(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
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。
【請求項２】
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せ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。
【請求項３】
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。
【請求項４】
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。
【発明の詳細な説明】
【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（Ｌｏｗ  Ｅｍｉｓｓｉｏｎ  Ｖｅｈｉｃｌｅ），ＵＬＥＶ（Ｕｌｔｒａ  Ｌｏｗ  Ｅｍｉｓｓｉｏｎ  Ｖｅｈｉｃｌｅ）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】
0003588094.tif 000002
【００４２】
【表２】
0003588094.tif 000003
【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】
0003588094.tif 000004
【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
【図１】
0003588094.tif 000005
【図２】
0003588094.tif 000006
【図３】
0003588094.tif 000007
【図４】
0003588094.tif 000008
【図５】
0003588094.tif 000009