JP2022064065A - ガスセンサ - Google Patents

Abstract

【課題】組み付けを容易にすることができるガスセンサを提供する。【解決手段】ガスセンサは、センサ素子及びヒータ素子４を備える。センサ素子は、有底円筒形状の固体電解質体と、固体電解質体に設けられた検出電極及び基準電極を有する。ヒータ素子４は、センサ素子の内側に配置された絶縁性基材４０と、絶縁性基材４０に設けられた発熱体４３とを有する。ヒータ素子４における、先端から全長の１／２以下の長さの範囲内に位置するヒータ先端部４Ａの中心軸線Ｏ１は、ヒータ素子４のヒータ基端部４Ｂの中心軸線Ｏ２に対して傾斜している。ヒータ先端部４Ａの周方向の一部は、センサ素子の内側面に０．１ｍｍ以下の範囲内で近接している。【選択図】図３

Description

本発明は、センサ素子及びヒータ素子を備えるガスセンサに関する。

ガスセンサは、例えば、車両の排気管に配置されて、排気管内を流れる検出対象ガスとしての排ガスにおける酸素濃度、特定ガス濃度、空燃比等を検出するために用いられる。ガスセンサには、有底円筒形状の固体電解質体を用いたセンサ素子、及びセンサ素子の内側に配置されてセンサ素子を加熱するヒータ素子を備えるものがある。ヒータ素子は、通電によって発熱する発熱体を有しており、発熱体によってセンサ素子を加熱しやすくするための工夫がなされている。

例えば、特許文献１には、酸素検出素子と、酸素検出素子の中空部に挿入された軸状のヒータとを備える酸素センサについて記載されている。この酸素センサにおいては、ヒータの発熱部近傍において、ヒータの中心軸線が、酸素検出素子の中空部の中心軸線に対して片側に寄るように偏心して配置されている。そして、ヒータの発熱部の周方向の一部区域において、他の区域よりも高温となる高温発熱域を形成している。

特開２００１－７４６８７号公報

特許文献１の酸素センサにおいては、ヒータにおける、発熱部近傍の部分の中心軸線を偏心させるために、次のような工夫が必要になる。すなわち、例えば、酸素検出素子に対してヒータを保持するためのヒータ金具の形状を特殊形状にし、ヒータ金具に取り付けられたヒータの中心軸線を、酸素検出素子の中心軸線に対して傾斜させる等の工夫が必要になる。そのため、特に小型の酸素センサ等においては、ヒータ金具の成形が難しい。

また、ヒータ金具へのヒータの保持位置の誤差、ヒータ金具の傾斜角度の誤差等が影響して、ヒータの軸方向の先端部の位置を規定の位置にすることが難しい。そのため、酸素センサの組付時において、ヒータが不必要に酸素検出素子に接触しないようにするために、ヒータ金具及びヒータの取り扱いが難しくなる。従って、酸素検出素子へのヒータの組み付けを容易にするためには、更なる工夫が必要とされる。

本発明は、かかる課題に鑑みてなされたもので、センサ素子へのヒータ素子の組み付けを容易にすることができるガスセンサを提供しようとするものである。

本発明の一態様は、
有底円筒形状の固体電解質体（３）、前記固体電解質体の外側面（３１１）に設けられた検出電極（３５）、及び前記固体電解質体の内側面（３１２，３２２）に設けられた基準電極（３６）を有するセンサ素子（２）と、
前記センサ素子の内側に配置された絶縁性基材（４０）、及び前記絶縁性基材に設けられた、通電によって発熱する発熱体（４３）を有するヒータ素子（４）と、を備え、
前記ヒータ素子における、先端から全長の１／２以下の長さの範囲内に位置するヒータ先端部（４Ａ）の中心軸線（Ｏ１）は、前記センサ素子のセンサ基端部（２２）に取り付けられた、前記ヒータ素子のヒータ基端部（４Ｂ）の中心軸線（Ｏ２）に対して傾斜又は偏心しており、
前記ヒータ先端部の周方向（Ｃ）の一部は、前記基準電極に接触又は近接している、ガスセンサ（１）にある。

前記一態様のガスセンサは、ヒータ素子に反り等の変形を付与することによって、ヒータ先端部が、センサ素子の基準電極に接触又は近接するようにしたものである。具体的には、ヒータ素子の単独の状態において、ヒータ素子における、先端から全長の１／２以下の長さの範囲内に位置するヒータ先端部の中心軸線は、ヒータ素子のヒータ基端部の中心軸線に対して傾斜又は偏心している。そして、ヒータ素子がセンサ素子の内側に配置された状態において、ヒータ先端部の周方向の一部は、基準電極に接触又は近接している。

このように、ヒータ素子自体が屈曲するように変形していることによって、ヒータ先端部の周方向の一部が、センサ素子の内側面における基準電極に接触又は近接している。そのため、ヒータ素子をセンサ素子に保持するためのヒータ金具の保持部を、傾斜形状等の特別な形状に形成する必要がなく、ヒータ金具の成形が容易である。

また、ヒータ素子は、センサ素子の軸方向に平行な、ヒータ金具の保持部に、軸方向に平行な状態で保持すればよい。そして、センサ素子の内側面に対する、ヒータ先端部の先端中心の偏心位置を、規定位置にすることが容易である。これにより、ガスセンサの組付時において、ヒータ素子をセンサ素子の内側に挿入する際に、ヒータ先端部がセンサ素子又は基準電極に不必要に接触することが避けられる。そのため、ガスセンサの組付時において、ヒータ金具及びヒータ素子の取り扱いを容易にすることができる。

それ故、前記一態様のガスセンサによれば、センサ素子へのヒータ素子の組み付けを容易にすることができる。

なお、本発明の一態様において示す各構成要素のカッコ書きの符号は、実施形態における図中の符号との対応関係を示すが、各構成要素を実施形態の内容のみに限定するものではない。

図１は、実施形態１にかかる、ガスセンサの断面を示す説明図である。 図２は、実施形態１にかかる、センサ素子、ヒータ素子、ヒータ金具等を示す説明図である。 図３は、実施形態１にかかる、ヒータ素子及びヒータ金具を示す説明図である。 図４は、実施形態１にかかる、ヒータ素子及びヒータ金具を、図３とは９０°異なる方向から見て示す説明図である。 図５は、実施形態１にかかる、ヒータ素子内に配置されたヒータ素子のヒータ先端部の周辺を拡大して示す説明図である。 図６は、実施形態１にかかる、ヒータ素子内に配置されたヒータ素子のヒータ先端部の周辺を拡大して示す、図２のVI－VI断面図である。 図７は、実施形態１にかかる、ヒータ素子内に配置されたヒータ素子のヒータ先端部の周辺を拡大して示す、図２のVII－VII断面図である。 図８は、実施形態１にかかる、他のヒータ素子及びヒータ金具を示す説明図である。 図９は、実施形態１にかかる、ヒータ素子の中軸部及びシート部を示す説明図である。 図１０は、実施形態１にかかる、治具に載置されたヒータ素子の中間体が変形した状態を示す説明図である。 図１１は、実施形態１にかかる、治具及びヒータ素子の中間体の断面を示す説明図である。 図１２は、実施形態２にかかる、ヒータ素子及びヒータ金具を示す説明図である。 図１３は、実施形態２にかかる、治具に載置されたヒータ素子の中間体が変形した状態を示す説明図である。

前述したガスセンサにかかる好ましい実施形態について、図面を参照して説明する。
＜実施形態１＞
本形態のガスセンサ１は、図１に示すように、センサ素子２及びヒータ素子４を備える。図２～図５に示すように、センサ素子２は、有底円筒形状の固体電解質体３と、固体電解質体３の外側面３１１に設けられた検出電極３５と、固体電解質体３の内側面３１２，３２２に設けられた基準電極３６とを有する。ヒータ素子４は、センサ素子２の内側に配置された絶縁性基材４０と、絶縁性基材４０に設けられた、通電によって発熱する発熱体４３とを有する。

ヒータ素子４における、先端から全長の１／２以下の長さの範囲内に位置するヒータ先端部４Ａの中心軸線Ｏ１は、センサ素子２のセンサ基端部２２に取り付けられた、ヒータ素子４のヒータ基端部４Ｂの中心軸線Ｏ２に対して傾斜している。ヒータ先端部４Ａの周方向Ｃの一部は、基準電極３６に０．１ｍｍ以下の範囲内で近接している。図３においては、ヒータ素子４における、軸方向Ｌの先端から全長の１／２の長さを符号Ｌ１によって示す。

以下に、本形態のガスセンサ１について詳説する。
（ガスセンサ１）
図１に示すように、ガスセンサ１は、車両のエンジンの排気管に配置され、排気管を流れる排ガスＧを検出対象ガスとして、排ガスＧにおける酸素濃度等を検出するために用いられる。本形態のガスセンサ１は、酸素センサ（λセンサともいう。）として用いられる。酸素センサは、固体電解質体３を介して検出電極３５と基準電極３６との間に生じる起電力を検出して、排ガスＧの組成から求められるエンジンの空燃比が、理論空燃比と比べて空気に対する燃料の割合が多い燃料リッチ側にあるか、理論空燃比と比べて空気に対する燃料の割合が少ない燃料リーン側にあるかを判定する。なお、ガスセンサ１は、排ガスＧにおける酸素濃度に基づいて、エンジンにおける空燃比を求める空燃比センサ（Ａ／Ｆセンサ）として用いてもよい。

排気管には、排ガスＧ中の有害物質を浄化するための触媒が配置されており、ガスセンサ１は、排気管における排ガスＧの流れ方向において、触媒の上流側に配置されている。ガスセンサ１は、排気管における排ガスＧの流れ方向において、触媒の下流側に配置するものとしてもよい。また、ガスセンサ１は、排気管における排ガスＧの流れ方向において、触媒の上流側及び下流側の両方に配置してもよい。また、ガスセンサ１は、排ガスＧを利用してエンジンが吸入する空気の密度を高める過給機の吸入側の配管に配置してもよい。また、ガスセンサ１を配置する配管は、エンジンから排気管に排気される排ガスＧの一部を、エンジンの吸気管に再循環させる排気再循環機構における配管としてもよい。

（軸方向Ｌ、周方向Ｃ及び径方向Ｒ）
図１～図７に示すように、本形態において、軸方向Ｌとは、センサ素子２の中心軸線Ｏ及びヒータ素子４のヒータ基端部４Ｂの中心軸線Ｏ２に沿った方向のことをいう。周方向Ｃとは、センサ素子２の中心軸線Ｏ及びヒータ素子４のヒータ基端部４Ｂの中心軸線Ｏ２の周りの方向のことをいう。径方向Ｒとは、センサ素子２の中心軸線Ｏ及びヒータ素子４のヒータ基端部４Ｂの中心軸線Ｏ２から放射状に延びる方向のことをいう。

（センサ素子２）
図２に示すように、センサ素子２の固体電解質体３は、円筒部３１と、円筒部３１の軸方向Ｌの先端側Ｌ１を閉塞する半球面状の底部３２とを有する。換言すれば、固体電解質体３は、軸方向Ｌの先端側Ｌ１が閉塞された中空形状を有する。固体電解質体３の軸方向Ｌの基端部には、固体電解質体３の内側に基準ガスＡを流入させることができる開口部３３が形成されている。円筒部３１の軸方向Ｌにおける各部の外径は、ハウジング６１への取り付けを考慮して、適宜変化している。

センサ素子２の固体電解質体３は、ジルコニアを主成分とするものであり、希土類金属元素又はアルカリ土類金属元素によってジルコニアの一部を置換させた安定化ジルコニア又は部分安定化ジルコニアからなる。固体電解質体３は、イットリア安定化ジルコニア又はイットリア部分安定化ジルコニアから構成することができる。固体電解質体３は、所定の活性化温度において、酸化物イオン（Ｏ^2-）を伝導させるイオン伝導性を有するものである。検出電極３５及び基準電極３６は、酸素に対する触媒活性を示す白金を含有している。

図２及び図５に示すように、検出電極３５は、円筒部３１の外側面３１１としての外周面３１１に形成された外側検知部３５１と、外側検知部３５１の軸方向Ｌの基端側Ｌ２に繋がる外側リード部３５２を有する。外側検知部３５１は、円筒部３１の外周面３１１及び底部３２の外側面３２１に連続して形成されていてもよい。外側検知部３５１は、円筒部３１の外周面３１１における、円筒部３１の周方向Ｃの全周にわたって形成されている。外側リード部３５２は、円筒部３１の周方向Ｃの一部に設けられており、外側端子金具５５に接触して導通されている。外側リード部３５２の軸方向Ｌの基端側Ｌ２の部分は、周方向Ｃの全周に形成されていてもよい。

基準電極３６は、円筒部３１の内側面３１２としての内周面３１２及び底部３２の内側面３２２に連続して形成されている。本形態の基準電極３６は、円筒部３１の内周面３１２及び底部３２の内側面３２２の全体に形成されている。基準電極３６は、内側端子金具としてのヒータ金具５に接触して導通されている。基準電極３６は、円筒部３１の内周面３１２及び底部３２の内側面３２２に形成された内側検知部と、内側検知部の軸方向Ｌの基端側Ｌ２に繋がる内側リード部とを有する形状に形成されていてもよい。

センサ素子２の軸方向Ｌのセンサ先端部２１には、少なくとも検出電極３５の外側検知部３５１の全体を覆うように、アルミナ等の金属酸化物の多孔質体からなる保護層２１１が設けられている。保護層２１１は、検出電極３５の被毒及び被水を防止するためのものである。

（ヒータ素子４）
図５～図７に示すように、ヒータ素子４は、絶縁性基材４０の一部を構成する中軸部４１と、絶縁性基材４０の残部を構成するシート部４２とを有する。発熱体４３はシート部４２に設けられており、シート部４２は、中軸部４１の外周に巻き付けられている。中軸部４１及びシート部４２は、セラミックス材料、特にアルミナ（酸化アルミニウム）等の金属酸化物によって構成されている。

図６は、センサ素子２内に配置された状態のヒータ素子４のヒータ基端部４Ｂの断面を示し、かつヒータ素子４のヒータ基端部４Ｂの中心軸線Ｏ２は、センサ素子２の中心軸線Ｏと一致していることを示す。図７は、センサ素子２内に配置された状態のヒータ素子４のヒータ先端部４Ａの断面を示し、かつヒータ素子４のヒータ先端部４Ａの中心軸線Ｏ１は、センサ素子２の中心軸線Ｏからずれていることを示す。

発熱体４３は、シート部４２における、中軸部４１の外周面に対面する内側面に設けられている。発熱体４３は、中軸部４１にシート部４２が巻き付けられた状態において、中軸部４１を構成する絶縁性基材４０とシート部４２を構成する絶縁性基材４０との間に埋設されている。

図３に示すように、ヒータ素子４は、折れ曲がるように屈曲して形成されている。ヒータ素子４は、直線状に屈曲していてもよく、図８に示すように、曲線状に屈曲していてもよい。ヒータ素子４は、ヒータ基端部４Ｂの、ヒータ金具５に保持される部分を除き、残りのヒータ基端部４Ｂ及びヒータ先端部４Ａにわたって屈曲していてもよい。また、ヒータ素子４は、ヒータ先端部４Ａにおいて屈曲していてもよい。図３、図５、図７等においては、ヒータ素子４が屈曲する状態を誇張して示す。

図５及び図７に示すように、本形態のヒータ先端部４Ａの周方向Ｃの一部は、０．１ｍｍ以下の範囲内で基準電極３６に近接している。本形態においては、ヒータ先端部４Ａのシート部４２における周方向Ｃの一部は、０．１ｍｍ以下の範囲内で基準電極３６に近接している。ヒータ先端部４Ａの周方向Ｃの一部は、基準電極３６に接触していてもよい。これらの構成により、ヒータ素子４からセンサ素子２への伝熱性能を高めることができる。ヒータ素子４の同心度、すなわちヒータ基端部４Ｂの中心軸線Ｏ２の位置に対する、ヒータ先端部４Ａの先端面の中心軸線Ｏ１の位置のずれ量は、０．０５～０．２ｍｍの範囲内にある。

ずれ量が０．２ｍｍ超過である場合には、ヒータ素子４をセンサ素子２内に挿入する際に、ヒータ素子４がセンサ素子２の円筒部３１の内周面３１２に干渉するおそれがある。一方、ずれ量が０．０５ｍｍ未満である場合には、ヒータ素子４が屈曲することによる効果が得られないおそれがある。

図５～図７及び図９に示すように、発熱体４３は、ヒータ素子４のヒータ先端部４Ａにおいて、ヒータ素子４の軸方向Ｌに蛇行する導体によって形成された発熱部４３１と、発熱部４３１の両端に繋がる導体によって形成されたリード部４３２とを有する。発熱体４３においては、発熱部４３１を構成する導体における、軸方向Ｌ及び周方向Ｃの中心位置が、ヒータ素子４において最も高温になる発熱中心となる。発熱部４３１を構成する導体の断面積は、リード部４３２を構成する導体の断面積よりも小さい。一対のリード部４３２を介して発熱体４３に通電されたときには、発熱部４３１がジュール熱によって発熱する。図９は、ヒータ素子４の中軸部４１、及び中軸部４１に巻き付けられる前のシート部４２を示す。

図１～図３に示すように、ヒータ素子４のヒータ基端部４Ｂには、リード部４３２に電気接続されて発熱体４３に電力を供給するための電力供給金具５６が取り付けられている。

図５及び図７に示すように、本形態においては、ヒータ素子４からセンサ素子２への伝熱を効果的にするために、ヒータ先端部４Ａの周方向Ｃにおける、発熱部４３１の中心が位置する部分が、基準電極３６に近接又は接触している。

また、センサ素子２の基準電極３６には、ヒータ素子４のシート部４２又は中軸部４１のいずれが接触していてもよい。基準電極３６には、シート部４２の軸方向Ｌの先端側Ｌ１の角部４２２が接触することがある。また、中軸部４１の軸方向Ｌの先端部には、面取りによるテーパ面４１１が形成されている。そして、基準電極３６には、テーパ面４１１、又はテーパ面４１１を形成する角部が接触することがある。中軸部４１の軸方向Ｌの先端部には、テーパ面４１１の代わりに曲面が形成されていてもよい。

図６、図７及び図９に示すように、ヒータ素子４は、発熱体４３が設けられたシート部４２が、中軸部４１の外周に接着剤４５を介して巻き付けられ、その後、中軸部４１及びシート部４２が焼成されることによって形成されている。ヒータ素子４においては、シート部４２の周方向Ｃの端部同士の間に、シート部４２が存在しない隙間としての溝部位４２１が形成されている。

（ヒータ素子４の製造）
図１０及び図１１に示すように、ヒータ素子４は、中軸部４１及びシート部４２の中間体に重力又は外力が加えられることによって、屈曲するように変形して形成されている。ヒータ素子４のヒータ先端部４Ａは、焼成前又は焼成時に重力又は外力が加えられることによって屈曲する。ヒータ素子４の焼成前又は焼成時には、中軸部４１及びシート部４２の中間体が載置される治具７が使用される。

ヒータ素子４の製造においては、中軸部４１と、発熱体４３が設けられたシート部４２とが別々に形成される。焼成前の中軸部４１及びシート部４２は、金属酸化物の粒子の他に、樹脂等のバインダーを含んでおり、変形しやすい状態にある。そして、中軸部４１及びシート部４２の少なくとも一方に、接着剤４５としての金属酸化物のペーストを塗布し、中軸部４１の周りに、接着剤４５を介してシート部４２を巻き付けて、ヒータ素子４の中間体を形成する。接着剤４５は、金属酸化物及び樹脂等のバインダーを含有する。

図１０及び図１１に示すように、治具７は、ヒータ素子４の中間体が載置される、Ｖ形状の載置面７２１を有する。治具７は、ヒータ素子４のヒータ基端部４Ｂの下方に配置されて、ヒータ基端部４Ｂの外周面３１１に接触する基端側治具部７２と、基端側治具部７２に連結されて、ヒータ先端部４Ａの下方に配置される先端側治具部７１とを有する。Ｖ形状の載置面７２１は、基端側治具部７２の上面に形成されており、中間体のヒータ基端部４Ｂに両側から接触する。先端側治具部７１は、ヒータ素子４のヒータ先端部４Ａとの間に変形用隙間７１１を形成する形状に形成されている。図１０は、ヒータ素子４のヒータ先端部４Ａが、変形用隙間７１１を介して変形した状態を示す。

変形用隙間７１１の高さ寸法、換言すれば、先端側治具部７１の上面と、変形前のヒータ素子４のヒータ先端部４Ａとの隙間の大きさは、ヒータ基端部４Ｂに対してヒータ先端部４Ａを屈曲させたい量の最大値として設定することができる。本形態の先端側治具部７１の上面は、基端側治具部７２のＶ形状の載置面７２１の最下端よりも低い位置にある。また、先端側治具部７１は、ヒータ先端部４Ａに接触しないようにするため、平板形状等に形成されている。

図１０及び図１１に示すように、ヒータ素子４は、発熱部４３１の周方向Ｃの中心位置４３３が下方に向く状態で、治具７の載置面７２１に載置される。換言すれば、ヒータ素子４は、シート部４２の溝部位４２１が上方に向く状態で、治具７の載置面７２１に載置される。そして、治具７上に載置されたヒータ素子４のヒータ先端部４Ａに作用する重力又は外力によって、ヒータ先端部４Ａは変形用隙間７１１を利用して、屈曲するように変形することができる。

ヒータ素子４が屈曲する基準位置としての屈曲起点は、基端側治具部７２における、先端側治具部７１の側の端部から、先端側治具部７１の方へ若干ずれた位置までの範囲内に形成される。そして、焼成温度及び焼成時間の条件によって、ヒータ先端部４Ａの屈曲量を規定量にすることができる。換言すれば、ヒータ基端部４Ｂの中心軸線Ｏ２から、ヒータ先端部４Ａの先端中心の径方向Ｒへの偏心位置を、規定位置にすることができる。

中軸部４１及びシート部４２が接着剤４５を介して接着された、ヒータ素子４の中間体の焼成時においては、この中間体を治具７の載置面７２１に載置する。そして、中間体を所定の焼成温度に加熱して、中間体の焼成を行う。このとき、中間体におけるバインダーが熱によって揮発する過程において、中間体のヒータ先端部４Ａに作用する自重によって、ヒータ先端部４Ａがヒータ基端部４Ｂに対して、変形用隙間７１１を利用して下方へ屈曲する。これにより、ヒータ基端部４Ｂの中心軸線Ｏ２に対してヒータ先端部４Ａの中心軸線Ｏ１が傾斜するヒータ素子４を形成することができる。

また、ヒータ素子４の中間体は、焼成前の保管時において、治具７の載置面７２１に載置しておくこともできる。そして、中間体を治具７に載置しておく過程において、中間体のヒータ基端部４Ｂを治具７に押し当てながら、中間体のヒータ先端部４Ａを外力によって下方へ押し下げる。このとき、ヒータ先端部４Ａがヒータ基端部４Ｂに対して、変形用隙間７１１を利用して下方へ屈曲する。これによっても、ヒータ基端部４Ｂの中心軸線Ｏ２に対してヒータ先端部４Ａの中心軸線Ｏ１が傾斜するヒータ素子４を形成することができる。

ヒータ素子４の中間体は、シート部４２の溝部位４２１が上側を向く状態で治具７の載置面７２１に載置することにより、焼成時における不要な変形を少なくすることができる。そして、ヒータ素子４の焼成時又は焼成前に、治具７上において、ヒータ先端部４Ａをヒータ基端部４Ｂに対して屈曲させることにより、ヒータ素子４の形成が容易である。

（ヒータ金具５）
図１～図４に示すように、ガスセンサ１は、ヒータ素子４をセンサ素子２内に支持するためのヒータ金具５を備える。ヒータ金具５は、基準電極３６に電気接続される内側端子金具の役割も兼備する。ヒータ金具５は、センサ素子２のセンサ基端部２２の内側面３１２としての内周面３１２に装着された装着部５１と、装着部５１に繋がり、ヒータ素子４のヒータ基端部４Ｂの外周を保持する保持部５２と、装着部５１から軸方向Ｌの基端側Ｌ２に引き出された引出部５３とを有する。装着部５１及び保持部５２は、センサ素子２の軸方向Ｌに対して平行に形成されている。換言すれば、装着部５１及び保持部５２の中心軸線は、センサ素子２の軸方向Ｌに対して平行である。

ヒータ金具５は、板金を成形することによって形成されており、装着部５１及び保持部５２は、円弧状に丸められた形状を有する。装着部５１は、センサ基端部２２の内周面３１２に沿った形状に形成されている。保持部５２は、ヒータ基端部４Ｂの外周面３１１に沿った形状に形成されている。装着部５１及び保持部５２は、周方向Ｃの基準部位から、周方向Ｃの両側に向けて形成されており、周方向Ｃの基準部位の反対側に開口部位５４を有する。開口部位５４は、装着部５１の周方向Ｃの端部同士の間、及び保持部５２の周方向Ｃの端部同士の間に形成されている。引出部５３は、装着部５１の基準部位において、軸方向Ｌの基端側Ｌ２に引き出されている。

図３、図６及び図７に示すように、装着部５１及び保持部５２の周方向Ｃの開口部位５４と、ヒータ素子４における、シート部４２の周方向Ｃの端部同士の間に形成された溝部位４２１とは、センサ素子２の特定径方向Ｒ１に向けられている。換言すれば、装着部５１及び保持部５２の開口部位５４の周方向Ｃの位置と、ヒータ素子４における溝部位４２１の周方向Ｃの位置とは、±５°の範囲内で一致している。この構成により、ヒータ素子４とヒータ金具５との周方向Ｃの組付位置を簡単に合わせることができる。

また、図３に示すように、ヒータ素子４のヒータ先端部４Ａは、センサ素子２の周方向Ｃにおける、特定径方向Ｒ１とは反対方向に向けて傾斜している。換言すれば、ヒータ先端部４Ａの発熱部４３１における周方向Ｃの中心位置４３３が、ヒータ金具５の装着部５１及び保持部５２の開口部位５４が位置する特定径方向Ｒ１とは反対方向に位置し、ヒータ先端部４Ａが特定径方向Ｒ１とは反対方向に屈曲している。このような構成により、ヒータ金具５の装着部５１及び保持部５２の開口部位５４に対して、ヒータ素子４のヒータ先端部４Ａが屈曲する方向を一定にすることができる。

（ガスセンサ１の他の構成）
図１に示すように、ガスセンサ１は、センサ素子２及びヒータ素子４以外に、センサ素子２を保持するハウジング６１、ハウジング６１の先端側Ｌ１の部位に装着された先端側カバー６２、ハウジング６１の基端側Ｌ２の部位に装着された基端側カバー６３等を備える。

（ハウジング６１）
図１に示すように、ハウジング６１には、センサ素子２を保持するために、軸方向Ｌに向けて貫通する挿通穴６１１が形成されている。挿通穴６１１は、軸方向Ｌの先端側Ｌ１に位置する小径穴部６１２と、軸方向Ｌの基端側Ｌ２に位置して小径穴部６１２よりも拡径した大径穴部６１３とを有する。センサ素子２は、挿通穴６１１の小径穴部６１２内及び大径穴部６１３内に挿通され、センサ素子２と大径穴部６１３との隙間内に配置されるタルク粉末、スリーブ等のシール材６４を介して保持されている。

また、センサ素子２における最も外径が大きい部分であるフランジ部３４が小径穴部６１２の端部に係止されることにより、センサ素子２の挿通穴６１１から先端側Ｌ１への抜け出しが防止されている。ハウジング６１の軸方向Ｌの基端側Ｌ２の部位には、内周側に屈曲するかしめ部６１５が形成されている。そして、かしめ部６１５とフランジ部３４との間においてシール材６４が軸方向Ｌに圧縮されて、センサ素子２がハウジング６１に保持されている。センサ素子２のセンサ先端部２１は、ハウジング６１から軸方向Ｌの先端側Ｌ１に突出して配置されている。

（先端側カバー６２及び基端側カバー６３）
図１に示すように、ハウジング６１の軸方向Ｌの先端側Ｌ１の部位には、ハウジング６１から先端側Ｌ１に突出するセンサ素子２の部分を覆って、センサ素子２を保護するための先端側カバー６２が装着されている。先端側カバー６２は、排気管内に配置される。先端側カバー６２には、排ガスＧを通過させるためのガス通過孔６２１が形成されている。先端側カバー６２は、二重構造のものとすることができ、一重構造のものとすることもできる。先端側カバー６２のガス通過孔６２１から先端側カバー６２内に流入する排ガスＧは、センサ素子２の保護層２１１を通過して検出電極３５へと導かれる。

ハウジング６１の軸方向Ｌの基端側Ｌ２の部位には、基端側カバー６３が装着されている。基端側カバー６３は、排気管の外部に配置される。基端側カバー６３の一部には、基端側カバー６３内へ基準ガスＡとしての大気を導入するための導入孔６３１が形成されている。導入孔６３１には、液体を通過させない一方、気体を通過させるフィルタ６３２が配置されている。導入孔６３１から基端側カバー６３内に導入される基準ガスＡは、基端側カバー６３内の隙間を通過して、センサ素子２の基準電極３６へと導かれる。

図１に示すように、センサ素子２の検出電極３５は、外側端子金具５５、及び外側端子金具５５に接続されたリード線６５によって、外部の制御装置に電気的に接続される。センサ素子２の基準電極３６は、内側端子金具としてのヒータ金具５、及びヒータ金具５に接続されたリード線６５によって、外部の制御装置に電気的に接続される。ヒータ素子４の発熱体４３は、電力供給金具５６、及び電力供給金具５６に接続されたリード線６５によって、外部の制御装置に電気的に接続される。リード線６５は、基端側カバー６３内に配置されたブッシュ６６によって保持されている。

（作用効果）
本形態のガスセンサ１は、ヒータ素子４に反り等の変形を付与することによって、ヒータ先端部４Ａが、センサ素子２の内側面３２２の基準電極３６に近接するようにしたものである。具体的には、ヒータ素子４の単独の状態において、ヒータ素子４における、先端から全長の１／２以下の長さの範囲内に位置するヒータ先端部４Ａの中心軸線Ｏ１は、ヒータ素子４のヒータ基端部４Ｂの中心軸線Ｏ２に対して傾斜している。そして、ヒータ素子４がセンサ素子２の内側に配置された状態において、ヒータ先端部４Ａの周方向Ｃにおける、発熱部４３１の中心が位置する部分は、基準電極３６に０．１ｍｍ以下の範囲内で近接している。

この構成により、ヒータ素子４からセンサ素子２への伝熱効率を高めることができ、ヒータ素子４によるセンサ素子２の昇温性能を高めることができる。また、ヒータ素子４自体が屈曲するように変形していることによって、ヒータ先端部４Ａの周方向Ｃの一部が、基準電極３６に近接している。そのため、ヒータ素子４をセンサ素子２に保持するための、ヒータ金具５の保持部５２を、傾斜形状等の特別な形状に形成する必要がなく、ヒータ金具５の成形が容易である。

また、ヒータ素子４は、センサ素子２の軸方向Ｌに平行な、ヒータ金具５の保持部５２に、軸方向Ｌに平行な状態で保持すればよい。また、ヒータ基端部４Ｂの中心軸線Ｏ２から、ヒータ先端部４Ａの径方向Ｒへの先端中心の偏心位置を規定位置にすることができる。そして、ヒータ素子４が保持部５２に保持されたヒータ金具５の装着部５１を、センサ素子２のセンサ基端部２２に装着したときには、ヒータ先端部４Ａの周方向Ｃにおける、発熱部４３１の中心が位置する部分を、基準電極３６に０．１ｍｍ以下の範囲内で近接させることができる。これにより、センサ素子２の底部３２の内側面３２２に対する、ヒータ先端部４Ａの先端中心の偏心位置を、規定位置にすることが容易になる。

また、ヒータ先端部４Ａの先端中心の偏心位置にずれが生じにくいために、ガスセンサ１の組付時において、ヒータ素子４をセンサ素子２の内側に挿入する際に、ヒータ先端部４Ａがセンサ素子２の円筒部３１の内周面３１２における基準電極３６に不必要に接触することが避けられる。そのため、ガスセンサ１の組付時において、ヒータ金具５及びヒータ素子４の取り扱いを容易にすることができる。

それ故、本形態のガスセンサ１によれば、センサ素子２へのヒータ素子４の組み付けを容易にすることができる。

＜実施形態２＞
本形態は、ヒータ素子４の形状が、実施形態１のヒータ素子４の形状と異なる場合について示す。図１２に示すように、本形態のヒータ素子４におけるヒータ先端部４Ａの中心軸線Ｏ１は、ヒータ素子４におけるヒータ基端部４Ｂの中心軸線Ｏ２に対して偏心している。より具体的には、ヒータ先端部４Ａの中心軸線Ｏ１は、ヒータ基端部４Ｂの中心軸線Ｏ２に対して平行であり、ヒータ先端部４Ａとヒータ基端部４Ｂとの間には、各中心軸線Ｏ１，Ｏ２及び軸方向Ｌに対して傾斜する屈曲部４Ｃが形成されている。ヒータ先端部４Ａは、発熱部４３１の周方向Ｃの中心位置４３３の側に向けて、ヒータ基端部４Ｂに対して偏心している。

図１３に示すように、本形態のヒータ素子４を製造する際にも、先端側治具部７１及び基端側治具部７２を有する治具７を用いる。ヒータ素子４の焼成前又は焼成時において、ヒータ素子４の中間体のヒータ基端部４Ｂが、基端側治具部７２のＶ形状の載置面７２１に載置された状態において、ヒータ基端部４Ｂを保持しながらヒータ先端部４Ａに外力を加える。このとき、外力は、ヒータ先端部４Ａの軸方向Ｌの所定の範囲に均等に加わるようにする。

そして、ヒータ先端部４Ａの軸方向Ｌの所定の範囲内の部位を、先端側治具部７１に当接するまで、変形用隙間７１１内で下方にオフセットさせる。これにより、ヒータ先端部４Ａの軸方向Ｌの所定の範囲内の部位を、ヒータ基端部４Ｂに対して平行になるように変形させることができる。

また、ヒータ金具５の装着部５１及び保持部５２の開口部位５４と、ヒータ素子４のシート部４２の溝部位４２１とは、特定径方向Ｒ１に向けられている。また、ヒータ先端部４Ａは、特定径方向Ｒ１とは反対方向に向けて偏心している。

本形態においても、ガスセンサ１の構成、ヒータ素子４の製造の仕方等は、実施形態１の場合と同様である。また、本形態のガスセンサ１における作用効果等については、実施形態１の場合と同様である。また、本形態においても、実施形態１に示した符号と同一の符号が示す構成要素は、実施形態１の構成要素と同様である。

＜その他の実施形態＞
また、ヒータ素子４のヒータ先端部４Ａにおける軸方向Ｌの先端側Ｌ１の部分の外径は、ヒータ基端部４Ｂの外径よりも太くしてもよい。この場合には、ヒータ基端部４Ｂに対するヒータ先端部４Ａの屈曲量又は偏心量が小さくても、ヒータ先端部４Ａの周方向Ｃの一部を、センサ素子２の内側面３２２に接触又は近接させることが容易になる。

本発明は、各実施形態のみに限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲においてさらに異なる実施形態を構成することが可能である。また、本発明は、様々な変形例、均等範囲内の変形例等を含む。さらに、本発明から想定される様々な構成要素の組み合わせ、形態等も本発明の技術思想に含まれる。

１ ガスセンサ
２ センサ素子
３ 固体電解質体
３５ 検出電極
３６ 基準電極
４ ヒータ素子
４Ａ ヒータ先端部
４Ｂ ヒータ基端部
４０ 絶縁性基材
４３ 発熱体

Claims (3)

1. 有底円筒形状の固体電解質体（３）、前記固体電解質体の外側面（３１１）に設けられた検出電極（３５）、及び前記固体電解質体の内側面（３１２，３２２）に設けられた基準電極（３６）を有するセンサ素子（２）と、
   前記センサ素子の内側に配置された絶縁性基材（４０）、及び前記絶縁性基材に設けられた、通電によって発熱する発熱体（４３）を有するヒータ素子（４）と、を備え、
   前記ヒータ素子における、先端から全長の１／２以下の長さの範囲内に位置するヒータ先端部（４Ａ）の中心軸線（Ｏ１）は、前記センサ素子のセンサ基端部（２２）に取り付けられた、前記ヒータ素子のヒータ基端部（４Ｂ）の中心軸線（Ｏ２）に対して傾斜又は偏心しており、
   前記ヒータ先端部の周方向（Ｃ）の一部は、前記基準電極に接触又は近接している、ガスセンサ（１）。
2. 前記ヒータ素子は、前記絶縁性基材の一部を構成する中軸部（４１）と、前記絶縁性基材の残部を構成し、かつ前記発熱体が設けられて前記中軸部の外周に巻き付けられたシート部（４２）と、を有し、
   前記発熱体は、前記ヒータ先端部において、前記ヒータ素子の軸方向（Ｌ）に蛇行する導体によって形成された発熱部（４３１）を有しており、
   前記ヒータ先端部の周方向（Ｃ）における、前記発熱部の中心が位置する部分が、前記基準電極に接触又は近接している、請求項１に記載のガスセンサ。
3. 前記センサ基端部の内側面に装着された装着部（５１）、及び前記ヒータ基端部の外周を保持する保持部（５２）を有するヒータ金具（５）をさらに備え、
   前記装着部及び前記保持部の周方向の開口部位（５４）と、前記ヒータ素子における、前記シート部の周方向の端部同士の間に形成された溝部位（４２１）とは、前記センサ素子の特定径方向（Ｒ１）に向けられており、
   前記ヒータ先端部は、前記特定径方向とは反対方向に向けて傾斜又は偏心している、請求項２に記載のガスセンサ。

Images