JP2006308328A

JP2006308328A - ガスセンサ

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Publication number: JP2006308328A
Application number: JP2005128374A
Authority: JP
Inventors: Yasushi Matsuo; 康司松尾; Keiichi Noda; 恵一野田; Yuichi Yamada; 裕一山田
Original assignee: NGK Spark Plug Co Ltd
Current assignee: Niterra Co Ltd
Priority date: 2005-04-26
Filing date: 2005-04-26
Publication date: 2006-11-09
Anticipated expiration: 2025-04-26
Also published as: US20060237315A1; FR2884922B1; FR2884922A1; JP4680662B2; DE102006019391A1; CN1854729A

Abstract

【目的】ガス検出素子の基端部に設けられたビア導体間でリークが発生するのを防止すると共に、製造時にガス検出素子が破損しにくいガスセンサを提供すること。
【構成】ガスセンサ１００は、筒状の主体金具１１０と、板状のガス検出素子１２０と、軸孔１７０ｃを有する筒状をなし、この軸孔１７０ｃにガス検出素子１２０を内挿してこれを支持するセラミックスリーブ１７０と、ガス検出素子１２０の基端側に取り付けられる接続体１８０とを備える。セラミックスリーブ１７０と接続体１８０とは離間し、セラミックスリーブ１７０は、主体金具１１０を超えて基端側に延びる基端側延出部１７０ｋを有し、この部分においても、ガス検出素子１２０を内挿してこれを支持している。
【選択図】図２

Description

本発明は、内燃機関の排ガス等のガス濃度を測定可能なガスセンサに関し、特に、軸線方向に延びるガス検出素子を自身の軸孔に内挿してガス検出素子を支持する筒状の支持スリーブを有するガスセンサに関する。

従来より、内燃機関の排ガス等のガス濃度を測定できるガスセンサが数多く知られている。このようなガスセンサには、筒状の主体金具と、この主体金具の内側に配置されて棒状に延びるガス検出素子と、このガス検出素子を内挿して支持する筒状のスリーブと、ガス検出素子の基端側に取り付けられ、ガス検出素子の電極端子部と電気的に接続する接続体とを備えるものがある。例えば特許文献１の実施形態例１等に、この形態のガスセンサが開示されている。このガスセンサ９００の断面図を図６に示す。

このガスセンサ９００は、筒状の主体金具９１０と、この主体金具９１０の内側に配置されて棒状に延びるガス検出素子９２０と、このガス検出素子９２０を内挿して支持する筒状のスリーブ９３０と、ガス検出素子９２０の基端側に取り付けられた接続体９４０とを備える。また、主体金具９１０の先端側には、プロテクタ９６０が固定されている。一方、主体金具９１０の基端側には、接続体９４０等を包囲する第１外筒９７０が固定され、更にこの第１外筒９７０の基端側には、第２外筒９７５が固定されている。

このうちガス検出素子９２０は、主体金具９１０から先端側（図中下方）に突出し、プロテクタ９６０内に配置される先端部９２０ｓに、ガス濃度を検知可能なガス検出部９２１を有する。また、ガス検出素子９２０は、主体金具９１０から基端側（図中上方）に突出する基端部９２０ｋの外表面に、ガス検出部９２１等と電気的に接続する合計４つの電極端子部９２３を有する。

スリーブ９３０は、軸孔９３１を有する筒状をなし、そのほぼ全体が主体金具９１０内に配置されている。この軸孔９３１は、ガス検出素子９２０を内挿し、ガス検出素子９２０を支持している。また、ガス検出素子９２０とスリーブ９３０との間は、ガラス封着材９３３により封止されている。

接続体９４０は、先端側に大きく開口し、ガス検出素子９２０の基端部９２０ｋを収容する素子収容凹部９４１を有する。この素子収容凹部９４１の所定位置には、ガス検出素子９２０の各々の電極端子部９２３と弾性的に接触して電気的に接続する４つの接続体端子部材９４３が配設されている。これらの接続端端子部材９４３は、その基端側において、それぞれ接続金具９５１を介して、外部に導出するリード線９５３と電気的に接続している。

特開２００１−１８８０６０号公報

しかしながら、このガスセンサ９００では、スリーブ９３０と接続体９４０が当接しているために、使用時にスリーブ９３０の熱が接続体９４０に直接伝わり、接続体９４０が高温になる。このため、接続体９４０と接続するガス検出素子９２０の基端部９２０ｋも高温になる。そうすると、ガス検出素子９２０が、その基端部９２０ｋに、電極端子部９２３と電気的に接続する複数のビア導体が貫通形成された固体電解質層を有する場合には、この基端部９２０ｋに含まれる固体電解質層の絶縁性が低下し、そこに形成されたビア導体間でリークが生じやすい。その結果、ガス濃度を正確に検出できなくなるおそれがある。

このような問題を解消する手段としては、スリーブ９３０と接続体９４０とを離間させることが考えられる。そうすれば、スリーブ９３０の熱が接続体９４０に伝導しにくくなり、使用時における接続体９４０の温度上昇が抑制されるからである。しかし、このような形態と採用すると、主体金具９１０から突出するガス検出素子９２０の基端部９２０ｋがどうしても長くなる。このため、ガス検出素子９２０に接続体９４０を取り付ける際やその後の組み付け過程において、ガス検出素子９２０の基端部９２０ｋが折れるなど、ガス検出素子９２０に破損が生じるおそれが出てくる。

本発明は、かかる現状に鑑みてなされたものであって、ガス検出素子の基端部に設けられたビア導体間でリークが発生することを防止すると共に、製造時にガス検出素子が破損しにくいガスセンサを提供することを目的とする。

その解決手段は、軸線方向に延びる筒状の主体金具と、軸線方向に延び、中間部が前記主体金具の内部に配置され、先端部が前記主体金具から軸線方向先端側に突出し、基端部が前記主体金具から軸線方向基端側に突出するガス検出素子であって、前記先端部にガス検出部を有し、前記基端部に複数の電極端子部を有するガス検出素子と、軸線に沿った軸孔を有する筒状をなし、前記主体金具の内側に配置され、前記軸孔に前記ガス検出素子を内挿して前記ガス検出素子を支持するスリーブと、前記ガス検出素子の基端側に取り付けられる接続体であって、各々の前記電極端子部と電気的に接続する複数の接続体端子部を有する接続体と、を備えるガスセンサであって、前記ガス検出素子は、前記基端部に、前記電極端子部と電気的に接続する複数のビア導体が貫通形成された固体電解質層を有し、前記スリーブと前記接続体とは、離間してなり、前記スリーブは、前記主体金具を超えて軸線方向基端側へ延びる基端側延出部を有し、この基端側延出部においても、前記ガス検出素子を内挿して前記ガス検出素子を支持してなるガスセンサである。

本発明では、ガス検出素子が、その基端部に、電極端子部と電気的に接続する複数のビア導体が貫通形成された固体電解質層を有するものの、スリーブと接続体とが離間している。このため、スリーブの熱が接続体に伝わりにくく、使用時における接続体の温度上昇が抑制される。従って、上記のような高熱によるビア導体間でのリークが生じにくく、ガス濃度を従来よりも正確に検出できる。

その上、ガス検出素子を内挿して支持するスリーブに、主体金具を超えて軸線方向基端側へ延びる基端側延出部を設け、この基端側延出部においても、ガス検出素子を内挿して支持している。このようにガス検出素子の基端部を基端側延出部で支持することにより、ガス検出素子の基端側に外力が掛かっても、ガス検出素子が破損しにくくなる。従って、ガス検出素子に接続体を取り付ける際やその後の組み付け過程におけるガス検出素子の破損を、従来よりも防止できる。

なお、ガスセンサは、上記の要件を満たしているものであればよく、その種類は特に限定されない。例えば、酸素センサ、全領域空燃比センサ、ＮＯｘセンサなどのガスセンサに本発明を適用できる。
また、本発明においては、ガス検出素子の形態は、上記の要件を満たすものであれば特に限定されない。例えば、有底筒状をなすガス検出素子や板状をなすガス検出素子などが挙げられる。

また、ビア導体は、基端部の固体電解質層に貫通形成されていればよく、その形態は特に限定されない。例えば、内部に貫通孔を有する筒状のビア導体でもよいし、内部にも導体が充填された円柱状のビア導体でもよい。
また、本発明において、スリーブの基端側延出部がガス検出素子を「支持」するとは、ガス検出素子の基端側に外力が掛かっても、ガス検出素子が破損しにくくなるように支持することを意味し、軸孔の内周面とガス検出素子の外周面とが当接した状態でも、軸孔の内周面とガス検出素子の外周面との間に微小な隙間がある状態でもよい。

更に、上記のガスセンサであって、前記スリーブは、前記主体金具の内部に配置され、前記基端側延出部の軸線方向先端側に位置し、前記基端側延出部よりも径大で、軸線方向基端側を向く基端向き面を含む径大部を有し、このスリーブは、前記主体金具の基端部を径方向内側に屈曲させて、前記径大部の前記基端向き面に向けて加締めることにより、前記主体金具内に固定されてなるガスセンサとすると良い。

ガスセンサとして、主体金具の基端部を径方向内側に屈曲させて、スリーブを加締め固定する形態の場合において、スリーブが、その全体が主体金具内に配置される、基端側延出部を有しない形状である場合を考える。この場合には、加締め時に、スリーブの軸孔の基端側開口端部に大きな引っ張り応力が掛かり、ここを基点にスリーブに亀裂が生じる虞がある。

これに対し、本発明のガスセンサでは、スリーブが基端側に突出する基端側延出部を有するため、クラックの起点となりやすい軸孔の基端側開口端部は、主体金具の基端部（加締め部分）から基端側に離れている。このため、主体金具の基端部を屈曲させて加締めたときにも、スリーブの軸孔の基端側開口端部にはそれほど大きな応力が掛からないので、スリーブに亀裂が生じることを防止できる。

更に、上記のガスセンサであって、前記ガス検出素子は、板状形状をなし、前記スリーブの前記軸孔は、開口が矩形状をなすガスセンサとするのが好ましい。

スリーブが矩形状をなす開口を有する場合、基端側延出部を有しないスリーブでは、主体金具の基端部を加締めたときに、開口の角部に特に大きな引っ張り応力が掛かるため、スリーブに亀裂が特に生じやすい。しかし、本発明では、上記のようにスリーブが基端側延出部を有するため、クラックの起点となりやすい軸孔の基端側開口端部は、主体間具の基端部（加締め部分）から基端側に離れている。このため、主体金具の基端部を加締めたときにも、軸孔の基端側開口端部にはそれほど大きな応力が掛からないので、軸孔の開口が矩形状をなす場合でも、スリーブに亀裂が生じることを防止できる。

以下、本発明の実施の形態を、図面を参照しつつ説明する。図１及び図２に本実施形態のガスセンサ１００を示す。また、図３にこのガスセンサ１００を構成するセラミックスリーブ（スリーブ）１７０を示す。また、図４にこのガスセンサ１００を構成するガス検出素子１２０を示す。なお、図１〜図３において、図中下方が軸線方向先端側（以下、単に先端側とも言う。）、図中上方が軸線方向基端側（以下、単に基端側とも言う。）である。このガスセンサ１００は、自動車や各種内燃機関において空燃比フィードバック制御を行うために、自身の先端側が排気管内部に配置されるように排気管に装着され、測定対象となる排気ガス中の酸素濃度を検出する空燃比センサである。

このガスセンサ１００は、図１及び図２に示すように、軸線ＡＸの方向（軸線方向）に延びる筒状の主体金具１１０と、この主体金具１１０の内側に配置され、軸線方向に延びる板状のガス検出素子１２０と、主体金具１１０の内側に配置され、ガス検出素子１２０を内挿してガス検出素子１２０を支持する筒状のセラミックスリーブ１７０と、ガス検出素子１２０の基端側に取り付けられ、ガス検出素子１２０と電気的に接続する接続体１８０とを有する。また、ガスセンサ１００は、主体金具１１０の先端側に固定されたプロテクタ１０１や、主体金具１１０の基端側に固定された金属外筒１０３、センサ内部から外部へ取り出されるセンサ用リード線１９３，１９４，１９５及びヒータ用リード線１９６，１９７等を有する。

このうちセンサ検出素子１２０は、図２に示すように、その中間部１２０ｔが主体金具１１０の内部に配置され、先端部１２０ｓが主体金具１１０から先端側に突出し、基端部１２０ｋが主体金具１１０から基端側に突出している。そして、先端部１２０ｓには、排気ガス中の酸素濃度を検出可能に構成されたガス検出部１２１と、ガス検出部１２１を加熱可能に構成されたヒータ部１２３とが設けられている。一方、基端部１２０ｋのうち、第１板面１２０ａには、ガス検出部１２１と電気的に接続する３つのセンサ用電極端子（電極端子部）１２５，１２６，１２７が設けられ、また、第２板面１２０ｂには、ヒータ部１２３と電気的に接続する２つのヒータ用電極端子（電極端子部）１２８，１２９が設けられている。

詳細には、図４にその分解斜視図を示すように、センサ検出素子１２０は、軸線方向（図４中では左右方向）に延びる板状の検出素子１３０と、同じく軸線方向に延びる板状のヒータ素子１６０とが積層されることにより一体化されている。なお、図４においては、図中左側が先端側、図中右側が基端側となる。

このうち検出素子１３０は、それぞれ板状をなす保護層１３１、第１固体電解質層１３７、スペーサ１４５、第２固体電解質層１５０が、この順番で第１板面１２０ａ側から第２板面１２０ｂ側に向かって積層されている。
保護層１３１は、アルミナを主体に形成されている。この保護層１３１の先端側には、多孔質体１３２が形成されている。また、センサ検出素子１２０の第１板面１２０ａをなす第１面１３１ａには、その基端近傍に、前述した３つのセンサ用電極端子１２５，１２６，１２７が軸線方向と直交する方向に所定間隔で並んで形成されている。これらのセンサ用電極端子１２５，１２６，１２７は、保護層１３１の基端近傍に貫通形成された３つのビア導体１３３，１３４，１３５と、それぞれ図中に破線で示すように電気的に接続している。

第１固体電解質層１３７は、イットリアを安定化剤として固溶させたジルコニアを主体に形成されている。この第１固体電解質層１３７の第１面１３７ａ（図中上方）には、Ｐｔを主体とし多孔質で長方形状をなし、先端側に位置する第１電極部１３８と、この第１電極部１３８に繋がり基端側に延びる第１リード部１３９とが形成されている。この第１リード部１３９は、その基端近傍において、上記保護層１３１に貫通形成されたビア導体１３３と電気的に接続している。

また、第１固体電解質層１３７の第２面１３７ｂ（図中下方）にも、Ｐｔを主体とし多孔質で長方形状をなし、先端側に位置する第２電極部１４０と、この第２電極部１４０に繋がり基端側に延びる第２リード部１４１とが形成されている。更に、第１固体電解質層１３７の基端近傍には、２つのビア導体１４２，１４３が貫通形成されている。これらのビア導体１４２，１４３は、上記保護層１３１に貫通形成されたビア導体１３４，１３５と電気的に接続している。また、第２リード部１４１は、その基端近傍において、この第１固体電解質層１３７に貫通形成されたビア導体１４２と電気的に接続している。

スペーサ１４５は、アルミナを主体に形成され、先端側に長方形状の開口１４５ｃを有する。この開口１４５ｃは、スペーサ１４５が第１固体電解質層１３７と第２固体電解質層１５０との間に挟まれて積層されることによって、測定ガス室を構成する。開口１４５ｃの両側壁の一部は、開口１４５ｃ内と外部との間の通気を制限する多孔質体１４６によって構成されている。この多孔質体１４６は、多孔質のアルミナから形成されている。また、スペーサ１４５の基端近傍には、２つのビア導体１４７，１４８が貫通形成されている。このうちビア導体１４７は、上記第２リード部１４１と電気的に接続している。また、ビア導体１４８は、上記第１固体電解質層１３７に貫通形成されたビア導体１４３と電気的に接続している。

第２固体電解質層１５０は、イットリアを安定化剤として固溶させたジルコニアを主体に形成されている。この第２固体電解質層１５０の第１面１５０ａ（図中上方）には、Ｐｔを主体とし多孔質で長方形状をなし、先端側に位置する第３電極部１５１と、この第３電極部１５１に繋がり基端側に延びる第３リード部１５２とが形成されている。この第３リード部１５２は、その基端近傍において、上記スペーサ１４５に貫通形成されたビア導体１４７と電気的に接続している。

また、第２固体電解質層１５０の第２面１５０ｂ（図中下方）にも、Ｐｔを主体とし多孔質で長方形状をなし、先端側に位置する第４電極部１５３と、この第４電極部１５３に繋がり基端側に延びる第４リード部１５４とが形成されている。更に、第２固体電解質層１５０の基端近傍には、ビア導体１５５が貫通形成されている。このビア導体１５５は、第４リード部１５４、及び、上記スペーサ１４５に貫通形成されたビア導体１４８と電気的に接続している。

次に、ヒータ素子１６０について説明する。このヒータ素子１６０では、それぞれアルミナからなり板状をなす第１絶縁層１６１と第２絶縁層１６２とが、この順番で第１板面１２０ａ側から第２板面１２０ｂ側に向かって積層されている。第１絶縁層１６１と第２絶縁層１６２との層間には、Ｐｔを主体としジグザグ状をなし、先端側に位置する発熱抵抗体１６３と、この発熱抵抗体１６３の両端にそれぞれ繋がり基端側に延びるヒータリード部１６４，１６５とが形成されている。

また、第２絶縁層１６２の基端近傍には、２つのビア導体１６６，１６７が貫通形成されている。更に、センサ検出素子１２０の第２板面１２０ｂをなす第２面１６２ｂには、その基端近傍に、前述の２つのヒータ用電極端子１２８，１２９が軸線方向と直交する方向に並んで形成されている。このうちヒータ用電極端子１２８は、ビア導体１６６を介して、ヒータリード部１６４と電気的に接続している。また、ヒータ用電極端子１２９は、ビア導体１６７を介して、ヒータリード部１６５と電気的に接続している。

次に、図１及び図２に戻って、ガスセンサ１００の構成を説明する。
主体金具１１０は、軸線方向に延びる筒状をなし、その内部には、径方向内側に突出する棚部１１１が形成されている。そして、主体金具１１０内には、アルミナからなる筒状のセラミックホルダ１１３、滑石粉末やガラス粉末等からなる第１粉末充填層１１４、同じく滑石粉末やガラス粉末等からなる第２粉末充填層１１５、及び、アルミナからなる筒状のセラミックスリーブ１７０が、この順に先端側から基端側に向けて配設されている。また、主体金具１１０内には、筒状の金属カップ１１６が配設されている。更に、セラミックスリーブ１７０と主体金具１１０の基端部１１０ｋとの間には、加締リング１１７が配置されている。

このうちセラミックホルダ１１３は、金属カップ１１６内に配置され、その先端側で金属カップ１１６を介して主体金具１１０の棚部１１１に係合している。セラミックホルダ１１３は、ガス検出素子１２０を内挿している。また、第１粉末充填層１１４の全体と、第２粉末充填層１１５の先端側の一部が、金属カップ内１１６に配置されている。

セラミックスリーブ１７０は、図１及び図３に示すように、軸線ＡＸに沿い、矩形状の開口をなす軸孔１７０ｃを有する筒状をなす。詳細には、セラミックスリーブ１７０は、先端側に位置し、第２粉末充填層１１５の基端側に配置される筒状の先端部１７０ｓと、基端側に位置し、先端部１７０ｓよりも径小で、主体金具１１０を超えて基端側に延びる筒状の基端側延出部１７０ｋと、これら先端部１７０ｓと基端側延出部１７０ｋとの間に位置し、先端部１７０ｓよりも径大な筒状の径大部１７０ｔとからなる。

このセラミックスリーブ１７０は、その矩形状の軸孔１７０ｃに板状のガス検出素子１２０を内挿して、ガス検出素子１２０を支持している。即ち、このセラミックスリーブ１７０は、先端部１７０ｓと径大部１７０ｔの他、基端側延出部１７０ｋにおいても、ガス検出素子１２０を内挿してガス検出素子１２０を支持している。
また、セラミックスリーブ１７０の径大部１７０ｔは、基端側を向く基端向き面１７０ｔｍを有する。そして、セラミックスリーブ１７０は、主体金具１１０の基端部１１０ｋを径方向内側に屈曲させて、加締リング１１７を介し、この径大部１７０ｔの基端向き面１７０ｔｍに向けて加締めることにより、主体金具１１０内に固定されている。

次に、図１及び図２に示すように、主体金具１１０の先端側には、主体金具１１０から突出するガス検出素子１２０の先端部１２０ｓを覆うように、二重の有底筒状のプロテクタ１０１がレーザ溶接により固設されている。このプロテクタ１０１には、排ガスを内部に導入できるように、複数の導入孔１０１ｃが所定位置に形成されている。

次に、主体金具１１０よりも基端側の構造について説明する。主体金具１１０の基端側には、筒状の金属外筒１０３がレーザ溶接により固設されている。この金属外筒１０３は、先端側に位置する最も径大な第１外筒部１０４と、この第１外筒部１０４の基端側に位置し、径方向内側に向けて加締め加工された第２外筒部１０５と、この第２外筒部１０５の基端側に位置する第３外筒部１０６と、更にこの第３外筒部１０６の基端側に位置し、径方向内側に向けて加締め加工された最も径小な第４外筒部１０７とからなる。

金属外筒１０３のうち、第１外筒部１０４から第３外筒部１０６の内側には、接続体１８０が配設されている。この接続体１８０は、セラミック製のセパレータ１８１と、３つのセンサ用リードフレーム（接続体端子部）１８２，１８３，１８４と、２つのヒータ用リードフレーム（接続体端子部）１８５，１８６とから構成されている。セパレータ１８１は、センサ用リードフレーム１８２，１８３，１８４及びヒータ用リードフレーム１８５，１８６が互いに接触しないように、これらを隔離した状態で、これらを収容している。

この接続体１８０は、前述のセラミックスリーブ１７０と離間した状態で、ガス検出素子１２０の基端側に取り付けられている。具体的には、セラミックスリーブ１７０の基端側延出部１７０ｋから突出するガス検出素子１２０の基端側の一部が、先端側に開口したセパレータ１８１の開口１８１ｃ内に挿入されている。そして、センサ用リードフレーム１８２，１８３，１８４が、ガス検出素子１２０の各々のセンサ用電極端子部１２５，１２６，１２７と弾性的に接触して電気的に接続している。また、ヒータ用リードフレーム１８５，１８６が、ガス検出素子１２０の各々のヒータ用電極端子部１２８，１２９と弾性的に接触して電気的に接続している。

また、この接続体１８０は、その周囲に配置された概略筒状をなす付勢金具１９０によって、後述するグロメット１９１に当接するように基端側に付勢された状態で、金属外筒１０３内に保持されている。付勢金具１９０は、金属外筒１０３の第２外筒部１０５の内側に配置され、第２外筒部１０５により加締固定されている。

一方、金属外筒１０３のうち、第４外筒部１０７の内側には、３本のセンサ用リード線１９３，１９４，１９５と２本のヒータ用リード線１９６，１９７を内挿するフッ素ゴム製のグロメット１９１が配設されている。このグロメット１９１は、第４外筒部１０７により加締め固定されている。各々のセンサ用リード線１９３，１９４，１９５は、その先端側が接続体１８０内に挿入され、センサ用リードフレーム１８１，１８２，１８３に加締め固定されて、これらと電気的に接続している。また、各々のヒータ用リード線１９６，１９７も、その先端側が接続体１８０内に挿入され、ヒータ用リードフレーム１８４，１８５に加締め固定されて、これらと電気的に接続している。

以上で説明したように、本実施形態に係るガス検出素子１２０は、その基端部１２０ｋに第１，第２固体電解質層１３７，１５０を有し、これらにビア導体１４２，１４３，１５５が貫通形成されている（図４参照）。このため、もしガス検出素子１２０の基端部１２０ｋが高温に晒されると、基端部１２０ｋにおける第１，第２固体電解質層１３７，１５０の絶縁性が低下し、そこに形成されたビア導体１４２，１４３間でリークが生じやすい。その結果、ガス濃度を正確に検出できなくなるおそれがある。

しかし、本実施形態では、セラミックスリーブ１７０と接続体１８０とが離間しているため、セラミックスリーブ１７０の熱が接続体１８０に伝わりにくく、使用時における接続体１８０の温度上昇が抑制される。従って、高熱によるビア導体１４２，１４３間でのリークが生じにくく、ガス濃度を従来よりも正確に検出できる。

その上、このガスセンサ１００では、ガス検出素子１２０を内挿して支持するセラミックスリーブ１７０に、主体金具１１０を超えて基端側へ延びる基端側延出部１７０ｋを設け、この基端側延出部１７０ｋにおいても、ガス検出素子１２０を内挿して支持している。このようにガス検出素子１２０の基端部１２０ｋを基端側延出部１７０ｋで支持することにより、ガス検出素子１２０の基端側に外力が掛かっても、ガス検出素子１２０が破損しにくくなる。従って、ガス検出素子１２０に接続体１８０を取り付ける際やその後の組み付け過程におけるガス検出素子１２０の破損を従来よりも防止できる。

次いで、上記ガスセンサ１００の製造方法について説明する。
まず、公知の手法によりガス検出素子１２０を作成する。そして、このガス検出素子１２０をセラミックホルダ１１３に内挿して、更にこれらを金属カップ１１６内に配置する。その後、金属カップ１１６内に基端側から滑石リングを挿入して先端側に押圧し、ガス検出素子１２０を固定する。

次に、これを主体金具１１０の内側に基端側から挿入し、更に、滑石リングとセラミックスリーブ１７０をこの順に基端側から挿入する。なお、主体金具１１０の先端側には、予めプロテクタ１０１をレーザ溶接により固定しておく。その後、主体金具１１０の基端部１１０ｋを径方向内側に屈曲させて、加締めリング１１７を介して、セラミックスリーブ１７０の径大部１７０ｔの基端向き面１７０ｔｍに向けて加締め、セラミックスリーブ１７０やガス検出素子１２０等を主体金具１１０に固定し、下部アッセンブリとする。

その際、もし、スリーブ１７０が、その全体が主体金具１００内に配置される、基端側延出部１７０ｋを有しない形状、即ち、図５に示す形状であるとすれば、主体金具１１０の基端部１１０ｋを径方向内側に屈曲させて、スリーブ８７０を加締めたときに、軸孔８７０ｃの基端側開口端部８７０ｃｋに大きな引っ張り応力が掛かり、ここを基点にスリーブ１７０に亀裂が生じることがある。特に、スリーブ８７０の軸孔８７０ｃが矩形状の開口を有する場合、主体金具１１０の基端部１１０ｋを加締めたときに、基端側開口端部８７０ｃｋの角部に特に大きな引っ張り応力が掛かるため、スリーブ８７０に亀裂が特に生じやすい。

しかし、本実施形態では、スリーブ１７０が基端側に突出する基端側延出部１７０ｋを有するため、クラックの起点となりやすい軸孔１７０ｃの基端側開口端部１７０ｃｋは、主体間具１１０の基端部１１０ｋ（加締部分）から基端側に離れている（図２参照）。このため、主体金具１１０の基端部１１０ｋを加締めたときにも、軸孔１７０ｃの基端側開口端部１７０ｃｋにはそれほど大きな応力が掛からないので、スリーブ１７０に亀裂が生じることを防止できる。

次に、上部アッセンブリを作成する。即ち、まず、センサ用リード線１９３，１９４，１９５がそれぞれ接続されたセンサ用リードフレーム１８２，１８３，１８４、及び、ヒータリード線１９６，１９７がそれぞれ接続されたヒータ用リードフレーム１８５，１８６を、セパレータ１８１の内側に配置する。また、セパレータ１８１の外周の所定位置に付勢金具１９０も取り付けておく。

次に、セパレータ１８１の基端側にグロメット１９１を配置して、これをグロメット１９１側から金属外筒１０３内に挿入する。その後、金属外筒１０３の第２外筒部１０５を径方向内側に加締め、その内側に位置する付勢金具１９０をも変形させて、付勢金具１９０によりセパレータ１８１が基端側に付勢された状態とする。かくして、上部アッセンブリができる。

次に、上部アッセンブリと下部アッセンブリとを相対的に移動させることにより、接続体１８０（セパレータ１８１）の開口１８１ｃ内に、ガス検出素子１２０の基端側を挿入する。これにより、接続体１８０のセンサ用リードフレーム１８２，１８３，１８４及びヒータ用リードフレーム１８５，１８６が、それぞれ対応するガス検出素子１２０のセンサ用電極端子部１２５，１２６，１２７及びヒータ用電極端子部１２８，１２９に弾性的に接触して、電気的に接続する。

次に、金属外筒１０３の第４外筒部１０７を径方向内側に加締め、その内側に位置するグロメット１９０を固定する。更に、金属外筒１０３の先端部を径方向内側に加締め、その部位をレーザ溶接することにより、金属外筒１０３を主体金具１１０に固定する。かくして、ガスセンサ１００が完成する。

（実施例１）
本発明の効果を検証するために、実施例として、上記実施形態に係るガスセンサ１００を構成する上記の下部アッセンブリを１０ヶ用意した。また、比較例として、図３に示したセラミックスリーブ１７０の代わりに、図５に示すセラミックスリーブ８７０を用いて構成し、それ以外は上記実施形態と同様な下部アッセンブリも１０ヶ用意した。このセラミックスリーブ８７０は、基端側延出部を有しない。即ち、このセラミックスリーブ８７０は、図３に示したセラミックスリーブ１７０の先端部１７０ｓに相当する先端部８７０ｓと、セラミックスリーブ１７０の径大部１７０ｔに相当する径大部８７０ｔのみから構成されている。また、このセラミックスリーブ８７０には、図３に示したセラミックスリーブ１７０と同様に、軸線に沿い、開口が矩形状をなす軸孔８７０ｃが形成されている。

これらのサンプルについて、ガス検出素子１２０の基端に外力を加えて、素子折れ防止効果を調べた。具体的には、実施例及び比較例のそれぞれ５ヶのサンプルについては、ガス検出素子１２０の基端を、軸線方向と直交する方向で、かつ、第１，第２板面１２０ａ，１２０ｂに垂直な方向（これをＸ方向とする。）に、ガス検出素子１２０またはセラミックスリーブ１７０，８７０が破損するまで押圧した。また、残りのそれぞれ５ヶのサンプルについては、ガス検出素子１２０の基端を、軸線方向と直交する方向で、かつ、第１，第２板面１２０ａ，１２０ｂに平行な方向（これをＹ方向とする。）に、ガス検出素子１２０またはセラミックスリーブ１７０，８７０が破損するまで押圧した。その結果を表１にまとめて示す。

表１に示したように、実施例のサンプル１〜５では、ガス検出素子１２０の基端をＸ方向に押圧したところ、３２．８Ｎ、３８．４Ｎ、２９．６Ｎ、３８．７Ｎ、２７．４Ｎ（平均３３．４Ｎ）で、ガス検出素子１２０またはセラミックスリーブ１７０が破損した。一方、比較例のサンプル１１〜１５では、同じくガス検出素子１２０の基端をＸ方向に押圧したところ、２３．０Ｎ、２２．３Ｎ、１９．８Ｎ、２０．２Ｎ、２１．５Ｎ（平均２１．４Ｎ）で、ガス検出素子１２０またはセラミックスリーブ１７０が破損した。このことから、比較例に比して実施例では、破壊強度が平均で約５６％も上昇していることが判る。

また、実施例のサンプル６〜１０では、ガス検出素子１２０の基端をＹ方向に押圧したところ、８５．０Ｎ、９３．０Ｎ、１２０．５Ｎ、１２６．６Ｎ、１４７．５Ｎ（平均１１４．５Ｎ）で、ガス検出素子１２０またはセラミックスリーブ１７０が破損した。一方、比較例のサンプル１６〜２０では、同じくガス検出素子１２０の基端をＹ方向に押圧したところ、８９．０Ｎ、９５．２Ｎ、６１．８Ｎ、１２５．１Ｎ、７７．０Ｎ（平均８９．６Ｎ）で、ガス検出素子１２０またはセラミックスリーブ１７０が破損した。このことから、比較例に比して実施例では、破壊強度が平均で約２７％も上昇していることが判る。

このような結果から、セラミックスリーブ１７０に基端側延出部１７０ｋを設け、この基端側延出部１７０ｋにおいてもガス検出素子１２０を内挿して支持することで、ガス検出素子１２０の基端側に外力が掛かっても、ガス検出素子１２０等が破損しにくくなることが実証された。従って、本発明の適用により、ガス検出素子１２０に接続体１８０を取り付ける際やその後の組み付け過程におけるガス検出素子１２０の破損を、従来よりも防止できると言える。

（実施例２）
更に、本発明の効果を検証するために、実施例として、上記実施形態に係るガスセンサ１００を用意した。また、比較例として、セラミックスリーブ１７０と接続体１８０が当接してなる従来形態のガスセンサを用意した。

まず、実施例及び比較例のサンプルそれぞれについて、主体金具１１０の座面１１０ｎ（図２参照）から３ｍｍ基端側に離れた位置における主体金具１１０の温度が７００℃となるように、ガスセンサ１００を使用した。そして、主体金具１１０の座面１１０ｎから２６ｍｍ基端側に離れた位置におけるガス検出素子１２０（センサ用電極端子１２５，１２６，１２７及びヒータ用電極端子１２８，１２９）と接続体１８０（センサ用リードフレーム１８２，１８３，１８４及びヒータ用リードフレーム１８５，１８６）とのコンタクト部の温度を測定した。また、主体金具１１０の座面１１０ｎから４８ｍｍ基端側に離れた位置におけるグロメット１９１の温度を測定した。

また、実施例及び比較例のサンプルそれぞれについて、主体金具１１０の座面１１０ｎから３ｍｍ基端側に離れた位置における主体金具１１０の温度が６５０℃となるように、ガスセンサ１００を使用した。そして、上記と同様に、主体金具１１０の座面１１０ｎから２６ｍｍ基端側に離れた位置におけるコンタクト部の温度と、主体金具１１０の座面１１０ｎから４８ｍｍ基端側に離れた位置におけるグロメット１９１の温度をそれぞれ測定した。これらの結果をまとめて表２に示す。

表２に示したように、実施例のサンプルでは、主体金具１１０の温度を７００℃とした場合、コンタクト部の温度が４４０℃、グロメット１９１の温度が３００℃であった。一方、比較例のサンプルでは、同じく主体金具１１０の温度を７００℃とした場合、コンタクト部の温度が５００℃、グロメット１９１の温度が３２０℃であった。このことから、比較例に比して実施例では、コンタクト部及びグロメット１９１の温度上昇が抑制されていることが判る。

また、実施例のサンプルでは、主体金具１１０の温度を６５０℃とした場合、コンタクト部の温度が４１０℃、グロメット１９１の温度が２８０℃であった。一方、比較例のサンプルでは、同じく主体金具１１０の温度を６５０℃とした場合、コンタクト部の温度が４５０℃、グロメット１９１の温度が３００℃であった。このことから、比較例に比して実施例では、コンタクト部及びグロメット１９１の温度上昇が抑制されていることが判る。

前述したように、ガス検出素子１２０の基端部１２０ｋが高温に晒されると、基端部１２０ｋにおける第１，第２固体電解質層１３７，１５０の絶縁性が低下し、そこに形成されたビア導体１４２，１４３間でリークが生じやすい。その結果、ガス濃度を正確に検出できなくなるおそれがある。しかし、本実施例では、セラミックスリーブ１７０と接続体１８０とが離間しているために、コンタクト部等の温度上昇が抑制された。従って、本発明の適用により、従来よりも高熱によるビア導体１４２，１４３間でのリークを抑制でき、ガス濃度を正確に検出できると言える。

以上において、本発明を実施形態に即して説明したが、本発明は上述の実施形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で、適宜変更して適用できることはいうまでもない。

実施形態に係るガスセンサの外観図である。実施形態に係るガスセンサの断面図である。実施形態に係るガスセンサのうち、絶縁スリーブを示す斜視図である。実施形態に係るガスセンサのうち、センサ素子を示す分解斜視図である。比較形態に係るガスセンサのうち、絶縁スリーブを示す斜視図である。従来技術に係るガスセンサの断面図である。

符号の説明

１００ガスセンサ
１０３金属外筒
１１０主体金具
１１０ｋ基端部
１２０ガス検出素子
１２０ａ第１板面
１２０ｂ第２板面
１２０ｓ先端部
１２０ｔ中間部
１２０ｋ基端部
１２１ガス検出部
１２３ヒータ部
１２５，１２６，１２７センサ用電極端子（電極端子部）
１２８，１２９ヒータ用電極端子（電極端子部）
１３０検出素子
１３７第１固体電解質層
１４２，１４３ビア導体
１５０第２固体電解質層
１５５ビア導体
１６０ヒータ素子
１７０セラミックスリーブ（スリーブ）
１７０ｃ軸孔
１７０ｓ先端部
１７０ｋ基端側延出部
１７０ｔ径大部
１７０ｔｍ基端向き面
１８０接続体
１８１セパレータ
１８２，１８３，１８４センサ用リードフレーム（接続体端子部）
１８５，１８６ヒータ用リードフレーム（接続体端子部）
ＡＸ軸線

Claims

軸線方向に延びる筒状の主体金具と、
軸線方向に延び、中間部が前記主体金具の内部に配置され、先端部が前記主体金具から軸線方向先端側に突出し、基端部が前記主体金具から軸線方向基端側に突出するガス検出素子であって、前記先端部にガス検出部を有し、前記基端部に複数の電極端子部を有するガス検出素子と、
軸線に沿った軸孔を有する筒状をなし、前記主体金具の内側に配置され、前記軸孔に前記ガス検出素子を内挿して前記ガス検出素子を支持するスリーブと、
前記ガス検出素子の基端側に取り付けられる接続体であって、各々の前記電極端子部と電気的に接続する複数の接続体端子部を有する接続体と、
を備えるガスセンサであって、
前記ガス検出素子は、前記基端部に、前記電極端子部と電気的に接続する複数のビア導体が貫通形成された固体電解質層を有し、
前記スリーブと前記接続体とは、離間してなり、
前記スリーブは、前記主体金具を超えて軸線方向基端側へ延びる基端側延出部を有し、この基端側延出部においても、前記ガス検出素子を内挿して前記ガス検出素子を支持してなる
ガスセンサ。
請求項１に記載のガスセンサであって、
前記スリーブは、前記主体金具の内部に配置され、前記基端側延出部の軸線方向先端側に位置し、前記基端側延出部よりも径大で、軸線方向基端側を向く基端向き面を含む径大部を有し、
このスリーブは、前記主体金具の基端部を径方向内側に屈曲させて、前記径大部の前記基端向き面に向けて加締めることにより、前記主体金具内に固定されてなる
ガスセンサ。