JP4172279B2

JP4172279B2 - ガスセンサ

Info

Publication number: JP4172279B2
Application number: JP2003023419A
Authority: JP
Inventors: 晋一郎今村; 将内藤; 誠中江; 並次藤井
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 2002-04-03
Filing date: 2003-01-31
Publication date: 2008-10-29
Anticipated expiration: 2023-01-31
Also published as: JP2004003963A; DE10315039A1; US7160422B2; US20030188969A1; DE10315039B4

Description

【０００１】
【技術分野】
本発明は，車両用内燃機関の燃焼制御系等に使用するガスセンサに関する。
【０００２】
【従来技術】
自動車エンジンの排気系にガスセンサを設置して，燃焼制御に用いることがある。このガスセンサはセラミック製の積層型ガスセンサ素子を内蔵し，この素子が排気ガス中のガス濃度を検出する役割を持つ。
【０００３】
【特許文献１】
特許２６５９７９３号公報
【０００４】
【解決しようとする課題】
ところで積層型ガスセンサ素子は薄いセラミック板を所定の枚数積層して構成し，機械的強度の弱いものが多く，振動や衝撃でしばしば損傷する。
特に，後述する図１にかかる構造のガスセンサでは，積層型ガスセンサ素子が絶縁碍子の先端部から突出しており，この部分で損傷を生じやすい。
【０００５】
絶縁碍子の先端部から突出する長さを短くすれば損傷を生じ難くすることができる。しかしながら，突出する部分には，後述する図１，図６より明らかであるが，被測定ガス側カバー内に露出して被測定ガスにさらされ，ガス濃度の検知にかかわるガス濃度検知部がある。ガス濃度を正確に検知するためには上記ガス濃度検知部の温度を一定に保つ必要がある。そのため，積層型ガスセンサ素子に対しヒータを一体的に設けたり（後述する図６参照），別体のヒータを設けたり（後述する図１５参照）して，ヒータ加熱を行う。
【０００６】
この突出したガス濃度検知部を短くした場合は，ヒータによって積層型ガスセンサ素子を暖めた熱が，絶縁碍子及びハウジング側へ逃げてしまい，突出した部分にあるガス濃度検知部の温度を一定に保つことが困難となる。そのため，突出した部分は常に一定の長さを確保する必要があり，むやみに短くできるものではない。
【０００７】
また，近年自動車エンジン等の内燃機関で使用される積層型ガスセンサ素子は従来よりも一層優れた早期活性が要求されている。つまり，積層型ガスセンサ素子は活性温度以上に加熱されなければ，ガス濃度の検知をすることができない。自動車エンジンの始動時より速やかにガス濃度を検知して燃焼制御機構を働かせるためには，積層型ガスセンサ素子をヒータで加熱して，より早い時間で活性温度に到達させなければならない（早期活性）。
そして，早期活性の実現には，積層型ガスセンサ素子の体格を小型化して熱容量を低減させることが有効な手段である。
【０００８】
しかしながら，小型の積層型ガスセンサ素子をガスセンサに組み付けて使用するには次のような制限がある。
すなわち，後述する図１を例にあげて説明すると，このタイプのガスセンサ１では，積層型ガスセンサ素子２をハウジング１０に対し固定する。
積層型ガスセンサ素子２は，該積層型ガスセンサ素子２に電力を供給したり，出力を取り出したりする端子部（図２に示す２６５，２６６）を有し，該端子部と電気的導通する板状端子部１３１を有する（図１参照）。
板状端子部１３１間の絶縁性を確保するために，積層型ガスセンサ素子２を絶縁碍子３に挿入し，絶縁碍子３に対して固定した後に，積層型ガスセンサ素子２ごと絶縁碍子３をハウジング１０に挿入して，ハウジング３に対して固定する必要がある。
【０００９】
その際に積層型ガスセンサ素子２と絶縁碍子３との間は封止材３０によって固定されるが，この部分の強度を確保するために積層型ガスセンサ素子２の幅寸法をあまり狭くすることはできない。更に，上記板状端子部は通常複数設けるため（図２の例では表に２個，図面から見えない裏に２個），絶縁性確保のために，積層型ガスセンサ素子２の幅寸法をあまり狭くすることはできない。
一方，ガス検知部に関しては，ガス検知の機能を確保できる範囲であれば，小型化について大きな制限はない。
【００１０】
本発明は，かかる従来の問題点に鑑みてなされたもので，衝撃に強く損傷が生じ難い積層型ガスセンサ素子を備えたガスセンサを提供しようとするものである。
【００１１】
【課題の解決手段】
本発明は，筒型のハウジングと該ハウジングに筒型の絶縁碍子を介して挿通固定された積層型ガスセンサ素子とを有し，
上記積層型ガスセンサ素子は幅細部と該幅細部よりも幅の太い幅太部とよりなり，
上記幅太部は上記絶縁碍子に対し固定された固定状態にあり，
上記幅細部は上記絶縁碍子に対し固定されないフリー状態にあると共に被測定ガス中の特定ガス濃度検出を行うガス検知部を有し，
かつ，上記フリー状態にある上記幅細部の厚みは，該幅細部の全長範囲において上記固定状態にある上記幅太部の厚みよりも厚く構成することを特徴とするガスセンサにある（請求項１）。
【００１２】
次に，本発明の作用効果につき説明する。
本例のガスセンサにおいて，積層型ガスセンサ素子は幅の太い幅太部と幅の細い幅細部とを有すると共に，上記フリー状態にある幅細部の厚みは，該幅細部の全長範囲において上記固定状態にある幅太部の厚みよりも厚く構成する。
上記の幅太部は絶縁碍子に対し固定された固定部であり，幅細部は絶縁碍子に固定されていないフリー状態で特定ガス濃度検出を行うガス検知部を有する。
本発明にかかるガスセンサにおいて，絶縁碍子における積層型ガスセンサ素子の保持は，幅太部をガスセンサにおける基端側に，幅細部を先端側に配置して，幅太部のみを接着剤や封止材，固定具等を利用して絶縁碍子の内側面に対し固定することで行う。
【００１３】
ガスセンサに衝撃・振動が加わった場合，ガスセンサ素子において絶縁碍子からフリー状態にある幅細部は，振動・衝撃によって振れて，モーメントが加わる。
仮に絶縁碍子からフリー状態にある部分の幅が絶縁碍子に固定された固定部と同一である場合，フリー状態にある部分は上記モーメントによって折れてしまう可能性が高くなる。
本発明は，幅細部をフリー状態とすることで，モーメントによる折れの発生確率を低減することができる。なぜなら幅の細い分，絶縁碍子に固定されていないフリーな部分の重量が軽くなるため，加わるモーメントも小さくなり，耐久性の向上が見込めるためである。
また，特に，上記幅細部の厚みは，該幅細部の全長範囲において上記幅太部の厚みよりも大きく構成してある。
その上，幅細部は幅太部と比べて体積も小さく，熱容量も小さいため，積層型ガスセンサ素子の早期活性について有利である。
【００１４】
以上，本発明によれば，衝撃に強く損傷が生じ難い積層型ガスセンサ素子を備えたガスセンサを提供することができる。
【００１５】
【発明の実施の形態】
本発明にかかるガスセンサは，酸素イオン導電性の固体電解質体に被測定ガス側電極と基準電極とを設け，これらの電極から構成する電気化学セルを流れる酸素イオン電流に基づいて，所定のガス濃度を測定するような積層型ガスセンサ素子を内蔵する。
また，積層型ガスセンサ素子は固体電解質板や各種絶縁板等を適宜積層して構成する（図６参照）。
【００１６】
また，本発明にかかる積層型ガスセンサ素子としては，被測定ガス中の酸素濃度を測定する酸素センサ素子がある。
特定ガスを分解して酸素イオンを生成し，この酸素イオンに基づいて特定ガスの濃度を測定する積層型ガスセンサ素子もある。ここに特定ガスとしては例えばＮＯｘやＣＯ，ＨＣ等がある。
さらに，内燃機関の排気系に設置し，排気ガス中の酸素濃度を測定し，その測定値に基づいて内燃機関の燃焼室における空燃比（Ａ／Ｆ）を測定する積層型ガスセンサ素子を内蔵することもある。
いずれも素子の種類に応じてガスセンサの役割が変わる。
【００１７】
また，本発明のガスセンサとして後述する各実施例に記載したような構成がある。しかし，この実施例以外の構成にかかるガスセンサであっても，積層型ガスセンサ素子に幅細部と幅太部を設けることで，本発明にかかる効果を得ることができる。
【００１８】
また，本発明にかかる積層型ガスセンサ素子は，素子の長手方向にかかる軸と直交する断面が長方形状となるような板状の長尺の素子である。ここに素子の幅とは，素子の長手方向に直交する方向に沿った長さであり，後述する厚みと直交する方向に沿った長さである（図４参照，ｗ１，ｗ２）。
【００１９】
また，幅太部と幅細部の境界が直角になるような形状の場合，積層型ガスセンサ素子に振動や衝撃が加わった際に，上記直角の境界に応力が集中し，亀裂や割れが生じやすくなるおそれがある。これを回避するため，幅太部と幅細部との境界を後述する図１０に示すように半径０．３〜１．０ｍｍの円に沿った弧状の曲線，テーパ状等とすることが好ましい。
【００２０】
また，幅太部において積層型ガスセンサ素子をガスセンサに固定する際は，幅太部の全面を絶縁碍子に対して固定する場合もあるが，幅太部となった部分のいずれか一箇所以上で固定を行うこともできる（図１，図１４参照）。
また，ガス検知部とは，被測定ガス中の特定ガス濃度を測定に大きく寄与する部分を示し，例えば，後述する図８をではセンサセル５３を構成する電極５１４や５０７を設けた領域がガス検知部となる。
【００２１】
また，本発明においては，上記フリー状態にある幅細部の厚みは，該幅細部の全長範囲において上記固定状態にある幅太部の厚みよりも厚く構成する。
これにより，幅細部の強度を高めて，衝撃に強くすることができる。
なお，上記幅細部，幅太部の厚みとは，積層型ガスセンサ素子の積層方向と同じ方向に沿って計った厚みである（図５参照，ｄ１，ｄ２）。
【００２２】
また，上記積層型ガスセンサ素子の角部はテーパー状または曲面状であることが好ましい（請求項２）。
角部は応力が集中しやすいため，テーパー状としたり曲面状に構成することで応力が集中し難くする。これによって，より衝撃に強い積層型ガスセンサ素子を得ることができる。
例えば後述する図６，図１２に示すように角部を面取りすることで，角部をテーパー状とすることができる。
【００２３】
また，上記幅太部の厚みは０．７〜２．０ｍｍかつ上記幅太部の幅は４．０〜６．０ｍｍであり，上記幅細部の厚みは１．３〜２．４ｍｍかつ上記幅細部の幅は２．５〜４．０ｍｍであり，さらに上記幅細部の長さは８．０ｍｍ以上であることが好ましい（請求項３）。
【００２４】
上述した寸法にかかる積層型ガスセンサ素子は，ガスセンサに組み付ける際に割れや損傷が生じ難く，ガス濃度の検知にかかるガス検知信号等や電力供給に用いる端子部を設けた際に，これら端子部間で絶縁を容易に確保することができ，その上で早期活性や機械的強度に優れている。
【００２５】
上記幅太部の厚みは，積層型ガスセンサ素子をガスセンサを構成する各種部材に対し組付ける際の割れや損傷を防ぐため０．７ｍｍ以上として強度を確保することが好ましい。さらに，上記端子部間に絶縁性を確保するため，幅太部の幅は４．０ｍｍ以上あることが好ましい。
しかしながら，積層型ガスセンサ素子の厚みや幅が大きいと熱容量が大きくなり，早期活性に不利であるため，幅太部の厚みは２．０ｍｍ以下，幅は６．０ｍｍ以下とすることが好ましい。
【００２６】
また，幅細部はガス検知部を有するため，幅太部より厚みを持たせることがあるが，前述したようにあまり厚くなると早期活性に不利であるため，厚さは２．４ｍｍ以下とすることが好ましい。更に積層型ガスセンサ素子をガスセンサを構成する各種部材に対し組付ける際の割れや損傷を防ぐため幅細部の厚みは１．３ｍｍ以上とすることが好ましい。
【００２７】
幅細部の幅も同様に積層型ガスセンサ素子をガスセンサを構成する各種部材に対し組付ける際の割れや損傷を防ぐため４．０ｍｍ以下とすることが好ましい。
更に，積層型ガスセンサ素子の体格が小さいほど早期活性は有利ではあるが，積層型ガスセンサ素子をヒータを用いて加熱する際にヒータからの熱を受ける面積が小さすぎると熱を効率よく受け取れないため，幅を２．５ｍｍ以上とすることが好ましい。
【００２８】
更に，幅細部の長さが短すぎる場合，熱が容易に絶縁碍子等に逃げてしまうため，ガス検知部を有する幅細部の温度を一定にするために，幅細部の長さは８．０ｍｍ以上とすることが好ましい。
また，幅細部の長さが長すぎると絶縁碍子よりフリーとなっている幅細部に，前述した振動・衝撃により加わるモーメントが大きくなるため２０．０ｍｍ以下とすることが好ましい。
【００２９】
また，上記積層型ガスセンサ素子は，固体電解質板と該固体電解質板に設けた被測定ガスに接する電極と基準ガスと接する電極とよりなるセンサセルと，該センサセルを活性温度に加熱する通電により発熱する発熱体を備えたヒータとを有し，上記ヒータにおける発熱体と上記センサセルにおける一対の電極におけるいずれか近いほうとの最短距離は０．４〜１．８ｍｍであることが好ましい（請求項４）。
【００３０】
積層型ガスセンサ素子の組付け強度を確保するためには薄すぎると割れを生じやすくなる。この点から０．４ｍｍ以上の最短距離が必要であり，その一方で積層型ガスセンサ素子が厚いほど早期活性時間に不利であることから，厚さを１．８ｍｍ以下にすることが好ましい。これにより，強度と早期活性とが両立した積層型ガスセンサ素子を得ることができる。
なお，発熱体に対してより近い位置にある電極との距離を上記最短距離に採用する。
例えば図１３にかかるガスセンサ素子では，スペーサの厚みが上記最短距離に相当する。電極の厚みや発熱体の厚みはスペーサの厚みに比べて無視できる程薄いためである。
【００３１】
【実施例】
以下に，図面を用いて本発明の実施例について説明する。
（実施例１）
本例にかかるガスセンサ１は，図１〜図６に示すごとく，筒型のハウジング１０と該ハウジング１０に筒型の絶縁碍子３を介して挿通固定された積層型ガスセンサ素子２とを有し，上記積層型ガスセンサ素子２は幅細部２１と該幅細部２１よりも幅が太い幅太部２２とよりなり，上記幅太部２２は上記絶縁碍子３に対し固定された固定状態にあり，上記幅細部２１は上記絶縁碍子３に対し固定されないフリー状態にあると共に被測定ガス中の特定ガス濃度検出を行うガス検知部を有する。
【００３２】
以下，詳細に説明する。
本例のガスセンサ１は，図１に示すごとく，筒型のハウジング１０の基端側に大気側カバー１２を，先端側に被測定ガス側カバー１１を備え，ハウジング１０内に絶縁碍子２に挿通した積層型ガスセンサ素子２を有する。
絶縁碍子３の基端側には大気側絶縁碍子１２５を設ける。
積層型ガスセンサ素子２の基端側は大気側絶縁碍子１２５内において，板状端子部１３１，接続端子部１３４を介してリード線１３５と電気的導通を採った端子部２６５，２６６（後述する図２参照）を備える。
また，積層型ガスセンサ素子２の先端側は被測定ガス側カバー１１内に露出し，ここで被測定ガス中の所定のガス濃度を測定する。
【００３３】
上記絶縁碍子３は，図２，図３に示すごとく，基端側が大径部３２，先端側が大径部３２より細い小径部３１となっており，全体として筒型である。この絶縁碍子３に積層型ガスセンサ素子２を挿入し，封止材３０にて積層型ガスセンサ素子２の外側面と絶縁碍子３の内側面との間を気密的に封止すると共に積層型ガスセンサ素子２を絶縁碍子３に対し固定する。
封止材３０としてはガラス材料のほか，タルク等の粉末シール材や各種耐熱性の接着樹脂等を用いることができる。
【００３４】
そして，上記封止材３０によって積層型ガスセンサ素子２が固定されているのは，積層型ガスセンサ素子２の幅太部２２のみである。図２，図３に示すように，幅太部２２の図面左方における端部まで封止材３０が充填され，幅太部２２は絶縁碍子３に強く固定されている。しかし，幅細部２１と絶縁碍子３との間には封止材３０がなく，幅細部２１はフリーの状態にある。
【００３５】
上記積層型ガスセンサ素子２について説明する。
図４〜図６に示すごとく，上記積層型ガスセンサ素子２は，板状の酸素イオン導電性の固体電解質板２６と該固体電解質板２６の両面に設けた一対の電極２６１，２６２とよりなり，電極２６２はスペーサ２５にて構成した基準ガス室２５０と対面し，電極２６１はスペーサ２７と拡散抵抗層２８にて構成した被測定ガス室２５０と対面する。また，スペーサ２５には，通電により発熱する発熱体２９０を備えたヒータ基板２９を積層する。
【００３６】
この積層型ガスセンサ素子２は，図４に示すごとく，電極２６１，２６２を備えた側が幅細部２１に，端子部２６５，２６６を備えた側が幅太部２２となっている。つまり幅細部２１にガス検知部がある。幅細部２１の幅ｗ１，幅太部２２の幅ｗ２はそれぞれ一様である。上記端子部２６５，２６６は積層型ガスセンサ素子２の出力取り出し用の端子部である。
また，図５に示すごとく，幅細部２１の厚みｄ１は幅太部２２の厚みｄ２よりも厚く，また幅細部２１の厚みｄ１，幅太部２２の厚みｄ２はそれぞれ一様である。また，この積層型ガスセンサ素子２の断面形状は略長方形であるが，図６に示すごとく，ヒータ基板２９の角部にテーパー部２９５を設け，この部分での応力集中をさけて，より衝撃に強くする。なお，図６は幅細部２１の断面図である。
【００３７】
次に，本例のガスセンサの作用効果について説明する。
本例のガスセンサ１の絶縁碍子３における積層型ガスセンサ素子２の保持は，幅太部２２をガスセンサ１の基端側に，幅細部２１を先端側に配置して，幅太部２２のみを封止剤３０を利用して絶縁碍子３に対し固定することで行う。
【００３８】
衝撃が加わった場合に応力が生じて割れやクラック等が生じやすいのは絶縁碍子３に対し固定されいないフリーな部分である。本例ではフリーな部分の幅を細くして応力の集中が生じ難くなるようにする。
以上，本例によれば，衝撃に強く損傷が生じ難い積層型ガスセンサ素子を備えたガスセンサを提供することができる。
【００３９】
（実施例２）
本例にかかるガスセンサ１は，図７に示すごとく，ハウジング１０と，該ハウジング１０に絶縁碍子４１，粉末シール材４２，パッキン４３，絶縁碍子４４を介して挿通固定された積層型ガスセンサ素子５とを有する。
また，本例のガスセンサ１は，上記ハウジング１０の基端側で上記絶縁碍子４４の上側にかしめ固定された大気側カバー４５１，４５２を有し，また上記大気側カバー４５２の内側に設けた大気側絶縁碍子４５を有する。また上記ハウジング１０の先端側に設けた被測定ガス側カバー１１を有する。
また，本例の積層型ガスセンサ素子５も幅太部５２と幅細部５１とを有する。幅太部５２のすぐ上方には積層型ガスセンサ素子５の軸方向に突出した鍔部５２０があって，この鍔部５２０の先端側が上記ハウジング１０に当接する。
【００４０】
図８，図９に示すごとく，本例の積層型ガスセンサ素子５は，図面上から順に，ガス遮蔽層５０１，多孔質拡散抵抗層５０２，被測定ガス室５３１形成用のスペーサ５０３，絶縁層５０９，センサセル５３形成用の固体電解質板５１１，基準ガス室５３２形成用のスペーサ５１５，ヒータ基板５１８を積層して構成する。固体電解質板５１１はジルコニアセラミックからなり，他のガス遮蔽層５０１やスペーサ５０３等はアルミナセラミックからなる。
【００４１】
センサセル５３は固体電解質板５１１上で被測定ガス室５３１に面する電極５０７と基準ガス室５３２に面する電極５１４からなる。電極５０７と電気的に導通したリード部５０４，端子部５０６，電極５１４と電気的に導通したリード部５１３，内部端子部５１２，スルーホール５１０，５０８，端子部５０５とが絶縁層５０９，固体電解質板５１１にそれぞれ設けてある。また，ヒータ基板５１８には，発熱体５１７，リード部５１６，スルーホール５１９，端子部５２０が設けてある。
【００４２】
次に，上記積層型ガスセンサ素子５の製造方法について説明する。
まず，ガス遮蔽層５０１，多孔質拡散抵抗層５０２，スペーサ５０３，固体電解質板５１１，スペーサ５１５，ヒータ基板５１８形成用のグリーンシートを作製する。このグリーンシートの作製にはドクターブレード法，押出し成型法を利用した。また，スペーサ５１５は射出成形の他，ドクターブレード法，押出し成型法で得られたグリーンシートに溝を掘る加工を施すこと，およびコの字型のシートと平板シートを積層して得ることができる。
また，それぞれのグリーンシートの形状は図８に示す焼成後の形状とほぼ同じである。ただし焼成によってグリーンシートは収縮するため，若干サイズが大きくなっている。
【００４３】
次いで，固体電解質体５１１用のグリーンシートに対し，絶縁層５０９となる印刷部をアルミナペーストを用いて印刷成形した後，電極５０７，電極５１４，リード部５０４，５１３，端子部５０５，５０６，５１２となる印刷部を白金ペーストを用いて印刷形成した。次いで，絶縁層５０９，固体電解質板５１１に対しスルーホール５１０，５０８用の導体材料を充填した貫通穴を設けた。
また，ヒータ基板５１８用のグリーンシートに対し，発熱体５１７，リード部５１６，端子部５２０となる印刷部をタングステン，白金等のペーストを用いて印刷形成した。また，ヒータ基板５１８にもスルーホール５１９用の導体材料を充填した貫通穴を設けた。
次に，各グリーンシートを図８，図９に示す構成となるよう積層して積層体となし，該積層体を加圧しながら約１５００℃〜１６００℃で焼成した。
これにより，積層型ガスセンサ素子５を得た。
【００４４】
ここで，上記積層型ガスセンサ素子５に幅太部５２と幅細部５１を形成する方法について説明する。
一つは焼成前に形成する方法で，各グリーンシートを積層する前に打抜き，切断等により形成させたものを積層する場合と，積層後に幅細部と幅太部を形成するように加工する場合がある。
一方，焼成後に形成する場合は，焼成を終えた後に幅細部としたい箇所を研削する。これらいずれの方法でも上記積層型ガスセンサ素子５を得ることができる。
【００４５】
（実施例３）
本例にかかる積層型ガスセンサ素子６は，幅太部と幅細部の境界が曲線状にて形成されている。
図１０〜図１３に示すごとく，本例の積層型ガスセンサ素子６は，図面上から順に，ガス遮蔽層６０１，多孔質拡散抵抗層６０２，被測定ガス室６３３形成用のスペーサ６０３，センサセル６３形成用の固体電解質板６０４，絶縁層６０５，基準ガス室６３４形成用のスペーサ６０６，絶縁層６０７，６０８，ヒータ基板６０９を積層して構成する。固体電解質板６０６はジルコニアセラミックからなり，他のガス遮蔽層６０１やスペーサ６０３等はアルミナセラミックからなる。
【００４６】
センサセル６３は固体電解質板６０４上で被測定ガス室６３３に面する電極６３１と基準ガス室６３４に面する電極６３２からなる。また，電極６３１と電気的に導通したリード部６３５，端子部６３７，電極６３２と電気的に導通したリード部６３６，端子部６３８とが設けてある。また，絶縁層６０８，ヒータ基板６０９には，発熱体６３７，リード部６３８，端子部（図示略）等が設けてある。
図１２はセンサセル６３のある位置での矢視断面，図１３はリード部６３５や６３６のある位置での矢視断面である。
また，積層型ガスセンサ素子６の角部６９０はいずれも面取りして斜面状となっている。
【００４７】
図１０に示すごとく，上記積層型ガスセンサ素子６の幅細部６１における幅はｔ１で３．２ｍｍ，幅太部６２における幅ｔ２は４．５ｍｍである。また，図１１に示すごとく，幅細部６１の厚みｔ３は２．１ｍｍで，幅太部６２の厚みｔ４は１．６ｍｍである。
上記積層型ガスセンサ素子６を構成する各部の厚みは，ガス遮蔽層６０１が０．１６ｍｍ，多孔質拡散抵抗層６０２が０．２４ｍｍ，スペーサ６０３が０．０３ｍｍ，固体電解質板６０４が０．１６ｍｍ，絶縁層６０５が０．０３ｍｍ，スペーサ６０６が１．２ｍｍ，絶縁層６０７，６０８は共に０．０３ｍｍ，ヒータ基板６０９は０．１６ｍｍである。基準ガス室６３４の高さＴ１は０．６ｍｍであり，幅Ｔ２は１．１２ｍｍである。
【００４８】
図１０に示すごとく，上記積層型ガスセンサ素子６の幅細部６１と幅太部６２との境界６２０は弧状であり，境界６２０は直径が０．６５ｍｍとなる円弧の一部となる形状を備える。
本例にかかる積層型ガスセンサ素子６をガスセンサに搭載する際は，上記幅太部６１においてガスセンサを絶縁碍子等に固定して，上記幅細部６２はフリー状態とする。また，上記センサセル３６は幅細部６２の範囲内で形成され，ここがガス検知部となる。
このような積層型ガスセンサ素子６を設けたガスセンサは，実施例１と同様の作用効果を得ることができる。
また，本例の積層型ガスセンサ素子６の発熱体とセンサセル６３における電極６３２との最短距離は，図１２よりスペーサ６０６と絶縁層６０９の厚みを足した値となり，１．２３ｍｍである。そして上記最短距離は０．４〜１．８ｍｍの範囲にあり，強度と早期活性とが両立した積層型ガスセンサ素子を得ることができる。
その他詳細は実施例１と同様である。
【００４９】
（実施例４）
本例にかかるガスセンサ７は，図１４，図１５に示すごとく，積層型ガスセンサ素子７０に対し別体のヒータ７５を設けた構成である。
図１４に示すごとく，ガスセンサ７は，ハウジング７１に挿通固定された積層型ガスセンサ素子７０と，該ハウジング７１の先端側に設けた被測定ガス側カバー７３，基端側に設けた大気側カバー７２１と７２２とを有する。また，大気側カバー７２１，７２２の内部には，積層型ガスセンサ素子７０に接続された接続部７４１，該接続部７４１と導通し，外部から引き込まれたリード線７４２，積層型ガスセンサ素子７１を上記ハウジング７１内に保持する絶縁碍子７１０，リード線７４２を挿通して上記大気側カバー７２２の基端側内部にかしめ固定する弾性絶縁部材７４とを設ける。
そして，上記積層型ガスセンサ素子７０は幅細部７２と幅太部７１とよりなり，幅太部７１は上記絶縁碍子７１０の内部でリング状の固定具７１１により固定される。幅細部７２はフリー状態である。
【００５０】
また，上記積層型ガスセンサ素子７０は，図１５に示すごとく，図面上から順に保護層７０１，固体電解質板７０２，多孔質層７０３，固体電解質板７０４とを積層して構成した本体部７００と，３枚の絶縁層７５１〜７５３とその間に設けた発熱体７５０からなる別体のヒータ７５とからなる。
本体部７００は，センサセル７３とポンプセル７４とを有する。ポンプセル７４，センサセル７３はいずれも幅細部７２の範囲内に形成され，ここがガス検知部となる。
センサセル７３は固体電解質板７０２に設け，緻密でガス不透過の保護層７０１と対面した電極７３１と，多孔質層７０３を介して被測定ガスが入る被測定ガス室７３０と対面した電極７３２とを有する。
【００５１】
ポンプセル７４は固体電解質板７０４に設け，被測定ガス室７３０と対面した電極７４１と，ヒータ７５と対面した電極７４２とよりなり，電極７４２の表面は多孔質の保護層７０５で覆われている。
また，本例の積層型ガスセンサ素子７０は，図１４に示すごとく，幅太部７１の図面下方の一部の領域でのみ絶縁碍子７１０に対し固定する。図面の上方の積層型ガスセンサ素子７０はフリー状態である。
以上，本例にかかる積層型ガスセンサ素子７０を搭載したガスセンサ７も実施例１と同様の作用効果を得ることができる。その他詳細は実施例１と同様である。
【００５２】
（実施例５）
本例にかかる積層型ガスセンサ素子８は２セル型でヒータが一体化した構成である。
図１６に示すごとく，積層型ガスセンサ素子８は，上から順に保護層８０１，固体電解質板８０２，８０３，基板８０４，８０５を積層してなる。固体電解質板８０２と８０３との間は多孔質層８０７を備えた被測定ガス室８０８がある。保護層８０１から固体電解質板８０３に達するガス導入穴８０６から入った被測定ガスは，上記多孔質層８０７を介して被測定ガス室８０８に達する。
基板８０４と８０５との間には，絶縁層８５１に包まれた発熱体８５０からなるヒータ８５が設けてある。
【００５３】
上記積層型ガスセンサ素子８はポンプセル８３とセンサセル８４とを有する。
ポンプセル８３は，固体電解質板８０２で保護層８０１と対面する箇所にある電極８３１と，被測定ガス室８０８と対面する電極８３２とよりなる。センサセル８４は被測定ガス室８０８と対面する電極８４１と基準ガス室８１０と対面する電極８４２とよりなる。基準ガス室８０８は固体電解質板８０３と８０４との間に形成される。
【００５４】
このような構成にかかる積層型ガスセンサ素子８に幅太部と幅細部を設けて，幅太部においてガスセンサの絶縁碍子に対し固定し，上記ポンプセル８３とセンサセル８４を幅細部の範囲に設け，ガス検知部とすることで，実施例１と同様の作用効果を得ることができる。その他詳細は実施例１と同様である。
【００５５】
（実施例６）
本発明にかかる幅太部と幅細部とを有する積層型ガスセンサ素子と，幅が全体として均一な比較例にかかる積層型ガスセンサ素子とを準備して，両者の電極表面温度，活性時間について比較測定した。
【００５６】
本例で使用した積層型ガスセンサ素子２は，図１７，図１８に示すごとく，ガス不透過の保護層２８２，多孔質拡散抵抗層２８１，固体電解質板２６，スペーサ２５，ヒータ基板２９を積層して構成する。保護層２８２と多孔質拡散抵抗層２８２には電極２６１の表面に到達する貫通穴を設け，該貫通穴に熱電対を備えた抵抗温度計２０９を挿入し，電極表面温度を測定できるようにした。
本発明にかかる積層型ガスセンサ素子は図１７とは異なり，実施例１等に記載があるように幅太部と幅細部とを有し，幅細部の幅が３．２ｍｍである。比較例にかかる積層型ガスセンサ素子は，図１７に示すように素子の全体で幅が均一で４．５ｍｍである。
【００５７】
本発明と比較例にかかる積層型ガスセンサ素子に通電して，発熱体２９０を発熱させた。通電開始後からの電極表面温度の時間変化を抵抗温度計で測定して，図２０に記載した。
また，活性時間の測定は，まず，室温２０℃，大気中においてセンサセル５３の基準ガス室５３２に面する電極５０８を正極，被測定ガス室５３１に面する電極５０７を負極として０．４Vの電圧を印加する。次に発熱体５１７とリード部５１６からなるヒータに電力を投入する。
このとき，センサセル５３の電極間に流れる電流は温度が上昇すると共に増加することから，素子の温度が８００℃の時の電流値をIL₈₀₀とすると，センサセル５３の電極間にIL₈₀₀×０．８となる電流が流れた時点をセンサの活性とし，このヒータに電力を投入してから，センサセル５３の電極間にIL₈₀₀×０．８となる電流が流れるまでの時間を計測するという方法で行った。
【００５８】
なお，素子温度とセンサセル５３の電極間に流れる電流値の関係は，活性時間の測定前に，放射温度計にて素子温度を計測しながら，所望の温度で安定するようにヒータの電力値を調整し，その温度での大気中においてセンサセル５３の基準ガス室５３２に面する電極５０８を正極，被測定ガス室５３１に面する電極５０７を負極として０．４Vの電圧を印加した際に流れる電流値を計測することにより求める。
【００５９】
図１９，図２０に示すごとく，幅細部の幅が３．２ｍｍの素子の場合は，素子の熱容量が小さいため，幅が４．５ｍｍで均一な比較例にかかる素子の場合よりも，電極表面温度が速やかに上昇し，その結果センサの活性時間も短くなった。
このように，幅太部と幅細部を備えた本発明にかかる素子は活性時間を短くすることができる。
【００６０】
（実施例７）
積層型ガスセンサ素子の幅細部の幅と落下強度との関係について説明する。
本例では，積層型ガスセンサ素子の幅太部を４．５ｍｍに固定し，幅細部の幅を適宜変更したものを何種類か準備して以下の要領で落下強度試験を行った。
すなわち，積層型ガスセンサ素子にもっとも負荷のかかる状況を想定し，積層型ガスセンサ素子の向きが床面１０９と平行に固定できるようにガスセンサ１を図２１に示す状態で保持具（図示略）を用いて保持し，その後，保持具をはずして床面１０９めがけて落下させた。落下による積層型ガスセンサ素子２の破壊確率と幅細部の幅との関係を図２２に記載した。落下距離ｈは１ｍとした。
図２２によれば，幅細部の幅を４ｍｍ以下とすることで，ガスセンサの落下強度が改善され，素子割れが発生し難くなることが分かった。
【００６１】
（実施例８）
本例は，積層型ガスセンサ素子の幅細部の長さと落下強度との関係について説明する。
本例では，積層型ガスセンサ素子の幅太部を４．５ｍｍに，幅細部の幅を３．２ｍｍにそれぞれ固定し，絶縁碍子より突出しフリーとなっている幅細部の長さを変更したものを何種類か準備して以下の要領で落下強度試験を行った。
【００６２】
すなわち，前述した実施例７と同様に積層型ガスセンサ素子にもっとも負荷のかかる状況を想定し，積層型ガスセンサ素子の向きが床面と平行に固定できるようにガスセンサ１を図２１に示す状態で保持具（図示略）を用いて保持し，その後，保持具をはずして床面１０９めがけて落下させた。
落下による積層型ガスセンサ素子２の破壊確率と絶縁碍子３より突出し，フリーとなっている幅細部の長さの関係を図２３に記載した。
図２３によれば，幅細部の長さを２０ｍｍ以下とすることで，ガスセンサの落下強度が改善され，素子割れが発生し難くなることが分かった。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施例１における，ガスセンサの断面説明図。
【図２】実施例１における，積層型ガスセンサ素子と絶縁碍子との固定状態の説明図。
【図３】実施例１における，積層型ガスセンサ素子と絶縁碍子との固定状態の要部説明図。
【図４】実施例１における，積層型ガスセンサ素子の平面図。
【図５】実施例１における，積層型ガスセンサ素子の側面図。
【図６】実施例１における，積層型ガスセンサ素子の断面説明図。
【図７】実施例２における，ガスセンサの断面説明図。
【図８】実施例２における，積層型ガスセンサ素子の斜視展開図。
【図９】実施例２における，積層型ガスセンサ素子の断面説明図。
【図１０】実施例３における，積層型ガスセンサ素子の平面図。
【図１１】実施例３における，積層型ガスセンサ素子の側面図。
【図１２】図１０にかかるＡ−Ａ矢視断面図。
【図１３】図１０にかかるＢ−Ｂ矢視断面図。
【図１４】実施例４における，ガスセンサの断面説明図。
【図１５】実施例４における，積層型ガスセンサ素子の断面説明図。
【図１６】実施例５における，積層型ガスセンサ素子の断面説明図。
【図１７】実施例６における，積層型ガスセンサ素子の説明図。
【図１８】図１７にかかるＤ−Ｄ矢視断面図。
【図１９】実施例７における，幅細部の幅と活性時間との関係を示す線図。
【図２０】実施例７における，電極表面温度と時間との関係を示す線図。
【図２１】実施例７における，落下強度試験にかかる説明図。
【図２２】実施例７における，幅細部の幅と破壊確率との関係を示す線図。
【図２３】実施例８における，幅細部の長さと破壊確率との関係を示す線図。
【符号の説明】
１．．．ガスセンサ，
１０．．．ハウジング，
２．．．積層型ガスセンサ素子，
２１．．．幅細部，
２２．．．幅太部，
３．．．絶縁碍子，

Claims

筒型のハウジングと該ハウジングに筒型の絶縁碍子を介して挿通固定された積層型ガスセンサ素子とを有し，
上記積層型ガスセンサ素子は幅細部と該幅細部よりも幅の太い幅太部とよりなり，
上記幅太部は上記絶縁碍子に対し固定された固定状態にあり，
上記幅細部は上記絶縁碍子に対し固定されないフリー状態にあると共に被測定ガス中の特定ガス濃度検出を行うガス検知部を有し，
かつ，上記フリー状態にある上記幅細部の厚みは，該幅細部の全長範囲において上記固定状態にある上記幅太部の厚みよりも厚く構成することを特徴とするガスセンサ。
請求項１において，上記積層型ガスセンサ素子の角部はテーパー状または曲面状であることを特徴とするガスセンサ。
請求項１又は２において，上記幅太部の厚みは０．７〜２．０ｍｍかつ上記幅太部の幅は４．０〜６．０ｍｍであり，
上記幅細部の厚みは１．３〜２．４ｍｍかつ上記幅細部の幅は２．５〜４．０ｍｍであり，
さらに上記幅細部の長さは８．０ｍｍ以上であることを特徴とするガスセンサ。
請求項１〜３のいずれか１項において，上記積層型ガスセンサ素子は，固体電解質板と該固体電解質板に設けた被測定ガスに接する電極と基準ガスと接する電極とよりなるセンサセルと，
該センサセルを活性温度に加熱する通電により発熱する発熱体を備えたヒータとを有し，
上記ヒータにおける発熱体と上記センサセルにおける一対の電極におけるいずれか近いほうとの最短距離は０．４〜１．８ｍｍであることを特徴とするガスセンサ。