JP2005106685A - ガスセンサ - Google Patents

Abstract

【課題】 センサ素子にガラス成分が接触して加熱されても、センサ素子にクラックが生じにくいガスセンサを提供する。
【解決手段】 検出素子１１の、ヒータ素子１２と接しない側の２つの稜線であって、絶縁碍管２７と支持碍管１８とに挟まれる部分には、耐熱性セメントである保護材３５，３５が、その２つの稜線を各々被うようにして設けられている。この保護材３５，３５は、アルミナ粉末を溶かした耐熱性セメント（例えば、リン酸セメント）によって形成されている。アルミナは、ガラスと熱膨張率が近いため、そのアルミナ粉末が配合された保護材３５，３５は、ガラスの熱膨張率に近い熱膨張率を有する。したがって、セラミックホルダ内では、保護材３５，３５は、第一充填層の熱膨張に追従することができるので、検出素子１１の２つの稜線の凹凸部を保護することができ、検出素子１１にクラックが生じにくい。
【選択図】図５

Description

本発明は、ガスセンサに関するものであり、詳細には、排気ガス中の特定のガス濃度を検出するガスセンサに関するものである。

従来、自動車の排気ガス濃度に応じて電気的特性が変化するセンサ素子を備えたガスセンサが知られている。このガスセンサのセンサ素子は、特定のガス成分を検出して外部に出力する検出素子を備えており、この検出素子には、特定のガスの濃度に応じて起電力が変化する起電力変化型（例えば、ジルコニア）や、抵抗値が変化する抵抗値変化型などが広く利用されている。これらの検出素子は、温度が低いと活性化しないため、センサ素子には検出素子を活性化するために加熱するヒータ素子を備えているのが一般的である。そして、ヒータ素子は、例えばアルミナなどのセラミックで形成され、耐熱セメントなどにより、検出素子に接着されて積層されている。

これらの素子によって構成されたセンサ素子は、筒状のセラミックホルダ内に直に組み付けられ、それらの隙間にはガラス粉末と滑石との混合物が充填される。さらにセラミックホルダ内にはガラス粉末が充填され、溶融及び冷却処理されることにより、センサ素子がセラミックホルダ内に固定される。したがって、セラミックホルダ内には２つの充填層が積層されて形成される。そして、電極端子が接続された検出素子及びヒータ素子の各端面は、ガラス粉末によって形成されるガラス層によって封入され、各端面間は電気的に絶縁される。

そして、上記の構成を備えた従来のガスセンサは、自動車などの排気管に取り付けられることが多いため、耐熱衝撃性、耐振動性及び耐衝撃性を有することが必要であった。そのため、例えば、センサホルダ内に充填する充填層のガラスと滑石との混合割合を調整してセラミックホルダによる検出素子の保持力を適正に設定したガスセンサが提案されている（例えば、特許文献１及び特許文献２参照）。

また、セラミックホルダ内の充填層と、検出素子との熱膨張率に差がある場合には、それぞれの熱膨張差に起因する応力が検出素子の稜線付近に作用してクラックを発生することがあるので、例えば、検出素子基体部の、充填材が接触する稜線に隔離材を覆設させ、クラックの発生を防止可能なガスセンサも提案されている（例えば、特許文献３参照）。

さらに、センサ素子に、センサ素子を挿通する孔を備えたセラミックアダプタを装着し、その孔に塗布される接着体の接着強度の最適範囲を定め、センサ素子のセラミックアダプタをセラミックホルダ内に確実に係止させ、センサ素子をセラミックホルダ内の所定位置に正確に保持することが可能なガスセンサも提案されている（例えば、特許文献４参照）。
特開平９−２５７７４５号公報 特開２００２−２０２２８２号公報 特開平１１−２５８２０３号公報 特開２００２−２２８６２３号公報

しかしながら、特許文献１乃至４に記載のガスセンサでは、セラミックホルダ内に充填された充填層の滑石中に含まれるガラス成分が、セラミック（例えば、ジルコニア）で形成された検出素子の稜線に存在する凹凸部に付着すると、互いの熱膨張差による応力がその稜線の凹凸部に働き、検出素子にクラックが発生するという問題点があった。より具体的には、セラミックホルダ内にガラス成分を含む充填層を充填して検出素子（センサ素子）を保持する場合、検出素子の軸線方向に延びる稜線の一部にでも充填層に含まれるガラス成分が直接接触することがあると、その稜線に存在する凹凸部に熱膨張差に起因する応力が集中して、検出素子にクラックが発生することがあった。

本発明は、上述の課題を解決するためになされたものであり、センサ素子にガラス成分が接触して加熱されても、センサ素子にクラックが生じにくいガスセンサを提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、請求項１に係るガスセンサでは、特定ガス成分のガス濃度を検出する短冊状の検出素子と、当該検出素子の軸線方向と平行方向に延設され、前記検出素子を加熱する短冊状のヒータ素子とから構成されたガスセンサ素子と、当該ガスセンサ素子の前記検出素子の軸線方向の一端部及び前記ヒータ素子の軸線方向の一端部より各々引き出された電極端子と、前記ガスセンサ素子を軸線方向に沿って挿通させ、前記ガスセンサ素子の前記電極端子が設けられている側を収容して保護する筒状のセンサホルダと、当該センサホルダ内に充填され、少なくともガラス成分を含む充填材とを備え、前記検出素子及び前記ヒータ素子の少なくとも一方の素子の、少なくとも前記充填材と接触し軸線方向に延びる稜線全体に保護材を設けたことを特徴とする。

また、請求項２に係る発明のガスセンサでは、請求項１に記載の発明の構成に加え、前記検出素子を構成する基材はジルコニアを主成分として形成され、前記ヒータ素子を構成する基材はアルミナを主成分として形成されていることを特徴とする。

また、請求項３に係る発明のガスセンサでは、請求項１又は２に記載の発明の構成に加え、前記保護材は、前記検出素子の、少なくとも前記充填材と接触し軸線方向に延びる稜線全体に設けられていることを特徴とする。

また、請求項４に係る発明のガスセンサでは、請求項１乃至３の何れかに記載の発明の構成に加え、前記保護材は、セメントで形成されていることを特徴とする。

また、請求項５に係る発明のガスセンサでは、特定ガス成分のガス濃度を検出する短冊状の検出素子と、当該検出素子の軸線方向と平行方向に延設され、前記検出素子を加熱する短冊状のヒータ素子とから構成されたガスセンサ素子と、当該ガスセンサ素子を軸線方向に沿って挿通させ、前記ガスセンサ素子の前記電極端子側を収容して保護する筒状のセンサホルダと、当該センサホルダ内に充填され、少なくともガラス成分を含む充填材とを備え、前記検出素子及び前記ヒータ素子の少なくとも一方の、前記充填材と接触し軸線方向に延びる稜線全体は面取りされていることを特徴とする。

また、請求項６に係る発明のガスセンサでは、請求項５に記載の発明の構成に加え、前記検出素子を構成する基材はジルコニアを主成分として形成され、前記ヒータ素子を構成する基材はアルミナを主成分として形成されていることを特徴とする。

また、請求項７に係る発明のガスセンサでは、請求項５又は６に記載の発明の構成に加え、前記検出素子の、前記充填材と接触し軸線方向に延びる稜線全体が面取りされていることを特徴とする。

請求項１に記載の発明のガスセンサによれば、検出素子とヒータ素子とで構成されたガスセンサ素子は、筒状のセンサホルダ内に収容された後に、少なくともガラス成分を含む充填材が充填されている。そして、検出素子およびヒータ素子の少なくとも一方の素子の、少なくとも前記充填材と接触し軸線方向に延びる稜線全体に保護材が設けられているので、稜線に存在する凹凸部にはガラス成分が付着することがない。したがって、素子の稜線に設けられた保護材は、ガラスと素子との熱膨張差を緩衝することができるので、素子の稜線からクラックが生じるのを防ぐことができる。さらに、ガスセンサが何度も高温に晒されることにより、ガスセンサ内のセンサ素子および充填材などの熱膨張・収縮が繰り返されても、センサ素子にクラックが発生しにくいので、ガスセンサの長期間の使用を可能とすることができる。

また、請求項２に係る発明のガスセンサでは、請求項１に記載の発明の効果に加え、検出素子を構成する基材は、ジルコニアを主成分として形成されている。ジルコニアは、固体電解質であり、温度上昇に伴い酸素イオン伝導が主体の伝導となるので、この電解質特性を利用して、特定ガス成分のガス濃度を検出することができる。また、ヒータ素子を構成する基材は、アルミナを主成分として形成されているので、熱伝導性と電気絶縁性を向上させることができる。さらに、機械強度も高めることができる。

また、請求項３に係る発明のガスセンサでは、請求項１又は２に記載の発明の効果に加え、検出素子の稜線に存在する微かな凹凸部を、保護材によって覆うことができる。したがって、検出素子と充填材との熱膨張差が大きくても、保護材が、その熱膨張差を緩衝することができるので、検出素子に発生するクラックを防止することができる。

また、請求項４に係る発明のガスセンサでは、請求項１乃至３の何れかに記載の発明の効果に加え、保護材は、セメントで形成されているので、ペースト状にして容易に塗布することができる。さらに、ペースト状にしたセメントに、様々な基材を混ぜることにより、様々な機能をセメントに付加することができるので、耐熱性、耐衝撃性及び耐震性に優れたセメントを保護材として形成することができる。

また、請求項５に係る発明のガスセンサでは、検出素子とヒータ素子とで構成されたガスセンサ素子は、筒状のセンサホルダ内に収容された後に、少なくともガラス成分を含む充填材が充填されている。そして、検出素子およびヒータ素子の少なくとも一方の素子の、少なくとも前記充填材と接触し軸線方向に延びる稜線全体は、面取りされているので、その面取りされた部分にガラス成分が付着しても、検出素子およびヒータ素子にクラックが生じにくくなる。さらに、ガスセンサが何度も高温に晒されることにより、ガスセンサ内のセンサ素子および充填材などの熱膨張・収縮が繰り返されても、センサ素子にクラックが発生しにくいので、ガスセンサの長期間の使用を可能とすることができる。

また、請求項６に係る発明のガスセンサでは、請求項５に記載の発明の効果に加え、検出素子を構成する基材は、ジルコニアを主成分として形成されているので、検出素子を構成する基材は、ジルコニアを主成分として形成されている。ジルコニアは、固体電解質であり、温度上昇に伴い酸素イオン伝導が主体の伝導となるので、この電解質特性を利用して、特定ガス成分のガス濃度を検出することができる。また、ヒータ素子を構成する基材は、アルミナを主成分として形成されているので、熱伝導性と電気絶縁性を向上させることができる。さらに、機械強度も高めることができる。

また、請求項７に係る発明のガスセンサでは、請求項５又は６に記載の発明の効果に加え、検出素子の、充填材と接触する稜線が面取りされているので、検出素子の稜線に存在する微かな凹凸部を削ることができる。したがって、検出素子の稜線が面取りされることで、検出素子の稜線には凹凸部は存在しないので、検出素子と充填材との熱膨張差が大きくても、検出素子に発生するクラックを防止することができる。

以下、本発明をガスセンサ１に適用した第１の実施形態について、図面を参照して説明する。図１は、本発明の第１の実施形態であるガスセンサ１の正面図であり、図２は、図１に示すガスセンサ１の縦断面図である。このガスセンサ１は、ガス濃度を検出可能な検出素子１１を備えたものであり、同ガスセンサ１を自動車の排気管に取り付けることにより、検出素子１１の検出部１１１を排気ガスが流れる排気管内に配置させて、排気ガス中のＮＯ_Ｘ（窒素酸化物）濃度を検出するために使用するものである。

はじめに、図１および図２を参照して、ガスセンサ１の概略構成について説明する。図１および図２に示すように、ガスセンサ１は、二枚の短冊状素子からなる略角柱状のセンサ素子１４、当該センサ素子１４の先端側（図２に示す下端側）以外を内挿して保持し、センサ素子１４の軸線方向に沿って延びる略円筒状のセラミックホルダ１３、当該セラミックホルダ１３の先端側（図２に示す下端側）を内挿して保持する略円筒状の主体金具３、当該主体金具３の先端側（図１および図２に示す下端側）に接合された有底円筒状のプロテクタ１９、主体金具３の後端側（図１および図２に示す上端側）に接合され、セラミックホルダ１３の後端側（図２に示す上端側）を囲繞して保護する外筒５、当該外筒５の上方（図２に示す上方側）の開口部を閉塞するように配設された略円柱状の導線セパレータ１６、当該導線セパレータ１６の外周面を囲繞し、外筒５の後端側（図１および図２に示す上端側）に接合された保護外筒７などから構成されている。

さらに、ガスセンサ１は上記構成に加え、図２に示すように、センサ素子１４に装着された支持碍管１８および絶縁碍管２７、検出素子１１の後端部側の端面に塗布された保護ペースト３３，保護外筒７の上方（図２に示す上方側）の開口部を閉塞するために配設されたゴムキャップ２０などを各々備えている。また、セラミックホルダ１３の内部には、センサ素子１４の中間部からセンサ素子１４の後端部近傍までを封着して固定する第一充填層３０２が形成され、当該第一充填層３０２の上方に形成され、センサ素子１４の後端部と、その後端部に接続される電極端子２２などを封着して固定する第二充填層３１２が形成されている。なお、以下の説明において、センサ素子１４の先端部（図２に示す下端側）を「センサ先端部１４１」、後端部（図２に示す上端側）を「センサ後端部１４２」と呼ぶことにする。

次に、センサ素子１４について、図２および図３を参照して説明する。図３は、支持碍管１８が装着されたセンサ素子１４の斜視図である。図２および図３に示すように、センサ素子１４は、ガス濃度を検出する短冊状の検出素子１１と、当該検出素子１１を加熱する短冊状のヒータ素子１２とが互いに接着することにより、一本の積層体として構成されている。

まず、検出素子１１について説明する。一般的なガスセンサに使用される検出素子は、検出対象に応じて様々な型式の素子が用いられている。例えば、接触した被検出ガスの濃度に応じて起電力が変化するもの（起電力変化型）や、抵抗値が変化するもの（抵抗値変換型）などが広く用いられている。なお、第１の実施形態のガスセンサ１の検出素子１１は、起電力変化型のジルコニア製セラミック素子である。この検出素子１１は、ジルコニア製の短冊状セラミック基板を複数積層して形成されるものであり、特開２０００−２５８３８８号などに開示される従来公知の構造を有し、窒素酸化物（ＮＯ_Ｘ）濃度を検出するものである。

さらに、図３に示すように、検出素子１１の後端側（図２に示す上端側）には、検出部１１１が検出した検出値を検出信号に置き換え、その検出信号を外部に出力する電極部１１２が設けられている。そして、この電極部１１２には、リードパターン（図示外）が印刷され、当該リードパターンには、四本の電極端子２２が接続されている。そして、図２に示すように、各電極端子２２には、リード端子２５がスポット溶接により接続されている。

次に、ヒータ素子１２について説明する。上記に説明した検出素子１１は、温度が低いと活性化せず、正確なガス濃度を検出することができない。そこで、図３に示すように、第１の実施形態のガスセンサ１のセンサ素子１４には、検出素子１１を加熱するための短冊状のヒータ素子１２が設けられている。このヒータ素子１２は、検出素子１１よりも長尺であって、かつ同じ幅長を有するアルミナ製の短冊状セラミック基板複数積層することで形成されている。そして、この積層されるセラミック基板間には、白金を主体とするヒータ発熱パターン（図示外）およびこれに接続するリードパターン（図示外）が形成されている。そして、図３に示すように、リードパターンが形成された一端側には電極部１２２が設けられ、このリードパターンには、二本の電極端子２２が接続されている。

そして、図３に示すように、上記構成を備えたヒータ素子１２の先端側（図３に示す下端側）は、検出素子１１の先端側（図３に示す下端側）に揃えられ、ヒータ素子１２と検出素子１１とが、耐熱性セメントにより互いに接着されている。また、センサ素子１４のセンサ後端部１４２において、ヒータ素子１２の電極部１２２側の端部は、検出素子１１の電極部１１２側の端部よりも上方にやや突出している。また、図２に示すように、ヒータ素子１２の電極部１２２側の突出する端部の外周面は、セラミックホルダ１３内に充填された第二充填層３１２によって、その周囲を完全に封着されるようになっている。

なお、第１の実施形態のセンサ素子１４では、ヒータ素子１２の端面を、検出素子１１の端面より長く突出させているが、これに限らず検出素子１１の端面を長く突出させてもよい。しかし、検出素子１１およびヒータ素子１２の何れかのうち、セラミックホルダ１３の熱膨張率、即ちガラスに近い熱膨張率を有するアルミナを材質とした素子側の端面を長く突出させる方が好ましい。これは、第一充填層３０２，第二充填層３１２が、ガラスを主体とした材質であり、それらが充填されるセラミックホルダ１３もアルミナを材質としているからである。したがって、アルミナの熱膨張率に近いアルミナを材質とした素子側を長く突出させた場合、その素子の長く突出した部分は、第二充填層３１２にその周囲を封着されるが、第二充填層３１２と熱膨張率が近いため、クラック発生頻度を抑制することができる。

また、第１の実施形態のセンサ素子１４は、検出素子１１とヒータ素子１２とが互いに接着して一体構成されているが、検出素子とヒータ素子とが一体焼成されたセンサ素子を用いてもよい。なお、図３に示すセンサ素子１４に、支持碍管１８が装着された状態を示す斜視図のセンサ素子１４が、「ガスセンサ素子」に相当する。

次に、支持碍管１８について説明する。図３に示すように、この支持碍管１８は、検出素子１１の軸線方向と平行に延設され、その延設された長手方向と直交する方向の断面が略コの字型形状を有するセラミック部材である。そして、図２および図３に示すように、支持碍管１８は、その凹面側を、検出素子１１の電極部１１２近傍の側面側に向けて、検出素子１１の側面に嵌合している。なお、支持碍管１８の凹面側には耐熱性セメント（例えば、リン酸セメント）が塗布されており、支持碍管１８は、検出素子１１の電極部１１２の近傍の側面に接着されている。

また、支持碍管１８の材質は、ガラスの熱膨張率に近く、かつ耐熱性の高いアルミナを基材としたセラミックが使用されている。そして、図２に示すように、支持碍管１８は、ジルコニア製の検出素子１１と、ガラス製の第二充填層３１２とが直接接触しないように、検出素子１１の電極部１１２側の側面を保護するように配設される。これは、ジルコニア製の検出素子１１と、ガラス製の第二充填層３１２との熱膨張差が大きく、互いが直接接触すると、検出素子１１側にクラックが発生してしまうからである。よって、支持碍管１８は、検出素子１１および第二充填層３１２の熱膨張差を緩衝することにより、検出素子１１に生じるクラックを防止している。

次に、絶縁碍管２７について、図２および図４を参照して説明する。図４は、図３に示すセンサ素子１４に、絶縁碍管２７が装着された状態を示す斜視図である。図４に示すように、この絶縁碍管２７は、センサ素子１４に装着される有底円筒形状のセラミック部材である。そして、絶縁碍管２７は、その絶縁碍管２７の円筒の開口する端面側を、センサ素子１４のセンサ後端部１４２側に向けた状態で、センサ素子１４の中間よりもややセンサ先端部１４１側に装着されている。また、絶縁碍管２７の底部の略中央には、センサ素子１４が挿通する挿通孔（図示外）が設けられている。さらに、この挿通孔にはセンサ素子１４が挿入され、センサ素子１４が挿通する絶縁碍管２７の凹部の内側には、接着体２８が充填されている。そして、絶縁碍管２７はセンサ素子１４に接着されて固定されている。なお、第１の実施形態のガスセンサ１の接着体２８は、耐熱性セメント（例えば、リン酸セメント）を使用している。そして、センサ素子１４に装着された絶縁碍管２７は、セラミックホルダ１３の内周面に立設されたフランジ１３１に係合するようになっている。よって、絶縁碍管２７をセンサ素子１４に装着することにより、セラミックホルダ１３の内側におけるセンサ素子１４の位置決めを容易に行うことができる。

次に、本発明の要部である保護材３５について、図２，図４および図５を参照して説明する。図５は、図４に示すセンサ素子１４に、保護材３５が設けられた状態を示す斜視図である。上記に説明した検出素子１１は、元々は板状のセラミック部材であり、それが切断されて短冊状に形成されている（図４参照）。そして、図４に示す切断された検出素子１１の軸線方向に延びる稜線（エッジ）２６，２６には、微少ではあるが複数の凹凸部が存在している。例えば、この凹凸部にガラスが付着して加熱された場合、検出素子１１の主成分であるジルコニアと、付着したガラスとの熱膨張差による応力は、検出素子１１の凹凸部に作用し、検出素子１１の凹凸部からクラックを生ずることがある。そして、図２に示すように、検出素子１１の、支持碍管１８が設けられていない部分は、第一充填層３０２に含まれるガラス成分にその周囲を封着されるため、支持碍管１８で覆われている部分を除く検出素子１１の軸線方向に延びる稜線２６，２６（図４参照）全体を保護する必要がある。そこで、図５に示すように、検出素子１１の、ヒータ素子１２と接しない側の稜線２６，２６であって、絶縁碍管２７と支持碍管１８とに挟まれる部分には、耐熱性セメントである保護材３５，３５が、その稜線２６，２６全体を被うようにして設けられている。

この保護材３５，３５は、アルミナ粉末（又は、ジルコニア粉末）を溶かした耐熱性セメント（例えば、リン酸セメント）によって形成されている。アルミナは、ガラスと熱膨張率が近いため、そのアルミナ粉末が配合された保護材３５，３５は、ガラスの熱膨張率に近い熱膨張率を有する。したがって、保護材３５，３５は、第一充填層３０２の熱膨張に追従しつつ、検出素子１１の稜線２６，２６の凹凸部を保護することができる。

なお、第１の実施形態のガスセンサ１の保護材３５，３５は、検出素子１１の軸線方向に延びる稜線２６，２６全体を被うようにして設けられているが、検出素子１１の外周面を被うようにして設けてもよい（少なくとも稜線２６，２６を含む）。また、第１の実施形態のガスセンサ１のヒータ素子１２は、ガラスに近い熱膨張率を有するアルミナを主体としたセラミック素子であるため、検出素子１１に比べ、クラックは生じにくい。よって、ヒータ素子１２の稜線には、保護材３５を設けていないが、検出素子１１の稜線２６，２６に併せて設けることも可能である。したがって、保護材３５，３５は、少なくとも第一充填層３０２に含まれるガラス成分との熱膨張率の差が大きい素子の稜線であって、第一充填層３０２と接触する稜線部分を被うようにして設けるのが好ましい。なお、図５に示すように、絶縁碍管２７内の接着体２８は、検出素子１１の稜線２６，２６に設けた保護材３５の下端側（図５に示す下端側）近傍に沿うように、耐熱性セメントを山成り状に塗布する。

次に、保護ペースト３３について、図２および図６を参照して説明する。図６は、図５に示すセンサ素子１４の、検出素子１１の電極部１１２の端面に、保護ペースト３３が塗布された状態を示すセンサ素子１４の斜視図である。図６に示すように、検出素子１１の電極部１１２が設けられている端面には、保護ペースト３３が塗布されている。この保護ペースト３３は、アルミナ粉末を含有する耐熱性セメント（例えば、リン酸セメント）である。なお、第１の実施形態のガスセンサ１では、保護ペースト３３と、保護材３５とは、同じ材料で形成されているので、１つの構成部材を複数の部材として有効に利用することができる。そのため、ガスセンサ１の製造コストを低く抑えることができる。

そして、図２に示すように、保護ペースト３３は、上記の支持碍管１８と同様に、ジルコニア製の検出素子１１の電極部１１２側の端面に、第二充填層３１２に含まれるガラス成分が付着して、検出素子１１にクラックが生じないようにするために、検出素子１１の電極部１１２側の端面全体を覆うように塗布されている。そして、検出素子１１および第二充填層３１２の熱膨張率の差を、保護ペースト３３が緩衝することにより、検出素子１１の電極部１１２側の端面にクラックが生じるのを防止することができる。また、保護ペースト３３は絶縁性も兼ね備えているので、検出素子１１の電極部１１２の周囲に対する絶縁性を向上させることができる。

次に、電極端子２２およびリード端子２５について、図２，図６および図７を参照して説明する。図７は、図６に示すセンサ素子１４が整線された電極端子２２に、リード端子２５が各々接続された状態を示すセンサ素子１４の斜視図である。図６に示すように、センサ素子１４のセンサ後端部１４２から引き出された６本の電極端子２２は、６本のリード端子２５と接続するために適切な位置へ配置整列されている。この電極端子２２の配置整列作業は、整線受治具などによって行われる。そして、図７に示すように、整線された６本の電極端子２２には、６本のリード端子２５が各々接続される。さらに、図２に示すように、電極端子２２に接続されたリード端子２５には、リード線５０が接続され、保護外筒７の上方側の開口部から外部に引き出されている。こうして、検出素子１１の検出部１１１が検出した検出値は、検出信号として電極部１１２から出力され、電極端子２２、リード端子２５およびリード線５０を通過して図示外の制御部などに出力される。一方、ヒータ素子１２の電極部１２２には、制御部などの制御信号に基づいて、リード線５０、リード端子２５および電極端子２２を通じて電圧が印加されることにより、ヒータ素子１２が加熱し、加熱したヒータ素子１２と積層された検出素子１１が加熱されるようになっている。

次に、セラミックホルダ１３について、図２および図８を参照して説明する。図８は、図７に示すセンサ素子１４を内挿したセラミックホルダ１３の縦断面斜視図である。図２および図８に示すように、セラミックホルダ１３は、センサ素子１４を内挿して保持し、主体金具３の内側に収容されて、保持される略円筒状のセラミック体である。このセラミックホルダ１３の材質は、セラミックホルダ１３内に形成される第一充填層３０２および第二充填層３１２の熱膨張率に近い熱膨張率を有し、かつ機械的強度の強い材質を選択するのが好ましい。これは、セラミックホルダ１３と、第一充填層３０２および第二充填層３１２との熱膨張率の差が大きいと、セラミックホルダ１３と、第一充填層３０２および第二充填層３１２との間に大きな圧縮応力が働き、セラミックホルダ１３にクラックが生じるからである。よって、第１の実施形態のガスセンサ１のセラミックホルダ１３の材質は、第一充填層３０２および第二充填層３１２の何れもガラスを含有しているので、ガラスの熱膨張率に近いアルミナをベースとしたセラミックが使用されている。

そして、図８に示すように、セラミックホルダ１３の先端側（図２および図８の下端側）の内周面には、フランジ１３１がセラミックホルダ１３の内径方向に向かって立設している。さらに、セラミックホルダ１３の後端側（図８の上端側）から、セラミックホルダ１３の内側に向かって、図７に示すセンサ素子１４が差し込まれている。そして、センサ素子１４に装着された絶縁碍管２７は、セラミックホルダ１３内のフランジ１３１に係合している。そして、セラミックホルダ１３の先端側から、センサ素子１４のセンサ先端部１４１が所定の長さだけ突出し、検出素子１１の検出部１１１が被測定ガス雰囲気中に晒されるようになっている。こうして、センサ素子１４は、セラミックホルダ１３に同軸上に保持される。また、絶縁碍管２７と、フランジ１３１とが互いに係合するので、セラミックホルダ１３内におけるセンサ素子１４の位置決めが容易にできる。なお、セラミックホルダ１３内に内挿されて収容されるのは、センサ素子１４のセンサ先端部１４１以外の部分、センサ素子１４に接続された電極端子２２および電極端子２２に接続されたリード端子２５の一端部である。

次に、第一充填層３０２および第二充填層３１２について、図２，図９乃至図１２を参照して説明する。図９は、図８に示すセラミックホルダ１３内に、第一充填材３０１を供給した状態を示す縦断面斜視図であり、図１０は、図９に示すセラミックホルダ内に供給された第一充填材３０１を振動充填した状態を示す縦断面斜視図である。また、図１１は、図１０に示すセラミックホルダ１３内に、第二充填材３１１が供給された状態を示す縦断面斜視図であり、図１２は、図１１に示すセラミックホルダ１３の熱処理後の状態を示す縦断面斜視図である。なお、第一充填材３０１を熱処理して形成されるのが第一充填層３０２であり、第二充填材３１１を熱処理して形成されるのが第二充填層３１２である。これら第一充填層３０２および第二充填層３１２は、セラミックホルダ１３内に内挿されるセンサ素子１４を封着して固定し、さらにはセラミックホルダ１３内の隙間を埋めることにより、セラミックホルダ１３内に侵入する排ガスおよび水分などを遮断して、気密性を保持している。

まず、第一充填層３０２について説明する。図９に示すように、センサ素子１４が内挿されたセラミックホルダ１３内の隙間に、第一充填材３０１が、セラミックホルダ１３の上端側（図９に示す上端側）まで供給されている。そして、図１０に示すように、第一充填材３０１が供給されたセラミックホルダ１３に機械的振動を与えることにより、第一充填材３０１の上面部が、センサ素子１４のセンサ後端部１４２のやや下側程度まで下降する。この第一充填材３０１は、高い耐熱性を有しながらも、適度な柔軟性を有する材料を使用するのが好ましい。このような材料としては、滑石、マグネシア、アルミナおよびジルコニアなどの粉末のうち一種以上の粉末と、ガラス粉末とからなる混合物が一般的に用いられる。第１の実施形態のガスセンサ１の第一充填材３０１は、ガラスを１２％程度含有する滑石混合物である。そして、第一充填材３０１は、熱処理および冷却処理が行われることにより、第一充填材３０１が溶融して、固化する。よって、セラミックホルダ１３内に第一充填層３０２が形成される（図２参照）。なお、第１の実施形態のガスセンサ１では、セラミックホルダ１３内に第一充填材３０１および第二充填材３１１が充填された後に、第一充填材３０１および第二充填材３１１の加熱処理が行われ、第一充填層３０２および第二充填層３１２がセラミックホルダ１３内に同時に形成されるようになっている８（図１２参照）。なお、図２および図１２に示すセラミックホルダ１３内の第一充填層３０２が、「充填材」に相当する。

次に、第二充填層３１２について説明する。図１１に示すように、第一充填材３０１が振動充填されたセラミックホルダ１３内には、さらに第二充填材３１１が、セラミックホルダ１３の上端側（図１０に示す上端側）まで供給される。この第二充填材３１１は、結晶化ガラス粉末（例えば、シリカホウ酸亜鉛マグネシウム系ガラス）である。そして、第一充填材３０１および第二充填材３１１が充填されたセラミックホルダ１３は、加熱処理および冷却処理されることにより、第一充填層３０２および第二充填層３１２が形成される。なお、図１２に示すように、第二充填材３１１は、加熱処理および冷却処理されることによって、セラミックホルダ１３の上端側近傍まであった上面部は、電極端子２２とリード端子２５との接続部よりやや上部付近まで下降する。第二充填層３１２は、センサ素子１４のセンサ後端部１４２近傍を封着するように、セラミックホルダ１３内に形成される。

次に、第二充填層３１２に封着されるセンサ素子１４のセンサ後端部１４２について、図１２を参照して説明する。図１２に示すように、第二充填層３１２は、センサ素子１４のセンサ後端部１４２近傍を封着するように形成されている。そして、センサ後端部１４２においては、上述したように、ヒータ素子１２の電極部１２２側の端部が、検出素子１１の電極部１１２側の端部より突出している。さらに、ヒータ素子１２の突出する電極部１２２側の端部は、第二充填層３１２によってその外周囲を完全に封着されている。

次に、主体金具３について、図２を参照して説明する。主体金具３は、ステンレス（ＳＵＳ４３０）製の略円筒状の取付部材である。この主体金具３には、センサ素子１４を備えたセラミックホルダ１３が取り付けられ、被検出ガスが流通する排気管（例えば、自動車の排気管）などに取り付けられる。図２に示すように、主体金具３は、主体金具３の内側にセラミックホルダ１３の先端側を収容している。そして、この主体金具３の先端側の開口部からは、センサ素子１４のセンサ先端部１４１が突出している。さらに、主体金具３の先端側の開口部には、突出するセンサ素子１４のセンサ先端部１４１を被うように、二重の有底筒状のプロテクタ１９が設けられている。このプロテクタ１９は、主体金具３の先端側から突出するセンサ先端部１４１が、凝縮水の被水により破損しないように、センサ先端部１４１を被って保護している。そして、プロテクタ１９の外周面には、複数の侵入孔１９１が設けられている。こうして、被測定ガスは、この侵入孔１９１を通過し、プロテクタ１９内に侵入して、検出部１１１に接触できるようになっている。

そして、主体金具３の後端側（図２に示す上端側）から、セラミックホルダ１３が挿入されており、セラミックホルダ１３と主体金具３との隙間に滑石２４が充填されている。さらに、その後方（図２に示す上方側）には、略リング状の留め具２３が嵌め込まれている。そして、主体金具３と、留め具２３との間に、外筒５の一端側が嵌め込まれ、主体金具３の後端部（図２に示す上端側）が加締められている。こうして、セラミックホルダ１３および外筒５は、主体金具３に取り付けられている。

次に、外筒５および保護外筒７について、図２を参照して説明する。略円筒状の外筒５は、ステンレス製（ＳＵＳ３０４）であり、主体金具３の後端側（図２の示す上端側）に取り付けられている。そして、外筒５は、セラミックホルダ１３の中間から後端側を保護している。また、外筒５の後端側（図２に示す上端側）の周縁部には、外筒５の内側に略直角に折れ曲がって立設された絶縁部材支持部５１が設けられている。この絶縁部材支持部５１は、外筒５の後端側の開口部を閉塞するように配設された導線セパレータ１６を、導線セパレータ１６の下方（図２に示す下方）から支持している。したがって、導線セパレータ１６は、外筒５の内側に落下するのを防止することができる。

一方、略円筒状の保護外筒７も、ステンレス製（ＳＵＳ３０４）であり、外筒５の後端側（図２に示す上方側）から、略円筒状の保護外筒７を嵌着することにより取り付けられている。そして、外筒５と、保護外筒７との嵌着部が加締められることにより、外筒５と、保護外筒７とが強固に接続されている。

また、図２に示すように、保護外筒７の内側には、上述したリード端子２５とリード線５０との接続部を収容して保護する導線セパレータ１６が配設されている。そして、保護外筒７の後方側（図２に示す上方側）の開口部には、その開口部を気密に閉塞するための略円柱状のゴムキャップ２０が配設されている。このゴムキャップ２０は、保護外筒７の後端側（図２に示す上端側）の内側に挿入された状態で、保護外筒７の後端側の外側面から加締められることにより、保護外筒７の後端側に固定されている。そして、ゴムキャップ２０には、挿通孔（図示外）が複数設けられ、その挿通孔には導線セパレータ１６から引き出されるリード線５０が気密に内挿されている。

以上説明したように、本発明の第１の実施形態のガスセンサ１では、検出素子１１の、ヒータ素子１２と接しない側の軸線方向に延びる稜線２６，２６であって、絶縁碍管２７と支持碍管１８とに挟まれる部分には、耐熱性セメントである保護材３５，３５が、その稜線２６，２６全体を被うようにして設けられている。この保護材３５，３５は、アルミナ粉末を溶かした耐熱性セメント（例えば、リン酸セメント）によって形成されている。アルミナは、ガラスと熱膨張率が近いため、そのアルミナ粉末が配合された保護材３５，３５は、ガラスの熱膨張率に近い熱膨張率を有する。したがって、保護材３５，３５は、第一充填層３０２の熱膨張に追従しつつ、検出素子１１の稜線２６，２６の凹凸部を保護することができる。

次に、本発明をガスセンサ１００に適用した、第２の実施形態について、図４，図１３および図１４を参照して説明する。図１３は、本発明の第２の実施形態であるガスセンサ１００の縦断面図であり、図１４は、センサ素子１４に面取り部３５０，３５０を設けた状態を示す斜視図である。なお、第２の実施形態のガスセンサ１００は、第１の実施形態のガスセンサ１とほぼ同じ構成であり、ガスセンサ１と構造の異なるセンサ素子１４についてのみ説明する。

はじめに、図１３を参照して、本発明の第２の実施形態であるガスセンサ１００の概略構成について説明する。図１３に示すように、ガスセンサ１００は、第１の実施形態であるガスセンサ１とほぼ同じ構成を備えている。ガスセンサ１００は、二枚の短冊状素子からなる略角柱状のセンサ素子１４、当該センサ素子１４の先端側（図１３に示す下端側）以外を内挿して保持し、センサ素子１４の軸線方向に沿って延びる略円筒状のセラミックホルダ１３、当該セラミックホルダ１３の先端側（図１３に示す下端側）を内挿して保持する略円筒状の主体金具３、当該主体金具３の先端側（図１３に示す下端側）に接合された有底円筒状のプロテクタ１９、主体金具３の後端側（図１３に示す上端側）に接合され、セラミックホルダ１３の後端側（図１３に示す上端側）を囲繞して保護する外筒５、当該外筒５の上方（図２に示す上方側）の開口部を閉塞するように配設された略円柱状の導線セパレータ１６、当該導線セパレータ１６の外周面を囲繞し、外筒５の後端側（図１３に示す上端側）に接合された保護外筒７などから構成されている。なお、セラミックホルダ１３内には、第１の実施形態と同様に、第一充填層３０２および第二充填層３１２が形成されている。

次に、検出素子１１の面取り部３５０，３５０について、図４，図１３および図１４を参照して説明する。上記説明したように、第１の実施形態のガスセンサ１の検出素子１１の軸線方向に延びる稜線２６，２６（図４参照）には、その稜線２６，２６に微かに存在する凹凸部に、第一充填層３０２が接触しないように、保護材３５，３５（図５参照）を設けていた。第２の実施形態のガスセンサ１００の検出素子１１では、保護材３５，３５の代わりに、図４に示す稜線２６，２６部分の面取りを行い、稜線２６，２６に存在する凹凸部を削ることとした。よって、図１４に示すように、稜線２６，２６（図４参照）が面取りされて設けられた面取り部３５０，３５０には、凹凸部が存在しないため、図１３に示すように、第一充填層３０２中のガラス成分が付着しても、検出素子１１にクラックが生じにくくなる。また、第１の実施形態のガスセンサ１の検出素子１１に設ける保護材３５，３５の材料コストが、第２の実施形態のガスセンサ１００ではかからないため、ガスセンサ１００の製造コストを第１の実施形態のガスセンサ１より低く抑えることができる。

以上説明したように、本発明の第２の実施形態のガスセンサ１００では、第１の実施形態のガスセンサ１とほぼ同じ構成を備えている。第１の実施形態のガスセンサ１では、検出素子１１の軸線方向に延びる稜線２６，２６に微かに存在する凹凸部に第一充填層３０２中のガラス成分が付着しないよう、その稜線２６，２６全体を覆うように保護材３５，３５が設けられていた。そこで、第２の実施形態では、保護材３５，３５の代わりに、支持碍管１８で覆われている部分を除く検出素子１１の軸線方向に延びる稜線２６，２６を面取りし、面取り部３５０，３５０を設けた。稜線２６，２６を面取りすることにより、稜線２６，２６に存在する凹凸部がなくなるため、面取り部３５０，３５０に第一充填層３０２中のガラス成分が付着しても、その面取り部３５０，３５０においてクラックが発生することが少ない。したがって、ガスセンサ１００の、検出素子１１にクラックが発生することが少ないので、長期間の使用に耐えることができる。また、第２の実施形態のガスセンサ１００の検出素子１１では、稜線２６，２６を削って面取りを行うだけであるので、部品コストがかからず、製造コストを低く抑えることができる。なお、面取り部３５０は、エッジが残らないように設けるようにすることが重要である。

なお、本発明においては、上述した具体的な実施形態に限られず、目的、用途に応じて本発明の範囲内で種々変更した実施形態とすることができる。

例えば、第１の実施形態のガスセンサ１において、ヒータ素子１２の電極部１２２側の端部は、検出素子１１の電極部１１２側の端部よりも上方にやや長く突出しているが、それとは反対に、検出素子１１側を長くしてもよい。

本発明のガスセンサは、窒素酸化物、酸素および炭化水素などを検出するセンサに適用でき、特定のガス濃度を検出可能な各種センサにも利用できる。

本発明の第１の実施形態であるガスセンサ１の正面図である。 図１に示すガスセンサ１の縦断面図である。 支持碍管１８が装着されたセンサ素子１４の斜視図である。 図３に示すセンサ素子１４に、絶縁碍管２７が装着された状態を示す斜視図である。 図４に示すセンサ素子１４に、保護材３５が設けられた状態を示す斜視図である。 図５に示すセンサ素子１４の、検出素子１１の電極部１１２の端面に、保護ペースト３３が塗布された状態を示すセンサ素子１４の斜視図である。 図６に示すセンサ素子１４が整線された電極端子２２に、リード端子２５が各々接続された状態を示すセンサ素子１４の斜視図である。 図７に示すセンサ素子１４を内挿したセラミックホルダ１３の縦断面斜視図である。 図８に示すセラミックホルダ１３内に、第一充填材３０１を供給した状態を示す縦断面斜視図である。 図９に示すセラミックホルダ内に供給された第一充填材３０１を振動充填した状態を示す縦断面斜視図である。 図１０に示すセラミックホルダ１３内に、第二充填材３１１が供給された状態を示す縦断面斜視図である。 図１１に示すセラミックホルダ１３の熱処理後の状態を示す縦断面斜視図である。 本発明の第２の実施形態であるガスセンサ１００の縦断面図である センサ素子１４に面取り部３５０，３５０を設けた状態を示す斜視図である。

符号の説明

１ ガスセンサ
１１ 検出素子
１２ ヒータ素子
２２ 電極端子
２５ リード端子
２６，２６ 稜線
３５，３５ 保護材
５０ リード線
１００ ガスセンサ
３０２ 第一充填層
３１２ 第二充填層
３５０，３５０ 面取り部

Claims (7)

1. 特定ガス成分のガス濃度を検出する短冊状の検出素子と、当該検出素子の軸線方向と平行方向に延設され、前記検出素子を加熱する短冊状のヒータ素子とから構成されたガスセンサ素子と、
   当該ガスセンサ素子の前記検出素子の軸線方向の一端部及び前記ヒータ素子の軸線方向の一端部より各々引き出された電極端子と、
   前記ガスセンサ素子を軸線方向に沿って挿通させ、前記ガスセンサ素子の前記電極端子が設けられている側を収容して保護する筒状のセンサホルダと、
   当該センサホルダ内に充填され、少なくともガラス成分を含む充填材と
   を備え、
   前記検出素子及び前記ヒータ素子の少なくとも一方の素子の、少なくとも前記充填材と接触し軸線方向に延びる稜線全体に保護材を設けたことを特徴とするガスセンサ。
2. 前記検出素子を構成する基材はジルコニアを主成分として形成され、前記ヒータ素子を構成する基材はアルミナを主成分として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. 前記保護材は、前記検出素子の、少なくとも前記充填材と接触し軸線方向に延びる稜線全体に設けられていることを特徴とする請求項１又は２に記載のガスセンサ。
4. 前記保護材は、セメントで形成されていることを特徴とする請求項１乃至３の何れかに記載のガスセンサ。
5. 特定ガス成分のガス濃度を検出する短冊状の検出素子と、当該検出素子の軸線方向と平行方向に延設され、前記検出素子を加熱する短冊状のヒータ素子とから構成されたガスセンサ素子と、
   当該ガスセンサ素子を軸線方向に沿って挿通させ、前記ガスセンサ素子の前記電極端子側を収容して保護する筒状のセンサホルダと、
   当該センサホルダ内に充填され、少なくともガラス成分を含む充填材と
   を備え、
   前記検出素子及び前記ヒータ素子の少なくとも一方の、前記充填材と接触し軸線方向に延びる稜線全体は面取りされていることを特徴とするガスセンサ。
6. 前記検出素子を構成する基材はジルコニアを主成分として形成され、前記ヒータ素子を構成する基材はアルミナを主成分として形成されていることを特徴とする請求項５に記載のガスセンサ。
7. 前記検出素子の、前記充填材と接触し軸線方向に延びる稜線全体が面取りされていることを特徴とする請求項５又は６に記載のガスセンサ。

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