JP4817419B2 - ガスセンサ - Google Patents

Description

この発明は、排気ガス等の被測定ガス中の特定ガス成分の濃度を検出するガスセンサに関する。

従来、内燃機関の排気系に設置され、排気ガス中の酸素濃度を検出して内燃機関の燃焼制御に利用されるガスセンサとして、酸素センサが知られている。この酸素センサとして、酸素センサの上部に設けられたシール部材の中央に、基準ガスとなる外気を導入するための貫通孔を形成し、貫通孔を閉塞するように通気性及び撥水性を有するフィルタを設けた構成が知られている（特許文献１参照）。この酸素センサは、詳細には、シート状の撥水性のフィルタを、貫通孔に嵌挿可能な筒状挿入部材の外周面と貫通孔の内周面との間に挟持する形態で貫通孔内に固定している。
特開２００１−２０８７２４号公報

しかしながら、特許文献１の酸素センサは、当該酸素センサを後方側から軸線方向に見たときにフィルタが視認できる形態となっており、外部からの衝撃等をフィルタが直接受け、フィルタが破れる虞があった。その結果、ガスセンサが飛水した場合に、ガスセンサ内部に水が侵入し、ガスセンサの出力に異常が生じたり、端子が短絡する虞がある。

本発明は、かかる従来の問題点に鑑みてなされたもので、ケーシングに固定されるシール部材にフィルタを配置させる構成のガスセンサにおいて、フィルタが破れることを防止し、ガスセンサ内部へ水が侵入することを防止するガスセンサを提供するものである。

そこで本発明のガスセンサは、軸線方向に延び、被測定ガス中の特定ガス成分を検出する検出素子と、該検出素子の先端側を自身の先端よりも突出させて被測定ガスに晒すと共に、該検出素子の周囲を取り囲むケーシングと、前記検出素子よりも後方側で且つ該ケーシングの後端側内部に固定され、軸線方向に貫通する貫通孔を備えたシール部材と、該貫通孔に嵌挿された通気性及び撥水性を有するフィルタ部と、を備えるガスセンサにおいて、
前記ガスセンサを後方側から軸線方向に見たときに、フィルタ部が視認できないように該フィルタ部を覆う被覆部、及び前記貫通孔に連通し、外部から貫通孔内への通気を許容する連通部を有する該シール部材の後方側に結合するフィルタ被覆部材を備え、前記連通部を自身の開口部から当該連通部の長手方向に見たときに、前記フィルタ部が視認できないように当該フィルタ部が貫通孔に配置されていることを特徴とする。

本発明のように、フィルタ部を覆う被覆部を備えるフィルタ被覆部材をシール部材に結合させることで、ガスセンサを後方側から軸線方向に見たときに、フィルタ部が直接視認できないようになっている。よって、フィルタ部が外部からの衝撃等を直接受けなくなり、衝撃等によりフィルタ部が破れることを防止し、その結果、ガスセンサ内への水の浸入を防止できる。

なお、被覆部は、フィルタ部が直接視認できないように該フィルタ部を覆っていれば良く、フィルタ部が配置される貫通孔の後端開口の断面積（ガスセンサの軸線に直交する断面積）よりも大きな断面積を有する形状を有していれば良い。更に、貫通孔と同じ形（例えば、貫通孔が円形であるときに、被覆部も円形）である必要はなく、三角形や四角形といった多角形でも良い。

そして、フィルタ被覆部材は、貫通孔に連通する連通部を備えている、この連通部は、外部から貫通孔内（またはケーシング内）への通気を許容していれば良く、フィルタ被覆部材の外面に形成される開口部がフィルタ被覆部材の周方向に形成されていても良いし、フィルタ被覆部材の後端向き面に形成されていてもよい。また、フィルタ被覆部材の外面に形成される連通部の開口部から貫通孔まで直線形状に形成されていても良いし、連通部の開口部から貫通孔までの間で屈折して形成されていても良い。なお、連通部が直線形状に形成されている場合、連通部の開口部から連通部の長手方向に見たときにフィルタ部が視認できないように、連通部の形成位置とフィルタ部の配置位置を設定することが好ましい。これは、高圧の水が連通部の開口部から連通部内の長手方向に侵入したとしても、直接フィルタ部に当たらず、フィルタ部が破れることを確実に防止できるからである。

上記のような、連通部が直線形状に形成されており、連通部の開口部から連通部の長手方向に見たときにフィルタ部が視認できない具体的な構成としては、前記連通部が、前記フィルタ被覆部材の周方向に延びている構成とすることができる。

さらに、本発明のガスセンサは、前記連通部が、前記フィルタ被覆部材の前記後端面から切り欠かれた溝であることが好ましい。このように連通部を溝として形成することで、フィルタ被覆部材に外部から貫通孔内（またはケーシング内）への通気を許容できる連通部を容易に設けることができる。

さらに、本発明のガスセンサは、前記フィルタ被覆部材には、複数の前記連通部が備えられており、複数の前記連通部のうち、１つの連通部を開口部から連通部の長手方向に視認したときに、他の連通部の開口部が視認できるように複数の該連通部が配置されていることが好ましい。これにより、高圧の水、エンジンオイルやガソリン等が１つの連通部の開口部から長手方向に侵入したとしても、シール部材の貫通孔内に滞留することなく、他の連通部を通過して外部に抜けやすくなる。よって、フィルタ部の通気性が低下することを防止できる。

さらに、本発明のガスセンサは、前記シール部材と前記フィルタ被覆部材が一体成形されていることが好ましい。シール部材とフィルタ被覆部材とを一体成形しているので、別途接着剤等を用いて一体化する必要がなく、容易にシール部材及びフィルタ被覆部材を形成でき、ガスセンサの低コスト化を図ることができる。

ところで、フィルタ部としては、シート状のフィルタを、貫通孔に嵌挿可能な筒状挿入部材の外周面と貫通孔の内周面との間に挟持する形態で貫通孔内に配置する形態や、柱状のフィルタを貫通孔内に配置する形態が知られているが、より破れやすいシート状のフィルタが配置されているフィルタ部に本発明を用いることで、シート状のフィルタが破れることを防止でき、特に効果がある。

以下に、本発明を適用した実施形態であるガスセンサを図面と共に説明する。本実施形態では、自動車の排気管に装着されて排気ガス中の酸素の濃度を検出するガスセンサ（酸素センサ）について説明する。図１は、本実施形態のガスセンサ１の全体構成を示す断面図である。

図１に示すように、ガスセンサ１は、先端部が閉じた有底筒状をなすセンサ素子２、センサ素子２の有底孔２１に挿入されるセラミックヒータ３と、センサ素子２を自身の内側にて保持する主体金具４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）に晒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。

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からなり、先端部に検出部２２を有している。この検出部２２のうち有底孔２１の内面に、そのほぼ全面を覆うようにＰｔあるいはＰｔ合金により多孔質状に形成された内部電極層２４と、検出部２２の外面に、内部電極層２４と同様に多孔質状に形成された外部電極層２３を有している。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２５が設けられている。なお、本実施形態のセンサ素子２が特許請求の範囲の「検出素子」に相当する。一方、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３１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３９０、４２０を介して通電されることにより発熱部３１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。

主体金具４は、ガスセンサ１を排気管の取付部に取り付けるためのネジ部４１と、排気管の取付部への取り付け時に取付工具をあてがう工具係合部４２を有している。そして、主体金具４には、先端側内周に径方向内側に向かって突出した金具側段部４３が設けられており、この金具側段部４３にパッキン８を介して支持部材５を係止させている。なお、センサ素子２は、係合フランジ部２５が支持部材５上にパッキン９を介して支持されることにより、主体金具４に支持される。支持部材５の後端側における主体金具４の内面とセンサ素子２の外面との間には、充填部材６が配設され、さらにこの充填部材６の後端側にスリーブ７および環状リング１０が順次同軸状に内挿された状態で配置される。そして、主体金具４の金具側後端部４４を内側先端方向に加締めることで、主体金具５にセンサ素子２が固定されている。なお、ガスセンサ１においては、主体金具４の金具側後端部４４を加締めることを通じて、充填部材６がスリーブ７を介して圧縮充填される構造になっており、これによりセンサ素子２が筒状の主体金具４の内側に気密状に保持されている。

一方、主体金具４の先端部２６には、外側カバー１５が接合されている。この外側カバー１５は、主体金具４から突出するセンサ素子２の検出部２２の周囲を覆う有底筒状となっている。さらに、外側カバー１５の内部には、内側カバー１６が形成されている。この内側カバー１６も外側カバー１５と同様にセンサ素子２の検出部２２を覆う有底筒状である。そして、外側カバー１５、内側カバー１６には、それぞれセンサ素子２に排気ガスを晒すための通気孔１５１、１６１が形成されている。

また、主体金具４の後端側内側には外筒部材１１の先端部が接合されている。外筒部材１１は、軸線方向における略中間位置に外筒段付き部１１１が形成されており、外筒段付き部１１１よりも先端側が外筒先端側胴部１１２として形成され、外筒段付き部１１１よりも後端側が外筒後端側胴部１１３として形成される。このうち、外筒後端側胴部１１３には、後述する保持部材１７を保持するための第１加締め部１１４、及び後述するシール部材１３を気密状に固定するための第２加締め部１１５が形成されている。なお、本実施形態の主体金具４及び外筒部材１１が特許請求の範囲の「ケーシング」に相当する。

また、外筒部材１１の外筒後端側胴部１１３内に保持部材１７を介して配置されるセパレータ１２は、素子用リード線４００、４１０と、ヒータ用リード線３９０、４２０とを挿通するためのセパレータリード線挿通孔１２１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１２には、先端面に開口する有底状の保持孔１２２が軸線方向に形成されている。この保持孔１２２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１２２の底面に当接することでセパレータ１２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。このセパレータ１２は、周方向外側に延設されたセパレータフランジ部１２３を有している。

また、素子用リード線４００、４１０およびヒータ用リード線３９０、４２０は、セパレータ１２のセパレータリード線挿通孔１２１、後述するシール部材１３及びフィルタ被覆部材４００のリード線挿通孔１３１を通じて、外筒部材１１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３９０、４００、４１０、４２０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３９０、４００、４１０、４２０とは電気信号の入出力が行われることになる。

また、各リード線３９０、４００、４１０、４２０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ており、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４００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１４の後端部と加締められ、素子用リード線４１０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１４の後端部と加締められる。これにより、素子用リード線４００は、センサ素子２の外部電極層２３と電気的に接続され、素子用リード線４１０は、内部電極層２４と電気的に接続される。他方、ヒータ用リード線３９０、４２０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、本発明の主要部であるシール部材１３及びフィルタ被覆部材２００について詳細に説明する。
外筒部材１１の後端側内部に配置されるシール部材１３は、図１、２に示す様に、センサ素子２に電気的に接続される２本の素子用リード線４００、４１０と、セラミックヒータ３に電気的に接続される２本のヒータ用リード線３９０、４２０とを挿通するための４つのリード線挿通孔１３１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。さらに、シール部材１３の略中央には、先端側から後端側に向かって大気導入孔１３２が形成されている。このシール部材１３は、フッ素ゴム等からなる。なお、本実施形態の大気導入孔１３２が特許請求の範囲の「貫通孔」に相当する。

さらに、大気導入孔１３２の内部にはフィルタ部１３６が配置されている。このフィルタ部１３６は、円筒状の金属カップ１３４にシート状のフィルタ１３３が覆われており、フィルタ１３３が大気導入孔１３２と金属カップ１３４とに挟まれるようにして固定されている。このフィルタ１３３は、例えばＰＴＦＥ等の材料から形成され、通気性及び撥水性を有している。また、この金属カップ１３４は、軸線Ｏ方向に延びる筒部１３５と、筒部１３５の先端側に径方向に突出する突出部１３７とを有する（図５参照）。そして筒部１３５の後端側は、大気挿通孔１３８が形成されており、外部から大気挿通孔１３８、フィルタ１３３を介して外筒部材１１内部に大気を導入することができる。

そして、シール部材１３よりも後方側にフィルタ被覆部材２００が結合されている。本実施形態では、シール部材１３とフィルタ被覆部材２００とが一体に成形されている。このようにシール部材１３とフィルタ被覆部材２００を一体で成形することで、別途シール部材１３とフィルタ被覆部材２００とを接着剤等により接着する必要がない。このフィルタ被覆部材２００にも、シール部材１３の４つのリード線挿通孔１３１に繋がるリード線挿通孔１３１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。さらに、図３に示すように、フィルタ被覆部材２００の略中央には、フィルタ部１３６のフィルタ１３３を覆う被覆部２０１が形成されている。この被覆部２０１は、大気導入孔１３２の開口部の外形よりも大径に形成されている。

このように、フィルタ被覆部材２００に被覆部２０１を備えることで、ガスセンサ１を後方側から軸線方向に見たときに、フィルタ部１３６（フィルタ１３３）が視認できないようになっている。これにより、フィルタ１３３が外部からの衝撃等を直接受けなくなり、衝撃等によりフィルタ１３３が破れることを防止し、その結果、ガスセンサ１内への水の浸入を防止できる。

また、図３、図４に示すように、フィルタ被覆部材２００の外周に形成された開口部２０２からシール部材１３の大気導入孔１３２に連通するように連通部２０３が形成されている。この連通部２０３は、周方向に直線形状で延びており、フィルタ被覆部材２００の後端面から切り欠かれた溝である。なお、図３、図４は、シール部材１３及びフィルタ被覆部材２００をガスセンサ１に取り付ける前の図であり、図４は、図３のＡ方向から観た側面図である。

このように、フィルタ被覆部材２００に周方向に直線形状で形成された連通部２０３を備えることで、連通部２０３の開口部２０２から連通部２０３の長手方向に見たときにフィルタ部１３６（フィルタ１３３）が視認できないような形態となっている。よって、高圧の水が連通部２０３の開口部２０２から連通部２０３内の長手方向に侵入したとしても、直接フィルタ１３３に直接当たらず、フィルタ１３３が破れることを確実に防止できる。さらに、連通部２０３が、フィルタ被覆部材２００の後端面から切り欠かれた溝として形成しているので、フィルタ被覆部材２００に容易に連通部２０３を設けることができる。

さらに、図３に示すように、この連通部２０３は、フィルタ被覆部材２００に４つ設けられており、第１連通部２０４と第３連通部２０６、第２連通部２０５と第４連通部２０７とがそれぞれ対になっており、第１連通部２０４（第２連通部２０５）の開口部から長手方向に視認したときに、第３連通部２０６（第４連通部２０７）の開口部が視認できる配置となっている。

このように、フィルタ被覆部材２００には、連通部２０３が複数設けられており、複数の連通部２０３のうち、１つの連通部２０３を開口部から長手方向に視認したときに、他の連通部２０３の開口部が視認できるので、例えば、第１連通部２０４の開口部から第１連通部内の長手方向に高圧の水、エンジンオイルやガソリン等が侵入しても、シール部材１３の大気導入孔１３２内に滞留することなく、第３連通部２０６を通過して外部に抜けやすくなり、フィルタ１３３の通気性が低下することを防止できる。

次に、本実施形態のガスセンサ１の製造方法について詳細に説明する。
まず、ジルコニアに、イットリアを５ｍｏｌ％添加して造粒した後、先端部が閉じた有底筒状に成形し、電気炉にて１４００〜１６００℃の温度で焼成し、固体電解質体を得た。次いで、この固体電解質体の外周面に蒸着や化学メッキ等を用いて、白金よりなる外部電極層２３を設ける。一方、固体電解質体の内側面にも同様に、蒸着や化学メッキ等を用いて、内部電極層２４を設け、センサ素子２を得た。

ついで、主体金具４の先端部２６に内側カバー１６が挿入された外側カバー１５を外挿し、レーザ溶接にて全周溶接する。そしてこの主体金具４にパッキン８、支持部材５、パッキン９、センサ素子２、充填部材６、スリーブ７を順に挿入し、主体金具４の金具側後端部４４を加締めセンサ下部中間体を準備する。

一方、端子金具１４、１４にそれぞれ素子用リード線４００、４１０を接合し、セラミックヒータ３のヒータ用端子金具にヒータ用リード線３９０、４２０を接合しておく。そして、端子金具１４の内側にセラミックヒータ３を位置させた状態で、各リード線３９０、４００、４１０、４２０をセパレータ１２の各セパレータリード線挿通孔１２１に挿通する。

ついで、図５に示すように、筒部１３５、突出部１３７が形成された金属カップ１３４をシート状のフィルタ１３３を介してシール部材１３の大気導入孔１３２に圧入してフィルタ部１３６を形成する。そして、フィルタ部１３６を有するシール部材１３を外筒部材１１の後端側に配置する。なお、シール部材１３とフィルタ被覆部材２００は一体成形されており、シール部材１３を外筒部材１１の後端側に配置すると、フィルタ被覆部材２００は外筒部材１１よりも後方側に配置された状態となる。

ついで、各リード線３９０、４００、４１０、４２０をシール部材１３及びフィルタ被覆部材２００のリード線挿通孔１３１に挿通させた状態で、このシール部材１３１の先端面がセパレータ１２の後端面に当接するように、セパレータ１２を外筒部材１１内に配置する。そして、セパレータ１２の先端から保持部材１７を挿入する。このようにしてセンサ上部中間体を作製する。

そして、センサ上部中間体の外筒部材１１を主体金具４の後端側に挿入し、外筒部材１１と主体金具４との重なり部を加締める。また、保持部材１７を保持するように、外筒部材１１を加締め、第１加締め部１１４を形成する。さらに、弾性シール部材１３を保持するように外筒部材１１を加締め、第２加締め部１１５を形成する。なお、加締めは八方丸加締めにて行った。そして、上記重なり部をレーザ溶接することにより固定し、ガスセンサ１が完成する。

以上、この発明の本実施形態について説明したが、この発明は本実施形態に限定されることはなく、様々に設計変更することができる。
例えば、図６に別実施形態を示す。この別実施形態は、本実施形態のようにシール部材１３とフィルタ被覆部材２００とが一体で成形されていることに対して別体で形成され結合されているものであり、且つ本実施形態のフィルタ被覆部材２００の形状と異なるものである。以下説明では、異なる部分を中心に説明し、本実施形態と同部分については省略する。図６はシール部材１３及びフィルタ被覆部材２００をガスセンサ１から取り外した状態の部分断面図である。

別実施形態は、図６に示すようにシール部材１３とフィルタ被覆部材３００が別体で形成されている。具体的には、シール部材１３の略中央の後方側にフィルタ被覆部材３００を配置させ、両者を結合させている。このフィルタ被覆部材３００はシール部材１３よりも小径な円柱形状である。そして、フィルタ被覆部材３００の後端側には、フィルタ部１３６のフィルタ１３３を覆う被覆部３０１が形成されている。また、突出部３０１の外周に形成された開口部３０２からシール部材１３の大気導入孔１３２に連通するように連通部３０３が形成されている。この連通部３０３は、周方向に直線形状で延びている。この別実施形態においても、フィルタ被覆部材３００に被覆部３０１を備えることで、ガスセンサ１を後方側から軸線方向に見たときに、フィルタ部１３６（フィルタ１３３）が視認できないようになっている。これにより、フィルタ１３３が外部からの衝撃等を直接受けなくなり、衝撃等によりフィルタ１３３が破れることを防止し、その結果、ガスセンサ１の検出精度の低下を防止する。

また、本実施形態や別実施形態では、円筒状の金属カップ１３４にシート状のフィルタ１３３を覆い、フィルタ１３３が大気導入孔１３２と金属カップ１３４とに挟まれるようにして固定されたフィルタ部１３６を用いたが、これに限られず、例えば、大気導入孔内に嵌挿した柱状のフィルタを用いても良い。

本実施形態のガスセンサ１の断面図である。 本実施形態のガスセンサ１に配置されたシール部材１３及びフィルタ被覆部材２００付近の部分拡大断面図である。 本実施形態のガスセンサ１に取り付ける前のシール部材１３及びフィルタ被覆部材２００を後方側から観た図である。 本実施形態のガスセンサ１に取り付ける前のシール部材１３及びフィルタ被覆部材２００の側面図である。 本実施形態のフィルタ１３３及び金属カップ１３４をシール部材１３及びフィルタ被覆部材２００に挿入する際の説明図である。 別実施形態のガスセンサ１に取り付ける前のシール部材１３及びフィルタ被覆部材３００の部分断面側面図である。

符号の説明

１・・・・・ガスセンサ
２・・・・・センサ素子
３・・・・・主体金具
１１・・・・外筒部材
１３・・・・シール部材
１３２・・・大気導入孔
１３３・・・フィルタ
１３４・・・金属カップ
１３５・・・筒部
１３６・・・フィルタ部
２００、３００・・・フィルタ被覆部材
２０１、３０１・・・被覆部
２０２、３０２・・・開口部
２０３、３０３・・・挿通部

Claims (6)

1. 軸線方向に延び、被測定ガス中の特定ガス成分を検出する検出素子と、
   該検出素子の先端側を自身の先端よりも突出させて被測定ガスに晒すと共に、該検出素子の周囲を取り囲むケーシングと、
   前記検出素子よりも後方側で且つ該ケーシングの後端側内部に固定され、軸線方向に貫通する貫通孔を備えたシール部材と、
   該貫通孔に配置された通気性及び撥水性を有するフィルタ部と、
   を備えるガスセンサにおいて、
   前記シール部材の後方側に結合するフィルタ被覆部材であって、前記ガスセンサを後方側から軸線方向に見たときに、フィルタ部が視認できないように該フィルタ部を覆う被覆部と、前記貫通孔に連通し、外部から貫通孔内への通気を許容する連通部とを有するフィルタ被覆部材を備え、前記連通部を自身の開口部から当該連通部の長手方向に見たときに、前記フィルタ部が視認できないように当該フィルタ部が貫通孔に配置されていることを特徴とするガスセンサ。
2. 請求項１記載のガスセンサにおいて、
   前記連通部は、前記フィルタ被覆部材の周方向に延びていることを特徴とするガスセンサ。
3. 請求項２記載のガスセンサにおいて、
   前記連通部は、前記フィルタ被覆部材の後端面から切り欠かれた溝であることを特徴とするガスセンサ。
4. 請求項１乃至３のいずれか一項に記載のガスセンサにおいて、
   前記フィルタ被覆部材には、複数の前記連通部が備えられており、
   複数の前記連通部のうち、１つの連通部を開口部から連通部の長手方向に視認したときに、他の連通部の開口部が視認できるように複数の該連通部が配置されていることを特徴とするガスセンサ。
5. 請求項１乃至４のいずれか一項に記載のガスセンサにおいて、
   前記シール部材と前記フィルタ被覆部材が一体成形されていることを特徴とするガスセンサ。
6. 請求項１乃至５のいずれか一項に記載のガスセンサにおいて、
   前記フィルタ部には、シート状のフィルタが配置されていることを特徴とするガスセンサ。