JP4355095B2 - 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、基準ガスとしての大気を外部から導入して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、例えば先行する特許出願（特願平１１−３４６３６２号、特願平１２−１８５７６号）に示されるように、外気を導入する通気孔を、ガスセンサの上部に設けられたシール部材の中央を軸方向に貫通するように形成し、ガスセンサ下部に設置されたヒータ（熱源）から遠ざけることにより、当該通気孔を閉塞する通気フィルタの熱劣化を防止する構成を有するものがある。当該ガスセンサでは、シート状の通気フィルタを、筒状挿入部材に被せた状態で、通気孔に挿入し、これら筒状挿入部材の外周面と通気孔の内周面との間に挟持する態様で前記通気孔内に固定することにより通気孔を閉塞し、その通気性と防水性を保持している。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、上記筒状挿入部材の製造においては、金属製の板材をプレス成形して有底筒状体に形成した後、その底部をポンチにて外方に打ち抜くことにより通気用の開口部を形成するのが一般的である。このため、このポンチによる打ち抜きの際に、有底筒状体の底部に外方に突出するバリが発生し、このバリにより通気フィルタが損傷してシール性を低下させてしまうといった問題があった。
【０００４】
本発明はこうした問題に鑑みてなされたものであり、通気フィルタを筒状挿入部材を介してシール部材に固定するタイプのガスセンサにおいて、そのシール性及び通気性を共に保証できるガスセンサを提供することを目的とする。
【０００５】
【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、そのケースと共に基準ガス空間を形成するシール部材を備え、このシール部材を大気側から基準ガス空間側に貫通する貫通孔には、シート状の通気フィルタが被せられた筒状挿入部材が挿入されている。このため、筒状挿入部材の大気側開口部はこの通気フィルタにより閉塞され、通気フィルタはシール部材の貫通孔の内面と筒状挿入部材の外面との間に挟持された状態で固定されている。そして、通気フィルタを通過した外気は、筒状挿入部材の内部に形成され、その大気側開口部と基準側開口部をつなぐ通気経路を介して基準ガス空間に導入されるようになっている。
【０００６】
そして、この筒状挿入部材は、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いる。
従って、この筒状挿入部材の折り込まれた部分の先端に形成された大気側開口部と、この大気側端部を覆う通気フィルタの表面との間には、所定の空間が形成されている。このため、筒状挿入部材が従来からの手法で製造され、その大気側開口部の周縁部からバリが突出していたとしても、このバリにより通気フィルタの表面が傷つけられることもなく、通気フィルタの通気性及び防水性、ひいてはガスセンサのシール性を保持することができる。
【０００７】
ただし、上記構成においては、筒状挿入部材の折り込みの態様によっては、その折り込まれた部分と通気フィルタとの接触部分が大きくなり、通気フィルタの通気領域が小さくなってしまう。一方、基準ガス空間と大気との間で適切なガス交換を行うためには所定の通気量を確保する必要があり、そのためには、通気フィルタの通気領域を大きくとるのがよい。
【０００８】
そこで、請求項２記載のガスセンサでは、筒状挿入部材の折り込み角度が９０度以上になるように構成されているのであるが、この折り込み角度が大きくなるほど通気フィルタの有効面積（筒状挿入部材の大気側端縁部と通気フィルタとが接触する部分により囲まれる通気フィルタの面積）が大きくなり、通気フィルタの通気性を効果的に機能させることができる。
【０００９】
しかし、このようにして通気フィルタの通気量が確保されたとしても、その後に外気が通過する大気側開口部の面積が小さくては、基準ガス室に導入されるべき通気量を確保することが困難となる。
そこで、筒状挿入部材の大気側端部が軸方向中央に向かって完全に折り込まれ、その大気側開口部の周縁部が筒状挿入部材の内面に接する程度に構成することがより好ましい。このように構成することで、大気側開口部の大きさを最も大きくとることができ、通気フィルタを通過した外気をほぼそのまま基準ガス室に導入することができるからである。
【００１０】
このためには、筒状挿入部材を所定の機械的強度を維持できる程度にその厚みをできる限り薄く構成することが好ましく、具体的には、請求項３に記載のように、その厚みが０．１〜０．５ｍｍ程度、さらに好ましくは０．１〜０．３ｍｍ程度に構成するのがよい。
【００１１】
尚、このような筒状挿入部材の製造方法としては種々考えられるが、従来のように板材をプレス成形することにより先端に基準側開口部を有し後端に底部を有する筒状部材を形成すると共に、先端側から後端側に向かって打ち抜くことにより、その底部に大気側開口部を形成し、その後、その大気側開口部周辺の底部を後端側から先端側に押し込むことにより筒状部材の後端部を径方向中央に向かって折り込むことにより形成することが考えられる。
【００１２】
このように、筒状挿入部材の大気側開口部と通気フィルタとの間に空間部を形成する工程を、従来のプレス成形の最終工程に一工程加えるだけで、特に製造コストの増加を伴うことなく本発明の筒状挿入部材の形状を得ることができる。
また、このように筒状部材の底部を折り込む際に大気側に突出していたバリを押しつぶすこともできるため、上記所定の空間を小さく形成することもできる。このため、当該所定の空間の形成の際に、筒状挿入部材に対して過度な負荷をかけることを回避することができ、筒状挿入部材の成形の際の形状の安定性を確保することができる。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下、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示す断面図である。
【００１４】
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、検出素子２を収容するケース１０等から構成されている。
【００１５】
ケース１０は、酸素センサ１を排気管等の取付部に固定すると共に、セラミックホルダ６，７及びセラミック粉末８を内部に収容し、検出素子２の閉じた先端部を排気管等の内部に突出させる主体金具９と、主体金具９の上部に延設され、上方から検出素子２の内面に大気を導入するための外筒１３とから構成されている。
【００１６】
また、主体金具９の上端部には、内側に延出したフランジ部９ａの先端縁により円形の上部開口部が形成されており、このフランジ部９ａがリング５を介してセラミックホルダ６，７及びセラミック粉末８を上方から固定している。そして、その上部開口部を覆う態様で外筒１３の下端開口端部が嵌合装着されている。
【００１７】
さらに、外筒１３の上端開口部には、ケース１０と共に基準ガス空間を形成する円柱状のシールユニット１４が嵌挿され、その中央を貫通する通気経路に配設された通気フィルタ５０を介して基準ガス空間に外気（酸素）が導入されるようになっている。
【００１８】
また、このシールユニット１４には、後述する複数の挿通孔が形成されており、検出素子２及びセラミックヒータ３に接続されるリード線２０，２１がこれを挿通している。
次に、シールユニット１４の詳細構造について、図２及び図３に基づいて説明する。尚、図２はシールユニット１４の分解斜視図、図３はシールユニットを構成する筒状挿入部材３０の断面図である。
【００１９】
図２に示すように、シールユニット１４は、ゴム製の弾性体からなる円柱状のシール部材１５と、このシール部材１５の中央を軸方向に貫通する貫通孔１５ａ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（大気側端部）を覆うと共に、これらシール部材１５の貫通孔１５ａ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５０とから構成されている。
【００２０】
シール部材１５の貫通孔１５ａを中心とする所定のピッチ円上には、上述したリード線２０，２１等を挿通するために同本体を軸方向に貫通する４つの挿通孔１５ｂが等間隔で形成されている。
筒状挿入部材３０は、その両端が開口し、貫通孔１５ａに嵌合可能な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３０ａと反対側の基準側開口部３０ｂの端縁には、鍔部３０ｃが形成されている。
【００２１】
図３に筒状挿入部材３０の断面図を示すように、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の先端に大気側開口部３０ａが形成されている。その結果、その大気側端部にはＲ形状の端縁３０ｄが形成されると共に、この大気側端部を覆う通気フィルタ５０の表面と大気側開口部３０ａとの間に、高さｈの所定の空間３０ｅが形成されるようになっている。
【００２２】
この筒状挿入部材３０は、図４に示すように、金型を用いて板厚０．１〜０．３ｍｍの金属製の板材３１をプレス成形することにより形成される。尚、このプレス成形は二工程で行われ、図中上段に示す工程が第１工程を、図中下段に示す工程が第２工程をそれぞれ示している。
【００２３】
まず、第１工程においては、金型として、円筒状の挿通孔６１ａを有する第１雌型６１と、この挿通孔６１ａに上方から部分的に挿通される段付円柱状の第２雌型６２と、挿通孔６１ａに下方から導入される段付円柱状の第１雄型７１とが使用される。
【００２４】
第１雌型６１の挿通孔６１ａの内径は、筒状挿入部材３０の外径にほぼ等しくなっており、挿通孔６１ａに挿入される第２雌型６２の小径部６２ａの外径が、挿通孔６１ａの内径にほぼ等しくなっている。そして、第２雌型６２の大径部６２ｂが第１雌型６１の上面に当接することにより、第２雌型６２が第１雌型６１に対して係止され固定されるようになっている。
【００２５】
また、第２雌型６２には、その中央を軸方向に貫通する貫通孔６２ｃが設けられており、小径部６２ａの下面には窪み部６２ｄが設けられている。この窪み部６２ｄの周端縁はＲ形状となっており、挿通孔６１ａの内面に滑らかに接続されるように形成されている。
【００２６】
一方、第１雄型７１は、筒状挿入部材３０の内径にほぼ等しい外径を有する大径部７１ａと、大径部７１ａに同軸状に連設され、筒状挿入部材３０の大気側開口部３０ａの径にほぼ等しい外径を有する小径部７１ｂと、大径部７１ａの小径部７１ｂとは反対側に同軸状に連設され、筒状挿入部材３０の鍔部３０ｃの外径よりも大きな外径を有するベース部７１ｃとから構成される。
【００２７】
そして、第１工程では、第１雌型６１と第２雌型６２とを組み付けた状態で、板材３１の中央部を第１雌型６１の挿通孔６１ａの下端に当接させ、下方から第１雄型７１を挿通孔６１ａに加圧導入する。
このとき、板材３１は第１雄型７１と第１雌型６１に挟持されつつ、有底筒状に成形されながら挿通孔６１ａ内を上方に押し込まれる。そして、その上端面が第２雌型の窪み部６２ｄに当接すると、この窪み部６２ｄの形状に沿って成形され、その上端縁に上述したＲ形状が施される。また、このとき同時にその上端部中央が第１雄型７１の小径部７１ｂにより打ち抜かれ、大気側開口部３０ａに相当する孔が形成される。そして、さらに第１雄型７１が挿通孔６１ａ内に押し込まれると、板材３１の周縁部が第１雌型６１の下面と第１雄型７１のベース部７１ｃとの間に挟まれ、鍔部３０ｃが形成される。
【００２８】
こうして第１工程が終了し、筒状挿入部材３０の半製品（筒状部材）が形成されると、第１雌型６１から第２雌型６２及び第１雄型７１が取り外され、第２工程に移行する。
第２工程では、まず、前述した第１雄型７１の代わりに、これと類似した形状を有する第２雄型７２が下方から導入され、筒状挿入部材３０の半製品を第１雌型６１と共に挟持する態様で保持する。この第２雄型７２は、第１雄型７１の小径部７１ｂがなく、第１雄型７１の大径部７１ａよりも高さが小さい大径部７２ａを有する。従って、この状態において、半製品の上端部と大径部７２ａの上端面との間には所定の空間が存在することになる。
【００２９】
続いて、上方から段付円柱状の第３雄型７３を第１雌型６１の挿通孔６１ａに加圧導入する。この第３雄型７３は、挿通孔６１ａの内径にほぼ等しい外径を有する大径部７３ａと、この大径部７３ａの下方に連設され、これよりも小さい外径を有する小径部７３ｂとから構成され、小径部７３ｂの先端にテーパ部７３ｃを有する。
【００３０】
第２工程では、このテーパ部７３ｃが半製品の上端面に押し付けられる態様で、半製品の上端部が軸方向中央に向かって折り込まれる。このようにして筒状挿入部材３０が完成する。
また、通気フィルタ５０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の融点よりも低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、図２に示すように、これらシール部材１５、通気フィルタ５０及び筒状挿入部材３０の組付けの際には、通気フィルタ５０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１５ａに挿入される。このようにして、通気フィルタ５０は、筒状挿入部材３０の外周面と貫通孔１５ａ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１５ａの下方から挿入されると、鍔部３０ｃは通気孔１５ａ下側の開口縁部にて係止され、その結果、貫通孔１５ａ内における筒状挿入部材３０および通気フィルタ５０の位置決めがなされる。
【００３２】
このように形成されたシールユニット１４が、外筒１３の開口端部１３ａの内側に配置され、外筒１３を介して径方向に加締められる。こうして、外筒１３及びシール部材１５が密着し、そのシール性がより確実なものとされる。そして、この通気フィルタ５０により通気性及び防水性を保持しつつ、大気側から筒状挿入部材３０の内部に形成された通気経路を介して基準ガス空間に空気が導入される。
【００３３】
以上のように、本実施例の酸素センサ１においては、筒状挿入部材３０が、その大気側端部にて軸方向中央に向かって折り込まれた構成を有するため、この折り込まれた部分の先端に形成された大気側開口部３０ａと、この大気側端部を覆う通気フィルタ５０の表面との間に所定の空間３０ｅが形成されている。
【００３４】
このため、筒状挿入部材３０が従来からの手法で製造され、その大気側開口部３０ａの周縁部からバリが突出していたとしても、このバリにより通気フィルタ５０の表面が傷つけられることもなく、通気フィルタ５０の通気性及び防水性、ひいては酸素センサ１のシール性を保持することができる。
【００３５】
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。
例えば、上記実施例においては、図３に示すように、筒状挿入部材３０の大気側端部を所定量折り込んだ態様を示したが、基準ガス空間への通気性を良くするためには、通気フィルタ５０の通気領域Ｗ１と、大気側開口部３０ａの通気領域Ｗ２を、共に大きく形成することが好ましい。
【００３６】
そこで、図５に示すように、筒状挿入部材３０の大気側端部が軸方向中央に向かって完全に折り込まれるように構成してもよい。このように構成すれば、通気領域Ｗ１、Ｗ２共に最も大きくとることができる。
【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を構成するシールユニットの構成を示す説明図である。
【図３】 実施例のシールユニットを構成する筒状挿入部材の断面図である。
【図４】 実施例の筒状挿入部材の製造方法を示す説明図である。
【図５】 変形例にかかる筒状挿入部材の断面図である。
【符号の説明】
１・・・酸素センサ、 ２・・・検出素子、 ９・・・主体金具、
１０・・・ケース、 １４・・・シールユニット、
１５・・・シール部材、 １５ａ・・・貫通孔、
３０・・・筒状挿入部材、 ３０ａ・・・大気側開口部、
５０・・・通気フィルタ

Claims (3)

1. 被測定ガス成分を検出する軸状の検出素子と、
   該検出素子の軸方向先端を被測定ガスに晒すように保持すると共に、該検出素子の軸方向後端側に基準ガス空間を形成するケースと、
   該ケースと共に前記基準ガス空間を形成すると共に、大気側から前記基準ガス空間側に貫通する貫通孔が形成されたシール部材と、
   該シール部材の貫通孔に挿通され、大気側に大気側開口部を有し、基準ガス空間側に基準側開口部を形成した筒状挿入部材と、
   前記シール部材の貫通孔の内面と前記筒状挿入部材の外面との間に挟持され、該筒状挿入部材の大気側開口部を覆うシート状の通気フィルタと、
   を備えたガスセンサであって、
   前記筒状挿入部材は、前記大気側端部にて径方向中央に向かって折り込まれていること、
   を特徴とするガスセンサ。
2. 前記筒状挿入部材の折り込み角度が９０度以上であること、
   を特徴とする請求項１記載のガスセンサ。
3. 前記筒状挿入部材の厚みが０．１〜０．５ｍｍであること、
   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。

Images