(57)【要約】【課題】  ガスセンサを構成するガスセンサ素子とハウジングとの気密性を確保することでセンサ出力の向上を図ることのできるガスセンサを提供する。【解決手段】  筒状のハウジング３と、該ハウジング３の一端に装着されるガス側カバー４と、ハウジング３の他端に装着される大気側カバー５と、ハウジング３およびガス側カバー４の内部に装着されるガスセンサ素子２と、から少なくとも形成されるガスセンサ１であり、ハウジング３の内壁面の一部とガスセンサ素子２の外周面の一部には、双方が螺合可能なねじ部２１，３１が成形されており、さらに、双方のねじ部２１，３１が螺合した際に、該ねじ部２１，３１よりも大気側においては、ハウジングの内壁面とガスセンサ素子の外周面との間に第一の隙間ａが形成されており、第一の隙間ａと、螺合した姿勢の双方のねじ部の間にある第二の隙間ｂには、鱗片状の無機粉末材料が加圧充填されている。【選択図】  図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
内燃機関の排気系統に取り付けられて、特定ガスの濃度を検出するガスセンサにおいて、該ガスセンサは、筒状のハウジングと、ハウジングの一端に装着されるガス側カバーと、ハウジングの他端に装着される大気側カバーと、ハウジングおよびガス側カバーの内部に装着されるガスセンサ素子と、から少なくとも形成されるガスセンサであって、
前記ハウジングの内壁面の一部と前記ガスセンサ素子の外周面の一部には、双方が螺合可能なねじ部が成形されており、さらに、双方のねじ部が螺合した際に、該ねじ部よりも大気側においては、ハウジングの内壁面とガスセンサ素子の外周面との間に第一の隙間が形成されており、該第一の隙間と、螺合した姿勢の双方のねじ部の間にある第二の隙間には、それぞれシール材が加圧充填されていることを特徴とするガスセンサ。
【請求項２】
前記シール材が、無機粉末材料からなることを特徴とする請求項１に記載のガスセンサ。
【請求項３】
前記無機粉末材料が、タルク、窒化ホウ素、グラファイトのいずれかの材料からなることを特徴とする請求項２に記載のガスセンサ。
【請求項４】
前記ハウジングに成形されたねじ部におけるガス側カバー側の一部、および／または前記ガスセンサ素子に成形されたねじ部におけるガス側カバー側の一部において、双方のねじ部が当接できるような突起が備えられており、該突起によって、加圧充填されたシール材が抜け出さないように形成されていることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載のガスセンサ。
【請求項５】
前記ガスセンサが、酸素センサであることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載のガスセンサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、内燃機関の排気系統に取り付けられて特定ガスの濃度を検出するガスセンサに係り、特にガスセンサを構成するガスセンサ素子とハウジングとの気密性を確保することでセンサ出力の向上を図ることのできるガスセンサに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
排気ガス中の酸素濃度を測定しながら、空燃比をフィードバック制御する装置は従来知られるところである。中でも、空燃比を理論空燃比付近に調整するとともに排気系統に三元触媒を設けることにより、有害な排気ガスであるＨＣやＣＯ、ＮＯＸを浄化する排気ガス浄化装置（浄化システム）は、近時の自動車において一般に搭載されている。
【０００３】
上記する酸素濃度の測定に際しては、ガスセンサ（酸素センサ）が使用されている。この酸素センサは、筒状のハウジングと、ハウジングの一端に装着されるガス側カバーと、ハウジングの他端に装着される大気側カバーと、ハウジングおよびガス側カバーの内部に装着されるガスセンサ素子とから概略構成されている。ガスセンサを排気系統に装着することにより、少なくともガス側カバーは排気系統内に配設され、ハウジングの一部から大気側カバーにかけての部分は排気系統外に配設される。ガスセンサ素子の一例としては、コップ型形状のガスセンサ素子があり、さらにはその内部にヒータが内臓された形態もある。排気系統からガス側カバー内に入ってきた被測定ガスにガスセンサ素子が曝されることにより、コップ型のガスセンサ素子の外周面と内壁面に設けられた電極間に電流が流れることになる。この酸素センサの出力電圧は理論空燃比を境に急変する性質をもっており、この電圧変動の中間付近に空燃費制御点が設定されていて、かかる空燃費制御点と比較して出力電圧が高いときは空燃比が理論空燃比よりも濃い（リッチ）と判定され、空燃比が薄くなるようにフィードバック制御される。
【０００４】
ところで、上記のガスセンサ（酸素センサ）においては、その大気側からガス側にかけての気密性の良否によって車両の燃費や有害ガスの放出量に大きな差異が生じてくる。例えば、大気側からガス側にかけて空気が流入している場合、本来理論空燃比付近にある排気ガスに流入空気が混合されて薄められた後の排気ガスをガスセンサが誤検知することとなり、フィードバック指令時にはより空燃比を濃くするための誤指令が送られることとなる。図６は、大気側からガス側にかけて空気が流入することにより、ガスセンサのセンサ出力がリーン側にずれた場合（グラフＸからグラフＹへずれた場合）の出力低下を示している。
【０００５】
上記の問題に対して、特許文献１においては、ガスセンサ素子とハウジングとの間の充填部に粉末シール材が充填されているガスセンサに関する発明が開示されている。この充填部に充填される粉末シール材としてはタルクが使用されており、かかるタルク粉末をかしめることにより、鱗片状粒子の層状構造が壊されることなく、粒子間の隙間が埋められることによって比重が高められ、ガスセンサ素子とハウジングとの間のシール性が確保されることになる。
【０００６】
【特許文献１】特開２００３−１１４２１０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
特許文献１のガスセンサによれば、ガスセンサ素子とハウジングとの間の一部に加圧充填された粉末シール材によって、ガスセンサの気密性を高めることができる。しかし、車両運行時などにおいてガスセンサに衝撃が作用した場合に、加圧充填された粉末シール材に外力が作用することによって粉末シール材内部に空気道が生じたり、あるいは粉末シール材とガスセンサ素子もしくはハウジングとの間に空気道が生じる可能性が極めて高く、かかる場合に気密性が大幅に低下するといった問題がある。
【０００８】
本発明は、上記する問題に鑑みてなされたものであり、常時はもとより、ガスセンサに外部からの衝撃が作用した場合においても高い気密性を確保することのできる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】
【０００９】
前記目的を達成すべく、本発明によるガスセンサは、内燃機関の排気系統に取り付けられて、特定ガスの濃度を検出するガスセンサにおいて、該ガスセンサは、筒状のハウジングと、ハウジングの一端に装着されるガス側カバーと、ハウジングの他端に装着される大気側カバーと、ハウジングおよびガス側カバーの内部に装着されるガスセンサ素子と、から少なくとも形成されるガスセンサであって、前記ハウジングの内壁面の一部と前記ガスセンサ素子の外周面の一部には、双方が螺合可能なねじ部が成形されており、さらに、双方のねじ部が螺合した際に、該ねじ部よりも大気側においては、ハウジングの内壁面とガスセンサ素子の外周面との間に第一の隙間が形成されており、該第一の隙間と、螺合した姿勢の双方のねじ部の間にある第二の隙間には、それぞれシール材が加圧充填されていることを特徴とする。
【００１０】
ガスセンサ素子としては、空燃比などを測定する素子や被測定ガス中のＨＣやＣＯ、ＮＯＸを測定する素子など適宜の素子が含まれる。
【００１１】
ハウジングの内壁面の一部とガスセンサ素子の外周面の一部には、それぞれねじ部が形成されており、双方が螺合可能に構成されている。ここでいう螺合とは、ねじ部の壁面同士が摺接しながら螺合されるものではなく、それぞれのねじ部の間にシール材が介在した姿勢でねじ部同士が螺合される構成である。例えば、ハウジングのねじ部にガスセンサ素子のねじ部を螺合するに際し、予めハウジングのねじ部の内壁面に一定量のシール材を付着させておき、この状態でガスセンサ素子のねじ部を螺合させる。したがって、双方のねじ部の間には一定量のシール材が介在するための隙間が形成されるようにハウジングおよびガスセンサ素子が成形されることを要する。このねじ部間に形成される隙間が第二の隙間である。この第二の隙間を縦断面的に見ると、この部分はねじ溝構造となっているために、相対的に細いジグザグ状の隙間内にシール材が充填されることになる。
【００１２】
一方、ハウジングの内壁面とガスセンサ素子の外周面との間のうち、隙間をもって螺合されたねじ部よりも大気側の部分においても隙間が形成されている。この隙間を第一の隙間とし、第一の隙間内に適宜のシール材を加圧充填することにより、ハウジングとガスセンサ素子との間の気密性を確保することができる。
【００１３】
第一の隙間内のシール材が加圧充填されることにより、かかるシール材のみならず、その下方のねじ部間に充填されている第二の隙間内のシール材も同時に加圧充填されることとなる。
【００１４】
本発明のガスセンサにおいては、第一の隙間内のシール材（従来の技術ではこのシール材のみ）に加えて、第二の隙間内のシール材によってもガスセンサの気密性が確保されていること、および第二の隙間が縦断面的にジグザグ状に形成されていることから、シール箇所の延長が長くなり、したがって空気（またはガス）のリーク経路長が極めて長くなることから、従来に比べて高い気密性を確保することが可能となる。さらに、ハウジングとガスセンサ素子とが双方のねじ部で螺合されているため、双方の接続が強固となり、外部からガスセンサに衝撃等が作用した場合でも、ガスセンサ素子とハウジングの気密性を保持することが可能となる。
【００１５】
また、本発明によるガスセンサの他の実施形態において、前記シール材が、無機粉末材料からなることを特徴とする。
【００１６】
無機粉末材料をシール材として使用することで、ガスセンサ素子とハウジングとの間の絶縁性を確保することができる。この無機粉末材料としては、特に限定するものではないが、鱗片状粒子の無機粉末材料であることが好ましい。鱗片状粒子が加圧充填されることにより、隣接する鱗片状粒子同士の間の微細な隙間は層状に長く延びることとなり、したがって気体のリーク経路長を長くすることができる。
【００１７】
また、本発明によるガスセンサの好ましい実施形態において、前記無機粉末材料が、タルク、窒化ホウ素、グラファイトのいずれかの材料からなることを特徴とする。
【００１８】
タルクや窒化ホウ素、グラファイトなどは、鱗片状の粒子形状を呈しており、本発明のシール材としては好適である。例えば窒化ホウ素を使用する場合においては、その撥水性能により、被測定ガス中の凝縮水を撥水することが可能となり、ガスセンサ素子表面の電極部の耐食性を向上させることができる。
【００１９】
また、本発明によるガスセンサの他の実施形態は、前記ハウジングに成形されたねじ部におけるガス側カバー側の一部、および／または前記ガスセンサ素子に成形されたねじ部におけるガス側カバー側の一部において、双方のねじ部が当接できるような突起が備えられており、該突起によって、加圧充填されたシール材が抜け出さないように形成されていることを特徴とする。
【００２０】
本発明では、ガスセンサ素子とハウジングの双方、またはどちらか一方のねじ部のガス側カバー側において、対向するねじ部側に突出する突起が設けられることにより、この突起が対向するねじ部の壁面もしくは対向する突起と当接することでストッパーが形成される。したがって、第二の隙間内に加圧充填されたシール材がこの隙間外へ抜け出すことを防止できるとともに、加圧充填時に無機粉末材料に導入された軸力の低下を防ぐことができるため、無機粉末材料同士の隙間が広がることなく気密性を確保することが可能となる。
【００２１】
また、本発明によるガスセンサの他の実施形態は、前記ガスセンサが、酸素センサであることを特徴とする。
【００２２】
構成部材であるガスセンサ素子を酸素センサ素子とすることにより、既述する構成の酸素センサを得ることができる。
【００２３】
特に、車両の内燃機関の排気系統においては、冷熱サイクルなどで気密性が低下しやすく、大気が酸素センサ内にリークすることによって招来される酸素センサの誤検知がこれまで問題となっていた。排ガスが低濃度雰囲気になるに従い、大気リークの影響がより一層大きなものとなっており、低濃度排ガス制御と高性能走行が主流となっている近時の車両生産に関わる企業にとっては、かかる酸素センサの気密性の向上は急務の課題である。したがって、気密性能に優れた本発明の酸素センサは、これからの車両にとって好適である。
【発明の効果】
【００２４】
以上の説明から理解できるように、本発明のガスセンサによれば、ガスセンサ素子とハウジングとが双方のねじ部にて螺合された構成となっているため、ガスセンサ素子とハウジングとの接続部の強度が増加するとともに、シール箇所（大気リーク経路）の延長も長く取ることが可能となり、したがって、常時はもとよりガスセンサに衝撃が作用するような場合においても十分な気密性を確保することができる。また、本発明のガスセンサによれば、鱗片状の無機粉末材料を加圧充填することに加えて、加圧充填時の軸力低下を防止できるため、当初の気密性を保持し続けることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２５】
以下、図面を参照して本発明の実施の形態を説明する。図１は、本発明の酸素センサの一実施形態を示した縦断図を、図２は、図１のＩＩ部分の拡大図を、図３は、図２のＩＩＩ部分の拡大図をそれぞれ示している。図４は、冷熱サイクルにおける従来の酸素センサと本発明の酸素センサとの気密性を比較した解析結果を示すグラフを、図５は、従来の酸素センサと本発明の酸素センサとのセンサ出力特性を比較したグラフをそれぞれ示している。なお、図示するガスセンサは酸素センサを、また、突起はハウジングのみに設けられた実施形態を示しているが、かかる実施形態に限定されるものでないことは勿論のことである。さらには、シール材としてタルクを使用しているが、その他の無機粉末材料であってもよい。
【００２６】
図１は、酸素センサの一実施形態を示している。酸素センサ１は、金属製で筒状のハウジング３と、該ハウジング３の一端に装着されるガス側カバー４、ハウジング３の他端に装着される大気側カバー５、およびハウジング３とガス側カバー４の内部に装着されるガスセンサ素子２とから大略構成される。ガス側カバー４は、内側カバー４１と外側カバー４２の二重構造となっており、双方のカバーには被測定ガス流入用のガス孔が穿設されている。
【００２７】
ガスセンサ素子２は、ジルコニアやチタニアなどの固体電解質をコップ型に成形してなり、その外側面と内側面には図示しない一対の電極が備えてある。
【００２８】
ガスセンサ素子２の外周面とハウジング３の内壁面との間には第一の隙間ａが形成されており、この隙間にタルク６が充填されている。タルク６の上部の隙間にはインシュレータなどの絶縁碍子７が遊嵌されており、ハウジング３の端部３４がかしめられることによって絶縁碍子７の一端がリング部材８を介して加圧される。
【００２９】
なお、図示しないが、ガスセンサ素子２の内部にヒータを内臓する実施形態であってもよい。
【００３０】
酸素センサ１は、ハウジング３のフランジ３３にて排気マニホールド９に係止固定され、ハウジング３の一部とガス側カバー４が排気マニホールド９内に配設される。
【００３１】
酸素センサ１における大気のリーク、もしくはガスのリークの発生箇所は、ガスセンサ素子２とハウジング３との接合箇所であるIＩ部分である。そこで、その拡大図である図２に基づきかかる接合箇所について説明する。
【００３２】
本発明の酸素センサ１においては、ガスセンサ素子２とハウジング３のそれぞれに、ねじ部２１，３１が成形される。双方のねじ部２１，３１の間には、双方が螺合された際に隙間（第二の隙間ｂ）が形成されるように、ガスセンサ素子２とハウジング３は予め成形されている。ガスセンサ素子２のねじ部２１の下方にはセラミックコーティングなどの電極保護層２２が備えてある。ハウジング３のねじ部３１とガスセンサ素子２のねじ部２１を螺合するに際し、予め一定量のタルク６をねじ部３１の表面に付着させておく。ねじ部２１，３１を螺合させることにより、ねじ部２１，３１の間にタルク６が介装された姿勢でハウジング３とガスセンサ素子２とが接続される。次に、ねじ部２１，３１の上方の隙間（第一の隙間ａ）内にタルク６を充填し、絶縁碍子７側からの加圧（軸力Ｎ）によってタルク６を加圧充填する。ここで、軸力Ｎの一部は、第二の隙間ｂ内のタルク６にも伝達されることとなり、第一の隙間ａおよび第二の隙間ｂの双方に収容されたすべてのタルク６が加圧状態となる。ハウジング３に設けられたねじ部３１の下方には突起３２が設けられており、突起３２の先端はガスセンサ素子２の外周面に当接した状態となっている。
【００３３】
第二の隙間ｂ内に加圧充填されたタルク６は、突起３２がストッパーとなることによって下方へ抜け出すことがない。さらには、この突起３２を反力受けとすることができ、したがって絶縁碍子７側から導入され、第一の隙間ａおよび第二の隙間ｂ内を充填しているタルク６を加圧している軸力Ｎの低減を防止することもできる。
【００３４】
図２に示すように、本発明の酸素センサ１においては、第二の隙間ｂ内にジグザグ形状のタルク６層が形成されるため、大気やガスのリーク経路の延長を長くとることができ、結果として気密性の向上につながる。また、ねじ溝形状としていることからガスセンサ素子２とハウジング３との接合箇所の強度も強く、したがって酸素センサ１に外部から衝撃が作用した場合でも、タルク６とガスセンサ素子２との間、およびタルク６とハウジング３との間に衝撃による空気道が生じる可能性を極めて低くすることができる。
【００３５】
次に、タルク６を構成する粒子の積層構造について図３に基づき説明する。
タルク６の粒子形状は鱗片状であるため、細長の各粒子６１，６１，…は、交互に積層された構造を呈する。充填された際には各粒子間の隙間は比較的大きなものであるが、各粒子が加圧されることにより、粒子間の隙間が極めて微細なものとなる。鱗片状の粒子であることから、粒子形状が略円形の場合に比べて粒子間の大気のリーク経路（矢印Ｘ）を長くすることが可能となる。
【００３６】
次に、本発明の酸素センサと従来の酸素センサにおいて、冷熱サイクルにおける気密性を比較した実験結果を図４に基づいて説明する。
【００３７】
本実験は、ガス側（排気マニホールド内）のガス圧を０．５Ｎ／ｍｍ２に設定した場合の大気側へのガスのリーク量を冷熱サイクル回数に応じて検証したものである。なお、大気側の圧力は０．１Ｎ／ｍｍ２である。
【００３８】
図４において、グラフＸは従来の酸素センサを、グラフＹは本発明の酸素センサを示している。図より、冷熱サイクル回数が４０００回程度の段階において、リーク量は従来の酸素センサの半分程度に低減することができる。また、４０００回を超えると、従来の酸素センサにおけるリーク量の増加の程度は急増することとなり、したがって本発明の酸素センサを使用する効果はさらに向上することとなる。
【００３９】
また、気密性能の向上により、酸素センサの有するセンサ出力特性も理論特性に極めて近似させることになる。例えば、図５に示すように、従来の酸素センサにおいては気密性が十分に確保できず、したがって出力が低下していた（グラフＸ）。ハウジングとガスセンサ素子との接続部にねじ部を設けるとともに鱗片状の無機粉末材料を双方の隙間に加圧充填してなる本発明の酸素センサによれば、十分な気密性を確保することができ、したがって理論的なセンサ出力特性（グラフＹ）に近づけることが可能となる。
【００４０】
以上、本発明の実施の形態を図面を用いて詳述してきたが、具体的な構成はこの実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲における設計変更等があっても、それらは本発明に含まれるものである。
【図面の簡単な説明】
【００４１】
【図１】本発明の酸素センサの一実施形態を示した縦断図。
【図２】図１のＩＩ部分の拡大図。
【図３】図２のＩＩＩ部分の拡大図
【図４】冷熱サイクルにおける従来の酸素センサと本発明の酸素センサとの気密性を比較した解析結果を示すグラフ。
【図５】従来の酸素センサと本発明の酸素センサとのセンサ出力特性を比較したグラフ。
【図６】従来のセンサ出力を示したグラフ。
【符号の説明】
【００４２】
１…酸素センサ（ガスセンサ）、２…ガスセンサ素子、３…ハウジング、４…ガス側カバー、５…大気側カバー、６…タルク（無機粉末材料）、７…絶縁碍子，９…排気マニホールド（排気系統）、２１，３１…ねじ部、３２…突起、ａ…第一の隙間，ｂ…第二の隙間
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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