JP7396852B2 - ガスセンサ - Google Patents

Description

本発明は、ガスセンサに関する。

特許文献１では、接点バネとしての端子金具に必要な強度を確保して、端子金具の小型化又は薄肉化を図ることができるセンサを提供することを課題としている。

当該課題を解決するため、特許文献１では、特定接点バネ（３Ａ）は、バネ接触部（３１Ａ）、バネ保持部（３２Ａ）、バネ屈曲部（３３Ａ）及びバネ接続部（３４Ａ）を有する。バネ接触部（３１Ａ）は、電極端子部（２１）に対して、素子表面（２２）に垂直な接触方向Ｖの外方から接触している。バネ保持部（３２Ａ）は、バネ接触部（３１Ａ）から折り返されるよう屈曲すると共に、バネ接触部（３１Ａ）に対して接触方向Ｖの外方から対向する状態で軸方向Ｘに伸びており、絶縁碍子に保持されている。バネ屈曲部（３３Ａ）は、バネ保持部（３２Ａ）から、接触方向Ｖに対して傾斜する状態で接触方向Ｖの内方に向けて屈曲しており、絶縁碍子に保持されている。バネ接続部（３４Ａ）は、バネ屈曲部（３３Ａ）から屈曲して軸方向Ｘに伸びている。

特開２０１７－１１６２７３号公報

上述した従来の構造により、バネ自身の強度を確保することができたが、一方で、下記の問題点があった。

（１） 想定以上の振動が発生した場合、素子の接点ずれが発生する。
（２） 接点部材に微小なずれが発生した場合（接点部材が接点に対して傾いた場合等）、接点部材の後端部はずれの影響を受けやすく短絡が発生し易い。
（３） 衝撃による過剰応力でセンサ素子の破損（接点部材との接点部の破損）が生じるおそれがある。

本発明は、上述した課題に鑑みてなされたものであり、上述した問題を解消することができ、長期使用でも破断や接点不良等の発生を防止することができるガスセンサを提供することにある。

本発明の一態様によるガスセンサは、
センサ素子と、
前記センサ素子の後端部を保持し、前記センサ素子と電気的に接続する複数の接点部材と、を有し、
複数の前記接点部材は、前記センサ素子の表面から離間した位置に、それぞれ少なくとも１つの屈曲部を有し、
前記センサ素子の表面と前記接点部材との接点から前記屈曲部までがほぼ直線状であり、
前記センサ素子の表面から複数の前記屈曲部までの各距離は、ほぼ一定であり、
複数の前記接点部材のうち、左右両側の接点部材の後端部は、前記センサ素子への接点位置より、前記センサ素子の幅方向において離間している。

本発明によれば、長期使用でも破断や接点不良等の発生を防止することができる。特に、接点部材同士の短絡を防止することができる。

本実施形態に係るガスセンサを示す断面図である。 センサ素子の構成の一例を概略的に示した断面模式図である。 図１におけるＩＩＩ－ＩＩＩ線上の断面図である。 実施例１～８、比較例１～５の加熱振動試験の結果を示す表１である。

本発明に係るガスセンサについて、好適な実施形態を挙げ、添付の図面を参照して以下に詳細に説明する。

本実施形態に係るガスセンサ１０は、図１に示すように、センサ素子１２を備える。センサ素子１２は長尺な直方体形状をしており、このセンサ素子１２の長手方向（図２の左右方向）を前後方向とし、センサ素子１２の厚み方向（図２の上下方向）を上下方向とする。また、センサ素子１２の幅方向（前後方向及び上下方向に垂直な方向）を左右方向とする。

このガスセンサ１０は、図示するように、例えば車両の排ガス管等の配管２６に取り付けられて、被測定ガスとしての排気ガスに含まれるＮＯｘやＯ₂等の特定ガスの濃度を測定するために用いられる。

図１に示すように、ガスセンサ１０は、センサ素子１２と、センサ素子１２の前端側を保護する保護カバー１４と、セラミックハウジング１６を含むセンサ組立体１８とを備えている。セラミックハウジング１６は、センサ素子１２の後端部を保持し、センサ素子１２と電気的に接続する接点部材２０が装着されることで、コネクタ３６として機能する。

保護カバー１４は、センサ素子１２の前端を覆う有底筒状の内側保護カバー１４ａと、この内側保護カバー１４ａを覆う有底筒状の外側保護カバー１４ｂとを備えている。内側保護カバー１４ａ及び外側保護カバー１４ｂには、被測定ガスを保護カバー１４内に流通させるための複数の孔が形成されている。内側保護カバー１４ａで囲まれた空間としてセンサ素子室２２が形成されており、センサ素子１２の前端はこのセンサ素子室２２内に配置されている。

センサ組立体１８は、センサ素子１２を封入固定する素子封止体３０と、素子封止体３０に取り付けられたナット３２と、外筒３４と、センサ素子１２の後端の表面（上下面）に形成された図示しない電極に接触してこれらと電気的に接続されたコネクタ３６と、を備えている。

素子封止体３０は、筒状の主体金具４０と、主体金具４０と同軸に溶接固定された筒状の内筒４２と、主体金具４０及び内筒４２の内側の貫通孔内に封入されたセラミックスサポータ４４ａ～４４ｃ、圧粉体４６ａ、４６ｂ、メタルリング４８と、を備えている。センサ素子１２は素子封止体３０の中心軸上に位置しており、素子封止体３０を前後方向に貫通している。内筒４２には、圧粉体４６ｂを内筒４２の中心軸方向に押圧するための縮径部４２ａと、メタルリング４８を介してセラミックスサポータ４４ａ～４４ｃ、圧粉体４６ａ、４６ｂを前方に押圧するための縮径部４２ｂとが形成されている。縮径部４２ａ、４２ｂからの押圧力により、圧粉体４６ａ、４６ｂが主体金具４０及び内筒４２とセンサ素子１２との間で圧縮されることで、圧粉体４６ａ、４６ｂが保護カバー１４内のセンサ素子室２２と外筒３４内の空間５０との間を封止すると共に、センサ素子１２を固定している。

ナット３２は、主体金具４０と同軸に固定されており、外周面に雄ネジ部が形成されている。ナット３２の雄ネジ部は、配管２６に溶接され内周面に雌ネジ部が設けられた固定用部材５２内に挿入されている。これにより、ガスセンサ１０のうちセンサ素子１２の前端や保護カバー１４の部分が配管２６内に突出した状態で、ガスセンサ１０が配管２６に固定されている。

外筒３４は、内筒４２、センサ素子１２、コネクタ３６の周囲を覆っており、コネクタ３６に接続された複数のリード線５４が後端から外部に引き出されている。このリード線５４は、コネクタ３６を介してセンサ素子１２の各電極（後述）と導通している。外筒３４とリード線５４との隙間はグロメット等で構成された弾性絶縁部材５６によって封止されている。外筒３４内の空間５０は基準ガス（本実施形態では大気）で満たされている。センサ素子１２の後端はこの空間５０内に配置されている。

一方、センサ素子１２は、図２に示すように、それぞれがジルコニア（ＺｒＯ_２）等の酸素イオン伝導性固体電解質層からなる第１基板層６０と、第２基板層６２と、第３基板層６４と、第１固体電解質層６６と、スペーサ層６８と、第２固体電解質層７０の６つの層が、図面視で下側からこの順に積層された積層体を有する素子である。また、これら６つの層を形成する固体電解質は緻密な気密のものである。センサ素子１２は、例えば、各層に対応するセラミックスグリーンシートに所定の加工及び回路パターンの印刷等を行った後にそれらを積層し、さらに、焼成して一体化させることによって製造される。

センサ素子１２の一端（図２の左側）であって、第２固体電解質層７０の下面と第１固体電解質層６６の上面との間には、ガス導入口８０と、第１拡散律速部８２と、緩衝空間８４と、第２拡散律速部８６と、第１内部空所８８と、第３拡散律速部９０と、第２内部空所９２と、第４拡散律速部９４と、第３内部空所９６とが、この順に連通する態様にて隣接形成されている。

ガス導入口８０と、緩衝空間８４と、第１内部空所８８と、第２内部空所９２と、第３内部空所９６とは、スペーサ層６８をくり抜いた態様にて設けられた上部を第２固体電解質層７０の下面で、下部を第１固体電解質層６６の上面で、側部をスペーサ層６８の側面で区画されたセンサ素子１２内部の空間である。

第１拡散律速部８２と、第２拡散律速部８６と、第３拡散律速部９０とはいずれも、２本の横長の（図面に垂直な方向に開口が長手方向を有する）スリットとして設けられる。また、第４拡散律速部９４は、第２固体電解質層７０の下面との隙間として形成された１本の横長の（図面に垂直な方向に開口が長手方向を有する）スリットとして設けられる。なお、ガス導入口８０から第３内部空所９６に至る部位を被測定ガス流通部とも称する。

また、被測定ガス流通部よりも一端側から遠い位置には、第３基板層６４の上面と、スペーサ層６８の下面との間であって、側部を第１固体電解質層６６の側面で区画される位置に基準ガス導入空間９８が設けられている。基準ガス導入空間９８には、ＮＯｘ濃度の測定を行う際の基準ガスとして、例えば大気（図１の空間５０内の雰囲気）が導入される。

大気導入層１００は、多孔質アルミナ等のセラミックスからなり、基準ガス導入空間９８に露出している層である。この大気導入層１００には基準ガス導入空間９８を通じて基準ガスが導入されるようになっている。また、大気導入層１００は、基準電極１０２を被覆するように形成されている。この大気導入層１００は、基準ガス導入空間９８内の基準ガスに対して所定の拡散抵抗を付与しつつ、これを基準電極１０２に導入する。なお、大気導入層１００は、基準電極１０２よりもセンサ素子１２の後端側（図２の右側）でのみ基準ガス導入空間９８に露出するように形成されている。換言すると、基準ガス導入空間９８は、基準電極１０２の直上までは形成されていない。但し、基準電極１０２が基準ガス導入空間９８の図２における真下に形成されていてもよい。

基準電極１０２は、第３基板層６４の上面と第１固体電解質層６６とに挟まれる態様にて形成される電極であり、上述のように、その周囲には、基準ガス導入空間９８につながる大気導入層１００が設けられている。なお、基準電極１０２は、第３基板層６４の上面に直に形成されており、第３基板層６４の上面に接する部分以外が大気導入層１００に覆われている。また、後述するように、基準電極１０２を用いて第１内部空所８８内、第２内部空所９２内、第３内部空所９６内の酸素濃度（酸素分圧）を測定することが可能となっている。基準電極１０２は、多孔質サーメット電極（例えば、ＰｔとＺｒＯ_２とのサーメット電極）として形成される。

被測定ガス流通部において、ガス導入口８０は、外部空間に対して開口してなる部位であり、該ガス導入口８０を通じて外部空間からセンサ素子１２内に被測定ガスが取り込まれるようになっている。第１拡散律速部８２は、ガス導入口８０から取り込まれた被測定ガスに対して、所定の拡散抵抗を付与する部位である。緩衝空間８４は、第１拡散律速部８２より導入された被測定ガスを第２拡散律速部８６へと導くために設けられた空間である。

第２拡散律速部８６は、緩衝空間８４から第１内部空所８８に導入される被測定ガスに対して、所定の拡散抵抗を付与する部位である。被測定ガスが、センサ素子１２の外部から第１内部空所８８内まで導入されるにあたって、外部空間における被測定ガスの圧力変動（被測定ガスが自動車の排気ガスの場合であれば排気圧の脈動）によってガス導入口８０からセンサ素子１２内部に急激に取り込まれた被測定ガスは、直接第１内部空所８８へ導入されるのではなく、第１拡散律速部８２、緩衝空間８４、第２拡散律速部８６を通じて被測定ガスの濃度変動が打ち消された後、第１内部空所８８へ導入されるようになっている。

これによって、第１内部空所８８へ導入される被測定ガスの濃度変動はほとんど無視できる程度のものとなる。第１内部空所８８は、第２拡散律速部８６を通じて導入された被測定ガス中の酸素分圧を調整するための空間として設けられている。係る酸素分圧は、後述する主ポンプセル１１０が作動することによって調整される。

主ポンプセル１１０は、第１内部空所８８の内面に設けられた内側ポンプ電極１１２と、第２固体電解質層７０の上面のうち、内側ポンプ電極１１２と対応する領域に外部空間（図１のセンサ素子室２２）に露出する態様にて設けられた外側ポンプ電極１１４と、これらの電極に挟まれた第２固体電解質層７０とによって構成されてなる電気化学的ポンプセルである。

内側ポンプ電極１１２は、第１内部空所８８を区画する上下の固体電解質層（第２固体電解質層７０及び第１固体電解質層６６）、及び、側壁を与えるスペーサ層６８にまたがって形成されている。具体的には、第１内部空所８８の天井面を与える第２固体電解質層７０の下面には内側ポンプ電極１１２の天井電極部１１２ａが形成され、また、第１内部空所８８の底面を与える第１固体電解質層６６の上面には底部電極部１１２ｂが直に形成され、そして、これら天井電極部１１２ａと底部電極部１１２ｂとを接続するように、側部電極部（図示省略）が第１内部空所８８の両側壁部を構成するスペーサ層６８の側壁面（内面）に形成されて、該側部電極部の配設部位においてトンネル形態とされた構造として配設されている。

内側ポンプ電極１１２と外側ポンプ電極１１４とは、多孔質サーメット電極（例えば、Ａｕを１％含むＰｔとＺｒＯ_２とのサーメット電極）として形成される。なお、被測定ガスに接触する内側ポンプ電極１１２は、被測定ガス中のＮＯｘ成分に対する還元能力を弱めた材料を用いて形成される。

主ポンプセル１１０においては、内側ポンプ電極１１２と外側ポンプ電極１１４との間に所望のポンプ電圧Ｖｐ０を印加して、内側ポンプ電極１１２と外側ポンプ電極１１４との間に正方向あるいは負方向にポンプ電流Ｉｐ０を流すことにより、第１内部空所８８内の酸素を外部空間に汲み出し、あるいは、外部空間の酸素を第１内部空所８８に汲み入れることが可能となっている。

また、第１内部空所８８における雰囲気中の酸素濃度（酸素分圧）を検出するために、内側ポンプ電極１１２と、第２固体電解質層７０と、スペーサ層６８と、第１固体電解質層６６と、基準電極１０２によって、電気化学的なセンサセル、すなわち、主ポンプ制御用酸素分圧検出センサセル１２０が構成されている。

主ポンプ制御用酸素分圧検出センサセル１２０における起電力Ｖ０を測定することで、第１内部空所８８内の酸素濃度（酸素分圧）がわかるようになっている。さらに、起電力Ｖ０が一定となるように可変電源１２２のポンプ電圧Ｖｐ０をフィードバック制御することでポンプ電流Ｉｐ０が制御されている。これによって、第１内部空所８８内の酸素濃度は所定の一定値に保つことができる。

第３拡散律速部９０は、第１内部空所８８で主ポンプセル１１０の動作により酸素濃度（酸素分圧）が制御された被測定ガスに所定の拡散抵抗を付与して、該被測定ガスを第２内部空所９２に導く部位である。

第２内部空所９２は、予め第１内部空所８８において酸素濃度（酸素分圧）が調整された後、第３拡散律速部９０を通じて導入された被測定ガスに対して、さらに補助ポンプセル１２４による酸素分圧の調整を行うための空間として設けられている。これにより、第２内部空所９２内の酸素濃度を高精度に一定に保つことができるため、このガスセンサ１０においては精度の高いＮＯｘ濃度測定が可能となる。

上記補助ポンプセル１２４は、第２内部空所９２の内面に設けられた補助ポンプ電極１２６と、外側ポンプ電極１１４（外側ポンプ電極１１４に限られるものではなく、センサ素子１２の外側の適当な電極であれば足りる）と、第２固体電解質層７０とによって構成される、補助的な電気化学的ポンプセルである。

この補助ポンプ電極１２６は、上記第１内部空所８８内に設けられた内側ポンプ電極１１２と同様なトンネル形態とされた構造において、第２内部空所９２内に配設されている。つまり、第２内部空所９２の天井面を与える第２固体電解質層７０に対して天井電極部１２６ａが形成され、また、第２内部空所９２の底面を与える第１固体電解質層６６の上面には、底部電極部１２６ｂが直に形成され、そして、それらの天井電極部１２６ａと底部電極部１２６ｂとを連結する側部電極部（図示省略）が、第２内部空所９２の側壁を与えるスペーサ層６８の両壁面にそれぞれ形成されたトンネル形態の構造となっている。なお、補助ポンプ電極１２６についても、内側ポンプ電極１１２と同様に、被測定ガス中のＮＯｘ成分に対する還元能力を弱めた材料を用いて形成される。

補助ポンプセル１２４においては、補助ポンプ電極１２６と外側ポンプ電極１１４との間に所望の電圧Ｖｐ１を印加することにより、第２内部空所９２内の雰囲気中の酸素を外部空間に汲み出し、あるいは、外部空間から第２内部空所９２内に汲み入れることが可能となっている。

また、第２内部空所９２内における雰囲気中の酸素分圧を制御するために、補助ポンプ電極１２６と、基準電極１０２と、第２固体電解質層７０と、スペーサ層６８と、第１固体電解質層６６とによって電気化学的なセンサセル、すなわち、補助ポンプ制御用酸素分圧検出センサセル１３０が構成されている。

なお、この補助ポンプ制御用酸素分圧検出センサセル１３０にて検出される起電力Ｖ１に基づいて電圧制御される可変電源１３２にて、補助ポンプセル１２４がポンピングを行う。これにより第２内部空所９２内の雰囲気中の酸素分圧は、ＮＯｘの測定に実質的に影響がない低い分圧にまで制御されるようになっている。

また、これと共に、そのポンプ電流Ｉｐ１が、主ポンプ制御用酸素分圧検出センサセル１２０の起電力Ｖ０の制御に用いられるようになっている。具体的には、ポンプ電流Ｉｐ１は、制御信号として主ポンプ制御用酸素分圧検出センサセル１２０に入力され、その起電力Ｖ０が制御されることにより、第３拡散律速部９０から第２内部空所９２内に導入される被測定ガス中の酸素分圧の勾配が常に一定となるように制御されている。ＮＯｘセンサとして使用する際は、主ポンプセル１１０と補助ポンプセル１２４との働きによって、第２内部空所９２内での酸素濃度は約０．００１ｐｐｍ程度の一定の値に保たれる。

第４拡散律速部９４は、第２内部空所９２で補助ポンプセル１２４の動作により酸素濃度（酸素分圧）が制御された被測定ガスに所定の拡散抵抗を付与して、該被測定ガスを第３内部空所９６に導く部位である。第４拡散律速部９４は、第３内部空所９６に流入するＮＯｘの量を制限する役割を担う。

第３内部空所９６は、予め第２内部空所９２において酸素濃度（酸素分圧）が調整された後、第４拡散律速部９４を通じて導入された被測定ガスに対して、被測定ガス中の窒素酸化物（ＮＯｘ）濃度の測定に係る処理を行うための空間として設けられている。ＮＯｘ濃度の測定は、主として、第３内部空所９６において、測定用ポンプセル１４０の動作により行われる。

測定用ポンプセル１４０は、第３内部空所９６内において、被測定ガス中のＮＯｘ濃度の測定を行う。測定用ポンプセル１４０は、第３内部空所９６に面する第１固体電解質層６６の上面に直に設けられた測定電極１３４と、外側ポンプ電極１１４と、第２固体電解質層７０と、スペーサ層６８と、第１固体電解質層６６とによって構成された電気化学的ポンプセルである。測定電極１３４は、多孔質サーメット電極である。測定電極１３４は、第３内部空所９６内の雰囲気中に存在するＮＯｘを還元するＮＯｘ還元触媒としても機能する。

測定用ポンプセル１４０においては、測定電極１３４の周囲の雰囲気中における窒素酸化物の分解によって生じた酸素を汲み出して、その発生量をポンプ電流Ｉｐ２として検出することができる。

また、測定電極１３４の周囲の酸素分圧を検出するために、第１固体電解質層６６と、測定電極１３４と、基準電極１０２とによって電気化学的なセンサセル、すなわち、測定用ポンプ制御用酸素分圧検出センサセル１４２が構成されている。測定用ポンプ制御用酸素分圧検出センサセル１４２にて検出された起電力Ｖ２に基づいて可変電源１４４が制御される。

第２内部空所９２内に導かれた被測定ガスは、酸素分圧が制御された状況下で第４拡散律速部９４を通じて第３内部空所９６の測定電極１３４に到達することとなる。測定電極１３４の周囲の被測定ガス中の窒素酸化物は還元されて（２ＮＯ→Ｎ_２＋Ｏ_２）酸素を発生する。そして、この発生した酸素は測定用ポンプセル１４０によってポンピングされることとなるが、その際、測定用ポンプ制御用酸素分圧検出センサセル１４２にて検出された起電力Ｖ２が一定となるように可変電源１４４の電圧Ｖｐ２が制御される。測定電極１３４の周囲において発生する酸素の量は、被測定ガス中の窒素酸化物の濃度に比例するものであるから、測定用ポンプセル１４０におけるポンプ電流Ｉｐ２を用いて被測定ガス中の窒素酸化物濃度が算出されることとなる。

また、第２固体電解質層７０と、スペーサ層６８と、第１固体電解質層６６と、第３基板層６４と、外側ポンプ電極１１４と、基準電極１０２とから電気化学的なセンサセル１４６が構成されており、このセンサセル１４６によって得られる起電力Ｖｒｅｆによりセンサ外部の被測定ガス中の酸素分圧を検出可能となっている。

さらに、第２固体電解質層７０と、スペーサ層６８と、第１固体電解質層６６と、第３基板層６４と、外側ポンプ電極１１４と、基準電極１０２とから電気化学的な基準ガス調整ポンプセル１５０が構成されている。この基準ガス調整ポンプセル１５０は、外側ポンプ電極１１４と基準電極１０２との間に接続された可変電源１５２が印加する電圧Ｖｐ３により制御電流Ｉｐ３が流れることで、ポンピングを行う。これにより、基準ガス調整ポンプセル１５０は、外側ポンプ電極１１４の周囲の空間（図１のセンサ素子室２２）から基準電極１０２の周囲の空間（大気導入層１００）に酸素の汲み入れを行う。可変電源１５２の電圧Ｖｐ３は、制御電流Ｉｐ３が所定の値（一定値の直流電流）となるような直流電圧として、予め定められている。

このような構成を有するガスセンサ１０においては、主ポンプセル１１０と補助ポンプセル１２４とを作動させることによって酸素分圧が常に一定の低い値（ＮＯｘの測定に実質的に影響がない値）に保たれた被測定ガスが測定用ポンプセル１４０に与えられる。従って、被測定ガス中のＮＯｘの濃度に略比例して、ＮＯｘの還元によって発生する酸素が測定用ポンプセル１４０より汲み出されることによって流れるポンプ電流Ｉｐ２に基づいて、被測定ガス中のＮＯｘ濃度を知ることができるようになっている。

さらに、センサ素子１２は、固体電解質の酸素イオン伝導性を高めるために、センサ素子１２を加熱して保温する温度調整の役割を担うヒータ部１６０を備えている。ヒータ部１６０は、ヒータコネクタ電極１６２と、ヒータ１６４と、スルーホール１６６と、ヒータ絶縁層１６８と、圧力放散孔１７０と、リード線１７２とを備えている。

ヒータコネクタ電極１６２は、第１基板層６０の下面に接する態様にて形成されてなる電極である。ヒータコネクタ電極１６２を外部電源と接続することによって、外部からヒータ部１６０へ給電することができるようになっている。

ヒータ１６４は、第２基板層６２と第３基板層６４とに上下から挟まれた態様にて形成される電気抵抗体である。ヒータ１６４は、リード線１７２及びスルーホール１６６を介してヒータコネクタ電極１６２と接続されており、該ヒータコネクタ電極１６２を通して外部より給電されることにより発熱し、センサ素子１２を形成する固体電解質の加熱と保温を行う。

また、ヒータ１６４は、第１内部空所８８から第３内部空所９６の全域に渡って埋設されており、センサ素子１２全体を上記固体電解質が活性化する温度に調整することが可能となっている。

ヒータ絶縁層１６８は、ヒータ１６４の上下面に、アルミナ等の絶縁体によって形成された多孔質アルミナからなる絶縁層である。ヒータ絶縁層１６８は、第２基板層６２とヒータ１６４との間の電気的絶縁性、及び、第３基板層６４とヒータ１６４との間の電気的絶縁性を得る目的で形成されている。

圧力放散孔１７０は、第３基板層６４を貫通し、基準ガス導入空間９８に連通するように設けられてなる部位であり、ヒータ絶縁層１６８内の温度上昇に伴う内圧上昇を緩和する目的で形成されてなる。

なお、図２に示した可変電源１２２、１３２、１４４、１５２等は、実際にはセンサ素子１２内に形成された図示しないリード線や図１のコネクタ３６及びリード線５４を介して、各電極と接続されている。

そして、本実施形態は、上述したように、センサ素子１２の後端部から露出する電極（図示せず）には、後方に延びる接点部材２０が電気的に接続されている。セラミックハウジング１６は、センサ素子１２の後端部の周囲に設置され、上述した電極とセラミックハウジング１６との間に接点部材２０がはめ込まれることで、センサ素子１２の電極と接点部材２０とが圧着して電気的に接続される。すなわち、セラミックハウジング１６は、センサ素子１２と電気的に接続する接点部材２０が装着され、センサ素子１２の後端部を保持する。

接点部材２０は、例えば図３に示すように、センサ素子１２の後端部の一主面１２ａに導出された複数の電極２４（第１電極２４ａ、第２電極２４ｂ及び第３電極２４ｃ）に、例えば圧着等によって、それぞれ電気的に接続された例えば３つの接点部材（第１接点部材２０ａ、第２接点部材２０ｂ及び第３接点部材２０ｃ）を有する。また、接点部材２０は、センサ素子１２の後端部の他主面１２ｂに導出された複数の電極（第４電極２４ｄ、第５電極２４ｅ及び第６電極２４ｆ）に、例えば圧着等によって、それぞれ電気的に接続された例えば３つの接点部材（第４接点部材２０ｄ、第５接点部材２０ｅ及び第６接点部材２０ｆ）を有する。

各接点部材２０の後部は、それぞれ弾性部材５８（図１参照）を介して、対応するリード線５４に電気的に接続される。弾性部材５８は、例えば金属材料にて構成される。

また、セラミックハウジング１６は、図３に示すように、第１接点部材２０ａ～第６接点部材２０ｆにおける各屈曲部（２１ａ～２１ｆ）の後端側が挿通される第１孔５５ａ～第６孔５５ｆを有した絶縁碍子１７を備える。

例えば図３に示すように、センサ素子１２の後端部の一主面１２ａを水平面としたとき、上記一主面１２ａのうち、中央に導出された第１電極２４ａに電気的に接続された第１接点部材２０ａの後端部は、第１孔５５ａに挿通されて、対応するリード線に電気的に接続される。同様に、向かって左側に導出された第２電極２４ｂに電気的に接続された第２接点部材２０ｂの後端部は、第２孔５５ｂに挿通されて、対応するリード線に電気的に接続される。さらに、向かって右側に導出された第３電極２４ｃに電気的に接続された第３接点部材２０ｃの後端部は、第３孔５５ｃに挿通されて、対応するリード線に電気的に接続される。

特に、第１接点部材２０ａ～第３接点部材２０ｃは、それぞれ屈曲部（２１ａ～２１ｃ）を有し、センサ素子１２の一主面１２ａとの接触部分から屈曲部（２１ａ～２１ｃ）までの各立ち上がり部分（２３ａ～２３ｃ）は、ほぼ直線状となっている。各立ち上がり部分（２３ａ～２３ｃ）の長さＴ１はほぼ一定（例えば３．５ｍｍ）である。また、左右の接点部材２０ｂ、２０ｃの後端部は、立ち上がり部分２３ｂ、２３ｃから対応する第２孔５５ｂ、第３孔５５ｃに向かって幅方向に離間した状態となっている。

これは、センサ素子１２の後端部の他主面１２ｂにおいても同様で、他主面１２ｂを水平面としたとき、上記他主面１２ｂのうち、中央に導出された第４電極２４ｄに電気的に接続された第４接点部材２０ｄの後端部は、第４孔５５ｄに挿通されて、対応するリード線に電気的に接続される。同様に、向かって左側に導出された第５電極２４ｅに電気的に接続された第５接点部材２０ｅの後端部は、第５孔５５ｅに挿通されて、対応するリード線に電気的に接続される。さらに、向かって右側に導出された第６電極２４ｆに電気的に接続された第６接点部材２０ｆの後端部は、第６孔５５ｆに挿通されて、対応するリード線に電気的に接続される。

すなわち、第４接点部材２０ｄ～第６接点部材２０ｆにおいても、それぞれ屈曲部（２１ｄ～２１ｆ）を有し、センサ素子１２の他主面１２ｂとの接触部分から屈曲部（２１ｄ～２１ｆ）までの各立ち上がり部分（２３ｄ～２３ｆ）は、ほぼ直線状となっている。各立ち上がり部分（２３ｄ～２３ｆ）の長さＴ１はほぼ一定（例えば３．５ｍｍ）である。また、左右の接点部材２０ｅ、２０ｆの後端部は、立ち上がり部分２３ｅ、２３ｆから第５孔５５ｅ、第６孔５５ｆに向かって幅方向に離間した状態となっている。

そして、ガスセンサ１０を軸方向から断面視した際の第１接点部材２０ａ、第２接点部材２０ｂ及び第３接点部材２０ｃの各屈曲部２１ａ、２１ｂ及び２１ｃの角度θａ（図示を省略）、θｂ及びθｃは、１０°～５０°が好ましい。これは、第４接点部材２０ｄ、第５接点部材２０ｅ及び第６接点部材２０ｆにおける各屈曲部２１ｄ、２１ｅ及び２１ｆの角度θｄ（図示を省略）、θｅ及びθｆについても同様である。

また、第１接点部材２０ａの後端部と、第２接点部材２０ｂの後端部との離間距離、特に、センサ素子１２の幅方向に沿った離間距離Ｗａは、２．００～３．００ｍｍであることが好ましい。これは、第１接点部材２０ａの後端部と、第３接点部材２０ｃの後端部との離間距離Ｗｂについても同様である。

また、第４接点部材２０ｄの後端部と、第５接点部材２０ｅの後端部との離間距離、特に、センサ素子１２の幅方向に沿った離間距離Ｗｃは、２．００～３．００ｍｍであることが好ましい。これは、第４接点部材２０ｄの後端部と、第６接点部材２０ｆの後端部との離間距離Ｗｄについても同様である。

さらに、第１接点部材２０ａ～第６接点部材２０ｆにおける各立ち上がり部分２３ａ～２３ｆの各長さは、センサ素子１２の厚みの１．５～３．０倍であることが好ましい。すなわち、センサ素子１２の表面（一主面１２ａ）から第１接点部材２０ａ～第３接点部材２０ｃの各屈曲部２１ａ～２１ｃまでの厚み方向の距離、並びにセンサ素子１２の表面（他主面１２ｂ）から第４接点部材２０ｄ～第６接点部材２０ｆの各屈曲部２１ｄ～２１ｆまでの厚み方向の距離をＴ１とし、センサ素子１２の厚みをＴ２としたとき、比Ｔ１／Ｔ２が１．５～３．０であることが好ましい。

また、図３に示すように、第１接点部材２０ａ～第３接点部材２０ｃのうち、左右の第２接点部材２０ｂ及び第３接点部材２０ｃと中央の第１接点部材２０ａは、それぞれセンサ素子１２の長手方向にずれて配置されていることが好ましい。すなわち、中央の第１接点部材２０ａをセンサ素子１２の先端寄りに配置し、左右の第２接点部材２０ｂ及び第３接点部材２０ｃをセンサ素子１２の後端寄りに配置することが好ましい。これは、第４接点部材２０ｄ～第６接点部材２０ｆについても同様である。

ここで、１つの実験例を示す。この実験例は、実施例１～８に係るガスセンサと、比較例１～５に係るガスセンサを用意し、各ガスセンサについて、加熱振動試験でのシグナルモニタによる短絡の有無と、接点部品の異常の有無をチェックした。

加熱振動試験は、振動試験機に設置したプロパンバーナーの排気管にガスセンサを取り付けた状態で、以下の条件にて行った。
ガス温度：９００℃
振動条件：５０Ｈｚ→１００Ｈｚ→１５０Ｈｚ→２５０Ｈｚを３０分掃引
加速度：５０Ｇ、４０Ｇ、５０Ｇ
試験時間：１５０時間

［判定方法］
判定１：加熱振動試験中に接点不良を起因とした信号変化の有無を調査した。この場合、センサ信号の安定時から１０％を超える乱れがあった場合に接点不良を起因としたセンサ信号の乱れありと判定した。

そして、判定１での判定基準は以下の通りである。
Ａ：加熱振動試験中に接点不良を起因としたセンサ信号（Ｉｐ２）の乱れがなかった。
Ｂ：加熱振動試験中に接点不良を起因としたセンサ信号（Ｉｐ２）の乱れがあった。

判定２：加熱振動試験後の接点部品の異常を確認した。ガスセンサを解体して観察を実施した。観察は、接点部付近に欠け等の外観上の不良が発生しているか否かを確認した。判定２での判定基準は以下の通りである。
Ａ：欠け発生なし。
Ｂ：欠け発生あり。

判定３：加熱振動試験後の接点チェックを実施した。接点部材の後端部の接触による異常信号の発生の有無を確認した。判定３での判定基準は以下の通りである。
Ａ：異常信号の発生なし（正常信号）。
Ｂ：異常信号の発生あり。

［実施例１］
実施例１は、左右両側の第２接点部材２０ｂ及び第３接点部材２０ｃの各屈曲部２１ｂ及び２１ｃの角度θｂ及びθｃが１０°である。同様に、左右両側の第５接点部材２０ｅ及び第６接点部材２０ｆの各屈曲部２１ｅ及び２１ｆの角度θｅ及びθｆが１０°である。

また、第１接点部材２０ａの後端部と第２接点部材２０ｂの後端部との離間距離Ｗａ、並びに、第１接点部材２０ａの後端部と第３接点部材２０ｃの後端部との離間距離Ｗｂが共に２．００ｍｍである。

同様に、第４接点部材２０ｄの後端部と第５接点部材２０ｅの後端部との離間距離Ｗｃ、並びに、第４接点部材２０ｄの後端部と第６接点部材２０ｆの後端部との離間距離Ｗｄが共に２．００ｍｍである。

［実施例２］
実施例２は、上述した角度θｂ及びθｃが１０°であり、角度θｅ及びθｆが１０°である。また、上述した離間距離Ｗａ及びＷｂが共に３．００ｍｍであり、離間距離Ｗｃ及びＷｄが共に３．００ｍｍである。

［実施例３］
実施例３は、上述した角度θｂ及びθｃが２０°であり、角度θｅ及びθｆが２０°である。また、上述した離間距離Ｗａ及びＷｂが共に２．００ｍｍであり、離間距離Ｗｃ及びＷｄが共に２．００ｍｍである。

［実施例４］
実施例４は、上述した角度θｂ及びθｃが２０°であり、角度θｅ及びθｆが２０°である。また、上述した離間距離Ｗａ及びＷｂが共に３．００ｍｍであり、離間距離Ｗｃ及びＷｄが共に３．００ｍｍである。

［実施例５］
実施例５は、上述した角度θｂ及びθｃが３０°であり、角度θｅ及びθｆが３０°である。また、上述した離間距離Ｗａ及びＷｂが共に２．００ｍｍであり、離間距離Ｗｃ及びＷｄが共に２．００ｍｍである。

［実施例６］
実施例６は、上述した角度θｂ及びθｃが３０°であり、角度θｅ及びθｆが３０°である。また、上述した離間距離Ｗａ及びＷｂが共に３．００ｍｍであり、離間距離Ｗｃ及びＷｄが共に３．００ｍｍである。

［実施例７］
実施例７は、上述した角度θｂ及びθｃが５０°であり、角度θｅ及びθｆが５０°である。また、上述した離間距離Ｗａ及びＷｂが共に２．００ｍｍであり、離間距離Ｗｃ及びＷｄが共に２．００ｍｍである。

［実施例８］
実施例８は、上述した角度θｂ及びθｃが５０°であり、角度θｅ及びθｆが５０°である。また、上述した離間距離Ｗａ及びＷｂが共に３．００ｍｍであり、離間距離Ｗｃ及びＷｄが共に３．００ｍｍである。

［比較例１］
比較例１は、上述した角度θｂ及びθｃが０°であり、角度θｅ及びθｆが０°である。すなわち、屈曲部が存在せず、一直線上にリード線に接続した形態である。また、上述した離間距離Ｗａ及びＷｂは共に１．５０ｍｍであり、離間距離Ｗｃ及びＷｄは共に１．５０ｍｍである。

［比較例２］
比較例２は、上述した角度θｂ及びθｃが５°であり、角度θｅ及びθｆが５°である。また、上述した離間距離Ｗａ及びＷｂが共に２．００ｍｍであり、離間距離Ｗｃ及びＷｄが共に２．００ｍｍである。

［比較例３］
比較例３は、上述した角度θｂ及びθｃが６０°であり、角度θｅ及びθｆが６０°である。また、上述した離間距離Ｗａ及びＷｂが共に２．００ｍｍであり、離間距離Ｗｃ及びＷｄが共に２．００ｍｍである。

［比較例４］
比較例４は、上述した角度θｂ及びθｃが５０°であり、角度θｅ及びθｆが５０°である。また、上述した離間距離Ｗａ及びＷｂが共に１．７５ｍｍであり、離間距離Ｗｃ及びＷｄが共に１．７５ｍｍである。

［比較例５］
比較例５は、上述した角度θｂ及びθｃが１０°であり、角度θｅ及びθｆが１０°である。また、上述した離間距離Ｗａ及びＷｂが共に１．７５ｍｍであり、離間距離Ｗｃ及びＷｄが共に１．７５ｍｍである。

上述した実施例１～８並びに比較例１～５の判定結果を内訳と共に、図４の表１に示す。

表１の結果から、左右両側の第２接点部材２０ｂ及び第３接点部材２０ｃの各屈曲部２１ｂ及び２１ｃの角度θｂ及びθｃが１０°～５０°であることが好ましい。同様に、左右両側の第５接点部材２０ｅ及び第６接点部材２０ｆの各屈曲部２１ｅ及び２１ｆの角度θｅ及びθｆが１０°～５０°であることが好ましい。

また、第２接点部材２０ｂと第２リード線５４ｂとの接続部分と、第１接点部材２０ａと第１リード線５４ａとの接続部分との離間距離Ｗａ、第３接点部材２０ｃと第３リード線５４ｃとの接続部分と、第１接点部材２０ａと第１リード線５４ａとの接続部分との離間距離Ｗｂが共に２．０～３．０ｍｍであることが好ましい。

同様に、第５接点部材２０ｅと第５リード線５４ｅとの接続部分と、第４接点部材２０ｄと第４リード線５４ｄとの接続部分との離間距離Ｗｃ、第６接点部材２０ｆと第６リード線５４ｆとの接続部分と、第４接点部材２０ｄと第４リード線５４ｄとの接続部分との離間距離Ｗｄが共に２．０～３．０ｍｍであることが好ましい。

［考察］
上述の実験例から、各接点部材の屈曲部に角度を持たせて、各接点部材の後端部を互いに一定距離だけ離間させることで、接点ずれの防止、過剰応力が発生したときのクラック発生の防止に寄与する。

また、信号等に影響がない程度のずれ、例えば接点部材が傾く等のずれが発生した際に、接点部材が互いに接することによる短絡を防止することができる。ガスセンサの電極との接点部分は多少ずれても短絡等の問題はほとんど生じないが、ガスセンサの後端部では、位置ずれによって接点部材同士が接触するおそれがある。

すなわち、各屈曲部の角度が小さすぎると、接点部に衝撃が加わった際に、過剰圧力により、クラックが発生するおそれがある。各屈曲部の角度が大き過ぎると、左右の接点部材からセンサ素子の表面にかかる応力が小さくなり、接点ずれが起きやすくなる。

［本実施形態から得られる発明］
上記実施形態から把握しうる発明について、以下に記載する。

［１－１］ 本実施形態に係るガスセンサ１０は、センサ素子１２と、センサ素子１２の後端部を保持し、センサ素子１２と電気的に接続する複数の接点部材（２０ａ～２０ｆ）と、を有し、複数の接点部材（２０ａ～２０ｆ）は、センサ素子１２の表面から離間した位置に、それぞれ少なくとも１つの屈曲部（２１ａ～２１ｆ）を有する。

複数の接点部材（２０ａ～２０ｆ）がそれぞれ屈曲部（２１ａ～２１ｆ）を有することで、センサ素子１２に加わる力を平均化することができ、局部的に力が加わることを回避することができる。これは、接点不良や接触不良等の不具合の発生を防止できることにつながる。特に、接点部材同士の短絡を防止することができる。

［１－２］ 本実施形態において、センサ素子１２の表面と接点部材（２０ａ～２０ｆ）との接点から屈曲部（２１ａ～２１ｆ）までがほぼ直線状である。

これにより、センサ素子１２と接点部材（２０ａ～２０ｆ）が一軸で接触していることで、安定な導通を確保することができ、接点部のずれを防止することができる。また、センサ素子１２に対する複数の接点部材（２０ａ～２０ｆ）からの力の付与が平均化され、しかも、同一方向からの荷重付与になることから、センサ素子１２の傾きやずれ等を防止することができる。これは接点不良の防止にもつながる。

［１－３］ 本実施形態において、センサ素子１２の表面から複数の屈曲部（２１ａ～２１ｆ）までの各距離は、ほぼ一定である。これにより、複数の接点部材（２０ａ～２０ｆ）によって、センサ素子１２を安定に保持することができ、センサ素子１２のずれや、外れ等の不具合を防止することができる。

［１－４］ 本実施形態において、複数の接点部材（２０ａ～２０ｆ）のうち、左右両側の接点部材（２０ｂ、２０ｃ、２０ｅ、２０ｆ）の後端部は、センサ素子１２への接点位置より、センサ素子１２の幅方向において離間している。

接点部材（２０ａ～２０ｆ）の屈曲部（２１ａ～２１ｆ）に角度を持たせることができ、しかも、接点部材（２０ａ～２０ｆ）の後端部を互いに一定距離だけ離間させることができるため、接点ずれを防止することができ、過剰応力が発生したときのクラック発生を防止することができる。

［２］ 本実施形態において、センサ素子１２の一主面１２ａに対して、３本の接点部材（２０ａ～２０ｃ）が設置され、センサ素子１２の他主面１２ｂに対して、他の３本の接点部材（２０ｄ～２０ｆ）が設置されている。

センサ素子１２を一対の接点部材で挟み込む形態を左右方向に３組で実施することができ、安定な導通を確保することができ、接点部のずれを防止することができる。

［３］ 本実施形態において、左右両側の接点部材（２０ａ～２０ｆ）の屈曲部（２１ａ～２１ｆ）の角度（θａ～θｆ）が１０°～５０°である。角度が小さすぎると、接点部に衝撃が加わった際の過剰圧力によって、センサ素子１２にクラックが発生するおそれがある。反対に、角度が大きすぎると、左右の接点部材からセンサ素子１２の表面にかかる応力が小さくなり、接点ずれが生じやすい。

［４］ 本実施形態において、ガスセンサ１０は、接点部材（２０ａ～２０ｆ）における屈曲部（２１ａ～２１ｆ）の後端側が挿通される孔（５５ａ～５５ｆ）を有した絶縁碍子（１７）を備え、３本の前記接点部材（２０ａ～２０ｃ（２０ｄ～２０ｆ））のうち、中央の接点部材（２０ａ（２０ｄ））が挿通される絶縁碍子１７の孔（５５ａ（５５ｄ））から左右の接点部材（２０ｂ、２０ｃ（２０ｅ、２０ｆ））が挿通される絶縁碍子１７の孔（５５ｂ、５５ｃ（５５ｅ、５５ｆ））までの距離が２．０～３．０ｍｍである。

距離が小さすぎると、接点部に衝撃が加わった際の過剰圧力によって、センサ素子１２にクラックが発生するおそれがある。反対に、距離が大きすぎると、左右の接点部材からセンサ素子１２の表面にかかる応力が小さくなり、接点ずれが生じやすい。

［５］ 本実施形態において、３本の接点部材（２０ａ～２０ｃ（２０ｄ～２０ｆ））のうち、中央の接点部材（２０ａ（２０ｄ））と、左右の接点部材（２０ｂ、２０ｃ（２０ｅ、２０ｆ））は、それぞれセンサ素子１２の長手方向にずれて配置されている。これにより、接点ずれが生じた場合の短絡を防止することができる。

［６］ 本実施形態において、センサ素子１２の表面から接点部材（２０ａ～２０ｆ）の屈曲部（２１ａ～２１ｆ）までの厚み方向の距離をＴ１、センサ素子１２の厚みをＴ２としたとき、比Ｔ１／Ｔ２が１．５～３．０である。比Ｔ１／Ｔ２を上記の範囲とすることで、安定した接点強度を確保することができる。

なお、センサ素子１２と接点部材（２０ａ～２０ｆ）の屈曲部（２１ａ～２１ｆ）までの距離が短い場合（比Ｔ１／Ｔ２＜１．５）、振動により応力が加わった際に、応力を緩和できる遊びの部分が無く、センサ素子１２に過剰に応力がかかり、クラックが発生する場合がある。

一方、センサ素子１２と接点部材（２０ａ～２０ｆ）の屈曲部（２１ａ～２１ｆ）までの距離が長い場合（Ｔ１／Ｔ２＞３．０）、接点強度が下がり、接点部（立ち上がり部分（２３ａ～２３ｆ）と電極（２４ａ～２４ｆ）との接点）のズレが発生しやすくなる。結果として、短絡が発生する場合がある。

なお、本発明の実施に当たっては、本発明の思想を損なわない範囲で自動車用部品としての信頼性向上のための諸手段が付加されてもよい。

１０…ガスセンサ １２…センサ素子
１２ａ…一主面 １２ｂ…他主面
１６…セラミックハウジング １７…絶縁碍子
１８…センサ組立体 ２０…接点部材
２０ａ～２０ｆ…第１接点部材～第６接点部材
２１ａ～２１ｆ…屈曲部 ２３ａ～２３ｆ…立ち上がり部分
２４ａ～２４ｆ…第１電極～第６電極 ５５ａ～５５ｆ…第１孔～第６孔

Claims (3)

1. センサ素子と、
   前記センサ素子の後端部を保持し、前記センサ素子と電気的に接続する複数の接点部材と、を有するガスセンサであって、
   複数の前記接点部材は、前記センサ素子の表面から離間した位置に、それぞれ少なくとも１つの屈曲部を有し、
   前記センサ素子の表面と前記接点部材との接点から前記屈曲部までがほぼ直線状であり、
   前記センサ素子の表面から複数の前記屈曲部までの各距離は、ほぼ一定であり、
   複数の前記接点部材のうち、左右両側の接点部材の後端部は、前記センサ素子への接点位置より、前記センサ素子の幅方向において離間しており、
   前記センサ素子の一主面に対して、３本の前記接点部材が設置され、
   前記センサ素子の他主面に対して、他の３本の前記接点部材が設置され、
   前記左右両側の接点部材の前記屈曲部の、前記ガスセンサを軸方向から断面視した際の角度が１０°～５０°であり、
   前記接点部材における屈曲部の後端側が挿通される孔を有した絶縁碍子を更に有し、
   前記一主面に対して設置された前記３本の接点部材のうち、中央の接点部材が挿通される前記絶縁碍子の孔から左右の接点部材が挿通される前記絶縁碍子の孔までの距離が２．０～３．０ｍｍである、ガスセンサ。
2. 請求項１に記載のガスセンサにおいて、
   前記一主面に対して設置された前記３本の接点部材のうち、中央の接点部材と、左右の接点部材は、それぞれ前記センサ素子の長手方向にずれて配置されている、ガスセンサ。
3. 請求項１又は２に記載のガスセンサにおいて、
   前記センサ素子の表面から前記接点部材の前記屈曲部までの厚み方向の距離をＴ１、前記センサ素子の厚みをＴ２としたとき、比Ｔ１／Ｔ２が１．５～３．０である、ガスセンサ。

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