JP2018165630A - ガスセンサ - Google Patents

Abstract

【課題】筒状のガスセンサ素子へ外嵌される筒状の外側端子との電気的接続の信頼性を向上させたガスセンサを提供する。
【解決手段】有底筒状の素子本体３Ｓと外側電極３Ｃ（３ＣＳ、３ＣＬ、３ＣＰ）と、を有するガスセンサ素子３と；主体金具と；外側電極と電気的に接続される筒状部９３であって、ガスセンサ素子の後端部に自身を外嵌した際に弾性力によって拡径する筒状部を有する外側端子９１と；を備えたガスセンサであって、ガスセンサ素子のうち、主体金具よりも後端側に露出する部位に、先端側から順に第１側壁部３ｔ１と第２側壁部３ｔ２とが隣接して形成され、第２側壁部は、第１側壁部よりも後端側に向かって窄まるテーパをなし、外側電極は、第１側壁部と第２側壁部とを跨いで形成されてなる。
【選択図】図２

Description

本発明は、被検出ガスの濃度を検出するガス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特定ガス（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ガスセンサ素子を有するものが知られている。
このようなガスセンサとして、図７に示すように、軸線Ｏ方向に延びるガスセンサ素子３００の素子本体３００Ｓの外表面に外側電極（検知電極）３００Ｃを設け、素子本体３００Ｓの内孔３００ｄの表面に内側電極を設けたものがある（特許文献１）。さらに外側電極３００Ｃから後端に線状のリード部３００ＣＬが延び、リード部３００ＣＬは、素子本体３００Ｓの後端側に周方向の一部に延びる接続部３００ＣＰと接続されている。さらに、接続部３００ＣＰより後端側の素子本体３００Ｓの端部は面取りされて面取り部３００ｅを構成している。

そして、ガスセンサ素子３００の後端側に外側端子９１の筒状部９３を外嵌し、接続部３００ＣＰと筒状部９３を電気的に接続する。これにより、外側電極３００Ｃの検出信号を外側端子９１から外部回路等に取り出すようになっている。
なお、筒状部９３は切れ目を有した断面がＣ字状（有端環状）をなし、ガスセンサ素子３００の後端部に自身を外嵌して拡開した際にバネ力によって筒状部９３が縮まり、接続部３００ＣＰに押圧されるようになっている。

特開２０１３−３３０３４号公報

ところで、図８に示すように、筒状部９３をガスセンサ素子３００に外嵌した際、筒状部９３に対してガスセンサ素子３００が斜めに（軸線Ｏがずれて）挿入されることがある。そして、この場合、ガスセンサ素子３００の外面に押されて筒状部９３が拡開してしまい、接続部３００ＣＰと接触しなくなったり、接続部３００ＣＰと点Ｐ，Ｑ等で点接触することになって接触面積が減少する。その結果、外側電極と外側端子との電気的接続の信頼性が低下するという問題がある。

従って、本発明は、筒状のガスセンサ素子へ外嵌される筒状の外側端子との電気的接続の信頼性を向上させたガスセンサの提供を目的とする。

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、先端部が被測定ガスに晒されるガスセンサ素子であって、有底筒状の素子本体と、該ガスセンサ素子の先端部から後端部にわたって、該素子本体の外表面に設けられた外側電極と、を有するガスセンサ素子と；前記ガスセンサ素子の周囲を取り囲む主体金具と；前記ガスセンサ素子の後端部を径方向から包囲して前記外側電極と電気的に接続される筒状部であって、前記ガスセンサ素子の後端部に自身を外嵌した際に弾性力によって拡径する筒状部を有する外側端子と；を備えたガスセンサであって、前記ガスセンサ素子のうち、前記主体金具よりも後端側に露出する部位に、先端側から順に第１側壁部と第２側壁部とが隣接して形成され、前記第２側壁部は、前記第１側壁部よりも後端側に向かって窄まるテーパをなし、前記外側電極は、前記第１側壁部と前記第２側壁部とを跨いで形成されてなる。

このガスセンサによれば、外側端子（筒状部）に対してガスセンサ素子が斜めに（軸線がずれて）挿入されたとしても、テーパ状の第２側壁部の面に筒状部の内面が沿って面接触し易く、点接触に比べて第２側壁部と筒状部との接触面積が多くなる。又、第２側壁部の面はテーパになっているため、点接触に比べてガスセンサ素子の外面が筒状部を押して拡開する量が少なく、外側電極と筒状部との接触を維持し易い。その結果、外側端子に対してガスセンサ素子が斜めに（軸線がずれて）挿入された場合でも、外側電極と外側端子との電気的接続の信頼性を向上させることができる。
又、外側端子に対してガスセンサ素子がまっすぐに（軸線に沿うように）挿入された場合には、第２側壁部に比べてテーパ度が低い（軸線に平行に近い）第１側壁部に筒状部の内面が沿うので両者が面接触し易くなる。このため、この場合も外側電極と外側端子との電気的接続の信頼性を確保できる。

本発明のガスセンサにおいて、前記第１側壁部も後端側に向かって窄まるテーパをなしてもよい。
第１側壁部３をストレートに研削加工しても、加工の誤差や焼成による膨張で逆テーパ（先端側に向かって窄まるテーパ）となる場合もある。従って、第１側壁部を後端側に向かって窄まるテーパとすると、逆テーパを防止できる。

この発明によれば、筒状のガスセンサ素子へ外嵌される筒状の外側端子との電気的接続の信頼性を向上させることができる。

本発明の実施形態に係るガスセンサを軸線方向に沿う面で切断した断面図である。 ガスセンサ素子及び外側端子の構造を示す斜視図である。 ガスセンサ素子の外形を示す側面図である。 ガスセンサを製造する態様を示す図である。 ガスセンサ素子に外側端子を外嵌した際、外側電極と外側端子との接触状態を示す図である。 ガスセンサ素子の変形例を示す側面図である。 従来のガスセンサ素子の構造を示す斜視図である。 ガスセンサ素子に外側端子を外嵌した際、外側電極と外側端子との接触状態を示す図である。

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素子３を有するガスセンサ１００を軸線Ｏ方向に沿う面で切断した断面構造を示す。図２はガスセンサ素子３及び外側端子９１の構造を示す斜視図、図３はガスセンサ素子３の外形を示す側面図である。
この実施形態において、ガスセンサ１００は自動車の排気管内に挿入されて先端が排気ガス中に曝され、排気ガス中の酸素濃度を検出する酸素センサになっている。ガスセンサ素子３は、酸素イオン伝導性の固体電解質体に一対の電極を積層した酸素濃淡電池を構成し、酸素量に応じた検出値を出力する公知の酸素センサ素子である。
なお、図１の下側をガスセンサ１００の先端側とし、図１の上側をガスセンサ１００の後端側とする。

ガスセンサ１００は、先端が閉じた略円筒状(中空軸状)のガスセンサ素子（この例では酸素センサ素子）３を、筒状の金具本体（主体金具）２０の内側に挿通して保持するよう組み付けられている。センサ素子３は、先端に向かってテーパ状に縮径する筒状の固体電解質体からなる素子本体（図２参照）３Ｓと、固体電解質体の内周面と外周面にそれぞれ形成された内側電極３Ｂ及び外側電極（検知電極）３Ｃとからなる。そして、ガスセンサ素子３の内部空間を基準ガス雰囲気とし、ガスセンサ素子３の外面に被検出ガスを接触させてガスの検知を行うようになっている。
又、ガスセンサ素子３の中空部には丸棒状のヒータ１５が挿入され、ガスセンサ素子３を活性化温度になるように昇温するようになっている。
金具本体２０の後端部には、ガスセンサ素子３の後端側に設けられたリード線や端子（後述）を保持し、センサ素子３の後端部を覆う筒状の外筒４０が接合されている。さらに、ガスセンサ素子３の後端側の外筒４０内側には、絶縁性で円柱状のセパレータ１２１が保持金具８０を介して加締め固定されている。一方、ガスセンサ素子３先端の検出部はプロテクタ７で覆われている。そして、このようにして製造されたガスセンサ１００の金具本体２０の雄ねじ部２０ｄを排気管等のネジ孔に取付けることで、ガスセンサ素子３先端の検出部を排気管内に露出させて被検出ガス（排気ガス）を検知している。なお、金具本体２０の中央付近には、六角レンチ等を係合するための多角形の鍔部２０ｃが設けられ、鍔部２０ｃと雄ねじ部２０ｄとの間の段部には、排気管に取付けた際のガス抜けを防止するガスケット１４が嵌挿されている。

ガスセンサ素子３の中央側に鍔部３ａが設けられ、金具本体２０の先端寄りの内周面には内側に縮径する段部２０ｅが設けられている。又、段部２０ｅの後端向き面にワッシャ１２を介して筒状のセラミックホルダ５が配置されている。そして、ガスセンサ素子３が金具本体２０及びセラミックホルダ５の内側に挿通され、セラミックホルダ５に後端側からワッシャ１３を介してガスセンサ素子３の鍔部３ａが当接している。
さらに、鍔部３ａの後端側におけるガスセンサ素子３と金具本体２０との径方向の隙間に、筒状の滑石粉末６、及び筒状のセラミックスリーブ１０が配置されている。そして、セラミックスリーブ１０の後端側に金属パッキン３０を配し、金具本体２０の後端部を内側に屈曲して加締め部２０ａを形成することにより、セラミックスリーブ１０が先端側に押し付けられる。これにより滑石リング６を押し潰し、セラミックスリーブ１０及び滑石粉末６が加締め固定されるとともに、ガスセンサ素子３と金具本体２０の隙間がシールされている。

ガスセンサ素子３の後端側にセパレータ１２１が配置され、セパレータ１２１と外筒４０との間隙には保持金具８０が配置されている。そして、保持金具８０の内部にセパレータ１２１が保持されている。
セパレータ１２１には、挿通孔（この例では４個）が設けられ、そのうち２個の挿通孔にそれぞれ内側端子７１、外側端子９１の板状基部７４、９４が挿入されて固定されている。各板状基部７４、９４の後端にはそれぞれコネクタ部７５、９５が形成され、コネクタ部７５、９５にそれぞれリード線４１、４１が加締め接続されている。又、セパレータ１２１の図示しない２個の挿通孔（ヒータリード孔）に、ヒータ１５から引き出されたヒータリード線４３（図１では１個のみ図示）が挿通されている。
セパレータ１２１の後端側の外筒４０の内側には筒状のグロメット１３１が加締め固定され、グロメット１３１の４個の挿通孔からそれぞれ２個のリード線４１、及び２個のヒータリード線４３が外部に引き出されている。
なお、グロメット１３１の中心には貫通孔１３１ａが形成され、ガスセンサ素子３の内部空間に連通している。そして、グロメット１３１の貫通孔１３１ａに撥水性の通気フィルタ１４０が介装され、外部の水を通さずにガスセンサ素子３の内部空間に基準ガス（大気）を導入するようになっている。

一方、金具本体２０の先端側には筒状のプロテクタ７が外嵌され、金具本体２０から突出するガスセンサ素子３の先端側がプロテクタ７で覆われている。プロテクタ７は、複数の孔部（図示せず）を有する有底筒状で金属製（例えば、ステンレスなど）二重の外側プロテクタ７ｂおよび内側プロテクタ７ａを、溶接等によって取り付けて構成されている。

図２に示すように、外側電極（検知電極）３Ｃはガスセンサ素子３の素子本体３Ｓの外表面に形成され、さらに外側電極３Ｃは、素子本体３Ｓの先端側の全周に亘って設けられる検出部３ＣＳと、検出部３ＣＳから後端に延びる線状のリード部３ＣＬと、素子本体３Ｓの後端側に周方向の一部に延びるように設けられてリード部３ＣＬ（検出部３ＣＳ）と接続する接続部３ＣＰとを有している。なお、接続部３ＣＰは周方向にリード部３ＣＬより広幅で形成され、接続部３Ｃとリード部３ＣＬとがＴ字状をなしている。又、内側電極３Ｂ（図１参照）は、素子本体３Ｓの先端部から後端部の内孔３ｄの表面に設けられている。

さらに、図２、図３に示すように、ガスセンサ素子３のうち、金具本体２０よりも後端側に露出する部位に、先端側から順に第１側壁部３ｔ１と第２側壁部３ｔ２とが隣接して形成され、第２側壁部３ｔ２は、第１側壁部３ｔ１よりも後端側に向かって窄まるテーパをなしている。そして、外側電極３Ｃの接続部３ＣＰは、第１側壁部３ｔ１と第２側壁部３ｔ２とを軸線Ｏ方向に跨いで形成されている。なお、本実施形態では第１側壁部３ｔ１も後端側に向かってわずかに窄まるテーパをなしており、第１側壁部３ｔ１よりも先端側のガスセンサ素子３の外面がストレート部になっている。

なお、第１側壁部３ｔ１と第２側壁部３ｔ２とが「隣接」するとは、両者が軸線Ｏ方向に連続して（両者の間に他の構成を含まずに）繋がることをいう。
又、第１側壁部３ｔ１の先端は、ガスセンサ素子３の軸線Ｏ方向の断面にて、ガスセンサ素子３の外面のうち金具本体２０に接するストレート部３ｖから径方向内側に外れた点Ａ１とする。又、第１側壁部３ｔ１と第２側壁部３ｔ２との軸線Ｏ方向の境界は、第１側壁部３ｔ１の曲率よりも径方向内側に外れた点Ａ２とする。第２側壁部３ｔ２の後端は、便宜上、第２側壁部３ｔ２の後端として構わない。又、ストレート部３ｖが明瞭でない場合は、ガスセンサ素子３の外面のうち、金具本体２０の内部に保持されている部位とする。
第１側壁部３ｔ１と第２側壁部３ｔ２の作用については後述する。

一方、図２に示すように、外側端子９１は、先端から後端に細長く延び、所定の形状に打ち抜かれた金属薄板（耐食耐熱超合金板）を曲げ加工して一体に形成されている。外側端子９１の後端側には板状基部９４が形成され、板状基部９４の後端側にはリード線４１の芯線に加締め接続される接続端部９５が配置されている。一方、板状基部９４の先端側には筒状部９３が接続されている。さらに、板状基部９４をセパレータ１２１の挿通孔に挿入した際、板状基部９４が挿通孔内に位置決めされる。又、板状基部９４に設けられた切起こし部９４Ｙが挿通孔の外端壁に当接し、そのバネ力によって板状基部９４を挿通孔内に保持している。

また、筒状部９３は軸線Ｏを中心とする筒状をなし、かつ板状基部９４と反対側に軸線Ｏ方向に沿ったスリットＭを有する断面Ｃ字形状をなしている。そして、筒状部９３の内径は、ガスセンサ素子３（素子本体３Ｓ）の後端部の外径より小さく、筒状部９３をガスセンサ素子３に外嵌して拡開した際にバネ力によって筒状部９３が縮まり、ガスセンサ素子３の外側電極３Ｃ（接続部３ＣＰ）に押圧されるようになっている。
又、筒状部９３の先端縁９３ｆに周方向にわたって断続的に接続すると共に、先端縁９３ｆから径方向外側に向かって放射状に折り返した片状のガイド片９８が合計８個（図２では４つのみ図示）形成されている。ガイド片９８は径方向外側に広がりつつ、先端縁９３ｆから先端側に向かって延び、筒状部９３をセンサ素子３に外嵌する際のガイドとなっている。

このガスセンサ１００は、図４に示すようにして製造される。まず、ガスセンサ素子３を金具本体２０の内側に保持してセンサ素子アセンブリＢを組み付ける。具体的には、ガスセンサ素子３を金具本体２０内に配置されたセラミックホルダ５上に配置する。その後、金具本体２０とガスセンサ素子３との間隙に滑石（タルク）６を充填し、セラミックスリーブ１０、金属パッキン３０を順に滑石６上に配置し、金具本体２０の後端側を加締めてセンサ素子アセンブリＢを組み付ける。
一方で、外筒４０内に、内側の内側端子７１及び外側の外側端子９１を組み付けたセパレータ１２１をグロメット１３１と共に外筒４０を配置し、セパレータアセンブリＡを組み付ける。具体的には、リード線４１に接続された内側端子７１及び外側端子９１をセパレータ１２１内に挿入し、その後、セパレータ１２１を外筒４０の段部４０ｄに当接する。
その後、セパレータ１２１と外筒４０との間隙に保持金具８０を挿入すると共に、グロメット１３１を外筒４０の後端側に配置し、セパレータアセンブリＡを組み付ける。なお、内側端子７１にはヒータ１５が既に取付けられている。

そして、セパレータアセンブリＡと素子アセンブリＢとの軸線を合わせ、セパレータアセンブリＡをセンサ素子アセンブリＢの後端に被せると、ガスセンサ素子３内にヒータ１５が挿入されると共に、センサ素子３の内側電極３Ｂ及び外側電極３Ｃがそれぞれ内側端子７１及び外側端子９１と電気的に接続される。その後、外筒４０のうち、保持金具８０の外周部、グロメット１３１の外周部、金具本体２０との重なり部をそれぞれ加締めると共に、外筒４０と金具本体２０との重なり部をレーザ溶接等によって金具本体２０の後端に外筒４０を接続させ、ガスセンサ１００を製造する。
セパレータアセンブリＡをセンサ素子アセンブリＢに押し込む際には、加圧装置（図示せず）を用い、セパレータ１２１の先端向き面１２１ａで外側端子９１の筒状部９３を所定のストロークで押し込む。これにより、筒状部９３の先端側が、自身の弾性力で拡径することを利用して、ガスセンサ素子３の後端部寄り（外側電極３Ｃの接続部３ＣＰの形成部分）に外嵌する。
このようにして、ガスセンサ素子３の後端側の外周面に、外側端子９１の筒状部９３を外嵌し、接続部３ＣＰと筒状部９３とを電気的に接続する。これにより、外側電極３Ｃ（検出部３ＣＳ）の検出信号を外側端子９１からリード線４１を介して外部に取り出すようになっている。

次に、図５を参照し、本発明の特徴部分である第１側壁部３ｔ１と第２側壁部３ｔ２の作用について説明する。図５はガスセンサ素子３に外側端子９１を外嵌した際、外側電極３Ｃ（接続部３ＣＰ）と外側端子９１との接触状態を示す図である。
図５において、第２側壁部３ｔ２は、第１側壁部３ｔ１よりも後端側に向かって窄まるテーパをなしている。そして、外側電極３Ｃの接続部３ＣＰは、第１側壁部３ｔ１と第２側壁部３ｔ２とを跨いで形成されている。

このため、外側端子９１（筒状部９３）に対してガスセンサ素子３が斜めに（軸線Ｏがずれて）挿入されたとしても、テーパ状の第２側壁部３ｔ２の面Ｒに筒状部９３の内面が沿って面接触し易く、点接触に比べて第２側壁部３ｔ２と筒状部９３との接触面積が多くなる。又、面Ｒはテーパになっているため、点接触に比べてガスセンサ素子３００の外面が筒状部９３を押して拡開する量が少なく、接続部３ＣＰと筒状部９３との接触を維持し易い。その結果、外側端子９１に対してガスセンサ素子３が斜めに（軸線Ｏがずれて）挿入された場合でも、外側電極３ＣＳ（接続部３ＣＰ）と外側端子９１との電気的接続の信頼性を向上させることができる。
又、外側端子９１に対してガスセンサ素子３がまっすぐに（軸線Ｏに沿うように）挿入された場合には、第２側壁部３ｔ２に比べてテーパ度が低い（軸線Ｏに平行に近い）第１側壁部３ｔ１に筒状部９３の内面が沿うので両者が面接触し易くなる。このため、この場合も外側電極３ＣＳ（接続部３ＣＰ）と外側端子９１との電気的接続の信頼性を確保できる。

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、第１側壁部３ｔ１を軸線Ｏ方向に平行なストレート部としてもよい。但し、第１側壁部３ｔ１をストレートに研削加工しても、加工の誤差や焼成による膨張で逆テーパ（先端側に向かって窄まるテーパ）となる場合もある。従って、このような場合を考慮して、第１側壁部３ｔ１を後端側に向かってわずかに窄まるテーパとすると好ましい。

又、図６に示すように、ガスセンサ素子３０における第１側壁部３０ｔ１、第２側壁部３０ｔ２をそれぞれ断面が曲線状のテーパとしてもよい。この場合も、ストレート部３０ｖを基準にして点Ａ１，Ａ２を求める。
又、ガスセンサ素子としては、筒状の素子であれば、上記した酸素センサ素子（λセンサ素子）の他、アンモニアセンサ素子、ＨＣセンサ素子、Ｈ_２センサ素子等に用いることができる。

３、３０ ガスセンサ素子
３Ｃ（３ＣＳ、３ＣＬ、３ＣＰ） 外側電極
３ｅ 湾曲部
３Ｓ 素子本体
３ｔ１、３０ｔ１ 第１側壁部
３ｔ２、３０ｔ２ 第２側壁部
２０ 主体金具
９１ 外側端子
９３ 筒状部
１００ ガスセンサ
Ｏ 軸線

Claims (2)

1. 軸線方向に延び、先端部が被測定ガスに晒されるガスセンサ素子であって、有底筒状の素子本体と、該ガスセンサ素子の先端部から後端部にわたって、該素子本体の外表面に設けられた外側電極と、を有するガスセンサ素子と；
   前記ガスセンサ素子の周囲を取り囲む主体金具と；
   前記ガスセンサ素子の後端部を径方向から包囲して前記外側電極と電気的に接続される筒状部であって、前記ガスセンサ素子の後端部に自身を外嵌した際に弾性力によって拡径する筒状部を有する外側端子と；
   を備えたガスセンサであって、
   前記ガスセンサ素子のうち、前記主体金具よりも後端側に露出する部位に、先端側から順に第１側壁部と第２側壁部とが隣接して形成され、
   前記第２側壁部は、前記第１側壁部よりも後端側に向かって窄まるテーパをなし、
   前記外側電極は、前記第１側壁部と前記第２側壁部とを跨いで形成されてなるガスセンサ。
2. 前記第１側壁部も後端側に向かって窄まるテーパをなす請求項１に記載のガスセンサ。

Images