JP2021162414A - ガスセンサ - Google Patents

Abstract

【課題】ガスセンサの大型化及び部品コストの増加を抑制した状態で、グロメットの温度上昇を抑制可能はガスセンサを提供する。【解決手段】ガスセンサは、センサ素子と、素子封止体と、リード線と、コネクタと、外筒と、グロメットとを備えている。センサ素子においては、後端寄りの表面に電極パッドが形成されている。素子封止体は、センサ素子の一部分を保持する。コネクタは、センサ素子のうち電極パッドが形成された部分を保持し、電極パッドと前記リード線とを電気的に接続する。外筒は、素子封止体に固定され、コネクタの周囲を覆う。グロメットは、外筒の後端に取り付けられ、リード線が貫通している。コネクタの後端の面には、突起部が形成されている。突起部とグロメットとが接触している。【選択図】図１

Description

本発明は、ガスセンサに関し、特に、被測定ガスにおける所定ガス成分の濃度を測定するように構成されたガスセンサに関する。

特開２０１５−２００６４３号公報（特許文献１）は、ガスセンサを開示する。このガスセンサは、被測定ガスにおける所定ガス成分の濃度を測定するように構成されている。このガスセンサにおいては、センサ素子の後端の周囲が外筒によって覆われている。外筒の後端にはグロメットが取り付けられており、外筒内は密閉されている。センサ素子に形成された電極パッドは、コネクタを介してリード線に電気的に接続されている。リード線は、グロメットを貫通し、外筒の外部に延びている（特許文献１参照）。

特開２０１５−２００６４３号公報 特開平９−１９６８８５号公報

上記特許文献１に開示されているようなガスセンサにおいては、ガスセンサの製造時におけるグロメットの位置決め等の理由で、グロメットがコネクタに押し当てられている場合がある。一方、ガスセンサの使用時にセンサ素子は高温になるため、センサ素子を保持するコネクタも高温になる。コネクタからグロメットへの熱伝達が容易であれば、グロメットが高温になり、グロメットが急速に劣化する可能性がある。

このような問題を解決するために、例えば、ガスセンサの長さを長くし、熱源とグロメットとの間の長さを長くすることによって、グロメットを熱源から引き離す方法が考えられる。しかしながら、このような方法は、ガスセンサを大型化するため好ましくない。

また、特開平９−１９６８８５号公報（特許文献２）に開示されているように、例えば、高温耐久性を有するグロメットを採用することによって上記問題を解決する方法も考えられる。しかしながら、このような方法は、部品コストを上昇させるため好ましくない。

本発明は、このような問題を解決するためになされたものであって、その目的は、ガスセンサの大型化及び部品コストの増加を抑制した状態で、グロメットの温度上昇を抑制可能はガスセンサを提供することである。

本発明に従うガスセンサは、被測定ガスにおける所定ガス成分の濃度を測定するように構成されている。このガスセンサは、センサ素子と、素子封止体と、リード線と、コネクタと、外筒と、グロメットとを備えている。センサ素子においては、後端寄りの表面に電極パッドが形成されている。素子封止体は、センサ素子の一部分を保持する。コネクタは、センサ素子のうち電極パッドが形成された部分を保持し、電極パッドと前記リード線とを電気的に接続する。外筒は、素子封止体に固定され、コネクタの周囲を覆う。グロメットは、外筒の後端に取り付けられ、リード線が貫通している。コネクタの後端の面には、突起部が形成されている。突起部とグロメットとが接触している。

ガスセンサにおいては、センサ素子が高温になる。したがって、センサ素子を保持するコネクタも高温になる。仮にコネクタの後端の面全体がグロメットに接触する場合には、コネクタからグロメットへ熱が容易に伝達する。その結果、グロメットが高温になる。本発明に従うガスセンサにおいては、コネクタの後端の面に形成された突起部がグロメットに接触しており、コネクタの後端の面全体がグロメットに接触するわけではない。したがって、このガスセンサによれば、コネクタの後端の面全体がグロメットに接触する場合と比較して、コネクタとグロメットとの接触面積が小さいため、コネクタからグロメットへの熱伝達を抑制することができる。その結果、このガスセンサによれば、グロメットの劣化が抑制されるため、ガスセンサの製品寿命を延ばすことができる。

また、上記ガスセンサは、素子封止体に固定され、センサ素子の前端を覆う保護カバーをさらに備え、素子封止体は、素子封止体と保護カバーとの間に形成される空間と、素子封止体と外筒との間に形成される空間との間を封止してもよい。

また、上記ガスセンサにおいて、突起部とグロメットとの接触面積は、グロメットの前端の面の面積に対して５％以下であってもよい。

また、上記ガスセンサにおいて、コネクタは、複数の板状部材を備え、センサ素子のうち電極パッドが形成された部分は、複数の板状部材によって挟まれており、複数の板状部材の各々の後端の面に突起部が形成されていてもよい。

また、上記ガスセンサにおいて、複数の板状部材の各々の後端の面には、２つの突起部が形成されており、２つの突起部の一方は、後端の面における長手方向の一方の端部に形成されており、２つの突起部の他方は、後端の面における長手方向の他方の端部に形成されていてもよい。

グロメットにおいては、センサ素子からの輻射熱の影響で、センサ素子と対向している領域が比較的高温になることを本発明者（ら）は見出した。このガスセンサにおいては、各突起部が板状部材の後端の面における長手方向の端部に形成されている。したがって、各突起部は、グロメットの上記高温領域（センサ素子と対向している領域）から比較的遠い位置においてグロメットと接触する。その結果、このガスセンサによれば、板状部材からグロメットへの熱伝達が主にグロメットにおける比較的低温の領域を介して行なわれるため、グロメットにおける温度の偏りの発生を抑制することができる。その結果、このガスセンサによれば、グロメットの劣化が抑制されるため、ガスセンサの製品寿命を延ばすことができる。

また、上記ガスセンサにおいて、板状部材の平面視、及び、板状部材の側面視の両方において、突起部には後端に向かうほど突起部が細くなるテーパが形成されていてもよい。

このガスセンサによれば、突起部の先端部が突起部の付け根部よりも細くなっているため、突起部とグロメットとの接触面積をより小さくすることができる。また、このガスセンサによれば、突起部の付け根部が突起部の先端部よりも太くなっているため、突起部の強度をある程度確保することができる。すなわち、このガスセンサによれば、突起部とグロメットとの接触面積の低減と、突起部の強度の確保とを両立することができる。

本発明によれば、ガスセンサの大型化及び部品コストの増加を抑制した状態で、グロメットの温度上昇を抑制可能はガスセンサを提供することができる。

ガスセンサの縦断面を模式的に示す図である。 センサ素子の上面の後端付近の一部を模式的に示す図である。 センサ素子の構成の一例を概略的に示した断面模式図である。 板状部材を上下方向の一方から示した模式図である。 板状部材を左右方向の一方から示した模式図である。 板状部材を後方から示した模式図である。 仮のコネクタが用いられた場合に生じる問題を説明するための図である。 実施の形態に従うガスセンサにおける図７に対応する位置を模式的に示す図である。 グロメットの前端の面を模式的に示す図である。 変形例における、３室構造のセンサ素子の構成の一例を概略的に示した断面模式図である。 灼熱炉内のヒートカーブを示す図である。 評価試験の結果を示す図である。

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。なお、図中同一又は相当部分には同一符号を付してその説明は繰り返さない。

［１．ガスセンサの全体構成］
図１は、本実施の形態に従うガスセンサ１００の縦断面を模式的に示す図である。なお、各図面においては、後述のセンサ素子１０１の長手方向が前後方向であり、センサ素子１０１の厚み方向が上下方向である。また、センサ素子１０１の幅方向が左右方向である。

図１に示されるように、ガスセンサ１００は、例えば、車両の排ガス管等の配管１９０に取り付けられる。ガスセンサ１００は、排気ガス等の被測定ガスにおける所定ガス成分の濃度を測定するように構成されている。所定ガス成分としては、例えば、ＮＯｘ及びＯ₂が挙げられる。なお、本実施の形態に従うガスセンサ１００は、被測定ガスにおけるＮＯｘ濃度を測定するように構成されている。

ガスセンサ１００は、センサ素子１０１と、保護カバー１３０と、センサ組立体１４０と、リード線１５５と、グロメット１５７とを含んでいる。センサ素子１０１は、長尺な直方体形状を有し、被測定ガス中の所定ガス成分を検出するために用いられる。

図２は、センサ素子１０１の上面の後端付近の一部を模式的に示す図である。図２に示されるように、センサ素子１０１の上面においては、後端寄りの位置に複数（４つ）の電極パッド１７０が形成されている。また、センサ素子１０１の下面においても、後端寄りの位置に複数（４つ）の電極パッド１７０が形成されている。各電極パッド１７０は、各種信号の伝達等に用いられる。センサ素子１０１については、後程詳しく説明する。なお、「後端寄りの位置」とは、必ずしも後端を含んでいる必要はなく、前端よりも後端に近い位置という意味である。

再び図１を参照して、保護カバー１３０は、内側保護カバー１３１と、外側保護カバー１３２とを備えている。内側保護カバー１３１は、有底筒状の形状を有し、センサ素子１０１の前端を覆う。外側保護カバー１３２は、有底筒状の形状を有し、内側保護カバー１３１を覆う。内側保護カバー１３１及び外側保護カバー１３２の各々には、被測定ガスを保護カバー１３０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１３１によって囲まれた空間にはセンサ素子室１３３が形成されており、センサ素子１０１の前端はセンサ素子室１３３内に配置されている。

センサ組立体１４０は、素子封止体１４１と、ナット１４７と、コネクタ１５０と、外筒１４８とを備えている。

素子封止体１４１は、センサ素子１０１を封入固定する。素子封止体１４１は、筒状の主体金具１４２と、筒状の内筒１４３と、セラミックスサポーター１４４ａ−１４４ｃと、圧粉体１４５ａ，１４５ｂと、メタルリング１４６とを備えている。内筒１４３は、内筒１４３の中心軸の位置が主体金具１４２の中心軸の位置と同一となるように主体金具１４２に溶接固定されている。セラミックスサポーター１４４ａ−１４４ｃ、圧粉体１４５ａ，１４５ｂ及びメタルリング１４６の各々は、主体金具１４２及び内筒１４３の内側の貫通孔内に封入されている。センサ素子１０１は、素子封止体１４１の中心軸上に位置しており、素子封止体１４１を前後方向に貫通している。

内筒１４３には、縮径部１４３ａ，１４３ｂが形成されている。縮径部１４３ａは、圧粉体１４５ｂを内筒１４３の中心軸方向に押圧する。縮径部１４３ｂは、メタルリング１４６を介してセラミックスサポーター１４４ａ〜１４４ｃ，圧粉体１４５ａ，１４５ｂを前方に押圧する。縮径部１４３ａ，１４３ｂからの押圧力によって、圧粉体１４５ａ，１４５ｂは、主体金具１４２及び内筒１４３とセンサ素子１０１との間で圧縮される。これにより、圧粉体１４５ａ，１４５ｂが外筒１４８内の空間１４９とセンサ素子室１３３との間を封止すると共に、センサ素子１０１が固定される。

ナット１４７は、いわゆるスクリューナットであり、素子封止体１４１に取り付けられている。ナット１４７の中心軸の位置は、主体金具１４２の中心軸の位置と同一である。ナット１４７の外周面には、雄ネジ部が形成されている。ナット１４７の雄ネジ部は、配管１９０に溶接された固定用部材１９１内に挿入される。固定用部材１９１の内周面には、雌ネジ部が設けられている。ナット１４７の雄ネジ部と固定用部材１９１の雌ネジ部とが係合することによって、センサ素子１０１の前端及び保護カバー１３０が配管１９０内に突出した状態で、ガスセンサ１００が配管１９０に固定される。

コネクタ１５０は、センサ素子１０１のうち電極パッド１７０が形成された部分を保持し、各電極パッド１７０と各リード線１５５とを電気的に接続する。コネクタ１５０は、複数（２つ）のセラミックス製の板状部材１６１と、固定部材１６２とを含んでいる。センサ素子１０１のうち電極パッド１７０が形成された部分は、複数の板状部材１６１によって挟まれている。各板状部材１６１上には複数（４つ）の金属端子が配置されており、該金属端子と電極パッド１７０とは接触している。各金属端子にはリード線１５５が溶接されている。すなわち、各金属端子を介して各電極パッド１７０と各リード線１５５とが電気的に接続される。固定部材１６２は、板状部材１６１上に配置された金属端子と電極パッド１７０との接触状態が維持されるように、複数の板状部材１６１及びセンサ素子１０１等を固定する。板状部材１６１については、後程詳しく説明する。

外筒１４８は、主体金具１４２に固定されており、内筒１４３、センサ素子１０１及びコネクタ１５０の周囲を覆っている。外筒１４８の後端には、グロメット１５７が取り付けられている。グロメット１５７は、例えば、ゴム栓である。グロメット１５７の前端は、板状部材１６１の後端に押し当てられている。すなわち、グロメット１５７の前端は、板状部材１６１の後端に接触している。グロメット１５７には、リード線１５５が貫通している。すなわち、外筒１４８とリード線１５５との隙間は、グロメット１５７によって封止されている。外筒１４８内の空間１４９は、基準ガス（本実施の形態においては大気）で満たされている。センサ素子１０１の後端は、空間１４９内に配置されている。

［２．センサ素子の構成］
図３は、ガスセンサ１００が備えるセンサ素子１０１の構成の一例を概略的に示した断面模式図である。センサ素子１０１は、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１と、第２基板層２と、第３基板層３と、第１固体電解質層４と、スペーサ層５と、第２固体電解質層６との６つの層が、図面視で下側からこの順に積層された構造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界質は緻密な気密のものである。係るセンサ素子１０１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など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１０１の一先端部であって、第２固体電解質層６の下面と第１固体電解質層４の上面との間には、ガス導入口１０と、第１拡散律速部１１と、緩衝空間１２と、第２拡散律速部１３と、第１内部空所２０と、第３拡散律速部３０と、第２内部空所４０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１０と、緩衝空間１２と、第１内部空所２０と、第２内部空所４０とは、スペーサ層５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６の下面で、下部を第１固体電解質層４の上面で、側部をスペーサ層５の側面で区画されたセンサ素子１０１内部の空間である。

第１拡散律速部１１と、第２拡散律速部１３と、第３拡散律速部３０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。なお、ガス導入口１０から第２内部空所４０に至る部位をガス流通部とも称する。

また、ガス流通部よりも先端側から遠い位置には、第３基板層３の上面と、スペーサ層５の下面との間であって、側部を第１固体電解質層４の側面で区画される位置に基準ガス導入空間４３が設けられている。基準ガス導入空間４３には、ＮＯｘ濃度の測定を行う際の基準ガスとして、例えば大気が導入される。

大気導入層４８は、多孔質アルミナからなる層であって、大気導入層４８には基準ガス導入空間４３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４８は、基準電極４２を被覆するように形成されている。

基準電極４２は、第３基板層３の上面と第１固体電解質層４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４３につながる大気導入層４８が設けられている。また、後述するように、基準電極４２を用いて第１内部空所２０内や第２内部空所４０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。

ガス流通部において、ガス導入口１０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１０を通じて外部空間からセンサ素子１０１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１１は、ガス導入口１０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１２は、第１拡散律速部１１より導入された被測定ガスを第２拡散律速部１３へと導くために設けられた空間である。

第２拡散律速部１３は、緩衝空間１２から第１内部空所２０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１０１外部から第１内部空所２０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１０からセンサ素子１０１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２０へ導入されるのではなく、第１拡散律速部１１、緩衝空間１２、第２拡散律速部１３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２０へ導入されるようになっている。これによって、第１内部空間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２０は、第２拡散律速部１３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、主ポンプセル２１が作動することによって調整される。

主ポンプセル２１は、第１内部空所２０に面する第２固体電解質層６の下面のほぼ全面に設けられた天井電極部２２ａを有する内側ポンプ電極２２と、第２固体電解質層６の上面の天井電極部２２ａと対応する領域に外部空間に露出する態様にて設けられた外側ポンプ電極２３と、これらの電極に挟まれた第２固体電解質層６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２２は、第１内部空所２０を区画する上下の固体電解質層（第２固体電解質層６及び第１固体電解質層４）、及び、側壁を与えるスペーサ層５にまたがって形成されている。具体的には、第１内部空所２０の天井面を与える第２固体電解質層６の下面には天井電極部２２ａが形成され、また、底面を与える第１固体電解質層４の上面には底部電極部２２ｂが形成され、そして、それら天井電極部２２ａと底部電極部２２ｂ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２０の両側壁部を構成するスペーサ層５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において配設されている。

内側ポンプ電極２２と外側ポンプ電極２３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２２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２１においては、内側ポンプ電極２２と外側ポンプ電極２３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２２と外側ポンプ電極２３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２０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２０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２０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２２と、第２固体電解質層６と、スペーサ層５と、第１固体電解質層４と、第３基板層３と、基準電極４２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８０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８０における起電力Ｖ０を測定することで第１内部空所２０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内部空所内２０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３０は、第１内部空所２０で主ポンプセル２１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４０に導く部位である。

第２内部空所４０は、第３拡散律速部３０を通じて導入された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、補助ポンプセル５０により酸素濃度が調整された第２内部空所４０において、さらに、測定用ポンプセル４１の動作によりＮＯｘ濃度が測定される。

第２内部空所４０では、あらかじめ第１内部空所２０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５０による酸素分圧の調整が行われるようになっている。これにより、第２内部空所４０内の酸素濃度を高精度に一定に保つことができるため、係るガスセンサ１００においては精度の高いＮＯｘ濃度測定が可能となる。

補助ポンプセル５０は、第２内部空所４０に面する第２固体電解質層６の下面の略全体に設けられた天井電極部５１ａを有する補助ポンプ電極５１と、外側ポンプ電極２３（外側ポンプ電極２３に限られるものではなく、センサ素子１０１と外側の適当な電極であれば足りる）と、第２固体電解質層６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。

係る補助ポンプ電極５１は、先の第１内部空所２０内に設けられた内側ポンプ電極２２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４０内に配設されている。つまり、第２内部空所４０の天井面を与える第２固体電解質層６に対して天井電極部５１ａが形成され、また、第２内部空所４０の底面を与える第１固体電解質層４には、底部電極部５１ｂが形成され、そして、それらの天井電極部５１ａと底部電極部５１ｂとを連結する側部電極部（図示省略）が、第２内部空所４０の側壁を与えるスペーサ層５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５１についても、内側ポンプ電極２２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５０においては、補助ポンプ電極５１と外側ポンプ電極２３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４０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４０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４０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５１と、基準電極４２と、第２固体電解質層６と、スペーサ層５と、第１固体電解質層４と、第３基板層３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８１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８１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５２にて、補助ポンプセル５０がポンピングを行う。これにより第２内部空所４０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、これとともに、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８０の起電力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８０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３０から第２内部空所４０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２１と補助ポンプセル５０との働きによって、第２内部空所４０内での酸素濃度は約０．００１ｐｐｍ程度の一定の値に保たれる。

測定用ポンプセル４１は、第２内部空所４０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４１は、第２内部空所４０に面する第１固体電解質層４の上面であって第３拡散律速部３０から離間した位置に設けられた測定電極４４と、外側ポンプ電極２３と、第２固体電解質層６と、スペーサ層５と、第１固体電解質層４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４４は、多孔質サーメット電極である。測定電極４４は、第２内部空所４０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。さらに、測定電極４４は、第４拡散律速部４５によって被覆されてなる。

第４拡散律速部４５は、アルミナ（Ａｌ₂Ｏ₃）を主成分とする多孔体にて構成される膜である。第４拡散律速部４５は、測定電極４４に流入するＮＯｘの量を制限する役割を担うと共に、測定電極４４の保護膜としても機能する。

測定用ポンプセル４１においては、測定電極４４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４４の周囲の酸素分圧を検出するために、第２固体電解質層６と、スペーサ層５と、第１固体電解質層４と、第３基板層３と、測定電極４４と、基準電極４２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８２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８２にて検出された起電力Ｖ２に基づいて可変電源４６が制御される。

第２内部空所４０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４５を通じて測定電極４４に到達することとなる。測定電極４４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４１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８２にて検出された制御電圧Ｖ２が一定となるように可変電源の電圧Ｖｐ２が制御される。測定電極４４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４１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、測定電極４４と、第１固体電解質層４と、第３基板層３と、基準電極４２とを組み合わせて、電気化学的センサセルとして酸素分圧検出手段を構成するようにすれば、測定電極４４の周りの雰囲気中のＮＯｘ成分の還元によって発生した酸素の量と基準大気に含まれる酸素の量との差に応じた起電力を検出することができ、これによって被測定ガス中のＮＯｘ成分の濃度を求めることも可能である。

また、第２固体電解質層６と、スペーサ層５と、第１固体電解質層４と、第３基板層３と、外側ポンプ電極２３と、基準電極４２とから電気化学的なセンサセル８３が構成されており、このセンサセル８３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。

このような構成を有するガスセンサ１００においては、主ポンプセル２１と補助ポンプセル５０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４１に与えられる。したがって、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４１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１０１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１０１を加熱して保温する温度調整の役割を担うヒータ部７０を備えている。ヒータ部７０は、ヒータ電極７１と、ヒータ７２と、スルーホール７３と、ヒータ絶縁層７４と、圧力放散孔７５とを備えている。

ヒータ電極７１は、第１基板層１の下面に接する態様にて形成されてなる電極である。ヒータ電極７１を外部電源と接続することによって、外部からヒータ部７０へ給電することができるようになっている。

ヒータ７２は、第２基板層２と第３基板層３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７２は、スルーホール７３を介してヒータ電極７１と接続されており、該ヒータ電極７１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１０１を形成する固体電解質の加熱と保温を行う。

また、ヒータ７２は、第１内部空所２０から第２内部空所４０の全域に渡って埋設されており、センサ素子１０１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７４は、ヒータ７２の上下面に、アルミナ等の絶縁体によって形成されてなる絶縁層である。ヒータ絶縁層７４は、第２基板層２とヒータ７２との間の電気的絶縁性、及び、第３基板層３とヒータ７２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７５は、第３基板層３を貫通し、基準ガス導入空間４３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７４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。

［３．コネクタに含まれる各板状部材の構成］
図４は、板状部材１６１を上下方向の一方から示した模式図である。図５は、板状部材１６１を左右方向の一方から示した模式図である。図６は、板状部材１６１を後方から示した模式図である。

図４、図５及び図６に示されるように、板状部材１６１は、平面視において略矩形状の板状の部材である。板状部材１６１の左右方向の幅は、センサ素子１０１の幅よりも長い。板状部材１６１は、略平面状の板状部材本体部１６３と、複数（３つ）の仕切壁部１６５と、複数（３つ）の仕切壁部１６６と、当接部１６７，１６８と、複数（２つ）の突起部１６４とを備えている。

各仕切壁部１６５，１６６は、平面視で前後方向に延びた矩形状であり、板状部材本体部１６３から例えば図４における手前方向に向かって隆起している。板状部材本体部１６３上に配置される上述の複数の金属端子間には、仕切壁部１６５，１６６が位置している。したがって、複数の金属端子同士は接触しない。

当接部１６７，１６８は、板状部材本体部１６３から例えば図４における手前方向に向かって隆起している。上述のように、２つの板状部材１６１によって、センサ素子１０１のうち電極パッド１７０が形成された部分が挟まれる。当接部１６７，１６８の各々は、２つの板状部材１６１がセンサ素子１０１を挟んだ状態で、対向する板状部材１６１の板状部材本体部１６３に当接する。

複数の突起部１６４の各々は、板状部材１６１の後端の面１６９（図６）から後方に向かって延びている。一方の突起部１６４は面１６９における長手方向（左右方向）の一方の端部に形成されており、他方の突起部１６４は面１６９における長手方向の他方の端部に形成されている。板状部材１６１の平面視（図４参照）において、突起部１６４には後端に向かうほど突起部１６４が細くなるテーパＴ１が形成されている。また、板状部材１６１の側面視（図５参照）において、突起部１６４には後端に向かうほど突起部１６４が細くなるテーパＴ２が形成されている。

［４．グロメットの劣化抑制］
上述のように、ガスセンサ１００においては、コネクタ１５０に含まれる板状部材１６１の後端にグロメット１５７の前端が押し当てられている。グロメット１５７の前端を板状部材１６１の後端に押し当てることによって、ガスセンサ１００の製造時におけるグロメット１５７の位置決めが容易となる。また、グロメット１５７の前端を板状部材１６１の後端に押し当てることによって、ガスセンサ１００の使用時にセンサ素子１０１等に生じる振動が抑制される。

一方、ガスセンサ１００の使用時にセンサ素子１０１は高温になるため、センサ素子１０１を保持するコネクタ１５０も高温になる。仮にコネクタ１５０からグロメット１５７への熱伝達が容易であれば、グロメット１５７が高温になり、グロメット１５７が急速に劣化する可能性がある。

図７は、コネクタ１５０の代わりに仮のコネクタ１５０Ａが用いられた場合に生じる問題を説明するための図である。なお、図７においては、理解の容易のために、リード線１５５等が省略されている。

図７に示されるように、コネクタ１５０Ａは、２つの板状部材１６１Ａと、固定部材１６２Ａとを含んでいる。各板状部材１６１Ａにおいては、本実施の形態における板状部材１６１と異なり、突起部１６４が形成されていない。したがって、この場合には、板状部材１６１Ａの後端の面全体がグロメット１５７に接触する。その結果、コネクタ１５０Ａからグロメット１５７への熱伝達が容易になり、グロメット１５７が高温になる。

図８は、本実施の形態に従うガスセンサ１００における図７に対応する位置を模式的に示す図である。図８に示されるように、ガスセンサ１００においては、板状部材１６１の突起部１６４のみがグロメット１５７に接触している。より具体的には、突起部１６４の後端の面のみがグロメット１５７に接触している。すなわち、ガスセンサ１００においては、板状部材１６１の後端の面全体がグロメット１５７に接触するわけではない。したがって、ガスセンサ１００によれば、板状部材１６１の後端の面全体がグロメット１５７に接触する場合と比較して、板状部材１６１とグロメット１５７との接触面積が小さいため、板状部材１６１からグロメット１５７への熱伝達を抑制することができる。その結果、ガスセンサ１００によれば、グロメット１５７の劣化が抑制されるため、ガスセンサ１００の製品寿命を延ばすことができる。

特に、ガスセンサ１００においては、突起部１６４の先端部（後端寄りの端部）が突起部１６４の付け根部よりも細くなっているため、突起部１６４とグロメット１５７との接触面積をより小さくすることができる。また、ガスセンサ１００によれば、突起部１６４の付け根部が突起部１６４の先端部よりも太くなっているため、突起部１６４の強度をある程度確保することができる。すなわち、ガスセンサ１００によれば、突起部１６４とグロメット１５７との接触面積の低減と、突起部１６４の強度の確保とを両立することができる。例えば、突起部１６４とグロメット１５７との接触面積は、グロメット１５７の前端の面の面積に対して５％以下である。

図９は、グロメット１５７の前端の面を模式的に示す図である。図９を参照して、領域Ａ１は、グロメット１５７がコネクタ１５０に押し当てられた状態で、センサ素子１０１に対向する領域である。各領域Ａ２は、２つの板状部材１６１のいずれかの突起部１６４が接触する領域である。

各板状部材１６１においては後端の面１６９の長手方向の両端部に突起部１６４が形成されているため、２つの板状部材１６１によってセンサ素子１０１が挟まれた状態で、領域Ａ１の四隅の位置に領域Ａ２が形成される。

グロメットがコネクタに押し当てられているガスセンサにおいては、通常センサ素子からの輻射熱の影響で、グロメットのうちセンサ素子と対向している領域が比較的高温になることを本発明者（ら）は見出した。

本実施の形態に従うガスセンサ１００において、各突起部１６４は、グロメット１５７の領域Ａ１（センサ素子１０１と対向している領域）から比較的遠い位置においてグロメット１５７と接触する。その結果、ガスセンサ１００によれば、板状部材１６１からグロメット１５７への熱伝達が主にグロメット１５７における比較的低温の領域（領域Ａ２）を介して行なわれるため、グロメット１５７における温度の偏りの発生を抑制することができる。その結果、ガスセンサ１００によれば、グロメット１５７の劣化が抑制されるため、ガスセンサ１００の製品寿命を延ばすことができる。

［５．特徴］
以上のように、本実施の形態に従うガスセンサ１００においては、板状部材１６１（コネクタ１５０）の後端の面１６９に形成された突起部１６４がグロメット１５７に接触しており、板状部材１６１の後端の面全体がグロメット１５７に接触するわけではない。したがって、ガスセンサ１００によれば、板状部材１６１の後端の面全体がグロメットに接触する場合と比較して、板状部材１６１とグロメット１５７との接触面積が小さいため、板状部材１６１からグロメット１５７への熱伝達を抑制することができる。その結果、ガスセンサ１００によれば、グロメット１５７の劣化が抑制されるため、ガスセンサ１００の製品寿命を延ばすことができる。

なお、ガスセンサ１００は本発明の「ガスセンサ」の一例であり、センサ素子１０１は本発明の「センサ素子」の一例である。素子封止体１４１は本発明の「素子封止体」の一例であり、リード線１５５は本発明の「リード線」の一例である。コネクタ１５０は本発明の「コネクタ」の一例であり、外筒１４８は本発明の「外筒」の一例である。グロメット１５７は本発明の「グロメット」の一例であり、板状部材１６１は本発明の「板状部材」の一例である。突起部１６４は本発明の「突起部」の一例であり、保護カバー１３０は本発明の「保護カバー」の一例である。

［６．変形例］
以上、実施の形態について説明したが、本発明は、上記実施の形態に限定されるものではなく、その趣旨を逸脱しない限りにおいて、種々の変更が可能である。以下、変形例について説明する。

（６−１）
上記実施の形態に従うガスセンサ１００において、センサ素子１０１には、第１内部空所２０と、第２内部空所４０とが形成されていた。すなわち、センサ素子１０１は、２室構造であった。しかしながら、センサ素子１０１は、必ずしも２室構造である必要はない。例えば、センサ素子１０１は、３室構造であってもよい。

図１０は、３室構造のセンサ素子１０１Ｘの構成の一例を概略的に示した断面模式図である。図１０に示されるように、第２内部空所４０（図３）を第５拡散律速部６０でさらに２室に分け、第２内部空所４０Ｘと第３内部空所６１とを作成してもよい。この場合、第２内部空所４０Ｘに補助ポンプ電極５１Ｘを配置し、第３内部空所６１に測定電極４４Ｘを配置してもよい。また３室構造にする場合には、第４拡散律速部４５を省略してもよい。

（６−２）
また、上記実施の形態に従うガスセンサ１００においては、各板状部材１６１に２つの突起部１６４が形成されていた。しかしながら、板状部材１６１に形成される突起部１６４の数は２つに限定されない。例えば、板状部材１６１に、１つの突起部１６４が形成されてもよいし、３つ以上の突起部１６４が形成されてもよい。

（６−３）
また、上記実施の形態に従うガスセンサ１００においては、各板状部材１６１の後端の面１６９の長手方向の両端部に突起部１６４が形成された。しかしながら、突起部１６４が形成される位置は必ずしもこれに限定されない。例えば、突起部１６４は、板状部材１６１の後端の面１６９における中央付近の位置に形成されてもよい。

（６−４）
また、上記実施の形態に従うガスセンサ１００に含まれる素子封止体１４１においては、セラミックスサポーター１４４ａ，１４４ｂによって圧粉体１４５ａが挟まれ、セラミックスサポーター１４４ｂ，１４４ｃによって圧粉体１４５ｂが挟まれた。しかしながら、セラミックスサポーター及び圧粉体の数及び配置はこれに限定されない。たとえば、セラミックスサポーターとしては２つのみが用いられ、２つのセラミックスサポーターの間に圧粉体が挟まれる構成であってもよい。

（６−５）
また、上記実施の形態に従うガスセンサ１００においては、コネクタ１５０が２つの板状部材１６１を含んでいた。しかしながら、コネクタ１５０は、必ずしも２つの板状部材１６１を含む必要はない。例えば、センサ素子１０１のうち電極パッド１７０が形成される部分を保持する部材は、２つの板状部材１６１が一体的に形成されたような部材であってもよいし、センサ素子１０１のうち電極パッド１７０が形成される部分の周囲を覆う筒状の部材であってもよい。

［７．実施例等］
（７−１．実施例１，２及び比較例１）
実施例１，２となる２つのガスセンサ１００を作成すると共に、比較例１となるガスセンサを作成した。実施例１，２及び比較例1における違いは、板状部材１６１の形状のみであった。実施例１，２において、板状部材１６１の形状は、図８に示されるように突起部１６４を有する形状であった。比較例１において、板状部材１６１の形状は、図７に示されるように突起部１６４を有さない形状であった。なお、実施例１，２及び比較例1の各々において、グロメット１５７の前端の面の面積は７５．８ｍｍ²であった。

実施例１におけるガスセンサ１００において、２つの板状部材１６１に含まれる合計４つの突起部１６４の後端の面の面積の合計は３．４ｍｍ²であった。すなわち、突起部１６４とグロメット１５７との接触面積は、グロメット１５７の前端の面の面積に対して４．５％であった。

実施例２におけるガスセンサ１００において、２つの板状部材１６１に含まれる合計４つの突起部１６４の後端の面の面積の合計は２．６ｍｍ²であった。すなわち、突起部１６４とグロメット１５７との接触面積は、グロメット１５７の前端の面の面積に対して３．４％であった。

比較例１におけるガスセンサにおいて、２つの板状部材１６１Ａの後端の面の面積の合計は１５．１ｍｍ²であった。すなわち、板状部材１６１Ａとグロメット１５７との接触面積は、グロメット１５７の前端の面の面積に対して１９．９％であった。

（７−２．評価試験）
実施例１，２及び比較例１におけるガスセンサのうち保護カバー１３０部分のみを灼熱炉内に挿入した。この状態で、ガスセンサを作動させた。その後、灼熱炉内を昇温した。

図１１は、灼熱炉内のヒートカーブを示す図である。図１１に示されるように、灼熱炉内は、８００℃以上になるまで徐々に昇温された。

本評価試験においては、グロメット１５７の温度と、ナット１４７の温度とが測定された。グロメット１５７の温度は、突起部１６４が接触している位置から約１ｍｍ後端側の位置に熱電対を突き刺すことによって測定された。ナット１４７の温度は、ナット１４７の表面に熱電対を配置することによって測定された。本評価試験においては、ナット１４７の温度が６５０℃となった時点におけるグロメット１５７の温度を比較することによって行なわれた。

図１２は、評価試験の結果を示す図である。図１２に示されるように、比較例１においては、グロメット１５７の温度が２６８℃であった。一方、実施例１においてはグロメット１５７の温度が２５８℃であり、実施例２においてはグロメット１５７の温度が２５３℃であった。すなわち、実施例１においてはグロメット１５７の温度が１０℃低減され、実施例２においてはグロメット１５７の温度が１５℃低減された。

例えば、ガスセンサ１００が車両の排ガス管等の配管１９０（図１）に取り付けられて使用される場合、配管１９０内は常に高温であるわけではない。すなわち、通常の使用環境においては、ガスセンサ１００の昇温と降温とが繰り返される。したがって、グロメット１５７の温度上昇スピードが緩やかになれば、グロメット１５７の劣化が急激に進行する程度までグロメット１５７の温度が上昇する可能性が低減する。上記実施例１，２においては、比較例１と比較して、グロメット１５７の温度上昇スピードが緩やかになった。すなわち、実施例１，２におけるガスセンサ１００によれば、比較例１におけるガスセンサと比較して、グロメット１５７の劣化を抑制することができた。

１ 第１基板層、２ 第２基板層、３ 第３基板層、４ 第１固体電解質層、５ スペーサ層、６ 第２固体電解質層、１０ ガス導入口、１１ 第１拡散律速部、１２ 緩衝空間、１３ 第２拡散律速部、２０ 第１内部空所、２１ 主ポンプセル、２２ 内側ポンプ電極、２２ａ，５１ａ，５１ａＸ 天井電極部、２２ｂ，５１ｂ，５１ｂＸ 底部電極部、２３ 外側ポンプ電極、３０ 第３拡散律速部、４０，４０Ｘ 第２内部空所、４１ 測定用ポンプセル、４２ 基準電極、４３ 基準ガス導入空間、４４，４４Ｘ 測定電極、４５ 第４拡散律速部、４６，５２ 可変電源、４８ 大気導入層、５０ 補助ポンプセル、５１，５１Ｘ 補助ポンプ電極、６０ 第５拡散律速部、６１ 第３内部空所、７０ ヒータ部、７１ ヒータ電極、７２ ヒータ、７３ スルーホール、７４ ヒータ絶縁層、７５ 圧力放散孔、８０ 主ポンプ制御用酸素分圧検出センサセル、８１ 補助ポンプ制御用酸素分圧検出センサセル、８２ 測定用ポンプ制御用酸素分圧検出センサセル、８３ センサセル、１００ ガスセンサ、１０１ センサ素子、１３０ 保護カバー、１３１ 内側保護カバー、１３２ 外側保護カバー、１３３ センサ素子室、１４０ センサ組立体、１４１ 素子封止体、１４２ 主体金具、１４３ 内筒、１４３ａ，１４３ｂ 縮径部、１４４ａ−１４４ｃ セラミックスサポーター、１４５ａ，１４５ｂ 圧粉体、１４６ メタルリング、１４７ ナット、１４８ 外筒、１４９ 空間、１５０，１５０Ａ コネクタ、１５５ リード線、１５７ グロメット、１６１，１６１Ａ 板状部材、１６２，１６２Ａ 固定部材、１６３ 板状部材本体部、１６４ 突起部、１６５，１６６ 仕切壁部、１６７，１６８ 当接部、１６９ 面、１７０ 電極パッド、１９０ 配管、１９１ 固定用部材、Ａ１，Ａ２ 領域、Ｔ１，Ｔ２ テーパ。

Claims (6)

1. 被測定ガスにおける所定ガス成分の濃度を測定するように構成されたガスセンサであって、
   後端寄りの表面に電極パッドが形成されたセンサ素子と、
   前記センサ素子の一部分を保持する素子封止体と、
   リード線と、
   前記センサ素子のうち前記電極パッドが形成された部分を保持し、前記電極パッドと前記リード線とを電気的に接続するコネクタと、
   前記素子封止体に固定され、前記コネクタの周囲を覆う外筒と、
   前記外筒の後端に取り付けられ、前記リード線が貫通したグロメットとを備え、
   前記コネクタの後端の面には、突起部が形成されており、
   前記突起部と前記グロメットとが接触している、ガスセンサ。
2. 前記素子封止体に固定され、前記センサ素子の前端を覆う保護カバーをさらに備え、
   前記素子封止体は、前記素子封止体と前記保護カバーとの間に形成される空間と、前記素子封止体と前記外筒との間に形成される空間との間を封止する、請求項１に記載のガスセンサ。
3. 前記突起部と前記グロメットとの接触面積は、前記グロメットの前端の面の面積に対して５％以下である、請求項１又は請求項２に記載のガスセンサ。
4. 前記コネクタは、複数の板状部材を備え、
   前記センサ素子のうち前記電極パッドが形成された部分は、前記複数の板状部材によって挟まれており、
   前記複数の板状部材の各々の後端の面に前記突起部が形成されている、請求項１から請求項３のいずれか１項に記載のガスセンサ。
5. 前記複数の板状部材の各々の後端の面には、２つの突起部が形成されており、
   前記２つの突起部の一方は、前記後端の面における長手方向の一方の端部に形成されており、
   前記２つの突起部の他方は、前記後端の面における長手方向の他方の端部に形成されている、請求項４に記載のガスセンサ。
6. 前記板状部材の平面視、及び、前記板状部材の側面視の両方において、前記突起部には後端に向かうほど前記突起部が細くなるテーパが形成されている、請求項４又は請求項５に記載のガスセンサ。

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