JP6907095B2

JP6907095B2 - ガスセンサ

Info

Publication number: JP6907095B2
Application number: JP2017207890A
Authority: JP
Inventors: 智樹藤井; 健弘大場
Original assignee: NGK Spark Plug Co Ltd
Current assignee: Niterra Co Ltd
Priority date: 2017-10-27
Filing date: 2017-10-27
Publication date: 2021-07-21
Anticipated expiration: 2037-10-27
Also published as: JP2019078712A; US10775342B2; DE102018126196A1; US20190128837A1

Description

本発明は、被検出ガス中に晒され、この中の特定ガス成分を検出するセンサ素子を備えるガスセンサに関する。

従来、自動車の排気管等に取り付けられて使用され、排気ガス中の特定ガス（例えばＮＯｘ（窒素酸化物）や酸素など）の濃度に応じて、大きさの異なる起電力が生じたり、抵抗値が変化したりするセンサ素子を備えるガスセンサが知られている。センサ素子の先端側には特定ガス成分を検出する検知部が設けられており、ヒータ等によって加熱されることで、検知部が特定ガス成分を検出している。ところが、センサ素子の検知部が加熱により高温になっているときに、排気ガスに含まれる水滴が検知部に付着（被水）すると、熱衝撃によってセンサ素子にクラック等の破損が生ずるおそれがある。そこで、センサ素子の検知部をプロテクタで覆い、センサ素子を被水から保護するガスセンサが開発されている（例えば、特許文献１参照）。

図５に示すように、特許文献１のガスセンサは、絶縁材（セラミック、例えばアルミナ）からなるセラミックホルダ３００の挿通孔３２０にセンサ素子２１を挿通させて保持し、このセラミックホルダ３００を主体金具１１００の内側に配置した構造になっている。また、センサ素子２１の先端側の検知部は保護層２５で覆われている。
主体金具１１００は先後に貫通する内孔１１００ｈを有し、セラミックホルダ３００から先端側に突出したセンサ素子２１の保護層２５の後端部２６が、内孔１１００ｈ内に収容されている。さらに、主体金具１１００の先端には金属製のプロテクタ５１０、６１０が装着され、センサ素子２１を保護している。プロテクタ５１０、６１０の通気孔５６０、６７０は、各プロテクタの中心を対称中心として周方向に点対称に配置されている。

特開２００９−１１５７８１号公報

ところで、図５のガスセンサにおいて、プロテクタ５１０、６１０の通気孔５６０、６７０を経由して被測定ガスが導入されると、矢印で示すように被測定ガスは通気孔５６０に対向する位置に存在するセンサ素子２１に衝突し、大部分がそのまま先端側のガス排出孔６８０から抜け出るため、内孔１１００ｈには被測定ガスが導入され難いものの、検知部を通気孔５６０よりも先端側に配置する構成としておく分には問題は生じない。
しかしながら、検知部が通気孔５６０よりも後端側に配置する構成にしてしまうと、被測定ガスが検知部まで到達し辛くなりセンサ素子の応答性が悪化する虞がある。また、ガスセンサの小型化を目的としてセンサ素子の先端が通気孔５６０よりも後端側に配置される構成にする場合には、内孔１１００ｈに向かう被測定ガスのガス流を形成することが肝要であるが、図５のプロテクタ５１０、６１０にあっては、各通気孔が同開口面積で点対称に配置されているため、導入された被測定ガス同士が正面衝突してガス流が乱れるため、内孔１１００ｈに向かう被測定ガスのガス流を形成することが困難である。そのため、センサ素子の応答性が悪化する虞がある。

本発明は、かかる現状に鑑みてなされたものであって、センサ素子の応答性を損なわずに小型化することが可能なガスセンサを提供することを目的とする。

本開示の一側面のガスセンサは、軸線方向に延び、先端側に被検出ガス中の特定ガス成分を検出する検知部を有するセンサ素子と、前記センサ素子の周囲を取り囲んで保持する筒状の主体金具と、周壁およびその先端側に先端壁を有し、自身の基端部が前記主体金具の先端側に固定されると共に、前記周壁に前記被検出ガスを自身の内部に導入するためのガス導入孔が形成されたプロテクタと、を備えたガスセンサであって、前記検知部は前記ガス導入孔のうち最基端側に位置するガス導入孔よりも後端側に配置され、前記プロテクタを前記軸線方向と直交し、且つ、前記ガス導入孔を通る平面で切断した円断面をみたとき、前記円断面の中心、及び、前記ガス導入孔を通る仮想線上において、前記ガス導入孔と対向する位置に前記ガス導入孔と異なる開口面積を有するガス導入孔が配置されているように構成される。
このようなガスセンサによれば、ガス導入孔と対向する位置に当該ガス導入孔と異なる開口面積を有するガス導入孔が配置されているため、一方側に位置するガス導入孔から導入された被測定ガスと他方側に位置するガス導入孔から導入された被測定ガスとが衝突するような場合であっても、開孔面積の大きい方から導入される被測定ガスの方が被測定ガスの導入量が多いため、主体金具の内孔側に向かう被測定ガスのガス流を形成することができる。

また、本開示の一側面のガスセンサにおいて、一方側の分割領域に位置するガス導入孔の総開孔面積が、他方側の分割領域に位置するガス導入孔の総開孔面積よりも小さくなるように構成されてもよい。
このようなガスセンサによれば、一方側に位置するガス導入孔から導入された被測定ガスと他方側に位置するガス導入孔から導入された被測定ガスとが衝突するような場合であっても、総開孔面積の大きい他方側から導入される被測定ガスの方が一方側に比べて導入量が多いため、主体金具の内孔側に向かう被測定ガスのガス流を強く形成することができる。

また、本開示の一側面のガスセンサにおいて、前記センサ素子の先端は、前記ガス導入孔のうち最基端側に位置するガス導入孔よりも後端側に配置される構成とされてもよい。
このようなガスセンサによれば、他方側のガス導入孔から導入される被測定ガスがセンサ素子に衝突せずに対向側のプロテクタ内壁に衝突するため、ガス流を乱すことなく主体金具の内孔側に向かう被測定ガスのガス流を強く形成することができる。

本発明の実施形態にかかるガスセンサの断面図である。図１の部分拡大図である。第１実施形態の円断面図である。第１実施形態におけるガス流を示す図である。従来のガスセンサの部分断面図である。

本発明のガスセンサを実施するための形態について、図１〜図３に基づいて詳細に説明する。ただし、本形態は、排気ガス中の酸素濃度を検出する全領域空燃比ガスセンサを具体化したものであり、したがって、まずこのガスセンサ１の全体構成について概略説明し、その後、各部位と共にその構成についてさらに詳細に説明する。

図１において、ガスセンサ（全領域空燃比ガスセンサ）１は、センサ素子２１と、センサ素子２１を挿通させる挿通孔３２を有するセラミックホルダ３０と、セラミックホルダ３０の径方向周囲を取り囲む主体金具１１と、を備えている。
センサ素子２１のうち、検知部２２が形成された先端寄り部位が、セラミックホルダ３０の先端向き面３０ａより先端に突出している（図２参照）。このように挿通孔３２を通されたセンサ素子２１は、セラミックホルダ３０の後端面側（図示上側）に配置されたシール材（本例では滑石）４１を、絶縁材からなるスリーブ４３、リングワッシャ４５を介して先後方向に圧縮することによって、主体金具１１の内側において先後方向に気密を保持して固定されている。なお、センサ素子２１の後端２９を含む後端２９寄り部位はスリーブ４３及び主体金具１１より後方に突出しており、その後端２９寄り部位に形成された各電極端子２４に、シール材８５を通して外部に引き出された各リード線７１の先端に設けられた端子金具７５が圧接され、電気的に接続されている。また、この電極端子２４を含むセンサ素子２１の後端２９寄り部位は、保護筒８１でカバーされている。以下、さらに詳細に説明する。

センサ素子２１は軸線Ｏ方向に延びると共に、測定対象に向けられる先端側（図示下側）に、検知用電極等（図示せず）からなり被検出ガス中の特定ガス成分を検出する検知部２２を備えた帯板状（板状）をなしている。センサ素子２１の横断面は、先後において一定の大きさの長方形（矩形）をなし、セラミック（固体電解質等）を主体として細長いものとして形成されている。センサ素子２１の検知部２２に、アルミナ又はスピネル等からなる多孔質の保護層２５が被覆され、保護層２５の形成部位は、保護層２５の厚み分（例えば、０．５〜０．６mm）、横断面が大きくなっている（厚みは誇張して図示している）。このセンサ素子２１自体は、従来公知のものと同じものであり、固体電解質（部材）の先端寄り部位に検知部２２をなす一対の検知用電極が配置され、これに連なり後端寄り部位には、検知用出力取り出し用のリード線７１接続用の電極端子２４が露出形成されている。また、本例では、センサ素子２１のうち、固体電解質（部材）に積層状に形成されたセラミック材の先端寄り部位内部にヒータ（図示せず）が設けられており、後端寄り部位には、このヒータへの電圧印加用のリード線７１接続用の電極端子２４が露出形成されている。なお、図示はしないが、これら電極端子２４は縦長矩形に形成され、例えばセンサ素子２１の後端２９寄り部位において、帯板の幅広面（両面）に３つ又は２つの電極端子が横に並んでいる。

主体金具１１は、先後において同心異径の筒状をなし、先端側が小径で、後述するプロテクタ５１、６１を外嵌して固定するための円筒状の円環状部（以下、円筒部ともいう）１２を有し、その後方（図示上方）の外周面には、それより大径をなす、エンジンの排気管への固定用のネジ１３が設けられている。そして、その後方には、このネジ１３によってセンサ１をねじ込むための多角形部１４を備えている。また、この多角形部１４の後方には、ガスセンサ１の後方をカバーする保護筒（外筒）８１を外嵌して溶接する円筒部１５が連設され、その後方には外径がそれより小さく薄肉のカシメ用円筒部１６を備えている。なお、このカシメ用円筒部１６は、図１では、カシメ後のために内側に曲げられている。なお、多角形部１４の下面には、ねじ込み時におけるシール用のガスケット１９が取着されている。
一方、図２に示すように、主体金具１１は、軸線Ｏ方向に貫通する内孔１８を有している。内孔１８は先端側に設けられた小径孔１８ａ、及び小径孔１８ａよりも後端側に設けられ、小径孔１８ａよりも径大な大径孔１８ｂを備えている。そして、小径孔１８ａの内面１７ａと、大径孔１８ｂの内面１７ｃとを繋ぐ後端向き面１７ｂを備えている。本例では後端向き面１７ｂは先端へ向かって先細るテーパ状に形成されている。又、内面１７ａ、後端向き面１７ｂ、内面１７ｃを合わせて主体金具１１の内周面１７と表記する。

主体金具１１の大径孔１８ｂの内側には、絶縁性セラミック（例えばアルミナ）からなり、概略短円筒状に形成されたセラミックホルダ３０が配置されている。図２に示すように、セラミックホルダ３０の先端向き面３０ａは、先端に向かって先細りのテーパ状に形成された外周側先端向き面３０ａ２と、外周側先端向き面３０ａ２より内周側で平面状の内周側先端向き面３０ａ１とを有している。そして、外周側先端向き面３０ａ２の外周寄りの部位が後端向き面１７ｂに係合しつつ、セラミックホルダ３０が主体金具１１内に位置決めされ、かつ隙間嵌めされている。
一方、挿通孔３２は、セラミックホルダ３０の中心に設けられると共に、センサ素子２１のうち保護層２５よりも後端側の部位が略隙間なく通るように、センサ素子２１の横断面とほぼ同一の寸法の矩形の開口とされている。

挿通孔３２の先端側には、セラミックホルダ３０の内周側先端向き面３０ａ１から後端側へ向かって凹み、挿通孔３２の先端に連通すると共に挿通孔３２より径大な凹孔３５が形成されている。本例では、凹孔３５は挿通孔３２より径大の円形をなし、凹孔３５の底面（挿通孔３２の先端の位置）３５ｂは平面をなしている。又、本例では凹孔３５の内周面３５ｉは軸線Ｏ方向に平行になっている。そして、凹孔３５の内周面３５ｉと内周側先端向き面３０ａ１とが繋がる位置に先端縁３５ｅが形成されている。なお、内周側先端向き面３０ａ１の先端縁３５ｅ側の部位は面取りされている。
センサ素子２１は、セラミックホルダ３０の挿通孔３２に通され、センサ素子２１の先端をセラミックホルダ３０の先端面向き面３０ａ及び主体金具１１の先端１２ａよりも先方に突出させている。又、保護層２５の後端部２６は凹孔３５に収容されている。なお、センサ素子２１をセラミックホルダ３０の挿通孔３２に通して組付ける際に、保護層２５が挿通孔３２に衝突して保護層２５が損傷することを防止するため、保護層２５の後端部２６を、挿通孔３２の先端（底面３５ｂ）よりも先端側に離間させるとよい。また、保護層２５のうち、凹孔３５内に収容される後端部２６の軸線方向長さが、凹孔３５の外側に配置される先端部の軸線方向長さよりも短くされている。これにより、センサ素子２１の検出精度の低下を抑制している。
凹孔３５の内周面３５ｉは、凹孔３５内に収容された保護層２５の外周面と離間すると共に、主体金具１１の小径孔１８ａの内面１７ａ及びプロテクタ５１の最内周側（素子と直接対向する）となる内側のプロテクタ５１の内周面５１ａよりも全周に亘って径方向内側に位置している。

一方、センサ素子２１の先端部位には、本形態では、２層構造からなり、共にそれぞれ通気孔（穴）５６、６７を有する有底円筒状のプロテクタ（保護カバー）５１，６１が被せられている。このうち内側のプロテクタ５１の後端が、主体金具１１の円筒部１２に外嵌され、溶接されている。なお、通気孔５６はプロテクタ５１の周壁の後端側で周方向において対称に、例えば２箇所設けられている。一方プロテクタ５１の先端側にも、周方向において例えば４箇所、排出穴５３が設けられている。また、外側のプロテクタ６１は、内側のプロテクタ５１に外嵌して、同時に円筒部１２に溶接されている。外側のプロテクタ６１の通気孔６７は、周壁の先端寄り部位に、周方向において例えば８箇所設けられており、また、プロテクタ６１先端の底部中央にも排出孔６９が設けられている。

又、図１に示すように、センサ素子２１の後端２９寄り部位に形成された各電極端子２４には、外部にシール材８５を通して引き出された各リード線７１の先端に設けられた各端子金具７５がそのバネ性により圧接され、電気的に接続されている。そして、この圧接部を含む各端子金具７５は、本例ガスセンサ１では、異径筒状をなす保護筒（金属筒）８１内に配置された絶縁材からなる端子金具保持部材９１内に設けられた各収容部内に、それぞれ対向配置で設けられている。なお、端子金具保持部材９１は、保護筒（金属筒）８１内に固定された環状支持部材８０を介して径方向及び先端側への動きが規制されている。そして、この保護筒８１の先端部（大径筒部）８２を、主体金具１１の後端寄り部位の円筒部１５に外嵌して溶接することで、ガスセンサ１の後方が気密状にカバーされている。なお、リード線７１は保護筒８１の後端部の小径筒部８３の内側に配置されたシール材（例えばゴム）８５を通されて外部に引き出されており、この小径筒部８３を縮径カシメしてこのシール材８５を圧縮することにより、この部位の気密が保持されている。
因みに、このシール材８５は端子金具保持部材９１の後端を先方に押す形で配置されており、これにより、この端子金具保持部材９１及びその内部に設けられた端子金具７５の取付け安定が図られている。なお、端子金具保持部材９１はその外周に形成されたフランジ９３を保護筒８１の内側に固定された環状支持部材８０の上に支持させられており、これにてシール材８５の圧縮力を受けている。

以下、第１の実施形態について、図３を用いて説明する。図３は、軸線方向と直交し、且つ、通気孔５６を通る平面で切断した円断面図（図２のＡ−Ａ断面図）である。内側のプロテクタ５１には、周方向に通気孔５６ａ、通気孔５６ｂがそれぞれ開口されている。換言すると、内側のプロテクタ５１には、プロテクタ５１の中心に対して周方向に通気孔５６ａ、通気孔５６ｂがそれぞれ点対称に開口されている。なお、ここでは保護層２５は省略して図示していない。

また、内側のプロテクタ５１の中心軸を通り、且つ、各通気孔を通らない直線ＡＬで分割された一方側の分割領域には、通気孔５６ａが含まれている。直線ＡＬで分割された他方側の分割領域には、通気孔５６ｂが含まれている。ここで、通気孔５６ｂはφ１．０ｍｍの真円で形成されており、その開口面積は約０．７８５ｍｍ^２である。通気孔５６ａφ１．５ｍｍの真円で形成されており、その開口面積は約１．７６６ｍｍ^２である。すなわち、一方側の分割領域に位置する通気孔５６ａの開孔面積は、他方側の分割領域に位置する通気孔５６ｂの開孔面積よりも小さい構成となっている。換言すると、一方側の分割領域に位置する通気孔５６ａの開孔面積は、他方側の分割領域に位置する通気孔５６ｂと異なる開孔面積を有する構成となっている。すなわち、一方側の分割領域に位置する通気孔の総開孔面積は、他方側の分割領域に位置する通気孔の総開孔面積よりも小さい構成となっている。

図４は第１実施形態におけるガス流を示す図である。ガス流ＧＳは矢印で示している。図４に示す通り、プロテクタ５１、６１の通気孔５６ａ、６７を経由して導入された被測定ガスは、通気孔５６ａに対向する位置に形成された通気孔５６ｂを経由して導入された被測定ガスと一旦衝突するが、開口面積の大きい通気孔５６ａを経由して導入された被測定ガスは通気孔５６ｂを経由して導入された被測定ガスを踏み台にして内孔１８に向かい、その後、排出穴５３に向かうガス流ＧＳが形成されている。当該ガス流ＧＳの経路途中には検知部２２が存在している。これにより、センサ素子２１の検知部２２に被測定ガスが充分に到達していることがわかる。

本発明のガスセンサは、本発明の要旨を逸脱しない限りにおいて、適宜にその構造、構成を設計変更して具体化できる。
具体的には、上記形態ではセンサ素子を、横断面が長方形（矩形）の帯板状のものとしたが、本発明のガスセンサに使用されるセンサ素子は、横断面が正方形のものであっても、それ以外のものであってもよい。さらに、上記においては全領域空燃比ガスセンサにおいて具体化したが、本発明に係るガスセンサは、その他のガスセンサにおいても具体化できる。また、通気孔も真円に限らず、矩形等であってもよい。また、各通気孔の開口面積もそれぞれ異ならせてもよい。

１…ガスセンサ
１１…主体金具（ハウジング）
１８…内孔
２１…センサ素子
２２…検知部
２５…保護層
３０…セラミックホルダ
３２…セラミックホルダの挿通孔
３５…凹孔
５１…内側のプロテクタ
５６、６７…通気孔
６１…外側のプロテクタ
Ｏ…軸線

Claims

軸線方向に延び、先端側に被検出ガス中の特定ガス成分を検出する検知部を有するセンサ素子と、
前記センサ素子の周囲を取り囲んで保持する筒状の主体金具と、
周壁およびその先端側に先端壁を有し、自身の基端部が前記主体金具の先端側に固定されると共に、前記周壁に前記被検出ガスを自身の内部に導入するためのガス導入孔が形成されたプロテクタと、を備えたガスセンサであって、
前記プロテクタは、前記プロテクタの最内周側となる内側のプロテクタと、前記内側のプロテクタに外嵌される外側のプロテクタと、を有し、
前記検知部は前記ガス導入孔のうち最基端側に位置するガス導入孔よりも後端側に配置され、
前記内側のプロテクタを前記軸線方向と直交し、且つ、前記ガス導入孔を通る平面で切断した円断面をみたとき、前記円断面の中心、及び、前記ガス導入孔を通る仮想線上において、前記ガス導入孔と対向する位置に前記ガス導入孔と異なる開口面積を有するガス導入孔が配置されているガスセンサ。
請求項１に記載のガスセンサであって、
前記円断面の中心を通り、且つ、前記ガス導入孔を通らない任意の直線で前記円断面を２分割した場合に、一方側の分割領域に位置する前記ガス導入孔の総開孔面積は、他方側の分割領域に位置する前記ガス導入孔の総開孔面積よりも小さいガスセンサ。
請求項１または請求項２に記載のガスセンサであって、
前記センサ素子の先端は、前記ガス導入孔のうち最基端側に位置するガス導入孔よりも後端側に配置されるガスセンサ。
請求項１から請求項３のいずれか一項に記載のガスセンサであって、
前記内側のプロテクタにおいて対向する前記ガス導入孔の間に前記周壁が存在しないガスセンサ。