JP2021056034A - ガスセンサ - Google Patents

Abstract

【課題】長期使用でも破断や接点不良等の発生を防止することができるガスセンサを提供する。【解決手段】センサ素子１２と、センサ素子１２の後端部を保持し、センサ素子１２と電気的に接続する複数の接点部材１７と、センサ素子１２の後方に固定され、接点部材１７が電気的に接続される複数のリード線５４と、接点部材１７とリード線５４とを離間した状態で固定し、且つ、接点部材１７とリード線５４とを電気的に接続する金属製の弾性部材６０と、を有する。【選択図】図１

Description

本発明は、ガスセンサに関する。

特許文献１では、リード線や金属端子具等のショートが生じ難く、安定したセンサ出力が得られるガスセンサを提供することを課題としている。

当該課題を解決するため、特許文献１では、ゴム栓（４７）の内部に貫通孔（４７ａ）を設け、セラミックスハウジング（５１）を用いて接触金具（７１）を固定することで、リード線（４８）、接触金具（７１）の動きを抑制する。

特開２０１４−１９９７２１号公報

特許文献１記載のガスセンサは、センサ素子と直接接して導通をとる接点部材とリード線とが直接接合されている。

そのため、ガスセンサに想定以外の振動が発生すると接合箇所に力が加わり、最悪の場合、破断するおそれがある。特に、接合箇所の後端とリード線の被覆部先端との間（リード線がむき出しの部分）で力が集中すると、その部分を軸に振動し、破断するおそれもある。

また、センサ素子の短尺化により、センサ素子からの熱がリード線まで伝わり、被覆や弾性絶縁材の溶損のおそれがある。上述した振動等により、場合によっては、接点不良が発生することも考えられる。

本発明は、上述した課題に鑑みなされたものであり、上述した問題を解消することができ、長期使用でも破断や接点不良等の発生を防止することができるガスセンサを提供することにある。

本発明の一態様によるガスセンサは、
センサ素子と、
前記センサ素子の後端部を保持し、前記センサ素子と電気的に接続する複数の接点部材と、
前記センサ素子の後方に固定され、前記接点部材が電気的に接続される複数のリード線と、
前記接点部材と前記リード線とを離間した状態で固定し、且つ、前記接点部材と前記リード線とを電気的に接続する弾性部材と、を有する。

本発明によれば、接点部材とリード線とを離間した状態で電気的に接続することができ、しかも、接点部材とリード線とを弾性的に保持することができる。その結果、長期使用でも破断や接点不良等の発生を防止することができる。

本実施形態に係るガスセンサを示す断面図である。 図２Ａは弾性部材の筒状部と接点部材との位置関係並びに弾性部材の加締め部とリード線との位置関係を示す説明図であり、図２Ｂは接点部材を筒状部で包んだ状態並びにリード線を加締め部で加締めた状態を示す斜視図である。

本発明に係るガスセンサについて、好適な実施形態を挙げ、添付の図面を参照して以下に詳細に説明する。

本実施形態に係るガスセンサ１０は、図１に示すように、センサ素子１２を備える。センサ素子１２は長尺な直方体形状をしており、このセンサ素子１２の長手方向を前後方向とし、センサ素子１２の厚み方向を上下方向とする。また、センサ素子１２の幅方向（前後方向及び上下方向に垂直な方向）を左右方向とする。

図１に示すように、ガスセンサ１０は、センサ素子１２と、センサ素子１２の前端側を保護する保護カバー１４と、セラミックハウジング１６を含むセンサ組立体２０とを備えている。セラミックハウジング１６は、センサ素子１２の後端部を保持し、センサ素子１２と電気的に接続する接点部材１７が装着されることで、コネクタ２４として機能する。

このガスセンサ１０は、図示するように、例えば車両の排ガス管等の配管２６に取り付けられて、被測定ガスとしての排気ガスに含まれるＮＯｘやＯ₂等の特定ガスの濃度を測定するために用いられる。

保護カバー１４は、センサ素子１２の前端を覆う有底筒状の内側保護カバー１４ａと、この内側保護カバー１４ａを覆う有底筒状の外側保護カバー１４ｂとを備えている。内側保護カバー１４ａ及び外側保護カバー１４ｂには、被測定ガスを保護カバー１４内に流通させるための複数の孔が形成されている。内側保護カバー１４ａで囲まれた空間としてセンサ素子室２８が形成されており、センサ素子１２の前端はこのセンサ素子室２８内に配置されている。

センサ組立体２０は、センサ素子１２を封入固定する素子封止体３０と、素子封止体３０に取り付けられたナット３２と、外筒３４と、センサ素子１２の後端の表面（上下面）に形成された図示しない電極に接触してこれらと電気的に接続されたコネクタ２４と、を備えている。

素子封止体３０は、筒状の主体金具４０と、主体金具４０と同軸に溶接固定された筒状の内筒４２と、主体金具４０及び内筒４２の内側の貫通孔内に封入されたセラミックスサポータ４４ａ〜４４ｃ、圧粉体４６ａ、４６ｂ、メタルリング４８と、を備えている。センサ素子１２は素子封止体３０の中心軸上に位置しており、素子封止体３０を前後方向に貫通している。内筒４２には、圧粉体４６ｂを内筒４２の中心軸方向に押圧するための縮径部４２ａと、メタルリング４８を介してセラミックスサポータ４４ａ〜４４ｃ、圧粉体４６ａ、４６ｂを前方に押圧するための縮径部４２ｂとが形成されている。縮径部４２ａ、４２ｂからの押圧力により、圧粉体４６ａ、４６ｂが主体金具４０及び内筒４２とセンサ素子１２との間で圧縮されることで、圧粉体４６ａ、４６ｂが保護カバー１４内のセンサ素子室２８と外筒３４内の空間５０との間を封止すると共に、センサ素子１２を固定している。

ナット３２は、主体金具４０と同軸に固定されており、外周面に雄ネジ部が形成されている。ナット３２の雄ネジ部は、配管２６に溶接され内周面に雌ネジ部が設けられた固定用部材５２内に挿入されている。これにより、ガスセンサ１０のうちセンサ素子１２の前端や保護カバー１４の部分が配管２６内に突出した状態で、ガスセンサ１０が配管２６に固定されている。

外筒３４は、内筒４２、センサ素子１２、コネクタ２４の周囲を覆っており、コネクタ２４に接続された複数のリード線５４が後端から外部に引き出されている。このリード線５４は、コネクタ２４を介してセンサ素子１２の各電極（後述）と導通している。外筒３４とリード線５４との隙間はグロメット等で構成された弾性絶縁部材５６によって封止されている。外筒３４内の空間５０は基準ガス（本実施形態では大気）で満たされている。センサ素子１２の後端はこの空間５０内に配置されている。

そして、本実施形態は、センサ素子１２の後端部から露出する接続端子（図示せず）には、後方に延びる接点部材１７が電気的に接続されている。センサ素子１２の後端部の周囲にセラミックハウジング１６が設置され、上述した接続端子とセラミックハウジング１６との間に接点部材１７がはめ込まれることで、センサ素子１２の接続端子と接点部材１７とが圧着して電気的に接続される。すなわち、セラミックハウジング１６は、センサ素子１２と電気的に接続する接点部材１７が装着され、センサ素子１２の後端部を保持する。

各接点部材１７の後部は、それぞれ対応する弾性部材６０を介して、対応するリード線５４に電気的に接続される。弾性部材６０は、例えばステンレス、鉄Ｎｉ合金等の公知の弾性に優れ導電性を有する金属材料にて構成される。

ここで、代表的に、１つの接点部材１７を１つの弾性部材６０を介して１本のリード線５４に電気的に接続する例について、図２Ａ及び図２Ｂを参照しながら説明する。

図２Ａに示すように、弾性部材６０は、接点部材１７を挿通して、該接点部材１７と電気的に接続する筒状部６２と、リード線５４を加締めて、該リード線５４と電気的に接続する加締め部６４と、を有する。

また、弾性部材６０は中間部６６を有する。中間部６６は、筒状部６２と加締め部６４との間に一体に形成され、且つ、筒状部６２から加締め部６４に向かって幅広く形成されている。

そして、弾性部材６０のうち、筒状部６２は、接点部材１７を一方向（図２Ａにおいて、紙面の手前方向）に包む。筒状部６２は、接点部材１７の一端部１００をリード線５４に向けて、且つ、その先端部を中間部６６に位置させた状態で、接点部材１７を包む。この場合、筒状部６２は、接点部材１７の一端部１００をリード線５４に向けて突出させた状態で、接点部材１７を包む。

一方、弾性部材６０のうち、加締め部６４は、リード線５４を他方向（図２Ａにおいて、紙面の奥行方向）に加締める。加締め部６４は、リード線５４の先端が中間部６６に達しない状態で、リード線５４を加締める。

さらに、図２Ｂに示すように、接点部材１７と筒状部６２とが溶接ポイントＰにて溶接される。すなわち、溶接ポイントＰは、弾性部材６０を筒状にした際の接合箇所である。溶接ポイントＰは、筒状部６２の後端側（リード線５４寄り）であることが好ましい。溶接として、種々の方法が挙げられるが、スポット溶接が好ましい。

ここで、１つの実験例を示す。この実験例は、比較例、実施例１及び実施例２について、１５０時間、加速度５０Ｇ、周波数２５０Ｈｚの振動試験を行って、接点の破断状態を確認した。

［比較例］
比較例は、従来の接続構造であり、接点部材１７とリード線５４とを半田で直接接続する構造を有する。

［実施例１］
実施例１は、本実施形態に係るガスセンサ１０の接続構造であり、接点部材１７とリード線５４とを弾性部材、特に、金属製の平板で接続した構造を有する。ここで、接点部材１７と平板とをスポット溶接にて接続し、平板とリード線５４とを半田で接続した。

［実施例２］
実施例２は、本実施形態に係るガスセンサ１０の接続構造であり、接点部材１７とリード線５４とを弾性部材、特に、図２Ａに示すように、筒状部６２と、加締め部６４と、中間部６６とを有する弾性部材６０で接続した構造を有する。ここで、接点部材１７を筒状部６２で一方向に包んでスポット溶接にて接続し、リード線５４を加締め部６４にて他方向に加締めて接続した。

［試験結果］
比較例、実施例１及び実施例２に対する１５０時間の振動試験の結果を下記に示す。
比較例：１５０時間経過後にセンサを確認すると、接点部材１７とリード線５４とに破断が生じた。
実施例１：１５０時間を経過しても破断は生じなかったが、平板に変形が見られた。
実施例２：１５０時間を経過しても破断は生じなかった。しかも、弾性部材６０に変形は見られなかった。

［本実施形態から得られる発明］
上記実施形態から把握しうる発明について、以下に記載する。

［１］ 本実施形態に係るガスセンサ１０は、センサ素子１２と、センサ素子１２の後端部を保持し、センサ素子１２と電気的に接続する複数の接点部材１７と、センサ素子１２の後方に固定され、接点部材１７が電気的に接続される複数のリード線５４と、接点部材１７とリード線５４とを離間した状態で固定し、且つ、接点部材１７とリード線５４とを電気的に接続する金属製の弾性部材６０と、を有する。

これにより、接点部材１７とリード線５４との間に弾性部材６０を介在させることで、振動を吸収することができ、電気的な接点等での切断防止となる。また、弾性部材６０を介在させることで、センサ素子１２とリード線５４との間の距離を大きくとることができ、リード線５４が挿通される弾性絶縁部材５６等の溶損防止を図ることができる。

［２］ 本実施形態において、接点部材１７と弾性部材６０とが溶接にて接合されている。弾性部材６０にて振動を打ち消すことが可能となるため、接点部材１７とリード線５４とのずれ等を防止することができる。

［３］ 本実施形態において、弾性部材６０は、接点部材１７を挿通して、該接点部材１７と電気的に接続する筒状部６２と、リード線５４を加締めて、該リード線５４と電気的に接続する加締め部６４と、を有する。

接点部材１７とリード線５４との間に弾性部材６０を介在させることで、振動を吸収することができ、電気的な接点等での切断防止となる。また、弾性部材６０を介在させることで、センサ素子１２とリード線５４との間の距離を大きくとることができ、リード線５４が挿通される弾性絶縁部材５６等の溶損防止を図ることができる。

さらに、弾性部材６０を筒状にすることで、弾性部材６０と接点部材１７との接触面積が増え、接触不良を防ぐことができる。同様に、弾性部材６０に、リード線５４と電気的に接続する加締め部６４を設けることで、弾性部材６０とリード線５４との接触面積が増え、接触不良を防ぐことができる。その結果、接点部材１７とリード線５４との接触不良も防ぐことができる。

［４］ 本実施形態において、接点部材１７と筒状部６２とが溶接にて接合されている。これにより、接点部材１７と弾性部材６０との振動による位置ずれを防止することができる。

［５］ 本実施形態において、溶接による接合箇所は、弾性部材６０を筒状にした際の接合箇所である。溶接による接合箇所と接点部材１７とを一緒に固着でき、これらの部材をより強固に接合することが可能となる。

［６］ 本実施形態において、溶接による接合箇所は、筒状部６２の後端側である。筒状部６２の後端側は、力が集中することとなるが、この部分を接合箇所とすることで補強することができ、接合箇所と接点部材１７とをより強固に接合することができる。

［７］ 本実施形態において、弾性部材６０は、筒状部６２と加締め部６４との間に一体に形成された中間部６６を有する。中間部６６が筒状部６２と加締め部６４との間の補強を担うため、弾性部材６０の塑性変形等を防ぐことができる。

［８］ 本実施形態において、中間部６６は、筒状部６２から加締め部６４に向かって幅広く形成されている。リード線５４を加締める際等における応力集中を低減することができ、弾性部材６０の塑性変形等を防ぐことができる。

［９］ 本実施形態において、加締め部６４は、リード線５４の先端が中間部６６に達しない状態で、リード線５４を加締める。リード線５４が中間部６６まで挿入されていると、リード線５４を加締めた際に、リード線５４の先端部によって、中間部６６が異様に変形するおそれがある。そこで、リード線５４の先端が中間部６６に達しない状態とすることで、リード線５４を加締め部６４のみで加締めることができ、リード線５４による中間部６６への悪影響を防止することができる。

［１０］ 本実施形態において、筒状部６２は、接点部材１７の一端部をリード線５４に向けて突出させた状態で、接点部材１７を包む。これにより、例えば接点部材１７と筒状部６２とを溶接する際に、接点部材１７の先端が筒状部６２から露出した状態となるため、接点部材１７と筒状部６２とを確実に溶接することができる。

［１１］ 本実施形態において、筒状部６２による接点部材１７を包む方向と、加締め部６４によるリード線５４を加締める方向が異なる。筒状部６２と加締め部６４とで、逆加締めと同様の作用が働くことから、弾性部材６０に対する反りを低減することができる。

なお、本発明の実施に当たっては、本発明の思想を損なわない範囲で自動車用部品としての信頼性向上のための諸手段が付加されてもよい。

１０…ガスセンサ １２…センサ素子
１６…セラミックハウジング １７…接点部材
２０…センサ組立体 ２４…コネクタ
５６…弾性絶縁部材 ６０…弾性部材
６２…筒状部 ６４…加締め部
６６…中間部

Claims (11)

1. センサ素子と、
   前記センサ素子の後端部を保持し、前記センサ素子と電気的に接続する複数の接点部材と、
   前記センサ素子の後方に固定され、前記接点部材が電気的に接続される複数のリード線と、
   前記接点部材と前記リード線とを離間した状態で固定し、且つ、前記接点部材と前記リード線とを電気的に接続する弾性部材と、を有する、ガスセンサ。
2. 請求項１記載のガスセンサにおいて、
   前記接点部材と前記弾性部材とが溶接にて接合されている、ガスセンサ。
3. 請求項１記載のガスセンサにおいて、
   前記弾性部材は、
   前記接点部材を挿通して、該接点部材と電気的に接続する筒状部と、
   前記リード線を加締めて、該リード線と電気的に接続する加締め部と、を有する、ガスセンサ。
4. 請求項３記載のガスセンサにおいて、
   前記接点部材と前記筒状部とが溶接にて接合されている、ガスセンサ。
5. 請求項４記載のガスセンサにおいて、
   前記溶接による接合箇所は、前記弾性部材を筒状にした際の接合箇所である、ガスセンサ。
6. 請求項４又は５記載のガスセンサにおいて、
   前記溶接による接合箇所は、前記筒状部の後端側である、ガスセンサ。
7. 請求項３〜６のいずれか１項に記載のガスセンサにおいて、
   前記弾性部材は、
   前記筒状部と前記加締め部との間に一体に形成された中間部を有する、ガスセンサ。
8. 請求項７記載のガスセンサにおいて、
   前記中間部は、前記筒状部から前記加締め部に向かって幅広く形成されている、ガスセンサ。
9. 請求項７又は８記載のガスセンサにおいて、
   前記加締め部は、前記リード線の先端が前記中間部に達しない状態で、前記リード線を加締める、ガスセンサ。
10. 請求項３〜９のいずれか１項に記載のガスセンサにおいて、
    前記筒状部は、前記接点部材の一端部を前記リード線に向けて突出させた状態で、前記接点部材を包む、ガスセンサ。
11. 請求項３〜１０のいずれか１項に記載のガスセンサにおいて、
    前記筒状部による前記接点部材を包む方向と、前記加締め部による前記リード線を加締める方向が異なる、ガスセンサ。

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