JP3943508B2 - ガスセンサ - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、測定対象物の物理量（例えば、特定ガスの濃度や濃度変化など）を検出する検出素子であり、軸線方向に延びる板状形状をなす検出素子を用いたガスセンサに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、軸線方向に延びる板状形状をなすと共に、測定対象となるガスに向けられる先端側に検出部が形成された検出素子（ガスセンサ素子等）が組み付けられたガスセンサが知られている。なお、ガスセンサとしては、λセンサ、全領域空燃比センサ、酸素センサ、ＮＯｘセンサなどが挙げられる。
【０００３】
ここで、この種のセンサの一例として、測定対象となるガス（排ガス）中の酸素濃度を検出する検出素子（ガスセンサ素子）が組み付けられると共に、内燃機関の排気管に装着される酸素センサを、図８に示す。図８に示す酸素センサ１００は、排気管に固定するためのネジ部１０３が外表面に形成された略筒状の主体金具１０２と、主体金具１０２の筒内に挿入された検出素子４と、主体金具１０２の筒内先端側から順に積層されるパッキン１０４、セラミックホルダ１０６、タルク粉末１０８、セラミックスリーブ１１０とを備えている。
【０００４】
セラミックスリーブ１１０は後端側（図中上方）が本体部１１３から突出することにより突出部１１１を形成し、検出素子４は、この突出部１１１の後端から更に後端側に突出した状態で保持される。そして、セラミックスリーブ１１０の突出部１１１周囲の端面上には、加締リング１１２が配置され、主体金具１０２の後端部を、加締リング１１２を介してセラミックスリーブ１１０側に加締めている。
【０００５】
一方、検出素子４は、先端側（図中下方）に検出部５が形成された酸素濃淡電池素子と、通電により発熱するセラミックヒータを備えており、検出素子４の後端側（図中上方）の表面（両表面）には、検出部５にて生じた酸素濃淡電池起電力を外部に出力したり、セラミックヒータに通電するための複数の電極端子部３０，３１，３３，３４が形成されている。そして、各電極端子部３０，３１，３３，３４は、リードフレーム１３１を介してリード線１１６と電気的に接続されている。
【０００６】
また、主体金具１０２の後端側外周には、外筒１１８が溶接等により固定されており、リード線１１６は、この外筒１１８の後端側内部に配置されたグロメット１２０を貫通して外部に引き出されている。
なお、酸素センサ１００は、検出素子４とリードフレーム１３１とを接続すると共に、リードフレーム１３１どうしの絶縁を図るためのコンタクト部材１３０が備えられ、コンタクト部材１３０は、外筒１１８の内面とは接触することなく、検出素子４により支持される状態で、外筒１１８の内部に収容されている。
【０００７】
コンタクト部材１３０は、一対の絶縁性ハウジング１３２、固定金具１３３、押圧バネ１３４およびカシメリング１３５を有しており、カシメリング１３５の加締めにより、絶縁性ハウジング１３２が検出素子４の電極端子部３０，３１，３３，３４に対してリードフレーム１３１を付勢することで、電極端子部とリードフレームとの電気的接続を図るよう構成されている。
【０００８】
また、酸素センサ１００の他にも、検出素子とリードフレーム（金属端子）との電気的接続を図るためのコンタクト部材を備える構造のガスセンサが提案されている（特許文献１、特許文献２）。
【０００９】
【特許文献１】
特開２００１−３４３３５６号公報（図１、コネクタ部２）
【特許文献２】
特開２００１−３５６１０９号公報（図１、第２絶縁碍子１２、大気側カバー１０、クリアランスｄ１）
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、上記の酸素センサ１００および上記特許文献に記載のガスセンサは、コンタクト部材が検出素子のみにより支持される構造であることから、振動が生じた際にコンタクト部材が慣性により大きく揺れ動くことが可能となるため、このようなコンタクト部材の移動に伴い検出素子の破損に至る虞がある。
【００１１】
つまり、コンタクト部材は、比較的質量が大きいため、振動により生じる慣性力によって揺れ動き易く、振動発生時には、主体金具や外筒などに対する相対位置が変化し易いという特性がある。これに対して、検出素子は、主体金具を中心とする部材により支持固定されているため、主体金具や外筒との相対位置はほとんど変化しない。
【００１２】
このため、振動発生時には、コンタクト部材の移動に伴い、コンタクト部材と検出素子との相対位置が変化することになり、これに伴い、検出素子に大きな応力が生じて、亀裂や折れなどの検出素子の破損に至る虞がある。
本発明は、こうした問題に鑑みなされたものであり、コンタクト部材を備えるガスセンサであって、振動に伴う検出素子の破損を抑制できる構造のガスセンサを提供することを目的とする。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
かかる目的を達成するためになされた請求項１に記載の発明は、軸線方向に延びる板状形状をなし、測定対象ガスにさらされる検出部を先端側に有し、少なくとも検出結果に応じた検出信号を出力する電極端子部を後端側に有する検出素子と、検出素子の径方向周囲を取り囲むと共に、検出素子を保持する素子保持部材と、自身の後端側から検出素子の電極端子部を突出させる状態で、素子保持部材の径方向周囲を取り囲む筒状形状に形成されると共に、自身の内面から素子保持部材を支持するための保持部材支持部が突出して形成された主体金具と、少なくとも検出信号を外部に出力する信号経路に電気的に接続される金属端子と、検出素子の後端部が挿通される挿通孔を有し、金属端子が検出素子の電極端子部に接続される状態で、挿通孔の内部で検出素子および金属端子を保持する絶縁性材料からなるコンタクト部材と、検出素子の後端部およびコンタクト部材を収容する内部空間を有すると共に、主体金具に後端側から連結される筒状形状の外筒と、を備えるガスセンサであって、コンタクト部材は、外筒の内面に当接する外筒当接支持部を少なくとも２箇所備え、外筒当接支持部が外筒の内面に当接することで自身の径方向への移動が制限されると共に、外筒の内面に対向する表面のうち外筒当接支持部以外の部分が前記外筒の内面とは当接しない形状であることを特徴とするガスセンサである。
【００１４】
つまり、このガスセンサは、少なくとも２個の外筒当接支持部において、コンタクト部材が外筒に当接する構成であることから、コンタクト部材は、検出素子に加えて、外筒によっても支持される。このため、振動発生時にも、コンタクト部材が外筒の内面に当接されているので、コンタクト部材自身の移動（揺動）が制限され、コンタクト部材と外筒との相対位置が変化し難くなる。
【００１５】
なお、検出素子および外筒は、それぞれ主体金具に対して固定されているため、振動発生時においても、検出素子と外筒との相対位置はほとんど変化しない。このことから、このガスセンサにおいては、振動発生時であっても、コンタクト部材と検出素子との相対位置が変化するのを抑制できる。
【００１６】
また、コンタクト部材は、外筒の内面に対向する表面のうち外筒当接支持部以外の部分が外筒の内面に当接しない形状であることから、外筒の内面との間に間隙を有することとなる。コンタクト部材のうち、このように外筒の内面との間に間隙を有する部分については、外部からガスセンサ（詳細には、外筒）に対して、何らかの障害物（石など）が衝突した場合に、その衝撃がコンタクト部材に伝わる確率を低減することができる。
【００１７】
よって、本発明によれば、振動が生じた場合であっても、コンタクト部材と検出素子との相対位置の変化を抑制できるため、振動発生に伴い検出素子が破損に至るのを抑制することができる。また、ガスセンサが飛石などによる外部からの衝撃を受けた場合であっても、その衝撃がコンタクト部材に伝わる確率を低減できるため、外部からの衝撃によるコンタクト部材および検出素子の破損を抑制することができる。
【００１８】
なお、検出素子がヒータを備える場合には、電極端子部は、検出信号の出力の他に、外部からヒータ用電力を受電するために用いられることがある。その場合には、金属端子として、検出信号を外部に出力する信号経路に電気的に接続される検出信号用金属端子の他に、ヒータ用電力の通電経路に電気的に接続されるヒータ用金属端子が、ガスセンサに備えられる。
【００１９】
また、外筒当接支持部は、コンタクト部材自身に一体成形されて設けられていても良いし、コンタクト部材とは別部材を外筒当接支持部として、該コンタクト部材の外面に固着させて形成しても良い。
次に、上記のガスセンサは、請求項２に記載のように、検出素子は、軸線方向に垂直な断面において、幅方向寸法が厚み方向寸法よりも長い形状をなすと共に、コンタクト部材は、軸線方向に垂直な断面において、検出素子の幅方向の中央位置を通ると共に前記検出素子の厚さ方向に延びる境界線により仕切られる２つの領域のそれぞれに、少なくとも１つの外筒当接支持部が形成されており、外筒は、外筒当接支持部において、コンタクト部材を検出素子の幅方向に挟むように支持するとよい。
【００２０】
このように構成されるガスセンサでは、外筒からコンタクト部材に対して印加される力の方向が検出素子の幅方向となり、コンタクト部材から検出素子に対して印加される力の方向も検出素子の幅方向となる。
また、検出素子は、幅方向寸法が厚さ方向寸法よりも長い（大きい）ことから、厚さ方向の外力が印加される場合よりも、幅方向の外力が印加される場合の方が、破損し難いという特性がある。
【００２１】
このことから、本発明のガスセンサにおいては、コンタクト部材を外筒により支持するにあたり、コンタクト部材から検出素子に対して印加される力の方向が、検出素子の破損が発生し難い方向となる。
よって、本発明（請求項２）によれば、飛石などによる外力がガスセンサ（詳細には、外筒）に印加されて、その外力が検出素子に及ぶ場合であっても、検出素子が破損するのを抑制することができる。
【００２２】
なお、外筒当接支持部を有するコンタクト部材においては、検出素子の中心位置から検出素子の幅方向に延長した直線上に、外筒当接支持部を配置形成することで、外筒によるコンタクト部材の挟持方向を、確実に検出素子の幅方向とすることができ、検出素子の破損が発生し難くすることができる。
【００２３】
ところで、素子保持部材と主体金具との相対位置に誤差が生じると、素子保持部材（主体金具）により保持される検出素子の中心軸線が設計位置（予定位置）からずれてしまう。すると、コンタクト部材の中心軸線と、素子保持部材（主体金具）により保持される検出素子の中心軸線とが異なる位置に設定されることになり、検出素子を適切に保持できないために、主体金具と外筒との組み付け作業が困難となる。また、組み付け作業が完了したとしても、中心軸線の位置誤差に伴い検出素子に応力が生じて、検出素子が破損（欠けや折れ）する可能性がある。
【００２４】
そこで、上記のガスセンサは、請求項３に記載のように、保持部材支持部のうちで後端側に位置する保持部材支持面は、主体金具の中心軸線方向の先端側ほど径方向内側に位置するテーパ面をなし、保持部材支持面と中心軸線方向とのなす角度が１０度から８０度であるとよい。
【００２５】
つまり、保持部材支持部の保持部材支持面が、主体金具の中心軸線方向の先端側ほど径方向内側に位置するテーパ面として形成されると、素子保持部材を主体金具に支持させる際には、素子保持部材がテーパ形状の保持部材支持面に沿って移動することになる。これにより、素子保持部材と主体金具との相対位置が、保持部材支持面によって位置決めされることとなり、素子保持部材の中心軸線と主体金具の中心軸線とを、容易に同一線上に設定することができる。
【００２６】
このように、素子保持部材の中心軸線と主体金具の中心軸線とを容易に同一線上に設定できることにより、素子保持部材と主体金具との相対位置に誤差が生じ難くなり、主体金具（詳細には、素子保持部材）が保持する検出素子の中心軸線の位置を適切な位置に設定することができ、組み付け作業性を向上できる。
【００２７】
また、外筒当接支持部を介してコンタクト部材と外筒とを当接させることに加えて、保持部材支持面をテーパ面とすることで、コンタクト部材の中心軸線と、素子保持部材（主体金具）により保持される検出素子の中心軸線とを、同一直線上に設定する際の設定精度を高めることができる、という有利な効果を得ることができる。
【００２８】
さらに、後述する測定結果より、保持部材支持面と主体金具の中心軸線方向とのなす角度を１０度から８０度の範囲内に設定することで、確実に組み付け作業性を向上できることが判る。
よって、本発明のガスセンサによれば、各部材の組み付け作業の煩雑さを解消することができると共に、また、中心軸線の誤差に伴う検出素子の破損を抑制することができる。
【００２９】
なお、保持部材支持面と主体金具の中心軸線方向とのなす角度としては、鋭角部分と鈍角部分の両方が存在するが、本発明では、これらのうち鋭角部分の大きさを、保持部材支持面と主体金具の中心軸線方向とのなす角度として用いる。
次に、上記のガスセンサは、請求項４に記載のように、コンタクト部材および素子保持部材は、互いに接する当接部をそれぞれ有しており、当接部は、コンタクト部材の中心軸線と、素子保持部材が保持する検出素子の中心軸線とが同一線上となるように、コンタクト部材と素子保持部材との相対位置を位置決めする形状であるとよい。
【００３０】
つまり、コンタクト部材および素子保持部材が当接部にて互いに接することにより、両者の相対位置が変化し難くなり、振動が生じた場合であっても、コンタクト部材と素子保持部材との相対位置が変化し難くなることで、検出素子での応力の発生を抑えることができる。
【００３１】
また、当接部によりコンタクト部材と素子保持部材との相対位置が位置決めされて、コンタクト部材の中心軸線と、素子保持部材が保持する検出素子の中心軸線とが同一線上に設定されることから、主体金具と外筒との組み付け作業にあたり、組み付け作業者が特別な注意を払わなくとも、容易に中心軸線を同一線上に設定できる。これにより、組み付け作業時において、作業者の負担を軽減しつつ、中心軸線の誤差に伴う検出素子の破損が生じる確率を低減することができる。
【００３２】
よって、本発明のガスセンサによれば、当接部を備えることで、検出素子での応力の発生を抑制でき、検出素子の破損を抑制することができる。また、当接部を設けることで、主体金具と外筒との組み付け作業の煩雑さを解消でき、さらに、中心軸線の誤差に伴う検出素子の破損を抑制することができる。
【００３３】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明のセンサの端子接続構造を適用したセンサの実施例を図面と共に説明する。なお、本実施例では、ガスセンサの一種であり、測定対象となるガス（排ガス）中の酸素濃度を検出する検出素子が組み付けられると共に、内燃機関の排気管に装着される酸素センサについて説明する。図１は、本実施例の酸素センサ２の全体構成を示す断面図である。
【００３４】
図１に示すように、酸素センサ２は、軸線方向（図１では上下方向）に延びる板状形状の酸素イオン伝導性固体電解質体を主体に形成される検出素子４と、検出素子４の径方向周囲を取り囲み、検出素子４を封着材層５５によって封止した状態で保持する素子保持用ホルダ５２と、排気管に固定するためのネジ部２１が外表面に形成された筒状の主体金具２０と、主体金具２０に後端側から連結される筒状形状の外筒１１８と、を備えて構成されている。
【００３５】
主体金具２０は、素子保持用ホルダ５２により保持された検出素子４が挿通される貫通孔２２を有し、貫通孔２２の内面から内向きに突出して素子保持用ホルダ５２を支持する保持部材支持面２３が後端側に形成された保持部材支持部２５を有する略筒状形状に形成されている。
【００３６】
検出素子４は、排ガスに晒される検出部５を有する酸素イオン伝導性固体電解質体からなる酸素濃淡電池素子と、検出部５の早期活性化を目的としたセラミックヒータと、が積層されて構成される。また、検出素子４は、先端側（図中下方）の検出部５が測定対象となる排ガスに向けられる状態で、素子保持用ホルダ５２および主体金具２０により保持される。
【００３７】
図２に、検出素子４の全体構成を表す斜視図を示す。
検出素子４は、図２に示すように、長方形状の軸断面を有した軸線方向（図２では左右方向）に延びる板状形状に形成されている。尚、図２では、検出素子４のうち軸線方向における中央位置を省略した模式図として、検出素子４を表している。
【００３８】
検出素子４の軸線方向の先端側（図２における左方）のうち酸素濃淡電池素子（図示省略）には、検出部５が備えられており、検出部５は、一対の多孔質電極（図２では図示省略）とその間に挟まれる固体電解質体とで形成される。また、検出素子４の軸線方向の先端側のうちセラミックヒータ（図示省略）には、抵抗発熱体パターン（図２では図示省略）が内蔵されており、抵抗発熱体パターンは、通電されることにより発熱して検出部５を加熱することで、検出部５を活性化温度に維持するために備えられている。
【００３９】
検出素子４の軸線方向の後端側（図２における右方）には、４個の電極端子部３０，３１，３３，３４が設けられており、この４個の電極端子部３０，３１，３３，３４は、酸素濃淡電池素子（検知部）を構成する一対の多孔質電極、セラミックヒータに対してそれぞれ導通するものである。なお、これらの電極端子部３０，３１，３３，３４と、検出素子４の内部に備えられる多孔質電極や抵抗発熱体パターンなどとの電気的接続は、検出素子４を厚さ方向に横切る貫通孔であるビア（図示省略）を介して実現されている。
【００４０】
電極端子部３０，３１は、検出素子４における酸素濃淡電池素子が備えられる面の後端側に間隔をあけて形成されると共に、検出部５に接続されており、検出した酸素濃度に応じた検出信号を検出素子４の外部に出力する。電極端子部３３，３４は、検出素子４におけるセラミックヒータが備えられる面の後端側に間隔をあけて形成されると共に、セラミックヒータ（抵抗発熱体パターン）に接続されており、外部電源などからヒータ用電力を受電する。
【００４１】
次に、素子保持用ホルダ５２は、図１に示すように、軸線方向に貫通する素子挿通孔５３を有する略筒状形状であり、外周側面から外向きに突出する鍔部５８が形成されている。
検出素子４は、図１に示すように、主体金具２０の貫通孔２２の内側に配置される素子保持用ホルダ５２の素子挿通孔５３に挿通され、先端の検出部５が主体金具２０の先端より排気管の内部に突出した状態で、素子保持用ホルダ５２の素子挿通孔５３の内部に保持固定される。
【００４２】
素子保持用ホルダ５２には、その軸線方向において素子挿通孔５３の後端に一端が連通し、他端が素子保持用ホルダ５２の後端面にて開口するとともに、軸断面が素子挿通孔５３よりも大径である空隙部５４が形成されている。そして、その空隙部５４の内面と検出素子４の外面との間は、ガラス（例えば結晶化亜鉛シリカホウ酸系ガラス）などを主体に構成される封着材層５５により封着されている。
【００４３】
図１に示すように、素子保持用ホルダ５２と主体金具２０との間には、軸線方向に積層されたタルクリング５６と加締めリング５７とがはめ込まれ、主体金具２０の後端側外周部２４を素子保持用ホルダ５２に向けて加締めることにより、タルクリング５６および加締めリング５７を介して、素子保持用ホルダ５２が主体金具２０に保持される。このとき、素子保持用ホルダ５２の鍔部５８が、主体金具２０の保持部材支持部２５にパッキン２６を介して支持されると共に、鍔部５８と保持部材支持部２５との間がパッキン２６により気密封止される。
【００４４】
主体金具２０の先端側（図１における下方）外周には、検出素子４の突出部分を覆うと共に、複数の孔部を有する金属製の二重のプロテクタ４２，４３が溶接等によって取り付けられている。
外筒１１８は、検出素子４の後端部および後述するコンタクト用ホルダ４５を収容する内部空間を有すると共に、主体金具２０の後端部（図１における上方）に連結可能な略筒状形状に形成され、主体金具２０の後端側外周に溶接等により固定されている。なお、外筒１１８の後端側開口部の内側には、弾性材料（シリコンゴムなど）や樹脂材料からなるグロメット１２０が配置されている。リード線１１６は、グロメット１２０を貫通して、外筒１１８（酸素センサ２）の外部に引き出されている。
【００４５】
そして、酸素センサ２は、このリード線１１６、リードフレーム１０を介して、検出素子４と外部との導通を図るよう構成されている。つまり、検出素子４の後端側（図１における上方）の表面に形成される電極端子部３０，３１，３３，３４は、リードフレーム１０を介してリード線１１６と電気的に接続されている。なお、リードフレーム１０は、加締め固定あるいはロー付け固定などによりリード線１１６と電気的に接続されており、特許請求の範囲に記載の「金属端子」に相当する。
【００４６】
また、リード線１１６は、酸素濃度に応じた検出信号を外部に出力する信号経路と、セラミックヒータに対してヒータ用電力を供給する通電経路（電力供給経路）とを形成する。リード線１１６は、特許請求の範囲に記載の「信号経路」に相当する。
【００４７】
リードフレーム１０は、全体の外観が略Ｌ字状を呈すると共に、電極端子部３０，３１，３３，３４に当接する部分が波形形状となるように形成されており、高温に繰り返し晒されても、弾性（バネ弾性）を保持可能な材料（例えば、周知のインコネルやステンレス鋼等）にて形成されている。
【００４８】
また、主体金具２０の内部に固定された検出素子４の後端側（図１における上方）には、リードフレーム１０と電極端子部３０，３１，３３，３４とを接続するためのコンタクト用ホルダ４５が配置されている。
コンタクト用ホルダ４５は、絶縁性材料（セラミックスなど）からなり、検出素子４の後端部が挿通される挿通孔４６を有し、リードフレーム１０が検出素子４の電極端子部３０，３１，３３，３４に接続される状態で、挿通孔４６の内部で検出素子４の後端部およびリードフレーム１０を保持するよう構成されている。
【００４９】
このとき、リードフレーム１０のうち波形形状部分は、検出素子４とコンタクト用ホルダ４５との間で挟持されることで、波状形状の振幅方向に圧縮弾性変形することとなり、検出素子４の電極端子部３０，３１，３３，３４に確実に接触することになる。
【００５０】
コンタクト用ホルダ４５のうち、検出素子４の軸線方向に垂直な面における断面形状を説明するために、図１に示す酸素センサ２におけるＡ−Ａ視断面図を、図３に示す。なお、図３では、検出素子４やリードフレーム１０などの図示を省略し、コンタクト用ホルダ４５および外筒１１８のみを表している。また、図１に示す酸素センサ２の断面図は、図３に示す酸素センサ２のうち、Ｘ−Ｘ視断面における断面図に相当する。
【００５１】
図３に示すように、酸素センサ２の軸線方向に垂直な面におけるコンタクト用ホルダ４５の断面形状は、長径寸法がＲ１、短径寸法がＲ２である楕円形状であり、中央部分に挿通孔４６が形成されている。
コンタクト用ホルダ４５は、長径寸法Ｒ１が外筒１１８の内径寸法と同一値となるよう形成されており、コンタクト用ホルダ４５の外周面のうち長径寸法Ｒ１となる部分の外表面が、外筒１１８の内面に当接する外筒当接支持部４７である。
【００５２】
外筒当接支持部４７は、図３に示すコンタクト用ホルダ４５の断面のうち、境界線Ｓにより仕切られる２つの領域（境界線Ｓの右側および左側の各領域）のそれぞれに１つずつ形成されている。なお、境界線Ｓは、軸線方向に垂直なコンタクト用ホルダ４５の断面のうち、検出素子４（図３では図示省略）の幅方向（図３における左右方向）の中央位置を通ると共に、検出素子４の厚さ方向（図３における上下方向）に延びる直線である。
【００５３】
また、コンタクト用ホルダ４５の外周面のうち外筒当接支持部４７以外の部分は、外筒１１８の内面に当接せず、外筒１１８の内面との間に間隙を有している。
ここで、図３に示す酸素センサ２におけるＸ−Ｘ視断面図のうち、コンタクト用ホルダ４５に相当する部分の拡大断面図を、図４に示し、図３に示す酸素センサ２におけるＹ−Ｙ視断面図のうち、コンタクト用ホルダ４５に相当する部分の拡大断面図を、図５に示す。なお、図５では、リードフレームの図示を省略している。
【００５４】
図４から判るように、コンタクト用ホルダ４５の外周面のうち短径寸法Ｒ２となる部分については、外筒１１８に当接しておらず、また、図５から判るように、コンタクト用ホルダ４５の外周面のうち長径寸法Ｒ１となる部分については、外筒１１８に当接する。
【００５５】
つまり、コンタクト用ホルダ４５は、２つの外筒当接支持部４７において外筒１１８の内面に当接することで、外筒１１８により支持されている。これにより、振動が発生した場合であっても、コンタクト用ホルダ４５と外筒１１８との相対位置が変化し難くなる。
【００５６】
なお、検出素子４は、素子保持用ホルダ５２を介して主体金具２０に対して強固に固定されており、外筒１１８は、溶接などにより主体金具２０に対して強固に固定されているため、振動発生時においても、検出素子４と外筒１１８との相対位置はほとんど変化することはない。
【００５７】
このことから、酸素センサ２においては、振動発生時であっても、コンタクト用ホルダ４５と外筒１１８との相対位置、および検出素子４と外筒１１８との相対位置は、ほとんど変化することはなく、この結果、コンタクト用ホルダ４５と検出素子４との相対位置が変化するのを抑制できる。
【００５８】
よって、酸素センサ２によれば、振動が生じた場合であっても、コンタクト用ホルダ４５と検出素子４との相対位置の変化を抑制できるため、振動発生に伴い検出素子４に応力が発生するのを避けることができ、応力によって検出素子４が破損に至るのを抑制することができる。
【００５９】
また、上述のように、コンタクト用ホルダ４５における外筒１１８の内面に対向する表面のうち、外筒当接支持部４７以外の部分は、外筒１１８の内面との間に間隙を有している。このことから、外部から酸素センサ２（詳細には、外筒１１８）に対して、障害物（石など）の衝突などにより外力が印加された場合には、外筒１１８が間隙の幅よりも大きく変形した場合に限り、コンタクト用ホルダ４５に対して直接的に衝撃が加わることになる。
【００６０】
つまり、外部から酸素センサ２に対して、外力が印加された場合であっても、外筒１１８が間隙幅よりも大きく変形しない限り、その外力がコンタクト用ホルダ４５に対して直接伝わらないため、その衝撃がコンタクト用ホルダ４５に直接伝わる確率を低減することができる。
【００６１】
よって、酸素センサ２によれば、飛石などにより外部からの衝撃を受けた場合であっても、その衝撃がコンタクト用ホルダ４５に直接伝わる確率を低減できるため、外部からの衝撃によるコンタクト用ホルダ４５および検出素子４の破損を抑制することができる。
【００６２】
次に、コンタクト用ホルダ４５については、図３に示すコンタクト用ホルダ４５の断面形状のうち、境界線Ｓにより仕切られる２つの領域（境界線Ｓの右側および左側の各領域）のそれぞれに、外筒当接支持部４７が１箇所ずつ形成されている。このため、外筒１１８は、外筒当接支持部４７において、コンタクト用ホルダ４５を検出素子４の幅方向に挟みつつ支持する。このことから、外筒１１８からコンタクト用ホルダ４５に印加される力の方向が検出素子４の幅方向となり、コンタクト用ホルダ４５から検出素子４に印加される力の方向も検出素子４の幅方向となる。
【００６３】
なお、検出素子４は、幅方向寸法が厚さ方向寸法よりも長い（大きい）ことから、厚さ方向の外力が印加される場合よりも、幅方向の外力が印加される場合の方が、破損し難いという特性がある。
つまり、酸素センサ２では、コンタクト用ホルダ４５を外筒１１８により支持するにあたり、コンタクト用ホルダ４５から検出素子４に対して印加される力の方向が、検出素子４の破損が発生し難い方向に設定される。このため、飛石などの外力が酸素センサ２（詳細には、外筒１１８）に印加されて、その外力が検出素子４に及ぶ場合であっても、検出素子４が破損するのを抑制することができる。
【００６４】
次に、主体金具２０のうち保持部材支持部２５の後端側に位置する保持部材支持面２３について、説明する。
この保持部材支持面２３は、表面が主体金具２０の中心軸線方向の先端側ほど径方向内側に位置するテーパ面として形成されており、保持部材支持面２３と主体金具２０の中心軸線方向とのなす角度（支持面テーパ角度α、図１参照）は、１０度から８０度の範囲内に設定されている。
【００６５】
また、素子保持用ホルダ５２の鍔部５８は、保持部材支持面２３に対向する先端側部分の表面形状が、保持部材支持面２３の形状に対応したテーパ形状に形成されている。
このため、素子保持用ホルダ５２を主体金具２０の貫通孔２２に配置する作業時には、素子保持用ホルダ５２がテーパ形状の保持部材支持面２３に沿って移動し、素子保持用ホルダ５２と主体金具２０との相対位置が位置決めされる。この結果、素子保持用ホルダ５２の中心軸線と主体金具２０の中心軸線とを、容易に同一線上に設定することが可能となる。
【００６６】
このように、素子保持用ホルダ５２の中心軸線と主体金具２０の中心軸線とを容易に同一線上に設定できると、素子保持用ホルダ５２と主体金具２０との相対位置に誤差が生じ難くなり、主体金具２０（詳細には、素子保持用ホルダ５２）が保持する検出素子４の中心軸線の位置を、設計通りの適切な位置に設定することができる。
【００６７】
また、主体金具２０が保持する検出素子４の中心軸線の位置を適切な位置に設定できるため、コンタクト用ホルダ４５の中心軸線と、素子保持用ホルダ５２（主体金具２０）により保持される検出素子４の中心軸線とが異なる位置に設定され難くなる。このため、酸素センサ２は、検出素子４の中心軸線の位置に誤差に伴う応力の発生を抑制できると共に、検出素子４の破損を抑制することが可能となる。
【００６８】
以上、説明したように、本実施例の酸素センサ２によれば、振動発生に伴い検出素子４が破損に至るのを抑制することができると共に、外部からの衝撃によるコンタクト用ホルダ４５および検出素子４の破損を抑制することができる。
また、酸素センサ２によれば、飛石などによる外力が外筒１１８に印加されて、その外力が検出素子４に及ぶ場合であっても、幅方向に外力が印加されるため、検出素子４が破損するのを抑制することができる。
【００６９】
さらに、酸素センサ２によれば、外筒１１８と主体金具２０との組み付け作業の煩雑さを解消することができ、また、中心軸線の誤差に伴う検出素子４の破損を抑制することができる。
なお、酸素センサ２においては、素子保持用ホルダ５２が特許請求の範囲に記載の素子保持部材に相当し、コンタクト用ホルダ４５がコンタクト部材に相当する。
【００７０】
次に、第２実施例として、コンタクト部材と素子保持部材とが互いに当接する構成のガスセンサ（第２酸素センサ３）について説明する。第２酸素センサ３の全体構成を示す断面図を、図７に示す。
第２酸素センサ３は、上述した実施例（以下、第１実施例という）の酸素センサ２と比較した場合、コンタクト部材および素子保持部材が異なり、その他の部材については同一の部材で構成されている。このことから、第２酸素センサ３に備えられる第２コンタクト用ホルダ６１および第２素子保持用ホルダ７１を中心に説明する。なお、図７では、第２酸素センサ３を構成する部材のうち、酸素センサ２に備えられる部材と同一の部分については、同一符号を付して表している。
【００７１】
図７に示すように、第２コンタクト用ホルダ６１は、第１実施例のコンタクト用ホルダ４５に対して、先端側（図１における下側）から先端方向に延設されるコンタクト側延設部６２が付加された構成のコンタクト部材である。コンタクト側延設部６２の先端面は、表面が第２コンタクト用ホルダ６１の中心軸線方向の先端側ほど径方向外側に位置するテーパ形状のコンタクト側当接面６３として形成されている。
【００７２】
第２素子保持用ホルダ７１は、図７に示すように、第１実施例の素子保持用ホルダ５２に対して、後端側（図１における上側）から後端方向に延設される保持部側延設部７２が付加された素子保持部材である。保持部側延設部７２の後端面は、コンタクト側当接面６３に当接可能となるように、コンタクト側当接面６３の形状に対応した形状に形成されており、具体的には、表面が第２素子保持用ホルダ７１の中心軸線方向の先端側ほど径方向外側に位置するテーパ形状の保持部側当接面７３として形成される。なお、第２素子保持用ホルダ７１は、第１実施例の素子保持用ホルダ５２と同様に、素子挿通孔５３および鍔部５８を備えている。
【００７３】
また、コンタクト側当接面６３と第２コンタクト用ホルダ６１の中心軸線方向とのなす角度（当接面テーパ角度β、図１参照）は、１０度から８０度の範囲内に設定されている。同様に、保持部側当接面７３と主体金具２０の中心軸線方向とのなす角度は、当接面テーパ角度βと略同等の角度に調整され、１０度から８０度の範囲内に設定されている。
【００７４】
この第２酸素センサ３においては、コンタクト側当接面６３および保持部側当接面７３が互いに当接することから、第２コンタクト用ホルダ６１と第２素子保持用ホルダ７１との両者の相対位置が変化し難くなる。つまり、振動が生じた場合であっても、第２コンタクト用ホルダ６１と第２素子保持用ホルダ７１との相対位置が変化し難くなるため、検出素子４での応力の発生を抑えることができる。
【００７５】
また、コンタクト側当接面６３および保持部側当接面７３がテーパ形状に形成されているため、第２コンタクト用ホルダ６１の中心軸線と、第２素子保持用ホルダ７１が保持する検出素子４の中心軸線とが同一線上に設定されるように、第２コンタクト用ホルダ６１と第２素子保持用ホルダ７１との相対位置が設定される。このことから、主体金具２０と外筒１１８との組み付け作業にあたり、検出素子４の破損が生じないように特別な注意を払うことなく、容易に作業を実行することができる。
【００７６】
よって、第２酸素センサ３のように、第２コンタクト用ホルダ６１と第２素子保持用ホルダ７１とを当接させて、第２コンタクト用ホルダ６１と第２素子保持用ホルダ７１との相対位置が変化し難くすることで、検出素子４での応力の発生を抑制でき、検出素子４の破損を抑制することができる。また、第２コンタクト用ホルダ６１と第２素子保持用ホルダ７１との当接部分（コンタクト側当接面６３および保持部側当接面７３）をテーパ形状に形成することで、主体金具２０と外筒１１８との組み付け作業の煩雑さを解消でき、さらに、中心軸線の誤差に伴う検出素子４の破損を抑制することができる。
【００７７】
なお、第２酸素センサ３においては、第２コンタクト用ホルダ６１が特許請求の範囲に記載のコンタクト部材に相当し、第２素子保持用ホルダ７１が素子保持部材に相当し、コンタクト側当接面６３がコンタクト部材の当接部に相当し、保持部側当接面７３が素子保持部材の当接部に相当する。
【００７８】
次に、他の実施例として、コンタクト部材の断面形状が楕円形状ではなく、長方形形状に形成された第３コンタクト部材６５を備えるガスセンサ（第３酸素センサ６）について説明する。第３酸素センサ６は、第１実施例の酸素センサ２に対して、コンタクト用ホルダ４５に代えて、第３コンタクト部材６５を備えることで構成されている。第３酸素センサ６のうち、図１のＡ−Ａ視断面に相当する部分の断面図を、図６に示す。なお、図６では、検出素子４やリードフレーム１０などを省略し、第３コンタクト部材６５および外筒１１８のみを表している。
【００７９】
第３コンタクト部材６５は、第１実施例のコンタクト用ホルダ４５における挿通孔４６と同様に、絶縁性材料（セラミックスなど）からなり、検出素子４（図６では、図示省略）の後端部が挿通される挿通孔４６を有し、リードフレーム１０（図６では、図示省略）が検出素子４の電極端子部３０，３１，３３，３４（図６では、図示省略）に接続される状態で、挿通孔４６の内部で検出素子４の後端部およびリードフレーム１０を保持する形状である。
【００８０】
なお、第３コンタクト部材６５は、第１実施例のコンタクト用ホルダ４５と比較すると、断面形状のうち外周部分の形状が異なっており、長辺の方向が検出素子４の幅方向と同一方向であり、短辺の方向が検出素子４の厚さ方向と同一方向である長方形形状の断面となるように形成されている。
【００８１】
第３コンタクト部材６５は、長方形断面の４つの頂点部分が外筒１１８の内面に当接するように、長辺寸法Ｒ３および短辺寸法Ｒ４が設定されている。第３コンタクト部材６５の断面のうち４つの頂点部分は、外筒１１８の内面に当接する第３外筒当接支持部６７である。また、第３コンタクト部材６５の外周面のうち第３外筒当接支持部６７以外の部分については、外筒１１８の内面に当接せず、外筒１１８の内面との間に間隙を有することとなる。
【００８２】
つまり、第３コンタクト部材６５は、４つの第３外筒当接支持部６７において外筒１１８の内面に当接することで、外筒１１８により支持されている。これにより、振動が発生した場合であっても、第３コンタクト部材６５と外筒１１８との相対位置が変化し難くなる。
【００８３】
このことから、第３コンタクト部材６５を備えて構成される第３酸素センサ６においては、振動発生時であっても、第３コンタクト部材６５と外筒１１８との相対位置はほとんど変化せず、第３コンタクト部材６５と検出素子４との相対位置が変化するのを抑制できる。この結果、第３酸素センサ６は、第１実施例の酸素センサ２と同様に、振動発生に伴い検出素子４に応力が発生するのを避けることができ、応力によって検出素子４が破損に至るのを抑制することができる。
【００８４】
また、第３コンタクト部材６５の表面のうち、第３外筒当接支持部６７以外の部分は、外筒１１８の内面との間に間隙を有している。このことから、第１実施例の酸素センサ２と同様に、飛石などにより外部からの衝撃を受けた場合であっても、その衝撃が第３コンタクト部材６５に直接伝わる確率を低減できるため、外部からの衝撃による第３コンタクト部材６５および検出素子４の破損を抑制することができる。
【００８５】
次に、本発明を適用したガスセンサ（酸素センサ）について、コンタクト部材の断面形状の異なるコンタクト部材を用いた場合、および保持部材支持面２３の支持面テーパ角度αを変化させた場合において、耐衝撃性を測定した第１測定の測定結果を［表１］に示す。
【００８６】
【表１】

【００８７】
なお、第１測定では、本発明の実施例として、断面形状が楕円形状および長方形形状であるコンタクト部材を用い、比較例として、断面形状が円形で全周にわたり外筒に当接する比較用コンタクト部材を用い、従来例として、断面形状が円形で外筒とは接触しない従来型コンタクト部材を用いて、測定を実施した。
【００８８】
本発明の実施例、比較例、従来例の各ガスセンサは、それぞれ、内径寸法が１３［ｍｍ］の断面形状にて内面および外面が円形の外筒で構成されている。
本発明の実施例のガスセンサにおいては、断面形状が楕円形状であるコンタクト部材として、長径寸法Ｒ１が１３［ｍｍ］で、短径寸法Ｒ２が５［ｍｍ］および９［ｍｍ］である２種類のコンタクト部材を用いた。また、断面形状が長方形形状であるコンタクト部材としては、長辺寸法Ｒ３が１１［ｍｍ］で、短辺寸法Ｒ４が７［ｍｍ］のコンタクト部材を用いた。
【００８９】
比較例のガスセンサにおいては、コンタクト部材として、外径寸法が共に１３［ｍｍ］であるコンタクト部材を用いた。従来例のガスセンサにおいては、コンタクト部材として、図８に示すコンタクト部材１３０を用いた。
また、主体金具および素子保持部材（素子保持用ホルダ）としては、保持部材支持面の支持面テーパ角度αが３０度および６０度となる２種類の主体金具および素子保持部材を用いて、測定を実施した。
【００９０】
第１測定では、鋼球落下衝撃試験（飛石衝撃試験）により測定を行い、ガスセンサへの衝撃印加方法として、鋼球（質量１７［ｇ］）を２ｍの高さからガスセンサに向けて落下させる方法を用いている。そして、衝撃印加後の検出素子に欠損（欠けおよび折れ）が有る場合に不良と判定する測定を、各種類のコンタクト部材について、それぞれ１００個のガスセンサを用いて実施した。
【００９１】
［表１］に示す測定結果によれば、本発明の実施例であるガスセンサ（Ｎｏ１〜Ｎｏ６）は、不良判定された試料数は０本（不良率０％）であるが、比較例のガスセンサ（Ｎｏ７，８）は、不良判定された試料数が３本および５本（不良率３％および５％）であり、従来例のガスセンサ（Ｎｏ９，１０）は、不良判定された試料数が３本および４本（不良率３％および４％）であることが判る。
【００９２】
このことから、本発明のガスセンサ（Ｎｏ１〜Ｎｏ６）は、比較例および従来例のガスセンサに比べて、耐衝撃性に優れると判断することができる。
次に、第２測定として、ガスセンサ（酸素センサ）について、保持部材支持面２３の支持面テーパ角度αを変化させた場合において、組み付け性および耐衝撃性を測定した第２測定の測定結果を［表２］に示す。
【００９３】
【表２】

【００９４】
第２測定に使用したガスセンサは、内径寸法が１３［ｍｍ］の断面形状にて内縁および外面が円形の外筒を用いており、長径寸法Ｒ１が１３［ｍｍ］で、短径寸法Ｒ２が９［ｍｍ］の楕円形状の断面形状であるコンタクト部材を用いて構成されている。
【００９５】
また、第２測定に使用したガスセンサのうち、Ｎｏ１１〜１６のガスセンサは、コンタクト部材と素子保持部材とが当接しない構造のガスセンサであり、Ｎｏ１７，１８のガスセンサは、コンタクト部材と素子保持部材とが当接する構造のガスセンサである。コンタクト部材と素子保持部材とが当接する構造のガスセンサについては、当接面テーパ角度β（図７参照）を変化させて、組み付け性および耐衝撃性を測定した。
【００９６】
組み付け性の判定は、ガスセンサを完成させた後に、内部の検出素子に欠損（欠けおよび折れ）があるか否かを確認して、検出素子に欠損（欠けおよび折れ）がある場合に不良と判定する判定手法を用いた。耐衝撃性の判定方法は、第１測定と同様である。各種類（Ｎｏ１１〜１８）のガスセンサについて、それぞれ１００個を用いて測定を実施した。
【００９７】
［表２］に示す測定結果によれば、支持面テーパ角度αが１０度から８０度の範囲内となるガスセンサ（Ｎｏ１２〜、１５，１７，１８）は、組み付け後の不良率、および衝撃後の不良率が共に０％であり、支持面テーパ角度αが５度および８５度となるガスセンサ（Ｎｏ１１、１６）は、組み付け後の不良率が１％および２％であることが判る。
【００９８】
このことから、支持面テーパ角度αが１０度から８０度の範囲内となるガスセンサは、組み付け性に優れると判断することができる。なお、耐衝撃性については、全てのガスセンサにおいて不良率が０％であり、これは、コンタクト部材として、断面形状が楕円形状のコンタクト部材を用いているためと考えられる。
【００９９】
以上、本発明の実施例について説明したが、本発明は上記実施例に限定されるものではなく、種々の態様を採ることができる。
例えば、上記の第２実施例においては、第２コンタクト用ホルダ６１のコンタクト側当接面６３が内向きのテーパ形状となるガスセンサについて説明したが、コンタクト側当接面が外向きのテーパ形状に形成されたコンタクト部材を用いても良い。この場合、素子保持用部材の保持部側当接面は、コンタクト側当接面の形状に応じて、外向きのテーパ形状となるように構成することになる。
【０１００】
さらに、保持部側当接面およびコンタクト側当接面は、テーパ形状に限られず、一方の当接面に凹部を設け、主体金具と素子保持部材との中心軸線が同一直線上となるように、凹部に対応した凸部を他方の当接面に形成しても良い。
また、断面形状が長方形形状であるホルダは、外筒当接支持部となる角部分をＲ形状あるいは面取り形状に形成することで、組み付け作業時などに損傷（欠けや割れなど）が生じ難くすることができる。
【０１０１】
また、断面形状が長方形形状であるホルダは、外筒当接支持部となる角部分が組み付け作業時などに損傷（欠けや割れなど）すると、外筒内部におけるコンタクト部材の位置決め精度が低下する。そこで、断面形状が長方形形状であるホルダは、外筒当接支持部となる角部分をＲ形状あるいは面取り形状に形成することで、組み付け作業時などにおける損傷の発生を抑制でき、位置決め精度の低下を防ぐことが出来る。
【０１０２】
更に、上記の第１実施例においては、検出素子４の径方向周囲を取り囲んで検出素子４を保持する素子保持部材として素子保持用ホルダ５２を用いた構成を説明したが、この素子保持部材はこのような形態に限定されるものではない。例えば、図８を援用して示すように、タルク粉末１０８といった粉末充填層を検出素子の径方向周囲を取り囲む素子保持部材として形成し、図１に示す主体金具２０の保持部材支持部２５に他部材（パッキン２６など）を介して支持させるように、ガスセンサを構成しても良い。
【図面の簡単な説明】
【図１】 酸素センサの全体構成を示す断面図である。
【図２】 検出素子の全体構成を表す斜視図である。
【図３】 図１に示す酸素センサにおけるＡ−Ａ視断面図である。
【図４】 図３に示す酸素センサにおけるＸ−Ｘ視断面図のうち、コンタクト部材に相当する部分の拡大断面図である。
【図５】 図３に示す酸素センサにおけるＹ−Ｙ視断面図のうち、コンタクト部材に相当する部分の拡大断面図である。
【図６】 第３酸素センサのうち、図１のＡ−Ａ視断面に相当する部分の断面図である。
【図７】 第２酸素センサの全体構成を示す断面図である。
【図８】 従来の酸素センサの全体構成を示す断面図である。
【符号の説明】
２…酸素センサ、３…第２酸素センサ、４…検出素子、５…検出部、６…第３酸素センサ、１０…リードフレーム、２０…主体金具、２２…貫通孔、２３…保持部材支持面、３０，３１，３３，３４…電極端子部、４５…コンタクト用ホルダ、４６…挿通孔、４７…外筒当接支持部、５２…素子保持用ホルダ、５３…素子挿通孔、６１…第２コンタクト用ホルダ、６３…コンタクト側当接面、６５…第３コンタクト部材、６７…第３外筒当接支持部、７１…第２素子保持用ホルダ、７３…保持部側当接面、１１６…リード線、１１８…外筒、１２０…グロメット。

Claims (4)

1. 軸線方向に延びる板状形状をなし、測定対象ガスにさらされる検出部を先端側に有し、少なくとも検出結果に応じた検出信号を出力する電極端子部を後端側に有する検出素子と、
   前記検出素子の径方向周囲を取り囲むと共に、前記検出素子を保持する素子保持部材と、
   自身の後端側から前記検出素子の前記電極端子部を突出させる状態で、前記素子保持部材の径方向周囲を取り囲む筒状形状に形成されると共に、自身の内面から前記素子保持部材を支持するための保持部材支持部が突出して形成された主体金具と、
   少なくとも前記検出信号を外部に出力する信号経路に電気的に接続される金属端子と、
   前記検出素子の後端部が挿通される挿通孔を有し、前記金属端子が前記検出素子の前記電極端子部に接続される状態で、前記挿通孔の内部で前記検出素子および前記金属端子を保持する絶縁性材料からなるコンタクト部材と、
   前記検出素子の後端部および前記コンタクト部材を収容する内部空間を有すると共に、前記主体金具に後端側から連結される筒状形状の外筒と、
   を備えるガスセンサであって、
   前記コンタクト部材は、前記外筒の内面に当接する外筒当接支持部を少なくとも２箇所備え、前記外筒当接支持部が前記外筒の内面に当接することで自身の径方向への移動が制限されると共に、前記外筒の内面に対向する表面のうち前記外筒当接支持部以外の部分が前記外筒の内面とは当接しない形状であること、
   を特徴とするガスセンサ。
2. 前記検出素子は、前記軸線方向に垂直な断面において、幅方向寸法が厚み方向寸法よりも長い形状をなすと共に、
   前記コンタクト部材は、前記軸線方向に垂直な断面において、前記検出素子の幅方向の中央位置を通ると共に前記検出素子の厚さ方向に延びる境界線により仕切られる２つの領域のそれぞれに、少なくとも１つの前記外筒当接支持部が形成されており、
   前記外筒は、前記外筒当接支持部において、前記コンタクト部材を前記検出素子の幅方向に挟むように支持すること、
   を特徴とする請求項１に記載のガスセンサ。
3. 前記保持部材支持部のうちで後端側に位置する保持部材支持面は、前記主体金具の中心軸線方向の先端側ほど径方向内側に位置するテーパ面をなし、前記保持部材支持面と前記中心軸線方向とのなす角度が１０度から８０度であること、
   を特徴とする請求項１または請求項２に記載のガスセンサ。
4. 前記コンタクト部材および前記素子保持部材は、互いに接する当接部をそれぞれ有しており、
   前記当接部は、前記コンタクト部材の中心軸線と、前記素子保持部材が保持する前記検出素子の中心軸線とが同一線上となるように、前記コンタクト部材と前記素子保持部材との相対位置を位置決めする形状であること、
   を特徴とする請求項１から請求項３のいずれかに記載のガスセンサ。

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