JP5027686B2

JP5027686B2 - ガスセンサ

Info

Publication number: JP5027686B2
Application number: JP2008029347A
Authority: JP
Inventors: 朋裕田島; 孝哉吉川; 久治西尾; 勝近藤; 浩磯村
Original assignee: NGK Spark Plug Co Ltd
Current assignee: NGK Spark Plug Co Ltd
Priority date: 2008-02-08
Filing date: 2008-02-08
Publication date: 2012-09-19
Anticipated expiration: 2028-02-08
Also published as: JP2009186424A

Description

本発明は、ガスセンサに関する。

従来、自動車のエンジンの排気通路に設置され、排気ガス中の酸素濃度を検出してエンジンの燃焼制御に利用されるガスセンサとして、酸素センサが知られている（例えば、特許文献１を参照）。この酸素センサは、筒状の主体金具と、主体金具に保持される板状のセンサ素子とを備えている。センサ素子は、固体電解質体及び電極を有する検出素子と、発熱体及び電極を有するヒータとが積層された構造とされる。また、センサ素子は、長手方向に延びる形態であって、その一端側に測定対象となる被測定ガスに検知可能な検知部を有し、その他端側に電極とリード部を介して電気的に接続される電極端子部を有している。

そして、電極端子部は外部からセンサ内に導入されるアナログ信号線に接続されている。アナログ信号線の端末は電子制御ユニット（以下、ＥＣＵ）に接続されており、センサ素子の電気的特性に応じて変化するセンサ信号がアナログ信号線を経由してＥＣＵに出力される。ＥＣＵでは、入力されたセンサ信号がアナログ・デジタル変換器によってアナログ信号からデジタル信号に変換され、次いで酸素濃度の変化を検出する処理が実行される。また、ＥＣＵには、ヒータへの通電量を制御するヒータ制御回路が設けられている。

特開２００７−１３９７４９公報

このように、上記のＥＣＵには、アナログ・デジタル変換回路とヒータ制御回路とを有する酸素センサ用の処理手段が設けられている。そのため、かかる処理手段の設置スペースをＥＣＵ内に確保する設計を行わなければならず、その分、設計の自由度が制約されると共に、ＥＣＵの使用態様も制限されるという問題がある。特に、ＥＣＵに搭載される部品点数が多い場合には、酸素センサ用の処理手段の設置スペースを確保するのも困難となり、レイアウトの検討に手間を要するという事情がある。

また、センサ素子からのセンサ信号がアナログ信号線を通してＥＣＵに送られるため、送信中に電気的なノイズの影響を受けやすいという事情がある。さらにこの場合に、ＥＣＵ内における酸素センサ用の処理手段が十分な遮蔽環境下に設置されていないと、ノイズの影響によりデジタル信号への変換処理がなされるときの電気的信頼性に劣る虞がある。

本発明は上記従来の実情に鑑みてなされたものである。本発明の課題は、ＥＣＵの設計の自由度及び汎用性を高め、さらにノイズの影響を受けにくいガスセンサを提供することである。

固体電解質体及び該固体電解質体上に形成された一対の電極を備え、被測定ガスを検知する検知部を有するセンサ素子と、
前記センサ素子からの出力信号を処理する処理手段を載置する回路基板と、
前記センサ素子と前記回路基板とにそれぞれ接続されて両者間を電気的に中継する端子と、
前記センサ素子、前記回路基板及び前記端子の周りを収納すると共に、外部取付用の取付部を有する金属製のケースとを備え、
前記検知部は前記センサ素子の長手方向一端側に配置され、前記回路基板は前記検知部よりも他端側に配置され、さらに前記回路基板は前記センサ素子の前記長手方向に対して略直交する方向に沿って配置されており、前記ケースは、前記検知部を収納する検知部収納部と、前記回路基板を収納する回路基板収納部とを有していることを特徴とする。

このガスセンサでは、センサ素子からの出力信号を処理する処理手段を載置する回路基板がセンサ素子と共に金属製のケースに収納されることにより、かかる処理手段を車両のＥＣＵに設けなくて済むから、ＥＣＵの設計の自由度及び汎用性が高められる。

また、センサ素子、回路基板及び端子の周りが金属製のケースによってシールドされるのに加え、従来におけるセンサ素子とＥＣＵとの間に配索されたアナログ信号線が省略されるため、ノイズの影響を受けにくい構造となり、電気的信頼性が向上する。
したがって、このガスセンサは、ＥＣＵの設計の自由度及び汎用性を高めるものであり、さらにノイズの影響を受けにくい。

さらに、本発明のガスセンサでは、検知部はセンサ素子の長手方向一端側に配置され、回路基板は検知部よりも他端側に配置され、さらに回路基板はセンサ素子の長手方向に対して略直交する方向に沿って配置されており、ケースは、検知部を収納する検知部収納部と、回路基板を収納する回路基板収納部とを有している。

このようなガスセンサを被測定ガスが流れる流路に取り付けると、センサ素子の一端側に位置する検知部収納部を流路内に深く挿入することができ、被測定ガスをより正確に検知できる。その上、回路基板はセンサ素子の長手方向に対して略直交する方向に沿って配置されているので、回路基板を収納する回路基板収納部が高背化することがない。回路基板収納部に流路の外部に取り付けられる取付部が設けられれば、エンジン等の設計の自由度を高めることができる。

また、検知部収納部は、流路の上流側に臨む壁が閉止される一方、流路の下流側に臨む壁に、被測定ガスをセンサ素子の検知部に接触させるための通気孔が開設されていることが好ましい。これによれば、流路を流れる被測定ガス中に含まれる水、オイル、煤等の異物が検知部収納部の壁面に干渉してケース内に流入するのが防止されるため、該異物がセンサ素子に付着して不具合をおこすのを防ぐことができる。一方、被測定ガスは、流路の下流側で通気孔を通してケース内に導入され、センサ素子の検知部と接触するので、被測定ガスを精度良く検出できる。

ここで、取付部は、通気孔が流路の下流側に臨むように配置される場合にはその取り付けが許容されるが、通気孔が流路の上流側に臨むように配置される場合にはその取り付けが規制される誤組付防止構造を有するのがより好ましい。取付部の取り付けが許容されれば、通気孔が正しい向きに配置されるため、通気孔を通して被測定ガスの測定が適正になされる。これに対し、通気孔が被測定ガスの上流側に向けて誤って配置される場合には取付部の取り付けが規制されるため、センサ素子の検知部に水、オイル、煤等の異物が付着するのをより確実に防ぐことができる。

また、本発明のガスセンサとしては、センサ素子は検知部を加熱するためのヒータを有しており、処理手段は回路基板の他面側に配置されていることが好ましい。こうすると、回路基板の処理手段がヒータから離れて配置されることになるため、ヒータの加熱による熱影響が処理手段に及ぶのを防ぐことができる。

さらに、センサ素子は検知部を加熱するためのヒータを有しており、回路基板は端子を挿通する端子挿通孔を有し、回路基板と端子とは、回路基板の他端面側で電気的に接続されていることが好ましい。こうすると、回路基板と端子との接続部位がヒータから離れて配置されることになるため、ヒータの加熱による熱影響が端子と処理手段との接続部位に及ぶのを防ぐことができる。

そして、センサ素子は検知部を加熱するためのヒータを有しており、検知部よりも他端側のセンサ素子とケースとの間隙に充填され、ヒータからの熱を前記ケースに伝熱する伝熱部が設けられているのが好ましい。このようにヒータからの熱が伝熱部からケースを経て外部に放熱されることにより、ヒータの加熱による熱影響がセンサ素子と端子との接続部位、端子と回路基板との接続部位及び処理手段自体に及ぶのを効果的に防ぐことができる。

ここで、伝熱部はアルミナであるのが好ましい。アルミナは伝熱性に優れながら、非導電性であるため、ガスセンサの機能を損なわず、上述した効果を確実に発揮できるようになる。

さらに、伝熱部よりも他端側のケースとセンサ素子との間隙に充填され、ケースとセンサ素子との間隙を封止する封止部が設けられていることが好ましい。これによれば、回路基板に対してセンサ素子が気密に封止されるため、検知部収納部から回路基板収納部に水が移動するのを防止でき、回路基板に水が接触するのを防ぐことができる。また、封止部は、伝熱部よりも他端側のケースとセンサ素子との間隙に充填され、伝熱部によって高温になりにくくされているため、劣化も生じにくい。

さらにまた、回路基板収納部は、自身を貫通する嵌着孔を有し、嵌着孔を覆うように通気性及び耐被水性を有するフィルタが設けられていることが好ましい。仮に、外部から回路基板収納部内に浸入した水が水蒸気となっても、該水蒸気はフィルタを通して回路基板収納部外へ排出されるため、回路基板収納部内が蒸れることはなく、回路基板の処理手段に不具合が生じるのを防ぐことができる。

ところで、近年、エンジンの吸気通路を流れる雰囲気中の酸素濃度を検知することで、エンジンの燃焼の制御を行う方法が検討されている。このような吸気通路は、従来の排気管に比べて低温となるため、本発明のガスセンサの検知部を吸気通路内に配置することで、センサ素子と端子との接続部位、端子と回路基板との接続部位及び処理手段自体への熱影響が小さく抑えられつつ、これら処理手段等を保護状態に置くことができつつ、ＥＣＵの設計の自由度及び汎用性を高め、ノイズの影響を受けにくくすることができる。ここで、吸気通路は、吸気管に加え、シリンダヘッドの吸気ポートの部分を含む概念である。また、後述する排気通路は、排気管に加え、シリンダヘッドの排気ポートの部分を含む概念である。

特に、吸気通路にはこの吸気通路内にＥＧＲガスを導入するＥＧＲガス導入口が開設されることがある。この際、検知部がＥＧＲガス導入口より下流側に配置されることがより好ましい。これにより、センサ素子はＥＧＲガスと吸気ガスとが混合されたガス中の特定ガス（被測定ガス）を検出でき、精度良くエンジン燃焼の制御を行うことができる。

また、エンジン周りの設計の自由度を高めるためにガスセンサをエンジンのシリンダヘッドに取り付ける構造が検討されている。このようなシリンダヘッドの吸気通路又は排気通路は、従来の排気管に比べて低温となるため、本発明のガスセンサの検知部をシリンダヘッドの吸気通路内又は排気通路内に配置することで、センサ素子と端子との接続部位、端子と回路基板との接続部位及び処理手段自体への熱影響が小さく抑えられつつ、これら処理手段等を保護状態に置くことができつつ、ＥＣＵの設計の自由度及び汎用性を高め、ノイズの影響を受けにくくすることができる。この場合、取付部はシリンダヘッドの吸気通路と排気通路のいずれにも取り付け可能である。

以下、実施形態１のガスセンサについて図面を参照しつつ説明する。このガスセンサは、図１に示すように、センサ素子１０と、回路基板２０と、両者１０、２０に接続される端子５０と、これらを一括して収納するケース６０とを備えている。

センサ素子１０は、長手方向に延びる板状をなし、先端側（長手方向一端側であり、図中下方）に検知部１１が形成され、上端側の外表面のうち表裏面に電極端子部１２０、１２１が形成されている。

このセンサ素子１０は、図８に示すように、検出素子３００とヒータ２００とが積層された構造とされている。検出素子３００は、酸素濃度検出セル１３０と酸素ポンプセル１４０とが積層された構造とされている。

ヒータ２００は、アルミナを主体とする第１基体１０１及び第２基体１０３と、第１基体１０１と第２基体１０３とに挟まれ、白金を主体とする発熱体１０２とを有している。発熱体１０２は、先端側に位置する発熱部１０２ａと、発熱部１０２ａから第１基体１０１の長手方向に沿って延びる一対のヒータリード部１０２ｂとを有している。そして、ヒータリード部１０２ｂの端末は、第１基体１０１に設けられるヒータ側スルーホール１０１ａを介して電極端子部１２０と電気的に接続されている。

酸素濃度検出セル１３０は、第１固体電解質体１０５と、その第１固体電解質体１０５の両面に形成された第１電極１０４及び第２電極１０６とから形成されている。第１電極１０４は、第１電極部１０４ａと、第１電極部１０４ａから第１固体電解質体１０５の長手方向に沿って延びる第１リード部１０４ｂとから形成されている。第２電極１０６は、第２電極部１０６ａと、第２電極部１０６ａから第１固体電解質体１０５の長手方向に沿って延びる第２リード部１０６ｂとから形成されている。

そして、第１リード部１０４ｂの端末は、第１固体電解質体１０５に設けられる第１スルーホール１０５ａ、後述する絶縁層１０７に設けられる第２スルーホール１０７ａ、第２固体電解質体１０９に設けられる第４スルーホール１０９ａ及び保護層１１１に設けられる第６スルーホール１１１ａを介して電極端子部１２１と電気的に接続されている。一方、第２リード部１０６ｂの端末は、後述する絶縁層１０７に設けられる第３スルーホール１０７ｂ、第２固体電解質体１０９に設けられる第５スルーホール１０９ｂ及び保護層１１１に設けられる第７スルーホール１１１ｂを介して電極端子部１２１と電気的に接続されている。

一方、酸素ポンプセル１４０は、第２固体電解質体１０９と、その第２固体電解質体１０９の両面に形成された第３電極１０８及び第４電極１１０とから形成されている。第３電極１０８は、第３電極部１０８ａと、この第３電極部１０８ａから第２固体電解質体１０９の長手方向に沿って延びる第３リード部１０８ｂとから形成されている。第４電極１１０は、第４電極部１１０ａと、この第４電極部１１０ａから第２固体電解質体１０９の長手方向に沿って延びる第４リード部１１０ｂとから形成されている。

そして、第３リード部１０８ｂの端末は、第２固体電解質体１０９に設けられる第５スルーホール１０９ｂ及び保護層１１１に設けられる第７スルーホール１１１ｂを介して電極端子部１２１と電気的に接続されている。一方、第４リード部１１０ｂの端末は、保護層１１１に設けられる第８スルーホール１１１ｃを介して電極端子部１２１と電気的に接続されている。なお、第２リード部１０６ｂと第３リード部１０８ｂとは第３スルーホール１０７ｂを介して同電位となっている。

これら第１固体電解質体１０５、第２固体電解質体１０９は、ジルコニア（ＺｒＯ₂）に安定化剤としてイットニア（Ｙ₂Ｏ₃）又はカルシア（ＣａＯ）を添加してなる部分安定化ジルコニア燃結体から構成されている。

発熱体１０２、第１電極１０４、第２電極１０６、第３電極１０８、第４電極１１０、電極端子部１２０及び電極端子部１２１は、白金族元素で形成することができる。これらを形成する好適な白金族元素としては、Ｐｔ、Ｒｈ、Ｐｄ等を挙げることができ、これらはその一種を単独で使用することもできるし、又二種以上を併用することもできる。

もっとも、発熱体１０２、第１電極１０４、第２電極１０６、第３電極１０８、第４電極１１０、電極端子部１２０及び電極端子部１２１は、耐熱性及び耐酸化性を考慮するとＰｔを主体にして形成することがより一層好ましい。さらに、発熱体１０２、第１電極１０４、第２電極１０６、第３電極１０８、第４電極１１０、電極端子部１２０及び電極端子部１２１は、主体となる白金族元素の他にセラミック成分を含有することが好ましい。

そして、上記酸素ポンプセル１４０と酸素濃度検出セル１３０との間には、絶縁層１０７が形成されている。絶縁層１０７は、絶縁部１１４と拡散律速部１１５とからなる。この絶縁層１０７の絶縁部１１４には、第２電極部１０６ａ及び第３電極部１０８ａに対応する位置にガス検出室１０７ｃが形成されている。このガス検出室１０７ｃは、絶縁層１０７の幅方向で外部と連通しており、この連通部分に、外部とガス検出室１０７ｃとの間のガス拡散を所定の律速条件下で実現する拡散律速部１１５が配置されている。

絶縁部１１４は、絶縁性を有するセラミック燃結体であれば特に限定されず、例えば、アルミナやムライト等の酸化物系セラミックを挙げることができる。拡散律速部１１５は、アルミナからなる多孔質体である。この拡散律速部１１５によって被測定ガスがガス検出室１０７ｃへ流入する際の律速が行われる。

また、第２固体電解質体１０９の表面には、第４電極１１０を挟み込むようにして、保護層１１１が形成されている。この保護層１１１は、第４電極部１１０ａを挟み込む多孔質の電極保護部１１３ａが、第４リード部１１０ｂを挟み込む補強部１１２に形成された貫通孔１１２ａに挿入されている。

図１に示すように、回路基板２０は、センサ素子１０の上端より上方に位置し、その板面をセンサ素子１０の長手方向（軸方向）と略直交する方向に向けて配置されている。そして、回路基板２０は、センサ素子１０の電極端子部１２０、１２１と端子５０を介して電気的に接続されると共に、自動車の制御を行う電子制御ユニット（以下、ＥＣＵ９９という）と電線９０を介して電気的に接続されている。

回路基板２０の表面（上面）には、センサ素子１０の電気的特性に応じて変化するセンサ信号をアナログ・デジタル変換器によりアナログ信号からデジタル信号に変換する信号変換回路が設けられている。この信号変換回路で生成されたデジタル信号はＥＣＵ９９に向けて出力され、ＥＣＵ９９では入力されたデジタル信号に基づき被測定ガスの濃度変化を検出する処理が実行される。また、回路基板２０の表面には、ヒータ２００（図８参照）への通電量を制御するヒータ制御回路が設けられている。具体的には、回路基板２０の表面には、図５に示すように、信号処理用の各種電子部品２１、例えば、集積回路（ＩＣ）、抵抗器及びコンデンサが実装されている。

図１、図３〜図５に示すように、センサ素子１０の電極端子部１２０、１２１と、回路基板２０の信号変換回路及びヒータ制御回路との間には、双方間を電気的に中継する５本の端子５０が介設されている。各端子５０は、帯状のリード端子であって軸方向に延びて配置され、その一端側（図中下方）が電極端子部１２０、１２１のそれぞれと半田付けにより接続されていると共に、その他端側（図中上方）が回路基板２０のスルーホール２２に裏面側（下方）から挿通されて、回路基板２０の表面側で信号変換回路及びヒータ制御回路とそれぞれ半田付けにより接続されている。なお、スルーホール２２は、特許請求の範囲における「端子挿通孔」に相当するものである。

また、回路基板２０の一端側方には筒状のコネクタ部３０が側外方に開口して配置され、このコネクタ部３０内には５本のコネクタピン３１が横並びに突出して配置されている。各コネクタピン３１は、コネクタ部３０の背面から引き出されて回路基板２０の裏面側へクランク状に折り曲げられ、さらに回路基板２０のスルーホール２３に裏面側から挿通されて、回路基板２０の表面側で信号変換回路及びヒータ制御回路とそれぞれ半田付けにより接続されている。

さらに、コネクタ部３０は、図１に示すように、相手コネクタ部９５と嵌合され、この嵌合に伴ってコネクタピン３１が相手コネクタ部９５に装着された相手コネクタピン９６と電気的に接続される。相手コネクタピン９６はＥＣＵ９９との間に配策された電線９０の端末に接続されている。

上記のように、回路基板２０の表面側（他端面側）には信号変換回路及びヒータ制御回路を有する処理手段が設けられ、回路基板２０の裏面側（一端面側）にはセンサ素子１０が配置されている。したがって、センサ素子１０と処理手段とが互いに離れて位置することになるため、センサ素子１０の発熱部１０２ａの加熱による熱影響が処理手段自体に及ぶのを防ぐことができる。

さらに、端子５０は、回路基板２０の表面側で信号変換回路やヒータ制御回路と接合されている。したがって、センサ素子１０と離れて位置することになるため、センサ素子１０の発熱部１０２ａの加熱による熱影響が端子５０と処理手段との接続部位に及ぶのを防ぐことができる。

続いてケース６０について説明する。ケース６０は金属製であり、センサ素子１０の周りを包囲して軸方向に細長く延びる筒状の検知部収納部６１と、回路基板２０の周りを包囲して軸方向と略直交する方向に沿う扁平箱形状の回路基板収納部６２とから構成されている。回路基板収納部６２は、上下に装着される上カバー６３及び下カバー６４により構成されている。

上カバー６３は、図５に示すように、全体として浅皿状をなし、略矩形状の蓋部６３ａと、この蓋部６３ａの４辺から立ち下がる立下部６３ｂとからなる。

蓋部６３ａには、透過部材６５が嵌着される円形の嵌着孔６６が開設されている。透過部材６５は、図１に示すように、耐被水性及び通気性を有するフィルタ６５ａと、このフィルタ６５ａを内包するキャップ６５ｂとからなり、キャップ６５ｂと上カバー６３との間に、第１シールリング６７が設けられている。

フィルタ６５ａは、回路基板収納部６２の内側から外側に向かう空気及び水蒸気の通過を許容するが、回路基板収納部６２の外側から内側に向かう水の浸入を規制するものであり、例えば、ゴアテックス（登録商標）を挙げることができる。本実施形態の場合、回路基板収納部６２の内側にコネクタ部３０等を通して水が浸入する可能性があり、浸入した水の蒸発により回路基板収納部６２内が蒸れる虞があるが、上記のようなフィルタ６５ａが蓋部６３ａに貫通した嵌着孔６６を覆っていれば、フィルタ６５ａを介して水蒸気が外部へ排出されるため、回路基板収納部６２内が蒸れることはなく、回路基板２０がショート等の不具合を起こすのを防ぐことができる。

そして、図５に示すように、立下部６３ｂの下端には、下向きに突出する凸部６８が周方向に沿って形成されている。また、立下部６３ｂの短辺側の一方には、コネクタ部３０と対応する位置に、第１切欠窓６９が下方に開口して形成されている。さらに、立下部６３ｂの両長辺側には、板状の張出縁部７０が長辺方向に沿って形成されている。張出縁部７０には、４隅寄りの位置に第１貫通孔７１が開設され、長辺方向の略中央部に第２貫通孔７２が開設されている。

下カバー６４は、全体として上カバー６３よりも肉厚で且つ上カバー６３より深い皿状をなし、略矩形状の底部６４ａと、この底部６４ａの４辺から立ち上がる立上部６４ｂとからなる。立上部６４ｂの上端には、凸部６８を受ける溝７３が周方向に沿って形成されている。また、立上部６４ｂの短辺側の一方には、コネクタ部３０と対応する位置に、第２切欠窓７４が上方に開口して形成されている。さらに、立上部６４ｂの両長辺側は、張出縁部７０の張出量に相当する肉厚を有し、その４隅寄りの位置に第１受け孔７５が開設され、長辺方向の略中央部に第２受け孔７６が開設されている。

上カバー６３及び下カバー６４の組み付けにあたり、立上部６４ｂの上端と立下部６３ｂの下端とが互いに突き合わされると、凸部６８が溝７３に嵌まり、上カバー６３及び下カバー６４の互いの位置決めがなされる。また、立上部６４ｂの上端と立下部６３ｂの下端とが互いに突き合わされると、第１貫通孔７１と第１受け孔７５とが互いに整合し、両孔７１、７５を連通するボルトの締め付けにより上カバー６３と下カバー６４とが互いに固定される。同じく整合状態となる第２貫通孔７２と第２受け孔７６とはガスセンサの取り付けに伴い、図２及び図６に示すように、取付対象（後述する吸気管４０１又はシリンダヘッド４０５）の取付面９８に開設された係合孔９７と整合し、これら第２貫通孔７２、第２受け孔７６及び係合孔９７を連通するボルトの締め付けによりガスセンサが取付対象に固定される。なお、第２貫通孔７２及び第２受け孔７６は、特許請求の範囲における「取付部」に相当するものであり、以下の説明ではこれらを取付部７７とする。

さらに、立上部６４ｂの上端と立下部６３ｂの下端とが互いに突き合わされると、コネクタ部３０の外周面に形成された図５に示す凹溝３２に、上方から第１切欠窓６９が嵌着すると共に下方から第２切欠窓７４が嵌着し、これにより、コネクタ部３０が上カバー６３と下カバー６４との間に挟まれた状態で固定される。図１に示すように、コネクタ部３０の凹溝３２の溝底にはシール部３５が周設され、このシール部３５によりコネクタ部３０とケース６０との間のシールがとられる。

また、図５に示すように、下カバー６４の内面の４隅には回路基板２０を支持する支持部７８が立設され、支持部７８の上端には第３受け孔７９が開設されている。回路基板２０が支持部７８に支持されたときに、第３受け孔７９と回路基板２０の４隅に開設された第３貫通孔２９とが互いに整合し、両孔２９、７９を連通するボルトの締め付けにより回路基板２０が下カバー６４に底部６４ａから浮いた状態で固定される。

そして、下カバー６４の底部６４ａには、図４に示すように、円形の装着孔８０が開設され、この装着孔８０に上方から検知部収納部６１が挿通して装着される。この装着孔８０は底部６４ａの中央から偏心した位置に設定されている。また、底部６４ａには、第２シールリング８１が嵌着される環状溝８２が、装着孔８０の周りを取り囲むように形成されている。さらに、底部６４ａにおける環状溝８２より外側には、第４受け孔８３が周方向に間隔をあけて形成されている。

一方、検知部収納部６１は長手方向に細長く延びる有底の円筒状をなし、その上端開口縁に、フランジ部８４が径方向外向きに張り出して形成されている。そして、フランジ部８４には第４貫通孔８５が周方向に間隔をあけて形成されている。検知部収納部６１が下カバー６４の装着孔８０に装着されると、第４貫通孔８５と第４受け孔８３とが互いに整合し、両孔８３、８５を連通するボルトの締め付けにより検知部収納部６１が下カバー６４に固定される。このとき、フランジ部８４と下カバー６４との間は第２シールリング８１によってシールがとられる。

また、検知部収納部６１は、図１に示すように、厚みが厚い上部６１ａと、厚みが中程度の中間部６１ｂと、厚みが薄い下部６１ｃとが順に連なった形態となっている。図４に示すように、検知部収納部６１の上部６１ａの外周面には、第３シールリング８６が嵌着される外周溝８７が周設されている。図１に示すように、取付部７７が取付対象に取り付けられたとき、取付対象と検知部収納部６１との間は第３シールリング８６によってシールがとられる。

また、検知部収納部６１の中間部６１ｂの内周面には段部８８が設けられ、この段部８８を境とする下側が上側より縮径された形態となっている。段部８８にはセンサ素子１０を保持する保持部材４１が上方から当て止めされ、これにより、センサ素子１０が検知部収納部６１内に上下方向に位置決め状態で保持されている。保持部材４１は、アルミナからなるセラミック製のリング部材であり、センサ素子１０の外周面のうち検知部１１より上方に嵌着されている。

さらに、検知部収納部６１の下部６１ｃには上下方向に延びるスリット状の通気孔８９が開設され、検知部収納部６１内にセンサ素子１０が収納された状態では、通気孔８９に内側からセンサ素子１０の検知部１１が臨むように配置されている。ガスの流路に検知部収納部６１の下部６１ｃが曝されると、ガス中の被測定ガスが通気孔８９から検知部収納部６１内に導入され、導入された被測定ガスがセンサ素子１０の検知部１１に接触する。検知部収納部６１の壁面は通気孔８９を残して閉塞されている。

また、検知部収納部６１とセンサ素子１０との間で、且つ保持部材４１の上方には発熱部１０２ａ（図８参照）からの熱をケース６０に伝えて外部へ放熱する硬化部４２が設けられている。硬化部４２は、高熱伝導性に優れた材質によって構成され、例えば、アルミナ、具体的にはアルミナセメントの硬化体を挙げることができる。アルミナは伝熱性に優れているため、発熱部１０２ａの熱をケース６０に効率良く伝えて取付対象及び大気へ放熱することができる。また、アルミナは非導電性であるため、センサ素子１０と電気的に干渉することがなく、ガスセンサの機能を良好に発揮させることができる。さらに、硬化部４２がアルミナセメントの硬化体であれば、検知部収納部６１とセンサ素子１０との間にスラリー状のアルミナセメントを流し込んで成形できるため、加工性に優れると共に、検知部収納部６１の内面とセンサ素子１０の外面との間に隙間が生じるのを防ぐことができる。なお、保持部材４１及び硬化部４２は、特許請求の範囲における「伝熱部」に相当するものである。

さらに、検知部収納部６１とセンサ素子１０との間で、且つ回路基板２０に近い、保持部材４１及び硬化部４２の上方には封止部４３が設けられ、この封止部４３によってセンサ素子１０の上端部が気密に封止されている。封止部４３は、耐熱性を有する絶縁樹脂からなるのが好ましく、例えば、エポキシ樹脂やフッ素ゴムからなり得る。また、封止部４３は、エポキシ樹脂及びフッ素ゴムの両方によって構成してもよい。このように封止部４３がセンサ素子１０の上端部を封止することにより、検知部収納部６１から回路基板収納部６２に水が移動するのを防止し、回路基板２０に水が接触するのを防ぐことができる。特に、硬化部４２がアルミナセメントの硬化体である場合には、硬化部４２の内部に形成される間隙が検知部１１への水路になる虞があるため、硬化部４２の上方に封止部４３を設けることが望まれる。また、保持部材４１及び硬化部４２よりも回路基板２０に近い位置は保持部材４１及び硬化部４２によって高温になりにくくされているため、その位置の封止部４３は劣化も生じにくい。封止部４３はまた電極端子部１２０、１２１と端子５０との接続部位を封止するため、この接続部位の電気絶縁性が保証される。

次に、上述したガスセンサの製造方法について説明する。まず、図３に示すように、センサ素子１０の電極保持部１２０、１２１に端子５０の一端部を半田付けにより接続すると共に、センサ素子１０の外周面の中間部位に保持部材４１を嵌着させる。続いて、検知部収納部６１の後端開口から検知部収納部６１内へセンサ素子１０を挿入し、図１に示すように、段部８８に保持部材４１を支持させて、センサ素子１０を軸周りに回転させ、通気孔８９に検知部１１を正対させる。

そして、検知部収納部６１の後端開口から検知部収納部６１内にスラリー状のアルミナセメントを流し入れて保持部材４１の上に積み重ねる。アルミナセメントが硬化したら、続いて、この硬化部４２の上にエポキシ樹脂等の封止部４３を充填し、センサ素子１０の後端部を封止する。これにより、センサ素子１０の全体が検知部収納部６１内に固定状態で収納され、端子５０の他端部が上方に向けて突出される。

次に、図４に示すように、上記センサ素子１０を収納した検知部収納部６１を回路基板収納部６２に取り付ける。取り付けに先立ち、下カバー６４の環状溝８２に第２シールリング８１を嵌めておく。そして、下カバー６４の装着孔８０に上方から検知部収納部６１を挿入し、下カバー６４の底部６４ａにフランジ部８４を着座させる。次いで、第４受け孔８３に対応する第４貫通孔８５が整合するよう、検知部収納部６１を軸周りに回転させ、第４受け孔８３及び第４貫通孔８５へのボルトの締め付けにより検知部収納部６１と下カバー６４とを一体に連結する。このとき、下カバー６４に対する検知部収納部６１の位置は一通りとしている。

続いて、図５に示すように、下カバー６４の第２切欠窓７４にコネクタ部３０の凹溝３２を掛け止め、その状態で下カバー６４内に上方から回路基板２０を装着する。すると、端子５０の他端部が対応するスルーホール２２に下方から挿入されると共に、コネクタピン３１の端部が同じく対応するスルーホール２３に下方から挿入され、且つ、回路基板２０の４隅が支持部７８の上端に載置される。次いで、第３受け孔７９及び第３貫通孔２９へのボルトの締め付けにより回路基板２０と下カバー６４とを一体に連結し、さらに回路基板２０の表面に端子５０の先端部を半田付けして固定すると共にコネクタピン３１の先端部を半田付けして固定する。

その後、下カバー６４に上カバー６３を被せ付け、第１受け孔７５及び第１貫通孔７１へのボルトの締め付けにより下カバー６４と上カバー６３とを一体に連結する。すると、コネクタ部３０が上カバー６３の第１切欠窓６９と下カバー６４の第２切欠窓７４との間に挟まれて保持される。また、これらの作業と前後して上カバー６３の嵌着孔６６に透過部材６５を装着しておく。

こうして完成されるガスセンサは、図９に示す取付態様１と、図１０に示す取付態様２とに選択的に使用可能となる。

取付態様１は、図９に示すように、吸気通路４００の吸気管４０１に、エンジンの排気ガスの一部（以下、ＥＧＲガスという）をこの吸気管４０１内に還流させるＥＧＲ管４０２の端末が連結されているものにおいて、ガスセンサは、ＥＧＲ管４０２の連結用に開設されたＥＧＲガス導入口４０３より下流側に設置されるものである。具体的には、回路基板収納部６２が吸気管４０１の外周面に載置され、検知部収納部６１が吸気管４０１内の流路に突出して配置されている。この場合、ガスセンサは、ＥＧＲガスと吸気ガスとが混合したガス中の被測定ガスを検出する。

また、取付態様２は、図１０に示すように、ガスセンサがシリンダヘッド４０５に設置されるものである。具体的には、回路基板収納部６２がシリンダヘッド４０５の外壁に載置され、検知部収納部６１がシリンダヘッド４０５の排気ポート４０６内の流路に突出して配置されている。この場合、ガスセンサは、燃焼後のガス中の被測定ガスを検出する。

そして、図６に示すように、両取付面９８には、装着孔８０と整合可能な検出孔９３が開設され、さらに検出孔９３を挟んだ両側に、取付部７７と整合可能な係合孔９７が開設されている。

取付態様１、２のいずれにおいても、ガスセンサが排気管に設置される場合に比べ、設置温度が低くなるため、センサ素子１０と端子５０との接続部位、端子５０と処理手段との接続部位及び処理手段自体への熱影響が小さく抑えられ、これら処理手段等を保護状態に置くことができる。

そして、取付態様２では、シリンダヘッド４０５自体の放熱特性及びシリンダヘッド４０５に備わる冷却機構によってシリンダヘッド４０５の温度が低く抑えられるため、吸気通路４００に設置される取付態様１よりは劣るものの、センサ素子１０と端子５０との接続部位、端子５０と処理手段との接続部位及び処理手段自体への熱影響が小さく抑えられる。

次に、上記した吸気管４０１及びシリンダヘッド４０５へのガスセンサの取付方法及び取付構造について説明する。なお、ガスセンサの取り付けに先立ち、検知部収納部６１の外周溝８７に第３シールリング８６を嵌めておく。

検出孔９３に検知部収納部６１を挿入すると、図１に示すように、回路基板収納部６２の下面が取付面９８に着座させられ、検知部収納部６１の下部６１ｃがガスの流路に臨むように配置される。

この場合、図２に示すように、検知部収納部６１の通気孔８９が流路の下流側に向けて配置されていると、図６に示すように、取付部７７と係合孔９７とが互いに整合し、図２及び図５に示すように、第２貫通孔７２、第２受け孔７６及び係合孔９７へのボルトの締め付けによりガスセンサが取付面９８に取り付け固定される。

ここで、ガスは、図７に示すように、検知部収納部６１を廻り込みつつ下流側から通気孔８９を通して検知部収納部６１内に流入し、検知部収納部６１内で検知部１１と接触してこのガス中の被測定ガスが検出される。一方、流路の上流側は検知部収納部６１の壁面で閉塞されているため、ガスが上流側から検知部１１に直接接触することはない。

ガスには、通常、水、オイル、煤等の異物が混入しているが、上記構成によれば、ガスに含まれる異物は検知部収納部６１の壁面に干渉したあとガスの流れにのって下流側に流れるため、検知部１１に異物が付着するのを防ぐことができる。その結果、誤検出が防止される。

一方、上記とは逆に、検知部収納部６１の通気孔８９が流路の上流側に向けて誤って配置されていると、取付部７７と係合孔９７とが非整合状態となり、第２受け孔７６から係合孔９７へのボルトの挿通が規制され、ひいてはガスセンサの取り付けも規制される。この場合は、ガスセンサを反転させて正規の取付姿勢に矯正し、作業のやり直しを行う。

このようにガスセンサは、通気孔８９の向きが正規である場合には取付部７７の係合孔９７への取り付けを可能とし、通気孔８９の向きが不正である場合には取付部７７の係合孔９７への取り付けを規制する誤組付防止構造を有している。したがって、通気孔８９が誤った向きで取り付けられてしまうのを防ぐことができる。この場合の誤組付防止構造は、図２に示すように、検知部収納部６１を受ける装着孔８０の中心がこの装着孔８０の両側に位置する両取付部７７の中心間を結ぶ直線の中央から図中Ｘ分だけ偏心し、同じく検知部収納部６１を受ける検出孔９３の中心がこの検出孔９３の両側に位置する両係合孔９７の中心間を結ぶ直線の中央から偏心している構造によるものである。

また、ガスセンサは、センサ素子１０の周りを包囲する部分（検知部収納部６１）が細くなっているため、流通するガスの抵抗が小さく抑えられる。さらに、ガスセンサは、回路基板収納部６２が取付対象の取付面９８に沿って配置されて外側に大きく突出しないため、周囲部品との干渉を回避できる。

そして、このガスセンサによれば、センサ素子１０からの出力信号を処理する処理手段を載置する回路基板２０がセンサ素子１０と共にケース６０に収納されることにより、かかる処理手段を車両のＥＣＵ９９に設けなくて済むから、ＥＣＵ９９の設計の自由度が高められ、且つＥＣＵ９９の使用の選択幅が広がる。また、センサ素子１０、回路基板２０及び端子５０の周りが金属製のケース６０によってシールドされるのに加え、従来におけるセンサ素子１０とＥＣＵ９９との間に配索されたアナログ信号線が省略されるため、ノイズの影響を受けにくい構造となり、電気的信頼性が向上する。さらに、従来のガスセンサと違って、取付時にガスセンサ自体が軸周りに回転しないため、取り付けに伴ってセンサ素子１０を周方向に位置決めすることができる。

なお、本発明は上記実施形態１に限定されるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更して適用できる。

例えば、取付部７７がシリンダヘッド４０５の外壁に取り付けられ、検知部１１がシリンダヘッド４０５の吸気ポート４０７内の流路に臨むように配置される構成であってもよい。また、センサ素子１０がヒータ２００を有さず、回路基板２０にヒータ制御回路が含まれない構成であってもよい。

また、実施形態１では、電極保持部１２０，１２１と端子５０の一端部を半田付けにより接続したが、これに限らず、ロウ付け、溶接等を行ってもよい。さらには、端子５０に対してセンサ素子１０が上端側に摺動することで、機械的に接続する構成であってもよい。

さらに、実施形態１では、端子５０は回路基板２０のスルーホール２２の裏面側から挿通されて、回路基板２０の表面側で信号変換回路及びヒータ制御回路と半田付けにより接続されたが、これに限らず、回路基板２０にスルーホール２２を設けず、回路基板２０の裏面側で端子５０と信号変換回路及びヒータ制御回路とが半田付けにより接続されていてもよい。

さらに、実施形態１では、検知部収納部６１の上部６１ａ及び中間部６１ｂに亘って、保持部材４１、硬化部４２及び封止部４３が充填されていたが、これに限らず、保持部材４１、硬化部４２及び封止部４３は検知部収納部６１の中間部６１ｂのみに充填されていてもよいし、硬化部４２及び封止部４３が上部６１ａ（つまり保持部材４１と硬化部４２とが離間）に充填されていてもよい。

さらに、実施形態１では、酸素ポンプセル１４０及び酸素濃度検出セル１３０を有するセンサ素子１０を用いたが、これに限らず、λセンサに用いられるセンサ素子や、限界電流方式のセンサに用いられるセンサ素子でも適用できる。

本発明のガスセンサは、エンジン、特にディーゼルエンジンのガスセンサ（酸素センサ、炭化水素センサ、ＮＯｘセンサ）及び種々の装置のガスセンサに利用可能である。

実施形態１のガスセンサの断面図である。ガスセンサの平面図である。検知部収納部にセンサ素子を組み付ける前の斜視図である。回路基板収納部に検知部収納部を組み付ける前の斜視図である。ガスセンサの分解斜視図である。取付面への取付前のガスセンサの斜視図である。検知部にガスが接触する状態を説明するための要部断面図である。センサ素子の分解斜視図である。ガスセンサが吸気管に設置される取付態様１の概略図である。ガスセンサがシリンダヘッドに設置される取付態様２の概略図である。

符号の説明

１０…センサ素子
１１…検知部
２０…回路基板
５０…端子
６０…ケース
６１…検知部収納部
６２…回路基板収納部
７７…取付部

Claims

固体電解質体及び該固体電解質体上に形成された一対の電極を備え、被測定ガスを検知する検知部を有するセンサ素子と、
前記センサ素子からの出力信号を処理する処理手段を載置する回路基板と、
前記センサ素子と前記回路基板とにそれぞれ接続されて両者間を電気的に中継する端子と、
前記センサ素子、前記回路基板及び前記端子の周りを収納すると共に、外部取付用の取付部を有する金属製のケースとを備え、
前記検知部は前記センサ素子の長手方向一端側に配置され、前記回路基板は前記検知部よりも他端側に配置され、さらに前記回路基板は前記センサ素子の前記長手方向に対して略直交する方向に沿って配置されており、前記ケースは、前記検知部を収納する検知部収納部と、前記回路基板を収納する回路基板収納部とを有していることを特徴とするガスセンサ。
前記回路基板収納部は、前記取付部が設けられている請求項１記載のガスセンサ。
前記検知部収納部は、前記流路の上流側に臨む壁が閉止される一方、前記流路の下流側に臨む壁に、前記被測定ガスを前記検知部に接触させるための通気孔が開設されている請求項２記載のガスセンサ。
前記取付部は、前記通気孔が前記流路の下流側に臨むように配置される場合にはその取り付けが許容されるが、前記通気孔が前記流路の上流側に臨むように配置される場合にはその取り付けが規制される誤組付防止構造を有する請求項３記載のガスセンサ。
前記センサ素子は前記検知部を加熱するためのヒータを有しており、前記処理手段は前記回路基板の他面側に配置されている請求項２乃至４のいずれか１項記載のガスセンサ。
前記センサ素子は前記検知部を加熱するヒータを有しており、
前記回路基板は前記端子を挿通する端子挿通孔を有し、
前記回路基板と前記端子とは、前記回路基板の他端面側で電気的に接続されていることを請求項２乃至４のいずれか１項記載のガスセンサ。
前記センサ素子は前記検知部を加熱するためのヒータを有しており、前記検知部よりも他端側の前記センサ素子と前記ケースとの間隙に充填され、前記ヒータからの熱を前記ケースに伝熱する伝熱部が設けられている請求項２乃至４のいずれか１項記載のガスセンサ。
前記伝熱部はアルミナである請求項７記載のガスセンサ。
前記伝熱部よりも他端側の前記ケースと前記センサ素子との間隙に充填され、前記ケースと前記センサ素子との間隙を封止する封止部が設けられている請求項７又は８記載のガスセンサ。
前記回路基板収納部は、自身を貫通する嵌着孔を有し、該嵌着孔を覆うように通気性及び耐被水性を有するフィルタが設けられている請求項２乃至９のいずれか１項記載のガスセンサ
前記検知部がエンジンの吸気通路内に配置される請求項１乃至１０のいずれか１項記載のガスセンサ。
前記吸気通路にはこの吸気通路内にＥＧＲガスを導入するＥＧＲガス導入口が開設され、前記検知部が前記ＥＧＲガス導入口より下流側に配置される請求項１１記載のガスセンサ。
前記検知部がシリンダヘッドの吸気通路内又は排気通路内に配置される請求項１乃至１０のいずれか１項記載のガスセンサ。