(57)【要約】  本発明のガスセンサは、少なくとも、軸線を中心とした筒状の筒部および該筒部の先端を閉じる先端部を有する固体電解質体からなるセンサ素子と、前記センサ素子の内部に配置され、発熱することにより前記センサ素子を加熱する筒状または柱状のヒータと、を備えるガスセンサであって、前記ヒータの先端部は前記センサ素子の前記先端部の内面と接触し、かつ、前記ヒータの側部は前記センサ素子の前記筒部の内周面と接触している。
2013024775.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ガスセンサであって、
少なくとも、軸線を中心とした筒状の筒部および該筒部の先端を閉じる先端部を有する固体電解質体からなるセンサ素子と、
前記センサ素子の内部に配置され、発熱することにより前記センサ素子を加熱する筒状または柱状のヒータと、
を備えており、
前記ヒータの先端部は前記センサ素子の前記先端部の内面と接触し、かつ、前記ヒータの側部は前記センサ素子の前記筒部の内周面と接触しているガスセンサ。
【請求項２】
前記センサ素子の前記先端部の内面が平坦に形成されてなる請求項１に記載のガスセンサ。
【請求項３】
前記ヒータの先端角部には面取りが施されてなる面取り部が形成されており、該面取り部は、前記センサ素子の前記先端部の内面と非接触状態である請求項１または請求項２に記載のガスセンサ。
【請求項４】
前記センサ素子は、前記筒部および前記先端部を一体に形成したものであり、
前記筒部の内周面と前記先端部の内面との境目である接続部は、前記内周面と前記内面とを滑らかにつなぐ円弧状の曲面に形成されている請求項１乃至請求項３のいずれか１項に記載のガスセンサ。
【請求項５】
前記筒部の内周面の直径Ｒと、前記先端部の内面の直径ｒとは、０．３≦ｒ／Ｒの関係を満たす請求項１乃至請求項４のいずれか１項に記載のガスセンサ。
【請求項６】
前記筒部の内周面の直径Ｒと、前記先端部の内面の直径ｒとは、ｒ／Ｒ＝０．４７の関係を満たす請求項５に記載のガスセンサ。
【請求項７】
前記センサ素子の前記先端部は、前記内面のほかに、前記センサ素子の先端である外面も平坦に形成されている請求項１乃至請求項６のいずれか１項に記載のガスセンサ。
【請求項８】
前記センサ素子の前記先端部は、前記軸線方向の厚さが、前記センサ素子の前記筒部における前記ヒータが接触する部分の径方向の厚さ以上の厚さである請求項７に記載のガスセンサ。
【請求項９】
前記センサ素子の前記先端部は、前記軸線方向の厚さが、前記センサ素子の前記筒部における前記ヒータが接触する部分の径方向の厚さと同一の厚さである請求項１乃至請求項７のいずれか１項に記載のガスセンサ。
【発明の詳細な説明】
【関連出願の相互参照】
【０００１】
本国際出願は、２０１１年８月１７日に日本国特許庁に出願された日本国特許出願第２０１１−１７８３５５号に基づく優先権を主張するものであり、日本国特許出願第２０１１−１７８３５５号の全内容を参照により本国際出願に援用する。
【技術分野】
【０００２】
本発明は、自動二輪や乗用車等の車両に搭載される内燃機関から排出される排気ガスに含まれる酸素等の検出に用いて好適なガスセンサに関する。
【背景技術】
【０００３】
従来、排気ガスに含まれる酸素濃度を検知するガスセンサとして、酸素イオン導電性を有するガス検出素子が設けられたセンサであって、車両の内燃機関の排気管に取付けられるものが知られている（例えば、特許文献１から３まで参照）。【０００４】
特許文献１から３までに記載されているガスセンサと同様な構成を有するセンサの一般的な構成を説明すると（図６参照）、ガスセンサＰ５では、ガス検出素子Ｐ１が主体金具Ｐ２内に固定されるとともに、ガス検出素子Ｐ１の後端側を金属製の外筒Ｐ３および保護外筒Ｐ４で覆われている。【０００５】
ガス検出素子Ｐ１は、酸素イオン伝導性を有する固体電解質体から形成された素子本体（センサ素子）を備えるとともに、少なくとも素子本体の内側に内側電極Ｐ７を備えて構成されている。【０００６】
この種のガスセンサＰ５では、ガス検出素子Ｐ１の後端側に、外筒Ｐ３の後端側で位置決めされたセパレータＰ６が配置され、内側電極Ｐ７に接触する端子金具Ｐ８が配置されている。また、ガス検出素子Ｐ１の内部には、ガス検出素子Ｐ１を加熱するヒータＰ９が配置され、ヒータＰ９は、先端がガス検出素子Ｐ１の内周面に押し付けられている。【０００７】
特許文献１から３までに記載されているように、ガス検出素子Ｐ１の素子本体（センサ素子）を構成する材料として、酸化ジルコニア等のセラミックス材料から形成された固体電解質体が用いられている。このようなガス検出素子Ｐ１が、酸素センサとして機能するためには、ガス検出素子Ｐ１が作動温度にまで加熱される必要がある。そのため、ガスセンサＰ５には、ガス検出素子Ｐ１の素子本体（センサ素子）を作動温度にまで加熱するヒータＰ９が設けられることが一般的である。【０００８】
また、内燃機関の始動時など、短い時間内に正確な酸素濃度を検出することが要求される場合には、ガス検出素子Ｐ１の素子本体（センサ素子）の温度を短い時間内に作動温度にまで高める必要、言い換えるとガス検出素子Ｐ１の素子本体（センサ素子）を早期に活性化させる必要がある。このとき、ヒータＰ９と、ガス検出素子Ｐ１の素子本体（センサ素子）とが離れていると、ヒータＰ９で発生した熱がガス検出素子Ｐ１の素子本体（センサ素子）に伝わるまでに時間がかかり、ガス検出素子Ｐ１の素子本体（センサ素子）の活性化に必要な時間が長くなる。そこで、ヒータＰ９（特に、ヒータＰ９の発熱部）とガス検出素子Ｐ１の素子本体（センサ素子）とを直接接触して配置することにより、ガス検出素子Ｐ１の素子本体（センサ素子）の活性化に必要な時間を短縮する方法が採用されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】特開２０００−０３５４１６号公報
【特許文献２】特開２００２−０３１６１８号公報
【特許文献３】特開２００２−００５８７７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
上述のように、ヒータＰ９とガス検出素子Ｐ１の素子本体（センサ素子）とを直接接触させる場合、図６に示すように、ヒータＰ９の先端側の側面をガス検出素子Ｐ１の素子本体（センサ素子）に接触させる方法と、特許文献１から３までに記載されているように、ヒータＰ９の先端をガス検出素子Ｐ１の素子本体（センサ素子）に接触させる方法と、が知られている。【００１１】
ヒータＰ９の側面をガス検出素子Ｐ１の素子本体（センサ素子）に接触させる方法は、先端を接触させる方法と比較して、ヒータＰ９における最も温度が高くなる発熱部分をガス検出素子Ｐ１の素子本体（センサ素子）に直接接触させることができる。そのため、熱をガス検出素子Ｐ１の素子本体（センサ素子）に伝えやすい、言い換えるとガス検出素子Ｐ１の素子本体（センサ素子）の早期活性化を図りやすいという利点がある。【００１２】
これに対して、ヒータＰ９の先端をガス検出素子Ｐ１の素子本体（センサ素子）に接触させる方法は、側面を接触させる方法と比較して、ガス検出素子Ｐ１の素子本体（センサ素子）の先端内面に熱を伝えるため、ガス検出素子Ｐ１の素子本体（センサ素子）における周方向の温度分布を均一化させやすい。このようにガス検出素子Ｐ１の素子本体（センサ素子）における温度差を小さくすることにより、ガス検出素子Ｐ１から出力される信号の振れを抑制することができる利点がある。【００１３】
つまり、ガス検出素子Ｐ１の素子本体（センサ素子）の早期活性化を優先して、ヒータＰ９の側面をガス検出素子Ｐ１の素子本体（センサ素子）に接触させると、ガス検出素子Ｐ１の素子本体（センサ素子）から出力される信号の振れを抑制することが困難になるという問題がある。また、ガス検出素子Ｐ１の素子本体（センサ素子）から出力される信号の振れの抑制を優先して、ヒータＰ９の先端をガス検出素子Ｐ１の素子本体（センサ素子）に接触させると、ガス検出素子Ｐ１の素子本体（センサ素子）の活性化に要する時間が長くなるという問題がある。【００１４】
本発明の一側面においては、ガス検出素子の素子本体（センサ素子）の活性化に要する時間を短縮すると共に、ガス検出素子の素子本体（センサ素子）の出力の振れを抑制することができるガスセンサを提供することが望ましい。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
本発明は、以下の手段を提供する。
本発明のガスセンサは、少なくとも、軸線を中心とした筒状の筒部および該筒部の先端を閉じる先端部を有する固体電解質体からなるセンサ素子と、前記センサ素子の内部に配置され、発熱することにより前記センサ素子を加熱する筒状または柱状のヒータと、を備えるガスセンサであって、前記ヒータの先端部は前記センサ素子の前記先端部の内面と接触し、かつ、前記ヒータの側部は前記センサ素子の前記筒部の内周面と接触している。【００１６】
このような構成のガスセンサは、ヒータの先端部がセンサ素子の先端部の内面のみと接触する形態のガスセンサや、あるいは、ヒータの側部がセンサ素子の筒部の内周面と接触する形態のガスセンサに比べて、ヒータとセンサ素子との接触面積を大きく確保でき、ヒータからセンサ素子への熱伝導が良好となる。【００１７】
よって、本発明のガスセンサによれば、センサ素子の活性化に要する時間を短縮すると共に、センサ素子の出力の振れを抑制することができる。
上記発明においては、前記センサ素子の前記先端部の内面が平坦に形成されてもよい。【００１８】
このような構成のガスセンサによれば、先端部の内面が平坦に形成されているため、ヒータの先端と側面とを、それぞれセンサ素子の先端部の内面と、筒部の内周面とに直接接触させやすくなる。【００１９】
つまり、先端部の内面が平坦に形成されていると、ヒータの先端が内面と接触した際に、内面がヒータの先端を受け止めやすくなる。すると、筒部の内周面とヒータの側面とを接触させた状態で、さらに、先端部の内面とヒータの先端とを接触させようとした際に、筒部の内周面とヒータの側面とを離間させる力が働きにくい。つまり、ヒータの先端と側面とを、それぞれセンサ素子の先端部の内面と、筒部の内周面とに直接接触させやすくなる。なお、先端部の内面は、軸線に対して直交する平坦な面としてもよい。【００２０】
上記発明においては、前記ヒータの先端角部には面取りが施されてなる面取り部が形成されてもよく、該面取り部は、前記センサ素子の前記先端部の内面と非接触状態としてもよい。【００２１】
このような構成のガスセンサにおいては、ヒータの先端角部の面取り部とセンサ素子における先端部の内面との間に隙間が生じるため、ヒータの先端角部の面取り部は、センサ素子の先端部の内面と非接触状態となる。【００２２】
これにより、ヒータの先端角部がセンサ素子の先端部の内面と干渉するのを回避できるため、センサ素子の先端部の内面とヒータの先端とを接触させつつ、センサ素子の筒部の内周面とヒータの側面とを接触させることが容易になる。【００２３】
上記発明において、前記センサ素子は、前記筒部および前記先端部を一体に形成したものであり、前記筒部の内周面と前記先端部の内面との境目である接続部は、前記内周面と前記内面とを滑らかにつなぐ円弧状の曲面に形成されてもよい。【００２４】
具体的には、前記筒部の内周面の直径Ｒ（または半径Ｒ）と、前記先端部の内面の直径ｒ（または半径ｒ）とは、０．３≦ｒ／Ｒの関係を満たしてもよく、さらには、前記筒部の内周面の直径Ｒ（または半径Ｒ）と、前記先端部の内面の直径ｒ（または半径ｒ）とは、ｒ／Ｒ＝０．４７の関係を満たしてもよい。【００２５】
このように、筒部の内周面と先端部の内面との接続部を、滑らかな円弧状の曲面として形成することにより、例えば、接続部を角状に形成する場合と比較して、接続部への応力の集中を抑制することができ、センサ素子の破損を抑制することができる。なお、円弧状の曲面として形成された接続部の範囲、例えば接続部の円弧の半径は、先端部の内面と接触するヒータの先端が、接続部と接触することが抑制できる範囲としてもよい。言い換えると、上述の０．３≦ｒ／Ｒの関係を満たしてもよく、さらには、ｒ／Ｒ＝０．４７の関係を満たしてもよい。このようにすることで、ヒータの先端と側面とを、それぞれセンサ素子の先端部の内面と、筒部の内周面とに直接接触させやすくなる。【００２６】
上記発明において、前記センサ素子の前記先端部は、前記内面のほかに、前記センサ素子の先端である外面も平坦に形成してもよい。
このようにセンサ素子の先端、言い換えると先端部の先端である外面を平坦に形成することにより、先端部の外面を球面状に形成した場合と比較して、先端部の体積が小さくなる。そのため、同じ割合で加熱された場合、先端部の外面が平坦に形成されていると温度の上昇が早くなる。【００２７】
上記発明において、前記センサ素子の前記先端部は、前記軸線方向の厚さが、前記センサ素子の前記筒部における前記ヒータが接触する部分の径方向の厚さ以上の厚さとしてもよい。【００２８】
このように、先端部の厚さを筒部の厚さ以上の厚さとすることにより、筒部の厚さ未満である場合と比較して、先端部の破損を抑制することができる。例えば、先端部は、ヒータが挿入される際にヒータの先端が突き当てられる部分であるため、先端部の厚さが不十分で強度が不足すると、亀裂などの欠陥が発生しやすい。この欠陥は、センサ素子の温度変化などの影響を受けて亀裂などに成長し、破損につながるおそれがある。【００２９】
上記発明において、前記センサ素子の前記先端部は、前記軸線方向の厚さが、前記センサ素子の前記筒部における前記ヒータが接触する部分の径方向の厚さと同一の厚さとしてもよい。【００３０】
このように、先端部の厚さを筒部の厚さと同一の厚さとすることにより、先端部の厚さを筒部の厚さよりも厚くした場合と比較して、先端部の強度を確保しつつ、先端部の体積を小さくすることができる。
【発明の効果】
【００３１】
本発明のガスセンサによれば、ヒータの先端部はセンサ素子の先端部の内面と接触し、かつ、ヒータの側部はセンサ素子の筒部の内周面と接触しているため、ヒータとセンサ素子との接触面積を大きく確保でき、ヒータからセンサ素子への熱伝導が良好となる。その結果、ヒータで発生する熱がガス検出素子の素子本体（センサ素子）を構成する固体電解質体に伝わりやすくなり、ガス検出素子の素子本体（センサ素子）の活性化に要する時間を短縮することができる。さらに、固体電解質体における温度分布が不均一になることを抑制でき、ガス検出素子の素子本体（センサ素子）の出力の振れを抑制することができるという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【００３２】
【図１】本発明の一実施形態に係るガスセンサの全体構成を説明する断面視図である。
【図２】図１のガス検出素子の構成を説明する図である。
【図３Ａ−３Ｂ】図１のガス検出素子における先端の構成を説明する模式図である。
【図４】図３Ａ−３Ｂのガス検出素子における先端部の他の実施例を説明する模式図である。
【図５Ａ−５Ｂ】図３Ａ−３Ｂのガス検出素子の構成のさらに他の実施例を説明する摸式図である。
【図６】従来のガスセンサの全体構成を説明する断面視図である。
【図７】従来の「先当て構造」のガスセンサのうちガス検出素子およびヒータの断面視図である。
【図８】本発明を適用したガスセンサと２つの比較例（従来のガスセンサ）との比較測定に関する測定結果である。
【符号の説明】
【００３３】
１…ガスセンサ、１１…素子本体（センサ素子）、１２…筒部、１３…先端部、１５…接続部、１６…外側電極、１９…内側電極、２０…ヒータ、２５…面取り部
【発明を実施するための形態】
【００３４】
この発明の一実施形態に係るガスセンサについて、図１から図４を参照しながら説明する。図１は、本実施形態に係るガスセンサ１の全体構成を説明する断面視図である。
本実施形態では、本発明のガスセンサを、例えば乗用車等の車両に搭載された内燃機関のシリンダヘッドに締結され、シリンダヘッド内に形成された排気流路内にガスセンサの先端部分が突出されたセンサであり、排気ガス中の酸素濃度を計測する酸素センサに適用して説明する。なお、以下の説明では、軸線Ｏに沿う方向のうち、主体金具６０に対してプロテクタ８０の取り付けられる側を先端側とし、この逆側を後端側として説明する。
【００３５】
本実施形態のガスセンサ１は、後述するガス検出素子１０を加熱するためのヒータ２０を備えたセンサであり、ヒータ２０の熱によってガス検出素子１０を加熱して活性化し、排気ガス中の酸素濃度を計測するものである。
【００３６】
ガスセンサ１には、図１に示すように、ガス検出素子１０と、ヒータ２０と、セパレータ３０と、シール部材４０と、端子金具５０と、リード線５５とが主として備えられているとともに、それらの周囲を覆う主体金具６０と、プロテクタ８０と、外筒９０等が備えられている。
【００３７】
図２は、図１のガス検出素子１０の構成を説明する図であり、ガス検出素子１０は、酸素イオン伝導性を有する固体電解質体から形成された素子本体（センサ素子）１１を備えている。ガス検出素子１０は、素子本体１１、外側電極１６、縦リード部１７、環状リード部１８を主に備えて構成されている。
【００３８】
素子本体１１（センサ素子１１）は、軸線Ｏ方向に延びる円筒状に形成された筒部１２と、筒部１２の先端側の端部（図２の下側の端部）を閉塞する先端部１３と、主に備えて構成されている。素子本体１１の中央部の外周には、径方向外向きに突出する鍔部１４が周方向にわたって設けられている。
【００３９】
本実施形態では、筒部１２は直径が３．０ｍｍの内周面を有し、素子本体１１の厚さ、すなわち素子本体１１の内面から外面にかけての厚さにおいて、鍔部１４の直下の厚さが１．０ｍｍから１．５ｍｍまでであり、鍔部１４よりも後端側の厚さが２．０ｍｍに形成されている。さらに、筒部１２の先端側では、厚さが０．５ｍｍに形成されている。筒部１２の内周面は、少なくとも先端の近傍において、言い換えるとヒータ２０と接触する領域の近傍において、径の大きさが一定に形成されている。
【００４０】
図１および図３Ａに示すように、先端部１３は、筒部１２の先端側と同様に、厚さが０．５ｍｍに形成された円板状の部材である。言い換えると先端部１３における内面（素子本体１１の内側に位置する面）、および、外面（素子本体１１の外側に位置する面）は平坦に形成されている。さらに、先端部１３の内面と、筒部１２の内周面との境目である接続部１５は、両者を滑らかにつなぐ円弧状の曲面として形成されている。
【００４１】
このように接続部１５を、滑らかな円弧状の曲面として形成することにより、先端部１３の内面と、筒部１２の内周面との境目に割れ目が発生することを抑制でき、素子本体１１の破損を抑制することができる。
【００４２】
さらに、図３Ｂに示すように、筒部１２の内直径（または内半径）をＲとし、先端部１３の内面における平坦領域の直径（または半径）をｒとすると、筒部１２の内直径（または内半径）Ｒと、先端部１３の平坦領域径（または直径）ｒとの間には、
０．３≦ｒ／Ｒ
の関係が成り立つ。さらには、
ｒ／Ｒ＝０．４７
の関係を満たすように、筒部１２の内直径（または内半径）Ｒ、および、先端部１３の平坦領域径（または直径）ｒが定められてもよい。
【００４３】
素子本体１１を構成する固体電解質体としては、例えば、Ｙ2Ｏ3又はＣａＯを固溶させたＺｒＯ2が代表的なものである。この固体電解質体以外にも、アルカリ土類金属または希土類金属の酸化物とＺｒＯ2との固溶体である固体電解質体を使用しても良い。また、アルカリ土類金属または希土類金属の酸化物とＺｒＯ2との固溶体に、さらにＨｆＯ2が含有された固体電解質体を使用しても良い。
【００４４】
素子本体１１の外周面には、外側電極１６と、縦リード部１７と、環状リード部１８とが形成されている。外側電極１６は、ガス検出素子１０の先端側に、ＰｔあるいはＰｔ合金（以下、「Ｐｔ等」と表記する。）を多孔質に形成した電極である。縦リード部１７は、外側電極１６から軸線方向に延びる導電部であり、Ｐｔ等から形成されたものである。環状リード部１８は、鍔部１４の下面側（図２の下方）に環状に形成され、縦リード部１７と導電可能に接続される導電部であり、Ｐｔ等から形成されたものである。素子本体１１の内周面には、Ｐｔ等を多孔質に形成した内側電極１９が形成されている。
【００４５】
ヒータ２０は、図１に示すように、ガス検出素子１０の内部に配置されて素子本体１１の加熱を行う長尺の加熱手段である。
ヒータ２０は、丸棒状のアルミナからなるセラミック管２１と、セラミック管２１の外周を覆うアルミナからなるセラミック層２２と、から主に構成されている。セラミック層２２における先端側には、電力が供給されることにより熱を発生する発熱部２３が設けられている。本実施形態では、発熱部２３として、電力が供給されることにより熱を発生させる材料、例えばタングステン系の材料から形成された発熱抵抗体２４が、セラミック層２２に埋め込まれている例に適用して説明する（図３Ａ参照）。なお、本実施形態では丸棒状のヒータを用いた例に適用して説明したが、ヒータの形状は、丸棒状に限らず、筒状または柱状であっても良い。
【００４６】
ヒータ２０は、ガス検出素子１０の軸線に対して斜めに配置されている。さらに、ヒータ２０のセラミック管２１は、先端においてセラミック層２２から突出し、素子本体１１の先端部１３における内面の平坦領域と直接に接触している。ヒータ２０の発熱部２３は、素子本体１１の筒部１２における側面である内周面と直接に接触している。ヒータ２０の先端角部には、面取りが施されてなる面取り部２５が形成されている。この面取り部２５は、素子本体１１（センサ素子１１）の先端部１３の内面（接続部１５など）と非接触状態である。ヒータ２０の後端には、発熱部２３と電気的に接続され、発熱部２３に電力を供給する一対の電極２６が設けられている。図１では、一対の電極２６のうち一方の電極のみが図示されている。
【００４７】
セパレータ３０は、図１に示すように、ガス検出素子１０とシール部材４０との間に配置される部材であり、電気絶縁性を有する材料、例えばアルミナから形成された円筒形状の部材である。セパレータ３０には、端子金具５０や電極２６などを収納する収容部３１が設けられている。収容部３１は、セパレータ３０を軸線Ｏ方向に貫通して形成された貫通孔であり、セパレータ３０よりも先端側の空間と、後端側の空間との間で大気の流通を可能とするものである。
【００４８】
さらに、セパレータ３０の外周面には、径方向外側に突出するフランジ部３２が設けられている。セパレータ３０におけるフランジ部３２よりも先端側の外周面には、略円筒状に形成された保持金具３３が、セパレータ３０が内部に挿入されるように配置されている。
【００４９】
シール部材４０は、例えばフッ素ゴムなどの弾性材料からなる円筒形状の栓部材であり、ガスセンサ１の後端に配置される部材である。シール部材４０は、軸線Ｏ方向を高さ方向とする略円柱状に形成された栓部材であり、外筒９０の後端を塞ぐ部材である。シール部材４０は、セパレータ３０の後端側の面に当接するように外筒９０の後端側の開口に嵌め込まれている。シール部材４０は、外筒９０におけるシール部材４０の側面に対応する位置に形成された外筒加締部９１によって、外筒９０に固定されている。外筒加締部９１は、外筒９０を径方向内側に向かって凹状に変形させた部分であり、外筒９０を周方向に一周する溝状に形成された部分である。シール部材４０の径方向の中央には、軸線Ｏ方向に貫通する大気連通孔４１が形成されると共に、大気連通孔４１よりも径方向外側に軸線Ｏ方向に貫通する４つのリード線挿通孔４２が周方向に等間隔に形成されている。
【００５０】
大気連通孔４１は、シール部材４０により閉塞された外筒９０の内部に大気を導く貫通孔である。大気連通孔４１の内部には、フィルタ部材４３および留め金具４４が挿入されている。フィルタ部材４３は、例えばＰＴＦＥ（ポリテトラフルオロエチレン）等のフッ素樹脂から形成されたマイクロメータ単位の網目構造を有する薄膜状のフィルタである。そのため、フィルタ部材４３は、水滴等の透過を許さず、大気の通過は許容するものである。留め金具４４は、筒状に形成された部材であり、フィルタ部材４３をシール部材４０に固定するものである。具体的には、留め金具４４の外周と大気連通孔４１の内周との間にフィルタ部材４３を挟みこみ、フィルタ部材４３をシール部材４０に固定するものである。
【００５１】
端子金具５０は、ニッケル合金（例えばインコネル７５０。英インコネル社製、登録商標）から形成された４つの金具であり、それぞれが素子本体１１の外側電極１６および内側電極１９、並びに、ヒータ２０の一対の電極２６と電気的に接続されるものである。それぞれの端子金具５０には、リード線５５の芯線が加締め接続されて電気的に接続されている。図１では、４本のリード線５５のうち３本のリード線５５が図示されている。
【００５２】
主体金具６０は、図１に示すように、ステンレス合金（例えば、ＪＩＳ規格のＳＵＳ３１０Ｓ）から形成された部材であり、概ね円筒状に形成された部材である。主体金具６０には、ガス検出素子１０の鍔部１４を支持する段部６１が、内周面から径方向内側に向かって、周方向にわたって突出して設けられている。
【００５３】
主体金具６０の先端側の外周面には、ガスセンサ１を内燃機関のシリンダヘッド（図示せず。）に取付けるネジ部６２と、ネジ部６２をシリンダヘッドにネジ込むための取付工具を係合させる六角部６３と、が周方向にわたって設けられている。ネジ部６２と六角部６３との間には、環状のガスケット６４が配置されている。ガスケット６４は、ガスセンサ１とシリンダヘッドとの間の隙間からのガス抜けを防止するものである。
【００５４】
主体金具６０におけるネジ部６２よりも先端側には、後述するプロテクタ８０が係合される先端係合部６５が形成されている。先端係合部６５は、ネジ部６２よりも外周面の径が小さく形成された部分である。また、主体金具６０における六角部６３よりも後端側には、六角部６３から後端側に向かって順に、外筒９０と係合される後端係合部６６と、ガス検出素子１０を加締め固定する加締固定部６７と、が形成されている。
【００５５】
主体金具６０の内部には、段部６１から後端側に向かって順に、金属製の先端側パッキン７１、アルミナからなる筒状の支持部材７２、金属製の後端側パッキン７３、滑石の粉末からなる充填部材７４、アルミナ製のスリーブ７５、および、環状のリング７６が配置されている。支持部材７２の内周面には段部が形成されており、当該段部により素子本体１１の鍔部１４が支持されている。なお、支持部材７２と鍔部１４との間に後端側パッキン７３が挟まれて配置されている。
【００５６】
リング７６は、スリーブ７５と加締固定部６７との間に配置されるものであり、加締固定部６７が、径方向内側かつ先端側に変形されることにより加わる先端方向への力を、充填部材７４、後端側パッキン７３、支持部材７２、先端側パッキン７１に伝えるものである。この押し付ける力により、充填部材７４は軸線Ｏ方向に圧縮充填され、かつ、主体金具６０の内周面および素子本体１１の外周面との隙間を気密に埋める。
【００５７】
プロテクタ８０は、ガスセンサ１がシリンダヘッドに取り付けられた際に、流路内に突出するガス検出素子１０を、流路内を流れるガス中に含まれる水滴や異物等の衝突から保護するものである。プロテクタ８０は、ステンレス鋼（例えば、ＪＩＳ規格のＳＵＳ３１０Ｓ）から形成された部材であり、ガス検出素子１０の先端を覆う保護部材である。プロテクタ８０は、軸線方向に延びる筒状の部材であって、先端が閉塞された形状に形成されている。プロテクタ８０の後端縁は、主体金具６０の先端係合部６５に溶接によって固定されている。
【００５８】
プロテクタ８０には、有底筒状に形成され開放された側の周縁部が先端係合部６５に嵌め合わされる外側プロテクタ８１と、外側プロテクタ８１の内部に固定された有底筒状に形成された内側プロテクタ８２と、が設けられている。言い換えると、プロテクタ８０は、外側プロテクタ８１および内側プロテクタ８２からなる２重構造を有している。
【００５９】
外側プロテクタ８１および内側プロテクタ８２の円筒面には、内部にガスを導入する導入口８３が設けられている。図１では、外側プロテクタ８１の導入口８３のみが図示されており、内側プロテクタ８２の導入口８３は配置の関係上、図示されていない。さらに、外側プロテクタ８１および内側プロテクタ８２の底面には、内部に入り込んだ水滴や、ガスを排出する外側排出口８４、内側排出口８５がそれぞれ設けられている。
【００６０】
外筒９０は、主体金具６０とは異なるステンレス鋼（例えば、ＪＩＳ規格のＳＵＳ３０４Ｌ）から形成された部材であり、外筒９０の内部に主体金具６０の後端係合部６６が差し込まれて、主体金具６０に固定されるものである。外筒９０の内部には、主体金具６０の後端から突出したガス検出素子１０の後端や、セパレータ３０や、シール部材４０が配置されている。
【００６１】
上記の構成によれば、素子本体１１の先端部１３の内面が平坦に形成されているため、ヒータ２０の先端と側面とを、それぞれ素子本体１１の先端部１３の内面と、筒部１２の内周面とに直接接触させやすくなる。そのため、ヒータ２０の先端および素子本体１１の先端部１３の内面のみを接触させる場合や、ヒータ２０の側面および素子本体１１の筒部１２の内周面のみを接触させる場合と比較して、素子本体１１を短時間で昇温させることができ、ガス検出素子１０の活性化に要する時間を短縮することができる。また、素子本体１１の先端における温度分布を均一にすることができ、ガス検出素子１０の出力の振れを抑制することができる。
【００６２】
例えば、先端部１３の内面が球面状に形成されている場合には、筒部１２の内周面とヒータ２０の側面とを接触させた状態で、さらに、先端部１３の内面とヒータ２０の先端とを接触させようとすると、球面状に形成された内面を滑ることによりヒータ２０の先端が内面の中央に導かれやすくなる。すると、筒部１２の内周面とヒータ２０の側面とが離れやすくなる。言い換えると、ヒータ２０の先端と側面とを、それぞれ先端部１３の内面と、筒部１２の内周面とに直接接触させることが難しくなる。
【００６３】
これに対して、先端部１３の内面が平坦に形成されていると、ヒータ２０の先端が内面と接触した際に、先端部１３の内面がヒータ２０の先端を受け止めやすくなる。すると、筒部１２の内周面とヒータ２０の側面とを接触させた状態で、さらに、先端部１３の内面とヒータ２０の先端とを接触させようとした際に、筒部１２の内周面とヒータ２０の側面とを離間させる力が働きにくい。つまり、ヒータ２０の先端と側面とを、それぞれ素子本体１１の先端部１３の内面と、筒部１２の内周面とに直接接触させやすくなる。なお、先端部１３の内面は、素子本体１１の軸線に対して直交する平坦な面としてもよい。
【００６４】
素子本体１１の先端、言い換えると先端部１３の先端である外面を平坦に形成することにより、先端部１３の外面を球面状に形成した場合と比較して、先端部１３の体積を小さくすることができる。そのため、素子本体１１が同じ割合で加熱された場合、先端部１３の外面が平坦に形成されていると素子本体１１の温度の上昇を早くすることができ、ガス検出素子１０の活性化に要する時間を短縮することができる。
【００６５】
また、先端部１３の厚さが筒部１２の厚さと同一の厚さであるため、先端部１３の厚さを筒部１２の厚さよりも厚くした場合と比較して、先端部１３の強度を確保しつつ、先端部１３の体積を小さくすることができる。
【００６６】
さらに、上記のガスセンサ１においては、ヒータ２０の先端角部の面取り部２５と素子本体１１（センサ素子１１）における先端部１３の内面との間に隙間が生じるため、ヒータ２０の先端角部の面取り部２５は、素子本体１１（センサ素子１１）の先端部１３の内面と非接触状態となる。
【００６７】
これにより、ヒータ２０の先端角部が素子本体１１（センサ素子１１）の先端部１３の内面と干渉するのを回避できるため、素子本体１１（センサ素子１１）の先端部１３の内面とヒータ２０の先端とを接触させつつ、素子本体１１（センサ素子１１）の筒部１２の内周面とヒータ２０の側面とを接触させることが容易になる。
【００６８】
ここで、特許請求の範囲と上記実施形態とにおける文言の対応関係について説明する。
素子本体１１（センサ素子１１）がセンサ素子の一例に相当し、筒部１２が筒部の一例に相当し、先端部１３が先端部の一例に相当し、接続部１５が接続部の一例に相当する。また、ヒータ２０がヒータの一例に相当する。
【００６９】
以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において、様々な態様にて実施することが可能である。
【００７０】
例えば、素子本体１１の先端部１３の外面は、図３Ａおよび図３Ｂに示すように平坦に形成されていてもよいし、図４に示すように、筒部１２の外周面と滑らかに接続された曲面、例えば半球状の曲面として形成されていてもよく、特に限定するものではない。
【００７１】
このようにすることで、素子本体１１の先端部１３の厚さが、筒部１２の厚さよりも厚くなり、素子本体１１の先端部１３の厚さが筒部１２の厚さ未満である場合と比較して、先端部１３の破損を抑制することができる。例えば、先端部１３は、ヒータ２０が挿入される際にヒータ２０の先端が突き当てられる部分であるため、先端部１３の厚さが不十分で強度が不足すると、亀裂などの欠陥が発生しやすい。この欠陥は、素子本体１１の温度変化などの影響を受けて亀裂などに成長し、破損につながるおそれがある。
【００７２】
さらに、素子本体１１の筒部１２は、図５Ａおよび図５Ｂに示すように、ヒータ２０と接触する先端側であっても、内周の径が先端部１３に近づくに伴い小さくなるテ―パ状に形成されていてもよい。この場合、ヒータ２０の傾きは、図５Ａに示すように、ヒータ２０のセラミック層２２、特に発熱部２３が筒部１２の内周面と線接触する傾きであってもよいし、図５Ｂに示すように、図５Ａの場合とは逆の傾き、つまり、セラミック層２２の先端が筒部１２の内周面と接触する傾きであってもよく、特に限定するものではない。
【００７３】
次に、本発明を適用したガスセンサと２つの比較例（従来のガスセンサ）との比較測定に関する測定結果について説明する。
なお、比較測定は、「センサ素子における異なる部位間の温度差」、「センサ活性時間」、「センサ出力バラツキ」の３項目について実施した。
【００７４】
また、比較例（従来のガスセンサ）の１つとしては、図６に示すガスセンサのようにヒータがセンサ素子内面の側面に当接するガスセンサ（換言すれば、「横当て構造」のガスセンサ）を用いた。また、もう１つの比較例（従来のガスセンサ）としては、ヒータがセンサ素子内面の先端に当接するガスセンサ（換言すれば、「先当て構造」のガスセンサ）と、を用いた。
【００７５】
図７に、「先当て構造」のガスセンサのうちガス検出素子Ｐ１およびヒータＰ９の断面図を示す。
図８に、「センサ素子における異なる部位間の温度差」、「センサ活性時間」、「センサ出力バラツキ」のそれぞれの測定結果を示す。なお、「センサ素子における異なる部位間の温度差」とは、センサ素子の外周表面のうち、最高発熱部分と、センサ素子の周方向における反対側部分（周方向に１８０度移動した部分）と、の温度差である。
【００７６】
図８の測定結果から判るように、「センサ素子における異なる部位間の温度差」に関しては、「横当て構造」のガスセンサが最も温度差が大きく、本発明を適用したガスセンサおよび「先当て構造」のガスセンサは温度差が小さい。この測定結果から、本発明を適用したガスセンサは、「横当て構造」のガスセンサに比べて、センサ素子の温度分布が不均一になるのを抑制できることが判る。
【００７７】
次に、「センサ活性時間」に関しては、「先当て構造」のガスセンサが最も長い時間を要しており、「横当て構造」のガスセンサ、本発明を適用したガスセンサの順にセンサ活性時間が短くなる。この測定結果から、本発明を適用したガスセンサは、「先当て構造」のガスセンサや「横当て構造」のガスセンサに比べて、センサ活性時間を短縮できることが判る。
【００７８】
次に、「センサ出力バラツキ」に関しては、「横当て構造」のガスセンサが最も出力バラツキが大きく、本発明を適用したガスセンサおよび「先当て構造」のガスセンサは出力バラツキが小さい。この測定結果から、本発明を適用したガスセンサは、「横当て構造」のガスセンサに比べて、出力バラツキが生じにくいことが判る。
【００７９】
これらの測定結果から、本発明を適用したガスセンサは、「先当て構造」のガスセンサや「横当て構造」のガスセンサに比べて、ガス検出素子の素子本体（センサ素子）の活性化に要する時間を短縮でき、かつ、ガス検出素子の素子本体（センサ素子）の出力の振れを抑制できることが判る。
【図１】
2013024775.tif 000003
【図２】
2013024775.tif 000004
【図３Ａ−３Ｂ】
2013024775.tif 000005
【図４】
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【図５Ａ−５Ｂ】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【手続補正書】
【提出日】平成25年11月25日(2013.11.25)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】請求項１
【補正方法】変更
【補正の内容】
【請求項１】
ガスセンサであって、
少なくとも、軸線を中心とした筒状の筒部および該筒部の先端を閉じる先端部を有する固体電解質体からなるセンサ素子と、
自身の外径寸法が前記センサ素子の内径寸法よりも小さく形成されており、前記センサ素子の内部に配置され、発熱することにより前記センサ素子を加熱する筒状または柱状のヒータと、
を備えており、
前記ヒータの先端部は前記センサ素子の前記先端部の内面と接触し、かつ、前記ヒータの側部は前記センサ素子の前記筒部の内周面と接触しているガスセンサ。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１５
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１５】
本発明は、以下の手段を提供する。
本発明のガスセンサは、少なくとも、軸線を中心とした筒状の筒部および該筒部の先端を閉じる先端部を有する固体電解質体からなるセンサ素子と、自身の外径寸法が前記センサ素子の内径寸法よりも小さく形成されており、前記センサ素子の内部に配置され、発熱することにより前記センサ素子を加熱する筒状または柱状のヒータと、を備えるガスセンサであって、前記ヒータの先端部は前記センサ素子の前記先端部の内面と接触し、かつ、前記ヒータの側部は前記センサ素子の前記筒部の内周面と接触している。
このような構成のガスセンサは、ヒータの先端部がセンサ素子の先端部の内面のみと接触する形態のガスセンサや、あるいは、ヒータの側部がセンサ素子の筒部の内周面と接触する形態のガスセンサに比べて、ヒータとセンサ素子との接触面積を大きく確保でき、ヒータからセンサ素子への熱伝導が良好となる。
よって、本発明のガスセンサによれば、センサ素子の活性化に要する時間を短縮すると共に、センサ素子の出力の振れを抑制することができる。
【手続補正書】
【提出日】平成26年8月13日(2014.8.13)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】請求項１
【補正方法】変更
【補正の内容】
【請求項１】
ガスセンサであって、
少なくとも、軸線を中心とした筒状の筒部および該筒部の先端を閉じる先端部を有する固体電解質体からなるセンサ素子と、
自身の外径寸法が前記センサ素子の内径寸法よりも小さく形成されており、前記センサ素子の内部に配置され、発熱することにより前記センサ素子を加熱する筒状または柱状のヒータと、
を備えており、
前記ヒータの先端側には発熱部が設けられ、
前記ヒータの先端部は前記センサ素子の前記先端部の内面と接触し、かつ、前記ヒータの側部のうち前記発熱部の形成領域は前記センサ素子の前記筒部の内周面と直接接触し、かつ、前記ヒータの後端部は前記センサ素子の前記筒部から離間しているガスセンサ。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１５
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１５】
本発明は、以下の手段を提供する。
本発明のガスセンサは、少なくとも、軸線を中心とした筒状の筒部および該筒部の先端を閉じる先端部を有する固体電解質体からなるセンサ素子と、自身の外径寸法が前記センサ素子の内径寸法よりも小さく形成されており、前記センサ素子の内部に配置され、発熱することにより前記センサ素子を加熱する筒状または柱状のヒータと、を備えるガスセンサであって、前記ヒータの先端側には発熱部が設けられ、前記ヒータの先端部は前記センサ素子の前記先端部の内面と接触し、かつ、前記ヒータの側部のうち前記発熱部の形成領域は前記センサ素子の前記筒部の内周面と直接接触し、かつ、前記ヒータの後端部は前記センサ素子の前記筒部から離間している。
【国際調査報告】
2013024775.tif 000011
2013024775.tif 000012
2013024775.tif 000013
2013024775.tif 000014