JP6772082B2 - ガスセンサ - Google Patents
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Description
そこで、加締め力を高くして滑石粉末への押圧力を高める対策が考えられる。しかしながら、センサ素子の小型化に伴ってセンサ素子の耐圧が低下すると、図3に示すように加締め力を高くした際に押圧力がセンサ素子の耐圧を超え、センサ素子が折れる可能性がある。
又、上記特許文献1には、セラミックホルダ及びセラミックスリーブを、主体金具と同等の熱膨張率のステンレス等の金属部材とすることで、これら金属部材を主体金具と同様に膨張させ、加締めによる押圧力を維持することが記載されている。しかしながら、セラミックホルダ及びセラミックスリーブを金属製とするとコストアップを招くので実現が難しい。
このガスセンサによれば、第1セラミックホルダによるセンサ素子の保持長さが長くなり過ぎないので、組み付け時にセンサ素子の軸心が第1セラミックホルダの軸心とぶれても素子が折れ難い。
このガスセンサによれば、高温の排気ガス等がガスセンサの先端側から伝わっても、粉末充填部材よりも先端側の第2セラミックホルダの軸線方向の長さが相対的に長いので、粉末充填部材に熱が伝わり難くなり、粉末充填部材の熱劣化に伴うシール性の低下をさらに抑制できる。
図1は、本発明の実施形態のガスセンサ(酸素センサ)100の軸線O方向に沿う断面図である。なお、図1において、下側が軸線方向先端側(以下、単に先端側ともいう)であり、上側が軸線方向後端側(以下、単に後端側ともいう)である。
酸素センサ100は、図示しない自動車の排気系に取り付けられ、内部に保持するセンサ素子120の検出部121が排気ガス(被検出ガス)中に晒されて、排気ガス中の酸素(特定ガス成分)の濃度を測定する。
更に、この検出部121には、検出電極を測定ガス中に含まれるオイル等による被毒から保護するため、その外表面を覆うようにして保護層125が設けられている。また、このセンサ素子120の後端部129には、ガス検出体やヒータから電極を取り出すための5個の電極パッド128,128,…(図1ではそのうちの3つを図示している。)が形成されている。
また、主体金具110の外周中央には、取り付け用の工具が係合する工具係合部117が形成されている。また、主体金具110には、この工具係合部117と雄ねじ部111との間にガスケット119が嵌挿されている。更に、工具係合部117の後端側には外筒151が固定され、更にその後端側には、主体金具110内にセンサ素子120を加締め保持するための付与手段(加締め部)118が形成されている。
更に、主体金具110の内側のうち、第2セラミックホルダ131の後端側には、滑石粉末133が、センサ素子120を挿通した状態で配置されている。そして、この滑石粉末133を後端側から押さえるようにして、筒状の第1セラミックホルダ135が主体金具110内に嵌め込まれている。この第1セラミックホルダ135の後端向き面の外周側は面取りされており、この面取り部に円環状の加締めパッキン143が配置されている。そして、主体金具110の加締め部118が、この加締めパッキン143を介して第1セラミックホルダ135の面取り部を先端側に押圧するようにして加締めている。
また、外筒151とセパレータ145との間隙には、金属製で筒状をなす保持金具153が配設されている。この保持金具153は、自身の後端を内側に折り曲げて構成した支持部154を有し、自身の内部に挿通されるセパレータ145の後端側外周に鍔状に設けられた鍔部146をこの支持部154に係止させて、セパレータ145を支持している。
なお、セパレータ145の後端側にて外筒151が縮径しており、この縮径部にセパレータ145の後端向き面が係止されて軸線O方向に移動が規制されつつ、支持部154によってセパレータ145が保持されている。さらに、保持金具153の外側部位にて外筒151が内側に向かって保持金具153ごと加締められ、セパレータ145を支持した保持金具153が外筒151に固定されている。
又、第1セラミックホルダ135の先端向き面及び後端向き面は、いずれも中央部が平坦面をなし、外周縁が面取りされている。そして、第1セラミックホルダ135の後端(最後端)135eは、加締め部118の後端(最後端)118eよりも先端側に位置している。
まず、滑石粉末133は、第1セラミックホルダ135及び第2セラミックホルダ131よりも熱膨張率が高い無機材料からなる。例えば、本実施形態では、滑石粉末133はタルクであり、第1セラミックホルダ135及び第2セラミックホルダ131はアルミナからなる。
そして、第1セラミックホルダ135の後端向き面と、第2セラミックホルダ131の先端との間の軸線O方向の距離をLとし、滑石粉末133の軸線O方向の長さをMとしたとき、0.40<(L−M)/L<0.58の関係を満たす。
従って、(L−M)/Lは、全体の押圧長さLに対する、第1セラミックホルダ135及び第2セラミックホルダ131の有効長さ(L−M)の割合を示し、この比が高いほど、滑石粉末133に比べて第1セラミックホルダ135及び第2セラミックホルダ131が長いことを表す。
例えば、図2の場合、加締め部118の押圧力は加締めパッキン143を介して間接的に第1セラミックホルダ135に付与されているが、加締めパッキン143は変形して面として潰れているので、加締めパッキン143と第1セラミックホルダ135との接面のうち最も後端側の部位Pを「後端向き面」とみなす。
例えば、図2の場合、第2セラミックホルダ131の「先端」とは、主体金具110の内周の段部115との接面のうち最も先端側の部位Qとする。
これは、第2セラミックホルダ131の先端向き面は本実施形態では先細りのテーパ状をなし、又は面取りされている場合もあって単純な平坦面でないことが多く、最先端Sや最後端Tを第2セラミックホルダ131の「先端」とみなすと、距離Mを極端に短く又は長く見積もってしまう可能性があるためである。
同様に、距離Mの算出に当たり、滑石粉末133の軸線O方向の先端は、滑石粉末133と接する第2セラミックホルダ131の最先端Uと、最後端Vとの軸線O方向の中点C2とする。
これにより、図3に示すように、ガスセンサが高温になったときの押圧力の低下割合を小さくすることができるので、滑石粉末133への押圧力を高める必要がなく、センサ素子120の破損を抑制しつつ、高温時のシール性の低下を抑制できる。
一方、(L−M)/L≦0.40の場合、押圧長さLに対して第1セラミックホルダ135及び第2セラミックホルダ131の有効長さ(L−M)が短い、つまり、押圧長さLに対して滑石粉末133の長さMが長くなり過ぎ、滑石粉末133の圧縮によってセンサ素子120に荷重が掛かり過ぎ、センサ素子120が破損する恐れがある。
又、(L−M)/L≧0.58の場合、押圧長さLに対して滑石粉末133の長さMが短くなり過ぎ、シール長さが短くなって高温時のシール性が低下する。
このようにすると、高温の排気ガス等が酸素センサ100の先端側から伝わっても、滑石粉末133よりも先端側の第2セラミックホルダ131の軸線O方向の長さT2が相対的に長いので、滑石粉末133に熱が伝わり難くなり、滑石粉末133の熱劣化に伴うシール性の低下をさらに抑制できる。
なお、長さT1、T2は、それぞれ第1セラミックホルダ135及び第2セラミックホルダ131の先端と後端との間の長さである。これは、長さT2>T1として軸線O方向の熱の伝達を制御するためには、上述の押圧力に関与する長さではなく、第1セラミックホルダ135及び第2セラミックホルダ131の正味の軸線O方向の長さが影響するからである。
従って、素子折れ防止の観点からは、図1のように第1セラミックホルダ135eの後端135eが、加締め部118の後端118eと面一か、又は後端118eよりも先端側に位置することが好ましい。
この場合、例えば主体金具310の後端部310eの外周面に沿って凹部310rを設けておき、金属キャップ340を第1セラミックホルダ335の後端側から被せ、金属キャップ340の挿通孔からセンサ素子120を後端側に突出させる。そして、凹部310rに噛み合うように金属キャップ340の外周面を径方向内側に加締め、金属キャップ340を主体金具310に固定すればよい。又、金属キャップ340を覆うように、適宜図1と同様な外筒151を外嵌すればよい。
なお、金属ホルダ312、第2セラミックホルダ331、滑石粉末333は、それぞれ図4の金属ホルダ212、第2セラミックホルダ231、滑石粉末233と同一である。
粉末充填部材としては、無機材料からなる粉末であればよく、滑石に限られない。
各酸素センサ100につき、シール性を下部リーク測定で評価した。具体的には、図1の主体金具110にセンサ素子120及びプロテクタ160を組み付けてなる下部ASSYのプロテクタ160側から0.6MPaの圧力で空気を下部ASSY内に導入し、その時のセンサ素子120と滑石粉末133との隙間、及び、滑石粉末133と主体金具110との隙間からのエアリーク量の合計が0.3cc/min以下である場合は〇、それ以上の場合は×とした。
又、各酸素センサ100につき、センサ素子120の折れの有無を素子折れ試験で評価した。具体的には、センサ素子120を酸素センサ100に組み付けた際に折れが発生したか否かで判断し、1本でも折れが生じた場合は×とした。
得られた結果を表1に示す。
一方、(L−M)/L≦0.40である試験例1,2の場合、素子折れが生じ、総合評価が劣った。これは、押圧長さLに対して滑石粉末133の長さMが長くなり過ぎ、滑石粉末133の圧縮によってセンサ素子120に荷重が掛かり過ぎたためと考えられる。
(L−M)/L≧0.58である試験例6,7の場合、押圧長さLに対して滑石粉末133の長さMが短くなり過ぎ、シール長さが短くなってシール性が低下した。
110、310 主体金具
118、340 付与手段
118e 付与手段の後端
120 センサ素子
121 検出部
131、231、331 第2セラミックホルダ
133、233、333 粉末充填部材
135、235、335 第1セラミックホルダ
135e 第1セラミックホルダの後端
O 軸線
L 第1セラミックホルダの後端向き面と、第2セラミックホルダの先端との間の軸線方向の距離
M 粉末充填部材の軸線方向の長さ
T1 第1セラミックホルダの軸線方向の長さ
T2 第2セラミックホルダの軸線方向の長さ
Claims (3)
- 軸線方向に延びて先端側に検出部を有するセンサ素子と、
筒状をなし、前記センサ素子を自身の内側に保持する主体金具と、
無機材料からなり、前記センサ素子と前記主体金具との隙間をシールする粉末充填部材と、
前記粉末充填部材の後端側に接すると共に、前記センサ素子と前記主体金具との間に配置され、自身の後端側に前記センサ素子を突出させる筒状の第1セラミックホルダと、
前記粉末充填部材の先端側に接すると共に、前記センサ素子と前記主体金具との間に配置され、自身の先端側に前記センサ素子を突出させる筒状の第2セラミックホルダと、を備えたガスセンサであって、
前記粉末充填部材は、前記第1セラミックホルダ及び前記第2セラミックホルダよりも熱膨張率が高く、
前記第1セラミックホルダ、前記粉末充填部材及び前記第2セラミックホルダは、前記主体金具の後端部が内側に屈曲して前記第1セラミックホルダの後端向き面に対して直接的、または間接的に押圧力を付与してなる付与手段によって、後端側から先端側へ向かって押圧された状態で固定されており、
前記第1セラミックホルダの前記後端向き面と、前記第2セラミックホルダの先端との間の前記軸線方向の距離をLとし、前記粉末充填部材の前記軸線方向の長さをMとしたとき、0.41≦(L−M)/L≦0.57の関係を満たすことを特徴とするガスセンサ。 - 前記第1セラミックホルダの後端が、前記付与手段の後端と面一か、又は前記付与手段の後端よりも先端側に位置することを特徴とする請求項1に記載のガスセンサ。
- 前記第2セラミックホルダの前記軸線方向の長さが、前記第1セラミックホルダの前記軸線方向の長さよりも長いことを特徴とする請求項1又は2に記載のガスセンサ。
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