(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】公開特許公報(A)
(11)【公開番号】P2023150089
(43)【公開日】2023-10-16
(54)【発明の名称】ガスセンサおよびセンサ素子収容ケーシング
(51)【国際特許分類】
G01N 27/409 20060101AFI20231005BHJP
【ＦＩ】
G01N27/409 100
【審査請求】未請求
【請求項の数】12
【出願形態】ＯＬ
(21)【出願番号】P 2022058995
(22)【出願日】2022-03-31
(71)【出願人】
【識別番号】000004064
【氏名又は名称】日本碍子株式会社
(74)【代理人】
【識別番号】100088672
【弁理士】
【氏名又は名称】吉竹 英俊
(74)【代理人】
【識別番号】100088845
【弁理士】
【氏名又は名称】有田 貴弘
(74)【代理人】
【識別番号】100134991
【弁理士】
【氏名又は名称】中尾 和樹
(74)【代理人】
【識別番号】100148507
【弁理士】
【氏名又は名称】喜多 弘行
(72)【発明者】
【氏名】牧 慎太郎
(72)【発明者】
【氏名】片桐 康太
(72)【発明者】
【氏名】矢板 航平
(72)【発明者】
【氏名】石井 孝顕
(72)【発明者】
【氏名】清家 雄也
【テーマコード（参考）】
2G004
【Ｆターム（参考）】
2G004BB04
2G004BD04
2G004BM10
(57)【要約】
【課題】複雑な構造を有さずともスペーサが安定的に固定されるガスセンサを提供する。
【解決手段】被測定ガスに含まれる所定ガス成分を検知するためのガスセンサが、一方端部側に検知部を備えるセンサ素子と、センサ素子が内部に収容され固定されるケーシングと、ケーシング内部に配置されセンサ素子と外部とを電気的に接続するコネクタとを備え、ケーシングが、内部に基準ガスが存在する主部と、主部よりも縮径してなる端部である封止部とを備え、主部にセンサ素子の他方端部側が突出する外筒と、封止部に嵌め込まれて外筒を封止するゴム製のシール部材と、外筒内部においてシール部材とコネクタとの間に介在するスペーサとを備え、加締めによる縮径に伴いシール部材からスペーサに荷重が作用することで、シール部材との接触面に摩擦力が作用することにより、スペーサがコネクタとシール部材との間で挟持固定されてなる、ようにした。
【選択図】図１
【解決手段】被測定ガスに含まれる所定ガス成分を検知するためのガスセンサが、一方端部側に検知部を備えるセンサ素子と、センサ素子が内部に収容され固定されるケーシングと、ケーシング内部に配置されセンサ素子と外部とを電気的に接続するコネクタとを備え、ケーシングが、内部に基準ガスが存在する主部と、主部よりも縮径してなる端部である封止部とを備え、主部にセンサ素子の他方端部側が突出する外筒と、封止部に嵌め込まれて外筒を封止するゴム製のシール部材と、外筒内部においてシール部材とコネクタとの間に介在するスペーサとを備え、加締めによる縮径に伴いシール部材からスペーサに荷重が作用することで、シール部材との接触面に摩擦力が作用することにより、スペーサがコネクタとシール部材との間で挟持固定されてなる、ようにした。
【選択図】図１
【特許請求の範囲】
【請求項1】
被測定ガスに含まれる所定ガス成分を検知するためのガスセンサであって、
一方端部側に検知部を備えるセンサ素子と、
前記センサ素子が内部に収容され固定されるケーシングと、
前記ケーシング内部に配置され、前記センサ素子と外部とを電気的に接続するコネクタと、
を備え、
前記ケーシングが、
内部に基準ガスが存在する主部と、前記主部よりも縮径してなる端部である封止部とを備え、前記主部に前記センサ素子の他方端部側が突出する外筒と、
前記封止部に嵌め込まれて前記外筒を封止するゴム製のシール部材と、
前記外筒の内部において、前記シール部材と前記コネクタとの間に介在するセラミックス製のスペーサと、
を備え、
前記封止部の側方の所定位置が、外側から加締められた加締め箇所であり、前記シール部材が前記加締め箇所において縮径されてなることで、前記外筒が封止されてなり、
前記スペーサが、
前記コネクタと接触する平坦な第１の端面と、
前記シール部材と接触する平坦な第２の端面と、
を有しており、
前記シール部材が前記加締め箇所において縮径されていることに伴い前記シール部材から前記スペーサに対し所定の荷重が作用することにより前記スペーサと前記シール部材との間に生じている摩擦力が、前記第２の端面に作用することにより、前記スペーサが前記コネクタと前記シール部材との間で挟持固定されてなる、
ことを特徴とするガスセンサ。
一方端部側に検知部を備えるセンサ素子と、
前記センサ素子が内部に収容され固定されるケーシングと、
前記ケーシング内部に配置され、前記センサ素子と外部とを電気的に接続するコネクタと、
を備え、
前記ケーシングが、
内部に基準ガスが存在する主部と、前記主部よりも縮径してなる端部である封止部とを備え、前記主部に前記センサ素子の他方端部側が突出する外筒と、
前記封止部に嵌め込まれて前記外筒を封止するゴム製のシール部材と、
前記外筒の内部において、前記シール部材と前記コネクタとの間に介在するセラミックス製のスペーサと、
を備え、
前記封止部の側方の所定位置が、外側から加締められた加締め箇所であり、前記シール部材が前記加締め箇所において縮径されてなることで、前記外筒が封止されてなり、
前記スペーサが、
前記コネクタと接触する平坦な第１の端面と、
前記シール部材と接触する平坦な第２の端面と、
を有しており、
前記シール部材が前記加締め箇所において縮径されていることに伴い前記シール部材から前記スペーサに対し所定の荷重が作用することにより前記スペーサと前記シール部材との間に生じている摩擦力が、前記第２の端面に作用することにより、前記スペーサが前記コネクタと前記シール部材との間で挟持固定されてなる、
ことを特徴とするガスセンサ。
【請求項2】
請求項１に記載のガスセンサであって、
前記加締め箇所以外における前記シール部材の外径をＡとし、前記加締め箇所における前記シール部材の外径をＢとし、前記シール部材の前記第２の端面との接触面から前記加締め箇所までの距離をＣとし、前記加締め箇所の幅をＤとし、ｋを比例定数とし、前記所定の荷重をＦとするときに、
Ｆ＝ｋ・（Ａ－Ｂ）Ｄ／Ｃ
であり、
前記コネクタと前記シール部材とによる前記スペーサの挟持固定を実現するための前記所定の荷重の最小値をＦｍｉｎとし、前記コネクタと前記センサ素子との間に生じる接点ずれが最大許容範囲と一致するときの前記所定の荷重の値をＦｍａｘとするときに、
Ｆｍｉｎ／ｋ≦（Ａ－Ｂ）Ｄ／Ｃ≦Ｆｍａｘ／ｋ
であることを特徴とするガスセンサ。
前記加締め箇所以外における前記シール部材の外径をＡとし、前記加締め箇所における前記シール部材の外径をＢとし、前記シール部材の前記第２の端面との接触面から前記加締め箇所までの距離をＣとし、前記加締め箇所の幅をＤとし、ｋを比例定数とし、前記所定の荷重をＦとするときに、
Ｆ＝ｋ・（Ａ－Ｂ）Ｄ／Ｃ
であり、
前記コネクタと前記シール部材とによる前記スペーサの挟持固定を実現するための前記所定の荷重の最小値をＦｍｉｎとし、前記コネクタと前記センサ素子との間に生じる接点ずれが最大許容範囲と一致するときの前記所定の荷重の値をＦｍａｘとするときに、
Ｆｍｉｎ／ｋ≦（Ａ－Ｂ）Ｄ／Ｃ≦Ｆｍａｘ／ｋ
であることを特徴とするガスセンサ。
【請求項3】
請求項２に記載のガスセンサであって、
０．１１≦（Ａ－Ｂ）Ｄ／Ｃ≦１．６５
であることを特徴とするガスセンサ。
０．１１≦（Ａ－Ｂ）Ｄ／Ｃ≦１．６５
であることを特徴とするガスセンサ。
【請求項4】
請求項１ないし請求項３のいずれかに記載のガスセンサであって、
前記シール部材の前記スペーサとの接触面の面積Ｓ１と、前記接触面と接触する前記スペーサの前記第２の端面の面積Ｓ２との比Ｓ１／Ｓ２の値が、０．９～１．１の範囲にある、
ことを特徴とするガスセンサ。
前記シール部材の前記スペーサとの接触面の面積Ｓ１と、前記接触面と接触する前記スペーサの前記第２の端面の面積Ｓ２との比Ｓ１／Ｓ２の値が、０．９～１．１の範囲にある、
ことを特徴とするガスセンサ。
【請求項5】
請求項１ないし請求項４のいずれかに記載のガスセンサであって、
前記シール部材がフッ素ゴム製である、
ことを特徴とするガスセンサ。
前記シール部材がフッ素ゴム製である、
ことを特徴とするガスセンサ。
【請求項6】
請求項１ないし請求項５のいずれかに記載のガスセンサであって、
前記スペーサの熱伝導率が３２Ｗ／ｍ・Ｋ以下である、
ことを特徴とするガスセンサ。
前記スペーサの熱伝導率が３２Ｗ／ｍ・Ｋ以下である、
ことを特徴とするガスセンサ。
【請求項7】
被測定ガスに含まれる所定ガス成分を検知する検知部を一方端部側に備えるセンサ素子と、前記センサ素子と外部とを電気的に接続するコネクタとを、前記センサ素子を内部に固定しつつ収容するケーシングであって、
内部に基準ガスが存在する主部と、前記主部よりも縮径してなる端部である封止部とを備え、前記センサ素子の他方端部側が前記主部に突出させて配置される外筒と、
前記封止部に嵌め込まれて前記外筒を封止するゴム製のシール部材と、
前記外筒の内部において、前記シール部材と前記コネクタとの間に介在するセラミックス製のスペーサと、
を備え、
前記封止部の側方の所定位置が、外側から加締められた加締め箇所であり、前記シール部材が前記加締め箇所において縮径されてなることで、前記外筒が封止されてなり、
前記スペーサが、
前記コネクタと接触する平坦な第１の端面と、
前記シール部材と接触する平坦な第２の端面と、
を有しており、
前記シール部材が前記加締め箇所において縮径されていることに伴い前記シール部材から前記スペーサに対し所定の荷重が作用することにより前記スペーサと前記シール部材との間に生じている摩擦力が、前記第２の端面に作用することにより、前記スペーサが前記コネクタと前記シール部材との間で挟持固定されてなる、
ことを特徴とする、センサ素子収容ケーシング。
内部に基準ガスが存在する主部と、前記主部よりも縮径してなる端部である封止部とを備え、前記センサ素子の他方端部側が前記主部に突出させて配置される外筒と、
前記封止部に嵌め込まれて前記外筒を封止するゴム製のシール部材と、
前記外筒の内部において、前記シール部材と前記コネクタとの間に介在するセラミックス製のスペーサと、
を備え、
前記封止部の側方の所定位置が、外側から加締められた加締め箇所であり、前記シール部材が前記加締め箇所において縮径されてなることで、前記外筒が封止されてなり、
前記スペーサが、
前記コネクタと接触する平坦な第１の端面と、
前記シール部材と接触する平坦な第２の端面と、
を有しており、
前記シール部材が前記加締め箇所において縮径されていることに伴い前記シール部材から前記スペーサに対し所定の荷重が作用することにより前記スペーサと前記シール部材との間に生じている摩擦力が、前記第２の端面に作用することにより、前記スペーサが前記コネクタと前記シール部材との間で挟持固定されてなる、
ことを特徴とする、センサ素子収容ケーシング。
【請求項8】
請求項７に記載のセンサ素子収容ケーシングであって、
前記加締め箇所以外における前記シール部材の外径をＡとし、前記加締め箇所における前記シール部材の外径をＢとし、前記シール部材の前記第２の端面との接触面から前記加締め箇所までの距離をＣとし、前記加締め箇所の幅をＤとし、ｋを比例定数とし、前記所定の荷重をＦとするときに、
Ｆ＝ｋ・（Ａ－Ｂ）Ｄ／Ｃ
であり、
前記コネクタと前記シール部材とによる前記スペーサの挟持固定を実現するための前記所定の荷重の最小値をＦｍｉｎとし、前記コネクタと前記センサ素子との間に生じる接点ずれが最大許容範囲と一致するときの前記所定の荷重の値をＦｍａｘとするときに、
Ｆｍｉｎ／ｋ≦（Ａ－Ｂ）Ｄ／Ｃ≦Ｆｍａｘ／ｋ
であることを特徴とするセンサ素子収容ケーシング。
前記加締め箇所以外における前記シール部材の外径をＡとし、前記加締め箇所における前記シール部材の外径をＢとし、前記シール部材の前記第２の端面との接触面から前記加締め箇所までの距離をＣとし、前記加締め箇所の幅をＤとし、ｋを比例定数とし、前記所定の荷重をＦとするときに、
Ｆ＝ｋ・（Ａ－Ｂ）Ｄ／Ｃ
であり、
前記コネクタと前記シール部材とによる前記スペーサの挟持固定を実現するための前記所定の荷重の最小値をＦｍｉｎとし、前記コネクタと前記センサ素子との間に生じる接点ずれが最大許容範囲と一致するときの前記所定の荷重の値をＦｍａｘとするときに、
Ｆｍｉｎ／ｋ≦（Ａ－Ｂ）Ｄ／Ｃ≦Ｆｍａｘ／ｋ
であることを特徴とするセンサ素子収容ケーシング。
【請求項9】
請求項８に記載のセンサ素子収容ケーシングであって、
０．１１≦（Ａ－Ｂ）Ｄ／Ｃ≦１．６５
であることを特徴とするセンサ素子収容ケーシング。
０．１１≦（Ａ－Ｂ）Ｄ／Ｃ≦１．６５
であることを特徴とするセンサ素子収容ケーシング。
【請求項10】
請求項７ないし請求項９のいずれかに記載のセンサ素子収容ケーシングであって、
前記シール部材の前記スペーサとの接触面の面積Ｓ１と、前記接触面と接触する前記スペーサの前記第２の端面の面積Ｓ２との比Ｓ１／Ｓ２の値が、０．９～１．１の範囲にある、
ことを特徴とするセンサ素子収容ケーシング。
前記シール部材の前記スペーサとの接触面の面積Ｓ１と、前記接触面と接触する前記スペーサの前記第２の端面の面積Ｓ２との比Ｓ１／Ｓ２の値が、０．９～１．１の範囲にある、
ことを特徴とするセンサ素子収容ケーシング。
【請求項11】
請求項７ないし請求項１０のいずれかに記載のセンサ素子収容ケーシングであって、
前記シール部材がフッ素ゴム製である、
ことを特徴とするセンサ素子収容ケーシング。
前記シール部材がフッ素ゴム製である、
ことを特徴とするセンサ素子収容ケーシング。
【請求項12】
請求項７ないし請求項１１のいずれかに記載のセンサ素子収容ケーシングであって、
前記スペーサの熱伝導率が３２Ｗ／ｍ・Ｋ以下である、
ことを特徴とするセンサ素子収容ケーシング。
前記スペーサの熱伝導率が３２Ｗ／ｍ・Ｋ以下である、
ことを特徴とするセンサ素子収容ケーシング。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、ガスセンサに関し、特に、センサ素子が収容されるケーシング内に配置されるスペーサの固定に関する。
【背景技術】
【0002】
従来より、自動車のエンジン等の内燃機関における燃焼ガスや排気ガス等の被測定ガス中の所定ガス成分の濃度を測定する装置として、ジルコニア（ＺｒＯ２）等の酸素イオン伝導性固体電解質セラミックスを用いてセンサ素子を形成したガスセンサが公知である。
【0003】
係るガスセンサとして、酸素イオン伝導性セラミックス（例えば、イットリア安定化ジルコニア）を主たる構成材料とする長尺板状のセンサ素子（検出素子）が、金属製の筒状の収容部材（ケーシング）に収容された構成を有するものが、広く用いられている。係るガスセンサは、内燃機関の排気経路の途中に付設され、排ガスに含まれる所定ガス成分の検知および濃度の測定に使用される。
【0004】
ケーシングの一方端部は開口部となっており、該開口部にはゴム製のシール部材が嵌め込まれている。また、ケーシングの他方端部には排ガスが出入可能な保護カバーが付設されている。センサ素子は、該ケーシング内部に両端部間を気密に封止されつつ収容されている。これにより、ガスセンサにおいては、ケーシングの一方端部側においてセンサ素子の一方端部がケーシング内の基準ガス（通常は大気）に接触し、ケーシングの他方端部側においてはセンサ素子の他方端部が保護カバー内に露出して排ガスに接触するようになっている。かつ、それら基準ガスと排ガスとは、互いに接触しないようになっている。
【0005】
ゴム製のシール部材は、あらかじめ設けられてなる貫通部にセンサ素子と外部との電気的接続を図るためのリード線が挿通されたうえで、ケーシングの開口部に嵌め込まれており、係る嵌め込み箇所の側部からケーシングがシール部材ともども加締められることによって、開口部を通じた外部からの水の浸入が生じないようになっている。
【0006】
また、ケーシングの内部には、センサ素子と電気的接続を図るための接続端子を備えたセラミック製の接点保持部材（コネクタ）が配されており、接続端子に接続されたリード線が、シール部材を貫通して外部に延在してなる。係る場合において、シール部材と接点保持部材との間に、絶縁や断熱などを目的として、スペーサやセパレータなどと称される、セラミックなどからなる部材を配置する構成も、すでに公知である（例えば、特許文献１参照）。そうしたスペーサ等の部材は、外部からの加振や衝撃の印加などに起因して電極などの部材が破壊されることがないよう、その位置が固定されることが望ましい。
【0007】
特許文献１に開示されたガスセンサにおいては、先端側セパレータと称される接点保持部材に検出素子と称されるセンサ素子の端部が収容されるとともに、閉塞部材と称されるシール部材と先端側セパレータとの間に後端側セパレータと称されるスペーサ部材が介在させられてなる。
【0008】
後端側セパレータの長手方向（軸方向）の位置は、後端側セパレータが閉塞部材と先端側セパレータにより挟まれることによって固定されている。一方、後端側セパレータの軸方向に垂直な方向（径方向）の位置は、後端側セパレータと後端側セパレータのそれぞれの対向する端面に互いに嵌合する凹凸構造を形成し、それらの凹凸部分を嵌合させることによって固定されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0009】
【特許文献1】特許第６７８７８１０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0010】
特許文献１に開示されているような、接点保持部材とスペーサとを互いに嵌合させるための凹凸構造を設けることは、加工の複雑さや、組立時の位置合わせ（位相合わせ）を行う必要がある点から、製造コストを押し上げる要因となるため、好ましくない。
【0011】
また、近年、内燃機関における部品取付スペースの狭小化のために、ガスセンサの短小化（短尺化）や小型化の要請が高まっている。特許文献１に開示されているような、凹凸構造を有する接点保持部材とスペーサとを互いに嵌合させる構成を設けることは、嵌合部分を確保する必要がある点において、軸方向および径方向の双方につき、短小化・小型化の点からは不利である。
【0012】
本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、複雑な構造を有さずともスペーサが安定的に固定されるガスセンサを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【0013】
上記課題を解決するため、本発明の第１の態様は、被測定ガスに含まれる所定ガス成分を検知するためのガスセンサであって、一方端部側に検知部を備えるセンサ素子と、前記センサ素子が内部に収容され固定されるケーシングと、前記ケーシング内部に配置され、前記センサ素子と外部とを電気的に接続するコネクタと、を備え、前記ケーシングが、内部に基準ガスが存在する主部と、前記主部よりも縮径してなる端部である封止部とを備え、前記主部に前記センサ素子の他方端部側が突出する外筒と、前記封止部に嵌め込まれて前記外筒を封止するゴム製のシール部材と、前記外筒の内部において、前記シール部材と前記コネクタとの間に介在するセラミックス製のスペーサと、を備え、前記封止部の側方の所定位置が、外側から加締められた加締め箇所であり、前記シール部材が前記加締め箇所において縮径されてなることで、前記外筒が封止されてなり、前記スペーサが、前記コネクタと接触する平坦な第１の端面と、前記シール部材と接触する平坦な第２の端面と、を有しており、前記シール部材が前記加締め箇所において縮径されていることに伴い前記シール部材から前記スペーサに対し所定の荷重が作用することにより前記スペーサと前記シール部材との間に生じている摩擦力が、前記第２の端面に作用することにより、前記スペーサが前記コネクタと前記シール部材との間で挟持固定されてなる、ことを特徴とする。
【0014】
本発明の第２の態様は、第１の態様に係るガスセンサであって、前記加締め箇所以外における前記シール部材の外径をＡとし、前記加締め箇所における前記シール部材の外径をＢとし、前記シール部材の前記第２の端面との接触面から前記加締め箇所までの距離をＣとし、前記加締め箇所の幅をＤとし、ｋを比例定数とし、前記所定の荷重をＦとするときに、Ｆ＝ｋ・（Ａ－Ｂ）Ｄ／Ｃであり、前記コネクタと前記シール部材とによる前記スペーサの挟持固定を実現するための前記所定の荷重の最小値をＦｍｉｎとし、前記コネクタと前記センサ素子との間に生じる接点ずれが最大許容範囲と一致するときの前記所定の荷重の値をＦｍａｘとするときに、Ｆｍｉｎ／ｋ≦（Ａ－Ｂ）Ｄ／Ｃ≦Ｆｍａｘ／ｋであることを特徴とする。
【0015】
本発明の第３の態様は、第２の態様に係るガスセンサであって、０．１１≦（Ａ－Ｂ）Ｄ／Ｃ≦１．６５であることを特徴とする。
【0016】
本発明の第４の態様は、第１ないし第３の態様のいずれかに係るガスセンサであって、前記シール部材の前記スペーサとの接触面の面積Ｓ１と、前記接触面と接触する前記スペーサの前記第２の端面の面積Ｓ２との比Ｓ１／Ｓ２の値が、０．９～１．１の範囲にある、ことを特徴とする。
【0017】
本発明の第５の態様は、第１ないし第４の態様のいずれかに係るガスセンサであって、前記シール部材がフッ素ゴム製である、ことを特徴とする。
【0018】
本発明の第６の態様は、第１ないし第５の態様のいずれかに係るガスセンサであって、前記スペーサの熱伝導率が３２Ｗ／ｍ・Ｋ以下である、ことを特徴とする。
【0019】
本発明の第７の態様は、被測定ガスに含まれる所定ガス成分を検知する検知部を一方端部側に備えるセンサ素子と、前記センサ素子と外部とを電気的に接続するコネクタとを、前記センサ素子を内部に固定しつつ収容するケーシングであって、内部に基準ガスが存在する主部と、前記主部よりも縮径してなる端部である封止部とを備え、前記センサ素子の他方端部側が前記主部に突出させて配置される外筒と、前記封止部に嵌め込まれて前記外筒を封止するゴム製のシール部材と、前記外筒の内部において、前記シール部材と前記コネクタとの間に介在するセラミックス製のスペーサと、を備え、前記封止部の側方の所定位置が、外側から加締められた加締め箇所であり、前記シール部材が前記加締め箇所において縮径されてなることで、前記外筒が封止されてなり、前記スペーサが、前記コネクタと接触する平坦な第１の端面と、前記シール部材と接触する平坦な第２の端面と、を有しており、前記シール部材が前記加締め箇所において縮径されていることに伴い前記シール部材から前記スペーサに対し所定の荷重が作用することにより前記スペーサと前記シール部材との間に生じている摩擦力が、前記第２の端面に作用することにより、前記スペーサが前記コネクタと前記シール部材との間で挟持固定されてなる、ことを特徴とする。
【0020】
本発明の第８の態様は、第７の態様に係るセンサ素子収容ケーシングであって、前記加締め箇所以外における前記シール部材の外径をＡとし、前記加締め箇所における前記シール部材の外径をＢとし、前記シール部材の前記第２の端面との接触面から前記加締め箇所までの距離をＣとし、前記加締め箇所の幅をＤとし、ｋを比例定数とし、前記所定の荷重をＦとするときに、Ｆ＝ｋ・（Ａ－Ｂ）Ｄ／Ｃであり、前記コネクタと前記シール部材とによる前記スペーサの挟持固定を実現するための前記所定の荷重の最小値をＦｍｉｎとし、前記コネクタと前記センサ素子との間に生じる接点ずれが最大許容範囲と一致するときの前記所定の荷重の値をＦｍａｘとするときに、Ｆｍｉｎ／ｋ≦（Ａ－Ｂ）Ｄ／Ｃ≦Ｆｍａｘ／ｋであることを特徴とする。
【0021】
本発明の第９の態様は、第８の態様に係るセンサ素子収容ケーシングであって、０．１１≦（Ａ－Ｂ）Ｄ／Ｃ≦１．６５であることを特徴とする。
【0022】
本発明の第１０の態様は、第７ないし第９の態様のいずれかに係るセンサ素子収容ケーシングであって、前記シール部材の前記スペーサとの接触面の面積Ｓ１と、前記接触面と接触する前記スペーサの前記第２の端面の面積Ｓ２との比Ｓ１／Ｓ２の値が、０．９～１．１の範囲にある、ことを特徴とする。
【0023】
本発明の第１１の態様は、第７ないし第１０の態様のいずれかに係るセンサ素子収容ケーシングであって、前記シール部材がフッ素ゴム製である、ことを特徴とする。
【0024】
本発明の第１２の態様は、第７ないし第１１の態様のいずれかに係るセンサ素子収容ケーシングであって、前記スペーサの熱伝導率が３２Ｗ／ｍ・Ｋ以下である、ことを特徴とする。
【発明の効果】
【0025】
本発明の第１ないし第１２の態様によれば、スペーサの両端面が平坦であり、それぞれの端面がコネクタおよびシール部材と面接触してなり、側方からスペーサが拘束されない構成のガスセンサあるいはセンサ素子収容ケーシングにおいて、コネクタとシール部材とによるスペーサの挟持固定が実現されてなる。
【0026】
特に、本発明の第２、第３、第８、および第９の態様によれば、コネクタとセンサ素子との間に許容範囲を超えた接点ずれを生じさせることなく、コネクタとシール部材との挟持によるスペーサの安定的な固定が実現されてなる。
【図面の簡単な説明】
【0027】
【図1】ガスセンサ１００の長手方向に沿った要部断面図である。
【図2】水準１～水準４のガスセンサ１００についての接点ずれ距離を、接点ずれ許容距離に対する裕度として示す図である。
【図3】センサ素子１０の長手方向に沿った断面図である。
【発明を実施するための形態】
【0028】
＜ガスセンサの構成＞
図１は、本発明の実施の形態に係るガスセンサ１００の（より詳細にはその本体部の）長手方向に沿った要部断面図である。より詳細には、破断線ＺＬよりも上方においてはガスセンサ１００の断面図を示し、破断線ＺＬよりも下方においてはガスセンサ１００の外観のみを示している。
図１は、本発明の実施の形態に係るガスセンサ１００の（より詳細にはその本体部の）長手方向に沿った要部断面図である。より詳細には、破断線ＺＬよりも上方においてはガスセンサ１００の断面図を示し、破断線ＺＬよりも下方においてはガスセンサ１００の外観のみを示している。
【0029】
ガスセンサ１００は、その内部に備わるセンサ素子１０によって所定のガス成分（例えば、ＮＯｘ等）を検出するためのものである。ガスセンサ１００は概略、長尺の柱状あるいは薄板状のセンサ素子（検出素子）１０が、筒状体１と、保護カバー２と、固定ボルト３と、外筒４とによって囲繞された構成を有する。筒状体１と、保護カバー２と、外筒４とは、全体として、センサ素子１０を内部に収容する収容部材（ケーシング）を構成している。一方、固定ボルト３は筒状体１の外側面に環装されている。
【0030】
センサ素子１０は、筒状体１、保護カバー２、固定ボルト３、および外筒４と同軸に配置されてなる。係るセンサ素子１０の中心軸の延在方向を軸線方向とも称する。図１においては、該軸線方向は図面視上下方向と一致している。
【0031】
より詳細には、センサ素子１０の一方端部側（例えば図３の第１の端部Ｅ１側）は保護カバー２に囲繞されており、他方端部側は外筒４内に突出しており、両者の間の略中央部分は、図示しないセラミックスの圧粉体やセラミックス部品により、両端部間を気密に封止する態様にて筒状体１の内部に固定されてなる。
【0032】
センサ素子１０の保護カバー２に囲繞された一方端部側には、検知部（例えば、ガス導入口、内部空室、検知電極など）を備わっている。加えて、センサ素子１０の素子体表面および内部には、種々の電極や配線パターンが備わっている。
【0033】
例えば、センサ素子１０のある一態様においては、素子内部に導入された被測定ガスが素子内部で還元ないしは分解されて酸素イオンが発生する。このようなセンサ素子１０を備えるガスセンサ１００においては、素子内部を流れる酸素イオンの量が被測定ガス中における検知対象ガス成分の濃度に比例することに基づいて、当該ガス成分の濃度が求められる。
【0034】
筒状体１は、主体金具とも称される金属製の筒状部材である。筒状体１は、ガスセンサ１００の外部にはほとんど露出していないが、保護カバー２の図面視上端部から外筒４の図面視下端部にわたる範囲に備わっている。筒状体１の内部には、センサ素子１０と、該センサ素子１０に環装されてなる固定用の部品（圧粉体やセラミックス部品）とが、収容されてなる。換言すれば、筒状体１は、センサ素子１０の周りに環装された環装部品の周囲に、さらに環装されてなる。
【0035】
保護カバー２は、センサ素子１０のうち、使用時に被測定ガスに直接に接触する部分である第１の端部Ｅ１側の所定範囲を保護する、略円筒状の外装部材である。保護カバー２は、筒状体１の図面視下側の端部に、溶接固定されてなる。
【0036】
保護カバー２には、気体が通過可能な複数の貫通孔Ｈが設けられてなる。係る貫通孔Ｈを通じて保護カバー２内に流入した被測定ガスが、センサ素子１０における直接の検知対象となる。なお、図１に示す貫通孔の種類、配置個数、配置位置、形状などあくまで例示であって、保護カバー２の内部への被測定ガスの流入態様を考慮して適宜に定められてよい。
【0037】
固定ボルト３は、ガスセンサ１００を測定位置に固定する際に用いられる環状の部材である。固定ボルト３は、ねじ切りがされたボルト部３ａと、ボルト部３ａを螺合する際に保持される保持部３ｂとを備えている。ボルト部３ａは、ガスセンサ１００の取り付け位置に設けられたナットと螺合する。これにより、ガスセンサ１００は、保護カバー２の側が測定対象ガスと接触する態様にて測定位置に固定される。例えば、自動車の排気管に設けられたナット部にボルト部３ａが螺合されることで、ガスセンサ１００は、保護カバー２の側が排気管内に露出する態様にて該排気管に固定される。
【0038】
外筒４は、その一方端部（図面視下端部）が筒状体１の図示しない上部の外周端部に溶接固定されてなる、円筒状部材である。外筒４は、筒状体１との溶接固定箇所から軸線方向に同径にて延在する主部４ａと、該軸線方向において主部４ａに連続する封止部４ｂとを備える。封止部４ｂは、該主部４ａよりも縮径してなる端部である。
【0039】
外筒４の内部空間は基準ガス（大気）雰囲気となっている。また、主部４ａの内部にはコネクタ（接点保持部材とも称する）５とスペーサ７とが配されている。
【0040】
一方、封止部４ｂは、シール部材６が嵌め込まれた状態で、側方から加締められることにより、外筒４の他方端部（図面視上端部）を封止（シール）してなる部位である。
【0041】
係る封止は、シール部材６の図面視側方位置にあたる加締め箇所Ｓにおいて、封止部４ｂがその周方向全体に亘って外側から加締められることにより、シール部材６が径方向外側へと向かう反力を生じさせることによって、実現されてなる。
【0042】
シール部材６はゴム製である。それゆえ、シール部材６はゴム栓あるいはグロメットとも称される。使用されるゴムは、典型的にはフッ素ゴムである。シール部材６は、封止部４ｂへの嵌め込み前には一様な円筒状をなしていたが、嵌め込みさらには加締めによって径方向に変形させられてなる。シール部材６は、外筒４内（図面視下端部）の端面６ａにおいて、スペーサ７と接触している。
【0043】
コネクタ５には、センサ素子１０の他方端部側（例えば図３の第２の端部Ｅ２側）が挿入されている。コネクタ５には、係るセンサ素子１０の挿入状態においてセンサ素子１０に備わる複数の電極端子１６０（図３参照）と接する、複数の金属製の接点部材５１が備わっている。接点部材５１は、その一方端部（図面視下端部）がコネクタ５に掛止される掛止部５１ａとなっており、他方端部（図面視上端部）は、リード線８が圧着固定される圧着部５１ｂとなっており、その間の部分が板バネ状をなしている。コネクタ５とセンサ素子１０との間に接点部材５１が挟持固定されることで、センサ素子１０の電極端子１６０と接点部材５１とが電気的に接続されてなる。
【0044】
コネクタ５は、センサ素子１０が挿入されている側とは反対側（図面視上端部）の端面５ｅにおいて、スペーサ７と接触している。
【0045】
スペーサ７は、外筒４の内部において、コネクタ５とシール部材６とに挟み込まれて（介在して）いる。スペーサ７は、ガスセンサ１００の使用時におけるシール部材６の昇温を抑制する目的で、設けられてなる。スペーサ７の材質としては、強度確保の点からセラミックスが選択される。
【0046】
好ましくは、耐熱性の点から好適な、熱伝導率が３２Ｗ／ｍ・Ｋ以下であるセラミックスが選択される。より好ましくは、アルミナ（熱伝導率：３２Ｗ／ｍ・Ｋ）またはステアタイト（熱伝導率：２Ｗ／ｍ・Ｋ）が選択される。
【0047】
スペーサ７はその一方端部（図面視下端部）側の端面７ａにおいてコネクタ５の端面５ｅと接触し、他方端部（図面視上端部）側の端面７ｅにおいてシール部材６の端面６ａと接触している。スペーサ７の端面７ａおよび端面７ｅはともに、貫通穴９を除いて平坦となっている。それゆえ、本実施の形態に係るガスセンサ１００においては、コネクタ５とスペーサ７とが互いに面接触し、かつ、シール部材６とスペーサ７とが互いに面接触した状態で、スペーサ７がコネクタ５とシール部材６とによって挟持固定されている。
【0048】
リード線８は、シール部材６およびスペーサ７に連続的に設けられた貫通穴９に挿通されてなり、一方端部は接点部材５１の圧着部５１ｂに圧着固定されてなり、他方端部はガスセンサ１００の外部のコントローラ５０や各種電源（図３参照）に接続されてなる。これにより、センサ素子１０とコントローラ５０や各種電源とが、接点部材５１およびリード線８を通じて電気的に接続されてなる。なお、図１には、接点部材５１とリード線８とをそれぞれ２つずつのみ示しているが、これはあくまで図示の簡単のためであり、実際には、上記の電気的接続に必要な数のリード線が備わっている。
【0049】
なお、以上のような構成を有するガスセンサ１００は、従来と同様の手法にて作製することが可能である。概略的にいえば、まず、加締め箇所Ｓの加締めに先立ってあらかじめ、センサ素子１０の挿入と接点部材５１とリード線８との接続とがなされたコネクタ５が、外筒４の主部４ａ内に配置される。続いて、リード線８が、スペーサ７、シール部材６の順にそれぞれの貫通穴９に挿通され順にコネクタ５の上に積み重ねられる。併せて、リード線８が挿通されたシール部材６は、加締め前の封止部４ｂに嵌め込まれる。通常は、シール部材６の嵌め込みがなされるまでの時点においてすでに、外筒４内に基準ガスとしての大気が入り込んでいる。シール部材６の嵌め込みがなされると、加締め箇所Ｓが所定の加締め手段にて加締められる。
【0050】
なお、加締めは、封止部４ｂの外周全体に亘って連続的に延在する加締め箇所Ｓを対象に行われるのが好適な一例であるが、良好な加締め固定が実現される限りにおいて、加締め箇所Ｓが封止部４ｂの周方向において不連続となっていてもよい。
【0051】
＜シール部材における寸法関係＞
上述のように、本実施の形態に係るガスセンサ１００においては、スペーサ７の端面７ａおよび端面７ｅがともに平坦となっており、それぞれに、コネクタ５およびシール部材６と面接触している。これにより、スペーサ７は軸方向（図１においては上下方向、以下同様）においてコネクタ５およびシール部材６により挟持固定されているが、その一方で、側方（径方向）からは何ら拘束をされてはいない。しかしながら、ガスセンサ１００においては、上述した加締めによる固定に際しシール部材６が所定の寸法関係をみたすことで、スペーサ７が軸方向のみならずこれに直交する径方向においても、安定的に固定された状態が実現されている。
上述のように、本実施の形態に係るガスセンサ１００においては、スペーサ７の端面７ａおよび端面７ｅがともに平坦となっており、それぞれに、コネクタ５およびシール部材６と面接触している。これにより、スペーサ７は軸方向（図１においては上下方向、以下同様）においてコネクタ５およびシール部材６により挟持固定されているが、その一方で、側方（径方向）からは何ら拘束をされてはいない。しかしながら、ガスセンサ１００においては、上述した加締めによる固定に際しシール部材６が所定の寸法関係をみたすことで、スペーサ７が軸方向のみならずこれに直交する径方向においても、安定的に固定された状態が実現されている。
【0052】
これは、概略的にいえば、上述したガスセンサ１００の組立プロセスにおいて加締め箇所Ｓが所定の加締め手段にて加締められることに伴い、径方向外側へと向かう反力を生じさせるとともに軸方向へ伸長変形しようとするシール部材６が、スペーサ７をコネクタ５に押し付ける方向への軸方向荷重をスペーサ７に作用させる結果として、シール部材６とスペーサ７の間に径方向に（静止）摩擦力が生じることを、利用している。係る摩擦力は、所定の摩擦係数とスペーサ７に作用する軸方向荷重に比例している。
【0053】
本実施の形態に係るガスセンサ１００においては、シール部材６とスペーサ７の間に上述の摩擦力が好適に作用する態様にて加締め箇所Ｓが加締められていることにより、スペーサ７の端面７ａおよび７ｅがともに平坦であってスペーサ７とコネクタ５とが互いを拘束する構造を有していないにも関わらず、仮に振動などに起因してスペーサ７に対し外力が作用するような場合であっても、スペーサ７の径方向の動きが抑制されるようになっている。すなわち、スペーサ７は、径方向について安定的に固定されてなる。
【0054】
好ましくは、図１に示す以下の４箇所の寸法Ａ、Ｂ、Ｃ、およびＤ（いずれも単位：ｍｍ）が、所定の関係をみたすことにより、スペーサ７が固定された状態が安定的に実現されてなる。
【0055】
Ａ：加締め箇所Ｓ以外における（あるいは加締め前の）シール部材６の外径；
Ｂ：加締め箇所Ｓにおける（加締め後の）シール部材６の外径；
Ｃ：端面６ｅから加締め箇所Ｓまでの距離（以下、加締めピッチ）；
Ｄ：加締め箇所Ｓの幅（以下、加締め長）。
Ｂ：加締め箇所Ｓにおける（加締め後の）シール部材６の外径；
Ｃ：端面６ｅから加締め箇所Ｓまでの距離（以下、加締めピッチ）；
Ｄ：加締め箇所Ｓの幅（以下、加締め長）。
【0056】
まず、加締めの際にシール部材６からスペーサ７に作用する軸方向荷重をＦとすると、軸方向荷重Ｆは、加締めの深さ（加締め前後でのシール部材６の外径の差）Ａ－Ｂと、加締め長Ｄとに比例し、ピッチＣに反比例すると考えられる。それゆえ、
Ｆ＝ｋ・（Ａ－Ｂ）Ｄ／Ｃ ・・・・・（１）
なる関係式が成り立つ。ここで、比例定数ｋは、シール部材６とスペーサ７の材質によって決まる値である。
Ｆ＝ｋ・（Ａ－Ｂ）Ｄ／Ｃ ・・・・・（１）
なる関係式が成り立つ。ここで、比例定数ｋは、シール部材６とスペーサ７の材質によって決まる値である。
【0057】
比例定数ｋの値は、ガスセンサ１００の４つの寸法Ａ、Ｂ、Ｃ、およびＤの値と、当該ガスセンサ１００における軸方向荷重Ｆの値とがともに既知であれば、式（１）より求めることが出来る。
【0058】
また、軸方向荷重Ｆには、スペーサ７の固定に適した範囲が存在する。すなわち、
Ｆｍｉｎ≦Ｆ≦Ｆｍａｘ ・・・・（２）
である。
Ｆｍｉｎ≦Ｆ≦Ｆｍａｘ ・・・・（２）
である。
【0059】
式（２）における軸方向荷重Ｆの最小値（最小軸方向荷重）Ｆｍｉｎは、シール部材６の加締めが好適になされる前提のもと、スペーサ７の安定的な固定を実現する摩擦力を発生させるのに最小限必要であると判断される、軸方向荷重Ｆの大きさである。
【0060】
一方、軸方向荷重Ｆの最大値（最大軸方向荷重）Ｆｍａｘは、シール部材６から軸方向荷重Ｆを受けたスペーサ７がコネクタ５に対し図面視下向きの力を作用させることに起因して、センサ素子１０の長手方向において起こり得る、コネクタ５の接点部材５１の、センサ素子１０の電極端子１６０に対する位置ずれ（以下、接点ずれ）の距離（以下、接点ずれ距離）が、あらかじめ設定された最大許容距離（接点ずれ許容距離）と一致するときの、軸方向荷重Ｆの大きさである。軸方向荷重Ｆが最大軸方向荷重Ｆｍａｘを超えて過大であると、加締めの際にスペーサ７からコネクタ５に対し作用する力によってコネクタ５の接点部材５１とセンサ素子１０の電極端子１６０との接触状態がもはや維持されなくなるため、軸方向荷重Ｆは最大軸方向荷重Ｆｍａｘ以下とする必要がある。
【0061】
式（２）に式（１）を代入すると、
Ｆｍｉｎ／ｋ≦（Ａ－Ｂ）Ｄ／Ｃ≦Ｆｍａｘ／ｋ ・・・・（３）
となる。
Ｆｍｉｎ／ｋ≦（Ａ－Ｂ）Ｄ／Ｃ≦Ｆｍａｘ／ｋ ・・・・（３）
となる。
【0062】
式（３）は、スペーサ７の安定的な固定が実現されるにあたって、４箇所の寸法Ａ、Ｂ、Ｃ、およびＤがみたすことが望まれる関係式である。
【0063】
次に、比例定数ｋ、最小軸方向荷重Ｆｍｉｎ、および最大軸方向荷重Ｆｍａｘを特定することによる、式（３）示す範囲の具体的な設定に関し説明する。
【0064】
最小軸方向荷重Ｆｍｉｎについては、あらかじめ行う軸方向荷重Ｆの大きさとスペーサ７の固定の良否との関係を特定する予備実験の結果に基づいて、１０（Ｎ）であるとする。
【0065】
次に、比例定数ｋの特定について説明する。表１には、４つの寸法Ａ、Ｂ、Ｃ、およびＤの値の組み合わせを４水準（水準１～水準４）に違えたときの、それぞれの寸法Ａ、Ｂ、Ｃ、およびＤの値と、それらに基づいて演算される（Ａ－Ｂ）Ｄ／Ｃの値と、それぞれの水準に該当するガスセンサ１００における接点ずれの有無を判定した結果とを、一覧にして示している。なお、水準１については１２個のガスセンサ１００を用意し、水準２および水準３についてはそれぞれ１０個のガスセンサ１００を用意し、水準４については５個のガスセンサ１００を用意し、それぞれについて接点ずれの有無を確認した。
【0066】
【表1】
【0067】
あらかじめ行った予備実験により、水準２のガスセンサ１００における軸方向荷重が１５０（Ｎ）であることが確認されている。すると、表１および式（１）より、
Ｆ＝ｋ・１．６７（ｍｍ）＝１５０（Ｎ）
となるため、比例定数ｋの値が
ｋ＝１５０／１．６７＝８９．８（Ｎ／ｍｍ）
と求められる。
Ｆ＝ｋ・１．６７（ｍｍ）＝１５０（Ｎ）
となるため、比例定数ｋの値が
ｋ＝１５０／１．６７＝８９．８（Ｎ／ｍｍ）
と求められる。
【0068】
すると、式（３）より、
Ｆｍｉｎ／８９．８≦（Ａ－Ｂ）Ｄ／Ｃ≦Ｆｍａｘ／８９．８ ・・・・（３ａ）
なる関係式が成立する。
Ｆｍｉｎ／８９．８≦（Ａ－Ｂ）Ｄ／Ｃ≦Ｆｍａｘ／８９．８ ・・・・（３ａ）
なる関係式が成立する。
【0069】
一方、最大軸方向荷重Ｆｍａｘは、あらかじめ設定された接点ずれ許容距離に対する裕度（単位：％）を考慮した予備実験の結果に基づいて、設定することができる値である。
【0070】
図２は、表１に示した水準１～水準４のガスセンサ１００についての接点ずれ距離を、接点ずれ許容距離に対する裕度として示す図である。
【0071】
接点ずれ距離の接点ずれ許容距離に対する裕度は、以下の式にて表される。
【0072】
裕度（％）＝１００×（１－接点ずれ距離／接点ずれ許容距離） ・・・（４）
式（４）より、裕度が１００％であるとは接点ずれが全く生じていないことを意味し、裕度が０％であるとは接点ずれ距離が接点ずれ許容距離と一致していることを意味し、裕度が負であるとは接点ずれ距離が接点ずれ許容距離を超えていることを意味する。
式（４）より、裕度が１００％であるとは接点ずれが全く生じていないことを意味し、裕度が０％であるとは接点ずれ距離が接点ずれ許容距離と一致していることを意味し、裕度が負であるとは接点ずれ距離が接点ずれ許容距離を超えていることを意味する。
【0073】
図２および表１からは、水準１のほとんどのガスセンサ１００については接点ずれ許容距離を超えた接点ずれが生じてしまっている一方で、水準２ないし水準４のガスセンサ１００については、接点ずれ許容距離を超えた接点ずれは生じていないことが確認される。ただし、水準４のガスセンサ１００については裕度がほぼ１００％であって、接点ずれが実質的に生じていないのに対し、水準２のガスセンサ１００については、裕度が０％のものが存在していることが確認される。
【0074】
以上を踏まえ、本実施の形態においては、水準２のガスセンサ１００においてスペーサ７に作用する軸方向荷重Ｆよりもわずかに小さい値を、最大軸方向荷重Ｆｍａｘとして設定する。具体的には１４８（Ｎ）に設定する。
【0075】
係る場合、式（３ａ）にＦｍｉｎおよびＦｍａｘの値を代入することにより、
１０／８９．８≦（Ａ－Ｂ）Ｄ／Ｃ≦１４８／８９．８
０．１１≦（Ａ－Ｂ）Ｄ／Ｃ≦１．６５ ・・・・（５）
なる関係式が導かれる。係る式（５）は、式（３）の関係式を具体的にしたものに他ならない。
１０／８９．８≦（Ａ－Ｂ）Ｄ／Ｃ≦１４８／８９．８
０．１１≦（Ａ－Ｂ）Ｄ／Ｃ≦１．６５ ・・・・（５）
なる関係式が導かれる。係る式（５）は、式（３）の関係式を具体的にしたものに他ならない。
【0076】
以上説明したように、本実施の形態によれば、スペーサの両端面が平坦であり、それぞれの端面がコネクタおよびシール部材と面接触してなり、側方からスペーサが拘束されない構成のガスセンサにおいて、コネクタとシール部材とによるスペーサの挟持固定が実現されてなる。
【0077】
さらには、シール部材に関する４箇所の寸法Ａ、Ｂ、Ｃ、およびＤが式（３）さらには式（５）をみたすことによって、コネクタとセンサ素子との間に許容範囲を超えた接点ずれを生じさせることなく、スペーサの安定的な挟持固定が実現されてなる。例えばスペーサとコネクタとが互いに嵌合するような複雑な構造を有さずとも、スペーサが安定的に固定されてなる。
【0078】
なお、係る安定的な挟持固定が好適に実現されるには、シール部材６の端面６ａの面積Ｓ１と、係る端面６ａと接触するスペーサ７の端面７ｅの面積Ｓ２との比Ｓ１／Ｓ２の値が、０．９～１．１の範囲にあることが好ましい。比Ｓ１／Ｓ２が０．９未満であると、加締め時にシール部材６がスペーサ７の外側へと逃げるように変形し、軸方向荷重が弱まって摩擦力が小さくなる傾向が顕著となるため、好ましくない。また、比Ｓ１／Ｓ２が１．１を超える構成は、外筒４の径を大きくしガスセンサ１００を大型化させる必要が生じるため、好ましくない。
【0079】
＜センサ素子の構成例＞
最後に、センサ素子１０の一例として、ＮＯｘ検出用のセンサ素子１０の構成を説明する。図３は、係るＮＯｘ検出用のセンサ素子１０の長手方向に沿った断面図である。係る場合において、センサ素子１０は、いわゆる限界電流型のガスセンサ素子である。なお、図３には、センサ素子１０のほか、ガスセンサ１００に備わるポンプセル電源３０と、ヒータ電源４０と、コントローラ５０とについても併せて示している。
最後に、センサ素子１０の一例として、ＮＯｘ検出用のセンサ素子１０の構成を説明する。図３は、係るＮＯｘ検出用のセンサ素子１０の長手方向に沿った断面図である。係る場合において、センサ素子１０は、いわゆる限界電流型のガスセンサ素子である。なお、図３には、センサ素子１０のほか、ガスセンサ１００に備わるポンプセル電源３０と、ヒータ電源４０と、コントローラ５０とについても併せて示している。
【0080】
図３に示すように、センサ素子１０は概略、長尺板状の素子基体１１の第１の端部Ｅ１側が、多孔質の先端保護層１２にて被覆された構成を有する。素子基体１１は、長尺板状のセラミックス体１０１を主たる構造体とするとともに、該セラミックス体１０１の２つの主面上には主面保護層１７０（１７０ａ、１７０ｂ）を備える。さらに、センサ素子１０においては、一先端部側の端面（セラミックス体１０１の先端面１０１ｅ）および４つの側面の外側に先端保護層１２（内側先端保護層１２ａ、外側先端保護層１２ｂ）が設けられてなる。
【0081】
なお、本実施の形態においては便宜上、セラミックス体１０１およびセンサ素子１０において素子基体１１の第１の端部Ｅ１が備わる側の端部についても、それぞれの第１の端部Ｅ１と称し、素子基体１１の第２の端部Ｅ２が備わる側の端部についても、それぞれの第２の端部Ｅ２と称する。
【0082】
セラミックス体１０１は、酸素イオン伝導性固体電解質であるジルコニア（イットリウム安定化ジルコニア）を主成分とするセラミックスからなる。セラミックス体１０１は、緻密かつ気密なものである。
【0083】
図３に示すセンサ素子１０は、セラミックス体１０１の内部に第一の内部空室１０２と第二の内部空室１０３と第三の内部空室１０４とを有する、いわゆる直列三室構造型のガスセンサ素子である。すなわち、センサ素子１０においては概略、第一の内部空室１０２が、セラミックス体１０１の第１の端部Ｅ１側において外部に対し開口する（厳密には先端保護層１２を介して外部と連通する）ガス導入口１０５と第一の拡散律速部１１０、第二の拡散律速部１２０を通じて連通しており、第二の内部空室１０３が第三の拡散律速部１３０を通じて第一の内部空室１０２と連通しており、第三の内部空室１０４が第四の拡散律速部１４０を通じて第二の内部空室１０３と連通している。なお、ガス導入口１０５から第三の内部空室１０４に至るまでの経路を、ガス流通部とも称する。本実施の形態に係るセンサ素子１０においては、係る流通部がセラミックス体１０１の長手方向に沿って一直線状に設けられてなる。
【0084】
第一の拡散律速部１１０、第二の拡散律速部１２０、第三の拡散律速部１３０、および第四の拡散律速部１４０はいずれも、図面視上下２つのスリットとして設けられている。第一の拡散律速部１１０、第二の拡散律速部１２０、第三の拡散律速部１３０、および第四の拡散律速部１４０は、通過する被測定ガスに対して所定の拡散抵抗を付与する。なお、第一の拡散律速部１１０と第二の拡散律速部１２０の間には、被測定ガスの脈動を緩衝する効果を有する緩衝空間１１５が設けられている。
【0085】
また、セラミックス体１０１の外面には外部ポンプ電極１４１が備わり、第一の内部空室１０２には内部ポンプ電極１４２が備わっている。さらには、第二の内部空室１０３には補助ポンプ電極１４３が備わり、第三の内部空室１０４には、測定対象ガス成分の直接の検知部である測定電極１４５が備わっている。加えて、セラミックス体１０１の第２の端部Ｅ２側には、外部に連通し基準ガスが導入される基準ガス導入口１０６が備わっており、該基準ガス導入口１０６内には、基準電極１４７が設けられている。
【0086】
係るセンサ素子１０を備えるガスセンサ１００においては、以下のようなプロセスによって、被測定ガス中のＮＯｘガス濃度が算出される。
【0087】
まず、貫通孔Ｈを通じて保護カバー２内に流入し、ガス導入口１０５から第一の内部空室１０２に導入された被測定ガスは、主ポンプセルＰ１のポンピング作用（酸素の汲み入れ或いは汲み出し）によって、酸素濃度が略一定に調整されたうえで、第二の内部空室１０３に導入される。主ポンプセルＰ１は、外部ポンプ電極１４１と、内部ポンプ電極１４２と、両電極の間に存在するセラミックス体１０１の部分であるセラミックス層１０１ａとによって構成される電気化学的ポンプセルである。第二の内部空室１０３においては、同じく電気化学的ポンプセルである、補助ポンプセルＰ２のポンピング作用により、被測定ガス中の酸素が素子外部へと汲み出されて、被測定ガスが十分な低酸素分圧状態とされる。補助ポンプセルＰ２は、外部ポンプ電極１４１と、補助ポンプ電極１４３と、両電極の間に存在するセラミックス体１０１の部分であるセラミックス層１０１ｂとによって構成される。
【0088】
外部ポンプ電極１４１、内部ポンプ電極１４２、および補助ポンプ電極１４３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）として形成されてなる。なお、被測定ガスに接触する内部ポンプ電極１４２および補助ポンプ電極１４３は、被測定ガス中のＮＯｘ成分に対する還元能力を弱めた、あるいは、還元能力のない材料を用いて形成される。
【0089】
補助ポンプセルＰ２によって低酸素分圧状態とされた被測定ガス中のＮＯｘは、第三の内部空室１０４に導入され、第三の内部空室１０４に設けられた測定電極１４５において還元ないし分解される。測定電極１４５は、第三の内部空室１０４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多孔質サーメット電極である。係る還元ないし分解の際には、測定電極１４５と基準電極１４７との間の電位差が、一定に保たれている。そして、上述の還元ないし分解によって生じた酸素イオンが、測定用ポンプセルＰ３によって素子外部へと汲み出される。測定用ポンプセルＰ３は、外部ポンプ電極１４１と、測定電極１４５と、両電極の間に存在するセラミックス体１０１の部分であるセラミックス層１０１ｃとによって構成される。測定用ポンプセルＰ３は、測定電極１４５の周囲の雰囲気中におけるＮＯｘの分解によって生じた酸素を汲み出す電気化学的ポンプセルである。
【0090】
主ポンプセルＰ１、補助ポンプセルＰ２、および測定用ポンプセルＰ３におけるポンピング（酸素の汲み入れ或いは汲み出し）は、コントローラ５０による制御のもと、ポンプセル電源（可変電源）３０によって各ポンプセルに備わる電極の間にポンピングに必要な電圧が印加されることにより、実現される。測定用ポンプセルＰ３の場合であれば、測定電極１４５と基準電極１４７との間の電位差が所定の値に保たれるように、外部ポンプ電極１４１と測定電極１４５との間に電圧が印加される。ポンプセル電源３０は通常、各ポンプセル毎に設けられる。
【0091】
コントローラ５０は、測定用ポンプセルＰ３により汲み出される酸素の量に応じて測定電極１４５と外部ポンプ電極１４１との間を流れるポンプ電流Ｉｐ２を検出し、このポンプ電流Ｉｐ２の電流値（ＮＯｘ信号）と、分解されたＮＯｘの濃度との間に線型関係があることに基づいて、被測定ガス中のＮＯｘ濃度を算出する。
【0092】
なお、好ましくは、ガスセンサ１００は、それぞれのポンプ電極と基準電極１４７との間の電位差を検知する、図示しない複数の電気化学的センサセルを備えており、コントローラ５０による各ポンプセルの制御は、それらのセンサセルの検出信号に基づいて行われる。
【0093】
また、センサ素子１０においては、セラミックス体１０１の内部にヒータ１５０が埋設されている。ヒータ１５０は、ガス流通部の図３における図面視下方側において、第１の端部Ｅ１近傍から少なくとも測定電極１４５および基準電極１４７の形成位置までの範囲にわたって設けられる。ヒータ１５０は、コントローラ５０による制御のもと、ヒータ電源４０からの給電により発熱する。ヒータ１５０は、センサ素子１０の使用時に、セラミックス体１０１を構成する固体電解質の酸素イオン伝導性を高めるべく、センサ素子１０を加熱することを主たる目的として、設けられてなる。センサ素子１０は、少なくとも第一の内部空室１０２から第二の内部空室１０３に至る範囲の温度が５００℃以上となるように、加熱される。
【0094】
より詳細には、ヒータ１５０は、例えば白金などからなる抵抗発熱体であり、その周囲を絶縁層１５１に囲繞される態様にて設けられてなる。
【0095】
セラミックス体１０１のそれぞれの主面上の第２の端部Ｅ２側には、センサ素子１０と外部との間の電気的接続を図るための複数の電極端子１６０が形成されてなる。これらの電極端子１６０は、セラミックス体１０１の内部に備わる図示しない内部配線を通じて、上述した５つの電極と、ヒータ１５０の両端と、図示しないヒータ抵抗検出用の内部配線と、所定の対応関係にて電気的に接続されている。上述のように、電極端子１６０は接点部材５１を介してリード線８と接続されており、センサ素子１０の各ポンプセルに対するポンプセル電源３０から電圧の印加や、ヒータ電源４０からの給電によるヒータ１５０の加熱は、それらリード線８、接点部材５１、および電極端子１６０を通じてなされる。
【0096】
主面保護層１７０は、アルミナからなる、厚みが５μｍ～３０μｍ程度であり、かつ２０％～４０％程度の気孔率にて気孔が存在する層であり、セラミックス体１０１の２つの主面や外部ポンプ電極１４１に対する、異物や被毒物質の付着を防ぐ目的で設けられてなる。それゆえ、一方の主面保護層１７０ａは、外部ポンプ電極１４１を保護するポンプ電極保護層としても機能するものである。
【0097】
先端保護層１２は、素子基体１１の第１の端部Ｅ１から所定範囲の最外周部に設けられてなる。先端保護層１２を設けるのは、素子基体１１のうちガスセンサ１００の使用時に高温（最高で７００℃～８００℃程度）となる部分を囲繞することによって、当該部分における耐被水性を確保し、当該部分が直接に被水することによる局所的な温度低下に起因した熱衝撃により素子基体１１にクラック（被水割れ）が生じることを、抑制するためである。
【0098】
加えて、先端保護層１２は、センサ素子１０の内部にＭｇなどの被毒物質が入り込むことを防ぐ、耐被毒性の確保のためにも、設けられてなる。
【0099】
内側先端保護層１２ａは、アルミナにて、４５％～６０％の気孔率を有しかつ４５０μｍ～６５０μｍの厚みを有するように、設けられてなる。また、外側先端保護層１２ｂは、アルミナにて、内側先端保護層１２ａよりも小さい１０％～４０％の気孔率を有しかつ５０μｍ～３００μｍの厚みを有するように、設けられてなる。内側先端保護層１２ａは、低熱伝導率の層として設けられることで、外部から素子基体１１への熱伝導を抑制する機能を有してなる。
【0100】
内側先端保護層１２ａと外側先端保護層１２ｂは、表面に下地層１３が形成された素子基体１１に対し、それぞれの構成材料を順次に溶射（プラズマ溶射）することで形成される。
【0101】
また、図３に示すように、内側先端保護層１２ａと素子基体１１の間には、内側先端保護層１２ａの接着性を確保するべく下地層１３が設けられる。下地層１３は少なくとも、素子基体１１の２つの主面上に設けられてなる。下地層１３は、アルミナにて、３０％～６０％の気孔率を有しかつ１５μｍ～５０μｍの厚みに形成されてなる。
【0102】
＜変形例＞
上述の実施形態では、３つの内部空室を有する限界電流型のセンサ素子であって、ＮＯｘを検出対象ガス成分とするものを、センサ素子１０として例示しているが、ガスセンサ１００に備わるセンサ素子１０においては、内部空室の数が３つでなくともよく、また、ＮＯｘ以外のガス成分が検知対象とされていてもよい。あるいは、混成電位型のセンサ素子など、内部空室を有さない構造のセンサ素子であってもよい。
上述の実施形態では、３つの内部空室を有する限界電流型のセンサ素子であって、ＮＯｘを検出対象ガス成分とするものを、センサ素子１０として例示しているが、ガスセンサ１００に備わるセンサ素子１０においては、内部空室の数が３つでなくともよく、また、ＮＯｘ以外のガス成分が検知対象とされていてもよい。あるいは、混成電位型のセンサ素子など、内部空室を有さない構造のセンサ素子であってもよい。
【実施例0103】
上述した水準２、水準３、および水準４のそれぞれのガスセンサ１００について、スペーサ７の固定の安定性を確認することを目的として、振動試験を行った。比較のため、軸方向荷重が最小軸方向荷重Ｆｍｉｎを下回る１０Ｎ以下のガスセンサ１００も用意し、同様に振動試験を行った。
【0104】
具体的には、それぞれのガスセンサ１００を所定の試験台に固定し、以下の条件にて試験を行った。
【0105】
加速度：４０Ｇ；
掃引周波数：１０００Ｈｚ～３３００Ｈｚ；
掃引速度：０．０５７ｏｃｔ／ｍｉｎ。
掃引周波数：１０００Ｈｚ～３３００Ｈｚ；
掃引速度：０．０５７ｏｃｔ／ｍｉｎ。
【0106】
試験後のガスセンサ１００を観察すると、軸方向荷重が１０Ｎ以下のガスセンサについては、スペーサ７に径方向の位置ずれが生じていたのに対し、（Ａ－Ｂ）Ｄ／Ｃの値が式（５）の範囲に含まれる水準３および水準４のガスセンサ１００に加え、（Ａ－Ｂ）Ｄ／Ｃの値が式（５）の範囲をわずかに上回る水準２のガスセンサ１００についても、スペーサ７に径方向の位置ずれは生じていなかった。
【0107】
係る結果は、少なくとも式（５）をみたすことで、ガスセンサ１００においてスペーサ７の安定的な固定が実現されることを、示している。
【符号の説明】
【0108】
１ 筒状体
２ 保護カバー
３ 固定ボルト
３ａ ボルト部
３ｂ 保持部
４ 外筒
４ａ （外筒の）主部
４ｂ （外筒の）封止部
５ コネクタ
６ シール部材
７ スペーサ
８ リード線
９ 貫通穴
１０ センサ素子
１１ 素子基体
１２ 先端保護層
１３ 下地層
５１ 接点部材
１００ ガスセンサ
１０１ セラミックス体
１０６ 基準ガス導入口
１５０ ヒータ
１６０ 電極端子
２ 保護カバー
３ 固定ボルト
３ａ ボルト部
３ｂ 保持部
４ 外筒
４ａ （外筒の）主部
４ｂ （外筒の）封止部
５ コネクタ
６ シール部材
７ スペーサ
８ リード線
９ 貫通穴
１０ センサ素子
１１ 素子基体
１２ 先端保護層
１３ 下地層
５１ 接点部材
１００ ガスセンサ
１０１ セラミックス体
１０６ 基準ガス導入口
１５０ ヒータ
１６０ 電極端子
【図1】
【図2】
【図3】
【手続補正書】
【提出日】2023-04-21
【手続補正1】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００８
【補正方法】変更
【補正の内容】
【0008】
後端側セパレータの長手方向（軸方向）の位置は、後端側セパレータが閉塞部材と先端側セパレータにより挟まれることによって固定されている。一方、後端側セパレータの軸方向に垂直な方向（径方向）の位置は、先端側セパレータと後端側セパレータのそれぞれの対向する端面に互いに嵌合する凹凸構造を形成し、それらの凹凸部分を嵌合させることによって固定されている。
【手続補正2】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００５５
【補正方法】変更
【補正の内容】
【0055】
Ａ：加締め箇所Ｓ以外における（あるいは加締め前の）シール部材６の外径；
Ｂ：加締め箇所Ｓにおける（加締め後の）シール部材６の外径；
Ｃ：端面６ａから加締め箇所Ｓまでの距離（以下、加締めピッチ）；
Ｄ：加締め箇所Ｓの幅（以下、加締め長）。
Ｂ：加締め箇所Ｓにおける（加締め後の）シール部材６の外径；
Ｃ：端面６ａから加締め箇所Ｓまでの距離（以下、加締めピッチ）；
Ｄ：加締め箇所Ｓの幅（以下、加締め長）。