JP4441084B2 - ガスセンサ - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、自動車の内燃機関等の排気管に取り付けられて、排気管中を流通する排気ガス中の被検出成分を検出するのに用いられるガスセンサに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、上記ガスセンサとしては、例えば、図６に示すような酸素センサ１００が知られている。即ち、酸素センサ１００は、排気管に固定するためのねじ部１０２ａが外表面に形成された筒状の主体金具１０２と、主体金具１０２の筒内に挿入され、酸素イオン伝導性固体電解質体からなる電池素子を備えた長板状の検出素子１０４と、検出素子１０４を保持するために主体金具１０２の筒内下方から順に積層されるセラミックホルダ１０６、タルク粉末１０８、セラミックスリーブ１１０とを備えている。
【０００３】
この内、セラミックホルダ１０６及びセラミックスリーブ１１０は、外観が略円筒状を呈し、検出素子１０４の断面形状に沿った略長方形状の挿通孔が中心軸に沿って穿設されており、検出素子１０４はこれら挿通孔を介して保持される。
更に、セラミックスリーブ１１０は上部中央が上方に突出することにより突出部１１０ａが形成され、検出素子１０４は、この突出部１１０ａの上端から更に上方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１１０ａ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側に加締めることにより、タルク粉末１０８が加圧充填され、この結果、検出素子１０４、セラミックホルダ１０６、セラミックスリーブ１１０と主体金具１０２とが固定される。
【０００４】
一方、検出素子１０４は、先端側（図中下方）には検出部１０４ａが形成され、後端側には検出部１０４ａにて生じた酸素濃淡電池起電力を外部から取り出すための複数の電極端子１０４ｂが形成されている。そして、各電極端子１０４ｂには、コネクタ部１１４を介してリード線１１６が電気的に接続されている。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の末端内側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。そして、酸素センサ１００では、このリード線１１６を介して、外部から上記起電力を取り出すことができる。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、上記酸素センサ１００では、外部から振動を受けて検出素子１０４自体が振動した場合には、検出素子１０４がコネクタ部１１４から外れてしまうおそれがあり、その結果、酸素濃度を正確に測定できなくなるおそれがあった。
【０００６】
本発明は、こうした問題に鑑みなされたものであり、排気ガス中の被検出成分を検出するのに用いられるガスセンサにおいて、外部から振動を受けた場合でも、確実に被検出成分を測定できるようにすることを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段，発明の効果】
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、セラミックスの積層基板からなり、測定対象となるガスに向けられる検出部が一端側に形成され、該検出部にて検出された信号を外部から取り出すための複数の電極端子が他端側の外壁に形成された長尺状の検出素子と、前記検出素子の前記電極が形成された側の端部周囲を覆うように配置される絶縁保護体と、前記保護体の周囲に配置され、前記検出素子の前記検出部を前記ガスに向けた状態で該ガスが流通する取付対象物に固定するための筒状の主体金具と、を備えたガスセンサであって、前記絶縁保護体は、前記主体金具の内側にて前記検出素子の周囲に配置されるタルク粉末を自身で加圧充填するように、前記主体金具の内側に固定されており、前記絶縁保護体と該検出素子の前記電極端子との間に、各該電極から信号を取り出すための長尺状の複数の金属板を、前記絶縁保護体から一端が突出した状態となるように配置したことを特徴とする。
【０００８】
即ち、本発明（請求項１）のガスセンサでは、検出素子にて検出された信号を、この金属板を介して外部から取り出すように構成したものである。そして、この金属板は、必ずしも絶縁保護体や検出素子と溶接等を施して固定する必要がなく、絶縁保護体と検出素子の電極端子との間に配置するだけで電極端子と導通を図ることができる。
【０００９】
しかも、検出素子が金属板を介して絶縁保護体にしっかりと固定され、この結果、検出素子が主体金具にしっかりと固定されるようになる。このため、外部からの振動を受けて検出素子等が振動しても、検出素子が絶縁保護体（ひいては主体金具）から抜け落ちたりすることがない。
【００１０】
そして、絶縁保護体から突出した金属板の部分を、例えば、図６中に示した従来の酸素センサ１００が備えるリード線１１８に対して溶接（例えば、抵抗溶接）等して接続すれば、このリード線を介して外部から信号を取り出すことができる。しかも、外部からの振動を受けても、金属板自体が弾性変形してある程度振動を吸収するようになるため、リード線と金属板とが外れてしまうことがない。
【００１１】
このように、本発明（請求項１）のガスセンサでは、外部から振動を受けた場合でも、確実に被検出成分を測定できるようになる。
また、上記したように、金属板をリード線（例えば、酸素センサ１００のリード線１１８）に接続すれば、外部から信号の取り出せるため、従来の酸素センサ１００の場合ようにコネクタ部１１４を特に設ける必要がなく、その分、省スペース化が図れるようになる。このため、ガスセンサ自体の小型化が容易に図れるようになる。
【００１２】
ところで、絶縁保護体の内面に、請求項２に記載のように、金属板を位置決めするための複数の溝部を設けておけば、金属板の配置位置が常に規定されるようになるだけでなく、金属板を配置する際には、この金属板が絶縁保護体の溝部に収容した状態とすることも可能となり、金属板を配置した場合には、絶縁保護体と検出素子の電極端子とを密着させることも可能である。
【００１３】
従って、絶縁保護体とで検出素子の電極端子との間の隙間を少しでも減少させることが可能となり、気密性がより向上する。
更に、金属板を、請求項３に記載のように、少なくとも検出素子の電極端子に対応する部分が波状を呈するように形成しておけば、波状部分の波振幅方向に沿った側が弾性を有するようになる。
【００１４】
このため、絶縁保護体と検出素子との間に配置する際には、絶縁保護体と検出素子の電極端子とで、この波状部分を圧縮するようにして金属板を挟持するようになり、絶縁保護体，金属板，検出素子との間の隙間を一層減少させた状態で、金属板をしっかりと固定することが可能となり、一層気密性が向上する。
【００１５】
また、金属板を、請求項４に記載のように、絶縁保護体の筒内を貫通させ、しかも、検出素子の検出部側を向く側の端部を、絶縁保護体の端面に当接するように折り曲げておけば、金属板を配置する際の位置を規定することが可能となり、金属板を組み立てる際の作業性が向上する。しかも、外部からの振動を受けた場合には、絶縁保護体と検出素子との間から抜けてしまうのを防止することが可能となる。
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下に本発明を具体化した実施例を図面と共に説明する。尚、本実施例では本発明をガスセンサの一種である酸素センサに適用した。
まず、第１実施例の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。尚、酸素センサ２は、図６に示した酸素センサ１００とは、検出素子の形状、検出素子からの信号（酸素濃淡電池起電力）の取り出し部分の構造、及び、酸素センサ自体の後端側の構造等が異なり、その他の部分は同様に構成されている。ここでは、図６に示した酸素センサ１００と共通する部分には同一符号を付してその詳細な説明を省略する。
【００１７】
即ち、酸素センサ２は、筒状の主体金具１０２と、主体金具１０２の筒内に挿入される長板状の検出素子４と、検出素子４を保持するために主体金具１０２の筒内下方から積層されるセラミックホルダ１０６、タルク粉末１０８、及び、後述のセラミックスリーブ６と、検出素子４にて検出された信号（即ち、酸素濃淡電池起電力）を取り出すため等に用いる後述の複数（本実施例では４本）の長尺状のリードフレーム１０とを備えている。
【００１８】
この内、検出素子４は、長方形状の軸断面を有し、図２（ａ）に示すように、それぞれ長板状に形成された酸素濃淡電池素子２０と、酸素濃淡電池素子２０を活性化させるためのヒータ２２とが積層されて形成されている。尚、酸素濃淡電池素子２０は、例えば、ジルコニア等を主体とする酸素イオン伝導性固体電解質体により形成されている。また、ヒータ２２は、例えば、導電性セラミックからなる抵抗発熱体パターン２４をセラミック基体中に埋設した公知のセラミックヒータから形成されている。
【００１９】
そして、酸素濃淡電池素子２０の長手方向の一端側（図中左方）には、両面に多孔質電極２６，２８が形成され、これら電極２６，２８とそれらの間に挟まれる固体電解質部分とが検出素子４の検出部４ａを構成する。
また、多孔質電極２６，２８からは、酸素濃淡電池素子２０の長手方向に沿って酸素センサ２の後端側（図中上方）に向けて延びる電極リード部２６ａ，２８ａが一体形成されている。この内、ヒータ２２と対向しない側の電極２６からの電極リード部２６ａは、その末端が電極端子３０として用いられる。一方、ヒータ２２に対向する側の電極２８の電極リード部２８ａは、図２（ｃ）に示すように、酸素濃淡電池素子２０を厚さ方向に横切るビア２８ｂにより、反対側の素子面に形成された電極端子３２と接続され、各電極端子３０，３２は、酸素濃淡電池素子２０の板面末端に間隔を空けて配置されている。
【００２０】
一方、ヒータ２２には、抵抗発熱体パターン２４に導通するための二本のリード部２４ａが形成され、図２（ｄ）に示すように、ヒータ２２の酸素濃淡電池素子２０と対向しない側の板面末端に形成された電極端子３４，３６に、それぞれビア３８を介して接続されている。そして、図２（ｂ）に示すように、酸素濃淡電池素子２０とヒータ２２とは、セラミック（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）層４０を介して互いに接合される。
【００２１】
このように構成された検出素子４は、図１中に示すように、先端側（図中下方）の検出部４ａが、排気管に固定される主体金具１０２の先端より突出した状態で、この主体金具１０２内に固定される。尚、検出素子４は、従来の酸素センサ１００が備える検出素子１０４よりも長手方向の長さが短い。
【００２２】
一方、主体金具１０２の先端側（図中下方）外周には、検出素子４の突出部分を覆うと共に、複数の孔部を有し、金属製の二重のプロテクタ４２ａ，４２ｂが溶接等によって取り付けられている。そして、主体金具１０２の後端側外周には、外筒４４が溶接等により固定されている。また、外筒４４の後端開口部（図中上方）には、検出素子４にて生じた酸素濃淡電池起電力を外部に取り出すためのリード線４６が挿通されるリード線挿通孔が形成されたセラミックセパレータ４８とグロメット５０とが配置されている。
【００２３】
さて、検出素子４は、主体金具１０２の筒内下方より配置されるセラミックホルダ１０６、タルク粉末１０８、セラミックスリーブ６と、セラミックスリーブ６との間に配置されるリードフレーム１０とを介して主体金具１０２に固定され、しかも、検出素子４の電極端子（電極端子３０，３２，３４，３６）が形成された側の端部側の周囲が、セラミックスリーブ６に覆われた状態で固定される。
【００２４】
この内、セラミックスリーブ６は、従来の酸素センサ１００が備えるセラミックスリーブ１１０とは、主として検出素子を挿通（保持）する挿通孔の形状が異なり、その他の形状や構造は同様である。
即ち、セラミックスリーブ６は、図３（ａ）中に記したＡ方向（即ち、下端面方向）から、当該セラミックスリーブ６を見た底面図（拡大した底面図）である図３（ｂ）に示すように、上部中央が上方に突出することにより突出部５２が形成され、中心軸に沿って挿通孔５４が形成されている。そして、挿通孔５４では、検出素子４の電極端子３０，３２，３４，３６が形成された側の板面に対応する側の内壁の隅には、それぞれ溝部５６が形成されている。つまり、挿通孔５４には、４つの溝部５６が形成され、これにより、挿通孔５４は、断面が「エ」字状を呈している。
【００２５】
ここで、セラミックスリーブ６は、請求項記載の「絶縁保護体」に相当する。また、図３（ａ）中右図に示した断面図は、図３（ｂ）中のＢ−Ｂ断面部分に相当する。
一方、リードフレーム１０は、図３（ｃ）に示すように、外観が略Ｌ字状を呈するように形成されている。即ち、リードフレーム１０は、フレーム本体１２と、フレーム本体１２の一端側が折り曲げられて形成された折曲部１４と、フレーム本体１２の折曲部１４側に形成された波状部分１６とを備える。また、リードフレーム１０は、例えば、高温に繰り返し晒されても、弾性（バネ弾性）を保持可能な周知のインコネル等のステンレス鋼にて形成されている。ここで、リードフレーム１０は、請求項記載の「金属板」に相当する。
【００２６】
そして、図３（ａ），（ｄ）に示すように、セラミックスリーブ６の挿通孔５４の溝部５６に、リードフレーム１０を配置した上で、この挿通孔５４に検出素子４が挿通される。その際、検出素子４の電極端子３０，３２，３４，３６に、リードフレーム１０の波状部分１６が当接すると共に、折曲部１４がセラミックスリーブ６の下端面に当接するように当該リードフレーム１０を配置し、しかも、フレーム本体１２の折曲部１４とは反対側の端部（図中上方）をセラミックスリーブ６から突出させた状態で当該リードフレーム１０を配置する。つまり、リードフレーム１０は、検出素子４をセラミックスリーブ６に配置する際には、検出素子４の電極端子が当該リードフレーム１０の波状部分１６に当接するように構成されている。
【００２７】
ここで、セラミックスリーブ６に検出素子４を挿通する際には、図３（ｃ）中に示すように、リードフレーム１０の波状部分１６が検出素子４からの圧力を受けて矢印方向に弾性変形する。この結果、セラミックスリーブ６の溝部５６と、検出素子４（検出素子４の電極端子）との間の隙間が無くなるように密着して、検出素子４がセラミックスリーブ６にしっかりと固定される。
【００２８】
そして、図１に示すように、酸素センサ２では、セラミックスリーブ６から突出したリードフレーム１０のフレーム本体１２の端部（図中上方）に、リード線４６が抵抗溶接により固定される。つまり、酸素センサ２では、リード線４６及びリードフレーム１０を介して、検出素子４にて生じた酸素濃淡電池起電力を外部に取り出すことができる。
【００２９】
次に、酸素センサ２を組み立てる手順の一例について、図４を用いて説明する。
まず、図４（ａ）に示すように、セラミックスリーブ６の挿通孔５４に、検出素子４と、セラミックスリーブ６の挿通孔５４の溝部５６の内壁とで、リードフレーム１０を挟み込むようにして、検出素子４及びリードフレーム１０を挿通する。このとき、検出素子４の電極端子が形成された側の端部の位置が、セラミックスリーブ６の突出部５２上端部（図中上方）の位置とほぼ同じとなるように検出素子４を配置し、リードフレーム１０の折曲部１４の上面がセラミックスリーブ６の下端面に当接するように配置する。
【００３０】
尚、この状態では、検出素子４は、リードフレーム１０及び、リードフレーム１０の波状部分１６の弾性変形を受けて、セラミックスリーブ６の挿通孔５４にしっかりと固定された状態となる。
次に、図４（ｂ）に示すように、主体金具１０２の筒内下方からセラミックホルダ１０６とタルク粉末１０８とを順に配置し、この状態のタルク粉末１０８の上に、検出素子４が固定された状態のセラミックスリーブ６を、検出素子４の検出部４ａ側が主体金具１０２の開口下端から突出した状態となるように配置する。 そして、セラミックスリーブ６の突出部５２の周囲の端面状に加締リング１１２を配置し、図４（ｃ）に示すように、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６側に加締める。これにより、タルク粉末１０８が加圧充填され、この結果、検出素子４、セラミックホルダ１０６、セラミックスリーブ６と主体金具１０２とがしっかりと固定される。
【００３１】
その後、図４（ｄ）に示すように、主体金具１０２の先端外周にプロテクタ４２ａ，４２ｂを溶接等により固定する。そして、図４（ｅ）に示すように、各リードフレーム１０の端部（図中上方）にリード線４６を抵抗溶接して固定し、このリード線４６を、セラミックセパレータ４８及びセラミックセパレータ４８が固定された状態のグロメット５０のリード線挿通孔にそれぞれ挿通して、引き出しておく。次いで、リード線４６、セラミックセパレータ４８、グロメット５０等を内側に収容するようにして、外筒４４をこの状態の主体金具１０２の上方から被せて、主体金具１０２の後端側外周に、外筒４４の先端（図中下方）を溶接する等して外筒４４を固定する。
【００３２】
そして、図４（ｆ）に示すように、外筒４４の後端側を、外周に沿って加締めてグロメット５０を固定する。
以上の手順により、酸素センサ２を組み立てることができる。そして、このように組み立てられた（形成された）酸素センサ２では、検出素子４がリードフレーム１０及びセラミックスリーブ６を介して主体金具１０２にしっかりと固定されているため、外部から振動を受けても、検出素子４が主体金具１０２から外れてしまうのを防止することができる。
【００３３】
また、外部からの振動に応じて、長板状のリードフレーム１０がある程度弾性変形するため、受けた振動をある程度吸収することができる。この結果、リードフレーム１０とリード線４６との接続部分に無理な力が加わるのが防止でき、リードフレーム１０とリード線４６とが外れてしまうのを防止することができる。
【００３４】
そして、検出素子４をセラミックスリーブ６に固定する際には、検出素子４からの圧力を受けてリードフレーム１０の波状部分１６が弾性変形する結果、しっかりと検出素子４がセラミックスリーブ６に固定されるだけでなく、セラミックスリーブ６の溝部５６と、検出素子４（検出素子４の電極端子）との間の隙間が無くなるように密着するため、上記したように気密性が向上する。この結果、万が一、検出素子４とセラミックホルダ１０６との間や、タルク粉末１０８中を介して排気ガスが流入しても、セラミックスリーブ６の後端側に流出するのを防止することができる。
【００３５】
一方、酸素センサ２では、セラミックスリーブ６と検出素子４との間に配置されたリードフレーム１０を介して、検出素子４にて生じた酸素濃淡電池起電力を外部から取り出すことができ、しかも、リードフレーム１０を検出素子４の電極端子３０，３２，３４，３６に必ずしも溶接する等して固定する必要が無く、単に、検出素子４とセラミックスリーブ６とで挟持するようにして配置すればよく、その作業は極めて簡単であり、作業効率が向上する。
【００３６】
このように、本実施例の酸素センサ２では、外部から振動を受けた場合でも、確実に被検出成分（排気ガス中の酸素濃度）を測定できるようになる。
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。
【００３７】
例えば、図５（ａ），（ｂ）に示すセラミックスリーブ６０のように、挿通孔６２を、その開口下端側ほど外側に広くなるようなテーパー部６４を設けるようにしてもよい。ここで、図５（ｂ）は、図５（ａ）中に記したＣ方向から、セラミックスリーブ６０を見た底面図（拡大した底面図）を表す。
【００３８】
このようにすれば、セラミックスリーブ６０の挿通孔６２に検出素子４を配置し、セラミックスリーブ６０の下端側からリードフレーム１０を挿通する際には、リードフレーム１０の波状部分１６の折曲部１４とは反対側の部分から徐々に弾性変形させつつ、容易に挿通させることが可能となる。
【００３９】
また、上記実施例では、検出素子をジルコニア等を主体とする酸素イオン伝導性固体電解質体を用いて形成することにより、いわば、起電力変化型のガスセンサ（酸素センサ）となるように構成したものである。これに限定されず、検出素子をチタニア等の金属酸化物を用いて形成して、いわば、抵抗変化型のガスセンサ（酸素センサ）となるように構成してもよい。
【００４０】
また更に、検出素子の検出感度や検出精度を高めるために、複数の素子（例えば、酸素濃淡電池素子等）を積層したり、このような素子の両面にヒータ（例えば、セラミックヒータ）を配置するようにしてもよい。
この場合には、複数の素子やヒータを備えることになるため、各素子から信号（例えば、酸素濃淡電池起電力等）を外部から取り出したり、或いは、各ヒータに外部から電力を供給する必要がある。
【００４１】
そこで、本実施例の場合と同様にして、このような検出素子の外表面に、素子やヒータに対応した電極端子を、所定の間隔を空けて複数設けておき、各電極端子に対応した複数のリードフレームを、検出素子とセラミックスリーブとの間に配置するようにしてもよい。更に、セラミックスリーブの挿通孔に、上記した溝部５６と同様の溝部を複数のリードフレーム分だけ設けるようにしてもよい。これらの場合においても、本実施例と同様の作用及び効果を得ることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 実施例の酸素センサ２の概略構成を示す説明図である。
【図２】 検出素子４の概略構成を示す説明図である。
【図３】 セラミックスリーブ６及びリードフレーム１０の概略構成を示す説明図である。
【図４】 酸素センサ２を組み立てる手順を示す説明図である。
【図５】 セラミックスリーブ６０の概略構成を示す説明図である。
【図６】 従来の酸素センサ１００の概略構成を示す説明図である。
【符号の説明】
２…酸素センサ（ガスセンサ）、４…検出素子、６…セラミックスリーブ（絶縁保護体）、１０…リードフレーム（金属板）、１４…折曲部、１６…波状部分、３０，３２，３４，３６…電極端子、５４…溝部、１０２…主体金具。

Claims (4)

1. セラミックスの積層基板からなり、測定対象となるガスに向けられる検出部が一端側に形成され、該検出部にて検出された信号を外部から取り出すための複数の電極端子が他端側の外壁に形成された長尺状の検出素子と、
   前記検出素子の前記電極が形成された側の端部周囲を覆うように配置される絶縁保護体と、
   前記保護体の周囲に配置され、前記検出素子の前記検出部を前記ガスに向けた状態で該ガスが流通する取付対象物に固定するための筒状の主体金具と、
   を備えたガスセンサであって、
   前記絶縁保護体は、前記主体金具の内側にて前記検出素子の周囲に配置されるタルク粉末を自身で加圧充填するように、前記主体金具の内側に固定されており、
   前記絶縁保護体と該検出素子の前記電極端子との間に、各該電極から信号を取り出すための長尺状の複数の金属板を、前記絶縁保護体から一端が突出した状態となるように配置したことを特徴とするガスセンサ。
2. 前記絶縁保護体の内面には、前記金属板を位置決めするための複数の溝部が設けら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。
3. 前記金属板は、少なくとも前記検出素子の前記電極端子に対応する部分が波状を呈してい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. 前記金属板は、前記絶縁保護体の筒内を貫通し、しかも、当該金属板における前記検出部側の端部が該絶縁保護体の端面に当接するように折り曲げられていることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載のガスセンサ。

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