ガスセンサおよびそれを備えた空燃比制御装置ならびに輸送機器
【課題】外部からの衝撃に対する耐性に優れ、且つ、小型化に適したガスセンサを提供する。
【解決手段】本発明によるガスセンサは、所定のガスを検出するためのガス検出部１１を先端部に有するセンサ素子１０と、その下端側にガス検出部１１が突出するようにセンサ素子１０が挿通配置されるハウジング２０と、センサ素子１０の後端部に接続された端子４０と、ハウジング２０の上端側に設けられ、端子４０を収容するカバー６０と、センサ素子１０および端子４０の両方が挿入される孔７０ａを有し、端子４０をセンサ素子１０に固定する端子固定部材７０とを備える。センサ素子１０は、センサ素子１０の後端１０Ｅがハウジング２０の上端２０Ｅ以下の高さに位置するように配置されている。
【解決手段】本発明によるガスセンサは、所定のガスを検出するためのガス検出部１１を先端部に有するセンサ素子１０と、その下端側にガス検出部１１が突出するようにセンサ素子１０が挿通配置されるハウジング２０と、センサ素子１０の後端部に接続された端子４０と、ハウジング２０の上端側に設けられ、端子４０を収容するカバー６０と、センサ素子１０および端子４０の両方が挿入される孔７０ａを有し、端子４０をセンサ素子１０に固定する端子固定部材７０とを備える。センサ素子１０は、センサ素子１０の後端１０Ｅがハウジング２０の上端２０Ｅ以下の高さに位置するように配置されている。
【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。また、本発明は、ガスセンサを備えた空燃比制御装置や輸送機器にも関する。
【背景技術】
【０００２】
環境問題やエネルギー問題の観点から、内燃機関の燃費を向上させたり、内燃機関の排気ガス中に含まれる規制物質（ＮＯｘなど）の排出量を低減したりすることが求められている。このためには、常に最適な条件で燃料の燃焼が行えるよう、燃焼状態に応じて燃料と空気との比率を適切に制御する必要がある。空気と燃料との比率は空燃比（Ａ／Ｆ）と呼ばれ、三元触媒を用いる場合、最適な空燃比は理論空燃比である。理論空燃比とは、空気と燃料とが過不足なく燃焼する空燃比である。
【０００３】
理論空燃比で燃料が燃焼している場合、排気ガス中には一定の酸素が含まれる。空燃比が理論空燃比よりも小さい（つまり燃料の濃度が相対的に高い）場合には、排気ガス中の酸素濃度が、理論空燃比の場合の酸素濃度に比べて減少する。一方、空燃比が理論空燃比よりも大きい（つまり燃料の濃度が相対的に低い）場合には、排気ガス中の酸素濃度は増加する。このため、排気ガス中の酸素濃度を計測することによって、空燃比が理論空燃比からどの程度ずれているかを推定し、空燃比を調節して最適な条件で燃料が燃焼するように制御することが可能となる。
【０００４】
排気ガス中の酸素濃度を計測するための酸素センサとしては、特許文献１に開示されているような起電力型の酸素センサや、特許文献２に開示されているような抵抗型の酸素センサが知られている。起電力型の酸素センサは、固体電解質層の表面に設けられた基準電極および測定電極（それぞれ空気および排気ガスに晒される）間での酸素分圧の違いを起電力として検出することによって酸素濃度を測定する。これに対し、抵抗型の酸素センサは、排気ガスに晒される酸化物半導体層の抵抗率の変化を検出することによって酸素濃度を測定する。
【０００５】
酸素センサは、排気管に設けられるため、外部からの衝撃に対する耐性に優れていることが要求される。排気管の周辺には、走行中に石が飛来することがあり、そのような飛石が酸素センサに衝突すると（「チッピング」と呼ばれる）、その衝撃によって酸素センサの内部が破損することがあるからである。
【０００６】
特許文献３には、外部からの衝撃に対する耐性に優れた酸素センサが開示されている。図１４に、特許文献３に開示されている酸素センサ８００を示す。酸素センサ８００は、図１４に示すように、酸素を検出するためのガス検出部８１１を先端部に有するセンサ素子８１０と、センサ素子８１０が挿通配置されるハウジング８２０とを備えている。
【０００７】
センサ素子８１０は、ハウジング８２０の下端側にガス検出部８１１が露出するように配置されている。このセンサ素子８１０は、図１５に示すように、ジルコニアを主成分として含む材料から形成された固体電解質基板８１２と、固体電解質基板８１２を所定の活性化温度に昇温させるためのヒータ８１５を有するヒータ基板８１６とが積層された構成を有している。
【０００８】
センサ素子８１０のガス検出部８１１は、固体電解質基板８１２の主面上に設けられた測定電極８１３と、固体電解質基板８１２の裏面上に設けられた基準電極８１４と、これらの間に位置する固体電解質基板８１２とから構成される。固体電解質基板８１２の後端部には、測定電極８１３に電気的に接続された端子接続用電極８１３ａと、基準電極８１４に電気的に接続された端子接続用電極８１４ａが設けられている。
【０００９】
ヒータ基板８１６は、セラミックス材料から形成されており、その内部にヒータ８１５が埋設されている。ヒータ基板８１６の後端部には、ヒータ８１５に電気的に接続された端子接続用電極８１５ａが設けられている。
【００１０】
ハウジング８２０は、図１４に示すように、筒状であり、その外側面に、ねじ山が形成されたねじ部８２０ａおよび径方向外側に突出した鍔部８２０ｂを有している。ねじ部８２０ａを排気管に形成されたねじ孔に螺合させることにより、酸素センサ８００を排気管に固定することができる。
【００１１】
ハウジング８２０の下端側には、センサ素子８１０のガス検出部８１１を覆うように内側プロテクタ８３１および外側プロテクタ８３２が設けられている。内側プロテクタ８３１および外側プロテクタ８３２のそれぞれには、排気ガスを内部に導入するための通気孔８３３が形成されている。
【００１２】
酸素センサ８００は、さらに、センサ素子８１０の後端部に接続された端子８４０、端子８４０を介してセンサ素子８１０に電気的に接続されたリード線８５０、ハウジング８２０の上端側に設けられたカバー８６０および端子８４０をセンサ素子８１０に固定する端子固定部材８７０を備えている。
【００１３】
カバー８６０は、金属材料から形成されており、センサ素子８１０の後端部や、端子固定部材８７０、端子８４０、リード線８５０などを収容する。カバー８６０の上端部付近には、カバー８６０を封口するゴム部材８６２が配置されており、ゴム部材８６２は、カバー８６０の上端部近傍８６０ａをかしめることによって固定されている。
【００１４】
端子８４０は、金属材料から形成されている。端子８４０の先端部が、センサ素子８１０の後端部において端子接続用電極８１３ａ、８１４ａおよび８１５ａに接続されることにより、センサ素子８１０とリード線８５０とが電気的に接続されている。
【００１５】
リード線８５０は、ゴム部材８６２に形成された貫通孔に挿通されている。ゴム部材８６２の下側には、カバー８６０の縮径部８６０ｂによって係止されたセラミックスセパレータ８６４が設けられており、リード線８５０と端子８４０とは、セラミックスセパレータ８６４に形成された貫通孔８６４ａ内で接続されている。
【００１６】
端子固定部材８７０は、セラミックス材料から形成されており、センサ素子８１０および端子８４０の両方が挿入される孔を有している。端子固定部材８７０のこの孔内でセンサ素子８１０と端子８４０とが接続されている。
【００１７】
酸素センサ８００では、センサ素子８１０とハウジング８２０との間は、セラミックス粉末８２１によって気密封止されている。セラミックス粉末８２１は、例えば滑石（タルク）であり、第１セラミックスホルダ８２２および第２セラミックスホルダ８２３によって挟持されている。第１セラミックスホルダ８２２は、セラミックス粉末８２１を支持するために設けられている。また、第２セラミックスホルダ８２３は、セラミックス粉末８２１を押すことによって圧縮するために設けられている。第２セラミックスホルダ８２３は、ハウジング８２０の上端部に形成されたかしめ部８２０ｃによって固定されている。かしめ部８２０ｃと第２セラミックスホルダ８２３との間には、環状パッキン８２４が配置されている。
【００１８】
図１４に示した酸素センサ８００では、カバー８６０の内周面と端子固定部材８７０との間に所定の空隙が設けられている。そのため、カバー８６０に外部から衝撃が加えられても、その衝撃を吸収することができるので、センサ素子８１０を保護することができる。
【特許文献１】特開平８−１１４５７１号公報
【特許文献２】特開平５−１８９２１号公報
【特許文献３】特開２００３−２９４６８２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１９】
しかしながら、特許文献３に開示されている酸素センサ８００のように、カバー８６０の内周面と端子固定部材８７０との間に空隙を設けると、空隙の分だけカバー８６０の外径が大きくなってしまう。そのため、カバー８６０の総断面積が増加し、排気管からの熱が酸素センサ８００の上部まで伝わり易くなるので、その対策として酸素センサ８００の全長を長くしなければならなくなり、酸素センサ８００が大型になってしまう。自動二輪車のように排気管の周囲に空間的な余裕が乏しくその配置が難しい輸送機器では、酸素センサの大型化は由々しき問題である。
【００２０】
本発明は、上記問題に鑑みてなされたものであり、その目的は、外部からの衝撃に対する耐性に優れ、且つ、小型化に適したガスセンサを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００２１】
本発明によるガスセンサは、所定のガスを検出するためのガス検出部を先端部に有するセンサ素子と、その下端側に前記ガス検出部が突出するように前記センサ素子が挿通配置されるハウジングと、前記センサ素子の後端部に接続された端子と、前記ハウジングの上端側に設けられ、前記端子を収容するカバーと、前記センサ素子および前記端子の両方が挿入される孔を有し、前記端子を前記センサ素子に固定する端子固定部材と、を備え、前記センサ素子は、前記センサ素子の後端が前記ハウジングの上端以下の高さに位置するように配置されている。
【００２２】
ある好適な実施形態において、前記ハウジングは、径方向外側に突出する鍔部を有し、前記センサ素子は、前記センサ素子の後端が前記鍔部の上面以下の高さに位置するように配置されている。
【００２３】
ある好適な実施形態において、前記端子固定部材は、前記端子固定部材の上端が前記センサ素子の後端以上の高さに位置するように配置されている。
【００２４】
ある好適な実施形態において、前記端子固定部材は、前記端子固定部材の上端が前記ハウジングの上端以下の高さに位置するように配置されている。
【００２５】
ある好適な実施形態において、前記端子固定部材は、前記端子固定部材の上端が前記センサ素子の後端以上で前記鍔部の上面以下の高さに位置するように配置されている。
【００２６】
ある好適な実施形態において、本発明によるガスセンサは、ガラス材料から形成され、前記センサ素子を前記ハウジングに対して固定するガラスシール部をさらに備える。
【００２７】
ある好適な実施形態において、前記センサ素子は、前記ガス検出部を支持する基板をさらに有し、前記基板は、アルミナから形成されている。
【００２８】
ある好適な実施形態において、前記端子は、ニッケルを５０ｗｔ％以上含むニッケル−クロム合金から形成されている。
【００２９】
ある好適な実施形態において、前記カバーは、０．７ｍｍ以下の厚さを有する。
【００３０】
ある好適な実施形態において、本発明によるガスセンサは、酸素センサである。
【００３１】
本発明による空燃比制御装置は、上記構成を有するガスセンサを備える。
【００３２】
本発明による輸送機器は、上記構成を有する空燃比制御装置を備える。
【００３３】
本発明によるガスセンサでは、センサ素子は、その後端がハウジングの上端以下の高さに位置するように配置されている。つまり、センサ素子は、カバーに比べて剛性が高く変形しにくいハウジングの上端から突出していない。そのため、外部からの衝撃によってカバーが変形しても、センサ素子には衝撃応力が及びにくく、センサ素子の破損（例えば基板の折れ）の発生が抑制される。また、本発明によるガスセンサでは、従来のガスセンサのように外部からの衝撃を吸収するための大きな空隙をカバーの内側に設ける必要がないので、カバーの外径を小さくすることができる。カバーの外径が小さいと、高温に晒されるガス検出部側からの熱がガスセンサの上部に伝わりにくいので、ガスセンサの全長を短くしてガスセンサの小型化を図ることができる。このように、本発明によるガスセンサは、外部からの衝撃に対する耐性に優れ、且つ、小型化に適している。
【００３４】
ハウジングが径方向外側に突出する鍔部を有している場合には、センサ素子は、その後端が鍔部の上面以下の高さに位置するように配置されていることが好ましい。鍔部は、ハウジングの上端近傍（鍔部よりも上側の部分）に比べ、径方向の厚さが大きいのでさらに剛性が高く変形しにくい。そのため、センサ素子の後端が鍔部の上面以下の高さに位置していることによって、センサ素子の破損をより確実に抑制することができる。
【００３５】
また、衝撃からセンサ素子を十分に保護するためには、横方向（ハウジングやカバーの径方向）から見たときに、センサ素子が後端まで端子固定部材によって覆われていることが好ましい。つまり、端子固定部材は、その上端がセンサ素子の後端以上の高さに位置するように配置されていることが好ましい。
【００３６】
ただし、端子固定部材の上端がハウジングの上端から突出しすぎていると、外部からの衝撃によって変形したカバーが端子固定部材に接触してしまう可能性があり、そのことによってセンサ素子に衝撃応力が及ぶことがある。そのため、端子固定部材は、その上端がハウジングの上端以下の高さに位置するように配置されていることが好ましく、その上端がセンサ素子の後端以上で鍔部の上面以下の高さに位置するように配置されていることがさらに好ましい。
【００３７】
本発明によるガスセンサは、ガラス材料から形成され、センサ素子をハウジングに対して固定するガラスシール部をさらに備えることが好ましい。ガラスシール部を含む気密封止構造は、滑石のようなセラミックス粉末を含む気密封止構造に比べて必要な部材の数が少ないので、センサ素子の全長を短くすることができる。そのため、センサ素子の後端をハウジングの上端以下の高さに位置させることが容易となる。
【００３８】
また、センサ素子の全長を短くするためには、センサ素子の基板がアルミナから形成されていることが好ましい。アルミナ基板はジルコニア基板に比べると熱衝撃に強いので、センサ素子の基板としてアルミナ基板を用いると、ジルコニア基板を用いる場合のように熱衝撃を緩和するための付加的な構成を設ける必要がない。そのため、センサ素子の全長を短くすることができ、センサ素子の後端をハウジングの上端以下の高さに位置させることが容易となる。
【００３９】
また、センサ素子の全長を短くするためには、端子がニッケルを５０ｗｔ％以上含むニッケル−クロム合金から形成されていることも好ましい。端子がこのような材料から形成されていると、端子の耐熱性を十分に高くすることができるので、高温に晒されるガス検出部からセンサ素子と端子との接続箇所までの距離を短くすることができる。つまり、センサ素子の全長を短くすることができる。そのため、センサ素子の後端をハウジングの上端以下の高さに位置させることが容易となる。
【００４０】
高温に晒されるガス検出部側からガスセンサ上部への熱の伝達を抑制するためには、カバーの厚さは、０．７ｍｍ以下であることが好ましい。０．７ｍｍ以下の厚さを有するカバーは、剛性が十分ではなく、飛石が衝突したときに変形しやすいことがあるが、本発明によれば、そのような薄いカバーを用いる場合であっても、外部からの衝撃に対する耐性を十分に高くすることができる。
【００４１】
本発明は、ガスセンサ全般に広く用いることができ、例えば、酸素を検出する酸素センサに好適に用いることができる。本発明による酸素センサは、内燃機関の空燃比を制御する空燃比制御装置に好適に用いられ、本発明による酸素センサを備えた空燃比制御装置は、各種の輸送機器に好適に用いられる。
【発明の効果】
【００４２】
本発明によると、外部からの衝撃に対する耐性に優れ、且つ、小型化に適したガスセンサが提供される。
【発明を実施するための最良の形態】
【００４３】
以下、図面を参照しながら本発明の実施形態を説明する。なお、以下では酸素を検出するための酸素センサを例示するが、本発明は酸素センサに限定されず、ガスセンサ全般に好適に用いられる。
【００４４】
図１に、本実施形態における酸素センサ１００を示す。酸素センサ１００は、図１に示すように、センサ素子１０と、センサ素子１０が挿通配置されるハウジング２０とを備えている。
【００４５】
センサ素子１０は、所定のガス（ここでは酸素）を検出するためのガス検出部１１と、ガス検出部１１を支持する基板１２とを有している。ガス検出部１１は、センサ素子１０の先端部に設けられており、センサ素子１０は、ハウジング２０の下端側にガス検出部１１が突出する（露出する）ように配置されている。
【００４６】
本実施形態におけるセンサ素子１０は、抵抗型のセンサ素子である。図２に、抵抗型のセンサ素子１０の具体的な構造の一例を示す。抵抗型のセンサ素子１０のガス検出部１１は、酸化物半導体から形成された酸化物半導体層１３と、酸化物半導体層１３の抵抗率を検出する検出電極１４とを含んでいる。
【００４７】
酸化物半導体層１３は、微小な酸化物半導体粒子を含む多孔質構造を有し、雰囲気（つまり排気ガス）中の酸素分圧に応じて酸素を放出あるいは吸収する。これにより、酸化物半導体層１３中の酸素空孔濃度が変化するので、酸化物半導体層１３の抵抗率が変化する。酸化物半導体層１３の材料としては、例えばチタニア（二酸化チタン）やセリア（ニ酸化セリウム）を用いることができる。
【００４８】
検出電極１４は、導電性を有する材料から形成されており、典型的には、白金や白金ロジウム合金、金などの金属材料から形成されている。酸化物半導体層１３の抵抗率の変化を効率よく計測するためには、検出電極１４の酸化物半導体層１３に重なる部分は、図２に示されているように、櫛歯状に形成されていることが好ましい。また、検出電極１４は、後述する端子４０との接続のために、センサ素子１０の後端部まで引き延ばされている。
【００４９】
基板１２は、絶縁性を有する材料から形成されており、典型的には、アルミナなどのセラミックス材料から形成されている。基板１２の互いに対向する２つの主面１２ａおよび１２ｂのうちの一方の主面１２ａ上に、上述した酸化物半導体層１３および検出電極１４が設けられている。他方の主面１２ｂ上には、ガス検出部１１を昇温させるためのヒータ１５が設けられている。
【００５０】
ヒータ１５は、抵抗損失を利用して加熱を行う抵抗加熱型の発熱素子である。ヒータ１５の材料としては、白金やタングステンなどの金属材料を用いることができる。また、非金属材料を用いることもでき、例えば、酸化レニウムなどの良導体酸化物を用いることができる。ヒータ１５からセンサ素子１０の後端部まで引き延ばされたヒータ電極１５ａに電圧を印加することにより、加熱が行われる。ヒータ１５によってガス検出部１１を（より具体的には酸化物半導体層１３を）昇温させて速やかに活性化させることにより、内燃機関の始動時における検出精度を向上させることができる。
【００５１】
なお、ここでは図示していないが、酸化物半導体層１３上には、触媒層が設けられていることが好ましい。触媒層は、触媒金属を含んでおり、触媒金属の触媒作用によって、検出すべきガス（つまり酸素）以外の少なくとも１種の物質を分解する。具体的には、ガス検出部１１による酸素の検出に悪影響を及ぼすガスや微粒子（例えば完全には燃焼しなかった炭化水素や炭素、窒素酸化物など）を分解し、そのようなガスや微粒子が酸化物半導体層１３の表面に付着するのを防止する。触媒金属としては、例えば白金が用いられる。また、センサ素子１０としては、ここで例示した抵抗型のセンサ素子に限定されず、公知の種々の方式のセンサ素子を用いることができる。
【００５２】
ハウジング２０は、図１に示しているように、筒状である。ただし、ハウジング２０の内径は、軸方向において一定ではない。具体的には、ハウジング２０の内径は、ハウジング２０の下端側で小さく、上端側で大きい。つまり、ハウジング２０の内側をセンサ素子１０の挿通孔と考えたとき、このセンサ素子挿通孔は、ハウジング２０の下端側に小径部を有し、上端側に大径部を有している。
【００５３】
また、ハウジング２０の外径も軸方向において一定ではない。ハウジング２０は、その外側面に、ねじ山が形成されたねじ部２０ａおよび径方向外側に突出した鍔部２０ｂを有している。ねじ部２０ａを排気管に形成されたねじ孔に螺合させることにより、酸素センサ１００を排気管に固定することができる。ハウジング２０は、典型的には、金属材料（例えばステンレス鋼）から形成されている。
【００５４】
ハウジング２０の下端側には、センサ素子１０のガス検出部１１を覆うようにプロテクタ３０が設けられている。プロテクタ３０は、内側プロテクタ３１および外側プロテクタ３２から構成された二重構造を有している。内側プロテクタ３１および外側プロテクタ３２のそれぞれには、排気ガスを内部に導入するための開口部（通気孔）３３が形成されている。排気管内を流れる排気ガスがガス検出部１１に直接当たらないように、内側プロテクタ３１の開口部３３と外側プロテクタ３２の開口部３３とは、径方向から見たときに互いに重ならないように配置されていることが好ましい。内側プロテクタ３１および外側プロテクタ３２は、ステンレス鋼などの金属材料から形成されており、ハウジング２０に例えば溶接によって接合されている。
【００５５】
本実施形態における酸素センサ１００は、さらに、センサ素子１０の後端部に接続された端子４０、端子４０を介してセンサ素子１０に電気的に接続されたリード線５０、ハウジング２０の上端側に設けられたカバー６０、端子４０をセンサ素子１０に固定する端子固定部材７０およびセンサ素子１０をハウジング２０に対して固定するガラスシール部８０を備えている。
【００５６】
端子４０は、ステンレス鋼やニッケル合金などの金属材料から形成されている。端子４０の先端部が、センサ素子１０の後端部において検出電極１４やヒータ電極１５ａに接続されることにより、センサ素子１０とリード線５０とが電気的に接続されている。
【００５７】
リード線５０は、金属材料（例えば銅）から形成されており、絶縁材料（ＰＴＦＥなどの樹脂）によって被覆されている。また、リード線５０は、樹脂材料（例えばＰＴＦＥ）から形成された防水キャップによってさらに被覆されている。リード線５０は、外部（例えば空燃比制御装置のコンピュータ）に接続されており、センサ素子１０と外部との間での電気的な入出力（例えばセンサ素子１０からの検出信号の出力や、センサ素子１０への電力の供給）は、リード線５０を介して行われる。
【００５８】
カバー６０は、筒状（例えば円筒状）であり、端子４０およびリード線５０を収容する。カバー６０は、ステンレス鋼などの金属材料から形成されており、ハウジング２０に例えば溶接によって接合されている。カバー６０の上端部付近には、カバー６０を封口する封口部材６２が配置されている。
【００５９】
封口部材６２は、ゴム材料（例えばフッ素ゴム）から形成されており、リード線５０が挿通される貫通孔を有している。カバー６０の上端部近傍６０ａを内側にかしめることによって、リード線５０が固定されるとともに、カバー６０が封口されている。
【００６０】
端子固定部材７０は、センサ素子１０および端子４０の両方が挿入される孔７０ａを有しており、この孔７０ａ内でセンサ素子１０と端子４０とが接続されている。図３に、端子固定部材７０周辺を拡大して示す。図３（ａ）は、図１中の３Ａ−３Ａ’に沿った断面図であり、図３（ｂ）は、図３（ａ）において端子固定部材７０以外の構成要素を省略した図である。
【００６１】
端子固定部材７０の孔７０ａは、図３（ｂ）に示すように、センサ素子１０が挿入されるセンサ素子挿入部７０ａ１と、端子４０が挿入される端子挿入部７０ａ２とを含んでいる。本実施形態では、端子４０の先端部が、ばね性を有する板材を折り返すことによって構成されており、このような端子４０の先端部が、図１および図３（ａ）に示すように、孔７０ａ内において、センサ素子１０の検出電極１４やヒータ電極１５ａに弾性的に当接している。
【００６２】
ガラスシール部８０は、ガラス材料から形成されている。より具体的には、ガラスシール部８０は、ガラス材料を熱処理によって溶融させ、その後固化させることによって形成されている。ガラス材料としては、封止材として公知の種々の材料（例えば亜鉛シリカホウ酸系結晶化ガラス）を用いることができる。ガラスシール部８０によってセンサ素子１０とハウジング２０との間が気密封止されていることにより、ハウジング２０の上端側、すなわち、封口部材６２や端子４０、リード線５０の設けられている空間への排気ガスの侵入が防止される。ガラスシール部８０および端子固定部材７０は、ハウジング２０の内径が大きい部分、つまり、ハウジング２０のセンサ素子挿通孔の大径部内に配置されている。
【００６３】
本実施形態における酸素センサ１００では、センサ素子１０は、センサ素子１０の後端１０Ｅがハウジング２０の上端２０Ｅ以下の高さに位置するように配置されている。図１には、ハウジング２０の上端２０Ｅによって規定される仮想平面Ｐを破線で示している。なお、図１には、センサ素子１０の後端１０Ｅがハウジング２０の上端２０Ｅと同じ高さに位置している場合を例示しているが、後述するように、センサ素子１０の後端１０Ｅはハウジング２０の上端２０Ｅよりも下側（ガス検出部１１側）に位置していてもよい。
【００６４】
本実施形態のように、センサ素子１０の後端１０Ｅがハウジング２０の上端２０Ｅ以下の高さに位置していることにより、外部からの衝撃に対する耐性を向上させることができる。以下、この理由を、図４および図５も参照しながら説明する。図４は、比較例の酸素センサ９００を示す図であり、図５は、比較例の酸素センサ９００に石１が衝突した様子を示す図である。
【００６５】
図４に示す酸素センサ９００は、センサ素子１０の後端１０Ｅがハウジング２０の上端２０Ｅよりも上側に位置している点において、図１に示した酸素センサ１００と異なっている。この酸素センサ９００のカバー６０に石１が衝突すると、図５に示すように、カバー６０が変形してカバー内部６０の部材（具体的にはリード線５０や端子４０）が歪んでしまう。そのため、ハウジング２０の上端２０Ｅよりも上側に位置しているセンサ素子１０の後端１０Ｅにも衝撃応力が及び、センサ素子１０の破損（例えば基板１２の折れ）が発生してしまう。センサ素子１０が破損すると、酸素濃度の検出を正常に行うことができなくなる。
【００６６】
これに対し、本実施形態の酸素センサ１００では、センサ素子１０の後端１０Ｅがハウジング２０の上端２０Ｅ以下の高さに位置している。つまり、センサ素子１０は、カバー６０に比べて剛性が高く変形しにくいハウジング２０の上端２０Ｅから突出していない。そのため、外部からの衝撃によってカバー６０が変形しても、センサ素子１０には衝撃応力が及びにくく、センサ素子１０の破損の発生が抑制される。また、本実施形態の酸素センサ１００では、図１４に示した従来の酸素センサ８００のように外部からの衝撃を吸収するための大きな空隙を設ける必要がないので、カバー６０の外径を小さくすることができる。カバー６０の外径が小さいと、排気管からの熱が酸素センサ１００の上部に伝わりにくいので、酸素センサ１００の全長を短くすることができる。そのため、酸素センサ１００全体の小型化を図ることができる。このように、本実施形態における酸素センサ１００は、外部からの衝撃に対する耐性に優れ、且つ、小型化に適している。
【００６７】
なお、図１には、センサ素子１０の後端１０Ｅがハウジング２０の上端２０Ｅと同じ高さに位置している場合を例示したが、センサ素子１０の破損をより確実に抑制するためには、図６に示すように、センサ素子１０の後端１０Ｅはハウジング２０の上端２０Ｅよりも下側に位置していることが好ましい。
【００６８】
また、ハウジング２０の鍔部２０ｂは、ハウジング２０の上端２０Ｅ近傍（鍔部２０ｂよりも上側の部分）に比べ、径方向の厚さが大きいので、さらに剛性が高く変形しにくい。そのため、センサ素子１０の破損をより確実に抑制するためには、図７および図８に示すように、センサ素子１０は、その後端１０Ｅが鍔部２０ｂの上面２０ｂ１以下の高さに位置するように配置されていることがさらに好ましい。図７および図８には、鍔部２０ｂの上面２０ｂ１によって規定される仮想平面Ｐ’を破線で示している。なお、図７に示すようにセンサ素子１０の後端１０Ｅが鍔部２０ｂの上面２０ｂ１と同じ高さに位置している場合よりも、図８に示すようにセンサ素子１０の後端１０Ｅが鍔部２０ｂの上面２０ｂ１よりも下側に位置している場合の方が、センサ素子１０の破損を抑制する効果が高い。
【００６９】
また、図１および図６〜図８には、端子固定部材７０の上端７０Ｅがセンサ素子１０の後端１０Ｅと同じ高さに位置している場合を例示したが、本発明はこれに限定されない。端子固定部材７０の上端７０Ｅは、図９に示すように、センサ素子１０の後端１０Ｅよりも上側に位置していてもよいし、図１０に示すように、センサ素子１０の後端１０Ｅよりも下側に位置していてもよい。
【００７０】
ただし、衝撃からセンサ素子１０を十分に保護するためには、横方向（ハウジング２０やカバー６０の径方向）から見たときに、センサ素子１０が後端１０Ｅまで端子固定部材７０によって覆われていることが好ましい。つまり、図１や図９に示しているように、端子固定部材７０は、その上端７０Ｅがセンサ素子１０の後端１０Ｅ以上の高さに位置するように配置されていることが好ましい。
【００７１】
なお、端子固定部材７０の上端７０Ｅがハウジング２０の上端２０Ｅから突出しすぎていると、外部からの衝撃によって変形したカバー６０が端子固定部材７０に接触してしまう可能性があり、そのことによってセンサ素子１０に衝撃応力が及び最終的に破損につながることがある。そのため、端子固定部材７０の上端７０Ｅは、図１に示したようにハウジング２０の上端２０Ｅと同じ高さに位置しているか、あるいは、図６に示したようにハウジング２０の上端２０Ｅよりも下側に位置していることが好ましい。つまり、端子固定部材７０は、その上端７０Ｅがハウジング２０の上端２０Ｅ以下の高さに位置するように配置されていることが好ましい。また、端子固定部材７０の上端７０Ｅは、図７に示したように鍔部２０ｂの上面２０ｂ１と同じ高さに位置しているか、あるいは、図８に示したように鍔部２０ｂの上面２０ｂ１よりも下側に位置していることがさらに好ましい。つまり、端子固定部材７０は、その上端７０Ｅがセンサ素子１０の後端１０Ｅ以上で鍔部２０ｂの上面２０ｂ１以下の高さに位置するように配置されていることがさらに好ましい。
【００７２】
続いて、図１などに示した本実施形態における酸素センサ１００と、図４に示した比較例の酸素センサ９００とを実際に試作し、チッピング試験を行ってセンサ素子１０の破損の発生を評価した結果を説明する。
【００７３】
チッピング試験は、図１１に示すようにコップ形のホルダ２によって酸素センサ１００を保持した状態（つまり酸素センサ１００の鍔部２０ｂよりも下側の部分がホルダ２の孔２ａに嵌挿された状態）で、表１に示すように直径１６ｍｍ、重さ１６ｇの剛球３を２ｍの高さから１２０回落下させてカバー６０に衝突させることによって行った。
【００７４】
【表１】
【００７５】
評価結果を表２に示す。表２には、ハウジング２０の上端２０Ｅからのセンサ素子１０の後端１０Ｅの突出量（ｍｍ）と、センサ素子１０の破損（具体的には基板１２の折れ）の有無との関係が示されている。
【００７６】
なお、表２の突出量の欄には、センサ素子１０の後端１０Ｅが、ハウジング２０の上端２０Ｅよりも上側に位置している場合は正の数値、ハウジング２０の上端２０Ｅと同じ高さに位置している場合は０、ハウジング２０の上端２０Ｅよりも下側に位置している場合は負の数値が記載されている。また、鍔部２０ｂの上面２０ｂ１とハウジング２０の上端２０Ｅとの高さの差は、いずれの例についても２ｍｍである。
【００７７】
従って、表２中の比較例１〜６は、図４に示すようにセンサ素子１０の後端１０Ｅがハウジング２０の上端２０Ｅよりも上側に位置している場合に相当する。また、実施例１〜３は、図１に示すようにセンサ素子１０の後端１０Ｅがハウジング２０の上端２０Ｅと同じ高さに位置している場合に相当し、実施例４〜６は、図６に示すようにセンサ素子１０の後端１０Ｅがハウジング２０の上端２０Ｅよりも下側（ただし鍔部２０ｂの上面２０ｂ１よりは上側）に位置している場合に相当する。さらに、実施例７〜９は、図７に示すようにセンサ素子１０の後端１０Ｅが鍔部２０ｂの上面２０ｂ１と同じ高さに位置している場合に相当し、実施例１０〜１２は、図８に示すようにセンサ素子１０の後端１０Ｅが鍔部２０ｂの上面２０ｂ１よりも下側に位置している場合に相当する。
【００７８】
また、表２のセンサ素子１０の破損の欄における「×」は、基板１２の折れが発生したことを意味し、「○」および「◎」は、基板１２の折れが発生しなかったことを意味している。ただし、「○」が、基板１２の折れは発生していないものの基板１２内に発生した微小なクラックによりわずかな強度低下が発生していることを意味しているのに対し、「◎」は、そのような強度低下もないことを示している。
【００７９】
【表２】
【００８０】
表２に示されているように、センサ素子１０の後端１０Ｅがハウジング２０の上端２０Ｅよりも上側に位置している比較例１〜６では、センサ素子１０の破損が発生した。これに対し、センサ素子１０の後端１０Ｅがハウジング２０の上端２０Ｅ以下の高さに位置する実施例１〜１２では、センサ素子１０の破損が発生しなかった。このことから、本実施形態における酸素センサ１００のように、センサ素子１０を、その後端１０Ｅがハウジング２０の上端２０Ｅ以下の高さに位置するように配置することにより、センサ素子１０の破損の発生を好適に抑制できることがわかる。
【００８１】
また、表２では、実施例１〜６よりも実施例７〜１２の方がいっそう好ましい結果が得られている。このことから、センサ素子１０の破損の発生をより確実に抑制するためには、センサ素子１０を、その後端１０Ｅが鍔部２０ｂの上面２０ｂ１以下の高さに位置するように配置することが好ましいことがわかる。
【００８２】
既に述べたように、本実施形態における酸素センサ１００では、センサ素子１０の後端１０Ｅが、ハウジング２０の上端２０Ｅ以下の高さに位置している。そのため、図１４に示したような従来の酸素センサ８００に比べて、センサ素子１０の全長（先端から後端１０Ｅまでの距離）が短い。以下、センサ素子１０の全長を短くするための好ましい構成を説明する。
【００８３】
センサ素子１０の全長を短くするためには、本実施形態のように、ガラスシール部８０を設けることが好ましい。従来、ガスセンサにおいて気密封止を行うための構造としては、図１４に示したようなセラミックス粉末（典型的には滑石）を含む気密封止構造が、製造コストの低廉さから多く用いられてきた。しかしながら、このような構造を採用すると、セラミックス粉末を支持するための部材や、セラミックス粉末を押して圧縮するための部材、かしめ部（図１４に示した構造における第１セラミックスホルダ８２２、第２セラミックスホルダ８２３、かしめ部８２０ｃ）などが必要となるので、酸素センサの軸方向に長い空間が必要となる。そのため、どうしてもセンサ素子の後端がハウジングの上端よりも上側に大きく突出してしまう。これに対し、本実施形態のようにガラスシール部８０を設けると、ガラスシール部８０自体の他には余分な部材が不要であるので、センサ素子１０の全長を短くすることができる。そのため、センサ素子１０の後端１０Ｅをハウジング２０の上端２０Ｅ以下の高さに位置させることが容易となる。
【００８４】
また、センサ素子１０の全長を短くするためには、センサ素子１０の基板１２がアルミナから形成されていることも好ましい。以下、この理由を説明する。
【００８５】
一般に、起電力型のセンサ素子では、酸素イオン伝導体として高温安定性に優れるジルコニア基板が用いられる。しかしながら、ジルコニア基板は熱衝撃に弱いので、ジルコニア基板を含むセンサ素子をガラスシール部によってハウジングに固定した場合、ジルコニア基板のガラスシール部によって接合されている部分と、そうでない部分との境界付近に応力が集中し、ジルコニア基板が折れやすいという問題がある。
【００８６】
この問題を解決するために、特許第３７８６３３０号公報には、熱衝撃による応力集中を緩和するための緩衝層をガラスシール部の下端面と上端面とに接するように設ける手法が開示されている。しかしながら、このようにガラスシール部を挟むように２つの緩衝層を設けるためには、酸素センサの軸方向に長い空間を必要とする。そのため、どうしてもセンサ素子の後端がハウジングの上端よりも上側に大きく突出してしまう。
【００８７】
これに対し、基板１２がアルミナから形成されていると、アルミナから形成された基板１２はジルコニア基板に比べて熱衝撃に強いため、上述したような緩衝層は不要である。そのため、センサ素子１０の全長を短くすることができ、センサ素子１０の後端１０Ｅをハウジング２０の上端２０Ｅ以下の高さに位置させることが容易となる。アルミナから形成された基板１２は、高温での絶縁性に優れているため、図２に示したような抵抗型のセンサ素子１０に好適に用いられる。
【００８８】
また、センサ素子１０の全長を短くするためには、端子４０がニッケルを５０ｗｔ％以上含むニッケル−クロム合金から形成されていることも好ましい。端子４０がこのような材料から形成されていると、端子４０の耐熱性を十分に高くすることができる。従って、高温に晒されるガス検出部１１からセンサ素子１０と端子４０との接続箇所までの距離を短くすることができる。つまり、センサ素子１０の全長を短くすることができる。そのため、センサ素子１０の後端１０Ｅをハウジング２０の上端２０Ｅ以下の高さに位置させることが容易となる。ニッケルを５０ｗｔ％以上含むニッケル−クロム合金としては、例えば、１９Ｃｒ−５３Ｎｉ−３Ｍｏ−５Ｎｂの組成を有するインコネル７１８や、１５Ｃｒ−７８Ｎｉ−１Ｎｂの組成を有するインコネル７５０を用いることができる。
【００８９】
上述したように、本実施形態における酸素センサ１００は、（１）ガラスシール部８０を備える、（２）基板１２がアルミナから形成されている、（３）端子４０がニッケルを５０ｗｔ％以上含むニッケル−クロム合金から形成されている、という３つの構成のうちの少なくとも１つの構成を有することが好ましい。勿論、上記３つの構成のうちの２つの構成を有することがより好ましく、３つの構成すべてを有することがもっとも好ましい。
【００９０】
なお、カバー６０を肉厚に形成すると、カバー６０の剛性が向上して変形しにくくなるので、外部からの衝撃に対する耐性は高くなるが、その場合には、排気管からの熱が酸素センサ１００の上部に伝わりやすくなってしまうので、酸素センサ１００の全長を長くしなければならないことがある。排気管から酸素センサ１００の上部への熱の伝達を十分に抑制するためには、カバー６０は、０．７ｍｍ以下の厚さを有することが好ましい。本発明によれば、そのような薄いカバー６０を用いる場合であっても、外部からの衝撃に対する耐性を十分に高くすることができる。そのため、本発明は、カバー６０の厚さが０．７ｍｍ以下である場合に、用いる意義が特に大きいといえる。
【００９１】
本実施形態における酸素センサ１００は、各種輸送機器の内燃機関から排出される排気ガス中の酸素の検出に好適に用いられる。本実施形態における酸素センサ１００は、小型化に適しているので、自動二輪車のように、排気管の周囲に空間的な余裕が乏しい輸送機器に特に好適に用いられる。
【００９２】
図１２に、本実施形態における酸素センサ１００を備えた自動二輪車５００を模式的に示す。自動二輪車５００は、本体フレーム５０１と内燃機関６００とを備える。本体フレーム５０１の前端にヘッドパイプ５０２が設けられている。ヘッドパイプ５０２にはフロントフォーク５０３が左右方向に揺動可能に設けられている。また、フロントフォーク５０３の下端に前輪５０４が回転可能に支持されている。ヘッドパイプ５０２の上端にはハンドル５０５が取り付けられている。
【００９３】
本体フレーム５０１の後端上部から後方に伸びるようにシートレール５０６が取り付けられている。本体フレーム５０１の上部には燃料タンク５０７が設けられ、シートレール５０６上にメインシート５０８ａおよびタンデムシート５０８ｂが設けられている。また、本体フレーム５０１の後端に後方へ伸びるリアアーム５０９が取り付けられている。リアアーム５０９の後端に後輪５１０が回転可能に支持されている。
【００９４】
本体フレーム５０１の中央部には内燃機関６００が保持されている。内燃機関６００の前部にはラジエター５１１が取り付けられている。内燃機関６００の排気ポートには排気管６３０が接続されている。排気管６３０には、酸素センサ１００、三元系触媒６０４および消音器６０６が設けられている。酸素センサ１００は、排気管６３０内を流れる排気ガス中の酸素を検出する。
【００９５】
内燃機関６００には、変速機５１５が連結されており、変速機５１５の出力軸５１６は駆動スプロケット５１７に取り付けられている。駆動スプロケット５１７はチェーン５１８を介して後輪５１０の後輪スプロケット５１９に連結されている。
【００９６】
図１３は、内燃機関６００の制御系の主要な構成を示している。内燃機関６００のシリンダ６０１には吸気弁６１０、排気弁６０６および点火プラグ６０８が設けられている。またエンジンを冷却する冷却水の水温を計測する水温センサ６１６が設けられている。吸気弁６１０は、空気吸入口をもつ吸気管６２２に接続されている。吸気管６２２にはエアーフローメータ６１２、スロットルセンサ６１４および燃料噴射装置６１１が設けられている。
【００９７】
エアーフローメータ６１２、スロットルセンサ６１４、燃料噴射装置６１１、水温センサ６１６、点火プラグ６０８および酸素センサ１００は、制御部であるコンピュータ６１８に接続されている。コンピュータ６１８には自動二輪車５００の速度を示す車速信号６２０も入力される。
【００９８】
図示しないセルモータによって、ライダーが内燃機関６００を始動させると、コンピュータ６１８はエアーフローメータ６１２、スロットルセンサ６１４および水温センサ６１６から得られる検出信号および車速信号６２０に基づき、最適な燃料量を計算し、計算結果に基づいて、燃料噴射装置６１１へ制御信号を出力する。燃料噴射装置６１１から噴射される燃料は、吸気管６２２から供給される空気と混合され、適切なタイミングで開閉される吸気バルブ６１０を介してシリンダ６０１へ噴出される。シリンダ６０１において噴出された燃料は燃焼し、排気ガスとなって排気弁６０６を介して排気管６３０へ導かれる。
【００９９】
酸素センサ１００は排気ガス中の酸素を検出し、検出信号をコンピュータ６１８へ出力する。コンピュータ６１８は、酸素センサ１００からの信号に基づき、空燃比が理想空燃比からどの程度ずれているかを判断する。そして、エアーフローメータ６１２およびスロットルセンサ６１４から得られる信号によって定まる空気量に対して、理想空燃比となるように燃料噴射装置６１１から噴出する燃料量を制御する。このように、酸素センサ１００と、酸素センサ１００に接続されたコンピュータ（制御部）６１８とを含む空燃比制御装置によって、内燃機関の空燃比が適切に制御される。
【０１００】
なお、ここでは、自動二輪車を例示したが、本実施形態における酸素センサ１００は、四輪自動車などの他の自動車両にも好適に用いられる。内燃機関は、ガソリンエンジンに限られず、ディーゼルエンジンであってもよい。
【０１０１】
また、本実施形態では、酸素センサを例として本発明を説明したが、本発明は、酸素センサに限定されず、種々のガスを検出するためのセンサに好適に用いられる。例えば、本発明は、ＮＯｘ濃度を検出するためのＮＯｘセンサや、ＣＯ濃度を検出するためのＣＯセンサ、ＨＣ濃度を検出するためのＨＣセンサなどにも好適に用いられる。
【産業上の利用可能性】
【０１０２】
本発明によると、外部からの衝撃に対する耐性に優れ、且つ、小型化に適したガスセンサが提供される。本発明は、酸素センサをはじめとする種々のガスセンサに好適に用いられる。
【０１０３】
本発明によるガスセンサは、乗用車、バス、トラック、オートバイ、トラクター、飛行機、モーターボート、土木車両などの種々の輸送機器用の空燃比制御装置に好適に用いられる。
【図面の簡単な説明】
【０１０４】
【図１】本発明の好適な実施形態における酸素センサ１００を模式的に示す断面図である。
【図２】抵抗型のセンサ素子の一例を模式的に示す分解斜視図である。
【図３】（ａ）は、図１中の３Ａ−３Ａ’線に沿った断面図であり、（ｂ）は、（ａ）における端子固定部材以外の構成要素を省略した図である。
【図４】比較例の酸素センサ９００を模式的に示す断面図である。
【図５】比較例の酸素センサ９００に石が衝突したときの様子を示す図である。
【図６】本発明の好適な実施形態における酸素センサ１００を模式的に示す断面図である。
【図７】本発明の好適な実施形態における酸素センサ１００を模式的に示す断面図である。
【図８】本発明の好適な実施形態における酸素センサ１００を模式的に示す断面図である。
【図９】本発明の好適な実施形態における酸素センサ１００を模式的に示す断面図である。
【図１０】本発明の好適な実施形態における酸素センサ１００を模式的に示す断面図である。
【図１１】チッピング試験の方法を説明するための図である。
【図１２】酸素センサ１００を備えた自動二輪車５００を模式的に示す側面図である。
【図１３】図１２に示す自動二輪車５００における内燃機関の制御系を模式的に示す図である。
【図１４】従来の酸素センサ８００を模式的に示す断面図である。
【図１５】酸素センサ８００が備えるセンサ素子を模式的に示す分解斜視図である。
【符号の説明】
【０１０５】
１０ センサ素子
１０Ｅ センサ素子の後端
１１ ガス検出部
１２ 基板
１３ 酸化物半導体層
１４ 検出電極
１５ ヒータ
１５ａ ヒータ電極
２０ ハウジング
２０Ｅ ハウジングの上端
２０ａ ねじ部
２０ｂ 鍔部
２０ｂ１ 鍔部の上面
３０ プロテクタ
４０ 端子
５０ リード線
６０ カバー
６２ 封口部材
７０ 端子固定部材
７０ａ 端子固定部材の孔
７０Ｅ 端子固定部材の上端
８０ ガラスシール部
１００ 酸素センサ
５００ 自動二輪車
６００ 内燃機関
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ガスセンサに関する。また、本発明は、ガスセンサを備えた空燃比制御装置や輸送機器にも関する。
【背景技術】
【０００２】
環境問題やエネルギー問題の観点から、内燃機関の燃費を向上させたり、内燃機関の排気ガス中に含まれる規制物質（ＮＯｘなど）の排出量を低減したりすることが求められている。このためには、常に最適な条件で燃料の燃焼が行えるよう、燃焼状態に応じて燃料と空気との比率を適切に制御する必要がある。空気と燃料との比率は空燃比（Ａ／Ｆ）と呼ばれ、三元触媒を用いる場合、最適な空燃比は理論空燃比である。理論空燃比とは、空気と燃料とが過不足なく燃焼する空燃比である。
【０００３】
理論空燃比で燃料が燃焼している場合、排気ガス中には一定の酸素が含まれる。空燃比が理論空燃比よりも小さい（つまり燃料の濃度が相対的に高い）場合には、排気ガス中の酸素濃度が、理論空燃比の場合の酸素濃度に比べて減少する。一方、空燃比が理論空燃比よりも大きい（つまり燃料の濃度が相対的に低い）場合には、排気ガス中の酸素濃度は増加する。このため、排気ガス中の酸素濃度を計測することによって、空燃比が理論空燃比からどの程度ずれているかを推定し、空燃比を調節して最適な条件で燃料が燃焼するように制御することが可能となる。
【０００４】
排気ガス中の酸素濃度を計測するための酸素センサとしては、特許文献１に開示されているような起電力型の酸素センサや、特許文献２に開示されているような抵抗型の酸素センサが知られている。起電力型の酸素センサは、固体電解質層の表面に設けられた基準電極および測定電極（それぞれ空気および排気ガスに晒される）間での酸素分圧の違いを起電力として検出することによって酸素濃度を測定する。これに対し、抵抗型の酸素センサは、排気ガスに晒される酸化物半導体層の抵抗率の変化を検出することによって酸素濃度を測定する。
【０００５】
酸素センサは、排気管に設けられるため、外部からの衝撃に対する耐性に優れていることが要求される。排気管の周辺には、走行中に石が飛来することがあり、そのような飛石が酸素センサに衝突すると（「チッピング」と呼ばれる）、その衝撃によって酸素センサの内部が破損することがあるからである。
【０００６】
特許文献３には、外部からの衝撃に対する耐性に優れた酸素センサが開示されている。図１４に、特許文献３に開示されている酸素センサ８００を示す。酸素センサ８００は、図１４に示すように、酸素を検出するためのガス検出部８１１を先端部に有するセンサ素子８１０と、センサ素子８１０が挿通配置されるハウジング８２０とを備えている。
【０００７】
センサ素子８１０は、ハウジング８２０の下端側にガス検出部８１１が露出するように配置されている。このセンサ素子８１０は、図１５に示すように、ジルコニアを主成分として含む材料から形成された固体電解質基板８１２と、固体電解質基板８１２を所定の活性化温度に昇温させるためのヒータ８１５を有するヒータ基板８１６とが積層された構成を有している。
【０００８】
センサ素子８１０のガス検出部８１１は、固体電解質基板８１２の主面上に設けられた測定電極８１３と、固体電解質基板８１２の裏面上に設けられた基準電極８１４と、これらの間に位置する固体電解質基板８１２とから構成される。固体電解質基板８１２の後端部には、測定電極８１３に電気的に接続された端子接続用電極８１３ａと、基準電極８１４に電気的に接続された端子接続用電極８１４ａが設けられている。
【０００９】
ヒータ基板８１６は、セラミックス材料から形成されており、その内部にヒータ８１５が埋設されている。ヒータ基板８１６の後端部には、ヒータ８１５に電気的に接続された端子接続用電極８１５ａが設けられている。
【００１０】
ハウジング８２０は、図１４に示すように、筒状であり、その外側面に、ねじ山が形成されたねじ部８２０ａおよび径方向外側に突出した鍔部８２０ｂを有している。ねじ部８２０ａを排気管に形成されたねじ孔に螺合させることにより、酸素センサ８００を排気管に固定することができる。
【００１１】
ハウジング８２０の下端側には、センサ素子８１０のガス検出部８１１を覆うように内側プロテクタ８３１および外側プロテクタ８３２が設けられている。内側プロテクタ８３１および外側プロテクタ８３２のそれぞれには、排気ガスを内部に導入するための通気孔８３３が形成されている。
【００１２】
酸素センサ８００は、さらに、センサ素子８１０の後端部に接続された端子８４０、端子８４０を介してセンサ素子８１０に電気的に接続されたリード線８５０、ハウジング８２０の上端側に設けられたカバー８６０および端子８４０をセンサ素子８１０に固定する端子固定部材８７０を備えている。
【００１３】
カバー８６０は、金属材料から形成されており、センサ素子８１０の後端部や、端子固定部材８７０、端子８４０、リード線８５０などを収容する。カバー８６０の上端部付近には、カバー８６０を封口するゴム部材８６２が配置されており、ゴム部材８６２は、カバー８６０の上端部近傍８６０ａをかしめることによって固定されている。
【００１４】
端子８４０は、金属材料から形成されている。端子８４０の先端部が、センサ素子８１０の後端部において端子接続用電極８１３ａ、８１４ａおよび８１５ａに接続されることにより、センサ素子８１０とリード線８５０とが電気的に接続されている。
【００１５】
リード線８５０は、ゴム部材８６２に形成された貫通孔に挿通されている。ゴム部材８６２の下側には、カバー８６０の縮径部８６０ｂによって係止されたセラミックスセパレータ８６４が設けられており、リード線８５０と端子８４０とは、セラミックスセパレータ８６４に形成された貫通孔８６４ａ内で接続されている。
【００１６】
端子固定部材８７０は、セラミックス材料から形成されており、センサ素子８１０および端子８４０の両方が挿入される孔を有している。端子固定部材８７０のこの孔内でセンサ素子８１０と端子８４０とが接続されている。
【００１７】
酸素センサ８００では、センサ素子８１０とハウジング８２０との間は、セラミックス粉末８２１によって気密封止されている。セラミックス粉末８２１は、例えば滑石（タルク）であり、第１セラミックスホルダ８２２および第２セラミックスホルダ８２３によって挟持されている。第１セラミックスホルダ８２２は、セラミックス粉末８２１を支持するために設けられている。また、第２セラミックスホルダ８２３は、セラミックス粉末８２１を押すことによって圧縮するために設けられている。第２セラミックスホルダ８２３は、ハウジング８２０の上端部に形成されたかしめ部８２０ｃによって固定されている。かしめ部８２０ｃと第２セラミックスホルダ８２３との間には、環状パッキン８２４が配置されている。
【００１８】
図１４に示した酸素センサ８００では、カバー８６０の内周面と端子固定部材８７０との間に所定の空隙が設けられている。そのため、カバー８６０に外部から衝撃が加えられても、その衝撃を吸収することができるので、センサ素子８１０を保護することができる。
【特許文献１】特開平８−１１４５７１号公報
【特許文献２】特開平５−１８９２１号公報
【特許文献３】特開２００３−２９４６８２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１９】
しかしながら、特許文献３に開示されている酸素センサ８００のように、カバー８６０の内周面と端子固定部材８７０との間に空隙を設けると、空隙の分だけカバー８６０の外径が大きくなってしまう。そのため、カバー８６０の総断面積が増加し、排気管からの熱が酸素センサ８００の上部まで伝わり易くなるので、その対策として酸素センサ８００の全長を長くしなければならなくなり、酸素センサ８００が大型になってしまう。自動二輪車のように排気管の周囲に空間的な余裕が乏しくその配置が難しい輸送機器では、酸素センサの大型化は由々しき問題である。
【００２０】
本発明は、上記問題に鑑みてなされたものであり、その目的は、外部からの衝撃に対する耐性に優れ、且つ、小型化に適したガスセンサを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００２１】
本発明によるガスセンサは、所定のガスを検出するためのガス検出部を先端部に有するセンサ素子と、その下端側に前記ガス検出部が突出するように前記センサ素子が挿通配置されるハウジングと、前記センサ素子の後端部に接続された端子と、前記ハウジングの上端側に設けられ、前記端子を収容するカバーと、前記センサ素子および前記端子の両方が挿入される孔を有し、前記端子を前記センサ素子に固定する端子固定部材と、を備え、前記センサ素子は、前記センサ素子の後端が前記ハウジングの上端以下の高さに位置するように配置されている。
【００２２】
ある好適な実施形態において、前記ハウジングは、径方向外側に突出する鍔部を有し、前記センサ素子は、前記センサ素子の後端が前記鍔部の上面以下の高さに位置するように配置されている。
【００２３】
ある好適な実施形態において、前記端子固定部材は、前記端子固定部材の上端が前記センサ素子の後端以上の高さに位置するように配置されている。
【００２４】
ある好適な実施形態において、前記端子固定部材は、前記端子固定部材の上端が前記ハウジングの上端以下の高さに位置するように配置されている。
【００２５】
ある好適な実施形態において、前記端子固定部材は、前記端子固定部材の上端が前記センサ素子の後端以上で前記鍔部の上面以下の高さに位置するように配置されている。
【００２６】
ある好適な実施形態において、本発明によるガスセンサは、ガラス材料から形成され、前記センサ素子を前記ハウジングに対して固定するガラスシール部をさらに備える。
【００２７】
ある好適な実施形態において、前記センサ素子は、前記ガス検出部を支持する基板をさらに有し、前記基板は、アルミナから形成されている。
【００２８】
ある好適な実施形態において、前記端子は、ニッケルを５０ｗｔ％以上含むニッケル−クロム合金から形成されている。
【００２９】
ある好適な実施形態において、前記カバーは、０．７ｍｍ以下の厚さを有する。
【００３０】
ある好適な実施形態において、本発明によるガスセンサは、酸素センサである。
【００３１】
本発明による空燃比制御装置は、上記構成を有するガスセンサを備える。
【００３２】
本発明による輸送機器は、上記構成を有する空燃比制御装置を備える。
【００３３】
本発明によるガスセンサでは、センサ素子は、その後端がハウジングの上端以下の高さに位置するように配置されている。つまり、センサ素子は、カバーに比べて剛性が高く変形しにくいハウジングの上端から突出していない。そのため、外部からの衝撃によってカバーが変形しても、センサ素子には衝撃応力が及びにくく、センサ素子の破損（例えば基板の折れ）の発生が抑制される。また、本発明によるガスセンサでは、従来のガスセンサのように外部からの衝撃を吸収するための大きな空隙をカバーの内側に設ける必要がないので、カバーの外径を小さくすることができる。カバーの外径が小さいと、高温に晒されるガス検出部側からの熱がガスセンサの上部に伝わりにくいので、ガスセンサの全長を短くしてガスセンサの小型化を図ることができる。このように、本発明によるガスセンサは、外部からの衝撃に対する耐性に優れ、且つ、小型化に適している。
【００３４】
ハウジングが径方向外側に突出する鍔部を有している場合には、センサ素子は、その後端が鍔部の上面以下の高さに位置するように配置されていることが好ましい。鍔部は、ハウジングの上端近傍（鍔部よりも上側の部分）に比べ、径方向の厚さが大きいのでさらに剛性が高く変形しにくい。そのため、センサ素子の後端が鍔部の上面以下の高さに位置していることによって、センサ素子の破損をより確実に抑制することができる。
【００３５】
また、衝撃からセンサ素子を十分に保護するためには、横方向（ハウジングやカバーの径方向）から見たときに、センサ素子が後端まで端子固定部材によって覆われていることが好ましい。つまり、端子固定部材は、その上端がセンサ素子の後端以上の高さに位置するように配置されていることが好ましい。
【００３６】
ただし、端子固定部材の上端がハウジングの上端から突出しすぎていると、外部からの衝撃によって変形したカバーが端子固定部材に接触してしまう可能性があり、そのことによってセンサ素子に衝撃応力が及ぶことがある。そのため、端子固定部材は、その上端がハウジングの上端以下の高さに位置するように配置されていることが好ましく、その上端がセンサ素子の後端以上で鍔部の上面以下の高さに位置するように配置されていることがさらに好ましい。
【００３７】
本発明によるガスセンサは、ガラス材料から形成され、センサ素子をハウジングに対して固定するガラスシール部をさらに備えることが好ましい。ガラスシール部を含む気密封止構造は、滑石のようなセラミックス粉末を含む気密封止構造に比べて必要な部材の数が少ないので、センサ素子の全長を短くすることができる。そのため、センサ素子の後端をハウジングの上端以下の高さに位置させることが容易となる。
【００３８】
また、センサ素子の全長を短くするためには、センサ素子の基板がアルミナから形成されていることが好ましい。アルミナ基板はジルコニア基板に比べると熱衝撃に強いので、センサ素子の基板としてアルミナ基板を用いると、ジルコニア基板を用いる場合のように熱衝撃を緩和するための付加的な構成を設ける必要がない。そのため、センサ素子の全長を短くすることができ、センサ素子の後端をハウジングの上端以下の高さに位置させることが容易となる。
【００３９】
また、センサ素子の全長を短くするためには、端子がニッケルを５０ｗｔ％以上含むニッケル−クロム合金から形成されていることも好ましい。端子がこのような材料から形成されていると、端子の耐熱性を十分に高くすることができるので、高温に晒されるガス検出部からセンサ素子と端子との接続箇所までの距離を短くすることができる。つまり、センサ素子の全長を短くすることができる。そのため、センサ素子の後端をハウジングの上端以下の高さに位置させることが容易となる。
【００４０】
高温に晒されるガス検出部側からガスセンサ上部への熱の伝達を抑制するためには、カバーの厚さは、０．７ｍｍ以下であることが好ましい。０．７ｍｍ以下の厚さを有するカバーは、剛性が十分ではなく、飛石が衝突したときに変形しやすいことがあるが、本発明によれば、そのような薄いカバーを用いる場合であっても、外部からの衝撃に対する耐性を十分に高くすることができる。
【００４１】
本発明は、ガスセンサ全般に広く用いることができ、例えば、酸素を検出する酸素センサに好適に用いることができる。本発明による酸素センサは、内燃機関の空燃比を制御する空燃比制御装置に好適に用いられ、本発明による酸素センサを備えた空燃比制御装置は、各種の輸送機器に好適に用いられる。
【発明の効果】
【００４２】
本発明によると、外部からの衝撃に対する耐性に優れ、且つ、小型化に適したガスセンサが提供される。
【発明を実施するための最良の形態】
【００４３】
以下、図面を参照しながら本発明の実施形態を説明する。なお、以下では酸素を検出するための酸素センサを例示するが、本発明は酸素センサに限定されず、ガスセンサ全般に好適に用いられる。
【００４４】
図１に、本実施形態における酸素センサ１００を示す。酸素センサ１００は、図１に示すように、センサ素子１０と、センサ素子１０が挿通配置されるハウジング２０とを備えている。
【００４５】
センサ素子１０は、所定のガス（ここでは酸素）を検出するためのガス検出部１１と、ガス検出部１１を支持する基板１２とを有している。ガス検出部１１は、センサ素子１０の先端部に設けられており、センサ素子１０は、ハウジング２０の下端側にガス検出部１１が突出する（露出する）ように配置されている。
【００４６】
本実施形態におけるセンサ素子１０は、抵抗型のセンサ素子である。図２に、抵抗型のセンサ素子１０の具体的な構造の一例を示す。抵抗型のセンサ素子１０のガス検出部１１は、酸化物半導体から形成された酸化物半導体層１３と、酸化物半導体層１３の抵抗率を検出する検出電極１４とを含んでいる。
【００４７】
酸化物半導体層１３は、微小な酸化物半導体粒子を含む多孔質構造を有し、雰囲気（つまり排気ガス）中の酸素分圧に応じて酸素を放出あるいは吸収する。これにより、酸化物半導体層１３中の酸素空孔濃度が変化するので、酸化物半導体層１３の抵抗率が変化する。酸化物半導体層１３の材料としては、例えばチタニア（二酸化チタン）やセリア（ニ酸化セリウム）を用いることができる。
【００４８】
検出電極１４は、導電性を有する材料から形成されており、典型的には、白金や白金ロジウム合金、金などの金属材料から形成されている。酸化物半導体層１３の抵抗率の変化を効率よく計測するためには、検出電極１４の酸化物半導体層１３に重なる部分は、図２に示されているように、櫛歯状に形成されていることが好ましい。また、検出電極１４は、後述する端子４０との接続のために、センサ素子１０の後端部まで引き延ばされている。
【００４９】
基板１２は、絶縁性を有する材料から形成されており、典型的には、アルミナなどのセラミックス材料から形成されている。基板１２の互いに対向する２つの主面１２ａおよび１２ｂのうちの一方の主面１２ａ上に、上述した酸化物半導体層１３および検出電極１４が設けられている。他方の主面１２ｂ上には、ガス検出部１１を昇温させるためのヒータ１５が設けられている。
【００５０】
ヒータ１５は、抵抗損失を利用して加熱を行う抵抗加熱型の発熱素子である。ヒータ１５の材料としては、白金やタングステンなどの金属材料を用いることができる。また、非金属材料を用いることもでき、例えば、酸化レニウムなどの良導体酸化物を用いることができる。ヒータ１５からセンサ素子１０の後端部まで引き延ばされたヒータ電極１５ａに電圧を印加することにより、加熱が行われる。ヒータ１５によってガス検出部１１を（より具体的には酸化物半導体層１３を）昇温させて速やかに活性化させることにより、内燃機関の始動時における検出精度を向上させることができる。
【００５１】
なお、ここでは図示していないが、酸化物半導体層１３上には、触媒層が設けられていることが好ましい。触媒層は、触媒金属を含んでおり、触媒金属の触媒作用によって、検出すべきガス（つまり酸素）以外の少なくとも１種の物質を分解する。具体的には、ガス検出部１１による酸素の検出に悪影響を及ぼすガスや微粒子（例えば完全には燃焼しなかった炭化水素や炭素、窒素酸化物など）を分解し、そのようなガスや微粒子が酸化物半導体層１３の表面に付着するのを防止する。触媒金属としては、例えば白金が用いられる。また、センサ素子１０としては、ここで例示した抵抗型のセンサ素子に限定されず、公知の種々の方式のセンサ素子を用いることができる。
【００５２】
ハウジング２０は、図１に示しているように、筒状である。ただし、ハウジング２０の内径は、軸方向において一定ではない。具体的には、ハウジング２０の内径は、ハウジング２０の下端側で小さく、上端側で大きい。つまり、ハウジング２０の内側をセンサ素子１０の挿通孔と考えたとき、このセンサ素子挿通孔は、ハウジング２０の下端側に小径部を有し、上端側に大径部を有している。
【００５３】
また、ハウジング２０の外径も軸方向において一定ではない。ハウジング２０は、その外側面に、ねじ山が形成されたねじ部２０ａおよび径方向外側に突出した鍔部２０ｂを有している。ねじ部２０ａを排気管に形成されたねじ孔に螺合させることにより、酸素センサ１００を排気管に固定することができる。ハウジング２０は、典型的には、金属材料（例えばステンレス鋼）から形成されている。
【００５４】
ハウジング２０の下端側には、センサ素子１０のガス検出部１１を覆うようにプロテクタ３０が設けられている。プロテクタ３０は、内側プロテクタ３１および外側プロテクタ３２から構成された二重構造を有している。内側プロテクタ３１および外側プロテクタ３２のそれぞれには、排気ガスを内部に導入するための開口部（通気孔）３３が形成されている。排気管内を流れる排気ガスがガス検出部１１に直接当たらないように、内側プロテクタ３１の開口部３３と外側プロテクタ３２の開口部３３とは、径方向から見たときに互いに重ならないように配置されていることが好ましい。内側プロテクタ３１および外側プロテクタ３２は、ステンレス鋼などの金属材料から形成されており、ハウジング２０に例えば溶接によって接合されている。
【００５５】
本実施形態における酸素センサ１００は、さらに、センサ素子１０の後端部に接続された端子４０、端子４０を介してセンサ素子１０に電気的に接続されたリード線５０、ハウジング２０の上端側に設けられたカバー６０、端子４０をセンサ素子１０に固定する端子固定部材７０およびセンサ素子１０をハウジング２０に対して固定するガラスシール部８０を備えている。
【００５６】
端子４０は、ステンレス鋼やニッケル合金などの金属材料から形成されている。端子４０の先端部が、センサ素子１０の後端部において検出電極１４やヒータ電極１５ａに接続されることにより、センサ素子１０とリード線５０とが電気的に接続されている。
【００５７】
リード線５０は、金属材料（例えば銅）から形成されており、絶縁材料（ＰＴＦＥなどの樹脂）によって被覆されている。また、リード線５０は、樹脂材料（例えばＰＴＦＥ）から形成された防水キャップによってさらに被覆されている。リード線５０は、外部（例えば空燃比制御装置のコンピュータ）に接続されており、センサ素子１０と外部との間での電気的な入出力（例えばセンサ素子１０からの検出信号の出力や、センサ素子１０への電力の供給）は、リード線５０を介して行われる。
【００５８】
カバー６０は、筒状（例えば円筒状）であり、端子４０およびリード線５０を収容する。カバー６０は、ステンレス鋼などの金属材料から形成されており、ハウジング２０に例えば溶接によって接合されている。カバー６０の上端部付近には、カバー６０を封口する封口部材６２が配置されている。
【００５９】
封口部材６２は、ゴム材料（例えばフッ素ゴム）から形成されており、リード線５０が挿通される貫通孔を有している。カバー６０の上端部近傍６０ａを内側にかしめることによって、リード線５０が固定されるとともに、カバー６０が封口されている。
【００６０】
端子固定部材７０は、センサ素子１０および端子４０の両方が挿入される孔７０ａを有しており、この孔７０ａ内でセンサ素子１０と端子４０とが接続されている。図３に、端子固定部材７０周辺を拡大して示す。図３（ａ）は、図１中の３Ａ−３Ａ’に沿った断面図であり、図３（ｂ）は、図３（ａ）において端子固定部材７０以外の構成要素を省略した図である。
【００６１】
端子固定部材７０の孔７０ａは、図３（ｂ）に示すように、センサ素子１０が挿入されるセンサ素子挿入部７０ａ１と、端子４０が挿入される端子挿入部７０ａ２とを含んでいる。本実施形態では、端子４０の先端部が、ばね性を有する板材を折り返すことによって構成されており、このような端子４０の先端部が、図１および図３（ａ）に示すように、孔７０ａ内において、センサ素子１０の検出電極１４やヒータ電極１５ａに弾性的に当接している。
【００６２】
ガラスシール部８０は、ガラス材料から形成されている。より具体的には、ガラスシール部８０は、ガラス材料を熱処理によって溶融させ、その後固化させることによって形成されている。ガラス材料としては、封止材として公知の種々の材料（例えば亜鉛シリカホウ酸系結晶化ガラス）を用いることができる。ガラスシール部８０によってセンサ素子１０とハウジング２０との間が気密封止されていることにより、ハウジング２０の上端側、すなわち、封口部材６２や端子４０、リード線５０の設けられている空間への排気ガスの侵入が防止される。ガラスシール部８０および端子固定部材７０は、ハウジング２０の内径が大きい部分、つまり、ハウジング２０のセンサ素子挿通孔の大径部内に配置されている。
【００６３】
本実施形態における酸素センサ１００では、センサ素子１０は、センサ素子１０の後端１０Ｅがハウジング２０の上端２０Ｅ以下の高さに位置するように配置されている。図１には、ハウジング２０の上端２０Ｅによって規定される仮想平面Ｐを破線で示している。なお、図１には、センサ素子１０の後端１０Ｅがハウジング２０の上端２０Ｅと同じ高さに位置している場合を例示しているが、後述するように、センサ素子１０の後端１０Ｅはハウジング２０の上端２０Ｅよりも下側（ガス検出部１１側）に位置していてもよい。
【００６４】
本実施形態のように、センサ素子１０の後端１０Ｅがハウジング２０の上端２０Ｅ以下の高さに位置していることにより、外部からの衝撃に対する耐性を向上させることができる。以下、この理由を、図４および図５も参照しながら説明する。図４は、比較例の酸素センサ９００を示す図であり、図５は、比較例の酸素センサ９００に石１が衝突した様子を示す図である。
【００６５】
図４に示す酸素センサ９００は、センサ素子１０の後端１０Ｅがハウジング２０の上端２０Ｅよりも上側に位置している点において、図１に示した酸素センサ１００と異なっている。この酸素センサ９００のカバー６０に石１が衝突すると、図５に示すように、カバー６０が変形してカバー内部６０の部材（具体的にはリード線５０や端子４０）が歪んでしまう。そのため、ハウジング２０の上端２０Ｅよりも上側に位置しているセンサ素子１０の後端１０Ｅにも衝撃応力が及び、センサ素子１０の破損（例えば基板１２の折れ）が発生してしまう。センサ素子１０が破損すると、酸素濃度の検出を正常に行うことができなくなる。
【００６６】
これに対し、本実施形態の酸素センサ１００では、センサ素子１０の後端１０Ｅがハウジング２０の上端２０Ｅ以下の高さに位置している。つまり、センサ素子１０は、カバー６０に比べて剛性が高く変形しにくいハウジング２０の上端２０Ｅから突出していない。そのため、外部からの衝撃によってカバー６０が変形しても、センサ素子１０には衝撃応力が及びにくく、センサ素子１０の破損の発生が抑制される。また、本実施形態の酸素センサ１００では、図１４に示した従来の酸素センサ８００のように外部からの衝撃を吸収するための大きな空隙を設ける必要がないので、カバー６０の外径を小さくすることができる。カバー６０の外径が小さいと、排気管からの熱が酸素センサ１００の上部に伝わりにくいので、酸素センサ１００の全長を短くすることができる。そのため、酸素センサ１００全体の小型化を図ることができる。このように、本実施形態における酸素センサ１００は、外部からの衝撃に対する耐性に優れ、且つ、小型化に適している。
【００６７】
なお、図１には、センサ素子１０の後端１０Ｅがハウジング２０の上端２０Ｅと同じ高さに位置している場合を例示したが、センサ素子１０の破損をより確実に抑制するためには、図６に示すように、センサ素子１０の後端１０Ｅはハウジング２０の上端２０Ｅよりも下側に位置していることが好ましい。
【００６８】
また、ハウジング２０の鍔部２０ｂは、ハウジング２０の上端２０Ｅ近傍（鍔部２０ｂよりも上側の部分）に比べ、径方向の厚さが大きいので、さらに剛性が高く変形しにくい。そのため、センサ素子１０の破損をより確実に抑制するためには、図７および図８に示すように、センサ素子１０は、その後端１０Ｅが鍔部２０ｂの上面２０ｂ１以下の高さに位置するように配置されていることがさらに好ましい。図７および図８には、鍔部２０ｂの上面２０ｂ１によって規定される仮想平面Ｐ’を破線で示している。なお、図７に示すようにセンサ素子１０の後端１０Ｅが鍔部２０ｂの上面２０ｂ１と同じ高さに位置している場合よりも、図８に示すようにセンサ素子１０の後端１０Ｅが鍔部２０ｂの上面２０ｂ１よりも下側に位置している場合の方が、センサ素子１０の破損を抑制する効果が高い。
【００６９】
また、図１および図６〜図８には、端子固定部材７０の上端７０Ｅがセンサ素子１０の後端１０Ｅと同じ高さに位置している場合を例示したが、本発明はこれに限定されない。端子固定部材７０の上端７０Ｅは、図９に示すように、センサ素子１０の後端１０Ｅよりも上側に位置していてもよいし、図１０に示すように、センサ素子１０の後端１０Ｅよりも下側に位置していてもよい。
【００７０】
ただし、衝撃からセンサ素子１０を十分に保護するためには、横方向（ハウジング２０やカバー６０の径方向）から見たときに、センサ素子１０が後端１０Ｅまで端子固定部材７０によって覆われていることが好ましい。つまり、図１や図９に示しているように、端子固定部材７０は、その上端７０Ｅがセンサ素子１０の後端１０Ｅ以上の高さに位置するように配置されていることが好ましい。
【００７１】
なお、端子固定部材７０の上端７０Ｅがハウジング２０の上端２０Ｅから突出しすぎていると、外部からの衝撃によって変形したカバー６０が端子固定部材７０に接触してしまう可能性があり、そのことによってセンサ素子１０に衝撃応力が及び最終的に破損につながることがある。そのため、端子固定部材７０の上端７０Ｅは、図１に示したようにハウジング２０の上端２０Ｅと同じ高さに位置しているか、あるいは、図６に示したようにハウジング２０の上端２０Ｅよりも下側に位置していることが好ましい。つまり、端子固定部材７０は、その上端７０Ｅがハウジング２０の上端２０Ｅ以下の高さに位置するように配置されていることが好ましい。また、端子固定部材７０の上端７０Ｅは、図７に示したように鍔部２０ｂの上面２０ｂ１と同じ高さに位置しているか、あるいは、図８に示したように鍔部２０ｂの上面２０ｂ１よりも下側に位置していることがさらに好ましい。つまり、端子固定部材７０は、その上端７０Ｅがセンサ素子１０の後端１０Ｅ以上で鍔部２０ｂの上面２０ｂ１以下の高さに位置するように配置されていることがさらに好ましい。
【００７２】
続いて、図１などに示した本実施形態における酸素センサ１００と、図４に示した比較例の酸素センサ９００とを実際に試作し、チッピング試験を行ってセンサ素子１０の破損の発生を評価した結果を説明する。
【００７３】
チッピング試験は、図１１に示すようにコップ形のホルダ２によって酸素センサ１００を保持した状態（つまり酸素センサ１００の鍔部２０ｂよりも下側の部分がホルダ２の孔２ａに嵌挿された状態）で、表１に示すように直径１６ｍｍ、重さ１６ｇの剛球３を２ｍの高さから１２０回落下させてカバー６０に衝突させることによって行った。
【００７４】
【表１】
【００７５】
評価結果を表２に示す。表２には、ハウジング２０の上端２０Ｅからのセンサ素子１０の後端１０Ｅの突出量（ｍｍ）と、センサ素子１０の破損（具体的には基板１２の折れ）の有無との関係が示されている。
【００７６】
なお、表２の突出量の欄には、センサ素子１０の後端１０Ｅが、ハウジング２０の上端２０Ｅよりも上側に位置している場合は正の数値、ハウジング２０の上端２０Ｅと同じ高さに位置している場合は０、ハウジング２０の上端２０Ｅよりも下側に位置している場合は負の数値が記載されている。また、鍔部２０ｂの上面２０ｂ１とハウジング２０の上端２０Ｅとの高さの差は、いずれの例についても２ｍｍである。
【００７７】
従って、表２中の比較例１〜６は、図４に示すようにセンサ素子１０の後端１０Ｅがハウジング２０の上端２０Ｅよりも上側に位置している場合に相当する。また、実施例１〜３は、図１に示すようにセンサ素子１０の後端１０Ｅがハウジング２０の上端２０Ｅと同じ高さに位置している場合に相当し、実施例４〜６は、図６に示すようにセンサ素子１０の後端１０Ｅがハウジング２０の上端２０Ｅよりも下側（ただし鍔部２０ｂの上面２０ｂ１よりは上側）に位置している場合に相当する。さらに、実施例７〜９は、図７に示すようにセンサ素子１０の後端１０Ｅが鍔部２０ｂの上面２０ｂ１と同じ高さに位置している場合に相当し、実施例１０〜１２は、図８に示すようにセンサ素子１０の後端１０Ｅが鍔部２０ｂの上面２０ｂ１よりも下側に位置している場合に相当する。
【００７８】
また、表２のセンサ素子１０の破損の欄における「×」は、基板１２の折れが発生したことを意味し、「○」および「◎」は、基板１２の折れが発生しなかったことを意味している。ただし、「○」が、基板１２の折れは発生していないものの基板１２内に発生した微小なクラックによりわずかな強度低下が発生していることを意味しているのに対し、「◎」は、そのような強度低下もないことを示している。
【００７９】
【表２】
【００８０】
表２に示されているように、センサ素子１０の後端１０Ｅがハウジング２０の上端２０Ｅよりも上側に位置している比較例１〜６では、センサ素子１０の破損が発生した。これに対し、センサ素子１０の後端１０Ｅがハウジング２０の上端２０Ｅ以下の高さに位置する実施例１〜１２では、センサ素子１０の破損が発生しなかった。このことから、本実施形態における酸素センサ１００のように、センサ素子１０を、その後端１０Ｅがハウジング２０の上端２０Ｅ以下の高さに位置するように配置することにより、センサ素子１０の破損の発生を好適に抑制できることがわかる。
【００８１】
また、表２では、実施例１〜６よりも実施例７〜１２の方がいっそう好ましい結果が得られている。このことから、センサ素子１０の破損の発生をより確実に抑制するためには、センサ素子１０を、その後端１０Ｅが鍔部２０ｂの上面２０ｂ１以下の高さに位置するように配置することが好ましいことがわかる。
【００８２】
既に述べたように、本実施形態における酸素センサ１００では、センサ素子１０の後端１０Ｅが、ハウジング２０の上端２０Ｅ以下の高さに位置している。そのため、図１４に示したような従来の酸素センサ８００に比べて、センサ素子１０の全長（先端から後端１０Ｅまでの距離）が短い。以下、センサ素子１０の全長を短くするための好ましい構成を説明する。
【００８３】
センサ素子１０の全長を短くするためには、本実施形態のように、ガラスシール部８０を設けることが好ましい。従来、ガスセンサにおいて気密封止を行うための構造としては、図１４に示したようなセラミックス粉末（典型的には滑石）を含む気密封止構造が、製造コストの低廉さから多く用いられてきた。しかしながら、このような構造を採用すると、セラミックス粉末を支持するための部材や、セラミックス粉末を押して圧縮するための部材、かしめ部（図１４に示した構造における第１セラミックスホルダ８２２、第２セラミックスホルダ８２３、かしめ部８２０ｃ）などが必要となるので、酸素センサの軸方向に長い空間が必要となる。そのため、どうしてもセンサ素子の後端がハウジングの上端よりも上側に大きく突出してしまう。これに対し、本実施形態のようにガラスシール部８０を設けると、ガラスシール部８０自体の他には余分な部材が不要であるので、センサ素子１０の全長を短くすることができる。そのため、センサ素子１０の後端１０Ｅをハウジング２０の上端２０Ｅ以下の高さに位置させることが容易となる。
【００８４】
また、センサ素子１０の全長を短くするためには、センサ素子１０の基板１２がアルミナから形成されていることも好ましい。以下、この理由を説明する。
【００８５】
一般に、起電力型のセンサ素子では、酸素イオン伝導体として高温安定性に優れるジルコニア基板が用いられる。しかしながら、ジルコニア基板は熱衝撃に弱いので、ジルコニア基板を含むセンサ素子をガラスシール部によってハウジングに固定した場合、ジルコニア基板のガラスシール部によって接合されている部分と、そうでない部分との境界付近に応力が集中し、ジルコニア基板が折れやすいという問題がある。
【００８６】
この問題を解決するために、特許第３７８６３３０号公報には、熱衝撃による応力集中を緩和するための緩衝層をガラスシール部の下端面と上端面とに接するように設ける手法が開示されている。しかしながら、このようにガラスシール部を挟むように２つの緩衝層を設けるためには、酸素センサの軸方向に長い空間を必要とする。そのため、どうしてもセンサ素子の後端がハウジングの上端よりも上側に大きく突出してしまう。
【００８７】
これに対し、基板１２がアルミナから形成されていると、アルミナから形成された基板１２はジルコニア基板に比べて熱衝撃に強いため、上述したような緩衝層は不要である。そのため、センサ素子１０の全長を短くすることができ、センサ素子１０の後端１０Ｅをハウジング２０の上端２０Ｅ以下の高さに位置させることが容易となる。アルミナから形成された基板１２は、高温での絶縁性に優れているため、図２に示したような抵抗型のセンサ素子１０に好適に用いられる。
【００８８】
また、センサ素子１０の全長を短くするためには、端子４０がニッケルを５０ｗｔ％以上含むニッケル−クロム合金から形成されていることも好ましい。端子４０がこのような材料から形成されていると、端子４０の耐熱性を十分に高くすることができる。従って、高温に晒されるガス検出部１１からセンサ素子１０と端子４０との接続箇所までの距離を短くすることができる。つまり、センサ素子１０の全長を短くすることができる。そのため、センサ素子１０の後端１０Ｅをハウジング２０の上端２０Ｅ以下の高さに位置させることが容易となる。ニッケルを５０ｗｔ％以上含むニッケル−クロム合金としては、例えば、１９Ｃｒ−５３Ｎｉ−３Ｍｏ−５Ｎｂの組成を有するインコネル７１８や、１５Ｃｒ−７８Ｎｉ−１Ｎｂの組成を有するインコネル７５０を用いることができる。
【００８９】
上述したように、本実施形態における酸素センサ１００は、（１）ガラスシール部８０を備える、（２）基板１２がアルミナから形成されている、（３）端子４０がニッケルを５０ｗｔ％以上含むニッケル−クロム合金から形成されている、という３つの構成のうちの少なくとも１つの構成を有することが好ましい。勿論、上記３つの構成のうちの２つの構成を有することがより好ましく、３つの構成すべてを有することがもっとも好ましい。
【００９０】
なお、カバー６０を肉厚に形成すると、カバー６０の剛性が向上して変形しにくくなるので、外部からの衝撃に対する耐性は高くなるが、その場合には、排気管からの熱が酸素センサ１００の上部に伝わりやすくなってしまうので、酸素センサ１００の全長を長くしなければならないことがある。排気管から酸素センサ１００の上部への熱の伝達を十分に抑制するためには、カバー６０は、０．７ｍｍ以下の厚さを有することが好ましい。本発明によれば、そのような薄いカバー６０を用いる場合であっても、外部からの衝撃に対する耐性を十分に高くすることができる。そのため、本発明は、カバー６０の厚さが０．７ｍｍ以下である場合に、用いる意義が特に大きいといえる。
【００９１】
本実施形態における酸素センサ１００は、各種輸送機器の内燃機関から排出される排気ガス中の酸素の検出に好適に用いられる。本実施形態における酸素センサ１００は、小型化に適しているので、自動二輪車のように、排気管の周囲に空間的な余裕が乏しい輸送機器に特に好適に用いられる。
【００９２】
図１２に、本実施形態における酸素センサ１００を備えた自動二輪車５００を模式的に示す。自動二輪車５００は、本体フレーム５０１と内燃機関６００とを備える。本体フレーム５０１の前端にヘッドパイプ５０２が設けられている。ヘッドパイプ５０２にはフロントフォーク５０３が左右方向に揺動可能に設けられている。また、フロントフォーク５０３の下端に前輪５０４が回転可能に支持されている。ヘッドパイプ５０２の上端にはハンドル５０５が取り付けられている。
【００９３】
本体フレーム５０１の後端上部から後方に伸びるようにシートレール５０６が取り付けられている。本体フレーム５０１の上部には燃料タンク５０７が設けられ、シートレール５０６上にメインシート５０８ａおよびタンデムシート５０８ｂが設けられている。また、本体フレーム５０１の後端に後方へ伸びるリアアーム５０９が取り付けられている。リアアーム５０９の後端に後輪５１０が回転可能に支持されている。
【００９４】
本体フレーム５０１の中央部には内燃機関６００が保持されている。内燃機関６００の前部にはラジエター５１１が取り付けられている。内燃機関６００の排気ポートには排気管６３０が接続されている。排気管６３０には、酸素センサ１００、三元系触媒６０４および消音器６０６が設けられている。酸素センサ１００は、排気管６３０内を流れる排気ガス中の酸素を検出する。
【００９５】
内燃機関６００には、変速機５１５が連結されており、変速機５１５の出力軸５１６は駆動スプロケット５１７に取り付けられている。駆動スプロケット５１７はチェーン５１８を介して後輪５１０の後輪スプロケット５１９に連結されている。
【００９６】
図１３は、内燃機関６００の制御系の主要な構成を示している。内燃機関６００のシリンダ６０１には吸気弁６１０、排気弁６０６および点火プラグ６０８が設けられている。またエンジンを冷却する冷却水の水温を計測する水温センサ６１６が設けられている。吸気弁６１０は、空気吸入口をもつ吸気管６２２に接続されている。吸気管６２２にはエアーフローメータ６１２、スロットルセンサ６１４および燃料噴射装置６１１が設けられている。
【００９７】
エアーフローメータ６１２、スロットルセンサ６１４、燃料噴射装置６１１、水温センサ６１６、点火プラグ６０８および酸素センサ１００は、制御部であるコンピュータ６１８に接続されている。コンピュータ６１８には自動二輪車５００の速度を示す車速信号６２０も入力される。
【００９８】
図示しないセルモータによって、ライダーが内燃機関６００を始動させると、コンピュータ６１８はエアーフローメータ６１２、スロットルセンサ６１４および水温センサ６１６から得られる検出信号および車速信号６２０に基づき、最適な燃料量を計算し、計算結果に基づいて、燃料噴射装置６１１へ制御信号を出力する。燃料噴射装置６１１から噴射される燃料は、吸気管６２２から供給される空気と混合され、適切なタイミングで開閉される吸気バルブ６１０を介してシリンダ６０１へ噴出される。シリンダ６０１において噴出された燃料は燃焼し、排気ガスとなって排気弁６０６を介して排気管６３０へ導かれる。
【００９９】
酸素センサ１００は排気ガス中の酸素を検出し、検出信号をコンピュータ６１８へ出力する。コンピュータ６１８は、酸素センサ１００からの信号に基づき、空燃比が理想空燃比からどの程度ずれているかを判断する。そして、エアーフローメータ６１２およびスロットルセンサ６１４から得られる信号によって定まる空気量に対して、理想空燃比となるように燃料噴射装置６１１から噴出する燃料量を制御する。このように、酸素センサ１００と、酸素センサ１００に接続されたコンピュータ（制御部）６１８とを含む空燃比制御装置によって、内燃機関の空燃比が適切に制御される。
【０１００】
なお、ここでは、自動二輪車を例示したが、本実施形態における酸素センサ１００は、四輪自動車などの他の自動車両にも好適に用いられる。内燃機関は、ガソリンエンジンに限られず、ディーゼルエンジンであってもよい。
【０１０１】
また、本実施形態では、酸素センサを例として本発明を説明したが、本発明は、酸素センサに限定されず、種々のガスを検出するためのセンサに好適に用いられる。例えば、本発明は、ＮＯｘ濃度を検出するためのＮＯｘセンサや、ＣＯ濃度を検出するためのＣＯセンサ、ＨＣ濃度を検出するためのＨＣセンサなどにも好適に用いられる。
【産業上の利用可能性】
【０１０２】
本発明によると、外部からの衝撃に対する耐性に優れ、且つ、小型化に適したガスセンサが提供される。本発明は、酸素センサをはじめとする種々のガスセンサに好適に用いられる。
【０１０３】
本発明によるガスセンサは、乗用車、バス、トラック、オートバイ、トラクター、飛行機、モーターボート、土木車両などの種々の輸送機器用の空燃比制御装置に好適に用いられる。
【図面の簡単な説明】
【０１０４】
【図１】本発明の好適な実施形態における酸素センサ１００を模式的に示す断面図である。
【図２】抵抗型のセンサ素子の一例を模式的に示す分解斜視図である。
【図３】（ａ）は、図１中の３Ａ−３Ａ’線に沿った断面図であり、（ｂ）は、（ａ）における端子固定部材以外の構成要素を省略した図である。
【図４】比較例の酸素センサ９００を模式的に示す断面図である。
【図５】比較例の酸素センサ９００に石が衝突したときの様子を示す図である。
【図６】本発明の好適な実施形態における酸素センサ１００を模式的に示す断面図である。
【図７】本発明の好適な実施形態における酸素センサ１００を模式的に示す断面図である。
【図８】本発明の好適な実施形態における酸素センサ１００を模式的に示す断面図である。
【図９】本発明の好適な実施形態における酸素センサ１００を模式的に示す断面図である。
【図１０】本発明の好適な実施形態における酸素センサ１００を模式的に示す断面図である。
【図１１】チッピング試験の方法を説明するための図である。
【図１２】酸素センサ１００を備えた自動二輪車５００を模式的に示す側面図である。
【図１３】図１２に示す自動二輪車５００における内燃機関の制御系を模式的に示す図である。
【図１４】従来の酸素センサ８００を模式的に示す断面図である。
【図１５】酸素センサ８００が備えるセンサ素子を模式的に示す分解斜視図である。
【符号の説明】
【０１０５】
１０ センサ素子
１０Ｅ センサ素子の後端
１１ ガス検出部
１２ 基板
１３ 酸化物半導体層
１４ 検出電極
１５ ヒータ
１５ａ ヒータ電極
２０ ハウジング
２０Ｅ ハウジングの上端
２０ａ ねじ部
２０ｂ 鍔部
２０ｂ１ 鍔部の上面
３０ プロテクタ
４０ 端子
５０ リード線
６０ カバー
６２ 封口部材
７０ 端子固定部材
７０ａ 端子固定部材の孔
７０Ｅ 端子固定部材の上端
８０ ガラスシール部
１００ 酸素センサ
５００ 自動二輪車
６００ 内燃機関
【特許請求の範囲】
【請求項１】
所定のガスを検出するためのガス検出部を先端部に有するセンサ素子と、
その下端側に前記ガス検出部が突出するように前記センサ素子が挿通配置されるハウジングと、
前記センサ素子の後端部に接続された端子と、
前記ハウジングの上端側に設けられ、前記端子を収容するカバーと、
前記センサ素子および前記端子の両方が挿入される孔を有し、前記端子を前記センサ素子に固定する端子固定部材と、を備え、
前記センサ素子は、前記センサ素子の後端が前記ハウジングの上端以下の高さに位置するように配置されているガスセンサ。
【請求項２】
前記ハウジングは、径方向外側に突出する鍔部を有し、
前記センサ素子は、前記センサ素子の後端が前記鍔部の上面以下の高さに位置するように配置されている請求項１に記載のガスセンサ。
【請求項３】
前記端子固定部材は、前記端子固定部材の上端が前記センサ素子の後端以上の高さに位置するように配置されている請求項１または２に記載のガスセンサ。
【請求項４】
前記端子固定部材は、前記端子固定部材の上端が前記ハウジングの上端以下の高さに位置するように配置されている請求項３に記載のガスセンサ。
【請求項５】
前記端子固定部材は、前記端子固定部材の上端が前記センサ素子の後端以上で前記鍔部の上面以下の高さに位置するように配置されている請求項２に記載のガスセンサ。
【請求項６】
ガラス材料から形成され、前記センサ素子を前記ハウジングに対して固定するガラスシール部をさらに備える請求項１から５のいずれかに記載のガスセンサ。
【請求項７】
前記センサ素子は、前記ガス検出部を支持する基板をさらに有し、
前記基板は、アルミナから形成されている請求項１から６のいずれかに記載のガスセンサ。
【請求項８】
前記端子は、ニッケルを５０ｗｔ％以上含むニッケル−クロム合金から形成されている請求項１から７のいずれかに記載のガスセンサ。
【請求項９】
前記カバーは、０．７ｍｍ以下の厚さを有する請求項１から８のいずれかに記載のガスセンサ。
【請求項１０】
酸素センサである請求項１から９のいずれかに記載のガスセンサ。
【請求項１１】
請求項１０に記載のガスセンサを備えた空燃比制御装置。
【請求項１２】
請求項１１に記載の空燃比制御装置を備えた輸送機器。
【請求項１】
所定のガスを検出するためのガス検出部を先端部に有するセンサ素子と、
その下端側に前記ガス検出部が突出するように前記センサ素子が挿通配置されるハウジングと、
前記センサ素子の後端部に接続された端子と、
前記ハウジングの上端側に設けられ、前記端子を収容するカバーと、
前記センサ素子および前記端子の両方が挿入される孔を有し、前記端子を前記センサ素子に固定する端子固定部材と、を備え、
前記センサ素子は、前記センサ素子の後端が前記ハウジングの上端以下の高さに位置するように配置されているガスセンサ。
【請求項２】
前記ハウジングは、径方向外側に突出する鍔部を有し、
前記センサ素子は、前記センサ素子の後端が前記鍔部の上面以下の高さに位置するように配置されている請求項１に記載のガスセンサ。
【請求項３】
前記端子固定部材は、前記端子固定部材の上端が前記センサ素子の後端以上の高さに位置するように配置されている請求項１または２に記載のガスセンサ。
【請求項４】
前記端子固定部材は、前記端子固定部材の上端が前記ハウジングの上端以下の高さに位置するように配置されている請求項３に記載のガスセンサ。
【請求項５】
前記端子固定部材は、前記端子固定部材の上端が前記センサ素子の後端以上で前記鍔部の上面以下の高さに位置するように配置されている請求項２に記載のガスセンサ。
【請求項６】
ガラス材料から形成され、前記センサ素子を前記ハウジングに対して固定するガラスシール部をさらに備える請求項１から５のいずれかに記載のガスセンサ。
【請求項７】
前記センサ素子は、前記ガス検出部を支持する基板をさらに有し、
前記基板は、アルミナから形成されている請求項１から６のいずれかに記載のガスセンサ。
【請求項８】
前記端子は、ニッケルを５０ｗｔ％以上含むニッケル−クロム合金から形成されている請求項１から７のいずれかに記載のガスセンサ。
【請求項９】
前記カバーは、０．７ｍｍ以下の厚さを有する請求項１から８のいずれかに記載のガスセンサ。
【請求項１０】
酸素センサである請求項１から９のいずれかに記載のガスセンサ。
【請求項１１】
請求項１０に記載のガスセンサを備えた空燃比制御装置。
【請求項１２】
請求項１１に記載の空燃比制御装置を備えた輸送機器。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【公開番号】特開２００９−１５６７５６（Ｐ２００９−１５６７５６Ａ）
【公開日】平成２１年７月１６日（２００９．７．１６）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００７−３３６５２８（Ｐ２００７−３３６５２８）
【出願日】平成１９年１２月２７日（２００７．１２．２７）
【出願人】（００００１００７６）ヤマハ発動機株式会社 (3,045)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２１年７月１６日（２００９．７．１６）
【国際特許分類】
【出願日】平成１９年１２月２７日（２００７．１２．２７）
【出願人】（００００１００７６）ヤマハ発動機株式会社 (3,045)
【Ｆターム（参考）】
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