JP2021032785A - ガスセンサ - Google Patents
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Abstract
【課題】弾性絶縁部材の温度上昇を抑制することができ、熱による弾性絶縁部材の溶損が発生するリスクを低減することができるガスセンサを提供する。
【解決手段】ガスセンサ１０は、センサ素子１２と、センサ素子１２の後端部を保持し、センサ素子１２と電気的に接続する金属端子１７が装着されたセラミックハウジング１６と、センサ素子１２の後方に固定され、金属端子１７が電気的に接続される複数のリード線５４が挿入された弾性絶縁部材５６と、を有し、弾性絶縁部材５６は、セラミックハウジング１６と対向する面に、２本以上のリード線５４に対して共通の空間２０４を１つ以上有する。
【選択図】図１
【解決手段】ガスセンサ１０は、センサ素子１２と、センサ素子１２の後端部を保持し、センサ素子１２と電気的に接続する金属端子１７が装着されたセラミックハウジング１６と、センサ素子１２の後方に固定され、金属端子１７が電気的に接続される複数のリード線５４が挿入された弾性絶縁部材５６と、を有し、弾性絶縁部材５６は、セラミックハウジング１６と対向する面に、２本以上のリード線５４に対して共通の空間２０４を１つ以上有する。
【選択図】図１
Description
本発明は、ガスセンサに関する。
特許文献１では、リード線や金属端子具等のショートが生じ難く、安定したセンサ出力が得られるガスセンサを提供することを課題としている。
当該課題を解決するため、特許文献１では、弾性絶縁部材（５）の各第１挿通穴の先端側に第１ガイド部（５３１）を設け、絶縁碍子（３）における各第２挿通穴の基端側に第２ガイド部（３３１）を設けてあり、第１ガイド部（５３１）及び第２ガイド部（３３１）によってリード線（１６１）、金属端子（４９）の動きを抑制する。
特許文献１記載のガスセンサは、セラミックハウジングと弾性絶縁部材（グロメット）との間に空間部が介在し、また、弾性絶縁部材にはセンサ素子からの複数のリード線がそれぞれガイド部（貫通孔）を通じて配線されている。ガイド部の個数はリード線の本数と同じである。各ガイド部は、弾性絶縁部材の一端面から他端面にかけてそれぞれ個別に形成されている。
しかしながら、セラミックハウジングと弾性絶縁部材との間に空間部が介在するが、絶縁弾性部材のセンサ側の端面がセラミックハウジングに近接しており、しかも、端面はそれぞれ個別に形成されたガイド部を除く部分であり、その面積は大きい。
従って、先端のセンサ素子から伝わってきた熱がセラミックハウジングを通じて、弾性絶縁部材に伝わりやすく、熱による弾性絶縁部材の溶損が発生するリスクがある。
本発明は、上述した課題に鑑みなされたものであり、弾性絶縁部材の温度上昇を抑制することができ、熱による弾性絶縁部材の溶損が発生するリスクを低減することができるガスセンサを提供することにある。
本発明の一態様によるガスセンサは、
センサ素子と、
前記センサ素子の後端部を保持し、前記センサ素子と電気的に接続する金属端子が装着されたセラミックハウジングと、
前記センサ素子の後方に固定され、前記金属端子が電気的に接続される複数のリード線が挿入された弾性絶縁部材と、を有し、
前記弾性絶縁部材は、前記セラミックハウジングと対向する面に、２本以上の前記リード線に対して共通の空間を１つ以上有する。
センサ素子と、
前記センサ素子の後端部を保持し、前記センサ素子と電気的に接続する金属端子が装着されたセラミックハウジングと、
前記センサ素子の後方に固定され、前記金属端子が電気的に接続される複数のリード線が挿入された弾性絶縁部材と、を有し、
前記弾性絶縁部材は、前記セラミックハウジングと対向する面に、２本以上の前記リード線に対して共通の空間を１つ以上有する。
本発明によれば、弾性絶縁部材の温度上昇を抑制することができ、熱による弾性絶縁部材の溶損が発生するリスクを低減することができる。
本発明に係るガスセンサについて、好適な実施形態を挙げ、添付の図面を参照して以下に詳細に説明する。
本実施形態に係るガスセンサ１０は、図１に示すように、センサ素子１２を備える。センサ素子１２は長尺な直方体形状をしており、このセンサ素子１２の長手方向（図２の左右方向）を前後方向とし、センサ素子１２の厚み方向（図２の上下方向）を上下方向とする。また、センサ素子１２の幅方向（前後方向及び上下方向に垂直な方向）を左右方向とする。
図１に示すように、ガスセンサ１０は、センサ素子１２と、センサ素子１２の前端側を保護する保護カバー１４と、セラミックハウジング１６を含むセンサ組立体１８とを備えている。セラミックハウジング１６は、センサ素子１２の後端部を保持し、センサ素子１２と電気的に接続する金属端子１７が装着されることで、コネクタ１９として機能する。
このガスセンサ１０は、図示するように、例えば車両の排ガス管等の配管２０に取り付けられて、被測定ガスとしての排気ガスに含まれるＮＯｘやＯ2等の特定ガスの濃度を測定するために用いられる。
保護カバー１４は、センサ素子１２の前端を覆う有底筒状の内側保護カバー１４ａと、この内側保護カバー１４ａを覆う有底筒状の外側保護カバー１４ｂとを備えている。内側保護カバー１４ａ及び外側保護カバー１４ｂには、被測定ガスを保護カバー１４内に流通させるための複数の孔が形成されている。内側保護カバー１４ａで囲まれた空間としてセンサ素子室２２が形成されており、センサ素子１２の前端はこのセンサ素子室２２内に配置されている。
センサ組立体１８は、センサ素子１２を封入固定する素子封止体３０と、素子封止体３０に取り付けられたナット３２と、外筒３４と、センサ素子１２の後端の表面（上下面）に形成された図示しない電極に接触してこれらと電気的に接続されたコネクタ１９と、を備えている。
素子封止体３０は、筒状の主体金具４０と、主体金具４０と同軸に溶接固定された筒状の内筒４２と、主体金具４０及び内筒４２の内側の貫通孔内に封入されたセラミックスサポータ４４ａ〜４４ｃ、圧粉体４６ａ、４６ｂ、メタルリング４８と、を備えている。センサ素子１２は素子封止体３０の中心軸上に位置しており、素子封止体３０を前後方向に貫通している。内筒４２には、圧粉体４６ｂを内筒４２の中心軸方向に押圧するための縮径部４２ａと、メタルリング４８を介してセラミックスサポータ４４ａ〜４４ｃ、圧粉体４６ａ、４６ｂを前方に押圧するための縮径部４２ｂとが形成されている。縮径部４２ａ、４２ｂからの押圧力により、圧粉体４６ａ、４６ｂが主体金具４０及び内筒４２とセンサ素子１２との間で圧縮されることで、圧粉体４６ａ、４６ｂが保護カバー１４内のセンサ素子室２２と外筒３４内の空間５０との間を封止すると共に、センサ素子１２を固定している。
ナット３２は、主体金具４０と同軸に固定されており、外周面に雄ネジ部が形成されている。ナット３２の雄ネジ部は、配管２０に溶接され内周面に雌ネジ部が設けられた固定用部材５２内に挿入されている。これにより、ガスセンサ１０のうちセンサ素子１２の前端や保護カバー１４の部分が配管２０内に突出した状態で、ガスセンサ１０が配管２０に固定されている。
外筒３４は、内筒４２、センサ素子１２、コネクタ１９の周囲を覆っており、コネクタ１９に接続された複数のリード線５４が後端から外部に引き出されている。このリード線５４は、コネクタ１９を介してセンサ素子１２の各電極（後述）と導通している。外筒３４とリード線５４との隙間はグロメット等で構成された弾性絶縁部材５６によって封止されている。外筒３４内の空間５０は基準ガス（本実施形態では大気）で満たされている。センサ素子１２の後端はこの空間５０内に配置されている。
一方、センサ素子１２は、図２に示すように、それぞれがジルコニア（ＺｒＯ2）等の酸素イオン伝導性固体電解質層からなる第１基板層６０と、第２基板層６２と、第３基板層６４と、第１固体電解質層６６と、スペーサ層６８と、第２固体電解質層７０の６つの層が、図面視で下側からこの順に積層された積層体を有する素子である。また、これら６つの層を形成する固体電解質は緻密な気密のものである。センサ素子１２は、例えば、各層に対応するセラミックスグリーンシートに所定の加工及び回路パターンの印刷等を行った後にそれらを積層し、さらに、焼成して一体化させることによって製造される。
センサ素子１２の一端（図２の左側）であって、第２固体電解質層７０の下面と第１固体電解質層６６の上面との間には、ガス導入口８０と、第１拡散律速部８２と、緩衝空間８４と、第２拡散律速部８６と、第１内部空所８８と、第３拡散律速部９０と、第２内部空所９２と、第４拡散律速部９４と、第３内部空所９６とが、この順に連通する態様にて隣接形成されてなる。
ガス導入口８０と、緩衝空間８４と、第１内部空所８８と、第２内部空所９２と、第３内部空所９６とは、スペーサ層６８をくり抜いた態様にて設けられた上部を第２固体電解質層７０の下面で、下部を第１固体電解質層６６の上面で、側部をスペーサ層６８の側面で区画されたセンサ素子１２内部の空間である。
第１拡散律速部８２と、第２拡散律速部８６と、第３拡散律速部９０とはいずれも、２本の横長の（図面に垂直な方向に開口が長手方向を有する）スリットとして設けられる。また、第４拡散律速部９４は、第２固体電解質層７０の下面との隙間として形成された１本の横長の（図面に垂直な方向に開口が長手方向を有する）スリットとして設けられる。なお、ガス導入口８０から第３内部空所９６に至る部位を被測定ガス流通部とも称する。
また、被測定ガス流通部よりも一端側から遠い位置には、第３基板層６４の上面と、スペーサ層６８の下面との間であって、側部を第１固体電解質層６６の側面で区画される位置に基準ガス導入空間９８が設けられている。基準ガス導入空間９８には、ＮＯｘ濃度の測定を行う際の基準ガスとして、例えば大気（図１の空間５０内の雰囲気）が導入される。
大気導入層１００は、多孔質アルミナ等のセラミックスからなり、基準ガス導入空間９８に露出している層である。この大気導入層１００には基準ガス導入空間９８を通じて基準ガスが導入されるようになっている。また、大気導入層１００は、基準電極１０２を被覆するように形成されている。この大気導入層１００は、基準ガス導入空間９８内の基準ガスに対して所定の拡散抵抗を付与しつつ、これを基準電極１０２に導入する。なお、大気導入層１００は、基準電極１０２よりもセンサ素子１２の後端側（図２の右側）でのみ基準ガス導入空間９８に露出するように形成されている。換言すると、基準ガス導入空間９８は、基準電極１０２の直上までは形成されていない。但し、基準電極１０２が基準ガス導入空間９８の図２における真下に形成されていてもよい。
基準電極１０２は、第３基板層６４の上面と第１固体電解質層６６とに挟まれる態様にて形成される電極であり、上述のように、その周囲には、基準ガス導入空間９８につながる大気導入層１００が設けられている。なお、基準電極１０２は、第３基板層６４の上面に直に形成されており、第３基板層６４の上面に接する部分以外が大気導入層１００に覆われている。また、後述するように、基準電極１０２を用いて第１内部空所８８内、第２内部空所９２内、第３内部空所９６内の酸素濃度（酸素分圧）を測定することが可能となっている。基準電極１０２は、多孔質サーメット電極（例えば、ＰｔとＺｒＯ2とのサーメット電極）として形成される。
被測定ガス流通部において、ガス導入口８０は、外部空間に対して開口してなる部位であり、該ガス導入口を通じて外部空間からセンサ素子１２内に被測定ガスが取り込まれるようになっている。第１拡散律速部８２は、ガス導入口８０から取り込まれた被測定ガスに対して、所定の拡散抵抗を付与する部位である。緩衝空間８４は、第１拡散律速部８２より導入された被測定ガスを第２拡散律速部８６へと導くために設けられた空間である。第２拡散律速部８６は、緩衝空間８４から第１内部空所８８に導入される被測定ガスに対して、所定の拡散抵抗を付与する部位である。被測定ガスが、センサ素子１２の外部から第１内部空所８８内まで導入されるにあたって、外部空間における被測定ガスの圧力変動（被測定ガスが自動車の排気ガスの場合であれば排気圧の脈動）によってガス導入口８０からセンサ素子１２内部に急激に取り込まれた被測定ガスは、直接第１内部空所８８へ導入されるのではなく、第１拡散律速部８２、緩衝空間８４、第２拡散律速部８６を通じて被測定ガスの濃度変動が打ち消された後、第１内部空所８８へ導入されるようになっている。これによって、第１内部空所８８へ導入される被測定ガスの濃度変動はほとんど無視できる程度のものとなる。第１内部空所８８は、第２拡散律速部８６を通じて導入された被測定ガス中の酸素分圧を調整するための空間として設けられている。係る酸素分圧は、後述する主ポンプセル１１０が作動することによって調整される。
主ポンプセル１１０は、第１内部空所８８の内面に設けられた内側ポンプ電極１１２と、第２固体電解質層７０の上面のうち、内側ポンプ電極１１２と対応する領域に外部空間（図１のセンサ素子室２２）に露出する態様にて設けられた外側ポンプ電極１１４と、これらの電極に挟まれた第２固体電解質層７０とによって構成されてなる電気化学的ポンプセルである。
内側ポンプ電極１１２は、第１内部空所８８を区画する上下の固体電解質層（第２固体電解質層７０及び第１固体電解質層６６）、及び、側壁を与えるスペーサ層６８にまたがって形成されている。具体的には、第１内部空所８８の天井面を与える第２固体電解質層７０の下面には内側ポンプ電極１１２の天井電極部１１２ａが形成され、また、第１内部空所８８の底面を与える第１固体電解質層６６の上面には底部電極部１１２ｂが直に形成され、そして、これら天井電極部１１２ａと底部電極部１１２ｂとを接続するように、側部電極部（図示省略）が第１内部空所８８の両側壁部を構成するスペーサ層６８の側壁面（内面）に形成されて、該側部電極部の配設部位においてトンネル形態とされた構造として配設されている。
内側ポンプ電極１１２と外側ポンプ電極１１４とは、多孔質サーメット電極（例えば、Ａｕを１％含むＰｔとＺｒＯ2とのサーメット電極）として形成される。なお、被測定ガスに接触する内側ポンプ電極１１２は、被測定ガス中のＮＯｘ成分に対する還元能力を弱めた材料を用いて形成される。
主ポンプセル１１０においては、内側ポンプ電極１１２と外側ポンプ電極１１４との間に所望のポンプ電圧Ｖｐ０を印加して、内側ポンプ電極１１２と外側ポンプ電極１１４との間に正方向あるいは負方向にポンプ電流Ｉｐ０を流すことにより、第１内部空所８８内の酸素を外部空間に汲み出し、あるいは、外部空間の酸素を第１内部空所８８に汲み入れることが可能となっている。
また、第１内部空所８８における雰囲気中の酸素濃度（酸素分圧）を検出するために、内側ポンプ電極１１２と、第２固体電解質層７０と、スペーサ層６８と、第１固体電解質層６６と、基準電極１０２によって、電気化学的なセンサセル、すなわち、主ポンプ制御用酸素分圧検出センサセル１２０が構成されている。
主ポンプ制御用酸素分圧検出センサセル１２０における起電力Ｖ０を測定することで、第１内部空所８８内の酸素濃度（酸素分圧）がわかるようになっている。さらに、起電力Ｖ０が一定となるように可変電源１２２のポンプ電圧Ｖｐ０をフィードバック制御することでポンプ電流Ｉｐ０が制御されている。これによって、第１内部空所８８内の酸素濃度は所定の一定値に保つことができる。
第３拡散律速部９０は、第１内部空所８８で主ポンプセル１１０の動作により酸素濃度（酸素分圧）が制御された被測定ガスに所定の拡散抵抗を付与して、該被測定ガスを第２内部空所９２に導く部位である。
第２内部空所９２は、予め第１内部空所８８において酸素濃度（酸素分圧）が調整された後、第３拡散律速部９０を通じて導入された被測定ガスに対して、さらに補助ポンプセル１２４による酸素分圧の調整を行うための空間として設けられている。これにより、第２内部空所９２内の酸素濃度を高精度に一定に保つことができるため、このガスセンサ１０においては精度の高いＮＯｘ濃度測定が可能となる。
上記補助ポンプセル１２４は、第２内部空所９２の内面に設けられた補助ポンプ電極１２６と、外側ポンプ電極１１４（外側ポンプ電極１１４に限られるものではなく、センサ素子１２の外側の適当な電極であれば足りる）と、第２固体電解質層７０とによって構成される、補助的な電気化学的ポンプセルである。
この補助ポンプ電極１２６は、上記第１内部空所８８内に設けられた内側ポンプ電極１１２と同様なトンネル形態とされた構造において、第２内部空所９２内に配設されている。つまり、第２内部空所９２の天井面を与える第２固体電解質層７０に対して天井電極部１２６ａが形成され、また、第２内部空所９２の底面を与える第１固体電解質層６６の上面には、底部電極部１２６ｂが直に形成され、そして、それらの天井電極部１２６ａと底部電極部１２６ｂとを連結する側部電極部（図示省略）が、第２内部空所９２の側壁を与えるスペーサ層６８の両壁面にそれぞれ形成されたトンネル形態の構造となっている。なお、補助ポンプ電極１２６についても、内側ポンプ電極１１２と同様に、被測定ガス中のＮＯｘ成分に対する還元能力を弱めた材料を用いて形成される。
補助ポンプセル１２４においては、補助ポンプ電極１２６と外側ポンプ電極１１４との間に所望の電圧Ｖｐ１を印加することにより、第２内部空所９２内の雰囲気中の酸素を外部空間に汲み出し、あるいは、外部空間から第２内部空所９２内に汲み入れることが可能となっている。
また、第２内部空所９２内における雰囲気中の酸素分圧を制御するために、補助ポンプ電極１２６と、基準電極１０２と、第２固体電解質層７０と、スペーサ層６８と、第１固体電解質層６６とによって電気化学的なセンサセル、すなわち、補助ポンプ制御用酸素分圧検出センサセル１３０が構成されている。
なお、この補助ポンプ制御用酸素分圧検出センサセル１３０にて検出される起電力Ｖ１に基づいて電圧制御される可変電源１３２にて、補助ポンプセル１２４がポンピングを行う。これにより第２内部空所９２内の雰囲気中の酸素分圧は、ＮＯｘの測定に実質的に影響がない低い分圧にまで制御されるようになっている。
また、これと共に、そのポンプ電流Ｉｐ１が、主ポンプ制御用酸素分圧検出センサセル１２０の起電力Ｖ０の制御に用いられるようになっている。具体的には、ポンプ電流Ｉｐ１は、制御信号として主ポンプ制御用酸素分圧検出センサセル１２０に入力され、その起電力Ｖ０が制御されることにより、第３拡散律速部９０から第２内部空所９２内に導入される被測定ガス中の酸素分圧の勾配が常に一定となるように制御されている。ＮＯｘセンサとして使用する際は、主ポンプセル１１０と補助ポンプセル１２４との働きによって、第２内部空所９２内での酸素濃度は約０．００１ｐｐｍ程度の一定の値に保たれる。
第４拡散律速部９４は、第２内部空所９２で補助ポンプセル１２４の動作により酸素濃度（酸素分圧）が制御された被測定ガスに所定の拡散抵抗を付与して、該被測定ガスを第３内部空所９６に導く部位である。第４拡散律速部９４は、第３内部空所９６に流入するＮＯｘの量を制限する役割を担う。
第３内部空所９６は、予め第２内部空所９２において酸素濃度（酸素分圧）が調整された後、第４拡散律速部９４を通じて導入された被測定ガスに対して、被測定ガス中の窒素酸化物（ＮＯｘ）濃度の測定に係る処理を行うための空間として設けられている。ＮＯｘ濃度の測定は、主として、第３内部空所９６において、測定用ポンプセル１４０の動作により行われる。
測定用ポンプセル１４０は、第３内部空所９６内において、被測定ガス中のＮＯｘ濃度の測定を行う。測定用ポンプセル１４０は、第３内部空所９６に面する第１固体電解質層６６の上面に直に設けられた測定電極１３４と、外側ポンプ電極１１４と、第２固体電解質層７０と、スペーサ層６８と、第１固体電解質層６６とによって構成された電気化学的ポンプセルである。測定電極１３４は、多孔質サーメット電極である。測定電極１３４は、第３内部空所９６内の雰囲気中に存在するＮＯｘを還元するＮＯｘ還元触媒としても機能する。
測定用ポンプセル１４０においては、測定電極１３４の周囲の雰囲気中における窒素酸化物の分解によって生じた酸素を汲み出して、その発生量をポンプ電流Ｉｐ２として検出することができる。
また、測定電極１３４の周囲の酸素分圧を検出するために、第１固体電解質層６６と、測定電極１３４と、基準電極１０２とによって電気化学的なセンサセル、すなわち、測定用ポンプ制御用酸素分圧検出センサセル１４２が構成されている。測定用ポンプ制御用酸素分圧検出センサセル１４２にて検出された起電力Ｖ２に基づいて可変電源１４４が制御される。
第２内部空所９２内に導かれた被測定ガスは、酸素分圧が制御された状況下で第４拡散律速部９４を通じて第３内部空所９６の測定電極１３４に到達することとなる。測定電極１３４の周囲の被測定ガス中の窒素酸化物は還元されて（２ＮＯ→Ｎ2＋Ｏ2）酸素を発生する。そして、この発生した酸素は測定用ポンプセル１４０によってポンピングされることとなるが、その際、測定用ポンプ制御用酸素分圧検出センサセル１４２にて検出された起電力Ｖ２が一定となるように可変電源１４４の電圧Ｖｐ２が制御される。測定電極１３４の周囲において発生する酸素の量は、被測定ガス中の窒素酸化物の濃度に比例するものであるから、測定用ポンプセル１４０におけるポンプ電流Ｉｐ２を用いて被測定ガス中の窒素酸化物濃度が算出されることとなる。
また、第２固体電解質層７０と、スペーサ層６８と、第１固体電解質層６６と、第３基板層６４と、外側ポンプ電極１１４と、基準電極１０２とから電気化学的なセンサセル１４６が構成されており、このセンサセル１４６によって得られる起電力Ｖｒｅｆによりセンサ外部の被測定ガス中の酸素分圧を検出可能となっている。
さらに、第２固体電解質層７０と、スペーサ層６８と、第１固体電解質層６６と、第３基板層６４と、外側ポンプ電極１１４と、基準電極１０２とから電気化学的な基準ガス調整ポンプセル１５０が構成されている。この基準ガス調整ポンプセル１５０は、外側ポンプ電極１１４と基準電極１０２との間に接続された可変電源１５２が印加する電圧Ｖｐ３により制御電流Ｉｐ３が流れることで、ポンピングを行う。これにより、基準ガス調整ポンプセル１５０は、外側ポンプ電極１１４の周囲の空間（図１のセンサ素子室２２）から基準電極１０２の周囲の空間（大気導入層１００）に酸素の汲み入れを行う。可変電源１５２の電圧Ｖｐ３は、制御電流Ｉｐ３が所定の値（一定値の直流電流）となるような直流電圧として、予め定められている。
このような構成を有するガスセンサ１０においては、主ポンプセル１１０と補助ポンプセル１２４とを作動させることによって酸素分圧が常に一定の低い値（ＮＯｘの測定に実質的に影響がない値）に保たれた被測定ガスが測定用ポンプセル１４０に与えられる。従って、被測定ガス中のＮＯｘの濃度に略比例して、ＮＯｘの還元によって発生する酸素が測定用ポンプセル１４０より汲み出されることによって流れるポンプ電流Ｉｐ２に基づいて、被測定ガス中のＮＯｘ濃度を知ることができるようになっている。
さらに、センサ素子１２は、固体電解質の酸素イオン伝導性を高めるために、センサ素子１２を加熱して保温する温度調整の役割を担うヒータ部１６０を備えている。ヒータ部１６０は、ヒータコネクタ電極１６２と、ヒータ１６４と、スルーホール１６６と、ヒータ絶縁層１６８と、圧力放散孔１７０と、リード線１７２とを備えている。
ヒータコネクタ電極１６２は、第１基板層６０の下面に接する態様にて形成されてなる電極である。ヒータコネクタ電極１６２を外部電源と接続することによって、外部からヒータ部１６０へ給電することができるようになっている。
ヒータ１６４は、第２基板層６２と第３基板層６４とに上下から挟まれた態様にて形成される電気抵抗体である。ヒータ１６４は、リード線１７２及びスルーホール１６６を介してヒータコネクタ電極１６２と接続されており、該ヒータコネクタ電極１６２を通して外部より給電されることにより発熱し、センサ素子１２を形成する固体電解質の加熱と保温を行う。
また、ヒータ１６４は、第１内部空所８８から第３内部空所９６の全域に渡って埋設されており、センサ素子１２全体を上記固体電解質が活性化する温度に調整することが可能となっている。
ヒータ絶縁層１６８は、ヒータ１６４の上下面に、アルミナ等の絶縁体によって形成された多孔質アルミナからなる絶縁層である。ヒータ絶縁層１６８は、第２基板層６２とヒータ１６４との間の電気的絶縁性、及び、第３基板層６４とヒータ１６４との間の電気的絶縁性を得る目的で形成されている。
圧力放散孔１７０は、第３基板層６４を貫通し、基準ガス導入空間９８に連通するように設けられてなる部位であり、ヒータ絶縁層１６８内の温度上昇に伴う内圧上昇を緩和する目的で形成されてなる。
なお、図２に示した可変電源１２２、１４４、１３２、１５２等は、実際にはセンサ素子１２内に形成された図示しないリード線や図１のコネクタ１９及びリード線５４を介して、各電極と接続されている。
そして、本実施形態は、センサ素子１２の後端部から露出する接続端子２００には、後方に延びる金属端子１７が電気的に接続されている。センサ素子１２の後端部の周囲にセラミックハウジング１６が設置され、上述した接続端子２００とセラミックハウジング１６との間に金属端子１７がはめ込まれることで、センサ素子１２の接続端子２００と金属端子１７とが圧着して電気的に接続される。すなわち、セラミックハウジング１６は、センサ素子１２と電気的に接続する金属端子１７が装着され、センサ素子１２の後端部を保持する。
金属端子１７の後部は、セラミックハウジング１６の後方に延び、弾性絶縁部材５６内に挿入されたリード線５４と半田等によって電気的に接続される。弾性絶縁部材５６は、センサ素子１２の軸方向に複数の貫通孔２０２が形成されている。この貫通孔２０２を通してリード線５４が挿入されて、センサ素子１２から延びる金属端子１７とリード線５４とが半田等によって電気的に接続される。
特に、本実施形態に係るガスセンサ１０は、図３Ａ〜図３Ｅに示すように、弾性絶縁部材５６の前端面５６ａ（セラミックハウジング１６と対向する端面）に、２本以上のリード線５４に対して共通の空間（共通空間２０４と記す）を１つ以上有する。図１に示すように、共通空間２０４の深さｔは、弾性絶縁部材５６の全長Ｌに対して、１０〜８０％の範囲である。
図３Ａは、１つの共通空間２０４に８本のリード線５４（合計８本）を挿通した第１構造を示す。図３Ｂは、２つの共通空間２０４にそれぞれ３本のリード線５４（合計６本）を挿通した第２構造を示す。図３Ｃは、２つの共通空間２０４にそれぞれ４本のリード線５４（合計８本）を挿通した第３構造を示す。図３Ｄは、３つの共通空間２０４にそれぞれ２本のリード線５４（合計６本）を挿通した第４構造を示す。図３Ｅは、４つの共通空間２０４にそれぞれ２本のリード線５４（合計８本）を挿通した第５構造を示す。これらの構造は、あくまでも一例であり、様々な形態が考えられるのはいうまでもない。例えば図３Ｂ〜図３Ｅでは、共通空間２０４の長軸を横方向にした場合の例を示しているが、長軸を縦方向にしてもよいし、斜め方向にしてもよい。
そして、上述した第１構造〜第５構造のうち、いずれかを採用することにより、弾性絶縁部材５６の溶損を防ぐと共に、接点部の接触不良（接点不良）を抑えることができる。すなわち、弾性絶縁部材５６での温度上昇を抑え、ガスセンサ１０の耐熱性を向上させることができる。
ここで、実施例１〜２１と比較例について、耐熱性と接点不良を確認した実験例を示す。なお、弾性絶縁部材５６としてゴム製のグロメットを用いた。
［実施例１］
実施例１に係るガスセンサは、弾性絶縁部材５６の前端面５６ａに共通空間２０４を有し、共通空間２０４の深さｔは、弾性絶縁部材５６の全長Ｌに対して３０％である。共通空間２０４の数は１つ、リード線５４の本数は８本であり、図３Ａに示す第１構造を有する。
実施例１に係るガスセンサは、弾性絶縁部材５６の前端面５６ａに共通空間２０４を有し、共通空間２０４の深さｔは、弾性絶縁部材５６の全長Ｌに対して３０％である。共通空間２０４の数は１つ、リード線５４の本数は８本であり、図３Ａに示す第１構造を有する。
［実施例２］
実施例２に係るガスセンサは、弾性絶縁部材５６の前端面５６ａに共通空間２０４を有し、共通空間２０４の深さｔは、弾性絶縁部材５６の全長Ｌに対して５０％である。実施例１と同様に、図３Ａに示す第１構造を有する。
実施例２に係るガスセンサは、弾性絶縁部材５６の前端面５６ａに共通空間２０４を有し、共通空間２０４の深さｔは、弾性絶縁部材５６の全長Ｌに対して５０％である。実施例１と同様に、図３Ａに示す第１構造を有する。
［実施例３］
実施例３に係るガスセンサは、弾性絶縁部材５６の前端面５６ａに共通空間２０４を有し、共通空間２０４の深さｔは、弾性絶縁部材５６の全長Ｌに対して８０％である。実施例１と同様に、図３Ａに示す第１構造を有する。
実施例３に係るガスセンサは、弾性絶縁部材５６の前端面５６ａに共通空間２０４を有し、共通空間２０４の深さｔは、弾性絶縁部材５６の全長Ｌに対して８０％である。実施例１と同様に、図３Ａに示す第１構造を有する。
［実施例４］
実施例４に係るガスセンサは、弾性絶縁部材５６の前端面５６ａに共通空間２０４を有し、共通空間２０４の深さｔは、弾性絶縁部材５６の全長Ｌに対して１０％である。実施例１と同様に、図３Ａに示す第１構造を有する。
実施例４に係るガスセンサは、弾性絶縁部材５６の前端面５６ａに共通空間２０４を有し、共通空間２０４の深さｔは、弾性絶縁部材５６の全長Ｌに対して１０％である。実施例１と同様に、図３Ａに示す第１構造を有する。
［実施例５］
実施例５に係るガスセンサは、弾性絶縁部材５６の前端面５６ａに共通空間２０４を有し、共通空間２０４の深さｔは、弾性絶縁部材５６の全長Ｌに対して３０％である。共通空間２０４の数は２つ、リード線５４の本数は６本であり、図３Ｂに示す第２構造を有する。
実施例５に係るガスセンサは、弾性絶縁部材５６の前端面５６ａに共通空間２０４を有し、共通空間２０４の深さｔは、弾性絶縁部材５６の全長Ｌに対して３０％である。共通空間２０４の数は２つ、リード線５４の本数は６本であり、図３Ｂに示す第２構造を有する。
［実施例６］
実施例６に係るガスセンサは、弾性絶縁部材５６の前端面５６ａに共通空間２０４を有し、共通空間２０４の深さｔは、弾性絶縁部材５６の全長Ｌに対して５０％である。実施例５と同様に、図３Ｂに示す第２構造を有する。
実施例６に係るガスセンサは、弾性絶縁部材５６の前端面５６ａに共通空間２０４を有し、共通空間２０４の深さｔは、弾性絶縁部材５６の全長Ｌに対して５０％である。実施例５と同様に、図３Ｂに示す第２構造を有する。
［実施例７］
実施例７に係るガスセンサは、弾性絶縁部材５６の前端面５６ａに共通空間２０４を有し、共通空間２０４の深さｔは、弾性絶縁部材５６の全長Ｌに対して８０％である。実施例５と同様に、図３Ｂに示す第２構造を有する。
実施例７に係るガスセンサは、弾性絶縁部材５６の前端面５６ａに共通空間２０４を有し、共通空間２０４の深さｔは、弾性絶縁部材５６の全長Ｌに対して８０％である。実施例５と同様に、図３Ｂに示す第２構造を有する。
［実施例８］
実施例８に係るガスセンサは、弾性絶縁部材５６の前端面５６ａに共通空間２０４を有し、共通空間２０４の深さｔは、弾性絶縁部材５６の全長Ｌに対して１０％である。実施例５と同様に、図３Ｂに示す第２構造を有する。
実施例８に係るガスセンサは、弾性絶縁部材５６の前端面５６ａに共通空間２０４を有し、共通空間２０４の深さｔは、弾性絶縁部材５６の全長Ｌに対して１０％である。実施例５と同様に、図３Ｂに示す第２構造を有する。
［実施例９］
実施例９に係るガスセンサは、弾性絶縁部材５６の前端面５６ａに共通空間２０４を有し、共通空間２０４の深さｔは、弾性絶縁部材５６の全長Ｌに対して３０％である。共通空間２０４の数は２つ、リード線５４の本数は８本であり、図３Ｃに示す第３構造を有する。
実施例９に係るガスセンサは、弾性絶縁部材５６の前端面５６ａに共通空間２０４を有し、共通空間２０４の深さｔは、弾性絶縁部材５６の全長Ｌに対して３０％である。共通空間２０４の数は２つ、リード線５４の本数は８本であり、図３Ｃに示す第３構造を有する。
［実施例１０］
実施例１０に係るガスセンサは、弾性絶縁部材５６の前端面５６ａに共通空間２０４を有し、共通空間２０４の深さｔは、弾性絶縁部材５６の全長Ｌに対して５０％である。実施例９と同様に、図３Ｃに示す第３構造を有する。
実施例１０に係るガスセンサは、弾性絶縁部材５６の前端面５６ａに共通空間２０４を有し、共通空間２０４の深さｔは、弾性絶縁部材５６の全長Ｌに対して５０％である。実施例９と同様に、図３Ｃに示す第３構造を有する。
［実施例１１］
実施例１１に係るガスセンサは、弾性絶縁部材５６の前端面５６ａに共通空間２０４を有し、共通空間２０４の深さｔは、弾性絶縁部材５６の全長Ｌに対して８０％である。実施例９と同様に、図３Ｃに示す第３構造を有する。
実施例１１に係るガスセンサは、弾性絶縁部材５６の前端面５６ａに共通空間２０４を有し、共通空間２０４の深さｔは、弾性絶縁部材５６の全長Ｌに対して８０％である。実施例９と同様に、図３Ｃに示す第３構造を有する。
［実施例１２］
実施例１２に係るガスセンサは、弾性絶縁部材５６の前端面５６ａに共通空間２０４を有し、共通空間２０４の深さｔは、弾性絶縁部材５６の全長Ｌに対して１０％である。実施例９と同様に、図３Ｃに示す第３構造を有する。
実施例１２に係るガスセンサは、弾性絶縁部材５６の前端面５６ａに共通空間２０４を有し、共通空間２０４の深さｔは、弾性絶縁部材５６の全長Ｌに対して１０％である。実施例９と同様に、図３Ｃに示す第３構造を有する。
［実施例１３］
実施例１３に係るガスセンサは、弾性絶縁部材５６の前端面５６ａに共通空間２０４を有し、共通空間２０４の深さｔは、弾性絶縁部材５６の全長Ｌに対して３０％である。共通空間２０４の数は３つ、リード線５４の本数は６本であり、図３Ｄに示す第４構造を有する。
実施例１３に係るガスセンサは、弾性絶縁部材５６の前端面５６ａに共通空間２０４を有し、共通空間２０４の深さｔは、弾性絶縁部材５６の全長Ｌに対して３０％である。共通空間２０４の数は３つ、リード線５４の本数は６本であり、図３Ｄに示す第４構造を有する。
［実施例１４］
実施例１４に係るガスセンサは、弾性絶縁部材５６グロメットの前端面５６ａに共通空間２０４を有し、共通空間２０４の深さｔは、弾性絶縁部材５６の全長Ｌに対して５０％である。実施例１３と同様に、図３Ｄに示す第４構造を有する。
実施例１４に係るガスセンサは、弾性絶縁部材５６グロメットの前端面５６ａに共通空間２０４を有し、共通空間２０４の深さｔは、弾性絶縁部材５６の全長Ｌに対して５０％である。実施例１３と同様に、図３Ｄに示す第４構造を有する。
［実施例１５］
実施例１５に係るガスセンサは、弾性絶縁部材５６の前端面５６ａに共通空間２０４を有し、共通空間２０４の深さｔは、弾性絶縁部材５６の全長Ｌに対して８０％である。実施例１３と同様に、図３Ｄに示す第４構造を有する。
実施例１５に係るガスセンサは、弾性絶縁部材５６の前端面５６ａに共通空間２０４を有し、共通空間２０４の深さｔは、弾性絶縁部材５６の全長Ｌに対して８０％である。実施例１３と同様に、図３Ｄに示す第４構造を有する。
［実施例１６］
実施例１６に係るガスセンサは、弾性絶縁部材５６の前端面５６ａに共通空間２０４を有し、共通空間２０４の深さｔは、弾性絶縁部材５６の全長Ｌに対して１０％である。実施例１３と同様に、図３Ｄに示す第４構造を有する。
実施例１６に係るガスセンサは、弾性絶縁部材５６の前端面５６ａに共通空間２０４を有し、共通空間２０４の深さｔは、弾性絶縁部材５６の全長Ｌに対して１０％である。実施例１３と同様に、図３Ｄに示す第４構造を有する。
［実施例１７］
実施例１７に係るガスセンサは、弾性絶縁部材５６の前端面５６ａに共通空間２０４を有し、共通空間２０４の深さｔは、弾性絶縁部材５６の全長Ｌに対して３０％である。共通空間２０４の数は４つ、リード線５４の本数は８本であり、図３Ｅに示す第５構造を有する。
実施例１７に係るガスセンサは、弾性絶縁部材５６の前端面５６ａに共通空間２０４を有し、共通空間２０４の深さｔは、弾性絶縁部材５６の全長Ｌに対して３０％である。共通空間２０４の数は４つ、リード線５４の本数は８本であり、図３Ｅに示す第５構造を有する。
［実施例１８］
実施例１８に係るガスセンサは、弾性絶縁部材５６の前端面５６ａに共通空間２０４を有し、共通空間２０４の深さｔは、弾性絶縁部材５６の全長Ｌに対して５０％である。実施例１７と同様に、図３Ｅ示す第５構造を有する。
実施例１８に係るガスセンサは、弾性絶縁部材５６の前端面５６ａに共通空間２０４を有し、共通空間２０４の深さｔは、弾性絶縁部材５６の全長Ｌに対して５０％である。実施例１７と同様に、図３Ｅ示す第５構造を有する。
［実施例１９］
実施例１９に係るガスセンサは、弾性絶縁部材５６の前端面５６ａに共通空間２０４を有し、共通空間２０４の深さｔは、弾性絶縁部材５６の全長Ｌに対して８０％である。実施例１７と同様に、図３Ｅに示す第５構造を有する。
実施例１９に係るガスセンサは、弾性絶縁部材５６の前端面５６ａに共通空間２０４を有し、共通空間２０４の深さｔは、弾性絶縁部材５６の全長Ｌに対して８０％である。実施例１７と同様に、図３Ｅに示す第５構造を有する。
［実施例２０］
実施例２０に係るガスセンサは、弾性絶縁部材５６の前端面５６ａに共通空間２０４を有し、共通空間２０４の深さｔは、弾性絶縁部材５６の全長Ｌに対して１０％である。実施例１７と同様に、図３Ｅに示す第５構造を有する。
実施例２０に係るガスセンサは、弾性絶縁部材５６の前端面５６ａに共通空間２０４を有し、共通空間２０４の深さｔは、弾性絶縁部材５６の全長Ｌに対して１０％である。実施例１７と同様に、図３Ｅに示す第５構造を有する。
［実施例２１］
実施例２１に係るガスセンサは、弾性絶縁部材５６の前端面５６ａに共通空間２０４を有し、共通空間２０４の深さｔは、弾性絶縁部材５６の全長Ｌに対して５％である。実施例１と同様に、図３Ａに示す第１構造を有する。
実施例２１に係るガスセンサは、弾性絶縁部材５６の前端面５６ａに共通空間２０４を有し、共通空間２０４の深さｔは、弾性絶縁部材５６の全長Ｌに対して５％である。実施例１と同様に、図３Ａに示す第１構造を有する。
［比較例］
比較例に係るガスセンサは、弾性絶縁部材５６の前端面５６ａに共通空間２０４を有しない。リード線５４の本数は８本である。
比較例に係るガスセンサは、弾性絶縁部材５６の前端面５６ａに共通空間２０４を有しない。リード線５４の本数は８本である。
［評価方法］
加熱振動試験後における弾性絶縁部材５６の溶損の有無と、接点不良の有無を評価した。
加熱振動試験後における弾性絶縁部材５６の溶損の有無と、接点不良の有無を評価した。
［実験方法］
９００℃の高温ガスが流れるチャンバーにガスセンサを取り付け、下記振動条件下での１５０時間の試験を実施した。
周波数：５０、１００、１５０、２５０Ｈｚ
加速度：３０Ｇ、４０Ｇ、５０Ｇ
掃引時間：３０ｍｉｎ．／ｓｗｅｅｐ ｃｙｃｌｅ
試験時間：１５０時間
ガス温度：９００℃
９００℃の高温ガスが流れるチャンバーにガスセンサを取り付け、下記振動条件下での１５０時間の試験を実施した。
周波数：５０、１００、１５０、２５０Ｈｚ
加速度：３０Ｇ、４０Ｇ、５０Ｇ
掃引時間：３０ｍｉｎ．／ｓｗｅｅｐ ｃｙｃｌｅ
試験時間：１５０時間
ガス温度：９００℃
［判定１：グロメットの溶損の有無］
試験中のＶｒｅｆ信号をモニタリングし、Ｖｒｅｆ信号が所定の閾値を超えて変化したか否かを調査した。なお、Ｖｒｅｆ信号が所定の閾値を超えることは、弾性絶縁部材５６が溶損してガスが生じ、基準電極１０２周りの酸素濃度が低下したことを意味する。
試験中のＶｒｅｆ信号をモニタリングし、Ｖｒｅｆ信号が所定の閾値を超えて変化したか否かを調査した。なお、Ｖｒｅｆ信号が所定の閾値を超えることは、弾性絶縁部材５６が溶損してガスが生じ、基準電極１０２周りの酸素濃度が低下したことを意味する。
判定基準は以下の通りである。
〇：耐久試験中にＶｒｅｆ信号が所定の閾値を超えない。
△：５０〜１５０時間の間にＶｒｅｆ信号が所定の閾値を超えた。
×：５０時間以内にＶｒｅｆ信号が所定の閾値を超えた。
〇：耐久試験中にＶｒｅｆ信号が所定の閾値を超えない。
△：５０〜１５０時間の間にＶｒｅｆ信号が所定の閾値を超えた。
×：５０時間以内にＶｒｅｆ信号が所定の閾値を超えた。
［判定２：試験前後での接点不良の有無］
判定基準は以下の通りである。
〇：接点不良無し
×：接点不良有り
判定基準は以下の通りである。
〇：接点不良無し
×：接点不良有り
評価結果を図４の表１に示す。表１に示す評価結果から、弾性絶縁部材５６の前端面５６ａに、深さｔが弾性絶縁部材５６の全長Ｌに対して１０％〜８０％の共通空間２０４が存在することで、判定１及び判定２共に、結果が良好であることがわかる。
なお、深さｔが弾性絶縁部材５６の全長Ｌに対して１０％未満である実施例２１は、判定２については結果が良好であったが、判定１については結果が不良であった。
弾性絶縁部材５６の前端面５６ａに、共通空間２０４が存在しない比較例については、判定１及び判定２共に、結果が不良であった。
これらの判定結果から、弾性絶縁部材５６の前端面５６ａに共通空間２０４を有することが好ましく、共通空間２０４は、弾性絶縁部材５６の全長Ｌに対して１０％〜８０％の範囲に形成されていることがより好ましいことがわかる。
また、共通空間２０４が複数存在することで、ガスセンサから延びる金属端子１７とリード線５４との電気的接続のための位置決めが容易になり、工数の削減を図ることが可能となる。
［本実施形態から得られる発明］
上記実施形態から把握しうる発明について、以下に記載する。
上記実施形態から把握しうる発明について、以下に記載する。
［１］ 本実施形態に係るガスセンサ１０は、センサ素子１２と、センサ素子１２の後端部を保持し、センサ素子１２と電気的に接続する金属端子１７が装着されたセラミックハウジング１６と、センサ素子１２の後方に固定され、金属端子１７が電気的に接続される複数のリード線５４が挿入された弾性絶縁部材５６と、を有し、弾性絶縁部材５６は、セラミックハウジング１６と対向する面（前端面５６ａ）に、２本以上のリード線５４に対して共通の空間２０４を１つ以上有する。
これにより、弾性絶縁部材５６の温度上昇を抑制することができる。その結果、熱による弾性絶縁部材５６の溶損が発生するリスクを低減することができると共に、振動等による接点部付近の断線や接点不良の発生を抑えることができる。
［２］ 本実施形態において、共通空間２０４の奥行方向の長さ（深さｔ）は、弾性絶縁部材５６の全長Ｌに対して、１０〜８０％である。これにより、温度の上がりやすい先端側では弾性絶縁部材５６の溶損を抑えることができる。
［３］ 本実施形態において、共通空間２０４の数が２つ以上である。共通空間２０４が複数存在することで、ガスセンサ１０から延びる金属端子１７とリード線５４との電気的接続のための位置決めが容易になり、工数の削減を図ることが可能となる。
［４］ 本実施形態において、共通空間２０４の奥行方向の長さ（深さｔ）は、弾性絶縁部材５６の全長Ｌに対して、１０〜８０％であり、且つ、共通空間２０４の数が２つ以上、４つ以下である。
これにより、温度の上がりやすい先端側では弾性絶縁部材５６の溶損を抑えることができ、しかも、リード線５４からの熱伝達を抑えると共に、振動等による接点部付近の断線や接点不良を抑えることができる。
上述した実施形態では、センサ素子１２は被測定ガス中のＮＯｘ濃度を検出するものとしたが、被測定ガス中の特定ガスの濃度を検出するものであれば、これに限られない。例えば、被測定ガス中の酸素濃度を検出するものとしてもよい。
なお、本発明の実施に当たっては、本発明の思想を損なわない範囲で自動車用部品としての信頼性向上のための諸手段が付加されてもよい。
１０…ガスセンサ １２…センサ素子
１６…セラミックハウジング ５０…空間
５４…リード線 ５６…弾性絶縁部材
５６ａ…前端面 １００…大気導入層
１０２…基準電極 ２０４…共通空間
Ｌ…弾性絶縁部材の全長 ｔ…共通空間の深さ
Ｖｒｅｆ…起電力
１６…セラミックハウジング ５０…空間
５４…リード線 ５６…弾性絶縁部材
５６ａ…前端面 １００…大気導入層
１０２…基準電極 ２０４…共通空間
Ｌ…弾性絶縁部材の全長 ｔ…共通空間の深さ
Ｖｒｅｆ…起電力
Claims (4)
- センサ素子と、
前記センサ素子の後端部を保持し、前記センサ素子と電気的に接続する金属端子が装着されたセラミックハウジングと、
前記センサ素子の後方に固定され、前記金属端子が電気的に接続される複数のリード線が挿入された弾性絶縁部材と、を有し、
前記弾性絶縁部材は、前記セラミックハウジングと対向する面に、２本以上の前記リード線に対して共通の空間を１つ以上有する、ガスセンサ。 - 請求項１記載のガスセンサにおいて、
前記共通の空間の奥行方向の長さは、前記弾性絶縁部材の全長に対して、１０〜８０％である、ガスセンサ。 - 請求項１又は２記載のガスセンサにおいて、
前記共通の空間の数が２つ以上である、ガスセンサ。 - 請求項１〜３のいずれか１項に記載のガスセンサにおいて、
前記共通の空間の奥行方向の長さは、前記弾性絶縁部材の全長に対して、１０〜８０％であり、且つ、前記共通の空間２０４の数が２つ以上、４つ以下である、ガスセンサ。
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