CN116203097A - 气体传感器、传感器元件收纳壳体以及传感器元件收纳壳体中的密封方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供气体传感器，其很好地抑制了由密封部件产生的排气向壳体内流入，并且，还能够应对短小化。用于监测被测定气体中包含的规定气体成分的气体传感器具备：传感器元件，其一个端部侧具备监测部；以及壳体，所述传感器元件被收纳并被固定于其内部，壳体具备：外筒，其具有内部存在基准气体的主部、以及与主部相比进行了缩径的端部即密封部，传感器元件的另一个端部侧朝向主部突出；以及第一密封部件及第二密封部件，它们以2级嵌入于密封部从而将外筒密封，第一密封部件由橡胶制成，第二密封部件由耐热性比第一密封部件高的树脂制成，且配置成比第一密封部件更近靠传感器元件。

Description

气体传感器、传感器元件收纳壳体以及传感器元件收纳壳体 中的密封方法

技术领域

本发明涉及气体传感器，特别涉及收纳有传感器元件的壳体的结构。

背景技术

以往，作为对汽车的发动机等内燃机中的燃烧气体、尾气等被测定气体中的规定气体成分的浓度进行测定的装置，众所周知有一种采用了氧化锆(ZrO₂)等氧离子传导性固体电解质陶瓷而形成传感器元件的气体传感器。

作为该气体传感器，广泛使用如下气体传感器，该气体传感器构成为：以氧离子传导性陶瓷(例如三氧化二钇稳定氧化锆)为主要构成材料的长条板状的传感器元件(检测元件)收纳于金属制的筒状的收纳部件(壳体)(例如参见专利文献1)。该气体传感器附加设置于内燃机的排气路径中途，用于尾气中包含的规定气体成分的监测及浓度的测定。

壳体的一个端部为开口部，在该开口部嵌入有橡胶制的密封部件。另外，在壳体的另一个端部附加设置有尾气可出入的保护罩。在该壳体内部，两端部间气密性密封且收纳有传感器元件。据此，气体传感器中，在壳体的一个端部侧，传感器元件的一个端部与壳体内的基准气体(通常为大气)接触，在壳体的另一个端部侧，传感器元件的另一个端部在保护罩内露出而与尾气接触。并且，上述基准气体和尾气相互间不接触。

在预先设置的贯通部穿插有用于实现传感器元件与外部的电连接的引线的基础之上，橡胶制的密封部件被嵌入于壳体的开口部，自该嵌入部位的侧部，壳体与密封部件一同被压紧，由此水不会从外部经过开口部而侵入。

另外，在气体传感器所使用的传感器元件通常具备：用于对氧离子传导性陶瓷进行加热而使其活化的加热器。因此，气体传感器在使用时，不仅仅因为随着内燃机运转而产生的经过配管的传递热或者来自尾气的热而变成高温，还因为该气体传感器本身具备的加热器产生的热而变成高温。所以，橡胶制的密封部件通常使用耐热性高的氟橡胶等。

然而，氟橡胶存在若变成高温则会有释放出各种排气(outgas)的缺点。如果产生该排气，则产生如下问题，即，壳体内部的基准气体受到污染，气体传感器的测定精度降低。

还已知有如下目的的气体传感器，为了应对上述问题，其采用了将橡胶制的密封部件的下部替换为有害成分的含量较少的硅橡胶的2级构成，以此将橡胶制的密封部件和基准气体所存在的壳体内的空间之间隔离开，从而抑制排气对基准气体造成的污染(例如参见专利文献2)。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：日本特开2015－178988号公报

专利文献2：日本特开平9－318580号公报

发明内容

近年来，为了使内燃机中的零部件安装空间狭小化，对气体传感器的短小化(缩短化)的需求呈现提高。对于该需求，如果想要通过使以往的气体传感器的壳体缩短来应对，则将壳体的开口部封闭的橡胶制的密封部件会接近于配管或配管内的尾气等热源。因此，要求密封部件具有比以往更高的耐热性。

例如，如果是采用专利文献2的2级构成且想要实现气体传感器的缩短化的情况下，则硅橡胶制的密封部件的安装位置会更接近于热源侧。然而，硅橡胶制的密封部件的耐热温度比氟橡胶制的密封部件低20℃左右，因此，在随着内燃机的运转而使得气体传感器暴露于高温环境的情况下，硅橡胶制的密封部件发生热变形或熔损的风险较高。

一旦发生上述热变形或熔损，则产生如下不良情况，即，在硅橡胶制的密封部件与壳体的接触面、以及硅橡胶制的密封部件的引线贯通部形成出间隙，由同样暴露于高温环境的氟橡胶制密封部件产生的排气就会自这些间隙向壳体内流入，导致基准气体受到污染，从而气体传感器的测定精度降低。

本发明是鉴于上述课题而完成的，其目的在于，提供很好地抑制由密封部件产生的排气向壳体内流入、且还能够应对短小化的气体传感器。

为了解决上述课题，本发明的第一方案是一种用于监测被测定气体中包含的规定气体成分的气体传感器，其特征在于，所述气体传感器具备：传感器元件，在该传感器元件的一个端部侧具备监测部；以及壳体，所述传感器元件被收纳并被固定于该壳体的内部，所述壳体具备：外筒，该外筒具有内部存在基准气体的主部、以及与所述主部相比进行了缩径的端部即密封部，所述传感器元件的另一个端部侧朝向所述主部突出；以及第一密封部件及第二密封部件，该第一密封部件及第二密封部件以2级嵌入于所述密封部从而将所述外筒密封，所述第一密封部件由橡胶制成，所述第二密封部件由耐热性比所述第一密封部件高的树脂制成，且配置成比所述第一密封部件更靠近所述传感器元件。

本发明的第二方案在第一方案的气体传感器的基础上，其特征在于，所述第一密封部件由氟橡胶制成，所述第二密封部件由氟树脂制成。

本发明的第三方案在第二方案的气体传感器的基础上，其特征在于，所述第二密封部件由PTFE制成。

本发明的第四方案在第一至第三方案中的任一项的气体传感器的基础上，其特征在于，所述主部沿着所述传感器元件的轴线方向延伸，所述轴线方向上的所述第二密封部件的长度为所述第一密封部件的长度以上。

本发明的第五方案在第一至第四方案中的任一项的气体传感器的基础上，其特征在于，所述密封部的侧方的与所述第一密封部件和所述第二密封部件分别对应的位置自外侧被压紧，从而所述外筒被密封。

本发明的第六方案在第五方案的气体传感器的基础上，其特征在于，与所述第一密封部件和所述第二密封部件分别对应的位置在所述密封部的整个侧周被压紧。

本发明的第七方案是一种将在一个端部侧具备对被测定气体中包含的规定气体成分进行监测的监测部的传感器元件固定并收纳于内部的壳体，其特征在于，具备：外筒，该外筒具有内部存在基准气体的主部、以及与所述主部相比进行了缩径的端部即密封部，且配置成所述传感器元件的另一个端部侧向所述主部突出；以及第一密封部件及第二密封部件，该第一密封部件及第二密封部件以2级嵌入于所述密封部而将所述外筒密封，所述第一密封部件由橡胶制成，所述第二密封部件由耐热性比所述第一密封部件高的树脂制成，且配置成比所述第一密封部件更靠近所述传感器元件。

本发明的第八方案在第七方案的传感器元件收纳壳体的基础上，其特征在于，所述第一密封部件由氟橡胶制成，所述第二密封部件由氟树脂制成。

本发明的第九方案在第八方案的传感器元件收纳壳体的基础上，其特征在于，所述第二密封部件由PTFE制成。

本发明的第十方案在第七至第九方案中的任一项的传感器元件收纳壳体的基础上，其特征在于，收纳有所述传感器元件的状态下的所述传感器元件的轴线方向与所述主部的延伸方向一致，所述延伸方向上的所述第二密封部件的长度为所述第一密封部件的长度以上。

本发明的第十一方案在第七至第十方案中的任一项的传感器元件收纳壳体的基础上，其特征在于，所述密封部的侧方的与所述第一密封部件和所述第二密封部件分别对应的位置自外侧被压紧，从而所述外筒被密封。

本发明的第十二方案在第十一方案的传感器元件收纳壳体的基础上，其特征在于，与所述第一密封部件和所述第二密封部件分别对应的位置在所述密封部的整个侧周被压紧。

本发明的第十三方案是一种传感器元件收纳壳体中的密封方法，即，在将在一个端部侧具备能够对被测定气体中包含的规定气体成分进行监测的监测部的传感器元件被固定并被收纳于内部的壳体中，将外筒的端部进行密封的方法，其中，传感器元件的另一个端部突出到该外筒的内部，其特征在于，包括以下工序：嵌入工序，该工序中，将第一密封部件和第二密封部件嵌入于使基准气体进入所述外筒内且呈圆锥状的密封前的所述端部；以及压紧工序，该工序中，自嵌入有所述第一密封部件和所述第二密封部件的所述端部的侧方，将与所述第一密封部件和所述第二密封部件分别对应的位置从外侧同时进行压紧，所述第一密封部件由橡胶制成，所述第二密封部件由耐热性比所述第一密封部件高的树脂制成，所述嵌入工序中，配置成比所述第一密封部件更靠近所述传感器元件。

本发明的第十四方案在第十三方案的传感器元件收纳壳体中的密封方法的基础上，其特征在于，所述压紧工序中，将与所述第一密封部件和所述第二密封部件分别对应的位置在所述端部的整个侧周进行压紧。

本发明的第十五方案在第十三或第十四方案的传感器元件收纳壳体中的密封方法的基础上，其特征在于，所述压紧工序中，将与所述第一密封部件和所述第二密封部件分别对应的位置利用末端分叉的压紧夹具同时进行压紧。

本发明的第十六方案在第十三至第十五方案中的任一项的传感器元件收纳壳体中的密封方法的基础上，其特征在于，使所述第一密封部件由氟橡胶制成，使所述第二密封部件由氟树脂制成。

本发明的第十七方案在第十六方案的传感器元件收纳壳体中的密封方法的基础上，其特征在于，使所述第二密封部件由PTFE制成。

本发明的第十八方案在第十三至第十七方案中的任一项的传感器元件收纳壳体中的密封方法的基础上，其特征在于，所述传感器元件的轴线方向与所述外筒的延伸方向一致，所述延伸方向上的所述第二密封部件的长度为所述第一密封部件的长度以上。

发明效果

根据本发明的第一至第十八方案，能够很好地抑制气体传感器中由橡胶制的密封部件产生的排气向外筒内流入，因此，能够防止气体传感器的测定精度降低。另外，能够使气体传感器比以往更加短小化。

附图说明

图1是气体传感器100的沿着长度方向的主要部分截面图。

图2是例示了压紧固定时的压紧夹具1001的配置的概要俯视图。

图3是表示利用压紧装置1000进行压紧固定的情形的概要侧视图。

图4是NOx检测用的传感器元件10的沿着长度方向的截面图。

符号说明

1…筒状体、2…保护罩、3…固定螺栓、3a…螺栓部、3b…保持部、4…外筒、4a…(外筒的)主部、4b…(外筒的)密封部、4c…(外筒的)压紧前密封部、5…连接器、6…第一密封部件、7…第二密封部件、8…引线、9…贯通孔、10…传感器元件、11…元件基体、12…末端保护层、13…基底层、51…接点部件、100…气体传感器、101…陶瓷体、106…基准气体导入口、150…加热器、160…电极端子、170…主面保护层、1001…压紧夹具、1000a…第一抵接部、1001b…第二抵接部。

具体实施方式

＜气体传感器的构成＞

图1是本发明的实施方式所涉及的气体传感器100的(更详细而言，其主体部的)沿着长度方向的主要部分截面图。更详细而言，在比断裂线ZL的上方，示出了气体传感器100的截面图，在比断裂线ZL的下方，仅示出了气体传感器100的外观。

气体传感器100用于：通过其内部具备的传感器元件10而对规定的气体成分(例如NOx等)进行检测。概要而言，气体传感器100构成为：长条的柱状或者薄板状的传感器元件(检测元件)10由筒状体1、保护罩2、固定螺栓3以及外筒4包围。筒状体1、保护罩2以及外筒4整体构成：将传感器元件10收纳于内部的收纳部件(壳体)。另一方面，固定螺栓3环绕装配于筒状体1的外侧面。

传感器元件10配置成：与筒状体1、保护罩2、固定螺栓3及外筒4同轴。还将该传感器元件10的中心轴的延伸方向称为轴线方向。图1中，该轴线方向与附图中的上下方向一致。

更详细而言，传感器元件10的一个端部侧(例如图4的第一端部E1侧)由保护罩2包围，另一个端部侧向外筒4内突出，两者间的大致中央部分利用未图示的陶瓷压粉体或陶瓷零部件，以将两端部间气密性地密封的方式而被固定于筒状体1的内部。

在传感器元件10的由保护罩2包围的一个端部侧具备监测部(例如气体导入口、内部空腔、监测电极等)。此外，在传感器元件10的元件体表面及内部具备各种电极、配线图案。

例如，传感器元件10的某一方案中，导入至元件内部的被测定气体在元件内部被还原或分解而生成氧离子。在具备这样的传感器元件10的气体传感器100中，基于流通于元件内部的氧离子的量与被测定气体中的监测对象气体成分的浓度呈正比例，求出该气体成分的浓度。

筒状体1是：还被称为主体配件的金属制的筒状部件。筒状体1几乎未露出于气体传感器100的外部，并配备于：保护罩2的附图中的上端部至外筒4的附图中的下端部的整个范围。在筒状体1的内部收纳有：传感器元件10和环绕装配于该传感器元件10的固定用的零部件(压粉体或陶瓷零部件)。换言之，筒状体1进一步环绕装配于：在传感器元件10周围环绕装配的环绕装配零部件的周围。

保护罩2是：对传感器元件10中的使用时与被测定气体直接接触的部分即第一端部E1侧的规定范围予以保护的大致圆筒状的外装部件。保护罩2焊接固定于筒状体1的附图中的下侧的端部。

在保护罩2设置有气体可通过的多个贯通孔H。经过该贯通孔H而流入至保护罩2内的被测定气体成为传感器元件10中的直接监测对象。应予说明，图1所示的贯通孔的种类、配置个数、配置位置、形状等只不过是示例，可以考虑被测定气体向保护罩2的内部流入的流入方式而适当确定。

固定螺栓3是：将气体传感器100固定于测定位置时采用的环状部件。固定螺栓3具备：形成有螺纹的螺栓部3a、以及将螺栓部3a螺合时被保持的保持部3b。螺栓部3a与在气体传感器100的安装位置所安装的螺母螺合。据此，气体传感器100以保护罩2那侧与测定对象气体接触的方式固定于测定位置。例如，通过螺栓部3a螺合于在汽车的排气管所设置的螺母部，使得气体传感器100以保护罩2那侧在排气管内露出的方式固定于该排气管。

外筒4是：其一个端部(附图中的下端部)焊接固定于筒状体1的未图示的上部的外周端部的圆筒状部件。外筒4具备：主部4a，其自与筒状体1的焊接固定部位沿着轴线方向以同径延伸；以及密封部4b，其在该轴线方向上与主部4a连续。密封部4b为：与该主部4a相比进行了缩径的端部。

外筒4的内部空间为基准气体(大气)气氛。另外，在主部4a的内部配置有连接器(也称为接点保持部件)5。

另一方面，密封部4b是：以嵌入有第一密封部件6和第二密封部件7的状态自侧方被压紧从而将外筒4的另一个端部(附图中的上端部)密封(Seal)的部位。第二密封部件7配置成比第一密封部件6更靠近传感器元件10。应予说明，有时将对外筒4进行密封的部件统称为索环。即，外筒4以2级构成的索环进行密封。

在位于第一密封部件6和第二密封部件7各自的附图中的侧方位置的第一压紧部位S1及第二压紧部位S2，将密封部4b在其整个周向上自外侧进行压紧，使得第一密封部件6和第二密封部件7分别产生朝向径向外侧的反作用力，由此实现上述密封。下文中，对上述的利用第一密封部件6及第二密封部件7进行的密封的详细情况进行说明。

在连接器5插入有传感器元件10的另一个端部侧(例如图4的第二端部E2侧)。在连接器5具备在上述传感器元件10的插入状态下与传感器元件10所具备的多个电极端子160(参照图4)接触的多个金属制的接点部件51。接点部件51的一个端部(附图中的下端部)为：卡挂于连接器5的卡挂部51a，另一个端部(附图中的上端部)为：对引线8进行压接固定的压接部51b，其间的部分呈板簧状。在连接器5与传感器元件10之间夹持固定有接点部件51，由此传感器元件10的电极端子160和接点部件51电连接。

引线8插穿于在第一密封部件6及第二密封部件7所设置的贯通孔9，一个端部压接固定于接点部件51的压接部51b，另一个端部与气体传感器100的外部的控制器50、各种电源(参照图4)连接。据此，传感器元件10、和控制器50及各种电源通过接点部件51及引线8而电连接。应予说明，图1中，接点部件51和引线8分别仅示出了2个，这只不过是为了使图示简单，实际上，具备上述电连接所需要的数量的引线。

＜利用密封部件进行的密封＞

接下来，对利用第一密封部件6及第二密封部件7将外筒4密封详细地进行说明。

如图1所示，第一密封部件6和第二密封部件7自附图中的上方开始，按顺序嵌入于外筒4的密封部4b，被进行压紧固定。其中，第一密封部件6由橡胶制成，第二密封部件7由耐热性高的树脂制成。即，第一密封部件6和第二密封部件7的材质不同。

以往的气体传感器中，通常利用橡胶制的一个密封部件(索环)将外筒4密封，不过，本实施方式所涉及的气体传感器100中，以将以往的索环的一部分替换为树脂制的密封部件的构成，将外筒4密封。

应予说明，本实施方式中，密封部件的耐热性高是指：密封部件的连续最高使用温度(于最高温度下连续使用时的该最高温度)为约260℃以上。由于第二密封部件7满足该要件、但橡胶制的第一密封部件6不满足该要件，所以，可以说第二密封部件7的耐热性高于第一密封部件6耐热性。

用于第一密封部件6的橡胶典型的为氟橡胶。另外，优选为，用于第二密封部件7的树脂为例如PTFE(聚四氟乙烯)、PFA(全氟烷氧基烷烃)等氟树脂，更优选为PTFE。PTFE的连续最高使用温度为260℃。

如上所述，气体传感器100在使用时以保护罩2那侧与测定对象气体接触的方案固定于测定位置。除此以外，如后所述，传感器元件10的内部具备加热器(例如图4的加热器150)，在气体传感器100使用时也有时利用该加热器对传感器元件10进行加热。即，气体传感器100通常在其使用时越是图1的附图中的下方侧越会变成高温。图1所示那样的将第二密封部件7配置于比第一密封部件6更靠传感器元件10那侧这一本实施方式所涉及的气体传感器100中的索环的配置是：用于确保与该温度分布相对应的耐热性的配置。

更详细而言，例如由氟橡胶等形成的橡胶制的第一密封部件6就外筒4的密合性这一点而言是优异的，但是，如果加热到高温，则有可能释放出各种排气。如果该排气向外筒4的(特别是其主部4a)内部流入，则基准气体会受到污染。该污染是导致气体传感器100的测定精度降低的主要原因，故不希望看到。

然而，本实施方式所涉及的气体传感器100中，将耐热性比第一密封部件6高的树脂制的第二密封部件7配置成比第一密封部件6更靠近传感器元件10，且与第一密封部件6同样地在密封部4b被进行压紧固定，由此即便在气体传感器100使用时保护罩2至传感器元件10的范围变成高温，第一密封部件6的温度上升也会得以抑制，并且，即便由第一密封部件6产生排气，向主部4a的流入也会得到很好的抑制。

并且，由于第二密封部件7中采用的树脂的耐热性较高，所以，与专利文献2中公开的气体传感器中用于密封部件的硅橡胶不同，在气体传感器100使用时不会发生变形或熔损。

特别是，就作为第二密封部件7的材质的优选例的PTFE而言，其本身于高温产生的排气较少，因此，该排气对气体传感器100的测定精度的影响较小。所以，即便只是将一个橡胶制的密封部件局部地替换为PTFE制的密封部件，也可得到减少排气的效果。

此外，PTFE的气体透过率低至硅橡胶的1/30以下，因此，可以说：将具备PTFE制的第二密封部件7的气体传感器100长时间使用的情况下，由第一密封部件6产生的排气渗透于第二密封部件7并向主部4a内流入的风险也足够低。

优选为，轴线方向上的第二密封部件7的长度为第一密封部件6的长度以上。这种情况下，可更好地得到第二密封部件7的耐热性及抑制排气流入的效果。应予说明，实际上的第一密封部件6和第二密封部件7的长度可以根据气体传感器100整体的尺寸、外筒4的尺寸、传感器元件10与第一密封部件6及第二密封部件7之间的距离、气体传感器100使用时的密封部4b附近的温度等而适当设定。

不过，对于不采用与第一密封部件6的2级构成而仅采用第二密封部件7而言，从确保外筒4与密封部件的密合性这一点考虑是不希望看到的。

另外，本实施方式中采用的以包括耐热性高的第二密封部件7在内的2级构成的索环而将外筒4密封的构成、与仅以一个橡胶制的密封部件(索环)被进行外筒的密封的以往的气体传感器相比，就气体传感器100短小化(缩短化)这一点而言也是有利的。这是因为，在本实施方式所涉及的构成的情况下，可以使耐热性的第二密封部件7接近于：橡胶制的密封部件中产生排气这样的更靠近高温加热区域(热源)的位置。

＜密封部件的压紧固定＞

接下来，对为了将外筒4密封而进行的第一密封部件6及第二密封部件7的压紧固定进行说明。图2是例示了压紧固定时的压紧夹具1001的配置的概要俯视图。另外，图3是表示利用压紧装置1000进行压紧固定的情形的概要侧视图。应予说明，下文中，将进行压紧固定之前的外筒4的密封部4b特别称为压紧前密封部4c。如图3所示，压紧前密封部4c呈现出：与主部4a连续且越趋向末端越尖细的截面视图圆锥状。

概要而言，如图2所示，使得与轴线方向垂直的面内在压紧前密封部4c的周围以各向同性(等角度间隔)地配置的多个压紧夹具1001自侧方同时抵接于压紧前密封部4c，由此进行压紧固定。

图2中示出了：采用与轴线方向垂直的面内分别以45°改变朝向的8个压紧夹具1001对压紧前密封部4c的整个外周连续地进行压紧的方案，但这只不是示例。只要能够实现良好的压紧固定即可，压紧夹具1001的个数可以不同，压紧部分也可以不连续。

更详细而言，在压紧之前，预先将插入有传感器元件10且进行了接点部件51与引线8的连接的连接器5配置于外筒4的主部4a内。接下来，使引线8插穿于贯通孔9，并且，将第一密封部件6和第二密封部件7嵌入于压紧前密封部4c。以该状态的气体传感器100为对象，进行图2所示的压紧。另外，通常，在将第一密封部件6和第二密封部件7向压紧前密封部4c嵌入之前的时刻，已经使作为基准气体的大气进入外筒4内。

另外，利用图3所示的压紧装置1000进行上述压紧固定。压紧装置1000具备：上述的多个压紧夹具1001、与各压紧夹具1001对应地配备的多个升降部1002、以及供作为压紧固定对象的气体传感器100卡挂的传感器支撑部1003。不过，图3中，为了使图示简单，压紧夹具1001及升降部1002仅示出了1个。另外，图3中，附图中的上下方向为竖直上下方向。

对于作为压紧固定对象的气体传感器100，以压紧前密封部4c朝向竖直上方的姿态，将在径向上突出的保持部3b自上方卡挂于传感器支撑部1003，由此被支撑于传感器支撑部1003。

另外，各压紧夹具1001随着所对应的升降部1002如箭头AR1所示下降，而如箭头AR2所示进行水平移动，抵接于压紧前密封部4c。在该抵接后，升降部1002依然下降，由此压紧夹具1001对压紧前密封部4c进行按压并使其变形，由此形成有图1所示的截面的密封部4b，第一密封部件6及第二密封部件7被固定于该密封部4b。

各压紧夹具1001的末端分叉为第一抵接部1001a和第二抵接部1001b，在压紧固定时，第一抵接部1001a和第二抵接部1001b同时对压紧前密封部4c进行按压。第一抵接部1001a抵接于第一密封部件6的侧方而形成将该第一密封部件6固定的第一压紧部位S1，第二抵接部1001b抵接于第二密封部件7的侧方而形成将该第二密封部件7固定的第二压紧部位S2。

应予说明，即便作出的应对是：将索环设为第一密封部件6和第二密封部件7的2级构成、且针对第一密封部件6所在的部分进行压紧，也能够确保耐热性。然而，这种情况下，从确保压紧部位的必要性考虑，很难使第一密封部件6的长度缩短，索环的全长以与第二密封部件7相对应的方式进行伸长，因此，就应对气体传感器100的短小化这一点而言是不利的。

如以上所说明，根据本实施方式，气体传感器具有：围绕传感器元件与连接器之间的连接部分、且将内部为基准气体气氛的外筒在其端部进行密封的密封部件，而且使密封部件为：橡胶制的密封部件和耐热性高的树脂制的密封部件的2级构成，并将树脂制的密封部件配置成：比橡胶制的密封部件更靠近气体传感器使用时变成高温的部位，且将两个密封部件同时进行压紧固定，由此能够很好地抑制由橡胶制的密封部件产生的排气向外筒内流入。据此，能够防止气体传感器的测定精度降低。另外，能够使气体传感器比以往更加短小化(缩短化)。

＜传感器元件的构成例＞

最后，作为传感器元件10的一例，对NOx检测用的传感器元件10的构成进行说明。图4是该NOx检测用的传感器元件10的沿着长度方向的截面图。这种情况下，传感器元件10为所谓的极限电流型的气体传感器元件。应予说明，图4中，除了示出传感器元件10以外，还一并示出了气体传感器100所具备的泵单元电源30、加热器电源40、控制器50。

如图4所示，概要而言，传感器元件10构成为：长条板状的元件基体11的第一端部E1侧由多孔质的末端保护层12被覆。元件基体11以长条板状的陶瓷体101为主要结构体，并且，在该陶瓷体101的2个主面上具备主面保护层170(170a、170b)。此外，传感器元件10中，在一末端部侧的端面(陶瓷体101的末端面101e)及4个侧面的外侧设置有末端保护层12(内侧末端保护层12a、外侧末端保护层12b)。

应予说明，本实施方式中，为了方便说明，陶瓷体101及传感器元件10中，元件基体11的第一端部E1所在侧的端部还被称为各自的第一端部E1，元件基体11的第二端部E2所在侧的端部还被称为各自的第二端部E2。

陶瓷体101由以作为氧离子传导性固体电解质的氧化锆(钇稳定氧化锆)为主成分的陶瓷形成。陶瓷体101致密且气密。

图4所示的传感器元件10是：在陶瓷体101的内部具有第一内部空腔102、第二内部空腔103以及第三内部空腔104的、所谓的串联三室结构型的气体传感器元件。即，传感器元件10中，概要而言，第一内部空腔102通过第一扩散速度控制部110、第二扩散速度控制部120而与在陶瓷体101的第一端部E1侧相对于外部呈开口的(严格而言，经由末端保护层12而与外部连通的)气体导入口105连通，第二内部空腔103通过第三扩散速度控制部130而与第一内部空腔102连通，第三内部空腔104通过第四扩散速度控制部140而与第二内部空腔103连通。应予说明，气体导入口105至第三内部空腔104的路径还被称为气体流通部。本实施方式所涉及的传感器元件10中，该流通部沿着陶瓷体101的长度方向设置成一直线状。

第一扩散速度控制部110、第二扩散速度控制部120、第三扩散速度控制部130及第四扩散速度控制部140均设置为附图中的上下2个狭缝。第一扩散速度控制部110、第二扩散速度控制部120、第三扩散速度控制部130及第四扩散速度控制部140对所通过的被测定气体施加规定的扩散阻力。应予说明，在第一扩散速度控制部110与第二扩散速度控制部120之间设置有：具有对被测定气体的脉动进行缓冲的效果的缓冲空间115。

另外，在陶瓷体101的外表面具备外部泵电极141，在第一内部空腔102具备内部泵电极142。此外，在第二内部空腔103具备辅助泵电极143，在第三内部空腔104具备作为测定对象气体成分的直接监测部的测定电极145。除此之外，在陶瓷体101的第二端部E2侧具备与外部连通并供基准气体导入的基准气体导入口106，在该基准气体导入口106内设置有基准电极147。

具备上述传感器元件10的气体传感器100中，通过如下工艺，计算出被测定气体中的NOx气体浓度。

首先，通过主泵单元P1的泵送作用(氧的吸入或吸出)，将经过贯通孔H而向保护罩2内流入并从气体导入口105导入至第一内部空腔102的被测定气体的氧浓度调整为大致恒定，然后，向第二内部空腔103导入。主泵单元P1是：由外部泵电极141、内部泵电极142、以及这两个电极之间存在的陶瓷体101的部分即陶瓷层101a构成的电化学泵单元。第二内部空腔103中，利用同样为电化学泵单元的辅助泵单元P2的泵送作用，将被测定气体中的氧向元件外部吸出，从而使被测定气体处于充分的低氧分压状态。辅助泵单元P2由外部泵电极141、辅助泵电极143、以及这两个电极之间存在的陶瓷体101的部分即陶瓷层101b构成。

外部泵电极141、内部泵电极142及辅助泵电极143形成为多孔质金属陶瓷电极(例如包含1％的Au的Pt与ZrO₂的金属陶瓷电极)。应予说明，与被测定气体接触的内部泵电极142及辅助泵电极143采用减弱了针对被测定气体中的NOx成分的还原能力、或者没有还原能力的材料而形成。

通过辅助泵单元P2而处于低氧分压状态的被测定气体中的NOx被导入至第三内部空腔104，在第三内部空腔104中所设置的测定电极145处被还原或分解。测定电极145为：还作为对第三内部空腔104内的气氛中存在的NOx进行还原的NOx还原催化剂发挥作用的多孔质金属陶瓷电极。该还原或分解时，测定电极145与基准电极147之间的电位差保持恒定。然后，由上述的还原或分解而生成的氧离子通过测定用泵单元P3而向元件外部吸出。测定用泵单元P3由外部泵电极141、测定电极145、以及这两个电极之间存在的陶瓷体101的部分即陶瓷层101c构成。测定用泵单元P3为：将由测定电极145周围的气氛中的NOx的分解而生成的氧吸出的电化学泵单元。

在控制器50的控制下，通过泵单元电源(可变电源)30向各泵单元所具备的电极之间施加泵送所需要的电压，由此实现主泵单元P1、辅助泵单元P2及测定用泵单元P3中的泵送(氧的吸入或吸出)。如果是测定用泵单元P3的情况下，以使得测定电极145与基准电极147之间的电位差保持为规定值的方式向外部泵电极141与测定电极145之间施加电压。通常，针对各泵单元设置泵单元电源30。

控制器50对泵电流Ip2进行检测，基于该泵电流Ip2的电流值(NOx信号)与所分解的NOx的浓度之间存在线性关系，计算出被测定气体中的NOx浓度，其中，上述泵电流Ip2与由测定用泵单元P3吸出的氧的量相对应地流通于测定电极145与外部泵电极141之间。

应予说明，优选为，气体传感器100具备：对各泵电极与基准电极147之间的电位差进行监测的未图示的多个电化学传感器单元，基于这些传感器单元的检测信号，进行控制器50对各泵单元的控制。

另外，传感器元件10中，在陶瓷体101的内部埋设有加热器150。加热器150在气体流通部的图4中的附图中的下侧设置于：第一端部E1附近至至少测定电极145及基准电极147的形成位置的整个范围。在控制器50的控制下，加热器150因来自加热器电源40的供电而发热。设置加热器150的主要目的在于，在传感器元件10使用时，对传感器元件10进行加热，以便提高构成陶瓷体101的固体电解质的氧离子传导性。传感器元件10进行加热，以使得至少第一内部空腔102至第二内部空腔103的范围的温度达到500℃以上。

更详细而言，加热器150为例如由铂等形成的电阻发热体，以其周围由绝缘层151包围的形态设置而成。

在陶瓷体101的各主面上的第二端部E2侧形成有：用于实现传感器元件10与外部之间的电连接的多个电极端子160。这些电极端子160通过陶瓷体101的内部所具备的未图示的内部配线而与上述的5个电极、加热器150的两端、未图示的加热器电阻检测用的内部配线以规定的对应关系进行电连接。如上所述，电极端子160借助接点部件51而与引线8连接，通过上述引线8、接点部件51及电极端子160，而进行：从泵单元电源30向传感器元件10的各泵单元施加电压、来自加热器电源40的供电对加热器150的加热。

主面保护层170为由氧化铝形成的、厚度为5μm～30μm左右且以20％～40％左右的气孔率存在气孔的层，设置主面保护层170的目的在于，防止异物或中毒物质附着于陶瓷体101的2个主面或外部泵电极141。因此，一个主面保护层170a还作为对外部泵电极141予以保护的泵电极保护层发挥作用。

末端保护层12设置于：自元件基体11的第一端部E1起算为规定范围的最外周部。设置末端保护层12的目的在于，通过将元件基体11中的气体传感器100使用时变成高温(最高为700℃～800℃左右)的部分包围，确保该部分处的耐被水性，抑制：因该部分直接被水而导致的局部温度降低所引起的热冲击从而导致元件基体11发生开裂(被水冲裂)。

此外，设置末端保护层12的目的还在于，防止Mg等中毒物质进入于传感器元件10的内部，即确保耐中毒性。

内侧末端保护层12a由氧化铝设置成：具有45％～60％的气孔率且具有450μm～650μm的厚度。另外，外侧末端保护层12b由氧化铝设置成：具有比内侧末端保护层12a小的10％～40％的气孔率且具有50μm～300μm的厚度。内侧末端保护层12a被设为低热传导率的层，由此具有抑制从外部向元件基体11进行热传导的功能。

内侧末端保护层12a和外侧末端保护层12b如下形成，即，针对表面形成有基底层13的元件基体11，依次喷镀(等离子体喷镀)各构成材料，由此形成上述各保护层。

另外，如图4所示，在内侧末端保护层12a与元件基体11之间设置有用于确保内侧末端保护层12a的粘接性的基底层13。基底层13至少设置于元件基体11的2个主面上。基底层13由氧化铝形成为：具有30％～60％的气孔率且具有15μm～50μm的厚度。

＜变形例＞

上述实施方式中，所例示的传感器元件10是具有3个内部空腔的极限电流型传感器元件，且是以NOx为检测对象气体成分的传感器元件，不过，气体传感器100所具备的传感器元件10中，内部空腔的数量可以不是3个，另外，可以将除NOx以外的气体成分设为监测对象。或者，可以为混合电位型传感器元件等不具有内部空腔的结构的传感器元件。

实施例

(实施例1)

对第二密封部件7所使用的树脂和以往的密封部件(现有产品)所使用的橡胶各自的排气产生量进行评价。作为树脂，准备了

的尺寸的PTFE，作为橡胶，准备了/>

的尺寸的氟橡胶。

均对表面进行切削，之后，利用加热脱附气相色谱法进行分析。加热温度范围为室温至280℃，加热气氛为氮，样品重量为90mg。

表1中示出两者的排气检测量。

表1

PTFE	现有产品(氟橡胶)
		6.77[ng]	402.68[ng]

由表1可知，来自PTFE的排气产生量仅为来自氟橡胶的排气产生量的1/60左右。该结果暗示了：与仅使用橡胶制的密封部件的情形相比，像上述实施方式那样将其一部分以树脂制的密封部件进行置换，能够很好地抑制由橡胶制的密封部件产生的排气向外筒4内流入。

(实施例2)

作为实施例的气体传感器，针对作为具备传感器元件10的NOx传感器的气体传感器100(以下也称为发明产品)，对来自第一密封部件6的排气对测定精度带来的影响进行评价。应予说明，第一密封部件6由氟橡胶制成，第二密封部件7由PTFE制成。

另外，作为比较例的气体传感器(以下也称为现有产品)，使用氟橡胶制的一个密封部件(索环)，来代替具有第一密封部件6和第二密封部件7的2级构成的索环，且使外筒4在轴线方向上伸长，与实施例相比远离该密封部件的位置，除此以外，准备了具有与实施例相同构成的气体传感器，来进行同样的评价。

具体而言，实施例和比较例各准备4个气体传感器，针对各气体传感器，利用燃烧器试验机进行加热，并测定泵电流Ip2，基于其稳定性，评价气体传感器的测定精度。

更详细而言，使均由氟橡胶制成的、实施例涉及的气体传感器的第一密封部件6、和比较例涉及的气体传感器的密封部件各自的排气产生条件相同，来对实施例及比较例的气体传感器进行升温加热，以使得各自的密封部件的温度达到280℃。应予说明，预先确认由加热到280℃的氟橡胶制的密封部件产生排气。另外，实施例的气体传感器中，第一密封部件6加热到280℃意味着：第二密封部件7进一步加热到高温。应予说明，加热至自升温开始经过80分钟。

升温加热开始后，使气体传感器驱动，接下来，开始进行泵电流Ip2的测定。然后，求出气体传感器的驱动开始经过3分钟的时刻至索环达到250℃的期间的泵电流Ip2的平均值μ和标准偏差σ，将上述平均值μ和标准偏差σ的值用于测定精度的评价指标。

具体而言，索环的温度达到250℃以后，自升温开始至经过90分钟后的试验结束时刻的期间，泵电流Ip2处在μ±4σ的范围的情况下，评价为气体传感器的测定精度未降低。对于在中途时刻泵电流Ip2偏离该范围的情形，由于有可能是由异物附着于气体传感器而引起的，所以，将其从判断对象中排除。

另一方面，在试验结束时刻，泵电流Ip2不处在μ±4σ的范围的情况下，评价为气体传感器的测定精度已降低。

表2中示出了实施例(发明产品)及比较例(现有产品)的全部气体传感器的评价结果。

表2

由表2可知，实施例的气体传感器均没有确认到测定精度降低。另一方面，比较例的气体传感器均确认到测定精度已降低。

任一气体传感器均由氟橡胶制的密封部件产生排气，因此，实施例和比较例的结果不同暗示了：通过气体传感器的索环采用上述实施方式的2级构成，很好地抑制了由氟橡胶产生排气，所以，很好地抑制了该排气向外筒内流入所伴随的气体传感器的测定精度降低。另外，还暗示了：由树脂制的密封部件本身几乎不产生排气。

此外，还暗示了：耐热性较高的树脂制的密封部件能够配置于以往的橡胶制的密封部件的情况下产生排气这样的更靠近高温加热区域(热源)的位置。

Claims (18)

1.一种气体传感器，其用于监测被测定气体中包含的规定气体成分，其特征在于，所述气体传感器具备：

传感器元件，在该传感器元件的一个端部侧具备监测部；以及

壳体，所述传感器元件被收纳并被固定于该壳体的内部，

所述壳体具备：

外筒，该外筒具有内部存在基准气体的主部、以及与所述主部相比进行了缩径的端部即密封部，所述传感器元件的另一个端部侧朝向所述主部突出；以及

第一密封部件及第二密封部件，该第一密封部件及第二密封部件以2级嵌入于所述密封部，从而所述外筒被密封，

所述第一密封部件由橡胶制成，

所述第二密封部件由耐热性比所述第一密封部件高的树脂制成，且配置成比所述第一密封部件更靠近所述传感器元件。

2.根据权利要求1所述的气体传感器，其特征在于，

所述第一密封部件由氟橡胶制成，

所述第二密封部件由氟树脂制成。

3.根据权利要求2所述的气体传感器，其特征在于，

所述第二密封部件由PTFE制成。

4.根据权利要求1至3中的任一项所述的气体传感器，其特征在于，

所述主部沿着所述传感器元件的轴线方向延伸，

所述轴线方向上的所述第二密封部件的长度为所述第一密封部件的长度以上。

5.根据权利要求1至4中的任一项所述的气体传感器，其特征在于，

所述密封部的侧方的与所述第一密封部件和所述第二密封部件分别对应的位置自外侧被压紧，从而所述外筒被密封。

6.根据权利要求5所述的气体传感器，其特征在于，

与所述第一密封部件和所述第二密封部件分别对应的位置在所述密封部的整个侧周上被压紧。

7.一种传感器元件收纳壳体，在该传感器元件收纳壳体的内部固定并收纳有传感器元件，在该传感器元件的一个端部侧具备对被测定气体中包含的规定气体成分进行监测的监测部，其特征在于，

所述壳体具备：

外筒，该外筒具有内部存在基准气体的主部、以及与所述主部相比进行了缩径的端部即密封部，且配置成所述传感器元件的另一个端部侧朝向所述主部突出；以及

第一密封部件及第二密封部件，该第一密封部件及第二密封部件以2级嵌入于所述密封部，从而将所述外筒密封，

所述第一密封部件由橡胶制成，

所述第二密封部件由耐热性比所述第一密封部件高的树脂制成，且配置成比所述第一密封部件更靠近所述传感器元件。

8.根据权利要求7所述的传感器元件收纳壳体，其特征在于，

所述第一密封部件由氟橡胶制成，

所述第二密封部件由氟树脂制成。

9.根据权利要求8所述的传感器元件收纳壳体，其特征在于，

所述第二密封部件由PTFE制成。

10.根据权利要求7至9中的任一项所述的传感器元件收纳壳体，其特征在于，

收纳有所述传感器元件的状态下的所述传感器元件的轴线方向与所述主部的延伸方向一致，

所述延伸方向上的所述第二密封部件的长度为所述第一密封部件的长度以上。

11.根据权利要求7至10中的任一项所述的传感器元件收纳壳体，其特征在于，

所述密封部的侧方的与所述第一密封部件和所述第二密封部件分别对应的位置自外侧被压紧，从而所述外筒被密封。

12.根据权利要求11所述的传感器元件收纳壳体，其特征在于，

与所述第一密封部件和所述第二密封部件分别对应的位置在所述密封部的整个侧周上被压紧。

13.一种传感器元件收纳壳体中的密封方法，该密封方法是在内部固定并收纳有传感器元件的壳体中，将外筒的端部进行密封，其中，在该传感器元件的其一个端部侧具备能够对被测定气体中包含的规定气体成分进行监测的监测部，该传感器元件的另一个端部突出到该外筒的内部，其特征在于，

所述传感器元件收纳壳体中的密封方法包括以下工序：

嵌入工序，该工序中，将第一密封部件和第二密封部件嵌入于使基准气体进入所述外筒内且呈圆锥状的密封前的所述端部；以及

压紧工序，该工序中，自嵌入有所述第一密封部件和所述第二密封部件的所述端部的侧方，将与所述第一密封部件和所述第二密封部件分别对应的位置从外侧同时进行压紧，

所述第一密封部件由橡胶制成，

所述第二密封部件由耐热性比所述第一密封部件高的树脂制成，所述嵌入工序中，配置成比所述第一密封部件更靠近所述传感器元件。

14.根据权利要求13所述的传感器元件收纳壳体中的密封方法，其特征在于，

将与所述第一密封部件和所述第二密封部件分别对应的位置在所述端部的整个侧周上进行压紧。

15.根据权利要求13或14所述的传感器元件收纳壳体中的密封方法，其特征在于，

所述压紧工序中，将与所述第一密封部件和所述第二密封部件各自对应的位置利用末端分叉的压紧夹具同时进行压紧。

16.根据权利要求13至15中的任一项所述的传感器元件收纳壳体中的密封方法，其特征在于，

使所述第一密封部件由氟橡胶制成，

使所述第二密封部件由氟树脂制成。

17.根据权利要求16所述的传感器元件收纳壳体中的密封方法，其特征在于，

使所述第二密封部件由PTFE制成。

18.根据权利要求13至17中的任一项所述的传感器元件收纳壳体中的密封方法，其特征在于，

所述传感器元件的轴线方向与所述外筒的延伸方向一致，

所述延伸方向上的所述第二密封部件的长度为所述第一密封部件的长度以上。

Images