JP4971829B2

JP4971829B2 - ガスセンサ

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Publication number: JP4971829B2
Application number: JP2007047408A
Authority: JP
Inventors: 能大鈴木; 浩司田川; 邦彦中垣
Original assignee: NGK Insulators Ltd
Current assignee: NGK Insulators Ltd
Priority date: 2007-02-27
Filing date: 2007-02-27
Publication date: 2012-07-11
Anticipated expiration: 2027-02-27
Also published as: EP1965204A1; US8460527B2; JP2008209300A; US20080302661A1

Description

本発明は、セラミック材料による固体電解質体によって直方体状に形成され、被測定ガスのうち、特定のガス成分の濃度を検出するセンサ素子と、内部に前記センサ素子を支持する筐体とを有するガスセンサに関する。

従来から、ガスセンサの１つである酸素濃度検出器として、内燃機関の排気ガス中に含まれる酸素濃度を検知し、その検出信号に基づいて内燃機関の燃焼状態を最適にコントロールすることにより、排気ガスの浄化、燃費の節減等を行なう酸素センサが知られている。

この酸素センサの１つは、酸素イオン伝導性の固体電解質、例えば酸化カルシウムや酸化イットリウムをドープした酸化ジルコニウム等を隔壁とし、その隔壁の両面に各々所定の電極を設けたものをセンサ素子とし、それら電極の一方を基準雰囲気、また他方の電極を排気ガス等の被測定ガスに晒し、酸素濃淡電池の原理によって生ずる起電力を検出信号としている。

そして、このような酸素検知素子として、近年、製造の容易性やコンパクト化の容易性等の観点から、有底円筒形状のものに代わって、かかる検知素子を長手の板状体に構成し、その一方の端部に排気ガス等の被測定ガスに晒される酸素検知部を設けたものが注目を浴びている。例えば特許文献１や特許文献２等には、そのような板状形状の酸素検知素子の一例が示されている。

また、他の１つのタイプの酸素センサとして、長手の板状体基板上に酸素濃度により電気抵抗値の変化する酸化物、例えば酸化チタンを設けたものをセンサ素子として用い、これを排気ガス等の被測定ガスに晒し、酸素分圧による素子の電気抵抗変化を検出するようにしたものも知られている。

ところで、このような酸素センサにおいては、その酸素センサ素子の酸素検知部が高温の排気ガス等の被測定ガスに晒され、また、酸素センサ素子の酸素検知部に充分な酸素検知機能を発揮させるために、該酸素検知部が酸素センサ素子に内蔵されたヒータにより高温に保持される場合もあるため、酸素センサ素子は熱応力を受けることになる。この酸素センサ素子は板状形状のものであるため、その稜部において応力集中が発生し、そのために酸素センサ素子にクラックが発生し、酸素濃度検出の機能が失われてしまうという問題があった。

そこで、従来では、例えば特許文献３に示すように、酸素センサ素子の板状体基板の先端部における稜部を面取り加工することで応力集中を緩和させ、耐熱衝撃性を向上させた例が開示されている。

特開昭５８−１５３１５５号公報特開昭６１−９７５６２号公報特許第２７８６５０７号公報

特許文献３に示す従来の酸素センサ素子においては、熱応力による応力集中の緩和を念頭に構成されている。

しかし、酸素センサ素子の内燃機関等への実装においては、酸素センサ素子を支持する筐体との接触による破損の問題、特に、酸素センサ素子の例えば長手方向ほぼ中央部分を支持する支持部材並びに酸素センサ素子の後部を支持するコネクタとの接触による破損について考慮する必要がある。

本発明はこのような課題を考慮してなされたものであり、特許文献３に示す耐熱衝撃性の向上を図ったガスセンサを改良して、耐熱衝撃性の向上と筐体の支持部材等への接触に伴う破損を回避することができ、高信頼性をさらに向上させることができるガスセンサを提供することを目的とする。

本発明に係るガスセンサは、セラミック材料による固体電解質体によって直方体状に形成され、被測定ガスのうち、特定のガス成分の濃度を検出するセンサ素子と、内部に前記センサ素子を支持する筐体とを有するガスセンサにおいて、前記センサ素子は、先端部に被測定ガスを導入するためのガス導入口が形成され、内部に前記特定のガス成分を検出するための電極が形成され、後部に前記電極からのリード線が導出され、前記筐体は、前記センサ素子を支持する複数の支持部材と、前記センサ素子の後部を支持すると共に、前記リード線と電気的に接続するためのコネクタとを有し、前記センサ素子の前記固体電解質体のうち、少なくとも前記支持部材で支持される部分に対応した稜部と、前記コネクタで支持される部分に対応した稜部とがそれぞれ面取り加工されて面取り部とされ、前記面取り部の幅が３０μｍ以上、２４０μｍ以下であり、前記支持部材同士の間には、前記支持部材及び前記コネクタそれぞれと、前記固体電解質体とが接触しないように、前記センサ素子を固定する充填材が充填され、前記固体電解質体のうち、前記支持部材に対応した部分と、前記支持部材との間の断面積が１．５ｍｍ ^２以上、３．０ｍｍ ^２以下であり、前記固体電解質体のうち、前記コネクタに対応した部分と、前記コネクタとの間の断面積が１．５ｍｍ ^２以上、３．０ｍｍ ^２以下であることを特徴とする。

前記センサ素子の前記固体電解質体のうち、少なくとも前記支持部材で支持される部分に対応した稜部と、前記コネクタで支持される部分に対応した稜部とがそれぞれ面取り加工されていることから、センサ素子が高温の排気ガス等の被測定ガスに晒され、また、センサ素子に内蔵された例えばヒータにより高温に保持されたとしても、センサ素子の固体電解質体への熱応力による応力集中を緩和させることができ、耐熱衝撃性を向上させることができる。

さらに、本発明では、上述した面取り加工によって形成された面取り部の幅が３０μｍ以上、２４０μｍ以下としたので、センサ素子の内燃機関等への実装において、センサ素子を支持する筐体との接触による破損の問題を解消することができ、ガスセンサの高信頼性をさらに向上させることができる。

そして、本発明において、前記固体電解質体のうち、前記支持部材に対応した部分と、前記支持部材との間の断面積が１．５ｍｍ^２以上、３．０ｍｍ^２以下であることが好ましい。この場合、センサ素子の例えば長手方向ほぼ中央部分を支持する支持部材とセンサ素子の固体電解質体との接触による破損を確実に防止することができる。

また、本発明において、前記固体電解質体のうち、前記コネクタに対応した部分と、前記コネクタとの間の断面積が１．５ｍｍ^２以上、３．０ｍｍ^２以下であることが好ましい。この場合、センサ素子の例えば後部を支持するコネクタとの接触による破損を確実に防止することができる。

また、本発明において、前記固体電解質体の４つの稜部は、前記固体電解質体の全長にわたって、すべて面取り加工されていてもよい。

以上説明したように、本発明に係るガスセンサによれば、特許文献３に示す耐熱衝撃性の向上を図った酸素センサを改良して、耐熱衝撃性の向上と筐体の支持部材等への接触に伴う破損を回避することができ、高信頼性をさらに向上させることができる。

以下、本発明に係るガスセンサの実施の形態例を図１〜図７を参照しながら説明する。

本実施の形態に係るガスセンサ１０は、図１に示すように、例えばジルコニア磁器（ＺｒＯ₂）等による酸素イオン伝導性の固体電解質体１１によって直方体状に形成され、被測定ガスのうち、特定のガス成分の濃度を検出するセンサ素子１２と、内部にセンサ素子１２を支持する円筒状の金属製の筐体１３とを有する。

センサ素子１２は、図２に示すように、緻密な気密の複数の酸素イオン伝導性の固体電解質層（例えば第１固体電解質層１４ａ〜第６固体電解質層１４ｆ）が積層された一体構造の板状体とされている。なお、第１固体電解質層１４ａ〜第６固体電解質層１４ｆは、いずれも、ジルコニア磁器（ＺｒＯ₂）等の公知の酸素イオン伝導性の固体電解質材料を用いて形成されている。一体構造のセンサ素子１２は、従来と同様にして、未焼成の固体電解質層の積層構造物を焼成して一体化することにより、容易に得ることができる。

センサ素子１２内には、少なくとも４つの内部空所（第１内部空所１６、第２内部空所１８、第３内部空所２０、第４内部空所２２）が形成されている。

第１内部空所１６、第２内部空所１８、第３内部空所２０は、図２において最上部に位置する第１固体電解質層１４ａと、上から３番目に位置する第３固体電解質層１４ｃとが、スペーサ層となる第２固体電解質層１４ｂを介して、積層、一体化されることによって、これら第１固体電解質層１４ａ及び第３固体電解質層１４ｃ間に形成されている。

第１内部空所１６、第２内部空所１８、第３内部空所２０は、第２固体電解質層１４ｂの厚さに対応する高さを有し、第１固体電解質層１４ａ及び第３固体電解質層１４ｃ間において第２固体電解質層１４ｂの存在しない空間として、センサ素子１２の長手方向に延びるように形成されている。

すなわち、第１内部空所１６、第２内部空所１８、第３内部空所２０は、それぞれ矩形形状の平面形態を呈し、且つ、それぞれ別個に仕切られた形態において、センサ素子１２の長手方向に所定幅で延びるようにして、順次、配設されている。

第１内部空所１６、第２内部空所１８、第３内部空所２０のうち、後述するガス導入口２６に最も近接している第１内部空所１６は、外部空間における排気圧の脈動による酸素濃度の急激な変化を緩衝する緩衝空間として機能し、第２内部空所１８は、被測定ガス中の酸素分圧を調整するための調整室として機能し、第３内部空所２０は、被測定ガス中の酸素分圧を微調整し、さらに被測定ガス中の酸化物、例えば窒素酸化物（ＮＯｘ）を測定するための測定室として機能する。

第４内部空所２２は、第１内部空所１６、第２内部空所１８、第３内部空所２０とは独立した形態において、第２固体電解質層１４ｂ及び第４固体電解質層１４ｄ間において、第３固体電解質層１４ｃの存在しない空所として、センサ素子１２の長手方向に延びるように設けられている。この第４内部空所２２は、基準ガスをセンサ素子１２内に導入するための基準ガス導入通路として機能し、この基準ガス導入通路は、従来と同様に、センサ素子１２の基部側の端部において開口し、大気に連通するようになっている。

従って、以下の説明では、第１内部空所１６を緩衝空間１６、第２内部空所１８を調整室１８、第３内部空所２０を測定室２０、第４内部空所２２を基準ガス導入通路２２として記載する。

そして、緩衝空間１６の外側、すなわち、センサ素子１２の先端側には、外方に開口する目詰まり防止空所２４が第１固体電解質層１４ａ及び第３固体電解質層１４ｃ間に形成されており、この目詰まり防止空所２４の開口部が、外部空間における被測定ガスをセンサ素子１２内に取り入れるためのガス導入口２６とされている。

目詰まり防止空所２４と緩衝空間１６とは、第２固体電解質層１４ｂにて構成される第１隔壁２８によって区画され、緩衝空間１６と調整室１８とは、第２固体電解質層１４ｂにて構成される第２隔壁３０によって区画され、調整室１８と測定室２０とは、第２固体電解質層１４ｂにて構成される第３隔壁３２によって区画されている。

第１隔壁２８は、上部（第１固体電解質層１４ａとの間）と下部（第３固体電解質層１４ｃとの間）にそれぞれ第１スリット３４が形成されている。第１スリット３４は、被測定ガスの第１拡散律速手段として機能し、ガス導入口２６から目詰まり防止空所２４を通って導かれた外部空間の被測定ガスが、第１スリット３４によって所定の拡散抵抗の下に、緩衝空間１６内に導入されるようになっている。

緩衝空間１６と調整室１８とを区画する第２隔壁３０においても、上部（第１固体電解質層１４ａとの間）と下部（第３固体電解質層１４ｃとの間）にそれぞれ第２スリット３６が形成されている。第２スリット３６は、被測定ガスの第２拡散律速手段として機能し、緩衝空間に導かれた被測定ガスが、第２スリット３６によって所定の拡散抵抗の下に、調整室１８内に導入されるようになっている。

調整室１８と測定室２０とを区画する第３隔壁３２においても、上部（第１固体電解質層１４ａとの間）と下部（第３固体電解質層１４ｃとの間）にそれぞれ第３スリット３８が形成されている。第３スリット３８は、被測定ガスの第３拡散律速手段として機能し、調整室１８に導かれて酸素濃度（分圧）が調整された被測定ガスが、第３スリット３８によって所定の拡散抵抗の下に、測定室２０内に導入されるようになっている。

また、本実施の形態に係るガスセンサ１０は、調整室１８の内壁面に多孔質サーメット電極からなる内側ポンプ電極４０が形成され、第１固体電解質層１４ａの上面のうち、内側ポンプ電極４０に対応する部分に外側ポンプ電極４２が形成されており、これら内側ポンプ電極４０、外側ポンプ電極４２及び第１固体電解質層１４ａ〜第３固体電解質層１４ｃにて電気化学的なポンプセル、すなわち、主ポンプセル４４が構成されている。

そして、主ポンプセル４４の内側ポンプ電極４０と外側ポンプ電極４２間に、外部の第１可変電源４６を通じて所望の制御電圧（ポンプ電圧）Ｖｐ１を印加して、外側ポンプ電極４２と内側ポンプ電極４０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、調整室１８内における雰囲気中の酸素が外部空間に汲み出され、あるいは外部空間の酸素を調整室１８内に汲み入れられることで、調整室１８内の雰囲気中の酸素濃度（分圧）が、所定の濃度に制御されるようになっている。

上述した緩衝空間１６、第１隔壁２８、第２隔壁３０、第１スリット３４及び第２スリット３６を設けることによって、次のような効果を奏することが可能となる。

すなわち、通常、外部空間における排気圧の脈動によって、ガス導入口２６を通じて、酸素がセンサ素子１２の内部空所に急激に入り込むこととなるが、この外部空間からの酸素は、直接内部空所（処理空間）に入り込まずに、第１スリット３４を介して緩衝空間１６に入り込み、さらに、第２スリット３６を通じて調整室１８内に導き入れられる。従って、排気圧の脈動による酸素濃度の急激な変化は、緩衝空間１６や、第１スリット３４及び第２スリット３６によって打ち消され、調整室１８に対する排気圧の脈動の影響は、ほとんど無視することができる程度となる。その結果、調整室１８における主ポンプセル４４での酸素ポンピング量と、被測定ガス中の酸素濃度との相関性がよくなり、測定精度の向上が図られ得ることになると共に、調整室１８を、例えば、空燃比を求めるためのセンサとして兼用させることも可能となる。なお、このような効果を有利に発揮させるために、第１隔壁２８及び第２隔壁３０にそれぞれ設けられる第１スリット３４及び第２スリット３６は、それぞれ、１０μｍ以下の間隙を有するスリット形状であることが望ましい。

また、センサ素子１２の先端において外方に開口する目詰まり防止空所２４は、ガス導入口２６を通じて導入される外部空間の被測定ガス中に発生する粒子物（スート、オイル燃焼物等）が、緩衝空間１６の入口付近において詰まるということを回避するために設けられる。従って、より高精度にＮＯｘ成分を測定することが可能となる。

ところで、調整室１８に配設される主ポンプセル４４の内側ポンプ電極４０及び外側ポンプ電極４２は、一般に、多孔質サーメット電極とされ、例えばＰｔ等の金属とＺｒＯ₂等のセラミックス材料とから構成されることになるが、被測定ガスに接触する調整室１８内に配置される内側ポンプ電極４０は、被測定ガス中のＮＯｘ成分に対して変化を惹起させない材料、すなわち、ＮＯやＮＯ₂のようなＮＯｘ成分に対する還元能力又は分解能力を弱めた、あるいはそのような還元／分解能力のない材料を用いる必要があり、例えば、Ｌａ₃ＣｕＯ₄等のペロブスカイト構造を有する化合物、あるいはＡｕ等の触媒活性の低い金属とセラミックス材料とのサーメット、あるいはＡｕ等の触媒活性の低い金属とＰｔ族金属とセラミックス材料とのサーメットで構成されることとなる。なお、ここでは、外側ポンプ電極４２を覆うようにアルミナ等からなる多孔質保護層４８を設けることにより、外部空間の被測定ガスに含まれるオイル成分等が、外側ポンプ電極４２に付着しないようにして、外側ポンプ電極４２を保護している。

一方、測定室２０の内壁面に多孔質サーメット電極からなる補助ポンプ電極５０が形成されており、該補助ポンプ電極５０と、センサ素子１２の外側の適当な電極、例えば外側ポンプ電極４２と、第１固体電解質層１４ａ〜第３固体電解質層１４ｃにて補助的な電気化学的ポンプセル、すなわち、補助ポンプセル５２が構成され、測定室２０内の雰囲気中の酸素濃度（分圧）を所定濃度に制御し得るようになっている。

補助ポンプ電極５０は、主ポンプセル４４の内側ポンプ電極４０と同様に、被測定ガス中のＮＯｘ成分に対する還元／分解能力を弱めた、あるいは還元／分解能力のない材料を用いて形成されており、例えば、Ａｕ（金）１％を含むＰｔ（白金）とＺｒＯ₂との多孔質サーメット電極にて形成されている。

さらに、本実施の形態では、測定室２０内に検出電極５４が形成され、該検出電極５４の周りの雰囲気中における窒素酸化物（ＮＯｘ）の分解によって生じた酸素を汲み出して、その発生量を検出すべく、前記検出電極５４と、外側ポンプ電極４２と、第１固体電解質層１４ａ〜第３固体電解質層１４ｃとから、電気化学的なポンプセル、すなわち、測定用ポンプセル５６が構成されている。

この測定室２０内に配置される検出電極５４には、同じく測定室２０内に配設された補助ポンプ電極５０から揮散する金属のような不活性成分等が付着することを防ぎ、検出電極５４の触媒活性（ＮＯｘ分解／還元能）を有効に保持し得るように、図２に示すように、検出電極５４を覆うようにしてアルミナを含む多孔質セラミックス層からなる電極保護層５８が形成されている。

また、このセンサ素子１２においては、第３固体電解質層１４ｃの測定室２０とは反対側において、基準ガス導入通路２２内の基準ガスに接触する形態において基準電極６０が設けられている。

基準電極６０は、シール層としての第４固体電解質層１４ｄ上に設けられ、さらに、それを覆うように、空気導入用の多孔質アルミナ層６２が設けられており、基準ガス導入通路２２内の基準ガスが、多孔質アルミナ層６２を通じて、基準電極６０に接触するようになっている。

この基準電極６０を用いて調整室１８や測定室２０内の雰囲気中の酸素濃度（分圧）を測定することが可能となっている。

すなわち、本実施の形態では、調整室１８内の酸素濃度（分圧）を検出するために、主ポンプセル４４の内側ポンプ電極４０と、基準電極６０と、第１固体電解質層１４ａ〜第４固体電解質層１４ｄとから、主ポンプセル４４を制御するための第１酸素分圧検出セル６４が構成されている。

また、測定室２０内の酸素分圧を検出するために、補助ポンプセル５２の補助ポンプ電極５０と、基準電極６０と、第１固体電解質層１４ａ〜第４固体電解質層１４ｄとから、補助ポンプセル５２を制御するための第２酸素分圧検出セル６６が構成されている。この第２酸素分圧検出セル６６によって電圧制御される第２可変電源６８により、補助ポンプセル５２がポンプ作動させられるようになっていると共に、そのポンプ電流値Ｉｐ１が、第１酸素分圧検出セル６４における起電力Ｖ０の制御に用いられるようになっている。

さらに、検出電極５４の周りの雰囲気中の酸素分圧を検知するための第３酸素分圧検出セル７０が、検出電極５４、基準電極６０、第１固体電解質層１４ａ〜第４固体電解質層１４ｄによって構成されている。

そして、この第３酸素分圧検出セル７０にて検出された起電力Ｖ２に基づいて制御される第３可変電源７２によって、測定用ポンプセル５６がポンプ作動させられて、被測定ガス中の窒素酸化物の濃度に対応したポンプ電流値Ｉｐ２が得られるようになっている。

なお、外側ポンプ電極４２と、基準電極６０と、第１固体電解質層１４ａ〜第４固体電解質層１４ｄとによって、電気化学的なセンサセル７４が構成されており、このセンサセル７４によって得られる起電力Ｖｒｅｆによって、センサ外部の被測定ガス中の酸素分圧（濃度）が検出できるようになっている。

さらに、このセンサ素子１２においては、図２に示すように、第３固体電解質層１４ｃの上述した内部空所（１６、１８、２０）の配設側とは反対側に複数のセラミックス層、すなわち、第４固体電解質層１４ｄ〜第６固体電解質層１４ｆが積層一体化され、そして、隣り合う第４固体電解質層１４ｄ及び第５固体電解質層１４ｅにて上下から挟まれた形態において、外部からの給電によって発熱するヒータ層７６が設けられている。

このヒータ層７６は、センサ素子１２を構成する第１固体電解質層１４ａ〜第６固体電解質層１４ｆにおける酸素イオンの導電性を高めるために、それらを所定の温度に加熱すべく設けられたものであって、ヒータエレメント７８を、第４固体電解質層１４ｄ及び第５固体電解質層１４ｅとの電気的絶縁を得るためのアルミナ等の電気絶縁層にて、上下から挟んだ形態において配設され、さらに、ヒータ層７６は、該センサ素子１２の基部側において、第４固体電解質層１４ｄを貫通する圧力放散孔８０によって、基準ガス導入通路２２に連通されて、ヒータ層７６内の内圧上昇が緩和されるようになっている。また、ヒータ層７６のヒータエレメント７８は、第５固体電解質層１４ｅ及び第６固体電解質層１４ｆを貫通して設けられ、且つ、周囲が絶縁されたスルーホール８２を通じて、素子表面に取り出され、さらに、第６固体電解質層１４ｆとは絶縁して形成されたコネクタパッド８４のうち、対応するコネクタパッドに導通されるようになっている。そして、ヒータ層７６のヒータエレメント７８は、少なくとも調整室１８及び測定室２０を区画する第１固体電解質層１４ａ〜第３固体電解質層１４ｃを所定の温度に加熱するように構成されている。

本実施の形態に係るガスセンサ１０を用いて、被測定ガス中の窒素酸化物（ＮＯｘ）濃度を検出するに際しては、先ず、外部の被測定ガスが、センサ素子１２の先端の目詰まり防止空所２４から、第１隔壁２８の上下に設けた第１スリット３４を通じて、緩衝空間１６内に導入された後、さらに、第２隔壁３０の上下に設けた第２スリット３６を通じて、調整室１８内に導き入れられ、そこで、第１酸素分圧検出セル６４における起電力Ｖ０が一定となるように、第１可変電源４６の電圧が制御されて、主ポンプセル４４におけるポンプ電流Ｉｐ０が制御される。なお、ここで、調整室１８内の雰囲気中の酸素分圧は、所定の値、例えば１０^-7ａｔｍ程度となるように制御される。

また、第３隔壁３２の上下の第３スリット３８を通じて、調整室１８から測定室２０内に導かれた被測定ガスは、第２酸素分圧検出セル６６にて検知される起電力Ｖ１に基づいて電圧制御される第２可変電源６８からの給電によって、補助ポンプセル５２が酸素のポンピング作動を行い、測定室２０内の雰囲気中の酸素分圧を、ＮＯｘの測定に実質的に影響がない低い酸素分圧値に制御するようになっている。また、この補助ポンプセル５２のポンピング電流Ｉｐ１は、制御信号として、第１酸素分圧検出セル６４に入力され、その起電力Ｖ０が制御されることにより、第３スリット３８から補助ポンプ電極５０に至る測定室２０内の雰囲気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。

さらに、測定室２０内において、酸素分圧が制御された雰囲気は、電極保護層５８を通じて、所定の拡散抵抗の下に、検出電極５４に到達するようになるが、その導かれた雰囲気中のＮＯｘは、検出電極５４の周りにおいて、還元又は分解されて、酸素を発生する。

そして、この発生した酸素が、測定用ポンプセル５６によって、ポンピングされることとなるが、その際、第３酸素分圧検出セル７０における起電力Ｖ２が一定となるように第３可変電源７２の電圧が制御される。ここで、このように検出電極５４の周りにおいて発生する酸素の量は、被測定ガス中のＮＯｘの濃度に比例するものであるところから、測定用ポンプセル５６におけるポンプ電流Ｉｐ２を用いて、目的とする被測定ガス中のＮＯｘの濃度が、算出されることとなる。

上述した各種電極やヒータからのリード線は外部に導出されて、図３に示すように、固体電解質体１１の後部に形成されたコネクタパッド８４のうち、それぞれ対応するコネクタパッドに電気的に接続されている。

一方、図１に示す筐体１３は、その内部に、センサ素子１２の長手方向ほぼ中央部分を支持するセラミック製の３つの支持部材（第１支持部材８６ａ〜第３支持部材８６ｃ）と、センサ素子１２の後部を支持すると共に、固体電解質体１１の外部に導出されたコネクタパッド８４と電気的に接続するためのコネクタ８８とを有する。筐体１３の先端には保護カバー９０が取り付けられている。保護カバー９０には、被測定ガスを筐体１３内に導入するための挿入孔９２が形成されている。

また、第１支持部材８６ａと第２支持部材８６ｂ間には第１タルク９４ａが充填され、第２支持部材８６ｂと第３支持部材８６ｃ間には第２タルク９４ｂが充填され、筐体１３の先端寄りに取り付けられた実装用のボルト部９６と筐体１３との間に気密リング９８がはめ込まれ、筐体１３の後部にゴム栓１００がかしめ固定されている。これらの構成によって、センサ素子１２は、筐体１３内に固定、気密封止されるようになっている。なお、ゴム栓１００には、外部の電気回路系につながるリード線１０２が挿入され、筐体１３の内部においてコネクタ８８に電気的に接続されている。第１タルク９４ａ及び第２タルク９４ｂによるセンサ素子１２の固定は、タルク粉末を第１支持部材８６ａ〜第３支持部材８６ｃを介して加圧圧縮することにより行われる。

そして、本実施の形態に係るガスセンサ１０は、図３に示すように、センサ素子１２の固体電解質体１１のうち、第１支持部材８６ａで支持される部分に対応した稜部が面取り加工されて第１面取り部１０４ａとされ、第２支持部材８６ｂで支持される部分に対応した稜部が面取り加工されて第２面取り部１０４ｂとされ、第３支持部材８６ｃで支持される部分に対応した稜部が面取り加工されて第３面取り部１０４ｃとされ、コネクタ８８で支持される部分に対応した稜部が面取り加工されて第４面取り部１０４ｄとされている。さらに、第１面取り部１０４ａ〜第４面取り部１０４ｄの幅Ｗ（図４Ａ及び図４Ｂ参照）が３０μｍ以上、２４０μｍ以下とされている。

第１面取り部１０４ａ〜第４面取り部１０４ｄの幅Ｗとは、図４Ａ及び図４Ｂに示すように、面取り加工によって、仮想線（二点鎖線）で示す稜部１０６の角を落としてＣ面（平坦面）とした際に、平坦面１０８の法線１１０（図４Ｂ参照）に対して直交する方向の長さを指す。

また、本実施の形態では、図５Ａに示すように、固体電解質体１１のうち、第１支持部材８６ａに対応した部分と、第１支持部材８６ａとの間に形成される隙間の面積（第１隙間面積）をＡａ、図５Ｂに示すように、固体電解質体１１のうち、第２支持部材８６ｂに対応した部分と、第２支持部材８６ｂとの間に形成される隙間の面積（第２隙間面積）をＡｂ、図５Ｃに示すように、固体電解質体１１のうち、第３支持部材８６ｃに対応した部分と、第３支持部材８６ｃとの間に形成される隙間の面積（第３隙間面積）をＡｃとしたとき、第１隙間面積Ａａ、第２隙間面積Ａｂ及び第３隙間面積Ａｃを、それぞれ１．５ｍｍ²以上、３．０ｍｍ²以下としている。

さらに、本実施の形態では、図５Ｄに示すように、固体電解質体１１のうち、コネクタ８８に対応した部分と、コネクタ８８との間に形成される隙間の面積（第４隙間面積Ａｄ）を、１．５ｍｍ²以上、３．０ｍｍ²以下にしている。

このように、本実施の形態に係るガスセンサ１０は、センサ素子１２の固体電解質体１１のうち、第１支持部材８６ａ〜第３支持部材８６ｃで支持される部分に対応した稜部１０６と、コネクタ８８で支持される部分に対応した稜部１０６とがそれぞれ面取り加工されていることから、センサ素子１２が高温の排気ガス等の被測定ガスに晒され、また、センサ素子１２に内蔵された例えばヒータにより高温に保持されたとしても、センサ素子１２の固体電解質体１１への熱応力による応力集中を緩和させることができ、耐熱衝撃性を向上させることができる。

さらに、本実施の形態では、上述した面取り加工によって形成された第１面取り部１０４ａ〜第４面取り部１０４ｄの各幅を３０μｍ以上、２４０μｍ以下としたので、センサ素子１２の内燃機関等への実装において、センサ素子１２を支持する筐体１３との接触による破損の問題を解消することができ、ガスセンサ１０の高信頼性をさらに向上させることができる。

また、上述した第１隙間面積Ａａ〜第３隙間面積Ａｃを、それぞれ１．５ｍｍ²以上、３．０ｍｍ²以下としたので、第１支持部材８６ａ〜第３支持部材８６ｃとセンサ素子１２の固体電解質体１１との接触による破損を確実に防止することができる。

また、上述した第４隙間面積Ａｄを、１．５ｍｍ²以上、３．０ｍｍ²以下としたので、コネクタ８８とセンサ素子１２の固体電解質体１１との接触による破損を確実に防止することができる。

上述の例では、センサ素子１２の固体電解質体１１のうち、第１支持部材８６ａで支持される部分に対応した稜部を面取り加工して第１面取り部１０４ａとし、第２支持部材８６ｂで支持される部分に対応した稜部を面取り加工して第２面取り部１０４ｂとし、第３支持部材８６ｃで支持される部分に対応した稜部を面取り加工して第３面取り部１０４ｃとし、コネクタ８８で支持される部分に対応した稜部を面取り加工して第４面取り部１０４ｄとしたが、その他、図６に示す変形例に係るガスセンサ１０ａのように、固体電解質体１１の４つの稜部を、固体電解質体１１の全長にわたって、すべて面取り加工するようにしてもよい。すなわち、４つの稜部に対応した第１１面取り部１１２ａ〜第１４面取り部１１２ｄを形成するようにしてもよい。この場合も、第１面取り部１０４ａ〜第４面取り部１０４ｄと同様の寸法条件を満たすようにすることが好ましい。

この変形例に係るガスセンサ１０ａは、固体電解質体１１の４つの稜部の角を、固体電解質体１１の全長にわたって落とすだけでよいため、加工が簡単であり、製造工程も簡略化することができる。これは、製造コストの低廉化につながる。

ここで、１つの実験例を示す。この実験例は、第１実施例〜第３実施例、第１比較例〜第３比較例についてそれぞれ１０サンプルを作製し（合計：６０サンプル）、落下高さ２０００ｍｍの落下試験を行ってセンサ素子１２の破損確率をみたものである。

第１実施例は、変形例に係るガスセンサ１０ａ（図６参照）において、第１１面取り部１１２ａ〜第１４面取り部１１２ｄの幅Ｗをそれぞれ３０μｍ（下限値）にした場合を示し、第２実施例は、変形例に係るガスセンサ１０ａにおいて、第１１面取り部１１２ａ〜第１４面取り部１１２ｄの幅Ｗをそれぞれ１５０μｍ（中間値）にした場合を示し、第３実施例は、変形例に係るガスセンサ１０ａにおいて、第１１面取り部１１２ａ〜第１４面取り部１１２ｄの幅Ｗをそれぞれ２４０μｍ（上限値）にした場合を示す。

第１比較例は、変形例に係るガスセンサ１０ａにおいて、第１１面取り部１１ａ〜第１４面取り部１１２ｄの幅Ｗをそれぞれ０にした場合（面取り加工をしていない）を示し、第２比較例は、変形例に係るガスセンサ１０ａにおいて、第１１面取り部１１２ａ〜第１４面取り部１１２ｄの幅Ｗをそれぞれ下限値（３０μｍ）よりも小さい値にした場合を示し、第３比較例は、変形例に係るガスセンサ１０ａにおいて、第１１面取り部１１２ａ〜第１４面取り部１１２ｄの幅Ｗをそれぞれ上限値（２４０μｍ）よりも大きい値にした場合を示す。

実験結果を図７に示す。第１比較例〜第３比較例を○で示し、第１実施例〜第３実施例を●で示す。この図７の結果から、破損確率は、第１比較例がほぼ１００％、第２比較例が２５％程度、第３比較例が２５％であるのに対して、第１実施例は１８％程度、第２実施例は８％程度、第３実施例は１８％程度と信頼性の向上が図られていることがわかる。

なお、本発明に係るガスセンサは、上述の実施の形態に限らず、本発明の要旨を逸脱することなく、種々の構成を採り得ることはもちろんである。

本実施の形態に係るガスセンサを一部破断して示す側面図である。本実施の形態に係るガスセンサの内部構成を示す断面図である。本実施の形態に係るガスセンサのセンサ素子における固体電解質体の形状を示す斜視図である。図４Ａ及び図４Ｂは面取り部の幅を説明するための図である。図５Ａは第１隙間面積を説明するための断面図であり、図５Ｂは第２隙間面積を説明するための断面図であり、図５Ｃは第３隙間面積を説明するための断面図であり、図５Ｄは第４隙間面積を説明するための断面図である。変形例に係るガスセンサのセンサ素子における固体電解質体の形状を示す斜視図である。実施例１〜３、比較例１〜３の面取り部の幅に対する破損確率の測定結果を示す特性図である。

符号の説明

１０…ガスセンサ１１…固体電解質体
１２…センサ素子１３…筐体
２０…測定室（第３内部空所）２６…ガス導入口
４４…主ポンプセル５２…補助ポンプセル
５６…測定用ポンプセル８４…コネクタパッド
８６ａ〜８６ｃ…第１支持部材〜第３支持部材
８８…コネクタ
１０４ａ〜１０４ｄ…第１面取り部〜第４面取り部
１０６…稜部
１１２ａ〜１１２ｄ…第１１面取り部〜第１４面取り部
Ａａ〜Ａｄ…第１隙間面積〜第４隙間面積Ｗ…面取り部の幅

Claims

セラミック材料による固体電解質体によって直方体状に形成され、被測定ガスのうち、特定のガス成分の濃度を検出するセンサ素子と、内部に前記センサ素子を支持する筐体とを有するガスセンサにおいて、
前記センサ素子は、先端部に被測定ガスを導入するためのガス導入口が形成され、内部に前記特定のガス成分を検出するための電極が形成され、後部に前記電極からのリード線が導出され、
前記筐体は、前記センサ素子を支持する複数の支持部材と、前記センサ素子の後部を支持すると共に、前記リード線と電気的に接続するためのコネクタとを有し、
前記センサ素子の前記固体電解質体のうち、少なくとも前記支持部材で支持される部分に対応した稜部と、前記コネクタで支持される部分に対応した稜部とがそれぞれ面取り加工されて面取り部とされ、
前記面取り部の幅が３０μｍ以上、２４０μｍ以下であり、
前記支持部材同士の間には、前記支持部材及び前記コネクタそれぞれと、前記固体電解質体とが接触しないように、前記センサ素子を固定する充填材が充填され、
前記固体電解質体のうち、前記支持部材に対応した部分と、前記支持部材との間の断面積が１．５ｍｍ ^２以上、３．０ｍｍ ^２以下であり、
前記固体電解質体のうち、前記コネクタに対応した部分と、前記コネクタとの間の断面積が１．５ｍｍ ^２以上、３．０ｍｍ ^２以下であることを特徴とするガスセンサ。
請求項１に記載のガスセンサにおいて、
前記固体電解質体の４つの稜部は、前記固体電解質体の全長にわたって、すべて面取り加工されていることを特徴とするガスセンサ。