CN116448943A - 气体传感器及传感器元件收纳壳体 - Google Patents

Abstract

本发明提供气体传感器及传感器元件收纳壳体。气体传感器具备很好地兼具了抑制密封部件升温和确保耐热性的隔离件，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，一个端部侧具备监测部；壳体，传感器元件被收纳并被固定于内部；连接器，配置于壳体内部，将传感器元件和外部电连接，壳体具备：外筒，具有内部存在基准气体的主部、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；橡胶制的密封部件，以2级嵌入于密封部而将外筒密封；隔离件，在外筒的内部介于密封部件与连接器之间，隔离件具备：与密封部件接触且耐热性比密封部件高的树脂制的第一隔离件、与连接器接触的陶瓷制的第二隔离件。

Description

气体传感器及传感器元件收纳壳体

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)。该气体传感器布设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布设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，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。

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。意图应对该问题的气体传感器也已经是公知的(例如参见专利文献2)。专利文献2中公开的气体传感器中，将云母隔热部件作为隔离件夹于密封部件与陶瓷制的接点保持部件(专利文献2中为隔板)之间，由此抑制朝向密封部件的传热，防止密封部件的过度升温。

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2005－227227号公报

发明内容

如专利文献2所公开那样，使隔离件介于橡胶制的密封部件与陶瓷制的隔板之间来防止密封部件的过度升温的情况下，从抑制朝向密封部件的传热的观点出发，优选隔离件的热传导率较低。不过，虽然密封部件的温度上升得以抑制，但是隔离件成为高温，因此，需要隔离件自身具有充分的耐热性。

本发明是鉴于上述课题而完成的，其目的在于，提供具备很好地兼具了抑制密封部件升温和确保耐热性的隔离件、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；壳体，所述传感器元件被收纳并被固定于该壳体的内部，以及连接器，该连接器配置于所述壳体内部，将所述传感器元件和外部电连接，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；橡胶制的密封部件，该密封部件嵌入于所述密封部从而将所述外筒密封；以及隔离件，该隔离件在所述外筒的内部介于所述密封部件与所述连接器之间，所述隔离件具备：与所述密封部件接触且耐热性比所述密封部件高的树脂制的第一隔离件、以及与所述连接器接触的陶瓷制的第二隔离件。

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，所述第一隔离件由PTFE或PFA形成。

本发明的第三方案在第一或第二方案的气体传感器的基础上，其特征在于，所述第二隔离件由热传导率为32W/m·K以下的陶瓷形成。

本发明的第四方案在第三方案的气体传感器的基础上，其特征在于，所述第二隔离件由氧化铝或块滑石形成。

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，将所述传感器元件的轴线方向上的所述第一隔离件及所述第二隔离件的长度分别设为D1、D2时，比值D1/D2为0.5～1.1。

本发明的第六方案在第一至第五方案中的任一项的气体传感器的基础上，其特征在于，将所述密封部件、所述第一隔离件及所述第二隔离件的外径分别设为时，比值/>为0.95以上，比值/>为1.05以下。

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和实现所述传感器元件与外部的电连接的连接器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；橡胶制的密封部件，该密封部件嵌入于所述密封部而将所述外筒密封；以及隔离件，该隔离件在所述外筒的内部介于所述密封部件与所述连接器之间，所述隔离件具备：与所述密封部件接触且耐热性比所述密封部件高的树脂制的第一隔离件、以及与所述连接器接触的陶瓷制的第二隔离件。

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，所述第一隔离件由PTFE或PFA形成。

本发明的第九方案在第七或第八方案的传感器元件收纳壳体的基础上，其特征在于，所述第二隔离件由热传导率为32W/m·K以下的陶瓷形成。

本发明的第十方案在第九方案的传感器元件收纳壳体的基础上，其特征在于，所述第二隔离件由氧化铝或块滑石形成。

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，将所述传感器元件的轴线方向上的所述第一隔离件及所述第二隔离件的长度分别设为D1、D2时，比值D1/D2为0.5～1.1。

本发明的第十二方案在第七至第十一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，将所述密封部件、所述第一隔离件及所述第二隔离件的外径分别设为时，比值/>为0.95以上，比值/>为1.05以下。

发明效果

根据本发明的第一至第十二方案，能够抑制气体传感器中将外筒密封的密封部件升温，并且，能够确保隔离件自身的耐热性。据此，能够使气体传感器比不具备隔离件的以往构成更加短小化，并且，能够抑制密封部件的热劣化。

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是用于说明密封部件6和隔离件7的优选尺寸关系的图。

图3是传感器元件10的沿着长度方向的截面图。

图4是将4个气体传感器的构成对比示出的图。

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，5…连接器，6…密封部件，7、7γ…隔离件，7a…第一隔离件，7b…第二隔离件，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。

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，在断裂线ZL的上方示出了气体传感器100的截面图，在断裂线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3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和隔离件7。

另一方面，密封部4b是：以嵌入有密封部件6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。

在位于密封部件6的附图中的侧方位置的压紧部位S，将密封部4b在其整个周向上自外侧进行压紧，使得密封部件6产生朝向径向外侧的反作用力，由此实现上述密封。

密封部件6由橡胶制成。因此，密封部件6也称为橡胶塞。所使用的橡胶典型的为氟橡胶。密封部件6在嵌入于密封部4b之前呈均匀的圆筒状，不过，通过嵌入及压紧而在径向上发生变形。

在连接器5插入有传感器元件10的另一个端部侧(例如图3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3)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。

隔离件7在外筒4的内部夹入(介入)于连接器5与密封部件6之间。设置隔离件7的目的在于，抑制在气体传感器100使用时密封部件6升温。本实施方式中，该隔离件7为第一隔离件7a和第二隔离件7b的2级构成。下文中，对隔离件7的详细情形进行说明。

引线8插穿于在密封部件6及隔离件7所连续设置的贯通孔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3)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分别仅各示出了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。

应予说明，具有如上构成的气体传感器100除了使2级构成的隔离件7介入这一点以外，可以利用与以往同样的方法进行制作。概要而言，首先，在压紧部位S的压紧之前，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按第二隔离件7b、第一隔离件7a、密封部件6的顺序依次插穿于各自的贯通孔9，并按顺序堆叠于连接器5之上。并且，将插穿有引线8的密封部件6嵌入于压紧前的密封部4b。通常，在进行密封部件6的嵌入之前的时刻，已经使作为基准气体的大气进入外筒4内。在进行密封部件6的嵌入时，将压紧部位S以规定的压紧机构进行压紧。

应予说明，对于压紧，以在密封部4b的整个外周连续地延伸的压紧部位S为对象进行压紧为优选的一例，不过，只要能够实现良好的压紧固定即可，压紧部位S可以在密封部4b的周向上不连续。

＜隔离件＞

接下来，对隔离件7的构成及功能详细地进行说明。

如上所述，气体传感器100中，隔离件7具有第一隔离件7a和第二隔离件7b的2级构成，如图1所示，自外筒4的另一个端部(附图中的上端部)侧开始，按密封部件6、第一隔离件7a、第二隔离件7b、连接器5的顺序相邻配置。

作为第一隔离件7a的材质，就具备低热传导性这一点而言，选择树脂。用于第一隔离件7a的树脂优选都是作为氟树脂的PTFE(聚四氟乙烯、熔点327℃)或PFA(全氟烷氧基烷烃、熔点310℃)。这些树脂除了具有低热传导性以外，还具有比橡胶制的密封部件6高的耐热性。例如，就PTFE而言，其热传导率为0.2W/m·K，连续最高使用温度(于最高温度连续使用时的该最高温度)为260℃。

另一方面，作为第二隔离件7b的材质，就具备比第一隔离件7a优异的耐热性这一点而言，选择熔点比树脂高的陶瓷。优选为耐热性及隔热性均优异的热传导率为32W/m·K以下的陶瓷。选择满足该范围的陶瓷作为第二隔离件7b的材质的情况下，朝向第一隔离件7a及密封部件6的传热得到更好的抑制，第一隔离件7a及密封部件6的热劣化风险进一步降低。更优选为氧化铝(热传导率：32W/m·K)或块滑石(热传导率：2W/m·K)。

即，本实施方式所涉及的气体传感器100中，热传导性低的树脂制的第一隔离件7a与密封部件6相邻，且耐热性高的陶瓷制的第二隔离件7b在与密封部件6相反一侧与第一隔离件7a相邻。

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3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所示那样的使2级构成的隔离件7介于密封部件6与连接器5之间的构成实现了通过具备与该温度分布相对应的耐热性的隔离件7而抑制密封部件6的升温。

更详细而言，例如由氟橡胶等形成的橡胶制的密封部件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，则会劣化。

然而，本实施方式所涉及的气体传感器100中，使热传导率低的树脂制的第一隔离件7a与密封部件6相邻配置，另一方面，在靠近传感器元件10一侧配置耐热性高的陶瓷制的第二隔离件7b，由此确保隔离件7自身的耐热性，从而即便在气体传感器100使用时保护罩2至传感器元件10的范围变成高温，密封部件6过度升温、隔离件7及密封部件6发生变形或熔损也会得到很好的抑制。

应予说明，就作为第一隔离件7a的材质的优选例的PTFE而言，与用于密封部件6的橡胶相比，其本身于高温产生的排气较少。来自密封部件6、隔离件7的排气有可能构成污染壳体内部的基准气体(大气)而使气体传感器100的测定精度降低的主要原因，不过，根据本实施方式，还包括抑制密封部件6升温的抑制效果，还能够实现很好地抑制外筒4内产生排气的构成。

图2是用于说明密封部件6和隔离件7的优选尺寸关系的图。

目前，密封部件6、第一隔离件7a及第二隔离件7b均(至少密封部件6在嵌入前的状态下)呈圆筒状，如图2所示，各自的轴线方向上的长度(高度)为D0、D1、D2，各自的(密封部件6为嵌入前的)外径(直径)为

首先，就长度而言，比值D1/D2优选为0.5～1.1。满足该范围的情况下，能够很好地得到因具备第二隔离件7b而带来的耐热效果，第一隔离件7a及密封部件6的热劣化风险降低。假如第二隔离件7b的长度过短，则无法充分得到因具备第二隔离件7b而带来的耐热效果，第一隔离件7a及密封部件6的温度上升而引起热劣化的风险升高，不理想。另外，假如第一隔离件7a的长度过短，则无法充分得到由第一隔离件7a带来的热传导抑制效果，密封部件6的温度上升而引起热劣化的风险升高，不理想。

应予说明，长度D0、D1、D2的优选值的范围根据气体传感器100的具体构成、形状而适当确定即可，例如，长度D0为十几mm～几十mm左右，长度D1、D2为几mm左右。

另一方面，就外径而言，比值优选为0.95以上。满足该范围的情况下，第一隔离件7a与密封部件6的大致整面接触，因此，从第一隔离件7a朝向密封部件6的传热在密封部件6的大致整面是均等的，因传热部分集中而引起的密封部件6热劣化得到了很好的抑制。假如第一隔离件7a的外径较小而使得与密封部件6之间的接触面积较小，则仅在两者的接触部分发生传热，容易以该接触部分为起点而发生密封部件6的热劣化，故不理想。

另外，比值优选为1.05以下。满足该范围的情况下，第二隔离件7b与第一隔离件7a的大致整面接触，因此，从第二隔离件7b朝向第一隔离件7a的传热在第一隔离件7a的大致整面是均等的，因传热部分集中而引起的第一隔离件7a热劣化得到很好的抑制。假如第一隔离件7a的外径较大而使得与第二隔离件7b之间的接触面积较小，则仅在两者的接触部分发生传热，容易以该接触部分为起点而发生第一隔离件7a的热劣化，故不理想。

应予说明，外径的优选值的范围根据气体传感器100的具体构成、形状而适当确定即可。特别是，密封部件6的外径/>的值为比外筒4的密封部4b的内径稍大的值即可，第一隔离件7a及第二隔离件7b的外径/>为比外筒4的主部4a小(即不与主部4a接触)的值即可。例如，外径/>为十几mm～几十mm左右。

本实施方式中采用的使2级构成的隔离件7介于密封部件6与连接器5之间的构成与不具备隔离件7的构成相比，就气体传感器100的短小化(缩短化)这一点而言也是有利的。这是因为：单独配置密封部件6的情况下，即便是该密封部件6发生热劣化这样的更靠近高温加热区域(热源)的位置，只要可确保第二隔离件7b的耐热性就能够进行隔离件7的配置；按与该隔离件7相邻的方式配置密封部件6的情况下，即便比该配置位置不具备隔离件7时容许的配置位置更靠近热源，密封部件6的过度升温也得以抑制。完全可以使密封部件6接近于热源，即能够使气体传感器100短小化(缩短化)。

如以上所说明，根据本实施方式，使隔离件介于在气体传感器的外筒的内部所配置的与传感器元件连接的连接器和将外筒以其端部密封的密封部件之间，且使该隔离件为与密封部件相邻的树脂制的第一隔离件和与该第一隔离件相邻的陶瓷制的第二隔离件的2级构成，由此能够抑制密封部件升温，且能够确保隔离件自身的耐热性。据此，与不具备隔离件的以往构成相比，能够使气体传感器短小化，且抑制密封部件的热劣化。

＜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3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3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3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3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，通过如下工序，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，则以使得测定电极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3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被加热成至少第一内部空腔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、通过来自加热器电源40的供电实现加热器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而导致元件基体11发生开裂(被水开裂)。

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设置成：由氧化铝制成，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设置成：由氧化铝制成，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被设置为低热传导率的层，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3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由氧化铝制成，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，作为传感器元件10，例示了具有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

(试验1：加热试验)

作为实施例，准备了上述实施方式所涉及的气体传感器100，并且，作为比较例1～比较例3，准备了密封部件及隔离件的构成与上述气体传感器100不同的3个气体传感器。针对上述4个气体传感器进行加热试验，将密封部件的温度进行比较。应予说明，气体传感器100中，将密封部件6以氟橡胶构成，将第一隔离件7a以PTFE构成，将第二隔离件7b以氧化铝构成。另外，D0＝6mm、D1＝6mm、D2＝6mm、

图4是将实施例所涉及的气体传感器100和比较例1～比较例3所涉及的气体传感器C1～C3这4个气体传感器的构成对比示出的图。图4中，将这4个气体传感器各自的固定螺栓3的螺栓部3a与保持部3b的边界位置在一个高度H0对齐。另外，将该配置状态下的比较例1所涉及的气体传感器C1中的密封部件6α的下端位置(与连接器5的上端之间的边界位置)设为密封部件基准位置H1。

比较例1所涉及的气体传感器C1具有比实施例所涉及的气体传感器100的外筒4长的外筒4α，且不具备隔离件。另外，气体传感器C1中，密封部件6α比气体传感器100的密封部件6长，且密封部件6α的下端在密封部件基准位置H1与连接器5的上端接触。

另外，比较例2所涉及的气体传感器C2具有比比较例1所涉及的气体传感器C1的外筒4α(进而，比实施例所涉及的气体传感器100的外筒4)短的外筒4β，除此之外，具有与比较例1所涉及的气体传感器C1相同的构成。该气体传感器C2中，密封部件6α的下端位置自密封部件基准位置H1而向附图中的下方分离距离L1(＝16mm)，密封部件6α的下端在该下端位置与连接器5的上端接触。

换言之，气体传感器C2完全维持比较例1所示的以往构成的长条产品即气体传感器C1中的除外筒4α以外的构成，且实现了短小化。

此外，比较例3所涉及的气体传感器C3构成为：与比较例2同样地实现了短小化，并且，使由氧化铝构成的单一的隔离件7γ介于密封部件6与连接器5之间。该气体传感器C3中，密封部件6的下端位置自密封部件基准位置H2向附图中的下方分离距离L2(＝4mm)，密封部件6在该下端位置与隔离件7γ的上端接触。隔离件7γ配备于该位置与自密封部件基准位置H1向附图中的下方分离距离L1的位置之间，其下端与连接器5的上端接触。

气体传感器C3实质上具有以隔离件7γ对比较例2所涉及的气体传感器C2中的密封部件6α的连接器5附近的规定部分进行置换得到的构成。

另一方面，实施例所涉及的气体传感器100设置有2级构成的隔离件7，以该隔离件7代替比较例3的气体传感器C3所具备的单一的隔离件7γ。该气体传感器100中，密封部件6的下端位置自密封部件基准位置H2向附图中的下方分离距离L2，密封部件6在该下端位置与隔离件7的上端接触，另外，隔离件7配备于该位置至自密封部件基准位置H1向附图中的下方分离距离L1的位置，其下端与连接器5的上端接触，这两点与比较例3共通，不过，其与比较例3的不同点在于，隔离件7为由PTFE构成且与密封部件6的下端接触的第一隔离件7a和由氧化铝构成且与连接器5的上端接触的第二隔离件7b的2级构成。

气体传感器100实质上具有以树脂制的第一隔离件7a对比较例3所涉及的气体传感器C3中的隔离件7γ的密封部件6附近的规定部分进行置换得到的构成。

针对具有以上构成的4个气体传感器进行加热试验，将密封部件的温度进行比较。加热使用C₃H₈燃烧器支架，气体温度为770℃左右，对比固定螺栓3更靠附图中的下侧进行加热。加热时间为90分钟，利用热电偶进行测温。应予说明，从加热设备的构成来看，预先确认到：越趋向附图中的下端侧，密封部件的温度越高。

将该加热试验的结果与各气体传感器中的密封部件的下端及隔离件的下端的自密封部件基准位置H1起算的距离一同示于表1。其中，表1中，将密封部件称为“橡胶塞”。另外，在表1的“橡胶塞温度评价结果”栏中以标记表示将比较例1所涉及的气体传感器C1中的测定温度设为基准温度时的与其他气体传感器中的测定温度之间的温度差的程度。“○”(圆形标记)表示测定温度低于基准温度。“△”(三角标记)表示测定温度与基准温度相同或比基准温度高出不到20℃。“×”(叉标记)表示测定温度比基准温度高20℃以上。

表1

首先，由比较例2的结果确认到：以比较例1的构成直接实现了短小化的情况下，密封部件被加热到比长条产品高20℃以上的温度。

与此相对，将比较例2所涉及的气体传感器C2中的密封部件6α的一部分以隔离件置换得到的比较例3所涉及的气体传感器C3及实施例所涉及的气体传感器100中，尽管均与气体传感器C2同为短小产品，不过，与气体传感器C2相比，密封部件的温度上升得以抑制。这意味着：耐热性优异的陶瓷制的隔离件的使用对于抑制密封部件的温度上升至少具有一定程度的效果。

特别是，使隔离件7为由树脂形成的第一隔离件7a和由陶瓷形成的第二隔离件7b的2级构成的实施例所涉及的气体传感器100的情况下，尽管密封部件6位于比比较例1的密封部件6α更靠附图中的下方的位置，但是，密封部件6的温度与比较例1的密封部件6α相比有所降低。这意味着：像上述的实施方式那样，使隔离件7为2级构成，在与密封部件6接触那侧配置热传导性低的树脂性的第一隔离件7a，在气体传感器100使用时变成更高温度那侧配置耐热性高的陶瓷制的第二隔离件7b，如此配置对于抑制密封部件6的温度上升特别有效。

应予说明，上述结果还暗示了：采用了2级构成的隔离件7的情况下，能够使气体传感器100与图4所示的构成相比进一步短小化。

(试验2：热劣化确认试验)

准备了实施例所涉及的气体传感器100和比较例2所涉及的气体传感器C2，在使后者的密封部件6明显地发生热劣化(变形)的加热条件下，对实施例所涉及的气体传感器100进行加热，对有无发生热劣化进行评价。加热与试验1同样地采用了C₃H₈燃烧器支架。

具体而言，预先确定气体传感器C2的密封部件6α的温度达到PTFE的熔点即327度以上的加热条件，在该加热条件下，对实施例所涉及的气体传感器100进行加热。换言之，在气体传感器C2的密封部件6α确实发生热劣化的加热条件下，对气体传感器100进行加热。应予说明，也可以说：该加热条件为假如隔离件仅由PTFE形成时该隔离件发生热劣化的条件。

然而，气体传感器100所具备的PTFE制的第一隔离件7a和密封部件6均没有确认到热劣化。该结果说明了：通过具备陶瓷制的第二隔离件7b，即便在通常PTFE发生热劣化这样的高温气氛中，第一隔离件7a及密封部件6的耐热性也得以确保。

Claims (12)

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；

壳体，所述传感器元件被收纳并被固定于该壳体的内部；以及

连接器，该连接器配置于所述壳体内部，将所述传感器元件和外部电连接，

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；

橡胶制的密封部件，该密封部件嵌入于所述密封部，从而将所述外筒密封；以及

隔离件，该隔离件在所述外筒的内部介于所述密封部件与所述连接器之间，

所述隔离件具备：与所述密封部件接触且耐热性比所述密封部件高的树脂制的第一隔离件、以及与所述连接器接触的陶瓷制的第二隔离件。

2.根据权利要求1所述的气体传感器，其特征在于，

所述第一隔离件由PTFE或PFA形成。

3.根据权利要求1或2所述的气体传感器，其特征在于，

所述第二隔离件由热传导率为32W/m·K以下的陶瓷形成。

4.根据权利要求3所述的气体传感器，其特征在于，

所述第二隔离件由氧化铝或块滑石形成。

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，

将所述传感器元件的轴线方向上的所述第一隔离件及所述第二隔离件的长度分别设为D1、D2时，

比值D1/D2为0.5～1.1。

6.根据权利要求1至5中的任一项所述的气体传感器，其特征在于，

将所述密封部件、所述第一隔离件及所述第二隔离件的外径分别设为时，

比值为0.95以上，

比值为1.05以下。

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和将所述传感器元件与外部电连接的连接器，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；

橡胶制的密封部件，该密封部件嵌入于所述密封部，从而将所述外筒密封；以及

隔离件，该隔离件在所述外筒的内部介于所述密封部件与所述连接器之间，

所述隔离件具备：与所述密封部件接触且耐热性比所述密封部件高的树脂制的第一隔离件、以及与所述连接器接触的陶瓷制的第二隔离件。

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，

所述第一隔离件由PTFE或PFA形成。

9.根据权利要求7或8所述的传感器元件收纳壳体，其特征在于，

所述第二隔离件由热传导率为32W/m·K以下的陶瓷形成。

10.根据权利要求9所述的传感器元件收纳壳体，其特征在于，

所述第二隔离件由氧化铝或块滑石形成。

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，

将所述传感器元件的轴线方向上的所述第一隔离件及所述第二隔离件的长度分别设为D1、D2时，

比值D1/D2为0.5～1.1。

12.根据权利要求7至11中的任一项所述的传感器元件收纳壳体，其特征在于，

将所述密封部件、所述第一隔离件及所述第二隔离件的外径分别设为时，

比值为0.95以上，

比值为1.05以下。