JP2006337341A - 酸素センサ - Google Patents

Abstract

【課題】 酸素センサにおいて、シールラバーの温度をその耐熱温度限界以下とし得る、より適切な構成を得る。
【解決手段】 酸素センサにおいて、挿通部の断面積Ａに対するケーシングの外部突出長Ｌの比Ｌ／Ａを、シール部材の温度がその耐熱限界温度となる値（例えば０．３２）以上に設定した。
【選択図】 図３

Description

本発明は、酸素センサに関する。

従来より種々の酸素センサが提案されている。特許文献１は、その一例としての酸素センサを開示する。

この特許文献１に開示される酸素センサは、略筒状のケーシングの軸方向の一端側に検出部を備えるとともに、その他端側にはケーシング内の気密を確保するためのシールラバーを備えている。このシールラバーは、ケーシングの他端側の開口部を塞ぐように設けられており、検出部に電気的に接続されるリード線（被覆線）が、このシールラバーを貫通している。

この種の酸素センサが内燃機関（エンジン）の排気管中の酸素濃度を検出するのに用いられる場合、シールラバーは、高温の排気管に近いほど熱劣化しやすくなるため、従来は、なるべく耐熱性の高い（熱劣化の少ない）材質を用いるとともに、酸素センサを長く伸ばして、シールラバーをなるべく熱源から遠ざけるようにしていた。
特開平９−１７８６９４号公報

しかしながら、むやみに酸素センサを長くすると、他の部品との干渉が生じるなどして好ましくない。

また、発明者らが酸素センサの形状について鋭意検討を重ねた結果、シールラバーの温度は、酸素センサの長さのみならず、排気管に設けた貫通穴に挿通する挿通部の断面積によっても大きく影響を受けることが判明した。

本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、酸素センサにおいて、シールラバーの温度をその耐熱温度限界以下とし得る、より適切な構成を得ることにある。

上記目的を達成するために、請求項１の発明は、酸素センサにおいて、排気管に設けた貫通穴に挿通する挿通部の断面積に対するケーシングの外部突出長の比を、上記シール部材の温度がその耐熱限界温度となる値以上に設定したことを趣旨とする。なお、ここで、外部突出長とは、酸素センサの排気管外に露出する部分の軸方向に沿った長さとする。

また、請求項２の発明は、上記請求項１の発明において、上記挿通部の断面積に対する上記外部突出長の比を０．３２以上に設定したものである。

また、請求項３の発明は、上記請求項２の発明において、上記挿通部の断面積を１１３［ｍｍ^２］以下としたものである。

請求項１の発明によれば、酸素センサにおいて、挿通部の断面積に応じて、シール部材の温度が耐熱温度限界を超えないように上記外部突出長を設定することができるので、当該外部突出長を無駄に長くすることなく、酸素センサをより適切な形状にすることができる。また、酸素センサの長さと径（挿通部の断面積）とを調整することができる分、酸素センサの形状の自由度が増大し、ひいては、部品レイアウトの自由度が増大するという利点もある。

請求項２の発明によれば、上記挿通部の断面積に対する上記外部突出長の比を０．３２以上とすることで、シール部材の温度を、より確実にその耐熱温度以下に維持することができる。

請求項３の発明によれば、上記挿通部の断面積を１１３［ｍｍ^２］以下（ただし、実質的に製造可能な小型酸素センサを貫通させる挿通部の断面積以上）とすることで、シール部材の温度を、より確実にその耐熱温度以下に維持することができる。

以下、本発明を具現化した実施形態について図面を参照して説明する。なお、以下では、内燃機関を搭載した自動車の排気管に装着された空燃比検出用の酸素センサについて例示する。

図１は、本実施形態にかかる酸素センサおよび酸素センサを取り付ける排気管の側面図（一部断面図）、図２は、排気管の側壁に設けた貫通穴に挿通する酸素センサの挿通部の断面積とシール部材の温度との相関関係を示す図、図３は、挿通部の断面積と酸素センサの外部突出長との相関関係を示す図である。

図１に示すように、排気管２の側壁には貫通穴としての雌ネジ穴２ａが設けられており、この雌ネジ穴２ａに酸素センサ１の雄ネジ部１ｃを螺結することで、当該酸素センサ１が排気管２に装着される。本実施形態では、この雄ネジ部１ｃが、貫通穴としての雌ネジ穴２ａに挿通される挿通部となる。

酸素センサ１は、例えば金属材料からなる略筒状のケーシング１ａを備えており、このケーシング１ａの軸方向の一端側に、酸素濃度を検出する検出部３が設けられている。検出部３は、排気管２の内壁から排気通路内に突出して、当該排気通路を流下する排気ガスに晒される。そして、排気ガス濃度に応じた電気信号を出力する。出力された電気信号は、ＥＣＵ等の制御装置に入力され、当該制御装置は、その検出結果に基づいて、内燃機関の制御等を行う。

また、酸素センサ１には、ケーシング１ａの外壁から突出するように、軸方向から見て略六角形の把持部１ｂが設けられており、この把持部１ｂをスパナ等の工具で把持して酸素センサ１を回動させることで、雄ネジ部１ｃを雌ネジ穴２ａに螺結する。なお、把持部１ｂは、必ずしも六角形状とする必要はなく、平行な二面を形成する等、他の形状としてもよい。

また、ケーシング１ａの軸方向の他端側（すなわち検出部３が設けられる上記一端側の反対側）には、シール部材５として、例えば耐熱性の高いフッ素ゴムやシリコンゴム等からなるシールラバーが内装されており、このシール部材５を、検出部３に電気的に接続される複数（例えば４本）のリード線４が貫通している。このシール部材５は、リード線４を貫通する部分（すなわちリード線４の外面と当接する部分）、およびケーシング１ａの内壁と当接する部分の双方において、酸素センサ１の内部の気密および液密を確保すべく設けられる。

さらに、この酸素センサ１には、シール部材５や、ケーシング１ａ、リード線４の保護等を目的として、当該シール部材５の露出側端面を被覆するキャップ６が装着されている。なお、本実施形態では、キャップ６は、例えば、耐腐食性が高くかつ熱伝導性が高い金属材料（例えばオーステナイト系ステンレス鋼；ＳＵＳ３０３、ＳＵＳ３０４等）によって構成されており、全周溶接によってケーシング１ａに固定されている。

以上のような構成を備えた酸素センサ１ならびにその取付構造について、発明者らが鋭意検討を重ねた結果、排気管２の側壁に設けた貫通穴（本実施形態では雌ネジ穴２ａ）に挿通する酸素センサ１の挿通部の断面積（軸方向に垂直な断面の断面積；本実施形態では雄ネジ部１ｃの平均断面積；図１のＡ）を大きくするほど、シール部材５の温度は高くなるが、当該挿通部の断面積Ａのシール部材５の温度上昇に対する寄与度は、酸素センサ１の外部突出長（図１のＬ）に応じて異なるものとなることが判明した。

すなわち、図２に示すように、外部突出長Ｌが長い場合には、挿通部の断面積Ａに応じたシール部材５の温度Ｔの変化率（すなわち図２の各グラフの傾き）は、ほぼ一定で比較的低くなるのに対し、外部突出長Ｌが短い場合には、挿通部の断面積Ａが比較的小さい場合に（挿通部の断面積Ａが小さいほど）、当該挿通部の断面積Ａに応じたシール部材５の温度Ｔの変化率が高くなる（すなわち温度Ｔの断面積Ａに対する感度が高い）ことが判明した。これは、排気管２からシール部材５に伝達される熱量には、酸素センサ１の本体等を通じた熱伝導による熱量Ｑ１と、排気管２からの輻射による熱量Ｑ２とがあり、外部突出長Ｌが長いほど、後者の熱量Ｑ２の比率が小さくなることによるものと推定される。なお、本実施形態では、外部突出長Ｌの長さは、把持部１ｂの座面（排気管２との当接面）からキャップ６の外端面までの長さとなる。

この結果を元に、発明者らは、挿通部の断面積Ａと外部突出長Ｌとの種々の組み合わせについて実験を行い、さらに詳細な検討を重ねた結果、挿通部の断面積Ａに対する外部突出長Ｌの比を所定値以上とすれば、シール部材５の温度を耐熱温度限界以下に設定可能であることを見出した。

すなわち、図３に示すように、挿通部の断面積Ａと外部突出長Ｌとの相関関係は、挿通部の断面積Ａが小さい領域と大きい領域とで分けて、ほぼ１次関数で近似することができるとともに、シール部材５の温度Ｔが低い場合ほど、挿通部の断面積Ａに対する外部突出長Ｌの値が高くなることが判明した。そして、挿通部の断面積Ａに対する外部突出長Ｌの比を、所定値以上、具体的には、Ｌ／Ａ≧０．３２とすれば、シール部材５の温度Ｔを、フッ素ゴムやシリコンゴム等のゴム部材の受熱による経時劣化を考慮した耐熱限界温度（本実施形態では少なくとも１９０［℃］以上の温度）以下とすることができる。そして、この図３から、Ｌ／Ａ≧０．３２とした場合には、挿通部の断面積Ａの値によらず、シール部材５の温度Ｔを耐熱限界温度以下とすることができるが、特に、挿通部の断面積Ａが１１３［ｍｍ^２］（Ｍ１２のネジ相当）以下の場合には、Ｌ／Ａ＝０．３２が耐熱限界に近い設定となり、かかるＬ／Ａ≧０．３２という設定が、例えば二輪車用の酸素センサ等、より小型の酸素センサ１に対して特に有効となることが理解できよう。なお、図３では、排気管２内の排気ガスの温度が５００［℃］の場合の実験結果（に基づく解析結果）をシール部材５の温度毎にプロットしている。

以上の本実施形態によれば、挿通部の断面積Ａに応じて、シール部材５の温度が耐熱温度限界を超えないように外部突出長Ｌを設定することにより、当該外部突出長Ｌを無駄に長くすることなく、酸素センサ１をより適切な形状にすることができる。また、シール部材５の耐熱限界を超えない範囲で酸素センサ１の長さ（外部突出長Ｌ）と径（挿通部の断面積Ａ）とを調整することができる分、酸素センサ１の形状の自由度が増大し、ひいては部品レイアウトの自由度が増大するという利点もある。

また、本実施形態によれば、挿通部の断面積Ａに対するケーシング１ａの外部突出長Ｌの比Ｌ／Ａを、０．３２以上とすることで、シール部材５の温度を、より確実にその耐熱温度以下に維持することができる。

また、本実施形態によれば、挿通部の断面積Ａを１１３［ｍｍ^２］以下（ただし、実質的に製造可能な小型酸素センサを貫通させる挿通部の断面積以上）とすることで、シール部材５の温度を、より確実にその耐熱温度以下に維持することができる。

なお、本発明は、次のような別の実施形態に具現化することができる。以下の別の実施形態でも上記実施形態と同様の作用および効果を得ることができる。

（１）上記実施形態では、シール部材としてフッ素ゴムやシリコンゴム等を用いた場合について例示したが、他の材質のシール部材を用いた場合にも全く同様にして、挿通部の断面積Ａに対する外部突出長Ｌの比（Ｌ／Ａ）を所定値（ただし、材料の種類や各条件に応じて異なる値）以上とすることで、シール部材が耐熱温度限界以下となるように構成することができる。

（２）また、上記実施形態では、排気管内の排気ガスの温度が５００［℃］である場合について例示したが、排気ガスの温度がより高い場合やより低い場合についても、全く同様にして、挿通部の断面積Ａに対する外部突出長Ｌの比（Ｌ／Ａ）を所定値以上とすることで、シール部材が耐熱温度限界以下となるように構成することができる。

また、上記実施形態から把握し得る請求項以外の技術思想について、以下にその効果と共に記載する。

（イ）請求項１〜３に記載の酸素センサでは、シール部材をフッ素ゴムまたはシリコンゴムとするのが好適である。

こうすれば、シール部材としてより耐熱性の高いゴムを用いる分、酸素センサをより小型に構成することができる。

（ロ）請求項１〜３または上記（イ）に記載の酸素センサでは、シール部材の露出端面を覆う金属製のキャップを設けるのが好適である。

こうすれば、このキャップによってシール部材からの放熱性を高めて、シール部材の温度を下げることができ、その分、酸素センサをより小型化することができる。

本発明の実施形態にかかる酸素センサおよび酸素センサを取り付ける排気管の側面図（一部断面図）。 本発明の実施形態にかかる酸素センサの挿通部の断面積とシール部材の温度との相関関係を示す図。 本発明の実施形態にかかる酸素センサの挿通部の断面積と酸素センサの外部突出長との相関関係を示す図。

符号の説明

１ 酸素センサ
１ａ ケーシング
１ｃ 雄ネジ部（挿通部）
２ 排気管
２ａ 雌ネジ部（貫通穴）
３ 検出部
４ リード線
５ シール部材
Ａ 挿通部の断面積
Ｌ 外部突出長

Claims (3)

1. 略筒状のケーシングと、
   前記ケーシングの軸方向の一端側に設けられ、酸素濃度を検出する検出部と、
   前記検出部に電気的に接続され、ケーシングの他端側から外方に導出されるリード線と、
   前記ケーシングの他端側の端部に内装され、前記リード線を貫通させるシール部材と、
   を備え、前記ケーシングの軸方向の一端側を排気管の側壁に設けた貫通穴に挿通し、前記検出部を排気管内に突出させた状態で、当該排気管に装着される酸素センサであって、
   前記貫通穴に挿通される挿通部の断面積に対する前記ケーシングの外部突出長の比を、前記シール部材の温度がその耐熱限界温度となる値以上に設定したことを特徴とする酸素センサ。
2. 前記挿通部の断面積に対する前記ケーシングの外部突出長の比を０．３２以上に設定したことを特徴とする請求項１に記載の酸素センサ。
3. 前記挿通部の断面積が１１３［ｍｍ^２］以下であることを特徴とする請求項２に記載の酸素センサ。
   
   

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