JP2022018199A - センサ - Google Patents

Abstract

【課題】外筒の変形による外筒内部の端子金具の破損やズレを抑制し、端子金具とセンサ素子との電気的接続の信頼性を確保したセンサを提供する。【解決手段】軸線Ｏ方向に延びるセンサ素子２１と、端子金具７５と、センサ素子の後端側に配置され、端子金具の後端側の部位である表出部７５ｐが自身の後端側に表出するように端子金具を保持するとともに、端子金具間を絶縁するセパレータ９１と、セパレータと端子金具とを覆う筒状の外筒８１と、を備えたセンサ１であって、さらに、外筒の径方向内側に配置される保護部材１００を備え、保護部材は、軸線方向に沿って延びる金具保護部１０２と、金具保護部の先端に繋がりつつ径方向に延びるフランジ部１０４と、を有し、フランジ部がセパレータの先端向き面又は後端向き面と他部材８１ｄとの間で挟持され、金具保護部は、表出部の少なくとも一部と軸線方向に重なるとともに、表出部を径方向外側から離間して囲む。【選択図】図２

Description

本発明は、端子金具を収容する外筒を備えたセンサに関する。

従来から、センサ素子に電気的に接続された複数の端子金具を介して、センサ素子の検出信号を外部に取り出したり、外部からセンサ素子のヒータに給電する構成のセンサが用いられている。そして、端子金具をセラミック等のセパレータで保持し、端子金具間の絶縁を図っている。
このセパレータは金属製の外筒で覆われ、外筒の内部にゴム等の弾性部材（特許文献１）、バネ部材（特許文献２）等で固定されている。又、外筒の後端側はゴム製のグロメットで閉塞され、端子金具に接続されたリード線がグロメットの挿通孔を介して外部に引き出されている。

特開２００９－７５０６６号公報 特開２００１－３１１７１３号公報

ところで、センサの先端側に配置されたセンサ素子は、排気ガス等の被測定ガス中の特定ガスを検知するが、排気ガスの熱がセンサ素子から外筒を介してセンサ後端側のグロメットに伝わる。このため、ガスの温度がグロメットの耐熱温度を超え、その熱が外筒を介してグロメットに伝わると、グロメットが膨張してその気密性が低下する。
そこで、外筒の厚みを薄くしてグロメットへの伝熱を低下する対策が挙げられる。又、コストダウンや、軽量化の観点からも、外筒の薄肉化が望まれる場合がある。
しかしながら、外筒を薄肉化すると、飛石等が外筒に当たって変形し易くなり、外筒の内部に収容された端子金具に外筒が接触して端子金具が破損したり、セパレータから端子金具がずれてセンサ素子との電気的接続が図れなくなる等の不具合が生じるおそれがある。

本発明は、かかる現状に鑑みてなされたものであって、外筒の変形による外筒内部の端子金具の破損やズレを抑制し、端子金具とセンサ素子との電気的接続の信頼性を確保した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、軸線方向に延びるセンサ素子と、前記センサ素子と電気的に接続された複数の端子金具と、前記センサ素子の後端側に配置され、前記端子金具の後端側の部位である表出部が自身の後端側に表出するように前記端子金具を保持するとともに、前記端子金具間を絶縁するセパレータと、前記セパレータと前記端子金具とを覆う筒状の外筒と、を備えたセンサであって、さらに、前記外筒の径方向内側に配置される保護部材を備え、前記保護部材は、前記軸線方向に沿って延びる金具保護部と、前記金具保護部の先端に繋がりつつ前記径方向に延びるフランジ部と、を有し、前記フランジ部が前記セパレータの先端向き面又は後端向き面と他部材との間で挟持され、前記金具保護部は、前記表出部の少なくとも一部と前記軸線方向に重なるとともに、前記表出部を前記径方向外側から離間して囲むことを特徴とする。

このセンサによれば、外筒の径方向内側に保護部材を配置し、その金具保護部を表出部の少なくとも一部と軸線方向に重ならせることで、飛石等が外筒に衝突しても金具保護部に接した外筒の変形を抑制する。その結果、外筒の変形による表出部、ひいては端子金具の破損やズレを抑制し、端子金具とセンサ素子との電気的接続の信頼性を確保できる。

本発明のセンサにおいて、前記保護部材の厚みが前記外筒の厚みよりも厚くてもよい。
このセンサによれば、保護部材の強度が外筒の強度より高くなり、金具保護部が外筒を確実に補強して外筒の変形をさらに抑制できる。

本発明のセンサにおいて、前記外筒は、前記セパレータの前記後端向き面より後端側で縮経する段部を備え、前記他部材は前記段部であり、前記フランジ部は前記段部と前記後端向き面との間で挟持され、前記フランジ部の外縁の少なくとも一部は、前記セパレータよりも前記径方向外側に張り出していてもよい。
このセンサによれば、径方向に見て、外筒の内面と、セパレータの外面との間にフランジ部の外縁が介在するので、セパレータ近傍の外筒が内側に凹んでもフランジ部の外縁で変形が止まり、セパレータに外筒が当たってセパレータが破損することを抑制できる。
又、外筒とセパレータの間でフランジ部を挟持するので、フランジ部を挟持するための別部品が不要となる。

本発明のセンサにおいて、前記外筒は、前記セパレータの前記後端向き面より後端側で縮経する段部を備え、前記他部材は前記段部であり、前記フランジ部は前記段部と前記後端向き面との間で挟持され、前記フランジ部の外縁は、前記セパレータよりも前記径方向内側に位置していてもよい。
このセンサによれば、フランジ部近傍のセンサの外径を小さくして小型化を図ることができる。
又、外筒とセパレータの間でフランジ部を挟持するので、フランジ部を挟持するための別部品が不要となる。

本発明のセンサにおいて、前記保護部材のビッカース硬度は、前記外筒のビッカース硬度より大きくてもよい。
このセンサによれば、保護部材の強度が外筒の強度より高くなり、金具保護部が外筒を確実に補強して外筒の変形をさらに抑制できる。

この発明によれば、外筒の変形による外筒内部の端子金具の破損やズレを抑制し、端子金具とセンサ素子との電気的接続の信頼性を確保することができる。

本発明の実施形態にかかるセンサの断面図である。 図１の部分拡大図である。 保護部材の変形例を示す断面図である。 図３の保護部材の斜視図である。 保護部材の別の変形例を示す断面図である。

本発明の実施形態について、各図に基づいて詳細に説明する。まず、図１～図２を参照し、本発明の実施形態にかかるセンサ（ガスセンサ）１について説明する。
図１は、本発明の実施形態にかかるセンサ１の断面図、図２は図１の部分拡大図である。

図１において、センサ（全領域空燃比ガスセンサ）１は、センサ素子２１と、センサ素子２１を保持する主体金具１１と、センサ素子２１と電気的に接続された複数の端子金具７５と、端子金具７５を保持するとともに端子金具７５間を絶縁するセパレータ９１と、セパレータ９１と端子金具７５とを覆う筒状の外筒８１と、詳しくは後述する保護部材１００と、を備えている。
なお、本例では端子金具７５は５個設けられている。

センサ素子２１は軸線Ｏ方向に延びると共に、測定対象に向けられる先端側（図示下側）に、検知用電極等（図示せず）からなり被検出ガス中の特定ガス成分を検出する検知部２２を備えた帯板状（板状）をなしている。センサ素子２１の横断面は、先後において一定の大きさの長方形（矩形）をなし、セラミック（固体電解質等）を主体として細長いものとして形成されている。このセンサ素子２１自体は、従来公知のものと同じものであり、固体電解質（部材）の先端寄り部位に検知部２２をなす一対の検知用電極が配置され、これに連なり後端寄り部位には、検知用出力取り出し用のリード線７１接続用の電極端子２４が露出形成されている。
また、センサ素子２１のうち、固体電解質（部材）に積層状に形成されたセラミック材の先端寄り部位内部にヒータ（図示せず）が設けられており、後端寄り部位には、このヒータへの電圧印加用のリード線７１接続用の電極端子２４が露出形成されている。なお、図示はしないが、これら電極端子２４は縦長矩形に形成され、例えばセンサ素子２１の後端寄り部位において、帯板の幅広面（両面）に３つ又は２つの電極端子が横に並んでいる。
なお、センサ素子２１の検知部２２に、アルミナ又はスピネル等からなる多孔質の保護層２３が被覆されている。

主体金具１１は、先後において同心異径の筒状をなし、先端側の外面にはエンジンの排気管への固定用のネジ１３が設けられている。そして、ネジ１３よりも後端側には、このネジ１３によってセンサ１をねじ込むための大径の多角形部１４を備えている。また、この多角形部１４の後方は縮径されて外筒８１を外嵌して溶接するようになっていて、最後端側には薄肉のカシメ用円筒部１６を備えている。なお、このカシメ用円筒部１６は、図１では、カシメ後のために内側に曲げられている。
さらに、主体金具１１の先端側の内周面には、後端側から先端側に向かって径方向内側に先細るテーパ状の段部１７を有している。

主体金具１１の内側には、絶縁性セラミック（例えばアルミナ）からなる略筒状に形成されたセラミックホルダ３０が配置されている。セラミックホルダ３０は、先端に向かって先細りのテーパ状に形成された先端向き面３０ｆを有している。そして、先端向き面３０ｆが段部１７に係止されつつ、セラミックホルダ３０が後端側からシール部材４１で押圧されることで主体金具１１内にセラミックホルダ３０が位置決めされ、かつ隙間嵌めされている。
一方、セラミックホルダ３０の中心にはセンサ素子２１を保持するための貫通孔が設けられている。
そして、センサ素子２１のうち、検知部２２が形成された先端寄り部位が、セラミックホルダ３０より先端に突出している。このようにセンサ素子２１は、セラミックホルダ３０の後端面側（図示上側）に配置されたシール部材（本例では滑石）４１を、絶縁材からなるスリーブ４３、リングワッシャ４５を介して先後方向に圧縮することによって、主体金具１１の内側において先後方向に気密を保持して固定されている。

なお、センサ素子２１の後端２９を含む後端寄り部位はスリーブ４３及び主体金具１１より後方に突出しており、その後端寄り部位に形成された各電極端子２４に、シール部材（ゴム製のグロメット）８５を通して外部に引き出された各リード線７１の先端に設けられた端子金具７５が圧接され、電気的に接続されている。また、この電極端子２４を含むセンサ素子２１の後端寄り部位は、外筒８１でカバーされている。
一方、センサ素子２１の先端部位は、それぞれ通気孔及び排出孔を有する有底円筒状の内側プロテクタ５１及び外側プロテクタ６１とからなる２重プロテクタで覆われている。内側プロテクタ５１と外側プロテクタ６１の後端側は主体金具１１の先端に外嵌されて全周溶接されている。

センサ素子２１の後端寄り部位に形成された各電極端子２４には、外部にシール部材８５を通して引き出された各リード線７１の先端に設けられた各端子金具７５がそのバネ性により圧接され、電気的に接続されている。
そして、この圧接部を含む各端子金具７５は、外筒８１内に配置された絶縁性のセパレータ９１内に設けられた各収容部内に、それぞれ対向配置で設けられている。なお、セパレータ９１は、外筒８１内にカシメ固定された保持部材８２を介して径方向及び先端側への動きが規制されている。そして、この外筒８１の先端部を、主体金具１１の後端側に外嵌して溶接することで、センサ１の後方が気密状にカバーされている。

なお、リード線７１は外筒８１の後端部の内側に配置されたシール部材８５を通されて外部に引き出されている。そして、外筒８１を介してシール部材８５を縮径カシメすることで、シール部材８５を圧縮し、この部位の気密が保持されている。
又、端子金具７５の後端側はセパレータ９１の後端側に表出して表出部７５ｐを構成する。この表出部７５ｐはリード線７１を圧着する圧着部でもある。なお、「表出」とは、表出部７５ｐが外筒８１内で露出していることを意味し、端子金具７５が外筒８１内で何らかの部材（保護部材１００を除く）で覆われている部位を含まない。

なお、外筒８１の軸線Ｏ方向の中央よりやや後端側には、先端側が径大の段部８１ｄが形成され、この段部８１ｄの内面が、保護部材１００を介してセパレータ９１の後端を先方に押すように支持する。一方、セパレータ９１はその外周に形成されたフランジ９３を外筒８１の内側に固定された保持部材８２の上に支持させられており、段部８１ｄと保持部材８２とによってセパレータ９１が軸線Ｏ方向に保持されている。

次に、図２を参照し、保護部材１００について説明する。
保護部材１００は外筒８１の径方向内側に配置されている。保護部材１００は、軸線Ｏ方向に沿って延びる筒状の金具保護部１０２と、金具保護部１０２の先端に繋がりつつ径方向に延びるフランジ部１０４とを有している。又、金具保護部１０２の外面は外筒８１の内面に接している。但し、金具保護部１０２と外筒８１が離間してもよい。離間するとその部位での外筒の変形は許容するが、金具保護具により端子金具を保護するという機能は同様に有する。又、本例ではフランジ部１０４は軸線Ｏ方向に垂直な方向（水平方向）に延びている。
そして、フランジ部１０４がセパレータ９１の後端向き面と段部８１ｄとの間で挟持され、金具保護部１０２は、表出部７５ｐと軸線Ｏ方向に重なるとともに、表出部７５ｐを径方向外側から離間して囲む。
保護部材１００は、例えばステンレス鋼等の金属、耐熱樹脂（ＰＥＥＫ等）などの硬質部材を用いることができる。硬質部材とは、弾性部材（ゴム等）との対語であり、ロックウェル硬さ１００以上の樹脂、又は金属である。
なお、段部８１ｄが特許請求の範囲の「他部材」に相当する。

ここで、図２の例では、金具保護部１０２は、表出部７５ｐのすべてと軸線Ｏ方向に重なり、さらに表出部７５ｐより後端側まで金具保護部１０２が延びている。但し、金具保護部１０２は、表出部７５ｐの少なくとも一部と軸線Ｏ方向に重なっていればよい。
又、図２の例では、金具保護部１０２は筒状である（つまり、全周に亘って形成されている）が、周方向に間欠的に金具保護部１０２が形成されていてもよい。又、周方向に金具保護部１０２の高さが変化してもよい。少なくとも金具保護部１０２が形成された部位では、後述する外筒８１の変形を抑制できるからである。

このように、外筒８１の径方向内側に保護部材１００を配置し、その金具保護部１０２を表出部７５ｐの少なくとも一部と軸線Ｏ方向に重ならせることで、飛石Ｓ（図２）が外筒８１に衝突しても金具保護部１０２に接した外筒８１の変形を抑制する。その結果、外筒８１の変形による表出部７５ｐ、ひいては端子金具７５の破損やズレを抑制し、端子金具７５とセンサ素子２１との電気的接続の信頼性を確保できる。
特に、センサ素子２１から外筒８１を介してセンサ後端側のシール部材８５に熱が伝わることを抑制するためや、コストダウン又は軽量化のため、外筒８１を薄肉化した場合に本発明はさらに有効である。

なお、外筒８１を薄肉化して熱の伝わりを抑制したり、コストダウン等を図る観点から、軸線Ｏ方向に見て、セパレータ９１の後端側の外筒８１の内部空間の有効長さを示す、セパレータ９１の後端向き面からシール部材８５の先端向き面までの長さＬ１よりも、金具保護部１０２の長さＬ３が短いことが必要である。金具保護部１０２の長さＬ３が長くなると、金具保護部１０２に接した部位では金具保護部１０２と外筒８１の合計厚みが厚くなって、伝熱性が高くなるからである。長さＬ３は、セパレータ９１の後端向き面から金具保護部１０２の後端までの長さである。
又、外筒８１の内面と、表出部７５ｐとの径方向の最短長さＬ２に対し、Ｌ１＞Ｌ２であることが好ましい。Ｌ１＞Ｌ２であると、Ｌ２に比べて相対的にＬ１が大きくなるので、仮に外筒８１が飛石Ｓで内側に凹んだ場合、外筒８１と表出部７５ｐとの間の距離が小さいために表出部７５ｐ（端子金具７５）の破損やズレが生じ易いからである。

なお、本実施形態では、保護部材１００（金具保護部１０２）の厚みが外筒８１の厚みよりも厚い。このようにすると、保護部材１００の強度が外筒８１の強度より高くなり、金具保護部１０２が外筒８１を確実に補強して外筒８１の変形をさらに抑制できる。
又、本実施形態では、保護部材１００（金具保護部１０２）のビッカース硬度は、外筒８１のビッカース硬度より大きい。このようにしても、保護部材１００の強度が外筒８１の強度より高くなり、外筒８１の変形をさらに抑制できる。

又、本実施形態では、フランジ部１０４の外縁の少なくとも一部は、セパレータ９１（の外縁）よりも径方向外側に張り出している。このようにすると、径方向に見て、外筒８１の内面と、セパレータ９１の外面との間にフランジ部１０４の外縁が介在するので、セパレータ９１近傍の外筒８１が内側に凹んでもフランジ部１０４の外縁で変形が止まり、セパレータ９１に外筒８１が当たってセパレータ９１が破損することを抑制できる。
さらに、本実施形態では、フランジ部１０４の外縁から先端側へ向かい、軸線Ｏ方向に沿って筒状の先端部１０６が延びている。先端部１０６が介在すると、先端部１０６の内側のセパレータ９１を保護するので、外筒８１が変形してセパレータ９１が破損することをさらに抑制できる。

本発明のガスセンサは、本発明の要旨を逸脱しない限りにおいて、適宜にその構造、構成を設計変更して具体化できる。

例えば、図３、図４に示すように、図２の保護部材１００において、先端部１０６を省略し、金具保護部１０２とフランジ部１０４とから保護部材１００を構成してもよい。
なお、図３、図４の例では、フランジ部１０４の外縁１０４ｅがクラウン状（異径）になっていて、外縁１０４ｅは、セパレータ９１よりも径方向外側に張り出す大径の突部１０４ｔと、周方向に隣接する突部１０４ｔの間に等間隔で形成された小径の凹部１０４ｒとを有する。この例でも、フランジ部１０４の外縁の少なくとも一部である突部１０４ｔがセパレータ９１よりも径方向外側に張り出しているので、外筒８１が変形してセパレータ９１が破損することを抑制できる。
フランジ部１０４の外縁は同一径の円形でもよく、多角形や星形でも良い。
なお、フランジ部１０４の外縁１０４ｅがセパレータ９１よりも径方向内側に位置していてもよい。これにより、フランジ部１０４近傍のセンサ１の外径を小さくして小型化を図ることができる。

又、図５に示すように、保護部材１１０として、軸線Ｏ方向に沿って延びる筒状の金具保護部１１２と、金具保護部１１２の先端に繋がりつつ径方向に延びるフランジ部１１４とを有し、フランジ部１１４が径方向外側から内側に向かって先端に向くように斜めになっている構成でもよい。
この実施形態では、フランジ部１１４は、セパレータ９１のフランジ９３の先端向き面９２と略平行になっており、フランジ部１１４の先端には保持部材８２の後端向き面が接している。つまり、フランジ部１１４がセパレータ９１の先端向き面９２と保持部材８２の後端向き面との間で挟持されている。保持部材８２が特許請求の範囲の「他部材」に相当する。
この実施形態では、金具保護部１１２は、表出部７５ｐの少なくとも一部（セパレータ９１側）と軸線Ｏ方向に重なっている。
又、金具保護部１１２の先端側（フランジ部１１４側）は、セパレータ９１側の外面と離間しつつセパレータ９１を覆っている。このため、金具保護部１１２は外筒８１が変形してセパレータ９１が破損することを抑制する機能をも有する。

センサはガスセンサに限らず、温度センサ等の他のセンサでもよい。センサ素子は板状に限らず、筒状素子でもよい。
外筒、セパレータ、端子金具の形状も上記実施形態に限定されない。

１ センサ
２１ センサ素子
７５ 端子金具
７５ｐ 表出部
８１ 外筒
８１ｄ 外筒の段部（他部材）
８２ 保持部材（他部材）
９１ セパレータ
１００、１１０ 保護部材
１０２、１１２ 金具保護部
１０４、１１４ フランジ部
Ｏ 軸線

Claims (5)

1. 軸線方向に延びるセンサ素子と、
   前記センサ素子と電気的に接続された複数の端子金具と、
   前記センサ素子の後端側に配置され、前記端子金具の後端側の部位である表出部が自身の後端側に表出するように前記端子金具を保持するとともに、前記端子金具間を絶縁するセパレータと、
   前記セパレータと前記端子金具とを覆う筒状の外筒と、
   を備えたセンサであって、
   さらに、前記外筒の径方向内側に配置される保護部材を備え、
   前記保護部材は、前記軸線方向に沿って延びる金具保護部と、前記金具保護部の先端に繋がりつつ前記径方向に延びるフランジ部と、を有し、
   前記フランジ部が前記セパレータの先端向き面又は後端向き面と他部材との間で挟持され、
   前記金具保護部は、前記表出部の少なくとも一部と前記軸線方向に重なるとともに、前記表出部を前記径方向外側から離間して囲むことを特徴とするセンサ。
2. 前記保護部材の厚みが前記外筒の厚みよりも厚いことを特徴とする請求項１に記載のセンサ。
3. 前記外筒は、前記セパレータの前記後端向き面より後端側で縮経する段部を備え、
   前記他部材は前記段部であり、前記フランジ部は前記段部と前記後端向き面との間で挟持され、
   前記フランジ部の外縁の少なくとも一部は、前記セパレータよりも前記径方向外側に張り出していることを特徴とする請求項１又は２に記載のセンサ。
4. 前記外筒は、前記セパレータの前記後端向き面より後端側で縮経する段部を備え、
   前記他部材は前記段部であり、前記フランジ部は前記段部と前記後端向き面との間で挟持され、
   前記フランジ部の外縁は、前記セパレータよりも前記径方向内側に位置していることを特徴とする請求項１又は２に記載のセンサ。
5. 前記保護部材のビッカース硬度は、前記外筒のビッカース硬度より大きいことを特徴とする請求項１～４のいずれか一項に記載のセンサ。

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