传感器装置的制作方法

关联申请的相互参照

本申请基于2017年11月29日提出申请的专利申请第2017－229645号，在此引用其记载内容。

本公开涉及用于检测被测定气体中所含的特定成分的传感器装置。

背景技术：

在内燃机的废气通路中，设置有具备检测废气中的特定成分的传感器装置、过滤装置、催化装置等净化装置的废气净化系统。传感器装置例如是用于检测颗粒状物质(即，particulatematter；以下，适当称作pm)的pm传感器，配置于pm捕集用的过滤装置的下游位置，用于过滤器故障的判定。另外，在催化装置的上游或者下游位置配置氧传感器等废气传感器。

这种传感器装置一般具有收容于壳体内的传感器元件、以及包围从壳体突出的传感器元件的外周围的元件罩。传感器元件在被元件罩保护的前端部(突出侧的端部)具备检测部，检测取入元件罩内的废气中所含的特定成分。如专利文献1所记载的那样，元件罩通常构成为一重或者双重的容器状。

在专利文献1所记载的气体传感器中，元件罩例如具有位于双重罩的内侧的内罩与安装于其外周的外罩，废气从在外罩的基端外周部开口的气体流通孔经由两罩之间的空间，从内罩的中间外周部中的气体流通孔导入内部。内罩的前端面位于形成于外罩的前端面的气体流通孔内，与传感器元件接触的废气从形成于内罩的前端面的气体流通孔向外部流出。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：日本特开2016－090569号公报

技术实现要素：

在专利文献1所记载的以往的元件罩构成中，判明了在废气成为低流速的内燃机的运转条件下，元件罩内部的气体流速降低，传感器元件的检测灵敏度或者输出响应性变差。例如，在内燃机的启动时等，由于颗粒状物质容易被排出，因此期望pm传感器的检测灵敏度的提高，但若在元件罩内气体流动减速，则含有颗粒状物质的废气的流动难以到达检测部。另一方面，在启动时，废气通路内的冷凝水容易从前端面的气体流通孔侵入内部，若附着于传感器元件，则成为由浸水(日：被水)引起的元件破裂(以下，称作浸水破裂)的原因。

在专利文献1中，作为其他罩构成，记载有如下构成的元件罩：使位于双重罩的内侧的内罩的前端面向基端侧离开，在与位于外侧的外罩的前端面之间形成空间，并且使内罩的前端侧缩径。在该构成中，废气从在外罩的前端外周面开口的气体流通孔导入，在流过两个前端面间的空间之后，经由内罩的缩径部的外周的空间而朝向内罩的基端侧的气体流通孔。

在该构成中，由于内罩的前端面的气体流通孔不直接向外部开口，因此可抑制传感器元件的浸水。然而，判明了流入内罩的外周的空间的气流在与缩径部的台阶面之间形成较大的涡流而流速容易降低，特别是在低流速时，无法充分形成朝向内罩内的气体流动。因此，颗粒状物质难以到达内罩内的检测部，pm传感器的检测灵敏度降低，另外，在用于废气传感器的情况下，存在传感器输出的响应性降低的隐患。

本公开的目的在于提供一种传感器装置，在双重构造的元件罩内收容有传感器元件的构成中，抑制元件罩内的涡流的产生而提高朝向传感器元件的检测部的气体流速，并提高检测部中的特定成分的检测性能。

本公开的一方式在于一种传感器装置，具备：

传感器元件，具备检测被测定气体中的特定成分的检测部；

壳体，将上述传感器元件插通于内侧，并以上述检测部位于轴向的前端侧的方式进行保持；以及

元件罩，配设于上述壳体的前端侧，

上述元件罩具有内罩和外罩，该内罩以覆盖上述传感器元件的前端侧的方式配设，该外罩在上述内罩的外侧具有空间而配设，其中，在该传感器装置中，

上述内罩在侧面以及前端面分别设有供被测定气体流通的内侧面孔以及内前端面孔，

上述外罩在侧面设置供被测定气体流通的外侧面孔，并且上述外侧面孔的前端位置位于比上述内罩的前端位置靠前端侧的位置，并且

设于上述内罩的外侧面与上述外罩的内侧面之间的流路在上述内罩的上述前端面的外周侧，具有成为最大间隙的大间隙部，在比上述大间隙部靠基端侧的位置，具有成为最小间隙的小间隙部，并且具有将上述大间隙部与上述小间隙部无台阶地连接的流路形状。

在上述构成的传感器装置中，被测定气体从外罩的外侧面孔流入元件罩的内部，通过与内罩的前端面之间的空间，朝向位于气体流动的对置方向的外侧面孔，并且其一部分流入外罩与内罩的侧面间的流路。该流路通过形成为不具有台阶的形状来抑制因涡流的产生而导致的流速的降低，流路截面积从前端侧的大间隙部朝向基端侧的小间隙部而缩小，从而能够进一步提高流速。

因而，能够将提高了流速的被测定气体从内侧面孔朝向检测部导入，因此能够增大向检测部的供给流量，提高检测灵敏度或者输出响应性。另外，由于在外罩的前端面不需要气体流通孔，因此可抑制被测定气体直接流入内罩的内前端面孔，能够防止传感器元件的浸水破裂。

如上所述，根据上述方式，能够提供一种传感器装置，在双重构造的元件罩内收容有传感器元件的构成中，抑制元件罩内的涡流的产生而提高朝向传感器元件的检测部的气体流速，并提高检测部中的特定成分的检测性能。

附图说明

关于本公开的上述目的及其他目的、特征、优点，通过参照添附的附图和下述的详细记述而更加明确。其附图为，

图1是实施方式1中的pm传感器的主要部分放大剖面图，

图2是实施方式1中的pm传感器的传感器元件的整体立体图，

图3是表示实施方式1中的pm传感器的概略构成的轴向剖面图，

图4是表示包括实施方式1中的pm传感器的废气净化系统的概略构成例的图，

图5是用于说明实施方式1中的pm传感器的元件罩内的气体流动的主要部分放大剖面图，

图6是将实施方式1中的由元件罩的外侧面孔的配置而产生的气体流动(a)的效果与变更了外侧面孔的配置的情况下的气体流动(b)进行比较而示出的元件罩的主要部分放大剖面图，

图7是示意地表示对实施方式1中的元件罩的内部的气体流动进行cae分析而得的结果的pm传感器的主要部分放大剖面图，

图8是示意地表示对以往的元件罩的内部的气体流动进行cae分析而得的结果的pm传感器的主要部分放大剖面图，

图9是用于说明实施方式1中的元件罩的间隙比d1/d2的pm传感器的主要部分放大剖面图，

图10是表示评价试验中的间隙比d1/d2与输出上升时间的关系的图，

图11是用于说明实施方式1中的传感器元件的检测原理的检测部的概略构成图以及表示流速与检测时间的关系的图，

图12是将实施方式1中的间隙比设为d1/d2＝2.5或者d1/d2＝1.7时的元件罩的形状进行比较而示出的pm传感器的主要部分放大剖面图，

图13是实施方式2中的pm传感器的主要部分放大剖面图，

图14是实施方式2中的pm传感器的传感器元件的整体立体图，

图15是实施方式3中的pm传感器的主要部分放大剖面图。

具体实施方式

(实施方式1)

以下，参照附图对传感器装置的实施方式进行说明。如图1～图3所示，本方式中的传感器装置是用于检测颗粒状物质的pm传感器s，例如应用于图4所示的内燃机e的废气净化装置。在图1中，pm传感器s具备：具备检测部21的传感器元件2；将传感器元件2插通于内侧，并以检测部21位于轴向x的前端侧的方式进行保持的壳体h；以及配设于壳体h的前端侧的元件罩1。

内燃机e例如是汽车用柴油发动机或者汽油发动机，传感器元件2的检测部21检测作为被测定气体的废气中所含的作为特定成分的颗粒状物质。另外，pm传感器s将图3、图4的上下方向设为轴向x，将下端侧设为前端侧，将上端侧设为基端侧。

在图1中，元件罩1具有：在与pm传感器s同轴的传感器元件2的轴向x上，以覆盖其前端侧的方式配设的内罩11；以及在内罩11的外侧具有空间而配设的外罩12。内罩11在侧面111以及前端面112分别设有供被测定气体流通的内侧面孔11a以及内前端面孔11b。另外，外罩12在侧面121设置有供被测定气体流通的外侧面孔12a，并且外侧面孔12a的前端位置位于比内罩11的前端位置靠前端侧的位置。

元件罩1的设于内罩11的外侧面与外罩12的内侧面之间的流路3在内罩11的前端面112的外周侧，具有成为最大间隙的大间隙部31。另外，在比大间隙部31靠基端侧的位置，具有成为最小间隙的小间隙部32，并且具有将大间隙部31与小间隙部32无台阶地连接的流路形状。

关于元件罩1的详细构成，之后进行叙述。

如图3所示，pm传感器s在筒状的壳体h内同轴地收容传感器元件2，通过以覆盖壳体h的前端开口h1的方式安装的元件罩1保护从前端开口h1突出的传感器元件2的检测部21。pm传感器s通过设于壳体h的外周的螺纹部件h2，例如螺纹固定于图4所示的内燃机e的废气管壁，前端侧突出位于废气通路ex内。

在图4中，在废气通路ex的中途设置有柴油颗粒过滤器(以下，称作dpf)10，pm传感器s配置于dpf10的下游侧，检测通过dpf10后的废气g中所含的颗粒状物质(即，图中所示的pm)。由此，检测穿过dpf10的颗粒状物质，例如能够构成dpf10的异常诊断系统的一部分。在dpf10的下游位置，废气g的流动方向为与pm传感器s的轴向x正交的方向。

如图2所示，传感器元件2是具有层叠构造的层叠型元件，在立方体形状的绝缘性基体22的前端面具有露出电极23、24的检测部21。绝缘性基体22例如通过对在成为绝缘性基体22的多个绝缘性片之间交替地配设成为电极23、24的电极膜而成的层叠体进行烧制而形成。此时，在绝缘性基体22中至少埋设有一部分的电极23、24的端缘部在绝缘性基体22的前端面呈线状露出，构成包括极性交替不同的线状电极的多个电极对。在绝缘性基体22的内部配置有与电极23、24连接的引线部23a、24a，与形成于绝缘性基体22的基端侧的表面的端子电极25、26连接。

绝缘性基体22例如能够使用氧化铝等绝缘性陶瓷材料而构成。另外，电极23、24、引线部23a、24a、端子电极25、26例如能够使用贵金属等导电性材料而构成。

在图1、图3中，元件罩1为壳体h侧开口的双重容器状，并包括同轴配置的内罩11与外罩12。外罩12具有：由大致一定直径的筒状体构成的侧面121；以及封闭筒状体的前端面122，内罩11具有：在与外罩12之间具有空间而配置的筒状体构成的侧面111；以及封闭筒状体的前端面112。内罩11的基端部成为与外罩12的基端部紧密接触的扩径部，一体地固定于壳体h的前端部。

成为内罩11的侧面111的筒状体具有：与前端面112连续，并朝向基端侧扩径的锥状的第一筒部113；以及从第一筒部113向基端侧连续的大致一定直径的第二筒部114。第一筒部113是具有一定的锥度的锥面，在前端侧的端部，在与外罩12之间形成大间隙部31。第二筒部114在与外罩12之间形成小间隙部32。

大间隙部31是与轴向x正交的方向上的间隙、即内罩11的外侧面与外罩12的内侧面的距离成为最大间隙的部分。在面向第一筒部113的流路3中，越是从前端侧的大间隙部31朝向基端侧，间隙越小。

小间隙部32是与轴向x正交的方向上的间隙、即内罩11的外侧面与外罩12的内侧面的距离成为最小间隙的部分。在面向第二筒部114的流路3中，从前端侧到基端侧间隙一定，成为最小间隙的小间隙部32。

在内罩11中，在成为基端侧的侧面111的第二筒部114的轴向x的中间部设置多个内侧面孔11a。在前端面112上，在中央部设置一个内前端面孔11b。内侧面孔11a以及内前端面孔11b例如是圆形的贯通孔，内侧面孔11a的数量、配置未被特别限定，但优选在周向的整体均等配置。

另外，在外罩12中，在前端面122的附近的侧面121设置多个外侧面孔12a。外侧面孔12a例如形成为比内前端面孔11b大的直径。外侧面孔12a是向内罩11的前端面112与外罩12的前端面122之间的空间开口的圆形贯通孔，优选在周向的整体上均等配置。这样，通过在侧面的整周上设置外侧面孔12a、内侧面孔11a，成为不具有针对气体流动的指向性的构成，提高了组装性。

在前端面122上，在不与内前端面孔11b对置的外周部设置多个排水孔13。排水孔13是用于将元件罩1内的冷凝水向外部排出的小孔，相对于废气主要流通的外侧面孔12a足够小。

此时，如图5所示，废气g从pm传感器s的侧方朝向元件罩1流动，并导入在外罩12的侧面121开口的外侧面孔12a。由于外侧面孔12a位于比内罩11的前端位置靠前端侧的位置，因此在元件罩1内，废气g以足够的流速原样地流过内罩11的前端面112与外罩12的前端面122之间的空间，并朝向位于对置方向的外侧面孔12a(例如参照图5中的虚线箭头)。

另外，废气g的一部分在流动方向的下游侧的大间隙部31中，向基端侧改变方向，而流入内罩11的侧面111与外罩12的侧面121之间的流路3(例如参照图5中的粗线箭头)。

由于流路3的小间隙部32中的流路面积比流入侧的大间隙部31的流路面积窄，因此由于文丘里效应，废气g一边提高流速，一边朝向向小间隙部32开口的内侧面孔11a。另外，由于内罩11为比形成小间隙部32的第二筒部114靠前端侧的第一筒部113朝向前端侧缩径的锥状，并成为在从大间隙部31到小间隙部32之间，流路面积逐渐变窄的形状，因此废气g沿着内罩11的侧面111而流动，难以产生涡流。

因而，通过涡流的抑制效果，废气g的流速进一步提高，以足够的流速从内侧面孔11a流入内罩11的内部。然后，以足够的流速原样地到达位于基端侧内侧的传感器元件2的前端面的检测部21。通过这样的废气g的流动，向检测部21的每单位时间的供给流量增加，因此可缩短在dpf10故障时等检测颗粒状物质所需的时间，能够提高传感器元件2的检测灵敏度。

之后，废气g朝向在内罩11的前端面112开口的内前端面孔11b(例如参照图1中的粗线箭头)。此时，如上述那样，在内罩11的前端面112与外罩12的前端面122之间的空间中，由于废气g具有足够的流速，因此在内前端面孔11b的附近产生负压。

即，在图6左图中(a)所示的本方式的构成中，通过由负压带来的吸出效果，形成从内前端面孔11b向外罩12内流出的气流。另外，为了参考，如图6右图中(b)所示，在外侧面孔12a位于比内罩11的前端面112靠基端侧的位置的构成中，废气g通过内罩11的侧面111的周围，流束不通过内前端面孔11b的下方，因此不产生负压。

这里，由于在外罩12的前端面122、特别是与内前端面孔11b对置的位置未形成有成为气体流通孔的孔，因此废气g的流动方向成为与轴向x正交的方向。由于内前端面孔11b不在废气g的流动方向上开口，并且，通过上述吸出效果，形成从内前端面孔11b向废气g合流的方向的气流，因此可抑制流入外罩12内的废气g从内前端面孔11b直接流入内罩11内。

因而，即使在废气g中含有冷凝水的情况下、在外罩12的内侧附着有冷凝水的情况下，冷凝水与废气g一同侵入内罩11内并到达传感器元件2的隐患也较小。由此，能够抑制传感器元件2因浸水而产生破裂的不良情况。

如在图7中示意地示出中低流速时的气体流动那样，在采用了本方式的构成的情况下，可抑制流路3中的涡流的产生。即，流入外罩12的废气g向对置方向流动，并且在从外侧面孔12a流出的跟前，一部分顺畅地流入大间隙部31，不易产生涡流。该流动沿着流路3上升，在基端侧的小间隙部32的附近流速增加而向内侧面孔11a流入，朝向传感器元件2的前端面。另外，形成有从内前端面孔11b流出并与流过两个前端面112、122间的空间的废气g合流的气流。

与此相对，如图8中比较示出的那样，在将内罩11的前端侧半部形成为一定的小径部115、并在与大径的基端侧半部116之间设有锥状的台阶面117的构成中，流入外罩12的废气g容易在前端侧半部的外周空间4形成较大的涡流。即，废气g在从外侧面孔12a流出的跟前，虽然流入外周空间4，但被台阶面117遮挡而形成涡流，难以提高流速。其结果，若无法以足够的流速流入内侧面孔11a而到达传感器元件2的前端面，则检测部21的检测灵敏度降低。

另外，图7、图8是基于低流速(例如10m/s)下的cae(即，computeraidedengineering：计算机辅助工程)的分析结果，示意地示出元件罩1内的气体流动的图。

这样，根据本方式的构成，即使在低流速时，也不会使pm传感器s的检测灵敏度降低，能够维持良好的检测性能。

(试验例)

接下来，根据图9～图12，对为了调查基于流路3的形状的效果而进行的评价试验及其结果进行说明。如图9所示，准备了如下元件罩1：在将大间隙部31中的间隙(即，最大间隙)设为d1、将小间隙部32中的间隙(即，最小间隙)设为d2时，使它们的比率即间隙比d1/d2在1.5～20的范围内变更。分别将具备这些元件罩1的pm传感器s安装于pm模型气体导入台(gasbench)，导入规定的pm浓度的模型气体，对传感器元件2的检测部21中的输出的上升时间进行了评价。关于试验条件，设为如下，在图10中示出了评价结果。

评价台：pm模型气体导入台

气体流速：10m/s

pm浓度：6mg/m³

如图11的左图所示，传感器元件2在评价试验之前，在进行检测部21的再生而将表面的pm加热去除之后，对电极23、24间施加规定的捕集用电压，开始静电捕集。输出的上升时间是指，在绝缘性基体22的表面，颗粒状物质被静电力捕集而电极23、24间导通，检测部21的输出超过预先设定的阈值的时间。如图11的右图所示，pm传感器s的检测特性与流速相关，在流速的增加的同时检测时间(即，上升时间)缩短，但若超过某一流速，则检测灵敏度成为大致一定。认为这是因为，由于流速变快，到达检测部21的附近的颗粒状物质也增加，但在一定以上的流速下，难以停留在检测部21的附近，难以进一步增加捕集量。

如图10所示，关于使d1/d2在1.5～20的范围内变更了的情况，也伴随着d1/d2的增加而输出的上升时间急剧减少，在d1/d2＝2.45以上的范围内，收敛于大致一定值(即，图中饱和状态(saturation)所示的范围)。具体而言，在设为d1/d2＝1.7的构成(例如参照图12的右图)中，上升时间减少至450秒左右。而且，在设为d1/d2＝2.45的构成(例如参照图12的左图)中，低于400秒，与设为d1/d2＝1.5的构成相比，输出的上升时间减少了100秒左右。在d1/d2＝8下，上升时间减少至350秒左右，并成为大致一定。

因而，优选使用间隙比d1/d2为2.45以上的元件罩1，能够大幅提高检测灵敏度。更优选在间隙比d1/d2大于2.45的范围内适当进行选择。

(实施方式2)

根据图13、图14，对作为传感器装置的pm传感器s的实施方式2进行说明。在上述实施方式1中，采用了在传感器元件2的前端面设有检测部21的构成，但如图13所示，也可以是在传感器元件2的侧面具有检测部21的构成。除了传感器元件2以外的pm传感器s的构成与上述实施方式1相同，因此省略说明，以下，以不同点为中心进行说明。

另外，在实施方式2以后使用的附图标记中，只要没有特别说明，则与已说明的实施方式中使用的附图标记相同的标记，表示与已说明的实施方式中的构成要素相同的构成要素等。

在图14中，传感器元件2是具有层叠构造的层叠型元件，在立方体形状的绝缘性基体22的前端侧的一侧面，具有露出电极23、24的检测部21。电极23、24经由引线部23a、24a而与端子电极25、26连接的构成与上述实施方式相同。

在图13中，传感器元件2配置为，具有检测部21的侧面朝向使废气g向内罩11的内侧流入的内侧面孔11a。此时，优选的是，在将检测部21向侧方的内罩11的侧面111投影时，其投影面的至少一部分在轴向x上与内侧面孔11a具有重叠边缘(overlappingmargins)5。换言之，在将检测部21的轴向的两端位置向侧面111投影时，内侧面孔11a的至少一部分可以位于其两端间。

由此，从内侧面孔11a流入内罩11内的废气g不会扩散，而容易直接到达位于对置的位置的检测部21。因而，即使在低流速时，也不会使pm传感器s的检测灵敏度降低，能够维持良好的检测性能。

另外，内罩11的第一筒部113只要是从前端侧的大间隙部31朝向基端侧的小间隙部32逐渐缩径的形状即可，也可以不一定整体为锥状。这里，例如成为在大间隙部31的前端部具有大致一定直径的筒部113a的形状。

在这样的构成中，也可获得如下效果：使向流路3流入并朝向小间隙部32的废气g的流速提高，抑制涡流。另外，由于能够容易地设定成为最大间隙的大间隙部31的间隙d1，因此可容易形成具有规定的间隙比d1/d2的流路3，获得所希望的效果。

(实施方式3)

根据图15，对作为传感器装置的pm传感器s的实施方式3进行说明。

如上述那样，内罩11的形状只要为流路3的间隙逐渐缩小且不具有台阶面的形状即可。在图15中，内罩11包括：大致一定直径的第二筒部114；以及设于其前端侧的第一筒部113。第一筒部113包括：整体形成为大致锥状，从基端侧朝向前端侧缩径的锥状的筒面113c；以及连接筒面113c与内罩11的前端面112的曲面状的前端筒部113b。

内罩11以外的pm传感器s的构成与上述各实施方式相同，因此省略说明。

当采用这样的构成时，内罩11的前端面112与侧面111通过前端筒部113b平滑地连接，因此流入元件罩1内的废气能够从前端面112沿着前端筒部113b以及筒面113c顺畅地流入流路3。因而，提高了抑制流速的降低并提高检测灵敏度这一效果。

或者，在内罩11中，构成第一筒部113的锥面无需为一定的锥度，例如也能够形成为锥度不同的多个锥面沿轴向x连接而成的形状。

这样，可获得提高废气g的流速的效果，只要在不对气体流动产生较大影响的范围内，就能够适当变更形成流路3的内罩11或者外罩12的形状。

在上述各实施方式中，例示具有层叠型的传感器元件2的pm传感器s而进行了说明，但传感器元件2也可以是电极23、24印刷形成于成为检测部21的表面的印刷型元件。在该情况下，电极23、24在成型为平板状的绝缘性基体22的表面印刷形成为梳齿状，同样地经由印刷形成于绝缘性基体22的表面的引线部23a、24a与端子电极25、26连接。

另外，在上述各实施方式中，主要对作为传感器装置的pm传感器s进行了说明，但传感器装置并不局限于pm传感器s，也可以是检测废气g中所含的特定气体成分的气体传感器。具体而言，可列举检测废气g中的氧的氧传感器、检测空燃比的空燃比传感器、检测nox的nox传感器等废气传感器。在这些气体传感器中使用的传感器元件2，能够采用公知的构成，例如能够采用在杯型或者层叠型元件的前端侧具备具有检测用的电极的检测部21的构成。

在该情况下，也与上述各实施方式相同，能够以检测部21成为轴向x的前端侧的方式插通保持于壳体h的内侧，并由元件罩1保护其外侧。而且，将导入元件罩1的内侧的废气g引导至内罩11与外罩12之间的流路3，在从大间隙部31到小间隙部32的期间，能够提高流速并向检测部21引导，提高传感器元件2的检测部21中的输出的响应性。

因而，即使在废气g成为低流速的运转条件下，也能够实现显示良好的检测性能的气体传感器。而且，通过基于气体传感器的检测结果，掌握内燃机的状态并控制废气净化系统，能够提高废气净化性能。

本公开并不限定于上述各实施方式，在不脱离其主旨的范围内，能够应用于各种实施方式。

例如，在上述各实施方式中，对传感器装置应用于汽车用发动机的废气净化系统的情况进行了说明，但内燃机并不局限于汽车用，能够将来自各种装置的废气作为被测定气体。另外，被测定气体并不局限于来自内燃机的废气，能够应用于用于检测各种气体中所含的特定成分的传感器装置。