JP6514899B2

JP6514899B2 - ガスセンサ及びガス検出素子

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Publication number: JP6514899B2
Application number: JP2015009505A
Authority: JP
Inventors: 聡史岡崎; 大矢　誠二; 誠二大矢; 雄太大石
Original assignee: NGK Spark Plug Co Ltd
Current assignee: NGK Spark Plug Co Ltd
Priority date: 2014-03-26
Filing date: 2015-01-21
Publication date: 2019-05-15
Anticipated expiration: 2035-01-21
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Description

本発明は、軸孔を有する筒状の主体金具と、この軸孔に挿通されて主体金具に保持された板状のガス検出素子とを備え、被測定ガス中に含まれる特定ガス成分を検出するガスセンサ、及びこれに用いるガス検出素子に関する。

従来より、例えば、内燃機関の排気管に設置して、排気ガス中の酸素濃度を検出する酸素センサなど、被測定ガス中に含まれる特定ガス成分を検出するガスセンサがある。このガスセンサとしては、軸孔を有する筒状の主体金具と、この軸孔内に配置された一又は複数の保持部材と、この保持部材を介して主体金具に保持された板状のガス検出素子とを備えるものが知られている。

このガス検出素子では、保持部材よりも先端側に位置する素子先端部には、被測定ガス中の特定ガス成分を検出する検出部が設けられる。一方、保持部材よりも後端側に位置する素子後端部には、電極パッドが設けられ、更にこの電極パッドに導通するスルーホール導体が設けられることがある。そして、素子後端部の電極パッドには、端子部材が当接する。また、ガス検出素子には、素子後端部を基準ガス空間（例えば大気等の基準ガスで満たされた空間）に露出するようにし、この素子後端部に開口した開口部から検出部まで延び、開口部から検出部へ基準ガス空間の基準ガスを導入する基準ガス導入路が設けられる形態のものがある。例えば、特許文献１には、このようなガス検出素子を用いたガスセンサが開示されている（特許文献１の図１〜図３及びその説明箇所等を参照）。

特許第４８１３７２９号公報

上述したように、ガス検出素子の電極パッドには端子部材が当接するので、ガス検出素子の素子後端部のうちでも電極パッドの接触部位が形成された部位は、特に高い強度が必要とされる。また、ガス検出素子の素子後端部のうちスルーホール導体が形成された部位には、スルーホール導体を内部に有する孔が存在しているため、他の部位よりも断面積が小さく、強度が低くなりがちである。このため、ガス検出素子の素子後端部のうち、電極パッドの接触部位やスルーホール導体が設けられた部位に、更に基準ガス導入路を設けると、これらの部位で断面積が小さくなり、強度が低くなって好ましくない。

本発明は、かかる現状に鑑みてなされたものであって、ガス検出素子の素子後端部に基準ガス導入路を有しながらも、素子後端部のうち、電極パッドのうち端子部材が当接する接触部位やスルーホール導体が設けられた部位の強度の低下を防止したガスセンサ、及びこれに用いるガス検出素子を提供することを目的とする。

上記課題を解決するための本発明の一態様は、軸線方向に貫通した軸孔を有する筒状の主体金具と、上記主体金具の上記軸孔内に配置された保持部材と、上記軸線方向に延びる板状で、上記軸孔内で上記保持部材を介して上記主体金具に保持されたガス検出素子であって、上記保持部材よりも上記軸線方向の先端側に位置し、被測定ガス中の特定ガス成分を検出する検出部を含む素子先端部、及び、上記保持部材よりも上記軸線方向の後端側に位置して基準ガスに曝されてなり、自身の表面に電極パッドを含むと共に、自身の内部に上記電極パッドに導通するスルーホール導体を含む素子後端部、を有するガス検出素子と、上記ガス検出素子の上記電極パッドのうち接触部位に当接する端子部材と、を備えるガスセンサであって、上記ガス検出素子は、上記ガス検出素子の内部に、上記素子後端部の径方向外周面に開口した開口部から上記検出部まで延び、上記開口部から上記検出部へ上記基準ガスを導入する基準ガス導入路を有し、上記基準ガス導入路は、上記基準ガス導入路の全体が、上記電極パッドの上記接触部位及び上記スルーホール導体のいずれよりも、上記軸線方向の先端側に設けられてなり、前記ガス検出素子は、厚み方向に積層された複数のセラミック層を有し、前記径方向外周面は、上記厚み方向に対向する一対の主面と、上記一対の主面の間を結ぶ側面と、を有し、前記基準ガス導入路は、単一の上記セラミック層に沿って設けられ、前記開口部が上記側面に設けられてなるガスセンサである。

このガスセンサでは、基準ガス導入路の全体を、ガス検出素子のうち、電極パッドのうち端子部材が当接する接触部位及びスルーホール導体のいずれよりも先端側に設けている。このため、基準ガスを検出部まで確実に導入できる。その上、基準ガス導入路の存在によって、素子後端部のうち、電極パッドの接触部位やスルーホール導体が設けられた部位の強度が低くなるのを防止できる。
さらにこのガスセンサでは、基準ガス導入路をガス検出素子の厚み方向に延ばすことなく、基準ガス導入路の全体を、ガス検出素子を構成する単一のセラミック層に沿って設け、開口部を素子後端部の側面に設けている。このように基準ガス導入路を、三次元的ではなく、二次元的に延びる形態とすることで、基準ガス導入路の形成が容易かつ確実になるので、安価で特性バラツキの少ないガスセンサとすることができる。

なお、「基準ガス導入路」は、素子後端部の径方向外周面（素子後端部をなし軸線の径方向外側を向く面）に開口した開口部から素子先端部に位置する検出部まで、ガス検出素子の内部を延びる基準ガスの流通路である。「基準ガス導入路」は、１本だけでもよいし、複数本設けてもよい。また、「開口部」は、１つだけでもよいし、複数あってもよく、１つの開口部から１本の基準ガス導入路が延びる形態としてもよいし、１つの開口部から複数本の基準ガス導入路が延びる形態としてもよい。また、複数の開口部から延びる基準ガス導入路が合流して１本の基準ガス導入路が延びる形態としてもよい。「基準ガス導入路」は、開口部から検出部までの途中で分岐して延びる形態や、或いは途中で合流して延びる形態とすることもできる。「開口部」を、板状をなすガス検出素子の一対の主面のいずれかに設けることができる。また、「開口部」を、これらの主面の間を結ぶ側面に設けることもできる。上述のように、「開口部」は複数設けてもよいので、例えば、「開口部」を主面と側面のそれぞれに設けたり、側面に複数設けることができる。

また、「電極パッド」、「端子部材」及び「スルーホール導体」は、それぞれ１つずつだけでもよいし、それぞれ複数個設けてもよい。なお、「電極パッド」、「端子部材」及び「スルーホール導体」が複数個設けられている場合には、基準ガス導入路の全体が、複数の電極パッドのそれぞれに設けられる複数の接触部位及び複数のスルーホール導体のいずれよりも、軸線方向の先端側に設けられる。

更に、上記のガスセンサであって、前記基準ガス導入路は、前記基準ガス導入路の全体が、前記電極パッド及び前記スルーホール導体のいずれよりも、前記軸線方向の先端側に設けられてなるガスセンサとすると良い。

このガスセンサでは、ガス検出素子が、基準ガス導入路を有していながらも、素子後端部のうち、電極パッド及びスルーホール導体が設けられた部位の強度を確実に高く保つことができる。

更に、上記のいずれかに記載のガスセンサであって、前記端子部材を収容すると共に、前記ガス検出素子の前記素子後端部の一部を収容する絶縁セパレータを備え、上記絶縁セパレータは、前記保持部材及び前記主体金具と離間しており、前記基準ガス導入路の前記開口部は、上記絶縁セパレータよりも上記軸線方向の先端側に設けられてなるガスセンサとすると良い。

このガスセンサでは、基準ガス導入路の開口部を、ガス検出素子のうち、絶縁セパレータの内部ではなく、絶縁セパレータよりも先端側、即ち、基準ガスで満たされた基準ガス空間に露出する部位に設けている。これにより、基準ガスをより確実に開口部から導入できる。

また、他の態様は、軸線方向に延びる板状をなし、上記軸線方向の先端側に位置し、被測定ガス中の特定ガス成分を検出する検出部を含む素子先端部、及び、上記軸線方向の後端側に位置し、自身の表面に、端子部材が当接する接触部位を含む電極パッドを有すると共に、自身の内部に上記電極パッドに導通するスルーホール導体を有する素子後端部、を備えるガス検出素子であって、上記ガス検出素子の内部に、上記素子後端部の径方向外周面に開口した開口部から上記検出部まで延び、上記開口部から上記検出部へ基準ガスを導入する基準ガス導入路を有し、上記基準ガス導入路は、上記基準ガス導入路の全体が、上記電極パッドの上記接触部位及び上記スルーホール導体のいずれよりも、上記軸線方向の先端側に設けられてなり、厚み方向に積層された複数のセラミック層を有し、前記径方向外周面は、上記厚み方向に対向する一対の主面と、上記一対の主面の間を結ぶ側面と、を有し、前記基準ガス導入路は、単一の上記セラミック層に沿って設けられ、前記開口部が上記側面に設けられてなるガス検出素子である。

このガス検出素子では、基準ガス導入路の全体を、ガス検出素子のうち、電極パッドのうち端子部材が当接する接触部位及びスルーホール導体のいずれよりも先端側に設けている。このため、基準ガスを検出部まで確実に導入できる。その上、基準ガス導入路を有していながらも、素子後端部のうち、電極パッドの端子部材が接触する接触部位やスルーホール導体が設けられた部位の強度が低くなるのを防止した素子となる。従って、このガス検出素子をガスセンサに用いることで、信頼性の高いガスセンサとなる。
さらにこのガス検出素子では、基準ガス導入路を、三次元的ではなく、セラミック層に沿った二次元的に延びる形態としているので、基準ガス導入路の形成が容易かつ確実になり、安価で特性バラツキの少ないガス検出素子となる。

また、他の態様は、軸線方向に延びる板状をなし、上記軸線方向の先端側に位置し、被測定ガス中の特定ガス成分を検出する検出部を含む素子先端部、及び、上記軸線方向の後端側に位置し、自身の表面に電極パッドを有すると共に、自身の内部に上記電極パッドに導通するスルーホール導体を有する素子後端部、を備えるガス検出素子であって、上記ガス検出素子の内部に、上記素子後端部の径方向外周面に開口した開口部から上記検出部まで延び、上記開口部から上記検出部へ基準ガスを導入する基準ガス導入路を有し、上記基準ガス導入路は、上記基準ガス導入路の全体が、上記電極パッド及び上記スルーホール導体のいずれよりも、上記軸線方向の先端側に設けられてなり、厚み方向に積層された複数のセラミック層を有し、前記径方向外周面は、上記厚み方向に対向する一対の主面と、上記一対の主面の間を結ぶ側面と、を有し、前記基準ガス導入路は、単一の上記セラミック層に沿って設けられ、前記開口部が上記側面に設けられてなるガス検出素子である。

このガス検出素子では、基準ガス導入路を有していながらも、素子後端部のうち、電極パッド及びスルーホール導体が設けられた部位の強度を確実に高く保つことができる。
さらにこのガス検出素子では、基準ガス導入路を、三次元的ではなく、セラミック層に沿った二次元的に延びる形態としているので、基準ガス導入路の形成が容易かつ確実になり、安価で特性バラツキの少ないガス検出素子となる。

実施形態１に係るガスセンサの縦断面図である。実施形態１に係り、第１主面側から見たガス検出素子の平面図である。実施形態１に係り、ガス検出素子の分解斜視図である。実施形態１に係り、ガス検出素子の図２におけるＢ−Ｂ矢視断面のうち、先端側の部位の断面図である。実施形態１に係り、ガス検出素子の後端側の部位を第１側面側から見た側面図である。実施形態２に係り、第１主面側から見たガス検出素子の平面図である。実施形態２に係り、ガス検出素子の後端側の部位を第１側面側から見た側面図である。

（実施形態１）
以下、本発明の実施の形態を、図面を参照しつつ説明する。図１に本実施形態１に係るガスセンサ１を示す。なお、図１において、ガスセンサ１の軸線ＡＸに沿う方向を軸線方向ＨＪとし、軸線方向ＨＪのうち、ガス検出素子４０の検出部４１ｇが配置された側（図中下側）を先端側ＧＳ、これと反対側（図中上側）を後端側ＧＫとする。このガスセンサ１は、酸素センサであり、自動車の排気管（図示外）に取り付けられ、ガス検出素子４０の検出部４１ｇが排気管内を流通する排気ガスに曝されて、その排気ガス（被測定ガス）中に含まれる酸素（特定ガス成分）の濃度を検出する。このガスセンサ１は、主体金具１０、プロテクタ２０、外筒３０、ガス検出素子４０、端子部材８０、絶縁セパレータ８５、保持部材９１〜９５等から構成される。

このうち主体金具１０は、軸線方向ＨＪに貫通した軸孔１０ｈを有する筒状で金属製（具体的には炭素鋼製）の部材である。主体金具１０のうち先端側ＧＳに位置する金具先端部１１には、後述するプロテクタ２０が取り付けられている。一方、主体金具１０のうち後端側ＧＫに位置する後端側係合部１２には、後述する外筒３０が取り付けられている。更に、この後端側係合部１２よりも後端側ＧＫの部位は、後述するガス検出素子４０等を主体金具１０に保持させるために、径方向内側に加締められた加締部１３とされている。また、主体金具１０の外周には、ガスセンサ１を排気管に取り付けた際のガス抜けを防止するための円環状のガスケット１７が配置されている。また、主体金具１０の内部には、段状をなす段状部１４が設けられており、後述する金属カップ９１が後端側ＧＫから当接している。

次に、プロテクタ２０について説明する。プロテクタ２０は、後述するガス検出素子４０の素子先端部４１の周囲を包囲して、ガス検出素子４０を被水の衝撃から保護する金属製の部材である。このプロテクタ２０は、主体金具１０の金具先端部１１に外嵌した状態で金具先端部１１に接合（具体的には溶接）されている。このプロテクタ２０は、有底筒状の内側プロテクタ２１と、この内側プロテクタ２１との間に隙間をあけた状態でその径方向周囲を包囲する筒状の外側プロテクタ２２とから構成される２重構造を有する。内側プロテクタ２１には、複数の孔２１ｈが形成され、また、外側プロテクタ２２にも、複数の孔２２ｈが形成されている。

次に、外筒３０について説明する。外筒３０は、軸線方向ＨＪに延びる筒状で金属製の部材である。外筒３０の先端部３１は、主体金具１０の後端側係合部１２に外嵌した状態で主体金具１０に接合（具体的には溶接）されている。また、外筒３０のうち軸線方向ＨＪの中央に位置する部位は、径方向内側に加締められた加締部３２とされており、後述する保持金具８８を径方向内側に向けて押圧する。

また、外筒３０の後端部３３には、ゴム製の弾性部材３５が装填されている。この後端部３３は径方向内側に加締められており、これにより、弾性部材３５が外筒３０に固定される。弾性部材３５には、その中央に軸線方向ＨＪに貫通する第１貫通孔３５ｈ１が形成されている。この第１貫通孔３５ｈ１には、フィルタ及びフィルタ固定用の金属製筒状部材から構成されたフィルタユニット３７が装填されており、このフィルタユニット３７を通じて、大気が外筒３０内に導入される。これにより、外筒３０内の空間（基準ガス空間ＲＡ）が大気で満たされる。本実施形態では、導入された大気が前述の「基準ガス」に相当し、外気で満たされた外筒３０内の空間（基準ガス空間ＲＡ）が前述の「基準ガス空間」に相当する。
また、弾性部材３５には、第１貫通孔３５ｈ１の周囲に４つの第２貫通孔３５ｈ２（図１ではそのうちの２つを図示する）が形成されている。これらの第２貫通孔３５ｈ２には、それぞれ後述するリード線８３が挿通されている。

図１に示すように、ガス検出素子４０の後述する素子胴部４２と主体金具１０との間には、金属製で筒状の金属カップ９１が配置されている。この金属カップ９１は、主体金具１０の段状部１４に後端側ＧＫから当接している。この金属カップ９１内には、アルミナ製で円環状のセラミックリング９２が配置され、更にその後端側ＧＫには、滑石粉末が圧縮されて固まった円環状の第１滑石リング９３が配置されており、それぞれ素子胴部４２の周囲を取り囲む。

更に、主体金具１０の軸孔１０ｈ内のうち、金属カップ９１及び第１滑石リング９３の後端側ＧＫには、滑石粉末が圧縮されて固まった円環状の第２滑石リング９４が配置され、更にその後端側ＧＫには、セラミック製（具体的にはアルミナ製）で筒状のスリーブ９５が配置されており、それぞれ素子胴部４２の周囲を取り囲む。スリーブ９５は、その後端側ＧＫの外周に、段状に形成された肩部９５ｋを有する。そして、この肩部９５ｋの上には、円環状のパッキン９６が配置されており、主体金具１０の加締部１３を加締めることによって後端側ＧＫから押圧される。後述するように、ガス検出素子４０は、金属カップ９１、セラミックリング９２、第１滑石リング９３、第２滑石リング９４及びスリーブ９５を介して主体金具１０に保持される。金属カップ９１、セラミックリング９２、第１滑石リング９３、第２滑石リング９４及びスリーブ９５は、それぞれ前述の「保持部材」に相当する。

次に、ガス検出素子４０について説明する。図２〜図５にガス検出素子４０を示す。ガス検出素子４０は、軸線方向ＨＪに延びる（長手方向に延びる）細長い矩形板状で、互いに平行な第１主面４０ａ及び第２主面４０ｂと、これら第１主面４０ａ及び第２主面４０ｂの間を結んで軸線方向ＨＪに延び、互いに平行な第１側面４０ｃ及び第２側面４０ｄとを有する。なお、図１では、紙面左右方向を厚み方向としたガス検出素子４０を示す。

このガス検出素子４０は、主体金具１０の軸孔１０ｈに挿通された状態で、前述の保持部材９１〜９５を介して主体金具１０に保持されている。具体的には、素子先端部４１が保持部材９１〜９５のうち最先端に位置する金属カップ９１よりも先端側ＧＳに位置し、素子後端部４３が保持部材９１〜９５のうち最後端に位置するスリーブ９５よりも後端側ＧＫに位置し、素子先端部４１と素子後端部４３との間に位置する素子胴部４２が保持部材９１〜９５を介して主体金具１０に保持されている。

このうち素子先端部４１には、排気ガス中の酸素の濃度を検出する検出部４１ｇが設けられている。この検出部４１ｇの詳細は後述する。また、この素子先端部４１の外周は、アルミナを主成分とする多孔質の保護層４５（図１参照）によって包囲されている。なお、図２〜図５においては、保護層４５の記載を省略してある。
一方、素子後端部４３は、この素子後端部４３をなし軸線ＡＸの径方向外側を向く径方向外周面、具体的には、厚み方向ＴＪに対向する互いに平行な第１主面４３ａ及び第２主面４３ｂと、これら第１主面４３ａ及び第２主面４３ｂの間を結んで軸線方向ＨＪに延び、互いに平行な第１側面４３ｃ及び第２側面４３ｄとからなる径方向外周面を有する。

このうち第１主面４３ａには、矩形状の２つの電極パッド（第１電極パッド６１ａ及び第２電極パッド６１ｂ）が形成され、また、反対側の第２主面４３ｂにも、矩形状の２つの電極パッド（第３電極パッド６１ｃ及び第４電極パッド６１ｄ）が形成されている。これらの電極パッド６１ａ〜６１ｄには、後述するように、ガスセンサ１を組み立てた状態で、それぞれ端子部材８０が当接して電気的に接続する（図１参照）。なお、電極パッド６１ａ〜６１ｄのうち、端子部材８０が当接する部位が、接触部位６１ａｔ，６１ｂｔ，６１ｃｔ，６１ｄｔである。また、この素子後端部４３には、後述するように、その一部を貫通する形態で複数のスルーホール導体（第１スルーホール導体６３ａ、第２スルーホール導体６３ｂ、第３スルーホール導体６３ｃ、第４スルーホール導体６３ｄ及び第５スルーホール導体６３ｅ）が形成されている。

また、このガス検出素子４０の内部には、基準ガス導入路ＫＲが設けられている。この基準ガス導入路ＫＲは、素子後端部４３の第１側面４３ｃに開口し（第１側面４３ｃに開口部ＫＫを有し）、ガス検出素子４０の内部をこの開口部ＫＫから素子先端部４１の検出部４１ｇまで延びており、開口部ＫＫから検出部４１ｇへ基準ガス空間ＲＡの基準ガス（具体的には基準ガス空間ＲＡに導入された大気）を導入できる。

この基準ガス導入路ＫＲは、後述するように、その全体が、４つの電極パッド６１ａ〜６１ｄの接触部位６１ａｔ，６１ｂｔ，６１ｃｔ，６１ｄｔ及び５つのスルーホール導体６３ａ〜６３ｅのいずれよりも、先端側ＧＳに設けられている。更に言えば、基準ガス導入路ＫＲは、その全体が、電極パッド６１ａ〜６１ｄ及びスルーホール導体６３ａ〜６３ｅのいずれよりも、先端側ＧＳに設けられている。なお、図２及び図５において、１点鎖線で示す第１先端位置ＭＡは、接触部位６１ａｔ〜６１ｄｔ及び５つのスルーホール導体６３ａ〜６３ｅのうち、最も先端側ＧＳに位置する部位の軸線方向ＨＪの位置を示している。また、２点鎖線で示す第２先端位置ＭＢは、電極パッド６１ａ〜６１ｄ及びスルーホール導体６３ａ〜６３ｅのうち、最も先端側ＧＳに位置する部位の軸線方向ＨＪの位置を示している。

そして、基準ガス導入路ＫＲは、その全体が、第１先端位置ＭＡ、更には第２先端位置ＭＢよりも先端側ＧＳに設けられている。また、基準ガス導入路ＫＲの開口部ＫＫは、ガスセンサ１を組み立てた状態で、後述する絶縁セパレータ８５よりも先端側ＧＳに位置している。また、基準ガス導入路ＫＲは、後述するように、ガス検出素子４０の厚み方向ＴＪには延びず、ガス検出素子４０の第１主面４０ａ及び第２主面４０ｂに平行に延びて、ガス検出素子４０の第１側面４０ｃ（素子後端部４３の第１側面４３ｃ）に開口する。

次に、ガス検出素子４０の構造について詳述する。このガス検出素子４０は、厚み方向ＴＪ（第１主面４０ａ及び第２主面４０ｂに直交する方向）に複数(具体的には４つ）のセラミック層（固体電解質層５１、第１絶縁層５２、第２絶縁層５３及び第３絶縁層５４）を積層して一体化したものである（図３〜図５参照）。このうち固体電解質層５１は、ジルコニアを主成分とし、酸素イオン伝導性を有するセラミック層である。この固体電解質層５１のうち素子後端部４３をなす後端部分の所定位置には、固体電解質層５１を貫通する筒状の第１スルーホール導体６３ａが設けられている。

図３〜図５において上方に位置する第１絶縁層５２は、固体電解質層５１の一方の主面上に積層されたアルミナを主成分とするセラミック層である。この第１絶縁層５２のうち素子先端部４１をなす先端部分には、排気ガスを導入する平面視矩形状のガス導入孔５２ｈが、第１絶縁層５２を貫通する形態で設けられている。このガス導入孔５２ｈ内には、後述する測定電極７２を保護する多孔質で矩形板状の保護層５５が配置されている。

また、この第１絶縁層５２のうち、ガス検出素子４０の第１主面４０ａをなす主面には、素子後端部４３をなす所定位置に、前述の第１電極パッド６１ａ及び第２電極パッド６１ｂがそれぞれ形成されている。また、この第１絶縁層５２のうち素子後端部４３をなす後端部分の所定位置には、第１絶縁層５２を貫通する筒状の第２スルーホール導体６３ｂ及び第３スルーホール導体６３ｃがそれぞれ設けられている。このうち第２スルーホール導体６３ｂは、一方で固体電解質層５１を貫通する第１スルーホール導体６３ａに接続すると共に、他方で第１絶縁層５２上に形成された第１電極パッド６１ａに接続している。また、第３スルーホール導体６３ｃは、第１絶縁層５２上に形成された第２電極パッド６１ｂに接続している。

固体電解質層５１上、即ち、固体電解質層５１と第１絶縁層５２との層間には、測定電極７２とリード部７３とからなる第１導体７１が形成されている。このうち測定電極７２は、矩形状をなし、第１絶縁層５２のガス導入孔５２ｈに面する。リード部７３は、この測定電極７２から後端側ＧＫに延びており、後端のパッド部７３ｐにおいて、第１絶縁層５２を貫通する第３スルーホール導体６３ｃに接続している。かくして、測定電極７２は、リード部７３及び第３スルーホール導体６３ｃを介して、第２電極パッド６１ｂに導通する。

図３〜図５において固体電解質層５１の下方に位置する第２絶縁層５３は、固体電解質層５１の他方の主面上に積層されたアルミナを主成分とするセラミック層である。この第２絶縁層５３のうち固体電解質層５１側には、素子先端部４１をなす先端部分に、平面視矩形状の基準室凹部５３ｈが凹設されている。この基準室凹部５３ｈは、固体電解質層５１と第２絶縁層５３とで囲まれて、基準室ＫＳをなす。

また、第２絶縁層５３の固体電解質層５１側には、基準室凹部５３ｈに繋がる基準ガス導入溝５３ｍが設けられている。この基準ガス導入溝５３ｍは、固体電解質層５１と第２絶縁層５３とで囲まれて、基準ガス導入路ＫＲをなす。具体的には、基準ガス導入溝５３ｍは、第１溝部５３ｍ１と第２溝部５３ｍ２とからなる。このうち第１溝部５３ｍ１は、基準室凹部５３ｈから軸線方向ＨＪ（ガス検出素子４０の長手方向，図２中、上下方向，図３〜図５中、左右方向）に素子先端部４１から素子後端部４３まで直線状に延びる。この第１溝部５３ｍ１は、固体電解質層５１と第２絶縁層５３とで囲まれて、基準ガス導入路ＫＲの先端側導入部ＫＲａをなす。

一方、第２溝部５３ｍ２は、第１溝部５３ｍ１の後端から折れ曲がって後端側ＧＫに斜めに延び、素子後端部４３の第１側面４３ｃに開口する。この第２溝部５３ｍ２は、固体電解質層５１と第２絶縁層５３とで囲まれて、基準ガス導入路ＫＲの屈曲導入部ＫＲｂをなす。また、第２溝部５３ｍ２の後端の開口部５３ｋが、固体電解質層５１と第２絶縁層５３とで囲まれて、基準ガス導入路ＫＲの開口部ＫＫをなす。

このように構成された基準ガス導入路ＫＲにより、素子後端部４３が露出する基準ガス空間ＲＡの基準ガス（具体的には基準ガス空間ＲＡに導入された大気）を、開口部ＫＫから取り入れて基準室ＫＳに導くことができる。この基準ガス導入路ＫＲは、その全体（先端側導入部ＫＲａ、屈曲導入部ＫＲｂ及び開口部ＫＫ）が、４つの電極パッド６１ａ〜６１ｄの接触部位６１ａｔ〜６１ｄｔ及び５つのスルーホール導体６３ａ〜６３ｅのいずれよりも、先端側ＧＳに設けられている。更には、基準ガス導入路ＫＲは、その全体が、電極パッド６１ａ〜６１ｄ及びスルーホール導体６３ａ〜６３ｅのいずれよりも、先端側ＧＳに設けられている。また、基準ガス導入路ＫＲの開口部ＫＫは、ガスセンサ１を組み立てた状態で、後述する絶縁セパレータ８５よりも先端側ＧＳに位置している。

固体電解質層５１上、即ち、固体電解質層５１と第２絶縁層５３との層間には、基準電極７６とリード部７７とからなる第１導体７５が形成されている。このうち基準電極７６は、矩形状をなし、固体電解質層５１を介して測定電極７２と対向する。リード部７７は、この基準電極７６から後端側ＧＫに延びており、後端のパッド部７７ｐにおいて、固体電解質層５１を貫通する第１スルーホール導体６３ａに接続している。かくして、基準電極７６は、リード部７７、第１スルーホール導体６３ａ及び第２スルーホール導体６３ｂを介して、第１電極パッド６１ａに導通する。
なお、前述したガス検出素子４０の検出部４１ｇは、固体電解質層５１を介して対向する測定電極７２及び基準電極７６と、測定電極７２が面するガス導入孔５２ｈ及び保護層５５と、基準電極７６が面する基準室ＫＳとから構成される。

図３〜図５において第２絶縁層５３の下方に位置する第３絶縁層５４は、第２絶縁層５３上に積層されたアルミナを主成分とするセラミック層である。この第３絶縁層５４のうち、ガス検出素子４０の第２主面４０ｂをなす主面には、素子後端部４３をなす所定位置に、前述の第３電極パッド６１ｃ及び第４電極パッド６１ｄがそれぞれ形成されている。また、この第３絶縁層５４のうち素子後端部４３をなす後端部分の所定位置には、第３絶縁層５４を貫通する筒状の第４スルーホール導体６３ｄ及び第５スルーホール導体６３ｅがそれぞれ設けられている。このうち第４スルーホール導体６３ｄは、第３絶縁層５４上に形成された第３電極パッド６１ｃに接続している。また、第５スルーホール導体６３ｅは、第３絶縁層５４上に形成された第４電極パッド６１ｄに接続している。

第２絶縁層５３と第３絶縁層５４との層間には、発熱抵抗体６７と一対のリード部６８，６９とからなる第３導体６６が形成されている。このうち発熱抵抗体６７は、蛇行状をなし、素子先端部４１内に配置されている。一対のリード部６８，６９は、この発熱抵抗体６７の両端からそれぞれ後端側ＧＫに延びている。一方のリード部６８は、後端のパッド部６８ｐにおいて、第３絶縁層５４を貫通する第４スルーホール導体６３ｄに接続している。かくして、発熱抵抗体６７の一端は、リード部６８及び第４スルーホール導体６３ｄを介して、第３電極パッド６１ｃに導通する。他方のリード部６９は、後端のパッド部６９ｐにおいて、第３絶縁層５４を貫通する第５スルーホール導体６３ｅに接続している。かくして、発熱抵抗体６７の他端は、リード部６９及び第５スルーホール導体６３ｅを介して、第４電極パッド６１ｄに導通する。

以上で説明したガス検出素子４０では、素子後端部４３の周囲の酸素濃度が一定の基準ガス（具体的には基準ガス空間ＲＡに導入された大気）を、素子後端部４３の第１側面４３ｃに開口部ＫＫを有する基準ガス導入路ＫＲを通じて、基準室ＫＳ内に導入する。その一方、素子先端部４１の周囲の排気ガスを、保護層４５を通じて第１絶縁層５２のガス導入孔５２ｈ（保護層５５）内に導入する。このため、測定電極７２と基準電極７６とこれらの間に挟まれた固体電解質層５１とで酸素濃淡電池が構成され、測定電極７２に接する排気ガス中の酸素濃度に応じた電圧が発生する。従って、この電圧値を測定することで、排気ガス中の酸素の濃度を検出できる。

次に、絶縁セパレータ８５及び端子部材８０について説明する（図１参照）。絶縁セパレータ８５は、絶縁体セラミック（具体的にはアルミナ）からなり、主体金具１０及びスリーブ９５と軸線方向ＨＪに離間した状態で外筒３０内に配置されて、自身の収容部８５ｈにガス検出素子４０の素子後端部４３の一部及び４つの端子部材８０をそれぞれ収容する。この絶縁セパレータ８５は、端子部材８０同士を互いに非接触の状態で絶縁しつつ保持する。

この絶縁セパレータ８５は、先端側ＧＳに位置する先端側セパレータ８６と、これよりも後端側ＧＫに位置する後端側セパレータ８７とから構成される。このうち先端側セパレータ８６の内部には、４つの端子部材８０の先端側接触部８１が互いに間隔をあけて絶縁されつつ配置され、更に、これら先端側接触部８１の径方向内側には、素子後端部４３が配置されている。そして、各々の端子部材８０の先端側接触部８１は、素子後端部４３の４つの電極パッド６１ａ〜６１ｄの接触部位６１ａｔ〜６１ｄｔにそれぞれ接触して導通する。

また、後端側セパレータ８７の内部には、４つの端子部材８０の後端側把持部８２がそれぞれ挿入されている。これらの後端側把持部８２は、それぞれリード線８３（その芯線）を把持する。各々のリード線８３は、後端側セパレータ８７よりも後端側ＧＫに延出し、更に弾性部材３５の第２貫通孔３５ｈ２を貫通して、ガスセンサ１の外部に引き出される。また、この絶縁セパレータ８５と外筒３０との間には、後端側ＧＫで径方向内側に折り曲げられた筒状の保持金具８８が配置されている。この保持金具８８は、絶縁セパレータ８５を径方向外側から把持して外筒３０に保持させる。

以上で説明したように、ガスセンサ１では、基準ガス導入路ＫＲの全体を、ガス検出素子４０のうち、４つの電極パッド６１ａ〜６１ｄの接触部位６１ａｔ〜６１ｄｔ及び５つのスルーホール導体６３ａ〜６３ｅのいずれよりも先端側ＧＳに、具体的には、スルーホール導体６３ａ〜６３ｅの先端側ＧＳの端に対応する第１先端位置ＭＡよりも先端側ＧＳに設けている。このため、基準ガスを検出部４１ｇまで確実に導入できる。その上、基準ガス導入路ＫＲの存在によって、素子後端部４３のうち、電極パッド６１ａ〜６１ｄの接触部位６１ａｔ〜６１ｄｔやスルーホール導体６３ａ〜６３ｅが設けられた部位の強度が低くなるのを防止できる。

更に、本実施形態１では、基準ガス導入路ＫＲの全体を、ガス検出素子４０のうち、電極パッド６１ａ〜６１ｄ（接触部位６１ａｔ〜６１ｄｔを含む電極パッド６１ａ〜６１ｄの全体）及びスルーホール導体６３ａ〜６３ｅのいずれよりも先端側ＧＳに、具体的には、電極パッド６１ａ〜６１ｄの先端側ＧＳの端に対応する第２先端位置ＭＢよりも先端側ＧＳに設けている。これにより、ガス検出素子４０は、基準ガス導入路ＫＲを有していながらも、素子後端部４３のうち、電極パッド６１ａ〜６１ｄ及びスルーホール導体６３ａ〜６３ｅが設けられた部位の強度を確実に高く保つことができる。そして、このガス検出素子４０を用いることで、ガスセンサ１の信頼性が高くなる。

更に、本実施形態１では、基準ガス導入路ＫＲの開口部ＫＫを、絶縁セパレータ８５の収容部８５ｈ内ではなく、ガス検出素子４０のうち、絶縁セパレータ８５よりも先端側ＧＳに設けている。これにより、基準ガスをより確実に開口部ＫＫから導入できる。
また、本実施形態１では、基準ガス導入路ＫＲをガス検出素子４０の厚み方向ＴＪに延ばすことなく、基準ガス導入路ＫＲの全体を、ガス検出素子４０を構成する単一の固体電解質層５３に沿って設け、開口部ＫＫを素子後端部４３の第１側面４３ｃに設けている。このように基準ガス導入路ＫＲを、三次元的ではなく、二次元的に延びる形態とすることで、基準ガス導入路ＫＲの形成が容易かつ確実になるので、安価で特性バラツキの少ないガスセンサ１とすることができる。

（実施形態２）
次いで、第２の実施形態について説明する（図６及び図７参照）。実施形態２に係るガスセンサ１０１では、ガス検出素子１４０に設けた基準ガス導入路ＫＲの形態が、実施形態１に係るガスセンサ１の基準ガス導入路ＫＲの形態と異なるのみであり、それ以外は実施形態１と同様である。なお、図６及び図７において、実施形態１と基本的に同様な形態をなす部位には、実施形態１と同じ符号を付してある。

本実施形態２でも、第２絶縁層５３の固体電解質層５１側には、基準室凹部５３ｈ及びこれに繋がる基準ガス導入溝５３ｍが設けられている。但し、この基準ガス導入溝５３ｍは、基準室凹部５３ｈから後端側ＧＫに直線状に延びる前述の第１溝部５３ｍ１のみからなる。この基準ガス導入溝５３ｍ（第１溝部５３ｍ１）は、固体電解質層５１と第２絶縁層５３とで囲まれて、基準ガス導入路ＫＲの先端側導入部ＫＲａをなす。

本実施形態２では、実施形態１の第２溝部５３ｍ２に代えて、第２絶縁層５３のうち素子後端部４３をなす後端部分に、第１溝部５３ｍ１の後端に繋がる形態で、かつ、第２絶縁層５３を貫通する貫通孔５３ｈ２が設けられている。更に、第３絶縁層５４のうち素子後端部４３をなす後端部分にも、この第２絶縁層５３の貫通孔５３ｈ２と連通する形態で、かつ、第３絶縁層５４を貫通する貫通孔５４ｈが設けられている。本実施形態２では、これらの貫通孔５３ｈ２，５４ｈが、基準ガス導入路ＫＲの貫通導入部ＫＲｃをなす。また、貫通孔５４ｈのうち素子後端部４３の第２主面４３ｂに開口する開口部が、基準ガス導入路ＫＲの開口部ＫＫをなす。

この基準ガス導入路ＫＲも、その全体（先端側導入部ＫＲａ、貫通導入部ＫＲｃ及び開口部ＫＫ）を、４つの電極パッド６１ａ〜６１ｄの接触部位６１ａｔ〜６１ｄｔ及び５つのスルーホール導体６３ａ〜６３ｅのいずれよりも先端側ＧＳに、具体的には、スルーホール導体６３ａ〜６３ｅの先端側ＧＳの端に対応し図６及び図７に１点鎖線で示す第１先端位置ＭＡよりも先端側ＧＳに設けている。このため、基準ガスを検出部４１ｇまで確実に導入できる。その上、基準ガス導入路ＫＲの存在によって、素子後端部４３のうち、電極パッド６１ａ〜６１ｄの接触部位６１ａｔ〜６１ｄｔやスルーホール導体６３ａ〜６３ｅが設けられた部位の強度が低くなるのを防止できる。

更に、本実施形態２でも、基準ガス導入路ＫＲの全体を、電極パッド６１ａ〜６１ｄ及びスルーホール導体６３ａ〜６３ｅのいずれよりも先端側ＧＳに、具体的には、電極パッド６１ａ〜６１ｄの先端側ＧＳの端に対応し図６及び図７に２点鎖線で示す第２先端位置ＭＢよりも先端側ＧＳに設けている。これにより、ガス検出素子４０は、基準ガス導入路ＫＲを有していながらも、素子後端部４３のうち、電極パッド６１ａ〜６１ｄ及びスルーホール導体６３ａ〜６３ｅが設けられた部位の強度を確実に高く保つことができる。そして、このガス検出素子１４０を用いることで、ガスセンサ１０１の信頼性が高くなる。
更に、本実施形態２でも、基準ガス導入路ＫＲの開口部ＫＫを、ガス検出素子４０のうち、絶縁セパレータ８５よりも先端側ＧＳに設けている。このため、基準ガスをより確実に開口部ＫＫから導入できる。その他、実施形態１と同様な部分は、実施形態１と同様な作用効果を有する。

以上において、本発明を実施形態１，２に即して説明したが、本発明は上述の実施形態１，２に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で、適宜変更して適用できることは言うまでもない。
例えば、実施形態１，２では、酸素濃淡電池が１つ構成される、いわゆる１セルタイプのガス検出素子を備えるガスセンサに本発明を適用したが、これに限られない。基準ガス導入路を有していれば、酸素濃淡電池を複数構成する２セルタイプや３セルタイプのガス検出素子を備えるガスセンサにも、本発明を適用できる。

１，１０１ガスセンサ
１０主体金具
１０ｈ軸孔
２０プロテクタ
３０外筒
４０，１４０ガス検出素子
４１素子先端部
４１ｇ検出部
４３素子後端部
４３ａ（素子後端部の）第１主面（径方向外周面）
４３ｂ（素子後端部の）第２主面（径方向外周面）
４３ｃ（素子後端部の）第１側面（径方向外周面）
４３ｄ（素子後端部の）第２側面（径方向外周面）
５１固体電解質層（セラミック層）
５２第１絶縁層（セラミック層）
５３第２絶縁層（セラミック層）
５４第３絶縁層（セラミック層）
６１ａ第１電極パッド
６１ａｔ（第１電極パッドの）接触部位
６１ｂ第２電極パッド
６１ｂｔ（第２電極パッドの）接触部位
６１ｃ第３電極パッド
６１ｃｔ（第３電極パッドの）接触部位
６１ｄ第４電極パッド
６１ｄｔ（第４電極パッドの）接触部位
６３ａ第１スルーホール導体
６３ｂ第２スルーホール導体
６３ｃ第３スルーホール導体
６３ｄ第４スルーホール導体
６３ｅ第５スルーホール導体
８０端子部材
８５絶縁セパレータ
８５ｈ収容部
９１金属カップ（保持部材）
９２セラミックリング（保持部材）
９３第１滑石リング（保持部材）
９４第２滑石リング（保持部材）
９５スリーブ（保持部材）
ＡＸ軸線
ＨＪ軸線方向
ＧＳ（軸線方向の）先端側
ＧＫ（軸線方向の）後端側
ＫＲ基準ガス導入路
ＫＫ開口部
ＲＡ基準ガス空間
ＭＡ第１先端位置
ＭＢ第２先端位置

Claims

軸線方向に貫通した軸孔を有する筒状の主体金具と、
上記主体金具の上記軸孔内に配置された保持部材と、
上記軸線方向に延びる板状で、上記軸孔内で上記保持部材を介して上記主体金具に保持されたガス検出素子であって、
上記保持部材よりも上記軸線方向の先端側に位置し、被測定ガス中の特定ガス成分を検出する検出部を含む素子先端部、及び、
上記保持部材よりも上記軸線方向の後端側に位置して基準ガスに曝されてなり、自身の表面に電極パッドを含むと共に、自身の内部に上記電極パッドに導通するスルーホール導体を含む素子後端部、を有する
ガス検出素子と、
上記ガス検出素子の上記電極パッドのうち接触部位に当接する端子部材と、を備える
ガスセンサであって、
上記ガス検出素子は、
上記ガス検出素子の内部に、上記素子後端部の径方向外周面に開口した開口部から上記検出部まで延び、上記開口部から上記検出部へ上記基準ガスを導入する基準ガス導入路を有し、
上記基準ガス導入路は、
上記基準ガス導入路の全体が、上記電極パッドの上記接触部位及び上記スルーホール導体のいずれよりも、上記軸線方向の先端側に設けられてなり、
前記ガス検出素子は、厚み方向に積層された複数のセラミック層を有し、
前記径方向外周面は、上記厚み方向に対向する一対の主面と、上記一対の主面の間を結ぶ側面と、を有し、
前記基準ガス導入路は、単一の上記セラミック層に沿って設けられ、前記開口部が上記側面に設けられてなる
ガスセンサ。
請求項１に記載のガスセンサであって、
前記基準ガス導入路は、
前記基準ガス導入路の全体が、前記電極パッド及び前記スルーホール導体のいずれよりも、前記軸線方向の先端側に設けられてなる
ガスセンサ。
請求項１または請求項２に記載のガスセンサであって、
前記端子部材を収容すると共に、前記ガス検出素子の前記素子後端部の一部を収容する絶縁セパレータを備え、
上記絶縁セパレータは、前記保持部材及び前記主体金具と離間しており、
前記基準ガス導入路の前記開口部は、
上記絶縁セパレータよりも上記軸線方向の先端側に設けられてなる
ガスセンサ。
軸線方向に延びる板状をなし、
上記軸線方向の先端側に位置し、被測定ガス中の特定ガス成分を検出する検出部を含む素子先端部、及び、
上記軸線方向の後端側に位置し、自身の表面に、端子部材が当接する接触部位を含む電極パッドを有すると共に、自身の内部に上記電極パッドに導通するスルーホール導体を有する素子後端部、を備える
ガス検出素子であって、
上記ガス検出素子の内部に、上記素子後端部の径方向外周面に開口した開口部から上記検出部まで延び、上記開口部から上記検出部へ基準ガスを導入する基準ガス導入路を有し、
上記基準ガス導入路は、
上記基準ガス導入路の全体が、上記電極パッドの上記接触部位及び上記スルーホール導体のいずれよりも、上記軸線方向の先端側に設けられてなり、
厚み方向に積層された複数のセラミック層を有し、
前記径方向外周面は、上記厚み方向に対向する一対の主面と、上記一対の主面の間を結ぶ側面と、を有し、
前記基準ガス導入路は、単一の上記セラミック層に沿って設けられ、前記開口部が上記側面に設けられてなる
ガス検出素子。
軸線方向に延びる板状をなし、
上記軸線方向の先端側に位置し、被測定ガス中の特定ガス成分を検出する検出部を含む素子先端部、及び、
上記軸線方向の後端側に位置し、自身の表面に電極パッドを有すると共に、自身の内部に上記電極パッドに導通するスルーホール導体を有する素子後端部、を備える
ガス検出素子であって、
上記ガス検出素子の内部に、上記素子後端部の径方向外周面に開口した開口部から上記検出部まで延び、上記開口部から上記検出部へ基準ガスを導入する基準ガス導入路を有し、
上記基準ガス導入路は、
上記基準ガス導入路の全体が、上記電極パッド及び上記スルーホール導体のいずれよりも、上記軸線方向の先端側に設けられてなり、
厚み方向に積層された複数のセラミック層を有し、
前記径方向外周面は、上記厚み方向に対向する一対の主面と、上記一対の主面の間を結ぶ側面と、を有し、
前記基準ガス導入路は、単一の上記セラミック層に沿って設けられ、前記開口部が上記側面に設けられてなる
ガス検出素子。