(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
筒状のケーシングと、該ケーシングに設けられ内側電極と外側電極との間で酸素濃度を検出する酸素濃度検出素子と、前記ケーシング内に軸方向に伸長して設けられ軸方向の一側が該酸素濃度検出素子に挿入されて該酸素濃度検出素子を加熱する棒状のヒータとを備えた酸素センサにおいて、
前記ケーシングは、軸方向の一側に被測ガスを導入する導入口が設けられた有底の筒状体として形成され内周側に前記酸素濃度検出素子が配置される素子ケースと、該素子ケースの軸方向他側に取付けられて前記ヒータの軸方向他側を収容するキャップとから構成し、
前記素子ケースは、軸方向の一側から前記酸素濃度検出素子を覆い前記導入口が形成された有底筒状のプロテクタ部と、該プロテクタ部の他側に位置して該プロテクタ部よりも大径な筒状に形成され、内周側が前記酸素濃度検出素子を取囲むと共に外周側に前記キャップが嵌合されるキャップ嵌合部とを一体に形成する構成としたことを特徴とする酸素センサ。
【請求項２】
前記ケーシングの素子ケースと前記酸素濃度検出素子との間には、前記酸素濃度検出素子のうち前記内側電極が配置される内面側と前記外側電極が配置される外面側との間を気密にシールするシール部材を設けてなる請求項１に記載の酸素センサ。
【請求項３】
前記ケーシング内には、前記キャップ側に位置して内周側に前記ヒータの他端側が挿通される絶縁筒体を設け、該絶縁筒体と前記キャップとの間には、該絶縁筒体を介して前記酸素濃度検出素子を素子ケースに押付ける付勢部材を設けてなる請求項１または２に記載の酸素センサ。
【請求項４】
前記ケーシングの素子ケース内には、該素子ケースと酸素濃度検出素子との間に位置して該酸素濃度検出素子の内面側と外面側との間を気密にシールするシール部材を設け、前記ケーシング内には、前記キャップ側に位置して内周側に前記ヒータの他端側が挿通される絶縁筒体を設け、該絶縁筒体と前記キャップとの間には、該絶縁筒体を介して前記酸素濃度検出素子とシール部材とを前記素子ケースに押付ける付勢部材を設けてなる請求項１に記載の酸素センサ。
【請求項５】
前記キャップには、径方向外向きに突出したフランジと、前記キャップを車体側のセンサ取付部位に取付けるために該フランジに係合する取付部材とを設けてなる請求項１，２，３または４に記載の酸素センサ。
【請求項６】
前記取付部材は前記キャップの外周側に挿嵌されるナット部材からなり、該ナット部材は前記キャップのフランジと係合した状態で前記車体側のセンサ取付部位に螺着する構成としてなる請求項５に記載の酸素センサ。
【請求項７】
前記酸素濃度検出素子は、軸方向の一側に位置して有底筒状に形成され内面，外面に前記内側電極，外側電極が設けられた検出筒部と、該検出筒部の軸方向他側に位置して該検出筒部よりも大径に形成された大径筒部とによって構成し、
前記素子ケースを構成する前記プロテクタ部とキャップ嵌合部との間には、前記酸素濃度検出素子の大径筒部が当接する当接段部を形成する構成とし、
前記キャップは、軸方向の一側が前記素子ケースのキャップ嵌合部の外周側に嵌合され他側に前記酸素濃度検出素子と接続される信号線を引出すための引出口が設けられた筒状体により構成してなる請求項１，２，３，４，５または６に記載の酸素センサ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、例えば自動車等の排気ガス中の酸素濃度を検出するのに用いて好適な酸素センサに関する。
【０００２】
【従来の技術】
一般に、自動車用エンジン等に用いられる酸素センサとしては、筒状のケーシングと、該ケーシングに設けられ内側電極と外側電極との間で酸素濃度を検出する有底筒状のジルコニアチューブと、前記ケーシング内に軸方向に伸長して設けられ軸方向の一側が該酸素濃度検出素子に挿入されて該酸素濃度検出素子を加熱する棒状のヒータとを備えたものが知られている（例えば、特開平１１−１９０７１５号公報等）。
【０００３】
この種の従来技術による酸素センサは、ケーシングの軸方向一側が段付き筒状の素子ホルダによって構成され、その内周側にはジルコニアチューブが挿嵌されている。また、素子ホルダの外周側には、例えばエンジンの排気管等に螺着されるおねじ部が設けられている。そして、素子ホルダは、そのおねじ部が排気管に螺着されることによって排気管に取付けられ、ジルコニアチューブを素子ホルダの一端側から排気管内に突出させた状態に保持するものである。
【０００４】
また、ジルコニアチューブは、例えばセラミックス材料等の脆い部材により形成されているため、素子ホルダの一端側には、ジルコニアチューブを排気ガス中の異物等から保護するプロテクタが取付けられている。そして、プロテクタは、例えば耐熱性の金属材料等によって有底筒状に形成され、ジルコニアチューブの突出端側を覆っている。
【０００５】
また、素子ホルダの他端側には、例えばかしめ固定、溶接等の手段を用いて筒状のキャップ部材が取付けられ、このキャップ部材の内周側には、ジルコニアチューブから突出したヒータの他端側と、ジルコニアチューブの内側電極から検出信号を出力する信号端子と、ヒータに給電する給電端子等とが配置されている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、上述した従来技術では、素子ホルダにジルコニアチューブ用のプロテクタを取付け、素子ホルダの内周側にジルコニアチューブを配置した状態でホルダ外周側のおねじ部を排気管側に螺着する構成としている。
【０００７】
このため、センサの組立時には、例えばかしめ固定、溶接等の手段によって素子ホルダにプロテクタを取付ける作業が必要となり、センサの部品点数が増加して組立作業に手間がかかるという問題がある。
【０００８】
また、センサの取付時には、素子ホルダがジルコニアチューブを保持した状態でエンジンの排気管等に螺着されるため、この螺着作業時の振動、衝撃等が素子ホルダを介してジルコニアチューブに直接的に加わるようになり、脆いセラミックス材料製のジルコニアチューブが損傷し易いという問題もある。
【０００９】
本発明は上述した従来技術の問題に鑑みなされたもので、本発明の目的は、プロテクタ等の部品点数を削減して構造を簡略化でき、その組立作業を容易に行うことができると共に、ケーシングによって酸素濃度検出素子を確実に保護でき、信頼性を向上できるようにした酸素センサを提供することにある。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
上述した課題を解決するために本発明は、筒状のケーシングと、該ケーシングに設けられ内側電極と外側電極との間で酸素濃度を検出する酸素濃度検出素子と、前記ケーシング内に軸方向に伸長して設けられ軸方向の一側が該酸素濃度検出素子に挿入されて該酸素濃度検出素子を加熱する棒状のヒータとを備えた酸素センサに適用される。
【００１１】
そして、請求項１の発明が採用する構成の特徴は、ケーシングは、軸方向の一側に被測ガスを導入する導入口が設けられた有底の筒状体として形成され内周側に酸素濃度検出素子が配置される素子ケースと、該素子ケースの軸方向他側に取付けられてヒータの軸方向他側を収容するキャップとから構成し、前記素子ケースは、軸方向の一側から前記酸素濃度検出素子を覆い前記導入口が形成された有底筒状のプロテクタ部と、該プロテクタ部の他側に位置して該プロテクタ部よりも大径な筒状に形成され、内周側が前記酸素濃度検出素子を取囲むと共に外周側に前記キャップが嵌合されるキャップ嵌合部とを一体に形成する構成としたことにある。
【００１２】
このように構成することにより、ケーシングを筒状の素子ケースとキャップとに２分割して形成できると共に、素子ケースの一側によって酸素濃度検出素子を覆うプロテクタ等を構成することができる。また、例えばケーシングのうち酸素濃度検出素子が直接取付けられていないキャップ側を自動車のセンサ取付部位等に取付けることができる。
【００１３】
また、請求項２の発明によると、ケーシングの素子ケースと前記酸素濃度検出素子との間には、前記酸素濃度検出素子のうち前記内側電極が配置される内面側と前記外側電極が配置される外面側との間を気密にシールするシール部材を設ける構成としている。
【００１４】
これにより、酸素濃度検出素子のうち外部に面した外面側とケーシング内に面した内面側との間をシール部材によって気密にシールでき、例えば検出素子の外面側に存在する被測ガスが検出素子の内面側に侵入して酸素濃度の検出動作が不安定となるのを防止することができる。
【００１５】
また、請求項３の発明によると、ケーシング内には、前記キャップ側に位置して内周側に前記ヒータの他端側が挿通される絶縁筒体を設け、該絶縁筒体と前記キャップとの間には、該絶縁筒体を介して前記酸素濃度検出素子を素子ケースに押付ける付勢部材を設ける構成としている。
【００１６】
これにより、ケーシング内のキャップ側に配置した絶縁筒体の内周には、ヒータの他端側を挿入できると共に、例えばヒータに給電するための給電端子等を配置することができる。また、付勢部材は、絶縁筒体を介して酸素濃度検出素子を素子ケースに押付けることができ、酸素濃度検出素子と絶縁筒体との間のシール性を高めることができる。
【００１７】
さらに、請求項４の発明によると、ケーシングの素子ケース内には、該素子ケースと酸素濃度検出素子との間に位置して該酸素濃度検出素子の内面側と外面側との間を気密にシールするシール部材を設け、前記ケーシング内には、前記キャップ側に位置して内周側に前記ヒータの他端側が挿通される絶縁筒体を設け、該絶縁筒体と前記キャップとの間には、該絶縁筒体を介して前記酸素濃度検出素子とシール部材とを前記素子ケースに押付ける付勢部材を設ける構成としている。
【００１８】
これにより、付勢部材は、絶縁筒体を介して酸素濃度検出素子とシール部材とを素子ケースに押付けることができ、シール部材を検出素子と素子ケースとの間で両者に密着させることができる。
【００１９】
また、請求項５の発明によると、キャップには、径方向外向きに突出したフランジと、前記キャップを車体側のセンサ取付部位に取付けるために該フランジに係合する取付部材とを設ける構成としている。
【００２０】
これにより、ケーシングのうちキャップのフランジだけを取付部材によって車体側のセンサ取付部位に固定でき、このときの振動等が素子ホルダ側の酸素濃度検出素子に対して直接的に加わるのを防ぐことができる。また、キャップとセンサ取付部位との接触面積を小さくでき、これらの間の熱伝導を抑制できるから、例えば車体側のエンジン等からセンサ取付部位を介して酸素センサのケーシングに熱が伝わったり、ヒータにより酸素濃度検出素子を加熱しているときの熱がセンサ取付部位側に逃げるのを防止することができる。
【００２１】
また、請求項６の発明によると、取付部材は前記キャップの外周側に挿嵌されるナット部材からなり、該ナット部材は前記キャップのフランジと係合した状態で前記車体側のセンサ取付部位に螺着する構成としている。
【００２２】
これにより、センサの取付時には、ナット部材をキャップの外周側に挿嵌してフランジに係合させることができ、この状態でナット部材を車体側のセンサ取付部位に螺着することにより、ケーシングを車体側に固定することができる。
【００２３】
さらに、請求項７の発明によると、酸素濃度検出素子は、軸方向の一側に位置して有底筒状に形成され内面，外面に前記内側電極，外側電極が設けられた検出筒部と、該検出筒部の軸方向他側に位置して該検出筒部よりも大径に形成された大径筒部とによって構成し、素子ケースを構成するプロテクタ部とキャップ嵌合部との間には、前記酸素濃度検出素子の大径筒部が当接する当接段部を形成する構成とし、キャップは、軸方向の一側が前記素子ケースのキャップ嵌合部の外周側に嵌合され他側に前記酸素濃度検出素子と接続される信号線を引出すための引出口が設けられた筒状体により構成している。
【００２４】
これにより、酸素濃度検出素子の検出筒部、大径筒部を素子ケースのプロテクタ部、キャップ嵌合部内にそれぞれ配置でき、この状態で検出素子の大径筒部を素子ケースの当接段部に当接させることにより、検出素子を素子ケース内で軸方向に位置決めすることができる。この結果、酸素濃度検出素子の検出筒部を保護するためのプロテクタ部を素子ケースの一部としてケーシングに一体化でき、部品点数を削減することができる。また、例えば素子ケースの当接段部と検出素子の大径筒部とを全周に亘って密着させることにより、検出筒部の内面側と外面側との間を気密にシールすることができる。さらに、キャップの軸方向一側を素子ケースのキャップ嵌合部に嵌合でき、その引出口から検出素子用の信号線を外部に引出すことができる。
【００２５】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態による酸素センサを、自動車用エンジンに用いる場合を例に挙げ、添付図面を参照して詳細に説明する。
【００２６】
１は酸素センサの本体を構成する筒状のケーシングで、該ケーシング１は、図１、図２に示す如く、後述の素子ケース２とキャップ３とによって構成されている。そして、キャップ３は、後述のジルコニアチューブ５をエンジンの排気管２１内に突出させるべく、例えば車体側の排気管２１に突設されたセンサ取付部位としてのボス部２２等に後述のナット部材１９を用いて固定されるものである。
【００２７】
２はケーシング１の軸方向一側を構成する素子ケースで、該素子ケース２は例えば耐熱性の金属材料等により有底状の筒状体として一体に形成されている。そして、素子ケース２は、略有底筒状のプロテクタ部２Ａと、該プロテクタ部２Ａの他端側に位置して該プロテクタ部２Ａよりも大径な筒状に形成され、内周側がジルコニアチューブ５の大径筒部５Ｂを取囲むと共に外周側にキャップ３が嵌合されるキャップ嵌合部２Ｂと、プロテクタ部２Ａとキャップ嵌合部２Ｂとの間に位置して径方向内向きに突設され、前記大径筒部５Ｂがシールワッシャ８を介して当接する環状の当接段部２Ｃとによって構成され、キャップ嵌合部２Ｂの他端は開口２Ｄとなっている。
【００２８】
ここで、プロテクタ部２Ａは、排気管２１内に突出した状態に保持されるジルコニアチューブ５の検出筒部５Ａ側を覆うように配置され、この検出筒部５Ａ側を被測ガスとなる排気ガス中の異物等から保護するものである。また、プロテクタ部２Ａには、検出筒部５Ａの外面側に排気ガスを導くためプロテクタ部２Ａの内，外を連通する複数の導入口２Ｅ，２Ｅ，…が形成されている。
【００２９】
また、素子ケース２の当接段部２Ｃには、後述するディスクスプリング１０の付勢力によりジルコニアチューブ５の大径筒部５Ｂがシールワッシャ８を介して強く押付けられている。これにより、当接段部２Ｃは、素子ケース２とキャップ３との間に形成された空間をシールワッシャ８と協働して気密にシールするものである。
【００３０】
３はケーシング１の軸方向他側を構成するキャップで、該キャップ３は、例えば金属材料等により筒状体として一体に形成され、一側が開口した筒部３Ａと該筒部３Ａの他側に設けられた蓋部３Ｂとを有している。
【００３１】
そして、筒部３Ａは、その一側が素子ケース２の開口２Ｄを閉塞する位置でキャップ嵌合部２Ｂの外周側に嵌合され、これらの嵌合部位には環状の溶接部４が全周に亘って形成されている。これにより、素子ケース２とキャップ３とは一体に溶接され、これらの溶接部位の気密性が確保されている。
【００３２】
また、筒部３Ａの一端側には環状のフランジ３Ｃが径方向外向きに突設され、ケーシング１は、このフランジ３Ｃとナット部材１９とを介して排気管２１のボス部２２に取付けられるものである。一方、蓋部３Ｂの中央には、後述のリード線１６，１７を外部に引出すための引出口３Ｄが形成されている。
【００３３】
５はケーシング１の軸方向一側に設けられた酸素濃度検出素子としてのジルコニアチューブで、該ジルコニアチューブ５は、例えば酸化ジルコニウム等のセラミックス材料によって形成されている。また、ジルコニアチューブ５は、素子ケース２のプロテクタ部２Ａ内に挿入され、内面、外面に内側電極６、外側電極７が設けられた有底筒状の検出筒部５Ａと、該検出筒部５Ａの他側に位置して該検出筒部５Ａよりも大径に形成された大径筒部５Ｂとによって構成されている。
【００３４】
ここで、内側電極６は大径筒部５Ｂの端面に延び、後述の信号端子１４と接続されている。また、外側電極７は、シールワッシャ８、素子ケース２、キャップ３およびナット部材１９を介して排気管２１にアースされる。そして、ジルコニアチューブ５は、外側の排気ガスと内側の大気との間で酸素濃度の差が生じると、この酸素濃度差に応じて電極６，７間に起電力を発生させ、この起電力を検出信号として出力するものである。
【００３５】
８は素子ケース２とジルコニアチューブ５との間に設けられたシール部材としてのシールワッシャで、該シールワッシャ８は、例えばステンレス鋼等からなる金属リングの表面に銅等の軟質な金属薄膜を設けることによって形成されている。そして、シールワッシャ８は、ディスクスプリング１０の付勢力により素子ケース２の当接段部２Ｃとジルコニアチューブ５の大径筒部５Ｂとに全周に亘って密着し、この位置でジルコニアチューブ５の内面側と外面側との間をシールするものである。
【００３６】
９は例えばアルミナ等のセラミックス材料によって段付き筒状に形成された絶縁筒体で、該絶縁筒体９は、ケーシング１内のキャップ３側に位置してジルコニアチューブ５の他側にほぼ同軸に配設され、その内周側には、後述するヒータ１３の他端側が挿通される有底のヒータ挿入穴９Ａが設けられている。
【００３７】
１０はケーシング１内に設けられた付勢部材としての環状のディスクスプリングで、該ディスクスプリング１０は、環状のワッシャプレート１１と後述のワッシャリング１２等とを介してキャップ３の蓋部３Ｂ側に配置され、該蓋部３Ｂと絶縁筒体９との間に配設されている。
【００３８】
そして、ディスクスプリング１０は、絶縁筒体９、ジルコニアチューブ５およびシールワッシャ８を素子ケース２の当接段部２Ｃに向けて付勢し、これらの部材を当接段部２Ｃと協働してケーシング１内で位置決めしている。また、ディスクスプリング１０は、ワッシャプレート１１等を介してワッシャリング１２をキャップ３の蓋部３Ｂに押付けている。
【００３９】
１２は例えば金属材料、樹脂材料等により形成されたワッシャリングで、該ワッシャリング１２は、キャップ３内に位置してワッシャプレート１１の軸方向他側に配設されている。そして、ワッシャリング１２は、ディスクスプリング１０の付勢力によりワッシャプレート１１と後述する保護チューブ１８の鍔部１８Ａとを介してキャップ３の蓋部３Ｂに強く押付けられ、キャップ３内の空間を引出口３Ｄの外周側でシールしている。
【００４０】
１３は例えばアルミナ等のセラミックス材料により形成された棒状のヒータで、該ヒータ１３は、一端側がジルコニアチューブ５内に挿入され、他端側がキャップ３側に位置して絶縁筒体９のヒータ挿入穴９Ａ内に挿入されている。また、ヒータ１３の他端側外周には２個の電極１３Ａ（１個のみ図示）が設けられ、該各電極１３Ａには後述の給電端子１５が接続されている。そして、ヒータ１３は、各電極１３Ａを介して給電されることによりジルコニアチューブ５を加熱するものである。
【００４１】
１４はジルコニアチューブ５から検出信号を出力するためケーシング１内に設けられた信号端子で、該信号端子１４は、図３に示す如く、例えば環状の金属板等により形成されたプレート部１４Ａと、該プレート部１４Ａから軸方向に延びた金属製の引出し線部１４Ｂ等とによって構成されている。そして、プレート部１４Ａは、ヒータ１３の外周側に位置してジルコニアチューブ５と絶縁筒体９との間に挟持され、内側電極６に当接している。また、引出し線部１４Ｂは、その他端側が信号出力用リード線１６と接続されている。
【００４２】
１５，１５はヒータ１３に給電するためケーシング１内に設けられた２個の給電端子で、該各給電端子１５は、図３に示す如く金属板等によって形成され、ヒータ１３に面した内側部位が電極１３Ａに接触すると共に、その外側部位は２本の給電用リード線１７，１７と接続されている。また、各給電端子１５は、絶縁筒体９のヒータ挿入穴９Ａ内に収容され、これによって信号端子１４から絶縁されている。
【００４３】
１６は信号端子１４と接続された信号線としての信号出力用リード線、１７，１７は各給電端子１５と接続された給電用リード線で、該リード線１６，１７は絶縁筒体９の他端側からキャップ３の引出口３Ｄを介して外部に引出され、エンジン制御用のコントロールユニット（図示せず）等に接続されるものである。また、１８はリード線１６，１７を取囲んで軸方向に延設された保護チューブで、該保護チューブ１８は例えば軟質な金属材料等によって形成され、その一端側外周にはキャップ３内に配置される環状の鍔部１８Ａが径方向に突設されている。
【００４４】
１９はキャップ３のフランジ３Ｃと共に取付部材を構成するナット部材で、該ナット部材１９の内周側には、図１ないし図３に示す如く、軸方向の一側に位置しためねじ部１９Ａと、該めねじ部１９Ａの他側に位置して径方向に突出した環状の係合突起１９Ｂと、該係合突起１９Ｂの内周側に位置してキャップ３の外径よりも大きな孔径に形成されたキャップ挿通孔１９Ｃとが設けられている。
【００４５】
そして、ナット部材１９は、そのキャップ挿通孔１９Ｃがキャップ３の外周側に隙間をもって挿通され、係合突起１９Ｂがキャップ３のフランジ３Ｃと係合し、この状態でめねじ部１９Ａがエンジンの排気管２１に突設されたボス部２２の外周側に螺着されている。これにより、ナット部材１９は、係合突起１９Ｂとボス部２２との間でキャップ３のフランジ３Ｃを全周に亘って挟持し、ケーシング１を排気管２１側に固定するものである。
【００４６】
この場合、ナット部材１９のキャップ挿通孔１９Ｃは、キャップ３の外径よりも大きく形成されているため、ナット部材１９をボス部２２に螺着するときには、この螺着作業の途中においてキャップ３がキャップ挿通孔１９Ｃ内で径方向に対し自由に移動可能な状態に保持される。そして、キャップ３のフランジ３Ｃは、螺着作業のほぼ最後になってナット部材１９の係合突起１９Ｂとボス部２２との間に挟持されるようになるため、センサの取付時には、ジルコニアチューブ５に加わる振動、衝撃等を小さく抑制できる構成となっている。
【００４７】
本実施の形態による酸素センサは上述の如き構成を有するもので、次にその作動について説明する。
【００４８】
まず、酸素センサは、ケーシング１のキャップ３がフランジ３Ｃとナット部材１９とを介して排気管２１のボス部２２に取付けられ、これによりジルコニアチューブ５は、素子ケース２のプロテクタ部２Ａと共に排気管２１内に突出した状態に保持される。
【００４９】
この場合、素子ケース２は、その当接段部２Ｃとジルコニアチューブ５との間がシールワッシャ８によってシールされ、キャップ３は、その蓋部３Ｂ側がワッシャリング１２等によってシールされている。そして、これらのシール部位はディスクスプリング１０の付勢力によって密着状態に保持されているので、ケーシング１内の空間には、外部から排気ガス、ダスト、水分等の異物が侵入するのを防止することができる。
【００５０】
また、エンジンの運転中には、排気管２１内を排気ガスが流通すると、ジルコニアチューブ５の外側を流れる排気ガスとチューブ５内の大気との間には大きな酸素濃度の差が生じる。この結果、内側電極６と外側電極７との間には検出信号となる起電力が発生し、この検出信号は信号端子１４、リード線１６等を介してコントロールユニットに出力される。これにより、コントロールユニットは、酸素センサからの検出信号を用いて空燃比のフィードバック制御等を行う。
【００５１】
また、例えばエンジンの始動時等、ジルコニアチューブ５が低温である場合には、ヒータ１３がコントロールユニットにより各リード線１７、給電端子１５等を介して給電される。この結果、ジルコニアチューブ５は、ヒータ１３により加熱されて活性化し、正常な検出動作を早期に開始することができる。
【００５２】
かくして、本実施の形態では、ケーシング１を筒状の素子ケース２とキャップ３とによって構成したので、これら２個の部材によってケーシング１を形成でき、ジルコニアチューブ５の検出筒部５Ａを保護するプロテクタ部２Ａを素子ケース２の一部としてケーシング１に一体化することができる。
【００５３】
これにより、従来技術の素子ホルダを廃止できると共に、素子ホルダに別体のプロテクタを設ける必要がなくなり、センサの構造を簡略化して部品点数を削減できると共に、その組立時には、素子ケース２とキャップ３とを溶接するだけで、プロテクタ部２Ａを有するケーシング１を容易に形成でき、センサの組立作業を効率よく行うことができる。
【００５４】
そして、ケーシング１の部品点数を削減することによって各部品の寸法ばらつきや組付け誤差等を低減でき、素子ケース２とキャップ３とを精度よく組付けることができる。しかも、ケーシング１には１箇所の溶接部４を形成するだけで済み、従来技術と比較してケーシング１の連結個所を減らすことができるから、その気密性を安定的に保持でき、信頼性を向上させることができる。
【００５５】
また、例えば当該酸素センサをさらに高い耐熱性をもつセンサに仕様変更する場合には、予め耐熱性の金属材料により形成されている素子ケース２の材質等を変更するだけでよいから、センサの設計、改良等を容易に行うことができる。
【００５６】
この場合、素子ケース２の当接段部２Ｃとジルコニアチューブ５の大径筒部５Ｂとの間にシールワッシャ８を設け、キャップ３内には絶縁筒体９とディスクスプリング１０とを設けたので、ディスクスプリング１０の付勢力により絶縁筒体９を介してジルコニアチューブ５の大径筒部５Ｂとシールワッシャ８とを素子ケース２の当接段部２Ｃに押付けることができ、シールワッシャ８を当接段部２Ｃと大径筒部５Ｂとに全周に亘って密着させることができる。
【００５７】
これにより、素子ケース２とジルコニアチューブ５との間をシールワッシャ８によって良好にシールでき、検出筒部５Ａの外側を流れる排気ガス等が検出筒部５Ａの内側に侵入するのを防止でき、ジルコニアチューブ５により外側の酸素濃度を安定的に検出することができる。
【００５８】
また、酸素センサをエンジンの排気管２１に取付けるためのフランジ３Ｃとナット部材１９とをキャップ３側に設けたので、センサの取付時には、ケーシング１のうちキャップ３から突出したフランジ３Ｃだけを排気管２１のボス部２２に取付けることができる。これにより、フランジ３Ｃとボス部２２とが接触するときの振動、衝撃等がジルコニアチューブ５に伝わるのを小さく抑えることができ、ジルコニアチューブ５を確実に保護することができる。
【００５９】
この場合、ナット部材１９のキャップ挿通孔１９Ｃをキャップ３の外径よりも大きな孔径に形成しているので、ナット部材１９をボス部２２に螺着するときには、ナット部材１９をキャップ３の外周側に隙間をもって挿通でき、この螺着作業の途中には、キャップ３がキャップ挿通孔１９Ｃ内で径方向へと自由に移動することができる。この結果、センサの取付時には、ジルコニアチューブ５に伝わる振動等をより確実に低減することができる。
【００６０】
また、ナット部材１９を介在させることにより、キャップ３のフランジ３Ｃをボス部２２に全周に亘って安定的に固定できると共に、キャップ３とボス部２２との接触面積を小さくして両者間の熱伝導を低減させることができる。これにより、例えばエンジンの運転時には、排気管２１の熱がボス部２２等を介して酸素センサに伝わるの抑制でき、その耐久性を高めることができる。また、エンジンの始動時等には、ヒータ１３から発生する熱がボス部２２側に逃げるのを防止でき、ヒータ１３によりジルコニアチューブ５を効率よく加熱して検出筒部５Ａを早期に活性化させることができる。
【００６１】
また、素子ケース２をプロテクタ部２Ａ、キャップ嵌合部２Ｂおよび当接段部２Ｃによって構成したので、排気管２１内に露出されるジルコニアチューブ５の検出筒部５Ａをプロテクタ部２Ａによって確実に保護できると共に、キャップ嵌合部２Ｂによって素子ケース２とキャップ３とを容易に一体化できる。また、当接段部２Ｃによってジルコニアチューブ５を安定的に支持でき、該チューブ５と絶縁筒体９とをケーシング１内で確実に位置決めすることができる。そして、これらのプロテクタ部２Ａ、キャップ嵌合部２Ｂおよび当接段部２Ｃを一体形成することにより、センサの部品点数をより削減することができる。
【００６２】
また、キャップ３を引出口３Ｄが設けられた筒状体として形成することにより、その筒部３Ａを素子ケース２のキャップ嵌合部２Ｂ外周に確実に嵌合できると共に、その引出口３Ｄからリード線１６，１７を容易に引出すことができる。
【００６３】
なお、実施の形態では、キャップ３のフランジ３Ｃとナット部材１９とによって取付部材を構成したが、本発明はこれに限らず、例えば図４に示す変形例のように、ナット部材１９に代えて取付部材となる環状の金属板３１を用意し、この金属板３１を複数の取付ねじ３２等によって排気管２１のボス部２２′にねじ止めする構成としてもよい。
【００６４】
また、実施の形態では、ケーシング１の素子ケース２とキャップ３とを溶接部４によって溶着する構成としたが、本発明はこれに限らず、例えばかしめ固定、圧入、接着、螺合、ねじ止め等、任意の固定手段によって素子ケース２とキャップ３とを一体に固定する構成としてもよいのは勿論である。
【００６５】
【発明の効果】
以上詳述した通り、請求項１の発明によれば、ケーシングを、軸方向の一側に被測ガスを導入する導入口が設けられた有底の筒状体として形成され内周側に酸素濃度検出素子が配置される素子ケースと、該素子ケースの軸方向他側に取付けられてヒータの軸方向他側を収容するキャップとから構成し、前記素子ケースは、軸方向の一側から前記酸素濃度検出素子を覆い前記導入口が形成された有底筒状のプロテクタ部と、該プロテクタ部の他側に位置して該プロテクタ部よりも大径な筒状に形成され、内周側が前記酸素濃度検出素子を取囲むと共に外周側に前記キャップが嵌合されるキャップ嵌合部とを一体に形成する構成としたので、酸素濃度検出素子を素子ケースのプロテクタ部によって確実に保護できると共に、キャップ嵌合部によって素子ケースとキャップとを容易に一体化することができる。そして、従来技術のプロテクタ等を含めてケーシングの構造を簡略化でき、その部品点数を削減して信頼性を向上できると共に、センサの組立作業を効率よく行うことができる。また、例えばケーシングのうちキャップ側を外部のセンサ取付部位等に取付けることにより、センサの取付時には、素子ケース側に配置された酸素濃度検出素子に振動等が伝わるの抑制でき、検出素子を保護することができる。
【００６６】
また、請求項２の発明によれば、素子ケースと酸素濃度検出素子との間にはシール部材を設ける構成としたので、素子ケースと検出素子との間をシール部材によって気密にシールでき、検出素子の外側を流れる排気ガス等の被測ガスが検出素子の内側に侵入するのを確実に防止できると共に、酸素濃度検出素子によって外側の酸素濃度を安定的に検出することができる。
【００６７】
また、請求項３の発明によれば、ケーシング内にはキャップ側に位置してヒータの他端側が挿通される絶縁筒体を設け、該絶縁筒体とキャップとの間には該絶縁筒体を介して酸素濃度検出素子を素子ケースに押付ける付勢部材とを設ける構成としたので、キャップ内の付勢部材により絶縁筒体を介して酸素濃度検出素子を素子ケースに押付けることができ、検出素子と絶縁筒体とをケーシング内で安定的に位置決めできると共に、検出素子と素子ケースとの間のシール性を高めることができる。
【００６８】
さらに、請求項４の発明によれば、素子ケースと酸素濃度検出素子との間にはシール部材を設け、ケーシング内にはキャップ側に位置して絶縁筒体と付勢部材とを設ける構成としたので、キャップ内の付勢部材により絶縁筒体を介して酸素濃度検出素子とシール部材とを素子ケースに押付けることができ、これらの部材をケーシング内で安定的に位置決めできると共に、シール部材を検出素子と素子ケースとの間で両者に密着させることができ、これらの間を良好にシールすることができる。
【００６９】
また、請求項５の発明によると、キャップには、径方向に突出したフランジと、キャップを車体側のセンサ取付部位に取付けるために該フランジに係合する取付部材とを設ける構成としたので、センサの取付時には、キャップのフランジだけをセンサ取付部位に取付けることができ、これらが接触するときの振動、衝撃等が酸素濃度検出素子に伝わるのを抑制できると共に、検出素子を保護することができる。また、取付部材によりキャップとセンサ取付部位との接触面積を小さくして両者間の熱伝導を低減でき、例えばエンジン等の熱がセンサに伝わってセンサの耐久性が低下したり、ヒータにより検出素子を加熱するときの熱がセンサ取付部位側に逃げて検出素子の活性化が遅れるのを防止することができる。
【００７０】
また、請求項６の発明によれば、取付部材を、キャップのフランジと係合した状態でセンサ取付部位に螺着されるナット部材によって構成したので、ナット部材によりキャップのフランジをセンサ取付部位に全周に亘って安定的に固定することができる。
【００７１】
さらに、請求項７の発明によれば、素子ケースのプロテクタ部とキャップ嵌合部との間には、酸素濃度検出素子の大径筒部が当接する当接段部を形成する構成としたので、酸素濃度検出素子の検出筒部を素子ケースのプロテクタ部によって確実に保護できると共に、キャップ嵌合部によって素子ケースとキャップとを容易に一体化することができる。また、素子ケースの当接段部によって酸素濃度検出素子等をケーシング内で確実に位置決めすることができる。そして、これらの部位を素子ケースとして一体形成でき、センサの部品点数をより削減することができる。また、キャップを引出口が設けられた筒状体として形成することにより、その一側を素子ケースのキャップ嵌合部外周に確実に嵌合できると共に、その引出口から信号線を容易に引出すことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態による酸素センサをエンジンの排気管に取付けた状態で示す縦断面図である。
【図２】本発明の実施の形態による酸素センサを排気管から取外した状態で示す縦断面図である。
【図３】酸素センサを組立てる前の状態で示す縦断面図である。
【図４】実施の形態の変形例による酸素センサを示す縦断面図である。
【符号の説明】
１  ケーシング
２  素子ケース
２Ａ  プロテクタ部
２Ｂ  キャップ嵌合部
２Ｃ  当接段部
２Ｄ  開口
２Ｅ  導入口
３  キャップ
３Ａ  筒部
３Ｂ  蓋部
３Ｃ  フランジ
３Ｄ  引出口
４  溶接部
５  ジルコニアチューブ（酸素濃度検出素子）
５Ａ  検出筒部
５Ｂ  大径筒部
６  内側電極
７  外側電極
８  シールワッシャ（シール部材）
９  絶縁筒体
１０  ディスクスプリング（付勢部材）
１２  ワッシャリング
１３  ヒータ
１４  信号端子
１５  給電端子
１６  リード線（信号線）
１９  ナット部材（取付部材）
２１  排気管
２２  ボス部（センサ取付部位）
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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