(57)【要約】【課題】シール部材を圧縮する際の荷重によるインシュレータの鍔部の破損を防止しつつ、小径化することができるガスセンサを提供すること。【解決手段】ガスセンサ１は、センサ素子１０、インシュレータ２０、ハウジング３０及びシール部材４０を備える。インシュレータ２０はセンサ素子１０を内部２０ａに保持するように筒状に形成され、外周面２０ｂに凸状に形成された鍔部２１を有している。ハウジング３０はセンサ素子１０とインシュレータ２０とを内部に保持し、内側壁面３０ａに鍔部２１が支承される環状突出部３１を有している。シール部材４０は鍔部２１とハウジング３０とインシュレータ２０とで囲まれた空間４０ａに充填されて圧縮されている。鍔部２１の軸方向Ｙの長さをＴ、鍔部２１の径方向Ｘの突出長さをＷ、鍔部２１の外径をＤとしたとき、Ｗ／（π×Ｄ×Ｔ２／６）の値が０．０６以下である。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
軸方向（Ｙ）に延びる棒状に形成され、先端側（Ｙ１）に被測定ガスに曝されて被測定ガス中の特定ガスを検出する検出部（１１）と、基端側（Ｙ２）に該検出部（１１）の検出結果に応じた出力信号を出力する出力部（１２）とを備えたセンサ素子（１０）と、
該センサ素子（１０）を内部に保持するように筒状に形成されるとともに、外周面（２０ｂ）に凸状に突出形成された鍔部（２１）を有する絶縁体からなるインシュレータ（２０）と、
上記センサ素子（１０）と上記インシュレータ（２０）とを内部に保持するとともに、上記鍔部（２１）を支承するように内側壁面（３０ａ）に環状に突出形成された環状突出部（３１）を有する筒状のハウジング（３０）と、
上記鍔部（２１）の基端側面（２１ｂ）と、上記ハウジング（３０）の内側壁面（３０ａ）と、上記インシュレータ（２０）の外周面（２０ｂ）とで囲まれた空間（４０ａ）に充填されるとともに圧縮されて上記インシュレータ（２０）と上記ハウジング（３０）との間をシールするシール部材（４０）と、
を備えるガスセンサ（１）において、
上記鍔部（２１）の軸方向（Ｙ）の長さをＴ、上記鍔部（２１）の径方向（Ｘ）の突出長さをＷ、上記鍔部（２１）の外径をＤとしたとき、Ｗ／（π×Ｄ×Ｔ２／６）で示される単位荷重あたりの応力値が０．０６以下であることを特徴とするガスセンサ（１）。
【請求項２】
上記Ｗ／（π×Ｄ×Ｔ２／６）の値が０．０４以下であることを特徴とする請求項１に記載のガスセンサ（１）。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ガスセンサに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、自動車等の内燃機関の空燃比制御のために、排気ガス中の特定ガスを検出するガスセンサが用いられている。このようなガスセンサとして、例えば、特許文献１には、特定ガスを検出する検出部を備えるセンサ素子と、該センサ素子を保持するインシュレータと、内部にインシュレータを保持するように形成された略筒状のハウジングとを備えている。インシュレータの外周面には鍔部が突出形成されており、ハウジングの内壁には環状の内側突出部が突出形成されている。ハウジングの内側突出部の内壁の径は、インシュレータの鍔部の外径よりも小さくなっている。そして、インシュレータがハウジングに挿通されて当該鍔部が当該内側突出部に支承されている。インシュレータとハウジングとの間にはシール部材としてのタルクが充填されて圧縮されることによりシールされている。これにより、インシュレータとハウジングとの間から排気ガスが漏えいすることが防止されている。そして、シール部材を圧縮する際にはインシュレータの鍔部が当該圧縮による荷重を受けることとなる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００５−３２６３９５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
当該ガスセンサは自動車等の内部の限られたスペースに設けられることから、設置場所の自由度を高めるためにガスセンサの小径化が求められている。しかしながら、当該ガスセンサ全体を単に小径化すると以下のような問題がある。すなわち、インシュレータの小径化によってインシュレータの鍔部が小さくなることにより、シール部材を圧縮する際の荷重によって生じる鍔部内部の応力が過度に高まって当該鍔部が破損するおそれがある。したがって、当該鍔部の破損を防止しつつ、ガスセンサ全体を小径化するには改善の余地がある。
【０００５】
本発明は、かかる背景に鑑みてなされたもので、シール部材を圧縮する際の荷重によるインシュレータの鍔部の破損を防止しつつ、小径化することができるガスセンサを提供しようとするものである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の一態様は、軸方向に延びる棒状に形成され、先端側に被測定ガスに曝されて被測定ガス中の特定ガスを検出する検出部と、基端側に該検出部の検出結果に応じた出力信号を出力する出力部とを備えたセンサ素子と、
該センサ素子を内部に保持するように筒状に形成されるとともに、外周面に凸状に突出形成された鍔部を有する筒状の絶縁体からなるインシュレータと、
上記センサ素子と上記インシュレータとを内部に保持するとともに、上記鍔部を支承するように内側壁面に環状に突出形成された環状突出部を有する筒状のハウジングと、
上記鍔部の基端側面と、上記ハウジングの内側壁面と、上記インシュレータの外周面とで囲まれた空間に充填されるとともに圧縮されて上記インシュレータと上記ハウジングとの間をシールするシール部材と、
を備えるガスセンサにおいて、
上記鍔部の軸方向の長さをＴ、上記鍔部の径方向の突出長さをＷ、上記鍔部の外径をＤとしたとき、Ｗ／（π×Ｄ×Ｔ２／６）で示される単位荷重あたりの応力値が０．０６以下であることを特徴とするガスセンサにある。
【発明の効果】
【０００７】
上記ガスセンサにおいては、上記Ｗ／（π×Ｄ×Ｔ２／６）の値が０．０６以下となっている。これにより、上記ガスセンサを小径化しても、鍔部の軸方向の長さＴ（すなわち、鍔部の厚さ）が十分確保されることから、シール部材の圧縮の際に生じる鍔部内の応力によってインシュレータの鍔部が破損することが防止される。
【０００８】
以上のごとく、本発明によれば、シール部材を圧縮する際の荷重によるインシュレータの鍔部の破損を防止しつつ、小径化することができるガスセンサを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】実施例１における、ガスセンサの断面図。
【図２】図１における一部拡大図。
【図３】実施例１における、鍔部の厚さと鍔部における単位荷重あたりの応力値との関係を示すグラフ。
【図４】実施例１における、鍔部の幅と鍔部における単位荷重あたりの応力値との関係を示すグラフ。
【図５】実施例１における、鍔部の外径と鍔部における単位荷重あたりの応力値との関係を示すグラフ。
【図６】実施例１における、破損試験の方法を説明する模式図。
【図７】実施例２における、ガスセンサの断面図。
【図８】実施例３における、ガスセンサの断面図。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
本発明のガスセンサは、例えば、自動車などの内燃機関の空燃比制御に使用することができる。
【実施例】
【００１１】
（実施例１）
本例の実施例に係るガスセンサにつき、図１〜図６を用いて説明する。
本例のガスセンサ１は、センサ素子１０、インシュレータ２０、ハウジング３０及びシール部材４０を備える。
センサ素子１０は、軸方向Ｙに延びる棒状に形成され、先端側Ｙ１に被測定ガスに曝されて被測定ガス中の特定ガスを検出する検出部１１と、基端側Ｙ２に該検出部１１の検出結果に応じた出力信号を出力する出力部１２とを備えている。
インシュレータ２０は、センサ素子１０を内部２０ａに保持するように筒状に形成されているとともに、その外周面２０ｂに凸状に突出形成された鍔部２１を有する絶縁体からなっている。
ハウジング３０は筒状であって、センサ素子１０とインシュレータ２０とを内部に保持している。そして、内側壁面３０ａに鍔部２１が支承されるように環状に突出形成された環状突出部３１を有している。
シール部材４０は、鍔部２１の基端側面２１ｂと、ハウジング３０の内側壁面３０ａと、インシュレータ２０の外周面２０ｂとで囲まれた空間４０ａに充填されるとともに圧縮されてインシュレータ２０とハウジング３０との間をシールしている。
そして、図２に示すように、鍔部２１の軸方向Ｙの長さ（以下「厚さ」ともいう）をＴ、鍔部２１の径方向Ｘの突出長さ（以下「幅」ともいう）をＷ、鍔部２１の外径をＤとしたとき、Ｗ／（π×Ｄ×Ｔ２／６）で示される単位荷重あたりの応力値が０．０６以下となっている。
なお、センサ素子１０の軸方向をＹとし、軸方向Ｙに垂直な方向、すなわちインシュレータ２０の径方向をＸとする。
【００１２】
以下、本例のガスセンサ１について、詳述する。
ガスセンサ１は自動車等における内燃機関の排気系に取付けられて、内燃機関の空燃比制御に利用されるものである。図１に示すごとく、ガスセンサ１はインシュレータ２０を内部に収納するハウジング３０を備える。ハウジング３０の先端側Ｙ１には外側カバー５１、内側カバー５２よりなる二重構造の被測定ガス側カバー５０が設けられている。被測定ガス側カバー５０には被測定ガスが導入される被測定ガス導入穴５０１が設けられている。被測定ガス導入穴５０１から被測定ガス側カバー５０の内側に被測定ガスが導入されることにより、内側カバー５２の内部に被測定ガス側雰囲気５３が形成されている。
【００１３】
また、ハウジング３０の基端側Ｙ２には大気側カバー５４が設けてある。大気側カバー５４の基端側Ｙ２の外周面には図示しない大気導入穴が備えられている。また、大気導入穴には撥水フィルタが設けられており、大気導入穴から当該撥水フィルタを介して大気が大気側カバー５４内に流入されるように構成されており、大気側カバー５４の内部に大気側雰囲気５５が形成されている。
【００１４】
図１、図２に示すごとく、ハウジング３０の内側壁面３０ａに形成された環状突出部３１は内側壁面３０ａの軸方向Ｙにおける略中央において、全周方向に形成されている。
そして、環状突出部３１がインシュレータ２０の外周面２０ｂに形成された鍔部２１を支承するように構成されている。なお、インシュレータ２０はアルミナセラミックにより構成されている。
【００１５】
シール部材４０は粉末状のタルクからなる。シール部材４０としてのタルクは、図２に示すように、鍔部２１において基端側Ｙ２に面した基端側面２１ｂと、ハウジング３０の内側壁面３０ａと、インシュレータ２０の外周面２０ｂとによって囲まれた空間４０ａに充填されて圧縮されている。シール部材４０はインシュレータ２０の全周方向に設けられており、インシュレータ２０とハウジング３０との間をシールしている。
【００１６】
シール部材４０を圧縮する際、図２に示すように、鍔部２１に対して、軸方向Ｙにおける先端側Ｙ１方向の荷重Ｐがかかる。荷重Ｐにより鍔部２１に生じる応力は以下のように表すことができる。まず、荷重Ｐに対して角柱の片持ち梁に生じる応力σ'は、力点までの距離Ｗ'、角柱の厚さをＴ'、長さをＬ'としたときに式（１）のように表すことができる。
σ'＝Ｐ×Ｗ'（Ｌ'×Ｔ'２／６）  ・・・  式（１）
【００１７】
そして、本例では、荷重Ｐを受ける鍔部２１は軸方向Ｙから見て、ドーナツ状となっている。そのため、距離Ｗ'は鍔部２１の幅Ｗ（鍔部２１の径方向Ｘの突出長さ、すなわち、インシュレータ２０の外周面２０ｂから鍔部２１の外周面２１ａまでの径方向Ｘにおける距離）とし、厚さＴ'を鍔部２１の軸方向Ｙの長さＴとすることができ、長さＬ'は鍔部２１の円周長さＬとして近似できる。ここで鍔部２１の外径をＤとすると、Ｌは２×π×（Ｄ／２）である。したがって、荷重Ｐにより鍔部２１に生じる応力σは式（２）のように表すことができ、単位荷重あたりの応力値は式（３）のように表すことができる。
σ＝Ｐ×Ｗ／（π×Ｄ×Ｔ２／６）  …  式（２）
Ｗ／（π×Ｄ×Ｔ２／６）  …  式（３）
【００１８】
本例では、鍔部２１の幅Ｗは２．４５ｍｍ、鍔部２１の外径Ｄは１４．７５ｍｍ、軸方向Ｙの長さＴは２．３ｍｍである。この場合、単位荷重あたりの応力Ｗ／（π×Ｄ×Ｔ２／６）の値は、０．０６である。
【００１９】
次に、本例のガスセンサ１における作用効果について、詳述する。
ガスセンサ１においては、上記Ｗ／（π×Ｄ×Ｔ２／６）の値が０．０６以下となっている。これにより、ガスセンサ１を小径化しても、鍔部２１の軸方向Ｙの長さＴ（すなわち、鍔部２１の厚さ）が十分確保されることから、シール部材４０を圧縮する際に生じる鍔部２１内の応力によって当該鍔部２１が破損することが防止される。
【００２０】
以上のごとく、本例によれば、シール部材４０を圧縮する際の荷重によるインシュレータ２０の鍔部２１の破損を防止しつつ、小径化することができるガスセンサ１を提供することができる。
【００２１】
次に、鍔部２１の軸方向Ｙの長さ（厚さ）ＴとＷ／（π×Ｄ×Ｔ２／６）の値との関係を図３に示す。なお、鍔部２１の外径Ｄは１４．７５ｍｍ、幅Ｗは２．４５ｍｍである。図３に示すように、鍔部２１の軸方向Ｙの長さＴが大きくなるにつれて、Ｗ／（π×Ｄ×Ｔ２／６）の値は小さくなっている。そして、かかる条件下において、Ｔが２．３ｍｍのとき、Ｗ／（π×Ｄ×Ｔ２／６）の値は０．０６であり、Ｔが２．８ｍｍのとき、Ｗ／（π×Ｄ×Ｔ２／６）の値は０．０４である。
【００２２】
次に、鍔部２１の幅ＷとＷ／（π×Ｄ×Ｔ２／６）の値との関係を図４に示す。なお、鍔部２１の外径Ｄは１４．７５ｍｍ、厚さＴは２．８ｍｍである。図４に示すように、鍔部２１の幅Ｗが大きくなるにつれて、Ｗ／（π×Ｄ×Ｔ２／６）の値は大きくなっている。そして、かかる条件下において、Ｗが２．４５ｍｍのとき、Ｗ／（π×Ｄ×Ｔ２／６）の値は０．０４である。
【００２３】
次に、鍔部２１の外径ＤとＷ／（π×Ｄ×Ｔ２／６）の値との関係を図５に示す。なお、鍔部の幅Ｗは２．４５ｍｍ、厚さＴは２．８ｍｍである。図５に示すように、鍔部２１の外径Ｄが大きくなるにつれて、Ｗ／（π×Ｄ×Ｔ２／６）の値は小さくなっている。そして、かかる条件下において、Ｄが１４．７５ｍｍのとき、Ｗ／（π×Ｄ×Ｔ２／６）の値は０．０４である。
【００２４】
（破損試験）
次に、表１に示すインシュレータ２０の試料１、及び試料２について破損試験を行い、インシュレータの品質評価を行った。
【表１】
2016001105.tif 000003
【００２５】
破損試験は、次のように行った。図６に示すように、まず、試料１又は試料２を下側治具１０１に載置した。下側治具１０１は筒状を成しており、軸方向Ｙにおける基端側Ｙ２の端部１０１ａに鍔部２１を支承させた。次いで、上側治具１０２をインシュレータ２０の基端側Ｙ２の端部にあてがって、アムスラー式圧縮試験機を用いて軸方向Ｙにおける先端側Ｙ１に所定量の荷重Ｐを付与した。その後、染色浸透探傷検査（いわゆるレッドチェック）により、インシュレータ２０における亀裂の発生の有無を調べた。亀裂が発生していたものを破損と判断した。各試料１、２のサンプル数は２０個とし、荷重Ｐを３０ｋＮから６０ｋＮまで５ｋＮずつ増加させ、破損したサンプル数を累積的に集計した。その結果を表２に示した。
【００２６】
【表２】
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【００２７】
表２に示すように、試料１はすべてのサンプルにおいて４５ｋＮまで破損しなかった。また、試料２はすべてのサンプルにおいて３５ｋＮまで破損しなかった。通常、シール部材４０の圧縮工程では最大で３５ｋＮの荷重が鍔部２１に付与される。したがって、試料２の試験結果から、上記Ｗ／（π×Ｄ×Ｔ２／６）の値が０．０６以下であれば、シール部材４０の圧縮工程において、鍔部２１の破損を防止することができることが示された。さらに、量産性（例えば、破損確率３σ、なお、ここでのσは標準偏差を示す）を考慮すると、より大きい荷重Ｐが付与された場合においても破損しないことが好ましいことに鑑みれば、試料１の試験結果から、上記Ｗ／（π×Ｄ×Ｔ２／６）の値が０．０４以下であることが好ましいことが示された。この場合には、一層信頼性の高いガスセンサを提供することができる。
【００２８】
（実施例２）
本例のガスセンサ１は、実施例１における鍔部２１（図１、図２）に替えて、図７に示す鍔部２１０を備える。また、ハウジング３０（図１）に替えて、図７に示すハウジング３００とフレアナット３５０を備える。その他の構成要素は実施例１の場合と同様であり、本例においても実施例１の場合と同一の符号を用いてその説明を省略する。
【００２９】
鍔部２１０は、その外径Ｄが１１．１ｍｍ、幅Ｗが１．７５ｍｍ、軸方向Ｙの長さＴが７．８５ｍｍである。そして、Ｗ／（π×Ｄ×Ｔ２／６）の値が０．００５であって、０．０６以下の値となっている。そのため、本例においても、ガスセンサ１を小径化しても、鍔部２１０の厚さＴが十分確保されることから、シール部材４０の圧縮の際に生じる鍔部２１０内の応力によって当該鍔部２１０が破損することが防止される。また、本例のガスセンサ１では、実施例１の場合に比べて、外径Ｄが小さくなっているが、鍔部２１０の軸方向Ｙの長さ（鍔部２１０の厚さ）Ｔが大きいため、インシュレータ２０の破損を防止する効果が一層高い。
【００３０】
また、ハウジング３００は円筒状に形成されており、その外側にフレアナット３５０が螺合されている。上記の如く鍔部２１０の外径Ｄを小さくすることにより、ハウジング３００の肉厚とフレアナット３５０の肉厚を確保しやすくなる。その結果、インシュレータ２０の破損を防止しつつ、フレアナット３５０を備えたガスセンサ１を提供することができる。なお、フレアナット３５０を備えることにより、当該ガスセンサ１は、周方向における設置方向を容易に調整することができるため、設置自由度が一層向上する。
【００３１】
（実施例３）
本例のガスセンサは、実施例２における鍔部２１０（図７）に替えて、図８に示すように鍔部２２０を備える。鍔部２２０は、その外径Ｄが１１．１ｍｍ、幅Ｗが１．７５ｍｍ、厚さが３．０ｍｍ、Ｗ／（π×Ｄ×Ｔ２／６）の値が０．０３４となっている。なお、実施例１、２の場合と同等の構成要素には、同一の符号を付してその説明を省略する。
【００３２】
本例では、鍔部２２０の軸方向Ｙの長さＴが３．０ｍｍであって、実施例２の場合に比べて、鍔部２２０が薄くなっている。しかし、本例においても、Ｗ／（π×Ｄ×Ｔ２／６）の値が０．０６以下の値となっている。そのため、本例においても、ガスセンサ１を小径化しても、鍔部２２０の軸方向Ｙの長さ（鍔部２２０の厚さ）Ｔが十分確保されている。これにより、シール部材４０の圧縮の際に生じる鍔部２２０内の応力によって当該鍔部２２０が破損することが防止される。さらに、実施例２に比べて、鍔部２２０が薄いことから、インシュレータ２０を小型に形成することができ、ガスセンサ１全体の小型化に寄与する。なお、実施例２と同等の作用効果を奏する。
【符号の説明】
【００３３】
１  ガスセンサ
１０  センサ素子
２０  インシュレータ
２０ｂ  外周面
２１、２１０、２２０  鍔部
２１ｂ  基端側面
３０、３００  ハウジング
３０ａ  内側壁面
３１  環状突出部
４０  シール部材
４０ａ  空間部
【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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【図７】
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【図８】
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