(57)【要約】【課題】被測定ガス中の特定ガス濃度と、被測定ガスの圧力とを１つのセンサで精度よく測定可能なセンサを提供する。【解決手段】固体電解質体５ｃ及び該固体電解質体に配置された一対の電極５ａ、５ｂを有して被測定ガス中の特定ガス成分を検出する検出部１１を自身の先端側に有すると共に、検出部を加熱するヒータ部９を自身の先端側に有するガスセンサ素子１０と、ガスセンサ素子を保持する主体金具５０と、ガスセンサ素子の先端側を収容し、被測定ガスが流通するガス検出空間１０２ｓを形成する筒状のプロテクタ部１００、１０２と、被測定ガスが流通し、ガス検出空間と別空間のガス圧力検出空間１０１ｐを形成するガス圧力検出室１０１ａと、ガス圧力検出室内に配置され、被測定ガスの圧力を検出する圧力センサ３０１と、主体金具とガス圧力検出室とを分離不能に一体化してなる筐体部１０５、１１０、１４０、２１０と、を備えるセンサ２００である。【選択図】図３
2014066559.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
軸線方向に延びるガスセンサ素子であり、固体電解質体及び該固体電解質体に配置された一対の電極を有して被測定ガス中の特定ガス成分を検出する検出部を自身の先端側に有すると共に、前記検出部を加熱するヒータ部を自身の先端側に有するガスセンサ素子と、
前記ガスセンサ素子の径方向周囲を取り囲み、該ガスセンサ素子を保持する主体金具と、
前記ガスセンサ素子の前記先端側を収容し、前記被測定ガスが流通するガス検出空間を形成する筒状のプロテクタ部と、
前記被測定ガスが流通し、前記ガス検出空間と別空間のガス圧力検出空間を形成するガス圧力検出室と、
前記ガス圧力検出室内に配置され、前記被測定ガスの圧力を検出する圧力センサと、
前記主体金具と前記ガス圧力検出室とを分離不能に一体化してなる筐体部と、
を備えるセンサ。
【請求項２】
前記筐体部に一体化され、前記ガスセンサ素子及び前記圧力センサの制御回路を備えた回路収容室をさらに有する請求項１記載のセンサ。
【請求項３】
前記ガス圧力検出空間と同一空間又は別空間に配置され、前記被測定ガスの温度を検出してなる温度センサを有し、前記筐体部は前記温度センサをも分離不能に一体化してなる請求項１又は２記載のセンサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、被検出ガスの濃度を検出するガスセンサ素子を備えたセンサに関する。
【背景技術】
【０００２】
ディーゼルエンジンやガソリンエンジン等の内燃機関の吸気系統（例えば、吸気管や吸気マニホールド）や排気系統にガスセンサを取り付け、被検出ガス中の特定ガスの濃度をモニタして燃焼状態等を制御するガスセンサが知られている（特許文献１）。
【０００３】
ところで、このようなガスセンサから出力される出力信号は、被検出ガスのガス圧に依存しており、濃度差がなくてもガス圧の変化により出力信号がばらつくことがあった。そこで、被測定ガスの濃度の検出を行うと同時に、ガス圧を検出するセンサが必要とされている。
【０００４】
これに対し、被検出ガスの濃度と圧力を１つのセンサで同時に測定する技術が開発されている（特許文献２、３）。例えば、特許文献２記載のセンサは、Ｓｉ基板上に金属酸化物半導体層とヒータリードとを配置して被検出ガスの濃度を検知すると共に、上記Ｓｉ基板の別の位置に設けたダイアフラムにピエゾ抵抗素子を配置して被検出ガスの圧力を測定する。又、特許文献３記載のセンサは、固体電解質体及び該固体電解質体に配置された一対の電極からなるセルをヒータ部と積層した構成を備え、そのうち一方の電極を気体遮断部で覆っている。そして、気体遮断部に拡散抵抗の調整された小孔（気体拡散規制部）を開口し、被測定ガスの圧力に依存した拡散（クヌーセン拡散）を生じさせることで、酸素濃度及び圧力をパラメータとする電流値をセルにて測定する。ここで、大気のように酸素濃度が既知であれば、被測定ガスの圧力を得ることができる。又、上記小孔の径を、被測定気体の圧力に依存しない自由拡散状態となるように調整することで、限界電流式センサとして被測定ガスの酸素濃度をも測定することができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２０１１−１４５２６７号公報
【特許文献２】特開平５−２４９０６３号公報
【特許文献３】特開２０１１−２８１２１４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、特許文献２記載のセンサの場合、感ガス素子が配置されている共通のＳｉ基板上に圧力センサ（ピエゾ抵抗素子）が配置されており、感ガス素子をヒータ部で加熱する際、Ｓｉ基板が加熱されて被測定ガスの圧力測定値が不正確になるという問題がある。又、特許文献３記載のセンサの場合、固体電解質体を含むセルに接したヒータ部でセルを加熱しながら酸素濃度を測定するため、このセル部分で被測定ガスの圧力を測定する際、同様に圧力測定値が不正確になる。一方、ガスセンサと別体で圧力センサを配置した場合、ガスセンサ素子で被測定ガス中のガス濃度を測定する位置と、圧力センサで被測定ガスの圧力を測定する位置とが離れているために、ガス濃度を測定する位置での被測定ガスの圧力を正確に測定することが難しいという問題がある。
そこで、本発明は、被測定ガス中の特定ガス濃度と、被測定ガスの圧力とを１つのセンサで精度よく測定可能な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】
【０００７】
上記課題を解決するため、本発明のセンサは、軸線方向に延びるガスセンサ素子であり、固体電解質体及び該固体電解質体に配置された一対の電極を有して被測定ガス中の特定ガス成分を検出する検出部を自身の先端側に有すると共に、前記検出部を加熱するヒータ部を自身の先端側に有するガスセンサ素子と、前記ガスセンサ素子の径方向周囲を取り囲み、該ガスセンサ素子を保持する主体金具と、前記ガスセンサ素子の前記先端側を収容し、前記被測定ガスが流通するガス検出空間を形成する筒状のプロテクタ部と、前記被測定ガスが流通し、前記ガス検出空間と別空間のガス圧力検出空間を形成するガス圧力検出室と、前記ガス圧力検出室内に配置され、前記被測定ガスの圧力を検出する圧力センサと、前記主体金具と前記ガス圧力検出室とを分離不能に一体化してなる筐体部と、を備える。
このセンサによれば、プロテクタ部が形成するガス検出空間とガス圧力検出室が形成するガス圧力検出空間とが別空間になっているため、ガス検出空間内のガスセンサ素子がヒータ部で加熱されても、ガス圧力検出室の内部はガスセンサ素子の熱影響を受けず、被測定ガスの圧力を精度よく測定することができる。又、ガスセンサ素子を保持する主体金具と、圧力センサを備えたガス圧力検出室とを筐体部で１つのセンサとして一体に保持するので、ガスセンサ素子及び圧力センサの取付精度が向上すると共に、ガスセンサ素子で被測定ガス中のガス濃度を測定する位置と、圧力センサで被測定ガスの圧力を測定する位置とが近接し、ガス濃度を測定する位置での被測定ガスの圧力を正確に測定することができる。
【０００８】
また、本発明のセンサは、前記筐体部に一体化され、前記ガスセンサ素子及び前記圧力センサの制御回路を備えた回路収容室をさらに有してもよい。
このセンサによれば、制御回路により、センサ内で被測定ガス中のガス濃度の検出信号と被測定ガスの圧力の検出信号との処理を行うので、ガスセンサ素子及び圧力センサの検出信号を外部装置（ＥＣＵ等）に出力した場合に比べ、外部装置の処理負担が少なくなる
又、ガスセンサ素子及び圧力センサの検出信号を、１つの制御回路内で処理するため、これらガスセンサ素子及び圧力センサの検出信号を別個に外部装置（ＥＣＵ等）に出力した場合の信号の位相ズレを抑制することができ、ガス濃度と被測定ガスの圧力との測定精度がさらに向上する。
【０００９】
さらに、本発明のセンサは、前記ガス圧力検出空間と同一空間又は別空間に配置され、前記被測定ガスの温度を検出してなる温度センサを有し、前記筐体部は前記温度センサをも分離不能に一体化してなるようにしてもよい。
このセンサによれば、ガスセンサ素子の熱影響を受けずに被測定ガスの温度を精度よく測定することができる。
【発明の効果】
【００１０】
この発明によれば、被測定ガス中の特定ガス濃度と、被測定ガスの圧力とを１つのセンサで精度よく測定することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】第１の実施形態に係るセンサの構成を示す上面から見た斜視図である。
【図２】センサの下面から見た斜視図である。
【図３】図１のＡ−Ａ線に沿う断面図である。
【図４】図１のＢ−Ｂ線に沿う断面図である。
【図５】ガスセンサ素子の分解斜視図である。
【図６】本発明の第１の実施形態に係るセンサの製造方法の一例を示す工程図である。
【図７】図６に続く工程図である。
【図８】図７に続く工程図である。
【図９】第２の実施形態に係るセンサの構成を示す上面から見た斜視図である。
【図１０】センサの下面から見た斜視図である。
【図１１】図９のＣ−Ｃ線に沿う断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下、本発明の実施形態について説明する。図１は、本発明の第１の実施形態に係るセンサ２００の上面（後端側）から見た斜視図、図２は、センサ２００の下面（先端側）から見た斜視図、図３は、図１のＡ−Ａ線に沿う断面図、図４は、図１のＢ−Ｂ線に沿う断面図、図５はガスセンサ素子１０の分解斜視図である。又、図６〜図８は、センサ２００の製造方法の一例を示す工程図である。
なお、ガスセンサ素子１０の軸線Ｏ方向（１点鎖線で示す。）を上下方向として図示し、ガスセンサ素子１０の後端部１２側をガスセンサ素子１０（及びガスセンサ）の後端側、その反対側にあるガスセンサ素子１０の検出部１１（図３参照）側をガスセンサ素子１０（及びガスセンサ）の先端側、として説明する。又、軸線Ｏ方向に垂直な方向を適宜「径方向」と称する。
【００１３】
図１、図２に示すように、センサ２００は、ガスセンサ素子１０（図１、図２では、ガスセンサ素子１０を収容する外側プロテクタ１００のみ表示）と、ガスセンサ素子１０を保持する主体金具５０（図３参照）と、主体金具５０を囲む金属製の外筒１１０と、外筒１１０に収容される本体部１０１、及び本体部１０１から径方向に延びるコネクタ部１０３を有する基体部１０５と、本体部１０１及びコネクタ部１０３に収容される絶縁体１０７と、本体部１０１を覆う金属カバー１４０と、外筒１１０の一部を覆う金属製のフランジ付ケーシング１５０と、を有する。
又、図２に示すように、本体部１０１の先端側には、外側プロテクタ１００と径方向に離間して円筒状のガス圧力検出室１０１ａが突出している。ガス圧力検出室１０１ａの先端向き面から後端側に向かって、互いに径方向に離間しつつそれぞれ軸線Ｏ方向に延びる２つの内部空間（ガス圧力検出空間１０１ｐ、及びガス温度検出空間１０１ｔ）が形成されている。
そして、ガス圧力検出空間１０１ｐの内部には圧力センサ３０１（図４参照）が配置され、ガス温度検出空間１０１ｔの内部には温度センサ３０３（図４参照）が配置されている。ガス圧力検出室１０１ａは本体部１０１と一体に形成され、外筒１１０の先端向き面の開口１１０ｈ（図３、図６（ｂ）参照）からガス圧力検出室１０１ａが先端側へ突出している。
又、図１に示すように、本体部１０１の後端側には、凹部をなす回路収容室１０１ｂが本体部１０１と一体に形成され、回路収容室１０１ｂの内部に制御回路３０５が収容されている。制御回路３０５は、ガスセンサ素子１０、圧力センサ３０１及び温度センサ３０３の制御回路を実装してなる回路基板である。
なお、基体部１０５、外筒１１０、及び金属カバー１４０が特許請求の範囲の「筐体部」に相当する。そして、筐体部の一部をなす外筒１１０が基体部１０５（及びガス圧力検出室１０１ａ）を保持すると共に、主体金具５０に接続されることで、外筒１１０（筐体部）が主体金具５０とガス圧力検出室１０１ａとを分離不能に一体化している。
【００１４】
フランジ付ケーシング１５０は、基部１５７と、基部１５７の先端側に形成されて互いに径方向に離間するそれぞれ円筒状の第１筒体１５３及び第２筒体１５５と、基部１５７から径方向外側に延びる一対の半円状のフランジ部１５１と、を有している。各フランジ部１５１にはフランジ孔１５１ｈが１つ開口し、フランジ孔１５１ｈに挿通したネジ（図示せず）をセンサ２００の取付け対象体（例えば、内燃機関の吸気系統）に設けたネジ孔にネジ止めすることで、センサ２００を取付け対象に取り付けることができる。
又、第１筒体１５３及び第２筒体１５５は、それぞれ外側プロテクタ１００及びガス圧力検出室１０１ａに対応する位置に配置され、第１筒体１５３を主体金具５０に接合した際（図８（ｆ）参照）、第１筒体１５３から外側プロテクタ１００がそれぞれ先端側に突出するようになっている。
なお、基部１５７には周方向に沿って凹溝１５７ｂ（図３参照）が形成され、この凹溝にシール部材（Ｏリング）９０が外嵌されている。従って、ガスセンサ２００の取付け対象の開口にセンサ２００を先端側から挿入して取り付けた際、シール部材９０が取付け対象体の壁面で潰され、取付け対象体とフランジ付ケーシング１５０（基部１５７）との間をシールするようになっている。
【００１５】
ここで、詳しくは図３で説明するが、素子アセンブリ１３０（図６（ａ）参照）は、ガスセンサ素子１０、プロテクタ部（外側プロテクタ１００及び内側プロテクタ１０２）、及び主体金具５０を含む組立て体である。そして、素子アセンブリ１３０の後端側には、セパレータ４０を含むセパレータアセンブリ１２０が固定されている（図６（ａ）参照）。
【００１６】
基体部１０５は、本体部１０１、頸部１０２及びコネクタ部１０３を有し、これら本体部１０１、頸部１０２及びコネクタ部１０３は成形性のよい絶縁性の高分子材料（樹脂）、例えばナイロン（登録商標）により一体に形成されている。
本体部１０１は、セパレータアセンブリ１２０（図３、図６参照）の周囲を覆うように略筒状に形成されて頸部１０２に繋がるリング部１０１ｃと、リング部１０１ｃから頸部１０２と反対側に延びて凹部をなす回路収容室１０１ｂとを一体に備えている。各フランジ部１５１の延びる方向に見て、回路収容室１０１ｂの長さはリング部１０１ｃの外径よりも大きく、回路収容室１０１ｂがリング部１０１ｃよりも各フランジ部１５１の方向に膨らんでいる。又、本体部１０１から略矩形状の頸部１０２を介して径方向外側に、略矩形状のコネクタ部１０３が延びている。コネクタ部１０３は、径方向外側に向く開口部１０４を有する雄コネクタであって、開口部１０４にて外部装置の相手コネクタ（この例では、雌コネクタ）を径方向に差抜可能になっている。
本体部１０１及びコネクタ部１０３の内部には絶縁体１０７が収容されている。そして、組み付け時に絶縁体１０７を開口部１０４から径方向に沿って本体部１０１及びコネクタ部１０３に挿入すると、絶縁体１０７のセパレータ４０側の端部１０７ａが本体部１０１の内面の突起１０１ｘ（図３参照）に当接し、絶縁体１０７が位置決めされる。又、絶縁体１０７には複数本（この例では５本）のコネクタ端子６０が保持されている。コネクタ端子６０は軸線Ｏ方向に対して交差する方向（径方向）に延びてコネクタ部１０３の内外を挿通している。
又、各図では、簡便のため、コネクタ端子を１つのみ表示している。
【００１７】
図６（ｂ）に示すように、外筒１１０は、セパレータアセンブリ１２０よりやや大径の前筒１１０ａと、前筒１１０ａの後端側に設けられ、前筒１１０ａよりも拡径する後筒１１０ｅとを有し、さらに、前筒１１０ａと後筒１１０ｅとを繋ぐように、径方向に平行に延びる段状の部分が、本体部１０１を載置するための受け部１１０ｂとなっている。ここで、前筒１１０ａは、外筒１１０の中央位置より偏倚して配置されている。又、受け部１１０ｂの所定位置には、ガス圧力検出室１０１ａを挿通させるための開口１１０ｈが設けられている。
そして、セパレータアセンブリ１２０の先端側が前筒１１０ａに収容されると共に、セパレータアセンブリ１２０の後端側が前筒１１０ａより後端に突出して後筒１１０ｅ内に収容されるようになっている（図７（ｄ）参照）。さらに、後筒１１０ｅとセパレータアセンブリ１２０の後端側との間の環状空間には、受け部１１０ｂに載置されるように、筒状の本体部１０１が嵌合され、本体部１０１がセパレータアセンブリ１２０の後端側（ひいては、ガスセンサ素子１０の後端部）を取り囲むと共に、開口１１０ｈからガス圧力検出室１０１ａを先端側へ突出させるようになっている（図７（ｅ）参照）。
【００１８】
図７（ｄ）に示すように、セパレータアセンブリ１２０の後端には、セパレータ４０の後端向き面が表出し、セパレータ４０から後端側に接続端子（この例では５個）３０が突出している（詳細は後述）。
なお、後筒１１０ｅから径方向外側に断面コ字状の延長部１１０ｃが延び、延長部１１０ｃの周縁が開放端部となっていると共に延長部１１０ｃの後端側が開いている。従って、基体部１０５を後筒１１０ｅに収容した際、本体部１０１が後筒１１０ｅに収容され、延長部１１０ｃに頸部１０２が収容されつつ、延長部１１０ｃの径方向外側にコネクタ部１０３が表出するようになっている。又、本体部１０１の後端側は後筒１１０ｅよりも後端側にはみ出すようになっている。
又、前筒１１０ａの先端部は、主体金具５０の拡径部５７（図３参照）に外嵌されて両者が加締められるとともに溶接接合され、外筒１１０が主体金具５０に固定されている（詳細は後述）。
【００１９】
一方、図７（ｅ）に示すように、後端側が閉じた有底筒状の金属カバー１４０が、本体部１０１の後端側を径方向外側から覆っている。金属カバー１４０は後筒１１０ｅよりやや外形が大きく、金属カバー１４０の側部１４０ｓは後筒１１０ｅの軸線Ｏ方向の長さよりも短い。そして、側部１４０ｓが後筒１１０ｅとともに径方向内側に加締められ、金属カバー１４０が外筒１１０に固定されると共に、後筒１１０ｅ及び本体部１０１が金属カバー１４０で覆われる。
金属カバー１４０の径方向外側に断面コ字状の延長部１４０ｃが延び、延長部１４０ｃの周縁が開放端部となっていると共に延長部１４０ｃの先端側が開いている。又、延長部１４０ｃは延長部１１０ｃよりも大きくなっている。従って、延長部１４０ｃの向きを延長部１１０ｃに合わせ、金属カバー１４０を後端側から延長部１１０ｃに被せると、延長部１４０ｃが延長部１１０ｃを囲むと共に、延長部１４０ｃの径方向外側にコネクタ部１０３が表出するようになっている。
なお、本体部１０１の後端面に形成された環状溝にシール部材（Ｏリング）９４が配置され、本体部１０１の後端向き面と金属カバー１４０の先端向き面との間を気密にシールしている。同様に、本体部１０１の先端面に形成された環状溝にシール部材（Ｏリング）９２が配置され(図３参照)、本体部１０１の先端向き面と受け部１１０ｂの先端向き面との間を気密にシールしている。なお、シール部材９２、９４は、弾性力によって本体部１０１を外筒１１０と金属カバー１４０との間で安定して保持させる機能をも有する。
【００２０】
次に、図３を用いて素子アセンブリ１３０及びセパレータアセンブリ１２０について説明する。素子アセンブリ１３０は、ガスセンサ素子１０と、主体金具５０とを有する。
ガスセンサ素子１０は、図５に示すように、公知であるような軸線Ｏ方向に延びる略角柱状をなし、酸素濃度の検出を行う検出素子７と、その検出素子を早期活性化させるために加熱を行うヒータ部９とが互いに貼り合わされた積層体である。検出素子７はジルコニアを主体とする固体電解質体と白金を主体とする一対の電極とを中空の測定室が一部に形成された絶縁層を介して積層した構成をなしている。この検出素子７は、より具体的には、固体電解質体３ｃの両面に形成された一対の電極の一方３ａを外部に晒すと共に、他方の電極３ｂを測定室６ｃに配置した酸素ポンプセル３と、固体電解質体５ｃの両面に形成された一対の電極の一方５ａを測定室６ｃに配置すると共に、他方の電極５ｂをヒータ部９側に配置した酸素濃度測定セル５とを有してなり、酸素濃度測定セル５の出力電圧が所定の値になるように、酸素ポンプセル３の一対の電極３ａ、３ｂ間に流す電流を制御することで、測定室６ｃ内の酸素を汲み出したり、測定室６ｃ内に外部から酸素を汲み入れたりする構成をなしている。
なお、酸素ポンプセル３のうち、一対の電極３ａ、３ｂ、及び、固体電解質体３ｃのうちでこれら電極に挟まれる部位は、酸素濃度に応じた電流が流れる検出部１１をなす。一方、ガスセンサ素子１０の後端部１２には、検出素子７からの出力を取り出すためや、ヒータ部９に電力を供給するための５つの電極パッド１２ａ（図３ではそのうちの２つがガスセンサ素子１０の第２面１０ｂ側に配置され、第１面１０ａに残りの３つが配置される。）が形成されている。
【００２１】
ここで、電極３ａ及びそのリード部は絶縁層４で覆われ、絶縁層４に設けられた開口に多孔質の保護層４ａが形成され、多孔質層４ａの下側に電極３ａが配置されている。又、固体電解質体３ｃ、５ｃの間に絶縁層６が介装され、絶縁層６に設けられた矩形の開口が測定室６ｃを形成している。なお、測定室６ｃの周縁の一部（検出素子７の短手方向）は多孔質層６ａとなっており、外部から測定室６ｃに出入するガスが拡散律速するようになっている。
一方、ヒータ部９は、発熱体９ａを２つの絶縁層９ｂ、９ｃで挟持して構成され、発熱体９ａは、抵抗発熱する発熱体９ａ１と、発熱体９ａ１から延びる一対のヒータリード９ａを含む。
【００２２】
図３に戻り、ガスセンサ素子１０の軸方向中央よりやや先端側には、有底筒状をなす金属製の金属カップ２０が、自身の内部にガスセンサ素子１０を挿通させ、検出部１１を筒底の開口２５から突出させた状態で配置されている。金属カップ２０は主体金具５０内にガスセンサ素子１０を保持するための部材であり、筒底の先端側周縁部２３は外周面にかけてテーパ状に形成されている。金属カップ２０内には、アルミナ製のセラミックリング２１と滑石粉末を圧縮して固めた滑石リング２２とが、自身をガスセンサ素子１０に挿通させた状態で収容されている。滑石リング２２は金属カップ２０内で押し潰されて細部に充填されており、これにより、ガスセンサ素子１０が金属カップ２０内で位置決めされて保持されている。
【００２３】
金属カップ２０と一体となったガスセンサ素子１０は、その周囲を筒状の主体金具５０に取り囲まれて保持されている。この主体金具５０はＳＵＳ４３０等のステンレス鋼からなる。具体的には、主体金具５０の内周には段部５４が形成されており、この段部５４に、ガスセンサ素子１０を保持する金属カップ２０の先端側周縁部２３が係止されている。更に、主体金具５０の内周には滑石リング２６が、自身をガスセンサ素子１０に挿通させた状態で、金属カップ２０の後端側から装填されている。そして、滑石リング２６を後端側から押さえるように、筒状のスリーブ２７が主体金具５０内に嵌め込まれている。スリーブ２７の後端側外周には段状をなす肩部２８が形成されており、その肩部２８には、円環状の加締めパッキン２９が配置されている。
【００２４】
一方、主体金具５０の外周後端側には、縮径された後端部５９が形成され、後端部５９より先端には径方向外側に段状に拡径する拡径部５７が形成されている。さらに、拡径部５７よりも先端側には、径大の径大部５２、及び後述する外側プロテクタ１００及び内側プロテクタ１０２が係合される先端係合部５６が形成されている。他方、後端部５９の後端側には、主体金具５０内にガスセンサ素子１０を加締め保持するための加締め部５３が形成されている。
主体金具５０の加締め部５３が、加締めパッキン２９を介してスリーブ２７の肩部２８を先端側に向けて押圧するように加締められている。加締め部５３の形成によって、スリーブ２７を介して押圧された滑石リング２６は、主体金具５０内で押し潰されて細部にわたって充填され、この滑石リング２６と、金属カップ２０内にあらかじめ装填された滑石リング２２とによって、金属カップ２０およびガスセンサ素子１０が主体金具５０内で位置決めされ、気密に保持される。
【００２５】
一方、ガスセンサ素子１０の検出部１１の外周面は、多孔質状の保護層１５により被覆され、検出部１１のうち外部に晒される電極を吸気等による被毒や被水から保護している。そして、主体金具の先端係合部５６には、外側プロテクタ１００及び内側プロテクタ１０２が嵌められ、レーザ溶接によって固定され、内部に収容された検出部１１を保護している。外側プロテクタ１００にはガス導入孔１１５が形成されており、内側プロテクタ１０２には、ガス導入孔１１７が形成されている。よって、ガス中に含まれる水分や油分がガスセンサ素子１０に付着することを抑制でき、ガスセンサ素子１０にクラックや割れが生じることを抑制できる。また、ガス中に含まれる煤においてもガスセンサ素子１０に付着することを抑制でき、センサ２００の検出精度が低下する事を抑制できる。
なお、外側プロテクタ１００及び内側プロテクタ１０２が、特許請求の範囲の「プロテクタ部」に相当する。又、内側プロテクタ１０２の内部空間が、被測定ガスが流通するガス検出空間１０２ｓを形成する。
【００２６】
次に、セパレータアセンブリ１２０について説明する。セパレータアセンブリ１２０は、セパレータ４０、金属内筒１２１、保持部材１２３および接続端子３０を備え、主体金具５０の後端側に配置されている。セパレータアセンブリ１２０は、軸線Ｏ方向の略中央部分において、径方向外側から径方向内側に向けて加締められることにより金属内筒１２１と保持部材１２３とを一体的に固定する加締め部１２５を有する。
セパレータ４０は、絶縁性のセラミックス又は樹脂によって略円筒状に形成されており、径方向外側に突状に形成されている鍔部４１を有している。又、セパレータ４０の軸線Ｏ方向に貫通する挿通孔４２の所定位置に、個々の接続端子３０がそれぞれ挿通され、接続端子３０が互いに接触せずに隔離した状態でセパレータ４０内に収容されている。そして、この挿通孔４２内にガスセンサ素子１０の後端部１２が挿入され、各接続端子３０の先端部がガスセンサ素子１０の各電極パッド１２ａにそれぞれ電気的に接続されている。
【００２７】
なお、セパレータアセンブリ１２０の後端からセパレータ４０の後端部が表出し、セパレータ４０の後端向き面から後端側へ接続端子３０の後端部（この例では５個）が突出している。
一方、コネクタ端子（この例では５本）６０はそれぞれ離間しつつ絶縁体１０７に保持されている。コネクタ端子６０は、径方向に延びて中央部分が絶縁体１０７に埋設されると共に、セパレータ４０側で先端側へ向かってＬ字状に折り曲げられた先端部６１を有する。一方、コネクタ端子６０の他端は、コネクタ部１０３内で絶縁体１０７から径方向外側に突出し、雄型のコネクタが構成される。
そして、詳しくは図６で説明するが、セパレータアセンブリ１２０を組み付けた後筒１１０ｅ内に、後端側から基体部１０５（の本体部１０１）を嵌合する（図７（ｄ）参照）。このとき、先端部６１はリング部１０１ｃの軸心の周囲にあって、セパレータ４０の後端側に突出した接続端子３０に対向する位置に配置される。
このため、基体部１０５を後筒１１０ｅ内に嵌合すると、先端部６１がセパレータ４０の挿通孔４２に挿入され、挿通孔４２内の接続端子３０とが電気的に接続される。
【００２８】
金属内筒１２１の先端部１２１ａは、主体金具５０の後端部５９を覆った状態で後端部５９に加締められるとともに、溶接接合により固定されている。一方、金属内筒１２１の後端部１２１ｅは径方向内側に屈曲されて鍔部４１に係合している。また、金属内筒１２１の内側には、セパレータ４０及び保持部材１２３が配設され、保持部材１２３の後端向き面が鍔部４１に係合している。保持部材１２３は、金属製の筒状部材であり、屈曲状に形成されている後端部の弾性力によってセパレータ４０を径方向内側に付勢するとともに、鍔部４１を後端側に付勢する。又、保持部材１２３は、金属内筒１２１の外側から金属内筒１２１とともに径方向内側に向けて加締められて加締め部１２５が形成され、金属内筒１２１に固定される。
セパレータ４０は、主体金具５０及び金属内筒１２１に直接固定されておらず、金属内筒１２１と保持部材１２３によって金属内筒１２１内に保持固定されている。このように構成することにより、センサ２００に対する振動や衝撃によってセパレータ４０が振動したり、ずれたりすることによる接続端子３０とコネクタ端子６０との接触不良が抑制される。
【００２９】
図４に示すように、本実施形態では、ガス圧力検出室１０１ａの内部に、互いに径方向に離間したガス圧力検出空間１０１ｐ、及びガス温度検出空間１０１ｔが形成されている。これらのガス圧力検出空間１０１ｐ及びガス温度検出空間１０１ｔは、プロテクタ部（内側プロテクタ１０２）と離間しており、プロテクタ部が形成するガス検出空間１００ｓと別空間になっている。なお、図３、図４に示すように、ガス圧力検出空間１０１ｐ及びガス温度検出空間１０１ｔの後端側は、回路収容室１０１ｂに連通している。
ガス圧力検出空間１０１ｐの内部には圧力センサ３０１が配置されている。ここで、圧力センサ３０１がガス圧力検出室１０１ａ内に配置されているとは、圧力センサ３０１の全体がガス圧力検出室１０１ａの内部に存在する必要はなく、図４のように、圧力センサ３０１のセンサ部３０１ａがガス圧力検出室１０１ａに面して（露出）していればよい。又、図３、図４のように、ガス圧力検出室１０１ａの後端側を圧力センサ３０１の一の面（この例では先端向き面）で閉塞し、圧力センサ３０１の当該一の面がガス圧力検出室１０１ａの内面の一部（後端向き面）を形成してもよい。
一方、ガス温度検出空間１０１ｔの内部の先端側に温度センサ３０３が配置されている。なお、温度センサ３０３は、ガスセンサ素子１０の検出部１１に近い部分の温度を反映するよう、検出部１１に近い位置（先端側）へ配置するのが好ましい。又、圧力センサ３０１としては、例えば、ダイヤフラムを用いて半導体ピエゾ素子を用いることができる。温度センサ３０３としては、例えば、サーミスタを用いることができる。又、ガス圧力検出空間１０１ｐとガス温度検出空間１０１ｔとが１つの空間で兼用されていてもよい。
【００３０】
以上のように、本実施形態のセンサによれば、筐体部の一部をなす外筒１１０が基体部１０５と一体のガス圧力検出室１０１ａを保持すると共に、主体金具５０に接続されることで、外筒１１０（筐体部）が主体金具５０とガス圧力検出室１０１ａとを分離不能に一体化している。そして、プロテクタ部が形成するガス検出空間１００ｓとガス圧力検出室１０１ａが形成するガス圧力検出空間１０１ｐとが別空間になっている。
このため、ガス検出空間１００ｓ内のガスセンサ素子１０がヒータ部で加熱されても、ガス圧力検出室１０１ａの内部はガスセンサ素子１０の熱影響を受けず、被測定ガスの圧力を精度よく測定することができる。又、ガスセンサ素子１０を保持する主体金具５０と、圧力センサ３０１を備えたガス圧力検出室１０１ａとを筐体部で１つのセンサとして一体に保持するので、ガスセンサ素子１０及び圧力センサ３０１の取付精度が向上すると共に、ガスセンサ素子１０で被測定ガス中のガス濃度を測定する位置と、圧力センサ３０１で被測定ガスの圧力を測定する位置とが近接し、ガス濃度を測定する位置での被測定ガスの圧力を正確に測定することができる。
さらに、ガスセンサ素子１０及び圧力センサ３０１の制御回路３０５を筐体部内に収容し、制御回路３０５により、センサ２００内で被測定ガス中のガス濃度の検出信号と被測定ガスの圧力の検出信号との処理を行うようにすれば、ガスセンサ素子１０及び圧力センサ３０１の検出信号を外部装置（ＥＣＵ等）に出力した場合に比べ、外部装置の処理負担が少なくなる。
又、ガスセンサ素子１０及び圧力センサ３０１の検出信号を、１つの制御回路３０５内で処理するため、これらガスセンサ素子１０及び圧力センサ３０１の検出信号を別個に外部装置（ＥＣＵ等）に出力した場合の信号の位相ズレを抑制することができ、ガス濃度と被測定ガスの圧力との測定精度がさらに向上する。
さらに、ガス圧力検出空間１０１ｐと同一空間又は別空間に温度センサ３０３を配置した場合には、ガスセンサ素子１０の熱影響を受けずに被測定ガスの温度を精度よく測定することができる。
【００３１】
次に、図６〜図８を参照し、本発明の第１の実施形態に係るセンサ２００の製造方法の一例について説明する。
まず、素子アセンブリ１３０を公知の手法により作成する。又、上述のように、セパレータ４０の挿通孔４２に接続端子３０を挿通して保持し、このセパレータ４０と保持部材１２３とを金属内筒１２１内に収容する。そして、金属内筒１２１の軸線Ｏ方向の略中央部分において、径方向外側から加締め、金属内筒１２１内に保持部材１２３を固定すると共に、セパレータ４０を保持したセパレータアセンブリ１２０を作成する。
次に、図６（ａ）に示すように、素子アセンブリ１３０の後端に、セパレータアセンブリ１２０を先端部側から挿入し、セパレータ４０の挿通孔４２内にガスセンサ素子１０の後端部１２を挿入する。これにより、各接続端子３０の先端部（図示せず）がガスセンサ素子１０の各電極パッド１２ａにそれぞれ電気的に接続される。又、金属内筒１２１の先端部１２１ａが主体金具５０の後端部５９の外側に嵌合され、後端部５９と拡径部５７の間の段部に先端部１２１ａが当接して位置決めされる。そして、この状態で先端部１２１ａを径方向外側から加締めると共に溶接し、セパレータアセンブリ１２０を主体金具５０、すなわち素子アセンブリ１３０に固定する。
次に、図６（ｂ）に示すように、セパレータアセンブリ１２０に、外筒１１０を先端部側から挿入すると、セパレータアセンブリ１２０の先端側が前筒１１０ａに収容されると共に、前筒１１０ａの先端部が主体金具５０の拡径部５７の外側に嵌合され、拡径部５７と径大部５２との間の段部に前筒１１０ａの先端部が当接して位置決めされる。そして、この状態で前筒１１０ａの先端部を径方向外側から加締めると共に溶接し、外筒１１０を主体金具５０に固定する。
【００３２】
次に、図６（ｃ）に示すように、コネクタ端子６０を保持した絶縁体１０７を、開口部１０４から径方向に沿ってコネクタ部１０３に挿入すると、絶縁体１０７の端部１０７ａが本体部１０１の内面の突起１０１ｘに当接して絶縁体１０７が位置決めされる。このとき、絶縁体１０７の端部１０７ａ側に位置するコネクタ端子６０の先端部６１が、リング部１０１ｃの軸心の周囲に配設される。又、回路収容室１０１ｂの後端側から圧力センサ３０１を挿入し、ガス圧力検出室１０１ａの後端側を圧力センサ３０１の先端向き面で閉塞するように圧力センサ３０１を取り付ける。これにより、圧力センサ３０１の先端向き面がガス圧力検出室１０１ａの内面の一部（後端向き面）を形成すると共に、圧力センサ３０１のセンサ部３０１ａがガス圧力検出室１０１ａに露出するようになる。さらに、圧力センサ３０１の上から制御回路３０５を回路収容室１０１ｂに設置する。又、図示はしないが、ガス温度検出空間１０１ｔの内部に先端側から温度センサ３０３を取り付ける。
【００３３】
そして、図７（ｄ）に示すように、外筒１１０（の後筒１１０ｅ）に、基体部１０５を先端部側から挿入し、シール部材９２を介して受け部１１０ｂに基体部１０５（本体部１０１）を載置する。これにより、このセパレータ４０の後端側に突出した各接続端子３０に、対応するコネクタ端子６０の先端部６１が嵌合され、接続端子３０とコネクタ端子６０とを溶接せずに電気的に接続することができる。
又、外筒１１０の開口１１０ｈからガス圧力検出室１０１ａを先端側へ挿通する。
【００３４】
次に、図７（ｅ）に示すように、外筒１１０（の後筒１１０ｅ）に、金属カバー１４０をその先端部側の開口部からシール部材９４を介して外嵌する。
そして、図８（ｆ）に示すように、金属カバー１４０と後筒１１０ｅとの重なり部分を径方向内側に向かって加締め、金属カバー１４０を外筒１１０に固定すると共に、本体部１０１を外筒１１０（の受け部１１０ｂ）と金属カバー１４０とで挟持する。このようにして、後筒１１０ｅ及び本体部１０１が金属カバー１４０で覆われる。
次に、素子アセンブリ１３０に、フランジ付ケーシング１５０を後端側から外嵌すると、フランジ付ケーシング１５０の第１筒体１５３の先端に設けられて径方向内側に延びる平坦部１５３ａが、主体金具５０の径大部５２と先端係合部５６の間の段部に当接して位置決めされる。そして、この状態で第１筒体１５３を径大部５２付近で径方向外側から加締めて溶接し、フランジ付ケーシング１５０を主体金具５０、すなわち素子アセンブリ１３０に固定する。
なお、第２筒体１５５の内面にてガス圧力検出室１０１ａがぶれないように保持される。
さらに、図８（ｇ）に示すように、凹溝１５７ｂにシール部材（Ｏリング）９０を外嵌し、センサ２００が完成する。
【００３５】
なお、センサ２００の取付け対象体としては、種々の内燃機関が挙げられ、特に自動車等の車両の内燃機関の吸気系統が挙げられる。ここで、吸気系統とは、吸気取り入れ口から内燃機関の吸気ポートまでの間の吸気通路であり、例えば、吸気管、及び吸気管から分岐して内燃機関の吸気ポートに接続される吸気マニホールドが挙げられる。又、吸気は、新気（排気を含まない新鮮な空気）の他、排気の一部が吸気系統へ還流（再循環）されて新気と混合された混合ガスを含む。
又、上記実施形態のガスセンサ素子１０は、いわゆる全領域空燃比センサであるが、空燃比センサの他、酸素センサ（λセンサ）、ＮＯｘセンサを用いることができる。
なお、吸気側の特定ガス濃度を検出して内燃機関を制御した場合、排気側にセンサを設けて排気中の特定ガス濃度を検出する場合に比べ、内燃機関を精度よく制御できる。これは、排気中の特定ガス濃度に応じた制御がフィードバック制御であるのに対し、吸気側の特定ガス濃度に応じた制御は、燃焼前に対応ができるからである。
【００３６】
次に、図９〜図１１を参照して、本発明の第２の実施形態に係るセンサ４００の構成について説明する。センサ４００は、第１の実施形態におけるガス圧力検出室１０１ａをガス圧力検出室２０１ａに変え、それに伴って外筒１１０を外筒２１０に変え、フランジ付ケーシング１５０をフランジ付ケーシング２５０に変えたこと以外は、第１の実施形態と同一であるので、第１の実施形態と同一の構成部分については同一符号を付して詳細な説明を省略する。
図９は、センサ４００の上面から見た斜視図、図１０は、センサ４００の下面から見た斜視図、図１１は、図１０のＣ−Ｃ線に沿う断面図である。
【００３７】
図９、図１０に示すように、センサ４００において、ガス圧力検出室２０１ａは本体部１０１と一体に形成され、本体部１０１から径方向に沿ってコネクタ部１０３と反対側に延びている。そして、ガス圧力検出室２０１ａの先端からコネクタ部１０３側に向かって、内部空間をなすガス圧力検出空間２０１ｐが形成され、ガス圧力検出空間２０１ｐの内部には圧力センサ３０１が配置されている（図１１参照）。なお、センサ４００においては、ガス温度検出空間は形成されておらず、温度センサを備えていない。
【００３８】
フランジ付ケーシング２５０は、円筒状の第１筒体２５３を有すると共に、第１筒体２５３から径方向外側に延びる一対の半円状のフランジ部２５１を有している。各フランジ部２５１にはフランジ孔２５１ｈが１つ開口している。さらに、各フランジ部２５１と同一面上にあって、各フランジ部２５１の延びる方向と交差する方向に保護プレート２５０ｃが延びている。保護プレート２５０ｃのうち、各フランジ部２５１を結ぶ中心で、かつガス圧力検出室２０１ａの延びる方向に沿って、断面が先端側へ膨出する半円状をなす膨出部２５０ｃ１が延びている。第１筒体２５３は、第１の実施形態の第１筒体１５３と同様に外側プロテクタ１００に対応する位置に配置され、第１筒体２５３を主体金具５０に接合した際、第１筒体２５３から外側プロテクタ１００が先端側に突出するようになっている。
なお、第１筒体２５３には周方向に沿って凹溝２５３ｂ（図１１参照）が形成され、この凹溝にシール部材（Ｏリング）９０が外嵌されている。
【００３９】
外筒２１０は、第１の実施形態の外筒１１０と略同一形状であるが、ガス圧力検出室２０１ａが本体部１０１の先端向き面より先端側へ膨出しつつ径方向に延びていることから、ガス圧力検出室２０１ａと干渉しないよう、外筒２１０の受け部（先端向き面）２１０ｂの中央からコネクタ部１０３と反対側へ延びると共に、後筒２１０ｅへ繋がるスリット２１０ｓが形成されている。又、スリット２１０ｓのスリット幅は、ガス圧力検出室２０１ａの直径よりやや大きく設定されている。そして、図７（ｄ）と同様に、外筒２１０の受け部２１０ｂに本体部１０１（基体部１０５）を載置すると、ガス圧力検出室２０１ａがスリット２１０ｓから外筒２１０の外側に露出するようになっている。
そして、この状態で、図８（ｆ）と同様に、素子アセンブリ１３０に、フランジ付ケーシング２５０を後端側から外嵌すると、保護プレート２５０ｃの膨出部２５０ｃ１がガス圧力検出室２０１ａの基部を覆い、ガス圧力検出室２０１ａを保護するようになっている。なお、ガス圧力検出室２０１ａの長手方向の先端側から半分程度の部分は膨出部２５０ｃ１で覆われずに露出し、さらに圧力検出室２０１ａの先端は、外筒２１０の後筒２１０ｅよりも径方向に突出している。
なお、図１１に示すように、センサ４００において、ガス圧力検出空間２０１ｐの基部の上面（後端側）が回路収容室１０１ｂに連通しており、この連通部を圧力センサ３０１の一の面（この例では先端向き面）で閉塞することで、圧力センサ３０１の当該一の面がガス圧力検出室２０１ａの内面の一部（上面）を形成している。そして、圧力センサ３０１のセンサ部３０１ａがガス圧力検出室２０１ａに面して（露出）している。
【００４０】
第２の実施形態においても、ガス圧力検出室２０１ａの内部はガスセンサ素子１０の熱影響を受けず、被測定ガスの圧力を精度よく測定することができる。又、主体金具５０とガス圧力検出室２０１ａとを筐体部で１つのセンサ４００として一体に保持するので、ガスセンサ素子１０及び圧力センサ３０１の取付精度が向上すると共に、センサ素子１０で被測定ガス中のガス濃度を測定する位置と、圧力センサ３０１で被測定ガスの圧力を測定する位置とが近接し、ガス濃度を測定する位置での被測定ガスの圧力を正確に測定することができる。
【００４１】
さらに、制御回路３０５により、センサ４００内で被測定ガス中のガス濃度の検出信号と被測定ガスの圧力の検出信号との処理を行うようにすれば、ガスセンサ素子１０及び圧力センサ３０１の検出信号を外部装置（ＥＣＵ；電子制御ユニット）に出力した場合に比べ、外部装置の処理負担が少なくなる。
又、ガスセンサ素子１０及び圧力センサ３０１の検出信号を、１つの制御回路３０５内で処理するため、これらガスセンサ素子１０及び圧力センサ３０１の検出信号を別個に外部装置（ＥＣＵ等）に出力した場合の信号の位相ズレを抑制することができ、ガス濃度と被測定ガスの圧力との測定精度がさらに向上する。
なお、第２の実施形態において、ガス圧力検出室２０１ａは径方向（横）に向いており、ガス圧力検出室２０１ａの先端に接続されたチューブ等の他端を、吸気管等の所定位置に設置することで、ガスセンサ素子１０よりもやや遠い位置で圧力の測定を行う。
【００４２】
なお、本発明は上記各実施の形態に限られず、各種の変形が可能なことは言うまでもない。本実施の形態のセンサは、酸素ポンプセル３と酸素濃度測定セル５とを備えた２セル式のセンサであるが、ヒータ部を有する限り、その他のタイプのセンサ（１セルタイプの酸素センサや３セルタイプのＮＯｘセンサなど）に対し、本発明を適用してもよい。
又、ヒータをセンサ素子に積層した板状センサに限らず、筒状のセンサ素子の内部にヒータを挿入した筒型センサであってもよい。
【符号の説明】
【００４３】
１０                      ガスセンサ素子
１１                      検出部
５０                      主体金具
３ｃ、５ｃ                固体電解質体
３ａ、３ｂ、５ａ、５ｂ    一対の電極
９                        ヒータ部
１００、１０２            プロテクタ部
１０２ｓ                  ガス検出空間
１０１ａ、２０１ａ        ガス圧力検出室
１０１ｐ、２０１ｐ        ガス圧力検出空間
１０１ｔ                  ガス温度検出空間（別空間）
１０１ｂ                  回路収容室
１０５                    基体部（筐体部）
１１０、２１０            外筒（筐体部）
１４０                    金属カバー（筐体部）
２００、４００            センサ
３０１                    圧力センサ
３０３                    温度センサ
３０５                    制御回路
Ｏ                        軸線方向
【図１】
2014066559.tif 000003
【図２】
2014066559.tif 000004
【図３】
2014066559.tif 000005
【図４】
2014066559.tif 000006
【図５】
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【図６】
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【図７】
2014066559.tif 000009
【図８】
2014066559.tif 000010
【図９】
2014066559.tif 000011
【図１０】
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【図１１】
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