JPH0627722B2 - センサ用プラグ - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ この発明は、内燃機関の排気路に配置され、排気ガス中
の酸素濃度検出するための酸素センサといったセンサ用
プラグに関する。

［従来の技術］ 内燃機関例えば、自動車のエンジンにあっては、排気路
には酸素センサが取付けられ、排気ガス中の酸素濃度を
検出し、この検出データに基づいてコンピュータにより
空燃比を算出し、燃料噴射量を適宜に制御してエンジン
での良好な燃焼を維持するようにしている。

この酸素センサは、第５図に示す如く筒状の取付金具１
内に、検出素子として先端が閉じた中空柱状の固体電解
質素子２を、環状隙間３を隔てて同軸的に配設して成っ
ている。この取付金具１の内周壁には先細のテーパ付段
１ａが周設され、固体電解質素子２の外周壁にはつば部
４が周設されている。このつば部４の先端がわ面（図示
下面）は、前記段１ａに対応するように先細のテーパ面
４ａとなっている。

そして、前記環状隙間３内には、アルミナなどのセラミ
ック製の絶縁環５が固体電解質素子２に対して同軸的に
嵌め込まれている。この絶縁環５は、前記段１ａに係合
する先細のテーパ付の先端面５Ｂと、前記つば部４の先
端がわ面に係合する内側テーパ面５ｃと、前記つば部４
の外周側面と遊合する内側周面５ｄと、前記取付金具１
の内側周面に遊合する外側周面５ｅと、後端部に水平面
状の後端面５ｆとを備えている。

また、環状隙間３には前記絶縁環５の後に、セラミック
粉末からなるシール部材６が、つば部４の後端がわ面
（図示上面）と後端面５ｆとの双方に当接するように充
填され、その後に、碍管２０が嵌め込まれている。そし
て、取付金具１の後端１ｂをかしめることにより、碍管
２０からシール部材６に対して軸方向に押圧力Ｐが付与
され、もって取付金具１内に固体電解質素子２が絶縁環
５を介して封止固着される。

［発明が解決しようとする問題点］ しかるに、従来の酸素センサにおいては、第５図のよう
に絶縁環５の後端面５ｆは、水平面とされていたので、
上記の押圧力Ｐは後端面５ｆの下方に垂直状態に伝わ
り、この結果、絶縁環５には、内側テーパ面５ｃとつば
部４のテーパ面４ａとの楔作用により径方向で外方に引
張力Ｐ１が働くとともに、先端面５Ｂと段１ａとの楔作
用により径方向で中心向きに圧縮力Ｐ２が作用する。こ
の場合、セラミックは一般に、引張力および剪断力には
弱いうえに絶縁環が不可避的に遊合状態にあることか
ら、上記の引張力Ｐ１により絶縁環５が変形力を受けて
亀裂などの破損を生ずる虞れがある。

［発明の目的］ この発明は上記のことを考慮してなされたもので、その
目的は絶縁環に加わる径方向で外向きの引張力を効果的
に相殺することによって絶縁環に不用意に亀裂などの破
損が生ずることがなく、耐久性が向上し長寿命化に寄与
できるセンサ用プラグを提供することにある。

［問題を解決するための手段］ この発明は、先端がわ内周面に先細のテーパ付段が周設
された筒状の取付金具内に、外周面に先端がわ面が先細
のテーパ面となっているつば部が周設された検出素子を
前記取付金具と検出素子との間に、前記段に係合する先
細のテーパ付の先端面と、前記つば部の先端がわ面に係
合する内側テーパ面と、前記つば部の外周側面と遊合す
る内側周面と、前記取付金具の内側周面に遊合する外側
周面と、後方に向って細まるテーパ付き後端面とを備え
たセラミック製の絶縁環を介在させて同軸的に嵌め込
み、前記取付金具と前記検出素子との間の前記絶縁環の
後方に、前記つば部の後端がわ面と絶縁環の後端面とに
少なくとも当接してシール部材を入れ、前記取付金具の
後部からシール部材に先端方向の押圧力を付与すること
により前記取付金具内に前記絶縁環を介して前記検出素
子を封止固着せしめたセンサ用プラグにおいて、前記絶
縁環の後端面のテーパ角を９０度以上１６０度以下に設
定した構成を採用している。

［発明の作用と効果］ 上記のように構成した本発明によれば、前記絶縁環の後
端面のテーパ角を９０度以上１６０度以下に設定したこ
とにより、取付金具の後部からシール部材の先端方向に
指向する押圧力で絶縁環の先端面および後端面には径方
向で中心向きの圧縮力Ｐ２、Ｐ３（第１図に示す）が作
用する。この二つの圧縮力Ｐ２、Ｐ３により径方向外向
きの引張力Ｐ１は、効果的に相殺されるので、絶縁環に
亀裂などの破損が生ずることがなく、耐久性が向上して
長寿命化に寄与できるといった実用的に優れた効果を有
するセンサ用プラグを提供し得る。

［実施例］ 以下この発明の一実施例を第１図ないし第４図を参照し
て説明する。

先ず第１図において、１は酸素センサの取付金具で、筒
状を成し、外周部には六角部と取付ねじとが形成され、
内周面には先端部に先細り状のテーパ付段１ａが設けら
れている。２は検出素子としての固体電解質素子で、先
端が閉じ後端が開口した中空円柱状を呈し、酸素イオン
伝導性固体電解質焼結体１５の両面に多孔性の電極層１
３、１４を形成して成る。この固体電解質素子２は、外
周面に先端面を先細のテーパ面４ａとし、後端部を後端
がわ面４ｔとし、段１ａに対応するつば部４が周設さ
れ、環状隙間３を隔てて取付金具１内に同軸的に配設さ
れている。そして、該固体電解質素子２の電極層１３に
は基準とする気体が接触し、電極層１４にはエンジンか
らの排気ガスが接触し、酸素濃度差に基づいて両電極層
１３、１４間に電位差が生ずるようになっている。取付
金具１の段１ａおよびつば部４のテーパ面４ａは製作
上、強度上あるいはシール性確保のために通常では、こ
れらのテーパ角Θ１、Θ２が９０度以上１６０度以下と
なるように設定している。

５は電気絶縁性のセラミック例えば、96％のアルミナに
より形成されて環状隙間３内に固体電解質素子２と同軸
的に配設された絶縁環であり、明確には第２図に示す如
く先細のテーパ付の先端面５Ｂと、内側テーパ面５ｃ
と、内側周面５ｄと、外側周面５ｅと、後方に向って細
まるテーパ付後端面５ｔとを備えている。この絶縁環５
は、内側周面５ｄをつば部４の外周側面に遊合し、外側
周面５ｅを取付金具１の内側周面に遊合している。ま
た、先端面５Ｂは、取付金具１の段１ａにパッキンｂを
介して面接触状態に係合し、内側テーパ面５ｃはパッキ
ンａを介してつば部４のテーパ面４ａに面接触状態に係
合している。そして、絶縁環５においては、上下の高さ
寸法Ｈを(5.5^±0.1)mm、内径寸法Ｄ１を(7.37^±0.12)m
m、外径寸法Ｄ２を(11.5^-0.1)mmと(1.5^+0.03)mmの範囲
および内側周面５ｄの内径寸法Ｄ３を(9.1^±0.1)mmにそ
れぞれ設定している。また、絶縁環５の先端面５Ｂおよ
び内側テーパ面５ｃのテーパ角Θ３、Θ４は、テーパ面
４ａおよび段１ａのテーパ角Θ１、Θ２の大きさに対応
させており、テーパ付後端面５ｔのテーパ角Θ５は、９
０度以上１６０度以下の範囲となるように設定してい
る。この状態で、固体電解質素子２に後端部から５００
kgｆの荷重を全面的に加えることにより予め固体電解質
素子２とパッキンａ、ｂとのなじみが良くなるようにし
ている。

６は滑石（タルク）からなる粉末状のシール部材で、環
状隙間３内に絶縁環５の後端面５ｔおよびつば部４の後
端がわ面４ｔの双方に当接するように充填されている。
この充填にあたっては、２５００kgｆ／cm²の圧力によ
りシール部材６を軸方向下方に押圧する。ついで、取付
金具１の後端からシール部材６の後端に至る距離が所定
となるように、シール部材６の充填量を加減し、例え
ば、厚さ寸法が略５mmになるように調整する。

２０は碍管で、これは中でも第３図に示す如く環状隙間
３内にシール部材６の後方に位置するように配設されて
いる。２２は保護筒で、これの先端に形成した脚部２２
ａは、取付金具１の後端部内に嵌合状態で且つ碍管２０
の後端面にガスケット２１を介して当接状態に位置して
いる。この状態で、取付金具１の後端部を５６０kgｆ／
cmの力でかしめ、取付金具１内に絶縁環５を介して固体
電解質素子２を封止固着するとともに、脚部２２ａおよ
び碍管２０を抜止め状態に保持している。その後、取付
金具１の後端外周部に形成した環状溝３０（第３図参
照）を高周波加熱装置などにより９００度（℃）程度に
加熱し、かしめ変形に伴い取付金具１に発生した内部応
力を除去している。２３は保護筒２２に嵌合された被覆
筒、２４は取付金具１の先端部に嵌合された有孔状の熱
保護キャップである。なお、２５、２６は電極層１３、
１４に接続されたリード線、２７は固体電解質素子２の
電極層１３内に配置されたヒータ、２８はヒータ２７に
対する通電用のリード線、２９は被覆筒２３に内嵌さ
れ、自身の挿通孔によりリード線２５、２６、２８を保
持するゴム製の保持栓である。

上記の如く構成された酸素センサにあっては、取付金具
１の後端部を５６０kgｆ／cmの力でかしめる時には、そ
の力が第１図に矢印Ｐで示す如く脚部２２ａ、ガスケッ
ト２１、碍管２０およびシール部材６を介してつば部４
の後端がわ面４ｔと絶縁環５のテーパ付後端面５ｔに、
これらの係合面積に応じた配分状態で伝達される。

この構成に関しては、絶縁環５のテーパ付後端面５ｔの
テーパ角Θ５を、９０度以上１６０度以下となるように
設定したので、シール部材６からテーパ付後端面５ｔに
及ぼす荷重は、これら部材間の楔作用により絶縁環５に
対して矢印Ｐ３で示すように、径方向中心に向って働
く。

また、シール部材６からつば部４の後端がわ面４ｔに及
ぼす荷重は、テーパ面４ａから内側テーパ面５ｃに働く
荷重ならびに、段１ａからテーパ付の先端面５Ｂに働く
荷重とに分かれる。

しかして、前者すなわち、テーパ面４ａから内側テーパ
面５ｃに働く分力は、これらの間の楔作用により絶縁環
５に対して矢印Ｐ１で示す如く、径方向外方に向かって
働く。一方、後者すなわち、段１ａからテーパ付の先端
面５Ｂに働く分力は、これらの間の楔作用により絶縁環
５に対して矢印Ｐ２で示すように径方向中心に向かって
働く。

これら矢印Ｐ２、Ｐ３で示す径方向中心向きの力と、矢
印Ｐ１で示す径方向外向きの力とは、互いに逆方向であ
るから効果的に相殺され、この結果、取付金具１のかし
め作業時に絶縁環５が引張変形力により亀裂を生じた
り、破損されることがなく、耐久性が向上し長寿命化に
貢献できるといった実用的に優れた効果を有する。

ちなみに、第４図は縦軸に絶縁環５におけるテーパ付後
端面５ｔのテーパ角（Θ）を取り、横軸に絶縁環の破損
率（％）を取って示したグラフである。このグラフによ
ると、そのテーパ角（Θ）が１６０度を越えると縦軸の
記号ＡないしＤで示すように破損率が急増し、９０度以
上１６０度以下の範囲では縦軸の記号ＥないしＧで示す
如く、０％からせいぜい１０％にとどまり破損率が非常
に低いことが分かり、本発明による改善が著く効果的で
あることを如実に表している。

なお、上記実施例では、酸素センサに適用したが、適用
範囲としては、固体電解質素子を用いた酸素センサのみ
に限られず、燃料濃度センサ、熱電対によるクロメル−
アルメル形のセンサや燃料濃度の全領域センサに適用で
きる。

また、この発明の本質上、シール部材６は、つば部４の
後端がわ面４ｔおよび絶縁環５の後端面５ｔの双方にわ
たって当接することが必要であるが、これらの当接割合
は実施状態などに応じて適宜に設定することができる。

さらには、上記実施例では、シール部材６の充填の際、
その上下厚み長さを５mmに設定したが、この厚み長さに
限定されないことは勿論である。

その他、具体的な実施にあたっては、発明の要旨を逸脱
しない範囲で種々変更できる。

【図面の簡単な説明】

第１図ないし第４図は本発明の一実施例を示し、第１図
は要部の拡大縦断面図、第２図は絶縁環の拡大縦断面
図、第３図は酸素センサの部分縦断面図、第４図は絶縁
環のテーパ角（Θ）とその破損率（％）との関係を示す
グラフ、第５図は従来の要部を示す拡大縦断面図であ
る。 図中 １……取付金具、１ａ……段、２……固体電解質
素子（検出素子）、４……つば部、４ａ……テーパ面、
４ｔ……後端がわ面、５……絶縁環、５ｔ……テーパ付
後端面、５Ｂ……テーパ付の先端面、５ｃ……内側テー
パ面、５ｄ……内側周面、５ｅ……外側周面、６……シ
ール部材

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】先端がわ内周面に先細のテーパ付段が周設
   された筒状の取付金具内に、 外周に先端がわ面が先細のテーパ面となっているつば部
   が周設された検出素子を、 前記取付金具と検出素子との間に、前記段に係合する先
   細のテーパ付の先端面と、前記つば部の先端がわ面に係
   合する内側テーパ面と、前記つば部の外周側面と遊合す
   る内側周面と、前記取付金具の内側周面に遊合する外側
   周面と、後方に向って細まるテーパ付き後端面とを備え
   たセラミック製の絶縁環を介在させて同軸的に嵌め込
   み、 前記取付金具と前記検出素子との間の前記絶縁環の後方
   に、前記つば部の後端がわ面と絶縁環の後端面とに少な
   くとも当接してシール部材を入れ、 前記取付金具の後部からシール部材に先端方向の押圧力
   を付与することにより前記取付金具内に前記絶縁環を介
   して前記検出素子を封止固着せしめたセンサ用プラグに
   おいて、 前記絶縁環の後端面のテーパ角を９０度以上１６０度以
   下に設定したことを特徴とするセンサ用プラグ。