JP5947726B2

JP5947726B2 - ガスセンサ

Info

Publication number: JP5947726B2
Application number: JP2012548164A
Authority: JP
Inventors: 渥美　尚勝; 尚勝渥美
Original assignee: NGK Spark Plug Co Ltd
Current assignee: NGK Spark Plug Co Ltd
Priority date: 2011-08-17
Filing date: 2012-08-09
Publication date: 2016-07-06
Anticipated expiration: 2032-08-09
Also published as: DE112012003364T5; WO2013024579A1; DE112012003364B4; JPWO2013024579A1; CN103562713A; CN103562713B

Description

本発明は、例えば自動二輪（オートバイ）等に搭載されて、その内燃機関（エンジン）から排出される排気ガス中の酸素等を検出するガスセンサに関する。

従来、ガス検出素子を有するガスセンサとして、例えば、酸素イオン導電性の固体電解質体からなるガス検出素子を備え、オートバイ等のエンジンの排気管に取付けられて、排気ガス中の酸素濃度を検知するセンサが知られている。

この種のガス検出素子としては、例えば先端側が閉塞された筒状の素子本体を有し、この素子本体の内側に内側電極を備えるとともに、外側に外側電極を備えたものが知られている。

例えば下記特許文献１には、図８に示す様に、ガス検出素子Ｐ１を環状の金属製のパッキンＰ２などを介して主体金具Ｐ３内に固定するとともに、主体金具Ｐ３の先端から突出するガス検出素子Ｐ１の先端側を金属製のプロテクタＰ４で覆ったガスセンサＰ５が開示されている。

このガスセンサＰ５は、ガス検出素子Ｐ１を加熱するヒータの無い、いわゆるヒータレスの構造である。また、このガスセンサＰ５の内側電極Ｐ６は、端子金具Ｐ７に接触し、端子金具Ｐ７から外部回路（図示せず）にセンサ出力が取り出され、他方、外側電極Ｐ８は、からガス検出素子Ｐ１の外周に沿って伸びるリード部Ｐ９に接続し、リード部Ｐ９及びパッキンＰ２を介して主体金具Ｐ３と電気的に接続している。

２００９−６３３３０号公報

ところで、上述した従来技術では、通常、内側電極Ｐ６、外側電極Ｐ８、及びリード部Ｐ９は白金で構成されるとともに、パッキンＰ２や主体金具Ｐ３はステンレス（例えばＳＵＳ４３０）で構成されている。このため、プロテクタＰ４のガス導入孔からプロテクタ４内に導入された被測定ガスが、パッキンＰ２付近に到達したとしても、パッキンＰ２と主体金具Ｐ３との接触部分やパッキンＰ２とリード部Ｐ９との接触部分で被測定ガス中の水分により腐食が発生する可能性は低い。また、プロテクタＰ４の内面をつたった水滴が、パッキンＰ２付近に到達したとしても、接触部分で水滴により腐食が発生する可能性は低い。

しかしながら、コスト低減の目的で、主体金具Ｐ３を安価な炭素鋼で製造する場合には、パッキンＰ２と主体金具Ｐ３との接触部分で（主体金具Ｐ３側において）、被測定ガス中の水分や、プロテクタＰ４の内面をつたった水滴により腐食が発生するという問題がある。そして、腐食が発生すると電気的導通が悪化し、ガスセンサＰ５のガス検出に影響を与える虞がある。

これに対し、主体金具Ｐ３とガス検出素子Ｐ１との間隙（クリアランス）をより小さくすることで、被測定ガスがパッキンＰ２付近に到達しにくくなり、炭素鋼からなる主体金具Ｐ３に対し、パッキンＰ２との接触部分での腐食の発生を抑制することができる。また、プロテクタＰ４の内面に付着した水滴がパッキンＰ２付近に到達しにくくなり、パッキンＰ２との接触部分での腐食の発生を抑制することができる。

しかしながら、上述の構成であれば、主体金具Ｐ３とガス検出素子Ｐ１との間隙がより小さくなることで、ガス検出素子Ｐ１に被測定ガスが接触しにくくなり、ガスセンサＰ５の検出精度が低下する虞がある。また、主体金具Ｐ３とガス検出素子Ｐ１の間隙が小さくなることで、ガス検出素子Ｐ１を主体金具Ｐ３に保持する際に、ガス検出素子Ｐ１が主体金具Ｐ３に接触し、ガス検出素子Ｐ１に割れや欠けが生じる虞がある。

本発明は、上記問題点を解決するためになされたものであり、その目的は、製造コストを低減できるとともに、ガス検出素子と主体金具とが電気的導通を行う箇所にて、主体金具の腐食が発生することを防止できるガスセンサを提供することを目的とする。

（１）本発明は、第１態様として、軸線方向に延び、先端側が閉塞された筒状の固体電解質からなる素子本体と、該素子本体の内側及び外側に設けられた内側電極及び外側電極と、を備えたガス検出素子と、該ガス検出素子の先端側を自身の先端から突出させつつ、前記ガス検出素子に外嵌する筒状の主体金具と、該主体金具に係合し、前記ガス検出素子の先端側を覆う筒状のプロテクタと、を備えるガスセンサにおいて、前記プロテクタは、前記軸線方向に延びる筒状部と、該筒状部の後端側に設けられ、径方向外側に広がる環状のフランジ部とを備え、前記ガス検出素子は、全周に亘って前記径方向外側に突出すると共に、自身の先端向き面上に前記外側電極と電気的に接続するリード部を有する鍔部を備え、前記主体金具は、全周に亘って前記径方向内側に突出する段部を備えるとともに、前記プロテクタの前記筒状部に対し筒状の空間を介して自身の内周面が形成されており、前記フランジ部は、前記ガス検出素子の鍔部と前記主体金具の段部との間に挟まれて、前記リード部と前記主体金具とを電気的に接続しており、前記主体金具は炭素鋼からなるとともに、前記プロテクタは前記炭素鋼より鉄の含有量が少ない金属材料からなり、前記鍔部よりも軸線方向先端側において、前記プロテクタと前記主体金具との最小間隙は、前記プロテクタと前記ガス検出素子との最小間隙よりも狭いことを特徴とする。

なお、本発明において、主体金具の材質である炭素鋼とは、ＪＩＳＧ４０５１（２０１０年）の表１に規定されるものである。具体的には、主体金具の材質として、例えばＳ１７Ｃ、Ｓ２５Ｃ等を採用できる。

また、プロテクタの材質である炭素鋼より鉄の含有量が少ない金属材料としては、例えばステンレス鋼があげられる。具体的には、例えばＳＵＳ３１０Ｓ、インコネル７５０（登録商標）、インコネル６０１（登録商標）、フェライト系ステンレス鋼等が挙げられる。

更に、鍔部よりも軸線方向先端側において、プロテクタとガス検出素子との間隙及びプロテクタと主体金具との間隙については、軸線方向に亘り均一なものが挙げられるが、均一でなくてもよい。

なお、ガス検出素子の鍔部よりも軸線方向後端側には、主体金具の段部、プロテクタのフランジ部、ガス検出素子の鍔部といった、外側電極と主体金具との間の導通を図る部位が形成されるため、ガス検出素子の鍔部よりも先端側（詳しくは鍔部の先端よりも先端側）において、上記間隙の関係を特定することで、外側電極と主体金具との間の導通を確実に確保できることになる。

また「プロテクタとガス検出素子との最小間隙」とは、センサの軸線に垂直で、且つセンサの軸線から放射状に延びる仮想線上において、プロテクタの内表面とガス検出素子の外表面との距離のうち、最小の距離のことを指す。さらに、「プロテクタと主体金具との最小間隙」とは、センサの軸線に垂直で、且つセンサの軸線から放射状に延びる仮想線上において、プロテクタの外表面と主体金具の内表面との距離のうち、最小の距離のことを指す。なお、プロテクタとガス検出素子、又は、プロテクタと主体金具とが接触している場合には、それぞれの最小間隙は０（ｍｍ）とみなす。

なお、プロテクタとガス検出素子との周方向の間隙や、プロテクタと主体金具との周方向の間隙は均一でなくてもよいが、より好ましくは周方向に均一な間隙が形成されていることが好ましい。つまり、プロテクタとガス検出素子との最小間隙や、プロテクタと主体金具との最小隙間が周方向に亘って設けられていることが、主体金具の先端側近傍にて積極的に腐食を発生させる点でより好ましい。

（２）本発明は、第２態様として、前記プロテクタの筒状部の少なくとも一部は、前記主体金具に圧入固定されていることを特徴とする。

（３）本発明は、第３態様として、前記主体金具には、前記ガスセンサを取付対象に固定するネジ部を備えるとともに、前記ネジ部が設けられた前記主体金具の前記軸線方向の領域においては、前記主体金具と前記プロテクタの筒状部とは離間していることを特徴とする。

なお、より好ましくは、プロテクタの筒状部と主体金具との圧入部が主体金具のネジ部よりも後端側に設けられていることが好ましい。プロテクタは、先端部において排気ガスの熱を綬熱しやすい。このため、ネジ部よりも先端側に圧入部が設けられると、圧入部を介してプロテクタの熱が主体金具に伝わるため、プロテクタの後端部に熱が伝わることを妨げることとなる。これに対し、ネジ部よりも後端側に圧入部が設けられると、プロテクタの後端側に熱が伝わり、その結果、より好適にガス検出素子を加熱することができる。

（４）本発明は、第４態様として、前記ガス検出素子を加熱するヒータを有さないことを特徴とする。

本発明では、主体金具は炭素鋼からなる。これにより、主体金具のコストを従来のステンレス鋼よりも低減することができる。その上、プロテクタは炭素鋼より鉄の含有量が少ない金属材料（例えばステンレス）からなり、且つ、プロテクタに設けたフランジ部がガス検出素子の鍔部と主体金具の段部との間に挟まれている。これにより、主体金具の腐食電位はプロテクタの腐食電位より低くなり、主体金具とプロテクタとの間で腐食が発生する場合には、腐食電位の低い主体金具の段部が腐食し易い状況となる。なお、主体金具側で腐食を発生させるためには、主体金具の腐食電位はプロテクタの腐食電位より低いことが必要である。

このように、炭素鋼よりなる主体金具において、被測定ガスや水滴がプロテクタのフランジ部付近に到達すると、主体金具に腐食が発生する虞がある。そこで、本発明では、ガス検出素子の鍔部よりも軸線方向先端側において、プロテクタと主体金具との最小間隙が、プロテクタとガス検出素子との最小間隙よりも狭くなっている。これにより、被測定ガスや水滴がプロテクタのフランジ部付近に到達しにくくなり、主体金具の段部にて腐食を発生させることを抑制でき、腐食が発生する位置を、主体金具の段部よりも先端側となるようにすることができる。

つまり、例えばガスセンサを排気管等に取り付けて使用する際に、プロテクタに水滴が付着することがあるが、その場合には、（腐食電位の低い）主体金具の先端側付近にて腐食が発生することになる。

また、例えば排気ガス中に水分がある場合には、その水分はプロテクタと主体金具との間隙に侵入するが、本発明では、プロテクタと主体金具との間隙を狭くして、主体金具の先端側近傍にて積極的に腐食を発生させることにより（即ち犠牲防食とすることにより）、プロテクタの（後端側の）フランジ部と主体金具の段部との間の接触部分にて主体金具側に腐食が発生することを抑制できる。
これにより、プロテクタと主体金具との間の電気的導通（従ってガス検出素子の外側電極（リード部）と主体金具との間の電気的導通）を長期間に渡り確保できる。

また、プロテクタを主体金具とガス検出素子との間隙に配置すると共に、プロテクタとガス検出素子との最小間隙を、プロテクタと主体金具との最小間隙よりも広くしている。このため、従来のように、主体金具とガス検出素子との間隙をより小さくした構成に生じる、ガス検出素子に被測定ガスが接触しにくくなることを抑制でき、ガスセンサの検出精度が低下することを抑制できる。また、ガス検出素子を主体金具に保持させる際に、ガス検出素子が主体金具に接触し、ガス検出素子に割れや欠けが生じることも抑制できる。

第２態様では、プロテクタの筒状部が主体金具に圧入固定されている。つまり、プロテクタの筒状部と主体金具との間隙が設けられないため、例えば、排気ガス中に水分がある場合には、その水分がプロテクタと主体金具との圧入部よりも後端側には到達することがなく、主体金具の圧入された部位よりも先端側近傍にて積極的に腐食を発生させることにより（即ち犠牲防食とすることにより）、プロテクタのフランジ部と主体金具の段部との間の接触部分にて主体金具側に腐食が発生することを防止できる。また、プロテクタに水滴が付着することがあるが、その場合には、プロテクタと主体金具との圧入部よりも後端側には到達することがなく、主体金具の先端側付近にて腐食が発生することになる。
これにより、プロテクタと主体金具との間の電気的導通（従ってガス検出素子の外側電極（リード部）と主体金具との間の電気的導通）を、より長期間に渡り確保できる。
さらに、プロテクタの筒状部が主体金具に圧入固定されていることにより、プロテクタの筒状部と主体金具とが接触することとなる。そのため、プロテクタのフランジ部と主体金具の段部とでの導通のみでなく、プロテクタと主体金具との圧入部にて、電気的導通を図ることができる。これにより、電気的導通が可能な領域が増大し、確実に電気的導通を図ることができる。

さらに、本発明のガスセンサでは、例えば排気ガスの熱をプロテクタに伝え、このプロテクタからの輻射熱を利用してガス検出素子を加熱し、（酸素濃度等の測定が可能な）活性状態にしている。

従って、本第３態様の様に、排気管等に取り付けられるネジ部が設けられた主体金具の軸線方向の領域において、主体金具とプロテクタの筒状部とを離間させることにより、プロテクタの熱が熱伝導により主体金具を介して外部に放出されにくい（即ち冷却されにくい）という効果がある。そのため、例えば排気ガスによって暖められたプロテクタによって、好適にガス検出素子を加熱することができる。その結果、速やかに例えば酸素濃度等の測定を開始できるという利点がある。

本第４態様のガスセンサは、いわゆるヒータレスのガスセンサである。このヒータレスのガスセンサでは、特に、排気ガスの熱をプロテクタに伝え、このプロテクタからの輻射熱を利用してガス検出素子を加熱し、（酸素濃度等の測定が可能な）活性状態にしている。よって、上述の構成を有することで、効果的にガス検出素子を加熱することができる。

第１実施形態のガスセンサを備えたガスセンサユニットを軸方向に破断した状態を示す説明図である。第２実施形態のガスセンサを軸方向に破断した状態を示す説明図である。ガス検出素子を一部破断して示す正面図である。プロテクタを示す正面図である。ガス検出素子を要部を破断し拡大して示す説明図である。実験に用いるガスセンサの試料を示す説明図である。第２実施形態のガスセンサのガス検出素子を要部を破断し拡大して示す説明図である。従来技術の説明図である。

以下に、本発明の実施形態を図面と共に説明する。
［第１実施形態］
ここでは、第１実施形態のガスセンサを備えたガスセンサユニットを例に挙げて説明する。

図１に示す様に、第１実施形態にかかるガスセンサユニット１は、軸線Ｏ方向に伸びる筒状のガスセンサ３と、このガスセンサ３の軸線Ｏ方向後端側（図１上方）に配置されたセンサキャップ５とからなる。

このガスセンサユニット１は、例えばオートバイ等の車両の排気管（図示せず）に、ガスセンサ３の先端部分を排気管内に突出させる形態で締結し、排気ガス中の酸素濃度を計測する酸素センサである。

以下、各構成について説明する。なお、以下の説明では、軸線Ｏに沿う方向のうち、センサキャップ５の取り付けられる側を後端側とし、この逆側を先端側として説明する。
ａ）まず、ガスセンサ３の構成について説明する。

図２に示す様に、本実施形態のガスセンサ３は、ガス検出素子７、セラミックスリーブ９、端子部材１１、及び主体金具１３を主に備える。
このガスセンサ３は、ガス検出素子７を加熱するためのヒータを備えていない、いわゆるヒータレスのセンサであり、排気ガスの熱を利用してガス検出素子７を活性化して酸素濃度を計測するものである。

ガスセンサ３の構成のうち、主体金具１３は、炭素鋼の例えばＳ１７Ｃからなる円筒状の部材である。この主体金具１３には、後述するガス検出素子７の鍔部１５を支持するために、先端側（図２下方）に向かって縮径するテーパ形状の段部１７が、内周面から径方向内側に突出するように周設されている。

また、主体金具１３の先端側の外周面には、ガスセンサ３を排気管に取付けるためのネジ部１９が形成されており、このネジ部１９の後端側（図２上方）には、ネジ部１９を排気管にネジ込むための取付工具を係合させる六角部２１が周設されている。

更に、この主体金具１３の後端側には、ガス検出素子７の後端側やセラミックスリーブ９等を収容する筒状部２３が設けられている。
図３に示す様に、ガス検出素子７は、酸素イオン伝導性を有する固体電解質からなり、先端部２５が閉塞された有底で、軸線Ｏ方向に延びる円筒状の素子本体８を有している。この素子本体８の外周には、径方向外向きに突出した鍔部１５が周設されている。

なお、素子本体８を構成する固体電解質としては、例えば、Ｙ_２Ｏ_３又はＣａＯを固溶させたＺｒＯ_２が代表的なものであるが、それ以外のアルカリ土類金属または希土類金属の酸化物とＺｒＯ_２との固溶体を使用しても良い。さらには、これにＨｆＯ_２が含有されていても良い。

このガス検出素子７の先端部２５には、素子本体８の外周面に外側電極２７が形成されている。この外側電極２７は、ＰｔあるいはＰｔ合金を多孔質に形成したものである。この外側電極２７からは、軸方向にＰｔ等からなる縦リード部２９が形成されており、このード部２９は、鍔部１５の先端向き面側（図３下方）に環状に形成されたＰｔ等からなる環状リード部３１（特許請求の範囲のリード部）に接続されている。

一方、ガス検出素子７の素子本体８の内周面には、内側電極３３が形成されている。この内側電極３３も、ＰｔあるいはＰｔ合金を多孔質に形成したものである。
図２に戻り、セラミックスリーブ９は、絶縁性セラミック（具体的にはアルミナ）からなり、円筒状を有している。このセラミックスリーブ９は、肉厚とされた先端側部分３５が、ガス検出素子７の鍔部１５よりも後端側の部分の周囲を取り囲む形態で、タルクから形成されたセラミック粉末３７と共に、ガス検出素子７と主体金具１３との間に介在するように保持されている。

端子部材１１は、ガス検出素子７の内部の空間３９に挿入され、内側電極３３と接触してセンサ出力を取り出す筒状の金属端子である。この端子部材１１は、例えばインコネル（英インコネル社、商標名）からなり、センサキャップ５側の出力側端子部４１、内側電３３と接触する素子側端子部４３、及び両者を連結する端子接続部４５を有している。

ｂ）次に、本実施形態のガスセンサ３の要部について説明する。
本実施形態では、ガス検出素子７の鍔部１５より先端側を覆う様に、ステンレス鋼（例えばＳＵＳ３１０Ｓ）からなる長尺のプロテクタ４７が配置されている。

このプロテクタ４７は、図４に示す様に、その先端側に、排気ガスを内部に導入するための多数の通気孔４９が設けられた筒状体であり、先端側の円盤状の先端部５１と、先端部５１から後端側に伸びる筒状部５３と、筒状部５３の後端部に設けられて外周方向に向かって斜め後端側に伸びる環状のフランジ部５７とを備えている。また、先端部５１には、排出孔５５（図５参照）が設けられている。

特に、本実施形態では、図５に拡大して示す様に、プロテクタ４７のフランジ部５７は、ガス検出素子７の鍔部１５の先端向き面５９と主体金具１３の段部１７の上面６１との間に押圧された状態で狭まれている。

これにより、ガス検出素子７の環状リード部３１（これに電気的に導通する外側電極２７）とプロテクタ４７と主体金具１３とが電気的に接続されている。

また、プロテクタ４７は、主体金具１３に圧入固定されている。詳しくは、プロテクタ４７の筒状部５３は、主体金具１３の内周面より軸線側に環状に張り出す圧入部５４にて圧入固定されている。この圧入部５４では、筒状部５３と主体金具１３とが密着されている。なお、圧入部５４の軸線方向長さは、例えば、１．５ｍｍとなっている。

更に、ガス検出素子７の外周面と主体金具１３の内周面との間の筒状の空間は、プロテクタ４７の筒状部５３によって、円筒状の内側空間６３と円筒状の外側空間６５とに分離されている。

しかも、ネジ部１９が設けられた主体金具１３の軸線方向の領域（図５のＴの領域）では、外側空間６５により、プロテクタ４７の外周面と主体金具１３の内周面とは離間している。

そして、本実施形態では、鍔部１５（詳しくは鍔部１５の軸線方向先端）よりも軸線方向先端側（図５のＨの領域）において、プロテクタ４７とガス検出素子７との最小間隙（つまり、内側空間６３の最小間隙）よりプロテクタ４７と主体金具１３との最小間隙（つまり、外側空間６５の最小間隙）が小さくなるように設定されている。

詳しくは、同図に一部を拡大して示す様に、プロテクタ４７とガス検出素子７との最小間隙Ｗ１（例えば、０．３５ｍｍ）よりも、プロテクタ４７と主体金具１３との最小間隙Ｗ２（例えば、０ｍｍ）が狭くなっている。なお、プロテクタ４７の筒状部５３が主体金具１３に圧入されているため、最小間隙Ｗ２が０ｍｍとなっている。

なお、本実施形態では、プロテクタ４７とガス検出素子７との最小間隙Ｗ１、及びプロテクタ４７と主体金具１３との最小間隙Ｗ２が、いずれも鍔部１５の先端の位置であったが、これに限られることは無い。

ｃ）次に、センサキャップ５の構成について簡単に説明する。
図１に戻り、センサキャップ５は、キャップ端子６７、被覆部材６９、リード線７１、及びフィルタ部材７３を主に備えている。

キャップ端子６７は、セラミックスリーブ９の後端側を挟む様にして、同図上方より嵌め込まれる部材であり、例えばステンレス鋼（ＳＵＳ３１０Ｓ等）からなり、板材を絞り加工等によって二重略円筒形状に成形してなる。

このキャップ端子６７は、軸線Ｏについて同心環状で板状の環状部７５と、環状部７５の外周縁に連なって軸線Ｏに沿う一方側（同図下方）に突出する把持部７７と、環状部７５の内周縁に連なって把持部７７と同じ側に突出する円筒状の挿入部７９とを有する。

被覆部材６９は、キャップ端子６７を被覆し保持する部材であり、絶縁性のフッ素系ゴムを用いて中空状に成形してなり、キャップ端子６７を収容するキャップ端子収容空間８１を構成している。

この被覆部材６９は、ガスセンサユニット１の構成時に、キャップ端子６７及びセラミックスリーブ９の後端側を覆うように、同図下方に開口する結合開口部８３を有するとともに、フィルタ部材７３を収容するフィルタ用連通孔８５とリード線７１を収容するリード線用連通孔８７を有している。

フィルタ部材７３は、微細気孔が連続する連続多孔質構造のＰＴＦＥからなり、フィルタ部材７３を通過した大気は、キャップ端子収容空間８１を介してガス検出素子７の内部の空間３９に導入される。

リード線７１は、芯線のほか、被覆材を有している。このリード線７１の先端側は、結合開口部８３側に伸びており、リード線固定部材８８の加締め部８９にて加締められている。

このリード線固定部材８８は略円筒形状を有しており、加締め部８９の他、リード線（被覆材）を固定する被覆材固定部９１と、キャップ端子６７の挿入部７７の内壁に嵌め合う嵌合部９３を有している。そして、このリード線固定部材８８は、キャップ端子６７の軸中心の開口部９５に押圧されて一体に構成されている。

従って、センサキャップ５がガスセンサ３の後端側に取り付けられる場合には、ガス検出素子７の後端側に、リード線固定部材８８を備えたキャップ端子６７が嵌め込まれ、このキャップ端子６７と（ガス検出素子７の内側電極３３に接触している）端子部材１１とが電気的に接続される。

これにより、端子部材１１は、キャップ端子６７及びリード線固定部材８８を介してリード線７１に接続され、このリード線７１を通じて、ガスセンサ３のガス検出素子７の内側電極３３からの出力信号を、外部装置（例えば、エンジンコントロールユニット（ＥＣＵ））に送信することが可能となる。

ｄ）次に、ガスセンサユニット１の製造方法について簡単に説明する。
まず、図１に示すように、主体金具１３の軸中心の貫通孔９７に、同図上方より、プロテクタ４７を嵌め込む。このとき、プロテクタ４７のフランジ部５７が主体金具１３の段部１７に当接するまで押入れる。また、プロテクタ４７の筒状部５３が主体金具１３に圧入固定される。

次に、外側電極２７や内側電極３３が設けられたガス検出素子７を、主体金具１３の貫通孔９７に挿入する。このとき、ガス検出素子７の鍔部１５がプロテクタ４７のフランジ部５７に当接まで挿入する。これにより、鍔部１５の下面５９の環状リード３１とフランジ部５７とが接触し（図５参照）、電気的に接続される。

次に、セラミック粉末３７を主体金具１３とガス検出素子７との間隙部分に所定量充填する。
次に、セラミックスリーブ９を、その先端側部分３５がガス検出素子７と主体金具１３との間に介在するように挿入し、セラミック粉末３７に当接させる。

次に、セラミックスリーブ９を先端側に向かって加圧し、その加圧状態下で、主体金具１３の加締め部９９（図１参照）とセラミックスリーブ９との間に加締めリング１０１（図１参照）を介在させて加締め部９９を加締めることで、上記構成部品を一体に固定する。

次に、端子部材１１をセラミックスリーブ９及びガス検出素子７の内側に挿入する。具体的には、端子部材１１の素子側端子部４３を、弾性的に縮径させつつガス検出素子７内に挿入して、内側電極３３と電気的に接続させる。これと共に、出力側端子部４１を先端側に押しこんで、その花びら状の止め部１０３（図１参照）を、セラミックスリーブ９の後端面に当接させる。このようにして、ガスセンサ３が完成する。

その後、ガスセンサ３の後端側に、センサキャップ５を嵌め込みむとともに、キャップ端子６７を端子部材１１に嵌め込んで、ガスセンサ３とセンサキャップ５とを一体化して、ガスセンサユニット１を完成する。

ｅ）次に、上述した構成による本実施形態の作用効果について説明する。
本実施形態では、主体金具１３は炭素鋼である例えばＳ１７Ｃからなる。これにより、主体金具１３のステンレス鋼よりもコストを従来よりも低減することができる。その上、プロテクタ４７はステンレス鋼の例えばＳＵＳ３１０Ｓからなり、且つ、プロテクタ４７に設けたフランジ部５７がガス検出素子７の鍔部１５と主体金具１３の段部１７との間に挟まれている。これにより、主体金具１３の腐食電位はプロテクタ４７の腐食電位より低くなり、主体金具１３とプロテクタ４７との間で腐食が発生する場合には、腐食電位の低主体金具１３の段部１７が腐食し易い状況となる。

そこで、本実施形態では、ガス検出素子７の鍔部１５よりも軸線Ｏ方向先端側Ｈにおいて、プロテクタ４７とガス検出素子７との最小間隙Ｗ１よりも、プロテクタ４７と主体金具１３との最小間隙Ｗ２が狭くなっている。これにより、被測定ガスや水滴がプロテクタ４７ｂのフランジ部５７付近に到達しにくくなり、主体金具１３の段部１７にて腐食を発生させることなく、腐食が発生する位置を、主体金具１３の段部１７よりも先端側となるようにすることができる。

つまり、例えば、ガスセンサユニット１を排気管に取り付けて使用する際に、プロテクタ４７に水滴が付着することがあるが、その場合には、（腐食電位の低い）主体金具１３の先端付近にて腐食が発生することになる。

また、例えば、排気ガス中に水分がある場合には、その水分はプロテクタ４７と主体金具１３との間隙に侵入するが、本実施形態では、プロテクタ４７と主体金具１３との最小間隙Ｗ２を狭くして、主体金具１３の先端側近傍にて積極的に腐食を発生させることにより（即ち犠牲防食とすることにより）、プロテクタ４７の後端側のフランジ部５７と主体金具１３の段部１７との間の接触部分にて主体金具１３側に腐食が発生することを抑制している。

これにより、プロテクタ４７と主体金具１３との間の電気的導通（従ってガス検出素子７の外側電極２７（環状リード部３１）と主体金具１３との間の電気的導通）を長期間に渡り確保できる。

その上、プロテクタ４７を主体金具１３とガス検出素子７との間隙に配置すると共に、プロテクタ４７とガス検出素子７との最小間隙Ｗ１を、プロテクタ４７と主体金具１３との最小間隙Ｗ２よりも広くしている。このため、従来のように、主体金具とガス検出素子との間隙をより小さくした構成に生じる、ガス検出素子に被測定ガスが接触しにくくなることを抑制でき、ガスセンサの検出精度が低下することを抑制できる。また、ガス検出素子を主体金具に保持させる際に、ガス検出素子が主体金具に接触し、ガス検出素子に割れや欠けが生じることも抑制できる。

また、本実施形態では、プロテクタ４７の筒状部５３の一部が、主体金具１３に圧入固定されている。つまり、プロテクタ４７の筒状部５３と主体金具１３との間隙Ｗ２が設けられないため、例えば、排気ガス中に水分がある場合には、その水分がプロテクタ４７と主体金具１３との圧入部５４よりも後端側には到達することがなく、主体金具１３の圧入部５４よりも先端側近傍にて積極的に腐食を発生させることにより（即ち犠牲防食とすることにより）、プロテクタ４７のフランジ部５７と主体金具１３の段部１７との間の接触部分にて主体金具１３側に腐食が発生することを防止できる。また、プロテクタ４７に水滴が付着することがあるが、その場合には、プロテクタ４７と主体金具１３との圧入部５４よりも後端側には到達することがなく、主体金具１３の圧入部５４よりも先端側付近にて腐食が発生することになる。これにより、プロテクタ４７と主体金具１３との間の電気的導通（従って外側電極２７と主体金具１３との間の電気的導通）を、より長期間に渡り確保できる。

さらに、プロテクタ４７の筒状部５３が主体金具１３に圧入固定されているので、プロテクタ４７の筒状部５３と主体金具１３とが接触することとなる。そのため、プロテクタ４７のフランジ部５７と主体金具１３の段部１７とでの導通のみでなく、プロテクタ４７と主体金具１３との圧入部５４にて、電気的導通（従って外側電極２７と主体金具１３との間の電気的導通）を図ることができる。これにより、電気的導通が可能な領域が増大し、確実に電気的導通を図ることができる。

更に、本実施形態では、排気管等に取り付けられるネジ部１９が設けられた主体金具１３の軸線Ｏ方向の領域Ｔにおいて、主体金具１３とプロテクタ４７の筒状部５３とを離間させることにより、プロテクタ４７の熱が熱伝導により主体金具１３を介して排気管側に放出されにくい。そのため、排気ガスによって暖められたプロテクタ４７によって、好適にガス検出素子７を加熱することができる。その結果速やかに酸素濃度の測定を開始できるという利点がある。

その上、ガスセンサ３は、いわゆるヒータレスのガスセンサである。このヒータレスのガスセンサ３では、特に、排気ガスの熱をプロテクタ４７に伝え、このプロテクタ４７からの輻射熱を利用してガス検出素子７を加熱し、（酸素濃度等の測定が可能な）活性状態にしている。よって、上述の構成を有することで、効果的にガス検出素子７を加熱することができる。

ｆ）次に、本発明の効果を確認するために行った実験例について説明する。
本実験例では、本発明の範囲内の試料（実施例１、２）として、下記表１に示す様に、主体金具及びプロテクタの材料を変えて、上述した実施形態と同様な構造のガスセンサ１１１の試料を製造した。

また、本発明の範囲外の試料（比較例１、２）として、従来の構造（図８参照）の様に、ガス検出素子と主体金具との間に環状の（ＳＵＳ４３０製の）パッキンを配置した構造のガスセンサを製造した。

なお、各試料では、ガス検出素子の外側電極に接続された縦リード部を後端まで延長して形成した。また、端子部材は接続しなかった。
実験方法は、下記の通りである。

まず、ガスセンサ１１１の各試料に対して、外側電極（即ち縦リード部）と主体金具との抵抗（初期抵抗）を測定した。その結果を下記表１に記す。
次に、図６に示す様に、各ガスセンサ１１１の先端側のネジ部１１３に、アルミニウムからなる（先端が閉塞された）筒状のボス１１５を螺合して固定した。なお、その際に、ボス１１５の内部空間１１７に、ｐＨ２の酢酸水溶液を充填した。

次に、この各試料を炉内に入れて、１５０℃まで上昇し、その温度で１００時間加熱し、その後、室温まで冷却した。
次に、各試料を炉から取り出し、各ガスセンサ１１１からボス１１５を取り外して、ガスセンサ１１１の各試料に対して、外側電極（即ち縦リード部）と主体金具との抵抗（耐久後抵抗）を測定した。その結果を下記表１に記す。

この表１から明らかな様に、本発明の実施例１、２の試料では、主体金具として、炭素鋼（Ｓ１７Ｃ）を使用した場合でも、初期抵抗に対して耐久後抵抗がそれほど変化しておらず、好適であった。

これに対して、比較例２では、主体金具として、価格の安価な炭素鋼（Ｓ１７Ｃ）を使用した場合には、耐久後抵抗が大きく増加しており、好ましくない。
なお、比較例１の場合には、耐久後抵抗はそれほど増加していないが、主体金具の材料が高価なステンレス（ＳＵＳ４３０）であり、コストの点で好ましくない。
［第２実施形態］
次に、本発明の第２実施形態について、図７に基づいて説明する。
なお、第２実施形態では、ガスセンサ２０３のうち、プロテクタ２４７と主体金具２１３との構成が、第１実施形態のガスセンサ３と異なるものであり、以下の説明では、プロテクタ２４７と主体金具２１３との構成について詳細に説明し、その他の部位の説明について、簡略または省略する。

ガスセンサ２０３の構成のうち、主体金具２１３は、炭素鋼の例えばＳ１７Ｃからなる円筒状の部材である。この主体金具２１３には、ガス検出素子２０７の鍔部２１５を支持するために、先端側（図７下方）に向かって縮径するテーパ形状の段部２１７が、内周面から径方向内側に突出するように周設されている。

また、主体金具２１３の先端側の外周面には、ガスセンサ２０３を排気管に取付けるためのネジ部２１９が形成されており、このネジ部２１９の後端側（図７上方）には、ネジ部２１９を排気管にネジ込むための取付工具を係合させる六角部２２１が周設されている。

第２実施形態では、ガス検出素子２０７の鍔部２１５より先端側を覆う様に、ステンレス鋼（例えばＳＵＳ３１０Ｓ）からなる長尺のプロテクタ２４７が配置されている。
このプロテクタ２４７は、図７に示す様に、その先端側に、排気ガスを内部に導入するための多数の通気孔２４９が設けられた筒状体であり、先端側の円盤状の先端部２５１と、先端部２５１から後端側に伸びる筒状部２５３と、筒状部２５３の後端部に設けられて外周方向に向かって斜め後端側に伸びる環状のフランジ部２５７とを備えている。

特に、第２実施形態では、プロテクタ２４７のフランジ部２５７は、ガス検出素子２０７の鍔部２１５の斜めの下面２５９と主体金具２１３の段部２１７の斜めの上面２６１との間に押圧された状態で狭まれている。

これにより、ガス検出素子２０７の環状リード部２３１（従って外側電極２２７）とプロテクタ２４７と主体金具２１３とが電気的に接続されているので、主体金具２１３を介して外部にアースが可能な構成となっている。

更に、ガス検出素子２０７の外周面と主体金具２１３の内周面との間の筒状の空間は、プロテクタ２４７の筒状部２５３によって、円筒状の内側空間２６３と円筒状の外側空間２６５とに分離されている。

そして、第２実施形態では、鍔部１５よりも軸線方向先端側（図７のＨの領域）において、プロテクタ２４７とガス検出素子２０７との最小間隙（つまり、内側空間２６３の最小間隙）よりプロテクタ２４７と主体金具２１３との最小間隙（つまり、外側空間２６５の最小間隙）が小さくなるように設定されている。

詳しくは、図７に示す様に、主体金具２１３の先端側の内周面に径方向に突出する環状の凸部２１４を備えることにより、プロテクタ２４７とガス検出素子７との最小間隙Ｗ１（例えば、０．３５ｍｍ）よりも、プロテクタ２４７と主体金具２１３との最小間隙Ｗ２（例えば、０．１５ｍｍ）が狭くなっている。また、第２実施形態では、プロテクタ２４７とガス検出素子２０７との最小間隙Ｗ１が鍔部２１５の先端の位置であるのに対し、プロテクタ２４７と主体金具２１３との最小間隙Ｗ２が、主体金具２１３の先端側となっている。

第２実施形態においても、ガス検出素子２０７の鍔部２１５よりも軸線Ｏ方向先端側Ｈにおいて、プロテクタ２４７とガス検出素子２０７との最小間隙Ｗ１よりも、プロテクタ２４７と主体金具２１３との最小間隙Ｗ２が狭くなっている。これにより、主体金具２１３の段部２１７にて腐食を発生させることなく、腐食が発生する位置を、主体金具２１３の段部２１７よりも先端側となるようにすることができる。

すなわち、例えば、排気ガス中に水分がある場合には、その水分はプロテクタ２４７と主体金具２１３との間隙に侵入するが、本実施形態では、プロテクタ２４７と主体金具２１３との最小間隙Ｗ２を狭くして、主体金具２１３の先端側近傍にて積極的に腐食を発生させることにより（即ち犠牲防食とすることにより）、プロテクタ２４７の後端側のフランジ部２５７と主体金具２１３の段部２１７との間の接触部分にて主体金具２１３側に腐食が発生することを抑制している。また、例えば、プロテクタ２４７に水滴が付着することがあるが、その場合には、（腐食電位の低い）主体金具２１３の先端付近にて腐食が発生することになる。

以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において、様々な態様にて実施することが可能である。

例えば、第１実施形態及び第２実施形態では、ガスセンサ３、２０３にセンサキャップ５を嵌め込んだガスセンサユニット１にて説明したが、これに限らず、センサキャップ５を用いずに、リード線がセンサ内外を挿通する公知のガスセンサであっても、本発明の構成を適用することができる。

１…ガスセンサユニット
３、２０３…ガスセンサ
５…センサキャップ
７、２０７…ガス検出素子
８…素子本体
９…セラミックスリーブ
１３、２１３…主体金具
１５、２１５…鍔部
１７、２１７…段部
１９、２１９…ネジ部
２３、２５３…筒状部
２７、２２７…外側電極
３１…環状リード部
３３…内側電極
４７、２４７…プロテクタ
５７、２５７…フランジ部
６３、２６３…内側空間
６５、２６５…外側空間

Claims

軸線方向に延び、先端側が閉塞された筒状の固体電解質からなる素子本体と、該素子本体の内側及び外側に設けられた内側電極及び外側電極と、を備えたガス検出素子と、
該ガス検出素子の先端側を自身の先端から突出させつつ、前記ガス検出素子に外嵌する筒状の主体金具と、
該主体金具に係合し、前記ガス検出素子の先端側を覆う筒状のプロテクタと、
を備えるガスセンサにおいて、
前記プロテクタは、前記軸線方向に延びる筒状部と、該筒状部の後端側に設けられ、径方向外側に広がる環状のフランジ部とを備え、
前記ガス検出素子は、全周に亘って前記径方向外側に突出すると共に、自身の先端向き面上に前記外側電極と電気的に接続するリード部を有する鍔部を備え、
前記主体金具は、全周に亘って前記径方向内側に突出する段部を備えるとともに、前記プロテクタの前記筒状部に対し筒状の空間を介して自身の内周面が形成されており、
前記フランジ部は、前記ガス検出素子の鍔部と前記主体金具の段部との間に挟まれて、前記リード部と前記主体金具とを電気的に接続しており、
前記主体金具は炭素鋼からなるとともに、前記プロテクタは前記炭素鋼より鉄の含有量が少ない金属材料からなり、
前記鍔部よりも軸線方向先端側において、前記プロテクタと前記主体金具との最小間隙は、前記プロテクタと前記ガス検出素子との最小間隙よりも狭い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であって、
前記プロテクタの筒状部の少なくとも一部は、前記主体金具に圧入固定されていることを特徴とするガスセンサ。
請求項２に記載のガスセンサであって、
前記主体金具には、前記ガスセンサを取付対象に固定するネジ部を備えるとともに、
前記ネジ部が設けられた前記主体金具の前記軸線方向の領域においては、前記主体金具と前記プロテクタの筒状部とは離間していることを特徴とするガスセンサ。
請求項３に記載のガスセンサであって、
前記ガス検出素子を加熱するヒータを有さないことを特徴とするガスセンサ。