JP3588094B2

JP3588094B2 - Oxygen sensor structure

Info

Publication number: JP3588094B2
Application number: JP2002355404A
Authority: JP
Inventors: 富政伊藤; 浩一高橋; 卓也斉藤; 孝夫小島
Original assignee: NGK Spark Plug Co Ltd
Current assignee: NGK Spark Plug Co Ltd
Priority date: 2002-12-06
Filing date: 2002-12-06
Publication date: 2004-11-10
Anticipated expiration: 2019-11-10
Also published as: JP2003161720A

Description

【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、例えば内燃機関からの排気ガス中の酸素濃度を検出する酸素センサ等に適用される酸素センサ構造に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、自動車等の内燃機関の排気ガス中の酸素濃度を検出する酸素センサとして、酸素イオン伝導性の固体電解質（例えばジルコニア）等を用いた起電力型のものと、金属酸化物（チタニア）等の感知物質を用いた抵抗変化型のものがあり、内燃機関の空燃比等を制御する目的で使用されている。
【０００３】
▲１▼例えば抵抗変化型の酸素センサの場合は、図５（ａ）に示す様に、ヒータを内蔵させたアルミナ基板Ｐ１の先端側に、チタニア等からなる感知物質Ｐ２を積層するとともに、後端側に出力用電極Ｐ３を配置して板状の検出素子部Ｐ４を形成し、この検出素子部Ｐ４を主体金具Ｐ５内に収納し、ガラスシールＰ６等の無機接着剤でシールし固定した構造となっている。
【０００４】
▲２▼また、起電力型の酸素センサの場合には、図５（ｂ）に示す様に、ジルコニア等の固体電解質からなる袋状の検出素子部Ｐ７を、主体金具Ｐ８内に収納し、滑石Ｐ９等を介して加締めによって固定した構造となっている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、近年では、ＬＥＶ（ＬｏｗＥｍｉｓｓｉｏｎＶｅｈｉｃｌｅ），ＵＬＥＶ（ＵｌｔｒａＬｏｗＥｍｉｓｓｉｏｎＶｅｈｉｃｌｅ）等のエミッション規制の強化が進められる中、排ガス温度を高くしてＨＣ等未燃焼成分を燃焼除去する方式が採用され始めている。
【０００６】
この排ガス温度が上昇すると、前記▲１▼の酸素センサの構造では、主体金具Ｐ５とガラスシールＰ６との熱膨張差により、ガラスシールＰ６にクラックや割れが入り、場合によっては、基板Ｐ１まで割れが発生することがある。
その対策として、前記▲２▼の酸素センサの構造を前記▲１▼の酸素センサに取り入れ、図５（ｃ）に示す様に、例えば板状の検出素子部Ｐ１０を円筒状のセラミックホルダＰ１１に挿入し、このセラミックホルダＰ１１を主体金具Ｐ１２内に配置して、加締めによって固定する方法が考えられるが、必ずしも十分ではない。
【０００７】
例えば、酸素センサを触媒の下流側に取り付ける場合には、路面状態によっては、酸素センサが完全に水中に没することがある。そのときには、酸素センサが外側より急冷されることになるので、セラミックホルダＰ１１と主体金具Ｐ１２との熱膨張差により、その熱衝撃を（滑石Ｐ１３等によって）吸収できなかった分の歪みが残ることがあり、又、主体金具Ｐ１２が急冷されることによって、高温のセラミックホルダＰ１１が急冷されて内部応力が生ずることがあり、その場合には、図５（ｄ）に示す様に、セラミックホルダにリング状又は縦方向のクラックや割れが発生することがある。
【０００８】
本発明は、前記課題を解決するためになされたものであり、主体金具にセラミック絶縁体を介して検出素子部を固定する場合に、たとえ水没等が発生しても、クラックや割れの発生することのない酸素センサ構造を提供することを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
前記目的を達成するために請求項１の発明は、
セラミックからなる棒状の検出素子部と、該検出素子部の周囲に配設され、該検出素子部を支持し、鍔部を有するセラミック絶縁体と、該セラミック絶縁体の周囲に配設され、該セラミック絶縁体の鍔部を支持する主体金具と、を備えた酸素センサ構造において、前記検出素子部が前記セラミック絶縁体に封止剤にて封着されるとともに、該主体金具の座面より先端側にて前記セラミック絶縁体の鍔部と前記主体金具とが当接することで、前記セラミック絶縁体の鍔部の先端側が主体金具に支持され、且つ、前記セラミック絶縁体の鍔部が加締めによって固定される構造を有し、更に、前記主体金具が前記セラミック絶縁体を支持する支持部分より基端側における前記主体金具の側部内側と前記セラミック絶縁体の鍔部の側部外側との間に間隙を有するとともに、該間隙の幅が０．３〜１．０ｍｍの範囲であることを特徴とする酸素センサ構造を要旨とする。
【００１４】
請求項２の発明は、
前記座面の先端側における前記主体金具が前記セラミック絶縁体を支持する構造として、前記主体金具の径方向内向きに加わる応力の一部が、前記セラミック絶縁体の軸方向に分散される構成としたことを特徴とする前記請求項１記載の酸素センサ構造を要旨とする。
【００１５】
請求項３の発明は、
前記座面の先端側における前記主体金具側の支持部分と前記セラミック絶縁体側の支持部分とが、互いに傾斜面とされたことを特徴とする前記請求項１又は２記載の酸素センサ構造を要旨とする。
【００１６】
請求項４の発明は、
前記座面の先端側における前記主体金具側の支持部分と前記セラミック絶縁体側の支持部分との間に、金属板が配置されたことを特徴とする前記請求項１〜３のいずれか記載の酸素センサ構造を要旨とする。
【００１７】
ここで、前記検出素子部の先端側とは、測定対象側を意味し、基端側とはその反対側を意味する。
また、検出素子部の少なくとも先端側に配置されて用いられる感知物質としては、例えば酸素濃度によって抵抗値が変化する金属酸化物（例えばチタニア等）を採用できる。
【００１８】
前記封止剤としては、例えばガラス、セメント等の無機材料を採用できる。
尚、後述する３／Ａ，５／Ａの単位は、分母・分子各々同一の［ｍｍ］である。
【００１９】
【作用】
請求項１の発明では、検出素子部が鍔部を有するセラミック絶縁体内にて封止剤によって封着されるとともに、主体金具の座面より先端側にてセラミック絶縁体の鍔部と主体金具とが当接することで、セラミック絶縁体の鍔部の先端側が主体金具に支持され、且つ、セラミック絶縁体の鍔部が加締めによって固定されている。そのため、主体金具の座面より後端側が、例えば水につかって内方向に熱応力がかかる場合でも、先端側の（主体金具がセラミック絶縁体を支持する）支持部分における熱応力は比較的小さく、又、急冷されることによる熱伝導経路が長くなり、セラミック絶縁体の熱衝撃が緩和されるため、セラミック絶縁体にクラックや割れが発生することを防止することが可能である。
また、本発明では、支持部分より基端側における主体金具の側部内側とセラミック絶縁体の鍔部の側部外側との間に間隙を設けてある。従って、センサの水没等によって、径方向内向き（中心軸方向）に向かって熱応力が加わった場合でも、その隙間によってセラミック絶縁体の側面は直接に押圧されることがないので、クラックや割れの発生を防止することが可能となる。
特に、本発明では、その間隙の幅が０．３〜１．０ｍｍの範囲に設定されているので、熱衝撃吸収性に優れている。
【００２０】
尚、酸素センサとして、例えばチタニア等の抵抗変化型の金属酸化物を感知物質に使用した酸素センサを採用できる。
また、検出素子部として、例えばチタニア等の感知物質を積層した例えばアルミナ基板等の板状の部材を採用できる。
【００２１】
更に、座面から支持部分までの長さが、３／Ａ以上の場合には、効果的にセラミック絶縁体のクラックや割れを防止することが可能である。
その上、座面から支持部分までの長さが、５／Ａ以上の場合には、より確実にセラミック絶縁体のクラックや割れを防止することが可能である。
【００２３】
請求項２の発明では、先端側の支持部分の構造として、主体金具の径方向内向きに加わる応力の一部が、セラミック絶縁体の軸方向に加わる様に構成されている。従って、センサの水没等によって、径方向内向きに熱応力が加わった場合でも、その応力は軸方向に分散されることになるので、径方向にはそれほど押圧されず、その結果、クラックや割れの発生を防止することが可能となる。
【００２４】
請求項３の発明では、主体金具側の支持部分とセラミック絶縁体側の支持部分とが、互いに傾斜面とされている。従って、前記請求項２と同様に、径方向内向きに熱応力が加わった場合でも、その応力はこの傾斜面にて軸方向に分散されて径方向の押圧力が低下し、その結果、クラックや割れの発生を防止することが可能となる。
【００２５】
請求項４の発明では、主体金具側の支持部分とセラミック絶縁体側の支持部分との間に、金属板が挟まれた状態で配置されているので、支持部分の加工精度の凹凸による影響を大きく低減することが可能である。よって、前記請求項３よりも効果的に、径方向内向きに加わった熱応力を軸方向に分散して、確実にクラックや割れの発生を防止することが可能である。
【００２６】
【実施例】
以上説明した本発明の構成・作用を一層明らかにするために、以下本発明の好適な実施例について説明する。尚、各図において上側及び下側は、酸素センサの後端側及び先端側を各々示す。
（実施例１）
図１に示す様に、本実施例の酸素センサ１は、検出素子部３に用いる感知物質として、酸素濃度に応じて抵抗が変化する金属酸化物を採用したものである。
【００２７】
この検出素子部３は、長尺のアルミナ製の基板３ａの先端側（測定対象側）に、チタニア等の金属酸化物３ｂを積層配置したものであり、金属酸化物３ｂには図示しない電極が接続されている。これらの電極には、端子金具５（図では一方のみ示す）が接続され、端子金具５には、外部に信号を取り出すリード線６，７が接続されている。また、前記基板３ａには、金属酸化物３ｂを加熱するために、図示しないヒータが形成されており、このヒータにも、端子金具４（図では一方のみ示す）を介して、リード線８，９が接続されている。
【００２８】
前記検出素子部３は、鍔部１１ａを有するアルミナ製の筒状の保持部材１１（セラミックホルダ）内にて、ガラス１３にてシールされて固定されており、セラミックホルダ１１は、滑石１５を介して、耐熱金属製の主体金具１７内に固定されている。つまり、検出素子部３は、セラミックホルダ１１に保持された状態で、主体金具１７を貫いて図の上下に伸びる様に、その軸中心を合わせて固定されている。
【００２９】
また、検出素子部３の上方には、リード線６〜９が貫通するセラミック製のセパレータ１０と耐熱性のグロメットゴムである防水シール部材２１とが配置されている。尚、このセラミック製のセパレータ１０の外周には段差１０ａがあり、この段差１０ａにてセラミックホルダ１１の上端１１ｂが係止している。
【００３０】
前記主体金具１７の上部１７ａには、金属外筒１６が外嵌するとともに防水のために例えばレーザー溶接により全周溶接されている。この金属外筒１６の上部の内側には、径方向に例えば六角加締め、八角加締め、丸加締め等の加締めが行われて、防水シール部材２１が押圧固定されている。
【００３１】
また、前記主体金具１７の下部には、検出素子部３の先端側の周囲を覆う（開口部１９ａを有する）保護キャップ１９が装着されている。尚、主体金具１７の座面の下側には、環状に、金属ガスケット２０が配設されている。
特に本実施例では、主体金具１７の側部内側とセラミックホルダ１１の側部外側との間に、幅０．６ｍｍの間隙１８が設けられている。尚、この間隙寸法としては、０．３〜１．０ｍｍの範囲が、熱衝撃吸収に優れ好適である。
【００３２】
また、主体金具１７の座面より先端側にて、主体金具１７とセラミックホルダ１１とが当接して、主体金具１７がセラミックホルダ１１を図の下方より支持している。具体的には、主体金具１７の傾斜面（主体金具側支持部分）とセラミックホルダ１１の傾斜面（セラミックホルダ側支持部分）とは、軸中心に対して約６０度傾斜するテーパ状となっている。尚、この傾斜角は、４５〜７５度の範囲が、支持能力が高く且つ熱衝撃吸収に優れ好適である。
【００３３】
更に、図２に示す様に、主体金具１７の座面から傾斜面（の上端）までの距離Ｈは、２．０ｍｍ、当接している長さＬは２．０ｍｍとされている。この距離Ｈは、主体金具１７の側部の最小厚さＡによって耐熱衝撃性が異なり、後述する様に、３／Ａ以上が好ましく、５／Ａ以上であると一層好ましい。
【００３４】
この様に本実施例の酸素センサ１においては、主体金具１７の座面より先端側にてセラミックホルダ１１を支持し、更に、主体金具１７とセラミックホルダ１１との間には側面側に間隙１８が設けてあり、しかも主体金具１７とセラミックホルダ１１とは、当接した傾斜面で支持されているので、熱衝撃に極めて強いという顕著な効果を奏する。
【００３５】
つまり、例えば酸素センサ１が触媒の下流側に配置されている場合に、酸素センサ１が水没すると、その後端側が急冷されるので、主体金具１７の径方向内向きに大きな熱応力が加わるが、セラミックホルダ１１の支持部分は、大きな熱応力のかかる座面より上側ではなく、座面より下側に設けられているので、セラミックホルダ１１にかかる熱応力が比較的小さい。又、主体金具１７が急冷されることによるセラミックホルダ１１の冷却経路が長くなり、セラミックホルダ１１の熱衝撃が緩和される。その結果、セラミックホルダ１１にクラックや割れの発生を防止できる。
【００３６】
また、座面より上側では大きな熱応力が加わるが、主体金具１７とセラミックホルダ１１との間には側面側に間隙１８が設けてあるので、熱応力は主体金具１７からセラミックホルダ１１に直接には伝わらない。よって、この点からも、クラックや割れの発生を防止できる。
【００３７】
更に、主体金具１７とセラミックホルダ１１とは、当接した傾斜面で支持されているので、仮に径方向に熱応力がかかっても、熱応力は径方向と軸方向とに分散されてしまい、径方向にはそれほど大きな力は加わらない、よって、この点からも、クラックや割れの発生を防止できる。
＜実験例１＞
次に、本実施例の効果を確認するために行った、実験例について説明する。
【００３８】
▲１▼図３（ａ）に示す様に、前記実施例１の構造の酸素センサ（上部約６０ｍｍ）を、金属ガスケット（ステンレス；１．０ｍｍ厚）を介して板材に取り付け、下方よりバーナで加熱した。そして、図３（ｂ）に示す様に、酸素センサの上部の水没を繰り返し（６００回）、その時の主体金具の温度をＫ熱電対で測定した。
【００３９】
この実験を、下記表１に示す各試料Ｎｏ．の寸法、即ち厚さＡ，距離Ｈ（図２参照）の酸素センサに対して、３個づつ行ない、クラックの有無を調べた。その結果を同じく表２に記す。尚、表１には、３／Ａ，５／Ａの計算値も記した。また、表１のテスト１は、水注入時の温度が３５０℃、テスト２はそれよりも高い温度（厳しい条件）の４００℃としたものである。
【００４０】
▲２▼また、傾斜面の面粗度等の製造時のばらつきを考慮し、前記試料Ｎｏ．３〜６の酸素センサを用い、更に同様な実験を行った。その結果を下記表２に記す。尚、試料数は各１００個とした。
【００４１】
【表１】

【００４２】
【表２】

【００４３】
この表１及び表２から明らかな様に、座面より先端側に支持部分がある場合には、クラックが発生し難いということが分かる。尚、より先端側に支持部分があるものほど、クラックが発生し難いという傾向がある。
また、距離Ｈが、３／Ａ以上の場合には、クラックの発生数が低減することがわかる。更に、距離Ｈが、５／Ａ以上の場合に、更に、クラックの発生数が低減することに関しては、例えば表２の試料Ｎｏ．５，６からわかる。尚、表１，２中の○は、３／Ａ又は５／Ａの条件を満たすものを示し、×は条件を満たさないものを示す。
（実施例２）
本実施例の酸素センサ３１は、図４（ａ）に示す様に、主体金具３３の支持部分（傾斜面３３ａ）とセラミックホルダ３５の支持部分（傾斜面３５ａ）との間に、例えばステンレス板等からなる金属製の板パッキン３７を配置したものである。この板パッキン３７はリング状であり、その厚さは０．３〜０．５ｍｍ、ビッカース硬度は２００〜６００である。
【００４４】
本実施例においては、板パッキン３７の表面の滑らかなものを採用すれば、板パッキン３７を使用しないものと比べて、主体金具３３とセラミックホルダ３５の支持部分が滑らかになり、よって、径方向に熱応力が加わっても確実に軸方向に応力を分散することができ、熱応力に対する適応能力が高いという効果がある。
【００４５】
また、板パッキン３７を使用する場合には、主体金具３３とセラミックホルダ３５との傾斜面３３ａ，３５ａをそれほど滑らかにする必要がないので、加工上有利であるという利点がある。
＜実験例２＞
また、前記実施例２の構造を有する酸素センサに対しても、前記実験例１と同様な実験を行った。試料は、前記試料Ｎｏ．３，４のものを、板パッキンの厚さ分だけ主体金具の座ぐりを行なって用いた（各１００個）。その結果を、下記表３に記す。
【００４６】
【表３】

【００４７】
この表３から明らかな様に、板パッキンを使用したものは、前記表２の板パッキンを使用しないものと比較して、クラックの発生した数が少なく、一層好適であることが分かる。尚、板パッキンの厚いものほど、その効果が高いという傾向がある。
（実施例３）
本実施例の酸素センサ４１は、図４（ｂ）に示す様に、主体金具４３の支持部分（傾斜面４３ａ）とセラミックホルダ４５の支持部分（傾斜面４５ａ）との間に、保護キャップ４７の上端４７ａを配置したものである。つまり、保護キャップ４７の径方向の側面４７ｂの上部は、主体金具４３の側面とセラミックホルダ４５の側面との間に配置されるとともに、その上端４７ａが外側に広がる様に、テーパ状に広がって、前記両傾斜面４３ａ，４５ａの間に配置されており、この構成によって、前記実施例２の板パッキンと同様な効果を奏する。
【００４８】
以上本発明の実施例について説明したが、本発明はこうした実施例に何等限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において、種々なる態様で実施し得ることは勿論である。
例えば、上述した酸素センサは、例えば車両の排気ガスを浄化する触媒の下流側に配置される場合に、水没等によって大きな熱衝撃を受けても、その機能を発揮できるので好適であるが、その位置に限定されるものではない。例えば、触媒の上流等の車両の床下などに配置されても十分にその機能を発揮できる。
【００４９】
【発明の効果】
以上詳述した様に、請求項１の発明では、検出素子部が鍔部を有するセラミック絶縁体内にて封止剤によって封着されるとともに、主体金具の座面より先端側にてセラミック絶縁体の鍔部と主体金具とが当接することで、セラミック絶縁体の鍔部の先端側が主体金具に支持され、且つ、セラミック絶縁体の鍔部が加締めによって固定されている。よって、主体金具の座面より後端側が、例えば水につかって径方向内向きに熱応力が加わった場合でも、セラミック絶縁体にそれほど大きな熱応力が加わらないので、クラックや割れの発生を防止できるという顕著な効果を奏する。
また、本発明では、（主体金具がセラミック絶縁体を支持する）支持部分より基端側における主体金具の側部内側とセラミック絶縁体の鍔部の側部外側との間に間隙を設けてあるので、その側部では主体金具とセラミック絶縁体とは直接に接していない。従って、センサの水没等によって、径方向内向きに熱応力が加わった場合でも、セラミック絶縁体の側面は直接に押圧されないので、クラックや割れを防止できる。
特に、本発明では、その間隙の幅が０．３〜１．０ｍｍの範囲に設定されているので、熱衝撃吸収性に優れている。
【００５３】
請求項２の発明では、先端側の支持部分の構造として、主体金具の径方向内向きに加わる応力の一部が、セラミック絶縁体の軸方向に加わる様に構成されている。従って、センサの水没等によって、径方向内向きに熱応力が加わった場合でも、その応力は軸方向に分散されて径方向の押圧力は小さくなるので、クラックや割れを防止できる。
【００５４】
請求項３の発明では、支持部分が互いに傾斜面とされているので、径方向内向けて熱応力が加わった場合でも、その応力は軸方向に分散されて径方向の押圧力が低下し、その結果、クラックや割れを防止できる。
請求項４の発明では、主体金具とセラミック絶縁体との両支持部分の間に金属板が挟まれているので、支持部分における表面の凹凸が低減する。その結果、前記請求項３より効果的に、クラックや割れを防止できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施例１の酸素センサを一部破断して示す説明図である。
【図２】実施例１の酸素センサの要部を示し、（ａ）はその支持部分を示す説明図であり、（ｂ）は主体金具の最小厚さＡを示す説明図である。
【図３】実験方法を示す説明図である。
【図４】その他の実施例を示し、（ａ）は実施例１の酸素センサの要部を示す説明図、（ｂ）は実施例３の酸素センサの要部を示す説明図である。
【図５】従来技術を示す説明図である。
【符号の説明】
１，３１５１…酸素センサ
３…検出素子部
１１，３５，４５…セラミックホルダ（保持部材）
１７，３３，４３…主体金具[0001]
[Industrial applications]
The present invention relates to an oxygen sensor structure applied to, for example, an oxygen sensor for detecting an oxygen concentration in exhaust gas from an internal combustion engine.
[0002]
[Prior art]
2. Description of the Related Art Conventionally, as an oxygen sensor for detecting an oxygen concentration in exhaust gas of an internal combustion engine of an automobile or the like, an electromotive force type using an oxygen ion conductive solid electrolyte (for example, zirconia) and a metal oxide (titania) have been used. There is a variable resistance type using a sensing substance such as the above, and is used for the purpose of controlling the air-fuel ratio and the like of an internal combustion engine.
[0003]
{Circle around (1)} For example, in the case of a resistance change type oxygen sensor, as shown in FIG. 5A, a sensing substance P2 made of titania or the like is laminated on the tip side of an alumina substrate P1 having a built-in heater, A structure in which an output electrode P3 is arranged on the end side to form a plate-shaped detection element portion P4, and this detection element portion P4 is housed in a metal shell P5, and sealed and fixed with an inorganic adhesive such as a glass seal P6. It has become.
[0004]
{Circle around (2)} In the case of an electromotive force type oxygen sensor, as shown in FIG. 5B, a bag-like detection element portion P7 made of a solid electrolyte such as zirconia is housed in a metal shell P8. The structure is fixed by caulking via talc P9 or the like.
[0005]
[Problems to be solved by the invention]
However, in recent years, as emission regulations such as LEV (Low Emission Vehicle) and ULEV (Ultra Low Emission Vehicle) have been strengthened, a method of burning and removing unburned components such as HC by increasing exhaust gas temperature has begun to be adopted. I have.
[0006]
When the temperature of the exhaust gas rises, in the oxygen sensor structure of (1), cracks and cracks enter the glass seal P6 due to a difference in thermal expansion between the metal shell P5 and the glass seal P6. May occur.
As a countermeasure, the structure of the oxygen sensor of (2) is incorporated into the oxygen sensor of (1), and, for example, as shown in FIG. 5 (c), a plate-like detection element portion P10 is attached to a cylindrical ceramic holder P11. A method of inserting the ceramic holder P11 into the metal shell P12 and fixing the ceramic holder P11 by caulking is conceivable, but is not always sufficient.
[0007]
For example, when an oxygen sensor is installed downstream of the catalyst, the oxygen sensor may be completely immersed in water depending on the road surface condition. At that time, since the oxygen sensor is rapidly cooled from the outside, a distortion corresponding to a failure to absorb the thermal shock (by the talc P13 or the like) due to a difference in thermal expansion between the ceramic holder P11 and the metal shell P12 may remain. In addition, when the metal shell P12 is rapidly cooled, the high-temperature ceramic holder P11 may be rapidly cooled to generate internal stress. In this case, as shown in FIG. Ring-shaped or vertical cracks or cracks may occur.
[0008]
The present invention has been made in order to solve the above-described problems, and when a detection element unit is fixed to a metal shell via a ceramic insulator, cracks and cracks occur even if submergence occurs. It is an object of the present invention to provide an oxygen sensor structure that does not cause any problems.
[0009]
[Means for Solving the Problems]
In order to achieve the above object, the invention of claim 1 is
A rod-shaped detection element portion made of ceramic, disposed around the detection element portion, supporting the detection element portion, a ceramic insulator having a flange portion, and disposed around the ceramic insulator; A metal shell that supports a flange portion of the ceramic insulator, wherein the detection element portion is sealed to the ceramic insulator with a sealant, and a tip end of the metal shell is located at a front end of the metal shell. The flange portion of the ceramic insulator and the metal shell abut on each other, so that the distal end side of the flange portion of the ceramic insulator is supported by the metal shell , and the flange portion of the ceramic insulator is crimped. Has a structure fixed by, further, the metal shell between the inside of the side of the metal shell and the outside of the side of the flange of the ceramic insulator closer to the base end than the supporting portion supporting the ceramic insulator. In between And has a, a gist of the oxygen sensor structure, wherein the width of the gap is in the range of 0.3 to 1.0 mm.
[0014]
The invention of claim 2 is
As a structure in which the metal shell on the tip side of the seating surface supports the ceramic insulator, a part of a stress applied inward in a radial direction of the metal shell is dispersed in an axial direction of the ceramic insulator. and gist oxygen sensor structure of claim 1 Symbol mounting, characterized in that the.
[0015]
The invention of claim 3 is
The gist of the oxygen sensor structure according to claim 1 or 2 , wherein a support portion on the metal shell side and a support portion on the ceramic insulator side at a tip end side of the seat surface are inclined surfaces with respect to each other. I do.
[0016]
The invention of claim 4 is
The oxygen according to any one of claims 1 to 3 , wherein a metal plate is disposed between a supporting portion on the metal shell side and a supporting portion on the ceramic insulator side at a front end side of the seating surface. The gist is the sensor structure.
[0017]
Here, the tip side of the detection element unit means a measurement target side, and the base end side means the opposite side .
Further, as a sensing substance disposed at least on the front end side of the detection element unit and used, for example, a metal oxide (for example, titania or the like) whose resistance value changes depending on oxygen concentration can be adopted.
[0018]
As the sealant, for example, an inorganic material such as glass and cement can be adopted.
The units of 3 / A and 5 / A described later are the same [mm] for the denominator and the numerator.
[0019]
[Action]
According to the first aspect of the present invention, the detection element portion is sealed by the sealant in the ceramic insulator having the flange portion, and the flange portion of the ceramic insulator and the metal shell are arranged on the tip side from the seating surface of the metal shell. Abuts, the tip side of the flange portion of the ceramic insulator is supported by the metal shell , and the flange portion of the ceramic insulator is fixed by caulking. Therefore, even if the rear end side of the metal shell is subjected to inward thermal stress, for example, by being exposed to water, the thermal stress in the support portion on the front end side (the metal shell supports the ceramic insulator) is relatively small. In addition, since the heat conduction path due to the rapid cooling becomes long and the thermal shock of the ceramic insulator is reduced, it is possible to prevent the ceramic insulator from cracking or cracking.
In the present invention, a gap is provided between the inside of the side of the metal shell and the outside of the side of the flange of the ceramic insulator on the base end side of the support portion. Therefore, even if thermal stress is applied inward in the radial direction (in the direction of the central axis) due to submersion of the sensor or the like, the side surfaces of the ceramic insulator are not directly pressed by the gap, so that cracks or cracks are generated. Can be prevented from occurring.
In particular, in the present invention, since the width of the gap is set in the range of 0.3 to 1.0 mm, the gap is excellent in thermal shock absorption.
[0020]
Note that, as the oxygen sensor, for example , an oxygen sensor using a variable-resistance metal oxide such as titania as a sensing substance can be employed.
Further, as the detection element portion, a plate-like member such as an alumina substrate on which a sensing substance such as titania is laminated can be adopted.
[0021]
Further, when the length from the seat surface to the support portion is 3 / A or more, cracks and cracks of the ceramic insulator can be effectively prevented.
In addition, when the length from the seat surface to the support portion is 5 / A or more, cracks and cracks of the ceramic insulator can be more reliably prevented.
[0023]
According to the second aspect of the present invention, the structure of the supporting portion on the distal end side is configured such that a part of the stress applied inward in the radial direction of the metal shell is applied in the axial direction of the ceramic insulator. Therefore, even if thermal stress is applied inward in the radial direction due to submersion of the sensor, the stress is dispersed in the axial direction, so that the stress is not so much pressed in the radial direction, and as a result, cracks and cracks Can be prevented from occurring.
[0024]
According to the third aspect of the present invention, the supporting portion on the metallic shell side and the supporting portion on the ceramic insulator side are inclined surfaces. Thus, the as with claim 2, even if the thermal stress is applied radially inwardly, the stress is distributed in the axial direction decreases the pressing force in the radial direction at the inclined surface, as a result, cracks And cracks can be prevented from occurring.
[0025]
According to the fourth aspect of the present invention, since the metal plate is disposed between the supporting portion on the metal shell side and the supporting portion on the ceramic insulator side, the influence of unevenness on the processing accuracy of the supporting portion is large. It is possible to reduce. Therefore, it is possible to effectively disperse the thermal stress applied inward in the radial direction in the axial direction more effectively than in the third aspect, and to reliably prevent the occurrence of cracks and cracks.
[0026]
【Example】
Preferred embodiments of the present invention will be described below to further clarify the configuration and operation of the present invention described above. In each drawing, the upper side and the lower side indicate the rear end side and the front end side of the oxygen sensor, respectively.
(Example 1)
As shown in FIG. 1, the oxygen sensor 1 of the present embodiment employs a metal oxide whose resistance changes according to the oxygen concentration as a sensing substance used for the detection element section 3.
[0027]
The detection element section 3 is formed by laminating a metal oxide 3b such as titania on the tip side (measurement side) of a long alumina substrate 3a, and an electrode (not shown) is provided on the metal oxide 3b. It is connected. Terminal fittings 5 (only one is shown in the figure) are connected to these electrodes, and lead

wires

6 and 7 for extracting signals to the outside are connected to the terminal fittings 5. The substrate 3a is provided with a heater (not shown) for heating the metal oxide 3b. The heater is also connected to the lead wire 8, via the terminal fitting 4 (only one is shown in the figure). 9 is connected.
[0028]
The detection element unit 3 is sealed and fixed with glass 13 in an alumina cylindrical holding member 11 (ceramic holder) having a flange 11a. And is fixed in a metal shell 17 made of heat-resistant metal. That is, the detection element unit 3 is fixed with its axis center aligned so as to extend vertically in the figure through the metal shell 17 while being held by the ceramic holder 11.
[0029]
A ceramic separator 10 through which the lead wires 6 to 9 pass and a waterproof seal member 21 made of heat-resistant grommet rubber are arranged above the detection element unit 3. Note that there is a step 10a on the outer periphery of the ceramic separator 10, and the upper end 11b of the ceramic holder 11 is locked by the step 10a.
[0030]
A metal outer cylinder 16 is fitted over the upper part 17a of the metal shell 17, and is welded all around by, for example, laser welding for waterproofing. The waterproof seal member 21 is pressed and fixed to the inside of the upper portion of the metal outer cylinder 16 in the radial direction by, for example, hexagonal caulking, octagonal caulking, round caulking, or the like.
[0031]
In addition, a protective cap 19 (having an opening 19a) that covers the periphery of the distal end side of the detection element unit 3 is attached to a lower portion of the metal shell 17. A metal gasket 20 is disposed annularly below the bearing surface of the metal shell 17.
In particular, in this embodiment, a gap 18 having a width of 0.6 mm is provided between the inside of the side of the metal shell 17 and the outside of the side of the ceramic holder 11. In addition, as this gap size, a range of 0.3 to 1.0 mm is preferable because of excellent thermal shock absorption.
[0032]
Further, the metal shell 17 and the ceramic holder 11 are in contact with each other on the distal end side from the seating surface of the metal shell 17, and the metal shell 17 supports the ceramic holder 11 from below in the figure. Specifically, the inclined surface of the metal shell 17 (the metal shell-side supporting portion) and the inclined surface of the ceramic holder 11 (the ceramic holder-side supporting portion) have a tapered shape inclined at about 60 degrees with respect to the axis center. I have. It is preferable that the angle of inclination be in the range of 45 to 75 degrees because the supporting capacity is high and the thermal shock absorption is excellent.
[0033]
Further, as shown in FIG. 2, the distance H from the seating surface of the metal shell 17 to (the upper end of) the inclined surface is 2.0 mm, and the length L in contact is 2.0 mm. This distance H varies in thermal shock resistance depending on the minimum thickness A of the side portion of the metal shell 17, and is preferably 3 / A or more, more preferably 5 / A or more, as described later.
[0034]
As described above, in the oxygen sensor 1 of the present embodiment, the ceramic holder 11 is supported on the tip side from the seating surface of the metal shell 17, and the gap 18 is formed between the metal shell 17 and the ceramic holder 11 on the side surface. Is provided, and since the metal shell 17 and the ceramic holder 11 are supported by the abutted inclined surfaces, a remarkable effect of being extremely resistant to thermal shock is provided.
[0035]
That is, for example, when the oxygen sensor 1 is disposed downstream of the catalyst and the oxygen sensor 1 is submerged, the rear end side is rapidly cooled, so that a large thermal stress is applied radially inward of the metal shell 17. Since the supporting portion of the ceramic holder 11 is provided not below the seat surface to which a large thermal stress is applied but below the seat surface, the thermal stress applied to the ceramic holder 11 is relatively small. Further, the cooling path of the ceramic holder 11 due to the rapid cooling of the metal shell 17 becomes longer, and the thermal shock of the ceramic holder 11 is reduced. As a result, the occurrence of cracks and cracks in the ceramic holder 11 can be prevented.
[0036]
Although a large thermal stress is applied above the seating surface, a gap 18 is provided on the side surface between the metal shell 17 and the ceramic holder 11, so that the thermal stress is directly applied from the metal shell 17 to the ceramic holder 11. Is not transmitted. Therefore, from this point as well, generation of cracks and cracks can be prevented.
[0037]
Furthermore, since the metal shell 17 and the ceramic holder 11 are supported by the inclined surfaces that are in contact with each other, even if thermal stress is applied in the radial direction, the thermal stress is dispersed in the radial direction and the axial direction, Not much force is applied in the radial direction, so that cracks and cracks can be prevented from this point as well.
<Experimental example 1>
Next, an experimental example performed to confirm the effect of the present embodiment will be described.
[0038]
{Circle around (1)} As shown in FIG. 3 (a), the oxygen sensor (upper part: about 60 mm) having the structure of the first embodiment is attached to a plate material via a metal gasket (stainless steel; 1.0 mm thick), and is burned from below using a burner. Heated. Then, as shown in FIG. 3 (b), the upper part of the oxygen sensor was repeatedly submerged (600 times), and the temperature of the metal shell at that time was measured with a K thermocouple.
[0039]
This experiment was performed for each sample No. shown in Table 1 below. , Ie, the thickness A and the distance H (see FIG. 2) were measured for each of the three oxygen sensors to check for cracks. The results are also shown in Table 2. Table 1 also shows the calculated values of 3 / A and 5 / A. In Test 1 in Table 1, the temperature at the time of water injection was 350 ° C., and in Test 2, 400 ° C., which was a higher temperature (strict condition).
[0040]
{Circle around (2)} Also, taking into account variations in manufacturing such as the surface roughness of the inclined surface, the sample No. Further similar experiments were conducted using 3 to 6 oxygen sensors. The results are shown in Table 2 below. The number of samples was 100 each.
[0041]
[Table 1]

[0042]
[Table 2]

[0043]
As is clear from Tables 1 and 2, it can be seen that cracks are unlikely to occur when there is a supporting portion on the tip side from the seat surface. In addition, there is a tendency that cracks are less likely to be generated as the support portion is located further on the tip side.
Also, it can be seen that when the distance H is 3 / A or more, the number of occurrences of cracks is reduced. Further, when the distance H is 5 / A or more, the number of cracks is further reduced. It can be seen from 5 and 6. In Tables 1 and 2, ○ indicates that the condition of 3 / A or 5 / A was satisfied, and X indicates that the condition was not satisfied.
(Example 2)
As shown in FIG. 4A, the oxygen sensor 31 according to the present embodiment includes, for example, a stainless steel plate between a support portion of the metal shell 33 (slope surface 33a) and a support portion of the ceramic holder 35 (slope surface 35a). A metal plate packing 37 made of the same is disposed. The plate packing 37 has a ring shape, a thickness of 0.3 to 0.5 mm, and a Vickers hardness of 200 to 600.
[0044]
In the present embodiment, if a plate packing 37 having a smooth surface is employed, the supporting portions of the metal shell 33 and the ceramic holder 35 become smoother than those not using the plate packing 37, and thus the radial direction is reduced. Therefore, even if a thermal stress is applied, the stress can be surely dispersed in the axial direction, and there is an effect that the ability to adapt to the thermal stress is high.
[0045]
When the plate packing 37 is used, there is no need to make the

inclined surfaces

33a and 35a of the metal shell 33 and the ceramic holder 35 so smooth, which is advantageous in processing.
<Experimental example 2>
Further, the same experiment as in Experimental Example 1 was performed on the oxygen sensor having the structure of Example 2. The sample is the same as the sample No. Samples No. 3 and No. 4 were used by counterboring metal shells by the thickness of the plate packing (100 pieces each). The results are shown in Table 3 below.
[0046]
[Table 3]

[0047]
As is clear from Table 3, the number using cracks is smaller in the case where the plate packing is used than in the case where the plate packing in Table 2 is not used, and it is more preferable. In addition, there is a tendency that the thicker the plate packing, the higher the effect.
(Example 3)
As shown in FIG. 4B, the oxygen sensor 41 according to the present embodiment includes a protective cap 47 between a support portion (slope surface 43a) of the metal shell 43 and a support portion (slope surface 45a) of the ceramic holder 45. Is arranged at the upper end 47a. That is, the upper portion of the radial side surface 47b of the protective cap 47 is disposed between the side surface of the metal shell 43 and the side surface of the ceramic holder 45, and is spread in a tapered shape so that the upper end 47a is spread outward. , Are disposed between the

inclined surfaces

43a and 45a, and this configuration provides the same effect as the plate packing of the second embodiment.
[0048]
Although the embodiments of the present invention have been described above, the present invention is not limited to these embodiments at all, and it goes without saying that the present invention can be implemented in various modes without departing from the gist of the present invention.
For example, when the above-described oxygen sensor is disposed downstream of a catalyst for purifying exhaust gas of a vehicle, for example, it is preferable because it can exhibit its function even if it is subjected to a large thermal shock due to submersion or the like. The position is not limited. For example, even if it is arranged under the floor of a vehicle, such as upstream of the catalyst, its function can be sufficiently exhibited.
[0049]
【The invention's effect】
Or as described in detail, the invention of claim 1, while being sealed by a sealing agent at the ceramic insulating body which portion detection element has a flange portion, a ceramic insulator at the distal end side than the seat surface of the metal shell By contacting the flange of the ceramic insulator with the metal shell, the distal end side of the flange of the ceramic insulator is supported by the metal shell , and the flange of the ceramic insulator is fixed by caulking. Therefore, even if the rear end side from the seating surface of the metal shell is subjected to thermal stress inward in the radial direction, for example, by being immersed in water, not so large thermal stress is applied to the ceramic insulator, thereby preventing the occurrence of cracks and cracks. It has a remarkable effect that it can be done.
Also, in the present invention, a gap is provided between the inside of the side of the metal shell and the outside of the side of the flange of the ceramic insulator on the base end side of the support portion (the metal shell supports the ceramic insulator). Therefore, at its side, the metal shell and the ceramic insulator are not in direct contact. Accordingly, even when thermal stress is applied inward in the radial direction due to submersion of the sensor or the like, cracks and cracks can be prevented because the side surfaces of the ceramic insulator are not directly pressed.
In particular, in the present invention, since the width of the gap is set in the range of 0.3 to 1.0 mm, the gap is excellent in thermal shock absorption.
[0053]
According to the second aspect of the present invention, the structure of the supporting portion on the distal end side is configured such that a part of the stress applied inward in the radial direction of the metal shell is applied in the axial direction of the ceramic insulator. Therefore, even when thermal stress is applied inward in the radial direction due to submersion of the sensor or the like, the stress is dispersed in the axial direction and the pressing force in the radial direction is reduced, so that cracks and cracks can be prevented.
[0054]
According to the third aspect of the present invention, since the support portions are inclined surfaces, even when thermal stress is applied inward in the radial direction, the stress is dispersed in the axial direction and the pressing force in the radial direction decreases, As a result, cracks and cracks can be prevented.
According to the fourth aspect of the present invention, since the metal plate is sandwiched between the supporting portions of the metal shell and the ceramic insulator, the surface unevenness of the supporting portion is reduced. As a result, the effective than claim 3, it is possible to prevent cracking and breakage.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is an explanatory view showing an oxygen sensor according to a first embodiment with a part cut away.
FIGS. 2A and 2B are diagrams illustrating a main part of the oxygen sensor according to the first embodiment, FIG. 2A is an explanatory diagram illustrating a supporting portion thereof, and FIG. 2B is an explanatory diagram illustrating a minimum thickness A of a metal shell.
FIG. 3 is an explanatory diagram showing an experimental method.
4A and 4B are diagrams illustrating another embodiment, in which FIG. 4A is an explanatory diagram illustrating a main part of the oxygen sensor according to the first embodiment, and FIG. 4B is an explanatory diagram illustrating a main portion of the oxygen sensor according to the third embodiment.
FIG. 5 is an explanatory diagram showing a conventional technique.
[Explanation of symbols]
1,3151 ... Oxygen sensor 3 ...

Detection element part

11,35,45 ... Ceramic holder (holding member)
17, 33, 43 ... metal shell

Claims

A rod-shaped detection element portion made of ceramic;
A ceramic insulator disposed around the detection element portion, supporting the detection element portion, and having a flange portion,
A metal shell disposed around the ceramic insulator and supporting a flange of the ceramic insulator;
In the oxygen sensor structure having
While the detection element portion is sealed to the ceramic insulator with a sealant, the flange portion of the ceramic insulator and the metal shell abut on the tip side from the bearing surface of the metal shell , The distal end side of the flange portion of the ceramic insulator is supported by a metal shell , and has a structure in which the flange portion of the ceramic insulator is fixed by caulking,
Further, the metal shell has a gap between the inside of the side of the metal shell and the outside of the side of the flange of the ceramic insulator on the base end side of the supporting portion supporting the ceramic insulator, and the gap The oxygen sensor structure, wherein the width of the oxygen sensor is in the range of 0.3 to 1.0 mm.

As a structure in which the metal shell on the front end side of the seating surface supports the ceramic insulator, a part of a stress applied inward in a radial direction of the metal shell is dispersed in an axial direction of the ceramic insulator. oxygen sensor structure of claim 1 Symbol mounting, characterized in that.

3. The oxygen sensor structure according to claim 1, wherein a support portion on the metal shell side and a support portion on the ceramic insulator side at a tip end side of the seat surface are inclined surfaces.

The oxygen according to any one of claims 1 to 3 , wherein a metal plate is disposed between a supporting portion on the metal shell side and a supporting portion on the ceramic insulator side at a front end side of the seating surface. Sensor structure.