JP2009250682A - ガスセンサ - Google Patents

Abstract

【課題】放熱性に優れると共に、所定の強度が確保され、かつ良好なシールド特性をもったガスセンサを提供する。
【解決手段】ガスセンサは、固体電解質体を有するセンサ素子１０と、センサ素子１０の周りを取り囲むと共に、外部取付用の取付部７７を有するケース６０とを備えている。ケース６０の全体はアルミニウム系又は銅系の金属材料で形成されている。そして、ガスセンサは、吸気管４１０又はシリンダヘッド４０５に設置される。また、センサ素子１０の周りが外部プロテクタ７４２、内部プロテクタ７４３及び外筒７４４によって包囲され、これらがアルミニウム系又は銅系の金属材料で形成されていてもよい。
【選択図】図１

Description

本発明は、ガスセンサに関する。

従来、自動車のエンジンの排気管に設置され、排気ガス中の酸素濃度を検出してエンジンの燃焼制御に利用されるガスセンサとして、酸素センサが知られている（例えば、特許文献１を参照）。酸素センサは、軸線方向に延び、固体電解質体及び一対の電極を有するセンサ素子と、センサ素子の径方向を取り囲む包囲部材とからなる。包囲部材は、筒状の主体金具と、主体金具よりも先端側に設けられてセンサ素子の先端側を覆うプロテクタと、主体金具よりも後端側に設けられてセンサ素子の後端側を覆う外筒とからなる。主体金具は、金属により構成されており、これには排気管に装着するための取付部が形成されている。プロテクタは金属で構成され、外筒は樹脂で構成されている。
特許第３８７３３９０号公報

ところで、外筒を構成する樹脂は金属に比べて熱伝導性が低いため、排気管の熱が外筒に伝わったときに、外筒に熱がこもり、過剰な温度上昇によりその劣化を促進する虞がある。また、外部から異物が干渉したときに、外筒が破損し易いという事情がある。さらに、センサ素子の電極周りが遮蔽されていないため、電気的なノイズの影響を受け易いという問題もある。

一方、外筒が鉄やステンレス系の金属で構成されている場合には、樹脂に比べて排気管の熱を良好に放熱することができるものの、未だ放熱性が十分ではなく、例えば、ハウジングと外筒との間に介挿されるシールリング等のゴム製部品が早期に劣化するという事情がある。

本発明は上記従来の実情に鑑みてなされたものである。本発明の課題は、放熱性に優れると共に、所定の強度が確保され、かつ良好なシールド特性をもったガスセンサを提供することである。

本発明のガスセンサは、長手方向に延びると共に、固体電解質体及び該固体電解質体上に形成された一対の電極を備え、被測定ガスを検知する検知部を前記長手方向先端側に有するセンサ素子と、前記センサ素子の径方向を取り囲むと共に、前記検知部よりも後端側に外部取付用の取付部を有する包囲部材とを備え、
前記包囲部材のうち、少なくとも前記取付部よりも後端側がアルミニウム系又は銅系の金属材料で形成されていることを特徴とする。

このガスセンサでは、包囲部材の少なくとも後端側がアルミニウム系又は銅系の金属材料で形成されることにより、包囲部材に伝わった熱が速やかに放熱されるため、包囲部材に熱がこもってガスセンサに不具合が生じるのを防ぐことができる。

また、アルミニウム系又は銅系の金属は樹脂と比べて強度が高いため、包囲部材が外部異物との干渉によって破損されるのを回避できる。特に、包囲部材の少なくとも後端側がアルミニウム系の金属材料で形成されていると、包囲部材が軽量に仕上がる。

また、センサ素子が包囲部材の少なくとも後端側で遮蔽されるため、ノイズの影響を受けにくい。

したがって、このガスセンサは、放熱性に優れると共に、所定の強度が確保され、かつ良好なシールド特性を有するものとなる。

なお、アルミニウム系の金属材料としてはアルミニウム又はアルミニウム合金を挙げることができ、銅系の金属材料としては銅又は銅合金を挙げることができる。例えば、ジュラルミン、アルミニウムダイカスト、黄銅、青銅が好適に用いられる。加工方法としては、特に限定されず、鍛造、鋳造、プレスのいずれの方法であってもよい。もっとも、アルミダイカストによれば、鋳造し易く、加工性が良好となる。

さらに、センサ素子の後端側に配置され、センサ素子からの出力信号を処理する処理手段を載置する回路基板を備え、包囲部材は、検知部を収納する検知部収納部と、回路基板を収納し、且つ取付部が設けられた回路基板収納部とを有しており、回路基板収納部がアルミニウム系又は銅系の金属材料で形成されていることが好ましい。

このように、センサ素子と回路基板とを包囲部材内に収納することで、回路基板に載置された処理手段をＥＣＵ内に確保する設計をする必要がなく、ＥＣＵの設計の自由度及び汎用性が高められる。また、センサ素子、回路基板が金属製の包囲部材によってシールドされるのに加え、センサ素子とＥＣＵとの間に配索されたアナログ信号線が省略されるため、ノイズの影響を受けにくい構造となり、電気的信頼性が向上する。

そして、この構成の場合、回路基板（回路基板に載置された処理手段）と熱源との距離が従来よりも短くなり、回路基板が熱影響を受けやすくなるが、本発明のように、回路基板を収納する回路基板収納部をアルミニウム系又は銅系の金属材料で形成しているので、回路基板収納部に伝わった熱が速やかに放熱され、回路基板の熱影響を抑制することができる。

さらに、回路基板はセンサ素子の長手方向に対して略直交する方向に沿って配置されていることが好ましい。

このように、回路基板がセンサ素子の長手方向に対して略直交する方向に沿って配置されているので、回路基板収納部が高背化することがなくなり、エンジン等の設計の自由度を高めることができる。

そして、この構成の場合、回路基板（回路基板に載置された処理手段）と熱源との距離がさらに短くなり、回路基板が熱影響を受けやすくなるが、本発明のように、回路基板を収納する回路基板収納部をアルミニウム系又は銅系の金属材料で形成しているので、回路基板収納部に伝わった熱が速やかに放熱され、回路基板の熱影響を抑制することができる。

さらに、処理手段は長手方向後端側の回路基板上に載置されていることが好ましい。これにより、処理手段が熱源よりもより離れて配置されることになるため、熱影響が処理手段に及ぶのをより防ぐことができる。

さらに、センサ素子は検知部を加熱するためのヒータを有しており、検知部よりも長手方向後端側のセンサ素子と検知部収納部との間隙に充填され、ヒータからの熱を包囲部材に伝熱する伝熱部が設けられていることが好ましい。

センサ素子には、センサ素子の検知部を早期に活性させるためにヒータが備えられているものがある。このような構成の場合、ヒータの熱が包囲部材内にこもってガスセンサに不具合を生じさせることがあるが、検知部収納部とセンサ素子との間隙に伝熱部を充填することで、ヒータからの熱を検知部収納部に伝熱し、さらには、回路基板収納部に伝熱することで、速やかに放熱させ、包囲部材内に熱がこもってガスセンサに不具合を生じることを防ぐことができる。なお、伝熱部は、検知部よりも後端側に配置されているので、センサ素子を早期に活性させることもできる。

そして、包囲部材の全体がアルミニウム系又は銅系の金属材料で形成されていることが好ましい。これによれば、放熱性がより優れる。

また、取付部が吸気管又はシリンダヘッドに取り付けられることが望ましい。吸気管又はシリンダヘッドは排気管に比べて低温であるから、ガスセンサへの熱影響が小さく抑えられる。

＜実施形態１＞
以下、実施形態１のガスセンサについて図面を参照しつつ説明する。このガスセンサは、図１に示すように、センサ素子１０と、回路基板２０と、両者１０，２０に接続される端子５０と、これらを一括して収納するケース６０とを備えている。なお、ケース６０は、特許請求の範囲における「包囲部材」に相当するものである。

センサ素子１０は、長手方向に延びる板状をなし、先端側（図中下方）に検知部１１が形成され、上端側の外表面のうち表裏面に電極端子部１２０，１２１が形成されている。

このセンサ素子１０は、図８に示すように、検出素子３００とヒータ２００とが積層された構造とされている。検出素子３００は、酸素濃度検出セル１３０と酸素ポンプセル１４０とが積層された構造とされている。

ヒータ２００は、アルミナを主体とする第１基体１０１及び第２基体１０３と、第１基体１０１と第２基体１０３とに挟まれ、白金を主体とする発熱体１０２とを有している。発熱体１０２は、先端側に位置する発熱部１０２ａと、発熱部１０２ａから第１基体１０１の長手方向に沿って延びる一対のヒータリード部１０２ｂとを有している。そして、ヒータリード部１０２ｂの端末は、第１基体１０１に設けられるヒータ側スルーホール１０１ａを介して電極端子部１２０と電気的に接続されている。

酸素濃度検出セル１３０は、第１固体電解質体１０５と、その第１固体電解質体１０５の両面に形成された第１電極１０４及び第２電極１０６とから形成されている。第１電極１０４は、第１電極部１０４ａと、第１電極部１０４ａから第１固体電解質体１０５の長手方向に沿って延びる第１リード部１０４ｂとから形成されている。第２電極１０６は、第２電極部１０６ａと、第２電極部１０６ａから第１固体電解質体１０５の長手方向に沿って延びる第２リード部１０６ｂとから形成されている。

そして、第１リード部１０４ｂの端末は、第１固体電解質体１０５に設けられる第１スルーホール１０５ａ、後述する絶縁層１０７に設けられる第２スルーホール１０７ａ、第２固体電解質体１０９に設けられる第４スルーホール１０９ａ及び保護層１１１に設けられる第６スルーホール１１１ａを介して電極端子部１２１と電気的に接続されている。一方、第２リード部１０６ｂの端末は、後述する絶縁層１０７に設けられる第３スルーホール１０７ｂ、第２固体電解質体１０９に設けられる第５スルーホール１０９ｂ及び保護層１１１に設けられる第７スルーホール１１１ｂを介して電極端子部１２１と電気的に接続されている。

一方、酸素ポンプセル１４０は、第２固体電解質体１０９と、その第２固体電解質体１０９の両面に形成された第３電極１０８及び第４電極１１０とから形成されている。第３電極１０８は、第３電極部１０８ａと、この第３電極部１０８ａから第２固体電解質体１０９の長手方向に沿って延びる第３リード部１０８ｂとから形成されている。第４電極１１０は、第４電極部１１０ａと、この第４電極部１１０ａから第２固体電解質体１０９の長手方向に沿って延びる第４リード部１１０ｂとから形成されている。

そして、第３リード部１０８ｂの端末は、第２固体電解質体１０９に設けられる第５スルーホール１０９ｂ及び保護層１１１に設けられる第７スルーホール１１１ｂを介して電極端子部１２１と電気的に接続されている。一方、第４リード部１１０ｂの端末は、保護層１１１に設けられる第８スルーホール１１１ｃを介して電極端子部１２１と電気的に接続されている。なお、第２リード部１０６ｂと第３リード部１０８ｂとは第３スルーホール１０７ｂを介して同電位となっている。

これら第１固体電解質体１０５、第２固体電解質体１０９は、ジルコニア（ＺｒＯ₂）に安定化剤としてイットニア（Ｙ₂Ｏ₃）又はカルシア（ＣａＯ）を添加してなる部分安定化ジルコニア燃結体から構成されている。

発熱体１０２、第１電極１０４、第２電極１０６、第３電極１０８、第４電極１１０、電極端子部１２０及び電極端子部１２１は、白金族元素で形成することができる。これらを形成する好適な白金族元素としては、Ｐｔ、Ｒｈ、Ｐｄ等を挙げることができ、これらはその一種を単独で使用することもできるし、又二種以上を併用することもできる。

もっとも、発熱体１０２、第１電極１０４、第２電極１０６、第３電極１０８、第４電極１１０、電極端子部１２０及び電極端子部１２１は、耐熱性及び耐酸化性を考慮するとＰｔを主体にして形成することがより一層好ましい。さらに、発熱体１０２、第１電極１０４、第２電極１０６、第３電極１０８、第４電極１１０、電極端子部１２０及び電極端子部１２１は、主体となる白金族元素の他にセラミック成分を含有することが好ましい。

そして、上記酸素ポンプセル１４０と酸素濃度検出セル１３０との間には、絶縁層１０７が形成されている。絶縁層１０７は、絶縁部１１４と拡散律速部１１５とからなる。この絶縁層１０７の絶縁部１１４には、第２電極部１０６ａ及び第３電極部１０８ａに対応する位置にガス検出室１０７ｃが形成されている。このガス検出室１０７ｃは、絶縁層１０７の幅方向で外部と連通しており、この連通部分に、外部とガス検出室１０７ｃとの間のガス拡散を所定の律速条件下で実現する拡散律速部１１５が配置されている。

絶縁部１１４は、絶縁性を有するセラミック燃結体であれば特に限定されず、例えば、アルミナやムライト等の酸化物系セラミックを挙げることができる。拡散律速部１１５は、アルミナからなる多孔質体である。この拡散律速部１１５によって被検出ガスがガス検出室１０７ｃへ流入する際の律速が行われる。

また、第２固体電解質体１０９の表面には、第４電極１１０を挟み込むようにして、保護層１１１が形成されている。この保護層１１１は、第４電極部１１０ａを挟み込む多孔質の電極保護部１１３ａが、第４リード部１１０ｂを挟み込む補強部１１２に形成された貫通孔１１２ａに挿入されている。

図１に示すように、回路基板２０は、センサ素子１０の上端より上方（長手方向後端側）に位置し、その板面を軸線方向と略直交する方向に向けて配置されている。そして、回路基板２０は、センサ素子１０の電極端子部１２０，１２１と端子５０を介して電気的に接続されると共に、自動車の制御を行う電子制御ユニット（以下、ＥＣＵ９９という）と電線９０を介して電気的に接続されている。

回路基板２０の表面（上面）には、センサ素子１０の電気的特性に応じて変化するセンサ信号をアナログ・デジタル変換器によりアナログ信号からデジタル信号に変換する信号変換回路が設けられている。この信号変換回路で生成されたデジタル信号はＥＣＵ９９に向けて出力され、ＥＣＵ９９では入力されたデジタル信号に基づき被検出ガスの濃度変化を検出する処理が実行される。また、回路基板２０の表面には、ヒータ２００（図８参照）への通電量を制御するヒータ制御回路が設けられている。具体的には、回路基板２０の表面には、図５に示すように、信号処理用の各種電子部品２１、例えば、集積回路（ＩＣ）、抵抗器及びコンデンサが実装されている。

図１、図３〜図５に示すように、センサ素子１０の電極端子部１２０，１２１と、回路基板２０の信号変換回路及びヒータ制御回路との間には、双方間を電気的に中継する５本の端子５０が介設されている。各端子５０は、帯状のリード端子であって軸線方向に延びて配置され、その一端側（図中下方）が電極端子部１２０，１２１のそれぞれと半田付けにより接続されていると共に、その他端側（図中上方）が回路基板２０のスルーホール２２に裏面側（下方）から挿通されて、回路基板２０の表面側で信号変換回路及びヒータ制御回路とそれぞれ半田付けにより接続されている。

また、回路基板２０の一端側方には筒状のコネクタ部３０が側外方に開口して配置され、このコネクタ部３０内には５本のコネクタピン３１が横並びに突出して配置されている。各コネクタピン３１は、コネクタ部３０の背面から引き出されて回路基板２０の裏面側へクランク状に折り曲げられ、さらに回路基板２０のスルーホール２３に裏面側から挿通されて、回路基板２０の表面側で信号変換回路及びヒータ制御回路とそれぞれ半田付けにより接続されている。

さらに、コネクタ部３０は、図１に示すように、相手コネクタ部９５と嵌合され、この嵌合に伴ってコネクタピン３１が相手コネクタ部９５に装着された相手コネクタピン９６と電気的に接続される。相手コネクタピン９６はＥＣＵ９９との間に配策された電線９０の端末に接続されている。

上記のように、回路基板２０の表面側には信号変換回路及びヒータ制御回路を有する回路部が設けられ、回路基板２０の裏面側にはセンサ素子１０が配置されている。なお、回路部及び各種電子部品２１が特許請求の範囲における処理手段に相当する。このように、処理手段はセンサ素子１０とは反対側の回路基板２０の表面側に載置されているので、処理手段が熱源（センサ素子１０の発熱部１０２ａや後述する吸気管４０１やシリンダヘッド４０５等）よりも離れて配置されることになるため、熱源からの熱影響が処理手段に及ぶのを防ぐことができる。

続いてケース６０について説明する。ケース６０はその全体がアルミニウム系又は銅系の金属材料で形成されている。具体的には、ジュラルミン、アルミニウムダイカスト、黄銅、青銅等を用いることが好ましい。そして、ケース６０は、センサ素子１０の周り（径方向）を包囲して軸線方向に細長く延びる筒状の検知部収納部６１と、回路基板２０の周りを包囲して軸線方向と略直交する方向に沿う扁平箱形状の回路基板収納部６２とから構成されている。回路基板収納部６２は、上下に装着される上カバー６３及び下カバー６４により構成されている。

上カバー６３は、図５に示すように、全体として浅皿状をなし、略矩形状の蓋部６３ａと、この蓋部６３ａの４辺から立ち下がる立下部６３ｂとからなる。

蓋部６３ａには、透過部材６５が嵌着される円形の嵌着孔６６が開設されている。透過部材６５は、図１に示すように、耐水性及び通気性を有するフィルタ６５ａと、このフィルタ６５ａを内包するキャップ６５ｂとからなり、キャップ６５ｂと上カバー６３との間に、第１シールリング６７が設けられている。

フィルタ６５ａは、回路基板収納部６２の内側から外側に向かう空気及び水蒸気の通過を許容するが、回路基板収納部６２の外側から内側に向かう水の浸入を規制するものであり、例えば、ゴアテックス（登録商標）を挙げることができる。本実施形態の場合、回路基板収納部６２の内側にコネクタ部３０等を通して水が浸入する可能性があり、浸入した水の蒸発により回路基板収納部６２内が蒸れる虞があるが、上記のようなフィルタ６５ａが蓋部６３ａに貫通した嵌着孔６６を覆っていれば、フィルタ６５ａを介して水蒸気が外部へ排出されるため、回路基板収納部６２内が蒸れることはなく、回路基板２０がショート等の不具合を起こすのを防ぐことができる。

そして、図５に示すように、立下部６３ｂの下端には、下向きに突出する凸部６８が周方向に沿って形成されている。また、立下部６３ｂの短辺側の一方には、コネクタ部３０と対応する位置に、第１切欠窓６９が下方に開口して形成されている。さらに、立下部６３ｂの両長辺側には、板状の張出縁部７０が長辺方向に沿って形成されている。張出縁部７０には、４隅寄りの位置に第１貫通孔７１が開設され、長辺方向の略中央部に第２貫通孔７２が開設されている。

下カバー６４は、全体として上カバー６３よりも肉厚でかつ上カバー６３より深い皿状をなし、略矩形状の底部６４ａと、この底部６４ａの４辺から立ち上がる立上部６４ｂとからなる。立上部６４ｂの上端には、凸部６８を受ける溝７３が周方向に沿って形成されている。また、立上部６４ｂの短辺側の一方には、コネクタ部３０と対応する位置に、第２切欠窓７４が上方に開口して形成されている。さらに、立上部６４ｂの両長辺側は、張出縁部７０の張出量に相当する肉厚を有し、その４隅寄りの位置に第１受け孔７５が開設され、長辺方向の略中央部に第２受け孔７６が開設されている。

上カバー６３及び下カバー６４の組み付けにあたり、立上部６４ｂの上端と立下部６３ｂの下端とが互いに突き合わされると、凸部６８が溝７３に嵌まり、上カバー６３及び下カバー６４の互いの位置決めがなされる。また、立上部６４ｂの上端と立下部６３ｂの下端とが互いに突き合わされると、第１貫通孔７１と第１受け孔７５とが互いに整合し、両孔７１，７５を連通するボルトの締め付けにより上カバー６３と下カバー６４とが互いに固定される。同じく整合状態となる第２貫通孔７２と第２受け孔７６とはガスセンサの取り付けに伴い、図６に示すように、取付対象（後述する吸気管４０１又はシリンダヘッド４０５）の取付面９８に開設された係合孔９７と整合し、これら第２貫通孔７２、第２受け孔７６及び係合孔９７を連通するボルトの締め付けによりガスセンサが取付対象に固定される。なお、第２貫通孔７２及び第２受け孔７６は、特許請求の範囲における「取付部」に相当するものであり、以下の説明ではこれらを取付部７７とする。

さらに、立上部６４ｂの上端と立下部６３ｂの下端とが互いに突き合わされると、コネクタ部３０の外周面に形成された図５に示す凹溝３２に、上方から第１切欠窓６９が嵌着すると共に下方から第２切欠窓７４が嵌着し、これにより、コネクタ部３０が上カバー６３と下カバー６４との間に挟まれた状態で固定される。図１に示すように、コネクタ部３０の凹溝３２の溝底にはシール部３５が周設され、このシール部３５によりコネクタ部３０とケース６０との間のシールがとられる。

また、図５に示すように、下カバー６４の内面の４隅には回路基板２０を支持する支持部７８が立設され、支持部７８の上端には第３受け孔７９が開設されている。回路基板２０が支持部７８に支持されたときに、第３受け孔７９と回路基板２０の４隅に開設された第３貫通孔２９とが互いに整合し、両孔２９，７９を連通するボルトの締め付けにより回路基板２０が下カバー６４に底部６４ａから浮いた状態で固定される。

そして、下カバー６４の底部６４ａには、図４に示すように、円形の装着孔８０が開設され、この装着孔８０に上方から検知部収納部６１が挿通して装着される。この装着孔８０は底部６４ａの中央から偏心した位置に設定されている。また、底部６４ａには、第２シールリング８１が嵌着される環状溝８２が、装着孔８０の周りを取り囲むように形成されている。さらに、底部６４ａにおける環状溝８２より外側には、第４受け孔８３が周方向に間隔をあけて形成されている。

一方、検知部収納部６１は軸線方向に細長く延びる有底の円筒状をなし、その上端開口縁に、フランジ部８４が径方向外向きに張り出して形成されている。そして、フランジ部８４には第４貫通孔８５が周方向に間隔をあけて形成されている。検知部収納部６１が下カバー６４の装着孔８０に装着されると、第４貫通孔８５と第４受け孔８３とが互いに整合し、両孔８３，８５を連通するボルトの締め付けにより検知部収納部６１が下カバー６４に固定される。このとき、フランジ部８４と下カバー６４との間は第２シールリング８１によってシールがとられる。

また、検知部収納部６１は、図１に示すように、厚みが厚い上部６１ａと、厚みが中程度の中間部６１ｂと、厚みが薄い下部６１ｃとが順に連なった形態となっている。図４に示すように、検知部収納部６１の上部６１ａの外周面には、第３シールリング８６が嵌着される外周溝８７が周設されている。図１に示すように、取付部７７が取付対象に取り付けられたとき、取付対象と検知部収納部６１との間は第３シールリング８６によってシールがとられる。

また、検知部収納部６１の中間部６１ｂの内周面には段部８８が設けられ、この段部８８を境とする下側が上側より縮径された形態となっている。段部８８にはセンサ素子１０を保持する保持部材４１が上方から当て止めされ、これにより、センサ素子１０が検知部収納部６１内に上下方向に位置決め状態で保持されている。保持部材４１は、アルミナからなるセラミック製のリング部材であり、センサ素子１０の外周面のうち検知部１１より上方（長手方向後端側）に嵌着されている。

さらに、検知部収納部６１の下部６１ｃには上下方向に延びるスリット状の通気孔８９が開設され、検知部収納部６１内にセンサ素子１０が収納された状態では、通気孔８９に内側からセンサ素子１０の検知部１１が臨むように配置されている。ガスの流路に検知部収納部６１の下部６１ｃが曝されると、ガス中の被検出ガスが通気孔８９から検知部収納部６１内に導入され、導入された被検出ガスがセンサ素子１０の検知部１１に接触する。検知部収納部６１の壁面は通気孔８９を残して閉塞されている。

また、検知部収納部６１とセンサ素子１０との間で、かつ保持部材４１の上方（長手方向後端側）には発熱部１０２ａ（図８参照）からの熱をケース６０に伝えて外部へ放熱する硬化部４２が設けられている。硬化部４２は、高熱伝導性に優れた材質によって構成され、例えば、アルミナ、具体的にはアルミナセメントの硬化体を挙げることができる。なお、保持部材４１及び硬化部４２は、特許請求の範囲における「伝熱部」に相当するものである。

このように、検知部１１よりも長手方向後端側のセンサ素子１０と検知部収納部６１との間隙に保持部材４１、硬化部４２を配置することで、ヒータ２００からの熱を検知部収納部６１に伝熱し、さらには、回路基板収納部６２に伝熱することで、速やかに放熱させ、ケース６０内に熱がこもってガスセンサに不具合を生じることを防ぐことができる。

また、アルミナは非導電性であるため、センサ素子１０と電気的に干渉することがなく、ガスセンサの機能を良好に発揮させることができる。さらに、硬化部４２がアルミナセメントの硬化体であれば、検知部収納部６１とセンサ素子１０との間にスラリー状のアルミナセメントを流し込んで成形できるため、加工性に優れると共に、検知部収納部６１の内面とセンサ素子１０の外面との間に隙間が生じるのを防ぐことができる。

さらに、検知部収納部６１とセンサ素子１０との間で、かつ回路基板２０に近い、保持部材４１及び硬化部４２の上方には封止部４３が設けられ、この封止部４３によってセンサ素子１０の上端部が気密に封止されている。封止部４３は、耐熱性を有する絶縁樹脂からなるのが好ましく、例えば、エポキシ樹脂やフッ素ゴムからなり得る。また、封止部４３は、エポキシ樹脂及びフッ素ゴムの両方によって構成してもよい。このように封止部４３がセンサ素子１０の上端部を封止することにより、回路基板収納部６２内に水が浸入することを防止できる。特に、硬化部４２がアルミナセメントの硬化体である場合には、硬化部４２の内部に形成される間隙が検知部１１への水路になる虞があるため、硬化部４２の上方に封止部４３を設けることが望まれる。また、保持部材４１及び硬化部４２よりも回路基板２０に近い位置は保持部材４１及び硬化部４２によって高温になりにくくされているため、その位置の封止部４３は劣化も生じにくい。封止部４３はまた電極端子部１２０，１２１と端子５０との接続部位を封止するため、この接続部位の電気絶縁性が保証される。

次に、上述したガスセンサの製造方法について説明する。まず、図３に示すように、センサ素子１０の電極保持部１２０，１２１に端子５０の一端部を半田付けにより接続すると共に、センサ素子１０の外周面の中間部位に保持部材４１を嵌着させる。続いて、検知部収納部６１の後端開口から検知部収納部６１内へセンサ素子１０を挿入し、図１に示すように、段部８８に保持部材４１を支持させて、センサ素子１０を軸周りに回転させ、通気孔８９に検知部１１を正対させる。

そして、検知部収納部６１の後端開口から検知部収納部６１内にスラリー状のアルミナセメントを流し入れて保持部材４１の上に積み重ねる。アルミナセメントが硬化したら、続いて、この硬化部４２の上にエポキシ樹脂等の封止部４３を充填し、センサ素子１０の後端部を封止する。これにより、センサ素子１０の全体が検知部収納部６１内に固定状態で収納され、端子５０の他端部が上方に向けて突出される。

次に、図４に示すように、上記センサ素子１０を収納した検知部収納部６１を回路基板収納部６２に取り付ける。取り付けに先立ち、下カバー６４の環状溝８２に第２シールリング８１を嵌めておく。そして、下カバー６４の装着孔８０に上方から検知部収納部６１を挿入し、下カバー６４の底部６４ａにフランジ部８４を着座させる。次いで、第４受け孔８３に対応する第４貫通孔８５が整合するよう、検知部収納部６１を軸周りに回転させ、第４受け孔８３及び第４貫通孔８５へのボルトの締め付けにより検知部収納部６１と下カバー６４とを一体に連結する。このとき、下カバー６４に対する検知部収納部６１の位置は一通りとしている。

続いて、図５に示すように、下カバー６４の第２切欠窓７４にコネクタ部３０の凹溝３２を掛け止め、その状態で下カバー６４内に上方から回路基板２０を装着する。すると、端子５０の他端部が対応するスルーホール２２に下方から挿入されると共に、コネクタピン３１の端部が同じく対応するスルーホール２３に下方から挿入され、かつ、回路基板２０の４隅が支持部７８の上端に載置される。次いで、第３受け孔７９及び第３貫通孔２９へのボルトの締め付けにより回路基板２０と下カバー６４とを一体に連結し、さらに回路基板２０の表面に端子５０の先端部を半田付けして固定すると共にコネクタピン３１の先端部を半田付けして固定する。

その後、下カバー６４に上カバー６３を被せ付け、第１受け孔７５及び第１貫通孔７１へのボルトの締め付けにより下カバー６４と上カバー６３とを一体に連結する。すると、コネクタ部３０が上カバー６３の第１切欠窓６９と下カバー６４の第２切欠窓７４との間に挟まれて保持される。また、これらの作業と前後して上カバー６３の嵌着孔６６に透過部材６５を装着しておく。

こうして完成されるガスセンサは、図９に示す取付態様１と、図１０に示す取付態様２とに選択的に使用可能となる。

取付態様１は、図９に示すように、吸気通路４００の吸気管４０１に、エンジンの排気ガスの一部（以下、ＥＧＲガスという）をこの吸気管４０１内に還流させるＥＧＲ管４０２の端末が連結されているものにおいて、ガスセンサは、ＥＧＲ管４０２の連結用に開設されたＥＧＲガス導入口４０３より下流側に設置されるものである。具体的には、回路基板収納部６２が吸気管４０１の外周面に載置され、検知部収納部６１が吸気管４０１内の流路に突出して配置されている。この場合、ガスセンサは、ＥＧＲガスと吸気ガスとが混合したガス中の被検出ガスを検出する。

また、取付態様２は、図１０に示すように、ガスセンサがシリンダヘッド４０５に設置されるものである。具体的には、回路基板収納部６２がシリンダヘッド４０５の外壁に載置され、検知部収納部６１がシリンダヘッド４０５の排気ポート４０６内の流路に突出して配置されている。この場合、ガスセンサは、燃焼後のガス中の被検出ガスを検出する。

そして、図６に示すように、両取付面９８には、装着孔８０と整合可能な検出孔９３が開設され、さらに検出孔９３を挟んだ両側に、取付部７７と整合可能な係合孔９７が開設されている。

取付態様１、２のいずれにおいても、ガスセンサが排気管に設置される場合に比べ、設置温度が低くなるため、センサ素子１０と端子５０との接続部位、端子５０と処理手段自体への熱影響が小さく抑えられ、これら処理手段等を保護状態に置くことができる。

そして、取付態様２では、シリンダヘッド４０５自体の放熱特性及びシリンダヘッド４０５に備わる冷却機構によってシリンダヘッド４０５の温度が低く抑えられるため、吸気通路４００に設置される取付態様１よりは劣るものの、センサ素子１０と端子５０との接続部位、端子５０と回路部との接続部位及び回路部自体への熱影響が小さく抑えられる。

このガスセンサでは、ケース６０がアルミニウム系又は銅系の金属材料で形成されているため、吸気管４１０又はシリンダヘッド４０５から伝わった熱が速やかに放熱されることとなり、ケース６０に熱がこもってガスセンサに不具合が生じるのを防ぐことができる。この場合、取付対象が吸気管４０１又はシリンダヘッド４０５であるため、排気管と違って、ケース６０への熱伝導自体が小さく抑えられる。

また、アルミニウム系又は銅系の金属製のケース６０は樹脂製のケース６０に比べて強度が高いため、ケース６０が外部異物との干渉によって破損されるのを回避できる。特に、ケース６０がアルミニウム系の金属によって構成されていれば、ケース６０が軽量に仕上がる。さらに、アルミダイカストによれば、加工性が良好となるのに加え、高い精度で仕上げることができる。

特に、このガスセンサでは、センサ素子１０と回路基板２０とをケース６０内に収納することで、回路基板２０に載置された処理手段をＥＣＵ９９内に確保する設計をする必要がなく、ＥＣＵの設計の自由度及び汎用性が高められる。また、センサ素子１０、回路基板２０がケース６０によってシールドされるのに加え、センサ素子１０とＥＣＵ９９との間に配索されたアナログ信号線が省略されるため、ノイズの影響を受けにくい構造となり、電気的信頼性が向上する。そして、この構成の場合、回路基板２０と吸気管４０１やシリンダヘッド４０５との距離が従来よりも短くなり、回路基板２０が熱影響を受けやすくなるが、ケース６０がアルミニウム系又は銅系の金属材料で形成しているので、ケース６０（特に回路基板収納部６２）に伝わった熱が速やかに放熱され、回路基板２０の熱影響を抑制することができる。

さらに、このガスセンサでは、回路基板２０がセンサ素子１０の長手方向に対して略直交する方向に沿って配置されているので、回路基板収納部６２が高背化することがなくなり、エンジン等の設計の自由度を高めることができる。そして、この構成の場合、回路基板２０と吸気管４０１やシリンダヘッド４０５との距離がさらに短くなり、回路基板２０が熱影響を受けやすくなるが、ケース６０がアルミニウム系又は銅系の金属材料で形成しているので、ケース６０（特に回路基板収納部６２）に伝わった熱が速やかに放熱され、回路基板２０の熱影響を抑制することができる。

もっとも、ケース６０の全体がアルミニウム系又は銅系の金属で構成されていなくてもよく、回路基板収納部６２のみがアルミニウム系又は銅系の金属で構成されるものであってもよい。回路基板収納部６２はとくに放熱の必要性が高いからである。さらに、上カバー６３と下カバー６４のいずれか一方がアルミニウム系又は銅系の金属で構成されているだけでもよい。

＜実施形態２＞
次に、実施形態２のガスセンサを図１１によって説明する。なお、実施形態２のガスセンサは、上述した実施形態１のガスセンサとセンサ素子１０の構成を共通にしているため、以下ではセンサ素子１０の構成に関する重複する説明を省略する。

図１１は、実施形態２のガスセンサの全体構成を示す断面図である。ガスセンサは、排気管に固定するためのネジ部７３９が外表面に形成された筒状の主体金具７３８と、軸線方向に延びる板状形状をなすセンサ素子１０と、センサ素子１０の径方向周囲を取り囲むように配置される筒状のセラミックスリーブ６と、軸線方向に貫通する端子挿入孔７６８の内壁面がセンサ素子１０の上端部の周囲を取り囲む状態で配置されるセパレータ７６６と、センサ素子１０とセパレータ７６６との間に配置される５個の接続端子７１０（図１１では、２個図示）とを備えている。

主体金具７３８は、軸線方向に貫通する貫通孔７５４を有し、貫通孔７５４の径方向内側に突出する棚部７５２を有する略筒状形状に構成されている。また、主体金具７３８は、センサ素子１０の先端側（検知部１１）が貫通孔７５４の先端側外部に位置し、電極端子部１２０，１２１が貫通孔７５４の上端側外部に位置する状態で、貫通孔７５４にセンサ素子１０を挿通して保持している。さらに、棚部７５２は、軸線方向に垂直な平面に対して傾きを有する内向きのテーパ面として形成されている。

なお、主体金具７３８の貫通孔７５４の内部には、センサ素子１０の径方向周囲を取り囲む状態で、環状形状のセラミックホルダ７５１、粉末充填層７５３、７５６（滑石リング７５３、７５６ともいう）及び上述のセラミックスリーブ６が、この順に先端側から上端側にかけて積層されている。また、セラミックスリーブ６と主体金具７３８の上端部におけるかしめ部７４０との間には、パッキン７５７が配置されており、セラミックホルダ７５１と主体金具７３８の棚部７５２との間には、滑石リング７５３やセラミックホルダ７５１を保持し、気密性を維持するための金属ホルダ７５８が配置されている。なお、主体金具７３８のかしめ部７４０は、パッキン７５７を介してセラミックスリーブ６を先端側に押し付けるように、加締められている。

一方、主体金具７３８の先端側（図１１における下方）外周には、センサ素子１０の突出部分を覆うと共に、複数の孔部を有する二重の外部プロテクタ７４２及び内部プロテクタ７４３が、溶接等によって取り付けられている。

そして、主体金具７３８の上端側外周（長手方向後端側外周）には、外筒７４４が固定されている。また、外筒７４４の上端側の開口部には、センサ素子１０の電極端子部１２０，１２１とそれぞれ電気的に接続される５本のリード線７４６（図１１では３本のみ図示）が挿通されるリード線挿通孔７６１が形成されたグロメット７５０が配置されている。

また、主体金具７３８のかしめ部７４０より突出されたセンサ素子１０の上端側には、セパレータ７６６が配置されている。なお、このセパレータ７６６は、センサ素子１０の上端側の表面に形成される電極端子部１２０，１２１の周囲に配置されている。このセパレータ７６６は、軸線方向に貫通する端子挿入孔７６８を有する筒状形状に形成されると共に、外表面から径方向外側に突出する鍔部７６７が備えられている。セパレータ７６６は、鍔部７６７が保持材７６９を介して外筒７４４に当接することで、外筒７４４の内部に配置される。

なお、ネジ部７３９は、特許請求の範囲における「取付部」に相当し、主体金具７３８、外部プロテクタ７４２、内部プロテクタ７４３及び外筒７４４は、特許請求の範囲における「包囲部材」に相当するものである。

上記において、外部プロテクタ７４２、内部プロテクタ７４３及び外筒７４４は、その全体がアルミニウム系又は銅系の金属材料で形成されている。これにより、排気管から伝わった熱が速やかに放熱されるため、外部プロテクタ７４２、内部プロテクタ７４３及び外筒７４４に熱がこもってガスセンサに不具合が生じるのを防ぐことができる。また、主体金具７３８、外部プロテクタ７４２、内部プロテクタ７４３及び外筒７４４が軽量に仕上がる点及びシールド特性を有する点は実施形態１と同様である。

もっとも、外部プロテクタ７４２、内部プロテクタ７４３及び外筒７４４のうち、アルミニウム系又は銅系の金属で構成されている部分を、放熱の必要性が高い外筒７４４のみとしても構わない。

なお、本発明は上記実施形態１及び２に限定されるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更して適用できる。

例えば、実施形態１及び実施形態２ではネジ部７３９又は取付部７７がシリンダヘッド４０５の外壁に取り付けられ、検知部１１がシリンダヘッド４０５の吸気ポート４０７内の流路に臨むように配置される構成であってもよい。また、センサ素子１０がヒータ２００を有さず、回路基板２０にヒータ制御回路が含まれない構成であってもよい。

また、実施形態１では、電極保持部１２０、１２１と端子５０の一端部を半田付けにより接続したが、これに限らず、ロウ付け、溶接等を行っても良い。さらには、端子５０に対してセンサ素子１０が上端側に摺動することで、接続する構成であっても良い。

さらに、実施形態１では、端子５０は回路基板２０のスルーホール２２の裏面側から挿通されて、回路基板２０の表面側で信号変換回路及びヒータ制御回路と半田付けにより接続されたが、これに限らず、回路基板２０にスルーホール２２を設けず、回路基板２０の裏面側で端子５０と信号変換回路及びヒータ制御回路と半田付けにより接続されていても良い。

さらに、実施形態１では、検知部収納部６１の上部６１ａ及び中部６１ｂに亘って、保持部材４１、硬化部４２、封止部４３が充填されていたが、これに限らず、保持部材４１、硬化部４２及び封止部４３が検知部収納部６１の中部６１ｂのみに充填されていても良いし、硬化部４２及び封止部４３が上部６１ａ（つまり保持部材４１と硬化部４２とが離間）に充填されていても良い。

さらに、実施形態１及び実施形態２では、酸素ポンプセル１４０及び酸素濃度検出セル１３０を有するセンサ素子１０を用いたが、これに限らず、λセンサに用いられるセンサ素子や、限界電流方式のセンサに用いられるセンサ素子でも適用できる。

本発明のガスセンサは、エンジン、特にディーゼルエンジンのガスセンサ（酸素センサ、炭化水素センサ、ＮＯｘセンサ）及び種々の装置のガスセンサに利用可能である。

実施形態１のガスセンサの断面図である。 ガスセンサの平面図である。 検知部収納部にセンサ素子を組み付ける前の斜視図である。 回路基板収納部に検知部収納部を組み付ける前の斜視図である。 ガスセンサの分解斜視図である。 取付面への取付前のガスセンサの斜視図である。 検知部にガスが接触する状態を説明するための要部断面図である。 センサ素子の分解斜視図である。 ガスセンサが吸気管に設置される取付態様１の概略図である。 ガスセンサがシリンダヘッドに設置される取付態様２の概略図である。 実施形態２のガスセンサの断面図である。

符号の説明

１０…センサ素子
１１…検知部
２０…回路基板
５０…端子
６０…ケース
６１…検知部収納部
６２…回路基板収納部
７７…取付部

Claims (7)

1. 長手方向に延びると共に、固体電解質体及び該固体電解質体上に形成された一対の電極を備え、被測定ガスを検知する検知部を前記長手方向先端側に有するセンサ素子と、前記センサ素子の径方向を取り囲むと共に、前記検知部よりも後端側に外部取付用の取付部を有する包囲部材とを備え、
   前記包囲部材のうち、少なくとも前記取付部よりも後端側がアルミニウム系又は銅系の金属材料で形成されていることを特徴とするガスセンサ。
2. 前記センサ素子の後端側に配置され、前記センサ素子からの出力信号を処理する処理手段を載置する回路基板を備え、
   前記包囲部材は、前記検知部を収納する検知部収納部と、前記回路基板を収納し、且つ前記取付部が設けられた回路基板収納部とを有しており、前記回路基板収納部がアルミニウム系又は銅系の金属材料で形成されている請求項１記載のガスセンサ。
3. 前記回路基板は前記センサ素子の前記長手方向に対して略直交する方向に沿って配置されている請求項２記載のガスセンサ。
4. 前記処理手段は前記長手方向後端側の回路基板上に載置されている請求項２又は３記載のガスセンサ。
5. 前記センサ素子は前記検知部を加熱するためのヒータを有しており、
   前記検知部よりも前記長手方向後端側の前記センサ素子と前記検知部収納部との間隙に充填され、前記ヒータからの熱を前記包囲部材に伝熱する伝熱部が設けられている請求項２乃至４のいずれか１項記載のガスセンサ。
6. 前記包囲部材の全体がアルミニウム系又は銅系の金属材料で形成されている請求項１乃至５のいずれか１項記載のガスセンサ。
7. 前記取付部が吸気管又はシリンダヘッドに取り付けられる請求項１乃至６のいずれか１項記載のガスセンサ。

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