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】センサ素子と端子とが耐熱性に優れた接続構造によって接続されている、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層１１を有するセンサ素子１０と、センサ素子１０と外部との間で電気的な入出力を行うためのリード線２０と、センサ素子１０とリード線２０とを電気的に接続する端子３０と、端子３０とセンサ素子１０とを接合する接合部８０とを備える。接合部８０は、ガラス材料と、１０００℃以上の融点を有する金属材料とを含んでいる。
【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層１１を有するセンサ素子１０と、センサ素子１０と外部との間で電気的な入出力を行うためのリード線２０と、センサ素子１０とリード線２０とを電気的に接続する端子３０と、端子３０とセンサ素子１０とを接合する接合部８０とを備える。接合部８０は、ガラス材料と、１０００℃以上の融点を有する金属材料とを含んでいる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ガスセンサに関し、特に、高温環境で使用されるガスセンサに関する。また、本発明は、そのような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】
図１４に、従来の酸素センサ８００を示す。図１４に示す酸素センサ８００は、センサ素子８１０と、センサ素子８１０が挿通固定されるハウジング８４０とを備えている。
【０００６】
センサ素子８１０は、酸素を検出するためのガス検出層８１１と、ガス検出層８１１を支持する基板８１２とを有する。センサ素子８１０は、ハウジング８４０の先端側にガス検出層８１１が露出するように配置されている。
【０００７】
ハウジング８４０は、ねじ山が形成されたねじ部８４０ａ（ねじ山は不図示）をその外側面に有している。ハウジング８４０のねじ部８４０ａ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が排気管に固定される。
【０００８】
ハウジング８４０の先端部には、センサ素子８１０のガス検出層８１１を覆うように、先端側カバー８５０が設けられている。先端側カバー８５０は、内側カバー部材８５１および外側カバー部材８５２から構成されている。内側カバー部材８５１および外側カバー部材８５２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）８５３が形成されている。
【０００９】
ハウジング８４０とセンサ素子８１０との間は、ガラスシール部８７０によって気密封止されている。ガラスシール部８７０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。
【００１０】
ガラスシール部８７０を挟むように、一対のセラミックススリーブ８７１および８７２が配置されている。セラミックススリーブ８７１および８７２のそれぞれには、センサ素子８１０が挿通される孔が形成されている。
【００１１】
センサ素子８１０と外部との電気的な入出力は、リード線８２０を介して行われる。リード線８２０とセンサ素子８１０とは、端子８３０によって接続されている。端子８３０とセンサ素子８１０との接続は、金属製の板ばね材から形成されている端子８３０を、セラミックスリーブ８７２に形成されている端子挿入孔８７２ａに挿入することにより行われる。
【００１２】
ハウジング８４０の基端側には、端子８３０等を収容するように筒状の基端側カバー８６０が設けられている。基端側カバー８６０の内部に、リード線８２０を挿通させるための貫通孔を有するゴム部材８６２が配置されている。金属材料から形成されている基端側カバー８６０の一部（ゴム部材８６２が配置されている部分）８６０ａを内側にかしめることによって、リード線８２０が固定されるとともに、基端側カバー８６０が封口されている。
【００１３】
図１５に、センサ素子８１０の構造の一例を示す。図１５に示すセンサ素子８１０は、抵抗型のセンサ素子であり、基板８１２の主面８１２ａ上には、ガス検出層として酸化物半導体層８１１が設けられている。また、基板８１２の主面８１２ａ上には、酸化物半導体層８１１の抵抗率を検出するための検出電極８１３も設けられている。酸化物半導体層８１１の抵抗率は、雰囲気ガス中の酸素分圧に応じて変化するので、この抵抗率の変化を検出電極８１３で計測することにより、酸素濃度を検出することができる。
【００１４】
基板８１２の裏面８１２ｂ側には、酸化物半導体層８１１を昇温させるためのヒータ８１４が設けられている。ヒータ８１４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８１４から引き延ばされたヒータ電極８１４ａに電圧を印加すると、所定の形状に形成された発熱体に電流が流れて発熱体が発熱し、そのことによって加熱が行われる。ヒータ８１４によって酸化物半導体層８１１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。
【００１５】
図１５に例示したセンサ素子８１０を用いる場合、セラミックスリーブ８７２の端子挿入孔８７２ａ内で端子８３０が検出電極８１３やヒータ電極８１４ａに当接することにより、センサ素子８１０と端子８３０とが電気的に接続される。
【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
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１６】
従来の酸素センサは、その長手方向のサイズを小さくすることが難しく、小型化が難しいという問題を有していた。例えば図１４に示した酸素センサ８００では金属製（例えばＮＣＦ７５０に代表されるＮｉ−Ｃｒ合金製）の板ばね材を端子８３０として用いており、板ばね材の耐熱性は６００℃程度である。そのため、その温度以上に端子８３０が加熱されないように、高温の排気ガスに晒されるガス検出層８１１からセンサ素子８１０と端子８３０との接続部までの距離を長く確保する必要がある。従って、長手方向のサイズ、すなわち、酸素センサ８００の中心軸（図中に鎖線で示している。）方向の長さを小さくすることが難しい。なお、ここでは板ばね材の弾性を利用してセンサ素子８１０と端子８３０とを接続する構造を例示したが、皿ばね、リングばね等の金属製ばね材の弾性を利用した接続構造を用いる場合には同様の問題が発生する。
【００１７】
このように、従来の酸素センサでは、センサ素子と端子との接続構造の耐熱性が不足しているために、小型化が困難であった。一部の輸送機器（例えば自動二輪車）は、排気管の周囲に空間的な余裕が乏しいので、酸素センサのいっそうの小型化が要望されている。
【００１８】
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、センサ素子と端子とが耐熱性に優れた接続構造によって接続されている、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】
【００１９】
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層を有するセンサ素子と、前記センサ素子と外部との間で電気的な入出力を行うためのリード線と、前記センサ素子と前記リード線とを電気的に接続する端子と、前記端子と前記センサ素子とを接合する接合部と、を備え、前記接合部は、ガラス材料と、１０００℃以上の融点を有する金属材料と、を含む。
【００２０】
ある好適な実施形態において、前記金属材料は、白金、タングステン、モリブデン、ニッケル、鉄、レニウム、クロムおよびチタンのうちの少なくとも１つを含む。
【００２１】
ある好適な実施形態において、前記金属材料は白金である。
【００２２】
ある好適な実施形態において、前記センサ素子は、前記ガス検出層の層法線方向が前記ガスセンサの長手方向に対して略平行にな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、前記センサ素子は、前記ガス検出層を支持する基板をさらに有し、前記センサ素子は、前記基板の主面が前記ガスセンサの長手方向に対して略直交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、前記センサ素子の前記基板は、前記端子の先端部が挿入される端子挿入孔を有し、前記端子は前記端子挿入孔内で前記センサ素子に接合されている。
【００２５】
ある好適な実施形態において、前記端子は、電極棒を含み、前記電極棒と前記センサ素子とは前記接合部によって接合されている。
【００２６】
ある好適な実施形態において、前記電極棒は、１０００℃以上の融点を有する金属材料から形成されている。
【００２７】
ある好適な実施形態において、前記電極棒は白金から形成されている。
【００２８】
ある好適な実施形態において、前記電極棒は、タングステン、モリブデン、ニッケル、鉄、レニウム、クロムおよびチタンのうちの少なくとも１つを含む金属材料から形成された電極棒本体と、前記電極棒本体の表面上に形成された白金めっき層とを有する。
【００２９】
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、前記電極棒が挿通されるセラミックス部材をさらに備え、前記セラミックス部材の前記センサ素子側の端部は、前記電極棒を包囲し、且つ、前記センサ素子に接合されている。
【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、前記電極棒と前記セラミックス部材との間に設けられたガラスシール部をさらに備える。
【００３１】
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。
【００３２】
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ている。
【００３３】
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ている。
【００３４】
本発明によるガスセンサでは、ガラス材料と１０００℃以上の融点を有する金属材料とを含む接合部によってセンサ素子と端子とが接合されており、このような接合部は、耐熱性に優れている。また、接合部自体が耐熱性に優れていることに加え、このような接合部が設けられていることにより、端子の材料として、板ばね材のような特殊な物性を有する材料を用いる必要がなくなる。つまり、端子の材料の選択に制約が少なく、耐熱性の高い材料を用いることができる。そのため、本発明によるガスセンサでは、センサ素子と端子とを耐熱性に優れた接続構造によって接続することができる。従って、高温の排気ガスに晒されるガス検出層からセンサ素子と端子との接続箇所（つまり接合部）までの距離を長く確保する必要がない。そのため、ガスセンサの長手方向のサイズ、すなわち、ガスセンサの中心軸方向の長さを小さくすることができ、ガスセンサを小型化することができる。
【００３５】
接合部に含まれる金属材料としては、白金、タングステン、モリブデン、ニッケル、鉄、レニウム、クロムおよびチタンのうちの少なくとも１つを含むものが好適に用いられる。
【００３６】
ガスセンサの耐久性の観点からは、接合部に含まれる金属材料は、白金であることがもっとも好ましい。白金は、融点が高いだけでなく、耐酸化性に優れる。つまり、白金の表面は、高温の排気ガスに晒されても酸化しにくい。そのため、金属材料として白金のみを含む接合部は、導電率が低下しにくく、高温の排気ガス環境下でも長時間使用することができる。
【００３７】
センサ素子は、ガス検出層の層法線方向がガスセンサの長手方向に対して略平行になるように配置されていることが好ましい。このような配置（「横置き配置」）を採用することにより、ガスセンサの長手方向のサイズをより小さくすることができ、ガスセンサのいっそうの小型化を図ることができる。
【００３８】
センサ素子がガス検出層を支持する基板をさらに有している場合には、センサ素子を、基板の主面がガスセンサの長手方向に対して略直交するように配置することにより、上記の横置き配置を実現することができる。
【００３９】
横置き配置を採用する場合、センサ素子の基板は、典型的には、端子の先端部が挿入される端子挿入孔を有し、この端子挿入孔内で端子がセンサ素子に接合されている。
【００４０】
端子が電極棒を含んでいる構成では、電極棒とセンサ素子とが接合部によって接合される。センサ素子と端子との接続構造の耐熱性を高くするためには、この電極棒も耐熱性の高い材料から形成されていることが好ましい。
【００４１】
電極棒は、具体的には、１０００℃以上の融点を有する金属材料から形成されていることが好ましい。
【００４２】
電極棒は、白金から形成されていることがもっとも好ましい。白金から形成された電極棒は、その表面が酸化しにくいので、高温の排気ガスに晒されても導電率が低下しにくい。
【００４３】
また、電極棒が、タングステン、モリブデン、ニッケル、鉄、レニウム、クロムおよびチタンのうちの少なくとも１つを含む金属材料から形成された電極棒本体と、電極棒本体の表面上に形成された白金めっき層とを有する構成を用いることも好ましい。このような構成を用いることにより、電極棒全体を白金から形成する場合よりも製造コストを低減することができ、また、電極棒の導電率の低下を十分に抑制することができる。
【００４４】
ガスセンサが、電極棒が挿通されるセラミックス部材をさらに備える場合には、このセラミックス部材のセンサ素子側の端部が、電極棒を包囲し、且つ、センサ素子に接合されていると、センサ素子が、電極棒だけでなく、セラミックス部材によっても保持される。そのため、センサ素子をガスセンサに強固に接続することができ、振動や衝撃に対するガスセンサの信頼性を向上させることができる。
【００４５】
また、電極棒と前記セラミックス部材との間にガラスシール部を設けると、電極棒とセラミックス部材とがガラスシール部によって接合されるので、電極棒の強度が向上し、振動や衝撃に対するガスセンサの信頼性をいっそう向上させることができる。
【００４６】
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】
【００４７】
本発明によると、センサ素子と端子とが耐熱性に優れた接続構造によって接続されている、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】
【００４８】
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。
【００４９】
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、所定のガス（ここでは酸素）を検出するためのガス検出層１１を有するセンサ素子１０と、センサ素子１０と外部との間で電気的な入出力を行うためのリード線２０と、センサ素子１０とリード線２０とを電気的に接続する端子３０とを備えている。
【００５０】
酸素センサ１００は、さらに、酸素センサ１００の構成要素の一部を収容し、酸素センサ１００を排気管に固定するためのハウジング４０を備えている。ハウジング４０の外側面には、ねじ山が形成されたねじ部４０ａ（ねじ山は図示していない）が設けられている。このねじ部４０ａ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４０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。
【００５１】
センサ素子１０は、図１に示されているように、ハウジング４０の先端側に位置するように配置されている。センサ素子１０は、上述したガス検出層１１に加え、ガス検出層１１を支持する基板１２を有している。基板１２は、端子３０の先端部が挿入される端子挿入孔１２ａを有し、端子挿入孔１２ａ内で後述する接合部８０によって端子３０とセンサ素子１０とが接合されている。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。抵抗型のセンサ素子１０の具体的な構成については後述する。
【００５２】
センサ素子１０を覆うように、ハウジング４０の先端側に先端側カバー５０が設けられている。先端側カバー５０は、内側カバー部材５１および外側カバー部材５２から構成された二重構造を有している。内側カバー部材５１および外側カバー部材５２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）５３が形成されている。内側カバー部材５１および外側カバー部材５２は、典型的には金属材料（例えばステンレス鋼）から形成されており、ハウジング４０に例えば溶接によって接合されている。
【００５３】
また、ハウジング４０の基端側には、端子３０のハウジング４０から露出した部分を覆うように筒状（例えば円筒状）の基端側カバー６０が設けられている。基端側カバー６０は、典型的には金属材料（例えばステンレス鋼）から形成されており、ハウジング４０に例えば溶接によって接合されている。基端側カバー６０のハウジング４０から遠い方の端部に、基端側カバー６０を封口する封口部材６２が配置されている。
【００５４】
封口部材６２は、リード線２０および端子３０が挿入される円柱状の貫通孔６２ａを有している。封口部材６２は、耐熱性樹脂から形成されている。耐熱性樹脂としては、ポリイミド樹脂のような熱可塑性樹脂を用いてもよいし、フェノール樹脂のような熱硬化性樹脂を用いてもよい。
【００５５】
リード線２０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。リード線２０は、フッ素ゴムやシリコンゴムなどから形成された蛇腹状の防水キャップ６４によってさらに覆われており、防水キャップ６４ごと貫通孔６２ａに挿入されている。リード線２０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２０を介して行われる。
【００５６】
端子３０は、封口部材６２の貫通孔６２ａに圧入固定された圧入部３２と、圧入部３２からセンサ素子１０側に延びる電極棒（ワイヤー）３４とを含んでいる。
【００５７】
圧入部３２は、金属材料（ステンレス鋼やニッケル合金など）から形成されている。圧入部３２の中央部３２ａは、略円柱状であり、封口部材６２の貫通孔６２ａよりも若干大きな外径を有している。従って、圧入部３２を封口部材６２の貫通孔６２ａに圧入することにより、貫通孔６２ａがほぼ完全に閉塞される。また、この圧入により、封口部材６２の外径も本来の外径より若干大きくなる。つまり、基端側カバー６０に対して封口部材６２が圧入固定された状態となる。そのため、基端側カバー６０と封口部材６２との間もほぼ完全に閉塞される。
【００５８】
圧入部３２は、その一端部３２ｂをかしめることによって、リード線２０に接続されている。また、圧入部３２は、その他端部３２ｃをかしめることによって、電極棒３４に接続されている。勿論、圧入部３２の他端部３２ｃと電極棒３４とを溶接（例えば抵抗溶接やレーザー溶接）によって接続してもよい。
【００５９】
電極棒３４は、金属材料から形成されており、電極棒３４の先端部が、基板１２の端子挿入孔１２ａ内でセンサ素子１０に接合されている。電極棒３４とハウジング４０との間は、ガラスシール部７０によって気密封止されている。ガラスシール部７０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を用いることができる。ガラスシール部７０が設けられていることにより、ハウジング４０の基端側、すなわち、封口部材６２や端子３０、リード線２０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。
【００６０】
ガラスシール部７０を挟むように、一対のセラミックス部材（セラミックススリーブ）７１および７２が配置されている。以下では、ガラスシール部７０に対してセンサ素子１０側に配置されたセラミックス部材７１を「第１のセラミックス部材」と呼び、ガラスシール部７０に対して第１のセラミックス部材７１とは反対側に配置されたセラミックス部材７２を「第２のセラミックス部材」と呼ぶ。第１および第２のセラミックス部材７１および７２は、耐熱性および絶縁性に優れたセラミックス材料（例えばアルミナ）から形成されており、電極棒３４が挿通される孔をそれぞれ有している。
【００６１】
次に、図２および図３を参照しながら、抵抗型のセンサ素子１０の構成を具体的に説明する。図２は、酸素センサ１００のセンサ素子１０近傍を拡大して示す断面図である。また、図３（ａ）は、センサ素子１０を酸素センサ１００の中心軸（図１および図２中に鎖線で示されている。）方向から見た上面図であり、図３（ｂ）は、図３（ａ）におけるガス検出層１１を省略した図である。
【００６２】
センサ素子１０は、既に述べたように、ガス検出層１１と、ガス検出層１１を支持する基板１２とを有する。
【００６３】
ガス検出層１１は、酸化物半導体から形成されており、基板１２の主面１２ｐ上に設けられている。酸化物半導体から形成されたガス検出層１１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、ガス検出層１１中の酸素空孔濃度が変化するので、ガス検出層１１の抵抗率が変化する。酸化物半導体としては、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。
【００６４】
基板１２は、絶縁性を有する材料（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の主面１２ｐ上には、図３（ａ）および（ｂ）に示しているように、ガス検出層１１の抵抗率を検出するための検出電極１３や、ガス検出層１１を昇温させるためのヒータ１４も設けられている。
【００６５】
検出電極１３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。ガス検出層１１の抵抗率の変化を効率よく計測するためには、検出電極１３のガス検出層１１に重なる部分は、図３（ｂ）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。
【００６６】
ヒータ１４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１４は、ガス検出層１１の周囲に蛇行するようなパターンで形成されている。ヒータ１４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。
【００６７】
ヒータ１４から引き延ばされたヒータ電極１４ａに電圧を印加することにより、加熱が行われる。ヒータ１４によってガス検出層１１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。なお、ここでは基板１２の主面１２ｐ上にヒータ１４が設けられている構成を例示したが、基板１２の裏面上にヒータ１４を設けてもよい。
【００６８】
また、ここでは図示しないが、ガス検出層１１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、ガス検出層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ガス検出層１１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。
【００６９】
続いて、酸素センサ１００におけるセンサ素子１０と端子３０との接続構造を説明する。
【００７０】
本実施形態における酸素センサ１００は、図１および図２に示すように、端子３０とセンサ素子１０とを接合する接合部８０を備えている。ここでは、接合部８０は、基板１２の端子挿入孔１２ａ内に設けられており、端子挿入孔１２ａ内で端子３０の電極棒３４とセンサ素子１０（より具体的にはセンサ素子１０の検出電極１３やヒータ電極１４ａ）とが接合部８０によって接合されている。
【００７１】
本実施形態における接合部８０は、ガラス材料と、１０００℃以上の融点を有する金属材料とを含んでいる。つまり、接合部８０は、ガラス材料と高融点金属材料とを含む混合物から形成されている。このような接合部８０によって、センサ素子１０と端子３０とが物理的に結合されるとともに電気的に接続されている。
【００７２】
上述したように、本実施形態における酸素センサ１００では、ガラス材料と１０００℃以上の融点を有する金属材料とを含む接合部８０によってセンサ素子１０と端子３０とが接合されており、このような接合部８０は、耐熱性に優れている。また、接合部８０自体が耐熱性に優れていることに加え、このような接合部８０が設けられていることにより、端子３０の材料として、板ばね材のような特殊な物性を有する材料を用いる必要がなくなる。つまり、端子３０の材料の選択に制約が少なく、耐熱性の高い材料を用いることができる。そのため、本実施形態における酸素センサ１００では、センサ素子１０と端子３０とを耐熱性に優れた接続構造によって接続することができる。従って、高温の排気ガスに晒されるガス検出層１１からセンサ素子１０と端子３０との接続箇所（つまり接合部８０）までの距離を長く確保する必要がない。そのため、酸素センサ１００の長手方向のサイズ、すなわち、酸素センサ１００の中心軸方向の長さを小さくすることができ、酸素センサ１００を小型化することができる。
【００７３】
接合部８０は、具体的には、ガラス材料と、１０００℃以上の融点を有する金属材料の粉末とを含む混合物を加熱して溶融させ、その後固化させることによって形成される。ガラス材料としては、封止材として公知の種々の材料を用いることができ、例えば、ＺｎＯ−ＳｉＯ2−ＭｇＯ系ガラス材料やＺｎＯ−Ｂ2Ｏ3−Ｂｉ2Ｏ3系ガラス材料、ＳｉＯ2−Ｂ2Ｏ3−ＭｇＯ系ガラス材料などを用いることができる。センサ素子１０と端子３０との電気的な接続を十分に確保するためには、接合部８０は、金属材料を２０ｗｔ％以上含むことが好ましい。金属材料の含有率が２０ｗｔ％を下回ると、接合部８０の抵抗値が急増してしまう。ただし、ガラス材料による接合強度を十分に高く保つため、および、高価な金属材料を用いたときの製造コストの増加を抑制するためには、金属材料の含有率は７０ｗｔ％以下であることが好ましい。
【００７４】
接合部８０に含まれる金属材料としては、具体的には、白金（Ｐｔ）、タングステン（Ｗ）、モリブデン（Ｍｏ）、ニッケル（Ｎｉ）、鉄（Ｆｅ）、レニウム（Ｒｅ）、クロム（Ｃｒ）およびチタン（Ｔｉ）のうちの少なくとも１つを含むものを用いることができる。白金、タングステン、モリブデン、ニッケル、鉄、レニウム、クロムおよびチタンの融点は下記表１に示すようにいずれも１０００℃以上である。接合部８０を形成する際には、ガラス材料に対し、上記金属元素の粉末を１種類だけ添加してもよいし、２種類以上添加してもよく、上記金属元素を含む合金の粉末を添加してもよい。１０００℃以上の融点を有する合金としては、例えばＷ−Ｒｅ（タングステン−レニウム）合金やＰｔ−Ｒｅ（白金−レニウム）合金を用いることができる。
【００７５】
【表１】
【００７６】
酸素センサ１００の耐久性の観点からは、接合部８０に含まれる金属材料は、白金であることがもっとも好ましい。白金は、融点が高いだけでなく、耐酸化性に優れる。つまり、白金の表面は、高温の排気ガスに晒されても酸化しにくい。そのため、金属材料として白金のみを含む接合部８０は、導電率が低下しにくく、高温の排気ガス環境下でも長時間使用することができる。ただし、白金は高価であるので、製造コストを低減する観点からは、例示した他の材料を用いることが好ましい。
【００７７】
また、本実施形態における酸素センサ１００では、図１および図２に示しているように、センサ素子１０は、ガス検出層１１の層法線方向（図２中に矢印Ｄとして示している。）が酸素センサ１００の長手方向（中心軸方向）に対して略平行になるように配置されている。言い換えると、センサ素子１０は、基板１２の主面１２ｐが酸素センサ１００の長手方向に対して略直交するように配置されている。これに対し、図１４に示した従来の酸素センサ８００では、センサ素子８１０は、ガス検出層８１１の層法線方向が酸素センサ８００の長手方向に対して略直交するように（言い換えると基板８１２の主面が酸素センサ８００の長手方向に対して略平行になるように）配置されている。
【００７８】
つまり、本実施形態では、センサ素子１０の配置角度が従来とはほぼ９０°異なっている。本願明細書では、本実施形態のように、ガス検出層１１の層法線方向が酸素センサ１００の長手方向（中心軸方向）に対して略平行になるようなセンサ素子１０の配置を「横置き配置」と呼び、従来のように、ガス検出層８１１の層法線方向が酸素センサ８００の長手方向に対して略平行になるようなセンサ素子８１０の配置を「縦置き配置」と呼ぶ。
【００７９】
本実施形態のように横置き配置を採用することにより、酸素センサ１００の長手方向のサイズをより小さくすることができるので、酸素センサ１００のいっそうの小型化を図ることができる。図４に、横置き配置が採用された本実施形態における酸素センサ１００と、縦置き配置が採用された従来の酸素センサ８００とについて、試作例のサイズを比較して示す。図４に示されているように、本実施形態における酸素センサ１００の長さＬ1が２９ｍｍであるのに対し、従来の酸素センサ８００の長さＬ2は４６ｍｍであった。つまり、本実施形態の酸素センサ１００では、従来に比べ、長手方向のサイズを約２／３にすることができた。
【００８０】
なお、横置き配置において、ガス検出層１１の層法線方向は酸素センサ１００の長手方向に対して厳密に平行でなくてもよい。ガス検出層１１の層法線方向は酸素センサ１００の長手方向に略平行であればよく、具体的には、ガス検出層１１の層法線方向と酸素センサ１００の長手方向とのなす角が１０°以下であればよい。両者のなす角が１０°以下であれば、酸素センサ１００の長手方向のサイズはほとんど増加しないので、ガス検出層１１の層法線方向と酸素センサ１００の長手方向とが平行である場合とほぼ同様の小型化を図ることができる。
【００８１】
また、本発明は、縦置き配置を採用する場合にも好適に用いられる。縦置き配置を採用した場合、従来の耐熱性に欠ける接続構造では、ガス検出層からセンサ素子と端子との接続箇所までの距離を十分に確保するために長い基板（例えば図１４に示されている基板８１２）を用いる必要があった。これに対し、本発明によれば、センサ素子と端子との接続箇所がガス検出層と近接しても問題ないので、長い基板を用いる必要がない。そのため、縦置き配置を採用した場合にも、酸素センサの小型化を実現することができる。
【００８２】
センサ素子１０と端子３０との接続構造の耐熱性を高くするためには、電極棒３４も耐熱性の高い材料から形成されていることが好ましい。具体的には、電極棒３４は、１０００℃以上の融点を有する金属材料から形成されていることが好ましい。既に述べたように、白金は優れた耐酸化性を有しているので、その表面が酸化しにくい。そのため、高温の排気ガスに晒されることによる電極棒３４の導電率の低下を抑制する観点からは、電極棒３４は、白金から形成されていることがもっとも好ましい。
【００８３】
ただし、白金は高価である。そのため、製造コストの観点から、電極棒３４の材料として、１０００℃以上の融点を有する他の（白金以外の）金属材料を用いてもよく、具体的には、タングステン、モリブデン、ニッケル、鉄、レニウム、クロムおよびチタンのうちの少なくとも１つを含む金属材料を用いてもよい。
【００８４】
また、図５に示すように、電極棒３４が、タングステン、モリブデン、ニッケル、鉄、レニウム、クロムおよびチタンのうちの少なくとも１つを含む金属材料から形成された電極棒本体３４ａと、電極棒本体３４ａの表面上に形成された白金めっき層３４ｂとを有する構成を用いることも好ましい。このような構成を用いることにより、電極棒３４全体を白金から形成する場合よりも製造コストを低減することができ、また、電極棒３４の導電率の低下（特にセンサ素子１０と接続される部分近傍が酸化されることによる導電率の低下）を十分に抑制することができる。
【００８５】
続いて、図６および図７を参照しながら、本実施形態における他の酸素センサ２００を説明する。図６は、酸素センサ２００を模式的に示す断面図であり、図７は、酸素センサ２００のセンサ素子１０近傍を拡大して示す図である。
【００８６】
酸素センサ２００では、第１のセラミックス部材（セラミックススリーブ）７１のセンサ素子１０側の端部７１ａが、電極棒３４を包囲するようにハウジング４０の先端側に延びている。また、この端部７１ａは、センサ素子１０に接合されている。具体的には、センサ素子１０と端子３０とを接合するための接合部８０が、基板１２の端子挿入孔１２ａの上方にも延びており、このような接合部８０によって、第１のセラミックス部材７１の端部７１ａとセンサ素子１０とが接合されている。
【００８７】
このように酸素センサ２００では、第１のセラミックス部材７１のセンサ素子１０側の端部７１ａが、電極棒３４を包囲し、且つ、センサ素子１０に接合されているので、センサ素子１０は、電極棒３４だけでなく、第１のセラミックス部材７１によっても保持される。そのため、図１などに示したように電極棒３４がむき出しになっている（つまり電極棒３４のみでセンサ素子１０が保持されている）場合に比べ、センサ素子１０を酸素センサ２００に強固に接続することができる。従って、振動や衝撃に対する酸素センサ２００の信頼性が向上する。
【００８８】
また、図８および図９に示す本実施形態におけるさらに他の酸素センサ３００のように、電極棒３４と第１のセラミックス部材７１との間にもガラスシール部７０を設けると、電極棒３４と第１のセラミックス部材７１とがガラスシール部７０によって接合されるので、電極棒３４の強度が向上する。そのため、振動や衝撃に対する酸素センサ３００の信頼性がいっそう向上する。
【００８９】
なお、ここまでの説明では抵抗型のセンサ素子１０を例示したが、センサ素子１０としては、酸素を検出し得る種々の素子を用いることができる。例えば、図１０に示すような起電力型のセンサ素子１０を用いてもよい。
【００９０】
図１０に示すセンサ素子１０のガス検出層１１Ａは、固体電解質から形成されている。固体電解質としては、ジルコニアなどを用いることができる。ガス検出層１１Ａの中央付近には、測定基準となるガスすなわち大気が導入される基準大気室１５が形成されている。
【００９１】
ガス検出層１１Ａに接触し、且つ、大気に晒されるように基準電極１６Ａが設けられている。また、ガス検出層１１Ａに接触し、且つ、排気ガスに晒されるように測定電極１６Ｂが設けられている。基準電極１６Ａおよび測定電極１６Ｂは、基板１２の端子挿入孔１２ａ内で接合部８０を介して電極棒３４に接続されている。なお、ここでは図示していないが、基板１２の裏面上には、ガス検出層１１Ａを昇温させるためのヒータが設けられている。
【００９２】
基準電極１６Ａと測定電極１６Ｂとの間には、それぞれのガス（大気および排気ガス）中の酸素分圧に応じた起電力が発生する。そのため、この起電力を測定することによって、排気ガス中に含まれる酸素を検出することができる。
【００９３】
また、図１１に示すような限界電流式のセンサ素子１０を用いてもよい。図１１に示すセンサ素子１０のガス検出層１１Ｂも、固体電解質から形成されている。ガス検出層１１Ｂを挟むように、陰極１８Ａと陽極１８Ｂとが設けられている。陰極１８Ａと陽極１８Ｂとの間に電圧を印加すると、陰極１８Ａでは、酸素が電子を奪われてイオン化し、ガス検出層１１Ｂへの酸素イオンの注入が行われる。また、陽極１８Ｂでは、ガス検出層１１Ｂ内を陰極１８Ａ側から陽極１８Ｂ側に移動してきた酸素イオンが電子を受け取って酸素として放出される。この現象は、固体電解質の酸素ポンプ作用として知られている。
【００９４】
陰極１８Ａへの酸素の供給は、ガス検出層１１Ｂを取り囲むように設けられた拡散律速層１７を通じて行われる。拡散律速層１７は、多孔質のセラミックス材料（例えば多孔質スピネル）から形成されており、酸素のガス拡散を律速する。つまり、陰極１８Ａへの酸素の供給は、拡散律速層１７によって制限される。そのため、陰極１８Ａおよび陽極１８Ｂ間の電流−電圧特性には、飽和電流特性が現れる。このような飽和電流は、限界電流と呼ばれ、その大きさは、雰囲気中の酸素濃度によって決定される。
【００９５】
このように、限界電流式のセンサ素子１０では、陰極１８Ａへの酸素の供給をガス拡散によって行い、酸素濃度に比例した限界電流を測定することによって、酸素濃度を検出する。なお、ここでは図示していないが、基板１２の裏面側には、固体電界質から形成されたガス検出層１１Ｂをイオン伝導に適した温度に昇温させるためのヒータが設けられている。
【００９６】
本実施形態における酸素センサ１００、２００および３００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、２００および３００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。
【００９７】
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。
【００９８】
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。
【００９９】
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の前部にはラジエータ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。
【０１００】
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。
【０１０１】
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。
【０１０２】
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。
【０１０３】
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弁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。
【０１０４】
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。
【０１０５】
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（あるいは２００、３００）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。
【０１０６】
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】
【０１０７】
本発明によると、センサ素子と端子とが耐熱性に優れた接続構造によって接続されている、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。
【０１０８】
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、自動三輪車、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】
【０１０９】
【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】酸素センサ１００が備えるセンサ素子近傍を拡大して示す断面図である。
【図３】（ａ）は、センサ素子を酸素センサの中心軸方向から見た上面図であり、（ｂ）は、（ａ）におけるガス検出層を省略した図である。
【図４】本発明の好適な実施形態における酸素センサ１００および従来の酸素センサ８００について、試作例のサイズを比較して示す図である。
【図５】酸素センサ１００が備えるセンサ素子近傍を拡大して示す断面図である。
【図６】本発明の好適な実施形態における他の酸素センサ２００を模式的に示す断面図である。
【図７】酸素センサ２００が備えるセンサ素子近傍を拡大して示す断面図である。
【図８】本発明の好適な実施形態におけるさらに他の酸素センサ３００を模式的に示す断面図である。
【図９】酸素センサ３００が備えるセンサ素子近傍を拡大して示す断面図である。
【図１０】起電力型のセンサ素子を模式的に示す断面図である。
【図１１】限界電流式のセンサ素子を模式的に示す断面図である。
【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】
【０１１０】
１０ センサ素子
１１、１１Ａ ガス検出層
１２ 基板
１２ａ 端子挿入孔
１３ 検出電極
１４ ヒータ
１４ａ ヒータ電極
１５ 基準大気室
１６Ａ 基準電極
１６Ｂ 測定電極
１７ 拡散律速層
１８Ａ 陰極
１８Ｂ 陽極
２０ リード線
３０ 端子
３２ 圧入部
３４ 電極棒
３４ａ 電極棒本体
３４ｂ 白金めっき層
４０ ハウジング
５０ 先端側カバー
６０ 基端側カバー
６２ 封口部材
６４ 防水キャップ
７０ ガラスシール部
７１ 第１のセラミックス部材
７１ａ 第１のセラミックス部材のセンサ素子側の端部
７２ 第２のセラミックス部材
８０ 接合部
１００、２００、３００ 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、ガスセンサに関し、特に、高温環境で使用されるガスセンサに関する。また、本発明は、そのような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】
図１４に、従来の酸素センサ８００を示す。図１４に示す酸素センサ８００は、センサ素子８１０と、センサ素子８１０が挿通固定されるハウジング８４０とを備えている。
【０００６】
センサ素子８１０は、酸素を検出するためのガス検出層８１１と、ガス検出層８１１を支持する基板８１２とを有する。センサ素子８１０は、ハウジング８４０の先端側にガス検出層８１１が露出するように配置されている。
【０００７】
ハウジング８４０は、ねじ山が形成されたねじ部８４０ａ（ねじ山は不図示）をその外側面に有している。ハウジング８４０のねじ部８４０ａ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が排気管に固定される。
【０００８】
ハウジング８４０の先端部には、センサ素子８１０のガス検出層８１１を覆うように、先端側カバー８５０が設けられている。先端側カバー８５０は、内側カバー部材８５１および外側カバー部材８５２から構成されている。内側カバー部材８５１および外側カバー部材８５２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）８５３が形成されている。
【０００９】
ハウジング８４０とセンサ素子８１０との間は、ガラスシール部８７０によって気密封止されている。ガラスシール部８７０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。
【００１０】
ガラスシール部８７０を挟むように、一対のセラミックススリーブ８７１および８７２が配置されている。セラミックススリーブ８７１および８７２のそれぞれには、センサ素子８１０が挿通される孔が形成されている。
【００１１】
センサ素子８１０と外部との電気的な入出力は、リード線８２０を介して行われる。リード線８２０とセンサ素子８１０とは、端子８３０によって接続されている。端子８３０とセンサ素子８１０との接続は、金属製の板ばね材から形成されている端子８３０を、セラミックスリーブ８７２に形成されている端子挿入孔８７２ａに挿入することにより行われる。
【００１２】
ハウジング８４０の基端側には、端子８３０等を収容するように筒状の基端側カバー８６０が設けられている。基端側カバー８６０の内部に、リード線８２０を挿通させるための貫通孔を有するゴム部材８６２が配置されている。金属材料から形成されている基端側カバー８６０の一部（ゴム部材８６２が配置されている部分）８６０ａを内側にかしめることによって、リード線８２０が固定されるとともに、基端側カバー８６０が封口されている。
【００１３】
図１５に、センサ素子８１０の構造の一例を示す。図１５に示すセンサ素子８１０は、抵抗型のセンサ素子であり、基板８１２の主面８１２ａ上には、ガス検出層として酸化物半導体層８１１が設けられている。また、基板８１２の主面８１２ａ上には、酸化物半導体層８１１の抵抗率を検出するための検出電極８１３も設けられている。酸化物半導体層８１１の抵抗率は、雰囲気ガス中の酸素分圧に応じて変化するので、この抵抗率の変化を検出電極８１３で計測することにより、酸素濃度を検出することができる。
【００１４】
基板８１２の裏面８１２ｂ側には、酸化物半導体層８１１を昇温させるためのヒータ８１４が設けられている。ヒータ８１４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８１４から引き延ばされたヒータ電極８１４ａに電圧を印加すると、所定の形状に形成された発熱体に電流が流れて発熱体が発熱し、そのことによって加熱が行われる。ヒータ８１４によって酸化物半導体層８１１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。
【００１５】
図１５に例示したセンサ素子８１０を用いる場合、セラミックスリーブ８７２の端子挿入孔８７２ａ内で端子８３０が検出電極８１３やヒータ電極８１４ａに当接することにより、センサ素子８１０と端子８３０とが電気的に接続される。
【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
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１６】
従来の酸素センサは、その長手方向のサイズを小さくすることが難しく、小型化が難しいという問題を有していた。例えば図１４に示した酸素センサ８００では金属製（例えばＮＣＦ７５０に代表されるＮｉ−Ｃｒ合金製）の板ばね材を端子８３０として用いており、板ばね材の耐熱性は６００℃程度である。そのため、その温度以上に端子８３０が加熱されないように、高温の排気ガスに晒されるガス検出層８１１からセンサ素子８１０と端子８３０との接続部までの距離を長く確保する必要がある。従って、長手方向のサイズ、すなわち、酸素センサ８００の中心軸（図中に鎖線で示している。）方向の長さを小さくすることが難しい。なお、ここでは板ばね材の弾性を利用してセンサ素子８１０と端子８３０とを接続する構造を例示したが、皿ばね、リングばね等の金属製ばね材の弾性を利用した接続構造を用いる場合には同様の問題が発生する。
【００１７】
このように、従来の酸素センサでは、センサ素子と端子との接続構造の耐熱性が不足しているために、小型化が困難であった。一部の輸送機器（例えば自動二輪車）は、排気管の周囲に空間的な余裕が乏しいので、酸素センサのいっそうの小型化が要望されている。
【００１８】
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、センサ素子と端子とが耐熱性に優れた接続構造によって接続されている、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】
【００１９】
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層を有するセンサ素子と、前記センサ素子と外部との間で電気的な入出力を行うためのリード線と、前記センサ素子と前記リード線とを電気的に接続する端子と、前記端子と前記センサ素子とを接合する接合部と、を備え、前記接合部は、ガラス材料と、１０００℃以上の融点を有する金属材料と、を含む。
【００２０】
ある好適な実施形態において、前記金属材料は、白金、タングステン、モリブデン、ニッケル、鉄、レニウム、クロムおよびチタンのうちの少なくとも１つを含む。
【００２１】
ある好適な実施形態において、前記金属材料は白金である。
【００２２】
ある好適な実施形態において、前記センサ素子は、前記ガス検出層の層法線方向が前記ガスセンサの長手方向に対して略平行にな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、前記センサ素子は、前記ガス検出層を支持する基板をさらに有し、前記センサ素子は、前記基板の主面が前記ガスセンサの長手方向に対して略直交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、前記センサ素子の前記基板は、前記端子の先端部が挿入される端子挿入孔を有し、前記端子は前記端子挿入孔内で前記センサ素子に接合されている。
【００２５】
ある好適な実施形態において、前記端子は、電極棒を含み、前記電極棒と前記センサ素子とは前記接合部によって接合されている。
【００２６】
ある好適な実施形態において、前記電極棒は、１０００℃以上の融点を有する金属材料から形成されている。
【００２７】
ある好適な実施形態において、前記電極棒は白金から形成されている。
【００２８】
ある好適な実施形態において、前記電極棒は、タングステン、モリブデン、ニッケル、鉄、レニウム、クロムおよびチタンのうちの少なくとも１つを含む金属材料から形成された電極棒本体と、前記電極棒本体の表面上に形成された白金めっき層とを有する。
【００２９】
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、前記電極棒が挿通されるセラミックス部材をさらに備え、前記セラミックス部材の前記センサ素子側の端部は、前記電極棒を包囲し、且つ、前記センサ素子に接合されている。
【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、前記電極棒と前記セラミックス部材との間に設けられたガラスシール部をさらに備える。
【００３１】
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。
【００３２】
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ている。
【００３３】
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ている。
【００３４】
本発明によるガスセンサでは、ガラス材料と１０００℃以上の融点を有する金属材料とを含む接合部によってセンサ素子と端子とが接合されており、このような接合部は、耐熱性に優れている。また、接合部自体が耐熱性に優れていることに加え、このような接合部が設けられていることにより、端子の材料として、板ばね材のような特殊な物性を有する材料を用いる必要がなくなる。つまり、端子の材料の選択に制約が少なく、耐熱性の高い材料を用いることができる。そのため、本発明によるガスセンサでは、センサ素子と端子とを耐熱性に優れた接続構造によって接続することができる。従って、高温の排気ガスに晒されるガス検出層からセンサ素子と端子との接続箇所（つまり接合部）までの距離を長く確保する必要がない。そのため、ガスセンサの長手方向のサイズ、すなわち、ガスセンサの中心軸方向の長さを小さくすることができ、ガスセンサを小型化することができる。
【００３５】
接合部に含まれる金属材料としては、白金、タングステン、モリブデン、ニッケル、鉄、レニウム、クロムおよびチタンのうちの少なくとも１つを含むものが好適に用いられる。
【００３６】
ガスセンサの耐久性の観点からは、接合部に含まれる金属材料は、白金であることがもっとも好ましい。白金は、融点が高いだけでなく、耐酸化性に優れる。つまり、白金の表面は、高温の排気ガスに晒されても酸化しにくい。そのため、金属材料として白金のみを含む接合部は、導電率が低下しにくく、高温の排気ガス環境下でも長時間使用することができる。
【００３７】
センサ素子は、ガス検出層の層法線方向がガスセンサの長手方向に対して略平行になるように配置されていることが好ましい。このような配置（「横置き配置」）を採用することにより、ガスセンサの長手方向のサイズをより小さくすることができ、ガスセンサのいっそうの小型化を図ることができる。
【００３８】
センサ素子がガス検出層を支持する基板をさらに有している場合には、センサ素子を、基板の主面がガスセンサの長手方向に対して略直交するように配置することにより、上記の横置き配置を実現することができる。
【００３９】
横置き配置を採用する場合、センサ素子の基板は、典型的には、端子の先端部が挿入される端子挿入孔を有し、この端子挿入孔内で端子がセンサ素子に接合されている。
【００４０】
端子が電極棒を含んでいる構成では、電極棒とセンサ素子とが接合部によって接合される。センサ素子と端子との接続構造の耐熱性を高くするためには、この電極棒も耐熱性の高い材料から形成されていることが好ましい。
【００４１】
電極棒は、具体的には、１０００℃以上の融点を有する金属材料から形成されていることが好ましい。
【００４２】
電極棒は、白金から形成されていることがもっとも好ましい。白金から形成された電極棒は、その表面が酸化しにくいので、高温の排気ガスに晒されても導電率が低下しにくい。
【００４３】
また、電極棒が、タングステン、モリブデン、ニッケル、鉄、レニウム、クロムおよびチタンのうちの少なくとも１つを含む金属材料から形成された電極棒本体と、電極棒本体の表面上に形成された白金めっき層とを有する構成を用いることも好ましい。このような構成を用いることにより、電極棒全体を白金から形成する場合よりも製造コストを低減することができ、また、電極棒の導電率の低下を十分に抑制することができる。
【００４４】
ガスセンサが、電極棒が挿通されるセラミックス部材をさらに備える場合には、このセラミックス部材のセンサ素子側の端部が、電極棒を包囲し、且つ、センサ素子に接合されていると、センサ素子が、電極棒だけでなく、セラミックス部材によっても保持される。そのため、センサ素子をガスセンサに強固に接続することができ、振動や衝撃に対するガスセンサの信頼性を向上させることができる。
【００４５】
また、電極棒と前記セラミックス部材との間にガラスシール部を設けると、電極棒とセラミックス部材とがガラスシール部によって接合されるので、電極棒の強度が向上し、振動や衝撃に対するガスセンサの信頼性をいっそう向上させることができる。
【００４６】
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】
【００４７】
本発明によると、センサ素子と端子とが耐熱性に優れた接続構造によって接続されている、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】
【００４８】
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。
【００４９】
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、所定のガス（ここでは酸素）を検出するためのガス検出層１１を有するセンサ素子１０と、センサ素子１０と外部との間で電気的な入出力を行うためのリード線２０と、センサ素子１０とリード線２０とを電気的に接続する端子３０とを備えている。
【００５０】
酸素センサ１００は、さらに、酸素センサ１００の構成要素の一部を収容し、酸素センサ１００を排気管に固定するためのハウジング４０を備えている。ハウジング４０の外側面には、ねじ山が形成されたねじ部４０ａ（ねじ山は図示していない）が設けられている。このねじ部４０ａ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４０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。
【００５１】
センサ素子１０は、図１に示されているように、ハウジング４０の先端側に位置するように配置されている。センサ素子１０は、上述したガス検出層１１に加え、ガス検出層１１を支持する基板１２を有している。基板１２は、端子３０の先端部が挿入される端子挿入孔１２ａを有し、端子挿入孔１２ａ内で後述する接合部８０によって端子３０とセンサ素子１０とが接合されている。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。抵抗型のセンサ素子１０の具体的な構成については後述する。
【００５２】
センサ素子１０を覆うように、ハウジング４０の先端側に先端側カバー５０が設けられている。先端側カバー５０は、内側カバー部材５１および外側カバー部材５２から構成された二重構造を有している。内側カバー部材５１および外側カバー部材５２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）５３が形成されている。内側カバー部材５１および外側カバー部材５２は、典型的には金属材料（例えばステンレス鋼）から形成されており、ハウジング４０に例えば溶接によって接合されている。
【００５３】
また、ハウジング４０の基端側には、端子３０のハウジング４０から露出した部分を覆うように筒状（例えば円筒状）の基端側カバー６０が設けられている。基端側カバー６０は、典型的には金属材料（例えばステンレス鋼）から形成されており、ハウジング４０に例えば溶接によって接合されている。基端側カバー６０のハウジング４０から遠い方の端部に、基端側カバー６０を封口する封口部材６２が配置されている。
【００５４】
封口部材６２は、リード線２０および端子３０が挿入される円柱状の貫通孔６２ａを有している。封口部材６２は、耐熱性樹脂から形成されている。耐熱性樹脂としては、ポリイミド樹脂のような熱可塑性樹脂を用いてもよいし、フェノール樹脂のような熱硬化性樹脂を用いてもよい。
【００５５】
リード線２０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。リード線２０は、フッ素ゴムやシリコンゴムなどから形成された蛇腹状の防水キャップ６４によってさらに覆われており、防水キャップ６４ごと貫通孔６２ａに挿入されている。リード線２０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２０を介して行われる。
【００５６】
端子３０は、封口部材６２の貫通孔６２ａに圧入固定された圧入部３２と、圧入部３２からセンサ素子１０側に延びる電極棒（ワイヤー）３４とを含んでいる。
【００５７】
圧入部３２は、金属材料（ステンレス鋼やニッケル合金など）から形成されている。圧入部３２の中央部３２ａは、略円柱状であり、封口部材６２の貫通孔６２ａよりも若干大きな外径を有している。従って、圧入部３２を封口部材６２の貫通孔６２ａに圧入することにより、貫通孔６２ａがほぼ完全に閉塞される。また、この圧入により、封口部材６２の外径も本来の外径より若干大きくなる。つまり、基端側カバー６０に対して封口部材６２が圧入固定された状態となる。そのため、基端側カバー６０と封口部材６２との間もほぼ完全に閉塞される。
【００５８】
圧入部３２は、その一端部３２ｂをかしめることによって、リード線２０に接続されている。また、圧入部３２は、その他端部３２ｃをかしめることによって、電極棒３４に接続されている。勿論、圧入部３２の他端部３２ｃと電極棒３４とを溶接（例えば抵抗溶接やレーザー溶接）によって接続してもよい。
【００５９】
電極棒３４は、金属材料から形成されており、電極棒３４の先端部が、基板１２の端子挿入孔１２ａ内でセンサ素子１０に接合されている。電極棒３４とハウジング４０との間は、ガラスシール部７０によって気密封止されている。ガラスシール部７０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を用いることができる。ガラスシール部７０が設けられていることにより、ハウジング４０の基端側、すなわち、封口部材６２や端子３０、リード線２０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。
【００６０】
ガラスシール部７０を挟むように、一対のセラミックス部材（セラミックススリーブ）７１および７２が配置されている。以下では、ガラスシール部７０に対してセンサ素子１０側に配置されたセラミックス部材７１を「第１のセラミックス部材」と呼び、ガラスシール部７０に対して第１のセラミックス部材７１とは反対側に配置されたセラミックス部材７２を「第２のセラミックス部材」と呼ぶ。第１および第２のセラミックス部材７１および７２は、耐熱性および絶縁性に優れたセラミックス材料（例えばアルミナ）から形成されており、電極棒３４が挿通される孔をそれぞれ有している。
【００６１】
次に、図２および図３を参照しながら、抵抗型のセンサ素子１０の構成を具体的に説明する。図２は、酸素センサ１００のセンサ素子１０近傍を拡大して示す断面図である。また、図３（ａ）は、センサ素子１０を酸素センサ１００の中心軸（図１および図２中に鎖線で示されている。）方向から見た上面図であり、図３（ｂ）は、図３（ａ）におけるガス検出層１１を省略した図である。
【００６２】
センサ素子１０は、既に述べたように、ガス検出層１１と、ガス検出層１１を支持する基板１２とを有する。
【００６３】
ガス検出層１１は、酸化物半導体から形成されており、基板１２の主面１２ｐ上に設けられている。酸化物半導体から形成されたガス検出層１１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、ガス検出層１１中の酸素空孔濃度が変化するので、ガス検出層１１の抵抗率が変化する。酸化物半導体としては、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。
【００６４】
基板１２は、絶縁性を有する材料（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の主面１２ｐ上には、図３（ａ）および（ｂ）に示しているように、ガス検出層１１の抵抗率を検出するための検出電極１３や、ガス検出層１１を昇温させるためのヒータ１４も設けられている。
【００６５】
検出電極１３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。ガス検出層１１の抵抗率の変化を効率よく計測するためには、検出電極１３のガス検出層１１に重なる部分は、図３（ｂ）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。
【００６６】
ヒータ１４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１４は、ガス検出層１１の周囲に蛇行するようなパターンで形成されている。ヒータ１４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。
【００６７】
ヒータ１４から引き延ばされたヒータ電極１４ａに電圧を印加することにより、加熱が行われる。ヒータ１４によってガス検出層１１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。なお、ここでは基板１２の主面１２ｐ上にヒータ１４が設けられている構成を例示したが、基板１２の裏面上にヒータ１４を設けてもよい。
【００６８】
また、ここでは図示しないが、ガス検出層１１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、ガス検出層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ガス検出層１１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。
【００６９】
続いて、酸素センサ１００におけるセンサ素子１０と端子３０との接続構造を説明する。
【００７０】
本実施形態における酸素センサ１００は、図１および図２に示すように、端子３０とセンサ素子１０とを接合する接合部８０を備えている。ここでは、接合部８０は、基板１２の端子挿入孔１２ａ内に設けられており、端子挿入孔１２ａ内で端子３０の電極棒３４とセンサ素子１０（より具体的にはセンサ素子１０の検出電極１３やヒータ電極１４ａ）とが接合部８０によって接合されている。
【００７１】
本実施形態における接合部８０は、ガラス材料と、１０００℃以上の融点を有する金属材料とを含んでいる。つまり、接合部８０は、ガラス材料と高融点金属材料とを含む混合物から形成されている。このような接合部８０によって、センサ素子１０と端子３０とが物理的に結合されるとともに電気的に接続されている。
【００７２】
上述したように、本実施形態における酸素センサ１００では、ガラス材料と１０００℃以上の融点を有する金属材料とを含む接合部８０によってセンサ素子１０と端子３０とが接合されており、このような接合部８０は、耐熱性に優れている。また、接合部８０自体が耐熱性に優れていることに加え、このような接合部８０が設けられていることにより、端子３０の材料として、板ばね材のような特殊な物性を有する材料を用いる必要がなくなる。つまり、端子３０の材料の選択に制約が少なく、耐熱性の高い材料を用いることができる。そのため、本実施形態における酸素センサ１００では、センサ素子１０と端子３０とを耐熱性に優れた接続構造によって接続することができる。従って、高温の排気ガスに晒されるガス検出層１１からセンサ素子１０と端子３０との接続箇所（つまり接合部８０）までの距離を長く確保する必要がない。そのため、酸素センサ１００の長手方向のサイズ、すなわち、酸素センサ１００の中心軸方向の長さを小さくすることができ、酸素センサ１００を小型化することができる。
【００７３】
接合部８０は、具体的には、ガラス材料と、１０００℃以上の融点を有する金属材料の粉末とを含む混合物を加熱して溶融させ、その後固化させることによって形成される。ガラス材料としては、封止材として公知の種々の材料を用いることができ、例えば、ＺｎＯ−ＳｉＯ2−ＭｇＯ系ガラス材料やＺｎＯ−Ｂ2Ｏ3−Ｂｉ2Ｏ3系ガラス材料、ＳｉＯ2−Ｂ2Ｏ3−ＭｇＯ系ガラス材料などを用いることができる。センサ素子１０と端子３０との電気的な接続を十分に確保するためには、接合部８０は、金属材料を２０ｗｔ％以上含むことが好ましい。金属材料の含有率が２０ｗｔ％を下回ると、接合部８０の抵抗値が急増してしまう。ただし、ガラス材料による接合強度を十分に高く保つため、および、高価な金属材料を用いたときの製造コストの増加を抑制するためには、金属材料の含有率は７０ｗｔ％以下であることが好ましい。
【００７４】
接合部８０に含まれる金属材料としては、具体的には、白金（Ｐｔ）、タングステン（Ｗ）、モリブデン（Ｍｏ）、ニッケル（Ｎｉ）、鉄（Ｆｅ）、レニウム（Ｒｅ）、クロム（Ｃｒ）およびチタン（Ｔｉ）のうちの少なくとも１つを含むものを用いることができる。白金、タングステン、モリブデン、ニッケル、鉄、レニウム、クロムおよびチタンの融点は下記表１に示すようにいずれも１０００℃以上である。接合部８０を形成する際には、ガラス材料に対し、上記金属元素の粉末を１種類だけ添加してもよいし、２種類以上添加してもよく、上記金属元素を含む合金の粉末を添加してもよい。１０００℃以上の融点を有する合金としては、例えばＷ−Ｒｅ（タングステン−レニウム）合金やＰｔ−Ｒｅ（白金−レニウム）合金を用いることができる。
【００７５】
【表１】
【００７６】
酸素センサ１００の耐久性の観点からは、接合部８０に含まれる金属材料は、白金であることがもっとも好ましい。白金は、融点が高いだけでなく、耐酸化性に優れる。つまり、白金の表面は、高温の排気ガスに晒されても酸化しにくい。そのため、金属材料として白金のみを含む接合部８０は、導電率が低下しにくく、高温の排気ガス環境下でも長時間使用することができる。ただし、白金は高価であるので、製造コストを低減する観点からは、例示した他の材料を用いることが好ましい。
【００７７】
また、本実施形態における酸素センサ１００では、図１および図２に示しているように、センサ素子１０は、ガス検出層１１の層法線方向（図２中に矢印Ｄとして示している。）が酸素センサ１００の長手方向（中心軸方向）に対して略平行になるように配置されている。言い換えると、センサ素子１０は、基板１２の主面１２ｐが酸素センサ１００の長手方向に対して略直交するように配置されている。これに対し、図１４に示した従来の酸素センサ８００では、センサ素子８１０は、ガス検出層８１１の層法線方向が酸素センサ８００の長手方向に対して略直交するように（言い換えると基板８１２の主面が酸素センサ８００の長手方向に対して略平行になるように）配置されている。
【００７８】
つまり、本実施形態では、センサ素子１０の配置角度が従来とはほぼ９０°異なっている。本願明細書では、本実施形態のように、ガス検出層１１の層法線方向が酸素センサ１００の長手方向（中心軸方向）に対して略平行になるようなセンサ素子１０の配置を「横置き配置」と呼び、従来のように、ガス検出層８１１の層法線方向が酸素センサ８００の長手方向に対して略平行になるようなセンサ素子８１０の配置を「縦置き配置」と呼ぶ。
【００７９】
本実施形態のように横置き配置を採用することにより、酸素センサ１００の長手方向のサイズをより小さくすることができるので、酸素センサ１００のいっそうの小型化を図ることができる。図４に、横置き配置が採用された本実施形態における酸素センサ１００と、縦置き配置が採用された従来の酸素センサ８００とについて、試作例のサイズを比較して示す。図４に示されているように、本実施形態における酸素センサ１００の長さＬ1が２９ｍｍであるのに対し、従来の酸素センサ８００の長さＬ2は４６ｍｍであった。つまり、本実施形態の酸素センサ１００では、従来に比べ、長手方向のサイズを約２／３にすることができた。
【００８０】
なお、横置き配置において、ガス検出層１１の層法線方向は酸素センサ１００の長手方向に対して厳密に平行でなくてもよい。ガス検出層１１の層法線方向は酸素センサ１００の長手方向に略平行であればよく、具体的には、ガス検出層１１の層法線方向と酸素センサ１００の長手方向とのなす角が１０°以下であればよい。両者のなす角が１０°以下であれば、酸素センサ１００の長手方向のサイズはほとんど増加しないので、ガス検出層１１の層法線方向と酸素センサ１００の長手方向とが平行である場合とほぼ同様の小型化を図ることができる。
【００８１】
また、本発明は、縦置き配置を採用する場合にも好適に用いられる。縦置き配置を採用した場合、従来の耐熱性に欠ける接続構造では、ガス検出層からセンサ素子と端子との接続箇所までの距離を十分に確保するために長い基板（例えば図１４に示されている基板８１２）を用いる必要があった。これに対し、本発明によれば、センサ素子と端子との接続箇所がガス検出層と近接しても問題ないので、長い基板を用いる必要がない。そのため、縦置き配置を採用した場合にも、酸素センサの小型化を実現することができる。
【００８２】
センサ素子１０と端子３０との接続構造の耐熱性を高くするためには、電極棒３４も耐熱性の高い材料から形成されていることが好ましい。具体的には、電極棒３４は、１０００℃以上の融点を有する金属材料から形成されていることが好ましい。既に述べたように、白金は優れた耐酸化性を有しているので、その表面が酸化しにくい。そのため、高温の排気ガスに晒されることによる電極棒３４の導電率の低下を抑制する観点からは、電極棒３４は、白金から形成されていることがもっとも好ましい。
【００８３】
ただし、白金は高価である。そのため、製造コストの観点から、電極棒３４の材料として、１０００℃以上の融点を有する他の（白金以外の）金属材料を用いてもよく、具体的には、タングステン、モリブデン、ニッケル、鉄、レニウム、クロムおよびチタンのうちの少なくとも１つを含む金属材料を用いてもよい。
【００８４】
また、図５に示すように、電極棒３４が、タングステン、モリブデン、ニッケル、鉄、レニウム、クロムおよびチタンのうちの少なくとも１つを含む金属材料から形成された電極棒本体３４ａと、電極棒本体３４ａの表面上に形成された白金めっき層３４ｂとを有する構成を用いることも好ましい。このような構成を用いることにより、電極棒３４全体を白金から形成する場合よりも製造コストを低減することができ、また、電極棒３４の導電率の低下（特にセンサ素子１０と接続される部分近傍が酸化されることによる導電率の低下）を十分に抑制することができる。
【００８５】
続いて、図６および図７を参照しながら、本実施形態における他の酸素センサ２００を説明する。図６は、酸素センサ２００を模式的に示す断面図であり、図７は、酸素センサ２００のセンサ素子１０近傍を拡大して示す図である。
【００８６】
酸素センサ２００では、第１のセラミックス部材（セラミックススリーブ）７１のセンサ素子１０側の端部７１ａが、電極棒３４を包囲するようにハウジング４０の先端側に延びている。また、この端部７１ａは、センサ素子１０に接合されている。具体的には、センサ素子１０と端子３０とを接合するための接合部８０が、基板１２の端子挿入孔１２ａの上方にも延びており、このような接合部８０によって、第１のセラミックス部材７１の端部７１ａとセンサ素子１０とが接合されている。
【００８７】
このように酸素センサ２００では、第１のセラミックス部材７１のセンサ素子１０側の端部７１ａが、電極棒３４を包囲し、且つ、センサ素子１０に接合されているので、センサ素子１０は、電極棒３４だけでなく、第１のセラミックス部材７１によっても保持される。そのため、図１などに示したように電極棒３４がむき出しになっている（つまり電極棒３４のみでセンサ素子１０が保持されている）場合に比べ、センサ素子１０を酸素センサ２００に強固に接続することができる。従って、振動や衝撃に対する酸素センサ２００の信頼性が向上する。
【００８８】
また、図８および図９に示す本実施形態におけるさらに他の酸素センサ３００のように、電極棒３４と第１のセラミックス部材７１との間にもガラスシール部７０を設けると、電極棒３４と第１のセラミックス部材７１とがガラスシール部７０によって接合されるので、電極棒３４の強度が向上する。そのため、振動や衝撃に対する酸素センサ３００の信頼性がいっそう向上する。
【００８９】
なお、ここまでの説明では抵抗型のセンサ素子１０を例示したが、センサ素子１０としては、酸素を検出し得る種々の素子を用いることができる。例えば、図１０に示すような起電力型のセンサ素子１０を用いてもよい。
【００９０】
図１０に示すセンサ素子１０のガス検出層１１Ａは、固体電解質から形成されている。固体電解質としては、ジルコニアなどを用いることができる。ガス検出層１１Ａの中央付近には、測定基準となるガスすなわち大気が導入される基準大気室１５が形成されている。
【００９１】
ガス検出層１１Ａに接触し、且つ、大気に晒されるように基準電極１６Ａが設けられている。また、ガス検出層１１Ａに接触し、且つ、排気ガスに晒されるように測定電極１６Ｂが設けられている。基準電極１６Ａおよび測定電極１６Ｂは、基板１２の端子挿入孔１２ａ内で接合部８０を介して電極棒３４に接続されている。なお、ここでは図示していないが、基板１２の裏面上には、ガス検出層１１Ａを昇温させるためのヒータが設けられている。
【００９２】
基準電極１６Ａと測定電極１６Ｂとの間には、それぞれのガス（大気および排気ガス）中の酸素分圧に応じた起電力が発生する。そのため、この起電力を測定することによって、排気ガス中に含まれる酸素を検出することができる。
【００９３】
また、図１１に示すような限界電流式のセンサ素子１０を用いてもよい。図１１に示すセンサ素子１０のガス検出層１１Ｂも、固体電解質から形成されている。ガス検出層１１Ｂを挟むように、陰極１８Ａと陽極１８Ｂとが設けられている。陰極１８Ａと陽極１８Ｂとの間に電圧を印加すると、陰極１８Ａでは、酸素が電子を奪われてイオン化し、ガス検出層１１Ｂへの酸素イオンの注入が行われる。また、陽極１８Ｂでは、ガス検出層１１Ｂ内を陰極１８Ａ側から陽極１８Ｂ側に移動してきた酸素イオンが電子を受け取って酸素として放出される。この現象は、固体電解質の酸素ポンプ作用として知られている。
【００９４】
陰極１８Ａへの酸素の供給は、ガス検出層１１Ｂを取り囲むように設けられた拡散律速層１７を通じて行われる。拡散律速層１７は、多孔質のセラミックス材料（例えば多孔質スピネル）から形成されており、酸素のガス拡散を律速する。つまり、陰極１８Ａへの酸素の供給は、拡散律速層１７によって制限される。そのため、陰極１８Ａおよび陽極１８Ｂ間の電流−電圧特性には、飽和電流特性が現れる。このような飽和電流は、限界電流と呼ばれ、その大きさは、雰囲気中の酸素濃度によって決定される。
【００９５】
このように、限界電流式のセンサ素子１０では、陰極１８Ａへの酸素の供給をガス拡散によって行い、酸素濃度に比例した限界電流を測定することによって、酸素濃度を検出する。なお、ここでは図示していないが、基板１２の裏面側には、固体電界質から形成されたガス検出層１１Ｂをイオン伝導に適した温度に昇温させるためのヒータが設けられている。
【００９６】
本実施形態における酸素センサ１００、２００および３００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、２００および３００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。
【００９７】
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。
【００９８】
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。
【００９９】
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の前部にはラジエータ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。
【０１００】
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。
【０１０１】
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。
【０１０２】
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。
【０１０３】
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弁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。
【０１０４】
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。
【０１０５】
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（あるいは２００、３００）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。
【０１０６】
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】
【０１０７】
本発明によると、センサ素子と端子とが耐熱性に優れた接続構造によって接続されている、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。
【０１０８】
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、自動三輪車、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】
【０１０９】
【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】酸素センサ１００が備えるセンサ素子近傍を拡大して示す断面図である。
【図３】（ａ）は、センサ素子を酸素センサの中心軸方向から見た上面図であり、（ｂ）は、（ａ）におけるガス検出層を省略した図である。
【図４】本発明の好適な実施形態における酸素センサ１００および従来の酸素センサ８００について、試作例のサイズを比較して示す図である。
【図５】酸素センサ１００が備えるセンサ素子近傍を拡大して示す断面図である。
【図６】本発明の好適な実施形態における他の酸素センサ２００を模式的に示す断面図である。
【図７】酸素センサ２００が備えるセンサ素子近傍を拡大して示す断面図である。
【図８】本発明の好適な実施形態におけるさらに他の酸素センサ３００を模式的に示す断面図である。
【図９】酸素センサ３００が備えるセンサ素子近傍を拡大して示す断面図である。
【図１０】起電力型のセンサ素子を模式的に示す断面図である。
【図１１】限界電流式のセンサ素子を模式的に示す断面図である。
【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】
【０１１０】
１０ センサ素子
１１、１１Ａ ガス検出層
１２ 基板
１２ａ 端子挿入孔
１３ 検出電極
１４ ヒータ
１４ａ ヒータ電極
１５ 基準大気室
１６Ａ 基準電極
１６Ｂ 測定電極
１７ 拡散律速層
１８Ａ 陰極
１８Ｂ 陽極
２０ リード線
３０ 端子
３２ 圧入部
３４ 電極棒
３４ａ 電極棒本体
３４ｂ 白金めっき層
４０ ハウジング
５０ 先端側カバー
６０ 基端側カバー
６２ 封口部材
６４ 防水キャップ
７０ ガラスシール部
７１ 第１のセラミックス部材
７１ａ 第１のセラミックス部材のセンサ素子側の端部
７２ 第２のセラミックス部材
８０ 接合部
１００、２００、３００ 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層を有するセンサ素子と、
前記センサ素子と外部との間で電気的な入出力を行うためのリード線と、
前記センサ素子と前記リード線とを電気的に接続する端子と、
前記端子と前記センサ素子とを接合する接合部と、を備え、
前記接合部は、ガラス材料と、１０００℃以上の融点を有する金属材料と、を含むガスセンサ。
【請求項２】
前記金属材料は、白金、タングステン、モリブデン、ニッケル、鉄、レニウム、クロムおよびチタンのうちの少なくとも１つを含む請求項１に記載のガスセンサ。
【請求項３】
前記金属材料は白金である請求項１または２に記載のガスセンサ。
【請求項４】
前記センサ素子は、前記ガス検出層の層法線方向が前記ガスセンサの長手方向に対して略平行になるように配置されている請求項１から３のいずれかに記載のガスセンサ。
【請求項５】
前記センサ素子は、前記ガス検出層を支持する基板をさらに有し、
前記センサ素子は、前記基板の主面が前記ガスセンサの長手方向に対して略直交するように配置されている請求項４に記載のガスセンサ。
【請求項６】
前記センサ素子の前記基板は、前記端子の先端部が挿入される端子挿入孔を有し、
前記端子は前記端子挿入孔内で前記センサ素子に接合されている請求項５に記載のガスセンサ。
【請求項７】
前記端子は、電極棒を含み、
前記電極棒と前記センサ素子とが前記接合部によって接合されている請求項１から６のいずれかに記載のガスセンサ。
【請求項８】
前記電極棒は、１０００℃以上の融点を有する金属材料から形成されている請求項７に記載のガスセンサ。
【請求項９】
前記電極棒は白金から形成されている請求項８に記載のガスセンサ。
【請求項１０】
前記電極棒は、タングステン、モリブデン、ニッケル、鉄、レニウム、クロムおよびチタンのうちの少なくとも１つを含む金属材料から形成された電極棒本体と、前記電極棒本体の表面上に形成された白金めっき層とを有する請求項８に記載のガスセンサ。
【請求項１１】
前記電極棒が挿通されるセラミックス部材をさらに備え、
前記セラミックス部材の前記センサ素子側の端部は、前記電極棒を包囲し、且つ、前記センサ素子に接合されている請求項７から１０のいずれかに記載のガスセンサ。
【請求項１２】
前記電極棒と前記セラミックス部材との間に設けられたガラスシール部をさらに備える、請求項１１に記載のガスセンサ。
【請求項１３】
酸素センサである請求項１から１２のいずれかに記載のガスセンサ。
【請求項１４】
請求項１３に記載のガスセンサを備えた空燃比制御装置。
【請求項１５】
請求項１４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層を有するセンサ素子と、
前記センサ素子と外部との間で電気的な入出力を行うためのリード線と、
前記センサ素子と前記リード線とを電気的に接続する端子と、
前記端子と前記センサ素子とを接合する接合部と、を備え、
前記接合部は、ガラス材料と、１０００℃以上の融点を有する金属材料と、を含むガスセンサ。
【請求項２】
前記金属材料は、白金、タングステン、モリブデン、ニッケル、鉄、レニウム、クロムおよびチタンのうちの少なくとも１つを含む請求項１に記載のガスセンサ。
【請求項３】
前記金属材料は白金である請求項１または２に記載のガスセンサ。
【請求項４】
前記センサ素子は、前記ガス検出層の層法線方向が前記ガスセンサの長手方向に対して略平行になるように配置されている請求項１から３のいずれかに記載のガスセンサ。
【請求項５】
前記センサ素子は、前記ガス検出層を支持する基板をさらに有し、
前記センサ素子は、前記基板の主面が前記ガスセンサの長手方向に対して略直交するように配置されている請求項４に記載のガスセンサ。
【請求項６】
前記センサ素子の前記基板は、前記端子の先端部が挿入される端子挿入孔を有し、
前記端子は前記端子挿入孔内で前記センサ素子に接合されている請求項５に記載のガスセンサ。
【請求項７】
前記端子は、電極棒を含み、
前記電極棒と前記センサ素子とが前記接合部によって接合されている請求項１から６のいずれかに記載のガスセンサ。
【請求項８】
前記電極棒は、１０００℃以上の融点を有する金属材料から形成されている請求項７に記載のガスセンサ。
【請求項９】
前記電極棒は白金から形成されている請求項８に記載のガスセンサ。
【請求項１０】
前記電極棒は、タングステン、モリブデン、ニッケル、鉄、レニウム、クロムおよびチタンのうちの少なくとも１つを含む金属材料から形成された電極棒本体と、前記電極棒本体の表面上に形成された白金めっき層とを有する請求項８に記載のガスセンサ。
【請求項１１】
前記電極棒が挿通されるセラミックス部材をさらに備え、
前記セラミックス部材の前記センサ素子側の端部は、前記電極棒を包囲し、且つ、前記センサ素子に接合されている請求項７から１０のいずれかに記載のガスセンサ。
【請求項１２】
前記電極棒と前記セラミックス部材との間に設けられたガラスシール部をさらに備える、請求項１１に記載のガスセンサ。
【請求項１３】
酸素センサである請求項１から１２のいずれかに記載のガスセンサ。
【請求項１４】
請求項１３に記載のガスセンサを備えた空燃比制御装置。
【請求項１５】
請求項１４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２００９−１７５１３５（Ｐ２００９−１７５１３５Ａ）
【公開日】平成２１年８月６日（２００９．８．６）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００８−３１２２３９（Ｐ２００８−３１２２３９）
【出願日】平成２０年１２月８日（２００８．１２．８）
【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８月６日（２００９．８．６）
【国際特許分類】
【出願日】平成２０年１２月８日（２００８．１２．８）
【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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