JP3274460B2 - 酸素センサ - Google Patents

酸素センサ

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JP3274460B2 JP2001143214A JP2001143214A JP3274460B2 JP 3274460 B2 JP3274460 B2 JP 3274460B2 JP 2001143214 A JP2001143214 A JP 2001143214A JP 2001143214 A JP2001143214 A JP 2001143214A JP 3274460 B2 JP3274460 B2 JP 3274460B2
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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,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。
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