JP3622351B2 - 空燃比センサおよびその製造方法 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本願発明は、空燃比センサに関するものであり、特に、ハウジングが冷鍛加工によって形成されるとともに、検出素子がハウジング内に熱かしめによって固定保持された空燃比センサに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
空燃比センサは、検出素子の一端に設けられた一対の電極間によって生ずる信号を出力することによって、被測定ガスの空燃比を検出する。
そして、この検出素子は、ハウジングの収納孔内に固定保持されている。
ところで、この空燃比センサは、例えば自動車に採用される場合においては、水，泥更には、凍結防止材等に晒される為、センサを構成する部材は、空燃比センサとして使用される各材料においては、耐腐食性を十分に考慮する必要がある。
【０００３】
そのため、特に検出素子を固定保持したりシール性を確保するための構成部品であるハウジングの材料としては、一般に耐腐食性の高いフェライト系ステンレス鋼を用いている。
そして、従来用いられているハウジングは、切削性のよいフェライト系ステンレス鋼を使用しているが、この材料は、非常に硬いため、切削によってハウジングを得ている。
【０００４】
そのため、ハウジングの形成には、特に検出素子を収納する収納孔を形成する必要があるなどの為、多量のハウジング材料を切削する必要があり、原料の全体の７０％程度を捨てることになるというハウジング材料の多量の無駄が発生していた。
そこで、従来より例えば、ハウジングを切削により形成するのではなく、冷鍛加工によって形成することが考えられている。
【０００５】
しかしながら、実際に冷鍛によってハウジングを得ようとした場合には、切削加工時と同一のフェライト系ステンレス鋼材料を採用したのでは、材料自体が冷鍛加工に適したものでなく、冷鍛加工が非常に困難であった。
そのため、冷鍛加工でハウジングを得ようとする場合には、同じフェライト系ステンレス鋼材料ではなく、異なるフェライト系ステンレス鋼材料よりなるハウジングを必要としていた。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、従来の空燃比センサにおいて、ハウジング内に検出素子を固定保持する為には、例えば、ハウジング形成後、ハウジングの収納孔内に検出素子を収納し、熱かしめを行うことによって、検出素子をハウジングの収納孔内に固定保持していた。
【０００７】
しかしながら、冷鍛加工によって得られるハウジングにおいては、この熱かしめ部分から海水や雨水等が侵入し、腐食してしまうという問題が新たに生じてしまうという問題が発生した。
本願発明においては、上記問題を鑑みたものであり、冷鍛加工によって得られたハウジングを用いて、熱かしめによって検出素子を固定保持したとしても、耐腐食性にすぐれた空燃比センサを提供するものである。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
そこで、我々は、はじめに、なぜ冷鍛加工した場合のハウジングにおいては、耐腐食性に問題が生じるのか、その原因を究明した。
ここで、切削加工の時のフェライト系ステンレス鋼の時と冷鍛加工の時のフェライト系ステンレス鋼の時の熱かしめ部の結晶状態を図６および図７に示した。
【０００９】
図６は、切削加工用のフェライト系ステンレス鋼を熱かしめした場合の結晶状態を示す模式図である。
図６において、１は、フェライト系ステンレス鋼の主成分であるＦｅ−Ｃｒ結晶であり、３は、このＦｅ−Ｃｒ結晶１中に存在する不純物である炭素（Ｃ）または窒素（Ｎ）を示す。
【００１０】
図６に示すように、切削加工用のフェライト系ステンレス鋼においては、熱かしめを行っても、そのＦｅ−Ｃｒ結晶１間の粒界５が密に結びつき、外部からの水等の侵入がなされず、良好なハウジングとなっている。
次に、冷鍛加工用のフェライト系ステンレス鋼を熱かしめした場合の結晶状態を図７を用いて説明する。
【００１１】
図７は、冷鍛加工用のフェライト系ステンレス鋼を熱かしめした場合の結晶状態を示す模式図である。
図７において、図６と同様、１は、フェライト系ステンレス鋼の主成分であるＦｅ−Ｃｒ結晶であり、３は、このＦｅ−Ｃｒ結晶１中に存在する不純物である炭素（Ｃ）または窒素（Ｎ）を示す。
【００１２】
図７に示すように、冷鍛加工用のフェライト系ステンレス鋼においては、熱かしめ時における熱の影響を受け、図７の矢印Ａに示すように、Ｆｅ−Ｃｒ結晶１中のＣやＮ等の不純物３がＦｅ−Ｃｒ結晶１間の粒界に偏析する。
そして、この偏析した不純物３が、粒界界面に存在するＣｒと結びつき、例えば、Ｃｒ−ＮやＣｒ−Ｃ等の化合物を作る。
【００１３】
そのため、Ｆｅ−Ｃｒ結晶１間の粒界界面においては、Ｃｒの割合がＦｅ−Ｃｒ結晶１中に比べて減少し、Ｃｒの欠乏層７が形成されてしまう。
即ち、冷鍛加工用のフェライト系ステンレス鋼においては、熱かしめ時の高温の影響を受け、Ｃｒの欠乏層７が形成され、このＣｒの欠乏層７より、水等の侵入が生じ、腐食が生じるという問題が発生するのである。
【００１４】
ここで、我々は、なぜ、切削加工用のフェライト系ステンレス鋼では、欠乏層７の形成が成されないのに対して、冷鍛加工用のフェライト系ステンレス鋼では、欠乏層７が形成されるのかをさらに究明した。
その結果、切削加工用のフェライト系ステンレス鋼においては、冷鍛加工用のフェライト系ステンレス鋼に比べて、不純物としてさらに硫黄（Ｓ）等が添加されており、このＳが熱によるＣやＮ等の不純物の移動を抑制していたことを見いだした。
【００１５】
そのため、我々は、冷鍛加工用のフェライト系ステンレス鋼においても、熱かしめ時の高温の影響を受けても、Ｆｅ−Ｃｒ結晶１中の不純物であるＣやＮ等が結晶界面５に何らかの手段を講じて偏析させなければ、欠乏層７が形成されないことに着目し、本願発明においては、以下の手段を採用することになった。
即ち、本発明としては、空燃比センサを構成するハウジングの少なくとも熱かしめ時に、最も高い温度となる箇所におけるハウジングの組成成分を
炭素（Ｃ）＋窒素（Ｎ）≦０．０３重量％
とすることによって、Ｆｅ−Ｃｒ結晶１中の不純物をはじめから減らすことによって、結晶界面５への偏析量を減らし、欠乏層７の形成を抑制させることとした。
【００１６】
このような構成とすることによって、欠乏層７の形成がなく、耐腐食性に優れた空燃比センサとすることができる。
また、別の発明としては、空燃比センサを構成するハウジングの熱かしめ時の最高温度を、１０００℃未満を１秒以下で行うことによって、Ｆｅ−Ｃｒ結晶１中の不純物３の結晶界面５への移動自体を抑制することによって、不純物３の結晶界面５への偏析量を減少させ、しいては、欠乏層７の形成を抑制した。
【００１７】
そのため、欠乏層７の形成がなく、耐腐食性に優れた空燃比センサとすることができる。
さらに、この時、最高温度となるハウジングの外周側面からハウジングの収納孔の内周側面までの距離の偏差が平均厚さに対して、１５％未満とした。
これは、熱かしめ温度がいくら低くても、ハウジングの厚さが不均一の場合には、特に、肉厚の薄い箇所に熱が集中し、必要以上の温度となる場合が存在するためである。
【００１８】
この方法を採用することによって、熱かしめ時の熱の発生を均一とすることができ、欠乏層７の形成をさらに十分抑制することができる。
また、熱かしめ時の最高温度としては、９５０℃以下がさらに好ましい。
【００１９】
【発明の実施の形態】
図１は、本願発明の形態における空燃比センサ１０の全体断面図を示す。
１２は、一端が被測定ガスの空燃比を検出する検出部１２ａを有するとともに、側面には、鍔部１２ｂを有するカップ形状をなす検出素子である。
この検出素子１２は、ジルコニアよりなり、図示しないがその外面および内面において測定電極および基準電極が設けられ、この電極に生じる出力による信号によって、被測定ガスの空燃比を測定することができる。
【００２０】
また、この検出素子１２は、ハウジング１４に形成された収納孔１４ａに収納され、ハウジング１４の一端側より検出部１２ａが突出している。
このハウジング１４は、フェライト系ステンレス鋼を主成分とし、不純物としてのＣおよびＮは、ＣおよびＮの総量が０．０２重量％としている。
このハウジング１４より突出した検出部１２ａは、ハウジング１４に固定された保護カバー１６によって覆われている。
【００２１】
この保護カバー１６には、複数の貫通孔１６ａが形成されており、この貫通孔１６ａを被測定ガスが通過し、検出素子１２の検出部１２ａに到達する。
この保護カバー１６によって、例えば、排ガス中の不純物からの検出素子１２の保護を行っている。
また、収納孔１４ａの内周には、検出素子１２の鍔部１３の下面１３ａと当接可能なテーパ部１４ｂが形成されており、金属製のワッシャ１８を介して当接されている。
【００２２】
また、検出素子１２の鍔部１３の上面１３ｂにおいては、タルクよりなる絶縁粉末２０，バーミキュライトよりなる絶縁リング２２，絶縁碍子よりなる絶縁部材２４，カバー２６および金属材料よりなるリング２８を介して、ハウジング１４の冷かしめ部１４ｃおよび熱かしめ部１４ｄによるかしめによって、ハウジング１４の収納孔１４ａ内において、検出素子１２が固定保持されている。
【００２３】
そして、このかしめによって、絶縁粉末２０等が変形し、ハウジング１４の一方側と他方側との気密が保持されることとなる。
また、検出素子１２の検出部１２ａに設けられた図示しない電極は、ハウジングの他方側まで引き出され、中間リード部３０ａ，３０ｂと電気的に導通される。そして、この中間リード部３０ａ，３０ｂは、更に、コネクタ３２ａ，３２ｂを介して、リード線３４ａ，３４ｂに導通される。
【００２４】
又、検出素子１２中には、この検出素子１２を加熱させるための棒状のヒータ３６が設けられており、このヒータ３６がホルダ３８によって、検出素子１２内に保持された状態で挿入されている。
そして、ヒータ３６もまた、中間リード部３０ｃ，コネクタ３２ｃおよびリード線３４ｃに導通されている。
【００２５】
また、コネクタ３２ａ，３２ｂおよび３２ｃは、互いに接触して導通不良が生じないように、インシュレータ４０に形成されたそれぞれの貫通孔に収納され、互いのコネクタ間の絶縁を保持している。
また、リード線３４ａ，３４ｂおよび３４ｃは、ゴムブッシュ４２の貫通孔を通り、空燃比センサの外部と導通可能となっている。
【００２６】
このゴムブッシュ４２によって、空燃比センサの端面からの水等の侵入を防止するとともに、リード線３４ａ，３４ｂおよび３４ｃの固定を行うため、カバーを外側からかしめ加工を施している。
次に、検出素子１２をハウジング１４の収納孔１４ａ内に固定保持するための製造方法を図２を用いて説明する。
【００２７】
はじめに、図２（ａ） の如く、ハウジング１４の収納孔１４ａ中に、検出素子１２を収納し、検出素子１２の鍔部１３の下面１３ａとハウジング１４のテーパ部１４ｂとをワッシャ１８を介して当接させる。
その後、前述の如く、鍔部１３の上面１３ｂに、絶縁粉末２０，絶縁リング２２，絶縁セラミック部材２４，カバー２６およびリング２８を順次、組み込む。
【００２８】
そして、図２（ｂ） の如く、治具５０によって、ハウジング１４の冷かしめ部１４ｃを３トンの力で押圧する。
この治具５０の押圧によって、ハウジング１４の冷かしめ部１４ｃが冷かしめされることとなる。
その後、図２（ｃ） の如く、ハウジング１４の冷かしめ部１４ｃを押圧している治具５０の力を１．５トンとし、１秒以下で７．０ｋＡの電流を流し、熱かしめを行う。この時の熱かしめ温度は９５０℃とした。
【００２９】
この熱かしめによって、ハウジング１４の肉厚の最も薄い箇所である熱かしめ部１４ｄが図２（ｃ） に示すように変形し、絶縁粉末２０を変形させ、気密性を高める。
このような熱かしめを行うことによって、ハウジング１４の収納孔１４ａ内に検出素子１２を確実に固定保持することができた。
【００３０】
以上のような空燃比センサ１０により、気密性に優れるばかりでなく、耐腐食性に強い空燃比センサを得ることができた。
次に、空燃比センサ１のハウジング１４の不純物量および熱かしめ時の温度が耐腐食性にどのように影響されるのかを図３を用いて説明する。
図３は、熱かしめの平均温度を変化させた場合のそれぞれにおけるハウジング１４の主成分であるフェライト系ステンレス鋼中に存在する炭素（Ｃ）および窒素（Ｎ）の総量に対する割れ発生率の関係を示している。
【００３１】
尚、この割れ発生率は、２０個のサンプルを抽出し、顕微鏡にて割れの確認を行うことによって算出した。
図３より明らかなように、全体を１００重量部とした場合、Ｃ＋Ｎが０．０３重量％以下とした場合には、どのような熱かしめの平均温度においても、割れがほとんどなかった。
【００３２】
また、Ｃ＋Ｎが０．０３重量％よりも大の場合においても、熱かしめの平均温度が１０００℃未満，好ましくは９５０℃とした場合においては、割れの発生がなかった。
このように、図３より、ハウジング１４の少なくとも熱かしめ部１４ｄにおける材料成分を全体を１００重量部とした場合、Ｃ＋Ｎが０．０３重量％であれば、割れの発生がほとんどなく、耐腐食性に優れたハウジングとすることができることがわかる。
【００３３】
また、Ｃ＋Ｎが０．０３重量％より大であっても、熱かしめの平均温度が１０００℃未満，好ましくは９５０℃以下とした場合においても、割れの発生がほとんどなく、耐腐食性に優れたハウジングとすることができることがわかる。
しかしこの時、熱かしめの平均温度を治具５０によって制御した場合においては、ハウジング１４の熱かしめ部１４ｄにおける肉厚が全周にわたって均一でない場合には、薄い部分のみにおいて、熱が集中し、予想以上の熱かしめの平均温度となる場合がある。
【００３４】
図４は、熱かしめ部１４ｄにおける平均肉厚に対する偏差の割合を変化させた場合の温度差を示す。
この平均肉厚に対する偏差の割合を変化させた場合とは、図５に示すように、最小肉厚部をＤａ，最大肉厚部をＤｂとした場合、

である、平均肉厚に対する偏差によって、示される値である。
【００３５】
また、温度差としては、図５のＡ部の温度からＢ部の温度の差として求めた。
図５より、偏差が１５％以上とする場合においては、肉厚部と肉薄部との温度差が４０℃以上となってしまい、ハウジング１４の熱かしめ部１４ｄにおける温度制御が困難となってしまう。
そのため、ハウジング１４の熱かしめ部における肉厚の偏差は、１５％以内が好ましいことが分かる。
【００３６】
以上のように、本願発明を採用することによって、耐腐食性がすぐれた空燃比センサ用のハウジングを得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１は、本願発明の空燃比センサの全体図である。
【図２】図２は、本願発明の空燃比センサの製造方法の一部を説明する説明図である。
【図３】図３は、熱かしめ温度を変化させた場合のハウジング中の不純物量と割れ発生率との関係を示す関係図である。
【図４】図４は、ハウジングの熱かしめ部における肉厚の偏差と温度差との関係を示す関係図である。
【図５】図５は、ハウジングの熱かしめ部の肉厚の偏差を説明する説明図である。
【図６】図６は、切削加工用のステンレス鋼を熱かしめした時の結晶状態を説明する説明図である。
【図７】図７は、冷鍛加工用のステンレス鋼を熱かしめした時の結晶状態を説明する説明図である。
【符号の説明】
１０ 空燃比センサ
１２ 検出素子
１２ｂ 鍔部
１４ ハウジング
１４ａ 収納部
１４ｂ テーパ部
１４ｃ 冷かしめ部
１４ｄ 熱かしめ部

Claims (3)

1. 被測定ガスの空燃比を検出する検出部を有するとともに、側面に鍔部を有する検出素子と、該検出素子を収納可能な軸方向に形成された収納孔を有し、該収納孔の一方側より前記検出素子の前記検出部が突出されるとともに、該収納孔の内周に形成されたテーパ部と前記検出素子の前記鍔部とを対向させるとともに、前記収納孔の他方側に形成されたかしめ部によって、前記検出素子を前記収納孔内に固定保持するフェライト系ステンレス鋼からなるハウジングとを備えた空燃比センサであって、前記ハウジングの少なくとも熱かしめ時に、最も高い温度となる箇所におけるハウジングの組成成分が、炭素（Ｃ）＋窒素（Ｎ）≦０．０３重量％であることを特徴とする空燃比センサ。
2. 熱かしめ時において最高温度となる前記ハウジングの外周側面から前記収納孔の内周側面までの距離の偏差が平均厚さに対して、１５％未満であることを特徴とする請求項１記載の空燃比センサの製造方法。
3. 前記ハウジングは、冷鍛加工によって形成されることを特徴とする請求項１記載の空燃比センサ。

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