JP2008096247A - ガスセンサ - Google Patents

Abstract

【課題】シール部材の組み付け時にリード線のねじれを抑制することができるガスセンサを得る。
【解決手段】隣り合うリード線１７の間に、シールラバー１６の一端より検出素子２の方向へ突出するガイド体４１を介設した。これにより、シールラバー１６の組み付け時にシールラバー１６の挿通孔４２に複数のリード線１７をそれぞれ挿通した状態で、シールラバー１６を検出素子２の方向へリード線１７に沿って移動させるとき、ガイド体４１が、シールラバー１６の一端より検出素子２の方向へ突出し、隣り合うリード線１７の間を移動するので、これらのリード線１７を分離してリード線１７のねじれを開放することができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、ガスセンサに関する。

従来より種々のガスセンサが提案されている。特許文献１は、その一例としてのガスセンサを開示する。

特許文献１に開示されるガスセンサは、検出素子と、該検出素子の電極に接続された複数のリード線と、前記検出素子及びリード線の一部を保護するケーシングと、該ケーシングの一端の開口部を閉塞し、リード線が挿通される挿通孔を有するシール部材とを備え、ケーシングで検出素子及びリード線の一部を保護するとともに、シール部材でケーシングの一端の開口部を閉塞した状態で、検出素子によりガス濃度や温度などを検出してその検出信号を検出素子からリード線を介して外部へ出力するものである。

このガスセンサでは、耐熱ゴム等から構成されるシール部材の組み付け時に、シール部材の挿通孔に複数のリード線をそれぞれ挿通した状態で、シール部材を検出素子の方向へ前記リード線に沿って移動させて、シール部材でケーシングの一端の開口部を閉塞することにより、ケーシングの一端の開口部とリード線との間を防水シールするようにしている。
特開２００５−２４１４６８号公報

しかしながら、上述した従来技術では、シール部材の組み付け時に、シール部材の挿通孔に複数のリード線をそれぞれ挿通した状態で、シール部材を検出素子の方向へ前記リード線に沿って移動させるとき、隣り合うリード線同士がねじれた状態で組み付けられることがある。このように、隣り合うリード線同士がねじれた状態のままシール部材を組み付けると、リード線先端の端子と検出素子との接続部に負荷がかかるため、接続不良を起こしやすいという問題があった。また、上述したリード線のねじりが大きい場合には、複数のリード線先端の端子同士が接触してショートするという問題があった。

本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、シール部材の組み付け時にリード線のねじれを抑制することができるガスセンサを得ることにある。

上記目的を達成するために、請求項１の発明は、検出素子と、該検出素子の電極に接続された複数のリード線と、前記検出素子及び前記リード線の一部を保護するケーシングと、該ケーシングの一端の開口部を閉塞し、前記リード線が挿通されるシール部材と、を備えたガスセンサにおいて、隣り合う前記リード線の間に、前記弾性体の一端より前記検出素子の方向へ突出するガイド体を介設したことを趣旨とする。

また、請求項２の発明は、前記ガイド体は、前記シール部材の中央部より放射状に延びて前記挿通穴の少なくとも一部を囲うように形成されたことを趣旨とする。

請求項１の発明によれば、ガイド体をシール部材の一端より検出素子の方向へ突出させるとともに、隣り合うリード線の間に介在させることで、シール部材の挿通孔に複数のリード線をそれぞれ挿通した状態で、当該シール部材を検出素子の方向へ前記リード線に沿って移動させながら組み付けるときに、ガイド体が隣り合うリード線の間を移動するため、ガイド体によってこれらのリード線を分離させることができ、リード線のねじれを開放することができる。

請求項２の発明によれば、シール部材を所定位置に組み付けたとき、挿通穴の少なくとも一部を囲うように形成されたガイド体が、検出素子の方向へ突出しているので、当該ガイド体により、前記挿通穴より突出するリード線先端の端子同士を隔離できる。これにより、リード線先端の端子同士を電気的に絶縁することができる。

以下、本発明を具現化した実施形態について図面を参照して説明する。ここでは、内燃機関を搭載した自動車の排気管に装着された空燃比検出用の酸素センサを例示する。

（第１実施形態）まず、酸素センサの概略構成について説明する。図１は、本実施形態にかかる酸素センサの断面図である。

ホルダ４には、円筒状の素子挿入孔３が形成され、この素子挿入孔３に円柱ロッド状の検出素子２が嵌挿されている。検出素子２は、素子挿入孔３を貫通してホルダ４の軸方向の両端面から露出しており、その一端側には酸素測定部２ｂが、また他端側には電極２ａが形成されている。

酸素測定部２ｂは、ホルダ４に溶接やかしめ等で固定された有底円筒状で二重管構成のプロテクタ９Ａ，９Ｂ内に挿入されている。内側および外側のプロテクタ９Ａ，９Ｂには、それぞれガス流通用の流通孔（円孔）９ａ，９ｂが形成されており、検出ガスは、これら流通孔９ａ，９ｂを経由してプロテクタ９内に進入し、酸素測定部２ｂの周囲に到達する。

一方、素子挿入孔３の電極２ａ側には拡径部１０が形成されており、この拡径部１０に設けられたシール部５により、素子挿入孔３と検出素子２との隙間における気密が保たれている。具体的には、拡径部１０にセラミック粉（例えば未焼結のタルク等）１２を充填し、これをスペーサ（例えばワッシャ等）１３を用いて奥側に押し込むことで、当該隙間が埋められる。

ホルダ４の電極２ａ側には有底円筒状の端子保持用硝子７が固定されており、この端子保持用硝子７により検出素子２の電極２ａ側が被覆されている。さらに、その端子保持用硝子７の外周を所定の間隙をもって覆うように、筒状のケーシング８が設けられている。このケーシング８は、ホルダ４の外周に全周レーザ溶接等で固定されており、当該レーザ溶接によってケーシング８とホルダ４との隙間における気密が確保されている。

また、ケーシング８の酸素測定部２ｂの反対側の端部には、略円柱状のシールラバー（シール部）１６が内装されており、このシールラバー１６を複数（例えば４本）のリード線１７が貫通して外部に導出されている。このシールラバー１６はケーシング８のカシメ部８ａによってケーシング８に固定されていると共に、このシールラバー１６によってシールラバー１６とリード線１７との間、ならびに、シールラバー１６とケーシング８との間の気密が確保されている。なお、シールラバー１６としては、例えばフッ素ゴム等、耐熱性の高い材質を用いるのが好適である。

各リード線１７の内側端部には、端子６が接続されており、この端子６が端子保持用硝子７に保持されている。各端子６は、弾性体として構成され、その弾性力により、検出素子２の表面に形成される各電極２ａに端子６がより確実に当接し、この部分でより確実な導通が得られるようにしてある。

かかる構成の酸素センサ１は、ホルダ４のネジ部４ｂを排気管３０のネジ孔３１に螺入することにより排気管３０に固定され、プロテクタ９Ａ，９Ｂで覆われた箇所が排気管３０内に突出された状態で配置される。酸素センサ１と排気管３０との間は、ガスケット１９によってシールされる。

酸素センサ１の内部に形成される内部空間１５は、シール部５、シールラバー１６、および、ホルダ４とケーシング８との接合部分において、酸素センサ１外部に対して気密が確保されている。ただし、リード線１７の内部における極めて微小な隙間（芯線と被覆との隙間等）を経由して酸素センサ１の外部と連通している。

上記構成の酸素センサ１において、排気管３０内を流通する検出ガスがプロテクタ９Ａ，９Ｂの流通孔９ａ，９ｂより内部に流入すると、そのガス内の酸素が検出素子２の酸素測定部２ｂ内に入り込む。すると、酸素測定部２ｂによって検出ガスの酸素濃度が検出され、当該酸素濃度を示す電気信号に変換される。そして、この電気信号の情報が電極２ａ、端子６およびリード線１７を経由して外部に出力される。

次に、酸素測定部２ｂの構成について説明する。図２は、検出素子の横断面図（図１のＡ−Ａ断面図）である。

検出素子２は、基体としての芯ロッド２２と、この芯ロッド２２の外周面２２ａの所定領域（略半周に亘る領域）に形成されたヒータパターン２３と、このヒータパターン２３を覆うヒータ絶縁層２４と、芯ロッド２２の外周面２２ａ上でヒータパターン２３の反対側の位置に形成された酸素イオン伝導性の固体電解質層２５と、この固体電解質層２５の内面に形成された内側電極（参照電極）２６と、固体電解質層２５の外面に形成された外側電極（検出電極）２７と、内側電極２６の内面と芯ロッド２２の外周面２２ａとの間に設けられた緩和層２８と、固体電解質層２５と外側電極２７の外面に形成された緻密層２９と、この緻密層２９やヒータ絶縁層２４の外面を全体的に覆う印刷保護層２０Ａと、この印刷保護層２０Ａの外面全体の領域を覆う保護層２０Ｂとから大略構成されている。すなわち、本実施形態にかかる酸素センサ１は、検出素子２の保護層２０として、印刷保護層２０Ａと保護層２０Ｂとを備えている。

芯ロッド２２は、絶縁材料であるアルミナ等のセラミック材料により、中実円柱状に形成される。

ヒータパターン２３は、タングステンや白金等の発熱性導体材料により形成される。このヒータパターン２３には、４本のリード線１７（図１）のうち２本が電気的に接続されている。外部電源によってこのリード線１７を介してヒータパターン２３を通電することで、ヒータパターン２３のうち特にヒータ部２３ａが発熱し、これにより、固体電解質層２５が昇温して活性化される。

ヒータ絶縁層２４は、絶縁性材料により形成され、ヒータパターン２３の電気的絶縁を確保する。

固体電解質層２５は、例えば、ジルコニアの粉体中に所定重量％のイットリアの粉体を混合させてペースト状にしたものをパターニングし、それを焼成して形成される。固体電解質層２５は、内側電極２６と外側電極２７との間で、周囲の酸素濃度差に応じた起電力を発生させ、その厚さ方向に酸素イオンを輸送する。

そして、これら固体電解質層２５、内側電極２６、および外側電極２７により酸素濃度を電気信号として取り出す酸素濃度検出部３２が構成される。なお、酸素濃度検出部３２およびヒータパターン２３は、芯ロッド２２を挟んで相互に対向する位置に設けられている。

内側電極２６および外側電極２７は、それぞれ導電性を有し、かつ酸素が透過できるサーメット構造の金属材料（例えば白金等）によって形成される。これら内側電極２６および外側電極２７には、４本のリード線１７（図１）のうち２本が１本ずつ電気的に接続されており、内側電極２６と外側電極２７との間に生じた出力電圧がこれらリード線１７間の電圧として検出できるようになっている。

さらに、本実施形態では、内側電極２６は、貴金属材料（例えば白金等）に例えばテオブロミン等の空孔形成剤を加えて混合したものをパターニングし、それを焼成することにより形成する。このように空孔形成剤を混合して形成することにより、焼成時に空孔形成剤（消失剤）が焼き飛ばされて電極内に空孔ができ、電極を多孔質構造とすることができる。

また、緩和層２８は、ジルコニアとアルミニウムの混合材料に、さらに例えばカーボン等の空孔形成剤（消失剤）を加えて混合したものをパターニングし、それを焼成することにより形成し、多孔質構造とする。したがって、固体電解質層２５を通じて内側電極２６側に導入された酸素は、さらに、緩和層２８内に進入することができる。

緻密層２９は、検出ガス中の酸素が透過できない材料、例えばアルミナ等のセラミック材料によって形成されている。緻密層２９は、電極用窓部（図示せず）を除き、固体電解質層２５の外縁の一部、または全部を被覆している。

印刷保護層２０Ａは、緻密層２９、ヒータ絶縁層２４の外側全面を覆っている。そして、印刷保護層２０Ａは検出ガス中の有毒物質やダスト等は透過させないが、検出ガスは透過させることのできる材質、例えば空孔を持ったアルミナのような多孔質構造体によって形成されている。

保護層２０Ｂは、素子の外側全面を覆っており、検出ガスを通過させることができ、アルミナとマグネシアの混合物のような印刷保護層２０Ａよりも粗い多孔質体によって形成されている。

次に、シールラバー１６の構成について説明する。図３は、シールラバーの正面図、図４は、シールラバーを下方から見た図である。

シールラバー１６の一端には、検出素子２の方向（図１の下方）へ突出するガイド体４１が一体成形されている。このガイド体４１は、例えば４つの別個のガイド片４１ａ〜４１ｄからなり、各ガイド片４１ａ〜４１ｄは、シールラバー１６の中央部を中心として放射状に配設されるとともに、隣り合うリード線１７の間に介設されている。すなわち、ガイド片４１ａ〜４１ｄは、リード線１７が挿通される各挿通孔４２の少なくとも一部を囲うように形成されている。また、ガイド片４１ａ〜４１ｄの長手方向の寸法Ｄ１を、リード線１７の外径よりも長くしている。そして、各ガイド片４１ａ〜４１ｄの幅寸法Ｄ２が、隣り合う挿通孔４２の相互に対向する端縁間の距離の２０％以上となるようにしている。

以上の本実施形態によれば、ガイド体４１をシールラバー１６の一端より検出素子２の方向へ突出させるとともに、当該ガイド体４１を隣り合うリード線１７の間に介在させることで、シールラバー１６の挿通孔４２に複数のリード線１７をそれぞれ挿通した状態で、シールラバー１６を検出素子２の方向（図１の下方）へリード線１７に沿って移動させながら組み付けるときに、ガイド体４１が、隣り合うリード線１７の間を移動するため、ガイド体４１によって、これらのリード線１７を分離させることができ、リード線１７のねじれを開放することができる。したがって、リード線１７同士がねじれた状態で組み付けられることを防止でき、リード線１７先端の端子６と検出素子２との接続部に負荷がかからないので、この接続部の接続不良を防止できるとともに、複数のリード線１７先端の端子６同士が接触してショートすることも防止できる。

さらに、ガイド片４１ａの長手方向の寸法Ｄ１をリード線１７の外径よりも長くすることにより、シールラバー１６の組み付け時にリード線１７がガイド片４１ａの長手方向に多少ずれたとしても、当該ガイド片４１ａを隣り合うリード線１７の間に介在させることができるため、より確実にリード線１７を分離させることができ、リード線１７同士のねじれを開放する効果を高めることができる。かかる効果は、他のガイド片４１ｂ〜４１ｄでも同様に得ることができる。

また、シールラバー１６の一端にガイド体４１を一体に形成しているため、ガイド体４１の剛性が向上し、より確実にリード線１７を分離させることができるようになるため、この点からもシールラバー１６の組み付け時のリード線１７同士のねじれを開放する効果を高めることができる。

なお、本実施形態では、ガイド片４１ａ〜４１ｄの高さ寸法Ｄ３はそれぞれ比較的小さく設定されているが、本発明はこれに限定されず、例えば、上記高さ寸法Ｄ３を所定値以上に大きくした場合、シールラバー１６を所定位置に組み付けたときに、検出素子２の方向（図１の下方）へ突出するガイド片４１ａ〜４１ｄにより、隣り合うリード線１７先端の端子６同士を隔離できるので、リード線１７先端の端子６同士を電気的に絶縁させることができる。

（第２実施形態）図５は、本発明の第２実施形態にかかる酸素センサに設けられるシールラバーの正面図、図６は、シールラバーを下方から見た図である。

図５および図６に示すように、本実施形態の酸素センサは、図１〜図４に示すものと比べて、シールラバー１６の一端に設けられるガイド体５１が一体的に成形されたことが異なっており、その他の構成は基本的に同様である。なお、ガイド体５１は、下方から見ると十字形に形成され、シールラバー１６の中央部を中心として放射状に配設されるとともに、隣り合うリード線１７の間に介設されている。

このように構成された第２実施形態でも、図１〜図４に示す第１実施形態と同様の効果が得られる。さらに、ガイド体５１が一体に成形され、下方から見ると十字形に形成されているので、ガイド体５１の剛性をより向上させることができ、シールラバー１６の組み付け時のリード線１７同士のねじれを開放する効果を高めることができる。

なお、本発明は、次のような別の実施形態に具現化することができる。以下の別の実施形態でも上記実施形態と同様の作用および効果を得ることができる。

例えば、ガイド体の形状は、上記第１実施形態または第２実施形態に記載の形状に限らず様々な形状とすることができる。

また、セラミック層その他の各層は、上記実施形態に記載した以外の材質、成分等あるいは製法を用いて形成してもよいし、酸素センサの保護層やプロテクタ以外の部分の形状や、材質、成分、製法等も、適宜他の形態を採用することができる。

また、上記実施形態から把握し得る請求項以外の技術思想について、以下にその効果と共に記載する。

（イ）請求項１または請求項２に記載の酸素センサでは、ガイド体とシール部材とを一体に形成するのが好適である。

こうすれば、ガイド体の剛性が向上し、より確実にリード線を分離させることができるようになるため、シールラバー組み付け時のリード線同士のねじれを開放する効果を高くすることができる。

本発明の第１実施形態にかかる酸素センサの断面図（軸方向に沿った断面図）。 本発明の第１実施形態にかかる酸素センサの酸素測定部の断面図（図１のＡ−Ａ断面図）。 本発明の第１実施形態にかかる酸素センサに設けられるシールラバーの正面図。 本発明の第１実施形態にかかる酸素センサに設けられるシールラバーを下方から見た図。 本発明の第２実施形態にかかる酸素センサに設けられるシールラバーの正面図。 本発明の第２実施形態にかかる酸素センサに設けられるシールラバーを下方から見た図。

符号の説明

１ 酸素センサ（ガスセンサ）
２ 検出素子
２ａ 電極
８ ケーシング
１６ シールラバー（シール部材）
１７ リード線
４１ ガイド体
４１ａ〜４１ｄ ガイド片
４２ 挿通穴
５１ ガイド体

Claims (2)

1. 検出素子と、
   該検出素子の電極に接続された複数のリード線と、
   前記検出素子及び前記リード線の一部を保護するケーシングと、
   該ケーシングの一端の開口部を閉塞し、前記リード線が挿通される挿通孔を有するシール部材と、
   を備えたガスセンサにおいて、
   隣り合う前記リード線の間に、前記シール部材の一端より前記検出素子の方向へ突出するガイド体を介設したことを特徴とするガスセンサ。
2. 前記ガイド体は、前記シール部材の中央部より放射状に延びて前記挿通穴の少なくとも一部を囲うように形成されたことを特徴とする請求項１に記載のガスセンサ。

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