JP4399080B2

JP4399080B2 - ガスセンサ

Info

Publication number: JP4399080B2
Application number: JP2000049496A
Authority: JP
Inventors: 昌弘浅井; 聡石川
Original assignee: NGK Spark Plug Co Ltd
Current assignee: NGK Spark Plug Co Ltd
Priority date: 2000-02-25
Filing date: 2000-02-25
Publication date: 2010-01-13
Anticipated expiration: 2020-02-25
Also published as: JP2001242117A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、排気ガス等の被測定ガスが流れる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機能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の一つとして、例えば特開平９−５４０６３号公報に示される外気導入型の酸素センサがある。この酸素センサは、外気を導入する通気孔を、ガスセンサの最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すると共に、この通気孔を硬質の撥水性フィルタにより閉塞することにより、その通気性と防水性を保持している。そして、シール部材のこの撥水性フィルタの周囲には複数の挿通孔が設けられ、この挿通孔に検出素子の電極に接続されたリード線を挿通して給電を行っている。
【０００３】
【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、結露等により複数のリード線挿通孔の各々の入口付近に水分が付着した場合に問題が生じる。すなわち、通常、シール部材はその表面に水をはじく表面処理が行われているため、この水分は水滴となって付着する。そして、これらの水滴が大きくなると、各々のリード線挿通孔に付着した水滴がその表面張力により大きくなり互いに引き合ってシール部材の中央に集結する。すると、このとき形成された大きな水滴が、中央に配設された撥水性フィルタに付着し、その全体を覆ってしまう。この結果、撥水性フィルタの通気性が損なわれ、ひいては酸素センサの精度を低下させてしまうといった問題が生じる。
【０００４】
本発明はこうした問題に鑑みてなされたものであり、大気を外部から導入して機能するガスセンサにおいて、その通気性に優れたガスセンサを提供することを目的とする。
【０００５】
【問題を解決するための手段および発明の効果】
上記問題に鑑み、請求項１記載のガスセンサにおいては、シール部材には、大気側から基準ガス空間内に導入されたリード線を挿通する挿通孔と、少なくとも複数の通気孔が形成されており、前記挿通孔と通気孔は、いずれも前記シール部材の上端面に開口部を有し、且つ、前記通気孔の開口部の内の少なくとも１つが前記挿通孔の開口部の外側に開口しており、前記通気孔は通気性のフィルタによって閉塞されており、前記通気孔は撥水性のある通気性のフィルタによって閉塞されており、且つ、前記フィルタは、前記フィルタの上端面の少なくとも一部を覆うように設けられた押え部材と、前記シール部材とによって挟持されている。

【０００６】
この様に通気孔の開口部を配置すれば、リード線挿通孔によって囲まれた領域、つまりシール部材上端面の中心軸近傍に、細かな水滴が集積して大きな水滴になったとしても、挿通孔開口部よりも外側に配置された通気孔開口部の上には水滴が付着しないので、基準ガス空間の状態を良好に維持できる。
【０００７】
なお、通気孔は防水性を高めるためにシート状の通気フィルタによって閉塞している。この様に通気フィルタにシート状の材料を用いると、通気量を多くする事が出来るので、基準ガス空間に新鮮な酸素を大量に供給できるので好ましい。
【０００８】
さらに、フィルタをシール部材の上端面に密着するように配置するために、フィルタの外側から更に押え部材を用いてフィルタを押えるようにしている。これによって、通気孔の開口部の周縁でフィルタがシール部材と密着するので、防水性が向上する。
【０００９】
また、シート状のフィルタによって、通気孔を閉塞する方法としては、通気フィルタをシール部材の上端面の上から覆うように配置して、通気孔開口部を外側から覆うようにしてもよい。この様にすると、複数の通気孔を１枚のシート状フィルタで覆う事も出来、また、筒状部材が不要になるので、コスト的にメリットが大きい。
【００１０】
また、押え部材の通気孔の開口部に相当する位置には、大気の流通が可能になるように通気窓を形成することが望ましい。この通気窓の大きさはその径が押え部材の軸方向厚さ以下であることが望ましい。更に通気窓の径は１．５ｍｍ以下であるとより好ましい。通気窓の開口部の径を小さくする事で、塵埃や汚損物がこの通気窓を通ってフィルタに接触し難くなり、フィルタの通気性を長期間損なうことが無いからである。
【００１１】
押え部材には、シール部材と同じくフッ素ゴムなどの耐熱性の弾性体を用いる事が出来るが、金属や樹脂、セラミックスなどを用いても良い。ゴム等の弾性体材料を用いると、シール部材を傷つける恐れが無いというメリットを有する。但し、フィルタと接触する界面において防水性を有する必要があるので、ある程度の硬度が必要になる。特に押え部材はその厚みを厚くしすぎると、通気窓の凹部に塵などが溜まりやすいので、ある程度の厚さ以下にする必要が有る。その場合、シール部材よりも硬いゴムを用いないと、フィルタが押え部材とシール部材の間にしっかりと狭持されなくなり、防水性が低下する恐れが有るため、押え部材側の弾性体はシール部材よりも硬度が高い弾性体で形成するのが望ましい。
【００１２】
押え部材に硬質の樹脂や金属或いはセラミックスを用いると、シール部材の上端面を覆う押え部材の厚さを薄くする事が出来るので都合が良い。これは通気窓の凹部に塵などが溜まらないといった利点を有する。更に耐熱性の点でも優れている。
【００１３】
なお、押え部材としては、シール部材を内部に収容する様な形状にすると、フィルタをシール部材と押え部材の間に狭持した状態でユニット化して扱えるので、好ましい。その為の実施態様としては円板状の押え部材の外周縁から側壁を一方に延ばしてキャップ形状にして、その中にフィルタとシール部材を収容する様にすると良い。
【００１４】
ところで、リード線挿通孔は出来るだけシール部材の中でバランス良く配置することが防水性を良好に維持する上で好ましい。その為、シール部材の中心軸を中心とした仮想的なピッチ円上に配置すると挿通孔とリード線の間の防水性が良好に維持できる。そして、この様な配置においては、ピッチ円よりも外側に少なくとも１つの通気孔の開口部が開口していると、通気孔の開口部に水滴が付着し難いので、良好な通気性を維持できる。
【００１５】
【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。
【００１６】
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を支持する主体金具９、主体金具９の上部に連設され、内側に基準ガス空間を形成する外筒１３、及び外筒１３の上部開口部４７に配設されたシールユニット１４等から構成されている。
【００１７】
以下、シールユニット１４の構造について、図２及び図３に基づいて説明する。
図２（ａ）に示すものは、シール部材１５、押え部材１６、撥水性フィルタ５０を一体に組付けたシールユニット１４の上方からの平面図、同図（ｂ）はその断面Ａ−Ａに相当する部品断面図、そして同図（ｃ）は、その断面に対応するシールユニット１４の組付け工程の説明図である。また、図３（ａ）は図２（ａ）の断面Ｂ−Ｂに相当する部品断面図、そして同図（ｂ）は、その断面に対応するシールユニット１４の組付け工程の説明図である。
【００１８】
図２及び図３に示すように、シールユニット１４は、有底円筒状の押え部材１６と、これに内挿される円柱状のシール部材１５とからなる。そして、これら押え部材１６とシール部材１５との間にシート状の撥水性フィルタ５０を介装する態様で、シールユニット１４が構成されている。
【００１９】
シール部材１５も押え部材１６も耐熱性を確保するためにフッ素ゴムを用いているが、それぞれの硬度は異なり、シール部材１５の硬度はショア硬さで６０〜８５であり、押え部材１６の硬度は８０〜１００のものを用いる。なお、押え部材１６には金属を用いると、厚さを薄く出来る上に耐熱的にも好ましい。
【００２０】
押え部材１６には、図２（ｃ）上段に示すように、上端壁の中央を軸方向に貫通して外気を導入する通気孔１６ａが形成されている。そして、この通気孔１６ａの周りには、後述するシール部材１５の４つの突出部１５ｄを嵌合させるための４つの係止孔１６ｂが、等間隔で配置される態様で形成されている。そしてさらに、これら４つの係止孔１６ｂのピッチ円径（４つの係止孔１６ｂのぞれぞれの中心を通る円の径）よりも外側には、上記通気孔１６ａと同様の４つの通気孔１６ｃが形成されている。この通気孔１６ｃは、互いに隣接する係止孔１６ｂの間に位置するように配設されている。また、通気孔１６ａ及び通気孔１６ｃは、その径Ｄが押え部材１６の上端壁の厚みＬにほぼ等しく、係止孔１６ｂの径に比べてかなり小さい円孔から形成されている。そして、上端面の周端縁からは、下方に延びる側壁が円筒状に形成されている。
【００２１】
一方、シール部材１５は、同図下段に示すように、その外径が押え部材１６の側壁の内径にほぼ等しく、その軸方向の長さが押え部材１６の軸方向の長さにほぼ等しくなるように形成されている。そして、その円柱状の本体の中央を軸方向に貫通して外気を導入する通気孔１５ａと、この通気孔１５ａの周りに等間隔で配置され、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とが形成されている。そして、その上端面には、各々の挿通孔１５ｂの周りに同軸状に突設された筒状の突出部１５ｄがそれぞれ形成されている。そしてさらに、これら４つの挿通孔１５ｂのピッチ円径よりも外側には、上記通気孔１５ａと同様の４つの通気孔１５ｃが形成されている（図３（ｂ）参照）。上記通気孔１５ａ，１５ｃは、その内径が上記通気孔１６ａ，１６ｃの内径の大きさＤに等しくなるように形成されており、押え部材１６とシール部材１５とを組み付けたときに、それぞれ上記通気孔１６ａ，１６ｃに連通する位置に形成されている。
【００２２】
尚、上記通気孔１５ａと通気孔１６ａ、及び通気孔１５ｃと通気孔１６ｃが、シールユニット１４の通気経路を構成する。
撥水性フィルタ５０は、図２（ｃ）中段及び図３（ｂ）中段にその断面を示すように、シール部材１５の外径にほぼ等しい外径を有する円形のシート状に形成され、上記係止孔１６ｂ及び挿通孔１５ｂに対応する位置に、係止孔５０ａがそれぞれ形成されている。
【００２３】
この撥水性フィルタ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１軸以上の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）の透過は許容する撥水性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。
【００２４】
そして、これらシール部材１５、押え部材１６、及び撥水性フィルタ５０の組付けは、まず、撥水性フィルタ５０に設けられた４つの係止孔５０ａを、対応するシール部材１５の４つの突出部１５ｄの周りにはめ込む。このとき、撥水性フィルタ５０は、シール部材１５の通気孔１５ａ及び１５ｃを上方から閉塞した状態となる。そして、この状態からシール部材１５を押え部材１６に内挿嵌合させる。このとき、押え部材１６に設けられた通気孔１６ａ及び１６ｃが、それぞれシール部材１５に設けられた通気孔１５ａ及び１５ｃに撥水性フィルタ５０を介して連通し、撥水性フィルタ５０がシール部材１５と押え部材１６とにより挟持される態様で固定される。
【００２５】
そして、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４７の内側に配置され、外筒１３を介して径方向に加締められ、それにより外筒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。
また、上記実施例では、複数の通気孔１５ｃ，１６ｃの複数がリード線を挿通する複数の挿通孔１５ｂが形成するピッチ円の外側に配置されるため、これら複数の通気孔１５ｃ，１６ｃがリード線に付着した水滴の成長により塞がれるといった問題は生じない。また、通気孔１６ａ，１６ｃの径がかなり小さく形成されているため、塵埃や汚損物が通気孔１６ａ，１６ｃを通って撥水性フィルタ５０に到達する可能性も低い。この結果、酸素センサ１の通気性を良好に保つことができる。
【００２６】
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、通気孔１５ａ，１５ｃ，１６ａ，１６ｃ等の配置や形状等は上記実施例のものに限られず、設計の便宜上適宜変更しうるものである。
【００２７】
また、上記実施例において、押え部材１６は、その厚みを薄くするために金属で形成する事もできるが、この場合、外筒１３と押え部材１６の側壁の間の防水性は加締めによるシールだけが頼りとなるので、若干防水性が低下する恐れが有る。そのため、この場合は、例えばシール部材１５の下端を拡径してシール部材１５と外筒１３の間でも防水のシール面を形成する様にしてシール性を補うようにするのが好ましい。
【００２８】
さらに、押え部材１６を殆ど変形しない硬質の樹脂又はセラミックスで形成した場合には、外筒１３と同時に側壁を加締める事が出来ないので、その場合には、シール部材１５の拡径部において、外筒１３を加締めるようにすればよい。但し、この場合には、押え部材１６がシール部材１５に強固に固定されないと抜け落ちる恐れが有るので、外筒１３の上端部を内側に折り曲げて押え部材１６が抜け落ちない様にすることが望ましい。
【００２９】
また、図４にシール構造の参考例を示すように、シート状の撥水性フィルタ２５０を筒状部材２５５によって、シール部材２１４の複数の通気孔１４ａ内を閉塞する様に配置する事も出来る。尚、同図は、図２（ａ）のＢ−Ｂ断面に相当する断面図である。
以上
【００３０】
この場合、シート状のフィルタを通気孔内に保持するための押え部材は必要なくなり、筒状部材２５５と通気孔１４ａ内壁との間に撥水性フィルタ２５０が狭持されることになる。
【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】本発明の実施例に係るシールユニットの構成を示す説明図である。
【図３】本発明の実施例に係るシールユニットの構成を示す説明図である。
【図４】実施例の変形例に係るシールユニットの構成を示す説明図である。
【符号の説明】
１・・・酸素センサ、２・・・検出素子、９・・・主体金具、
１３・・・外筒、１４・・・シールユニット、１５・・・シール部材、
１５ａ，１５ｃ・・・通気孔、１５ｂ・・・挿通孔、１５ｄ・・・突出部、
１６・・・押え部材、１６ａ，１６ｃ・・・通気孔、１６ｂ・・・係止孔、
２０，２１・・・リード線、４７・・・開口端部、
５０・・・撥水性フィルタ

Claims

検出素子と
前記検出素子を保持する主体金具と、
前記検出素子の上端側に大気から隔離された基準ガス空間を形成する外筒と、
前記外筒と共に前記基準ガス空間を形成する弾性体からなるシール部材と、
を有するガスセンサであって、
前記シール部材には、大気側から基準ガス空間内に導入されたリード線を挿通する挿通孔と、少なくとも複数の通気孔が形成されており、
前記挿通孔と前記通気孔は、いずれも前記シール部材の上端面に開口部を有し、
且つ、前記通気孔の開口部の内の少なくとも１つが前記挿通孔の開口部の外側に開口しており、
前記通気孔は通気性のフィルタによって閉塞されており、
且つ、前記フィルタは、前記フィルタの上端面の少なくとも一部を覆うように設けられた押え部材と、前記シール部材とによって狭持されている事、
を特徴とするガスセンサ。
前記押え部材は前記シール部材を内部に収容するために、その外周縁から一方向に延びる側壁を有する事、
を特徴とする請求項１記載のガスセンサ。
前記押え部材の前記通気孔の開口部に対向する位置には、通気窓が形成されており、
前記通気窓の径は、前記押え部材の軸方向厚さ以下である事、
を特徴とする請求項１乃至２のいずれかに記載のガスセンサ。
前記通気窓の径は、１．５ｍｍ以下である事、
を特徴とする請求項３記載のガスセンサ。
前記押え部材は弾性体からなる事、
を特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載のガスセンサ。
前記押え部材は、シール部材よりも硬度が高い弾性体からなる事、
を特徴とする請求項５記載のガスセンサ。
前記押え部材は金属からなる事、
を特徴とする請求項１乃至６のいずれかに記載のガスセンサ。
前記押え部材は樹脂からなる事、
を特徴とする請求項１乃至６のいずれかに記載のガスセンサ。
前記挿通孔の開口部は、前記シール部材の軸心を中心とするピッチ円上に配設されており、
前記通気孔の少なくとも１つの開口部は、前記ピッチ円よりも外側に配設されている事、
を特徴とする請求項１乃至８のいずれかに記載のガスセンサ。