センサの振動測定方法
【課題】センサに生じる振動を振動検出器で正確に測定できるセンサの振動測定方法を提供する。
【解決手段】この振動測定方法では、ガスセンサ１の重量に対して重量比±１％以下の振動検出器１００をガスセンサ１に貼り付ける。これによりガスセンサ１が振動する際に、振動検出器１００の重さによる加速度Ｇのずれや、共振周波数のずれを最小限に抑えることができるので、ガスセンサ１の振動を正確に測定できる。また重量比±１．０％未満の小型の振動検出器を用いるため、自動車の排気管のような狭い空間内でも余裕をもって取り付けられる。更に振動検出器１００は、外筒３０の外周面におけるグロメット７５に相当する位置に貼り付ける。これにより、排気管の剛性の影響まで含んだガスセンサ１の振動状態を最も精度良く測ることができる。
【解決手段】この振動測定方法では、ガスセンサ１の重量に対して重量比±１％以下の振動検出器１００をガスセンサ１に貼り付ける。これによりガスセンサ１が振動する際に、振動検出器１００の重さによる加速度Ｇのずれや、共振周波数のずれを最小限に抑えることができるので、ガスセンサ１の振動を正確に測定できる。また重量比±１．０％未満の小型の振動検出器を用いるため、自動車の排気管のような狭い空間内でも余裕をもって取り付けられる。更に振動検出器１００は、外筒３０の外周面におけるグロメット７５に相当する位置に貼り付ける。これにより、排気管の剛性の影響まで含んだガスセンサ１の振動状態を最も精度良く測ることができる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、内燃機関に取り付けられるセンサ自身に生ずる振動を測定するためのセンサの振動測定方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、内燃機関の空燃比フィードバック制御に用いるため、排気ガス中の特定ガス成分（例えば酸素など）の濃度を検出するセンサ素子を備えたガスセンサが知られている（例えば、特許文献１参照。）。このようなガスセンサは燃焼室から排出される排気ガスの排気管に取り付けて使用されるため、内燃機関の稼働に伴う振動が排気管を介して伝播されるとガスセンサは固有の揺れの形態で振動し（いわゆる振動モード）、伝播された振動の振動周波数がガスセンサの固有振動数と一致すると共振を生ずる。
【０００３】
つまり、ガスセンサを開発するにあたって、こうした振動モードがガスセンサの構成部品に与える影響を考慮した設計を行う必要があるため、ガスセンサに生ずる振動の測定が行われている。例えば、振動検出器を内蔵した振動測定用の治具を作製し、その治具を、排気管のガスセンサの取付部にガスセンサの代わりに取り付けて、振動の測定が行われている。
【特許文献１】特開平１１−１９０７１６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、ガスセンサに生ずる振動を測定するための治具として、例えば中空の栓部材に振動検出器を貼りつけたものを用いた場合、ガスセンサとは構造が異なるため固有振動数が異なり、ガスセンサの振動モードが再現されない。場合によってはガスセンサが取り付けられる排気管に生ずる振動が測定されてしまうことがあり、ガスセンサの振動を正確に測定することが難しいという問題があった。また、ガスセンサに直接、振動検出器を貼りつけたとしても、振動検出器付きのガスセンサの固有振動数がガスセンサ単体の固有振動数と異なってしまうため、ガスセンサに生ずる振動を正確に測定できなくなる虞があった。
【０００５】
その他の振動測定方法として、例えばガスセンサにレーザを照射した際の反射光を検出して振動を測定する方法が知られている。このような方法を用いればガスセンサの振動を正確に測定することが可能ではあるが、そのための測定装置を設置するためのスペースを確保することは困難であり、実車におけるガスセンサの振動の測定は難しかった。
【０００６】
本発明は、上記課題を解決するためになされたものであり、センサに生じる振動を振動検出器で正確に測定できるセンサの振動測定方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記目的を達成するために、請求項１に係る発明のセンサの振動測定方法は、内燃機関に取り付けられたセンサに生じる振動を測定するためのセンサの振動測定方法であって、前記センサに対する重量比が±１％以下の振動検出器を、前記センサに取り付け、前記振動検出器の検出結果に基づいて、前記センサの振動を測定することを特徴とする。
【０００８】
また、請求項２に係る発明のセンサの振動測定方法は、請求項１に記載の発明の構成に加え、前記センサは、前記内燃機関の吸気系に設けられる吸気センサ、又は前記内燃機関の排気系に設けられる排気センサであることを特徴とする。
【０００９】
また、請求項３に係る発明のセンサの振動測定方法は、請求項２に記載の発明の構成に加え、前記センサは、軸線方向に延びると共に自身の先端部に被測定ガス中の特定ガス成分を測定する検出部を有する長尺状のセンサ素子と、当該センサ素子の先端部を突出させつつ、前記センサ素子の径方向周囲を取り囲む筒状の主体金具と、当該主体金具に固定され、前記センサ素子の後端部の径方向周囲を取り囲む筒状の外筒とを備え、前記振動検出器は、前記外筒の外表面に取り付けられることを特徴とする。
【００１０】
また、請求項４に係る発明のセンサの振動測定方法は、請求項３に記載の発明の構成に加え、前記センサ素子からの出力を取り出す信号線が、前記外筒の後端開口部から外部に延出されるとともに、前記外筒の前記後端開口部内側には、前記信号線と前記外筒の内表面との間を封止する封止部材が設けられ、前記振動検出器は、前記封止部材の位置に対応する前記外筒の前記外表面に取り付けられることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１１】
請求項１に係る発明のセンサの振動測定方法では、振動検出器のセンサに対する重量比を±１％以下に規定している。これにより、センサ単体の振動に対する振動検出器の重量の影響を低減でき、センサの振動を良好に測定できる。また、振動検出器は、レーザードップラー計に比べて小型であるので、自動車の排気管のような狭い空間でも取り付け可能であると共に、レーザードップラー計と同レベルの測定結果を得ることができる。なお、「センサの振動を測定する」とはセンサの振動周波数及び／又はＧ（加速度）を測定することである。
【００１２】
また、請求項２に係る発明のセンサの振動測定方法では、請求項１に記載の発明の効果に加え、内燃機関の吸気系や排気系に設けられる吸気センサ、又は排気センサを測定対象としている。内燃機関の稼働に伴って振動する吸気管に取り付けられる吸気センサや、排気管に取り付けられる排気センサは固有の形態で振動し、その振動周波数がセンサの固有振動数と一致すると共振を生ずる。そこで本発明の振動測定方法を用いることによって、吸気センサ又は排気センサの振動をより正確に測定できる。
【００１３】
また、請求項３に係る発明のセンサの振動測定方法では、請求項２に記載の発明の効果に加え、振動検出器は、センサの後端側に位置する外筒の外表面に取り付けられる。例えば、主体金具に振動検出器を固定すると、振動源の１つである排気管の近くに振動検出器が固定されるため、排気管の剛性の影響まで含んだセンサの振動状態を精度良く計測できない虞がある。これに対し、排気管から離れた外筒の外表面に振動検出器を取り付けることで、排気管の剛性の影響まで含んだセンサの振動状態を精度良く測ることができる。
【００１４】
また、請求項４に係る発明のセンサの振動測定方法では、請求項３に記載の発明の効果に加え、封止部材は、熱劣化の観点からセンサの中で最も排気管から離れた外筒の後端開口部の内側に設けられる。よって、この封止部材が設けられる位置の外筒の外表面に振動検出器を取り付けることで、排気管の剛性の影響まで含んだセンサの振動状態を最も精度良く測ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
以下、本発明の一実施の形態であるガスセンサ１の振動測定方法について、図面を参照して説明する。まず、測定対象であるガスセンサ１の構造について、図１を参照して説明する。図１は、ガスセンサ１の構造を示す縦断面図である。なお、図１において、ガスセンサ１の軸線Ｏ方向（１点鎖線で示す。）を上下方向として図示し、内部に保持するセンサ素子１０の検出部１１側をガスセンサ１の先端側、後端部１２側をガスセンサ１の後端側として説明する。
【００１６】
図１に示すガスセンサ１は、図示しない自動車の排気管に取り付けられて使用されるものである。このガスセンサ１は、内部に保持するセンサ素子１０の検出部１１が排気管内を流通する排気ガス中に晒されて、その排気ガス中の酸素濃度から排気ガスの空燃比を検出する全領域空燃比センサである。
【００１７】
まず、センサ素子１０は、軸線Ｏ方向に延びる細幅の板状形状をなし、酸素濃度の検出を行うガス検出体と、そのガス検出体を早期活性化させるために加熱を行うヒータ体とが互いに貼り合わされ、一体化されたものである（図１では、紙面左右方向を板厚方向、紙面表裏方向を板幅方向として図示。）。ガス検出体はジルコニアを主体とする固体電解質体と、白金を主体とする検出電極と（共に図示外）から構成されている。その検出電極は、センサ素子１０の先端側の検出部１１に配置されている。そして、検出電極を排気ガスによる被毒から保護するために、センサ素子１０の検出部１１には、その外周面を包むように保護層１５が形成されている。また、センサ素子１０の後端側の後端部１２には、ガス検出体やヒータ体から電極を取り出すための５つの電極パッド１６（図１ではそのうちの１つを図示。）が形成されている。
【００１８】
また、センサ素子１０の胴部１３の中央よりやや先端側には、有底筒状をなす金属製の金属カップ２０が、自身の内部にセンサ素子１０を挿通させ、その検出部１１を筒底の開口２５から突出させた状態で配置されている。金属カップ２０は主体金具５０内にセンサ素子１０を保持するための部材である。その筒底の縁部分の先端周縁部２３は外周面にかけてテーパ状に形成されている。この金属カップ２０内には、アルミナ製のセラミックリング２１と滑石粉末を圧縮して固めた滑石リング２２とが、自身をセンサ素子１０に挿通させた状態で収容されている。滑石リング２２は金属カップ２０内で押し潰されて細部に充填されている。これにより、センサ素子１０が金属カップ２０内で位置決めされて保持されている。
【００１９】
さらに、金属カップ２０と一体となったセンサ素子１０は、その周囲を筒状の主体金具５０に取り囲まれて保持されている。主体金具５０はガスセンサ１を自動車の排気管（図示外）の所定部に取り付けて固定するためのものである。主体金具５０は、ＳＵＳ４３０等の低炭素鋼からなる。主体金具５０の外周先端側には、排気管への取り付け用の雄ねじ部５１が形成されている。この雄ねじ部５１よりも先端側には、後述するプロテクタ８が係合される先端係合部５６が形成されている。また、主体金具５０の外周中央には取り付け用の工具が係合する工具係合部５２が形成されている。その工具係合部５２の先端面と雄ねじ部５１の後端との間には、排気管に取り付けた際のガス抜けを防止するためのガスケット５５が嵌挿されている。さらに、工具係合部５２の後端側には、後述する外筒３０が係合される後端係合部５７が形成されている。その後端側には、主体金具５０内にセンサ素子１０を加締め保持するための加締め部５３が形成されている。
【００２０】
また、主体金具５０の内周で雄ねじ部５１付近には段部５４が形成されている。この段部５４には、センサ素子１０を保持する金属カップ２０の先端周縁部２３が係止されている。更に、主体金具５０の内周には滑石リング２６が、自身をセンサ素子１０に挿通させた状態で、金属カップ２０の後端側から装填されている。そして、滑石リング２６を後端側から押さえるように、筒状のスリーブ２７が主体金具５０内に嵌め込まれている。スリーブ２７の後端側外周には段状をなす肩部２８が形成されており、その肩部２８には、円環状の加締めパッキン２９が配置されている。
【００２１】
この状態で主体金具５０の加締め部５３が、加締めパッキン２９を介してスリーブ２７の肩部２８を先端側に向けて押圧するように加締められている。スリーブ２７に押圧された滑石リング２６は、主体金具５０内で押し潰されて細部にわたって充填されている。この滑石リング２６と、金属カップ２０内にあらかじめ装填された滑石リング２２とによって、金属カップ２０およびセンサ素子１０が主体金具５０内で位置決め保持される。主体金具５０内の気密は、加締め部５３とスリーブ２７の肩部２８との間に介在される加締めパッキン２９によって維持されるため、燃焼ガスの流出が防止される。
【００２２】
ところで、センサ素子１０は、その後端部１２が主体金具５０の後端（加締め部５３）よりも後方に突出されている。その後端部１２には、絶縁性セラミックスからなる筒状のセパレータ６０が被せられている。セパレータ６０は、センサ素子１０の後端部１２に形成された５つの電極パッド１６とそれぞれ電気的に接続される５つの接続端子６１（図１ではそのうちの１つを図示している。）を内部に保持すると共に、それら各接続端子６１と、ガスセンサ１の外部に引き出される５本のリード線６５（図１ではそのうちの３本を図示している。）との各接続部分を収容して保護している。
【００２３】
そして、セパレータ６０が嵌められたセンサ素子１０の後端部１２の周囲を囲うように、筒状の外筒３０が配設されている。外筒３０はステンレス（例えばＳＵＳ３０４）製であり、主体金具５０の後端係合部５７の外周に自身の先端側の開口端３１が係合されている。その開口端３１は、外周側から加締められ、更に外周を一周してレーザ溶接が施されて後端係合部５７に接合されており、外筒３０と主体金具５０とが一体に固定されている。
【００２４】
また、外筒３０とセパレータ６０との間の間隙には、金属製で筒状の保持金具７０が配設されている。保持金具７０は自身の後端を内側に折り曲げて構成した支持部７１を有し、自身の内部に挿通されるセパレータ６０の後端側外周に鍔状に設けられた鍔部６２を支持部７１に係止させて、セパレータ６０を支持している。この状態で、保持金具７０が配置された部分の外筒３０の外周面が加締められ、セパレータ６０を支持した保持金具７０が外筒３０に固定されている。
【００２５】
次に、外筒３０の後端側の開口には、フッ素系ゴム製のグロメット７５が嵌合されている。グロメット７５は５つの挿通孔７６（図１ではそのうちの１つを図示している。）を有し、各挿通孔７６に、セパレータ６０から引き出された５本のリード線６５が気密に挿通されている。この状態でグロメット７５は、セパレータ６０を先端側に押圧しつつ、外筒３０の外周から加締められて、外筒３０の後端に固定されている。
【００２６】
一方、主体金具５０に保持されたセンサ素子１０の検出部１１は、主体金具５０の先端部（先端係合部５６）より突出されている。この先端係合部５６には、センサ素子１０の検出部１１を、排気ガス中のデポジット（燃料灰分やオイル成分など被毒性の付着物質）による汚損や被水などによる折損等から保護するためのプロテクタ８が嵌められ、スポット溶接やレーザ溶接によって固定されている。
【００２７】
プロテクタ８は、側面に複数の孔を有した有底筒状の内側プロテクタ９０と、内側プロテクタ９０の外周面との間に空隙を有した状態で内側プロテクタ９０の径方向周囲を取り囲む筒状をなし、側面に複数の孔を有した外側プロテクタ８０とから構成される２重構造を有する。
【００２８】
次に、上記構成からなるガスセンサ１の振動測定方法について、図２を参照して説明する。図２は、ガスセンサ１の振動測定方法を示す図である。ガスセンサ１の振動測定には、ガスセンサ１を振動させる加振器１２０と、ガスセンサ１の振動を測定する振動測定器１１０とが使用される。加振器１２０には治具１２１を介してガスセンサ１が固定される。振動測定器１１０は、圧電式の振動検出器１００と、チャージアンプ１２５と、ＦＦＴアナライザー１２６とから構成されている。振動検出器１００は１軸同時方向の振動を検出して電荷信号に変換する機器である。チャージアンプ１２５は、振動検出器１００に信号線１０１を介して接続され、振動検出器１００から出力される電荷信号を電圧信号に変化するための機器である。
【００２９】
また、ＦＦＴアナライザー１２６は、チャージアンプ１２５に接続され、チャージアンプ１２５から出力された電圧信号の信号波形を周波数軸の信号に変換して表示する機器である。このＦＦＴアナライザー１２６では、チャージアンプ１２５から出力された信号波形がディジタル的（離散的）にサンプリングされ、データとして記憶される。そして、そのデータからＦＦＴを使って短時間でフーリエ係数が求められてその結果が表示される。ここでＦＦＴとは、高速フーリエ変換のことをいい、時系列信号を周波数軸の信号に変換する方式を意味する。
【００３０】
次に、振動検出器１００の固定位置について、図１を参照して説明する。ガスセンサ１の振動は、振動検出器１００を固定する位置によって異なる。例えば、主体金具５０に振動検出器１００を固定すると、振動源の１つである自動車の排気管の近くに振動検出器１００が固定されるため、自動車の排気管の剛性の影響まで含んだガスセンサ１の振動状態を精度良く計測できない虞がある。また、ガスセンサ１の先端側は自動車の排気管の内側に晒されて高温になるため、振動検出器１００を固定することができない。これに対し、排気管から最も離れる部位に振動検出器１００を取り付けることで、排気管の剛性の影響まで含んだガスセンサ１の振動状態を精度良く測ることができる。
【００３１】
そこで、主体金具５０よりも後端側である外筒３０の外周面において、外筒３０の後端側の開口を封止するグロメット７５に相当する位置に振動検出器１００を接着剤で固定する。この外筒３０のグロメット７５に相当する位置に振動検出器１００を固定することによって、排気管の剛性の影響まで含んだガスセンサ１の振動状態を最も精度良く測ることができる。
【００３２】
次に、振動検出器１００を取り付けた場合のガスセンサ１の振動に与える影響について、図３乃至図５を参照して説明する。図３は、加速度Ｇのずれを示した概念図であり、図４は、共振周波数のずれを示した概念図であり、図５は、ガスセンサ１の振動における加速度Ｇと周波数との関係を示したチャート図である。
【００３３】
まず、ガスセンサ１に振動検出器１００を取り付けた場合、その重さの作用によって、ガスセンサ１の振動特性が変化する。具体的には、外部振動によって振動するガスセンサ１に加わる加速度Ｇと共振周波数（Ｈｚ）とがずれるといった影響が考えられる。例えば、加速度Ｇのずれについては、図３に示すように、ガスセンサ１の重量が重くなるほど加速度Ｇは大きくなるので、プラス（＋）方向にずれる。その反対に、重量が軽くなるほど加速度Ｇは小さくなるので、マイナス（−）方向にずれる。一方、共振周波数のずれについては、図４に示すように、ガスセンサ１の重量が重くなるほど共振周波数は低周波側にずれる。その反対に、重量が軽くなるほど共振周波数は高周波側にずれる。従って、ガスセンサ１に振動検出器１００を貼り付けた場合は、ガスセンサ１の重量が重くなるので、加速度Ｇはプラス（＋）方向にずれ、共振周波数は低周波側にずれる影響が懸念される。
【００３４】
ここで、ガスセンサ１に重量比の異なる振動検出器１００を貼り付けた場合の加速度Ｇのずれについて検証する。図２に示すように、本体重量３５ｇのガスセンサ１に重量０．２ｇ（重量比０．６％）、０．６ｇ（重量比１．７％）、２．４ｇ（重量比６．９％）の３種類の振動検出器１００をそれぞれ貼り付けて加速度Ｇを測定し、レーザードップラー計１３０による測定結果との比較を行った。レーザードップラー計１３０は、物体にレーザー（電磁波）を当てて物体の速さを計測する装置であり、振動測定器１１０と同様に、ＦＦＴアナライザー１３１によって測定結果が表示される。なお、レーザードップラー計１３０から照射されるレーザーは、ガスセンサ１の振動検出器１００が貼り付けられる外筒３０の後端部に照準を合わせている。これにより、測定部位による振動の誤差を無くすことができる。そして、振動検出器１００が貼り付けられていないガスセンサ１をレーザードップラー計１３０で測定した結果を基準として評価した。
【００３５】
図５に示すように、レーザードップラー計１３０による加速度Ｇの測定結果に対して、振動検出器１００が重ければ重いほど（ガスセンサ１に対する重量比が高ければ高いほど）、ガスセンサ１に加わる加速度Ｇは高くなる傾向を示した。つまり、ガスセンサ１の振動を振動検出器１００を用いて測定する場合、振動検出器１００の重さがガスセンサ１の固有の振動に影響することが実証された。そこで、振動検出器１００を用いる振動測定方法において、レーザードップラー計１３０による振動結果とほぼ同レベルの結果が得られる条件を導き出すために以下の３つの試験を行った。
【００３６】
（試験１）
まず、試験１について説明する。試験１では、加速度Ｇのずれによるガスセンサ１にかかる負荷の変動について調べた。この試験には、上記した加振器１２０と振動測定器１１０とを用いた。まず、振動検出器１００を取り付けていないガスセンサ１を４５時間振動させ、２４本中１２本のガスセンサ１が出力断線する所定振動周波数Ｈｚ及び所定加速度Ｇを基準条件とした。これは、部品生存率が５０％である所定振動周波数Ｈｚ及び所定加速度Ｇを基準条件とするためである。そして、加振器１２０による振動を調整することで、基準条件の加速度Ｇに対して、加速度Ｇを−１０％、−５％、＋５％、＋１０％それぞれずらして同じ振動条件後の部品生存率（％）を各々算出した。
【００３７】
試験１の結果について、図６を参照して説明する。図６は、加速度Ｇのずれと部品生存率（％）との関係を示した表である。基準条件の部品生存率が５０％に対し、加速度Ｇが−１０％ずれたガスセンサ１の部品生存率は８０％であった。加速度Ｇが−５％ずれたガスセンサ１の部品生存率は５０％であった。加速度Ｇが＋５％ずれたガスセンサ１の部品生存率は５０％であった。加速度Ｇが＋１０％ずれたガスセンサ１の部品生存率は１５％であった。つまり、ガスセンサ１に加わる加速度Ｇが大きければ大きいほど、ガスセンサ１にかかる負荷は大きくなるため、部品生存率が低くなったと推測される。一方、ガスセンサ１に加わる加速度Ｇが小さければ小さいほど、ガスセンサ１にかかる負荷は小さくなるため、部品生存率が高くなったと推測される。
【００３８】
以上の結果より、測定した加速度Ｇが実際の加速度Ｇよりも高い方にずれている場合には、測定対象物であるガスセンサ１に対して厳しい評価を下すことになる。その反対に実際の加速度Ｇよりも低い方にずれている場合には、ガスセンサ１に対し緩い評価を下すことになる。従って、加速度Ｇのずれが少なくとも±５％の範囲内にあれば、基準条件と同じ部品生存率が得られるため、正しい評価ができることがわかった。
【００３９】
（試験２）
次に、試験２について説明する。試験２では、共振周波数のずれによるガスセンサ１にかかる負荷の変動について調べた。この試験にも、上記した加振器１２０と振動測定器１１０とを用いた。なお、ガスセンサ１の振動条件と基準条件とは試験１と同じである。そして、加振器１２０による振動を調節することによって、基準条件の共振周波数に対して、共振周波数を−５％、−１％、＋１％、＋５％それぞれずらして同じ振動条件後の部品生存率（％）を各々算出した。
【００４０】
試験２の結果について、図７を参照して説明する。図７は、共振周波数のずれと部品生存率（％）との関係を示した表である。基準条件の部品生存率が５０％に対し、共振周波数が−５％ずれたガスセンサ１の部品生存率は１０％であった。共振周波数が−１％ずれたガスセンサ１の部品生存率は５０％であった。共振周波数が＋１％ずれたガスセンサ１の部品生存率は５０％であった。共振周波数が＋５％ずれたガスセンサ１の部品生存率は９０％であった。つまり、共振周波数が低周波側にずれると、ガスセンサ１にかかる負荷（応力）が大きくなるため、部品生存率が低くなったと推測される。一方、共振周波数が高周波側にずれると、ガスセンサ１にかかる負荷が小さくなるので、部品生存率は高くなったと推測される。
【００４１】
以上の結果より、測定した共振周波数が実際の共振周波数よりも低周波側にずれていた場合には、測定対象物であるガスセンサ１に対して厳しい評価を下すことになる。その反対に高周波側にずれていた場合には、ガスセンサ１に対し緩い評価を下すことになる。従って、共振周波数のずれが少なくとも±−１％の範囲内にあれば、基準条件と同じ部品生存率が得られるため、正しい評価ができることがわかった。
【００４２】
（試験３）
次に、試験３について説明する。試験３では、上記した試験１，２の結果を利用して、レーザードップラー計１３０と同レベルの結果が得られる振動検出器１００の重量比の許容範囲について調べた。この試験には、上記した加振器１２０と、振動測定器１１０と、レーザードップラー計１３０とを用いた。そして、図２に示すように、加振器１２０に治具１２１を介してガスセンサ１を取り付け、ガスセンサ１の外筒３０の所定部位に、重量比０．６％、重量比０．７５％、重量比１．２％、重量比１．７％、重量比２．４％の５種類の振動検出器１００をそれぞれ貼り付けた。さらに、加速度Ｇ＝９．４Ｇ、周波数＝３９００Ｈｚの条件で振動させ、各振動検出器１００で計測された加速度Ｇと周波数とがどれだけずれたかをそれぞれ算出した。なお、レーザードップラー計１３０から照射されるレーザーは、ガスセンサ１の振動検出器１００が貼り付けられる外筒３０の後端部に照準を合わせた。このレーザードップラー計１３０で計測したガスセンサ１（振動検出器１００は貼り付けていない。）の加速度Ｇは９．４Ｇ、共振周波数は３９００Ｈｚであった。よってこれらの値を基準値とした。
【００４３】
試験３の結果について、図８を参照して説明する。図８は、振動検出器１００の重量比と、加速度Ｇおよび共振周波数のずれとの関係を示した表である。まず、加速度Ｇの結果から説明する。重量比０．６％の振動検出器を取り付けたガスセンサ１の加速度Ｇのずれは、基準値と比較して−１．１％のずれであった。重量比０．７５％の振動検出器を取り付けたガスセンサ１の加速度Ｇのずれは、基準値と比較して−２．０％のずれであった。重量比１．２％の振動検出器を取り付けたガスセンサ１の加速度Ｇのずれは、基準値と比較して−３．４％のずれであった。重量比１．７％の振動検出器を取り付けたガスセンサ１の加速度Ｇのずれは、基準値と比較して−７．０％のずれであった。重量比２．４％の振動検出器を取り付けたガスセンサ１の加速度Ｇのずれは、基準値と比較して−１２．０％のずれであった。
【００４４】
次に、共振周波数の結果について説明する。重量比０．６％の振動検出器１００を取り付けたガスセンサ１の共振周波数のずれは、基準値と比較して−０．２％のずれであった。重量比０．７５％の振動検出器を取り付けたガスセンサ１の共振周波数のずれは、基準値と比較して−０．２％のずれであった。重量比１．２％の振動検出器を取り付けたガスセンサ１の共振周波数のずれは、基準値と比較して−１．２％のずれであった。重量比１．７％の振動検出器を取り付けたガスセンサ１の共振周波数のずれは、基準値と比較して−２．５％のずれであった。重量比２．４％の振動検出器を取り付けたガスセンサ１の共振周波数のずれは、基準値と比較して−７．０％のずれであった。
【００４５】
次に、以上の結果の中から、試験１の結果から導かれた加速度Ｇのずれの許容範囲（±５％以内）と、試験２の結果から導かれた共振周波数のずれの許容範囲（±１％以内）とを満たす重量比について検討する。まず、加速度Ｇのずれの許容範囲を満たす重量比は０．６％、０．７５％、１．２％の３種類であった。一方、共振周波数のずれの許容範囲を満たす重量比は、０．６％、０．７５％の２種類のみであった。従って、加速度Ｇのずれの許容範囲と、共振周波数の許容範囲との両方を満たす重量比は、０．６％、０．７５％の２種類であることがわかった。つまり、ガスセンサ１に対する重量比が±１．０％以下の振動検出器１００を用いることによって、レーザードップラー計１３０と同レベルの評価を下せることがわかった。
【００４６】
以上説明したように、本実施形態であるガスセンサ１の振動測定方法では、ガスセンサ１の重量に対して、重量比が±１％以下の振動検出器１００をガスセンサ１に貼り付けて行う。これにより、ガスセンサ１が振動する際に、振動検出器１００の重さによる加速度Ｇのずれや、共振周波数のずれを最小限に抑えることができるので、ガスセンサ１の振動を正確に測定することができる。さらに、重量比±１．０％未満の小型で扱いやすい振動検出器を用いるため、自動車の排気管のような狭い空間内でも余裕をもって取り付けることができる。また、振動検出器１００は、ガスセンサ１の外筒３０の外周面におけるグロメット７５に相当する位置に貼り付ける。この外筒３０のグロメット７５に相当する位置に振動検出器１００を固定することによって、排気管の剛性の影響まで含んだガスセンサ１の振動状態を最も精度良く測ることができる。
【００４７】
なお、本発明は各種の変形が可能なことはいうまでもない。例えば、上記実施形態のガスセンサ１は、主体金具５０に外筒３０のみが溶接されたタイプであるが、図９に示すガスセンサ２００のように、主体金具１５０にが外筒１６０が固定され、その外筒１６０の後端側に保護外筒１７０が加締められたタイプにも本発明の適用が可能である。この場合、保護外筒１７０の後端側の外周面において、グロメット１７５に対応する位置に、振動検出器１００を貼り付ければよい。これにより、上記実施形態と同様の効果を得ることができる。
【００４８】
また、上記実施形態では、自動車の排気管内のガス濃度（例えば、Ｏ２、ＮＯｘ等）を検出するためのガスセンサ１を一例として説明したが、内燃機関の吸気系に設けられる吸気センサにも適用可能である。さらに、排気センサ吸気センサの他に、温度を計測する温度センサにも適用可能である。
【図面の簡単な説明】
【００４９】
【図１】ガスセンサ１の構造を示す縦断面図である。
【図２】ガスセンサ１の振動測定方法を示す図である。
【図３】加速度Ｇのずれを示した概念図である。
【図４】共振周波数のずれを示した概念図である。
【図５】ガスセンサ１の振動における加速度Ｇと周波数との関係を示したチャート図である。
【図６】加速度Ｇのずれと部品生存率（％）との関係を示した表である。
【図７】共振周波数のずれと部品生存率（％）との関係を示した表である。
【図８】振動検出器１００の重量比と、加速度Ｇおよび共振周波数のずれとの関係を示した表である。
【図９】変形例であるガスセンサ２００に振動検出器１００を取り付けた状態を示す正面図である。
【符号の説明】
【００５０】
１ ガスセンサ
１０ センサ素子
３０ 外筒
５０ 主体金具
６５ リード線
７５ グロメット
１００ 振動検出器
１１０ 振動測定器
１２０ 加振器
１２５ チャージアンプ
１２６ ＦＦＴアナライザー
１３０ レーザードップラー計
１３１ ＦＦＴアナライザー
【技術分野】
【０００１】
本発明は、内燃機関に取り付けられるセンサ自身に生ずる振動を測定するためのセンサの振動測定方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、内燃機関の空燃比フィードバック制御に用いるため、排気ガス中の特定ガス成分（例えば酸素など）の濃度を検出するセンサ素子を備えたガスセンサが知られている（例えば、特許文献１参照。）。このようなガスセンサは燃焼室から排出される排気ガスの排気管に取り付けて使用されるため、内燃機関の稼働に伴う振動が排気管を介して伝播されるとガスセンサは固有の揺れの形態で振動し（いわゆる振動モード）、伝播された振動の振動周波数がガスセンサの固有振動数と一致すると共振を生ずる。
【０００３】
つまり、ガスセンサを開発するにあたって、こうした振動モードがガスセンサの構成部品に与える影響を考慮した設計を行う必要があるため、ガスセンサに生ずる振動の測定が行われている。例えば、振動検出器を内蔵した振動測定用の治具を作製し、その治具を、排気管のガスセンサの取付部にガスセンサの代わりに取り付けて、振動の測定が行われている。
【特許文献１】特開平１１−１９０７１６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、ガスセンサに生ずる振動を測定するための治具として、例えば中空の栓部材に振動検出器を貼りつけたものを用いた場合、ガスセンサとは構造が異なるため固有振動数が異なり、ガスセンサの振動モードが再現されない。場合によってはガスセンサが取り付けられる排気管に生ずる振動が測定されてしまうことがあり、ガスセンサの振動を正確に測定することが難しいという問題があった。また、ガスセンサに直接、振動検出器を貼りつけたとしても、振動検出器付きのガスセンサの固有振動数がガスセンサ単体の固有振動数と異なってしまうため、ガスセンサに生ずる振動を正確に測定できなくなる虞があった。
【０００５】
その他の振動測定方法として、例えばガスセンサにレーザを照射した際の反射光を検出して振動を測定する方法が知られている。このような方法を用いればガスセンサの振動を正確に測定することが可能ではあるが、そのための測定装置を設置するためのスペースを確保することは困難であり、実車におけるガスセンサの振動の測定は難しかった。
【０００６】
本発明は、上記課題を解決するためになされたものであり、センサに生じる振動を振動検出器で正確に測定できるセンサの振動測定方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記目的を達成するために、請求項１に係る発明のセンサの振動測定方法は、内燃機関に取り付けられたセンサに生じる振動を測定するためのセンサの振動測定方法であって、前記センサに対する重量比が±１％以下の振動検出器を、前記センサに取り付け、前記振動検出器の検出結果に基づいて、前記センサの振動を測定することを特徴とする。
【０００８】
また、請求項２に係る発明のセンサの振動測定方法は、請求項１に記載の発明の構成に加え、前記センサは、前記内燃機関の吸気系に設けられる吸気センサ、又は前記内燃機関の排気系に設けられる排気センサであることを特徴とする。
【０００９】
また、請求項３に係る発明のセンサの振動測定方法は、請求項２に記載の発明の構成に加え、前記センサは、軸線方向に延びると共に自身の先端部に被測定ガス中の特定ガス成分を測定する検出部を有する長尺状のセンサ素子と、当該センサ素子の先端部を突出させつつ、前記センサ素子の径方向周囲を取り囲む筒状の主体金具と、当該主体金具に固定され、前記センサ素子の後端部の径方向周囲を取り囲む筒状の外筒とを備え、前記振動検出器は、前記外筒の外表面に取り付けられることを特徴とする。
【００１０】
また、請求項４に係る発明のセンサの振動測定方法は、請求項３に記載の発明の構成に加え、前記センサ素子からの出力を取り出す信号線が、前記外筒の後端開口部から外部に延出されるとともに、前記外筒の前記後端開口部内側には、前記信号線と前記外筒の内表面との間を封止する封止部材が設けられ、前記振動検出器は、前記封止部材の位置に対応する前記外筒の前記外表面に取り付けられることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１１】
請求項１に係る発明のセンサの振動測定方法では、振動検出器のセンサに対する重量比を±１％以下に規定している。これにより、センサ単体の振動に対する振動検出器の重量の影響を低減でき、センサの振動を良好に測定できる。また、振動検出器は、レーザードップラー計に比べて小型であるので、自動車の排気管のような狭い空間でも取り付け可能であると共に、レーザードップラー計と同レベルの測定結果を得ることができる。なお、「センサの振動を測定する」とはセンサの振動周波数及び／又はＧ（加速度）を測定することである。
【００１２】
また、請求項２に係る発明のセンサの振動測定方法では、請求項１に記載の発明の効果に加え、内燃機関の吸気系や排気系に設けられる吸気センサ、又は排気センサを測定対象としている。内燃機関の稼働に伴って振動する吸気管に取り付けられる吸気センサや、排気管に取り付けられる排気センサは固有の形態で振動し、その振動周波数がセンサの固有振動数と一致すると共振を生ずる。そこで本発明の振動測定方法を用いることによって、吸気センサ又は排気センサの振動をより正確に測定できる。
【００１３】
また、請求項３に係る発明のセンサの振動測定方法では、請求項２に記載の発明の効果に加え、振動検出器は、センサの後端側に位置する外筒の外表面に取り付けられる。例えば、主体金具に振動検出器を固定すると、振動源の１つである排気管の近くに振動検出器が固定されるため、排気管の剛性の影響まで含んだセンサの振動状態を精度良く計測できない虞がある。これに対し、排気管から離れた外筒の外表面に振動検出器を取り付けることで、排気管の剛性の影響まで含んだセンサの振動状態を精度良く測ることができる。
【００１４】
また、請求項４に係る発明のセンサの振動測定方法では、請求項３に記載の発明の効果に加え、封止部材は、熱劣化の観点からセンサの中で最も排気管から離れた外筒の後端開口部の内側に設けられる。よって、この封止部材が設けられる位置の外筒の外表面に振動検出器を取り付けることで、排気管の剛性の影響まで含んだセンサの振動状態を最も精度良く測ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
以下、本発明の一実施の形態であるガスセンサ１の振動測定方法について、図面を参照して説明する。まず、測定対象であるガスセンサ１の構造について、図１を参照して説明する。図１は、ガスセンサ１の構造を示す縦断面図である。なお、図１において、ガスセンサ１の軸線Ｏ方向（１点鎖線で示す。）を上下方向として図示し、内部に保持するセンサ素子１０の検出部１１側をガスセンサ１の先端側、後端部１２側をガスセンサ１の後端側として説明する。
【００１６】
図１に示すガスセンサ１は、図示しない自動車の排気管に取り付けられて使用されるものである。このガスセンサ１は、内部に保持するセンサ素子１０の検出部１１が排気管内を流通する排気ガス中に晒されて、その排気ガス中の酸素濃度から排気ガスの空燃比を検出する全領域空燃比センサである。
【００１７】
まず、センサ素子１０は、軸線Ｏ方向に延びる細幅の板状形状をなし、酸素濃度の検出を行うガス検出体と、そのガス検出体を早期活性化させるために加熱を行うヒータ体とが互いに貼り合わされ、一体化されたものである（図１では、紙面左右方向を板厚方向、紙面表裏方向を板幅方向として図示。）。ガス検出体はジルコニアを主体とする固体電解質体と、白金を主体とする検出電極と（共に図示外）から構成されている。その検出電極は、センサ素子１０の先端側の検出部１１に配置されている。そして、検出電極を排気ガスによる被毒から保護するために、センサ素子１０の検出部１１には、その外周面を包むように保護層１５が形成されている。また、センサ素子１０の後端側の後端部１２には、ガス検出体やヒータ体から電極を取り出すための５つの電極パッド１６（図１ではそのうちの１つを図示。）が形成されている。
【００１８】
また、センサ素子１０の胴部１３の中央よりやや先端側には、有底筒状をなす金属製の金属カップ２０が、自身の内部にセンサ素子１０を挿通させ、その検出部１１を筒底の開口２５から突出させた状態で配置されている。金属カップ２０は主体金具５０内にセンサ素子１０を保持するための部材である。その筒底の縁部分の先端周縁部２３は外周面にかけてテーパ状に形成されている。この金属カップ２０内には、アルミナ製のセラミックリング２１と滑石粉末を圧縮して固めた滑石リング２２とが、自身をセンサ素子１０に挿通させた状態で収容されている。滑石リング２２は金属カップ２０内で押し潰されて細部に充填されている。これにより、センサ素子１０が金属カップ２０内で位置決めされて保持されている。
【００１９】
さらに、金属カップ２０と一体となったセンサ素子１０は、その周囲を筒状の主体金具５０に取り囲まれて保持されている。主体金具５０はガスセンサ１を自動車の排気管（図示外）の所定部に取り付けて固定するためのものである。主体金具５０は、ＳＵＳ４３０等の低炭素鋼からなる。主体金具５０の外周先端側には、排気管への取り付け用の雄ねじ部５１が形成されている。この雄ねじ部５１よりも先端側には、後述するプロテクタ８が係合される先端係合部５６が形成されている。また、主体金具５０の外周中央には取り付け用の工具が係合する工具係合部５２が形成されている。その工具係合部５２の先端面と雄ねじ部５１の後端との間には、排気管に取り付けた際のガス抜けを防止するためのガスケット５５が嵌挿されている。さらに、工具係合部５２の後端側には、後述する外筒３０が係合される後端係合部５７が形成されている。その後端側には、主体金具５０内にセンサ素子１０を加締め保持するための加締め部５３が形成されている。
【００２０】
また、主体金具５０の内周で雄ねじ部５１付近には段部５４が形成されている。この段部５４には、センサ素子１０を保持する金属カップ２０の先端周縁部２３が係止されている。更に、主体金具５０の内周には滑石リング２６が、自身をセンサ素子１０に挿通させた状態で、金属カップ２０の後端側から装填されている。そして、滑石リング２６を後端側から押さえるように、筒状のスリーブ２７が主体金具５０内に嵌め込まれている。スリーブ２７の後端側外周には段状をなす肩部２８が形成されており、その肩部２８には、円環状の加締めパッキン２９が配置されている。
【００２１】
この状態で主体金具５０の加締め部５３が、加締めパッキン２９を介してスリーブ２７の肩部２８を先端側に向けて押圧するように加締められている。スリーブ２７に押圧された滑石リング２６は、主体金具５０内で押し潰されて細部にわたって充填されている。この滑石リング２６と、金属カップ２０内にあらかじめ装填された滑石リング２２とによって、金属カップ２０およびセンサ素子１０が主体金具５０内で位置決め保持される。主体金具５０内の気密は、加締め部５３とスリーブ２７の肩部２８との間に介在される加締めパッキン２９によって維持されるため、燃焼ガスの流出が防止される。
【００２２】
ところで、センサ素子１０は、その後端部１２が主体金具５０の後端（加締め部５３）よりも後方に突出されている。その後端部１２には、絶縁性セラミックスからなる筒状のセパレータ６０が被せられている。セパレータ６０は、センサ素子１０の後端部１２に形成された５つの電極パッド１６とそれぞれ電気的に接続される５つの接続端子６１（図１ではそのうちの１つを図示している。）を内部に保持すると共に、それら各接続端子６１と、ガスセンサ１の外部に引き出される５本のリード線６５（図１ではそのうちの３本を図示している。）との各接続部分を収容して保護している。
【００２３】
そして、セパレータ６０が嵌められたセンサ素子１０の後端部１２の周囲を囲うように、筒状の外筒３０が配設されている。外筒３０はステンレス（例えばＳＵＳ３０４）製であり、主体金具５０の後端係合部５７の外周に自身の先端側の開口端３１が係合されている。その開口端３１は、外周側から加締められ、更に外周を一周してレーザ溶接が施されて後端係合部５７に接合されており、外筒３０と主体金具５０とが一体に固定されている。
【００２４】
また、外筒３０とセパレータ６０との間の間隙には、金属製で筒状の保持金具７０が配設されている。保持金具７０は自身の後端を内側に折り曲げて構成した支持部７１を有し、自身の内部に挿通されるセパレータ６０の後端側外周に鍔状に設けられた鍔部６２を支持部７１に係止させて、セパレータ６０を支持している。この状態で、保持金具７０が配置された部分の外筒３０の外周面が加締められ、セパレータ６０を支持した保持金具７０が外筒３０に固定されている。
【００２５】
次に、外筒３０の後端側の開口には、フッ素系ゴム製のグロメット７５が嵌合されている。グロメット７５は５つの挿通孔７６（図１ではそのうちの１つを図示している。）を有し、各挿通孔７６に、セパレータ６０から引き出された５本のリード線６５が気密に挿通されている。この状態でグロメット７５は、セパレータ６０を先端側に押圧しつつ、外筒３０の外周から加締められて、外筒３０の後端に固定されている。
【００２６】
一方、主体金具５０に保持されたセンサ素子１０の検出部１１は、主体金具５０の先端部（先端係合部５６）より突出されている。この先端係合部５６には、センサ素子１０の検出部１１を、排気ガス中のデポジット（燃料灰分やオイル成分など被毒性の付着物質）による汚損や被水などによる折損等から保護するためのプロテクタ８が嵌められ、スポット溶接やレーザ溶接によって固定されている。
【００２７】
プロテクタ８は、側面に複数の孔を有した有底筒状の内側プロテクタ９０と、内側プロテクタ９０の外周面との間に空隙を有した状態で内側プロテクタ９０の径方向周囲を取り囲む筒状をなし、側面に複数の孔を有した外側プロテクタ８０とから構成される２重構造を有する。
【００２８】
次に、上記構成からなるガスセンサ１の振動測定方法について、図２を参照して説明する。図２は、ガスセンサ１の振動測定方法を示す図である。ガスセンサ１の振動測定には、ガスセンサ１を振動させる加振器１２０と、ガスセンサ１の振動を測定する振動測定器１１０とが使用される。加振器１２０には治具１２１を介してガスセンサ１が固定される。振動測定器１１０は、圧電式の振動検出器１００と、チャージアンプ１２５と、ＦＦＴアナライザー１２６とから構成されている。振動検出器１００は１軸同時方向の振動を検出して電荷信号に変換する機器である。チャージアンプ１２５は、振動検出器１００に信号線１０１を介して接続され、振動検出器１００から出力される電荷信号を電圧信号に変化するための機器である。
【００２９】
また、ＦＦＴアナライザー１２６は、チャージアンプ１２５に接続され、チャージアンプ１２５から出力された電圧信号の信号波形を周波数軸の信号に変換して表示する機器である。このＦＦＴアナライザー１２６では、チャージアンプ１２５から出力された信号波形がディジタル的（離散的）にサンプリングされ、データとして記憶される。そして、そのデータからＦＦＴを使って短時間でフーリエ係数が求められてその結果が表示される。ここでＦＦＴとは、高速フーリエ変換のことをいい、時系列信号を周波数軸の信号に変換する方式を意味する。
【００３０】
次に、振動検出器１００の固定位置について、図１を参照して説明する。ガスセンサ１の振動は、振動検出器１００を固定する位置によって異なる。例えば、主体金具５０に振動検出器１００を固定すると、振動源の１つである自動車の排気管の近くに振動検出器１００が固定されるため、自動車の排気管の剛性の影響まで含んだガスセンサ１の振動状態を精度良く計測できない虞がある。また、ガスセンサ１の先端側は自動車の排気管の内側に晒されて高温になるため、振動検出器１００を固定することができない。これに対し、排気管から最も離れる部位に振動検出器１００を取り付けることで、排気管の剛性の影響まで含んだガスセンサ１の振動状態を精度良く測ることができる。
【００３１】
そこで、主体金具５０よりも後端側である外筒３０の外周面において、外筒３０の後端側の開口を封止するグロメット７５に相当する位置に振動検出器１００を接着剤で固定する。この外筒３０のグロメット７５に相当する位置に振動検出器１００を固定することによって、排気管の剛性の影響まで含んだガスセンサ１の振動状態を最も精度良く測ることができる。
【００３２】
次に、振動検出器１００を取り付けた場合のガスセンサ１の振動に与える影響について、図３乃至図５を参照して説明する。図３は、加速度Ｇのずれを示した概念図であり、図４は、共振周波数のずれを示した概念図であり、図５は、ガスセンサ１の振動における加速度Ｇと周波数との関係を示したチャート図である。
【００３３】
まず、ガスセンサ１に振動検出器１００を取り付けた場合、その重さの作用によって、ガスセンサ１の振動特性が変化する。具体的には、外部振動によって振動するガスセンサ１に加わる加速度Ｇと共振周波数（Ｈｚ）とがずれるといった影響が考えられる。例えば、加速度Ｇのずれについては、図３に示すように、ガスセンサ１の重量が重くなるほど加速度Ｇは大きくなるので、プラス（＋）方向にずれる。その反対に、重量が軽くなるほど加速度Ｇは小さくなるので、マイナス（−）方向にずれる。一方、共振周波数のずれについては、図４に示すように、ガスセンサ１の重量が重くなるほど共振周波数は低周波側にずれる。その反対に、重量が軽くなるほど共振周波数は高周波側にずれる。従って、ガスセンサ１に振動検出器１００を貼り付けた場合は、ガスセンサ１の重量が重くなるので、加速度Ｇはプラス（＋）方向にずれ、共振周波数は低周波側にずれる影響が懸念される。
【００３４】
ここで、ガスセンサ１に重量比の異なる振動検出器１００を貼り付けた場合の加速度Ｇのずれについて検証する。図２に示すように、本体重量３５ｇのガスセンサ１に重量０．２ｇ（重量比０．６％）、０．６ｇ（重量比１．７％）、２．４ｇ（重量比６．９％）の３種類の振動検出器１００をそれぞれ貼り付けて加速度Ｇを測定し、レーザードップラー計１３０による測定結果との比較を行った。レーザードップラー計１３０は、物体にレーザー（電磁波）を当てて物体の速さを計測する装置であり、振動測定器１１０と同様に、ＦＦＴアナライザー１３１によって測定結果が表示される。なお、レーザードップラー計１３０から照射されるレーザーは、ガスセンサ１の振動検出器１００が貼り付けられる外筒３０の後端部に照準を合わせている。これにより、測定部位による振動の誤差を無くすことができる。そして、振動検出器１００が貼り付けられていないガスセンサ１をレーザードップラー計１３０で測定した結果を基準として評価した。
【００３５】
図５に示すように、レーザードップラー計１３０による加速度Ｇの測定結果に対して、振動検出器１００が重ければ重いほど（ガスセンサ１に対する重量比が高ければ高いほど）、ガスセンサ１に加わる加速度Ｇは高くなる傾向を示した。つまり、ガスセンサ１の振動を振動検出器１００を用いて測定する場合、振動検出器１００の重さがガスセンサ１の固有の振動に影響することが実証された。そこで、振動検出器１００を用いる振動測定方法において、レーザードップラー計１３０による振動結果とほぼ同レベルの結果が得られる条件を導き出すために以下の３つの試験を行った。
【００３６】
（試験１）
まず、試験１について説明する。試験１では、加速度Ｇのずれによるガスセンサ１にかかる負荷の変動について調べた。この試験には、上記した加振器１２０と振動測定器１１０とを用いた。まず、振動検出器１００を取り付けていないガスセンサ１を４５時間振動させ、２４本中１２本のガスセンサ１が出力断線する所定振動周波数Ｈｚ及び所定加速度Ｇを基準条件とした。これは、部品生存率が５０％である所定振動周波数Ｈｚ及び所定加速度Ｇを基準条件とするためである。そして、加振器１２０による振動を調整することで、基準条件の加速度Ｇに対して、加速度Ｇを−１０％、−５％、＋５％、＋１０％それぞれずらして同じ振動条件後の部品生存率（％）を各々算出した。
【００３７】
試験１の結果について、図６を参照して説明する。図６は、加速度Ｇのずれと部品生存率（％）との関係を示した表である。基準条件の部品生存率が５０％に対し、加速度Ｇが−１０％ずれたガスセンサ１の部品生存率は８０％であった。加速度Ｇが−５％ずれたガスセンサ１の部品生存率は５０％であった。加速度Ｇが＋５％ずれたガスセンサ１の部品生存率は５０％であった。加速度Ｇが＋１０％ずれたガスセンサ１の部品生存率は１５％であった。つまり、ガスセンサ１に加わる加速度Ｇが大きければ大きいほど、ガスセンサ１にかかる負荷は大きくなるため、部品生存率が低くなったと推測される。一方、ガスセンサ１に加わる加速度Ｇが小さければ小さいほど、ガスセンサ１にかかる負荷は小さくなるため、部品生存率が高くなったと推測される。
【００３８】
以上の結果より、測定した加速度Ｇが実際の加速度Ｇよりも高い方にずれている場合には、測定対象物であるガスセンサ１に対して厳しい評価を下すことになる。その反対に実際の加速度Ｇよりも低い方にずれている場合には、ガスセンサ１に対し緩い評価を下すことになる。従って、加速度Ｇのずれが少なくとも±５％の範囲内にあれば、基準条件と同じ部品生存率が得られるため、正しい評価ができることがわかった。
【００３９】
（試験２）
次に、試験２について説明する。試験２では、共振周波数のずれによるガスセンサ１にかかる負荷の変動について調べた。この試験にも、上記した加振器１２０と振動測定器１１０とを用いた。なお、ガスセンサ１の振動条件と基準条件とは試験１と同じである。そして、加振器１２０による振動を調節することによって、基準条件の共振周波数に対して、共振周波数を−５％、−１％、＋１％、＋５％それぞれずらして同じ振動条件後の部品生存率（％）を各々算出した。
【００４０】
試験２の結果について、図７を参照して説明する。図７は、共振周波数のずれと部品生存率（％）との関係を示した表である。基準条件の部品生存率が５０％に対し、共振周波数が−５％ずれたガスセンサ１の部品生存率は１０％であった。共振周波数が−１％ずれたガスセンサ１の部品生存率は５０％であった。共振周波数が＋１％ずれたガスセンサ１の部品生存率は５０％であった。共振周波数が＋５％ずれたガスセンサ１の部品生存率は９０％であった。つまり、共振周波数が低周波側にずれると、ガスセンサ１にかかる負荷（応力）が大きくなるため、部品生存率が低くなったと推測される。一方、共振周波数が高周波側にずれると、ガスセンサ１にかかる負荷が小さくなるので、部品生存率は高くなったと推測される。
【００４１】
以上の結果より、測定した共振周波数が実際の共振周波数よりも低周波側にずれていた場合には、測定対象物であるガスセンサ１に対して厳しい評価を下すことになる。その反対に高周波側にずれていた場合には、ガスセンサ１に対し緩い評価を下すことになる。従って、共振周波数のずれが少なくとも±−１％の範囲内にあれば、基準条件と同じ部品生存率が得られるため、正しい評価ができることがわかった。
【００４２】
（試験３）
次に、試験３について説明する。試験３では、上記した試験１，２の結果を利用して、レーザードップラー計１３０と同レベルの結果が得られる振動検出器１００の重量比の許容範囲について調べた。この試験には、上記した加振器１２０と、振動測定器１１０と、レーザードップラー計１３０とを用いた。そして、図２に示すように、加振器１２０に治具１２１を介してガスセンサ１を取り付け、ガスセンサ１の外筒３０の所定部位に、重量比０．６％、重量比０．７５％、重量比１．２％、重量比１．７％、重量比２．４％の５種類の振動検出器１００をそれぞれ貼り付けた。さらに、加速度Ｇ＝９．４Ｇ、周波数＝３９００Ｈｚの条件で振動させ、各振動検出器１００で計測された加速度Ｇと周波数とがどれだけずれたかをそれぞれ算出した。なお、レーザードップラー計１３０から照射されるレーザーは、ガスセンサ１の振動検出器１００が貼り付けられる外筒３０の後端部に照準を合わせた。このレーザードップラー計１３０で計測したガスセンサ１（振動検出器１００は貼り付けていない。）の加速度Ｇは９．４Ｇ、共振周波数は３９００Ｈｚであった。よってこれらの値を基準値とした。
【００４３】
試験３の結果について、図８を参照して説明する。図８は、振動検出器１００の重量比と、加速度Ｇおよび共振周波数のずれとの関係を示した表である。まず、加速度Ｇの結果から説明する。重量比０．６％の振動検出器を取り付けたガスセンサ１の加速度Ｇのずれは、基準値と比較して−１．１％のずれであった。重量比０．７５％の振動検出器を取り付けたガスセンサ１の加速度Ｇのずれは、基準値と比較して−２．０％のずれであった。重量比１．２％の振動検出器を取り付けたガスセンサ１の加速度Ｇのずれは、基準値と比較して−３．４％のずれであった。重量比１．７％の振動検出器を取り付けたガスセンサ１の加速度Ｇのずれは、基準値と比較して−７．０％のずれであった。重量比２．４％の振動検出器を取り付けたガスセンサ１の加速度Ｇのずれは、基準値と比較して−１２．０％のずれであった。
【００４４】
次に、共振周波数の結果について説明する。重量比０．６％の振動検出器１００を取り付けたガスセンサ１の共振周波数のずれは、基準値と比較して−０．２％のずれであった。重量比０．７５％の振動検出器を取り付けたガスセンサ１の共振周波数のずれは、基準値と比較して−０．２％のずれであった。重量比１．２％の振動検出器を取り付けたガスセンサ１の共振周波数のずれは、基準値と比較して−１．２％のずれであった。重量比１．７％の振動検出器を取り付けたガスセンサ１の共振周波数のずれは、基準値と比較して−２．５％のずれであった。重量比２．４％の振動検出器を取り付けたガスセンサ１の共振周波数のずれは、基準値と比較して−７．０％のずれであった。
【００４５】
次に、以上の結果の中から、試験１の結果から導かれた加速度Ｇのずれの許容範囲（±５％以内）と、試験２の結果から導かれた共振周波数のずれの許容範囲（±１％以内）とを満たす重量比について検討する。まず、加速度Ｇのずれの許容範囲を満たす重量比は０．６％、０．７５％、１．２％の３種類であった。一方、共振周波数のずれの許容範囲を満たす重量比は、０．６％、０．７５％の２種類のみであった。従って、加速度Ｇのずれの許容範囲と、共振周波数の許容範囲との両方を満たす重量比は、０．６％、０．７５％の２種類であることがわかった。つまり、ガスセンサ１に対する重量比が±１．０％以下の振動検出器１００を用いることによって、レーザードップラー計１３０と同レベルの評価を下せることがわかった。
【００４６】
以上説明したように、本実施形態であるガスセンサ１の振動測定方法では、ガスセンサ１の重量に対して、重量比が±１％以下の振動検出器１００をガスセンサ１に貼り付けて行う。これにより、ガスセンサ１が振動する際に、振動検出器１００の重さによる加速度Ｇのずれや、共振周波数のずれを最小限に抑えることができるので、ガスセンサ１の振動を正確に測定することができる。さらに、重量比±１．０％未満の小型で扱いやすい振動検出器を用いるため、自動車の排気管のような狭い空間内でも余裕をもって取り付けることができる。また、振動検出器１００は、ガスセンサ１の外筒３０の外周面におけるグロメット７５に相当する位置に貼り付ける。この外筒３０のグロメット７５に相当する位置に振動検出器１００を固定することによって、排気管の剛性の影響まで含んだガスセンサ１の振動状態を最も精度良く測ることができる。
【００４７】
なお、本発明は各種の変形が可能なことはいうまでもない。例えば、上記実施形態のガスセンサ１は、主体金具５０に外筒３０のみが溶接されたタイプであるが、図９に示すガスセンサ２００のように、主体金具１５０にが外筒１６０が固定され、その外筒１６０の後端側に保護外筒１７０が加締められたタイプにも本発明の適用が可能である。この場合、保護外筒１７０の後端側の外周面において、グロメット１７５に対応する位置に、振動検出器１００を貼り付ければよい。これにより、上記実施形態と同様の効果を得ることができる。
【００４８】
また、上記実施形態では、自動車の排気管内のガス濃度（例えば、Ｏ２、ＮＯｘ等）を検出するためのガスセンサ１を一例として説明したが、内燃機関の吸気系に設けられる吸気センサにも適用可能である。さらに、排気センサ吸気センサの他に、温度を計測する温度センサにも適用可能である。
【図面の簡単な説明】
【００４９】
【図１】ガスセンサ１の構造を示す縦断面図である。
【図２】ガスセンサ１の振動測定方法を示す図である。
【図３】加速度Ｇのずれを示した概念図である。
【図４】共振周波数のずれを示した概念図である。
【図５】ガスセンサ１の振動における加速度Ｇと周波数との関係を示したチャート図である。
【図６】加速度Ｇのずれと部品生存率（％）との関係を示した表である。
【図７】共振周波数のずれと部品生存率（％）との関係を示した表である。
【図８】振動検出器１００の重量比と、加速度Ｇおよび共振周波数のずれとの関係を示した表である。
【図９】変形例であるガスセンサ２００に振動検出器１００を取り付けた状態を示す正面図である。
【符号の説明】
【００５０】
１ ガスセンサ
１０ センサ素子
３０ 外筒
５０ 主体金具
６５ リード線
７５ グロメット
１００ 振動検出器
１１０ 振動測定器
１２０ 加振器
１２５ チャージアンプ
１２６ ＦＦＴアナライザー
１３０ レーザードップラー計
１３１ ＦＦＴアナライザー
【特許請求の範囲】
【請求項１】
内燃機関に取り付けられたセンサに生じる振動を測定するためのセンサの振動測定方法であって、
前記センサに対する重量比が±１％以下の振動検出器を、前記センサに取り付け、前記振動検出器の検出結果に基づいて、前記センサの振動を測定することを特徴とするセンサの振動測定方法。
【請求項２】
前記センサは、前記内燃機関の吸気系に設けられる吸気センサ、又は前記内燃機関の排気系に設けられる排気センサであることを特徴とする請求項１に記載のセンサの振動測定方法。
【請求項３】
前記センサは、軸線方向に延びると共に自身の先端部に被測定ガス中の特定ガス成分を測定する検出部を有する長尺状のセンサ素子と、当該センサ素子の先端部を突出させつつ、前記センサ素子の径方向周囲を取り囲む筒状の主体金具と、当該主体金具に固定され、前記センサ素子の後端部の径方向周囲を取り囲む筒状の外筒とを備え、
前記振動検出器は、前記外筒の外表面に取り付けられることを特徴とする請求項２に記載のセンサの振動測定方法。
【請求項４】
前記センサ素子からの出力を取り出す信号線が、前記外筒の後端開口部から外部に延出されるとともに、
前記外筒の前記後端開口部内側には、前記信号線と前記外筒の内表面との間を封止する封止部材が設けられ、
前記振動検出器は、前記封止部材の位置に対応する前記外筒の前記外表面に取り付けられることを特徴とする請求項３に記載のセンサの振動測定方法。
【請求項１】
内燃機関に取り付けられたセンサに生じる振動を測定するためのセンサの振動測定方法であって、
前記センサに対する重量比が±１％以下の振動検出器を、前記センサに取り付け、前記振動検出器の検出結果に基づいて、前記センサの振動を測定することを特徴とするセンサの振動測定方法。
【請求項２】
前記センサは、前記内燃機関の吸気系に設けられる吸気センサ、又は前記内燃機関の排気系に設けられる排気センサであることを特徴とする請求項１に記載のセンサの振動測定方法。
【請求項３】
前記センサは、軸線方向に延びると共に自身の先端部に被測定ガス中の特定ガス成分を測定する検出部を有する長尺状のセンサ素子と、当該センサ素子の先端部を突出させつつ、前記センサ素子の径方向周囲を取り囲む筒状の主体金具と、当該主体金具に固定され、前記センサ素子の後端部の径方向周囲を取り囲む筒状の外筒とを備え、
前記振動検出器は、前記外筒の外表面に取り付けられることを特徴とする請求項２に記載のセンサの振動測定方法。
【請求項４】
前記センサ素子からの出力を取り出す信号線が、前記外筒の後端開口部から外部に延出されるとともに、
前記外筒の前記後端開口部内側には、前記信号線と前記外筒の内表面との間を封止する封止部材が設けられ、
前記振動検出器は、前記封止部材の位置に対応する前記外筒の前記外表面に取り付けられることを特徴とする請求項３に記載のセンサの振動測定方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【公開番号】特開２００９−１４５２５３（Ｐ２００９−１４５２５３Ａ）
【公開日】平成２１年７月２日（２００９．７．２）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００７−３２４３０３（Ｐ２００７−３２４３０３）
【出願日】平成１９年１２月１７日（２００７．１２．１７）
【出願人】（０００００４５４７）日本特殊陶業株式会社 (2,912)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２１年７月２日（２００９．７．２）
【国際特許分類】
【出願日】平成１９年１２月１７日（２００７．１２．１７）
【出願人】（０００００４５４７）日本特殊陶業株式会社 (2,912)
【Ｆターム（参考）】
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