JP6348405B2 - ガスセンサ - Google Patents

Description

本発明は、被測定ガス中の特定成分の濃度を検出するガスセンサに関する。

従来から、内燃機関の排気ガス中の特定成分（酸素、ＮＯｘ等）の濃度を検出するためのガスセンサが用いられている。一般にガスセンサは、軸線方向に延びるガスセンサ素子と、ガスセンサ素子を固定する筒状の主体金具と、主体金具の後端側に包囲状に設けられた金属製の外筒と、外筒内に先端側から順に配置されたセパレータ及びゴム製のグロメットと、を備えている。
そして、外筒と離間してグロメットを覆うキャップ状の保護部材を設け、飛石等が外筒に衝突してグロメット及びその内部のフィルタ部に衝撃が加わることを防止する技術が開示されている（特許文献１参照）。
又、ガスセンサが設置される排気管等の高熱によってグロメットが劣化することを防止するため、グロメットより先端側で外筒の外周に金属製の放熱部材を取り付けて放熱を図る技術が開示されている（特許文献２参照）。この放熱部材も、外筒と離間しつつグロメットを覆っているため、飛石等による衝撃を防止する機能を有している。

特許第５００２０３２号公報 特開２０１２−１５４７７４号公報

ところで、外筒内部には、グロメットの先端側にも他部材（セパレータ等）が配置されている場合が多い。しかしながら、上記した特許文献１、２記載の技術においては、グロメットの先端側のセパレータの部位では外筒が放熱部材で覆われずに露出している。このため、外筒のこの部位に飛石等が衝突すると、内部のセパレータに衝撃が伝わり、セパレータが破損するおそれや、セパレータに取り付けられた接続端子がずれて電気的接続が切断するおそれがある。
そこで本発明は、外筒に接してその内側に配置される内部部材に衝撃が加わることを防止することができるガスセンサを提供することを目的とする。

上記課題を解決するため、本発明のガスセンサは、軸線方向に向かって延びるガスセンサ素子と、前記ガスセンサ素子の径方向周囲を取り囲んで該ガスセンサ素子を保持する主体金具と、前記主体金具に取り付けられると共に、前記主体金具より後端に延びる金属製の外筒と、前記外筒に接しつつ該外筒の内側に配置され内部部材であり、自身に一つ以上の内部部材と、を備えたガスセンサであって、前記外筒の外周に取り付けられる筒状の保護部材をさらに備え、前記保護部材は、前記軸線方向における最も先端側の内部部材と前記外筒との接触位置の先端よりも先端側で、前記外筒に接続される接続部と、該接続部から後端側に延びつつ前記接触位置を覆うと共に、前記外筒の外周から離間する主部と、を有する。
ガスセンサにおいては、外筒の先端側の方が地面等により近いために飛石等が衝突し易い。従って、外筒の内側に配置される少なくとも一つ以上の内部部材のうち、軸線方向における最も先端側の内部部材の接触位置よりも先端側にて、接続部を外筒に接続することにより、接続部の後端側に延びる主部がこの接触位置を覆い、飛石等がより衝突し易い接触位置を保護する。これにより、接触位置の内側の内部部材に衝撃が加わることを防止することができる。

本発明のガスセンサにおいて、前記主部に開口が設けられていてもよい。
このガスセンサによれば、主部の内側の水抜きや、主部の内側に熱がこもるのを防止することができる。

本発明のガスセンサにおいて、前記開口は、前記軸線方向に延びる一辺を残して切り欠かれて径方向内側に押し込まれた複数の切欠部の間隙として構成され、前記複数の切欠部は周方向に沿って前記一辺を同じ向きにして並んでいてもよい。
このガスセンサによれば、進行風等の外気が一定方向から主部に当った場合に、切欠部をガイドとして外気が一辺側から主部の内側に導入される。このため、主部の内部では、軸線方向周りの旋回流として外気が導入され、旋回流として主部の内部のガスセンサ（外筒）に均等に当り、外気の背面となるガスセンサの部位をも冷却することができ、冷却効率が向上する。

本発明のガスセンサにおいて、前記主部の少なくとも後端側が前記軸線方向に沿って延びるストレート部を形成してもよい。
このガスセンサによれば、主部全体をテーパ等により拡径する場合に比べて主部の直径を小さくしつつ外筒と離間させることができ、ガスセンサの小型化を図ることができる。

この発明によれば、ガスセンサにおいて、外筒に接してその内側に配置される内部部材に衝撃が加わることを防止することができる。

本発明の実施形態に係るガスセンサの軸線方向に沿う全体断面図である。 保護部材の斜視図である。 保護部材の変形例を示す斜視図である。

以下、本発明の実施形態について説明する。
図１は、本発明の実施形態に係るガスセンサ１００の軸線ＡＸ方向に沿う全体断面図、図２は保護部材の斜視図である。このガスセンサ１００は、内燃機関の排気管などに装着され、測定ガスである排気ガス中の酸素濃度を、リッチ領域からリーン領域に渡ってリニアに検知する、いわゆる全領域空燃比センサである。

図１において、軸線ＡＸはガスセンサ１００の仮想中心軸であり、ガスセンサ１００は、軸線ＡＸ方向に沿って延伸された形状を有している。ガスセンサ１００は、酸素濃度に応じた信号を出力するガスセンサ素子１２０と、主体金具１１０とを備える。
主体金具１１０は軸線ＡＸ方向に沿った貫通孔１１０ｃを有する筒状の金属部材であって、ガスセンサ素子１２０の径方向周囲を取り囲んでガスセンサ素子１２０を保持すると共に、ガスセンサ１００を排気管に対して固定的に取り付けるためのものである。主体金具１１０の外側には、排気管に設けられたガスセンサ１００の取り付けのためのネジ溝に螺合するねじ部１１０ａや、ガスセンサ１００の取り付けの際にスパナやレンチなどの工具を係合させるための工具係合部１１０ｂが形成されている。

主体金具１１０の先端側には、二重の有底筒状のプロテクタ１０１が、レーザ溶接により固設されている。二重のプロテクタ１０１には、ガスセンサ１００を排気管に取り付けたときに、排ガスを内部に導入できるように、内側および外側の壁部のそれぞれに、複数の導入孔１０１ｃが形成されている。
主体金具１１０の後端側には、筒状の金属製の外筒１０３がレーザ溶接により固設されている。ガスセンサ１００の内部には、外筒１０３の後端側端部から、ガスセンサ１００と外部の制御回路とを電気的に接続するための３本のセンサ用リード線１９３，１９４，１９５と、２本のヒータ用リード線１９６，１９７とが挿通されている。なお、外筒１０３の後端側端部には、外筒１０３の内部を封止するためのフッ素ゴム製のグロメット１９１が取り付けられており、５種類のリード線１９３〜１９７は、グロメット１９１を貫通して、外筒１０３の内部に挿入されている。
グロメット１９１は、例えばシリコンゴムやフッ素ゴム等から形成することができる。

ガスセンサ素子１２０は、細長形状の板部材を積層した積層構造を有しており、軸線ＡＸに垂直な断面が略矩形形状となる四角柱形状を有している。ガスセンサ素子１２０は、主体金具１１０の貫通孔１１０ｃ内に固定的に保持されており、ガスセンサ１００の内部において、軸線ＡＸ方向に沿って収容される。なお、図１では、ガスセンサ素子１２０の積層方向に沿って互いに対向し合う第１と第２の面１２０ａ，１２０ｂがそれぞれ紙面左側および紙面右側に向いている。
ガスセンサ素子１２０の先端側（紙面下側）の端部には、排気ガス中の酸素濃度を検出可能に構成されたガス検出部１２１が設けられている。ガス検出部１２１は、プロテクタ１０１の内部に収容・配置されている。これによって、ガスセンサ１００が排気管に取り付けられたときに、ガス検出部１２１は、導入孔１０１ｃから導入された排ガスに曝される。

ここで、主体金具１１０の後端側（紙面上側）の外筒１０３内には、軸線ＡＸ方向に沿った貫通孔１８１ｃを有する筒状の絶縁部材であるセパレータ１８１が固定的に保持されている。具体的には、セパレータ１８１は、外周に配置された略筒状の付勢金具１９０によって、グロメット１９１に向かって付勢された状態で、外筒１０３内に保持されている。ガスセンサ素子１２０の後端側の端部は、そのセパレータ１８１の貫通孔１８１ｃ内に収容されている。
なお、グロメット１９１及び付勢金具１９０は、それぞれ外筒１０３に接しつつ外筒１０３の内側に配置されるので、特許請求の範囲の「内部部材」に相当する。又、セパレータ１８１は内部部材である付勢金具１９０を介して外筒１０３と離間しつつ、外筒１０３の内側に配置される。

ガスセンサ素子１２０の後端部には、第１の面１２０ａ側に、３つのセンサ用の電極パッド１２５、１２６、１２７が紙面奥行き方向に並列に配列され、第２の面１２０ｂ側に、２つのヒータ用の電極パッド１２８，１２９が紙面奥行き方向に並列に配列されている。さらに、セパレータ１８１の貫通孔１８１ｃ内には、３つのセンサ用の接続端子１８２，１８３，１８４と、２つのヒータ用の接続端子１８５，１８６とが、ガスセンサ素子１２０の対応する各電極パッド１２５〜１２９と接触するように設けられている。なお、各接続端子１８２〜１８６は、グロメット１９１を介してガスセンサ１００内に挿通された５本のリード線１９３〜１９７に電気的に接続されている。
セパレータ１８１に設けられた各接続端子１８２〜１８６は、ガスセンサ１００の先端側から後端側に向かって折り曲げられた板バネ構造を有しており、その弾性力によって、対応する各電極パッド１２５〜１２９を押圧する。

ガスセンサ素子１２０は、主体金具１１０の筒内における以下のような構成により、主体金具１１０に固定的に保持されている。主体金具１１０の貫通孔１１０ｃの先端側には、径方向内側に突出する段部１１１が形成されている。そして、主体金具１１０の貫通孔１１０ｃ内には、底面に貫通孔１１６ｃを有する金属カップ１１６が、その底面の外周端部が段部１１１と係合した状態で配置される。
金属カップ１１６の底面側の内部空間には、セラミックホルダ１１３が配置される。セラミックホルダ１１３は、アルミナ（Ａｌ_２Ｏ_３）によって構成され、中央に、ガスセンサ素子１２０を挿通するための矩形状の貫通孔１１３ｃが形成されている。

金属カップ１１６の内部には、金属カップ１１６の貫通孔１１６ｃと、セラミックホルダ１１３の貫通孔１１３ｃとに挿通されたガスセンサ素子１２０を気密に保持するための第１粉末充填層１１４（タルク）が形成されている。第１粉末充填層１１４は、セラミックホルダ１１３の上に滑石粉末を充填することにより形成される。このように、ガスセンサ素子１２０は、金属カップ１１６と、セラミックホルダ１１３と、第１粉末充填層１１４と、一体化された状態で、主体金具１１０の貫通孔１１０ｃ内に保持される。

主体金具１１０の貫通孔１１０ｃ内には、第１粉末充填層１１４の上に、さらに、主体金具１１０の後端側とガスセンサ素子１２０のガス検出部１２１との間の気密性を確保するための第２粉末充填層１１５（タルク）が、滑石粉末を充填することにより形成されている。そして、第２粉末充填層１１５の上にはセラミックスリーブ１７０が配置されている。
セラミックスリーブ１７０は、ガスセンサ素子１２０を挿通するための、軸線ＡＸ方向に沿った矩形状の軸孔１７０ｃを有する筒状体である。セラミックスリーブ１７０は、アルミナによって構成することができる。セラミックスリーブ１７０は、主体金具１１０の後端側の端部１１０ｋを径方向内側に屈曲させて加締めることにより、第２粉末充填層１１５側に押圧された状態で、主体金具１１０に固定される。なお、主体金具１１０の後端側の端部１１０ｋとセラミックスリーブ１７０との間には、加締リング１１７が配置される。

さらに、外筒１０３の外周には、筒状の金属製の保護部材１５０が固設されている。保護部材１５０は、外筒１０３の外周にレーザ溶接等により接続される接続部１５０ａと、接続部１５０ａから後端側に延びつつ外筒１０３の外周から離間する主部１５０ｂとを備えている。又、主部１５０ｂは、接続部１５０ａから後端側に向かってテーパ状に拡がるテーパ部１５０ｂ１と、テーパ部１５０ｂ１から後端側に向かって軸線ＡＸ方向に沿って延びるストレート部１５０ｂ２とを備えており、ストレート部１５０ｂ２の後端１５０ｅが開口している。
保護部材１５０は、例えばＳＵＳからなる。

ここで、内部部材であるグロメット１９１及び付勢金具１９０は、それぞれ接触位置１０３ｂ、１０３ａで外筒１０３と接しているが、外筒１０３の先端側の方が地面等により近いために飛石等が衝突し易い。従って、軸線ＡＸ方向における最も先端側の内部部材である付勢金具１９０の接触位置１０３ａの先端Ｆよりも先端側にて、接続部１５０ａを外筒１０３に接続することにより、接続部１５０ａの後端側に延びる主部１５０ｂが接触位置１０３ａを覆い、飛石等がより衝突し易い接触位置１０３ａを保護する。これにより、接触位置１０３ａの内側の付勢金具１９０に衝撃が加わることを防止し、ひいては付勢金具１９０に保持されたセパレータ１８１に衝撃が伝わり、セパレータ１８１に取り付けられた接続端子１８２〜１８６がずれて各電極パッド１２５〜１２９との電気的接続が切断することを防止することができる。
又、主部１５０ｂは、接触位置１０３ａを軸線ＡＸ方向に完全に覆わなくてもよく、接触位置１０３ａの先端を含む少なくとも一部を覆っていればよい。又、外筒１０３の後端側に位置する接触位置１０３ｂは先端側の接触位置１０３ａよりも飛石等が衝突する割合が少ないことから、必ずしも接触位置１０３ｂを主部１５０ｂで覆わなくてもよい。但し、すべての接触位置を主部１５０ｂが覆っていることが好ましい。

又、ガスセンサ１００の熱は、外筒１０３から接続部１５０ａに伝わるが、軸線ＡＸ方向における最も先端側の内部部材である付勢金具１９０の接触位置１０３ａよりも先端側に接続部１５０ａを配置することで、付勢金具１９０よりも後端側に位置するグロメット１９１と接続部１５０ａとの距離を大きくすることができる。このため、外筒１０３からの熱が接続部１５０ａから主部１５０ｂへ放熱される割合が多くなり、外筒１０３からグロメット１９１へ伝わる熱を低減してグロメット１９１の熱劣化を防止することができる。ここで、保護部材１５０の厚さは特に規定されないが、外筒１０３よりも薄い方が好ましい。保護部材１５０の方が外筒１０３よりも薄いと、放熱され易いからである。
又、本実施形態では、主部１５０ｂの後端側がストレート部１５０ｂ２を形成しているので、主部１５０ｂ全体をテーパ部等により拡径する場合に比べて主部１５０ｂの直径を小さくしつつ外筒１０３と離間させることができ、ガスセンサ１００の小型化を図ることができる。なお、テーパ部１５０ｂ１を設けずに接続部１５０ａから段状にストレート部１５０ｂ２を設けてもよいが、加工性の観点からはテーパ部１５０ｂ１を設けることが好ましい。

さらに、図２に示すように、主部１５０ｂには複数の開口１５２が設けられている。開口１５２は、主部１５０ｂの内側の水抜きや、主部１５０ｂの内側熱がこもるのを防止する作用を有するが、本実施形態ではさらに、外気を軸線ＡＸ方向周りの旋回流として保護部材１５０の内部に導入する作用を有している。
すなわち、開口１５２は、軸線ＡＸ方向に延びる一辺１５４Ｌを残してコ字状に切り欠かれ、径方向内側に押し込まれた切欠部１５４の間隙として構成されている。そして、各切欠部１５４は周方向に沿って一辺１５４Ｌを同じ向き（図２の例では、各一辺１５４Ｌが右側に向くよう）にして並んでいる。
これにより、例えば図２の右側から外気である進行風Ｗが主部１５０ｂに当った場合に、主部１５０ｂの手前側では切欠部１５４をガイドとして右側から進行風Ｗが主部１５０ｂの内側に導入される。又、主部１５０ｂの奥側では、手前側で導入された進行風Ｗの流れに沿った負圧により、切欠部１５４をガイドとして左側から進行風Ｗが主部１５０ｂの内側に導入される。このため、主部１５０ｂ（保護部材１５０）の内部では、軸線ＡＸ方向右周りの旋回流として進行風Ｗが導入され、主部１５０ｂの後端１５０ｅの開口から外部に抜けるようになる。このように、進行風Ｗが旋回流として主部１５０ｂの内部のガスセンサ１００（外筒１０３）に均等に当り、進行風Ｗの背面となるガスセンサ１００の部位をも冷却することができ、冷却効率が向上する。

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。
例えば、上記実施形態では、保護部材の主部に開口を設けたが、図３に示すように、保護部材１６０の主部１６０ｂに開口を設けなくてもよい。また図示はしないが、開口が貫通孔であっても良く、その形状も円形・楕円形状であっても良い。
さらに、ガスセンサ素子としては、上記した酸素センサ素子（全領域空燃比センサ素子）の他、λ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、板状の素子だけでなく、筒状の素子であってもよい。

１００ ガスセンサ
１０３ 外筒
１０３ａ、１０３ｂ 接触位置
１１０ 主体金具
１２０ ガスセンサ素子
１５０、１６０ 保護部材
１５０ａ、１６０ａ 接続部
１５０ｂ、１６０ｂ 主部
１５０ｂ２ ストレート部
１５２ 開口
１５４ 切欠部
１５４Ｌ 軸線方向に延びる切欠部の一辺
１９０ 内部部材（付勢金具）
１９１ 内部部材（グロメット）
ＡＸ 軸線
Ｆ 軸線方向における最も先端の接触位置の先端

Claims (4)

1. 軸線方向に向かって延びるガスセンサ素子と、
   前記ガスセンサ素子の径方向周囲を取り囲んで該ガスセンサ素子を保持する主体金具と、
   前記主体金具に取り付けられると共に、前記主体金具より後端に延びる金属製の外筒と、
   前記外筒に接しつつ該外筒の内側に配置される内部部材であり、自身に一つ以上の内部部材と、
   を備えたガスセンサであって、
   前記外筒の外周に取り付けられる筒状の保護部材をさらに備え、
   前記保護部材は、
   前記軸線方向における最も先端側の内部部材と前記外筒との接触位置の先端よりも先端側で、前記外筒に接続される接続部と、
   該接続部から後端側に延びつつ前記接触位置を覆うと共に、前記外筒の外周から離間する主部と、を有するガスセンサ。
2. 前記主部に開口が設けられている請求項１記載のガスセンサ。
3. 前記開口は、前記軸線方向に延びる一辺を残して切り欠かれて径方向内側に押し込まれた複数の切欠部の間隙として構成され、
   前記複数の切欠部は周方向に沿って前記一辺を同じ向きにして並んでいる請求項２記載のガスセンサ。
   
   
   
4. 前記主部の少なくとも後端側が前記軸線方向に沿って延びるストレート部を形成する請求項１〜３のいずれか一項に記載のガスセンサ。

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