JP6406161B2 - ガスセンサ - Google Patents

Description

本発明は、ガス濃度を検出するためのガスセンサに関する。

ガスセンサは、例えば、内燃機関から排出される排ガスの酸素濃度、特定ガス濃度等を測定するために用いられる。
ガスセンサは、ガス検知部を有するセンサ素子を絶縁碍子に保持させ、絶縁碍子をハウジングに保持させて形成されている。センサ素子における電極端子部をガスセンサの外部の制御機器等と接続するために、電極端子部に、リード線と接続された金具としての接点部材を接触させることが行われている。また、絶縁碍子は、センサ素子を保持する部分と、接点部材を保持する部分とに分割して形成し、両部分を互いに嵌合させて構成することがある。

このような構造を有するガスセンサとしては、例えば、特許文献１に開示されたものがある。特許文献１においては、互いに嵌合させる第１絶縁碍子と第２絶縁碍子とを用い、第１絶縁碍子には、センサ素子を内側に挿通して保持し、第２絶縁碍子には、センサ素子の電極端子に接触する接点部材を保持している。また、特許文献１においては、第１絶縁碍子の基端部と第２絶縁碍子の先端凹部とを嵌合させており、第１絶縁碍子の基端部の側面と、第２絶縁碍子の先端凹部の側面とには、互いに平行な一対の平面部と、一対の平面部間をつなぐ一対の外側に膨らむ凸状の曲面部とをそれぞれ形成している。そして、一対の平面部同士の対面によって、センサ素子が接点部材によって挟持される方向における、第１絶縁碍子と第２絶縁碍子との移動を規制し、一対の曲面部同士の対面によって、挟持方向に直交する方向における、第１絶縁碍子と第２絶縁碍子との移動を規制している。

特開２０１３−２５７３０５号公報

しかしながら、一対の曲面部によって、第１絶縁碍子と第２絶縁碍子との移動を規制する場合には、次の課題が生じる。
すなわち、第１絶縁碍子と第２絶縁碍子とに生じる製造上の誤差等によって、一対の曲面部同士の隙間の大きさは一定になりにくい。つまり、曲面形状の成形精度は、焼成時の収縮により歪みやすく、曲面同士を一定の隙間で完全に対面させることは難しい。そのため、一対の曲面部によっては、センサ素子の挟持方向に直交する方向における、第１絶縁碍子と第２絶縁碍子との位置決め精度を維持しにくい。それゆえ、第１絶縁碍子に保持されたセンサ素子の電極端子と、第２絶縁碍子に保持された接点部材との接触状態に、ばらつきが生じにくくするためには更なる工夫が必要とされる。

本発明は、かかる課題に鑑みてなされたものであり、第１絶縁碍子と第２絶縁碍子との嵌合の位置決め精度を向上させ、センサ素子の複数の電極端子部と複数の接点部材との接触状態にばらつきが生じにくいガスセンサを提供しようとするものである。

本発明の一態様は、長尺形状に形成され、長尺方向の先端側にガス検知部を有すると共に上記長尺方向の基端側に複数の電極端子部を有し、該電極端子部が、互いに平行な一対の素子表面にそれぞれ設けられたセンサ素子と、
上記ガス検知部を先端側に突出させると共に上記電極端子部を基端側に突出させる状態で上記センサ素子を保持する第１絶縁碍子と、
該第１絶縁碍子の基端側に嵌合し、上記電極端子部が配置される中心穴を有する第２絶縁碍子と、
上記中心穴内に配置され、上記電極端子部のそれぞれに接触する複数の接点部材と、を備え、
上記第１絶縁碍子の基端部と上記第２絶縁碍子の先端部とのいずれか一方には、上記素子表面と平行な一対の凹部側平行側面と、該凹部側平行側面以外の一対の凹部側残側面とを有する嵌合凹部が形成されており、他方には、該嵌合凹部に嵌合され、上記一対の凹部側平行側面と対向する一対の凸部側平行側面と、上記一対の凹部側残側面と対向する一対の凸部側残側面とを有する嵌合凸部が形成されており、
上記一対の凹部側残側面と上記一対の凸部側残側面との隙間の大きさは、該隙間の部位によって異なり、
いずれかの上記隙間の部位に、最も隙間が小さい最小隙間部が形成されている、ガスセンサにある。

上記ガスセンサにおいては、一対の凹部側残側面と一対の凸部側残側面との隙間の大きさは、この隙間の部位によって異なり、いずれかの上記隙間の部位に、最も隙間が小さい最小隙間部が形成されている。これにより、センサ素子の長手方向に直交する断面において、センサ素子の一対の素子表面と平行な方向における、第１絶縁碍子と第２絶縁碍子との位置決めを行う部位を、最小隙間部に特定することができる。そして、センサ素子が保持された第１絶縁碍子と、複数の接点部材が配置された第２絶縁碍子との、上記センサ素子の一対の素子表面と平行な方向における位置決め精度を向上させることができる。さらに、上記センサ素子の一対の素子表面と平行な方向において、センサ素子の複数の電極端子部と複数の接点部材との位置ずれが生じにくくすることができる。そのため、センサ素子の複数の電極端子部と複数の接点部材との接触状態にばらつきが生じにくくすることができる。

以上のごとく、上記一態様のガスセンサによれば、第１絶縁碍子と第２絶縁碍子との嵌合の位置決め精度を向上させ、センサ素子の複数の電極端子部と複数の接点部材との接触状態にばらつきが生じにくいガスセンサを提供することができる。

実施例１における、ガスセンサの構造を示す断面説明図。 実施例１における、第１絶縁碍子及び第２絶縁碍子周辺を示す断面説明図。 実施例１における、第２絶縁碍子の構造を示す断面説明図。 図２における、IV−IV線断面矢視図。 図２における、V−V線断面矢視図。 実施例２における、凹部側残側面と凸部側残側面との周辺を示す説明図。 実施例３における、凹部側残側面と凸部側残側面との周辺を示す説明図。 実施例４における、凹部側残側面と凸部側残側面との周辺を示す説明図。

（実施形態１）
ガスセンサの実施形態につき、図１〜図５を用いて説明する。
本実施形態のガスセンサ１は、図１に示すごとく、センサ素子２、第１絶縁碍子３、第２絶縁碍子４及び複数の接点部材５を備える。
センサ素子２は、長尺形状に形成され、長尺方向Ｘの先端側にガス検知部２１を有すると共に長尺方向Ｘの基端側に複数の電極端子部２２Ａ、２２Ｂ、２２Ｃを有する。複数の電極端子部２２Ａ、２２Ｂ、２２Ｃは、図４に示すごとく、センサ素子２に係る互いに平行な一対の素子表面２０にそれぞれ設けられている。第１絶縁碍子３は、図１に示すごとく、センサ素子２のガス検知部２１を先端側に突出させると共にセンサ素子２の電極端子部２２Ａ、２２Ｂ、２２Ｃを基端側に突出させる状態でセンサ素子２を保持する。第２絶縁碍子４は、第１絶縁碍子３の基端側に嵌合し、電極端子部２２Ａ、２２Ｂ、２２Ｃが配置される中心穴４０を有する。複数の接点部材５は、図２に示すごとく、中心穴４０内に配置され、電極端子部２２Ａ、２２Ｂ、２２Ｃのそれぞれに接触している。

第１絶縁碍子３の基端部３１には、図１に示すごとく、嵌合凸部７が形成されており、第２絶縁碍子４の先端部４１には、嵌合凸部７が嵌合される嵌合凹部６が形成されている。嵌合凹部６は、図５に示すごとく、素子表面２０と平行な一対の凹部側平行側面６１と、該凹部側平行側面６１以外の一対の凹部側残側面６２とを有する。嵌合凸部７は、一対の凹部側平行側面６１と対向する一対の凸部側平行側面７１と、一対の凹部側残側面６２と対向する一対の凸部側残側面７２とを有する。一対の凹部側残側面６２と一対の凸部側残側面７２との隙間８の大きさは、図５に示すごとく、隙間８の各部位によって異なる。隙間８のいずれかの部位に、最も隙間が小さい最小隙間部８１が形成されている。

ガスセンサ１は、車両の内燃機関の排気管等に配置され、排気管を流れる排ガスに含まれる酸素の濃度、又は特定ガス成分の濃度を測定するために用いられる。ガスセンサ１の説明においては、センサ素子２の長尺方向Ｘに平行な方向を軸方向Ｘとして示す。また、軸方向Ｘにおいて、センサ素子２のガス検知部２１が設けられた側を先端側といい、その反対側を基端側という。
また、複数の接点部材５によってセンサ素子２の一対の素子表面２０が挟持される挟持方向を符号Ｙによって示し、長尺方向Ｘ及び挟持方向Ｙに直交する方向を符号Ｚによって示す。

センサ素子２は、酸素イオン伝導性を有する固体電解質体と、固体電解質体の両側の表面に設けられた電極とを有している。センサ素子２には、固体電解質体を加熱するためのヒータが、固体電解質体に対向して積層されている。また、電極は、絶縁体等によって囲まれている。電極には、内燃機関の排ガスが導入される空間に配置されるものと、大気が導入される空間に配置されるものとがある。センサ素子２のガス検知部２１は、複数の電極が配置される部分に形成されている。ヒータは、セラミック基板と、セラミック基板に埋設され、通電によって発熱する発熱体とを有している。発熱体は、センサ素子２の先端側部分に対向する位置に配置されており、複数の電極が設けられた部位を最も加熱する。

複数の電極端子部２２Ａ、２２Ｂ、２２Ｃには、排ガスが接触する電極からリード部分を介して基端側に引き出された第１電極端子部２２Ａと、大気が接触する電極からリード部分を介して基端側に引き出された第２電極端子部２２Ｂと、発熱体の両端部からリード部分を介して基端側に引き出された一対の第３電極端子部２２Ｃとの４つがある。
センサ素子２は、図４に示すごとく、長方形の断面形状を有しており、その素子表面２０は、長方形の断面形状における一対の長辺を構成する表面である。一方の素子表面２０には、第１電極端子部２２Ａと第２電極端子部２２Ｂとが並んで配置されており、他方の素子表面２０には、一対の第３電極端子部２２Ｃが並んで配置されている。

第１絶縁碍子３は、ヒータが積層されたセンサ素子２を挿通させる挿通穴３２を有している。第２絶縁碍子４は、図３に示すごとく、その中心穴４０に配置された接点部材５の端部を基端側に引き出すための４つの挿通孔４２１を有している。第２絶縁碍子４における中心穴４０が設けられた部位には、中心穴４０の内壁面から突出する隔離部４３１が設けられている。隔離部４３１は、接点部材５を配置する位置を案内し、接点部材５同士の接触を防止するためのものである。また、第１絶縁碍子３及び第２絶縁碍子４は、セラミック材料から構成されている。

中心穴４０内には、図４に示すごとく、４つの接点部材５が配置されており、接点部材５には、第１電極端子部２２Ａに接触するもの、第２電極端子部２２Ｂに接触するもの、及び各第３電極端子部２２Ｃに接触するものがある。
各接点部材５は、金属板を折り曲げて、バネ弾性を有する形状に形成されている。各接点部材５は、そのバネ弾性によって各電極端子部２２Ａ、２２Ｂ、２２Ｃに接触するものである。また、接点部材５は、そのバネ弾性によって、センサ素子２の一対の素子表面２０を両側から挟持する。また、各接点部材５の先端部には、各電極端子部２２Ａ、２２Ｂ、２２Ｃに接触する接点部５１１が設けられている。

第１絶縁碍子３は、図１に示すごとく、ガスセンサ１を内燃機関の排気管等に取り付けるためのハウジング１１によって保持されている。ハウジング１１の先端側には、センサ素子２の先端側を覆う先端側カバー１２が固定されており、ハウジング１１の基端側には、基端側カバー１３が固定されている。一方、第２絶縁碍子４の基端側には、外部に接続される４本のリード線１４が配置されている。各リード線１４は、それぞれ接点部材５に電気的に接続されている。

第２絶縁碍子４における嵌合凹部６の側面は、図５に示すごとく、一対の凹部側平行側面６１と、凹部側平行側面６１間をつなぐ一対の凹部側残側面６２とによって構成されている。凹部側残側面６２は、凹部側平行側面６１に垂直な垂直面部６２１と、垂直面部６２１の両側において外側に円弧状に膨らむ一対の円弧側面部６２２とによって形成されている。嵌合凹部６においては、一対の凹部側平行側面６１による二面幅の形状と、一対の垂直面部６２１による二面幅の形状とが形成されている。

第１絶縁碍子３における嵌合凸部７の側面は、一対の凸部側平行側面７１と、凸部側平行側面７１間をつなぐ一対の凸部側残側面７２とによって構成されている。凸部側残側面７２は、外側に円弧状に膨らむ形状に形成されている。嵌合凸部７においては、一対の凸部側平行側面７１による二面幅の形状が形成されている。

嵌合凹部６と嵌合凸部７とが嵌合したときには、一対の凹部側平行側面６１と一対の凸部側平行側面７１とが対向すると共に、一対の凹部側残側面６２の垂直面部６２１と一対の凸部側残側面７２の円弧の頭頂部とが対向する。そして、一対の凹部側残側面６２と一対の凸部側残側面７２との隙間８における最小隙間部８１は、図５に示すごとく、垂直面部６２１と凸部側残側面７２との間に形成される。

本形態のガスセンサ１においては、凹部側残側面６２の垂直面部６２１と凸部側残側面７２との間に最小隙間部８１を形成することにより、次の優れた作用効果を奏することができる。
具体的には、センサ素子２の長尺方向Ｘに直交する断面において、センサ素子２の一対の素子表面２０と平行な方向における、第１絶縁碍子３と第２絶縁碍子４との位置決めを行う部位を、最小隙間部８１に特定することができる。そして、センサ素子２が保持された第１絶縁碍子３と、複数の接点部材５が配置された第２絶縁碍子４との、センサ素子２の一対の素子表面２０と平行な方向における位置決め精度を向上させることができる。

さらに、センサ素子２の一対の素子表面２０と平行な方向において、センサ素子２の複数の電極端子部２２と複数の接点部材５との位置ずれが生じにくくすることができる。そのため、センサ素子２の複数の電極端子部２２と複数の接点部材５との接触状態にばらつきが生じにくくすることができる。
それゆえ、本形態のガスセンサ１によれば、第１絶縁碍子３と第２絶縁碍子４との嵌合の位置決め精度を向上させ、センサ素子２の複数の電極端子部２２と複数の接点部材５との接触状態にばらつきが生じにくいガスセンサ１を提供することができる。

また、センサ素子２の一対の素子表面２０と垂直な方向における、第１絶縁碍子３と第２絶縁碍子４との位置決めは、図２に示すごとく、嵌合凹部６における一対の凹部側平行側面６１と、嵌合凸部７における一対の凸部側平行側面７１とによって行うことができる。
また、第２絶縁碍子４は、皿バネによって先端側、すなわち第１絶縁碍子３側に押圧された状態で保持されている。これにより、ガスセンサ１の軸方向Ｘにおいて、第１絶縁碍子３及び第２絶縁碍子４の移動を規制することができる。

ところで、第１絶縁碍子３及び第２絶縁碍子４は、高温の環境下において、接点部材５の絶縁性を確保するためにセラミック材料から構成されている。そして、第２絶縁碍子４の嵌合凹部６の凹部側残側面６２の全体を円弧状に成形する際には、円弧の全領域で寸法のばらつきを小さくすることは容易ではない。一方、第２絶縁碍子４の嵌合凹部６の凹部側残側面６２の一部を直線状に成形する際には、凹部側残側面６２の全体を円弧状に成形する場合に比べて、寸法のばらつきが第１絶縁碍子３と第２絶縁碍子４との位置ずれに影響する部位をその直線部に限定することができる。

具体的には、従来の一対の円弧状の凹部側残側面６２と、一対の円弧状の凸部側残側面７２とを対向させるときには、両者における円弧の曲率半径を正確に一致させることは困難である。また、従来の一対の円弧状の凹部側残側面６２の頭頂部間の距離のばらつきを少なくすることは困難である。そのため、従来の第１絶縁碍子と第２絶縁碍子との嵌合構造においては、特に、一対の素子表面２０と平行な方向であって長尺方向Ｘに直交する方向における、第１絶縁碍子３と第２絶縁碍子４との位置決めのばらつきを小さくすることが困難であった。そして、センサ素子２の複数の電極端子部２２Ａ、２２Ｂ、２２Ｃと、複数の接点部材５との接触位置が、一対の素子表面２０と平行な方向であって長尺方向Ｘに直交する方向に位置ずれしやすい状況にあった。

これに対し、本形態のガスセンサ１においては、一対の凹部側残側面６２のそれぞれに直線状の垂直面部６２１を形成し、一対の垂直面部６２１を一対の円弧状の凸部側残側面７２と対向させている。そして、直線状の垂直面部６２１を形成する部位の成形精度を高めることができる。これにより、一対の凹部側残側面６２の一部に形成した垂直面部６２１間の距離のばらつきを少なくすることができる。そのため、第１絶縁碍子３と第２絶縁碍子４との嵌合構造においては、特に、一対の素子表面２０と平行な方向であって長尺方向Ｘに直交する方向における、第１絶縁碍子３と第２絶縁碍子４との位置決めのばらつきを小さくすることができる。そして、センサ素子２の複数の電極端子部２２Ａ、２２Ｂ、２２Ｃと、複数の接点部材５との接触位置が、一対の素子表面２０と平行な方向であって長尺方向Ｘに直交する方向に位置ずれしにくい状況を形成することができる。

また、センサ素子２をさらに小型化するためには、センサ素子２の長尺方向Ｘに直交する断面の面積を小さくすることが考えられる。このとき、複数の電極端子部２２Ａ、２２Ｂ、２２Ｃと、複数の接点部材５との接触面積が少なくなるため、これらの位置決め精度を向上させることが要求される。そこで、一対の凹部側残側面６２のそれぞれに直線状の垂直面部６２１を形成した構造により、上記位置決め精度を向上させることができる。そして、複数の電極端子部２２Ａ、２２Ｂ、２２Ｃと、複数の接点部材５との接触位置をできるだけ正確に特定することができ、センサ素子２の小型化に対応することが可能になる。

また、第１絶縁碍子３と第２絶縁碍子４とは、成形型を用いて粒子状のセラミック材料を圧粉成形し、その後、焼結を行って形成することができる。この圧粉成形を行う際に、凹部側残側面６２の全体を円弧状に成形する場合には、成形型における、円弧の底部を成形する部分に磨耗が生じやすかった。これに対し、凹部側残側面６２に直線状の垂直面部６２１を成形することにより、円弧の底部を平坦にし、成形型における、垂直面部６２１を成形する部分の磨耗を低減できると考える。

また、凹部側残側面６２に形成された直線状の垂直面部６２１によって、第１絶縁碍子３と第２絶縁碍子４との嵌合の精度が向上することにより、第１絶縁碍子３と第２絶縁碍子４とを合わせた絶縁碍子全体の熱容量にばらつきが生じにくくすることもできる。そして、センサ素子２から絶縁碍子全体への熱引き、すなわちヒータによって加熱されるセンサ素子２から絶縁碍子全体への熱の移動に、ばらつきが生じにくくし、センサ素子２の温度にばらつきが生じにくくすることができる。

（実施形態２）
本実施形態のガスセンサ１は、図６に示すごとく、円弧状の凹部側残側面６２と、円弧状の凸部側残側面７２とは、円弧の曲率半径が異なっている。すなわち、円弧状の凹部側残側面６２における曲率半径は、円弧状の凸部側残側面７２における円弧の曲率半径よりも、大きく形成されている。

最少隙間部８１は、凹部側残側面６２の底部と凸部側残側面７２の頭頂部との間に形成されている。この場合には、一対の円弧状の凹部側残側面６２と、一対の円弧状の凸部側残側面７２との、両者における円弧の曲率半径を正確に一致させることなく、第１絶縁碍子３と第２絶縁碍子４との位置決めを行う部位を、最小隙間部８１に特定することができる。その他、実施形態１と同様の効果を得ることができる。

その他は、実施形態１と同様である。なお、実施形態２以降において用いた符号のうち、既出の実施形態において用いた符号と同一のものは、特に示さない限り、既出の実施形態におけるものと同様の構成要素等を表す。
（実施形態３）
本実施形態のガスセンサ１は、図７に示すごとく、凹部側残側面６２が複数の直線部６２３により形成されている。これにより、凹部側残側面６２の各直線部６２３と凸部側残側面７２の円弧とが対向することで、最小隙間部８１が、各直線部６２３と凸部側残側面７２との間に複数形成される。その他は、実施形態１と同様である。

この場合には、嵌合凹部６の各直線部６２３を直線状に成形することにより、その成形精度を高めることが容易になる。その他、実施形態１と同様の効果を得ることができる。
（実施形態４）
本実施形態のガスセンサ１は、図８に示すごとく、凹部側残側面６２の円弧は、円弧状の凸部側残側面７２とは、逆向き、すなわち内側に膨らむ形状に形成されている。これにより、凹部側残側面６２の円弧と凸部側残側面７２の円弧とが対向することで、最小隙間部８１が、凹部側残側面６２の頭頂部と凸部側残側面７２の頭頂部との間に形成される。その他は、実施形態１と同様である。
本実施形態においても、実施形態１と同様の効果を得ることができる。

本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の実施形態に適用することが可能である。例えば、実施形態１において、第１絶縁碍子３の基端部３１に、嵌合凹部６を形成し、第２絶縁碍子４の先端部４１に、嵌合凹部６に嵌合される嵌合凸部７を形成することもできる。また、最小隙間部８１は、上記各実施形態に示した構造以外の構造において形成することもできる。

１ ガスセンサ
２ センサ素子
２２Ａ、２２Ｂ、２２Ｃ 電極端子部
３ 第１絶縁碍子
４ 第２絶縁碍子
５ 接点部材
６ 嵌合凹部
７ 嵌合凸部
８ 隙間
８１ 最小隙間部

Claims (2)

1. 長尺形状に形成され、長尺方向（Ｘ）の先端側にガス検知部（２１）を有すると共に上記長尺方向（Ｘ）の基端側に複数の電極端子部（２２）を有し、該電極端子部（２２）が、互いに平行な一対の素子表面（２０）にそれぞれ設けられたセンサ素子（２）と、
   上記ガス検知部（２１）を先端側に突出させると共に上記電極端子部（２２）を基端側に突出させる状態で上記センサ素子（２）を保持する第１絶縁碍子（３）と、
   該第１絶縁碍子（３）の基端側に嵌合し、上記電極端子部（２２）が配置される中心穴（４０）を有する第２絶縁碍子（４）と、
   上記中心穴（４０）内に配置され、上記電極端子部（２２）のそれぞれに接触する複数の接点部材（５）と、を備え、
   上記第１絶縁碍子（３）の基端部（３１）と上記第２絶縁碍子（４）の先端部（４１）とのいずれか一方には、上記素子表面（２０）と平行な一対の凹部側平行側面（６１）と、該凹部側平行側面（６１）以外の一対の凹部側残側面（６２）とを有する嵌合凹部（６）が形成されており、他方には、該嵌合凹部（６）に嵌合され、上記一対の凹部側平行側面（６１）と対向する一対の凸部側平行側面（７１）と、上記一対の凹部側残側面（６２）と対向する一対の凸部側残側面（７２）とを有する嵌合凸部（７）が形成されており、
   上記一対の凹部側残側面（６２）と上記一対の凸部側残側面（７２）との隙間（８）の大きさは、該隙間（８）の部位によって異なり、
   いずれかの上記隙間（８）の部位に、最も隙間が小さい最小隙間部（８１）が形成されている、ガスセンサ（１）。
2. 上記凹部側残側面（６２）は、上記凹部側平行側面（６１）に垂直な垂直面部（６２１）と、該垂直面部（６２１）の両側において外側に円弧状に膨らむ一対の円弧側面部（６２２）とによって形成されており、
   上記凸部側残側面（７２）は、外側に円弧状に膨らむ形状に形成されており、
   上記最小隙間部（８１）は、上記垂直面部（６２１）と上記凸部側残側面（７２）との間に形成されている、請求項１に記載のガスセンサ（１）。

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