(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
前方側が測定対象となるガスに向けられる軸状の検出素子と、前記検出素子の外側に配置される径方向において一重に構成された筒状の外筒部材と、前記検出素子よりも後方側に配置されるとともに、前記外筒部材の内側に配置され、前記検出素子からのリード線を挿通するためのリード線挿通孔が形成されるセラミックセパレータとを備え、前記セラミックセパレータには外周面から突出するセパレータ側支持部が形成される一方、一重に構成された前記外筒部材には内周面から突出する外筒側支持部が形成され、該セパレータ側支持部が該外筒側支持部に直接または他部材を介して間接的に支持されてなり、
前記外筒部材の後端開口部に嵌入されるとともに、前記セラミックセパレータの後端面に直接または他部材を介して間接的に接触するグロメットが備えられてなることを特徴とするガスセンサ。
【請求項２】
前記セパレータ側支持部の前方側支持面は、前方側に向かうほど外径が小となる傾斜面に形成されるとともに、前記外筒側支持部の後方側支持面は、前方側に向かうほど内径が小となる傾斜面に形成されている請求項１記載のガスセンサ。
【請求項３】
前記グロメットは、液体の透過は阻止し、かつ気体の透過は許容する通気部を有する請求項１又は請求項２に記載のガスセンサ。
【請求項４】
前記セパレータ側支持部と前記外筒側支持部のうちの少なくとも一方に、通気路が形成されている請求項１ないし請求項３のいずれかに記載のガスセンサ。
【請求項５】
前記通気路は、前記グロメットに設けられる通気部と連通している請求項４に記載のガスセンサ。
【請求項６】
前記外筒側支持部は、前記外筒部材の内周面から突出して、周方向に断続的に形成されている請求項１ないし請求項５のいずれか１項に記載のガスセンサ。
【請求項７】
前記検出素子に形成される電極層と導通し、当該検出素子の電気的出力を外部に取り出す端子金具の一端が該検出素子の後端部に係合され、その他端が前記セラミックセパレータに形成されるリード線挿通孔内にてリード線と接続されており、前記外筒部材の後端から前記検出素子の後端までの軸線方向距離をＬ1とし、前記セパレータ側支持部の前端から前記端子金具と前記検出素子との係合部前端までの軸線方向距離をＬ2としたときに、Ｌ1＞Ｌ2の関係を満足する請求項１ないし請求項６のいずれか１項に記載のガスセンサ。
【請求項８】
前記外筒部材の肉厚ｔが、０．３≦ｔ≦０．８ｍｍである請求項７記載のガスセンサ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、酸素センサ、ＨＣセンサ、ＮＯｘセンサなど、測定対象となるガス中の被検出成分を検出するためのガスセンサに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、上述のようなガスセンサとして、固体電解質部材の両面に電極層が形成された筒状ないし板状の検出素子を、筒状のケーシングの内側に配置した構造のものが知られている。例えばガスセンサとして代表的な酸素センサの場合、先端部が閉じた中空軸状の固体電解質部材の内外面にそれぞれ電極層が形成された酸素検出素子を、前方側が測定対象となるガスに向けられるような形で筒状のケーシング内に配し、酸素検出素子の先端外面をガスと接触させるとともに、その内面に基準ガスとしての大気を導入して、その内外面に生ずる酸素濃淡電池起電力を、ガス中の酸素濃度の検出信号として内外電極層からリード線を介して外部へ出力した構造のものが広く用いられている。また、上記のような酸素センサにおいては、リード線をケーシングから取り出すための構造として、酸素検出素子の後端部側に個別のリード線挿通孔が形成されたセラミックセパレータを配置させ、リード線挿通孔に各リード線を通すように構成されることが多い。なお、このようにセラミックセパレータを使用することにより、リード線同士の短絡の防止を図っている。
【０００３】
ところで、セラミックセパレータを使用する従来のガスセンサは、例えばセラミックセパレータの外周面に突出するフランジ部を形成し、そのセラミックセパレータをケーシング内に挿入させるとともに、そのフランジ部をケーシングの開口端面に当接させ、さらにその外側を筒状のカバー部材で覆うようにした二重構造のものが多い。このような二重構造のものでは、例えば、カバー部材に段付き部を設け、カバー部材をケーシングに対して軸方向に押圧しながら、セラミックセパレータのフランジ部をケーシング開口端部とカバー部材の段付き部との間で挟み込むことで、セラミックセパレータを保持している。また、上記二重構造にあっては、ケーシングとカバー部材との気密性を維持するため加締め等の接合手段を施す必要がある。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
近年、排気ガスによる大気汚染など環境保護上の問題に対応するために、ガスセンサに対する需要も増え、それに伴う低コスト化やコンパクト化に対する要望も年々高まりつつある。そのために、ガスセンサの構造の見直しによる部品点数の削減、組立工数の削減が要求され、それと同時にセンサ自体のコンパクト化も要求されている。
【０００５】
本発明の課題は、センサ構造全体の簡素化・コンパクト化および組立工数の削減を図ることのできるガスセンサ構造を提供することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段及び作用・効果】
上記課題を解決するために、第一番目の発明にかかるガスセンサは、前方側が測定対象となるガスに向けられる軸状の検出素子と、前記検出素子の外側に配置される径方向において一重に構成された筒状の外筒部材と、前記検出素子よりも後方側に配置されるとともに、前記外筒部材の内側に配置され、前記検出素子からのリード線を挿通するためのリード線挿通孔が形成されるセラミックセパレータとを備え、前記セラミックセパレータには外周面から突出するセパレータ側支持部が形成される一方、一重に構成された前記外筒部材には内周面から突出する外筒側支持部が形成され、該セパレータ側支持部が該外筒側支持部に直接または他部材を介して間接的に支持されてなり、
前記外筒部材の後端開口部に嵌入されるとともに、前記セラミックセパレータの後端面に直接または他部材を介して間接的に接触するグロメットが備えられてなることを特徴とする。
【０００７】
上記本発明によれば、従来のようにケーシングの開口端面にセラミックセパレータのフランジ部を支持させるのではなく、外筒部材の任意の部位を内周面から内向きに突出して形成される外筒側支持部にセラミックセパレータの外周面から突出形成されるセパレータ側支持部を支持させることにより、セラミックセパレータを保持するにあたり、セラミックセパレータの外側を別のカバー部材を用いて覆う必要がない。すなわち、セラミックセパレータを保持するにあたり、従来必要であった二重構造を廃止して、センサの部品点数の削減、それに伴うセンサ構造の簡素化・コンパクト化が図れ、さらには低コスト化にも寄与することができる。しかも、従来必要であった二重構造を廃止できることから、ケーシングとカバー部材との気密性を維持するための加締め等の接合手段が不要となり、セラミックセパレータの保持を容易にするばかりか、組立工数の削減を図ることもでき、ひいては低コスト化にも寄与することができる。さらに、セラミックセパレータが既存品であるグロメットによりがたつきなく安定的に保持できるので、部品点数の削減を図ることができる。なお、部品点数削減の観点においては、セラミックセパレータ（のセパレータ側支持部）は外筒側支持部に対して他部材を介さず直接支持させる構造がより望ましい。
【０００８】
ここで上記発明のセパレータ側支持部の前方側支持面を、前方側に向かうほど外径が小となる傾斜面に形成し、また外筒側支持部の後方側支持面を、前方側に向かうほど内径が小となる傾斜面に形成することができる。これらの傾斜面を設けることにより、外筒部材に対してセラミックセパレータの挿入がスムーズに行える。例えばセパレータ側支持部の前方側支持面の傾斜は、セラミックセパレータのセパレータ側支持部が外筒部材の後端開口部に挿入される際の案内ガイドとなり、外筒側支持部の後方側支持面の傾斜は、セラミックセパレータの先端部が外筒側支持部の内側に挿入される際の案内ガイドとなる。
【００１０】
さらに本発明のグロメットは、液体の透過は阻止し、かつ気体の透過は許容する通気部を有することができる。フィルタ等の通気部をグロメットに設けることで、ガスセンサの中で最も高温に晒される部位である検出部から通気部をできるだけ遠ざけることができ、例えばシリコンゴム、フッ素樹脂等のフィルタ構成材に関して耐熱性を確保することができる。また、例えば自動車用の酸素センサの場合、その取り付け場所はエンジンルーム以外にも、車両の足周り部分に近い排気管等に取り付けられることも多い。このような状況においてはガスセンサは、雨中走行時や洗車時等に水滴の噴射を受けたり時には水没したりすることになる。フィルタ等の通気部をグロメットに設けることで、通気部を相対的に高位置に設けることが容易になり、水滴が侵入しにくく防水性の高い状態での外気導入を可能にする。
【００１１】
さらに本発明は、セパレータ側支持部と外筒側支持部のうちの少なくとも一方に、通気路を形成することができる。セラミックセパレータの外周面に沿うように通気路を形成すると、ガスセンサの内部において基準ガスの循環が促進されて換気性能がよくなる傾向がみられる。そこで、排気ガス等の混入が少ない状態で基準ガスを導入して、排気ガス濃度の検出が精度よく行える。
【００１２】
さらに本発明の通気路は、グロメットに設けられる通気部と連通することができる。ガスセンサの小型化により容積率が増大した場合にも、測定に必要な酸素（大気）等の基準ガスを取り入れるために通気径路の確保が容易である。
【００１３】
さらに本発明の外筒側支持部は、外筒部材の内周面から突出して、周方向に断続的に形成することができる。かかる構成をとるときには、外筒側支持部の形成加工が容易に行え、加工コストの低廉化が図れる。全周にわたり一体的にフランジ状の外筒側支持部が形成される場合に比べて、安価にかつ高精度で加工できるとともに、隣合う外筒側支持部間にできる周方向の隙間が前述の通気路を形成し、大気の通気量が増して換気性能が向上する。
【００１４】
さらに本発明は、検出素子に形成される電極層と導通し、当該検出素子の電気的出力を外部に取り出す端子金具の一端が該検出素子の後端部に係合され、その他端が前記セラミックセパレータに形成されるリード線挿通孔内にてリード線と接続されており、
前記外筒部材の後端から前記検出素子の後端までの軸線方向距離をＬ1とし、前記セパレータ側支持部の前端から前記端子金具と前記検出素子との係合部前端までの軸線方向距離をＬ2としたときに、Ｌ1＞Ｌ2の関係を満足する構成をとることができる。端子金具が検出素子の後端部に係合する以前に、セパレータ側支持部が外筒部材の後端部に挿入開始され、組立の際の基準側であるセラミックセパレータ側のズレを先に矯正し位置決めを行うこととなり、その後の組立作業がスムーズにかつ能率的に行える。
【００１５】
ここで、検出素子の内外面に電極層がそれぞれ形成され、各電極層に対応して第一及び第二の端子金具が嵌合するような場合には、軸線方向距離Ｌ2は次のようにして定められる。すなわち、Ｌ2は、セパレータ側支持部の前端から、第一又は第二端子金具のうち先に検出素子の後端との係合を開始する端子金具と検出素子との係合部前端までの軸線方向距離をいう。
【００１７】
さらに本発明の外筒部材の肉厚ｔは、０．３≦ｔ≦０．８ｍｍが望ましい。例えば自動車用の酸素センサの場合、車両の足周り部分に近い排気管等に取り付けられて路面からの石はね等による衝撃を受けても破損等を生じにくくすることができる。
【００１８】
また、上記課題を解決するために、第二番目の発明にかかるガスセンサは、
前方側が測定対象となるガスに向けられる軸状の検出素子と、
前記検出素子の外側に配置される筒状の外筒部材と、
前記検出素子よりも後方側に配置されるとともに、前記外筒部材の内側に配置され、前記検出素子からのリード線を挿通するためのリード線挿通孔が形成されるセラミックセパレータとを備え、
前記セラミックセパレータには外周面から突出するセパレータ側支持部が形成される一方、前記外筒部材には内周面から突出する外筒側支持部が形成され、該セパレータ側支持部が該外筒側支持部に直接または他部材を介して間接的に支持されるとともに、
前記検出素子に形成される電極層と導通し、当該検出素子の電気的出力を外部に取り出す端子金具の一端が該検出素子の後端部に係合され、その他端が前記セラミックセパレータに形成されるリード線挿通孔内にてリード線と接続されており、
前記外筒部材の後端から前記検出素子の後端までの軸線方向距離をＬ1とし、前記セパレータ側支持部の前端から前記端子金具と前記検出素子との係合部前端までの軸線方向距離をＬ2としたときに、Ｌ1＞Ｌ2の関係を満足することを特徴とする。
【００１９】
組立の際の基準側であるセラミックセパレータ側のズレを先に矯正し位置決めを行えば、その後の組立がスムーズであり、組み付け性が良好となって作業効率が向上する。すなわち、端子金具が検出素子の後端部に係合する以前に、セパレータ側支持部が外筒部材の後端部に挿入開始され、セラミックセパレータの位置決め及びズレの矯正が確実に行われる。この矯正され位置決めされたセラミックセパレータを基準として端子金具が検出素子の後端部に係合することとなってその後の組み付け作業が効率よく行える。
【００２０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図面に示す実施例に基づき説明する。
図１は本発明のガスセンサの一実施例たる酸素センサの内部構造を示し、図２は要部の拡大図である。酸素センサ１（ガスセンサ）は、先端が閉じた中空軸状の酸素検出素子２（検出素子）と、酸素検出素子２の中空部２ａに挿入された発熱体３とを備える。酸素検出素子２は、酸素イオン伝導性を有する固体電解質により中空軸状に形成されている。なお、このような固体電解質としては、Ｙ２Ｏ３ないしＣａＯを固溶させたＺｒＯ２が代表的なものであるが、それ以外のアルカリ土類金属ないし希土類金属の酸化物とＺｒＯ２との固溶体を使用してもよい。さらには、ベースとなるＺｒＯ２にはＨｆＯ２が含有されていてもよい。そして、図２及び図３に示すように、酸素検出素子２の中空部２ａの内面には、そのほぼ全面を覆うように、例えばＰｔあるいはＰｔ合金により多孔質に形成された内部電極層２ｃが、一方その外面にはその前方部を覆うように、同じく外部電極層２ｂがそれぞれ設けられている。また、この酸素検出素子２の中間部外側には、絶縁性セラミックから形成されたインシュレータ６，７及びタルクから形成されたセラミック粉末８を介して筒状の金属製ケーシング１０が設けられている。なお、以下の説明において、酸素検出素子２の軸方向先端部に向かう側（閉じている側）を「前方側」、これと反対方向に向かう側を「後方側」と称する。
【００２１】
ケーシング１０は、酸素センサ１を排気管等の取付部に取り付けるためのねじ部９ｂを有する主体金具９と、その主体金具９の前方側開口部を覆うように取り付けられたプロテクタ１１からなる。本実施例の酸素センサ１はねじ部９ｂより前方が排気管等のエンジン内に位置し、それより後方は外部の大気中に位置して使用される。主体金具９（ケーシング１０）は、その前方側開口部から酸素検出素子２の先端側（検出部）を測定対象となる排気ガスに向けられるように突出させた状態で酸素検出素子２を保持するとともに、この開口部に形成される筒状のプロテクタ装着部９ａにキャップ状のプロテクタ１１が装着されて、酸素検出素子２の検出部を所定の空間を隔てて覆っている。プロテクタ１１には、排気ガスを透過させる複数のガス透過口１２が貫通形態で形成されている。
【００２２】
主体金具９の後方部は、絶縁体６との間にリング１５を介して加締められ、この主体金具９に筒状の金属製外筒部材１６の前端側に形成された開口部が外側から嵌合・固定されている。また、この外筒部材１６の後端側開口部はゴム等で構成されたグロメット１７を嵌入させることにより封止され、さらにこれに続いて内方（前方側）にセラミックセパレータ１８が設けられている。そして、それらセラミックセパレータ１８及びグロメット１７を貫通するように、酸素検出素子２用のリード線２０，２１及び発熱体３用のリード線１９，２２が配置されている（図５、図６参照）。
【００２３】
セラミックセパレータ１８は、ケーシング１０の後方側にケーシング１０とほぼ同軸的に設けられている。外筒部材１６は、セラミックセパレータ１８を外側から覆う状態で、ケーシング１０に対し後方外側からほぼ同軸的に連結される筒状形態をなす。グロメット１７は、セラミックセパレータ１８の後方側に位置して、外筒部材１６の後端開口部に対しその内側に弾性的に嵌入されている。
【００２４】
次に、酸素検出素子２用の一方のリード線２１は、互いに一体に形成されたコネクタ２３ａ、引出し線部２３ｂ、固定部２３ｃ及び下方押圧部２３ｄとを有する第一端子金具２３（端子金具）を経て前述の酸素検出素子２の内部電極層２ｃ（図２）と電気的に接続されている。一方、他方のリード線２０は、互いに一体に形成されたコネクタ３３ａ、引出し線部３３ｂ及び金具本体部３３ｃとを有する第二端子金具３３（端子金具）を経て、酸素検出素子２の外部電極層２ｂ（図３）と電気的に接続されている。酸素検出素子２は、その内側に配置された発熱体３で加熱することで活性化される。発熱体３は棒状のセラミックヒータであり、Ａｌ２Ｏ３を主とする芯材に抵抗発熱体（図示せず）を有する発熱部３ａが、＋極側及び−極側の発熱体端子部３ｂ，３ｂに接続されるリード線１９，２２（図６）を経て通電されることにより、酸素検出素子２の先端部（検出部）を加熱する。各リード線１９，２０，２１，２２は、セラミックセパレータ１８の軸線方向に貫通して設けられた４個のリード線挿通孔１８ａと、グロメット１７の軸線方向に貫通して設けられた４個のリード線挿通孔１７ａとに、各々挿通されて外部へ引き出されている。
【００２５】
なお、発熱体３に形成される発熱部３ａは、発熱体３の周方向に偏在することで、より小さな容積に発熱エネルギーが集中することになり、ヒータ通電時間の活性化時間を短縮する上で効果的である。また、発熱部３ａを発熱体３の先端部に偏在させるようにすれば、酸素検出素子２を速やかに加熱する上で有効である。つまり、発熱部３ａを発熱体３の全体に広げることもできるが、そうすると熱エネルギーが分散しやすくなるため、むしろ発熱部３ａを発熱体３の先端部に偏在させた方が局部的に発熱するために好ましい。そして、このような発熱部３ａの形成と、後述するように少なくとも発熱体３の先端部を酸素検出素子２の中空部２ａ内壁面に接触させることとの組み合わせにより、酸素センサ１の活性化時間をより短縮することができる。
【００２６】
図２及び図３に示すように、第一端子金具２３（端子金具）は、先端側に形成された下方押圧部２３ｄの内面で発熱体３の外面を押圧し、少なくとも発熱体３の先端部を酸素検出素子２の中空部２ａ内壁面に接触させる。下方押圧部２３ｄに続く固定部２３ｃの外面が酸素検出素子２の内面に嵌入することにより第一端子金具２３を軸方向に位置固定する。また引出し線部２３ｂの一端が固定部２３ｃの周方向の１ケ所に接続する形で一体化され、さらにその他端にコネクタ２３ａが一体化されている。なお、２３ｇは固定部２３ｃが発熱体端部収容穴１８ｃに入り込まないようにするための鍔である。
【００２７】
下方押圧部２３ｄは、略Ｌ字状の横断面形状を有する２個の部材を向き合わせて発熱体３の周囲を包囲する形態で形成されている。そして、発熱体３の挿入に伴い弾性的に押し広げられ、その弾性復元力、すなわち押圧力により発熱体３を径方向に押すことによって、少なくとも発熱体３の先端部を酸素検出素子２の中空部２ａ内壁面に接触させる。
【００２８】
また、固定部２３ｃは、板状金属体を円筒状に曲げ加工することにより、周方向の一部に開口を有する、軸直交断面で見て略Ｃ字状又は略馬蹄形状の形態で形成されている。固定部２３ｃの内側に挿通される発熱体３は、固定部２３ｃの開口の左右両縁部に設けられる下方押圧部２３ｄでの押圧により開口と反対側の固定部２３ｃ内周面で支持されている。そして、固定部２３ｃの外周面が酸素検出素子２の内壁面に直接嵌入することにより第一端子金具２３を軸方向に位置固定する。なお、固定部２３ｃの上方部（後方部）において、開口の左右両縁部側近傍には固定部２３ｃの周面の一部にコ字状の切れ目を設け、この切れ目が径方向内側へ折り込まれて上方押圧部２３ｅを形成している。上方押圧部２３ｅは、発熱体３の挿入時には弾性的に押し広げられて弾性復元力すなわち押圧力を生じ、発熱体３を径方向に押す。
【００２９】
ここで、発熱体３は、下方押圧部２３ｄ及び上方押圧部２３ｅにより、固定部２３ｃの開口側から開口とは反対側の径方向に押圧され、発熱部３ａ近傍において、発熱体３の中心軸線が酸素検出素子２の中空部２ａの中心軸線Ｏに対して片側に寄るように偏心（オフセット）して配置されるとともに、発熱体３はほぼ全長にわたって酸素検出素子２の中空部２ａ内壁面に接触している。
【００３０】
なお、酸素検出素子２の中空部２ａの後端開口部内側に面取２ｈを設けることにより、酸素検出素子２に欠け等の不具合を生じることなく、第一端子金具２３の嵌入がスムーズに行える。また、固定部２３ｃの外周面は、酸素検出素子２の中空部２ａの内壁面との接触により内部電極層２ｃ内面と導通するようになっている。さらに、固定部２３ｃは他部材を介して間接的に、酸素検出素子２の内面、すなわち中空部２ａ内壁面に嵌合されていてもよい。
【００３１】
一方、第二端子金具３３（端子金具）は、円筒状の金具本体部３３ｃを有するとともに、引出し線部３３ｂの一端が金具本体部３３ｃの周方向の１ケ所に接続する形で一体化され、さらにその他端にコネクタ３３ａが一体化されている。他方、その中心軸線を挟んで引出し線部３３ｂの接続点と反対側には、軸線方向のスリット３３ｅが形成されている。このような金具本体部３３ｃの内側に、酸素検出素子２の後端部がこれを弾性的に押し広げる形で内側から挿入されている。具体的には、酸素検出素子２の外周面後端部には外部側出力取出部としての導電層２ｆが、周方向に沿って帯状に形成されている。外部電極層２ｂは、例えば無電解メッキ等により、酸素検出素子２の係合フランジ部２ｓよりも前端側の要部全面を覆うものとされている。他方、導電層２ｆは、例えば金属ペーストを用いたパターン形成・焼き付けにより形成されるもので、同様に形成される軸線方向の接続パターン層２ｄを介して外部電極層２ｂと電気的に接続されている。
【００３２】
なお、金具本体部３３ｃの酸素検出素子２挿入側の開口部には、例えばその周方向に沿って外向きに開く挿入ガイド部３３ｆを形成しておけば、挿入時の引っ掛かり等が生じにくく、一層スムーズな組付けが可能となる。また、同様の目的で、酸素検出素子２の開口部外縁に面取部２ｇを形成することもできる。
【００３３】
図４は外筒部材１６を示す。円筒状の外筒部材１６の軸線方向前方側は、外径Ｄ1が相対的に大きい大径部１６ａに形成され、主体金具９（ケーシング１０）に外側から嵌合される。一方、外筒部材１６の軸線方向後方側は、外径Ｄ2が相対的に小さい小径部１６ｃに形成され、セラミックセパレータ１８がその内部に収容され、後端開口部１６ｄにはグロメット１７が嵌入される。そして、外筒部材１６の軸線方向中間部は、その両端において大径部１６ａと小径部１６ｃとに各々接続され、外径が連続的に変化する傾斜部１６ｂを形成している。また、外筒部材１６の小径部１６ｃの中間部内面において、全周にわたり内向きに一体的に突出する形態でフランジ状の外筒側支持部１６Ａが形成されている。なお、大径部１６ａと小径部１６ｃとの外径比Ｄ1／Ｄ2は、１．１〜１．５程度、例えば１．３であり、Ｄ1／Ｄ2が１．５を超えると外筒部材１６とセラミックセパレータ１８との間に後述の通気路Ｋを形成するのが困難な場合があり、一方Ｄ1／Ｄ2が１．１未満であると外筒部材１６の内部空間が狭くなって換気性能や耐熱性の点で不利になる場合がある。
【００３４】
外筒部材１６は、径方向において一重に構成されており、酸素センサ１の小型化（小径化）・軽量化に有効であるが、他方で、酸素センサ１を車両の足周り部分に近い排気管等に取り付けた場合には、路面からの石はね等による衝撃に伴う変形・破損等への対処も重要になる。そこで外筒部材１６の肉厚ｔは、全範囲にわたって、０．３≦ｔ≦０．８ｍｍ、より望ましくは０．４≦ｔ≦０．６ｍｍとし、路面からの石はね等による衝撃を受けても変形・破損等を発生しにくいようにしている。なお、肉厚ｔについて、ｔ＜０．３ｍｍになると、十分な耐衝撃性を確保できない場合があり、ｔ＞０．８ｍｍになると、グロメット１７の加締めが充分に行えない場合がある。
【００３５】
図５にセラミックセパレータ１８を示す。軸直交断面が円状に形成されるセラミックセパレータ１８には、各リード線１９，２０，２１，２２（図６）を挿通するための４個のリード線挿通孔１８ａが軸方向に貫通して形成されている。その軸線方向後端側の外周面には、全周にわたり外向きに一体的に突出する形態でフランジ状のセパレータ側支持部１８Ａが形成されている。セラミックセパレータ１８の後端面において、通気溝１８ｂが４個のリード線挿通孔１８ａと干渉しない位置に十字形態で軸線と直交する方向に形成され、後端面の外周に達した各通気溝１８ｂはそこから直角に向きを変え、セパレータ側支持部１８Ａの外周面に沿って軸線方向前方側へ延びている。また、セラミックセパレータ１８の前端面から開口する有底状の発熱体端部収容穴１８ｃが軸線方向に形成されている。なお、この発熱体端部収容穴１８ｃの内径は発熱体３の外径よりも大きく設定されている。また、発熱体端部収容穴１８ｃの底面１８ｄはセラミックセパレータ１８の軸線方向中間部に位置している。発熱体３の後端部は、セラミックセパレータ１８の軸線方向前方側から発熱体端部収容穴１８ｃに挿入され、発熱体３の後端面が収容穴１８ｃの底面１８ｄに当接することで軸線方向の位置決めがなされる。
【００３６】
図５、図２又は図４において、外筒部材１６の外筒側支持部１６Ａは、その後方側支持面１６Ａ１において、セラミックセパレータ１８のセパレータ側支持部１８Ａの前方側支持面１８Ａ１を受け止め支持している。すなわち、外筒部材１６の小径部１６ｃ内面には、セラミックセパレータ１８のセパレータ側支持部１８Ａの外径Ｄよりも小さな内径ｄを有する外筒側支持部１６Ａが内向きに突出して形成される。さらに、外筒部材１６の後端側小径部１６ｃの内面１６ｃ１はセラミックセパレータ１８のセパレータ側支持部１８Ａの外周面１８Ａ２に対して、また外筒部材１６の外筒側支持部１６Ａの内面１６Ａ２はセラミックセパレータ１８の本体部１８ｅの外周面１８ｅ１に対して、それぞれ外筒部材１６にセラミックセパレータ１８を挿入する際のガイドとして機能している。したがって、後端側小径部１６ｃの内面１６ｃ１とセパレータ側支持部１８Ａの外周面１８Ａ２との間、及び外筒側支持部１６Ａの内面１６Ａ２と本体部１８ｅの外周面１８ｅ１との間には、それぞれ径方向の隙間Ｓ1，Ｓ2が形成され、これらは前述の通気溝１８ｂとともに通気路Ｋを構成する。セラミックセパレータ１８の外周面に沿うように通気路Ｋを形成すると、酸素センサ１の内部において基準ガスである大気の循環が促進されて換気性能がよくなる傾向があり、排気ガス等の混入が少ない状態で酸素検出素子２の中空部２ａに大気を導入することができる。
【００３７】
図６はグロメット１７と通気部５３との組立状態を示す。グロメット１７には、各リード線１９，２０，２１，２２を挿通するための４個のリード線挿通孔１７ａがその内部に軸線方向に貫通して設けられている。グロメット１７の径方向中央部には中央貫通孔１７ｂが設けられ、この中央貫通孔１７ｂに通気部５３が嵌入されている。グロメット１７のリード線挿通孔１７ａ、中央貫通孔１７ｂ及び外周面１７Ａは、これら通気部５３及びリード線１９，２０，２１，２２の外面と外筒部材１６の開口部内面（小径部内面）１６ｃ１との間をシールする。通気部５３をグロメット１７に設けることで、通気部５３を相対的に高位置に設けることが容易になり、水滴が侵入しにくく防水性が高くなる。
【００３８】
通気部５３は、フィルタ５３Ａとフィルタ支持金具５３Ｂとから構成されている。フィルタ５３Ａは、軸線方向に延びる円筒状周面部５３Ａ１と、周面部５３Ａ１に対して後端部で蓋状に連接され、軸線方向に外気を導く通気端面部５３Ａ２とを有し、全体が軸方向断面にて逆Ｕ字状を呈している。そして、円筒状のフィルタ支持金具５３Ｂは、前端部に鍔部５３Ｂ２を有し、軸線方向に延びる円筒状周面部５３Ｂ１がフィルタ５３Ａの円筒状周面部５３Ａ１内部に嵌合して、フィルタ５３Ａを内側から支持し、外筒部材１６の小径部１６ｃを加締めてグロメット加締部１６Ｂを形成するときにフィルタ５３Ａの円筒状周面部５３Ａ１が破壊しないよう支えている。フィルタ５３Ａ等の通気部５３をグロメット１７に設けることで、酸素センサ１の中で最も高温に晒される部位である酸素検出素子２の検出部から通気部５３をできるだけ遠ざけることができ、フィルタ５３Ａの耐熱性に有利である。
【００３９】
フィルタ５３Ａ又はフィルタ支持金具５３Ｂには各々内外の周面に軸線方向に沿うテーパ等の傾斜を設けて嵌合を強固なものとする事ができる。フィルタ５３Ａは、図６の状態から１８０゜回転させて通気端面部５３Ａ２を底部（前端部）に位置させることもできるが、水等の侵入を防止する意味において、グロメット１７の後端面と通気端面部５３Ａ２とがほぼ面一になる図６の状態がより望ましい。また、フィルタ支持金具５３Ｂは、外筒部材１６の小径部１６ｃを加締めてグロメット加締部１６Ｂを形成したのちは抜去して、次のグロメット１７の組立用治具として使用することもできる。なお、フィルタ５３Ａは、例えばポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）の多孔質繊維構造体（商品名：例えばゴアテックス（ジャパンゴアテックス（株）））等により、水滴等の水を主体とする液体の透過は阻止し、かつ空気及び／又は水蒸気などの気体の透過は許容する撥水性フィルタとして構成されている。
【００４０】
上記酸素センサ１において、基準ガスとしての大気はフィルタ５３Ａの通気端面部５３Ａ２（通気部）→セラミックセパレータ１８の通気溝１８ｂ→外筒部材１６とセラミックセパレータ１８との間の径方向の隙間Ｓ1，Ｓ2（通気路Ｋ）→中空部２ａを経て酸素検出素子２の内面（内部電極層２ｃ）に導入される（図２矢印Ｒ参照）。一方、酸素検出素子２の外面（外部電極層２ｂ）にはプロテクタ１１のガス透過口１２を介して導入された排気ガスが接触し、酸素検出素子２には、その内外面の酸素濃度差に応じて酸素濃淡電池起電力が生じる。そして、この酸素濃淡電池起電力を、排気ガス中の酸素濃度の検出信号として内外電極層２ｃ，２ｂ（図２、図３）から第一及び第二端子金具２３，３３並びにリード線２１，２０を介して取り出すことにより、排気ガス中の酸素濃度を検出できる。
【００４１】
図７は、酸素センサの組立方法の一例を示す工程説明図である。まず、発熱体３が第一端子金具２３の下方押圧部２３ｄ及び上方押圧部２３ｅとで径方向に保持された状態で、第一端子金具２３に接続されたリード線２１が、セラミックセパレータ１８のリード線挿通孔１８ａとグロメット１７のリード線挿通孔１７ａとに順次挿通されて外部へ引き出される。第一端子金具２３の鍔２３ｇがセラミックセパレータ１８の前端面に接当するように配置され、かつ発熱体３の後端部が、発熱体端部収容穴１８ｃの底面１８ｄで受け止められ、軸線方向の位置決めがなされる。なお、第二端子金具３３に接続されたリード線２０も、リード線挿通孔１８ａ，１７ａに順次挿通して外部へ引き出される。一方、ケーシング１０（主体金具９）に酸素検出素子２を保持して別途組み立て、ケーシング１０（主体金具９）の後端部に対して外筒部材１６の前端部側を後方外側から嵌合させる。
【００４２】
そして、酸素検出素子２及びケーシング１０が組み込まれた外筒部材１６と、両端子金具２３，３３及び発熱体３が組み込まれたセラミックセパレータ１８とを相対的に接近させると、前方側では酸素検出素子２の中空部２ａ内壁面をガイドとして発熱体３が徐々に挿入され、後方側では外筒部材１６の後端側小径部１６ｃの内面１６ｃ１をガイドとして、セラミックセパレータ１８のセパレータ側支持部１８Ａの外周面１８Ａ２が、徐々に挿入される（図７（ａ））。ここで、「相対的に接近」とは、外筒部材１６とセラミックセパレータ１８との間で、いずれか一方を固定し他方を移動させるか、又は両者を互いに逆方向に移動させることにより、両者を接近させることを表している。
【００４３】
やがて、第二端子金具３３の金具本体部３３ｃの内側に、酸素検出素子２の後端部が金具本体部３３ｃを弾性的に押し広げる形で挿入され、次いで、酸素検出素子２の中空部２ａの後端開口部から第一端子金具２３の固定部２３ｃの外面が中空部２ａ内壁面に嵌入される。セパレータ側支持部１８Ａの前方側支持面１８Ａ１が、外筒側支持部１６Ａの後方側支持面１６Ａ１に当接したときに、外筒部材１６とセラミックセパレータ１８との相対的な接近を停止する。このとき、発熱体３の外面は上方押圧部２３ｅ及び下方押圧部２３ｄにより径方向に押圧され酸素検出素子２の中空部２ａ内壁面に発熱体３のほぼ全長が接触させられている。こののち外筒部材１６の後端開口部１６ｄから、後端側小径部１６ｃの内面１６ｃ１をガイドとして、通気部５３が組み込まれたグロメット１７の外周面１７Ａを嵌入する。セラミックセパレータ１８の後端面に既存品であるグロメット１７の前端面が当接して、セラミックセパレータ１８はがたつきなく安定的に外筒部材１６内に保持される。
【００４４】
これらの挿入位置を維持しつつ、外筒部材１６の後端部において、グロメット１７と外筒部材１６の小径部１６ｃとを加締めてグロメット加締部１６Ｂを形成し、最後に外筒部材１６の前端部において、レーザー光源Ｌから発射されるＹＡＧ（イットリウム、アルミニウム、ガーネット）レーザービームＬＢを外筒部材１６の大径部１６ａと主体金具９との重ね合わせ部に向けて略水平方向に全周にわたって照射し、レーザー溶接部１６Ｃを形成する。（図７（ｂ））。
【００４５】
図７において、外筒部材１６の後端から酸素検出素子２の後端までの軸線方向距離をＬ1とし、セパレータ側支持部１８Ａの前端（前方側支持面１８Ａ１）から第二端子金具３３と酸素検出素子２との係合部前端までの軸線方向距離をＬ2としたとき、Ｌ1＞Ｌ2の関係を満足するように構成されている。かかる構成により、外筒部材１６とセラミックセパレータ１８との相対的な接近により両者を組み付けるとき、まず外筒部材１６に対するセパレータ側支持部１８Ａの挿入が開始され（図７（ａ））、その後に第二端子金具３３に対する酸素検出素子２の挿入が始まる。
【００４６】
各部品の製造誤差が許容範囲内であっても例えば中心軸線のズレにより組み付け性が悪化したり破損を生じたりする場合がある。一般的に、組立の際の基準側であるセラミックセパレータ側のズレを先に矯正し位置決めを行えば、その後の組立がスムーズであり、組み付け性が良好となって作業効率が向上する。ここでは、セパレータ側支持部１８Ａが外筒部材１６の後端部に挿入開始され、セラミックセパレータ１８の位置決め及びズレの矯正が確実に行われる。この矯正され位置決めされたセラミックセパレータ１８を基準として第二端子金具３３に対する酸素検出素子２の挿入が始まり、その後の組み付け作業が効率よく行える。
【００４７】
ここで、セパレータ側支持部１８Ａの前端（前方側支持面１８Ａ１）から第二端子金具３３と酸素検出素子２との係合部前端までの軸線方向距離Ｌ2に関して以下の点に留意する必要がある。すなわち図７等の実施例の場合のように、酸素検出素子２の後端から第一及び第二端子金具２３，３３が組み込まれたセラミックセパレータ１８を接近させて行くと、まず第二端子金具３３の金具本体部３３ｃの内側に、酸素検出素子２の後端部が金具本体部３３ｃを弾性的に押し広げる形で挿入され、次いで、酸素検出素子２の中空部２ａの後端開口部から第一端子金具２３の固定部２３ｃの外面が中空部２ａ内壁面に嵌入されるときは、先に酸素検出素子２の後端との係合を開始する第二端子金具３３ によって軸線方向距離Ｌ2が決定される。換言すれば、酸素検出素子２の後端から第一及び第二端子金具２３，３３が組み込まれたセラミックセパレータ１８を接近させて行くと、まず酸素検出素子２の中空部２ａの後端開口部から第一端子金具２３の固定部２３ｃの外面が中空部２ａ内壁面に嵌入され、次いで、第二端子金具３３の金具本体部３３ｃの内側に、酸素検出素子２の後端部が金具本体部３３ｃを弾性的に押し広げる形で挿入されるときは、先に酸素検出素子２の後端との係合を開始する第一端子金具２３ によって軸線方向距離Ｌ2が決定される（図９参照）。
【００４８】
よって、Ｌ2は、セパレータ側支持部１８Ａの前端（前方側支持面１８Ａ１）から、第一又は第二端子金具２３，３３のうち先に酸素検出素子２の後端との係合を開始する端子金具と酸素検出素子２との係合部前端までの軸線方向距離をいう。なお、第一又は第二端子金具２３，３３は、酸素検出素子２の後端部に対して、直接でなく他部材を介して間接的に嵌合（係合）されていてもよい。
【００４９】
図８に、図４の外筒部材の他の実施例を示す。この実施例においては、外筒部材１６の小径部１６ｃの中間部内面において、内向きに突出する形態の外筒側断続支持部１６Ａ’（外筒側支持部）が周方向に断続的に形成されている。具体的には、小径部１６ｃの中間部内面において、複数（図では８個）の半球状突起形態の外筒側断続支持部１６Ａ’が周方向に所定間隔（図では４５゜間隔）毎に内向きに突出形成されている。突起の大きさ、形状、個数、設置間隔等は任意に設定できる。この実施例によれば、図４のように全周にわたり一体的にフランジ状の外筒側支持部１６Ａが形成される場合に比べて、安価に製造できる上に加工の際の歪も小さく抑えられる。さらに、隣合う半球状突起１６０Ａ’間にできる周方向の隙間Ｓ3が前述の径方向の隙間Ｓ1，Ｓ2と組み合わされて通気路Ｋを形成し、大気の通気量が増すとともに換気性能が向上する。なお、図８において図４と共通する部分には同一符号を付して、説明を省略する。
【００５０】
図９に、図１の酸素センサの他の実施例を示す。この実施例が図１と異なるところは主として以下の２点である。
▲１▼セラミックセパレータ１８において、全周にわたり外向きに一体的に突出するフランジ状のセパレータ側支持部１８Ａが、軸線方向後端位置の外周面に形成される状態（図１）から、軸線方向中間位置の外周面に形成される状態（図９）に変更している。
▲２▼酸素検出素子２の後端部に対する、第一又は第二端子金具２３，３３の嵌合（係合）順序に関して、まず第二端子金具３３の金具本体部３３ｃの内側に、酸素検出素子２の後端部が金具本体部３３ｃを弾性的に押し広げる形で挿入され、次いで、酸素検出素子２の中空部２ａの後端開口部から第一端子金具２３の固定部２３ｃの外面が中空部２ａ内壁面に嵌入される態様（図１：この場合は、先に酸素検出素子２の後端との係合を開始する第二端子金具３３ によって軸線方向距離Ｌ2が決定される）から、まず酸素検出素子２の中空部２ａの後端開口部から第一端子金具２３の固定部２３ｃの外面が中空部２ａ内壁面に嵌入され、次いで、第二端子金具３３の金具本体部３３ｃの内側に、酸素検出素子２の後端部が金具本体部３３ｃを弾性的に押し広げる形で挿入される態様（図９：この場合は、先に酸素検出素子２の後端との係合を開始する第一端子金具２３ によって軸線方向距離Ｌ2が決定される）に変更している。なお、図９において図１と共通する部分には同一符号を付して、説明を省略する。
【００５１】
図１０に、図４の外筒部材のさらに他の実施例を示す。この実施例においては、外筒側支持部１６Ａの後方側支持面１６Ａ１は、前方側に向かうほど内径が小となる傾斜面に形成されている。また、セパレータ側支持部１８Ａの前方側支持面１８Ａ１も、前方側に向かうほど外径が小となる傾斜面に形成されている。そして、外筒側支持部１６Ａの後方側支持面１６Ａ１の傾斜は、セラミックセパレータ１８の先端部が外筒側支持部１６Ａの内側に挿入される際の案内ガイドとなる（図１０（ａ）参照）。次に、セパレータ側支持部１８Ａの前方側支持面１８Ａ１の傾斜は、セラミックセパレータ１８のセパレータ側支持部１８Ａが外筒部材１６の後端開口部１６ｄに挿入される際の案内ガイドとなる（図１０（ｂ）参照）。これらの傾斜面１６Ａ１，１８Ａ１を設けることにより、外筒部材１６に対してセラミックセパレータ１８の挿入がスムーズに行える。
【００５２】
図１０（ａ）の外筒側支持部１６Ａは、外筒部材１６の小径部１６ｃの中間部内面において、全周にわたり内向きに一体的に突出するフランジ状に形成されている。一方、図１０（ｂ）の外筒側断続支持部１６Ａ’（外筒側支持部）は、図８と同様に周方向に断続的に形成されている。具体的には、小径部１６ｃの中間部内面において、複数（図では４個）の帯状突起形態の外筒側断続支持部１６Ａ’が周方向に所定間隔（図では９０゜間隔）毎に内向きに突出形成されている。突起の大きさ、形状、個数、設置間隔等は任意に設定できる。
【００５３】
図１０において、セパレータ側支持部１８Ａの前方側支持面１８Ａ１前端からセラミックセパレータ１８の前端までの軸線方向距離をＬ3とし、外筒部材１６の後端から外筒側支持部１６Ａの後方側支持面１６Ａ１前端までの軸線方向距離をＬ4としたとき、Ｌ3＞Ｌ4の関係を満足するように構成されている。かかる構成により、後方側支持面１６Ａ１，１６Ａ１’及び前方側支持面１８Ａ１の各傾斜面が案内ガイドとしての機能を充分に発揮できるようになる。なお、図１０において図４及び図８と共通する部分には同一符号を付して、説明を省略する。図１０では両傾斜面すなわち後方側支持面１６Ａ１，１６Ａ１’及び前方側支持面１８Ａ１は、ともに平面状に形成されているが曲面状等であってもよい。
【００５４】
図１１は、さらに異なる外筒部材を組み込んだ酸素センサを表している。図１１に示す外筒部材１６は、図１のものに比べて、小径部１６ｃの前半部分と中間部１６ｂとを大径部１６ａに置き換えて構成されている。すなわち、酸素検出素子２とセラミックセパレータ１８とを外方から被う大径部１６ａは、外筒部材１６の前端から外筒側支持部１６Ａに至るまで形成されている。大径部１６ａの軸線方向長さは、外筒部材１６の全長の１／２以上に及び、また酸素センサ１の全長の１／２近くを占めるようになる。その結果、外筒部材１６と酸素検出素子２又はセラミックセパレータ１８との間に形成される内部空間は、図１のものに比べて相対的に広くなる。内部空間が広くなったことで、仮に路面からの石はね等による衝撃によって外筒部材１６が変形した（ただし、衝撃による変形等に対しては、肉厚ｔに対する考慮等によって別途対策を講じている）としても、セラミックセパレータ１８の破損に至らず、両端子金具２３，３３の接触による短絡等を回避できる。また、内部空間を広くしたことで、導入大気に排気ガス等の異物が混入した場合にも、空間全体に薄められてセンサ出力への影響を小さくすることができる。なお、図１１において図１と共通する部分には同一符号を付して、説明を省略する。
【００５５】
以上説明した本発明のセンサの構造は、酸素センサ以外のガスセンサ、例えばＨＣセンサやＮＯｘセンサなどにも同様に適用することができる。また、セラミックセパレータ１８は外筒側支持部１６Ａにおいて直接でなく他部材を介して間接的に支持されていてもよい。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のガスセンサの一実施例たる酸素センサの縦断面図。
【図２】図１の酸素センサの一部拡大縦断面図。
【図３】セラミックセパレータへの組み付け状態を示す分解斜視図。
【図４】外筒部材の平面図及び正面半断面図。
【図５】セラミックセパレータの平面図、底面図及び半断面図。
【図６】グロメットと通気部との組み付け状態を示す分解斜視図。
【図７】図１の酸素センサの組立方法の一例を示す工程説明図。
【図８】図４の外筒部材の他の実施例を示す平面図及び正面半断面図。
【図９】図１の酸素センサの他の実施例を示す縦断面図。
【図１０】図４の外筒部材のさらに他の実施例を示す軸直交断面図及び正面半断面図。
【図１１】さらに異なる外筒部材を組み込んだ酸素センサの縦断面図。
【符号の説明】
１      酸素センサ（ガスセンサ）
２      酸素検出素子（検出素子）
２ｂ    外部電極層（電極層）
２ｃ    内部電極層（電極層）
１０    ケーシング
１６    外筒部材
１６Ａ  外筒側支持部
１６Ａ’  外筒側断続支持部（外筒側支持部）
１６Ａ１  後方側支持面
１６Ａ１’  後方側支持面
１６ｄ  後端開口部
１７    グロメット
１８    セラミックセパレータ
１８Ａ  セパレータ側支持部
１８Ａ１  前方側支持面
１９，２０，２１，２２    リード線
２３    第一端子金具（端子金具）
３３    第二端子金具（端子金具）
５３    通気部
５３Ａ  フィルタ
Ｋ      通気路
Ｌ1     外筒部材の後端から検出素子の後端までの軸線方向距離
Ｌ2     セパレータ側支持部の前端から端子金具と検出素子との係合部前端までの軸線方向距離
ｔ      外筒部材の肉厚
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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