JP6563295B2 - ガスセンサ - Google Patents

Description

本発明は、ガスセンサに関する。

従来、自動車の排気ガスなどの被測定ガスにおけるＮＯｘなどの特定ガス濃度を検出するガスセンサが知られている。例えば、特許文献１には、センサ素子と、センサ素子を挿通保持する絶縁碍子と、絶縁碍子を挿通保持するハウジングと、ハウジングに固定された素子カバーと、を備えたガスセンサが記載されている。

特開２００７−１７８４１８号公報

ところで、このようなガスセンサは、使用時には排気ガスなどの被測定ガスによって加熱されるため、絶縁碍子が膨張する。しかし、特許文献１では、このような絶縁碍子の膨張については特に考慮されていなかった。そのため、絶縁碍子の膨張時にハウジングからの応力がかかることにより、絶縁碍子にクラックなどの破損が生じる場合があった。

本発明はこのような課題を解決するためになされたものであり、加熱によるセラミックス部材の破損を抑制することを主目的とする。

すなわち、本発明は、上述した主目的を達成するために以下の手段を採った。

本発明のガスセンサは、
被測定ガス中の特定ガス濃度を検出可能な長尺なセンサ素子と、
前記センサ素子が内部を軸方向に貫通している円柱状のセラミックス部材と、
前記セラミックス部材が内部に軸方向に挿入されている貫通孔を有し、該貫通孔の内周面と前記セラミックス部材との間に隙間を有し、該隙間の径方向の距離Ｗ１が２０μｍ以上である筒状のハウジングと、
を備えたものである。

このガスセンサでは、ハウジングの貫通孔の内周面とセラミックス部材との間に隙間が形成されており、隙間の径方向の距離Ｗ１が２０μｍ以上である。このような隙間が存在することで、セラミックス部材が加熱により膨張した際のハウジングからの径方向の応力が低減される。したがって、加熱によるセラミックス部材の破損を抑制できる。

本発明のガスセンサにおいて、前記距離Ｗ１が５００μｍ以下であってもよい。こうすることで、ハウジングとセラミックス部材との間の隙間を気体（例えば被測定ガスや大気）が軸方向に流通するのを抑制でき、隙間で気体が結露しにくくなり、例えばハウジングなどの腐食が生じにくくなる。これにより、センサ素子の一端側と他端側との間の気密性が低下することを抑制できる。

本発明のガスセンサは、前記センサ素子の先端側を覆い、内部への前記被測定ガスの流通を許容する保護カバー、を備え、前記セラミックス部材は、円柱状の大径部と、該大径部よりも前記保護カバー側に位置し且つ該大径部よりも外径が小さい円柱状の小径部と、を有しており、前記距離Ｗ１は、前記小径部の外周面と前記貫通孔の内周面との隙間の径方向の距離であってもよい。すなわち、セラミックス部材の小径部の外周面とハウジングの貫通孔の内周面との間に隙間が存在し、この隙間の径方向の距離Ｗ１が２０μｍ以上としてもよい。セラミックス部材が大径部と小径部とを有する場合、保護カバーに近い小径部の方が被測定ガスによって加熱されやすいため破損しやすい。そのため、小径部とハウジングの内周面との間に２０μｍ以上の隙間が存在することで、例えば大径部とハウジングの内周面との間にのみ隙間がある場合と比較して、加熱によるセラミックス部材の破損をより抑制できる。

セラミックス部材が大径部と小径部とを備える態様の本発明のガスセンサにおいて、前記セラミックス部材は、前記大径部が前記貫通孔の内周面との間に隙間を有し、該隙間の径方向の距離Ｗ２が５μｍ以上であってもよい。小径部とハウジングの内周面との間だけでなく、大径部とハウジングの内周面との間にも隙間があることで、セラミックス部材が加熱により膨張した際のハウジングからの径方向の応力がより低減される。したがって、加熱によるセラミックス部材の破損をより抑制できる。

セラミックス部材が大径部と小径部とを備える態様の本発明のガスセンサにおいて、前記距離Ｗ２が５００μｍ以下であってもよい。こうすることで、ハウジングとセラミックス部材との間の隙間を気体が軸方向に流通するのを抑制でき、隙間で気体が結露しにくくなり、例えばハウジングなどの腐食が生じにくくなる。これにより、センサ素子の一端側と他端側との間の気密性が低下することを抑制できる。

セラミックス部材が大径部と小径部とを備える態様の本発明のガスセンサにおいて、前記距離Ｗ１と前記距離Ｗ２との比である比Ｗ１／Ｗ２が値１以上であってもよい。こうすれば、ガスセンサが加熱された場合に、保護カバーから遠いため加熱されにくい大径部の方が、小径部よりも先にハウジングと接触しやすくなる。これにより、加熱されやすいことで熱膨張しやすい小径部は、ハウジングと接触しなくなる、もしくは接触してもハウジングからの径方向の応力が緩和される。したがって、セラミックス部材の破損をより抑制できる。

セラミックス部材が大径部と小径部とを備える態様の本発明のガスセンサにおいて、前記ハウジングは、内周面が前記貫通孔の一部を構成し前記小径部が内部に挿入されている第１筒状部と、内周面が前記貫通孔の一部を構成し前記大径部が内部に挿入されており前記第１筒状部よりも内径が大きい第２筒状部と、前記第１筒状部の一部であり該第１筒状部の内周面と前記第２筒状部の内周面とを接続する第１段差面と、を有しており、前記セラミックス部材は、前記大径部の一部であり該大径部の外周面と前記小径部の外周面とを接続し前記第１段差面と対向する第２段差面を有しており、前記第１段差面と前記第２段差面との間に配設され、該第１段差面と該第２段差面とに押圧されているリング状の封止部材、を備えていてもよい。こうすれば、リング状の封止部材が存在することで第１段差面と第２段差面との間を封止できる。そのため、ハウジングとセラミックス部材との間を気体が軸方向に流通するのを抑制でき、センサ素子の一端側と他端側との間の気密性が低下することを抑制できる。

封止部材を備える態様の本発明のガスセンサにおいて、前記封止部材は、外径Ｄｐ［ｍｍ］が前記大径部の外径Ｄｃ２［ｍｍ］以下であってもよい。こうすれば、封止部材は、大径部の外周面よりも外径側にはみ出しにくい。ここで、封止部材が大径部の外周面よりも外径側にはみ出していると、大径部の外周面と第２段差面との間の角部が加熱により膨張する際に、角部の膨張が封止部材に規制されて角部に熱応力が集中する場合がある。封止部材の外径Ｄｐが大径部の外径Ｄｃ２以下であることで、角部への熱応力の集中を抑制でき、加熱によるセラミックス部材の破損を抑制できる。

封止部材を備える態様の本発明のガスセンサにおいて、前記封止部材は、前記第１段差面と前記第２段差面とに押圧されていない状態で、内径側が外径側に比べて厚い部材であってもよい。こうすれば、例えば押圧されていない状態での封止部材の厚さが均一な場合と比較して、封止部材の位置が径方向にずれにくい。そのため、ガスセンサが昇降温を繰り返した場合に、ハウジングとセラミックス部材との位置が径方向にずれるのを抑制できる。したがって、センサ素子の一端側と他端側との間の気密性が低下することを抑制できる。

封止部材を備える態様の本発明のガスセンサにおいて、前記第１段差面と前記第２段差面との軸方向の距離が、前記セラミックス部材の中心軸に近づくほど大きくなっていてもよい。こうすれば、ハウジングからセラミックス部材への封止部材を介した押圧力が中心軸に向かう成分を有するようになる。そのため、ガスセンサが昇降温を繰り返した場合に、ハウジングとセラミックス部材との位置が径方向にずれるのを抑制できる。したがって、センサ素子２０の一端側と他端側との間の気密性が低下することを抑制できる。

ガスセンサ１０が配管９０に取り付けられた様子を示す概略説明図。 ガスセンサ１０の縦断面図。 図２のハウジング４１及びセラミックス部材４５周辺の拡大図。

次に、本発明の実施形態について、図面を用いて説明する。図１は、本発明の一実施形態であるガスセンサ１０が配管９０に取り付けられた様子を示す概略説明図である。図２は、ガスセンサ１０の縦断面図であり、図１のＡ−Ａ断面図である。図３は、図２のハウジング４１及びセラミックス部材４５周辺の拡大図である。なお、本実施形態において、上下方向，及び左右方向は、図２，３に示した通りとする。

図１に示すように、ガスセンサ１０は、例えば車両の排ガス管などの配管９０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（特定ガス濃度）を測定するために用いられる。本実施形態では、ガスセンサ１０は特定ガス濃度としてＮＯｘ濃度を測定するものとした。

図２に示すように、ガスセンサ１０は、センサ素子２０と、センサ素子２０の表面の少なくとも一部を被覆する保護層２５と、センサ素子２０の先端面２０ａを含む先端側（図２の下端側）を保護する保護カバー３０と、センサ素子２０を封止固定する素子封止体４０と、センサ素子２０の基端面２０ｂを含む基端側（図２の上端側）の保護やセンサ素子２０からの電気信号の取り出しを行う組立体５０と、を備えている。

センサ素子２０は、ジルコニア（ＺｒＯ₂）等の酸素イオン伝導性固体電解質層を複数積層した構造を有している。センサ素子２０は、長尺な板状体形状（直方体形状）の素子であり、下端側の先端面２０ａと、上端側の基端面２０ｂと、先端面２０ａ及び基端面２０ｂに垂直な４つの面と、を備えている。センサ素子２０は、被測定ガスを自身の内部に導入する図示しない被測定ガス導入口を先端面２０ａに有しており、被測定ガス導入口から内部に流入した被測定ガス中の特定ガス濃度を検出可能に構成されている。

保護層２５は、センサ素子２０の表面の少なくとも一部を覆う多孔質体である。保護層２５は、センサ素子２０の先端面２０ａを含む、素子室３７内に位置する部分のほとんどを覆っている。保護層２５は、例えば被測定ガス中の水分やオイル成分等からセンサ素子２０を保護する役割を果たす。保護層２５は、例えばアルミナなどのセラミックスの多孔質体からなる。

保護カバー３０は、例えばステンレス鋼などの金属からなり、外部から内部の素子室３７への被測定ガスの流入を許容する円筒状の部材である。保護カバー３０は、センサ素子２０の先端側を覆う有底筒状の内側保護カバー３１と、この内側保護カバー３１を覆う有底筒状の外側保護カバー３２とを備えている。内側保護カバー３１は、内側に素子室３７を有している。素子室３７は、内側保護カバー３１の内周面に囲まれた空間である。素子室３７内には、センサ素子２０の先端面２０ａを含む先端側が配置されている。内側保護カバー３１と外側保護カバー３２との間には、両カバーに囲まれた空間であるガス室３８が存在する。内側保護カバー３１には、側面（外周面）に位置する複数の素子室入口３３と、底面に位置する素子室出口３４とが配設されている。外側保護カバー３２には、側面（外周面）に位置する複数の外側入口３５と、底面に位置する外側出口３６とが配設されている。

素子封止体４０は、センサ素子２０を固定すると共に、センサ素子の先端側（下側）である保護カバー３０内の空間（素子室３７及びガス室３８）と、基端側（上側）である大気側カバー７４内の空間との間を封止するものである。センサ素子２０は、長手方向（上下方向）に素子封止体４０を貫通している。素子封止体４０は、ハウジング４１と、セラミックス部材４５と、封止部材４８と、シール材４９と、を備えている。センサ素子２０と、ハウジング４１と、セラミックス部材４５と、封止部材４８とは、同軸に配置されており、これらの中心軸はガスセンサ１０の中心軸Ｃと一致している。

ハウジング４１は、例えばステンレス鋼などからなる円筒状の金属部材である。図３に示すように、ハウジング４１は、セラミックス部材４５が内部に軸方向（上下方向）に挿入されている貫通孔４１ａと、円筒状の第１筒状部４２と、第１筒状部４２の上側に第１筒状部４２と同軸に接続された円筒状の第２筒状部４３と、を備えている。第１筒状部４２は、内周面４２ａと、内周面４２ａの上端と第２筒状部４３の内周面４３ａの下端との間を接続する第１段差面４２ｂと、を備えている。第１段差面４２ｂは、上面視でリング状の面であり、中心軸Ｃに垂直な方向（左右方向）すなわちハウジング４１の径方向で中心軸Ｃに近づくほど保護カバー３０側（下側）に向かうように傾斜している。換言すると、第１段差面４２ｂは、内径側ほど下側に向かうように傾斜している。第２筒状部４３は、内周面４２ａよりも内径が大きい内周面４３ａを備えている。第１筒状部４２の内径（内周面４２ａの直径）を内径ｄｍ１［ｍｍ］と称する。第２筒状部４３の内径（内周面４３ａの直径）を内径ｄｍ２［ｍｍ］と称する。内径ｄｍ１は、例えば９ｍｍ〜１２ｍｍである。内径ｄｍ２は、例えば１２ｍｍ〜１６ｍｍである。内周面４２ａ，内周面４３ａ，及び第１段差面４２ｂは、貫通孔４１ａの一部を構成している。第１筒状部４２の内部には、セラミックス部材４５の小径部４６が挿入されている。第２筒状部４３の内部には、セラミックス部材４５の大径部４７が挿入されている。第１筒状部４２の下端には保護カバー３０の上端が取り付けられている。第１筒状部４２は、外周面に雄ネジ部が設けられており、配管９０に溶接され内周面に雌ネジ部が設けられた固定用部材９１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２０の先端側や保護カバー３０が配管９０内に突出した状態で、ガスセンサ１０が配管９０に固定されている。

セラミックス部材４５は、ハウジング４１の貫通孔４１ａの内部に挿入された円柱状の部材である。セラミックス部材４５は、中心軸Ｃと同軸の貫通孔を有し、センサ素子２０が内部を軸方向に貫通している。セラミックス部材４５は、例えばアルミナ、ステアタイト、ジルコニアなどの絶縁性のセラミックスからなる。このセラミックス部材４５は、円柱状の小径部４６と、小径部４６に小径部４６と同軸に接続された円柱状の大径部４７と、を備えている。小径部４６は、大径部４７よりも保護カバー３０側（下側）に位置している。小径部４６は、大径部４７の外周面４７ａよりも外径が小さい外周面４６ａを備えている。外周面４６ａは、第１筒状部４２の内周面４２ａと径方向に対向している。大径部４７は、外周面４７ａと、外周面４７ａの下端と小径部４６の外周面４６ａの上端との間を接続する第２段差面４７ｂと、を備えている。外周面４７ａは、第２筒状部４３の内周面４３ａと径方向に対向している。第２段差面４７ｂは、中心軸Ｃに垂直な面であり、ハウジング４１の第１段差面４２ｂと上下に対向している。大径部４７の内径側には、シール材４９が充填されている。小径部４６の外径（外周面４６ａの直径）を外径Ｄｃ１［ｍｍ］と称する。大径部４７の外径（外周面４７ａの直径）を外径Ｄｃ２［ｍｍ］と称する。外径Ｄｃ１は、例えば８．９６ｍｍ〜１１．９６ｍｍである。外径Ｄｃ２は、例えば１２ｍｍ〜１６ｍｍである。

封止部材４８は、例えばステンレス，ニッケル，又は銅などの金属からなるリング状の部材である。封止部材４８は、ハウジング４１の第１段差面４２ｂとセラミックス部材４５の第２段差面４７ｂとの間に配設され、第１段差面４２ｂ及び第２段差面４７ｂに上下から押圧されている。これにより、封止部材４８はハウジング４１とセラミックス部材４５との隙間を気密に封止している。封止部材４８の外径を外径Ｄｐ［ｍｍ］と称する。封止部材４８の内径を内径ｄｐ［ｍｍ］と称する。なお、外径Ｄｐ及び内径ｄｐは、図３のように素子封止体４０に封止部材４８が組み込まれた状態における径、すなわち第１段差面４２ｂと第２段差面４７ｂとに押圧された状態での径とする。また、封止部材４８は、第１段差面４２ｂと第２段差面４７ｂとに押圧されていない状態で、内径側が外径側に比べて厚い部材であることが好ましい。すなわち、封止部材４８は、外部からの圧力が加えられていない状態での形状が、内径側が外径側に比べて厚くなっていることが好ましい。なお、封止部材４８は、図３のように素子封止体４０に組み込まれた状態では、第１段差面４２ｂと第２段差面４７ｂとに押圧されて変形していてもよい。その場合、変形した状態では必ずしも内径側が外径側に比べて厚い必要はない。シール材４９は、タルクやアルミナ粉末、ボロンナイトライドなどのセラミックス粉末の成型体である。シール材４９は、大径部４７の内周面とセンサ素子２０との間に充填されて、セラミックス部材４５とセンサ素子２０との間を気密に封止している。

ここで、素子封止体４０のハウジング４１，セラミックス部材４５，及び封止部材４８の位置関係について詳細に説明する。ハウジング４１の内周面とセラミックス部材４５の外周面との間には、図３に示すように隙間が存在する。より具体的には、第１筒状部４２の内周面４２ａと小径部４６の外周面４６ａとの間に隙間が存在する。この隙間の径方向の距離Ｗ１は、２０μｍ以上である。詳細は後述するが、距離Ｗ１が２０μｍ以上であることで、ガスセンサ１０の使用時の加熱によるセラミックス部材４５の破損を抑制できる。なお、距離Ｗ１は、内周面４２ａと外周面４６ａとの全周に亘る隙間（径方向の距離）の平均値とする。そのため、ハウジング４１とセラミックス部材４５との中心軸が一致しているか否かに関わらず、距離Ｗ１は、基本的には「内周面４２ａの内径ｄｍ１と外周面４６ａの外径Ｄｃ１との差」の半分の値となる。すなわち、Ｗ１＝（ｄｍ１−Ｄｃ１）／２となる。

また、第２筒状部４３の内周面４３ａと大径部４７の外周面４７ａとの間にも隙間が存在することが好ましい。すなわち、この隙間の径方向の距離Ｗ２は０μｍ（隙間が存在しない）でもよいが、０μｍ超過であることが好ましい。なお、距離Ｗ２も、距離Ｗ１と同様に全周に亘る隙間（径方向の距離）の平均値とする。そのため、ハウジング４１とセラミックス部材４５との中心軸が一致しているか否かに関わらず、距離Ｗ２は、基本的には「内周面４３ａの内径ｄｍ２と外周面４７ａの外径Ｄｃ２との差」の半分の値となる。すなわち、Ｗ２＝（ｄｍ２−Ｄｃ２）／２となる。また、距離Ｗ２が０μｍ超過である場合において、距離Ｗ２は距離Ｗ１以下であることが好ましい。すなわち、距離Ｗ１と距離Ｗ２との比である比Ｗ１／Ｗ２が値１以上であることが好ましい。なお、比Ｗ１／Ｗ２は値１超過としてもよい。比Ｗ１／Ｗ２は、値１００以下としてもよいし、値１０以下としてもよい。

第１段差面４２ｂは、上述したように、ハウジング４１の径方向で中心軸Ｃに近づくほど保護カバー３０側（下側）に向かうように傾斜している。また、第２段差面４７ｂは、上述したように中心軸Ｃに垂直な面である。これらにより、第１段差面４２ｂ及び第２段差面４７ｂは、軸方向（上下方向）の互いの距離が、セラミックス部材４５の中心軸Ｃに近づくほど大きくなっている。第１段差面４２ｂと第２段差面４７ｂとのなす角θｇ（図３の部分拡大図参照）は、例えば０°超過３０°以下である。なす角θｇは、５°以上としてもよい。なす角θｇは、１５°以下としてもよい。

組立体５０は、絶縁碍子５５と、複数の接触金具６０と、複数の接続端子７１と、複数のリード線７２と、ゴム栓７３と、大気側カバー７４と、外側カバー７５と、皿バネ７７とを備えている。絶縁碍子５５は、有底筒状の部材であり、セラミックス部材４５と同様に絶縁性のセラミックスからなる。絶縁碍子５５は、下面がセラミックス部材４５の上面と接触しており、セラミックス部材４５と同軸に位置している。接触金具６０は、複数箇所で屈曲した金属板であり、内側に折り曲げられた状態の板バネ部を備えている。接触金具６０は、センサ素子２０の左右に複数本ずつ（例えば２本ずつ、３本ずつなど）配設されており、各々がセンサ素子２０の表面に配設された図示しない導通電極と接触し導通している。複数の接触金具６０の各々の端部は、絶縁碍子５５の上側の底部の孔を貫通して引き出され、接続端子７１を介してリード線７２と導通している。リード線７２は、大気側カバー７４及び外側カバー７５の上端を塞ぐゴム栓７３を上下に貫通して外部（配管９０の外部であり、大気中）に引き出されている。大気側カバー７４は、第２筒状部４３の外周面のうちセンサ素子２０の基端側（上側）の部分を覆っている。また、大気側カバー７４は、絶縁碍子５５及びゴム栓７３を覆っている。外側カバー７５は、大気側カバー７４の上側の外周面を覆っている。大気側カバー７４及び外側カバー７５には、それぞれ複数の大気導入孔７６が形成されている。この大気導入孔７６を介して、センサ素子２０の基端面２０ｂに配設された図示しない基準ガス導入口内に、特定ガス濃度の検出の基準となる基準ガス（大気）が導入される。大気側カバー７４及び外側カバー７５は、上端付近に、縮径状に加締められた加締め部を有しており、この加締め部により、ゴム栓７３が固定されている。皿バネ７７は、上下で大気側カバー７４と絶縁碍子５５とに挟まれており、絶縁碍子５５を下方に押圧することで絶縁碍子５５及びセラミックス部材４５を固定している。

次に、こうして構成されたガスセンサ１０の使用例を以下に説明する。ガスセンサ１０が図１，図２のように配管９０に取り付けられた状態で、配管９０内を被測定ガスが流れると、被測定ガスは保護カバー３０内を流通する。具体的には、配管９０内の被測定ガスは、外側入口３５からガス室３８に流入し、ガス室３８から素子室入口３３を経て素子室３７に流入する。そして、被測定ガスは素子室３７内を素子室入口３３から素子室出口３４に向かって流れ、素子室出口３４から外側出口３６を経て外部（配管９０内）に流出する。そして、被測定ガスが、素子室３７内を流通する際に被測定ガス導入口からセンサ素子２０内に流入すると、この被測定ガス中の特定ガス濃度（例えばＮＯｘ濃度）に応じた電気信号（電圧又は電流）をセンサ素子２０が発生させる。なお、センサ素子２０は、大気側カバー７４内に位置する基準ガス導入口から内部に導入された基準ガスに基づいて、被測定ガス中の特定ガス濃度に応じた電気信号を発生させる。この電気信号を接触金具６０，接続端子７１，及びリード線７２を介して取り出すことで、電気信号に基づき特定ガス濃度が検出される。

このように、ガスセンサ１０は、使用時に保護カバー３０側が被測定ガスにさらされるため、被測定ガスによって加熱されて高温になる。そのため、使用時と不使用時とで、ガスセンサ１０は昇降温が繰り返される。そして、使用時にガスセンサ１０が高温になることでセラミックス部材４５は膨張する。ここで、本実施形態では、ハウジング４１の内周面４２ａとセラミックス部材４５の外周面４６ａとの間に隙間があり、上述したようにこの隙間の距離Ｗ１が２０μｍ以上になっている。このような隙間が存在すると、セラミックス部材４５が加熱された際に膨張を許容する空間が存在することになるから、ハウジング４１の内周面４２ａとセラミックス部材４５の外周面４６ａとが接触しなくなるか、もしくは接触したとしても内周面４２ａから外周面４６ａへの径方向の応力が低減される。したがって、加熱によりセラミックス部材４５にクラックなどの破損が生じるのを抑制できる。なお、距離Ｗ１が大きいほど、加熱によるセラミックス部材４５の破損を抑制する効果は高まる傾向にある。例えば、距離Ｗ１は、５０μｍ以上としてもよい。また、距離Ｗ１は、５００μｍ以下であることが好ましい。距離Ｗ１が５００μｍ以下であることで、ハウジング４１とセラミックス部材４５との間の隙間を気体（被測定ガスや基準ガス）が軸方向に流通するのを抑制できる。その結果、内周面４２ａと外周面４６ａとの隙間で気体が結露しにくくなり、例えばハウジング４１や封止部材４８などの気密性に関連する部材の腐食が生じにくくなる。そのため、素子封止体４０を境界としたセンサ素子２０の一端側（先端面２０ａ側）と他端側（基端面２０ｂ側）との間の気密性が低下することを抑制できる。上述したように、センサ素子２０は、大気側カバー７４内の基準ガスに基づいて保護カバー３０内の被測定ガス中の特定ガス濃度を検出するから、センサ素子２０の一端側と他端側との間の気密性が低下すると、検出の精度が低下する。そのため、センサ素子２０の一端側と他端側との間の気密性の低下を抑制することで、ガスセンサ１０の特定ガス濃度の検出精度の低下を抑制できる。なお、距離Ｗ１が小さいほど、気密性の低下を抑制する効果は高まる傾向にある。例えば、距離Ｗ１は、３００μｍ以下としてもよいし、１００μｍ以下としてもよい。

また、第２筒状部４３の内周面４３ａと大径部４７の外周面４７ａとの間にも隙間が存在すれば、ハウジング４１の内周面４３ａからセラミックス部材４５の外周面４７ａへの径方向の応力も低減される。そのため、距離Ｗ２が０μｍ超過であれば、加熱によりセラミックス部材４５にクラックなどの破損が生じるのをより抑制できる。距離Ｗ２が大きいほど、ガスセンサ１０の使用時の加熱によるセラミックス部材４５の破損をより抑制できる傾向にある。例えば、距離Ｗ２は５μｍ以上であることが好ましい。距離Ｗ２は２０μｍ以上としてもよい。また、距離Ｗ２は、５００μｍ以下であることが好ましい。距離Ｗ２が５００μｍ以下であることで、距離Ｗ１を５００μｍ以下とする場合と同様に、内周面４３ａと外周面４７ａとの隙間で気体が結露しにくくなり、例えばハウジング４１や封止部材４８などの気密性に関連する部材の腐食が生じにくくなる。そのため、センサ素子２０の一端側と他端側との間の気密性が低下することをより抑制できる。なお、距離Ｗ２が小さいほど、気密性の低下を抑制する効果は高まる傾向にある。距離Ｗ２は、３００μｍ以下としてもよいし、１００μｍ以下としてもよいし、５０μｍ以下としてもよい。

さらに、封止部材４８は、外径Ｄｐが大径部４７の外径Ｄｃ２以下であることが好ましい。こうすれば、封止部材４８は、大径部４７の外周面４７ａよりも外径側にはみ出しにくい。ここで、封止部材４８が大径部４７の外周面４７ａよりも外径側にはみ出していると、大径部４７の外周面４７ａと第２段差面４７ｂとの間の角部４７ｃ（図３の部分拡大図参照）が加熱により膨張する際に、膨張が封止部材４８に規制される場合がある。これにより、角部４７ｃに熱応力が集中する場合がある。封止部材４８の外径Ｄｐが大径部４７の外径Ｄｃ２以下であることで、角部４７ｃへの熱応力の集中を抑制でき、加熱によるセラミックス部材４５の破損（特に角部４７ｃやその周辺の破損）を抑制できる。外径Ｄｐが外径Ｄｃ２未満であってもよい。また、封止部材４８とセラミックス部材４５とが、下記式（１）を満たすことが好ましい。なお、式（１）の左辺は、封止部材４８とセラミックス部材４５とが同軸の状態から封止部材４８が径方向に最大限ずれた状態になるまでの封止部材４８の径方向の移動距離に相当する。また、式（１）の右辺は、封止部材４８とセラミックス部材４５とが同軸の状態から封止部材４８が径方向にずれても外周面４７ａより外径側にはみ出す部分が生じない移動距離の最大値に相当する。この式（１）を満たすことで、セラミックス部材４５に対する封止部材４８の位置が径方向にずれた場合でも、封止部材４８が大径部４７の外周面４７ａよりも外径側にはみ出しにくい。なお、封止部材４８の内径ｄｐと小径部４６の外径Ｄｃ１との差は、５μｍ〜５００μｍとしてもよいし、２０μｍ〜５００μｍとしてもよい。大径部４７の外径Ｄｃ２と封止部材４８の外径Ｄｐとの差は、５μｍ〜５００μｍとしてもよい。

（ｄｐ−Ｄｃ１）／２≦（Ｄｃ２−Ｄｐ）／２ （１）

以上詳述した本実施形態のガスセンサ１０によれば、貫通孔４１ａの内周面４２ａとセラミックス部材４５との間に隙間を有し、隙間の径方向の距離Ｗ１が２０μｍ以上であるため、加熱によるセラミックス部材４５の破損を抑制できる。また、距離Ｗ１が５００μｍ以下であるため、センサ素子２０の一端側と他端側との間の気密性が低下することを抑制できる。

また、セラミックス部材４５は、円柱状の大径部４７と、大径部４７よりも保護カバー３０側に位置し且つ大径部４７よりも外径が小さい円柱状の小径部４６と、を有している。そして、距離Ｗ１は、小径部４６の外周面４６ａと貫通孔４１ａの内周面４２ａとの隙間の径方向の距離である。ここで、セラミックス部材４５が大径部４７と小径部４６とを有する場合、保護カバー３０に近い小径部４６の方が被測定ガスによって加熱されやすいため破損しやすい。そのため、小径部４６とハウジング４１の内周面４２ａとの間に２０μｍ以上の隙間が存在することで、例えば大径部４７とハウジング４１の内周面４３ａとの間にのみ隙間がある場合と比較して、加熱によるセラミックス部材４５の破損をより抑制できる。

さらに、大径部４７が貫通孔４１ａの内周面４３ａとの間に隙間を有し、この隙間の径方向の距離Ｗ２が５μｍ以上である。このように、小径部４６とハウジング４１の内周面４２ａとの間だけでなく、大径部４７とハウジング４１の内周面４３ａとの間にも隙間があることで、加熱によるセラミックス部材４５の破損をより抑制できる。また、距離Ｗ２が５００μｍ以下であるため、センサ素子２０の一端側と他端側との間の気密性が低下することを抑制できる。

さらにまた、比Ｗ１／Ｗ２が値１以上であることで、すなわち距離Ｗ２が距離Ｗ１以下であることで、ガスセンサ１０が加熱された場合に、保護カバー３０から遠いため加熱されにくい大径部４７の方が、小径部４６よりも先にハウジング４１と接触しやすくなる。これにより、加熱されやすいことで熱膨張しやすい小径部４６は、ハウジング４１と接触しなくなる、もしくは接触してもハウジング４１からの径方向の応力が緩和される。したがって、セラミックス部材４５の破損をより抑制できる。

そしてまた、ガスセンサ１０は、第１段差面４２ｂと第２段差面４７ｂとの間に配設され、第１段差面４２ｂと第２段差面４７ｂとに押圧されているリング状の封止部材４８を備えている。リング状の封止部材４８が存在することで第１段差面４２ｂと第２段差面４７ｂとの間を封止できる。そのため、ハウジング４１とセラミックス部材４５との間を気体が軸方向に流通するのを抑制でき、センサ素子２０の一端側と他端側との間の気密性が低下することを抑制できる。また、封止部材４８の外径Ｄｐが大径部４７の外径Ｄｃ２以下であるため、封止部材４８は、大径部４７の外周面４７ａよりも外径側にはみ出しにくい。これにより、大径部４７の角部４７ｃへの熱応力の集中を抑制でき、加熱によるセラミックス部材４５の破損を抑制できる。

そしてまた、封止部材４８は、第１段差面４２ｂと第２段差面４７ｂとに押圧されていない状態で、内径側が外径側に比べて厚い部材である。そのため、例えば押圧されていない状態での封止部材４８の厚さが均一な場合と比較して、封止部材４８の位置が径方向にずれにくい。これにより、ガスセンサ１０が昇降温を繰り返した場合に、ハウジング４１とセラミックス部材４５との位置が径方向にずれるのを抑制できる。その結果、センサ素子２０の一端側と他端側との間の気密性が低下することを抑制できる。

そしてまた、第１段差面４２ｂと前記第２段差面４７ｂとの軸方向の距離が、セラミックス部材４５の中心軸Ｃに近づくほど大きくなっている。換言すると、図３のなす角θｇが０°超過である。これにより、ハウジング４１からセラミックス部材４５への封止部材４８を介した押圧力が中心軸Ｃに向かう成分を有するようになる。例えば、第１段差面４２ｂと第２段差面４７ｂとが平行（なす角θｇが０°）であると、ハウジング４１からセラミックス部材４５への封止部材４８を介した押圧力は軸方向に平行（上向き）に作用する。一方、なす角θｇが０°超過であれば、押圧力は図３の部分拡大図で右上方向に作用するため、中心軸Ｃに向かう成分（図３の部分拡大図では右向きの成分）を有するようになる。これにより、ハウジング４１は封止部材４８の全周に亘って外径側から内径側に押圧されることになる。そのため、ガスセンサ１０が昇降温を繰り返した場合に、ハウジング４１とセラミックス部材４５との位置が径方向にずれるのを抑制できる。その結果、センサ素子２０の一端側と他端側との間の気密性が低下することを抑制できる。

なお、本発明は上述した実施形態に何ら限定されることはなく、本発明の技術的範囲に属する限り種々の態様で実施し得ることはいうまでもない。

例えば、上述した実施形態では、第１段差面４２ｂは、内径側ほど下側に向かうように傾斜していたが、これに限られない。第１段差面４２ｂと前記第２段差面４７ｂとの軸方向の距離が、セラミックス部材４５の中心軸に近づくほど大きくなっていれば、上述した実施形態と同様にセラミックス部材４５の径方向の位置ずれを抑制する効果が得られる。例えば、第１段差面４２ｂの傾斜に加えて又は代えて、第２段差面４７ｂも傾斜していてもよい。具体的には、第２段差面４７ｂが、ハウジング４１の径方向で中心軸Ｃに近づくほど保護カバー３０側とは反対側（上側）に向かうように傾斜していてもよい。また、第１段差面４２ｂと前記第２段差面４７ｂとの軸方向の距離が、セラミックス部材４５の中心軸Ｃに近づくほど小さくなっていてもよい。あるいは、第１段差面４２ｂと前記第２段差面４７ｂとが平行であってもよい。

上述した実施形態では、ガスセンサ１０は、第１段差面４２ｂと第２段差面４７ｂとの間に封止部材４８を備えていたが、封止部材４８を備えなくてもよい。この場合、センサ素子２０の一端側と他端側との間の気密性が低下することを抑制できるよう、距離Ｗ２を０μｍとすることが好ましい。

上述した実施形態では、セラミックス部材４５は小径部４６と大径部４７とを備えていたが、セラミックス部材４５の形状はこれに限られない。例えば、セラミックス部材４５が、第２段差面４７ｂを有さない円柱状の形状、すなわち図３の外径Ｄｃ１と外径Ｄｃ２とが等しいような形状であってもよい。この場合も、ハウジングの内周面とセラミックス部材の外周面との間に隙間が存在し、この隙間の距離Ｗ１が２０μｍ以上であれば、上述した実施形態と同様に加熱によるセラミックス部材の破損を抑制する効果が得られる。また、セラミックス部材４５が、小径部４６及び大径部４７に加えて、これらと同軸に接続された円柱状の部材を有していてもよい。同様に、ハウジング４１の形状も、上述した実施形態に限られない。

上述した実施形態では、第１筒状部４２の内周面４２ａと小径部４６の外周面４６ａとの間に２０μｍ以上の隙間が存在したが、内周面４２ａと外周面４６ａとが接していてもよい。この場合でも、第２筒状部４３の内周面４３ａと大径部４７の外周面４７ａとの間に２０μｍ以上の距離の隙間が存在すれば、加熱によるセラミックス部材の破損を抑制する効果が得られる。このような場合は、内周面４３ａと外周面４７ａとの間の隙間の径方向の距離が、本発明の「距離Ｗ１」に相当する。このように、セラミックス部材とハウジングとの間のどこかに、径方向の距離が２０μｍ以上である隙間が存在すれば、加熱によるセラミックス部材の破損を抑制する効果は得られる。ただし、小径部４６の方が保護カバー３０に近い分だけ被測定ガスによって加熱されやすく破損しやすいため、第１筒状部４２の内周面４２ａと小径部４６の外周面４６ａとの間に２０μｍ以上の距離の隙間が存在することが好ましい。

上述した実施形態では、被測定ガス導入口はセンサ素子２０の先端面２０ａに配設されていたが、被測定ガス導入口は素子室３７内に位置すればよく、被測定ガス導入口がセンサ素子２０の他の面に配設されていてもよい。同様に、基準ガス導入口は、大気側カバー７４内に位置すればよく、センサ素子２０の基端面２０ｂに限らずセンサ素子２０の他の面に配設されていてもよい。また、センサ素子２０が被測定ガス導入口を備えていなくてもよい。この場合、例えばセンサ素子２０の表面に測定電極などを含む検出部が配設されていてもよい。

上述した実施形態では、センサ素子２０は長尺な板状体形状としたが、長尺であればよい。例えば、センサ素子２０が円柱状であってもよい。

以下には、ガスセンサを具体的に作製した例を実施例として説明する。実験例３〜２６が本発明の実施例に相当し、実験例１，２が比較例に相当する。なお、本発明は以下の実施例に限定されるものではない。

［実験例１〜１０］
距離Ｗ２を０μｍとし、距離Ｗ１を表１に示すように０μｍ〜６００μｍの間で種々変更した点以外は、図２，３に示したガスセンサ１０と同様の構成のガスセンサを作製し、実験例１〜１０とした。なお、実験例１〜１０において、ハウジング４１の第２筒状部４３の内径ｄｍ２及びセラミックス部材４５の大径部４７の外径Ｄｃ２はいずれも１４．５ｍｍとした。また、距離Ｗ１の調整は、ハウジング４１の第１筒状部４２の内径ｄｍ１を１０．５ｍｍで一定とし、セラミックス部材４５の小径部４６の外径Ｄｃ１を変更することで行った。なお、封止部材４８の外径Ｄｐは１４ｍｍとし、内径ｄｐは１０ｍｍとした。封止部材４８は、第１段差面４２ｂと第２段差面４７ｂとに押圧されていない状態で、外径側と内径側の厚さが同じとした。第１段差面４２ｂと第２段差面４７ｂとのなす角θｇは、３°とした。

［実験例１１〜１８］
距離Ｗ１を５０μｍで一定とし、距離Ｗ２を表１に示すように５μｍ〜１５０μｍの間で種々変更した点以外は、実験例１〜１０と同様の構成のガスセンサを作製し、実験例１１〜１８とした。なお、内径ｄｍ１及び外径Ｄｃ１は、実験例５と同じとした。また、距離Ｗ２の調整は、ハウジング４１の第２筒状部４３の内径ｄｍ２を１４．５ｍｍで一定とし、セラミックス部材４５の大径部４７の外径Ｄｃ２を変更することで行った。

［実験例１９〜２６］
距離Ｗ１を１００μｍで一定とし、距離Ｗ２を表１に示すように１０μｍ〜３００μｍの間で種々変更した点以外は、実験例１１〜１８と同様の構成のガスセンサを作製し、実験例１９〜２６とした。なお、内径ｄｍ１及び外径Ｄｃ１は、実験例６と同じとした。距離Ｗ２の調整は、実験例１１〜１８と同様にハウジング４１の第２筒状部４３の内径ｄｍ２を１４．５ｍｍで一定とし、セラミックス部材４５の大径部４７の外径Ｄｃ２を変更することで行った。

［熱耐久試験］
実験例１〜２６のガスセンサについて、熱耐久試験を行ってセラミックス部材４５のクラックの有無及び位置ずれの有無を調べた。具体的には以下のように試験を行った。ハウジング４１を６００℃まで加熱した後にガスセンサを水没させる冷熱ストレスを与え、これを１回の昇降温サイクルとした。そして、昇降温サイクルを３０００回繰り返した後、及び６０００回繰り返した後に、セラミックス部材４５のクラックの有無及びセラミックス部材４５の径方向の位置ずれの有無を調べた。クラックの有無については、昇降温サイクルを６０００回繰り返した後にクラックが見られなかった場合を「Ａ（優）」とし、３０００回繰り返した後にクラックが見られなかった場合を「Ｂ（良）」とし、３０００回繰り返した後にクラックが見られた場合を「Ｃ（不可）」として評価した。位置ずれについては、昇降温サイクルを６０００回繰り返した後に、目視でハウジング４１に対するセラミックス部材４５の位置が径方向にずれていた場合（ハウジング４１とセラミックス部材４５とが同軸ではなくなっていた場合）に「有り」とした。セラミックス部材４５の位置が径方向にずれていなかった場合には「無し」として評価した。実験例１〜２６の距離Ｗ１，距離Ｗ２，比Ｗ１／Ｗ２，及び熱耐久試験の結果を表１にまとめて示す。

表１に示すように、距離Ｗ１が２０μｍ以上である実験例３〜２６は、いずれもクラックに関する評価が「Ａ（優）」又は「Ｂ（良）」であり、距離Ｗ１が２０μｍ未満である実験例１，２と比べて加熱によるセラミックス部材４５の破損を抑制できていた。また、距離Ｗ２が０μｍ超過である実験例１１〜２６は、いずれもクラックに関する評価が「Ａ（優）」であり、距離Ｗ２が０μｍである実験例３〜１０と比べて加熱によるセラミックス部材４５の破損をより抑制できていた。また、比Ｗ１／Ｗ２が値１以上である実験例１１〜１５，１９〜２３は、距離Ｗ１及び距離Ｗ２が共に０μｍ超過であっても、いずれもセラミックス部材４５の位置ずれが生じていなかった。一方、比Ｗ１／Ｗ２が値１未満である実験例１６〜１８，２４〜２６では、位置ずれが生じていた。ここで、位置ずれが生じると、ハウジング４１からセラミックス部材４５への径方向の応力に偏りが生じるため、応力が大きい部分でセラミックス部材４５が破損しやすくなる可能性がある。そのため、実験例１１〜２６はいずれもクラックに関する評価が「Ａ（優）」であったが、比Ｗ１／Ｗ２が値１以上である実験例１１〜１５，１９〜２３は、比Ｗ１／Ｗ２が値１未満である実験例１６〜１８，２４〜２６と比べてさらに破損が生じにくいと考えられる。例えば、昇降温サイクルを６０００回を超えてさらに繰り返した場合、実験例１１〜１５，１９〜２３は実験例１６〜１８，２４〜２６と比べて破損が生じにくいと考えられる。

１０ ガスセンサ、２０ センサ素子、２０ａ 先端面、２０ｂ 基端面、２５ 保護層、３０ 保護カバー、３１ 内側保護カバー、３２ 外側保護カバー、３３ 素子室入口、３４ 素子室出口、３５ 外側入口、３６ 外側出口、３７ 素子室、３８ ガス室、４０ 素子封止体、４１ ハウジング、４１ａ 貫通孔、４２ 第１筒状部、４２ａ 内周面、４２ｂ 第１段差面、４３ 第２筒状部、４３ａ 内周面、４５ セラミックス部材、４６ 小径部、４６ａ 外周面、４７ 大径部、４７ａ 外周面、４７ｂ 第２段差面、４７ｃ 角部、４８ 封止部材、４９ シール材、５０ 組立体、５５ 絶縁碍子、６０ 接触金具、７１ 接続端子、７２ リード線、７３ ゴム栓、７４ 大気側カバー、７５ 外側カバー、７６ 大気導入孔、７７ 皿バネ、９０ 配管、９１ 固定用部材、Ｃ 中心軸。

Claims (8)

1. 被測定ガス中の特定ガス濃度を検出可能な長尺なセンサ素子と、
   前記センサ素子が内部を軸方向に貫通している円柱状のセラミックス部材と、
   前記セラミックス部材が内部に軸方向に挿入されている貫通孔を有し、該貫通孔の内周面と前記セラミックス部材との間に隙間を有し、該隙間の径方向の距離Ｗ１が２０μｍ以上である筒状のハウジングと、
   前記センサ素子の先端側を覆い、内部への前記被測定ガスの流通を許容する保護カバーと、
   を備え、
   前記セラミックス部材は、円柱状の大径部と、該大径部よりも前記保護カバー側に位置し且つ該大径部よりも外径が小さい円柱状の小径部と、を有しており、
   前記距離Ｗ１は、前記小径部の外周面と前記貫通孔の内周面との隙間の径方向の距離であり、
   前記距離Ｗ１が３００μｍ以下である、
   ガスセンサ。
2. 前記セラミックス部材は、前記大径部が前記貫通孔の内周面との間に隙間を有し、該隙間の径方向の距離Ｗ２が５μｍ以上である、
   請求項１に記載のガスセンサ。
3. 前記距離Ｗ２が５００μｍ以下である、
   請求項２に記載のガスセンサ。
4. 前記距離Ｗ１と前記距離Ｗ２との比である比Ｗ１／Ｗ２が値１以上である、
   請求項２又は３に記載のガスセンサ。
5. 請求項１〜４のいずれか１項に記載のガスセンサであって、
   前記ハウジングは、内周面が前記貫通孔の一部を構成し前記小径部が内部に挿入されている第１筒状部と、内周面が前記貫通孔の一部を構成し前記大径部が内部に挿入されており前記第１筒状部よりも内径が大きい第２筒状部と、前記第１筒状部の一部であり該第１筒状部の内周面と前記第２筒状部の内周面とを接続する第１段差面と、を有しており、
   前記セラミックス部材は、前記大径部の一部であり該大径部の外周面と前記小径部の外周面とを接続し前記第１段差面と対向する第２段差面を有しており、
   前記第１段差面と前記第２段差面との間に配設され、該第１段差面と該第２段差面とに押圧されているリング状の封止部材、
   を備えたガスセンサ。
6. 前記封止部材は、外径Ｄｐ［ｍｍ］が前記大径部の外径Ｄｃ２［ｍｍ］以下である、
   請求項５に記載のガスセンサ。
7. 被測定ガス中の特定ガス濃度を検出可能な長尺なセンサ素子と、
   前記センサ素子が内部を軸方向に貫通している円柱状のセラミックス部材と、
   前記セラミックス部材が内部に軸方向に挿入されている貫通孔を有し、該貫通孔の内周面と前記セラミックス部材との間に隙間を有し、該隙間の径方向の距離Ｗ１が２０μｍ以上である筒状のハウジングと、
   前記センサ素子の先端側を覆い、内部への前記被測定ガスの流通を許容する保護カバーと、
   を備え、
   前記セラミックス部材は、円柱状の大径部と、該大径部よりも前記保護カバー側に位置し且つ該大径部よりも外径が小さい円柱状の小径部と、を有しており、
   前記距離Ｗ１は、前記小径部の外周面と前記貫通孔の内周面との隙間の径方向の距離であり、
   前記ハウジングは、内周面が前記貫通孔の一部を構成し前記小径部が内部に挿入されている第１筒状部と、内周面が前記貫通孔の一部を構成し前記大径部が内部に挿入されており前記第１筒状部よりも内径が大きい第２筒状部と、前記第１筒状部の一部であり該第１筒状部の内周面と前記第２筒状部の内周面とを接続する第１段差面と、を有しており、
   前記セラミックス部材は、前記大径部の一部であり該大径部の外周面と前記小径部の外周面とを接続し前記第１段差面と対向する第２段差面を有しており、
   前記第１段差面と前記第２段差面との間に配設され、該第１段差面と該第２段差面とに押圧されているリング状の封止部材を備え、
   前記封止部材は、前記第１段差面と前記第２段差面とに押圧されていない状態で、内径側が外径側に比べて厚い部材である、
   ガスセンサ。
8. 前記第１段差面と前記第２段差面との軸方向の距離が、前記セラミックス部材の中心軸に近づくほど大きくなっている、
   請求項５〜７のいずれか１項に記載のガスセンサ。

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