JP2015152465A - ガスセンサ - Google Patents

Abstract

【課題】端子金具に屈曲部及び突起部を設ける際、突起部に亀裂や割れが生じることを抑制し、突起部を介してセンサ素子と端子金具とを確実に電気的接続可能なガスセンサを提供する。【解決手段】センサ素子の電極パッド１１ａに接続される端子金具２１であり、軸線Ｏ方向に延びる本体部２１ａと、折り返し部２１ｔと、該折り返し部に先端側が接続してセンサ素子に近づきつつ屈曲部を経由してセンサ素子から遠ざかる当接部２１ｂと、を一体に有する端子金具２１と、を備え、端子金具２１には、屈曲部を跨ぐようにしつつ当接部の一部に形成され、当接部から突出して電極パッドに接触する突起部２１ｐが設けられたガスセンサであって、当接部の厚みをｔとしたとき、突起部と電極パッドとの接点Ｐを中心として軸線方向の先端部及び後端部にそれぞれ１．５?ｔの長さにおいて、突起部の表面の曲率半径ｒ１が当接部の外表面の曲率半径ｒ２より大きい。【選択図】図５

Description

本発明は、被検出ガスの濃度を検出するセンサ素子を備えたガスセンサに関する。

自動車等の排気ガス中の酸素やＮＯ_ｘの濃度を検出するガスセンサとして、固体電解質を用いた板状のセンサ素子を有するものが知られている。
この種のガスセンサとして、板状のセンサ素子の対向する主面の後端側に幅方向に並ぶ複数の電極パッドを設け、この電極パッドのそれぞれに端子金具を電気的に接触させてセンサ素子からのセンサ出力信号を外部に取り出したり、センサ素子に積層されたヒータに給電するものが広く用いられている（特許文献１）。
このようなガスセンサの一例を図７に示す。板状のセンサ素子４００の対向する主面のそれぞれの後端側に電極パッド４０１ａ、４０１ｂが設けられ、電極パッド４０１ａに端子金具３００が接触している。なお、電極パッド４０１ｂに接続される端子金具は図示を省略してある。端子金具３００は、軸線Ｏ方向に延びる本体部３０１ａと、本体部３０１ａの先端側に接続し、後端側で且つセンサ素子４００に向かって折り返された折り返し部３０１ｔと、折り返し部３０１ｔに先端側が接続する当接部３０１ｂとを一体に有している。この当接部３０１ｂは、後端側に向かって延びるにつれて、センサ素子４００に近づきつつ屈曲部３０１ｗを経由することでセンサ素子４００から離れるように曲げられている。さらに、端子金具３００には、屈曲部３０１ｗを跨ぐようにしつつ当接部３０１ｂの幅方向（紙面表裏方向）の一部に形成され、当接部３０１ｂから突出する突起部３０１ｐを有している。
そして、突起部３０１ｐの頂部が電極パッド４０１ａに接点Ｐにて点接触することで、端子金具３００と電極パッド４０１ａとの電気的な接続信頼性を向上させている。

特開２００８−２７０１６８号公報（図１）

ところで、上記した突起部３０１ｐは、一般に当接部３０１ｂの所定部位をプレス加工等により押し出され、その後、屈曲部３０１ｗが、突起部３０１ｐを跨いで屈曲することで形成される。しかしながら、突起部３０１ｐが当接部３０１ｂから張り出すように成形されるため、接点Ｐ近傍での突起部３０１ｐの張出し量（曲がり具合）が、当接部３０１ｂの外表面３０１ｂ１の張出し量（曲がり具合）に比べて大きい。つまり、突起部３０１ｐ表面の曲率半径ｒ１０が、当接部３０１ｂの外表面３０１ｂ１の曲率半径ｒ２０より大きくなる。なお、曲率半径ｒ１０、ｒ２０は、図７に示すように、接続金具３００をその側面から見たときのそれぞれの表面を表す輪郭の曲率半径を指す。
その結果、屈曲部３０１ｗを形成する際に突起部３０１ｐの加工変形量が大きくなるため、突起部３０１ｐに亀裂や割れが生じ易く、電気的な接続信頼性が低下するおそれがある。
そこで、本発明は、端子金具に屈曲部、及び電極パッドと接触する突起部を設ける際、突起部に亀裂や割れが生じることを抑制し、突起部を介してセンサ素子の電極パッドと端子金具とを確実に電気的接続することができるガスセンサを提供することを目的とする。

上記課題を解決するため、本発明のガスセンサは、軸線方向に延びる板状をなし、後端側外表面に電極パッドを有するセンサ素子と、前記電極パッドに電気的に接続される端子金具であり、前記軸線方向に延びる本体部と、該本体部の先端側に接続し、後端側で且つ前記センサ素子に向かって折り返される折り返し部と、該折り返し部に先端側が接続すると共に、後端側に向かって延びるにつれて、前記センサ素子に近づきつつ屈曲部を経由することで前記センサ素子から遠ざかる当接部と、を一体に有する端子金具と、を備え、前記端子金具には、少なくとも前記屈曲部を跨ぐようにしつつ前記当接部の幅方向の一部に形成され、且つ前記電極パッドに接触するように前記当接部から突出する突起部が設けられたガスセンサであって、前記折り返し部と前記突起部との間における前記当接部の厚みをｔとしたとき、前記突起部と前記電極パッドとの接点を中心として前記軸線方向の先端部及び後端部にそれぞれ１．５×ｔの長さを有する領域内において、前記突起部の表面の曲率半径ｒ１が前記当接部の外表面の曲率半径ｒ２より大きい。
突起部は、一般に当接部の所定部位をプレス加工等により押し出され、その後、屈曲部が、突起部を跨いで屈曲することで形成される。そして、本発明のガスセンサにおいては、突起部の表面の曲率半径ｒ１が当接部の外表面の曲率半径ｒ２より大きくされている。このため、電極パッドとの接点近傍での突起部表面の傾斜は、当接部の外表面の傾斜よりもなだらかになり、屈曲部を曲げ成形する際に突起部の加工変形量が少なくなるため、突起部の亀裂や割れの発生を抑制し、突起部を介して電極パッドと端子金具とを確実に電気的接続することができる。

前記突起部は、前記接点よりも先端側に前記当接部から一定の距離だけ突出する平坦部を有してもよい。
このガスセンサによれば、接点から平坦部に至る突起部の傾斜は、平坦部を設けずに接点から突起部の先端に向かって徐々に傾斜する場合に比べてなだらかとなる。このため、突起部の表面の曲率半径ｒ１をより一層大きくすることができ、屈曲部を形成する際に突起部の加工変形量をより少なくして、突起部の亀裂や割れをより一層抑制することができる。

この発明によれば、端子金具に屈曲部、及び電極パッドと接触する突起部を設ける際、突起部に亀裂や割れが生じることを抑制し、突起部を介してセンサ素子の電極パッドと端子金具とを確実に電気的接続することができるガスセンサを得ることができる。

本発明の実施形態に係るガスセンサの軸線方向に沿う断面図である。 センサ素子の斜視図である。 端子金具の斜視図である。 端子金具の軸線方向に沿う側面図である。 端子金具をセンサ素子の電極パッドに接続した状態を示す軸線方向に沿う側面図である。 端子金具の当接部の内表面の輪郭から外表面の輪郭を推定して曲率半径ｒ２を求める方法を示す図である。 従来の端子金具をセンサ素子の電極パッドに接続した状態を示す側面図である。

以下、本発明の実施形態について説明する。
図１は本発明の実施形態に係るガスセンサ（酸素センサ）２００の長手方向に沿う全体断面図、図２はセンサ素子１０の斜視図、図３は端子金具２１の斜視図、図４は端子金具２１の軸線Ｏ方向に沿う側面図、図５は端子金具２１をセンサ素子１０の電極パッド１１ａに接続した状態を示す軸線Ｏ方向に沿う側面図、である。
このガスセンサ２００は、自動車や各種内燃機関の排気ガス中の酸素濃度を検出する酸素センサである。

図１において、ガスセンサ２００は、排気管に固定されるためのねじ部１３９が外表面に形成された筒状の主体金具１３８と、軸線Ｏ方向（ガスセンサ２００の長手方向：図中上下方向）に延びる板状形状をなすセンサ素子１０と、センサ素子１０の径方向周囲を取り囲むように配置される筒状のセラミックスリーブ１０６と、軸線方向に貫通する挿通孔１６８の先端側の内部に、センサ素子１０の後端部の周囲を取り囲む状態で配置されるセラミック製のセパレータ１６６と、センサ素子１０とセパレータ１６６との間に配置される４個の端子金具２１（図１では、２個のみを図示）と、を備えている。
又、センサ素子１０の先端のガス検出部１０ａは、アルミナ等の多孔質保護層２０で覆われている（図２参照）。

主体金具１３８は、ステンレスから構成され、軸線方向に貫通する貫通孔１５４を有し、貫通孔１５４の径方向内側に突出する棚部１５２を有する略筒状形状に構成されている。この貫通孔１５４には、センサ素子１０の先端部を自身の先端よりも突出させるように当該センサ素子１０が配置されている。さらに、棚部１５２は、軸線方向に垂直な平面に対して傾きを有する内向きのテーパ面として形成されている。

なお、主体金具１３８の貫通孔１５４の内部には、センサ素子１０の径方向周囲を取り囲む状態で環状形状のアルミナ製のセラミックホルダ１５１、粉末充填層１５３、１５６（以下、滑石リング１５３、１５６ともいう）、および上述のセラミックスリーブ１０６がこの順に先端側から後端側にかけて積層されている。
また、セラミックスリーブ１０６と主体金具１３８の後端部１４０との間には、加締めパッキン１５７が配置されており、セラミックホルダ１５１と主体金具１３８の棚部１５２との間には、滑石リング１５３やセラミックホルダ１５１を保持するための金属ホルダ１５８が配置されている。なお、主体金具１３８の後端部１４０は、加締めパッキン１５７を介してセラミックスリーブ１０６を先端側に押し付けるように、加締められている。

一方、図１に示すように、主体金具１３８の先端側（図１における下方）外周には、センサ素子１０の突出部分を覆うと共に、複数の孔部を有する金属製（例えば、ステンレスなど）二重のプロテクタである、外部プロテクタ１４２および内部プロテクタ１４３が溶接等によって取り付けられている。

そして、主体金具１３８の後端側外周には、外筒１４４が固定されている。また、外筒１４４の後端側（図１における上方）の開口部には、センサ素子１０の４個の端子金具２１（図１では、２個のみを表示）とそれぞれ電気的に接続される４本のリード線１４６（図１では２本のみを表示）が挿通されるリード線挿通孔（図示せず）が形成された、ゴム製のグロメット１７０が配置されている。
さらに、グロメット１７０の軸線Ｏ方向中心には基準雰囲気となる大気を導入するための貫通孔１７０ｈが形成され、この貫通孔１７０ｈには円筒状のフィルタ金具１７２が嵌挿されている。そして、貫通孔１７０ｈとフィルタ金具１７２の間に、貫通穴１７０ｈを閉塞するようにして配置された、空気は通す（通気性を有す）が水を通さない撥水性フィルタ１７４が保持され、貫通孔１７０ｈを介してガスセンサ２００の内外に大気を導入可能になっている。

また、主体金具１３８の後端部１４０より突出されたセンサ素子１０の後端側（図１における上方）には、セパレータ１６６が配置される。なお、このセパレータ１６６は、センサ素子１０の後端側の主面に形成される合計４個の電極パッド（図１では２個の電極パッド１１ａ、１２ａのみを表示）の周囲に配置される。このセパレータ１６６は、軸線方向に貫通する挿通孔１６８を有する筒状形状に形成されると共に、外表面から径方向外側に突出する鍔部１６７が備えられている。セパレータ１６６は、鍔部１６７が保持部材１６９を介して外筒１４４に当接することで、外筒１４４の内部に保持される。

図２に示すようにセンサ素子１０は、軸線Ｏ方向に延びる板状をなし、先端部１０ｓが酸素濃度を検出するガス検出部１０ａとなっていて、ガス検出部１０ａは多孔質保護層２０で覆われている。なお、センサ素子１０自身は公知の構成であり、図示はしないが酸素イオン透過性の固体電解質体と１対の電極とを有するガス検出部と、ガス検出部を加熱して一定温度に保持するヒータ部等とを備えている。
そして、センサ素子１０の一方の主面１０Ａの後端側には、幅Ｗ方向に２つの電極パッド１１ａ、１１ｂが並び、ガス検出部からのセンサ出力信号がリード部（図示せず）を介してこれら電極パッド１１ａ、１１ｂから出力される。又、主面１０Ａに対向するように設けられた他方の主面１０Ｂの後端側には、幅方向に２つの電極パッド１２ａ、１２ｂが並び、リード部（図示せず）を介してヒータ部に電力を供給するようになっている。
各電極パッド１１ａ、１１ｂ、１２ａ、１２ｂは、軸線Ｏ方向に長い矩形状になっていて、例えばＰｔを主体とする焼結体として形成することができる。

図３は端子金具２１の斜視図を示す。なお、本実施形態では、後述するようにガスセンサ２００は４本の端子金具２１を有するが、これら４本の端子金具２１はいずれも同一形状であるため、このうち、１本の端子金具２１を用いて説明する。
図３に示すように、端子金具２１は、略板状をなして軸線Ｏ方向に延びる板状の本体部２１ａと、本体部２１ａの先端側に接続し、後端側で且つセンサ素子１０に向かって折り返される折り返し部２１ｔと、折り返し部２１ｔに先端側が接続された当接部２１ｂと、本体部２１ａの後端側に接続する圧着端子部２１ｃと、本体部２１ａの軸線Ｏ方向ほぼ中央の両端から当接部２１ｂ側（後述するセンサ素子１０側）に向かって延び、本体部２１ａの両端からそれぞれＬ字状に折曲する１対の抜け止め部２１ｄとを一体に備えている。
圧着端子部２１ｃは公知の筒状をなし、この筒内に被覆を向いて導線を露出させたリード線１４６を挿入して圧着することで、リード線１４６（図１参照）が電気的に接続される。
抜け止め部２１ｄは、自身の後端向き面をセパレータ１６６の先端向き面に当接させることで、セパレータ１６６内に収容された端子金具２１が後端側へ抜けるのを防止する。
端子金具２１は、例えば１枚の金属板（インコネル（登録商標）等）を打ち抜いた後、当接部２１ｂ及び抜け止め部２１ｄを折り曲げて製造することができるが、これに限定されない。

さらに、当接部２１ｂは、後端側に向かって延びるにつれて、センサ素子１０に近づきつつ屈曲部２１ｗを経由することでセンサ素子１０から遠ざかるように曲げられている（図１、図４参照）。さらに、屈曲部２１ｗを跨ぐようにしつつ前記当接部の幅方向の一部に形成され、且つ電極パッド１１ａに電気的に接触するように当接部２１ｂから突出する突起部２１ｐが形成されている。
そして、突起部２１ｐの頂部が電極パッド１１ａに点接触することで、端子金具２１と電極パッド１１ａとの電気的な接続信頼性を向上させている。
なお、突起部２１ｐは、当接部２１ｂ（屈曲部２１ｗ）の幅方向に沿って２個形成されている。又、各突起部２１ｐは同一形状であって、それぞれ軸線Ｏ方向の同じ位置に並んでいる。

図４に示すように、突起部２１ｐを含む当接部２１ｂは、端子金具２１の折り返し部２１ｔのバネ性（弾性）によって径方向に弾性的に撓んで電極パッド１１ａ側に押圧されることにより、確実な電気的接続が得られるようになっている。
又、突起部２１ｐは、後述する電極パッド１１ａとの接点Ｐ（図５参照）よりも先端側に、当接部２１ｂの外表面２１ｂ１から一定の距離だけ突出する平坦部２１ｆを有している。このようにすると、接点Ｐから平坦部２１ｆに至る突起部２１ｐの傾斜は、平坦部２１ｆを設けずに接点Ｐから突起部２１ｐの先端に向かって徐々に傾斜する場合に比べてなだらかとなる。このため、後述する突起部２１ｐの表面の曲率半径ｒ１をより一層大きくすることができ、屈曲部２１ｗを形成する際に突起部２１ｐの加工変形量をより少なくして、突起部２１ｐの亀裂や割れをより一層抑制することができる。
なお、当接部２１ｂの外表面２１ｂ１とは、電極パッド１１ａに向く面であり、電極パッド１１ａと反対側の面を当接部２１ｂの内表面２１ｂ２とする。

次に、図５を参照して本発明の特徴部分について説明する。図５に示すように、端子金具２１をセンサ素子１０の電極パッド１１ａに当接すると、折り返し部２１ｔが撓み、突起部２１ｐの所定位置が電極パッド１１ａに接点Ｐを介して点接触する。
このとき、接点Ｐを中心として軸線Ｏ方向の先端部及び後端部にそれぞれ１．５×ｔの長さを有する領領域Ｓ内において、突起部２１ｐの表面の曲率半径ｒ１が、当接部２１ｂの外表面２１ｂ１の曲率半径ｒ２より大きくなっている。なお、ｔは、折り返し部２１ｔと、突起部２１ｐとの間の領域Ｒ（図４参照）における当接部２１ｂの厚みであり、具体的には、領域Ｒ内の３箇所の値の平均値を厚みｔとするとよい。また、曲率半径ｒ１、ｒ２は、図５に示すように、接続金具３００を側面から見たときのそれぞれの表面を表す輪郭の曲率半径を指す。

ここで、突起部２１ｐは、一般に当接部２１ｂの所定部位をプレス加工等により押し出され、その後、屈曲部２１ｗが、突起部２１ｐを跨いで屈曲することで形成される。
このような形成であっても、上述の関係とすることで、接点Ｐ近傍での突起部２１ｐ表面の傾斜は、当接部２１ｂの外表面２１ｂ１の傾斜よりもなだらかになり、屈曲部２１ｗを曲げ成形する際に突起部２１ｐの加工変形量が少なくなるため、突起部３０１ｐの亀裂や割れの発生を抑制し、突起部３０１ｐを介して電極パッド１１ａと端子金具２１とを確実に電気的接続することができる。

ここで、領域Ｓを、接点Ｐを中心として軸線Ｏ方向の先端部及び後端部にそれぞれ１．５×ｔに規定した理由は、領域Ｓが先端及び後端に１．５×ｔより小さいと、屈曲部２１ｗ及び突起部３０１ｐの形状や、センサ素子１０と当接部２１ｂとの位置ズレによって接点Ｐの位置が軸線Ｏ方向にずれたときに、曲率半径ｒ１、ｒ２を有効に規定することが困難になるためである。又、領域Ｓが先端及び後端に１．５×ｔより大きいと、突起部２１ｐ以外で当接部２１ｂが電極パッド１１ａと接する場合を含むことになるため、１．５×ｔに規定した。
曲率半径ｒ１、ｒ２は、図５に示す側面図から画像解析によって、突起部２１ｐの表面及び当接部２１ｂの外表面２１ｂ１の輪郭を取得し、この輪郭上に基づいて数値計算又はソフトウェアによって求めることができる。但し、上述のように、一般に突起部２１ｐは当接部２１ｂの所定部位をプレス加工等して押し出されるため、当接部２１ｂの外表面２１ｂ１と突起部２１ｐとの境界が明瞭でない場合がある。この場合、当接部２１ｂの外表面２１ｂ１の輪郭を正確に取得することが困難である。
そこで、本発明では、図６に示すように、当接部２１ｂの内表面２１ｂ２の輪郭を取得し、この輪郭上の各点Ｖ１、Ｖ２、Ｖ３・・・から電極パッド１１ａ側に長さｔの接線Ｌ１、Ｌ２、Ｌ３・・・を引き、この接線Ｌ１、Ｌ２、Ｌ３・・・の終端上の各点Ｗ１，Ｗ２、Ｗ３・・・を結んだ仮想輪郭を外表面２１ｂ１の輪郭とみなして曲率半径ｒ２を求めてもよい。

本発明は上記実施形態に限定されず、本発明の思想と範囲に含まれる様々な変形及び均等物に及ぶことはいうまでもない。
例えば、端子金具、屈曲部、及び屈曲部表面の突起部の形状、突起部の個数等は上記実施形態に限定されない。
又、ガスセンサとしては、酸素センサ、全領域ガスセンサの他、ＮＯｘセンサが挙げられる。

１０ センサ素子
１０Ａ センサ素子の一方の主面
１０Ｂ センサ素子の他方の主面
１１ａ、１１ｂ、１２ａ、１２ｂ 電極パッド
２１ 端子金具
２１ａ 本体部
２１ｂ 当接部
２１ｆ 平坦部
２１ｗ 屈曲部
２１ｐ 突起部
２１ｔ 折り返し部
２００ ガスセンサ
Ｏ 軸線
Ｐ 突起部と電極パッドとの接点
ｒ１ 突起部の表面の軸線方向の曲率半径
ｒ２ 当接部の外表面の軸線方向の曲率半径
ｔ 当接部の厚み

Claims (2)

1. 軸線方向に延びる板状をなし、後端側外表面に電極パッドを有するセンサ素子と、
   前記電極パッドに電気的に接続される端子金具であり、前記軸線方向に延びる本体部と、該本体部の先端側に接続し、後端側で且つ前記センサ素子に向かって折り返される折り返し部と、該折り返し部に先端側が接続すると共に、後端側に向かって延びるにつれて、前記センサ素子に近づきつつ屈曲部を経由することで前記センサ素子から遠ざかる当接部と、を一体に有する端子金具と、を備え、
   前記端子金具には、少なくとも前記屈曲部を跨ぐようにしつつ前記当接部の幅方向の一部に形成され、且つ前記電極パッドに接触するように前記当接部から突出する突起部が設けられたガスセンサであって、
   前記折り返し部と前記突起部との間における前記当接部の厚みをｔとしたとき、前記突起部と前記電極パッドとの接点を中心として前記軸線方向の先端部及び後端部にそれぞれ１．５×ｔの長さを有する領域内において、前記突起部の表面の曲率半径ｒ１が前記当接部の外表面の曲率半径ｒ２より大きいガスセンサ。
2. 前記突起部は、前記接点よりも先端側に前記当接部から一定の距離だけ突出する平坦部を有する請求項１に記載のガスセンサ。

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