ガスセンサ
【課題】ケーシングの内部でセラミック部材を確実に固定および保護することができるガスセンサを提供する。
【解決手段】酸素センサ１は、筒状の検出素子６と、検出素子６を保持する主体金具５と、検出素子６と電気的に接続する端子金具７０と、端子金具６０から延びて電流経路を形成するリード線１８と、リード線１８が挿通されるセパレータ８と、セパレータ８の周囲を取り囲む内筒３と、内筒３の筒孔内に配置されてリード線１８が挿通されるグロメット９と、内筒３の径方向外側に配置されるフィルタ７と、内筒３との間にフィルタ７を介在させる外筒１００とを備える。セパレータ８は、検出素子６とグロメット９とにより挟持されることによって、内筒３から離間した状態で保持される。
【解決手段】酸素センサ１は、筒状の検出素子６と、検出素子６を保持する主体金具５と、検出素子６と電気的に接続する端子金具７０と、端子金具６０から延びて電流経路を形成するリード線１８と、リード線１８が挿通されるセパレータ８と、セパレータ８の周囲を取り囲む内筒３と、内筒３の筒孔内に配置されてリード線１８が挿通されるグロメット９と、内筒３の径方向外側に配置されるフィルタ７と、内筒３との間にフィルタ７を介在させる外筒１００とを備える。セパレータ８は、検出素子６とグロメット９とにより挟持されることによって、内筒３から離間した状態で保持される。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、酸素センサ、ＨＣセンサ、ＮＯｘセンサなど、測定対象となるガス中の被検出成分を検出するためのガスセンサに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、被検出成分を検出する検出部が先端に形成された検出素子を、金属製のケーシングの内側に配置したガスセンサが知られている。このようなガスセンサでは、検出素子から検出信号を取り出すためのリード線を保持するセラミック部材（所謂、セパレータ）が、ケーシングの内部に設けられている。ケーシングの内部にセパレータを固定する手法が、従来から各種提案されている。
【０００３】
例えば、特許文献１には、ケーシングとセパレータとの間に保持金具を介在させた状態で、ケーシングを外側から加締めてセパレータを固定するガスセンサが開示されている。特許文献２には、ケーシングの内部に圧入した保持金具でセパレータを固定するガスセンサが開示されている。特許文献３には、ケーシングの内部に設けた一対の弾性部材（グロメットおよびシール部材）で、セパレータを軸線方向に挟持して固定するガスセンサが開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１０−２７６３３７号公報
【特許文献２】特開２０１０−２２３７５０号公報
【特許文献３】特開２０００−８１４１２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、特許文献１、２に開示のガスセンサでは、ガスセンサに振動や衝撃が生じたときに保持金具の位置ズレが生じ、ひいてはセパレータの位置ズレを生じるおそれがあった。さらに、セパレータを固定するための専用部品（つまり、保持金具）を用いるために、ガスセンサの部品数および製造コストの低減や、ガスセンサの小型化などが妨げられるおそれがあった。また、特許文献３に開示のガスセンサでは、一対の弾性部材で挟持されるセパレータの後端側は、内筒部材の周囲を取り囲む外筒部材のみで保護されている。そのため、ガスセンサに対して外圧が加えられたときに、セパレータが破損しやすくなるおそれがあった。
【０００６】
本発明は、上記課題を解決するためになされたものであり、ケーシングの内部でセラミック部材を確実に固定および保護することができるガスセンサを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の一態様に係るガスセンサは、軸線方向に延び、測定対象に向けられる先端側が閉じた筒状をなし、自身の外周面に外側電極、および自身の内周面に内側電極が設けられた検出素子と、前記検出素子の周囲を取り囲み、前記検出素子を保持する主体金具と、前記検出素子の筒穴内に挿入され、前記検出素子の前記内側電極と電気的に接続する筒状の端子金具と、前記端子金具に接続され、前記端子金具から後端側に延びて電流経路を形成するリード線と、前記検出素子の後端側に配置されると共に、前記端子金具および前記リード線の少なくとも何れか一方が挿通される挿通孔を有するセラミック部材と、前記セラミック部材の周囲を取り囲む筒状の金属部材であり、先端側が前記主体金具の後端側に固定されると共に、自身の内部にガスを導入するための第一導入孔が形成された内筒と、前記内筒の筒孔内における前記セラミック部材の後端側に配置されて、前記内筒を内側から径方向外側に押圧すると共に、前記リード線が挿通される挿通孔を有する弾性部材と、前記内筒の径方向外側において、前記第一導入孔を塞ぐように配置されたフィルタと、前記内筒の周囲を取り囲む筒状の金属部材であって、前記内筒との間に前記フィルタを介在させると共に、前記空間内にガスを導入するための第二導入孔が前記フィルタ上に形成された外筒と、を備えており、前記セラミック部材は、前記検出素子と前記弾性部材とにより直接又は他部材を介して挟持されることによって、前記内筒から離間した状態で保持されることを特徴とする。
【０００８】
本発明の一態様に係るガスセンサによれば、セラミック部材は検出素子と弾性部材とにより直接又は他部材を介して軸線方向に挟持されると共に、その径方向外側に内筒、フィルタ、外筒が順に配置される。これにより、セラミック部材の軸線方向および径方向への移動が規制されて、セラミック部材がケーシング（内筒および外筒）の内部で安定して固定される。さらに、セラミック部材は内筒から離間して保持され、且つ、内筒、フィルタ、外筒によって三重に保護されるため、ガスセンサへの外圧に対するセラミック部材の耐性が高い。したがって、ケーシングの内部でセラミック部材を確実に固定および保護することができる。
【０００９】
また、本発明の一態様に係るガスセンサにおいて、前記弾性部材の先端部には、前記軸線方向先端側に突出し、前記セラミック部材と前記内筒との間隙に配置されるエッジ部が形成されていることが好ましい。この場合、エッジ部によってセラミック部材の径方向への移動が確実に規制されるため、ケーシングの内部でセラミック部材をより確実に固定することができる。ひいては、例えばガスセンサに振動や衝撃が生じた場合でも、セラミック部材と内筒との接触が防止されるため、セラミック部材をより確実に保護することができる。
【００１０】
また、本発明の一態様に係るガスセンサにおいて、前記第一導入孔は、前記内筒と前記弾性部材の当接位置よりも先端側に形成されていることが好ましい。内筒の第一導入孔に対応する弾性部材の位置に通気孔を形成し、検出素子内に外気を導入しても良いが、本発明のように、セラミック部材と内筒とが離間しているため、弾性部材の当接位置よりも先端側に形成することで、このセラミック部材と内筒との離間を通気路として用いることができ、弾性部材に通気孔を形成することなく、フィルタを介して外気を検出素子内に容易に導入することができる。なお、第一導入孔の全部が内筒と弾性部材の当接位置よりも先端側に形成されていることが好ましいが、第一導入孔の一部が内筒と弾性部材の当接位置よりも先端側に形成されていても良い。
【００１１】
また、本発明の一態様に係るガスセンサにおいて、前記端子金具は、自身の後端部から径方向外側に広がる鍔部を有し、前記端子金具の鍔部は、前記検出素子と前記セラミック部材との間で挟持されてもよい。この場合、端子金具を固定するための専用部品を設けることなく、端子金具を簡易な構造で確実に固定することができる。
【００１２】
また、本発明の一態様に係るガスセンサにおいて、前記検出素子は、ジルコニアを主成分とし、前記セラミック部材は、アルミナを主成分としてもよい。この場合、上記のガスセンサを、例えば酸素センサなどに適用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】酸素センサ１の縦断面図である。
【図２】主体金具５にプロテクタ４を配置する工程を説明するための図である。
【図３】主体金具５に検出素子６を配置する工程を説明するための図である。
【図４】主体金具５に充填部材１５および端子金具７０を配置する工程を説明するための図である。
【図５】主体金具５にスリーブ１６、パッキン１７、内筒３を配置する工程を説明するための図である。
【図６】加締部５７を形成する工程を説明するための図である。
【図７】下側アセンブリ２００にフィルタ７を配置する工程を説明するための図である。
【図８】下側アセンブリ２００に上側アセンブリ３００を配置する工程を説明するための図である。
【図９】加締部１０２、１０３、１０４を形成する工程を説明するための図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下、本発明を具体化したガスセンサの一実施の形態について、図面を参照して説明する。まず、図１を参照し、ガスセンサの一例としての酸素センサ１の構造について説明する。図１に示す酸素センサ１は自動車等の内燃機関のエンジンから排出される排気ガスの排気管（図示外）やエンジンヘッドに取り付けられて使用されるものである。以下では、酸素センサ１の軸線Ｏ方向において、排気管やエンジンヘッド内に挿入される検出素子６の先端に向かう側（閉じている側であり図中下側）を先端側とし、これと反対方向に向かう側（図中上側）を後端側として説明する。また、軸線Ｏ方向と直交する方向を、酸素センサ１の径方向として説明する。
【００１５】
図１に示す酸素センサ１は、排気管内を流通する排気ガス中の酸素の有無を検出するためのセンサである。酸素センサ１は、細長で先が閉じられた筒状の検出素子６を主体金具５で取り囲んで保持した構造を有する。酸素センサ１からは、検出素子６の出力する信号を取り出すリード線１８が引き出されている。リード線１８は、酸素センサ１とは離れた位置に設けられる図示外のセンサ制御装置あるいは自動車の電子制御装置（ＥＣＵ）に、電気的に接続されている。
【００１６】
検出素子６は、ジルコニアを主成分とする固体電解質体６１を、軸線Ｏ方向に延び、先端が閉じた筒状に形成し、内周側に基準電極６２を設け、外周側に検出電極６３を設けたものである。基準電極６２はＰｔまたはＰｔ合金からなり、固体電解質体６１の内面のほぼ全面を覆うように多孔質状に形成されている。検出電極６３も同様にＰｔまたはＰｔ合金からなり、固体電解質体６１の外面に多孔質状に形成されている。これにより、検出素子６の先端側（閉じた側）が、検出部６４として機能する。検出部６４を、排気管（図示外）内を流通する排気ガス中に晒すことで、ガス濃度検出を行う。図示しないが、検出電極６３は耐熱性セラミックスよりなる多孔質状の電極保護層により被覆されており、排気ガスによる被毒から保護されている。なお、検出素子６の軸線Ｏ方向の略中間位置には、径方向外側に向かって周方向に突出する拡径部６５が設けられている。
【００１７】
検出素子６は、自身の径方向周囲を筒状の主体金具５に取り囲まれた状態で、主体金具５の筒孔５５内に保持されている。主体金具５はＳＵＳ４３０等のステンレス鋼やＳ１７Ｃ等の炭素鋼からなる筒状の部材であり、先端側に、排気管やエンジンヘッドの取付部（図示外）に螺合する雄ねじ部５２が形成されている。先述の検出部６４は、筒孔５５内から先端側に突出されている。主体金具５の雄ねじ部５２の後端側には、径方向に拡径された工具係合部５３が形成されている。工具係合部５３には、酸素センサ１を排気管やエンジンヘッドの取付部（図示外）に取り付ける際に使用される取り付け工具が係合される。工具係合部５３と雄ねじ部５２との間の部位には、排気管やエンジンヘッドの取付部を介したガス抜けを防止するための環状のガスケット１１が嵌挿されている。主体金具５の後端部には、検出素子６や後述の内筒３を固定するための加締部５７が設けられている。検出素子６の後端部６６は、加締部５７よりも後端側に突出されている。
【００１８】
主体金具５の筒孔５５内には、その内周を径方向内側に向けて突出させた段部５９が設けられている。先述の拡径部６５は、後述するプロテクタ４の後端部４６を介して、段部５９に係止されている。言い換えると、段部５９は、拡径部６５との間でプロテクタ４の後端部４６を軸線Ｏ方向に挟持している。筒孔５５内には、拡径部６５の後端側で検出素子６の周囲を取り囲むように、滑石粉末からなる充填部材１５が充填されている。さらに筒孔５５内には、充填部材１５の後端側で検出素子６の周囲を取り囲むように、アルミナ製で筒状のスリーブ１６が配置されている。このスリーブ１６の後端側には、後述する内筒３の先端部３１をスリーブ１６との間で挟持するように、環状のパッキン１７が配置されている。
【００１９】
主体金具５の後端部を内側先端方向に加締めて加締部５７を形成することで、先端部３１およびスリーブ１６がパッキン１７を介して充填部材１５に対して押し付けられる。主体金具５の段部５９に向けて検出素子６の拡径部６５を押圧するよう、充填部材１５が主体金具５の筒孔５５内に圧縮充填される。筒孔５５の内周面と検出素子６の外周面との間の間隙は、充填部材１５によって気密に埋められる。このように、検出素子６は、主体金具５の加締部５７と段部５９との間において挟持された各部材を介し、主体金具５の筒孔５５内で固定される。
【００２０】
主体金具５の筒孔５５から先端側に突出する検出素子６の検出部６４は、有底筒状のプロテクタ４によって覆われている。プロテクタ４は、酸素センサ１が排気管やエンジンヘッド（図示外）に取り付けられるまでに、検出素子６の検出部６４に対する外部からの衝突を防止する。プロテクタ４の開放された側の周縁部である後端部４６は、テーパ状に曲げ加工されている。先述のように後端部４６が拡径部６５と段部５９とによって挟持されることで、プロテクタ４は検出部６４を内部に収容した状態で固定される。プロテクタ４の周面には、内部に排気ガスを導入し、検出素子６の検出部６４へと導く導入口４２が形成されている。プロテクタ４の底面には、内部に入り込んだ水滴や排気ガスを排出するための排出口４３が形成されている。
【００２１】
主体金具５の後端側には、ＳＵＳ３０４等のステンレス鋼やＳ１７Ｃ等の炭素鋼からなる筒状の内筒３が組み付けられている。内筒３は、軸線Ｏ方向に沿って延びる筒状に形成したものである。内筒３の先端部３１は、テーパ状に曲げ加工されている。内筒３は、先述のように加締部５７が形成されることで、先端部３１がスリーブ１６とパッキン１７とによって挟持されて、主体金具５の筒孔５５から後端側に突出した状態で固定される。筒孔５５から後端側へ向けて延びる内筒３は、検出素子６の後端部６６や後述のセパレータ８の外周を取り囲んでいる。
【００２２】
内筒３に取り囲まれた検出素子６の内周側（つまり、筒穴６９）には、後端部６６の開口から端子金具７０が挿入されている。端子金具７０は、略筒状をなし、先端側に基準電極６２と接続する電極接触部７１が設けられている。端子金具７０の後端部は、径方向外側に突出する鍔部７２である。鍔部７２は、検出素子６の後端部６６と後述のセパレータ８とによって軸線Ｏ方向に挟持されている。
【００２３】
さらに、端子金具７０の筒孔内には、リード線１８の先端部に設けられた接続金具２０が挿入されている。接続金具２０は、リード線１８内の導線（撚り線）を加締めて電気的な接続を行う基部２１と、基部２１から後端側に延びるテーパ状の連設部２２と、連設部２２から後端側に延びる略円筒状の接続部２３と、接続部２３から径方向外側へ放射状に延びる突出部２４とを有する。接続金具２０の基部２１は、端子金具７０の鍔部７２に突出部２４が接触する位置（つまり、鍔部７２が後端部６６に係止される位置）まで、筒穴６９内を先端側に挿入される。このとき、接続部２３が電極接触部７１の内周面に接触して、接続金具２０と端子金具７０とが電気的に接続され、ひいてはリード線１８が基準電極６２と電気的に接続される。
【００２４】
検出素子６の後端部６６の後端側には、セパレータ８が配置されている。セパレータ８は絶縁性セラミックスを筒状に形成したものであり、自身を軸線Ｏ方向に貫通する挿通孔８１を有する。挿通孔８１には、検出素子６内に配置された接続金具２０から後端側に延びるリード線１８が挿通される。
【００２５】
セパレータ８の後端側には、フッ素系ゴムやＥＰＤＭ等からなるグロメット９が配置されている。グロメット９は、軸線Ｏ方向に延びる略円柱状をなし、軸線Ｏ方向の略中央位置から径方向外側へ周状に突出する鍔部９２を有する。グロメット９のうちで鍔部９２よりも先端側の前柱部９５が、内筒３の後端側の開口３３に嵌められている。そして、後述するように開口３３付近が外側から加締められることにより、グロメット９が内筒３に固定される。言い換えると、前柱部９５が内筒３を径方向外側に押圧することで、グロメット９は内筒３を自身に固定する。
【００２６】
これにより、内筒３の内部では、セパレータ８がグロメット９と検出素子６とによって軸線Ｏ方向に挟持される。そして、セパレータ８は、グロメット９で支持されて後端側への移動が規制され、且つ、他部材（接続金具２０の突出部２４および端子金具７０の鍔部７２）を介して検出素子６で支持されて先端側への移動が規制される。また、セパレータ８の後端面がグロメット９の先端面と面接触し、しかもグロメット９の先端面の弾性変形によってセパレータ８の後端面との密着性が高いため、セパレータ８の周方向（つまり、径方向）への移動も規制される。
【００２７】
さらに、内筒３の内部では、セパレータ８がグロメット９に対して押し付けられた状態で保持されると共に、グロメット９はセパレータ８の後端部に対応して弾性変形する。このとき、グロメット９の先端部中央には、セパレータ８の後端部が埋まる凹部９３が形成される。グロメット９の先端部周縁には、凹部９３の輪郭に沿って先端側に突出し、セパレータ８と内筒３との間隙に配置されるエッジ部９４が形成される。これにより、セパレータ８はその後端部が凹部９３に収容された状態で、エッジ部９４によって径方向への移動がさらに規制される。
【００２８】
グロメット９も、セパレータ８と同様に、自身を軸線Ｏ方向に貫通する挿通孔９１を有する。挿通孔９１には、セパレータ８の挿通孔８１から後端側に延びるリード線１８が挿通される。つまり、検出素子６内で接続金具２０および端子金具７０を介して基準電極６２に接続されたリード線１８は、挿通孔８１、９１を介して、酸素センサ１の外部に引き出されている。
【００２９】
内筒３の周面を貫通する複数の孔部は、内筒３の内部に基準ガスとしての大気（外気）を導入するための第一導入孔３４である。第一導入孔３４は、内筒３の内部への外気導入を確保するために、内筒３とグロメット９の当接位置よりも先端側に形成されている。内筒３の径方向外側において、第一導入孔３４を塞ぐように筒状のフィルタ７が配置されている。フィルタ７は、例えばポリテトラフルオロエチレンの多孔質繊維構造体等により、水滴等を主体とする液体の透過は阻止し、かつ空気及び／又は水蒸気などの気体の透過は許容する撥水性フィルタである。
【００３０】
内筒３の径方向外側には、内筒３との間にフィルタ７を介在させると共に、内筒３の周囲を取り囲む筒状の金属部材である外筒１００が設けられている。外筒１００の後端部には、その内部にグロメット９の全体が嵌め込まれるとともに、環状の加締部１０４が形成されている。加締部１０４は、グロメット９のうちで鍔部９２よりも後端側の後柱部９６に対して、外筒１００を圧着固定する。
【００３１】
また、外筒１００の周面を貫通する複数の孔部は、外筒１００の内部に基準ガスとしての大気（外気）を導入するための第二導入孔１０１である。第二導入孔１０１は、フィルタ７への外気供給を確保するために、フィルタ７に対応する位置に形成されている。外筒１００の周面のうちで第二導入孔１０１の先端側および後端側には、それぞれ環状の加締部１０２、１０３が形成されている。加締部１０２、１０３は、第二導入孔１０１を挟んだ軸線Ｏ方向の両側で、外筒１００を内筒３に向けて圧着固定するとともに、フィルタ７を外筒１００と内筒３との間で挟持させる。
【００３２】
なお、上記のように外筒１００は内筒３に対して加締められるため、外筒１００は内筒３よりも加締め加工が容易な柔軟性を有することが好適である。一例として、本実施形態の酸素センサ１では、内筒３及び外筒１００に対して熱処理により硬度差を設けている。
【００３３】
上記の構造によって、第二導入孔１０１から外筒１００の内部に導入された外気は、さらに第一導入孔３４から内筒３の内部に導入される。このとき、外気に含まれる水滴等は、フィルタ７によって内筒３内に侵入することが阻止される。なお、セパレータ８と検出素子６の後端部６６との間には、放射状をなす端子金具７０の突出部２４によって、外気を導入可能な隙間１９が形成されている。内筒３内に導入された外気は、隙間１９を経由して検出素子６の内部（つまり、筒穴６９）に導入される。
【００３４】
このように、本実施形態の酸素センサ１では、検出素子６の内部に基準ガスとして外気が導入される一方、検出素子６の外面（詳細には、検出部６４）には導入口４２から導入された排気ガスが接触する。そして、検出素子６の内外面の酸素濃度差に応じて、酸素濃淡電池起電力が生じる。この酸素濃淡電池起電力を、排気ガス中の酸素濃度の検出信号として基準電極６２からリード線１８を介して取り出すことにより、排気ガス中の酸素濃度を検出できる。
【００３５】
次に、図２〜図９を参照し、酸素センサ１の製造工程について説明する。まず、図２に示すように、主体金具５の後端部５６の開口から、プロテクタ４を筒孔５５内に圧入する。このとき、プロテクタ４の後端部４６が段部５９に係止される位置まで、排出口４３を先端向きに圧入して、プロテクタ４を主体金具５内で仮固定する。
【００３６】
次に、図３に示すように、主体金具５の後端部５６の開口を介して、検出素子６を筒孔５５内に挿入する。このとき、検出素子６の拡径部６５がプロテクタ４の後端部４６に係止される位置まで、検出部６４を先端向きに挿入して、検出素子６を主体金具５内で仮固定する。
【００３７】
次に、図４に示すように、主体金具５の後端部５６の開口を介して、充填部材１５を検出素子６の周囲に充填する。これにより、充填部材１５は拡径部６５の後端側で、主体金具５と検出素子６との隙間を埋める。また、検出素子６の後端部６６の開口を介して、端子金具７０を筒穴６９に挿入する。このとき、端子金具７０の鍔部７２が検出素子６の後端部６６に係止される位置まで、電極接触部７１を先端向きに挿入する。電極接触部７１は、径方向外側に作用する自身のバネ力によって、基準電極６２に接触した状態で筒穴６９に固定される。
【００３８】
次に、図５に示すように、主体金具５の後端部５６の開口を介して、スリーブ１６、内筒３、パッキン１７を順に検出素子６の周囲に装着する。これにより、スリーブ１６は充填部材１５に後端側から当接するとともに、内筒３の先端部３１がスリーブ１６とパッキン１７とで軸線Ｏ方向に挟持されて、内筒３はスリーブ１６から後端側に向けて立設された状態となる。
【００３９】
次に、図６に示すように、主体金具５の後端部５６を内筒３の外周面に接触する位置まで径方向内側に加締めて、加締部５７を形成する。加締部５７の形成によってパッキン１７に付与される外圧が、内筒３の先端部３１を介してスリーブ１６、充填部材１５を先端側に押圧する。これにより、充填部材１５と段部５９との間で拡径部６５が強固に挟持されて、検出素子６が固定される。また、拡径部６５と段部５９と間で後端部４６が強固に挟持されて、プロテクタ４が固定される。さらに、スリーブ１６とパッキン１７との間で先端部３１が強固に挟持されて、内筒３が固定される。以上の工程により、主体金具５、プロテクタ４、検出素子６、内筒３等が一体に組み付けられた下側アセンブリ２００が作製される。
【００４０】
次に、図７に示すように、加締部５７の後端側で内筒３の外周面を覆うように、下側アセンブリ２００にフィルタ７を装着する。さらに、図８に示すように、予め作製された上側アセンブリ３００を、フィルタ７が装着された下側アセンブリ２００に組み付ける。上側アセンブリ３００は、グロメット９、外筒１００、リード線１８、セパレータ８等が一体に組み付けられた部材であり、次のようにして作製されればよい。
【００４１】
組み付け前の外筒１００は、後柱部９６と略同径の筒状部である後筒部１０６と、後筒部１０６よりも先端側に設けられた、鍔部９２と略同径の筒状部である前筒部１０５と、後筒部１０６の先端縁から径方向外側に延び、前筒部１０５の後端縁に接続される連設部１０７とを有する。先述の第二導入孔１０１は、前筒部１０５に形成されている。連設部１０７の先端側開口を介して、グロメット９を外筒１００内に挿入する。このとき、グロメット９の鍔部９２が外筒１００の連設部１０７に係止される位置まで、後柱部９６を後端向きに挿入して、後柱部９６を後筒部１０６内に嵌め込む。
【００４２】
そして、リード線１８を挿通孔９１に後端側から挿入して、グロメット９の先端側にリード線１８を引き出す。さらに、グロメット９から引き出したリード線１８を挿通孔８１に後端側から挿入して、セパレータ８の先端側にリード線１８を引き出す。セパレータ８から引き出したリード線１８内の導線（撚り線）に基部２１を加締めて、接続金具２０をリード線１８に固定する。これにより、接続金具２０の突出部２４とグロメット９との間でセパレータ８が挟持されて、上側アセンブリ３００が作製される。
【００４３】
図８に示すように、上側アセンブリ３００を下側アセンブリ２００に組み付ける場合、内筒３の開口３３を介して、リード線１８の先端側に取り付けられた接続金具２０を、検出素子６の筒穴６９に挿入する。このとき、接続金具２０の突出部２４が端子金具７０の鍔部７２に係止される位置まで、基部２１を先端向きに挿入する。接続部２３は、径方向外側に作用する自身のバネ力によって、電極接触部７１の内周面に接触した状態で筒穴６９に固定される。
【００４４】
一方、上記の接続金具２０の挿入に伴って、フィルタ７が取り付けられた内筒３が、前筒部１０５の先端側開口を介して外筒１００内に挿入されて、前筒部１０５とグロメット９の前柱部９５との隙間に進入する。そして、接続金具２０の突出部２４が端子金具７０の鍔部７２に係止された状態では、内筒３の後端部がグロメット９の鍔部９２に係止される位置まで、上側アセンブリ３００を更に先端側に押し込むことができる。このように上側アセンブリ３００を押し込むと、グロメット９がセパレータ８に押圧されて弾性変形して、前柱部９５に凹部９３およびエッジ部９４が形成される。なお、本実施形態では、グロメット９がセパレータ８に押圧されて弾性変形することで、前柱部９５に凹部９３およびエッジ部９４が形成されているが、グロメット９がセパレータ８に押圧される前から、前柱部９５に凹部９３およびエッジ部９４が形成されていてもよい。
【００４５】
最後に、図８に示す組み付け状態のもと、図９に示すように、前筒部１０５における第二導入孔１０１の先端側および後端側を、それぞれ径方向内側に向けて周方向に加締めて、環状の加締部１０２、１０３を形成する。これにより、外筒１００が内筒３に対して圧着されて、上側アセンブリ３００が下側アセンブリ２００に固定されるとともに、外筒１００と内筒３との間でフィルタ７が固定される。さらに、後筒部１０６を径方向内側に向けて周方向に加締めて、環状の加締部１０４を形成する。これにより、外筒１００がグロメット９（詳細には、後柱部９６）に対して圧着固定されて、酸素センサ１が完成する。
【００４６】
以上説明したように、本実施形態に係る酸素センサ１によれば、セパレータ８は検出素子６とグロメット９とにより軸線Ｏ方向に挟持されると共に、その径方向外側に内筒３、フィルタ７、外筒１００が順に配置される。これにより、セパレータ８の軸線方向および径方向への移動が規制されて、セパレータ８がケーシング（内筒３および外筒１００）の内部で安定して固定される。さらに、セパレータ８は内筒３から離間して保持され、且つ、内筒３、フィルタ７、外筒１００によって三重に保護されるため、酸素センサ１への外圧に対するセパレータ８の耐性が高い。したがって、ケーシングの内部でセパレータ８を確実に固定および保護することができる。
【００４７】
また、セパレータ８の先端部に形成されたエッジ部９４によって、セパレータ８の径方向への移動が確実に規制されるため、ケーシングの内部でセパレータ８をより確実に固定することができる。ひいては、例えば酸素センサ１に振動や衝撃が生じた場合でも、セパレータ８と内筒３との接触が防止されるため、セパレータ８をより確実に保護することができる。
【００４８】
また、第一導入孔３４は内筒３とグロメット９の当接位置よりも先端側に形成されているため、セパレータ８と内筒３との離間部位を通気路として用いることができ、フィルタ７を介して外気を酸素センサ１内に容易に導入することができる。
【００４９】
また、端子金具７０の後端部から径方向外側に広がる鍔部７２が、検出素子６とセパレータ８との間で挟持されるため、端子金具７０を固定するための専用部品を設けることなく、端子金具７０を簡易な構造で確実に固定することができる。
【００５０】
ところで、上記実施形態において、酸素センサ１が本発明の「ガスセンサ」に相当する。セパレータ８が、本発明の「セラミック部材」に相当する。尚、本発明は、以上詳述した実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々変更を加えてもよい。
【００５１】
上記実施形態では、セパレータ８は１本のリード線１８を保持している。これに代えてセパレータ８は複数のリード線を絶縁保持してもよい。また、上記実施形態では、セパレータ８はリード線が挿通される挿通孔８１を有している。これに代えて、セパレータ８は端子金具７０およびリード線１８の少なくとも何れか一方が挿通される挿通孔８１を有してもよい。さらに、上記実施形態では、セパレータ８は検出素子６とグロメット９とにより他部材（端子金具７０の鍔部７２や、接続金具２０の突出部２４など）を介して挟持されている。これに代えて、セパレータ８は検出素子６とグロメット９とにより直接挟持されてもよい。
【００５２】
また、上記実施形態では、本発明に係るセンサの一態様として、酸素センサである酸素センサ１を例示した。しかしながら、本発明は、検出素子から検出信号を取り出すためのリード線を保持するセラミック部材がケーシングの内部に設けられるセンサに適用できる。よって、酸素センサ以外のガスセンサ、例えばＨＣセンサやＮＯｘセンサなどに、本発明を適用してもよい。
【符号の説明】
【００５３】
１ 酸素センサ
３ 内筒
５ 主体金具
６ 検出素子
７ フィルタ
８ セパレータ
９ グロメット
１８ リード線
３４ 第一導入孔
６２ 基準電極
６３ 検出電極
７０ 端子金具
７２ 鍔部
８１ 挿通孔
９１ 挿通孔
１００ 外筒
１０１ 第二導入孔
【技術分野】
【０００１】
本発明は、酸素センサ、ＨＣセンサ、ＮＯｘセンサなど、測定対象となるガス中の被検出成分を検出するためのガスセンサに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、被検出成分を検出する検出部が先端に形成された検出素子を、金属製のケーシングの内側に配置したガスセンサが知られている。このようなガスセンサでは、検出素子から検出信号を取り出すためのリード線を保持するセラミック部材（所謂、セパレータ）が、ケーシングの内部に設けられている。ケーシングの内部にセパレータを固定する手法が、従来から各種提案されている。
【０００３】
例えば、特許文献１には、ケーシングとセパレータとの間に保持金具を介在させた状態で、ケーシングを外側から加締めてセパレータを固定するガスセンサが開示されている。特許文献２には、ケーシングの内部に圧入した保持金具でセパレータを固定するガスセンサが開示されている。特許文献３には、ケーシングの内部に設けた一対の弾性部材（グロメットおよびシール部材）で、セパレータを軸線方向に挟持して固定するガスセンサが開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１０−２７６３３７号公報
【特許文献２】特開２０１０−２２３７５０号公報
【特許文献３】特開２０００−８１４１２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、特許文献１、２に開示のガスセンサでは、ガスセンサに振動や衝撃が生じたときに保持金具の位置ズレが生じ、ひいてはセパレータの位置ズレを生じるおそれがあった。さらに、セパレータを固定するための専用部品（つまり、保持金具）を用いるために、ガスセンサの部品数および製造コストの低減や、ガスセンサの小型化などが妨げられるおそれがあった。また、特許文献３に開示のガスセンサでは、一対の弾性部材で挟持されるセパレータの後端側は、内筒部材の周囲を取り囲む外筒部材のみで保護されている。そのため、ガスセンサに対して外圧が加えられたときに、セパレータが破損しやすくなるおそれがあった。
【０００６】
本発明は、上記課題を解決するためになされたものであり、ケーシングの内部でセラミック部材を確実に固定および保護することができるガスセンサを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の一態様に係るガスセンサは、軸線方向に延び、測定対象に向けられる先端側が閉じた筒状をなし、自身の外周面に外側電極、および自身の内周面に内側電極が設けられた検出素子と、前記検出素子の周囲を取り囲み、前記検出素子を保持する主体金具と、前記検出素子の筒穴内に挿入され、前記検出素子の前記内側電極と電気的に接続する筒状の端子金具と、前記端子金具に接続され、前記端子金具から後端側に延びて電流経路を形成するリード線と、前記検出素子の後端側に配置されると共に、前記端子金具および前記リード線の少なくとも何れか一方が挿通される挿通孔を有するセラミック部材と、前記セラミック部材の周囲を取り囲む筒状の金属部材であり、先端側が前記主体金具の後端側に固定されると共に、自身の内部にガスを導入するための第一導入孔が形成された内筒と、前記内筒の筒孔内における前記セラミック部材の後端側に配置されて、前記内筒を内側から径方向外側に押圧すると共に、前記リード線が挿通される挿通孔を有する弾性部材と、前記内筒の径方向外側において、前記第一導入孔を塞ぐように配置されたフィルタと、前記内筒の周囲を取り囲む筒状の金属部材であって、前記内筒との間に前記フィルタを介在させると共に、前記空間内にガスを導入するための第二導入孔が前記フィルタ上に形成された外筒と、を備えており、前記セラミック部材は、前記検出素子と前記弾性部材とにより直接又は他部材を介して挟持されることによって、前記内筒から離間した状態で保持されることを特徴とする。
【０００８】
本発明の一態様に係るガスセンサによれば、セラミック部材は検出素子と弾性部材とにより直接又は他部材を介して軸線方向に挟持されると共に、その径方向外側に内筒、フィルタ、外筒が順に配置される。これにより、セラミック部材の軸線方向および径方向への移動が規制されて、セラミック部材がケーシング（内筒および外筒）の内部で安定して固定される。さらに、セラミック部材は内筒から離間して保持され、且つ、内筒、フィルタ、外筒によって三重に保護されるため、ガスセンサへの外圧に対するセラミック部材の耐性が高い。したがって、ケーシングの内部でセラミック部材を確実に固定および保護することができる。
【０００９】
また、本発明の一態様に係るガスセンサにおいて、前記弾性部材の先端部には、前記軸線方向先端側に突出し、前記セラミック部材と前記内筒との間隙に配置されるエッジ部が形成されていることが好ましい。この場合、エッジ部によってセラミック部材の径方向への移動が確実に規制されるため、ケーシングの内部でセラミック部材をより確実に固定することができる。ひいては、例えばガスセンサに振動や衝撃が生じた場合でも、セラミック部材と内筒との接触が防止されるため、セラミック部材をより確実に保護することができる。
【００１０】
また、本発明の一態様に係るガスセンサにおいて、前記第一導入孔は、前記内筒と前記弾性部材の当接位置よりも先端側に形成されていることが好ましい。内筒の第一導入孔に対応する弾性部材の位置に通気孔を形成し、検出素子内に外気を導入しても良いが、本発明のように、セラミック部材と内筒とが離間しているため、弾性部材の当接位置よりも先端側に形成することで、このセラミック部材と内筒との離間を通気路として用いることができ、弾性部材に通気孔を形成することなく、フィルタを介して外気を検出素子内に容易に導入することができる。なお、第一導入孔の全部が内筒と弾性部材の当接位置よりも先端側に形成されていることが好ましいが、第一導入孔の一部が内筒と弾性部材の当接位置よりも先端側に形成されていても良い。
【００１１】
また、本発明の一態様に係るガスセンサにおいて、前記端子金具は、自身の後端部から径方向外側に広がる鍔部を有し、前記端子金具の鍔部は、前記検出素子と前記セラミック部材との間で挟持されてもよい。この場合、端子金具を固定するための専用部品を設けることなく、端子金具を簡易な構造で確実に固定することができる。
【００１２】
また、本発明の一態様に係るガスセンサにおいて、前記検出素子は、ジルコニアを主成分とし、前記セラミック部材は、アルミナを主成分としてもよい。この場合、上記のガスセンサを、例えば酸素センサなどに適用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】酸素センサ１の縦断面図である。
【図２】主体金具５にプロテクタ４を配置する工程を説明するための図である。
【図３】主体金具５に検出素子６を配置する工程を説明するための図である。
【図４】主体金具５に充填部材１５および端子金具７０を配置する工程を説明するための図である。
【図５】主体金具５にスリーブ１６、パッキン１７、内筒３を配置する工程を説明するための図である。
【図６】加締部５７を形成する工程を説明するための図である。
【図７】下側アセンブリ２００にフィルタ７を配置する工程を説明するための図である。
【図８】下側アセンブリ２００に上側アセンブリ３００を配置する工程を説明するための図である。
【図９】加締部１０２、１０３、１０４を形成する工程を説明するための図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下、本発明を具体化したガスセンサの一実施の形態について、図面を参照して説明する。まず、図１を参照し、ガスセンサの一例としての酸素センサ１の構造について説明する。図１に示す酸素センサ１は自動車等の内燃機関のエンジンから排出される排気ガスの排気管（図示外）やエンジンヘッドに取り付けられて使用されるものである。以下では、酸素センサ１の軸線Ｏ方向において、排気管やエンジンヘッド内に挿入される検出素子６の先端に向かう側（閉じている側であり図中下側）を先端側とし、これと反対方向に向かう側（図中上側）を後端側として説明する。また、軸線Ｏ方向と直交する方向を、酸素センサ１の径方向として説明する。
【００１５】
図１に示す酸素センサ１は、排気管内を流通する排気ガス中の酸素の有無を検出するためのセンサである。酸素センサ１は、細長で先が閉じられた筒状の検出素子６を主体金具５で取り囲んで保持した構造を有する。酸素センサ１からは、検出素子６の出力する信号を取り出すリード線１８が引き出されている。リード線１８は、酸素センサ１とは離れた位置に設けられる図示外のセンサ制御装置あるいは自動車の電子制御装置（ＥＣＵ）に、電気的に接続されている。
【００１６】
検出素子６は、ジルコニアを主成分とする固体電解質体６１を、軸線Ｏ方向に延び、先端が閉じた筒状に形成し、内周側に基準電極６２を設け、外周側に検出電極６３を設けたものである。基準電極６２はＰｔまたはＰｔ合金からなり、固体電解質体６１の内面のほぼ全面を覆うように多孔質状に形成されている。検出電極６３も同様にＰｔまたはＰｔ合金からなり、固体電解質体６１の外面に多孔質状に形成されている。これにより、検出素子６の先端側（閉じた側）が、検出部６４として機能する。検出部６４を、排気管（図示外）内を流通する排気ガス中に晒すことで、ガス濃度検出を行う。図示しないが、検出電極６３は耐熱性セラミックスよりなる多孔質状の電極保護層により被覆されており、排気ガスによる被毒から保護されている。なお、検出素子６の軸線Ｏ方向の略中間位置には、径方向外側に向かって周方向に突出する拡径部６５が設けられている。
【００１７】
検出素子６は、自身の径方向周囲を筒状の主体金具５に取り囲まれた状態で、主体金具５の筒孔５５内に保持されている。主体金具５はＳＵＳ４３０等のステンレス鋼やＳ１７Ｃ等の炭素鋼からなる筒状の部材であり、先端側に、排気管やエンジンヘッドの取付部（図示外）に螺合する雄ねじ部５２が形成されている。先述の検出部６４は、筒孔５５内から先端側に突出されている。主体金具５の雄ねじ部５２の後端側には、径方向に拡径された工具係合部５３が形成されている。工具係合部５３には、酸素センサ１を排気管やエンジンヘッドの取付部（図示外）に取り付ける際に使用される取り付け工具が係合される。工具係合部５３と雄ねじ部５２との間の部位には、排気管やエンジンヘッドの取付部を介したガス抜けを防止するための環状のガスケット１１が嵌挿されている。主体金具５の後端部には、検出素子６や後述の内筒３を固定するための加締部５７が設けられている。検出素子６の後端部６６は、加締部５７よりも後端側に突出されている。
【００１８】
主体金具５の筒孔５５内には、その内周を径方向内側に向けて突出させた段部５９が設けられている。先述の拡径部６５は、後述するプロテクタ４の後端部４６を介して、段部５９に係止されている。言い換えると、段部５９は、拡径部６５との間でプロテクタ４の後端部４６を軸線Ｏ方向に挟持している。筒孔５５内には、拡径部６５の後端側で検出素子６の周囲を取り囲むように、滑石粉末からなる充填部材１５が充填されている。さらに筒孔５５内には、充填部材１５の後端側で検出素子６の周囲を取り囲むように、アルミナ製で筒状のスリーブ１６が配置されている。このスリーブ１６の後端側には、後述する内筒３の先端部３１をスリーブ１６との間で挟持するように、環状のパッキン１７が配置されている。
【００１９】
主体金具５の後端部を内側先端方向に加締めて加締部５７を形成することで、先端部３１およびスリーブ１６がパッキン１７を介して充填部材１５に対して押し付けられる。主体金具５の段部５９に向けて検出素子６の拡径部６５を押圧するよう、充填部材１５が主体金具５の筒孔５５内に圧縮充填される。筒孔５５の内周面と検出素子６の外周面との間の間隙は、充填部材１５によって気密に埋められる。このように、検出素子６は、主体金具５の加締部５７と段部５９との間において挟持された各部材を介し、主体金具５の筒孔５５内で固定される。
【００２０】
主体金具５の筒孔５５から先端側に突出する検出素子６の検出部６４は、有底筒状のプロテクタ４によって覆われている。プロテクタ４は、酸素センサ１が排気管やエンジンヘッド（図示外）に取り付けられるまでに、検出素子６の検出部６４に対する外部からの衝突を防止する。プロテクタ４の開放された側の周縁部である後端部４６は、テーパ状に曲げ加工されている。先述のように後端部４６が拡径部６５と段部５９とによって挟持されることで、プロテクタ４は検出部６４を内部に収容した状態で固定される。プロテクタ４の周面には、内部に排気ガスを導入し、検出素子６の検出部６４へと導く導入口４２が形成されている。プロテクタ４の底面には、内部に入り込んだ水滴や排気ガスを排出するための排出口４３が形成されている。
【００２１】
主体金具５の後端側には、ＳＵＳ３０４等のステンレス鋼やＳ１７Ｃ等の炭素鋼からなる筒状の内筒３が組み付けられている。内筒３は、軸線Ｏ方向に沿って延びる筒状に形成したものである。内筒３の先端部３１は、テーパ状に曲げ加工されている。内筒３は、先述のように加締部５７が形成されることで、先端部３１がスリーブ１６とパッキン１７とによって挟持されて、主体金具５の筒孔５５から後端側に突出した状態で固定される。筒孔５５から後端側へ向けて延びる内筒３は、検出素子６の後端部６６や後述のセパレータ８の外周を取り囲んでいる。
【００２２】
内筒３に取り囲まれた検出素子６の内周側（つまり、筒穴６９）には、後端部６６の開口から端子金具７０が挿入されている。端子金具７０は、略筒状をなし、先端側に基準電極６２と接続する電極接触部７１が設けられている。端子金具７０の後端部は、径方向外側に突出する鍔部７２である。鍔部７２は、検出素子６の後端部６６と後述のセパレータ８とによって軸線Ｏ方向に挟持されている。
【００２３】
さらに、端子金具７０の筒孔内には、リード線１８の先端部に設けられた接続金具２０が挿入されている。接続金具２０は、リード線１８内の導線（撚り線）を加締めて電気的な接続を行う基部２１と、基部２１から後端側に延びるテーパ状の連設部２２と、連設部２２から後端側に延びる略円筒状の接続部２３と、接続部２３から径方向外側へ放射状に延びる突出部２４とを有する。接続金具２０の基部２１は、端子金具７０の鍔部７２に突出部２４が接触する位置（つまり、鍔部７２が後端部６６に係止される位置）まで、筒穴６９内を先端側に挿入される。このとき、接続部２３が電極接触部７１の内周面に接触して、接続金具２０と端子金具７０とが電気的に接続され、ひいてはリード線１８が基準電極６２と電気的に接続される。
【００２４】
検出素子６の後端部６６の後端側には、セパレータ８が配置されている。セパレータ８は絶縁性セラミックスを筒状に形成したものであり、自身を軸線Ｏ方向に貫通する挿通孔８１を有する。挿通孔８１には、検出素子６内に配置された接続金具２０から後端側に延びるリード線１８が挿通される。
【００２５】
セパレータ８の後端側には、フッ素系ゴムやＥＰＤＭ等からなるグロメット９が配置されている。グロメット９は、軸線Ｏ方向に延びる略円柱状をなし、軸線Ｏ方向の略中央位置から径方向外側へ周状に突出する鍔部９２を有する。グロメット９のうちで鍔部９２よりも先端側の前柱部９５が、内筒３の後端側の開口３３に嵌められている。そして、後述するように開口３３付近が外側から加締められることにより、グロメット９が内筒３に固定される。言い換えると、前柱部９５が内筒３を径方向外側に押圧することで、グロメット９は内筒３を自身に固定する。
【００２６】
これにより、内筒３の内部では、セパレータ８がグロメット９と検出素子６とによって軸線Ｏ方向に挟持される。そして、セパレータ８は、グロメット９で支持されて後端側への移動が規制され、且つ、他部材（接続金具２０の突出部２４および端子金具７０の鍔部７２）を介して検出素子６で支持されて先端側への移動が規制される。また、セパレータ８の後端面がグロメット９の先端面と面接触し、しかもグロメット９の先端面の弾性変形によってセパレータ８の後端面との密着性が高いため、セパレータ８の周方向（つまり、径方向）への移動も規制される。
【００２７】
さらに、内筒３の内部では、セパレータ８がグロメット９に対して押し付けられた状態で保持されると共に、グロメット９はセパレータ８の後端部に対応して弾性変形する。このとき、グロメット９の先端部中央には、セパレータ８の後端部が埋まる凹部９３が形成される。グロメット９の先端部周縁には、凹部９３の輪郭に沿って先端側に突出し、セパレータ８と内筒３との間隙に配置されるエッジ部９４が形成される。これにより、セパレータ８はその後端部が凹部９３に収容された状態で、エッジ部９４によって径方向への移動がさらに規制される。
【００２８】
グロメット９も、セパレータ８と同様に、自身を軸線Ｏ方向に貫通する挿通孔９１を有する。挿通孔９１には、セパレータ８の挿通孔８１から後端側に延びるリード線１８が挿通される。つまり、検出素子６内で接続金具２０および端子金具７０を介して基準電極６２に接続されたリード線１８は、挿通孔８１、９１を介して、酸素センサ１の外部に引き出されている。
【００２９】
内筒３の周面を貫通する複数の孔部は、内筒３の内部に基準ガスとしての大気（外気）を導入するための第一導入孔３４である。第一導入孔３４は、内筒３の内部への外気導入を確保するために、内筒３とグロメット９の当接位置よりも先端側に形成されている。内筒３の径方向外側において、第一導入孔３４を塞ぐように筒状のフィルタ７が配置されている。フィルタ７は、例えばポリテトラフルオロエチレンの多孔質繊維構造体等により、水滴等を主体とする液体の透過は阻止し、かつ空気及び／又は水蒸気などの気体の透過は許容する撥水性フィルタである。
【００３０】
内筒３の径方向外側には、内筒３との間にフィルタ７を介在させると共に、内筒３の周囲を取り囲む筒状の金属部材である外筒１００が設けられている。外筒１００の後端部には、その内部にグロメット９の全体が嵌め込まれるとともに、環状の加締部１０４が形成されている。加締部１０４は、グロメット９のうちで鍔部９２よりも後端側の後柱部９６に対して、外筒１００を圧着固定する。
【００３１】
また、外筒１００の周面を貫通する複数の孔部は、外筒１００の内部に基準ガスとしての大気（外気）を導入するための第二導入孔１０１である。第二導入孔１０１は、フィルタ７への外気供給を確保するために、フィルタ７に対応する位置に形成されている。外筒１００の周面のうちで第二導入孔１０１の先端側および後端側には、それぞれ環状の加締部１０２、１０３が形成されている。加締部１０２、１０３は、第二導入孔１０１を挟んだ軸線Ｏ方向の両側で、外筒１００を内筒３に向けて圧着固定するとともに、フィルタ７を外筒１００と内筒３との間で挟持させる。
【００３２】
なお、上記のように外筒１００は内筒３に対して加締められるため、外筒１００は内筒３よりも加締め加工が容易な柔軟性を有することが好適である。一例として、本実施形態の酸素センサ１では、内筒３及び外筒１００に対して熱処理により硬度差を設けている。
【００３３】
上記の構造によって、第二導入孔１０１から外筒１００の内部に導入された外気は、さらに第一導入孔３４から内筒３の内部に導入される。このとき、外気に含まれる水滴等は、フィルタ７によって内筒３内に侵入することが阻止される。なお、セパレータ８と検出素子６の後端部６６との間には、放射状をなす端子金具７０の突出部２４によって、外気を導入可能な隙間１９が形成されている。内筒３内に導入された外気は、隙間１９を経由して検出素子６の内部（つまり、筒穴６９）に導入される。
【００３４】
このように、本実施形態の酸素センサ１では、検出素子６の内部に基準ガスとして外気が導入される一方、検出素子６の外面（詳細には、検出部６４）には導入口４２から導入された排気ガスが接触する。そして、検出素子６の内外面の酸素濃度差に応じて、酸素濃淡電池起電力が生じる。この酸素濃淡電池起電力を、排気ガス中の酸素濃度の検出信号として基準電極６２からリード線１８を介して取り出すことにより、排気ガス中の酸素濃度を検出できる。
【００３５】
次に、図２〜図９を参照し、酸素センサ１の製造工程について説明する。まず、図２に示すように、主体金具５の後端部５６の開口から、プロテクタ４を筒孔５５内に圧入する。このとき、プロテクタ４の後端部４６が段部５９に係止される位置まで、排出口４３を先端向きに圧入して、プロテクタ４を主体金具５内で仮固定する。
【００３６】
次に、図３に示すように、主体金具５の後端部５６の開口を介して、検出素子６を筒孔５５内に挿入する。このとき、検出素子６の拡径部６５がプロテクタ４の後端部４６に係止される位置まで、検出部６４を先端向きに挿入して、検出素子６を主体金具５内で仮固定する。
【００３７】
次に、図４に示すように、主体金具５の後端部５６の開口を介して、充填部材１５を検出素子６の周囲に充填する。これにより、充填部材１５は拡径部６５の後端側で、主体金具５と検出素子６との隙間を埋める。また、検出素子６の後端部６６の開口を介して、端子金具７０を筒穴６９に挿入する。このとき、端子金具７０の鍔部７２が検出素子６の後端部６６に係止される位置まで、電極接触部７１を先端向きに挿入する。電極接触部７１は、径方向外側に作用する自身のバネ力によって、基準電極６２に接触した状態で筒穴６９に固定される。
【００３８】
次に、図５に示すように、主体金具５の後端部５６の開口を介して、スリーブ１６、内筒３、パッキン１７を順に検出素子６の周囲に装着する。これにより、スリーブ１６は充填部材１５に後端側から当接するとともに、内筒３の先端部３１がスリーブ１６とパッキン１７とで軸線Ｏ方向に挟持されて、内筒３はスリーブ１６から後端側に向けて立設された状態となる。
【００３９】
次に、図６に示すように、主体金具５の後端部５６を内筒３の外周面に接触する位置まで径方向内側に加締めて、加締部５７を形成する。加締部５７の形成によってパッキン１７に付与される外圧が、内筒３の先端部３１を介してスリーブ１６、充填部材１５を先端側に押圧する。これにより、充填部材１５と段部５９との間で拡径部６５が強固に挟持されて、検出素子６が固定される。また、拡径部６５と段部５９と間で後端部４６が強固に挟持されて、プロテクタ４が固定される。さらに、スリーブ１６とパッキン１７との間で先端部３１が強固に挟持されて、内筒３が固定される。以上の工程により、主体金具５、プロテクタ４、検出素子６、内筒３等が一体に組み付けられた下側アセンブリ２００が作製される。
【００４０】
次に、図７に示すように、加締部５７の後端側で内筒３の外周面を覆うように、下側アセンブリ２００にフィルタ７を装着する。さらに、図８に示すように、予め作製された上側アセンブリ３００を、フィルタ７が装着された下側アセンブリ２００に組み付ける。上側アセンブリ３００は、グロメット９、外筒１００、リード線１８、セパレータ８等が一体に組み付けられた部材であり、次のようにして作製されればよい。
【００４１】
組み付け前の外筒１００は、後柱部９６と略同径の筒状部である後筒部１０６と、後筒部１０６よりも先端側に設けられた、鍔部９２と略同径の筒状部である前筒部１０５と、後筒部１０６の先端縁から径方向外側に延び、前筒部１０５の後端縁に接続される連設部１０７とを有する。先述の第二導入孔１０１は、前筒部１０５に形成されている。連設部１０７の先端側開口を介して、グロメット９を外筒１００内に挿入する。このとき、グロメット９の鍔部９２が外筒１００の連設部１０７に係止される位置まで、後柱部９６を後端向きに挿入して、後柱部９６を後筒部１０６内に嵌め込む。
【００４２】
そして、リード線１８を挿通孔９１に後端側から挿入して、グロメット９の先端側にリード線１８を引き出す。さらに、グロメット９から引き出したリード線１８を挿通孔８１に後端側から挿入して、セパレータ８の先端側にリード線１８を引き出す。セパレータ８から引き出したリード線１８内の導線（撚り線）に基部２１を加締めて、接続金具２０をリード線１８に固定する。これにより、接続金具２０の突出部２４とグロメット９との間でセパレータ８が挟持されて、上側アセンブリ３００が作製される。
【００４３】
図８に示すように、上側アセンブリ３００を下側アセンブリ２００に組み付ける場合、内筒３の開口３３を介して、リード線１８の先端側に取り付けられた接続金具２０を、検出素子６の筒穴６９に挿入する。このとき、接続金具２０の突出部２４が端子金具７０の鍔部７２に係止される位置まで、基部２１を先端向きに挿入する。接続部２３は、径方向外側に作用する自身のバネ力によって、電極接触部７１の内周面に接触した状態で筒穴６９に固定される。
【００４４】
一方、上記の接続金具２０の挿入に伴って、フィルタ７が取り付けられた内筒３が、前筒部１０５の先端側開口を介して外筒１００内に挿入されて、前筒部１０５とグロメット９の前柱部９５との隙間に進入する。そして、接続金具２０の突出部２４が端子金具７０の鍔部７２に係止された状態では、内筒３の後端部がグロメット９の鍔部９２に係止される位置まで、上側アセンブリ３００を更に先端側に押し込むことができる。このように上側アセンブリ３００を押し込むと、グロメット９がセパレータ８に押圧されて弾性変形して、前柱部９５に凹部９３およびエッジ部９４が形成される。なお、本実施形態では、グロメット９がセパレータ８に押圧されて弾性変形することで、前柱部９５に凹部９３およびエッジ部９４が形成されているが、グロメット９がセパレータ８に押圧される前から、前柱部９５に凹部９３およびエッジ部９４が形成されていてもよい。
【００４５】
最後に、図８に示す組み付け状態のもと、図９に示すように、前筒部１０５における第二導入孔１０１の先端側および後端側を、それぞれ径方向内側に向けて周方向に加締めて、環状の加締部１０２、１０３を形成する。これにより、外筒１００が内筒３に対して圧着されて、上側アセンブリ３００が下側アセンブリ２００に固定されるとともに、外筒１００と内筒３との間でフィルタ７が固定される。さらに、後筒部１０６を径方向内側に向けて周方向に加締めて、環状の加締部１０４を形成する。これにより、外筒１００がグロメット９（詳細には、後柱部９６）に対して圧着固定されて、酸素センサ１が完成する。
【００４６】
以上説明したように、本実施形態に係る酸素センサ１によれば、セパレータ８は検出素子６とグロメット９とにより軸線Ｏ方向に挟持されると共に、その径方向外側に内筒３、フィルタ７、外筒１００が順に配置される。これにより、セパレータ８の軸線方向および径方向への移動が規制されて、セパレータ８がケーシング（内筒３および外筒１００）の内部で安定して固定される。さらに、セパレータ８は内筒３から離間して保持され、且つ、内筒３、フィルタ７、外筒１００によって三重に保護されるため、酸素センサ１への外圧に対するセパレータ８の耐性が高い。したがって、ケーシングの内部でセパレータ８を確実に固定および保護することができる。
【００４７】
また、セパレータ８の先端部に形成されたエッジ部９４によって、セパレータ８の径方向への移動が確実に規制されるため、ケーシングの内部でセパレータ８をより確実に固定することができる。ひいては、例えば酸素センサ１に振動や衝撃が生じた場合でも、セパレータ８と内筒３との接触が防止されるため、セパレータ８をより確実に保護することができる。
【００４８】
また、第一導入孔３４は内筒３とグロメット９の当接位置よりも先端側に形成されているため、セパレータ８と内筒３との離間部位を通気路として用いることができ、フィルタ７を介して外気を酸素センサ１内に容易に導入することができる。
【００４９】
また、端子金具７０の後端部から径方向外側に広がる鍔部７２が、検出素子６とセパレータ８との間で挟持されるため、端子金具７０を固定するための専用部品を設けることなく、端子金具７０を簡易な構造で確実に固定することができる。
【００５０】
ところで、上記実施形態において、酸素センサ１が本発明の「ガスセンサ」に相当する。セパレータ８が、本発明の「セラミック部材」に相当する。尚、本発明は、以上詳述した実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々変更を加えてもよい。
【００５１】
上記実施形態では、セパレータ８は１本のリード線１８を保持している。これに代えてセパレータ８は複数のリード線を絶縁保持してもよい。また、上記実施形態では、セパレータ８はリード線が挿通される挿通孔８１を有している。これに代えて、セパレータ８は端子金具７０およびリード線１８の少なくとも何れか一方が挿通される挿通孔８１を有してもよい。さらに、上記実施形態では、セパレータ８は検出素子６とグロメット９とにより他部材（端子金具７０の鍔部７２や、接続金具２０の突出部２４など）を介して挟持されている。これに代えて、セパレータ８は検出素子６とグロメット９とにより直接挟持されてもよい。
【００５２】
また、上記実施形態では、本発明に係るセンサの一態様として、酸素センサである酸素センサ１を例示した。しかしながら、本発明は、検出素子から検出信号を取り出すためのリード線を保持するセラミック部材がケーシングの内部に設けられるセンサに適用できる。よって、酸素センサ以外のガスセンサ、例えばＨＣセンサやＮＯｘセンサなどに、本発明を適用してもよい。
【符号の説明】
【００５３】
１ 酸素センサ
３ 内筒
５ 主体金具
６ 検出素子
７ フィルタ
８ セパレータ
９ グロメット
１８ リード線
３４ 第一導入孔
６２ 基準電極
６３ 検出電極
７０ 端子金具
７２ 鍔部
８１ 挿通孔
９１ 挿通孔
１００ 外筒
１０１ 第二導入孔
【特許請求の範囲】
【請求項１】
軸線方向に延び、測定対象に向けられる先端側が閉じた筒状をなし、自身の外周面に外側電極、および自身の内周面に内側電極が設けられた検出素子と、
前記検出素子の周囲を取り囲み、前記検出素子を保持する主体金具と、
前記検出素子の筒穴内に挿入され、前記検出素子の前記内側電極と電気的に接続する筒状の端子金具と、
前記端子金具に接続され、前記端子金具から後端側に延びて電流経路を形成するリード線と、
前記検出素子の後端側に配置されると共に、前記端子金具および前記リード線の少なくとも何れか一方が挿通される挿通孔を有するセラミック部材と、
前記セラミック部材の周囲を取り囲む筒状の金属部材であり、先端側が前記主体金具の後端側に固定されると共に、自身の内部にガスを導入するための第一導入孔が形成された内筒と、
前記内筒の筒孔内における前記セラミック部材の後端側に配置されて、前記内筒を内側から径方向外側に押圧すると共に、前記リード線が挿通される挿通孔を有する弾性部材と、
前記内筒の径方向外側において、前記第一導入孔を塞ぐように配置されたフィルタと、
前記内筒の周囲を取り囲む筒状の金属部材であって、前記内筒との間に前記フィルタを介在させると共に、前記空間内にガスを導入するための第二導入孔が前記フィルタ上に形成され外筒と、を備えており、
前記セラミック部材は、前記検出素子と前記弾性部材とにより直接又は他部材を介して挟持されることによって、前記内筒から離間した状態で保持されることを特徴とするガスセンサ。
【請求項２】
前記弾性部材の先端部には、前記軸線方向先端側に突出し、前記セラミック部材と前記内筒との間隙に配置されるエッジ部が形成された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】
前記第一導入孔は、前記内筒と前記弾性部材の当接位置よりも先端側に形成されたことを特徴とする請求項１または２に記載のガスセンサ。
【請求項４】
前記端子金具は、自身の後端部から径方向外側に広がる鍔部を有し、
前記端子金具の鍔部は、前記検出素子と前記セラミック部材との間で挟持されることを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載のガスセンサ。
【請求項５】
前記検出素子は、ジルコニアを主成分とし、前記セラミック部材は、アルミナを主成分とすることを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載のガスセンサ。
【請求項１】
軸線方向に延び、測定対象に向けられる先端側が閉じた筒状をなし、自身の外周面に外側電極、および自身の内周面に内側電極が設けられた検出素子と、
前記検出素子の周囲を取り囲み、前記検出素子を保持する主体金具と、
前記検出素子の筒穴内に挿入され、前記検出素子の前記内側電極と電気的に接続する筒状の端子金具と、
前記端子金具に接続され、前記端子金具から後端側に延びて電流経路を形成するリード線と、
前記検出素子の後端側に配置されると共に、前記端子金具および前記リード線の少なくとも何れか一方が挿通される挿通孔を有するセラミック部材と、
前記セラミック部材の周囲を取り囲む筒状の金属部材であり、先端側が前記主体金具の後端側に固定されると共に、自身の内部にガスを導入するための第一導入孔が形成された内筒と、
前記内筒の筒孔内における前記セラミック部材の後端側に配置されて、前記内筒を内側から径方向外側に押圧すると共に、前記リード線が挿通される挿通孔を有する弾性部材と、
前記内筒の径方向外側において、前記第一導入孔を塞ぐように配置されたフィルタと、
前記内筒の周囲を取り囲む筒状の金属部材であって、前記内筒との間に前記フィルタを介在させると共に、前記空間内にガスを導入するための第二導入孔が前記フィルタ上に形成され外筒と、を備えており、
前記セラミック部材は、前記検出素子と前記弾性部材とにより直接又は他部材を介して挟持されることによって、前記内筒から離間した状態で保持されることを特徴とするガスセンサ。
【請求項２】
前記弾性部材の先端部には、前記軸線方向先端側に突出し、前記セラミック部材と前記内筒との間隙に配置されるエッジ部が形成された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】
前記第一導入孔は、前記内筒と前記弾性部材の当接位置よりも先端側に形成されたことを特徴とする請求項１または２に記載のガスセンサ。
【請求項４】
前記端子金具は、自身の後端部から径方向外側に広がる鍔部を有し、
前記端子金具の鍔部は、前記検出素子と前記セラミック部材との間で挟持されることを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載のガスセンサ。
【請求項５】
前記検出素子は、ジルコニアを主成分とし、前記セラミック部材は、アルミナを主成分とすることを特徴とする請求項１から４のいずれか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２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【公開番号】特開２０１３−１０４８３２（Ｐ２０１３−１０４８３２Ａ）
【公開日】平成２５年５月３０日（２０１３．５．３０）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−２５０４８８（Ｐ２０１１−２５０４８８）
【出願日】平成２３年１１月１６日（２０１１．１１．１６）
【出願人】（０００００４５４７）日本特殊陶業株式会社 (2,912)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２５年５月３０日（２０１３．５．３０）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年１１月１６日（２０１１．１１．１６）
【出願人】（０００００４５４７）日本特殊陶業株式会社 (2,912)
【Ｆターム（参考）】
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