(58)【調査した分野】(Int.Cl.,DB名)
前記セラミックホルダの先端向き面及び後端向き面の少なくとも一方に、該先端向き面又は該後端向き面より凹む凹部が形成され、該凹部に前記第1接着部及び前記第2接着部が設けられていることを特徴とする請求項1〜3のいずれか一項に記載のガスセンサ。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0004】
ところで、滑石粉末は水和物を含むため、高温下で滑石粉末の水和物から水分が脱離して粉末間に隙間が生じ、シール性を低下させるおそれがある。
又、特許文献1記載の技術を用いて、センサ素子と主体金具との間をセラミック接着剤でシールしようとすると、金属製の主体金具よりもセラミック接着剤の熱膨張率が小さいため、高温下でこの部分のセラミック接着剤にクラックが生じ、シール性がやはり低下する。
そこで、本発明は、センサ素子と主体金具との間の高温でのシール性を向上させたガスセンサを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【0005】
上記課題を解決するため、本発明のガスセンサは、軸線方向に延び、先端側にガスを検知する検知部が形成されたセンサ素子と、当該センサ素子の前記検知部を露出させた状態で、前記センサ素子が挿通される筒状のセラミックホルダと、前記セラミックホルダの径方向周囲を取り囲みつつ、自身の内側に前記セラミックホルダを保持する筒状の主体金具と、を備えたガスセンサであって、前記センサ素子と前記セラミックホルダとの間の第1の領域に設けられ、前記第1の領域を気密に封止する第1接着部と、前記セラミックホルダと前記主体金具との間の第2の領域に設けられ、前記第2の領域を気密に封止すると共に前記第1接着部よりも熱膨張率が高く、金属を含む第2接着部とを有することを特徴とする。
【0006】
このガスセンサによれば、金属を含む第2接着部の熱膨張率が、第2の領域に介在する金属からなる主体金具の熱膨張率に近付き、高温下で主体金具の伸びに第2接着部が追随するので、高温下での第2の領域のシール性を向上させることができる。
一方、第1の領域に介在する第1接着部の熱膨張率を、金属を含む第2接着部の熱膨張率よりも小さくすることで、金属を含まない第1の領域の部材(センサ素子とセラミックホルダ)の熱膨張率に第1接着部の熱膨張率を近づけることができ、高温下での第1の領域のシール性も向上させることができる。
【0007】
本発明のガスセンサにおいて、前記第1接着部は金属を含有しないとよい。
このガスセンサによれば、第1接着部の熱膨張率を、金属を含まない第1の領域の部材(センサ素子とセラミックホルダ)の熱膨張率により近づけることができる。
【0008】
本発明のガスセンサにおいて、前記第1接着部及び前記第2接着部は、前記セラミックホルダの後端側に設けられていてもよい。
第1の領域及び第2の領域を形成するセラミックホルダの後端側は先端側よりも温度が低いため、各部材の熱膨張差が小さい。従って、第1接着部及び第2接着部がセラミックホルダの後端側に設けられていると、各部材の熱膨張差によるシール性の低下をより抑制してシール性をさらに向上させることができる。
【0009】
本発明のガスセンサにおいて、前記セラミックホルダの先端向き面及び後端向き面の少なくとも一方に、該先端向き面又は該後端向き面より凹む凹部が形成され、該凹部に前記第1接着部及び前記第2接着部が設けられていてもよい。
このガスセンサによれば、凹部が接着部の溜まり(受け)となり、第1接着部及び第2接着部となる流動性の接着剤が他の部位に流れることを抑制し、所望の位置に確実に第1接着部及び第2接着部を設けてシール性を向上させることができる。
【発明の効果】
【0010】
この発明によれば、ガスセンサのセンサ素子と主体金具との間の高温でのシール性を向上させることができる。
【発明を実施するための形態】
【0012】
本発明の第1の実施形態に係るガスセンサについて、
図1〜
図2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1A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。
【0013】
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、軸線O方向に貫通してセンサ素子21を挿通させる貫通孔32を有するセラミック製のホルダ(先端ホルダ)30と、先端ホルダ30の径方向周囲を取り囲む主体金具11と、シール材41と、軸線O方向に貫通してセンサ素子21を挿通させる貫通孔42を有するセラミックホルダ43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、先端ホルダ30より先端に突出している。このように貫通孔32を通されたセンサ素子21は、先端ホルダ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、筒状のセラミックホルダ43及びリングワッシャ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寄り部位はセラミックホルダ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。
さらに、センサ素子21とセラミックホルダ43との間、及びセラミックホルダ43と主体金具11との間に、それぞれ後述する第1接着部202及び第2接着部204を有している。
【0014】
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(
図2参照)、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。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。
なお、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が被覆されていてもよい。
【0015】
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1A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、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の内周面は後端側から先端側に向かって径方向内側に先細るテーパ状の段部を有し、この段部が後端向き面17を形成している。
【0016】
主体金具11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先端ホルダ30が配置されている。先端ホルダ30は、先端に向かって先細りのテーパ状に形成された先端向き面30aを有している。そして、先端向き面30aの外周寄りの部位が後端向き面17に係止されつつ、先端ホルダ30が後端側からシール材41で押圧されることで主体金具11内に先端ホルダ30が位置決めされ、かつ隙間嵌めされている。
一方、貫通孔32は、先端ホルダ30の中心に設けられると共に、センサ素子21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。
又、貫通孔32の先端側には、後方に凹む凹部35が形成されている。
【0017】
センサ素子21は、先端ホルダ30の貫通孔32に通され、センサ素子21の先端を先端ホルダ30及び主体金具11の先端12aよりも先方に突出させている。
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の後端側で周方向において例えば8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、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。
【0018】
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1A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1A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。
【0019】
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。
【0020】
次に、
図2を参照し、第1接着部202及び第2接着部204について説明する。
図2は、
図1の部分拡大図である。
図2に示すように、センサ素子21の外面と、セラミックホルダ43の貫通孔42の内面との間の第1の領域R1に、第1接着部202が設けられている。又、セラミックホルダ43の外面と、主体金具11の内面との間の第2の領域R2に、第2接着部204が設けられている。第1接着部202及び第2接着部204は、それぞれ第1の領域R1及び第2の領域R2を気密に封止している。
【0021】
ここで、セラミックホルダ43の後端向き面43eから、先端側に向かって凹む2つのリング状の凹部43r1、43r2がそれぞれ形成されている。具体的には、後端向き面43eの径方向内側から第1の領域R1に繋がる部位が径方向内側に向かって斜めに窄まる面取り部となって凹部43r1を形成する。又、後端向き面43eの径方向外側に向かい、リングワッシャ45よりも径方向内側の部位が先端に下がる段部となって第2の領域R2に繋がり、凹部43r2を形成する。
【0022】
そして、第1の実施形態では、凹部43r1に入り込むように、第1の領域R1のうち、セラミックホルダ43の後端向き面43eを含む部位の全周にわたって第1接着部202が設けられている。又、凹部43r2に入り込むように、第2の領域R2のうち、リングワッシャ45よりも後端側の部位の全周にわたって第2接着部204が設けられている。
このように、気密に封止することができる限り、第1接着部202及び第2接着部204は、それぞれ第1の領域R1及び第2の領域R2の全部を完全に封止する必要はなく、第1の領域R1及びび第2の領域R2の軸線O方向の一部の部位を封止すればよい。
又、第1の領域R1及び第2の領域R2は、第1接着部202及び第2接着部204で封止されるか否かに関わらず、2部材の間が空いている部分(隙間)である。
【0023】
ここで、第2接着部204は金属を含み、第1接着部202よりも熱膨張率が高くなっている。これにより、第2の領域R2に介在する第2接着部204の熱膨張率が、金属からなる主体金具11の熱膨張率に近付き、高温下で主体金具11の伸びに第2接着部204が追随するので、高温下での第2の領域R2のシール性を向上させることができる。
一方、第1の領域R1に介在する第1接着部202の熱膨張率を、金属を含む第2接着部204の熱膨張率よりも小さくすることで、金属を含まない第1の領域R1の部材(センサ素子21とセラミックホルダ43)の熱膨張率に第1接着部202の熱膨張率を近づけることができ、高温下での第1の領域R1のシール性も向上させることができる。
なお、「金属を含む」とは、金属の特性(常温で固体で、金属光沢、延性及び電気伝導性を有する)を有する材料を含むことをいう。
【0024】
第1接着部202が金属を含有しない組成であると、第1接着部202の熱膨張率を、金属を含まない第1の領域R1の部材(センサ素子21とセラミックホルダ43)の熱膨張率により近づけることができるので好ましい。
又、第1の領域R1及び第2の領域R2を形成するセラミックホルダ43の後端側は先端側よりも温度が低いため、各部材の熱膨張差が小さい。従って、第1接着部202及び第2接着部204がセラミックホルダ43の後端側に設けられていると、各部材の熱膨張差によるシール性の低下をより抑制してシール性をさらに向上させることができる。
【0025】
第1接着部202としては、例えばセラミック(アルミナ等)粉と有機バインダを含むセラミック接着材を焼結したものが挙げられる。焼結により、セラミック粉同士が結合し多孔質体となるが、独立気泡となるので気密性を有する。
第2接着部204としては、例えばセラミック(アルミナ等)粉、金属粉(ステンレス等)と有機バインダを含む含金属接着材を焼結したものが挙げられる。焼結により、セラミック粉及び金属粉同士が結合し多孔質体となるが、独立気泡となるので気密性を有する。又、第2接着部204としては、ロウ付けであってもよい。
なお、第2接着部204に含まれる金属は、主体金具11と同一種であると好ましい。
【0026】
第2接着部204が金属を含むか否か、及び第1接着部202が金属を含有しないか否かは、第2接着部204、及び第1接着部202の断面のSEM又はEDSによる元素分析により判定することができる。
【0027】
次に、本発明の第2の実施形態に係るガスセンサについて、
図3〜
図4に基づいて説明する。ただし、第2の実施形態に係るガスセンサ1Bは、先端ホルダ3及びシール材41を省略し、主体金具110、セラミックホルダ143、及び第1接着部212及び第2接着部214の構成が異なること以外は、第1の実施形態に係るガスセンサ1Aと同一であるので、ガスセンサ1Aと同一部分の説明を省略する。
【0028】
図3において、主体金具110は、主体金具11を同一の外形をなすが、内孔の内周面に設けられた段部(後端向き面117)が軸線O方向の中央より後端側に位置する点が、主体金具11と異なる。
セラミックホルダ143は、第1の実施形態の先端ホルダ30に類似した形状をなし、さらに先端ホルダ30の後端側にリング状の突出部143pを設けた構成になっている。具体的には、セラミックホルダ143は、概略短円筒状に形成されると共に、先端に向かって先細りのテーパ状に形成された先端向き面143aを有している。
そして、先端向き面143aの外周寄りの部位が後端向き面117に係止されつつ、主体金具110内にセラミックホルダ143が隙間嵌めされている。又、セラミックホルダ143は、軸線O方向に貫通してセンサ素子21を挿通させる貫通孔142を中心に有する(
図4)。又、貫通孔1422の先端側には、後方に凹む凹部145が形成されている。
【0029】
そして、センサ素子21は、セラミックホルダ143の貫通孔142に通され、センサ素子21の先端をセラミックホルダ143及び主体金具110の先端よりも先方に突出させている。
一方、セラミックホルダ143の後端に向く底面143bから、後端側に向かってリング状の突出部143pが突出し、突出部143pの後端向き面143eから底面143bに向かって凹む2つのリング状の凹部143r1、143r2が形成されている(
図4)。具体的には、突出部143pの内側に凹部143r1が形成され、突出部143pの外側に凹部143r2が形成されている。
【0030】
そして、
図4に示すように、センサ素子21の外面と、セラミックホルダ143の貫通孔142の内面との間に第1の領域R1が形成され、セラミックホルダ43の外面と、主体金具110の内面との間の第2の領域R2が形成されている。
さらに、第1の領域R1の後端側を閉塞するように、凹部143r1の全体に第1接着部212が充填されている。同様に、第2の領域R2の後端側を閉塞するように、凹部143r2の全体に第2接着部214が充填されている。これら第1接着部212及び第2接着部214は、それぞれ第1の領域R1及び第2の領域R2を気密に封止している。
【0031】
第2の実施形態においても、金属を含む第2接着部214の熱膨張率が、金属からなる主体金具110の熱膨張率に近付くので、高温下での第2の領域R2のシール性を向上させることができる。又、第1接着部212の熱膨張率が第2接着部214の熱膨張率よりも小さいので、金属を含まない第1の領域R1の部材の熱膨張率に近付くので、高温下での第1の領域R1のシール性も向上させることができる。
【0032】
なお、第2の実施形態において、セラミックホルダ143の後端向き面143eに、後端向き面143eより凹む凹部143r1、143r2が形成され、凹部143r1、143r2にそれぞれ第1接着部212及び第2接着部214が設けられている。これにより、凹部143r1、143r2が接着部の溜まり(受け)となり、第1接着部212及び第2接着部214となる流動性の接着剤が他の部位に流れることを抑制し、所望の位置に確実に第1接着部212及び第2接着部214を設けてシール性を向上させることができる。
【0033】
なお、第2の実施形態の場合、シール材(本例では滑石)41が不要であるので、主体金具110をカシメる必要がなく、主体金具110の後端側は内側に曲げられることなく、ストレート形状になっている。
又、第2の実施形態の場合、シール材(本例では滑石)41を省略したので、高温下での滑石粉末の水和物からの水分脱離によるシール性低下が無く、高温下でのシール性が第1の実施形態よりもさらに向上する。
【0034】
一方、シール材(本例では滑石)41を用いる第1の実施形態の場合、センサ素子21を主体金具11に組み付ける際の素子ぶれを滑石が抑制し、組み付け精度や作業性が向上する利点がある。勿論、第1の実施形態においても、高温下での滑石粉末のシール性低下を第1接着部202及び第2接着部204が抑制し、従来よりシール性が向上することはいうまでもない。
【0035】
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、上記実施形態では、セラミックホルダの後端側に第1接着部及び第2接着部を設けたが、セラミックホルダの先端側に第1接着部及び第2接着部を設けてもよい。又、第1接着部及び第2接着部の一方をセラミックホルダの後端側に設け、他方をセラミックホルダの先端側に設けてもよい。さらに、第1の領域及び第2の領域であれば、セラミックホルダの先端側と後端側に限らず、別の位置に第1接着部及び第2接着部を設けてもよい。
【0036】
又、凹部はセラミックホルダの後端向き面に限らず、先端向き面に形成されていてもよい。
さらに、センサ素子は酸素センサの他、全領域空燃比センサ、及びNOxセンサ等を用いることができる。又、センサ素子は板状に限らず、筒状であってもよい。