JP5047218B2

JP5047218B2 - センサ

Info

Publication number: JP5047218B2
Application number: JP2009108147A
Authority: JP
Inventors: 誠久米; 聡石川
Original assignee: NGK Spark Plug Co Ltd
Current assignee: Niterra Co Ltd
Priority date: 2009-04-27
Filing date: 2009-04-27
Publication date: 2012-10-10
Anticipated expiration: 2029-04-27
Also published as: JP2010256241A

Description

本発明は、特定ガス成分の濃度や温度等を検出するセンサ素子を覆うプロテクタを備えたセンサに関する。

自動車エンジン等の内燃機関の燃費向上や燃焼制御を行うガスセンサとして、排気ガス中の酸素濃度を検出する酸素センサや空燃比センサが知られている。図５に示すように、これらの（ガス）センサ２００は、特定ガスの濃度検出を行うセンサ素子１０を主体金具２に保持し、センサ素子１０の先端側に設けられ、主体金具２の先端から突出した検出部１０ａを、有底筒状の内側プロテクタ３０と外側プロテクタ４０からなる二重プロテクタで保護する構成を有している。この二重プロテクタにより、センサ素子１０の検出部１０ａに排気ガス中の水分や被毒物質が付着するのを防止している。
この二重プロテクタをセンサ本体２００に取り付ける方法として、内側プロテクタ３０の外径を主体金具２の先端部２ｆより小さくしつつ、内側プロテクタ３０の開口端３０ｅを拡径して内側プロテクタ３０と外側プロテクタ４０の端縁を主体金具２の先端部２ｆに嵌合し、嵌合部の全周を外側からレーザ溶接して溶接部Ｗ２０を形成することが記載されている（特許文献１）。

特開２００８−１１６２７３号公報

しかしながら、嵌合部の全周レーザ溶接を完全に行おうとすると、溶接時間を要して生産性が低下したり、溶け込み量を確保するためにレーザ加工機の能力向上が必要となる場合がある。
そこで、特開２００５−１１４５２７号公報に記載されるように、内側プロテクタの底部と外側プロテクタの底部とを接触しつつ、外側プロテクタの後端部を主体金具２の先端部に嵌合し、嵌合部の全周を外側からレーザ溶接して溶接部を形成することもなされている。
しかしながら、嵌合部のレーザ溶接が不十分であると、プロテクタが脱落したり、内側プロテクタと主体金具との隙間が完全にシールされず、この隙間からセンサ素子に向かって排気ガスが流入することがある。その結果、センサ素子の冷えによる検出精度の低下や被水によるセンサ素子のクラックが生じる場合がある。特に、高い検出精度が要求されるＮＯ_ｘセンサ等の場合、センサ素子の冷えが生じると検出精度が低下する。
そこで、本発明は、センサ素子を覆う内側プロテクタと主体金具との隙間を簡易な構造でシールすることができるセンサの提供を目的とする。

上記課題を解決するため、本発明のセンサは、先端側に検出部を有し軸方向に延びるセンサ素子と、前記検出部を先端から突出させつつ前記センサ素子の外周面を囲む筒状の主体金具と、前記検出部の外周面を囲む内側筒状部、及び該内側筒状部の先端側を閉塞する内側底部を有する金属製の内側プロテクタと、前記内側筒状部と離間しつつこれの径方向を囲む外側筒状部、及び該外側筒状部の先端側を閉塞する外側底部を有する金属製の外側プロテクタと、を備えるセンサにおいて、前記内側底部と前記外側底部とが接触するとともに、前記外側筒状部が前記主体金具に接合し、前記内側筒状部の後端部は、前記軸方向後端側に向かうにつれて拡径又は縮径され、該後端部が前記外側筒状部に接触せずに前記主体金具の先端向き面に弾性接触している。
このようにすると、内側プロテクタの内側筒状部の後端部が主体金具の先端向き面に弾性接触しているので、後端部が弾性力によりもとに戻ろうとして主体金具の先端向き面に密着することになる。特に、外側プロテクタの外側筒状部にこの後端部が接触していないので、後端部がもとに戻ろうとする弾性力が外側筒状部により弱められることなく主体金具の先端向き面を押すことになり、後端部が主体金具の先端向き面により密着することになる。その結果、内側プロテクタと主体金具との隙間が完全にシールされ、隙間からセンサ素子に向かって排気ガスが流入することを防止し、センサ素子の冷えによるセンサ素子の検出精度の低下や被水によるセンサ素子のクラックが生じることを防止する。又、内側プロテクタの上端縁の弾性力を利用した簡易な構造で上記隙間をシールするため、生産性が向上する。
なお、「弾性接触」とは、センサに内側プロテクタが組み付いている状態と、内側プロテクタのみを取り出した状態で、内側筒状部の後端部が変形するか否かで確認することができる。

さらに、前記主体金具の前記先端向き面のテーパー角度が、前記内側筒状部の後端部のテーパー角度より大きいと好ましい。
このようにすると、内側プロテクタの後端部が主体金具の先端向き面より立ち上がるので、後端部を主体金具の先端向き面に確実に接しさせることができ、シールが十分になる。

この発明によれば、センサ素子を覆う内側プロテクタと主体金具との隙間を簡易な構造でシールすることができる。

本発明の第１の実施形態に係るセンサの長手方向に沿う断面図である。二重プロテクタを主体金具に取り付ける工程の一例示す図である。本発明の第２の実施形態に係るセンサの長手方向に沿う部分断面図である。主体金具の先端側の下面と内側プロテクタの上端縁のテーパー角度をそれぞれ示す分解図である。従来のセンサの長手方向に沿う断面図である。

以下、本発明の実施形態について説明する。
図１は、本発明の第１の実施形態に係るセンサ（酸素センサ）１の長手方向に沿う断面図を示す。なお、図１の下側（センサ素子１０の検出部１０ａに位置する先端側）を「先端側」と称し、上側を「後端側」と称する。
センサ（酸素センサ）１は、センサ素子１０を組み付けたアッセンブリである。センサ１は、軸方向（図１の上下方向）に延びる板状のセンサ素子１０と、自動車エンジンの排気管に固定される主体金具２とを備えている。主体金具２は略円筒状をなし、排気管に固定されるためのねじ部２４が外表面に形成される一方、内側には貫通孔２５を有し、貫通孔２５の径方向内側に突出する係止部（棚部）２ｐを先端側に有している。そして、主体金具２はセンサ素子１０を貫通孔２５に収容し、センサ素子１０の先端側に設けられた検出部１０ａを主体金具２から突出させた状態で、センサ素子１０を保持している。貫通孔２５とセンサ素子１０の外周面との間には、係止部２ｐに係止する金属カップ２０、センサ素子１０の外周面を囲む環状セラミック製の保持部材２１、粉末充填材（滑石リング）２２、２３、およびセラミック製のスリーブ３０がこの順に先端側から積層されている。そして主体金具２の後端部２ａを加締めてスリーブ３０を先端側に押し付けることにより、滑石リング２２，２３が圧縮され、滑石リング２２，２３が押し潰れて金属カップ２０、又は貫通孔２５とセンサ素子１０との隙間に充填され、センサ素子１０が主体金具２内の所定位置にしっかりと固定される。
なお、滑石リング２２，２３としては、滑石（セラミック粉末）、ガラス（ケイ酸ガラスまたはケイ酸塩ガラス等のケイ酸化合物）を挙げることができる。又、保持部材２１やスリーブ３０の内面と外面に上記滑石やガラス等を配してもよい。

又、主体金具２の後端側には外筒８０が接続され、センサ素子１０の電極に接続されたリード線６８が外筒８０の後端からグロメット７７を介して引き出されている。リード線６８の一端には端子金具６０が接続され、ガスセンサ素子１０の後端に設けられた電極端子（図示せず）と電気的に接続されている。

一方、主体金具２の先端部２ｆには、センサ素子１０の検出部１０ａを覆う金属製（たとえばステンレス鋼）で有底筒状の内側プロテクタ３と、内側プロテクタ３と離間しつつこれを覆う金属製で有底筒状の外側プロテクタ４とからなる二重プロテクタが取り付けられている。この外側プロテクタ４の内径は、内側プロテクタ３の外径より大きく設定されている。
内側プロテクタ３は、検出部１０ａを取り囲む内側筒状部３ｓと内側筒状部３ｓの先端を閉塞する内側底部３ｕを備え、開口端縁を後端側に向けて配置されている。同様に、外側プロテクタ４は、内側筒状部３ｓを覆う外側筒状部４ｓと内側筒状部４ｓの先端を閉塞する外側底部４ｕを備え、内側プロテクタ３と同軸になるように内側プロテクタ３を収容している。この内側プロテクタ３の内側底部３ｕと，外側プロテクタ４の外側底部４ｕ同士が重ね合わされて溶接され、溶接部Ｗ１を形成している。又、各内側底部３ｕ、外側底部４ｕ中央には排出孔５ｈが貫通している。さらに、外側筒状部４ｓの先端側には排気ガスを流出入させる孔４ｈが貫通し、同様に内側筒状部３ｓの後端側にも排気ガスを流出入させる孔３ｈが貫通している。

ここで、主体金具２の先端部２ｆは、ねじ部２４よりも縮径された円筒状をなし、先端向き面２ｕが平らに形成されている。一方で外側プロテクタ４の内径（外側筒状部４ｓの内径）は先端部２ｆの外径とほぼ同じである。そして、先端部２ｆに外側プロテクタ４の後端部４ｅを嵌合し、この嵌合部を外側からレーザ溶接して溶接部Ｗ２を形成することで、先端部２ｆに外側プロテクタ４が接続されている。
又、内側プロテクタ３の後端部３ｅは後端側に向かうにつれて径方向に拡径されており、外側プロテクタ４が先端部２ｆに接続された状態で、後端部３ｅが外側プロテクタ４（外側筒状部４ｓ）に接触せずに主体金具２の先端向き面２ｕに弾性接触している。詳しくは後述するが、これにより、後端部３ｅが弾性力によりもとに戻ろうとして先端向き面２ｕに密着することになる。特に、外側筒状部４Ｓに後端部３ｅが接触していないので、後端部３ｅがもとに戻ろうとする弾性力が外側筒状部４ｓにより弱められることなく先端向き面２ｕを押すことになり、後端部３ｅが先端向き面２ｕにより密着することになる。その結果、内側プロテクタ３と主体金具２との隙間が完全にシールされ、隙間からセンサ素子１に向かって排気ガスが流入することを防止し、センサ素子１の冷えによるセンサ素子１の検出精度の低下や被水によるセンサ素子１のクラックが生じることを防止している。又、後端部３ｅの弾性力を利用して内側プロテクタ３と主体金具２との隙間をシールするため、必ずしも外側プロテクタ４と主体金具２の嵌合部を全周溶接しなくてもよく、生産性が向上する。

なお、この例ではセンサ素子１０は、酸素濃淡電池セルと酸素ポンプセルとを有する酸素センサ素子であるが、酸素センサの構成は公知のものを用いることができる。つまり、酸素センサの酸素濃淡電池セルと酸素ポンプセルは、それぞれ固体電解質層表面に一対の電極を配置した構成になっていて、又、固体電解質層を保護したり、ヒータを積層するために固体電解質層を覆って絶縁層（アルミナ等）が積層されている。

次に、図２を参照し、二重プロテクタを主体金具２に取り付ける工程の一例について説明する。
まず、内側プロテクタ３の内側底部３ｕと外側プロテクタ４の外側底部４ｕ同士が溶接され一体化された二重プロテクタを、主体金具２の先端部２ｆに嵌合する（図２（ａ））。ここで、外側プロテクタ４の後端部４ｅは、内側プロテクタ３の後端部３ｅより突出し、又、内側プロテクタ３の後端部３ｅは拡径されている。
外側プロテクタ４を先端部２ｆに嵌合してゆくと、やがて内側プロテクタ３の後端部３ｅが主体金具２の先端向き面２ｕに接するようになる。そこで、外側プロテクタ４をさらに奥（後端側）に嵌合し、外側プロテクタ４の後端部４ｅを主体金具２の先端部２ｆとねじ部２４との段部に当接させると、内側プロテクタ３の後端部３ｅが主体金具２の先端向き面２ｕに押し付けられて外側に拡開する力Ｆｐが作用する（図２（ｂ）の矢印Ｆｐ）。

図２（ｂ）の状態で、外側プロテクタ４と主体金具２の嵌合部を溶接して溶接部ｗ２を形成し、外側プロテクタ４を主体金具２に固定すると、拡開する力Ｆｐを受けた後端部３ｅに、金属の弾性力で戻ろうとする力Ｆｓ（スプリングバック）が生じる（図２（ｃ）の矢印Ｆｓ）。これにより、後端部３ｅが先端向き面２ｕ側に付勢され、内側プロテクタ３と主体金具２との隙間が完全にシールされる。
ここで、後端部３ｅが外側プロテクタ４に接触しないよう、内側プロテクタ３と外側プロテクタ４の間隔や、後端部３ｅのテーパー角度（後述）等を適宜設計することで、後端部３ｅと外側プロテクタ４との間に隙間Ｇが形成されている。隙間Ｇを設けないと、後端部３ｅが十分に拡開する前に外側プロテクタ４に当接してしまい、力Ｆｐが弱くなり、その反力としての力Ｆｓも弱くなるため、内側プロテクタ３と主体金具２との隙間のシールが不十分となる。

図３は、本発明の第２の実施形態に係るセンサ（酸素センサ）の長手方向に沿う部分断面図を示す。なお、第２の実施形態に係るセンサは、内側プロテクタ３と主体金具２との接触態様が異なること以外は、第１の実施形態に係るセンサと同一であるので、図３では内側プロテクタ３と主体金具２との接触部分近傍のみ示している。
図３において、主体金具２の先端部２ｆ２は、ねじ部２４から先端に向かって縮径し、さらに先端側に円錐部２ｕ２を形成している。そして、内側プロテクタ３の拡径した後端部３ｅ２が円錐部２ｕ２の一部分（図３では円錐部２ｕ２の中央部分近傍）を構成する先端向き面２ｕ３に接している。

ここで、図４に示すように、先端向き面２ｕ３のテーパー角度θ_Ｔ２が、後端部３ｅ２のテーパー角度θ_Ｔ１より大きくなっている。このようにすると、後端部３ｅ２が先端向き面２ｕ３より立ち上がるので、後端部３ｅ２を先端向き面２ｕ３に確実に弾性接触させることができ、シールが十分になる。
「テーパー角度」は、先端向き面２ｕ３や後端部３ｅ２の軸方向断面における、これら先端向き面２ｕ３や後端部３ｅ２を構成する２つの線分のなす角度であり、先細りの程度を表す。例えば、第１の実施形態の場合、主体金具２の先端向き面２ｕのテーパー角度は１８０度となり、これに対する後端部３ｅのテーパー角度は１８０度未満であるので、やはりθ_Ｔ２＞θ_Ｔ１の関係を満たしている。
なお、図４において、後端部３ｅ２のテーパー角度は、外側プロテクタ４を主体金具２に固定した状態でのテーパー角度を表す。外側プロテクタ４を主体金具２に嵌合する前は、後端部３ｅ２は先端向き面２ｕ３に押し付けられていないため、そのテーパー角度がθ_Ｔ１よりもさらに小さくなるが、外側プロテクタ４を主体金具２に固定した後でも、後端部３ｅ２のテーパー角度をθ_Ｔ２＞θ_Ｔ１となるようにすることがシール性の点から重要である。

本発明は上記実施形態に限定されず、本発明の思想と範囲に含まれる様々な変形及び均等物に及ぶことはいうまでもない。例えば、外側プロテクタ４と主体金具２との接続方法は限定されず、例えばレーザ溶接等の溶接の他、加締め等を行ってもよい。又、外側プロテクタ４と主体金具２との嵌合部を全周溶接してもよく、嵌合部の一部を溶接してもよい。又、内側プロテクタの後端部は、側面に比べて縮径されていてもよい。
又、先端向き面２ｕ、２ｕ３は主体金具２の先端部２ｆ、円錐部２ｆ２に形成される先端向き面だけでなく、主体金具２の先端側に向く面のいずれかであってもよい。
又、センサとしては、特定ガス成分の濃度を検出する各種ガスセンサの他、温度センサを挙げることができる。

１センサ
２主体金具
２ｕ、２ｕ３主体金具の先端側の先端向き面
３内側プロテクタ
３ｅ、３ｅ２内側プロテクタの後端部
３ｓ内側プロテクタの内側筒状部
３ｕ内側プロテクタの内側底部
４外側プロテクタ
４ｅ外側プロテクタの後端部
４ｓ外側プロテクタの外側筒状部
４ｕ外側プロテクタの外側底部
θ_Ｔ１内側プロテクタの後端部のテーパー角度
θ_Ｔ２主体金具の先端向き面のテーパー角度

Claims

先端側に検出部を有し軸方向に延びるセンサ素子と、前記検出部を先端から突出させつつ前記センサ素子の外周面を囲む筒状の主体金具と、前記検出部の外周面を囲む内側筒状部、及び該内側筒状部の先端側を閉塞する内側底部を有する金属製の内側プロテクタと、前記内側筒状部と離間しつつこれの径方向を囲む外側筒状部、及び該外側筒状部の先端側を閉塞する外側底部を有する金属製の外側プロテクタと、を備えるセンサにおいて、
前記内側底部と前記外側底部とが接触するとともに、前記外側筒状部が前記主体金具に接合し、
前記内側筒状部の後端部は、前記軸方向後端側に向かうにつれて拡径又は縮径され、該後端部が前記外側筒状部に接触せずに前記主体金具の先端向き面に弾性接触しているセンサ。
前記主体金具の前記先端向き面のテーパー角度が、前記内側筒状部の後端部のテーパー角度より大きい請求項１記載のセンサ。