(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
固体電解質及び電極を有する板状素子と、抵抗発熱体パターンをセラミック基体中に埋設したセラミックヒータと、が積層されてなり、測定対象のガスの種類又はガスの濃度を測定するガスセンサであって、前記板状素子もしくは前記セラミックヒータの表面にメタライズにより形成された表面導通部に対して、導電部材を接触させて導通を得る電気的接触構造を有するガスセンサにおいて、
前記導電部材は、前記表面導通部に接触する接点を備える形態をなし、
前記電極と前記表面導通部とを接続するために前記板状素子の積層方向に形成されたビア、もしくは、前記抵抗発熱体パターンと前記表面導通部とを接続するために前記セラミックヒータの積層方向に形成されたビアを備え、
前記導電部材の前記接点は、前記表面導通部に接触した状態で、前記ビアと重ならない位置に配置され、
前記導電部材の前記表面導通部と接触する部位の幅を、前記表面導通部の前記導電部材と接触する部位の幅より小さく設定したことを特徴とするガスセンサ。
【請求項２】
前記導電部材の前記表面導通部と接触する部位の幅を、前記表面導通部の前記導電部材と接触する部位の幅に対して、０．０５mm以上小さく設定した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】
前記導電部材の前記表面導通部と接触する部位の幅を、前記表面導通部の前記導電部材と接触する部位の幅に対して、５％以上小さく設定したことを特徴とする請求項１に記載のガスセンサ。
【請求項４】
前記導電部材と接触する前記表面導通部の接触部は、前記板状素子又は前記セラミックヒータの表面の短尺方向に並列して複数配列していることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載のガスセンサ。
【請求項５】
前記板状素子は、主としてセラミックスからなることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載のガスセンサ。
【請求項６】
前記導電部材は、耐熱性金属からなる端子金具であることを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載のガスセンサ。
【請求項７】
前記導電部材は、前記板状素子又は前記セラミックヒータの表面と複数箇所で接触していることを特徴とする請求項１〜６のいずれかに記載のガスセンサ。
【請求項８】
前記導電部材は、前記表面導通部との接触部分に、波板状又は鋸歯状の凹凸を備えたことを特徴とする請求項１〜７のいずれかに記載のガスセンサ。
【請求項９】
前記ガスセンサが、内燃機関の排気を浄化する触媒の下流側に配置される下流ガスセンサ、又は前記触媒の上流側に配置される上流ガスセンサであることを特徴とする請求項１〜８のいずれかに記載のガスセンサ。
【請求項１０】
前記表面導通部の周囲を覆うセラミックスリーブを有し、前記導電部材は、前記セラミックスリーブと前記表面導通部とに挟まれてなり、且つ前記導電部材は、フレーム本体と、該フレーム本体の一端側が折り曲げられて形成され、前記セラミックスリーブの下端面に当接する折曲部を有することを特徴とする請求項１〜９のいずれかに記載のガスセンサ。
【請求項１１】
前記セラミックスリーブには、前記導電部材を配置する溝部が形成されていることを特徴とする請求項１〜１０のいずれかに記載のガスセンサ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
本発明は、例えば自動車等の排気ガス中の酸素濃度を測定する酸素センサなどに用いることができるガスセンサに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、例えば混合ガス中から特定のガス成分の濃度を検出するガスセンサとしては、例えば図７に示す様な酸素センサが知られている。
この酸素センサは、排気管に固定するためのネジ部Ｐ１が外表面に形成された筒状の主体金具Ｐ２と、主体金具Ｐ２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尺状の検出素子Ｐ３と、検出素子Ｐ３を保持するために主体金具Ｐ２の筒内下方から順に積層されるセラミックホルダＰ４、タルク粉末Ｐ５、セラミックスリーブＰ６とを備えている。
【０００３】
このうち、前記検出素子Ｐ３は、その先端側（図中下方）には検出部Ｐ７が形成され、後端側には検出部Ｐ７にて生じた酸素濃淡電池起電力を外部から取り出すための複数の電極端子Ｐ８が形成されている。そして、各電極端子Ｐ８には、コネクタ部Ｐ９を介してリード線Ｐ１０が電気的に接続されている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、上記酸素センサでは、外部から振動を受けて検出素子Ｐ３自体が振動した場合には、検出素子Ｐ４がコネクタ部Ｐ９から外れてしまうおそれがあり、その結果、酸素濃度を正確に測定できなくなるおそれがあった。
【０００５】
この対策として、セラミックスリーブＰ６の貫通孔内にて、検出素子Ｐ３の表面に電極端子を設けるとともに、セラミックスリーブＰ６と検出素子Ｐ３との間に板状で長尺の端子金具を配置して、端子金具の一端と電極端子との導通を確保し、更に端子金具の他端とリード線Ｐ１０とを接続する技術が検討されているが、必ずしも十分ではない。
【０００６】
つまり、前記電極端子は、検出素子Ｐ３の表面にメタライズにより形成されるので、電極端子と端子金具とが長期間接触しているうちに、端子金具等の振動（特に端子金具の長手方向への振動）により電極端子のメタライズが剥離して、導通を確保できなくなるおそれがあった。
【０００７】
特に、端子金具の幅は電極端子の幅よりも大きくしているので、一箇所でも電極端子のメタライズが剥がれると、断線してしまう可能性がある。
本発明は、前記課題を解決するためになされたものであり、その目的は、例えば電極端子と金属金具との間の様な電気的接触構造においても、高い導通性を確保できるガスセンサを提供することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段及び発明の効果】
（１）請求項１の発明は、固体電解質及び電極を有する板状素子と、抵抗発熱体パターンをセラミック基体中に埋設したセラミックヒータとが積層されてなり、測定対象のガスの種類又はガスの濃度を測定するガスセンサであって、板状素子もしくはセラミックヒータの表面にメタライズにより形成された表面導通部（例えば電極端子）に対して、導電部材（例えば端子金具）を接触させて導通を得る電気的接触構造を有するガスセンサに関するものであり、本発明では、導電部材が、表面導通部に接触する接点を備える形態をなし、電極と表面導通部とを接続するために板状素子の積層方向に形成されたビア、もしくは、抵抗発熱体パターンと表面導通部とを接続するためにセラミックヒータの積層方向に形成されたビアを備え、導電部材の前記接点が、表面導通部に接触した状態で、ビアと重ならない位置に配置され、導電部材の表面導通部と接触する部位の幅（以下導電部材の幅とも記す）を、表面導通部の導電部材と接触する部位の幅（以下表面導通部の幅とも記す）より小さく設定している。
【０００９】
従って、幅方向と垂直の導電部材の長手方向の振動等により、導電部材と表面導通部とがその一部でこすれあっても（通常は数点の接点による接触）、導電部材の幅の範囲内の一部の表面導通部が剥離するのみである。つまり、表面導通部はその幅方向にて完全に剥離することがないので、剥離した部分の長手方向の導通などは確保されており、そのため、振動等が加わっても、断線が生じ難いという効果がある。
つまり、上述した電気的接触構造を備えたガスセンサは、振動等の過酷な条件で使用された場合でも、長時間にわたり断線が発生し難く、耐久性が極めて高いものである。これにより、電極からの信号を確実に取り出すことができたり、セラミックヒータに確実に電圧を印加することができる。
このガスセンサとしては、酸素の濃度を測定する酸素ガスセンサ、ＮＯｘの濃度を測定するＮＯｘがスセンサ、ＨＣの濃度を測定するＨＣガスセンサ、ＣＯの濃度を測定するＣＯガスセンサなどが挙げられる。
【００１０】
（２）請求項２の発明では、導電部材の幅を、表面導通部の幅に対して、０．０５ｍｍ以上小さく設定してある。
この幅の差があれば、振動等によっても断線が生じ難いという利点がある。
（３）請求項３の発明では、導電部材の幅を、表面導通部の幅に対して、５％以上小さく設定してある。
【００１１】
この幅の範囲内であれば、振動等によっても断線が生じ難く、しかも、通常時でも十分な導通を確保できるという利点がある。
（４）請求項４の発明では、導電部材と接触する表面導通部の接触部は、板状素子又はセラミックヒータの表面の短尺方向に並列して複数配列されている。
【００１２】
本発明は、表面導通部の形状を例示したものである。この形状により、例えば複数のリード線に対して導通を確保することができる。
【００１３】
（５）請求項５の発明では、板状素子は、主としてセラミックスからなる。
本発明は、板状素子の材質を例示したものであり、ここでは、例えばジルコニアなどが挙げられる。
【００１４】
（６）請求項６の発明は、導電部材は、耐熱性金属からなる端子金具である。
本発明は、導電部材を例示したものであり、ここでは、例えばＪＩＳ：ＳＵＳ６３０、インコネル７５０（登録商標）、インコネル７１（登録商標）などの耐熱性金属からなる端子金具が挙げられる。
【００１５】
（７）請求項７の発明では、導電部材は、板状素子またはセラミックヒータの表面と複数箇所で接触している。
本発明は、導電部材の接触の状態を例示したものである。この様に複数箇所で接触することにより、より確実に導通を保つことができる。
【００１６】
（８）請求項８の発明では、導電部材は、表面導通部との接触部分に、波板状又は鋸歯状の凹凸を備えている。
この波板状又は鋸歯状の凹凸は、バネとして機能して、導通の信頼性を高めることができる。また、波板状又は鋸歯状の凹凸が、例えばセラミックス製の検出素子又はセラミックヒータとセラミック製のスリーブとの間に配置される場合には、左右のセラミック製の部材との緩衝機能を発揮し、例えば衝撃により検出素子が破損することを防止することができる。
【００２１】
（９）請求項９の発明では、ガスセンサが、内燃機関の排気を浄化する触媒（例えば三元触媒）の下流側に配置される下流ガスセンサ、又は触媒の上流側に取り付けられる上流ガスセンサ（制御ガスセンサ）である。
【００２２】
本発明は、ガスセンサの使用位置及びその用途を例示したものである。
（１０）請求項１０の発明は、表面導通部の周囲を覆うセラミックスリーブを有し、導電部材は、セラミックスリーブと表面導通部とに挟まれてなり、且つ導電部材は、フレーム本体と、該フレーム本体の一端側が折り曲げられて形成され、セラミックスリーブの下端面に当接する折曲部を有する。
（１１）請求項１１の発明は、セラミックスリーブには、導電部材を配置する溝部が形成されている。

【００２３】
本発明は、ガスセンサの構造を例示したものであり、これにより、前記請求項１と同様に、確実に導通を保つことができる。
【００２４】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明のガスセンサの実施の形態の例（実施例）について説明する。
（実施例）
本実施例のガスセンサは、例えば自動車の排気系に取り付けられて、検出ガス（排気ガス）中の酸素濃度を測定する酸素センサ（ガスセンサ）である。
【００２５】
ａ）まず、本実施例の酸素センサの構成について、図１〜図３に基づいて説明する。尚、図１は酸素センサの全体構成を示し、図２は検出素子の構成を示し、図３は電極端子の電気的接触構造を示している。
図１に示す様に、酸素センサ１は、筒状の主体金具３と、主体金具３の筒内に挿入される長板状の検出素子５と、検出素子５を保持するために主体金具３の筒内下方から積層されるセラミックホルダ７、タルク粉末９、セラミックスリーブ１１と、検出素子５にて検出された信号（即ち、酸素濃淡電池起電力）を取り出すため等に用いる複数（本実施例では４本）の長尺状のリードフレーム（端子金具）１３とを備えている。
【００２６】
また、主体金具３の先端側（図中下方）外周には、検出素子５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１５が溶接等によって取り付けられている。
一方、主体金具３の後端側（図中上方）外周には、外筒１７が溶接等により固定されている。また、外筒１７の後端開口部１７ａには、検出素子５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１９が挿通される）リード線挿通孔２１が形成されたセラミックセパレータ２３とグロメット２５とが配置されている。
【００２７】
上記構成のうち、検出素子５は、長方形状の軸断面を有し、図２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２７と、酸素濃淡電池素子２７を活性化させるためのヒータ２９とが積層されて形成されている。
尚、酸素濃淡電池素子２７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２９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３１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。
【００２８】
前記酸素濃淡電池素子２７は、その長手方向の一端側（図中左方）にて、両面に多孔質電極３３，３５が形成されており、両電極３３，３５とそれらの間に挟まれる固体電解質部分とが検出素子５の検出部３７を構成している。
また、多孔質電極３３，３５には、酸素濃淡電池素子２７の長手方向に沿って酸素センサ１の後端側に向けて延びる電極リード部３７，３９が、一体に形成されている。
【００２９】
この内、ヒータ２９と対向しない側の電極３３からの電極リード部３７は、その末端が電極端子（表面導通部）４１として用いられる。また、ヒータ２７に対向する側の電極３５の電極リード部（内部導通部）３９は、図３に示すように、酸素濃淡電池素子２７を厚さ方向に横切るビア４３により、反対側の素子面に形成された電極端子４５と接続されている。
【００３０】
一方、前記ヒータ２９には、図２に示す様に、抵抗発熱体パターン３１に導通するための二本のリード部（内部導通部）４７、４９が形成され、ヒータ２９の酸素濃淡電池素子２７と対向しない側の板面末端に形成された電極端子（表面導通部）５１，５３に、図３に示すように、それぞれビア５５を介して接続されている。
【００３１】
尚、各電極端子４１、４５、５１、５３は、いわゆるメタライズにより形成されたものである。
このように構成された検出素子５は、図１中に示すように、先端側（図中下方）の検出部３７が、排気管に固定される主体金具３の先端より突出した状態で、この主体金具３内に固定される。しかも、検出素子５の電極端子４１，４５，５１，５３が形成された側の端部側の周囲が、セラミックスリーブ１１に覆われた状態で固定される。
【００３２】
ｂ）次に、本実施例の要部である、リードフレーム１３がセラミックスリーブ１１と検出素子５に挟まれてなる電気的接触構造について、図３及び図４に基づいて説明する。
まず、前記セラミックスリーブ１１は、図４（ａ）や図４（ａ）中に記したＡ方向（即ち、下端面方向）から、当該セラミックスリーブ１１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５７が形成され、中心軸に沿って挿通孔５９が形成されている。
【００３３】
そして、挿通孔５９では、検出素子５の電極端子４１，４５，５１，５３が形成された側の板面に対応する側の内壁の隅には、それぞれ溝部６１が形成されている。つまり、挿通孔５９には、４つの溝部６１が形成され、これにより、挿通孔５９は、断面が「エ」字状を呈している。
【００３４】
一方、リードフレーム１３は、図４（ｃ）に示すように、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１３は、フレーム本体６３と、フレーム本体６３の一端側が折り曲げられて形成された折曲部６５と、フレーム本体６３の折曲部６５側に形成された波状部分６７とを備える。また、リードフレーム１３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等のステンレス鋼にて形成されている。
【００３５】
また、本実施例では、図３（ａ）に（検出素子５を電極端子４５、５３を含む平面で長手方向に破断して）示す様に、検出素子５の酸素濃淡電池２７内に形成された電極リード部３９は、複数のビア４３にて、酸素濃淡電池２７の表面の電極端子４５と電気的に接続されている。しかも、これらのビア４３は、リードフレーム１３が電極端子４５と接触する接点間に位置する様に形成されている。
【００３６】
また、同様に、ヒータ２９内に形成されたリード部４７、４９（図では４９のみを示す）は、複数のビア５５にて、ヒータ２９の表面の電極端子５１、５３（図では５３のみを示す）と電気的に接続されている。しかも、これらのビア５５は、リードフレーム１３が電極端子５１、５３と接触する接点間に位置する様に形成されている。
【００３７】
特に、本実施例では、図３（ｂ）に（電極端子４３をリードフレーム１３側から見た状態を）示す様に、リードフレーム１３の幅（Ｗ１）を電極端子４３の幅（Ｗ２）より狭く設定している。尚、他のリードフレーム１３と電極端子５１、５３との幅の関係も同様である。
【００３８】
具体的には、リードフレーム１３の幅は０．９５ｍｍ、電極端子４３の幅は１．００ｍｍであり、リードフレーム１３の幅は電極端子４３の幅より０．０５ｍｍ以上小さく設定されている。これを幅の割合で示すと、リードフレーム１３の幅は電極端子４３の幅より５％以上小さく設定されていることになる。
【００３９】
そして、上述した構成においては、図４（ｄ）に示すように、セラミックスリーブ１１の挿通孔５９の溝部６１に、リードフレーム１３を配置した上で、この挿通孔５９に検出素子５が挿通される。その際、検出素子５の電極端子４１，４５，５１，５３に、リードフレーム１３の波状部分６７が当接すると共に、折曲部６５がセラミックスリーブ１１の下端面に当接するように当該リードフレーム１３を配置し、しかも、フレーム本体６３の折曲部６５とは反対側の端部（図中上方）をセラミックスリーブ１１から突出させた状態で当該リードフレーム１３を配置する。
【００４０】
ここで、セラミックスリーブ１１に検出素子３を挿通する際には、リードフレーム１３の波状部分６７が検出素子３からの圧力を受けて、図４（ｂ）の矢印方向に弾性変形する。この結果、セラミックスリーブ１１の溝部６１と、検出素子３の電極端子４１，４５，５１，５３との間の隙間が無くなるように密着して、検出素子５がセラミックスリーブ１１にしっかりと固定される。
【００４１】
ｃ）次に、酸素センサ１を組み立てる手順の一例について、図５を用いて説明する。
まず、図５（ａ）に示すように、セラミックスリーブ１１の挿通孔５９に、検出素子３と、セラミックスリーブ１１の挿通孔５９の溝部６１の内壁とで、リードフレーム１３を挟み込むようにして、検出素子５及びリードフレーム１３を挿通する。このとき、検出素子５の電極端子が形成された側の端部の位置が、セラミックスリーブ１１の突出部５７上端部（図中上方）の位置とほぼ同じとなるように検出素子５を配置し、リードフレーム１３の折曲部６５の上面がセラミックスリーブ１１の下端面に当接するように配置する。
【００４２】
尚、この状態では、検出素子５は、リードフレーム１３及びリードフレーム１３の波状部分６７の弾性変形を受けて、セラミックスリーブ１１の挿通孔５９にしっかりと固定された状態となる。
次に、図５（ｂ）に示すように、主体金具３の筒内下方からセラミックホルダ７とタルク粉末９とを順に配置し、この状態のタルク粉末９の上に、検出素子５が固定された状態のセラミックスリーブ１１を、検出素子５の検出部３７側が主体金具３の開口下端から突出した状態となるように配置する。
【００４３】
そして、セラミックスリーブ１１の突出部５７の周囲の端面状に加締リング７１を配置し、図４（ｃ）に示すように、主体金具３の後端部を加締リング７１を介してセラミックスリーブ１１側に加締める。これにより、タルク粉末９が加圧充填され、この結果、検出素子５、セラミックホルダ７、セラミックスリーブ１１と主体金具３とがしっかりと固定される。
【００４４】
その後、図４（ｄ）に示すように、主体金具３の先端外周にプロテクタ１５を溶接等により固定する。
そして、図４（ｅ）に示すように、各リードフレーム１３の端部（図中上方）にリード線１９を抵抗溶接して固定し、このリード線１９を、セラミックセパレータ２３及びグロメット２５のリード線挿通孔２１にそれぞれ挿通して、引き出しておく。
【００４５】
次いで、リード線１９、セラミックセパレータ２３、グロメット２５等を内側に収容するようにして、外筒１７をこの状態の主体金具３の上方から被せて、主体金具３の後端側外周に、外筒１７の先端（図中下方）を溶接する等して外筒１７を固定する。
【００４６】
そして、図４（ｆ）に示すように、外筒１７の後端側を、外周に沿って加締めてグロメット２５を固定する。
以上の手順により、酸素センサ１を組み立てることができる。
ｄ）次に、本実施例の酸素センサ１の使用位置について、図６に基づいて説明する。
【００４７】
図６に示す様に、例えば自動車の内燃機関（エンジン）８１には、燃焼したガス（排気）を外部に排出するために排気管８３が接続されており、排気管８３の途中には、排気を浄化するために三元触媒８５が取り付けられている。
本実施例の酸素センサ１は、三元触媒８５の下流側に取り付けられる下流ガスセンサ（モニタガスセンサ）として使用されるものであり、三元触媒から排出される排気中の酸素濃度を検出し、その信号を電子制御装置（ＥＣＵ）８７に出力する。
【００４８】
従って、この酸素センサ１により検出された値が適切な範囲である場合には、三元触媒にて好適に排気の浄化が行われていることが分かる。
尚、本実施例の酸素センサ１と同様な構成の酸素センサ２を、三元触媒８５の上流側に取り付けて、いわゆる上流側ガスセンサ（制御ガスセンサ）として使用することもできる。この場合は、エンジン８１から排出された排気中の酸素濃度を検出し、その信号をＥＣＵ８７にて判断して、燃料供給量や吸気量等を調節することにより、好適な空燃比制御などを行うことができる。
【００４９】
ｅ）この様に本実施例の酸素センサ１では、独自の電気的接触構造を備えており、この電気的接触構造において、リードフレーム１３は、（メタライズにより形成された）電極端子４５、５１、５３に接触する接点を複数備えるとともに、電極端子４５、５１、５３は、検出素子５の内部に設けられた電極リード部３９及びリード部４７、４９からそれぞれ複数のビア４３、５５を介して導通を得ている。
【００５０】
特に、本実施例では、リードフレーム１３の幅は、電極端子４５、５１、５３の幅より小さく設定されている。
従って、リードフレーム１３の長手方向の振動等により、リードフレーム１３と電極端子４５、５１、５３とがその接点でこすれあっても、電極端子４５、５１、５３は、リードフレーム１３の幅に相当する部分が剥離するのみである。つまり、電極端子４５、５１、５３は、リードフレーム１３の幅より外の部分は剥離せずにつながっているので、電極端子４５、５１、５３が多少剥離したとしても、断線が生じ難いという顕著な効果がある。
【００５１】
尚、本発明は前記実施例になんら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種々の態様で実施しうることはいうまでもない。
例えば、リードフレームに、波状部分を設けるのではなく、鋸歯状の部分を設けてもよい。
【図面の簡単な説明】
【図１】  実施例の酸素センサを破断して示す説明図である。
【図２】  実施例の酸素センサの検出素子を分解して示す斜視図である。
【図３】  （ａ）電極端子の近傍の電気的接触構造を示す断面図、（ｂ）は電極端子をリードフレーム側から見た状態を示す説明図である。
【図４】  （ａ）はセラミックスリーブを一部破断して示す説明図、（ｂ）はセラミックスリーブの先端側の底面を示す説明図、（ｃ）はリードフレームを示す側面図、（ｄ）セラミックスリーブとリードフレームの概略構成を示す説明図である。
【図５】  実施例の酸素センサの組み付け手順を示す説明図である。
【図６】  実施例の酸素センサの使用方法を示す説明図である。
【図７】  従来技術の説明図である。
【符号の説明】
１…酸素センサ
３…主体金具
５…検出素子
１１…セラミックスリーブ
１３…端子金具
３７、３９…電極リード部
４１、４５、５１、５３…電極端子
４３、５５…ビア
４７、４９…リード部
６７…波状部分
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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