特開 2024-129510 ガスセンサ

(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】P2024129510

(43)【公開日】2024-09-27

(54)【発明の名称】ガスセンサ

(51)【国際特許分類】

   G01N 27/41 20060101AFI20240919BHJP

   G01N 27/416 20060101ALI20240919BHJP

【ＦＩ】

G01N27/41 325G

G01N27/41 325D

G01N27/416 331

【審査請求】未請求

【請求項の数】7

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2023038760

(22)【出願日】2023-03-13

(71)【出願人】

【識別番号】599161580

【氏名又は名称】株式会社デンソートリム

(74)【代理人】

【識別番号】100096998

【弁理士】

【氏名又は名称】碓氷 裕彦

(72)【発明者】

【氏名】諸岡 和輝

(57)【要約】

【課題】大気室へ大気が循環しやすくする。
【解決手段】ガスセンサのセンサ素子は、拡散抵抗部を介して被測定ガスを導入するガス室と、大気通路を介して大気を導入する大気室と、この大気室とガス室との間に配置される固体電解質体部と、この固体電解質体部のガス室側に設けられるガス電極と、固体電解質体部の大気室側に設けられる大気電極とを有する。大気通路を、大気室に大気カバー内の大気を導入する大気導入通路と、大気室内の大気を大気カバーへ導出する大気導出通路とに分離している。これにより、大気室への大気の導入と大気室からの大気の導出をスムーズに行うことができる。特に、大気カバーの配置される雰囲気では大気は所定の風速を持って流れていることが多いので、この風速を利用して、大気室に大気を循環させる。即ち、風上側の大気が大気導入通路より大気室に流入する。そして、大気室の大気は大気導出通路より、風下側に流出する。
【選択図】図２

【特許請求の範囲】

【請求項1】

被測定ガス空間に固定されるハウジングと、
このハウジングの前記被測定ガス空間側に配置され、ガス通過口を有するガスカバーと、
前記ハウジングの大気側に配置され、複数の大気通過口を有する大気カバーと、
前記ハウジング内に、インシュレータを介して配置され、一端が前記ガスカバーに露出し、他端が前記大気カバーに露出するセンサ素子とを備え、
前記センサ素子は、拡散抵抗部を介して被測定ガスを導入するガス室と、大気通路を介して大気を導入する大気室と、この大気室と前記ガス室との間に配置される固体電解質体部と、この固体電解質体部の前記ガス室側に設けられるガス電極と、前記固体電解質体部の前記大気室側に設けられる大気電極とを有し、
前記大気通路は、第１方向の端部が前記大気室に連通し前記第１方向とは反対方向となる第２方向の端部が前記大気カバーに連通して、前記大気カバー内の大気を前記大気室に導入する大気導入通路と、前記第１方向の端部が前記大気室に連通し前記第２方向の端部が前記大気カバーに連通して、前記大気室内の大気を前記大気カバーへ導出する大気導出通路とを有する
ことを特徴とするガスセンサ。

【請求項2】

前記大気通路の前記大気導入通路と前記大気導出通路とは、前記大気室と一体にセラミックの焼成で形成される
ことを特徴とする請求項１に記載のガスセンサ。

【請求項3】

前記大気カバーは、複数の前記大気通過口と前記センサ素子の前記大気通路との間に大気通路室を構成し、
この大気通路室内には、複数の前記大気通過口の内大気導入側となる前記大気通過口と前記大気導入通路の前記第２方向の端部との間と、前記大気導出通路の前記第２方向の端部と複数の前記大気通過口の内大気導出側となる前記大気通過口との間とを仕切る仕切壁が配置される
ことを特徴とする請求項１若しくは請求項２に記載のガスセンサ。

【請求項4】

前記仕切壁は、前記大気室及び前記大気通路と一体にセラミックの焼成で形成される
ことを特徴とする請求項３に記載のガスセンサ。

【請求項5】

前記大気カバーの前記大気通過口の近傍に、前記大気カバーを閉じるブッシュを更に配置し、
前記仕切壁は、このブッシュに形成される
ことを特徴とする請求項３に記載のガスセンサ。

【請求項6】

前記大気カバーは、複数の前記大気通過口と前記センサ素子の前記大気通路との間に大気通路室を構成し、
この大気通路室内には、複数の前記大気通過口の内大気導入側となる前記大気通過口と前記大気導入通路の前記第２方向の端部との間とを連通する大気導入管と、前記大気導出通路の前記第２方向の端部と複数の前記大気通過口の内大気導出側となる前記大気通過口との間とを連通する大気導出管とが配置される
ことを特徴とする請求項１若しくは請求項２に記載のガスセンサ。

【請求項7】

前記センサ素子は、前記大気通路の前記第２方向の端部の近傍であって、前記大気導入通路の前記第２方向の端部及び前記大気導出通路の前記第２方向の端部以外の部位に、更に前記第２方向に延びる導風部を設け、
この導風部は、前記大気室と一体にセラミックの焼成で形成される
ことを特徴とする請求項１若しくは請求項２に記載のガスセンサ。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本明細書の記載はガスセンサに関し、例えばエンジンの排気管に配置されて排気ガス中の酸素濃度の検出等に用いて有用である。

【背景技術】

【0002】

特許文献１には、ガスセンサが示されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【特許文献1】特開２０２０－８５７３３号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

特許文献１にはガスセンサの構成が記載されており、ガスセンサはガス室と大気室との間に固体電解質体を配置している。ここで、排気ガス中の酸素濃度等を正しく検出する為には、ガスセンサ内部で大気室に排気ガスが混入しないようにすることが重要である。その為にも、大気室には新鮮な大気が循環していることが望ましい。しかしながら、特許文献１では、大気室に位置する大気の循環に関して特別な検討は行っていない。本開示は、この点に鑑み、大気室へ大気が循環しやすくすることを課題としている。

【課題を解決するための手段】

【0005】

本開示の第１は、被測定ガス空間に固定されるハウジングと、このハウジングの被測定ガス空間側に配置されガス通過口を有するガスカバーと、ハウジングの大気側に配置され複数の大気通過口を有する大気カバーと、ハウジング内にインシュレータを介して配置され一端がガスカバーに露出し他端が大気カバーに露出するセンサ素子とを備えるガスセンサである。

【0006】

そして、本開示の第１のガスセンサのセンサ素子は、拡散抵抗部を介して被測定ガスを導入するガス室と、大気通路を介して大気を導入する大気室と、この大気室とガス室との間に配置される固体電解質体部と、この固体電解質体部のガス室側に設けられるガス電極と、固体電解質体部の大気室側に設けられる大気電極とを有している。

【0007】

更に、本開示の第１のガスセンサの大気通路は、第１方向の端部が大気室に連通し第２方向の端部が大気カバーに連通して、大気カバー内の大気を大気室に導入する大気導入通路と、第１方向の端部が大気室に連通し第２方向の端部が大気カバーに連通して、大気室内の大気を大気カバーへ導出する大気導出通路とを有している。

【0008】

本開示の第１のガスセンサでは、大気通路を、大気室に大気カバー内の大気を導入する大気導入通路と、大気室内の大気を大気カバーへ導出する大気導出通路とに分離している。これにより、大気室への大気の導入と大気室からの大気の導出をスムーズに行うことができる。特に、大気カバーの配置される雰囲気では大気は所定の風速を持って流れていることが多いので、この風速を利用して、大気室に大気を循環させる。即ち、風上側の大気が大気導入通路より大気室に流入する。そして、大気室の大気は大気導出通路より、風下側に流出する。

【0009】

本開示の第２のガスセンサは、大気通路の大気導入路と導出通路とは、大気室と一体にセラミックの焼成で形成されている。より具体的には、大気通路を大気導入通路と大気導出通路に分離する分離壁をセラミックで一体焼成している。大気通路を大気導入路と導出通路とに分離するので、大気通路の構成が複雑となるが、本開示の第２のガスセンサは、大気通路を複雑化しても、製造工程まで複雑化することは無い。

【0010】

本開示の第３のガスセンサの大気カバーは、複数の大気通過口とセンサ素子の大気通路との間に大気通路室を構成している。そして、この大気通路室内には、複数の大気通過口の内大気導入側となる大気通過口と大気通路の他端に位置する大気導入通路との間と、大気通路の他端に位置する大気導出通路と複数の大気通過口の内大気導出側となる大気通過口との間とを仕切る仕切壁を配置している。

【0011】

大気カバーの大気通過口と大気通路との間に配置される大気通路室も、更に仕切ることで、大気室に、新鮮な大気を流すことができる。同時に、大気導出通路と風下側となる大気導出側の大気通過口とを結んで、大気室からの大気の導出をスムーズにする。かつ、大気通路室内で、大気室に導入する大気と大気室から導出した大気とが混ざりあうのを防止できる。

【0012】

本開示の第４のガスセンサでは、仕切壁を、大気室及び大気通路と一体にセラミックの焼成で形成している。仕切壁をセンサ素子と一体に形成することで、仕切壁を設けるために複数の特別な工程を追加する必要がなくなる。

【0013】

本開示の第５のガスセンサでは、大気カバーの大気通過口の近傍に、大気カバーを閉じるブッシュを更に配置している。そして、仕切壁は、このブッシュに形成している。本開示の第５のガスセンサでも、仕切壁を形成するのに特別な工程を複数新たに追加する必要がなくなる。

【0014】

本開示の第６のガスセンサの大気カバーも、複数の大気通過口とセンサ素子の大気通路との間に大気通路室を構成している。そして、この大気通路室内には、複数の大気通過口の内大気導入側となる大気通過口と大気通路の他端に位置する大気導入通路との間とを連通する大気導入管と、大気通路の他端に位置する大気導出通路と複数の大気通過口の内大気導出側となる大気通過口との間とを連通する大気導出管とを配置している。大気導入管を設けることで、風上側の大気通過口からの空気を大気通路の大気導入通路に確実に導入することができる。かつ、大気導出通路の大気を風下側の大気通過口へ確実に導くことも可能となる。

【0015】

本開示の第７のガスセンサのセンサ素子は、大気通路の第２方向の端部の近傍であって、大気導入通路の第２方向の端部及び大気導出通路の第２方向の端部以外の部位に、更に第２方向に延びる導風部を設けている。かつ、この導風部を大気室と一体にセラミックの焼成で形成している。導風部を形成することで、導風部は、大気導入通路や大気導出通路より大気通過口に近い位置となり、大気カバー内の大気を導風部に沿って流れるようにすることができる。その為、大気カバー内の大気の流れが導風部に沿ったものとなり、大気導入通路と大気導出通路との間に圧力差を生じさせやすくしている。これによって、大気導入通路と大気導出通路とを大気が流れやすくすることができる。

【図面の簡単な説明】

【0016】

【図1】図１は、第１実施例のガスセンサの断面図である。

【図2】図２は、ガスセンサのセンサ素子を分解して示す斜視図である。

【図3】図３は、センサ素子の断面図である。

【図4】図４は、第２実施例のガスセンサを示す断面図である。

【図5】図５は、第２実施例のガスセンサの変形例を示す断面図である。

【図6】図６は、第３実施例のガスセンサを示す断面図である。

【図7】図７は、第４実施例のガスセンサを分解して示す斜視図である。

【図8】図８は、第２実施例のガスセンサのセンサ素子を分解して示す斜視図である。

【図9】図９は、第３実施例のガスセンサのセンサ素子と大気導入管及び大気導出管を示す断面図である。

【発明を実施するための形態】

【0017】

以下、本開示の第１実施例を図に基づいて説明する。図１には、ガスセンサ１０を断面図示している。このガスセンサ１０は、例えば、内燃機関の排気ガス中の酸素濃度を検知するのに用いることができる。ガスセンサ１０は、金属製のハウジング１００を備え、ハウジング１００は外周に形成されたネジ部１０１により図示しない排気管に固定される。この固定を容易にするため、ハウジング１００の外周には六角のナット部１０２が形成されている。

【0018】

ハウジング１００の排気管側には、金属製のガスカバー１１０が溶接により固定されている。本例では排気管が被測定ガス空間に対応し、ガスカバー１１０内の被測定ガス空間１１１も被測定ガス空間に含まれる。本例のガスカバー１１０は外周管１１２と内周管１１５を備える二重管構造をしている。外周管１１２及び内周管１１５は、共に被測定ガス空間１１１と連通するガス通過口を設けている。外周管１１２には、側面ガス通過口１１４と端面ガス通過口１１３が形成されている。なお、端面とは、図１の第１方向の面を指している。同様に、内周管１１５には、側面ガス通過口１１６と端面ガス通過口１１７が形成されている。

【0019】

ハウジング１００の内周部には、ガラス材料製のインシュレータ１２０が配置されている。インシュレータ１２０は、内部に配置されるセンサ素子２００を絶縁保持するための部材である。センサ素子２００の構成に関しては、後述する。

【0020】

ハウジング１００の大気側には、金属製の大気カバー１３０が溶接によって固定されている。この大気カバー１３０内にも、センサ素子２００を絶縁保持する第２インシュレータ１２１が配置されている。第２インシュレータ１２１は、保持金具１２３を保持している。そして、保持金具１２３はセンサ素子２００を挟持するので、第２インシュレータ１２１は、保持金具１２３によりセンサ素子２００を保持している。また、保持金具１２３は、センサ素子２００のリード線３０１を保持するリード線保持部１２４も一体に形成している。従って、リード線保持部１２４も第２インシュレータ１２１により保持されている。その為、第２インシュレータ１２１は、保持金具１２３のリード線保持部１２４を介して、センサ素子２００のリード線３０１を保持することとなる。

【0021】

大気カバー１３０は一端（図１の第１方向）及び他端（図１の第２方向）が共に開口した円筒形状をしている。そして、一端はハウジング１００によって閉じている。他端には、第２大気カバー１３１がカシメ固定されている。第２大気カバー１３１には、大気通過口１３２が周方向に等間隔離れて、４カ所に開口形成されている。また、第２大気カバー１３１には、フィルタ１３３が配置されている。このフィルタ１３３は、大気中の水を撥水する機能と、大気中の被毒物質を吸着する機能とを備えている。

【0022】

第２大気カバー１３１も一旦及び他端が開口する円筒形状をしており、第２大気カバー１３１の一端は、上述のように、大気カバー１３０の他端と連続している。尤も、大気カバー１３０により大気通過口１３２が塞がれることはない。第２大気カバー１３１の他端は、ゴム材料製のブッシュ１４０により閉じられて、ブッシュ１４０と第２大気カバー１３１及び大気カバー１３０により大気通路室１３４の空間を形成している。勿論、大気通過口１３２はブッシュ１４０によっても塞がれることはない。なお、第２大気カバー１３１を大気カバー１３０と一体成形することも可能であり、本開示では第２大気カバー１３１を含めて大気カバー１３０とする。

【0023】

上述のように、大気カバー１３０内には、大気通過口１３２とセンサ素子２００との間に、大気通路室１３４が構成されている。従って、大気通過口１３２より流入した大気はこの大気通路室１３４を介してセンサ素子２００に供給される。逆に、センサ素子２００内の大気は、この大気通路室１３４を経て大気通過口１３２から流出する。ただ、大気通路室１３４それ自体は、大気カバー１３０内に形成される空間であるので、大気通路室１３４のみでは、センサ素子２００内の大気を循環させるのに不十分である。大気の流れについては、後述する。

【0024】

次に、センサ素子２００の構成を、図２及び図３を用いて説明する。センサ素子２００は、複数の層が積層されて構成される。この積層方向は、図１に於いては第３方向と第４方向が対応する。センサ素子２００の第３方向と第４方向の高さは２ミリメートル程度である。そして、センサ素子２００の積層方向と直交する幅方向（図２及び図３の第５方向と第６方向）の長さは、５ミリメートル程度となっている。また、センサ素子２００の軸方向（図１の第１方向と第２方向）の長さは、４５ミリメートル程度である。

【0025】

なお、図２及び図３においても第３方向と第４方向を示しているが、図２や図３で積層する方向を図１で示す方向と逆としても良い。図２や図３の第４方向の端部には、ヒータ保持層２１０が配置される。ヒータ保持層２１０は酸化アルミニウム等の絶縁性があり、かつ、強度のあるセラミック材料を焼成して形成している。このヒータ保持層２１０にはヒータ部２１１とリード部２１２がプリントされている。ヒータ部２１１は後述するガス電極や大気電極と重なる位置に配置され、図２の形状では蛇行形状となっている。ヒータ部２１１とリード部２１２とは同じ材料で構成されるが、単位長さ当たりの抵抗値はヒータ部２１１が大きく、発熱は主にヒータ部２１１で行われる。リード部２１２はリード線３０１と電気接続して、ヒータ部２１１に給電するのに用いられる。

【0026】

このヒータ保持層２１０の第３方向側には、大気室層２２０が配置される。この大気室層２２０も酸化アルミニウム等の絶縁性と強度に優れたセラミックの焼成で形成される。大気室層２２０の内、ガス電極や大気電極と重なる位置には大気室２２１が形成されている。なお、重なる位置とは、第１方向と第２方向及び第５方向と第６方向に重なる位置で、第３方向と第４方向に積層される位置である。大気室２２１の第３方向と第４方向の高さは１ミリメートル程度で、第５方向と第６方向の幅は２ミリメートル程度である。大気室層２２０には、この大気室２２１と大気通路室１３４とを結び、大気通路室１３４からの大気を大気室２２１に導入する大気導入通路２２２が形成されている。また、大気室層２２０には、大気室２２１と大気通路室１３４とを結び、大気室２２１の大気を大気通路室１３４へ導出する大気導出通路２２３も形成されている。換言すれば、大気室層２２０には、大気導入通路２２２と大気導出通路２２３とを分離する分離壁２２４が形成されている。従って、大気室層２２０には、大気導入通路２２２、大気室２２１、大気導出通路２２３がＵ字状に形成されている。大気導入通路２２２と大気導出通路２２３との第５方向及び第６方向の幅は、１ミリメートル程度である。また、分離壁２２４の第５方向及び第６方向の幅は、０．５ミリメートル程度である。そして、分離壁２２４は大気室層２２０と同じ酸化アルミニウム等のセラミックの焼成で形成されている。

【0027】

大気室層２２０の第３方向側には、固体電解質体層２３０が配置されている。この固体電解質体層２３０は、酸化アルミニウム等の絶縁性と強度を備えるセラミック材料でできた基部２３１と、この基部２３１の保持穴に配置された固体電解質体部２３２を有している。固体電解質体部２３２は、ジルコニア系酸化物からなり、ジルコニアを主成分とし（５０質量％以上含有し）、希土類金属元素又はアルカリ土類金属元素によってジルコニアの一部を置換させた安定化ジルコニア又は部分安定化ジルコニアからなる。固体電解質体部２３２を構成するジルコニアの一部は、イットリア、スカンジア又はカルシアによって置換することができる。

【0028】

固体電解質体層２３０の大気室層２２０側（第４方向側）には、大気電極層２４０が配置されている。なお、図２においては、大気電極層２４０は大気室層２２０の裏面に張り付いた状態で記載している。大気電極層２４０には、固体電解質体部２３２と接する部位に大気電極２４１が配置されている。大気電極２４１の第２方向には大気電極リード部２４２が配置されている。大気電極２４１及び大気電極リード部２４２は大気電極層２４０にプリントされている。大気電極２４１は、酸素に対する触媒活性を示す貴金属としての白金、及び固体電解質体部２３２との共材としてのジルコニア系酸化物を含有している。大気電極リード部２４２はアルミニウム合金等の導電性材料でできている。

【0029】

固体電解質体層２３０の第３方向には、ガス電極層２５０が配置されている。このガス電極層２５０は、概ね大気電極層２４０と同様である。酸化アルミニウム等の基盤の上にガス電極２５１とガス電極リード部２５２がプリントされている。ガス電極２５１は、白金製の電極材とジルコニア系酸化物の共材を含んでいる。ガス電極リード部２５２はアルミニウム等の導電性材料である。

【0030】

ガス電極層２５０の第３方向には、ガス室層２６０が配置されている。ガス室層２６０の内部にはガス室２６１が形成されている。ガス室層２６０は、酸化アルミニウム等の絶縁性と強度を備えるセラミック材料でできたガス室基部２６２と、拡散抵抗部２６３とを有する。拡散抵抗部２６３はガス室２６１と被測定ガス空間１１１との間に介在する。拡散抵抗部２６３は、酸化アルミニウム等の多孔質の金属酸化物によって形成されている。ガス室２６１に導入される被測定ガスの拡散速度（流量）は、この拡散抵抗部２６３における気孔を、被測定ガスが透過する際に制限を受けることによって決定される。

【0031】

センサ素子２００の最も第３方向側には、遮蔽層２７０が配置されている。この遮蔽層２７０も、酸化アルミニウム等の絶縁性と強度に優れたセラミックの焼成で形成されている。なお、各相は別々に焼成形成されているのではなく、シート状のセラミック材料を積層して、一体として焼成形成している。

【0032】

次に、上記構成よりなるセンサ素子２００による酸素濃度の検出を説明する。まず、センサ素子２００を空燃比センサ（Ａ／Ｆセンサ）として用いる例を示す。空燃比センサは、理論空燃比と比べて空気に対する燃料の割合が多い燃料リッチの状態から、理論空燃比と比べて空気に対する燃料の割合が少ない燃料リーンの状態まで定量的に連続して空燃比を検出する。

【0033】

空燃比センサにおいて、燃料リーン側の空燃比を検出する際には、被測定ガスに含まれる酸素が、イオンとなって固体電解質体部２３２を移動する際の電流を検出する。即ち、ガス電極２５１から、固体電解質体部２３２を介して大気電極２４１へ移動する際に生じる電流を検出する。また、空燃比センサにおいて、燃料リッチ側の空燃比を検出する際には、大気電極２４１から固体電解質体部２３２を介してガス電極２５１へイオンとなった酸素が移動するので、その電流を検出する。これは、被測定ガスに含まれる炭化水素、一酸化炭素、水素等の未燃ガスが酸素と反応するため、未燃ガスと酸素とを反応させる際に生じる電流を検出する。

【0034】

センサ素子２００は、ＮＯｘ（窒素酸化物）等の特定ガス成分の濃度を検出するセンサとして用いることもできる。ＮＯｘセンサにおいては、ガス電極２５１に接触する被測定ガスの流れの上流側に、電圧の印加によってガス電極２５１から大気電極２４１へ酸素をポンピングするポンプ電極が配置される。そして、大気電極２４１はポンプ電極に対して固体電解質体部２３２を介して対向する位置にも形成される。

【0035】

ただ、いずれのセンサとして用いる場合であっても、センサ素子２００が被測定ガスの酸素濃度を正しく検出するためには、大気室２２１に清浄な大気が存在していることを前提としている。大気室２２１に存在する大気室２２１に移動が無く、長期間に亘って大気が大気室２２１内に滞留したのでは、固体電解質体部２３２を介して、被測定ガスの成分が大気室２２１に流れる可能性もある。

【0036】

そこで、本例では、大気室２２１と大気カバー１３０の大気通路室１３４との間を繋ぐ大気通路を分離壁２２４で分離して、大気導入通路２２２と大気導出通路２２３とに分けている。換言すれば、大気導入通路２２２と大気導出通路２２３とは、間に大気室２２１を挟んで連通して、大気循環通路を形成している。そして、夫々の温度は、排気管の内部であって、比較的高い温度雰囲気に配置される大気室２２１の温度は高くなっている。一方、大気導入通路２２２と大気導出通路２２３は、第２方向の端部が比較的低い温度雰囲気の大気通過口１３２に繋がる大気通路室１３４に接続されている。従って、一連の大気循環通路内において大気温度に差が生じている。

【0037】

大気の換気量は圧力差によって定まり、圧力差は、温度差と風力とによって生じる。大気通路室１３４内の大気に温度分布は少ないが、上述のように、大気通路室１３４と大気室２２１との間には温度差がある。また、大気通路室１３４内の大気にはある程度の風速がある。これは、ガスセンサ１０の配置されるエンジンルーム内には車両の走行に伴う車速風や、ラジエーターファンやエンジン冷却ファン等により生じる冷却風が存在するからである。

【0038】

その為、大気通路を大気導入通路２２２と大気導出通路２２３とに分離すれば、圧力差を利用して、大気通路室１３４と大気室２２１との間に大気の循環を生じさせることができる。ここで、大気の循環は常に一方側の通路から他方側の通路に大気が流れることまでは想定していない。大気通路室１３４内の圧力差に応じて、圧力の高い側の通路が大気導入通路２２２となって、その通路から大気室２２１に大気が流れる。そして、大気室２２１の大気は圧力の低い側の通路に流出し、その通路が大気導出通路２２３となる。従って、本例では、大気通路室１３４から大気室２２１に向けて大気を流す側の通路が大気導入通路２２２となる。同様に、大気室２２１から大気通路室１３４に向けて大気を流す通路が大気導出通路２２３となる。

【0039】

内燃機関が冷えている状態から運転を開始するコールドスタート（冷間始動）時では、内燃機関を始動し車が動き始めると大気導入通路２２２に正圧、大気導出通路２２３に負圧がかかる。これにより、大気室２２１の大気が循環し始める。その後、ヒータ部２１１の温度が上昇すると、その温度上昇を受けて大気室２２１の大気温度も上昇し圧力が上昇する。この大気室２２１の温度上昇によっても、既に大気は循環しているので、大気の流れは継続する。

【0040】

また、内燃機関が既に温まっている状態から運転を開始するホットスタート（熱間始動）時には、大気室２２１の温度が高く圧力が高い状態となっている。一方で、大気導入通路２２２及び大気導出通路２２３の温度は相対的に低いので、圧力も大気室２２１に比べて低くなっている。また、大気導入通路２２２と大気導出通路２２３との間には、圧力差は生じていない。この状態で、内燃機関を始動して車が動き始めると、大気導入通路２２２に正圧が掛かり、大気導出通路２２３に負圧が掛かる。これにより、大気導入通路２２２と大気導出通路２２３とのに圧力差生じる。この圧力差によって大気室２２１の大気が循環し始め、ホットスタートでも機能が維持される。そして、大気循環の機能は、大気室２２１と大気導入通路２２２及び大気導出通路２２３との温度差によって影響を受けることは無い。

【0041】

例えば、大気通過口１３２の大気の温度を摂氏２０度、風速を毎秒１７メートルと想定する。この場合、分離壁２２４を設けなければ、大気室２２１を流れる大気の流速は毎秒１０．５ミリメートルとなる。それに対し、分離壁２２４を設けて大気導入通路２２２と大気導出通路２２３を形成すれば、大気室２２１を流れる大気の流速は毎秒３０ミリメートルとなる。即ち、大気導入通路２２２及び大気導出通路２２３を設けることで、換気量を３倍に増やすことができる。

【0042】

なお、大気通路室１３４内の大気の流れは大きな値ではない場合が多い。従って、換気を行う為の圧力差も大きな値とはならない場合が多い。ただ、重要な点は、大気室２２１内の大気を滞留させないことである。小さな圧力差であっても、圧力差が生じ、その圧力差を利用できるように、大気導入通路２２２と大気導出通路２２３とが分離していれば、大気室２２１内の大気の滞留を緩和することができる。換言すれば、大気通路室１３４内の大気に圧力差があっても、一本の大気通路で大気通路室１３４と大気室２２１とを連通したのでは、大気室２２１内での大気の滞留は、抑制しにくくなる。

【0043】

特に、本例では、大気室層２２０に単に分離壁２２４を設けるのみで、大気導入通路２２２と大気導出通路２２３とを形成することができている。そして、分離壁２２４は、大気室層２２０を形成するペースト状のセラミックで一体に構成すれば、セラミックの焼成で同時に分離壁２２４も形成される。従って、大気導入通路２２２と大気導出通路２２３の形成のために、特に製造工程を複雑にすることもない。

【0044】

次に本開示の第２実施例を、図４を用いて説明する。第１実施例では、大気通路室１３４内の大気の流れを、積極的に大気導入通路２２２に取り込んだり、大気導出通路２２３から取り出したりするための特別な構成を設けていなかった。製造工程に大幅な変更をもたらすことなく、大気通路室１３４内の大気の流れを利用するようにしていた。それに対し、第２実施例では、図４に示すように、大気通路室１３４内に仕切壁３００を配置している。仕切壁３００はセンサ素子２００から第２方向に延びて、図４の例では、大気通過口１３２の近くまで延びている。

【0045】

上述のように、ガスセンサ１０の配置されるエンジンルームでは車速風やファンによる冷却風が生じており、４つ設けられた大気通過口１３２のあるものは、大気を大気通路室１３４内に導入する側となる。また、複数の大気通過口１３２のあるものは、大気通路室１３４内の大気を外部に導出する側となる。その為、大気導入側となる大気通過口１３２と大気導入通路２２２との間と、大気導出通路２２３と大気導出側となる大気通過口１３２との間を仕切壁３００が仕切ることで、大気の圧力差をより効率的に利用することができる。図４の例では、仕切壁３００は酸化アルミニウム等の材料で、センサ素子２００と一体に形成している。より具体的には、図８に示すように、ヒータ保持層２１０に保持層壁部２１３を形成し、大気室層２２０に大気層壁部２２５を形成し、固体電解質体層２３０に電解質層壁部２３４を形成する。これらの保持層壁部２１３、大気層壁部２２５及び電解質層壁部２３４は、共に酸化アルミニウムであり、第１方向と第２方向、及び第５方向と第６方向で重なっている。且つ、第３方向と第４方向で積層されている。そして、センサ素子２００の焼成時に仕切壁３００も同時に焼成する。

【0046】

図５は、第２実施例の変形例である。図５の例では、仕切壁３００はブッシュ１４０と一体に形成している。ブッシュ１４０はゴム材料でできているので、仕切壁３００も同様のゴム材料製である。図５の例の仕切壁３００は、ブッシュ１４０の端面から第１方向に延びている。ただ、仕切壁３００はブッシュ１４０と一体形成する必要は無い。セラミック材料等で仕切壁３００を形成し、ブッシュ１４０には連結用のスリットを形成しても良い。この場合、仕切壁３００をスリットに挿入することで、仕切壁３００の固定を行う。

図６は、第３実施例を示している。第３実施例では、仕切壁３００に代えて大気導入管４０１と大気導出管４０２を、大気通路室１３４内に配置している。大気導入管４０１の一方は、複数の大気通過口１３２の内、大気を大気通路室１３４内に導入する側となる大気通過口１３２の近くに開口している。そして、大気導入管４０１の他方は、図９に示すように、センサ素子２００の大気導入通路２２２に接続している。また、大気導出管４０２の一方は、複数の大気通過口１３２の内、大気通路室１３４内の大気を外部に導出する側となる大気通過口１３２の近くに開口している。そして、大気導出管４０２の他方も、図９に示すように、大気導出通路２２３に接続している。なお、大気導入管４０１と大気導出管４０２は、大気導入通路２２２と大気導出通路２２３と同様、大気が入り込む方の管が大気導入管４０１となる。そして、大気が大気通過口１３２より流れ出る側の管は、大気導出管４０２となる。また、図６は図９に比べてセンサ素子２００の第５方向と第６方向の幅が狭く記載されているが、実際には、センサ素子２００の幅は、図９の幅と同様である。

【0047】

図７は、本開示の第４実施例を示している。第４実施例では、大気室層２２０に隣接する固体電解質体層２３０に、導風部２３３を形成している。この導風部２３３は、固体電解質体層２３０の基部２３１と一体に構成されている。且つ、導風部２３３は、大気導入通路２２２と大気導出通路２２３との第２方向の端部より、更に第２方向に延びて形成している。

【0048】

上述の第１実施例では、大気通路室１３４内の大気の流れを利用するための特別な構成は設けていなかった。その為、大気通路室１３４内の大気を大気室２２１に導きにくくなることが考えられる。逆に、第２実施例では仕切壁３００を設け、第３実施例では大気導入管４０１と大気導出管４０２を設けていた。大気を大気室２２１に導くには有効であるが、構成が複雑となってしまう。

【0049】

第４実施例は、導風部２３３を設けると言う容易な構成で、大気通路室１３４内の大気に圧力差を生じさせやすくしている。そして、圧力差を生じさせることで、大気導入通路２２２と大気導出通路２２３とを大気が流れやすくし、それにより、大気室２２１での大気の滞留を抑制することができる。即ち、導風部２３３は大気導入通路２２２や大気導出通路２２３より大気通過口１３２に近い部位に存在しているので、大気通路室１３４内の大気を導風部２３３に沿って流れるようにすることができる。この導風部２３３に沿った大気の流れによって、大気は大気導入通路２２２に流れ込みやすくなる。これにより、第１実施例の効果を更に引き出すことが可能である。

【0050】

しかも、導風部２３３は、固体電解質体層２３０の酸化アルミニウム等製の基部２３１と一体に構成できるので、導風部２３３を形成するために製造工程を大きく変更する必要もない。加えて、導風部２３３を設けることで、センサ素子２００の強度を向上させることもできる。なお、導風部２３３は、大気導入通路２２２と大気導出通路２２３との第２方向の端部の近くから第２方向に延びていればよく、必ずしも固体電解質体層２３０に形成する必要は無い。ヒータ保持層２１０に導風部２３３を形成しても良い。

【0051】

なお、上述した例では、ガスセンサ１０を内燃機関の排気ガスの測定用に用いたが、本開示のガスセンサ１０の用途は内燃機関用には限定されない。燃焼器等各種の機器に用いることができる。更に、上述したのは本開示の望ましい例であるが、本開示は種々に変更可能である。例えば、センサ素子２００の形状を積層板形状としたのは一例であり、センサ素子２００の形状は他に変更できる。また、上述の例で説明した大きさも一例であり、ガスセンサ１０に求められる性能に応じて、素材や大きさは適宜設定可能である。

【符号の説明】

【0052】

１０ ガスセンサ
１００ ハウジング
１１０ ガスカバー
１２０ インシュレータ
１３０ 大気カバー
１３２ 大気通過口
２００ センサ素子
２２１ 大気室
２２２ 大気導入通路
２２３ 大気導出通路
２３２ 固体電解質体部
２４１ 大気電極
２５１ ガス電極

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】