WO2020230515A1 - ガスセンサ - Google Patents
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Definitions
- the present disclosure relates to a gas sensor including a sensor element.
- an in-vehicle gas sensor is arranged in the exhaust pipe of the internal combustion engine of a vehicle, and the exhaust gas flowing through the exhaust pipe is used as the detection target gas, and the air-fuel ratio of the internal combustion engine based on the detection target gas, the oxygen concentration in the detection target gas, etc. Used to find.
- the sensor element having the detection part is inserted into the tubular housing, the detection part of the sensor element is covered by the front end cover attached to the housing, and the wiring part of the sensor element is attached to the housing. It is covered by a base end cover.
- the detection unit and the front end side cover of the sensor element are arranged inside the exhaust pipe, and the base end side cover is arranged outside the exhaust pipe.
- the exhaust gas passing through the exhaust pipe of the internal combustion engine becomes a high temperature of, for example, about 1100 ° C. Then, heat is transferred from the exhaust pipe heated to a high temperature to the housing attached to the exhaust pipe, and heat is transferred from the housing to the base end side cover. Further, on the inner peripheral side of the base end side cover, a rubber sealing member for holding the lead wire electrically connected to the sensor element is arranged, and from the base end side cover to the sealing member. Also heat is transferred.
- Patent Document 1 As a technique for protecting the sealing member from heat, for example, there is a gas sensor disclosed in Patent Document 1.
- a heat radiating member projecting to the outer peripheral side is provided on the outer cylinder (base end side cover) attached to the outer periphery of the main metal fitting (housing). It is installed.
- the present disclosure has been obtained in an attempt to provide a gas sensor capable of making it difficult for the sealing member to be heated by the heat transferred from the housing and effectively protecting the sealing member from heat.
- One aspect of the present disclosure is a sensor element having a detection unit capable of detecting gas at the tip side position in the axial direction.
- the base end side cover mounted on the outer periphery of the base end side in the axial direction of the housing is the outer peripheral side cover that forms an annular space between the inner peripheral side cover and the inner peripheral side cover. It is composed of and. Then, the heat transferred from the portion where the gas sensor is attached to the housing can be transferred from the housing to the inner peripheral side cover.
- the sealing member is less likely to be heated by the heat transferred from the housing, and the sealing member can be effectively protected from the heat.
- FIG. 1 is an explanatory view showing a cross section of a gas sensor according to an embodiment.
- FIG. 2 is an explanatory view showing an enlarged cross section of a proximal end side portion of the gas sensor in the axial direction in FIG.
- FIG. 3 is an explanatory view showing an enlarged cross section of the tip side portion of the gas sensor in the axial direction in FIG.
- FIG. 4 is an explanatory view showing an IV-IV cross section of FIG.
- FIG. 5 is an explanatory view showing an enlarged cross section of the sensor element of the gas sensor according to the embodiment.
- FIG. 6 is an explanatory view showing a VI-VI cross section of FIG.
- FIG. 7 is an explanatory view showing a cross section of VII-VII of FIG.
- FIG. 8 is an explanatory view showing an enlarged cross section of a proximal end side portion in the axial direction of another gas sensor.
- the gas sensor 1 of this embodiment includes a sensor element 2, a housing 41, a contact terminal 44, a second insulator 43 as an insulator, a lead wire 48, a sealing member 47, and an inner peripheral side cover 5. And the outer peripheral side covers 46A and 46B are provided.
- the sensor element 2 has a detection unit 21 capable of detecting gas at the position of the tip side L1 in the axial direction L.
- the housing 41 is formed in a tubular shape, and the sensor element 2 is inserted through the inner peripheral side of the housing 41.
- the detection unit 21 of the sensor element 2 projects toward the tip side L1 from the end surface of the tip side L1 in the axial direction L in the housing 41.
- the contact terminal 44 is in contact with the terminal portion 22 provided at the position of the base end side L2 of the sensor element 2 in the axial direction L.
- the second insulator 43 holds the contact terminal 44.
- the lead wire 48 is connected to the contact terminal 44 and is led out to the outside of the gas sensor 1.
- the sealing member 47 holds the lead wire 48.
- the inner peripheral side cover 5 is attached to the outer periphery of the housing 41 at the position of the base end side L2 in the axial direction L.
- the outer peripheral side covers 46A and 46B are arranged on the outer peripheral side of the inner peripheral side cover 5, form an annular space 50 with the inner peripheral side cover 5, and hold the sealing member 47 on the inner peripheral side. ing.
- the gas sensor 1 of this embodiment will be described in detail below.
- the gas sensor 1 As shown in FIG. 1, the gas sensor 1 is arranged at the attachment port 71 of the exhaust pipe 7 of the internal combustion engine (engine) of the vehicle, and the exhaust gas G flowing through the exhaust pipe 7 is used as the detection target gas, and the oxygen concentration in the detection target gas and the like. Is used to detect.
- the gas sensor 1 can be used as an air-fuel ratio sensor (A / F sensor) for obtaining the air-fuel ratio in an internal combustion engine based on the oxygen concentration in the exhaust gas G, the unburned gas concentration, and the like.
- the air-fuel ratio sensor quantitatively and continuously ranges from a fuel-rich state in which the ratio of fuel to air is higher than the theoretical air-fuel ratio to a fuel lean state in which the ratio of fuel to air is lower than the theoretical air-fuel ratio. Can be detected.
- the gas sensor 1 can be used for various purposes for determining the oxygen concentration.
- a catalyst for purifying harmful substances in the exhaust gas G is arranged in the exhaust pipe 7, and the gas sensor 1 is arranged on either the upstream side or the downstream side of the catalyst in the flow direction of the exhaust gas G in the exhaust pipe 7. You can also do it.
- the gas sensor 1 can also be arranged in a pipe on the suction side of a supercharger that increases the density of air sucked by the internal combustion engine by using the exhaust gas G.
- the pipe in which the gas sensor 1 is arranged may be a pipe in the exhaust gas recirculation mechanism that recirculates a part of the exhaust gas G exhausted from the internal combustion engine to the exhaust pipe 7 to the intake pipe of the internal combustion engine.
- the sensor element 2 of this embodiment is formed in a long rectangular shape, and has a solid electrolyte 31, an exhaust electrode 311 and an atmospheric electrode 312, a first insulator 33A, and a second insulator. It includes an insulator 33B, a gas chamber 35, an atmospheric duct 36, and a heating element 34.
- the sensor element 2 is a laminated type in which the insulators 33A and 33B and the heating element 34 are laminated on the solid electrolyte body 31.
- the axial direction L of the sensor element 2 means the direction in which the sensor element 2 extends in an elongated shape. Further, the direction in which the solid electrolyte 31 and the insulators 33A and 33B are laminated, that is, the solid electrolyte 31, the insulators 33A and 33B, and the heating element 34 are laminated, orthogonal to the axial direction L. The direction is called the stacking direction D. Further, the direction orthogonal to the axial direction L and the stacking direction D is referred to as the width direction W. Further, in the axial direction L of the sensor element 2, the side exposed to the exhaust gas G is referred to as the tip end side L1, and the side opposite to the tip end side L1 is referred to as the proximal end side L2.
- the solid electrolyte 31 has the conductivity of oxygen ions (O 2- ) at a predetermined active temperature.
- the first surface 301 of the solid electrolyte 31 is provided with an exhaust electrode 311 exposed to the exhaust gas G, and the second surface 302 of the solid electrolyte 31 is provided with an atmospheric electrode 312 exposed to the atmosphere A.
- the exhaust electrode 311 and the atmospheric electrode 312 are arranged at positions in the axial direction L of the sensor element 2 at the distal end side L1 exposed to the exhaust gas G and overlapping in the stacking direction D via the solid electrolyte body 31.
- the first insulator 33A is laminated on the first surface 301 of the solid electrolyte body 31, and the second insulator 33B is laminated on the second surface 302 of the solid electrolyte body 31.
- the solid electrolyte 31 is composed of a zirconia-based oxide, contains zirconia as a main component (containing 50% by mass or more), and is a stabilized zirconia or a portion obtained by substituting a part of zirconia with a rare earth metal element or an alkaline earth metal element. Consists of stabilized zirconia. A portion of the zirconia constituting the solid electrolyte 31 can be replaced by yttria, scandia or calcia.
- the exhaust electrode 311 and the atmospheric electrode 312 contain platinum as a noble metal exhibiting catalytic activity for oxygen and a zirconia oxide as a co-material with the solid electrolyte 31.
- the common material is the exhaust electrode 311 and the atmospheric electrode 312 formed by the electrode material and the solid electrolyte when the paste-like electrode material is printed (coated) on the solid electrolyte body 31 and the solid electrolyte body 31 and the electrode material are fired. This is for maintaining the bond strength with the body 31.
- electrode lead portions 313 for electrically connecting these electrodes 311, 312 to the outside of the gas sensor 1 are connected to the exhaust electrode 311 and the atmospheric electrode 312.
- the electrode lead portion 313 is pulled out to a portion of the sensor element 2 on the proximal end side L2 in the axial direction L.
- Gas chamber 35 As shown in FIGS. 5 and 6, a gas chamber 35 surrounded by the first insulator 33A and the solid electrolyte 31 is formed adjacent to the first surface 301 of the solid electrolyte 31.
- the gas chamber 35 is formed at a position on the tip end side L1 of the first insulator 33A in the axial direction L at a position for accommodating the exhaust electrode 311.
- the gas chamber 35 is formed as a space portion closed by the first insulator 33A, the diffusion resistance portion 32, and the solid electrolyte body 31.
- the exhaust gas G flowing in the exhaust pipe 7 passes through the diffusion resistance portion 32 and is introduced into the gas chamber 35.
- the diffusion resistance portion 32 of this embodiment is provided adjacent to the tip side L1 of the gas chamber 35 in the axial direction L.
- the diffusion resistance portion 32 is arranged in the introduction port opened adjacent to the tip side L1 in the axial direction L of the gas chamber 35 in the first insulator 33A.
- the diffusion resistance portion 32 is formed of a porous metal oxide such as alumina.
- the diffusion rate (flow rate) of the exhaust gas G introduced into the gas chamber 35 is determined by limiting the rate at which the exhaust gas G penetrates the pores in the diffusion resistance portion 32.
- the diffusion resistance portion 32 may be formed adjacent to both sides of the gas chamber 35 in the width direction W. In this case, the diffusion resistance portion 32 is arranged in the introduction port opened adjacent to both sides of the gas chamber 35 in the width direction W in the first insulator 33A. In addition to being formed by using a porous body, the diffusion resistance portion 32 can also be formed by using a pinhole which is a small through hole communicated with the gas chamber 35.
- an atmospheric duct 36 surrounded by the second insulator 33B and the solid electrolyte 31 is formed adjacent to the second surface 302 of the solid electrolyte 31.
- the atmospheric duct 36 is formed from the portion of the second insulator 33B in the axial direction L accommodating the atmospheric electrode 312 to the proximal end position in the axial direction L of the sensor element 2 exposed to the atmosphere A.
- a proximal end opening 361 as an atmospheric introduction portion of the atmospheric duct 36 is formed.
- the atmospheric duct 36 is formed from the base end opening 361 to a position where it overlaps with the gas chamber 35 in the stacking direction D via the solid electrolyte body 31. Atmosphere A is introduced into the atmosphere duct 36 from the base end opening 361.
- Heating element 34 As shown in FIGS. 5 to 7, the heating element 34 is embedded in the second insulator 33B forming the atmospheric duct 36, and the heating element 341 that generates heat by energization and the heating element lead connected to the heating element 341. It has a part 342 and a portion 342.
- the heat generating portion 341 is arranged at a position where at least a part thereof overlaps with the exhaust electrode 311 and the atmospheric electrode 312 in the stacking direction D of the solid electrolyte body 31 and the insulators 33A and 33B.
- the heating element 34 has a heating element 341 that generates heat when energized, and a pair of heating element lead portions 342 that are connected to the base end side L2 of the heating element 341 in the axial direction L.
- the heat generating portion 341 is formed by a linear conductor portion meandering by a straight portion and a curved portion.
- the straight portion of the heat generating portion 341 of this embodiment is formed parallel to the axial direction L.
- the heating element lead portion 342 is formed by a linear conductor portion parallel to the axial direction L.
- the resistance value per unit length of the heating element 341 is larger than the resistance value per unit length of the heating element lead unit 342.
- the heating element lead portion 342 is pulled out from the heating element 341 to the portion L2 on the proximal end side in the axial direction L.
- the heating element 34 contains a conductive metal material.
- the heat generating portion 341 of the present embodiment is formed in a shape meandering in the axial direction L at the position of the tip side L1 in the axial direction L in the heating element 34.
- the heat generating portion 341 may be formed in a meandering manner in the width direction W.
- the heat generating portion 341 is arranged at a position facing the exhaust electrode 311 and the atmospheric electrode 312 in the stacking direction D orthogonal to the axial direction L.
- the heat generating portion 341 is arranged at a portion of the sensor element 2 at the tip end side L1 in the axial direction L at a position overlapping the exhaust electrode 311 and the atmospheric electrode 312 in the stacking direction D.
- the cross-sectional area of the heating element 341 is smaller than the cross-sectional area of the heating element lead portion 342, and the resistance value per unit length of the heating element 341 is higher than the resistance value per unit length of the heating element lead portion 342.
- This cross-sectional area refers to the cross-sectional area of the surfaces orthogonal to the extending direction of the heating element 341 and the heating element lead portion 342. Then, when a voltage is applied to the pair of heating element lead portions 342, the heating portion 341 generates heat due to Joule heat, and the heat generation heats the periphery of the detection unit 21 to a target temperature.
- each insulator 33A, 33B As shown in FIGS. 5 and 6, the first insulator 33A forms the gas chamber 35, and the second insulator 33B forms the atmospheric duct 36 and embeds the heating element 34. ..
- the first insulator 33A and the second insulator 33B are formed of a metal oxide such as alumina (aluminum oxide).
- the insulators 33A and 33B are formed as a dense body through which a gas such as exhaust gas G or atmosphere A cannot permeate, and the insulators 33A and 33B have almost all pores through which the gas can pass. It has not been.
- Terminal 22 of sensor element 2 As shown in FIG. 1, the terminal portion 22 of the sensor element 2 is electrically connected to each electrode lead portion 313 of the exhaust electrode 311 and the atmospheric electrode 312, and the base end portion of the pair of heating element lead portions 342 in the axial direction L. It is connected.
- the terminal portions 22 are arranged on both side surfaces of the sensor element 2 at the base end portion in the axial direction L.
- the base end portions of the electrode lead portion 313 and the heating element lead portion 342 in the axial direction L are connected to the terminal portion 22 via through holes formed in the insulators 34A and 34B.
- Porous layer 37 As shown in FIG. 1, the entire circumference of the portion of the sensor element 2 on the distal end side L1 in the axial direction is porous to capture the toxic substance to the exhaust electrode 311 and the condensed water generated in the exhaust pipe 7.
- a layer 37 is provided.
- the porous layer 37 is formed of porous ceramics (metal oxide) such as alumina.
- the porosity of the porous layer 37 is larger than the porosity of the diffusion resistance portion 32, and the flow rate of the exhaust gas G that can permeate the porous layer 37 is the flow rate of the exhaust gas G that can permeate the diffusion resistance portion 32. More than.
- the direction orthogonal to the axial direction L of the sensor element 2 and extending radially from the central axis of the sensor element 2 is referred to as the radial direction R.
- the central axis refers to a virtual line passing through the center of gravity of the cross section of the sensor element 2 orthogonal to the axial direction L.
- the housing 41 is used for tightening the gas sensor 1 to the attachment port 71 of the exhaust pipe 7.
- the housing 41 includes a flange portion 411 forming the maximum outer diameter portion, a tip side tubular portion 412 formed on the tip end side L1 of the flange portion 411 in the axial direction L, and a base end side L2 of the flange portion 411 in the axial direction L. It has a base end side tubular portion 414 formed in.
- the “maximum outer diameter portion” refers to a portion of the housing 41 having the largest radial dimension in the radial direction R.
- the outer circumference of the flange portion 411 is formed in a hexagonal shape used when the gas sensor 1 is tightened to the mounting port 71 by a tool.
- the distal end side tubular portion 412 and the proximal end side tubular portion 414 are formed in a cylindrical shape.
- a male screw to be tightened to the female screw of the mounting port 71 is formed on the outer circumference of the portion of the tip side cylinder portion 412 on the base end side L2 in the axial direction L.
- a mounting portion 413 to which the tip side covers 45A and 45B, which will be described later, is mounted is formed on the tip side L1 portion of the tip side tubular portion 412 in the axial direction L.
- the base end side tubular portion 414 is formed with a crimped portion 415 bent toward the inner peripheral side.
- the caulking portion 415 may not be formed on the base end side tubular portion 414.
- the inner peripheral side cover 5 absorbs heat in the housing 41, and the heat in the housing 41 is a sealing member located at the end of the base end side L2 in the axial direction L of the gas sensor 1. This is to make it difficult to transmit up to 47.
- the inner peripheral side cover 5 has a cylindrical main body portion 51 and a bent portion 52 bent toward the inner peripheral side in the radial direction R at the base end portion of the tubular main body portion 51 in the axial direction L.
- the base end portion of the inner peripheral side cover 5 in the axial direction L is bent toward the inner peripheral side with respect to the tubular main body portion 51 of the inner peripheral side cover 5, and the axial direction L in the second insulator 43 A bent portion 52 that indirectly contacts the end surface of the base end side L2 is formed.
- the bent portion 52 is bent perpendicularly from the tubular main body portion 51 to the inner peripheral side in the radial direction R.
- the bent portion 52 sandwiches a metal caulking member 431 between the second insulator 43 and the end surface of the base end side L2 in the axial direction L.
- the caulking member 431 is composed of a leaf spring and has a spring property that generates a repulsive force after elastic deformation.
- the second insulator 43 is attached to the first insulator in a state where the bent portion 52 of the inner peripheral side cover 5 is bent toward the inner peripheral side in the radial direction R to impart the springiness of the caulking member 431 to the second insulator 43. It can be fixed to 42.
- the tip of the tubular main body 51 of the inner peripheral side cover 5 in the axial direction is in contact with the housing 41 and the outer peripheral side covers 46A and 46B, while the bent portion 52 of the inner peripheral side cover 5 is the outer peripheral side cover. Not in contact with 46A and 46B.
- the bent portion 52 is indirectly in contact with the second insulator 43 via the caulking member 431.
- the bent portion 52 of the inner peripheral side cover 5 is bent toward the inner peripheral side in the radial direction R and indirectly contacts the second insulator 43 via the caulking member 431, whereby the inner peripheral side cover from the housing 41 is covered.
- the heat transferred to the tubular main body portion 51 of 5 can be released from the bent portion 52 of the inner peripheral side cover 5 to the second insulator 43.
- the bent portion 52 of the inner peripheral side cover 5 may be in direct contact with the second insulator 43.
- the tip of the inner peripheral side cover 5 in the axial direction L is mounted on the outer periphery of the base end side tubular portion 414 of the housing 41.
- the tip portion of the inner peripheral side cover 5 of the present embodiment in the axial direction L is joined to the outer periphery of the base end side tubular portion 414 of the housing 41 by welding or the like.
- the base end side tubular portion 414 of the housing 41 can be press-fitted into the tip end portion of the inner peripheral side cover 5 in the axial direction L.
- the tip portion of the inner peripheral side cover 5 in the axial direction L can be caulked and fixed to the outer periphery of the base end side tubular portion 414 of the housing 41.
- outer peripheral cover 46A, 46B As shown in FIGS. 1 and 2, the outer peripheral side covers 46A and 46B cover the wiring portion located at the base end side L2 in the axial direction L of the gas sensor 1 and protect the wiring portion from water in the atmosphere A and the like. It is for doing.
- the wiring portion is composed of a contact terminal 44, a connection portion between the contact terminal 44 and the lead wire 48 (connection fitting 441), and the like as a portion electrically connected to the sensor element 2.
- the outer peripheral side covers 46A and 46B are formed by being divided into two parts in order to sandwich the water repellent filter 462 that prevents water in the atmosphere A from entering the gas sensor 1.
- the outer peripheral side covers 46A and 46B of the present embodiment are the first outer peripheral side cover 46A arranged on the outer peripheral side of the inner peripheral side cover 5, and the base end side of the first outer peripheral side cover 46A in the axial direction L. It has a second outer peripheral side cover 46B attached to the portion of L2.
- the portion of the second outer peripheral side cover 46B on the tip side L1 in the axial direction L is attached to the outer periphery of the portion of the first outer peripheral side cover 46A on the proximal end side L2 in the axial direction L.
- a sealing member 47 for holding a plurality of lead wires 48 is held on the inner peripheral side of the portion of the base end side L2 in the axial direction L of the second outer peripheral side cover 46B.
- the water repellent filter 462 is sandwiched between the first outer peripheral side cover 46A and the second outer peripheral side cover 46B, and between the second outer peripheral side cover 46B and the sealing member 47.
- the portion of the second outer peripheral side cover 46B at the tip end side L1 in the axial direction L1 is the portion of the first outer peripheral side cover 46A at the base end side L2 in the axial direction L from the outer peripheral side to the inner peripheral side. It is crimped by a recess 463 that sinks into. Further, the intermediate portion of the second outer peripheral side cover 46B in the axial direction L is the inner circumference from the outer peripheral side in a state where the water repellent filter 462 is sandwiched between the portions of the base end side L2 of the first outer peripheral side cover 46A in the axial direction L. It is crimped by a recess 464 that sinks to the side.
- the portion of the second outer peripheral side cover 46B at the base end side L2 in the axial direction L is crimped by the recess 465 that is recessed from the outer peripheral side to the inner peripheral side while the water repellent filter 462 is sandwiched by the sealing member 47. ing.
- the inner peripheral side covers 5 and the outer peripheral side covers 46A and 46B are arranged outside the exhaust pipe 7 of the internal combustion engine.
- the gas sensor 1 of this embodiment is for in-vehicle use, and the vehicle body in which the exhaust pipe 7 is arranged is connected to the engine room in which the internal combustion engine (engine) is arranged. Then, the atmosphere (air) A in the engine room flows around the inner peripheral side covers 5 and the outer peripheral side covers 46A and 46B.
- the second outer peripheral side cover 46B is formed with an atmosphere introduction hole 461 for introducing the atmosphere A from the outside of the gas sensor 1.
- the water repellent filter 462 is arranged so as to cover the air introduction hole 461 from the inner peripheral side of the second outer peripheral side cover 46B.
- the base end opening 361 of the atmospheric duct 36 in the sensor element 2 is open to the space inside the inner peripheral side cover 5 and the outer peripheral side covers 46A and 46B.
- the atmosphere A existing around the atmosphere introduction hole 461 of the second outer peripheral side cover 46B is taken into the inner peripheral side cover 5 and the outer peripheral side covers 46A and 46B via the water repellent filter 462. Then, the atmosphere A that has passed through the water-repellent filter 462 flows into the atmosphere duct 36 from the base end opening 361 of the atmosphere duct 36 of the sensor element 2 and is guided to the atmosphere electrode 312 in the atmosphere duct 36.
- the thickness t2 of the inner peripheral side cover 5 in the radial direction R is larger than the thickness t1 of the outer peripheral side covers 46A and 46B in the radial direction R.
- the inner peripheral side cover 5 is formed as thick as possible in order to have a function as a heat radiating portion for dissipating heat from the housing 41.
- the thickness t2 of the inner peripheral side cover 5 can be 2 to 5 times the thickness t1 of the outer peripheral side covers 46A and 46B.
- the thickness t2 of the inner peripheral side cover 5 is larger than the thickness t1 of the outer peripheral side covers 46A and 46B, the amount of heat transferred from the housing 41 to the outer peripheral side covers 46A and 46B is larger than the amount of heat transferred from the housing 41 to the inner peripheral side cover 5.
- the amount of heat transfer can be increased. As a result, the heat of the housing 41 can be made less likely to be transferred from the outer peripheral side covers 46A and 46B to the sealing member 47.
- the thickness t2 of the inner peripheral side cover 5 of this embodiment is uniform over the entire length in the axial direction L.
- the thickness t1 of the outer peripheral side covers 46A and 46B is partially changed. That is, the thickness of the portion of the first outer peripheral side cover 46A on the proximal end side L2 in the axial direction L is larger than the thickness of the other portions. Further, the thickness of the second outer peripheral side cover 46B is uniform over the entire length in the axial direction L.
- the thickness t2 of the inner peripheral side cover 5 when compared with the thickness t1 of the outer peripheral side covers 46A and 46B is an average value of the thickness t2 of the inner peripheral side cover 5. Can be.
- the thickness t2 of the inner peripheral side cover 5 when compared with the thickness t1 of the outer peripheral side covers 46A and 46B is the thickness t2 of the inner peripheral side cover 5. It can be the minimum value.
- the thickness t1 of the outer peripheral side covers 46A and 46B when compared with the thickness t2 of the inner peripheral side covers 5 is the thickness t1 of the outer peripheral side covers 46A and 46B. It can be an average value.
- the thickness t1 of the outer peripheral side covers 46A and 46B when compared with the thickness t2 of the inner peripheral side covers 5 is the thickness of the outer peripheral side covers 46A and 46B. It can be the minimum value of t1.
- the thickness t2 of the inner peripheral side cover 5 and the thickness t1 of the outer peripheral side covers 46A and 46B can be compared with each other at a portion where the inner peripheral side cover 5 and the outer peripheral side covers 46A and 46B face each other. That is, the thickness of the tubular main body 51 in the inner peripheral side cover 5 can be made larger than the thickness of the portion of the outer peripheral side covers 46A and 46B located on the outer peripheral side of the tubular main body 51.
- the annular space 50 is formed as a predetermined gap (interval) between the inner peripheral side cover 5 and the outer peripheral side cover 46A.
- the annular space 50 forms a heat insulating layer of air (atmosphere) A between the inner peripheral side cover 5 and the outer peripheral side cover 46A. Since the annular space 50 is formed, it is possible to suppress the heat transferred from the housing 41 to the inner peripheral side cover 5 from being transferred from the inner peripheral side cover 5 to the outer peripheral side covers 46A and 46B.
- the entire circumference of the tip side L1 in the axial direction L of the outer peripheral side cover 46A is in contact with the entire circumference of the tip side L1 in the axial direction L of the inner peripheral side cover 5.
- the entire circumference of the tip side L1 in the axial direction L of the outer peripheral side cover 46A of the present embodiment is joined to the entire circumference of the tip side L1 in the axial direction L of the inner peripheral side cover 5 by welding or the like.
- the portion of the outer peripheral side cover 46A at the tip end side L1 in the axial direction L1 and the portion of the inner peripheral side cover 5 at the tip end side L1 in the axial direction L are melted and the base end side of the housing 41.
- the tubular portion 414 can also be melted, and the outer peripheral side cover 46A, the inner peripheral side cover 5 and the housing 41 can be joined at the same time.
- the shaft in the annular space 50 Since the entire circumference of the tip side L1 in the axial direction L of the outer peripheral side cover 46A is joined to the entire circumference of the tip side L1 in the axial direction L in the inner peripheral side cover 5, the shaft in the annular space 50 The end portion 501 of the tip end side L1 in the direction L is closed. Further, the tip side L1 portion of the inner peripheral side cover 5 in the axial direction L can be press-fitted into the inner peripheral side of the tip side L1 portion in the axial direction L of the outer peripheral side cover 46A. Further, the portion of the outer peripheral side cover 46A on the tip side L1 in the axial direction L can be caulked and fixed to the portion of the inner peripheral side cover 5 on the tip side L1 in the axial direction L.
- the portion of the inner peripheral side cover 5 on the base end side L2 in the axial direction L is arranged on the inner peripheral side of the outer peripheral side covers 46A and 46B.
- the portion of the inner peripheral side cover 5 on the base end side L2 in the axial direction L is arranged at a position on the inner peripheral side away from the outer peripheral side cover 46A.
- the opening 502 of the base end side L2 in the axial direction L in the annular space 50 is opened.
- outer peripheral cover 46A As shown in FIG. 8, the entire circumference of the tip portion in the axial direction L of the outer peripheral side cover 46A is bent toward the inner peripheral side in the radial direction R, and the entire outer circumference of the tubular main body portion 51 of the inner peripheral side cover 5 is formed. It may be in contact with the circumference.
- the outer peripheral side cover 46A and the inner peripheral side cover 5 close the end portion 501 of the tip side L1 in the axial direction L in the annular space 50, and the annular space 50 is the axial direction L of the inner peripheral side cover 5. It can be positioned up to the tip. Then, the annular space 50 can be formed as long as possible in the axial direction L.
- the first insulator 42 is arranged in the center hole 410 penetrating the central portion of the housing 41 in the axial direction L.
- the first insulator 42 also called a first insulator, is made of an insulating ceramic material.
- a first insertion hole 420 penetrating in the axial direction L is formed in order to insert the sensor element 2.
- a fixing recess 421 in which the glass powder 422 for fixing the sensor element 2 is arranged is formed.
- the sensor element 2 is fixed to the first insulator 42 by the glass powder 422 arranged in the fixing recess 421 in a state of being inserted into the first insertion hole 420 of the first insulator 42.
- a protrusion 423 forming the maximum outer diameter portion of the first insulator 42 is formed on the outer periphery of the first insulator 42.
- a sealing material 424 is arranged in the tip side L1 of the protrusion 423 in the axial direction L in the center hole 410, and the protrusion in the center hole 410.
- Caulking materials 425,426,427,428 are arranged on the base end side L2 of the portion 423 in the axial direction L.
- the caulking material 425,426,427,428 can be composed of a powder sealing material 425, an annular plate-shaped packing 426, a tubular body 427, and a caulking material 428.
- the second insulator 43 is arranged on the base end side L2 of the first insulator 42 in the axial direction L and holds the contact terminal 44 in contact with the terminal portion 22 of the sensor element 2.
- the second insulator 43 also called a second insulator, is made of an insulating ceramic material.
- a second insertion hole 430 through which the sensor element 2 is inserted is formed so as to penetrate in the axial direction L.
- a groove 432 for arranging the contact terminal 44 is formed at a position of the second insulator 43 that communicates with the second insertion hole 430.
- the second insulator 43 is arranged on the inner peripheral side of the inner peripheral side cover 5 and the outer peripheral side cover 46A in the radial direction R.
- the contact terminal 44 contacts the terminal portion 22 of the sensor element 2 and electrically connects the terminal portion 22 to the lead wire 48.
- the contact terminal 44 is arranged in the groove portion 432 of the second insulator 43.
- the contact terminal 44 is connected to the lead wire 48 via the connection fitting 441, and is in contact with the terminal portion 22 by applying a restoring force of elastic deformation.
- the contact terminals 44 are based on the number of terminal portions 22 in the sensor element 2, in other words, the number of electrode lead portions 313 of the exhaust electrode 311 and the atmospheric electrode 312, and the number of pair of heating element lead portions 342 shown in FIG. A plurality of them are arranged in total.
- the sealing member (bush) 47 is arranged on the inner peripheral side of the second outer peripheral side cover 46B, and holds a plurality of lead wires 48 by sealing. ..
- the sealing member 47 is made of an elastically deformable rubber material in order to have a function as a sealing material.
- the sealing member 47 is formed with a through hole through which the lead wire 48 is inserted. By crimping the second outer peripheral side cover 46B to the sealing member 47, each gap between each lead wire 48 and each through hole and between the sealing member 47 and the second outer peripheral side cover 46B is sealed.
- the lead wire 48 is for connecting each contact terminal 44 to an external sensor control device 6 of the gas sensor 1.
- the lead wire 48 has an internal conductor coated with a coating layer.
- Tip side covers 45A, 45B As shown in FIG. 3, the front end side covers 45A and 45B cover the detection unit 21 of the sensor element 2 protruding from the end surface of the front end side L1 in the axial direction L of the housing 41 to the front end side L1.
- the tip side covers 45A and 45B are mounted on the outer periphery of the mounting portion 413 formed on the tip side tubular portion 412 of the housing 41.
- the tip side covers 45A and 45B of this embodiment have a double structure of a first tip side cover 45A and a second tip side cover 45B that covers the first tip side cover 45A.
- Gas flow holes 451 through which exhaust gas G can flow are formed in the first front end side cover 45A and the second front end side cover 45B.
- the detection unit 21 of the sensor element 2 and the front end side covers 45A and 45B are arranged in the exhaust pipe 7 of the internal combustion engine. A part of the exhaust gas G flowing in the exhaust pipe 7 flows into the tip side covers 45A and 45B from the gas flow holes 451 of the tip side covers 45A and 45B. Then, the exhaust gas G in the front end side covers 45A and 45B passes through the porous layer 37 of the sensor element 2 and the diffusion resistance portion 32 and is guided to the exhaust electrode 311.
- the tip side covers 45A and 45B may have a single structure in which the gas flow holes 451 are formed.
- the lead wire 48 in the gas sensor 1 is electrically connected to a sensor control device 6 that controls gas detection in the gas sensor 1.
- the sensor control device 6 performs electrical control on the gas sensor 1 in cooperation with an engine control device that controls combustion operation in the engine.
- the sensor control device 6 applies a voltage between the current measuring circuit 61 for measuring the current flowing between the exhaust electrode 311 and the atmospheric electrode 312, and between the exhaust electrode 311 and the atmospheric electrode 312.
- An energization circuit or the like for energizing the voltage application circuit 62 and the heating element 34 is formed.
- the sensor control device 6 may be built in the engine control device.
- the gas sensor 1 may detect the concentration of a specific gas component such as NOx (nitrogen oxide).
- NOx nitrogen oxide
- a pump electrode for pumping oxygen to the atmospheric electrode 312 by applying a voltage is arranged on the upstream side of the flow of the exhaust gas G in contact with the exhaust electrode 311 in the solid electrolyte body 31.
- the atmospheric electrode 312 is also formed at a position where it overlaps the pump electrode in the stacking direction D via the solid electrolyte body 31.
- the gas sensor 1 may include a cup-type sensor element 2 in which the solid electrolyte body 31 is formed in a bottomed cylindrical shape, in addition to the laminated type sensor element 2.
- the exhaust electrode 311 is provided on the outer peripheral surface of the solid electrolyte body 31, and the atmospheric electrode 312 is provided on the inner peripheral surface of the solid electrolyte body 31.
- the cup-type sensor element 2 is arranged in the center hole 410 of the housing 41 without using the first insulator 42.
- the inner peripheral side cover 5 and the outer peripheral side cover 46A can be attached to the outer periphery of the base end side tubular portion 414 of the housing 41.
- the inner peripheral side cover 5 is arranged on the inner peripheral side of the outer peripheral side covers 46A and 46B holding the sealing member 47 in the radial direction R.
- An annular space 50 that functions as a heat insulating layer is formed between the inner peripheral side cover 5 and the outer peripheral side covers 46A and 46B, and the inner peripheral side cover 5 and the outer peripheral side covers 46A and 46B are axially L. It is in contact only at the tip of the. Then, from the housing 41 to the base end side L2 in the axial direction L, a heat transfer path passing through the inner peripheral side cover 5 and a heat transfer path passing through the outer peripheral side covers 46A and 46B are formed.
- the exhaust gas G passing through the exhaust pipe 7 of the internal combustion engine becomes a high temperature of, for example, about 1000 to 1100 ° C. Then, the heat of the exhaust gas G is transferred to the gas sensor 1 via the housing 41 attached to the attachment port 71 of the exhaust pipe 7.
- the temperature of the detection unit 21 of the sensor element 2 and the front end side covers 45A and 45B arranged in the exhaust pipe 7 becomes the highest. Then, in the gas sensor 1, the temperature decreases from the housing 41 to the portion of the proximal end side L2 in the axial direction L. In other words, the temperatures of the inner peripheral side covers 5, the outer peripheral side covers 46A and 46B, the sealing member 47 and the like arranged outside the exhaust pipe 7 are lowered.
- the sealing member 47 is made of a rubber material, its heat resistance is lower than that of a metal material or the like, and the temperature is desired to be kept low in order to protect it from deterioration. If the amount of heat transferred from the housing 41 to the outer peripheral side covers 46A and 46B is large, the temperature at which the sealing member 47 is heated via the outer peripheral side covers 46A and 46B becomes high.
- the inner peripheral side cover 5 contacts the housing 41, and the tip portion of the outer peripheral side covers 46A and 46B in the axial direction L contacts the tip portion of the inner peripheral side cover 5 in the axial direction L. Due to the configuration in which the thickness t2 of the inner peripheral side cover 5 is larger than the thickness t1 of the outer peripheral side covers 46A and 46B, most of the heat of the housing 41 is transferred to the inner peripheral side cover 5 and the outer peripheral side covers 46A and 46B. The amount of heat transferred to can be reduced. Further, due to the presence of the annular space 50, heat transfer from the inner peripheral side cover 5 to the outer peripheral side covers 46A and 46B is suppressed to a minimum.
- the sealing member 47 is less likely to be heated by the heat transferred from the housing 41, and the sealing member 47 can be effectively protected from the heat.
- the temperature of the sealing member 47 in the gas sensor of the comparative form 1 was about 260 ° C.
- the temperature of the sealing member 47 in the gas sensor of the comparative form 2 was about 250 ° C.
- the temperature of the sealing member 47 in the gas sensor 1 of the embodiment was about 230 ° C. From this result, according to the gas sensor 1 of the embodiment using the inner peripheral side cover 5, the temperature at which the sealing member 47 is heated can be maintained lower than that of the gas sensors of the comparative embodiments 1 and 2, and the sealing member 47 can be sealed. It has been found that the member 47 can be effectively protected from heat.
- the inner peripheral side cover 5 of the embodiment is made of stainless steel (SUS430) as a metal material.
- the inner peripheral side cover 5 can also be made of carbon steel (S45C) as a metal material in order to enhance the heat transfer effect. While the thermal conductivity of stainless steel is about 16 [W / m ⁇ K], the thermal conductivity of carbon steel is about 50 [W / m ⁇ K].
- the temperature of the sealing member 47 can be lowered by about 30 ° C. as compared with the case of the gas sensor of the comparative form 1.
- the temperature of the sealing member 47 can be lowered by about 77 ° C. as compared with the case of the gas sensor of the comparative form 1. From this result, it was found that it is preferable to use a metal material having a higher thermal conductivity for the inner peripheral side cover 5.
- the present disclosure is not limited to the embodiment, and it is possible to configure a different embodiment without departing from the gist thereof.
- the present disclosure includes various modifications, modifications within an equal range, and the like.
- the technical idea of the present disclosure also includes combinations, forms, etc. of various components assumed from the present disclosure.
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Abstract
ガスセンサ(1)は、センサ素子(2)、ハウジング(41)、接点端子(44)、第2インシュレータ(43)、リード線(48)、封止部材(47)、内周側カバー(5)及び外周側カバー(46A,46B)を備える。内周側カバー(5)は、ハウジング(41)の軸方向(L)の基端側(L2)の位置の外周に装着されている。外周側カバー(46A,46B)は、内周側カバー(5)の外周側に配置されるとともに、内周側カバー(5)との間に環状空間(50)を形成し、かつ封止部材(47)を内周側に保持している。
Description
本出願は、2019年5月16日に出願された日本の特許出願番号2019-092852号に基づくものであり、その記載内容を援用する。
本開示は、センサ素子を備えるガスセンサに関する。
例えば、車載用のガスセンサは、車両の内燃機関の排気管に配置されて、排気管を流れる排ガスを検出対象ガスとして、検出対象ガスに基づく内燃機関の空燃比、検出対象ガスにおける酸素の濃度等を求めるために使用される。ガスセンサにおいては、検知部を有するセンサ素子が筒形状のハウジングに挿通されるとともに、センサ素子の検知部がハウジングに装着された先端側カバーによって覆われ、かつ、センサ素子の配線部がハウジングに装着された基端側カバーによって覆われている。センサ素子の検知部及び先端側カバーは排気管内に配置されており、基端側カバーは排気管の外部に配置されている。
内燃機関における燃料の燃焼を受けて、内燃機関の排気管内を通過する排ガスは、例えば、1100℃程度の高温になる。そして、高温に加熱された排気管から、排気管に取り付けられたハウジングへ熱が伝達され、ハウジングから基端側カバーへと熱が伝達される。また、基端側カバーの内周側には、センサ素子に電気的に接続されたリード線を保持するためのゴム製の封止部材が配置されており、基端側カバーから封止部材へも熱が伝達される。
封止部材を熱から保護する技術としては、例えば、特許文献1に開示されるガスセンサがある。このガスセンサにおいては、ゴムキャップ(封止部材)の熱劣化を防止するために、主体金具(ハウジング)の外周に取り付けられた外筒(基端側カバー)に、外周側に突出する放熱部材を取り付けている。
特許文献1のガスセンサにおいては、ハウジングから基端側カバーに熱が伝わった後に、基端側カバーから放熱部材へ熱が逃がされる。そのため、ハウジングから基端側カバーに伝わる熱は、基端側カバーから放熱部材へ逃がされる経路と、基端側カバーから封止部材へ伝わる経路とを移動する。このことから、特許文献1のガスセンサにおいては、基端側カバーから封止部材への伝熱を十分に抑制することは難しい。
本開示は、ハウジングから伝達される熱によって封止部材が加熱されにくくし、封止部材を熱から効果的に保護す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。
本開示の一態様は、ガス検知が可能な検知部を軸方向の先端側位置に有するセンサ素子と、
前記検知部が前記軸方向の先端側に突出する状態で、前記センサ素子が挿通された筒形状のハウジングと、
前記センサ素子の前記軸方向の基端側位置に設けられた端子部に接触する接点端子と、
前記接点端子を保持するインシュレータと、
前記接点端子に接続されて外部に引き出されたリード線と、
前記リード線を保持する封止部材と、
前記ハウジングの前記軸方向の基端側位置の外周に装着された内周側カバーと、
前記内周側カバーの外周側に配置されるとともに、前記内周側カバーとの間に環状空間を形成し、かつ前記封止部材を内周側に保持する外周側カバーと、を備えるガスセンサにある。
前記検知部が前記軸方向の先端側に突出する状態で、前記センサ素子が挿通された筒形状のハウジングと、
前記センサ素子の前記軸方向の基端側位置に設けられた端子部に接触する接点端子と、
前記接点端子を保持するインシュレータと、
前記接点端子に接続されて外部に引き出されたリード線と、
前記リード線を保持する封止部材と、
前記ハウジングの前記軸方向の基端側位置の外周に装着された内周側カバーと、
前記内周側カバーの外周側に配置されるとともに、前記内周側カバーとの間に環状空間を形成し、かつ前記封止部材を内周側に保持する外周側カバーと、を備えるガスセンサにある。
前記一態様のガスセンサにおいては、ハウジングの軸方向の基端側の外周に装着される基端側カバーを、内周側カバーと、内周側カバーとの間に環状空間を形成する外周側カバーとによって構成している。そして、ガスセンサが取り付けられた部位からハウジングに伝わる熱は、ハウジングから内周側カバーへ移動させることができる。
内周側カバーと外周側カバーとの間には環状空間が形成されていることにより、内周側カバーから外周側カバーへの伝熱は最小限に抑制される。そして、ハウジングから外周側カバーへ熱が伝わりにくくなり、外周側カバーから、外周側カバーの内周側に配置された封止部材に熱が伝わりにくくなる。
それ故、前記一態様のガスセンサによれば、ハウジングから伝達される熱によって封止部材が加熱されにくくし、封止部材を熱から効果的に保護することができる。
なお、本開示の一態様において示す各構成要素のカッコ書きの符号は、実施形態における図中の符号との対応関係を示すが、各構成要素を実施形態の内容のみに限定するものではない。
本開示についての目的、特徴、利点等は、添付の図面を参照する後記の詳細な記述によって、より明確になる。本開示の図面を以下に示す。
図1は、実施形態にかかる、ガスセンサの断面を示す説明図である。
図2は、図1における、ガスセンサの軸方向の基端側部分の断面を拡大して示す説明図である。
図3は、図1における、ガスセンサの軸方向の先端側部分の断面を拡大して示す説明図である。
図4は、図2のIV-IV断面を示す説明図である。
図5は、実施形態にかかる、ガスセンサのセンサ素子の断面を拡大して示す説明図である。
図6は、図5のVI-VI断面を示す説明図である。
図7は、図5のVII-VII断面を示す説明図である。
図8は、他のガスセンサの軸方向の基端側部分の断面を拡大して示す説明図である。
前述したガスセンサにかかる好ましい実施形態について、図面を参照して説明する。
<実施形態>
本形態のガスセンサ1は、図1~図4に示すように、センサ素子2、ハウジング41、接点端子44、インシュレータとしての第2インシュレータ43、リード線48、封止部材47、内周側カバー5及び外周側カバー46A,46Bを備える。センサ素子2は、ガス検知が可能な検知部21を軸方向Lの先端側L1の位置に有する。ハウジング41は筒形状に形成されており、ハウジング41の内周側には、センサ素子2が挿通されている。センサ素子2の検知部21は、ハウジング41における軸方向Lの先端側L1の端面よりも先端側L1に突出している。
<実施形態>
本形態のガスセンサ1は、図1~図4に示すように、センサ素子2、ハウジング41、接点端子44、インシュレータとしての第2インシュレータ43、リード線48、封止部材47、内周側カバー5及び外周側カバー46A,46Bを備える。センサ素子2は、ガス検知が可能な検知部21を軸方向Lの先端側L1の位置に有する。ハウジング41は筒形状に形成されており、ハウジング41の内周側には、センサ素子2が挿通されている。センサ素子2の検知部21は、ハウジング41における軸方向Lの先端側L1の端面よりも先端側L1に突出している。
図2及び図4に示すように、接点端子44は、センサ素子2の軸方向Lの基端側L2の位置に設けられた端子部22に接触している。第2インシュレータ43は、接点端子44を保持している。リード線48は、接点端子44に接続されて、ガスセンサ1の外部に引き出されている。封止部材47は、リード線48を保持している。内周側カバー5は、ハウジング41の軸方向Lの基端側L2の位置の外周に装着されている。外周側カバー46A,46Bは、内周側カバー5の外周側に配置されるとともに、内周側カバー5との間に環状空間50を形成し、かつ封止部材47を内周側に保持している。
以下に、本形態のガスセンサ1について詳説する。
(ガスセンサ1)
図1に示すように、ガスセンサ1は、車両の内燃機関(エンジン)の排気管7の取付口71に配置され、排気管7を流れる排ガスGを検出対象ガスとして、検出対象ガスにおける酸素濃度等を検出するために用いられる。ガスセンサ1は、排ガスGにおける酸素濃度、未燃ガス濃度等に基づいて、内燃機関における空燃比を求める空燃比センサ(A/Fセンサ)として用いることができる。空燃比センサは、理論空燃比と比べて空気に対する燃料の割合が多い燃料リッチの状態から、理論空燃比と比べて空気に対する燃料の割合が少ない燃料リーンの状態まで定量的に連続して空燃比を検出することができるものである。また、ガスセンサ1は、空燃比センサ以外にも、酸素濃度を求める種々の用途として用いることができる。
(ガスセンサ1)
図1に示すように、ガスセンサ1は、車両の内燃機関(エンジン)の排気管7の取付口71に配置され、排気管7を流れる排ガスGを検出対象ガスとして、検出対象ガスにおける酸素濃度等を検出するために用いられる。ガスセンサ1は、排ガスGにおける酸素濃度、未燃ガス濃度等に基づいて、内燃機関における空燃比を求める空燃比センサ(A/Fセンサ)として用いることができる。空燃比センサは、理論空燃比と比べて空気に対する燃料の割合が多い燃料リッチの状態から、理論空燃比と比べて空気に対する燃料の割合が少ない燃料リーンの状態まで定量的に連続して空燃比を検出することができるものである。また、ガスセンサ1は、空燃比センサ以外にも、酸素濃度を求める種々の用途として用いることができる。
排気管7には、排ガスG中の有害物質を浄化するための触媒が配置されており、ガスセンサ1は、排気管7における排ガスGの流れ方向において、触媒の上流側又は下流側のいずれに配置することもできる。また、ガスセンサ1は、排ガスGを利用して内燃機関が吸入する空気の密度を高める過給機の吸入側の配管に配置することもできる。また、ガスセンサ1を配置する配管は、内燃機関から排気管7に排気される排ガスGの一部を、内燃機関の吸気管に再循環させる排気再循環機構における配管とすることもできる。
(センサ素子2)
図5及び図6に示すように、本形態のセンサ素子2は、長尺の長方形状に形成されており、固体電解質体31、排気電極311及び大気電極312、第1絶縁体33A、第2絶縁体33B、ガス室35、大気ダクト36及び発熱体34を備える。センサ素子2は、固体電解質体31に、各絶縁体33A,33B及び発熱体34が積層された積層タイプのものである。
図5及び図6に示すように、本形態のセンサ素子2は、長尺の長方形状に形成されており、固体電解質体31、排気電極311及び大気電極312、第1絶縁体33A、第2絶縁体33B、ガス室35、大気ダクト36及び発熱体34を備える。センサ素子2は、固体電解質体31に、各絶縁体33A,33B及び発熱体34が積層された積層タイプのものである。
本形態において、センサ素子2の軸方向Lとは、センサ素子2が長尺形状に延びる方向のことをいう。また、軸方向Lに直交し、固体電解質体31と各絶縁体33A,33Bとが積層された方向、換言すれば、固体電解質体31、各絶縁体33A,33B及び発熱体34が積層された方向を、積層方向Dという。また、軸方向Lと積層方向Dとに直交する方向を、幅方向Wという。また、センサ素子2の軸方向Lにおいて、排ガスGに晒される側を先端側L1といい、先端側L1の反対側を基端側L2という。
(固体電解質体31、排気電極311及び大気電極312)
図5及び図6に示すように、固体電解質体31は、所定の活性温度において、酸素イオン(O2-)の伝導性を有するものである。固体電解質体31の第1表面301には、排ガスGに晒される排気電極311が設けられており、固体電解質体31の第2表面302には、大気Aに晒される大気電極312が設けられている。排気電極311と大気電極312とは、センサ素子2の軸方向Lの、排ガスGに晒される先端側L1の部位において、固体電解質体31を介して積層方向Dに重なる位置に配置されている。センサ素子2の軸方向Lの先端側L1の部位には、排気電極311及び大気電極312と、これらの電極311,312の間に挟まれた固体電解質体31の部分とによる検知部21が形成されている。第1絶縁体33Aは、固体電解質体31の第1表面301に積層されており、第2絶縁体33Bは、固体電解質体31の第2表面302に積層されている。
図5及び図6に示すように、固体電解質体31は、所定の活性温度において、酸素イオン(O2-)の伝導性を有するものである。固体電解質体31の第1表面301には、排ガスGに晒される排気電極311が設けられており、固体電解質体31の第2表面302には、大気Aに晒される大気電極312が設けられている。排気電極311と大気電極312とは、センサ素子2の軸方向Lの、排ガスGに晒される先端側L1の部位において、固体電解質体31を介して積層方向Dに重なる位置に配置されている。センサ素子2の軸方向Lの先端側L1の部位には、排気電極311及び大気電極312と、これらの電極311,312の間に挟まれた固体電解質体31の部分とによる検知部21が形成されている。第1絶縁体33Aは、固体電解質体31の第1表面301に積層されており、第2絶縁体33Bは、固体電解質体31の第2表面302に積層されている。
固体電解質体31は、ジルコニア系酸化物からなり、ジルコニアを主成分とし(50質量%以上含有し)、希土類金属元素又はアルカリ土類金属元素によってジルコニアの一部を置換させた安定化ジルコニア又は部分安定化ジルコニアからなる。固体電解質体31を構成するジルコニアの一部は、イットリア、スカンジア又はカルシアによって置換することができる。
排気電極311及び大気電極312は、酸素に対する触媒活性を示す貴金属としての白金、及び固体電解質体31との共材としてのジルコニア系酸化物を含有している。共材は、固体電解質体31にペースト状の電極材料を印刷(塗布)して固体電解質体31及び電極材料を焼成する際に、電極材料によって形成される排気電極311及び大気電極312と固体電解質体31との結合強度を維持するためのものである。
図5に示すように、排気電極311及び大気電極312には、これらの電極311,312をガスセンサ1の外部と電気接続するための電極リード部313が接続されている。電極リード部313は、センサ素子2の軸方向Lの基端側L2の部位まで引き出されている。
(ガス室35)
図5及び図6に示すように、固体電解質体31の第1表面301には、第1絶縁体33Aと固体電解質体31とに囲まれたガス室35が隣接して形成されている。ガス室35は、第1絶縁体33Aの軸方向Lの先端側L1の部位において、排気電極311を収容する位置に形成されている。ガス室35は、第1絶縁体33Aと拡散抵抗部32と固体電解質体31とによって閉じられた空間部として形成されている。排気管7内を流れる排ガスGは、拡散抵抗部32を通過してガス室35内に導入される。
図5及び図6に示すように、固体電解質体31の第1表面301には、第1絶縁体33Aと固体電解質体31とに囲まれたガス室35が隣接して形成されている。ガス室35は、第1絶縁体33Aの軸方向Lの先端側L1の部位において、排気電極311を収容する位置に形成されている。ガス室35は、第1絶縁体33Aと拡散抵抗部32と固体電解質体31とによって閉じられた空間部として形成されている。排気管7内を流れる排ガスGは、拡散抵抗部32を通過してガス室35内に導入される。
(拡散抵抗部32)
図5に示すように、本形態の拡散抵抗部32は、ガス室35の軸方向Lの先端側L1に隣接して設けられている。拡散抵抗部32は、第1絶縁体33Aにおいて、ガス室35の軸方向Lの先端側L1に隣接して開口された導入口内に配置されている。拡散抵抗部32は、アルミナ等の多孔質の金属酸化物によって形成されている。ガス室35に導入される排ガスGの拡散速度(流量)は、排ガスGが拡散抵抗部32における気孔を透過する速度が制限されることによって決定される。
図5に示すように、本形態の拡散抵抗部32は、ガス室35の軸方向Lの先端側L1に隣接して設けられている。拡散抵抗部32は、第1絶縁体33Aにおいて、ガス室35の軸方向Lの先端側L1に隣接して開口された導入口内に配置されている。拡散抵抗部32は、アルミナ等の多孔質の金属酸化物によって形成されている。ガス室35に導入される排ガスGの拡散速度(流量)は、排ガスGが拡散抵抗部32における気孔を透過する速度が制限されることによって決定される。
拡散抵抗部32は、ガス室35の幅方向Wの両側に隣接して形成してもよい。この場合には、拡散抵抗部32は、第1絶縁体33Aにおいて、ガス室35の幅方向Wの両側に隣接して開口された導入口内に配置される。なお、拡散抵抗部32は、多孔質体を用いて形成する以外にも、ガス室35に連通された小さな貫通穴であるピンホールを用いて形成することもできる。
(大気ダクト36)
図5~図7に示すように、固体電解質体31の第2表面302には、第2絶縁体33Bと固体電解質体31とに囲まれた大気ダクト36が隣接して形成されている。大気ダクト36は、第2絶縁体33Bにおける、大気電極312を収容する軸方向Lの部位から、センサ素子2の軸方向Lにおける、大気Aに晒される基端位置まで形成されている。センサ素子2の軸方向Lの基端位置には、大気ダクト36の大気導入部としての基端開口部361が形成されている。大気ダクト36は、基端開口部361から固体電解質体31を介してガス室35と積層方向Dに重なる位置まで形成されている。大気ダクト36には、基端開口部361から大気Aが導入される。
図5~図7に示すように、固体電解質体31の第2表面302には、第2絶縁体33Bと固体電解質体31とに囲まれた大気ダクト36が隣接して形成されている。大気ダクト36は、第2絶縁体33Bにおける、大気電極312を収容する軸方向Lの部位から、センサ素子2の軸方向Lにおける、大気Aに晒される基端位置まで形成されている。センサ素子2の軸方向Lの基端位置には、大気ダクト36の大気導入部としての基端開口部361が形成されている。大気ダクト36は、基端開口部361から固体電解質体31を介してガス室35と積層方向Dに重なる位置まで形成されている。大気ダクト36には、基端開口部361から大気Aが導入される。
(発熱体34)
図5~図7に示すように、発熱体34は、大気ダクト36を形成する第2絶縁体33B内に埋設されており、通電によって発熱する発熱部341と、発熱部341に繋がる発熱体リード部342とを有する。発熱部341は、固体電解質体31と各絶縁体33A,33Bとの積層方向Dにおいて、少なくとも一部が排気電極311及び大気電極312に重なる位置に配置されている。
図5~図7に示すように、発熱体34は、大気ダクト36を形成する第2絶縁体33B内に埋設されており、通電によって発熱する発熱部341と、発熱部341に繋がる発熱体リード部342とを有する。発熱部341は、固体電解質体31と各絶縁体33A,33Bとの積層方向Dにおいて、少なくとも一部が排気電極311及び大気電極312に重なる位置に配置されている。
また、発熱体34は、通電によって発熱する発熱部341と、発熱部341の、軸方向Lの基端側L2に繋がる一対の発熱体リード部342とを有する。発熱部341は、直線部分及び曲線部分によって蛇行する線状の導体部によって形成されている。本形態の発熱部341の直線部分は、軸方向Lに平行に形成されている。発熱体リード部342は、軸方向Lに平行な直線状の導体部によって形成されている。発熱部341の単位長さ当たりの抵抗値は、発熱体リード部342の単位長さ当たりの抵抗値よりも大きい。発熱体リード部342は、発熱部341から軸方向Lの基端側L2の部位まで引き出されている。発熱体34は、導電性を有する金属材料を含有している。
図5及び図7に示すように、本形態の発熱部341は、発熱体34における軸方向Lの先端側L1の位置において、軸方向Lに蛇行する形状に形成されている。なお、発熱部341は、幅方向Wに蛇行して形成されていてもよい。発熱部341は、軸方向Lに直交する積層方向Dにおいて、排気電極311及び大気電極312に対向する位置に配置されている。換言すれば、発熱部341は、センサ素子2の軸方向Lの先端側L1の部位において、排気電極311及び大気電極312に対して積層方向Dに重なる位置に配置されている。
発熱部341の断面積は、発熱体リード部342の断面積よりも小さく、発熱部341の単位長さ当たりの抵抗値は、発熱体リード部342の単位長さ当たりの抵抗値よりも高い。この断面積とは、発熱部341及び発熱体リード部342が延びる方向に直交する面の断面積のことをいう。そして、一対の発熱体リード部342に電圧が印加されると、発熱部341がジュール熱によって発熱し、この発熱によって、検知部21の周辺が目標とする温度に加熱される。
(各絶縁体33A,33B)
図5及び図6に示すように、第1絶縁体33Aは、ガス室35を形成するものであり、第2絶縁体33Bは、大気ダクト36を形成するとともに発熱体34を埋設するものである。第1絶縁体33A及び第2絶縁体33Bは、アルミナ(酸化アルミニウム)等の金属酸化物によって形成されている。各絶縁体33A,33Bは、排ガスG又は大気Aである気体が透過することができない緻密体として形成されており、各絶縁体33A,33Bには、気体が通過することができる気孔がほとんど形成されていない。
図5及び図6に示すように、第1絶縁体33Aは、ガス室35を形成するものであり、第2絶縁体33Bは、大気ダクト36を形成するとともに発熱体34を埋設するものである。第1絶縁体33A及び第2絶縁体33Bは、アルミナ(酸化アルミニウム)等の金属酸化物によって形成されている。各絶縁体33A,33Bは、排ガスG又は大気Aである気体が透過することができない緻密体として形成されており、各絶縁体33A,33Bには、気体が通過することができる気孔がほとんど形成されていない。
(センサ素子2の端子部22)
図1に示すように、センサ素子2の端子部22は、排気電極311及び大気電極312の各電極リード部313、及び一対の発熱体リード部342の軸方向Lの基端部に電気的に接続されている。端子部22は、センサ素子2の軸方向Lの基端部における両側の側面に配置されている。各電極リード部313及び発熱体リード部342の軸方向Lの基端部は、各絶縁体34A,34Bに形成されたスルーホールを介して端子部22に接続されている。
図1に示すように、センサ素子2の端子部22は、排気電極311及び大気電極312の各電極リード部313、及び一対の発熱体リード部342の軸方向Lの基端部に電気的に接続されている。端子部22は、センサ素子2の軸方向Lの基端部における両側の側面に配置されている。各電極リード部313及び発熱体リード部342の軸方向Lの基端部は、各絶縁体34A,34Bに形成されたスルーホールを介して端子部22に接続されている。
(多孔質層37)
図1に示すように、センサ素子2の軸方向Lの先端側L1の部位の全周には、排気電極311に対する被毒物質、排気管7内に生じる凝縮水等を捕獲するための多孔質層37が設けられている。多孔質層37は、アルミナ等の多孔質のセラミックス(金属酸化物)によって形成されている。多孔質層37の気孔率は、拡散抵抗部32の気孔率よりも大きく、多孔質層37を透過することができる排ガスGの流量は、拡散抵抗部32を透過することができる排ガスGの流量よりも多い。
図1に示すように、センサ素子2の軸方向Lの先端側L1の部位の全周には、排気電極311に対する被毒物質、排気管7内に生じる凝縮水等を捕獲するための多孔質層37が設けられている。多孔質層37は、アルミナ等の多孔質のセラミックス(金属酸化物)によって形成されている。多孔質層37の気孔率は、拡散抵抗部32の気孔率よりも大きく、多孔質層37を透過することができる排ガスGの流量は、拡散抵抗部32を透過することができる排ガスGの流量よりも多い。
ここで、図1及び図4に示すように、本形態のガスセンサ1において、センサ素子2の軸方向Lに直交する、センサ素子2の中心軸線から放射状に延びる方向を径方向Rという。中心軸線とは、センサ素子2の、軸方向Lに直交する断面の図心を通る仮想線のことをいう。
(ハウジング41)
図1~図3に示すように、ハウジング41は、ガスセンサ1を排気管7の取付口71に締め付けるために用いられる。ハウジング41は、最大外径部を構成するフランジ部411と、フランジ部411の軸方向Lの先端側L1に形成された先端側筒部412と、フランジ部411の軸方向Lの基端側L2に形成された基端側筒部414とを有する。「最大外径部」とは、ハウジング41において、径方向Rの半径寸法が最も大きい部位のことを示す。フランジ部411の外周は、ガスセンサ1が工具によって取付口71に締め付けられる際に利用される六角形状に形成されている。先端側筒部412及び基端側筒部414は、円筒形状に形成されている。
図1~図3に示すように、ハウジング41は、ガスセンサ1を排気管7の取付口71に締め付けるために用いられる。ハウジング41は、最大外径部を構成するフランジ部411と、フランジ部411の軸方向Lの先端側L1に形成された先端側筒部412と、フランジ部411の軸方向Lの基端側L2に形成された基端側筒部414とを有する。「最大外径部」とは、ハウジング41において、径方向Rの半径寸法が最も大きい部位のことを示す。フランジ部411の外周は、ガスセンサ1が工具によって取付口71に締め付けられる際に利用される六角形状に形成されている。先端側筒部412及び基端側筒部414は、円筒形状に形成されている。
先端側筒部412の軸方向Lの基端側L2の部分の外周には、取付口71のめねじに締め付けられるおねじが形成されている。先端側筒部412の軸方向Lの先端側L1の部分には、後述する先端側カバー45A,45Bが装着される装着部413が形成されている。基端側筒部414には、内周側に折り曲げられたかしめ部415が形成されている。なお、第1インシュレータ42及び第2インシュレータ43の構造によっては、基端側筒部414にかしめ部415が形成されていない場合もある。
(内周側カバー5)
図1及び図2に示すように、内周側カバー5は、ハウジング41における熱を吸収し、ハウジング41における熱がガスセンサ1の軸方向Lの基端側L2の端部に位置する封止部材47まで伝わりにくくするためのものである。内周側カバー5は、円筒形状の筒状本体部51と、筒状本体部51の軸方向Lの基端部において径方向Rの内周側に屈曲した屈曲部52とを有する。換言すれば、内周側カバー5における軸方向Lの基端部には、内周側カバー5の筒状本体部51に対して内周側に屈曲して、第2インシュレータ43における軸方向Lの基端側L2の端面に間接的に接触する屈曲部52が形成されている。
図1及び図2に示すように、内周側カバー5は、ハウジング41における熱を吸収し、ハウジング41における熱がガスセンサ1の軸方向Lの基端側L2の端部に位置する封止部材47まで伝わりにくくするためのものである。内周側カバー5は、円筒形状の筒状本体部51と、筒状本体部51の軸方向Lの基端部において径方向Rの内周側に屈曲した屈曲部52とを有する。換言すれば、内周側カバー5における軸方向Lの基端部には、内周側カバー5の筒状本体部51に対して内周側に屈曲して、第2インシュレータ43における軸方向Lの基端側L2の端面に間接的に接触する屈曲部52が形成されている。
屈曲部52は、筒状本体部51から径方向Rの内周側に垂直に屈曲している。屈曲部52は、第2インシュレータ43の軸方向Lの基端側L2の端面との間に、金属製のかしめ部材431を挟み込んでいる。かしめ部材431は、板バネによって構成されており、弾性変形後に反発力を生じさせるバネ性を有するものである。内周側カバー5の屈曲部52が径方向Rの内周側に屈曲されていることによって、かしめ部材431によるバネ性を第2インシュレータ43に付与する状態で、第2インシュレータ43を第1インシュレータ42に固定することができる。
内周側カバー5の筒状本体部51の軸方向Lの先端部は、ハウジング41及び外周側カバー46A,46Bに接触している一方、内周側カバー5の屈曲部52は、外周側カバー46A,46Bに接触していない。屈曲部52は、かしめ部材431を介して第2インシュレータ43に間接的に接触している。内周側カバー5の屈曲部52が径方向Rの内周側に屈曲されて、かしめ部材431を介して第2インシュレータ43に間接的に接触していることによって、ハウジング41から内周側カバー5の筒状本体部51に伝わる熱を、内周側カバー5の屈曲部52から第2インシュレータ43へ逃がすことができる。なお、内周側カバー5の屈曲部52は、第2インシュレータ43に直接接触していてもよい。
内周側カバー5の軸方向Lの先端部は、ハウジング41の基端側筒部414の外周に装着されている。本形態の内周側カバー5の軸方向Lの先端部は、ハウジング41の基端側筒部414の外周に、溶接等によって接合されている。また、この接合を行う以外にも、内周側カバー5の軸方向Lの先端部内に、ハウジング41の基端側筒部414を圧入することもできる。さらに、内周側カバー5の軸方向Lの先端部は、ハウジング41の基端側筒部414の外周にかしめ固定することもできる。
(外周側カバー46A,46B)
図1及び図2に示すように、外周側カバー46A,46Bは、ガスセンサ1の軸方向Lの基端側L2に位置する配線部を覆って、この配線部を大気A中の水等から保護するためのものである。配線部は、センサ素子2に電気的に繋がる部分としての、接点端子44、接点端子44とリード線48との接続部分(接続金具441)等によって構成される。
図1及び図2に示すように、外周側カバー46A,46Bは、ガスセンサ1の軸方向Lの基端側L2に位置する配線部を覆って、この配線部を大気A中の水等から保護するためのものである。配線部は、センサ素子2に電気的に繋がる部分としての、接点端子44、接点端子44とリード線48との接続部分(接続金具441)等によって構成される。
外周側カバー46A,46Bは、大気A中の水がガスセンサ1内に浸入することを防止する撥水フィルタ462を挟持するために、2部品に分かれて形成されている。具体的には、本形態の外周側カバー46A,46Bは、内周側カバー5の外周側に配置された第1外周側カバー46Aと、第1外周側カバー46Aの軸方向Lの基端側L2の部分に装着された第2外周側カバー46Bとを有する。第2外周側カバー46Bの軸方向Lの先端側L1の部分は、第1外周側カバー46Aの軸方向Lの基端側L2の部分の外周に装着されている。
第2外周側カバー46Bの軸方向Lの基端側L2の部分の内周側には、複数のリード線48を保持する封止部材47が保持されている。撥水フィルタ462は、第1外周側カバー46Aと第2外周側カバー46Bとの間、及び第2外周側カバー46Bと封止部材47との間に挟持されている。
図2に示すように、第2外周側カバー46Bの軸方向Lの先端側L1の部分は、第1外周側カバー46Aの軸方向Lの基端側L2の部分に、外周側から内周側へ陥没する凹部463によってかしめられている。また、第2外周側カバー46Bの軸方向Lの中間部分は、第1外周側カバー46Aの軸方向Lの基端側L2の部分に、撥水フィルタ462を挟持する状態で外周側から内周側へ陥没する凹部464によってかしめられている。また、第2外周側カバー46Bの軸方向Lの基端側L2の部分は、封止部材47に、撥水フィルタ462を挟持する状態で外周側から内周側へ陥没する凹部465によってかしめられている。
内周側カバー5及び外周側カバー46A,46Bは、内燃機関の排気管7の外部に配置される。本形態のガスセンサ1は、車載用のものであり、排気管7が配置された車両ボディは、内燃機関(エンジン)が配置されたエンジンルームに繋がっている。そして、内周側カバー5及び外周側カバー46A,46Bの周辺には、エンジンルームにおける大気(空気)Aが流れる。
第2外周側カバー46Bには、ガスセンサ1の外部から大気Aを導入するための大気導入孔461が形成されている。撥水フィルタ462は、第2外周側カバー46Bの内周側から大気導入孔461を覆う状態で配置されている。センサ素子2における、大気ダクト36の基端開口部361は、内周側カバー5及び外周側カバー46A,46B内の空間に開放されている。第2外周側カバー46Bの大気導入孔461の周辺に存在する大気Aは、撥水フィルタ462を経由して内周側カバー5及び外周側カバー46A,46B内に取り込まれる。そして、撥水フィルタ462を通過した大気Aは、センサ素子2の大気ダクト36の基端開口部361から大気ダクト36内に流れ、大気ダクト36内の大気電極312へと導かれる。
(内周側カバー5及び外周側カバー46A,46Bの厚みt1,t2)
図2及び図4に示すように、内周側カバー5の径方向Rの厚みt2は、外周側カバー46A,46Bの径方向Rの厚みt1よりも大きい。内周側カバー5は、ハウジング41の熱を逃がすための放熱部としての機能を持たせるために、できるだけ厚く形成されている。内周側カバー5の厚みt2は、外周側カバー46A,46Bの厚みt1の2~5倍とすることができる。内周側カバー5の厚みt2が外周側カバー46A,46Bの厚みt1よりも大きいことにより、ハウジング41から外周側カバー46A,46Bへの伝熱量よりも、ハウジング41から内周側カバー5への伝熱量を多くすることができる。これにより、ハウジング41の熱が外周側カバー46A,46Bから封止部材47へより伝わりにくくすることができる。
図2及び図4に示すように、内周側カバー5の径方向Rの厚みt2は、外周側カバー46A,46Bの径方向Rの厚みt1よりも大きい。内周側カバー5は、ハウジング41の熱を逃がすための放熱部としての機能を持たせるために、できるだけ厚く形成されている。内周側カバー5の厚みt2は、外周側カバー46A,46Bの厚みt1の2~5倍とすることができる。内周側カバー5の厚みt2が外周側カバー46A,46Bの厚みt1よりも大きいことにより、ハウジング41から外周側カバー46A,46Bへの伝熱量よりも、ハウジング41から内周側カバー5への伝熱量を多くすることができる。これにより、ハウジング41の熱が外周側カバー46A,46Bから封止部材47へより伝わりにくくすることができる。
本形態の内周側カバー5の厚みt2は、軸方向Lの全長にわたって均一である。外周側カバー46A,46Bの厚みt1は、一部において変化している。つまり、第1外周側カバー46Aにおける、軸方向Lの基端側L2の部位の厚みは、他の部位の厚みよりも大きい。また、第2外周側カバー46Bの厚みは、軸方向Lの全長にわたって均一である。
内周側カバー5の厚みt2が均一でない場合には、外周側カバー46A,46Bの厚みt1と比較する際の内周側カバー5の厚みt2は、内周側カバー5の厚みt2の平均値とすることができる。また、内周側カバー5の厚みt2が均一でない場合には、外周側カバー46A,46Bの厚みt1と比較する際の内周側カバー5の厚みt2は、内周側カバー5の厚みt2の最小値とすることができる。
外周側カバー46A,46Bの厚みt1が均一でない場合には、内周側カバー5の厚みt2と比較する際の外周側カバー46A,46Bの厚みt1は、外周側カバー46A,46Bの厚みt1の平均値とすることができる。また、外周側カバー46A,46Bの厚みt1が均一でない場合には、内周側カバー5の厚みt2と比較する際の外周側カバー46A,46Bの厚みt1は、外周側カバー46A,46Bの厚みt1の最小値とすることができる。
また、内周側カバー5の厚みt2と外周側カバー46A,46Bの厚みt1との比較は、内周側カバー5と外周側カバー46A,46Bとが互いに対向する部位において行うことができる。つまり、内周側カバー5における筒状本体部51の厚みは、外周側カバー46A,46Bにおける、筒状本体部51の外周側に位置する部分の厚みよりも大きくすることができる。
(環状空間50)
図1及び図2に示すように、環状空間50は、内周側カバー5と外周側カバー46Aとの間の所定の隙間(間隔)として形成されている。環状空間50は、内周側カバー5と外周側カバー46Aとの間に、空気(大気)Aの断熱層を形成するものである。環状空間50が形成されていることにより、ハウジング41から内周側カバー5へ伝わった熱が、内周側カバー5から外周側カバー46A,46Bへ伝わることを抑制することができる。
図1及び図2に示すように、環状空間50は、内周側カバー5と外周側カバー46Aとの間の所定の隙間(間隔)として形成されている。環状空間50は、内周側カバー5と外周側カバー46Aとの間に、空気(大気)Aの断熱層を形成するものである。環状空間50が形成されていることにより、ハウジング41から内周側カバー5へ伝わった熱が、内周側カバー5から外周側カバー46A,46Bへ伝わることを抑制することができる。
外周側カバー46Aにおける軸方向Lの先端側L1の部分の全周は、内周側カバー5における軸方向Lの先端側L1の部分の全周に接触している。本形態の外周側カバー46Aにおける軸方向Lの先端側L1の部分の全周は、内周側カバー5における軸方向Lの先端側L1の部分の全周に、溶接等によって接合されている。なお、レーザ溶接等を行うときには、外周側カバー46Aにおける軸方向Lの先端側L1の部分、及び内周側カバー5における軸方向Lの先端側L1の部分を溶融させるとともにハウジング41の基端側筒部414も溶融させて、外周側カバー46A、内周側カバー5及びハウジング41を同時に接合することもできる。
外周側カバー46Aにおける軸方向Lの先端側L1の部分の全周が、内周側カバー5における軸方向Lの先端側L1の部分の全周に接合されていることにより、環状空間50における軸方向Lの先端側L1の端部501は閉じられている。また、外周側カバー46Aにおける軸方向Lの先端側L1の部分の内周側に、内周側カバー5における軸方向Lの先端側L1の部分を圧入することもできる。さらに、外周側カバー46Aにおける軸方向Lの先端側L1の部分は、内周側カバー5における軸方向Lの先端側L1の部分にかしめ固定することもできる。
内周側カバー5における軸方向Lの基端側L2の部分は、外周側カバー46A,46Bの内周側に配置されている。換言すれば、内周側カバー5における軸方向Lの基端側L2の部分は、外周側カバー46Aから離れた内周側の位置に配置されている。これにより、環状空間50における軸方向Lの基端側L2の開口部502は開放されている。この構成により、内周側カバー5と外周側カバー46Aとの間の伝熱のほとんどは、軸方向Lの先端側L1の部分において生じるようにしている。そのため、内周側カバー5における熱が封止部材47に伝わりにくくすることができる。
(外周側カバー46Aの他の構造)
図8に示すように、外周側カバー46Aにおける軸方向Lの先端部の全周は、径方向Rの内周側に屈曲して、内周側カバー5の筒状本体部51の外周の全周に接触していてもよい。この場合には、外周側カバー46A及び内周側カバー5によって環状空間50における軸方向Lの先端側L1の端部501が閉じられるとともに、環状空間50が内周側カバー5の軸方向Lの先端部まで位置させることができる。そして、環状空間50を軸方向Lにできるだけ長く形成することができる。
図8に示すように、外周側カバー46Aにおける軸方向Lの先端部の全周は、径方向Rの内周側に屈曲して、内周側カバー5の筒状本体部51の外周の全周に接触していてもよい。この場合には、外周側カバー46A及び内周側カバー5によって環状空間50における軸方向Lの先端側L1の端部501が閉じられるとともに、環状空間50が内周側カバー5の軸方向Lの先端部まで位置させることができる。そして、環状空間50を軸方向Lにできるだけ長く形成することができる。
(第1インシュレータ42)
図1~図3に示すように、第1インシュレータ42は、ハウジング41の中心部を軸方向Lに貫通する中心穴410内に配置されている。第1インシュレータ42は、第1碍子とも呼ばれ、絶縁性のセラミックス材料によって構成されている。第1インシュレータ42の中心部には、センサ素子2を挿通させるために、軸方向Lに貫通する第1挿通穴420が形成されている。第1挿通穴420における軸方向Lの基端側L2の端部には、センサ素子2を固定するためのガラス粉末422が配置される固定用凹部421が形成されている。センサ素子2は、第1インシュレータ42の第1挿通穴420に挿通された状態で、固定用凹部421に配置されたガラス粉末422によって第1インシュレータ42に固定されている。
図1~図3に示すように、第1インシュレータ42は、ハウジング41の中心部を軸方向Lに貫通する中心穴410内に配置されている。第1インシュレータ42は、第1碍子とも呼ばれ、絶縁性のセラミックス材料によって構成されている。第1インシュレータ42の中心部には、センサ素子2を挿通させるために、軸方向Lに貫通する第1挿通穴420が形成されている。第1挿通穴420における軸方向Lの基端側L2の端部には、センサ素子2を固定するためのガラス粉末422が配置される固定用凹部421が形成されている。センサ素子2は、第1インシュレータ42の第1挿通穴420に挿通された状態で、固定用凹部421に配置されたガラス粉末422によって第1インシュレータ42に固定されている。
第1インシュレータ42の外周には、第1インシュレータ42における最大外径部を形成する突起部423が形成されている。第1インシュレータ42がハウジング41の中心穴410に配置された状態において、中心穴410における、突起部423の軸方向Lの先端側L1には、シール材424が配置され、中心穴410における、突起部423の軸方向Lの基端側L2には、かしめ用材料425,426,427,428が配置されている。かしめ用材料425,426,427,428は、粉末シール材425、円環板状のパッキン426、筒状体427及びかしめ材428によって構成することができる。ハウジング41の基端側筒部414のかしめ部415が径方向Rの内周側に屈曲されることによって、シール材424及びかしめ用材料425,426,427,428を介して、ハウジング41の中心穴410内に第1インシュレータ42がかしめ固定されている。
(第2インシュレータ43)
図2及び図4に示すように、第2インシュレータ43は、第1インシュレータ42の軸方向Lの基端側L2に配置され、センサ素子2の端子部22に接触する接点端子44を保持するものである。第2インシュレータ43は、第2碍子とも呼ばれ、絶縁性のセラミックス材料によって構成されている。第2インシュレータ43の中心部には、センサ素子2が挿通される第2挿通穴430が軸方向Lに貫通して形成されている。第2インシュレータ43における、第2挿通穴430に連通する位置には、接点端子44を配置するための溝部432が形成されている。第2インシュレータ43は、内周側カバー5及び外周側カバー46Aの径方向Rの内周側に配置されている。
図2及び図4に示すように、第2インシュレータ43は、第1インシュレータ42の軸方向Lの基端側L2に配置され、センサ素子2の端子部22に接触する接点端子44を保持するものである。第2インシュレータ43は、第2碍子とも呼ばれ、絶縁性のセラミックス材料によって構成されている。第2インシュレータ43の中心部には、センサ素子2が挿通される第2挿通穴430が軸方向Lに貫通して形成されている。第2インシュレータ43における、第2挿通穴430に連通する位置には、接点端子44を配置するための溝部432が形成されている。第2インシュレータ43は、内周側カバー5及び外周側カバー46Aの径方向Rの内周側に配置されている。
(接点端子44)
図2及び図4に示すように、接点端子44は、センサ素子2の端子部22に接触し、端子部22をリード線48に電気的に接続するものである。接点端子44は、第2インシュレータ43の溝部432に配置されている。接点端子44は、接続金具441を介してリード線48に接続されており、弾性変形の復元力を作用させて端子部22に接触している。接点端子44は、センサ素子2における端子部22の数、換言すれば、図5に示される、排気電極311及び大気電極312の各電極リード部313、及び一対の発熱体リード部342の数に合わせて複数個が配置されている。
図2及び図4に示すように、接点端子44は、センサ素子2の端子部22に接触し、端子部22をリード線48に電気的に接続するものである。接点端子44は、第2インシュレータ43の溝部432に配置されている。接点端子44は、接続金具441を介してリード線48に接続されており、弾性変形の復元力を作用させて端子部22に接触している。接点端子44は、センサ素子2における端子部22の数、換言すれば、図5に示される、排気電極311及び大気電極312の各電極リード部313、及び一対の発熱体リード部342の数に合わせて複数個が配置されている。
(封止部材47及びリード線48)
図1及び図2に示すように、封止部材(ブッシュ)47は、第2外周側カバー46Bの内周側に配置されて、複数のリード線48を、シールを行って保持するものである。封止部材47は、シール材としての機能を有するために、弾性変形可能なゴム材料によって構成されている。封止部材47には、リード線48が挿通された貫通孔が形成されている。封止部材47に第2外周側カバー46Bがかしめられることにより、各リード線48と各貫通孔との間、及び封止部材47と第2外周側カバー46Bとの間の各隙間がシールされる。リード線48は、各接点端子44を、ガスセンサ1の外部のセンサ制御装置6に接続するためのものである。リード線48は、内部の導体が被覆層によって被覆されたものである。
図1及び図2に示すように、封止部材(ブッシュ)47は、第2外周側カバー46Bの内周側に配置されて、複数のリード線48を、シールを行って保持するものである。封止部材47は、シール材としての機能を有するために、弾性変形可能なゴム材料によって構成されている。封止部材47には、リード線48が挿通された貫通孔が形成されている。封止部材47に第2外周側カバー46Bがかしめられることにより、各リード線48と各貫通孔との間、及び封止部材47と第2外周側カバー46Bとの間の各隙間がシールされる。リード線48は、各接点端子44を、ガスセンサ1の外部のセンサ制御装置6に接続するためのものである。リード線48は、内部の導体が被覆層によって被覆されたものである。
(先端側カバー45A,45B)
図3に示すように、先端側カバー45A,45Bは、ハウジング41の軸方向Lの先端側L1の端面から先端側L1へ突出する、センサ素子2の検知部21を覆うものである。先端側カバー45A,45Bは、ハウジング41の先端側筒部412に形成された装着部413の外周に装着されている。本形態の先端側カバー45A,45Bは、第1先端側カバー45Aと、第1先端側カバー45Aを覆う第2先端側カバー45Bとの二重構造を有している。第1先端側カバー45A及び第2先端側カバー45Bには、排ガスGが流通可能なガス流通孔451が形成されている。
図3に示すように、先端側カバー45A,45Bは、ハウジング41の軸方向Lの先端側L1の端面から先端側L1へ突出する、センサ素子2の検知部21を覆うものである。先端側カバー45A,45Bは、ハウジング41の先端側筒部412に形成された装着部413の外周に装着されている。本形態の先端側カバー45A,45Bは、第1先端側カバー45Aと、第1先端側カバー45Aを覆う第2先端側カバー45Bとの二重構造を有している。第1先端側カバー45A及び第2先端側カバー45Bには、排ガスGが流通可能なガス流通孔451が形成されている。
センサ素子2の検知部21及び先端側カバー45A,45Bは、内燃機関の排気管7内に配置される。排気管7内を流れる排ガスGの一部は、先端側カバー45A,45Bのガス流通孔451から先端側カバー45A,45B内に流入する。そして、先端側カバー45A,45B内の排ガスGは、センサ素子2の多孔質層37及び拡散抵抗部32を通過して排気電極311へと導かれる。なお、先端側カバー45A,45Bは、ガス流通孔451が形成された一重構造のものとしてもよい。
(センサ制御装置6)
図1に示すように、ガスセンサ1におけるリード線48は、ガスセンサ1におけるガス検出の制御を行うセンサ制御装置6に電気接続される。センサ制御装置6は、エンジンにおける燃焼運転を制御するエンジン制御装置と連携してガスセンサ1における電気制御を行うものである。センサ制御装置6には、図5に示すように、排気電極311と大気電極312との間に流れる電流を測定する電流測定回路61、排気電極311と大気電極312との間に電圧を印加する電圧印加回路62、発熱体34に通電を行うための通電回路等が形成されている。なお、センサ制御装置6は、エンジン制御装置内に構築してもよい。
図1に示すように、ガスセンサ1におけるリード線48は、ガスセンサ1におけるガス検出の制御を行うセンサ制御装置6に電気接続される。センサ制御装置6は、エンジンにおける燃焼運転を制御するエンジン制御装置と連携してガスセンサ1における電気制御を行うものである。センサ制御装置6には、図5に示すように、排気電極311と大気電極312との間に流れる電流を測定する電流測定回路61、排気電極311と大気電極312との間に電圧を印加する電圧印加回路62、発熱体34に通電を行うための通電回路等が形成されている。なお、センサ制御装置6は、エンジン制御装置内に構築してもよい。
(他のガスセンサ1)
ガスセンサ1は、NOx(窒素酸化物)等の特定ガス成分の濃度を検出するものとしてもよい。NOxセンサにおいては、固体電解質体31における、排気電極311に接触する排ガスGの流れの上流側に、電圧の印加によって大気電極312へ酸素をポンピングするポンプ電極が配置される。大気電極312は、ポンプ電極に対して固体電解質体31を介して積層方向Dに重なる位置にも形成される。
ガスセンサ1は、NOx(窒素酸化物)等の特定ガス成分の濃度を検出するものとしてもよい。NOxセンサにおいては、固体電解質体31における、排気電極311に接触する排ガスGの流れの上流側に、電圧の印加によって大気電極312へ酸素をポンピングするポンプ電極が配置される。大気電極312は、ポンプ電極に対して固体電解質体31を介して積層方向Dに重なる位置にも形成される。
ガスセンサ1は、積層タイプのセンサ素子2を備えるものとする以外にも、固体電解質体31が有底円筒形状に形成されたコップタイプのセンサ素子2を備えるものとしてもよい。コップタイプのセンサ素子2においては、固体電解質体31の外周面に排気電極311が設けられ、固体電解質体31の内周面に大気電極312が設けられる。そして、コップタイプのセンサ素子2は、第1インシュレータ42を用いずにハウジング41の中心穴410に配置される。この場合にも、ハウジング41の基端側筒部414の外周には、内周側カバー5及び外周側カバー46Aを装着することができる。
(作用効果)
本形態のガスセンサ1においては、封止部材47を保持する外周側カバー46A,46Bの径方向Rの内周側に内周側カバー5を配置している。この内周側カバー5と外周側カバー46A,46Bとの間には、断熱層として機能する環状空間50が形成されており、内周側カバー5と外周側カバー46A,46Bとは軸方向Lの先端部においてのみ接触している。そして、ハウジング41から軸方向Lの基端側L2へは、内周側カバー5を通る熱の移動経路と、外周側カバー46A,46Bを通る熱の移動経路とが形成される。
本形態のガスセンサ1においては、封止部材47を保持する外周側カバー46A,46Bの径方向Rの内周側に内周側カバー5を配置している。この内周側カバー5と外周側カバー46A,46Bとの間には、断熱層として機能する環状空間50が形成されており、内周側カバー5と外周側カバー46A,46Bとは軸方向Lの先端部においてのみ接触している。そして、ハウジング41から軸方向Lの基端側L2へは、内周側カバー5を通る熱の移動経路と、外周側カバー46A,46Bを通る熱の移動経路とが形成される。
内燃機関における燃料の燃焼を受けて、内燃機関の排気管7内を通過する排ガスGは、例えば、1000~1100℃程度の高温になる。そして、ガスセンサ1へは、排気管7の取付口71に取り付けられたハウジング41を介して、排ガスGの熱が伝わる。ガスセンサ1においては、排気管7内に配置された、センサ素子2の検知部21及び先端側カバー45A,45Bの温度が最も高くなる。そして、ガスセンサ1においては、ハウジング41から軸方向Lの基端側L2の部位に行くに連れて温度が低くなる。換言すれば、排気管7の外に配置された内周側カバー5、外周側カバー46A,46B、封止部材47等の温度が低くなる。
封止部材47は、ゴム材料から構成されていることにより、金属材料等に比べて耐熱性が低く、劣化から保護するために温度を低く保ちたい部位である。ハウジング41から外周側カバー46A,46Bへ伝わる熱量が多いと、外周側カバー46A,46Bを介して封止部材47が加熱される温度が高くなる。
本形態のガスセンサ1においては、特に、内周側カバー5がハウジング41に接触するとともに外周側カバー46A,46Bの軸方向Lの先端部が内周側カバー5の軸方向Lの先端部に接触する構成、及び内周側カバー5の厚みt2が外周側カバー46A,46Bの厚みt1よりも大きい構成により、ハウジング41の熱の多くは内周側カバー5へ移動し、外周側カバー46A,46Bへ移動する熱量を少なくすることができる。また、環状空間50の存在により、内周側カバー5から外周側カバー46A,46Bへの伝熱は最小限に抑制される。
これにより、ハウジング41から外周側カバー46A,46Bへ熱が伝わりにくくなり、外周側カバー46A,46Bから、外周側カバー46A,46Bにおける軸方向Lの基端部の内周側に配置された封止部材47に熱が伝わりにくくなる。
それ故、本形態のガスセンサ1によれば、ハウジング41から伝達される熱によって封止部材47が加熱されにくくし、封止部材47を熱から効果的に保護することができる。
<確認試験>
本確認試験においては、内周側カバー5を備える実施形態のガスセンサ1について、ガスセンサ1が配置された排気管7内に1100℃の排ガスGが流れる場合に、ガスセンサ1の各部がどれだけ加熱されるかのシミュレーションを行った。また、比較のために、内周側カバー5を備えない比較形態1のガスセンサと、内周側カバー5の代わりに、外周側カバー46A,46Bの外周側に放熱部材を設けた比較形態2のガスセンサとについても、同様にシミュレーションを行った。このシミュレーションにおいては、各ガスセンサの各部の温度の分布が表示される。そして、実施形態のガスセンサ1及び比較形態1,2のガスセンサにおける各封止部材47の温度を確認した。
本確認試験においては、内周側カバー5を備える実施形態のガスセンサ1について、ガスセンサ1が配置された排気管7内に1100℃の排ガスGが流れる場合に、ガスセンサ1の各部がどれだけ加熱されるかのシミュレーションを行った。また、比較のために、内周側カバー5を備えない比較形態1のガスセンサと、内周側カバー5の代わりに、外周側カバー46A,46Bの外周側に放熱部材を設けた比較形態2のガスセンサとについても、同様にシミュレーションを行った。このシミュレーションにおいては、各ガスセンサの各部の温度の分布が表示される。そして、実施形態のガスセンサ1及び比較形態1,2のガスセンサにおける各封止部材47の温度を確認した。
比較形態1のガスセンサにおける封止部材47の温度は260℃程度となり、比較形態2のガスセンサにおける封止部材47の温度は250℃程度となった。一方、実施形態のガスセンサ1における封止部材47の温度は230℃程度となった。この結果より、内周側カバー5を用いる実施形態のガスセンサ1によれば、比較形態1,2のガスセンサに比べて、封止部材47が加熱される温度を低く維持することができ、封止部材47を熱から効果的に保護できることが分かった。
実施形態の内周側カバー5は、金属材料としてのステンレス鋼(SUS430)によって構成した。一方、内周側カバー5は、伝熱効果を高めるために、金属材料としての炭素鋼(S45C)によって構成することもできる。ステンレス鋼の熱伝導率が16[W/m・K]程度であることに対し、炭素鋼の熱伝導率は50[W/m・K]程度である。
内周側カバー5をステンレス鋼によって構成した場合には、比較形態1のガスセンサの場合に比べて、封止部材47の温度を約30℃程度低くできることが分かった。一方、内周側カバー5を炭素鋼によって構成した場合には、比較形態1のガスセンサの場合に比べて、封止部材47の温度を約77℃程度低くできることが分かった。この結果より、内周側カバー5には、熱伝導率がより高い金属材料を用いることが好ましいことが分かった。
本開示は、実施形態のみに限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲においてさらに異なる実施形態を構成することが可能である。また、本開示は、様々な変形例、均等範囲内の変形例等を含む。さらに、本開示から想定される様々な構成要素の組み合わせ、形態等も本開示の技術思想に含まれる。
Claims (4)
- ガス検知が可能な検知部(21)を軸方向(L)の先端側位置に有するセンサ素子(2)と、
前記検知部が前記軸方向の先端側(L1)に突出する状態で、前記センサ素子が挿通された筒形状のハウジング(41)と、
前記センサ素子の前記軸方向の基端側位置に設けられた端子部(22)に接触する接点端子(44)と、
前記接点端子を保持するインシュレータ(43)と、
前記接点端子に接続されて外部に引き出されたリード線(48)と、
前記リード線を保持する封止部材(47)と、
前記ハウジングの前記軸方向の基端側位置の外周に装着された内周側カバー(5)と、
前記内周側カバーの外周側に配置されるとともに、前記内周側カバーとの間に環状空間(50)を形成し、かつ前記封止部材を内周側に保持する外周側カバー(46A,46B)と、を備えるガスセンサ(1)。 - 前記環状空間における前記軸方向の先端側の端部(501)は、前記外周側カバーにおける前記軸方向の先端部の全周が前記内周側カバーにおける前記軸方向の先端部の全周に接触していることによって、閉じられており、
前記環状空間における前記軸方向の基端側の開口部(502)は、前記内周側カバーにおける前記軸方向の基端部が、前記外周側カバーの内周側に配置されていることによって、開放されている、請求項1に記載のガスセンサ。 - 前記内周側カバーにおける前記軸方向の基端部には、前記内周側カバーの筒状本体部(51)に対して内周側に屈曲して、前記インシュレータにおける前記軸方向の基端側の端面に直接又は間接的に接触する屈曲部(52)が形成されている、請求項1又は2に記載のガスセンサ。
- 前記内周側カバーの厚み(t2)は、前記外周側カバーの厚み(t1)よりも大きい、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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