CN116893209A - 气体传感器及传感器元件收纳壳体 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种气体传感器及传感器元件收纳壳体。气体传感器即便不具有复杂的结构，隔离件也被稳定固定。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向主部突出；橡胶制的密封部件，嵌入于密封部而将外筒密封；隔离件，在外筒内部介于密封部件与连接器之间，随着由压紧带来的缩径，自密封部件对隔离件作用载荷，由此摩擦力作用于与密封部件接触的接触面，从而使得隔离件在连接器与密封部件之间被夹持固定。

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，特别涉及在收纳有传感器元件的壳体内配置的隔离件的固定。

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)。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，在壳体的内部配置有具备用于实现与传感器元件电连接的连接端子的陶瓷制的触点保持部件(连接器)，与连接端子连接的引线贯穿密封部件而向外部延伸。这种情况下，还众所周知如下构成，即，在密封部件与触点保持部件之间，以绝缘、隔热等为目的，配置有被称为隔离件、隔板等的由陶瓷等形成的部件(例如参见专利文献1)。上述隔离件等部件的位置优选被固定，以使得电极等部件不会因从外部施加的振动、冲击等而被破坏。

专利文献1中公开的气体传感器中，在被称为前端侧隔板的触点保持部件收纳有被称为检测元件的传感器元件的端部，并且，在被称为封闭部件的密封部件与前端侧隔板之间夹有被称为后端侧隔板的隔离件部件。

后端侧隔板的长度方向(轴向)上的位置通过后端侧隔板由封闭部件和前端侧隔板夹持而被固定。另一方面，后端侧隔板的与轴向垂直的方向(径向)上的位置通过在前端侧隔板和后端侧隔板分别对置的端面形成相互嵌合的凹凸结构且使它们的凹凸部分嵌合而被固定。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：日本特许第6787810号公报

发明内容

关于专利文献1中公开那样的设置用于使触点保持部件和隔离件相互嵌合的凹凸结构，从加工的复杂度、需要进行组装时的对位(相位调整)方面考虑，为推高制造成本的主要原因，故不优选。

另外，近年来，为了使内燃机中的部件安装空间狭小化，对气体传感器的短小化(缩短化)、小型化的要求提高。关于专利文献1中公开那样的设置使具有凹凸结构的触点保持部件和隔离件相互嵌合的结构，从需要确保嵌合部分方面考虑，对于在轴向及径向上均实现短小化、小型化不利。

本发明是鉴于上述课题而完成的，其目的在于，提供即便不具有复杂的结构也能够将隔离件稳定固定的气体传感器。

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；以及陶瓷制的隔离件，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，所述密封部的侧方的规定位置为自外侧被压紧的压紧部位，所述密封部件在所述压紧部位被实施了缩径，由此所述外筒被密封，所述隔离件具有：与所述连接器接触的平坦的第一端面、以及与所述密封部件接触的平坦的第二端面，随着所述密封部件在所述压紧部位被实施缩径，自所述密封部件对所述隔离件作用规定的载荷，由此在所述隔离件与所述密封部件之间产生的摩擦力作用于所述第二端面，从而所述隔离件在所述连接器与所述密封部件之间被夹持固定。

本发明的第二方案在第一方案所涉及的气体传感器的基础上，其特征在于，当将除所述压紧部位以外的所述密封部件的外径设为A，将所述压紧部位处的所述密封部件的外径设为B，将所述密封部件的与所述第二端面接触的接触面至所述压紧部位的距离设为C，将所述压紧部位的宽度设为D，将k设为比例常数，将所述规定的载荷设为F时，F＝k·(A－B)D/C，当将用于实现所述连接器和所述密封部件对所述隔离件的夹持固定的所述规定的载荷的最小值设为F_min，将在所述连接器与所述传感器元件之间产生的触点偏离与最大容许范围一致时的所述规定的载荷的值设为F_max时，F_min/k≤(A－B)D/C≤F_max/k。

本发明的第三方案在第二方案所涉及的气体传感器的基础上，其特征在于，0.11≤(A－B)D/C≤1.65。

本发明的第四方案在第一至第三方案中的任一方案所涉及的气体传感器的基础上，其特征在于，所述密封部件的与所述隔离件接触的接触面的面积S1和与所述接触面接触的所述隔离件的所述第二端面的面积S2之比S1/S2的值在0.9～1.1的范围内。

本发明的第五方案在第一至第四方案中的任一方案所涉及的气体传感器的基础上，其特征在于，所述密封部件由氟橡胶制成。

本发明的第六方案在第一至第五方案中的任一方案所涉及的气体传感器的基础上，其特征在于，所述隔离件的热传导率为32W/m·K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将所述传感器元件与外部电连接的连接器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；以及陶瓷制的隔离件，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，所述密封部的侧方的规定位置为自外侧被压紧的压紧部位，所述密封部件在所述压紧部位被实施了缩径，由此所述外筒被密封，所述隔离件具有：与所述连接器接触的平坦的第一端面、以及与所述密封部件接触的平坦的第二端面，随着所述密封部件在所述压紧部位被实施缩径，自所述密封部件对所述隔离件作用规定的载荷，由此在所述隔离件与所述密封部件之间产生的摩擦力作用于所述第二端面，从而所述隔离件在所述连接器与所述密封部件之间被夹持固定。

本发明的第八方案在第七方案所涉及的传感器元件收纳壳体的基础上，其特征在于，当将除所述压紧部位以外的所述密封部件的外径设为A，将所述压紧部位处的所述密封部件的外径设为B，将所述密封部件的与所述第二端面接触的接触面至所述压紧部位的距离设为C，将所述压紧部位的宽度设为D，将k设为比例常数，将所述规定的载荷设为F时，F＝k·(A－B)D/C，当将用于实现所述连接器和所述密封部件对所述隔离件的夹持固定的所述规定的载荷的最小值设为F_min，将在所述连接器与所述传感器元件之间产生的触点偏离与最大容许范围一致时的所述规定的载荷的值设为F_max时，F_min/k≤(A－B)D/C≤F_max/k。

本发明的第九方案在第八方案所涉及的传感器元件收纳壳体的基础上，其特征在于，0.11≤(A－B)D/C≤1.65。

本发明的第十方案在第七至第九方案中的任一方案所涉及的传感器元件收纳壳体的基础上，其特征在于，所述密封部件的与所述隔离件接触的接触面的面积S1和与所述接触面接触的所述隔离件的所述第二端面的面积S2之比S1/S2的值在0.9～1.1的范围内。

本发明的第十一方案在第七至第十方案中的任一方案所涉及的传感器元件收纳壳体的基础上，其特征在于，所述密封部件由氟橡胶制成。

本发明的第十二方案在第七至第十一方案中的任一方案所涉及的传感器元件收纳壳体的基础上，其特征在于，所述隔离件的热传导率为32W/m·K以下。

发明效果

根据本发明的第一至第十二方案，在隔离件的两个端面平坦、各端面与连接器及密封部件面接触、且隔离件不会从侧方受到约束的结构的气体传感器或者传感器元件收纳壳体中，实现了连接器和密封部件对隔离件的夹持固定。

特别是，根据本发明的第二、第三、第八及第九方案，不会使连接器与传感器元件之间产生超过了容许范围的触点偏离地实现了通过连接器和密封部件的夹持而将隔离件稳定地固定。

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剖视图。

图2是以相对于触点偏离容许距离的裕度的形式表示档位1～档位4的气体传感器100的触点偏离距离的图。

图3是传感器元件10的沿着长度方向的剖视图。

附图标记说明

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…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…触点部件，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。

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剖视图。更详细而言，在断裂线ZL的上方示出了气体传感器100的剖视图，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。概略而言，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的固定用的部件(压粉体或陶瓷部件)。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(也称为触点保持部件)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也称为橡胶塞或者索环。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。密封部件6在外筒4内(附图中的下端部)的端面6a与隔离件7接触。

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触点部件51。触点部件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之间夹持固定有触点部件51，由此传感器元件10的电极端子160和触点部件51电连接。

连接器5在插入有传感器元件10那侧的相反侧(附图中的上端部)的端面5e与隔离件7接触。

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。作为隔离件7的材质，从确保强度方面考虑，选择陶瓷。

优选为从耐热性方面考虑最佳的、热传导率为32W/m·K以下的陶瓷。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)。

隔离件7在其一个端部(附图中的下端部)侧的端面7a与连接器5的端面5e接触，且在另一个端部(附图中的上端部)侧的端面7e与密封部件6的端面6a接触。隔离件7的端面7a及端面7e除了贯通孔9以外均平坦。因此，本实施方式所涉及的气体传感器100中，在连接器5和隔离件7相互面接触且密封部件6和隔离件7相互面接触的状态下，隔离件7由连接器5和密封部件6夹持固定。

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触点部件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及各种电源通过触点部件51及引线8而电连接。应予说明，图1中，触点部件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可以利用与以往同样的方法进行制作。概略而言，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且进行了触点部件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按隔离件7、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。

＜密封部件的尺寸关系＞

如上所述，本实施方式所涉及的气体传感器100中，隔离件7的端面7a及端面7e均平坦，在各端面分别与连接器5及密封部件6面接触。据此，隔离件7在轴向(图1中的上下方向，以下相同)上由连接器5及密封部件6夹持固定，不过，在侧方(径向)上没有受到任何约束。然而，气体传感器100中，在上述利用压紧进行固定时，通过密封部件6满足规定的尺寸关系，使得隔离件7不仅在轴向上实现了稳定地固定的状态，在正交的径向上也实现了稳定地固定的状态。

概略而言，这利用了：随着在上述的气体传感器100的组装工序中压紧部位S由规定的压紧机构压紧，想要使其产生朝向径向外侧的反作用力且向轴向伸长变形的密封部件6使将隔离件7按压于连接器5的方向上的轴向载荷作用于隔离件7，结果在密封部件6与隔离件7之间沿着径向产生(静)摩擦力。该摩擦力与规定的摩擦系数及作用于隔离件7的轴向载荷呈正比例。

本实施方式所涉及的气体传感器100中，以上述的摩擦力很好地作用于密封部件6与隔离件7之间的方式对压紧部位S进行压紧，由此，尽管隔离件7的端面7a及7e均平坦而不具有隔离件7和连接器5相互约束的结构，但即便在因振动等而有外力作用于隔离件7的情况下，也可抑制隔离件7的径向上的动作。即，隔离件7在径向上被稳定地固定。

优选为，通过图1所示的以下的4个部位的尺寸A、B、C及D(单位均为mm)满足规定的关系，从而稳定地实现隔离件7被固定的状态。

A：除压紧部位S以外的(或者压紧前的)密封部件6的外径；

B：压紧部位S处的(压紧后的)密封部件6的外径；

C：端面6a至压紧部位S的距离(以下为压紧间距)；

D：压紧部位S的宽度(以下为压紧长度)。

首先，认为：当将压紧时从密封部件6作用于隔离件7的轴向载荷设为F时，轴向载荷F与压紧深度(压紧前后的密封部件6的外径差)A－B及压紧长度D呈正比例，与间距C呈反比例。因此，下述关系式成立。此处，比例常数k为由密封部件6和隔离件7的材质决定的值。

F＝k·(A－B)D/C·····(1)

如果气体传感器100的4个尺寸A、B、C及D的值和该气体传感器100中的轴向载荷F的值均是已知的，则可以由式(1)求出比例常数k的值。

另外，轴向载荷F存在适合于隔离件7固定的范围。即：

F_min≤F≤F_max····(2)。

式(2)中的轴向载荷F的最小值(最小轴向载荷)F_min是：在密封部件6的压紧适当的前提下，判断为是产生实现隔离件7的稳定固定的摩擦力所需的最低限度的轴向载荷F的大小。

另一方面，轴向载荷F的最大值(最大轴向载荷)F_max是：因从密封部件6受到了轴向载荷F的隔离件7使附图中的朝下的力作用于连接器5而在传感器元件10的长度方向上可能产生的、连接器5的触点部件51相对于传感器元件10的电极端子160的位置偏离(以下称为触点偏离)的距离(以下为触点偏离距离)与预先设定的最大容许距离(触点偏离容许距离)一致时的轴向载荷F的大小。如果轴向载荷F超过最大轴向载荷F_max而过大，则压紧时从隔离件7作用于连接器5的力使得无法维持连接器5的触点部件51与传感器元件10的电极端子160的接触状态，因此，轴向载荷F需要设为最大轴向载荷F_max以下。

若将式(1)代入于式(2)，则：

F_min/k≤(A－B)D/C≤F_max/k····(3)。

式(3)是：在实现隔离件7的稳定固定时，期望4个部位的尺寸A、B、C、及D满足的关系式。

接下来，对通过确定比例常数k、最小轴向载荷F_min及最大轴向载荷F_max而得到的式(3)所示的范围的具体设定进行说明。

关于最小轴向载荷F_min，基于预先进行的确定轴向载荷F的大小与隔离件7固定的好坏之间的关系的预备实验的结果，设为10(N)。

接下来，对比例常数k的确定进行说明。表1中一览地示出了：使4个尺寸A、B、C及D的值的组合为不同的4个档位(档位1～档位4)时的各尺寸A、B、C及D的值、基于它们运算出的(A－B)D/C的值、以及属于该档位的气体传感器100中有无触点偏离的判定结果。应予说明，关于档位1，准备12个气体传感器100，关于档位2及档位3，分别准备10个气体传感器100，关于档位4，准备5个气体传感器100，分别确认有无触点偏离。

表1

通过预先进行的预备实验，确认到档位2的气体传感器100中的轴向载荷为150(N)。于是，根据表1及式(1)，F＝k·1.67(mm)＝150(N)，因此，求出比例常数k的值为k＝150/1.67＝89.8(N/mm)。

于是，根据式(3)，下述关系式成立。

F_min/89.8≤(A－B)D/C≤F_max/89.8····(3a)

另一方面，最大轴向载荷F_max是：基于考虑了相对于预先设定的触点偏离容许距离的裕度(单位：％)的预备实验的结果能够设定的值。

图2是以相对于触点偏离容许距离的裕度的形式表示表1所示的档位1～档位4的气体传感器100的触点偏离距离的图。

触点偏离距离相对于触点偏离容许距离的裕度以下式表示。

裕度(％)＝100×(1－触点偏离距离/触点偏离容许距离)···(4)

根据式(4)，若裕度为100％，则意味着完全没有产生触点偏离；若裕度为0％，则意味着触点偏离距离与触点偏离容许距离一致；若裕度为负，则意味着触点偏离距离超过了触点偏离容许距离。

由图2及表1确认到：档位1的几乎所有气体传感器100均产生超过了触点偏离容许距离的触点偏离，另一方面，档位2至档位4的气体传感器100均未产生超过了触点偏离容许距离的触点偏离。不过，确认到：档位4的气体传感器100中，裕度大致为100％，实质上未产生触点偏离，与此相对，档位2的气体传感器100中，存在裕度为0％的气体传感器。

综上所述，本实施方式中，将档位2的气体传感器100中比作用于隔离件7的轴向载荷F稍小的值设定为最大轴向载荷F_max。具体地设定为148(N)。

这种情况下，通过将F_min及F_max的值代入式(3a)，从而导出如下关系式。

10/89.8≤(A－B)D/C≤148/89.8

0.11≤(A－B)D/C≤1.65····(5)

该式(5)只不过是将式(3)的关系式具体化得到的。

如以上所说明的那样，根据本实施方式，在隔离件的两个端面平坦、各端面与连接器及密封部件面接触、且隔离件不会从侧方受到约束的结构的气体传感器中，实现了连接器和密封部件对隔离件的夹持固定。

此外，通过与密封部件相关的4个部位的尺寸A、B、C及D满足式(3)及式(5)，不会使连接器与传感器元件之间产生超过了容许范围的触点偏离地实现了隔离件的稳定夹持固定。例如，即便不具有隔离件和连接器相互嵌合这样的复杂结构，隔离件也得到稳定固定。

应予说明，为了很好地实现上述的稳定夹持固定，优选密封部件6的端面6a的面积S1和与该端面6a接触的隔离件7的端面7e的面积S2之比S1/S2的值为0.9～1.1的范围。如果比S1/S2小于0.9，则在压紧时密封部件6变形而向隔离件7的外侧移动，轴向载荷减弱而使得摩擦力变小的趋势显著，故不优选。另外，对于比S1/S2超过1.1的结构，需要使外筒4的直径变大，使得气体传感器100大型化，故不优选。

＜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的沿着长度方向的剖视图。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，概略而言，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，概略而言，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，通过如下步骤，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。进行该还原或分解时，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)。如果是在测定用泵单元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，在使用传感器元件10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借助触点部件51而与引线8连接，通过上述引线8、触点部件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，确保该部分处的耐淋水性，抑制因该部分直接淋水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(淋水开裂)。

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之间设置有基底层13，以便确保内侧末端保护层12a的粘接性。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，其是以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，也可以将除NOx以外的气体成分设为监测对象。或者，也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

针对上述的档位2、档位3及档位4的各气体传感器100，出于确认隔离件7的固定稳定性的目的，进行振动试验。为了进行比较，还准备了轴向载荷低于最小轴向载荷F_min而为10N以下的气体传感器100，同样进行了振动试验。

具体而言，将各气体传感器100固定于规定的试验台，按以下的条件进行了试验。

加速度：40G；

扫描频率：1000Hz～3300Hz；

扫描速度：0.057oct/min。

观察试验后的气体传感器100，轴向载荷为10N以下的气体传感器中，隔离件7产生了径向上的位置偏离，与此相对，除了(A－B)D/C的值包含在式(5)的范围内的档位3及档位4的气体传感器100以外，(A－B)D/C的值稍微超过式(5)的范围的档位2的气体传感器100中，隔离件7也未产生径向上的位置偏离。

该结果说明：通过至少满足式(5)，气体传感器100中实现了隔离件7的稳定固定。

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的内部，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

陶瓷制的隔离件，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，

所述密封部的侧方的规定位置为自外侧被压紧的压紧部位，所述密封部件在所述压紧部位被实施了缩径，由此所述外筒被密封，

所述隔离件具有：与所述连接器接触的平坦的第一端面、以及与所述密封部件接触的平坦的第二端面，

随着所述密封部件在所述压紧部位被实施缩径，自所述密封部件对所述隔离件作用规定的载荷，由此在所述隔离件与所述密封部件之间产生的摩擦力作用于所述第二端面，从而所述隔离件在所述连接器与所述密封部件之间被夹持固定。

2.根据权利要求1所述的气体传感器，其特征在于，

当将除所述压紧部位以外的所述密封部件的外径设为A，将所述压紧部位处的所述密封部件的外径设为B，将所述密封部件的与所述第二端面接触的接触面至所述压紧部位的距离设为C，将所述压紧部位的宽度设为D，将k设为比例常数，将所述规定的载荷设为F时，

F＝k·(A－B)D/C，

当将用于实现所述连接器和所述密封部件对所述隔离件的夹持固定的所述规定的载荷的最小值设为F_min，将在所述连接器与所述传感器元件之间产生的触点偏离与最大容许范围一致时的所述规定的载荷的值设为F_max时，

F_min/k≤(A－B)D/C≤F_max/k。

3.根据权利要求2所述的气体传感器，其特征在于，

0.11≤(A－B)D/C≤1.65。

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，

所述密封部件的与所述隔离件接触的接触面的面积S1和与所述接触面接触的所述隔离件的所述第二端面的面积S2之比S1/S2的值在0.9～1.1的范围内。

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，

所述密封部件由氟橡胶制成。

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，

所述隔离件的热传导率为32W/m·K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

陶瓷制的隔离件，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，

所述密封部的侧方的规定位置为自外侧被压紧的压紧部位，所述密封部件在所述压紧部位被实施了缩径，由此所述外筒被密封，

所述隔离件具有：与所述连接器接触的平坦的第一端面、以及与所述密封部件接触的平坦的第二端面，

随着所述密封部件在所述压紧部位被实施缩径，自所述密封部件对所述隔离件作用规定的载荷，由此在所述隔离件与所述密封部件之间产生的摩擦力作用于所述第二端面，从而所述隔离件在所述连接器与所述密封部件之间被夹持固定。

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，

当将除所述压紧部位以外的所述密封部件的外径设为A，将所述压紧部位处的所述密封部件的外径设为B，将所述密封部件的与所述第二端面接触的接触面至所述压紧部位的距离设为C，将所述压紧部位的宽度设为D，将k设为比例常数，将所述规定的载荷设为F时，

F＝k·(A－B)D/C，

当将用于实现所述连接器和所述密封部件对所述隔离件的夹持固定的所述规定的载荷的最小值设为F_min，将在所述连接器与所述传感器元件之间产生的触点偏离与最大容许范围一致时的所述规定的载荷的值设为F_max时，

F_min/k≤(A－B)D/C≤F_max/k。

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，

0.11≤(A－B)D/C≤1.65。

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，

所述密封部件的与所述隔离件接触的接触面的面积S1和与所述接触面接触的所述隔离件的所述第二端面的面积S2之比S1/S2的值在0.9～1.1的范围内。

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，

所述密封部件由氟橡胶制成。

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，

所述隔离件的热传导率为32W/m·K以下。