JP5130392B2 - 排気ガスセンサ - Google Patents

Description

本発明は、例えば車両などに搭載された内燃機関の排気管に搭載され、排気ガス中の特定成分の検出を行う排気ガスセンサに関する。

車両に搭載された内燃機関の排気管には、排気ガス中の特定成分を検出する排気ガスセンサが取り付けられており、この排気ガスセンサの検出結果を基にして排気エミッションの低減制御が行われる。排気ガスセンサとしては種々あるが、酸素センサは多用されており（下記［特許文献１］参照）、そのほかにもＮＯｘセンサやリニア空燃比センサなどがある。

特開平９−２２２４１６号公報

これらの排気ガスセンサの内部には、成分検出用の素子が収納されているが、排気ガス中の水蒸気が凝縮し、この凝縮水がセンサ内部の素子に達して素子割れが発生する場合があった。そこで、この種のセンサでは、素子の周囲にプロテクタと呼ばれるカバーが取り付けられている。プロテクタは排気ガス中の異物が素子に付着するのを抑制する役目もある。しかしながら、センサ（プロテクタ）内部での凝縮によって発生した凝縮水によって素子割れが発生することもあった。

上記特許文献１によれば、酸素センサの外部から内部への凝縮水の侵入を抑制することができる。しかしながら、センサ内部で生じた凝縮水に対する対策は十分なものではなかった。

そこで、本発明は、センサ内部で生じた凝縮水による素子割れをより効果的に抑制することが可能な排気ガスセンサを得ることを目的とする。

請求項１に記載の排気ガスセンサは、排気ガス中の特定成分の濃度を検出する検出部を
備えた検出素子と、検出素子の基端側を保持しつつセンサ取付部への取付機構を備えたホ
ルダと、ホルダに取り付けられて上記検出素子の上記検出部を保護するプロテクタとを備
える排気ガスセンサにおいて、上記ホルダに形成された検出素子挿入孔の内表面と上記検
出部表面とのクリアランスを、上記プロテクタの内表面と上記検出部表面とのクリアラン
スより小さくし、前記プロテクタにはガス流通孔が形成され、前記検出素子挿入孔の内表面と前記検出部表面とのクリアランスは、当該検出素子挿入孔のホルダ先端側のクリアランスであり、前記プロテクタの内表面と前記検出部表面とのクリアランスは、前記ホルダの先端に最も近いガス流通孔とホルダ先端との間の領域でのクリアランスであり、前記ホルダに形成された検出素子挿入孔の内表面と前記検出部表面とのクリアランス、および前記プロテクタの内表面と前記検出部表面とのクリアランスを、０．１ｍｍ以上０．９ｍｍ未満に設定し、前記ホルダに形成された検出素子挿入孔の内表面と前記検出部表面とのクリアランスの断面、および前記プロテクタの内表面と前記検出部表面とのクリアランスの断面を、センサの軸方向に沿って一定としたことを特徴とする。なお、検出素子の検出部とは、排気ガスに晒される部位を示す。

請求項１に記載の排気ガスセンサによれば、検出素子挿入孔の内表面と検出部表面との
クリアランスを、プロテクタの内表面と検出部表面とのクリアランスより小さくしたため
、検出素子挿入孔の内表面と検出部表面との間の空間で生じた凝縮水は、プロテクタの内
表面と検出部表面との間の空間に抜けやすく、プロテクタの内表面と検出部表面との間の
空間で生じた凝縮水は、検出素子挿入孔の内表面と検出部表面との間の空間へ浸入しにく
くなる。すなわち、かかる構成によれば、センサ内部で生じた凝縮水がセンサの内部側に
は浸入し難くかつ外部側には抜けやすくなるため、センサ内部で生じた凝縮水が残留する
ことによる素子割れを抑制することができる。
また、最も素子割れが生じやすいホルダの先端部付近で、センサ内部で生じた凝縮水による素子割れを抑制することができる。
さらに、排気ガス中に含まれた水分がセンサ内部で凝縮しても、その滴径が０．９ｍｍ未満であればすぐに蒸発するため、上記各クリアランスを０．９ｍｍ未満とすることで素子割れを抑制することができる。また、上記各クリアランスを０．１ｍｍ以上とすることで、検出部がホルダの検出素子挿入孔の内表面やプロテクタの内表面と接触して、検出性能が低下したり組み付け時に損傷が生じたりするのを抑制することができる。
また、上記各クリアランスの断面をセンサの軸方向に沿って一定とすることで、クリアランスの設定および製造時の管理が容易になるため、上記本発明による作用および効果をより確実に得られるようになる。

本発明の酸素センサの一実施形態の先端部断面図である。 凝縮水滴径（クリアランス幅）と素子割れ発生率との関係を示すグラフである。

以下、本発明の酸素センサの具体的な実施形態について図面を参照しながら詳細に説明する。本実施形態では、排気ガスセンサを、自動車用内燃機関の排気管に装着された空燃比検出用の酸素センサとして実施した場合について例示する。図１は、本実施形態の酸素センサの先端部の断面図（酸素センサの中心軸を含む断面での断面図）、図２は、凝縮水の水滴径（クリアランスの大きさ）と素子割れ発生比率との相関関係を示すグラフである。

図１に示されるように、ホルダ２はセンサ１の先端部側に配設されており、鋼材等の金属材料により形成されている。ホルダ２の外周側には、排気管２０側に固定するためのねじ部２ａが形成されている。また、ホルダ２の先端側には、筒状のプロテクタ嵌合部が形成されている。また、ホルダ２の内周側には、断面円形の検出ロッド（検出素子）３が挿通される挿入孔２ｂが設けられている。

検出ロッド３は、ホルダ２に形成された素子挿入孔を貫通して図１の左右両側に露出しており（ただし右側部分は図示せず）、排気ガスに晒される側（図１の左側）の先端部には酸素測定部（検出部）３ａが形成されている。酸素測定部３ａは、電極層や固体電解質層や、これらの層を保護する保護層が印刷後焼結されることで構築されている。

この検出ロッド３には、ヒータパターンなども印刷形成されており、これに通電することで酸素測定部３ａを早期に活性化温度まで昇温させることも可能である。また、検出ロッド３の図１に図示されている端部（酸素測定部３ａ）側から反対側の端部（図１より右側の領域；図示せず）にかけては、電極層のリード部や参照ガス（通常は空気）を拡散させるガス拡散層、これらの層の保護層などが印刷後焼結されることで構築されている。この部分はホルダ２の挿入孔２ｂの内面と接触し、ホルダ２によって検出ロッド３が保持されている。なお、上述した酸素測定部３ａは、ホルダ２の先端側に形成された略円筒状の挿入孔２ｂの内面とは接触していない。

酸素測定部３ａは、ホルダ２に溶接やかしめ等で固定された二重管構成の有底円筒状のプロテクタ４ｉ，４ｏ内に挿入されている。内側および外側のプロテクタ４ｉ，４ｏにはそれぞれガス流通用の流通孔（円孔）４ａ，４ｂが形成されており、検出ガスは、これら流通孔４ａ，４ｂを経由してプロテクタ４ｉ，４ｏ内に進入して酸素測定部３ａの周囲に到達する。なお、図１中の符号５で示される部材は、酸素センサ１を排気管２０の取付部に取り付けた際に、その接続部分のシールを行うシール部材である。

これら流通孔４ａ，４ｂは、センサ軸方向に対してずらして開口されている。このようにすることで、排気ガス中に含まれる凝集水の水滴が内側のプロテクタ４ｉ内部の酸素測定部３ａに到達しにくくしてある。

ところが、上述したように、プロテクタ４ｉ内部で凝集して水滴となる水分もある。そこで、この水分との接触による酸素測定部３ａの素子割れを抑制するため、本実施形態では、酸素測定部３ａの表面とホルダ２の挿入孔２ｂの内表面との間のクリアランスＤ１を、酸素測定部３ａの表面と内側プロテクタ４ｉの内表面との間のクリアランスＤ２より小さくしてある。

こうすることで、酸素測定部３ａの表面とホルダ２の挿入孔２ｂの内表面との間の空間で生じた凝縮水は、酸素測定部３ａの表面と内側プロテクタ４ｉの内表面との間の空間に抜けやすくなり、また、酸素測定部３ａの表面と内側プロテクタ４ｉの内表面との間の空間で生じた凝縮水は、酸素測定部３ａの表面とホルダ２の挿入孔２ｂの内表面との間の空間へ浸入しにくくなる。すなわち、かかる構成によれば、センサ１の内部で生じた凝縮水がセンサ１の内部側には浸入し難くかつ外部側には抜けやすくなるため、センサ１の内部で生じた凝縮水が残留することによる素子割れを抑制することができる。

さらに、本実施形態では、酸素測定部３ａの表面とホルダ２の挿入孔２ｂの内表面との間のクリアランスＤ１及び酸素測定部３ａの表面と内側プロテクタ４ｉの内表面とのクリアランスＤ２は、いずれも、０．９ｍｍ以上１．４ｍｍ未満の範囲を除いて設定されている。すなわち、クリアランスＤ１，Ｄ２は、０．９ｍｍ未満か、あるいは、１．４ｍｍ以上に設定されている。

この酸素センサ１は、排気管２０に対して、先端を下方に向けて取り付けられる。よって、センサ内部で発生する凝縮水の滴径が１．４ｍｍ以上であれば、水滴の自重によって下方に滴下して酸素測定部３ａに接触することはない。すなわち、上述したクリアランスＤ１，Ｄ２が１．４ｍｍ以上とされていれば、凝縮水との接触による酸素測定部３ａの素子割れを抑制できるのである。このことが、図２中のグラフの一点鎖線によって示されている。

一方、センサ内部で発生する凝縮水の滴径が０．９ｍｍ未満であれば、水滴は排気ガスの熱ですぐに蒸発してしまう。よって、クリアランスＤ１，Ｄ２が０．９ｍｍ未満であれば、凝縮水はすぐに蒸発するために酸素測定部３ａの素子割れを抑制できるのである。このことが、図２中のグラフの実線によって示されている。これらのことを考慮すると、クリアランスＤ１，Ｄ２を０．９ｍｍ以上１．４ｍｍ未満を除く範囲に設定しておけば、酸素測定部３ａの素子割れを抑制できる。

なお、クリアランスＤ１，Ｄ２を０．９ｍｍ未満とする場合でも、０．１ｍｍ以上０．９ｍｍ未満とされることが特に好ましい。酸素測定部３ａは、ホルダ２の挿入孔２ｂの内表面や内側プロテクタ４ｉの内表面と接触させないことが好ましく、０．１ｍｍ以上のクリアランスは確保することが好ましい。また、クリアランスＤ１，Ｄ２を１．４ｍｍ以上とする場合でも、１．４ｍｍ以上７．０ｍｍ未満とされることが特に好ましい。クリアランスＤ１，Ｄ２を７．０ｍｍ以上とすると、酸素センサ１の大型化を招いてしまう。また、通常酸素センサ１の排気管２０への取付孔（ねじ部２ａ）は、Ｍ１８のねじの規格を用いているため、クリアランスＤ１，Ｄ２を７．０ｍｍ以上とするとねじ込めない大きさとなってしまい、大きな改変が必要となってしまう。

特に、上述したクリアランスＤ２の好ましい範囲に関しては、少なくとも、内側プロテクタ４ｉに設けられた流通孔４ａ（最もホルダ２の先端に近いもの）よりもホルダ２側の範囲に対して適用されることが好ましい。排気ガス（被測定ガス）中の水分による凝縮水は、流通孔４ａよりもホルダ２側に停滞しやすいため、この範囲に上述したクリアランスＤ２の好ましい範囲を適用することで、効果的に素子割れを抑制することができる。

また、上述したクリアランスＤ１，Ｄ２に関しては、断面ほぼ一定の円環状に形成されることが好ましい。上述したように、排気ガス（被測定ガス）中の水分による凝縮水は、流通孔４ａよりもホルダ２側に停滞するため、その間のクリアランス形状を規定することで検出素子の素子割れを効果的に抑制できる。

さらに、上述した実施形態のように、検出ロッド３の先端側に拡大部分が形成され、当該拡大部分の一般部分（非拡大部分）との境界が挿入孔２ｂのホルダ先端側の筒状領域内に配置される構造にあっては、当該筒状領域内では、保護層で被覆されず比較的細くなっている非拡大部分（基端側部分）の表面と筒状領域の内面とのクリアランスが最大となる場合もあるが、その場合には、当該最大クリアランスがプロテクタ４ｉの内表面と検出部表面（拡大部分の表面）とのクリアランスＤ２（最小のクリアランス）より小さいことが望ましい。

本発明の排気ガスセンサは、上述した実施形態のものには限定されない。例えば、上述した実施形態では排気ガスセンサとして酸素センサである場合を説明したが、排気ガス中の特定成分を測定する他の排気ガスセンサ（ＮＯｘセンサやリニア空燃比センサやＨＣセンサなど）であってもよい。また、上述した実施形態の排気ガスセンサは、ロッド型の検出素子を持つ酸素センサであったが、コップ型又はプレート型（板状）の検出素子を持つ酸素センサなどであってもよい。

また、上記実施形態から把握し得る請求項以外の技術思想について、以下にその効果と共に記載する。

（イ）請求項１に記載の排気ガスセンサでは、上記ホルダに形成された検出素子挿入孔の内表面と上記検出部表面との最大クリアランスを、上記プロテクタの内表面と上記検出部表面との最小クリアランスより小さくするのが好適である。

こうすれば、例えば、略円筒状のプロテクタおよび検出素子挿入孔に矩形断面の検出素子が挿入されている場合等、場所によってクリアランスの大きさが変化する構造の排気ガスセンサであっても、クリアランスの大小関係を維持できるため、センサ内部で生じた凝縮水が当該内部に留まるのをより確実に抑制することができる。

（ロ）請求項１に記載の排気ガスセンサでは、上記ホルダに形成された検出素子挿入孔
の内表面と上記検出部表面とのクリアランス、および上記プロテクタの内表面と上記検出
部表面とのクリアランスを、０．１ｍｍ以上とするのが好適である。

こうすれば、酸素測定部がホルダの挿入孔の内表面やプロテクタの内表面と接触して、検出性能が低下したり組み付け時に損傷が生じたりするのを抑制することができる。

（ハ）請求項１および上記（イ）、（ロ）のうちいずれか一つに記載の排気ガスセンサでは、上記検出素子の先端側に拡大部分が形成され、当該拡大部分の境界が上記検出素子挿入孔のホルダ先端側の筒状領域内に配置されるようにするのが好適である。

こうすれば、筒状領域を設けたことによって検出素子先端側の拡大部分が検出素子挿入孔の内壁と干渉して損傷を受けたりする不具合を抑制することができる構造の排気ガスセンサにおいて、センサ内部に生じた凝縮水が当該センサ内部に留まるのをより確実に抑制することができる。

さらに、この場合においては、非拡大部分（境界より基端側の部分）の表面と筒状領域の内面とのクリアランス（最大クリアランス）が、プロテクタの内表面と検出部表面（拡大部分の表面）とのクリアランス（最小クリアランス）より小さいことが好適である。

（ニ）請求項１および上記（イ）、（ロ）、および（ハ）のうちいずれか一つに記載の排気ガスセンサでは、上記ホルダに形成された検出素子挿入孔の内表面と上記検出部表面とのクリアランスの断面、および上記プロテクタの内表面と上記検出部表面とのクリアランスの断面を、センサの軸方向に沿って略一定とするのが好適である。

こうすれば、クリアランスの設定（設計）および製造時の管理が容易になるため、上記本発明による作用および効果をより確実に得られるようになる。特に、これらクリアランスを双方とも円環状とすれば、当該作用および効果をより一層確実に得られるようになる。

（ホ）請求項１に記載のガスセンサでは、上記ホルダに形成された検出素子挿入孔の内表面と上記検出部表面とのクリアランス、および上記プロテクタの内表面と上記検出部表面とのクリアランスを、０．９ｍｍ未満に設定するのが好適である。

こうすれば、凝縮水がセンサ内部へ浸入しにくくなる上、センサ外部へ排出されやすくなり、さらに蒸発しやすくなるため、凝縮水がセンサ内部に留まるのをより一層抑制することができる。

１ 酸素センサ（排気ガスセンサ）
２ ホルダ
２ａ ねじ部
２ｂ 検出素子挿入孔
３ 検出ロッド（検出素子）
３ａ 酸素測定部（検出部）
４ｉ，４ｏ プロテクタ
４ａ，４ｂ 流通孔
Ｄ１，Ｄ２ クリアランス

Claims (1)

1. 排気ガス中の特定成分の濃度を検出する検出部を備えた検出素子と、検出素子の基端側を保持しつつセンサ取付部への取付機構を備えたホルダと、ホルダに取り付けられて前記検出素子の前記検出部を保護するプロテクタとを備える排気ガスセンサにおいて、
   前記ホルダに形成された検出素子挿入孔の内表面と前記検出部表面とのクリアランスを、前記プロテクタの内表面と前記検出部表面とのクリアランスより小さくし、
   前記プロテクタにはガス流通孔が形成され、
   前記検出素子挿入孔の内表面と前記検出部表面とのクリアランスは、当該検出素子挿入孔のホルダ先端側のクリアランスであり、
   前記プロテクタの内表面と前記検出部表面とのクリアランスは、前記ホルダの先端に最も近いガス流通孔とホルダ先端との間の領域でのクリアランスであり、
   前記ホルダに形成された検出素子挿入孔の内表面と前記検出部表面とのクリアランス、および前記プロテクタの内表面と前記検出部表面とのクリアランスを、０．１ｍｍ以上０．９ｍｍ未満に設定し、
   前記ホルダに形成された検出素子挿入孔の内表面と前記検出部表面とのクリアランスの断面、および前記プロテクタの内表面と前記検出部表面とのクリアランスの断面を、センサの軸方向に沿って一定としたことを特徴とする排気ガスセンサ。