(57)【要約】【課題】充填材の充填による空気透過層の潰れの抑制と、空気透過層における空気流量の確保とを両立しやすいガスセンサを得る。【解決手段】中実円柱状の芯ロッド２ｃの軸方向一方側の円周面２ｄ上に検出電極と参照電極とを含む酸素検出部が形成されるとともに、芯ロッド２ｃの円周面２ｄ上に軸方向に沿って延びて上記の参照電極に外気を導入する空気透過層２ｋが形成され、この空気透過層２ｋの帯幅方向両端縁間に、検出素子２とケーシング間に充填材が充填される部分に対応する支柱部分２ｔが形成される。この支柱部分２ｔによって外力を受け、当該外力によって空気透過層２ｋが押し潰されるのが抑制される。【選択図】図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
基体軸の軸方向一方側の表面上に検出電極と参照電極とを含む酸素検出部が形成され、軸方向他方側から当該検出電極および参照電極の電位が取り出されるように構成されるとともに、当該基体軸の表面上に軸方向に沿って延びて当該参照電極に外気を導入する空気透過層が形成されたガスセンサにおいて、
前記空気透過層の帯幅方向両端縁間に、当該空気透過層が外力によって押し潰されるのを抑制する支柱部分が設けられることを特徴とするガスセンサ。
【請求項２】
前記支柱部分の幅は、前記空気透過層の幅の２２％以上で、かつ６０％以下であることを特徴とする請求項１に記載のガスセンサ。
【請求項３】
前記基体軸は、筒状のケーシング内に挿入された状態で当該基体軸とケーシングの筒内壁との間隙に充填材が充填されることで当該ケーシングに固定され、
前記支柱部分が、前記充填材が充填される部分に対応して設けられることを特徴とする請求項１または２に記載のガスセンサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ガスセンサに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、種々のガスセンサが提案されている。特許文献１には、その一例としてのガスセンサが開示されている。
【０００３】
特許文献１に開示されるガスセンサは、被測定ガスに含まれる特定ガス成分を検出する検出素子と、この検出素子が挿通固定されるホルダと、このホルダの基端側に固定され、検出素子からの出力を取り出す端子を保持する絶縁碍子と、ホルダの基端側に固定され、絶縁碍子の外周を被うケーシングとを備えている。
【０００４】
検出素子（基体軸）には、ヒータパターンや、参照電極、検出電極、固体電解質層、空気透過層等が形成されている。そして、ホルダに形成された挿入孔にこの検出素子が嵌挿され、挿入孔の外に露出した検出素子の先端側（検出部）がプロテクタによって覆われる。ここで、空気透過層は、略一定の気孔率を有する多孔質層として形成されており、空気（外気）が基準ガスとして当該空気透過層内を流通して参照電極に導入されるようになっている。
【０００５】
ところで、従来のガスセンサにあっては、ホルダの挿入孔と検出素子との間の隙間にセラミック粉などの充填材を充填して圧縮することにより、ホルダの挿入孔と検出素子との間の気密性が確保されるとともに、ホルダに対して検出素子が固定されるようになっている。
【特許文献１】特開２００５−３５１７４０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ところが、上記従来技術では、ホルダの挿入孔と検出素子との間の隙間に充填材を充填して圧縮する際に、空気透過層が径方向内方に圧縮されて潰れ、空気の流通量が低くなってしまう場合があった。
【０００７】
その対策として、気孔率を低くして空気透過層の剛性および強度を高めれば、空気透過層が潰れるのを抑制することはできるが、そうすると気孔率を低くした分だけ空気の流量が減ってしまう。
【０００８】
すなわち、上記従来技術では、充填材の充填による空気透過層の潰れの抑制と、空気透過層における空気流量の確保とを両立するのが難しくなる場合があった。
【０００９】
そこで、本発明は、充填材の充填による空気透過層の潰れの抑制と、空気透過層における空気流量の確保とを両立しやすいガスセンサを得ることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
請求項１の発明にあっては、基体軸の軸方向一方側の表面上に検出電極と参照電極とを含む酸素検出部が形成され、軸方向他方側から当該検出電極および参照電極の電位が取り出されるように構成されるとともに、当該基体軸の表面上に軸方向に沿って延びて当該参照電極に外気を導入する空気透過層が形成されたガスセンサにおいて、前記空気透過層の帯幅方向両端縁間に、当該空気透過層が外力によって押し潰されるのを抑制する支柱部分が設けられることを特徴とする。
【００１１】
請求項２の発明にあっては、前記支柱部分の幅は、前記空気透過層の幅の２２％以上で、かつ６０％以下であることを特徴とする。
【００１２】
請求項３の発明にあっては、前記基体軸は、筒状のケーシング内に挿入された状態で当該基体軸とケーシングの筒内壁との間隙に充填材が充填されることで当該ケーシングに固定され、前記支柱部分が、前記充填材が充填される部分に対応して設けられることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１３】
請求項１の発明によれば、上記支柱部分で外力を受けることができるため、空気透過層の気孔率を特に低下させることなく、空気透過層が押し潰されるのを抑制することができる。
【００１４】
請求項２の発明によれば、支柱部分の幅を空気透過層の幅の２２％以上確保することで、空気透過層が外力によって押し潰されるのを抑制することができる。また、支柱部分の幅を空気透過層の幅の６０％以下とすることで、所要のガス流量を確保することができる。
【００１５】
請求項３の発明によれば、上記支柱部分を充填材が充填される部分に対応して設けることで、当該支柱部分をより有効に機能させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
以下、本発明の好適な実施形態について図面を参照しながら詳細に説明する。なお、以下では、本実施形態にかかる酸素センサを、内燃機関を搭載した自動車の排気管に装着される空燃比検出用の酸素センサとして実施した場合について例示する。
【００１７】
図１は、本発明の一実施形態にかかる酸素センサの断面図、図２は、酸素センサの検出素子を形成する工程を示す断面図、図３は、検出素子を各層に分解した斜視図、図４は、図２（ｇ）のＡ部分を拡大して示す断面図、図５は、空気透過層の幅に対する支柱部分の幅の比率と空気透過層に加わる外力ならびに限界電流値との相関関係を示す特性図である。なお、図２の（ａ）〜（ｇ）は、それぞれ図１のII‐II線の位置における断面図である。
【００１８】
本実施形態にかかる酸素センサ１は、図１に示すように、酸素濃度を検出するとともに検出した酸素濃度を電気信号に変換する検出素子２と、この検出素子２を挿入する素子挿入孔３が形成されたホルダ４と、このホルダ４と検出素子２との間をシールし、かつ、検出素子２をホルダ４内に位置決めする素子位置決め部５と、ホルダ４より軸方向一方側（図１の上方側）に露出した検出素子２の接点部２ａに圧接されて検出素子２からの出力を取り出す端子６と、ホルダ４の基端側に固定されて端子６を保持する絶縁碍子７と、ホルダ４の基端側に固定されて絶縁碍子７の外周を被うケーシング８と、ホルダ４の軸方向他端側に固定されてホルダ４より突出した検出素子２の外周を被うプロテクタ９とを備えて概略構成されている。
【００１９】
検出素子２は、絶縁材料であるアルミナ等のセラミック材料により形成される中実円柱状の芯ロッド（基体軸）２ｃを有しており、その軸方向一端側（図１では上側）には接点部２ａが、また他端側（図１では下側）には酸素検出部２ｂがそれぞれ形成されている。
【００２０】
また、検出素子２は、芯ロッド２ｃの円周面（表面）２ｄに形成されたヒータ部となるヒータパターン２ｅと、このヒータパターン２ｅの外周面の全域を覆うヒータ絶縁層２ｆと、芯ロッド２ｃの円周面２ｄ上でヒータパターン２ｅの反対側の位置に形成された酸素イオン伝導性の固体電解質層２ｇと、この固体電解質層２ｇの内面に形成された参照電極２ｈと、固体電解質層２ｇの外面に形成された検出電極２ｊと、参照電極２ｈの内面と芯ロッド２ｃの円周面２ｄとの間に設けられ、外気が透過可能な空気透過層２ｋと、固体電解質層２ｇと検出電極２ｊの外面に形成され、電極用窓部２ｌを有する緻密層２ｍと、この緻密層２ｍやヒータ絶縁層２ｆの外面を全体的に覆う印刷保護層２ｎと、この印刷保護層２ｎの外面全体の領域を覆うスピネル保護層２ｏと、を備えている。
【００２１】
ヒータパターン２ｅ、参照電極２ｈ、および検出電極２ｊは、それぞれ芯ロッド２ｃの軸方向一方側から他方側（図３の左側から右側）へ伸びるリード線部２ｐ，２ｑ，２ｒを有している。これにより、中実円柱状の芯ロッド２ｃの軸方向一方側の表面上に検出電極２ｊと参照電極２ｈとを含む酸素検出部２ｂが形成され、軸方向他方側から検出電極２ｊおよび参照電極２ｈの電位が取り出されるように構成されるとともに、芯ロッド２ｃの円周面２ｄ上に軸方向に沿って延びて参照電極２ｈに外気を導入する空気透過層２ｋが形成されている。
【００２２】
ヒータパターン２ｅは、タングステンや白金等の発熱性導体材料により形成されている。このヒータパターン２ｅには、リード線部２ｐが一体に延設されていて、このリード線部２ｐを通じて外部からの通電で発熱することによって固体電解質層２ｇを昇温して活性化させる。
【００２３】
ヒータ絶縁層２ｆは、絶縁性材料により形成され、ヒータパターン２ｅの電気的絶縁を確保している。
【００２４】
固体電解質層２ｇは、例えばジルコニアの粉体中に所定重量％のイットリアの粉体を混合させてペースト状物により形成される。そして、固体電解質層２ｇは、参照電極２ｈと検出電極２ｊとの間で、周囲の酸素濃度差に応じた起電力を発生させ、その厚さ方向に酸素イオンを輸送する。これにより、固体電解質層２ｇと一対の電極である参照電極２ｈおよび検出電極２ｊとによって酸素濃度を電気信号として取り出す酸素検出部２ｂを形成する。この酸素検出部２ｂとヒータパターン２ｅとは、芯ロッド２ｃの円周面２ｄ上においてそれぞれ径方向の対向位置に設けられている。
【００２５】
参照電極２ｈおよび検出電極２ｊは、それぞれ導電性でかつ酸素が透過できる材料（例えば白金等）により形成されている。そして、参照電極２ｈおよび検出電極２ｊにはそれぞれリード線部２ｑ，２ｒが一体的に延設されており、このリード線部２ｑ，２ｒによって参照電極２ｈと検出電極２ｊとの間に現れた出力電圧を検出できるようになっている。
【００２６】
空気透過層２ｋは、絶縁性材料（例えばアルミナ）と固体電解質（例えばジルコニア）とのセラミック混合体により形成されており、固体電解質層２ｇの焼結時において固体電解質層２ｇと芯ロッド２ｃとの間の応力差を緩和する機能も備えている。
【００２７】
素子位置決め部５は、素子挿入孔３の全周に亘る粉充填スペース１０と、この粉充填スペース１０の開口縁に設けられたカシメ部１１とを有する。この粉充填スペース１０には、セラミック粉１２とバネ性を有するスペーサ１３とが収容され、カシメ変形したカシメ部１１によってスペーサ１３が圧縮され、その圧縮力によってセラミック粉１２が圧縮状態で充填されることによって検出素子２とホルダ４との間でシールが確保され、かつ、検出素子２がホルダ４に位置決め固定されるようになっている。なお、充填材であるセラミック粉１２としては、例えば未焼結のタルクが使用されている。また、スペーサ１３には、例えばリング状のワッシャが使用される。
【００２８】
ここで、帯状に形成される空気透過層２ｋの両端縁間となる帯幅方向中間部分には、図２の（ｇ）および図４に示すように、支柱部分２ｔが形成される。この支柱部分２ｔは、少なくともセラミック粉１２が充填される部分に対応して設けられる。
【００２９】
具体的には、本実施形態では、図３に示すように、空気透過層２ｋに予め短冊状のスリット２ｓが形成されており、空気透過層２ｋの外周に被覆層（スピネル保護層２ｏや印刷保護層２ｎ等）を形成する際に、それら被覆層で当該スリット２ｓを充填することで、支柱部分２ｔが形成されるようになっている。なお、支柱部分２ｔの幅Ｗ１は、空気透過層２ｋの幅Ｗ２の２２％以上で、かつ６０％以下に設定されている。
【００３０】
プロテクタ９は、二重の有底筒状に形成されており、側壁にはガス流通用の小孔９ａが形成されている。なお、プロテクタ９とホルダ４との固定は、レーザ溶接や、スポット溶接、カシメ等によって行われる。
【００３１】
上記構成において、検出素子２は図２（ａ）〜（ｇ）に示す一連の工程を経て形成される。すなわち、図２（ａ）に示す第１工程にて、アルミナ等のセラミック材料が射出成形されて芯ロッド２ｃが形成された後、図２（ｂ）に示す第２工程にて、芯ロッド２ｃを回転させつつ、芯ロッド２ｃの円周面２ｄの略半分領域に、例えば白金またはタングステン等の発熱性材料が曲面スクリーン印刷されてヒータパターン２ｅおよびそのリード線部２ｐが形成される。そして、これらヒータパターン２ｅおよびリード線部２ｐ上に、アルミナ等のセラミック材料が曲面スクリーン印刷されてヒータ絶縁層２ｆが形成される。
【００３２】
次いで、図２（ｃ）に示す第３工程にて、芯ロッド２ｃの円周面２ｄ上でヒータパターン２ｅの領域と反対の半分領域に曲面スクリーン印刷により空気透過層２ｋが形成される。ここで、本実施形態では、空気透過層２ｋの長手方向中間部分に、スリット２ｓが形成されている。このスリット２ｓは、後の工程で印刷保護層２ｎやスピネル保護層２ｏが充填され、支柱部分２ｔが形成される。
【００３３】
そして、図２（ｄ）に示す第４工程にて、空気透過層２ｋ上に白金等からなる導電性ペーストが曲面スクリーン印刷されて参照電極２ｈおよびそのリード線部２ｑが形成される。
【００３４】
次いで、図２（ｅ）に示す第５工程にて、参照電極２ｈおよび空気透過層２ｋ等の上面に、例えばジルコニアとイットリアからなるペースト状物が曲面スクリーン印刷されて酸素イオン伝導性の固体電解質層２ｇが形成される。
【００３５】
そして、図２（ｆ）に示す第６工程にて、固体電解質層２ｇの上面等に、白金等からなる導電性ペーストが曲面スクリーン印刷されて検出電極２ｊおよびそのリード線部２ｒが一体に形成され、形成された固体電解質層２ｇおよび検出電極２ｊの上面に、例えばアルミナ等のセラミック材料が曲面スクリーン印刷されて電極用窓部２ｌを有する緻密層２ｍが形成される。この緻密層２ｍの電極用窓部２ｌからは検出電極２ｊの中央部分が露出され、この露出された検出電極２ｊの部分が電極としての有効部分となる。
【００３６】
次いで、図２（ｇ）に示す第７工程にて、芯ロッド２ｃの円周面２ｄの円周方向の全領域にわたって、例えばアルミナと酸化マグネシウムからなるペースト状物が曲面スクリーン印刷されて印刷保護層２ｎが形成される。この印刷保護層２ｎは、ヒータ絶縁層２ｆおよび緻密層２ｍの外面を全体的に覆う。そして、最後に、芯ロッド２ｃの円周面２ｄの円周方向の全領域にわたってスピネル保護層２ｏが形成され、このスピネル保護層２ｏによって印刷保護層２ｎの外面全体の領域が覆われる。このとき、緻密層２ｍや、印刷保護層２ｎ、スピネル保護層２ｏ等によってスリット２ｓが充填されて、支柱部分２ｔが形成される。
【００３７】
そして、上述した一連の工程を終えた円柱状作成物が高熱で焼成されることにより一体的に終結された検出素子２が得られる。このとき、空孔形成剤の混合されている空気透過層２ｋでは、空孔形成剤が焼き飛ばされて空孔が形成され、多孔質構造となる。
【００３８】
ところで、発明者らは、鋭意検討を重ねることで、図４に示す空気透過層２ｋの幅Ｗ２に対する支柱部分２ｔの幅Ｗ１の比率について、図５に示すように、適切な範囲があることを見出した。
【００３９】
すなわち、検出素子２の外周から空気透過層２ｋに加わる外力（圧力）が４４８Ｍｐａであり、保護層限界強度（圧力）が３５０ＭＰｓであるとすると、剛性および強度の観点から、空気透過層２ｋの幅Ｗ２に対する支柱部分２ｔの幅Ｗ１の比率の下限値は、１−（３５０／４４８）＝０．２２の式により、２２％となる。すなわち、当該比率が２２％以上であれば、支柱部分２ｔで外力を受けることができ、空気透過層２ｋが外力によって押し潰されるのを抑制することができる。
【００４０】
一方、上記比率が高すぎると、空気透過層２ｋにおけるガス流量が低下してしまう。この点では、上記比率を６０％以下とすることで、参照電極２ｈで限界電流値６０μＡを得るのに必要とする所要量の外気を導入可能であることが判明した。
【００４１】
以上のようにして形成された検出素子２は、ホルダ４に形成された素子挿入孔３に挿入され、素子位置決め部５において当該ホルダ４に位置決め固定され、他の部分とアセンブリされて酸素センサ１が構成される。
【００４２】
酸素センサ１は、ホルダ４のネジ部４ａが排気管１４のネジ孔１５に螺入されることによって排気管１４に固定され、この取付状態では、検出素子２のプロテクタ９で覆われた箇所が排気管１４内に突出されるようになっている。なお、酸素センサ１と排気管１４との間の気密はガスケット１６によって確保される。
【００４３】
こうして排気管１４に装着された酸素センサ１では、当該排気管１４内を流通するガスが小孔９ａよりプロテクタ９の内部に流入すると、そのガス内の酸素が検出素子２の酸素検出部２ｂに入り込む。すると、酸素検出部２ｂがガスの酸素濃度を検出し、この検出した酸素濃度を電気信号に変換した後、この電気信号の情報が端子６を経て外部に出力される。
【００４４】
以上の本実施形態にかかる酸素センサ１によれば、粉充填スペース１０にセラミック粉１２を充填して圧縮する際に、検出素子２の外周から空気透過層２ｋに外力が加わったとしても、その外力を支柱部分２ｔで受けて、空気透過層２ｋが押し潰されるのを抑制することができる。
【００４５】
よって、空気透過層２ｋの気孔率を低下させることでそれ自体の剛性および強度を増大させて当該空気透過層２ｋが押し潰されるのを抑制していた場合に比べて、気孔率をより大きく確保できる。したがって、本実施形態によれば、充填材の充填による空気透過層の潰れの抑制と、空気透過層における空気流量の確保とを両立しやすくなる。
【００４６】
また、本実施形態によれば、支柱部分２ｔの幅Ｗ１を空気透過層の幅Ｗ２の２２％以上確保することで、空気透過層２ｋが外力によって押し潰されるのを抑制することができる。また、支柱部分２ｔの幅Ｗ１を空気透過層の幅Ｗ２の６０％以下とすることで、所要のガス流量を確保することができる。
【００４７】
また、本実施形態によれば、上記支柱部分２ｔを少なくとも充填材としてのセラミックス粉が充填される部分に対応して設けることで、当該支柱部分２ｔをより有効に機能させることができる。
【００４８】
なお、本発明は、次のような別の実施形態に具現化することができる。以下の別の実施形態でも上記実施形態と同様の作用および効果を得ることができる。すなわち、
（１）上記実施形態では、検出素子２の基体軸として中実円柱状の芯ロッド２ｃを使用したが、中実角柱状等、他の断面形状の芯ロッドを使用しても良いことはもちろんである。
【００４９】
（２）上記実施形態では空気透過層２ｋに形成されたスリット２ｓの部分を印刷保護層２ｎやスピネル保護層２ｏによって充填して支柱部分２ｔを形成したが、これに替えて、緻密層２ｍや、他の層、あるいはそれらの適宜な組み合わせによって当該スリット２ｓを充填して支柱部分２ｔを形成しても良い。
【００５０】
（３）また、軸方向に沿って支柱部分を複数並べて形成してもよいし、径方向に伸びる棒状の支柱部分を複数設けてもよいし、支柱部分の断面形状も任意に設定可能である。例えば、径方向外側に向けて先細りとなる断面形状とすれば、支持剛性をより高めることができる。
【００５１】
また、上記実施形態から把握し得る請求項以外の技術思想について、以下にその効果と共に記載する。
【００５２】
（イ）請求項１〜３のうちのいずれか一つに記載のガスセンサでは、上記基体軸を、ロッド状またはプレート状とするのが好適である。こうすれば、酸素センサをより容易に構成することができる。
【００５３】
（ロ）請求項１〜３および上記（イ）のうちのいずれか一つに記載のガスセンサでは、上記支柱部分が上記基体軸に形成されるヒータ層および固体電解質層を含む機能層を貫通して上記基体軸に接触するように形成されるのが好適である。こうすれば、ヒータ層や固体電解質層のレイアウトによらず、それら各層に影響を与えることなく支柱部分を形成することが可能となる。
【００５４】
（ハ）請求項１〜３、（イ）、および（ロ）のうちのいずれか一つに記載のガスセンサでは、上記支柱部分が複数形成されるのが好適である。こうすれば、応力が集中するのを抑制して、支柱部分の強度をより一層高めることができる。
【００５５】
（ニ）請求項１〜３、（イ）、（ロ）、および（ハ）のうちのいずれか一つに記載のガスセンサでは、上記支柱部分が、アルミナによって形成されるのが好適である。こうすれば、アルミナの比較的高強度である特性を利用してより強固な支柱部分を比較的容易に形成することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００５６】
【図１】本発明の一実施形態にかかる酸素センサの断面図（軸方向に沿った断面図）である。
【図２】本発明の一実施形態にかかる酸素センサの検出素子を形成する工程を示す断面図である。
【図３】本発明の一実施形態にかかる酸素センサの検出素子を各層に分解した図である。
【図４】図２（ｇ）のＡ部分を拡大して示す断面図である。
【図５】本発明の一実施形態にかかる酸素センサの空気透過層の幅に対する支柱部分の幅の比率と空気透過層に加わる外力ならびに限界電流値との相関関係を示す特性図である。
【符号の説明】
【００５７】
１  酸素センサ（ガスセンサ）
２ｂ  酸素検出部
２ｃ  芯ロッド（基体軸）
２ｄ  円周面（表面）
２ｈ  参照電極
２ｊ  検出電極
２ｋ  空気透過層
２ｔ  支柱部分
３  素子挿入孔
４  ホルダ
５  素子位置決め部
８  ケーシング
１２  セラミック粉（充填材）
【図１】
2008216095.tif 000003
【図２】
2008216095.tif 000004
【図３】
2008216095.tif 000005
【図４】
2008216095.tif 000006
【図５】
2008216095.tif 000007