図である。尚、本実施例においては、図中酸素センサの下端側が上記各請求項でいう「ガスセンサの先端側」に相当し、同様に、酸素センサの上端側が「ガスセンサの後端側」に相当する。
【００２１】
同図に示すように、酸素センサ１は、ＺｒＯ₂を主成分とする固体電解質体により先端が閉じた中空軸状に形成された検出素子２，検出素子２内に配置された軸状のセラミックヒータ３，酸素センサ１の内部構造物を収容すると共に、酸素センサ１を排気管等の取付部に固定するケーシング４等から構成されている。
【００２２】
ケーシング４は、検出素子２を保持すると共にその先端側にある検出部２５を排気管等の内部に突出させる主体金具５と、主体金具５の上端部（後端部）に延設され、検出素子２との間で基準ガス空間を形成する外筒６とから構成されている。
【００２３】
主体金具５は、円筒状の本体を有し、検出素子２を下方から支持する支持部材５１，支持部材５１の上部に充填される滑石粉末からなる充填部材５２，及び充填部材５２を上方から押圧するスリーブ５３等を内部に収容する。
すなわち、主体金具５の下端側の内周には、内向き突出した段部５４が設けられており、この段部５４にリング５５を介して支持部材５１が係止されることにより、検出素子２が下方から支持されている。そして、支持部材５１の上側における主体金具５の内周面と検出素子２の外周面との間に充填部材５２が配設され、さらに、この充填部材５２の上側に筒状のスリーブ５３及びリング５６が順次同軸状に内挿された状態で、主体金具５上端の薄肉部５７が内方（下方）に加締められることで、充填部材５２が加圧充填され、それにより、検出素子２が主体金具５に対してしっかりと固定されている。
【００２４】
そして、主体金具５の上部を覆うように円筒状の外筒６が設けられ、主体金具５との間に基準ガス空間を形成している。
図２に酸素センサ１の上部拡大図を示すように、この外筒６は、その軸方向中央部にて上方に縮管しており、この縮管部の内壁により後述するセパレータ７のフランジ部７１を係止する係止部６１が形成されている。外筒６の上端部（後端部）には、後述するシール部材１１の上端縁（後端縁）を覆うように内方に屈曲した肩部６２が設けられ、その端縁により上端開口部６３が形成されている。
【００２５】
図１に戻り、外筒６の上端開口部６３には、検出素子２の電極に夫々接続されるリード線２１，２２及びセラミックヒータ３に接続される一対のリード線を夫々外部に引き出すと共に、酸素センサ１内部への水分や油分の侵入を防止するシールユニット１０が設けられている。
【００２６】
このシールユニット１０は、図３にその分解斜視図を示すように、フッ素ゴムからなる円柱状のシール部材１１と、このシール部材１１の中央を軸方向に貫通する貫通孔１４に嵌挿可能な筒状挿入部材３０と、この筒状挿入部材３０の上端部を覆うと共に、これらシール部材１１の貫通孔１４の内周面と筒状挿入部材３０の外周面との間に挟持されて固定されるシート状の通気フィルタ４０とから構成されている。
【００２７】
シール部材１１は、円柱状の本体１２と、この本体１２の上面１２１の中央から上方に突出した突出部１３とを有し、この本体１２及び突出部１３の中央には、両者を軸方向に貫通する上記貫通孔１４が形成されている。また、本体１２の貫通孔１４を中心とする所定のピッチ円上には、上述したリード線２１，２２等を挿通するための４つの挿通孔１５が等間隔で形成されている。そして、突出部１３の外周面の上記４つの挿通孔１５に相当する位置には、軸方向に延びる半円断面形状の溝１６が夫々形成されており、各挿通孔１５から上記各リード線を上方に引き出せるようになっている。
【００２８】
また、貫通孔１４は、筒状挿入部材３０の外径にほぼ等しい内径を有し基準ガス空間側に開口する大孔１４１と、この大孔１４１よりも小さな径を有し大気側に開口する小孔１４２とが軸方向に連通して形成されている。このため、これら大孔１４１と小孔１４２との連通部には段部１４３が形成されている。本実施例においては、この段部１４３が、本体１２の上面１２１より高い位置に形成されている。さらに、大孔１４１の基準ガス空間側の開口部には、大孔１４１よりも大きな径を有する円溝１４４が形成されている。このため、貫通孔１４に下方から挿入された筒状挿入部材３０は、上記段部１４３と円溝１４４によってシール部材１１に対して係止されるようになっている。尚、本実施例においては、小孔１４２への水滴又は油滴の侵入を効果的に抑制するために、小孔１４２の径及び高さが共に１〜２ｍｍ程度になるように形成されている。
【００２９】
筒状挿入部材３０は、その両端が開口し、貫通孔１４に嵌合可能な円筒状に形成されている。そして、筒状挿入部材３０の両開口部の内、大気側開口部３１とは反対側の基準側開口部３２の端縁には、外方に延出したフランジ部３３が形成されている。また、筒状挿入部材３０は、その大気側端部にて軸方向中央に向かって折り込まれており、この折り込まれた部分によって大気側開口部３１が形成され、その結果、その大気側端部にはＲ形状の端縁３４が形成されている。
【００３０】
通気フィルタ４０は、例えばポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）の未焼成成形体を、ＰＴＦＥの融点よりも高い加熱温度で一軸方向に延伸することにより得られる多孔質繊維構造体（例えば、商品名：ゴアテックス（ジャパンゴアテックス（株）））により、水滴等の水を主体とする液体の透過は阻止し、かつ気体（空気、水蒸気等）の透過は許容する通気フィルタとして構成されている。また、さらに撥油コートした多孔質繊維構造体（商品名：オレオベントフィルタ（ジャパンゴアテックス（株））を用いることもできる。これを用いることにより、付着した油分が気化して内部に侵入する危険性を低下させることができる。
【００３１】
そして、同図に示すように、これらシール部材１１，通気フィルタ４０及び筒状挿入部材３０の組付けの際には、通気フィルタ４０が筒状挿入部材３０の大気側端部とその外周面とを覆うように筒状挿入部材３０に被せられ、この状態で筒状挿入部材３０と共に貫通孔１４に挿入される。このようにして、通気フィルタ４０は、筒状挿入部材３０の外周面と貫通孔１４の内周面との間に挟まれ、通気経路を塞いだ状態で固定される。このとき、筒状挿入部材３０が貫通孔１４の下方から挿入されると、筒状挿入部材３０の大気側端部がシール部材１１内部の段部１４３に係止され、フランジ部３３がシール部材１１下端の円溝１４４にて係止される。その結果、貫通孔１４内における筒状挿入部材３０及び通気フィルタ４０の位置決めがなされ、通気フィルタ４０の大気側対向面４１が、シール部材１１の内部に配置される。
【００３２】
そして、図２に示すように、このように形成されたシールユニット１０が、リード線２１，２２等を挿通した状態で外筒６の下方から上端開口部６３の内側に配置され、シール部材１１の本体１２の部分が、外筒６を介して径方向に加締められる。こうして、外筒６及びシール部材１１が密着し、そのシール性がより確実なものとされる。このとき、外筒６の肩部６２の端部がシール部材１１の後端縁を覆うことになるが、シール部材１１と肩部６２との間には隙間８０が形成される。
【００３３】
また図１に示すように、こうして外筒６内に組み付けられたシール部材１１の下方には、セラミックで筒状に形成された絶縁性のセパレータ７が内挿されている。このセパレータ７は、円筒形状の本体を有し、その本体下端部の外周面には外側に突出したフランジ部７１が周設され、その下端面には下方に突出したリング状の突部７２が形成されている。フランジ部７１は、その外径が下方に向けて大きくなるようにテーパ状の上面７３を有し、この上面７３が外筒６の係止部６１に係止されている。セパレータ７は、各リード線２１，２２等の先端から検出素子２の電極端子（図示せず）に延びる複数の端子部８を挿通して、この端子部８と外筒６との絶縁性を保持している。
【００３４】
そして、主体金具５とセパレータ７との間には、コイルバネ９（バネ部材）が介装され、セパレータ７をシール部材１１側に付勢している。このコイルバネ９は、バネ定数が０．５〜１．５Ｎ/ｍｍのものであり、その一端が、主体金具５の薄肉部５７と外筒６との間に位置する主体金具５の上端面５８（後端面）に直接接続されており、他端が、セパレータ７の突部７２と外筒６との間に位置するセパレータ７の下端面７４（先端面）に直接接続されている。つまり、コイルバネ９の両端部は、主体金具５の薄肉部５７及びセパレータ７の突部７２を夫々内挿しており、それにより、外筒６内に安定して固定されている。
【００３５】
外筒６は、その下端開口端部が主体金具５の上端部に外挿された状態で外方から溶接が施されることにより、主体金具５に対して装着されている。また、主体金具５の下端側外周には、検出素子２の突出部分を覆うと共に、複数の孔部を有する金属製の二重のプロテクタ８１，８２が溶接によって取り付けられている。
【００３６】
以上に説明したように、本実施例の酸素センサ１においては、外筒６の後端部に、シール部材１１の後端縁を覆うように内方に屈曲した肩部６２が設けられている。このため、酸素センサ１の使用時にシール部材１１が熱膨張してその後端部に外方へのねじり応力が発生したとしても、この肩部６２がシール部材１１の後端縁に当接して逆にこれを内方に押圧して対抗する。その結果、シール部材１１の後端部に過度な引張力が加わることがなく、シール部材１１における外筒６との摩擦による局所的な引張応力の発生を抑制することができ、シール部材の亀裂の発生を防止することができる。しかも、その肩部６２とシール部材１１の後端面との間には隙間８０が形成されているため、シール部材１１が熱膨張した際には、シール部材１１の後端縁の材料がその隙間８０に逃げることができ、シール部材１１の後端縁と肩部６２との間に発生する押圧力の上昇を緩和することができる。その結果、シール部材１１の後端縁の破損や肩部６２の変形等を有効に防止することができ、酸素センサ１のシール性を良好に保持することができる。
【００３７】
また、酸素センサ１においては、主体金具５の後端面とセパレータ７の先端面との間に所定のバネ定数を有するコイルバネ９が介装されており、このコイルバネ９によりセパレータ７をシール部材１１側に付勢する構成を有する。このため、セパレータ７は外筒６内で安定して支持される。また、セパレータ７の外筒６内での固定がこのコイルバネ９の弾性力によるため、上述した従来技術のようにダボ部よって外筒に固定される場合よりも、セパレータ７の外筒６内での固定位置に自由度がある。すなわち、シール部材１１の熱膨張によりセパレータ７に押圧力が加わっても、コイルバネ９によってこれをある程度吸収することができるため、シール部材１１の熱膨張時にセパレータ７に加わる押圧力をコイルバネ９による押圧力程度に抑えることができる。このため、セパレータ７がその押圧力により破損するといった問題も生じない。
【００３８】
さらに、コイルバネ９が主体金具５の後端面に直接装着されるため、セパレータ７を保持するための構造部品を最小限にすることができ、酸素センサ１の製造コストを低く抑えることができる。
以上、本発明の実施例について説明したが、本発明の実施の形態は、上記実施例に何ら限定されることなく、本発明の技術的範囲に属する限り種々の形態をとり得ることはいうまでもない。
【００３９】
例えば、上記実施例においては、シール部材１１に貫通孔１４を設け、通気フィルタ４０を介して基準ガス空間に大気を導入する所謂大気導入型の酸素センサ１について説明したが、例えば酸素イオン伝導性固体電解質体を用いて構成した所謂起電力変化型（自己基準型）の酸素センサに対しても、本発明の構成を適用することが可能である。また、酸素センサに限らず、ＨＣセンサやＮＯｘセンサ等種々のガスセンサにも適用可能であることは勿論である。
【００４０】
また、上記実施例では、シール部材１１の貫通孔１４に下方から挿入された筒状挿入部材３０を、段部１４３と円溝１４４（図３参照）によって係止する構成をとった。しかし、筒状挿入部材３０は段部１４３のみによって係止することも可能であるため、シール部材１１に下方の円溝１４４を設けない構成を採用してもよい。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の実施例に係る酸素センサの全体構成を示す断面図である。
【図２】 実施例の酸素センサの上部拡大断面図である。
【図３】 実施例の酸素センサを構成するシールユニットの分解斜視図である。
【図４】 従来のガスセンサの全体構成を示す断面図である。
【図５】 従来のガスセンサの全体構成を示す正面図である。
【図６】 従来のガスセンサの問題点を表す説明図である。
【符号の説明】
１・・・酸素センサ、 ２・・・検出素子、 ３・・・セラミックヒータ、
４・・・ケーシング、 ５・・・主体金具、 ６・・・外筒、
７・・・セパレータ、 ９・・・コイルバネ、 １０・・・シールユニット、
１１・・・シール部材、 ６１・・・係止部、 ６２・・・肩部、
８０・・・隙間

Claims (3)

1. 被測定ガス成分を検出する長尺状の検出素子と、
   該検出素子の先端部を被測定ガスに晒すように保持する主体金具と、
   該主体金具の後端側に設けられた外筒と、
   複数のリード線を挿通すると共に、前記外筒の後端部に内挿されて加締め接合されたゴム製のシール部材と、
   前記シール部材の先端面に当接して設けられ、前記リード線の先端から前記検出素子の電極端子に延びる端子部を内部に挿通して、該端子部と前記外筒との絶縁性を保持する筒状のセパレータと、
   を備えたガスセンサにおいて、さらに、
   前記外筒の後端に設けられ、前記シール部材の後端縁を覆うように内方に屈曲した肩部と、
   前記主体金具の後端面と前記セパレータの先端面との間に介装され、前記セパレータを前記シール部材側に付勢するとともに、該シール部材の熱膨張により前記セパレータに加わる押圧力を吸収可能なバネ部材と、
   を備えるとともに、
   前記シール部材の後端面における前記肩部で覆われた後端縁と前記肩部との間に、所定の空間が形成されたことを特徴とするガスセンサ。
2. 前記セパレータの外周部には、外方に突出したフランジ部が周設され、前記外筒の内壁には、該フランジ部に当接してこれを係止し、前記セパレータの前記シール部材側への移動を阻止可能な係止部が周設されたこと、を特徴とする請求項１に記載のガスセンサ。
3. 前記バネ部材として、そのバネ定数が０．５〜１．５Ｎ/ｍｍの範囲にあるものが用いられたことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載のガスセンサ。

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