特開 2024-98199 センサの取付構造

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2024098199

(43)【公開日】2024-07-23

(54)【発明の名称】センサの取付構造

(51)【国際特許分類】

   G01N 27/409 20060101AFI20240716BHJP

   G01N 27/41 20060101ALI20240716BHJP

   G01N 27/419 20060101ALI20240716BHJP

【ＦＩ】

G01N27/409 100

G01N27/41 325H

G01N27/419 327H

【審査請求】未請求

【請求項の数】4

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2023001510

(22)【出願日】2023-01-10

(71)【出願人】

【識別番号】000004547

【氏名又は名称】日本特殊陶業株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100113022

【弁理士】

【氏名又は名称】赤尾 謙一郎

(74)【代理人】

【氏名又は名称】下田 昭

(72)【発明者】

【氏名】島崎 雄次

(72)【発明者】

【氏名】吉田 将之

【テーマコード（参考）】

2G004

【Ｆターム（参考）】

2G004BB04

2G004BC02

2G004BF05

2G004BF19

2G004BF20

2G004BF27

2G004BH06

2G004BJ03

(57)【要約】

【課題】ガスセンサのプロテクタを長期にわたって確実に保持することができるセンサの取付構造を提供する。
【解決手段】センサ素子２１と、センサ素子の検知部２２を突出させつつセンサ素子の周囲を取り囲む主体金具１１と、を備えたガスセンサ１Ａと、検知部を覆う筒状のプロテクタ６０Ａと、ガスセンサが主体金具を介して取り付けられ、被測定ガスが流れるガス管１００と、を備えたセンサの取付構造２００であって、主体金具の外面には雄ネジ１３が設けられ、ガス管は、管壁１０１を貫通するとともに雄ネジと噛み合う雌ネジ１０３Ｍが自身の内面に設けられた筒状の取付ボス１０３を備え、プロテクタの後端には径方向外側に延びるフランジ部５１ｆ、６１ｆが設けられ、取付ボスには径方向内側に延びる環状の棚部１０５が設けられ、フランジ部は、棚部の外面１０５ｅと、主体金具の先端向き面１１ｓとの間に挟持されている。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

軸線方向に延びて先端側に検知部を有するセンサ素子と、前記センサ素子の前記検知部を突出させつつ前記センサ素子の周囲を取り囲む主体金具と、を備えたガスセンサと、
前記検知部を覆う筒状のプロテクタと、
前記ガスセンサが前記主体金具を介して取り付けられ、被測定ガスが流れるガス管と、
を備えたセンサの取付構造であって、
前記主体金具の外面には雄ネジが設けられ、前記ガス管は、管壁を貫通するとともに前記雄ネジと噛み合う雌ネジが自身の内面に設けられた筒状の取付ボスを備え、
前記プロテクタの後端には径方向外側に延びるフランジ部が設けられ、前記取付ボスには径方向内側に延びる環状の棚部が設けられ、
前記フランジ部は、前記棚部の外面と、前記主体金具の先端向き面との間に挟持されていることを特徴とするセンサの取付構造。

【請求項2】

前記フランジ部は、前記棚部の外面と、前記主体金具の先端向き面とによって厚み方向に圧縮されていることを特徴とする請求項１記載のセンサの取付構造。

【請求項3】

前記棚部を除く前記取付ボスの最小内径よりも、前記フランジ部の最大外径が小さいことを特徴とする請求項１記載のセンサの取付構造。

【請求項4】

前記プロテクタは、内側プロテクタと、前記内側プロテクタの外側に離間して配置される外側プロテクタとを備え、前記内側プロテクタと前記外側プロテクタが共に前記フランジ部を有することを特徴とする請求項１記載のセンサの取付構造。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、ガスセンサをガス管に取り付けてなるセンサの取付構造に関する。

【背景技術】

【0002】

自動車等の排気ガスや吸気中の酸素やＮＯｘ等の特定ガス成分の濃度を検出するガスセンサが知られている（特許文献１）。ガスセンサ先端にはガスを検出するセンサ素子を備え、センサ素子は主体金具に保持されている。また、センサ素子を筒状のプロテクタが覆い、プロテクタの後端は主体金具に溶接されている。
このガスセンサは、排気管を貫通するようにして排気管にネジ止めされ、排気管を流れる排気ガス等の被測定ガスがガスセンサ先端のセンサ素子に接触することで、ガスを検出している。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【特許文献1】特許第６４９３１３３号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

ところで、排気管には高温の排気ガスが断続的に流れ、ガスセンサにも高温（例えば６５０℃以上）から室温までの冷熱サイクルが繰り返し掛かる。すると、プロテクタの溶接部も冷熱サイクルが掛かって伸び縮みし、亀裂や剥離が生じることがある。そして、その結果、プロテクタが初期の位置からズレたり、脱落する恐れがある。

【0005】

そこで、本発明は、ガスセンサのプロテクタを長期にわたって確実に保持することができるセンサの取付構造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】

【0006】

上記課題を解決するため、本発明のセンサの取付構造は、軸線方向に延びて先端側に検知部を有するセンサ素子と、前記センサ素子の前記検知部を突出させつつ前記センサ素子の周囲を取り囲む主体金具と、を備えたガスセンサと、前記検知部を覆う筒状のプロテクタと、前記ガスセンサが前記主体金具を介して取り付けられ、被測定ガスが流れるガス管と、を備えたセンサの取付構造であって、前記主体金具の外面には雄ネジが設けられ、前記ガス管は、管壁を貫通するとともに前記雄ネジと噛み合う雌ネジが自身の内面に設けられた筒状の取付ボスを備え、前記プロテクタの後端には径方向外側に延びるフランジ部が設けられ、前記取付ボスには径方向内側に延びる環状の棚部が設けられ、前記フランジ部は、前記棚部の外面と、前記主体金具の先端向き面との間に挟持されていることを特徴とする。

【0007】

このセンサの取付構造によれば、ガスセンサのプロテクタを、棚部の外面と、主体金具の先端向き面との間で各フランジ部を挟み込んで保持するので、プロテクタを主体金具に溶接する必要がなく、溶接部に冷熱サイクルが掛かって亀裂や剥離が生じることを防止できる。
その結果、ガスセンサのプロテクタを長期にわたって確実に保持することができる。
また、プロテクタとして溶接適性に優れた材料を選ばなくてもよく、例えば安価なステンレス鋼をプロテクタに用いることができる。

【0008】

本発明のセンサの取付構造において、前記フランジ部は、前記棚部の外面と、前記主体金具の先端向き面とによって厚み方向に圧縮されていてもよい。
このセンサの取付構造によれば、フランジ部が外面と先端向き面との間でグラつくことなく固定される。

【0009】

本発明のセンサの取付構造において、前記棚部を除く前記取付ボスの最小内径よりも、前記フランジ部の最大外径が小さくてもよい。
このようにすると、フランジ部を上から取付ボスに挿入する際に雌ネジに干渉せずにスムーズに挿入できる。

【0010】

本発明のセンサの取付構造において、前記プロテクタは、内側プロテクタと、前記内側プロテクタの外側に離間して配置される外側プロテクタとを備え、前記内側プロテクタと前記外側プロテクタが共に前記フランジ部を有してもよい。
このセンサの取付構造によれば、内側プロテクタと外側プロテクタとをそれぞれフランジ部を介してガスセンサに確実に保持できる。

【発明の効果】

【0011】

この発明によれば、ガスセンサのプロテクタを長期にわたって確実に保持することができる

【図面の簡単な説明】

【0012】

【図1】本発明の実施形態に係るセンサの取付構造の断面図である。

【図2】本発明の実施形態に係るセンサの取付構造の変形例の部分断面図である。

【発明を実施するための形態】

【0013】

以下、本発明の実施形態について説明する。
図１は、本発明の実施形態にかかるセンサの取付構造２００の断面図である。図１は、センサの取付構造２００におけるガスセンサ１Ａの軸線Ｏ方向に沿った（ガス管１００の軸方向に沿った）断面図を示す。
図１において、センサの取付構造２００は、ガスセンサ１Ａと、プロテクタ６０Ａと、ガスセンサ１Ａが取り付けられて被測定ガスが流れるガス管（エンジンの排気管）１００とを、備える。
なお、本例ではプロテクタ６０Ａは、予めガスセンサ１Ａ側（主体金具１１）に固定（溶接等）されている。但し、プロテクタ６０Ａが予めガス管１００側に固定されていて、ガス管１００側のプロテクタ６０Ａに後からガスセンサ１Ａ（主体金具１１）を嵌めるような形態でもよい。

【0014】

ガスセンサ（全領域空燃比ガスセンサ）１Ａ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を有するホルダ（セラミックホルダ）３０Ａと、ホルダ３０Ａの径方向周囲を取り囲む主体金具１１と、プロテクタ６０Ａと、を備えている。
そして、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、ホルダ３０Ａ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、ホルダ３０Ａの後端面側（図示上側）に配置されたシール部材４１を、絶縁材からなる（セラミック）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。

【0015】

なお、センサ素子２１の後端２９を含む後端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、その後端寄り部位に形成された各電極端子２４に、ゴム製のグロメット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の後端寄り部位は、外筒８１でカバーされている。以下、さらに詳細に説明する。

【0016】

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。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。

【0017】

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２３が被覆されている。

【0018】

主体金具１１は軸線Ｏ方向に貫通する貫通孔を有し、先後において同心異径の筒状をなしている。又、主体金具１１は、先端側が小径で円筒状の円環状部（以下、円筒部ともいう）１８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、排気管１００への固定用の雄ネジ１３が設けられている。そして、その後方には、この雄ネジ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。
さらに、主体金具１１の円環状部１８近傍の内周面には、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１７を有している。

【0019】

主体金具１１の（貫通孔の）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ホルダ３０Ａが配置されている。ホルダ３０Ａ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３０ｆを有している。そして、先端向き面３０ｆの外周寄りの部位が段部１７に係止されつつ、ホルダ３０Ａが後端側からシール部材４１で押圧されることで主体金具１１内にホルダ３０Ａ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、ホルダ３０Ａ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。

【0020】

センサ素子２１は、ホルダ３０Ａの貫通孔３２に通され、センサ素子２１の先端をホルダ３０Ａ及び主体金具１１の先端よりも先方に突出させている。
一方、センサ素子２１の先端部位は、筒状をなし、被測定ガスを導入又は排出可能なプロテクタ６０Ａで覆われている。本形態では、プロテクタ６０Ａは、通気孔５６及び排出孔５３を有する有底円筒状の内側プロテクタ５１と、通気孔６７及び排出孔６９を有する有底円筒状の外側プロテクタ６１とを離間して配置した２重プロテクタからなる。

【0021】

内側プロテクタ５１と外側プロテクタ６１の後端側は円環状部１８の外面に嵌合されている。さらに内側プロテクタ５１及び外側プロテクタ６１の後端縁には、それぞれ径方向外側に延びるフランジ部５１ｆ、６１ｆが設けられている。
なお、フランジ部５１ｆはフランジ部６１ｆよりも後端側に位置し、フランジ部５１ｆがフランジ部６１ｆの後端側に重なるようにして両者が延びている。

【0022】

一方、図１に示すように、センサ素子２１の後端寄り部位に形成された各電極端子２４には、外部にグロメット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、外筒８１内に配置された絶縁性のセパレータ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、セパレータ９１は、外筒８１内にカシメ固定された保持部材８２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、この外筒８１の先端部を、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は外筒８１の後端部の内側に配置されたグロメット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グロメット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。

【0023】

因みに、外筒８１の軸線Ｏ方向の中央よりやや後端側には、先端側が径大の段部８１ｄが形成され、この段部８１ｄの内面がセパレータ９１の後端を先方に押すように支持する。一方、セパレータ９１はその外周に形成されたフランジ９３を外筒８１の内側に固定された保持部材８２の上に支持させられており、段部８１ｄと保持部材８２とによってセパレータ９１が軸線Ｏ方向に保持されている。

【0024】

一方、排気管１００は、自身の内面を被測定ガスが流れ、管壁１０１を貫通するとともに雄ネジ１３と噛み合う雌ネジ１０３Ｍが自身の内面に設けられた筒状の取付ボス１０３を備えている。取付ボス１０３は管壁１０１に溶接されている。
さらに、取付ボス１０３の排気管１００側（図１の下側）には径方向内側に延びる環状の棚部１０５が設けられている。

【0025】

そして、各フランジ部５１ｆ、６１ｆは、棚部１０５の外面（排気管１００から遠ざかる向きの面（図１の上側の面））１０５ｅと、主体金具１１の先端向き面１１ｓとの間に挟持されている。
これにより、ガスセンサ１Ａのプロテクタ６０Ａを、棚部１０５の外面１０５ｅと、主体金具１１の先端向き面１１ｓとの間で各フランジ部５１ｆ、６１ｆを挟み込んで保持するので、プロテクタ６０Ａを主体金具１１に溶接する必要がなく、溶接部に冷熱サイクルが掛かって亀裂や剥離が生じることを防止できる。
その結果、ガスセンサ１Ａのプロテクタ６０Ａを長期にわたって確実に保持することができる。
また、プロテクタ６０Ａとして溶接適性に優れた材料を選ばなくてもよく、例えば安価なステンレス鋼をプロテクタ６０Ａに用いることができる。

【0026】

フランジ部５１ｆ、６１ｆは、棚部１０５の外面１０５ｅと、主体金具１１の先端向き面１１ｓとによって厚み方向に圧縮されていてもよい。
このようにすると、フランジ部５１ｆ、６１ｆが外面１０５ｅと先端向き面１１ｓとの間でグラつくことなく固定される。

【0027】

棚部１０５を除く取付ボス１０３の最小内径（つまり、雌ネジ１０３Ｍの山部の最大径）よりも、フランジ部５１ｆ、６１ｆの最大外径が小さくてもよい。
このようにすると、フランジ部５１ｆ、６１ｆを上から取付ボス１０３に挿入する際に雌ネジ１０３Ｍに干渉せずにスムーズに挿入できる。
なお、フランジ部５１ｆ、６１ｆの最大外径とは、フランジ部５１ｆ、６１ｆのうち径方向にはみ出した方の外径をいう。

【0028】

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。
プロテクタとしては二重に限らず、一重プロテクタでもよい。

【0029】

また、二重プロテクタの場合、図２に示すように、内側プロテクタ５１と外側プロテクタ６１の後端側を溶接して、主体金具１１まで到達する溶接部Ｗを設けても良い。
溶接部Ｗを設けると、溶接作業は増えるが、ガスセンサ１Ａを取付ボス１０３にネジ止めする際、プロテクタ６０Ａがガスセンサ１Ａから脱落することを抑制できる。
また、ガスセンサの使用時に冷熱サイクルが掛かって溶接部Ｗに亀裂や剥離が生じても、プロテクタ６０Ａ自体はフランジ部５１ｆ、６１ｆを介して外面１０５ｅと先端向き面１１ｓとの間に挟持されていることになる。

【0030】

又、ガスセンサとしては、ＮＯｘセンサの他、酸素センサ、全領域ガスセンサが挙げられる。
センサ素子は板状に限らず、筒状の素子を用いることもできる。
ガス管も排気管に限られず、取付ボスの形状も限定されない。

【符号の説明】

【0031】

１Ａ ガスセンサ
１１ 主体金具
１１ｓ 主体金具の先端向き面
１３ 雄ネジ
２１ センサ素子
２２ 検知部
６０Ａ プロテクタ
５１ 内側プロテクタ
６１ 外側プロテクタ
５１ｆ、６１ｆ フランジ部
１００ ガス管（排気管）
１０１ 管壁
１０３ 取付ボス
１０３Ｍ 雌ネジ
１０５ 棚部
１０５ｅ 棚部の外面
２００ センサの取付構造
Ｏ 軸線

【図1】

【図2】