JP6802117B2 - ガスセンサ及びガスセンサの製造方法 - Google Patents
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Description
この種のガスセンサとして、板状のセンサ素子の後端側外表面に複数の電極パッドを設け、この電極パッドのそれぞれに端子金具を電気的に接触させてセンサ素子からのセンサ出力信号を外部に取り出したり、センサ素子に積層されたヒータに給電するものが広く用いられている(特許文献1)。
ここで、図19に示すように、端子金具200は、例えば金属板を切り起こした断面コの字の短冊状をなし、その主面200aの先端側がセンサ素子(図示せず)に向かって折り返されてセンサ素子の電極パッドに弾性的に接続する折り返し部202を形成している。一方、端子金具200の後端側にはリード線の先端を加締める加締め部204が形成されている。そして、端子金具200自身は、セラミック製のセパレータ1300の挿通孔1300hに挿通されて保持されている。
しかしながら、セパレータ1300が排気ガス等を受熱して高温になると、セパレータ1300から主面200aを介して端子金具200に熱が伝わり、端子金具200も高温となることがある。すると、端子金具200の折り返し部202が軟化したりクリープ変形して弾性が低下し、センサ素子との電気的接続の信頼性が低下するおそれがある。
そこで、本発明は、セパレータからの伝熱による端子金具の弾性の低下を抑制し、センサ素子の電極パッドと端子金具とを確実に電気的接続することができるガスセンサ及びガスセンサの製造方法を提供することを目的とする。
又、面積S2が面積S1より小さいため、面積S2の一部又は全面が挿通孔(の壁面)と接したり、又は第1対向面に比べて挿通孔(の壁面)に近接して、セパレータから受熱し易い第2対向面の面積を相対的に小さくし、セパレータから端子金具全体への伝熱を低減できる。なお、第2対向面の全面が挿通孔(セパレータの内周面)の内周面と接しても良い。
一方、大面積の第1対向面は挿通孔(セパレータの内周面)と離間しているので、第2対向面よりも面積が相対的に大きい第1対向面を、第2対向面よりも挿通孔(の壁面)から離間させてセパレータとの間を空気で断熱することができる。その結果、セパレータから端子金具全体への伝熱を低減できる。
以上により、セパレータからの伝熱で端子金具の折り返し部が軟化したりクリープ変形して弾性が低下することを抑制し、センサ素子の電極パッドと端子金具とを確実に電気的接続することができる。
このガスセンサによれば、第2対向面よりも面積が相対的に大きい第1対向面を、第2対向面よりも挿通孔(の壁面)から確実に離間させてセパレータとの間を空気で断熱することができる。その結果、セパレータから端子金具全体への伝熱をより一層低減できる。
なお、このガスセンサは、第2対向面が最大間隔d2を有する、つまり、第2対向面の全面が挿通孔(の壁面)と接さず、第2対向面の一部が挿通孔(の壁面)と接した態様を示す。
このガスセンサによれば、挿通孔と主面との間隔をより大きくすることができ、セパレータから端子金具全体への伝熱をさらに低減できる。
このガスセンサによれば、挿通孔と主面との間隔をより大きくすることができ、セパレータから端子金具全体への伝熱をさらに低減できる。
このガスセンサによれば、挿通孔のうち、主面に対向する部位が副面に対向する部位よりも径方向外側に位置するので、挿通孔と主面との間隔をより大きくすることができる。又、第1段部を端子金具の位置決めに兼用することで、セパレータに端子金具の位置決め部を別途設ける必要がなく、セパレータの形状を複雑化せずに生産性が向上する。
図1は本発明の第1の実施形態に係るガスセンサ(酸素センサ)1の軸線O方向に沿う全体断面図、図2は端子金具20の斜視図、図3は端子金具20の背面図、図4は端子金具20を第1セパレータ90の挿通孔90hに挿通して保持した状態を示す断面図である。なお、図4は、図1のA−A線に沿い、軸線O方向に直交する断面を示す。
このガスセンサ1は、自動車や各種内燃機関の排気ガス中の酸素濃度を検出する酸素センサである。
又、後述するように、第1セパレータ90の後端側に、セラミック製筒状の第2セパレータ160が接して配置されている。
第1セパレータ90が特許請求の範囲の「セパレータ」に相当する。
また、電極パッド10aは、センサ素子10の後端側の両面にそれぞれ幅方向に2つ並んでいる。各電極パッド10aは、例えばPtを主体とする焼結体として形成することができる。
一方、センサ素子10の先端のガス検出部11は、アルミナ等の多孔質保護層14で覆われている。
また、セラミックスリーブ106と主体金具138の後端部140との間には、加締めパッキン157が配置されている。なお、主体金具138の後端部140は、加締めパッキン157を介してセラミックスリーブ106を先端側に押し付けるように、加締められている。
リード線146は端子金具20の後端側から第1セパレータ90の後端側へ引き出され、さらに第2セパレータ160の挿通孔(図示せず)及びグロメット170を介してガスセンサ1の外部に引き出されている。
又、グロメット170と第1セパレータ90の間に第2セパレータ160が配置され、グロメット170の弾性力により第2セパレータ160が第1セパレータ90を先端側へ押圧する。これにより、鍔部90pが保持部材169側へ押し付けられ、第1セパレータ90及び第2セパレータ160が外筒144の内部に保持されている。
なお、図4の位置IIの左下の端子金具20は、センサ素子10の面方向に沿った線を軸として位置Iの端子金具20に対して線対称である。図4の右下の位置IIIの端子金具20は、センサ素子10の面方向に垂直な線を軸として位置IIの端子金具20に対して線対称である。図4の右上の位置IVの端子金具20は、センサ素子10の面方向に垂直な線を軸として位置Iの端子金具20に対して線対称である。
本体部21のうち、弾性部22cが存在する側とは反対側に位置する面を主面21aとし、突出片部22のうち、弾性部22cが存在する側とは反対側に位置する面を副面22aとする。
端子金具20は、例えば1枚の金属板(インコネル(登録商標)等)を打ち抜いた後、所定形状に折り曲げて製造することができるが、これに限定されない。
本体部21は断面L字状になっていて、主面21aの他方の幅方向(副面22aと反対側)の外側が90度折り返されてガイド部21bを形成している。そして、主面21aの後端側にリード線接続部23が一体に接続されている。この点で、本体部21のうち、リード線接続部23が接続されていない面であるガイド部21bは、「主面」に該当しない。なお、ガイド部21bは、第1セパレータ90の挿通孔90hへ端子金具20を挿通する際のガイドとなる。又、本体部21は、端子金具20のベース部として端子金具20の強度を確保している。
主面21aの他方の幅方向(ガイド部21bと反対側)の外側は、ガイド部21bと同じ向きに折り返されて副面22aと一体に繋がる接続部22bを形成しており、副面22aは主面21aに平行になっている。さらに、突出片部22は、副面22aの先端からセンサ素子10に向かって後端側へ折り返されて電極パッド11a(図1、図9参照)に弾性的に接続する弾性部22cを有している。弾性部22cは、副面22aに対して径方向に弾性的に撓むようになっている。
そして、センサ素子10の一方の主面(表面)10Aの後端側には、幅W方向に2つの電極パッド11a、11bが並び、ガス検出部からのセンサ出力信号がリード部(図示せず)を介してこれら電極パッド11a、11bから出力される。又、主面10Aに対向するように設けられた他方の主面(裏面)10Bの後端側には、幅方向に2つの電極パッド12a、12bが並び、リード部(図示せず)を介してヒータ部に電力を供給するようになっている。
各電極パッド11a、11b、12a、12bは、軸線O方向に長い矩形状になっていて、例えばPtを主体とする焼結体として形成することができる。なお、本実施形態では、センサ素子10の各面に配置された電極パッド11a、11bと、電極パッド12a、12bとは、センサ素子10を介して互いに対向してそれぞれ対をなし、具体的には、1対の電極パッド11aと電極パッド12aが対向し、他の1対の電極パッド11bと電極パッド12bが対向している。つまり、本実施形態では、合計2対の電極パッド11a、11b、12a、12bを有する。
又、副面22aのうち挿通孔90h(第1セパレータ90の内周面)に対向する部位を第2対向面F2とし、第2対向面F2の面積をS2(図3のハッチング部位)とする。ここで、面積S2は、副面22aのうち第1セパレータ90の内部に存在している部位であると共に、弾性部22cと幅方向に重なる部位とする。このため、副面22aと主面21aとの間の接続部22bはS2から除外される。
このように、第2対向面F2の少なくとも一部が挿通孔90hと接することで、第2対向面F2に対向する弾性部22cがセンサ素子10の電極パッド11aから径方向外側へ反力Fを受けたとき、この反力Fをしっかりと支えることができる。その結果、弾性部22cの弾性力を維持して電極パッド11aと端子金具20とを安定して電気的接続することができる。
一方、大面積の第1対向面F1は挿通孔90h(第1セパレータ90の内周面)と離間しているので、第2対向面F2よりも面積が相対的に大きい第1対向面F1を、挿通孔90h(の壁面)から離間させて第1セパレータ90との間を空気で断熱することができる。その結果、第1セパレータ90から端子金具20全体への伝熱を低減できる。
以上により、第1セパレータ90からの伝熱で端子金具20の弾性部22cが軟化したりクリープ変形して弾性が低下することを抑制し、センサ素子10の電極パッド11aと端子金具20とを確実に電気的接続することができる。
一方、端子金具20の副面22aは主面21aと接続部22bを介して繋がると共に、主面21aが副面22aよりも径方向外側に位置している。そして、主面21aの幅方向の端面が第1段部90dに係止して端子金具20を位置決めしている。なお、接続部22bが特許請求の範囲の「第2段部」に相当する。
なお、接続部22bの形状を第1段部90dに沿うようにし、接続部22bを第1段部90dに係止させて端子金具20を位置決めしてもよい。
図5は端子金具30の斜視図、図6は端子金具30を第1セパレータ90の挿通孔90hに挿通して保持した状態を示す断面図である。なお、図6は、図4と同様な断面を示す。
本体部31のうち、弾性部32cが存在する側とは反対側に位置する面を主面31aとし、突出片部32のうち、弾性部32cが存在する側とは反対側に位置する面を副面32aとする。
リード線接続部33は、第1の実施形態におけるリード線接続部23と略同一である。
本体部31は断面L字状になっていて、主面31aの一方の幅方向(副面32aと反対側)の外側が90度折り返されてガイド部31bを形成している。そして、主面31aの後端側にリード線接続部33が接続されている。
主面31aの他方の幅方向(ガイド部31bと反対側)の外側は、副面32aと直接(接続部22b等を介さずに)面一に繋がっている。さらに、突出片部32は、副面32aからセンサ素子10に向かって折り返されて電極パッド11a(図1参照)に弾性的に接続する弾性部32cを有している。
なお、主面31aと副面32aとの境界線を図5に破線で示す。
これにより、第2対向面F2の少なくとも一部を挿通孔90h(第1セパレータ90の内周面)と接しさせ、第1対向面F1を挿通孔90h(第1セパレータ90の内周面)と離間させることができ、第1セパレータ90から端子金具30全体への伝熱を低減できる。又、主面31aと副面32aが面一であるので、端子金具30の形状を複雑化せずに生産性が向上する。
さらに、主面31aと副面32aが面一であると、第1の実施形態のように主面21aが副面22aよりも径方向外側に位置する場合に比べ、挿通孔90hと主面31aとの間隔をより大きくすることができ、第1セパレータ90から端子金具20全体への伝熱をさらに低減できる。
図7は端子金具40の斜視図、図8は端子金具40を第1セパレータ92の挿通孔92hに挿通して保持した状態を示す断面図である。なお、図8は、図4と同様な断面を示す。
本体部41のうち、弾性部42cが存在する側とは反対側に位置する面を主面41aとし、突出片部42のうち、弾性部42cが存在する側とは反対側に位置する面を副面42aとする。
本体部41は断面L字状になっていて、主面41aの一方の幅方向(副面42aと反対側)の外側が90度折り返されてガイド部41bを形成している。そして、主面41aの後端側にリード線接続部43が接続されている。
主面41aの他方の幅方向(ガイド部41bと反対側)の外側は、ガイド部21bと反対向きに折り返されて副面22aと繋がる接続部42bを形成しており、副面22aは主面41aに平行になっている。さらに、突出片部42は、副面42aからセンサ素子10に向かって折り返されて電極パッド11a(図1参照)に弾性的に接続する弾性部42cを有している。
一方、第1セパレータ92の挿通孔92hのうち、主面21aに対向する部位と、副面22aに対向する部位とは面一になっている。
図10は、第1の観点の実施形態で用いる第1治具300の平面図、図11は図10のA−A線に沿う断面図、図12は第1治具300に収容したセパレータ(第1セパレータ)90に端子金具20a、20b、20c、20dを挿通した状態を示す図、図13は第1の観点の実施形態に係るガスセンサの製造方法の工程図である。
突出部310は、中央の角柱部314、角柱部314の対向面からそれぞれ反対方向に同一面上に延びる板状の2つの平面部312、各平面部312の両端から垂直に延びる自身の両端が角柱部314の他の対向面と面一の2つの側壁部316と、を備える。角柱部314及び側壁部316は平面部312の板面から突出している。2つの平面部312は、それぞれ1対の端子金具20a、20cの接点部21p同士の対向面、及び他の1対の端子金具20b、20dの各接点部21p同士の対向面(図12参照)に対応した位置に形成されている。又、突出部310は、第1治具300の上面302よりも上方に突出している。
さらに、収容空間300hの周縁の一部は直線部300sを形成し、後述するセパレータ90の周方向の回転を防止する。
角柱部314及び側壁部316が特許請求の範囲の「端子金具規制部材」に相当し、直線部300sが特許請求の範囲の「第1規制部材」に相当する。
第1治具300及び突出部310は、例えばステンレス鋼等の金属製とすることができる。
まず、第1治具300の後端側(上側)からセパレータ90を軸線方向に沿って収容し、セパレータ90の挿通孔90hのうち、上記対向面に対応した位置に平面部312を挿通する(図13(a)、(b):セパレータ収容工程)。
次に、接点部21p同士の間(上記対向面)に平面部312が介在するよう、セパレータ90の後端側から挿通孔90hに端子金具20a、20cを挿通して保持する(図13(b)、(c):端子金具保持工程)。ここで、予め端子金具20a、20cのリード線接続部23にリード線146が圧着されているものとする。
次いで、セパレータ90に対して第1治具300を相対的に先端側(下側)に離脱させる(図13(d):治具離脱工程)。
又、本実施形態では、図13(b)のセパレータ収容工程で、第1治具300にセパレータ90を収容したとき、平面部312がセパレータ90の後端よりも後端側に突出する。これにより、次の端子金具保持工程で挿通孔90hに端子金具20a、20c(又は20b、20d)を挿通する最初から、対向する端子金具(接点部21p同士)を平面部312で分離するので、端子金具同士が接触して絡み合うことを確実に抑制できる。
さらに、本実施形態では、平面部312の厚みが、センサ素子10の表裏面の1対の電極パッド11a、12a(又は11b、12b)間の厚みよりも薄い。これにより、平面部312によって対向する端子金具(接点部21p同士)の間隔が広がって塑性変形し、その後のセンサ素子10の電極パッド11a、12a(又は11b、12b)との接圧が低下して電気的接続の信頼性が低下することを抑制できる。
図14は、第2の観点の実施形態で用いる第2治具400の平面図、図15は図14のB−B線に沿う断面図、図16は第2治具400に端子金具20a、20b、20c、20dを収容した状態を示す図、図17は第2の観点の実施形態に係るガスセンサの製造方法の工程図、図18は平面部412に対して端子金具20a〜20dが並設方向にブレた状態を示す図である。
又、平面部412は、第2治具400の上面402よりも上方に突出している。
さらに、収容空間400hの周縁の一部は、直線部300sと同様に直線部400sを形成し、セパレータ90の周方向の回転を防止する「第1規制部材」をなしている。又、セパレータ90にも上述の第2直線部(第2規制部材)90tが同様に設けられている。
第2治具400及び平面部412は、例えばステンレス鋼等の金属製とすることができる。
ここで、図16に示すように、平面部412の主面方向Lに沿って端子金具20a、20bが並び、平面部412の反対面には同様に端子金具20c、20dが並んでいる。そして、接点部21pにおける各端子金具20a〜20dの幅をW1、平面部412の主面の幅をW2とする。
このとき、図18に示すように、各端子金具20c、20d(又は20a、20b)の並ぶ方向(並設方向)Lの合計幅(2×W1)<W2とすると、各端子金具20c、20dが並設方向Lにブレても、平面部412を越えて反対側に位置する対向する端子金具20a、20bに接触して絡み合うことを確実に抑制できる。
まず、端子金具20a、20cのそれぞれに接続されるリード線146を、セパレータ90の挿通孔90hに挿通して挿通孔90hの先端側から突出させる(リード線挿通工程)。次に、リード線146の先端に端子金具20a、20cのリード線接続部23をそれぞれ圧着(電気的に接続)する(図17(a):端子金具接続工程)。
次に、セパレータ90内での端子金具20a、20cの保持位置と同一となるようにして、第2治具400の後端側から端子金具20a、20cを収容空間400hに収容し、接点部21p同士の間に平面部を挿入(介在)させる(図17(b):端子金具収容工程)。
次に、第2治具400の後端に当接したセパレータ400の挿通孔90hの先端側から、挿通孔90hに端子金具20a、20cを挿通して保持する(図17(d):端子金具保持工程)。
次いで、セパレータ90に対して第2治具400を相対的に先端側(下側)に離脱させる(図17(e):治具離脱工程)。
又、本実施形態でも上述のように第2治具400内でセパレータ90が周方向に回転することを防止し、セパレータ90の回転により端子金具同士が接触して絡み合うことを抑制できる。
例えば、端子金具や第1セパレータの挿通孔の形状等は上記実施形態に限定されない。
又、ガスセンサとしては、酸素センサ、全領域ガスセンサの他、NOxセンサが挙げられる。
又、上記実施形態では、端子金具20のリード線接続部23にリード線が直接接続(加締め)されていたが、これに限らず、例えばリード線を別部品に加締め等で直接接続し、この別部品を端子金具20の後端側に嵌挿等して接続する形態としてもよい。この場合、別部品と接続する端子金具20の接続部が「リード線接続部」に相当し、リード線接続部はリード線に別部品を介して間接的に接続されることとなる。
又、セパレータの周方向の回転を防止する第1規制部材として、位置決めのためのピンをセパレータ先端面の一部又はセパレータの端子収容空間に設けてもよく、第1規制部材を複数設けてもよい。
10 センサ素子
11a、11b、12a、12b 電極パッド
20、30、40 端子金具
21、31、41 本体部
21a、31a、41a 主面
21p 接点部
22、32、42 突出片部
22a、32a、42a 副面
22b 第2段部(接続部)
22c、32c、42c 弾性部
23、33、43 リード線接続部
90、92 セパレータ(第1セパレータ)
90d 第1段部
90h、92h 挿通孔(セパレータの内周面)
90t 第2規制部材
146 リード線
300 第1治具
300h、400h 収容空間
300b、400b 収容空間の底面
300s、400s 第1規制部材
312、412 平面部
314、316 端子金具規制部材
400 第2治具
O 軸線
F1 第1対向面
F2 第2対向面
D1 収容空間の内径
D2 セパレータの先端部の最大外径
L 並設方向
Claims (7)
- 軸線方向に延びる板状をなし、後端側の外表面に電極パッドを有するセンサ素子と、
前記軸線方向に延び、前記電極パッドに電気的に接続される端子金具と、
前記端子金具を保持する挿通孔を有すると共に、前記センサ素子の後端側を囲む筒状のセパレータと、
前記端子金具の後端側に接続されて前記セパレータの後端側へ引き出されるリード線と、を備えたガスセンサであって、
前記端子金具は、前記リード線に接続されるリード線接続部と、該リード線接続部の先端側に繋がり前記軸線方向に延びる本体部と、前記本体部の先端側から前記軸線方向に交差する方向に突出する突出片部と、前記突出片部の先端に連結され、前記センサ素子に向かって折り返されて前記電極パッドに弾性的に接続する弾性部と、を備え、
前記本体部のうち、前記弾性部が存在する側とは反対側に位置する面を主面とし、前記突出片部のうち、前記弾性部が存在する側とは反対側に位置する面を副面とし、
さらに前記主面のうち前記セパレータの前記挿通孔に対向する部位を第1対向面とし、前記副面のうち前記挿通孔に対向する部位を第2対向面としたとき、
前記第1対向面の面積S1が前記第2対向面の面積S2よりも大きく、
かつ、前記第2対向面の少なくとも一部が前記挿通孔を形成する前記セパレータの内周面と接すると共に、前記第1対向面は前記挿通孔の前記内周面と離間してなるガスセンサ。 - 前記第1対向面と前記挿通孔との最小間隔d1が前記第2対向面と前記挿通孔との最大間隔d2よりも広くなっている請求項1に記載のガスセンサ。
- 前記挿通孔のうち、前記主面に対向する部位が前記副面に対向する部位よりも径方向外側に位置する請求項1又は2に記載のガスセンサ。
- 前記端子金具の前記主面が前記副面よりも径方向内側に位置する請求項1〜3のいずれか一項に記載のガスセンサ。
- 前記挿通孔のうち、前記主面に対向する部位と前記副面に対向する部位との間に第1段部が形成され、
前記端子金具の前記副面は前記主面と第2段部を介して繋がると共に、前記主面が前記副面よりも径方向外側に位置し、
前記主面又は前記第2段部が前記第1段部に係止して前記端子金具を位置決めする請求項3に記載のガスセンサ。 - 請求項1〜5のいずれか一項に記載のガスセンサの製造方法であって、前記センサ素子は表面と裏面とに1対又は2対以上の前記電極パッドを有し、前記センサ素子を挟んで前記電極パッドにそれぞれ電気的に接続される接点部をそれぞれ前記弾性部に有する1対又は2対以上の前記端子金具を、前記接点部同士が対向するように前記セパレータの挿通孔に保持するガスセンサの製造方法であって、
前記軸線方向に沿って前記セパレータを収容する収容空間を有し、前記セパレータ及び前記端子金具を前記収容空間に収容した際に、前記接点部同士の対向面に対応した位置に配置された所定厚みの平面部が前記収容空間の底面から前記セパレータの後端側に沿って立設する第1治具を用い、
前記第1治具の後端側から前記セパレータを収容し、前記セパレータの前記挿通孔のうち、前記対向面に対応した位置に前記平面部を挿通するセパレータ収容工程と、
前記接点部同士の間に前記平面部が介在するよう、前記セパレータの後端側から前記挿通孔に前記端子金具のそれぞれを挿通して保持する端子金具保持工程と、
前記セパレータに対して前記第1治具を相対的に先端側に離脱させる治具離脱工程と、
を有するガスセンサの製造方法。 - 請求項1〜5のいずれか一項に記載のガスセンサの製造方法であって、前記センサ素子は表面と裏面とに1対又は2対以上の前記電極パッドを有し、前記センサ素子を挟んで前記電極パッドにそれぞれ電気的に接続される接点部をそれぞれ前記弾性部に有する1対又は2対以上の前記端子金具を、前記接点部同士が対向するように前記セパレータの挿通孔に保持するガスセンサの製造方法であって、
前記端子金具のそれぞれに接続されるリード線を、前記セパレータの前記挿通孔に挿通して前記挿通孔の先端側から突出させるリード線挿通工程と、
前記リード線の先端に前記端子金具をそれぞれ電気的に接続する端子金具接続工程と、
前記セパレータ内での前記端子金具の保持位置と同一となるよう、前記端子金具を前記軸線方向に沿って収容する収容空間を有し、前記端子金具を前記収容空間に収容した際に、前記接点部同士の対向面に対応した位置に配置された所定厚みの平面部が前記収容空間の底面から前記軸線方向に沿って立設し、前記収容空間の内径が前記セパレータの先端部の最大外径以下の第2治具を用い、
前記接点部同士の間に前記平面部が介在するよう、前記第2治具の後端側から前記端子金具を収容する端子金具収容工程と、
前記リード線を後端側に引っ張りながら、前記セパレータの先端を前記第2治具の後端に当接させるセパレータ当接工程と、
前記第2治具の後端に当接した前記セパレータの前記挿通孔の先端側から、該挿通孔に前記端子金具を挿通して保持する端子金具保持工程と、
前記セパレータに対して前記第2治具を相対的に先端側に離脱させる治具離脱工程と、
を有するガスセンサの製造方法。
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