JP6876552B2

JP6876552B2 - ガスセンサ

Info

Publication number: JP6876552B2
Application number: JP2017133805A
Authority: JP
Inventors: 健弘大場
Original assignee: NGK Spark Plug Co Ltd
Current assignee: NGK Spark Plug Co Ltd
Priority date: 2017-07-07
Filing date: 2017-07-07
Publication date: 2021-05-26
Anticipated expiration: 2037-07-07
Also published as: JP2019015630A

Description

本発明は、被測定ガスに含まれる特定成分のガス濃度の測定に用いられるガスセンサに関する。

自動車エンジン等の内燃機関の燃費向上や燃焼制御を行うガスセンサとして、排気ガス中の酸素濃度を検出する酸素センサや空燃比センサが知られている。
このようなガスセンサとして、図１０（ａ）に示すように、特定ガスの濃度検出を行うセンサ素子３００を有し、センサ素子３００の主面３００ａの後端側に配置された電極パッド３０２に、端子金具（接続端子）４００を電気的に接続する構造が知られている（例えば、特許文献１参照）。この端子金具４００は、図１０の紙面に垂直な方向（軸線方向）に延びると共に折り返され、図３の上下方向に弾性的に撓んで電極パッド３０２に電気的に接続するようになっている。

特開２０１６−１２５８９１号公報（図１、図２）

ところで、端子金具４００をセンサ素子３００に組み付ける際や、車両の走行時等の振動により、図１０（ｂ）に示すように、軸線方向に垂直な方向（幅方向）に端子金具４００がブレて電極パッドからはみ出すことがある。この場合、ブレ量が少なければ、端子金具４００は電極パッド３０２の角部と接点Ｃで接触を維持し、導通不良とはならない。
しかしながら、図１０（ｃ）に示すように、端子金具４００のブレ量が多くなると、端子金具４００の端部が電極パッド３０２外側のセンサ素子３００の絶縁性の主面３００ａに接点Ｐで接触し、接点Ｐを支点にして端子金具４００が電極パッド３０２から隙間Ｇを介して浮き上がり、導通不良が生じることがある。
さらに、図１０（ｄ）に示すように、端子金具４００のブレ量が多くなり、電極パッド３０２から端子金具４００の幅Ｗ以上にブレると、端子金具４００が電極パッド３０２から完全に脱落して第１主面３００ａに接触し、導通が完全に失われる。

一方、このような端子金具４００のブレによる導通不良を防止するため、電極パッド３０２の軸線方向に垂直な方向の幅を大きくすると、コストアップやセンサ素子の大型化を招くという問題がある。

本発明は、上記の課題を解決するためになされたものであって、端子金具がブレて電極パッドからはみ出しても導通不良となることを抑制したガスセンサを提供することを目的とする。

上記課題を解決するため、本発明のガスセンサは、軸線方向に延びる板状で表面が絶縁性の素子本体と、該素子本体の第１主面の後端側に１又は複数の電極パッドとを有するセンサ素子と、前記軸線方向に延びて前記電極パッドにそれぞれ電気的に接続する端子金具と、を備えたガスセンサにおいて、前記端子金具は、前記電極パッドに向かって突出し、前記電極パッドに弾性的に接続する素子当接部を有し、前記第１主面において、前記電極パッドの先端と後端のそれぞれを通り、前記軸線方向に垂直な２本の仮想線で区画された領域のうち、前記電極パッドを除いたパッド非形成領域の少なくとも一部に、該電極パッドの前記素子本体に向く界面よりも凹む凹部が設けられており、前記電極パッドから前記凹部までの距離が、前記素子当接部の幅未満で、幅方向に沿い、前記端子金具の一部は、前記電極パッドから前記凹部が形成された側にはみ出した状態で該電極パッドと接触する。

このガスセンサによれば、ガスセンサを組み付ける際や、車両の走行時等の振動により、端子金具が幅方向にブレて電極パッドからはみ出したとしても、界面よりも凹む凹部が電極パッドの近傍に設けられているので、端子金具の端部が凹部に収容されつつ、端子金具が電極パッドの角部と接触を維持し、導通不良を抑制できる。又、端子金具のブレによる導通不良を防止するため、電極パッドの幅を大きくする必要がなく、コストアップやセンサ素子の大型化を抑制できる。
なお、これに対し、凹部が形成されていない場合には、端子金具の端部がセンサ素子の絶縁性の第１主面に接触し、ここを支点にして端子金具が電極パッドから浮き上がり、導通不良が生じる。又、電極パッドから凹部までの距離が素子当接部の幅以上となると、電極パッドから素子当接部の幅以上にブレると、端子金具が電極パッドから完全に脱落して絶縁性の第１主面に接触し、導通が完全に失われる。
なお、素子当接部の幅とは、素子当接部（接続部）が線状（電極パッドと素子当接部が線接触）であれば、その線の長さである。一方、素子当接部が面状（電極パッドと素子当接部が面接触）であれば、その面のうち端子金具の幅方向の最大幅である。

本発明のガスセンサにおいて、前記端子金具の一部が前記凹部に入り込んだ状態で前記電極パッドと接触していてもよい。
本発明のガスセンサにおいて、前記電極パッドと前記凹部とが隣接しているとよい。
このガスセンサによれば、端子金具が幅方向にブレて電極パッドから少しでもはみ出すと、端子金具の端部が凹部にただちに収容されるので、導通不良をより確実に抑制できる。

本発明のガスセンサにおいて、前記電極パッドの厚みをｔ１とし、前記界面と前記凹部との厚み方向の距離をｔ２としたとき、ｔ２＞ｔ１であるとよい。
このガスセンサによれば、電極パッドの厚みｔ１をｔ２よりも薄くして電極パッドの貴金属の使用量を削減できる。

この発明によれば、端子金具がブレて電極パッドからはみ出しても導通不良となることを抑制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。センサ素子の後端部の幅方向から見た電極パッドと端子金具を示す図である。電極パッドと端子金具を示す斜視図である。電極パッドと端子金具を示す平面図である。端子金具が幅方向にブレて電極パッドからはみ出した状態を示す断面図である。凹部の変形例を示す断面図である。凹部の別の変形例を示す断面図である。センサ素子の後端部の幅方向から見た、端子金具の変形例を示す図である。センサ素子の後端部の幅方向から見た、端子金具の別の変形例を示す図である。従来のガスセンサ素子において、端子金具が幅方向にブレて電極パッドからはみ出した状態を示す図である。

以下、図１〜図５を参照し、本発明の実施形態に係るガスセンサ２００について説明する。図１は、ガスセンサ２００の軸線Ｏ方向（長手方向）に沿う断面図、図２はセンサ素子１００の後端部の幅方向から見た電極パッド８０と端子金具１１０を示す、図３は電極パッド８０と端子金具１１０を示す斜視図、図４は電極パッド８０と端子金具１１０を示す平面図、図４５は端子金具１１０が幅方向にブレて電極パッド８０からはみ出した状態を示す幅方向に沿った断面図である。

図１に示すように、ガスセンサ２００は、酸素濃度を検出するセンサ素子１００を組み付けたアッセンブリである。ガスセンサ２００は、軸線方向に延びる板状のセンサ素子１００と、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、センサ素子１００の径方向周囲を取り囲むように配置される筒状のセラミックスリーブ１０６と、軸線方向に貫通するコンタクト挿通孔１６８の内壁面がセンサ素子１００の後端部の周囲を取り囲む状態で配置される絶縁コンタクト部材１６６と、センサ素子１００と絶縁コンタクト部１６６との間に配置される複数個（図１では２つのみ図示）の端子金具１１０と、を備えている。

主体金具１３８は、軸線Ｏ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、センサ素子１００の先端側を貫通孔１５４の先端側外部に配置し、複数の電極パッド８０（図２、図３参照）を貫通孔１５４の後端側外部に配置する状態で、センサ素子１００を貫通孔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、センサ素子１００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１５３（以下、滑石リング１５３ともいう）、および上述の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１４０との間には、加締めパッキン１５７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１５３やセラミックホルダ１５１を保持するための金属ホルダ（図示せず）が配置されている。なお、主体金具１３８の後端部１４０は、加締めパッキン１５７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、主体金具１３８の先端側（図１における下方）外周には、センサ素子１００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）二重の外部プロテクタ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、外筒１４４が固定されている。また、外筒１４４の後端側（図１における上方）の開口部には、センサ素子１００の電極パッド８０とそれぞれ電気的に接続される複数本のリード線１４６（図１では２本のみ）が挿通されるリード線挿通孔１６１が形成されたグロメット１５０、及び第２絶縁コンタクト部１７０が後端側からこの順に配置されている。

また、主体金具１３８の後端部１４０より突出されたセンサ素子１００の後端側（図１における上方）には、絶縁コンタクト部材１６６が配置される。なお、この絶縁コンタクト部材１６６は、センサ素子１００の後端側の表裏面に形成される電極パッド８０の周囲に配置される。この絶縁コンタクト部材１６６は、軸線方向に貫通するコンタクト挿通孔１６８を有する筒状形状に形成されると共に、外表面から径方向外側に突出する鍔部１６７が備えられている。絶縁コンタクト部材１６６は、鍔部１６７が保持部材１６９を介して外筒１４４に当接することで、外筒１４４の内部に配置される。そして、絶縁コンタクト部材１６６側の端子金具１１０と、センサ素子１００の電極パッド８０とが電気的に接続され、リード線１４６により外部と導通するようになっている。

次に、センサ素子１００の構成について説明する。図２、図３に示すように、センサ素子１００は、軸線Ｏ方向に延びる板状の素子本体１００ｓと、素子本体１００ｓの第１主面１００ａ及び対向する第２主面１００ｂの後端側にそれぞれ２つ（計４つ）の電極パッド８０とを有する。素子本体１００ｓ（第１主面１００ａ及び第２主面１００ｂ）はセラミックからなり、電極パッド８０等の導通部分を除いて絶縁性である。
又、本実施形態では、第１主面１００ａ及び第２主面１００ｂには、２つの電極パッド８０が軸線Ｏ方向と垂直な方向（幅方向）に離間して配置されている。
なお、本発明においては、少なくとも一方の主面（第１主面１００ａ）に１つ以上の電極パッド８０が配置されていればよい。

端子金具１１０は、軸線Ｏ方向に短冊状に延びて電極パッド８０にそれぞれ電気的に接続する。この端子金具１１０は、本体部１１０ｂと、本体部１１０ｂの先端から後端側へ向かって折り返される素子当接部１１０ａと、本体部１１０ｂの後端側に一体に繋がる圧着端子部（図示せず）と、を備えている。
素子当接部１１０ａは本体部１１０ｂよりも電極パッド８０側に向いており、自身のうち電極パッド８０側に最も突出する接続部１１０ｐが接点を構成して電極パッド８０に弾性的に接続するようになっている。なお、素子当接部１１０ａは径方向（電極パッド８０の厚み方向）に弾性的に撓んで電極パッド８０を押圧している。
又、圧着端子部は芯線を剥いたリード線１４６（図１）を圧着固定してリード線に電気的に接続されている。
なお、第１主面１００ａ側では、２本の端子金具１１０がセンサ素子１００の幅方向に並んでいる。第２主面１００ｂ側も同様である。
又、素子当接部１１０ａのうち電極パッド８０との接点を接続部１１０ｐと称するが、特に両者を区別しないで接続部１１０ｐも素子当接部１１０ａと同義である。

ここで、図４に示すように、第１主面１００ａ（第２主面１００ｂ側も同様）において、電極パッド８０の先端と後端のそれぞれを通り、軸線Ｏ方向に垂直な２本の仮想線Ｆで区画された領域のうち、電極パッド８０を除いた部位をパッド非形成領域Ｒ１，Ｒ２とする。パッド非形成領域Ｒ１は２つの電極パッド８０の間に位置し、パッド非形成領域Ｒ２は電極パッド８０から第１主面１００ａの幅方向端部に向いている。
このうち、パッド非形成領域Ｒ１には、各電極パッド８０と隣接して（電極パッド８０から凹部１０５までの距離Ｄ１＝０）、それぞれ凹部１０５が設けられている。
又、図５に示すように、凹部１０５は、電極パッド８０の素子本体（第１主面１００ａ）に向く界面Ｓよりも凹んでいる。ここで、界面Ｓとは、電極パッド８０のうち、素子本体（第１主面１００ａ）に最も近づく面である。本実施形態では、電極パッド８０は第１主面１００ａの表面に導電ペーストを印刷すること等によって形成されているので、界面Ｓは第１主面１００ａであり、凹部１０５は第１主面１００ａより凹むように焼成後の素子本体１００ｓを研削等することで形成できる。

ここで、図５に示すように、端子金具１１０が幅方向にブレて電極パッド８０からはみ出したとする。
このとき、界面Ｓよりも凹む凹部１０５が電極パッド８０の近傍に設けられているので、端子金具１１０の端部（図５の右端側）が凹部１０５に収容されつつ、端子金具１１０は電極パッド８０の角部と接点Ｃで接触を維持し、導通不良を抑制できる。
又、端子金具１１０のブレによる導通不良を防止するため、電極パッド８０の幅を大きくする必要がなく、コストアップやセンサ素子の大型化を抑制できる。
これに対し、凹部１０５が形成されていない場合には、図１０（ｃ）で述べたのと同様、端子金具１１０の端部（図５の右端側）がセンサ素子の第１主面１００ａに接触し、ここを支点にして端子金具１１０が電極パッド８０から浮き上がり、導通不良が生じる。

なお、図６に示すように、電極パッド８０から凹部１０５までの距離Ｄ１は、端子金具１１０の接続部１１０ｐの幅Ｗ（図３参照）未満とする。これは、図１０（ｄ）で述べたのと同様、距離Ｄ１≦幅Ｗの場合、電極パッド８０から端子金具１１０の幅Ｗ以上にブレると、端子金具１１０が電極パッド８０から完全に脱落して第１主面１ａに接触し、導通が完全に失われるからである。
又、本実施形態では、パッド非形成領域Ｒ２には凹部１０５は形成されていない。この理由は、図５に示すように、電極パッド８０から第１主面１００ａの幅方向端部までの幅Ｄ２が幅Ｗに比べて小さいので、凹部１０５を設けずとも、端子金具１１０が幅方向にブレたときに端子金具１１０の端部（図５の左端側）がセンサ素子の第１主面１００ａに接触しないからである。但し、パッド非形成領域Ｒ２に凹部１０５を形成してもよい。

又、図６に示すように、電極パッド８０の厚みをｔ１としたとき、ｔ１に対してＤ１が相対的に小さいほど、端子金具１１０の傾きが大きくなったとしても端子金具１１０が凹部１０５に入り込んで電極パッド８０と接続することが可能となるため、望ましい。具体的には、距離Ｄ１≦１２×ｔ１の関係を満たすことが好ましい。Ｄ１＝１２×ｔ１の場合、一般的なＤ１、ｔ１を用いると端子金具１１０がブレて傾き、電極パッド８０からはみ出したとしても、端子金具１１０の素子本体（第１主面１００ａ）とのなす角θ（すなわち、素子本体に対する端子金具の傾き）が約５°以下であれば、端子金具１１０が凹部１０５に入り込んだ状態で、電極パッド８０と接触することが可能であり、導通不良を抑制することができる。
すなわち、Ｄ１＝１２×ｔ１の関係を満たす凹部を設けることで、端子金具１１０の傾きθを５°まで許容して導通不良を抑制することができる。さらに、Ｄ１＜１２×ｔ１であれば、許容できる端子金具１１０の傾きθの上限は大きくなり、傾きθ＞５°になっても端子金具１１０が凹部１０５に入り込んだ状態を維持でき、導通不良を抑制することができる。
つまり、Ｄ１≦１２×ｔ１の関係を満たすことで、少なくとも端子金具１１０の組付け時の製造誤差で発生し得る傾きであるθ＝５°までは導通不良を抑制することができる。

又、ｔ１≧２０μｍであると、電極パッド８０の摩耗等を抑制して導通を良好にすることができ、Ｗ≧０．２ｍｍであると、接続部１１０ｐが電極パッド８０と確実に接点を構成して導通を良好にすることができる。
さらに、凹部１０５の深さを表す界面Ｓと凹部１０５との厚み方向の距離（凹部１０５の深さ）をｔ２としたとき、ｔ２＞ｔ１であると、ｔ１を薄くして電極パッド８０の貴金属の使用量を削減できる。

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、凹部は第１主面１００ａより凹むように形成するものに限られず、図７に示すように、第１主面１００ａの表面にアルミナ等の絶縁層８５を設け、絶縁層８５の表面に導電ペーストを印刷すること等によって電極パッド８０を形成してもよい。
この場合、界面Ｓは絶縁層８５と電極パッド８０との境界面であり、第１主面１００ａよりも絶縁層８５の厚み分だけ上方に位置する。そして、２つの電極パッド８０で挟まれた第１主面１００ａが界面Ｓよりも凹む凹部１０７を形成する。
従って、第１主面１００ａより凹むように凹部１０７を形成する必要がなく、センサ素子１００の生産が容易となる。

又、端子金具の形状も上記実施形態に限定されない。例えば、図８に示すように、端子金具１２０として、電極パッド８０側に向かって膨らむ形状をなし、膨出部の先端が電極パッド８０側に最も突出する接続部１２０ｐをなして電極パッド８０に弾性的に接続するようにしてもよい。
図９に示すように、端子金具１３０として、先端側で電極パッド８０側に向かって折り返され、電極パッド８０側に向く先端部が接続部１３０ｐをなして電極パッド８０に弾性的に接続するようにしてもよい。

凹部の形状及び個数、電極パッド及び端子金具の個数及び配置状態も限定されない。
さらに、上記実施形態では、ガスセンサが酸素センサであったが、これに限られることなく、ＮＯｘセンサやアンモニアセンサ等の種々のガスセンサであっても良い。

８０電極パッド
１００センサ素子
１００ａ第１主面
１００ｓ素子本体
１０５、１０７凹部
１１０、１２０、１３０端子金具
１１０ａ素子当接部（接続部）
２００ガスセンサ
Ｏ軸線
Ｆ仮想線
Ｒ１，Ｒ２パッド非形成領域
Ｓ界面
Ｄ１電極パッドから凹部までの距離
Ｗ素子当接部（接続部）の幅

Claims

軸線方向に延びる板状で表面が絶縁性の素子本体と、該素子本体の第１主面の後端側に１又は複数の電極パッドとを有するセンサ素子と、
前記軸線方向に延びて前記電極パッドにそれぞれ電気的に接続する端子金具と、を備えたガスセンサにおいて、
前記端子金具は、前記電極パッドに向かって突出し、前記電極パッドに弾性的に接続する素子当接部を有し、
前記第１主面において、前記電極パッドの先端と後端のそれぞれを通り、前記軸線方向に垂直な２本の仮想線で区画された領域のうち、前記電極パッドを除いたパッド非形成領域の少なくとも一部に、該電極パッドの前記素子本体に向く界面よりも凹む凹部が設けられており、
前記電極パッドから前記凹部までの距離が、前記素子当接部の幅未満で、
幅方向に沿い、前記端子金具の一部は、前記電極パッドから前記凹部が形成された側にはみ出した状態で該電極パッドと接触するガスセンサ。
前記端子金具の一部が前記凹部に入り込んだ状態で前記電極パッドと接触する請求項１に記載のガスセンサ。
前記電極パッドと前記凹部とが隣接している請求項１又は２に記載のガスセンサ。
前記電極パッドの厚みをｔ１とし、前記界面と前記凹部との厚み方向の距離をｔ２としたとき、ｔ２＞ｔ１である請求項１〜３のいずれか一項に記載のガスセンサ。