JP5204903B2 - ガスセンサー及びその製造方法 - Google Patents

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Description

本発明は、ガスセンサー及びその製造方法に関する。
従来、自動車の排気ガスなどの被測定ガスにおけるNOxや酸素などの所定のガス濃度を検出するガスセンサーが知られている。このガスセンサーでは、ガス濃度を検出するセンサー素子と外部との導通を取るために、センサー素子の表面に並設された複数の表面電極部及び裏面に並設された複数の裏面電極部と電気的に接続されるコネクターが用いられる。例えば、特許文献1には、ガス濃度を検出する平板状のセンサー素子と、リード線と、センサー素子とリード線とを接続するコネクターと、を備えたガスセンサーとが記載されている。このような従来例のコネクター300の分解斜視図及び正面図を図27,28に示す。図示するように、コネクターは、リード線316と接続される複数の細長い接触金具と、接触金具を保持する2つのハウジング302a,302bと、ハウジング302a,302bを固定する固定金具304と、固定金具304に取り付けられた2つのU字状の押圧バネ306a,306bと、リング状のメタルチューブ308とを備えている。このコネクター300は、ハウジング302a、302bで接触金具310及びセンサー素子312を挟み、固定金具304でハウジング302a,302bを固定することで、センサー素子312の電極部314と接触金具310とが接触して導通するようにしている。そして、メタルチューブ308の外周を加締めることによりメタルチューブ308の内周面が押圧バネ306a,306bに変位を与え、押圧バネ306a,306bの押圧力により接触金具310と電極部314とが所定の圧力で押圧されるようにしている。このようにするとで、振動により接触金具310と電極部314との導通不良が発生することを防止している。
実公平6−37326号公報(第1図(b))
しかしながら、メタルチューブの内周面と押圧バネとが接触する部分の状態によっては、振動時に押圧バネがメタルチューブの内側に引っかかって停滞し、押圧バネが十分な弾性機能を発揮できない場合があった。例えば、図28において振動によりセンサー素子に上方向の力が加わった場合に、押圧バネが弾性機能を発揮するためには押圧バネのU字の両端がメタルチューブの内周面を滑り互いに接近する方向に変位する必要がある。しかし、このとき押圧バネの両端がメタルチューブの内側に引っかかっていると、押圧バネのU字の両端の変位が妨げられるため、十分な弾性機能を発揮できない。このような場合には、振動を押圧バネが吸収できないため、接触金具を含むコネクターとセンサー素子とが1つに固定され、長時間振動にさらされることで接触金具と電極部との導通不良が起きたりセンサー素子の疲労や割れが起きたりする場合があるという問題があった。
本発明はこのような課題を解決するためになされたものであり、より振動に強いガスセンサーを提供することを主目的とする。
本発明は、上述の主目的を達成するために以下の手段を採った。
本発明の第1のガスセンサーは、
被測定ガスの所定のガス濃度を検出可能であり、表面に並設された複数の表面電極部及び裏面に並設された複数の裏面電極部を有するセンサー素子と、
前記センサー素子の前記複数の表面電極部と接触する導通部が形成された複数の細長い第1接触金具と、
前記センサー素子の前記複数の裏面電極部と接触する導通部が形成された複数の細長い第2接触金具と、
前記複数の第1接触金具を該第1接触金具の長手方向と略直交する方向に並べ且つ前記複数の表面電極部と対向するように保持するセラミックス製の第1ハウジングと、
前記複数の第2接触金具を該第2接触金具の長手方向と略直交する方向に並べ且つ前記複数の裏面電極部と対向するように保持するセラミックス製の第2ハウジングと、
前記センサー素子の長手方向に沿った中心軸を有し、前記第1ハウジング及び第2ハウジングの周囲に位置する円筒状のメタルチューブと、
断面が略U字状であり、該U字の両端が前記メタルチューブの内周面と接触し、該メタルチューブに押圧されることで生じた弾性力によって前記第1ハウジングと前記第2ハウジングとが前記センサー素子を挟んで接近する方向に該第1ハウジングを押圧する第1弾性部材と、
断面が略U字状であり、該U字の両端が前記メタルチューブの内周面と接触し、該メタルチューブに押圧されることで生じた弾性力によって前記第1ハウジングと前記第2ハウジングとが前記センサー素子を挟んで接近する方向に該第2ハウジングを押圧する第2弾性部材と、
を備えたガスセンサーであって、
前記メタルチューブは、内周面の算術平均粗さRaが値1μm以下であり、
前記第1弾性部材は、前記両端の少なくとも一方が、前記メタルチューブの内周面のうち前記接触している部分の曲率半径以下の曲率半径を持ち該メタルチューブの内周面と接触する曲面を有する曲面接触部位となるように形成されており、
前記第2弾性部材は、前記両端の少なくとも一方が、前記メタルチューブの内周面のうち前記接触している部分の曲率半径以下の曲率半径を持ち該メタルチューブの内周面と接触する曲面を有する曲面接触部位となるように形成されている、
ものである。
このガスセンサーでは、メタルチューブの内周面のRaが1μm以下であると共に第1弾性部材及び第2弾性部材はメタルチューブの内周面と接触するU字の両端の少なくとも一方が曲面接触部位となっている。このため、メタルチューブの内周面での第1弾性部材及び第2弾性部材の滑りがよくなる。これにより、ガスセンサーに振動が加わったときに第1弾性部材及び第2弾性部材がメタルチューブの内周面に引っかかりを生じてしまうことがなく、第1弾性部材及び第2弾性部材の弾性機能により振動を吸収できる。このため、ガスセンサーが振動した場合に、第1接触金具及び第2接触金具とセンサー素子との導通不良や、センサー素子の疲労及び割れが起こりにくくなる。すなわち、より振動に強いガスセンサーが得られる。なお、この場合において、前記センサー素子は、平板状の素子としてもよい。
本発明の第1のガスセンサーにおいて、前記メタルチューブは、内周面の算術平均粗さRaが値0.8μm以下としてもよい。メタルチューブの内周面の算術平均粗さRaが値0.8μm以下であれば、メタルチューブの内周面での第1弾性部材及び第2弾性部材の滑りがさらによくなるため、より振動に強いガスセンサーが得られる。なお、メタルチューブの内周面の算術平均粗さRaの範囲には下限値はなく、Raの値が小さいほどメタルチューブの内周面での第1弾性部材及び第2弾性部材の滑りがよくなる。
本発明の第1のガスセンサーにおいて、前記メタルチューブは、前記内周面がメッキされているものとしてもよい。また、前記メタルチューブは、前記内周面がフッ素樹脂でコーティングされているものとしてもよい。また、前記メタルチューブは、前記内周面に液体潤滑剤又は固体潤滑剤が塗布されているものとしてもよい。これらのようにすることで、メタルチューブの内周面での第1弾性部材及び第2弾性部材の滑りがさらによくなるため、より振動に強いガスセンサーが得られる。
本発明の第1のガスセンサーにおいて、前記第1弾性部材及び前記第2弾性部材は、前記曲面接触部位における前記メタルチューブの内周面と接触する曲面がメッキされているものとしてもよい。また、前記第1弾性部材及び前記第2弾性部材は、前記曲面接触部位における前記メタルチューブの内周面と接触する曲面がフッ素樹脂でコーティングされているものとしてもよい。また、前記第1弾性部材及び前記第2弾性部材は、前記曲面接触部位における前記メタルチューブの内周面と接触する曲面に液体潤滑剤又は固体潤滑剤が塗布されているものとしてもよい。これらのようにすることで、メタルチューブの内周面での第1弾性部材及び第2弾性部材の滑りがさらによくなるため、より振動に強いガスセンサーが得られる。
本発明の第1のガスセンサーにおいて、前記メタルチューブは、外周を加締めるカシメ加工をすることにより内径を減寸して形成された部材としてもよい。
本発明の第1のガスセンサーにおいて、前記第1弾性部材は、前記両端が共に前記曲面接触部位となるように形成されており、前記第2弾性部材は、前記両端が共に前記曲面接触部位となるように形成されているものとしてもよい。こうすれば、第1弾性部材や第2弾性部材のU字の両端のうち片端のみが曲面接触部位となっている場合と比べて、メタルチューブの内周面での第1弾性部材及び第2弾性部材の滑りがよくなる。
本発明の第1のガスセンサーにおいて、前記第1接触金具及び前記第2接触金具の導通部は弾性体であり、前記センサー素子は、該第1接触金具の導通部が前記第1ハウジングを介した前記第1弾性部材からの押圧力により弾性変形することで生じた押圧力と、該第2接触金具の導通部が前記第2ハウジングを介した前記第2弾性部材からの押圧力により弾性変形することで生じた押圧力と、により挟持されているものとしてもよい。こうすれば、導通部が弾性変形による押圧力でセンサー素子を挟持するため、センサー素子と第1接触金具及び第2接触金具との接触不良が起こりにくくなる。
本発明の第1のガスセンサーにおいて、前記第1ハウジングと前記第2ハウジングとを挟持して互いに接近する方向に押圧する第3弾性部材を備えるものとしてもよい。こうすれば、センサー素子と第1接触金具及び第2接触金具との接触不良が起こりにくくなる。
本発明の第2のガスセンサーは、
被測定ガスの所定のガス濃度を検出可能であり、表面に並設された複数の表面電極部及び裏面に並設された複数の裏面電極部を有するセンサー素子と、
前記センサー素子の前記複数の表面電極部と接触する導通部が形成された複数の細長い第1接触金具と、
前記センサー素子の前記複数の裏面電極部と接触する導通部が形成された複数の細長い第2接触金具と、
前記複数の第1接触金具を該第1接触金具の長手方向と略直交する方向に並べ且つ前記複数の表面電極部と対向するように保持するセラミックス製の第1ハウジングと、
前記複数の第2接触金具を該第2接触金具の長手方向と略直交する方向に並べ且つ前記複数の裏面電極部と対向するように保持するセラミックス製の第2ハウジングと、
前記センサー素子の長手方向に沿った中心軸を有し、前記第1ハウジング及び第2ハウジングの周囲に位置する円筒状のメタルチューブと、
断面が略U字状であり、該U字の両端が前記メタルチューブの内周面と接触し、該メタルチューブに押圧されることで生じた弾性力によって前記第1ハウジングと前記第2ハウジングとが前記センサー素子を挟んで接近する方向に該第1ハウジングを押圧する第1弾性部材と、
断面が略U字状であり、該U字の両端が前記メタルチューブの内周面と接触し、該メタルチューブに押圧されることで生じた弾性力によって前記第1ハウジングと前記第2ハウジングとが前記センサー素子を挟んで接近する方向に該第2ハウジングを押圧する第2弾性部材と、
を備えたガスセンサーであって、
前記メタルチューブは、前記内周面がメッキされているか、又はフッ素樹脂でコーティングされているか、又は液体潤滑剤が塗布されているか、又は固体潤滑剤が塗布されており、
前記第1弾性部材は、前記両端の少なくとも一方が、前記メタルチューブの内周面のうち前記接触している部分の曲率半径以下の曲率半径を持ち該メタルチューブの内周面と接触する曲面を有する曲面接触部位となるように形成されており、
前記第2弾性部材は、前記両端の少なくとも一方が、前記メタルチューブの内周面のうち前記接触している部分の曲率半径以下の曲率半径を持ち該メタルチューブの内周面と接触する曲面を有する曲面接触部位となるように形成されている、
ものである。
このガスセンサーでは、メタルチューブの内周面がメッキされているか、又はフッ素樹脂でコーティングされているか、又は液体潤滑剤が塗布されているか、又は固体潤滑剤が塗布されており、第1弾性部材及び第2弾性部材はメタルチューブの内周面と接触するU字の両端の少なくとも一方が曲面接触部位となっている。このため、メタルチューブの内周面での第1弾性部材及び第2弾性部材の滑りがよくなる。これにより、上述した本発明の第1のガスセンサーと同様に、より振動に強いガスセンサーが得られる。
本発明の第3のガスセンサーは、
被測定ガスの所定のガス濃度を検出可能であり、表面に並設された複数の表面電極部及び裏面に並設された複数の裏面電極部を有するセンサー素子と、
前記センサー素子の前記複数の表面電極部と接触する導通部が形成された複数の細長い第1接触金具と、
前記センサー素子の前記複数の裏面電極部と接触する導通部が形成された複数の細長い第2接触金具と、
前記複数の第1接触金具を該第1接触金具の長手方向と略直交する方向に並べ且つ前記複数の表面電極部と対向するように保持するセラミックス製の第1ハウジングと、
前記複数の第2接触金具を該第2接触金具の長手方向と略直交する方向に並べ且つ前記複数の裏面電極部と対向するように保持するセラミックス製の第2ハウジングと、
前記センサー素子の長手方向に沿った中心軸を有し、前記第1ハウジング及び第2ハウジングの周囲に位置する円筒状のメタルチューブと、
断面が略U字状であり、該U字の両端が前記メタルチューブの内周面と接触し、該メタルチューブに押圧されることで生じた弾性力によって前記第1ハウジングと前記第2ハウジングとが前記センサー素子を挟んで接近する方向に該第1ハウジングを押圧する第1弾性部材と、
断面が略U字状であり、該U字の両端が前記メタルチューブの内周面と接触し、該メタルチューブに押圧されることで生じた弾性力によって前記第1ハウジングと前記第2ハウジングとが前記センサー素子を挟んで接近する方向に該第2ハウジングを押圧する第2弾性部材と、
を備えたガスセンサーであって、
前記第1弾性部材は、前記両端の少なくとも一方が、前記メタルチューブの内周面のうち前記接触している部分の曲率半径以下の曲率半径を持ち該メタルチューブの内周面と接触する曲面を有する曲面接触部位となるように形成されており、
前記第2弾性部材は、前記両端の少なくとも一方が、前記メタルチューブの内周面のうち前記接触している部分の曲率半径以下の曲率半径を持ち該メタルチューブの内周面と接触する曲面を有する曲面接触部位となるように形成されており、
前記第1弾性部材及び前記第2弾性部材は、前記曲面接触部位における前記メタルチューブの内周面と接触する曲面がメッキされているか、又はフッ素樹脂でコーティングされているか、又は液体潤滑剤が塗布されているか、又は固体潤滑剤が塗布されている、
ものである。
このガスセンサーでは、第1弾性部材及び第2弾性部材は、曲面接触部位におけるメタルチューブの内周面と接触する曲面がメッキされているか、又はフッ素樹脂でコーティングされているか、又は液体潤滑剤が塗布されているか、又は固体潤滑剤が塗布されており、第1弾性部材及び第2弾性部材はメタルチューブの内周面と接触するU字の両端の少なくとも一方が曲面接触部位となっている。このため、メタルチューブの内周面での第1弾性部材及び第2弾性部材の滑りがよくなる。これにより、上述した本発明の第1のガスセンサーと同様に、より振動に強いガスセンサーが得られる。
本発明のガスセンサーの製造方法は、
(a)被測定ガスの所定のガス濃度を検出可能であり、表面に並設された複数の表面電極部及び裏面に並設された複数の裏面電極部を有するセンサー素子と、前記センサー素子の前記複数の表面電極部と接触する導通部が形成された複数の細長い第1接触金具と、前記センサー素子の前記複数の裏面電極部と接触する導通部が形成された複数の細長い第2接触金具と、前記複数の第1接触金具を該第1接触金具の長手方向と略直交する方向に並べ且つ前記複数の表面電極部と対向するように保持するセラミックス製の第1ハウジングと、前記複数の第2接触金具を該第2接触金具の長手方向と略直交する方向に並べ且つ前記複数の裏面電極部と対向するように保持するセラミックス製の第2ハウジングと、を用意する工程と、
(b)内周面の算術平均粗さRaが値1μm以下の円筒状のメタルチューブと、断面が略U字状であり該U字の両端の少なくとも一方が曲面からなる曲面接触部位となるように形成されている第1弾性部材と、断面が略U字状であり該U字の両端の少なくとも一方が曲面からなる曲面接触部位となるように形成されている第2弾性部材と、を配置するにあたり、前記メタルチューブが前記第1ハウジング及び第2ハウジングの周囲に位置し且つ中心軸が前記センサー素子の長手方向に沿うようにし、前記第1弾性部材が前記メタルチューブと前記第1ハウジングとの間に位置し、前記第2弾性部材が前記メタルチューブと前記第2ハウジングとの間に位置するようにする工程と、
(c)前記メタルチューブを内側に押圧して塑性変形させることにより、前記第1弾性部材の前記両端が該メタルチューブに押圧されて生じた弾性力によって前記第1ハウジングと前記第2ハウジングとが前記センサー素子を挟んで接近する方向に前記第1弾性部材が該第1ハウジングを押圧し、前記第2弾性部材の前記両端が該メタルチューブに押圧されて生じた弾性力によって前記第1ハウジングと前記第2ハウジングとが前記センサー素子を挟んで接近する方向に前記第2弾性部材が該第2ハウジングを押圧するようにする工程と、
を含み、
前記第1弾性部材の曲面接触部位及び前記第2弾性部材の曲面接触部位は、前記工程(c)の塑性変形後の該メタルチューブの内周面と接触する曲面を有しており、該曲面の曲率半径は該メタルチューブの内周面の接触している部分の曲率半径以下である、
ものである。
このガスセンサーの製造方法によれば、メタルチューブの内周面のRaが1μm以下であると共に第1弾性部材及び第2弾性部材はメタルチューブの内周面と接触するU字の両端の少なくとも一方が曲面接触部位となっている。このため、上述した本発明の第1のガスセンサーと同様に、メタルチューブの内周面での第1弾性部材及び第2弾性部材の滑りがよくなり、第1弾性部材及び第2弾性部材の弾性機能により振動を吸収できる。これにより、振動に強いガスセンサーが得られる。また、メタルチューブの内周面での第1弾性部材及び第2弾性部材の滑りがよいため、工程(c)でメタルチューブの外周を内側に押圧して塑性変形させる際に、第1弾性部材及び第2弾性部材がメタルチューブの内周面に引っかかり不均一な変形を起こすことを防止できる。このため、第1弾性部材及び第2弾性部材の弾性力に偏りが生じてセンサー素子と第1接触金具及び第2接触金具との接触の片当たりが生じることを防止でき、振動時にセンサー素子と第1接触金具及び第2接触金具との接触不良が起こりにくくなる。このことによっても振動に強いガスセンサーを得ることができる。
本実施形態のガスセンサー10の縦断面図である。 コネクター50の斜視図である。 図2のコネクター50からメタルチューブ95を除いた様子を示す斜視図である。 コネクター50のハウジング51を示す分解斜視図である。 図2のA視図である。 図2のB−B断面図である。 図6のC−C断面図である。 第1ハウジング51a側から見た接触金具71,センサー素子20の位置関係を示す説明図である。 メタルチューブ95の破断面図である。 支持部71b及び導通部71cの変位と荷重との関係を示すグラフである。 センサー素子20及びコネクター50の振動時の説明図である。 接触金具71の曲げ加工前の状態を示す説明図である。 曲げ加工後の接触金具71を示す説明図である。 コネクター50の製造プロセスを模式的に示す斜視図である。 コネクター50の製造プロセスを模式的に示す斜視図である。 コネクター50の製造プロセスを模式的に示す斜視図である。 メタルチューブ95のカシメ加工の様子を示す説明図である。 メタルチューブ95を塑性変形させる様子を示す説明図である。 トルクを測定する様子を示す説明図である。 トルク波形の最大値,最小値,及び平均値を示すグラフである。 動摩擦係数μの算出に用いる変数を示す説明図である。 トルクから換算した動摩擦係数μの最大値,最小値,及び平均値を示すグラフである。 加熱振動試験の様子を示す説明図である。 加熱振動試験の振動条件を示す説明図である。 加熱振動試験の結果を示す説明図である。 加熱振動試験の結果を示す説明図である。 従来例のコネクター300の分解斜視図である。 従来例のコネクター300の正面図である。
次に、本発明を実施するための形態を図面を用いて説明する。
図1は本発明の実施形態であるガスセンサー10の縦断面図であり、図2はコネクター50の斜視図であり、図3は図2のコネクター50からメタルチューブ95を除いた様子を示す斜視図であり、図4はコネクター50のハウジング51を示す分解斜視図である。また、図5は図2のA視図であり、図6は図2のB−B断面図であり、図7は図6のC−C断面図であり、図8は第1ハウジング51a側から見た接触金具71,センサー素子20の位置関係を示す説明図である。さらに、図9はメタルチューブ95の破断面図であり、図10は支持部71b及び導通部71cの変位と荷重との関係を示すグラフであり、図11はセンサー素子20及びコネクター50の振動時の説明図であり、図12は接触金具71の曲げ加工前の状態を示す説明図であり、図13は曲げ加工後の接触金具71を示す説明図である。
図1に示すように、ガスセンサー10は、被測定ガスから所定のガス成分を測定するセンサー素子20と、センサー素子20の一方の端部を保護する保護カバー30と、センサー素子20と導通するコネクター50を含むセンサー組立体40とを備えている。このガスセンサー10は、例えば車両の排ガス管に取り付けられて被測定ガスとしての排気ガスに含まれるNOxやO2等のガス成分を測定するために用いられる。
センサー素子20は、細長な長尺の板状体形状の素子であり、ジルコニア(ZrO2)等の酸素イオン伝導性固体電解質層からなる例えば6枚のセラミックス基板を積層して形成されている。なお、センサー素子20の保護カバー30側の端部を先端と表記し、コネクター50側の端部を基端と表記する。このセンサー素子20の基端表面及び裏面には、図7に示すように4つの表面電極21a及び4つの裏面電極21bが形成されている。なお、表面電極21a及び裏面電極21bを併せて電極21と表記する。この電極21は、センサー素子20に電圧を印加したり、センサー素子20が検出するガス成分の濃度に応じて生じる起電力又は電流を取り出したりするためのものであり、センサー素子20内部の電路を介してセンサー素子20の先端内の電極と導通している(図示せず)。表面電極21a,裏面電極21bの位置については後述する。
保護カバー30は、図1に示すように、センサー素子20の先端の周囲を取り囲むように配置されている。この保護カバー30は、センサー素子20の先端を覆う内側保護カバー31と、この内側保護カバー31を覆う外側保護カバー32とを備えている。内側保護カバー31は、筒状に形成され、センサー素子20の先端に被測定ガスを導入するための内側保護カバー孔31aを備えている。外側保護カバー32は、有底筒状に形成され、側面に被測定ガスを導入するための外側保護カバー孔32aを備えている。内側保護カバー31,外側保護カバー32は、例えばステンレス鋼などの金属製である。
センサー組立体40は、金属製の主体金具41と、主体金具41に溶接固定された円筒形の内筒42及び外筒46と、センサー素子20の基端に接続されたコネクター50と、を備えている。主体金具41は、雄ネジ部41aにより例えば車両の排ガス管に取り付け可能になっている。内筒42の内部には、複数のセラミックスサポーター43a〜43cと、セラミックスサポーター43a,43b間及びセラミックスサポーター43b,43c間に充填されたタルク等のセラミックス粉体44a,44bとが封入されている。外筒46は、内筒42,センサー素子20,コネクター50の周囲を覆っており、コネクター50に接続されたリード線45が外部に引き出されている。このリード線45は、コネクター50を介してセンサー素子20の各電極21と導通している。外筒46とリード線45との隙間はゴム栓47によって封止されている。ここで、センサー素子20はセラミックスサポーター43a〜43c,セラミックス粉体44a,44b内を貫通しており、主に主体金具41及びセラミックス粉体44a,44bによって固定されている。そのため、例えばガスセンサー10が車両など振動する環境に取り付けられた場合には、セラミックスサポーター43cの上端部Pを支点として、上端部Pよりもコネクター50側のセンサー素子20やコネクター50,リード線45が振動する。一方、上端部Pよりも保護カバー30側のセンサー素子20は主体金具41,セラミックス粉体44a,44bに覆われているため比較的振動の影響が少ない。
次に、コネクター50について詳細に説明する。図5に示すように、コネクター50は、第1ハウジング51a及び第2ハウジング51bと、接触金具71と、固定金具90と、第1Uスプリング92aと、第2Uスプリング92bと、メタルチューブ95と、を備えている。
第1ハウジング51a及び第2ハウジング51bは、アルミナ焼結体などのセラミックス製であり、それぞれ4つの接触金具71を接触金具71の長手方向(X方向)と直交する方向(Y方向)に並べて保持する部材である。第1ハウジング51aと第2ハウジング51bとは同じ形状であるため、第1ハウジング51aと第2ハウジング51bにおける同じ構成要素については同じ符号を付して説明する。また、第1ハウジング51aと第2ハウジング51bとを併せてハウジング51と表記する。ハウジング51は、図4に示すように、接触金具71を係止する4つの係止溝52と、接触金具71が挿入される4つの挿入孔53と、各挿入孔53内に形成されて接触金具71を係止する係止部54と、を備えている。また、ハウジング51は、センサー素子20を挟んでY方向の一方の側面に突出部55を備え、他方の側面に第1ハウジング51aと第2ハウジング51bとのX方向の相対位置を規制する規制部材56,57を備えている(図4参照)。突出部55は、対向するハウジング51の規制部材56と規制部材57との間の窪みに挿入されるようになっており、これにより第1ハウジング51aと第2ハウジング51bとのX方向の相対位置を規制可能になっている。
接触金具71は、図6に示すように、センサー素子20の電極21と1対1に対向する位置にハウジング51によって保持されるものである。この接触金具71は、図13に示すように、湾曲した形状により係止溝52に係止される先端部71aと,センサー素子20に向かって湾曲することで電極21と接触する支持部71bと,センサー素子20に向かって湾曲することで電極21と接触する導通部71cと、挿入孔53内に挿入される立直部71dと、コネクター50の外部に引き出されてリード線45と電気的に接続される接続部71fと、を備えている。なお、第1ハウジング51aに保持される接触金具71の支持部71b及び導通部71cは、センサー素子20の表面電極21aと接触し、第2ハウジング51bに保持される接触金具71の支持部71b及び導通部71cは、センサー素子20の裏面電極21bと接触するようになっている(図6,7参照)。また、立直部71dは、湾曲した形状により係止部54に係止されるフック部71eを備えている。
ここで、接触金具71とセンサー素子20の電極21との位置関係について説明する。図6,図8に示すように、センサー素子20の表面電極21aは、センサー素子20の基端から支持部71bに対向する位置まで形成されている。また、Y方向に並ぶ4つの表面電極21aのうち、中央の2つの表面電極21aは、上述したセンサー素子20内部の電路と導通するために形成されたスルーホール21eと導通している。図8に示すように、各スルーホール21eは導通部71cと支持部71bとの間の位置に形成されている。なお、裏面電極21bと接触金具71との位置関係や、裏面電極21bに導通するスルーホール21eの位置もこれと同様であるため説明を省略する。
第1Uスプリング92aは、固定金具90を介して第1ハウジング51aを押圧する断面略U字状で金属製の弾性部材であり、第2Uスプリング92bは固定金具90を介して第2ハウジング51bを押圧する断面略U字状で金属製の弾性部材である。なお、第1Uスプリング92aと第2Uスプリング92bとは同じ形状であるため、同じ構成要素については同じ符号を付して説明する。また、第1Uスプリング92aと第2Uスプリング92bとを併せてUスプリング92と表記する。このUスプリング92は、図5,図7に示すように、U字の両端である先端93,94でメタルチューブ95の内周面と接している。この先端93,94は、先端が屈曲した形状をしており、この屈曲した曲面でメタルチューブ95の内周面と接する曲面接触部位として形成されている。また、メタルチューブ95の内周面と接触する曲面は、曲率半径がメタルチューブ95の内周面のうち接触している部分の曲率半径以下となるように形成されている。例えば、図7の拡大図に示すように、第2Uスプリング92bの先端93のうちメタルチューブ95の内周面と接触している曲面93aの曲率半径は、メタルチューブ95の内周面のうち先端93と接触している部分である曲面95aの曲率半径よりも小さい。Uスプリング92の先端93,94におけるメタルチューブ95と接触している部分の曲面の曲率半径は、特に限定するものではないが、例えば0.3mm〜5.1mmである。このUスプリング92は、先端93,94がメタルチューブ95に押圧されることで生じた弾性力によって、固定金具90を介して第1ハウジング51a及び第2ハウジング51bをセンサー素子20を挟んで互いに接近する方向に押圧している。
メタルチューブ95は、第1Uスプリング92a及び第2Uスプリング92bと接しており第1ハウジング51a及び第2ハウジング51bを取り囲んでいる円筒状の部材である。このメタルチューブ95は、中心軸がセンサー素子20の長手方向に沿うように配置されている。このメタルチューブ95は、上述したように内周面でUスプリング92の先端93,94を押圧することでUスプリング92に弾性力を生じさせている。メタルチューブ95には、図5,7に示すように外周面に8つの突起96が形成され、内周面に8つの溝97が形成されている。この8つの突起96は各々45°ずつずれて形成されており、溝97は突起96と1対1に対向するように位置している。この突起96及び溝97は後述するメタルチューブ95のカシメ加工に伴い形成されたものであり、カシメ加工については後述する。なお、先端93,94はこの溝97を避けるように位置している。また、メタルチューブ95のうちセンサー素子20の基端側の端部には、他よりも内径が小さくなるように設けられた小径部98を備えている(図6,図9参照)。この小径部98により、Uスプリング92が図6における右方向に相対的にずれるのを防止している。メタルチューブ95は、特に限定するものではないが、内周面の半径(図9参照)が4mm〜8mmであり、厚さ(図9参照)が0.4mm〜1.0mmである。厚さが大きいほどメタルチューブ95が緩みにくい(Uスプリング92を押圧する力が減少しにくい)ため好ましい。メタルチューブ95の材質としては、例えばSUS430を用いることができる。メタルチューブ95は、熱膨張係数が小さいほど、温度上昇による膨張でUスプリング92が緩んでハウジング51を押圧する弾性力が減少することを防止できるため、好ましい。また、メタルチューブ95は内周面の算術平均粗さRaが1μm以下(好ましくは0.8μm以下)となるように形成されている。
固定金具90は、板状の金属を断面が略C字になるように曲げ加工したものであり、第1ハウジング51a及び第2ハウジング51bを挟持して互いに接近する方向に押圧可能な弾性力を有している。この弾性力及び上述したUスプリング92の弾性力により固定金具90は第1ハウジング51aと第2ハウジング51bとを挟持している。このとき、接触金具71の支持部71b,導通部71cがセンサー素子20の表面電極21a又は裏面電極21bと対向するように第1ハウジング51aと第2ハウジング51bとでセンサー素子20を挟み込んだ状態となっている。その結果、固定金具90の押圧力によって支持部71b,導通部71cがそれぞれ弾性変形してセンサー素子20を挟持して固定している。このとき、支持部71b,導通部71cが弾性変形しているため、これによる押圧力でセンサー素子20を確実に挟持して固定することができる。また、支持部71b,導通部71cが弾性変形しているため、支持部71bと電極21との電気的な接触及び導通部71cと電極21との電気的な接触を確実に保つことができる。
支持部71b,導通部71cは、固定金具90及びUスプリング92からの押圧力やそれに所定の余裕を持たせた押圧力の範囲では塑性変形しないように考慮して材料や湾曲のさせ方が定められている。また、支持部71b,導通部71cのばね定数は500〜4000N/mmの範囲であることが好ましい。このばね定数は、それぞれのハウジング51に組み付けられた状態での、支持部71b,導通部71cの頂部の接線に垂直な方向(Z方向)のばね定数をいう。このようにすることで、上記の効果をより確実に得ることができる。例えば、図10に示すように、支持部71b,導通部71cは、接触金具71を作製した直後は荷重がかかっておらず変位がゼロの状態であるため、変位も荷重もゼロ(グラフの原点)である。一方、センサ素子20をコネクタ50に組み付ける際には、支持部71b,導通部71cは荷重が加えられてZ方向に圧縮されるため、荷重が増加するにしたがって変位が増加する。このときの変位は、図10の直線A(バネ定数500N/mm)に沿って変化するものとする。そして、センサ素子20とコネクタ50との組み付けが終わったときには、荷重が50N、変位が100μmになり、その後、0〜50Nの範囲において、荷重が減少した場合には直線Aを下向き矢印に沿って低下し、荷重が増加した場合には直線Aを上向き矢印に沿って増加するものとする。このように、初期の荷重−変位の関係を直線A、組み付け後の荷重−変位の関係も直線Aとなるようにするには、材料や湾曲のさせ方を適宜設定すればよい。あるいは、センサ素子20とコネクタ50との組み付けが終わり、荷重が50N、変位が100μmになった後、0〜50Nの範囲において、荷重が減少した場合には直線B(バネ定数1000N/mm)を下向き矢印に沿って低下し、荷重が増加した場合には直線Bを上向き矢印に沿って増加するように材料等を設定してもよい。あるいは、センサ素子20とコネクタ50との組み付けが終わったときには、荷重が100N、変位が200μmになり、その後、0〜100Nの範囲において、荷重が減少した場合には直線C(バネ定数4000N/mm)を下向き矢印に沿って低下し、荷重が増加した場合には直線Cを上向き矢印に沿って増加するように材料等を設定してもよい。以上のようにして、センサ素子20とコネクタ50との組み付けが終わった後の支持部71b,導通部71cのバネ定数を500〜4000N/mmに設定することができる。
こうして構成されたガスセンサー10の、特にセンサー素子20及びコネクター50の振動時の様子について図11を用いて説明する。Uスプリング92が図11の実線で示す位置にあるときに、ガスセンサー10に振動が加わり図11の上向きの力がコネクター50にかかった場合、Uスプリング92は図の破線で示すように変形する。具体的には、第1Uスプリング92aは先端93,94がメタルチューブ95の内周面を滑って互いに接近する方向に変位し、自身の弾性機能により振動を吸収する。また、図11の下向きの力がコネクター50にかかった場合には、同様にUスプリング92bの先端93,94がメタルチューブ95の内周面を滑って互いに接近する方向に変位し、自身の弾性機能により振動を吸収する。このように、本実施形態のガスセンサー10では、メタルチューブ95の内周面の算術平均粗さRaを1μm以下とし、Uスプリング92の先端93,94を曲面接触部位としていることで、メタルチューブ95の内周面とUスプリング92の先端93,94との滑りがよくなり振動を吸収できる。これにより、接触金具71とセンサー素子20との導通不良や、センサー素子20の疲労及び割れが起こりにくくなる。一方、Uスプリング92の先端93,94がメタルチューブ95の内周面に引っかかって停滞していると、図11の破線のように変形することができずUスプリング92で振動が吸収できない。この場合には、センサー素子20と接触金具71との接点に振動による力が加わるため、接触金具71とセンサー素子20との導通不良や、センサー素子20の疲労及び割れが起こりやすくなる。本実施形態のガスセンサー10は、このようなことを防止でき、振動に強くなっている。なお、上述したようにUスプリング92の先端93,94はメタルチューブ95の溝97を避けるように位置しており、先端93,94が振動によって接近又は離間して位置が変位しても溝97の位置までは到達しないようになっている。このようにするためには、例えば予め想定したガスセンサー10にかかる振動の範囲内におけるUスプリング92の先端93,94の変位する範囲が溝97の位置にかからないよう、Uスプリング92の材質や形状,溝97の位置を定めておけばよい。
次に、ガスセンサー10の製造方法について説明する。最初に、接触金具71の製造方法について説明する。接触金具71は板状の金属を型抜きし、曲げ加工をすることにより製造したものである。まず、図12に示すように、略長方形状の金属板部100と、金属板部100の片方の長辺に繋がる金属片110とを有する形状に板状の金属を型抜きする。そして、金属板部100のうち領域100a,100fを図12の紙面手前側に湾曲させることで図13に示した先端部71a,接続部71fを形成し、領域100b,100cを図12の紙面奥側に湾曲させることで図13に示した支持部71b、導通部71cを形成する。一方、金属片110は、直線111aを支点として領域111を紙面手前側に90°折り曲げ、直線112aを支点として領域112を折り曲げることにより立直部71dを形成する。なお、フック部71eは、領域113を湾曲させることにより形成する。このようにして接触金具71を製造することで、板状の金属から立体的な形状の接触金具71を容易に製造することができる。また、金属板部100には図12,13に示すように、領域111の厚さ以上の深さの凹み部101が形成されており、直線111aを支点として領域111を折り曲げたときに、領域111が金属板部100の表面102の直上の領域内に収まるようになっている。さらに、領域112,113についても金属板部100の表面102の直上の領域内に収まるように幅が定められていると共に、フック部71eは領域113を金属板部100の長手方向に沿って接続部71fの方向へ湾曲して形成されているため、立直部71d全体も金属板部100の表面102の直上の領域内に収まっている。複数の接触金具71の立直部71dをこのような形状とすることにより、接触金具71を接触金具71の長手方向と直交する方向に並べた状態で保持する際の並び幅を小さくでき、結果としてハウジング51の小型化が可能になる。すなわちコネクター50の小型化が可能になる。また、コネクター50とセンサー素子20とが弾性体である接触金具71で連絡しているため、外筒46→ゴム栓47→リード線45→コネクター50と伝播する振動はセンサー素子20に直接には伝播しない。例えばコネクター50とセンサー素子20との連絡が接触金具に設けた弾性力を持たない突起部である場合には、外筒46→ゴム栓47→リード線45→コネクター50と伝播する振動はセンサー素子20に直接に伝播してしまう。更には、ガスセンサー10が車両など振動する環境に取り付けられた場合には、上述したように図1に示した上端部Pを支点としてセンサー素子20及びコネクター50が振動する。このような場合は、接触金具71が弾性力を持たなければ、コネクター50のみならず、リード線45,ゴム栓47,外筒46についてもセンサー素子20の振動系に含まれることになり、上端部Pを支点として過大な繰り返し応力の発生が懸念される。本実施形態では接触金具71が弾性体のままコネクター50とセンサー素子20とを連絡しているため、上記懸念が格段に払拭される。加えて、コネクター50が小型化、すなわち軽量化されているほど振動によってコネクター50に発生するモーメントを小さくできるため、コネクター50のモーメントによるセンサー素子20にかかる繰り返し応力が小さくなりセンサー素子20の寿命を長くできる。また、コネクター50に発生するモーメントが小さくなることで、コネクター50の振動に対する耐久性を向上させてコネクター50の寿命をより長くできる。
続いて、コネクター50の製造方法について図14〜図16を用いて説明する。図14〜15は、コネクター50の製造プロセスを模式的に示す斜視図である。まず、第2ハウジング51bを用意し(図14(a))、この第2ハウジング51bに4つの接触金具71を接触金具71の長手方向と直交する方向に並べて保持させる(図14(b))。続いて、図1に示したセンサー素子20,主体金具41,保護カバー30,内筒42,セラミックスサポーター43a〜43c,セラミックス粉体44a,44bからなる一次組立品を用意する。なお、一次組立品は、例えば次のようにして組み立てる。まず、主体金具41内に内筒42を溶接固定し、内筒42及び主体金具41内にセンサー素子20を挿入した状態で内筒42及び主体金具41の内部に複数のセラミックスサポーター43a〜43c,セラミックス粉体44a,44bを封入する。次に、主体金具41に内側保護カバー31及び外側保護カバー32を溶接固定し保護カバー30を形成して一次組立品とする。そして、この一次組立品のセンサー素子20の裏面電極21bが接触金具71の支持部71b及び導通部71cと導通するように、センサー素子20を第2ハウジング51b上に配置する(図14(c))。なお、図14(c)では一次組立品のうちセンサー素子20以外は図示を省略している。続いて、図14(b)と同様に第1ハウジング51aにも4つの接触金具71を接触金具71の長手方向と直交する方向に並べて保持させ、センサー素子20を第1ハウジング51a及び第2ハウジング51bで挟み込むようにする(図15(a))。これにより、センサー素子20の表面電極21aが接触金具71の支持部71b及び導通部71cとそれぞれ1体対1に対向して導通する。なお、このとき、接触金具71の接続部71fは、ゴム栓47内を通したリード線45と接続しておく。
次に、板状の金属を断面が略C字になるように曲げ加工して固定金具90を形成し、この固定金具90の開放部分を一時的に広げて中に第1ハウジング51a及び第2ハウジング51bを挿入する(図15(b))。これにより固定金具90が第1ハウジング51a及び第2ハウジング51bを互いに接近する方向に押圧して固定する。そして、固定金具90及びハウジング51を挟み込むように、第1Uスプリング92a,第2Uスプリング92bを取り付ける(図15(c))。この第1Uスプリング92a及び第2Uスプリング92bは、板状の金属をU字状に曲げ加工して形成することができる。なお、第1Uスプリング92a及び第2Uスプリング92bのU字の先端93,94は、所定の半径を持つ曲面を有する曲面接触部位となるように曲げ加工しておく。また、Uスプリング92は、先端93,94がハウジング51とは反対側を向くように取り付ける。なお、Uスプリング92は、予め固定金具90に取り付けておくものとしてもよい。続いて、内周面の算術平均粗さRaが値1μm以下の円筒状のメタルチューブ95を用意し、メタルチューブ95がハウジング51及びUスプリング92の周囲に位置し且つ中心軸がセンサー素子20の長手方向に沿うように配置する(図16(a))。これにより、第1Uスプリング92aがメタルチューブ95と第1ハウジング51aとの間に位置し、第2Uスプリング92aがメタルチューブ95と第2ハウジング51bとの間に位置することになる。なお、メタルチューブ95の内周面は、例えばメタルチューブ95の内周面の半径よりわずかに大きい半径の鋼球を通過させるなどのしごき加工や、バレル研磨,ショットピーニングなどの方法により算術平均粗さRaが値1μm以下にすることができる。
メタルチューブ95とUスプリング92とを配置すると、メタルチューブ95の外周を加締めるカシメ加工を行い、内径を減寸する(図16(b))。このカシメ加工を行う様子を図17に示す。カシメ加工を行う際には、まず、図17(a)に示すようにカシメ加工前のメタルチューブ95の周囲をカシメ治具99で囲むようにする。このカシメ治具99は、メタルチューブ95よりも径の大きい円筒状の部材を45°ずつに切り分けて8つの部品99a〜99hとしたものである。そして、この部品99a〜99hでメタルチューブ95を囲ったあと、カシメ治具99の外周から内側(メタルチューブ95の円の中心方向)へ部品99a〜99hを押圧することにより、メタルチューブ95の外周を加締めて内径を減寸させる(図17(b))。カシメ治具99の外周から押圧する方法としては、例えば中空の円錐形部材のように軸方向に向けて徐々に内径が小さくなる形状の部材を用意し、その中にカシメ治具99ごとメタルチューブ95を挿入して軸方向に圧入することにより行う。なお、このカシメ加工により、部品99a〜99hの隙間部分に対応する位置に上述したメタルチューブ95の突起96及び溝97が形成されることになる。したがって、このカシメ加工は、先端93,94がこの溝97を避けることができるように部品99a〜99hを配置して行う。なお、部品99a〜99hの数や形状は図17のものに限らない。例えば、図17における部品99a〜99hは円筒状の部材を45°ずつ均等に切り分けたものであるため各々の形状は同じであるが、均等に切り分けず各々の形状が異なっていてもよい。
このようにカシメ加工を行うと、メタルチューブ95の内周面がUスプリング92の先端93,94の曲面に接触してこれを押圧し、Uスプリング92には弾性力が生じる。この弾性力により、第1Uスプリング92aは、第1ハウジング51aと第2ハウジング51bとがセンサー素子20を挟んで接近する方向に第1ハウジング51aを押圧することになる。同様に、第2Uスプリング92bは、第1ハウジング51aと第2ハウジング51bとがセンサー素子20を挟んで接近する方向に第2ハウジング51bを押圧することになる。こうすることで、センサー素子20がハウジング51に挟持される。なお、メタルチューブ95をどの程度の内径まで減寸するかは、減寸後の内径とUスプリング92に要求される弾性力とに基づいて、実験により定めておけばよい。また、上述したUスプリングの先端93,94のうちメタルチューブ95の内周面と接触する曲面の曲率半径は、カシメ加工後のメタルチューブ95の内周面の曲率半径(本実施形態では内周面の半径と同義)以下となるように予め定めた値としておく。カシメ加工を行うと、メタルチューブ95のうちセンサー素子20の基端側の端部のみを内側に押圧して小径部98を形成する。これにより、上述したコネクター50を得る。
このようにして一次組立品のセンサー素子20を挟持したコネクター50を形成すると、外筒46を主体金具41に溶接固定して、図1に示したガスセンサー10を得る。
このようにして製造したガスセンサー10は、上述した効果、すなわち、メタルチューブ95の内周面とUスプリング92bの先端93,94との滑りがよくなり振動を吸収できる効果が得られる。また、メタルチューブ95の内周面とUスプリング92bの先端93,94との滑りがよいため、メタルチューブ95の外周をカシメ加工する際に、Uスプリング92の先端93,94がメタルチューブの内周面に引っかかり不均一な変形を起こすことを防止できる。このため、Uスプリング92の弾性力に偏りが生じてセンサー素子20と接触金具71との接触の片当たりが生じることを防止でき、振動時にセンサー素子20と接触金具71との接触不良が起こりにくくなるという効果も得られる。これらのことから、振動に強いガスセンサー10を得ることができる。
ここで、本実施形態の構成要素と本発明の構成要素との対応関係を明らかにする。本実施形態のセンサー素子20が本発明のセンサー素子に相当し、接触金具71が第1接触金具及び第2接触金具に相当し、第1ハウジング51aが第1ハウジングに相当し、第2ハウジング51bが第2ハウジングに相当し、メタルチューブ95がメタルチューブに相当し、第1Uスプリング92aが第1弾性部材に相当し、第2Uスプリング92bが第2弾性部材に相当し、固定金具90が第3弾性部材に相当する。
なお、本発明は上述した実施形態に何ら限定されることはなく、本発明の技術的範囲に属する限り種々の態様で実現し得ることはいうまでもない。
例えば、上述した実施形態では、メタルチューブ95の内周面の算術平均粗さRaを値1μm以下とすることで、メタルチューブ95の内周面でのUスプリング92の滑りをよくしているが、メタルチューブ95は、内周面がメッキされているか、又はフッ素樹脂でコーティングされているか、又は液体潤滑剤が塗布されているか、又は固体潤滑剤が塗布されているものとしてもよい。あるいは、Uスプリング92の両端33,34におけるメタルチューブ95の内周面と接触する曲面がメッキされているか、又はフッ素樹脂でコーティングされているか、又は液体潤滑剤が塗布されているか、又は固体潤滑剤が塗布されているものとしてもよい。このようにしても、メタルチューブ95の内周面でのUスプリング92の滑りがよくなり振動に強いガスセンサーが得られる。なお、このようにメッキ等を施す場合には、メタルチューブ95の内周面の算術平均粗さRaは1μm以下であってもよいし、1μmを超えていてもよい。メッキの具体例としては、例えば、銀メッキが挙げられる。メッキの厚さとしては、特に限定するものではないが、例えば1〜2μmである。液体潤滑剤の具体例としては、プレスオイル(例えばアクア化学製 アクアプレスMA−10R)等の高純度精製オイルが挙げられる。固体潤滑剤の具体例としては、二硫化モリブデンが挙げられる。
上述した実施形態では、Uスプリング92の両端である先端93,94をいずれも曲面接触部位としているが、いずれか一方のみ曲面接触部位としてもよい。ただし、いずれも曲面接触部とした方がメタルチューブ95の内周面とUスプリング92との滑りがよくなるため好ましい。
上述した実施形態では、規制部材56,57は第1ハウジング51a,第2ハウジング51bが備えるものとしたが、第1ハウジング51a,第2ハウジング51bとは別の部材であってもよい。また、第1ハウジング51aと第2ハウジング51bとが共に両側の側面に規制部材を備えており、第1ハウジング51a及び第2ハウジング51bの対向する規制部材同士が接触することで互いの距離を固定するものとしてもよい。
上述した実施形態では、支持部71bと導通部71cとが共にセンサー素子20を押圧力で挟持するものとしたが、支持部71bを備えないものとしてもよい。ただし、上述したように導通部71cがスルーホール21eよりも基端側に位置している場合には、導通部71cからの押圧力がスルーホール21eに作用してセンサー素子20の割れを生じる可能性がある。このようなことを防止するためには、支持部71bでもセンサー素子20を挟持することが好ましい。
上述した実施形態では、フック部71eは接続部71fの方向に湾曲しているものとしたが、その反対の方向に湾曲するものとしてもよい。その場合、挿入孔53内の係止部54を挿入孔53内の反対側に形成すればよい。また、接触金具71の立直部71dが金属板部100の表面102の直上の領域内に収まっていれば、どのような折り曲げ加工により立直部71dを形成しても良い。
上述した実施形態では、図17に示すようにしてメタルチューブ95の外周を加締めるカシメ加工を行い内径を減寸することで、メタルチューブ95の内周面がUスプリング92の先端93,94の曲面に接触してこれを押圧し、Uスプリング92に弾性力を生じさせるものとしたが、メタルチューブ95を内側に押圧して塑性変形させることによりUスプリング92に弾性力を生じさせることができればどのような加工をしてもよい。例えば図18に示すように、図18(a)の状態から第1Uスプリング92a及び第2Uスプリング92bが互いに接近する方向(図の上下方向)にメタルチューブ95を押圧して塑性変形させ、図18(b)に示すようにメタルチューブ95を楕円形状に変形させることでUスプリング92に弾性力を生じさせるものとしてもよい。このようにすれば、突起96や溝97が生じないため溝97とUスプリング92の尖端93,94との位置関係を考慮する必要がない。
[実施例1〜11,比較例1]
上述したガスセンサー10の製造方法により、実施例1〜11,比較例1のガスセンサー10を作製した。実施例1〜11,比較例1のガスセンサーは、上述したカシメ加工前におけるメタルチューブ95の内周面の算術平均粗さRaの値やメッキ等の加工の有無が、表1に示すように異なっている。なお、表1における算術平均粗さRaの値は、しごき加工を行っている場合にはしごき加工後の値である。また、メッキ等のその他の加工を行っている場合には、その他の加工前の値である。表1以外の構成及び製造方法は同じである。具体的には、実施例1〜11,比較例1において、Uスプリング92はSUS301製,メタルチューブ95はSUS430製とし、Uスプリング92の先端93,94のメタルチューブ95と接する曲面の曲率半径は値0.5mm、メタルチューブ95の内周面の半径はカシメ加工前で5.9mm,カシメ加工後で5.2mmとした。
[評価試験1]
作製した実施例1〜11,比較例1のガスセンサー10について、メタルチューブ95を回転させた場合のトルクをトルクメーター100(日東精工製,NX500−TU)により測定した。図19は、トルクを測定する様子を示す説明図である。トルクの測定は以下のように行った。まず、図19(a)に示すようにガスセンサー10からセンサー素子20,コネクター50,リード線45,ゴム栓47のみを取り出し(これを予備組と表記する)、トルクメーター100の固定部材102でセンサー素子20を挟んで固定した。この状態でメタルチューブ95を把持部材104で把持しつつ回転軸106を中心に約20rpmの回転速度で回転(位相0°〜14°までの回転)させ、このときの回転軸106にかかるトルクの波形を測定した。そして、図19(b)に示すように測定したトルク波形の最大値,最小値,及び平均値を算出した。結果を図20に示す。なお、位相0°〜14°までの回転でトルクを測定しているのは、回転によりUスプリング92の先端93,94が溝97の位置まで移動すると使用時とは異なるトルクが生じてしまい適切な測定ができないためである。すなわち、ガスセンサー10の溝97は45°間隔で位置しており、回転によりUスプリング92の先端93,94が溝97の位置まで移動しない範囲で動かせる最大の回転角が14°(図7における左右方向に7°ずつ)であったため、0°〜14°の回転にとどめてトルクを測定している。なお、トルクの測定は、実施例1〜11,比較例1のガスセンサー10をそれぞれ3個ずつ作製してこの3個のガスセンサー10についてのトルク波形の最大値,最小値,平均値を算出することで行った。例えば、図20に示す実施例1のトルク波形の最大値,最小値は、実施例1の3個のガスセンサー10についてトルク波形を測定し、この3つの波形のうちの瞬時値の最大値,最小値を表している。また、図20に示す実施例1のトルク波形の平均値は、3つの波形におけるトルクの平均値を表している。
図20からわかるように、比較例1に比べて実施例1〜11のガスセンサー10はいずれもトルクが小さい値になっている。このことから、実施例1〜11のガスセンサー10は、比較例1と比べてメタルチューブ95の内周面とUスプリング92との滑りがよいことがわかる。なお、実施例1〜3の測定結果から、メタルチューブ95の内周面の算術平均粗さRaの値が小さいほどメタルチューブ95の内周面とUスプリング92との滑りがよくなることがわかる。また、比較例1と実施例4〜6の測定結果から、メタルチューブ95の内周面の算術平均粗さRaの値が同じであっても内周面にメッキ等の加工を行っている場合には、メタルチューブ95の内周面とUスプリング92との滑りがよくなることがわかる。さらに、実施例8〜11の測定結果から、メタルチューブ95の内周面の算術平均粗さRaの値を1μm以下とすることと、内周面のメッキ等の加工を行うこととの両方を行った場合には、いずれか一方を行った場合よりもメタルチューブ95の内周面とUスプリング92との滑りが滑りがよくなることがわかる。
なお、メタルチューブ95の内周面とUスプリング92との滑りの良さを表す値として、図20に示すトルクからメタルチューブ95の内周面とUスプリング92との間の動摩擦係数を算出することができる。図21は、この算出に用いる変数を示す説明図である。図示するように、メタルチューブ95を回転させる際のトルクをT(N・m),メタルチューブ95の内周面の半径をL(m),メタルチューブ95の内周面とUスプリング92との間の動摩擦係数をμ,メタルチューブ95を回転させる接線方向の力をF(N),Uスプリング92がメタルチューブ95をメタルチューブ95の半径方向に押圧する力(一方のUスプリング92における両端の押圧力の合計)をf(N)とすると、以下の式(1),(2)が成立し、ここから式(3)が導出できる。ここで、本実施形態では、上述したようにカシメ加工後のメタルチューブ95の内周面の半径Lは値0.0052mである。また、カシメ加工後のUスプリング92による押圧力fを測定したところ値250Nであった。そのため、この値と図20に示したトルクTの値とを用いて、メタルチューブ95の内周面とUスプリング92との間の動摩擦係数μを算出した。結果を図22に示す。図22の実施例1の動摩擦係数μの値からわかるように、メタルチューブ95の内周面の算術平均粗さRaの値を1μm以下とすることは、メタルチューブ95の内周面とUスプリング92との動摩擦係数μを値37.10以下とすることと換言することができる。また、同様に算術平均粗さRaの値を0.8μm以下とすることは、メタルチューブ95の内周面とUスプリング92との動摩擦係数μを値16.61以下とすることと換言することができる。なお、動摩擦係数μはカシメ加工後の値として算出したが、カシメ加工の前後で動摩擦係数μは変化せず一定値である。
T=L×F (1)
μ=F/f (2)
μ=T/f/L (3)
[評価試験2]
作製した実施例1〜11,比較例1のガスセンサー10について、加熱振動試験を行った。加熱振動試験の様子を図23(a)〜(c)に示す。なお、図23(b)は図23(a)のD視図であり、図23(c)は図23(b)のE視図である。図23に示すように、加熱振動試験は、ステンレス製のパイプ200の雌ネジ部にガスセンサー10の主体金具41の雄ネジ部41aを取り付けて保護カバー30がパイプ200の内部に入るようにし、パイプ200をガスバーナー202で加熱すると共に振動を加えることで行った。加熱条件は、ガス(プロパン)の空燃比λ=1.05±0.05,加熱温度850℃とした。振動条件は、図24に示す所定のパターンの周波数及び加速度の振動(正弦波)を30分1サイクルとしてパイプ200に加え、これを150時間繰り返すことで行った。図示するように、振動の周波数は50Hz〜250Hzの範囲で変化させ、加速度は30G〜50Gの範囲で変化させた。なお、加熱振動試験は、実施例1〜11,比較例1のガスセンサー10をそれぞれ20個用意して加熱振動試験を行った。この加熱振動試験の結果を図25,図26に示す。図25,図26における不良発生数は、実施例1〜11,比較例1のそれぞれについて20個のガスセンサー10のうち加熱振動試験中にセンサー素子20の電極21と接触金具71との導通不良が発生したガスセンサー10の数を表す。また、図25における回転トルク(平均値)は、図20に示したトルクの平均値を表し、図26における動摩擦係数(平均値)は、図22に示した動摩擦係数の平均値を表す。導通不良の判定は、接触金具71の電圧又は電流を測定することでセンサー素子20における電極21からの出力を測定し、この出力が途切れたときに導通不良と判定することで行った。なお、比較例1のガスセンサー10をまず12個用意して加熱振動試験を行ったところ不良発生数は値2であり、その後さらに8個について加熱振動試験を行ったところ、合計20個のうちの不良発生数は図25,26に示すように値6であった。
図25,26からわかるように、回転トルク(動摩擦係数)が小さいほど、すなわちメタルチューブ95の内周面とUスプリング92との滑りがよいほど、加熱振動試験における不良発生数が小さくなっている。特に、実施例3〜11では不良発生数は値0であった。この結果から、メタルチューブ95の内周面とUスプリング92との滑りがよいほど振動を吸収でき、接触金具71とセンサー素子20との導通不良が起こりにくくなることが確認できた。
本出願は、2010年1月19日に出願された米国仮出願61/296,079を優先権主張の基礎としており、引用によりその内容の全てが本明細書に含まれる。
本発明のガスセンサーは、例えば、O2センサやNOxセンサ、アンモニアガスセンサなどのガス検出センサーの技術分野に利用可能である。

Claims (16)

  1. 被測定ガスの所定のガス濃度を検出可能であり、表面に並設された複数の表面電極部及び裏面に並設された複数の裏面電極部を有するセンサー素子と、
    前記センサー素子の前記複数の表面電極部と接触する導通部が形成された複数の細長い第1接触金具と、
    前記センサー素子の前記複数の裏面電極部と接触する導通部が形成された複数の細長い第2接触金具と、
    前記複数の第1接触金具を該第1接触金具の長手方向と略直交する方向に並べ且つ前記複数の表面電極部と対向するように保持するセラミックス製の第1ハウジングと、
    前記複数の第2接触金具を該第2接触金具の長手方向と略直交する方向に並べ且つ前記複数の裏面電極部と対向するように保持するセラミックス製の第2ハウジングと、
    前記センサー素子の長手方向に沿った中心軸を有し、前記第1ハウジング及び第2ハウジングの周囲に位置する円筒状のメタルチューブと、
    断面が略U字状であり、該U字の両端が前記メタルチューブの内周面と接触し、該メタルチューブに押圧されることで生じた弾性力によって前記第1ハウジングと前記第2ハウジングとが前記センサー素子を挟んで接近する方向に該第1ハウジングを押圧する第1弾性部材と、
    断面が略U字状であり、該U字の両端が前記メタルチューブの内周面と接触し、該メタルチューブに押圧されることで生じた弾性力によって前記第1ハウジングと前記第2ハウジングとが前記センサー素子を挟んで接近する方向に該第2ハウジングを押圧する第2弾性部材と、
    を備えたガスセンサーであって、
    前記メタルチューブは、内周面の算術平均粗さRaが値1μm以下であり、
    前記第1弾性部材は、前記両端の少なくとも一方が、前記メタルチューブの内周面のうち前記接触している部分の曲率半径以下の曲率半径を持ち該メタルチューブの内周面と接触する曲面を有する曲面接触部位となるように形成されており、
    前記第2弾性部材は、前記両端の少なくとも一方が、前記メタルチューブの内周面のうち前記接触している部分の曲率半径以下の曲率半径を持ち該メタルチューブの内周面と接触する曲面を有する曲面接触部位となるように形成されている、
    ガスセンサー。
  2. 前記センサー素子は、平板状の素子である、
    請求項1に記載のガスセンサー。
  3. 前記メタルチューブは、内周面の算術平均粗さRaが値0.8μm以下である、
    請求項1又は2に記載のガスセンサー。
  4. 前記メタルチューブは、前記内周面がメッキされている、
    請求項1〜3のいずれか1項に記載のガスセンサー。
  5. 前記メタルチューブは、前記内周面がフッ素樹脂でコーティングされている、
    請求項1〜3のいずれか1項に記載のガスセンサー。
  6. 前記メタルチューブは、前記内周面に液体潤滑剤又は固体潤滑剤が塗布されている、
    請求項1〜3のいずれか1項に記載のガスセンサー。
  7. 前記第1弾性部材及び前記第2弾性部材は、前記曲面接触部位における前記メタルチューブの内周面と接触する曲面がメッキされている、
    請求項1〜6のいずれか1項に記載のガスセンサー。
  8. 前記第1弾性部材及び前記第2弾性部材は、前記曲面接触部位における前記メタルチューブの内周面と接触する曲面がフッ素樹脂でコーティングされている、
    請求項1〜6のいずれか1項に記載のガスセンサー。
  9. 前記第1弾性部材及び前記第2弾性部材は、前記曲面接触部位における前記メタルチューブの内周面と接触する曲面に液体潤滑剤又は固体潤滑剤が塗布されている、
    請求項1〜6のいずれか1項に記載のガスセンサー。
  10. 前記メタルチューブは、外周を加締めるカシメ加工をすることにより内径を減寸して形成された部材であり、
    前記第1弾性部材及び前記第2弾性部材は、前記カシメ加工により前記メタルチューブの内周面に生じた溝を避ける位置に前記U字の両端が位置している、
    請求項1〜9のいずれか1項に記載のガスセンサー。
  11. 前記第1弾性部材は、前記両端が共に前記曲面接触部位となるように形成されており、
    前記第2弾性部材は、前記両端が共に前記曲面接触部位となるように形成されている、
    請求項1〜10のいずれか1項に記載のガスセンサー。
  12. 前記第1接触金具及び前記第2接触金具の導通部は弾性体であり、
    前記センサー素子は、該第1接触金具の導通部が前記第1ハウジングを介した前記第1弾性部材からの押圧力により弾性変形することで生じた押圧力と、該第2接触金具の導通部が前記第2ハウジングを介した前記第2弾性部材からの押圧力により弾性変形することで生じた押圧力と、により挟持されている、
    請求項1〜11のいずれか1項に記載のガスセンサー。
  13. 請求項1〜12のいずれか1項に記載のガスセンサーであって、
    前記第1ハウジングと前記第2ハウジングとを挟持して互いに接近する方向に押圧する第3弾性部材、
    を備えたガスセンサー。
  14. 被測定ガスの所定のガス濃度を検出可能であり、表面に並設された複数の表面電極部及び裏面に並設された複数の裏面電極部を有するセンサー素子と、
    前記センサー素子の前記複数の表面電極部と接触する導通部が形成された複数の細長い第1接触金具と、
    前記センサー素子の前記複数の裏面電極部と接触する導通部が形成された複数の細長い第2接触金具と、
    前記複数の第1接触金具を該第1接触金具の長手方向と略直交する方向に並べ且つ前記複数の表面電極部と対向するように保持するセラミックス製の第1ハウジングと、
    前記複数の第2接触金具を該第2接触金具の長手方向と略直交する方向に並べ且つ前記複数の裏面電極部と対向するように保持するセラミックス製の第2ハウジングと、
    前記センサー素子の長手方向に沿った中心軸を有し、前記第1ハウジング及び第2ハウジングの周囲に位置する円筒状のメタルチューブと、
    断面が略U字状であり、該U字の両端が前記メタルチューブの内周面と接触し、該メタルチューブに押圧されることで生じた弾性力によって前記第1ハウジングと前記第2ハウジングとが前記センサー素子を挟んで接近する方向に該第1ハウジングを押圧する第1弾性部材と、
    断面が略U字状であり、該U字の両端が前記メタルチューブの内周面と接触し、該メタルチューブに押圧されることで生じた弾性力によって前記第1ハウジングと前記第2ハウジングとが前記センサー素子を挟んで接近する方向に該第2ハウジングを押圧する第2弾性部材と、
    を備えたガスセンサーであって、
    前記メタルチューブは、前記内周面がメッキされているか、又はフッ素樹脂でコーティングされているか、又は液体潤滑剤が塗布されているか、又は固体潤滑剤が塗布されており、
    前記第1弾性部材は、前記両端の少なくとも一方が、前記メタルチューブの内周面のうち前記接触している部分の曲率半径以下の曲率半径を持ち該メタルチューブの内周面と接触する曲面を有する曲面接触部位となるように形成されており、
    前記第2弾性部材は、前記両端の少なくとも一方が、前記メタルチューブの内周面のうち前記接触している部分の曲率半径以下の曲率半径を持ち該メタルチューブの内周面と接触する曲面を有する曲面接触部位となるように形成されている、
    ガスセンサー。
  15. 被測定ガスの所定のガス濃度を検出可能であり、表面に並設された複数の表面電極部及び裏面に並設された複数の裏面電極部を有するセンサー素子と、
    前記センサー素子の前記複数の表面電極部と接触する導通部が形成された複数の細長い第1接触金具と、
    前記センサー素子の前記複数の裏面電極部と接触する導通部が形成された複数の細長い第2接触金具と、
    前記複数の第1接触金具を該第1接触金具の長手方向と略直交する方向に並べ且つ前記複数の表面電極部と対向するように保持するセラミックス製の第1ハウジングと、
    前記複数の第2接触金具を該第2接触金具の長手方向と略直交する方向に並べ且つ前記複数の裏面電極部と対向するように保持するセラミックス製の第2ハウジングと、
    前記センサー素子の長手方向に沿った中心軸を有し、前記第1ハウジング及び第2ハウジングの周囲に位置する円筒状のメタルチューブと、
    断面が略U字状であり、該U字の両端が前記メタルチューブの内周面と接触し、該メタルチューブに押圧されることで生じた弾性力によって前記第1ハウジングと前記第2ハウジングとが前記センサー素子を挟んで接近する方向に該第1ハウジングを押圧する第1弾性部材と、
    断面が略U字状であり、該U字の両端が前記メタルチューブの内周面と接触し、該メタルチューブに押圧されることで生じた弾性力によって前記第1ハウジングと前記第2ハウジングとが前記センサー素子を挟んで接近する方向に該第2ハウジングを押圧する第2弾性部材と、
    を備えたガスセンサーであって、
    前記第1弾性部材は、前記両端の少なくとも一方が、前記メタルチューブの内周面のうち前記接触している部分の曲率半径以下の曲率半径を持ち該メタルチューブの内周面と接触する曲面を有する曲面接触部位となるように形成されており、
    前記第2弾性部材は、前記両端の少なくとも一方が、前記メタルチューブの内周面のうち前記接触している部分の曲率半径以下の曲率半径を持ち該メタルチューブの内周面と接触する曲面を有する曲面接触部位となるように形成されており、
    前記第1弾性部材及び前記第2弾性部材は、前記曲面接触部位における前記メタルチューブの内周面と接触する曲面がメッキされているか、又はフッ素樹脂でコーティングされているか、又は液体潤滑剤が塗布されているか、又は固体潤滑剤が塗布されている、
    ガスセンサー。
  16. (a)被測定ガスの所定のガス濃度を検出可能であり、表面に並設された複数の表面電極部及び裏面に並設された複数の裏面電極部を有するセンサー素子と、前記センサー素子の前記複数の表面電極部と接触する導通部が形成された複数の細長い第1接触金具と、前記センサー素子の前記複数の裏面電極部と接触する導通部が形成された複数の細長い第2接触金具と、前記複数の第1接触金具を該第1接触金具の長手方向と略直交する方向に並べ且つ前記複数の表面電極部と対向するように保持するセラミックス製の第1ハウジングと、前記複数の第2接触金具を該第2接触金具の長手方向と略直交する方向に並べ且つ前記複数の裏面電極部と対向するように保持するセラミックス製の第2ハウジングと、を用意する工程と、
    (b)内周面の算術平均粗さRaが値1μm以下の円筒状のメタルチューブと、断面が略U字状であり該U字の両端の少なくとも一方が曲面からなる曲面接触部位となるように形成されている第1弾性部材と、断面が略U字状であり該U字の両端の少なくとも一方が曲面からなる曲面接触部位となるように形成されている第2弾性部材と、を配置するにあたり、前記メタルチューブが前記第1ハウジング及び第2ハウジングの周囲に位置し且つ中心軸が前記センサー素子の長手方向に沿うようにし、前記第1弾性部材が前記メタルチューブと前記第1ハウジングとの間に位置し、前記第2弾性部材が前記メタルチューブと前記第2ハウジングとの間に位置するようにする工程と、
    (c)前記メタルチューブを内側に押圧して塑性変形させることにより、前記第1弾性部材の前記両端が該メタルチューブに押圧されて生じた弾性力によって前記第1ハウジングと前記第2ハウジングとが前記センサー素子を挟んで接近する方向に前記第1弾性部材が該第1ハウジングを押圧し、前記第2弾性部材の前記両端が該メタルチューブに押圧されて生じた弾性力によって前記第1ハウジングと前記第2ハウジングとが前記センサー素子を挟んで接近する方向に前記第2弾性部材が該第2ハウジングを押圧するようにする工程と、
    を含み、
    前記第1弾性部材の曲面接触部位及び前記第2弾性部材の曲面接触部位は、前記工程(c)の塑性変形後の該メタルチューブの内周面と接触する曲面を有しており、該曲面の曲率半径は該メタルチューブの内周面の接触している部分の曲率半径以下である、
    ガスセンサーの製造方法。
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