气体传感器以及气体传感器安装结构的制作方法

1.本发明涉及具备一层保护件的气体传感器以及气体传感器安装结构。


背景技术：

2.以往，已知有一种气体传感器，其将传感器元件保持于筒状的主体金属壳体，并且利用一层或者双层的保护件对暴露于排气的传感器元件的前端侧进行保护。在该保护件上设置有气体导入孔，但要求耐湿水性，即抑制混入于排气的冷凝水到达传感器元件，还要求响应性，即迅速地向传感器元件的检测部导入排气。
3.因此，开发了通过将保护件设为一层来提高响应性的技术(专利文献1)。在该技术中，将传感器元件保持于筒状的绝缘体的内侧，并且在设置于绝缘体前端的气体导入口配置多孔质过滤器。由此，使飞到气体导入口的冷凝水被多孔质过滤器捕获，抑制传感器元件的湿水。
4.现有技术文献
5.专利文献
6.专利文献1：日本特开2017－67734号公报(图1)


技术实现要素：

7.发明要解决的问题
8.然而，在上述技术的情况下，传感器元件被收纳于绝缘体的内部，而且经由多孔质过滤器来进行排气向传感器元件的流通，因此即使将保护件设为一层，也存在响应性降低的倾向。
9.本发明是鉴于上述现状而完成的，其目的在于提供能够使用一层保护件来同时提高耐湿水性和响应性的气体传感器以及气体传感器安装结构。
10.用于解决问题的方案
11.本发明的一种气体传感器，其特征在于，具有：传感器元件，其沿轴线方向延伸，在前端侧形成有检测被检测气体的检测部；主体金属壳体，其为筒状，在径向上包围所述传感器元件的周围来保持所述传感器元件；以及保护件，其为一层筒状，被固定于所述主体金属壳体的前端侧的周围，并且包围所述传感器元件的所述前端侧，所述保护件具有气体导入孔以及配置于比所述气体导入孔靠前端侧的位置的气体排出孔，所述主体金属壳体具有：固定部，其自身的外表面直接或间接地固定于供所述被检测气体流动的配管；以及工具卡合部，其为位于该固定部的后端侧用于安装所述气体传感器的直径比所述固定部的直径大的工具卡合部，所述气体导入孔与所述气体排出孔在所述轴线方向上的距离l1比所述工具卡合部与所述气体导入孔在所述轴线方向上的距离l2大，所述传感器元件的前端位于比所述气体导入孔靠前端侧的位置。
12.根据该气体传感器，在使气体传感器的前端侧面向配管的内部，固定部被固定于配管，并且工具卡合部的前端朝向面与配管的外表面接触来安装的情况下，易于使保护件
中的比l2相对长的l1的部位(气体传感器的前端侧)向配管的内部突出。
13.其结果为，使位于气体传感器的前端侧的气体排出孔向配管的被检测气体的流速最高的中心靠近，能够利用负压将保护件内的被检测气体从气体排出孔向外部可靠地吸引，因此响应性提高。
14.另外，通过设为l2＜l1，从而易于将气体导入孔配置于配管的径向外侧。由此，抑制气体导入孔直接暴露于配管内部的流速较高的被检测气体，进而抑制被检测气体所包含的水滴也从气体导入孔向保护件内直接浸入，耐湿水性提高。
15.另外，与被检测气体的流速最高且成为负压的气体排出孔附近相比，位于配管的外侧的气体导入孔的压力变高，气体排出孔与气体导入孔之间的压力差变大。因此，保护件内的气体置换被进一步促进，响应性进一步提高。
16.对于本发明的气体传感器，也可以是，所述保护件的所述距离l1处的最大内径da为所述距离l1的1/2以下。
17.根据该气体传感器，保护件中的比气体导入孔靠前端的l1的部位沿轴线方向变为细长。因此，气体排出孔附近的压力由于文丘理效应而进一步变为负压，保护件内的气体被进一步从气体排出孔向外部吸引，因此响应性进一步提高。
18.对于本发明的气体传感器，也可以是，所述气体排出孔的合计的开口面积s1为所述保护件的底部的面积s2的50％以下。
19.根据该气体传感器，气体排出孔附近的压力进一步变为负压，保护件内的气体被进一步从气体排出孔向外部吸引，因此响应性进一步提高。
20.本发明的一种气体传感器安装结构，其特征在于，具有：气体传感器；以及供被检测气体流动的配管，将所述气体传感器安装于所述配管而形成所述气体传感器安装结构，所述气体传感器是技术方案1～3中任一项所述的气体传感器，在使所述气体传感器的前端侧从所述配管的安装孔面向所述配管的内部，所述固定部直接或间接地固定于所述配管，并且所述工具卡合部的前端朝向面直接或间接地接触于所述配管的外表面来安装的状态下，所述气体导入孔配置为比所述安装孔的假想内表面靠径向外侧的位置，所述气体排出孔配置于所述配管的内侧。
21.根据该气体传感器安装结构，由于使气体传感器的前端侧从配管的安装孔面向配管的内部，固定部被固定于配管，并且工具卡合部的前端朝向面与配管的外表面接触来安装，因此易于使保护件中的比l2相对长的l1的部位(气体传感器的前端侧)向配管的内部突出。
22.其结果为，使位于气体传感器的前端侧的气体排出孔向配管的被检测气体的流速最高的中心靠近，能够利用负压将保护件内的被检测气体从气体排出孔更可靠地向外部吸引，因此响应性提高。
23.另外，通过设为l2＜l1，从而易于将气体导入孔配置于比安装孔的假想内表面靠径向外侧的位置。由此，抑制气体导入孔直接暴露于配管内部的流速较高的被检测气体，进而抑制被检测气体所包含的水滴也从气体导入孔向保护件内直接浸入，耐湿水性提高。
24.另外，与被检测气体的流速最高且成为负压的气体排出孔附近相比，位于比配管的假想内表面靠外侧的位置的气体导入孔的压力变高，气体排出孔与气体导入孔之间的压力差变大。因此，保护件内的气体置换被进一步促进，响应性进一步提高。
25.发明的效果
26.根据本发明，能够得到能够使用一层保护件来同时提高耐湿水性和响应性的气体传感器以及气体传感器安装结构。
附图说明
27.图1是本发明的实施方式的气体传感器的剖视图。
28.图2是将气体传感器安装于配管的气体传感器安装结构的剖视图。
29.图3是从前端侧朝向后端侧观察保护件时的俯视图。
具体实施方式
30.基于图1～图3对本发明的实施方式进行详细说明。图1是本发明的实施方式的气体传感器1的剖视图，图2是将气体传感器1安装于配管100的气体传感器安装结构200的剖视图，图3是从前端侧朝向后端侧观察保护件51时的俯视图。
31.在图1中，气体传感器(全区域空燃比气体传感器)1具备传感器元件21、具有沿轴线o方向贯通并供传感器元件21插通的贯通孔32的保持件(陶瓷保持件)30、在径向上包围陶瓷保持件30的周围的主体金属壳体11以及保护件51。
32.传感器元件21中的形成有检测部22的前端侧比陶瓷保持件30以及主体金属壳体11向前端突出。像这样穿过贯通孔32的传感器元件21借助由绝缘材料构成的套筒43、环形垫圈45在前后方向上对配置于陶瓷保持件30的后端面侧(图示上侧)的密封件(在本例中为滑石)41进行压缩，从而传感器元件21在前后方向上保持气密地固定于主体金属壳体11的内侧。
33.此外，传感器元件21的后端侧29比套筒43以及主体金属壳体11向后方突出，在形成于该后端侧29的各电极端子24压接并电连接有端子金属件75，该端子金属件75设置于通过密封件85向外部被拉出的各引线71的前端。另外，传感器元件21的包含该电极端子24的后端侧29被外筒81覆盖。以下，进行更详细的说明。
34.传感器元件21沿轴线o方向延伸，并且呈带板状(板状)，在朝向测定对象的前端侧(图示下侧)具备由检测用电极等(未图示)构成来检测被检测气体中的特定气体成分的检测部22。传感器元件21的横截面在前后方向上呈一定大小的长方形(矩形)，形成为以陶瓷(固体电解质等)为主体的细长的结构。该传感器元件21本身与以往公知的元件相同，在固体电解质(构件)的前端侧配置有构成检测部22的一对检测用电极，在与其相连的后端侧暴露形成有用于连接引线71的电极端子24，该引线71用于检测用输出的取出。
35.另外，在本例中，在传感器元件21中的以层叠状形成于固体电解质(构件)的陶瓷材料的前端侧内部设置有加热器(未图示)，在后端侧暴露形成有电极端子24，该电极端子24用于连接向该加热器施加电压用的引线71。此外，这些电极端子24形成为纵长矩形，例如在传感器元件21的后端侧29，在带板的宽幅面(两面)横向排列有三个或两个电极端子，该内容未图示。
36.此外，在传感器元件21的检测部22覆盖有由氧化铝或尖晶石等构成的多孔质的保护层23。另外，在传感器元件21设置有与检测部22连通而将被检测气体向检测部22导入的元件导入孔25，在元件导入孔25配置有未图示的多孔质的扩散电阻层。
37.主体金属壳体11呈在前后方向上同心异径的筒状，在前端侧具有小径且用于外嵌并固定后述的保护件51的圆筒状的圆环状部(以下，也称为圆筒部)12，在其后方(图示上方)的外周面设置有直径比圆环状部12的直径大的螺纹(固定部)13，且该螺纹13形成向发动机的排气管固定用的外螺纹。而且，在螺纹13的后方具备多边形的工具卡合部14，该工具卡合部14为用于通过该螺纹13来拧入传感器1的直径大的工具卡合部。另外，在该工具卡合部14的后方连设有用于外嵌并焊接保护筒(外筒)81的圆筒部15，该保护筒(外筒)81覆盖气体传感器1的后方，在该圆筒部15的后方具备外径比该圆筒部15小且薄壁的压紧用圆筒部16。
38.此外，工具卡合部14的直径比螺纹13大，在工具卡合部14的前端朝向面14a与螺纹13的后端侧之间形成有台阶部。
39.此外，该压紧用圆筒部16由于已被压紧所以在图1中向内侧弯曲。此外，在工具卡合部14的下表面安装有拧入时的密封用的垫片19。
40.另一方面，主体金属壳体11具有沿轴线o方向贯通的内孔18。内孔18的内周面具有随着从后端侧朝向前端侧去而向径向内侧变细的锥状的台阶部17。
41.在主体金属壳体11的内侧配置有由绝缘性陶瓷(例如氧化铝)构成且形成为大致短圆筒状的陶瓷保持件30。陶瓷保持件30具有形成为随着朝向前端去而变细的锥状的前端朝向面30a。并且，前端朝向面30a的靠外周的部位卡定于台阶部17，并且陶瓷保持件30被密封件41从后端侧按压，从而陶瓷保持件30在主体金属壳体11内被定位且间隙嵌合于主体金属壳体11。
42.另一方面，贯通孔32设置于陶瓷保持件30的中心，并且形成为与传感器元件21的横截面大致相同的尺寸的矩形的开口，以供传感器元件21大致无间隙地穿过。
43.传感器元件21穿过陶瓷保持件30的贯通孔32，使传感器元件21的前端21a比陶瓷保持件30以及主体金属壳体11的前端12a向前方突出。
44.另一方面，传感器元件21的前端部被一层有底圆筒状的保护件(保护罩)51覆盖。保护件51的后端外嵌并焊接于主体金属壳体11的圆筒部12。另外，在保护部51的靠后端的部位形成有沿着径向(与轴线o方向垂直的方向)的台阶部51d，保护部51的前端侧的直径比台阶部51d的直径小。
45.并且，在台阶部51d开口有气体导入孔56。如图3所示，在本例中，在台阶部51d的周向上等间隔地设置有多个(12个)气体导入孔56。
46.此外，气体导入孔56的周缘中，通过保护部51内侧的周缘的平面56e的垂线与径向形成角度(不与径向平行)，且气体导入孔56中的靠保护部51内侧的周缘位于最后端侧(换言之，气体导入孔56中的靠保护部51的内侧的周缘比靠保护部51的外侧的周缘位于后端侧)时，被检测气体中的水滴难以从气体导入孔56向保护部51内侵入，因此优选。
47.另一方面，在保护件51的前端的底部51a中央设置有气体排出孔53(在本例中为一个)。气体排出孔53配置于比气体导入孔56靠前端侧的位置，通过在安装有气体传感器1的配管中流动的被检测气体的流动，保护件51内的气体从气体排出孔53向外部被吸出，由于其负压，被检测气体从气体导入孔56向保护件51内导入。
48.此外，在图1的例子中，保护件51的前端的底部51a中央以平行的两条切缝向后端侧切起而形成罩51f，气体排出孔53朝向径向地形成于保护件51的底部51a与罩51f之间的
间隙。在该情况下，在沿轴线o方向从前端侧观察保护件51时，无法直接看到气体排出孔53，因此能够抑制冷凝水等水滴从气体排出孔53向保护件51内部侵入。
49.另外，如图1所示，各端子金属件75利用其弹性压接并电连接于在传感器元件21的后端侧29形成的各电极端子24，该各端子金属件75设置于通过密封件85而被拉出到外部的各引线71的前端。并且，在本例的气体传感器1中，包含该压接部的各端子金属件75以分别相对配置的方式设置于各收容部内，该各收容部在配置于外筒81内的绝缘性的隔板91内设置。此外，经由被铆接固定于外筒81内的保持构件82限制隔板91向径向以及前端侧的移动。并且，通过将该外筒81的前端部外嵌并焊接于主体金属壳体11的后端侧的圆筒部15，气体传感器1的后方被覆盖为气密状。
50.此外，引线71通过配置于外筒81的后端部的内侧的密封件(例如橡胶)85而向外部被拉出，对其小径筒部83进行缩径铆接来压缩该密封件85，从而保持该部位的气密性。
51.顺便说一下，在外筒81的比轴线o方向的中央稍靠后端侧的位置形成有前端侧为大径的台阶部81d，该台阶部81d的内表面以向前方按压隔板91的后端的方式支承隔板91。另一方面，隔板91的形成于其外周的凸缘93被支承于保持构件82上，该保持构件82被固定于外筒81的内侧，利用台阶部81d和保持构件82在轴线o方向上保持隔板91。
52.接着，对本发明的特征部分进行说明。
53.如图1所示，在本实施方式中，气体导入孔56与气体排出孔53在轴线o方向上的距离l1大于工具卡合部14与气体导入孔56在轴线o方向上的距离l2，传感器元件21的前端21a位于比气体导入孔56靠前端侧的位置。
54.这样，如图2所示，在使气体传感器1的前端侧从供被检测气体g流动的配管100(排气管等)的安装孔100h面向配管100的内部，将螺纹13直接或间接地固定于配管100，并且使工具卡合部14的前端朝向面14a直接或间接地与配管100的外表面100e接触来安装的情况下，易于使保护件51中的比l2相对长的l1的部位(气体传感器1的前端侧)向配管100的内部突出。
55.其结果为，能够使位于气体传感器的前端侧的气体排出孔53接近配管100的被检测气体g的流速最高的中心，利用负压将保护件51内的被检测气体g从气体排出孔53向外部可靠地吸引，因此响应性提高。
56.另外，通过设为l2＜l1，易于将气体导入孔56配置于比安装孔100h的假想内表面100a2靠径向外侧的位置。由此，抑制气体导入孔56直接暴露于配管100内部的流速较高的被检测气体g，进而抑制被检测气体g所包含的水滴也从气体导入孔56向保护部51内直接浸入，湿水性提高。
57.另外，与被检测气体g的流速最高且成为负压的气体排出孔53附近相比，位于比配管100的假想内表面100a2靠外侧的位置的气体导入孔56的压力变高，气体排出孔53与气体导入孔56之间的压力差变大。因此，如图2的被检测气体g的流动(箭头)所示，易于将保护件51内的被检测气体g从气体排出孔53进一步向外部吸引，并且易于在比假想内表面100a2靠外侧的位置从气体导入孔56将气体向保护件51内导入，保护件51内的气体置换被进一步促进，响应性进一步提高。
58.与此相对，在l2≥l1的情况下，工具卡合部14与气体导入孔56的距离l2相对过长。其结果为，即使使工具卡合部14从配管100的安装孔100h向径向外侧远离，也会使气体导入
孔56本身进入安装孔100h的内部(比假想内表面100a2靠径向内侧)，气体导入孔56直接暴露于配管100内部的流速较高的被检测气体g中，耐湿水性降低。
59.另外，在l2≥l1的情况下，保护件51的l1的部位(气体传感器的前端侧)相对变短，难以从安装孔100h向配管100的更内部突出。其结果为，难以使气体排出孔53靠近配管100的中心，难以将气体排出孔53维持为负压，响应性降低。
60.此外，l1是气体导入孔56与气体排出孔53在轴线o方向上的距离，表示气体导入孔56的前端与气体排出孔53的后端之间的距离。
61.同样地，l2是工具卡合部14与气体导入孔56在轴线o方向上的距离，表示工具卡合部14的前端朝向面14a与气体导入孔56的后端之间的距离。
62.另外，在存在多个气体导入孔56和多个气体排出孔53的情况下，l1表示多个气体导入孔56中的最前端的气体导入孔与多个气体排出孔53中的最后端的气体排出孔之间的距离。同样地，l2表示工具卡合部14的前端朝向面14a与多个气体导入孔56中的最前端的气体导入孔之间的距离。
63.另外，传感器元件21的前端21a需要位于比气体导入孔56靠前端侧的位置的理由如下。即，从气体导入孔56导入的被检测气体g在保护件51内部朝向前端侧。因此，通过使传感器元件21的前端21a位于比气体导入孔56靠前端侧的位置，从而易于使该被检测气体g可靠地与传感器元件21的(位于前端21a附近的)检测部22接触，检测精度提高。
64.在此，“螺钉13直接或间接地固定于配管100”是指，在本例中，以包围配管100的安装孔100h的方式在配管100外侧固定有筒状的缸筒102，在该缸筒102的内表面的配管侧固定部(例如，内螺纹)螺纹固定主体金属壳体11侧的固定部(外螺纹13)来固定气体传感器1。将这样的状态设为螺纹13“间接地”固定于配管100的状态。
65.另一方面，例如在不使用缸筒102而使配管100的安装孔100h附近向径向外侧一体地突出或者配管100自身的厚度较厚的情况下，螺纹13“直接”固定于配管100的内表面的配管侧固定部(例如，内螺纹)。
66.同样地，“工具卡合部14的前端朝向面14a直接或间接地与配管100的外表面100e接触来安装”是指，在本例中在螺钉13固定于缸筒102的状态下，工具卡合部14的前端朝向面14a与缸筒102的外表面(后端朝向面)接触的状态。此外，具体而言，通过将扳手等工具卡挂于工具卡合部14来将主体金属壳体11侧的螺纹(外螺纹)13拧入缸筒102内表面的内螺纹，从而使工具卡合部14的前端朝向面14a经由垫片19与缸筒102外表面抵接。将这样的状态设为工具卡合部14的前端朝向面14a“间接地”接触于配管100的外表面100e地安装。
67.另一方面，在如上述那样不使用缸筒102而使配管100的安装孔100h附近向径向外侧一体地突出或者配管100自身的厚度较厚的情况下，在螺纹13固定于配管100自身的状态下，设为工具卡合部14的前端朝向面14a经由垫片19“直接”接触于配管100的外表面100e地安装。
68.另外，安装孔100h的“假想内表面100a2”是指在沿着图2所示的配管100的径向的截面中，在安装孔100h的位置外插配管100的内表面100a的轮廓而得到的内表面。该外插例如能够是标记配管100的内表面100a上的多个点而形成通过该点的近似曲线。
69.比假想内表面100a2靠径向内侧能够视为供被检测气体g流通的配管100的内部。另一方面，能够将比假想内表面100a2靠径向外侧视为配管100的外部，认为几乎没有被检
测气体g的流动。
70.当距离l1时的保护件的最大内径da为距离l1的1/2以下时，保护件51中比气体导入孔56靠前端的l1的部位在轴线o方向上变为细长。因此，气体排出孔53附近的压力由于文丘里效应而进一步成为负压，保护件51内的气体被从气体排出孔53进一步向外部吸引，因此响应性进一步提高。
71.另外，如图3所示，当气体排出孔53的合计的开口面积s1为保护件51的底部51a的面积s2的50％以下时，气体排出孔53附近的压力进一步成为负压，保护件51内的气体被从气体排出孔53进一步向外部吸引，因此响应性进一步提高。
72.此外，为了可靠地降低气体排出孔53附近的压力，优选气体排出孔53位于保护件51的最前端，即设置于底部51a。
73.本发明的气体传感器只要不脱离本发明的主旨，就能够适当地对其构造、结构进行设计变更而具体化。
74.例如，在上述实施方式中，保护件51的台阶部51d沿着径向(平行地)形成，通过设置于台阶部51d的气体导入孔56的保护件51内侧的周缘的平面的垂线与径向垂直，但是保护件51的台阶部也可以形成为相对于径向具有角度。
75.因此，优选为从径向的外侧观察气体导入孔时观察不到保护部的内部。但是，即使保护件51的台阶部51d3形成为随着朝向径向内侧去而向前端侧下降的锥状，只要是从径向的外侧观察气体导入孔56时观察不到保护件51的内部的构成即可。
76.另外，作为传感器元件，并不限定于测定氧的浓度的元件，也可以使用测定氮氧化物(nox)或烃(hc)等的浓度的元件。
77.作为传感器元件，也可以使用筒型的传感器元件。
78.气体导入孔或气体排出孔的形状或个数也没有限定，例如可以是椭圆形。工具卡合部的形状也不限定于上述形状。
79.附图标记说明
80.1、气体传感器；11、主体金属壳体；13、固定部(外螺纹)；14、工具卡合部；14a、工具卡合部的前端朝向面；21、传感器元件；21a、传感器元件的前端；22、检测部；51、保护件；53、气体排出孔；56、气体导入孔；100、配管；100a2、假想内表面；100e、配管的外表面；100h、安装孔；o、轴线；g、被检测气体。