ガスセンサ
【課題】構造の簡素化および小型化を図りつつ、検出素子の形状自由度を向上させることのできるガスセンサを得る。
【解決手段】ガスセンサ１は、被測定ガス中の特定ガス成分の濃度を検出する検出素子２と、導電性を有し、素子挿入孔に前記検出素子が挿入されたホルダ４と、を備えている。そして、アース電極２６ｂとホルダ４とを、グラファイト１２ｂを介して電気的に接続することで、アース電極２６ｂをホルダ４にボディアースしている。
【解決手段】ガスセンサ１は、被測定ガス中の特定ガス成分の濃度を検出する検出素子２と、導電性を有し、素子挿入孔に前記検出素子が挿入されたホルダ４と、を備えている。そして、アース電極２６ｂとホルダ４とを、グラファイト１２ｂを介して電気的に接続することで、アース電極２６ｂをホルダ４にボディアースしている。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、被検出ガスに含まれる特定ガス成分の濃度を検出するガスセンサに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、ガスセンサとして、被測定ガスに含まれる特定ガス成分の濃度を検出する検出素子（ガス検出素子）と、この検出素子をパッキンを介して支持するホルダ（主体金具）と、を備え、例えば車両の排気管に設置されて排気ガス中の酸素濃度を検出するものが知られている（例えば特許文献１参照）。
【０００３】
この特許文献１に開示されるガスセンサでは、検出素子の外周に径方向外向きに突出した鍔部が設けられており、検出素子の先端部から当該鍔部の先端面にかけて設けられたアース電極（外側電極）を当該鍔部の先端面とホルダとの間に配置されたパッキンを介してホルダに接続させるとともに、ホルダを排気管に接続させることで、アース電極をボディアースしている。
【特許文献１】特開２００５−１０１５６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、鍔部が形成されていない検出素子等を用いた場合、かかる従来技術のように、検出素子のアース電極をパッキンを介してホルダに接続することが難しい。このため、上記従来の技術では、検出素子の形状自由度の向上を図り難かった。
【０００５】
そこで、本発明は、構造の簡素化および小型化を図りつつ、検出素子の形状自由度を向上させることのできるガスセンサを得ることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明は、アース電極を有し、被測定ガス中の特定ガス成分の濃度を検出する検出素子と、導電性を有し、素子挿入孔に前記検出素子が挿入されたホルダと、を備えるガスセンサにおいて、前記アース電極と前記ホルダとが、グラファイトを介して電気的に接続されていることを特徴とする。
【発明の効果】
【０００７】
本発明によれば、グラファイトによってアース電極とホルダとを電気的に接続しているため、鍔部が形成されていない検出素子等を用いた場合でも、アース電極を容易にボディアースさせることができる。したがって、ガスセンサの構造の簡素化および小型化を図りつつ、検出素子の形状自由度を向上させることができるようになる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
以下、本発明を具現化した実施形態について図面を参照して説明する。以下の実施形態では、内燃機関を搭載した自動車や２輪車等の車両の排気管に装着された空燃比検出用の酸素センサを例示する。
【０００９】
（第１の実施形態）
図１は、本実施形態にかかる酸素センサを排気管に取り付けられた状態で示す側面図、図２は、酸素センサの断面図（軸方向に沿った断面図）、図３は、酸素センサの要部の断面図（軸方向に沿った断面図）、図４は、検出素子を示す図であって、（ａ）は、検出素子の側面図、（ｂ）は、図４（ａ）のＣ−Ｃ断面図、図５は、検出素子の分解斜視図、図６は、シール部の要部の断面図、図７は、図２のＡ−Ａ断面図に対応する第１変形例を示す断面図である。
【００１０】
［酸素センサ１の概要］
図１に示すように、本実施形態の酸素センサ１は、エンジン１０１に接続された排気管１０２における触媒１０３とエンジン１０１との間の位置もしくは触媒の下流側に設けられている。
【００１１】
図２に示すように、本実施形態の酸素センサ１は、外面に段付きの外形略円柱状をなしている。酸素センサ１は、被測定ガス中の特定ガス成分の濃度を検出する検出素子２と、検出素子２が挿通されている筒状のホルダ４と、このホルダ４と検出素子２との間をシールし、且つ、検出素子２をホルダ４内に位置決めするシール部５と、検出素子２に接続された端子６と、ホルダ４の軸方向の一端部（上端部）側に配置され、端子６を支持している絶縁体である碍子７と、ホルダ４の軸方向の一端部（上端部）側に配置され、碍子７の外面を覆っているケーシング８と、ホルダ４の他端部（下端部）に固定されるとともにホルダ４より突出し、検出素子２の外面を覆うプロテクタ９と、を備えている。
【００１２】
［検出素子２］
図２ないし図４に示すように、本実施形態に示す検出素子２は、断面略円柱状をした棒状に形成され、その軸方向の一端部（上端部）には、後述する出力電極２５ｂおよびヒータ電極２２ｂを有する接続部２ａが形成され、その軸方向の他端部（下端部）には酸素検知部２ｂが形成されている。詳しくは、検出素子２は、接続部２ａを有する小径円柱部２ｃとこの小径円柱部２ｃの外径Ｄ１よりも略大径に形成された大径円柱部２ｄとを有する段付き円柱状に形成されて小径円柱部２ｃに接続部２ａが形成され、大径円柱部２ｄに酸素検知部２ｂが形成されている。小径円柱部２ｃの先端は、その全周に亘って面取りが施されている。
【００１３】
出力電極２５ｂは、検出素子２の外部に対して露出しており、出力電極２５ｂと酸素検知部２ｂとは、相互に電気的に接続されている。検出素子２では、酸素検知部２ｂが被測定ガスである排ガスに含まれる特定ガス成分として酸素を検出し、その検出結果として酸素濃度を出力電極２５ｂから電気信号で出力するようになっている。
【００１４】
検出素子２は、詳細には、図４，図５に示すように、絶縁材料であるアルミナ等のセラミック材料により形成される細長い円柱ロッド状の基体２１を有し、この基体２１に接続部２ａを構成する出力電極２５ｂや、酸素検知部２ｂが形成されている。検出素子２は、このように基体２１をロッド状に形成することにより、酸素センサ１をよりコンパクトな構成とすることができるとともに、取り付け時の方向やガスの流れ方向等による影響を受けなくすることができる。
【００１５】
基体２１の表面２１ａ上には、ヒータパターン２２が形成されており、このヒータパターン２２は、絶縁層２３によって被覆されている。そして、この基体２１は、ヒータパターン２２および絶縁層２３とともに、ヒータ部２８を構成している。
【００１６】
ヒータパターン２２は、例えばアルミナを混合した白金等の発熱性導体材料からなり、基体２１の表面２１ａに曲面印刷等の手段を用いて形成されている。また、ヒータパターン２２には、基体２１の先端側から基体側に向けて延びる一対のリード部２２ａが一体的に連設されている。これらのリード部２２ａにおける基体２１の基端側はヒータ電極２２ｂとなっており、これらのヒータ電極２２ｂが、図２に示すように端子６に接続されている。そして、ヒータパターン２２は、外部のヒータ電源（図示せず）から各リード部２２ａを介して給電されることにより、例えば７２０〜８００℃程度の温度に基体２１を加熱する。
【００１７】
絶縁層２３は、ヒータパターン２２をリード部２２ａと一緒に径方向外側から保護するために、例えばアルミナ等のセラミック材料を曲面印刷等の手段で基体２１の外周側に厚膜印刷することにより形成されている。
【００１８】
また、基体２１の表面２１ａ上には、ヒータパターン２２とは別の位置に機能層３０および当該機能層３０の外面を覆う保護層３１等が曲面印刷等の手段を用いて積層化するように形成されている。本実施形態では、この機能層３０および保護層３１は、ヒータパターン２２に対して基体２１の表面２１ａ上における径方向の対向位置に設けられている。
【００１９】
機能層３０は、酸素イオン伝導性を有する固体電解質層２４と、この固体電解質層２４の基体２１側に位置する参照電極層２５と、この参照電極層２５に対して固体電解質層２４の反対側に位置する検出電極層２６と、固体電解質層２４の基体２１側に位置し、固体電解質層２４に向けて基準ガスである外気（大気）を導く空気通過層２７を含んで構成されている。
【００２０】
固体電解質層２４は、例えばジルコニアの粉体中に所定重量％のイットリアの粉体を混合させてペースト状物により形成される。そして、固体電解質層２４は、参照電極層２５と検出電極層２６との間で、周囲の酸素濃度差に応じた起電力を発生させ、その厚さ方向に酸素イオンを輸送する。
【００２１】
これにより、固体電解質層２４と一対の電極層である参照電極層２５および検出電極層２６とによって、酸素濃度を電気信号として取り出す酸素測定部２９を形成する。
【００２２】
また、固体電解質層２４の一部は、空気通過層２７に接している。すなわち、空気通過層２７は、少なくとも基体２１と固体電解質層２４との界面に形成されている。
【００２３】
参照電極層２５および検出電極層２６は、それぞれ白金等からなる導電性で、かつ酸素が通過できる材料により形成されている。そして、参照電極層２５および検出電極層２６にはそれぞれリード部２５ａ，２６ａが一体的に延設されており、これらのリード部２５ａ，２６ａを用いて参照電極層２５と検出電極層２６との間に現れた出力電圧を検出できるようになっている。詳しくは、これらリード部２５ａ，２６ａにおける参照電極層２５および検出電極層２６側とは反対側の端部が、電極部としての出力電極２５ｂ、アース電極２６ｂとなっている。アース電極２６ｂは、本実施形態においては、酸素センサ１組み付け時における検出素子２の粉充填スペース４ｇに対応する部位に設けられており、保護層３１，拡散層３２に形成されたアース電極用窓部３１ａ，３２ａによってアース電極２６ｂの表面全体もしくは一部が外部に露出するように設けられている。一方、出力電極２５ｂは、基体２１の軸方向の一端側に保護層３１よりも延出してアース電極２６ｂとは軸方向にズレて外部に露出している（図示せず）。即ち、アース電極２６ｂおよび出力電極２５ｂは、検出素子２の外周に設けられている。
【００２４】
空気通過層２７は、例えばアルミナの粉体（所定重量％のジルコニアの粉体を混合してもよい）からなるペースト状物を曲面印刷等の手段を用いて基体２１の表面２１ａの外周側に厚膜印刷することにより環状に形成されている。
【００２５】
そして、空気通過層２７は、連続気泡からなる空孔を有した多孔質構造に形成され、検出素子２の周囲を流れる被測定ガスの一部を、図５に示す軸方向の一端側の端面から矢示ａ方向（軸方向）へと空気通過層２７の内部に拡散させつつ、この被測定ガスを参照電極層２５に向けて透過させる機能を有している。
【００２６】
また、本実施形態では、空気通過層２７は、固体電解質層２４の面積よりも小さい絶縁性材料（例えばアルミナ）と固体電解質（例えばジルコニア）とのセラミック混合体により形成されることで、固体電解質層２４の焼結時において固体電解質層２４と基体２１との間の応力差を緩和する機能も備えている。
【００２７】
さらに、固体電解質層２４を除いた機能層３０の外面（リード線部２５ａ，２６ａおよび緩和層２７の一部外面）には、保護層３１が形成されており、この保護層３１と絶縁層２３の外面には、拡散層３２が保護層３１や固体電解質層２４を覆うように形成されており、この拡散層３２の外面には、スピネル保護層３３が拡散層３２の外面を含めた領域を覆うように形成されている。
【００２８】
保護層３１は、被測定ガス中の酸素が内面側に透過できない材料、例えば、アルミナ等のセラミック材料より形成されている。本実施形態では、図５に示すように、保護層３１には、アース電極用窓部３１ａが形成されており、当該アース電極用窓部３１ａからアース電極２６ｂが露出するようにしている。また、保護層３１には、検出電極層用窓部３１ｂが形成され、当該検出電極層用窓部３１ｂから検出電極層２６の全部または一部が露出している。これによって、測定ガス中の酸素が、検出電極層用窓部３１ｂのみから検出電極層２６に入り込むことができるようになる。
【００２９】
拡散層３２は、測定ガス中の有害ガス、ダスト等は内面側に通過できないが、測定ガス中の酸素は通過できる材質、例えば、アルミナと酸化マグネシウムの混合物の多孔質構造体によって形成されている。なお、拡散層３２にも、アース電極用窓部３２ａが形成されており、当該アース電極用窓部３２ａからアース電極２６ｂが露出するようにしている。また、拡散層３２にも、保護層３１と同様に検出電極層用窓部３２ｂが形成され、当該検出電極層用窓部３２ｂから検出電極層２６の全部または一部が露出している。
【００３０】
スピネル保護層３３は、保護層３１、拡散層３２及び保護層３１，拡散層３２のそれぞれの検出電極層用窓部３１ｂ，３２ｂから外部に露出している検出電極層２６とともに、機能層３０，ヒータ部２８の外面を覆っており、測定ガス中の酸素を通過できる多孔質構造をしており、保護層３１より荒い多孔質体によって形成されている。
【００３１】
このような検出素子２は、一連の印刷工程で形成される。具体的には、まず、アルミナ等のセラミック材料を射出成形して基体２１を製造した後、この基体２１を回転させつつ、基体の表面２１ａの略半分の領域に、曲面スクリーン印刷によってヒータパターン２２、リード部２２ａおよび絶縁層２３を形成する。
【００３２】
次に、基体２１の表面２１ａで、且つ、ヒータパターン２２の領域とは逆の半分の領域に、曲面スクリーン印刷によって空気通過層２７を形成する。
【００３３】
次に、基体２１の表面２１ａに空気通過層２７の上から白金等からなる導電性ペーストを曲面スクリーン印刷して参照電極層２５及びそのリード部２５ａを一体に形成する。
【００３４】
次に、参照電極層２５及び空気通過層２７の上面に例えば、ジルコニアとイットリアからなるペースト状物を曲面スクリーン印刷して空気通過層２７の面積よりも大きく酸素イオン伝導性の固体電解質層２４を形成する。
【００３５】
次に、固体電解質層２４の上面に白金等からなる導電性ペーストを曲面スクリーン印刷して検出電極層２６及びそのリード部２６ａを一体に形成する。
【００３６】
これらによって機能層３０を形成するとともに、検出電極層２６及び固体電解質層２４の上面に、例えばアルミナと酸化マグネシウムからなるペースト状物を曲面スクリーン印刷して保護層３１を形成する。
【００３７】
ここで、保護層３１は、両電極２５，２６のリード部２５ａ，２６ａ及び空気通過層２７の一部を覆うように形成されており、リード部２５ａ，２６ａを保護するとともに、空気通過層２７をシールする機能を有している。
【００３８】
このように、保護層３１で両電極２５，２６のリード部２５ａ，２６ａ及び空気通過層２７の一部を覆うことで、空気通過層２７に導入される空気の漏れを確実に防止できるようにしている。
【００３９】
次いで、固体電解質層２４、保護層３１および絶縁層２３の一部外面を覆うように拡散層３２が形成される。
【００４０】
拡散層３２は、焼成後に多孔質構造となり、固体電解質層２４を保護するとともに、被測定ガスを検出電極層２６に拡散する機能を有している。
【００４１】
次いで、検出電極層２６及び固体電解質層２４の外面のみならず絶縁層２３の外面、つまり、基体２１の外面の円周方向の全領域に亘って、例えば、アルミナと酸化マグネシウムからなるペースト状物を曲面スクリーン印刷してスピネル保護層３３を形成し、円柱状作成物を形成することで曲面スクリーン印刷工程を終了する。
【００４２】
そして、このような一連の印刷工程を終えた円柱状作成物を高熱（たとえば１４００〜１５００℃）で焼成することにより一体的に焼結された検出素子２を得ることができる。このとき、空気通過層２７にはジルコニアとアルミニウムの混合材料に、さらに例えばカーボン等の空孔形成剤（消失剤）を加えて混合したものをパターニングし、それを焼成することにより形成し、多孔質構造とする。
【００４３】
また、参照電極層２５は、貴金属材料（例えば白金等）に例えばテオブロミン等の空孔形成剤を加えて混合したものをパターニングし、それを焼成することにより形成することで、焼成時に空孔形成剤（消失剤）が焼き飛ばされて電極内に空孔ができ、電極を多孔質構造とすることができる。
【００４４】
さらに、空気通過層２７は、固体電解質層２４を通じて参照電極層２５へ輸送されてくる酸素を図示しない経路によって逃散させるガス逃散路としての機能もある。とくに、本実施形態の空気通過層２７はセラミック混合体に空孔形成剤を混合して形成される。このように空孔形成剤を混合して形成することにより、焼成時に空孔形成剤が焼き飛ばされて層内に空孔ができ、空気通過層２７を多孔質構造にすることができることから、参照電極層２５から供給された余剰酸素を検出素子端部へ排出することができるので、酸素の圧力の上昇による素子割れを防止することが可能になる。
【００４５】
［ホルダ４］
図２および図３に示すように、ホルダ４には、検出素子２が挿入されている素子挿入孔４ａが形成されている。この素子挿入孔４ａに挿入された検出素子２は、その酸素検知部２ｂがホルダ４の軸方向の他方側に露出している一方、接続部２ａがホルダ４の軸方向の一方側に露出している。
【００４６】
ホルダ４は、その上部に上方から見て六角形状を有する六角部４ｂを有し、この六角部４ｂに工具を嵌合してホルダ４に回転トルクを容易に作用させることができるようになっている。ホルダ４の下部の外面には、ネジ部４ｃが形成されている。ホルダ４の六角部４ｂとネジ部４ｃとの間には、ガスケット３５が配置されている。
【００４７】
また、ホルダ４の六角部４ｂの上面には、凸部４ｄが形成されている。凸部４ｄの上面は、碍子７の下端面７ａと当接し碍子７におけるホルダ４側の端部（下端部）を支持する位置決め面４ｈとなっている。この凸部４ｄには、溝部４ｅが形成されている。そして、この溝部４ｅの内周壁が折り曲げられて加締め部４ｆとなっている。このホルダ４は、ステンレス等の金属によって形成されて、導電性を有している。
【００４８】
［シール部５］
シール部５は、素子挿入孔４ａの軸方向の一端部に位置する粉充填スペース（シール材収納スペース）４ｇと、この粉充填スペース４ｇの近傍に設けられた加締め部４ｆとを有している。粉充填スペース４ｇは、素子挿入孔４ａの一部がホルダ４の先端側（酸素検知部２ｂ側）からホルダ４の後端側（接続部２ａ側）へ向けて拡径されることで形成されている。シール部５は、粉充填スペース４ｇに充填剤（シール材）１２とこの充填剤１２を押圧する押圧部材１３とを収容し、検出素子２の径方向で、検出素子２の中心へ向かう方向へ全周加締め等の手段を用いて曲げ加工することで加締め変形した加締め部４ｆによって押圧部材１３を圧縮し、この圧縮力で充填剤１２を圧縮状態で充填することによって検出素子２の外面２ｅとホルダ４の内周面４ｉとの間をシールし、且つ、検出素子２をホルダ４に位置決めしている。つまり、充填剤１２は、検出素子２をホルダ４に位置決めし、押圧部材１３は、充填剤１２を押圧して充填剤１２に検出素子２の位置決めをさせている。
【００４９】
このシール部５による検出素子２の外面２ｅとホルダ４の内周面４ｉとの間のシールによって、ホルダ４の内部に外部の水分等が浸入するのが遮断されるとともに、排気管１０２の内部の排気ガス等がケーシング８の内部に浸入するのが遮断される。
【００５０】
ここで、押圧部材１３としては、例えば円筒形状のリング部材が使用されている。
【００５１】
また、本実施形態では、充填剤１２として未焼結のタルク１２ａと、導電性を有し、粒子形状が鱗片状のグラファイト１２ｂを用い、当該タルク１２ａおよびグラファイト１２ｂを検出素子２の軸ｃ方向に積層配置して押圧部材１３により押圧することでシール部５を形成している。そして、グラファイト１２ｂを介してホルダ４と検出素子２のアース電極２６ｂとを電気的に接続している。なお、タルク１２ａの替わりにステアタイト等のセラミック粉を用いることも可能である。
【００５２】
本実施形態では、図６に示すように、シール部５は、検出素子２の軸ｃ方向下側から、タルク１２ａ、グラファイト１２ｂ、タルク１２ａの順に積層された３層構造をしており、検出素子２の外面に露出したアース電極２６ｂがグラファイト１２ｂの内周（内面）に当接している。そして、グラファイト１２ｂの外周（外面）をホルダ４の内周面４ｉに当接させることで、検出素子２とホルダ４とを電気的に接続し、アース電極２６ｂをホルダ４にボディアースさせている。
【００５３】
また、本実施形態では、図６に示すように、圧縮状態におけるグラファイト１２ｂの検出素子２の軸ｃ方向の厚さｔ２を、アース電極２６ｂの検出素子２の軸ｃ方向の厚さｔ１よりも小さくしている。さらに、圧縮状態におけるグラファイト１２ｂの検出素子２の軸ｃ方向の中心Ｍ１とアース電極２６ｂの検出素子２の軸ｃ方向の中心Ｍ２とが軸ｃ方向において略同一となるように配置されている。
【００５４】
［端子６］
図２に示すように、本実施形態における端子６は、検出素子２の出力電極２５ｂおよび一対のヒータ電極２２ｂに対応して３つ設けられている。これらの端子６は、図面では酸素センサ１の軸心周りに略９０度間隔に配置されている例を説明の便宜上示してあるが、これらの端子６は、図７に示すように、酸素センサ１の軸心周りに略１２０度間隔で配置されているのがより好適である。このように、端子６を略１２０度間隔（等間隔）で配置させることによって、各端子６間に一定長の距離をとることができ、各端子６間の接触等によるショートや各電極（ヒータ電極２２ｂ、出力電極２５ｂ）間の接触等によるショートを抑制することができる（絶縁効果）。この端子６は、板素材を折り曲げ加工等することにより形成されており、その一端部には、略板状の接触部６ａが形成されている。端子６の他端部は、ばね性を有する形状に形成されている。具体的には、端子６の他端部には、板ばねである鉤状のばね部６ｂが形成されている。このばね部６ｂは、板素材を折返し加工することによって形成される。
【００５５】
端子６は、ホルダ４の一端部側に配置されている。そして、ホルダ４の軸方向の一方にホルダ４から露出した検出素子２の出力電極２５ｂおよび一対のヒータ電極２２ｂに対して、ばね部６ｂがそのばね性を利用して圧接している。
【００５６】
端子６の接触部６ａは、結合部１４を介してハーネス１５の後述する芯線１５ａに接続されている。接触部６ａは、結合部１４に例えばスポット溶接によって固着されている。ここで、結合部１４は、金属材料などの導電性を有する材料によって形成されている。よって、検出素子２の酸素検知部２ｂは、出力電極２５ｂ、端子６および結合部１４を介して、ハーネス１５の芯線１５ａと電気的に接続されている。
【００５７】
［ハーネス１５］
ハーネス１５は、検出素子２の出力電極２５ｂおよび一対のヒータ電極２２ｂに対応して３つ設けられている。ハーネス１５は、芯線１５ａとこの芯線１５ａを被覆している被覆材１５ｂとから構成されている。芯線１５ａの端部は被覆材１５ｂから露出しており、この芯線１５ａの露出部分が結合部１４に接続されている。
【００５８】
［ケーシング８］
ケーシング８は、碍子７を覆う筒状に形成されている。このケーシング８の軸方向一端部の内側には、シーリングラバー１６が配置され、このシーリングラバー１６を介してハーネス１５がケーシング８の内部から外部に導き出されている。シーリングラバー１６は、ケーシング８の加締め部８ａによる加締めによって、径方向であってシーリングラバー１６の中心部に向かう方向に縮径された状態でケーシング８に固定されている。この加締めによってシーリングラバー１６とハーネス１５との間、およびシーリングラバー１６とケーシング８との間のシール性（気密性）が確保されている。シーリングラバー１６は、フッ素ゴム等の耐熱性を有する材質から構成されている。
【００５９】
ケーシング８の軸方向の他端部は、ホルダ４に嵌着されるとともに、例えばレーザ溶接等の溶接（例えば、全周溶接）によってホルダ４に固定されている。この溶接によってケーシング８とホルダ４との間のシール性が確保されている。なお、この溶接部分は、図１中に符号１７で示している。ケーシング８の内形は、碍子７の外形よりも十分に大きく形成され、これによってケーシング８と碍子７との間には、空隙部３６が形成されている。
【００６０】
［碍子７］
図２に示すように、本実施形態による碍子７は、外形略円柱状に形成されてホルダ４の位置決め面４ｈに起立状態で配置されている。この碍子７は、絶縁材料からなり、その絶縁材料は、例えばセラミックスである。
【００６１】
碍子７の下端面（他端面）７ａには、軸方向一方側に向けて凹む凹部７ｄが形成されている。この凹部７ｄの内周面７ｅに沿って、複数の端子６のばね部６ｂが配置され、これら複数の端子６の間に検出素子２の接続部２ａが嵌合されるようになっている。すなわち、検出素子２と碍子７とが組み付けられた状態では、端子６のばね部６ｂが、碍子７の凹部７ｄの内周面７ｅと検出素子２の接続部２ａの外面との間に形成される空間Ｓに配置され、当該凹部７ｄの内周面７ｅと検出素子２の接続部２ａとに挟持されるようになっている。このように挟持された端子６は、当該挟持によってばね部６ｂに生じる反発力により検出素子２の接続部２ａに圧接し、以て、当該接続部２ａと電気的に接続する。
【００６２】
凹部７ｄの天井部７ｆ（碍子７の上部）には、端子６が貫通挿入される取付孔７ｇが周方向に間隔をもって複数形成されている。本実施形態における端子６は、検出素子２の出力電極２５ｂおよび一対のヒータ電極２２ｂに対応して３つ設けられており、これらの端子６を碍子７の周方向に、例えば等配置した場合には、これらの端子６に挟持される検出素子２を凹部７ｄの略中心に配置しやすくなる。
【００６３】
ここで、碍子７と検出素子２の接続部２ａとの間に形成された空間Ｓは、シール部５、シーリングラバー１６およびケーシング８とホルダ４との溶接部分１７によって略気密性が保持されるが、ハーネス１５における芯線１５ａと被覆材１５ｂとの微小な隙間のみを介して外部と連通しており、かかる連通によって、ケーシング８の内部に酸素濃度検出に用いる基準大気が導入されるようになっている。
【００６４】
碍子７におけるホルダ４側とは反対側の端部である上端部７ｈにおいては、その外周面に、周方向が該碍子７の周方向に沿った円環状の段差部７ｂが形成されている。この段差部７ｂには、弾性部材３７が外嵌されている。ここで、この段差部７ｂに対応してケーシング８にも円環状の段差部８ｂが形成されており、碍子７の段差部７ｂとケーシング８の段差部８ｂとによって弾性部材３７が圧縮状態で挟持されている。弾性部材３７は、例えばＣリング状やＯリング状に形成されている。かかる構造は、弾性部材３７の弾性力によって碍子７をホルダ４へ押し付けるとともに、碍子７の振動を抑制している。また、酸素センサ１が外力によって振動した場合、弾性部材３７が弾性変形することで、碍子７の振れが吸収または抑制されるので、酸素センサ１の耐振性を向上させることができる。
【００６５】
［プロテクタ９］
プロテクタ９は、有底筒状で、且つ、２重構造に形成されている。プロテクタ９とホルダ４との固定は、例えばレーザ溶接等による全周溶接または部分溶接や全周加締め、部分加締め等によってなされている。図２中には、当該固定が溶接の場合の溶接箇所１９が示されている。
【００６６】
プロテクタ９は、内側プロテクタ９ａおよび外側プロテクタ９ｂを有している。これら内側プロテクタ９ａおよび外側プロテクタ９ｂは、例えば金属材料、セラミックス材料等によって形成されている。プロテクタ９の内部には、ホルダ４から下方に突出した検出素子２の酸素検知部２ｂが挿入されている。かかる構造のプロテクタ９は、検出素子２の酸素検知部２ｂを覆うことで、酸素検知部２ｂを排気ガス中の異物等から保護する。
【００６７】
プロテクタ９には、ガス流通用の流通孔９ｃが形成されており、検出ガスは、流通孔９ｃを経由してプロテクタ９の内部に進入して、酸素検知部２ｂに至る。
【００６８】
かかる構成の酸素センサ１は、ホルダ４のネジ部４ｃを排気管１０２のネジ孔１０２ａに螺入することにより排気管１０２に固定され、プロテクタ９で覆われた箇所が排気管１０２内に突出された状態で配置される。酸素センサ１と排気管１０２との間の気密および液密は、ガスケット３５によって保持される。
【００６９】
［酸素センサ１の動作］
このような構成の酸素センサ１において、排気管１０２内を流通するガスがプロテクタ９の流通孔９ｃより内部に流入すると、そのガス内の酸素が検出素子２の酸素検知部２ｂに入り込む。すると、酸素検知部２ｂがガスの酸素濃度を検出し、この検出した酸素濃度を電気信号に変換する。この電気信号の情報が端子６およびハーネス１５を経て外部に出力される。
【００７０】
［作用効果］
以上説明した本実施形態に示す酸素センサ１の作用効果をその作用効果を奏する構成とともに説明する。本実施形態によれば、検出素子２とホルダ４との間の粉充填スペース４ｇにグラファイト１２ｂを充填し、当該グラファイト１２ｂを介してアース電極２６ｂとホルダ４とを電気的に接続しているため、従来技術による検出素子に形成される鍔部を設けることなく、アース電極２６ｂを容易にボディアースさせることができる。また、当該鍔部とホルダとの間にパッキンを配置した場合には、パッキンによって検出素子の表面を傷つけてしまう場合があり、接触不良を引き起こす可能性があったが、本実施形態の構成を採用することによって、上述した問題点を解消することができる。すなわち、断面が丸型のロッド状の検出素子や、断面が矩形状のプレート状の検出素子等を用いた場合でも、アース電極を容易にボディアースさせることができる。したがって、ガスセンサの構造の簡素化および小型化を図りつつ、検出素子の形状自由度を向上させることができるようになる。また、検出素子２の形状が本実施形態に示すようなロッド状である場合、ガスセンサ１の外径を小さくすることができ、一層軽量化させることができる。また、これにより、車両振動等によってガスセンサ１が自重で振られることが抑制され、耐振性の向上が図られ、アース電極２６ｂとホルダ４との電気的接続の高い信頼性を得ることができる。
【００７１】
また、本実施形態によれば、図６に示すとおり、圧縮状態におけるグラファイト１２ｂの検出素子２の軸ｃ方向の厚さｔ２を、アース電極２６ｂの検出素子２の軸ｃ方向の厚さｔ１よりも小さくしているため、充填材（シール材）１２を押圧部材１３にて圧縮押圧する際にアース電極２６ｂに対するグラファイト１２ｂの相対位置が軸ｃ方向へ若干ずれたとしても、グラファイト１２ｂとアース電極２６ｂとを確実に接触させることが可能となり、検出素子２とホルダ４との電気的接続を安定させることができる。
【００７２】
また、本実施形態によれば、図６に示すとおり、圧縮状態におけるグラファイト１２ｂの検出素子２の軸ｃ方向の中心Ｍ１とアース電極２６ｂの検出素子２の軸ｃ方向の中心Ｍ２とを軸ｃ方向において略同一となるように配置しているため、アース電極２６ｂに対するグラファイト１２ｂの軸ｃ方向の一方側（例えば図６における上側）への位置ズレ（車両振動もしくはシール材の経時劣化等による検出素子の位置ズレ等）許容量と軸ｃ方向の他方側（例えば図６における下側）への位置ズレ許容量とを同一にすることができる。そのため、充填剤１２を圧縮した際のグラファイト１２ｂの位置のばらつきをより確実に吸収できるようになる。
【００７３】
また、本実施形態によれば、検出素子２は、棒状に形成され、アース電極２６ｂは、検出素子の外周に設けられ、グラファイト１２ｂが、検出素子２の外周を囲むように設けられているため、酸素センサ１の組立時において検出素子２が軸ｃ方向を中心に回転してしまった場合においてもグラファイト１２ｂを容易にアース電極２６ｂに接触させることができ、酸素センサ１の組立容易性の向上を図ることができる。
【００７４】
また、本実施形態によれば、粒子形状が例えば鱗片状のグラファイト１２ｂを用いているため、充填剤１２を圧縮した際に、グラファイト１２ｂを密に圧縮することができ、充填剤１２による検出素子２とホルダ４との間のシール性を高くすることができる。
【００７５】
また、本実施形態によれば、タルク１２ａの間にグラファイト１２ｂを挟んだ状態で積層しているため、高温の排気ガスが直接グラファイト１２ｂに接触するのが抑制され、耐熱性を向上させることができる。これによって、グラファイトの熱による特性変化を抑制することができ、安定的に導通を確保することができる。また、本実施形態のタルク１２ａもグラファイト１２ｂと同様の鱗片状の粒子形状であるため、押圧部材１３による圧縮押圧の際に、少ない圧力によってタルク１２ａ、グラファイト１２ｂを緻密に形成でき、シール性を容易に向上させることができる。
【００７６】
また、本実施形態においては粉充填スペース４ｇをホルダ４の一端側（図２における上側）近傍に形成したが、ホルダ４とグラファイト１２ｂを介したアース電極２６ｂとの電気的接続を確保する場合においては、粉充填スペース４ｇをホルダ４の他端側（図２における下側）近傍に形成してもよい。
【００７７】
また、粉充填スペース４ｇは、排気管１０２よりもホルダ４の一端側（図２における少なくとも酸素センサ１のネジ部４ｃよりも上側）近傍に形成することで、本実施形態に記載の作用効果を良好に維持することができる。例えばネジ部４ｃの領域に粉充填スペース４ｇを形成（グラファイト１２ｂまたはシール材１２を充填）した場合、酸素センサ１を排気管１０２に取り付ける際に、ネジ部４ｃから粉充填スペース４ｇに負荷が加わり、グラファイト１２ｂ（またはシール材１２）の耐久性が低下してしまうおそれがあるが、粉充填スペース４ｇを排気管１０２よりもホルダ４の一端側近傍に形成することで、かかるおそれが生じてしまわないようにすることができる。
【００７８】
また、ネジ部４ｃよりもホルダ４の一端側（図２における上側）にグラファイト１２ｂ（またはシール材１２）を配置することで、充填材の耐熱性を向上することができる。
【００７９】
（第１実施形態の変形例）
図８は、第１実施形態の第２変形例を示すシール部の要部の断面図、図９は、第１実施形態の第３変形例を示すシール部の要部の断面図である。なお、それぞれの変形例にかかる酸素センサは、上記第１実施形態にかかる酸素センサと同様の構成要素を有している。よって、それら同様の構成要素については共通の符号を付与するとともに、重複する説明を省略する。
【００８０】
第２変形例にかかる酸素センサ１Ａでは、シール部５が、検出素子２の軸ｃ方向下側から、グラファイト１２ｂ、タルク１２ａの順に積層した２層構造をしている点が上記第１実施形態と異なっており、その他の構成は上記第１実施形態と基本的に同一である。
【００８１】
そして、上記第１実施形態と同様に、検出素子２の外面に露出したアース電極２６ｂをグラファイト１２ｂの内周に当接させ、グラファイト１２ｂの外周をホルダ４の内周面４ｉに当接させることで、検出素子２とホルダ４とを電気的に接続し、アース電極２６ｂをホルダ４にボディアースさせている。
【００８２】
また、第３変形例にかかる酸素センサ１Ｂでは、シール部５が、検出素子２の軸ｃ方向下側から、タルク１２ａ、グラファイト１２ｂの順に積層した２層構造をしている点が上記第１実施形態と異なっており、その他の構成は上記第１実施形態と基本的に同一である。
【００８３】
そして、上記第１実施形態および第１変形例と同様に、検出素子２の外面に露出したアース電極２６ｂをグラファイト１２ｂの内周に当接させ、グラファイト１２ｂの外周をホルダ４の内周面４ｉに当接させることで、検出素子２とホルダ４とを電気的に接続し、アース電極２６ｂをホルダ４にボディアースさせている。
【００８４】
以上の第２および第３変形例によっても、上記第１実施形態とほぼ同様の作用、効果を奏することができる。
【００８５】
（第２実施形態）
図１０は、本実施形態にかかる検出素子を示す図であって、（ａ）は、検出素子の側面図、（ｂ）は、図１０（ａ）のＤ−Ｄ断面図、図１１は、検出素子の分解斜視図、図１２は、図２のＢ−Ｂ線に対応する部位で切断した断面図である。なお、本実施形態にかかる酸素センサは、上記第１実施形態にかかる酸素センサと同様の構成要素を有している。よって、それら同様の構成要素については共通の符号を付与するとともに、重複する説明を省略する。
【００８６】
本実施形態では酸素センサとして、高温の被測定ガス中に配設され、ヒータによって検出素子を加熱、活性化する必要が無い場合に用いられるヒータレスタイプの酸素センサが用いられている点が上記第１実施形態と異なっており、その他の構成は、上記第１実施形態と基本的に同一である。
【００８７】
すなわち、本実施形態の検出素子２Ｃでは、機能層３０に対して基体２１の表面２１ａ上における径方向の対向位置に、ヒータパターンおよび絶縁層が設けられておらず、拡散層３２が基体２１の表面２１ａに直接設けられており、スピネル保護層３３が、保護層３１、拡散層３２及び保護層３１，拡散層３２のそれぞれの検出電極層用窓部３１ｂ，３２ｂから外部に露出している検出電極層２６とともに、機能層３０の外面を覆っている。
【００８８】
なお、機能層３０は、酸素イオン伝導性を有する固体電解質層２４と、この固体電解質層２４の基体２１側に位置する参照電極層２５と、この参照電極層２５に対して固体電解質層２４の反対側に位置する検出電極層２６と、固体電解質層２４の基体２１側に位置し、固体電解質層２４に向けて基準ガスである外気（大気）を導く空気通過層２７を含んで構成されている。
【００８９】
そして、本実施形態でも、上記第１実施形態と同様に、検出素子２Ｃの外面に露出したアース電極２６ｂをグラファイト１２ｂの内周に当接させ、グラファイト１２ｂの外周をホルダ４の内周面４ｉに当接させることで、検出素子２とホルダ４とを電気的に接続し、アース電極２６ｂをホルダ４にボディアースさせている。また、上記第１実施形態と同様に、出力電極２５ｂは、アース電極２６ｂよりも検出素子の軸ｃ方向の一端部（上端部）側に設けられている。
【００９０】
なお、本実施形態においても、上記第１実施形態の第２変形例や第３変形例のように、シール部を２層構造にすることが可能である。
【００９１】
以上の本実施形態によっても、上記第１実施形態と同様の作用、効果を奏することができる。
【００９２】
また、本実施形態のようにヒータレスタイプの酸素センサを用いた場合、図１２に示すように、アース電極２６ｂを、例えば、参照電極層２５のリード部２５ａに接触しない程度に略全周にわたって形成することができるため、アース電極２６ｂとグラファイト１２ｂとの接触面積を大きくすることができる。その結果、グラファイト１２ｂとアース電極２６ｂとをより確実に接触させることが可能となり、検出素子２とホルダ４との電気的接続をより一層安定させることができる。
【００９３】
以上、本発明にかかるガスセンサの好適な実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態に限ることなく要旨を逸脱しない範囲で種々の実施形態を採用することができる。
【００９４】
例えば、検出素子２が中空形状であっても本実施形態と同様の効果を得ることができる。
【００９５】
また、上記実施形態では、圧縮状態におけるグラファイト１２ｂの検出素子２の軸ｃ方向の厚さｔ２を、アース電極２６ｂの検出素子２の軸ｃ方向の厚さｔ１よりも小さくしているが、図１３に示す第４変形例のように、圧縮状態におけるグラファイト１２ｂの検出素子２の軸ｃ方向の厚さｔ２と、アース電極２６ｂの検出素子２の軸ｃ方向の厚さｔ１とが略同一となるようにしてもよい。
【００９６】
こうすれば、グラファイト１２ｂとアース電極２６ｂとの位置ズレがあった場合の許容量をその厚さ分だけ多くすることが可能となり、確実に接触させることが可能となり、検出素子２とホルダ４との電気的接続を安定させることができる。
【００９７】
また、図１４に示す第５変形例のように、圧縮状態におけるグラファイト１２ｂの検出素子２の軸ｃ方向の厚さｔ２を、アース電極２６ｂの検出素子２の軸ｃ方向の厚さｔ１よりも小さくしてもよい。
【００９８】
こうすれば、検出素子２とホルダ４との電気的接続を安定させることができる上、アース電極２６ｂを小さくすることができコスト削減を図ることができる。
【００９９】
また、図１５に示す第６変形例のように、グラファイト１２ｂの軸ｃ方向の中心Ｍ２とアース電極２６ｂの軸ｃ方向の中心Ｍ１とが当該軸ｃ方向にズレて配置されるようにしても本発明を実施することができる。
【０１００】
また、上記実施形態およびその変形例では、グラファイト１２ｂが検出素子２の外面の全周にわたって配置したものを例示したが、検出素子２の外面の全周にわたって設ける必要はなく、アース電極２６ｂとホルダ４とを電気的に接続することができる限り、様々な形状とすることが可能である。
【０１０１】
また、上記実施形態において説明した保護層３１、拡散層３２には、それぞれ１つのアース電極用窓部３１ａ、３２ａを形成したが、アース電極２６ｂの形状に合わせて基体２１の周方向に２つ以上の窓部を設けてもよい。
【０１０２】
この場合、酸素センサ１の組立時において、検出素子２が軸ｃ方向を中心に回転してしまった場合においても、どれかの窓部にアース電極２６ｂを露出させることができ、グラファイト１２ｂとの接触をより確実に行うことができるようになる。
【図面の簡単な説明】
【０１０３】
【図１】本発明の第１実施形態にかかる酸素センサを排気管に取り付けられた状態で示す側面図。
【図２】本発明の第１実施形態にかかる酸素センサの断面図（軸方向に沿った断面図）。
【図３】本発明の第１実施形態にかかる酸素センサの要部の断面図（軸方向に沿った断面図）。
【図４】本発明の第１実施形態にかかる検出素子を示す図であって、（ａ）は、検出素子の側面図、（ｂ）は、図４（ａ）のＣ−Ｃ断面図。
【図５】本発明の第１実施形態にかかる検出素子の分解斜視図。
【図６】本発明の第１実施形態にかかるシール部の要部の断面図。
【図７】本発明の第１実施形態の第１変形例にかかる酸素センサを図２のＡ−Ａ線に対応する部位で切断した断面図。
【図８】本発明の第１実施形態の第２変形例にかかるシール部の要部の断面図。
【図９】本発明の第１実施形態の第３変形例にかかるシール部の要部の断面図。
【図１０】本発明の第２実施形態にかかる検出素子を示す図であって、（ａ）は、検出素子の側面図、（ｂ）は、図１０（ａ）のＤ−Ｄ断面図。
【図１１】本発明の第２の実施形態にかかる検出素子の分解斜視図。
【図１２】本発明の第２の実施形態にかかる酸素センサを図２のＢ−Ｂ線に対応する部位で切断した断面図。
【図１３】本発明のシール部の第４変形例にかかる要部断面図。
【図１４】本発明のシール部の第５変形例にかかる要部断面図。
【図１５】本発明のシール部の第６変形例にかかる要部断面図。
【符号の説明】
【０１０４】
１，１Ａ，１Ｂ 酸素センサ（ガスセンサ）
２，２Ｃ 検出素子
４ ホルダ
４ａ 素子挿入孔
４ｃ ネジ部
４ｇ 粉充填スペース（シール材収納スペース）
５ シール部
１２ 充填剤（シール材）
１２ｂ グラファイト
１３ 押圧部材
２６ｂ アース電極
１０２ 排気管
ｃ 検出素子の軸
ｔ１ アース電極の軸方向の厚さ
ｔ２ グラファイトの軸方向の厚さ
Ｍ１ アース電極の軸方向の中心
Ｍ２ グラファイトの軸方向の中心
【技術分野】
【０００１】
本発明は、被検出ガスに含まれる特定ガス成分の濃度を検出するガスセンサに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、ガスセンサとして、被測定ガスに含まれる特定ガス成分の濃度を検出する検出素子（ガス検出素子）と、この検出素子をパッキンを介して支持するホルダ（主体金具）と、を備え、例えば車両の排気管に設置されて排気ガス中の酸素濃度を検出するものが知られている（例えば特許文献１参照）。
【０００３】
この特許文献１に開示されるガスセンサでは、検出素子の外周に径方向外向きに突出した鍔部が設けられており、検出素子の先端部から当該鍔部の先端面にかけて設けられたアース電極（外側電極）を当該鍔部の先端面とホルダとの間に配置されたパッキンを介してホルダに接続させるとともに、ホルダを排気管に接続させることで、アース電極をボディアースしている。
【特許文献１】特開２００５−１０１５６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、鍔部が形成されていない検出素子等を用いた場合、かかる従来技術のように、検出素子のアース電極をパッキンを介してホルダに接続することが難しい。このため、上記従来の技術では、検出素子の形状自由度の向上を図り難かった。
【０００５】
そこで、本発明は、構造の簡素化および小型化を図りつつ、検出素子の形状自由度を向上させることのできるガスセンサを得ることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明は、アース電極を有し、被測定ガス中の特定ガス成分の濃度を検出する検出素子と、導電性を有し、素子挿入孔に前記検出素子が挿入されたホルダと、を備えるガスセンサにおいて、前記アース電極と前記ホルダとが、グラファイトを介して電気的に接続されていることを特徴とする。
【発明の効果】
【０００７】
本発明によれば、グラファイトによってアース電極とホルダとを電気的に接続しているため、鍔部が形成されていない検出素子等を用いた場合でも、アース電極を容易にボディアースさせることができる。したがって、ガスセンサの構造の簡素化および小型化を図りつつ、検出素子の形状自由度を向上させることができるようになる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
以下、本発明を具現化した実施形態について図面を参照して説明する。以下の実施形態では、内燃機関を搭載した自動車や２輪車等の車両の排気管に装着された空燃比検出用の酸素センサを例示する。
【０００９】
（第１の実施形態）
図１は、本実施形態にかかる酸素センサを排気管に取り付けられた状態で示す側面図、図２は、酸素センサの断面図（軸方向に沿った断面図）、図３は、酸素センサの要部の断面図（軸方向に沿った断面図）、図４は、検出素子を示す図であって、（ａ）は、検出素子の側面図、（ｂ）は、図４（ａ）のＣ−Ｃ断面図、図５は、検出素子の分解斜視図、図６は、シール部の要部の断面図、図７は、図２のＡ−Ａ断面図に対応する第１変形例を示す断面図である。
【００１０】
［酸素センサ１の概要］
図１に示すように、本実施形態の酸素センサ１は、エンジン１０１に接続された排気管１０２における触媒１０３とエンジン１０１との間の位置もしくは触媒の下流側に設けられている。
【００１１】
図２に示すように、本実施形態の酸素センサ１は、外面に段付きの外形略円柱状をなしている。酸素センサ１は、被測定ガス中の特定ガス成分の濃度を検出する検出素子２と、検出素子２が挿通されている筒状のホルダ４と、このホルダ４と検出素子２との間をシールし、且つ、検出素子２をホルダ４内に位置決めするシール部５と、検出素子２に接続された端子６と、ホルダ４の軸方向の一端部（上端部）側に配置され、端子６を支持している絶縁体である碍子７と、ホルダ４の軸方向の一端部（上端部）側に配置され、碍子７の外面を覆っているケーシング８と、ホルダ４の他端部（下端部）に固定されるとともにホルダ４より突出し、検出素子２の外面を覆うプロテクタ９と、を備えている。
【００１２】
［検出素子２］
図２ないし図４に示すように、本実施形態に示す検出素子２は、断面略円柱状をした棒状に形成され、その軸方向の一端部（上端部）には、後述する出力電極２５ｂおよびヒータ電極２２ｂを有する接続部２ａが形成され、その軸方向の他端部（下端部）には酸素検知部２ｂが形成されている。詳しくは、検出素子２は、接続部２ａを有する小径円柱部２ｃとこの小径円柱部２ｃの外径Ｄ１よりも略大径に形成された大径円柱部２ｄとを有する段付き円柱状に形成されて小径円柱部２ｃに接続部２ａが形成され、大径円柱部２ｄに酸素検知部２ｂが形成されている。小径円柱部２ｃの先端は、その全周に亘って面取りが施されている。
【００１３】
出力電極２５ｂは、検出素子２の外部に対して露出しており、出力電極２５ｂと酸素検知部２ｂとは、相互に電気的に接続されている。検出素子２では、酸素検知部２ｂが被測定ガスである排ガスに含まれる特定ガス成分として酸素を検出し、その検出結果として酸素濃度を出力電極２５ｂから電気信号で出力するようになっている。
【００１４】
検出素子２は、詳細には、図４，図５に示すように、絶縁材料であるアルミナ等のセラミック材料により形成される細長い円柱ロッド状の基体２１を有し、この基体２１に接続部２ａを構成する出力電極２５ｂや、酸素検知部２ｂが形成されている。検出素子２は、このように基体２１をロッド状に形成することにより、酸素センサ１をよりコンパクトな構成とすることができるとともに、取り付け時の方向やガスの流れ方向等による影響を受けなくすることができる。
【００１５】
基体２１の表面２１ａ上には、ヒータパターン２２が形成されており、このヒータパターン２２は、絶縁層２３によって被覆されている。そして、この基体２１は、ヒータパターン２２および絶縁層２３とともに、ヒータ部２８を構成している。
【００１６】
ヒータパターン２２は、例えばアルミナを混合した白金等の発熱性導体材料からなり、基体２１の表面２１ａに曲面印刷等の手段を用いて形成されている。また、ヒータパターン２２には、基体２１の先端側から基体側に向けて延びる一対のリード部２２ａが一体的に連設されている。これらのリード部２２ａにおける基体２１の基端側はヒータ電極２２ｂとなっており、これらのヒータ電極２２ｂが、図２に示すように端子６に接続されている。そして、ヒータパターン２２は、外部のヒータ電源（図示せず）から各リード部２２ａを介して給電されることにより、例えば７２０〜８００℃程度の温度に基体２１を加熱する。
【００１７】
絶縁層２３は、ヒータパターン２２をリード部２２ａと一緒に径方向外側から保護するために、例えばアルミナ等のセラミック材料を曲面印刷等の手段で基体２１の外周側に厚膜印刷することにより形成されている。
【００１８】
また、基体２１の表面２１ａ上には、ヒータパターン２２とは別の位置に機能層３０および当該機能層３０の外面を覆う保護層３１等が曲面印刷等の手段を用いて積層化するように形成されている。本実施形態では、この機能層３０および保護層３１は、ヒータパターン２２に対して基体２１の表面２１ａ上における径方向の対向位置に設けられている。
【００１９】
機能層３０は、酸素イオン伝導性を有する固体電解質層２４と、この固体電解質層２４の基体２１側に位置する参照電極層２５と、この参照電極層２５に対して固体電解質層２４の反対側に位置する検出電極層２６と、固体電解質層２４の基体２１側に位置し、固体電解質層２４に向けて基準ガスである外気（大気）を導く空気通過層２７を含んで構成されている。
【００２０】
固体電解質層２４は、例えばジルコニアの粉体中に所定重量％のイットリアの粉体を混合させてペースト状物により形成される。そして、固体電解質層２４は、参照電極層２５と検出電極層２６との間で、周囲の酸素濃度差に応じた起電力を発生させ、その厚さ方向に酸素イオンを輸送する。
【００２１】
これにより、固体電解質層２４と一対の電極層である参照電極層２５および検出電極層２６とによって、酸素濃度を電気信号として取り出す酸素測定部２９を形成する。
【００２２】
また、固体電解質層２４の一部は、空気通過層２７に接している。すなわち、空気通過層２７は、少なくとも基体２１と固体電解質層２４との界面に形成されている。
【００２３】
参照電極層２５および検出電極層２６は、それぞれ白金等からなる導電性で、かつ酸素が通過できる材料により形成されている。そして、参照電極層２５および検出電極層２６にはそれぞれリード部２５ａ，２６ａが一体的に延設されており、これらのリード部２５ａ，２６ａを用いて参照電極層２５と検出電極層２６との間に現れた出力電圧を検出できるようになっている。詳しくは、これらリード部２５ａ，２６ａにおける参照電極層２５および検出電極層２６側とは反対側の端部が、電極部としての出力電極２５ｂ、アース電極２６ｂとなっている。アース電極２６ｂは、本実施形態においては、酸素センサ１組み付け時における検出素子２の粉充填スペース４ｇに対応する部位に設けられており、保護層３１，拡散層３２に形成されたアース電極用窓部３１ａ，３２ａによってアース電極２６ｂの表面全体もしくは一部が外部に露出するように設けられている。一方、出力電極２５ｂは、基体２１の軸方向の一端側に保護層３１よりも延出してアース電極２６ｂとは軸方向にズレて外部に露出している（図示せず）。即ち、アース電極２６ｂおよび出力電極２５ｂは、検出素子２の外周に設けられている。
【００２４】
空気通過層２７は、例えばアルミナの粉体（所定重量％のジルコニアの粉体を混合してもよい）からなるペースト状物を曲面印刷等の手段を用いて基体２１の表面２１ａの外周側に厚膜印刷することにより環状に形成されている。
【００２５】
そして、空気通過層２７は、連続気泡からなる空孔を有した多孔質構造に形成され、検出素子２の周囲を流れる被測定ガスの一部を、図５に示す軸方向の一端側の端面から矢示ａ方向（軸方向）へと空気通過層２７の内部に拡散させつつ、この被測定ガスを参照電極層２５に向けて透過させる機能を有している。
【００２６】
また、本実施形態では、空気通過層２７は、固体電解質層２４の面積よりも小さい絶縁性材料（例えばアルミナ）と固体電解質（例えばジルコニア）とのセラミック混合体により形成されることで、固体電解質層２４の焼結時において固体電解質層２４と基体２１との間の応力差を緩和する機能も備えている。
【００２７】
さらに、固体電解質層２４を除いた機能層３０の外面（リード線部２５ａ，２６ａおよび緩和層２７の一部外面）には、保護層３１が形成されており、この保護層３１と絶縁層２３の外面には、拡散層３２が保護層３１や固体電解質層２４を覆うように形成されており、この拡散層３２の外面には、スピネル保護層３３が拡散層３２の外面を含めた領域を覆うように形成されている。
【００２８】
保護層３１は、被測定ガス中の酸素が内面側に透過できない材料、例えば、アルミナ等のセラミック材料より形成されている。本実施形態では、図５に示すように、保護層３１には、アース電極用窓部３１ａが形成されており、当該アース電極用窓部３１ａからアース電極２６ｂが露出するようにしている。また、保護層３１には、検出電極層用窓部３１ｂが形成され、当該検出電極層用窓部３１ｂから検出電極層２６の全部または一部が露出している。これによって、測定ガス中の酸素が、検出電極層用窓部３１ｂのみから検出電極層２６に入り込むことができるようになる。
【００２９】
拡散層３２は、測定ガス中の有害ガス、ダスト等は内面側に通過できないが、測定ガス中の酸素は通過できる材質、例えば、アルミナと酸化マグネシウムの混合物の多孔質構造体によって形成されている。なお、拡散層３２にも、アース電極用窓部３２ａが形成されており、当該アース電極用窓部３２ａからアース電極２６ｂが露出するようにしている。また、拡散層３２にも、保護層３１と同様に検出電極層用窓部３２ｂが形成され、当該検出電極層用窓部３２ｂから検出電極層２６の全部または一部が露出している。
【００３０】
スピネル保護層３３は、保護層３１、拡散層３２及び保護層３１，拡散層３２のそれぞれの検出電極層用窓部３１ｂ，３２ｂから外部に露出している検出電極層２６とともに、機能層３０，ヒータ部２８の外面を覆っており、測定ガス中の酸素を通過できる多孔質構造をしており、保護層３１より荒い多孔質体によって形成されている。
【００３１】
このような検出素子２は、一連の印刷工程で形成される。具体的には、まず、アルミナ等のセラミック材料を射出成形して基体２１を製造した後、この基体２１を回転させつつ、基体の表面２１ａの略半分の領域に、曲面スクリーン印刷によってヒータパターン２２、リード部２２ａおよび絶縁層２３を形成する。
【００３２】
次に、基体２１の表面２１ａで、且つ、ヒータパターン２２の領域とは逆の半分の領域に、曲面スクリーン印刷によって空気通過層２７を形成する。
【００３３】
次に、基体２１の表面２１ａに空気通過層２７の上から白金等からなる導電性ペーストを曲面スクリーン印刷して参照電極層２５及びそのリード部２５ａを一体に形成する。
【００３４】
次に、参照電極層２５及び空気通過層２７の上面に例えば、ジルコニアとイットリアからなるペースト状物を曲面スクリーン印刷して空気通過層２７の面積よりも大きく酸素イオン伝導性の固体電解質層２４を形成する。
【００３５】
次に、固体電解質層２４の上面に白金等からなる導電性ペーストを曲面スクリーン印刷して検出電極層２６及びそのリード部２６ａを一体に形成する。
【００３６】
これらによって機能層３０を形成するとともに、検出電極層２６及び固体電解質層２４の上面に、例えばアルミナと酸化マグネシウムからなるペースト状物を曲面スクリーン印刷して保護層３１を形成する。
【００３７】
ここで、保護層３１は、両電極２５，２６のリード部２５ａ，２６ａ及び空気通過層２７の一部を覆うように形成されており、リード部２５ａ，２６ａを保護するとともに、空気通過層２７をシールする機能を有している。
【００３８】
このように、保護層３１で両電極２５，２６のリード部２５ａ，２６ａ及び空気通過層２７の一部を覆うことで、空気通過層２７に導入される空気の漏れを確実に防止できるようにしている。
【００３９】
次いで、固体電解質層２４、保護層３１および絶縁層２３の一部外面を覆うように拡散層３２が形成される。
【００４０】
拡散層３２は、焼成後に多孔質構造となり、固体電解質層２４を保護するとともに、被測定ガスを検出電極層２６に拡散する機能を有している。
【００４１】
次いで、検出電極層２６及び固体電解質層２４の外面のみならず絶縁層２３の外面、つまり、基体２１の外面の円周方向の全領域に亘って、例えば、アルミナと酸化マグネシウムからなるペースト状物を曲面スクリーン印刷してスピネル保護層３３を形成し、円柱状作成物を形成することで曲面スクリーン印刷工程を終了する。
【００４２】
そして、このような一連の印刷工程を終えた円柱状作成物を高熱（たとえば１４００〜１５００℃）で焼成することにより一体的に焼結された検出素子２を得ることができる。このとき、空気通過層２７にはジルコニアとアルミニウムの混合材料に、さらに例えばカーボン等の空孔形成剤（消失剤）を加えて混合したものをパターニングし、それを焼成することにより形成し、多孔質構造とする。
【００４３】
また、参照電極層２５は、貴金属材料（例えば白金等）に例えばテオブロミン等の空孔形成剤を加えて混合したものをパターニングし、それを焼成することにより形成することで、焼成時に空孔形成剤（消失剤）が焼き飛ばされて電極内に空孔ができ、電極を多孔質構造とすることができる。
【００４４】
さらに、空気通過層２７は、固体電解質層２４を通じて参照電極層２５へ輸送されてくる酸素を図示しない経路によって逃散させるガス逃散路としての機能もある。とくに、本実施形態の空気通過層２７はセラミック混合体に空孔形成剤を混合して形成される。このように空孔形成剤を混合して形成することにより、焼成時に空孔形成剤が焼き飛ばされて層内に空孔ができ、空気通過層２７を多孔質構造にすることができることから、参照電極層２５から供給された余剰酸素を検出素子端部へ排出することができるので、酸素の圧力の上昇による素子割れを防止することが可能になる。
【００４５】
［ホルダ４］
図２および図３に示すように、ホルダ４には、検出素子２が挿入されている素子挿入孔４ａが形成されている。この素子挿入孔４ａに挿入された検出素子２は、その酸素検知部２ｂがホルダ４の軸方向の他方側に露出している一方、接続部２ａがホルダ４の軸方向の一方側に露出している。
【００４６】
ホルダ４は、その上部に上方から見て六角形状を有する六角部４ｂを有し、この六角部４ｂに工具を嵌合してホルダ４に回転トルクを容易に作用させることができるようになっている。ホルダ４の下部の外面には、ネジ部４ｃが形成されている。ホルダ４の六角部４ｂとネジ部４ｃとの間には、ガスケット３５が配置されている。
【００４７】
また、ホルダ４の六角部４ｂの上面には、凸部４ｄが形成されている。凸部４ｄの上面は、碍子７の下端面７ａと当接し碍子７におけるホルダ４側の端部（下端部）を支持する位置決め面４ｈとなっている。この凸部４ｄには、溝部４ｅが形成されている。そして、この溝部４ｅの内周壁が折り曲げられて加締め部４ｆとなっている。このホルダ４は、ステンレス等の金属によって形成されて、導電性を有している。
【００４８】
［シール部５］
シール部５は、素子挿入孔４ａの軸方向の一端部に位置する粉充填スペース（シール材収納スペース）４ｇと、この粉充填スペース４ｇの近傍に設けられた加締め部４ｆとを有している。粉充填スペース４ｇは、素子挿入孔４ａの一部がホルダ４の先端側（酸素検知部２ｂ側）からホルダ４の後端側（接続部２ａ側）へ向けて拡径されることで形成されている。シール部５は、粉充填スペース４ｇに充填剤（シール材）１２とこの充填剤１２を押圧する押圧部材１３とを収容し、検出素子２の径方向で、検出素子２の中心へ向かう方向へ全周加締め等の手段を用いて曲げ加工することで加締め変形した加締め部４ｆによって押圧部材１３を圧縮し、この圧縮力で充填剤１２を圧縮状態で充填することによって検出素子２の外面２ｅとホルダ４の内周面４ｉとの間をシールし、且つ、検出素子２をホルダ４に位置決めしている。つまり、充填剤１２は、検出素子２をホルダ４に位置決めし、押圧部材１３は、充填剤１２を押圧して充填剤１２に検出素子２の位置決めをさせている。
【００４９】
このシール部５による検出素子２の外面２ｅとホルダ４の内周面４ｉとの間のシールによって、ホルダ４の内部に外部の水分等が浸入するのが遮断されるとともに、排気管１０２の内部の排気ガス等がケーシング８の内部に浸入するのが遮断される。
【００５０】
ここで、押圧部材１３としては、例えば円筒形状のリング部材が使用されている。
【００５１】
また、本実施形態では、充填剤１２として未焼結のタルク１２ａと、導電性を有し、粒子形状が鱗片状のグラファイト１２ｂを用い、当該タルク１２ａおよびグラファイト１２ｂを検出素子２の軸ｃ方向に積層配置して押圧部材１３により押圧することでシール部５を形成している。そして、グラファイト１２ｂを介してホルダ４と検出素子２のアース電極２６ｂとを電気的に接続している。なお、タルク１２ａの替わりにステアタイト等のセラミック粉を用いることも可能である。
【００５２】
本実施形態では、図６に示すように、シール部５は、検出素子２の軸ｃ方向下側から、タルク１２ａ、グラファイト１２ｂ、タルク１２ａの順に積層された３層構造をしており、検出素子２の外面に露出したアース電極２６ｂがグラファイト１２ｂの内周（内面）に当接している。そして、グラファイト１２ｂの外周（外面）をホルダ４の内周面４ｉに当接させることで、検出素子２とホルダ４とを電気的に接続し、アース電極２６ｂをホルダ４にボディアースさせている。
【００５３】
また、本実施形態では、図６に示すように、圧縮状態におけるグラファイト１２ｂの検出素子２の軸ｃ方向の厚さｔ２を、アース電極２６ｂの検出素子２の軸ｃ方向の厚さｔ１よりも小さくしている。さらに、圧縮状態におけるグラファイト１２ｂの検出素子２の軸ｃ方向の中心Ｍ１とアース電極２６ｂの検出素子２の軸ｃ方向の中心Ｍ２とが軸ｃ方向において略同一となるように配置されている。
【００５４】
［端子６］
図２に示すように、本実施形態における端子６は、検出素子２の出力電極２５ｂおよび一対のヒータ電極２２ｂに対応して３つ設けられている。これらの端子６は、図面では酸素センサ１の軸心周りに略９０度間隔に配置されている例を説明の便宜上示してあるが、これらの端子６は、図７に示すように、酸素センサ１の軸心周りに略１２０度間隔で配置されているのがより好適である。このように、端子６を略１２０度間隔（等間隔）で配置させることによって、各端子６間に一定長の距離をとることができ、各端子６間の接触等によるショートや各電極（ヒータ電極２２ｂ、出力電極２５ｂ）間の接触等によるショートを抑制することができる（絶縁効果）。この端子６は、板素材を折り曲げ加工等することにより形成されており、その一端部には、略板状の接触部６ａが形成されている。端子６の他端部は、ばね性を有する形状に形成されている。具体的には、端子６の他端部には、板ばねである鉤状のばね部６ｂが形成されている。このばね部６ｂは、板素材を折返し加工することによって形成される。
【００５５】
端子６は、ホルダ４の一端部側に配置されている。そして、ホルダ４の軸方向の一方にホルダ４から露出した検出素子２の出力電極２５ｂおよび一対のヒータ電極２２ｂに対して、ばね部６ｂがそのばね性を利用して圧接している。
【００５６】
端子６の接触部６ａは、結合部１４を介してハーネス１５の後述する芯線１５ａに接続されている。接触部６ａは、結合部１４に例えばスポット溶接によって固着されている。ここで、結合部１４は、金属材料などの導電性を有する材料によって形成されている。よって、検出素子２の酸素検知部２ｂは、出力電極２５ｂ、端子６および結合部１４を介して、ハーネス１５の芯線１５ａと電気的に接続されている。
【００５７】
［ハーネス１５］
ハーネス１５は、検出素子２の出力電極２５ｂおよび一対のヒータ電極２２ｂに対応して３つ設けられている。ハーネス１５は、芯線１５ａとこの芯線１５ａを被覆している被覆材１５ｂとから構成されている。芯線１５ａの端部は被覆材１５ｂから露出しており、この芯線１５ａの露出部分が結合部１４に接続されている。
【００５８】
［ケーシング８］
ケーシング８は、碍子７を覆う筒状に形成されている。このケーシング８の軸方向一端部の内側には、シーリングラバー１６が配置され、このシーリングラバー１６を介してハーネス１５がケーシング８の内部から外部に導き出されている。シーリングラバー１６は、ケーシング８の加締め部８ａによる加締めによって、径方向であってシーリングラバー１６の中心部に向かう方向に縮径された状態でケーシング８に固定されている。この加締めによってシーリングラバー１６とハーネス１５との間、およびシーリングラバー１６とケーシング８との間のシール性（気密性）が確保されている。シーリングラバー１６は、フッ素ゴム等の耐熱性を有する材質から構成されている。
【００５９】
ケーシング８の軸方向の他端部は、ホルダ４に嵌着されるとともに、例えばレーザ溶接等の溶接（例えば、全周溶接）によってホルダ４に固定されている。この溶接によってケーシング８とホルダ４との間のシール性が確保されている。なお、この溶接部分は、図１中に符号１７で示している。ケーシング８の内形は、碍子７の外形よりも十分に大きく形成され、これによってケーシング８と碍子７との間には、空隙部３６が形成されている。
【００６０】
［碍子７］
図２に示すように、本実施形態による碍子７は、外形略円柱状に形成されてホルダ４の位置決め面４ｈに起立状態で配置されている。この碍子７は、絶縁材料からなり、その絶縁材料は、例えばセラミックスである。
【００６１】
碍子７の下端面（他端面）７ａには、軸方向一方側に向けて凹む凹部７ｄが形成されている。この凹部７ｄの内周面７ｅに沿って、複数の端子６のばね部６ｂが配置され、これら複数の端子６の間に検出素子２の接続部２ａが嵌合されるようになっている。すなわち、検出素子２と碍子７とが組み付けられた状態では、端子６のばね部６ｂが、碍子７の凹部７ｄの内周面７ｅと検出素子２の接続部２ａの外面との間に形成される空間Ｓに配置され、当該凹部７ｄの内周面７ｅと検出素子２の接続部２ａとに挟持されるようになっている。このように挟持された端子６は、当該挟持によってばね部６ｂに生じる反発力により検出素子２の接続部２ａに圧接し、以て、当該接続部２ａと電気的に接続する。
【００６２】
凹部７ｄの天井部７ｆ（碍子７の上部）には、端子６が貫通挿入される取付孔７ｇが周方向に間隔をもって複数形成されている。本実施形態における端子６は、検出素子２の出力電極２５ｂおよび一対のヒータ電極２２ｂに対応して３つ設けられており、これらの端子６を碍子７の周方向に、例えば等配置した場合には、これらの端子６に挟持される検出素子２を凹部７ｄの略中心に配置しやすくなる。
【００６３】
ここで、碍子７と検出素子２の接続部２ａとの間に形成された空間Ｓは、シール部５、シーリングラバー１６およびケーシング８とホルダ４との溶接部分１７によって略気密性が保持されるが、ハーネス１５における芯線１５ａと被覆材１５ｂとの微小な隙間のみを介して外部と連通しており、かかる連通によって、ケーシング８の内部に酸素濃度検出に用いる基準大気が導入されるようになっている。
【００６４】
碍子７におけるホルダ４側とは反対側の端部である上端部７ｈにおいては、その外周面に、周方向が該碍子７の周方向に沿った円環状の段差部７ｂが形成されている。この段差部７ｂには、弾性部材３７が外嵌されている。ここで、この段差部７ｂに対応してケーシング８にも円環状の段差部８ｂが形成されており、碍子７の段差部７ｂとケーシング８の段差部８ｂとによって弾性部材３７が圧縮状態で挟持されている。弾性部材３７は、例えばＣリング状やＯリング状に形成されている。かかる構造は、弾性部材３７の弾性力によって碍子７をホルダ４へ押し付けるとともに、碍子７の振動を抑制している。また、酸素センサ１が外力によって振動した場合、弾性部材３７が弾性変形することで、碍子７の振れが吸収または抑制されるので、酸素センサ１の耐振性を向上させることができる。
【００６５】
［プロテクタ９］
プロテクタ９は、有底筒状で、且つ、２重構造に形成されている。プロテクタ９とホルダ４との固定は、例えばレーザ溶接等による全周溶接または部分溶接や全周加締め、部分加締め等によってなされている。図２中には、当該固定が溶接の場合の溶接箇所１９が示されている。
【００６６】
プロテクタ９は、内側プロテクタ９ａおよび外側プロテクタ９ｂを有している。これら内側プロテクタ９ａおよび外側プロテクタ９ｂは、例えば金属材料、セラミックス材料等によって形成されている。プロテクタ９の内部には、ホルダ４から下方に突出した検出素子２の酸素検知部２ｂが挿入されている。かかる構造のプロテクタ９は、検出素子２の酸素検知部２ｂを覆うことで、酸素検知部２ｂを排気ガス中の異物等から保護する。
【００６７】
プロテクタ９には、ガス流通用の流通孔９ｃが形成されており、検出ガスは、流通孔９ｃを経由してプロテクタ９の内部に進入して、酸素検知部２ｂに至る。
【００６８】
かかる構成の酸素センサ１は、ホルダ４のネジ部４ｃを排気管１０２のネジ孔１０２ａに螺入することにより排気管１０２に固定され、プロテクタ９で覆われた箇所が排気管１０２内に突出された状態で配置される。酸素センサ１と排気管１０２との間の気密および液密は、ガスケット３５によって保持される。
【００６９】
［酸素センサ１の動作］
このような構成の酸素センサ１において、排気管１０２内を流通するガスがプロテクタ９の流通孔９ｃより内部に流入すると、そのガス内の酸素が検出素子２の酸素検知部２ｂに入り込む。すると、酸素検知部２ｂがガスの酸素濃度を検出し、この検出した酸素濃度を電気信号に変換する。この電気信号の情報が端子６およびハーネス１５を経て外部に出力される。
【００７０】
［作用効果］
以上説明した本実施形態に示す酸素センサ１の作用効果をその作用効果を奏する構成とともに説明する。本実施形態によれば、検出素子２とホルダ４との間の粉充填スペース４ｇにグラファイト１２ｂを充填し、当該グラファイト１２ｂを介してアース電極２６ｂとホルダ４とを電気的に接続しているため、従来技術による検出素子に形成される鍔部を設けることなく、アース電極２６ｂを容易にボディアースさせることができる。また、当該鍔部とホルダとの間にパッキンを配置した場合には、パッキンによって検出素子の表面を傷つけてしまう場合があり、接触不良を引き起こす可能性があったが、本実施形態の構成を採用することによって、上述した問題点を解消することができる。すなわち、断面が丸型のロッド状の検出素子や、断面が矩形状のプレート状の検出素子等を用いた場合でも、アース電極を容易にボディアースさせることができる。したがって、ガスセンサの構造の簡素化および小型化を図りつつ、検出素子の形状自由度を向上させることができるようになる。また、検出素子２の形状が本実施形態に示すようなロッド状である場合、ガスセンサ１の外径を小さくすることができ、一層軽量化させることができる。また、これにより、車両振動等によってガスセンサ１が自重で振られることが抑制され、耐振性の向上が図られ、アース電極２６ｂとホルダ４との電気的接続の高い信頼性を得ることができる。
【００７１】
また、本実施形態によれば、図６に示すとおり、圧縮状態におけるグラファイト１２ｂの検出素子２の軸ｃ方向の厚さｔ２を、アース電極２６ｂの検出素子２の軸ｃ方向の厚さｔ１よりも小さくしているため、充填材（シール材）１２を押圧部材１３にて圧縮押圧する際にアース電極２６ｂに対するグラファイト１２ｂの相対位置が軸ｃ方向へ若干ずれたとしても、グラファイト１２ｂとアース電極２６ｂとを確実に接触させることが可能となり、検出素子２とホルダ４との電気的接続を安定させることができる。
【００７２】
また、本実施形態によれば、図６に示すとおり、圧縮状態におけるグラファイト１２ｂの検出素子２の軸ｃ方向の中心Ｍ１とアース電極２６ｂの検出素子２の軸ｃ方向の中心Ｍ２とを軸ｃ方向において略同一となるように配置しているため、アース電極２６ｂに対するグラファイト１２ｂの軸ｃ方向の一方側（例えば図６における上側）への位置ズレ（車両振動もしくはシール材の経時劣化等による検出素子の位置ズレ等）許容量と軸ｃ方向の他方側（例えば図６における下側）への位置ズレ許容量とを同一にすることができる。そのため、充填剤１２を圧縮した際のグラファイト１２ｂの位置のばらつきをより確実に吸収できるようになる。
【００７３】
また、本実施形態によれば、検出素子２は、棒状に形成され、アース電極２６ｂは、検出素子の外周に設けられ、グラファイト１２ｂが、検出素子２の外周を囲むように設けられているため、酸素センサ１の組立時において検出素子２が軸ｃ方向を中心に回転してしまった場合においてもグラファイト１２ｂを容易にアース電極２６ｂに接触させることができ、酸素センサ１の組立容易性の向上を図ることができる。
【００７４】
また、本実施形態によれば、粒子形状が例えば鱗片状のグラファイト１２ｂを用いているため、充填剤１２を圧縮した際に、グラファイト１２ｂを密に圧縮することができ、充填剤１２による検出素子２とホルダ４との間のシール性を高くすることができる。
【００７５】
また、本実施形態によれば、タルク１２ａの間にグラファイト１２ｂを挟んだ状態で積層しているため、高温の排気ガスが直接グラファイト１２ｂに接触するのが抑制され、耐熱性を向上させることができる。これによって、グラファイトの熱による特性変化を抑制することができ、安定的に導通を確保することができる。また、本実施形態のタルク１２ａもグラファイト１２ｂと同様の鱗片状の粒子形状であるため、押圧部材１３による圧縮押圧の際に、少ない圧力によってタルク１２ａ、グラファイト１２ｂを緻密に形成でき、シール性を容易に向上させることができる。
【００７６】
また、本実施形態においては粉充填スペース４ｇをホルダ４の一端側（図２における上側）近傍に形成したが、ホルダ４とグラファイト１２ｂを介したアース電極２６ｂとの電気的接続を確保する場合においては、粉充填スペース４ｇをホルダ４の他端側（図２における下側）近傍に形成してもよい。
【００７７】
また、粉充填スペース４ｇは、排気管１０２よりもホルダ４の一端側（図２における少なくとも酸素センサ１のネジ部４ｃよりも上側）近傍に形成することで、本実施形態に記載の作用効果を良好に維持することができる。例えばネジ部４ｃの領域に粉充填スペース４ｇを形成（グラファイト１２ｂまたはシール材１２を充填）した場合、酸素センサ１を排気管１０２に取り付ける際に、ネジ部４ｃから粉充填スペース４ｇに負荷が加わり、グラファイト１２ｂ（またはシール材１２）の耐久性が低下してしまうおそれがあるが、粉充填スペース４ｇを排気管１０２よりもホルダ４の一端側近傍に形成することで、かかるおそれが生じてしまわないようにすることができる。
【００７８】
また、ネジ部４ｃよりもホルダ４の一端側（図２における上側）にグラファイト１２ｂ（またはシール材１２）を配置することで、充填材の耐熱性を向上することができる。
【００７９】
（第１実施形態の変形例）
図８は、第１実施形態の第２変形例を示すシール部の要部の断面図、図９は、第１実施形態の第３変形例を示すシール部の要部の断面図である。なお、それぞれの変形例にかかる酸素センサは、上記第１実施形態にかかる酸素センサと同様の構成要素を有している。よって、それら同様の構成要素については共通の符号を付与するとともに、重複する説明を省略する。
【００８０】
第２変形例にかかる酸素センサ１Ａでは、シール部５が、検出素子２の軸ｃ方向下側から、グラファイト１２ｂ、タルク１２ａの順に積層した２層構造をしている点が上記第１実施形態と異なっており、その他の構成は上記第１実施形態と基本的に同一である。
【００８１】
そして、上記第１実施形態と同様に、検出素子２の外面に露出したアース電極２６ｂをグラファイト１２ｂの内周に当接させ、グラファイト１２ｂの外周をホルダ４の内周面４ｉに当接させることで、検出素子２とホルダ４とを電気的に接続し、アース電極２６ｂをホルダ４にボディアースさせている。
【００８２】
また、第３変形例にかかる酸素センサ１Ｂでは、シール部５が、検出素子２の軸ｃ方向下側から、タルク１２ａ、グラファイト１２ｂの順に積層した２層構造をしている点が上記第１実施形態と異なっており、その他の構成は上記第１実施形態と基本的に同一である。
【００８３】
そして、上記第１実施形態および第１変形例と同様に、検出素子２の外面に露出したアース電極２６ｂをグラファイト１２ｂの内周に当接させ、グラファイト１２ｂの外周をホルダ４の内周面４ｉに当接させることで、検出素子２とホルダ４とを電気的に接続し、アース電極２６ｂをホルダ４にボディアースさせている。
【００８４】
以上の第２および第３変形例によっても、上記第１実施形態とほぼ同様の作用、効果を奏することができる。
【００８５】
（第２実施形態）
図１０は、本実施形態にかかる検出素子を示す図であって、（ａ）は、検出素子の側面図、（ｂ）は、図１０（ａ）のＤ−Ｄ断面図、図１１は、検出素子の分解斜視図、図１２は、図２のＢ−Ｂ線に対応する部位で切断した断面図である。なお、本実施形態にかかる酸素センサは、上記第１実施形態にかかる酸素センサと同様の構成要素を有している。よって、それら同様の構成要素については共通の符号を付与するとともに、重複する説明を省略する。
【００８６】
本実施形態では酸素センサとして、高温の被測定ガス中に配設され、ヒータによって検出素子を加熱、活性化する必要が無い場合に用いられるヒータレスタイプの酸素センサが用いられている点が上記第１実施形態と異なっており、その他の構成は、上記第１実施形態と基本的に同一である。
【００８７】
すなわち、本実施形態の検出素子２Ｃでは、機能層３０に対して基体２１の表面２１ａ上における径方向の対向位置に、ヒータパターンおよび絶縁層が設けられておらず、拡散層３２が基体２１の表面２１ａに直接設けられており、スピネル保護層３３が、保護層３１、拡散層３２及び保護層３１，拡散層３２のそれぞれの検出電極層用窓部３１ｂ，３２ｂから外部に露出している検出電極層２６とともに、機能層３０の外面を覆っている。
【００８８】
なお、機能層３０は、酸素イオン伝導性を有する固体電解質層２４と、この固体電解質層２４の基体２１側に位置する参照電極層２５と、この参照電極層２５に対して固体電解質層２４の反対側に位置する検出電極層２６と、固体電解質層２４の基体２１側に位置し、固体電解質層２４に向けて基準ガスである外気（大気）を導く空気通過層２７を含んで構成されている。
【００８９】
そして、本実施形態でも、上記第１実施形態と同様に、検出素子２Ｃの外面に露出したアース電極２６ｂをグラファイト１２ｂの内周に当接させ、グラファイト１２ｂの外周をホルダ４の内周面４ｉに当接させることで、検出素子２とホルダ４とを電気的に接続し、アース電極２６ｂをホルダ４にボディアースさせている。また、上記第１実施形態と同様に、出力電極２５ｂは、アース電極２６ｂよりも検出素子の軸ｃ方向の一端部（上端部）側に設けられている。
【００９０】
なお、本実施形態においても、上記第１実施形態の第２変形例や第３変形例のように、シール部を２層構造にすることが可能である。
【００９１】
以上の本実施形態によっても、上記第１実施形態と同様の作用、効果を奏することができる。
【００９２】
また、本実施形態のようにヒータレスタイプの酸素センサを用いた場合、図１２に示すように、アース電極２６ｂを、例えば、参照電極層２５のリード部２５ａに接触しない程度に略全周にわたって形成することができるため、アース電極２６ｂとグラファイト１２ｂとの接触面積を大きくすることができる。その結果、グラファイト１２ｂとアース電極２６ｂとをより確実に接触させることが可能となり、検出素子２とホルダ４との電気的接続をより一層安定させることができる。
【００９３】
以上、本発明にかかるガスセンサの好適な実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態に限ることなく要旨を逸脱しない範囲で種々の実施形態を採用することができる。
【００９４】
例えば、検出素子２が中空形状であっても本実施形態と同様の効果を得ることができる。
【００９５】
また、上記実施形態では、圧縮状態におけるグラファイト１２ｂの検出素子２の軸ｃ方向の厚さｔ２を、アース電極２６ｂの検出素子２の軸ｃ方向の厚さｔ１よりも小さくしているが、図１３に示す第４変形例のように、圧縮状態におけるグラファイト１２ｂの検出素子２の軸ｃ方向の厚さｔ２と、アース電極２６ｂの検出素子２の軸ｃ方向の厚さｔ１とが略同一となるようにしてもよい。
【００９６】
こうすれば、グラファイト１２ｂとアース電極２６ｂとの位置ズレがあった場合の許容量をその厚さ分だけ多くすることが可能となり、確実に接触させることが可能となり、検出素子２とホルダ４との電気的接続を安定させることができる。
【００９７】
また、図１４に示す第５変形例のように、圧縮状態におけるグラファイト１２ｂの検出素子２の軸ｃ方向の厚さｔ２を、アース電極２６ｂの検出素子２の軸ｃ方向の厚さｔ１よりも小さくしてもよい。
【００９８】
こうすれば、検出素子２とホルダ４との電気的接続を安定させることができる上、アース電極２６ｂを小さくすることができコスト削減を図ることができる。
【００９９】
また、図１５に示す第６変形例のように、グラファイト１２ｂの軸ｃ方向の中心Ｍ２とアース電極２６ｂの軸ｃ方向の中心Ｍ１とが当該軸ｃ方向にズレて配置されるようにしても本発明を実施することができる。
【０１００】
また、上記実施形態およびその変形例では、グラファイト１２ｂが検出素子２の外面の全周にわたって配置したものを例示したが、検出素子２の外面の全周にわたって設ける必要はなく、アース電極２６ｂとホルダ４とを電気的に接続することができる限り、様々な形状とすることが可能である。
【０１０１】
また、上記実施形態において説明した保護層３１、拡散層３２には、それぞれ１つのアース電極用窓部３１ａ、３２ａを形成したが、アース電極２６ｂの形状に合わせて基体２１の周方向に２つ以上の窓部を設けてもよい。
【０１０２】
この場合、酸素センサ１の組立時において、検出素子２が軸ｃ方向を中心に回転してしまった場合においても、どれかの窓部にアース電極２６ｂを露出させることができ、グラファイト１２ｂとの接触をより確実に行うことができるようになる。
【図面の簡単な説明】
【０１０３】
【図１】本発明の第１実施形態にかかる酸素センサを排気管に取り付けられた状態で示す側面図。
【図２】本発明の第１実施形態にかかる酸素センサの断面図（軸方向に沿った断面図）。
【図３】本発明の第１実施形態にかかる酸素センサの要部の断面図（軸方向に沿った断面図）。
【図４】本発明の第１実施形態にかかる検出素子を示す図であって、（ａ）は、検出素子の側面図、（ｂ）は、図４（ａ）のＣ−Ｃ断面図。
【図５】本発明の第１実施形態にかかる検出素子の分解斜視図。
【図６】本発明の第１実施形態にかかるシール部の要部の断面図。
【図７】本発明の第１実施形態の第１変形例にかかる酸素センサを図２のＡ−Ａ線に対応する部位で切断した断面図。
【図８】本発明の第１実施形態の第２変形例にかかるシール部の要部の断面図。
【図９】本発明の第１実施形態の第３変形例にかかるシール部の要部の断面図。
【図１０】本発明の第２実施形態にかかる検出素子を示す図であって、（ａ）は、検出素子の側面図、（ｂ）は、図１０（ａ）のＤ−Ｄ断面図。
【図１１】本発明の第２の実施形態にかかる検出素子の分解斜視図。
【図１２】本発明の第２の実施形態にかかる酸素センサを図２のＢ−Ｂ線に対応する部位で切断した断面図。
【図１３】本発明のシール部の第４変形例にかかる要部断面図。
【図１４】本発明のシール部の第５変形例にかかる要部断面図。
【図１５】本発明のシール部の第６変形例にかかる要部断面図。
【符号の説明】
【０１０４】
１，１Ａ，１Ｂ 酸素センサ（ガスセンサ）
２，２Ｃ 検出素子
４ ホルダ
４ａ 素子挿入孔
４ｃ ネジ部
４ｇ 粉充填スペース（シール材収納スペース）
５ シール部
１２ 充填剤（シール材）
１２ｂ グラファイト
１３ 押圧部材
２６ｂ アース電極
１０２ 排気管
ｃ 検出素子の軸
ｔ１ アース電極の軸方向の厚さ
ｔ２ グラファイトの軸方向の厚さ
Ｍ１ アース電極の軸方向の中心
Ｍ２ グラファイトの軸方向の中心
【特許請求の範囲】
【請求項１】
アース電極を有し、被測定ガス中の特定ガス成分の濃度を検出する検出素子と、
導電性を有し、素子挿入孔に前記検出素子が挿入されたホルダと、を備えるガスセンサにおいて、
前記アース電極と前記ホルダとが、グラファイトを介して電気的に接続されていることを特徴とするガスセンサ。
【請求項２】
前記ホルダの一端側には、前記ガスセンサを排気管に取り付けるネジ部が形成されており、
前記アース電極と前記ホルダとが、前記ネジ部もしくは前記排気管よりも前記ホルダの他端側で前記グラファイトを介して電気的に接続されていることを特徴とする請求項１に記載のガスセンサ。
【請求項３】
前記ガスセンサは、前記検出素子と前記ホルダとの間に設けられたシール材収納スペース内にシール材を充填することで、当該検出素子と前記ホルダとの間をシールするシール部を備え、
前記グラファイトは、前記シール部に近接するとともに、前記ネジ部もしくは前記排気管よりも前記ホルダの他端側に配置されることを特徴とする請求項２に記載のガスセンサ。
【請求項４】
前記グラファイトは、前記アース電極と前記ホルダとの間で、前記検出素子に対して全周配置されることを特徴とする請求項１〜３のうちいずれか１項に記載のガスセンサ。
【請求項５】
前記シール材と前記グラファイトは、前記シール材収納スペース内に前記検出素子の軸方向に積層して配置されるとともに、押圧部材によって圧縮された状態で配置されており、
圧縮状態における前記グラファイトの前記軸方向の厚さが、前記アース電極の前記軸方向の厚さと略等しいことを特徴とする請求項３に記載のガスセンサ。
【請求項６】
前記シール材と前記グラファイトは、前記シール材収納スペース内に前記検出素子の軸方向に積層して配置されるとともに、押圧部材によって圧縮された状態で配置されており、
圧縮状態における前記グラファイトの前記軸方向の厚さが、前記アース電極の前記軸方向の厚さよりも大きいことを特徴とする請求項３に記載のガスセンサ。
【請求項７】
前記シール材と前記グラファイトは、前記シール材収納スペース内に前記検出素子の軸方向に積層して配置されるとともに、押圧部材によって圧縮された状態で配置されており、
圧縮状態における前記グラファイトの前記軸方向の厚さが、前記アース電極の前記軸方向の厚さよりも小さいことを特徴とする請求項３に記載のガスセンサ。
【請求項８】
前記アース電極と前記グラファイトとは、圧縮状態における前記グラファイトの前記軸方向の中心と前記アース電極の前記軸方向の中心とが当該軸方向において略同一となるように配置されていることを特徴とする請求項５〜７のうちいずれか１項に記載のガスセンサ。
【請求項９】
前記グラファイトの粒子形状が鱗片状であることを特徴とする請求項１〜８のうちいずれか１項に記載のガスセンサ。
【請求項１】
アース電極を有し、被測定ガス中の特定ガス成分の濃度を検出する検出素子と、
導電性を有し、素子挿入孔に前記検出素子が挿入されたホルダと、を備えるガスセンサにおいて、
前記アース電極と前記ホルダとが、グラファイトを介して電気的に接続されていることを特徴とするガスセンサ。
【請求項２】
前記ホルダの一端側には、前記ガスセンサを排気管に取り付けるネジ部が形成されており、
前記アース電極と前記ホルダとが、前記ネジ部もしくは前記排気管よりも前記ホルダの他端側で前記グラファイトを介して電気的に接続されていることを特徴とする請求項１に記載のガスセンサ。
【請求項３】
前記ガスセンサは、前記検出素子と前記ホルダとの間に設けられたシール材収納スペース内にシール材を充填することで、当該検出素子と前記ホルダとの間をシールするシール部を備え、
前記グラファイトは、前記シール部に近接するとともに、前記ネジ部もしくは前記排気管よりも前記ホルダの他端側に配置されることを特徴とする請求項２に記載のガスセンサ。
【請求項４】
前記グラファイトは、前記アース電極と前記ホルダとの間で、前記検出素子に対して全周配置されることを特徴とする請求項１〜３のうちいずれか１項に記載のガスセンサ。
【請求項５】
前記シール材と前記グラファイトは、前記シール材収納スペース内に前記検出素子の軸方向に積層して配置されるとともに、押圧部材によって圧縮された状態で配置されており、
圧縮状態における前記グラファイトの前記軸方向の厚さが、前記アース電極の前記軸方向の厚さと略等しいことを特徴とする請求項３に記載のガスセンサ。
【請求項６】
前記シール材と前記グラファイトは、前記シール材収納スペース内に前記検出素子の軸方向に積層して配置されるとともに、押圧部材によって圧縮された状態で配置されており、
圧縮状態における前記グラファイトの前記軸方向の厚さが、前記アース電極の前記軸方向の厚さよりも大きいことを特徴とする請求項３に記載のガスセンサ。
【請求項７】
前記シール材と前記グラファイトは、前記シール材収納スペース内に前記検出素子の軸方向に積層して配置されるとともに、押圧部材によって圧縮された状態で配置されており、
圧縮状態における前記グラファイトの前記軸方向の厚さが、前記アース電極の前記軸方向の厚さよりも小さいことを特徴とする請求項３に記載のガスセンサ。
【請求項８】
前記アース電極と前記グラファイトとは、圧縮状態における前記グラファイトの前記軸方向の中心と前記アース電極の前記軸方向の中心とが当該軸方向において略同一となるように配置されていることを特徴とする請求項５〜７のうちいずれか１項に記載のガスセンサ。
【請求項９】
前記グラファイトの粒子形状が鱗片状であることを特徴とする請求項１〜８のうちいずれか１項に記載のガスセンサ。
【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２０１０−７８４３６（Ｐ２０１０−７８４３６Ａ）
【公開日】平成２２年４月８日（２０１０．４．８）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００８−２４６５７８（Ｐ２００８−２４６５７８）
【出願日】平成２０年９月２５日（２００８．９．２５）
【出願人】（５０９１８６５７９）日立オートモティブシステムズ株式会社 (2,205)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２２年４月８日（２０１０．４．８）
【国際特許分類】
【出願日】平成２０年９月２５日（２００８．９．２５）
【出願人】（５０９１８６５７９）日立オートモティブシステムズ株式会社 (2,205)
【Ｆターム（参考）】
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