JPWO2005029058A1 - センサおよびセンサの製造方法 - Google Patents

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康司 松尾
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Abstract

本発明は、検出素子の電極端子部と金属端子部材との電気的な接続状態が良好となるセンサ、およびセンサの製造方法を提供する。センサは、検出素子に接触する素子当接部のフレーム本体部に対する支持状態が1点支持状態または2点支持状態に変形する構成のリードフレーム(金属端子部材)を備える。リードフレームと検出素子との組み付け作業の前半段階では、素子当接部がフレーム本体部に対して1点支持状態となり、リードフレームは比較的小さい弾性力を発生するため、過度な圧力が検出素子に加わるのを防止できる。組み付け作業の完了後は、素子当接部がフレーム本体部に対して2点支持状態となり、リードフレームは1点支持状態に比べて大きな弾性力を発生するため、リードフレームと検出素子との電気的な接続状態が良好なものとなる。

Description

本発明は、軸線方向に延びる板状形状をなし、後端側に電極端子部が形成される検出素子と、この検出素子の電極端子部に接触することで電気的に接続されて電流経路を形成する金属端子部材とを備えるセンサ、およびそのようなセンサの製造方法に関する。
発明の背景
従来より、軸線方向に延びる板状形状をなすと共に、測定対象物に向けられる先端側に検出部が形成された検出素子(センサ素子)が組み付けられたセンサが知られている。このようなセンサとしては、λ(ラムダ)センサ、全領域空燃比センサ、酸素センサ、NOxセンサなどのガスセンサや、温度検出を行う温度センサなどが挙げられる。
板型形状の検出素子は、一般に、軸線方向(長手方向)の先端側に検出部を備え、後端側の表裏面に電極端子部を備えて構成されている。このような検出素子を備えるセンサとしては、導電性材料からなるリードフレーム(金属端子部材)を電極端子部に対して電気的に接続することで、検出素子と外部機器との間に流れる電流の電流経路の一部をリードフレームにて形成する構造のものがある。なお、検出素子と外部機器とを電気的に接続する電流経路には、例えば、検出素子による検出結果に応じた検出信号や、検出素子がヒータを備える場合には、ヒータへの電力供給のための電流などが流れる。
そして、リードフレームを備えるセンサとしては、弾性変形可能な板バネとしての弾性接触部を有するリードフレームを用いて、検出素子の電極端子部にリードフレームの弾性接触部を接触させた状態で、検出素子をセパレータの挿通孔の内部で把持する構成のセンサが知られている(特許文献1参照)。なお、弾性接触部は、その両端のうち一方がリードフレームの本体部分に連結された状態(1点支持状態)で備えられている。
このような構成のセンサにおいては、弾性接触部が大きな弾性力を発生する構成のリードフレームを用いることで、リードフレームと検出素子の電極端子部との接続状態を良好にすることができる。なお、弾性接触部が大きな弾性力を発生するリードフレームとしては、例えば、幅寸法が広く形成されたリードフレームや厚さが厚く形成されたリードフレームなどが挙げられる。
特開2001−188060号公報
しかし、従来のセンサのように、大きな弾性力を発生する弾性接触部を有するリードフレームを用いる場合には、検出素子との組み付け作業時において、作業の初期段階から検出素子に対してリードフレームから大きな圧力が加わるため、その圧力によって検出素子に欠けや割れ等の破損が生じる虞がある。
また、幅寸法の広いリードフレームは、配置スペースを広く確保する必要があるため、小型化が要求される用途のセンサに適さないという問題がある。さらに、幅寸法の広いリードフレームは、幅寸法の狭い電極端子部が複数近接して形成された検出素子に対して使用する場合、複数の電極端子部に跨って接触してしまい電流経路を適切に形成できない虞がある。
なお、このような複数の電極端子部を備える検出素子に対しては、幅寸法を狭く形成したリードフレームを用いることで、電流経路を構成することができる。しかし、上記従来のリードフレームのような1点支持状態の弾性支持部を備えるリードフレームは、幅寸法が狭く形成されることに伴い弾性力が不足する傾向に向かうため、弾性力不足により電極端子部に対して十分に接することができず、電極端子部との接続状態が不安定になる虞がある。
発明の概要
本発明は、こうした問題に鑑みてなされたものであり、金属端子部材との組み付け作業時における検出素子の破損が生じ難く、金属端子部材の配置スペースが制限される構造であっても検出素子の電極端子部と金属端子部材との電気的な接続状態を良好に維持可能なセンサの提供、およびそのようなセンサの製造方法を提供することを目的とする。
本発明の1つの特徴により、軸線方向に延びる板状形状をなし、先端側が測定対象物に向けられ、後端側に電極端子部が形成される検出素子と、金属製の板状部材から構成され、電極端子部に接触することで電気的に接続されて電流経路を形成する金属端子部材とを備えるセンサであって、金属端子部材は、軸線方向に延びるフレーム本体部と、このフレーム本体部の先端から屈曲し方向転換して軸線方向後端側に向かって延びる折り返し部とを備え、折り返し部は、フレーム本体部の先端に連結される連結側端部と、連結側端部よりも後端側に形成され、フレーム本体部に当接するフレーム当接部とを有するセンサが提供される。
このセンサは、フレーム本体部と折り返し部とを有する金属端子部材を備えて構成されており、金属端子部材は、少なくとも一部が検出素子の電極端子部に接触することで、検出素子と外部機器との間を繋ぐ電流経路の一部を形成する。
そして、本発明のセンサでは、金属端子部材の折り返し部が、フレーム本体部の先端に連結される連結側端部と、この連結側端部よりも後端側に形成され、フレーム本体部に当接するフレーム当接部とを有している。つまり、本発明のセンサでは、金属端子部材が検出素子に対し組み付けられた状態において、金属端子部の折り返し部が、少なくとも連結側端部およびフレーム当接部の2点以上により支持される複数点支持状態となる。
このような2点以上で支持される状態の折り返し部は、弾性変形により生じる応力が1点支持状態の場合に比べて大きくなることから、金属端子部材自身をより大きな応力で検出素子の電極端子部に押し付けることができ、金属端子部材と検出素子の電極端子部材との電気的な接続状態を良好なものとすることができる。
なお、この金属端子部材は、折り返し部が複数点支持状態となることで応力が増大することから、折り返し部が常に1点支持状態(片持ち状態)となる従来の金属端子部材に比べて、幅寸法や厚みを大きくする必要がなくなり、配置スペースの拡大を抑えることができ、小型化が要求されるセンサへの使用に適している。
さらに、上記のセンサにおいて、上記金属端子部材は、検出素子の電極端子部と電気的に接続する前の自由状態では、折り返し部のうちフレーム当接部はフレーム本体部に当接しないように構成される一方、電極端子部と電気的に接続して折り返し部がフレーム本体部に向かって弾性変形した場合には、フレーム当接部がフレーム本体部に当接するように構成されていると良い。
本発明のセンサでは、金属端子部は、自身の自由状態において、折り返し部のうちフレーム当接部がフレーム本体部に当接せずに、折り返し部が1ヵ所(フレーム本体部の先端に連結される連結側端部)でフレーム本体部に支持されるよう構成されている。このため、金属端子部材は、折り返し部のフレーム当接部がフレーム本体部に当接しない状態においては、折り返し部のうちで連結側端部寄りの弾性変形に伴って生じる応力にて、金属端子部材を検出素子の電極端子部に押し付けるように構成されている。そして、折り返し部がフレーム本体部に向かって弾性変形を続け、フレーム当接部がフレーム本体部に当接することにより、上述したように折り返し部が少なくとも連結側端部およびフレーム当接部の2ヵ所でフレーム本体部に支持されるようになる。
このように、本発明のセンサに備えられる金属端子部材は、折り返し部のフレーム当接部がフレーム当接部に当接する場合と当接しない場合とで、検出素子に対して金属端子部材を押圧する圧力が変動するように構成されている。より詳細には、金属端子部材は、自身を検出素子の電極端子部に対して押し付ける圧力の大きさが、折り返し部のフレーム当接部がフレーム本体部に当接しない状態(1点支持状態)に比べて、折り返し部のフレーム当接部がフレーム本体部に当接する状態(2点支持状態)の方が大きくなるよう構成されている。
これにより、センサの製造工程において、金属端子部材と検出素子とを組み付けるにあたり、組み付け作業の前半では、比較的小さい力で金属端子部材が検出素子の電極端子部に押し付けられることになり、圧力印加によって検出素子が破損に至るのを抑制することができる。また、組み付け作業の完了後においては、折り返し部は、連結側端部およびフレーム当接部でフレーム本体部に支持される2点支持状態となる。このような2点支持状態の折り返し部は、弾性変形により生じる応力が上述したように1点支持状態の場合に比べて大きくなることから、金属端子部材と検出素子の電極端子部材との電気的な接続状態を良好なものとすることができる。
さらに、上記のセンサにおいて、上記折り返し部は、フレーム本体部の先端から屈曲して方向転換し、検出素子の電極端子部とフレーム本体部との間に配置され、電極端子部に接触する素子当接部を構成すると良い。
本発明のセンサでは、金属端子部材の折り返し部が、検出素子とフレーム本体部との間に配置され、電極端子部に接触する素子当接部を構成している。つまり、フレーム本体部に対し2点支持状態となっている折り返し部が、検出素子の電極端子部に接触することになる。このため、より大きな応力で折り返し部を検出素子の電極端子部に押し付けることができ、金属端子部材と検出素子の電極端子部との電気的な接続状態をより一層良好なものとすることができる。
さらに、上記センサにおいて、素子当接部を構成する上記折り返し部は、検出素子の電極端子部に向けて突出し、自身の頂部が電極端子部に接触する凸状部を含むと良い。
折り返し部に検出素子の電極端子部に向けて突出する凸状部を形成し、その凸状部の頂部を電極端子部に接触させることで、電極端子部に対する折り返し部の接圧を高めることができる。従って、金属端子部材の折り返し部と検出素子の電極端子部との接触を確実なものにでき、これらの電気的な接続状態の信頼性を向上させることができる。
さらに、上記のセンサにおいて、素子当接部を構成する上記折り返し部の幅寸法が、0.5[mm]以上2.0[mm]以下に形成されていると良い。
このように幅寸法が設定される折り返し部を有する金属端子部材は、電極端子部の幅寸法が小さく、複数の電極端子部が形成された検出素子においても、複数の電極端子部に跨って接続されることなく、各電極端子部に対して個別に接続でき、適切に電流経路を形成することができる。さらに、金属端子部材の強度を良好に維持することができ、センサの耐久性を良好なものとすることができる。また、この金属端子部材は、容積の小さい配置スペースにも配置可能となることから、小型のセンサにおいても電流経路を形成することができ、センサの小型化を図ることができる。
なお、幅寸法とは、軸線方向に垂直で、かつ折り返し部とフレーム本体部との隙間間隔方向に垂直となる方向の寸法である。
さらに、上記のセンサにおいて、検出素子の後端側の径方向外側に配置されると共に、絶縁材料からなるセパレータを備え、金属端子部材は、折り返し部がフレーム本体部に向けて弾性変形した状態で、検出素子とセパレータとの間に挟持されていると良い。
このように金属端子部材を、折り返し部をフレーム本体部に向けて弾性変形させた状態で、検出素子とセパレータとの間に挟持固定させることにより、金属端子部材と検出素子の電極端子部との電気的な接続状態を確実に得ることができる。従って、本発明のセンサによれば、振動が激しい車両等の環境下に取り付けられて使用に供された場合にも、金属端子部材と検出素子の電極端子部との接続状態を長期間に亘って安定して維持することができる。
さらに、上記のセンサにおいて、上記折り返し部のうちフレーム当接部は、湾曲した形状に形成されていると良い。
本発明のセンサでは、金属端子部材の折り返し部のうちフレーム当接部を湾曲した曲面形状に形成した上で、このフレーム当接部とフレーム本体部とを当接させている。このため、本発明のセンサを振動が激しい車両等の環境下に取り付けて使用した場合にも、フレーム当接部とフレーム本体部との擦れに起因して金属粉が発生する度合いを大幅に低減することができる。従って、本発明のセンサによれば、振動が激しい車両等の環境下に取り付けられて使用に供された場合にも、フレーム当接部とフレーム本体部との擦れに起因して金属粉が飛散し、金属端子部材と検出素子の電極端子部との接続状態に悪影響が生じるのを効果的に抑制することができる。
本願発明の他の特徴により、軸線方向に延びる板状形状をなし、先端側が測定対象物に向けられ、後端側に電極端子部が形成される検出素子と、電極端子部が形成される検出素子の後端側の径方向外側に配置されると共に、絶縁材料からなるセパレータと、金属製の板状部材から構成され、前記電極端子部に接触することで電気的に接続されて電流経路を形成する金属端子部材とを備えるセンサの製造方法であって、金属端子部材は、軸線方向に延びるフレーム本体部と、フレーム本体部の先端から屈曲し方向転換して軸線方向後端側に向かって延び、検出素子の電極端子部とフレーム本体部との間に配置される折り返し部とを備え、この折り返し部は、フレーム本体部の先端に連結される連結側端部と、連結側端部よりも後端側に形成され、フレーム本体部に当接するフレーム当接部と有し、金属端子部材は、検出素子の電極端子部に電気的に接続する前の状態では、折り返し部のうちフレーム当接部はフレーム本体部に当接しないように構成される一方、電極端子部と電気的に接続して折り返し部がフレーム本体部に向かって弾性変形した場合には、フレーム当接部がフレーム本体部に当接するように構成されており、セパレータに金属端子部材を配置させる第1工程と、検出素子を、折り返し部に押し付けて当該折り返し部をフレーム本体部に向かって弾性変形させると共に、折り返し部のフレーム当接部をフレーム本体部に当接させる第2工程と、セパレータが検出素子の径方向外側に配置されるように、検出素子とセパレータとの相対位置を移動させる第3工程とを含むセンサの製造方法が提供される。
本発明のセンサの製造方法によれば、センサの製造工程での検出素子と金属端子部材との組み付け作業時において、検出素子の破損が生じ難くなり、センサの生産効率向上を図ることができる。
また、金属端子部材の配置スペースが狭い構造であっても、検出素子の電極端子部と金属端子部材との電気的な接続状態が良好なセンサを効率良く得ることができる。
[図1]実施例の全領域空燃比センサの全体構成を示す断面図である。
[図2]検出素子の概略構造を表す斜視囲である。
[図3]リードフレームの外観を表す斜視図である。
[図4]セパレータの外観を表す斜視図である。
[図5]挿通孔にリードフレームが配置された状態のセパレータの斜視図である。
[図6]検出素子をセパレータの挿通孔に挿通する作業時において、挿通孔の内部でリードフレームが変形する状態を表す説明図である。
[図7]検出素子の後端側を主体金具の後端部およびセラミックスリーブの後端部から突出させた状態にある中間組立部品の斜視図である。
[図8]素子当接部のうちで検出素子の電極端子部に接触が予定される部位に凸状部を設けたリードフレームの外観を表す斜視図である。
[図9]素子当接部のうちフレーム当接部を湾曲した形状に形成したリードフレームの外観を表す斜視図である。
詳細な説明
以下に、本発明を適用した実施例を図面と共に説明する。
なお、本実施例では、ガスセンサの一種であって、自動車や各種内燃機関における空燃比フィードバック制御に使用するために、測定対象となる排ガス中の特定ガスを検出する検出素子(ガスセンサ素子)が組み付けられるとともに、内燃機関の排気管に装着される全領域空燃比センサ2(以下、空燃比センサ2ともいう)について説明する。
図1は、本発明方法を適用した実施例の空燃比センサ2の全体構成を示す断面図である。
空燃比センサ2は、軸線方向(図中上下方向)に延びる板状形状をなす検出素子4と、検出素子4の先端部を突出させた状態で検出素子4を収納する筒状の主体金具102と、検出素子4と主体金具4との間に配置される筒状のセラミックスリーブ6と、検出素子4の後端部の周囲を取り囲む状態で配置されるアルミナ製のセパレータ82とを備えている。
検出素子4は、軸線方向に延びる板状形状をなし、測定対象となるガスに向けられる先端側(図中下方)に保護層に覆われた検出部8が形成され、後端側(図中上方)の外表面のうち表裏の位置関係となる第1板面21および第2板面23に電極端子部30、31、32、34、36が形成されている(図2参照)。5個のリードフレーム(金属端子部材)10が検出素子4とセパレータ82との間に配置され、検出素子4の電極端子部30、31、32、34、36にそれぞれ電気的に接続されている。また、リードフレーム10は、その後端側において、外部からセンサの内部に配設されるリード線46にも電気的に接続されており、リード線46が接続される外部機器と電極端子部30、31、32、34、36との間に流れる電流の電流経路を形成する。
主体金具102は、その外表面に排気管に固定するためのネジ部103を有し、内部に軸線方向に貫通する貫通孔109をする略筒状に構成されている。また、主体金具102は、検出部8を貫通孔109の先端側に突出させ、電極端子部30、31、32、34、36を貫通孔109の後端側に突出させた状態で検出素子4を貫通孔109内に保持するよう構成されている。
主体金具102の先端側(図1における下方)外周には、検出素子4の突出部分を覆うと共に、複数の孔部を有する金属製(例えば、ステンレスなど)の二重の外部プロテクタ42および内部プロテクタ43が、溶接等によって取り付けられている。
また、主体金具102の後端部104より突出した検出素子4の後端側(図1における上方)の周囲には、セパレータ82が配置され、検出素子4の電極端子部30、31、32、34、36を挿通孔84内に収納している。
そして、主体金具102の後端側外周には、外筒44が固定されている。外筒44の後端側(図1における上方)の開口部には、グロメット50が配置され、グロメット50のリード線挿通孔61には5本のリード線46が挿通されている。
セパレータ82は、外表面から径方向外向きに突出する鍔部83を備え、鍔部83が外筒44の外筒側支持部64に当接することで、外筒44の内部に配置される。
なお、主体金具102の貫通孔109の内部には、検出素子4の径方向周囲を取り囲む状態で、環状のセラミックホルダ106、粉末充填層108(以下、滑石リング108ともいう)、補助スリーブ110およびセラミックスリーブ6が、この順に先端側から後端側に向けて積層されている。これらの積層体は、主体金具102の棚部107と後端部104との間で、パッキン129および加締リング112を介して加締め固定されている。
ここで、検出素子4の概略構造を表す斜視図を、図2に示す。なお、図2では、軸線方向における中間部分を省略して検出素子4を表している。
検出素子4は、軸線方向(図2における左右方向)に延びる板状形状に形成された素子部20と、同じく軸線方向に延びる板状形状に形成されたヒータ22とが積層されて、矩形の軸断面を有する板型形状に形成されている。なお、空燃比センサ2として用いられる検出素子4は従来公知のものであるため、その内部構造等の詳細な説明は省略するが、その概略構成は以下のようである。
まず、素子部20は、固体電解質基板の両側に多孔質電極を形成した酸素濃淡電池素子と、同じく固体電解質基板の両側に多孔質電極を形成した酸素ポンプ素子と、これらの両素子の間に積層され、中空の測定ガス室を形成するためのスペーサとから構成される。この固体電解質基板は、イットリアを安定化剤として固溶させたジルコニアから形成され、多孔質電極は、Ptを主体に形成される。また、測定ガス室を形成するスペーサは、アルミナを主体に構成されており、中空の測定ガス室の内側には、酸素濃淡電池素子の一方の多孔質電極と、酸素ポンプ素子の一方の多孔質電極が露出するように配置されている。なお、測定ガス室は、素子部20の先端側に位置するように形成されており、この測定ガス室が形成される部分が検出部8に相当する。
ついで、ヒータ22は、アルミナを主体とする絶縁基板の間に、Ptを主体とする発熱抵抗体パターンが挟み込まれて形成されている。
そして、素子部20とヒータ22とは、セラミック層(例えば、ジルコニア系セラミックやアルミナ系セラミック)を介して互いに接合される。また、検出素子4のうち少なくとも測定対象物(本実施形態では、排ガス)に晒される電極の表面上には、被毒防止用の多孔質状のセラミック(例えば、アルミナ系セラミックなど)からなる保護層(図示省略)が形成される。なお、本実施形態では、検出素子4のうち排ガスに晒される電極の表面を含む先端側全面を保護層にて覆っている。
このような検出素子4では、図2に示すように、第1板面21の後端側(図2における右側)に3個の電極端子部30、31、32が形成され、第2板面23の後端側に2個の電極端子部34、36が形成されている。電極端子部30、31、32は、素子部20に形成されるものであり、1つの電極端子部は、測定ガス室の内側に露出する酸素濃淡電池素子の一方の多孔質電極と酸素ポンプ素子の一方の多孔質電極と共用する形で電気的に接続される。また、電極端子部30、31、32のうち残りの2つの電極端子部は、酸素濃淡電池素子の他方の多孔質電極と酸素ポンプ素子の他方の多孔質電極と各々電気的に接続されている。また、電極端子部34、36は、ヒータ22に形成されるものであり、ヒータ22の厚さ方向に横切るビア(図示せず)を介して発熱抵抗体パターンの両端に各々接続されている。
次に、リードフレーム10について説明する。リードフレーム10の外観を表す斜視図を図3に示す。なお、本実施例の空燃比センサ2は、フレーム係止部の形状が異なる2種類のリードフレーム10(図3にて左側に示す第1リードフレーム11と、右側に示す第2リードフレーム211)を備えて構成されている。また、リードフレーム10は、高温に繰り返し晒されても、弾性(バネ弾性)を維持可能な周知の材料(例えば、インコネルやステンレス鋼等)にて形成されている。
まず、第1リードフレーム11は、軸線方向に延びる長尺状の板状部材からなるフレーム本体部12と、フレーム本体部12の先端から折り返されてフレーム本体部12と検出素子4との間に配置されるように延び、自身の一部が検出素子4の電極部に当接することになる素子当接部16と、リード線46と電気的に接続されるリード線接続部17とを備えている。
フレーム本体部12は、軸線方向における略中間位置に湾曲部13を有しており、湾曲部13よりも先端に位置する先端側部分と、湾曲部13よりも後端に位置する後端側部分とが、板面の厚さ方向における位置が異なる位置となるように構成されている。この湾曲部13のうち、フレーム当接部15との対向面は、先端側に向く斜面を構成しており、フレーム当接部15と当接したときにフレーム当接部が軸方向後端側または径方向外側に移動するのを規制する機能を有している。また、フレーム本体部12は、軸線方向中間位置よりも先端側部分における板面の幅寸法W1が1.1[mm]、板厚が0.2[mm]に形成されている。
なお、第1リードフレーム11は、フレーム本体部12の先端側に、セパレータ82と係合する第1フレーム係止部19を備えている。第1フレーム係止部19は、フレーム本体部12の先端側面から板面に対する垂直方向に向けて延設されると共に、フレーム本体部12の板面に平行となる部分を有するよう折り曲げられて構成されている。
素子当接部(折り返し部)16は、フレーム本体部12の先端から径方向内側に屈曲し方向転換して軸線方向後端側に向かって延びる形態をなしている。そして、この素子当接部16は、フレーム本体部12の先端に連結される連結側端部14と、この連結側端部14よりも後端側に形成されるフレーム当接部であって、第1リードフレーム11自身の自由状態において、フレーム本体部12から離れた状態となるフレーム当接部15とを有している。
ここで、素子当接部16は、板面の幅寸法W1が1.1[mm]、板厚が0.2[mm]に形成されている。また、素子当接部16は、軸線方向中間部からフレーム本体部12までの間隙寸法が、フレーム当接部15からフレーム本体部12までの間隙寸法に比べて長くなるように湾曲した円弧状形状に形成されており、円弧状形状のうち凸側曲面が検出素子4に当接するように形成されている。
なお、素子当接部16は、外力が印加される(詳細には、素子当接部16からフレーム本体部12に向かう外力が加わる)ことで、フレーム当接部15がフレーム本体部12に向けて弾性変形し、最終的にフレーム当接部15がフレーム本体部12の湾曲部13に当接するよう構成されている。
また、第1リードフレーム11は、外力が印加されず連結側端部14(素子当接部16自身)が弾性変形しない場合には、素子当接部16のフレーム当接部15とフレーム本体部12との間隙寸法(軸線方向に対して直交する向きの寸法)が、セパレータ82の第1フレーム配置溝86および第2フレーム配置溝88の深さ寸法よりも小さくなるよう構成されている。
なお、第1リードフレーム11は、素子当接部16がフレーム本体部12に向けて弾性変形した状態で検出素子4とセパレータ82との間に扶持された場合には、素子当接部16のフレーム当接部15がフレーム本体部12の湾曲部13に当接すると共に、素子当接部16のうち少なくとも一部が第1フレーム配置溝86および第2フレーム配置溝88から突出して検出素子4の電極端子部に当接されるよう構成されている。
次に、第2リードフレーム211について説明する。
第2フレーム本体部212は、湾曲部213付近よりも先端側部分における板面の幅寸法W2が0.8[mm]、板厚0.2[mm]に形成されており、第1リードフレーム11のフレーム本体部12と比べて横面の幅寸法は異なるが、軸線方向に平行かつ板面に垂直な平面における断面形状は、フレーム本体部12と略同様の形状に形成されている。
第2素子当接部216は、板面の幅寸法W2が0.8[mm]、板厚0.2[mm]に形成されており、第1リードフレーム11の素子当接部16と比べて板面の幅寸法および板厚は異なるが、軸線方向に平行かつ板面に垂直な平面における断面形状は、素子当接部16と略同様の円弧状に形成されており、連結側端部14に対応する第2連結側端部214と、フレーム当接部15に対応する第2フレーム当接部215とを有している。
また、第2リードフレーム211は、第2フレーム本体部212の先端側に、セパレータ82の第2係止用溝部91に配置可能に形成された2個の第2フレーム係止部219を備えている。第2フレーム係止部219は、第2フレーム本体部212から板面に対する垂直方向に向けて延設されると共に、第2フレーム本体部212の板面に平行となる部分を有するよう外向きに折り曲げられて構成されている。
さらに、第2リードフレーム211は、第2フレーム本体部212の後端部に、第1リードフレーム11のリード線接続部17と略同様の形状に形成された第2リード線接続部217を備えている。
このように構成されたリードフレーム10のうち、4本の第1リードフレーム11および1本の第2リードフレーム211が、互いに絶縁された状態で、セパレータ82の挿通孔84に配置される。
このとき、4本の第1リードフレーム11は、検出素子4の電極端子部30、32に対応する2つの第1フレーム配置溝86、および電極端子部34、36に対応する2つの第2フレーム配置溝88に配置され、第2リードフレーム211は、検出素子4の電極端子部31に対応する第1フレーム配置溝86に配置される。
次に、セパレータ82について説明する。
図4に、先端側から見たときのセパレータ82の外観を表す斜視図を示す。図4に示すように、挿通孔84のうち検出素子4の第1板面21(図示省略)に対向する内壁面には、3個のリードフレーム10をそれぞれ電気的に絶縁した状態で個別に配置するための3つの第1フレーム配置溝86と、第1フレーム配置溝86の境界を構成する第1リブ部87とが設けられている。なお、3つの第1フレーム配置溝86は、それぞれ検出素子4の第1板面21における電極端子部30、31、32に対応する位置に形成されている。
また、挿通孔84のうち検出素子4の第2板面23(図示省略)に対向する内壁面には、2個のリードフレーム10をそれぞれ電気的に絶縁した状態で個別に配置するための2つの第2フレーム配置溝88と、第2フレーム配置溝88の境界を構成する第2リブ部89とが設けられている。なお、2つの第2フレーム配置溝88は、それぞれ検出素子4の第2板面23における電極端子部34、36に対応する位置に形成されている。
第1リブ部87および第2リブ部89は、隣接するフレーム配置溝に配置されるリードフレーム10同士が接触するのを阻止し、電流経路が不良となるのを防止する機能を有している。
また、セパレータ82は、先端面(図における手前側の面)に、挿通孔84の先端側開口部に繋がる形態で形成される第1係止用溝部90および第2係止用溝部91を備えている。
第1係止用溝部90は、セパレータ82の先端側から見たときに略L字形に形成されており、リードフレーム10の第1フレーム係止部19を配置可能に形成されている。なお、第1係止用溝部90は、3個の第1フレーム配置溝86のうち外側に形成される第1フレーム配置溝86と、第2フレーム配置溝88とにそれぞれ繋がって形成されている。
第2係止用溝部91は、2個の凸条部92の間に形成される狭小幅溝部93と、セパレータ82の先端面のうち狭小幅溝部93よりも径方向外側に形成される拡大幅溝部94とからなり、リードフレーム10の第2フレーム係止部219を配置可能に形成されている。なお、凸条部92は、第1リブ部87の先端部分から連続する形状に形成されている。また、第2係止用溝部91は、3個の第1フレーム配置溝86のうち中央に形成される1個の第1フレーム配置溝86に繋がる1カ所に形成されている。
リードフレーム10は、リード線接続部17(第2リード線接続部217)にリード線46が接続された後に、リード線46と共にセパレータ82の挿通孔84に配置される。
挿通孔84にリードフレーム10が配置された状態のセパレータ82の斜視図を図5に示す。図5に示すように、第1リードフレーム11の第1フレーム係止部19は、セパレータ82の第1係止用溝部90に配置され、また、第2リードフレーム211の第2フレーム係止部219は、セパレータ82の第2係止用溝部91に配置される。
このようにリードフレーム10が配置された状態のセパレータ82の挿通孔84に対して、検出素子4を挿通することにより、リードフレーム10の素子当接部16(第2素子当接部216)と検出素子4の電極端子部30、31、32、34、36のいずれかを当接させて電気的に接続させることができる。
次に、検出素子4を、リードフレーム10が配置された状態の挿通孔84に挿通して、検出素子4、リードフレーム10およびセパレータ82を一体に組み付ける作業について説明する。
検出素子4をセパレータ82の挿通孔84に挿通する作業時において、挿通孔84の内部でリードフレーム10が弾性変形する状態を表す説明図を図6に示す。なお、図6では、1個のリードフレーム10および検出素子4を図示しており、セパレータ82については図示を省略している。
まず、組み付け作業の開始直後の第1ステップでは、検出素子4をセパレータ82の先端側に配置した後、挿通孔84の先端側開口部より検出素子4を挿通すると共に、検出素子4をリードフレーム10の素子当接部16に当接させる。そして、検出素子4をリードフレーム10の素子当接部16に押し付けて外力を加えることで、連結側端部14を弾性変形させる(換言すれば、素子当接部16をフレーム本体部12に向けて弾性変形させる)と共に、素子当接部16のフレーム当接部15をフレーム本体部12の湾曲部13に近接させる作業を行う。
次の第2ステップでは、素子当接部16に対して検出素子4を更に押し付けて素子当接部16をフレーム本体部12に向けて弾性変形させると共に、素子当接部16のフレーム当接部15をフレーム本体部12(フレーム本体部12の湾曲部13)に当接させる作業を行う。これにより、素子当接部16は、連結側端部14およびフレーム当接部15の2カ所でフレーム本体部12に支持される状態、つまり2点支持状態となる。
続く第3ステップでは、挿通孔84の内部後端側に検出素子4を更に挿入することで、セパレータ82の挿通孔84の内壁面が検出素子4の電極端子部30、31、32、34、36に対向するように、検出素子4とセパレータ82との相対位置を移動させる作業を行う。これにより、リードフレーム10のうちフレーム本体部12の先端側部分および素子当接部16が、検出素子4と挿通孔84の内壁面との間に挟み込まれる状態となる(図1参照)。このとき、素子当接部16は、検出素子4の板面に沿うように軸線方向中間部が弾性変形しており、検出素子4の電極端子部に対して広い面積で当接する状態となる。
このようにして組み付け作業を行うことで、検出素子4、リードフレーム10およびセパレータ82を一体に組み付けることができる。ここでは、組み付け作業時における第1リードフレーム11の弾性変形状態について説明したが、第2リードフレーム211についても、第1リードフレーム11と同様の変形状態を示す。
なお、検出素子4、リードフレーム10およびセパレータ82を一体に組み付け作業は、空燃比センサ2の製造工程の途中段階で実行される。そして、空燃比センサ2の製造工程では、この組み付け作業の前段階で、検出素子4、セラミックスリーブ6、滑石リング108、セラミックホルダ106および主体金具102などからなる中間組立部品105の組み立て作業を実行している。図7に、検出素子4の後端側を主体金具102の後端部104およびセラミックスリーブ6の後端部から突出させた状態にある中間組立部品105を斜視図にて示す。
空燃比センサ2の製造工程では、中間組立部品105を構成する状態の検出素子4に対して、上述のような組み付け作業を行うことで、リードフレーム10およびセパレータ82を検出素子4に組み付けることができる。
リードフレーム10、セパレータ82および検出素子4を一体に組み付けた後、外筒44を主体金具102に対してレーザー溶接などにより接合すると共に、グロメット50を加締め加工により外筒44に固定する作業などを実行することで、空燃比センサ2が完成すると共に、空燃比センサ2の製造工程が完了する。
なお、本実施例においては、リードフレーム10が特許請求の範囲に記載の金属端子部材に相当し、素子当接部16および第2素子当接部216が折り返し部に相当している。また、センサの製造工程のうち、リードフレーム10をセパレータ82の挿通孔84の内部に配置する作業工程が、特許請求の範囲に記載の第1工程に相当し、リードフレーム10およびセパレータ82を一体に組み付ける作業における第1ステップおよび第2ステップが、特許請求の範囲に記載の第2工程に相当し、組み付け作業における第3ステップが特許請求の範囲に記載の第3工程に相当する。
以上、説明したように、本実施例の空燃比センサ2は、検出素子4の電極端子部に接触する素子当接部16(第2素子当接部216)の支持状態が1点支持状態から2点支持状態に変形する構成のリードフレーム10(第1リードフレーム11、第2リードフレーム211)を用いて構成されている。
そして、リードフレーム10は、素子当接部16(第2素子当接部216)のフレーム当接部15(第2フレーム当接部215)がフレーム本体部12(第2フレーム本体部212)に当接せずに離れている1点支持状態では、連結側端部14(第2連結側端部214)側の弾性変形により生じる比較的小さい応力によって、素子当接部16(第2素子当接部216)を検出素子4の電極端子部に対して押し付けるように構成されている。また、リードフレーム10は、素子当接部16(第2素子当接部216)がフレーム本体部12(第2フレーム本体部212)に向かって弾性変形して、フレーム当接部15(第2フレーム当接部215)がフレーム本体部12(第2フレーム本体部212)に当接する場合には、素子当接部16(第2素子当接部216)のうち軸線方向中間部が弾性変形することにより、大きな応力を発生することになる。
つまり、リードフレーム10は、素子当接部16(第2素子当接部216)のフレーム当接部15(第2フレーム当接部215)がフレーム本体部12(第2フレーム本体部212)に当接しない1点支持状態よりも、素子当接部16(第2素子当接部216)のフレーム当接部15(第2フレーム当接部215)がフレーム本体部12(第2フレーム本体部212)に当接する2点支持状態の方が、素子当接部16(第2素子当接部216)を検出素子4の電極端子部に対して押し付ける圧力(換言すれば、接圧)が大きくなるように構成されている。
これにより、空燃比センサ2の製造工程において、リードフレーム10と検出素子4とを組み付けるにあたり、組み付け作業の前半段階では、比較的小さい力でリードフレーム10の素子当接部16(第2素子当接部216)が検出素子4の電極端子部30、31、32、34、36に押し付けられることになる。この結果、リードフレーム10と検出素子4との組み付け作業時に、リードフレーム10の弾性変形に伴って検出素子4に対して過度な圧力が加わるのを防止でき、検出素子4が破損に至るのを抑制することができる。
また、組み付け作業の完了後においては、素子当接部16(第2素子当接部216)は、連結側端部14(第2連結側端部214)およびフレーム当接部15(第2フレーム当接部215)によりフレーム本体部12(第2フレーム本体部212)に支持される2点支持状態となる。この2点支持状態の素子当接部16(第2素子当接部216)の弾性変形により生じる大きい応力(弾性力)で、リードフレーム10の素子当接部16(第2素子当接部216)が検出素子4の電極端子部に押し付けられることで、リードフレーム10と検出素子4の電極端子部との電気的な接続状態を良好に得ることができる。
このため、検出素子4の電極端子部との接続状態を良好にするべく弾性力を大きく確保するために、リードフレーム10の幅寸法や厚みを大きくする必要が無くなる。つまり、本実施例のリードフレーム10は、従来のセンサのような常に1点支持状態の弾性接触部を有するリードフレームと比較した場合には、同等の弾性力を発生させるために必要となる幅寸法や厚みが小さくなるという特徴がある。
よって、リードフレーム10は、素子当接部16(第2素子当接部216)が1点支持状態から2点支持状態に変形することで応力が増大することから、同等の弾性力を発生させる場合には、従来のリードフレーム(金属端子部材)に比べて幅寸法や厚みを縮小できる。このため、本実施例のリードフレーム10を用いることで、配置スペースの拡大を抑えることができ、小型化が要求されるセンサにおいても好適に使用することができる。
また、空燃比センサ2は、第1フレーム配置溝86および第2フレーム配置溝88が形成されたセパレータ82を用いて構成されることから、セパレータ82に対するリードフレーム10の配置位置(相対位置)の設定作業が容易となり、組み付け作業の煩雑さを軽減することができる。また、第1フレーム配置溝86および第2フレーム配置溝88にリードフレーム10を配置することで、空燃比セン2の実使用環境下において、リードフレーム10の配置位置が変化するのを防止することができる。例えば、外部からの衝撃により外筒44などが変形して、その変形の影響がリードフレーム10に及ぶ場合においても、隣接するリードフレーム10同士が接触するのを避けることができ、電流経路を適切な状態に維持することができる。
さらに、リードフレーム10は、素子当接部16(第2素子当接部216)のフレーム当接部15(第2フレーム当接部215)がフレーム本体部12(第2フレーム本体部212)に当接する場合においても、素子当接部16および第2素子当接部216の一部が、挿通孔84の内部のうち第1フレーム配置溝86および第2フレーム配置溝88の外部に配置されるよう構成されている。このため、素子当接部16および第2素子当接部216の全体が、第1フレーム配置溝86および第2フレーム配置溝88の内部に完全に収容されることはなく、リードフレーム10が検出素子4の電極端子部に接続できなくなるのを防止できる。
また、リードフレーム10は、自由状態において、素子当接部16(第2素子当接部216)のフレーム当接部15(第2フレーム当接部215)とフレーム本体部12(第2フレーム本体部212)との間隙寸法が、第1フレーム配置溝86および第2フレーム配置溝88の探さ寸法よりも小さい状態となるよう構成されている。このため、リードフレーム10は、フレーム本体部12(第2フレーム本体部212)が第1フレーム配置溝86の底部および第2フレーム配置溝88の底部に当接する場合には、フレーム本体部12および第2フレーム本体部212がフレーム配置溝86および第2フレーム配置溝88の内部に収容される。
このことから、リードフレーム10をセパレータ82に配置した後、検出素子4と組み付けるにあたり、フレーム当接部15(第2フレーム当接部215)が、第1フレーム配置溝86の開口部周囲部分(第1リブ部87)または第2フレーム配置溝88の開口部周囲部分(第2リブ部89)に係止されるのを防止でき、フレーム当接部15(第2フレーム当節部215)を確実にフレーム本体部12(第2フレーム本体部212)に当接させることができる。
これにより、素子当接部16(第2素子当接部216)のフレーム当接部15(第2フレーム当接部215)が第1リブ部87または第2リブ部89に係止された状態であるために、検出素子4との組み付け作業時に、リードフレーム10が不適切な形状に変形するのを防止できる。
また、リードフレーム10は、第1フレーム係止部19および第2フレーム係止部219を備えており、セパレータ82の挿通孔84に配置される場合には、第1フレーム係止部19および第2フレーム係止部219が、セパレータ82の第1係止用溝部90および第2係止用溝部91に配置される。これにより、検出素子4を挿通孔84に挿入する際に、リードフレーム10が挿通孔84の内壁面から離れるのを防止でき、リードフレーム10が不適切な形状に変形して、検出素子4の電極端子部との接続状態が不良となるのを防止できる。
この結果、検出素子4、リードフレーム10およびセパレータ82の組み付け作業時において、リードフレーム10の不適切な変形および破損が生じ難くなり、センサの製造作業における不良品の発生頻度を低下できると共に、センサの製造効率の向上を図ることができる。
以上、本発明の実施例について説明したが、本発明は上記実施例に限定されるものではなく、種々の態様を採ることができる。
例えば、検出素子との間で金属端子部材(リードフレーム)を扶持するためのセパレータは、セパレータ82のように一部材で形成される一体構造型のものに限られず、複数の部材で構成される分割型のものでも良い。一例としては、検出素子の表側板面に対向する第1絶縁部材と、検出素子の裏側板面に対向する第2絶縁部材と、検出素子を挟み込むように配置された第1絶縁部材および第2絶縁部材を保持する保持固定部材と、を備える構成の分割型のセパレータを挙げることができる。
このような分割型のセパレータを用いるセンサにおいても、幅寸法や厚みが小さく形成されると共に、素子当接部(折り返し部)が1点支持状態および2点支持状態となるリードフレームを用いることで、良好な電気的接続状態を実現するための弾性力を発生させることができる。これにより、リードフレームが発生する弾性力を所定の大きさに設定するにあたり、従来に比べて、リードフレームの配置スペースを小さく抑えることができ、センサの小型化を図ることができる。
また、本発明の適用対象となるセンサは、電極端子部の個数が5個の検出素子を備えるセンサに限られることはなく、4個以下または6個以上の電極端子部を有する検出素子を備えて構成されるセンサに適用することもできる。
なお、上記実施形態では、板面の幅寸法が1.1[mm]および0.8[mm]となる2種類のリードフレーム(第1リードフレーム11、第2リードフレーム211)について説明したが、リードフレームにおける板面の幅寸法は上記寸法に限られることはない。つまり、板面の幅寸法が0.5[mm]以上2.0[mm]以下に設定されたリードフレームであれば、上記のリードフレーム(第1リードフレーム11、第2リードフレーム211)と同様の作用効果を得ることができる。
さらに、リードフレーム10と検出素子4の電極端子部との接圧を高めることを目的に、素子当接部16のうちで電極端子部に接触することが予定される部位に電極端子部に向かって突出する凸状部18を設けるようにしても良い。素子当接部16に凸状部18を含むリードフレーム10(第1リードフレーム11)の外観を表す斜視図を図8に示す。なお、図8に示すリードフレーム10(第1リードフレーム11)では、上述した第1フレーム係止部19の図示を省略している。
このように素子当接部16のうちで電極端子部に接触することが予定される部位に凸状部18を設け、この凸状部18の頂部を電極端子部に接触させることで、上述した素子当接部16をフレーム本体部12に対して2点支持させる構成と相俟って、素子当接部16の電極端子部に対する接圧を一層高めることができる。なお、図8では、上述した第1リードフレーム11の素子当接部16に凸状部18を設けた例を示したが、上述した第2リードフレーム211の第2素子当接部216に同様の凸状部を形成しても良い。
また、リードフレーム10の素子当接部16のうちフレーム当接部15を、湾曲した形状に形成しても良い。具体的には、図8を援用して示すように、フレーム当接部15をフレーム本体部12から離れるように軸線方向後端側に向かって湾曲させる(換言すれば、円弧状に曲折させる)ことにより、フレーム本体部15を湾曲した形状に形成することができる。
このように、フレーム当接部15を湾曲した形状に形成した上で、このフレーム当接部とフレーム本体部とを当接させることで、センサ(全領域空燃比センサ2)を振動が激しい車両等の環境下に取り付けて使用した場合にも、フレーム当接部15とフレーム本体部12との擦れに起因して金属粉が生ずる程度を低減することができる。これにより、センサの実使用時に、リードフレーム10と検出素子の電極端子部との電気的な接続状態に悪影響が生じるのを効果的に抑制することができる。
なお、図8では、第1リードフレーム11における素子当接部16のフレーム当接部15を湾曲した形状に形成した例を示したが、第2リードフレーム211における第2フレーム当接部215も同様に湾曲した形状に形成しても良い。また、フレーム当接部15を湾曲した形状に形成するにあたって、図8に示したように軸線方向後端側に向かって湾曲させる形状には限定されず、図9に示すように、フレーム本体部12から離れるように軸線方向先端側に向かって湾曲した形状に形成しても良い。
さらに、上記実施形態では、リードフレーム10のフレーム本体部12(第2フレーム本体部212)の先端から屈曲し方向転換して軸線方向後端側に向かって延びる折り返し部を素子当接部16(第2素子当接部216)として構成した例を示したが、検出素子4の電極端子部と折り返し部との間にフレーム本体部12(第2フレーム本体部212)が配置されるように、リードフレーム10をセパレータ82内に配置し、フレーム本体部12を湾曲した曲面形状として検出素子4の電極端子部に接触する素子当接部として機能させるようにしても良い。

Claims (9)

  1. 軸線方向に延びる板状形状をなし、先端側が測定対象物に向けられ、後端側に電極端子部が形成される検出素子と、
    金属製の板状部材から構成され、前記電極端子部に接触することで電気的に接続されて電流経路を形成する金属端子部材と、
    を備えるセンサであって、
    前記金属端子部材は、
    軸線方向に延びるフレーム本体部と、
    前記フレーム本体部の先端から屈曲し方向転換して軸線方向後端側に向かって延びる折り返し部と、を備え、
    前記折り返し部は、前記フレーム本体部の先端に連結される連結側端部と、前記連結側端部よりも後端側に形成され、前記フレーム本体部に当接するフレーム当接部と有していること、
    を特徴とするセンサ。
  2. 請求項1に記載のセンサであって、
    前記金属端子部材は、前記検出素子の前記電極端子部と電気的に接続する前の自由状態では、前記折り返し部のうち前記フレーム当接部は前記フレーム本体部に当接しないように構成される一方、前記電極端子部と電気的に接続して前記折り返し部が前記フレーム本体部に向かって弾性変形した場合には、前記フレーム当接部が前記フレーム本体部に当接するように構成されているセンサ。
  3. 請求項1または請求項2に記載のセンサであって、
    前記折り返し部は、前記フレーム本体部の先端から屈曲して方向転換し、前記検出素子の前記電極端子部と前記フレーム本体部との間に配置され、前記電極端子部に接触する素子当接部を構成するセンサ。
  4. 請求項3に記載のセンサであって、
    前記折り返し部は、前記検出素子の前記電極端子部に向けて突出し、自身の頂部が前記電極端子部に接触する凸状部を含むセンサ。
  5. 請求項3または請求項4に記載のセンサであって、
    前記折り返し部の幅寸法が、0.5[mm]以上2.0[mm]以下に形成されているセンサ。
  6. 請求項1乃至4に記載のセンサであって、
    複数の前記金属端子部材を有し、
    前記複数の金属端子部材は、前記折り返し部の幅寸法が互いに異なるセンサ。
  7. 請求項1〜請求項6のいずれか1項に記載のセンサであって、
    前記検出素子の後端側の径方向外側に配置されると共に、絶縁材料からなるセパレータを備えており、
    前記金属端子部材は、前記折り返し部が前記フレーム本体部に向けて弾性変形した状態で、前記検出素子と前記セパレータとの間に挟持されているセンサ。
  8. 請求項1〜請求項7のいずれかに記載のセンサであって、
    前記折り返し部のうち前記フレーム当接部は、湾曲した形状に形成されているセンサ。
  9. 軸線方向に延びる板状形状をなし、先端側が測定対象物に向けられ、後端側に電極端子部が形成される検出素子と、
    前記電極端子部が形成される前記検出素子の後端側の径方向外側に配置されると共に、絶縁材料からなるセパレータと、
    金属製の板状部材から構成され、前記電極端子部に接触することで電気的に接続されて電流経路を形成する金属端子部材と、
    を備えるセンサの製造方法であって、
    前記金属端子部材は、
    軸線方向に延びるフレーム本体部と、
    前記フレーム本体部の先端から屈曲し方向転換して軸線方向後端側に向かって延び、前記検出素子の前記電極端子部と前記フレーム本体部との間に配置される折り返し部と、を備え、
    前記折り返し部は、前記フレーム本体部の先端に連結される連結側端部と、前記連結側端部よりも後端側に形成され、前記フレーム本体部に当接するフレーム当接部と有し、
    前記金属端子部材は、前記検出素子の前記電極端子部に電気的に接続する前の状態では、前記折り返し部のうち前記フレーム当接部は前記フレーム本体部に当接しないように構成される一方、前記電極端子部と電気的に接続して前記折り返し部が前記フレーム本体部に向かって弾性変形した場合には、前記フレーム当接部が前記フレーム本体部に当接するように構成されており、
    前記セパレータに前記金属端子部材を配置させる第1工程と、
    前記検出素子を、前記折り返し部に押し付けて当該折り返し部を前記フレーム本体部に向かって弾性変形させると共に、前記折り返し部の前記フレーム当接部を前記フレーム本体部に当接させる第2工程と、
    前記セパレータが前記検出素子の径方向外側に配置されるように、前記検出素子と前記セパレータとの相対位置を移動させる第3工程と、を含むことを特徴とするセンサの製造方法。
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