JP7396917B2 - ガスセンサ - Google Patents

Description

本発明は、ガスの濃度を測定するガスセンサに関する。

特許文献１は、セラミックサポータ、圧粉体などを封止材として用い、センサ素子をハウジング内に封止したガスセンサを開示する。封止材は貫通孔を有し、センサ素子を覆う。センサ素子を気密に封止することで、被測定ガスと基準ガスを分離し、被測定ガスの測定精度を確保できる。

特開２０１７－１７３２２１号公報

ここで、封止材はその端部（貫通孔の開口部）において、センサ素子の表面に垂直に接するのが通例である。このため、ガスセンサに衝撃(応力)が加わった際に、特にその封止材の端部近傍に応力が集中し易くなる。この結果、ガスセンサの気密維持が困難となり、その測定精度が低下するおそれがある。

本発明は、上述した課題に鑑みなされたものであり、衝撃による気密性の劣化を低減できるガスセンサを提供することにある。

本発明の一態様によるガスセンサは、センサ素子と、前記センサ素子が挿通する軸方向の貫通孔を有する金属製の筒状体と、前記貫通孔内に配置され、該貫通孔の内周面と前記センサ素子との間に充填された封止材と、を備える。前記封止材は、前記センサ素子の表面の一部を覆い、かつ前記センサ素子の長手方向に当たる第１の方向に垂直な第２の方向から前記センサ素子を断面視したときに、前記表面に対して、１０°以上８０°以下の第１の傾斜角をなす、端面を有する。

本発明によれば、衝撃による気密性の劣化を低減できる。

本実施形態に係るガスセンサを示す断面図である。 センサ素子の構成の一例を概略的に示した断面模式図である。 図３Ａ～図３Ｃは、封止材の端部付近を模式的に表す断面図である。 図４Ａ、図４Ｂは、封止材の端部付近を模式的に表す断面図である。 図５Ａ～図５Ｃは、封止材の端部付近を模式的に表す断面図である。 図６Ａ、図６Ｂは、封止材の端部付近を模式的に表す断面図である。 図７Ａ、図７Ｂは、封止材の端部付近を模式的に表す断面図である。 図８Ａ、図８Ｂは、封止材の端部付近を模式的に表す断面図である。 基準面を模式的に表す斜視図である。 評価結果を示す表である。 変形例に係るガスセンサを示す断面図である。

本発明に係るガスセンサについて、好適な実施形態を挙げ、添付の図面を参照して以下に詳細に説明する。

本実施形態に係るガスセンサ１０は、図１に示すように、センサ素子１２を備える。センサ素子１２は長尺な直方体形状をしており、このセンサ素子１２の長手方向（図２の左右方向）を前後方向（センサ素子１２が延伸する第１の方向の一例）とし、センサ素子１２の厚み方向（図２の上下方向）を上下方向（後述するセンサ素子１２の主面（表面）１２ａ、１２ｂに垂直な第３の方向の一例）とする。また、センサ素子１２の幅方向（前後方向及び上下方向に垂直な方向）を左右方向とする。

図１に示すように、ガスセンサ１０は、センサ素子１２と、センサ素子１２の前端側を保護する保護カバー１４と、セラミックハウジング１６を含むセンサ組立体２０とを備えている。セラミックハウジング１６は、センサ素子１２の後端部を保持し、センサ素子１２と電気的に接続する端子部材１８が装着されることで、コネクタ２４として機能する。

このガスセンサ１０は、図示するように、例えば車両の排ガス管などの配管２６に取り付けられて、被測定ガスとしての排気ガスに含まれるＮＯｘやＯ₂などの特定ガスの濃度を測定するために用いられる。

保護カバー１４は、センサ素子１２の前端を覆う有底筒状の内側保護カバー１４ａと、この内側保護カバー１４ａを覆う有底筒状の外側保護カバー１４ｂとを備えている。内側保護カバー１４ａ及び外側保護カバー１４ｂには、被測定ガスを保護カバー１４内に流通させるための複数の孔が形成されている。内側保護カバー１４ａで囲まれた空間としてセンサ素子室２８が形成されており、センサ素子１２の前端はこのセンサ素子室２８内に配置されている。

センサ組立体２０は、センサ素子１２を封入固定する素子封止体３０と、素子封止体３０に取り付けられたナット３２と、外筒３４と、センサ素子１２の後端の表面（上下面）に形成された図示しない電極に接触してこれらと電気的に接続されたコネクタ２４と、を備えている。

素子封止体３０は、筒状の主体金具４０と、主体金具４０と同軸に溶接固定された筒状の内筒４２（金属製の筒状体の一例）と、主体金具４０及び内筒４２の内側の貫通孔内に封入された封止材４６と、を備えている。センサ素子１２は素子封止体３０の中心軸上に位置しており、素子封止体３０を前後方向に貫通している。

ナット３２は、主体金具４０と同軸に固定されており、外周面に雄ネジ部が形成されている。ナット３２の雄ネジ部は、配管２６に溶接され内周面に雌ネジ部が設けられた固定用部材５２内に挿入されている。これにより、ガスセンサ１０のうちセンサ素子１２の前端や保護カバー１４の部分が配管２６内に突出した状態で、ガスセンサ１０が配管２６に固定されている。

外筒３４は、センサ素子１２、内筒４２、コネクタ２４の周囲を覆っており、コネクタ２４に接続された複数のリード線５４が後端から外部に引き出されている。このリード線５４は、コネクタ２４を介してセンサ素子１２の各電極（後述）と導通している。外筒３４とリード線５４との隙間はグロメットなどで構成された弾性絶縁部材５６によって封止されている。外筒３４内の空間５０は基準ガス（本実施形態では大気）で満たされている。センサ素子１２の後端はこの空間５０内に配置されている。

一方、センサ素子１２は、図２に示すように、それぞれがジルコニア（ＺｒＯ₂）などの酸素イオン伝導性固体電解質層からなる第１基板層６０と、第２基板層６２と、第３基板層６４と、第１固体電解質層６６と、スペーサ層６８と、第２固体電解質層７０の６つの層が、図面視で下側からこの順に積層された積層体を有する素子である。また、これら６つの層を形成する固体電解質は緻密な気密のものである。センサ素子１２は、例えば、各層に対応するセラミックスグリーンシートに所定の加工及び回路パターンの印刷などを行った後にそれらを積層し、さらに、焼成して一体化させることによって製造される。

センサ素子１２の一端（図２の左側）であって、第２固体電解質層７０の下面と第１固体電解質層６６の上面との間には、ガス導入口８０と、第１拡散律速部８２と、緩衝空間８４と、第２拡散律速部８６と、第１内部空所８８と、第３拡散律速部９０と、第２内部空所９２と、第４拡散律速部９４と、第３内部空所９６とが、この順に連通する態様にて隣接形成されてなる。

ガス導入口８０と、緩衝空間８４と、第１内部空所８８と、第２内部空所９２と、第３内部空所９６とは、スペーサ層６８をくり抜いた態様にて設けられた上部を第２固体電解質層７０の下面で、下部を第１固体電解質層６６の上面で、側部をスペーサ層６８の主面で区画されたセンサ素子１２内部の空間である。

第１拡散律速部８２と、第２拡散律速部８６と、第３拡散律速部９０とはいずれも、２本の横長の（図面に垂直な方向に開口が長手方向を有する）スリットとして設けられる。また、第４拡散律速部９４は、第２固体電解質層７０の下面との隙間として形成された１本の横長の（図面に垂直な方向に開口が長手方向を有する）スリットとして設けられる。なお、ガス導入口８０から第３内部空所９６に至る部位を被測定ガス流通部とも称する。

また、被測定ガス流通部よりも一端側から遠い位置には、第３基板層６４の上面と、スペーサ層６８の下面との間であって、側部を第１固体電解質層６６の側面で区画される位置に基準ガス導入空間９８が設けられている。基準ガス導入空間９８には、ＮＯｘ濃度の測定を行う際の基準ガスとして、例えば大気（図１の空間５０内の雰囲気）が導入される。

大気導入層１００は、多孔質アルミナなどのセラミックスからなり、基準ガス導入空間９８に露出している層である。この大気導入層１００には基準ガス導入空間９８を通じて基準ガスが導入されるようになっている。また、大気導入層１００は、基準電極１０２を被覆するように形成されている。この大気導入層１００は、基準ガス導入空間９８内の基準ガスに対して所定の拡散抵抗を付与しつつ、これを基準電極１０２に導入する。なお、大気導入層１００は、基準電極１０２よりもセンサ素子１２の後端側（図２の右側）でのみ基準ガス導入空間９８に露出するように形成されている。換言すると、基準ガス導入空間９８は、基準電極１０２の直上までは形成されていない。但し、基準電極１０２が基準ガス導入空間９８の図２における真下に形成されていてもよい。

基準電極１０２は、第３基板層６４の上面と第１固体電解質層６６とに挟まれる態様にて形成される電極であり、上述のように、その周囲には、基準ガス導入空間９８につながる大気導入層１００が設けられている。なお、基準電極１０２は、第３基板層６４の上面に直に形成されており、第３基板層６４の上面に接する部分以外が大気導入層１００に覆われている。また、後述するように、基準電極１０２を用いて第１内部空所８８内、第２内部空所９２内、第３内部空所９６内の酸素濃度（酸素分圧）を測定することが可能となっている。基準電極１０２は、多孔質サーメット電極（例えば、ＰｔとＺｒＯ₂とのサーメット電極）として形成される。

被測定ガス流通部において、ガス導入口８０は、外部空間に対して開口してなる部位であり、該ガス導入口８０を通じて外部空間からセンサ素子１２内に被測定ガスが取り込まれるようになっている。第１拡散律速部８２は、ガス導入口８０から取り込まれた被測定ガスに対して、所定の拡散抵抗を付与する部位である。緩衝空間８４は、第１拡散律速部８２より導入された被測定ガスを第２拡散律速部８６へと導くために設けられた空間である。

第２拡散律速部８６は、緩衝空間８４から第１内部空所８８に導入される被測定ガスに対して、所定の拡散抵抗を付与する部位である。被測定ガスが、センサ素子１２の外部から第１内部空所８８内まで導入されるにあたって、外部空間における被測定ガスの圧力変動（被測定ガスが自動車の排気ガスの場合であれば排気圧の脈動）によってガス導入口８０からセンサ素子１２内部に急激に取り込まれた被測定ガスは、直接第１内部空所８８へ導入されるのではなく、第１拡散律速部８２、緩衝空間８４、第２拡散律速部８６を通じて被測定ガスの濃度変動が打ち消された後、第１内部空所８８へ導入されるようになっている。

これによって、第１内部空所８８へ導入される被測定ガスの濃度変動はほとんど無視できる程度のものとなる。第１内部空所８８は、第２拡散律速部８６を通じて導入された被測定ガス中の酸素分圧を調整するための空間として設けられている。係る酸素分圧は、後述する主ポンプセル１１０が作動することによって調整される。

主ポンプセル１１０は、第１内部空所８８の内面に設けられた内側ポンプ電極１１２と、第２固体電解質層７０の上面のうち、内側ポンプ電極１１２と対応する領域に外部空間（図１のセンサ素子室２８）に露出する態様にて設けられた外側ポンプ電極１１４と、これらの電極に挟まれた第２固体電解質層７０とによって構成されてなる電気化学的ポンプセルである。

内側ポンプ電極１１２は、第１内部空所８８を区画する上下の固体電解質層（第２固体電解質層７０及び第１固体電解質層６６）、及び、側壁を与えるスペーサ層６８にまたがって形成されている。具体的には、第１内部空所８８の天井面を与える第２固体電解質層７０の下面には内側ポンプ電極１１２の天井電極部１１２ａが形成され、また、第１内部空所８８の底面を与える第１固体電解質層６６の上面には底部電極部１１２ｂが直に形成され、そして、これら天井電極部１１２ａと底部電極部１１２ｂとを接続するように、側部電極部（図示省略）が第１内部空所８８の両側壁部を構成するスペーサ層６８の側壁面（内面）に形成されて、該側部電極部の配設部位においてトンネル形態とされた構造として配設されている。

内側ポンプ電極１１２と外側ポンプ電極１１４とは、多孔質サーメット電極（例えば、Ａｕを１％含むＰｔとＺｒＯ₂とのサーメット電極）として形成される。なお、被測定ガスに接触する内側ポンプ電極１１２は、被測定ガス中のＮＯｘ成分に対する還元能力を弱めた材料を用いて形成される。

主ポンプセル１１０においては、内側ポンプ電極１１２と外側ポンプ電極１１４との間に所望のポンプ電圧Ｖｐ０を印加して、内側ポンプ電極１１２と外側ポンプ電極１１４との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、第１内部空所８８内の酸素を外部空間に汲み出し、あるいは、外部空間の酸素を第１内部空所８８に汲み入れることが可能となっている。

また、第１内部空所８８における雰囲気中の酸素濃度（酸素分圧）を検出するために、内側ポンプ電極１１２と、第２固体電解質層７０と、スペーサ層６８と、第１固体電解質層６６と、基準電極１０２によって、電気化学的なセンサセル、すなわち、主ポンプ制御用酸素分圧検出センサセル１２０が構成されている。

主ポンプ制御用酸素分圧検出センサセル１２０における起電力Ｖ０を測定することで、第１内部空所８８内の酸素濃度（酸素分圧）がわかるようになっている。さらに、起電力Ｖ０が一定となるように可変電源１２２のポンプ電圧Ｖｐ０をフィードバック制御することでポンプ電流Ｉｐ０が制御されている。これによって、第１内部空所８８内の酸素濃度は所定の一定値に保つことができる。

第３拡散律速部９０は、第１内部空所８８で主ポンプセル１１０の動作により酸素濃度（酸素分圧）が制御された被測定ガスに所定の拡散抵抗を付与して、該被測定ガスを第２内部空所９２に導く部位である。

第２内部空所９２は、予め第１内部空所８８において酸素濃度（酸素分圧）が調整された後、第３拡散律速部９０を通じて導入された被測定ガスに対して、さらに補助ポンプセル１２４による酸素分圧の調整を行うための空間として設けられている。これにより、第２内部空所９２内の酸素濃度を高精度に一定に保つことができるため、このガスセンサ１０においては精度の高いＮＯｘ濃度測定が可能となる。

上記補助ポンプセル１２４は、第２内部空所９２の内面に設けられた補助ポンプ電極１２６と、外側ポンプ電極１１４（外側ポンプ電極１１４に限られるものではなく、センサ素子１２の外側の適当な電極であれば足りる）と、第２固体電解質層７０とによって構成される、補助的な電気化学的ポンプセルである。

この補助ポンプ電極１２６は、上記第１内部空所８８内に設けられた内側ポンプ電極１１２と同様なトンネル形態とされた構造において、第２内部空所９２内に配設されている。つまり、第２内部空所９２の天井面を与える第２固体電解質層７０に対して天井電極部１２６ａが形成され、また、第２内部空所９２の底面を与える第１固体電解質層６６の上面には、底部電極部１２６ｂが直に形成され、そして、それらの天井電極部１２６ａと底部電極部１２６ｂとを連結する側部電極部（図示省略）が、第２内部空所９２の側壁を与えるスペーサ層６８の両壁面にそれぞれ形成されたトンネル形態の構造となっている。なお、補助ポンプ電極１２６についても、内側ポンプ電極１１２と同様に、被測定ガス中のＮＯｘ成分に対する還元能力を弱めた材料を用いて形成される。

補助ポンプセル１２４においては、補助ポンプ電極１２６と外側ポンプ電極１１４との間に所望の電圧Ｖｐ１を印加することにより、第２内部空所９２内の雰囲気中の酸素を外部空間に汲み出し、あるいは、外部空間から第２内部空所９２内に汲み入れることが可能となっている。

また、第２内部空所９２内における雰囲気中の酸素分圧を制御するために、補助ポンプ電極１２６と、基準電極１０２と、第２固体電解質層７０と、スペーサ層６８と、第１固体電解質層６６とによって電気化学的なセンサセル、すなわち、補助ポンプ制御用酸素分圧検出センサセル１３０が構成されている。

なお、この補助ポンプ制御用酸素分圧検出センサセル１３０にて検出される起電力Ｖ１に基づいて電圧制御される可変電源１３２にて、補助ポンプセル１２４がポンピングを行う。これにより第２内部空所９２内の雰囲気中の酸素分圧は、ＮＯｘの測定に実質的に影響がない低い分圧にまで制御されるようになっている。

また、これと共に、そのポンプ電流Ｉｐ１が、主ポンプ制御用酸素分圧検出センサセル１２０の起電力Ｖ０の制御に用いられるようになっている。具体的には、ポンプ電流Ｉｐ１は、制御信号として主ポンプ制御用酸素分圧検出センサセル１２０に入力され、その起電力Ｖ０が制御されることにより、第３拡散律速部９０から第２内部空所９２内に導入される被測定ガス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。ＮＯｘセンサとして使用する際は、主ポンプセル１１０と補助ポンプセル１２４との働きによって、第２内部空所９２内での酸素濃度は約０．００１ｐｐｍ程度の一定の値に保たれる。

第４拡散律速部９４は、第２内部空所９２で補助ポンプセル１２４の動作により酸素濃度（酸素分圧）が制御された被測定ガスに所定の拡散抵抗を付与して、該被測定ガスを第３内部空所９６に導く部位である。第４拡散律速部９４は、第３内部空所９６に流入するＮＯｘの量を制限する役割を担う。

第３内部空所９６は、予め第２内部空所９２において酸素濃度（酸素分圧）が調整された後、第４拡散律速部９４を通じて導入された被測定ガスに対して、被測定ガス中の窒素酸化物（ＮＯｘ）濃度の測定に係る処理を行うための空間として設けられている。ＮＯｘ濃度の測定は、主として、第３内部空所９６において、測定用ポンプセル１４０の動作により行われる。

測定用ポンプセル１４０は、第３内部空所９６内において、被測定ガス中のＮＯｘ濃度の測定を行う。測定用ポンプセル１４０は、第３内部空所９６に面する第１固体電解質層６６の上面に直に設けられた測定電極１３４と、外側ポンプ電極１１４と、第２固体電解質層７０と、スペーサ層６８と、第１固体電解質層６６とによって構成された電気化学的ポンプセルである。測定電極１３４は、多孔質サーメット電極である。測定電極１３４は、第３内部空所９６内の雰囲気中に存在するＮＯｘを還元するＮＯｘ還元触媒としても機能する。

測定用ポンプセル１４０においては、測定電極１３４の周囲の雰囲気中における窒素酸化物の分解によって生じた酸素を汲み出して、その発生量をポンプ電流Ｉｐ２として検出することができる。

また、測定電極１３４の周囲の酸素分圧を検出するために、第１固体電解質層６６と、測定電極１３４と、基準電極１０２とによって電気化学的なセンサセル、すなわち、測定用ポンプ制御用酸素分圧検出センサセル１４２が構成されている。測定用ポンプ制御用酸素分圧検出センサセル１４２にて検出された起電力Ｖ２に基づいて可変電源１４４が制御される。

第２内部空所９２内に導かれた被測定ガスは、酸素分圧が制御された状況下で第４拡散律速部９４を通じて第３内部空所９６の測定電極１３４に到達することとなる。測定電極１３４の周囲の被測定ガス中の窒素酸化物は還元されて（２ＮＯ→Ｎ₂＋Ｏ₂）酸素を発生する。そして、この発生した酸素は測定用ポンプセル１４０によってポンピングされることとなるが、その際、測定用ポンプ制御用酸素分圧検出センサセル１４２にて検出された起電力Ｖ２が一定となるように可変電源１４４の電圧Ｖｐ２が制御される。測定電極１３４の周囲において発生する酸素の量は、被測定ガス中の窒素酸化物の濃度に比例するものであるから、測定用ポンプセル１４０におけるポンプ電流Ｉｐ２を用いて被測定ガス中の窒素酸化物濃度が算出されることとなる。

また、第２固体電解質層７０と、スペーサ層６８と、第１固体電解質層６６と、第３基板層６４と、外側ポンプ電極１１４と、基準電極１０２とから電気化学的なセンサセル１４６が構成されており、このセンサセル１４６によって得られる起電力Ｖｒｅｆによりセンサ外部の被測定ガス中の酸素分圧を検出可能となっている。

さらに、第２固体電解質層７０と、スペーサ層６８と、第１固体電解質層６６と、第３基板層６４と、外側ポンプ電極１１４と、基準電極１０２とから電気化学的な基準ガス調整ポンプセル１５０が構成されている。この基準ガス調整ポンプセル１５０は、外側ポンプ電極１１４と基準電極１０２との間に接続された可変電源１５２が印加する電圧Ｖｐ３により制御電流Ｉｐ３が流れることで、ポンピングを行う。これにより、基準ガス調整ポンプセル１５０は、外側ポンプ電極１１４の周囲の空間（図１のセンサ素子室２８）から基準電極１０２の周囲の空間（大気導入層１００）に酸素の汲み入れを行う。可変電源１５２の電圧Ｖｐ３は、制御電流Ｉｐ３が所定の値（一定値の直流電流）となるような直流電圧として、予め定められている。

このような構成を有するガスセンサ１０においては、主ポンプセル１１０と補助ポンプセル１２４とを作動させることによって酸素分圧が常に一定の低い値（ＮＯｘの測定に実質的に影響がない値）に保たれた被測定ガスが測定用ポンプセル１４０に与えられる。従って、被測定ガス中のＮＯｘの濃度に略比例して、ＮＯｘの還元によって発生する酸素が測定用ポンプセル１４０より汲み出されることによって流れるポンプ電流Ｉｐ２に基づいて、被測定ガス中のＮＯｘ濃度を知ることができるようになっている。

さらに、センサ素子１２は、固体電解質の酸素イオン伝導性を高めるために、センサ素子１２を加熱して保温する温度調整の役割を担うヒータ部１６０を備えている。ヒータ部１６０は、ヒータコネクタ電極１６２と、ヒータ１６４と、スルーホール１６６と、ヒータ絶縁層１６８と、圧力放散孔１７０と、リード線１７２とを備えている。

ヒータコネクタ電極１６２は、第１基板層６０の下面に接する態様にて形成されてなる電極である。ヒータコネクタ電極１６２を外部電源と接続することによって、外部からヒータ部１６０へ給電することができるようになっている。

ヒータ１６４は、第２基板層６２と第３基板層６４とに上下から挟まれた態様にて形成される電気抵抗体である。ヒータ１６４は、リード線１７２及びスルーホール１６６を介してヒータコネクタ電極１６２と接続されており、該ヒータコネクタ電極１６２を通して外部より給電されることにより発熱し、センサ素子１２を形成する固体電解質の加熱と保温を行う。

また、ヒータ１６４は、第１内部空所８８から第３内部空所９６の全域に渡って埋設されており、センサ素子１２全体を上記固体電解質が活性化する温度に調整することが可能となっている。

ヒータ絶縁層１６８は、ヒータ１６４の上下面に、アルミナなどの絶縁体によって形成された多孔質アルミナからなる絶縁層である。ヒータ絶縁層１６８は、第２基板層６２とヒータ１６４との間の電気的絶縁性、及び、第３基板層６４とヒータ１６４との間の電気的絶縁性を得る目的で形成されている。

圧力放散孔１７０は、第３基板層６４を貫通し、基準ガス導入空間９８に連通するように設けられてなる部位であり、ヒータ絶縁層１６８内の温度上昇に伴う内圧上昇を緩和する目的で形成されてなる。

なお、図２に示した可変電源１２２、１４４、１３２、１５２などは、実際にはセンサ素子１２内に形成された図示しないリード線や図１のコネクタ２４及びリード線５４を介して、各電極と接続されている。

図１に示すように、本実施形態は、センサ素子１２の後端部から露出する素子パッド２００には、後方に延びる端子部材１８が電気的に接続されている。センサ素子１２の後端部の周囲にセラミックハウジング１６が設置され、上述した素子パッド２００とセラミックハウジング１６との間に端子部材１８がはめ込まれることで、センサ素子１２の素子パッド２００と端子部材１８とが圧着して電気的に接続される。すなわち、セラミックハウジング１６は、センサ素子１２と電気的に接続する端子部材１８が装着され、センサ素子１２の後端部を保持する。

端子部材１８の後部は、セラミックハウジング１６の後方に延び、弾性絶縁部材５６内に挿入されたリード線５４と半田などによって電気的に接続される。弾性絶縁部材５６は、センサ素子１２の軸方向に複数の貫通孔２０２が形成されている。この貫通孔２０２を通してリード線５４が挿入されて、センサ素子１２から延びる端子部材１８とリード線５４とが半田などによって電気的に接続される。

本実施形態では、封止材４６の端面４６ａが、センサ素子１２の主面１２ａ、１２ｂに対して斜めになっている。すなわち、後述の傾斜角θ１が９０°（垂直）ではない。

図３Ａ～図３Ｃ、図４Ａ、図４Ｂ、図５Ａ～図５Ｃ、図６Ａ、図６Ｂ、図７Ａ、図７Ｂ、図８Ａ、図８Ｂは、封止材４６とセンサ素子１２を基準面Ｓ０で切断した状態を表す。

基準面Ｓ０は、図９に示すように、センサ素子１２の前後方向（第１の方向：センサ素子１２の延伸方向）の軸Ａ１及び上下方向（第３の方向：センサ素子１２の主面１２ａ、１２ｂに垂直な方向）の軸Ａ２を含む平面として規定できる。

ここでは、主面１２ａ、１２ｂを互いに反対向き（向きが１８０°異なる面）の面とし、主面１２ａ、１２ｂの基準面Ｓ０を共通としている。主面１２ａ、１２ｂの向きが逆方向でない（互いに斜めに配置）場合には、主面１２ａ、１２ｂそれぞれで基準面Ｓ０を別個に規定する必要がある。

以下、主面１２ａ、１２ｂを互いに反対側とし、主として主面１２ａ側での傾斜角θ１、θ２（第１、第２の傾斜角）を説明する。なお、主面１２ｂ側も、主面１２ａ側と、同様に考えることができる。

封止材４６の端面４６ａと基準面Ｓ０が交わることで、線分Ｌ（端面４６ａの縁）が示される。また、センサ素子１２の主面１２ａと基準面Ｓ０が交わることで、基準線Ｌ０（端面４６ａの縁）が示される。傾斜角θ１は、線分Ｌと基準線Ｌ０のなす角度（本質的には、センサ素子１２の主面１２ａに対して、封止材４６の端面４６ａがなす角度）である。

図３Ａ～図３Ｃ、図４Ａ、図４Ｂでは、この線分Ｌ（図９参照）が単一または複数の直線から構成される。図５Ａ～図５Ｃ、図６Ａ、図６Ｂでは、この線分Ｌが単一または複数の曲線から構成される。図７Ａ、図７Ｂ、図８Ａ、図８Ｂでは、この線分Ｌが直線と曲線の組み合わせから構成される。

図３Ａ、図５Ａそれぞれでは、線分Ｌは単一の直線Ｌ１または曲線Ｌ１から構成され、基準線Ｌ０（センサ素子１２の主面（表面）１２ａ）と傾斜角θ１で傾斜している。

ここで、センサ素子１２の主面１２ａから基準高さｈ０の面と線分Ｌの交点Ｐ０（以下、基準点Ｐ０という）が表される。基準高さｈ０は、例えば、封止材４６の厚さｄの１／４の高さとする（ｈ０＝ｄ／４）。この基準点Ｐ０は傾斜角θ１の基準であり、この基準点Ｐ０での線分Ｌの傾き（線分Ｌの接線の傾き、本質的には、基準点Ｐ０における端面４６ａの接平面の傾き）によって傾斜角θ１を定義する。

図３Ａのように、線分Ｌが単一の直線のみの場合は、基準点Ｐ０に着目する必要はない。線分Ｌが曲線であったり、複数の線（直線や曲線）を含んだりする場合に、基準点Ｐ０が有効に機能することになる。

このように、基準線Ｌ０に対する、基準点Ｐ０での線Ｌ１の傾き（線Ｌ１が曲線の場合、基準点Ｐ０での線Ｌ１の接線の傾き）として、傾斜角θ１を定義できる。この定義は、線Ｌ１が直線、曲線のいずれであっても適用できる。

傾斜角θ１は、１０°以上８０°以下であることが好ましく、７０°以下であることがより好ましい。傾斜角θ１を９０°より小さくすることで（センサ素子１２に対して封止材４６が斜めに接触する）、ガスセンサ１０に衝撃が加わったときの応力をセンサ素子１２の長手（前後方向）方向にそらし、センサ素子１２の垂直方向に印加される応力を緩和できる。この結果、衝撃時のセンサ素子１２の折れなどを抑制できる。

線分Ｌが、複数の線を有してもよい（端面４６ａが、境界で区分される複数の面を有する）。この場合、この境界を境として、端面４６ａは第１の面、第２の面に区分できる。第１の面は主面１２ａに接触し、第２の面は主面１２ａから離間する。

このとき、図３Ｂ、図５Ｂでは、線分Ｌが、線Ｌ１、Ｌ２（本質的には、２つの面）と、これらを繋ぐ境界点Ｐ１（本質的には、２つの面間の境界）を有する。すなわち、図３Ｂでは、傾きの異なる直線Ｌ１、Ｌ２が境界点Ｐ１で接続される。図５Ｂでは、曲線Ｌ１、Ｌ２が境界点Ｐ１で接続され、この境界点Ｐ１における、曲線Ｌ１、Ｌ２の傾き（曲線Ｌ１、Ｌ２の接線の傾き）が異なる。すなわち、境界点Ｐ１における線分Ｌ（端面４６ａの接平面）の傾きが不連続である。

このように、線分Ｌが境界点Ｐ１を有する場合、基準点Ｐ０との関係が問題となる。ここでは、境界点Ｐ１が基準点Ｐ０の外側（上方）にあるとしている。このとき、線分Ｌは、傾斜角θ１の他に、傾斜角θ２を有する。

傾斜角θ２は、基準線Ｌ０に対する、境界点Ｐ１での線Ｌ２の傾き（線Ｌ２の接線の傾き、本質的には、端面４６ａ（図９参照）の接平面の傾き）として定義できる。

このように、傾斜角θ１、θ２がある場合でも、傾斜角θ１は、１０°以上８０°以下であることが好ましく、７０°以下であることがより好ましい。

また、傾斜角θ１は、傾斜角θ２より小さいことが好ましい（θ１＜θ２）。この場合、センサ素子１２の主面１２ａと封止材４６の角度（傾斜角θ１）がより小さくなり易く、センサ素子１２や封止材４６の破損の抑制が容易となる。一方、θ１＞θ２の場合、センサ素子１２への角度（傾斜角θ１）が増大し、かつ境界点Ｐへの応力集中が過剰になり、封止材４６の破損につながる。

なお、図３Ｃ、図５Ｃは、傾斜角θ１は、傾斜角θ２より大きい場合を示す。

図４Ａ、図６Ａでは、境界点Ｐ１が基準点Ｐ０の内側にあるとしている。この場合、傾斜角θ１は、基準線Ｌ０に対する、基準点Ｐ０での線Ｌ２の傾きとして定義される。すなわち、基準高さｈ０の内側の境界点は、傾斜角θ１を考慮する上で無視されることになる。なお、この場合、傾斜角θ２は、定義されない。

ここで、境界点Ｐは、２つ、あるいは３つ以上とすることができる。図４Ｂ、図６Ｂでは、３つの線Ｌ１～Ｌ３、２つの境界点Ｐ１、Ｐ２を有する。直線Ｌ１、Ｌ２が境界点Ｐ１で接続され、直線Ｌ２、Ｌ３が境界点Ｐ２で接続される。図４Ｂ、図６Ｂでは、境界点Ｐ１が基準点Ｐ０の外側に配置されている。この結果、直線Ｌ１、Ｌ２に対応する傾斜角θ１、θ２が決まる。なお、境界点Ｐ１が基準点Ｐ０の内側に配置されている場合、直線Ｌ２、Ｌ３に対応する傾斜角θ１、θ２が決まる。

以上では、線分Ｌが直線のみ、または曲線のみであった。線分Ｌが直線、曲線の線を組み合わされて構成されていてもよい。図７Ａ及び図７Ｂそれぞれでは、線分Ｌを構成する線Ｌ１、Ｌ２はそれぞれ、直線、曲線の組み合わせ及び曲線、直線の組み合わせである。図８Ａ及び図８Ｂそれぞれでは、線分Ｌを構成する線Ｌ１、Ｌ２、Ｌ３はそれぞれ、直線、曲線、曲線の組み合わせ及び曲線、直線、直線の組み合わせである。このように、線Ｌ１～Ｌ３はそれぞれ、直線、曲線のいずれであってもよい。

以上では、内筒４２内に、封止材４６が充填されている。ここでは、封止材４６は主体金具４０、及び内筒４２と直接に接触する。

なお、封止材４６は、複数の部材を組み合わせて構成してもよい。例えば、セラミックサポータ、圧粉体を交互に配置して、封止材４６とすることができる。この場合、少なくとも一つの部材がセンサ素子１２に対して、１０°以上８０°以下の傾斜角θ１を有すれば足りる。このように、複数の部材を組み合わせて封止材４６を構成した場合でも、一の部材での傾斜角θ１を１０°以上８０°以下とすることで、センサ素子１２の折れなどを低減できる。

ここで、実験例を示す。この実験では、傾斜角θ１、線分Ｌの直線、曲線、境界点の有無を変化させ、耐衝撃試験でのセンサ素子１２に欠け、折れ及び導通の有無をチェックした。

［判定方法］
以下、試験及びその評価の方法を説明する。

試験条件：１．５ｍの高さから、センサ組立体２０の封止材４６がある箇所へ錘（重量：１００ｇ）を落下させ、接点部に衝撃を加えた（ストーンインパクト）。その後、ガスセンサ１０を解体・観察し、センサ素子１２の折れなどの不良が発生しているかを調べた（強度測定）。

[評価]
Ａ：５回以上のストーンインパクトで、センサ素子１２に折れが発生、または発生しなかった
Ｂ：３～４回のストーンインパクトで、センサ素子１２に折れが発生
Ｃ：２回以下のストーンインパクトで、センサ素子１２に折れが発生

ここでは、封止材４６の端面４６ａの状態を次の（１）～（４）に区分した。
（１）図３Ａ対応（基準面Ｓ０上において、端面４６ａが単一の直線Ｌ１をなす）
（２）図３Ｂ対応（基準面Ｓ０上において、端面４６ａが傾きの異なる２つの直線Ｌ１、Ｌ２をなす）
（３）図５Ａ対応（基準面Ｓ０上において、端面４６ａが単一の曲線Ｌ１をなす）
（４）図５Ｂ対応（基準面Ｓ０上において、端面４６ａが２つの曲線Ｌ１、Ｌ２をなし、その境界点Ｐ１における、曲線Ｌ１、Ｌ２の傾きが異なる）

実施例１～４、実施例５～８、実施例９～１２、実施例１３～１６はそれぞれ、封止材４６の端面４６ａが状態（１）～（４）に対応する形状を有する。また、比較例１は状態（１）に対応する形状とした。また、境界点Ｐ１を有する実施例５～８、実施例１３～１６いずれでも、境界点Ｐ１の高さは基準高さｈ０より高いものとした。すなわち、これらの場合、傾斜角θ１は、線Ｌ１によって定まり、線Ｌ２は無関係となる。

実施例１～４はそれぞれ、傾斜角θ１を８０、７０、５０、２０［°］とした。実施例５～８はそれぞれ、傾斜角θ１を８０、７０、３０、１０［°］とした。実施例９～１２はそれぞれ、傾斜角θ１を８０、７０、５０、２０［°］とした。実施例１３～１６はそれぞれ、傾斜角θ１を８０、７０、３０、１０［°］とした。比較例１は傾斜角θ１を９０［°］とした。

封止材４６は、磁器やタルク（滑石）などを成形したり、ガラス材料を溶融、固化したりすることで、形成できる。磁器やタルクなどは、粘土状または粉末状の材料を目的の形状に合わせた金型や冶具で成形し、ガラス材料も金型などによって成形することで、封止材４６の端面４６ａのなす傾斜角θ１を規定した。

図１０に示すように、試験の結果、実施例１～１６はそれぞれ、評価Ｂ、Ａ、Ａ、Ａ、Ｂ、Ａ、Ａ、Ａ、Ｂ、Ａ、Ａ、Ａ、Ｂ、Ａ、Ａ、Ａであり、比較例１は評価Ｃであった。傾斜角θ１は１０～８０［°］とすることで、評価ＡまたはＢが得られ、その内、傾斜角θ１が７０［°］以下の範囲で、評価Ａが得られた。

以上のように、封止材４６をセンサ素子１２の主面１２ａ、１２ｂに対して傾斜させることで、衝撃発生時の応力を緩和することができ、センサ素子１２の折れなどの不良を抑制できたことで、耐久性向上が可能となる。

（変形例）
以下、変形例を説明する。図１１は、変形例に係るガスセンサ１０を示す断面図である。

変形例に係る素子封止体３０は、実施形態と異なり、内筒４２を備えず、筒状の主体金具４０と、主体金具４０及び外筒３４（金属製の筒状体の一例）内に保持された碍子４７（セラミック部材の一例）と、を備える。

碍子４７は、大径部４７ａ、小径部４７ｂ、段部４７ｃを有する。大径部４７ａは、略円柱形状であり、外筒３４内に保持され、略円柱形状の凹部４７ｄを有する。凹部４７ｄには、封止材４６が充填され、センサ素子１２を封止する。小径部４７ｂは、略円柱形状を有し、外筒３４、さらに主体金具４０内に保持される。段部４７ｃは、大径部４７ａ、小径部４７ｂとの境界に形成され、外筒３４内の主体金具４０の後端に配置される。封止材４６は保護カバー１４内のセンサ素子室２８と外筒３４内の空間５０との間を封止すると共に、センサ素子１２を固定している。封止材４６は、例えば、粉末またはペレット状のガラス材料を溶融、固化することで、形成できる。

ここで、碍子４７は封止材４６よりも靭性が高く、主体金具４０は碍子４７よりも靭性が高い。この結果、外的応力がかかった際、碍子４７、封止材４６が緩衝材の役割を果たし、素子表面にかかる応力を緩和することができる。

この変形例においても、実施形態と同様、封止材４６をセンサ素子１２の主面１２ａ、１２ｂに対して傾斜させることで、衝撃発生時の応力を緩和することができ、センサ素子１２の折れなどの不良を抑制できたことで、耐久性向上が可能となる。

以上では、外筒３４（メタルハウジング）内に、碍子４７が配置され、その凹部４７ｄ内に封止材４６が充填されている。この場合、封止材４６は外筒３４と直接には接触しない。これに対して、碍子４７を用いず、外筒３４（メタルハウジング）内に、封止材４６を充填してもよい。この場合、封止材４６は外筒３４と直接に接触する。

本変形例では、封止材４６と外筒３４の間に碍子４７が存在するため、封止材４６が外筒３４（メタルハウジング）に直接接触している場合よりも応力を緩和できる。

ここで、碍子４７は、封止材４６よりも靭性が高く、金属製の外筒３４は碍子４７よりも靭性が高いことが好ましい。これにより、碍子４７、封止材４６が緩衝材の役割を果たし、素子表面にかかる応力をさらに緩和することができる。

［本実施形態から得られる発明］
上記実施形態及び変形例から把握しうる発明について、以下に記載する。

［１］ 本実施形態に係るガスセンサ（１０）は、センサ素子（１２）と、前記センサ素子（１２）が挿通する軸方向の貫通孔を有する金属製の筒状体（４２、３４）と、前記貫通孔内に配置され、該貫通孔の内周面と前記センサ素子（１２）との間に充填された封止材（４６）と、を備える。前記封止材（４６）は、前記センサ素子（１２）の表面（１２ａ）の一部を覆い、かつ前記センサ素子（１２）の長手方向に当たる第１の方向に垂直な第２の方向から前記センサ素子（１２）を断面視したときに、前記表面（１２ａ）に対して、１０°以上８０°以下の第１の傾斜角（θ１）をなす、端面（４６ａ）を有する。

これにより、ガスセンサ（１０）に衝撃が加わったときの応力を第１の方向（センサ素子１２の長手方向）にそらし、センサ素子（１２）の折れなどを抑制できる。

［２］ 本実施形態において、前記第１の傾斜角（θ１）が、７０°以下である。これにより、応力を第１の方向（センサ素子（１２）の長手方向）にさらにそらし、センサ素子（１２）の折れなどをさらに抑制できる。

［３］ 本実施形態において、前記第１の傾斜角（θ１）は、前記表面（１２ａ）に対する、前記表面（１２ａ）から前記封止材（４６）の厚さの１／４の基準高さ（ｈ０）での、前記端面（４６ａ）の傾きである。これにより、端面（４６ａ）が曲面形状を有する場合であっても、第１の傾斜角（θ１）を明確に定義できる。

［４］ 本実施形態において、前記端面（４６ａ）が、前記表面（１２ａ）に接触する第１の面と、前記表面（１２ａ）から離間する第２の面と、前記第１、第２の面間の境界と、を有し、前記境界での前記第１、第２の面の傾きが異なり、前記表面（１２ａ）からの前記境界の高さが、前記基準高さ（ｈ０）より、大きく、前記第１の傾斜角（θ１）が、前記表面（１２ａ）に対する、前記基準高さ（ｈ０）での、前記第１の面の傾きである。これにより、端面（４６ａ）が、境界で傾きが異なる第１、第２の面を有する場合でも、第１の傾斜角（θ１）を明確に定義できる。

［５］ 本実施形態において、前記表面（１２ａ）に対する、前記境界での、前記第２の面の傾きである第２の傾斜角（θ２）が、前記第１の傾斜角（θ１）より、大きい。これにより、端面（４６ａ）が、表面（１２ａ）に対して、第１、第２の傾斜角（θ１、θ２）を有する場合、表面（１２ａ）から遠い方の第２の傾斜角（θ２）を表面（１２ａ）から近い方の第１の傾斜角（θ１）より大きくすることで、これらの境界での応力集中、ひいては封止材（４６）の破損を防止できる。

［６］ 本実施形態において、前記表面（１２ａ）が、前記第１の方向及び前記第２の方向に垂直な第３の方向に垂直であり、前記第１、第３の方向に沿う基準面（Ｓ０）上において、前記第１、第２の面、及び前記表面（１２ａ）がそれぞれ第１、第２、第３の線（Ｌ１、Ｌ２、１２ａ）をなし、前記第１、第２の線（Ｌ１、Ｌ２）の間に、前記境界に対応する境界点（Ｐ１）が配置され、前記第１の傾斜角（θ１）が、前記第３の線（１２ａ）に対する、前記境界点（Ｐ１）における前記第１の線（Ｌ１）の傾きであり、前記第２の傾斜角（θ２）が、前記第３の線（１２ａ）に対する、前記境界点（Ｐ１）における前記第２の線（Ｌ２）の傾きである。これにより、センサ素子（１２）が延伸する第１の方向、及びその表面（１２ａ）に垂直な第３の方向によって、基準面（Ｓ０）を定義することで、第１、第２の傾斜角（θ１、θ２）をより明確に定義できる。

ここで、本実施形態において、前記第１、第２の線（Ｌ１、Ｌ２）が、直線、曲線のいずれでもよい。第１の線（Ｌ１）が曲線の場合、「境界点（Ｐ１）における第１の線（Ｌ１）の傾き」は、境界点（Ｐ１）における第１の線（Ｌ１）の接線の傾きに対応する。また、第２の線（Ｌ２）が曲線の場合、「境界点（Ｐ１）における第２の線（Ｌ２）の傾き」は、境界点（Ｐ１）における第２の線（Ｌ２）の接線の傾きに対応する。

［７］ 本実施形態において、前記貫通孔内にはセラミック部材（４７）が配置され、前記セラミック部材（４７）は凹部（４７ｄ）を有し、前記封止材（４６）は、前記凹部（４７ｄ）中に充填される。

［８］ 本実施形態において、前記セラミック部材（４７）は前記封止材（４６）よりも靭性が高く、前記金属製の筒状体（４２、３４）はセラミック部材（４７）よりも靭性が高い。これにより、セラミック部材（４７）、封止材（４６）が緩衝材の役割を果たし、センサ素子（１２）の表面（１２ａ）にかかる応力をさらに緩和することができる。

なお、本発明の実施に当たっては、本発明の思想を損なわない範囲で自動車用部品としての信頼性向上のための諸手段が付加されてもよい。

１０…ガスセンサ １２…センサ素子
１４…保護カバー １６…セラミックハウジング
１８…端子部材 ２０…センサ組立体
２４…コネクタ ２６…配管
２８…センサ素子室 ３０…素子封止体
３４…外筒 ４０…主体金具
４２…内筒 ４６…封止材
４７…碍子

Claims (9)

1. センサ素子と、
   前記センサ素子が挿通する軸方向の貫通孔を有する金属製の筒状体と、
   前記貫通孔内に配置され、該貫通孔の内周面と前記センサ素子との間に充填された封止材と、を備え、
   前記封止材は、前記センサ素子の表面の一部を覆い、かつ前記センサ素子の長手方向に当たる第１の方向に垂直な第２の方向から前記センサ素子を断面視したときに、前記表面に対して、１０°以上８０°以下の第１の傾斜角をなす、端面を有し、
   前記端面が、前記表面に接触する第１の面と、前記表面から離間する第２の面と、前記第１、第２の面間の境界と、を有し、
   前記境界での前記第１、第２の面の傾きが異なり、
   前記第２の面の傾きは、前記表面に対して９０°未満である、ガスセンサ。
2. 請求項１記載のガスセンサにおいて、
   前記第１の傾斜角が、７０°以下である、ガスセンサ。
3. 請求項１または２記載のガスセンサにおいて、
   前記第１の傾斜角は、前記表面に対する、前記表面から前記封止材の厚さの１／４の基準高さでの、前記端面の傾きである、ガスセンサ。
4. 請求項３記載のガスセンサにおいて、
   前記表面からの前記境界の高さが、前記基準高さより、大きく、
   前記第１の傾斜角が、前記表面に対する、前記基準高さでの、前記第１の面の傾きである、ガスセンサ。
5. 請求項１記載のガスセンサにおいて、
   前記表面に対する、前記境界での、前記第２の面の傾きである第２の傾斜角が、前記第１の傾斜角より、大きい、ガスセンサ。
6. 請求項１記載のガスセンサにおいて、
   前記表面が、前記第１の方向及び前記第２の方向に垂直な第３の方向に垂直であり、
   前記第１、第３の方向に沿う基準面上において、前記第１、第２の面、及び前記表面がそれぞれ第１、第２、第３の線をなし、
   前記第１、第２の線の間に、前記境界に対応する境界点が配置され、
   前記第１の傾斜角が、前記第３の線に対する、前記境界点における前記第１の線の傾きであり、
   前記表面に対する、前記境界での、前記第２の面の傾きである第２の傾斜角が、前記第３の線に対する、前記境界点における前記第２の線の傾きである、ガスセンサ。
7. 請求項３記載のガスセンサにおいて、
   前記表面からの前記境界の高さが、前記基準高さより、小さく、
   前記第１の傾斜角が、前記表面に対する、前記基準高さでの、前記第２の面の傾きである、ガスセンサ。
8. 請求項１～７のいずれか１項に記載のガスセンサにおいて、
   前記貫通孔内にはセラミック部材が配置され、
   前記セラミック部材は凹部を有し、
   前記封止材は、前記凹部に充填される、ガスセンサ。
9. 請求項８記載のガスセンサにおいて、
   前記セラミック部材は前記封止材よりも靭性が高く、
   前記金属製の筒状体は前記セラミック部材よりも靭性が高い、ガスセンサ。

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