特許 7379102 ガスセンサ

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2023-11-06

(45)【発行日】2023-11-14

(54)【発明の名称】ガスセンサ

(51)【国際特許分類】

   G01N 27/416 20060101AFI20231107BHJP

   G01N 27/409 20060101ALI20231107BHJP

【ＦＩ】

G01N27/416 331

G01N27/409 100

【請求項の数】 3

(21)【出願番号】P 2019204527

(22)【出願日】2019-11-12

(65)【公開番号】P2021076514

(43)【公開日】2021-05-20

【審査請求日】2022-07-22

(73)【特許権者】

【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】100077665

【弁理士】

【氏名又は名称】千葉 剛宏

(74)【代理人】

【識別番号】100116676

【弁理士】

【氏名又は名称】宮寺 利幸

(74)【代理人】

【識別番号】100191134

【弁理士】

【氏名又は名称】千馬 隆之

(74)【代理人】

【識別番号】100136548

【弁理士】

【氏名又は名称】仲宗根 康晴

(74)【代理人】

【識別番号】100136641

【弁理士】

【氏名又は名称】坂井 志郎

(74)【代理人】

【識別番号】100180448

【弁理士】

【氏名又は名称】関口 亨祐

(72)【発明者】

【氏名】新妻 匠太郎

(72)【発明者】

【氏名】渡邉 悠介

(72)【発明者】

【氏名】平川 敏弘

(72)【発明者】

【氏名】青田 隼実

【審査官】小澤 理

(56)【参考文献】

【文献】特開２００２－０３９９８６（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００２－１３１２６９（ＪＰ，Ａ）

【文献】米国特許第０５４９０４１２（ＵＳ，Ａ）

【文献】特開２００４－０５３４２５（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｇ０１Ｎ ２７／４１６

Ｇ０１Ｎ ２７／４０９

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

センサ素子と、
弾性絶縁部材と、
前記弾性絶縁部材に挿入される複数のリード線と、
前記センサ素子と電気的に接続される第１の端部と、前記複数のリード線のいずれかと電気的に接続される第２の端部と、をそれぞれ有する、複数の金属端子と、
前記複数の金属端子のいずれかが挿通される貫通孔をそれぞれ有する複数のセラミック挿通部を有し、各貫通孔は対応する各セラミック挿通部よりも小さな直径を有し、前記複数のセラミック挿通部の少なくともいずれかの高さが、前記複数のセラミック挿通部の他の１つの高さと異なる、セラミックハウジングと、
を備え、
前記セラミックハウジングが、端面を有し、前記複数のセラミック挿通部が前記端面上に配置され、
前記複数のセラミック挿通部の少なくともいずれかの上面が、前記端面から前記弾性絶縁部材に向かって突出し、
前記複数のセラミック挿通部の少なくともいずれかの上面が、前記端面から前記弾性絶縁部材に対して凹んでいる、ガスセンサ。

【請求項2】

請求項１に記載のガスセンサにおいて、
前記複数のセラミック挿通部が、隣接し、高さの異なる第１、第２のセラミック挿通部を有する、ガスセンサ。

【請求項3】

請求項１又は２に記載のガスセンサにおいて、
前記複数のセラミック挿通部の少なくともいずれかが、前記端面と同一の高さを有する、ガスセンサ。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、ガスの濃度を測定するガスセンサに関する。

【背景技術】

【0002】

特許文献１では、リーク電流の発生を抑制し、ガス検出の精度を高く維持することができるガスセンサを提供することを課題としている。

【0003】

当該課題を解決するため、特許文献１のガスセンサは、バネ用インシュレータ４における、複数の接続端子５１と対向する対向端面４０１には、接点バネ３の数と同じ数の挿通孔用凸部４２が突出して形成されている。バネ用インシュレータ４には、挿通孔用凸部４２の端面４２４と保持穴４１の端面４１３とに開口して、複数の接点バネ３をそれぞれ挿通させる複数の挿通孔４３が形成されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【文献】特開２０１８－１０５６６１号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

特許文献１記載のガスセンサでは、センサ素子に電気的に接続される金属端子（接点バネ３）が、インシュレータ４の挿通孔４３を通って、弾性絶縁部材（ブッシュ５３）のリード線５２に電気的に接続される。

【0006】

ここで、ガスセンサへの振動の印加等により、金属端子が振動することがある。この場合、特に道路環境が良くない場合やオフロード走行等、長期間あるいは過大な振動により、挿通孔４３壁面が削られて、その内径が広がることで、金属端子が曲がり、その間で短絡する可能性がある。

【0007】

本発明は、上述した課題に鑑みなされたものであり、金属端子間の短絡の低減を図ったガスセンサを提供することにある。

【課題を解決するための手段】

【0008】

本発明の一態様によるガスセンサは、センサ素子、弾性絶縁部材、複数のリード線、複数の金属端子、セラミックハウジングを有する。複数のリード線は、弾性絶縁部材に挿入される。複数の金属端子はそれぞれ、センサ素子と電気的に接続される第１の端部と、複数のリード線のいずれかと電気的に接続される第２の端部と、を有する。セラミックハウジングは、複数の金属端子のいずれかが挿通される貫通孔をそれぞれ有する複数の挿通部を有し、複数の挿通部の少なくともいずれかの高さが、他の挿通部の高さと異なる。

【発明の効果】

【0009】

本発明によれば、金属端子間の短絡を低減することができる。

【図面の簡単な説明】

【0010】

【図1】実施形態に係るガスセンサを示す断面図である。

【図2】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3】実施形態に係るセラミックハウジングを示す模式斜視図である。

【図4A】変形例に係るセラミックハウジングを示す斜視図である。

【図4B】変形例に係るセラミックハウジングを示す斜視図である。

【図4C】変形例に係るセラミックハウジングを示す斜視図である。

【図5】図５Ａ、図５Ｂは、比較例に係るセラミックハウジングを示す斜視図である。

【図6】図６Ａ、図６Ｂは、比較例について、振動印加前後の状態を示す模式的断面図である。

【図7】図７Ａ、図７Ｂは、実施例１について、振動印加前後の状態を示す模式的断面図である。

【図8】実施例、比較例について、試験結果を表す表である。

【発明を実施するための形態】

【0011】

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。

【0012】

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。

【0013】

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１８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金属端子１７が装着されることで、コネクタ１９として機能する。

【0014】

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等の配管２０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等の特定ガスの濃度を測定するために用いられる。

【0015】

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２２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２２内に配置されている。

【0016】

センサ組立体１８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１９と、を備えている。

【0017】

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セラミックスサポータ４４ａ～４４ｃ、圧粉体４６ａ、４６ｂ、メタルリング４８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。内筒４２には、圧粉体４６ｂを内筒４２の中心軸方向に押圧するための縮径部４２ａと、メタルリング４８を介してセラミックスサポータ４４ａ～４４ｃ、圧粉体４６ａ、４６ｂを前方に押圧するための縮径部４２ｂとが形成されている。縮径部４２ａ、４２ｂからの押圧力により、圧粉体４６ａ、４６ｂが主体金具４０及び内筒４２とセンサ素子１２との間で圧縮されることで、圧粉体４６ａ、４６ｂが保護カバー１４内のセンサ素子室２２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。

【0018】

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２０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２０内に突出した状態で、ガスセンサ１０が配管２０に固定されている。

【0019】

外筒３４は、内筒４２、センサ素子１２、コネクタ１９の周囲を覆っており、コネクタ１９の金属端子１７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１９の金属端子１７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等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。

【0020】

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）等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等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。

【0021】

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。

【0022】

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の側面で区画されたセンサ素子１２内部の空間である。

【0023】

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。

【0024】

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。

【0025】

大気導入層１００は、多孔質アルミナ等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。

【0026】

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。

【0027】

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。

【0028】

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２２）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。

【0029】

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。

【0030】

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。

【0031】

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。

【0032】

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。

【0033】

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。

【0034】

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。

【0035】

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。

【0036】

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。

【0037】

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。

【0038】

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。

【0039】

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。

【0040】

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。

【0041】

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。

【0042】

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。

【0043】

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。

【0044】

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。

【0045】

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。

【0046】

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。

【0047】

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。

【0048】

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。

【0049】

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２２）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。

【0050】

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。

【0051】

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。

【0052】

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。

【0053】

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。

【0054】

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。

【0055】

ヒータ絶縁層１６８は、ヒータ１６４の上下面に、アルミナ等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。

【0056】

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。

【0057】

なお、図２に示した可変電源１２２、１４４、１３２、１５２等は、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１９及びリード線５４を介して、各電極と接続されている。

【0058】

そして、本実施形態は、センサ素子１２の後端部から露出する接続端子２００には、後方に延びる金属端子１７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、上述した接続端子２００とセラミックハウジング１６との間に金属端子１７がはめ込まれることで、センサ素子１２の接続端子２００と金属端子１７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金属端子１７が装着され、センサ素子１２の後端部を保持する。

【0059】

金属端子１７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と電気的に接続される。弾性絶縁部材５６には、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から延びる金属端子１７とリード線５４とが半田２０４によって電気的に接続される。

【0060】

より詳細には、金属端子１７は、センサ接続部１７ａ、貫通孔通過部１７ｂ、たわみ部１７ｃ、及びリード線接続部１７ｄに区分できる。センサ接続部１７ａは、略直線状の部位と円弧状との部位を有し、接点バネとして機能する。円弧状の部位がセンサ素子１２の接続端子２００に弾性的に接触する。貫通孔通過部１７ｂは、セラミックハウジング１６の後述の貫通孔１６ｄを通過（挿通）する。たわみ部１７ｃは、略円弧形状のたわみを有し、接続端子２００（センサ素子１２）とリード線５４とを金属端子１７で接続した際に、金属端子１７に過大なストレスがかからないようゆとりを持たせる。リード線接続部１７ｄは、リード線５４（半田２０４）と電気的に接続される。

【0061】

以下、図１、図３を用いて説明する。図３は、実施形態に係るセラミックハウジング１６を拡大して表す斜視図である。セラミックハウジング１６は、セラミックで構成され、円筒部１６ａ、円板部１６ｂ、挿通部１６ｃ、及び貫通孔１６ｄを有する。円筒部１６ａは、略円筒形状を有し、その空間内にセンサ素子１２の後端部、接続端子２００、金属端子１７のセンサ接続部１７ａを保持する。円板部１６ｂは、略円板形状を有し、その端面１６ｅ（セラミックハウジング１６の後端面）に挿通部１６ｃが配置される。なお、端面１６ｅは、略平面とすることができる。挿通部１６ｃは、金属端子１７を挿通する部位である。挿通部１６ｃは、貫通孔１６ｄを有し、この貫通孔１６ｄ内に金属端子１７が挿通される。貫通孔１６ｄは、円板部１６ｂ及び挿通部１６ｃを貫通し、金属端子１７、特に貫通孔通過部１７ｂが挿通される。

【0062】

ここでは、６本の金属端子１７に対応して６つの挿通部１６ｃが配置され、そのそれぞれが１の貫通孔１６ｄを有する。より具体的には、円板部１６ｂの周に沿って、３つの挿通部１６ｃの組Ｇ１、Ｇ２が配置される。組Ｇ１、Ｇ２内の挿通部１６ｃは円板部１６ｂの周に沿って略等間隔で順に配置される。組Ｇ１、Ｇ２間（例えば、組Ｇ１の端の挿通部１６ｃと、この挿通部１６ｃに最も近い、組Ｇ２の端の挿通部１６ｃとの間隔）は、組Ｇ１、Ｇ２内での挿通部１６ｃの間隔より離れている。

【0063】

この挿通部１６ｃは、円板部１６ｂの上面から突出し（高さを有し）、台座として機能する。この高さは、全ての挿通部１６ｃにおいて、同一ではない。例えば、組Ｇ１、Ｇ２の真ん中の挿通部１６ｃの高さｈ１は、その両脇（両端）の挿通部１６ｃの高さｈ０と異なる。後述のように、全ての挿通部１６ｃの高さが同一でないことで、金属端子１７、特に、貫通孔通過部１７ｂのダメージ（折れ曲がり）が低減される。

【0064】

ここでは、組Ｇ１、Ｇ２内それぞれで、高さの異なる挿通部１６ｃが隣接している。このことが、このダメージの低減により有効に機能する。後述のように、隣接する挿通部１６ｃの存在がこのダメージに影響を与えると考えられる。

【0065】

一方、組Ｇ１、Ｇ２間では、高さの異なる挿通部１６ｃが隣接してはいない（組Ｇ１の端の挿通部１６ｃは、これと最も近い、組Ｇ２の端の挿通部１６ｃと、同じ高さｈ０を有する）。すなわち、組Ｇ１、Ｇ２間では、高さの異なる挿通部１６ｃが隣接していなくてもよい。組Ｇ１、Ｇ２間での挿通部１６ｃの間隔は、組Ｇ１、Ｇ２内での挿通部１６ｃの間隔より大きい。このため、組Ｇ１、Ｇ２間の挿通部１６ｃの存在が貫通孔通過部１７ｂのダメージに与える影響は小さいと考えられる。

【0066】

挿通部１６ｃの高さの差Δｈ（＝｜ｈ１－ｈ０｜）は、例えば、０．３～１０.０ｍｍである。高さの差Δｈがこの範囲のときに、貫通孔通過部１７ｂへのダメージを低減できる。ここでは、高さｈ１は、高さｈ０より小さいものとしているが、高さｈ０より大きくしてもよい。

【0067】

なお、複数の挿通部１６ｃ（ここでは、台座）がそれぞれ離間して円板部１６ｂの上面に配置されているが、変形例として、複数の挿通部１６ｃが互いに接続されていてもよい。このとき、高さの異なる挿通部１６ｃが接続されていてもよい。すなわち、挿通部１６ｃが高さの異なる個所を有し、そのそれぞれに貫通孔１６ｄが配置されてもよい。

【0068】

また、挿通部１６ｃの組の数やそれぞれの組内の挿通部１６ｃの個数は、適宜に設定できる。例えば、１組中の挿通部１６ｃの個数を２つ、４つ以上とできる。また組の数を３つ、４つ以上、あるいは１つとしてもよい。

【0069】

図４Ａ～図４Ｃは、挿通部１６ｃの変形例を表す斜視図である。図４Ａでは、組Ｇ１、Ｇ２それぞれの真ん中の挿通部１６ｃの端面が円板部１６ｂの上面と同一平面に配置される（この挿通部１６ｃの高さｈ１＝０）。このとき、高さの差Δｈは、ｈ０である。図４Ｂでは、組Ｇ１、Ｇ２の真ん中の挿通部１６ｃの端面が円板部１６ｂの上面より高さｈ２だけ低くなっている（凹んでいる）。このとき、高さの差Δｈは、ｈ０＋ｈ２である。このように、挿通部１６ｃの端面は、円板部１６ｂの上面から突出していなくてもよい。また、図４Ｃでは、組Ｇ１、Ｇ２内のみではなく、組Ｇ１、Ｇ２全体において、高さｈ０、ｈ１の挿通部１６ｃが交互に配置される。これらいずれの場合でも、高さの差Δｈは、例えば、０．３～１０.０ｍｍである。

【0070】

図５Ａ、図５Ｂは、挿通部１６ｃの比較例を表す斜視図である。図５Ａでは、全ての挿通部１６ｃの高さｈ０が同一である。図５Ｂでは、全ての挿通部１６ｃの端面が円板部１６ｂの上面と同一面となっている。

【実施例】

【0071】

ここで、実施例と比較例について、振動を印加したときの金属端子１７へのダメージを確認した実験例を示す。

【0072】

［実施例］
実施例１～１１、比較例１～４について、試験を実施し、評価を行った。
これら実施例、比較例は、図３、図４Ａ、または図４Ｂの構造を有するセラミックハウジング１６を備え、金属端子１７の本数は６本である。
具体的には、実施例１～４、比較例１、２は図３、実施例５～７、比較例３は図４Ａ、実施例８～１１、比較例４は図４Ｂの構造とした。実質的には、比較例１、２は図５Ａ、比較例３、４は図５Ｂの構造を有するが、高さｈ１、ｈ２を表すため、便宜的に実施形態の図を用いた。

【0073】

高さｈ０については、実施例１～１１、比較例１～４それぞれで、５．０、５．０、５．０、８．０、３．０、９．０、０．３、３．０、３．０、３．０、５．０、５．０、３．０、０．０８、０．０６［ｍｍ］とした。

【0074】

高さｈ１については、実施例１～７それぞれで、３．０、１．０、４．６、０．２、０．０、０．０、０．０、比較例１～３それぞれで、５．０、２．９５、０．０［ｍｍ］とした。高さｈ２については、実施例８～１１、比較例４それぞれで、２．０、５．０、０．２、４．０、０．０２［ｍｍ］とした。

【0075】

この結果、高さの差Δｈ（＝ｈ０－ｈ１、またはｈ０＋ｈ２）は、実施例１～１１、比較例１～４それぞれで、２．０、４．０、０．４、７．８、３．０、９．０、０．３、５．０、８．０、３．２、９．０、０．０、０．０５、０．０８、０．０８［ｍｍ］となった。

【0076】

［評価方法］
振動試験後における金属端子１７の電気的接続状態を評価した。具体的には、次の（１）、（２）の測定を行った。
（１）試験後での金属端子１７間の短絡の有無
（２）試験前後での貫通孔１６ｄの間隔の比Ｒ（＝Ｄ１／Ｄ０）
ここで、Ｄ０：試験前の貫通孔１６ｄの間隔、Ｄ１：試験後の貫通孔１６ｄの間隔

【0077】

後述のように、振動によって、セラミックハウジング１６の貫通孔１６ｄの内壁が摩耗し、内壁の径が大きくなることで、金属端子１７が近接し、短絡する可能性がある。このため、短絡の有無のみならず、短絡に先立つ貫通孔１６ｄの径の広がり（隣接する貫通孔１６ｄ間の間隔の減少）をも評価した。

【0078】

評価基準Ａ、Ｂは、次のようにした。
Ａ：（１）金属端子１７間に短絡がなく、かつ（２）比Ｒが１／１０より大きい
Ｂ：（１）金属端子１７間に短絡があるか、または（２）比Ｒが１／１０以下

【0079】

［実験方法］
チャンバーにガスセンサを取り付け、下記振動条件下で試験を実施した。
周波数： ２５０Ｈｚ
加速度： ５０Ｇ
試験時間： ５００時間
ガス温度： 室温

【0080】

図８の表に示すように、試験の結果、実施例１～１１は、評価Ａであったが、比較例１～４は評価Ｂであった。すなわち、高さの差Δｈが大きいもの（Δｈが０．３以上）、高さの差Δｈが小さいもの（Δｈが０．０８以下）で、評価が分かれた。

【0081】

図６Ａ～図７Ｂは、実施例、比較例で比較実験の相違が生じることを表すための模式的断面図である。図６Ａ、図６Ｂはそれぞれ、振動を印加する前後での比較例に係るセラミックハウジング１６近傍の状態を表す模式的断面図である。図７Ａ、図７Ｂはそれぞれ、振動を印加する前後での実施例１に係るセラミックハウジング１６近傍の状態を表す模式的断面図である。図６Ａ、図７Ａに示すように、比較例、実施例１は、隣接する挿通部１６ｃの高さが同一、及び相違する点が異なる。

【0082】

ガスセンサに振動を印加したとき、弾性絶縁部材５６に印加される振動の振幅Ａ１は比較的大きいが、セラミックハウジング１６に印加される振動の振幅Ａ２は比較的小さい。セラミックハウジング１６が固定端、弾性絶縁部材５６側が自由端として、ガスセンサが振動することから、弾性絶縁部材５６側（自由端側）での振幅が大きくなる。

【0083】

この振幅の相違に起因して、セラミックハウジング１６の挿通部１６ｃ及び円板部１６ｂの貫通孔１６ｄの内壁は、弾性絶縁部材５６側がより摩耗し、その径が大きくなる。その結果、貫通孔１６ｄは、略円錐台を上下逆にしたようなしりすぼみの形状となる（図６Ｂ、図７Ｂ参照）。

【0084】

このとき、図６Ｂに示すように、比較例では、いずれの挿通部１６ｃでも比較的均一に摩耗が進む。これに対して、図７Ｂに示すように、実施例１では挿通部１６ｃの高さの相違に起因して、高さの大きい挿通部１６ｃでの摩耗が制限される。この結果、比較例では弾性絶縁部材５６側の貫通孔通過部１７ｂが折れ曲がり、短絡し易いのに対して、実施例１では弾性絶縁部材５６側の貫通孔通過部１７ｂの折れ曲がりが制限され、短絡し難くなる。

【0085】

この高さに起因する貫通孔１６ｄ内壁の摩耗の相違は、次のように説明できる。図６Ａ及び図６Ｂに示すように、比較例では、金属端子１７のうち、隣接する貫通孔通過部１７ｂの後部１７ｅはいずれも、セラミックハウジング１６（挿通部１６ｃ）に接触している。このため、隣接する貫通孔通過部１７ｂの後部１７ｅの振動が、挿通部１６ｃの摩耗に相乗的に寄与すると考えられる。一方、実施例１では、高さの低い側の挿通部１６ｃの後部１７ｅは、セラミックハウジング１６に接触していない。このため、高さの低い側の挿通部１６ｃの後部１７ｅでの振動は、高さの高い側の挿通部１６ｃの摩耗に寄与しないと考えられる。このように、貫通孔１６ｄの高さの相違が、隣接する金属端子１７のセラミックハウジング１６（挿通部１６ｃ）への接触状態の相違を生じる。これが、セラミックハウジング１６、特に、その弾性絶縁部材５６側での摩耗の相違を生じたと考えることができる。

【0086】

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

【0087】

［１］ 本実施形態に係るガスセンサ１０は、センサ素子１２、弾性絶縁部材５６、複数のリード線５４、複数の金属端子１７、セラミックハウジング１６を有する。複数のリード線５４は、弾性絶縁部材５６に挿入される。複数の金属端子１７はそれぞれ、センサ素子１２と電気的に接続される第１の端部（センサ接続部１７ａ）と、複数のリード線５４のいずれかと電気的に接続される第２の端部（リード線接続部１７ｄ）と、を有する。セラミックハウジング１６は、複数の金属端子１７のいずれかが挿通される貫通孔１６ｄをそれぞれ有する複数の挿通部１６ｃを有し、複数の挿通部１６ｃの少なくともいずれかの高さが、他の挿通部１６ｃの高さと異なる。

【0088】

これにより、ガスセンサ１０に振動を印加したときの挿通部１６ｃ（貫通孔１６ｄ）の摩耗を抑制し、金属端子１７が折れ曲がり、接触することによる短絡を低減できる。

【0089】

［２］ 本実施形態において、複数の挿通部１６ｃが、隣接し、高さの異なる第１、第２の挿通部１６ｃを有する。高さの異なる挿通部１６ｃが隣接することで、より効果的に、挿通部１６ｃ（貫通孔１６ｄ）の摩耗、ひいては、金属端子１７の短絡を抑制できる。

【0090】

［３］ 本実施形態において、セラミックハウジング１６が、端面１６ｅを有し、複数の挿通部１６ｃが端面１６ｅ上に配置される。これにより、端面１６ｅ上に複数の挿通部１６ｃを容易に設けることができる。

【0091】

［４］ 本実施形態において、複数の挿通部１６ｃの少なくともいずれかが、端面１６ｅと略同一の高さ、突出、あるいは凹ませることができる。すなわち、複数の挿通部１６ｃの少なくともいずれかが、端面１６ｅに対して、略同一の高さ、突出、あるいは凹むのいずれであっても、他の挿通部１６ｃの高さと異なっていればよい。

【0092】

［５］ 本実施形態において、複数の挿通部１６ｃの少なくともいずれかの高さｈ１と、他の挿通部１６ｃの高さｈ０との差Δｈ（＝｜ｈ１－ｈ０｜）が、０．３～１０.０ｍｍである。

【0093】

上述した実施形態では、センサ素子１２は被測定ガス中のＮＯｘ濃度を検出するものとしたが、被測定ガス中の特定ガスの濃度を検出するものであれば、これに限られない。例えば、被測定ガス中の酸素濃度を検出するものとしてもよい。

【0094】

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。

【符号の説明】

【0095】

１０…ガスセンサ １２…センサ素子
１６…セラミックハウジング １６ａ…円筒部
１６ｂ…円板部 １６ｃ…挿通部
１６ｄ…貫通孔 １６ｅ…端面
１７…金属端子 １７ａ…センサ接続部
１７ｂ…貫通孔通過部 １７ｃ…たわみ部
１７ｄ…リード線接続部 １８…センサ組立体
５４…リード線 ５６…弾性絶縁部材

【図1】

【図2】

【図3】

【図4A】

【図4B】

【図4C】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】