JP4176697B2 - ガスセンサ - Google Patents

Description

本発明は、内燃機関において排出される排気ガスなどの被測定ガス中の酸素濃度を検出するための酸素センサなどのガスセンサに関し、詳しくは、その検出素子を活性化温度まで短時間で加熱するようにその検出素子内にヒーターを配置してなるガスセンサに関する。

この種のガスセンサの代表的なものである酸素センサは、内外面に、それぞれ電極層を有する、先端が閉塞された中空軸状（筒状）の検出素子（以下、単に素子ともいう）と、この検出素子を内側に保持して、排気ガス管に取付けられる金具本体（主体金具ともいわれる）等からなっている。この酸素センサは、金具本体を介して内燃機関の排気ガス管に取付けられ、素子の内壁面（内面）の電極層（基準電極層）を基準ガス（大気）に、外壁面（外面）の電極層（測定電極層）を排気ガスに接触させ、素子内外面の酸素濃度差に対応して両電極間に起電力を生じさせ、この起電力に基づく信号を制御回路に出力し、排気ガス中の酸素濃度を検知して空燃比制御するのに使用される。

このような酸素センサには、図１２に示したように、その内部の検出素子２１の中空部内に、検出素子２１を加熱するため、棒状（軸状）をなすヒーター６１が内挿されているものがある。同図中のＡは、センサ内の素子２１と、端子金具７１、及びヒーター６１との位置関係を示す部分断面側面図であり、同図中のＢはＡの部分断面右側面図であり、同図中のＣはＢにおけるＣ−Ｃ線断面図である。そして、このものにおいては、そのヒーター６１が次記するように同中空部の内壁面（内面ともいう）２２に押し付けられるように構成されている（例えば、特許文献１参照）。ただし、このヒーター６１は、素子２１の中空部の内壁面２２の電極層（図示せず）に接続される端子金具７１における筒状の通電部７３の内側を通されて、端子金具７１とともに押し込まれて検出素子２１の中空部内に配置されている。ここで、端子金具７１の通電部７３は、それ自身のバネ性によって内面の電極層に押付けられ、それによって導通をとるようにされている。この通電部７３を含む端子金具７１は、バネ性を有する金属薄板を打ち抜き形成し、これを曲げ加工してなるもので、その通電部７３は、側部に切れ目状の開口Ｍのある筒状（環状）とされ、自由状態においては、その外径が素子２１の中空部の電極層の位置の内径より大きくされている。

このような通電部７３は、中空部の奥所側（図１２Ａ、Ｂ下側）に位置する端部位より先に、ヒーター６１を中空部の内壁面２２に押し付けるように形成されたヒーター押し付け部８８を備えている。このヒーター押し付け部８８は、通電部７３の内側にヒーター６１を通して端子金具７１を素子２１の中空部内に押し込んだ際の通電部７３の変形とともに、通電部７３を軸線Ｇ方向から見て、その軸線Ｇを挟んで、切れ目状の開口Ｍと反対側に向けて変形するように形成されており、その変形でヒーター６１を同方向（図１２−Ｂの矢印Ａ方向）に向けて押し付けるようにされている。具体的には、このヒーター押し付け部８８は、開口Ｍを挟んで通電部７３の下側に形成され、軸線Ｇ方向から見たとき、通電部７３より小径をなし、それぞれ、例えば１／４円弧状に形成されており、両方で開口Ｍを挟んで半円弧状をなしている。こうして、通電部７３内を通したヒーター６１をこの半円弧状の部位の内側に位置させ、通電部７３を素子２１の中空部内に押込んだ状態において、同ヒーター６１を切れ目状の開口Ｍと反対側に横押し、中空部の内壁面２２の一側（図１２−Ａ右側）に押し付けるように構成されている。

ところで、このような従来の酸素センサに用いられている端子金具７１のうち、素子２１の内面２２の電極層と接続される通電部７３における切れ目状の開口Ｍを挟んで対向する両側端辺部７８は、特許文献１のものでは、軸線Ｇに沿う方向に直線状に形成されていた。このため、これを素子２１の中空部内に押し込む時には、切れ目状の開口Ｍが閉じるように変形すると同時に、軸線Ｇ方向から見て、その開口Ｍと軸線Ｇを挟んで対応する部位７３ｃとの間の径を縮径するようにして絞り込まれる形で変形する。ここで、端子金具７１は、電極層との確実な通電確保のため、さらには、ヒーター６１を確実に横押しするため、強いばね性があるものとして形成されているため、端子金具７１の押し込みには、かなりの荷重を付与する必要があった。そして、このようにして押し込まれた通電部７３は、軸線方向から見ると、中空部の内壁面２２に、例えば図１２−Ｃに示したように、切れ目状の開口Ｍを挟む２つの側端辺部７８寄り部位の外周面７３ａと、開口Ｍと軸線Ｇを挟んで対応する外周面７３ｃのいわば３点での接触となるように構成されていた。
特開２００１−０６６２８１号公報

上記した特許文献１のセンサのように、端子金具７１の通電部７３における切れ目状の開口Ｍを挟む２つの側端辺部７８が直線状に形成されているものでは、これを素子２１の中空部に押し込むときは、通電部７３の外周面のうちで両方の側端辺部７８寄りの所定幅部分の外周面７３ａが、中空部の内壁面２２と接触し続けながら押し込まれることになっていた。つまり、通電部７３の開口Ｍ寄り部位では外周面７３ａが素子２１の内壁面２２と接触しながら押し込まれることになっていたため、押し込みにおける抵抗が大きく、したがって、大きな押し込み力を必要としていた。その結果として、ヒーター６１における素子２１の内壁面２２に対する接触状態にばらつきが発生しやすいといった問題があった。というのは、端子金具７１の押し込みにおける抵抗が大きいと、結果として、その内側に配置されて同時に内挿されるヒーター６１が検出素子２１の中空部内において位置ずれや傾きを生じやすく、正しく或いは設計通りの横押し状態で素子２１の内壁面２２に接触しにくいためである。これにより、特許文献１のセンサでは、素子の昇温性能にばらつきが発生することがあった。

一方、このような大きな押し込み力を不要とするため、特開２０００−０４６７８７号公報記載のもののように、端子金具の通電部における切れ目状の開口を挟む左右２つの側端辺部（図１２の側端辺部７８）を、互い違いに（非対称）の凹凸に形成することも考えられる。このようにすれば、その押し込みにおいて、切れ目状の開口を挟む２つの側端辺部における外周面が、上記した特許文献１のセンサにおける通電部の側端辺部のように直線状のため、広い幅で接触をし続けるということはない。したがって、素子の内壁面に対する全体としての接触面積を減らせるため、押し込み力を小さくできる。すなわち、このようにすれば、開口を挟んで対向する側端辺部における凹凸の凸部が、切れ目状の開口を挟んで左右交互に接触するため、押し込み開始時の初期荷重は大きいものの、接触面積の低減が図られ、最大必要押し込み力は低減できる。

ところが、このものでは、その押し込み過程で次のような問題があることが判明した。というのは、切れ目状の開口を挟んで対向する一方の側端辺部における凸部が、検出素子の開口端から中空部内に入り込み始めるときは、他方の側端辺部における対向する部位では、凸部ではなく凹部が開口端から中空部内に入り込み始める。このため、この入り込み始めには、前者である一方の側端辺部における凸部側の通過に比べれば、後者である他方の側端辺部における凹部側の通過における抵抗の方が小さい。したがって、このとき通電部は、開口に対して押し込みにおける抵抗の小さい、他方の側端辺部側（凹部側）に傾いてしまう。さらに、押し込みが続くと、今度は、前とは逆の方に傾くことになる。したがって、このように、通電部における切れ目状の開口を挟む左右２つの側端辺部を、互い違いに（非対称）の凹凸に形成したものでは、その押し込み過程において、通電部がその切れ目状の開口を挟んでその両側端辺部の凹凸に対応して左右に交互に振れながら挿入されることになる。このため、押し込み完了時において、通電部は中空部内においてその左右に微小な傾斜を生じることとなっていた。

一方、通電部の押し込み完了時には、その通電部に接続されたヒーター押し付け部によって、通電部内に通されているヒーターは、軸線方向から見て、軸線を挟んで、切れ目状の開口とその反対側とを結ぶ方向に、中空部の内壁面に押し付けるように形成されている。このとき、微小とはいえ、通電部が開口を挟んで左右に傾斜があると、ヒーター押し付け部から適切な弾性力（弾性復元力）が発揮されずに、ヒーターは素子の内壁面の設計上の一側に正しく押付けられないことになる。これにより、結果として、素子の昇温速度にばらつきが発生するという問題があった。

本発明は、こうした問題点に鑑みてなされたもので、端子金具の通電部を、素子の中空部内に押し込む際において、その押し込み力の増大を招くことなく、しかも、その押し込み後において、通電部が切れ目状の開口を挟んで傾斜することなく、ヒーターが正しく素子の中空部の中心軸線に対して交差する方向に押されるようにしたガスセンサを提供することを目的とする。

請求項１に記載の本発明は、先端が閉じた中空軸状をなし、少なくともその中空部の内壁面に電極層を有する検出素子と、前記中空部内に押し込まれて前記電極層と電気的に接続されて該中空部内に配置される筒状の通電部を有する端子金具と、前記検出素子を加熱するために該中空部内に前記通電部の内側を通されて配置された軸状をなすヒーターとを備えてなるガスセンサであって、
前記端子金具の前記通電部は、バネ性を有する金属板を曲げて自身の側部に通電部の軸線方向に沿う切れ目状の開口を有する筒状に形成され、前記中空部の奥所側に位置する端部位より先に、前記ヒーターを前記中空部の中心軸線に対して交差する方向に押圧するヒーター押し付け部を備えており、
前記端子金具における前記切れ目状の開口を挟む左右の両側端辺部を、該開口を挟んで左右略対象に、各側端辺部においてそれぞれ少なくとも１つの凹部と凸部とを連続して有する凹凸に形成してなり、
前記ヒーター押し付け部は、前記軸線方向から見て、該軸線を挟んで、前記切れ目状の開口からその反対側の方向に向けて前記ヒーターを押圧しつつ、前記ヒーターを前記検出素子の内壁面に押し付けるように形成されていることを特徴とするガスセンサである。

請求項２に記載の本発明は、前記凹凸は、その凸部の頂部が円弧状に形成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である。

請求項３に記載の本発明は、前記端子金具は、前記軸線方向から見て、該軸線を挟んで、前記切れ目状の開口と反対側に、前記中空部の奥所側に位置する端側から切り込まれた切欠き部を有するとともに、該切欠き部は後端側に向かって略一定幅とされかつその底がＵ字形状又は円弧状の凹設されていることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載のガスセンサである。

請求項４に記載の本発明は、前記端子金具は、前記軸線方向から見て、該軸線を挟んで、前記切れ目状の開口と反対側に、前記中空部の奥所側に位置する端側から切り込まれた切欠き部を有するとともに、該切欠き部は後端側に向かうにしたがって縮径する部を有していることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載のガスセンサである。

本発明の請求項１に記載のガスセンサによれば、端子金具の切れ目状の開口を挟んで対向する両側端辺部が、ともに直線でなく、対称をなす凹凸に形成されている。このため、端子金具をヒーターとともに、素子の中空部内に押し込むときには、押し込み開始時の初期荷重は比較的大きいものの、その後、押し込み終了時まで大きな変化もなく、従来よりも、挿入に要する最大の力（荷重）を低減できる。しかも、両側端辺部が左右対称をなす凹凸に形成されているため、押し込み過程で左右の振れもなく押し込むことができるため、ヒーターを正しく素子の中空部の中心軸線に対して交差する方向に押圧することができる。すなわち、本発明のガスセンサによれば、端子金具の通電部を、素子の中空部内に押し込む際において、その押し込み力の低減がはかられる上、その押し込み過程、押し込み後においては、通電部が切れ目状の開口を挟んで左右へ傾斜することを防止できる。その結果、ヒーターをその開口を挟む左右への傾斜を発生させることなく、正しく素子の中空部の中心軸線に対して交差する方向に押圧することができる。

また、端子金具の通電部に連結されるヒーター押し付け部を、通電部の軸線方向から見て、この軸線を挟んで切れ目状の開口とその反対側とを結ぶ方向に、即ち、この軸線を挟んで切れ目状の開口からその反対側の方向に、前記ヒーターを押圧して、ヒーターを検出素子の内壁面に押し付けるように形成することにより、上記に記載の構成の効果と相俟って、通電部の軸線方向から見て、同軸線を挟んで開口からその反対側の方向にヒーターを正しく押し付けることができる。したがって、ヒーターを素子の内壁面に端子金具（詳細には、ヒーター押し付け部）を用いて押し付ける設計を採用する場合、本発明のガスセンサによれば、ヒーターを検出素子の内壁面における狙い位置に精度良く押し付けることができるため、素子の昇温速度の個体間ばらつきが発生し難いガスセンサを効率良く提供することができる。

なお、端子金具の素子の中空部内に対する押し込み抵抗の低減のため、請求項２に記載のように、前記凹凸は、その凸部の頂部が円弧状に形成されているとよい。

端子金具の通電部における素子の中空部に対する押し込みを容易とするため、端子金具は、前記軸線方向から見て、該軸線を挟んで、前記切れ目状の開口と反対側に、前記中空部の奥所側に位置する端側から切り込まれた切欠き部を設けるのが好ましい。このような切欠き部を設けることで、挿入開始時における端子金具の挿入抵抗の低減を図ることができる。なお、この切欠き部は、請求項３に記載のようにすると、通電部の奥所側部位の強度アップを図ることができ、安定してヒーターを素子の内壁面に対して押し付けることができる。また、請求項４に記載のようにすると、素子の中空部への端子金具の押込みの円滑化が有効に図られる。

以下、本発明を実施するための最良の形態について、図１〜７に基づいて詳細に説明する。図中、１は、酸素センサであり、段付円筒状をなす金具本体１１（以下、単に本体１１ともいう）の内側に、内外壁面にそれぞれ電極層（図示せず）を有し先端が閉塞された筒状（中空円軸状）の検出素子２１（以下、単に素子２１ともいう）が気密を保持して固定されている。素子２１は、中間部に外径が一定幅で大径とされた大径部２３を備えており、先端は金具本体１１の先端から突出している。そして、この素子２１は、金具本体１１の内側の段部にワッシャー５１を介して絶縁リング５２を配置し、この絶縁リング５２の図示上部内周縁の凹部に、その大径部２３を板パッキン（図示せず）を介して受けさせ、さらにシール材（滑石）５３、及び押圧用リング５４等を介在させ、シール材５３を圧縮して気密状に金具本体１１内に固定されている。

この固定は、本体１１の後端（図示上端）の内側において、押圧用リング５４の後端に平ワッシャ５５を配置し、本体１１の後端の薄肉筒部１８の端部を内側に曲げて先端側に圧縮するようにかしめることによっている。なお、本体１１は、図示上下方向の中間部位の外周にねじ込み用多角形部１２を備えており、それより先端側には、排気管へのねじ込み用のねじ部１４、小径筒部１６を順次一体的に備えており、この小径筒部１６には、突出する素子２１の先端を保護する通気孔付の保護カバー２０が取り付けられている。また、多角形部１２と後端の薄肉円筒部１８との間には厚肉円筒部１７を備えており、厚肉円筒部１７には、詳しくは後述するケーシングをなす保護筒３１が外嵌され、同保護筒３１の先端面３１ａをねじ込み用多角形部１２の後端側フランジ面１３に当接した状態の下で、全周レーザー溶接されている。なお、本体のねじ込み用多角形部１２とねじ部１４との間には、シール用ワッシャー９が嵌められている。

一方、検出素子２１の内側である中空部Ｔは、横断面が円形で先端に向かって若干縮径するテーパー状に本体１１の軸線Ｇと同心で形成されている。そして、検出素子２１の後端２５のうちの中空部寄りの角には面取り２６が付けられている。また、中空部Ｔの中には、同検出素子２１を加熱するため、円断面で棒状（軸状）をなすヒーター６１が内挿されている。ただし、ヒーター６１は次記するように、図１拡大図中の矢印Ａで示したように、素子２１の内面（中空部の内壁面）２２の一側方（図１右側）に押し付けられている。このヒーター６１は、素子２１の内壁面（内面）２２の電極層に接続されるように配置された、本発明の要旨をなすところの端子金具（内面用端子金具ともいう）７１における筒状の通電部７３の内側を通されて、検出素子２１の中空部Ｔ内に配置されている。この内面用端子金具７１についての詳細は後述する。一方、素子２１の外面（外側）に形成された電極層には、別の端子金具（外面用端子金具ともいう）９１の通電部９３が外嵌されている。そして、各端子金具７１，９１の通電部の上にはそれぞれリード線部７４、９４が延びており、その端のコネクタ部７５，９５には、それぞれリード線４１が接続されている。

そして、各リード線４１は、アルミナ等の電気的な絶縁材からなるセパレーター９６に形成された各配線用空孔を通され、そして、酸素センサ後端に配置されたシール材９９に形成された各配線用空孔を通されて、その後端部１０１から引き出されている。なお、セパレーター９６、およびシール材９９ともに略円柱状又は円筒状に形成され、各配線用空孔（４箇所）は、軸線Ｇ方向から見て同心の一円周上に等角度（９０度）間隔で設けられている。なお、セパレーター９６の上端部外周には周方向にわたってフランジ９７が突出状に形成されており、保護筒３１の上部内側に断続的に周設された凸部３６にて受けられている。そして、セパレーター９６の下面の中央にはヒーター６１の後端寄り部位を内挿可能の空孔が形成されている。ただし、そのヒーター用の空孔は、配線用空孔の軸線寄りの周面に切り込んでおり、図示はしないが、セパレーター９６を下から見たときの下面寄り部位は空孔にて十字状を呈している。

一方、ヒーター６１は、その先端部（図１下端部）の一側（図１右側）に発熱部６２を備えており、後端部の側面には、この発熱部６２に連なる通電用の一対の端子６４を備えており、同端子６４には、それぞれ各リード線４１が接続されている。そして、各リード線４１は上記した内側端子金具７１に接続されたリード線と同様にして同セパレーター９６、シール材９９の配線用空孔を通され、センサの後端部１０１から引き出されている。こうしたセパレーター９６及びシール材９９は、保護筒３１によってカバーされている。保護筒３１は、本形態では先端側（図１の下側）の約半分が大径部３２で、後端側の約半分がテーパー部３４を介して小径部３３とされ、小径部３３の適所３７をかしめ変形させてシール材９９を固定している。なお、図１中の１０２は、キャップ状に形成された撥水性のある通気部材であり、金属パイプ１０３に被せた状態で、シール材９９中に貫通状に配置され、素子２１の内側に大気を導入するようにされている。

さて次に、本発明の要旨をなす内側端子金具７１について、図１〜図３に基づいて詳細に説明する。すなわち、この端子金具７１は、図２に示したような形状に打ち抜かれた金属薄板（耐食耐熱超合金板）７０を１つの直線Ｇの回りに曲げ加工するなどして、図１及び図３に示した形状に形成されている。図３のＡは、図１において同端子金具７１のみを左側から見た図であり、Ｂは右側から見た図である。この端子金具７１は、通電部７３が、側部に切れ目状の開口Ｍのある筒状とされ、中央の軸線Ｇに直角な面（以下、軸直交断面ともいう）で切断したときは、図４に示したように、概ね馬蹄形を呈している。そして、この端子金具７１は、自由状態におけるその通電部７３の最大外径が素子２１の中空部Ｔ内における電極層（図示せず）の位置の内径より大きく形成されており、図４のＡ、Ｂに示したように、中空部内にバネ性によって縮径されてセットされるように設定されている。なお、図４のＡに示したように、通電部７３も含め、その軸直交断面形状は、自由状態及びセット状態ともに馬蹄形を若干変形させたものとなっている。詳しくは後述する。

そして、図１及び図３に示したように、通電部７３の上方であって軸線Ｇを挟んだ開口Ｍの反対側には、リード線部７４が外向きに傾斜する屈曲部７４ａを介して上に延びており、リード線部７４の上端にはリード線４１の芯線をカシメ把持して接続するためのツメ付のコネクタ部７５を備えている。なお、本形態では、リード線部７４の中央には舌片状のバネ片７６が外向きに傾斜して設けられており、セット時においてセパレーター９６の配線用空孔に押し付けられるように設定されている。また、通電部７３の上縁には、外向きに突出する複数の歯７７が設けられており、その上面に、セパレーター９６の下面中央の空孔と、配線用空孔とでなす壁端が当接するように設定されている。これにより、端子金具７１を素子１の中空部に押し込む（挿入する）ときの押し付け部と、入り込みすぎを防ぐストッパーとされている。

また、図２、図３に示したように、通電部７３の切れ目状の開口Ｍを挟む側端辺部７８は、該開口Ｍを挟んで左右対称に、上端寄り部位は直線部７９をなし、この直線部７９に続いて、略同一の三角形状の凹凸で連続する鋸歯状に形成されている。具体的には、１つの凸部８１とその両側の２つの凹部８２とからなっており、凸部８１の頂部と谷部に円弧状の丸みが付けられている。この通電部７３は、中空部へのセット状態では上記したように縮径され、バネ性により電極層と電気的に接続されるように構成されている。一方、図４に示したように、端子金具７１の通電部７３を素子２１の中空部Ｔへセットする際の押し込み過程では、軸方向から見たとき、切れ目状の開口Ｍを挟む両側端辺部７８寄りの外周面７３ａの所定幅部分と、切れ目状の開口Ｍと、軸線Ｇを挟む反対側の外周面７３ｃの所定幅部分との間で大きく縮径されて中空部の内壁面（電極層）に強く押し付けられるように形成されている。すなわち、セット状態において、軸方向から見たとき、いわば３点接触となるように馬蹄形状で、側端辺部７８寄りの外周面７３ａと、軸線Ｇを挟む切れ目状の開口Ｍと反対側の外周面７３ｃとの間の外周面７３ｂは、実質的には中空部の内壁面と接触せず、或いは微小な空隙ができるようにその形状が設定されている。

また、この通電部７３の下端部には、通電部７３を素子２１の中空部Ｔ内に押し込むときのガイドをさせるガイド部８４、及びこのガイド部８４の下に、ヒーター６１の側面（図１左側）部分を素子２１の中空部Ｔの内壁面２２の一側（図１右側）に押し付けるためのヒーター押し付け部（押圧部）８８を、切れ目状の開口Ｍを挟んで左右対称に一体的に備えている。このうちガイド部８４は、その外径を通電部７３の外径より小さくして先細りテーパー状とされている。また、ガイド部８４のうち、切れ目状の開口Ｍと軸線Ｇを挟む反対側は、通電部７３の径に近い略一定幅で切り込まれた切欠き部Ｋをなし、開口されている。なお、この切欠き部Ｋの後端側は、本形態では、図３−Ｂに示したように、その底が凹となすＵ字形又は半円弧状に形成されている。

そして、ヒーター押し付け部（押圧部）８８は、ガイド部８４の下であって切れ目状の開口Ｍ側である両側端辺部７８寄り部位に、図３のＡ、Ｂにおいて左右対称に、それぞれ、横方向の切り込み８７を介して一体的に形成されている。このヒーター押し付け部８８は、軸線Ｇ方向から見たとき、通電部７３、ガイド部８４、及び中空部Ｔの後端２５の開口の内径より小径で、例えば１／４円弧状に形成されている（図５参照）。したがって、軸線方向から見たときの通電部７３、ガイド部８４、さらにヒーター押し付け部８８の関係は、素子２１の中空部内へ挿入前は、図５−Ａに、挿入後は図５−Ｂにそれぞれ誇張して示したような配置となる。すなわち、ヒーター６１は、通電部７３の内側において、中空部内へ挿入前は通電部７３内に遊挿されてヒーター押し付け部８８に内接状に位置し（図５−Ａ）、挿入後は図５−Ｂに示したようにヒーター押し付け部８８にて通電部７３の内面に押し付けられるように設定されている。押し付け方向は、図４中において、軸線Ｇ方向から見て、軸線Ｇを挟んで切れ目状の開口Ｍとその反対側とを結ぶ直線Ｈに沿って、左から右である。

このように、本形態では、端子金具７１の通電部７３の内側にヒーター６１を通したときは隙間嵌めとなり、また、ヒーター６１はヒーター押し付け部８８の内面にて把持されることはないが、略接するように設定されている。そして、このようにヒーター６１を通電部７３の内側に通した状態のものを素子２１の中空部Ｔの後端（開口の後端）２５に位置決めしてその先端を臨ます。すると、図６−Ａに示したように、ヒーター６１は素子２１の中空部Ｔ内に入り込み、ヒーター押し付け部８８及びガイド部８４も略無抵抗で入り込む。この状態から、図６−Ｂに示したように、さらに端子金具７１を中空部Ｔ内に押込むと、通電部７３は上記したように縮径状に変形し、その変形に伴って変形するヒーター押し付け部８８が図５−Ｂに示したように変形すると共に、ヒーター６１が素子２１の内壁面２２に当たることで生ずる弾性復元力の影響により変形し、図１中の矢印Ａで示す方向にヒーター６１を押すように形成されている。つまり、ヒーター押し付け部８８は、ヒーター６１を把持することなく、検出素子２１内への挿入に伴い生ずる自身の弾性力（弾性復元力）によって、ヒーター６１を素子２１の中空部Ｔの中心軸線に対して交差する方向に押圧する機能を有するものである。

このような構成のセンサ１は、図７の左側に示した半組み立て体であるところの、金具本体１１に固定された検出素子２１の中空部Ｔ内に対し、ヒーター６１を設置するに当たっては、図７の右側に示した半組み立て体を組み付けることで組み立てられる。すなわち、検出素子２１の各電極層へ接続するための各端子金具７１、９１の各コネクタ部７５、９５とリード線４１とを接続し、また、ヒーター６１の各端子６４とリード線４１とを接続し、端子金具７１，９１、ヒーター６１及び各リード線４１を含む組立て体を作っておく。このとき、ヒーター６１は、検出素子２１の内面２２の電極層への接続用の端子金具７１の通電部７３の内側（ヒーター押し付け部の内側）に挿入しておく。そして、各リード線４１は、セパレーター９６の各配線用空孔、さらにシール材９９の各空孔を通しておく。これらは、図７の右側に示したように保護筒３１にてカバーした状態にしておく。

このようにヒーター６１を含む半組立て体を、ヒーター６１が素子２１の中空部Ｔ内にその後端２５の開口から内挿されるように位置決めし、端子金具７１を素子２１の後端２５の開口に臨ます。このときは、前記した半組み立て体同士を組み付けるのであるが、素子２１の中空部Ｔと、端子金具７１及びヒーター６１とは、図６に示した位置関係で挿入される。そして、端子金具７１を下に押し、その通電部７３をその中空部Ｔ内に押し込む。こうすることで端子金具７１の通電部７３は上記したように縮径されるように変形し、素子２１の内面２２の電極層に押し付けられ、その間の導通が確保される。同時に、ヒーター押し付け部８８は、上記したようにヒーター６１を素子２１の内面２２に押し付ける。なお、この押込みと同時に、素子２１の外面の電極層への接続用の端子金具９１も同時にセットされる。以後は、各部材を軸方向に正しくセットし、保護筒３１を本体１１に固定し、シール材９９の外側において絞り込むようにかしめることで、酸素センサ１として組み立てられる。

さて、このような構成の酸素センサ１は、その組み立てにおいて、端子金具７１を素子２１の中空部Ｔに押し込む際に次のような作用効果が得られる。すなわち、この押し込みは、通電部７３内にヒーター６１を通した状態で行われるが、ヒーター６１は中空部Ｔの内径より外径が小さいため、問題なく中空部内に入る。そして、中空部内に配置される端子金具７１の通電部７３は、ヒーター押し付け部８８及びガイド部８４にガイドされるようにして中空部Ｔ内に入り始める。さらに、通電部７３が入り始めるとき、その外径（軸方向から見て、切れ目状の開口Ｍを挟む両側端辺部７８と、軸線を挟む反対側の外周面との間の径）が中空部の内径より大きいために縮径される。すなわち、中空部Ｔの入り口（後端２５の面取り２６）で、上記したように、切れ目状の開口Ｍを挟む両側辺部寄りの外周面７３ａと、軸線を挟む切れ目状の開口Ｍと反対側の外周面７３ｃとの間で縮径され、そして絞り込まれるようにして中空部Ｔ内に入り込み始める。すなわち、切れ目状の開口Ｍを挟む両側端辺部７８寄りの外周面７３ａと、軸線Ｇをはさんで切れ目状の開口Ｍと反対側の部位の外周面７３ｃの３点が中空部Ｔの内面２２と強く擦れるようにして押し込まれる。

この挿入において、通電部７３における側端辺部７８に設けられた凸部８１が中空部Ｔ内に入り込み始めるときは、その凸部８１が素子２１の後端２５又はその面取り２６に当たる。このために比較的大きな抵抗となり、したがって、そのときに要する荷重は比較的大きいものとなる。一方、切れ目状の開口Ｍの両側の側端辺部７８は凹凸に形成されているため、この凸部８１が中空部内に入り込んだ後においては、従来のように両側端辺部が直線の端子金具のように、各側端辺部寄りの所定幅部分がその直線に沿って、その幅のまま、中空部の内面と接触し続けながら押し込まれるのではない。つまり、本形態では、凹凸の凸部８１ではその外面の広い幅部分が接触して押し込まれるが、凹部８２の部位では狭い幅部分が接触して押し込まれるため、通電部７３における外周面のうち両側端辺部７８寄りの全体としての接触面積を小さくできる。このため、押し込みに要する最大荷重を低減できるという効果がある。

ここで、切れ目状の開口Ｍを挟んで対向する両側端辺部７８が直線の通電部からなる端子金具を有する従来品と、本実施の形態のもの（本発明品）とで、端子金具を挿入して、通電部７３が変位を開始してから挿入完了に至るまでの挿入深さにおける必要荷重を測定し、比較した。結果は、図８に示したようであり、同図に示したように、側端辺部７８が直線の従来品では、通電部７３の変位開始から挿入終了に向けて、次第に挿入荷重が増大し、最大荷重として、４５０Ｎ程度を要した。これに対して、本発明品では、通電部７３の変位開始時の荷重は比較的大きいが、挿入終了までさほど大きな変化はなく、最大荷重でも３００Ｎ程度で足りた。このことは、本発明では、挿入に要する力（最大荷重）を確実に減らせることを実証している。

また、上記の実施形態のものでは、切れ目状の開口Ｍの両側の側端辺部７８の凹凸は、切れ目状の開口Ｍを挟んで左右対称とされている。このため、その通電部７３が押し込まれる過程では、前後方向（図６の右図における左右方向）には、その凹凸がある分、振れる（挙動がある）ものの、左右（図６の左図における左右方向）に振れることがない。したがって、通電部７３の押し込み後において、通電部７３が図６の左図において左右に傾斜することを防止できる。すなわち、押し込み後において、通電部７３の下に設けられたヒーター押し付け部８８も図６の左図における左右に振れないから、ヒーター６１はその一側面を素子２１の内面２２に向けて正しく押し付けること（横押し）できる。したがって、こうして組み立てられた酸素センサは、金具本体１１を介して内燃機関の排気ガス管に取付けられて排気ガス中の酸素濃度を検知して空燃比制御するのに使用されるが、その際には、ヒーター６１により素子２１をすばやく安定して昇温させることができ、その性能の安定化を図ることができる。

なお、本形態の端子金具７１は、軸線Ｇを挟む切れ目状の開口Ｍと反対側に、軸線Ｇに対称に切欠き部Ｋが設けられているため、ヒーター押し付け部８８によってヒーター６１を安定して横押しできる。しかも、本形態では、この切欠き部Ｋの底が、図３Ｂに示したようにＵ字状又は円弧状に凹設されているため、次のような効果もある。というのは、この切欠き部Ｋについては、前記形態の端子金具に対し、図９に示した端子金具１７１のように、例えばＶ字形で、後端側に向かって連続的に縮径する部位を有する切欠き部Ｋ２とすることもできる。このような切欠き部Ｋ２である場合には、素子の中空部内に対する押し込み時の抵抗を減らせるため、押し込み力の低減或いは押し込みの円滑化が図られるという効果がある。反面、端子金具の素材を薄くすると剛性の低下を招き次のような問題が発生する危険性がある。すなわち、Ｖ字形等、後端側に向かって連続的に縮径する部位を有する切欠き部Ｋ２があると、通電部７３は、図１０に示したように、軸線Ｇ方向から見て、切欠き部Ｋ２の後端側の幅の狭い溝又はＶ字の溝底Ｓを中心或いは起点として、閉じるように折れ曲がるか、その溝底Ｓが外方に突出するように変形することがあった。これは、素子２１の中空部への押し込みに伴う抵抗によるものである。

ところで、ヒーター６１は、その一側がヒーター押し付け部（図示せず）にて矢印Ａ方向に押される。そして、ヒーター６１は、図１の右側において、中空部Ｔ内で素子２１の後端２５寄り部位に位置する通電部７３の内面と、中空部の先端寄り部位の内面で受けられる、いわば３点支持となる。このため、このような変形があると、本来は通電部７３の内面においては図５−Ｂに示したように、ヒーター６１が通電部７３の円弧状の内面のうち、軸線Ｇを挟んで切れ目状の開口Ｍと反対側に押し付けられて、いわば１点で接すべきところ、図１０に示したようになってしまう。つまり、ヒーター６１の通電部７３内においてはこの変形部の両側で受けられる形で接することになり、結果として通電部７３内においてヒーター６１は素子２１の中空部の内面２２から、通電部７３の板厚以上に離れて受けられることになってしまう。

すなわち、ヒーター６１はその基端（図１のヒーター６１の上方端）に向かうほど（先端から遠ざかるほど）素子２１の内面２２から離れてしまうため、素子２１の要昇温時間（素子２１が反応可能温度になるまでの時間）が長くなるという問題がある。或いは、端子金具にそのような変形の有るものと無いものとが混在する結果、製品（酸素センサ）の性能にばらつきが発生する。また、離間距離が大きいものでは、ヒータの耐衝撃性が低下する。これに対して、本形態では、切欠き部Ｋの底がＵ字状又は円弧状に凹設されているため、上記の変形を防止でき、こうした問題の発生を防止できる効果がある。

なお、前記形態では、端子金具７１における通電部７３に、棒状のヒーター６１の一側を素子２１の内面に押すためだけのヒーター押し付け部８８が設けられている場合で説明したが、本発明におけるヒーター押し付け部は、棒状のヒーター６１の一側を押すだけでなく、棒状のヒーター６１を把持した上で、ヒーター一側を素子の内面に押すものとしておいてもよい。例えば、上記した端子金具７１におけるヒーター押し付け部は、図５に示したように、２つで１／２円弧をなすものとしたが、これを図１１に示したようにしてもよい。すなわち、軸線方向から見て、ヒーター６１を安定して把持できるように、ヒーター押し付け部８８を、２つで、例えば、３／４（４分の３）円弧をなすものとしておくのである。すなわち、自由状態におけるその円弧の内径をヒーター６１の外径より小さくしておき、ヒーター６１をその通電部の内側に内挿したとき、それをバネ性で把持するようにしておくのである。しかして、このものではヒーター６１はその軸方向にも拘束されているため、中空部内での位置の安定が高いものとなる。

なお、切れ目状の開口Ｍを挟む左右両側の側端辺部７８における凹凸は、その開口Ｍを挟んで左右対称であればよく、その凹凸の形状、数は特に限定されるものではない。例えば、円弧で連なる波形状にすることもできるし、凸部の頂部のみ丸くし、谷底は四角とすることもできる。押し込みにおける問題がなければ、鋸歯状、又は四角の凹凸としてもよいなど適宜に設計変更すればよい。もっとも、上記した実施の形態のように凸部の頂部は円弧で連なるものとするのが、押し込み時における素子の内面との引っ掛りもなく、円滑な押し込みが期待できるために好ましい。

本発明のガスセンサは、上記した実施の形態のものに限定されるものではない。本発明の要旨を逸脱しない限りにおいて、適宜にその構造、構成を設計変更できる。上記においては、酸素センサにおいて具体化したが、その他のガスセンサにおいても具体化できる。

本発明のガスセンサを実施するための最良の形態を説明する正面縦断面図及び一部省略要部拡大図。 図１のガスセンサに用いた端子金具を説明するその曲げ加工前の展開図。 Ａは図１のガスセンサに用いた端子金具を同図左側から見た図、ＢはＡを背面側から見た図。 端子金具の通電部が素子の中空部内に押し込まれるときの状態を素子の後端側から軸線に沿って見た説明図（端子金具の軸直交断面）であり、Ａは押し込まれる前、Ｂは押し込まれた後の図。 端子金具とヒーターを軸線方向から見たときの端子金具の通電部、ガイド部、さらにヒーター押し付け部とヒーターとの配置関係を誇張して示した図で、Ａは素子への押し込み前、Ｂ素子への押し込み後の各図。 Ａは、端子金具のヒーター押し付け部等がヒーターとともに素子の中空部内に入り込み始めたときの説明図、Ｂは押し込まれたときの説明図。 ガスセンサの組み立て過程を説明するための正面縦断面図。 端子金具の押し込みに要する荷重（挿入荷重）の変化を説明する図。 切欠き部の形状を変更した別例の端子金具を背面側から見た図。 図９の端子金具で、切欠き部のＶ字の溝底を中心として変形する状態を説明する軸直交断面図。 ヒーター押し付け部を、ヒーターを把持できるようにしてなる端子金具の１例を軸線方向から見た説明図。 従来の酸素センサで、検出素子の中空部内にヒーターが内挿されている状態を説明する断面図。

符号の説明

１ 酸素センサ
２１ 検出素子
２２ 素子の内壁面
６１ ヒーター
７１ 端子金具
７３ 端子金具の通電部
７８ 端子金具における切れ目状の開口を挟む左右の側端辺部
８１ 側端辺部の凸部
８２ 側端辺部の凹部
８８ ヒーター押し付け部
Ｇ 軸線
Ｍ 切れ目状の開口
Ｈ 軸線方向から見て、軸線を挟んで切れ目状の開口とその反対側とを結ぶ直線

Claims (4)

1. 先端が閉じた中空軸状をなし、少なくともその中空部の内壁面に電極層を有する検出素子と、前記中空部内に押し込まれて前記電極層と電気的に接続されて該中空部内に配置される筒状の通電部を有する端子金具と、前記検出素子を加熱するために該中空部に前記通電部の内側を通されて配置された軸状をなすヒーターとを備えてなるガスセンサであって、
   前記端子金具の前記通電部は、バネ性を有する金属板を曲げて自身の側部に通電部の軸線方向に沿う切れ目状の開口を有する筒状に形成され、前記中空部の奥所側に位置する端部位より先に、前記ヒーターを前記中空部の中心軸線に対して交差する方向に押圧するヒーター押し付け部を備えており、
   前記端子金具における前記切れ目状の開口を挟む左右の両側端辺部を、該開口を挟んで左右略対称に、各側端辺部においてそれぞれ少なくとも１つの凹部と凸部とを連続して有する凹凸に形成してなり、
   前記ヒーター押し付け部は、前記軸線方向から見て、該軸線を挟んで、前記切れ目状の開口からその反対側の方向に向けて前記ヒーターを押圧しつつ、前記ヒーターを前記検出素子の内壁面に押し付けるように形成されていることを特徴とするガスセンサ。
2. 前記凹凸は、その凸部の頂部が円弧状に形成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。
3. 前記端子金具は、前記軸線方向から見て、該軸線を挟んで、前記切れ目状の開口と反対側に、前記中空部の奥所側に位置する端側から切り込まれた切欠き部を有するとともに、該切欠き部は後端側に向かって略一定幅とされかつその底がＵ字形状又は円弧状の凹設されていることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載のガスセンサ。
4. 前記端子金具は、前記軸線方向から見て、該軸線を挟んで、前記切れ目状の開口と反対側に、前記中空部の奥所側に位置する端側から切り込まれた切欠き部を有するとともに、該切欠き部は後端側に向かうにしたがって縮径する部を有していることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載のガスセンサ。