JP6219596B2 - ガスセンサ - Google Patents

Description

本発明は、排気ガスなどの被測定ガス中の特定ガス濃度を検出するための酸素ガスセンサやＮＯｘガスセンサ、ＨＣガスセンサ等のガスセンサに関する。

このようなガスセンサ（例えば酸素センサ）には、検知部をなす先端側に一対の電極（検知用電極）が設けられた酸素イオン導電性を有する固体電解質よりなる帯板状、或いは棒状をなすセンサ素子（以下、単に素子ともいう）が用いられるものがある。このようなガスセンサ（以下、単にセンサともいう）は、例えばエンジンの排気ガス管に取付けられるネジ部を備えて筒状に形成された金具本体（主体金具）の内側（内部）に、絶縁材（セラミック、例えばアルミナ）からなるホルダ、すなわち素子を位置決めする部材が配置されている。そして、このホルダにおいて先後に貫通して設けられた貫通孔に対し、センサ素子を、その先端側に形成された検知部をホルダの先端から先方に突出させ、その検知部を含む突出部位が測定対象ガスに晒される構成を有している（例えば、特許文献１（図１）参照）。このようなガスセンサは、金具本体のネジ部を介して排気管にねじ込み方式で固定され、その素子の先端側を排気管内に突出させて排気ガスに晒すようにし、ガス濃度差に基づいて発生する電気信号を、素子の後端寄り部位に設けられた電極端子に接続されたリード線を介し、外部に設けられたＥＣＵ（エンジンコントロールユニット）に出力して、空燃比制御されるのに使用される。

この種のガスセンサでは、排気ガスに晒される素子の先端部位（検知部）を保護し、検知部が被水し難くするため、金具本体の先端には、適所に通気孔の設けられたプロテクタ（保護カバー）が取り付けられるが、それだけではなく、その先端部位に異物による検知性能の低下や、水の付着によるクラックの発生の防止のため、その素子（自体）の表面には、スピネルやアルミナ等の多孔質膜からなる保護層（多孔質保護層）が、被覆、形成されるのが普通である。特に素子にはこれをなす固体電解質を活性化する温度までの時間短縮のためにヒータが設けられることがあり、このような素子では、ガス中に含まれる被水による熱衝撃に基づく破損対策としても、多孔質保護層がその先端から後方に向かう所定範囲（領域）に被覆、形成される。

ところで、この種のガスセンサを構成するセンサ素子については、その内外に設けられる電極やヒータへの通電用の電極等の導体（導電層）には、白金等の貴金属が使用される。このため、素子の先後長が長くなるほど、その使用量も増えることからコストアップとなる。したがって、そのコスト低減の要請からその先後長の短小化が要請されている。また、こうした貴金属の使用量の低減のみならず、消費電力の低減などの省エネ上の要請からも、近時は、益々、その短小化ないし小型化が要請されている。このセンサ素子の短小化については、例えば、金具本体内に設けられるホルダの後方において突出するその後端部位の突出量（突出長）を短くすることが考えられるが、これには自ずと限界がある。というのは、この素子の後端部位は、外部に引き出されるリード線の先端に設けられた端子（端子金具）との接点をなす電極端子が形成されるところであり、この接点における電気的接続の信頼性を高めるため、その形成面には所定の先後長（寸法）が必要となる。また、その接点においては、素子の先端側から受ける熱的影響を回避する必要があり、そのためには、その電極端子の位置は高温となる素子の先端からできるだけ離したい（遠ざけたい）。こうしたことから、ホルダの後端側における素子の長さ寸法の短小化には限界がある。

特開２０１２−１８９５７９号公報

そこで、センサ素子の後端側とは反対側である、ホルダの先端から先方に突出する先端側、すなわち、測定対象であるガスに晒される側の先端部位を、如何にして小さくするかということが課題となる。しかし、検知性能を高めるためには検知用電極が、測定対象であるガスに晒され易くする必要があり、その意味からすれば、この先端側の突出長を小さくすることは好ましくない。

一方、この素子は、ホルダにおいて先後に貫通して設けられた貫通孔を通されて配置されるが、この貫通孔の横断面は、金具本体の内側においてホルダの後端側に充填、圧縮されるシール材（滑石）の保持や、素子の位置決め、その保持の安定性の確保のため、素子が略隙間なく通る横断面（形状、寸法）とされる。他方、素子には、上記したように、検知用電極の形成部位を含め、ホルダの先端から突出する先端寄り部位の表面には、先端から後方に向かう所定範囲に多孔質保護層が被覆、形成される。そして、その厚みは、０．２〜０．３ｍｍ程度と厚い。このため、これをホルダの貫通孔に通して組付けるには、素子の後端をホルダの先端側からその貫通孔に通すことになる。また、素子の保護のため、この多孔質保護層は先端から後方に向かう所定の先後領域において設けるべきであり、その形成領域を短くすることは好ましくない。したがって、これらの事情も含め、ホルダの先端から突出する素子の先端部位の長さを短くするのは容易でないという問題があった。

本発明は、かかる問題点に鑑みてなされたもので、素子の先端寄り部位に形成される多孔質保護層については必要な先後長を確保し、かつ、ホルダの先端における素子の先端側の突出長の減少、及びその減少による検知性能の低下を招くことなく、素子の先端側の取付け構造の改良により、素子の短小化を実現し得るようにしたガスセンサ構造を提供することをその目的とする。

請求項１に記載の本発明は、筒状をなす金具本体の内側に、先後に貫通する貫通孔が形成されたホルダが配置されており、この貫通孔に、先端側に検知部を備えると共に先端から後方に向かう所定範囲に多孔質保護層が被覆されてなる帯板状又は棒状をなすセンサ素子が通され、該センサ素子が、その先端を該ホルダの先端より先方に突出させ、しかも、前記多孔質保護層の後端を前記貫通孔の先端又は先端より先方に位置させて設けられてなるガスセンサであって、
前記金具本体の先端側には、内径が前記ホルダの外径より小さい円筒部が設けられており、該ホルダはその先端面において該円筒部の内周面における後方に設けられた円環状棚に載置されて該金具本体の内側に配置されてなるガスセンサにおいて、
前記ホルダは、その先端向き面から見たとき、前記貫通孔を包囲する領域に対して後方に凹む凹部を有しており、
前記センサ素子が、該多孔質保護層の後端を該凹部に入り込ませて該ホルダの先端よりも後方に位置させて設けられており、
該凹部は、該凹部の内周面と、前記多孔質保護層の外周面との間に空間が保持され得るように形成されていることを特徴とする。

請求項２に記載の本発明は、前記ホルダは、先端側から見たときに外周面が円形をなし、前記凹部の内周面が円筒状をなしていることを特徴とする、請求項１に記載のガスセンサである。
請求項３に記載の本発明は、前記金具本体の先端側には、前記ホルダの先端より先方に突出する前記センサ素子の先端部位を空間を保持して包囲する円筒壁を有する通気孔付きのプロテクタが複数層構造で取り付けられており、
この複数層構造のプロテクタのうち、一番内側のプロテクタの円筒壁には、前記通気孔が、先後方向において前記センサ素子の先端側に設けられた多孔質保護層に対応する部位に設けられている一方、この内側のプロテクタより外側のプロテクタはその円筒壁が、前記通気孔を覆うように設けられており、
しかも、前記内側のプロテクタの円筒壁における前記多孔質保護層に対応する部位の内径をＤ１とし、前記凹部の内径をＤ２したとき、Ｄ１＞Ｄ２の関係となるようにされていることを特徴とする請求項２に記載のガスセンサである。

請求項４に記載の本発明は、前記円筒部の内径をＤ３としたとき、このＤ３と前記内径Ｄ２とが、
Ｄ３＞Ｄ２の関係となるようにされていることを特徴とする、請求項３に記載のガスセンサである。
請求項５に記載の本発明は、前記センサ素子の先端は前記金具本体の先端より先方に突出されており、その突出寸法をＬ５とし、該センサ素子における前記多孔質保護層の後端を前記凹部に入り込ませて前記ホルダの先端よりも後方に位置させている寸法をＬ３としたとき、
Ｌ５＞Ｌ３の関係となるようにされていることを特徴とする、請求項１〜４のいずれか１項に記載のガスセンサである。

本発明では、上記構成を有しているため、センサ素子の多孔質保護層の先後長の範囲が従来のセンサ素子と同じであるとしても、その多孔質保護層の後端を前記凹部に入り込ませているから、素子の先端側のうち、ホルダの先端から突出する突出長の短小化を図ることができる。これにより、本発明によれば、その短小化に対応して素子の全長を短くし得るので、素子の形成に用いられるＰｔ等の貴金属等の使用量の低減が図られると共に、省電力化も図られる。しかも、素子の先端部位のうち、前記凹部の底面（貫通孔の先端）から先方に向けて突出している部位は、それが凹部内にあるとしても、ガスに晒され得る状態にある。すなわち、素子の先端寄り部位のうち、ホルダの先端から突出している突出長は、本願発明では、これを凹部の底面から突出する突出長と見ることができる。したがって、この凹部の底面（横断面）をなるべく大きく確保し、この突出長を従来と同様に確保することで、素子の先端側に設けられた検知部がガスに晒される程度を、従来と同程度か、又はそれに近づけることができる。これにより、検知性能の低下を抑え得ながらも、素子の長さを短くできる。

このように本発明では、素子の先端寄り部位に形成される多孔質保護層については必要な先後長（先後の長さ）を確保するとしても、検知性能の低下もなく、素子の先端側の取付け構造の改良により、素子の全長の短小化を実現し得る。なお、本発明によれば、多孔質保護層の後端を、貫通孔の先端、すなわち、凹部の底面に当接させてもよいが、なるべくそれと間隔を保持するのが、素子をホルダの貫通孔に通して、その組立てを行う際の干渉ないし衝突の防止のためには好ましい。

通常、ホルダに設けられる前記貫通孔は、上記した理由により、それを通したとき、略隙間なし（微小隙間）となるように、素子の横断面と形状、大きさが一致するものとされる。すなわち、素子が先後に細長い帯板状(又は角棒状)のものであり、その横断面形状が長方形のものでは、これを通すためのホルダに設けられる貫通孔は、この素子を微小な隙間嵌めで通すことができる、横断面が長方形の貫通孔（開口）とされるし、素子が丸棒状のものであれば、その貫通孔は、同じ直径の円形の貫通孔とされる。一方、ホルダ自体は、それが電気的絶縁や耐熱性の確保の要請から通常、セラミック製とされ、その形状は、貫通孔を除けば、外観は、先端側から見たときに外周面が円形をなすもの、例えば、円柱状のものとされる。したがって、肉厚の均一化を確保し、セラミックの焼成歪の発生や応力集中をなくすためにも、ホルダは、請求項２に記載のように構成するのがよい。ただし、本発明において、ホルダの凹部の内周面は、先端側から見て（軸線方向から見て）多角形としてもよいが、その場合には、なるべく多数の角を持つ円に近い多角形とするのがよい。

本願発明において、センサ素子の短小化のためには、ホルダの先端面に設ける凹部は、その深さ（後方に向けて凹む凹み深さ）を深くし、多孔質保護層の後端をなるべくその奥（凹部の後方）に位置させるのがよいといえる。一方、この種のガスセンサでは、上記もしたように、素子の先端部位を保護するため、プロテクタが取り付けられる。しかも、近時は、保護性能を高めるため、プロテクタが複数層構造（通常２層構造）で取り付けられる。また、本発明のガスセンサでは、測定対象のガスがこのプロテクタの内側で滞留することなく、その内側の全域において円滑に流動し、ホルダの貫通孔の先端から突出する素子の先端部位（突出部位）に接するようになるのが、ガス濃度の検出性能上、好ましい。他方、本発明のホルダが請求項２に記載のように、その凹部の内周面が円筒状をなしているとき、プロテクタの内周面も円筒状をなしており、その凹部の内径Ｄ２がプロテクタの内径Ｄ１より大きいと、プロテクタの内側の空間は、奥（後方）広がりとなる。これにより、その凹部に入り込んでいるガスがその奥で滞留しがちとなり、したがって、測定すべき排気管内を流れるガス濃度の検知精度が低下する。こうしたことから、凹部の内径Ｄ２はなるべく大きくするのがよいとしても、請求項３に記載の発明のように、凹部の内径Ｄ２よりも、内側のプロテクタの円筒壁における内径Ｄ１の方を大きくすべきである。なお、外側のプロテクタにおいて、内側のプロテクタの多孔質保護層に対応する部位に設けられた通気孔を覆うのは、その検知部が被水し難くするためである。なお、ホルダにおける凹部の半径方向の肉厚を確保し、その強度アップを図るためには、請求項４に記載の発明のようにするのが好ましい。また請求項５に記載の発明のようにして、素子の先端を金具本体の先端より先方に突出させる寸法を相対的に大きくするのが、ガス濃度の検出（測定）応答性を高める上で好ましい。

本発明のガスセンサを具体化した実施の形態の正面縦断面図及び要部拡大図。 図１の要部拡大図のさらなる拡大図。 図２のＳ１−Ｓ１線矢視断面図。 図２のＳ２−Ｓ２線矢視断面図。 ホルダの貫通孔に素子を通している部分を説明する拡大半断面図。 図５を下（先端側）から見た図。 図５のＳ３−Ｓ３線矢視断面図。 金具本体にセンサ素子を固定する工程の説明図。 図１のガスセンサの製造、組立ての最終工程を説明する図。 ホルダの別例を説明する図５のＳ３−Ｓ３線矢視断面図に相当する断面図。

本発明のガスセンサを実施するための形態について、図１〜図９に基づいて詳細に説明する。ただし、本形態では、排気ガス中の酸素濃度を検出する全領域空燃比ガスセンサにおいて具体化したものであり、したがって、まずこのガスセンサの全体構成について概略説明し、その後、各部位と共にその構成についてさらに詳細に説明する。図中、１は全領域空燃比ガスセンサであり、筒状をなす金具本体１１（以下、単に本体１１ともいう）の内側に、先後に貫通する貫通孔３８が形成されたホルダ３１が配置されており、このホルダ３１の貫通孔３８に、帯板状又は棒状をなすセンサ素子２１が通され、検知部２２の形成された先端寄り部位を、ホルダ３１の先端面（先端）３２より先方に突出させている。このように貫通孔３８を通されたセンサ素子２１は、ホルダ３１の後端面３９側（図示上側）に配置されたシール材（本例では滑石）４１を、絶縁材からなる押えリング（スリーブ）４３等を介して先後方向に圧縮することによって、金具本体１１の内側において先後方向に気密を保持して固定されている。なお、素子２１の後端２９を含む後端２９寄り部位は押えリング４３及び金具本体１１より後方に突出しており、その後端２９寄り部位に形成された各電極端子（図示せず）に、外部にシール材８５を通して引き出された各リード線７１の先端に設けられた端子金具７５が圧接され、電気的に接続されている。また、この電極端子を含む素子２１の後端２９寄り部位は、保護筒８１でカバーされている。以下、さらに詳細に説明する。

センサ素子２１は、測定対象に向けられる先端側（図示下側）に検知用電極等（図示せず）からなる検知部２２を備えた帯板状（板状）のものであり、横断面が、先後において一定の大きさの長方形（矩形）をなし（図３、図４参照）、固体電解質、及びセラミックを主体として細長いものとして形成されている。ただし、この素子２１の先端寄り部位には、その先端２３から後方に向かう所定範囲Ｌ１に、アルミナ又はスピネル等からなる多孔質保護層２５が被覆、形成されており、この形成部位は、この保護層２５の厚み分（例えば、０．２〜０．３mm）、横断面が大きくなっている（厚みは誇張して図示している）。このセンサ素子２１自体は、従来公知のものと同じものであり、固体電解質（部材）の先端寄り部位に配置されて検知部２２をなす一対の検知用電極と、これに連なり後端寄り部位には、検知用出力取り出し用のリード線７１接続用の電極端子（図示せず）が露出形成されている。また、本例では、素子２１のうち、固体電解質（部材）に積層状に形成されたセラミック材の先端寄り部位内部にヒータ（図示せず）が設けられており、後端寄り部位には、このヒータへの電圧印加用のリード線７１接続用の電極端子（図示せず）が露出形成されている。なお、図示はしないが、これら電極端子は、例えば素子２１の後端２９寄り部位において、帯板の幅広面（両面）おいて、３つ又は２つが横に並んで縦長矩形に形成されている。

本例センサ１を構成する金具本体１１は、先後において同心異径の筒状をなし、先端側が小径で、後述するプロテクタを外嵌して固定するための円筒状の円環状部（以下、円筒部ともいう）１２を有し、その後方（図示上方）の外周面には、それより大径をなす、エンジンの排気管への固定用のネジ１３が設けられている。そして、その後方には、このネジ１３によってセンサ１をねじ込むための多角形部１４を備えている。また、この多角形部１４の後方には、ガスセンサ１の後方をカバーする保護筒（外筒）８１を外嵌して溶接する円筒部１５が連設され、その後方には外径がそれより小さく薄肉のカシメ用円筒部１６を備えている。なお、このカシメ用円筒部１６は、図１では、カシメ後のために内側に曲げられている。一方、内周面は、先端側の小径の円環状部（円筒部）１２の先端１２ａ寄り部位の内周面１２ｂに続く後方（図示上方）が、先すぼまりテーパの円環状棚１７を介して拡径されて同一内径の円筒面１８に形成されている。なお、多角形部１４の下面には、ねじ込み時におけるシール用のガスケット１９が取着されている。

本例では、このような本体１１の内側には、絶縁材（例えばアルミナ）から、概略、短円柱状に形成されたホルダ３１が配置されており、円環状棚１７の上に載置されている。ただし、このホルダ３１は、その先端面３２の外周寄り部位３２ｂが先細りテーパに形成されており、円環状棚１７に載置されて位置決めされている（図２参照）。また、このホルダ３１は外周面３４が本体１１の内側の円筒面１８に対して隙間嵌め状態となるように形成されている。そして、このホルダ３１には、先後に貫通する貫通孔３８が金具本体１１の軸線Ｇに相当する中央に設けられている。ただし、この貫通孔３８は、上記した素子２１のうち、多孔質保護層２５が被覆、形成されていない部位が略隙間なく通るように、その横断面とほぼ同一の寸法の矩形の開口とされている。また、ホルダ３１の先端向き面のうち、貫通孔３８を包囲する領域には、後方に向けて所定深さＬ２で凹む凹部３５が設けられている。

この凹部３５は、本例では、先端面３２から見て外周面３４と同心の円形をなしており（図５〜図７参照）、その内周面３６における直径（内径）Ｄ２は、素子２１の先端寄り部位（多孔質保護層２５）が周囲に空間Ｋを保持して入り込み得る大きさとされている（図２、図５、図６参照）。ただし、後述するプロテクタ（内側のプロテクタの円筒壁）の内径Ｄ１に対して、凹部３５の直径（内径）Ｄ２の方が小さくされており、また、このＤ２は、金具本体１１の先端の、ホルダ３１の外径より小さい円筒部１２の内径Ｄ３よりも小さくされている。ただし、この内径Ｄ２は、後述するプロテクタの内径Ｄ１、及び、金具本体１１の先端の円筒部１２の内径Ｄ３よりは小さいが、それらに近い大きさとされている（図１〜図７参照）。なお、凹部３５の奥の底面（貫通孔３８の先端）３７は平面をなしている。本例では、帯板状をなすセンサ素子２１は、ホルダ３１のこの貫通孔３８に通されており、この素子２１の先端２３をホルダ３１の先端面３２及び金具本体１１の先端１２ａよりも先方に突出させている。なお、多孔質保護層２５の後端２６寄り部位は凹部３５に入り込まされており、その後端２６は、ホルダ３１の先端（先端面３２）より適量Ｌ３後方に位置している。

本例ガスセンサ１においては、このような構成を有することから、詳細は後述するが、センサ素子２１の多孔質保護層２５の先後長Ｌ１が従来のセンサ素子２１と同じであるとしても、ホルダ３１の先端３２から突出するセンサ素子２１の先端側の突出長Ｌ４を小さくできる。すなわち、その多孔質保護層２５の後端２６を凹部３５に入り込ませているから、その突出長Ｌ４の短小化を図ることができるため、素子２１の全長を短くし得る。なお、多孔質保護層２５の後端２６は、凹部３５の底面（貫通孔３８の先端）３７に近づけるほど、その短小化には効果的であり、したがって、多孔質保護層２５の後端２６は、凹部３５の底面３７と同じ位置にしてもよい。また、素子２１の先端２３は、金具本体１１の先端１２ａより先方に突出させているが、この突出させる寸法Ｌ５は、上記寸法Ｌ３よりも相対的に大きくするのが、ガス濃度の検出（測定）応答性を高める上で好ましい。

本例のガスセンサ１では、上記したように、金具本体１１内に設けられているホルダ３１の後端面３９側（図示上側）にはシール材（本例では滑石）４１が充填状態で配置され、そのシール材４１の後方に押えリング４３が配置され、リングワッシャ４５を介して、本体１１の後端寄り部位の円筒部１５に連設された薄肉のカシメ用円筒部１６を内側に折り曲げかつ先端側に圧縮されている。そして、この圧縮により、内部のシール材３２等を圧縮して素子２１を金具本体１１の内側に気密状に固定している。

なお、このような素子２１の固定は、図８の左図の上に示したように、素子２１の後端２９を、ホルダ３１、シール材４１、及び押えリング４３に設けられた各貫通孔を通して組付け体仕掛品とし、この組付け体仕掛品を図８の左図の下に示したように、金具本体１１の内側に挿入（配置）する。そして、押えリング４３の後端であって、本体１１の後端のカシメ用円筒部１６の内側にリングワッシャ４５を配置し、素子２１の先端２３を適量突出させる。次いで、この状態の金具本体１１の先端１２ａを、図８の右図に示したようなジグ２０１にて位置決め支持させる。そして、この支持の際には、金具本体１１の多角形部１４の下面をジグ２０１の位置決め部２０５に当接させる。その後、同図において例示されるようなカシメ用金型２１０で、カシメ用円筒部１６を先端側に圧縮して内側に折り曲げる。これにより、素子２１及びホルダ３１等を含む部品は金具本体１１の内側に固定され、素子２１の先端２３のホルダ３１の先端から突出長Ｌ４を得る。なお、圧縮前のシール材（滑石成形体）４１、及び押えリング４３の中央には、ホルダ３１と同様に、軸線Ｇ方向からみて横断面が素子２１の横断面に対応する矩形（長方形）穴が設けられている。

一方、図１に戻り、素子２１の先端部位には、本形態では、２層構造からなり、共に通気孔（穴）を有する有底円筒状のプロテクタ（保護カバー）５１，６１が被せられている。このうち内側のプロテクタ５１は、先端から後方に向けて３段階で拡径する異径円筒状をなし、その上端の大径円筒部５５が金具本体１１の先端の円環状部（円筒部）１２に外嵌され、溶接されている（図２参照）。なお、先端の小径円筒部５３に対して中間の中径円筒部５４は先後に同径で長い円筒壁５４ａを有しており、この後端寄り部位のうち、素子２１の先端側に設けられた多孔質保護層２５に対応する部位に、通気孔５６が周方向において例えば８箇所設けられている。なお、この中径円筒部５４をなす円筒壁５４ａの内径Ｄ１は、金具本体１１の先端の円筒部１２の内径Ｄ３と同じか、小さく設定されているが、上記もしたように、ホルダ３１における凹部３５の内径Ｄ２より大きくされている。また、通気孔５６は先端の小径円筒部５３にも周方向において例えば４箇所設けられている。

また、外側のプロテクタ６１は、先端側から２段階で拡径する異径円筒状をなし、その上端の大径円筒部６５を、内側のプロテクタ５１の大径円筒部５５に外嵌して、同時に金具本体１１の先端の円筒部１２に溶接されている。この外側のプロテクタ６５の大径円筒部６５の内径は、内側のプロテクタ５１の大径円筒部５５の外径と同じとされている。そして、その先端が、内側のプロテクタ５１の中径円筒部５４の先端寄り部位に位置する先後長を有しており、その円筒壁６５ａが内側のプロテクタ５１における多孔質保護層２５に対応する部位の通気孔５６を覆っている。外側のプロテクタ６１の通気孔６７は、その大径円筒部６５の先端寄り部位に、周方向において例えば８箇所設けられており、また、先端の小径円筒部６３の底部中央にも設けられている。なお、外側のプロテクタ６１の先端の小径円筒部６３は、その後端側を内側のプロテクタ５１の中径円筒部５４の先端に嵌合させている。しかして、ガスセンサ１が排気管に取り付けられて、ガスがその排気管内を流れるとき、上流から下流に向かうガスは外側のプロテクタ６１の通気孔６７を通って内外のプロテクタ５１，６１の間の空間に入り込み、内側のプロテクタ５１の通気孔５６を通ってその内側に入り込み素子２１の先端部位に接するように流動する。そして、内側のプロテクタ５１の通気孔５６を通って内外のプロテクタ５１，６１の間の空間に入り込み、外側のプロテクタ６１の通気孔６７を通って下流側に流動する。

なお本形態のガスセンサ１においては、上記もしたように（図１参照）、素子２１の後端２９寄り部位に形成された各電極端子には、外部にシール材８５を通して引き出された各リード線７１の先端に設けられた各端子金具７５がそのバネ性により圧接され、電気的に接続されている。そして、この圧接部を含む各端子金具７５は、本例ガスセンサ１では、異径筒状をなす保護筒（金属筒）８１内に配置された絶縁材からなる端子金具保持部材９１内に設けられた各収容部内に、それぞれ対向配置で設けられている。なお、端子金具保持部材９１は、保護筒（金属筒）８１内に固定された環状支持部材８０を介して径方向及び先端側への動きが規制されている。そして、この保護筒８１の先端部（大径筒部）８２を、金具本体１１の後端寄り部位の円筒部１５に外嵌して溶接することで、ガスセンサ１の後方が気密状にカバーされている。なお、リード線７１は保護筒８１の後端部の小径筒部８３の内側に配置されたシール材（例えばゴム）８５を通されて外部に引き出されており、この小径筒部８３を縮径カシメしてこのシール材８５を圧縮することにより、この部位の気密が保持されている。因みに、このシール材８５は端子金具保持部材９１の後端を先方に押す形で配置されており、これにより、この端子金具保持部材９１及びその内部に設けられた端子金具７５の取付け安定が図られている。なお、端子金具保持部材９１はその外周に形成されたフランジ９３を保護筒８１の内側に固定された環状支持部材８０の上に支持させられており、これにてシール材８５の圧縮力を受けている。

さて、このように構成された本例のガスセンサ１においては、上記もしたように、ホルダ３１は、その先端向き面のうち貫通孔３８を包囲する領域に対して後方に凹む凹部３５を有しており、しかも、この凹部３５は、その内周面３６と、センサ素子２１における多孔質保護層２５の外周面との間に空間Ｋが保持され得るように形成されている（図２、図５、図６参照）。そして、素子２１が、多孔質保護層２５の後端２６を凹部３５に入り込ませてホルダ３１の先端３２よりも後方に位置して設けられている。このため、本例ガスセンサ１においては、センサ素子２１の多孔質保護層２５の先後長Ｌ１が従来のセンサ素子２１と同じであるとしても、その多孔質保護層２５の後端２６を凹部３５に入り込ませている分、ホルダ３１の先端３２から突出するセンサ素子２１の先端側の突出長Ｌ４の短小化を図ることができる。これにより、素子２１の全長を短くし得るから、素子の低コスト化及び省電力化が図られる。

しかも、素子２１の先端寄り部位のうち、凹部３５の底面（貫通孔３８の先端）３７から先方に向けて突出している部位は、それが凹部３５内にあるとしても、ガスに晒され得る状態にある。すなわち、従来のセンサにおいて素子の先端寄り部位のうち、ホルダの先端から突出している突出長は、上記形態例においては、凹部３５の底面３７から突出する突出長と見ることができる。このため、この凹部３５の底面（横断面）３７をなるべく大きく確保し、この突出長を従来と同様に確保することで、素子２１の先端側に設けられた検知部２２がガスに晒される程度を、従来と同様か、又はそれに近づけることができる。これにより、検知性能の低下を抑え得ながらも素子２１の長さを短くできる。

また、本形態では、上記したようなプロテクタ５１，６１が取り付けられているところ、その内側のプロテクタ５１が、素子２１の先端部位を、その円筒壁５４ａによって空間を保持して包囲している。そして、その通気孔５６が、先後方向のうちセンサ素子２１の先端側に設けられた多孔質保護層２５に対応する部位に設けられているが、外側のプロテクタ６１の円筒壁６５ａは、この通気孔５６を覆っている。したがって、ガス及びそれに含まれる水が、素子２１の検知部２２に被水することを抑制できる。しかも、内側のプロテクタ５１には、多孔質保護層２５に対応する部位に通気孔５６が設けられているから、外側のプロテクタ６１の内側に入り込んだガスはその検知部２２に円滑に吹き付けられ、或いは接することができる。このため、熱的衝撃による素子２１の破損防止効果も高い上に、検知性能の低下防止にも有効である。そして、凹部３５の内周面３６の内径Ｄ２に対し、この内側のプロテクタ５１の円筒壁５４ａにおける検知用電極に対応する部位の内径Ｄ１との寸法関係を、Ｄ１＞Ｄ２の関係となるようにしていることから、ガスがプロテクタ５１の奥である凹部３５内において滞留することの防止にも効果的であり、検知性能上においても好ましいものとされている。

因みに上記例のガスセンサ１は、例えば、図９に示したように、素子２１を含む先端側の半組立体１０１を上記したように製造、組立てておく一方、それ以外の部分である上記した後端側の部位を半組立て体（仕掛品）１０２として、別途、製造、組立てておき、その両者を組付けることで製造される。すなわち、この両者を、図９に示したように、同軸状に配置し、図示下方の半組立体１０１において突出する素子２１の後端２９寄り部位を、端子金具保持部材９１内において対向して配置された端子金具７５相互間に相対的に挿入して、各端子金具７５を素子２１の後端２９寄り部位に設けられた各電極端子にバネ性によって圧接させる。そして、保護筒８１の先端の大径筒部８２を金具本体１１の後端寄り部位の円筒部１５に外嵌し、同部位において全周をレーザ溶接することで図１のガスセンサ１として製造される。

本発明のガスセンサは、本発明の要旨を逸脱しない限りにおいて、適宜にその構造、構成を設計変更して具体化できる。上記例ではホルダ３１は、外観は、先端側から見たときに外周面３４が円形をなし、しかも、凹部３５の内周面３６も円形を成していることから、肉厚の均一化が図られる。したがって、これをセラミック製としたときにおける肉厚不同に起因する焼成歪の発生を抑えられる。ただし、本発明では、ホルダは、先端側から見たとき、例えば、図１０に示したように、この凹部３５の内周面３６が多角形（長方形）であってもよいことは上記したとおりであるが、この場合には、なるべく肉厚の均等化が図られるようにするのが、その強度向上や焼成歪の発生防止上において好ましい。

また、上記形態では素子を、横断面が長方形（矩形）の帯板状のものとしたが、本発明のセンサに使用される素子は、横断面が正方形のものであっても、それ以外のものであってもよい。さらに、上記においては全領域空燃比ガスセンサにおいて具体化したが、本発明に係るガスセンサは、その他のガスセンサにおいても具体化できる。

１ ガスセンサ
１１ 金具本体
１２ 円環状部（円筒部）
１２ａ 金具本体の先端
１２ｂ 円環状部の内周面
１７ 円環状棚
２１ センサ素子
２２ 検知部
２３ 素子の先端
２５ 多孔質保護層
２６ 多孔質保護層の後端
２９ 素子の後端
３１ ホルダ
３２ ホルダの先端面（先端）
３４ ホルダの外周面
３５ 凹部
３６ 凹部の内周面
３７ 凹部の底面（貫通孔の先端）
３８ 貫通孔
５１，６１ プロテクタ
５４ａ，６５ａ プロテクタの円筒壁
５６、６７ 通気孔
Ｄ１ プロテクタの円筒壁における検知用電極に対応する部位の内径
Ｄ２ 凹部の内径
Ｄ３ 円環状部の内径
Ｌ３ 多孔質保護層の後端の、ホルダの先端よりも後方に位置させている寸法
Ｌ５ 素子の先端の金具本体の先端からの突出寸法
Ｋ 凹部の内周面と多孔質保護層の外周面との間の空間

Claims (5)

1. 筒状をなす金具本体の内側に、先後に貫通する貫通孔が形成されたホルダが配置されており、この貫通孔に、先端側に検知部を備えると共に先端から後方に向かう所定範囲に多孔質保護層が被覆されてなる帯板状又は棒状をなすセンサ素子が通され、該センサ素子が、その先端を該ホルダの先端より先方に突出させ、しかも、前記多孔質保護層の後端を前記貫通孔の先端又は先端より先方に位置させて設けられてなるガスセンサであって、
   前記金具本体の先端側には、内径が前記ホルダの外径より小さい円筒部が設けられており、該ホルダはその先端面において該円筒部の内周面における後方に設けられた円環状棚に載置されて該金具本体の内側に配置されてなるガスセンサにおいて、
   前記ホルダは、その先端向き面から見たとき、前記貫通孔を包囲する領域に対して後方に凹む凹部を有しており、
   前記センサ素子が、該多孔質保護層の後端を該凹部に入り込ませて該ホルダの先端よりも後方に位置させて設けられており、
   該凹部は、該凹部の内周面と、前記多孔質保護層の外周面との間に空間が保持され得るように形成されていることを特徴とするガスセンサ。
2. 前記ホルダは、先端側から見たときに外周面が円形をなし、前記凹部の内周面が円筒状をなしていることを特徴とする請求項１に記載のガスセンサ。
3. 前記金具本体の先端側には、前記ホルダの先端より先方に突出する前記センサ素子の先端部位を空間を保持して包囲する円筒壁を有する通気孔付きのプロテクタが複数層構造で取り付けられており、
   この複数層構造のプロテクタのうち、一番内側のプロテクタの円筒壁には、前記通気孔が、先後方向において前記センサ素子の先端側に設けられた多孔質保護層に対応する部位に設けられている一方、この内側のプロテクタより外側のプロテクタはその円筒壁が、前記通気孔を覆うように設けられており、
   しかも、前記内側のプロテクタの円筒壁における前記多孔質保護層に対応する部位の内径をＤ１とし、前記凹部の内径をＤ２したとき、Ｄ１＞Ｄ２の関係となるようにされていることを特徴とする請求項２に記載のガスセンサ。
4. 前記円筒部の内径をＤ３としたとき、このＤ３と前記内径Ｄ２とが、
   Ｄ３＞Ｄ２の関係となるようにされていることを特徴とする、請求項３に記載のガスセンサ。
5. 前記センサ素子の先端は前記金具本体の先端より先方に突出されており、その突出寸法をＬ５とし、該センサ素子における前記多孔質保護層の後端を前記凹部に入り込ませて前記ホルダの先端よりも後方に位置させている寸法をＬ３としたとき、
   Ｌ５＞Ｌ３の関係となるようにされていることを特徴とする、請求項１〜４のいずれか１項に記載のガスセンサ。

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