JP3274460B2 - 酸素センサ - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明が属する技術分野】本発明は、内燃機器の排気ガ
ス中の酸素濃度を検出するため等に用いられる酸素セン
サに関する。

【０００２】

【従来の技術】酸素センサとして、図１０に示すよう
に、酸素ガス検出部２０を備えるセンサ用セラミック基
板３（以下センサ基板という）を金属製金具７に組み込
んだものが従来より好適に用いられている。この酸素セ
ンサにおいては、熱膨張の小さなセンサ基板３を熱膨張
の大きな金属製金具７に組み込むため、〜のような
構造上の特徴を有している。

【０００３】耐衝撃性を維持するため、センサ基板３
とステンレス製金具７との間に、全体として円筒形状の
アルミナ製セラミックスホルダー５が介入され、さらに
セラミックスホルダー５と基板フレーム部３の空間部に
滑石等の緩衝材６が充填されている。

【０００４】上記セラミックスホルダー５はその一部
が鍔状に形成され、その個所にガラスウールのパッキン
１５が挿入されてこのパッキン１５の位置でセラミック
スホルダー５の位置決めが行われ、ガラスシール材９に
より固定されている。

【０００５】金具７の熱膨張による応力の存在をなく
するため、のガラスシール材９は、金具７の内側に形
成された外筒部１０のみで固定されている。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】上記の構造により、主
体金具７の熱膨張による不都合は解消されたが、構造上
の耐衝撃性の強度については、下記のような点に問題が
あった。

【０００７】金具７内に組み込まれたセラミックスホ
ルダー５が、外筒部１０で固定されている為、外部から
の衝撃及び１０００Ｇ以上の加速度が加わると、図中Ａ
点の箇所で変形してセラミックスホルダー５が金具７と
衝突して２次衝撃が起き、センサ基板３が段付部Ｂで折
れ易い。

【０００８】センサの組付時に、セラミックスホルダ
ー５が僅かでも偏ると、金具７とセラミックスホルダー
５が接してしまい、衝撃等で２次衝撃が起き易く、セン
サ基板３が段付部Ｂで折れ易い。

【０００９】落下等により主体金具７ａに衝撃が加わ
った場合、センサ基板３が衝撃を受け折れ易い。

【００１０】本発明は上記事情に鑑みてなされたもので
あり、耐衝撃性に優れた酸素センサを提供することを目
的とする。

【００１１】

【課題を解決するための手段】本発明の第１の視点に係
る酸素センサは、断面長方形状のセンサ基板がセラミッ
クスホルダーを介して金属製金具内に挿入され、該金具
内において前記セラミックスホルダー内周側と、前記セ
ンサ基板外側とで形成される空間部に充填材が充填され
ている酸素センサにおいて、上記センサ基板の短辺側の
一方をセラミックスホルダーに近接させるように、セン
サ基板をセラミックスホルダー内に偏らせて充填材によ
って固定したことを特徴とする。

【００１２】前記第１の視点において、好ましくは、一
端側に酸素ガス検出部を有し、他端側に電極リードが接
続されたセラミック製のセンサ基板がセラミックスホル
ダーを介して金属製金具内に挿入され、セラミックスホ
ルダーにおける酸素ガス検出部側の先端部分が金具に固
定される。前記第１の視点において、好ましくは、セラ
ミックスホルダーの上記金具固定部分に、緩衝材を介在
させる。前記第１の視点において、好ましくは、金具内
面の電極リード側に形成された外筒部内に位置するセラ
ミックスホルダーの一部または全部が鍔状にされる。前
記第１の視点において、好ましくは、上記鍔状部の外径
を、外筒部の内径に対して９５％以上に設定する。前記
第１の視点において、好ましくは、上記鍔状部の長さ
を、外筒部の内径に対して５０％以上に設定する。前記
第１の視点において、好ましくは、セラミックスホルダ
ーに設けられた鍔状部分が金具に直接固定される。前記
第１の視点に係る好ましい酸素センサは、センサ基板が
挿入される金属製金具の一部に六角状主体金具を有し、
該六角状主体金具にガスケットが結合され、上記ガスケ
ットの外径寸法が、六角対辺距離の長さよりも大きくさ
れる。ここで、六角対辺距離とは、図２（ａ）に示すＸ
の長さをいう。

【００１３】

【実施例】以下、図面を参照して本発明の酸素センサに
ついてさらに詳しく説明する。なお、従来例と同一構成
部分には同一符号を符して説明を簡略化する。

【００１４】（実施例１）図１に本発明の酸素センサの
一実施例について示す。

【００１５】この酸素センサにおいては、従来例と同様
に、金具７の内側に形成された外筒部１０とセンサ基板
３との間に全体として円筒形状のアルミナ製セラミック
スホルダー５が設けられ、このセラミックスホルダー５
の内周側とセンサ基板（センサ素子）３の外側との間の
空間部には、滑石等の粉末充填材６が充填され、この図
中ほぼ中央部にはセンサ基板３とセラミックスホルダー
５と電極リード８とを固定するための、結晶化ガラス等
のガラスシール材９が外筒部１０の内部に充填されて外
筒部１０のみで固定されている。

【００１６】ここで、金具７はステンレス製の筒体であ
り、端面の外径が約９．３ｍｍに形成されている。この
金具７に溶接された外筒部１０は、ステンレス製、好ま
しくは熱膨張率が比較的小さいフェライト系のステンレ
ス製（熱膨張率７×１０^−６）であり、内径約９．４ｍ
ｍ、肉厚約０．３ｍｍに形成されている。

【００１７】センサ基板３は、主体がアルミナ等のセラ
ミック製であり、先端部に酸素ガスの状態に応じて電気
特性が変化するＴｉＯ_２，ＣｏＯ等の金属酸化物半導体
からなる酸素ガス検出部２０を有している。

【００１８】さらに、この酸素センサの特徴として、セ
ラミックスホルダー５の酸素ガス検出部２０側先端部と
ステンレス製の金具７とが予め接する設計にされてお
り、この両者との間にバルカパッキン、メタルパッキン
等の緩衝材４が介入されて、衝撃を緩和できるようにな
っている。（又、緩衝材４なしで、セラミックスホルダ
ー５先端を金具７に挿入してブレを防いでも良い。）

【００１９】また上記セラミックスホルダー５におい
て、その全長の約２５％に当たる長さ約８．５ｍｍの部
分が外筒部１０内に配され、その一部に鍔状部５’が形
成されている。該鍔状部５’の外径寸法は従来のものに
比べて大きく形成されており、その結果、外筒部１０の
内径とのクリアランスが狭くなっている。具体的には、
鍔状部５’の外径が９．０ｍｍ、外筒部１０の内径が
９．４ｍｍに設計され、鍔状部５’の外径が外筒部１０
の内径に対して９６％に設定されている。

【００２０】さらに上記鍔状部５’の長さａは５ｍｍに
設計され、外筒部１０の内径９．４ｍｍに対して５３％
に設定されている。

【００２１】なお、ステンレス製保護外筒１１内では、
電極リード８が接続端子１２によってリード線１４と接
続され、これらがグロメット１３により固定されてい
る。

【００２２】上述した構成により、この酸素センサにお
いては以下のような作用効果を奏する。

【００２３】金具７とセラミックスホルダー５の酸素
ガス検出部２０側先端部とが予め接する設計にされてお
り、この両者との間に緩衝材４が介入されているので、
衝撃を容易に緩和することができる。

【００２４】セラミックスホルダー５において、外筒
部１０内に位置する鍔状部５’の外径が外筒部１０の内
径に対して９６％に設定されているので、外筒部１０内
径とのクリアランスが狭くなりセンサ組付時のセラミッ
クスホルダー５の偏りを抑制することができる。

【００２５】鍔部５’の長さａが外筒部１０の内径に
対して５３％に設定されているので、外筒部１０内部に
セラミックスホルダー５が挿入された際の偏り角度を効
果的に抑制することができる。

【００２６】従って、外筒部１０のブレによってセラミ
ックスホルダー５が主体金具７と衝突するのを防ぐこと
ができる。

【００２７】（実施例２）この酸素センサでは、断面長
方形状でその縦横の寸法が２×３．９ｍｍのセンサ基板
３を、内径が５．５ｍｍのアルミナ製セラミックスホル
ダー５内に挿入して組付ける際、図２（ａ）に示すよう
に、センサ基板３の図中左の短辺側をセラミックスホル
ダー５内に通常位置より長さｂ＝０．２ｍｍだけ近接さ
せるように位置付け、充填剤（滑石）６により固定され
ている以外は、実施例１の酸素センサと同様に構成され
ている。

【００２８】この酸素センサでは、上記構成により、セ
ンサ基板３が衝撃を受ける際、単位面積当たりの衝撃力
が低下し、衝撃を緩和することができる。

【００２９】なお、図１０に示す構造を有する酸素セン
サ等（従来例）を用いて、センサ基板３の短辺側の一方
をセラミックスホルダー５に近接させるように位置付
け、充填剤（滑石）６により固定しても良い。

【００３０】（実施例３）この酸素センサでは、ステン
レス製金具７の一部に形成された六角状の主体金具７ａ
に結合されたガスケット２と主体金具７ａとの大きさに
ついて、主体金具７ａの六角対辺距離の長さ（図２
（ａ）のＸ）が２２ｍｍ、ガスケット２の外径が２４ｍ
ｍに設計されており、六角対辺距離の長さよりもガスケ
ット２の外径を２ｍｍだけ大きく形成してある以外は、
実施例１の酸素センサと同様に構成されている。

【００３１】この酸素センサにおいては、主体金具７ａ
の六角対辺距離の長さよりもガスケット２の外径が大き
く形成されているので、センサ落下時に最初に受けた衝
撃をガスケット２で専ら受けることができ、ガスケット
２で衝撃を緩和させることができる。

【００３２】また、他の変形例として、主体金具７ａの
六角頂点距離の長さ（図２（ａ）のＹ）よりもガスケッ
ト２の外径を大きく形成することもできる。

【００３３】この場合は、センサ落下時の最初の衝撃が
直接主体金具７ａに加わらないため、さらに耐衝撃性を
向上させることができる。

【００３４】なお、図１０に示す構造を有する酸素セン
サ等（従来例）を用いて、その主体金具７ａの六角対辺
距離の長さあるいは六角頂点距離の長さよりもガスケッ
ト２の外径を大きく形成しても良い。

【００３５】（実験例）本発明による酸素センサの効果
を確認するため、図３に示すような、シャルピー試験機
に真似た、振り子試験機を用いてその調査を行った。

【００３６】この振り子試験機を用いた調査方法は、先
ず酸素センサ１内部のセンサ基板３の向きを図２の
（ｂ）に示すように、センサ基板３の正面（長辺側）が
衝撃を受ける面（衝撃に対して弱い側）になるようにバ
イス３１にて固定し、その後、振り子３２を垂直方向か
ら４０゜傾けて（振り角度＝４０゜）、酸素センサ１の
六角対角部に振り降ろし、先端がステンレスの塊で形成
されている振り子３２を当てる。その後、この衝撃によ
る基板折れの有無を、ヒーターの導通の有無で確認を行
い、強度はこの振り降ろした回数でワイブル解析して、
その効果を確認した。

【００３７】なお、衝撃加速度＝３０００〜４０００Ｇ
相当×２００〜３５０μＳＥＣとしてある。

【００３８】（実験例１）実施例１の酸素センサと、図
１０に示した従来例の酸素センサとに振り子試験を行
い、その効果を調べた。この結果を図４に示す。

【００３９】図４の結果より、実施例１の酸素センサで
は、従来例のものと比較して故障発生率が低く、同一の
衝撃が加わってもセンサ基板に伝わる衝撃力が減少し、
基板に発生する応力を低減できることが判った。

【００４０】このため、実施例１の酸素センサにより、
外筒部１０のブレをセラミックスホルダー５の先端側で
抑制する事が可能になることが判った。

【００４１】また、本実験結果から、セラミックスホル
ダー５と主体金具７間の緩衝材６により主体金具７ａか
らの衝撃がセラミックスホルダー５に直接に伝達しなく
なり、衝撃を減衰させることが可能になった。

【００４２】（実験例２）図１の構造の酸素センサにお
いて、セラミックスホルダー５の鍔部５’の外径を、外
筒部１０の内径に対して８５％、９０％、９５％の３種
類に変化させ実験例１と同様に振り子試験を行った。結
果を図５に示す。

【００４３】この結果より、セラミックスホルダー５の
鍔部５’の外径を９５％以上にして設計を行えば、故障
発生率が大幅に低下することが判明した。従って、実施
例１の酸素センサによれば、セラミックスホルダー５の
偏り自身を抑制できると共に、衝撃が加わった時の外筒
部１０のブレを抑制することが可能になり強度を向上さ
せることができることが判った。

【００４４】（実験例３）図１の構造の酸素センサにお
いて、セラミックスホルダー５の鍔部５’の外径を外筒
部の内径に対して９５％に固定し、鍔部５’の長さａを
外筒部１０の外径に対して３０％、４０％、５０％、９
５％に変化させて同様に振り子試験を行った。この結果
を図６に示す。

【００４５】この結果より、セラミックスホルダー５の
鍔部５’の長さａを、外筒部１０の内径に対して５０％
以上の長さで設計を行えば、故障発生率が大幅に低減
し、組付け時の偏り抑制に効果があると共に、衝撃が加
わった時の外筒のブレも抑制可能になり、上記の如く強
度が向上することが判明した。

【００４６】（実験例４）図２（ａ）に示したようにセ
ラミックスホルダー５内のセンサ基板３の位置を短辺側
に０．２ｍｍ偏らせたもの、及び図２（ｂ）に示したよ
うに長辺側に０．２５ｍｍ偏らせたものと、ランダムに
作成したものとで振り子試験を行い、その強度について
比較した。結果を図７に示す。

【００４７】この結果より、実施例２の構造のように、
センサ基板３の位置を短辺側に故意に偏らせる事（図２
の（ａ）の場合）により、単位面積当たりの衝撃力を小
さくさせて衝撃強度を向上できることが判明した。

【００４８】（実験例５）主体金具７ａにガスケット２
を設けた場合の効果について調べた。このガスケット設
計自体の効果は振り子試験のみでは明確でないので、自
然落下試験にてその効果を確認調査した。

【００４９】この落下試験方法については、１ｍの高さ
にて素子面を上向き（衝撃を受けた時、最も強度的に弱
い方向）にした状態でコンクリート床に自然落下させ、
その後、この衝撃よる基板折れの有無を、ヒーターの導
通の有無で確認を行い、強度はこの落下させた回数でワ
イブル解析し、その結果を確認した。

【００５０】ガスケット２の外径を主体金具７ａの六角
対辺距離より２ｍｍだけ大きくした場合（試験１）、ガ
スケット２の外径を主体金具７ａの六角対角距離より２
ｍｍだけ大きくした場合（試験２）、ガスケットを全く
設けなかった場合（試験３）について自然落下試験を行
った結果を図８に示す。

【００５１】この結果より、ガスケット２を六角対辺よ
り出させる事により（試験１）、試験３の現状設計品よ
り故障発生率が低くなり、強度が向上する結果となっ
た。

【００５２】これは、センサの主体金具７ａで衝撃を受
ける場合、六角対角部よりも六角対辺側で受けた方がセ
ンサ内部に掛かる衝撃は大きくなるが、落下した時に対
辺側で衝撃を受けたとしても初期衝撃をガスケットで受
けることができるので、センサ内部に掛かる衝撃は減衰
させられ、基板に掛かる衝撃の負担を小さくすることが
できるためと考えられる。

【００５３】又、ガスケット２を六角対角より出させる
と（試験２）、落下試験では現状設計品（試験３）に対
して更に強度が向上する結果となった。

【００５４】（実験例６）実験例５の試験２と試験３と
に用いた酸素センサを用いて上記の振り子試験を行っ
た。結果を図９に示す。

【００５５】この結果より、ガスケット２を六角対角よ
り出させると、振り子試験でも現状設計品に対して強い
結果であり、上記試験と併せて高い効果が確認された。
これは、センサの主体金具７ａの六角対角側及び対辺側
で衝撃を受けようとしても、ガスケットが六角部全周に
対してはみ出している為、ガスケットで衝撃が受けとめ
られ、その結果、内部に伝達する衝撃波が減衰させら
れ、基板に掛かる衝撃の負担が小さくなり、強度が向上
するものと推定される。

【００５６】

【発明の効果】以上の通り、本発明の酸素センサでは、
以下の効果を奏する。

【００５７】衝撃に対する信頼性が著しく向上し、車
載する時の取付の制約を無くすことができる。

【００５８】熱膨張による基板折れと導線断線といっ
た不都合もなく、使用中の保証も確保できる。

【００５９】電気的特性を損なうことなく、設計変更
することができる。

【００６０】コスト面において、部品数及び工数を現
状と同じに維持することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の酸素センサの一実施例を示す一部断面
視した平面図である。

【図２】主体金具内のセンサ基板の位置を変えた状態を
示す断面図であり、（ａ）はセラミックスホルダー内の
センサ基板の位置を短辺側に偏らせたもの、（ｂ）は長
辺側に偏らせたものである。

【図３】振り子試験に用いる装置を示す概略図である。

【図４】実施例１の酸素センサと従来例の酸素センサと
に振り子試験を行った結果を示すグラフである。

【図５】セラミックスホルダーの鍔状部の外径を変化さ
せた酸素センサについて振り子試験を行った結果を示す
グラフである。

【図６】セラミックスホルダーの鍔状部の長さを変化さ
せた酸素センサについて振り子試験を行った結果を示す
グラフである。

【図７】主体金具内のセンサ基板の位置を変化させた酸
素センサについて振り子試験を行った結果を示すグラフ
である。

【図８】ガスケットの外径を変化させた酸素センサにつ
いて自然落下試験を行った結果を示すグラフである。

【図９】ガスケットの外径を変化させた酸素センサにつ
いて振り子試験を行った結果を示すグラフである。

【図１０】従来例の酸素センサを示す一部断面視した平
面図である。

【符号の説明】

１ 酸素センサ ２ ガスケット ３ センサ基板 ４ 緩衝材（パッキン） ５ セラミックスホルダー ５’ 鍔状部 ６ 充填剤（滑石） ７ 金具 ７ａ 主体金具 ８ 電極リード ９ ガラスシール材 １０ 外筒部 ２０ 酸素ガス検出部

フロントページの続き (56)参考文献 特開 昭58−79148（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) G01N 27/409

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】断面長方形状のセンサ基板がセラミックス
   ホルダーを介して金属製金具内に挿入され、該金具内に
   おいて前記セラミックスホルダー内周側と、前記センサ
   基板外側とで形成される空間部に充填材が充填されてい
   る酸素センサにおいて、上記センサ基板の短辺側の一方
   をセラミックスホルダーに近接させるように、センサ基
   板をセラミックスホルダー内に偏らせて充填材によって
   固定したことを特徴とする酸素センサ。