JPWO2008075555A1 - 酸素センサおよびそれを備えた内燃機関ならびに輸送機器 - Google Patents

Abstract

高温環境下での防水性に優れ、かつ、小型化の可能な酸素センサを提供する。本発明による酸素センサ（１００）は、酸素を検出するための検出部（１１）を有するセンサ素子（１０）と、その一端側に検出部を露出するようにセンサ素子が挿通配置されるハウジング（２０）と、ハウジングの他端側に設けられた筒状部材（３０）と、筒状部材を封口する封口部材（４０）と、センサ素子に接続された端子部（５０）とを備えている。封口部材は、貫通孔（４２）を有し、かつ、耐熱性樹脂から形成されている。端子部は、封口部材の貫通孔に圧入固定されている。

Description

本発明は、酸素センサに関する。また、本発明は、酸素センサを備えた内燃機関や輸送機器にも関する。

環境問題やエネルギー問題の観点から、内燃機関の燃費を向上させたり、内燃機関の排気ガス中に含まれる規制物質（ＮＯｘなど）の排出量を低減したりすることが求められている。このためには、常に最適な条件で燃料の燃焼が行えるよう、燃焼状態に応じて燃料と空気との比率を適切に制御する必要がある。空気と燃料との比率は空燃比（Ａ／Ｆ）と呼ばれ、三元触媒を用いる場合、最適な空燃比は理論空燃比である。理論空燃比とは、空気と燃料とが過不足なく燃焼する空燃比である。

理論空燃比で燃料が燃焼している場合、排気ガス中には一定の酸素が含まれる。空燃比が理論空燃比よりも小さい場合、つまり、燃料の濃度が相対的に高い場合には、排気ガス中の酸素量が、理論空燃比の場合の酸素量に比べて減少する。一方、空燃比が理論空燃比よりも大きい（燃料の濃度が相対的に低い）場合には、排気ガス中の酸素量は増加する。このため、排気ガス中の酸素量あるいは酸素濃度をセンサを用いて計測することによって、空燃比が理論空燃比からどの程度ずれているかを推定し、空燃比を調節して最適な条件で燃料が燃焼するように制御することが可能となる。

排気ガス中の酸素を検出するための酸素センサは、内燃機関の排気管に取り付けられるので、走行中に被水する可能性がある。そのため、酸素センサは、内部への水の浸入が防止されるような構造を有することが好ましい。このような防水性に優れた構造を有する酸素センサが、特許文献１に開示されている。

図１６に、特許文献１に開示されている防水構造を備えた酸素センサ８００を示す。酸素センサ８００は、センサ素子８１０と、センサ素子８１０が挿通配置されるハウジング８２０とを備えている。ハウジング８２０は、ステンレスなどの金属材料から形成されており、このハウジング８２０により酸素センサ８００が内燃機関の排気管に固定される。

センサ素子８１０は、酸素を検出するための検出部８１１と、検出部８１１を支持する基板８１２とを有する。センサ素子８１０は、ハウジング８２０の下端側に検出部８１１を露出するように配置されている。センサ素子８１０は、ハウジング８２０内部にガラス材料から形成された固着部材８２１によってハウジング８２０に固定されている。

ハウジング８２０の下端部には、センサ素子８１０の検出部８１１を覆うように、カバー部材８７０が設けられている。カバー部材８７０は、内側カバー８７１および外側カバー８７２から構成されている。内側カバー８７１および外側カバー８７２のそれぞれには、排気ガスを内部に導入するための開口部８７３が形成されている。

センサ素子８１０は、その端部に設けられた端子部８５０を介してリード線８６０に電気的に接続されている。リード線８６０は、絶縁性を有する樹脂（ＰＴＦＥなど）によって被覆されている。

ハウジング８２０の上端部には、ステンレスなどの金属材料から形成された筒状部材８３０が設けられている。この筒状部材８３０の内部に、リード線８６０を挿通させるための貫通孔８４２を有するゴム部材８４０が配置されており、筒状部材８３０の一部（ゴム部材８４０が配置されている部分）８３１を内方にかしめることによって、リード線８６０が固定されるとともに、筒状部材８３０が封口されている。
特許第３４９３８７５号公報

しかしながら、特許文献１に開示されているような構造を用いても、排気管の周辺は高温となるので以下のような問題が発生し、そのために実際には十分な防水性を確保することができない。

まず、ゴム部材８４０は耐熱性に劣る。例えばフッ素ゴムから形成されたゴム部材８４０の耐熱温度は２００℃程度である。そのためゴム部材８４０は、金属材料から形成された筒状部材８３０を介して伝導される排気管からの熱によって劣化し、そのことによって防水性が低下してしまう。ゴム部材８４０の温度上昇を抑制するために、筒状部材８３０を長くすることも考えられるが、そのような構成を採用すると、酸素センサ８００自体が長くなってしまい、大きな設置スペースを必要としてしまう。また、リード線８６０を被覆する樹脂が高温の雰囲気に長時間晒されることによって収縮し、それによってリード線８６０とゴム部材８４０との間に間隙が生じ、そのことによっても防水性が低下してしまう。

本発明は、上記問題に鑑みてなされたものであり、その目的は、高温環境下での防水性に優れ、かつ、小型化の可能な酸素センサを提供することにある。

本発明による酸素センサは、酸素を検出するための検出部を有するセンサ素子と、その一端側に前記検出部を露出するように前記センサ素子が挿通配置されるハウジングと、前記ハウジングの他端側に設けられた筒状部材と、前記筒状部材を封口する封口部材と、前記センサ素子に接続された端子部と、を備え、前記封口部材は、貫通孔を有し、かつ、耐熱性樹脂から形成されており、前記端子部は、前記封口部材の前記貫通孔に圧入固定されている。

ある好適な実施形態において、前記ハウジングと前記封口部材とは当接している。

ある好適な実施形態において、前記ハウジングおよび前記封口部材は、互いに嵌合するような形状を有する。

ある好適な実施形態において、前記耐熱性樹脂は、２５０℃以上のガラス転移温度または荷重たわみ温度を有する。

ある好適な実施形態において、本発明による酸素センサは、前記端子部を介して前記センサ素子に電気的に接続されるリード線を備え、前記リード線は前記封口部材の前記貫通孔に挿入されている。

ある好適な実施形態において、本発明による酸素センサは、前記リード線を覆う防水キャップをさらに備え、前記リード線は、前記防水キャップごと前記貫通孔に挿入されている。

本発明による内燃機関は、上記構成を有する酸素センサを備えている。

本発明による輸送機器は、上記構成を有する内燃機関を備えている。

本発明による酸素センサでは、端子部を封口部材の貫通孔に圧入固定することによって、筒状部材の封口を行い、水密な構造を形成している。従って、封口部材はゴム部材である必要はなく、封口部材の材料として耐熱性樹脂を用いることができるので、封口部材自体が熱で劣化することによる防水性の低下を抑制できる。また、封口部材の熱による劣化を防止するために筒状部材を長くする必要がないので、酸素センサ自体を小型化することができる。さらに、封口部材の貫通孔は、圧入固定された端子部によって閉塞されるので、リード線を被覆する樹脂が熱によって収縮しても、酸素センサ内部への水の浸入を防止することができる。

ハウジングと封口部材とが当接している構成を採用すると、酸素センサの製造工程において、ハウジングと封口部材とを位置決め構造として機能させることができ、それによって組立性を向上させることができる。

ハウジングおよび封口部材が、互いに嵌合するような形状を有していると、筒状部材に封口部材を圧入固定する際に、封口部材の横方向（酸素センサの中心軸に直交する方向）への移動を制限できるので、センサ素子の根元部にかかる応力を低減でき、センサ素子の折れによる製品不良の発生を抑制できる。

封口部材の熱による劣化を防止する点からは、封口部材の材料である耐熱性樹脂は、２５０℃以上のガラス転移温度または荷重たわみ温度を有することが好ましい。

本発明による酸素センサは、典型的には、端子部を介してセンサ素子に電気的に接続されるリード線を備えており、このリード線は封口部材の貫通孔に挿入されている。

リード線を覆うように防水キャップを設け、リード線を防水キャップごと封口部材の貫通孔に挿入すると、酸素センサ内部への水や埃の浸入をより確実に防止することができる。

本発明による酸素センサは、高温環境下での防水性に優れているので、内燃機関から排出される排気ガス中の酸素の検出に好適に用いられる。本発明による酸素センサは、小型化が可能である（省スペース性に優れている）ので、排気管への取り付けに要する空間を小さくできる。したがって、内燃機関全体としての小型化を行うことができる。

本発明による酸素センサを備えた内燃機関は、自動二輪車をはじめとする種々の輸送機器に好適に用いられる。

本発明によると、高温環境下での防水性に優れ、かつ、小型化の可能な（省スペース性に優れた）酸素センサが提供される。

本発明の好適な実施形態における酸素センサ１００を模式的に示す断面図である。 酸素センサ１００の筒状部材３０を模式的に示す斜視図である。 酸素センサ１００の封口部材４０を模式的に示す斜視図である。 酸素センサ１００の防水キャップ８０を模式的に示す斜視図である。 （ａ）〜（ｃ）は、酸素センサ１００の第１端子、第２端子および第３端子を模式的に示す斜視図である。 酸素センサ１００の端子部５０を模式的に示す斜視図である。 （ａ）〜（ｆ）は、酸素センサ１００の製造工程を模式的に示す工程断面図である。 （ａ）〜（ｅ）は、酸素センサ１００の製造工程を模式的に示す工程断面図である。 本発明の好適な実施形態における他の酸素センサ２００を模式的に示す断面図である。 （ａ）〜（ｄ）は、酸素センサ２００の製造工程を模式的に示す工程断面図である。 本発明の好適な実施形態におけるさらに他の酸素センサ３００を模式的に示す断面図である。 （ａ）〜（ｄ）は、酸素センサ３００の製造工程を模式的に示す工程断面図である。 気密試験の試験方法を説明するための図である。 酸素センサ１００を備えた自動二輪車５００を模式的に示す側面図である。 自動二輪車５００における内燃機関の制御系を模式的に示す図である。 従来の酸素センサ８００を模式的に示す断面図である。

符号の説明

１０ センサ素子
１１ 検出部
１２ 基板
２０ ハウジング
２１ 固着部材
３０ 筒状部材
３２ 係止部
４０ 封口部材
４２ 貫通孔
５０ 端子部
５１ 第１端子
５２ 第２端子
５３ 第３端子
６０ リード線
７０ カバー部材
７１ 内側カバー
７２ 外側カバー
７３ 開口部
８０ 防水キャップ
１００、２００、３００ 酸素センサ
５００ 自動二輪車
６００ 内燃機関

以下、図面を参照しながら本発明の実施形態を説明する。なお、本発明は以下の実施形態に限定されるものではない。

図１に、本実施形態における酸素センサ１００を示す。酸素センサ１００は、図１に示すように、センサ素子１０と、センサ素子１０が挿通配置されるハウジング２０とを備えている。ハウジング２０は、ステンレスなどの金属材料から形成されており、このハウジング２０により酸素センサ１００が内燃機関の排気管に固定される。

センサ素子１０は、酸素を検出するための検出部１１と、検出部１１を支持する基板１２とを有する。センサ素子１０は、ハウジング２０の一端側に検出部１１を露出するように配置されている。なお、本実施形態では、センサ素子１０は、ハウジング２０内部に配置された固着部材（例えばガラス材料から形成されている。）２１によってハウジング２０に固定されているが、センサ素子１０をハウジング２０に固定するための構造はこれに限定されるものではない。

センサ素子１０としては、酸素を検出し得る種々の素子を用いることができる。例えば、特開平８−１１４５７１号公報に開示されているような固体電解質を用いた起電力型のセンサ素子や、特開平５−１８９２１号公報に開示されているような抵抗型のセンサ素子を用いることができる。

起電力型のセンサ素子は、空気に曝される基準極と排気ガスに曝される測定極との間での酸素分圧の違いを起電力として検出することによって酸素濃度を測定する。これに対し、抵抗型のセンサ素子は、排気ガスに接するように設けられた酸化物半導体層の抵抗率の変化を検出する。排気ガス中の酸素分圧が変化すると、酸化物半導体層中の酸素空孔濃度が変動するので、酸化物半導体層の抵抗率が変化する。従って、この抵抗率の変化を検出することにより、酸素濃度を測定することができる。

抵抗型のセンサ素子は、起電力型のセンサ素子のように基準極を必要としないので、センサ素子自体の構造を簡単にすることができる。そのため、酸素センサ１００の小型化の点からは、抵抗型のセンサ素子を用いることが好ましい。抵抗型のセンサ素子の酸化物半導体としては、例えばチタニア（二酸化チタン）が用いられる。また、酸化セリウムを用いてもよい。酸化セリウムは、耐久性や安定性に優れている。

センサ素子１０が起電力型である場合には、検出部１１は、固体電解質層と電極を含む。また、センサ素子１０が抵抗型である場合には、検出部１１は、酸化物半導体層と電極を含む。センサ素子１０の基板１２は、絶縁性を有する材料（例えばアルミナや窒化珪素などのセラミックス材料）から形成されており、検出部１１は、基板１２の端部に設けられている。

センサ素子１０の検出部１１を覆うように、ハウジング２０の端部にカバー部材７０が設けられている。カバー部材７０は、内側カバー７１および外側カバー７２から構成されている。内側カバー７１および外側カバー７２のそれぞれには、排気ガスを内部に導入するための開口部７３が形成されている。排気管内を流れる排気ガスが検出部１１に直接当たらないように、内側カバー７１の開口部７３と外側カバー７２の開口部７３とは、互いに重ならないように配置されていることが好ましい。内側カバー７１および外側カバー７２は、ステンレスなどの金属材料から形成されており、ハウジング２０に例えば溶接によって接合されている。内側カバー７１および外側カバー７２は、例えば円筒状である。

本実施形態における酸素センサ１００は、さらに、ハウジング２０の他端側（センサ素子１０の検出部１１が露出しているのとは反対側）に設けられた筒状部材３０と、筒状部材３０を封口する封口部材４０と、センサ素子１０に接続された端子部５０と、端子部５０を介してセンサ素子１０に電気的に接続されるリード線６０とを備えている。

筒状部材３０は、ステンレス鋼（例えばＳＵＳ３０４）などの金属材料から形成されており、例えば図２に示すような円筒状である。筒状部材３０の厚さは、０．７ｍｍ以下であることが好ましい。筒状部材３０を０．７ｍｍ以下の薄肉に形成することにより、排気管から封口部材４０側への熱の伝達を少なくすることができるし、また、後述するように端子部５０を圧入された封口部材４０を筒状部材３０に圧入する際に筒状部材３０の変形が容易となるので、圧入を好適に行うことができる。この筒状部材３０のハウジング２０から遠い方の端部に、封口部材４０が設けられている。本実施形態における筒状部材３０には、特許文献１の筒状部材８３０に設けられているようなかしめ部８３１を設ける必要はない。そのため、図１に示しているように、筒状部材３０の内径を長手方向で略同じにする（つまり縮径部を有しない筒状部材３０を用いる）ことができる。勿論、後に言及する図面に示されているように、筒状部材３０の内径が長手方向で変化してもよい。

封口部材４０は、図１および図３に示すように、リード線６０および端子部５０が挿入される円柱状の貫通孔４２を有している。なお、図３には、貫通孔４２を２つ有する封口部材４０を示しているが、貫通孔４２の数は２つに限定されるものではない。本実施形態における封口部材４０は、耐熱性樹脂から形成されている。耐熱性樹脂としては、例えばポリイミド樹脂やフェノール樹脂を用いることができる。

リード線６０は、金属材料（例えば銅）から形成されており、絶縁材料（ＰＴＦＥなどの樹脂）によって被覆されている。本実施形態では、リード線６０は、図４に示すような蛇腹状の防水キャップ８０によってさらに覆われており、防水キャップ８０ごと貫通孔４２に挿通されている。防水キャップ８０は、フッ素ゴムやシリコンゴムなどから形成されている。

端子部５０は、ステンレスやニッケル合金などの金属材料から形成されており、センサ素子１０とリード線６０とを電気的に接続する。本実施形態では、この端子部５０が、図１にも示されているように封口部材４０の貫通孔４２に圧入固定されている。端子部５０のより具体的な構造を図５および図６を参照しながら説明する。

端子部５０は、図５（ａ）〜（ｃ）にそれぞれ示すような３つの端子５１、５２および５３が図６に示すように組み合わされて構成されている。より具体的には、端子部５０は、センサ素子１０に接続される第１端子５１と、封口部材４０の貫通孔４２に圧入される第２端子５２と、リード線６０に接続される第３端子５３とを有し、これらを図６に示すように溶接（例えば抵抗溶接）によって接合することにより形成されている。

端子部５０が有する３つの端子５１、５２および５３のうち、第２端子５２は、略円柱状であり、封口部材４０の貫通孔４２よりも若干大きな外径を有している。このような第２端子５２を含む端子部５０を貫通孔４２に圧入することにより、貫通孔４２がほぼ完全に閉塞される。また、この圧入により、封口部材４０の外径も本来の外径より若干大きくなる。つまり、筒状部材３０に対して封口部材４０が圧入固定された状態となる。そのため、筒状部材３０と封口部材４０との間もほぼ完全に閉塞される。

本実施形態における酸素センサ１００では、上述したように、端子部５０を封口部材４０の貫通孔４２に圧入固定することによって、筒状部材３０の封口を行い、水密な構造を形成している。従って、封口部材４０は、特許文献１に開示されているようなゴム部材である必要はなく、封口部材４０の材料として耐熱性樹脂を用いることができるので、封口部材４０自体が熱で劣化することによる防水性の低下を抑制できる。また、封口部材４０の熱による劣化を防止するために筒状部材３０を長くする必要がないので、酸素センサ１００自体を小型化することができる。さらに、封口部材４０の貫通孔４２は、圧入固定された端子部５０によって閉塞されているので、リード線６０を被覆する絶縁材料（ＰＴＦＥなどの樹脂）が熱によって収縮しても、酸素センサ１００内部への水の浸入を防止することができる。

なお、本実施形態では、３つの端子５１、５２および５３から構成された端子部５０を例示したが、端子部５０の構造はこれに限定されるものではない。端子部５０は、封口部材４０の貫通孔４２よりも若干大きな外径を有する部分を含んでいればよく、一体に成形されていてもよいし、２つ、あるいは４つ以上の部材から構成されていてもよい。

封口部材４０の材料である耐熱性樹脂としては、ポリイミド樹脂のような熱可塑性樹脂を用いてもよいし、フェノール樹脂のような熱硬化性樹脂を用いてもよい。一般に、熱可塑性樹脂の耐熱性を示すパラメータとしては、ガラス転移温度が使用され、熱硬化性樹脂の耐熱性を示すパラメータとしては、荷重たわみ温度が使用される。封口部材４０の熱による劣化を防止する点からは、封口部材４０の材料である耐熱性樹脂は、２５０℃以上のガラス転移温度または荷重たわみ温度を有することが好ましく、２８０℃以上のガラス転移温度または荷重たわみ温度を有することがより好ましい。

また、本実施形態のように、リード線６０を防水キャップ８０ごと貫通孔４２に挿入することにより、水や埃の浸入をより確実に防止することができる。

続いて、酸素センサ１００の製造方法の一例を図７および図８を参照しながら説明する。図７（ａ）〜（ｆ）および図８（ａ）〜（ｅ）は、酸素センサ１００の製造工程を模式的に示す工程断面図である。

まず、図７（ａ）に示すように、第３端子５３を第２端子５２に溶接（例えば抵抗溶接）により接合し、次に、図７（ｂ）に示すように、第１端子５１を第２端子５２に溶接（例えば抵抗溶接）により接合することによって、端子部５０を形成する。

続いて、図７（ｃ）に示すように、第３端子５３をかしめることによってリード線６０と端子部５０とを接続した後、図７（ｄ）に示すように、リード線６０に防水キャップ８０を取り付ける。

次に、図７（ｅ）に示すように、封口部材４０の貫通孔４２に端子部５０を圧入固定する。このときの圧入代（組み合わせ寸法差）は、端子部５０による貫通孔４２の閉塞が好適に行われるよう、適宜設定されている。つまり、端子部５０の第２端子５２の外径が、好ましい圧入代となるように設定されている。圧入代は、例えば、０．１ｍｍ程度である。

その後、図７（ｆ）に示すように、筒状部材３０に封口部材４０を圧入固定する。このときの圧入代は、封口部材４０による筒状部材３０の閉塞が好適に行われるよう、適宜設定されている。つまり、封口部材４０の外径が、好ましい圧入代となるように設定されている。圧入代は、例えば、０．１ｍｍ程度である。

上述したようにしてリード線６０を含むアセンブリ（以下では単に「リード線アセンブリ」と呼ぶ。）を作製したのとは別途に、以下のようにして、センサ素子１０を含むアセンブリ（以下では単に「センサ素子アセンブリ」と呼ぶ。）を作製する。

まず、図８（ａ）に示すように、検出部１１および基板１２を含むセンサ素子１０を、ハウジング２０に挿通する。このとき、センサ素子１０は、検出部１１がハウジング２０の一端側に露出するように配置される。

次に、図８（ｂ）に示すように、ガラス材料２１’をハウジング２０内に充填した後、図８（ｃ）に示すように、ガラス材料２１’を固化することによって固着部材２１を形成し、それによってセンサ素子１０をハウジング２０に固定する。

続いて、図８（ｄ）に示すように、内側カバー７１および外側カバー７２を含むカバー部材７０をハウジング２０に取り付ける。この取り付けは、例えば、溶接により行われる。このようにして、センサ素子アセンブリが完成する。

その後、図８（ｅ）に示すように、センサ素子アセンブリに、リード線アセンブリを取り付ける。このとき、２つの端子部５０の第１端子５１間にセンサ素子１０の端部（検出部１１が設けられているのとは反対側の端部）が挿入され、第１端子５１とセンサ素子１０とが接続される。また、センサ素子アセンブリのハウジング２０とリード線アセンブリの筒状部材３０とは、水密性を確保するために例えば溶接（レーザー溶接など）により接合される。このようにして、酸素センサ１００が完成する。

続いて、本実施形態における他の酸素センサを説明する。図９に、本実施形態における他の酸素センサ２００を示す。

図９に示す酸素センサ２００は、ハウジング２０と封口部材４０とが当接している（突き当たった状態で接触している）点において、ハウジング２０と封口部材４０とが離れて設けられている図１に示した酸素センサ１００と異なっている。

酸素センサ２００は、例えば以下のようにして製造される。

まず、図１０（ａ）に示すように、リード線６０に接続された端子部５０が封口部材４０の貫通孔４２に圧入固定されたリード線アセンブリを用意する。このリード線アセンブリは、図７（ａ）〜（ｅ）を参照しながら説明したのと同様にして作製することができるが、図７（ｆ）に示しているリード線アセンブリとは異なり、筒状部材３０は含んでいない。

次に、図１０（ｂ）に示すように、ハウジング２０にセンサ素子１０が挿通配置されるとともにハウジング２０にカバー部材７０が取り付けられたセンサ素子アセンブリを用意する。このセンサ素子アセンブリは、図８（ａ）〜（ｄ）を参照しながら説明したのと同様にして作製することができる。

続いて、図１０（ｃ）に示すように、センサ素子アセンブリにリード線アセンブリを取り付けた後、図１０（ｄ）に示すように、筒状部材３０に封口部材４０を圧入固定する。このようにして、酸素センサ２００が完成する。

図１に示した酸素センサ１００では、センサ素子アセンブリにリード線アセンブリを取り付ける際（図８（ｅ）に示した工程）に、リード線アセンブリの筒状部材３０がセンサ素子アセンブリのハウジング２０に当接し、筒状部材３０とハウジング２０とが位置決め構造として機能する。

これに対し、図９に示した酸素センサ２００では、センサ素子アセンブリにリード線アセンブリを取り付ける際（図１０（ｃ）に示した工程）には、リード線アセンブリの封口部材４０がセンサ素子アセンブリのハウジング２０に当接するので、封口部材４０とハウジング２０とが位置決め構造として機能する。

そのため、リード線アセンブリを筒状部材３０なしでセンサ素子アセンブリに取り付けることができる（図１０（ｃ）参照）ので、端子部５０とセンサ素子１０とを目視しながらの取り付けが可能となる。従って、端子部５０とセンサ素子１０との接続（例えば第１端子５１間へのセンサ素子１０の挿入により行われる。）を容易に行うことができ、組立性が向上する。

また、図９に示す筒状部材３０は、ハウジング２０から遠い方の端部に、封口部材４０を係止するための係止部３２を有している。係止部３２は、筒状部材３０の径方向内側に突出する（例えば１ｍｍ程度）ように形成されている。このような係止部３２を設けることにより、係止部３２とハウジング（封口部材４０に当接するハウジング）２０とによって、封口部材４０を強固に固定することができる。

図１１に、本実施形態におけるさらに他の酸素センサ３００を示す。

図１１に示す酸素センサ３００は、ハウジング２０と封口部材４０とが当接している点において、図９に示した酸素センサ２００と共通するが、ハウジング２０および封口部材４０が互いに嵌合するような形状を有している点において異なっている。

酸素センサ３００は、例えば以下のようにして製造される。

まず、図１２（ａ）に示すように、リード線６０に接続された端子部５０が封口部材４０の貫通孔４２に圧入固定されたリード線アセンブリを用意する。このリード線アセンブリは、図７（ａ）〜（ｅ）を参照しながら説明したのと同様にして作製することができる。

次に、図１２（ｂ）に示すように、ハウジング２０にセンサ素子１０が挿通配置されるとともにハウジング２０にカバー部材７０が取り付けられたセンサ素子アセンブリを用意する。このセンサ素子アセンブリは、図８（ａ）〜（ｄ）を参照しながら説明したのと同様にして作製することができる。

続いて、図１２（ｃ）に示すように、センサ素子アセンブリにリード線アセンブリを取り付けた後、図１２（ｄ）に示すように、筒状部材３０に封口部材４０を圧入固定する。このようにして、酸素センサ３００が完成する。

図１１に示した酸素センサ３００では、ハウジング２０および封口部材４０が互いに嵌合するような形状を有しているので、筒状部材３０に封口部材４０を圧入固定する工程（図１２（ｄ）に示した工程）において、封口部材４０の横方向（酸素センサ３００の中心軸に直交する方向）への移動を制限できる。そのため、センサ素子１０の根元部にかかる応力を低減でき、センサ素子１０の折れによる製品不良の発生を抑制できる。

続いて、本実施形態における酸素センサ３００と、図１６に示した従来の酸素センサ８００とを実際に試作し、気密試験を行ってその防水性を評価した結果を説明する。気密試験は、図１３に示すように、酸素センサ３００を空気導入治具１にセットした上で、酸素センサ３００の検出部１１が配置されている方の端部からハウジング２０内に０．４ＭＰａの圧縮空気を導入し、水中で空気漏れ（封口部材４０によって形成されている気密構造からの空気漏れ）の有無を観察することによって行った。ハウジング２０内の固着部材２１には、空気導入用の貫通孔２１ａを形成しておく。また、酸素センサ３００と空気導入治具１との間の気密性は、空気導入治具１とハウジング２０との間にＯリング２を設けることによって確保する。

表１に、本実施形態における酸素センサ３００（実施例）および従来の酸素センサ８００（比較例）について、２５０℃で一定時間放置した後の気密試験の結果を示す。表１中、「○」は空気漏れが無かったことを示し、「×」は空気漏れが有ったことを示す。また、表２に、実施例および比較例のそれぞれについて、筒状部材、リード線および封口部材の仕様を示す。

表１からわかるように、比較例では、高温中に長時間放置すると、空気漏れが発生した。これに対し、実施例では、高温中に長時間放置しても、空気漏れが発生しなかった。このように、本発明による酸素センサが高温環境下で優れた防水性を有していることが実証された。

本実施形態における酸素センサ１００、２００および３００は、高温環境下での防水性に優れているので、内燃機関から排出される排気ガス中の酸素の検出に好適に用いられる。本実施形態における酸素センサ１００、２００および３００は、小型化が可能である（省スペース性に優れている）ので、排気管への取り付けに要する空間を小さくできる。したがって、内燃機関全体としての小型化を行うことができる。

図１４に、本実施形態における酸素センサ１００を備えた自動二輪車５００を模式的に示す。自動二輪車５００は、本体フレーム５０１と内燃機関６００とを備える。本体フレーム５０１の前端にヘッドパイプ５０２が設けられている。ヘッドパイプ５０２にはフロントフォーク５０３が左右方向に揺動可能に設けられている。また、フロントフォーク５０３の下端に前輪５０４が回転可能に支持されている。ヘッドパイプ５０２の上端にはハンドル５０５が取り付けられている。

本体フレーム５０１の後端上部から後方に伸びるようにシートレール５０６が取り付けられている。本体フレーム５０１の上部には燃料タンク５０７が設けられ、シートレール５０６上にメインシート５０８ａおよびタンデムシート５０８ｂが設けられている。また、本体フレーム５０１の後端に後方へ伸びるリアアーム５０９が取り付けられている。リアアーム５０９の後端に後輪５１０が回転可能に支持されている。

本体フレーム５０１の中央部には内燃機関６００が保持されている。内燃機関６００の前部にはラジエター５１１が取り付けられている。内燃機関６００の排気ポートには排気管６３０が接続されている。排気管６３０には、酸素センサ１００、三元系触媒６０４および消音器６０６が設けられている。酸素センサ１００は、排気管６３０内を流れる排気ガス中の酸素を検出する。

内燃機関６００には、変速機５１５が連結されており、変速機５１５の出力軸５１６は駆動スプロケット５１７に取り付けられている。駆動スプロケット５１７はチェーン５１８を介して後輪５１０の後輪スプロケット５１９に連結されている。

図１５は、内燃機関６００の制御系の主要な構成を示している。内燃機関６００のシリンダ６０１には吸気弁６１０、排気弁６０６および点火プラグ６０８が設けられている。またエンジンを冷却する冷却水の水温を計測する水温センサ６１６が設けられている。吸気弁６１０は、空気吸入口をもつ吸気管６２２に接続されている。吸気管６２２にはエアーフローメータ６１２、スロットルバルブのスロットルセンサ６１４および燃料噴射装置６１１が設けられている。

エアーフローメータ６１２、スロットルセンサ６１４、燃料噴射装置６１１、水温センサ６１６、点火プラグ６０８および酸素センサ１００は、制御部であるコンピュータ６１８に接続されている。コンピュータ６１８には自動二輪車５００の速度を示す車速信号６２０も入力される。

図示しないセルモータによって、ライダーが内燃機関６００を始動させると、コンピュータ６１８はエアーフローメータ６１２、スロットルセンサ６１４および水温センサ６１６から得られる検出信号および車速信号６２０に基づき、最適な燃料量を計算し、計算結果に基づいて、燃料噴射装置６１１へ制御信号を出力する。燃料噴射装置６１１から噴射される燃料は、吸気管６２２から供給される空気と混合され、適切なタイミングで開閉される吸気バルブ６１０を介してシリンダ６０１へ噴出される。シリンダ６０１において噴出された燃料は燃焼し、排気ガスとなって排気弁６０６を介して排気管６３０へ導かれる。

酸素センサ１００は排気ガス中の酸素を検出し、検出信号をコンピュータ６１８へ出力する。コンピュータ６１８は、酸素センサ１００からの信号に基づき、空燃比が理想空燃比からどの程度ずれているかを判断する。そして、フローメータ６１２およびスロットルセンサ６１４から得られる信号によって定まる空気量に対して、理想空燃比となるように燃料噴射装置６１１から噴出する燃料量を制御する。このように、酸素センサ１００と、酸素センサ１００に接続されたコンピュータ（制御部）６１８とを含む空燃比制御装置によって、内燃機関の空燃比が適切に制御される。

本実施形態の自動二輪車５００では、酸素センサ１００が高い防水性を有しているので、被水が予想される環境下においても、酸素センサ１００を適切に動作させることができる。そのため、そのような環境下においても、適切な空燃比で燃料および空気を混合し、最適な条件で燃料を燃焼させることができ、排気ガス中のＮＯｘをはじめ規制物質の濃度を低減することができる。また、酸素センサ１００は省スペース性に優れているので、排気管６３０の周囲にわずかな空間しか存在しなくても取り付けることができる。

なお、本実施形態では、自動二輪車を例示して説明を行ったが、本発明による酸素センサは、四輪自動車などの他の自動車両にも用いられる。ただし、自動二輪車では、排気管の末端から酸素センサの取り付け位置までの距離が短く、酸素センサに水滴が付着しやすいので、本発明による酸素センサは、自動二輪車に特に好適に用いられる。また、内燃機関はガソリンエンジンに限られず、ディーゼルエンジンであってもよい。

本発明によるガスセンサは、高温環境下での防水性に優れ、かつ、小型化が可能であるので、乗用車、バス、トラック、オートバイ、トラクター、飛行機、モーターボート、土木車両などの種々の輸送機器用の内燃機関に好適に用いられる。

Claims (8)

1. 酸素を検出するための検出部を有するセンサ素子と、
   その一端側に前記検出部を露出するように前記センサ素子が挿通配置されるハウジングと、
   前記ハウジングの他端側に設けられた筒状部材と、
   前記筒状部材を封口する封口部材と、
   前記センサ素子に接続された端子部と、を備え、
   前記封口部材は、貫通孔を有し、かつ、耐熱性樹脂から形成されており、
   前記端子部は、前記封口部材の前記貫通孔に圧入固定されている、酸素センサ。
2. 前記ハウジングと前記封口部材とが当接している請求項１に記載の酸素センサ。
3. 前記ハウジングおよび前記封口部材は、互いに嵌合するような形状を有する請求項２に記載の酸素センサ。
4. 前記耐熱性樹脂は、２５０℃以上のガラス転移温度または荷重たわみ温度を有する請求項１から３のいずれかに記載の酸素センサ。
5. 前記端子部を介して前記センサ素子に電気的に接続されるリード線を備え、
   前記リード線は前記封口部材の前記貫通孔に挿入されている、請求項１から４のいずれかに記載の酸素センサ。
6. 前記リード線を覆う防水キャップをさらに備え、前記リード線は、前記防水キャップごと前記貫通孔に挿入されている請求項５に記載の酸素センサ。
7. 請求項１から６のいずれかに記載の酸素センサを備えた内燃機関。
8. 請求項７に記載の内燃機関を備えた輸送機器。

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