JP2018128369A - 排気ガスセンサ - Google Patents

Abstract

【課題】信頼性が高い外筒を有する排気ガスセンサを提供する。【解決手段】排気ガスセンサは、主体金具の環状の本体部よりも後端側に位置して排気管外に配置される外側部を備える。外側部は外筒を有し、この外筒は、第１筒部５２と、第２筒部５４と、第３筒部と、第１段部５３と、第２段部とを有する。第２筒部５４は、第１段部５３から後端側に所定の曲率半径Ｒで立ち上がる立上り部５４ＴＵ、及びこの立上り部に続いて所定の勾配θｔを有して後端側ほど径小となる線形テーパ部からなるテーパ部５４ＴＬ、及び、テーパ部から後端側に延び、第２段部に連なる円筒状の連結円筒部５４Ｄを含む。【選択図】図２

Description

本発明は、排気ガス中の成分を検知する排気ガスセンサに関する。

車両などに搭載した内燃機関の排気管に装着して、排気管内を流れる排気ガスの成分（例えば、酸素、ＮＯｘ、ＣＯ、ＨＣ(炭化水素)など）を検知する排気ガスセンサが知られている。

このような排気ガスセンサには、例えば特許文献１（特許文献１の図１参照）に示されているように、主体金具との関係を考慮すると、主体金具の環状の本体部と、この主体金具の本体部よりも先端側に位置して、排気管に装着され又は排気管内に配置される先端側部と、主体金具の本体部よりも後端側に位置して、排気管外に配置される外側部とからなる形態とされるものがある。このような排気ガスセンサでは、排気管のセンサ取付部に設けた雌ネジ部に、主体金具の雄ネジ部をねじ込んで固定するなど、主体金具を用いて排気管に排気ガスセンサを固定する。これと共に、先端側部を排気管内に配置する。一方、外側部は、排気管の外側に配置され、電源配線やＣＡＮバスなどのネットワーク配線に接続する接続配線が延出している。

なお、排気ガスセンサの外側部は、排気ガスセンサの軸線に直交する径方向を取り囲む形態の外筒を有しており、外側部の内部の各部材を保護している。例えば特許文献１に示されている排気ガスセンサにおいて、外筒は、概略、後端側ほど径小となる三段円筒形状とされている。この外筒の先端側開口端（特許文献１の図１中、下端）付近は主体金具に固設される一方、外筒の後端側開口端（特許文献１の図１中、上端）からは、グロメットを通って接続配線（リード線）が後端側に延出している。

特開２０１５−１３２４９３号公報

しかるに、このような形態の排気ガスセンサの主体金具を排気管に固定して排気管に取り付けると、その外筒は、先端側開口端付近で主体金具に固定されている一方、後端側開口端は固定されていない片持ち状態となる。ここで、内燃機関を駆動したり、車両を走行させたりすると、後端側開口端から延出している接続配線の振動などによって、後端側開口端付近が、軸線に直交する方向に繰り返し振動荷重を受ける。すると、この外筒のうち、基端側の第１筒部と中央の第２筒部との間をつなぐ段状の第１段部から、第２筒部が立ち上がる立上り部（角部）に応力が集中し、この部分に亀裂などの不具合が生じる場合があることが判ってきた。
本件は、かかる問題点に鑑みてなされたものであって、信頼性が高い外筒を有する排気ガスセンサを提供するものである。

上記課題を解決するための一態様は、主体金具の環状の本体部と、上記主体金具の上記本体部よりも先端側に位置して、排気管に装着され又は上記排気管内に配置される先端側部と、上記主体金具の上記本体部よりも後端側に位置して、上記排気管外に配置される外側部と、を備え、内部にガスセンサ素子を保持した排気ガスセンサであって、上記外側部は、先端側開口端と後端側開口端とを結ぶ筒状で、上記外側部の外周殻をなす外筒を有し、上記外筒は、上記先端側開口端から後端側に延び、第１筒部先端部で上記主体金具に固着された円筒状の第１筒部と、上記第１筒部よりも径小で後端側に位置して後端側に延びる筒状の第２筒部と、上記第２筒部よりも径小で後端側に位置して後端側に延び、接続配線が後端側に延出し、後端側開口端をなす円筒状の第３筒部と、上記第１筒部と上記第２筒部との間に位置する段状の第１段部と、上記第２筒部と上記第３筒部との間に位置する段状の第２段部とを有し、上記第２筒部は、上記第１段部から後端側に所定の曲率半径Ｒで立ち上がる立上り部及びこの立上り部に続いて所定の勾配θｔを有して後端側ほど径小となる線形テーパ部からなるテーパ部、及び、上記テーパ部から後端側に延び、上記第２段部に連なる円筒状の連結円筒部を含む排気ガスセンサである。

本発明の排気ガスセンサでも、主体金具を排気管に固定することにより、外筒の先端側開口端付近（第１筒部の先端部）を固定した上で、外筒の後端側開口端に軸線に直交する方向の力を掛けると、第１段部から第２筒部のテーパ部のうちの立上り部（角部）に応力が集中する。
しかし、この排気ガスセンサでは、三段円筒状とされた外筒の第２筒部に、第１段部から立ち上がって延びる立上り部の他に線形テーパ部を設けている。このため、線形テーパ部を設けなかった場合に比して、立上り部への応力集中の程度を低下させることができる。第２筒部のうち連結円筒部と立上り部との間に線形テーパ部を設けることで、第２筒部の立上り部（テーパ部の立上り部）への応力の集中を緩和できたためと考えられる。かくして、接続配線の振動などに伴い、第２筒部の立上り部（テーパ部の立上り部）付近で、外筒が破断することを抑制した、耐久性の高い排気ガスセンサとすることができる。

なお、第２筒部に設ける立上り部の曲率半径Ｒとしては、外筒の厚みの半分乃至１．５倍とすると良い。線形テーパ部の所定の勾配θｔとしては０度よりも大きければ、応力緩和の作用を果たすが、少なくとも２．５度以上とすると、線形テーパ部を設けない場合（つまりθｔ＝０度の場合）に比して、立上り部に生じる応力を有意に緩和することができる。

上述の排気ガスセンサであって、前記外筒の前記第２筒部の前記線形テーパ部は、前記勾配θｔが５度以上(θｔ≧５deg)であり、前記第１段部から測定した上記外筒の軸線方向の長さｙが、６．０ｍｍ以上(ｙ≧６．０ｍｍ)である排気ガスセンサとすると良い。

この排気ガスセンサは、三段円筒状とされた外筒の第２筒部のテーパ部のうち立上り部よりも後端側を、勾配θｔ≧５deg、長さｙ≧６．０ｍｍの線形テーパの形態とした。このため、排気ガスセンサの主体金具を固定することで、外筒の第１筒部の先端部（外筒の先端部開口端付近）を固定した上で、外筒の後端側開口端に軸線に直交する方向の力を掛けた場合に、第２筒部の立上り部（テーパ部の立上り部）に発生する応力を、第２筒部にテーパ部を設けなかった場合に比して、大幅に低下させることができる。このため、ケーブルの振動などに伴い、第２筒部の立上り部付近で、外筒が破断することを抑制した、耐久性の高い排気ガスセンサとすることができる。

あるいは、排気ガスセンサであって、前記外筒の前記第２筒部の前記線形テーパ部は、前記勾配θｔが１０度以上(θｔ≧１０deg)であり、前記第１段部から測定した上記外筒の軸線方向の長さｙが、３．０ｍｍ以上(ｙ≧３．０ｍｍ)である排気ガスセンサとすると良い。

この排気ガスセンサは、三段円筒状とされた外筒の第２筒部のテーパ部のうち立上り部よりも後端側を、勾配θｔ≧１０deg、長さｙ≧３．０ｍｍの線形テーパの形態とした。このため、排気ガスセンサの主体金具を固定することで、外筒の第１筒部の先端部（外筒の先端部開口端付近）を固定した上で、外筒の後端側開口端に軸線に直交する方向の力を掛けた場合に、第２筒部の立上り部（テーパ部の立上り部）に発生する応力を、テーパ部を設けなかった場合に比して低下させることができる。

実施形態にかかるガスセンサの半断面図である。 実施形態のガスセンサの外筒のうち、第１段部及び第２筒部の形態を示す、図１におけるＣ部拡大断面図である。 実施形態及び従来のガスセンサに用いる外筒について、先端側開口端端を固定し、後端側開口端に軸線に直交する方向の力を掛ける様子を示す説明図である。

（実施形態）
以下、本発明の実施形態について説明する。
まず、図１，図２を参照し、本発明の実施形態に係るガスセンサ（酸素センサ）１について説明する。図１に示すガスセンサ１の軸線ＡＸに沿う方向(図中、上下方向)を、軸線方向ＡＨとし、この軸線方向ＡＨのうち、先端側ＡＨ１(図中、下方)、及び後端側ＡＨ２(図中、上方)、及び軸線ＡＸに直交する直交方向ＢＨを、図１に示すように定める。

図１に示すガスセンサ１は、環状の主体金具２と、この主体金具２にセンサ素子１０等を組み付けて、図１に破線で示す、内燃機関(図示しない)の排気管ＥＰの取付部ＥＰＨの装着可能としてなる。この軸線方向ＡＨに延びるガスセンサ１は、主体金具２の本体部２Ａと、この本体部２Ａよりも軸線方向ＡＨの先端側に位置して、排気管ＥＰに装着されあるいは排気管ＥＰ内に配置される先端側部３と、本体部２Ａよりも後端側に位置して、排気管ＥＰ外に配置される外側部４を備え、内部に、軸線方向ＡＨに延びる板状のセンサ素子１０を保持している。

主体金具２は筒状をなし、円筒状の本体部２Ａと、この本体部２Ａから先端側ＡＨ１に延び、排気管に固定されるための雄ネジ部２ＢＳを外表面に有する取付部２Ｂと、本体部２Ａから後端側ＡＨ２に延び、後端部分が内側に加締められたカシメ部２ＣＣをなす円筒状の後端側部２Ｃとを有する。主体金具２は、センサ素子１０のうち先端部１０Ｓを先端側にかつ後端部１０Ｋを後端側にそれぞれ主体金具２から突出させた状態で、センサ素子１０を内側に保持している。具体的には、主体金具２の内周面とセンサ素子１０の外周面との間には、センサ素子１０の外周面を囲むセラミック製の環状の保持部材１２、粉末充填材（滑石粉末）１３，１４、およびセラミック製のスリーブ１５が先端側からこの順に主体金具２内に保持されている。そして、主体金具２の後端に位置するカシメ部２ＣＣを加締めてパッキン１６を介してスリーブ１５を先端側に押し付けることにより、主体金具２内にセンサ素子１０が固定される。

ガスセンサ１の先端側部３は、排気管ＥＰの取付部ＥＰＨに装着されあるいは排気管ＥＰ内に配置される。即ち、主体金具２の取付部２Ｂに形成した雄ネジ部２ＢＳを排気管ＥＰの取付部ＥＰＨに螺入すると、取付部２Ｂの雄ネジ部２ＢＳよりも先端側ＡＨ１の部位が、排気管ＥＰ内に配置される（図１参照）。取付部２Ｂのうち、雄ネジ部２ＢＳよりも先端側ＡＨ１の外周には、センサ素子１０の先端部分を囲む金属製のプロテクタ２１がレーザ溶接により取り付けられている。なお、センサ素子１０の先端部１０Ｓのうち、ガス検知を行う検知部１０Ｐは、多孔質保護層で覆われている。

一方、主体金具２の本体部２Ａ及びこれよりも後端側ＡＨ２の外側部４は、排気管ＥＰの外部に配置される。センサ素子１０のうち、主体金具２の後端側部２Ｃよりも後端側ＡＨ２に突出する後端部１０Ｋは、円筒状のセラミック製のセパレータ３１に囲まれている。この後端部１０Ｋには、電極パッド１０ｅ（本実施形態では各面に２個ずつ計４個）が露出しており、セパレータ３１に保持された端子金具３２が、それぞれ電極パッド１０ｅに接触、導通している。
セパレータ３１の後端側ＡＨ２には、円筒状でゴム製のシール部材であるグロメット３５が、このセパレータ３１と離間して配置され、端子金具３２に導通するリード線３３が、グロメット３５内を通じて、後端側ＡＨ２（図１中、上方）に延出している。

ガスセンサ１の外側部４のうち、セパレータ３１、グロメット３５、及び主体金具２の後端側部２Ｃは、金属製で深絞りにより形成されてこれらの外周殻をなす三段円筒状の外筒５０に覆われている。外筒５０は、先端側ＡＨ１の先端側開口端５０Ｓ及び後端側ＡＨ２の後端側開口端５０Ｋの間を結ぶ三段円筒状を有している。外筒５０は、先端側開口端５０Ｓから後端側ＡＨ２に延びる円筒状の第１筒部５２と、第１筒部５２よりも径小で後端側ＡＨ２に位置して後端側ＡＨ２に延びる筒状の第２筒部５４と、第２筒部５４よりも径小で後端側ＡＨ２に位置して後端側ＡＨ２に延び、後端側開口端５０Ｋをなす円筒状の第３筒部５６と、第１筒部５２と第２筒部５４との間に位置する段状の第１段部５３と、第２筒部５４と第３筒部５６との間に位置する段状の第２段部５５とを有する。外筒５０のうち先端側の部位、即ち、第１筒部５２の先端部５２Ｂは、溶接部５２Ｌで主体金具２の後端側部２Ｃに全周に亘り溶接されて固着されている。

セパレータ３１は、このセパレータ３１に外嵌された保持金具３４を、外筒５０の第１筒部５２の一部を内側に凹入するように加締めてカシメ部５２Ｃを形成して押圧することにより、この保持金具３４と外筒５０の第１段部５３との間に係止されている。

また、外筒５０の第２筒部５４は、第１段部５３から後端側ＡＨ２に立ち上がって延び、後端側ＡＨ２ほど径小となる長さｙ（本実施形態では、ｙ＝７ｍｍ）のテーパ部５４Ｔ、及び、テーパ部５４Ｔから後端側ＡＨ２に延び、第２段部５５に連なる円筒状の連結円筒部５４Ｄを含んでいる（図２も参照）。

このうち、テーパ部５４Ｔは、第１段部５３から後端側（図中、上方）に立ち上がる立上り部５４ＴＵと、立上り部５４ＴＵの後端側ＡＨ２に連なり、勾配θｔ（本実施形態ではθｔ＝９５deg）の線形テーパ形状をなす線形テーパ部５４ＴＬとからなる。
なお、立上り部５４ＴＵは、第２筒部５４の立上り部５４Ｕでもある。立上り部５４ＴＵは、曲率半径Ｒで曲げられて第１段部５３から立ち上がっており、この曲率半径Ｒは、外筒５０の厚みＴｈ（第１段部５３における厚みＴｈ）の半分乃至１．５倍（Ｒ＝０．５Ｔｈ〜１．５Ｔｈ）の大きさとされている。本実施形態ガスセンサ１では、具体的には、Ｔｈ＝０．５ｍｍであり、Ｒ＝０．５ｍｍとされている。

外筒５０の第２筒部５４において、本実施形態のように線形テーパ部５４ＴＬを含むテーパ部５４Ｔを設けず、図３に破線で示すように、立上り部５４ＴＵと同じ立上り部のみ設けて、第２筒部５４の大半を連結円筒部５４Ｄと同様の円筒部で構成した従来の外筒の場合、内燃機関及びこれを搭載した車両の振動の受け続けると、外筒が立上り部で破断する場合があった。車両等の振動によりリード線３３が振動して、グロメット３５と共に、外筒５０の後端側開口端５０Ｋが、直交方向ＢＨに振動する。即ち、図３に破線で示すように、外筒５０は、第１筒部５２の先端側開口端５０Ｓ付近が固定された状態で、第３筒部５６の後端側開口端５０Ｋに振動による力Ｆが直交方向ＢＨに繰り返し掛かる。このため、これによる応力が、第２筒部５４の立上り部に集中し、破断を生じたと考えられる。

これに対し、本実施形態のガスセンサ１では、三段円筒状とされた外筒５０の第２筒部５４に、第１段部５３から立ち上がって延びる立上り部５４ＴＵのほかに線形テーパ部５４ＴＬを設けている。このため、線形テーパ部５４ＴＬを設けなかった従来の外筒に比して、立上り部５４ＴＵ（立上り部５４Ｕ）への応力集中の程度を低下させることができる。第２筒部５４のうち連結円筒部５４Ｄと立上り部５４ＴＵとの間に線形テーパ部５４ＴＬを設けることで、第２筒部５４の立上り部５４Ｕ（テーパ部５４Ｔの立上り部５４ＴＵ）への応力の集中を緩和できたためと考えられる。かくして、リード線３３の振動などに伴い、第２筒部５４の立上り部５４Ｕ（テーパ部５４Ｔの立上り部５４ＴＵ）付近で、外筒５０が破断することを抑制した、耐久性の高いガスセンサ１とすることができる。

なお、外筒５０について、図３に示すように、第１筒部５２の先端側開口端５０Ｓを固定板ＦＩに固定した状態で、第３筒部５６の後端側開口端５０Ｋに、直交方向ＢＨの力Ｆを掛ける有限要素法による応力解析を行ったところ、線形テーパ部５４ＴＬの勾配θｔを９５度以上（θｔ≧９５deg）とした場合、テーパ部５４Ｔの長さｙを６．０ｍｍ以上（ｙ≧６．０ｍｍ）とすることで、破断を生じる応力を下回ることが判った。

さらに、線形テーパ部５４ＴＬの勾配θｔを１００度以上（θｔ≧１００deg）とした場合には、テーパ部５４Ｔの長さｙを３．０ｍｍ以上（ｙ≧３．０ｍｍ）とすることで、破断を生じる応力を下回ることが判った。
勾配θｔを大きくすると、立上り部５４ＴＵ付近における応力分散の効果がより高くなるため、長さｙが小さくても同様の効果を得られると考えられる。

以上において、本発明を実施形態に即して説明したが、本発明は上述の実施形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で、適宜変更して適用できることは言うまでもない。

１ ガスセンサ（排気ガスセンサ）
ＡＨ 軸線方向
ＡＨ１ （軸線方向の）先端側
ＡＨ２ （軸線方向の）後端側
ＢＨ （軸線に直交する）直交方向
２ 主体金具
２Ａ 本体部
２Ｂ 取付部
２Ｃ 後端側部
３ 先端側部
４ 外側部
１０ センサ素子
３３ リード線（接続配線）
３５ グロメット
５０ 外筒
５０Ｓ （外筒の）先端側開口端
５０Ｋ （外筒の）後端側開口端
５２ 第１筒部
５２Ｂ （第１筒部の）先端部（第１筒部先端部）
５２Ｌ 溶接部
５２Ｃ カシメ部
５３ 第１段部
５４ 第２筒部
５４Ｕ （第２筒部の）立上り部
５４Ｔ テーパ部
θｔ （テーパ部の）勾配
ｙ （テーパ部の）長さ
５４ＴＵ （テーパ部の）立上り部
Ｒ （立上り部の）曲率
Ｔｈ （外筒の）厚さ
５４ＴＬ 線形テーパ部
５４Ｄ 連結円筒部
５５ 第２段部
５６ 第３筒部

Claims (3)

1. 主体金具の環状の本体部と、
   上記主体金具の上記本体部よりも先端側に位置して、排気管に装着され又は上記排気管内に配置される先端側部と、
   上記主体金具の上記本体部よりも後端側に位置して、上記排気管外に配置される外側部と、を備え、
   内部にガスセンサ素子を保持した
   排気ガスセンサであって、
   上記外側部は、
   先端側開口端と後端側開口端とを結ぶ筒状で、上記外側部の外周殻をなす外筒を有し、
   上記外筒は、
   上記先端側開口端から後端側に延び、第１筒部先端部で上記主体金具に固着された円筒状の第１筒部と、
   上記第１筒部よりも径小で後端側に位置して後端側に延びる筒状の第２筒部と、
   上記第２筒部よりも径小で後端側に位置して後端側に延び、接続配線が後端側に延出し、後端側開口端をなす円筒状の第３筒部と、
   上記第１筒部と上記第２筒部との間に位置する段状の第１段部と、
   上記第２筒部と上記第３筒部との間に位置する段状の第２段部とを有し、
   上記第２筒部は、
   上記第１段部から後端側に所定の曲率半径Ｒで立ち上がる立上り部及びこの立上り部に続いて所定の勾配θｔを有して後端側ほど径小となる線形テーパ部からなるテーパ部、及び、
   上記テーパ部から後端側に延び、上記第２段部に連なる円筒状の連結円筒部を含む
   排気ガスセンサ。
2. 請求項１に記載の排気ガスセンサであって、
   前記外筒の前記第２筒部の前記線形テーパ部は、
   前記勾配θｔが５度以上(θｔ≧５deg)であり、
   前記第１段部から測定した上記外筒の軸線方向の長さｙが、６．０ｍｍ以上(ｙ≧６．０ｍｍ)である
   排気ガスセンサ。
3. 請求項１に記載の排気ガスセンサであって、
   前記外筒の前記第２筒部の前記線形テーパ部は、
   前記勾配θｔが１０度以上(θｔ≧１０deg)であり、
   前記第１段部から測定した上記外筒の軸線方向の長さｙが、３．０ｍｍ以上(ｙ≧３．０ｍｍ)である
   排気ガスセンサ。

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