JP2012083327A - ガスセンサ - Google Patents

Abstract

【課題】排気ガス等からプロテクタが受ける熱をガス検出素子の昇温に利用し、ガス検出素子の活性温度への到達時間を短縮してライトオフ特性を向上させたガスセンサを提供する。
【解決手段】先端部が被測定ガスに晒され径方向外側に突出する素子側受け部２２ｂを有する筒状のガス検出素子２２と、ガス検出素子の周囲を取り囲み、径方向内側に突出する主体金具側受け部２５ａを有する筒状の主体金具２５と、自身の後端側を主体金具の内側に収容させつつ、ガス検出素子の先端部を取り囲む筒状のプロテクタ４０と、を備え、プロテクタの後端側には拡径する突出部４０ｆが形成され、プロテクタはガス検出素子より熱伝導率が高く、主体金具側受け部の後端向き面と素子側受け部の先端向き面との間に突出部を挟持させた状態でプロテクタが固定され、素子側受け部の先端向き面と突出部とが直接接し、又は他部材を介しているガスセンサ２１である。
【選択図】図１

Description

本発明は、ガス検出素子を有するガスセンサと、これに装着されガスセンサの出力を外部に伝えるセンサキャップとを組み合わせたガスセンサユニットに関する。

従来から、ガス検出素子を有するガスセンサとして、様々なものが提案されている。これらのガスセンサとしては、例えば、酸素イオン導電性を有する固体電解質体からなるガス検出素子を有するものが挙げられる。ガスセンサは、内燃機関の排気管やエンジンヘッド等の取付け対象体に取付けられ、ガス検出素子先端側に配された１対の電極にて排気ガス中の特定ガス（例えば酸素）の濃度を検知する。
一般に、このようなガスセンサにおいては、ガス検出素子を主体金具で取り囲んで保持するとともに、検出部を保護する筒状のプロテクタを主体金具先端に溶接して固定している（特許文献１参照）。又、プロテクタの主体金具先端への溶接を不要とし、作業性及びセンサ性能を向上したものとして、主体金具の先端側に内側に突出する主体金具側係止部を設け、プロテクタの後端側に外側に突出するプロテクタ側係止部を設けた技術が開示されている（特許文献２参照）。この技術では、このプロテクタ側係止部を、セラミックホルダと主体金具側係止部との間で挟持させて係止している。
又、ヒータを設けず、排気ガスからの受熱のみで活性温度まで昇温させられて使用されるガスセンサも知られている（特許文献３参照）。

特開平６−２３５７１４号公報 特開平１１−１９０７１５号公報 特開２００９−６３３３０号公報

しかしながら、ヒータレスのガスセンサにおいては、上述のように排気ガスからの受熱のみで活性温度まで昇温させられる。このとき排気ガスに晒されるプロテクタも昇温させられるが、プロテクタは主体金具に接続されているため、プロテクタの受けた熱は主体金具に逃げてしまい、活用する事が出来ない（ガスセンサがエンジンヘッド等の取り付け対象体に取り付けられており、主体金具は取り付け対象体に熱を引かれて冷やされるため、排気ガスで昇温したプロテクタの熱が主体金具に逃げてしまう）。つまり、プロテクタ内のガス検出素子（検出部）は、プロテクタ孔からの排気ガスによって直接加熱されるに過ぎず、プロテクタに蓄えられる熱を利用できないため、ガス検出素子が活性温度まで達するまで時間がかかり、ライトオフ特性に劣る。
又、特許文献２記載の技術の場合、プロテクタ後端とガス検出素子とがセラミックホルダを介して接しているため、プロテクタの熱がガス検出素子に伝わり難く、ライトオフ特性を改善する余地がある。
そこで、本発明は、排気ガス等の被測定ガスからプロテクタが受ける熱を、ガス検出素子の昇温に利用することで、ガス検出素子の活性温度への到達時間を短縮してライトオフ特性を向上することができるガスセンサの提供を目的とする。

上記課題を解決するため、本発明のガスセンサは、軸線方向に向かって延びて先端部が被測定ガスに晒されると共に、径方向外側に突出する素子側受け部を有する筒状のガス検出素子と、前記ガス検出素子の周囲を取り囲むと共に、径方向内側に突出する主体金具側受け部を有する筒状の主体金具と、自身の後端側を前記主体金具の内側に収容させつつ、自身の先端側を前記主体金具の先端より突出させて前記ガス検出素子の先端部を取り囲む筒状のプロテクタと、を備え、前記プロテクタは前記ガス検出素子より熱伝導率が高く、前記プロテクタの後端側には径方向外側に拡径する突出部が形成され、前記主体金具側受け部の後端向き面と前記素子側受け部の先端向き面との間に前記突出部を挟持させた状態で前記プロテクタが固定され、かつ少なくとも前記素子側受け部の先端向き面と前記突出部とが直接接し、又は前記ガス検出素子よりも熱伝導率が高い金属からなる他部材を介している。
このようなガスセンサによれば、排気ガス等の被測定ガスに晒されることで昇温させられるプロテクタが、ガス検出素子に直接又は他部材を介して接触しているため、被測定ガスからプロテクタが受けた熱をもガス検出素子の昇温に利用でき、ライトオフ特性が向上する。特に、素子側受け部の先端向き面と突出部とが直接接していると、プロテクタが受けた熱によるガス検出素子の昇温効果が大きい。
なお、「ガス検出素子の先端部を取り囲む筒状のプロテクタ」とは、ガス検出素子の先端部を径方向から取り囲んでいれば良く、プロテクタが底部を有さずに筒状に形成されていてもよい。

前記ガス検出素子の外面には、前記被測定ガスに晒される外側電極が形成され、該外側電極は、前記主体金具に対して電気的にアースされていてもよい。
このように、外側電極を主体金具に対して電気的にアース（接地）することが前提条件となるガスセンサの場合に、特に本発明を有効に適用することができる。

前記プロテクタは径方向に直径が異なる複数のプロテクタ部からなり、それらのうち最も外側のプロテクタ部に前記突出部が形成されていてもよい。
このようなガスセンサによれば、排気ガス等の被測定ガスから一番多く熱を受ける最も外側のプロテクタ部の熱をガス検出素子に伝える事が出来る。

前記プロテクタと前記主体金具との間の少なくとも一部に、空間を設けてもよい。
このようなガスセンサによれば、プロテクタが受けた熱が、ガス検出素子に到達する前に主体金具へと引かれることを上記空間によって防止できる。

前記主体金具の外面には、前記ガスセンサを取付け対象体に取付けるための取付け部が設けられ、前記空間の少なくとも一部が前記軸線方向に沿って前記取付け部と重なるとよい。
主体金具の熱は取付け部を通して取付け対象体へと引かれて冷却されるため、取付け部が最も冷えやすい構成となる。そこで、取付け部と重なるように上記空間を配置することで、プロテクタの受けた熱が主体金具へと引かれることをさらに効果的に防止できる。

前記素子側受け部の先端向き面と前記突出部との接触面積、又は前記他部材と前記突出部との接触面積が、前記主体金具側受け部の後端向き面と前記突出部との接触面積より大きいと好ましい。
このようなガスセンサによれば、突出部においてプロテクタと接触する面積が、主体金具に比べてガス検出素子の方が大きくなるため、プロテクタの受けた熱をガス検出素子により効果的に伝えやすくなる。なお、素子側受け部の先端向き面と突出部との間に上記した他部材を介している場合は、当該他部材と突出部との接触面積を基準とする。

前記ガス検出素子を加熱するヒータを有しない場合、排気ガスからの受熱のみでガス検出素子が活性温度まで昇温させられるので、特に本発明を適用すると有効である。

前記主体金具が鉄系部材からなると、特に熱を引き易く、主体金具側に熱が伝達してガス検出素子が冷えやすくなるので、特に本発明を適用すると有効である。

前記プロテクタがステンレス鋼からなると、熱伝導性が劣るため、プロテクタに熱がこもり易く、主体金具側に熱が伝達し難いので、被測定ガスからプロテクタが受けた熱をガス検出素子にさらに有効に伝えてガス検出素子を昇温することができる。

前記軸線方向に沿う前記取付け部の長さは、前記ガス検出素子の先端から前記素子側受け部と前記突出部との接触領域の先端までの距離の１／２以上であってもよい。
取付け部の長さが長いほど、ガスセンサをエンジンヘッド等の取付対象体に確りと取り付けることができるが、この取付け部から取付対象体へ熱が伝達し、ガス検出素子が冷えやすくなるため、特に本発明を適用すると有効である。

この発明によれば、排気ガス等の被測定ガスによって加熱されたプロテクタの熱をガス検出素子の昇温に利用する事が出来るので、活性温度への到達時間を短縮してライトオフ特性を向上することができる。

本発明の第１の実施形態にかかるガスセンサの軸線方向に沿う断面図である。 ガスセンサにセンサキャップを装着してなるガスセンサユニットの軸線方向に沿う断面図である。 プロテクタからガス検出素子への熱伝達を示す図である。 センサキャップの軸線方向に沿う断面図である。 キャップ端子の説明図であり、（ａ）は正面図、（ｂ）は底面図である。 本発明の第２の実施形態にかかるガスセンサの軸線方向に沿う断面図である。 本発明の第３の実施形態にかかるガスセンサの軸線方向に沿う断面図である。 本発明の第４の実施形態にかかるガスセンサの軸線方向に沿う断面図である。 本発明の第５の実施形態にかかるガスセンサの軸線方向に沿う断面図である。

以下、本発明の実施形態について、図面を参照しつつ説明する。図１は、第１の実施形態にかかるガスセンサ２１の軸線Ｏ方向に沿う断面図である。ガスセンサ２１は排気ガス中の酸素濃度を計測する酸素センサであり、ヒータを有さず、エンジンヘッドに取り付けられて排気ガスからの受熱で活性温度まで昇温させられて使用される。
ガスセンサ２１は、ガス検出素子２２、セラミック包囲体２３、端子部材２４、主体金具２５、及びプロテクタ４０を備える。なお、以下の説明では、軸線Ｏに沿う方向のうち、センサキャップの取り付けられる側を後端側とし、この逆側を先端側として説明する。

ガス検出素子２２は、酸素イオン伝導性を有する固体電解質からなり、先端部２２ａが閉塞された有底で、軸線Ｏ方向に延びる円筒状を有している。又、ガス検出素子２２の軸線Ｏ方向のほぼ中央に鍔状の突出部２２ｂが径方向外側に向かって形成され、突出部２２ｂの先端向き面は先端に向かって縮径するテーパ形状になっている。突出部２２ｂは特許請求の範囲の「素子側受け部」に相当する。
このガス検出素子２２の先端部２２ａには、外周面に外側電極２８が形成されている。この外側電極２８は、ＰｔあるいはＰｔ合金を多孔質に形成したものである。この外側電極２８は、突出部２２ｂの先端側面まで設けられており、後述するように主体金具２５の内周受け部２５ａに電気的に接続される。このため外側電極２８の電位は、主体金具２５から取り出すことができる。つまり、外側電極２８は主体金具に対して電気的にアース（接地）した状態とされている。一方、ガス検出素子２２の内周面にも、内側電極２９が形成されている。この内側電極２９も、ＰｔあるいはＰｔ合金を多孔質に形成したものである。
ガス検出素子２２を構成する固体電解質としては、例えば、Ｙ_２Ｏ_３またはＣａＯを固溶させたＺｒＯ_２が代表的なものであるが、それ以外のアルカリ土類金属または希土類金属の酸化物とＺｒＯ_２との固溶体を使用しても良い。さらには、これにＨｆＯ_２が含有されていても良い。

主体金具２５はＳＵＳ４３０からなり、円筒状に形成されている。この主体金具２５には、ガス検出素子２２の突出部２２ｂを支持するための内周受け部２５ａであって、先端側（図１中、下方）に向かって縮径するテーパ形状の内周受け部２５ａが、内周面から径方向内側に突出する形態で周設されている。ここで、内周受け部２５ａが特許請求の範囲の「主体金具側受け部」に相当する。
また、この主体金具２５の外側には、ガスセンサ２１を排気管（取付け対象体）に取付けるためのネジ部２５ｂが形成されており、このネジ部２５ｂの後端側（図１中、上方）には、ネジ部２５ｂを排気管に螺挿するための取付工具を係合させる鍔部（六角部）２５ｃが周設されている。鍔部２５ｃは、主体金具２５の他の外面より径方向外側に突出している。鍔部２５ｃの先端向き面には、ガスセンサ２１を排気管に取付けた際のシールを行うための環状のガスケット２７が嵌められている。ここで、ネジ部２５ｂが特許請求の範囲の「取付け部」に相当する。

主体金具２５の内側には、後述するガス検出素子２２の先端部２２ａを覆う円筒状のプロテクタ４０の後端側が収容され、プロテクタ４０の先端側は主体金具２５の先端より突出している。又、プロテクタ４０の後端縁には径方向外側にテーパ状に拡径するフランジ部４０ｆ（特許請求の範囲の「突出部」）が形成されている。プロテクタ４０は、金属製の有底筒体で、排気管内の排気をガスセンサ２１の内部に導入するための通気孔４０ａを先端（有底部）側に複数有している。そして、主体金具２５の先端より突出したガス検出素子２２の先端部２２ａは、プロテクタ４０に取り囲まれつつ、通気孔４０ａを介して排気ガス（被測定ガス）に晒されて被測定ガス中の特定ガスの濃度を検知する。
なお、ガス検出素子２２は後述するように主に固体電解質からなり（電極等を除く）、プロテクタ４０はガス検出素子２２より熱伝導率が高い金属からなる。

ここで、主体金具２５の内周受け部２５ａの外径は、プロテクタ４０の突出部４０ｆの外径よりわずかに大きい。又、内周受け部２５ａより先端側における主体金具２５の内面２５ｉの直径は、突出部４０ｆより先端側におけるプロテクタ４０の外径より大きい。そして、プロテクタ４０の後端側が主体金具２５の内側に収容されつつ、ガス検出素子２１の突出部２２ｂの先端側面（先端向き面）と、主体金具２５の内周受け部２５ａの表面（後端向き面）との間に、突出部４０ｆを挟持させた状態でプロテクタ４０が固定されるようになっている。
このようにして、少なくとも突出部２２ｂの先端向き面と突出部４０ｆとが直接接し、図３で説明するように、プロテクタ４０の熱がガス検出素子２２へ伝わってガス検出素子２２を昇温する。なお、突出部２２ｂの先端向き面と突出部４０ｆとが直接接していればよく、ガス検出素子の構成によっては、主体金具２５の内周受け部２５ａと突出部４０ｆとの間には各種のパッキンや断熱材が介在していてもよい。
さらに、この実施形態では、径方向に沿って主体金具２５の内面２５ｉとプロテクタ４０の外面との間に空間Ｇが開けられており、後述するようにプロテクタ４０の熱が主体金具２５へ逃げることが抑制される。

次に、ガスセンサ２１のその他の構成部分について説明する。
セラミック包囲体２３は、絶縁性セラミック（具体的には、アルミナ）からなり、円筒状を有している。このセラミック包囲体２３は、そのうちの肉厚とされた先端側部分２３ａが、ガス検出素子２２のうち、突出部２２ｂよりも後端側の部分の周囲を取り囲む形態で、タルクから形成されたセラミック粉末３０と共に、ガス検出素子２２と主体金具２５との間に介在するように保持されている。

端子部材２４は、例えばインコネル（英インコネル社、商標名）からなり、筒状で、出力側端子部２４ａ、素子側端子部２４ｂ、及び両者を連結する端子接続部２４ｃを有している。このうち、出力側端子部２４ａは、軸線Ｏに直交する断面が略Ｃ字形状の筒状である。この出力側端子部２４ａは、後述するキャップ端子７５１の挿入部７５１ｃ（図４参照）を、軸線Ｏに沿う方向（図１、２中、上下方向）に相対移動させて、自身の内側に挿入したときに、弾性的に拡径するように構成されている。さらに、この出力側端子部２４ａのうち後端側（図１中、上方）の周方向４カ所には、径方向内側に突出した凸状部２４１ａが形成されている。

さらに、出力側端子部２４ａのうち、凸状部２４１ａより先端側（図１中、下方）の周方向３カ所には、この出力側端子部２４ａの一部を打ち抜いて径方向内側に折り曲げた内側屈曲部２４２ａと、径方向外側に折り曲げられた外側屈曲部２４３ａとが形成されている。このうち、内側屈曲部２４２ａは、後述するように、キャップ端子７５１の挿入部７５１ｃ（図４参照）を出力側端子部２４ａの内側に挿入して接続するときに、弾性的に径方向外側に屈曲し、挿入部７５１ｃが所定位置まで挿入されたときに、屈曲が戻ってクリック感を生じさせるように形成されている。また、外側屈曲部２４３ａは、図１に示すように、ガスセンサ２１にこの端子部材２４が組み付けられた時点で、セラミック包囲体２３の段差部２３ｂの先端面（段差面）に当接して、出力側端子部２４ａ（端子部材２４）の抜け防止の役割を果たしている。

一方、端子部材２４のうち、素子側端子部２４ｂも、軸線Ｏに直交する断面が略Ｃ字形状の筒形状を有している。この素子側端子部２４ｂは、図１に示すように、弾性的に縮径しつつガス検出素子２２内に挿入されて、内側電極２９と電気的に接続している。従って、本実施形態のガスセンサ２１では、素子側端子部２４ｂが、内側電極２９を内側から径方向外側に向かって押圧しつつ電気的に接続している。

このような端子部材２４は、所定形状の単一の金属板を用いて、プレス加工によって一体成形で形成する。このため、形成容易で、低コストである。また、本実施形態の端子部材２４では、金属板を曲げ加工し、出力側端子部２４ａ及びこれより軸線Ｏ方向先端側（図１中、下方）に位置する素子側端子部２４ｂを筒状に成形しているので、センサキャップ７００内に取り込まれた基準ガス（外気）を、ガス検出素子２２の内側（内側電極２９）まで導入することができる。

このようなガスセンサ２１は、次のようにして製造する。まず、図１に示すように、主体金具２５の後端側からプロテクタ４０を主体金具２５内に挿入し、主体金具２５の内周受け部２５ａの表面（後端向き面）に、プロテクタ４０の突出部４０ｆの先端向き面を係止させる。次いで、外側電極２８及び内側電極２９が設けられたガス検出素子２２をプロテクタ４０の内部に挿入すると、プロテクタ４０の突出部４０ｆの後端向き面に、ガス検出素子２１の突出部２２ｂの先端側面（先端向き面）が当接する。
この状態で、セラミック粉末３０を主体金具２５とガス検出素子２２との間隙部分に所定量充填する。次いで、セラミック包囲体２３を先端側部分２３ａがガス検出素子２２と主体金具２５との間に介在するように挿入し、セラミック粉末３０に当接させる。次いで、セラミック包囲体２３を先端側に向かって加圧し、その加圧状態下で、主体金具２５の加締め部２５ｄとセラミック包囲体２３との間に加締めリング３２を介在させて加締め部２５ｄを加締める。このようにして、主体金具２５とガス検出素子２２との間にプロテクタ４０の突出部４０ｆを挟持させた状態で、上記構成部品を一体に固定する。

最後に、端子部材２４をセラミック包囲体２３及びガス検出素子２２の内側に挿入する。具体的には、端子部材２４の素子側端子部２４ｂを、弾性的に縮径させつつガス検出素子２２内に挿入して、内側電極２９と電気的に接続させる。これと共に、出力側端子部２４ａを先端側に押しこんで、出力側端子部２４ａの後端から、軸線Ｏに直交し、径方向外側に向かう花びら状に形成された止め部２４４ａを、セラミック包囲体２３の後端面に当接させる。こうして、出力側端子部２４ａをセラミック包囲体２３の内側に配置する。
なお、止め部２４４ａがセラミック包囲体２３の後端面に当接するまで出力側端子部２４ａを押しこむことで、径方向内側に屈曲していた外側屈曲部２４３ａが解放されて戻り、セラミック包囲体２３の段差部２３ｂの先端面（段差面）に係合するようになるので、端子部材２４の抜け防止を図ることができる。このようにして、ガスセンサ１００が完成する。

図２は、ガスセンサ２１にセンサキャップ７００を装着してなるガスセンサユニット６００、およびこれを使用に供したときの様子を示す説明図であり、軸線Ｏ方向に沿う断面図である。ガスセンサユニット６００は、ガスセンサ２１の軸線Ｏ方向後端側（図１中、上方）にセンサキャップ７００を配置してなる。このガスセンサユニット６００は、車両の排気管（取付対象体）に、ガスセンサ２１の先端部分を排気管内に突出させる形態で締結され、排気ガス中の酸素濃度を計測する。

次に、図３を参照し、プロテクタ４０からガス検出素子２２への熱伝達について説明する。図１で説明したように、ガス検出素子２２の突出部２２ｂの先端向き面とプロテクタ４０の突出部４０ｆとが直接接している。そして、プロテクタ４０はガス検出素子２２より熱伝導率が高い。そのため、プロテクタ４０の熱の少なくとも一部は、上記した接触部を介してガス検出素子２２側へ伝わり、ガス検出素子２２を昇温するのに寄与する。
又、この実施形態では、突出部４０ｆがフランジになっているため、（プロテクタ４０の厚み分だけ）突出部４０ｆの後端向き面の方が先端向き面より表面積が大きくなる。従って、仮に突出部４０ｆの各面に、それぞれガス検出素子２２の突出部２２ｂ（の先端向き面）及び主体金具２５の内周受け部２５ａ（の後端向き面）が全面で接した場合でも、突出部４０ｆとガス検出素子２２の突出部２２ｂとの接触面積２２Ｌの方が、突出部４０ｆと主体金具２５の内周受け部２５ａとの接触面積より大きくなるので、プロテクタ４０の熱がガス検出素子２２側へ伝わり易くなる。

さらに、この実施形態では、主体金具２５の内面２５ｉとプロテクタ４０の外面との間に空間Ｇが開けられているので、実際の突出部４０ｆと主体金具２５の内周受け部２５ａとの接触面積２５Ｌはさらに小さくなるとともに、空間Ｇではプロテクタ４０から主体金具２５へ熱伝達が生じなくなる。その結果、プロテクタ４０からガス検出素子２２へ伝達される熱量Ｈ_１は増大し、プロテクタ４０から主体金具２５へ伝達される熱量Ｈ_２は減少するので、ガス検出素子２２の昇温効果が高くなる。なお、空間Ｇは、軸線Ｏ方向に沿って主体金具２５のネジ部２５ｂのすべてを含んでいる。ネジ部２５ｂはエンジンヘッド等の取付け対象体に取り付けられ、取付け対象体でプロテクタ４０が冷やされて熱逃げ部分になってしまうが、このネジ部２５ｂに空間Ｇを設けることで熱逃げを防止することができ、熱量Ｈ_２をさらに減少させることができる。
以上のように、プロテクタ４０の熱の少なくとも一部がガス検出素子２２に伝わるので、ガス検出素子２２の活性温度への到達時間を短縮してライトオフ特性を向上することができる。

次に、センサキャップ７００について、図面を参照しつつ説明する。図４は、センサキャップ７００の部分破断断面図である。センサキャップ７００は、キャップ端子７５１、このキャップ端子７５１を被覆し保持する被覆部材７５２、リード線７５３、及びフィルタ部材７５４を備えている。

キャップ端子７５１（図４及び図５参照）は、例えばステンレス鋼（ＳＵＳ３１０Ｓ等）からなり、板材を絞り加工等によって二重略円筒形状に成形してなる。さらに、キャップ端子７５１は、軸線Ｏについて同心環状で板状の環状部７５１ａと、環状部７５１ａの外周縁に連なって軸線Ｏに沿う一方側（図５（ａ）中、下方）に突出する把持部７５１ｂと、環状部７５１ａの内周縁に連なって把持部７５１ｂと同じ側に突出する円筒状の挿入部７５１ｃと、を有する。環状部７５１ａ、把持部７５１ｂ、及び挿入部７５１ｃは、互いに一体に成型されている。

このうち把持部７５１ｂは、図５に示すように、環状部７５１ａの外周縁に連なって、Ｃ字状に突出する基端部７５１ｂａと、この基端部７５１ｂａからスリットＳＬ１、ＳＬ２、ＳＬ３、ＳＬ４、ＳＬ５によって５つに分割されて延びる分割把持部７５１ｂｂとを有する。このスリットＳＬ１，ＳＬ２，ＳＬ３は、軸線Ｏ方向に延びた形状とされている。
上述の分割把持部７５１ｂｂには、それぞれ、内側に向けて突出する突起部７５１ｂｃが形成されている。具体的には、５つの突出部７５１ｂｃが、互いに７２度ずつ隔たった角度で周方向に配置されている。
後述するように、ガスセンサ２１のセラミック包囲体２３の外周面２３ｃ（図１参照）に５つの突起部７５１ｂｃをそれぞれ当接させ、キャップ端子７５１の把持部７５１ｂがセラミック包囲体２３の後端部を包囲するようにして、この部分に嵌め込む。この場合に（図２参照）、分割スリットＳＬ１、ＳＬ２、ＳＬ３、ＳＬ４、ＳＬ５の存在により、５つの分割把持部７５１ｂｂは、それぞれ径方向外側に弾性的に屈曲する。そして、この反力によって、キャップ端子７５１が弾性的にセラミック包囲体２３を保持する。

一方、挿入部７５１ｃは、前述したように、軸線Ｏを中心とする円筒状で、縮径、拡径等の変形が生じがたい剛性を有する。従って、後述するように、ガスセンサ２１の出力側端子部２４ａ内に挿入してこれに当接させたときに、自身は変形することなく、出力側端子部２４ａを拡径させることができる。この挿入部７５１ｃは、環状部７５１ａ側から、比較的径大の円筒状で軸線Ｏ方向に比較的長い導通部７５１ｃａ、この導通部７５１ｃａよりも径小の径小部７５１ｃｂ、この径小部７５１ｃｂよりも径大の挿入先端部７５１ｃｃを、この順に備える。

ガスセンサ２１のセラミック包囲体２３にキャップ端子７５１の把持部７５１ｂを嵌め込んだ場合（図２参照）、挿入部７５１ｃは、セラミック包囲体２３の内側で、かつ、端子部材２４の出力側端子部２４ａの内側に挿入される。この際、導通部７５１ｃａは、出力側端子部２４ａの凸状部２４１ａに当接して、出力側端子部２４ａと電気的に導通する。また、径小部７５１ｃｂの径方向外側には、出力側端子部２４ａの内側屈曲部２４２ａが位置しており、端子部材２４からキャップ端子７５１を脱着する際に、この内側屈曲部２４２ａが挿入先端部７５１ｃｃに係合して、容易には抜けないようにしている。また、キャップ端子７５１の挿入部７５１ｃを端子部材２４の出力側端子部２４ａ内に挿入完了した際に、内側屈曲部２４２ａが挿入先端部７５１ｃｃに当接していた状態から解放され、クリック感が生じる。
なお、環状部７５１ａは、図２に示すように、挿入部７５１ｃａが端子部材２４の出力側端子部２４ａ内に挿入された状態において、セラミック包囲体２３の後端面上に位置する出力側端子部２４ａの止め部２４４ａに当接することで、キャップ端子７５１の挿入部７５１ｃがさらに先端側に挿入されることを防止している。

被覆部材７５２は、絶縁性のフッ素系ゴムを用いて中空状に成形してなり、キャップ端子７５１を収容するキャップ端子収容空間ＳＰＳを構成している。そして、被覆部材７５２の表面にはシボ加工が施されている。この被覆部材７５２は、キャップ端子７５１及びガスセンサユニット６００時（図２参照）のセラミック包囲体２３の後端側を包囲する挿通孔７５２ａａを有する端子包囲部７５２ａ、端子包囲部７５２ａの後端側から径方向に突出するように設けられ、連通孔７５２ｂａを塞ぐように配置されたフィルタ部材７５４の周囲を包囲するフィルタ包囲部７５２ｂ、端子包囲部７５２ａの後端側から径方向に突出するように設けられ、リード線７５３の周囲を包囲するリード線包囲部７５２ｃを備える。
端子包囲部７５２ａはさらに先端側に延び、周囲より拡径する裾部７５２ａｐを一体に有している。この裾部７５２ａｐは、少なくともセラミック包囲体２３を完全に包囲しつつ主体金具２５と離間している。又、軸線Ｏ方向に沿って、裾部７５２ａｐの先端７５２ｘは、主体金具２５の後端２５ｅよりも先端側であって、鍔部２５ｃの後端２５ｃｅと同じ位置に延びている。
又、図４に示すように、裾部７５２ａｐの内壁７５２ｗは、主体金具２５の外面の各部位とほぼ等距離で離間するよう、先端側に向かって主体金具２５の輪郭に追随しつつ複数の階段状に拡径している。そして、裾部７５２ａｐの内壁７５２ｗが拡径することに対応し、裾部７５２ａｐの厚みを確保すべく、裾部７５２ａｐの外径が周囲（端子包囲部７５２ａの後端側）より段状に拡径している。

一方、端子包囲部７５２ａのうち、後端側（図中、上方）は、キャップ端子７５１の把持部７５１ｂの周囲に位置しており、その把持部７５１ｂと端子包囲部７５２ａが当接している。一方、端子包囲部７５２ａのうち把持部７５１ｂより先端側（図中、下方）には、ガスセンサ２１のセラミック包囲体２３の外周面２３ｃ（図１参照）に密着する寸法とされたリブ７５２ａｂを有する。このリブ７５２ａｂは、軸線Ｏ方向に２つ設けられている。また、このリブ７５２ａｂのうち後端側（図中、上方）には、キャップ端子７５１の把持部７５１ｂの先端が係合されており、リブ７５２ａｂによって、キャップ端子７５１を端子包囲部７５２ａ内に支持している。

ついで、フィルタ包囲部７５２ｂについて説明する（図４参照）。このフィルタ包囲部７５２ｂは、連通孔７５２ｂａを塞ぐように配置されたフィルタ部材７５４の周囲を包囲している。具体的には、フィルタ部材７５４は、微細気孔が連続する連続多孔質構造のＰＴＦＥからなり、円柱状の本体部７５４ａと、この本体部７５４ａの周囲を円環状に取り囲む平滑化処理部７５４ｂとからなるフィルタ部材７５４である。

さらに、フィルタ包囲部７５２ｂの連通孔７５２ｂａに、内側に向かって突出する環状の突出部７５２ｂｂを設け、この突出部７５２ｂｂをフィルタ部材７５４の外周面に密着させて、フィルタ部材７５４を保持している。

ついで、リード線包囲部７５２ｃについて説明する（図４参照）。このリード線包囲部７５２ｃは、リード線７５３を包囲しており、フィルタ包囲部７５２ｂとはキャップ端子７５１を挟んで反対側に配置されている。このリード線包囲部７５２ｃには、リード線７５３を連通するリード線連通孔７５２ｃａを有する。

リード線７５３は、芯線のほか、被覆材を有している。このリード線７５３の先端側は、キャップ端子７５１の挿入部７５１ｃ内まで挿入され、接続部７５１ｃの内部でリード線固定部材７５５の加締め部７５５ａにて加締められている。

このリード線固定部材７５５は略円筒形状を有しており、加締め部７５５ａの他、キャップ端子７５１の挿入部７５１ｃの内壁に嵌め合う嵌合部７５５ｃを有している。なお、加締め部７５５ａ及び嵌合部７５５ｃにより、リード線７５３を通じて、ガスセンサ２１のガス検出素子２２の内側電極２９からの出力信号を、外部装置（例えば、エンジンコントロールユニット（ＥＣＵ））に送信することが可能となる。また、加締め部７５５ａと嵌合部７５５ｃとの間に位置し、リード線（被覆材）を固定する略Ｃ形状の被覆材固定部７５５ｂをさらに備えている。また、嵌合部７５５ｃの後端側に径方向外側に突出するように形成され、キャップ端子７５１の環状部７５１ａに接合される接合部７５５ｄを有する。この説合部７５５ｄとキャップ端子７５１の環状部７５１ａとは溶接等によって接合されている。
その結果、図４に示されるように、リード線７５３は、端子包囲部７５２ａの挿通孔７５２ａａ内で挿入部７５１ｃの軸線方向に沿って屈曲してキャップ端子７５１に固定されている。
以上のようにして、ガスセンサユニット６００が構成される。

次に、図６〜図９を参照し、本発明の第２〜第５の実施形態にかかるガスセンサについて説明する。図６〜図９は、各ガスセンサ２１Ｂ〜２１Ｅの軸線Ｏ方向に沿う断面図である。なお、各ガスセンサ２１Ｂ〜２１Ｅは、プロテクタ又は主体金具の形状が異なること以外は、第１の実施形態にかかるガスセンサ２１と同一であるので、同一部分について同一符号を付して説明を省略する。

図６において、第２の実施形態にかかるガスセンサ２１Ｂは、プロテクタ４０に代えて、２重プロテクタ４３を有している。２重プロテクタ４３は小径の内側プロテクタ部４２と、内側プロテクタ部４２より大径の外側プロテクタ部４１からなり、外側プロテクタ部４１に内側プロテクタ部４２を収容しつつ、外側プロテクタ部４１の底面に内側プロテクタ部４２の底面を同心に溶接してなる。又、内側プロテクタ部４２の軸線Ｏ方向の長さは、外側プロテクタ部４１の軸線Ｏ方向の長さより短く、内側プロテクタ部４２の後端がフランジ状に拡径して外側プロテクタ部４１内面に接している。
この２重プロテクタ４３において、最も外側のプロテクタ部４１の後端側にフランジ状の突出部４１ｆが形成されている。このような構成とすると、２重プロテクタ４３において最も外側で排気ガスの熱を最も多く受けるプロテクタ部４１から、突出部４１ｆを介してガス検出素子２２に熱が伝わるので、多重プロテクタにおいても活性温度への到達時間を短縮してライトオフ特性を向上することができる。なお、内側プロテクタ部４２及び外側プロテクタ部４１には、それぞれ内側プロテクタ通気穴４２ａ及び外側プロテクタ通気孔４１ａが形成されている。

図７において、第３の実施形態にかかるガスセンサ２１Ｃは、内周受け部２５ａより先端側の主体金具２５の内面のうち、軸線Ｏ方向のほぼ中央より後端の領域２５ｅが径方向内側に突出してプロテクタ４０の外面に接するようになっている。このため、径方向に沿って、領域２５ｅを除く主体金具２５の内面２５ｉとプロテクタ４０の外面との間に空間Ｇが開けられている。一方、領域２５ｅで主体金具２５とプロテクタ４０が接しているため、第１の実施形態に比べるとプロテクタ４０の熱が主体金具２５へ逃げる割合が多くなる。
但し、第３の実施形態の場合、プロテクタ４０の後端部が主体金具２５の領域２５ｅで保持されるので、プロテクタ４０が軸線Ｏ方向及び径方向に振れ難く、プロテクタ４０を確実に固定することができる。又、第３の実施形態の場合も、プロテクタ４０の少なくとも一部（内面２５ｉに対向する部分）は径方向に沿って主体金具２５と空間Ｇを開けているので、空間Ｇを開けない場合に比べるとプロテクタ４０の熱が主体金具２５へ逃げ難い。さらに、空間Ｇは、軸線Ｏ方向に沿って主体金具２５のネジ部２５ｂの少なくとも一部（詳しくはネジ部２５ｂの先端側）と重なっているため、熱逃げ部分となる取付け対象体でプロテクタ４０が冷やされることを防止することができる。
又、第３の実施形態の場合、内周受け部２５ａの内径は、突出部４０ｆを除くプロテクタ４０の外径とほぼ同一であるが、既に図３で説明したように、突出部４０ｆがフランジであるため、突出部４０ｆの後端向き面の方が先端向き面より表面積が大きくなる。従って、突出部４０ｆの各面に、それぞれガス検出素子２２の突出部２２ｂ（の先端向き面）及び主体金具２５の内周受け部２５ａ（の後端向き面）が全面で接しても、突出部４０ｆとガス検出素子２２の突出部２２ｂとの接触面積２２Ｌの方が、突出部４０ｆと主体金具２５の内周受け部２５ａとの接触面積より大きくなるので、プロテクタ４０の熱がガス検出素子２２側へ伝わり易くなる。

図８において、第４の実施形態にかかるガスセンサ２１Ｄは、内周受け部２５ａより先端側の主体金具２５の内面のうち、軸線Ｏ方向のほぼ中央より先端の領域２５ｆが径方向内側に突出してプロテクタ４０の外面に接するようになっている。このため、径方向に沿って、領域２５ｆを除く主体金具２５の内面２５ｉとプロテクタ４０の外面との間に空間Ｇが開けられている。一方、領域２５ｆで主体金具２５とプロテクタ４０が接しているため、第１の実施形態に比べるとプロテクタ４０の熱が主体金具２５へ逃げる割合が多くなる。
但し、第４の実施形態の場合、プロテクタ４０は先後の２箇所で主体金具２５によって保持される（具体的にはプロテクタ４０後端部が内周受け部２５ａで保持され、先端部が領域２５ｆで保持される）ので、プロテクタ４０が軸線Ｏ方向及び径方向に振れ難く、プロテクタ４０をさらに確実に固定することができる。又、第４の実施形態の場合も、プロテクタ４０の少なくとも一部（内面２５ｉに対向する部分）は径方向に沿って主体金具２５と空間Ｇを開けているので、空間Ｇを開けない場合に比べるとプロテクタ４０の熱が主体金具２５へ逃げ難い。さらに、空間Ｇは、軸線Ｏ方向に沿って主体金具２５のネジ部２５ｂの少なくとも一部（詳しくはネジ部２５ｂの先端側を除く部分）と重なっているため、熱逃げ部分となる取付け対象体でプロテクタ４０が冷やされることを防止することができる。

図９において、第５の実施形態にかかるガスセンサ２１Ｅは、プロテクタ４０の外面に、外側へ突出する出っ張り４０ｐを複数設けている。この出っ張り４０ｐは、主体金具２５の内面２５ｉとほぼ点接触または線接触し、出っ張り４０ｐが接触していない部分で主体金具２５とプロテクタ４０の外面との間に空間Ｇが開けられている。
プロテクタ４０の外面に出っ張り４０ｐを設けると、プロテクタ４０が内周受け部２５ａと出っ張り４０ｐの少なくとも２箇所で主体金具２５によって保持されるので、プロテクタ４０が軸線Ｏ方向及び径方向に振れ難く、プロテクタ４０をさらに確実に固定することができる。又、出っ張り４０ｐを主体金具２５とほぼ点接触または線接触させることで、領域２５ｅ、２５ｆで主体金具２５とプロテクタ４０が面接触する第３及び第４の実施形態に比べ、プロテクタ４０の熱が主体金具２５へ逃げ難くなる。
なお、出っ張り４０ｐを半球状にすれば、主体金具２５とほぼ点接触させることができ、出っ張り４０ｐを周方向に連続した畝状にすれば、主体金具２５とほぼ線接触させることができる。又、出っ張り４０ｐを軸線Ｏ方向に沿って複数個形成させれば、軸線Ｏ方向に沿う複数箇所でプロテクタ４０が主体金具２５によって保持され、プロテクタ４０をさらに確実に固定することができる。

なお、本発明は上記各実施の形態に限られず、各種の変形が可能なことは言うまでもない。例えば、ガス検出素子の素子側受け部の先端向き面とプロテクタの突出部とが直接接さずに、両者がガス検出素子よりも熱伝導率が高い金属からなる他部材（パッキン等）を介して接していてもよい。このようにすると、ガス検出素子とプロテクタとが直接接している場合に比べ、熱の伝達は劣るが、両者を組み付ける際、変形がし難いプロテクタであっても他部材によって素子側受け部になじむようになり、組み付けが容易かつ確実になる。但し、プロテクタからガス検出素子への熱伝達が阻害されないよう、他部材の熱伝導率をガス検出素子よりも高くする。又、他部材を用いる場合、この他部材を介して外側電極がアースされることになる。
他部材としては、例えば銅又は銅合金製のパッキン（ガスケット）が挙げられる。

又、ガスセンサ２１は酸素センサやヒータレスタイプに限られない。但し、ガス検出素子を加熱するヒータを有しないヒータレスタイプでは、排気ガスからの受熱のみでガス検出素子が活性温度まで昇温させられるので、特に本発明を適用すると有効である。
又、プロテクタは有底に限られず、プロテクタ後端のフランジはテーパ状でなく軸線方向に垂直に延びていてもよい。さらに、プロテクタの突出部はフランジに限られず、プロテクタ後端縁よりやや先端側でプロテクタ外面から突出する形態（例えば、図９の１つの出っ張りのように、プロテクタ外面から周方向に連続して畝状に突出する形態）であってもよい。さらに、プロテクタの突出部はフランジで終端するものに限られず、フランジ部分から後端に筒状に延び、該筒部で素子側受け部の外周に接してガス検出素子との接触面積を増大するように構成してもよい。また、ガス検出素子２２の先端が、主体金具２５の先端よりも後端側に配置されていてもよい（主体金具２５の先端よりガス検出素子２２の先端が突出していない形態でもよい）。

又、主体金具が鉄系部材からなると、特に熱を引き易く（熱伝導性が良く）、主体金具側に熱が伝達してガス検出素子が冷えやすくなるので、特に本発明を適用すると有効である。なお、「鉄系部材」とは、例えば低炭素鋼である。
又、プロテクタがステンレス鋼からなると熱伝導性が劣るため、プロテクタに熱がこもり易く、主体金具側に熱が伝達し難いので、被測定ガスからプロテクタが受けた熱をガス検出素子にさらに有効に伝えてガス検出素子を昇温することができる。

又、軸線方向に沿う取付け部２５ｂ（図１参照）の長さＬ_１が、ガス検出素子２２の先端から、素子側受け部２２ｂとプロテクタの突出部４０ｆとの接触領域の先端までの距離Ｌ_２の１／２以上であると、特に本発明が有効となる。
取付け部２５ｂの長さＬ_１が長いほど、ガスセンサ２１をエンジンヘッド等の取付対象体に確りと取り付けることができるが、この取付け部２５ｂから取付対象体へ熱が伝達し、ガス検出素子が冷えやすくなるからである。
なお、取付け部２５ｂがネジである場合、不完全ネジ部を含む長さをＬ_１とする。

２１、２１Ｂ〜２１Ｅ ガスセンサ
２２ ガス検出素子
２２ｂ 鍔部（素子側受け部）
２２Ｌ 素子側受け部の先端向き面と突出部との接触面積
２５ 主体金具
２５ａ 内周受け部（主体金具側受け部）
２５ｂ 主体金具の取付け部
２５Ｌ 主体金具側受け部の後端向き面と突出部との接触面積
４０、４３ プロテクタ
４０ｆ、４１ｆ プロテクタの突出部
４１、４２ 複数のプロテクタ部
Ｇ プロテクタと主体金具の空間
Ｏ 軸線方向
Ｌ_１ 軸線方向に沿う取付け部の長さ
Ｌ_２ ガス検出素子の先端から素子側受け部とプロテクタの突出部との接触領域の先端までの距離

Claims (10)

1. 軸線方向に向かって延びて先端部が被測定ガスに晒されると共に、径方向外側に突出する素子側受け部を有する筒状のガス検出素子と、
   前記ガス検出素子の周囲を取り囲むと共に、径方向内側に突出する主体金具側受け部を有する筒状の主体金具と、
   自身の後端側を前記主体金具の内側に収容させつつ、自身の先端側を前記主体金具の先端より突出させて前記ガス検出素子の先端部を取り囲む筒状のプロテクタと、を備え、
   前記プロテクタは前記ガス検出素子より熱伝導率が高く、
   前記プロテクタの後端側には径方向外側に拡径する突出部が形成され、
   前記主体金具側受け部の後端向き面と前記素子側受け部の先端向き面との間に前記突出部を挟持させた状態で前記プロテクタが固定され、かつ少なくとも前記素子側受け部の先端向き面と前記突出部とが直接接し、又は前記ガス検出素子よりも熱伝導率が高い金属からなる他部材を介しているガスセンサ。
2. 前記ガス検出素子の外面には、前記被測定ガスに晒される外側電極が形成され、該外側電極は、前記主体金具に対して電気的にアースされている請求項１記載のガスセンサ。
3. 前記プロテクタは径方向に直径が異なる複数のプロテクタ部からなり、それらのうち最も外側のプロテクタ部に前記突出部が形成されている請求項１又は２記載のガスセンサ。
4. 前記プロテクタと前記主体金具との間の少なくとも一部に、空間を設けている請求項１〜３のいずれかに記載のガスセンサ。
5. 前記主体金具の外面には、前記ガスセンサを取付け対象体に取付けるための取付け部が設けられ、
   前記空間の少なくとも一部が前記軸線方向に沿って前記取付け部と重なる請求項４記載のガスセンサ。
6. 前記素子側受け部の先端向き面と前記突出部との接触面積、又は前記他部材と前記突出部との接触面積が、前記主体金具側受け部の後端向き面と前記突出部との接触面積より大きい請求項１〜５のいずれか記載のガスセンサ。
7. 前記ガス検出素子を加熱するヒータを有しない請求項１〜６のいずれか記載のガスセンサ。
8. 前記主体金具が鉄系部材からなる請求項１〜７のいずれか記載のガスセンサ。
9. 前記プロテクタがステンレス鋼からなる請求項１〜８のいずれか記載のガスセンサ。
10. 前記軸線方向に沿う前記取付け部の長さは、前記ガス検出素子の先端から前記素子側受け部と前記突出部との接触領域の先端までの距離の１／２以上である請求項５〜９のいずれか記載のガスセンサ。

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