JP2009115781A - ガスセンサ - Google Patents

Abstract

【課題】 多孔質保護層の基端に欠けが生じることに起因して、検出素子本体にクラックが生じることを防止したガスセンサを提供する。
【解決手段】 ガスセンサ１００は、主体金具１１０とこれに保持される検出素子本体２０１と、検出素子本体２０１の先端側を被覆する多孔質保護層２４０と、検出素子本体２０１の主体金具の先端から突出する素子突出部２０２を直に取り囲み、被測定ガスを導入する内側導入孔１６７が設けられた内側プロテクタ１６１と、を有する。このうち、多孔質保護層２４０は、被覆部２４２と、被覆部よりも基端側に設けられ、基端側に向かうにつれて徐々に厚みが薄くなる縮径部２４７からなり、この縮径部２４７は、内側導入孔１６７よりも基端側に配置される。
【選択図】 図２

Description

本発明は、軸線方向に延びる筒状の主体金具と、軸線方向に延びてこの径方向内側に保持される検出素子本体を備えるガスセンサに関し、特に、検出素子本体の軸線方向先端側を多孔質保護層で被覆したガスセンサに関する。

従来より、自動車の排気管等に取り付けられて使用され、排気ガス中の特定ガス（例えば窒素酸化物や酸素など）の濃度に応じて、起電力が変化したり、抵抗値が変化する検出素子を備えるガスセンサが知られている。
このようなガスセンサの検出素子では、排気ガス中の水滴が付着した際の熱衝撃によるクラックの発生を防止するなどの目的から、検出素子本体の先端部分を多孔質のセラミックからなる多孔質保護層で被覆することが知られている。多孔質保護層を設けることにより、検出素子に付着した水滴は、この多孔質保護層で分散されながら緩慢に浸透していくので、検出素子本体に大きな熱衝撃が生じにくくなり、検出素子本体にクラックが発生することを防止できる。例えば、特許文献１にこのような多孔質保護層を有するガスセンサが開示されている（特許文献１の図１及びその説明箇所等を参照）。

特開２００７−３３３７４号公報

しかしながら、従来における多孔質保護層は、その基端が尖った角部を有する形態とされていた。このため、使用時の振動や衝撃により、この基端に欠けが生じることがあった。そして、この欠けで多孔質保護層が薄くなったり、検出素子本体が露出した部分に、排気ガス中の水滴が付着すると、その際の熱衝撃により、検出素子本体のこの部位にクラックが生じることがあった。

本発明は、かかる現状に鑑みてなされたものであって、多孔質保護層の基端に欠けが生じることに起因して、検出素子本体にクラックが生じることを防止したガスセンサを提供することを目的とする。

その解決手段は、軸線方向に延びる筒状をなす主体金具と、前記主体金具の先端から突出する素子突出部を有し、軸線方向に延びて前記主体金具の径方向内側に保持された板状の検出素子本体と、前記検出素子本体の先端側を被覆してなる多孔質保護層と、前記多孔質保護層を直に取り囲むように前記主体金具に取り付けられ、前記素子突出部の径方向周囲に配置された側壁に前記被測定ガスを導入する導入孔が設けられたプロテクタと、を備えるガスセンサであって、前記多孔質保護層は、被覆部と、該被覆部よりも基端側に設けられ、基端側に向かうにつれて徐々に厚みが薄くなる縮径部からなり、前記縮径部は、いずれの前記導入孔よりも基端側に配置されるガスセンサである。

本発明のガスセンサでは、多孔質保護層のうち、被覆部よりも基端側に位置する縮径部を、基端側に向かうにつれて徐々に厚みが薄くなる形態としている。つまり、この縮径部には、従来の多孔質保護層の基端にあったような尖った角部が存在しない。このため、使用時の振動や衝撃によって縮径部に欠けが生じて、この部分の多孔質保護層が薄くなったり、この部分で検出素子本体が露出するのを防止できる。従って、排気ガス中の水滴が縮径部に付着しても、検出素子本体にクラックが生じ難い。
しかも、この縮径部を、素子突出部を直に取り囲むプロテクタの側壁に設けられた導入孔よりも基端側に配置しているので、導入孔を通過した水滴が縮径部に付着し難い。従って、検出素子本体にクラックが生じるのを更に効果的に防止したガスセンサとすることができる。

なお、多孔質保護層の「縮径部」は、基端側に向かうにつれて徐々に厚みが薄くなる形態である。具体的には、基端側に向かうにつれて徐々に厚みが薄くなる、テーパ状やＲ形状などが挙げられる。
また、多孔質保護層の「被覆部」は、検出素子本体の先端から縮径部までの検出素子本体の周囲を被覆するものである。さらに、「プロテクタ」は、一重構造のプロテクタのみからなるものの他、２つ以上のプロテクタが重なった多重構造のプロテクタであってもよい。この多重構造の場合には、最も内側に配置され、検出素子本体を直に取り囲むプロテクタが、特許請求の範囲の「プロテクタ」に相当する。

更に、上記のガスセンサであって、前記多孔質保護層のうち前記縮径部の軸線方向長さを、前記被覆部の厚み以上３ｍｍ以下としてなるガスセンサとすると良い。

本発明のガスセンサでは、縮径部の軸線方向長さを、被覆部の厚み以上、３ｍｍ以下としているので、使用時の振動や衝撃によって縮径部に欠けが生じるのをより確実に防止できる。従って、検出素子本体にクラックが生じるのを更に効果的に防止した信頼性の高いガスセンサとすることができる。

更に、上記のいずれかに記載のガスセンサであって、前記被覆部の厚みを、１００μｍ以上６００μｍ以下としてなるガスセンサとすると良い。

多孔質保護層の被覆部の厚みが薄すぎると、具体的には１００μｍよりも薄いと、多孔質保護層に水滴が付着した際の熱衝撃による検出素子本体のクラックの発生を防止するなど、多孔質保護層に本来求められる効果が十分に得られないおそれがある。一方、多孔質保護層の被覆部の厚みが厚すぎると、具体的には６００μｍよりも厚いと、例えば、ヒータによる昇温時に熱がこの多孔質保護層にも伝わるため、検出素子本体の温度が下がって活性化するまでの時間が長くなる、ヒータの消費電力が増大する、ガスセンサの検出感度が悪くなるなどの問題が生じることがある。

これに対し、本発明のガスセンサでは、多孔質保護層の被覆部の厚みを１００μｍ以上としているので、水滴の付着に伴うクラックの発生を防止するなどの多孔質保護層としての効果を十分に得ることができる。また一方で、多孔質保護層の被覆部の厚みを６００μｍ以下としているので、ヒータによる昇温時に検出素子が活性化するまでの時間を十分に短くでき、ヒータの消費電力も減らすことができる。また、ガスセンサの検出感度も良好となる。

更に、上記のいずれかに記載のガスセンサであって、前記被覆部は、前記検出素子本体の前記素子突出部をなだらかに覆ってなるガスセンサとすると良い。

本発明のガスセンサでは、多孔質保護層の被覆部が、検出素子本体の素子突出部をなだらかに覆っている。即ち、検出素子本体は板状をなすので、その素子突出部には、主面（板面）と側面、主面と先端面、側面と先端面により形成された稜（辺）や３つの面が集まってできた頂点を有するが、この素子突出部を被覆する多孔質保護層の被覆部は、その外表面全体が尖った角部の無いなだらかな形態とされている。このため、使用時の振動や衝撃によって被覆部に欠けが生じるのを効果的に防止できる。従って、より信頼性の高いガスセンサとすることができる。

更に、上記のいずれかに記載のガスセンサであって、前記被覆部と前記プロテクタとの最小間隙を、０．５ｍｍ以上としてなるガスセンサとすると良い。

被覆部とプロテクタとの最小間隙が小さすぎると、具体的には０．５ｍｍよりも小さいと、被測定ガスと共にプロテクタ内に入った水滴が、プロテクタと被覆部との間に溜まるようにして被覆部に付着しやくする。また、一旦プロテクタの内周面に付着した水滴が、この内周面を移動して、被覆部に付着する場合もある。
これに対し、本発明では、検出素子とプロテクタとの最小間隙を０．５ｍｍ以上としているので、被測定ガスと共に水滴がプロテクタ内に入っても、被覆部には付着しにくくなる。また、一旦プロテクタの内周面に付着した水滴が移動しても、被覆部に接触しにくくなる。従って、水滴が付着した際の熱衝撃により検出素子本体にクラックが発生するのを、より確実に防止できる。

さらに、上記のいずれかに記載のガスセンサであって、前記縮径部は、前記主体金具内部に配置されるガスセンサとすると良い。

本発明のガスセンサでは、縮径部を主体金具の内部に配置している。これにより、主体金具が障壁となって縮径部に水滴が付着し難い。従って、検出素子本体にクラックが生じるのを更に効果的に防止したガスセンサとすることができる。

さらに、上記のいずれかに記載のガスセンサであって、前記主体金具と前記被覆部との最小隙間が１．４５ｍｍ以下であるガスセンサとすると良い。

主体金具と被覆部との最小間隙が大きすぎると、具体的には１．４５ｍｍよりも大きいと、被測定ガスと共にプロテクタ内に入った水滴が主体金具と検出素子本体（縮径部）との隙間に入りやすくなり、縮径部に水滴が付着しやくする。
これに対し、本発明では、主体金具と被覆部との最小間隙を１．４５ｍｍ以下としているので、被測定ガスと共に水滴がプロテクタ内に入っても、縮径部には付着しにくくなる。従って、水滴が付着した際の熱衝撃により検出素子本体にクラックが発生するのを、より確実に防止できる。

さらに、上記のいずれかに記載のガスセンサであって、前記縮径部と前記主体金具の先端との距離は、前記主体金具と前記被覆部との最小間隙よりも大きいガスセンサとすると良い。これにより、被測定ガスと共に水滴がプロテクタ内に入っても、縮径部にはさらに付着しにくくなる。従って、水滴が付着した際の熱衝撃により検出素子本体にクラックが発生するのを、より確実に防止できる。さらに、上記のいずれかに記載のガスセンサであって、前記主体金具と前記被覆部との最小隙間を、前記導入孔の直径よりも小さいガスセンサとすると更によい。

以下、本発明の実施の形態を、図面を参照しつつ説明する。図１に、本実施形態に係るガスセンサ１００を示す。また、図２及び図３に、このガスセンサ１００の先端側部分を拡大して示す。更に、図４に、ガスセンサ１００を構成する検出素子２００の先端側部分の平面図を示す。また、図５に、検出素子２００の検出素子本体２０１の分解斜視図を示す。また、図６に、検出素子２００の先端側部分の横断面図（図４のＡ−Ａ断面図）を示す。なお、図１〜図４の各図においては、図中、下側が軸線ＡＸ方向先端側（以下、単に先端側とも言う。）であり、図中、上側が軸線ＡＸ方向基端側（以下、単に基端側とも言う。）である。また、図５においては、図中、左側が先端側であり、図中、右側が基端側である。

このガスセンサ１００は、図示しない自動車の排気管に取り付けられ、内部に保持する検出素子２００が排気管内を流通する排気ガス（被検出ガス）中に晒されて、その排気ガス中の酸素（特定ガス成分）の濃度から排気ガスの空燃比を検出する、いわゆる全領域空燃比センサである。このガスセンサ１００は、図１に示すように、軸線ＡＸ方向に延びる筒状の主体金具１１０、この主体金具１１０の内側に保持された板状の検出素子２００、主体金具１１０の基端側に固設された外筒１５１、主体金具１１０の先端側に固設されたプロテクタ１６０等から構成されている。

このうち、検出素子２００は、一定の大きさの幅Ｈ（４ｍｍ）及び厚みＤ（１．５ｍｍ）（図６参照）を有して軸線ＡＸ方向に延びる板状（短冊状）をなす検出素子本体２０１を備える。検出素子本体２０１は、第１板面２０１ａと第２板面２０１ｂと第１側面２０１ｃと第２側面２０１ｄを有する（図４、図６参照）。この検出素子本体２０１は、図１に示すように、後述する主体金具１１０の先端側開口端１１０ｓから先端側（図中、下方）に突出した素子突出部２０２と、主体金具１１０に径方向周囲を包囲された胴部２０７と、主体金具１１０から基端側（図中、上方）に突出した素子基端部２０９とからなる。

検出素子２００の胴部２０７の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１３１が、自身の内側に検出素子２００を挿通し、その先端側部分を筒底の開口１３１ｃから突出させた状態で配置されている。この金属カップ１３１は、主体金具１１０内に検出素子２００を保持するための部材であり、その先端周縁部１３２は、先端側ほど縮径するテーパ状に形成されている。この金属カップ１３１内には、アルミナ製のセラミックリング１３３と、滑石粉末を圧縮した第１滑石リング１３５とが、検出素子２００を挿通した状態で収容されている。第１滑石リング１３５は、金属カップ１３１内で押し潰されて細部にまで充填されており、これにより、検出素子２００が、金属カップ１３１内で位置決めされて保持されている。

金属カップ１３１と一体となった検出素子２００は、その径方向周囲を筒状の主体金具１１０に取り囲まれて保持されている。この主体金具１１０は、ガスセンサ１００を自動車の排気管に取り付け固定するためのものであり、ＳＵＳ４３０の低炭素鋼からなる。この主体金具１１０の外周先端側には、排気管への取り付け用の雄ねじ部１１１が形成されている。また、この雄ねじ部１１１よりも先端側には、後述するプロテクタ１６０が固定される円環状の先端固定部１１３が突出形成されている。

また、主体金具１１０の外周中央には、取り付け用の工具が係合する工具係合部１１７が形成されている。また、主体金具１１０には、この工具係合部１１７と雄ねじ部１１１との間に、排気管に取り付けた際のガス抜けを防止するためのガスケット１１９が嵌挿されている。更に、工具係合部１１７の基端側には、後述する外筒１５１が固定される基端固定部１１６が形成されている。また、更にその基端側には、主体金具１１０内に検出素子２００を加締め保持するための加締め部１１８が形成されている。

また、主体金具１１０の内周先端側には、先端側ほど縮径するテーパ状をなす段部１１５が形成されている。この段部１１５には、検出素子２００を保持する金属カップ１３１のテーパ状をなす先端周縁部１３２が係止されている。更に、主体金具１１０の内側のうち、金属カップ１３１の基端側には、第２滑石リング１３７が、検出素子２００を挿通した状態で配置されている。そして、この第２滑石リング１３７を基端側から押さえるようにして、筒状のスリーブ１４１が主体金具１１０内に嵌め込まれている。このスリーブ１４１には、段状をなす肩部１４２が形成されている。この肩部１４２には、円環状の加締めパッキン１４３が配置されている。そして、主体金具１１０の加締め部１１８が、この加締めパッキン１４３を介してスリーブ１４１の肩部１４２を先端側に押圧するようにして、加締められている。

スリーブ１４１に押圧された第２滑石リング１３７は、主体金具１１０内で押し潰されて細部にわたって充填され、この第２滑石リング１３７と、金属カップ１３１内に予め装填された第１滑石リング１３５とによって、金属カップ１３１及び検出素子２００が、主体金具１１０内で位置決めされて保持されている。主体金具１１０内の気密は、加締め部１１８とスリーブ１４１の肩部１４２との間に介在される加締めパッキン１４３によって維持され、燃焼ガスの流出が防止される。

検出素子２００は、その素子基端部２０９が主体金具１１０の基端部である加締め部１１８よりも基端側に突出しており、その素子基端部２０９には、絶縁性セラミックスからなる筒状のセパレータ１４５が被せられている。セパレータ１４５は、検出素子２００の素子基端部２０９に形成された５個の電極パッド２３５，２３５，…とそれぞれ電気的に接続する５個の接続端子１４７，１４７，…（図１ではそのうちの１つを図示している。）を内部に保持している。これらの接続端子１４７，１４７，…は、ガスセンサ１００の外部に引き出される５本のリード線１４９，１４９，…（図１ではそのうちの３本を図示している。）にも電気的に接続している。そして、セパレータ１４５は、接続端子１４７，１４７，…とリード線１４９，１４９，…との各接続部分を互いに絶縁しつつ収容している。

そして、セパレータ１４５の周囲を囲うようにして、筒状の外筒１５１が配設されている。この外筒１５１は、ステンレス（本実施形態ではＳＵＳ３０４）製であり、その先端開口部１５２が、主体金具１１０の基端固定部１１６の径方向外側に配置されている。この先端開口部１５２は、外側から加締められ、更に外周を一周してレーザ溶接が施されて、基端固定部１１６に接合されている。

また、外筒１５１とセパレータ１４５との間隙には、金属製で筒状をなす保持金具１５３が配設されている。この保持金具１５３は、自身の基端を内側に折り曲げて構成した支持部１５４を有し、自身の内部に挿通されるセパレータ１４５の基端側外周に鍔状に設けられた鍔部１４６をこの支持部１５４に係止させて、セパレータ１４５を支持している。この状態で、保持金具１５３が配置された部分の外筒１５１が外側から加締められ、セパレータ１４５を支持した保持金具１５３が外筒１５１に固定されている。

また、外筒１４１の基端側開口には、フッ素系ゴム製のグロメット１５５が嵌合されている。このグロメット１５５は、５つの挿通孔１５６，１５６，…（図１ではそのうちの１つを図示している。）を有し、各挿通孔１５６，１５６，…に、セパレータ１４５から延出した５本のリード線１４９，１４９，…が気密に挿通されている。この状態でグロメット１５５は、セパレータ１４５を先端側に押圧しつつ、外筒１５１の外側から加締められて、外筒１５１に固定されている。

主体金具１１０に保持された検出素子２００は、その素子突出部２０２が、主体金具１１０の先端側開口端１１０ｓよりも先端側に突出している。そして、この先端固定部１１３には、検出素子２００の素子突出部２０２を、排気ガス中のデポジット（燃料灰分やオイル成分など被毒性の付着物質）による汚損や被水などによる折損等から保護するためのプロテクタ１６０が嵌められ、レーザ溶接によって固定されている。このプロテクタ１６０は、有底筒状の内側プロテクタ１６１と、この内側プロテクタ１６１の径方向周囲を、空隙を介して取り囲む筒状をなす外側プロテクタ１７１とから構成される二重構造を有する。

内側プロテクタ１６１は、有底の筒状をなし、検出素子２００の素子突出部２０２の先端側（図中、下方）及び径方向外側（図中、左右方向）を取り囲み、自身の内部に素子突出部２０２を配置した状態で、主体金具１１０に固定されている。この内側プロテクタ１６１には、自身の外部から内部へ排気ガスを導入する内側導入孔１６７，１６７，…が、検出素子２００の先端２００ｓ（多孔質保護層２４０の先端側端２４０ｓ）よりも基端側に複数設けられている。本実施形態において、この内側導入孔１６７の直径は１．５ｍｍである。なお、この内側導入孔が特許請求の範囲の「導入孔」に相当する。また、この内側プロテクタ１６１の先端側には、内部に向けて切り込み状に開口された水抜き孔１６６，１６６，…が複数設けられている。これらの水抜き孔１６６，１６６，…は、検出素子２００の先端２００ｓよりも先端側に形成されている。また、この内側プロテクタ１６１の底壁中央には、排気ガス及び水を外部に排出する排出孔１６４が形成されている。

一方、外側プロテクタ１７１は、内側プロテクタ１６１の径方向周囲を空隙を介して取り囲んだ状態で、主体金具１１０に固定されている。この外側プロテクタ１７１の先端部１７２は、内側プロテクタ１６１に向けて内側に折り曲げられている。これにより、内側プロテクタ１６１と外側プロテクタ１７１との空隙が先端側で閉塞されている。また、外側プロテクタ１７１のうち、検出素子２００の先端２００ｓよりも先端側の所定位置には、自身の外部から内部へ排気ガスを導入する複数の外側導入孔１７７，１７７，…が、周方向に並んで形成されている。これらの外側導入孔１７７，１７７，…の各々には、内側に向けて延出する板状のガイド体１７８，１７８，…が設けられている。これにより、外部から外側導入孔１７７，１７７，…を介して内部に導入された排気ガスは、内側プロテクタ１６１との空隙において、軸線ＡＸの周方向に旋回する旋回流を生じる。

次に、本発明の主要部である検出素子２００について説明する。検出素子２００の素子突出部２０２の全体と胴部２０７の先端側の一部には、その外表面を覆うようにして、多孔質のアルミナからなる多孔質保護層２４０が被覆されている。
この多孔質保護層２４０のうち、その基端２４０ｋから軸線ＡＸ方向の長さｔｋ（図４参照）が３ｍｍ以下（本実施形態では１ｍｍ）の範囲には、基端側（図中、上方）に向かうにつれて徐々に厚みが薄くなる縮径部２４７が設けられている。本実施形態には、縮径部２４７は、軸線ＡＸ方向の距離に比例して基端側ほど厚みが薄くなるテーパ状とされている。さらに、この縮径部２４７は、主体金具１１０の先端側開口端１１０ｓよりも３ｍｍ（図３の距離Ｉに相当）奥まって配置されている。これは、後述する主体金具１１０と被覆部２４２（基端側被覆部２４３）との最小間隙Ｈよりも距離Ｉが大きいことに相当する。

また、多孔質保護層２４０のうち、縮径部２４７よりも先端側には、被覆部２４２が設けられている（図２及び図３参照）。このうち、主体金具１１０の先端側開口端１１０ｓよりも先端側で、素子突出部２０２全体を覆う部分が先端側被覆部２４１であり、主体金具１１０内で胴部２０７の先端側の一部を覆う部分が基端側被覆部２４３である。従って、先端側被覆部２４１は、主体金具の１１０の先端側開口端１１０ｓから先端側に突出している。一方、基端側被覆部２４３は、先端側開口端１１０ｓよりも基端側に位置している。

そして、先端側被覆部２４１は、検出素子本体２０１の素子突出部２０２をなだらかに覆っており、その外表面が尖った角のない形態をなしている（図２〜図４及び図６参照）。即ち、先端側被覆部２４１の角部２４５，２４５，…は、いずれも丸くなっている。
また、多孔質保護層２４０のうち、被覆部２４２の厚みｄｋ（図４及び図６参照）は、１００μｍ以上６００μｍ以下（本実施形態では４００μｍ）とされている。また、この多孔質保護層２４０と内側プロテクタ１６１との最小間隙Ｇ（図３参照）は、０．５ｍｍ以上（本実施形態では、１ｍｍ）とされている。 さらに、多孔質保護層２４０（後端側被覆部２４３）と主体金具１１０との最小間隙Ｈ（図３参照）は、１．４５ｍｍ以下（本実施形態では、１．２５ｍｍ）とされている。これは、内側プロテクタ１６１の内側導入孔１６７の直径よりも小さくされている。

この検出素子本体２０１は、図５及び図６に示すように、互いに積層された複数層を同時焼成して形成したものであり、特定ガス成分の検出に機能するセンサ機能部２５０と、このセンサ機能部２５０の一方に積層され、このセンサ機能部２５０を保護する保護部２６０と、このセンサ機能部２５０の他方に積層され、センサ機能部２５０を早期活性化させるために加熱するヒータ部２７０とを有する。

このうち、センサ機能部２５０は、酸素ポンプセル２５１と、酸素濃度検出セル２５３と、これらの間に積層された絶縁層２１９とから構成されている。
酸素ポンプセル２５１は、第１固体電解質層２１５と、この第１固体電解質体２１５の両面に形成された第１電極２１３及び第２電極２１７とから構成されている。第１固体電解質層２１５は、ジルコニアを主成分として、安定化剤にイットリア又はカルシアを添加してなる部分安定化ジルコニア焼結体から構成されている。この第１固体電解質層２１５の基端側の所定位置には、第１スルーホール導体２１５ａ及び第２スルーホール導体２１５ｂが貫通形成されている。

第１電極２１３は、白金を主成分としており、先端側の所定位置に形成された平面視矩形状の第１電極部２１３ａと、この第１電極部２１３ａから基端側に延びる第１リード部２１３ｂとから構成されている。この第１リード部２１３ｂは、その基端において、後述する保護本体層２１１に設けられた第８スルーホール導体２１１ｃに電気的に接続している。
第２電極２１７も、白金を主成分としており、先端側の所定位置に形成された平面視矩形状の第２電極部２１７ａと、この第２電極部２１７ａから基端側に延びる第２リード部２１７ｂとから構成されている。この第２リード部２１７ｂは、その基端において、第１固体電解質層２１５に設けられた第２スルーホール導体２１５ｂに電気的に接続すると共に、後述する絶縁層２１９に設けられた第５スルーホール導体２１９ｂに電気的に接続している。

酸素濃度検出セル２５３は、第２固体電解質層２２３と、この第２固体電解質層２２３の両面に形成された第３電極２２１及び第４電極２２５とから構成されている。第２固体電解質層２２３は、第１固体電解質層２１５と同様に、ジルコニアを主成分として、安定化剤にイットリア又はカルシアを添加してなる部分安定化ジルコニア焼結体から構成されている。また、この第２固体電解質層２２３の基端側の所定位置には、第３スルーホール導体２２３ａが貫通形成されている。

第３電極２２１は、白金を主成分としており、先端側の所定位置に形成された平面視矩形状の第３電極部２２１ａと、この第３電極部２２１ａから基端側に延びる第３リード部２２１ｂとから構成されている。この第３リード部２２１ｂは、その基端において、後述する絶縁層２１９に設けられた第５スルーホール導体２１９ｂに電気的に接続している。
第４電極２２５も、白金を主成分としており、先端側の所定位置に形成された平面視矩形状の第４電極部２２５ａと、この第４電極部２２５ａから基端側に延びる第４リード部２２５ｂとから構成されている。この第４リード部２２５ｂは、その基端において、第２固体電解質層２２３に設けられた第２スルーホール導体２２３ａに電気的に接続している。

絶縁層２１９は、アルミナを主成分として形成されている。この絶縁層２１９には、前述の第２電極部２１７ａ及び第３電極部２２１ａに対応する位置に、この絶縁層２１９を貫通する平面視矩形状のガス検出室２１９ｄが設けられている。また、このガス検出室２１９ｄの幅方向の両側には、素子外部とガス検出室２１９ｄとの間のガス拡散を所定の律速条件下で実現する拡散律速部２２０，２２０がそれぞれ設けられている。この拡散律速部２２０，２２０は、アルミナの多孔質体からなる。

また、絶縁層２１９の基端側の所定位置には、第４スルーホール導体２１９ａ及び第５スルーホール導体２１９ｂが貫通形成されている。この第４スルーホール導体２１９ａは、第１固体電解質層２１５に設けられた第１スルーホール導体２１５ａに電気的に接続すると共に、第２固体電解質層２２３に設けられた第３スルーホール導体２２３ａに電気的に接続している。また、第５スルーホール導体２１９ｂは、第２電極２１７の第２リード部２１７ｂに電気的に接続すると共に、第３電極２２１の第３リード部２２１ｂに電気的に接続している。

次に、保護部２６０について説明する。この保護部２６０は、アルミナを主成分とする保護本体層２１１を有する。この保護本体層２１１には、前述の第１電極部２１３ａに対応する位置に、この保護本体層２１１を貫通する平面視矩形状の開口２１１ｄが設けられている。そして、この開口２１１ｄ内には、これを閉塞するようにして、アルミナを主成分とする多孔質のガス導入部２１２が設けられている。

また、保護本体層２１１の表面のうち、基端側の所定位置には、３つの電極パッド２３５，２３５，２３５が幅方向に並んで配置されている。また、この保護本体層２１１の基端側の所定位置には、第６スルーホール導体２１１ａ、第７スルーホール導体２１１ｂ及び第８スルーホール導体２１１ｃが貫通形成されている。第６スルーホール導体２１１ａは、電極パッド２３５の１つに電気的に接続すると共に、第１固体電解質層２１５に設けられた第１スルーホール導体２１５ａに電気的に接続している。また、第７スルーホール導体２１１ｂは、電極パッド２３５の１つに電気的に接続すると共に、第１固体電解質層２１５に設けられた第２スルーホール導体２１５ｂに電気的に接続している。また、第８スルーホール導体２１１ｃは、電極パッド２３５の１つに電気的に接続すると共に、第１電極２１３の第１リード部２１３ｂに電気的に接続している。

次に、ヒータ部２７０について説明する。このヒータ部２７０は、電気絶縁性の第１ヒータ絶縁層２２７と、電気絶縁性の第２ヒータ絶縁層２３１と、これらの間に挟まれ、通電により発熱する発熱抵抗体２２９とを有する。第１ヒータ絶縁層２２７は、アルミナを主成分として形成され、センサ機能部２５０に積層されている。また、第２ヒータ絶縁層２３１も、アルミナを主成分として形成されている。

また、この第２ヒータ絶縁層２３１の基端側の所定位置には、第９スルーホール導体２３１ａと第１０スルーホール導体２３１ｂが貫通形成されている。また、この第２ヒータ絶縁層２３１の表面のうち、基端側の所定位置には、２つの電極パッド２３５，２３５が幅方向に並んで配置されている。一方の電極パッド２３５は、第９スルーホール導体２３１ａに電気的に接続している。他方の電極パッド２３５は、第１０スルーホール導体２３１ｂに電気的に接続している。

発熱抵抗体２２９は、先端側の所定位置に配置され、蛇行状をなす発熱部２２９ａと、この発熱部２２９ａの一端から基端側に延びる第１ヒータリード部２２９ｂと、発熱部２２９ａの他端から基端側に延びる第２ヒータリード部２２９ｃとからなる。第１ヒータリード部２２９ｂは、その基端において、第２ヒータ絶縁層２３１に設けられた第９スルーホール導体２３１ａに電気的に接続している。また、第２ヒータリード部２２９ｃは、その基端において、第２ヒータ絶縁層２３１に設けられた第１０スルーホール導体２３１ｂに電気的に接続している。

次いで、ガスセンサ１００及び検出素子２００の製造方法について説明する。なお、焼成後の部材とこれに対応する焼成前の部材とは、便宜上、同一の符号を用いて説明する（図５及び図６参照）。
まず、アルミナ粉末９７ｗｔ％及び焼結調整剤としてのシリカ３ｗｔ％からなる第１原料粉末と、ブチラール樹脂及びジブチルフタレート（ＤＢＰ）からなる可塑剤とを湿式混合により分散したスラリを用意した。そして、ドクターブレード装置を使用したシート成形法により、このスラリをシート状物に成形した後、所定の大きさに切断して、絶縁層２１９に対応する未焼成絶縁層２１９、保護本体層２１１に対応する未焼成保護本体層２１１、第１ヒータ絶縁層２２７に対応する未焼成第１ヒータ絶縁層２２７、及び、第２ヒータ絶縁層２３１に対応する未焼成第２ヒータ絶縁層２３１をそれぞれ形成した。更に、未焼成絶縁層２１９にガス検出室２１９ｄを形成した。また、未焼成保護本体層２１１に開口２１１ｄを形成した。

また一方で、アルミナ粉末６３ｗｔ％、焼結調整剤としてのシリカ３ｗｔ％及びカーボン粉末３４ｗｔ％からなる第２原料粉末と、ブチラール樹脂及びＤＢＰからなる可塑剤とを湿式混合により分散したスラリを用意した。そして、このスラリを用いて、ガス導入部２１２に対応する未焼成ガス導入部２１２を得た。
また、アルミナ粉末１００ｗｔ％と、ブチラール樹脂及びＤＢＰからなる可塑剤を湿式混合により分散したスラリを用意した。そして、このスラリを用いて、拡散律速部２２０，２２０に対応した未焼成拡散律速部２２０，２２０を得た。

また、ジルコニア粉末９７ｗｔ％及び焼結調整剤としてのシリカ（ＳｉＯ2 粉末及びアルミナ粉末合計３ｗｔ％）とからなる第３原料粉末と、ブチラール樹脂及びＤＢＰからなる可塑剤とを湿式混合により分散したスラリを用意した。そして、このスラリを用いて、第１固体電解質体２１５に対応する未焼成第１固体電解質体２１５と、第２固体電解質体２２３に対応する未焼成第２固体電解質体２２３を形成した。

そして、図５中に示した下方のものから順に、未焼成第２ヒータ絶縁層２３１、発熱抵抗体２２９に対応する未焼成発熱抵抗体２２９、未焼成第１ヒータ絶縁層２２７、第４電極２２５に対応した未焼成第４電極２２５、未焼成第２固体電解質層２２３、第３電極２２１に対応した未焼成第３電極２２１、未焼成絶縁層２１９、第２電極２１７に対応した未焼成第２電極２１７、未焼成第１固体電解質層２１５、第１電極２１３に対応した未焼成第１電極２１３、及び、未焼成保護本体層２１１等を積層して、未焼成積層体を形成した。

具体的には、未焼成第２ヒータ絶縁層２３１上に、白金を主成分とするペーストを用いて、スクリーン印刷により、未焼成発熱抵抗体２２９を形成した。そして、これら未焼成第２ヒータ絶縁層２３１及び未焼成発熱抵抗体２２９上に、未焼成第１ヒータ絶縁層２２７を積層した。
また、未焼成第２固体電解質層２２３の一方の面に、白金９０ｗｔ％及びジルコニア粉末１０ｗｔ％の白金ペーストを用いて、クリーン印刷により、未焼成第４電極２２５を形成した。そして、これらを、未焼成第４電極２２５を挟み込むようにして、未焼成第１ヒータ絶縁層２２７上に積層した。その後、未焼成第２固体電解質層２２３上に、白金９０ｗｔ％及びジルコニア粉末１０ｗｔ％の白金ペーストを用いて、クリーン印刷により、未焼成第３電極２２１を形成した。

次に、未焼成第２固体電解質層２２３及び未焼成第３電極２２１上に、未焼成絶縁層２１９及び未焼成拡散律速部２２０，２２０を積層した。なお、焼成後、ガス検出室１０７ｃとなる部分には、カーボンを主成分とするペーストを印刷しておく。
また、未焼成第１固体電解質層２１５の一方の面に、白金９０ｗｔ％及びジルコニア粉末１０ｗｔ％の白金ペーストを用いて、クリーン印刷により、未焼成第２電極２１７を形成した。そして、これらを、未焼成第２電極２１７を挟み込むようにして、未焼成絶縁層２１９上に積層した。その後、未焼成第１固体電解質層２１５上に、白金９０ｗｔ％及びジルコニア粉末１０ｗｔ％の白金ペーストを用いて、クリーン印刷により、未焼成第１電極２１３を形成した。
次に、未焼成第１固体電解質層２１５及び未焼成第１電極２１３上に、未焼成保護本体層２１１を積層した。未焼成保護本体層２１１には、予め、ガス導入部２１２に対応する未焼成ガス導入部２１２を形成しておく。かくして、未焼成積層体が形成される。

次に、この未焼成積層体を１ＭＰａで加圧して圧着した後、所定の大きさで切断した。その後、この未焼成積層体を、樹脂抜きし、更に焼成温度１５００℃で１時間保持する本焼成を行って、検出素子本体２０１を得た。

次に、スピネル粉末とチタニア粉末を調合し、更に揮発性溶剤としてのエタノールを加えて調合して、コート液を得た。そして、図７及び図８に示すように、このコート液を、検出素子本体２０１にスプレーし、焼成後に多孔質保護層２４０となる未焼成多孔質保護層２４０を形成し乾燥させた。

具体的には、まず、図７に示すように、第１保持治具３００によって、検出素子本体２０１の素子突出部２０２を突出させた状態で、検出素子本体２０１の基端側部分（胴部２０７及び素子基端部２０９）を保持した。そして、検出素子本体２０１の先端側から、ニードル式のノズルを用いたスプレ装置３２０により、検出素子本体２０１の素子突出部２０２にコート液を被着させた。その際、吸引装置３３０を、検出素子本体２０１の径方向外側に配置して、周囲に飛散したセラミック粉末（コート液からエタノールが揮発したもの）を回収する。この吸引装置３３０で回収されたセラミック粉末は再度エタノールに分散させることによって再利用する。

次に、第１保持治具３００からこの検出素子本体２０１を取り外した。そして次に、図８に示すように、第２保持治具３１０によって、検出素子本体２０１の素子突出部２０２及び胴部２０７の先端側の一部である胴部先端側部２０７ａを突出させた状態で、検出素子本体２０１の基端側部分（胴部２０７の残部である胴部基端側部２０７ｂ及び素子基端部２０９）を保持した。この第２保持治具３１０は、その先端にすり鉢状の凹部３１３を構成する突出部３１１を有する。そして、この第２保持治具３１０を軸線回りに回転させることにより、検出素子本体２０１を軸線回りに回転させながら、検出素子本体２０１の径方向外側から、スプレ装置３２０により検出素子本体２０１にコート液を被着させた。検出素子本体２０１の表面にコート液が付着した時点で揮発性溶媒が揮発するため、乾燥したセラミック原料粉末による層が検出素子本体２０１（素子突出部２０２及び胴部先端側部２０７ａ）の表面に形成される。

その際、第２保持治具３１０には、突出部３１１が設けられているので、この突出部３１１が障壁となって、検出素子本体２０１の胴部先端側部２０７ａのうち、第２保持治具３１０近傍の基端側部分には、被着されるコート液の量が基端側に向かうにつれて少なくなる。この部分が焼成後に縮径部２４７となる。

次に、この状態の検出素子本体２０１を大気雰囲気下にて昇温していき、最高温度１０００℃で１時間保持しつつ熱処理した後、空冷にて冷却して、多孔質保護層２４０を有する検出素子２００を得た。

そして、前述した方法で製造した検出素子２００を金属カップ１３１に挿入し、更にセラミックリング１３３と第１滑石リング１３５で固定して、組み立て体を形成する。その後、この組み立て体を、プロテクタ１６０を接合した主体金具１１０に挿入し、更に第２滑石リング１３７とスリーブ１４１、加締めパッキン１４３を挿入して、主体金具１１０の加締め部１１８にて加締め、下部組立体を形成する。一方、外筒１５１、セパレータ１４１、グロメット１５５等を組み付け、上部組立体を形成する。そして、下部組立体と上部組立体とを接合して、ガスセンサ１００を完成させる。

以上で説明したように、本実施形態では、多孔質保護層２４０の縮径部２４７を、基端側に向かうにつれて徐々に厚みが薄くなるテーパ状としているので、この縮径部２４７には、尖った角部が存在しない。このため、使用時の振動や衝撃によって縮径部２４７に欠けが生じ、この部分の多孔質保護層２４０が薄くなったり、この部分で検出素子本体２０１が露出するのを防止できるので、排気ガス中の水滴が縮径部２４７に付着しても、検出素子本体２０１にクラックが生じ難い。しかも、この縮径部２４７を、多孔質保護層２４０を直に取り囲む内側プロテクタ１６１の内側導入孔１６７よりも基端側に配置しているので、内側導入孔１６７を通過した水滴が縮径部２４７に付着し難い。従って、検出素子本体２０１にクラックが生じるのを更に効果的に防止したガスセンサ１００とすることができる。

また、多孔質保護層２４０の縮径部２４７の軸線ＡＸ方向の長さｔｋを、被覆部２４２の厚みｄｋ以上、３ｍｍ以下としているので、使用時の振動や衝撃によって縮径部２４７に欠けが生じるのをより確実に防止できる。
また、多孔質保護層２４０の被覆部２４２の厚みｄｋを１００μｍ以上としているので、水滴の付着に伴うクラックの発生を防止するなどの多孔質保護層２４０としての効果を十分に得ることができる。一方で、多孔質保護層２４０の被覆部２４２の厚みｄｋを６００μｍ以下としているので、発熱抵抗体２２９による昇温時に検出素子２００が活性化するまでの時間を十分に短くでき、発熱抵抗体２２９の消費電力も減らすことができる。また、検出素子２００の検出感度も良好となる。

また、多孔質保護層２４０の被覆部２４２は、検出素子本体２０１の素子突出部２０２をなだらかに覆っている。このため、使用時の振動や衝撃によって被覆部２４２に欠けが生じるのを防止できる。
また、本実施形態では、被覆部２４２と内側プロテクタ１６１との最小間隙Ｇを０．５ｍｍ以上としているので、被検出ガスと共に水滴が内側プロテクタ内１６１に入ったとしても、被覆部２４２に付着しにくくなる。また、一旦内側プロテクタ１６１の内周面に付着した水滴が、被覆部２４２に接触することも防止できる。従って、水滴が付着した際の熱衝撃により検出素子２００にクラックの発生するのをより確実に防止できる。

さらに、縮径部２４７を主体金具１１０の内部に配置している。これにより、主体金具１１０が障壁となって縮径部２４７に水滴が付着し難い。従って、検出素子本体２０１にクラックが生じるのを更に効果的に防止したガスセンサ１００とすることができる。
さらに、主体金具１１０と被覆部２４２との最小間隙Ｈを１．４５ｍｍ以下としているので、被測定ガスと共に水滴が内側プロテクタ１６１内に入っても、縮径部２４７には付着しにくくなる。従って、水滴が付着した際の熱衝撃により検出素子本体２０１にクラックが発生するのを、より確実に防止できる。
さらに、主体金具１１０と被覆部２４２との最小間隙Ｈよりも、主体金具１１０の先端側開口端１１０ｓと縮径部２４７との距離Ｉが大きいので、被測定ガスと共に水滴が内側プロテクタ１６１内に入っても、縮径部２４７にはさらに付着しにくくなる。従って、水滴が付着した際の熱衝撃により検出素子本体２０１にクラックが発生するのを、より確実に防止できる。さらに、主体金具１１０と被覆部２４７との最小隙間Ｈを、内側導入孔１６７の直径よりも小さくしても、縮径部２４７に水滴が付着しにくくなり、検出素子本体２０１にクラックが発生するのを防止できる。

以上において、本発明を実施形態に即して説明したが、本発明は上述の実施形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で、適宜変更して適用できることはいうまでもない。
例えば、上記実施形態は、ガスセンサ１００として全領域空燃比センサを例示したが、酸素センサ、ＮＯｘセンサ、ＨＣセンサ等について、本発明を適用することもできる。
また、上記実施形態では、プロテクタ１６０を内側プロテクタ１６１及び外側プロテクタ１７１の２重構造で例示したが、１重構造のプロテクタであってもよい。
また、上記実施形態では、被覆部２４２が素子突出部２０２全体を覆う先端側被覆部２４１と、主体金具１１０内で胴部２０７の先端側の一部を覆う基端側被覆部２４３とからなる構造を例示したが、縮径部２４７が主体金具１１０の先端側開口端１１０ｓよりも先端側に露出し、被覆部２４２が素子突出部２０２の一部を覆う先端側被覆部２４１のみからなる構造であってもよい。この場合、縮径部２４７は、内側プロテクタ１６１の内側導入孔１６７よりも基端側に配置されている。

実施形態に係るガスセンサの部分断面図である。 実施形態に係るガスセンサの先端側部分のうち、検出素子の側面側から見た断面図である。 実施形態に係るガスセンサの先端側部分のうち、検出素子の板面側から見た断面図である。 実施形態に係るガスセンサのうち、検出素子の先端側部分の平面図である。 実施形態に係るガスセンサのうち、検出素子の検出素子本体の分解斜視図である。 実施形態に係るガスセンサのうち、検出素子の先端側部分の横断面図（図４のＡ−Ａ断面図）である。 実施形態に係るガスセンサの製造方法に関し、未焼成多孔質保護層を形成するために、検出素子本体に先端側からコート液をスプレーする様子を示す説明図である。 実施形態に係るガスセンサの製造方法に関し、未焼成多孔質保護層を形成するために、検出素子本体に径方向外側からコート液をスプレーする様子を示す説明図である。

符号の説明

１００ ガスセンサ
１１０ 主体金具
１１０ｓ 先端側開口端
１６０ プロテクタ
１６１ 内側プロテクタ
１７１ 外側プロテクタ
２００ 検出素子
２０１ 検出素子本体
２０１ａ 第１板面
２０１ｂ 第２板面
２０１ｃ 第１側面
２０２ｄ 第２側面
２０２ 素子突出部
２０７ 胴部
２０９ 素子基端部
２４０ 多孔質保護層
２４０ｓ 先端側端
２４０ｋ 基端側端
２４１ 先端側被覆部
２４３ 基端側被覆部
２４５ （先端側被覆部の）角部
２４７ 保護層基端部
ＡＸ 軸線

Claims (9)

1. 軸線方向に延びる筒状をなす主体金具と、
   前記主体金具の先端から突出する素子突出部を有し、軸線方向に延びて前記主体金具の径方向内側に保持された板状の検出素子本体と、
   前記検出素子本体の先端側を被覆してなる多孔質保護層と、
   前記多孔質保護層を直に取り囲むように前記主体金具に取り付けられ、前記素子突出部の径方向周囲に配置された側壁に前記被測定ガスを導入する導入孔が設けられたプロテクタと、を備えるガスセンサであって、
   前記多孔質保護層は、被覆部と、該被覆部よりも基端側に設けられ、基端側に向かうにつれて徐々に厚みが薄くなる縮径部からなり、
   前記縮径部は、いずれの前記導入孔よりも基端側に配置されるガスセンサ。
2. 請求項１に記載のガスセンサであって、
   前記多孔質保護層のうち前記縮径部の軸線方向長さは、前記被覆部の厚み以上３ｍｍ以下としてなるガスセンサ。
3. 請求項１または請求項２に記載のガスセンサであって、
   前記被覆部の厚みを、１００μｍ以上６００μｍ以下としてなるガスセンサ。
4. 請求項１〜請求項３のいずれか一項に記載のガスセンサであって、
   前記被覆部は、前記素子突出部をなだらかに覆ってなるガスセンサ。
5. 請求項１〜請求項４のいずれか一項に記載のガスセンサであって、
   前記被覆部と前記プロテクタとの最小間隙が０．５ｍｍ以上であるガスセンサ。
6. 請求項１〜請求項５のいずれか一項に記載のガスセンサであって、
   前記縮径部は、前記主体金具内部に配置されるガスセンサ。
7. 請求項６に記載のガスセンサであって、
   前記主体金具と前記被覆部との最小間隙が１．４５ｍｍ以下であるガスセンサ。
8. 請求項６または請求項７に記載のガスセンサであって、
   前記縮径部と前記主体金具の先端との距離は、前記主体金具と前記被覆部との最小間隙よりも大きいガスセンサ。
9. 請求項６〜請求項８に記載のガスセンサであって、
   前記主体金具と前記被覆部との最小間隙は、前記導入孔の直径よりも小さいガスセンサ。