(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
検出素子と、
前記検出素子を保持する主体金具と、
前記検出素子の上端側に大気から隔離された基準ガス空間を形成する外筒と、
前記外筒と共に前記基準ガス空間を形成する弾性体からなるシール部材と、
を有するガスセンサであって、
前記シール部材には大気から前記基準ガス空間に空気を導入する為の少なくとも１つの通気経路が形成され、
前記通気経路は前記シール部材の上端面に開口部を有し、
前記シール部材には前記通気経路を介して基準ガス空間に水が侵入しない様に通気性フィルタが設けられ、
前記通気経路の、前記フィルタよりも基準ガス空間側の通気経路の一部が、ガスセンサの軸方向に対して垂直方向に延びており、
前記通気経路は、前記シール部材に前記ガスセンサの軸方向に形成された軸方向経路を有して構成され、
前記軸方向経路は、基準ガス空間側のシール部材下端面に下端面開口部を有し、
前記下端面開口部は、前記シール部材の軸中心から外側方向に離れた位置に開口している事、
を特徴とするガスセンサ。
【請求項２】
前記フィルタは、前記開口部を覆う様に、前記シール部材の上端面の外側に設けられている事、
を特徴とする請求項１記載のガスセンサ。
【請求項３】
前記フィルタの外側には押え部材が配置され、
前記押え部材は、前記シール部材の上端面との間で、前記フィルタを挟持している事、
を特徴とする請求項２記載のガスセンサ。
【請求項４】
前記通気経路は、
前記シール部材の上端面に形成された通気溝を有して構成されている事、
を特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載のガスセンサ。
【請求項５】
前記フィルタは、前記開口部を閉塞する様に、前記通気経路に挿入されている事、
を特徴とする請求項１記載のガスセンサ。
【請求項６】
前記フィルタは、前記通気孔に挿入された筒状部材と、前記通気経路内壁との間で挟持されている事、
を特徴とする請求項５記載のガスセンサ。
【請求項７】
前記通気経路は、
前記シール部材の内部に軸方向と垂直方向に形成された軸直交経路を有して構成されている事、
を特徴とする請求項１乃至６のいずれかに記載のガスセンサ。
【請求項８】
前記シール部材には、前記通気溝、または軸直交経路の一部に、シール部材を貫通しない所定深さの水溜穴が形成されている事、
と特徴とする請求項７記載のガスセンサ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、排気ガス等の被測定ガスが流れる流路を形成する管に取り付けられ、基準ガスとしての大気を外部から導入して機能するガスセンサに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、混合ガス中から特定のガス成分の濃度を検出するガスセンサとして、ＨＣセンサやＮＯｘセンサ等種々のものが知られている。
この種のガスセンサの一つとして、例えば特開平９−５４０６３号公報に示される外気導入型の酸素センサがある。この酸素センサは、外気を導入する通気孔を、ガスセンサの最上部に設けられたシール部材の中央を軸方向に貫通するように形成すると共に、この通気孔を硬質の撥水性フィルタにより閉塞することにより、ガスセンサ内に形成された基準ガス空間と大気との間の通気性と防水性を保持している。そして、シール部材のこの撥水性フィルタの周囲には複数の挿通孔が設けられ、この挿通孔にリード線を挿通して撥水性フィルタの下方に設置された検出素子の電極に給電を行っている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記構成において、撥水性フィルタは、基準ガス空間への水（液体）の侵入を防止することはできるものの、水蒸気（気体）の侵入までを防止することはできない。このため、撥水性フィルタを介して侵入した水蒸気が、冷却により凝集してその基準ガス空間内の電極端子上に落下して付着し、この端子間で短絡を生じさせてしまうといった問題があった。
【０００４】
本発明はこうした問題に鑑みてなされたものであり、大気を外部から導入して機能するガスセンサにおいて、このような電極端子間の短絡等を生じさせることなく、その検出精度を良好に保持することができるガスセンサを提供することを目的とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段及び発明の効果】
上記課題に鑑み、請求項１記載のガスセンサにおいては、シール部材に形成される通気経路が、大気から基準ガス空間に空気を導入する為にガスセンサの軸方向に通気経路を形成すると同時に、前記通気経路の一部を軸方向とは垂直な方向に延ばした。この様に通気経路の一部を軸方向とは垂直な方向に延ばすことで、通気孔がその途中で屈曲することになるため、シール部材に導入された外気は、この通気孔内での方向転換を行って基準ガス空間に導入されることになる。このため、この外気に水蒸気が含まれていたとしても、その一部はこの軸方向と垂直な方向に延びる通気経路内に付着し、やがて蒸発する。このため、導入された外気に含まれる水蒸気が、基準ガス空間内に設置された検出素子の電極端子等に到達するのを効果的に抑制することができる。この結果、これら端子間の短絡を防止することができ、ガスセンサの検出精度を有効に保持することができる。通気経路の大気側の開口部はシール面上端に開口されており、軸方向と垂直方向に延びる通気経路内に付着した水が蒸発した際に、通気経路の最上面からそのまま蒸気が抜けていくので、一度侵入した蒸気が抜けやすい。一方、ガスセンサの向きによっては、シール部材上端面は水が付着しやすく、水が浸入しやすいので、直接水が浸入しない様にフィルタが設けられている。前記の通気経路の軸方向と垂直な方向に延びる通気経路は、ある種の保水機能を有することになるので、フィルタよりも大気側に配置されると、却ってフィルタの外側は常に水の存在する環境になり、好ましくないので、フィルタよりも内側に設ける。なお、以下では、ガスセンサの軸方向に形成された通気経路を単に軸方向経路ともいう。
また、前記シール部材上端面とは反対側の下端面に設けられた軸方向経路の開口部（以下、下端面開口部ともいう）が電極端子の位置とが同一軸線上にあると、通気経路を通過した水蒸気が端子間に直接降りかかったり、通気経路内で水蒸気の凝集により生じた水滴が端子上に落下することにより、端子間の短絡を引き起こしやすくなる。
このような事態を回避するため、ガスセンサでは、上記下端面開口部の位置を電極端子の位置からずらす構成を採用している。具体的には、通常、これら電極端子等がシール部材の軸中心、つまり軸線に沿って配設されることを考慮し、当該ガスセンサでは、上記シール部材下端面開口部を、シール部材の軸線から離れた位置に形成している。
また、シール部材の下端面開口部をこのように配置することで、仮にフィルタの熱劣化や破損等により、通気経路の防水性能が大きく損なわれることがあったとしても、端子部の絶縁性能の低下を効果的に抑制することができる。
【０００６】
フィルタは、シール部材の上端面を覆うように形成する事が出来る。この様にフィルタをシール部材の上端面よりも外側に配置する事で、シール部材全体がフィルタよりも基準ガス空間側に配置されることになるので、シール部材内部だけでなく、その表面にも比較的自由に通気経路を形成することが出来る。
【０００７】
フィルタを、シール部材の上端面を覆うように形成するには、フィルタの更に外側に押え部材を配置し、押え部材とシール部材の上端面の間にフィルタを挟持するようにすれば良い。
押え部材の材質としては、シール部材と同じように弾性体でも良いが、金属やセラミックス或いは樹脂などを用いても良い。そして、この様にフィルタの外から押え部材でフィルタを挟持する場合には、押え部材にはフィルタに大気を接触させるための通気窓を形成する。通気窓に対向するシール部材の上端面には、前記通気経路の一部が形成され、フィルタを介して流入した空気がガスセンサ内部まで導入されるようになっている。なお、押え部材として弾性体を用いる場合には、押え部材の硬度をシール部材の硬度よりも高めに設定することが望ましい。何故ならば、フィルタが押え部材とシール部材の間に気密に挟持されるためには、シール部材の弾性応力がフィルタを外側に押す力とそれに対する押え部材の抗力によってフィルタが挟圧されている必要が有るが、押え部材の硬度が低いと、シール部材の弾性応力によって押え部材が大きく変形してしまい、フィルタを挟圧する抗力が十分で無くなり、フィルタを気密に挟持することが出来ない恐れが有るからである。
【０００８】
なお、通気窓に対向するシール部材の上端面に形成されるのは、ガスセンサの通気経路の開口部でも良いが、シール部材上端面に形成された通気溝であっても良い。通気溝であれば、前記通気窓に対向しない位置まで、通気溝は形成されて、そこから軸方向経路が形成される。この様にシール部材上端面に通気溝を形成すると、軸方向に垂直方向に延びる通気経路が簡単に形成できるというメリットが有る。また、溜まった水分が蒸発した場合に、直ぐ近くのフィルタを介して大気に排出されるので、水分が直ぐに蒸発して、早めに乾燥状態に復帰する。
【０００９】
一方、フィルタの配置としては、通気経路に挿入されて、通気経路を閉塞する様な形のものを用いる事が出来る。例えば、シート状の通気フィルタを筒状部材で通気経路に挿入して、通気経路の内壁との間で挟持するようにしても良い。この様に設けることで、フィルタの使用量を抑えることが出来る。
【００１０】
フィルタを通気経路に挿入する様な場合には、ガスセンサの軸方向とは直交方向の通気経路（以下単に軸直交経路とも言う）をシール部材の内部に形成する。通気溝の場合は、シール部材の上端面に開口する面積が大きいので、フィルタによって大きな面積をカバーする必要が有るが、軸直交経路をシール部材内部に設ける場合には、シール部材の上端面の開口部は小さいので、防水性は良好である。
【００１３】
また、シール部材には、通気溝や、軸直交経路の一部に、シール部材を貫通しない所定深さの水溜穴が形成すると良い。すなわち、上記通気経路の途中で水になった水蒸気が再び水蒸気になって飛散するまで、しばらく通気経路内に滞留するが、水蒸気の量が多い場合には、時として軸直交経路や通気溝には留まり切れずに基準ガス側へ流れ出す可能性がある。そこで、それら軸直交経路や通気溝よりも一段低い位置に水溜穴が掘り下げられて形成されている。このため、通気孔内に導入された水蒸気の一部は、結露により水滴となってこの水溜穴に溜まる。そして、この水溜穴に溜まった水はやがて蒸発する。こうして水溜穴より下流側、つまり基準ガス空間側に向かう水分を効果的に減少させることができる。この結果、ガスセンサの防水性能をさらに有効に保持することができる。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の好適な実施例を図面と共に説明する。
本実施例は、本発明のガスセンサを酸素センサとして構成したものであり、図１は、当該酸素センサの全体構成を示す断面図である。
【００１５】
同図に示すように、酸素センサ１は、ＺｒＯ２を主成分とする固体電解質体により先端が閉じた中空軸状に形成された検出素子２、検出素子２内に配置された軸状のセラミックヒータ３、検出素子２を収容するケーシング１０等から構成されている。
【００１６】
ケーシング１０は、酸素センサ１を排気管等の取付部に固定すると共に、セラミックホルダ６，７及びセラミック粉末８を内部に収容し、検出素子２の閉じた先端部を排気管等の内部に突出させる主体金具９と、主体金具９の上部に延設され、上方から検出素子２の内面に大気を導入するための外筒１３とから構成されている。
【００１７】
また、外筒１３の上端開口部には、フッ素ゴム製からなり、軸方向に複数の通気経路１５ａを有する円柱状のシール部材１７と、同じくフッ素ゴムからなり、通気経路１５ａに対向する位置に通気窓が形成されたキャップ状の押え部材１６、及びこれら二つの弾性体の間に介装された撥水性フィルタ５０とから構成されたシールユニット１４が嵌入されており、このシールユニット１４及びセパレータ１８を貫通するように、検出素子２の電極に夫々接続されるリード線２０及びセラミックヒータ３に接続される一対のリード線２１が配置されている。
【００１８】
検出素子２用の一方のリード線２０は、加締め部２４、引出し線部２５及び内部電極接続部２６で構成される端子金具２３を介して、検出素子２の内側電極２ａと電気的に接続されている。
また、セラミックヒータ３に通電するためのヒータ端子部４０が、セラミックヒータ３の上端に固定され、このヒータ端子部４０を介して、セラミックヒータ３内に埋設された図示しない発熱用抵抗回路に通電が行われる。
【００１９】
以下、シールユニット１４の構造及び撥水性フィルタ５０の取付構造について、図２及び図３に基づいて説明する。
図２（ａ）は、本実施例に係るシールユニット１４近傍をシールユニット１４の軸方向上方から見た平面図、同図（ｂ）は、その断面Ａ−Ｂに相当する部分断面図、そして、同図（ｃ）は、その断面に対応するシールユニット１４の組み付け工程の説明図である。
【００２０】
図２に示すように、有底円筒状の押え部材１６と、これに内挿される円柱状のシール部材１７とが、これらの間にシート状の撥水性フィルタ５０を介装する態様で、シールユニット１４を構成している。
押え部材１６には、図２（ｃ）上段に示すように、その上端壁中央に、後述するシール部材１７の突出部１７ｄを挿通させるための通気窓１６ａが形成されている。また、図２（ａ）に示すように、この通気窓１６ａの周りには、後述するシール部材１７の４つの突出部１７ｆを嵌合させるための４つの係止孔１６ｂが、等間隔で配設されている。そして、押え部材１６の上端壁の周端縁からは、下方に延びる側壁が円筒状に形成されている。
【００２１】
一方、シール部材１７は、図２（ｃ）下段に示すように、その外径が押え部材１６の側壁の内径にほぼ等しく、その軸方向の長さが押え部材１６の軸方向の長さにほぼ等しくなるように形成されている。そして、その円柱状の本体の中央に外気が導入される円形の開口部１７ａが設けられ、この開口部１７ａからは、長方形状の通気溝１７ｂが四方に放射状に延設されている（図２（ａ）参照）。そしてさらに、図２（ｃ）下段に示すように、各々の通気溝１７ｂの外方端からは、シール部材１７を軸方向に貫通して大気を基準ガス空間内に導入する軸方向経路１７ｃが連設されている。また、開口部１７ａの周縁からは、通気溝１７ｂに連通した部分を除く態様で、突出部１７ｄが筒状に突設されている。この突出部１７ｄの高さは押え部材１６の厚みにほぼ等しく、約１．０ｍｍである。この突出部１７ｄを設けないと、通気窓１６ａによって凹部が形成されるためそこに水や埃が溜まり、通気フィルタの通気性が劣下してしまう。突出部１７ｄを設けることで凹部を無くし、通気性が劣下するのを防止している。
【００２２】
また、開口部１７ａの周りには、上述したリード線２０，２１等を挿通するために第２シール部材１７を軸方向に貫通する４つの挿通孔１７ｅが形成されている。この挿通孔１７ｅは、互いに隣接する通気溝１７ｂの間に位置するように配設されている。そして、各々の挿通孔１７ｅの周縁からは、突出部１７ｆがそれぞれ筒状に突設されている。
【００２３】
尚、上記開口部１７ａと、通気溝１７ｂに対向する押え部材１６の上端壁の下面と、及び軸方向経路１７ｃとにより、上述した複数の通気経路１５ａが形成されている。
撥水性フィルタ５０は、図２（ｃ）中段にその断面を示すように、押え部材１６の内径及びシール部材１７の外径にほぼ等しい外径を有する円形のシート状に形成され、上記係止孔１６ｂ及び挿通孔１７ｅに対応する位置に、係止孔５０ａがそれぞれ形成されている。
【００２４】
この撥水性フィルタ５０は、例えばポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）の未焼成成形体を、ＰＴＦＥの融点よりも低い加熱温度で１軸以上の方向に延伸することにより得られる多孔質繊維構造体（例えば、商品名：ゴアテックス（ジャパンゴアテックス（株）））により、水滴等の水を主体とする液体の透過は阻止し、かつ気体（空気、水蒸気等）の透過は許容する撥水性フィルタとして構成されている。また、さらに撥油コートした多孔質繊維構造体（商品名：オレオベントフィルタ（ジャパンゴアテックス（株））を用いることもできる。これを用いることにより、付着した油分が気化して内部に侵入する危険性を低下させることができる。
【００２５】
そして、これら押え部材１６、シール部材１７、及び撥水性フィルタ５０の組付けは、まず、撥水性フィルタ５０に設けられた４つの係止孔５０ａを、対応するシール部材１７の４つの突出部１７ｆの周りにはめ込む。この時点において、撥水性フィルタ５０は、シール部材１７の中央の突出部１７ｄの位置で僅かに浮き上がった状態となっている。そして、この状態からシール部材１７を押え部材１６に内挿嵌合させる。このとき、押え部材１６の通気窓１６ａ及び４つの係止孔１６ｂが、それぞれシール部材１７の突出部１７ｄ及び４つの突出部１７ｆに係合して押え部材１６とシール部材１７の位置決めがなされる。そして、撥水性フィルタ５０は、押え部材１６とシール部材１７により挟持される態様で固定され、シール部材１７の開口部１７ａを上方から通気可能に閉塞する。この際、撥水性フィルタ５０は中央の通気窓１６ａと突出部１７ｄとの界面で引っ張られるが、突出部１７ｄの長さ（高さ）が小さいため、撥水性フィルタ５０の性能（耐水圧等）にはほとんど影響がない。
【００２６】
そして、このように形成されたシールユニット１４が外筒１３の開口端部４７の内側に配置され、外筒１３を介して径方向に加締められ、それにより外筒１３及びシールユニット１４が密着し、そのシール性がより確実なものとされる。
なお、加締められることによってシール部材１７が軸方向に膨張するため、その圧縮応力が押え部材１６との間で撥水性フィルタ５０を防水的に挟持する力となるが、この圧縮応力が撥水性フィルタ５０を気密に挟持するように有効に働くためには、押え部材１６はある程度の硬度が必要である。少なくともシール部材１７よりは硬度が高いことが望ましい。本実施例のシール部材１７はフッ素ゴムを用いており、硬度はショア硬度で７０であるが、押え部材１６としては同じフッ素ゴムであるが、ショア硬度は８０のものを用いている。
【００２７】
また、押え部材１６の厚みは通気窓１６ａの凹部が出来るだけ形成されない様に薄い方が望ましい。その意味では押え部材１６を硬質の樹脂や金属、セラミックスなどの硬い材料で形成されることが望ましい。ただし、硬質の樹脂やセラミックスなどで形成する場合には、本実施例のように側壁を外筒と同時に加締める事は難しいので、側壁を同時に加締め無いような形のシール構造を採用する必要が有る。なお、金属であれば外筒と同時に加締める事も可能である。
【００２８】
また、図５に示すように、押え部材４１６を、その側壁４１６ａをシール部材４１７に設けた挿入溝４１７ａに挟み込んだ構成とする事も出来る。この場合には、押え部材４１６として樹脂やセラミックスなど変形しない部材を用いても、その外側から加締める事が出来る。但し、この場合でも側壁４１６ａが加締め部分に直接対向する位置関係だと、側壁４１６ａ内部に加締め力が及び難いのでシール部材４１７がフィルタ４５０を押え部材４１６に押し付ける力が弱くなる。従って、挿入溝４１７ａの深さは、加締め位置よりも少し上で止まるように形成することが望ましい。
【００２９】
以上のように構成された酸素センサ１が、主体金具９の外周に形成されたネジ部９ｂを介し、外筒１３が略上向きとなるよう、被測定ガスの流路を形成する管の取付孔に取り付けられると、プロテクタ１１にて保護された検出素子２の先端部が流路を形成する管内部に突出して、被測定ガスに晒される。
【００３０】
一方、検出素子２の内部には、複数の通気経路１５ａを介した換気により、上記外筒１３を介して大気が導入される。すなわち、酸素センサ１における基準ガス空間の換気は、シール部材１７の通気経路１５ａに配置された撥水性フィルタ５０を介して行われる。すなわち、撥水性フィルタ５０を介して開口部１７ａから導入された大気は、図２（ｂ）に矢印で示すように、この開口部１７ａ及び通気溝１７ｂに沿って軸方向経路１７ｃに流入し、この軸方向経路１７ｃを通って図１に示す基準ガス空間に導入される。
【００３１】
このように、上記実施例では、撥水性フィルタ５０を介して導入された外気が、複数の通気経路１５ａによりシールユニット１４内で一旦外方に誘導された後、基準ガス空間に導入される。このため、この外気と共に流入した水蒸気が結露により水滴となっても、リード線２０が接続される電極の端子間やヒータ端子部４０の上に直接落下することはなく、通気溝１７ｂ上に付着しやがて蒸発する。このため、上記端子を短絡させる等の問題が生じることもなく、酸素センサ１の精度を良好に保つことができる。
【００３２】
以上、本発明の実施例について説明したが、本発明の実施の形態は、上記実施例に何ら限定されることなく、本発明の技術的範囲に属する限り種々の形態をとり得ることはいうまでもない。
例えば、水蒸気の結露により生じた水滴が外筒１３側に流入することをより効果的に抑制するシール部材の構成として、図３に示すものを採用することもできる。すなわち、シール部材２１７に設けた開口部２１７ａをさらに深く掘り下げることにより、同図に示すような水溜部２１７ｇを設けた構成を採用してもよい。このように構成すれば、撥水性フィルタを通過した水蒸気の一部は、この凹部２１７ｇに溜まりやがて蒸発する。このため、酸素センサ１の防水性をさらに高めることができる。
【００３３】
また、撥水性フィルタの取付け構成としては、上記実施例のように、撥水性フィルタ５０が押え部材１６とシール部材１７の間に挟持される態様だけでなく、図４に示すものを採用する事も出来る。
即ち、シール部材３１７に設けた開口部３１７ａに筒状部材３５５を挿入し、筒状部材３５５と、開口部３１７ａ奥に形成した軸方向経路３１７ｂの内周面との間に撥水性フィルタ３５０を挟持する。この場合、撥水性フィルタ３５０が抜け落ちない様に軸方向経路３１７ｂに深く筒状部材２５５を挿入しているため、それに繋げる軸直交経路３１７ｃは、シール部材３１７内部を貫通する形で形成される。本実施例においても、軸直交経路３１７ｃの一部に水溜部３１７ｇを設けることで、基準ガス空間への水の浸入を防止する効果を高める事が出来る。
【００３４】
なお、シール部材３１７内部を貫通する形で軸直交経路３１７ｃを形成する様にシール部材を成形するにはゴム金型として複雑なものを用いる必要が有り、コスト的に難しい場合には、軸直交経路の位置でシール部材を上下に２分割する様にしても良い。
【００３５】
また、上述した通気孔等の配置や形状等は上記実施例のものに限られず、設計の便宜上適宜変更しうることはもちろんである。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明の実施例に係る酸素センサの全体構成を示す断面図である。
【図２】  本発明の実施例に係るシールユニットの構成を示す説明図である。
【図３】  実施例の変形例に係るシールユニットの構成を示す説明図である。
【図４】  実施例の変形例に係るシールユニットの構成を示す説明図である。
【図５】  実施例の変形例に係るシールユニットの構成を示す説明図である。
【符号の説明】
１・・・酸素センサ、  ２・・・検出素子、  ２ａ・・・内側電極、
２ｂ・・・外側電極、  ９・・・主体金具、  １３・・・外筒、
１４・・・シールユニット、  １５ａ・・・通気経路、
１６・・・押え部材、
１６ａ…通気窓、  １６ｂ・・・係止孔、    １７・・・シール部材、
１７ａ…開口部、  １７ｂ・・・通気溝、  １７ｃ・・・軸方向経路、
１７ｇ・・・水溜部、  ２０、・・・リード線、  ２３・・・端子金具、
４０・・・ヒータ端子部、  ４７・・・開口端部、  ５０・・・撥水性フィルタ
【図１】
0004402795.tif 000002
【図２】
0004402795.tif 000003
【図３】
0004402795.tif 000004
【図４】
0004402795.tif 000005
【図５】
0004402795.tif 000006