JP4716287B2

JP4716287B2 - センサ

Info

Publication number: JP4716287B2
Application number: JP2006283197A
Authority: JP
Inventors: 孝哉吉川; 雅史安藤
Original assignee: NGK Spark Plug Co Ltd
Current assignee: Niterra Co Ltd
Priority date: 2006-10-18
Filing date: 2006-10-18
Publication date: 2011-07-06
Anticipated expiration: 2026-10-18
Also published as: JP2008101956A

Description

本発明は、センサに関するものであり、具体的には、酸素センサ、ＨＣセンサ、ＮＯｘセンサなど、測定対象となる雰囲気中の被検出成分を検出するためのガスセンサや測定対象となる雰囲気中の温度を測定する温度センサなどに関する。

従来より、雰囲気中の被検出成分を検出する検出部が先端に形成されたセンサ素子を、金属製のケーシングの内側に配置した構造を備えたガスセンサが知られている。この金属製のケーシングは、外周面にセンサ取付用のネジ部が形成された主体金具、該主体金具の先端側から突出するセンサ素子の検出部を覆うようにして主体金具に結合されるプロテクタ、前記主体金具の後端側の開口部に連結され、該開口部から後方に延びるセンサ素子を覆う内筒部材、該内筒部材の径方向周囲を覆うとともに、撥水フィルタを介して配置された外筒部材等の複数の筒状体を組合せて構成されている。

このようなガスセンサ（例えば、酸素センサ）は、例えば、自動車エンジンの排気系統の排気管等に装着される。また、最近では、排ガス中の有機物質を分解する触媒装置を排気管に設け、その触媒装置の下流側にガスセンサを装着することで、有機物質が除かれた排ガス中の被検出成分を測定するものが一般的となっている。この場合、ガスセンサは、エンジンから自動車の底部に沿って後方に延びる排気管の下流側に配置されるため、自動車走行時の水ハネ等により、ガスセンサの外表面に水滴等が付着することがある。したがって、水滴等がガスセンサ内に侵入するのを避けるために、フィルタと外筒部材、またはフィルタと内筒部材との接合を確実に行い、ガスセンサの水密性を確保することが重要であった。

そこで、このようなフィルタと外筒部材、またはフィルタと内筒部材との接合する方法として加締め固定がある。具体的には、外筒部材のフィルタとの重なり部を径方向内側に加締め固定されたガスセンサが知られている。（例えば、特許文献１参照）。このガスセンサの場合、例えば、外筒部材の先端側に、径方向内側に縮径する凹状の連結加締め部（加締め固定部）が形成され、フィルタが変形することで、該連結加締め部がフィルタの外表面に密着すると共に、内筒部材がフィルタの内表面に密着することで、水密性の高いガスセンサが得られる。

特開２００５−２０８０３６号公報

ところで、外筒部材の先端側における加締め位置は、誤差範囲内での位置ズレを許容するため、外筒部材の先端から後方側にやや離れた位置にされることが多い。しかし、この位置で加締めがなされると、外筒部材に形成された連結加締め部よりも先端側の残余部分がやや浮き上がるので、外筒部材の先端部と内筒部材の外表面との間に隙間が形成される。すると、この隙間にガスセンサの外表面に付着した水滴が引き込まれ、その隙間に引き込まれた水は、水の有する表面張力によって長期間その隙間に保持される。

特にこの隙間に金属塩を含むような水溶液、例えば塩水（塩分を含んだ水）が引き込まれた場合、外筒部材の内表面と内筒部材の外表面との間では化学反応が起こり、内筒部材の外表面及び外筒部材の内表面がともに腐食する恐れがあった。例えば、積雪の多い寒冷地では、塩化カルシウムを主成分とする融雪剤がまかれるのが一般的であるため、融雪して地面に出来た水溜まりは、この塩化カルシウムが溶解して出来た塩水となっていることが多い。よって、この水溜まり上を自動車が通過することにより、ガスセンサの表面には塩水が付着する。すると、外筒部材の先端と内筒部材の外周面との間に出来た隙間には、その塩水が引き込まれて保持されてしまうので、錆びが発生し、内筒部材及び外筒部材を腐食させる恐れがあった。さらに、内筒部材の腐食が進行するとクラックを生じることもあり、そのクラックから塩水が外筒の内側に侵入してしまい、センサ内部の構成部材を錆びさせ、特に電気的接続部材に錆びを発生させるとそこが絶縁体となり電気的に不導通となったり、センサの検出精度が低下する恐れもあった。

本発明は、上記課題を解決するためになされたものであり、塩水の付着による外筒部材及び内筒部材の腐食を防止でき、かつ水密性を向上できるセンサを提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、請求項１に係る発明のセンサは、内燃機関の吸排気管に取り付けられるセンサであって、軸線方向に延びるセンサ素子と、当該センサ素子を保持する主体金具と、当該主体金具の後端側に固定され、内部に大気を通気できる少なくとも１つ以上の大気導入孔を有する内筒部材と、前記内筒部材の前記大気導入孔を覆うように配置されたフィルタと、フィルタを介して当該内筒部材の径方向周囲を覆う外筒部材と、を備え、当該外筒部材には、当該フィルタを介して径方向内側に加締められた加締め固定部が形成されたセンサにおいて、
前記フィルタの先端は前記加締め固定部の先端よりも先端側に位置し、かつ前記外筒部材の先端と前記フィルタの先端との軸線方向の距離が０．３ｍｍ以下であり、前記加締め固定部の先端よりも先端側において、前記フィルタは前記外筒部材と前記内筒部材との隙間をなくすよう配置され、前記加締め固定部の先端よりも先端側において、前記フィルタの外周面と前記外筒部材の内周面及び前記フィルタの内周面と前記内筒部材の外周面が、接触するよう配置され、前記フィルタは、前記内筒部材の周囲を覆う筒状体であることを特徴とする。

また、請求項２に係る発明のセンサは、前記外筒部材の先端よりも前記フィルタの先端が先端側に位置することを特徴とする。

また、請求項３に係る発明のセンサは、前記センサ素子は、自身の先端側に形成された検出部にて被測定ガス中の被検出成分を検出し、前記主体金具は、自身の先端から前記検出部を突出させた状態で、前記センサ素子の径方向周囲を覆い、前記内筒部材は、前記センサ素子の後端側の径方向周囲を覆うことを特徴とする。

また、請求項４に係る発明のセンサは、前記フィルタは、通気量が１００ｃｍ^３／ｍｉｎ以上であることを特徴とする。

また、請求項５に係る発明のセンサは、前記内筒部材は、前記大気導入孔が形成された径小部と、前記センサ素子の後端側の径方向周囲を覆う径大部と、前記径小部と前記径大部とを連結する拡径部とを有し、前記外筒部材の先端と前記拡径部との軸線方向の距離は０．５ｍｍ以上であることを特徴とする。

請求項１に係る発明のセンサでは、フィルタの先端が加締め固定部の先端よりも先端側に位置しつつ、外筒部材の先端がフィルタの先端から０．３ｍｍ以下に配置されているので、フィルタによって外筒部材と内筒部材との隙間が小さく又は無くすことが出来るので、塩水が溜まって内筒部材及び外筒部材が腐食するのを防止でき、センサの検出精度の低下を防止できる。なお、外筒部材の先端がフィルタの先端から０．３ｍｍを越えると、外筒部分と内筒部分との隙間に水が溜まり、上記効果を得ることができない。また、フィルタが内筒部材の周囲を覆う筒状体であるので、センサ素子全周にわたって水密性を確保することができる。

また、請求項２に係る発明のセンサは、外筒部材の先端よりもフィルタの先端が先端側に位置することで、フィルタによって外筒部材と内筒部材との隙間を無くすことが出来るので、塩水が溜まって内筒部材及び外筒部材が腐食するのを防止でき、センサの検出精度の低下を防止できる。

また、請求項３に係る発明のセンサは、センサ素子が、自身の先端側に形成された検出部にて被測定ガス中の被検出成分を検出するガスセンサ素子であっても、上記効果を得ることができる。

また、請求項４に係る発明のセンサは、フィルタの通気量が１００ｃｍ^３／ｍｉｎ以上となることで、外筒部材の加締め固定部によってフィルタが変形したとしても、内筒部材内に大気を良好に挿通することができる。つまり、外筒部材とフィルタ、及び内筒部材とフィルタの水密性を確保しつつ、良好な通気性を得ることができる。

また、請求項５に係る発明のセンサは、内筒部材に径小部と径大部とを連結する拡径部を有する場合、外筒部材の先端と拡径部との軸線方向の距離を０．５ｍｍ以上とするとことで、外筒部材の先端から拡径部までの軸線方向の長さを出来る限り長く出来る。よって、外筒部材の先端と拡径部との間にて、塩水の有する表面張力によって長期間その間に保持されることを防止できる。よって、塩水が溜まって内筒部材及び外筒部材が腐食するのを防止でき、センサの検出精度の低下を防止できる。

以下、本発明のセンサ及びガスセンサの一実施の形態であるガスセンサ１について、図面に基づいて説明する。図１は、本実施形態であるガスセンサ１の断面図であり、図２は、外筒部材１６の加締め固定部７５近傍を示す部分拡大図である。なお、本実施形態のガスセンサ１は、自動車の排気管に装着されて使用に供されるものであって、排気管内を流通する排気ガス中の酸素濃度を検出する酸素センサである。

はじめに、ガスセンサ１について説明する。図１に示すように、ガスセンサ１は、先端部が閉塞された有底筒状をなすセンサ素子２、センサ素子２の有底孔２５に挿入されるセラミックヒータ３、センサ素子２を自身の内側にて保持する主体金具５、該主体金具５の後端部に連結された内筒部材１４、該内筒部材１４と同軸上に設けられ、内筒部材１４の後端側を内挿する外筒部材１６を備える。なお、本実施形態において、図１に示すセンサ素子２の軸に沿う方向のうち、測定対象ガス（排気ガス）に曝される先端部に向かう側（閉じている側、図中の下側）を「先端側」とし、これと反対方向（図中上側）に向かう側を「後端側」として説明する。

まず、センサ素子２について説明する。このセンサ素子２は、イットリアを安定化剤として固溶させた部分安定化ジルコニアを主成分とする酸素イオン伝導性を有する固体電解質体２８と、その固体電解質体２８の有底孔２５の内面に、そのほぼ全面を覆うようにＰｔ又はＰｔ合金により多孔質状に形成された内部電極層２７と、固体電解質体２８の外面に、内部電極層２７と同様に多孔質状に形成された外部電極層２６を有している。また、センサ素子２には、外部電極層２６を被覆するアルミナマグネシアスピネル等の耐熱性セラミックよりなる多孔質状の電極保護層９９がさらに設けられている。また、このセンサ素子２の軸線方向の略中間位置には、径方向外側に向かって突出する係合フランジ部９２が設けられている。また、セラミックヒータ３は、棒状に形成されると共に、内部に発熱抵抗体を有する発熱部４２を備えている。このセラミックヒータ３は、後述するヒータ用リード線１９，２２を介して通電されることにより発熱部４２が発熱することになり、センサ素子２を活性化させるべく当該センサ素子２を加熱する機能を果たす。

次に、主体金具５について説明する。この主体金具５は、ガスセンサ１を排気管の取り付け部に取り付けるためのネジ部６６と、排気管の取り付け部への取り付け時に取付工具をあてがう六角部９３を有している。

そして、主体金具５の先端側内周には、径方向内側に向かって突出する金具側段部５４が設けられ、該金具側段部５４には、パッキン５５を介してアルミナ製の支持部材５１が係止している。なお、センサ素子２は、係合フランジ部９２が支持部材５１上に支持されることにより、主体金具５に支持される。支持部材５１の後端側における主体金具５の内面とセンサ素子２の外面との間には、滑石粉末からなる充填部材５２が充填され、さらにこの充填部材５２の後端側にアルミナ製のスリーブ５３及び環状リング１５が順次同軸状に内挿された状態で配置される。

また、主体金具５の先端側外周には、センサ素子２の主体金具５の先端から突出する先端部を覆うとともに、複数のガス取入れ孔を有する金属製の二重のプロテクタ８１，８２が溶接によって取り付けられている。

次に、内筒部材１４について説明する。この内筒部材１４は、ステンレス材で形成され、自身の先端側が主体金具５の後端側内側に挿入されている。そして、この内筒部材１４は、先端側の拡径した開口端部である先端開口端部５９を環状リング１５に当接させた状態で、主体金具５の金具側後端部６０を内側先端方向に加締めることで、主体金具５に固定されている。なお、ガスセンサ１においては、主体金具５の金具側後端部６０を加締めることを通じて、充填部材５２がスリーブ５３を介して圧縮充填される構造になっている。これにより、センサ素子２が筒状の主体金具５の内側に水密状に保持されている。

さらに、内筒部材１４は、軸線方向における略中間位置に内筒段付き部８３が形成されており、内筒段付き部８３よりも先端側が内筒先端側胴部６１として形成され、内筒段付き部８３よりも後端側が内筒後端側胴部６２として形成される。そして、内筒後端側胴部６２は、内筒先端側胴部６１よりも内径、外径がともに小さく形成され、その内径は後述するセパレータ７のセパレータ本体部８５の外径よりも若干大きく形成されている。また、内筒後端側胴部６２には、周方向に沿って所定の間隔で複数の大気導入孔６７が形成されている。なお、本実施形態における内筒先端側胴部６１が本願の「径大部」に相当し、内筒後端側胴部６２が本願の「径小部」に相当し、内筒段付き部８３が本願の「拡径部」に相当する。

次に、外筒部材１６について説明する。この外筒部材１６は、ステンレス材の板材を深絞り加工することにより筒状に成型され、後端側に外部から内部に通じる開口を含む外筒後端側部６３、先端側に内筒部材１４に対して後端側から同軸状に連結される外筒先端側部６４、外筒後端側部６３と外筒先端側部６４とをつなぐ外筒段部３５が形成される。なお、外筒後端側部６３には、後述する弾性シール部材１１を水密状に固定するための加締め部８８が形成されている。

さらに、内筒部材１４の内筒後端側胴部６２の外側には、大気導入孔６７から水が侵入するのを防止するための筒状のフィルタ６８が配置されている。なお、フィルタ６８は、例えばポリテトラフルオロエチレンの多孔質繊維構造体のように、水を主体とする液体の透過は阻止する一方、空気などの気体の透過は許容する撥水性フィルタとして構成される。

また、外筒部材１６の外筒先端側部６４は、フィルタ６８が配置された内筒部材１４（詳細には内筒後端側胴部６２）を外側から覆う形状に形成されており、外筒先端側部６４のうち、フィルタ６８に対応する位置には周方向に沿って所定の間隔で複数の大気導入孔８４が形成されている。

次に、内筒部材１４と外筒部材１６との連結構造について説明する。図１に示すように、外筒部材１６と内筒部材１４とは、外筒部材１６の外筒先端側部６４のうちで、大気導入孔８４よりも後端側の少なくとも一部を、フィルタ６８を介して径方向内側に加締めることで形成した第１加締め部５６と、大気導入孔８４よりも先端側の少なくとも一部を、同じくフィルタ６８を介して径方向内側に加締めることで形成した加締め固定部７５とによって固定されている。このとき、フィルタ６８は、外筒部材１６と内筒部材１４との間で水密状に保持されることになる。この加締め固定部７５とフィルタ６８との位置が本発明の特徴であり、その作用効果については後述する。

このようにして、内筒部材１４に外筒部材１６が加締め固定されることで、弛みなく互いに連結される。そして、基準ガスとしての大気は、大気導入孔８４，フィルタ６８及び大気導入孔６７、内筒部材１４の内部に導入され、センサ素子２の有底孔２５に導入される。一方、水滴はフィルタ６８を通過することが出来ないため、内筒部材１４の内側への侵入が阻止される。

次に、内筒部材１４及び外筒部材１６の内側構造について説明する。図１に示すように、内筒部材１４の内筒後端側胴部６２の内側には、略円筒状のセパレータ７が設けられている。このセパレータ７には、素子用リード線２０、２１と、ヒータ用リード線１９、２２とを挿通するためのセパレータリード線挿通孔７１が、先端側から後端側にかけて貫通するように形成されている。また、セパレータ７には、先端面に開口する有底状の保持孔９５が軸線方向に形成されている。この保持孔９５内には、セラミックヒータ３の後端部が挿入され、セラミックヒータ３の後端面が保持孔９５の底面に当接することでセパレータ７に対するセラミックヒータ３の軸線方向の位置決めがなされる。

さらに、このセパレータ７は、内筒部材１４の後端内側に挿入されるセパレータ本体部８５を有するとともに、セパレータ本体部８５の後端部から周方向外側に延設されたセパレータフランジ部８６を有している。つまり、セパレータ７は、セパレータ本体部８５が内筒部材１４に挿入されるとともに、セパレータフランジ部８６が内筒部材１４の後端面にフッ素ゴムからなる環状シール部材４０を介して支持される状態で、外筒部材１６の内側に配置される。

一方、セパレータ７の後端側には、耐熱性に優れるフッ素ゴム等からなる弾性シール部材１１が配置されている。この弾性シール部材１１は、本体部３１、本体部３１の先端側の側周面から径方向外側に向けて延びるシール部材鍔部３２を有している。さらに、この本体部３１を軸線方向に貫くように４つのリード線挿通孔１７が形成されている。そして、このような弾性シール部材１１が、外筒部材１６の後端内側に内挿され、外筒部材１６が加締められて、加締め部８８が形成されることによって、外筒部材１６に固定されている。

また、素子用リード線２０、２１及びヒータ用リード線１９、２２は、セパレータ７のセパレータリード線挿通孔７１、弾性シール部材１１のリード線挿通孔１７を通じて、内筒部材１４及び外筒部材１６の内部から外部に向かって引き出されている。なお、これら４本のリード線１９、２０、２１、２２は外部において、図示しないコネクタに接続される。そして、このコネクタを介してＥＣＵ等の外部機器と各リード線１９、２０、２１、２２とは電気信号の入出力が行なわれることになる。

さらに、各リード線１９、２０、２１、２２は、詳細は図示しないが、導線を樹脂からなる絶縁皮膜にて被覆した構造を有し、導線の後端側がコネクタに設けられるコネクタ端子に接続される。そして、素子用リード線２０の導線の先端側は、センサ素子２の外面に対して外嵌される端子金具４３の後端部と加締められ、素子用リード線２１の導線の先端側は、センサ素子２の内面に対して圧入される端子金具４４の後端部と加締められる。これにより、素子用リード線２０は、センサ素子２の外部電極層２６と電気的に接続され、素子用リード線２１は、内部電極層２７と電気的に接続される。他方、ヒータ用リード線１９、２２の導線の先端部は、セラミックヒータ３の発熱抵抗体と接合された一対のヒータ用端子金具と各々接続される。

次に、本発明の特徴である加締め固定部７５とフィルタ６８との位置について図２を用いて説明する。本実施形態のガスセンサ１では、加締め固定部７５の先端部である加締め先端位置よりもフィルタ６８の先端が先端側に位置しており、かつ、フィルタ６８の先端と、外筒部材１６の先端側との軸線方向の距離ｔ１が０．２ｍｍとなっている。このように、軸線方向の距離ｔ１が０．３ｍｍ以下とすることで、フィルタ６８の先端から外筒部材１６の先端までの軸線方向の長さを出来る限り短く出来る。よって、フィルタ６８よりも先端側に形成される外筒部材１６の先端側と内筒部材１４の先端側との隙間を小さくすることが出来るので、塩水が溜まって内筒部材１４及び外筒部材１６が腐食するのを防止でき、ガスセンサ１の検出精度の低下を防止できる。

さらに、内筒段付き部８３と外筒部材１６の先端との軸線方向の距離ｔ２が０．６ｍｍとなっている。このように、外筒部材１６の先端と内筒段付き部８３との軸線方向の距離ｔ２を０．５ｍｍ以上とするとことで、外筒部材１６の先端から内筒段付き部８３までの軸線方向の長さを出来る限り長く出来る。よって、外筒部材１６の先端と内筒段付き部８３との間にて、塩水の有する表面張力によって長期間その間に保持されることを防止できる。よって、塩水が溜まって内筒部材１４及び外筒部材１６が腐食するのを防止でき、センサの検出精度の低下を防止できる。

なお、本発明のセンサは上記実施形態に限られず、各種変更が可能なことは言うまでもない。上記実施形態では、フィルタ６８の先端が外筒部材１６の後端側にある形態であったが、フィルタ６８の先端が外筒部材１６の先端側にある形態であっても良い。

具体的には、図３に示すセンサ１を示す。なおこの別実施形態は、本実施形態のセンサ１とは、フィルタの位置が異なるものであり、その他の部分は省略する。図３は、外筒部材１６の加締め固定部７５近傍を示す部分拡大図である。

内筒部材１４の内筒後端側胴部６２の外側には、大気導入孔６７から水が侵入するのを防止するための筒状のフィルタ６８が配置されている。さらに、このフィルタ６８を覆い、且つ内筒部材１４の内筒後端側胴部６２の周囲を覆うように外筒部材１６が設けられている。この外筒部材１６にも、フィルタ６８に対応する位置には、周方向に沿って所定の間隔で複数の大気導入孔８４が形成されている。

そして、外筒部材１６の先端よりもフィルタ６８の先端が先端側に配置されている。このように、外筒部材１６の先端よりもフィルタ６８の先端が先端側に配置されていることで、フィルタ６８よりも先端側に形成される外筒部材１６の先端側と内筒部材１４の先端側との隙間をなくすことが出来るので、塩水が溜まって内筒部材１４及び外筒部材１６が腐食するのを防止でき、ガスセンサ１の検出精度の低下を防止できる。

本発明は、酸素センサ等のガスセンサに限らず、種々の装置に適用できる。

本実施形態であるガスセンサ１の断面図である。外筒部材１６の加締め固定部７５近傍を示す部分拡大図である。別実施形態の外筒部材１６の加締め固定部７５近傍を示す部分拡大図である。

符号の説明

１ガスセンサ
２センサ素子
５主体金具
７セパレータ
１４内筒部材
１６外筒部材
６８フィルタ
７５加締め固定部

Claims

内燃機関の吸排気管に取り付けられるセンサであって、
軸線方向に延びるセンサ素子と、
当該センサ素子を保持する主体金具と、
当該主体金具の後端側に固定され、内部に大気を通気できる少なくとも１つ以上の大気導入孔を有する内筒部材と、
前記内筒部材の前記大気導入孔を覆うように配置されたフィルタと、
フィルタを介して当該内筒部材の径方向周囲を覆う外筒部材と、を備え、
当該外筒部材には、当該フィルタを介して径方向内側に加締められた加締め固定部が形成されたセンサにおいて、
前記フィルタの先端は前記加締め固定部の先端よりも先端側に位置し、かつ前記外筒部材の先端と前記フィルタの先端との軸線方向の距離が０．３ｍｍ以下であり、
前記加締め固定部の先端よりも先端側において、前記フィルタは前記外筒部材と前記内筒部材との隙間をなくすよう配置され、
前記加締め固定部の先端よりも先端側において、前記フィルタの外周面と前記外筒部材の内周面及び前記フィルタの内周面と前記内筒部材の外周面が、接触するよう配置され、
前記フィルタは、前記内筒部材の周囲を覆う筒状体であることを特徴とするセンサ。
前記外筒部材の先端よりも前記フィルタの先端が先端側に位置することを特徴とする請求項１記載のセンサ。
前記センサ素子は、自身の先端側に形成された検出部にて被測定ガス中の被検出成分を検出し、
前記主体金具は、自身の先端から前記検出部を突出させた状態で、前記センサ素子の径方向周囲を覆い、
前記内筒部材は、前記センサ素子の後端側の径方向周囲を覆うことを特徴とする請求項１または２の何れか一項に記載のセンサ。
前記フィルタは、通気量が１００ｃｍ^３／ｍｉｎ以上であることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか一項に記載のセンサ。
前記内筒部材は、前記大気導入孔が形成された径小部と、前記センサ素子の後端側の径方向周囲を覆う径大部と、前記径小部と前記径大部とを連結する拡径部とを有し、
前記外筒部材の先端と前記拡径部との軸線方向の距離は０．５ｍｍ以上であることを特徴とする請求項１乃至４の何れか一項に記載のセンサ。