WO2016009929A1 - ガスセンサ - Google Patents
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Definitions
- the present invention relates to a gas sensor for measuring an oxygen concentration or the like in a gas to be measured.
- a gas sensor which is disposed in an exhaust pipe of an internal combustion engine and measures the oxygen concentration in exhaust gas passing through the exhaust pipe, has responsiveness indicating the measurement speed, moisture resistance indicating protection performance from moisture, and the like. Required.
- Patent Document 1 discloses a gas sensor including a detection element, a metal shell that holds the detection element, and a protector that houses a detection unit of the detection element.
- the protector has a large diameter portion and a small diameter portion.
- the first tip wall of the large-diameter portion is provided with a first depression that is recessed toward the rear end side in the axial direction and a first opening that opens at the first depression.
- the second distal end wall of the small diameter portion is provided with a second depressed portion that is recessed toward the rear end side in the axial direction and a second opening that opens at the second depressed portion.
- the water droplet is prevented from adhering to the detection element by adhering to the first depression or the second depression. Yes.
- first depression and the second depression protrude to the inside of the protector so as to block the flow of the gas to be measured that passes through the first opening or the second opening. For this reason, the time for the gas to be measured to reach the detection portion of the detection element is delayed, and the responsiveness of measurement by the gas sensor cannot be sufficiently improved.
- the present invention has been made in view of such a background, and has been obtained in an attempt to provide a gas sensor capable of ensuring water resistance and improving the response of measurement.
- One aspect of the present invention is a cup-shaped solid electrolyte body having oxygen ion conductivity and having a cylindrical outer peripheral portion closed, and a measured gas side electrode provided on the outer peripheral surface of the outer peripheral portion.
- a reference gas side electrode provided on the inner peripheral surface of the outer peripheral portion, a heater that is disposed on the inner peripheral side of the solid electrolyte body and that heats the solid electrolyte body, a housing that holds the solid electrolyte body, A cover attached to the housing and covering the solid electrolyte body, wherein the cover is adjacent to a large diameter cover portion located on an outer peripheral side of the solid electrolyte body and a distal end side of the large diameter cover portion A small-diameter cover portion formed with a diameter smaller than that of the large-diameter cover portion, and a step portion connecting the small-diameter cover portion and the large-diameter cover portion.
- the cover is formed in a two-stage shape having a large diameter cover portion and a small diameter cover portion.
- a first through hole in which the entire circumference of the hole is punched is formed at the tip of the small diameter cover portion, and a plurality of positions in the circumferential direction of the step portion connecting the large diameter cover portion and the small diameter cover portion are provided with holes.
- the 2nd through-hole by which the perimeter was punched out is formed.
- the configuration of the cover makes it easier for the gas to be measured to pass between the outside and inside of the cover via the first through hole and the second through hole. That is, the flow velocity of the gas to be measured in the vicinity of the gas to be measured side electrode can be increased. Then, the gas to be measured easily reaches the gas to be measured side electrode in the solid electrolyte body, and is easily discharged from the gas to be measured side electrode to the outside of the cover. Therefore, the responsiveness of measuring the specific gas component concentration such as the oxygen concentration by the gas sensor can be enhanced.
- the output of the heater can be suppressed and the temperature of the solid electrolyte body can be lowered.
- the solid electrolyte body less susceptible to moisture stress, cracking, etc. due to moisture, and to ensure the moisture resistance of the gas sensor.
- the diameters of the first through hole and the second through hole as small as possible, it is difficult for moisture to enter the cover, and water resistance of the gas sensor can be ensured. Therefore, according to the gas sensor, it is possible to secure water resistance and enhance the response of measurement.
- the first through hole is formed in one place with a hole diameter of ⁇ 0.9 to 3 mm, and the second through hole has a hole diameter of ⁇ 0.9 to 1.5 mm. May be formed.
- the first through hole and the second through hole can be appropriately reduced, and the gas to be measured can be easily passed to prevent moisture from entering the cover.
- the gap D1 between the inner peripheral surface of the large-diameter cover portion and the gas-side electrode to be measured is in the range of 1 to 2.5 mm, and the inner diameter D2 of the small-diameter cover portion is ⁇ 3.8-9.
- the distance D3 from the tip of the measured gas side electrode to the base end face of the step portion may be in the range of 1 to 6 mm. In this case, the flow velocity of the measurement gas in the vicinity of the measurement gas side electrode can be kept high in the cover, and the measurement responsiveness of the gas sensor can be kept high.
- the gap D1 When the gap D1 is less than 1 mm, the inner peripheral surface of the large-diameter cover part and the gas to be measured electrode may interfere with each other. On the other hand, when the gap D1 exceeds 2.5 mm, the responsiveness of the gas sensor may be deteriorated. When the inner diameter D2 is less than ⁇ 3.8 mm, the responsiveness of the gas sensor may be deteriorated. On the other hand, when the inner diameter D2 exceeds ⁇ 9.8 mm, it is difficult to establish a two-stage shape of a large diameter cover portion and a small diameter cover portion. When the distance D3 is less than 1 mm, the tip of the solid electrolyte body may interfere with the base end surface of the stepped portion. On the other hand, when the distance D3 exceeds 6 mm, the responsiveness of the gas sensor may be deteriorated.
- Cross-sectional explanatory drawing which shows the gas sensor concerning an Example.
- the horizontal axis indicates the radial gap D1 between the inner peripheral surface of the large-diameter cover portion and the measured gas side electrode
- the vertical axis indicates the vicinity of the measured gas side electrode of the solid electrolyte body.
- the graph which shows the relationship between both taking the flow velocity of the to-be-measured gas in.
- the graph which shows the relationship between both by taking the internal diameter D2 of a small diameter cover part and taking the flow velocity of the to-be-measured gas in the vicinity of the to-be-measured gas side electrode of a solid electrolyte body on a vertical axis
- the horizontal axis represents the distance D3 in the axial direction from the tip of the measured gas side electrode to the base end surface of the stepped portion
- the vertical axis represents the measured value in the vicinity of the measured gas side electrode of the solid electrolyte body.
- the graph which shows the relationship between both by taking the flow velocity of the to-be-measured gas in the vicinity of the to-be-measured gas side electrode of a solid electrolyte body, and taking the responsiveness of a gas sensor to a vertical axis
- the gas sensor 1 of this example includes a solid electrolyte body 2, a measured gas side electrode 21, a reference gas side electrode 22, a heater 3, a housing 4, and a cover 5.
- the solid electrolyte body 2 has oxygen ion conductivity and has a cup shape in which the tip of the cylindrical outer peripheral portion 23 is closed.
- the measured gas side electrode 21 is provided on the outer peripheral surface 201 of the outer peripheral portion 23 of the solid electrolyte body 2
- the reference gas side electrode 22 is provided on the inner peripheral surface 202 of the outer peripheral portion 23.
- the heater 3 is disposed on the inner peripheral side of the solid electrolyte body 2 and is configured to heat the solid electrolyte body 2.
- the housing 4 has a cylindrical shape that holds the solid electrolyte body 2 on the inner peripheral side.
- the cover 5 covers the solid electrolyte body 2 and its base end is attached to the housing 4.
- the cover 5 includes a large-diameter cover portion 51 located on the outer peripheral side of the solid electrolyte body 2, and a small-diameter cover formed adjacent to the distal end side of the large-diameter cover portion 51 and having a smaller diameter than the large-diameter cover portion 51 And a step portion 53 that connects the small-diameter cover portion 52 and the large-diameter cover portion 51.
- a first through hole 521 having a completely circular shape, that is, a completely circular hole is formed.
- a second through hole 531 having a perfect circle, in which the entire circumference of the hole is punched, is formed.
- the gas sensor 1 of this example is arranged and used in an exhaust pipe of a vehicle (not shown), and measures the oxygen concentration in the exhaust gas using the exhaust gas flowing in the exhaust pipe as a measurement gas G. is there. Further, the gas sensor 1 is disposed in a position downstream of the position where the catalyst is disposed in the exhaust pipe, and is disposed substantially orthogonal to the flow F of the exhaust gas in the exhaust pipe.
- the gas sensor 1 can be an A / F (air-fuel ratio) sensor or the like in addition to an oxygen concentration sensor.
- the outer peripheral portion 23 of the solid electrolyte body 2 is formed in an inclined cylindrical shape in which the insertion portion 231 inserted into the inner peripheral hole of the housing 4 is reduced in diameter toward the distal end side.
- a projecting portion 232 projecting from the tip to the tip side is formed in a cylindrical shape parallel to the axial direction L of the gas sensor 1.
- the tip of the protruding portion 232 is closed by the hemispherical tip 24.
- the measured gas side electrode 21 is provided on the entire circumference of the outer peripheral surface 201 of the protruding portion 232, and the reference gas side electrode 22 is provided on the entire circumference of the inner peripheral surface 202 of the protruding portion 232.
- the solid electrolyte body 2, the measured gas side electrode 21 and the reference gas side electrode 22 constitute a gas sensor element.
- the heater 3 is configured by providing a ceramic substrate with a conductor layer that generates heat when energized.
- the conductor layer in the heater 3 is provided in the range in the axial direction L in which the measured gas side electrode 21 and the reference gas side electrode 22 are provided.
- the cover 5 has a structure in which a large-diameter cover portion 51, a step portion 53, and a small-diameter cover portion 52 are formed.
- the large-diameter cover portion 51 and the small-diameter cover portion 52 of the cover 5 are formed in a cylindrical shape and are arranged in parallel to the axial direction L.
- the cover 5 is arranged on the same axis as the solid electrolyte body 2.
- the protruding portion 232 of the solid electrolyte body 2 is disposed on the inner peripheral side of the large-diameter cover portion 51, and a predetermined distance is provided between the distal end 211 of the protruding portion 232 and the base end surface 530 of the stepped portion 53 of the cover 5.
- the gap D3 is formed.
- the hole diameter of the first through hole 521 at the tip of the small diameter cover portion 52 is in the range of ⁇ 0.9 to 3 mm.
- the first through hole 521 is formed at one central position of the tip of the small diameter cover portion 52.
- the hole diameter of the second through hole 531 in the step portion 53 is in the range of ⁇ 0.9 to 1.5 mm.
- the second through holes 531 are formed at equal intervals in a plurality of locations in the circumferential direction around the central axis of the solid electrolyte body 2 and the cover 5.
- the dimensional relationship between the cover 5 and the cover 5 and its periphery is as follows. As shown in FIG. 1, the radial gap D1 between the inner peripheral surface of the large diameter cover portion 51 and the measured gas side electrode 21 is in the range of 1 to 2.5 mm. Further, the inner diameter D2 of the small diameter cover portion 52 is in the range of ⁇ 3.8 to 9.8 mm. Further, the distance D3 in the axial direction L from the distal end 211 of the measured gas side electrode 21 to the proximal end surface 530 of the stepped portion 53 is in the range of 1 to 6 mm.
- FIG. 2 shows the relationship between the gap D1 (mm) and the flow velocity (m / s) of the measured gas G in the vicinity of the measured gas side electrode 21 of the solid electrolyte body 2.
- the inner diameter D2 is ⁇ 4 mm
- the distance D3 is 3.5 mm
- the inner diameter D4 is ⁇ 10 mm.
- the gap D1 is 2.5 mm or less, the flow rate of the gas G to be measured does not decrease, and the responsiveness of measurement by the gas sensor 1 can be maintained high. Further, in order to avoid interference between the inner peripheral surface of the large-diameter cover portion 51 and the measured gas side electrode 21, the gap D1 is preferably set to 1 mm or more.
- FIG. 3 shows the relationship between the inner diameter D2 (mm) and the flow velocity (m / s) of the measurement gas G in the vicinity of the measurement gas side electrode 21 of the solid electrolyte body 2.
- the gap D1 is 2.3 mm
- the distance D3 is 3.5 mm
- the inner diameter D4 is ⁇ 10 mm.
- the inner diameter D2 is preferably ⁇ 9.8 mm or less.
- the gap D1 is 2.3 mm
- the inner diameter D2 is 4 mm
- the inner diameter D4 is 10 mm.
- the distance D3 is 6 mm or less, the flow rate of the measurement gas G does not decrease, and the responsiveness of measurement by the gas sensor 1 can be maintained high.
- the distance D3 is preferably set to 1 mm or more.
- the inner diameter D4 of the large-diameter cover portion 51 is in the range of ⁇ 8 to 14 mm. If the inner diameter D4 of the large-diameter cover portion 51 is less than ⁇ 8 mm, the large-diameter cover portion 51 may interfere with the measured gas side electrode 21 in the solid electrolyte body 2. On the other hand, if the inner diameter D4 of the large diameter cover portion 51 exceeds ⁇ 14 mm, the large diameter cover portion 51 may interfere with surrounding components.
- the entire opening area of the second through hole 531 is in the range of 14 to 25 mm 2 . If the entire opening area of the second through-hole 531 is less than 14 mm 2 , the gas G to be measured does not easily flow into the cover 5, and the responsiveness of measurement by the gas sensor 1 may be deteriorated. On the other hand, if the entire opening area of the second through-hole 531 exceeds 25 mm 2 , moisture easily enters the cover 5 from the second through-hole 531 and the water resistance of the gas sensor 1 may be deteriorated.
- the diameter of the second through hole 531 is preferably set to ⁇ 0.9 mm or more.
- the cover 5 is formed in a two-stage shape having a large diameter cover portion 51 and a small diameter cover portion 52.
- a first through hole 521 in which the entire circumference of the hole is punched is formed at the tip of the small diameter cover portion 52, and a plurality of circumferential portions of the step portion 53 connecting the large diameter cover portion 51 and the small diameter cover portion 52 are formed.
- the second through hole 531 is formed by punching the entire circumference of the hole.
- the configuration of the cover 5 makes it easier for the gas G to be measured to pass between the outside and the inside of the cover 5 through the first through hole 521 and the second through hole 531. That is, the configuration of the cover 5 can increase the flow velocity of the measurement gas G in the vicinity of the measurement gas side electrode 21.
- the measured gas G easily reaches the measured gas side electrode 21 in the solid electrolyte body 2 and is easily discharged from the measured gas side electrode 21 to the outside of the cover 5. Therefore, the responsiveness of measuring the oxygen concentration by the gas sensor 1 can be enhanced.
- FIG. 6 shows the relationship between the flow velocity (m / s) of the measurement gas G in the vicinity of the measurement gas side electrode 21 of the solid electrolyte body 2 and the responsiveness (response time) (ms) of the gas sensor 1.
- the response is improved (the response time is shortened) as the flow velocity of the gas G to be measured increases. From this, it can be seen that increasing the flow velocity of the measurement gas G in the vicinity of the measurement gas side electrode 21 effectively contributes to improving the responsiveness of the gas sensor 1.
- the output of the heater 3 can be suppressed and the temperature of the solid electrolyte body 2 (gas sensor element) can be lowered.
- the solid electrolyte body 2 less susceptible to moisture stress, cracks, and the like due to moisture, and to ensure the moisture resistance of the gas sensor 1.
- the diameter of the first through hole 521 to 3 mm or less and the diameter of the second through hole 531 to 1.5 mm or less it is difficult for moisture to enter the cover 5, and the moisture resistance is high. Can be secured. Therefore, according to the gas sensor 1 of the present example, it is possible to ensure water resistance and improve the responsiveness of measurement.
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Abstract
ガスセンサ(1)は、被測定ガス側電極(21)及び基準ガス側電極(22)が設けられた固体電解質体(2)、固体電解質体(2)の内周側に配置されたヒータ(3)、固体電解質体2を内周側に保持するハウジング(4)、及び固体電解質体(2)を覆うカバー(5)を備えている。カバー(5)は、固体電解質体(2)の外周側に位置する大径カバー部(51)と、大径カバー部(51)の先端側に隣接して、大径カバー部(51)よりも縮径して形成された小径カバー部(52)と、小径カバー部(52)と大径カバー部(51)とを繋ぐ段部(53)とを有している。小径カバー部(52)の先端には、孔の全周が打ち抜かれた第1貫通孔(521)が形成されている。段部(53)の周方向の複数個所には、孔の全周が打ち抜かれた第2貫通孔(531)が形成されている。
Description
本発明は、被測定ガス中の酸素濃度等を測定するガスセンサに関する。
内燃機関の排気管内に配置されて、排気管内を通過する排気ガス中の酸素濃度等を測定するガスセンサには、測定の速さを示す応答性、水分からの保護性能を示す耐被水性等が要求される。
例えば、特許文献1には、検出素子と、検出素子を保持する主体金具と、検出素子の検出部を収容するプロテクタとを備えるガスセンサについて開示されている。プロテクタは、大径部と小径部とを有している。大径部の第一先端壁には、軸線方向後端側に向かって窪んだ第一陥没部と、第一陥没部において開口する第一開口部とが設けられている。また、小径部の第二先端壁には、軸線方向後端側に向かって窪んだ第二陥没部と、第二陥没部において開口する第二開口部とが設けられている。そして、第一開口部又は第二開口部からプロテクタ内に水滴が浸入した場合でも、水滴が、第一陥没部又は第二陥没部に付着することにより、検出素子に付着することを防止している。
しかしながら、第一陥没部及び第二陥没部は、第一開口部又は第二開口部を通過する被測定ガスの流れを遮る形でプロテクタの内側へ突出している。そのため、被測定ガスが検出素子の検出部へ到達する時間が遅れ、ガスセンサによる測定の応答性を十分に向上させることができない。
本発明は、かかる背景に鑑みてなされたもので、耐被水性を確保して、測定の応答性を高めることができるガスセンサを提供しようとして得られたものである。
本発明の一態様は、酸素イオン伝導性を有し、筒状の外周部の先端が閉塞されたコップ形状の固体電解質体と、上記外周部の外周面に設けられた被測定ガス側電極と、上記外周部の内周面に設けられた基準ガス側電極と、上記固体電解質体の内周側に配置され、該固体電解質体を加熱するヒータと、上記固体電解質体を保持するハウジングと、該ハウジングに取り付けられ、上記固体電解質体を覆うカバーと、を備えており、該カバーは、上記固体電解質体の外周側に位置する大径カバー部と、該大径カバー部の先端側に隣接して、該大径カバー部よりも縮径して形成された小径カバー部と、該小径カバー部と上記大径カバー部とを繋ぐ段部とを有しており、上記小径カバー部の先端には、孔の全周が打ち抜かれた第1貫通孔が形成されており、上記段部の周方向の複数個所には、孔の全周が打ち抜かれた第2貫通孔が形成されていることを特徴とするガスセンサにある。
上記ガスセンサにおいては、カバーを大径カバー部と小径カバー部との2段形状に形成している。そして、小径カバー部の先端には、孔の全周が打ち抜かれた第1貫通孔を形成し、大径カバー部と小径カバー部とを繋ぐ段部の周方向の複数個所には、孔の全周が打ち抜かれた第2貫通孔を形成している。
このカバーの構成により、被測定ガスが、第1貫通孔及び第2貫通孔を介して、カバーの外側と内側との間を通過しやすくなる。すなわち、被測定ガス側電極の近傍における被測定ガスの流速を高めることができる。そして、被測定ガスは、固体電解質体における被測定ガス側電極に到達しやすくなり、また、被測定ガス側電極からカバーの外部へ排出されやすくなる。そのため、ガスセンサによる酸素濃度等の特定ガス成分濃度を測定する応答性を高めることができる。
また、ガスセンサの応答性が高められることにより、ヒータの出力を抑えて、固体電解質体の温度を低くすることが可能になる。これにより、固体電解質体に、水分による被水ストレス、割れ等が生じにくくすることができ、ガスセンサの耐被水性を確保することができる。また、第1貫通孔及び第2貫通孔の孔径をできるだけ小さくすることによっても、水分がカバー内に浸入しにくくして、ガスセンサの耐被水性を確保することができる。
それ故、上記ガスセンサによれば、耐被水性を確保して、測定の応答性を高めることができる。
それ故、上記ガスセンサによれば、耐被水性を確保して、測定の応答性を高めることができる。
上記ガスセンサにおいては、上記第1貫通孔は、孔径がφ0.9~3mmの大きさで1個所に形成されており、上記第2貫通孔は、孔径がφ0.9~1.5mmの大きさで形成されていてもよい。
この場合には、第1貫通孔及び第2貫通孔を適切に小さくすることができ、被測定ガスの通過を容易にして、カバー内への水分の浸入を防ぐことができる。
この場合には、第1貫通孔及び第2貫通孔を適切に小さくすることができ、被測定ガスの通過を容易にして、カバー内への水分の浸入を防ぐことができる。
第1貫通孔の孔径がφ0.9mm未満の場合、及び第2貫通孔の孔径がφ0.9mm未満の場合には、孔明けを行う型の管理が困難になる。一方、第1貫通孔の孔径がφ3mm超過の場合、及び第2貫通孔の孔径がφ1.5mm超過の場合には、耐被水性が悪化する。
また、上記大径カバー部の内周面と上記被測定ガス側電極との隙間D1は、1~2.5mmの範囲内にあり、上記小径カバー部の内径D2は、φ3.8~9.8mmの範囲内にあり、上記被測定ガス側電極の先端から上記段部の基端面までの距離D3は、1~6mmの範囲内にあってもよい。
この場合には、カバー内において、被測定ガス側電極の近傍における被測定ガスの流速を高く維持することができ、ガスセンサの測定の応答性を高く維持することができる。
この場合には、カバー内において、被測定ガス側電極の近傍における被測定ガスの流速を高く維持することができ、ガスセンサの測定の応答性を高く維持することができる。
隙間D1が1mm未満の場合には、大径カバー部の内周面と被測定ガス側電極とが干渉するおそれが生じる。一方、隙間D1が2.5mm超過の場合には、ガスセンサの応答性が悪化するおそれがある。
内径D2がφ3.8mm未満の場合には、ガスセンサの応答性が悪化するおそれがある。一方、内径D2がφ9.8mm超過の場合には、大径カバー部と小径カバー部との2段形状を成立させることが困難になる。
距離D3が1mm未満の場合には、固体電解質体の先端と段部の基端面とが干渉するおそれが生じる。一方、距離D3が6mm超過の場合には、ガスセンサの応答性が悪化するおそれがある。
内径D2がφ3.8mm未満の場合には、ガスセンサの応答性が悪化するおそれがある。一方、内径D2がφ9.8mm超過の場合には、大径カバー部と小径カバー部との2段形状を成立させることが困難になる。
距離D3が1mm未満の場合には、固体電解質体の先端と段部の基端面とが干渉するおそれが生じる。一方、距離D3が6mm超過の場合には、ガスセンサの応答性が悪化するおそれがある。
以下に、ガスセンサにかかる実施例について、図面を参照して説明する。
本例のガスセンサ1は、図1に示すごとく、固体電解質体2、被測定ガス側電極21、基準ガス側電極22、ヒータ3、ハウジング4及びカバー5を備えている。固体電解質体2は、酸素イオン伝導性を有し、かつ筒状の外周部23の先端が閉塞されたコップ形状を有している。被測定ガス側電極21は、固体電解質体2の外周部23の外周面201に設けられており、基準ガス側電極22は、外周部23の内周面202に設けられている。ヒータ3は、固体電解質体2の内周側に配置されており、固体電解質体2を加熱するよう構成されている。ハウジング4は、固体電解質体2を内周側に保持する筒形状を有している。カバー5は、固体電解質体2を覆うとともに、その基端部がハウジング4に取り付けられている。
本例のガスセンサ1は、図1に示すごとく、固体電解質体2、被測定ガス側電極21、基準ガス側電極22、ヒータ3、ハウジング4及びカバー5を備えている。固体電解質体2は、酸素イオン伝導性を有し、かつ筒状の外周部23の先端が閉塞されたコップ形状を有している。被測定ガス側電極21は、固体電解質体2の外周部23の外周面201に設けられており、基準ガス側電極22は、外周部23の内周面202に設けられている。ヒータ3は、固体電解質体2の内周側に配置されており、固体電解質体2を加熱するよう構成されている。ハウジング4は、固体電解質体2を内周側に保持する筒形状を有している。カバー5は、固体電解質体2を覆うとともに、その基端部がハウジング4に取り付けられている。
カバー5は、固体電解質体2の外周側に位置する大径カバー部51と、大径カバー部51の先端側に隣接して、大径カバー部51よりも縮径して形成された小径カバー部52と、小径カバー部52と大径カバー部51とを繋ぐ段部53とを有している。小径カバー部52の先端には、孔の全周が打ち抜かれた、すなわち真円の第1貫通孔521が形成されている。段部53の周方向の複数個所には、孔の全周が打ち抜かれた、すなわち真円の第2貫通孔531が形成されている。
以下に、本例のガスセンサ1について、図1~図6を参照して詳説する。
図1に示すごとく、本例のガスセンサ1は、図示しない車両の排気管内に配置されて使用され、排気管内を流れる排気ガスを被測定ガスGとして、排気ガス中の酸素濃度を測定するものである。また、ガスセンサ1は、排気管内の、触媒が配置された位置よりも下流側の位置に配置され、排気管内の排気ガスの流れFに略直交して配置される。
なお、ガスセンサ1は、酸素濃度センサとする以外にも、A/F(空燃比)センサ等とすることができる。
図1に示すごとく、本例のガスセンサ1は、図示しない車両の排気管内に配置されて使用され、排気管内を流れる排気ガスを被測定ガスGとして、排気ガス中の酸素濃度を測定するものである。また、ガスセンサ1は、排気管内の、触媒が配置された位置よりも下流側の位置に配置され、排気管内の排気ガスの流れFに略直交して配置される。
なお、ガスセンサ1は、酸素濃度センサとする以外にも、A/F(空燃比)センサ等とすることができる。
図1に示すごとく、固体電解質体2の外周部23は、ハウジング4の内周穴に挿通される挿通部分231が、先端側に行くほど縮径する傾斜円筒形状に形成されており、ハウジング4から先端側に突出する突出部分232が、ガスセンサ1の軸線方向Lに平行な円筒形状に形成されている。突出部分232の先端は、半球状の先端部24によって閉塞されている。被測定ガス側電極21は、突出部分232の外周面201の全周に設けられており、基準ガス側電極22は、突出部分232の内周面202の全周に設けられている。また、固体電解質体2、被測定ガス側電極21及び基準ガス側電極22によってガスセンサ素子が構成されている。
ヒータ3は、詳細には図示しないが、セラミックス基板に、通電によって発熱する導体層を設けて構成されている。ヒータ3における導体層は、被測定ガス側電極21及び基準ガス側電極22が設けられた軸線方向Lの範囲に設けられている。カバー5は、大径カバー部51、段部53及び小径カバー部52が形成された構造を有するものである。
カバー5の大径カバー部51及び小径カバー部52は、円筒形状に形成されており、軸線方向Lに平行に配置されている。カバー5は、固体電解質体2と同一軸線状に配置されている。固体電解質体2の突出部分232は、大径カバー部51の内周側に配置されており、突出部分232の先端211と、カバー5の段部53の基端面530との間には、所定の隙間D3が形成されている。
小径カバー部52の先端における第1貫通孔521の孔径はφ0.9~3mmの範囲内にある。第1貫通孔521は、小径カバー部52の先端の中心位置の1個所に形成されている。段部53における第2貫通孔531の孔径はφ0.9~1.5mmの範囲内にある。第2貫通孔531は、固体電解質体2及びカバー5の中心軸線回りである周方向の複数個所に等間隔に形成されている。
カバー5、及びカバー5とその周辺との間の寸法関係は、次のようにしている。
図1に示すごとく、大径カバー部51の内周面と被測定ガス側電極21との間の径方向の隙間D1は、1~2.5mmの範囲内にある。また、小径カバー部52の内径D2は、φ3.8~9.8mmの範囲内にある。また、被測定ガス側電極21の先端211から段部53の基端面530までの軸線方向Lの距離D3は、1~6mmの範囲内にある。
図1に示すごとく、大径カバー部51の内周面と被測定ガス側電極21との間の径方向の隙間D1は、1~2.5mmの範囲内にある。また、小径カバー部52の内径D2は、φ3.8~9.8mmの範囲内にある。また、被測定ガス側電極21の先端211から段部53の基端面530までの軸線方向Lの距離D3は、1~6mmの範囲内にある。
図2には、隙間D1(mm)と、固体電解質体2の被測定ガス側電極21の近傍における被測定ガスGの流速(m/s)との関係を示す。同図において、内径D2はφ4mmとし、距離D3は、3.5mmとし、内径D4はφ10mmとした。同図に示すように、隙間D1が2.5mmよりも大きくなると被測定ガスGの流速が低下することが分かる。この理由は、隙間D1が大きくなると、大径カバー部51と固体電解質体2の突出部分232との間に、被測定ガスGが流入する空間が広くなり過ぎるためであると考える。一方、隙間D1が2.5mm以下である場合には、被測定ガスGの流速が低下せず、ガスセンサ1による測定の応答性を高く維持することができる。また、大径カバー部51の内周面と被測定ガス側電極21との干渉を避けるために、隙間D1は1mm以上とすることが好ましい。
図3には、内径D2(mm)と、固体電解質体2の被測定ガス側電極21の近傍における被測定ガスGの流速(m/s)との関係を示す。同図において、隙間D1は2.3mmとし、距離D3は、3.5mmとし、内径D4はφ10mmとした。同図に示すように、内径D2がφ3.8mmよりも小さくなると被測定ガスGの流速が低下することが分かる。この理由は、内径D2が小さくなると、小径カバー部52内を被測定ガスGが流れにくくなるためであると考える。一方、内径D2がφ3.8mm以上である場合には、被測定ガスGの流速が低下せず、ガスセンサ1による測定の応答性を高く維持することができる。また、大径カバー部51と小径カバー部52との2段形状を成立させるためには、内径D2はφ9.8mm以下とすることが好ましい。
図4には、距離D3(mm)と、固体電解質体2の被測定ガス側電極21の近傍における被測定ガスGの流速(m/s)との関係を示す。同図において、隙間D1は2.3mmとし、内径D2はφ4mmとし、内径D4はφ10mmとした。同図に示すように、距離D3が6mmよりも大きくなると被測定ガスGの流速が低下することが分かる。この理由は、距離D3が大きくなると、大径カバー部51内と小径カバー部52内との間を被測定ガスGが通過しにくくなるためであると考える。一方、距離D3が6mm以下である場合には、被測定ガスGの流速が低下せず、ガスセンサ1による測定の応答性を高く維持することができる。また、固体電解質体2の先端部24と段部53の基端面530との干渉を避けるためには、距離D3は1mm以上とすることが好ましい。
また、図1に示すごとく、大径カバー部51の内径D4は、φ8~14mmの範囲内にある。大径カバー部51の内径D4がφ8mm未満になると、大径カバー部51が固体電解質体2における被測定ガス側電極21と干渉するおそれが生じる。一方、大径カバー部51の内径D4がφ14mm超過になると、大径カバー部51がその周囲の部品と干渉するおそれが生じる。
また、第2貫通孔531の全体の開口面積は、14~25mm2の範囲内にある。第2貫通孔531の全体の開口面積が14mm2未満になると、カバー5内へ被測定ガスGが流入しにくくなり、ガスセンサ1による測定の応答性が悪化するおそれがある。一方、第2貫通孔531の全体の開口面積が25mm2超過になると、第2貫通孔531からカバー5内へ水分が浸入しやすくなり、ガスセンサ1の耐被水性が悪化するおそれがある。
図5には、カバー5の段部53における第2貫通孔531の孔径(mm)と、固体電解質体2の被水量(μL)との関係を示す。同図に示すように、第2貫通孔531の孔径がφ1.5mmよりも大きくなると、固体電解質体2の被水量が多くなることが分かる。この理由は、第2貫通孔531の孔径が大きくなると、被測定ガスGに混ざって飛散する水分が第2貫通孔531を通過してカバー5内に浸入しやすくなるためであると考える。一方、第2貫通孔531の孔径がφ1.5mm以下である場合には、固体電解質体2が被水しにくくなり、ガスセンサ1の耐被水性を高く維持することができる。また、第2貫通孔531の孔明けを行う型の管理を容易にするためには、第2貫通孔531の孔径はφ0.9mm以上とすることが好ましい。
本例のガスセンサ1においては、カバー5を大径カバー部51と小径カバー部52との2段形状に形成している。そして、小径カバー部52の先端には、孔の全周が打ち抜かれた第1貫通孔521を形成し、大径カバー部51と小径カバー部52とを繋ぐ段部53の周方向の複数個所には、孔の全周が打ち抜かれた第2貫通孔531を形成している。
このカバー5の構成により、被測定ガスGが、第1貫通孔521及び第2貫通孔531を介して、カバー5の外側と内側との間を通過しやすくなる。すなわち、このカバー5の構成により、被測定ガス側電極21の近傍における被測定ガスGの流速を高めることができる。そして、被測定ガスGは、固体電解質体2における被測定ガス側電極21に到達しやすくなり、また、被測定ガス側電極21からカバー5の外部へ排出されやすくなる。そのため、ガスセンサ1による酸素濃度を測定する応答性を高めることができる。
図6には、固体電解質体2の被測定ガス側電極21の近傍における被測定ガスGの流速(m/s)と、ガスセンサ1の応答性(応答時間)(ms)との関係を示す。同図に示すように、被測定ガスGの流速が速くなるほど、応答性が改善される(応答時間が短くなる)。このことより、被測定ガス側電極21の近傍における被測定ガスGの流速を高めることが、ガスセンサ1の応答性を高めることに効果的に寄与することが分かる。
また、ガスセンサ1の応答性が高められることにより、ヒータ3の出力を抑えて、固体電解質体2(ガスセンサ素子)の温度を低くすることが可能になる。これにより、固体電解質体2に、水分による被水ストレス、割れ等が生じにくくすることができ、ガスセンサ1の耐被水性を確保することができる。また、第1貫通孔521の孔径をφ3mm以下と小さくし、第2貫通孔531の孔径をφ1.5mm以下として小さくすることによっても、水分がカバー5内に浸入しにくくして、耐被水性を確保することができる。
それ故、本例のガスセンサ1によれば、耐被水性を確保して、測定の応答性を高めることができる。
それ故、本例のガスセンサ1によれば、耐被水性を確保して、測定の応答性を高めることができる。
1 ガスセンサ
2 固体電解質体
201 外周面
202 内周面
21 被測定ガス側電極
22 基準ガス側電極
23 外周部
3 ヒータ
4 ハウジング
5 カバー
51 大径カバー部
52 小径カバー部
521 第1貫通孔
53 段部
531 第2貫通孔
2 固体電解質体
201 外周面
202 内周面
21 被測定ガス側電極
22 基準ガス側電極
23 外周部
3 ヒータ
4 ハウジング
5 カバー
51 大径カバー部
52 小径カバー部
521 第1貫通孔
53 段部
531 第2貫通孔
Claims (4)
- 酸素イオン伝導性を有し、筒状の外周部(23)の先端が閉塞されたコップ形状の固体電解質体(2)と、
上記外周部(23)の外周面(201)に設けられた被測定ガス側電極(21)と、
上記外周部(23)の内周面(202)に設けられた基準ガス側電極(22)と、
上記固体電解質体(2)の内周側に配置され、該固体電解質体(2)を加熱するヒータ(3)と、
上記固体電解質体(2)を保持するハウジング(4)と、
該ハウジング(4)に取り付けられ、上記固体電解質体(2)を覆うカバー(5)と、を備えており、
該カバー(5)は、上記固体電解質体(2)の外周側に位置する大径カバー部(51)と、該大径カバー部(51)の先端側に隣接して、該大径カバー部(51)よりも縮径して形成された小径カバー部(52)と、該小径カバー部(52)と上記大径カバー部(51)とを繋ぐ段部(53)とを有しており、
上記小径カバー部(52)の先端には、孔の全周が打ち抜かれた第1貫通孔(521)が形成されており、
上記段部(53)の周方向の複数個所には、孔の全周が打ち抜かれた第2貫通孔(531)が形成されていることを特徴とするガスセンサ(1)。 - 上記第1貫通孔(521)の孔径はφ0.9~3mmの範囲内にあり、
上記第2貫通孔(531)の孔径はφ0.9~1.5mmの範囲内にあることを特徴とする請求項1に記載のガスセンサ(1)。 - 上記大径カバー部(51)の内周面と上記被測定ガス側電極(21)との隙間D1は、1~2.5mmの範囲内にあり、
上記小径カバー部(52)の内径D2は、φ3.8~9.8mmの範囲内にあり、
上記被測定ガス側電極(21)の先端(211)から上記段部(53)の基端面(530)までの距離D3は、1~6mmの範囲内にあることを特徴とする請求項1又は2に記載のガスセンサ(1)。 - 上記ガスセンサ(1)は、車両の排気管内の、触媒が配置された位置よりも下流側において、上記排気管内の排気ガスの流れ(F)に略直交して配置されることを特徴とする請求項1~3のいずれか一項に記載のガスセンサ(1)。
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