JP2014190846A - ガスセンサ - Google Patents

Abstract

【課題】弾性部材の貫通孔にリード線を容易に挿通することができると共に、挿通の際にリード線先端の芯線がほつれ難く、生産性及び電気的信頼性が向上したガスセンサを提供する。
【解決手段】ガスセンサ素子１０と、ガスセンサ素子と電気的に接続する接続端子３０と、接続端子と電気的に接続するリード線１４６と、接続端子の後端側に配置され、リード線を挿通させる貫通孔１６１が形成された弾性部材１５０と、を備えたガスセンサ２００であって、接続端子は、ガスセンサ素子と直接または間接的に接続する素子接続部３１と、リード線の先端と直接または間接的に接続するリード線接続部３５とを有し、リード線接続部の先端側が素子接続部の後端側に重なり合って連結され、貫通孔の内径が、リード線接続部の軸線方向に垂直な断面の最大長さ以上、かつ、素子接続部の軸線方向に垂直な断面の最大長さ及びリード線の直径ＨＬよりも小さい。
【選択図】図１

Description

本発明は、被検出ガスの濃度を検出するガスセンサに関する。

自動車等の排気ガス中の特定ガス（例えば酸素）の濃度を検出するガスセンサとして、酸素イオン導電性を有する固体電解質体からなるガスセンサ素子をケーシング（外筒）内に保持し、内燃機関の排気管やエンジンヘッド等の取り付け対象体に取付けられるものが知られている（例えば、特許文献１、２参照）。
このようなガスセンサにおいては、被検出ガスの濃度に応じたガスセンサ素子の出力を外部に取り出すため、ガスセンサ素子の後端側に設けた電極パッドに接続端子を接触させて両者を電気的に接続すると共に、接続端子の後端側にリード線を圧着している。そして、ケーシングの後端に配置された弾性部材の貫通孔からリード線をガスセンサの外部に引き出している。
このガスセンサの製造は次のように行う。まず、リード線の後端側にコネクタを接続すると共に、予めリード線の先端側を弾性部材の貫通孔に挿通する。次に、絶縁部材からなるセパレータに接続端子を保持し、この接続端子の後端側にリード線の先端を圧着する。そして、ケーシング内に弾性部材や、接続端子を保持したセパレータを配置し、ガスセンサを組み付ける。

特開２０１１−１０６９６２号公報 特開２０１１−２４２４１０号公報

ところで、ガスセンサ素子の電極パッドとの接触面積を大きくするため、接続端子は径方向にリード線の直径より広がっている。このため、予め接続端子にリード線を接続（圧着）した場合、弾性部材の貫通孔に接続端子及びリード線を挿通することができない。そこで、従来のガスセンサにおいては、上述のように予めリード線の先端を弾性部材に挿通しておき、後からリード線の先端を接続端子に圧着している。しかしながら、リード線が柔らかいため、リード線を弾性部材に挿通しづらいという問題がある。さらに、リード線の芯線（撚線）がほつれた状態で弾性部材に挿通されると、ほつれ部分で絶縁不良や導電不良を起こすおそれがある。
従って、本発明は、弾性部材の貫通孔にリード線を容易に挿通することができると共に、挿通の際にリード線先端の芯線がほつれ難く、生産性及び電気的信頼性が向上したガスセンサの提供を目的とする。

上記課題を解決するため、本発明のガスセンサは、軸線方向に延びて自身の先端側が被測定ガスに晒されるガスセンサ素子と、前記ガスセンサ素子と電気的に接続する接続端子と、前記接続端子と電気的に接続するリード線と、前記接続端子の後端側に配置され、前記リード線を前記軸線方向に挿通させる貫通孔が形成された弾性部材と、を備えたガスセンサであって、前記接続端子は、前記ガスセンサ素子と直接または間接的に接続する素子接続部と、前記リード線の先端と直接または間接的に接続するリード線接続部とを有し、前記リード線接続部の先端側が前記素子接続部の後端側に重なり合って連結され、前記貫通孔の内径が、前記リード線接続部の前記軸線方向に垂直な断面の最大長さ以上、かつ、前記素子接続部の前記軸線方向に垂直な断面の最大長さ及び前記リード線の直径よりも小さい。
このガスセンサによれば、リード線の先端にリード線より剛性の高いリード線接続部が取り付けられているので、リード線接続部がガイドとなってリード線を弾性部材の貫通孔に容易に挿通することができ、生産性が向上する。又、リード線の先端にリード線接続部が取り付けられているので、貫通孔に芯線が直接当らず、芯線がほつれた状態で貫通孔に挿通されることがなくなる。従って、リード線の芯線がほつれ難く、絶縁不良や導電不良を抑制して電気的信頼性が向上する。

前記リード線接続部は前記リード線の先端と接続するための圧着端子部を備え、圧着後の該圧着端子部の高さ寸法Ｈを幅寸法Ｗで除した値Ｈ／Ｗが０．５４〜１．０であることが好ましい。
このガスセンサによれば、Ｈ／Ｗが１に近いほど、高さ方向と幅方向のリード線の圧縮率が均等になり、径方向のどの位置から見ても、リード線接続部（圧着端子部）の外径を確実にリード線の直径以下に設定できる。

前記リード線の（被覆層の厚み）／（芯線の直径）の比が0.4以下であることが好ましい。
このガスセンサによれば、被覆層の厚みが厚くなり過ぎないので、リード線のコストアップを抑制できる。

この発明によれば、弾性部材の貫通孔にリード線を容易に挿通することができると共に、挿通の際にリード線先端の芯線がほつれ難く、生産性及び電気的信頼性が向上したガスセンサが得られる。

本発明の実施形態に係るガスセンサの軸線方向に沿う断面図である。 接続端子の斜視図（図２（ａ）及び分解斜視図（図２（ａ）である。 弾性部材の貫通孔にリード線を挿通する態様を示す図である。 リード線接続部にリード線を圧着する方法を示す図である。 図４に続く図である。 リード線接続部の圧着端子部の別の形状を示す図である。

以下、本発明の実施形態について説明する。
図１は、本発明の実施形態に係るガスセンサ（酸素センサ）２００の軸線方向Ｏ（長手方向）に沿う断面図を示す。酸素センサ２００は、排気管に固定されるためのねじ部１３９が外表面に形成された筒状の主体金具１３８と、軸線方向Ｏ（酸素センサ２００の長手方向：図中上下方向）に延びる板状形状をなす酸素センサ素子（ガスセンサ素子）１０と、軸線方向Ｏに貫通するコンタクト挿通孔１６９ａの内壁面が酸素センサ素子の後端部の周囲を取り囲む状態で配置され絶縁部材からなるセパレータ１６９と、セパレータ１６９に自身の先端側がそれぞれ離間して保持される４個の接続端子３０（図１では、２個図示）と、接続端子３０の後端側にそれぞれ電気的に接続されてセパレータ１６９より後端に引き出される４本のリード線１４６（図１では、２本図示）と、セパレータ１６９の後端側に配置されるゴム製の弾性部材（ゴムキャップ）１５０とを備えている。また、主体金具１３８の後端側には金属製の保護筒（外筒）１４４が接続されており、弾性部材１５０が外筒１４４の後端側に内挿されると共に外筒１４４を介して縮径状に加締められている。
弾性部材１５０は円柱状に形成され、リード線を軸線方向Ｏにそれぞれ挿通させる４個の貫通孔１６１（図１では、１個図示）が弾性部材１５０の周方向に沿って形成されている。弾性部材１５０は、例えばシリコンゴムやフッ素ゴム等からなる。なお、貫通孔１６１は弾性部材１５０の周方向から偏移して形成されていてもよい。

接続端子３０は、セパレータ１６９内でコンタクト挿通孔１６９ａに臨むように保持されている。一方、酸素センサ素子１０後端の両面には、それぞれ１以上の電極パッド１０ａ、１０ｂが配置され、個々の電極パッド１０ａ、１０ｂに接続端子３０の先端側の先端部３１ａが電気的かつ直接または間接的に接触するようになっている。なお、図１は酸素センサ素子１０の板面に垂直な断面を示し、酸素センサ素子１０の後端の一方の面（図１の左側）に２個の電極パッド１０ａが形成され、他の面（図１の右側）に２個の電極パッド１０ｂが形成されている。又、酸素センサ素子１０の先端側の外表面に多孔質保護層２０が被覆されている。

主体金具１３８は、軸線方向に貫通する貫通孔１５４を有し、貫通孔１５４の径方向内側に突出する棚部１５２を有する略筒状形状に構成されている。また、主体金具１３８は、酸素センサ素子１０を先端側が貫通孔１５４の先端側外部に配置し、電極パッド１０ａ、１０ｂが貫通孔１５４の後端側外部に配置する状態で貫通孔１５４に保持している。さらに、棚部１５２は、軸線方向に垂直な平面に対して傾きを有する内向きのテーパ面として形成されている。
なお、主体金具１３８の貫通孔１５４の内部には、酸素センサ素子１０の径方向周囲を取り囲む状態で環状形状のセラミックホルダ１５１、粉末充填層（滑石リング）１５６ａ、１５６ｂ、およびセラミックスリーブ１０６がこの順に先端側から後端側にかけて積層されている。また、セラミックスリーブ１０６と主体金具１３８の後端部との間には、Ｏリング１０７が配置されており、セラミックホルダ１５１と主体金具１３８の棚部１５２との間には、滑石リング１５６やセラミックホルダ１５１を保持し、気密性を維持するための金属ホルダ１０８が配置されている。なお、主体金具１３８の後端部は、Ｏリング１０７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。

一方、図１に示すように、主体金具１３８の先端側（図１における下方）外周には、酸素センサ素子１０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）の外部プロテクタ１４２および内部プロテクタ１４３が、溶接等によって取り付けられている。
そして、主体金具１３８の後端側外周には、金属製の保護筒（外筒）１４４が溶接等により固定されている。また、外筒１４４の後端側（図１における上方）の開口部には弾性部材１５０が配置され、弾性部材１５０の各貫通孔１６１に各リード線１４６を通した後、外筒１４４の後端寄り部位のシール用筒部１４４ａを外周面から縮径状にかしめる（八方丸加締め）ことでシール用筒部１４４ａを径方向に圧縮し、貫通孔１６１等におけるシールを保持している。
セパレータ１６９は円筒状をなして外筒１４４の内部に配置され、セパレータ１６９の先端側の外筒１４４内に筒状のバネ材１７０が配置されている。そして、バネ材１７０によってセパレータ１６９が後端側に付勢され、弾性部材１５０の先端向き面に当接し、セパレータ１６９が外筒１４４内の所定位置に保持される。

酸素センサ素子１０は公知の構造を有しているが、簡単に説明すると、第１ポンピングセル、酸素濃度検出セルを備え、各セルは酸素イオン透過性の固体電解質体と一対の電極から構成されている。又、酸素センサ素子１０はヒータを備えている。そして、酸素センサ素子１０内の測定室に被測定ガスが導入されると、酸素濃度検出セルが測定室内の酸素濃度を検出するが、酸素濃度検出セルが一定の基準電圧（理論空燃比）を検出するよう、第１ポンピングセルが被測定ガス中の過剰な酸素を外部に汲み出し又は汲み入れ、そのときのＩｐ電流を検出して酸素濃度を検出する。
そして、電極パッド１０ａ、１０ｂは、Ｉｐ２電流（の電圧変換値）、酸素濃度検出セルの検出値、及び第１ポンピングセルのポンピング電流を外部コントローラとの間で入出力するために用いられる。

次に、図２を参照し、本発明の特徴部分である接続端子３０の構成について説明する。図２（ａ）に示すように、接続端子３０は、先端側に位置する素子接続部３１と、後端側に位置するリード線接続部３５とを有し、素子接続部３１とリード線接続部３５とが電気的に接続されている。素子接続部３１とリード線接続部３５とは、例えば金属板を打ち抜いて製造される。
又、図２（ｂ）に示すように、素子接続部３１は、後端側に位置する筒状の保持部３１ｃと、保持部３１ｃから先端側に向かって延びると共に、先端縁から後端側へ屈曲し、弾性力によってセパレータ１６９の軸方向中心に向かって膨らんでいる先端部３１ａと、保持部３１ｃと先端部３１ａとの接続部位の両側面からセパレータ１６９の軸方向中心に向かってＬ字状に折曲する係止部３１ｂとを一体に備えている。係止部３１ｂの後端向き面はセパレータ１６９の先端向き面に当接し、セパレータ１６９内の保持孔（図示せず）へのリード線接続部３５の挿入深さを位置決めするようになっている。そして、ガスセンサ素子１０の後端部をセパレータ１６９のコンタクト挿通孔１６９ａに挿通した際、先端部３１ａがガスセンサ素子１０の電極パッド１０ａ、１０ｂと摺動し、先端部３１ａの弾性力によって電極パッドとの接圧を増すことで、確実な電気的接続が図られる。
一方、リード線接続部３５は、素子接続部３１の保持部３１ｃに内挿される細長い筒状の先端部３５ａと、先端部３５ａの後端側の圧着端子部３５ｂとを一体に備えている。圧着端子部３５ｂは公知の筒状をなし、被覆層を剥いて芯線を露出させたリード線１４６を筒内部に圧着することで、リード線接続部３５にリード線が電気的に接続される。

そして、図３に示すように、弾性部材１５０の先端側に素子接続部３１を配置し、弾性部材１５０の後端側から貫通孔１６１にリード線接続部３５を挿通してゆき、さらに先端部３５ａを保持部３１ｃ内に挿入した後、保持部３１ｃを径方向内側に加締めることで、素子接続部３１の後端側にリード線接続部３５の先端側が重なり合って連結することができる。なお、素子接続部３１とリード線接続部３５との連結は、加締めに限られず、例えば溶接等であってもよい。

以上のように、本実施形態では、リード線１４６の先端にリード線１４６より剛性の高いリード線接続部３５が取り付けられているので、リード線接続部３５がガイドとなってリード線１４６を弾性部材１５０の貫通孔１６１に容易に挿通することができ、生産性が向上する。又、リード線１４６の先端にリード線接続部３５が取り付けられているので、貫通孔１６１に芯線が直接当らず、芯線がほつれた状態で貫通孔１６１に挿通されることがなくなる。従って、リード線１４６の芯線がほつれ難く、絶縁不良や導電不良を抑制して電気的信頼性が向上する。
ここで、シール性を確保するため、貫通孔１６１の内径は、リード線１４６の（被覆層を含めた）直径よりわずかに小さくなっている。このため、貫通孔１６１に挿通されるリード線接続部３５の径方向の最大長さが被覆層を含めたリード線１４６の直径より大きいと、その部分でリード線接続部３５がリード線１４６より突出して貫通孔１６１の内壁を傷付け、シール性の低下や弾性部材１５０の破断が生じることがある。
このようなことから、本発明においては、径方向のどの位置から見ても、リード線接続部３５（先端部３５ａ及び圧着端子部３５ｂ）の最大長さを、被覆層を含めたリード線１４６の直径ＨＬ以下に規定する（図５参照）。つまり、貫通孔１６１の内径は、リード線接続部３５の径方向の最大長さ以上と規定する。
また、ガスセンサ素子１０の電極パッド１０ａ、１０ｂとの接触面積を大きくするため、素子接続部３１は、貫通孔１６１の内径よりも広がるように規定する。換言すると、貫通孔１６１の内径は、素子接続部３１の径方向の最大長さよりも小さくなっている。
なお、ここでいう「最大長さ」とは、軸線方向に垂直な断面で見たときの径方向の長さのうち、最大長となる箇所での長さを意味する。図１の素子接続部３１で例示すると、ガスセンサ素子１０の電極パッド１０ａとの接触点からセパレータ１６９の内壁面との接点までの距離が、素子接続部３１における最大長さに相当する。

次に、図４、図５を参照し、リード線接続部３５にリード線１４６を圧着する方法の一例について説明する。
まず、図４に示すように、リード線接続部３５の圧着端子部片部３５ｂｘの内側に、被覆層を剥いて芯線１４６ｃを露出させたリード線１４６を挿入する。圧着端子部片部３５ｂｘは圧着前の圧着端子部３５ｂに相当し、２片の圧着端子部片部３５ｂｘが径方向に略ハの字状に離間している。なお、芯線１４６ｃを先端部３５ａの後端に当接させつつ圧着端子部片部３５ｂｘ内に挿入し、圧着端子部片部３５ｂｘの内側には芯線１４６ｃを位置させる。

そして、図５に示すように、自動圧着機の上型ダイス５００と下型ダイス５０２との間に圧着端子部片部３５ｂｘを配置し、上下方向にプレスする（加締める）ことで、圧着端子部片部３５ｂｘ同士が接触し、断面が略Ｍ字状の圧着端子部３５ｂを形成する。なお、圧着端子部３５ｂの断面形状はＭ字に限らず、ほぼ円形のＣ字等であってもよいが、汎用性及び圧着強度が高い点から、Ｍ字が好ましい。
ここで、圧着後の圧着端子部３５ｂの高さ寸法Ｈを幅寸法Ｗで除した値をハイトワイド比（Ｈ／Ｗ）とすると、ハイトワイド比を０．５４〜１．００とすることが好ましく、０．７０〜１．００とするとより好ましい。
これは、Ｈ／Ｗが１に近いほど、高さ方向と幅方向のリード線１４６の圧縮率が均等になり、径方向のどの位置から見ても、リード線接続部３５（圧着端子部３５ｂ）の最大長さを確実にリード線１４６の直径以下に設定できるからである。
なお、Ｈ／Ｗの調整は、上型ダイス５００と下型ダイス５０２の形状、及び下型ダイス５０２を上型ダイス５００にどれだけ近づけるか（プレス圧）によって行うことができる。

一方、図６に示すように、Ｈ／Ｗが上記範囲を外れると、高さ方向にてリード線１４６の直径よりも圧着端子部３５ｂの外径を大幅に圧縮する必要があり、圧着が難しくなる場合がある。
又、被覆層の厚みが厚いほどリード線１４６のコストアップに繋がるので、リード線１４６の（被覆層の厚み）／（芯線の直径）の比を0.4以下とすることが好ましい。

本発明は上記実施形態に限定されず、本発明の思想と範囲に含まれる様々な変形及び均等物に及ぶことはいうまでもない。
例えば、接続端子の素子接続部３１及びリード線接続部３５の形状は限定されない。又、接続端子３０、並びに対応するリード線１４６及び弾性部材の貫通孔１６１の個数も限定されない。
又、ガスセンサ素子は板状に限らず、筒状であってもよい。さらに、ガスセンサ素子と接続端子との接続方法も、上記した電極パッドに限らない。例えば筒状のガスセンサ素子の内面に内側電極部を形成し、この内側電極部の内側に筒状の接続端子を接続すると共に、ガスセンサ素子の外面に外側電極部を形成し、この外側電極部の外側を囲むように筒状の接続端子を接続することもできる。
ガスセンサ素子の種類も限定されず、上記した酸素センサ素子（全領域空燃比センサ素子）の他、λセンサ素子、ＮＯ_ｘセンサ素子、アンモニアセンサ素子を用いることができる。

１０ ガスセンサ素子
３０ 接続端子
３１ 素子接続部
３５ リード線接続部
１４６ リード線
１５０ 弾性部材
１６１ 貫通孔
２００ ガスセンサ
ＨＬ リード線の直径

Claims (3)

1. 軸線方向に延びて自身の先端側が被測定ガスに晒されるガスセンサ素子と、
   前記ガスセンサ素子と電気的に接続する接続端子と、
   前記接続端子と電気的に接続するリード線と、
   前記接続端子の後端側に配置され、前記リード線を前記軸線方向に挿通させる貫通孔が形成された弾性部材と、を備えたガスセンサであって、
   前記接続端子は、前記ガスセンサ素子と直接または間接的に接続する素子接続部と、前記リード線の先端と直接または間接的に接続するリード線接続部とを有し、前記リード線接続部の先端側が前記素子接続部の後端側に重なり合って連結され、
   前記貫通孔の内径が、前記リード線接続部の前記軸線方向に垂直な断面の最大長さ以上、かつ、前記素子接続部の前記軸線方向に垂直な断面の最大長さ及び前記リード線の直径よりも小さいガスセンサ。
2. 前記リード線接続部は前記リード線の先端と接続するための圧着端子部を備え、圧着後の該圧着端子部の高さ寸法Ｈを幅寸法Ｗで除した値Ｈ／Ｗが０．５４〜１．０である請求項１記載のガスセンサ。
3. 前記リード線における（被覆層の厚み）／（芯線の直径）の比が0.4以下である請求項１または２記載のガスセンサ。

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