特開 2025-1791 ガスセンサ

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2025001791

(43)【公開日】2025-01-09

(54)【発明の名称】ガスセンサ

(51)【国際特許分類】

   G01N 27/41 20060101AFI20241226BHJP

   G01N 27/409 20060101ALI20241226BHJP

   G01N 27/416 20060101ALI20241226BHJP

【ＦＩ】

G01N27/41 325H

G01N27/409 100

G01N27/416 331

G01N27/416 311H

【審査請求】未請求

【請求項の数】4

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2023101470

(22)【出願日】2023-06-21

(71)【出願人】

【識別番号】000004547

【氏名又は名称】日本特殊陶業株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100113022

【弁理士】

【氏名又は名称】赤尾 謙一郎

(72)【発明者】

【氏名】野村 昌史

(72)【発明者】

【氏名】中村 元彦

【テーマコード（参考）】

2G004

【Ｆターム（参考）】

2G004BB04

2G004BC02

2G004BE02

2G004BF05

2G004BH06

2G004BJ03

2G004ZA01

2G004ZA04

(57)【要約】      （修正有）

【課題】使用中の振動等による外筒の破損を抑制しガスセンサを提供する。
【解決手段】軸線Ｏ方向に延びるセンサ素子２１と、主体金具１１と、センサ素子に電気的に接続される端子金具７５，７６と、端子金具を保持する筒状のセパレータ９１と、主体金具の後端側に固定されると共にセパレータを覆う外筒８１と、外筒とセパレータとの間に配置される保持金具８２と、を備えるガスセンサ１であって、セパレータは、本体部９１ｔと該本体部よりも大径の拡径部９１ｓとを有し、外筒は、本体部を収容する小径部８１ｔと、小径部よりも大径で拡径部を収容する大径部８１ｓと、大径部と小径部とを繋ぐ段部８１ｃと、を備え、保持金具は、軸線方向に大径部と小径部とを跨いで配置されると共に、少なくともセパレータの本体部の側面と小径部の内面とに弾性的に接している。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

軸線方向に延びるセンサ素子と、
前記センサ素子を保持する主体金具と、
前記軸線方向に延び、前記センサ素子に電気的に接続される端子金具と、
前記軸線方向に延び、前記端子金具を保持する筒状のセパレータと、
前記主体金具の後端側に固定されると共に前記セパレータを覆う外筒と、
前記外筒と前記セパレータとの間に配置される保持金具と、
を備えるガスセンサであって、
前記セパレータは、本体部と該本体部よりも大径の拡径部とを有し、
前記外筒は、前記本体部を収容する小径部と、前記小径部よりも大径で前記拡径部を収容する大径部と、前記大径部と前記小径部とを繋ぐ段部と、を備え、
前記保持金具は、前記軸線方向に前記大径部と前記小径部とを跨いで配置されると共に、少なくとも前記セパレータの前記本体部の側面と前記小径部の内面とに弾性的に接していることを特徴とするガスセンサ。

【請求項2】

前記小径部は前記大径部よりも後端側に配置されていることを特徴とする請求項１に記載のガスセンサ。

【請求項3】

前記セパレータは、前記本体部と前記拡径部との間に径方向に延びる先端向き面又は後端向き面を有し、
前記保持金具は、前記先端向き面又は前記後端向き面に接することを特徴とする請求項１又は２に記載のガスセンサ。

【請求項4】

前記保持金具は、前記大径部又は前記段部の少なくとも一方に接していることを特徴とする請求項１又は２に記載のガスセンサ。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、セパレータとそれを覆う外筒とを備えたガスセンサに関する。

【背景技術】

【0002】

自動車等の排気ガス中の酸素やＮＯ_ｘの濃度を検出するガスセンサとして、固体電解質を用いた板状のセンサ素子を有するものが知られている。
この種のガスセンサとして、センサ素子の後端側に設けた電極パッドに端子金具を電気的に接触させるものが広く用いられている。端子金具はセパレータ（絶縁碍子）に保持されており、さらにセパレータは外筒（カバー）の内側に配置された保持金具等の金属部材によって弾性的に保持されている。（特許文献１）
また、セパレータは大径の拡径部を有しており、外筒はこのセパレータの形状に追随してセパレータを収容するため、小径部と、大径部と、大径部と小径部とを繋ぐ段部とを有している。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【特許文献1】特開２０２２－６８６０１号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

ところで、ガスセンサが車両の走行等によって振動環境下に晒されると、セラミック等の重量物からなるセパレータが振れ、セパレータを金属部材を介して保持する外筒にも荷重が掛かる。すると、外筒の形状の点から段部と小径部の繋ぎ目付近に応力が集中し、やがて金属疲労によってクラック等が発生する恐れがある。

【0005】

そこで、本発明は、使用中の振動等による外筒の破損を抑制したガスセンサを提供することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0006】

上記課題を解決するため、本発明のガスセンサは、軸線方向に延びるセンサ素子と、前記センサ素子を保持する主体金具と、前記軸線方向に延び、前記センサ素子に電気的に接続される端子金具と、前記軸線方向に延び、前記端子金具を保持する筒状のセパレータと、前記主体金具の後端側に固定されると共に前記セパレータを覆う外筒と、前記外筒と前記セパレータとの間に配置される保持金具と、を備えるガスセンサであって、前記セパレータは、本体部と該本体部よりも大径の拡径部とを有し、前記外筒は、前記本体部を収容する小径部と、前記小径部よりも大径で前記拡径部を収容する大径部と、前記大径部と前記小径部とを繋ぐ段部と、を備え、前記保持金具は、前記軸線方向に前記大径部と前記小径部とを跨いで配置されると共に、少なくとも前記セパレータの前記本体部の側面と前記小径部の内面とに弾性的に接していることを特徴とする。

【0007】

このガスセンサによれば、保持金具に接したセパレータの本体部が振動等によって径方向に振れると、外筒の小径部の内面に接している弾性部が径方向に撓む。
これにより、セパレータの振れにより小径部に掛かる荷重、ひいては小径部を介して応力が集中し易い段部に掛かる荷重を軽減し、使用中の振動等による外筒の破損を抑制することができる。

【0008】

本発明のガスセンサにおいて、前記小径部は前記大径部よりも後端側に配置されていてもよい。
大径部よりも強度が低く、振れによって破損し易い小径部が後端側に配置されると、小径部がより振れやすくなるので、本発明を有効に適用できる。

【0009】

本発明のガスセンサにおいて、前記セパレータは、前記本体部と前記拡径部との間に径方向に延びる先端向き面又は後端向き面を有し、前記保持金具は、前記先端向き面又は前記後端向き面に接していてもよい。
このガスセンサによれば、セパレータを保持金具で確実に保持できる。

【0010】

本発明のガスセンサにおいて、前記保持金具は、前記大径部又は前記段部の少なくとも一方に接していてもよい。
このガスセンサによれば、保持金具を外筒８１内部に確実に保持できる。

【発明の効果】

【0011】

この発明によれば、使用中の振動等による外筒の破損を抑制したを得ることができる。

【図面の簡単な説明】

【0012】

【図1】本発明の実施形態にかかるガスセンサの断面図である。

【図2】端子金具の斜視図である。

【図3】保持金具付近の部分断面図である。

【図4】保持金具の上面図である。

【図5】保持金具の変形例を示す部分断面図である。

【発明を実施するための形態】

【0013】

本発明の実施形態について、図１～図４に基づいて詳細に説明する。図１は、本発明の実施形態にかかるガスセンサ１の断面図、図２は端子金具７５の斜視図、図３は保持金具８２付近の部分断面図、図４は保持金具８２の上面図である。

【0014】

図１において、ガスセンサ（ＮＯｘセンサ）１は、センサ素子２１と、軸線Ｏ方向に貫通してセンサ素子２１を挿通させる貫通孔３２を有するホルダ（セラミックホルダ）３０と、セラミックホルダ３０の径方向周囲を取り囲む主体金具１１と、セパレータ９１と、外筒８１と、保持金具８２とを備えている。
センサ素子２１のうち、検知部２２が形成された先端寄り部位が、セラミックホルダ３０より先端に突出している。
セラミックホルダ３０の貫通孔３２の後端側には、貫通孔３２に連通する充填用穴３０ｈが形成されており、センサ素子２１は、充填用穴３０ｈにシール材（本例では滑石）４１を充填することによって、セラミックホルダ３０の貫通孔３２内に気密に保持されている。

【0015】

セラミックホルダ３０の後端側には、複数の端子金具７５、７６を保持するセパレータ９１が配置されている。セパレータ９１は、有底円筒状をなし、後端側が底部９１ｅになっている。
また、セパレータ９１は、本体部９１ｔと、本体部９１ｔよりも先端側で本体部９１ｔよりも大径の拡径部９１ｓとを一体に有している。
また、セパレータ９１の中心部分には、センサ素子２１が配置される中心孔９１ｈが形成されており、底部９１ｅには端子金具７５，７６の挿通孔（図示せず）が形成されている。

【0016】

そして、端子金具７５，７６は、中心孔９１ｈを介してセンサ素子２１の電極パッド２４（図１）に接触している。
ここで、端子金具７５は、センサ素子２１の幅方向の両端側にそれぞれ１つずつ配置され、端子金具７６は、センサ素子２１の幅方向の中央に１つ配置されている。

【0017】

なお、図２に示すように、本例では端子金具７５は棒状端子（本例では断面が円形）であり、軸線Ｏ方向に延びる本体部７５ａと、本体部７５ａの先端をセンサ素子２１側に折り返したバネ接触部７５ｂとを一体に有している。そして、本体部７５ａに対してバネ接触部７５ｂが径方向に弾性的に撓むことで、バネ接触部７５ｂが電極パッド２４に接するようになっている。
一方、本体部７５ａの後端側が圧着端子を介してリード線７１に接続されている。
また、端子金具７５は、バネ接触部７５ｂの先端が軸線Ｏ方向に交差する方向に曲げられたストッパ部７５ｐを備え、バネ接触部７５ｂとストッパ部７５ｐとの間の屈曲部付近が電極パッド２４に接する接触部Ｃ１となっている。
端子金具７６も端子金具７５と略同一の構成を有する。

【0018】

図１に戻り、センサ素子２１の後端寄り部位はセラミックホルダ３０及び主体金具１１より後方に突出しており、その後端寄り部位に形成された各電極パッド２４に端子金具７５、７６が圧接され、電気的に接続されている。
なお、端子金具７６は、端子金具７５よりも先端側に配置されている。また、端子金具７６と所定の接触部（接触部Ｃ１と同様）を介して電気的に接続される電極パッド２４も、端子金具７５と接触部Ｃ１を介して電気的に接続される電極パッド２４よりも先端側に配置されている。
一方、端子金具７５、７６の後端側はリード線７１に接続され、リード線７１はシール材８５を通して外部に引き出されている。
また、電極パッド２４を含むセンサ素子２１の後端寄り部位は、外筒８１でカバーされている。以下、さらに詳細に説明する。

【0019】

センサ素子２１は軸線Ｏ方向に延びると共に、測定対象に向けられる先端側（図示下側）に、検知用電極等（図示せず）からなり被検出ガス中の特定ガス成分を検出する検知部２２を備えた帯板状（板状）をなしている。センサ素子２１の横断面は、先後において一定の大きさの長方形（矩形）をなし、セラミック（固体電解質等）を主体として細長いものとして形成されている。
このセンサ素子２１自体は、従来公知のものと同じものであり、固体電解質（部材）の先端寄り部位に検知部２２をなす一対の検知用電極が配置され、これに連なり後端寄り部位には、検知用出力取り出し用のリード線７１接続用の電極パッド２４が露出形成されている。

【0020】

また、本例では、センサ素子２１のうち、固体電解質（部材）に積層状に形成されたセラミック材の先端寄り部位内部にヒータ（図示せず）が設けられており、後端寄り部位には、このヒータへの電圧印加用のリード線７１接続用の電極パッド２４が露出形成されている。
図示はしないが、これら電極パッド２４は縦長矩形に形成され、例えばセンサ素子２１の後端寄り部位において、帯板の幅広面（両面）に３つ又は２つの電極端子が横に並んでいる。
なお、センサ素子２１の検知部２２に、アルミナ又はスピネル等からなる多孔質の保護層（図示せず）が被覆されている。

【0021】

主体金具１１は、先後において同心異径の筒状をなし、先端側が小径で、後述するプロテクタ５１、６１を外嵌して固定するための円筒状の円環状部（以下、円筒部ともいう）１２を有し、その後方（図示上方）の外周面には、それより大径をなす、エンジンの排気管への固定用のネジ１３が設けられている。そして、その後方には、このネジ１３によってセンサ１をねじ込むための多角形部１４を備えている。また、この多角形部１４の後方には、ガスセンサ１の後方をカバーする保護筒（外筒）８１を外嵌して溶接する円筒部１５が連設され、その後方には外径がそれより小さく薄肉のカシメ用円筒部１６を備えている。
なお、このカシメ用円筒部１６は、図１では、カシメ後のために内側に曲げられている。

【0022】

一方、主体金具１１は、軸線Ｏ方向に貫通する内孔１８を有している。内孔１８の内周面は後端側から先端側に向かって径方向内側に先細るテーパ状の段部１７を有している。

【0023】

主体金具１１の内側には、絶縁性セラミック（例えばアルミナ）からなり、概略短円筒状に形成されたセラミックホルダ３０が配置されている。セラミックホルダ３０は拡径部３１を有し、拡径部３１の先端向き面が段部１７に係止されつつ、セラミックホルダ３０が後端側からシール材４２、スリーブ４３等を介してカシメ用円筒部１６で押圧されている。これにより、主体金具１１内にセラミックホルダ３０が位置決めされ、かつ隙間嵌めされている。

【0024】

一方、センサ素子２１の先端部位は、本形態では、２層構造からなり、共にそれぞれ通気孔（穴）を有する有底円筒状のプロテクタ（保護カバー）５１，６１で覆われている。プロテクタ５１，６１の後端は、主体金具１１の円筒部１２に外嵌され、溶接されている。

【0025】

又、図１に示すように、センサ素子２１の後端寄り部位に形成された各電極パッド２４には、外部にシール材８５を通して引き出された各リード線７１の先端に設けられた各端子金具７５、７６がそのバネ性により圧接され、電気的に接続されている。そして、この圧接部を含む各端子金具７５、７６は、本例ガスセンサ１では、外筒８１内に配置された絶縁性のセパレータ９１内に設けられている。
そして、詳しくは後述するが、セパレータ９１は、外筒８１内に配置された保持金具８２に係止されている。

【0026】

一方、外筒８１の後端側の外面には保護外筒８３が嵌合されており、保護外筒８３の内側にシール材（例えばゴム）８５が配置されている。さらに、外筒８１と保護外筒８３との間には撥水性の通気フィルタ９５が介装されている。
また、リード線７１は外筒８１の後端部の内側に配置されたシール材８５を通されて外部に引き出されており、保護外筒８３を縮径カシメしてこのシール材８５を圧縮することにより、この部位の気密が保持されている。

【0027】

次に、図３，図４を参照して保持金具８２について説明する。
まず、外筒８１は、セパレータ９１の本体部９１ｔを収容する小径部８１ｔと、小径部８１ｔよりも大径で拡径部９１ｓを収容する大径部８１ｓと、大径部８１ｓと小径部８１ｔとを繋ぐ段部８１ｃと、を一体に備えている。
また、本例では小径部８１ｔは大径部８１ｓよりも後端側に配置されている。

【0028】

一方、保持金具８２は略円板状をなし、中央に開口部８２ｈを有する円板部８２ａと、円板部８２ａの一方の主面（図３，図４では上面又は後端向き面）の周方向に対向して配置される２つの弾性部８２ｃとを有する。
弾性部８２ｃは、軸線Ｏ方向に沿う断面が略Ｌ字状をなし、円板部８２ａの上面から後端側（上側）に向かって垂直に延びた立ち上がり部８２ｃ１を有し、立ち上がり部８２ｃ１からさらに径方向外側に向かって水平に延びた水平部８２ｃ２を有している。
そして、弾性部８２ｃの水平部８２ｃ２が径方向に押されると、立ち上がり部８２ｃ１が径方向に撓むことで、弾性部８２ｃが径方向に弾性的に変形してクッション効果を有する。

【0029】

そして、保持金具８２は、軸線Ｏ方向に大径部８１ｓと小径部８１ｔとを跨いで配置される。より詳細には、本例では、弾性部８２ｃのうち水平部８２ｃ２の径方向外側の端面８２ｃｅが小径部８１ｔの内面に接し、弾性部８２ｃのうち円板部８２ａの径方向外側の端面８２ａｅが大径部８１ｓの内面に接している。
また、保持金具８２は、開口部８２ｈにセパレータ９１の本体部９１ｔを貫通させるようにして、少なくとも本体部９１ｔの側面と小径部８１ｔの内面とに弾性部８２ｃが弾性的に接している。より詳細には、開口部８２ｈの内面が体部９１ｔの側面に接している。

【0030】

そして、保持金具８２の開口部８２ｈに接したセパレータ９１の本体部９１ｔが振動等によって径方向に振れると、小径部８１ｔの内面に接している弾性部８２ｃが上述のように径方向に撓む。
これにより、セパレータ９１の振れにより小径部８１ｔに掛かる荷重、ひいては小径部８１ｔを介して応力が集中し易い段部８１ｃに掛かる荷重を軽減し、使用中の振動等による外筒８１の破損を抑制することができる。

【0031】

なお、図４に示すように、本例では、弾性部８２ｃは、周方向に等間隔に（１８０度の間隔で）２個設けられている。

【0032】

また、本例では、セパレータ９１は、本体部９１ｔと拡径部９１ｓとの間に径方向に延びる後端向き面９１ｂを有し、保持金具８２（の円板部８２ａ）は、後端向き面９１ｂに接する。
これにより、セパレータ９１を保持金具８２で確実に保持できる。

【0033】

また、本例では、保持金具８２は、大径部８１ｓ（又は段部８１ｃ）の少なくとも一方に接している。これにより、保持金具８２を外筒８１の内部に確実に保持できる。

【0034】

以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において、様々な態様にて実施することが可能である。

【0035】

例えば、弾性部８２ｃの形状、個数は限定されず、例えば弾性部８２ｃが周方向に連続していてもよい。
また、図５に示す変形例の保持金具１８２のように、円板部１８２ａ上に弾性部１８２ｃが配置され、この弾性部１８２ｃは立ち上がり部１８２ｃ１と水平部１８２ｃ２を有している。そして、この立ち上がり部１８２ｃ１の径方向内側に凸部１８２ｐを設けてもよい。

【0036】

また、本発明を適用するガスセンサは、酸素センサに限られることはなく、端子金具を備えるガスセンサであれば、ＮＯｘセンサや水素センサなど他の種類のガスを検出するガスセンサであってもよい。
センサ素子も板型に限らず、筒型素子であってもよい。端子金具も棒状に限らず、金属板を加工した形状であってもよい。

【符号の説明】

【0037】

１ ガスセンサ
１１ 主体金具
２１ センサ素子
７５，７６ 端子金具
８１ 外筒
８１ｃ 段部
８１ｔ 小径部
８１ｓ 大径部
８２、１８２ 保持金具
９１ セパレータ
９１ｂ セパレータの後端向き面
９１ｔ 本体部
９１ｓ 拡径部
Ｏ 軸線

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】