JP2016001105A - Gas sensor - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、ガスセンサに関する。 The present invention relates to a gas sensor.
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。
Conventionally, a gas sensor for detecting a specific gas in exhaust gas has been used for air-fuel ratio control of an internal combustion engine such as an automobile. As such a gas sensor, for example, in
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。 Since the gas sensor is provided in a limited space inside an automobile or the like, it is required to reduce the diameter of the gas sensor in order to increase the degree of freedom of installation location. However, simply reducing the diameter of the entire gas sensor has the following problems. That is, when the diameter of the insulator is reduced, the flange portion of the insulator is reduced, so that the stress inside the flange portion caused by a load when compressing the seal member is excessively increased and the flange portion may be damaged. Therefore, there is room for improvement in order to reduce the diameter of the entire gas sensor while preventing breakage of the flange.
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。 The present invention has been made in view of such a background, and an object of the present invention is to provide a gas sensor capable of reducing the diameter while preventing breakage of the flange portion of the insulator due to a load when the seal member is compressed.
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。
One embodiment of the present invention is formed in a rod shape extending in the axial direction, and a detection unit that detects a specific gas in the measurement gas by being exposed to the measurement gas on the distal end side, and a detection result of the detection unit on the proximal end side A sensor element including an output unit that outputs an output signal according to
An insulator made of a cylindrical insulator having a collar portion that is formed in a cylindrical shape so as to hold the sensor element inside and that protrudes in a convex shape on the outer peripheral surface;
A cylindrical housing that holds the sensor element and the insulator inside, and has an annular protrusion formed annularly on the inner wall surface so as to support the flange portion;
A seal member that fills and compresses a space surrounded by the base end side surface of the flange, the inner wall surface of the housing, and the outer peripheral surface of the insulator, and seals between the insulator and the housing;
In a gas sensor comprising:
The axial length of the flange portion T, a projecting length in the radial direction of the flange portion W, when the outer diameter of the flange portion and is D, in W / (π × D ×
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。 In the gas sensor, the value of the W / (π × D × T 2/6) is in the 0.06 or less. Thereby, even if the diameter of the gas sensor is reduced, the axial length T (that is, the thickness of the collar portion) of the collar portion is sufficiently secured, so that the stress in the collar portion generated when the seal member is compressed is used. Damage to the buttocks of the insulator is prevented.
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。 As described above, according to the present invention, it is possible to provide a gas sensor capable of reducing the diameter while preventing breakage of the flange portion of the insulator due to a load when the seal member is compressed.
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。 The gas sensor of the present invention can be used, for example, for air-fuel ratio control of an internal combustion engine such as an automobile.
(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。
(Example 1)
A gas sensor according to an embodiment of the present example will be described with reference to FIGS.
The
The
The
The
The
As shown in FIG. 2, the length (hereinafter also referred to as “thickness”) of the
The axial direction of the
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。
Hereinafter, the
The
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。
In addition, an
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。
As shown in FIGS. 1 and 2, the
And the
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。
The
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)
When compressing the
σ '= P × W' ( L '× T' 2/6) ··· Equation (1)
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)
In this example, the
σ = P × W / (π × D ×
W / (π × D × T 2/6) ... formula (3)
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。
In this example, the width W of the
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。
Next, the effect in the
In the
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。
As described above, according to this example, it is possible to provide the
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。
Next, the relationship between the value of the length in the axial direction Y of the flange portion 21 (thickness) T and W / (π × D ×
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。
Next, the relationship between the value of the width W and W of the
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。
Next, the relationship between the value of the outer diameter D and W / (π × D × T 2/6) of the
(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。
Next, a breakage test was performed on
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。
The breakage test was performed as follows. As shown in FIG. 6, the
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。
As shown in Table 2,
(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。
(Example 2)
The
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。
The
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。
The
(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。
(Example 3)
The gas sensor of this example includes a
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。
In this example, the length T in the axial direction Y of the
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
DESCRIPTION OF
Claims (2)
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)。 It is formed in a rod shape extending in the axial direction (Y), is exposed to the gas to be measured on the tip side (Y1), and detects the specific gas in the gas to be measured, and the base side (Y2) A sensor element (10) including an output unit (12) that outputs an output signal corresponding to a detection result of the detection unit (11);
An insulator (20) made of an insulator having a flange (21) which is formed in a cylindrical shape so as to hold the sensor element (10) inside and which protrudes in a convex shape on the outer peripheral surface (20b); ,
The sensor element (10) and the insulator (20) are held inside, and an annular protrusion (31) formed in an annular shape on the inner wall surface (30a) so as to support the flange (21). A cylindrical housing (30) having;
Fills a space (40a) surrounded by the base end side surface (21b) of the flange (21), the inner wall surface (30a) of the housing (30), and the outer peripheral surface (20b) of the insulator (20). And a seal member (40) that is compressed and sealed between the insulator (20) and the housing (30);
In a gas sensor (1) comprising:
The length in the axial direction (Y) of the flange (21) is T, the protrusion length in the radial direction (X) of the flange (21) is W, and the outer diameter of the flange (21) is D. when gas sensor stress value per unit load represented by W / (π × D × T 2/6) is characterized in that less than or equal to 0.06 (1).
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