JP4013419B2 - ガスセンサ - Google Patents

Description

【０００１】
【技術分野】
本発明は，自動車用内燃機関の排ガス中の酸素ガス濃度等の被測定ガス中における特定ガス濃度を検出するガスセンサに関する。
【０００２】
【従来技術】
自動車用内燃機関の空燃比の制御は省エネルギー（省燃料）及び排ガス浄化のために極めて重要である。このため，排気系にガスセンサの一種である酸素センサ等を設けて排ガス中の酸素ガス濃度等を測定し，内燃機関の燃焼制御を行っている。
【０００３】
このものは，被測定ガスである排ガスと接触する接ガス部を有し，酸素ガス濃度を検出可能な検出素子と，該検出素子を保持するハウジングと，上記検出素子の接ガス部を覆うと共に被測定ガス流通用のガス穴を設けた保護カバーとを有する。
【０００４】
そして，上記ハウジングの被測定ガス側の底部は内側突出部とかしめ突起部とを有し，また上記底部はこれらに囲まれ，保護カバー側に開口する環状溝を有する。
【０００５】
更に，上記保護カバーのハウジング側の開口端は外方に曲折するフランジ部を有し，上記フランジ部は上記環状溝に対し嵌合されると共に，上記かしめ突起部を内方にかしめることにより，上記ハウジングに上記保護カバーをかしめ固定してなる。
上記保護カバーは強度的にぜい弱な検出素子を守るために設けてある。
【０００６】
【解決しようとする課題】
ところで，上述したガスセンサの使用環境は高温の排ガス中である。ガスセンサの保護カバーは高温の排ガスに直接曝されるため，より耐熱性に優れる金属材料で構成する必要がある。一方，ハウジングは複雑形状のため加工性に優れる金属材料で構成する必要がある。
よって，保護カバーとハウジングとは異なる金属材料より構成されるが，高温環境でガスセンサを使用した場合，保護カバーとハウジングとの熱膨張差からハウジングと保護カバーとの間のかしめ固定がゆるむおそれがある。
【０００７】
本発明は，かかる従来の問題点に鑑みてなされたもので，ハウジングと保護カバーとのかしめ固定が冷熱サイクルに対し強固であるガスセンサを提供しようとするものである。
【０００８】
【課題の解決手段】
請求項１に記載の発明は，被測定ガスと接触する接ガス部を有する検出素子と，該検出素子を保持するハウジングと，上記検出素子の接ガス部を覆うと共に被測定ガス流通用のガス穴を有する保護カバーとを有すると共に，上記ハウジングの被測定ガス側の底部は内側突出部とかしめ突起部とを有し，また上記底部はこれらに囲まれ，保護カバー側に開口すると共に内方壁面と外方壁面と天井面とから構成される環状溝を有し，
更に上記保護カバーのハウジング側の開口端は外方に曲折するフランジ部を有し，上記フランジ部は上記環状溝に対し嵌合されると共に，上記かしめ突起部を内方にかしめることにより，上記ハウジングに上記保護カバーをかしめ固定してなるガスセンサにおいて，
上記環状溝の内部において上記内方壁面から上記天井面にかけてテーパー面が設けてあることを特徴とするガスセンサにある。
【０００９】
次に，本発明の作用につき説明する。
本発明において最も注目すべきことは，上記環状溝の内部において内方壁面から天井面にかけてテーパー面を設けたことである。
【００１０】
保護カバーのフランジ部を環状溝の外方壁面と内方壁面との間に配置し，かしめ突起部を環状溝の内方に曲折することで，かしめ突起部と環状溝の外方壁面や天井面との間でフランジ部が挟持される。
本発明にかかるガスセンサでは，環状溝の内方壁面から天井面にかけてテーパー面が設けてあるため，かしめ突起部の曲折により，該かしめ突起部とテーパー面との間でもフランジ部が挟持される。
このため，より強いかしめ固定が実現できる。
【００１１】
仮に，テーパー面がない従来構造のガスセンサの場合は，曲折したかしめ突起部が保護カバーをかしめ固定するが，フランジ部の内方壁面と対面する部分がフリーとなりやすく，その分かしめ固定が弱くなると考えられる。
【００１２】
更に，高温時等に保護カバーとハウジングとの熱膨張係数の差が原因となって熱応力が発生するが，本発明にかかるガスセンサにおいては，フランジ部とテーパー面との当接する部分が支点となって変形することができるため，熱応力発生時も保護カバーは強くかしめ固定されたままである。
このため，本発明によれば，例えば常温から７００℃前後の高温まで温度が変動するような冷熱サイクルに対して強固なかしめ構造を提供することができる。
【００１３】
仮にテーパー面がない従来構造のガスセンサでは，熱応力によりかしめ突起部による保護カバーのかしめ固定がゆるむおそれがある。
【００１４】
以上，本発明によれば，ハウジングと保護カバーとのかしめ固定が冷熱サイクルに対し強固であるガスセンサを提供することができる。
【００１５】
上記テーパー面は後述する実施形態例１に示すごとく平面状の斜面より構成することができる。または曲面状の斜面より構成することができる（後述する図６参照）。
また，上記保護カバーは１つだけを設けることができる。また，後述する実施形態例１に示すごとく，内側カバーと外側カバーとよりなる２重構造とすることもできる。また，３重以上の構造とすることもできる。
【００１６】
また，特に２重以上の構成とする場合には，すべてのカバーにフランジ部を設けて，すべてのカバーをハウジングに対しかしめ固定することもできる。
また，一部のカバーのみにフランジ部を設け，このカバーだけをハウジングに対しかしめ固定することもできる。この場合，他のかしめ固定されていないカバーはかしめ固定されたカバーに対し溶接等で固定することができる。
【００１７】
次に，請求項２に記載の発明のように，上記環状溝の天井面と上記保護カバーのフランジ部との間の距離は０．４ｍｍ以下であることが好ましい。
これにより，より強固なかしめ固定を得ることができる。
【００１８】
距離が０．４ｍｍより大きい場合には，かしめ突起部をかしめた際に環状溝とフランジ部との間に隙間が残って，ガタが生じるおそれがある。
また，特に保護カバーが内側カバーと外側カバーとよりなる構成の際には，外側カバーの底部が内側カバーにあたってしまい，完全なかしめ固定ができなくなるおそれがある。なお，上記距離のより好ましい上限は０．３ｍｍである。
【００１９】
また，上記距離の下限は０．０５ｍｍとすることが好ましい。
距離が０．０５ｍｍ未満となった場合には，保護カバー屈曲部がハウジングテーパー面に当接しない状態となり，完全なかしめ固定ができないおそれがある。
【００２０】
なお，ガスセンサの軸心方向の直線と平行な直線を考え，この直線上でのかしめ固定前の単に保護カバーを環状溝に挿入したのみの状態において，フランジ部と天井面との間隙を上記距離として採用する（図２参照）。
また，後述する実施形態例２に示すごとき，フランジ部がガスセンサの軸心方向に波打つような形状を有している場合，フランジ部と天井面との間隙の中でもっとも小さい部分を本請求項にかかる距離として採用する。
【００２１】
次に，請求項３記載の発明のように，上記保護カバーのフランジ部は屈曲部と該屈曲部より更に外方に延びる平坦部とよりなり，
上記保護カバーは上記屈曲部を上記テーパー面に対し当接しつつ上記環状溝に対し嵌合されることが好ましい（図２参照）。
【００２２】
これにより，熱応力が発生した際は，屈曲部とテーパー面との当接部分が支点となって保護カバーが変形できるため，冷熱サイクルに対し強固なかしめ構造を提供することができる。
なお，上記屈曲部とは，保護カバーの内方の側面とフランジ部との境目の部分を指す。また，上記平坦部とは，屈曲部より環状溝の径方向の外方へと延びる部分である（図２参照）。
【００２３】
次に，請求項４記載の発明のように，上記保護カバーは少なくとも内側カバーと該内側カバーよりも外方に設けた１つまたは複数の外側カバーとよりなり，これらはいずれも共に外方に曲折すると共に屈曲部と平坦部とよりなるフランジ部を有してなり，
上記内側カバーは上記屈曲部を上記テーパー面に当接しつつ上記環状溝に対し嵌合され，一方，上記外側カバーの上記屈曲部は上記内側カバーの屈曲部と上記テーパー面とが当接する位置よりも更に外方にあることが好ましい。
【００２４】
これにより，かしめ突起部から外側カバー及び内側カバーに受けるかしめの力を屈曲部とテーパー面との当接部分を支点とした大きなモーメント力として作用させることができる。
よって，強固な力で保護カバーを環状溝に対しかしめ固定することができる。
【００２５】
次に，請求項５記載の発明のように，上記外側カバーのフランジ部と上記内側カバーのフランジ部とは互いにフランジ部の外方端部において当接してなることが好ましい。
これにより，屈曲部とテーパー面との当接部分を支点にしたモーメント力を最大限に利用することができる。
【００２６】
本発明にかかるガスセンサは被測定ガス中の酸素ガス濃度，ＮＯｘガス濃度，ＨＣガス濃度，ＣＯガス濃度等の測定等に使用することができる。
また，自動車用内燃機関における空燃比の測定に使用することができる。
【００２７】
【発明の実施の形態】
実施形態例１
本発明の実施形態例にかかるガスセンサにつき，図１〜図５を用いて説明する。
なお，本例のガスセンサは自動車用エンジンの排気系に設置され，被測定ガスである排ガス中の酸素ガス濃度を測定可能に構成された酸素センサである。
【００２８】
本例のガスセンサ１は，図１〜図５に示すごとく，被測定ガスと接触する接ガス部を有する検出素子３と，該検出素子３を保持するハウジング２と，上記検出素子３の接ガス部を覆うと共に被測定ガス流通用のガス穴１００を有する保護カバー１０とを有する。
【００２９】
上記ハウジング２の被測定ガス側の底部は内側突出部２１とかしめ突起部２２とを有する。また，上記底部はこれらに囲まれ，保護カバー１０の側に開口すると共に内方壁面２１０と外方壁面２２０と天井面２３とから構成される環状溝２０を有する。
【００３０】
更に上記保護カバーは内側カバー１１及び外側カバー１２とよりなり，これらのハウジング２側の開口端は外方に曲折するフランジ部１１０，１２０を有する。上記フランジ部１１０，１２０は上記環状溝２０に対し嵌合されると共に，上記かしめ突起部２２を内方にかしめることにより，上記ハウジング２に内側カバー１１，外側カバー１２をかしめ固定してなる。
そして，上記環状溝２０の内部において上記内方壁面２１から上記天井面２３にかけてテーパー面２４が設けてある。
図１に示すごとく，このテーパー面の角度Ｃは４５度，テーパー面の高さＢは０．９ｍｍである。
また，テーパー面の角度Ｃ及び高さＢはハウジング２の環状溝２０の天井面２３と内側カバー１１のフランジ部１１０との間の距離Ｆ（図２参照）が０．４ｍｍ以下になるように任意に設定できる。
【００３１】
以下，詳細に説明する。
図４に示すごとく，本例のガスセンサ１はハウジング２と該ハウジング２の下方に配置した２重の保護カバー１０である内側カバー１１と外側カバー１２と，上記ハウジング２の上方に配置した大気側カバー１２１〜１２３とを有する。
上記ハウジング２は略円筒形状で内部にヒータ３９付きの検出素子３が挿入固定されている。
また，図５に示すごとく上記ハウジングの内径Ａは８．２ｍｍである。
【００３２】
上記大気側カバー１２１〜１２３はハウジング２に対し直接かしめ固定された第１カバー１２１と該第１カバー１２１の上部にかしめ固定された第２カバー１２２，該第２カバー１２２の上部においてフィルタ１２９を介してかしめ固定された第３カバー１２３とよりなる。
【００３３】
大気側カバー１２１〜１２３の内部には絶縁碍子１３が配置され，該絶縁碍子１３の内部には検出素子３の出力取り出し線３１，３２に接続部３１１，３２１を介して接続されたリード線３１２，３２２やヒータ３９に通電するためのリード線３３３が配置されている。
また，絶縁碍子１３のさらに上方にはゴムブッシュ１４が配置されている。
【００３４】
また，上記保護カバー１０は外側カバー１２と内側カバー１１とよりなり，両者には被測定ガス導入用のガス穴１００が設けてある。内側カバー１１の内部の空間が被測定ガス室として機能し，検出素子３の接ガス部はここにおいて被測定ガスと接触する。
上記内側カバー１１，外側カバー１２はそれぞれフランジ部１１０，１２０を有する。上記フランジ部１１０は屈曲部１１１と該屈曲部１１１より更に径方向の外方に延びる平坦部１１２とよりなる。
また，外側カバー１２のフランジ部１２０も同様に屈曲部１２１と平坦部１２２とよりなる。
【００３５】
上記ハウジング２の底部は円環状で，ここに横断面環状の環状溝２０が設けてある。この環状溝２０の縦方向の断面が図１である。
また，図５に示すごとく，上記内側カバー１１の内径Ｄは９．９ｍｍである。内側カバー１１のフランジ部１１０の屈曲部１１１の曲率半径は１．１ｍｍである。
また，本例のハウジング２はＳＵＳ４３０より構成され，内側カバー１１，外側カバー１２は共にＳＵＳ３１０Ｓより構成されている。
【００３６】
また，図示を略したが，本例の検出素子は酸素イオン導電性のコップ型の固体電解質体の内外に一対の電極を設け，この電極の出力から酸素ガス濃度を測定可能に構成されている。
【００３７】
次に，内側カバー１１，外側カバー１２の環状溝２０に対するかしめ固定について説明する。
図２に示すごとく，内側カバー１１のフランジ部１１０の屈曲部１１１がテーパー面２４と当接するよう内側カバー１１，外側カバー１２とを配置する。
また，フランジ部１１０，１２０の平坦部１１２，１２２の外方端部１１５，１２５は外方壁面２２０に当接する。
この時の内側カバー１１のフランジ部１１０と天井面２３との距離Ｆは０．３ｍｍであった。
【００３８】
その後，かしめ突起部２２を図３に示すごとく内方に曲折することで，内側カバー１１，外側カバー１２のフランジ部１１０，１２０を環状溝２０に対しかしめ固定する。これにより，図３に示すごとく，Ｘ，Ｙ，Ｚの３点でフランジ部１１０，１２０と環状溝２０とが当接し，かしめ固定が実現する。
このかしめ固定によりかしめ突起部２２と天井面２３とによって，内側カバー１１，外側カバー１２が挟持される（ＸとＹとの間）。また，かしめ突起部２２とテーパー面２４とによって，内側カバー１１，外側カバー１２が挟持される（ＸとＺの間）。
なお，Ｚは屈曲部１１１とテーパー面２４との当接部である。
【００３９】
また，図３に示すごとく，外側カバー１２が内側カバー１１に当接する位置をＭとすると，ＭはＺよりも径方向において外方に位置する。
また，図３より明らかであるが，外側カバー１２のフランジ部１２０と内側カバー１１のフランジ部１１０とは互いにフランジ部１１０，１２０の外方端部において当接している。
【００４０】
なお，内側カバー１１と外側カバー１２とをフランジ部１１０，１２０のすぐ下方で溶接固定し，一体化してもよい。
なお，フランジ部１１０，１２０の平坦部の外方端部１１５，１２５は外方壁面２２０に当接させなくともよい。
【００４１】
次に，本例の作用につき説明する。
本例では，かしめ固定に際して，内側カバー１１及び外側カバー１２を環状溝２０に配置するが，上述したごとく，Ｘ，Ｙ，Ｚの３点でフランジ部１１０，１２０と環状溝２０とが当接し，強いかしめ固定が実現されている。
【００４２】
更に，本例のガスセンサ１において，保護カバー１０とハウジング２とはステンレス鋼よりなるが，種類が異なり，温度７００℃において熱膨張率の差が７×１０^-6程度となる。
そして，本例のガスセンサ１は上述したごとく自動車内燃機関の排気系に設置されるため，内燃機関の運転／停止に応じて常温から最高７００℃前後の冷熱サイクルに曝される。従って，高温環境においては保護カバー１０とハウジング２との間には熱応力が発生する。
【００４３】
本例のガスセンサ１では，内側カバー１１のフランジ部１１０における屈曲部１１１とテーパー面２４との当接する部分が支点となって熱応力による変形が発生するため，かしめ突起部２２とテーパー面２４とにより保護カバー１０は強く拘束されたままである。
従って，高温環境においても強固なかしめ構造を提供することができる。
【００４４】
さらに，外側カバー１２と内側カバー１１との当接位置Ｍは，内側カバー１２とテーパー面２４とが当接する部分のＺより径方向において外方にある。よって，かしめ突起部２２から外側カバー１２及び内側カバー１１に受けるかしめ力をＭを支点にした大きなモーメント力として作用させることができる。そのため強固なかしめ力を容易に得ることができる。
【００４５】
以上，本例によれば，ハウジングと保護カバーとのかしめ固定が冷熱サイクルに対し強固であるガスセンサを提供することができる。
【００４６】
なお，本例の検出素子として，積層した板状の固体電解質体よりなるものを用いることもできる。
更に，本例では酸素センサとして機能するガスセンサについて例示説明したが，ＮＯｘセンサ，ＣＯセンサ，ＨＣセンサ等の他のガスセンサにも適用できる。
【００４７】
また，本例の環状溝２０のテーパー面２４は図１より知れるごとく平面状であるが，図６に示すごとく，曲面状のテーパー面２４を設けることもできる。
この場合も上記と同様の作用効果を得ることができる。
【００４８】
実施形態例２
本例は，図７，図８に示すごとく，フランジ部が波打った状態にある保護カバーを有するガスセンサについて説明する。
本例のガスセンサの構造は実施形態例１に示したものと同様の構造である。
保護カバーについては，図７，図８に示すごとき，内側カバー４１１と外側カバー４１２とよりなり，内側カバー４１１については実施形態例１と同様の形状を有しており，外側カバー４１２については実施形態例１とだいたいは同じ形状であるが，フランジ部４１４の断面が波形となるように，図７に示すごとく，該フランジ部４１４には凹部４２１と凸部４２２とが設けてある。
その他は実施形態例１と同様である。
【００４９】
本例の作用効果について説明する。
本例のガスセンサの外側カバー４１２のフランジ部４１４には凹部４２１と凸部４２２とが設けてある。
このため，外側カバー４１２と内側カバー４１１とを実施形態例１と同様にしてハウジング２の環状溝２０に固定した場合，ゆるみの発生し難いかしめ構造を得ることができる。
【００５０】
つまりフランジ部４１３，４１４とが積層されることで，凹部４２１と凸部４２２との影響により，これらの高さやへこみの分だけ，フランジ部４１４の厚みが厚くなる。この状態でかしめ固定が行われるため，凹部４２１と凸部４２２とが変形し，若干薄くなった状態で固定される。
そのため，かしめ固定後のフランジ部４１４は上記凹部４２１と凸部４２２とによってフランジ部４１４の厚みを元に戻そうとする弾性力の作用を維持した状態となる。
【００５１】
そのため，ハウジング２のかしめ突起部２２が例えば高温時の熱応力等によりゆるんだ場合でも，ゆるみを補うようにフランジ部４１４が弾性力により厚み方向に伸長してゆるみを防止する。
よって，非常に強固なかしめ固定を維持することができる。
その他は実施形態例１と同様の作用効果を有する。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施形態例１における，ハウジングの要部断面説明図。
【図２】実施形態例１における，かしめ固定前のハウジングと保護カバーとの要部断面説明図。
【図３】実施形態例１における，かしめ固定後のハウジングと保護カバーとの要部断面説明図。
【図４】実施形態例１における，ガスセンサの断面説明図。
【図５】実施形態例１における，ハウジングと保護カバーとの断面展開説明図。
【図６】実施形態例１における，曲面状のテーパー面を持つ環状溝の要部断面説明図。
【図７】実施形態例２における，保護カバーの展開図。
【図８】実施形態例２における，かしめ固定後のハウジングと保護カバーとの要部断面説明図。
【符号の説明】
１．．．ガスセンサ，
２．．．ハウジング，
２０．．．環状溝，
２１．．．内側突出部，
２１０．．．内方壁面，
２２．．．かしめ突起部，
２２０．．．外方壁面，
２３．．．天井面，
２４．．．テーパー面，
３．．．検出素子，

Claims (5)

1. 被測定ガスと接触する接ガス部を有する検出素子と，該検出素子を保持するハウジングと，上記検出素子の接ガス部を覆うと共に被測定ガス流通用のガス穴を有する保護カバーとを有すると共に，上記ハウジングの被測定ガス側の底部は内側突出部とかしめ突起部とを有し，また上記底部はこれらに囲まれ，保護カバー側に開口すると共に内方壁面と外方壁面と天井面とから構成される環状溝を有し，
   更に上記保護カバーのハウジング側の開口端は外方に曲折するフランジ部を有し，上記フランジ部は上記環状溝に対し嵌合されると共に，上記かしめ突起部を内方にかしめることにより，上記ハウジングに上記保護カバーをかしめ固定してなるガスセンサにおいて，
   上記環状溝の内部において上記内方壁面から上記天井面にかけてテーパー面が設けてあることを特徴とするガスセンサ。
2. 請求項１において，上記環状溝の天井面と上記保護カバーのフランジ部との間の距離は０．４ｍｍ以下であることを特徴とするガスセンサ。
3. 請求項１または２において，上記保護カバーのフランジ部は屈曲部と該屈曲部より更に外方に延びる平坦部とよりなり，
   上記保護カバーは上記屈曲部を上記テーパー面に対し当接しつつ上記環状溝に対し嵌合されることを特徴とするガスセンサ。
4. 請求項１〜３のいずれか一項において，上記保護カバーは少なくとも内側カバーと該内側カバーよりも外方に設けた１つまたは複数の外側カバーとよりなり，これらはいずれも外方に曲折すると共に屈曲部と平坦部とよりなるフランジ部を有してなり，
   上記内側カバーは上記屈曲部を上記テーパー面に当接しつつ上記環状溝に対し嵌合され，一方，上記外側カバーの上記屈曲部は上記内側カバーの屈曲部と上記テーパー面とが当接する位置よりも更に外方にあることを特徴とするガスセンサ。
5. 請求項４において，上記外側カバーのフランジ部と上記内側カバーのフランジ部とは互いにフランジ部の外方端部において当接してなることを特徴とするガスセンサ。

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