JP7249262B2 - セラミック応用電子機器及びコネクタ - Google Patents

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Description

この発明はセラミック素子を内蔵したNOxセンサや酸素センサ等のセラミック応用電子機器に関し、さらにそのセラミック応用電子機器内で用いるコネクタに関する。
図15はこの種のセラミック応用電子機器の従来例として特許文献1に記載されている車両排気ガスの酸素濃度を検出する酸素センサを示したものであり、図16は図15におけるA部分のアセンブリを示したものである。
酸素センサはセラミック素子11を備え、セラミック素子11は主体金具12内にガラスシール13や外筒金具14等によって固定されている。主体金具12の先端外周にはセラミック素子11の突出部分を覆うカバー15が固着され、カバー15には排気管内を流れる排気ガスをカバー15内に導く開口15aが形成されている。
セラミック素子11は方形状断面を有する長手のもので、一端部の一方の外面及び他方の外面にはそれぞれ2極の電極端子部16が形成されている。各電極端子部16には導線(長手状金属薄板)17が接続され、それら導線17はコネクタ部18を介してリード線19に接続されている。4本のリード線19はグロメット21を貫通して外部に延び、それらの先端にはコネクタプラグ22が連結されている。図15中、23はリード線19を保護する保護チューブを示す。
セラミック素子11の電極端子部16と導線17との接続は、この例では図16に示すように、各電極端子部16に導線17を重ね、さらにその外側に2枚の絶縁板24を配置したセラミック素子11と導線17と絶縁板24とよりなる結合ユニット25を構成し、その結合ユニット25の外側にリング金具26を圧入して締まりばめ嵌合することによって行われている。
これにより結合ユニット25はリング金具26によって強固に保持されて一体化され、各導線17はセラミック素子11の電極端子部16に強く圧着されて電気的に接続されている。
特開平10-253579号公報
上述したように、従来においてはセラミック素子11の電極端子部16と導線17との接続は、セラミック素子11の両面に導線17及び絶縁板24を配置した結合ユニット25の外側にリング金具26を圧入して嵌めることで、導線17をセラミック素子11の電極端子部16に圧着させることによって行われている。
しかるに、このような接続構造では、結合ユニット25を構成するセラミック素子11や絶縁板24の寸法ばらつきによって接触力が変動し、導線17と電極端子部16との安定した接触力が得られないといった問題がある。
また、リング金具26の圧入嵌合によって結合ユニット25を強固に保持するためには、リング金具26の圧入に際し、大きな力が必要であり、その点で組立作業に難があるものとなっていた。
この発明の目的はこのような問題に鑑み、セラミック応用電子機器におけるセラミック素子の電気的接続を信頼性良く、かつ作業性良く行えるようにしたコネクタを提供することにあり、さらにそのコネクタを具備したセラミック応用電子機器を提供することにある。
請求項1の発明によれば、端子電極を基端部に有するセラミック素子を内蔵し、外部接続用のリード線が引き出されているセラミック応用電子機器は、リード線と接続されたコンタクトを保持し、前記基端部の両面に配置された2つのインシュレータと、平板部と、平板部の両端から互いに対向するように折り曲げ延長された片持ち梁状をなす一対のばね片とを有し、一対のばね片の自由端と平板部に連結されている固定端との間に屈曲部がそれぞれ形成され、平板部にセラミック素子が通る開口が形成されているばね部品と、筒状のスリーブとを備え、前記平板部は前記開口にセラミック素子を通して2つのインシュレータの一端側に位置し、一対のばね片は2つのインシュレータの互いの外側面に位置し、自由端にスリーブが被さって自由端が互いに近づく方向に弾性変形しており、2つのインシュレータは弾性変形した一対のばね片の前記屈曲部によって押されて前記基端部を挟み込んで保持し、コンタクトは端子電極に押し付けられて接触しているものとされる。
請求項3の発明によれば、セラミック素子の基端部に形成されている端子電極とリード線とを接続するためのコネクタは、リード線と接続されるコンタクトを保持し、前記基端部の両面に配置される2つのインシュレータと、平板部と、平板部の両端から互いに対向するように折り曲げ延長された片持ち梁状をなす一対のばね片とを有し、一対のばね片の自由端と平板部に連結されている固定端との間に屈曲部がそれぞれ形成され、平板部に開口が形成されているばね部品と、筒状のスリーブとを備え、前記平板部は2つのインシュレータの一端側に位置し、一対のばね片は2つのインシュレータの互いの外側面に位置し、自由端にスリーブが被さることによって自由端が互いに近づく方向に弾性変形する構成とされ、2つのインシュレータはスリーブが被さることによって弾性変形した一対のばね片の前記屈曲部によって押されて前記開口より挿入された前記基端部を挟み込んで保持すると共にコンタクトを端子電極に押し付けて接触させる構成とされる。
この発明によれば、セラミック応用電子機器におけるセラミック素子の電気的接続を安定かつ大きな接触力で信頼性良く行うことができ、さらに作業性良く行うことができるコネクタを得ることができ、さらにそのようなコネクタを具備したセラミック応用電子機器を得ることができる。
Aはこの発明によるコネクタの一実施例とセラミック素子の接続状態を示す平面図、Bはその左側面図、Cはその正面図、Dはその右側面図。 Aはこの発明によるコネクタの一実施例とセラミック素子の接続状態を示す斜視図、Bはその拡大断面図。 図1に示したコネクタを一部分解した斜視図。 Aは図3におけるインシュレータの斜視図、BはAを上下反転させた斜視図。 Aは図1に示したコネクタとセラミック素子の接続前の状態を示す平面図、Bはその断面図。 図1に示したコネクタとセラミック素子の接続前の状態を示す斜視図。 図1に示したコネクタとセラミック素子の接続途中の状態を示す斜視図。 この発明によるセラミック応用電子機器の一実施例を示す断面図。 Aはこの発明によるコネクタの他の実施例とセラミック素子の接続状態を示す平面図、Bはその左側面図、Cはその正面図、Dはその右側面図。 Aはこの発明によるコネクタの他の実施例とセラミック素子の接続状態を示す斜視図、Bはその拡大断面図。 図9に示したコネクタを一部分解した斜視図。 Aは図9に示したコネクタとセラミック素子の接続前の状態を示す平面図、Bはその断面図。 図9に示したコネクタとセラミック素子の接続前の状態を示す斜視図。 図9に示したコネクタとセラミック素子の接続途中の状態を示す斜視図。 セラミック応用電子機器の従来例を示す断面図。 図15におけるA部分の詳細を示す斜視図。
この発明の実施形態を図面を参照して実施例により説明する。
図1及び2はこの発明によるコネクタの一実施例を示したものであり、このコネクタ100はセラミック応用電子機器において内蔵されているセラミック素子と外部接続用のリード線とを接続するために用いられる。なお、図1及び2はコネクタ100にセラミック素子30が接続された状態として示している。
コネクタ100はこの例では2つのインシュレータ40と、8本のコンタクト50と、ばね部品60と、円筒形状のスリーブ70とよりなる。図3はコネクタ100を一部分解して示したものであり、図4はインシュレータ40の詳細を示したものである。また、図5及び6はコネクタ100にセラミック素子30が接続される前の状態を示したものである。
2つのインシュレータ40は下面40aが互いに対向されて配置されるもので、この例では下面40aに4本のコンタクト50をそれぞれ整列保持するものとなっている。インシュレータ40には図4に示したように、コンタクト50の先端を収容して引っ掛けるための4つの溝41と、コンタクト50の一部が挿入される4つの穴42と、穴42内に位置してコンタクト50を止める止め部43(図5B参照)が形成されている。
また、インシュレータ40の下面40aの幅方向(溝41の配列方向)一端には突出部44が形成され、他端には規制部45,46が突出形成されている。これら突出部44と規制部45,46は2つのインシュレータ40を下面40a同士を対向させて配置した時に、突出部44が対向するインシュレータ40の規制部45と46との間に位置するように形成されている。
さらに、インシュレータ40の幅方向両端に位置する側面40b,40cにはそれぞれ凹部47が形成されている。このような構成を有するインシュレータ40は例えばアルミナ焼結体などのセラミック製とされる。
コンタクト50は図3及び5に示したように、インシュレータ40に保持されている。コンタクト50はインシュレータ40の溝41に収容され、引っ掛けられて止められる湾曲した形状をなす先端部51と、屈曲されてセラミック素子30の端子電極との接点をなす接点部52,53と、インシュレータ40の穴42内に挿入される立ち上げ部54と、立ち上げ部54の先端に形成されてインシュレータ40の止め部43に止められるフック部55と、インシュレータ40から引き出された接続部56とを備えている。
ばね部品60は図3及び5に示したように、方形状をなす平板部61と、平板部61の両端(対向2辺)から互いに対向するように折り曲げ延長された片持ち梁状をなす一対のばね片62を有し、さらにこの例では平板部61の残る対向2辺から互いに対向するように、ばね片62と同じ方向に折り曲げ延長された一対の延長部63を有する。平板部61の中央には方形の開口64が形成されている。
ばね片62の自由端62aと平板部61に連結されている固定端62bとの間には屈曲部62cが設けられ、屈曲部62cを有するばね片62はV字型をなす。ばね片62の屈曲部62cより自由端62a側は自由端62aに向かって幅狭となる台形状をなし、自由端62aはわずかに内側に曲げられている。
延長部63は幅広の基端部63aと、基端部63aに続く幅狭の中間部63bと、中間部63bに続く幅広の先端部63cと、一対の抜け止め片63dとよりなる。一対の抜け止め片63dは中間部63bを挟んで先端部63cから基端部63aに向かって延長形成されており、わずかに内側に曲げ起こされている。先端部63cの幅方向両端には内側に折り曲げられた折り曲げ部63eがそれぞれ形成されている。
上記のような構成を有するばね部品60は例えばステンレス材によって形成され、筒状をなすスリーブ70もステンレス材によって形成される。
コンタクト50を保持した2つのインシュレータ40は下面40aが互いに対向するように配置され、これらインシュレータ40に図5及び6に示したようにばね部品60が取り付けられる。なお、この状態では2つのインシュレータ40は対向するコンタクト50の接点部52(53)間の間隔がd1となるように治具(図示せず)によって位置決め保持されている。
ばね部品60はコンタクト50の先端部51が位置する2つのインシュレータ40の一端側に平板部61が位置し、一対のばね片62が2つのインシュレータ40の上面40dに、即ち互いの外側面に位置するように取り付けられる。ばね部品60の一対の延長部63の先端部63c及び折り曲げ部63eは2つのインシュレータ40を囲むように位置し、各2つの抜け止め片63dはインシュレータ40の凹部47に先端が入り込んで位置する。ばね部品60は抜け止め片63dの先端がインシュレータ40に引っ掛かることによって2つのインシュレータ40から抜け止めされる。
コネクタ100によって外部接続用のリード線と接続されるセラミック素子30は図5及び6に示した状態の2つのインシュレータ40間に基端部31が挿入される。基端部31の表面には図5A及び6に示したように端子電極32が4つ配列形成されており、裏面にも同様に端子電極32が4つ配列形成されている。なお、図5B及び図1B,2Bでは端子電極32の詳細図示を省略している。
2つのインシュレータ40間への基端部31の挿入に際し、スリーブ70は予めセラミック素子30の回りに通され、この状態でセラミック素子30の基端部31はばね部品60の開口64を通って2つのインシュレータ40間に図7に示したように挿入される。そして、挿入後、スリーブ70を移動させ、図1及び2に示した位置にスリーブ70を位置させることによってコネクタ100とセラミック素子30の接続が完了する。なお、スリーブ70を移動させて図1及び2に示した位置に位置させる際、2つのインシュレータ40はそれらを位置決め保持していた治具から解放される。
ここで、セラミック素子30の厚みを図5Bに示したようにtとすると、対向するコンタクト50の接点部52(53)間の間隔d1とtは下記の関係となっている。
d1≧t
よって、この例では挿入力を必要とせず、2つのインシュレータ40間にセラミック素子30を挿入することができ、つまりZIF(Zero Insertion Force)でセラミック素子30の挿入が可能となっている。なお、d1はtよりやや小さくしてもよく、この場合においてもわずかな挿入力でセラミック素子30を挿入することができ、つまりLIF(Low Insertion Force)でセラミック素子30の挿入を可能とすることができる。
スリーブ70が移動してコネクタ100とセラミック素子30の接続が完了した状態では、スリーブ70は一対のばね片62の自由端62aに被さり、自由端62aが互いに近づく方向に一対のばね片62を弾性変形させる。これにより、セラミック素子30の基端部31の両面に位置する2つのインシュレータ40は一対のばね片62の屈曲部62cによって押されて基端部31を挟み込んで保持すると共に、インシュレータ40に保持されているコンタクト50はそれぞれ基端部31に形成されている端子電極32に接点部52,53が押し付けられて接触し、コンタクト50と端子電極32とが電気的に接続される。
ここで、ばね片62の固定端62b、自由端62a及び自由端62aと固定端62bとの間に位置する屈曲部62cをてこの支点、力点、作用点ととらえれば、てこの原理と同様に、スリーブ70によって自由端62aを変位させる力より大きな力で屈曲部62cをインシュレータ40に押し付けることができ、即ちスリーブ70によって自由端62aを変位させる力より大きな力でセラミック素子30の基端部31を2つのインシュレータ40で挟み込んでコンタクト50を基端部31の端子電極32に接触させることができる。よって、大きな接触力、保持力を得ることができ、自由端62aを変位させる力は相対的に小さな力で済む。
また、このように一対のばね片62が弾性変形して2つのインシュレータ40及びセラミック素子30の基端部31を挟み込む構造のため、例えばインシュレータ40やセラミック素子30の寸法ばらつきがあったとしても、その寸法ばらつきを吸収することができ、よって安定した接触力を得ることができ、セラミック素子30との接続信頼性に優れ、かつ接続操作性に優れ、低操作力でセラミック素子30と接続可能なコネクタ100を得ることができる。
なお、図5Bの状態での2つのインシュレータ40の上面40d間の寸法をm1とし、図2の状態での2つのインシュレータ40の上面40d間の寸法をm2とすると、
m2<m1
となっている。
以上、コネクタ100の構成及びコネクタ100とセラミック素子30との接続について説明したが、コネクタ100のコンタクト50の接続部56には外部接続用のリード線がそれぞれ接続され、コネクタ100によってセラミック素子30の端子電極32とリード線とが接続される。
次に、上述したコネクタ100を具備するセラミック応用電子機器について説明する。
図8はこの発明によるセラミック応用電子機器の一実施例として、ガスセンサを示したものであり、ガスセンサは被測定ガスから所定のガス成分を測定する前述したセラミック素子30と、セラミック素子30の先端部を保護する保護カバー80と、セラミック素子30と接続されたコネクタ100を含むセンサ組立体90とを備えている。
セラミック素子30は細長な長尺の板状体形状をなし、ジルコニア等の酸素イオン伝導性固体電解質層からなる例えば6枚のセラミック基板を積層して形成されている。
保護カバー80はセラミック素子30の先端を覆う内側保護カバー81と、この内側保護カバー81を覆う外側保護カバー82とを備えている。内側保護カバー81はセラミック素子30の先端に被測定ガスを導入するための穴81aを備えており、外側保護カバー82は側面に被測定ガスを導入するための穴82aを備えている。
センサ組立体90は主体金具91と、主体金具91に溶接固定された内筒92及び外筒93と、セラミック素子30の基端部31に接続されたコネクタ100とを備えている。図8中、91aは詳細図示を省略しているが、主体金具91に形成されている取り付け用のねじ部を示す。
内筒92の内部には複数のセラミックサポータ94a~94cと、セラミックサポータ94a,94b間及びセラミックサポータ94b,94c間に充填されたセラミック粉体95a,95bが封入されている。外筒93は内筒92、セラミック素子30、コネクタ100の周囲を覆っており、コネクタ100のコンタクト50に接続されたリード線96が外部に引き出されている。リード線96はコネクタ100を介してセラミック素子30の各端子電極32と接続されている。外筒93とリード線96との隙間はゴム栓97によって封止されている。
上記のような構成を有するガスセンサは、例えば車両の排ガス管に取り付けられて排気ガスに含まれるNOxやO等のガス成分の測定に使用され、セラミック素子30とリード線96との接続にコネクタ100を用いているため、セラミック素子30の電気的接続を信頼性良く、かつ作業性良く行えるものとなっている。
以下、セラミック素子の端子電極とリード線とを接続するためのコネクタの他の実施例について説明する。
図9及び10は前述した図1及び2と同様、コネクタ200にセラミック素子30が接続された状態を示したものであり、図11はコネクタ200を一部分解して示したものである。また図12及び13はコネクタ200にセラミック素子30が接続される前の状態を示したものであり、図14はセラミック素子30がコネクタ200の2つのインシュレータ40間に挿入された状態を示したものである。これら図9~14において図1~7と対応する部分には同一符号を付し、その詳細な説明を省略する。
コネクタ200はばね部品60’が具備する一対のばね片62’の形状がコネクタ100と異なるものとなっており、他の構成はコネクタ100と同じである。
一対のばね片62’はこの例では平板部61に連結されている固定端62bから互いに対向するように折り曲げ延長された後、外側に少し折り曲げられて折り曲げられた先が自由端62aとされ、自由端62aから内側に折り返されて固定端62b近くまで戻る折り返し部62dをそれぞれ有し、折り返し部62dに屈曲部62cが設けられて折り返し部62dがV字型をなすものとされている。折り返し部62dの先端62eはわずかに内側に曲げ起こされている。
ばね片62’の固定端62bから自由端62aに至る部分において、外側に少し折り曲げられた部分の自由端62a寄りは幅狭とされ、固定端62b寄りはその幅狭の部分につながる台形状をなす。また、自由端62aから屈曲部62cに至る部分は屈曲部62cに向かって幅広となる台形状をなし、屈曲部62cから先端62eに至る部分は先端62eに向かって幅狭となる台形状をなすものとされている。
コネクタ200はこのような折り返し部62dを有するばね片62’を具備することにより、スリーブ70が一対のばね片62’の自由端62aに被さって一対のばね片62’が弾性変形した際、ばね片62’の折り返し部62dの先端62eが図10Bに示したように外側に位置する自分自身(ばね片62’の固定端62b側部分)に当たるため、ばね片62’の重なっている部分が両方働くものとなっており、つまり自由端62aと先端62eに加わる双方の力が屈曲部62cに及ぶものとなっている。よって、このコネクタ200は前述したコネクタ100に比べ、より強固にセラミック素子30の基端部31を挟み込んで保持すると共に、より大きな接触力でコンタクト50をそれぞれ基端部31に形成されている端子電極32に接触させることができるものとなっている。
以上、この発明の実施例について説明したが、スリーブ70の形状は円筒形状に限るものではなく、空洞の断面形状が多角形をなす筒状としてもよい。
11 セラミック素子 12 主体金具
13 ガラスシール 14 外筒金具
15 カバー 15a 開口
16 電極端子部 17 導線
18 コネクタ部 19 リード線
21 グロメット 22 コネクタプラグ
23 保護チューブ 24 絶縁板
25 結合ユニット 26 リング金具
30 セラミック素子 31 基端部
32 端子電極 40 インシュレータ
40a 下面 40b,40c 側面
40d 上面 41 溝
42 穴 43 止め部
44 突出部 45,46 規制部
47 凹部 50 コンタクト
51 先端部 52,53 接点部
54 立ち上げ部 55 フック部
56 接続部 60,60’ ばね部品
61 平板部 62,62’ ばね片
62a 自由端 62b 固定端
62c 屈曲部 62d 折り返し部
62e 先端 63 延長部
63a 基端部 63b 中間部
63c 先端部 63d 抜け止め片
63e 折り曲げ部 64 開口
70 スリーブ 80 保護カバー
81 内側保護カバー 81a 穴
82 外側保護カバー 82a 穴

90 センサ組立体 91 主体金具
91a ネジ部 92 内筒
93 外筒 94a~94c セラミックサポータ
95a,95b セラミック粉体 96 リード線
97 ゴム栓 100,200 コネクタ

Claims (4)

  1. 端子電極を基端部に有するセラミック素子を内蔵し、外部接続用のリード線が引き出されているセラミック応用電子機器であって、
    前記リード線と接続されたコンタクトを保持し、前記基端部の両面に配置された2つのインシュレータと、
    平板部と、前記平板部の両端から互いに対向するように折り曲げ延長された片持ち梁状をなす一対のばね片とを有し、前記一対のばね片の自由端と前記平板部に連結されている固定端との間に屈曲部がそれぞれ形成され、前記平板部に前記セラミック素子が通る開口が形成されているばね部品と、
    筒状のスリーブとを備え、
    前記平板部は前記開口に前記セラミック素子を通して前記2つのインシュレータの一端側に位置し、
    前記一対のばね片は前記2つのインシュレータの互いの外側面に位置し、前記自由端に前記スリーブが被さって前記自由端が互いに近づく方向に弾性変形しており、
    前記2つのインシュレータは弾性変形した前記一対のばね片の前記屈曲部によって押されて前記基端部を挟み込んで保持し、前記コンタクトは前記端子電極に押し付けられて接触していることを特徴とするセラミック応用電子機器。
  2. 端子電極を基端部に有するセラミック素子を内蔵し、外部接続用のリード線が引き出されているセラミック応用電子機器であって、
    前記リード線と接続されたコンタクトを保持し、前記基端部の両面に配置された2つのインシュレータと、
    平板部と、前記平板部の両端から互いに対向するように折り曲げ延長された片持ち梁状をなす一対のばね片とを有し、前記一対のばね片は自由端から内側に折り返された折り返し部をそれぞれ有し、前記折り返し部に屈曲部がそれぞれ形成され、前記平板部に前記セラミック素子が通る開口が形成されているばね部品と、
    筒状のスリーブとを備え、
    前記平板部は前記開口に前記セラミック素子を通して前記2つのインシュレータの一端側に位置し、
    前記一対のばね片は前記2つのインシュレータの互いの外側面に位置し、前記自由端に前記スリーブが被さって前記自由端が互いに近づく方向に弾性変形しており、弾性変形した前記ばね片の前記折り返し部の先端は当該ばね片の、前記平板部に連結されている固定端側部分に当たっており、
    前記2つのインシュレータは弾性変形した前記一対のばね片の前記屈曲部によって押されて前記基端部を挟み込んで保持し、前記コンタクトは前記端子電極に押し付けられて接触していることを特徴とするセラミック応用電子機器。
  3. セラミック素子の基端部に形成されている端子電極とリード線とを接続するためのコネクタであって、
    前記リード線と接続されるコンタクトを保持し、前記基端部の両面に配置される2つのインシュレータと、
    平板部と、前記平板部の両端から互いに対向するように折り曲げ延長された片持ち梁状をなす一対のばね片とを有し、前記一対のばね片の自由端と前記平板部に連結されている固定端との間に屈曲部がそれぞれ形成され、前記平板部に開口が形成されているばね部品と、
    筒状のスリーブとを備え、
    前記平板部は前記2つのインシュレータの一端側に位置し、
    前記一対のばね片は前記2つのインシュレータの互いの外側面に位置し、前記自由端に前記スリーブが被さることによって前記自由端が互いに近づく方向に弾性変形する構成とされ、
    前記2つのインシュレータは前記スリーブが被さることによって弾性変形した前記一対のばね片の前記屈曲部によって押されて前記開口より挿入された前記基端部を挟み込んで保持すると共に前記コンタクトを前記端子電極に押し付けて接触させる構成とされていることを特徴とするコネクタ。
  4. セラミック素子の基端部に形成されている端子電極とリード線とを接続するためのコネクタであって、
    前記リード線と接続されるコンタクトを保持し、前記基端部の両面に配置される2つのインシュレータと、
    平板部と、前記平板部の両端から互いに対向するように折り曲げ延長された片持ち梁状をなす一対のばね片とを有し、前記一対のばね片は自由端から内側に折り返された折り返し部をそれぞれ有し、前記折り返し部に屈曲部がそれぞれ形成され、前記平板部に開口が形成されているばね部品と、
    筒状のスリーブとを備え、
    前記平板部は前記2つのインシュレータの一端側に位置し、
    前記一対のばね片は前記2つのインシュレータの互いの外側面に位置し、前記自由端に前記スリーブが被さることによって前記自由端が互いに近づく方向に弾性変形し、弾性変形した前記ばね片の前記折り返し部の先端は当該ばね片の、前記平板部に連結されている固定端側部分に当たる構成とされ、
    前記2つのインシュレータは前記スリーブが被さることによって弾性変形した前記一対のばね片の前記屈曲部によって押されて前記開口より挿入された前記基端部を挟み込んで保持すると共に前記コンタクトを前記端子電極に押し付けて接触させる構成とされていることを特徴とするコネクタ。
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