JP2018100961A - ガスセンサ - Google Patents

Abstract

【課題】検出素子の温度変動を抑制する【解決手段】ＮＯｘセンサ１は、ガスセンサ素子３と金属製の本体部２１と金属製のプロテクタ５とを備える。本体部２１は、軸線方向ＤＡに延びる筒状に形成され、自身の内側にガスセンサ素子３を収容する。ＮＯｘセンサ１は、軸線方向ＤＡに延びる筒状に形成され、本体部２１との間に軸線方向ＤＡに延びる空間２３が形成されるように配置される取付部２２を備える。ガスセンサ素子３は、酸素イオン伝導性の固体電解質層と、固体電解質層上に形成された一対の検知電極および基準電極とを有する酸素濃度検出セルと、酸素濃度検出セル１４０を所定の温度になるように加熱するヒータとを備える。酸素濃度検出セル１４０は、空間２３の内側に配置される。【選択図】図１

Description

本開示は、被測定ガスに含まれる特定ガスを検出するガスセンサに関する。

特許文献１のように、所定の活性化温度以上に加熱されることで、被測定ガスに含まれる特定ガスの濃度を検出することが可能となるガスセンサが知られている。このようなガスセンサは、起動した後に早期に特定ガス濃度の検出が可能な状態（すなわち、活性化状態）となるように、ヒータを備えている。

また、固体電解質体を備えて形成される検出素子の内部抵抗は、検出素子の温度と相関関係を有する形で変化する特性を有する。このため、検出素子を制御するセンサ制御装置は、この内部抵抗を検出し、検出された内部抵抗を用いて算出された温度に基づいてヒータを駆動することにより、検出素子が目標温度となるように制御することができる。

特開２０１２−１８０５０号公報

しかし、ガスセンサの周囲の温度変化に起因して検出素子の温度が目標温度から外れると、ガスセンサによる特定ガス濃度の検出精度が低下する恐れがある。
本開示は、検出素子の温度変動を抑制することを目的とする。

本開示の一態様は、検出素子と、金属製の収容部材と、金属製のプロテクタとを備えるガスセンサである。検出素子は、長尺状に形成されて、被測定ガスに含まれる特定ガスを検出する。収容部材は、軸線方向に延びる筒状に形成され、自身の内側に検出素子を収容する。

プロテクタは、被測定ガスが通過する通気孔が形成され、検出素子の先端を覆うように収容部材に固定される。
また、本開示のガスセンサは、軸線方向に延びる筒状に形成され、収容部材との間に軸線方向に延びる環状または有端環状の空間が形成されるように配置される空間形成部材を備える。

検出素子は、酸素イオン伝導性の固体電解質体と、固体電解質体上に形成された一対の電極とを有する検出セルと、検出セルを所定の温度になるように加熱するヒータとを備える。検出セルは、空間の内側に配置される。なお、「空間の内側に配置される」とは、空間よりも径方向の内側に配置されることである。

このように構成された本開示のガスセンサでは、検出セルは、空間形成部材と空間と金属製の収容部材とが径方向に沿って積層された部分（以下、積層部）によって検出セルの周囲が覆われる。

このため、ガスセンサの周囲の温度変化がガスセンサの検出セルの温度に影響を及ぼす一つの経路は、ガスセンサの周囲の熱が上記の積層部を伝導して検出セルに至る経路である。

そして積層部は、空間形成部材と収容部材との間に空間が形成されている。すなわち、空間形成部材と金属製の収容部材との間に気体が存在している。そして、気体は金属よりも熱伝導率が小さい。このため、本開示のガスセンサは、ガスセンサの周囲の熱が積層部を介して検出セルへ伝導し難くなり、検出セルの温度変動を抑制することができる。そして、検出セルの温度変動が抑制されることにより、検出素子の温度変動を抑制することができる。

また本開示の一態様では、空間形成部材は、収容部材との間に空間が形成された状態で、収容部材の外周面の少なくとも一部分を覆うように配置されるようにしてもよい。また本開示の一態様では、空間形成部材は、収容部材との間に空間が形成された状態で、収容部材の内周面の少なくとも一部分を覆うようにして収容部材の内部に配置されるようにしてもよい。

また本開示の一態様では、検出素子は、測定室と、ポンピングセルと、酸素濃度検出セルとを備え、酸素濃度検出セルは、検出セルであり、ポンピングセルは、酸素濃度検出セルよりも検出素子の先端側に配置されるとともに、収容部材の内部に配置されるようにしてもよい。測定室は、被測定ガスが導入される。ポンピングセルは、酸素イオン伝導性の第１固体電解質体と、第１固体電解質体上に形成された一対のポンピング電極とを有し、一対のポンピング電極の間でポンピング電流を流すことにより、測定室に導入された被測定ガス中の酸素の汲み出し又は汲み入れを行う。酸素濃度検出セルは、酸素イオン伝導性の第２固体電解質体と、第２固体電解質体上に形成された検知電極と基準電極とを有し、検知電極が測定室に面して配置され、検知電極と基準電極との間の酸素濃度の差に応じた起電力を発生させる。

このように構成された本開示のガスセンサでは、ポンピングセルが収容部材の内部に配置されているため、ポンピングセルは、その径方向の周囲が収容部材に覆われている。このため、本開示のガスセンサは、ガスセンサの周囲の熱がポンピングセルに至るのを収容部材によって抑制することができる。これにより、本開示のガスセンサは、検出素子の温度変動を更に抑制することができる。

ＮＯｘセンサ１の断面図である。 素子本体部３１とセンサ制御装置１７０の概略構成を示す図である。 ＮＯｘセンサ１における検知部３１ａ周辺の断面図である。

（第１実施形態）
以下に本開示の実施形態を図面とともに説明する。
本実施形態のＮＯｘセンサ１は、車両に搭載され、内燃機関から排出される排気ガスに含まれる窒素酸化物（以下、ＮＯｘ）を検出する。

ＮＯｘセンサ１は、図１に示すように、主体金具２と、ガスセンサ素子３と、保持部４と、プロテクタ５と、外筒６と、複数のリード線７と、複数の接続端子８と、分離部９と、グロメット１０を備える。図１において、ＮＯｘセンサ１の下端側を先端側ＦＥといい、ＮＯｘセンサ１の上端側を後端側ＢＥという。

主体金具２は、例えばステンレス等の耐熱金属で筒状に形成された部材である。主体金具２は、本体部２１と取付部２２を備える。
本体部２１は、ＮＯｘセンサ１の軸線Ｏの方向（以下、軸線方向ＤＡという）に延びる円筒状に形成された部材である。また本体部２１は、軸線方向ＤＡに沿って貫通する貫通孔２１ａを備える。貫通孔２１ａの内周壁には、径方向内側に向かって突出する段部２１ｂが形成されている。

取付部２２は、本体部２１に対して回転自在となるように本体部２１を取り囲んでいる筒状部材であり、六角部２２ａとネジ部２２ｂを備える。本体部２１の外周面と取付部２２の内周面との間には、軸線方向ＤＡに延びる円筒状の空間２３が形成されている。空間２３は、有端環状であり、径方向に閉じられた空間となっている。より詳細には、図１の断面図では、空間２３が軸線方向及び径方向にそれぞれ所定厚さをもって均一に形成されているが、取付部２２の内周面と本体部２１の外周面とは一部で接触している。従って、空間２３は有端環状（Ｃ字状）となる。

六角部２２ａは、本体部２１の外周から径方向に沿って外側へ延びて外周が六角形の板状に形成されている。六角部２２ａは、ＮＯｘセンサ１を排気管に取り付けるときに六角レンチ等の取付工具を嵌合させるための部位である。

ネジ部２２ｂは、六角部２２ａより先端側ＦＥに位置し、本体部２１の外周から径方向に沿って外側へ延びて外周に雄ネジが形成されている。この雄ネジは、ＮＯｘセンサ１を内燃機関の排気管に取り付けるために排気管に設けられている取付ネジ孔に嵌め合わせることが可能な形状を有する。

ガスセンサ素子３は、素子本体部３１と保護層３２を備える。素子本体部３１は、軸線方向ＤＡに延びる長尺の板状に形成されている。そして、素子本体部３１の先端側ＦＥに、ガスセンサ素子３が晒される被測定ガス（本実施形態では内燃機関の排気ガス）に含まれる特定ガス（本実施形態ではＮＯｘ）の濃度を検出する検知部３１ａが形成されている。保護層３２は、多孔質状のアルミナで形成されており、少なくとも検知部３１ａを覆うようにして素子本体部３１の先端側ＦＥに配置される。

保持部４は、セラミックホルダ４１と滑石粉末４２とセラミックスリーブ４３とパッキン４４を備える。
セラミックホルダ４１は、本体部２１の段部２１ｂによって支持された状態で本体部２１の貫通孔２１ａ内に収容可能な略円筒状に形成されたアルミナ製の部材である。セラミックホルダ４１には、軸線方向ＤＡに沿って貫通する貫通孔が形成されており、この貫通孔内にガスセンサ素子３が挿入される。

滑石粉末４２は、セラミックホルダ４１よりも後端側ＢＥで本体部２１の貫通孔２１ａ内に充填される。
セラミックスリーブ４３は、本体部２１の貫通孔２１ａ内に収容可能な略円筒状に形成されたアルミナ製の部材である。セラミックスリーブ４３には、軸線方向ＤＡに沿って貫通する貫通孔が形成されており、この貫通孔内にガスセンサ素子３が挿入される。これにより、セラミックスリーブ４３は、滑石粉末４２よりも後端側ＢＥで本体部２１の貫通孔２１ａ内に収容される。

パッキン４４は、本体部２１の貫通孔２１ａ内に収容可能な円環状に形成された部材である。パッキン４４は、セラミックスリーブ４３と、本体部２１における後端側ＢＥの端部２１ｃとの間に配置される。本体部２１の端部２１ｃは、パッキン４４を介してセラミックスリーブ４３を先端側ＦＥへ押し付けるように加締められる。これにより、滑石粉末４２が圧縮充填され、保持部４は、ガスセンサ素子３の先端側ＦＥがセラミックホルダ４１の先端側ＦＥより突出するとともに、ガスセンサ素子３の後端側ＢＥが主体金具２の後端側ＢＥより突出する状態で、ガスセンサ素子３を保持する。

なお、本体部２１の段部２１ｂは、ネジ部２２ｂより後端側ＢＥに配置されている。このため、保持部４は、ネジ部２２ｂより後端側ＢＥで、本体部２１の貫通孔２１ａ内に収容される。これにより、保持部４は、段部２１ｂより先端側ＦＥで検知部３１ａが貫通孔２１ａ内に配置されている状態で、ガスセンサ素子３を保持する。

さらに、検知部３１ａの内部に設けられている後述の酸素濃度検出セル１４０は、本体部２１の貫通孔２１ａ内において、保持部４より先端側ＦＥで、軸線方向ＤＡに沿って空間２３が存在する範囲Ｒｓ１に配置される。なお、範囲Ｒｓ１における貫通孔２１ａの径方向の長さ（すなわち、貫通孔２１ａの内径）は、範囲Ｒｓ１における本体部２１のネジ部２２ｂの径方向の長さ（すなわち、ネジ部２２ｂの厚さ）よりも大きい。

プロテクタ５は、主体金具２から突出するガスセンサ素子３の先端側ＦＥの端部を覆うように筒状に形成された金属製の部材である。プロテクタ５には、複数のガス取入孔５ａが形成されている。プロテクタ５は、溶接により、主体金具２の先端側ＦＥの外周に接合されている。

プロテクタ５は、二重構造をなしており、外側プロテクタ５１と内側プロテクタ５２を備える。外側には、有底円筒状の外側プロテクタ５１が配置され、内側には、有底円筒状の内側プロテクタ５２が配置される。

外筒６は、軸線方向ＤＡに延びる筒状に形成された金属製の部材である。外筒６は、先端側ＦＥの端部の開口部６ａ内に、主体金具２の本体部２１において取付部２２よりも後端側ＢＥに位置する部分を嵌め込んだ状態で固定される。

複数のリード線７は、素子本体部３１の後端側ＢＥに形成された図示しない複数の電極パッドのそれぞれに対応して設けられており、素子本体部３１と、ガスセンサ素子３を駆動制御するセンサ制御装置１７０とを電気的に接続するための導線である。なお、図１では２本のリード線７を示す。また、センサ制御装置１７０は、図１に示しておらず、図２に示している。

複数の接続端子８は、複数のリード線７のそれぞれに対応して設けられ、対応するリード線７の一端部に取り付けられる。
分離部９は、セパレータ９１と保持部材９２を備える。セパレータ９１は、軸線方向ＤＡに延びる円筒状に形成されたセラミック製の部材であり、外筒６内に配置される。セパレータ９１の内部には、複数の接続端子８と、素子本体部３１の後端側ＢＥの一部分とを収容可能な空間が形成されている。セパレータ９１は、複数の接続端子８の後端側ＢＥがセパレータ９１の後端側ＢＥより突出しており且つ複数の接続端子８が互いに接触しない状態を保持して、複数の接続端子８を内部に収容する。またセパレータ９１は、複数の接続端子８がそれぞれ素子本体部３１の電極パッドに接触している状態を保持する。また、セパレータ９１の後端側ＢＥの外周面には、径方向に沿って外側へ延びる鍔部９１ａが形成されている。

保持部材９２は、本体部９２ａと湾曲部９２ｂを備える。本体部９２ａは、軸線方向ＤＡに延びる筒状に形成された金属製の部材である。湾曲部９２ｂは、本体部９２ａの後端側ＢＥから延びてＵ字状に曲げられた部材である。保持部材９２は、鍔部９１ａよりも先端側ＦＥで外筒６とセパレータ９１との間に位置するように設置される。これにより、本体部９２ａは、外筒６の内周面に接触する状態となり、湾曲部９２ｂは、セパレータ９１の鍔部９１ａをその内側に向けて押し付ける状態となる。このため、セパレータ９１は保持部材９２によって外筒６内に保持される。

グロメット１０は、軸線方向ＤＡに延びる円筒状に形成されたフッ素ゴム製の弾性部材である。グロメット１０には、軸線方向ＤＡに沿って貫通する複数の貫通孔が形成されている。複数の貫通孔は、上記の複数のリード線７のそれぞれに対応して設けられており、複数の貫通孔には、それぞれ対応するリード線７が挿入される。

グロメット１０は、外筒６における後端側ＢＥの端部の開口部６ｂの内側に配置され、外筒６を介して径方向に加締められる。これにより、外筒６における後端側ＢＥの端部の開口部６ｂが閉塞される。

ガスセンサ素子３の素子本体部３１は、図２に示すように、絶縁層１１３、セラミック層１１４、絶縁層１１５、セラミック層１１６、絶縁層１１７、セラミック層１１８、絶縁層１１９および絶縁層１２０が順次積層されて構成されている。絶縁層１１３，１１５，１１７，１１９，１２０は、アルミナを主体として形成されている。

素子本体部３１は、セラミック層１１４とセラミック層１１６との間に形成される第１測定室１２１を備える。素子本体部３１は、第１測定室１２１に隣接するようにしてセラミック層１１４とセラミック層１１６との間に配置された拡散抵抗体１２２を介して、外部から第１測定室１２１の内部に排気ガスを導入する。拡散抵抗体１２２は、アルミナ等の多孔質材料で形成されている。

素子本体部３１は、第１ポンピングセル１３０を備える。第１ポンピングセル１３０は、固体電解質層１３１と、ポンピング電極１３２，１３３を備える。
固体電解質層１３１は、酸素イオン導電性を有するジルコニアを主体として形成されている。第１測定室１２１と接触する領域における一部分のセラミック層１１４が除去され、セラミック層１１４の代わりに固体電解質層１３１が充填されている。

ポンピング電極１３２，１３３は、白金を主体として形成されている。ポンピング電極１３２は、固体電解質層１３１において第１測定室１２１と接触する面上に配置される。ポンピング電極１３３は、固体電解質層１３１を挟んでポンピング電極１３２とは反対側で固体電解質層１３１の面上に配置される。ポンピング電極１３３が配置された領域とその周辺の領域の絶縁層１１３は除去され、絶縁層１１３の代わりに多孔質体１３４が充填される。多孔質体１３４は、ポンピング電極１３３と外部との間でガス（例えば、酸素）の出入りを可能とする。

素子本体部３１は、酸素濃度検出セル１４０を備える。酸素濃度検出セル１４０は、固体電解質層１４１と、検知電極１４２と、基準電極１４３を備える。
固体電解質層１４１は、酸素イオン導電性を有するジルコニアを主体として形成されている。固体電解質層１３１よりも後端側（すなわち、図２の右側）の領域における一部分のセラミック層１１６が除去され、セラミック層１１６の代わりに固体電解質層１４１が充填されている。

検知電極１４２と基準電極１４３は、白金を主体として形成されている。検知電極１４２は、固体電解質層１４１における第１測定室１２１と接触する面上に配置される。基準電極１４３は、固体電解質層１４１を挟んで検知電極１４２とは反対側で固体電解質層１４１の面上に配置される。

素子本体部３１は、基準酸素室１４６を備える。基準酸素室１４６は、基準電極１４３が配置された領域とその周辺の領域の絶縁層１１７が除去されることにより形成された貫通孔である。

素子本体部３１は、第２測定室１４８を備える。第２測定室１４８は、検知電極１４２および基準電極１４３よりも後端側で固体電解質層１４１および絶縁層１１７を貫通して形成される。素子本体部３１は、第１測定室１２１から排出された排気ガスを第２測定室１４８の内部に導入する。

素子本体部３１は、第２ポンピングセル１５０を備える。第２ポンピングセル１５０は、固体電解質層１５１と、ポンピング電極１５２，１５３を備える。
固体電解質層１５１は、酸素イオン導電性を有するジルコニアを主体として形成されている。基準酸素室１４６および第２測定室１４８と接触する領域とその周辺の領域のセラミック層１１８が除去され、セラミック層１１８の代わりに固体電解質層１５１が充填されている。

ポンピング電極１５２，１５３は、白金を主体として形成されている。ポンピング電極１５２は、固体電解質層１５１において第２測定室１４８と接触する面上に配置される。ポンピング電極１５３は、基準酸素室１４６を挟んで基準電極１４３とは反対側で固体電解質層１５１の面上に配置される。基準酸素室１４６の内部において、ポンピング電極１５３を覆うように多孔質体１４７が配置されている。

素子本体部３１は、ヒータ１６０を備える。ヒータ１６０は、白金を主体として形成され、通電されることで発熱する発熱抵抗体であり、絶縁層１１９と絶縁層１２０との間に配置される。

素子本体部３１は、センサ制御装置１７０に接続されている。センサ制御装置１７０は、素子本体部３１を制御するとともに、素子本体部３１の検出結果に基づいて、排気ガス中のＮＯｘ濃度を算出する。

センサ制御装置１７０は、制御回路１８０と、マイクロコンピュータ１９０（以下、マイコン１９０）を備える。
制御回路１８０は、回路基板上に配置されたアナログ回路である。制御回路１８０は、Ｉｐ１ドライブ回路１８１、Ｖｓ検出回路１８２、基準電圧比較回路１８３、Ｉｃｐ供給回路１８４、Ｒｐｖｓ検出回路１８５、Ｖｐ２印加回路１８６、Ｉｐ２検出回路１８７およびヒータ駆動回路１８８を備える。

そして、ポンピング電極１３２、検知電極１４２およびポンピング電極１５２は、基準電位に接続される。ポンピング電極１３３は、Ｉｐ１ドライブ回路１８１に接続される。基準電極１４３は、Ｖｓ検出回路１８２とＩｃｐ供給回路１８４とＲｐｖｓ検出回路１８５に接続される。ポンピング電極１５３は、Ｖｐ２印加回路１８６とＩｐ２検出回路１８７に接続される。ヒータ１６０は、ヒータ駆動回路１８８に接続される。

Ｉｐ１ドライブ回路１８１は、ポンピング電極１３２とポンピング電極１３３との間に電圧Ｖｐ１を印加して第１ポンピング電流Ｉｐ１を供給するとともに、供給した第１ポンピング電流Ｉｐ１を検出する。

Ｖｓ検出回路１８２は、検知電極１４２と基準電極１４３との間の電圧Ｖｓを検出し、検出した結果を基準電圧比較回路１８３へ出力する。
基準電圧比較回路１８３は、基準電圧（例えば、４２５ｍＶ）とＶｓ検出回路１８２の出力（すなわち、電圧Ｖｓ）とを比較し、比較結果をＩｐ１ドライブ回路１８１へ出力する。そしてＩｐ１ドライブ回路１８１は、電圧Ｖｓが基準電圧と等しくなるように、第１ポンピング電流Ｉｐ１の流れる向きと第１ポンピング電流Ｉｐ１の大きさとを制御するとともに、第１測定室１２１内の酸素濃度を、ＮＯｘが分解しない程度の所定値に調整する。

Ｉｃｐ供給回路１８４は、検知電極１４２と基準電極１４３との間に微弱な電流Ｉｃｐを流す。これにより、酸素が第１測定室１２１から固体電解質層１４１を介して基準酸素室１４６に送り込まれるため、基準酸素室１４６は、基準となる所定の酸素濃度に設定される。

Ｒｐｖｓ検出回路１８５は、酸素濃度検出セル１４０の検知電極１４２と基準電極１４３との間に瞬間的に電流Ｉｒを供給し、供給された電流Ｉｒによって発生した検知電極１４２と基準電極１４３との間の電圧Ｖｒを検出する。なお、マイコン１９０は、電流Ｉｒと電圧Ｖｒとに基づいて、酸素濃度検出セル１４０の内部抵抗Ｒｐｖｓを算出する。この内部抵抗Ｒｐｖｓは、酸素濃度検出セル１４０の温度と対応しているため、周知のように、内部抵抗Ｒｐｖｓから、酸素濃度検出セル１４０の温度を算出することができる。

Ｖｐ２印加回路１８６は、ポンピング電極１５２とポンピング電極１５３との間に、一定電圧Ｖｐ２（例えば、４５０ｍＶ）を印加する。これにより、第２測定室１４８では、第２ポンピングセル１５０を構成するポンピング電極１５２，１５３の触媒作用によって、ＮＯｘが解離される。この解離により得られた酸素イオンがポンピング電極１５２とポンピング電極１５３との間の固体電解質層１５１を移動することにより第２ポンピング電流Ｉｐ２が流れる。Ｉｐ２検出回路１８７は、第２ポンピング電流Ｉｐ２を検出する。

ヒータ駆動回路１８８は、発熱抵抗体であるヒータ１６０の一端にヒータ通電用の正電圧を印加するともに、ヒータ１６０の他端にヒータ通電用の負電圧を印加することにより、ヒータ１６０を駆動する。

マイコン１９０は、ＣＰＵ１９１、ＲＯＭ１９２、ＲＡＭ１９３および信号入出力部１９４を備える。
ＣＰＵ１９１は、ＲＯＭ１９２に記憶されたプログラムに基づいて、ＮＯｘセンサ１を制御するための処理を実行する。信号入出力部１９４は、Ｉｐ１ドライブ回路１８１、Ｖｓ検出回路１８２、Ｒｐｖｓ検出回路１８５、Ｉｐ２検出回路１８７およびヒータ駆動回路１８８に接続される。

ＣＰＵ１９１は、信号入出力部１９４を介して回路１８１，１８２，１８５，１８７から入力される信号に基づいて、排気ガス中のＮＯｘ濃度と、酸素濃度検出セル１４０の温度を算出する。またＣＰＵ１９１は、信号入出力部１９４を介してヒータ駆動回路１８８へ駆動信号を出力することによりヒータ１６０を制御する。

次に、ガスセンサ素子３の動作の一例について説明する。
まず、センサ制御装置１７０が起動すると、センサ制御装置１７０は、ヒータ１６０に電力を供給する。ヒータ１６０は、第１ポンピングセル１３０、酸素濃度検出セル１４０および第２ポンピングセル１５０を活性化温度まで加熱する。

そして、各セル１３０，１４０，１５０が活性化温度まで加熱されると、センサ制御装置１７０は、第１ポンピングセル１３０に第１ポンピング電流Ｉｐ１を流す。これにより、第１ポンピングセル１３０は、固体電解質層１３１を介してポンピング電極１３２とポンピング電極１３３との間で酸素を移動させることで、第１測定室１２１に流入した排気ガスに含まれる酸素の汲み入れおよび汲み出しを行う。

センサ制御装置１７０は、酸素濃度検出セル１４０の検知電極１４２と基準電極１４３との間の電圧Ｖｓが基準電圧（例えば４２５ｍＶ）になるように、第１ポンピングセル１３０に流す第１ポンピング電流Ｉｐ１を制御する。酸素濃度検出セル１４０の電圧Ｖｓは、基準酸素室１４６の酸素濃度を基準として、検知電極１４２における酸素濃度に応じた値となる。この制御によって、第１測定室１２１の内部の酸素濃度は、ＮＯｘが分解しない程度に調整される。

第１測定室１２１にて酸素濃度が調整された排気ガスは、第２測定室１４８に向かってさらに流れる。
センサ制御装置１７０は、第２ポンピングセル１５０のポンピング電極１５２とポンピング電極１５３との間に一定電圧Ｖｐ２を印加する。この電圧は、排気ガス中のＮＯｘガスが酸素と窒素ガスに分解する程度の電圧に設定されている。これにより、排気ガス中のＮＯｘが、窒素と酸素に分解される。ＮＯｘの分解により生じた酸素を第２測定室１４８から汲み出すように、第２ポンピングセル１５０に第２ポンピング電流Ｉｐ２が流れる。第２ポンピング電流Ｉｐ２とＮＯｘ濃度の間には比例関係があるので、第２ポンピング電流Ｉｐ２の電流値を検出することによって排気ガス中のＮＯｘ濃度を検出することができる。

またセンサ制御装置１７０は、内部抵抗Ｒｐｖｓに基づいて算出した酸素濃度検出セル１４０の温度を用いて、ガスセンサ素子３が目標とする温度になるように、ヒータ駆動回路１８８を介してヒータ１６０に電流を供給する制御を行う。

このように構成されたＮＯｘセンサ１は、ガスセンサ素子３と、金属製の本体部２１と、金属製のプロテクタ５とを備える。ガスセンサ素子３は、長尺状に形成されて、排気ガスに含まれるＮＯｘを検出する。本体部２１は、軸線方向ＤＡに延びる筒状に形成され、自身の内側にガスセンサ素子３を収容する。プロテクタ５は、排気ガスが通過するガス取入孔５ａが形成され、ガスセンサ素子３の先端側ＦＥの端部を覆うように本体部２１に固定される。

またＮＯｘセンサ１は、軸線方向ＤＡに延びる筒状に形成され、本体部２１との間に軸線方向ＤＡに延びる有端環状の空間２３が形成されるように配置される取付部２２を備える。取付部２２は、本体部２１との間に空間２３が形成された状態で、本体部２１の外周面の少なくとも一部分を覆うように配置される。

ガスセンサ素子３は、酸素イオン伝導性の固体電解質層１４１と、固体電解質層１４１上に形成された一対の検知電極１４２および基準電極１４３とを有する酸素濃度検出セル１４０と、酸素濃度検出セル１４０を所定の温度になるように加熱するヒータ１６０とを備える。酸素濃度検出セル１４０は、空間２３の内側に配置される。

このようにＮＯｘセンサ１では、酸素濃度検出セル１４０は、取付部２２と空間２３と金属製の本体部２１とが径方向に沿って積層された部分（以下、第１積層部）によって酸素濃度検出セル１４０の周囲が覆われる。

このため、ＮＯｘセンサ１の周囲の温度変化が酸素濃度検出セル１４０の温度に影響を及ぼす一つの経路は、ＮＯｘセンサ１の周囲の熱が上記の第１積層部を伝導して酸素濃度検出セル１４０に至る経路である。

そして第１積層部は、取付部２２と本体部２１との間に空間２３が形成されている。すなわち、取付部２２と金属製の本体部２１との間に気体が存在している。そして、気体は金属よりも熱伝導率が小さい。このため、ＮＯｘセンサ１は、ＮＯｘセンサ１の周囲の熱が第１積層部を介して酸素濃度検出セル１４０へ伝導し難くなり、酸素濃度検出セル１４０の温度変動を抑制することができる。そして、酸素濃度検出セル１４０の温度変動が抑制されることにより、ガスセンサ素子３の温度変動を抑制することができる。

またＮＯｘセンサ１では、ガスセンサ素子３は、第１測定室１２１と、第１ポンピングセル１３０とを備え、第１ポンピングセル１３０は、酸素濃度検出セル１４０よりもガスセンサ素子３の先端側ＦＥに配置されるとともに、本体部２１の内部に配置される。

第１測定室１２１は、排気ガスが導入される。第１ポンピングセル１３０は、酸素イオン伝導性の固体電解質層１３１と、固体電解質層１３１上に形成された一対のポンピング電極１３２，１３３とを有し、一対のポンピング電極１３２，１３３の間で第１ポンピング電流Ｉｐ１を流すことにより、第１測定室１２１に導入された排気ガス中の酸素の汲み出し又は汲み入れを行う。酸素濃度検出セル１４０は、固体電解質層１４１と、固体電解質層１４１上に形成された検知電極１４２と基準電極１４３とを有し、検知電極１４２が第１測定室１２１に面して配置され、検知電極１４２と基準電極１４３との間の酸素濃度の差に応じた起電力を発生させる。

このようにＮＯｘセンサ１では、第１ポンピングセル１３０が本体部２１の内部に配置されているため、第１ポンピングセル１３０は、その径方向の周囲が本体部２１に覆われている。このため、ＮＯｘセンサ１は、ＮＯｘセンサ１の周囲の熱が第１ポンピングセル１３０に至るのを本体部２１によって抑制することができる。これにより、ＮＯｘセンサ１は、ガスセンサ素子３の温度変動を更に抑制することができる。

なお、ＮＯｘセンサ１はガスセンサに相当し、ガスセンサ素子３は検出素子に相当し、本体部２１は収容部材に相当し、ガス取入孔５ａは通気孔に相当する。
また、取付部２２は空間形成部材に相当し、空間２３は有端環状の空間に相当し、固体電解質層１４１は固体電解質体に相当し、検知電極１４２および基準電極１４３は一対の電極に相当し、酸素濃度検出セル１４０は検出セルに相当する。

また、排気ガスは被測定ガスに相当し、ＮＯｘは特定ガスに相当する。
また、第１測定室１２１は測定室に相当し、固体電解質層１３１は第１固体電解質体に相当し、ポンピング電極１３２，１３３はポンピング電極に相当し、第１ポンピングセル１３０はポンピングセルに相当し、固体電解質層１４１は第２固体電解質体に相当する。

（第２実施形態）
以下に本開示の第２実施形態を図面とともに説明する。なお第２実施形態では、第１実施形態と異なる部分を説明する。共通する構成については同一の符号を付す。

第２実施形態のＮＯｘセンサ１は、主体金具２の構成が変更された点が第１実施形態と異なる。
具体的には、図３に示すように、主体金具２は、本体部２１と、取付部２２と、空間形成部材２５とを備える。

空間形成部材２５は、軸線方向ＤＡに延びる筒状に形成された金属製の部材である。空間形成部材２５は、円筒部２５ａと拡径部２５ｂとを備える。
円筒部２５ａは、その直径が、段部２１ｂより先端側ＦＥにおける貫通孔２１ａの直径よりも小さくなるようにして円筒状に形成されている。

拡径部２５ｂは、円筒部２５ａにおける後端側ＢＥの端部から延びて、後端側ＢＥに向かうに従い拡径する形状に形成されている。そして拡径部２５ｂは、その後端側ＢＥにおける開口部の直径が、段部２１ｂより後端側ＢＥにおける貫通孔２１ａの直径よりも小さくなるように形成されている。

空間形成部材２５は、拡径部２５ｂが段部２１ｂとセラミックホルダ４１とにより挟まれることにより、貫通孔２１ａ内に保持される。これにより、円筒部２５ａは、段部２１ｂより先端側ＦＥにおける貫通孔２１ａ内に配置される。そして、円筒部２５ａの外周面と貫通孔２１ａの内周面との間に、軸線方向ＤＡに延びる円筒状の空間２６が形成される。

検知部３１ａの内部に設けられている酸素濃度検出セル１４０は、本体部２１の貫通孔２１ａ内において、保持部４より先端側ＦＥで、軸線方向ＤＡに沿って空間２６が存在する範囲Ｒｓ２に配置される。なお、範囲Ｒｓ２における円筒部２５ａの径方向の長さ（すなわち、円筒部２５ａの内径）は、範囲Ｒｓ２における本体部２１のネジ部２２ｂの径方向の長さ（すなわち、ネジ部２２ｂの厚さ）よりも大きい。

このように構成されたＮＯｘセンサ１は、軸線方向ＤＡに延びる筒状に形成され、本体部２１との間に軸線方向ＤＡに延びる環状の空間２６が形成されるように配置される空間形成部材２５を備える。空間形成部材２５は、本体部２１との間に空間２６が形成された状態で、本体部２１の内周面の少なくとも一部分を覆うようにして本体部２１の内部に配置される。

酸素濃度検出セル１４０は、軸線方向ＤＡに対して垂直な方向（以下、径方向）に沿って酸素濃度検出セル１４０を通る直線（以下、径方向直線）上に、空間２６が位置するように配置される。

このようにＮＯｘセンサ１では、酸素濃度検出セル１４０は、金属製の空間形成部材２５と空間２６と金属製の本体部２１とが径方向に沿って積層された部分（以下、第２積層部）によって酸素濃度検出セル１４０の周囲が覆われる。

このため、ＮＯｘセンサ１の周囲の温度変化が酸素濃度検出セル１４０の温度に影響を及ぼす一つの経路は、ＮＯｘセンサ１の周囲の熱が上記の第２積層部を伝導して酸素濃度検出セル１４０に至る経路である。

そして第２積層部は、空間形成部材２５と本体部２１との間に空間２６が形成されている。すなわち、空間形成部材２５と金属製の本体部２１との間に気体が存在している。そして、気体は金属よりも熱伝導率が小さい。このため、ＮＯｘセンサ１は、ＮＯｘセンサ１の周囲の熱が第２積層部を介して酸素濃度検出セル１４０へ伝導し難くなり、酸素濃度検出セル１４０の温度変動を抑制することができる。
なお、空間２６は環状の空間に相当する。

以上、本開示の一実施形態について説明したが、本開示は上記実施形態に限定されるものではなく、種々変形して実施することができる。
例えば上記実施形態では、取付部２２の内周面と本体部２１の外周面とにより形成される空間２３が有端環状であったが、環状の空間であってもよい。
また上記実施形態では、被測定ガスに含まれる特定ガスの濃度を検出するガスセンサとして、排気ガス中のＮＯｘ濃度を検出するＮＯｘセンサについて説明したが、本開示のガスセンサは、ＮＯｘセンサに限定されることはない。本開示のガスセンサは、内部抵抗を検出するために検出用電流が供給されるセルを有するガスセンサであればよく、例えば、全領域空燃比センサなどが挙げられる。
また上記実施形態では、酸素濃度検出セルの検知電極と基準電極との間に電流を供給し、酸素濃度検知セルの内部抵抗Ｒｐｖｓを算出したが、これに限定されることはなく、例えば、電圧を供給し、供給された電圧によって発生した電流から内部抵抗を算出してもよい。また、検出素子の内部抵抗と相関がある他の物理量がある場合は、検出素子の内部抵抗ではなく、当該物理量に基づいてヒータを駆動してもよい。

また上記実施形態では、酸素濃度検出セル１４０が範囲Ｒｓ１または範囲Ｒｓ２に配置されるものを示した。このように、酸素濃度検出セル１４０が範囲Ｒｓ１，Ｒｓ２に配置されるようにするために、本体部２１内におけるガスセンサ素子３の配置を変えるようにしてもよいし、ガスセンサ素子３の配置を変えることなくガスセンサ素子３内における酸素濃度検出セル１４０の配置を変えるようにしてもよい。

上記各実施形態における１つの構成要素が有する機能を複数の構成要素に分担させたり、複数の構成要素が有する機能を１つの構成要素に発揮させたりしてもよい。また、上記各実施形態の構成の一部を、省略してもよい。また、上記各実施形態の構成の少なくとも一部を、他の上記実施形態の構成に対して付加、置換等してもよい。なお、特許請求の範囲に記載の文言から特定される技術思想に含まれるあらゆる態様が本開示の実施形態である。

１…ＮＯｘセンサ、２…主体金具、３…ガスセンサ素子、５…プロテクタ、５ａ…ガス取入孔、２１…本体部、２２…取付部、２３，２６…空間、２５…空間形成部材、１４０…酸素濃度検出セル、１４１…固体電解質層、１４２…検知電極、１４３…基準電極、１６０…ヒータ

Claims (4)

1. 長尺状に形成されて、被測定ガスに含まれる特定ガスを検出する検出素子と、
   軸線方向に延びる筒状に形成され、自身の内側に前記検出素子を収容する金属製の収容部材と、
   前記被測定ガスが通過する通気孔が形成され、前記検出素子の先端を覆うように前記収容部材に固定される金属製のプロテクタと
   を備えるガスセンサであって、
   前記軸線方向に延びる筒状に形成され、前記収容部材との間に前記軸線方向に延びる環状または有端環状の空間が形成されるように配置される空間形成部材を備え、
   前記検出素子は、酸素イオン伝導性の固体電解質体と、前記固体電解質体上に形成された一対の電極とを有する検出セルと、
   前記検出セルを所定の温度になるように加熱するヒータとを備え、
   前記検出セルは、前記空間の内側に配置されるガスセンサ。
2. 請求項１に記載のガスセンサであって、
   前記空間形成部材は、前記収容部材との間に前記空間が形成された状態で、前記収容部材の外周面の少なくとも一部分を覆うように配置されるガスセンサ。
3. 請求項１に記載のガスセンサであって、
   前記空間形成部材は、前記収容部材との間に前記空間が形成された状態で、前記収容部材の内周面の少なくとも一部分を覆うようにして前記収容部材の内部に配置されるガスセンサ。
4. 請求項１〜請求項３の何れか１項に記載のガスセンサであって、
   前記検出素子は、
   前記被測定ガスが導入される測定室と、
   酸素イオン伝導性の第１固体電解質体と、前記第１固体電解質体上に形成された一対のポンピング電極とを有し、前記一対のポンピング電極の間でポンピング電流を流すことにより、前記測定室に導入された前記被測定ガス中の酸素の汲み出し又は汲み入れを行うポンピングセルと、
   酸素イオン伝導性の第２固体電解質体と、前記第２固体電解質体上に形成された検知電極と基準電極とを有し、前記検知電極が前記測定室に面して配置され、前記検知電極と前記基準電極との間の酸素濃度の差に応じた起電力を発生させる酸素濃度検出セルとを備え、
   前記酸素濃度検出セルは、前記検出セルであり、
   前記ポンピングセルは、前記酸素濃度検出セルよりも前記検出素子の先端側に配置されるとともに、前記収容部材の内部に配置されるガスセンサ。

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