JP2009198189A - ガスセンサ - Google Patents

Abstract

【課題】ガスセンサ素子と端子金具との電気的接続状態が損なわれることを抑制することができ、従来に比べて信頼性の向上を図ることのできるガスセンサを提供する。
【解決手段】ガスセンサ素子２００の後端部のリングリード部電極７が形成された部分には、円周方向に沿って凹部９が形成されており、この凹部９内に、断面形状が円形の線材をリング状に形成してなる接触部材１０が配設されている。第２センサ端子金具２４０の把持部２４３は、接触部材１０と弾性的に接触した状態とされることにより、この接触部材１０を介してリングリード部電極７と電気的に接続されている。
【選択図】図３

Description

本発明は、例えば内燃機関の排気ガス等の被測定ガス中に含まれる特定のガス（例えば、酸素等）を検出するためのガスセンサに関する。

従来から、被測定ガス中の特定のガスを検出するガスセンサ、例えば、内燃機関の排気ガス中の酸素等を検出するためのガスセンサが知られている。また、このようなガスセンサに用いられるガスセンサ素子としては、先端部が閉じた有底筒状の固体電解質体の内外面に電極層を有するガスセンサ素子が知られている。このような構造のガスセンサ素子を用いたガスセンサでは、基準ガスとして例えば大気をガスセンサ素子の内側に導入し、外側に被測定ガスを接触させ、ガスセンサ素子内外のガス濃度差に応じて生じる起電力を測定することによって、ガス濃度を検出する。

上記のガスセンサ素子では、有底筒状の固体電解質体の先端部外側に検知電極、内側に基準電極を形成し、このガスセンサ素子の先端側を検出部とした構成のものが知られている。また、このような構成のガスセンサ素子では、検知電極を固体電解質体の外側壁面に形成したリード電極によって固体電解質体の後端側に引き出し、このリード電極と弾性的に接触するリング状導電部材等からなる端子金具を用いてガスセンサ素子と外部との電気的接続を行う構成とすることが知られている（例えば、特許文献１参照）。

すなわち、上記のガスセンサ素子では、固体電解質体の外径より僅かに小径となるリング状導電部材などからなる端子金具の内部に固体電解質体を圧入するように挿入し、端子金具とガスセンサ素子のリード電極とを弾性的に接触した状態とする。

上記構成のガスセンサでは、面倒なリード線のはんだ付け作業などを行うことなく、容易にガスセンサ素子と端子金具との電気的接続を得ることができ、ガスセンサ素子と外部との電気的接続を行うことができる。
特開平８−２０１３３３号公報

ところで、上述のガスセンサでは、リング状導電部材をガスセンサ素子に圧入する際、リング状導電部材の径が固体電解質体よりも小径となっているため、固体電解質体の外表面をリング状導電部材が擦ってしまう虞があり、さらには、固体電解質体の表面に形成されたリード電極が削り取られてしまう虞がある。

一般的に上記構造のガスセンサでは、固体電解質体の外側面に形成されるリード電極等は、めっき等により形成される。一方、端子金具は、耐熱性及び導電性を有するインコネル（商品名：インコ社製）等の金属材料によって構成される。したがって、端子金具の硬度に比べてリード電極の硬度が低い。このため端子金具に対して圧入するようにガスセンサ素子を挿入する際に、リード電極の一部が、端子金具によって削られてしまいやすいという課題があった。

その結果、ガスセンサ素子と端子金具との電気的接続状態が不良になる可能性があり、ガスセンサの信頼性の低下を招くという課題があった。

本発明は、上記課題を解決するためになされたものである。本発明は、ガスセンサ素子と端子金具との電気的接続状態が損なわれることを抑制することができ、従来に比べて信頼性の向上を図ることのできるガスセンサを提供することを目的とする。

本発明のガスセンサは、軸線方向に延び、自身の先端が閉塞された有底円筒状の固体電解質体、該固体電解質体の先端側外側面上に形成され、被測定ガスに晒される検出電極部、該検出電極部から前記固体電解質体の後端側まで延びるリード電極部を有するガスセンサ素子と、該ガスセンサ素子の径方向外側を取り囲み、当該ガス検出素子を保持するハウジングと、該ハウジング内に設けられ、前記固体電解質体の前記後端側を取り囲み、前記検出電極部と外部回路とを電気的に接続する筒状の端子金具と、を備えたガスセンサにおいて、前記固体電解質体には、自身の後端側外表面から径方向内側に陥没する第１凹部を有し、該第１凹部の外表面には、前記リード電極部の一部が形成され、且つ、当該第１凹部に埋設すると共に、該固体電解質体の前記後端側外表面から径方向外側に突出する金属製の接触部材を有し、前記端子金具は、前記接触部材を弾性的に押圧して接触することを特徴とする。

第１凹部の外表面に形成されたリード電極部の外側に接触部材が取り付けられている。この接触部材は、固体電解質体の後端側外表面から径方向外側に突出しているため、リング状導電部材をガスセンサ素子に圧入する際、リング状導電部材の径が固体電解質体よりも小径となっていても、固体電解質体の外表面をリング状導電部材が擦ってしまうことを防止できる。さらには、固体電解質体の表面に形成されたリード電極部が削り取られてしまうことを防止できる。これにより、固体電解質体自身の折損を防止でき、且つガスセンサ素子と端子金具との電気的接続状態が損なわれることを抑制できる。

なお、接触部材は、第１凹部に埋設されているので、リング状導電部材をガスセンサ素子に圧入したとしても、接触部材が位置ずれを起こすことも抑制できる。この接触部材は、リード電極に接触するように第１凹部に埋設されていれば良く、第１凹部の形状に合わせて形成されていれば良い。また、第１凹部の形状、寸法は適宜設定でき、凹部が矩形状（固体電解質体を軸線方向に沿った断面に見たとき）、錘状、台形状であっても良い。さらに、接触部材は、矩形状や錘状に突出していても良い。

上記構成のガスセンサにおいて、接触部材は、端子金具のビッカース硬度以上のビッカース硬度を有する材料から構成することが好ましい。これによって、ガスセンサ素子と端子金具とを弾性的に接触させた状態に組み立てる際に、接触部材が端子金具によって削られることを抑制することができる。この場合、接触部材を、端子金具と同一の材料から構成してもよい。

上記構成のガスセンサにおいて、第１凹部は、固体電解質体の周方向に亘って形成され、リード電極部には、第１凹部の外表面に形成されるリングリード部電極を有し、接触部材は、環状に形成されている構成とすることができる。このような構成とすれば、ガスセンサ素子と端子金具とを弾性的に接触させた状態に組み立てる際などにおいて、接触部材が位置ずれを起こすことを抑制することができ、ガスセンサ素子とリード電極との電気的接続を十分に得ることができる。

上記構成のガスセンサにおいて、第１凹部は、個固体電解質体の軸線方向に間隙を設けて複数設けられ、接触部材は、複数の前記第１凹部にそれぞれ埋設されており、端子金具は、複数の前記接触部材と当接することもできる。これにより、端子金具と接触部材との接触位置が増加し、よりガスセンサ素子とリード電極との電気的接触を得ることができる。

上記構成のガスセンサにおいて、端子金具は、径方向内側に突出する板状の突出片を有し、突出片は、接触部材よりも後端側の前記固体電解質体の外表面に接触することができる。このような構成とすれば、固体電解質体と端子金具とが接触部材だけでなく、他の部位にて固体電解質体と端子金具とが接触することとなり、組み付けた際の安定性を向上させることができる。

本発明によれば、ガスセンサ素子と端子金具との電気的接続状態が損なわれることを抑制することができ、従来に比べて信頼性の向上を図ることのできるガスセンサを提供することができる。

以下、本発明のガスセンサを酸素センサに適用した実施の形態について図面を参照して説明する。図１は、本発明のガスセンサの一実施形態に係る酸素センサの概略構成を示す縦断面図であり、図２は図１のガスセンサの要部構成を示す分解斜視図である。

図１に示すように、ガスセンサ１００は、先端が閉じた有底円筒状のガスセンサ素子（酸素検出素子）２００と、ガスセンサ素子２００の筒部内に挿入された棒状のヒータ１０１とを備えている。

ガスセンサ素子２００は、ジルコニア等を主体とする酸素イオン伝導性の固体電解質体１からなり、その先端部３側（図中下側）が検知部とされ、検知部の後端側（図中上側）には、径方向外側に突出する鍔部２が形成されている。

また、図２に示すように、固体電解質体１の外側４には、例えばＰｔあるいはＰｔ合金からなり、無電解めっきなどのめっきによって形成された外側電極が形成され、この外側電極は、検知部の略全面を覆うように形成された検知部電極５と、この検知部電極５と電気的に接続され、後端側に電極を引き出すための縦リード部電極６と、縦リード部電極６の後端側にリング状に形成されたリングリード部電極７とから構成されている。このリングリード部電極７には、リング状に形成された接触部材１０が設けられている。この接触部材１０については、後で詳述する。また、固体電解質体１の内側には、上記外側電極と同様に例えばＰｔあるいはＰｔ合金などからなる内側電極８が形成されている。なお、検知部電極５の外側には、スピネル等のセラミック溶射層からなる保護層が形成されている。

図１に示すように、ガスセンサ素子２００のうち鍔部２は、絶縁性セラミックからなるホルダ１０２に係合され、ガスセンサ素子２００は、鍔部２の後端側に配置されたタルクから形成されたセラミック粉末１０４およびセラミック粉末１０４の後端側に配置されたスリーブ１０３により、筒状の主体金具１０５に気密に保持されている。なお、本明細書においては、ガスセンサ素子２００の軸に沿う方向（図１中、上下方向）のうち、先端部３側（図１中、下方）に向かう側を「先端側」とし、これと反対方向（図１中、上方）に向かう側を「後端側」ということとする。

主体金具１０５は、ガスセンサ１００を排気管等の取付部に取り付けるためのねじ部１０６や工具係合部１０７を有し、プロテクタ１０８がプロテクタ接続部１０９にレーザ溶接で接続されている。このプロテクタ１０８は、主体金具１０５の先端側開口部から突出するガスセンサ素子１の先端部３を覆うように取り付けられている。このガスセンサ１００はねじ部１０６より先端側が排気管等のエンジン内に位置し、それより後端側は外部の大気中に位置して使用される。プロテクタ１０８には、排気ガスを透過させる複数のガス透過口１８０が形成されている。

一方、主体金具１０５の後端部１１０は、スリーブ１０３との間にリングパッキン１１１を介して加締められて気密保持されている。また工具係合部１０７の後端側の接続部１１２には、筒状の金属外筒１１３の先端部１１４が外側からレーザ溶接により固着されている。これらの主体金具１０５と金属外筒１１３とによって、ガスセンサ１００におけるハウジングの主要部が構成されている。

また、上記金属外筒１１３の後端側開口、つまり実質的にハウジングの後端側開口は、封止部材、例えばゴム等で構成されたグロメット１２０を嵌入させて加締めることにより封止されている。

グロメット１２０の中心部には、大気を金属外筒１１３内に導入する一方、水分の進入を防ぐフィルタ２１０が配置されている。またこのグロメット１２０の先端側には、絶縁性のアルミナセラミックからなるセパレータ１２２が設けられている。そして、セパレータ１２２およびグロメット１２０を貫通してセンサ出力リード線１３０、１３１およびヒータリード線１３２、１３３が配置されている。

セパレータ１２２は、図２に示すように、後端側部１２３、先端側部１２４、およびこれらの間に位置し、これらよりも大径の鍔部１２５とを有する。鍔部１２５のうち、後端側部１２３との間には、先端側（図中下方）ほど拡径してテーパ面をなす外筒当接面１２６が形成されている。一方、先端側部１２４との間は、階段状の段差をなす先端側面１２７が形成されている。

また、このセパレータ１２２には、各リード線１３０、１３１、１３２、１３３を挿通するためのリード線挿通孔２３０、２３１が軸方向に貫通して形成されている。また、後端側の端面には、通気溝２３２が４個のリード線挿通孔２３０、２３１と干渉しない位置に十字形態で軸線と直交する方向に形成されている。また、セパレータ１２２の先端面に開口する有底状の保持孔２３４が軸線方向に形成されている。

図１および図２に示すように、この保持孔２３４およびリード線挿入孔２３０、２３１には、各リード線１３０、１３１、１３２、１３３が挿通され、第１、第２センサ端子金具１４０、２４０のコネクタ部１４１、２４１、およびヒータ端子部材３４０、３４１が互いに絶縁されつつセパレータ１２２内に保持される。

図２に示すように、第１センサ端子金具１４０は、一体に成形されたコネクタ部１４１、セパレータ当接部１４２、挿入部１４３を有する。このうち、コネクタ部１４１は、センサ出力リード線１３０の芯線を把持して、第１センサ端子金具１４０とセンサ出力リード線１３０とを電気的に接続する。

また、セパレータ当接部１４２は、セパレータ１２２の保持孔２３４に弾性的に当接して、第１センサ端子金具１４０をセパレータ１２２内に保持する。また、挿入部１４３は、ガスセンサ素子１の筒部内に挿入されて、内側電極（基準電極）８と導通する。

また、この挿入部１４３は、下方押圧部１４４および上方押圧部１４５を含み、この挿入部１４３がガスセンサ素子１の筒部内に挿入されることにより、挿入部１４３が包囲するヒータ１０１を押圧して、ヒータ１０１の軸線がガスセンサ素子２００の中心軸線に対して偏心して、発熱部１６１がガスセンサ素子２００の筒部の内壁（内側電極８）に接触するように、ヒータ１０１の姿勢を調整する。また、挿入部１４３の後端側には、挿入部１４３がガスセンサ素子１の筒部内に没入するのを防ぐため、鍔部１４６が設けられている。

なお、ヒータ１０１に形成される発熱部１６１が偏心して、ガスセンサ素子２００の筒部の内壁に接することで、より小さな容積に熱エネルギーを集中することになり、ガスセンサ１００の活性化時間を短縮する上で効果的である。

一方、第２センサ端子金具２４０は、一体に形成されたコネクタ部２４１、セパレータ当接部２４２、把持部２４３を有する。このうち、コネクタ部２４１は、センサ出力リード線１３１の芯線を把持して、第２センサ端子金具２４０とセンサ出力リード線１３１を電気的に接続する。また、セパレータ当接部２４２は、セパレータ１２２の保持孔２３４に弾性的に当接して、第２センサ端子金具２４０をセパレータ１２２内に保持する。また、把持部２４３は、ガスセンサ素子１の後端付近の外周を弾性的に把持する。

図３は、上記第２センサ端子金具２４０の把持部２４３及びガスセンサ素子２００の後端部を拡大して示すものである。この図３に示すように、ガスセンサ素子２００の後端部のリングリード部電極７が形成された部分には、円周方向に沿って凹部９が形成されており、リングリード部電極７を構成する導体（例えば、Ｐｔ又はＰｔ合金等からなり、めっきにより形成されている。）は、この凹部９内にも形成されている。そして、この凹部９内に、断面形状が円形の線材をリング状に形成してなる接触部材１０が配設されている。このように凹部９内に接触部材１０を設けることにより、後述するようにガスセンサ素子２００を把持部２４３内に圧入するよう挿入した際に、接触部材１０が位置ずれを起すことを防止することができる。

この接触部材１０は、めっきにより形成されているリングリード部電極７よりビッカース硬度が高い材料から構成されている。また、この接触部材１０は、把持部２４３のビッカース硬度以上のビッカース硬度を有することが好ましく、本実施形態では、把持部２４３と同一の材料であるインコネル（商品名：インコ社製）から形成されている。

そして、把持部２４３は、ガスセンサ素子２００の外側４のリングリード部電極７の外側部分に設けられた接触部材１０と弾性的に接触した状態とされることにより、この接触部材１０を介してリングリード部電極７と電気的に接続された状態となり、これによって、ガスセンサ素子２００の外側４に形成されている検知部電極５とも導通している。

また、把持部２４３の接触部材１０との当接部より後端側（図３において上側）には、内周方向に突出し、ガスセンサ素子２００の外側４と当接する突出片２４５が設けられている。このように、軸線方向に離間した２箇所において、ガスセンサ素子２００と把持部２４３とが当接するようになっているので、ガスセンサ素子２００を安定した状態で把持部２４３内に把持することができる。なお、上記のように把持部２４３に第２の当接部としての突出片２４５を設ける代わりに、図５に示すように、上記した接触部材１０と同様に構成されたリング状の第２の接触部材１１及びこの第２の接触部材１１が係止される凹部９を設けることもできる。

さらに、図２にも示すように、把持部２４３の先端側には、把持部２４３内にガスセンサ素子２００の後端部を圧入する際に、挿入しやすくするため、先端側が外周方向に拡径するように拡がった鍔部２４４が設けられている。

図４は、上記した把持部２４３にガスセンサ素子２００の後端部を圧入するように挿入する際の工程を示すものである。図４（ａ）に示すように、主体金具１０５内に固定されたガスセンサ素子２００の後端側と、第２センサ端子金具２４０の把持部２４３を近接させると、把持部２４３の先端側の鍔部２４４が接触部材１０と接触する。そして、この状態から圧力を加えて挿入すると、把持部２４３が開き大径となるように変形して、図４（ｂ）に示すように、接触部材１０の外側に把持部２４３が位置した状態となる。この状態では、接触部材１０の外側から把持部２４３が弾性的に接触部材１０を押圧した状態で、接触部材１０と把持部２４３とが当接している。また、同時に突出片２４５もガスセンサ素子２００の外側４と当接した状態となっている。

ここで、上記のような工程により、ガスセンサ素子２００と第２センサ端子金具２４０との電気的な接続状態を形成する際に、接触部材１０が無く、ガスセンサ素子２００の外側４に直接第２センサ端子金具２４０の把持部２４３を圧入すると、固体電解質体１の表面を把持部２４３が擦ってしまうことやガスセンサ素子２００の外側４に形成されているリングリード部電極７が、把持部２４３によって削られてしまうため、リングリード部電極７と把持部２４３との電気的な接続状態が不十分となる場合がある。これに対して、本実施形態では、上記のように接触部材１０と把持部２４３とが接触するようになっているので、固体電解質体１の表面を把持部２４３が擦ってしまうことがなく、リングリード部電極７と把持部２４３との間の十分な電気的な接続状態を確保することができる。なお、接触部材１０を、第２センサ端子金具２４０を構成する材料のビッカース硬度以上のビッカース硬度を有する材料から構成すれば、上記の工程においても接触部材１０は、ほとんど削り取られることがない。

また、図２に示すように、ヒータ１０１は棒状のセラミックヒータであり、アルミナを主とする芯材に抵抗発熱体（図示せず）を有する発熱部１６１が形成されている。電極パッド１６３、１６４にろう付け接続されるヒータ端子金具３４０、３４１およびヒータリード線１３２、１３３と通じて、このヒータ１０１に通電すると、ガスセンサ素子２００の先端部が加熱される。ヒータ端子金具３４１には、ヒータリード線１３２の芯線を把持して、このヒータ端子金具３４１とヒータリード線１３２を電気的に接続するコネクタ部３４２を有している。なお、図２には示さないが、ヒータ端子金具３４０も同様にコネクタ部によりヒータリード線１３３の芯線を把持するコネクタ部を有している。

図１に示すように、金属外筒１１３は、金属製で略円筒形状を成し、先端側（図中下側）に位置し、上述したようにその先端側の先端部１１４が主体金具１０５と接合される第１外筒部１１５と、これよりも後端側に位置し第１外筒部１１５よりも小径の第２外筒部１１６とを有している。この第２外筒部１１６の軸方向中間部分には、周方向に均等に４箇所、径方向内側に凸部頂面が四角形状となって突出する内側凸部１１７が形成されている。この内側凸部１１７のうち、この凸部頂面より先端側には、斜面をなす鍔部当接面１１８が形成されている。この鍔部当接面１１８は、セパレータ１２２の外筒当接面１２６と当接する。

さらに、図１に示すように、セパレータ１２２の先端側部１２４の周囲には、付勢金具１５０が装着されている。この付勢金具１５０は、円筒状の金属筒部１５１のほか、この金属筒部１５１の後端部に、金属筒部１５１と一体に形成されたＪ型弾性保持部１５２を有する。

このＪ型弾性保持部１５２は、周方向に等間隔に４箇所点在しており、径方向内側に延びると共に徐々に方向転換して先端側に延びて略Ｊ字状に湾曲してなる。このＪ型弾性保持部１５２は、付勢金具１５０をセパレータ１２２の先端側部１２４に装着すると、弾性変形して付勢金具１５０を先端側部１２４に保持する。

上記構成のガスセンサ１００は、ねじ部１０６より先端側（図１において下側）が排気管内等に位置し、それより後端側（図１において上側）が外部の大気中に位置した状態で使用される。ガスセンサ素子２００は、その内側に配置されたヒータ１０１で加熱され活性化される。そして、基準ガスとしての大気は、フィルタ２１０から金属外筒１１３内に導入され、ガスセンサ素子１の内側に導入される。一方、ガスセンサ素子２の外側にはプロテクタ１０８のガス透過口１８０を介して排気ガスが導入される。

これによって、ガスセンサ素子２００には、その内外面の酸素濃度差に応じて酸素濃淡電池起電力が生じる。そして、この酸素濃淡電池起電力を、排気ガス中の酸素濃度の検出信号として取り出すことにより、排気ガス中の酸素濃度を検出する。

以上説明したとおり、本実施形態のガスセンサ１００によれば、ガスセンサ素子２００と第２センサ端子金具２４０との電気的接続状態が損なわれることを抑制することができ、従来に比べて信頼性の向上を図ることができる。なお、本発明は上記の実施形態に限定されるものではなく、各種の変形等が可能であることは、勿論である。

本発明の実施形態に係るガスセンサの全体概略構成を示す縦断面図。 図１のガスセンサの一部を示す分解斜視図。 図１のガスセンサの要部構成を拡大して示す縦断面図。 図１のガスセンサの組み立て工程を説明するための要部拡大縦断面図。 変形例のガスセンサの要部構成を拡大して示す縦断面図。

符号の説明

１……固体電解質体、７……リングリード部電極、９……凹部、１０……接触部材、１００……ガスセンサ、２００……ガスセンサ素子、２４０……第２センサ端子金具、２４３……把持部、２４４……鍔部、２４５……突出片。

Claims (6)

1. 軸線方向に延び、自身の先端が閉塞された有底円筒状の固体電解質体、該固体電解質体の先端側外側面上に形成され、被測定ガスに晒される検出電極部、該検出電極部から前記固体電解質体の後端側まで延びるリード電極部を有するガスセンサ素子と、
   該ガスセンサ素子の径方向外側を取り囲み、当該ガス検出素子を保持するハウジングと、
   該ハウジング内に設けられ、前記固体電解質体の前記後端側を取り囲み、前記検出電極部と外部回路とを電気的に接続する筒状の端子金具と、
   を備えたガスセンサにおいて、
   前記固体電解質体には、自身の後端側外表面から径方向内側に陥没する第１凹部を有し、
   該第１凹部の外表面には、前記リード電極部の一部が形成され、且つ、当該第１凹部に埋設すると共に、該固体電解質体の前記後端側外表面から径方向外側に突出する金属製の接触部材を有し、
   前記端子金具は、前記接触部材を弾性的に押圧して接触することを特徴とするガスセンサ。
2. 請求項１記載のガスセンサにおいて、
   前記接触部材は、前記端子金具のビッカース硬度以上のビッカース硬度を有する材料から構成されたことを特徴とするガスセンサ。
3. 請求項２記載のガスセンサにおいて、
   前記接触部材が、前記端子金具と同一の材料から構成されていることを特徴とするガスセンサ。
4. 請求項１〜３いずれか１項記載のガスセンサにおいて、
   前記第１凹部は、前記固体電解質体の周方向に亘って形成され、
   前記リード電極部には、前記第１凹部の外表面に形成されるリングリード部電極を有し、
   前記接触部材は、環状に形成されていることを特徴とするガスセンサ。
5. 請求項１〜４いずれか１項記載のガスセンサにおいて、
   前記第１凹部は、前記固体電解質体の軸線方向に間隔を設けて複数設けられ、前記接触部材は、複数の前記第１凹部にそれぞれ埋設されており、前記端子金具は、複数の前記接触部材と当接されていることを特徴とするガスセンサ。
6. 請求項１〜４いずれか１項記載のガスセンサにおいて、
   前記端子金具は、径方向内側に突出する板状の突出片を有し、
   該突出片は、前記接触部材よりも後端側の前記固体電解質体の外表面に接触することを特徴とするガスセンサ。

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