JP2023176970A - ガスセンサ - Google Patents

Abstract

【課題】端子金具のバネ性と圧着性を両立し、センサ素子の電極パッド及びリード線と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。【解決手段】電極パッドを有するセンサ素子と、電極パッドに電気的に接続される端子金具４１と、端子金具に電気的に接続されるリード線３７と、を備えるガスセンサ１であって、端子金具は、電極パッドに接触する先端側端子部４３と、リード線と接続する後端側端子部４５とを備えており、先端側端子部は、センサ素子に向かって折れ曲がる折り曲げ部４３ｄと、該折り曲げ部に接続されてセンサ素子に向かって延びて電極パッドに接触する素子接触部４３ｅとを一体に有し、後端側端子部は、リード線の芯線３７ａを囲んで圧着する筒または筒の一部をなす圧着端子部４５ａを有し、折り曲げ部の最大厚みｔ１が、圧着端子部の最大厚みよりも厚い。【選択図】図３

Description

本発明は、被検出ガスの濃度を検出するセンサ素子と端子金具と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）。
この端子金具は、電極パッドに接触する先端側端子部と、リード線と接続する後端側端子部とを有しており、リード線はガスセンサの外部に引き出されている。

特開２０１５－１５２４６５号公報

ところで、先端側端子部は折り返し（折り曲げ）部を有し、折り返し部が弾性的に撓むことで電極パッドへの接圧を確保している。このため、先端側端子部は強度やバネ性が高いことが要求される。
一方、後端側端子部はリード線の芯線を把持する圧着端子部（加締め部）になっており、圧着（加締め）後に加締めが戻らないよう、スプリングバックが小さいことが要求されるため、先端側端子部とは特性が相反する。
しかしながら、従来のガスセンサに用いる端子金具は先端側端子部と後端側端子部の厚みが一定であるため、バネ性と圧着性（加締め性）を両立させることが困難である。

そこで、本発明は、端子金具のバネ性と圧着性を両立し、センサ素子の電極パッド及びリード線と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、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と、前記端子金具に電気的に接続されるリード線と、を備えるガスセンサであって、前記端子金具は、前記電極パッドに接触する先端側端子部と、前記リード線と接続する後端側端子部とを備えており、前記先端側端子部は、前記センサ素子に向かって折れ曲がる折り曲げ部と、該折り曲げ部に接続されて前記センサ素子に向かって延びて前記電極パッドに接触する素子接触部とを一体に有し、前記後端側端子部は、前記リード線の芯線を囲んで圧着する筒または筒の一部をなす圧着端子部を有し、前記折り曲げ部の最大厚みｔ１が、前記圧着端子部の最大厚みｔ２よりも厚いことを特徴とする。

このガスセンサによれば、ｔ１＞ｔ２なので、折り曲げ部のバネ性が向上し、ひいては素子接触部と電極パッドの間の接圧を安定して確保できる。その結果、端子金具と電極パッドとを確実に電気的接続することができる。
又、ｔ１＞ｔ２とすることで、折り曲げ部のバネ性を向上させつつ、ｔ２を小さくできるので、リード線の芯線を囲んで圧着する（加締める）圧着端子部のスプリングバックを小さくし、圧着性が向上する。その結果、端子金具とリード線とを確実に電気的接続することができる。
以上のようにして、端子金具のバネ性と圧着性を両立できる。

本発明のガスセンサにおいて、前記先端側端子部と前記後端側端子部は別部材であり、互いに接続されていてもよい。
このガスセンサによれば、それぞれ厚みの異なる先端側端子部と後端側端子部とを容易に製造できる。

この発明によれば、端子金具のバネ性と圧着性を両立し、センサ素子の電極パッド及びリード線と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。 図３のＡ－Ａ線に沿う断面図である。

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）１の軸線方向に沿う断面図、図２はセンサ素子５の斜視図、図３は端子金具４１の斜視図、図４は図３のＡ－Ａ線に沿う断面図である。
又、図１では、図面下方向がガスセンサの先端側であり、図面上方向がガスセンサの後端側である。
なお、ガスセンサ１は、例えば、自動車またはオートバイ等の車両の排気管に備えられる。

ガスセンサ１は、排気管（図示せず）に固定される筒状の主体金具３と、主体金具３に貫挿されるとともに軸線方向（ガスセンサ１の長手方向：図中上下方向）に延びる板状のセンサ素子５と、主体金具３の先端側（図中下方）に配置されてセンサ素子５の先端側を覆う素子プロテクタ９と、溶接部１１ａにより主体金具３の後端側（図中上方）に取り付けられるとともにセンサ素子５の外周を覆う外筒１１と、外筒１１の内部に配置されてセンサ素子５の後端側を収容する絶縁セパレータ１２と、外筒１１の後端側を閉塞する閉塞部材１５と、複数（本実施形態では、４個）の端子金具４１と、複数（本実施形態では、４本）のリード線３７と、を備えている。

センサ素子５は、測定対象物（排気ガスなど）に向けられる先端側に、保護層５ａに覆われた検出部１９が形成され、後端側の外表面のうち表裏の位置関係となる第１板面２１および第２板面２３に、電極パッド（第１～第４電極パッド）３１、３２、３４、３５が形成されている。
センサ素子５は、先端側の検出部１９が排気管に固定される主体金具３の先端より突出すると共に、後端側の電極パッド３１、３２、３４、３５が主体金具３の後端より突出した状態で、主体金具３の内部に固定される。

電極パッド３１、３２、３４、３５には、それぞれ端子金具４１が接続されている。つまり、複数の端子金具４１は、絶縁セパレータ１２の内部にて、センサ素子５と絶縁セパレータ１２との間に配置されることで、センサ素子５の電極パッド３１、３２、３４、３５にそれぞれ電気的に接続される。端子金具４１は、先端側端子部４３と、後端側端子部４５と、を備えて構成されている。

複数の端子金具４１は、それぞれ、外部からガスセンサ１の内部に配設される複数のリード線３７（詳しくはリード線３７中の芯線３７ａ）に電気的に接続されている。
なお、端子金具４１の詳細な構成は、後述する。

端子金具４１およびリード線３７は、リード線３７が接続される外部機器（図示省略）とセンサ素子５（詳細には、電極パッド３１、３２、３４、３５）との間に流れる電流の電流経路を形成する。複数のリード線３７は、チューブ部材３８により束ねられている。なお、図１では、複数のうち２本のリード線３７のみを示している。

図２は、センサ素子５の概略構造を表す斜視図である。なお、図２では、軸線方向における中間部分を省略してセンサ素子５を表している。
センサ素子５は、図２に示す様に、軸線方向（図２における左右方向）に延びる板状の素子部５１と、同じく軸線方向に延びる板状のヒータ５３と、が積層された直方体形状であり、その軸線方向に垂直の断面は矩形状である。図２では、保護層５ａを点線で表している。

なお、ガスセンサ１に備えられるセンサ素子５は従来公知のものであるため、その内部構造等の詳細な説明は省略するが、その概略構成は以下のようである。
まず、素子部５１は、例えば、固体電解質基板の両側に多孔質電極を形成した酸素濃淡電池素子と、中空の基準ガス室を形成するためのスペーサと、を備えて構成されている。このうち、固体電解質基板は、例えば、イットリアを安定化剤として固溶させたジルコニアから形成され、多孔質電極は、例えば、Ｐｔを主体に形成される。

また、基準ガス室を形成するスペーサは、アルミナを主体に構成されており、中空の基準ガス室の内側には、酸素濃淡電池素子の一方の多孔質電極が露出するように配置されている。スペーサは、基準ガス室が少なくとも素子部５１の先端側に位置するように形成されると共に、外部から基準ガス室に基準ガス（大気など）を導入するためのガス用経路を備えている。
素子部５１のうち多孔質電極および基準ガス室が形成される部分が検出部１９に相当する。

一方、ヒータ５３は、アルミナを主体とする絶縁基板の間に、Ｐｔを主体とする発熱抵抗体パターンが挟み込まれて形成されている。そして、素子部５１とヒータ５３とは、セラミック層（例えば、ジルコニア系セラミックやアルミナ系セラミック）を介して互いに接合される。

また、センサ素子５は、先端側のうち少なくとも測定対象物（本実施形態では排ガス）に晒される電極の表面上には、被毒防止用の多孔質のセラミックスで形成された保護層５ａ（図２では図示省略）が備えられる。なお、本実施形態のセンサ素子５は、図１に示すように、排ガスに晒される多孔質電極の表面を含む先端側全面が、保護層５ａで覆われるように構成されている。

このようなセンサ素子５では、図２に示すように、第１板面２１の後端側（図２における右側）に２個の電極パッド３１、３２が形成され、第２板面２３の後端側に２個の電極パッド３４、３５が形成されている。電極パッド３１、３２は、素子部５１に形成されるものであり、酸素濃淡電池素子における一対の多孔質電極にそれぞれ電気的に接続されている。電極パッド３４、３５は、ヒータ５３に形成されるものであり、ヒータの厚さ方向に横切るビア導体（図示せず）を介して発熱抵抗体パターンの両端に各々接続されている。

図１に戻り、主体金具３は、その外表面に自身を排気管に固定するためのネジ部３ａを備えるとともに、その軸中心に貫通孔３ｂを有する筒状の部材である。なお、貫通孔３ｂには、径方向内側に突出する棚部３ｃが形成されている。主体金具３は、金属材料（例えば、ステンレスなど）で形成されている。

主体金具３の貫通孔３ｂの内部には、センサ素子５の径方向周囲を取り囲む状態で配置された環状の絶縁性材料（例えばアルミナなど）を用いて形成されたホルダ６１（セラミックホルダ６１）と、同様な環状の粉末充填層６３（滑石リング６３）と、同様な環状の絶縁性材料（例えばアルミナなど）を用いて形成されたスリーブ６７（セラミックスリーブ６７）とが、この順に先端側から後端側にかけて積層されている。

セラミックスリーブ６７と主体金具３の後端部３ｄとの間には、加締パッキン６９が配置されている。なお、主体金具３の後端部３ｄは、加締パッキン６９を介してセラミックスリーブ６７を先端側に押し付けるように、加締められている。

主体金具３の外周のうちネジ部３ａの後端側には、環状のガスケット６４が配置されている。ガスケット６４は、ガスセンサ１とセンサ取付位置（排気管）との間の隙間からのガス抜けを抑制するものである。

素子プロテクタ９は、主体金具３の先端側の外周に、センサ素子５の突出部分を覆うように溶接部９ｄによって取り付けられた筒状の部材である。素子プロテクタ９は、耐熱性材料（例えばＳＵＳ３１０Ｓなど）を用いて形成されている。素子プロテクタ９は、外部プロテクタ９ａおよび内部プロテクタ９ｂを備える二重構造である。外部プロテクタ９ａおよび内部プロテクタ９ｂは、それぞれ、側壁または先端において、ガスの通過が可能な複数の孔部９ｃが形成されている。

絶縁セパレータ１２は、先端側セパレータ１３と、後端側セパレータ１４と、に分割可能に構成されている。
先端側セパレータ１３は、絶縁性材料（例えばアルミナなど）を用いて形成された筒状の部材であり、外筒１１の内部に配置された筒状の保持金具７３によって、外筒１１の内部に保持されている。先端側セパレータ１３の内部には、軸線方向に貫通する端子配置孔１３ｂが形成されている。端子配置孔１３ｂには、センサ素子５の後端部（電極パッド３１、３２、３４、３５）が収容されるとともに、電極パッド３１、３２、３４、３５に電気的に接続される複数の端子金具４１の先端部（詳細には、先端側端子部４３）が収容されている。先端側セパレータ１３は、その外表面に外向きに突出する環状の鍔部１３ｃが設けられている。先端側セパレータ１３は、鍔部１３ｃが保持金具７３に当接することで、外筒１１の内部における軸線方向の設置位置を規定できる。

後端側セパレータ１４は、絶縁性材料（例えばアルミナなど）を用いて形成された筒状の部材であり、外筒１１の内部のうち閉塞部材１５の先端側に配置されている。後端側セパレータ１４の内部には、軸線方向に貫通する端子配置孔１４ｂが複数箇所に形成されている。後端側セパレータ１４は、複数の端子配置孔１４ｂのそれぞれに端子金具４１の後端部（後端側端子部４５）を収容している。

閉塞部材１５は、可撓性材料（例えばフッ素樹脂）を用いて形成されたグロメットである。閉塞部材１５は、外筒１１の後端側開口部に配置されて、外筒１１が外側から内側向きに加締められることで、外筒１１に固定されている。閉塞部材１５は、複数のリード線３７を挿通するための複数の貫通孔（図示省略）を備えている。

複数のリード線３７は、それぞれ異なる端子金具４１の後端側に（加締めによって）接続されるとともに、閉塞部材１５を貫いて形成された貫通孔に貫挿されて、外部に延設されている。

次に、端子金具４１について説明する。
上述したように、端子金具４１は、先端側端子部４３と、後端側端子部４５と、を備えて構成されている。又、本例では、端子金具４１は、単一部材ではなく、それぞれ別部材である先端側端子部４３および後端側端子部４５を結合することで構成される。

図３は、先端側端子部４３および後端側端子部４５を備える端子金具４１の構造を表す説明図である。
先端側端子部４３は、弾性（バネ弾性）が高い金属材料で構成されており、例えば、Ｎｉを主体とする合金材料（ＮＣＦ７１８など）を用いて構成されている。
先端側端子部４３は、長尺薄板状の金属材料を折曲加工して形成されており、本体部４３ａと、メス型連結部４３ｂと、延設部４３ｃと、折り曲げ部４３ｄと、素子接触部４３ｅと、を備える。

本体部４３ａは、軸線方向に延びる長尺板状に形成されている。
メス型連結部４３ｂは、本体部４３ａの後端側において、筒型形状に形成されると共に、軸線方向に垂直な断面形状が円形に形成されている。メス型連結部４３ｂは、切欠部４３ｆを備えており、弾性変形により筒型形状の内径寸法が変更可能に構成されている。このため、メス型連結部４３ｂの断面形状は、厳密には、切れ目を有する円形である。また、メス型連結部４３ｂは、後端側に拡径部４３ｇを備えている。拡径部４３ｇは、後端側に向かうに従い拡径する形状に形成されている。

延設部４３ｃは、本体部４３ａの側方部分から延設されており、その延設方向は本体部４３ａの板面に垂直な方向である。延設部４３ｃは、本体部４３ａの２カ所から延設されている。延設部４３ｃを備えることで、本体部４３ａの強度を向上できる。

折り曲げ部４３ｄは、本体部４３ａの先端側に一体に繋がっている。そして、本体部４３ａの先端側において、後端側から最先端４３ｓを経由して後端側に向かい、本体部４３ａの板面に垂直な方向に折り曲げられて（折り返されて）形成されており、本体部４３ａと素子接触部４３ｅとを繋ぐ連結部分である。

素子接触部４３ｅは、折り曲げ部４３ｄを介して本体部４３ａに連結されており、折り曲げ部４３ｄの弾性変形により、本体部４３ａとの隙間寸法（本体部４３ａとの距離）が変更可能に形成されている。
このように構成された先端側端子部４３は、素子接触部４３ｅがセンサ素子５（詳細には、電極パッド３１、３２、３４、３５）と接触するにあたり、折り曲げ部４３ｄの弾性変形により素子接触部４３ｅとセンサ素子５との接触状態を維持できる。つまり、折り曲げ部４３ｄの弾性変形により、素子接触部４３ｅと電極パッド３１、３２、３４、３５との間の接圧を確保している。

次に、後端側端子部４５は、例えば、ステンレス合金（ＳＵＳ３０４）を用いて構成されている。後端側端子部４５は、長尺薄板状の金属材料を折曲加工して形成されており、圧着端子部４５ａと、オス型連結部４５ｂと、を備える。

圧着端子部４５ａは、曲げ加工により変形することで、リード線３７（図１参照）の芯線３７ａを包囲可能な筒型形状（図４参照）となるように構成されている。圧着端子部４５ａは、リード線３７の芯線３７ａを包囲した状態で径方向内向きに加締め加工されることで、リード線３７の芯線３７ａと接続されるとともに電気的に接続される。

オス型連結部４５ｂは、圧着端子部４５ａの先端側において、筒型形状に形成されると共に、軸線方向に垂直な断面形状が円形に形成されている。オス型連結部４５ｂの外径寸法は、メス型連結部４３ｂの内部に配置可能な寸法に設定されている。また、オス型連結部４５ｂは、先端側に縮径部４５ｃを備えている。縮径部４５ｃは、先端側に向かうに従い縮径する形状に形成されている。

このように構成された後端側端子部４５は、圧着端子部４５ａがリード線３７の芯線３７ａに電気的に接続されることで、リード線３７を介して外部機器と電気的に接続される。

端子金具４１は、図３の右側領域に示すように、先端側端子部４３および後端側端子部４５が連結されて構成されている。詳細には、オス型連結部４５ｂおよびメス型連結部４３ｂが互いに連結されることで、先端側端子部４３および後端側端子部４５を備える端子金具４１が形成される。

このような構成の端子金具４１は、先端側端子部４３の素子接触部４３ｅがセンサ素子５（詳細には、電極パッド３１、３２、３４、３５）と電気的に接続されるとともに、後端側端子部４５の圧着端子部４５ａがリード線３７を介して外部機器と電気的に接続されるように構成されている。

ここで、折り曲げ部４３ｄの最先端４３ｓの最大厚みｔ１が、軸線方向と交差する断面（図４）における圧着端子部４５ａの最大厚みｔ２よりも厚い。
このように、折り曲げ部４３ｄの厚みが厚いのでバネ性が向上し、ひいては素子接触部４３ｅと電極パッド３１、３２、３４、３５の間の接圧を安定して確保できる。その結果、端子金具４１と電極パッド３１、３２、３４、３５とを確実に電気的接続することができる。
なお、本例では、折り曲げ部４３ｄの最先端４３ｓの厚みを最大厚みｔ１とした。

一方、先端側端子部４３と後端側端子部４５の厚みが同一（ｔ１、ｔ２）であると、バネ性を向上させるためにｔ１を大きくすると、ｔ２も大きくなって圧着端子部４５ａのスプリングバックが大きくなる。
そこで、ｔ１＞ｔ２とすることで、折り曲げ部４３ｄのバネ性を向上させつつ、ｔ２を小さくできるので、リード線３７の芯線３７ａを囲んで圧着する（加締める）圧着端子部４５ａのスプリングバックを小さくし、圧着性が向上する。その結果、端子金具４１とリード線３７とを確実に電気的接続することができる。
以上のようにして、端子金具４１のバネ性と圧着性を両立できる。

さらに、ｔ１＞ｔ２とすることで、後端側端子部４５の熱伝導率を低減させ、後端側端子部４５側からガスセンサ１の後端側（閉塞部材１５側）への熱伝達を抑制し、より高温でガスセンサ１を使用できる。

なお、最大厚みｔ１とは、図３では最先端４３ｓが左右方向の略線状の領域であるので、その線上の厚みを複数個所測定したときの最大値をいう。
最大厚みｔ２とは、図４では筒の一部をなす圧着端子部４５ａの厚みを周方向に複数個所測定したときの最大値をいう。

又、ｔ１＞ｔ２であればよいが、特にｔ１がｔ２よりも１５％以上厚くなっていると、ｔ１とｔ２の差が大きくなり、端子金具４１のバネ性と圧着性をより一層両立できる。

なお、上述したように、絶縁セパレータ１２は、先端側セパレータ１３と、後端側セパレータ１４と、に分割可能に構成されている。
そして、例えば、まず、先端側セパレータ１３の端子配置孔１３ｂにセンサ素子５の後端部および４個の先端側端子部４３を配置する。他方、後端側セパレータ１４の４つの端子配置孔１４ｂのそれぞれにリード線３７を挿通した上で、リード線３７の芯線３７ａを後端側端子部４５の圧着端子部４５ａに対して、加締め加工により接続（固定）する。
この後、先端側セパレータ１３に配置された４個の先端側端子部４３と、４個の後端側端子部４５とを連結した上で、後端側セパレータ１４をリード線３７に沿って後端側端子部４５に近づけるように移動させて、４個の後端側端子部４５をそれぞれ端子配置孔１４ｂに収容（配置）する。
このような手順で、先端側セパレータ１３と後端側セパレータ１４とを組み合わせることで、絶縁セパレータ１２が完成する。

以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において、様々な態様にて実施することが可能である。

例えば、上記の実施形態では、端子金具４１として、先端側端子部４３と後端側端子部４５とが別部材である形態について説明したが、先端側端子部４３と後端側端子部４５とが単一部材（一体）で構成された端子金具４１を用いても良い。

また、本発明を適用するガスセンサは、酸素センサに限られることはなく、端子金具を備えるガスセンサであれば、ＮＯｘセンサや水素センサなど他の種類のガスを検出するガスセンサであってもよい。
センサ素子も板型に限らず、筒型素子であってもよい。
また、折り曲げ部は、折り曲げの基準部（本体部４３ａ等）から折り曲げられることでバネ性を有して素子と接触する形態であればよく、例えば折り曲げ部が本体部４３ａの後端側から先端に向かってら折り曲げられる形態でもよい。

１ ガスセンサ
５ センサ素子
３１、３２、３４、３５ 電極パッド
３７ リード線
３７ａ 芯線
４１ 端子金具
４３ 先端側端子部
４３ｄ 折り曲げ部
４３ｅ 素子接触部
４５ 後端側端子部
４５ａ 圧着端子部
Ｏ 軸線

Claims (2)

1. 軸線方向に延び、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と、
   前記端子金具に電気的に接続されるリード線と、
   を備えるガスセンサであって、
   前記端子金具は、前記電極パッドに接触する先端側端子部と、前記リード線と接続する後端側端子部とを備えており、
   前記先端側端子部は、前記センサ素子に向かって折れ曲がる折り曲げ部と、該折り曲げ部に接続されて前記センサ素子に向かって延びて前記電極パッドに接触する素子接触部とを一体に有し、
   前記後端側端子部は、前記リード線の芯線を囲んで圧着する筒または筒の一部をなす圧着端子部を有し、
   前記折り曲げ部の最大厚みｔ１が、前記圧着端子部の最大厚みｔ２よりも厚いことを特徴とするガスセンサ。
2. 前記先端側端子部と前記後端側端子部は別部材であり、互いに接続されていることを特徴とする請求項１に記載のガスセンサ。

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