JP6886880B2 - ガスセンサ - Google Patents

Description

本発明は、被検出ガスの濃度を検出するガスセンサに関する。

自動車等の排気ガス中の酸素濃度を検出するガスセンサとして、軸線方向に延びるセンサ素子を、筒状の主体金具の内側に挿通して保持するものが知られている。このガスセンサは、以下のようにして製造される。まず、主体金具の内側にセンサ素子を挿通すると共に、充填部材及び筒状のセラミックスリーブを主体金具の後端部の内側に配置する。主体金具の後端側には加締め部が設けられており、この加締め部を、径方向内側に曲げつつ先端側へ向かって加締め金型によって押圧して加締める。これにより、加締め部によって先端側に押圧された金属リング及びセラミックスリーブを介して充填部材が先端側に圧縮され、主体金具とセンサ素子の隙間をシールするようになっている。

加締め部は、軸線方向に延びる筒状の部材（加締め素形部）を、加締め金型によって径方向内側に曲げることで形成される。このため、加締め荷重を解放すると、加締め素形部がスプリングバックにより後端側へ戻り、それに伴って金属リング及びセラミックスリーブを介して充填部材へ掛けられた荷重も軸線方向に若干解放され、主体金具とセンサ素子の隙間のシールが不十分となるおそれがある。一方、スプリングバックを低減するために加締め部の厚みを厚くし過ぎると、加締め時の曲げ加工が困難になったり、コストアップに繋がる。
このようなことから、加締め部の外表面に補強部（リブ）となる凹凸を形成し、スプリングバックを低減した技術が開発されている（特許文献１）。

特開２０１４−２２２１５１号公報

しかしながら、加締め部を補強しても、加締め部が金属リングに掛かる長さによっては、金属リングへの荷重が十分ではなく、シールが不十分となることが判明した。
従って、本発明は、加締め部の軸線方向のスプリングバックを低減すると共に、加締め力をより向上させてシール性を向上させたガスセンサの提供を目的とする。

上記課題を解決するため、本発明のガスセンサは、自身の後端側に加締め部を有する筒状の主体金具と、軸線方向に延びて前記主体金具内に保持されるセンサ素子と、前記加締め部に固定されるリング状の他部材とを少なくとも有するガスセンサにおいて、前記他部材は、前記加締め部に覆われ、前記加締め部は、径方向内側に曲げられて前記他部材を前記主体金具の前記軸線方向に沿う中央側へ向かって押圧し、前記加締め部の径方向の先端が、前記他部材の径方向の断面における重心よりも径方向内側に延び、かつ、前記加締め部は、少なくとも前記重心よりも径方向内側で前記他部材に接し、前記加締め部の少なくとも外表面に軸線方向に高低差を有すると共に径方向に延びる凹部又は凸部が形成され、該凹部又は該凸部は、少なくとも前記加締め部の前記先端から前記重心までの領域に形成されていることを特徴とする。

このガスセンサによれば、加締め部の径方向の先端が他部材の重心よりも径方向内側に延び、かつ加締め部が少なくとも重心よりも径方向内側で他部材に接している。このため、重心よりも径方向内側で他部材に先端側への押圧力が掛かり、他部材に重心を中心として時計回りのモーメントが働くが、他部材の後端側の外周部は加締め部の基端で保持されている。従って、他部材の先端側の内周部から先端側へ向かう力が優勢となり、加締め力をより向上させてシール性を向上させることができる。
又、加締め部の少なくとも外表面に形成された凹部又は凸部が補強部（リブ）となって加締め部の強度が高くなるので、加締め部がスプリングバックにより後端側へ戻ることを抑制し、軸線方向の加締め力を向上させることができる。さらに、凹部又は凸部は、少なくとも加締め部の径方向の先端から重心までの領域に形成されている。このため、重心よりも径方向内側で他部材に接する加締め部の部位の強度を確実に高くし、上述の力をより強く生じさせることで、加締め力をより向上させてシール性を向上させることができる。

前記加締め部の前記先端が前記他部材よりも径方向内側に延びていてもよい。
このガスセンサによれば、重心よりも径方向内側で他部材への加締め力をさらに確実に向上させ、上述の力をさらに増大させて、加締め力をさらに確実に向上させてシール性を向上させることができる。

前記加締め部の内表面に、前記加締め部の前記外表面に形成される前記凹部または前記凸部のそれぞれに対応する凸部又は凹部として現れる第２の凸部または第２の凹部が形成されていてもよい。
このガスセンサによれば、加締め部の強度がさらに高くなる。

この発明によれば、軸線方向の加締め部のスプリングバックを低減すると共に、加締め力をより向上させてシール性を向上させたガスセンサが得られる。

本発明の実施形態に係るガスセンサを軸線方向に沿う面で切断した断面図である。 図１の加締め部周辺の部分拡大図である。 加締め部周辺の部分斜視図である。 図３のＡ−Ａ線の高さで軸線Ｏ方向に垂直な面で切断した加締め部の厚み方向の断面図である。 本発明の実施形態において、金属リングに働く力を示す模式図である。 加締め部の径方向の先端が金属リングの重心より径方向外側に位置する場合の、金属リングに働く力を示す模式図である。 加締め金型を先端側から見た部分断面斜視図である。 加締め部の変形例を示す厚み方向の断面図である。

以下、本発明の実施形態について説明する。
図１は、本発明の実施形態に係るガスセンサ１００を、軸線Ｏ方向に沿う面で切断した断面構造を示す。この実施形態において、ガスセンサ１００は自動車の排気管内に挿入されて先端が排気ガス中に曝され、排気ガス中の酸素濃度を検出する酸素センサになっている。センサ素子３は、酸素イオン伝導性の固体電解質体に一対の電極を積層した酸素濃淡電池を構成し、酸素量に応じた検出値を出力する公知の酸素センサ素子である。
なお、図１の下側をガスセンサ１００の先端側とし、図１の上側をガスセンサ１００の後端側とする。

ガスセンサ１００は、先端が閉じた略円筒状(中空軸状)のセンサ素子（この例では酸素センサ素子）３を、筒状の主体金具２０の内側に挿通して保持するよう組み付けられている。センサ素子３は、先端に向かってテーパ状に縮径する筒状の固体電解質体と、固体電解質体の内周面と外周面にそれぞれ形成された内側電極及び外側電極（図示せず）とからなる。又、センサ素子３の中空部には丸棒状のヒータ１５が挿入され、固体電解質体を活性化温度に昇温するようになっている。
主体金具２０の後端部には、センサ素子３の後端側に設けられたリード線や端子（後述）を保持し、センサ素子３の後端部を覆う筒状の外筒４０が接合されている。さらに、センサ素子３の後端側の外筒４０の内側には、絶縁性で円柱状のセパレータ１２１が加締め固定されている。一方、センサ素子３先端の検出部はプロテクタ７で覆われている。そして、このようにして製造されたガスセンサ１００の主体金具２０の雄ねじ部２０ｄを排気管等のネジ孔に取付けることで、センサ素子３先端の検出部を排気管内に露出させて被検出ガス（排気ガス）を検知している。なお、主体金具２０の中央付近には、六角レンチ等を係合するための多角形の鍔部２０ｃが設けられ、鍔部２０ｃと雄ねじ部２０ｄとの間の段部には、排気管に取付けた際のガス抜けを防止するガスケット１４が嵌挿されている。

センサ素子３の中央側に鍔部３ａが設けられ、主体金具２０の先端寄りの内周面には内側に縮径する段部が設けられている。又、段部の後端向き面にワッシャ１２を介して筒状のセラミックホルダ５が配置されている。そして、センサ素子３が主体金具２０及びセラミックホルダ５の内側に挿通され、セラミックホルダ５に後端側からワッシャ１３を介してセンサ素子３の鍔部３ａが当接している。
さらに、鍔部３ａの後端側におけるセンサ素子３と主体金具２０との径方向の隙間に、筒状の滑石粉末６、及び筒状のセラミックスリーブ１０が配置されている。そして、セラミックスリーブ１０の後端側に金属リング３０を配置し、主体金具２０の後端部を内側に屈曲して加締め部２０ａを形成することにより、セラミックスリーブ１０が先端側に押し付けられる。これにより滑石粉末６を押し潰し、セラミックスリーブ１０及び滑石粉末６が加締め固定されるとともに、センサ素子３と主体金具２０の隙間がシールされている。
なお、金属リング３０が特許請求の範囲の「他部材」に相当する。

センサ素子３の後端側に配置されたセパレータ１２１には、挿通孔（この例では４個）が設けられ、そのうち２個の挿通孔にそれぞれ内側端子金具７１、外側端子金具９１の板状基部７４、９４が挿入されて固定されている。各板状基部７４、９４の後端にはそれぞれコネクタ部７５、９５が形成され、コネクタ部７５、９５にそれぞれリード線４１、４１が加締め接続されている。又、セパレータ１２１の図示しない２個の挿通孔（ヒータリード孔）に、ヒータ１５から引き出されたヒータリード線４３（図１では１個のみ図示）が挿通されている。
セパレータ１２１の後端側の外筒４０内側には筒状のグロメット１３１が加締め固定され、グロメット１３１の４個の挿通孔からそれぞれ２個のリード線４１、及び２個のヒータリード線４３が外部に引き出されている。
なお、グロメット１３１の中心には貫通孔１３１ａが形成され、センサ素子３の内部空間に連通している。そして、グロメット１３１の貫通孔１３１ａに撥水性の通気フィルタ１４０が介装され、外部の水を通さずにセンサ素子３の内部空間に基準ガス（大気）を導入するようになっている。

一方、主体金具２０の先端側には筒状のプロテクタ７が外嵌され、主体金具２０から突出するセンサ素子３の先端側がプロテクタ７で覆われている。プロテクタ７は、複数の孔部（図示せず）を有する有底筒状で金属製（例えば、ステンレスなど）の外側プロテクタ７ｂおよび内側プロテクタ７ａを、溶接等によって二重に取り付けて構成されている。

図２は、図１の加締め部２０ａ周辺の部分拡大図を示す。加締め部２０ａは、径方向内側に曲げられて金属リング３０を主体金具２０の軸線Ｏ方向に沿う中央側へ向かって押圧している。又、加締め部２０ａの径方向の先端２０ｆが金属リング３０の径方向の断面における重心Ｇよりも径方向内側に延びている。
ここで、加締め部２０ａの「径方向の」先端２０ｆとは、加締め部２０ａのうち径方向の最も内側の部位であり、加締め部２０ａ自身の先端部２０ｓと同一とは限らない。
金属リング３０の径方向の断面とは、金属リング３０の中心から外縁へ向かう面で切断した断面である。

図３は、加締め部２０ａ周辺の部分斜視図を示す。加締め部２０ａは環状に形成され、加締め部２０ａの外表面には、軸線Ｏ方向に高低差を有すると共に径方向に延びる凹凸２０ｕが、周方向の全周にわたって、かつ加締め部２０ａの径方向の先端２０ｆから重心Ｇを超える領域Ｒ１に形成されている。なお、凹凸２０ｕは、凹部と凸部が周方向に交互に形成され、凹部と凸部の曲率を同じにした波形状になっている。
一方、加締め部２０ａは、金属リング３０の外周側から、重心Ｇを超えて径方向内側までの領域Ｒ２で金属リング３０に接している。

このように、加締め部２０ａの径方向の先端２０ｆが金属リング３０の重心Ｇよりも径方向内側に延び、かつ加締め部２０ａが少なくとも重心Ｇよりも径方向内側で金属リング３０に接している。
このため、図５に示すように、重心Ｇよりも径方向内側で金属リング３０に先端側への押圧力Ｐが掛かり、金属リング３０に重心Ｇを中心として時計回りのモーメントが働くが、金属リング３０の後端側の外周部２０ｅは加締め部２０ａの基端で保持されている。従って、金属リング３０の先端側の内周部から先端側へ向かう力Ｆ１が優勢となり、加締め力をより向上させてシール性を向上させることができる。

一方、図６に示すように、加締め部２０ｗの径方向の先端２０ｗｆが重心Ｇと径方向内側に同一の位置か、又は重心Ｇより径方向外側に位置する場合、加締め部２０ｗが重心Ｇよりも径方向内側で金属リング３０に接しないことになる。
このため、重心Ｇよりも径方向外側で金属リング３０に先端側への押圧力Ｐが掛かり、金属リング３０に重心Ｇを中心として反時計回りのモーメントが働くが、金属リング３０の後端側の重心Ｇよりも径方向内側には加締め部２０ｗが介在しない。従って、金属リング３０の後端側の内周部から後端側へ向かう力Ｆ２が優勢となり、金属リング３０が浮いて加締め力が低下してしまう。

又、本発明においては、加締め部２０ａの少なくとも外表面２０ａｘに凹凸２０ｕが形成されており、凹凸２０ｕが補強部（リブ）となって加締め部２０ａの強度が高くなるので、軸線Ｏ方向から径方向内側に曲げられた加締め部２０ａがスプリングバックにより後端側へ戻ることを抑制し、軸線Ｏ方向の加締め力を向上させることができる。そのため、加締め部２０ａによって金属リング３０及びセラミックスリーブ１０を介して先端側へ押圧された滑石粉末６の軸線Ｏ方向の荷重が解放されることを抑制し、主体金具２０とセンサ素子３の隙間のシールが確実になる。
さらに、凹凸２０ｕは、少なくとも加締め部２０ａの径方向の先端２０ｆから重心Ｇまでの領域Ｒ１に形成されている。このため、重心Ｇよりも径方向内側で金属リング３０に接する加締め部２０ａの部位の強度を確実に高くし、図５に示したように力Ｆ１をより強く生じさせることで、加締め力をより向上させてシール性を向上させることができる。

なお、従来からいわゆる八方丸加締めのように、径方向に断続的に加締める方法があるが、八方丸加締めは軸線Ｏ方向へ加締める方法ではないので、軸線Ｏ方向のスプリングバックを抑制することは困難である。

又、図３のＡ−Ａ線の高さで軸線Ｏ方向に垂直な面で切断した断面図である図４に示すように、この例では加締め部２０ａの厚み方向に見て、外表面２０ａｘの凹凸２０ｕと相補的な（凹凸２０ｕと高低差の位置が逆になっている）凹凸２０ｖが内表面２０ａｙに形成されている。
つまり、加締め部２０ａの内表面２０ａｙに、凹凸２０ｕの凹部または凸部それぞれに対応する凸部又は凹部として凹凸２０ｖが現れる。凹凸２０ｖが特許請求の範囲の「第２の凸部または第２の凹部」に相当する。

本発明の実施形態に係るガスセンサ１００は、例えば図７の加締め金型２００を用いて、以下のように製造することができる。
図７は、加締め部２０ａを加締め加工する加締め金型２００を先端側から見た部分断面斜視図である。加締め金型２００は中心孔２００ｈを有する略円筒状に形成され、加締め金型２００の先端向き面２００ａは、径方向外側で平坦面を有すると共に、径方向内側では後端側へ向けて狭まる滑らかなテーパ状になっていて、このテーパ面に金型部凹凸２００ｕが形成されている。金型部凹凸２００ｕは、凹部と凸部が周方向に交互に形成されている。

まず、主体金具２０内に、センサ素子３を挿入すると共に、センサ素子３と主体金具２０との径方向の隙間に、滑石粉末６、セラミックスリーブ１０及び金属リング３０を順に配置する。
次に、加締め金型２００の中心孔２００ｈにセンサ素子３を挿入し、加締め金型２００先端側へ向かって押圧して加締め部２０ａとなる加締め素形部を径方向内側に曲げつつ先端側へ向かって押圧して加締め、加締め部２０ａを形成する。先端向き面２００ａには、上述の金型部凹凸２００ｕが形成されているので、加締めによって加締め部２０ａの外表面に凹凸２０ｕが型押しされる。

本発明は上記実施形態に限定されず、本発明の思想と範囲に含まれる様々な変形及び均等物に及ぶことはいうまでもない。
本発明は、自動車や各種内燃機関の排ガス中や、ボイラ等の燃焼ガス中の酸素濃度を測定する全領域空燃比センサ等の酸素センサに適用することができるが、これらの用途に限られない。例えば、ＮＯ_ｘガス濃度検出用ガスセンサや、ＮＯ_X以外のガス（例えばＣＯ_XやＨ₂Ｏ、ＨＣなど）の濃度を測定するためのセンサ素子を有するガスセンサに対して適用することもできる。
又、筒型に限らず板状のセンサ素子に対して本発明を適用することもできる。

又、上記実施形態では、加締め部２０ａの径方向の先端２０ｆが金属リング３０よりも径方向内側に延びていたが、先端２０ｆは少なくとも重心Ｇよりも径方向内側に延びていればよい。但し、前者の場合、重心Ｇよりも径方向内側で金属リング３０への加締め力をさらに確実に向上させ、図５の力Ｆ１をさらに増大させてシール性を向上させることができる。

又、凹凸２０ｕ、２０ｖとしては、必ずしも凹部と凸部の両方を備えなくてもよく、加締め部２０ａの外表面２０ａｘや内表面２０ａｙに凹部または凸部のいずれか一方が形成されていてもよい。
又、凹凸２０ｕは、加締め部２０ａの周方向の全周に形成されていることが好ましいが、周方向の一部に形成されていてもよい。又、図４に示すように、加締め部２０ａの内表面２０ｙに、凹凸２０ｕと相補的な凹凸２０ｖが形成されていると、加締め部２０ａの強度がさらに高くなるので好ましいが、加締め部２０ａの内表面２０ｙに凹凸２０ｖが形成されていなくてもよい。加締め部２０ａの内表面２０ｙに凹凸２０ｖを形成する方法としては、金型部凹凸２００ｕの高低差、加締め荷重、又は加締め部２０ａの厚みを調整することが挙げられる。
凹凸２０ｕの形状も上記に限定されず、例えば図８に示すように、凸部と凹部の曲率を変更した波形状（図８（ａ））、加締め部２０ａの外表面２０ｘのみに凹凸２０ｕを付けた形状（図８（ｂ））、加締め部２０ａの外表面２０ｘに幅狭の深い凹を付け、内表面２０ｙに相補的な突起を付けた形状（図８（ｃ））等とすることもできる。

３ センサ素子
２０ 主体金具
２０ａ 加締め部
２０ｆ 加締め部の径方向の先端
２０ａｘ 加締め部の外表面
２０ａｙ 加締め部の内表面
３０ 他部材（金属リング）
２０ｕ 凹部又は凸部
２０ｖ 第２の凹部または第２の凸部
１００ ガスセンサ
Ｏ 軸線
Ｇ 他部材の径方向の断面における重心
Ｒ１ 加締め部の径方向の先端から重心までの領域

Claims (3)

1. 自身の後端側に加締め部を有する筒状の主体金具と、軸線方向に延びて前記主体金具内に保持されるセンサ素子と、前記加締め部に固定されるリング状の他部材とを少なくとも有するガスセンサにおいて、
   前記他部材は、前記加締め部に覆われ、
   前記加締め部は、径方向内側に曲げられて前記他部材を前記主体金具の前記軸線方向に沿う中央側へ向かって押圧し、前記加締め部の径方向の先端が、前記他部材の径方向の断面における重心よりも径方向内側に延び、
   かつ、前記加締め部は、少なくとも前記重心よりも径方向内側で前記他部材に接し、
   前記加締め部の少なくとも外表面に軸線方向に高低差を有すると共に径方向に延びる凹部又は凸部が形成され、該凹部又は該凸部は、少なくとも前記加締め部の前記先端から前記重心までの領域に形成されていることを特徴とするガスセンサ。
2. 前記加締め部の前記先端が前記他部材よりも径方向内側に延びている請求項１記載のガスセンサ。
3. 前記加締め部の内表面に、前記加締め部の前記外表面に形成される前記凹部または前記凸部のそれぞれに対応する凸部又は凹部として現れる第２の凸部または第２の凹部が形成されている請求項１又は２記載のガスセンサ。

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