JP2023148444A - ガスセンサおよびセンサ素子収容ケーシング - Google Patents

Abstract

【課題】シール部材の昇温抑制と耐熱性の確保との両立が好適に図られたスペーサを備えるガスセンサを提供する。【解決手段】被測定ガスに含まれる所定ガス成分を検知するためのガスセンサが、一方端部側に検知部を備えるセンサ素子と、センサ素子が内部に収容され固定されるケーシングと、ケーシング内部に配置されセンサ素子と外部とを電気的に接続するコネクタとを備え、ケーシングが、内部に基準ガスが存在する主部と、主部よりも縮径してなる端部である封止部とを備え、主部にセンサ素子の他方端部側が突出する外筒と、封止部に嵌め込まれて外筒を封止するゴム製のシール部材と、外筒の内部において、シール部材とコネクタとの間に介在するスペーサとを備え、スペーサが、コネクタと接触する側の端面に凹部を備え、該凹部を除く端面においてコネクタと接触する、ようにした。【選択図】図１

Description

本発明は、ガスセンサに関し、特に、センサ素子が収容されるケーシングを封止するシール部材への伝熱抑制に関する。

従来より、自動車のエンジン等の内燃機関における燃焼ガスや排気ガス等の被測定ガス中の所定ガス成分の濃度を測定する装置として、ジルコニア（ＺｒＯ_２）等の酸素イオン伝導性固体電解質セラミックスを用いてセンサ素子を形成したガスセンサが公知である。

係るガスセンサとして、酸素イオン伝導性セラミックス（例えば、イットリア安定化ジルコニア）を主たる構成材料とする長尺板状のセンサ素子（検出素子）が、金属製の筒状の収容部材（ケーシング）に収容された構成を有するものが、広く用いられている。係るガスセンサは、内燃機関の排気経路の途中に付設され、排ガスに含まれる所定ガス成分の検知および濃度の測定に使用される。

ケーシングの一方端部は開口部となっており、該開口部にはゴム製のシール部材が嵌め込まれている。また、ケーシングの他方端部には排ガスが出入可能な保護カバーが付設されている。センサ素子は、該ケーシング内部に両端部間を気密に封止されつつ収容されている。これにより、ガスセンサにおいては、ケーシングの一方端部側においてセンサ素子の一方端部がケーシング内の基準ガス（通常は大気）に接触し、ケーシングの他方端部側においてはセンサ素子の他方端部が保護カバー内に露出して排ガスに接触するようになっている。かつ、それら基準ガスと排ガスとは、互いに接触しないようになっている。

ゴム製のシール部材は、あらかじめ設けられてなる貫通部にセンサ素子と外部との電気的接続を図るためのリード線が挿通されたうえで、ケーシングの開口部に嵌め込まれており、係る嵌め込み箇所の側部からケーシングがシール部材ともども加締められることによって、開口部を通じた外部からの水の浸入が生じないようになっている。

また、ガスセンサに用いられるセンサ素子には通常、酸素イオン伝導性セラミックスを加熱して活性化させるためのヒータが備わっている。そのため、ガスセンサはその使用時、内燃機関の運転に伴い生じる配管を通じた伝熱や排ガスから受ける熱のみならず、該ガスセンサ自体に備わるヒータが発生させる熱により、高温になる。それゆえ、ゴム製のシール部材には通常、耐熱性の高いフッ素ゴムなどが使用される。

近年、内燃機関における部品取付スペースの狭小化のために、ガスセンサの短小化（短尺化）の要請が高まっている。係る要請に対し、従来のガスセンサのケーシングを短尺化することによって対応しようとすると、ケーシングの開口部を閉塞するゴム製のシール部材が、配管や配管内の排ガスなどの熱源に接近することになる。係る問題に対処することを意図したガスセンサも、すでに公知である（例えば、特許文献１参照）。特許文献１に開示されたガスセンサにおいては、シール部材とセラミック製の接点保持部材（特許文献１においてはセパレータ）との間にマイカ断熱部材をスペーサとして挟むことによりシール部材への伝熱を抑制し、シール部材の過剰な昇温を防ぐようになっている。

特開２００５－２２７２２７号公報

特許文献１に開示されているガスセンサにおいてスペーサの材料として用いられているマイカは、層状構造の物質であるため、強度の点で懸念がある。例えば、ガスセンサが振動を受けた場合にマイカ製のスペーサが部分的に脱落することや、ガスセンサの製造途中における破損のために生産性が悪化することなどが懸念される。

また、マイカ製のスペーサを、マイカと同程度の低い熱伝導率を有する樹脂製のものに置換することは、耐熱性の観点から困難である。

強度および耐熱性の点からはセラミックス製のスペーサを用いることが望ましいが、セラミックス材料は低熱伝導率の点でマイカには及ばない。

本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、シール部材の昇温抑制と耐熱性の確保との両立が好適に図られたスペーサを備えるガスセンサを提供することを、目的とする。

上記課題を解決するため、本発明の第１の態様は、被測定ガスに含まれる所定ガス成分を検知するためのガスセンサであって、一方端部側に検知部を備えるセンサ素子と、前記センサ素子が内部に収容され固定されるケーシングと、前記ケーシング内部に配置され、前記センサ素子と外部とを電気的に接続するコネクタと、を備え、前記ケーシングが、内部に基準ガスが存在する主部と、前記主部よりも縮径してなる端部である封止部とを備え、前記主部に前記センサ素子の他方端部側が突出する外筒と、前記封止部に嵌め込まれて前記外筒を封止するゴム製のシール部材と、前記外筒の内部において、前記シール部材と前記コネクタとの間に介在するセラミックス製のスペーサと、を備え、前記スペーサが、前記コネクタと接触する側の端面に凹部を備え、前記凹部を除く前記端面において前記コネクタと接触する、ことを特徴とする。

本発明の第２の態様は、第１の態様に係るガスセンサであって、前記コネクタにおける前記スペーサとの接触面の面積と、前記スペーサの前記凹部を含む前記端面全体の面積との小さい方の面積をＳ０とし、前記コネクタと前記スペーサとの接触面積Ｓをするとき、接触部分面積比Ｓ／Ｓ０について、０．２≦Ｓ／Ｓ０≦０．７である、ことを特徴とする。

本発明の第３の態様は、第１または第２の態様に係るガスセンサであって、前記スペーサの高さをａとし、前記凹部の深さをｂとするとき、深さ比ｂ／ａについて０．０８≦ｂ／ａ≦０．６である、ことを特徴とする。

本発明の第４の態様は、第１ないし第３の態様のいずれかに係るガスセンサであって、前記凹部が、前記スペーサの前記端面の側からの平面視において直線状、十字状、または円形状のいずれかをなしている、ことを特徴とする。

本発明の第５の態様は、第１ないし第４の態様のいずれかに係るガスセンサであって、前記スペーサの熱伝導率が３２Ｗ／ｍ・Ｋ以下である、ことを特徴とする。

本発明の第６の態様は、被測定ガスに含まれる所定ガス成分を検知する検知部を一方端部側に備えるセンサ素子と、前記センサ素子と外部とを電気的に接続するコネクタとを、前記センサ素子を内部に固定しつつ収容するケーシングであって、内部に基準ガスが存在する主部と、前記主部よりも縮径してなる端部である封止部とを備え、前記センサ素子の他方端部側が前記主部に突出させて配置される外筒と、前記封止部に嵌め込まれて前記外筒を封止するゴム製のシール部材と、前記外筒の内部において、前記シール部材と前記コネクタとの間に介在するセラミックス製のスペーサと、を備え、前記スペーサが、前記コネクタと接触する側の端面に凹部を備え、前記凹部を除く前記端面において前記コネクタと接触する、ことを特徴とする。

本発明の第７の態様は、第６の態様に係るセンサ素子収容ケーシングであって、前記コネクタにおける前記スペーサとの接触面の面積と、前記スペーサの前記凹部を含む前記端面全体の面積との小さい方の面積をＳ０とし、前記コネクタと前記スペーサとの接触面積Ｓをするとき、接触部分面積比Ｓ／Ｓ０について、０．２≦Ｓ／Ｓ０≦０．７である、ことを特徴とする。

本発明の第８の態様は、第６または第７の態様に係るセンサ素子収容ケーシングであって、前記スペーサの高さをａとし、前記凹部の深さをｂとするとき、深さ比ｂ／ａについて、０．０８≦ｂ／ａ≦０．６である、ことを特徴とする。

本発明の第９の態様は、第６ないし第８の態様のいずれかに係るセンサ素子収容ケーシングであって、前記凹部が、前記スペーサの前記端面の側からの平面視において直線状、十字状、または円形状のいずれかをなしている、ことを特徴とする。

本発明の第１０の態様は、第６ないし第９の態様のいずれかに係るセンサ素子収容ケーシングであって、前記スペーサの熱伝導率が３２Ｗ／ｍ・Ｋ以下である、ことを特徴とする。

本発明の第１ないし第９の態様によれば、コネクタからスペーサさらにはシール部材への伝熱を抑制することができる。これにより、スペーサの強度を確保しつつ、シール部材の熱劣化を抑制することができる。

ガスセンサ１００の長手方向に沿った要部断面図である。 凹部７ｂの形成例を示すスペーサ７の概観斜視図である。 凹部７ｂの種々の形状を例示する平面図である。 接触部分面積比Ｓ／Ｓ０の値が小さい場合に、ガスセンサ１００の組立時に起こり得る不具合について説明するための図である。 深さ比ｂ／ａの値が大きい場合に、ガスセンサ１００の組立時に起こり得る不具合について説明するための図である。 ＮＯｘ検出用のセンサ素子１０の長手方向に沿った断面図である。

＜ガスセンサの構成＞
図１は、本発明の実施の形態に係るガスセンサ１００の（より詳細にはその本体部の）長手方向に沿った要部断面図である。より詳細には、破断線ＺＬよりも上方においてはガスセンサ１００の断面図を示し、破断線ＺＬよりも下方においてはガスセンサ１００の外観のみを示している。

ガスセンサ１００は、その内部に備わるセンサ素子１０によって所定のガス成分（例えば、ＮＯｘ等）を検出するためのものである。ガスセンサ１００は概略、長尺の柱状あるいは薄板状のセンサ素子（検出素子）１０が、筒状体１と、保護カバー２と、固定ボルト３と、外筒４とによって囲繞された構成を有する。筒状体１と、保護カバー２と、外筒４とは、全体として、センサ素子１０を内部に収容する収容部材（ケーシング）を構成している。一方、固定ボルト３は筒状体１の外側面に環装されている。

センサ素子１０は、筒状体１、保護カバー２、固定ボルト３、および外筒４と同軸に配置されてなる。係るセンサ素子１０の中心軸の延在方向を軸線方向とも称する。図１においては、該軸線方向は図面視上下方向と一致している。

より詳細には、センサ素子１０の一方端部側（例えば図６の第１の端部Ｅ１側）は保護カバー２に囲繞されており、他方端部側は外筒４内に突出しており、両者の間の略中央部分は、図示しないセラミックスの圧粉体やセラミックス部品により、両端部間を気密に封止する態様にて筒状体１の内部に固定されてなる。

センサ素子１０の保護カバー２に囲繞された一方端部側には、検知部（例えば、ガス導入口、内部空室、検知電極など）を備わっている。加えて、センサ素子１０の素子体表面および内部には、種々の電極や配線パターンが備わっている。

例えば、センサ素子１０のある一態様においては、素子内部に導入された被測定ガスが素子内部で還元ないしは分解されて酸素イオンが発生する。このようなセンサ素子１０を備えるガスセンサ１００においては、素子内部を流れる酸素イオンの量が被測定ガス中における検知対象ガス成分の濃度に比例することに基づいて、当該ガス成分の濃度が求められる。

筒状体１は、主体金具とも称される金属製の筒状部材である。筒状体１は、ガスセンサ１００の外部にはほとんど露出していないが、保護カバー２の図面視上端部から外筒４の図面視下端部にわたる範囲に備わっている。筒状体１の内部には、センサ素子１０と、該センサ素子１０に環装されてなる固定用の部品（圧粉体やセラミックス部品）とが、収容されてなる。換言すれば、筒状体１は、センサ素子１０の周りに環装された環装部品の周囲に、さらに環装されてなる。

保護カバー２は、センサ素子１０のうち、使用時に被測定ガスに直接に接触する部分である第１の端部Ｅ１側の所定範囲を保護する、略円筒状の外装部材である。保護カバー２は、筒状体１の図面視下側の端部に、溶接固定されてなる。

保護カバー２には、気体が通過可能な複数の貫通孔Ｈが設けられてなる。係る貫通孔Ｈを通じて保護カバー２内に流入した被測定ガスが、センサ素子１０における直接の検知対象となる。なお、図１に示す貫通孔の種類、配置個数、配置位置、形状などあくまで例示であって、保護カバー２の内部への被測定ガスの流入態様を考慮して適宜に定められてよい。

固定ボルト３は、ガスセンサ１００を測定位置に固定する際に用いられる環状の部材である。固定ボルト３は、ねじ切りがされたボルト部３ａと、ボルト部３ａを螺合する際に保持される保持部３ｂとを備えている。ボルト部３ａは、ガスセンサ１００の取り付け位置に設けられたナットと螺合する。これにより、ガスセンサ１００は、保護カバー２の側が測定対象ガスと接触する態様にて測定位置に固定される。例えば、自動車の排気管に設けられたナット部にボルト部３ａが螺合されることで、ガスセンサ１００は、保護カバー２の側が排気管内に露出する態様にて該排気管に固定される。

外筒４は、その一方端部（図面視下端部）が筒状体１の図示しない上部の外周端部に溶接固定されてなる、円筒状部材である。外筒４は、筒状体１との溶接固定箇所から軸線方向に同径にて延在する主部４ａと、該軸線方向において主部４ａに連続する封止部４ｂとを備える。封止部４ｂは、該主部４ａよりも縮径してなる端部である。

外筒４の内部空間は基準ガス（大気）雰囲気となっている。また、主部４ａの内部にはコネクタ（接点保持部材とも称する）５とスペーサ７とが配されている。

一方、封止部４ｂは、シール部材６が嵌め込まれた状態で、側方から加締められることにより、外筒４の他方端部（図面視上端部）を封止（シール）してなる部位である。

係る封止は、シール部材６の図面視側方位置にあたる加締め箇所６ｓにおいて、封止部４ｂがその周方向全体に亘って外側から加締められることにより、シール部材６が径方向外側へと向かう反力を生じさせることによって、実現されてなる。

シール部材６はゴム製である。それゆえ、シール部材６はゴム栓とも称される。使用されるゴムは、典型的にはフッ素ゴムである。シール部材６は、封止部４ｂへの嵌め込み前には一様な円筒状をなしていたが、嵌め込みさらには加締めによって径方向に変形させられてなる。

コネクタ５には、センサ素子１０の他方端部側（例えば図６の第２の端部Ｅ２側）が挿入されている。コネクタ５には、係るセンサ素子１０の挿入状態においてセンサ素子１０に備わる複数の電極端子１６０（図６参照）と接する、複数の金属製の接点部材５１が備わっている。接点部材５１は、その一方端部（図面視下端部）がコネクタ５に掛止される掛止部５１ａとなっており、他方端部（図面視上端部）は、リード線８が圧着固定される圧着部５１ｂとなっており、その間の部分が板バネ状をなしている。コネクタ５とセンサ素子１０との間に接点部材５１が挟持固定されることで、センサ素子１０の電極端子１６０と接点部材５１とが電気的に接続されてなる。

スペーサ７は、外筒４の内部において、コネクタ５とシール部材６とに挟み込まれて（介在して）いる。スペーサ７は、加締め前のシール部材６と略同径の円筒状をなしている。スペーサ７は、ガスセンサ１００の使用時におけるシール部材６の昇温を抑制する目的で、設けられてなる。スペーサ７についての詳細は後述する。

リード線８は、シール部材６およびスペーサ７に連続的に設けられた貫通穴９に挿通されてなり、一方端部は接点部材５１の圧着部５１ｂに圧着固定されてなり、他方端部はガスセンサ１００の外部のコントローラ５０や各種電源（図６参照）に接続されてなる。これにより、センサ素子１０とコントローラ５０や各種電源とが、接点部材５１およびリード線８を通じて電気的に接続されてなる。なお、図１には、接点部材５１とリード線８とをそれぞれ２つずつのみ示しているが、これはあくまで図示の簡単のためであり、実際には、上記の電気的接続に必要な数のリード線が備わっている。

なお、以上のような構成を有するガスセンサ１００は、従来と同様の手法にて作製することが可能である。概略的にいえば、まず、加締め箇所６ｓの加締めに先立ってあらかじめ、センサ素子１０の挿入と接点部材５１とリード線８との接続とがなされたコネクタ５が、外筒４の主部４ａ内に配置される。続いて、リード線８が、スペーサ７、シール部材６の順にそれぞれの貫通穴９に挿通され順にコネクタ５の上に積み重ねられる。併せて、リード線８が挿通されたシール部材６は、加締め前の封止部４ｂに嵌め込まれる。通常は、シール部材６の嵌め込みがなされるまでの時点においてすでに、外筒４内に基準ガスとしての大気が入り込んでいる。シール部材６の嵌め込みがなされると、加締め箇所６ｓが所定の加締め手段にて加締められる。

なお、加締めは、封止部４ｂの外周全体に亘って連続的に延在する加締め箇所６ｓを対象に行われるのが好適な一例であるが、良好な加締め固定が実現される限りにおいて、加締め箇所６ｓが封止部４ｂの周方向において不連続となっていてもよい。

＜スペーサの構成と作用効果＞
次に、スペーサ７の構成および係る構成の具備により得られる作用効果について、詳細に説明する。

まず、スペーサ７の材質としては、強度確保の点からセラミックスが選択される。好ましくは、耐熱性および低伝熱性の点から好適な、熱伝導率が３２Ｗ／ｍ・Ｋ以下であるセラミックスが選択される。より好ましくは、アルミナ（熱伝導率：３２Ｗ／ｍ・Ｋ）またはステアタイト（熱伝導率：２Ｗ／ｍ・Ｋ）が選択される。

これに加え、本実施の形態においては、スペーサ７の一方端面７ａ側に、凹部７ｂが設けられてなる。図２は、係る凹部７ｂの形成例を示すスペーサ７の概観斜視図である。なお、図２においては、凹部７ｂが、平坦な底面７ｃを有しかつ長手方向に垂直な断面が矩形をなす、直線状の溝部として設けられてなる場合を例示している。なお、図２においては、スペーサ７に備わる８個の貫通穴９（９ａ）のうちの４つが、一方端面７ａと凹部７ｂとの段差の部分に存在しているが、これは例示であって、貫通穴９ａの配置はこれに限定されるものではない。

また、図３は、凹部７ｂの種々の形状を例示する平面図である。ただし、貫通穴９ａの図示は省略している。

図３（ａ）は図２と同じ、凹部７ｂが直線状の溝部である場合を示している。これに対し、図３（ｂ）は、そのような直線状の溝部が直交したような平面視十字状の凹部７ｂを示している。また、図３（ｃ）は、平面視円形状の凹部７ｂを示している。これらの凹部７ｂの底面７ｃは平坦であってもよく、曲面をなしていてもよい。

スペーサ７の形状がいずれの場合も、コネクタ５は、図１に示すように、一方端面７ａの凹部７ｂを除く部分においてスペーサ７と接触し、凹部７ｂのところではスペーサ７とは非接触となっている。

係る構成が採用されてなることにより、本実施の形態に係るガスセンサ１００においては、コネクタ５の全体がスペーサ７の一方端面７ａに接触する構成を有するガスセンサ１００に比して、コネクタ５からスペーサ７さらにはシール部材６への伝熱が抑制されるようになっている。すなわち、シール部材６の熱劣化のリスクが低減されてなる。具体的には、コネクタ５とシール部材６とが直接に接する構造の場合、シール部材６がコネクタ５との接触部分を起点に熱分解し、アウトガスが拡散して信号異常が発生する場合があるが、本実施の形態に係るガスセンサ１００においては、凹部７ｂを有するスペーサ７を介在させることにより、シール部材６の端面の温度上昇が抑制されてなり、その結果として、熱分解により信号異常が発生するリスクが、好適に低減されてなる。

なお、凹部７ｂの形状は、図３に示したものに限定されず、スペーサ７がコネクタ５とシール部材６との間に好適に保持される一方で、コネクタ５からシール部材６への伝熱が好適に抑制される限りにおいて、他の形状が採用されてもよい。

好ましくは、スペーサ７との接触面であるコネクタ５の端面５ｅの面積と、スペーサ７の凹部７ｂを含む一方端面７ａ全体の面積のうち小さい方の面積をＳ０とし、コネクタ５とスペーサ７との接触面積Ｓをするとき、両者の比（以下、接触部分面積比とも称する）Ｓ／Ｓ０の値が小さいほど、コネクタ５からスペーサ７さらにはシール部材６への伝熱は抑制される傾向がある。なお、面積Ｓ０が択一的であるのは、図１においては、コネクタ５の端面５ｅの面積よりもスペーサ７の一方端面７ａ全体の面積の方が大きい場合を例示しているものの、両者の面積の大小関係が反対となる構成も取り得ることを、考慮しているからである。

また、スペーサ７の高さａに対する凹部７ｂの深さｂの比（以下、深さ比とも称する）ｂ／ａが大きいほど、コネクタ５からスペーサ７さらにはシール部材６への伝熱は抑制される傾向がある。なお、凹部７ｂの底面７ｃが平坦ではない場合は、最深の位置までの距離が深さｂとされてよい。

なお、本来的にはＳ／Ｓ０＜１またはｂ／ａ＞０であれば伝熱低減効果が発現するはずではあるが、実用上は、Ｓ／Ｓ０≦０．７またはｂ／ａ≧０．０８の場合に、実質的な伝熱低減効果が見込まれる。例えば、スペーサ７がステアタイト製であり、Ｓ／Ｓ０≦０．５であり、ｂ／ａ≧０．１５であ、シール部材６のスペーサ７との接触部分６ａにおける温度に、凹部７ｂを設けない場合に比して少なくとも２％程度の低減効果が得られる。特に、Ｓ／Ｓ０≦０．５であり、ｂ／ａ≧０．５である場合の温度低減効果は、３％程度となる。後者によれば、シール部材６の耐熱限界温度が３００℃である場合、少なくとも１０℃の温度低減効果を見込むことができる。

ただし、Ｓ／Ｓ０≧０．２であることが好ましい。図４は、接触部分面積比Ｓ／Ｓ０の値が小さい場合に、ガスセンサ１００の組立時に起こり得る不具合について説明するための図である。ガスセンサ１００の組立時には、他方端部側にセンサ素子１０が挿入されてなるコネクタ５の端面５ｅの上にスペーサ７が当接された状態で、外筒４の封止部４ｂに嵌め込まれたシール部材６が、スペーサ７の他方端面（一方端面７ａの反対面）７ｅに当接される。続いて、加締め箇所６ｓにおいて封止部４ｂが側方から加締められて縮径されることにより、シール部材６が変形させられるが、係るシール部材６の変形に伴い、図４（ａ）に示すように、スペーサ７に対しては下向きの荷重Ｆ１が作用する。

その際、スペーサ７は上下の端面においてはシール部材６及びコネクタ５にて拘束されているものの、外周は特段拘束されていない。そのため、Ｓ／Ｓ０の値が小さい場合、荷重Ｆ１の作用の仕方によっては、図４（ｂ）に示すようにスペーサ７が傾き、シール部材６及びコネクタ５との間に正しく保持されないという不具合や、さらには、センサ素子１０に側面から力が加わってセンサ素子１０が折れてしまうという不具合が起こり得る。Ｓ／Ｓ０＜０．２の場合に、係る不具合の発生が顕著となる。

また、ｂ／ａ≦０．６であることが好ましい。図５は、深さ比ｂ／ａの値が大きい場合に、ガスセンサ１００の組立時に起こり得る不具合について説明するための図である。

上述のように、ガスセンサ１００の組立時には、外筒４の封止部４ｂの加締め変形に伴い、スペーサ７に対しては下向きの荷重Ｆ１が作用するが、その際、スペーサ７には、コネクタ５から上向きの荷重Ｆ２も作用する。すなわち、スペーサ７には、上下両方向から圧縮力が作用する。そのため、ｂ／ａの値が大きく凹部７ｂが深い場合、底面７ｃの端縁部７ｄ近傍にて座屈破壊が発生し得る。ｂ／ａ＞０．６の場合に、係る不具合の発生が顕著となる。

以上、説明したように、本実施の形態によれば、ガスセンサの外筒の内部に配置され、センサ素子と接続されるコネクタと、外筒をその端部にて封止するシール部材との間に、セラミックス製のスペーサを介在させ、かつ、該スペーサのコネクタとの接触部分に凹部を設けることで、コネクタからスペーサさらにはシール部材への伝熱を抑制することができる。これにより、スペーサの強度を確保しつつ、シール部材の熱劣化を抑制することができる。

＜センサ素子の構成例＞
最後に、センサ素子１０の一例として、ＮＯｘ検出用のセンサ素子１０の構成を説明する。図６は、係るＮＯｘ検出用のセンサ素子１０の長手方向に沿った断面図である。係る場合において、センサ素子１０は、いわゆる限界電流型のガスセンサ素子である。なお、図６には、センサ素子１０のほか、ガスセンサ１００に備わるポンプセル電源３０と、ヒータ電源４０と、コントローラ５０とについても併せて示している。

図６に示すように、センサ素子１０は概略、長尺板状の素子基体１１の第１の端部Ｅ１側が、多孔質の先端保護層１２にて被覆された構成を有する。素子基体１１は、長尺板状のセラミックス体１０１を主たる構造体とするとともに、該セラミックス体１０１の２つの主面上には主面保護層１７０（１７０ａ、１７０ｂ）を備える。さらに、センサ素子１０においては、一先端部側の端面（セラミックス体１０１の先端面１０１ｅ）および４つの側面の外側に先端保護層１２（内側先端保護層１２ａ、外側先端保護層１２ｂ）が設けられてなる。

なお、本実施の形態においては便宜上、セラミックス体１０１およびセンサ素子１０において素子基体１１の第１の端部Ｅ１が備わる側の端部についても、それぞれの第１の端部Ｅ１と称し、素子基体１１の第２の端部Ｅ２が備わる側の端部についても、それぞれの第２の端部Ｅ２と称する。

セラミックス体１０１は、酸素イオン伝導性固体電解質であるジルコニア（イットリウム安定化ジルコニア）を主成分とするセラミックスからなる。セラミックス体１０１は、緻密かつ気密なものである。

図６に示すセンサ素子１０は、セラミックス体１０１の内部に第一の内部空室１０２と第二の内部空室１０３と第三の内部空室１０４とを有する、いわゆる直列三室構造型のガスセンサ素子である。すなわち、センサ素子１０においては概略、第一の内部空室１０２が、セラミックス体１０１の第１の端部Ｅ１側において外部に対し開口する（厳密には先端保護層１２を介して外部と連通する）ガス導入口１０５と第一の拡散律速部１１０、第二の拡散律速部１２０を通じて連通しており、第二の内部空室１０３が第三の拡散律速部１３０を通じて第一の内部空室１０２と連通しており、第三の内部空室１０４が第四の拡散律速部１４０を通じて第二の内部空室１０３と連通している。なお、ガス導入口１０５から第三の内部空室１０４に至るまでの経路を、ガス流通部とも称する。本実施の形態に係るセンサ素子１０においては、係る流通部がセラミックス体１０１の長手方向に沿って一直線状に設けられてなる。

第一の拡散律速部１１０、第二の拡散律速部１２０、第三の拡散律速部１３０、および第四の拡散律速部１４０はいずれも、図面視上下２つのスリットとして設けられている。第一の拡散律速部１１０、第二の拡散律速部１２０、第三の拡散律速部１３０、および第四の拡散律速部１４０は、通過する被測定ガスに対して所定の拡散抵抗を付与する。なお、第一の拡散律速部１１０と第二の拡散律速部１２０の間には、被測定ガスの脈動を緩衝する効果を有する緩衝空間１１５が設けられている。

また、セラミックス体１０１の外面には外部ポンプ電極１４１が備わり、第一の内部空室１０２には内部ポンプ電極１４２が備わっている。さらには、第二の内部空室１０３には補助ポンプ電極１４３が備わり、第三の内部空室１０４には、測定対象ガス成分の直接の検知部である測定電極１４５が備わっている。加えて、セラミックス体１０１の第２の端部Ｅ２側には、外部に連通し基準ガスが導入される基準ガス導入口１０６が備わっており、該基準ガス導入口１０６内には、基準電極１４７が設けられている。

係るセンサ素子１０を備えるガスセンサ１００においては、以下のようなプロセスによって、被測定ガス中のＮＯｘガス濃度が算出される。

まず、貫通孔Ｈを通じて保護カバー２内に流入し、ガス導入口１０５から第一の内部空室１０２に導入された被測定ガスは、主ポンプセルＰ１のポンピング作用（酸素の汲み入れ或いは汲み出し）によって、酸素濃度が略一定に調整されたうえで、第二の内部空室１０３に導入される。主ポンプセルＰ１は、外部ポンプ電極１４１と、内部ポンプ電極１４２と、両電極の間に存在するセラミックス体１０１の部分であるセラミックス層１０１ａとによって構成される電気化学的ポンプセルである。第二の内部空室１０３においては、同じく電気化学的ポンプセルである、補助ポンプセルＰ２のポンピング作用により、被測定ガス中の酸素が素子外部へと汲み出されて、被測定ガスが十分な低酸素分圧状態とされる。補助ポンプセルＰ２は、外部ポンプ電極１４１と、補助ポンプ電極１４３と、両電極の間に存在するセラミックス体１０１の部分であるセラミックス層１０１ｂとによって構成される。

外部ポンプ電極１４１、内部ポンプ電極１４２、および補助ポンプ電極１４３は、多孔質サーメット電極（例えば、Ａｕを１％含むＰｔとＺｒＯ_２とのサーメット電極）として形成されてなる。なお、被測定ガスに接触する内部ポンプ電極１４２および補助ポンプ電極１４３は、被測定ガス中のＮＯｘ成分に対する還元能力を弱めた、あるいは、還元能力のない材料を用いて形成される。

補助ポンプセルＰ２によって低酸素分圧状態とされた被測定ガス中のＮＯｘは、第三の内部空室１０４に導入され、第三の内部空室１０４に設けられた測定電極１４５において還元ないし分解される。測定電極１４５は、第三の内部空室１０４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多孔質サーメット電極である。係る還元ないし分解の際には、測定電極１４５と基準電極１４７との間の電位差が、一定に保たれている。そして、上述の還元ないし分解によって生じた酸素イオンが、測定用ポンプセルＰ３によって素子外部へと汲み出される。測定用ポンプセルＰ３は、外部ポンプ電極１４１と、測定電極１４５と、両電極の間に存在するセラミックス体１０１の部分であるセラミックス層１０１ｃとによって構成される。測定用ポンプセルＰ３は、測定電極１４５の周囲の雰囲気中におけるＮＯｘの分解によって生じた酸素を汲み出す電気化学的ポンプセルである。

主ポンプセルＰ１、補助ポンプセルＰ２、および測定用ポンプセルＰ３におけるポンピング（酸素の汲み入れ或いは汲み出し）は、コントローラ５０による制御のもと、ポンプセル電源（可変電源）３０によって各ポンプセルに備わる電極の間にポンピングに必要な電圧が印加されることにより、実現される。測定用ポンプセルＰ３の場合であれば、測定電極１４５と基準電極１４７との間の電位差が所定の値に保たれるように、外部ポンプ電極１４１と測定電極１４５との間に電圧が印加される。ポンプセル電源３０は通常、各ポンプセル毎に設けられる。

コントローラ５０は、測定用ポンプセルＰ３により汲み出される酸素の量に応じて測定電極１４５と外部ポンプ電極１４１との間を流れるポンプ電流Ｉｐ２を検出し、このポンプ電流Ｉｐ２の電流値（ＮＯｘ信号）と、分解されたＮＯｘの濃度との間に線型関係があることに基づいて、被測定ガス中のＮＯｘ濃度を算出する。

なお、好ましくは、ガスセンサ１００は、それぞれのポンプ電極と基準電極１４７との間の電位差を検知する、図示しない複数の電気化学的センサセルを備えており、コントローラ５０による各ポンプセルの制御は、それらのセンサセルの検出信号に基づいて行われる。

また、センサ素子１０においては、セラミックス体１０１の内部にヒータ１５０が埋設されている。ヒータ１５０は、ガス流通部の図６における図面視下方側において、第１の端部Ｅ１近傍から少なくとも測定電極１４５および基準電極１４７の形成位置までの範囲にわたって設けられる。ヒータ１５０は、コントローラ５０による制御のもと、ヒータ電源４０からの給電により発熱する。ヒータ１５０は、センサ素子１０の使用時に、セラミックス体１０１を構成する固体電解質の酸素イオン伝導性を高めるべく、センサ素子１０を加熱することを主たる目的として、設けられてなる。センサ素子１０は、少なくとも第一の内部空室１０２から第二の内部空室１０３に至る範囲の温度が５００℃以上となるように、加熱される。

より詳細には、ヒータ１５０は、例えば白金などからなる抵抗発熱体であり、その周囲を絶縁層１５１に囲繞される態様にて設けられてなる。

セラミックス体１０１のそれぞれの主面上の第２の端部Ｅ２側には、センサ素子１０と外部との間の電気的接続を図るための複数の電極端子１６０が形成されてなる。これらの電極端子１６０は、セラミックス体１０１の内部に備わる図示しない内部配線を通じて、上述した５つの電極と、ヒータ１５０の両端と、図示しないヒータ抵抗検出用の内部配線と、所定の対応関係にて電気的に接続されている。上述のように、電極端子１６０は接点部材５１を介してリード線８と接続されており、センサ素子１０の各ポンプセルに対するポンプセル電源３０から電圧の印加や、ヒータ電源４０からの給電によるヒータ１５０の加熱は、それらリード線８、接点部材５１、および電極端子１６０を通じてなされる。

主面保護層１７０は、アルミナからなる、厚みが５μｍ～３０μｍ程度であり、かつ２０％～４０％程度の気孔率にて気孔が存在する層であり、セラミックス体１０１の２つの主面や外部ポンプ電極１４１に対する、異物や被毒物質の付着を防ぐ目的で設けられてなる。それゆえ、一方の主面保護層１７０ａは、外部ポンプ電極１４１を保護するポンプ電極保護層としても機能するものである。

先端保護層１２は、素子基体１１の第１の端部Ｅ１から所定範囲の最外周部に設けられてなる。先端保護層１２を設けるのは、素子基体１１のうちガスセンサ１００の使用時に高温（最高で７００℃～８００℃程度）となる部分を囲繞することによって、当該部分における耐被水性を確保し、当該部分が直接に被水することによる局所的な温度低下に起因した熱衝撃により素子基体１１にクラック（被水割れ）が生じることを、抑制するためである。

加えて、先端保護層１２は、センサ素子１０の内部にＭｇなどの被毒物質が入り込むことを防ぐ、耐被毒性の確保のためにも、設けられてなる。

内側先端保護層１２ａは、アルミナにて、４５％～６０％の気孔率を有しかつ４５０μｍ～６５０μｍの厚みを有するように、設けられてなる。また、外側先端保護層１２ｂは、アルミナにて、内側先端保護層１２ａよりも小さい１０％～４０％の気孔率を有しかつ５０μｍ～３００μｍの厚みを有するように、設けられてなる。内側先端保護層１２ａは、低熱伝導率の層として設けられることで、外部から素子基体１１への熱伝導を抑制する機能を有してなる。

内側先端保護層１２ａと外側先端保護層１２ｂは、表面に下地層１３が形成された素子基体１１に対し、それぞれの構成材料を順次に溶射（プラズマ溶射）することで形成される。

また、図６に示すように、内側先端保護層１２ａと素子基体１１の間には、内側先端保護層１２ａの接着性を確保するべく下地層１３が設けられる。下地層１３は少なくとも、素子基体１１の２つの主面上に設けられてなる。下地層１３は、アルミナにて、３０％～６０％の気孔率を有しかつ１５μｍ～５０μｍの厚みに形成されてなる。

＜変形例＞
上述の実施形態では、３つの内部空室を有する限界電流型のセンサ素子であって、ＮＯｘを検出対象ガス成分とするものを、センサ素子１０として例示しているが、ガスセンサ１００に備わるセンサ素子１０においては、内部空室の数が３つでなくともよく、また、ＮＯｘ以外のガス成分が検知対象とされていてもよい。あるいは、混成電位型のセンサ素子など、内部空室を有さない構造のセンサ素子であってもよい。

フッ素ゴム製のシール部材６とステアタイト製のスペーサ７とを備えるガスセンサ１００を高温の被測定ガスが流れる配管に取り付けて使用したときの、シール部材６のスペーサ７との接触部分６ａにおける温度（定常温度）について、ＣＡＥによるシミュレーションを行い、スペーサ７による温度低減効果を判定した。

配管を流れるガスの温度は８５０℃に設定し、流速は４．８５ｍ／ｓｅｃに設定した。ガスセンサ１００の配管への取り付けは、ボルト部３ａを所定の取り付け位置に設けられたナットと螺合させることによって行うものとした。また、配管の外部の温度（ガスセンサ１００の周囲の温度）は２５℃とした。また、センサ素子１０の駆動温度（ヒータ１５０における設定加熱温度）は８５０℃とした。

ガスセンサ１００としては、コネクタ５の端面５ｅの面積よりもスペーサ７の凹部７ｂを含む一方端面７ａ全体の面積の方が大きく、かつスペーサ７の凹部７ｂが図２および図３（ａ）に示すような直線状の溝部をなしているものを用いるとしつつ、深さ比ｂ／ａの値を２水準（実施例１、実施例２）に違えた。具体的には、０．１５（実施例１）と０．５（実施例２）の２水準に違えた。接触部分面積比Ｓ／Ｓ０は０．４５９で共通とした。

また、定常温度の基準を得るための比較例として、凹部７ｂを有さないほかは、実施例１および実施例２と同様の構成を有するガスセンサ１００についても、同じ条件でシミュレーションを行った。

表１に、実施例１および実施例２についての、接触部分面積比Ｓ／Ｓ０および深さ比ｂ／ａ（これらは比較例１についても示している）と、接触部分６ａの最高温度に基づく温度低減効果の判定結果と、比較例１における値を１としたときの接触部分６ａの温度の比とを、一覧にして示す。

温度低減効果の判定にあたっては、接触部分６ａの温度が比較例１よりも６℃以上低いガスセンサ１００について、スペーサ７に凹部７ｂを設けたことによるシール部材６の温度低減効果が良好に得られているものと判定することとした。これに該当した実施例２について、表１の判定結果欄に「〇」（丸印）を付している。

一方、接触部分６ａの温度が比較例１よりも１℃以上６℃未満低いガスセンサ１００について、スペーサ７に凹部７ｂを設けたことによるシール部材６の温度低減効果が一定程度は得られているものと判定することとした。これに該当した実施例１について、表１の判定結果欄に「△」（三角印）を付している。

なお、接触部分６ａの温度が比較例１よりも１℃未満低いか、あるいは比較例１以上であるガスセンサ１００については、スペーサ７に凹部７ｂを設けたことによるシール部材６の温度低減効果が得られていないものと判定することとしていたが、実施例１および実施例２のいずれのガスセンサ１００も、これには該当しなかった。

表１に示す結果からは、０．２≦Ｓ／Ｓ０≦０．５および０．１５≦ｂ／ａ≦０．６をみたす凹部７ｂを備えた実施例１のガスセンサ１００については、シール部材６のスペーサ７との接触部分６ａにおける温度に２％強の低減効果が得られることが、確認される。さらには、０．２≦Ｓ／Ｓ０≦０．５および０．５≦ｂ／ａ≦０．６をみたす凹部７ｂを備えた実施例２のガスセンサ１００については、シール部材６のスペーサ７との接触部分６ａにおける温度に３％強の低減効果が得られることが、確認される。

１ 筒状体
２ 保護カバー
３ 固定ボルト
３ａ ボルト部
３ｂ 保持部
４ 外筒
４ａ （外筒の）主部
４ｂ （外筒の）封止部
５ コネクタ
６ シール部材
７ スペーサ
８ リード線
９ 貫通穴
１０ センサ素子
１１ 素子基体
１２ 先端保護層
１３ 下地層
５１ 接点部材
１００ ガスセンサ
１０１ セラミックス体
１０６ 基準ガス導入口
１５０ ヒータ
１６０ 電極端子
１７０ 主面保護層

Claims (10)

1. 被測定ガスに含まれる所定ガス成分を検知するためのガスセンサであって、
   一方端部側に検知部を備えるセンサ素子と、
   前記センサ素子が内部に収容され固定されるケーシングと、
   前記ケーシング内部に配置され、前記センサ素子と外部とを電気的に接続するコネクタと、
   を備え、
   前記ケーシングが、
   内部に基準ガスが存在する主部と、前記主部よりも縮径してなる端部である封止部とを備え、前記主部に前記センサ素子の他方端部側が突出する外筒と、
   前記封止部に嵌め込まれて前記外筒を封止するゴム製のシール部材と、
   前記外筒の内部において、前記シール部材と前記コネクタとの間に介在するセラミックス製のスペーサと、
   を備え、
   前記スペーサが、前記コネクタと接触する側の端面に凹部を備え、前記凹部を除く前記端面において前記コネクタと接触する、
   ことを特徴とするガスセンサ。
2. 請求項１に記載のガスセンサであって、
   前記コネクタにおける前記スペーサとの接触面の面積と、前記スペーサの前記凹部を含む前記端面全体の面積との小さい方の面積をＳ０とし、前記コネクタと前記スペーサとの接触面積Ｓをするとき、接触部分面積比Ｓ／Ｓ０について、
   ０．２≦Ｓ／Ｓ０≦０．７
   である、ことを特徴とするガスセンサ。
3. 請求項１または請求項２に記載のガスセンサであって、
   前記スペーサの高さをａとし、前記凹部の深さをｂとするとき、深さ比ｂ／ａについて、
   ０．０８≦ｂ／ａ≦０．６
   である、ことを特徴とするガスセンサ。
4. 請求項１ないし請求項３のいずれかに記載のガスセンサであって、
   前記凹部が、前記スペーサの前記端面の側からの平面視において直線状、十字状、または円形状のいずれかをなしている、
   ことを特徴とするガスセンサ。
5. 請求項１ないし請求項４のいずれかに記載のガスセンサであって、
   前記スペーサの熱伝導率が３２Ｗ／ｍ・Ｋ以下である、
   ことを特徴とするガスセンサ。
6. 被測定ガスに含まれる所定ガス成分を検知する検知部を一方端部側に備えるセンサ素子と、前記センサ素子と外部とを電気的に接続するコネクタとを、前記センサ素子を内部に固定しつつ収容するケーシングであって、
   内部に基準ガスが存在する主部と、前記主部よりも縮径してなる端部である封止部とを備え、前記センサ素子の他方端部側が前記主部に突出させて配置される外筒と、
   前記封止部に嵌め込まれて前記外筒を封止するゴム製のシール部材と、
   前記外筒の内部において、前記シール部材と前記コネクタとの間に介在するセラミックス製のスペーサと、
   を備え、
   前記スペーサが、前記コネクタと接触する側の端面に凹部を備え、前記凹部を除く前記端面において前記コネクタと接触する、
   ことを特徴とする、センサ素子収容ケーシング。
7. 請求項６に記載のセンサ素子収容ケーシングであって、
   前記コネクタにおける前記スペーサとの接触面の面積と、前記スペーサの前記凹部を含む前記端面全体の面積との小さい方の面積をＳ０とし、前記コネクタと前記スペーサとの接触面積Ｓをするとき、接触部分面積比Ｓ／Ｓ０について、
   ０．２≦Ｓ／Ｓ０≦０．７
   である、ことを特徴とするセンサ素子収容ケーシング。
8. 請求項６または請求項７に記載のセンサ素子収容ケーシングであって、
   前記スペーサの高さをａとし、前記凹部の深さをｂとをするとき、深さ比ｂ／ａについて、
   ０．０８≦ｂ／ａ≦０．６
   である、ことを特徴とするセンサ素子収容ケーシング。
9. 請求項６ないし請求項８のいずれかに記載のセンサ素子収容ケーシングであって、
   前記凹部が、前記スペーサの前記端面の側からの平面視において直線状、十字状、または円形状のいずれかをなしている、
   ことを特徴とするセンサ素子収容ケーシング。
10. 請求項６ないし請求項９のいずれかに記載のセンサ素子収容ケーシングであって、
    前記スペーサの熱伝導率が３２Ｗ／ｍ・Ｋ以下である、
    ことを特徴とするセンサ素子収容ケーシング。

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