JP7050584B2

JP7050584B2 - センサ

Info

Publication number: JP7050584B2
Application number: JP2018108386A
Authority: JP
Inventors: 雄次島崎; 賢太郎森; 紘也古田; 佳幸藤村; 一成今川
Original assignee: NGK Spark Plug Co Ltd; Nippon Steel Stainless Steel Corp
Current assignee: NGK Spark Plug Co Ltd; Nippon Steel Stainless Steel Corp
Priority date: 2018-06-06
Filing date: 2018-06-06
Publication date: 2022-04-08
Anticipated expiration: 2038-06-06
Also published as: JP2019211363A

Description

本発明は、被測定ガスの状態を検出するセンシング部と、センシング部の径方向周囲を取り囲む筒型のカバー体と、カバー体の後端側が固定される筒型のハウジングと、を備えたセンサに関する。

被測定ガスの状態を検出するセンシング部と、センシング部の径方向周囲を取り囲む筒型のカバー体と、カバー体の後端側が固定される筒型のハウジングと、を備えたセンサが知られている。
上記センサの一例としては、排気ガスなどの被測定ガスの濃度を検出するための酸素センサ，ＮＯｘセンサ，ＨＣセンサといったガスセンサや、被測定ガスの温度を検出するための温度センサ、被測定ガスの圧力を検出するための圧力センサ、被測定ガスの湿度を検出するための湿度センサ、被測定ガス中の粒子量を検出するための微粒子センサなどが挙げられる。

また、ガスセンサとしては、カバー体がインコネル６０１（登録商標）、ＳＵＳ３１０Ｓ等で構成されたものがある（特許文献１）。このガスセンサでは、ハウジングの先端に対してカバー体が溶接により取り付けられている。

国際公開第２０１３/０２４５７９号（段落００１４）

しかし、ＳＵＳ３１０Ｓで構成されたカバー体においては、冷熱サイクルで溶接部が酸化減量してカバー体が脱落するおそれがある。なお、インコネル６０１（登録商標）であれば冷熱サイクルで溶接部が酸化減量してカバー体が脱落することを抑制できるものの、近年のエンジン環境下では高温に長時間晒されることが想定され、その際には脆化が進行し、カバー体にクラックが生じるおそれがあることが判明した。
特に、カバー体は自身の後端部を筒型のハウジングに固定するため、筒型に形状歪みが付与されていることに起因し、カバー体に応力が掛かるので、よりクラックが生じやすい。さらに、センサの小型化、軽量化に伴ってカバー体が薄肉化すると、尚更クラックが生じやすくなる傾向にある。

本発明は、かかる現状に鑑みてなされたものであって、高温環境下での脆性及び耐酸化性に優れ、カバー体の脱落やクラックが生じることを抑制できるセンサを提供することを目的とする。

本発明のセンサは、後端側から先端側にかけて軸線方向に延び、内燃機関の排気管に取り付けられるセンサであって、前記排気管内に流通する被測定ガスの状態を検出するセンシング部と、前記排気管内に自身の少なくとも一部が露出すると共に、前記センシング部の径方向周囲を取り囲む筒型のカバー体と、前記カバー体の後端側が固定される筒型のハウジングと、を備えたセンサにおいて、前記カバー体は、Ｃｒ：１８質量％以上２２質量％以下、Ｎｉ：７質量％以上１２質量％以下、Ｓｉ：１．０質量％以上３．０質量％以下、Ｃ：０．０８質量％以下、Ｍｎ：２．０質量％以下、Ｐ：０．０４質量％以下、Ｓ：０．０１質量％以下、Ｎｂ：０．０５質量％以上０．３質量％以下およびＮ：０．１質量％以上０．２５質量％以下、ＲＥＭ：０．００１質量％以上０．１質量％以下を含有し、残部がＦｅおよび不可避的不純物からなるオーステナイト系ステンレス鋼で構成されること、を特徴とする。

このセンサによれば、カバー体を構成する上記オーステナイト系ステンレス鋼は、後述する比較測定結果（図２）に示すように、ＳＵＳ３１０Ｓに比べて、高温環境下（例えば、１０５０［℃］）においても、脆化が生じ難い特性がある。又、高温環境下においても、上記オーステナイト系ステンレス鋼は、耐酸化性に優れ、カバー体にクラックが生じることを抑制できる。
さらに、本発明のセンサに備えられるカバー体は、ＳＵＳ３１０Ｓで構成される従来のカバー体に比べて、同程度の強度を有することから、従来のカバー体に代わるカバー体として利用可能である。

本発明のセンサにおいて、前記カバー体は、側壁に複数のガス流通口を備えていてもよい。
ガス流通口を備えるカバー体は、流通口を形成する際に加工応力がさらに加わることで、よりクラックが生じやすくなる傾向にあるため、本発明がさらに有効となる。

本発明のセンサにおいて、前記カバー体は、側壁の後端部が溶接部を介して前記ハウジングの先端部に固定されていてもよい。
溶接部を介して固定されるカバー体は、溶接部で酸化減量が進みやすいため、本発明がさらに有効となる。

この発明によれば、高温環境下での脆性及び耐酸化性に優れ、カバー体の脱落やクラックが生じることを抑制できるセンサが得られる。

第１実施形態の全領域空燃比センサの全体構成を示す断面図である。第１実施形態と比較例との比較測定の測定結果である。第２実施形態の酸素センサの全体構成を示す断面図である。実施例の材料の組織の断面ＳＥＭ像を示す図である。比較例の材料の組織の断面ＳＥＭ像を示す図である。

以下、本発明が適用された実施形態について、図面を用いて説明する。
尚、本発明は、以下の実施形態に何ら限定されるものではなく、本発明の技術的範囲に属する限り種々の形態を採り得ることはいうまでもない。

［１．第１実施形態］
［１－１．全体構成］
図１は、本発明を適用した実施形態の全領域空燃比センサ２（以下、空燃比センサ２ともいう）の全体構成を示す断面図である。

空燃比センサ２は、ガスセンサの一種であって、例えば、自動車や各種内燃機関における空燃比フィードバック制御に使用するために、内燃機関の排気管に装着される。また、空燃比センサ２は、測定対象となる排ガス中の酸素（被測定ガス）を検出するガス検出素子を備えて構成される。

空燃比センサ２は、ハウジング３８と、ガス検出素子４と、カバー体４２と、セラミックスリーブ６と、絶縁コンタクト部材６６と、５個の接続端子１０と、を備えている。
ハウジング３８は、内燃機関の排気管に固定するためのネジ部３９が外表面に形成された筒型部材であり、ＳＵＳ４３０で構成されている。ガス検出素子４は、軸線方向（空燃比センサ２の長手方向：図中上下方向）に延びる板状形状である。カバー体４２は、ガス検出素子４の先端部周囲を覆うようにハウジング３８の先端側外周に固定された有底筒状の部材である。セラミックスリーブ６は、ガス検出素子４の径方向周囲を取り囲むように配置される筒状の部材である。絶縁コンタクト部材６６は、軸線方向に貫通するコンタクト挿通孔６８の内壁面がガス検出素子４の後端部の周囲を取り囲む状態で配置される。５個の接続端子１０は、ガス検出素子４と絶縁コンタクト部材６６との間に配置される金属部材である。

ガス検出素子４は、軸線方向に延びる板状形状をなし、測定対象となるガスに向けられる先端側（図中下方）に保護層に覆われたセンシング部８が形成され、後端側（図中上方）の外表面のうち表裏の位置関係となる第１板面２１および第２板面２３に電極端子部３０，３１，３２，３４，３６が形成されている。ガス検出素子４は、被測定ガスがセンシング部８に接触すると、被測定ガスの濃度等の状態に応じたセンサ出力信号を電極端子部から外部に出力する。

接続端子１０は、ガス検出素子４と絶縁コンタクト部材６６との間に配置されることで、ガス検出素子４の電極端子部３０，３１，３２，３４，３６にそれぞれ電気的に接続される。また、接続端子１０は、外部からセンサの内部に配設されるリード線４６にも電気的に接続されており、リード線４６が接続される外部機器と電極端子部３０，３１，３２，３４，３６との間に流れる電流の電流経路を形成する。

ハウジング３８は、軸線方向に貫通する貫通孔５４を有し、貫通孔５４の径方向内側に突出する棚部５２を有する略筒状形状に構成されている。ハウジング３８は、センシング部８を貫通孔５４の先端側外部に配置し、電極端子部３０，３１，３２，３４，３６を貫通孔５４の後端側外部に配置する状態で、貫通孔５４に挿通されたガス検出素子４を保持する。棚部５２は、軸線方向に垂直な平面に対して傾きを有する内向きのテーパ面として形成されている。

ハウジング３８の貫通孔５４の内部には、ガス検出素子４の径方向周囲を取り囲む状態で、環状形状のセラミックホルダ５１、粉末充填層５３，５６（以下、滑石リング５３，５６ともいう）、および上述のセラミックスリーブ６が、この順に先端側から後端側にかけて積層されている。

セラミックスリーブ６とハウジング３８の後端部４０との間には、加締パッキン５７が配置されている。ハウジング３８の後端部４０は、加締パッキン５７を介してセラミックスリーブ６を先端側に押し付けるように、加締められている。

セラミックホルダ５１とハウジング３８の棚部５２との間には、気密性を維持するための金属ホルダ５８が配置されている。金属ホルダ５８は、滑石リング５３やセラミックホルダ５１を保持する機能も有している。

つまり、ハウジング３８は、センシング部８を先端から突き出させた状態でガス検出素子４の径方向周囲を取り囲む構成である。
ガス検出素子４は、軸線方向に延びる板状形状に形成された素子部と、同じく軸線方向に延びる板状形状に形成されたヒータとが積層されて、長方形状の軸断面を有する板状形状に形成されている。なお、空燃比センサ２として用いられるガス検出素子４は従来公知のものであるため、その内部構造等の詳細な説明は省略する。

ガス検出素子４は、図１に示すように、先端側（図１における下方）のセンシング部８がハウジング３８の先端より突出すると共に、後端側の電極端子部３０，３１，３２，３４，３６がハウジング３８の後端より突出した状態で、ハウジング３８の内部に固定される。

そして、ハウジング３８の後端側外周には、外筒４４が固定されている。外筒４４の後端側（図１における上方）の開口部には、ガス検出素子４の各電極端子部３０，３１，３２，３４，３６とそれぞれ電気的に接続される５本のリード線４６（図１では３本が図示）が挿通されるリード線挿通孔６１が形成されたグロメット５０が配置されている。

また、ハウジング３８の後端部４０より突出されたガス検出素子４の後端側（図１における上方）には、絶縁コンタクト部材６６が配置される。なお、この絶縁コンタクト部材６６は、ガス検出素子４の後端側の表面に形成される電極端子部３０，３１，３２，３４，３６の周囲に配置されている。

［１－２．カバー体の構成］
カバー体４２は、複数のガス流通口を有する有底筒状に形成されており、ガス検出素子４の突出部分を覆う状態で、ハウジング３８の先端側（図１における下方）外周に取り付けられている。カバー体４２は溶接部４３を介してハウジング３８に固定されている。

カバー体４２は、有底筒状の外側筒状部材８１と、外側筒状部材８１の内側に配置された有底筒状の内側筒状部材９１と、を備えた二重構造に形成されている。
外側筒状部材８１は、筒状の外側側壁８２と、外側側壁８２の先端側に設けられる外側底壁８３と、を有して構成される。外側筒状部材８１は、外側側壁８２に複数（本実施形態では、８個）の外壁ガス流通口８４を備えている。

内側筒状部材９１は、外側側壁８２の内部に配置される筒状の内側側壁９２と、内側側壁９２の先端側に設けられる内側底壁９３と、を有して構成される。内側筒状部材９１は、内側側壁９２に複数（本実施形態では、８個）の内壁ガス流通口９４を備えている。

内側側壁９２は、軸線方向の後端側から先端側にかけて、固定部９５，固定用段差部９６，最大内径部９７，寸法変更段差部９８，最小内径部９９を備えて構成されている。
寸法変更段差部９８は、軸線方向に垂直な板面形状に形成されており、軸線方向に垂直な断面における内側側壁９２の内径寸法を変更するために備えられている。最大内径部９７は、軸線方向に垂直な断面における内径寸法が寸法変更段差部９８の最大内径寸法と等しい寸法となるように形成されている。最小内径部９９は、軸線方向に垂直な断面における内径寸法が寸法変更段差部９８の最小内径寸法と等しい寸法となるように形成されている。

内壁ガス流通口９４は、内側側壁９２のうち最小内径部９９において、周方向にわたり複数箇所に形成されている。
内側筒状部材９１は、内側底壁９３において、被測定ガスを内側筒状部材９１の内部から外部に排出するための内側底壁流通口１００を備えている。

他方、外壁ガス流通口８４は、外側側壁８２のうち内側側壁９２の最大内径部９７に対応する位置において、周方向にわたり複数箇所に形成されている。つまり、外壁ガス流通口８４は、軸線方向における形成位置が内壁ガス流通口９４とは異なっている。

また、外側筒状部材８１は、外側底壁８３において、被測定ガスを外側筒状部材８１の内部から外部に排出するための外側底壁流通口８５を備えて構成されている。
カバー体４２の外側筒状部材８１および内側筒状部材９１は、それぞれ、１８質量％以上２２質量％以下のＣｒ（クロム）、７質量％以上１２質量％以下のＮｉ（ニッケル）、１．０質量％以上３．０質量％以下のＳｉ（ケイ素）、０．０８質量％以下のＣ（炭素）、２．０質量％以下のＭｎ（マンガン）、０．０４質量％以下のＰ（リン）、０．０１質量％以下のＳ（硫黄）、０．０５質量％以上０．３質量％以下のＮｂ（ニオブ）および０．１質量％以上０．２５質量％以下のＮ（窒素）、０．００１質量％以上０．１質量％以下のＲＥＭ（希土類金属）を含有し、残部がＦｅ（鉄）および不可避的不純物からなるオーステナイト系ステンレス鋼からなる材料で構成されている。

Ｃは、カバー体の高温環境下での脆性を向上させるが、Ｃの含有量が０．０８質量％を超えるとＣｒ化合物が生成されやすくなるため、粒界腐食が生じ易くなる。
Ｓｉは、Ｆｅの代わりに酸化物となって耐酸化性（酸化減量）を向上させる。Ｓｉの含有量が１．０質量％未満であると、耐酸化性の向上効果が不十分となり、３．０質量％を超えると、高温で脆化し易くなる。
Ｍｎは本発明の材料の高温環境下での脆性を向上させるが、Ｍｎの含有量が２．０質量％を超えると耐酸化性を劣化させる。
Ｎｉは耐熱性を確保する元素であり、Ｎｉの含有量が７．０質量％未満であると耐熱性が不十分となり、１２．０質量％を超えると原料コスト増につながる。
Ｃｒは耐熱性を確保する元素であり、Ｃｒの含有量が１８．０質量％未満であると耐熱性が不十分となり、２２．０質量％を超えると高温で脆化し易くなる。
Ｎｂはカバー体の高温環境下での高温強度を向上させ、Ｎｂの含有量が０．０５質量％未満であると高温強度が確保できなくなり、０．３０質量％を超えると靱性の低下を招く。
Ｎは固溶強化により高温強度を向上させるため、０．１質量％以上含有させる必要がある。しかし、Ｎを０．２５質量％を超えて過剰に含有させるとＣｒ窒化物の形成により脆化し易くなる。
Ｐは、オーステナイト系ステンレス鋼の熱間加工性を損なう元素であるため、可能な限り含有量を低減することが好ましいため０．０４質量％以下とする。
Ｓは、Ｐと同様にオーステナイト系ステンレス鋼の熱間加工性を損なう元素であるため、可能な限り含有量を低減することが好ましいため０．０１質量％以下とする。
ＲＥＭは、耐高温酸化性の向上に有効であり、繰り返し酸化による酸化スケールの剥離性が向上し、酸化速度を低下させる。このような作用を奏するには、ＲＥＭを合計で０．００１質量％以上含有させる必要がある。しかし、ＲＥＭを合計で０．１質量％を超えて過剰に含有させると、オーステナイト系ステンレス鋼が硬質化する可能性があり、また、原料コストが上昇してしまう。そこで、ＲＥＭを含有させる場合には、ＲＥＭの含有量の合計が０．００１質量％以上０．１質量％以下となるようにする。
以上のような組成とすることで、クラックを防止する。

なお、カバー体４２を構成する材料における各成分の合計値は１００質量％である。残部としては、Ｆｅの他に、不可避的不純物を含有する場合がある。不可避的不純物は、できる限り少ないことが望ましい。

上述の組成により、カバー体は、高温環境下での脆性及び耐酸化性に優れ、カバー体の脱落やクラックが生じることを抑制できる。

［１－３．カバー体の材料に関する比較測定］
本実施形態のカバー体４２（外側筒状部材８１および内側筒状部材９１）を構成する材料について、ＳＵＳ３１０Ｓとの比較測定結果を説明する。

比較測定は、高温脆化について実施した。また、ＳＵＳ３１０Ｓの成分は、２０Ｎｉ－２５Ｃｒである。
高温脆化の比較測定は、大気雰囲気下１０５０℃で５００時間保持後、組織の断面像を取得し、試験前より結晶粒が粗大化したか否かを目視により判定した。

比較測定の測定結果を図２、図４、図５に示す。図２では、本実施形態の材料を実施例と記載し、ＳＵＳ３１０Ｓを比較例と記載する。図４、図５は、それぞれ実施例及び比較例の材料の組織の断面ＳＥＭ像を示す。
図２の測定結果に示すとおり、高温（１０５０℃）での高温脆化に関しては、本実施形態のカバー体４２を構成する材料は、試験前より結晶粒がほとんど大きくならなかったのに対して、ＳＵＳ３１０Ｓは結晶粒が粗大化し、高温脆化が生じていると考えられる。このことから、本実施形態のカバー体４２を構成する材料は、ＳＵＳ３１０Ｓに比べて、高温（１０５０℃）での高温脆化が生じがたいことが判る。

［１－４．効果］
以上説明したように、本実施形態の全領域空燃比センサ２においては、カバー体４２は、１８質量％以上２２質量％以下のＣｒ（クロム）、７質量％以上１２質量％以下のＮｉ（ニッケル）、１．０質量％以上３．０質量％以下のＳｉ（ケイ素）、０．０８質量％以下のＣ（炭素）、２．０質量％以下のＭｎ（マンガン）、０．０４質量％以下のＰ（リン）、０．０１質量％以下のＳ（硫黄）、０．０５質量％以上０．３質量％以下のＮｂ（ニオブ）および０．１質量％以上０．２５質量％以下のＮ（窒素）、０．００１質量％以上０．１質量％以下のＲＥＭ（希土類金属）を含有し、残部がＦｅ（鉄）および不可避的不純物からなるオーステナイト系ステンレス鋼からなる材料で構成されている。

このカバー体４２は、上述の比較測定結果によれば、ＳＵＳ３１０Ｓで構成される従来のカバー体に比べて、高温環境下での脆化が生じ難いため、脆化に起因してクラックが生じる可能性が低くなる。また、耐酸化性に優れるため、ハウジング３８から脱落する可能性が低くなる。
よって、本実施形態の全領域空燃比センサ２によれば、カバー体４２が高温環境下での脆性及び耐酸化性に優れ、カバー体４２の脱落やクラックが生じることを抑制できる。

［２．他の実施形態］
以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において、様々な態様にて実施することが可能である。

例えば、上記実施形態では、カバー体として、外側筒状部材と内側筒状部材とを備えた二重構造のカバー体について説明したが、カバー体はこのような形態に限定されることはない。具体的には、外側筒状部材のみを備える一重構造のカバー体であっても良い。あるいは、外側筒状部材と中間筒状部材と内側筒状部材とを備える三重構造のカバー体であっても良い。

例えば、上記実施形態では、センサの一例として、排気ガス中の酸素濃度を検出する空燃比センサについて説明したが、これに限られず、ＮＯｘセンサ、ＨＣセンサといった酸素以外のガス種の濃度を検出するガスセンサや、被測定ガスの温度を検出する温度センサ、被測定ガスの圧力を検出する圧力センサ、被測定ガスの湿度を検出する湿度センサ、被測定ガス中の粒子量を検出する微粒子センサなど、内燃機関の排気管に取り付けられて被測定ガスの状態（濃度、温度、湿度、圧力、粒子量など）を検出するセンサに適用できる。

また、上記実施形態では、ハウジングとして、ＳＵＳ４３０で構成された筒型部材を例示したが、これに限られず、筒型であればよく、金属管やアルミナ等の絶縁性の碍管であっても良い。

また、ガス検出素子は、上述のような板状形状に限られることはなく、有底筒状形状のガス検出素子であってもよい。
ここで、第２実施形態として、有底筒状形状の筒型検出素子１０４を備えるガスセンサ１０１（酸素センサ１０１）について簡単に説明する。なお、酸素センサ１０１は、例えば、内燃機関の排ガス中の酸素の濃度を検出する用途に用いられる。

ガスセンサ１０１（酸素センサ１０１）の全体構成を表す断面図を、図３に示す。
酸素センサ１０１は、図に示すように、有底筒状の筒型検出素子１０４と、ハウジング１３８と、カバー体１４２と、を備えている。

筒型検出素子１０４は、ジルコニアを主成分とする固体電解質体により構成されており、軸線方向に延びて先端（図の下側）が閉じた有底筒状に形成されている。筒型検出素子１０４は、被測定ガスに接触するセンシング部１０８を先端に有している。筒型検出素子１０４は、自身の内部に配置される棒状のセラミックヒータ１０３によって加熱されることで、酸素を検出可能な活性化状態となる。

ハウジング１３８は、センシング部１０８を先端から突き出させた状態で筒型検出素子１０４の径方向周囲を取り囲むとともに、酸素センサ１０１の内部構造物を収容する。また、ハウジング１３８は、酸素センサ１０１を内燃機関の排気管等の取付部に固定するために備えられている。

カバー体１４２は、筒型検出素子１０４のセンシング部１０８を覆うように、ハウジング１３８に固定されている。カバー体１４２は、有底筒状の外側筒状部材１８１と、外側筒状部材１８１の内側に配置された有底筒状の内側筒状部材１９１と、を備えた二重構造に形成されている。カバー体１４２とハウジング１３８との溶接部１４３は、レーザ溶接等により形成される。

カバー体１４２の外側筒状部材１８１および内側筒状部材１９１は、それぞれ、第１実施形態のカバー体４２と同様の材料で構成されている。
このため、酸素センサ１０１は、第１実施形態の全領域空燃比センサ２と同様に、高温環境下での脆性及び耐酸化性に優れ、カバー体の脱落やクラックが生じることを抑制できる。

２…全領域空燃比センサ（空燃比センサ）、４…ガス検出素子、８，１０８…センシング部、３８，１３８…ハウジング、４２，１４２…カバー体、４３，１４３…溶接部、８１，１８１…外側筒状部材、９１，１９１…内側筒状部材、１０１…ガスセンサ（酸素センサ）、１０４…筒型検出素子

Claims

後端側から先端側にかけて軸線方向に延び、内燃機関の排気管に取り付けられるセンサであって、
前記排気管内に流通する被測定ガスの状態を検出するセンシング部と、
前記排気管内に自身の少なくとも一部が露出すると共に、前記センシング部の径方向周囲を取り囲む筒型のカバー体と、
前記カバー体の後端側が固定される筒型のハウジングと、
を備えたセンサにおいて、
前記カバー体は、
Ｃｒ：１８質量％以上２２質量％以下、Ｎｉ：７質量％以上１２質量％以下、Ｓｉ：１．０質量％以上３．０質量％以下、Ｃ：０．０８質量％以下、Ｍｎ：２．０質量％以下、Ｐ：０．０４質量％以下、Ｓ：０．０１質量％以下、Ｎｂ：０．０５質量％以上０．３質量％以下およびＮ：０．１質量％以上０．２５質量％以下、ＲＥＭ：０．００１質量％以上０．１質量％以下を含有し、残部がＦｅおよび不可避的不純物からなるオーステナイト系ステンレス鋼で構成されること、を特徴とするセンサ。
前記カバー体は、側壁に複数のガス流通口を備えること、を特徴とする請求項１に記載のセンサ。
前記カバー体は、側壁の後端部が溶接部を介して前記ハウジングの先端部に固定されること、を特徴とする請求項１または２に記載のセンサ。