(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
前端部が閉じた中空軸状をなし、この前端部側が測定対象となるガスに向けられる酸素検出素子と、
前記酸素検出素子の中空部に配置され、該酸素検出素子を加熱する軸状の発熱体と、
前記酸素検出素子よりも後方側においてその中空部とほぼ同軸的に配置され、前端面が開口して前記発熱体の後端部が挿入される発熱体端部収容穴を有するセパレータとを備え、
前記発熱体端部収容穴は、前記セパレータの中心軸線方向中間位置に底面を有するとともに、該発熱体端部収容穴に挿入された前記発熱体の後端側から延出されるヒータ端子と、これに接続されるリード線とを挿通可能とするリード線挿通孔が、周方向において前記発熱体端部収容穴に連通されており、
かつ、前記リード線挿通孔に挿通される前記ヒータ端子と、前記発熱体端部収容穴の前記底面の外縁である底面外縁とが接触・干渉することを防止するために、前記セパレータの中心軸線と直交する向きにおいて、前記ヒータ端子と前記底面外縁との間に一定量の隙間を形成する隙間形成部が、前記セパレータの前記底面外縁に施され、
前記隙間形成部は、前記セパレータの中心軸線に対して所定の傾きを有する面取り部であることを特徴とする酸素センサ。
【請求項２】
前端部が閉じた中空軸状をなし、この前端部側が測定対象となるガスに向けられる酸素検出素子と、
前記酸素検出素子の中空部に配置され、該酸素検出素子を加熱する軸状の発熱体と、
前記酸素検出素子よりも後方側においてその中空部とほぼ同軸的に配置され、前端面が開口して前記発熱体の後端部が挿入される発熱体端部収容穴を有するセパレータとを備え、
前記発熱体端部収容穴は、前記セパレータの中心軸線方向中間位置に底面を有するとともに、該発熱体端部収容穴に挿入された前記発熱体の後端側から延出されるヒータ端子と、これに接続されるリード線とを挿通可能とするリード線挿通孔が、周方向において前記発熱体端部収容穴に連通されており、
かつ、前記リード線挿通孔に挿通される前記ヒータ端子と、前記発熱体端部収容穴の前記底面の外縁である底面外縁とが接触・干渉することを防止するために、前記セパレータの中心軸線と直交する向きにおいて、前記ヒータ端子と前記底面外縁との間に一定量の隙間を形成する隙間形成部が、前記セパレータに形成され、
前記隙間形成部は、前記発熱体端部収容穴の前記底面と前記リード線挿通孔とで囲まれた前記セパレータの中心骨格部において、前記セパレータの中心軸線と交差する向きに前記中心骨格部から前記リード線挿通孔内に突出する凸部であることを特徴とする酸素センサ。
【請求項３】
前記リード線挿通孔は、前記セパレータを前記セパレータの中心軸線方向に貫通するとともに、その中心軸線方向前端側が、前記底面外縁において前記発熱体端部収容穴に連通開口して、この発熱体端部収容穴と一体化する請求項１又は２記載の酸素センサ。
【請求項４】
前記セパレータに形成される前記発熱体端部収容穴の前記底面であるセパレータ底面と、前記発熱体の後端面である発熱体端面とが対向配置され、かつそれらセパレータ底面と発熱体端面との少なくとも一方が、それらの対向方向において先端側が連続的に断面縮小する形態で突出する突出面を有する請求項１ないし３のいずれか１項に記載の酸素センサ。
【請求項５】
前記セパレータ底面と前記発熱体端面とは、前記突出面の先端において点状接触状態にて当接する請求項４記載の酸素センサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、例えば内燃機関の排気ガスなど、被測定ガス中の酸素を検出するための酸素センサに関する。
【背景技術】
【０００２】
このような酸素センサの一形態として、前端部が閉じた中空軸状をなし、この前端部側が測定対象となるガスに向けられる酸素検出素子を備えたものが知られている。このようなタイプの酸素センサでは、基準ガスとしての大気を酸素検出素子の内面に導入する一方、酸素検出素子の外面には測定対象となる排気ガスが接触し、その結果酸素検出素子には、その内外面の酸素濃度差に応じて酸素濃淡電池起電力が生じる。そして、この酸素濃淡電池起電力を、排気ガス中の酸素濃度の検出信号として内外面からリード線等を介して取り出すことにより、排気ガス中の酸素濃度を検出できる。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
かかるタイプの酸素センサは、エンジン始動直後など排気ガス温度が低いときに、固体電解質部材で構成された酸素検出素子の活性が充分でなく、測定可能な起電力を取り出せるまでにかなりの時間を要する。そこで、発熱部を有する軸状の発熱体を酸素検出素子の中空部に挿入し、エンジン始動時に酸素検出素子を加熱して活性化させることにより、有害成分の発生が比較的多い始動時に素早く測定出力（起電力）を立ち上げるようにしている。
【０００４】
ところで、発熱体で発生する熱量を効率よく酸素検出素子に伝達し、酸素検出素子の立ち上がりをより活性化するため、発熱体の発熱部を酸素検出素子の中空部内壁面に接触させるようにした酸素センサが構成されることがある。かかる構成の酸素センサにあっては、発熱体の発熱部を酸素検出素子の中空部内壁面に接触させるために、例えば発熱体の中心軸線が酸素検出素子の中心軸線に対して傾斜して設置したりすることがある。その結果、発熱体の中心軸線が酸素検出素子の中心軸線に対して片側に寄るように偏心して配置されることになる。
【０００５】
一方、組立時に発熱体の位置決めを容易にし、酸素センサの全長を短縮するため、酸素検出素子よりも後方側に配置されるセパレータに、前端面が開口した発熱体端部収容穴を形成し、発熱体の後端面（以下、発熱体端面という）をこの発熱体端部収容穴の底面（以下、セパレータ底面という）に当接させる場合がある。このとき、上記したように発熱体の中心軸線が酸素検出素子の中心軸線に対して傾斜したり、片側に寄るように偏心したりしていると、発熱体端部収容穴への発熱体後端部の挿入組み付けの際に、発熱体の後端側から延出されるヒータ端子が、セパレータ底面の外縁（以下、底面外縁という）に接触・干渉しやすくなる。そしてこの接触・干渉によって、底面外縁にチッピング（欠け）やクラック（割れ）等を生じ、これらの脱落破片によって酸素センサ（酸素検出素子）が作動不良や作動不能の状態に陥るおそれがある。なお、発熱体とセパレータとが設計上偏心していなくても、製造誤差や組立時の不均一な押し込み力等によって、これと同様の状況が発生する場合がある。
【０００６】
そこで、セパレータ底面を狭くする（つまりセパレータ底面の面積を小さく抑える）ことによって、底面外縁へのヒータ端子の接触・干渉を避けることはできる。しかし、このことによってセパレータの中心軸線及びセパレータ底面を含む形で構成される中心骨格部が細くなるので、セパレータの強度が不足するおそれがある。例えば、セパレータ底面が発熱体端面に当接し、内燃機関運転時の振動等を繰り返し受けると、比較的短期間でセパレータの中心骨格部に疲労破壊等を生じやすくなる。
【０００７】
そこで本発明の課題は、セパレータの強度を十分に確保しつつ、組立時にセパレータの底面外縁にチッピング、クラック等が発生するのを防止し、作動不良や作動不能の状態を回避して高い信頼性と製品寿命が実現可能な酸素センサを提供することにある。
【課題を解決するための手段及び作用・効果】
【０００８】
上記課題を解決するために、第一の発明に係る酸素センサは、
前端部が閉じた中空軸状をなし、この前端部側が測定対象となるガスに向けられる酸素検出素子と、
前記酸素検出素子の中空部に配置され、該酸素検出素子を加熱する軸状の発熱体と、
前記酸素検出素子よりも後方側においてその中空部とほぼ同軸的に配置され、前端面が開口して前記発熱体の後端部が挿入される発熱体端部収容穴を有するセパレータとを備え、
前記発熱体端部収容穴は、前記セパレータの中心軸線方向中間位置に底面を有するとともに、該発熱体端部収容穴に挿入された前記発熱体の後端側から延出されるヒータ端子と、これに接続されるリード線とを挿通可能とするリード線挿通孔が、周方向において前記発熱体端部収容穴に連通されており、
かつ、前記リード線挿通孔に挿通される前記ヒータ端子と、前記発熱体端部収容穴の前記底面の外縁である底面外縁とが接触・干渉することを防止するために、前記セパレータの中心軸線と直交する向きにおいて、前記ヒータ端子と前記底面外縁との間に一定量の隙間を形成する隙間形成部が、前記セパレータの前記底面外縁に施され、
前記隙間形成部は、前記セパレータの中心軸線に対して所定の傾きを有する面取り部であることを特徴とする。
【０００９】
また、上記課題を解決するために、第二の発明に係る酸素センサは、
前端部が閉じた中空軸状をなし、この前端部側が測定対象となるガスに向けられる酸素検出素子と、
前記酸素検出素子の中空部に配置され、該酸素検出素子を加熱する軸状の発熱体と、
前記酸素検出素子よりも後方側においてその中空部とほぼ同軸的に配置され、前端面が開口して前記発熱体の後端部が挿入される発熱体端部収容穴を有するセパレータとを備え、
前記発熱体端部収容穴は、前記セパレータの中心軸線方向中間位置に底面を有するとともに、該発熱体端部収容穴に挿入された前記発熱体の後端側から延出されるヒータ端子と、これに接続されるリード線とを挿通可能とするリード線挿通孔が、周方向において前記発熱体端部収容穴に連通されており、
かつ、前記リード線挿通孔に挿通される前記ヒータ端子と、前記発熱体端部収容穴の前記底面の外縁である底面外縁とが接触・干渉することを防止するために、前記セパレータの中心軸線と直交する向きにおいて、前記ヒータ端子と前記底面外縁との間に一定量の隙間を形成する隙間形成部が、前記セパレータに形成され、
前記隙間形成部は、前記発熱体端部収容穴の前記底面と前記リード線挿通孔とで囲まれた前記セパレータの中心骨格部において、前記セパレータの中心軸線と交差する向きに前記中心骨格部から前記リード線挿通孔内に突出する凸部であることを特徴とする。
【００１０】
上記第一及び第二の発明によれば、セパレータの発熱体端部収容穴が底面を有するとともに、リード線挿通孔が周方向において発熱体端部収容穴に連通されており、かつ、セパレータの中心軸線と直交する向きにおいて、ヒータ端子とセパレータの底面外縁との間に一定量の隙間を形成する隙間形成部が、セパレータに形成されている。セパレータに隙間形成部を形成することによって、セパレータの発熱体端部収容穴への発熱体後端部の挿入組み付けの際に、発熱体の中心軸線が酸素検出素子の中空部の中心軸線やセパレータの中心軸線に対して傾斜する形で配置する場合でも、発熱体と同様に傾斜するヒータ端子とセパレータの底面外縁との接触・干渉を防止することができる。したがって、セパレータの底面外縁にチッピングやクラック等を生じにくくなり、これらの脱落破片によって酸素センサ（酸素検出素子）が作動不良や作動不能となる状態を未然に防ぐことができ、酸素センサの信頼性と製品寿命を高めることができる。このように第一及び第二の発明は、例えば発熱体を酸素検出素子の中空部内壁面に接触させるために、発熱体の中心軸線が酸素検出素子の中心軸線に対して傾斜して配置され、その結果、前者は後者に対して片側に寄るように偏心して配置される場合に特に効果的である。
【００１１】
しかも、セパレータに隙間形成部を形成することによって、セパレータ底面の面積を狭くしてセパレータの中心骨格部を細くしなくてもすむ場合には、セパレータの強度を低下させることがない。したがって、セパレータ底面が発熱体端面に当接し、内燃機関運転時の振動等を繰り返し受ける状態でも、セパレータの中心骨格部には長期にわたり疲労破壊等が生じにくくなる。
【００１２】
また、この隙間形成部を、セパレータの底面外縁に施され、セパレータの中心軸線に対して所定の傾きを有する面取り部とすることができる。面取り部が形成された分だけセパレータの底面外縁が小径に形成されるので、ヒータ端子は底面外縁に対して接触・干渉しにくくなる。また、チッピング、クラック等が発生しやすく、かつ脱落もしやすいセパレータの底面外縁に面取りを施すことによって、これらの発生及び脱落破片の飛散を効果的に防止できる。さらに、次のような製造工程上の利点もある。すなわち、セパレータの成形体を金型成形により製造する場合、セパレータの底面外縁に、発熱体端部収容穴を形成するマンドレルとリード線挿通孔を形成するマンドレルとの合わせ面が位置することによるバリの発生を、底面外縁に面取りを施すことによって防止できる。
【００１３】
次に、この隙間形成部を、発熱体端部収容穴の底面とリード線挿通孔とで囲まれたセパレータの中心骨格部において、セパレータの中心軸線と交差する向きに中心骨格部からリード線挿通孔内に突出する凸部とすることができる。ヒータ端子をこの凸部で支持させつつ、底面外縁から離間した状態でリード線挿通孔にスムーズに挿入することができ、このとき凸部は、ヒータ端子のリード線挿通孔への挿入に伴って、ヒータ端子を徐々に拡開させる治具としての機能を有する。なお、この場合ヒータ端子は、リード線挿通孔への挿入によって弾性変形することが望ましい。
【００１４】
ここで、リード線挿通孔がセパレータをセパレータの中心軸線方向に貫通するとともに、その中心軸線方向前端側が、底面外縁において発熱体端部収容穴に連通開口して、発熱体端部収容穴と一体化するときは、一体化された発熱体端部収容穴及びリード線挿通孔に対する発熱体及びヒータ端子の挿入操作が簡単になり、これによってヒータ端子と底面外縁との接触・干渉が一層起こりにくくなる。
【００１６】
ところで、セパレータ底面と発熱体端面とが対向配置され、かつそれらセパレータ底面と発熱体端面との少なくとも一方が、それらの対向方向において先端側が連続的に断面縮小する形態で突出する突出面を有する場合がある。この突出面は、対向配置され、組立時の押し込み力や内燃機関運転時の振動等によって当接しうる面であるセパレータ底面や発熱体端面にチッピング、クラック等が発生するのを防止することができる。
【００１７】
ここで、対向配置されるセパレータ底面と発熱体端面とが当接する場合には、上記突出面の先端において点状接触状態にて当接するのが望ましく、接触面積を縮小することによりセパレータ底面や発熱体端面でのチッピング、クラック等の発生を抑えることができる。しかも、既述の通り、隙間形成部の形成によって、セパレータの強度を十分確保できているため、セパレータ底面が発熱体端面に当接し、内燃機関運転時の振動等を繰り返し受けても、セパレータの中心骨格部には長期にわたり疲労破壊等が生じにくい。なお、本明細書において点状接触状態とは、点接触もしくはそれに近似した状態をいう。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
以下、本発明の実施の形態を図面に示す実施例に基づき説明する。
図１は本発明に係る酸素センサの一実施例の内部構造を示し、図２は要部の拡大図である。酸素センサ１は、先端が閉じた中空軸状の酸素検出素子２と、酸素検出素子２の中空部２ａに挿入された発熱体３とを備える。酸素検出素子２は、酸素イオン伝導性を有する固体電解質により中空軸状に形成されている。なお、このような固体電解質としては、Ｙ２Ｏ３ないしＣａＯを固溶させたＺｒＯ２が代表的なものであるが、それ以外のアルカリ土類金属ないし希土類金属の酸化物とＺｒＯ２との固溶体を使用してもよい。さらには、ベースとなるＺｒＯ２にはＨｆＯ２が含有されていてもよい。そして、図２及び図３に示すように、酸素検出素子２の中空部２ａの内面には、そのほぼ全面を覆うように、例えばＰｔあるいはＰｔ合金により多孔質に形成された内部電極層２ｃが、一方その外面にはその前方部を覆うように、同じく外部電極層２ｂがそれぞれ設けられている。また、この酸素検出素子２の中間部外側には、絶縁性セラミックから形成されたインシュレータ６，７及びタルクから形成されたセラミック粉末８を介して筒状の金属製ケーシング１０が設けられている。なお、以下の説明において、酸素検出素子２の軸方向先端部に向かう側（閉じている側）を「前方側」、これと反対方向に向かう側を「後方側」と称する。
【００１９】
ケーシング１０は、酸素センサ１を排気管等の取付部に取り付けるためのねじ部９ｂを有する主体金具９と、その主体金具９の前方側開口部を覆うように取り付けられたプロテクタ１１からなる。本実施例の酸素センサ１はねじ部９ｂより前方が排気管等のエンジン内に位置し、それより後方は外部の大気中に位置して使用される。主体金具９（ケーシング１０）は、その前方側開口部から酸素検出素子２の先端側（検出部）を測定対象となる排気ガスに向けられるように突出させた状態で酸素検出素子２を保持するとともに、この開口部に形成される筒状のプロテクタ装着部９ａにキャップ状のプロテクタ１１が装着されて、酸素検出素子２の検出部を所定の空間を隔てて覆っている。プロテクタ１１には、排気ガスを透過させる複数のガス透過口１２が貫通形態で形成されている。
【００２０】
主体金具９の後方部は、絶縁体６との間にリング１５を介して加締められ、この主体金具９に筒状の金属製外筒１６の前端に形成された開口部１６Ｆ（図６参照）が外側から嵌合されている。そして、主体金具９の周方向に沿って形成された全周レーザー溶接部１６Ｅが、外筒１６の前端開口部１６Ｆ内周面と主体金具９の外周面とを接合・固定している。また、この外筒１６の後端開口部１６Ｒはゴム等で構成されたグロメット１７を嵌入させることにより封止され、さらにこれに続いて前方側にセラミックセパレータ１８（以下単にセパレータともいう）が設けられている。そして、それらセラミックセパレータ１８及びグロメット１７を貫通するように、検出素子側リード線２０，２１及び発熱体側リード線１９，２２が配置されている（図７参照）。
【００２１】
セラミックセパレータ１８は、ケーシング１０の後方側にケーシング１０とほぼ同軸的に設けられている。外筒１６は、セラミックセパレータ１８を外側から覆う状態で、その前端開口部１６Ｆがケーシング１０に対し後方外側からほぼ同軸的に重ね合わせて連結される筒状形態をなす。グロメット１７は、セラミックセパレータ１８の後方側に位置して、外筒１６の後端開口部１６Ｒに対しその内側に弾性的に嵌入されている。
【００２２】
次に、検出素子側リード線２０，２１のうち一方のリード線２１は、互いに一体に形成されたコネクタ２３ａ、引出し線部２３ｂ、固定部２３ｃ及び下方押圧部２３ｄとを有する第一端子金具２３（押圧部材）を経て前述の酸素検出素子２の内部電極層２ｃ（図２）と電気的に接続されている。また、他方のリード線２０は、互いに一体に形成されたコネクタ３３ａ、引出し線部３３ｂ及び金具本体部３３ｃとを有する第二端子金具３３を経て、酸素検出素子２の外部電極層２ｂ（図３）と電気的に接続されている。酸素検出素子２は、その内側に配置された発熱体３で加熱することで活性化される。発熱体３は棒状のセラミックヒータであり、Ａｌ２Ｏ３を主とする芯材に抵抗発熱体（図示せず）を有する発熱部３ａが、＋極側及び−極側のヒータ端子３ｂ，３ｂに接続される発熱体側リード線１９，２２（図７）を経て通電されることにより、酸素検出素子２の先端部（検出部）を加熱する。検出素子側リード線２０，２１及び発熱体側リード線１９，２２は、セラミックセパレータ１８の軸線方向に貫通して設けられた２個ずつの検出素子側リード線挿通孔１８ａ１，１８ａ１及び発熱体側リード線挿通孔１８ａ２，１８ａ２（リード線挿通孔）と、グロメット１７の軸線方向に貫通して設けられた２個ずつの検出素子側リード線挿通孔１７ａ１，１７ａ１及び発熱体側リード線挿通孔１７ａ２，１７ａ２とに、各々挿通されて外部へ引き出されている。
【００２３】
図２及び図３に示すように、第一端子金具２３は、先端側に形成された下方押圧部２３ｄの内面で発熱体３の外面を押圧し、少なくとも発熱体３の先端部を酸素検出素子２の中空部２ａ内壁面に接触させる。下方押圧部２３ｄに続く固定部２３ｃの外面が酸素検出素子２の内面に嵌入することにより第一端子金具２３を軸方向に位置固定する。また引出し線部２３ｂの一端が固定部２３ｃの周方向の１ケ所に接続する形で一体化され、さらにその他端にコネクタ２３ａが一体化されている。そして、固定部２３ｃの上方部（後方部）において、固定部２３ｃに設けられる開口の左右両縁部側近傍には固定部２３ｃの周面の一部にコ字状の切れ目を設け、この切れ目が径方向内側へ折り込まれて左右一対の上方押圧部２３ｅを形成している。なお、２３ｇは固定部２３ｃが発熱体端部収容穴１８ｃに入り込まないようにするための鍔である。
【００２４】
一方、第二端子金具３３は、円筒状の金具本体部３３ｃを有するとともに、引出し線部３３ｂの一端が金具本体部３３ｃの周方向の１ケ所に接続する形で一体化され、さらにその他端にコネクタ３３ａが一体化されている。他方、その中心軸線を挟んで引出し線部３３ｂの接続点と反対側には、軸線方向のスリット３３ｅが形成されている。このような金具本体部３３ｃの内側に、酸素検出素子２の後端部がこれを弾性的に押し広げる形で内側から挿入されている。具体的には、酸素検出素子２の外周面後端部には外部側出力取出部としての導電層２ｆが、周方向に沿って帯状に形成されている。外部電極層２ｂは、例えば無電解メッキ等により、酸素検出素子２の係合フランジ部２ｓよりも前端側の要部全面を覆うものとされている。他方、導電層２ｆは、例えば金属ペーストを用いたパターン形成・焼き付けにより形成されるもので、同様に形成される軸線方向の接続パターン層２ｈを介して外部電極層２ｂと電気的に接続されている。
【００２５】
図４に示すように、発熱体３は下方押圧部２３ｄ及び上方押圧部２３ｅにより酸素検出素子２の中空部２ａの中心軸線Ｏ２と交差する方向に押圧され、発熱体３の中心軸線Ｏ１が酸素検出素子２の中空部２ａの中心軸線Ｏ２に対して片側に寄るように偏心（オフセット）して配置されるとともに、発熱体３の少なくとも一部が酸素検出素子２の中空部２ａ内壁面に接触している。
【００２６】
図５は外筒１６を示す。外筒１６は、軸線方向において前後に二分割され、前方側に位置する前方側外筒部材１６１の後部に形成される外筒側支持部１６Ａに対し、後方側の後方側外筒部材１６２の前部が後方外側からほぼ同軸的に重ね合わせて連結されている。この重ね合わせ連結部において、第一外筒部材１６１の外筒側支持部１６Ａの外周面と第二外筒部材１６２の前部内周面とを接合する全周レーザー溶接部１６Ｃが、連結部の周方向に沿って形成されている。なお、外筒１６の前端開口部１６Ｆは主体金具９に対して後方外側からほぼ同軸的に重ね合わせて連結され、外筒１６の前端開口部１６Ｆ内周面と主体金具９の外周面とを接合する全周レーザー溶接部１６Ｅが、主体金具９の周方向に沿って形成されている。
【００２７】
次に、前方側外筒部材１６１の後部に形成される外筒側支持部１６Ａについて、図２を参照しつつ説明する。外筒側支持部１６Ａは全体として後方側へ向かうほど外径が小となる先細形状を呈しているが、かかる形状は次のような構成によって実現されている。外筒側支持部１６Ａには、外径が後方に向かうほど傾斜状に小さくなる形態を有する縮径部が軸線方向において前後に２個形成されている。２個の縮径部のうち前方側に形成された第一縮径部１６ａ１と後方側に形成された第二縮径部１６ａ２との間に、軸線に対してほぼ平行な形態で前方側筒状部１６ｂ１が形成されている。この第一筒状部１６ｂ１の外周面に対し後方側外筒部材１６２の前部内周面が後方外側から重ね合わせて連結され、上記全周レーザー溶接部１６Ｃが連結部の周方向に沿って形成されている。
【００２８】
また、第二縮径部１６ａ２よりも後方側において、セパレータ１８の本体部１８Ｂ外周面にほぼ沿うような形態で第二筒状部１６ｂ２が形成されている。さらに、第二筒状部１６ｂ２よりも後方側は径方向内側へ折曲げられて折曲部１６ｃが形成され、この折曲部１６ｃの後方側支持面１６ｃ１がセパレータ側支持部１８Ａの前方側支持面１８Ａ１に接するような形態を有している。このようにして形成される折曲部１６ｃは、セパレータ１８の本体部１８Ｂが外筒側支持部１６Ａの内側に配置されたとき、セパレータ側支持部１８Ａの前方側支持面１８Ａ１の受止具として機能する。なお、折曲部１６ｃの後方側支持面１６ｃ１は、径方向内側へ折曲げられていて、セパレータ１８の本体部１８Ｂが外筒側支持部１６Ａの内側に挿入される際の案内ガイドとなっている。
【００２９】
以上の通り、外筒側支持部１６Ａは、第一及び第二縮径部１６ａ１，１６ａ２、第一及び第二筒状部１６ｂ１，１６ｂ２並びに折曲部１６ｃから構成されている。この外筒側支持部１６Ａがセパレータ側支持部１８Ａを下方から支持するとき、外筒側支持部１６Ａの内周面はセパレータ１８の本体部１８Ｂの外周面を、両者の間に形成される空間部Ｓ３を内包しつつ囲うようにして設けられている（図２参照）。よって、跳ね石等により外筒１６にもたらされる衝撃力は、両縮径部１６ａ１，１６ａ２によるバネ効果と空間部Ｓ３による隔離効果とによって減衰されてセパレータ１８に伝達されることになり、セパレータ１８の破損等が防止できる。
【００３０】
一方、後方側外筒部材１６２は、後端開口部１６Ｒの内側にグロメット１７が挿入され、このグロメット１７挿入部位よりも前方側において、内径が前方に向かうほど傾斜状に（連続的に）大きくなる形態を有する拡径部１６Ｂが設けられている。そして後方側外筒部材１６２の後端開口部１６Ｒ内周面をセパレータ側支持部１８Ａの外周面の挿入案内ガイドとして利用している。
【００３１】
外筒１６の肉厚は、跳ね石等に対する耐衝撃性とグロメット側（後方側）への熱伝達量を考慮して、前方側に設けられる前方側外筒部材１６１の肉厚ｔ１を後方側に設けられる後方側外筒部材１６２の肉厚ｔ２以上にしている。すなわち、取り付けの際低位置になることが多く跳ね石の当たる確率の高い前方側（検出素子側）の前方側外筒部材１６１は、相対的に厚肉として耐衝撃性を高くしている。一方、グロメット１７の取り付け位置に近い後方側の第二外筒部材１６２は、相対的に薄肉としてグロメット１７側（後方側）への熱伝達量を減少している。具体的には、前方側外筒部材１６１の肉厚ｔ１が０．５ｍｍ以上０．８ｍｍ以下（例えば０．６ｍｍ）であり、また後方側外筒部材１６２の肉厚ｔ２が０．３ｍｍ以上０．５ｍｍ以下（例えば０．３ｍｍ）であることが望ましい。
【００３２】
図２において、セパレータ側支持部１８Ａの外周面と後方側外筒部材１６２の内周面との間には、径方向間隔が例えば０．３ｍｍ以上の環状の隙間Ｓ０が設けられている。隙間Ｓ０は、跳ね石等により外筒１６にもたらされる衝撃力が外筒１６から直接セパレータ１８に伝わらないようにするための環状の空間を形成している。一方、外筒側支持部１６Ａの折曲部１６ｃの縁部とセラミックセパレータ１８の本体部１８Ｂの外周面との間には径方向の微小な隙間Ｓ１が形成されている。隙間Ｓ１は、セラミックセパレータ１８の本体部１８Ｂをがたつきなくスムーズに外筒側支持部１６Ａに挿入するために設けられたガイド代である。
【００３３】
図６にセラミックセパレータ１８の詳細を示す。軸直交断面が円形状に形成されるセラミックセパレータ１８の本体部１８Ｂには、検出素子側リード線２０，２１及び発熱体側リード線１９，２２（図７参照）を挿通するための２個ずつの検出素子側リード線挿通孔１８ａ１，１８ａ１及び発熱体側リード線挿通孔１８ａ２，１８ａ２（以下、これらを総称するとき挿通孔１８ａという）が軸方向に貫通して形成されている。その軸線方向後端側の外周面には、全周にわたり外向きに一体的に突出する形態でフランジ状かつ軸直交断面が円形状のセパレータ側支持部１８Ａが形成されている。セパレータ側支持部１８Ａの前方側支持面１８Ａ１は後方側に向かうほど外径が大となる傾斜面に形成されている。セラミックセパレータ１８（セパレータ側支持部１８Ａ）の後端面において、通気溝１８ｂが４個の挿通孔１８ａと干渉しない位置に十字形態で軸線と直交する方向に形成されている。通気溝１８ｂは、検出素子側リード線挿通孔１８ａ１，１８ａ１と検出素子側リード線２０，２１との隙間Ｋに連通している（図２参照）。
【００３４】
セラミックセパレータ１８には、後端部側（図６（ｃ）及び（ｄ）の上端側）から４個の挿通孔１８ａが、酸素検出素子２の中空部２ａの中心軸線と一致しかつ発熱体３の中心軸線Ｏ１に対して傾斜する形で配置された中心軸線Ｏ２（図４，図９参照）を中心とするピッチ円Ｐに沿って略９０°間隔で軸線方向に貫通している。また、セラミックセパレータ１８の軸線方向前端（図６（ｃ）及び（ｄ）の下端）から軸線方向に沿って全長のほぼ中央部に位置する底面１８ｅまで、端子収容穴７２が形成されている。端子収容穴７２は、第一収容部７２ｂ、第二収容部７２ｃ、２つのヒータ端子収容部７２ｄ，７２ｄ及び中央連通部７２ｅ（発熱体端部収容穴）とを有する。第一収容部７２ｂ及び第二収容部７２ｃは、第一接続金具２３及び第二接続金具３３をそれぞれ前方側から後方側へ挿入して保持し、一方、ヒータ端子収容部７２ｄ，７２ｄは、＋極側及び−極側のヒータ端子３ｂ、３ｂをそれぞれ前方側から後方側へ挿入して保持する。そして、中央連通部７２ｅは、これら４つの収容部７２ｂ，７２ｃ，７２ｄ，７２ｄの中間に位置して、それぞれの収容部に連通形態で形成されている。具体的には、第一及び第二収容部７２ｂ，７２ｃ及び両ヒータ端子収容部７２ｄ，７２ｄは互いに中央連通部７２ｅを挟んで向かい合う状態にあり、ピッチ円Ｐに沿って略９０゜間隔で並ぶ挿通孔１８ａと同様の位置関係を有する。
【００３５】
第一収容部７２ｂ、第二収容部７２ｃ及び２つのヒータ端子収容部７２ｄ，７２ｄは、それぞれ中央連通部７２ｅに面する幅狭の開口部と、中央連通部７２ｅとは反対側の外周方向（奥行き方向）に広がる幅広の底部と、開口部から底部へとその開口幅（壁間距離）を徐々に広くして両者を連設する傾斜部とからなる隔壁１８ｃで囲まれた空間として形成されている（図６（ｂ）参照）。各々の収容部７２ｂ，７２ｃ，７２ｄ，７２ｄは、全体として、一部が中央連通部７２ｅに開口された貝殻状を呈しており、団扇にも近い形状を有している。
【００３６】
さらに、図６（ｂ）に示すように、第二接続金具３３の金具本体部３３ｃの後端縁は、セラミックセパレータ１８の端子収容穴７２の開口側端面（前端面）において、隔壁１８ｃの前端面に当接している。一方、第一接続金具２３の金具本体部２３ｃの後端縁は、第二接続金具３３の金具本体部３３ｃ及びピッチ円Ｐよりも内側にて、隔壁１８ｃの前端面に当接している。また、隣接する挿通孔１８ａの間に形成される隔壁１８ｃは、各々ピッチ円Ｐよりも内側に張り出して形成されている。そして、中央連通部７２ｅはその内径が発熱体３の外径よりも大きく設定されて発熱体端部収容穴を兼ねており、発熱体３の後端面３ｃ（発熱体端面）は、端子収容穴７２の前端側から軸心に沿って底面１８ｅ（セパレータ底面）に当接するまで挿入される。これにより組立時の発熱体３の軸線方向の位置決めを容易にするとともに、酸素センサ１の全長が短くなり、センサ寸法のコンパクト化が実現されている。
【００３７】
ところで、セラミックセパレータ１８の前半部においては、その前端部側からみて（図６（ｂ））、４個の挿通孔１８ａは、ピッチ円Ｐよりも内側において、端子収容穴７２と重なり合う（含まれる）形態で、一体化されている。具体的には、挿通孔１８ａの各々の軸線方向前端側が、底面１８ｅの外縁１８ｅ１において中央連通部（発熱体端部収容穴）７２ｅに連通開口して、この中央連通部７２ｅと重なり合い、一体化する。一方、セラミックセパレータ１８の後半部においては、中心軸線Ｏ２を包含し、かつ４個の挿通孔１８ａと、底面１８ｅとで囲まれる形態で、柱状（例えば円柱状、多角柱状等）に立ち上がる中心骨格部１８ｆが形成されている。つまり、底面１８ｅは中心骨格部１８ｆの先端面を形成することになる。
【００３８】
図７はグロメット１７と通気部５３との組立状態を示す。グロメット１７には、検出素子側リード線２０，２１及び発熱体側リード線１９，２２を挿通するための２個ずつの検出素子側リード線挿通孔１７ａ１，１７ａ１及び発熱体側リード線挿通孔１７ａ２，１７ａ２（以下、これらを総称するとき挿通孔１７ａという）がその内部に軸線方向に貫通して設けられている。グロメット１７の径方向中央部には中央貫通孔１７ｂが設けられ、この中央貫通孔１７ｂに通気部５３が嵌入されている。グロメット１７の挿通孔１７ａ、中央貫通孔１７ｂ及び外周面１７Ａは、これら通気部５３及びリード線１９，２０，２１，２２の外面と外筒１６の後端開口部１６Ｒ内壁との間をシールする。通気部５３をグロメット１７に設けることで、通気部５３を相対的に高位置に設けることが容易になり、水滴が侵入しにくく防水性が高くなる。 
【００３９】
通気部５３は、フィルタ５３Ａとフィルタ支持金具５３Ｂとから構成されている。フィルタ５３Ａは、軸線方向に延びる円筒状周面部５３Ａ１と、周面部５３Ａ１に対して後端部で蓋状に連接され、軸線方向に外気を導く通気端面部５３Ａ２とを有し、全体が軸方向断面にて逆Ｕ字状を呈している。そして、円筒状のフィルタ支持金具５３Ｂは、前端部に鍔部５３Ｂ２を有し、軸線方向に延びる円筒状周面部５３Ｂ１がフィルタ５３Ａの円筒状周面部５３Ａ１内部に嵌合して、フィルタ５３Ａを内側から支持し、外筒１６の小径部１６ｃを加締めてグロメット加締部１６Ｂを形成するときにフィルタ５３Ａの円筒状周面部５３Ａ１が破壊しないよう支えている。フィルタ５３Ａ等の通気部５３をグロメット１７に設けることで、酸素センサ１の中で最も高温に晒される部位である酸素検出素子２の検出部から通気部５３をできるだけ遠ざけることができ、フィルタ５３Ａの耐熱性に有利である。
【００４０】
フィルタ５３Ａ又はフィルタ支持金具５３Ｂには各々内外の周面に軸線方向に沿うテーパ等の傾斜を設けて嵌合を強固なものとすることができる。フィルタ５３Ａは、図７の状態から１８０゜回転させて通気端面部５３Ａ２を底部（前端部）に位置させることもできるが、水等の侵入を防止する意味において、グロメット１７の後端面と通気端面部５３Ａ２とがほぼ面一になる図７の状態がより望ましい。なお、フィルタ５３Ａは、例えばポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）の多孔質繊維構造体（商品名：例えばゴアテックス（ジャパンゴアテックス（株）））等により、水滴等の水を主体とする液体の透過は阻止し、かつ空気及び／又は水蒸気などの気体の透過は許容する撥水性フィルタとして構成されている。
【００４１】
上記酸素センサ１において、基準ガスとしての大気はフィルタ５３Ａの通気端面部５３Ａ２（通気部）→セラミックセパレータ１８の通気溝１８ｂ→検出素子側リード線挿通孔１８ａ１，１８ａ１と検出素子側リード線２０，２１との隙間Ｋ→中空部２ａを経て酸素検出素子２の内面（内部電極層２ｃ）に導入される（図２矢印Ｒ参照）。一方、酸素検出素子２の外面（外部電極層２ｂ）にはプロテクタ１１のガス透過口１２を介して導入された排気ガスが接触し、酸素検出素子２には、その内外面の酸素濃度差に応じて酸素濃淡電池起電力が生じる。そして、この酸素濃淡電池起電力を、排気ガス中の酸素濃度の検出信号として内外電極層２ｃ，２ｂ（図２、図３）から第一及び第二端子金具２３，３３並びに検出素子側リード線２１，２０を介して取り出すことにより、排気ガス中の酸素濃度を検出できる。
【００４２】
図８は、セラミックセパレータ１８と発熱体３との組み付け状態を示す第一参考例の縦断面図である。セパレータ底面１８ｅと発熱体端面３ｃとが中央連通部７２ｅにおいて対向状に配置され、このうちセパレータ底面１８ｅには、平面状の発熱体端面３ｃ側に向けて球面状に突出する突出面Ｆ１が形成されている。これによって、この突出面Ｆ１の先端において、セパレータ底面１８ｅと発熱体端面３ｃとは点状接触状態にて当接し、接触面積が小さくなるため、これらの面でチッピング、クラック等は発生しにくくなる。
【００４３】
ヒータ端子３ｂは、発熱体３の後端側に固定された基端部３ｂ１に続く中間部が、セパレータ１８の底面外縁１８ｅ１に対して径方向外側に階段状（例えばＬ形クランク状）に拡開して拡開部３ｂ２を形成している。この拡開部３ｂ２は、セパレータ１８の中心軸線Ｏ２と直交する向きにおいて、ヒータ端子３ｂと底面外縁１８ｅ１との間に所定の隙間を形成する。この隙間によってヒータ端子３ｂと底面外縁１８ｅ１との接触・干渉が防止され、ヒータ端子３ｂがヒータ端子収容部７２ｄ及び発熱体側リード線挿通孔１８ａ２へスムーズに挿入されるので、拡開部３ｂ２は隙間形成部Ｓとしての機能を有している。なお、このヒータ端子３ｂの拡開部３ｂ２は、上記挿入工程前に予め曲げ等の加工によって塑性変形させておけば、組み付け作業が能率的に行える。
【００４４】
図９に、セラミックセパレータ１８と発熱体３との組み付け状態の第一実施例を示す。この実施例では、発熱体端面３ｃに、セパレータ底面１８ｅ側に向けて球面状に突出する突出面Ｆ１を形成するとともに、セパレータ底面１８ｅに突出面Ｆ１に対応した球面状の凹状面Ｆ２を形成している。そして、発熱体端面３ｃに形成される突出面Ｆ１の曲率半径Ｒ１よりもセパレータ底面１８ｅに形成される凹状面Ｆ２の曲率半径Ｒ２を大として、ピボット軸受状の構成を有している。これによって、発熱体端面３ｃとセパレータ底面１８ｅとがスムーズに相対回転でき、発熱体３とセパレータ１８との間にこじれが発生しにくくなる。
【００４５】
セパレータ底面１８ｅの外縁１８ｅ１には、中心軸線Ｏ２に対して所定の傾きを有する面取り１８ｅ２を施してあり、隙間形成部Ｓを形成している。ヒータ端子３ｂと底面外縁１８ｅ１との接触・干渉が防止され、また、チッピング、クラック等の発生及び脱落破片の飛散が防止できる。さらに、次のような製造工程上の利点もある。すなわち、セラミック製のセパレータ１８の焼成前の成形体を金型成形により製造する場合、端子収容穴７２と挿通孔１８ａとは別体のマンドレルにより形成されることが多い。このとき、セパレータ１８の底面外縁１８ｅ１には、これらマンドレルの合わせ面が位置し、合わせ面の隙間に粉末が圧入されて成形体にバリが発生することがある。そこで、セパレータ１８の底面外縁１８ｅ１に面取りを施しておけば、仮にバリが発生しても、その破片等がセパレータ底面１８ｅ上に付着して不要な突起等が形成される不具合を生じにくくすることができる。
【００４６】
さらに、中心骨格部１８ｆには、発熱体側リード線挿通孔１８ａ２内に突出する凸部１８ｆ１を、中心軸線Ｏ２と直交状に形成して、隙間形成部Ｓとしてある。ヒータ端子３ｂをこの凸部１８ｆ１で支持させて、底面外縁１８ｅ１から離間した状態で発熱体側リード線挿通孔１８ａ２に挿入すれば、ヒータ端子３ｂの拡開部３ｂ２は弾性変形により徐々に拡開し、ヒータ端子３ｂはスムーズに挿入される。
【００４７】
また図１０では、セラミックセパレータ１８と発熱体３との組み付け状態の第二参考例を表わしている。この参考例では、発熱体端面３ｃとセパレータ底面１８ｅとに、相手側に向けて球面状に突出する突出面Ｆ１，Ｆ１をそれぞれ形成している。両突出面Ｆ１，Ｆ１の先端において、点接触状態が一層得やすくなり、チッピング、クラック等の発生が抑えられる。
【００４８】
また、図１０では、発熱体側リード線挿通孔１８ａ２及びヒータ端子収容部７２ｄと中央連通部７２ｅとの間に仕切り壁１００が形成され、この仕切り壁１００に径方向の連通孔１０１を開口して、発熱体側リード線挿通孔１８ａ２と中央連通部７２ｅとを連通させてある。そして、ヒータ端子３ｂには、セパレータ１８の底面外縁１８ｅ１に対して径方向外側にテーパー状（例えばへの字状）に拡開する拡開部３ｂ２を形成して、隙間形成部Ｓとしている。この場合のヒータ端子３ｂの拡開部３ｂ２は、ヒータ端子収容部７２ｄ及び発熱体側リード線挿通孔１８ａ２への挿入工程前に塑性変形させておくとよい。
【００４９】
次に、図８に示した第一参考例の変更例を図１１に示す。このうち、図１１（ａ）に示す第二実施例では、セパレータ底面１８ｅ及び発熱体端面３ｃの外縁１８ｅ１，３ｃ１におけるチッピング、クラック等を防止するため、面取り１８ｅ２，３ｃ２を形成した例を示す。同（ｂ）に示す第三参考例では、セパレータ底面１８ｅに、発熱体端面３ｃ側に向けて球面状に突出する突出面Ｆ１（曲率半径Ｒ１）を形成するとともに、発熱体端面３ｃに突出面Ｆ１に対応した球面状の凹状面Ｆ２（曲率半径Ｒ２≧Ｒ１）を形成している。なお、この場合の発熱体端面３ｃの外周部には、面取り３ｃ２を施す（詳細例１参照）か、又は半径ｒの球状面を形成する（詳細例２参照）とよい。
【００５０】
さらに、図９に示した第一実施例の変更例を図１２に示す。このうち、図１２（ａ）に示す第三実施例では、発熱体端面３ｃに、セパレータ底面１８ｅ側に向けて球面状に突出する突出面Ｆ１を形成するとともに、セパレータ底面１８ｅは平面状に形成している。同（ｂ）に示す第四参考例では、隙間形成部Ｓとして、図９の中心骨格部１８ｆに凸部１８ｆ１を形成する代わりに、ヒータ端子３ｂに弾性支持部３ｂ３を形成している。この弾性支持部３ｂ３は、ヒータ端子３ｂに形成され、中心軸線Ｏ２方向後方側に位置する一方の端から前方側に延び、方向転換部を経て後方側の他方の端に至る切れ目３ｂ４の内側に位置する舌片３ｂ５を、後方側に位置させた引き起こし支軸３ｂ６を支点として、発熱体３の挿入方向に引き起こして形成される。弾性支持部３ｂ３の弾発力によって、ヒータ端子３ｂの発熱体側リード線挿通孔１８ａ２からの飛び出しを防止している。
【００５１】
なお、図１１及び図１２において対応図（図８又は図９）と共通する部分には同一符号を付して説明を省略した。また、図１２（ｂ）において、Ｘ２部の拡大図は図９と共通である。
【図面の簡単な説明】
【００５２】
【図１】本発明に係る酸素センサの一実施例を表わす縦断面図。
【図２】図１の酸素センサの一部拡大縦断面図。
【図３】セラミックセパレータへの組み付け状態を示す分解斜視図。
【図４】酸素検出素子への発熱体の組み付け状態を示す縦断面図。
【図５】外筒の平面図及び正面半断面図。
【図６】セラミックセパレータの平面図、底面図並びにＡ−Ａ及びＢ−Ｂ断面図。
【図７】グロメットと通気部との組み付け状態を示す分解斜視図。
【図８】セラミックセパレータと発熱体との組み付け状態を示す第一参考例の縦断面図。
【図９】セラミックセパレータと発熱体との組み付け状態を示す第一実施例の縦断面図。
【図１０】セラミックセパレータと発熱体との組み付け状態を示す第二参考例の縦断面図。
【図１１】図８の変更例を示す縦断面図。
【図１２】図９の変更例を示す縦断面図。
【符号の説明】
【００５３】
１          酸素センサ
２          酸素検出素子
２ａ        中空部
３          発熱体
３ａ        発熱部
３ｂ        ヒータ端子
３ｂ１      基端部
３ｂ２      拡開部
３ｂ３      弾性支持部
３ｂ４      切れ目
３ｂ５      舌片
３ｂ６      引き起こし支軸
３ｃ        後端面（発熱体端面）
３ｃ１      外縁
３ｃ２      面取り
９          主体金具
１６        外筒
１７        グロメット
１７ａ１    検出素子側リード線挿通孔
１７ａ２    発熱体側リード線挿通孔
１８        セラミックセパレータ（セパレータ）
１８ａ１    検出素子側リード線挿通孔
１８ａ２    発熱体側リード線挿通孔（リード線挿通孔）
１８ｅ      底面（セパレータ底面）
１８ｅ１    外縁（底面外縁）
１８ｅ２    面取り（面取り部）
１８ｆ      中心骨格部
１８ｆ１    凸部
２０，２１  検出素子側リード線
１９，２２  発熱体側リード線（リード線）
２３        第一端子金具（押圧部材）
７２        端子収容穴
７２ｅ      中央連通部（発熱体端部収容穴）
Ｆ１        突出面
Ｆ２        凹状面
Ｓ          隙間形成部
Ｏ１        発熱体の中心軸線
Ｏ２        セパレータの中心軸線
Ｒ１        突出面Ｆ１の曲率半径
Ｒ２        凹状面Ｆ２の曲率半径
【図１】
0004399509.tif 000002
【図２】
0004399509.tif 000003
【図３】
0004399509.tif 000004
【図４】
0004399509.tif 000005
【図５】
0004399509.tif 000006
【図６】
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【図７】
0004399509.tif 000008
【図８】
0004399509.tif 000009
【図９】
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【図１０】
0004399509.tif 000011
【図１１】
0004399509.tif 000012
【図１２】
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