JP4592204B2 - 電気的接触構造及びセンサ - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、例えば自動車等の排気ガス中の酸素濃度を測定する酸素センサなどに用いることができる電気的接触構造及びセンサに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、例えば混合ガス中から特定のガス成分の濃度を検出するガスセンサとしては、例えば図７に示す様な酸素センサが知られている。
この酸素センサは、排気管に固定するためのネジ部Ｐ１が外表面に形成された筒状の主体金具Ｐ２と、主体金具Ｐ２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尺状の検出素子Ｐ３と、検出素子Ｐ３を保持するために主体金具Ｐ２の筒内下方から順に積層されるセラミックホルダＰ４、タルク粉末Ｐ５、セラミックスリーブＰ６とを備えている。
【０００３】
このうち、前記検出素子Ｐ３は、その先端側（図中下方）には検出部Ｐ７が形成され、後端側には検出部Ｐ７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複数の電極端子Ｐ８が形成されている。そして、各電極端子Ｐ８には、コネクタ部Ｐ９を介してリード線Ｐ１０が電気的に接続されている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、上記酸素センサでは、外部から振動を受けて検出素子Ｐ３自体が振動した場合には、検出素子Ｐ３がコネクタ部Ｐ９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。
【０００５】
この対策として、セラミックスリーブＰ６の貫通孔内にて、検出素子Ｐ３の表面に電極端子を設けるとともに、セラミックスリーブＰ６と検出素子Ｐ３との間に板状で長尺の端子金具を配置して、端子金具の一端と電極端子との導通を確保し、更に端子金具の他端とリード線Ｐ１０とを接続する技術が検討されているが、必ずしも接続の信頼性は十分ではない。
【０００６】
つまり、前記電極端子は、検出素子Ｐ３の表面にメタライズにより形成されるので、電極端子と端子金具とが長期間接触しているうちに、端子金具等の振動によって電極端子のメタライズが剥離して、導通を確保できなくなるおそれがあった。
【０００７】
本発明は、前記課題を解決するためになされたものであり、その目的は、例えば電極端子と端子金具との間の様な電気的接触構造においても、高い接続の信頼性を確保できる電気的接触構造及びセンサを提供することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段及び発明の効果】
（１）請求項１の発明は、部材（例えば検出素子）の表面にメタライズにより形成された表面導通部（例えば電極端子）に対して、導電部材（例えば端子金具）を接触させて導通を得る電気的接触構造に関するものである。
【０００９】
本発明では、特に、導電部材は表面導通部に弾性的に押圧して接触する接点を複数備えるとともに、表面導通部は部材の内部に設けられた内部導通部から導通を得ている。
従って、幅方向と垂直の導電部材の長手方向の振動等により、導電部材と表面導通部とが一部の接点でこすれあっても、表面導通部の一部が剥離するのみである。つまり、表面導通部は例えばビアやスルーホールを介して内部導通部と導通し、且つ導電部材は複数の接点を有するので、即ち多くの導通の経路が確保されているので、表面導通部が多少剥離したとしても、断線が生じ難い。これにより、高い接続の信頼性が得られる。
【００１０】
しかも、本発明では、表面導通部は内部導通部からスルーホール又はビアを介して導通を得ている。
シートを積層して検出素子等の板状の部材を製造する場合には、このスルーホールやビアを利用した電気的接続は好適である。
【００１１】
尚、ここで、スルーホールとは、表面導通部と内部導通部とを接続するようにあけられた孔であり、その内周面に導電層を形成することにより、表面導通部と内部導通部との間で導通が可能となる。また、ビアとは、前記孔の内部に導電材料を充填して導通を得るものである。
【００１２】
特に、本発明では、スルーホール又はビアを、接点間に対応する位置に設けている。
従って、ある接点が接触する部分の表面導通部が幅方向に完全に剥離したとしても、他の接点はスルーホール又はビアを介して内部導通部と導通しているので、一層断線が生じ難い。
【００１３】
（２）請求項２発明では、部材は、周囲の状況に応じて電気的特性が変化する板状素子である。
本発明は、部材の種類を例示したものであり、ここでは、例えば酸素濃度に応じてその起電力が変化する板状の酸素検出素子等が挙げられる。
【００１４】
この様なセンサ機能を有する素子は、電気的特性の変化を正確に電気信号に変換して取り出す必要があるので、安定的に良好な電気的な接続を図らなければならない。本発明の電気的接触構造は、この様な場合に有効に利用できる。
（３）請求項３の発明では、板状素子は、主としてセラミックスからなる。
【００１５】
本発明は、板状素子の材質を例示したものであり、ここでは、例えばジルコニアなどが挙げられる。
板状素子がセラミックスからなる場合には、素子基体の硬度が高いので、表面に形成された表面導通部は、導電部材と基材との間に挟圧されて摩耗し易い。本発明の電気的接触構造は、この様な場合に有効に利用できる。
【００１６】
（４）請求項４の発明は、導電部材は、耐熱性金属からなる端子金具である。
本発明は、導電部材を例示したものであり、ここでは、例えばＮｉ合金（インコネル７１８：登録商標）やＦｅ合金（インコロイ：登録商標）などの耐熱性金属からなる端子金具が挙げられる。
【００１７】
導電部材として耐熱性金属を用いることで、表面導通部との電気的接続が高温においても安定するので、本発明の電気的接触構造の電気的接続の安定性を高めることができる。
（５）請求項５の発明では、導電部材は、表面導通部との接触部分に、波状又は鋸歯状の凹凸を備えている。
【００１８】
この接触部分が、例えばセラミックス製の検出素子とセラミックス製のスリーブとの間に配置される場合には、波状又は鋸歯状の凹凸が、左右のセラミックス製の部材との緩衝機能を発揮し、例えば衝撃により検出素子が破損することを防止することができる。
【００１９】
更に、表面導通部に対して、導電部材を複数箇所で弾性的に押圧することになるので、本発明の電気的接触構造の電気的接続の安定性を高めることができる。
（６）請求項６の発明では、表面導通部は、部材から信号を取り出すために部材表面に形成されたメタライズ層である。
【００２０】
本発明により、部材からの信号を確実に外部に伝えることができる。
（７）請求項７の発明では、表面導通部は、部材中に形成されたヒータに電圧を印加するために部材表面に形成されたメタライズ層である。
本発明により、ヒータに確実に電圧を印加することができる。
【００２１】
（８）請求項８の発明は、上述した電気的接触構造を備えたセンサである。
つまり、上述した電気的接触構造を備えたセンサは、振動等が加わる過酷な条件で使用された場合でも、長期間にわたり断線が発生し難く、耐久性が極めて高いものである。
【００２２】
（９）請求項９の発明では、センサが、測定対象のガスの種類又はガスの濃度を測定するガスセンサである。
本発明は、センサの種類を例示したものであり、ここでは、ガスの種類を検出したり、ガスの濃度を検出するガスセンサが挙げられる。
【００２３】
このガスセンサとしては、酸素の濃度を測定する酸素ガスセンサ、ＮＯ_Xの濃度を測定するＮＯ_Xガスセンサ、ＨＣの濃度を測定するＨＣガスセンサ、ＣＯの濃度を測定するＣＯガスセンサなどが挙げられる。
特にＮＯ_Xの濃度を測定するＮＯ_Xガスセンサの場合、電気信号を高精度で測定する必要があるため、本発明の電気的接触構造は有効に作用する。
【００２４】
（１０）請求項１０の発明では、ガスセンサが、内燃機関の排気を浄化する触媒（例えば三元触媒）の下流側に配置される下流ガスセンサ、又は触媒の上流側に取り付けられる上流ガスセンサ（制御ガスセンサ）である。
本発明は、ガスセンサの使用位置及びその用途を例示したものである。
【００２５】
内燃機関の排気中の様な高温下で、振動の激しい部位に装着されるセンサからの信号を取り出す場合には、本発明の電気的接触構造は、センサ信号の信頼性を向上させるのに有効な効果を奏する。
【００２６】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明のガスセンサの実施の形態の例（実施例）について説明する。
（実施例１）
本実施例のガスセンサは、例えば自動車の排気系に取り付けられて、検出ガス（排気ガス）中の酸素濃度を測定する酸素センサ（ガスセンサ）である。
【００２７】
ａ）まず、本実施例の酸素センサの構成について、図１〜図３に基づいて説明する。尚、図１は酸素センサの全体構成を示し、図２は検出素子の構成を示し、図３は電極端子の電気的接触構造を示している。
図１に示す様に、酸素センサ１は、筒状の主体金具３と、主体金具３の筒内に挿入される長板状の検出素子５と、検出素子５を保持するために主体金具３の筒内下方から積層されるセラミックホルダ７、タルク粉末９、セラミックスリーブ１１と、検出素子５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複数（本実施例では４本）の長尺状のリードフレーム（端子金具）１３とを備えている。
【００２８】
また、主体金具３の先端側（図中下方）外周には、検出素子５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１５が溶接等によって取り付けられている。
一方、主体金具３の後端側（図中上方）外周には、外筒１７が溶接等により固定されている。また、外筒１７の後端開口部１７ａには、検出素子５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１９が挿通される）リード線挿通孔２１が形成されたセラミックセパレータ２３とグロメット２５とが配置されている。
【００２９】
上記構成のうち、検出素子５は、長方形状の軸断面を有し、図２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２７と、酸素濃淡電池素子２７を活性化させるためのヒータ２９とが積層されて形成されている。
尚、酸素濃淡電池素子２７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２９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３１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。
【００３０】
前記酸素濃淡電池素子２７は、その長手方向の一端側（図中左方）にて、両面に多孔質電極３３，３５が形成されており、両電極３３，３５とそれらの間に挟まれる固体電解質部分とが検出素子５の検出部３７を構成している。
また、多孔質電極３３，３５には、酸素濃淡電池素子２７の長手方向に沿って酸素センサ１の後端側に向けて延びる電極リード部３７，３９が一体に形成されている。
【００３１】
この内、ヒータ２９と対向しない側の電極３３からの電極リード部３７は、その末端が電極端子（表面導通部）４１として用いられる。また、ヒータ２７に対向する側の電極３５の電極リード部（内部導通部）３９は、図３に示すように、酸素濃淡電池素子２７を厚さ方向に横切るビア４３により、反対側の素子面に形成された電極端子４５と接続されている。
【００３２】
尚、酸素濃淡電子素子の一方の表面（図２の上方）は、検出部３７及び電極端子４１、４５近傍を除いて、アルミナからなる保護層（図示せず）により覆われている。
一方、前記ヒータ２９には、図２に示す様に、抵抗発熱体パターン３１に導通するための二本のリード部（内部導通部）４７、４９が形成され、ヒータ２９の酸素濃淡電池素子２７と対向しない側の板面末端に形成された電極端子（表面導通部）５１，５３に、図３に示すように、それぞれビア５５を介して接続されている。
【００３３】
このように構成された検出素子５は、図１中に示すように、先端側（図中下方）の検出部３７が、排気管に固定される主体金具３の先端より突出した状態で、この主体金具３内に固定される。しかも、検出素子５の電極端子（電極端子４１，４５，５１，５３）が形成された側の端部側の周囲が、セラミックスリーブ１１に覆われた状態で固定される。
【００３４】
尚、前記検出素子５は、例えばジルコニア等の材料からなるグリーンシート上に電極等の導電部分をスクリーン印刷して焼成した素子であり、前記リードフレーム１３が接触する電極端子４１，４５，５１，５３は、いわゆるメタライズ層である。
【００３５】
ｂ）次に、本実施例の要部である、リードフレーム１３がセラミックスリーブ１１と検出素子５に挟まれてなる電気的接触構造について、図３及び図４に基づいて説明する。
まず、前記セラミックスリーブ１１は、図４（ａ）や図４（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１１を見た底面図（拡大した底面図）である図４（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５７が形成され、中心軸に沿って挿通孔５９が形成されている。そして、挿通孔５９では、検出素子５の電極端子４１，４５，５１，５３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６１が形成されている。つまり、挿通孔５９には、４つの溝部６１が形成され、これにより、挿通孔５９は、断面が「エ」字状を呈している。
【００３６】
一方、リードフレーム１３は、図４（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１３は、フレーム本体６３と、フレーム本体６３の一端側が折り曲げられて形成された折曲部６５と、フレーム本体６３の折曲部６５側に形成された波状部分６７とを備える。また、リードフレーム１３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（登録商標）等のステンレス鋼にて形成されている。
【００３７】
特に、本実施例では、図３に（検出素子５を電極端子４５、５３を含む平面で長手方向に破断して）示す様に、検出素子５の酸素濃淡電池２７内に形成された電極リード部３９は、複数のビア４３にて、酸素濃淡電池２７の表面の電極端子４５と電気的に接続されている。しかも、これらのビア４３は、リードフレーム１３が電極端子４５と接触する接点間に位置する様に形成されている。
【００３８】
また、同様に、ヒータ２９内に形成されたリード部４７、４９（図では４９のみを示す）は、複数のビア５５にて、ヒータ２９の表面の電極端子５１、５３（図では５３のみを示す）と電気的に接続されている。しかも、これらのビア５５は、リードフレーム１３が電極端子５１、５３と接触する接点間に位置する様に形成されている。
【００３９】
そして、上述した構成においては、図４（ｄ）に示すように、セラミックスリーブ１１の挿通孔５９の溝部６１に、リードフレーム１３を配置した上で、この挿通孔５９に検出素子５が挿通される。その際、検出素子５の電極端子４１，４５，５１，５３に、リードフレーム１３の波状部分６７が当接すると共に、折曲部６５がセラミックスリーブ１１の下端面に当接するように当該リードフレーム１３を配置し、しかも、フレーム本体６３の折曲部６５とは反対側の端部（図中上方）をセラミックスリーブ１１から突出させた状態で当該リードフレーム１３を配置する。
【００４０】
ここで、セラミックスリーブ１１に検出素子３を挿通する際には、リードフレーム１３の波状部分６７が検出素子３からの圧力を受けて、図４（ｂ）の矢印方向に弾性変形する。この結果、セラミックスリーブ１１の溝部６１と、検出素子３の電極端子４１，４５，５１，５３との間の隙間が無くなるように密着して、検出素子５がセラミックスリーブ１１にしっかりと固定される。
【００４１】
ｃ）次に、酸素センサ１を組み立てる手順の一例について、図５を用いて説明する。
まず、図５（ａ）に示すように、セラミックスリーブ１１の挿通孔５９に、検出素子３と、セラミックスリーブ１１の挿通孔５９の溝部６１の内壁とで、リードフレーム１３を挟み込むようにして、検出素子５及びリードフレーム１３を挿通する。このとき、検出素子５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１１の突出部５７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５を配置し、リードフレーム１３の折曲部６５の上面がセラミックスリーブ１１の下端面に当接するように配置する。
【００４２】
尚、この状態では、検出素子５は、リードフレーム１３及びリードフレーム１３の波状部分６７の弾性変形を受けて、セラミックスリーブ１１の挿通孔５９にしっかりと固定された状態となる。
次に、図５（ｂ）に示すように、主体金具３の筒内下方からセラミックホルダ７とタルク粉末９とを順に配置し、この状態のタルク粉末９の上に、検出素子５が固定された状態のセラミックスリーブ１１を、検出素子５の検出部３７側が主体金具３の開口下端から突出した状態となるように配置する。
【００４３】
そして、セラミックスリーブ１１の突出部５７の周囲の端面状に加締リング７１を配置し、図５（ｃ）に示すように、主体金具３の後端部を加締リング７１を介してセラミックスリーブ１１側に加締める。これにより、タルク粉末９が加圧充填され、この結果、検出素子５、セラミックホルダ７、セラミックスリーブ１１と主体金具３とがしっかりと固定される。
【００４４】
その後、図５（ｄ）に示すように、主体金具３の先端外周にプロテクタ１５を溶接等により固定する。
そして、図５（ｅ）に示すように、各リードフレーム１３の端部（図中上方）にリード線１９を抵抗溶接して固定し、このリード線１９を、セラミックセパレータ２３及びグロメット２５のリード線挿通孔２１にそれぞれ挿通して、引き出しておく。
【００４５】
次いで、リード線１９、セラミックセパレータ２３、グロメット２５等を内側に収容するようにして、外筒１７をこの状態の主体金具３の上方から被せて、主体金具３の後端側外周に、外筒１７の先端（図中下方）を溶接する等して外筒１７を固定する。
【００４６】
そして、図５（ｆ）に示すように、外筒１７の後端側を、外周に沿って加締めてグロメット２５を固定する。
以上の手順により、酸素センサ１を組み立てることができる。
ｄ）次に、本実施例の酸素センサ１の使用位置について、図６に基づいて説明する。
【００４７】
図６に示す様に、例えば自動車の内燃機関（エンジン）８１には、燃焼したガス（排気）を外部に排出するために排気管８３が接続されており、排気管８３の途中には、排気を浄化するために三元触媒８５が取り付けられている。
本実施例の酸素センサ１は、三元触媒８５の下流側に取り付けられる下流ガスセンサ（モニタガスセンサ）として使用されるものであり、三元触媒から排出される排気中の酸素濃度を検出し、その信号を電子制御装置（ＥＣＵ）８７に出力する。
【００４８】
従って、この酸素センサ１により検出された値が適切な範囲である場合には、三元触媒にて好適に排気の浄化が行われていることが分かる。
尚、本実施例の酸素センサ１と同様な構成の酸素センサ２を、三元触媒８５の上流側に取り付けて、いわゆる上流側ガスセンサ（制御ガスセンサ）として使用することもできる。この場合は、エンジン８１から排出された排気中の酸素濃度を検出し、その信号をＥＣＵ８７にて判断して、燃料供給量や吸気量等を調節することにより、好適な空燃比制御などを行うことができる。
【００４９】
ｅ）この様に本実施例の酸素センサ１では、独自の電気的接触構造を備えており、この電気的接触構造において、リードフレーム１３は、電極端子４５、５１、５３に接触する接点を複数備えるとともに、電極端子４５、５１、５３は、検出素子５の内部に設けられた電極リード部３９及びリード部４７、４９からそれぞれ複数のビア４３、５５を介して導通を得ている。
【００５０】
従って、リードフレーム１３の長手方向の振動等により、リードフレーム１３と電極端子４５、５１、５３とが一部の接点でこすれあっても、電極端子４５、５１、５３の一部が離するのみである。
つまり、電極端子４５、５１、５３は、複数のビア４３、５５を介して電極リード部３９やリード部４７、４９と導通しているので、電極端子４５、５１、５３が多少剥離したとしても、断線が生じ難く、極めて信頼性が高いものである。
【００５１】
しかも、本実施例では、各ビア４３、５５は、リードフレーム１３の接点間に対応する位置に設けてあるので、たとえ、ある接点が接触する部分の電極端子４５、５１、５３が幅方向に完全に剥離したとしても、他の接点はビア４３、５５を介して電極リード部３９やリード部４７、４９と導通しているので、この点からも、断線が生じ難いという効果がある。
【００５２】
尚、本発明は前記実施例になんら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種々の態様で実施しうることはいうまでもない。
（１）例えば、リードフレームに、波状部分を設けるのではなく、鋸歯状の部分を設けてもよい。
【００５３】
（２）また、前記実施例では、電極端子との導通を確保するために、ビアを設けたが、スルーホールにより導通を確保してもよい。
（３）更に、前記ビア等は、電極端子に対して複数設けることが断線防止のために好ましいが１箇所でも効果がある。また、ビア等を複数設ける場合には、前記接点間が好ましいが、それ以外の箇所でも効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施例の酸素センサを破断して示す説明図である。
【図２】実施例の酸素センサの検出素子を分解して示す斜視図である。
【図３】電極端子の近傍の電気的接触構造を示す断面図である。
【図４】（ａ）はセラミックスリーブを一部破断して示す説明図、（ｂ）はセラミックスリーブの先端側の底面を示す説明図、（ｃ）はリードフレームを示す側面図、（ｄ）セラミックスリーブとリードフレームの概略構成を示す説明図である。
【図５】実施例の酸素センサの組み付け手順を示す説明図である。
【図６】実施例の酸素センサの使用方法を示す説明図である。
【図７】従来技術の説明図である。
【符号の説明】
１…酸素センサ
３…主体金具
５…検出素子
１１…セラミックスリーブ
１３…端子金具
３７、３９…電極リード部
４１、４５、５１、５３…電極端子
４３、５５…ビア
４７、４９…リード部
６７…波状部分

Claims (10)

1. 部材の表面にメタライズにより形成された表面導通部に対して、導電部材を接触させて導通を得る電気的接触構造において、
   前記導電部材は前記表面導通部に弾性的に押圧され接触する接点を複数備えるとともに、前記表面導通部は前記部材の内部に設けられた内部導通部からスルーホール又はビアを介して導通を得ると共に、前記スルーホール又は前記ビアを前記接点間に対応する位置に設けたことを特徴とする電気的接触構造。
2. 前記部材は、周囲の状況に応じて電気的特性が変化する板状素子であることを特徴とする請求項１に記載の電気的接触構造。
3. 前記板状素子は、主としてセラミックスからなることを特徴とする請求項２に記載の電気的接触構造。
4. 前記導電部材は、耐熱性金属からなる端子金具であることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の電気的接触構造。
5. 前記導電部材は、波状又は鋸歯状の凹凸を備えたことを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の電気的接触構造。
6. 前記表面導通部は、前記部材から信号を取り出すために部材表面に形成されたメタライズ層であることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の電気的接触構造。
7. 前記表面導通部は、前記部材中に形成されたヒータに電圧を印加するために部材表面に形成されたメタライズ層であることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の電気的接触構造。
8. 前記請求項１〜７のいずれか１項に記載の電気的接触構造を備えたことを特徴とするセンサ。
9. 前記センサが、測定対象のガスの種類又はガスの濃度を測定するガスセンサであることを特徴とする請求項８に記載のセンサ。
10. 前記ガスセンサが、内燃機関の排気を浄化する触媒の下流側に配置される下流ガスセンサ、又は前記触媒の上流側に配置される上流ガスセンサであることを特徴とする請求項９に記載のセンサ。

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