JP3684065B2

JP3684065B2 - ガスセンサ

Info

Publication number: JP3684065B2
Application number: JP06434998A
Authority: JP
Inventors: 敬中尾; 修一花井; 久治西尾
Original assignee: NGK Spark Plug Co Ltd
Current assignee: NGK Spark Plug Co Ltd
Priority date: 1998-02-26
Filing date: 1998-02-26
Publication date: 2005-08-17
Anticipated expiration: 2018-02-26
Also published as: JPH11248674A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、酸素センサ、ＨＣセンサ、ＮＯ_Xセンサなど、測定対象となるガス中の被検出成分を検出するためのガスセンサに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、上述のようなガスセンサとして、外筒の内側に主体金具を配し、その外筒の内側に測定対象となるガス中の被検出成分を検出するセラミック製の検出素子を配置した構造を有するものが知られている。このような構造のガスセンサにおいては一般に、図１２（ａ）に示すように、検出素子１０１の出力を外部に取り出したり、あるいは検出素子１０１内の回路部に給電したりするための電極端子部１０２が、当該検出素子１０１の後端面から突出する形で設けられる。そして、これら電極端子部１０２にはリードフレーム１０３がスポット溶接部等の接合部１０５により接合され、さらにそのリードフレーム１０３に図示しないリード線が接合されて、出力取出あるいは給電等がなされることとなる。他方、検出素子１０１の外面と主体金具１０４の内面との間はガラス等の封着材層１０６で封着される。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、図１２（ａ）に示すように、上述のようなガスセンサにおいては、電極端子部１０２とリードフレーム１０３との接合部１０５は、封着材層１０６の外側に露出した形になっているのが通常である。ここで、電極端子部１０２は一般にＰｔ線等の金属線で構成されるが、セラミック製の検出素子１０１と一体焼成される関係上、結晶粒成長を起こして抗折強度の低下したものになっていることが多い。そして、上記のように電極端子部１０２が接合部１０５とともに大きく露出した構造になっていると、ガスセンサの組立時あるいは使用時等において外力が加わった場合、電極端子部１０２が接合部１０５の近傍あるいは基端部等において折損しやすく、断線などのトラブルが発生しやすい欠点がある。
【０００４】
この場合、図１２（ｂ）に示すように、電極端子部１０２を接合部１０５とともに封着材層１０６で覆う構成も考えられるが、酸素濃淡電池素子を用いる酸素センサや空燃比センサ等の場合、検出素子１０１の、電極端子部１０２が突出している端面には、酸素基準電極に大気を供給する大気導入口が開口していることが多い。この場合、この面を含めて封着材層１０６で覆ってしまうと、酸素基準電極に十分な酸素を供給できなくなってセンサの作動に支障を来たす問題を生ずる。
【０００５】
本発明の課題は、検出素子の電極端子部が折損しにくく、ひいては断線等のトラブルが生じにくいガスセンサを提供することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段及び作用・効果】
上述の課題を解決するために、本発明のガスセンサの第一の構成は、
主体金具の内側に、測定対象となるガス中の被検出成分を検出する検出部が先端側に形成された長手形状の検出素子が配置され、
その検出素子の後端側には、検出部と電気的な接続をとるための電極端子部が突出して設けられており、
該電極端子部の突出部分は、検出素子の先端側に向けてその外周面長手方向に沿う形で折り返され、その折返し部には、導通部材の一端側が接合部により接合されて後方側に伸びており、さらに、
主体金具の内側において検出素子の周囲には、導通部材と電極端子部との接合部を覆う形で封着材層が形成されていることを特徴とする。
【０００７】
なお、封着材層は無機系のもの、例えばガラスを主体とするものを使用することができる。
【０００８】
上記本発明のガスセンサにおいては、検出素子の後端側から突出する電極端子部が、検出素子の先端側に向けて折り返され、その折返し部において導通部材（例えばリードフレーム）との接合部を形成し、さらにその外側を封着材層で覆った構成とした。このため、ガスセンサの組立時あるいは使用時において電極端子部に外力が加わった場合等に、電極端子部の基端部や接合部に過度な曲げ力や引張力が作用することを封着材層が阻止する形となるので、該電極端子部の折損が生じにくくなり、ひいては断線等のトラブルも生じにくくなる。また、電極端子部の折り返し長さを検出素子の長手方向に沿って比較的大きく設定でき、その封着材層によって覆われる長さも大きくできるので、電極端子部への曲げ力や引張力の作用を抑制する効果を一層顕著なものとすることができる。
【０００９】
また、本発明のガスセンサの第二の構成は、
主体金具の内側に、測定対象となるガス中の被検出成分を検出する検出部が先端側に形成された検出素子が配置され、
その検出素子において検出部は、酸素イオン伝導性固体電解質層の片側に検出側多孔質電極を、これと反対側に酸素基準側多孔質電極を形成した酸素濃淡電池素子を含むものとして構成され、
他方、検出素子の長手方向に沿ってその内部には多孔質材料からなる電極リード部が、一端が酸素基準側多孔質電極に接続するとともに、他端側が検出素子の検出部が設けられているのとは反対側の端部に露出する形態で形成され、
検出側多孔質電極と酸素基準側多孔質電極との間には、酸素基準側多孔質電極側に酸素が汲み込まれる方向に微小なポンピング電流が印加され、その汲み込まれた酸素が酸素基準側多孔質電極内に所定レベルの基準酸素濃度を形成するとともに、該酸素は電極リード部を経て、その他端側に形成された露出部をガス放出口としてここから大気中に放出されるようになっており、さらに、
検出素子の後端側からは、検出部と電気的な接続をとるための電極端子部が突出して設けられ、該電極端子部の突出部分には、導通部材の一端側が接合部により接合されて後方側に伸びており、
主体金具の内側において検出素子の周囲には、導通部材と電極端子部との接合部は覆い、ガス放出口は覆わない形で封着材層が形成されていることを特徴とする。
【００１０】
また、第三の構成は、
主体金具の内側に、測定対象となるガス中の被検出成分を検出する検出部が先端側に形成された長手形状の検出素子が配置され、
その検出素子において検出部は、酸素イオン伝導性固体電解質層の片側に検出側多孔質電極を、これと反対側に酸素基準側多孔質電極を形成した酸素濃淡電池素子を含むものとして構成され、
また、検出素子には、酸素基準側多孔質電極に基準ガスを供給するための基準ガス供給通路が自身の長手方向に沿ってその内部に形成されており、該基準ガス供給通路は、検出素子の検出部が設けられているのとは反対側の端部に基準ガス導入口を開口しており、さらに、
また、検出素子の後端側からは、検出部と電気的な接続をとるための電極端子部が突出して設けられ、該電極端子部の突出部分には、導通部材の一端側が接合部により接合されて後方側に伸びており、
主体金具の内側において検出素子の周囲には、導通部材と電極端子部との接合部は覆い、基準ガス導入口は覆わない形で封着材層が形成されていることを特徴とする。
【００１１】
これら本発明のガスセンサの第二ないし第三の構成では、酸素濃淡電池素子を含む検出素子のガス放出口ないし基準ガス導入口（例えば大気導入口）は覆わず、導通部材と電極端子部との接合部は覆うように封着材層を形成したから、ガスセンサの組立時あるいは使用時において電極端子部に外力が加わった場合等に、電極端子部の基端部や接合部に過度な曲げ力や引張力が作用することを封着材層が阻止する形となるので、該電極端子部の折損が生じにくくなり、ひいては断線等のトラブルも生じにくくなる。また、ガス放出口ないし基準ガス導入口は封着材層で覆われないので、前者の場合はポンピングされた酸素の放出がスムーズに進み、後者の場合は酸素基準電極に十分な酸素を供給できるので、いずれの場合もセンサを問題なく作動させることができる。
【００１２】
この場合、上記ガスセンサは、
基準ガス導入口が検出素子の後端面に開口しており、
電極端子部の突出部分は、検出素子の先端側に向けてその外周面長手方向に沿う形で折り返され、その折返し部には、導通部材の一端側が接合部により接合されて後方側に伸びており、さらに、
封着材層は、検出素子の後端面をガス放出口又は基準ガス導入口とともに露出させた状態で、接合部を電極端子部の折返し部とともに覆うものとして構成することができる。
【００１３】
電極端子部に折返し部を形成することで、検出素子の検出部の形成側を前方側、これと反対側を後方側として、ガス放出口又は基準ガス導入口が形成される検出素子後端面よりも接合部を前方側に位置させることが可能となり、ひいては基準ガス放出口又はガス導入口を露出させた状態で、接合部のみを覆う構造が合理的に実現される。また、電極端子部の折り返し長さを検出素子の長手方向に沿って比較的大きく設定でき、その封着材層によって覆われる長さも大きくできるので、電極端子部への曲げ力や引張力の作用を抑制する効果を一層顕著なものとすることができる。
【００１４】
一方、上記ガスセンサは、
検出素子の後端部に、該検出素子の後端面及び外周面に開放する切欠部が、該検出素子の長手方向前端側に向けて切れ込む形態で形成され、
この切欠部の内側において導通部材は、当該切欠部内に突出する電極端子部と接合部により接合される一方、ガス放出口又は基準ガス導入口は該検出素子の後端面に開口しており、
封着材層は、検出素子の後端面をガス放出口又は基準ガス導入口とともに露出させた状態で、切欠部内の接合部を電極端子部とともに覆うものとなるように構成することもできる。
【００１５】
この構成では、上述のように切欠部を形成して、この切欠部内に電極端子部を突出させることにより、検出素子後端面よりも接合部を前方側に位置させることが可能となり、ひいてはガス放出口又は基準ガス導入口を露出させた状態で、接合部のみを覆う構造が合理的に実現される。
【００１６】
さて、上記本発明のガスセンサの構成には、次のような発明内容を付け加えることができる。すなわち、該発明は、筒状の主体金具と、先端部に検出部が形成されて該検出部を主体金具の一方の端部から突出させる形態で該主体金具の内側に配置され、測定対象となるガス中の被検出成分を検出する検出素子と、軸方向一端側に形成された開口部から主体金具の他方の端部が軸方向に挿入され、当該主体金具との間に重なり部を形成する外筒と、重なり部において主体金具と外筒とを気密状態に結合する結合部とを備え、上記他方の端部側において主体金具の外周面には、外向きに突出する突出部が周方向に沿って形成され、外筒の開口部側の端部がその突出部の表面の少なくとも一部を覆うことを特徴とする。
【００１７】
主体金具の突出部は、例えばガスセンサを取付け用の孔部等に挿入して取付ける際に、その孔部開口縁と当接してガスセンサが孔部内に落ち込むことを防止するとともに、検出素子の取付け位置を決めるストッパ部として機能するものであり、例えば主体金具の外周面から周方向に沿って鍔状に突出形成されるフランジ部とすることができる。
【００１８】
上記発明によれば、主体金具の突出部外面の少なくとも一部を、外筒の開口部側の端部で覆うようにしたから、その覆われた部分においては、水滴等が突出部の外面に直接付着することが防止される。これにより、水しぶき等がかかっても主体金具側に強い熱衝撃が生じにくく、ひいては封着材層や検出素子にその影響が及びにくくなって、その寿命を延ばすことができる。
【００１９】
なお、外筒と主体金具との結合部はレーザー溶接部や抵抗溶接等の溶接により形成したり、あるいはろう付けにより形成することができる。この場合、レーザー溶接により結合部を形成した場合、外筒と主体金具との密着・一体化領域の面積をろう付けと比較して小さくすることができ、ひいては水滴等が結合部に付着したときの急冷作用をより効果的に抑制することができるので、本発明により好適であるといえる。
【００２０】
突出部を前述のフランジ部とする場合、主体金具の軸線方向において検出部の突出側を前方側とし、これと反対側を後方側として、外筒の開口部側の端部は、フランジ部の後方側端面を少なくとも覆うものとすることができる。該フランジ部の後方側端面は、センサ取付け状態において水滴等を特に受けやすい部分であり、これを外筒端部で覆うことで主体金具への熱衝撃をより効果的に緩和することができる。
【００２１】
この場合、外筒の開口部側の端部により、フランジ部の後方側端面とともに該フランジ部の外周面も覆うものとすれば、外筒によるフランジ部の被覆面積が増大し、主体金具等への熱衝撃の緩和をより効果的に図ることができる。この場合、前述の結合部を、そのフランジ部の外周面に沿って円環状に形成することができる。結合部は、外筒と主体金具とが密着・一体化する領域であるから、水滴付着による主体金具の急冷が特に生じやすく、内側の封着材層に対する熱衝撃の影響等も大きくなりがちとなる。しかし、これをフランジ部の外周面に形成することで、該結合部における冷却はフランジ部の半径方向に伝播した後に内側の封着材層に至る形となるので、それによる熱衝撃の影響も一層及びにくくなる効果が達成される。また、フランジ部の後端面に特に結合部を形成しない構成とすれば、該後端面とこれを覆う外筒端部とは一体化せずに単に接触するのみとなるか、あるいはわずかな隙間が形成される形となるので、主体金具の該部分における熱衝撃の発生をさらに効果的に防止ないし抑制することができるようになる。
【００２２】
次に、外筒は、開口部側の端部寄りにおいてその軸方向中間に段付部を形成してそれよりも先端側を拡径することができ、その外筒の拡径部にフランジ部を段付部に当たる位置まで挿入する構成とすることができる。外筒の拡径部にフランジ部を挿入し、段部にその後端面を当てて止めるようにすることで、外筒の主体金具に対する組付の位置決めが行いやすくなる。また、結合部がフランジ部の外周面又は後端面に対応する位置に形成される場合は、フランジ部の後端面を主体金具の対応する端面と面一に形成することができる。これにより、主体金具の製造が容易になる。
【００２３】
主体金具の内面と検出素子の外面との間がガラスを主体とする封着材層によって封着される場合、軸線方向においてその封着材層の後端位置を、フランジ部の後端面位置よりも前方に位置させることが望ましい。こうすることにより、例えばフランジ部後端面側に水滴等が付着した場合も、封着材層の後端位置がフランジ部後端面よりも後方に位置することで、その急冷による熱衝撃等が封着材層に伝わりにくくなる。なお、封着材層の後端位置は、より望ましくはフランジ部の前端面よりも前方側に位置させるのがよい。
【００２４】
また、本発明のガスセンサは、次のような形態で取付部に主体金具を取り付ける構成とすることができる。すなわち、外周面に雄ねじ部が形成された筒状の取付部内に主体金具を挿入して、その取付部の端面に突出部を当接させた状態とする。そして、両端が開口するねじ孔を有して該ねじ孔の後端側開口縁に沿って内向きに突出する張出部が形成されたナット部材を、外筒に対しその後端側から外挿し、さらにこれを取付部の雄ねじ部に螺合させることにより、突出部を取付部の端面とナット部材の張出部との間で挟み付けて保持する。
【００２５】
本発明のガスセンサにおいて、このような取付け構造を採用することで、以下に述べる種々の効果が達成される。
▲１▼突出部表面を覆う外筒の開口部側端部を、ナット部材の張出部と突出部との間に挟み込む形にすることで、ナット部材の貫通孔内面と外筒の外周面との間に形成される隙間に、突出部の表面（例えばフランジ部の後端面）が直接露出しなくなり、水滴等の付着による主体金具への熱衝撃がより効果的に緩和される。
▲２▼突出部をフランジ部として外筒の開口部側端部により突出部の後端面及び外周面を覆い、さらに結合部をフランジ部の外周面に対応する位置に形成する構成では、結合部が形成されるフランジ部外周面がナット部材により覆われる形となるから、該部分に水滴等が極めて進入しにくくなり、ひいては主体金具に対する熱衝撃を一層効果的に防止ないし抑制することができる。
【００２６】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を、図面に示す実施例を参照して説明する。
図１には、この発明のガスセンサの一実施例として、自動車等の排気ガス中の酸素濃度を検出する酸素センサ１を示している。この酸素センサ１は通称λセンサあるいはＯ₂センサと呼ばれるもので、細長い板状のセラミック素子２（検出素子）を備え、その先端側が排気管内を流れる高温の排気ガスに晒される。
【００２７】
セラミック素子２は方形状断面を有し、図２（ａ）に示すように、それぞれ横長板状に形成された酸素濃淡電池素子２１と、該酸素濃淡電池素子２１を所定の活性化温度に加熱するヒータ２２とが積層されたものとして構成されている。酸素濃淡電池素子２１は、酸素イオン伝導性を有する固体電解質により構成されている。そのような固体電解質としては、Ｙ₂Ｏ₃ないしＣａＯを固溶させたＺｒＯ₂が代表的なものであるが、それ以外のアルカリ土類金属ないし希土類金属の酸化物とＺｒＯ₂との固溶体を使用してもよい。また、ベースとなるＺｒＯ₂にはＨｆＯ₂が含有されていてもよい。一方、ヒータ２２は、高融点金属あるいは導電性セラミックで構成された抵抗発熱体パターン２３をセラミック基体中に埋設した公知のセラミックヒータで構成されている。
【００２８】
酸素濃淡電池素子２１には、その長手方向における一方の端部（主体金具３の先端より突出する部分）寄りにおいてその両面に、酸素分子解離能を有した多孔質電極２５，２６が形成されており、それら電極２５，２６及びそれらの間に挟まれる固体電解質部分が検出部Ｄを形成することとなる。
【００２９】
各多孔質電極２５，２６からは、該酸素濃淡電池素子２１の長手方向に沿って延び、末端が酸素センサ１の取付基端側の端面に至る電極リード部２５ａ，２６ａがそれぞれ一体に形成されている。電極リード部２５ａ及び２６ａの末端側は、図２（ｃ）に示すように、酸素濃淡電池素子２１を厚さ方向に横切るビア２６ｂ，２６ｂにより板面厚さ方向中間部に埋設された電極端子部８，８と接続されている。電極端子部８は例えばＰｔ線等で構成されるとともに、図２（ａ）に示すように、一端側が酸素濃淡電池素子２１に埋設されて、他端側が該素子２１の端面から突出しており、さらに、その突出部分が該酸素濃淡電池素子２１の板面に沿うように折り返されて折返し部８ａが形成されている。一方、ヒータ２２において抵抗発熱体パターン２３に通電するリード部２３ａにも、その端部側には、上記酸素濃淡電池素子２１と同様の形態で電極端子部８の一端側が電気的に接合され、他端側はヒータ２２の板面に沿うように折り返されて、折返し部８ａが形成されている。
【００３０】
このようなセラミック素子２は、以下のようにして得られる。すなわち図２（ｂ）に示すように、酸素濃淡電池素子２１となるべき２枚のグリーンシート２１’，２１’を用意する。そして、Ｐｔ等の金属線材８’，８’の各一端側を、グリーンシート２１’の端部側においてリード部２３ａのパターン形成が予定された所定位置に位置決めし、その状態で双方のグリーンシート２１’，２１’を積層する。そして、それらグリーンシート２１’，２１’の表面に電極２５，２６及び電極リード部２５ａ，２６ａに対応したパターン形状にＰｔ又はＰｔ合金など、酸素分子解離反応の触媒活性を有した金属粉末の導電性ペースト層２５’，２６’をスクリーン印刷により形成する。このとき、金属線材８’，８’の対応位置において両グリーンシート２１’，２１’には、ビア２６ｂ，２６ｂを形成するための貫通孔（図示せず）を形成しておく。これにより、この貫通孔にペーストが充填され、ビアのパターンが形成されることとなる。このようにして得られた積層体を焼成することにより、図２（ａ）に示す酸素濃淡電池素子２１が製造される（ただし、この段階では、金属線材８’，８’に基づく電極端子部８には折返し部８ａは形成されていない）。
【００３１】
一方、ヒータ２２は、抵抗発熱体パターン２３に対応した形状の導電性ペースト層をセラミックグリーンシートの表面にスクリーン印刷等により形成するとともに、リード部２３ａとなるべき部分と導通が取れる所定位置に、上記酸素濃淡電池素子２１に使用したものと同様のリード線を位置決めし、その上から別のセラミックシートを積層してこれを焼成することにより製造される。
【００３２】
図２（ｄ）に示すように、酸素濃淡電池素子２１とヒータ２２とは、ＺｒＯ₂系セラミックあるいはＡｌ₂Ｏ₃系セラミック等のセラミック層２７を介して互いに接合される。そして、その接合側の多孔質電極（酸素基準側多孔質電極）２６には、電極リード部２６ａ（これも多孔質である）の一端が接続されるとともに、反対側の多孔質電極（検出側多孔質電極）２５との間には、多孔質電極２６側に酸素が汲み込まれる方向に微小なポンピング電流が印加される。ここで、電極リード部２６ａは接合された酸素濃淡電池素子２１とヒータ２２との間に挟まれる形で、検出素子２の内部に位置し、その末端面は該検出素子２の取付基端側の端面に露出して、ガス放出口２ｓを形成している。そして、上記ポンピングされた酸素は電極リード部２６ａを経てガス放出口２ｓから大気中に放出される。これにより、多孔質電極２６内の酸素濃度は大気よりも若干高い値に保持され、酸素基準電極として機能することとなる。一方、反対側の多孔質電極２５は排気ガスと接触する検出側電極となる。
【００３３】
図１に示すように、セラミック素子２の電極端子部８には、例えばセンサ１の組立工程において折返し部８が形成され、その折返し部８ａにおいてスポット溶接等で形成される接合部４０により、金属薄板等で構成されたリードフレーム（導通部材）９の先端部と電気的に接合されている。そして、セラミック素子２が主体金具３に形成された挿通孔３１に挿通されるとともに、挿通孔３１の内面とセラミック素子２の外面との間には、両者の間を気密状態に封着するガラス等の封着材層３２が形成されている。そして、セラミック素子２は、封着材層３２により、先端の検出部Ｄが主体金具３の先端より突出した状態で該主体金具３内に固定される一方、後端が封着材層３２から露出している。これにより、封着材層３２は、電極端子部８とリードフレーム９との接合部４０は覆い、ガス放出口２ｓは覆わないものとなる。
【００３４】
主体金具３の先端外周には、セラミック素子２の突出部分を覆う金属製のプロテクトカバー６がレーザー溶接あるいは抵抗溶接（例えばスポット溶接）等によって固着されている。このカバー６は、キャップ状を呈するもので、その先端や周囲に、排気管内を流れる高温の排気ガスをカバー６内に導く開口６ａが形成されている。なお、本明細書では、主体金具３の軸線方向において検出部Ｄの突出側を前方側とし、これと反対側を後方側としている。
【００３５】
主体金具３の後端部外周面にはその周方向に沿って、外向きに突出する突出部としてのフランジ部１５が形成されている。外筒１８の軸方向先端寄りには段付部１８ａが形成され、その段付部１８ａよりもさらに先端側が拡径部１８ｂとされている。そしてフランジ部１５は拡径部１８ｂの内側に挿入され、その後端面が段付部１８ａ内面に当たって止められるとともに、その外周面において周方向に環状に形成された結合部としての溶接部（例えばレーザー溶接部）３５により、拡径部１８ｂと気密接合されている。ここで、溶接部３５の幅はフランジ部１５の外周面幅よりも狭く設定されている。また、主体金具３の軸線方向において、封着材層３２の後端位置は、フランジ部１５の前端面位置よりも前方に位置している（フランジ部１５の後端面位置よりも前方に位置させてもよい）。なお、結合部としての溶接部３５は、レーザー溶接に代えて環状の加締め部により形成してもよいが、特に高い防水性が望まれる用途に使用する場合は、レーザー溶接の方が液密性に優れているのでより望ましいといえる。
【００３６】
図１に示すように、主体金具３のフランジ部１５の外側にはナット部材５が取り付けられている。ナット部材５の内周面にはねじ部５ａが形成されるとともに、その後端側開口縁には内向きに突出して周方向の張出部５ｃが形成され、該張出部５ｃの内周面が貫通孔５ｂを形成している。該ナット部材５は、貫通孔５ｂにおいて外筒１８に対し後端側から外挿され、後述する取付け用の筒状部Ｅ３の雄ねじ部Ｅ２（図３）に締め込まれる。
【００３７】
図１に示すように、セラミック素子２の電極端子部８に接続されたリードフレーム９の他端側には、Ｎｉからなるリード線１０が、スポット溶接等による接合部４１により電気的に接続されている。そしてそれらリード線１０の他端側が樹脂被覆され、これらが収束状態で保護チューブ１７により一体的に覆われている。そして保護チューブ１７により覆われた各リード線１０は外筒１８の末端側を貫通して外部に延び、それらの先端に図示しないコネクタプラグが連結される。なお、外筒１８の末端側は保護チューブ１７の先端部を覆うように縮径され、その外周には溶接部あるいは加締め部等の結合部３６が形成されている。
【００３８】
図３は、酸素センサ１の車両の排気管Ｅへの取付状態の一例を示すものである。排気管Ｅには、酸素センサ１の取付位置に対応して該センサ１の先端部（検出部Ｄ）を挿通するための挿通孔Ｅ１が形成されている。また、その挿通孔Ｅ１の周縁に対応して排気管Ｅには、外周面に雄ねじ部Ｅ２が形成された筒状部Ｅ３が突出形態でこれと一体に形成されている。この筒状部Ｅ３の内径は、主体金具３の外径よりは少し大きく、フランジ部１５の外径よりは小さく設定されている。取付け時においては、酸素センサ１を挿通孔Ｅ１において排気管Ｅ内に挿入し、フランジ部１５の前端面を筒状部Ｅ３の上端面と当接させる。そして、この状態でナット部材５のねじ部５ａをねじ部Ｅ２においてフランジ部１５側に締め込むことにより、筒状部Ｅ３とナット部材５の張出部５ｃとの間でフランジ部１５が挾圧・保持され、酸素センサ１は排気管Ｅに取り付られた状態となる。
【００３９】
以下、酸素センサ１の作動について説明する。
図３に示すように、酸素センサ１は、ナット部材５のねじ部５ａにおいて車両の排気管Ｅに固定され、またコネクタプラグが図示しないコントローラに接続されて使用に供される。そして、その検出部Ｄが排気ガスに晒されると、酸素濃淡電池素子２１の多孔質電極２５（図２）が排気ガスと接触し、酸素濃淡電池素子２１には該排気ガス中の酸素濃度に応じた酸素濃淡電池起電力が生じる。この起電力が、電極リード部２５ａ及び２６ａを経て電極端子部８，８、さらにはリード線１０，１０を介してセンサ出力として取り出される。この種のλセンサ（あるいはＯ₂センサ）は、排気ガス組成が理論空燃比となる近傍で濃淡電池起電力が急激に変化する特性を示すことから、空燃比検出用に広く使用されるものである。
【００４０】
ここで、図１に示すように、本発明の酸素センサ１の構成によれば、電極端子部８とリードフレーム９との接合部４０が封着材層３２により封着されているため、酸素センサ１の組立時あるいは使用時等に外部から電極端子部８に引張力が加わった場合等においても、接合部４０にその引張力が過度に加わることがなく、ひいては断線等を生じにくくすることができる。また、電極端子部８，８の折り返し長さを検出素子２の長手方向に沿って比較的大きく設定でき、その封着材層３２によって覆われる長さも大きくできるので、電極端子部８，８への曲げ力や引張力の作用を抑制する効果を一層顕著なものとすることができる。さらに、大気導入口２ｓは封着材層３２により覆われていないので、多孔質電極２６を酸素基準電極として支障なく機能させることができる。
【００４１】
また、酸素センサ１の、例えば自動車における取り付け位置は、エキゾーストマニホルドや車両の足周り部分に近い排気管等であり、管外に露出するナット部材５及び外筒１８には、高温状態で水しぶき等がかかったりするなど、熱衝撃が加わりやすい。
【００４２】
そして、上記酸素センサ１においては、主体金具３のフランジ部１５の外周部分が外筒１８の拡径部１８ｂにより覆われているため、図６に示すように、水滴Ｗ等がナット部材５の貫通孔５ｂから内側へ侵入した場合でも、外筒１８の拡径部１８ｂが存在することにより、その熱衝撃が主体金具３ひいては封着材層３２に伝わりにくくなり、熱衝撃による封着材層３２の損傷等を防止することができる。
【００４３】
また、従来の酸素センサでは、例えば外筒１８の先端部内側とフランジ部１５表面とが、ろう付け等により広い領域で密着一体化されていたことから、熱衝撃が外筒１８から主体金具３へ伝わりやすい欠点があった。しかしながら、上記酸素センサ１では、フランジ部１５の外周面と拡径部１８ｂとを環状のレーザー溶接部３５で接合する構成としたので、外筒１８と主体金具３との一体化領域は溶接部３５のみとなり、それ以外の部分では一体化せず単なる接触状態となるか、又はわずかに隙間を生じた状態となる。その結果、熱衝撃が主体金具３へさらに伝わりにくくなり、封着材層３２への影響を緩和することができる。
【００４４】
以下、上記酸素センサの各種変形例について説明する。
図４（ａ）及び（ｂ）に示す構成においては、その酸素濃淡素子２１及びヒータ２２が、それぞれその長手方向後端部において端面を含む幅方向両側部分が切り欠かれて切欠部２１ｃ，２１ｃ及び２２ｃ，２２ｃが形成されている。また、酸素濃淡素子２１及びヒータ２２の各電極端子部８は、セラミック素子２の長手方向を切欠深さ方向として、各切欠部の深さ方向底面２１ｄ，２１ｄ及び２２ｄ，２２ｄから、折り返されることなく後方側に突出している。そして、各リードフレーム９は、切欠部２１ｃ，２１ｃ及び２２ｃ，２２ｃ内において各電極端子部８と接合部４０によりそれぞれ接続されている。
【００４５】
酸素濃淡素子２１とヒータ２２との間にはスペーサ部２８が介挿されて全体が焼成により一体化されている。このスペーサ部２８は、酸素濃淡素子２１及びヒータ２２の切欠部２１ｃ，２１ｃ及び２２ｃ，２２ｃに対応する切欠部２８ｃ，２８ｃを有し、また電極２６に対応する位置に酸素基準室２８ａが形成されている。また、スペーサ部２８には幅方向中央部において自身の長手方向に沿うように大気導入路（基準ガス供給通路）２８ｂが形成され、その一端が酸素基準室２８ａに連通し、他端が切欠部２８ｃ，２８ｃに挟まれた凸状部２８ｅの後端面に開口して大気導入口２９を形成している。
【００４６】
これにより、図４（ｂ）に示すように、セラミック素子２において酸素基準室２８ａには大気導入口２９から大気導入路２８ｂを経て大気が導入され、多孔質電極２６が酸素基準電極として機能することとなる。このようなセラミック素子２においては、図５に示すように、電極端子部８を前述のように折り返すことなく、リードフレーム９との接合部４０を封着材層３２に埋設した状態で、大気導入口２９を封着材層３２から露出させることができる。ただし、この構成においても電極端子部８を図２のように折り返して形成するようにして全く差しつかえない。
【００４７】
また、図４（ｃ）に示すように、スペーサ部２８に形成する大気導入路２８ｂは上下面を開放とせずに、該スペーサ部２８の厚さ方向中間においてその長手方向に延びる孔状に形成することもできる。この場合、酸素濃淡素子２１とヒータ２２との後端面は、切欠部を有さない平坦形状として、そこから各電極端子部８を折り曲げずに直線的に突出させる一方、スペーサ部２８の後端部を、それら酸素濃淡素子２１とヒータ２２との各後端面よりも突出させる形態とすることができる。この場合は、大気導入口２９が形成されるスペーサ部２８の後端面は封着材層から露出させる一方、リードフレーム９と電極端子部８との接合部は封着材層３２中に埋設するようにする。
【００４８】
次に、図７（ａ）に示すように、拡径部１８ｂの内側にフランジ部１５を挿入し、フランジ部１５の後端面１５ａと段付部１８ａの内面との重なり部において円環状の溶接部（例えばレーザー溶接部）３５を形成することにより、外筒１８と主体金具３とを気密接合する構成としてもよい。この場合、図７（ｂ）に示すように、外筒１８の拡径部１８ｂを省略してもよい。
【００４９】
また、図８に示すように、主体金具３には、フランジ部１５の後端面１５ａから軸方向後方側へ突出する筒状の突出部３ｆを形成することができる。この場合、レーザー溶接部３５は、突出部３ｆの外周面に対応した位置に形成するようにしてもよい。
【００５０】
また、図９に示すように、ガラス等で構成された封着材層３２に対し、セラミック素子２の軸線方向においてその片側（ないし両側）に多孔質無機物質で構成された緩衝層３８を設けることもできる。該緩衝層３８は、例えばタルク（滑石）等の無機物質粉末の圧粉成形体あるいは多孔質仮焼体として形成されている。これにより、セラミック素子２に対し機械的あるいは熱的な衝撃力が作用しても、該セラミック素子２の封着材層３２に覆われている部分とそうでない部分との境界付近に過度な応力が集中しにくくなり、セラミック素子２の寿命を延ばすことができる。この場合、緩衝層３８は、セラミック素子２の封着材層３２に覆われていない部分を支持し、これが軸線と交差する向きに変位すること、ひいては強い曲げ応力が加わることを抑制する働きをなすものと推測される。また、ガラス封着工程で加熱／冷却を受けた場合に、封着材層３２を構成するガラス、セラミック素子２あるいは主体金具３等の収縮差に起因してセラミック素子２に加わろうとする径方向の圧縮力あるいは曲げ応力等を緩和する働きを有しているとも考えられる。これにより、ガラス封着時におけるセラミック素子２の耐久性も向上し、ひいてはセンサの製造歩留まりを高めることが可能となる。
【００５１】
また、以上の実施例では、検出素子（セラミック素子）として酸素濃淡電池素子のみを用いるλセンサとして構成されていたが、これを他のタイプのガスセンサ素子として構成することも可能である。この場合、セラミック素子のリード線を上述のように折り返して形成し、その折返し部でリードフレームを接合するとともに、その接合部を封着材で覆う構造、あるいは酸素基準電極を使用する場合は、その酸素基準電極からのガス放出口又はその酸素基準電極への大気導入口は覆わず接合部のみを封着材で覆う構造のいずれか少なくとも一方が実現されるようにする。以下、いくつかの例を示す。
【００５２】
例えば、酸素センサは、検出素子が酸素濃淡電池素子とされるもののほか、アルミナ等の耐熱性絶縁材料で構成されたベース部の先端に、酸素濃度によって抵抗値の変化するチタニア等の金属酸化物を用いて検出部を形成した構造を有し、該検出部の抵抗変化が測定ガス中の酸素濃度の検出信号として出力されるものとして構成してもよい。
【００５３】
また、図１０はセラミック素子を全領域酸素センサ素子とした場合の概念図である。この場合、セラミック素子６０は、それぞれ酸素イオン伝導性固体電解質で構成される酸素ポンプ素子６１と酸素濃淡電池素子６２とが測定室６５を挟んで対向配置された構造を有し、排気ガスは多孔質セラミック等で構成された拡散孔６７を通って測定室６５に導入される。なお、符号６９は、酸素ポンプ素子６１と酸素濃淡電池素子６２とを加熱するためのヒータである。そして、酸素濃淡電池素子６２は、素子内に埋設された電極６３を酸素基準電極として、測定室６５側の電極６４との間に生ずる濃淡電池起電力により、測定室６５内の酸素濃度を測定する。一方、酸素ポンプ素子６１には電極６６及び６８を介して図示しない外部電源により電圧が印加され、その電圧の向きと大きさにより定まる速度で、測定室６５に対し酸素を汲み込む又は汲み出すようになっている。そして、該酸素ポンプ素子６１の作動は、酸素濃淡電池素子６２が検知する測定室６５内の酸素濃度に基づいて図示しない制御部により、該測定室６５内の酸素濃度が一定に保持されるように制御され、このときの酸素ポンプ素子６１のポンプ電流に基づいて排気ガスの酸素濃度を検出する。
【００５４】
また、図１１は、セラミック素子を２チャンバー方式のＮＯ_Xセンサ素子とした場合の例を示している。セラミック素子７０は、ＺｒＯ₂等の酸素イオン伝導性固体電解質で構成され、その内部には第一及び第二の測定室７１，７２が隔壁７１ａを挟んで形成されるとともに、上記隔壁７１ａには多孔質セラミック等で構成されてそれらを互いに連通させる第二拡散孔７３が形成されている。また、第一測定室７１は第一拡散孔７４により周囲雰囲気と連通している。そして、第一測定室７１に対しては電極７６及び７７を有する第一酸素ポンプ素子７５が、また、第二測定室７２に対しては電極７９及び８０を有する第二酸素ポンプ素子７８が、それぞれ壁部７１ａに関して反対側に位置している。他方、隔壁７１ａには、第一測定室７１内の酸素濃度を検出する酸素濃淡電池素子８３（隔壁７１ａ内の酸素基準電極８１と、第一測定室７１に面する対向電極８２を有する）が形成されている。なお、符号８６は、第一酸素ポンプ素子７５、第二酸素ポンプ素子７８及び酸素濃淡電池素子８３を加熱するためのヒータである。
【００５５】
その作動であるが、まず第一測定室７１内に周囲雰囲気のガスが第一拡散孔７４を通って導入される。そして、その導入されたガスから酸素が第一酸素ポンプ素子７５により汲み出される。なお、測定室内の酸素濃度は酸素濃淡電池素子８３により検出され、その検出値に基づいて図示しない制御部により第一の酸素ポンプ素子７５は、第一測定室７１内のガス中の酸素濃度が、ＮＯ_Xの分解を起こさない程度の一定値となるように、その酸素汲み出しのための作動が制御される。このようにして酸素が減じたガスは第二測定室７２へ第二拡散孔７３を通って移動し、そこでガス中のＮＯ_Xと酸素とが完全に分解するように、第二酸素ポンプ素子７８により酸素が汲み出される。このときの第二酸素ポンプ素子７８のポンプ電流に基づいてガス中のＮＯ_Xの濃度を検出する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のガスセンサの一例を示す酸素センサの縦断面図。
【図２】その検出素子としてのセラミック素子の構造を示す説明図。
【図３】ガスセンサの排気管への取付状態の一例を示す説明図。
【図４】セラミック素子の別の構造を示す説明図。
【図５】酸素センサの変形例を示す部分拡大説明図。
【図６】図１の拡大部分断面図。
【図７】溶接部の形成位置の変形例を示す説明図。
【図８】同じく別の変形例を示す説明図。
【図９】封着材層と隣接して緩衝層が形成される酸素センサの例を示す縦断面図。
【図１０】セラミック素子が全領域酸素センサ素子で構成される例を示す断面模式図。
【図１１】同じくＮＯ_Xセンサ素子で構成される例を示す断面模式図。
【図１２】従来の酸素センサを示す説明図。
【符号の説明】
１酸素センサ（ガスセンサ）
２，６０，７０セラミック素子（検出素子）
２ｓガス放出口
２９大気導入口（基準ガス導入口）
３主体金具
８電極端子部
８ａ折返し部
９リードフレーム（導通部材）
１８外筒
２１酸素濃淡電池素子
２５多孔質電極（検出側多孔質電極）
２６多孔質電極（酸素基準側多孔質電極）
２６ａ電極リード部
２８ｂ大気導入路（基準ガス供給通路）
３１挿通孔
３２封着材層
４０接合部

Claims

主体金具の内側に、測定対象となるガス中の被検出成分を検出する検出部が先端側に形成された検出素子が配置され、その検出素子の後端側には、前記検出部と電気的な接続をとるための電極端子部が突出して設けられており、該電極端子部の突出部分は、前記検出素子の先端側に向けてその外周面長手方向に沿う形で折り返され、その折返し部に、導通部材の一端側が接合部により接合されて後方側に伸びており、さらに、前記主体金具の内側において前記検出素子の周囲には、前記導通部材と前記電極端子部との前記接合部を覆う形で封着材層が形成されていることを特徴とするガスセンサ。