JP7298584B2 - ガスセンサ - Google Patents

Description

本発明は、ガスセンサに関する。

内燃機関の排気系等に配設されて、排ガス等、被測定ガス中の特定ガス濃度を検出するガスセンサが、種々開発されている。かかるガスセンサにおいて、センサ素子の電極端子と接触する接点端子を保持する絶縁碍子を備えたものがある。この絶縁碍子を安定保持するために、弾性部材によって絶縁碍子を軸方向に押す構造が、特許文献１に開示されている。

ガスセンサを組み立てる際、弾性部材が所定の位置からずれて組付けられてしまうと、製品不良を招くおそれがある。特許文献１には、弾性部材を絶縁碍子に固定できる態様も記載されている。この記載によると、略環状の弾性部材の内周面を、絶縁碍子の一部の外周面に圧接させた状態で、弾性部材を絶縁碍子に固定することとなる。

特許第４８３８２７４号公報

しかしながら、特許文献１に開示された弾性部材は、中空状であり、周方向に直交する断面の形状が略Ｃ字形状を有する。
それゆえ、弾性部材をプラグ軸方向に圧縮すると、弾性部材が径方向の内周側及び外周側に広がるように変形しようとする。つまり、弾性部材が固定された絶縁碍子を、ガスセンサの他の構成部品に組付ける際、弾性部材が径方向の内周側及び外周側に広がるように変形しようとする。しかし、弾性部材の内周側は絶縁碍子に接触しているため、弾性部材の変形が妨げられる。それゆえ、軸方向における弾性部材から絶縁碍子への荷重を狙い通りに印加することが困難となる。

このように、特許文献１に開示された構成では、組付け後における絶縁碍子への荷重を調整しやすくしつつ、組付け前には絶縁碍子に弾性部材を固定しておくことは、困難である。つまり、上記構成では、絶縁碍子への荷重調整の容易性と、ガスセンサの組立容易性との両立を図ることは、困難である。

本発明は、かかる課題に鑑みてなされたものであり、絶縁碍子への荷重調整の容易性と、ガスセンサの組立容易性との両立を図ることができる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、被測定ガス中の特定ガス濃度を検出するセンサ素子（２）と、
該センサ素子が内周側に配されるハウジング（３）と、
上記センサ素子に形成された電極端子（２１）に接触する接点端子（４）と、
該接点端子を保持する絶縁碍子（５）と、
上記ハウジングの基端側に固定されると共に上記絶縁碍子を覆う基端側カバー（６）と、
該基端側カバーと絶縁碍子との間に配され、該絶縁碍子を先端側へ押す皿ばね（７）と、を有し、
上記絶縁碍子は、基端側に突出した基端側突出部（５１）を有すると共に、該基端側突出部の周囲において基端側を向いた外周基端面（５２）を有し、
上記皿ばねは、環状本体部（７１）と、該環状本体部の内周端から基端側へ突出した複数の爪部（７２）とを有し、
上記皿ばねは、上記環状本体部の内周端から内周側へ突出した鍔部（７３）を有し、該鍔部は、上記外周基端面に接触している、ガスセンサ（１）にある。
本発明の他の態様は、被測定ガス中の特定ガス濃度を検出するセンサ素子（２）と、
該センサ素子が内周側に配されるハウジング（３）と、
上記センサ素子に形成された電極端子（２１）に接触する接点端子（４）と、
該接点端子を保持する絶縁碍子（５）と、
上記ハウジングの基端側に固定されると共に上記絶縁碍子を覆う基端側カバー（６）と、
該基端側カバーと絶縁碍子との間に配され、該絶縁碍子を先端側へ押す皿ばね（７）と、を有し、
上記絶縁碍子は、基端側に突出した基端側突出部（５１）を有すると共に、該基端側突出部の周囲において基端側を向いた外周基端面（５２）を有し、
上記皿ばねは、環状本体部（７１）と、該環状本体部の内周端から基端側へ突出した複数の爪部（７２）とを有し、
上記爪部の突出端（７２１）は、上記基端側突出部から離れている、ガスセンサ（１）にある。

上記ガスセンサにおいて、上記皿ばねは、複数の上記爪部を有する。そのため、ガスセンサを組み立てる前の段階において、複数の爪部を絶縁碍子の基端側突出部の側面に圧接させて、皿ばねを絶縁碍子に取り付けておくことができる。

その後、ガスセンサを組み立てる際に、皿ばねの環状本体部を軸方向に弾性圧縮したとき、環状本体部の変形に伴い、基端側突出部に対する爪部の圧力が低下する。したがって、絶縁碍子と爪部との干渉によって環状本体部の弾性変形が妨げられることはない。それゆえ、皿ばねによる絶縁碍子への荷重調整を容易に行うことができる。

上述のように、ガスセンサの組み立て前に皿ばねを絶縁碍子に取り付けておくことができるため、ガスセンサの組立容易性を向上させることができる。そして、皿ばねの弾性変形が妨げられることがないため、皿ばねによる絶縁碍子への荷重調整を容易に行うことができる。

以上のごとく、上記態様によれば、絶縁碍子への荷重調整の容易性と、ガスセンサの組立容易性との両立を図ることができるガスセンサを提供することができる。
なお、特許請求の範囲及び課題を解決する手段に記載した括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示すものであり、本発明の技術的範囲を限定するものではない。

実施形態１における、ガスセンサの軸方向に沿った断面図。 実施形態１における、絶縁碍子付近の拡大断面図。 実施形態１における、皿ばねの平面図。 図３のIV－IV線矢視断面図。 鍔部を設けていない皿ばねの、図３のIV－IV線矢視断面相当図。 実施形態１における、皿ばねの一部断面斜視図。 実施形態１における、先端側サブアッシーの断面図。 実施形態１における、端子部サブアッシーの断面図。 図８のIX矢視図。 実施形態１における、ガスセンサの組み立て方法の説明図であって、皿ばねを弾性圧縮する直前の状態の断面模式図。 実施形態１における、ガスセンサの組み立て方法の説明図であって、皿ばねを弾性圧縮した状態の断面模式図。 実施形態１における、ガスセンサの組み立て方法の説明図であって、皿ばねを弾性圧縮した状態の他の断面模式図。 実施形態１における、皿ばねの弾性圧縮前後の状態を示す模式図。

（実施形態１）
ガスセンサに係る実施形態について、図１～図１３を参照して説明する。
本形態のガスセンサ１は、図１に示すごとく、センサ素子２と、ハウジング３と、接点端子４と、絶縁碍子５と、基端側カバー６と、皿ばね７と、を有する。

センサ素子２は、被測定ガス中の特定ガス濃度を検出する素子である。ハウジング３の内周側に、センサ素子２が配される。接点端子４は、センサ素子２の基端部に形成された電極端子２１に接触する。絶縁碍子５は、接点端子４を保持する。基端側カバー６は、ハウジング３の基端側に固定されると共に絶縁碍子５を覆う。皿ばね７は、基端側カバー６と絶縁碍子５との間に配され、絶縁碍子５を先端側へ押す。

図２に示すごとく、絶縁碍子５は、基端側に突出した基端側突出部５１を有する。また、絶縁碍子５は、基端側突出部５１の周囲において基端側を向いた外周基端面５２を有する。

皿ばね７は、図３、図４、図６に示すごとく、環状本体部７１と、複数の爪部７２とを有する。爪部７２は、図２、図４に示すごとく、環状本体部７１の内周端から基端側へ突出している。

図２に示すごとく、ガスセンサ１が組み立てられた状態において、皿ばね７の爪部７２の突出端７２１は、基端側突出部５１から離れている。また、爪部７２の突出端７２１は、絶縁碍子５の基端側突出部５１の基端よりも、軸方向Ｚの先端側に位置している。

ガスセンサ１は、例えば、車両の内燃機関の排気管に設置されて、排気管内を流れる排ガスのガス検出を行うものとすることができる。ガスセンサ１は、ハウジング３の取付ネジ部３１を、排気管に設けた雌ネジに螺合して、排気管に取り付けられる。軸方向Ｚにおいて、排気管に挿入される側を、先端側、その反対側を、基端側というものとする。

本形態のガスセンサ１は、図１、図２に示すごとく、センサ素子２を保持する素子保持体１１を有する。素子保持体１１は、センサ素子２を挿通させて保持すると共に、ハウジング３の内周側に保持されている。素子保持体１１は、例えば、セラミック等の絶縁部材からなる。ただし、素子保持体１１の材質は、特に限定されるものではなく、例えば金属製のものとすることもできる。

絶縁碍子５の先端部と素子保持体１１の基端部とは、互いに軸方向Ｚに当接している。すなわち、絶縁碍子５は、皿ばね７と素子保持体１１との間に、挟持されている。そして、弾性変形した皿ばね７が、その復元力によって、絶縁碍子５を素子保持体１１に軸方向Ｚに押し付けている。これにより、基端側カバー６内において、絶縁碍子５が安定して配設されている。

基端側カバー６は、ハウジング３の基端部に溶接等にて固定されている。基端側カバー６は、絶縁碍子５を覆うように筒状に形成されている。基端側カバー６は、絶縁碍子５の基端部付近の軸方向位置に、内面が先端側を向いた段部６１を有する。この段部６１に、皿ばね７の外周端が支承されている。そして、皿ばね７の内周端付近の一部が、絶縁碍子５の外周基端面５２に当接している。このようにして、皿ばね７が、基端側カバー６と絶縁碍子５との間に介在している。

絶縁碍子５は、例えば、アルミナ等のセラミック等からなる。絶縁碍子５は、内側に、複数の接点端子４を収容して保持している。接点端子４は、センサ素子２の電極端子２１に圧接している。電極端子２１は、センサ素子２のセンサセル（図示略）に電気的に接続されている。また、センサ素子２がヒータを一体化している場合は、ヒータに電気的に接続された電極端子２１に圧接する接点端子４も存在する。各接点端子４は、その基端部を絶縁碍子５の基端側に貫通させて、リード線１２に接続している。図１に示すごとく、リード線１２は、基端側カバー６の基端部に設けられたゴムブッシュ１３を貫通して、外部に延設されている。

図１に示すごとく、ハウジング３の先端側には、先端側カバー１６が固定されている。先端側カバー１６は、センサ素子２の先端部を覆うように形成されている。先端側カバー１６には、被測定ガスが通過する通気孔１６１が形成されている。本形態においては、先端側カバー１６は、二重構造となっている。

図３、図４、図６に、自由状態にある皿ばね７の形状を示す。
環状本体部７１は、図３に示すごとく、円環状に形成されている。そして、図４に示すごとく、自由状態においては、環状本体部７１は、外周側へ向かうにつれて基端側へ向かうように傾斜している。図３、図４、図６に示すごとく、環状本体部７１の内周端から、複数の爪部７２が突出している。各爪部７２は、環状本体部７１の内周端から、内周側に突出すると共に湾曲して基端側へ突出している。自由状態において、爪部７２は、基端側へ向かうほど内周側に向かうように傾斜している。

また、皿ばね７は、図３、図６に示すごとく、環状本体部７１の内周端から内周側へ突出した鍔部７３を有する。ガスセンサ１において、鍔部７３は、絶縁碍子５の外周基端面５２に接触している（図１２参照）。鍔部７３は、自由状態において、軸方向Ｚに対して略直交する平面状に形成されている。

図３、図６に示すごとく、皿ばね７の周方向における爪部７２と鍔部７３との間には、スリット７４が形成されている。皿ばね７の周方向において隣り合う２つの爪部７２の間に、複数の鍔部７３が周方向に並んで形成されている。本形態においては、隣り合う２つの爪部７２の間に、２つの鍔部７３が周方向に並んで形成されている。２つの鍔部７３の間には、スリット７４０が形成されている。図４に示すごとく、環状本体部７１から分岐した爪部７２の根元部７２２及び鍔部７３の少なくとも一部は、環状本体部７１の内周端よりも若干、軸方向Ｚの先端側（すなわち、図４の下側）に配されている。爪部７２は、環状本体部７１から分岐する根元部７２２において、周囲よりもわずかに軸方向Ｚの先端側へ突き出た後に、軸方向Ｚの基端側へ跳ね上がるように形成されている。それゆえ、仮に、鍔部７３を設けていないと、図５に示すごとく、爪部７２の根元部７２２だけが軸方向Ｚの先端側へ突出した状態となり、当該部分のみが絶縁碍子５の環状基端面５２に当接することとなる。そこで、鍔部７３を設けることで、皿ばね７は、爪部７２の根元部７２２のみならず、鍔部７３の一部においても、絶縁碍子５に当接することとなる。つまり、皿ばね７と絶縁碍子５との当接面積を大きくすることができる。

皿ばね７は、内燃機関の排気系における高温環境下においても充分なばね特性を確保できる材料からなる。皿ばね７の材料としては、例えば、インコネル７１８、インコネルＸ７５０、インコネル６００、ＳＵＳ３１０、ＳＵＳ３０４等の合金を用いることができる。なお、インコネルは登録商標である。また、皿ばね７の板厚は、例えば、０．２～１．１ｍｍ程度とすることができる。

次に、本形態のガスセンサ１の組み立て方法の一例につき、説明する。
まず、図７に示すごとく、ハウジング３に、先端側カバー１６、及び、センサ素子２を保持した素子保持体１１を固定して、先端側サブアッシー１０１を組み立てる。一方、図８に示すごとく、絶縁碍子５に接点端子４を組み付けると共に、皿ばね７を絶縁碍子５に取り付けて、接点部サブアッシー１０２を組み立てる。

接点部サブアッシー１０２を組み立てるにあたっては、図３、図４、図６に示した皿ばね７を、図８、図９に示すように、絶縁碍子５の基端側突出部５１の外周に取り付ける。すなわち、皿ばね７の内側に、基端側突出部５１を嵌入させる。このとき、皿ばね７の複数の爪部７２が、基端側突出部５１の外周面に圧接する。

この状態において、各爪部７２は若干弾性変形して、複数の爪部７２の突出端７２１の内接円の直径が、自由状態よりも若干広がる。逆に言うと、自由状態にある皿ばね７における複数の爪部７２の突出端７２１の内接円の直径は、絶縁碍子５の基端側突出部５１の直径よりも若干小さい。それゆえ、上記のように、複数の爪部７２が基端側突出部５１に圧接して、皿ばね７が、絶縁碍子５に取り付けられる。

また、この段階において、図８に示すごとく、爪部７２は、基端側へ向かうほど内周側に向かうように傾斜している。そして、爪部７２の突出端７２１が絶縁碍子５の基端側突出部５１の側面に圧接している。なお、本形態において、基端側突出部５１の基端の角部は、面取り部５１１を有する。それゆえ、面取り部５１１よりも軸方向Ｚの先端側における基端側突出部５１の側面に、爪部７２の突出端７２１が接触するようにしてある。

また、皿ばね７は、絶縁碍子５の外周基端面５２にも当接させる。このとき、爪部７２の根元部と共に、鍔部７３も、外周基端面５２に当接する。なお、接点部サブアッシー１０２の組み立ての段階では、必ずしも、皿ばね７は外周基端面５２に当接していなくてもよい。つまり、皿ばね７の外周基端面５２への当接は、この後、皿ばね７を弾性圧縮させる際に実現されるようにすることもできる。

このようにして、図８、図９に示す接点部サブアッシー１０２を組み立てる。なお、この接点部サブアッシー１０２の段階で、接点端子４にリード線１２を接続しておくこともできる。また、鍔部７３は、図９、図１２に示すごとく、皿ばね７の弾性圧縮前後のいずれにおいても、基端側突出部５１には接触しない。

次いで、先端側サブアッシー１０１の基端側に、接点部サブアッシー１０２を配置する。このとき、絶縁碍子５の先端が、素子保持体１１の基端に当接する。そして、図１０に模式図として示すように、基端側カバー６が接点部サブアッシー１０２の外周を覆うように、基端側カバー６を基端側から被せる。

このとき、基端側カバー６の段部６１が、接点部サブアッシー１０２における皿ばね７に、軸方向Ｚの基端側から当接する。段部６１は、皿ばね７の環状本体部７１の外周端に当接する。段部６１は、環状本体部７１の外周端縁の全周にわたって当接する。

この状態から、基端側カバー６を軸方向Ｚの先端側へ押し込む。つまり、基端側カバー６を、先端側サブアッシー１０１に向かって押し込む。そうすると、図１１、図１２に示すごとく、絶縁碍子５の外周基端面５２と基端側カバー６の段部６１との間に挟持された皿ばね７が、軸方向Ｚに圧縮されて弾性変形する。つまり、環状本体部７１が軸方向Ｚに弾性圧縮される。このとき、皿ばね７の爪部７２の根元部と共に複数の鍔部７３が、外周基端面５２に圧接される。

そして、環状本体部７１が軸方向Ｚに圧縮変形する際には、図１３に示すごとく、環状本体部７１の角度と共に、爪部７２の角度も変化する。同図において、実線で示した形状が、弾性変形前の状態を示し、破線で示した形状が、弾性変形後の状態を示す。弾性変形の際には、環状本体部７１の内周端付近であって爪部７２の根元部付近が支点Ｐとなって、環状本体部７１の外周端が先端側に向かうように変形する。これに伴い、爪部７２の突出端７２１が外周側へ向かう、或いは爪部７２の基端側突出部５１への圧接力が低下する。

すなわち、爪部７２が基端側突出部５１に圧接している状態において、爪部７２が弾性変形していた場合には、その変形分が復元するまでは、爪部７２の突出端７２１は、基端側突出部５１に接触したままである。上記の変形分が復元した後は、環状本体部７１の変形に伴い、爪部７２の突出端７２１が、外周側に向かうように変位する。その結果、図１１に示すように、爪部７２の突出端７２１が、基端側突出部５１から離れる。それゆえ、この皿ばね７の圧縮変形が、爪部７２の存在によって妨げられることはない。その結果、皿ばね７の弾性圧縮量に応じた復元力が、絶縁碍子５に作用することとなり、その荷重を狙い通りに調整することが容易となる。

なお、所定の位置まで基端側カバー６を押し込んだ状態にて、基端側カバー６をハウジング３に溶接等にて固定する。以上により、図１に示すガスセンサ１が得られる。

次に、本形態の作用効果につき説明する。
上記ガスセンサ１において、皿ばね７は、複数の爪部７２を有する。そのため、ガスセンサ１を組み立てる前の段階において、複数の爪部７２を絶縁碍子５の基端側突出部５１の側面に圧接させて、皿ばね７を絶縁碍子５に取り付けておくことができる。

その後、ガスセンサ１を組み立てる際に、皿ばね７の環状本体部７１を軸方向Ｚに弾性圧縮したとき、環状本体部７１の変形に伴い、基端側突出部５１に対する爪部７２の圧力が低下する。したがって、絶縁碍子５と爪部７２との干渉によって環状本体部７１の弾性変形が妨げられることはない。それゆえ、皿ばね７による絶縁碍子５への荷重調整を容易に行うことができる。

上述のように、ガスセンサ１の組み立て前に皿ばね７を絶縁碍子５に取り付けておくことができるため、ガスセンサ１の組立容易性を向上させることができる。そして、皿ばね７の弾性変形が妨げられることがないため、皿ばね７による絶縁碍子５への荷重調整を容易に行うことができる。

皿ばね７は鍔部７３を有し、鍔部７３は外周基端面５２に接触している。それゆえ、皿ばね７が絶縁碍子５の外周基端面５２に当接する当接面積を、大きくすることができる。すなわち、外周基端面５２に対する皿ばね７の当接部位を、爪部７２の根元部のみならず、鍔部７３にも設けることができるため、当接面積を大きくしやすい。その結果、絶縁碍子５に局部的に荷重が作用することを防ぐことができる。

皿ばね７の周方向における爪部７２と鍔部７３との間には、スリット７４が形成されている。これにより、鍔部７３を設けたことによる皿ばね７のばね定数が高くなりすぎることを抑制することができる。

皿ばね７の周方向において隣り合う２つの爪部７２の間に、複数の鍔部７３が周方向に並んで形成されている。これにより、鍔部７３を設けたことによる皿ばね７のばね定数が高くなりすぎることを抑制しつつ、絶縁碍子５の外周基端面５２と皿ばね７との接触面積を大きくしやすい。

爪部７２の突出端７２１は、基端側突出部５１から離れている。それゆえ、爪部７２と絶縁碍子５の基端側突出部５１との干渉が、皿ばね７の弾性変形を妨げることを、より確実に防ぐことができる。

以上のごとく、本形態によれば、絶縁碍子への荷重調整の容易性と、ガスセンサの組立容易性との両立を図ることができるガスセンサを提供することができる。

上記実施形態においては、絶縁碍子５が素子保持体１１に当接する形態を示したが、絶縁碍子５がハウジング３等、他の部材に当接する形態とすることもできる。また、上記実施形態においては、センサ素子２を保持した素子保持体１１がハウジング３に固定された構造を示したが、センサ素子をハウジングが直接保持する形態とすることもできる。また、上記実施形態においては、皿ばね７における爪部７２の数を４個としたが、爪部の数は複数個であればよく、限定されるものではない。ただし、安定性の観点から、爪部の数は３個以上であることが好ましい。

本発明は上記各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。

１…ガスセンサ、２…センサ素子、３…ハウジング、４…接点端子、５…絶縁碍子、５１…基端側突出部、５２…外周基端面、６…基端側カバー、７…皿ばね、７１…環状本体部、７２…爪部

Claims (5)

1. 被測定ガス中の特定ガス濃度を検出するセンサ素子（２）と、
   該センサ素子が内周側に配されるハウジング（３）と、
   上記センサ素子に形成された電極端子（２１）に接触する接点端子（４）と、
   該接点端子を保持する絶縁碍子（５）と、
   上記ハウジングの基端側に固定されると共に上記絶縁碍子を覆う基端側カバー（６）と、
   該基端側カバーと絶縁碍子との間に配され、該絶縁碍子を先端側へ押す皿ばね（７）と、を有し、
   上記絶縁碍子は、基端側に突出した基端側突出部（５１）を有すると共に、該基端側突出部の周囲において基端側を向いた外周基端面（５２）を有し、
   上記皿ばねは、環状本体部（７１）と、該環状本体部の内周端から基端側へ突出した複数の爪部（７２）とを有し、
   上記皿ばねは、上記環状本体部の内周端から内周側へ突出した鍔部（７３）を有し、該鍔部は、上記外周基端面に接触している、ガスセンサ（１）。
2. 上記皿ばねの周方向における上記爪部と上記鍔部との間には、スリット（７４）が形成されている、請求項１に記載のガスセンサ。
3. 上記皿ばねの周方向において隣り合う２つの上記爪部の間に、複数の上記鍔部が周方向に並んで形成されている、請求項２に記載のガスセンサ。
4. 上記爪部の突出端（７２１）は、上記基端側突出部から離れている、請求項１～３のいずれか一項に記載のガスセンサ。
5. 被測定ガス中の特定ガス濃度を検出するセンサ素子（２）と、
   該センサ素子が内周側に配されるハウジング（３）と、
   上記センサ素子に形成された電極端子（２１）に接触する接点端子（４）と、
   該接点端子を保持する絶縁碍子（５）と、
   上記ハウジングの基端側に固定されると共に上記絶縁碍子を覆う基端側カバー（６）と、
   該基端側カバーと絶縁碍子との間に配され、該絶縁碍子を先端側へ押す皿ばね（７）と、を有し、
   上記絶縁碍子は、基端側に突出した基端側突出部（５１）を有すると共に、該基端側突出部の周囲において基端側を向いた外周基端面（５２）を有し、
   上記皿ばねは、環状本体部（７１）と、該環状本体部の内周端から基端側へ突出した複数の爪部（７２）とを有し、
   上記爪部の突出端（７２１）は、上記基端側突出部から離れている、ガスセンサ（１）。

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