JP4565736B2

JP4565736B2 - Sensor terminal structure, gas sensor and temperature sensor

Info

Publication number: JP4565736B2
Application number: JP2000365387A
Authority: JP
Inventors: 康司松尾; 聡石川
Original assignee: NGK Spark Plug Co Ltd
Current assignee: NGK Spark Plug Co Ltd
Priority date: 2000-11-30
Filing date: 2000-11-30
Publication date: 2010-10-20
Anticipated expiration: 2020-11-30
Also published as: JP2002168822A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、長板状の検出素子と金属端子とを備えたセンサの端子構造に関し、また、当該センサの端子構造を備えるガスセンサおよび温度センサに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、センサとしては、測定対象の物理量に応じた電気信号を出力する検出素子を備え、金属端子やリード線などで構成される信号経路を通じて電気信号を外部に出力する構成のものが知られている。そして、検出素子は検出部で発生した電気信号を電極部から出力しており、金属端子は、電極部と接触することで電気信号を外部に出力する信号経路を形成する。そして、センサには、例えば、測定対象ガス中の被検出成分に応じた電気信号を出力する検出素子を備えたガスセンサ等がある。
【０００３】
ここで、従来のセンサの一例として、内燃機関の排気管に装着される酸素センサを図５に示す。図５に示す酸素センサ１００は、排気管に固定するためのネジ部１０２ａが外表面に形成された筒状の主体金具１０２と、主体金具１０２の筒内に挿入され、酸素イオン伝導性固体電解質体からなる電池素子を備えた長板状の検出素子１０４と、検出素子１０４を保持するために主体金具１０２の筒内下方から順に積層されるセラミックホルダ１０６、タルク粉末１０８、セラミックスリーブ１１０とを備えている。
【０００４】
この内、セラミックホルダ１０６およびセラミックスリーブ１１０は、外観が略円筒状を呈し、検出素子１０４の断面形状に沿った略長方形状の挿通孔が中心軸に沿って穿設されており、検出素子１０４はこれら挿通孔を介して保持される。
【０００５】
更に、セラミックスリーブ１１０は上部中央が上方に突出することにより突出部１１０ａが形成され、検出素子１０４は、この突出部１１０ａの上端から更に上方に突出した状態で保持される。そして、セラミックスリーブ１１０の突出部１１０ａ周囲の端面上には、加締リング１１２が配置され、主体金具１０２の後端部を、加締リング１１２を介してセラミックスリーブ１１０側に加締めることにより、タルク粉末１０８が加圧充填され、この結果、検出素子１０４，セラミックホルダ１０６，セラミックスリーブ１１０が主体金具１０２に固定される。
【０００６】
一方、検出素子１０４は、先端側（図５における下方）には検出部１０４ａが形成され、後端側（図５における上方）には検出部１０４ａにて生じた酸素濃淡電池起電力を外部に出力するための複数の電極部３０，３２，３４，３６が形成されている。そして、各電極部３０，３２，３４，３６は、リードフレーム１３１を介してリード線１１６と電気的に接続されている。なお、リードフレーム１３１は、リード線１１６と加締められて電気的に接続されており、上述の金属端子に相当する。
【０００７】
また、主体金具１０２の後端側外周には、外筒１１８が溶接等により固定されており、リード線１１６は、この外筒１１８の後端側内部に配置されたグロメット１２０を貫通して外部に引き出されている。そして、酸素センサ１００は、このリード線１１６を介して、検出素子１０４で発生した上記起電力（電気信号）を外部に出力することができる。
【０００８】
ここで、検出素子１０４とリードフレーム１３１とを接続するために、酸素センサ１００の内部に備えられるコンタクト部材１３０の分解斜視図を図６に示す。
図６に示すように、コンタクト部材１３０は、リードフレーム１３１、絶縁性ハウジング１３２、固定金具１３３、押圧バネ１３４およびカシメリング１３５から構成されている。そして、コンタクト部材１３０は、次のような手順で構成される。
【０００９】
まず、図６（ａ）に示すように、２本のリードフレーム１３１，１３１をセラミック製の絶縁性ハウジング１３２に配置する。そのあと、図６（ｂ）に示すように、このリードフレーム１３１、１３１がセットされた一対の絶縁性ハウジング１３２，１３２を、その間に検出素子１０４の電極部３０，３２，３４，３６を配置した状態で、断面略Ｕ字の押圧バネ１３４が取り付けられた固定金具１３３に挿入する。そして、この固定金具１３３にカシメリング１３５を被せて、カシメリング１３５の外周を加締めることにより、押圧バネ１３４に変位を与える。この押圧バネ１３４の変位により弾性力が発生し、この弾性力により絶縁性ハウジング１３２が所定の圧力で４本のリードフレーム１３１をそれぞれ電極部３０，３２，３４，３６に付勢することで、コンタクト部材１３０が構成されている。
【００１０】
つまり、カシメリング１３５の加締めにより、絶縁性ハウジング１３２が、検出素子１０４の電極部３０，３２，３４，３６に対して金属端子としてのリードフレーム１３１を付勢することで、電極部３０，３２，３４，３６とリードフレーム１３１との電気的接続を図っている。
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、上述のコンタクト部材１３０は、金属端子（リードフレーム１３１）と検出素子の電極部（電極部３０，３２，３４，３６）とを接触させる付勢力を、絶縁性ハウジング１３２の外側のカシメリング１３５および押圧バネ１３４により発生する構造であることから、複数の電極部が形成された検出素子では、一部の金属端子と電極部との電気的接続が不良となる場合がある。
【００１２】
つまり、検出素子の表面形状の個体差や、金属端子（リードフレーム１３１）、絶縁性ハウジング１３２などの寸法誤差が原因となり、金属端子毎に付勢力の差が生じてしまい、付勢力が小さい金属端子は十分に電極部と接触することができない虞がある。また、高温環境で使用されるセンサでは、熱の影響で検出素子に反り返りが生じたり、熱膨張により金属端子が変形する等の要因から、金属端子と電極部との間で接触不良が発生する可能性がある。さらに、高温環境となることで金属端子の弾性力が低下した場合には、金属端子と検出素子の電極部との接触が不安定となる。
【００１３】
また、図６では、片面あたり２個の電極部が形成された検出素子を例示しているが、片面あたり３個以上の電極部が形成された検出素子が使用されることもあり、片面に形成される電極部の個数が多くなるほど金属端子毎の付勢力の差が発生し易くなり、金属端子と電極部との電気的な接触不良が発生し易くなる。
【００１４】
さらに、温度変化の激しい環境下に設置されるセンサでは、周囲温度が高温となると金属端子は膨張し、周囲温度が常温あるいは低温となると金属端子は収縮することになる。そして、検出素子の電極部は厚さが薄く形成されていることから、設置環境の温度変化（換言すれば、熱サイクル）によって金属端子の膨張・収縮が繰り返されると、金属端子と電極部との間で生じる摩擦により電極部が削り取られてしまい、金属端子と電極部との接触不良が発生することがある。
【００１５】
本発明は、こうした問題に鑑みなされたものであり、長板状の検出素子と金属端子とを備えたセンサにおいて、検出素子と金属端子との安定的な接触を図ることが可能なセンサの端子構造を提供することを目的とする。
【００１６】
【課題を解決するための手段】
かかる目的を達成するためになされた請求項１に記載の発明は、長板状の検出素子と、金属端子と、を備えたセンサにおける端子構造であり、金属端子が、検出素子に接触する複数の接触部を有し、金属端子は、接触部が弾性変形して生じた弾性力によって、検出素子に対して弾性力を及ぼしており、検出素子は、表面に電極部が形成されており、少なくとも接触部の一つは電極部と接触し、少なくとも接触部の別の一つは検出素子の電極部以外の表面において接触していること、を特徴とする。
【００１７】
つまり、本発明（請求項１）のセンサの端子構造では、金属端子の接触部以外の部位で発生する弾性力で接触部を検出素子に付勢するのではなく、接触部が弾性変形することで発生する弾性力により、接触部が検出素子に付勢されることになる。例えば、検出素子が、その内部に金属端子を挟持可能な端子配置用空間を備えて形成される場合、その端子配置用空間に挿通された金属端子の接触部は、端子配置用空間の内壁に当接して変形することで弾性力を発生し、この弾性力により金属端子が検出素子に対して付勢されるのである。
【００１８】
また、他の部材を用いて金属端子を検出素子に付勢する構成である場合、本発明（請求項１）のセンサの端子構造を用いることで、金属端子の接触部以外の部位で発生する弾性力のみで接触部を検出素子に付勢するのではなく、接触部が弾性変形することで発生する弾性力も加わることにより、接触部が検出素子に付勢されることになる。また、他の部材により金属端子が検出素子に対して付勢されて接触部が変形すると、さらに接触部で発生する弾性力が増大し、より大きな付勢力で金属端子が検出素子に付勢される。
【００１９】
よって、本発明（請求項１）のセンサの端子構造によれば、より大きな付勢力で金属端子を検出素子に付勢する事ができ、金属端子と検出素子の安定的な接触を図ることが可能となる。また、付勢力が大きくなることで、高温環境においても、金属端子と検出素子との接触を良好に維持することができる。
【００２０】
そして、本発明（請求項１）のセンサの端子構造は、金属端子が、検出素子と接触する複数の接触部を有する。
このように、金属端子が１つの接触部のみではなく複数の接触部で検出素子と接触することにより、金属端子と検出素子との接触面積を大きく確保することが出来る。これにより、金属端子と検出素子との安定的な接触を維持することができる。
また、本発明（請求項１）のセンサの端子構造においては、検出素子は、表面に電極部が形成されており、少なくとも接触部の一つは電極部と接触し、少なくとも接触部の別の一つは検出素子の電極部以外の表面において接触している。
つまり、金属端子の役割としては、検出素子の固定などの目的もあり得るが、検出素子に電極部が形成されている場合には、検出素子と外部回路とを電気的に接続する通電経路の一部を形成することも出来る。その場合、金属端子は電極部のみに接触する構成とすることも出来るが、電極部以外の検出素子表面においても接触させることができる。この様に電極部と電極部以外の前記検出素子表面の両方に接触部を有するような金属端子は、検出素子の固定と、電極部との電気的接続という複数の役割を持たせることが出来る。
よって、本発明（請求項１）のセンサの端子構造によれば、大きな付勢力で付勢される金属端子が、検出素子の固定と、電極部との電気的接続という複数の役割を果たすことにより、安定的な検出素子の固定を維持できるとともに、電極部との電気的接続を維持して通電経路での接触不良の発生を抑制できる。
なお、電極部以外に接触する接触部は検出素子を固定する目的もあり得るが、検出素子が金属端子以外の手段で固定されており、金属端子が電気的接続を図ることを主目的とした場合にも有用である。すなわち、検出素子と金属端子との相対的な位置関係を強固に維持するために、電極部以外の接触部で強力に弾性力を発生させるのである。
【００２１】
また、上述（請求項１）のセンサの端子構造は、請求項２に記載のように、センサが、検出素子の周囲に絶縁保護体を有し、金属端子が、前記弾性力により検出素子と絶縁保護体に挟持されているとよい。
つまり、検出素子の周囲に絶縁保護体を配置し、絶縁保護体と検出素子との間で金属端子を挟持して接触部を変形させることで、接触部での弾性力を発生させるのである。このように構成されたセンサでは、より大きな付勢力で金属端子を検出素子に付勢することができ、より安定的に金属端子と検出素子との接触を図ることが出来る。また、このとき、金属端子の接触部が弾性変形することから、検出素子と絶縁保護体との隙間間隔に寸法誤差が生じた場合でも、個別に接触部が弾性変形することにより、金属端子と検出素子との接触を維持することができる。
【００２２】
よって、本発明（請求項２）のセンサの端子構造によれば、絶縁保護体と検出素子との間で金属端子を挟持することにより、より大きな付勢力で金属端子を検出素子に付勢する事ができ、寸法誤差が生じた場合でも、金属端子と検出素子の安定的な接触を図ることが可能となる。
【００２３】
なお、絶縁保護体としては、内部を貫通して形成される挿通孔が設けられて、この挿通孔の内部に、検出素子と金属端子とが挿入配置されるように形成された絶縁保護体を用いるとよい。このような絶縁保護体を用いると、挿通孔の内面と検出素子の表面との間で確実に金属端子を挟持することができ、より安定的に金属端子と検出素子との接触を図ることが出来る。
また、上述（請求項２）のセンサの端子構造は、請求項３に記載のように、複数の接触部の全てが絶縁保護体に取り囲まれていてもよい。
【００２４】
そして、上述（請求項２または請求項３）のセンサの端子構造は、請求項４に記載のように、金属端子が、検出素子又は絶縁保護体の少なくとも一方と接触する複数の接触部を有するとよい。
このように、金属端子が、１つの接触部だけではなく複数の接触部で検出素子または絶縁保護体と接触することにより、金属端子と検出素子との接触面積、あるいは金属端子と絶縁保護体との接触面積を大きく確保することが出来る。これにより、金属端子と検出素子との安定的な接触を維持することができ、また、金属端子と絶縁保護体との安定的な接触を維持することが出来る。
【００２５】
また、上述（請求項２から請求項４のいずれか）のセンサの端子構造は、請求項５に記載のように、接触部を介して検出素子と絶縁保護体に挟持されている金属端子の被挟持部が、検出素子と絶縁保護体との間隔方向に高低差を有する波型形状に形成されているとよい。
【００２６】
つまり、検出素子と絶縁保護体との隙間方向に高低差を有する波形形状に形成された金属端子の被挟持部は、波形の高低差方向（波形の振幅方向）への弾性力を有すると共に、波形の複数の頂点部分で検出素子または絶縁保護体に接触することになる。
【００２７】
よって、本発明（請求項５）のセンサの端子構造によれば、同一検出素子における絶縁保護体との間隔が複数の金属端子毎にそれぞれ異なる場合や、温度変化による金属端子の膨張・収縮が繰り返された場合でも、金属端子と検出素子との接触不良が発生し難くなり、安定的な接触を維持することができる。
【００３２】
また、上述（請求項１から請求項５のいずれか）のセンサの端子構造においては、請求項６に記載のように、電極部に接触している接触部は、検出素子の電極部以外の表面に接触している接触部よりも検出素子に及ぼす弾性力が小さいとよい。
つまり、金属端子が、電極部と電極部以外の検出素子表面の両方に接触部を有するような場合には、電極部に接触する接触部における弾性力は、電極部以外の検出素子表面に接触する接触部における弾性力よりも小さく設定することが望ましい。すなわち、電極部は強い弾性力が掛かると検出素子から剥がれてしまう虞があるため、金属端子が電極部のみで検出素子に接触している場合は、金属端子は必ずしも安定的に検出素子に接触できない。
【００３３】
そのため、電極部以外の検出素子表面に接触する接触部における弾性力を比較的強く設定することで、電極部における接触部の弾性力を小さく設定することができ、電極部の損傷を抑えることができる。また、電極部以外の検出素子表面に接触する接触部における弾性力が強く設定されることから、金属端子と検出素子との接触をより安定的に維持することができる。また、金属端子の接触部で検出素子を保持する場合にももちろん有用である。
【００３４】
よって、本発明（請求項６）のセンサの端子構造によれば、金属端子と検出素子の電極部との電気的接続を維持することができると共に、検出素子が保持可能となることで、検出素子を保持するための部材を別途設ける必要が無くなり、センサの内部構造を簡略化することができる。
【００３５】
なお、被挟持部が波形形状に形成された金属端子においては、例えば、波と波との頂点間隔を変化させることや波の振幅を変化させること等により、被挟持部のうち、電極部に接触する部分と検出素子本体部に接触する部分との弾性力に差を持たせることができる。
また、上述（請求項１から請求項６のいずれか）のセンサの端子構造においては、請求項７に記載のように、検出素子における上面に対応する金属端子の各幅の合計寸法と、検出素子における下面に対応する金属端子の各幅の合計寸法とが等しくなるようにしてもよい。これにより、検出素子の上面および下面に対する付勢力のバランスを取ることができる。
【００３６】
そして、上述（請求項１から請求項７のいずれか）のセンサの端子構造を適用するセンサとしては、請求項８に記載のように、内燃機関の排気管に装着されて、排気ガス中のガス成分を検出するガスセンサが適している。
つまり、内燃機関の排気ガスは、非常に高温（９００℃）から非常に低温（零下３０℃）までの広い温度範囲で温度が変化することになり、温度変化の影響により金属端子と検出素子との接触が不安定となることが多い。そこで、ガスセンサに対して、上述のセンサの端子構造を適用することにより、検出素子に安定的に金属端子を接触させることができ、上述のセンサの端子構造が奏する効果を十分に発揮させることが可能となる。
【００３７】
よって、請求項８に記載のガスセンサによれば、高温から低温までの広い温度範囲において使用可能なガスセンサを実現することが出来る。
また、上述（請求項１から請求項７のいずれか）のセンサの端子構造を適用するセンサとしては、ガスセンサの他には、請求項９に記載のように、温度を検出する温度センサが適している。
【００３８】
つまり、上述のセンサの端子構造を適用した温度センサは、低温から高温までの広い温度範囲で、金属端子と検出素子との安定的な接触を維持することが可能となる。
よって、請求項９に記載の温度センサによれば、高温から低温までの広い温度範囲において使用可能な温度センサを実現することが出来る。
【００３９】
【発明の実施の形態】
以下に本発明のセンサの端子構造を適用したセンサの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る酸素センサについて説明する。
【００４０】
図１は、本実施例の酸素センサ２の全体構成を示す断面図である。なお、酸素センサ２は、図５に示した酸素センサ１００とは、検出素子の形状、検出素子からの信号（酸素濃淡電池起電力）の取り出し部分の構造、および酸素センサ自体の後端側（図１における上方）の構造等が異なり、その他の部分は同様に構成されている。ここでは、図５に示した酸素センサ１００と共通する部分には同一符号を付してその詳細な説明を省略する。
【００４１】
即ち、酸素センサ２は、筒状の主体金具１０２と、主体金具１０２の筒内に挿入される長板状の検出素子４と、検出素子４を保持するために主体金具１０２の筒内下方から積層されるセラミックホルダ１０６、タルク粉末１０８および後述のセラミックスリーブ６と、検出素子４にて検出された電気信号（即ち、酸素濃淡電池起電力）を取り出すため等に用いる後述の複数（本実施例では４本）の長尺状のリードフレーム１０とを備えている。
【００４２】
この内、検出素子４は、長方形状の軸断面を有し、図２（ａ）に示すように、それぞれ長板状に形成された酸素濃淡電池素子２０と、酸素濃淡電池素子２０を活性化させるためのヒータ２２とが積層されて形成されている。尚、酸素濃淡電池素子２０は、例えば、ジルコニア等を主体とする酸素イオン伝導性固体電解質体により形成されている。また、ヒータ２２は、例えば、導電性セラミックからなる抵抗発熱体パターン２４をセラミック基体中に埋設した公知のセラミックヒータから形成されている。
【００４３】
そして、酸素濃淡電池素子２０の長手方向の先端側（図２（ａ）における左方）には、両面に多孔質電極２６，２８が形成され、これら電極２６，２８とそれらの間に挟まれる固体電解質部分とが検出素子４の検出部４ａを構成する。
また、多孔質電極２６，２８からは、酸素濃淡電池素子２０の長手方向に沿って酸素センサ２の後端側（図２（ａ）における右方）に向けて延びる電極リード部２６ａ，２８ａが一体形成されている。この内、ヒータ２２と対向しない側の電極２６からの電極リード部２６ａは、その末端が電極部３０として用いられる。一方、ヒータ２２に対向する側の電極２８の電極リード部２８ａは、図２（ｃ）に示すように、酸素濃淡電池素子２０を厚さ方向に横切るビア２８ｂにより、反対側の素子面に形成された電極部３２と接続され、各電極部３０，３２は、酸素濃淡電池素子２０の板面末端に間隔を空けて配置されている。
【００４４】
一方、ヒータ２２には、抵抗発熱体パターン２４に導通するための二本のリード部２４ａが形成され、図２（ｄ）に示すように、ヒータ２２の酸素濃淡電池素子２０と対向しない側の板面末端に形成された電極部３４，３６に、それぞれビア３８を介して接続されている。そして、図２（ｂ）に示すように、酸素濃淡電池素子２０とヒータ２２とは、セラミック（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）層４０を介して互いに接合される。
【００４５】
このように構成された検出素子４は、図１に示すように、先端側（図１における下方）の検出部４ａが、排気管に固定される主体金具１０２の先端より突出した状態で、この主体金具１０２内に固定される。尚、検出素子４は、図５に示す従来の酸素センサ１００が備える検出素子１０４よりも長手方向の長さが短く形成されている。
【００４６】
一方、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、複数の孔部を有し、金属製の二重のプロテクタ４２ａ，４２ｂが溶接等によって取り付けられている。そして、主体金具１０２の後端側外周には、外筒４４が溶接等により固定されている。また、外筒４４の後端側（図１における上方）の開口部には、検出素子４にて生じた酸素濃淡電池起電力を外部に取り出すためのリード線４６が挿通されるリード線挿通孔が形成されたセラミックセパレータ４８とグロメット５０とが配置されている。
【００４７】
さて、検出素子４は、主体金具１０２の筒内下方より配置されるセラミックホルダ１０６、タルク粉末１０８、セラミックスリーブ６と、セラミックスリーブ６との間に配置されるリードフレーム１０とを介して主体金具１０２に固定され、しかも、検出素子４の電極部（電極部３０，３２，３４，３６）が形成された側の端部側の周囲が、セラミックスリーブ６に覆われた状態で固定される。
【００４８】
この内、セラミックスリーブ６は、従来の酸素センサ１００が備えるセラミックスリーブ１１０とは、主として検出素子を挿通（保持）する挿通孔の形状が異なり、その他の形状や構造は同様である。
即ち、セラミックスリーブ６は、図４（ａ）や、図４（ａ）中に記したＡ方向（即ち、下端から上端に向かう方向）から当該セラミックスリーブ６を見た底面図（拡大した底面図）である図４（ｂ）に示すように、上部中央が上方に突出することにより突出部５２が形成され、中心軸に沿って挿通孔５４が形成されている。そして、挿通孔５４では、検出素子４の電極部３０，３２，３４，３６が形成された側の板面に対応する内壁には、それぞれ溝部５６が形成されている。つまり、挿通孔５４には、４つの溝部５６が形成され、これにより、挿通孔５４は、断面が略「エ」字状を呈している。
【００４９】
ここで、セラミックスリーブ６は、特許請求の範囲に記載の「絶縁保護体」に相当する。また、図４（ａ）においてはセラミックスリーブ６の右半分を、図４（ｂ）中のＢ−Ｂ断面部分に相当する断面図として表している。
一方、リードフレーム１０は、図３（ａ）に示すように、全体の外観が略Ｌ字状を呈するように形成されている。即ち、リードフレーム１０は、フレーム本体１２と、フレーム本体１２の一端側が折り曲げられて形成された折曲部１４と、フレーム本体１２の折曲部１４側に形成された波状部分１６とを備える。また、リードフレーム１０は、例えば、高温に繰り返し晒されても、弾性（バネ弾性）を保持可能な周知のインコネルやステンレス鋼などにて形成されている。
【００５０】
そして、波状部分１６は、リードフレーム１０をセラミックスリーブ６へ装着する際に、検出素子４とセラミックスリーブ６との間隔方向に高低差を有する波形形状に形成されており、検出素子４とセラミックスリーブ６との距離を拡大させる方向の弾性力を有している。
【００５１】
ここで、リードフレーム１０は、特許請求の範囲に記載の「金属端子」に相当し、波状部分１６は、特許請求の範囲に記載の「被挟持部」に相当する。
そして、リードフレーム１０および検出素子４が、図３（ｂ）に示すように、セラミックスリーブ６の挿通孔５４に挿通されることにより、リードフレーム１０，検出素子４およびセラミックスリーブ６が一体に組み付けられる。
【００５２】
このとき、リードフレーム１０は、フレーム本体１２および波状部分１６がセラミックスリーブ６の挿通孔５４の溝部５６に配置され、折曲部１４がセラミックスリーブ６の下端面に当接するとともに、波状部分１６が検出素子４の電極部３０，３２，３４，３６に当接し、さらに、フレーム本体１２の折曲部１４とは反対側の端部（図中上方）がセラミックスリーブ６から突出する状態で配置される。
【００５３】
つまり、リードフレーム１０、検出素子４およびセラミックスリーブ６が一体に組み付けられることにより、検出素子４の電極部３０，３２，３４，３６が対応するリードフレーム１０の波状部分１６に当接することになる。
ここで、リードフレーム１０、検出素子４およびセラミックスリーブ６が一体に組み付けられた時の、リードフレーム１０の波状部分１６および検出素子４の電極部３０が当接する部分の拡大図を図３（ｃ）に示す。なお、図３（ｃ）では、セラミックスリーブ６の図示を省略している。
【００５４】
図３（ｃ）に示すように、リードフレーム１０の波状部分１６は、検出素子４の電極部３０に当接する第１波状部分１６ａと、検出素子４の本体部分に当接する第２波状部分１６ｂとから構成されている。この第１波状部分１６ａおよび第２波状部分１６ｂは、それぞれ異なる波形形状に形成されており、第１波状部分１６ａの有する弾性力は、第２波状部分１６ｂの有する弾性力よりも小さくなるよう形成されている。
【００５５】
そして、波状部分１６は、検出素子４およびセラミックスリーブ６からの圧力を受けて、検出素子４とセラミックスリーブ６との間隔方向に弾性変形することにより、第１波状部分１６ａが電極部３０に当接し、第２波状部分１６ｂが検出素子４の本体部分に当接する。この結果、第１波状部分１６ａが電極部３０と電気的に接続され、第２波状部分１６ｂが検出素子４を保持することになる。
【００５６】
なお、第１波状部分１６ａは、その弾性力が、少なくとも第１波状部分１６ａと電極部３０とが接触可能な大きさに設定されており、リードフレーム１０と電極部３０との電気的接続を維持している。また、第１波状部分１６ａは、３つの波形の頂点部分において、電極部３０と当接している。
【００５７】
そして、第２波状部分１６ｂによる検出素子４の保持は、一対のリードフレーム１０の各第２波状部分１６ｂが、弾性力によりセラミックスリーブ６の挿通孔５４の内面および検出素子４の表面に対して付勢力を発生し、検出素子４を挟持することで実現される。これにより、検出素子４がセラミックスリーブ６に対して固定される。
【００５８】
このようにして一体に組み付けられたリードフレーム１０、検出素子４およびセラミックスリーブ６は、主体金具１０２に固定されることにより、酸素センサ２の内部に配置される、
そして、酸素センサ２では、図１に示すように、セラミックスリーブ６から突出したリードフレーム１０のフレーム本体１２の端部（図１における上方）に、リード線４６が抵抗溶接により固定される。つまり、酸素センサ２では、リード線４６およびリードフレーム１０を介して、検出素子４にて生じた電気信号（酸素濃淡電池起電力）を外部に取り出すことができる。
【００５９】
以上、説明したように、本実施例の酸素センサ２に用いられるリードフレーム１０は、外部から与えられる付勢力によって検出素子４の電極部３０に付勢されるのではなく、リードフレーム１０の波状部分１６が有する弾性力により電極部３０に付勢される。また、波状部分１６は、検出素子４とセラミックスリーブ６との距離を拡大させる方向の弾性力を有することから、弾性力を発揮する範囲内で形状が変化することになる。
【００６０】
このため、リードフレーム１０は、寸法誤差等の要因により、同一検出素子４におけるセラミックスリーブ６との間隔が、複数の電極部毎にそれぞれ異なる場合でも、波状部分１６が弾性変形することで電極部と接触することができ、各電極部３０，３２，３４，３６との電気的接続を確実に維持することが出来る。
【００６１】
また、互いに接触するリードフレーム１０と電極部とにおいては、リードフレーム１０の波状部分１６が複数箇所で電極部と接触することから、センサの設置環境における温度変化（熱サイクル）によりリードフレーム１０が膨張・収縮を繰り返した場合に、全ての接触箇所において電極部が削り取られることは起こり難い。よって、このリードフレーム１０は、熱サイクルにより膨張・収縮を繰り返した場合でも、複数の接触箇所のいずれかで電極部と接触することができるため、接触不良が発生し難くなり、電極部との電気的接続を確実に維持することができる。
【００６２】
さらに、本実施例のリードフレーム１０は、波状部分１６が電極部および検出素子４の本体部分と接触することから、より広い範囲で検出素子４と接触でき、検出素子４に対してより大きな付勢力を発生することが出来る。これにより、リードフレーム１０によって検出素子４を保持することが可能となり、検出素子４を保持するための部材をセンサ内部に別途設ける必要が無くなり、酸素センサ２の内部構造を簡略化することができる。
【００６３】
一方、リードフレーム１０は、第１波状部分１６ａの弾性力が、第２波状部分１６ｂの有する弾性力よりも小さくなるよう形成されており、検出素子４の電極部に対する付勢力が過大となることはなく、電極部を削り取ることはない。また、第１波状部分１６ａの弾性力は、少なくとも第１波状部分１６ａと電極部３０，３２，３４，３６とが接触可能な大きさに設定されており、リードフレーム１０と電極部との電気的接続を維持している。
【００６４】
よって、本実施例の酸素センサ２の端子構造によれば、リードフレーム１０が、検出素子４の電極部３０，３２，３４，３６との電気的接続を維持することができると共に検出素子４を保持することができるため、センサの内部構造を簡略化することができる。
【００６５】
また、本実施例の酸素センサ２は、内燃機関の排気管などの高温環境下で使用されるものであり、また、検出素子４がヒータ２２により高温に維持されて酸素を検出する検出素子としての特性を示す。このことから、検出素子４は、酸素センサ２の使用時と未使用時における温度差が大きいため、リードフレーム１０の膨張・収縮が繰り返される。しかし、リードフレーム１０が、複数箇所で電極部に接触することから、温度変化の影響によってすべての接触部分における電極部が削り取られるのを防ぐことができ、リードフレーム１０と検出素子４の各電極部３０，３２，３４，３６との電気的接続を維持することができる。
【００６６】
さらに、このリードフレーム１０は、検出素子４の電極部３０，３２，３４，３６に必ずしも溶接等により固着する必要が無く、単に、検出素子４とセラミックスリーブ６とで挟持するようにして配置すればよく、その作業は極めて簡単であり、センサの組立て作業における作業効率が向上する。
【００６７】
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、検出素子は電極部の個数が４個のものに限ることはなく、図７（ａ）に示すような６個の電極部２３０，２３２，２３４，２３６，２３８，２４０を備えた検出素子５において、各電極部から出力される電気信号の信号経路を形成する場合にも、本発明のセンサの端子構造を適用することが出来る。
【００６８】
なお、図７（ｂ）は、検出素子５を、後端部側（図７（ａ）の矢印Ｄ方向）から見たときの外観図を示している。また、電極部を６個備えた検出素子５を配置するためのセラミックスリーブ６は、図４（ｃ）に示すように、挿通孔５４の内部に６個の溝部５６が形成されている。
【００６９】
また、形成される電極部の個数が一方の面と他方の面とで異なる検出素子においても、本発明のセンサの端子構造を適用することが出来る。例えば、図７（ｃ）に示すように、一方の面には３個の電極部が形成され、他方の電極部には２個の電極部が形成される検出素子７である。なお、この検出素子７に適用する場合には、上面の電極部２３０，２３２，２３４に対応する金属端子の各幅の合計寸法と、下面の電極部２３６，２３８に対応する金属端子の各幅の合計寸法が等しくなるようにするとよい。これにより、検出素子７の上面および下面に対する付勢力のバランスを取ることができ、一部の電極部に対して過剰な付勢力が印加されるのを避けることができ、電極部が削り取られるのを防ぐことが出来る。
【００７０】
さらに、本発明のセンサの端子構造は、図５に示す従来の構造のセンサにも適用することができ、電極部が多数形成された検出素子を備える場合に、電極部ごとの付勢力のバラツキを抑えることができ、金属端子と電極部との電気的接続を維持することが出来る。なお、図５に示すセンサにおいては、絶縁性ハウジング１３２が特許請求の範囲における絶縁保護体に相当する。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施例の酸素センサの全体構成を示す断面図である。
【図２】検出素子の説明図である。
【図３】（ａ）はリードフレームの外観図であり、（ｂ）は一体に組み付けられた状態のリードフレーム，検出素子およびセラミックスリーブを示す断面図であり、（ｃ）はリードフレームの波状部分および検出素子の電極部が当接する部分の拡大図である。
【図４】セラミックスリーブの説明図である。
【図５】従来の酸素センサの全体構成を示す断面図である。
【図６】従来の酸素センサの内部に備えられるコンタクト部材の分解斜視図である。
【図７】（ａ）及び（ｂ）は電極部を６個備えた検出素子の説明図であり、（ｃ）は電極部を５個備えた検出素子の説明図である。
【符号の説明】
２…酸素センサ、４，５，７…検出素子、６…セラミックスリーブ、１０…リードフレーム、１２…フレーム本体、１４…折曲部、１６…波状部分、１６ａ…第１波状部分、１６ｂ…第２波状部分、３０，３２，３４，３６…電極部。[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a terminal structure of a sensor provided with a long plate-like detection element and a metal terminal, and also relates to a gas sensor and a temperature sensor provided with the terminal structure of the sensor.
[0002]
[Prior art]
Conventionally, a sensor having a detection element that outputs an electric signal corresponding to a physical quantity to be measured and that outputs an electric signal to the outside through a signal path formed of a metal terminal, a lead wire, or the like has been known. ing. The detection element outputs an electric signal generated by the detection unit from the electrode unit, and the metal terminal forms a signal path for outputting the electric signal to the outside by contacting the electrode unit. Examples of the sensor include a gas sensor including a detection element that outputs an electrical signal corresponding to a component to be detected in the measurement target gas.
[0003]
Here, as an example of a conventional sensor, an oxygen sensor attached to an exhaust pipe of an internal combustion engine is shown in FIG. An oxygen sensor 100 shown in FIG. 5 includes a cylindrical metal shell 102 having a screw portion 102a for fixing to an exhaust pipe formed on the outer surface thereof, and is inserted into the cylinder of the metal shell 102, so that an oxygen ion conductive solid electrolyte is provided. A long plate-shaped detection element 104 having a battery element composed of a body, and a ceramic holder 106, a talc powder 108, and a ceramic sleeve 110, which are stacked in order from the bottom in the cylinder of the metal shell 102 to hold the detection element 104. I have.
[0004]
Among these, the ceramic holder 106 and the ceramic sleeve 110 have a substantially cylindrical appearance, and a substantially rectangular insertion hole along the cross-sectional shape of the detection element 104 is formed along the central axis. Is held through these insertion holes.
[0005]
Further, the ceramic sleeve 110 has a protruding portion 110a formed by protruding the upper center upward, and the detection element 104 is held in a state of protruding further upward from the upper end of the protruding portion 110a. A caulking ring 112 is disposed on the end surface around the protruding portion 110a of the ceramic sleeve 110. By caulking the rear end portion of the metal shell 102 to the ceramic sleeve 110 side via the caulking ring 112, The talc powder 108 is filled under pressure, and as a result, the detection element 104, the ceramic holder 106, and the ceramic sleeve 110 are fixed to the metal shell 102.
[0006]
On the other hand, the detection element 104 has a detection unit 104a formed on the front end side (lower side in FIG. 5), and the oxygen concentration cell electromotive force generated in the detection unit 104a on the rear end side (upper side in FIG. 5). A plurality of electrode portions 30, 32, 34, and 36 for outputting are formed. Each electrode unit 30, 32, 34, 36 is electrically connected to the lead wire 116 via the lead frame 131. Note that the lead frame 131 is crimped and electrically connected to the lead wire 116 and corresponds to the above-described metal terminal.
[0007]
In addition, an outer cylinder 118 is fixed to the outer periphery of the rear end side of the metal shell 102 by welding or the like, and the lead wire 116 penetrates the grommet 120 arranged inside the rear end side of the outer cylinder 118 to the outside. Has been drawn to. The oxygen sensor 100 can output the electromotive force (electric signal) generated by the detection element 104 to the outside via the lead wire 116.
[0008]
Here, FIG. 6 shows an exploded perspective view of a contact member 130 provided in the oxygen sensor 100 in order to connect the detection element 104 and the lead frame 131.
As shown in FIG. 6, the contact member 130 includes a lead frame 131, an insulating housing 132, a fixing metal 133, a pressing spring 134, and a caulking ring 135. And the contact member 130 is comprised in the following procedures.
[0009]
First, as shown in FIG. 6A, two lead frames 131 and 131 are placed in an insulating housing 132 made of ceramic. After that, as shown in FIG. 6B, the pair of insulating housings 132 and 132 in which the lead frames 131 and 131 are set are disposed, and the electrode portions 30, 32, 34 and 36 of the detection element 104 are disposed therebetween. In this state, the pressing spring 134 having a substantially U-shaped cross section is inserted into the fixing fitting 133 to which the pressing spring 134 is attached. Then, the caulking ring 135 is put on the fixing metal 133 and the outer periphery of the caulking ring 135 is caulked to displace the pressing spring 134. An elastic force is generated by the displacement of the pressing spring 134, and the insulating housing 132 urges the four lead frames 131 to the electrode portions 30, 32, 34, and 36 with a predetermined pressure by the elastic force, respectively. A contact member 130 is configured.
[0010]
That is, by crimping the caulking ring 135, the insulating housing 132 biases the lead frame 131 as a metal terminal against the electrode portions 30, 32, 34, 36 of the detection element 104, so that the electrode portions 30, 32, 34, 36 and the lead frame 131 are electrically connected.
[0011]
[Problems to be solved by the invention]
However, the contact member 130 described above does not cause the urging force to contact the metal terminal (lead frame 131) and the electrode part (electrode part 30, 32, 34, 36) of the detection element to the outside of the insulating housing 132. Since the structure is generated by 135 and the pressing spring 134, in the detection element in which a plurality of electrode portions are formed, the electrical connection between some of the metal terminals and the electrode portions may be poor.
[0012]
In other words, due to individual differences in the surface shape of the detection element and dimensional errors in the metal terminals (lead frame 131), the insulating housing 132, etc., a difference in urging force occurs for each metal terminal, and the metal having a small urging force. There is a possibility that the terminal cannot sufficiently contact the electrode portion. Further, in a sensor used in a high temperature environment, a contact failure occurs between the metal terminal and the electrode part due to factors such as the detection element being warped due to heat or deformation of the metal terminal due to thermal expansion. there is a possibility. Further, when the elastic force of the metal terminal is reduced due to a high temperature environment, the contact between the metal terminal and the electrode portion of the detection element becomes unstable.
[0013]
In addition, FIG. 6 illustrates a detection element in which two electrode parts are formed on one side, but a detection element in which three or more electrode parts are formed on one side may be used. As the number of formed electrode portions increases, a difference in urging force for each metal terminal is more likely to occur, and poor electrical contact between the metal terminal and the electrode portion is likely to occur.
[0014]
Further, in a sensor installed in an environment where the temperature changes drastically, the metal terminal expands when the ambient temperature becomes high, and the metal terminal contracts when the ambient temperature becomes room temperature or low. And since the electrode part of a detection element is formed thinly, if expansion / contraction of a metal terminal is repeated by the temperature change (in other words, thermal cycle) of the installation environment, the metal terminal and the electrode part The electrode part may be scraped off by the friction generated between the metal terminal and the contact failure between the metal terminal and the electrode part may occur.
[0015]
The present invention has been made in view of these problems, and in a sensor including a long plate-like detection element and a metal terminal, a sensor terminal capable of achieving stable contact between the detection element and the metal terminal. The purpose is to provide a structure.
[0016]
[Means for Solving the Problems]
  The invention according to claim 1, which has been made to achieve such an object, is a terminal structure in a sensor including a long plate-like detection element and a metal terminal, and the metal terminal contacts the detection element.pluralThe metal terminal has a contact portion and exerts an elastic force on the detection element by the elastic force generated by the elastic deformation of the contact portion.The detection element has an electrode portion formed on the surface, at least one of the contact portions is in contact with the electrode portion, and at least one other of the contact portions is in contact with the surface other than the electrode portion of the detection element. BeingIt is characterized by.
[0017]
In other words, in the sensor terminal structure of the present invention (Claim 1), the contact portion is not elastically deformed by the elastic force generated at a portion other than the contact portion of the metal terminal, but the contact portion is elastically deformed. The contact portion is urged toward the detection element by the elastic force generated in step (b). For example, when the detection element is formed with a terminal arrangement space in which a metal terminal can be sandwiched, the contact portion of the metal terminal inserted into the terminal arrangement space is formed on the inner wall of the terminal arrangement space. The elastic force is generated by the contact and deformation, and the metal terminal is urged against the detection element by the elastic force.
[0018]
Moreover, when it is the structure which urges | biases a metal terminal to a detection element using another member, it generate | occur | produces in parts other than the contact part of a metal terminal by using the terminal structure of the sensor of this invention (Claim 1). Instead of urging the contact portion to the detection element only by the elastic force, the contact portion is urged to the detection element by applying an elastic force generated by elastic deformation of the contact portion. Further, when the metal terminal is urged against the detection element by another member and the contact portion is deformed, the elastic force generated at the contact portion further increases, and the metal terminal is urged to the detection element with a larger urging force. The
[0019]
Therefore, according to the sensor terminal structure of the present invention (claim 1), the metal terminal can be urged to the detection element with a larger urging force, and stable contact between the metal terminal and the detection element can be achieved. It becomes possible. Further, since the urging force is increased, the contact between the metal terminal and the detection element can be favorably maintained even in a high temperature environment.
[0020]
  AndThe present inventionSensor terminal of claim 1Structure is metalMultiple contact parts where the terminal contacts the sensing elementHave
  Thus, the contact area between the metal terminal and the detection element can be largely secured by the metal terminal contacting the detection element at a plurality of contact parts instead of only one contact part. Thereby, stable contact between the metal terminal and the detection element can be maintained.
In the sensor terminal structure of the present invention (Claim 1), the detection element has an electrode portion formed on the surface thereof, at least one of the contact portions is in contact with the electrode portion, and at least another of the contact portions. One is in contact with the surface other than the electrode portion of the detection element.
In other words, the role of the metal terminal may also be the purpose of fixing the detection element, but when the detection element is formed with an electrode portion, a current-carrying path for electrically connecting the detection element and the external circuit is used. A part can be formed. In this case, the metal terminal can be configured to contact only the electrode part, but can also be contacted on the surface of the detection element other than the electrode part. Thus, a metal terminal having contact portions on both the electrode portion and the surface of the detection element other than the electrode portion can have a plurality of roles of fixing the detection element and electrically connecting the electrode portion. .
Therefore, according to the terminal structure of the sensor of the present invention (Claim 1), the metal terminal biased by a large biasing force plays a plurality of roles of fixing the detection element and electrically connecting the electrode portion. Thus, it is possible to maintain stable fixation of the detection element, and to maintain electrical connection with the electrode portion and to suppress occurrence of contact failure in the energization path.
In addition, although the contact part which contacts other than an electrode part may also have the objective which fixes a detection element, the detection element was fixed by means other than a metal terminal, and it aimed at the metal terminal aiming at electrical connection mainly Also useful in cases. That is, in order to firmly maintain the relative positional relationship between the detection element and the metal terminal, a strong elastic force is generated at the contact portion other than the electrode portion.
[0021]
  Moreover, the terminal structure of the sensor of the above (Claim 1) is as follows.Claim 2As described above, it is preferable that the sensor has an insulation protector around the detection element, and the metal terminal is sandwiched between the detection element and the insulation protector by the elastic force.
  That is, an insulating protector is disposed around the detection element, and the contact portion is deformed by sandwiching the metal terminal between the insulation protector and the detection element, thereby generating an elastic force at the contact portion. In the sensor configured as described above, the metal terminal can be urged to the detection element with a larger urging force, and the metal terminal and the detection element can be more stably brought into contact with each other. Further, at this time, since the contact portion of the metal terminal is elastically deformed, even if a dimensional error occurs in the gap distance between the detection element and the insulation protector, the contact portion is elastically deformed individually, and the metal terminal and Contact with the sensing element can be maintained.
[0022]
  Therefore, the present invention(Claim 2)According to the sensor terminal structure, the metal terminal can be biased to the detection element with a larger biasing force by sandwiching the metal terminal between the insulation protector and the detection element, resulting in a dimensional error. Even in this case, stable contact between the metal terminal and the detection element can be achieved.
[0023]
  The insulation protector is provided with an insertion hole formed so as to penetrate the inside, and the insulation protector formed so that the detection element and the metal terminal are inserted and disposed in the insertion hole. Use it. When such an insulating protector is used, the metal terminal can be securely held between the inner surface of the insertion hole and the surface of the detection element, and the metal terminal and the detection element can be more stably brought into contact with each other. I can do it.
In the sensor terminal structure described above (claim 2), as described in claim 3, all of the plurality of contact portions may be surrounded by an insulation protector.
[0024]
  And the above (Claim 2 or claim 3In the sensor terminal structure of (1), it is preferable that the metal terminal has a plurality of contact portions in contact with at least one of the detection element or the insulation protector.
  In this way, the contact area between the metal terminal and the detection element or the metal terminal and the insulation protector can be obtained by contacting the metal terminal with the detection element or the insulation protector at a plurality of contact parts instead of only one contact part A large contact area can be secured. Thereby, the stable contact of a metal terminal and a detection element can be maintained, and the stable contact of a metal terminal and an insulation protector can be maintained.
[0025]
  In addition, the above (Any one of claims 2 to 4In the sensor terminal structure of (5), the sandwiched portion of the metal terminal that is sandwiched between the detection element and the insulation protector via the contact portion is the distance between the detection element and the insulation protector. It is good to form in the waveform shape which has a height difference in a direction.
[0026]
That is, the sandwiched portion of the metal terminal formed in a waveform shape having a height difference in the gap direction between the detection element and the insulating protector has an elastic force in the waveform height difference direction (amplitude direction of the waveform) The detection element or the insulation protector is brought into contact with a plurality of vertex portions of the waveform.
[0027]
Therefore, according to the sensor terminal structure of the present invention (Claim 5), when the distance from the insulating protection body in the same detection element is different for each of the plurality of metal terminals, the expansion / contraction of the metal terminal due to temperature change is caused. Even when it is repeated, a contact failure between the metal terminal and the detection element hardly occurs, and a stable contact can be maintained.
[0032]
  In addition, the above (Any one of claims 1 to 5) Sensor terminal structure,Claim 6As described above, the contact portion in contact with the electrode portion preferably has a smaller elastic force on the detection element than the contact portion in contact with the surface other than the electrode portion of the detection element.
  In other words, when the metal terminal has a contact portion on both the electrode portion and the detection element surface other than the electrode portion, the elastic force at the contact portion that contacts the electrode portion contacts the detection element surface other than the electrode portion. It is desirable to set it smaller than the elastic force at the contact portion. In other words, since the electrode part may be peeled off from the detection element when a strong elastic force is applied, when the metal terminal is in contact with the detection element only by the electrode part, the metal terminal does not necessarily contact the detection element stably. Can not.
[0033]
Therefore, by setting the elastic force in the contact portion that contacts the detection element surface other than the electrode portion relatively strong, the elastic force of the contact portion in the electrode portion can be set small, and damage to the electrode portion can be suppressed. it can. Moreover, since the elastic force in the contact part which contacts the detection element surfaces other than an electrode part is set strongly, the contact with a metal terminal and a detection element can be maintained more stably. Of course, it is also useful when the detection element is held at the contact portion of the metal terminal.
[0034]
  Therefore, the present invention(Claim 6)According to the sensor terminal structure, the electrical connection between the metal terminal and the electrode portion of the detection element can be maintained, and the detection element can be held, so that a member for holding the detection element is separately provided. There is no need to provide the sensor, and the internal structure of the sensor can be simplified.
[0035]
  In the metal terminal in which the sandwiched portion is formed in a corrugated shape, for example, by changing the vertex interval between the waves or changing the amplitude of the wave, the electrode portion of the sandwiched portion It is possible to make a difference in the elastic force between the contacting portion and the portion contacting the detection element main body.
  In the sensor terminal structure described above (any one of claims 1 to 6), as described in claim 7, the total size of each width of the metal terminal corresponding to the upper surface of the detection element, and the detection You may make it the total dimension of each width | variety of the metal terminal corresponding to the lower surface in an element become equal. This balances the biasing force against the upper and lower surfaces of the detection element.Can be taken.
[0036]
  And the above (from claim 1)Claim 7As a sensor to which the terminal structure of the sensor is applied,Claim 8As described above, a gas sensor that is mounted on an exhaust pipe of an internal combustion engine and detects a gas component in exhaust gas is suitable.
  In other words, the exhaust gas of the internal combustion engine changes in temperature over a wide temperature range from a very high temperature (900 ° C.) to a very low temperature (30 ° C. below zero). In many cases, the contact is unstable. Therefore, by applying the above-described sensor terminal structure to the gas sensor, the metal terminal can be stably brought into contact with the detection element, and the effects exhibited by the above-described sensor terminal structure can be sufficiently exhibited. It becomes possible.
[0037]
  Therefore,Claim 8According to the gas sensor described in 1), it is possible to realize a gas sensor that can be used in a wide temperature range from high temperature to low temperature.
  In addition, the above (from claim 1)Claim 7In addition to the gas sensor, the sensor to which the terminal structure of the sensor is appliedClaim 9As described above, a temperature sensor that detects temperature is suitable.
[0038]
  That is, the temperature sensor to which the above-described sensor terminal structure is applied can maintain stable contact between the metal terminal and the detection element in a wide temperature range from low temperature to high temperature.
  Therefore,Claim 9According to the temperature sensor described in (1), a temperature sensor that can be used in a wide temperature range from high temperature to low temperature can be realized.
[0039]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Embodiments of a sensor to which the sensor terminal structure of the present invention is applied will be described below with reference to the drawings. In this embodiment, an oxygen sensor which is a kind of gas sensor will be described.
[0040]
FIG. 1 is a cross-sectional view showing the overall configuration of the oxygen sensor 2 of the present embodiment. The oxygen sensor 2 is different from the oxygen sensor 100 shown in FIG. 5 in the shape of the detection element, the structure of the extraction part of the signal from the detection element (oxygen concentration cell electromotive force), and the rear end side of the oxygen sensor itself ( The upper structure in FIG. 1 is different, and the other parts are configured similarly. Here, portions common to the oxygen sensor 100 shown in FIG. 5 are assigned the same reference numerals, and detailed descriptions thereof are omitted.
[0041]
That is, the oxygen sensor 2 includes a cylindrical metal shell 102, a long plate-like detection element 4 inserted into the cylinder of the metal shell 102, and a lower part of the metal shell 102 in the cylinder to hold the detection element 4. The laminated ceramic holder 106, talc powder 108 and ceramic sleeve 6 to be described later, and a plurality (described in this embodiment) used for taking out an electrical signal (that is, an oxygen concentration cell electromotive force) detected by the detecting element 4 In this case, four long lead frames 10 are provided.
[0042]
Among them, the detection element 4 has a rectangular axial cross section, and as shown in FIG. 2 (a), activates the oxygen concentration cell element 20 and the oxygen concentration cell element 20 each formed in a long plate shape. The heater 22 is made to be laminated. The oxygen concentration cell element 20 is formed of, for example, an oxygen ion conductive solid electrolyte body mainly composed of zirconia or the like. The heater 22 is formed of a known ceramic heater in which a resistance heating element pattern 24 made of a conductive ceramic is embedded in a ceramic base, for example.
[0043]
And the porous electrodes 26 and 28 are formed in both surfaces at the front-end | tip side of the longitudinal direction of the oxygen concentration cell element 20 (left side in Fig.2 (a)), and these electrodes 26 and 28 are pinched | interposed between them. The solid electrolyte part constitutes the detection part 4 a of the detection element 4.
Further, electrode lead portions 26a and 28a extending from the porous electrodes 26 and 28 toward the rear end side (right side in FIG. 2A) of the oxygen sensor 2 along the longitudinal direction of the oxygen concentration cell element 20. It is integrally formed. Among these, the end of the electrode lead portion 26 a from the electrode 26 on the side not facing the heater 22 is used as the electrode portion 30. On the other hand, as shown in FIG. 2C, the electrode lead portion 28a of the electrode 28 on the side facing the heater 22 is formed on the element surface on the opposite side by a via 28b crossing the oxygen concentration cell element 20 in the thickness direction. The electrode portions 30 and 32 are connected to the electrode portion 32 formed at a distance from the end of the plate surface of the oxygen concentration cell element 20.
[0044]
On the other hand, the heater 22 is formed with two lead portions 24a for conducting to the resistance heating element pattern 24. As shown in FIG. 2 (d), the heater 22 on the side not facing the oxygen concentration cell element 20 is formed. The electrodes 34 and 36 formed at the end of the plate surface are respectively connected via vias 38. As shown in FIG. 2B, the oxygen concentration cell element 20 and the heater 22 are joined to each other via a ceramic (for example, zirconia ceramic or alumina ceramic) layer 40.
[0045]
As shown in FIG. 1, the detection element 4 configured in this way is in a state where the detection part 4 a on the tip side (downward in FIG. 1) protrudes from the tip of the metal shell 102 fixed to the exhaust pipe. It is fixed in the metal shell 102. The detection element 4 is formed to have a shorter length in the longitudinal direction than the detection element 104 provided in the conventional oxygen sensor 100 shown in FIG.
[0046]
On the other hand, the outer periphery of the metal shell 102 on the front end side (downward in FIG. 1) covers the protruding portion of the detection element 4 and has a plurality of holes, and the metal double protectors 42a and 42b are welded or the like. It is attached. The outer cylinder 44 is fixed to the outer periphery of the rear end side of the metal shell 102 by welding or the like. In addition, a lead wire insertion hole through which a lead wire 46 for taking out the oxygen concentration cell electromotive force generated in the detection element 4 is inserted into the opening on the rear end side (upper side in FIG. 1) of the outer cylinder 44. A ceramic separator 48 and a grommet 50 are formed.
[0047]
Now, the detection element 4 is made of the metal shell through the ceramic holder 106, the talc powder 108, the ceramic sleeve 6 and the lead frame 10 arranged between the ceramic sleeve 6 and the ceramic holder 106 arranged from below the cylinder of the metal shell 102. Further, the periphery of the end portion of the detection element 4 where the electrode portions (electrode portions 30, 32, 34, 36) are formed is fixed in a state of being covered with the ceramic sleeve 6.
[0048]
Among them, the ceramic sleeve 6 is different from the ceramic sleeve 110 provided in the conventional oxygen sensor 100 mainly in the shape of the insertion hole for inserting (holding) the detection element, and the other shapes and structures are the same.
That is, the ceramic sleeve 6 is a bottom view (enlarged bottom view) when the ceramic sleeve 6 is viewed from the direction A (that is, the direction from the lower end toward the upper end) shown in FIG. As shown in FIG. 4B, the upper center protrudes upward to form a protrusion 52, and an insertion hole 54 is formed along the central axis. In the insertion hole 54, a groove portion 56 is formed on each inner wall corresponding to the plate surface on the side where the electrode portions 30, 32, 34, 36 of the detection element 4 are formed. That is, the four groove portions 56 are formed in the insertion hole 54, and thereby the insertion hole 54 has a substantially “e” cross section.
[0049]
Here, the ceramic sleeve 6 corresponds to an “insulation protector” recited in the claims. Further, in FIG. 4A, the right half of the ceramic sleeve 6 is shown as a cross-sectional view corresponding to the BB cross-sectional portion in FIG. 4B.
On the other hand, as shown in FIG. 3A, the lead frame 10 is formed so that the overall appearance is substantially L-shaped. That is, the lead frame 10 includes a frame main body 12, a bent portion 14 formed by bending one end side of the frame main body 12, and a wavy portion 16 formed on the bent portion 14 side of the frame main body 12. The lead frame 10 is formed of, for example, a well-known inconel or stainless steel that can maintain elasticity (spring elasticity) even when repeatedly exposed to high temperatures.
[0050]
The corrugated portion 16 is formed in a corrugated shape having a height difference in the interval direction between the detection element 4 and the ceramic sleeve 6 when the lead frame 10 is attached to the ceramic sleeve 6. 6 has an elastic force in the direction of enlarging the distance.
[0051]
Here, the lead frame 10 corresponds to a “metal terminal” recited in the claims, and the corrugated portion 16 corresponds to a “clamped portion” recited in the claims.
Then, as shown in FIG. 3B, the lead frame 10, the detection element 4, and the ceramic sleeve 6 are assembled together by inserting the lead frame 10 and the detection element 4 into the insertion hole 54 of the ceramic sleeve 6. It is done.
[0052]
At this time, in the lead frame 10, the frame body 12 and the waved portion 16 are disposed in the groove portion 56 of the insertion hole 54 of the ceramic sleeve 6, the bent portion 14 abuts on the lower end surface of the ceramic sleeve 6, and the waved portion 16 is The electrode element 30, 32, 34, 36 of the detection element 4 is in contact with the electrode body 30, 32, 34, 36. The
[0053]
That is, by assembling the lead frame 10, the detection element 4, and the ceramic sleeve 6 together, the electrode portions 30, 32, 34, and 36 of the detection element 4 come into contact with the corrugated portion 16 of the corresponding lead frame 10. .
Here, when the lead frame 10, the detection element 4 and the ceramic sleeve 6 are assembled together, an enlarged view of a portion where the waved portion 16 of the lead frame 10 and the electrode portion 30 of the detection element 4 abut is shown in FIG. ). In addition, illustration of the ceramic sleeve 6 is abbreviate | omitted in FIG.3 (c).
[0054]
As shown in FIG. 3C, the wavy portion 16 of the lead frame 10 includes a first wavy portion 16 a that contacts the electrode portion 30 of the detection element 4 and a second wavy portion 16 b that contacts the main body portion of the detection element 4. It consists of and. The first wavy portion 16a and the second wavy portion 16b are formed in different waveform shapes, and the elastic force of the first wavy portion 16a is formed to be smaller than the elastic force of the second wavy portion 16b. Has been.
[0055]
The wave-like portion 16 receives pressure from the detection element 4 and the ceramic sleeve 6 and elastically deforms in the direction of the distance between the detection element 4 and the ceramic sleeve 6, so that the first wave-like portion 16 a contacts the electrode portion 30. The second wavy portion 16 b comes into contact with the main body portion of the detection element 4. As a result, the first wavy portion 16 a is electrically connected to the electrode portion 30, and the second wavy portion 16 b holds the detection element 4.
[0056]
In addition, the elastic force of the first wave-like portion 16 a is set to a size that allows at least the first wave-like portion 16 a and the electrode portion 30 to come into contact with each other, and electrical connection between the lead frame 10 and the electrode portion 30 is established. Is maintained. Further, the first wavy portion 16a is in contact with the electrode portion 30 at the apex portion of the three waveforms.
[0057]
Then, the detection element 4 is held by the second wavy portions 16b so that the second wavy portions 16b of the pair of lead frames 10 are elastically applied to the inner surface of the insertion hole 54 of the ceramic sleeve 6 and the surface of the detection element 4. This is realized by generating an urging force and sandwiching the detection element 4. Thereby, the detection element 4 is fixed to the ceramic sleeve 6.
[0058]
The lead frame 10, the detection element 4, and the ceramic sleeve 6 that are integrally assembled in this way are disposed inside the oxygen sensor 2 by being fixed to the metal shell 102.
In the oxygen sensor 2, as shown in FIG. 1, the lead wire 46 is fixed to the end portion (upper side in FIG. 1) of the frame body 12 of the lead frame 10 protruding from the ceramic sleeve 6 by resistance welding. That is, in the oxygen sensor 2, an electric signal (oxygen concentration cell electromotive force) generated in the detection element 4 can be taken out via the lead wire 46 and the lead frame 10.
[0059]
As described above, the lead frame 10 used in the oxygen sensor 2 of the present embodiment is not urged to the electrode portion 30 of the detection element 4 by the urging force given from the outside, but the undulated shape of the lead frame 10. The electrode portion 30 is biased by the elastic force of the portion 16. In addition, since the wave-like portion 16 has an elastic force in a direction that increases the distance between the detection element 4 and the ceramic sleeve 6, the shape changes within a range in which the elastic force is exerted.
[0060]
For this reason, the lead frame 10 has an electrode portion due to elastic deformation of the wave-like portion 16 even when the interval between the same detection element 4 and the ceramic sleeve 6 is different for each of the plurality of electrode portions due to factors such as dimensional errors. And the electrical connection with each of the electrode portions 30, 32, 34, and 36 can be reliably maintained.
[0061]
In addition, in the lead frame 10 and the electrode part that are in contact with each other, the wavy portions 16 of the lead frame 10 are in contact with the electrode part at a plurality of locations, so that the lead frame 10 is caused by temperature change (thermal cycle) in the sensor installation environment. When the expansion / contraction is repeated, the electrode portion is unlikely to be scraped off at all contact points. Therefore, even when the lead frame 10 is repeatedly expanded and contracted by a thermal cycle, the lead frame 10 can be in contact with the electrode portion at any of a plurality of contact points, so that contact failure is less likely to occur. An electrical connection can be reliably maintained.
[0062]
Further, the lead frame 10 of the present embodiment can contact the detection element 4 in a wider range because the wave-like portion 16 contacts the electrode portion and the main body portion of the detection element 4, and is larger than the detection element 4. You can generate power. Accordingly, the detection element 4 can be held by the lead frame 10, and it is not necessary to separately provide a member for holding the detection element 4 inside the sensor, and the internal structure of the oxygen sensor 2 can be simplified. .
[0063]
On the other hand, the lead frame 10 is formed so that the elastic force of the first wave-like portion 16a is smaller than the elastic force of the second wave-like portion 16b, and the urging force against the electrode portion of the detection element 4 becomes excessive. No, the electrode part is not scraped off. The elastic force of the first wavy portion 16a is set to a size that allows at least the first wavy portion 16a and the electrode portions 30, 32, 34, and 36 to be in contact with each other. Maintain a secure connection.
[0064]
Therefore, according to the terminal structure of the oxygen sensor 2 of the present embodiment, the lead frame 10 can maintain electrical connection with the electrode portions 30, 32, 34, and 36 of the detection element 4, and the detection element 4 can be Since it can hold | maintain, the internal structure of a sensor can be simplified.
[0065]
The oxygen sensor 2 of the present embodiment is used in a high temperature environment such as an exhaust pipe of an internal combustion engine, and the detection element 4 is maintained at a high temperature by the heater 22 to detect oxygen. The characteristics of For this reason, since the detection element 4 has a large temperature difference between when the oxygen sensor 2 is used and when it is not used, the lead frame 10 is repeatedly expanded and contracted. However, since the lead frame 10 contacts the electrode portions at a plurality of locations, it is possible to prevent the electrode portions at all the contact portions from being scraped off due to the influence of temperature change. The electrical connection with the parts 30, 32, 34, and 36 can be maintained.
[0066]
Further, the lead frame 10 does not necessarily need to be fixed to the electrode portions 30, 32, 34, and 36 of the detection element 4 by welding or the like, and is simply disposed so as to be sandwiched between the detection element 4 and the ceramic sleeve 6. The work is very simple, and the work efficiency in the assembly work of the sensor is improved.
[0067]
As mentioned above, although the Example of this invention was described, this invention is not limited to the said Example, A various aspect can be taken.
For example, the number of detection elements is not limited to four, and the detection element includes six electrode sections 230, 232, 234, 236, 238, and 240 as shown in FIG. 5, the sensor terminal structure of the present invention can also be applied when forming a signal path of an electric signal output from each electrode portion.
[0068]
FIG. 7B shows an external view of the detection element 5 when viewed from the rear end side (in the direction of arrow D in FIG. 7A). In addition, as shown in FIG. 4C, the ceramic sleeve 6 for arranging the detection element 5 having six electrode parts has six groove parts 56 formed in the insertion hole 54.
[0069]
Also, the sensor terminal structure of the present invention can be applied to a detection element in which the number of electrode portions formed is different on one surface and the other surface. For example, as shown in FIG. 7C, the detection element 7 has three electrode portions formed on one surface and two electrode portions formed on the other electrode portion. When applied to the detection element 7, the total dimensions of the widths of the metal terminals corresponding to the electrode portions 230, 232, and 234 on the upper surface and the widths of the metal terminals corresponding to the electrode portions 236 and 238 on the lower surface are used. It is preferable to make the total dimensions of the same. Thereby, it is possible to balance the urging force with respect to the upper surface and the lower surface of the detection element 7, it is possible to avoid applying an excessive urging force to a part of the electrode portions, and the electrode portions are scraped off. Can be prevented.
[0070]
Furthermore, the sensor terminal structure of the present invention can also be applied to the sensor having the conventional structure shown in FIG. 5, and in the case where a detection element having a large number of electrode portions is provided, the urging force varies for each electrode portion. And the electrical connection between the metal terminal and the electrode portion can be maintained. In the sensor shown in FIG. 5, the insulating housing 132 corresponds to an insulating protector in the claims.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a cross-sectional view showing an overall configuration of an oxygen sensor according to an embodiment.
FIG. 2 is an explanatory diagram of a detection element.
3A is an external view of a lead frame, FIG. 3B is a cross-sectional view showing a lead frame, a detection element, and a ceramic sleeve in an integrally assembled state, and FIG. 3C is a wavy shape of the lead frame. It is an enlarged view of the part which the part and the electrode part of a detection element contact | abut.
FIG. 4 is an explanatory diagram of a ceramic sleeve.
FIG. 5 is a cross-sectional view showing the overall configuration of a conventional oxygen sensor.
FIG. 6 is an exploded perspective view of a contact member provided inside a conventional oxygen sensor.
FIGS. 7A and 7B are explanatory diagrams of a detection element including six electrode units, and FIG. 7C is an explanatory diagram of a detection element including five electrode units.
[Explanation of symbols]
2 ... oxygen sensor, 4, 5, 7 ... sensing element, 6 ... ceramic sleeve, 10 ... lead frame, 12 ... frame body, 14 ... bent portion, 16 ... wave-like portion, 16a ... first wave-like portion, 16b ... first 2 wave-like portions, 30, 32, 34, 36... Electrode portions.

Claims

長板状の検出素子と、
金属端子と、を備えたセンサにおける端子構造であり、
前記金属端子が、前記検出素子に接触する複数の接触部を有し、
前記金属端子は、前記接触部が弾性変形して生じた弾性力によって、前記検出素子に対して弾性力を及ぼしており、
前記検出素子は、表面に電極部が形成されており、
少なくとも前記接触部の一つは前記電極部と接触し、少なくとも前記接触部の別の一つは前記検出素子の前記電極部以外の表面において接触していること、
を特徴とするセンサの端子構造。A long plate-like detection element;
A terminal structure in a sensor comprising a metal terminal,
The metal terminal has a plurality of contact portions in contact with the detection element;
The metal terminal exerts an elastic force on the detection element by an elastic force generated by elastic deformation of the contact portion,
The detection element has an electrode portion formed on a surface thereof,
At least one of the contact portions is in contact with the electrode portion, and at least another of the contact portions is in contact with a surface other than the electrode portion of the detection element;
Sensor terminal structure characterized by

前記センサは、前記検出素子の周囲に絶縁保護体を有し、
前記金属端子は、前記弾性力により前記検出素子と前記絶縁保護体に挟持されていること、
を特徴とする請求項１に記載のセンサの端子構造。The sensor has an insulation protector around the detection element,
The metal terminal is sandwiched between the detection element and the insulation protector by the elastic force;
The sensor terminal structure according to claim 1.

複数の前記接触部の全てが前記絶縁保護体に取り囲まれていること、
を特徴とする請求項２に記載のセンサの端子構造。All of the plurality of contact portions are surrounded by the insulating protector,
The sensor terminal structure according to claim 2.

前記金属端子は、前記検出素子又は前記絶縁保護体の少なくとも一方と接触する複数の前記接触部を有すること、
を特徴とする請求項２または請求項３に記載のセンサの端子構造。The metal terminal has a plurality of the contact portions that come into contact with at least one of the detection element or the insulation protector;
The terminal structure of the sensor according to claim 2 or 3, wherein

前記接触部を介して前記検出素子と前記絶縁保護体に挟持されている前記金属端子の被挟持部は、前記検出素子と前記絶縁保護体との間隔方向に高低差を有する波型形状に形成されていること、
を特徴とする請求項２から請求項４のいずれかに記載のセンサの端子構造。The sandwiched portion of the metal terminal that is sandwiched between the detection element and the insulation protector via the contact portion is formed in a corrugated shape having a height difference in the interval direction between the detection element and the insulation protector. is being done,
The sensor terminal structure according to any one of claims 2 to 4, wherein:

前記電極部に接触している接触部は、前記検出素子の前記電極部以外の表面に接触している接触部よりも前記検出素子に及ぼす弾性力が小さいこと、
を特徴とする請求項１から請求項５のいずれかに記載のセンサの端子構造。The contact portion in contact with the electrode portion has a smaller elastic force on the detection element than the contact portion in contact with the surface of the detection element other than the electrode portion;
The terminal structure of the sensor according to any one of claims 1 to 5, wherein:

前記検出素子における上面に対応する前記金属端子の各幅の合計寸法と、前記検出素子における下面に対応する前記金属端子の各幅の合計寸法とが等しいこと、
を特徴とする請求項１から請求項６のいずれかに記載のセンサの端子構造。The total dimension of each width of the metal terminal corresponding to the upper surface of the detection element is equal to the total dimension of each width of the metal terminal corresponding to the lower surface of the detection element;
The terminal structure of the sensor according to claim 1, wherein:

内燃機関の排気管に装着されて、排気ガス中のガス成分を検出するガスセンサであり、 A gas sensor that is mounted on an exhaust pipe of an internal combustion engine and detects a gas component in exhaust gas,
請求項１から請求項７のいずれかに記載の端子構造を備えることを特徴とするガスセンサ。 A gas sensor comprising the terminal structure according to claim 1.

温度を検出する温度センサであり、 A temperature sensor that detects the temperature,
請求項１から請求項７のいずれかに記載の端子構造を備えることを特徴とする温度センサ。 A temperature sensor comprising the terminal structure according to claim 1.