WO2020230515A1

WO2020230515A1 - ガスセンサ

Info

Publication number: WO2020230515A1
Application number: PCT/JP2020/016866
Authority: WO
Inventors: 翔太萩野; 中村　聡; 直人小澤
Original assignee: 株式会社デンソー
Priority date: 2019-05-16
Filing date: 2020-04-17
Publication date: 2020-11-19
Also published as: US20220074888A1; JP2020187051A; JP7186131B2; CN113826005A; DE112020002414T5

Abstract

ガスセンサ（１）は、センサ素子（２）、ハウジング（４１）、接点端子（４４）、第２インシュレータ（４３）、リード線（４８）、封止部材（４７）、内周側カバー（５）及び外周側カバー（４６Ａ，４６Ｂ）を備える。内周側カバー（５）は、ハウジング（４１）の軸方向（Ｌ）の基端側（Ｌ２）の位置の外周に装着されている。外周側カバー（４６Ａ，４６Ｂ）は、内周側カバー（５）の外周側に配置されるとともに、内周側カバー（５）との間に環状空間（５０）を形成し、かつ封止部材（４７）を内周側に保持している。

Description

ガスセンサ

関連出願の相互参照

　本出願は、２０１９年５月１６日に出願された日本の特許出願番号２０１９－０９２８５２号に基づくものであり、その記載内容を援用する。

　本開示は、センサ素子を備えるガスセンサに関する。

　例えば、車載用のガスセンサは、車両の内燃機関の排気管に配置されて、排気管を流れる排ガスを検出対象ガスとして、検出対象ガスに基づく内燃機関の空燃比、検出対象ガスにおける酸素の濃度等を求めるために使用される。ガスセンサにおいては、検知部を有するセンサ素子が筒形状のハウジングに挿通されるとともに、センサ素子の検知部がハウジングに装着された先端側カバーによって覆われ、かつ、センサ素子の配線部がハウジングに装着された基端側カバーによって覆われている。センサ素子の検知部及び先端側カバーは排気管内に配置されており、基端側カバーは排気管の外部に配置されている。

　内燃機関における燃料の燃焼を受けて、内燃機関の排気管内を通過する排ガスは、例えば、１１００℃程度の高温になる。そして、高温に加熱された排気管から、排気管に取り付けられたハウジングへ熱が伝達され、ハウジングから基端側カバーへと熱が伝達される。また、基端側カバーの内周側には、センサ素子に電気的に接続されたリード線を保持するためのゴム製の封止部材が配置されており、基端側カバーから封止部材へも熱が伝達される。

　封止部材を熱から保護する技術としては、例えば、特許文献１に開示されるガスセンサがある。このガスセンサにおいては、ゴムキャップ（封止部材）の熱劣化を防止するために、主体金具（ハウジング）の外周に取り付けられた外筒（基端側カバー）に、外周側に突出する放熱部材を取り付けている。

特開２０１２－１５４７７４号公報

　特許文献１のガスセンサにおいては、ハウジングから基端側カバーに熱が伝わった後に、基端側カバーから放熱部材へ熱が逃がされる。そのため、ハウジングから基端側カバーに伝わる熱は、基端側カバーから放熱部材へ逃がされる経路と、基端側カバーから封止部材へ伝わる経路とを移動する。このことから、特許文献１のガスセンサにおいては、基端側カバーから封止部材への伝熱を十分に抑制することは難しい。

　本開示は、ハウジングから伝達される熱によって封止部材が加熱されにくくし、封止部材を熱から効果的に保護することができるガスセンサを提供しようとして得られたものである。

　本開示の一態様は、ガス検知が可能な検知部を軸方向の先端側位置に有するセンサ素子と、
　前記検知部が前記軸方向の先端側に突出する状態で、前記センサ素子が挿通された筒形状のハウジングと、
　前記センサ素子の前記軸方向の基端側位置に設けられた端子部に接触する接点端子と、
　前記接点端子を保持するインシュレータと、
　前記接点端子に接続されて外部に引き出されたリード線と、
　前記リード線を保持する封止部材と、
　前記ハウジングの前記軸方向の基端側位置の外周に装着された内周側カバーと、
　前記内周側カバーの外周側に配置されるとともに、前記内周側カバーとの間に環状空間を形成し、かつ前記封止部材を内周側に保持する外周側カバーと、を備えるガスセンサにある。

　前記一態様のガスセンサにおいては、ハウジングの軸方向の基端側の外周に装着される基端側カバーを、内周側カバーと、内周側カバーとの間に環状空間を形成する外周側カバーとによって構成している。そして、ガスセンサが取り付けられた部位からハウジングに伝わる熱は、ハウジングから内周側カバーへ移動させることができる。

　内周側カバーと外周側カバーとの間には環状空間が形成されていることにより、内周側カバーから外周側カバーへの伝熱は最小限に抑制される。そして、ハウジングから外周側カバーへ熱が伝わりにくくなり、外周側カバーから、外周側カバーの内周側に配置された封止部材に熱が伝わりにくくなる。

　それ故、前記一態様のガスセンサによれば、ハウジングから伝達される熱によって封止部材が加熱されにくくし、封止部材を熱から効果的に保護することができる。

　なお、本開示の一態様において示す各構成要素のカッコ書きの符号は、実施形態における図中の符号との対応関係を示すが、各構成要素を実施形態の内容のみに限定するものではない。

　本開示についての目的、特徴、利点等は、添付の図面を参照する後記の詳細な記述によって、より明確になる。本開示の図面を以下に示す。
図１は、実施形態にかかる、ガスセンサの断面を示す説明図である。図２は、図１における、ガスセンサの軸方向の基端側部分の断面を拡大して示す説明図である。図３は、図１における、ガスセンサの軸方向の先端側部分の断面を拡大して示す説明図である。図４は、図２のIV－IV断面を示す説明図である。図５は、実施形態にかかる、ガスセンサのセンサ素子の断面を拡大して示す説明図である。図６は、図５のVI－VI断面を示す説明図である。図７は、図５のVII－VII断面を示す説明図である。図８は、他のガスセンサの軸方向の基端側部分の断面を拡大して示す説明図である。

　前述したガスセンサにかかる好ましい実施形態について、図面を参照して説明する。
＜実施形態＞
　本形態のガスセンサ１は、図１～図４に示すように、センサ素子２、ハウジング４１、接点端子４４、インシュレータとしての第２インシュレータ４３、リード線４８、封止部材４７、内周側カバー５及び外周側カバー４６Ａ，４６Ｂを備える。センサ素子２は、ガス検知が可能な検知部２１を軸方向Ｌの先端側Ｌ１の位置に有する。ハウジング４１は筒形状に形成されており、ハウジング４１の内周側には、センサ素子２が挿通されている。センサ素子２の検知部２１は、ハウジング４１における軸方向Ｌの先端側Ｌ１の端面よりも先端側Ｌ１に突出している。

　図２及び図４に示すように、接点端子４４は、センサ素子２の軸方向Ｌの基端側Ｌ２の位置に設けられた端子部２２に接触している。第２インシュレータ４３は、接点端子４４を保持している。リード線４８は、接点端子４４に接続されて、ガスセンサ１の外部に引き出されている。封止部材４７は、リード線４８を保持している。内周側カバー５は、ハウジング４１の軸方向Ｌの基端側Ｌ２の位置の外周に装着されている。外周側カバー４６Ａ，４６Ｂは、内周側カバー５の外周側に配置されるとともに、内周側カバー５との間に環状空間５０を形成し、かつ封止部材４７を内周側に保持している。

　以下に、本形態のガスセンサ１について詳説する。
（ガスセンサ１）
　図１に示すように、ガスセンサ１は、車両の内燃機関（エンジン）の排気管７の取付口７１に配置され、排気管７を流れる排ガスＧを検出対象ガスとして、検出対象ガスにおける酸素濃度等を検出するために用いられる。ガスセンサ１は、排ガスＧにおける酸素濃度、未燃ガス濃度等に基づいて、内燃機関における空燃比を求める空燃比センサ（Ａ／Ｆセンサ）として用いることができる。空燃比センサは、理論空燃比と比べて空気に対する燃料の割合が多い燃料リッチの状態から、理論空燃比と比べて空気に対する燃料の割合が少ない燃料リーンの状態まで定量的に連続して空燃比を検出することができるものである。また、ガスセンサ１は、空燃比センサ以外にも、酸素濃度を求める種々の用途として用いることができる。

　排気管７には、排ガスＧ中の有害物質を浄化するための触媒が配置されており、ガスセンサ１は、排気管７における排ガスＧの流れ方向において、触媒の上流側又は下流側のいずれに配置することもできる。また、ガスセンサ１は、排ガスＧを利用して内燃機関が吸入する空気の密度を高める過給機の吸入側の配管に配置することもできる。また、ガスセンサ１を配置する配管は、内燃機関から排気管７に排気される排ガスＧの一部を、内燃機関の吸気管に再循環させる排気再循環機構における配管とすることもできる。

（センサ素子２）
　図５及び図６に示すように、本形態のセンサ素子２は、長尺の長方形状に形成されており、固体電解質体３１、排気電極３１１及び大気電極３１２、第１絶縁体３３Ａ、第２絶縁体３３Ｂ、ガス室３５、大気ダクト３６及び発熱体３４を備える。センサ素子２は、固体電解質体３１に、各絶縁体３３Ａ，３３Ｂ及び発熱体３４が積層された積層タイプのものである。

　本形態において、センサ素子２の軸方向Ｌとは、センサ素子２が長尺形状に延びる方向のことをいう。また、軸方向Ｌに直交し、固体電解質体３１と各絶縁体３３Ａ，３３Ｂとが積層された方向、換言すれば、固体電解質体３１、各絶縁体３３Ａ，３３Ｂ及び発熱体３４が積層された方向を、積層方向Ｄという。また、軸方向Ｌと積層方向Ｄとに直交する方向を、幅方向Ｗという。また、センサ素子２の軸方向Ｌにおいて、排ガスＧに晒される側を先端側Ｌ１といい、先端側Ｌ１の反対側を基端側Ｌ２という。

（固体電解質体３１、排気電極３１１及び大気電極３１２）
　図５及び図６に示すように、固体電解質体３１は、所定の活性温度において、酸素イオン（Ｏ^2-）の伝導性を有するものである。固体電解質体３１の第１表面３０１には、排ガスＧに晒される排気電極３１１が設けられており、固体電解質体３１の第２表面３０２には、大気Ａに晒される大気電極３１２が設けられている。排気電極３１１と大気電極３１２とは、センサ素子２の軸方向Ｌの、排ガスＧに晒される先端側Ｌ１の部位において、固体電解質体３１を介して積層方向Ｄに重なる位置に配置されている。センサ素子２の軸方向Ｌの先端側Ｌ１の部位には、排気電極３１１及び大気電極３１２と、これらの電極３１１，３１２の間に挟まれた固体電解質体３１の部分とによる検知部２１が形成されている。第１絶縁体３３Ａは、固体電解質体３１の第１表面３０１に積層されており、第２絶縁体３３Ｂは、固体電解質体３１の第２表面３０２に積層されている。

　固体電解質体３１は、ジルコニア系酸化物からなり、ジルコニアを主成分とし（５０質量％以上含有し）、希土類金属元素又はアルカリ土類金属元素によってジルコニアの一部を置換させた安定化ジルコニア又は部分安定化ジルコニアからなる。固体電解質体３１を構成するジルコニアの一部は、イットリア、スカンジア又はカルシアによって置換することができる。

　排気電極３１１及び大気電極３１２は、酸素に対する触媒活性を示す貴金属としての白金、及び固体電解質体３１との共材としてのジルコニア系酸化物を含有している。共材は、固体電解質体３１にペースト状の電極材料を印刷（塗布）して固体電解質体３１及び電極材料を焼成する際に、電極材料によって形成される排気電極３１１及び大気電極３１２と固体電解質体３１との結合強度を維持するためのものである。

　図５に示すように、排気電極３１１及び大気電極３１２には、これらの電極３１１，３１２をガスセンサ１の外部と電気接続するための電極リード部３１３が接続されている。電極リード部３１３は、センサ素子２の軸方向Ｌの基端側Ｌ２の部位まで引き出されている。

（ガス室３５）
　図５及び図６に示すように、固体電解質体３１の第１表面３０１には、第１絶縁体３３Ａと固体電解質体３１とに囲まれたガス室３５が隣接して形成されている。ガス室３５は、第１絶縁体３３Ａの軸方向Ｌの先端側Ｌ１の部位において、排気電極３１１を収容する位置に形成されている。ガス室３５は、第１絶縁体３３Ａと拡散抵抗部３２と固体電解質体３１とによって閉じられた空間部として形成されている。排気管７内を流れる排ガスＧは、拡散抵抗部３２を通過してガス室３５内に導入される。

（拡散抵抗部３２）
　図５に示すように、本形態の拡散抵抗部３２は、ガス室３５の軸方向Ｌの先端側Ｌ１に隣接して設けられている。拡散抵抗部３２は、第１絶縁体３３Ａにおいて、ガス室３５の軸方向Ｌの先端側Ｌ１に隣接して開口された導入口内に配置されている。拡散抵抗部３２は、アルミナ等の多孔質の金属酸化物によって形成されている。ガス室３５に導入される排ガスＧの拡散速度（流量）は、排ガスＧが拡散抵抗部３２における気孔を透過する速度が制限されることによって決定される。

　拡散抵抗部３２は、ガス室３５の幅方向Ｗの両側に隣接して形成してもよい。この場合には、拡散抵抗部３２は、第１絶縁体３３Ａにおいて、ガス室３５の幅方向Ｗの両側に隣接して開口された導入口内に配置される。なお、拡散抵抗部３２は、多孔質体を用いて形成する以外にも、ガス室３５に連通された小さな貫通穴であるピンホールを用いて形成することもできる。

（大気ダクト３６）
　図５～図７に示すように、固体電解質体３１の第２表面３０２には、第２絶縁体３３Ｂと固体電解質体３１とに囲まれた大気ダクト３６が隣接して形成されている。大気ダクト３６は、第２絶縁体３３Ｂにおける、大気電極３１２を収容する軸方向Ｌの部位から、センサ素子２の軸方向Ｌにおける、大気Ａに晒される基端位置まで形成されている。センサ素子２の軸方向Ｌの基端位置には、大気ダクト３６の大気導入部としての基端開口部３６１が形成されている。大気ダクト３６は、基端開口部３６１から固体電解質体３１を介してガス室３５と積層方向Ｄに重なる位置まで形成されている。大気ダクト３６には、基端開口部３６１から大気Ａが導入される。

（発熱体３４）
　図５～図７に示すように、発熱体３４は、大気ダクト３６を形成する第２絶縁体３３Ｂ内に埋設されており、通電によって発熱する発熱部３４１と、発熱部３４１に繋がる発熱体リード部３４２とを有する。発熱部３４１は、固体電解質体３１と各絶縁体３３Ａ，３３Ｂとの積層方向Ｄにおいて、少なくとも一部が排気電極３１１及び大気電極３１２に重なる位置に配置されている。

　また、発熱体３４は、通電によって発熱する発熱部３４１と、発熱部３４１の、軸方向Ｌの基端側Ｌ２に繋がる一対の発熱体リード部３４２とを有する。発熱部３４１は、直線部分及び曲線部分によって蛇行する線状の導体部によって形成されている。本形態の発熱部３４１の直線部分は、軸方向Ｌに平行に形成されている。発熱体リード部３４２は、軸方向Ｌに平行な直線状の導体部によって形成されている。発熱部３４１の単位長さ当たりの抵抗値は、発熱体リード部３４２の単位長さ当たりの抵抗値よりも大きい。発熱体リード部３４２は、発熱部３４１から軸方向Ｌの基端側Ｌ２の部位まで引き出されている。発熱体３４は、導電性を有する金属材料を含有している。

　図５及び図７に示すように、本形態の発熱部３４１は、発熱体３４における軸方向Ｌの先端側Ｌ１の位置において、軸方向Ｌに蛇行する形状に形成されている。なお、発熱部３４１は、幅方向Ｗに蛇行して形成されていてもよい。発熱部３４１は、軸方向Ｌに直交する積層方向Ｄにおいて、排気電極３１１及び大気電極３１２に対向する位置に配置されている。換言すれば、発熱部３４１は、センサ素子２の軸方向Ｌの先端側Ｌ１の部位において、排気電極３１１及び大気電極３１２に対して積層方向Ｄに重なる位置に配置されている。

　発熱部３４１の断面積は、発熱体リード部３４２の断面積よりも小さく、発熱部３４１の単位長さ当たりの抵抗値は、発熱体リード部３４２の単位長さ当たりの抵抗値よりも高い。この断面積とは、発熱部３４１及び発熱体リード部３４２が延びる方向に直交する面の断面積のことをいう。そして、一対の発熱体リード部３４２に電圧が印加されると、発熱部３４１がジュール熱によって発熱し、この発熱によって、検知部２１の周辺が目標とする温度に加熱される。

（各絶縁体３３Ａ，３３Ｂ）
　図５及び図６に示すように、第１絶縁体３３Ａは、ガス室３５を形成するものであり、第２絶縁体３３Ｂは、大気ダクト３６を形成するとともに発熱体３４を埋設するものである。第１絶縁体３３Ａ及び第２絶縁体３３Ｂは、アルミナ（酸化アルミニウム）等の金属酸化物によって形成されている。各絶縁体３３Ａ，３３Ｂは、排ガスＧ又は大気Ａである気体が透過することができない緻密体として形成されており、各絶縁体３３Ａ，３３Ｂには、気体が通過することができる気孔がほとんど形成されていない。

（センサ素子２の端子部２２）
　図１に示すように、センサ素子２の端子部２２は、排気電極３１１及び大気電極３１２の各電極リード部３１３、及び一対の発熱体リード部３４２の軸方向Ｌの基端部に電気的に接続されている。端子部２２は、センサ素子２の軸方向Ｌの基端部における両側の側面に配置されている。各電極リード部３１３及び発熱体リード部３４２の軸方向Ｌの基端部は、各絶縁体３４Ａ，３４Ｂに形成されたスルーホールを介して端子部２２に接続されている。

（多孔質層３７）
　図１に示すように、センサ素子２の軸方向Ｌの先端側Ｌ１の部位の全周には、排気電極３１１に対する被毒物質、排気管７内に生じる凝縮水等を捕獲するための多孔質層３７が設けられている。多孔質層３７は、アルミナ等の多孔質のセラミックス（金属酸化物）によって形成されている。多孔質層３７の気孔率は、拡散抵抗部３２の気孔率よりも大きく、多孔質層３７を透過することができる排ガスＧの流量は、拡散抵抗部３２を透過することができる排ガスＧの流量よりも多い。

　ここで、図１及び図４に示すように、本形態のガスセンサ１において、センサ素子２の軸方向Ｌに直交する、センサ素子２の中心軸線から放射状に延びる方向を径方向Ｒという。中心軸線とは、センサ素子２の、軸方向Ｌに直交する断面の図心を通る仮想線のことをいう。

（ハウジング４１）
　図１～図３に示すように、ハウジング４１は、ガスセンサ１を排気管７の取付口７１に締め付けるために用いられる。ハウジング４１は、最大外径部を構成するフランジ部４１１と、フランジ部４１１の軸方向Ｌの先端側Ｌ１に形成された先端側筒部４１２と、フランジ部４１１の軸方向Ｌの基端側Ｌ２に形成された基端側筒部４１４とを有する。「最大外径部」とは、ハウジング４１において、径方向Ｒの半径寸法が最も大きい部位のことを示す。フランジ部４１１の外周は、ガスセンサ１が工具によって取付口７１に締め付けられる際に利用される六角形状に形成されている。先端側筒部４１２及び基端側筒部４１４は、円筒形状に形成されている。

　先端側筒部４１２の軸方向Ｌの基端側Ｌ２の部分の外周には、取付口７１のめねじに締め付けられるおねじが形成されている。先端側筒部４１２の軸方向Ｌの先端側Ｌ１の部分には、後述する先端側カバー４５Ａ，４５Ｂが装着される装着部４１３が形成されている。基端側筒部４１４には、内周側に折り曲げられたかしめ部４１５が形成されている。なお、第１インシュレータ４２及び第２インシュレータ４３の構造によっては、基端側筒部４１４にかしめ部４１５が形成されていない場合もある。

（内周側カバー５）
　図１及び図２に示すように、内周側カバー５は、ハウジング４１における熱を吸収し、ハウジング４１における熱がガスセンサ１の軸方向Ｌの基端側Ｌ２の端部に位置する封止部材４７まで伝わりにくくするためのものである。内周側カバー５は、円筒形状の筒状本体部５１と、筒状本体部５１の軸方向Ｌの基端部において径方向Ｒの内周側に屈曲した屈曲部５２とを有する。換言すれば、内周側カバー５における軸方向Ｌの基端部には、内周側カバー５の筒状本体部５１に対して内周側に屈曲して、第２インシュレータ４３における軸方向Ｌの基端側Ｌ２の端面に間接的に接触する屈曲部５２が形成されている。

　屈曲部５２は、筒状本体部５１から径方向Ｒの内周側に垂直に屈曲している。屈曲部５２は、第２インシュレータ４３の軸方向Ｌの基端側Ｌ２の端面との間に、金属製のかしめ部材４３１を挟み込んでいる。かしめ部材４３１は、板バネによって構成されており、弾性変形後に反発力を生じさせるバネ性を有するものである。内周側カバー５の屈曲部５２が径方向Ｒの内周側に屈曲されていることによって、かしめ部材４３１によるバネ性を第２インシュレータ４３に付与する状態で、第２インシュレータ４３を第１インシュレータ４２に固定することができる。

　内周側カバー５の筒状本体部５１の軸方向Ｌの先端部は、ハウジング４１及び外周側カバー４６Ａ，４６Ｂに接触している一方、内周側カバー５の屈曲部５２は、外周側カバー４６Ａ，４６Ｂに接触していない。屈曲部５２は、かしめ部材４３１を介して第２インシュレータ４３に間接的に接触している。内周側カバー５の屈曲部５２が径方向Ｒの内周側に屈曲されて、かしめ部材４３１を介して第２インシュレータ４３に間接的に接触していることによって、ハウジング４１から内周側カバー５の筒状本体部５１に伝わる熱を、内周側カバー５の屈曲部５２から第２インシュレータ４３へ逃がすことができる。なお、内周側カバー５の屈曲部５２は、第２インシュレータ４３に直接接触していてもよい。

　内周側カバー５の軸方向Ｌの先端部は、ハウジング４１の基端側筒部４１４の外周に装着されている。本形態の内周側カバー５の軸方向Ｌの先端部は、ハウジング４１の基端側筒部４１４の外周に、溶接等によって接合されている。また、この接合を行う以外にも、内周側カバー５の軸方向Ｌの先端部内に、ハウジング４１の基端側筒部４１４を圧入することもできる。さらに、内周側カバー５の軸方向Ｌの先端部は、ハウジング４１の基端側筒部４１４の外周にかしめ固定することもできる。

（外周側カバー４６Ａ，４６Ｂ）
　図１及び図２に示すように、外周側カバー４６Ａ，４６Ｂは、ガスセンサ１の軸方向Ｌの基端側Ｌ２に位置する配線部を覆って、この配線部を大気Ａ中の水等から保護するためのものである。配線部は、センサ素子２に電気的に繋がる部分としての、接点端子４４、接点端子４４とリード線４８との接続部分（接続金具４４１）等によって構成される。

　外周側カバー４６Ａ，４６Ｂは、大気Ａ中の水がガスセンサ１内に浸入することを防止する撥水フィルタ４６２を挟持するために、２部品に分かれて形成されている。具体的には、本形態の外周側カバー４６Ａ，４６Ｂは、内周側カバー５の外周側に配置された第１外周側カバー４６Ａと、第１外周側カバー４６Ａの軸方向Ｌの基端側Ｌ２の部分に装着された第２外周側カバー４６Ｂとを有する。第２外周側カバー４６Ｂの軸方向Ｌの先端側Ｌ１の部分は、第１外周側カバー４６Ａの軸方向Ｌの基端側Ｌ２の部分の外周に装着されている。

　第２外周側カバー４６Ｂの軸方向Ｌの基端側Ｌ２の部分の内周側には、複数のリード線４８を保持する封止部材４７が保持されている。撥水フィルタ４６２は、第１外周側カバー４６Ａと第２外周側カバー４６Ｂとの間、及び第２外周側カバー４６Ｂと封止部材４７との間に挟持されている。

　図２に示すように、第２外周側カバー４６Ｂの軸方向Ｌの先端側Ｌ１の部分は、第１外周側カバー４６Ａの軸方向Ｌの基端側Ｌ２の部分に、外周側から内周側へ陥没する凹部４６３によってかしめられている。また、第２外周側カバー４６Ｂの軸方向Ｌの中間部分は、第１外周側カバー４６Ａの軸方向Ｌの基端側Ｌ２の部分に、撥水フィルタ４６２を挟持する状態で外周側から内周側へ陥没する凹部４６４によってかしめられている。また、第２外周側カバー４６Ｂの軸方向Ｌの基端側Ｌ２の部分は、封止部材４７に、撥水フィルタ４６２を挟持する状態で外周側から内周側へ陥没する凹部４６５によってかしめられている。

　内周側カバー５及び外周側カバー４６Ａ，４６Ｂは、内燃機関の排気管７の外部に配置される。本形態のガスセンサ１は、車載用のものであり、排気管７が配置された車両ボディは、内燃機関（エンジン）が配置されたエンジンルームに繋がっている。そして、内周側カバー５及び外周側カバー４６Ａ，４６Ｂの周辺には、エンジンルームにおける大気（空気）Ａが流れる。

　第２外周側カバー４６Ｂには、ガスセンサ１の外部から大気Ａを導入するための大気導入孔４６１が形成されている。撥水フィルタ４６２は、第２外周側カバー４６Ｂの内周側から大気導入孔４６１を覆う状態で配置されている。センサ素子２における、大気ダクト３６の基端開口部３６１は、内周側カバー５及び外周側カバー４６Ａ，４６Ｂ内の空間に開放されている。第２外周側カバー４６Ｂの大気導入孔４６１の周辺に存在する大気Ａは、撥水フィルタ４６２を経由して内周側カバー５及び外周側カバー４６Ａ，４６Ｂ内に取り込まれる。そして、撥水フィルタ４６２を通過した大気Ａは、センサ素子２の大気ダクト３６の基端開口部３６１から大気ダクト３６内に流れ、大気ダクト３６内の大気電極３１２へと導かれる。

（内周側カバー５及び外周側カバー４６Ａ，４６Ｂの厚みｔ１，ｔ２）
　図２及び図４に示すように、内周側カバー５の径方向Ｒの厚みｔ２は、外周側カバー４６Ａ，４６Ｂの径方向Ｒの厚みｔ１よりも大きい。内周側カバー５は、ハウジング４１の熱を逃がすための放熱部としての機能を持たせるために、できるだけ厚く形成されている。内周側カバー５の厚みｔ２は、外周側カバー４６Ａ，４６Ｂの厚みｔ１の２～５倍とすることができる。内周側カバー５の厚みｔ２が外周側カバー４６Ａ，４６Ｂの厚みｔ１よりも大きいことにより、ハウジング４１から外周側カバー４６Ａ，４６Ｂへの伝熱量よりも、ハウジング４１から内周側カバー５への伝熱量を多くすることができる。これにより、ハウジング４１の熱が外周側カバー４６Ａ，４６Ｂから封止部材４７へより伝わりにくくすることができる。

　本形態の内周側カバー５の厚みｔ２は、軸方向Ｌの全長にわたって均一である。外周側カバー４６Ａ，４６Ｂの厚みｔ１は、一部において変化している。つまり、第１外周側カバー４６Ａにおける、軸方向Ｌの基端側Ｌ２の部位の厚みは、他の部位の厚みよりも大きい。また、第２外周側カバー４６Ｂの厚みは、軸方向Ｌの全長にわたって均一である。

　内周側カバー５の厚みｔ２が均一でない場合には、外周側カバー４６Ａ，４６Ｂの厚みｔ１と比較する際の内周側カバー５の厚みｔ２は、内周側カバー５の厚みｔ２の平均値とすることができる。また、内周側カバー５の厚みｔ２が均一でない場合には、外周側カバー４６Ａ，４６Ｂの厚みｔ１と比較する際の内周側カバー５の厚みｔ２は、内周側カバー５の厚みｔ２の最小値とすることができる。

　外周側カバー４６Ａ，４６Ｂの厚みｔ１が均一でない場合には、内周側カバー５の厚みｔ２と比較する際の外周側カバー４６Ａ，４６Ｂの厚みｔ１は、外周側カバー４６Ａ，４６Ｂの厚みｔ１の平均値とすることができる。また、外周側カバー４６Ａ，４６Ｂの厚みｔ１が均一でない場合には、内周側カバー５の厚みｔ２と比較する際の外周側カバー４６Ａ，４６Ｂの厚みｔ１は、外周側カバー４６Ａ，４６Ｂの厚みｔ１の最小値とすることができる。

　また、内周側カバー５の厚みｔ２と外周側カバー４６Ａ，４６Ｂの厚みｔ１との比較は、内周側カバー５と外周側カバー４６Ａ，４６Ｂとが互いに対向する部位において行うことができる。つまり、内周側カバー５における筒状本体部５１の厚みは、外周側カバー４６Ａ，４６Ｂにおける、筒状本体部５１の外周側に位置する部分の厚みよりも大きくすることができる。

（環状空間５０）
　図１及び図２に示すように、環状空間５０は、内周側カバー５と外周側カバー４６Ａとの間の所定の隙間（間隔）として形成されている。環状空間５０は、内周側カバー５と外周側カバー４６Ａとの間に、空気（大気）Ａの断熱層を形成するものである。環状空間５０が形成されていることにより、ハウジング４１から内周側カバー５へ伝わった熱が、内周側カバー５から外周側カバー４６Ａ，４６Ｂへ伝わることを抑制することができる。

　外周側カバー４６Ａにおける軸方向Ｌの先端側Ｌ１の部分の全周は、内周側カバー５における軸方向Ｌの先端側Ｌ１の部分の全周に接触している。本形態の外周側カバー４６Ａにおける軸方向Ｌの先端側Ｌ１の部分の全周は、内周側カバー５における軸方向Ｌの先端側Ｌ１の部分の全周に、溶接等によって接合されている。なお、レーザ溶接等を行うときには、外周側カバー４６Ａにおける軸方向Ｌの先端側Ｌ１の部分、及び内周側カバー５における軸方向Ｌの先端側Ｌ１の部分を溶融させるとともにハウジング４１の基端側筒部４１４も溶融させて、外周側カバー４６Ａ、内周側カバー５及びハウジング４１を同時に接合することもできる。

　外周側カバー４６Ａにおける軸方向Ｌの先端側Ｌ１の部分の全周が、内周側カバー５における軸方向Ｌの先端側Ｌ１の部分の全周に接合されていることにより、環状空間５０における軸方向Ｌの先端側Ｌ１の端部５０１は閉じられている。また、外周側カバー４６Ａにおける軸方向Ｌの先端側Ｌ１の部分の内周側に、内周側カバー５における軸方向Ｌの先端側Ｌ１の部分を圧入することもできる。さらに、外周側カバー４６Ａにおける軸方向Ｌの先端側Ｌ１の部分は、内周側カバー５における軸方向Ｌの先端側Ｌ１の部分にかしめ固定することもできる。

　内周側カバー５における軸方向Ｌの基端側Ｌ２の部分は、外周側カバー４６Ａ，４６Ｂの内周側に配置されている。換言すれば、内周側カバー５における軸方向Ｌの基端側Ｌ２の部分は、外周側カバー４６Ａから離れた内周側の位置に配置されている。これにより、環状空間５０における軸方向Ｌの基端側Ｌ２の開口部５０２は開放されている。この構成により、内周側カバー５と外周側カバー４６Ａとの間の伝熱のほとんどは、軸方向Ｌの先端側Ｌ１の部分において生じるようにしている。そのため、内周側カバー５における熱が封止部材４７に伝わりにくくすることができる。

（外周側カバー４６Ａの他の構造）
　図８に示すように、外周側カバー４６Ａにおける軸方向Ｌの先端部の全周は、径方向Ｒの内周側に屈曲して、内周側カバー５の筒状本体部５１の外周の全周に接触していてもよい。この場合には、外周側カバー４６Ａ及び内周側カバー５によって環状空間５０における軸方向Ｌの先端側Ｌ１の端部５０１が閉じられるとともに、環状空間５０が内周側カバー５の軸方向Ｌの先端部まで位置させることができる。そして、環状空間５０を軸方向Ｌにできるだけ長く形成することができる。

（第１インシュレータ４２）
　図１～図３に示すように、第１インシュレータ４２は、ハウジング４１の中心部を軸方向Ｌに貫通する中心穴４１０内に配置されている。第１インシュレータ４２は、第１碍子とも呼ばれ、絶縁性のセラミックス材料によって構成されている。第１インシュレータ４２の中心部には、センサ素子２を挿通させるために、軸方向Ｌに貫通する第１挿通穴４２０が形成されている。第１挿通穴４２０における軸方向Ｌの基端側Ｌ２の端部には、センサ素子２を固定するためのガラス粉末４２２が配置される固定用凹部４２１が形成されている。センサ素子２は、第１インシュレータ４２の第１挿通穴４２０に挿通された状態で、固定用凹部４２１に配置されたガラス粉末４２２によって第１インシュレータ４２に固定されている。

　第１インシュレータ４２の外周には、第１インシュレータ４２における最大外径部を形成する突起部４２３が形成されている。第１インシュレータ４２がハウジング４１の中心穴４１０に配置された状態において、中心穴４１０における、突起部４２３の軸方向Ｌの先端側Ｌ１には、シール材４２４が配置され、中心穴４１０における、突起部４２３の軸方向Ｌの基端側Ｌ２には、かしめ用材料４２５，４２６，４２７，４２８が配置されている。かしめ用材料４２５，４２６，４２７，４２８は、粉末シール材４２５、円環板状のパッキン４２６、筒状体４２７及びかしめ材４２８によって構成することができる。ハウジング４１の基端側筒部４１４のかしめ部４１５が径方向Ｒの内周側に屈曲されることによって、シール材４２４及びかしめ用材料４２５，４２６，４２７，４２８を介して、ハウジング４１の中心穴４１０内に第１インシュレータ４２がかしめ固定されている。

（第２インシュレータ４３）
　図２及び図４に示すように、第２インシュレータ４３は、第１インシュレータ４２の軸方向Ｌの基端側Ｌ２に配置され、センサ素子２の端子部２２に接触する接点端子４４を保持するものである。第２インシュレータ４３は、第２碍子とも呼ばれ、絶縁性のセラミックス材料によって構成されている。第２インシュレータ４３の中心部には、センサ素子２が挿通される第２挿通穴４３０が軸方向Ｌに貫通して形成されている。第２インシュレータ４３における、第２挿通穴４３０に連通する位置には、接点端子４４を配置するための溝部４３２が形成されている。第２インシュレータ４３は、内周側カバー５及び外周側カバー４６Ａの径方向Ｒの内周側に配置されている。

（接点端子４４）
　図２及び図４に示すように、接点端子４４は、センサ素子２の端子部２２に接触し、端子部２２をリード線４８に電気的に接続するものである。接点端子４４は、第２インシュレータ４３の溝部４３２に配置されている。接点端子４４は、接続金具４４１を介してリード線４８に接続されており、弾性変形の復元力を作用させて端子部２２に接触している。接点端子４４は、センサ素子２における端子部２２の数、換言すれば、図５に示される、排気電極３１１及び大気電極３１２の各電極リード部３１３、及び一対の発熱体リード部３４２の数に合わせて複数個が配置されている。

（封止部材４７及びリード線４８）
　図１及び図２に示すように、封止部材（ブッシュ）４７は、第２外周側カバー４６Ｂの内周側に配置されて、複数のリード線４８を、シールを行って保持するものである。封止部材４７は、シール材としての機能を有するために、弾性変形可能なゴム材料によって構成されている。封止部材４７には、リード線４８が挿通された貫通孔が形成されている。封止部材４７に第２外周側カバー４６Ｂがかしめられることにより、各リード線４８と各貫通孔との間、及び封止部材４７と第２外周側カバー４６Ｂとの間の各隙間がシールされる。リード線４８は、各接点端子４４を、ガスセンサ１の外部のセンサ制御装置６に接続するためのものである。リード線４８は、内部の導体が被覆層によって被覆されたものである。

（先端側カバー４５Ａ，４５Ｂ）
　図３に示すように、先端側カバー４５Ａ，４５Ｂは、ハウジング４１の軸方向Ｌの先端側Ｌ１の端面から先端側Ｌ１へ突出する、センサ素子２の検知部２１を覆うものである。先端側カバー４５Ａ，４５Ｂは、ハウジング４１の先端側筒部４１２に形成された装着部４１３の外周に装着されている。本形態の先端側カバー４５Ａ，４５Ｂは、第１先端側カバー４５Ａと、第１先端側カバー４５Ａを覆う第２先端側カバー４５Ｂとの二重構造を有している。第１先端側カバー４５Ａ及び第２先端側カバー４５Ｂには、排ガスＧが流通可能なガス流通孔４５１が形成されている。

　センサ素子２の検知部２１及び先端側カバー４５Ａ，４５Ｂは、内燃機関の排気管７内に配置される。排気管７内を流れる排ガスＧの一部は、先端側カバー４５Ａ，４５Ｂのガス流通孔４５１から先端側カバー４５Ａ，４５Ｂ内に流入する。そして、先端側カバー４５Ａ，４５Ｂ内の排ガスＧは、センサ素子２の多孔質層３７及び拡散抵抗部３２を通過して排気電極３１１へと導かれる。なお、先端側カバー４５Ａ，４５Ｂは、ガス流通孔４５１が形成された一重構造のものとしてもよい。

（センサ制御装置６）
　図１に示すように、ガスセンサ１におけるリード線４８は、ガスセンサ１におけるガス検出の制御を行うセンサ制御装置６に電気接続される。センサ制御装置６は、エンジンにおける燃焼運転を制御するエンジン制御装置と連携してガスセンサ１における電気制御を行うものである。センサ制御装置６には、図５に示すように、排気電極３１１と大気電極３１２との間に流れる電流を測定する電流測定回路６１、排気電極３１１と大気電極３１２との間に電圧を印加する電圧印加回路６２、発熱体３４に通電を行うための通電回路等が形成されている。なお、センサ制御装置６は、エンジン制御装置内に構築してもよい。

（他のガスセンサ１）
　ガスセンサ１は、ＮＯｘ（窒素酸化物）等の特定ガス成分の濃度を検出するものとしてもよい。ＮＯｘセンサにおいては、固体電解質体３１における、排気電極３１１に接触する排ガスＧの流れの上流側に、電圧の印加によって大気電極３１２へ酸素をポンピングするポンプ電極が配置される。大気電極３１２は、ポンプ電極に対して固体電解質体３１を介して積層方向Ｄに重なる位置にも形成される。

　ガスセンサ１は、積層タイプのセンサ素子２を備えるものとする以外にも、固体電解質体３１が有底円筒形状に形成されたコップタイプのセンサ素子２を備えるものとしてもよい。コップタイプのセンサ素子２においては、固体電解質体３１の外周面に排気電極３１１が設けられ、固体電解質体３１の内周面に大気電極３１２が設けられる。そして、コップタイプのセンサ素子２は、第１インシュレータ４２を用いずにハウジング４１の中心穴４１０に配置される。この場合にも、ハウジング４１の基端側筒部４１４の外周には、内周側カバー５及び外周側カバー４６Ａを装着することができる。

（作用効果）
　本形態のガスセンサ１においては、封止部材４７を保持する外周側カバー４６Ａ，４６Ｂの径方向Ｒの内周側に内周側カバー５を配置している。この内周側カバー５と外周側カバー４６Ａ，４６Ｂとの間には、断熱層として機能する環状空間５０が形成されており、内周側カバー５と外周側カバー４６Ａ，４６Ｂとは軸方向Ｌの先端部においてのみ接触している。そして、ハウジング４１から軸方向Ｌの基端側Ｌ２へは、内周側カバー５を通る熱の移動経路と、外周側カバー４６Ａ，４６Ｂを通る熱の移動経路とが形成される。

　内燃機関における燃料の燃焼を受けて、内燃機関の排気管７内を通過する排ガスＧは、例えば、１０００～１１００℃程度の高温になる。そして、ガスセンサ１へは、排気管７の取付口７１に取り付けられたハウジング４１を介して、排ガスＧの熱が伝わる。ガスセンサ１においては、排気管７内に配置された、センサ素子２の検知部２１及び先端側カバー４５Ａ，４５Ｂの温度が最も高くなる。そして、ガスセンサ１においては、ハウジング４１から軸方向Ｌの基端側Ｌ２の部位に行くに連れて温度が低くなる。換言すれば、排気管７の外に配置された内周側カバー５、外周側カバー４６Ａ，４６Ｂ、封止部材４７等の温度が低くなる。

　封止部材４７は、ゴム材料から構成されていることにより、金属材料等に比べて耐熱性が低く、劣化から保護するために温度を低く保ちたい部位である。ハウジング４１から外周側カバー４６Ａ，４６Ｂへ伝わる熱量が多いと、外周側カバー４６Ａ，４６Ｂを介して封止部材４７が加熱される温度が高くなる。

　本形態のガスセンサ１においては、特に、内周側カバー５がハウジング４１に接触するとともに外周側カバー４６Ａ，４６Ｂの軸方向Ｌの先端部が内周側カバー５の軸方向Ｌの先端部に接触する構成、及び内周側カバー５の厚みｔ２が外周側カバー４６Ａ，４６Ｂの厚みｔ１よりも大きい構成により、ハウジング４１の熱の多くは内周側カバー５へ移動し、外周側カバー４６Ａ，４６Ｂへ移動する熱量を少なくすることができる。また、環状空間５０の存在により、内周側カバー５から外周側カバー４６Ａ，４６Ｂへの伝熱は最小限に抑制される。

　これにより、ハウジング４１から外周側カバー４６Ａ，４６Ｂへ熱が伝わりにくくなり、外周側カバー４６Ａ，４６Ｂから、外周側カバー４６Ａ，４６Ｂにおける軸方向Ｌの基端部の内周側に配置された封止部材４７に熱が伝わりにくくなる。

　それ故、本形態のガスセンサ１によれば、ハウジング４１から伝達される熱によって封止部材４７が加熱されにくくし、封止部材４７を熱から効果的に保護することができる。

＜確認試験＞
　本確認試験においては、内周側カバー５を備える実施形態のガスセンサ１について、ガスセンサ１が配置された排気管７内に１１００℃の排ガスＧが流れる場合に、ガスセンサ１の各部がどれだけ加熱されるかのシミュレーションを行った。また、比較のために、内周側カバー５を備えない比較形態１のガスセンサと、内周側カバー５の代わりに、外周側カバー４６Ａ，４６Ｂの外周側に放熱部材を設けた比較形態２のガスセンサとについても、同様にシミュレーションを行った。このシミュレーションにおいては、各ガスセンサの各部の温度の分布が表示される。そして、実施形態のガスセンサ１及び比較形態１，２のガスセンサにおける各封止部材４７の温度を確認した。

　比較形態１のガスセンサにおける封止部材４７の温度は２６０℃程度となり、比較形態２のガスセンサにおける封止部材４７の温度は２５０℃程度となった。一方、実施形態のガスセンサ１における封止部材４７の温度は２３０℃程度となった。この結果より、内周側カバー５を用いる実施形態のガスセンサ１によれば、比較形態１，２のガスセンサに比べて、封止部材４７が加熱される温度を低く維持することができ、封止部材４７を熱から効果的に保護できることが分かった。

　実施形態の内周側カバー５は、金属材料としてのステンレス鋼（ＳＵＳ４３０）によって構成した。一方、内周側カバー５は、伝熱効果を高めるために、金属材料としての炭素鋼（Ｓ４５Ｃ）によって構成することもできる。ステンレス鋼の熱伝導率が１６［Ｗ／ｍ・Ｋ］程度であることに対し、炭素鋼の熱伝導率は５０［Ｗ／ｍ・Ｋ］程度である。

　内周側カバー５をステンレス鋼によって構成した場合には、比較形態１のガスセンサの場合に比べて、封止部材４７の温度を約３０℃程度低くできることが分かった。一方、内周側カバー５を炭素鋼によって構成した場合には、比較形態１のガスセンサの場合に比べて、封止部材４７の温度を約７７℃程度低くできることが分かった。この結果より、内周側カバー５には、熱伝導率がより高い金属材料を用いることが好ましいことが分かった。

　本開示は、実施形態のみに限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲においてさらに異なる実施形態を構成することが可能である。また、本開示は、様々な変形例、均等範囲内の変形例等を含む。さらに、本開示から想定される様々な構成要素の組み合わせ、形態等も本開示の技術思想に含まれる。

Claims

　ガス検知が可能な検知部（２１）を軸方向（Ｌ）の先端側位置に有するセンサ素子（２）と、
　前記検知部が前記軸方向の先端側（Ｌ１）に突出する状態で、前記センサ素子が挿通された筒形状のハウジング（４１）と、
　前記センサ素子の前記軸方向の基端側位置に設けられた端子部（２２）に接触する接点端子（４４）と、
　前記接点端子を保持するインシュレータ（４３）と、
　前記接点端子に接続されて外部に引き出されたリード線（４８）と、
　前記リード線を保持する封止部材（４７）と、
　前記ハウジングの前記軸方向の基端側位置の外周に装着された内周側カバー（５）と、
　前記内周側カバーの外周側に配置されるとともに、前記内周側カバーとの間に環状空間（５０）を形成し、かつ前記封止部材を内周側に保持する外周側カバー（４６Ａ，４６Ｂ）と、を備えるガスセンサ（１）。
　前記環状空間における前記軸方向の先端側の端部（５０１）は、前記外周側カバーにおける前記軸方向の先端部の全周が前記内周側カバーにおける前記軸方向の先端部の全周に接触していることによって、閉じられており、
　前記環状空間における前記軸方向の基端側の開口部（５０２）は、前記内周側カバーにおける前記軸方向の基端部が、前記外周側カバーの内周側に配置されていることによって、開放されている、請求項１に記載のガスセンサ。
　前記内周側カバーにおける前記軸方向の基端部には、前記内周側カバーの筒状本体部（５１）に対して内周側に屈曲して、前記インシュレータにおける前記軸方向の基端側の端面に直接又は間接的に接触する屈曲部（５２）が形成されている、請求項１又は２に記載のガスセンサ。
　前記内周側カバーの厚み（ｔ２）は、前記外周側カバーの厚み（ｔ１）よりも大きい、請求項１～３のいずれか一項に記載のガスセンサ。