JP6796403B2

JP6796403B2 - センサ

Info

Publication number: JP6796403B2
Application number: JP2016121425A
Authority: JP
Inventors: 雄次島崎
Original assignee: NGK Spark Plug Co Ltd
Current assignee: NGK Spark Plug Co Ltd
Priority date: 2016-06-20
Filing date: 2016-06-20
Publication date: 2020-12-09
Anticipated expiration: 2036-06-20
Also published as: JP2017227448A

Description

本発明は、被検出体の検出を行うセンサ素子を有するセンサに関する。

従来、被検出体の検出を行うセンサ素子を備えたセンサの一例として、自動車の排気ガスに含まれる酸素の濃度を検出する酸素センサが知られている。図７に示すように、この酸素センサのセンサ素子３００としては、有底筒状に形成した固体電解質体の先端側に、固体電解質体を内側と外側から一対の電極で挟むようにして形成した検出部を有するものが知られている（特許文献１）。このようなセンサ素子３００の後端側の表面（外周面）には、検出部をなす外側電極３００ｃからの検出信号を取り出すための電極取出し部（接続端部）３００ｃｐが形成されている。又、センサ素子３００の表面には、外側電極３００ｃと電極取出し部３００ｃｐよりも狭幅で、これらを電気的に接続する縦リード部３００ｃＬが設けられている。そして、センサ素子３００の後端側に環状の接続端子９１を嵌め込んで電極取出し部３００ｃｐと接触させることで、検出部からの検出信号を外部回路に出力するようになっている。

また、図８に示すようにして、センサ素子３００は主体金具２０に取付けられ、センサに組み付けられる。まず、主体金具２０の内周面の段部に（セラミックホルダを介して）センサ素子３００の鍔部３００ａを係合させる。さらに、鍔部３００ａの後端側におけるセンサ素子３００と主体金具２０との隙間に、筒状の滑石粉末６、及び筒状のセラミックスリーブ１０を配置する。そして、セラミックスリーブ１０の後端側に金属リング３０を配し、主体金具２０後端部を内側に屈曲して加締め部２０ａを形成することにより、セラミックスリーブ１０を先端側に押し付けて滑石リング６を押し潰し、センサ素子３００を主体金具２０に保持すると共に、センサ素子３００と主体金具２０の隙間をシールする。その後、センサ素子３００の後端側から図示しない別のアセンブリを組み付けてセンサが完成する。

特開２０１３−８８１２３号公報

ところで、上記した検出部、電極取出し部３００ｃｐや縦リード部３００ｃＬは、Ｐｔ等の貴金属を含む電極ペーストを印刷塗布後に焼成して一般に形成されており、厚みが１０μｍ程度と厚いため、メッキにより厚みを薄くし、コストを低減することが望まれている。
しかしながら、電極取出し部３００ｃｐに比べて狭幅の縦リード部３００ｃＬの厚みを薄くすると、センサ素子３００を主体金具２０に取付けるために上述のセラミックスリーブ１０を嵌め込んだ際、セラミックスリーブ１０が縦リード部３００ｃＬを削って断線させるおそれがある。
従って、本発明は、センサ素子の先端側の検出部と電極取出し部とに接続されたリード部の断線を抑制し、検出部からの検出信号を安定して取り出すことができるセンサの提供を目的とする。

上記課題を解決するため、本発明の第１の観点のセンサは、軸線方向に延び、先端側が閉じられた有底筒状をなす固体電解質体からなるセンサ素子であって、先端側に、被検出体の検出を行うための検出部を有すると共に、後端側の外表面に、前記検出部の出力を取り出すための電極取出し部が形成されたセンサ素子と、当該センサ素子の後端側に嵌め込まれて前記電極取出し部の外表面と接触し、前記検出部からの検出信号を外部回路に出力する接続端子と、前記センサ素子の外表面に形成され、前記検出部と前記電極取出し部とに接続されたメッキ層からなるリード部と、前記センサ素子の前記検出部を露出する形態で、前記センサ素子の径方向周囲を取り囲む略筒状の主体金具と、前記主体金具の内側にて保持され、前記センサ素子が挿通される筒状のセラミックスリーブと、前記主体金具の内側面と前記センサ素子の外表面との間で、前記セラミックスリーブの先端向き面に接して充填され、前記主体金具と前記センサ素子の隙間をシールする粉末充填部材と、を備えるセンサにおいて、前記セラミックスリーブは前記リード部と対向しており、前記リード部は、前記センサ素子の周方向に２つ以上に分岐する分岐部を有し、前記分岐部は前記セラミックスリーブの先端よりも後端側に位置することを特徴とする。

センサ素子を主体金具に取付ける際に、セラミックスリーブをセンサ素子の後端側からリード部の先端近傍まで嵌め込むが、セラミックスリーブがリード部を削ることがある。
そこで、このセンサによれば、リード部に分岐部を設けることで、分岐部を構成する複数の分岐リードのうち、一部の分岐リードがセラミックスリーブによって削れて断線しても、他の分岐リードが断線せずに残る。このため、リード部全体の断線を抑制して導通経路を確保し、検出部からの検出信号を安定して取り出すことができる。

本発明の第２の観点のセンサは、軸線方向に延び、先端側が閉じられた有底筒状をなす固体電解質体からなるセンサ素子であって、先端側に、被検出体の検出を行うための検出部を有すると共に、後端側の外表面に、前記検出部の出力を取り出すための電極取出し部が形成されたセンサ素子と、当該センサ素子の後端側に嵌め込まれて前記電極取出し部の外表面と接触し、前記検出部からの検出信号を外部回路に出力する接続端子と、前記センサ素子の外表面に形成され、前記検出部と前記電極取出し部とに接続されたメッキ層からなるリード部と、前記センサ素子の前記検出部を露出する形態で、前記センサ素子の径方向周囲を取り囲む略筒状の主体金具と、前記主体金具の内側にて保持され、前記センサ素子が挿通される筒状のセラミックスリーブと、前記主体金具の内側面と前記センサ素子の外表面との間で、前記セラミックスリーブの先端向き面に接して充填され、前記主体金具と前記センサ素子の隙間をシールする粉末充填部材と、を備えるセンサにおいて、前記セラミックスリーブは前記リード部と対向しており、前記リード部は、該リード部が形成された部位における前記センサ素子の最小外周長の１／４以上の長さの周長の広幅部を有し、前記広幅部の少なくとも一部は前記セラミックスリーブの先端よりも後端側に位置することを特徴とする。

センサ素子を主体金具に取付ける際に、セラミックスリーブをセンサ素子の後端側からリード部の先端近傍まで嵌め込むが、セラミックスリーブがリード部を削ることがある。
そこで、このセンサによれば、リード部に広幅部を設けることで、周方向に広幅部の一部がセラミックスリーブによって削れて断線しても、広幅部の他の部位はセラミックスリーブと接触しないので断線せずに残る。このため、リード部全体の断線を抑制して導通経路を確保し、検出部からの検出信号を安定して取り出すことができる。
なお、センサ素子及びセラミックスリーブは、いずれもセラミック製で硬いが、両者は点接触でなく、センサ素子の外周長の１／４未満の周長の接面で面接触する。そこで、広幅部の周長をセンサ素子の最小外周長の１／４以上とすることで、広幅部のうち周方向にセラミックスリーブと接触しない部位を確実に生じさせることができる。

本発明のセンサにおいて、前記リード部の最大メッキ厚が２μｍ以下であるとよい。
このセンサによれば、リード部の材料としてＰｔ等の貴金属の使用量を低減し、コストをより一層低減できる。

この発明によれば、センサ素子の先端側の検出部と電極取出し部とに接続されたリード部の断線を抑制し、検出部からの検出信号を安定して取り出すことができる。

本発明の第１の観点の実施形態に係るセンサを軸方向に沿う面で切断した断面図である。センサ素子及び接続端子の構造を示す斜視図である。センサ素子を主体金具に取付ける態様を示す図である。センサ素子とセラミックスリーブ１０との接触状態を示す断面図である。センサを製造する態様を示す図である。本発明の第２の観点の実施形態に係るセンサにおけるセンサ素子の側面図である。従来のセンサ素子及び接続端子の構造を示す斜視図である。従来のセンサ素子を主体金具に取付ける態様を示す図である。

以下、本発明の実施形態について説明する。
図１は、本発明の第１の観点の実施形態に係るセンサ１００を軸線Ｏ方向（先端から後端に向かう方向）に沿う面で切断した断面構造を示す。図２はセンサ素子及び接続端子の構造を示す斜視図である。
この実施形態において、センサ１００は自動車の排気管内に挿入されて先端側が排気ガス中に曝され、排気ガス中の酸素濃度を検出する酸素センサになっている。センサ素子３は、酸素イオン伝導性の固体電解質体に一対の電極を積層した酸素濃淡電池を構成し、酸素量に応じた検出値を出力する公知の酸素センサ素子である。
なお、図１の下側をセンサ１００の先端側とし、図１の上側をセンサ１００の後端側とする。

センサ１００は、先端が閉じた略円筒状(中空軸状)のセンサ素子（この例では酸素センサ素子）３を、筒状の主体金具（主体金具）２０の内側に挿通して保持するよう組み付けられている。センサ素子３は、先端に向かってテーパ状に縮径する筒状の固体電解質体と、固体電解質体の内周面と外周面にそれぞれ形成された内側電極３ｂ及び外側電極３ｃとからなる検出部とを有する。そして、センサ素子３の内部空間を基準ガス雰囲気とし、センサ素子３の外面に被検出ガスを接触させてガスの検知を行うようになっている。又、センサ素子３の中空部には丸棒状のヒータ１５が挿入され、固体電解質体を活性化温度に昇温するようになっている。
主体金具２０の後端部には、センサ素子３の後端側に設けられたリード線や端子（後述）を保持し、センサ素子３の後端部を覆う筒状の外筒４０が接合されている。さらに、センサ素子３の後端側の外筒４０内側には、絶縁性で円柱状のセパレータ１２１が加締め固定されている。一方、センサ素子３先端の検出部はプロテクタ７で覆われている。そして、このようにして製造されたセンサ１００の主体金具２０の雄ねじ部２０ｄを排気管等のネジ孔に取付けることで、センサ素子３先端の検出部を排気管内に露出させて被検出ガス（排気ガス）を検知している。なお、主体金具２０の中央付近には、六角レンチ等を係合するための多角形の鍔部２０ｃが設けられ、鍔部２０ｃと雄ねじ部２０ｄとの間の段部には、排気管に取付けた際のガス抜けを防止するガスケット１４が嵌挿されている。

センサ素子３の中央側に鍔部３ａが設けられ、主体金具２０の先端寄りの内周面には内側に縮径する段部が設けられている。又、段部の後端向き面にワッシャ１２を介して筒状のセラミックホルダ５が配置されている。そして、センサ素子３が主体金具２０及びセラミックホルダ５の内側に挿通され、セラミックホルダ５に後端側からセンサ素子３の鍔部３ａが当接している。
さらに、鍔部３ａの後端側におけるセンサ素子３と主体金具２０との径方向の隙間に、筒状の滑石粉末（粉末充填部材）６、及び筒状のセラミックスリーブ１０が配置されている。そして、セラミックスリーブ１０の後端側に金属リング３０を配し、主体金具２０後端部を内側に屈曲して加締め部２０ａを形成することにより、セラミックスリーブ１０が先端側に押し付けられる。これにより滑石リング６を押し潰し、セラミックスリーブ１０及び滑石粉末６が加締め固定されるとともに、センサ素子３と主体金具２０の隙間がシールされている。

ガスセンサ素子３の後端側にセパレータ１２１が配置され、セパレータ１２１と外筒４０との間隙には保持金具８０が配置されている。そして、保持金具８０の内部にセパレータ１２１が保持されている。
セパレータ１２１には、挿通孔（この例では４個）が設けられ、そのうち２個の挿通孔にそれぞれ内側端子７１、外側端子９１の板状基部が挿入されて固定されている。各板状基部にそれぞれリード線４１、４１が加締め接続されている。又、セパレータ１２１の図示しない２個の挿通孔（ヒータリード孔）に、ヒータ１５から引き出されたヒータリード線４３（図１では１個のみ図示）が挿通されている。
セパレータ１２１の後端側の外筒４０内側には筒状のグロメット１３１が加締め固定され、グロメット１３１の４個の挿通孔からそれぞれ２個のリード線４１、及び２個のヒータリード線４３が外部に引き出されている。
なお、グロメット１３１の中心には貫通孔１３１ａが形成され、ガスセンサ素子３の内部空間に連通している。そして、グロメット１３１の貫通孔１３１ａに撥水性の通気フィルタ１４０が介装され、外部の水を通さずにガスセンサ素子３の内部空間に基準ガス（大気）を導入するようになっている。
又、外側端子９１が特許請求の範囲の「接続端子」に相当する。

一方、主体金具２０の先端側には筒状のプロテクタ７が外嵌され、主体金具２０から突出するセンサ素子３の先端側がプロテクタ７で覆われている。プロテクタ７は、複数の孔部（図示せず）を有する有底筒状で金属製（例えば、ステンレスなど）二重の外側プロテクタ７ｂおよび内側プロテクタ７ａを、溶接等によって取り付けて構成されている。

図２に示すように、外側電極（検出部）３ｃはガスセンサ素子３の外周面３ｓの鍔部３ａよりも先端側の全周に亘って設けられている。又、ガスセンサ素子３の外周面３ｓの後端側に、外側電極３ｃの出力を取り出すための電極取出し部３ｃｐが周方向に広がるように設けられている。さらに、外側電極３ｃと電極取出し部３ｃｐとの間に、軸線Ｏ方向に延びるメッキ層からなるリード部３ｃＬが設けられ、外側電極３ｃと電極取出し部３ｃｐとを電気的に接続している。そして、センサ素子３の後端側に環状の接続端子９１を嵌め込んで電極取出し部３ｃｐと接触させることで、外側電極３ｃからの検出信号を外部回路に出力するようになっている。
リード部３ｃＬは、外側電極３ｃ側及び電極取出し部３ｃｐ側でこれらより狭幅の１本の線状をなすと共に、軸線Ｏ方向の中央近傍で周方向に２つに分岐する分岐部３ＬＢを有している。
なお、内側電極３ｂ（図１参照）は、ガスセンサ素子３の先端部から後端部の内孔３ｄの表面に設けられている。

次に、図３を参照し、分岐部３ＬＢの作用について説明する。
既に述べたように、センサ素子３を主体金具２０に取付ける際に、セラミックスリーブ１０をセンサ素子３の後端側からリード部３ｃＬの先端近傍まで嵌め込むが、セラミックスリーブ１０がリード部３ｃＬを削ることがある。
このとき、図３に示すように、分岐部３ＬＢを設けることで、例えば分岐部３ＬＢを構成する２本の分岐リードＬＢ１、ＬＢ２のうち、一方の分岐リードＬＢ１がセラミックスリーブ１０によって削れて断線しても、他の分岐リードＬＢ２が断線せずに残ることで、リード部３ｃＬ全体の断線を抑制して導通経路を確保し、外側電極（検出部）３ｃからの検出信号を安定して取り出すことができる。
なお、センサ素子３を主体金具２０に取付けた後、セラミックスリーブ１０はリード部３ｃＬと対向した位置で固定される。

ここで、センサ素子３及びセラミックスリーブ１０は、いずれもセラミック製で硬いので、両者はほぼ点接触すると考えられてきたが、図４に示すように、接面Ｃにて面接触することが判明した。そして、接面Ｃによる面接触の割合は、センサ素子３の外周長の１／４未満であることも判明した。
従って、センサ素子３の周方向に接面Ｃよりも外側に分岐部３ＬＢがはみ出すようにする、つまり分岐リードＬＢ１、ＬＢ２の外側同士の周方向の間隔Ｄを、センサ素子３の外周長の１／４以上とすれば、分岐リードＬＢ１、ＬＢ２の少なくとも一部はセラミックスリーブ１０で削られないことになるので、リード部３ｃＬ全体の断線をより一層抑制できる。
なお、センサ素子３の外周長としては、リード部３ｃＬが形成された部位におけるセンサ素子３の「最小」外周長とする。これは、鍔部３ａやこれに繋がる拡径部を除くためである。

このセンサ１００は、図５に示すようにして製造される。まず、上述のようにセンサ素子３を主体金具２０の内側に保持してセンサ素子アセンブリＢを組み付ける。具体的には、センサ素子３を主体金具２０内に配置されたセラミックホルダ５上に配置する。その後、主体金具２０とセンサ素子３との間隙に滑石（タルク）６を充填し、セラミックスリーブ１０、金属パッキン３０を順に滑石６上に配置し、主体金具２０の後端側を加締めてセンサ素子アセンブリＢを組み付ける。
一方で、外筒４０内に、内側の内側端子７１及び外側の外側端子９１を組み付けたセパレータ１２１をグロメット１３１と共に外筒４０を配置し、セパレータアセンブリＡを組み付ける。具体的には、リード線４１に接続された内側端子７１及び外側端子９１をセパレータ１２１内に挿入し、その後、セパレータ１２１を外筒４０の段部４０ｄに当接する。
その後、セパレータ１２１と外筒４０との間隙に保持金具８０を挿入すると共に、グロメット１３１を外筒４０の後端側に配置し、セパレータアセンブリＡを組み付ける。なお、内側端子７１にはヒータ１５が既に取付けられている。

そして、セパレータアセンブリＡと素子アセンブリＢとの軸線を合わせ、セパレータアセンブリＡをセンサ素子アセンブリＢの後端に被せると、センサ素子３内にヒータ１５が挿入されると共に、センサ素子３の内側電極３ｂ及び外側電極３ｃがそれぞれ内側端子７１及び外側端子９１と電気的に接続される。その後、外筒４０のうち、保持金具８０の外周部、グロメット１３１の外周部、主体金具２０との重なり部をそれぞれ加締めると共に、外筒４０と主体金具２０との重なり部をレーザ溶接等によって主体金具２０の後端に外筒４０を接続させ、センサ１００を製造する。
このようにして、センサ素子３の後端側の表面に、外側端子９１を外嵌して電極取出し部３ｃｐと電気的に接続する。これにより、外側電極３ｃ（検出部）の検出信号を外側端子９１からリード線４１を介して外部に取り出す。

次に、図６を参照し、本発明の第２の観点の実施形態に係るセンサについて説明する。なお、本発明の第２の観点の実施形態に係るセンサは、センサ素子３１（より具体的にはリード部３１ｃＬの構成が異なること以外は、本発明の第１の観点の実施形態と同一であるので、第１の観点の実施形態と同一の構成部分については適宜同一符号を付して説明を省略する。
図６は、第２の観点の実施形態に係るセンサにおけるセンサ素子３１の側面図である。

図６に示すように、センサ素子３１は、本発明の第１の観点の実施形態のリード部３ｃＬにおける分岐部３ＬＢに代えて、広幅部３１ＬＢを有する。具体的には、外側電極３ｃと電極取出し部３ｃｐとの間に、軸線Ｏ方向に延びるメッキ層からなるリード部３１ｃＬが設けられ、外側電極３ｃと電極取出し部３ｃｐとを電気的に接続している。
リード部３ｃＬは、外側電極３ｃ側及び電極取出し部３ｃｐ側でこれらより狭幅の１本の線状をなすと共に、軸線Ｏ方向の中央近傍で周長（周方向の幅）Ｗの広幅部３１ＬＢを有している。
そして、広幅部３１ＬＢの周長Ｗを、リード部３１ｃＬが形成された部位におけるセンサ素子３１の最小外周長の１／４以上とする。これにより、分岐部３ＬＢの間隔Ｄと同様の理由により、周方向に広幅部３１ＬＢの一部がセラミックスリーブ１０によって削れて断線しても、広幅部３１ＬＢの他の部位はセラミックスリーブ１０と接触しないので断線せずに残る。従って、リード部３１ｃＬ全体の断線を抑制して導通経路を確保することができる。

本発明は上記実施形態に限定されず、本発明の思想と範囲に含まれる様々な変形及び均等物に及ぶことはいうまでもない。例えば、上記実施形態では、分岐部３ＬＢが２本の分岐リードＬＢ１、ＬＢ２を有していたが、３本以上の分岐リードを有してもよい。
又、リード部の最大メッキ厚が２μｍ以下であると、リード部の材料としてＰｔ等の貴金属の使用量を低減し、コストをより一層低減できる。なお、リード部がメッキ層であるか否かは、リード部の走査電子顕微鏡画像で電着粒を確認することで判定できる。
又、Ｐｔ等の貴金属の使用量をより低減する観点からは、本発明の第２の観点の広幅部３１ＬＢよりは、本発明の第１の観点の分岐部３ＬＢの方が好ましい。

３、３１センサ素子
３ｃ検出部（外側電極）
３ｃＬ、３１ｃＬリード部
３ｃｐ電極取出し部
３ＬＢ分岐部
３１ＬＢ広幅部
３ｓセンサ素子の外表面
６粉末充填部材（滑石粉末）
１０セラミックスリーブ
２０主体金具
９１接続端子
１００センサ
Ｏ軸線

Claims

軸線方向に延び、先端側が閉じられた有底筒状をなす固体電解質体からなるセンサ素子であって、先端側に、被検出体の検出を行うための検出部を有すると共に、後端側の外表面に、前記検出部の出力を取り出すための電極取出し部が形成されたセンサ素子と、
当該センサ素子の後端側に嵌め込まれて前記電極取出し部の外表面と接触し、前記検出部からの検出信号を外部回路に出力する接続端子と、
前記センサ素子の外表面に形成され、前記検出部と前記電極取出し部とに接続されたメッキ層からなるリード部と、
前記センサ素子の前記検出部を露出する形態で、前記センサ素子の径方向周囲を取り囲む略筒状の主体金具と、
前記主体金具の内側にて保持され、前記センサ素子が挿通される筒状のセラミックスリーブと、
前記主体金具の内側面と前記センサ素子の外表面との間で、前記セラミックスリーブの先端向き面に接して充填され、前記主体金具と前記センサ素子の隙間をシールする粉末充填部材と、
を備えるセンサにおいて、
前記セラミックスリーブは前記リード部と対向しており、
前記リード部は、前記センサ素子の周方向に２つ以上に分岐する分岐部を有し、
前記分岐部は前記セラミックスリーブの先端よりも後端側に位置することを特徴とするセンサ。
軸線方向に延び、先端側が閉じられた有底筒状をなす固体電解質体からなるセンサ素子であって、先端側に、被検出体の検出を行うための検出部を有すると共に、後端側の外表面に、前記検出部の出力を取り出すための電極取出し部が形成されたセンサ素子と、
当該センサ素子の後端側に嵌め込まれて前記電極取出し部の外表面と接触し、前記検出部からの検出信号を外部回路に出力する接続端子と、
前記センサ素子の外表面に形成され、前記検出部と前記電極取出し部とに接続されたメッキ層からなるリード部と、
前記センサ素子の前記検出部を露出する形態で、前記センサ素子の径方向周囲を取り囲む略筒状の主体金具と、
前記主体金具の内側にて保持され、前記センサ素子が挿通される筒状のセラミックスリーブと、
前記主体金具の内側面と前記センサ素子の外表面との間で、前記セラミックスリーブの先端向き面に接して充填され、前記主体金具と前記センサ素子の隙間をシールする粉末充填部材と、
を備えるセンサにおいて、
前記セラミックスリーブは前記リード部と対向しており、
前記リード部は、該リード部が形成された部位における前記センサ素子の最小外周長の１／４以上の長さの周長の広幅部を有し、
前記広幅部の少なくとも一部は前記セラミックスリーブの先端よりも後端側に位置することを特徴とするセンサ。
前記リード部の最大メッキ厚が２μｍ以下である請求項１又は２に記載のセンサ。