DE112018004919T5

DE112018004919T5 - Gassensor

Info

Publication number: DE112018004919T5
Application number: DE112018004919.1T
Authority: DE
Inventors: Masato Ozawa
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 2017-08-31
Filing date: 2018-08-27
Publication date: 2020-07-02
Also published as: US20200191743A1; JP6747407B2; JP2019045260A; CN111051872B; CN111051872A; WO2019044746A1

Abstract

Ein Gassensor umfasst ein Sensorelement (2), Federklemmen (3) und einen Federisolator (4). Die Federklemmen (3) sind aus biegsamem Draht ausgebildet. Der Federisolator (4) umfasst ein Einführloch (41), in das ein proximaler Abschnitt des Sensorelements (2) eingeführt ist, und Haltenuten (42), die mit dem Einführloch (41) in Verbindung stehen. Die Federklemmen (3) umfassen jeweils einen in der zugehörigen Haltenut (42) gehaltenen Halteabschnitt (31) und einen Armabschnitt (32), der sich von dem Halteabschnitt (31) aus erstreckt und mit dem zugehörigen von Klemmenkontaktabschnitten (28A und 28B) des Sensorelements (2) unter Biegung mit Bezug auf den Halteabschnitt (31) in Kontakt kommt. In einer Einführrichtung des Sensorelements (2) bei dem Einführloch (41) betrachtet, ist eine Biegerichtung (F) des Armabschnitts (32) jeder Federklemme (3) mit Bezug auf den Halteabschnitt (31) mit Bezug auf die Außenfläche des zugehörigen Klemmenkontaktabschnitts (28A und 28B) geneigt.

Description

Querverweis auf verwandte Anmeldung
Diese Anmeldung basiert auf der japanischen Patentanmeldung mit der Nr. 2017-167558 , die am 31. August 2017 angemeldet wurde und deren Beschreibung hierin durch Inbezugnahme mit aufgenommen wird.
Technisches Gebiet
Die vorliegende Offenbarung betrifft einen Gassensor mit einem Sensorelement, das mit Federklemmen in Kontakt steht, die von einem Isolator gehalten werden.
Allgemeiner Stand der Technik
Ein Gassensor wird zum Erfassen der Konzentration von z.B. Sauerstoff oder einer spezifischen Gaskomponente im von einer Verbrennungskraftmaschine ausgestoßenen Abgas verwendet. Ein Sensorelement des Gassensors umfasst ein laminiertes Sensorelement, bei dem Isolationsschichten auf einem plattenförmigen Festelektrolyten laminiert sind. Die Isolationsschichten bilden eine Gaskammer, in welche Abgas eingeführt wird. Das Ende des laminierten Sensorelements ist in einem Einführloch eines Isolators aufgenommen und elektrisch mit Federklemmen verbunden, die in Haltenuten des Isolators gehalten sind.
Die Federklemmen umfassen insbesondere jeweils einen Halteabschnitt und einen Armabschnitt, der sich mit Bezug auf den Halteabschnitt biegt und mit dem Sensorelement in Kontakt steht. Die Federklemmen befinden sich auf beiden Seiten des Sensorelements, so dass, wenn die Armabschnitte mit dem Sensorelement in Kontakt kommen und sich verbiegen, die Armabschnitte das Sensorelement von beiden Seiten dazwischen aufnehmen. Zusätzlich befinden sich auf den Außenflächen des Sensorelements Klemmenkontaktabschnitte, die mit auf dem Festelektrolyt befindlichen Elektroden verbunden sind. Die Armabschnitte der Federklemmen kommen mit den Klemmenkontaktabschnitten in Kontakt, so dass die Elektroden des Sensorelements über die Federklemmen mit der Außenseite des Gassensors elektrisch verbunden sind.
Aufgrund von Einschränkungen bei der Montage z.B. an einem Fahrzeug wird eine Verkleinerung des Gassensors gefordert. Die Federklemmen werden unter den gegebenen Umständen aus einem Drahtmaterial ausgebildet, Freiräume zwischen den Federklemmen werden reduziert und die Größe der äußeren Gestalt des Isolators wird reduziert. PTL 1 offenbart beispielsweise einen Gassensor, der Federklemmen verwendet, die aus einem Drahtmaterial ausgebildet sind.
Zitierungsliste
Patentliteratur
[PTL 1] JP 2015-145831 A
Kurzfassung der Erfindung
Bei der Montage des Gassensors wird das Ende des Sensorelements in das Einführloch des Isolators eingeführt, in dem die Federklemmen in den jeweiligen Haltenuten gehalten sind. Die beispielsweise in der PTL 1 offenbarten Armabschnitte der Federklemmen kontaktieren jedoch die Klemmenkontaktabschnitte an den Außenflächen des Sensorelements senkrecht und verbiegen sich mit Bezug auf die Halteabschnitte. Die Biegerichtung der Armabschnitte entspricht der Dickenrichtung des Sensorelements und steht senkrecht zu den Außenflächen der Klemmenkontaktabschnitte.
Daher können, falls die Armabschnitte während des Biegens auf den Außenflächen der Klemmenkontaktabschnitte gleiten, die Armabschnitte möglicherweise mit Bezug auf die Elektrodenkontaktabschnitte nach links oder rechts verschoben werden. Folglich neigen die Kontaktpositionen der Armabschnitte dazu, sich gegenüber den Klemmenkontaktabschnitten zu verändern, und es kann möglicherweise zu einem Kontaktfehler zwischen den Armabschnitten und den Klemmenkontaktabschnitten kommen. Folglich ist eine weitere Änderung notwendig, um den Zustand der elektrischen Verbindung zwischen den Federklemmen und dem Sensorelement zu verbessern.
Mit der vorliegenden Offenbarung soll ein Gassensor bereitgestellt werden, der einen günstigen elektrischen Verbindungszustand zwischen Federklemmen und einem Sensorelement aufweist.
Ein Aspekt der vorliegenden Offenbarung stellt einen Gassensor bereit, der ein Sensorelement, Federklemmen und einen Isolator umfasst. Das Sensorelement umfasst Klemmenkontaktabschnitte, die sich an Außenflächen eines proximalen Abschnitts des Sensorelements befinden. Das Sensorelement erfasst Gas. Die Federklemmen sind aus biegsamem Draht ausgebildet. Der Isolator umfasst ein Einführloch, in das der proximale Abschnitt des Sensorelements eingeführt wird, sowie Haltenuten, die mit dem Einführloch kommunizieren bzw. in Verbindung stehen. Jede Federklemme umfasst einen Halteabschnitt, der in der zugehörigen Haltenut gehalten ist, und einen Armabschnitt, der sich von dem Halteabschnitt erstreckt und unter Biegung mit Bezug auf den Halteabschnitt mit dem zugehörigen Klemmkontaktabschnitt in Kontakt kommt. In einer Einführrichtung des Sensorelements in das Einführloch betrachtet weist zumindest eine der Federklemmen eine geneigte Federklemme auf, und eine Biegerichtung des Armabschnitts der geneigten Federklemme mit Bezug auf den Halteabschnitt ist mit Bezug auf eine Außenfläche des zugehörigen Klemmenkontaktabschnitts geneigt.
Vorteilhafte Effekte der Erfindung
Gemäß dem Gassensor des einen Aspekts ist die Biegerichtung der Armabschnitte der im Isolator gehaltenen Federklemmen geändert. Genauer gesagt ist die Biegerichtung des Armabschnitts gegenüber dem Halteabschnitt bei zumindest einer der Federklemmen, in der Einführrichtung des Sensorelements in das Einführloch betrachtet, mit Bezug auf die Außenfläche des zugehörigen Klemmenkontaktabschnitts geneigt.
Beim Einsetzen des Sensorelements in das Einführloch des Isolators verbiegt sich der Armabschnitt in einer Richtung, die gegenüber der Außenfläche des zugehörigen Klemmenkontaktabschnitts geneigt ist. Wenn der Armabschnitt auf der Außenfläche des zugehörigen Klemmenkontaktabschnitts gleitet, wird die Richtung, in welcher der Armabschnitt gleitet, beschränkt. Insbesondere gleitet der Armabschnitt in einer Richtung, so dass der Neigungswinkel mit Bezug auf die Normale zur Außenfläche des Klemmenkontaktabschnitts vergrößert wird.
Dadurch wird die Kontaktposition des Armabschnitts mit Bezug auf den Klemmenkontaktabschnitt bestimmt, so dass ein Kontaktfehler zwischen dem Armabschnitt und dem Klemmenkontaktabschnitt weniger wahrscheinlich auftritt. Folglich ist der Zustand der elektrischen Verbindung zwischen den Federklemmen und dem Sensorelement gemäß dem Gassensor des einen Aspekts günstig.
Bezugszeichen in Klammern, die den Komponenten in einem Aspekt der vorliegenden Offenbarung zugewiesen sind, geben die Übereinstimmung mit Bezugszeichen in der Abbildung der Ausführungsform an und beschränken die Komponenten nicht auf den Inhalt der Ausführungsform.
Figurenliste
Die Aufgabe, Merkmale, Vorteile und dergleichen der vorliegenden Offenbarung werden durch die folgende detaillierte Beschreibung unter Bezugnahme auf die beigefügten Abbildungen ersichtlicher, in denen:

1 eine Querschnittsansicht eines Gassensors gemäß einer ersten Ausführungsform ist;
2 eine vergrößerte Querschnittsansicht ist, welche Federklemmen des Gassensors und deren Umgebung gemäß der ersten Ausführungsform darstellt;
3 eine Querschnittsansicht entlang einer Linie III-III von 1 in Pfeilrichtung betrachtet ist, welche die Federklemmen des Gassensors und deren Umgebung gemäß der ersten Ausführungsform darstellt;
4 eine Querschnittsansicht eines Sensorelements gemäß der ersten Ausführungsform ist;
5 eine perspektivische Explosionsansicht des Sensorelements der ersten Ausführungsform ist;
6 eine erläuternde Abbildung ist, welche Klemmenkontaktabschnitte auf einer Außenfläche des Sensorelements und deren Umgebung gemäß der ersten Ausführungsform aus der Dickenrichtung des Sensorelements betrachtet darstellt;
7 eine Querschnittsansicht ist, welche einen Federisolator gemäß der ersten Ausführungsform in der Dickenrichtung des Sensorelementes betrachtet darstellt;
8 eine Querschnittsansicht entlang einer Linie VIII-VIII von 1 in Pfeilrichtung betrachtet ist, welche den Federisolator und dessen Umgebung gemäß der ersten Ausführungsform darstellt;
9 eine Querschnittsansicht entsprechend der Ansicht entlang der Linie III-III von 1 in Pfeilrichtung betrachtet ist, welche den Federisolator, der die Federklemmen hält, gemäß der ersten Ausführungsform vor dem Einsetzen des Sensorelements darstellt;
10 eine Querschnittsansicht ist, welche einen Zustand zeigt, in dem das Sensorelement kurz vor dem Einsetzen in das Einführloch des Federisolators, der die Federklemmen hält, steht, gemäß der ersten Ausführungsform;
11 eine Querschnittsansicht entsprechend der Ansicht entlang der Linie III-III von 1 in Pfeilrichtung betrachtet ist, welche einen Federisolator, der die Federklemmen hält, gemäß einer Vergleichsausführungsform vor dem Einsetzen eines Sensorelements darstellt;
12 eine Querschnittsansicht entsprechend der Ansicht entlang der Linie III-III von 1 in Pfeilrichtung betrachtet ist, welche einen Zustand darstellt, in dem das Sensorelement in ein Einführloch des Federisolators, der die Federklemmen hält, eingeführt ist, gemäß der Vergleichsausführungsform;
13 eine Querschnittsansicht entsprechend der Ansicht entlang der Linie III-III von 1 in Pfeilrichtung betrachtet ist, welche Federklemmen eines anderen Gassensors und deren Umgebung gemäß der ersten Ausführungsform darstellt;
14 eine Querschnittsansicht entsprechend der Ansicht entlang der Linie III-III von 1 in Pfeilrichtung betrachtet ist, welche Federklemmen eines Gassensors und deren Umgebung gemäß einer zweiten Ausführungsform darstellt;
15 eine erläuternde Abbildung ist, welche Klemmenkontaktabschnitte auf einer Außenfläche eines Sensorelements und deren Umgebung gemäß der zweiten Ausführungsform in der Dickenrichtung des Sensorelements betrachtet darstellt;
16 eine Querschnittsansicht entsprechend der Ansicht entlang der Linie III-III von 1 in Pfeilrichtung betrachtet ist, welche Federkontakte eines anderen Gassensors und deren Umgebung gemäß der zweiten Ausführungsform darstellt;
17 eine Querschnittsansicht ist, welche darstellt, wie Haltenuten eines Federisolators gemäß einer dritten Ausführungsform in der Dickenrichtung eines Sensorelements betrachtet ausgebildet sind;
18 eine Querschnittsansicht entsprechend der Ansicht entlang der Linie III-III von 1 in Pfeilrichtung betrachtet ist, welche darstellt, wie Haltenuten des Federisolators gemäß der dritten Ausführungsform ausgebildet sind;
19 eine Querschnittsansicht entsprechend der Ansicht entlang der Linie III-III von 1 in Pfeilrichtung betrachtet ist, welche darstellt, wie Haltenuten eines weiteren Federisolators gemäß der dritten Ausführungsform ausgebildet sind;
20 eine erläuternde Abbildung ist, welche eine Federklemme, die mit einem Klemmenkontaktabschnitt an einem Sensorelement in Kontakt steht, gemäß einer vierten Ausführungsform darstellt;
21 eine erläuternde Abbildung ist, welche eine weitere Federklemme, die mit dem Klemmenkontaktabschnitt auf dem Sensorelement in Kontakt steht, gemäß der vierten Ausführungsform darstellt; und
22 eine erläuternde Abbildung ist, welche eine weitere Federklemme, die mit dem Klemmenkontaktabschnitt auf dem Sensorelement in Kontakt steht, gemäß der vierten Ausführungsform darstellt.

Beschreibung von Ausführungsformen
Der Gassensor gemäß einer bevorzugten Ausführungsform wird anhand der Abbildungen beschrieben.
<Erste Ausführungsform>
Ein Gassensor 1 der vorliegenden Ausführungsform umfasst, wie in den 1 und 2 gezeigt ist, ein Sensorelement 2, Federklemmen 3 und einen Federisolator 4. Das Sensorelement 2 dient zum Erfassen von Gas. An Außenflächen 201 und 202 eines proximalen Abschnittes 204 des Sensorelementes 2 sind Klemmenkontaktabschnitte 28A und 28B vorgesehen. Die Federklemmen 3 sind aus biegsamem Draht ausgebildet. Der Federisolator 4 umfasst ein Einführloch 41, in das der proximale Abschnitt 204 des Sensorelements 2 eingeführt wird, und Haltenuten 42, die mit dem Einführloch 41 in Verbindung stehen.
Wie in 2 gezeigt ist, umfassen die Federklemmen 3 jeweils einen Halteabschnitt 31, der in der zugehörigen Haltenut 42 gehalten ist, und einen Armabschnitt 32, der sich von dem Halteabschnitt 31 erstreckt. Die Armabschnitte 32 stehen mit den Klemmenkontaktabschnitten 28A und 28B in Kontakt, während sich diese mit Bezug auf die Halteabschnitte 31 biegen. Wie in 3 gezeigt ist, ist bei Betrachtung in einer Einführrichtung D des Sensorelements 2 in das Einführloch 41 eine Biegerichtung F des Armabschnitts 32 einer geneigten Federklemme 3A, die zumindest einer der Federklemmen 3 entspricht, gegenüber dem Halteabschnitt 31 mit Bezug auf die Außenfläche des zugehörigen der Klemmenkontaktabschnitte 28A und 28B geneigt.
Alle Federklemmen 3 der vorliegenden Ausführungsform sind geneigte Federklemmen 3A. Die Außenflächen der Klemmenkontaktabschnitte 28A und 28B beziehen sich auf die Oberflächen parallel zu den Außenflächen 201 und 202 des Sensorelements 2.
Im Folgenden wird der Gassensor 1 der vorliegenden Ausführungsform beschrieben.
(Verbrennungskraftmaschine)
Wie in 1 gezeigt ist, ist der Gassensor 1 der vorliegenden Ausführungsform an einem Rohr 8 eines Abgassystems einer Fahrzeugverbrennungskraftmaschine (Maschine) angeordnet und erfasst Sauerstoff oder eine spezifische Gaskomponente im Abgas G, das durch das Rohr 8 strömt. Der Gassensor 1 kann stromaufwärts eines Abschnitts, an dem ein Katalysator in der Leitung 8 angeordnet ist, angeordnet sein und kann auch stromabwärts des Abschnitts angeordnet sein, an dem der Katalysator in dem Rohr 8 angeordnet ist. Das Rohr 8, in dem sich der Gassensor 1 befindet, kann ein Rohr auf einer Ansaugseite einer Zwangsansaugvorrichtung sein, die den Druck der Luft, welche die Verbrennungskraftmaschine ansaugt, unter Verwendung des Abgases G erhöht. Alternativ kann das Rohr 8, in dem sich der Gassensor 1 befindet, ein Rohr eines Abgasrückführungsmechanismus sein, der einen Teil des von der Verbrennungskraftmaschine in den Abgasdurchlass abgegebenen Abgases G zu einem Ansaugdurchlass der Verbrennungskraftmaschine zurückführt.
Das Fahrzeug mit dem Rohr 8, in dem sich der Gassensor 1 befindet, kann ein typisches Fahrzeug sein, das unter Verwendung von Kraftstoff fährt, ein Fahrzeug, das beim Anhalten den Leerlauf stoppt, oder ein Hybridfahrzeug. Der Gassensor 1 kann ein Sauerstoffkonzentrationszellensensor sein, der eine elektromotorische Kraft erfasst, die zwischen einem Paar von Elektroden erzeugt wird, oder ein Grenzstromsensor, der eine Grenzstromcharakteristik nutzt, die beim Anlegen einer Spannung zwischen einem Elektrodenpaar hervorgerufen wird.
Der Gassensor 1 der vorliegenden Ausführungsform wird zum Erfassen des aus dem Abgas G erhaltenen Luft-Kraftstoff-Verhältnisses der Verbrennungskraftmaschine als Anwendung zur Gaserfassung verwendet. Darüber hinaus kann der Gassensor 1 zum Erfassen einer spezifischen Gaskomponente, wie NOx, zum Erfassen der Sauerstoffkonzentration des aus der Verbrennungskraftmaschine abgegebenen Abgases G, und zum Erfassen, ob sich das aus dem Abgas G erhaltene Luft-Kraftstoff-Verhältnis der Verbrennungskraftmaschine in einem Kraftstoff-Fett-Zustand oder in einem Kraftstoff-Mager-Zustand mit Bezug auf ein stöchiometrisches Luft-Kraftstoff-Verhältnis befindet, verwendet werden.
(Sensorelement 2)
Wie in den 4 und 5 gezeigt ist, umfasst das Sensorelement 2 einen plattenförmigen Festelektrolyten 21, auf dem sich ein Elektrodenpaar 22A und 22B befindet, und eine Heizvorrichtung 23, die auf dem Festelektrolyten 21 laminiert ist. Auf einer ersten Hauptfläche 211 des Festelektrolyten 21 ist eine dem Abgas G ausgesetzte Erfassungselektrode 22A angeordnet, und auf einer zweiten Hauptfläche 212 des Festelektrolyten 21 ist eine der Luft A ausgesetzte Referenzelektrode 22B angeordnet. Eine Gaskammer 26, in die das Abgas G eingeführt wird, ist durch eine Isolationsschicht 24A, die auf der ersten Hauptfläche 211 laminiert ist, benachbart zu der ersten Hauptfläche 211 des Festelektrolyten 21 ausgebildet. In der Gaskammer 26 ist die Erfassungselektrode 22A angeordnet. Ein Luftkanal 27, in den die Luft A eingeleitet wird, ist benachbart zu der zweiten Hauptfläche 212 des Festelektrolyten 21 durch eine Isolationsschicht 24B der Heizvorrichtung 23, die auf der zweiten Hauptfläche 212 laminiert ist, ausgebildet. Die Referenzelektrode 22B ist in dem Luftkanal 27 angeordnet.
Ein Teil der Isolationsschicht 24A, der die Gaskammer 26 definiert, ist als eine poröse Diffusionswiderstandsschicht 25 ausgebildet, welche die Eigenschaften besitzt, das Abgas G durchzulassen. Die Diffusionswiderstandsschicht 25 leitet das Abgas G mit konstanter Diffusionsgeschwindigkeit in die Gaskammer 26 ein. Der Gassensor 1 der vorliegenden Ausführungsform bildet einen Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensor, und zwischen der Erfassungselektrode 22A und der Referenzelektrode 22B wird eine Spannung zur Darstellung der Grenzstromcharakteristik angelegt. Die Gaskammer 26 ist an einem distalen Endabschnitt 203 des Sensorelements 2 ausgebildet, und der Luftkanal 27 ist so ausgebildet, dass sich dieser von dem distalen Endabschnitt 203 des Sensorelements 2 hin zu der Endoberfläche des proximalen Abschnitts 204 erstreckt. Die Luft A, die in den Gassensor 1 eintritt, wird in den Luftkanal 27 eingeleitet.
Wie in 5 gezeigt ist, umfasst die Heizvorrichtung 23 ein Heizelement 230, das in die Isolationsschicht 24B eingebettet ist. Das Heizelement 230 umfasst einen Heizabschnitt 231, der durch Anlegen einer elektrischen Leistung beheizt wird, und ein Paar von Leitungsabschnitten 232, die mit dem Heizabschnitt 231 verbunden sind. Der Heizabschnitt 231 befindet sich an einer der Erfassungselektrode 22A und der Referenzelektrode 22B zugewandten Position, und das Paar von Leitungsabschnitten 232 erstreckt sich von dem Heizabschnitt 231 hin zu dem proximalen Abschnitt 204 des Sensorelements 2. Ein mit der Erfassungselektrode 22A verbundener Leitungsabschnitt 221 und ein mit der Referenzelektrode 22B verbundener Leitungsabschnitt 221 erstrecken sich hin zum proximalen Abschnitt 204 des Sensorelements 2.
Das Sensorelement 2 ist in einer länglichen Gestalt ausgebildet. Die Einführrichtung D des Sensorelements 2 erstreckt sich in der Längsrichtung des Sensorelements 2. Auf dem distalen Endabschnitt 203 des Sensorelements 2 in der Längsrichtung ist ein Detektor 205 ausgebildet, der aus der Erfassungselektrode 22A, der Referenzelektrode 22B, der Gaskammer 26 und der Diffusionswiderstandsschicht 25 aufgebaut ist. Die Klemmenkontaktabschnitte 28A und 28B sind an den Außenflächen 201 und 202 des proximalen Abschnitts 204 des Sensorelements 2 in der Längsrichtung ausgebildet. Wie in den 1 und 4 gezeigt ist, ist auf dem Außenumfang des distalen Endabschnitts 203 des Sensorelements 2 eine poröse Schutzschicht 29 zur Abdeckung des Detektors 205 vorgesehen.
Beim Sensorelement 2 wird die Richtung, in der die Klemmenkontaktabschnitte 28A und 28B den Federklemmen 3 zugewandt angeordnet sind, als eine Dickenrichtung T bezeichnet, und die Richtung orthogonal zur Einführrichtung D und zur Dickenrichtung T wird als eine Breitenrichtung W bezeichnet. Die Dickenrichtung T entspricht einer Richtung, in der die Erfassungselektrode 22A und die Referenzelektrode 22B auf dem Festelektrolyten 21 einander zugewandt angeordnet sind. Die Einführrichtung D, die Dickenrichtung T und die Breitenrichtung W entsprechen gemeinsamen Richtungen beispielsweise des Sensorelements 2, des Federisolators 4 und des Gassensors 1. Die Einführrichtung D weist in entgegengesetzte Richtungen. In den 1, 2, 5 und 6 ist die distale Richtung der Einführrichtung D mit D1 bezeichnet und die proximale Richtung der Einführrichtung D ist mit D2 bezeichnet.
Wie in den 3, 5 und 6 gezeigt ist, sind die Klemmenkontaktabschnitte 28A und 28B auf dem proximalen Abschnitt 204 des Sensorelements 2 in der Breitenrichtung W orthogonal zur Einführrichtung D nebeneinander angeordnet. Die Klemmenkontaktabschnitte 28A und 28B befinden sich auf den Außenflächen 201 und 202 auf beiden Seiten des Sensorelements 2 in der Dickenrichtung T. Die Klemmenkontaktabschnitte 28A und 28B sind aus zwei ersten Klemmenkontaktabschnitten 28A, die entsprechend mit dem Leitungsabschnitt 221 der Erfassungselektrode 22A oder dem Leitungsabschnitt 221 der Referenzelektrode 22B verbunden sind, und zwei zweiten Klemmenkontaktabschnitten 28B, die mit den Leitungsabschnitten 232 des Heizelements 230 verbunden sind, aufgebaut. In der vorliegenden Ausführungsform liegen die beiden ersten Klemmenkontaktabschnitte 28A auf der ersten Außenfläche 201 des Sensorelements 2 in der Breitenrichtung W nebeneinander, und die beiden zweiten Klemmenkontaktabschnitte 28B liegen auf der zweiten Außenfläche 202 des Sensorelements 2 in der Breitenrichtung W nebeneinander. Die erste Außenfläche 201 entspricht der Außenfläche, die auf der Seite des Festelektrolyten 21 angeordnet ist, auf der die Erfassungselektrode 22A vorgesehen ist, und die zweite Außenfläche 202 entspricht der Außenfläche, die auf der Seite des Festelektrolyten 21 angeordnet ist, auf der die Referenzelektrode 22B vorgesehen ist.
In der vorliegenden Ausführungsform ist die Isolationsschicht 24A in der Längsrichtung entlang der gesamten Länge des Festelektrolyten 21 ausgebildet. Die erste Außenfläche 201 und die zweite Außenfläche 202 des Sensorelements 2 entsprechen den Außenflächen der Isolationsschichten 24A und 24B. Falls die Isolationsschicht 24A in dem Bereich einschließlich des distalen Endabschnitts 203 des Sensorelements 2 und nicht auf dem proximalen Abschnitt 204 des Sensorelements 2 ausgebildet ist, kann die erste Außenfläche 201 durch die Außenfläche des Festelektrolyten 21 gebildet werden.
Die Elektroden 22A und 22B sind aus edelmetallhaltigem Material, das eine katalytische Aktivität gegenüber Sauerstoff aufweist, ausgebildet, und der Festelektrolyt 21 ist aus einem Zirkondioxidmaterial ausgebildet, das eine Sauerstoff-Ionen-Leitfähigkeit besitzt. Die Isolationsschichten 24A und 24B und die Diffusionswiderstandsschicht 25 sind aus einem Aluminiumoxidmaterial ausgebildet, das einer isolierenden Keramik entspricht.
(Elementisolator 5)
Wie in 1 gezeigt ist, sind im Gassensor 1 ein Elementisolator 5, in dem das Sensorelement 2 eingesetzt ist und gehalten wird, und der Federisolator 4 zum Halten der Federklemmen 3 angeordnet. Der Elementisolator 5 wird auch als Isolatorglas bezeichnet und ist aus einer Isolierkeramik, wie Aluminiumoxid, ausgebildet. Der Elementisolator 5 wird durch Verdichten von Keramikpulver ausgebildet. Der Elementisolator 5 umfasst ein Anordnungsloch 51 für das anzuordnende Sensorelement 2. Das Anordnungsloch 51 erstreckt sich in der Einführrichtung D durch den Elementisolator 5. Die Zwischenposition des Sensorelements 2 in der Längsrichtung befindet sich in dem Anordnungsloch 51. Das Sensorelement 2 wird auf dem Elementisolator 5 beispielsweise durch ein Glasmaterial 53 gesichert, das eine am proximalen Abschnitt des Anordnungslochs 51 ausgebildete Aussparung 52 füllt.
(Gehäuse 6)
Wie in 1 gezeigt ist, umfasst ein Gehäuse 6 ein Gehäuseloch 61, das sich in der Einführrichtung D durch das Gehäuse 6 erstreckt. In dem Gehäuseloch 61 ist der Elementisolator 5 angeordnet. Zusätzlich sind entlang des gesamten Außenumfangs des Gehäuses 6 ein Gewindeabschnitt 62 und ein Sechskantflanschabschnitt 63 ausgebildet. Der Gewindeabschnitt 62 und der Sechskantflanschabschnitt 63 dienen zur Befestigung des Gassensors 1 am Rohr 8, wobei der Gassensor 1 in ein Montageloch 81 des Rohres 8 eingesetzt wird.
(Verdrahtungsabdeckung 7A und Elementabdeckung 7B)
Wie in 1 gezeigt ist, ist am proximalen Abschnitt des Gehäuses 6 eine Verdrahtungsabdeckung 7A montiert, welche den Federisolator 4 bedeckt. Die Verdrahtungsabdeckung 7A ist aus einer Innenumfangsabdeckung 71, die sich auf der Innenumfangsseite befindet, und einer Außenumfangsabdeckung 72, welche die Innenumfangsabdeckung 71 auf der Außenumfangsseite überlappt, aufgebaut. Die Außenumfangsabdeckung 72 umfasst Einführöffnungen 721, durch welche Luft A eingeführt wird. Zwischen der Innenumfangsabdeckung 71 und der Außenumfangsabdeckung 72 ist ein Filter 73 aus einem porösen Blatt so angeordnet, dass der Filter 73 die Einführöffnungen 721 abdeckt. Der Filter 73 besitzt Eigenschaften, die den Durchtritt von Flüssigkeit verhindern und gleichzeitig den Durchtritt von Luft zulassen.
Zum Verschließen der Verdrahtungsabdeckung 7A ist auf der Innenumfangsseite der Außenumfangsabdeckung 72 eine Gummibuchse 74 angeordnet, durch die Zuleitungen 34 eingeführt und gehalten sind. Die Luft A, welche durch die Einführöffnungen 721 und den Filter 73 in die Verdrahtungsabdeckung 7A eingeführt wird, wird von der proximalen Endfläche des Sensorelements 2 in den Luftkanal 27 eingeführt.
Am distalen Endabschnitt des Gehäuses 6 ist eine Elementabdeckung 7B montiert, welche den distalen Endabschnitt des Sensorelements 2 bedeckt. Am Boden und an der Seite der Elementabdeckung 7B sind Durchgangsbohrungen 75 ausgebildet. Die Durchgangsbohrungen 75 führen das Abgas G, das durch das Rohr 8 des Abgassystems passiert, zu dem Detektor 205 des Sensorelements 2 und ermöglichen dem Abgas G, innerhalb und außerhalb der Elementabdeckung 7B zu strömen.
(Federisolator 4)
Wie in 1 gezeigt ist, wird der Federisolator 4 auch als Isolatorglas bezeichnet und ist aus einer isolierenden Keramik, wie Aluminiumoxid, ausgebildet. Der Federisolator 4 wird durch Verdichten von Keramikpulver ausgebildet. Der Federisolator 4 befindet sich in der Einführrichtung D oben auf dem proximalen Abschnitt des Elementisolators 5 und nimmt den proximalen Abschnitt 204 des Sensorelements 2 auf.
Wie in den 2, 3 und 7 gezeigt ist, ist das Einführloch 41 des Federisolators 4 als ein Hohlraum mit einem geschlossenen Ende ausgebildet, so dass der Federisolator 4 von der distalen Endfläche, in die das Sensorelement 2 eingeführt wird, nicht vollständig durchdrungen wird. Das Einführloch 41 ist in einer zentralen Position auf einer Ebene orthogonal zur Einfahrrichtung D ausgebildet. Das Einführloch 41 ist als ein Hohlraum mit einem im Wesentlichen rechteckigen Querschnitt in Übereinstimmung mit der Gestalt des Sensorelements 2 mit einem im Wesentlichen rechteckigen Querschnitt ausgebildet.
Wie in den 2, 3 und 8 gezeigt ist, sind im proximalen Abschnitt des Federisolators 4 Durchgangslöcher 43 ausgebildet, in welche die Enden der Halteabschnitte 31 der Federklemmen 3 eingeführt sind. Die Haltenuten 42 des Federisolators 4 sind so ausgebildet, dass sich diese von der distalen Endoberfläche des Federisolators 4 erstrecken und von der Dickenrichtung T aus mit dem Einführloch 41 in Verbindung stehen. Die Haltenuten 42 sind gegenüber der Dickenrichtung T geneigt ausgebildet, so dass die geneigten Federklemmen 3A mit Bezug auf die Dickenrichtung T in einem geneigten Zustand angeordnet sind. Ein Teil des Halteabschnitts 31 und ein Teil des Armabschnitts 32 sind in der zugehörigen Haltenut 42 des Federisolators 4 angeordnet. Die Außenumfangsfläche des Federisolators 4, welche der zur Einführrichtung D parallelen Seitenfläche entspricht, besitzt einen kreisförmigen Querschnitt. Wie in 7 gezeigt ist, sind die Haltenuten 42 von der distalen Endoberfläche des Federisolators 4 zum proximalen Abschnitt hin kontinuierlich bzw. durchgehend ausgebildet.
(Federklemmen 3)
Wie in den 2, 3 und 9 gezeigt ist, hält der Federisolator 4 die geneigten Federklemmen 3A, deren Anzahl vier beträgt. Jede geneigte Federklemme 3A kommt jeweils mit dem zugehörigen einen der beiden ersten Klemmenkontaktabschnitte 28A und der beiden zweiten Klemmenkontaktabschnitte 28B in Kontakt. Der Armabschnitt 32 jeder geneigten Federklemme 3A ist von dem Halteabschnitt 31 zurückgefaltet und ist dem Halteabschnitt 31 in der Biegerichtung F zugewandt. Da der Armabschnitt 32 dem Halteabschnitt 31 zugewandt ausgebildet ist, werden die Federeigenschaften des Armabschnitts 32, wobei sich der Armabschnitt 32 gegenüber dem Halteabschnitt 31 verbiegt (elastisch verformt), leicht dargestellt. Die Biegerichtung F des Armabschnitts 32 der vorliegenden Ausführungsform entspricht einer Richtung, in welcher der Halteabschnitt 31 und der Armabschnitt 32 einander zugewandt sind.
Wie in 2 gezeigt ist, umfasst jeder Halteabschnitt 31 einen Hauptkörperabschnitt 311, der sich am Außenumfangsende der zugehörigen Haltenut 42 befindet, einen Erstreckungsabschnitt 312, der in das zugehörige Durchgangsloch 43 eingeführt ist, und einen Verbindungsabschnitt 313, welcher den Hauptkörperabschnitt 311 und den Erstreckungsabschnitt 312 miteinander verbindet. Der Hauptkörperabschnitt 311 und der Erstreckungsabschnitt 312 sind in einer Richtung orthogonal zur Einführrichtung D versetzt ausgebildet, während diese parallel zueinander sind. Der Armabschnitt 32 umfasst einen gekrümmten Abschnitt 321, welcher mit dem Hauptkörperabschnitt 311 des Halteabschnitts 31 verbunden ist, einen geraden Abschnitt 322, der mit dem gekrümmten Abschnitt 321 verbunden ist, einen Kontaktabschnitt 323, welcher am geraden Abschnitt 322 ausgebildet ist und mit dem zugehörigen der Klemmenkontaktabschnitte 28A und 28B in Kontakt kommt. Der Kontaktabschnitt 323 ist gekrümmt.
Wenn hauptsächlich der gekrümmte Abschnitt 321 elastisch verformt wird, um den Krümmungsradius zu verringern, verbiegen sich der gerade Abschnitt 322 und der Kontaktabschnitt 323 jedes Armabschnitts 32, um sich dem Hauptkörperabschnitt 311 des Halteabschnitts 31 anzunähern. Der Armabschnitt 32 verbiegt sich ebenfalls, da sich der gesamte Armabschnitt 32 mit Ausnahme des gekrümmten Abschnitts 321 verformt. Wenn sich die Armabschnitte 32 durch Kontakt mit den Klemmenkontaktabschnitten 28A und 28B verbiegen, wirkt die Federrückstellkraft der Armabschnitte 32, welche die Armabschnitte 32 in den ursprünglichen Zustand zurückbringt, auf die Klemmenkontaktabschnitte 28A und 28B.
Wie in den 1 und 2 gezeigt ist, sind an den Erstreckungsabschnitten 312 der Halteabschnitte 31 der Federklemmen 3, welche in die Durchgangslöcher 43 des Federisolators 4 eingesetzt sind, vom proximalen Ende des Federisolators 4 aus Metallanschlussstücke 33 angebracht. An den Metallanschlussstücken 33 sind die Zuleitungen 34 angebracht, die beispielsweise mit einer Steuerungsvorrichtung außerhalb des Gassensors 1 verbunden sind.
Die Federklemmen 3 der vorliegenden Ausführungsform sind aus einem Runddraht (Stahldraht) mit kreisförmigem Querschnitt mit einem Drahtdurchmesser im Bereich von φ 0,4 bis 0,7 mm ausgebildet. Die Halteabschnitte 31 und die Armabschnitte 32 werden durch Biegen des Runddrahtes ausgebildet. Die Breite des die Federklemmen 3 bildenden Drahtes wird unter Verwendung des Runddrahtes bei gleichzeitiger Sicherstellung der Festigkeit minimiert. Durch die Verwendung des Runddrahtes wird der Platzbedarf der Federklemmen 3 im Federisolator 4 reduziert. Dadurch verringert sich die Größe des Federisolators 4 und damit die Größe des Gassensors 1.
Ist der Drahtdurchmesser der Federklemmen 3 kleiner als φ 0,4 mm, wie in 3 gezeigt, vergrößert sich ein Spalt bzw. Freiraum S zwischen jeder Federklemme 3 und der zugehörigen Haltenut 42 des Federisolators 4, in der sich die Federklemme 3 befindet. Dadurch vergrößert sich der Positionsverschiebungsbetrag der Federklemme 3 in der zugehörigen Haltenut 42 in der Breitenrichtung W. Dies erfordert die Vergrößerung der Breite der Klemmenkontaktabschnitte 28A und 28B am Sensorelement 2 in der Breitenrichtung W, was die Verkleinerung des Sensorelements 2 behindert.
Übersteigt der Drahtdurchmesser der Federklemmen 3 φ 0,7 mm, werden die Armabschnitte 32 der Federklemmen 3 unflexibler. Dies verschlechtert das einfache Einführen des Sensorelements 2 in das Einführloch 41 des Federisolators 4, in dem die Federklemmen 3 gehalten sind. Um die Festigkeit einer Form zum Ausbilden des Federisolators 4 zu gewährleisten, ist außerdem die Breite der Haltenuten 42 des Federisolators 4, in denen die Federklemmen 3 angeordnet sind, vorzugsweise 0,7 mm oder mehr.
Zu beachten ist, dass die Querschnittsgestalt der Federklemmen 3 einer flachen Gestalt, einer elliptischen Gestalt und einer kantigen Gestalt einschließlich einer rechteckigen Gestalt entsprechen kann. In diesem Fall kann das Seiten- bzw. Längenverhältnis der Federklemmen 3 in dem Bereich von 1:1 bis 1:2 liegen. Das Längenverhältnis entspricht dem Verhältnis der Länge der Hauptachse (lange Seite) zu der Länge der Nebenachse (kurze Seite).
Wie in 3 gezeigt ist, sind die geneigten Federklemmen 3A in der Breitenrichtung W nebeneinander angeordnet, und diese sind außerdem mit dem dazwischen liegenden Sensorelement 2 einander zugewandt angeordnet. Die geneigten Federklemmen 3A befinden sich in der Dickenrichtung T auf beiden Seiten des Sensorelements 2 in einem Paar, um in der Breitenrichtung W nebeneinander zu liegen. Zwei der geneigten Federklemmen 3A sind in der Breitenrichtung W nebeneinander angeordnet, um der ersten Außenfläche 201 entsprechend den beiden ersten Klemmenkontaktabschnitten 28A auf der ersten Außenfläche 201 am proximalen Abschnitt 204 des Sensorelements 2 zugewandt zu sein. Zusätzlich sind zwei der geneigten Federklemmen 3A in der Breitenrichtung W nebeneinander angeordnet, um der zweiten Außenfläche 202, die den beiden zweiten Klemmenkontaktabschnitten 28B auf der zweiten Außenfläche 202 am proximalen Abschnitt 204 des Sensorelements 2 entspricht, zugewandt zu sein. Die beiden geneigten Federklemmen 3A, die der ersten Außenfläche 201 zugewandt angeordnet sind, und die beiden geneigten Federklemmen 3A, die der zweiten Außenfläche 202 zugewandt angeordnet sind, sind einander mit dem dazwischen angeordneten Sensorelement 2 zugewandt.
Zusätzlich ist die Richtung, in welcher die geneigten Federklemmen 3A geneigt sind, so gewählt, dass die Armabschnitte 32 in der Breitenrichtung W des Sensorelements 2 näher an der Mitte liegen als die Halteabschnitte 31. Bei Betrachtung des Federisolators 4 in der Einführrichtung D sind die vier geneigten Federklemmen 3A so angeordnet, dass diese mit Bezug auf die Dickenrichtung T des Sensorelements 2 in einer Art und Weise geneigt sind, welche der Form eines Buchstabens X ähnelt.
Da die geneigten Federklemmen 3A mit dem dazwischen angeordneten Sensorelement 2 einander zugewandt sind, kommen, wie in 9 gezeigt ist, die Kontaktabschnitte 323 der Armabschnitte 32 der geneigten Federklemmen 3A, die in der Dickenrichtung T einander zugewandt sind, bei nicht in das Einführloch 41 des Federisolators 4 eingeführtem Sensorelement 2 miteinander in Kontakt. Da in diesem Zustand die Armabschnitte 32 in der Breitenrichtung W des Sensorelements 2 näher an der Mitte angeordnet sind als die Halteabschnitte 31, sind die einander zugewandten Kontaktabschnitte 323 der Armabschnitte 32 der geneigten Federklemmen 3A in der Breitenrichtung W zur Mitte hin verschoben. Daher wird verhindert, dass die Armabschnitte 32 der geneigten Federklemmen 3A in unterschiedlichen Richtungen der Breitenrichtung W zueinander verschoben werden. Zusätzlich werden die Kontaktabschnitte 323 der Armabschnitte 32 daran gehindert, von den Klemmenkontaktabschnitten 28A und 28B in der Breitenrichtung W nach außen verschoben zu werden und das Sensorelement 2 in der Breitenrichtung W zu verlassen. In der Abbildung sind die Richtungen, in denen die Kontaktabschnitte 323 der Armabschnitte 32 verschoben werden, durch Pfeile P gezeigt.
Da die Armabschnitte 32 der geneigten Federklemmen 3A in der Breitenrichtung W des Sensorelements 2 näher an der Mitte angeordnet sind als die Halteabschnitte 31, sind die geneigten Federklemmen 3A möglichst nahe an einem radialen Muster im Federisolator 4 angeordnet. Dadurch wird der Spalt zwischen den Halteabschnitten 31 des Paares von geneigten Federklemmen 3A, die in der Breitenrichtung W nebeneinander angeordnet sind, vergrößert. Folglich wird die Interferenz zwischen den Metallanschlussstücken 33, die mit den geneigten Federklemmen 3A verbunden sind, und zwischen den Zuleitungen 34, die über die Metallanschlussstücke 33 mit den geneigten Federklemmen 3A verbunden sind, leicht vermieden.
Wie in 3 gezeigt ist, sind die Armabschnitte 32 der geneigten Federklemmen 3A in Kontakt mit den Klemmenkontaktabschnitten 28A und 28B des Sensorelements 2 so gebogen, dass der Neigungswinkel θ einer Mittelachse O entlang der Biegerichtung F gegenüber einer Normalen M senkrecht zu den Außenflächen der Klemmenkontaktabschnitte 28A und 28B im Vergleich zu einem Zustand vor dem in Kontakt Kommen mit den Klemmenkontaktabschnitten 28A und 28B vergrößert ist. Die Mittelachse O bezieht sich auf eine imaginäre Linie, welche in der Einführrichtung D betrachtet die Mitte des Querschnitts des Armabschnitts 32 durchläuft. In diesem Zustand steht der Armabschnitt 32 jeder geneigten Federklemme 3A mit einer in der Breitenrichtung W näher an der Mitte liegenden Seitenfläche 421 der zugehörigen Haltenut 42 in Kontakt, so dass die Position relativ zur Außenfläche des zugehörigen der Klemmenkontaktabschnitte 28A und 28B fixiert ist.
Wie in der Abbildung gezeigt ist, ist die Breite der Haltenuten 42 des Federisolators 4 größer als der Drahtdurchmesser der Federklemmen 3. Zwischen jeder Haltenut 42 und der zugehörigen Federklemme 3 ist der Spalt S ausgebildet. Daher wird, wenn die Armabschnitte 32 der geneigten Federklemmen 3A mit den Klemmenkontaktabschnitten 28A und 28B in Kontakt kommen, jeder Armabschnitt 32 in dem Bereich des Spaltes S verschoben. Da zu dieser Zeit die Biegerichtung F der geneigten Federklemmen 3A mit Bezug auf die Außenflächen der Klemmenkontaktabschnitte 28A und 28B geneigt ist, entspricht die Richtung, in welcher der Armabschnitt 32 jeder geneigten Federklemme 3A verschoben wird, der Richtung, in welcher der Neigungswinkel θ der Mittelachse O des Armabschnitts 32 mit Bezug auf die Normale M vergrößert wird.
Wenn jeder Armabschnitt 32 mit der Seitenfläche 421 der zugehörigen Haltenut 42 näher zur Mitte in der Breitenrichtung W in Kontakt kommt, wird die Verschiebung des Armabschnitts 32 in der Breitenrichtung W beschränkt. Auf diese Art und Weise wird die Lage der Armabschnitte 32 mit Bezug auf die Außenflächen der Klemmenkontaktabschnitte 28A und 28B fixiert. Daher wird die Position der Armabschnitte 32 in der Breitenrichtung W mit Bezug auf die Außenflächen der Klemmenkontaktabschnitte 28A und 28B stabilisiert. Folglich wird der Kontaktzustand der geneigten Federklemmen 3A mit Bezug auf die Klemmenkontaktabschnitte 28A und 28B zuverlässig aufrechterhalten.
Betrachtet man das Sensorelement 2 und die geneigten Federklemmen 3A, die durch den Federisolator 4 gehalten sind, in der Einführrichtung D, so liegt der Neigungswinkel θ zwischen der Mittelachse O entlang der Biegerichtung F der geneigten Federklemme 3A und der Normalen M senkrecht zu den Außenflächen der Klemmenkontaktabschnitte 28A und 28B in dem Bereich von 5 bis 45°. Falls der Neigungswinkel θ kleiner als 5° ist, ist es schwierig, den Vorteil zu erreichen, der durch die Neigung der Biegerichtung F der Armabschnitte 32 der geneigten Federklemmen 3A gegenüber den Außenflächen der Klemmenkontaktabschnitte 28A und 28B erzielt wird. Falls der Neigungswinkel θ 45° überschreitet, gleiten die Armabschnitte 32 der geneigten Federklemmen 3A auf einfache Art und Weise entlang der Außenflächen der Klemmenkontaktabschnitte 28A und 28B, so dass sich der Kontaktzustand zwischen den geneigten Federklemmen 3A und den Klemmenkontaktabschnitten 28A und 28B möglicherweise verschlechtern kann.
Wie in 9 gezeigt ist, sind die beiden in der Breitenrichtung W nebeneinander liegenden geneigten Federklemmen 3A an solchen Positionen und mit solchen Neigungswinkeln angeordnet, dass bei nicht in das Einführloch 41 des Federisolators 4 eingeführtem Sensorelement 2 die Armabschnitte 32 der beiden in der Breitenrichtung W nebeneinander liegenden geneigten Federklemmen 3A nicht miteinander in Kontakt kommen. Berühren sich die Armabschnitte 32 der beiden in der Breitenrichtung W nebeneinander liegenden geneigten Federklemmen 3A, so verschlechtert sich die Leichtigkeit des Einsetzens des Sensorelements 2 in das Einführloch 41. In diesem Fall ist es schwierig, die in der Breitenrichtung W nebeneinander liegenden Klemmenkontaktabschnitte 28A und 28B auf den Außenflächen 201 und 202 des Sensorelements 2 bereitzustellen.
Im Folgenden werden die Betriebseffekte des Gassensors 1 gemäß der vorliegenden Ausführungsform beschrieben.
Um die aus einem Runddraht ausgebildeten Federklemmen 3 zu verwenden, ist der Gassensor 1 der vorliegenden Ausführungsform so ausgelegt, dass der Kontaktzustand der Federklemmen 3 gegenüber den Klemmenkontaktabschnitten 28A und 28B an den Außenflächen 201 und 202 des Sensorelements 2 zuverlässig aufrechterhalten wird. Insbesondere wird veranlasst, dass die auf die Armabschnitte 32 der Federklemmen 3 wirkende Federrückstellkraft auf die Außenflächen der Klemmenkontaktabschnitte 28A und 28B in einem zur Dickenrichtung T geneigten Zustand wirkt. Die Kontaktabschnitte 323 der Armabschnitte 32 können daher in der Breitenrichtung W der Außenflächen der Klemmenkontaktabschnitte 28A und 28B nur zur Mitte hin verschoben werden.
(Zustand vor dem Einsetzen des Elements)
Wie in 9 gezeigt ist, stehen in einem Zustand vor dem Einsetzen des Elements, in dem der proximale Abschnitt 204 des Sensorelements 2 nicht in das Einführloch 41 des Federisolators 4 eingeführt ist, die Armabschnitte 32 der geneigten Federklemmen 3A in der Dickenrichtung T unter Aufbringung der Federrückstellkraft in einer zur Dickenrichtung T geneigten Richtung miteinander in Kontakt. Zu dieser Zeit werden die Positionen der beiden miteinander in Kontakt stehenden Armabschnitte 32 der geneigten Federklemmen 3A durch die Wirkung der Federrückstellkraft an in der Breitenrichtung W zur Mitte hin verschobenen Positionen bestimmt. Daher wird verhindert, dass die sich berührenden Armabschnitte 32 in der Breitenrichtung W in unterschiedlichen Richtungen zueinander verschoben werden, und es wird verhindert, dass die sich berührenden Armabschnitte 32 in der Breitenrichtung W aneinander vorbeigehen. Wie in 10 gezeigt ist, werden die Armabschnitte 32 beim Einsetzen des proximalen Abschnitts 204 des Sensorelements 2 in das Einführloch 41 des Federisolators 4 sanft gebogen, so dass die Leichtigkeit des Einsetzens des Sensorelements 2 in das Einführloch 41 zuverlässig erhalten bleibt.
Als eine Vergleichsausführungsform können, wie in 11 gezeigt ist, falls die in der Dickenrichtung T miteinander in Kontakt stehenden Armabschnitte 32 der Federklemmen 3X veranlassen, dass die Federrückstellkraft in der Dickenrichtung T wirkt, da die Federklemmen 3X aus einem Runddraht ausgebildet sind, die Armabschnitte 32 in der Breitenrichtung W möglicherweise in unterschiedlichen Richtungen zueinander verschoben werden und in der Breitenrichtung W aneinander vorbeigehen. In der Abbildung ist der Federisolator mit den Bezugszeichen 4X gekennzeichnet und die Haltenuten sind mit den Bezugszeichen 42X gekennzeichnet. In diesem Fall kann es vorkommen, dass sich die Armabschnitte 32 beim Einsetzen des proximalen Abschnitts 204 des Sensorelements 2 in das Einführloch 41 des Federisolators 4X nicht mehr sanft bzw. leichtgängig verbiegen, so dass sich die Leichtgängigkeit beim Einsetzen des Sensorelements 2 in das Einführloch 41 möglicherweise verschlechtern kann.
(Zustand nach dem Einsetzen des Elements)
Wie in 3 gezeigt ist, sind in dem Zustand nach dem Einsetzen des Elements, in dem der proximale Abschnitt 204 des Sensorelements 2 in das Einführloch 41 des Federisolators 4 eingeführt ist, die Kontaktabschnitte 323 der Armabschnitte 32 der geneigten Federklemmen 3A gegenüber den Außenflächen der Klemmenkontaktabschnitte 28A und 28B in der Breitenrichtung W nur zur Mitte hin verschoben. Die Armabschnitte 32 sind so verschoben, dass der Neigungswinkel θ zwischen der Mittelachse O jedes Armabschnitts 32 und der Normalen M vergrößert ist. In der Abbildung sind die Richtungen, in denen die Kontaktabschnitte 323 der Armabschnitte 32 verschoben werden, durch Pfeile P gezeigt.
Der Armabschnitt 32 jeder geneigten Federklemme 3A kommt mit der Seitenfläche 421 der zugehörigen Haltenut 42 des Federisolators 4 in Kontakt, die in der Breitenrichtung W näher an der Mitte liegt. Damit wird die Richtung, in der die Kontaktabschnitte 323 der Armabschnitte 32 verschoben werden, und der Betrag der Verschiebung beschränkt, so dass die Positionen, an denen die Kontaktabschnitte 323 der Armabschnitte 32 mit den Außenflächen der Klemmenkontaktabschnitte 28A und 28B in Kontakt kommen, bestimmt bzw. festgelegt sind. Da die Kontaktpositionen der Armabschnitte 32 mit Bezug auf die Klemmenkontaktabschnitte 28A und 28B bestimmt sind, ist es unwahrscheinlich, dass ein Kontaktfehler zwischen den Armabschnitten 32 und den Klemmenkontaktabschnitten 28A und 28B auftritt.
Als eine Vergleichsausführungsform, wie in 12 gezeigt, neigt die Seite in der Breitenrichtung W, zu der die Armabschnitte 32 verschoben werden, dazu, sich zu verändern, falls die in der Dickenrichtung T miteinander in Kontakt stehenden Armabschnitte 32 der Federklemmen 3X bewirken, dass die Federrückstellkraft in der Dickenrichtung T wirkt. In der Abbildung wird der Zustand, in dem sich die Richtung, in der die Kontaktabschnitte 323 der Armabschnitte 32 verschoben werden, ändern kann, durch das Bezugszeichen Q angegeben. Dies bewirkt eine Variation der Positionen, an denen die Kontaktabschnitte 323 der Armabschnitte 32 mit den Außenflächen der Klemmenkontaktabschnitte 28A und 28B in Kontakt kommen. Folglich können sich die Kontaktpositionen der Armabschnitte 32 mit Bezug auf die Klemmenkontaktabschnitte 28A und 28B ändern, und es kann möglicherweise zu einem Kontaktfehler zwischen den Armabschnitten 32 und den Klemmenkontaktabschnitten 28A und 28B kommen.
Auf diese Art und Weise wird bei dem Gassensor 1 mit der Kontaktstruktur der geneigten Federklemmen 3A gemäß der vorliegenden Ausführungsform der Zustand der geneigten Federklemmen 3A in einer geeigneten Art und Weise entweder vor oder nach dem Einsetzen des Sensorelementes 2 bei dem Einführloch 41 des Federisolators 4 aufrechterhalten. Folglich wird gemäß dem Gassensor 1 der vorliegenden Ausführungsform der Zustand der elektrischen Verbindung zwischen den Federklemmen 3 und dem Sensorelement 2 günstig gestaltet.
Wenn die Heizvorrichtung 23 nicht auf das Sensorelement 2 laminiert ist, sind die zweiten Klemmenkontaktabschnitte 28B und die geneigten Federklemmen 3A, die mit den zweiten Klemmenkontaktabschnitten 28B in Kontakt stehen, nicht erforderlich. In diesem Fall können, wie in 13 gezeigt ist, die ersten Klemmenkontaktabschnitte 28A auf der ersten Außenfläche 201 des Sensorelements 2 ausgebildet sein, und es können nur die beiden geneigten Federklemmen 3A, die mit den ersten Klemmenkontaktabschnitten 28A auf der ersten Außenfläche 201 des Sensorelements 2 in Kontakt kommen, vorgesehen sein.
<Zweite Ausführungsform>
Die vorliegende Ausführungsform stellt einen Fall dar, bei dem die Anzahl der Federklemmen 3 im Federisolator 4 sechs beträgt.
Wie in 14 gezeigt ist, hält der Federisolator 4 der vorliegenden Ausführungsform neben den vier geneigten Federklemmen 3A zwei vertikale Federklemmen 3B. Die vertikalen Federklemmen 3B entsprechen den Federklemmen 3, die sich von den geneigten Federklemmen 3A unterscheiden, aus den mehreren Federklemmen 3, die vom Federisolator 4 gehalten sind.
Die vertikalen Federklemmen 3B sind jeweils zwischen dem Paar von in der Breitenrichtung W nebeneinander liegenden geneigten Federklemmen 3A so angeordnet, dass die Biegerichtung F des Armabschnitts 32 senkrecht zu den Außenflächen der Klemmenkontaktabschnitte 28A und 28B steht. Der Federisolator 4 umfasst Haltenuten 42A für die geneigten Federklemmen 3A, die mit Bezug auf die Dickenrichtung T geneigt sind, und Haltenuten 42B für die vertikalen Federklemmen 3B, die parallel zur Dickenrichtung T verlaufen.
Die Anzahl der in der vorliegenden Ausführungsform verwendeten Federklemmen 3 beträgt insgesamt sechs, da die Anzahl der auf dem Sensorelement 2 befindlichen Elektroden vier beträgt, und die Anzahl der Leitungsabschnitte 232 des Heizelements 230 der Heizvorrichtung 23 beträgt zwei. Der Gassensor 1 der vorliegenden Ausführungsform kann beispielsweise ein NOx-Sensor sein, der die Konzentration einer spezifischen Gaskomponente, wie NOx (Stickoxid), erfasst. Das Sensorelement 2 des NOx-Sensors verwendet vier Elektroden, mit einer Pumpelektrode, die sich auf der ersten Hauptfläche 211 des Festelektrolyten 21 befindet, zum Abgeben von Sauerstoff im Abgas G in die Gaskammer 26, einer Monitorelektrode, die sich auf der ersten Hauptfläche 211 des Festelektrolyten 21 befindet, zum Erfassen der Restsauerstoffkonzentration im Abgas G in der Gaskammer 26, einer Sensorelektrode, die sich auf der ersten Hauptfläche 211 des Festelektrolyten 21 befindet, zum Erfassen der NOx-Konzentration im Abgas G in der Gaskammer 26, und einer Referenzelektrode, die sich auf der zweiten Hauptfläche 212 des Festelektrolyten 21 befindet und der Luft A ausgesetzt ist. Zusätzlich ist die Heizvorrichtung 23 auf das Sensorelement 2 laminiert.
Wie in 15 gezeigt ist, umfassen die erste Außenfläche 201 und die zweite Außenfläche 202 des Sensorelements 2 jeweils drei Klemmenkontaktabschnitte 28C und 28D. Die erste Außenfläche 201 umfasst drei Klemmenkontaktabschnitte 28C und 28D, die mit den Leitungsabschnitten 221 der Pumpelektrode, der Monitorelektrode und der Sensorelektrode verbunden sind. Die zweite Außenfläche 202 umfasst drei Klemmenkontaktabschnitte 28C und 28D, die mit dem Leitungsabschnitt 221 der Referenzelektrode und den Leitungsabschnitten 232 des Heizelements 230 der Heizvorrichtung 23 verbunden sind.
Die drei Klemmenkontaktabschnitte 28C und 28D, die auf jeder der Außenflächen 201 und 202 des Sensorelements 2 ausgebildet sind, umfassen zwei proximale Klemmenkontaktabschnitte 28D und einen distalen Klemmenkontaktabschnitt 28C. Die proximalen Klemmenkontaktabschnitte 28D sind am proximalen Ende des proximalen Abschnitts 204 des Sensorelements 2 in der Breitenrichtung W nebeneinander angeordnet. Der distale Klemmenkontaktabschnitt 28C ist benachbart zu den distalen Enden der proximalen Klemmenkontaktabschnitte 28D ausgebildet. Die Armabschnitte 32 der beiden in der Breitenrichtung W nebeneinander liegenden geneigten Federklemmen 3A kommen mit den beiden proximalen Klemmenkontaktabschnitten 28D in Kontakt. Die Armabschnitte 32 jeder vertikalen Federklemme 3B stehen mit dem zugehörigen distalen Klemmenkontaktabschnitt 28C in Kontakt.
Wie in 15 gezeigt ist, ist die Ausbildungsbreite in der Breitenrichtung W des distalen Klemmenkontaktabschnitts 28C, der mit der vertikalen Federklemme 3B in Kontakt steht, größer als die Ausbildungsbreite der proximalen Klemmenkontaktabschnitte 28D in der Breitenrichtung W. Somit ist die Verschiebung des Armabschnitts 32 jeder vertikalen Federklemme 3B zu beiden Seiten des Sensorelements 2 in der Breitenrichtung W zugelassen. Die Zuordnung der Pumpenelektrode, der Monitorelektrode, der Sensorelektrode, der Referenzelektrode und des Heizelements 230 mit Bezug auf die geneigten Federklemmen 3A und die vertikalen Federklemmen 3B kann geändert werden.
Bei dem Gassensor 1 der vorliegenden Ausführungsform ist die vertikale Federklemme 3B im Ansprechen auf die Erhöhung der Anzahl der für das Sensorelement 2 verwendeten Elektroden zwischen jedem Paar der geneigten Federklemmen 3A angeordnet. Die Ausbildungsbreite in der Breitenrichtung W des distalen Klemmenkontaktabschnitts 28C, mit dem die vertikale Federklemme 3B in Kontakt steht, ist größer als die Ausbildungsbreite in der Breitenrichtung W der proximalen Klemmenkontaktabschnitte 28D, mit denen die geneigten Federklemmen 3A in Kontakt stehen. Somit wird auch bei Verwendung der vertikalen Federklemmen 3B der Kontaktzustand zwischen den vertikalen Federklemmen 3B und den distalen Klemmenkontaktabschnitten 28C zuverlässig aufrechterhalten.
Wenn die Heizvorrichtung 23 nicht auf das Sensorelement 2 des NOx-Sensors laminiert ist, können vier Elektroden, einschließlich der Pumpelektrode, der Monitorelektrode, der Sensorelektrode und der Referenzelektrode, den beiden Klemmenkontaktabschnitten 28A und den beiden Klemmenkontaktabschnitten 28B, die auf der ersten Außenfläche 201 des Sensorelements 2 oder auf der zweiten Außenfläche 202 des Sensorelements 2 ausgebildet sind, und den vier geneigten Federklemmen 3A entsprechen.
Alternativ kann, wie in 16 gezeigt ist, die vertikale Federklemme 3B nur auf der ersten Außenfläche 201 des Sensorelements 2 verwendet werden, so dass der Gassensor 1 insgesamt fünf Federklemmen 3 verwendet.
Die anderen Strukturen und die Betriebseffekte des Gassensors 1 der vorliegenden Ausführungsform sind gleich diesen der ersten Ausführungsform. Auch in der vorliegenden Ausführungsform sind die Komponenten, welche durch die gleichen Bezugszeichen wie die in der ersten Ausführungsform angegebenen Bezugszeichen bezeichnet sind, gleich diesen bei der ersten Ausführungsform.
<Dritte Ausführungsform>
Die vorliegende Ausführungsform zeigt eine Modifikation der Haltenuten 42 des Federisolators 4.
Wie in 17 gezeigt ist, müssen die Haltenuten 42 von der distalen Endoberfläche zum proximalen Ende des Federisolators 4 hin nicht unbedingt durchgehend ausgebildet sein, sondern diese können aus einer Aussparung 44, die an dem distalen Endabschnitt des Federisolators 4 ausgebildet ist, zum proximalen Ende hin ausgebildet sein.
Alternativ können die Haltenuten 42 neben dem in den 18 und 19 gezeigten geraden Ausbilden der Haltenuten 42 in der Einführrichtung D betrachtet auch stufenförmig in der Einführrichtung D betrachtet sein. Die stufenförmigen Haltenuten 42 sind so ausgebildet, dass die geneigten Federklemmen 3A mit Bezug auf die Dickenrichtung T des Sensorelements 2 geneigt angeordnet sind. Der Halteabschnitt 31 jeder geneigten Federklemme 3A befindet sich an der äußeren Ecke in der zugehörigen stufenförmigen Haltenut 42 in der Breitenrichtung W. Der Armabschnitt 32 jeder geneigten Federklemme 3A befindet sich vom Halteabschnitt 31 in der Breitenrichtung W zur Mitte hin.
18 zeigt ein Beispiel, in dem die Breite in der Breitenrichtung W eines in der Dickenrichtung T näher zur Mitte gelegenen Abschnitts 422 jeder Haltenut 42 kleiner ist als die Breite in der Breitenrichtung W eines in der Dickenrichtung T außen gelegenen Abschnitts 423 der Haltenut 42. 19 zeigt alternativ ein Beispiel, bei dem der in der Dickenrichtung T näher an der Mitte angeordnete Abschnitt 422 jeder Haltenut 42 in der Breitenrichtung W näher an der Mitte ausgebildet ist als der in der Dickenrichtung T außen liegende Abschnitt 423 der Haltenut 42. Durch die Ausbildung der stufenförmigen Haltenuten 42 können die geneigten Federklemmen 3A mit Bezug auf die Außenflächen der Klemmenkontaktabschnitte 28A und 28B geneigt sein.
Die anderen Strukturen und die Betriebseffekte des Gassensors 1 der vorliegenden Ausführungsform sind die gleichen wie diese der ersten Ausführungsform. Auch in der vorliegenden Ausführungsform sind die Komponenten, welche durch die gleichen Bezugszeichen wie die in der ersten Ausführungsform angegebenen Bezugszeichen bezeichnet sind, gleich diesen bei der ersten Ausführungsform.
<Vierte Ausführungsform>
Die vorliegende Ausführungsform stellt eine Modifikation der Gestalt der Federklemmen 3 dar.
Der Halteabschnitt 31 jeder Federklemme 3 muss nicht unbedingt gekrümmt sein, so dass die Position des Halteabschnitts 31 in der Biegerichtung F versetzt ist. Stattdessen können die Halteabschnitte 31 der Federklemmen 3, wie in 20 gezeigt ist, gerade ausgebildet sein, um parallel zur Einführrichtung D zu sein. Jeder Armabschnitt 32 muss nicht unbedingt in der Einführrichtung D vom Halteabschnitt 31 zurückgefaltet sein. Stattdessen kann, wie in 21 gezeigt ist, der Armabschnitt 32 so ausgebildet sein, dass sich dieser vom distalen Ende des Halteabschnitts 31 in der Einführrichtung D zum distalen Ende hin erstreckt. Alternativ kann, obwohl die Idee der Verkleinerung widerspricht, wie in 22 gezeigt ist, jeder Armabschnitt 32 vom distalen Ende des Halteabschnitts 31 in der Einführrichtung D zum proximalen Ende hin zurückgefaltet und dann weiter zum distalen Ende hin zurückgefaltet sein.
Die 20 bis 22 zeigen die Federklemme 3, die sich auf der Außenfläche auf einer Seite des Sensorelements 2 befindet. Die Federklemmen 3 können sich auf den Außenflächen auf beiden Seiten des Sensorelements 2 befinden.
Der weiteren Strukturen und die Betriebseffekte des Gassensors 1 der vorliegenden Ausführungsform sind gleich diesen der ersten Ausführungsform. Auch in der vorliegenden Ausführungsform sind die Komponenten, welche durch die gleichen Bezugszeichen wie die in der ersten Ausführungsform angegebenen Bezugszeichen bezeichnet sind, gleich diesen bei der ersten Ausführungsform.
Die Anzahl der Federklemmen 3 des Gassensors 1 kann entsprechend der Anzahl der auf dem Sensorelement 2 angeordneten Elektroden nach Bedarf verändert werden. Im Gassensor 1 können zwei Festelektrolyte 21 verwendet werden. Der Festelektrolyt 21, auf dem die Pumpelektrode ausgebildet ist, kann sich von dem Festelektrolyten 21, auf dem die Monitorelektrode und die Sensorelektrode ausgebildet sind, unterscheiden. Die in jeder der Ausführungsformen dargestellte Struktur kann auf das Sensorelement 2 ohne den Luftkanal 27 angewendet werden.
Die vorliegende Offenbarung ist nicht auf jede der Ausführungsformen beschränkt, sondern kann eine andere Ausführungsform konfigurieren, ohne vom Kerngedanken der Erfindung abzuweichen. Die vorliegende Offenbarung umfasst verschiedene Varianten und Variationen, die in den Äquivalenzbereich fallen. Darüber hinaus sind verschiedene Kombinationen und Formen von Komponenten, die aus dieser Offenbarung denkbar sind, in dem technischen Grundgedanken dieser Offenbarung enthalten.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

JP 2017167558 [0001]
JP 2015145831 A [0006]

Claims

Gassensor (1), aufweisend: ein Sensorelement (2) zum Erfassen von Gas mit einer Mehrzahl von Klemmenkontaktabschnitten (28A, 28B, 28C und 28D), die sich auf Außenflächen (201, 202) eines proximalen Abschnitts (204) des Sensorelements befinden; eine Mehrzahl von Federklemmen (3), die aus einem biegsamen Draht ausgebildet sind; und einen Isolator (4) mit einem Einführloch (41), in das der proximale Abschnitt des Sensorelements eingeführt ist, und einer Mehrzahl von Haltenuten (42), die mit dem Einführloch in Verbindung stehen, wobei jede Federklemme einen Halteabschnitt (31), der in der zugehörigen Haltenut gehalten ist, und einen Armabschnitt (32), der sich von dem Halteabschnitt erstreckt und mit dem zugehörigen Klemmenkontaktabschnitt unter Biegung mit Bezug auf den Halteabschnitt in Kontakt steht, umfasst, und in einer Einführrichtung (D) des Sensorelements in das Einführloch betrachtet, zumindest eine der Federklemmen eine geneigte Federklemme (3A) umfasst, und eine Biegerichtung (F) des Armabschnitts der geneigten Federklemme mit Bezug auf den Halteabschnitt mit Bezug auf eine Außenfläche des zugehörigen Klemmenkontaktabschnitts geneigt ist.
Gassensor nach Anspruch 1, wobei die Klemmenkontaktabschnitte in einer zur Einführrichtung orthogonalen Breitenrichtung (W) nebeneinander angeordnet sind, eine Mehrzahl der geneigten Federklemmen in der Breitenrichtung nebeneinander angeordnet sind, und die Armabschnitte der geneigten Federklemmen in der Breitenrichtung des Sensorelements näher an einer Mitte angeordnet sind als die Halteabschnitte.
Gassensor nach Anspruch 2, wobei sich der Armabschnitt jeder geneigten Federklemme verbiegt, so dass ein Neigungswinkel (θ) einer sich entlang der Biegerichtung erstreckenden Mittelachse (O) mit Bezug auf eine Normale (M) senkrecht zu Außenflächen der Klemmenkontaktabschnitte vergrößert ist, und mit einer Seitenfläche (421) der zugehörigen Haltenut, die in der Breitenrichtung an der Mittenseite angeordnet ist, in Kontakt steht, und die Position des Armabschnitts mit Bezug auf die Außenfläche des zugehörigen Klemmenkontaktabschnitts fixiert ist.
Gassensor nach Anspruch 2 oder 3, wobei die Klemmenkontaktabschnitte in einer Dickenrichtung (T) orthogonal zur Einführrichtung und zur Breitenrichtung auf entgegengesetzten Seiten des Sensorelements angeordnet sind, und die geneigten Federklemmen an Positionen angeordnet sind, die einander mit dem dazwischen angeordneten Sensorelement zugewandt sind.
Gassensor nach einem der Ansprüche 2 bis 4, wobei die geneigten Federklemmen paarweise angeordnet sind, um in der Breitenrichtung auf entgegengesetzten Seiten des Sensorelements in der Dickenrichtung nebeneinander zu liegen, und die Mehrzahl von Federklemmen eine vertikale Federklemme (3B) umfasst, die einer Federklemme entspricht, die sich von den geneigten Federklemmen unterscheidet, und die vertikale Federklemme zwischen dem Paar der in der Breitenrichtung nebeneinander angeordneten geneigten Federklemmen angeordnet ist, und die Biegerichtung des Armabschnitts senkrecht zur Außenfläche des zugehörigen Klemmenkontaktabschnitts steht.
Gassensor nach einem der Ansprüche 2 bis 5, wobei das Sensorelement einen Festelektrolyten (21), auf dem zumindest ein Paar von Elektroden (22A, 22B) angeordnet sind, und eine auf dem Festelektrolyten laminierte Heizvorrichtung (23) umfasst, und die Mehrzahl von Klemmenkontaktabschnitten einen ersten Klemmenkontaktabschnitt (28A), der mit den Elektroden verbunden ist, und einen zweiten Klemmenkontaktabschnitt (28B), der mit einem Heizelement (230) der Heizvorrichtung verbunden ist, umfasst.
Gassensor nach einem der Ansprüche 2 bis 6, wobei der Neigungswinkel (θ) zwischen der Mittelachse (O), die sich entlang der Biegerichtung jeder geneigten Federklemme erstreckt, und der Normalen (M), die senkrecht zur Außenfläche des zugehörigen Klemmenkontaktabschnitts steht, in der Einführrichtung betrachtet in einem Bereich von 5 bis 45° liegt.
Gassensor nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei die mehreren Federklemmen aus Runddraht mit einem kreisförmigen Querschnitt und einem Drahtdurchmesser innerhalb eines Bereichs von φ 0,4 bis 0,7 mm ausgebildet sind.
Gassensor nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei jeder Armabschnitt von dem zugehörigen Halteabschnitt zurückgefaltet ist, um dem Halteabschnitt zugewandt zu sein.