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JP7733592B2 - Sensor - Google Patents
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JP7733592B2 - Sensor - Google Patents

Sensor

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JP7733592B2 JP2022017927A JP2022017927A JP7733592B2 JP 7733592 B2 JP7733592 B2 JP 7733592B2 JP 2022017927 A JP2022017927 A JP 2022017927A JP 2022017927 A JP2022017927 A JP 2022017927A JP 7733592 B2 JP7733592 B2 JP 7733592B2
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Description

本発明は、センサに関する。 The present invention relates to a sensor.

センサ素子により構成されるセンサ(例えば、特許文献1で開示されるガスセンサ)がある。温度による影響を抑えるため、センサ素子には、ヒータが内蔵される場合がある。例えば、特許文献1で提案される発明では、センサ素子を構成する固体電解質を活性化するためにセンサ素子にヒータが内蔵されている。 Some sensors (such as the gas sensor disclosed in Patent Document 1) are composed of a sensor element. To reduce the effects of temperature, a heater may be built into the sensor element. For example, in the invention proposed in Patent Document 1, a heater is built into the sensor element to activate the solid electrolyte that makes up the sensor element.

また、センサは、天候等の環境の影響に晒される場所で利用される場合がある。一例では、ガスセンサは、車両の排ガスを監視するため、車両の排気管内に配置される。このような場合に、例えば、湿気、結露、雨等により、センサ素子(特に、ヒータの部分)が被水して(すなわち、水に濡れて)しまうと、ヒータによる加熱の効率が低下してしまい、例えば、センサ素子にクラックが入る恐れがある等の悪影響をもたらす可能性がある。 Sensors may also be used in locations exposed to environmental influences such as weather. For example, a gas sensor is placed inside a vehicle's exhaust pipe to monitor the vehicle's exhaust gases. In such cases, if the sensor element (particularly the heater portion) becomes wet (i.e., becomes wet) due to, for example, humidity, condensation, or rain, the efficiency of heating by the heater may decrease, which could have adverse effects such as the risk of the sensor element cracking.

これに対して、特許文献2及び3では、例えば、保護カバー、ハウジング等のカバー部材でセンサ素子を保護することが提案されている。特許文献2及び3で提案されるカバー部材によれば、センサ素子(特に、ヒータの部分)に被水する確率を低減し、上記のような悪影響が生じる可能性を減らすことができる。 In response to this, Patent Documents 2 and 3 propose protecting the sensor element with a cover member such as a protective cover or housing. The cover members proposed in Patent Documents 2 and 3 reduce the probability of the sensor element (particularly the heater portion) becoming wet, thereby reducing the likelihood of the above-mentioned adverse effects occurring.

特開2020-180985号公報Japanese Patent Application Laid-Open No. 2020-180985 特開2017-223619号公報Japanese Patent Application Laid-Open No. 2017-223619 特表2018-536860号公報Special table 2018-536860 publication

本件発明者らは、従来のカバー部材には、次のような問題点があることを見出した。すなわち、特許文献3で提案されるハウジングは、先端ほど内壁の径が拡がっており、これにより、先端ほどセンサ素子とハウジングの内壁との距離が大きくなっている。これにより、例えば、結露等によりハウジングの内壁に水が生じた場合でも、センサ素子が被水する確率を低減することができる。しかしながら、このハウジングの形状だけでは、被水対策として不十分な場合がある。一例では、結露等により発生した水が、ハウジングの内壁を径が拡がる部分の後端(径が拡がる始点)まで流れ、この部分からセンサ素子の方に水が垂れ落ちてしまう可能性がある。この垂れ落ちた水がセンサ素子のヒータの発熱部の近傍にかかってしまい、上記のような悪影響が生じる可能性がある。 The inventors of this application have discovered the following problem with conventional cover members. Specifically, the housing proposed in Patent Document 3 has an inner wall with a wider diameter toward the tip, which increases the distance between the sensor element and the inner wall of the housing toward the tip. This reduces the likelihood of the sensor element becoming wet, even if water forms on the inner wall of the housing due to condensation or other reasons. However, this housing shape alone may not be sufficient to prevent water from entering the housing. For example, water generated by condensation or other reasons may flow along the inner wall of the housing to the rear end of the widening diameter (the starting point of the widening diameter), potentially dripping from this point onto the sensor element. This dripping water may land near the heat-generating portion of the heater in the sensor element, potentially causing the adverse effects described above.

本発明は、一側面では、このような事情を鑑みてなされたものであり、その目的は、センサ素子のヒータ部分が被水する確率の低減が図られたセンサを提供することである。 In one aspect, the present invention was made in consideration of these circumstances, and its purpose is to provide a sensor in which the heater portion of the sensor element is less likely to become wet.

本発明は、上述した課題を解決するために、以下の構成を採用する。 To solve the above-mentioned problems, the present invention adopts the following configuration.

本発明の一側面に係るセンサは、ヒータを内蔵し、長手方向に延びるセンサ素子、及び前記長手方向に沿って前記センサ素子の周りを囲むように構成されるハウジングを備える。前記センサ素子は、先端部及び後端部を有する。前記ヒータは、発熱部及びリード部を備える。前記発熱部は、先端及び後端を有し、前記センサ素子の前記先端部側に配置される。前記ハウジングは、前記長手方向の軸線に平行な断面において、前記センサの先端側ほど前記ハウジングの内壁の径が拡がるように構成される拡径部を備える。前記拡径部は、先端部及び後端部を有する。前記発熱部の後端は、前記拡径部の後端部よりも前記センサの先端側に配置される。 A sensor according to one aspect of the present invention comprises a sensor element that incorporates a heater and extends in the longitudinal direction, and a housing configured to surround the sensor element along the longitudinal direction. The sensor element has a front end and a rear end. The heater comprises a heat generating portion and a lead portion. The heat generating portion has a front end and a rear end and is located on the front end side of the sensor element. The housing comprises an expanded diameter portion configured so that, in a cross section parallel to the longitudinal axis, the diameter of the inner wall of the housing expands toward the front end of the sensor. The expanded diameter portion has a front end and a rear end. The rear end of the heat generating portion is located closer to the front end of the sensor than the rear end of the expanded diameter portion.

当該構成では、ハウジングが、センサ素子のヒータの発熱部近傍に拡径部が設けられる。この拡径部により、ハウジングの内壁は、センサの先端側ほどセンサ素子との間の距離が拡がるように構成される。加えて、拡径部の後端部が、ヒータの発熱部の後端よりもセンサの後端側に配置される。これにより、ハウジングの内壁に水が流れ、拡径部の後端部から水が垂れ落ちたとしても、ヒータの発熱部がこの後端部よりも先端側に配置されていることで、ハウジングの内壁(拡径部の後端部)から垂れ落ちた水がヒータの発熱部にかかるのを抑制することができる。したがって、当該構成に係るセンサによれば、センサ素子のヒータ部分が被水する確率を低減することができる。 In this configuration, the housing has an expanded diameter section near the heat-generating portion of the heater of the sensor element. This expanded diameter section is configured so that the distance between the inner wall of the housing and the sensor element increases toward the tip of the sensor. In addition, the rear end of the expanded diameter section is positioned closer to the rear end of the sensor than the rear end of the heater's heat-generating portion. As a result, even if water flows along the inner wall of the housing and drips from the rear end of the expanded diameter section, the heater's heat-generating portion is positioned further forward than this rear end, preventing water dripping from the inner wall of the housing (rear end of the expanded diameter section) from contacting the heater's heat-generating portion. Therefore, a sensor with this configuration can reduce the likelihood of the heater portion of the sensor element becoming wet.

上記一側面に係るセンサにおいて、前記拡径部の前記断面での形状は、テーパを有するように構成されてよい。前記テーパの角度は、10度以上90度未満であってよい。前記テーパの角度は、20度以上90度未満であってよい。或いは、前記テーパの角度は、30度以上90度未満であってよい。これらの構成によれば、センサ素子のヒータ部分が被水する確率を良好に低減することができる。 In the sensor according to the above aspect, the cross-sectional shape of the expanded diameter portion may be configured to have a taper. The taper angle may be 10 degrees or greater and less than 90 degrees. The taper angle may be 20 degrees or greater and less than 90 degrees. Alternatively, the taper angle may be 30 degrees or greater and less than 90 degrees. These configurations effectively reduce the probability of the heater portion of the sensor element becoming wet.

上記一側面に係るセンサにおいて、前記拡径部の前記断面での形状は、R状に構成されてよい。当該構成によれば、センサ素子のヒータ部分が被水する確率を良好に低減することができる。 In the sensor according to the above aspect, the cross-sectional shape of the expanded diameter portion may be configured as an R-shape. This configuration effectively reduces the probability of the heater portion of the sensor element becoming wet.

上記一側面に係るセンサは、前記長手方向に沿って、前記ハウジングの前記拡径部の少なくとも一部の周りを囲み、前記センサ素子の前記先端部を越えて延びるように構成される保護カバーを更に備えてよい。当該構成によれば、保護カバーにより、ハウジング及びセンサ素子が被水する確率を低減することができる。 The sensor according to the above aspect may further include a protective cover configured to surround at least a portion of the enlarged diameter portion of the housing along the longitudinal direction and extend beyond the tip of the sensor element. With this configuration, the protective cover can reduce the likelihood of the housing and sensor element becoming wet.

上記一側面に係るセンサにおいて、前記センサ素子は、前記センサ素子の少なくとも一部分を被覆する多孔質保護層を有していてよい。当該構成によれば、多孔質保護層により、センサ素子に対する被水の影響を低減すると共に、センサ素子の強度の向上を図ることができる。 In the sensor according to the above aspect, the sensor element may have a porous protective layer that covers at least a portion of the sensor element. According to this configuration, the porous protective layer can reduce the effects of water on the sensor element and improve the strength of the sensor element.

上記一側面に係るセンサにおいて、前記センサ素子は、ガスセンサ素子であってよい。当該構成によれば、ヒータ部分が被水する確率の低減が図られたガスセンサを提供することができる。 In the sensor according to the above aspect, the sensor element may be a gas sensor element. This configuration makes it possible to provide a gas sensor in which the probability of the heater portion becoming wet is reduced.

本発明によれば、センサ素子のヒータ部分が被水する確率の低減が図られたセンサを提供することができる。 This invention provides a sensor that reduces the probability of the heater portion of the sensor element becoming wet.

図1は、実施の形態に係るセンサの構成の一例を概略的に示す断面模式図である。FIG. 1 is a schematic cross-sectional view illustrating an example of the configuration of a sensor according to an embodiment. 図2は、実施の形態に係るセンサ素子の構成の一例を概略的に示す断面模式図である。FIG. 2 is a cross-sectional view schematically illustrating an example of the configuration of the sensor element according to the embodiment. 図3は、変形例に係るセンサの構成の一例を概略的に示す断面模式図である。FIG. 3 is a schematic cross-sectional view illustrating an example of the configuration of a sensor according to a modified example. 図4は、変形例に係るセンサの構成の一例を概略的に示す断面模式図である。FIG. 4 is a schematic cross-sectional view illustrating an example of the configuration of a sensor according to a modified example. 図5は、変形例に係るセンサ素子の構成の一例を概略的に示す断面模式図である。FIG. 5 is a schematic cross-sectional view illustrating an example of the configuration of a sensor element according to a modified example. 図6は、変形例に係るセンサの構成の一例を概略的に示す断面模式図である。FIG. 6 is a schematic cross-sectional view illustrating an example of the configuration of a sensor according to a modified example. 図7は、変形例に係るセンサの構成の一例を概略的に示す断面模式図である。FIG. 7 is a schematic cross-sectional view illustrating an example of the configuration of a sensor according to a modified example. 図8は、変形例に係るセンサの構成の一例を概略的に示す断面模式図である。FIG. 8 is a schematic cross-sectional view illustrating an example of the configuration of a sensor according to a modified example.

以下、本発明の一側面に係る実施の形態(以下、「本実施形態」とも表記する)を、図面に基づいて説明する。ただし、以下で説明する本実施形態は、あらゆる点において本発明の例示に過ぎない。本発明の範囲を逸脱することなく種々の改良や変形を行うことができることは言うまでもない。つまり、本発明の実施にあたって、実施形態に応じた具体的構成が適宜採用されてもよい。 An embodiment of one aspect of the present invention (hereinafter also referred to as "the present embodiment") will be described below with reference to the drawings. However, the present embodiment described below is merely an example of the present invention in all respects. Needless to say, various improvements and modifications can be made without departing from the scope of the present invention. In other words, specific configurations corresponding to the embodiment may be adopted as appropriate when implementing the present invention.

[構成例]
図1は、本実施形態に係るセンサSの構成の一例を概略的に示す断面模式図である。センサSは、軸を有し、長手方向(軸線方向)に沿って延びるように構成されている。図1は、長手方向の軸線(図の上下方向に沿う線)に平行でかつ軸線に接する断面の構成を模式的に示す。センサSは、長手方向のそれぞれの端として先端及び後端を有している。長手方向の一方の端が先端、他方の端が後端である。図1の例では、センサSは、センサSの先端が下方向を向き、センサSの後端が上方向を向くように配置されている。すなわち、図1の上下方向が、長手方向(軸線方向)に相当する。本実施形態では、センサSは、センサ素子100、ハウジング200、及び保護カバー300を備える。
[Configuration example]
FIG. 1 is a cross-sectional view schematically illustrating an example of the configuration of a sensor S according to this embodiment. The sensor S has an axis and is configured to extend along the longitudinal direction (axial direction). FIG. 1 schematically illustrates the configuration of a cross section parallel to and tangent to the longitudinal axis (a line extending in the vertical direction of the figure). The sensor S has a front end and a rear end as its respective longitudinal ends. One longitudinal end is the front end, and the other longitudinal end is the rear end. In the example of FIG. 1, the sensor S is disposed so that the front end of the sensor S faces downward and the rear end of the sensor S faces upward. In other words, the vertical direction in FIG. 1 corresponds to the longitudinal direction (axial direction). In this embodiment, the sensor S includes a sensor element 100, a housing 200, and a protective cover 300.

(センサ素子)
センサ素子100は、ヒータ70を内蔵し、長手方向(図1の上下方向)に沿って延びるように構成されている。センサ素子100は、長手方向のそれぞれの端部として先端部110及び後端部120を有している。センサ素子100は、先端部110がセンサSの先端の方を向くように配置されている。ヒータ70は、発熱部72及びリード部73を備えている。発熱部72は、長手方向のそれぞれの端として先端721及び後端722を有している。発熱部72は、発熱部72の先端721がセンサ素子100の先端部110の方を向いた状態でセンサ素子100の先端部110側に配置される。リード部73は、発熱部72の後端722に連結しており、センサ素子100の後端部120側に配置される。
(sensor element)
The sensor element 100 incorporates a heater 70 and is configured to extend in the longitudinal direction (the vertical direction in FIG. 1 ). The sensor element 100 has a leading end 110 and a trailing end 120 as its respective longitudinal ends. The sensor element 100 is arranged so that the leading end 110 faces the leading end of the sensor S. The heater 70 includes a heat generating portion 72 and a lead portion 73. The heat generating portion 72 has a leading end 721 and a trailing end 722 as its respective longitudinal ends. The heat generating portion 72 is arranged on the leading end 110 side of the sensor element 100 with the leading end 721 of the heat generating portion 72 facing the leading end 110 of the sensor element 100. The lead portion 73 is connected to the trailing end 722 of the heat generating portion 72 and is arranged on the trailing end 120 side of the sensor element 100.

図1の例では、センサ素子100は、直方体状に形成されているが、センサ素子100の形状は、このような例に限定されなくてよい。センサ素子100の形状は、実施の形態に応じて適宜選択されてよい。また、センサ素子100の種類は、特に限定されなくてよく、実施の形態に応じて適宜選択されてよい。一例では、センサ素子100は、ガスセンサ素子であってよく、これにより、センサSは、任意のガス成分の濃度を測定するように構成されてよい。センサ素子100としてガスセンサ素子を採用する場合のセンサ素子100の構成の一例は後述で詳細に説明する。 In the example of FIG. 1, the sensor element 100 is formed in a rectangular parallelepiped shape, but the shape of the sensor element 100 need not be limited to this example. The shape of the sensor element 100 may be selected appropriately depending on the embodiment. Furthermore, the type of sensor element 100 is not particularly limited and may be selected appropriately depending on the embodiment. In one example, the sensor element 100 may be a gas sensor element, and the sensor S may be configured to measure the concentration of any gas component. An example of the configuration of the sensor element 100 when a gas sensor element is used as the sensor element 100 will be described in detail below.

(ハウジング)
ハウジング200は、長手方向に沿ってセンサ素子100を囲むように構成される。図1の一例では、ハウジング200は、筒状に形成されている。これにより、ハウジング200は、ハウジング200の内部空間にセンサ素子100が収容されることで、センサ素子100の先端部110側の一部を除く範囲を囲うように構成されている。ただし、ハウジング200の形状は、このような例に限定されなくてよい。ハウジング200は、図1に示されるとおり、センサ素子100の一部を囲うように構成されてもよいし、或いは長手方向に沿ってセンサ素子100を完全に囲うように構成されてもよい。センサ素子100の少なくとも一部を囲むように構成されていれば、ハウジング200の形状は、特に限定されなくてよく、実施の形態に応じて適宜選択されてよい。
(housing)
The housing 200 is configured to surround the sensor element 100 along the longitudinal direction. In the example shown in FIG. 1 , the housing 200 is formed in a cylindrical shape. As a result, the housing 200 is configured to surround the sensor element 100 except for a portion on the tip portion 110 side by accommodating the sensor element 100 in the internal space of the housing 200. However, the shape of the housing 200 is not limited to this example. As shown in FIG. 1 , the housing 200 may be configured to surround a portion of the sensor element 100, or may be configured to completely surround the sensor element 100 along the longitudinal direction. As long as the housing 200 is configured to surround at least a portion of the sensor element 100, the shape of the housing 200 is not particularly limited and may be selected appropriately depending on the embodiment.

ハウジング200は、長手方向のそれぞれの端として先端及び後端を有しており、ハウジング200の先端がセンサSの先端の方を向くように配置されている。ハウジング200は、図1に示される長手方向の軸線に平行な断面において、センサSの先端側ほどハウジング200の内壁215の径が拡がるように構成される拡径部210を備えている。ハウジング200の内壁215は、ハウジング200の内部空間に収容されるセンサ素子100に対向するハウジング200の内側の壁である。 The housing 200 has a front end and a rear end as its respective longitudinal ends, and is positioned so that the front end of the housing 200 faces the front end of the sensor S. In a cross section parallel to the longitudinal axis shown in FIG. 1, the housing 200 has an expanding diameter portion 210 configured so that the diameter of the inner wall 215 of the housing 200 expands toward the front end of the sensor S. The inner wall 215 of the housing 200 is the inner wall of the housing 200 that faces the sensor element 100 housed in the internal space of the housing 200.

拡径部210は、ハウジング200の先端側に配置される。また、拡径部210は、長手方向のそれぞれの端部として先端部211及び後端部212を有しており、拡径部210の先端部211がセンサSの先端の方を向くように配置される。なお、センサSの後端側から先端側にかけて拡径部210を見た場合、拡径部210の後端部212は、内壁215の径が拡がり始める位置となる。そのため、後端部212は、拡径部210の始点と称してもよい。本実施形態では、拡径部210の後端部212は、ヒータ70の発熱部72の後端722よりもセンサSの後端側に配置される。すなわち、ヒータ70の発熱部72の後端722は、拡径部210の後端部212よりもセンサSの先端側に配置される。 The expanded diameter section 210 is disposed on the front end side of the housing 200. The expanded diameter section 210 has a front end 211 and a rear end 212 as its longitudinal ends, and is disposed so that the front end 211 of the expanded diameter section 210 faces the front end of the sensor S. When viewing the expanded diameter section 210 from the rear end to the front end of the sensor S, the rear end 212 of the expanded diameter section 210 is the position where the diameter of the inner wall 215 begins to expand. Therefore, the rear end 212 may also be referred to as the starting point of the expanded diameter section 210. In this embodiment, the rear end 212 of the expanded diameter section 210 is disposed closer to the rear end of the sensor S than the rear end 722 of the heat generating section 72 of the heater 70. In other words, the rear end 722 of the heat generating section 72 of the heater 70 is disposed closer to the front end of the sensor S than the rear end 212 of the expanded diameter section 210.

拡径部210の形状は、センサSの先端側ほど内壁215の径が拡がる、すなわち、後端部212よりも先端部211の方がセンサ素子100及び内壁215の間の軸線に垂直な方向(図1の左右方向)の距離が大きくなるように構成されていれば、実施の形態に応じて適宜決定されてよい。一例として、図1に示されるとおり、拡径部210の図1の断面での形状は、テーパを有するように構成されてよい。テーパの角度220は、実施の形態に応じて適宜決定されてよい。一例として、テーパの角度220は、10度以上90度未満であってよい。他の一例では、テーパの角度220は、20度以上90度未満であってよい。更に他の一例では、テーパの角度220は、30度以上90度未満であってよい。テーパの角度220は、図1の断面において、拡径部210の始点(すなわち、後端部212)よりセンサSの後端側の形状がこの始点よりも先端側に直線状に続くと仮想した場合に、この仮想の直線と拡径部210における内壁215との間の角度により規定されてよい。 The shape of the expanded diameter section 210 may be determined appropriately depending on the embodiment, as long as the diameter of the inner wall 215 increases toward the tip of the sensor S, i.e., the distance between the sensor element 100 and the inner wall 215 in the direction perpendicular to the axis (the left-right direction in FIG. 1) is greater at the tip end 211 than at the rear end 212. As an example, as shown in FIG. 1, the shape of the expanded diameter section 210 in the cross section of FIG. 1 may be tapered. The taper angle 220 may be determined appropriately depending on the embodiment. As an example, the taper angle 220 may be 10 degrees or greater and less than 90 degrees. As another example, the taper angle 220 may be 20 degrees or greater and less than 90 degrees. As yet another example, the taper angle 220 may be 30 degrees or greater and less than 90 degrees. If it is assumed that the shape of the rear end of the sensor S continues in a straight line from the starting point of the enlarged diameter section 210 (i.e., the rear end 212) toward the tip end in the cross section of Figure 1, the taper angle 220 may be determined by the angle between this imaginary straight line and the inner wall 215 of the enlarged diameter section 210.

なお、図1の一例では、拡径部210以外の部分における内壁215は、拡径部210の後端部212に連続する一部分が後端部212と同一の径になっており、その部分よりもセンサSの後端側の部分がセンサ素子100の支持部材を受け入れるようにやや広がった形状を有している。ただし、拡径部210以外の部分における内壁215の形状及び径は、このような例に限定されなくてよく、実施の形態に応じて適宜決定されてよい。 In the example shown in Figure 1, the inner wall 215 in the area other than the expanded diameter section 210 has a portion that is continuous with the rear end 212 of the expanded diameter section 210 and has the same diameter as the rear end 212, and the portion further rearward of the sensor S than that portion has a slightly wider shape to accommodate the support member of the sensor element 100. However, the shape and diameter of the inner wall 215 in the area other than the expanded diameter section 210 are not limited to this example and may be determined appropriately depending on the embodiment.

ハウジング200の材料には、例えば、ステンレス鋼(例えば、SUS)等の金属材料が用いられてよい。ハウジング200は、金属材料を適宜成形することで、製造されてよい。 The housing 200 may be made of a metal material such as stainless steel (e.g., SUS). The housing 200 may be manufactured by appropriately shaping the metal material.

(保護カバー)
保護カバー300は、長手方向に沿って、ハウジング200の拡径部210の少なくとも一部の周りを囲み、センサ素子100の先端部110を越えて延びるように構成される。図1の一例では、保護カバー300は、概略的に筒状に形成されており、センサ素子100及びハウジング200の先端側の一部を軸線周りに囲うように構成されている。保護カバー300は、長手方向のそれぞれの端として先端及び後端を有しており、保護カバーの先端がセンサ素子100の先端部110よりもセンサSの先端側に配置されている。
(protective cover)
The protective cover 300 is configured to surround at least a portion of the enlarged diameter portion 210 of the housing 200 along the longitudinal direction and extend beyond the tip portion 110 of the sensor element 100. In the example of Fig. 1, the protective cover 300 is formed in a roughly cylindrical shape and is configured to surround the sensor element 100 and a portion of the tip side of the housing 200 around the axis. The protective cover 300 has a front end and a rear end as respective ends in the longitudinal direction, and the front end of the protective cover is positioned closer to the tip side of the sensor S than the tip portion 110 of the sensor element 100.

一例として、保護カバー300の構成には、特開2017-223619号公報で提案される保護カバーの構成が採用されてよい。具体的に、図1の例では、保護カバー300は、内側カバー310及び外側カバー320を備えている。内側カバー310は、第1部材311及び第2部材315を備え、センサ素子100及びハウジング200の先端部の周囲を覆うように構成されている。第1部材311は、ハウジング200の先端部の外壁から長手方向に沿って延び、ハウジング200の先端を越えた辺りで長手方向に垂直な方向に径が小さくなった後に、長手方向に沿って更に延びるように構成されている。第2部材315は、第1部材311の先端側の一部の周囲を覆うように構成されている。外側カバー320は、内側カバー310の周囲を覆うように構成されている。内側カバー310の第1部材311、第2部材315及び外側カバー320には、開口が適宜設けられており、これにより、センサ素子100の先端部110の空間は、保護カバー300の外側の空間と接続している。ただし、保護カバー300の構成及び形状は、このような例に限定されなくてよい。保護カバー300の構成及び形状は、実施の形態に応じて適宜決定されてよい。 As an example, the protective cover 300 may be configured as proposed in Japanese Patent Application Laid-Open No. 2017-223619. Specifically, in the example shown in FIG. 1, the protective cover 300 includes an inner cover 310 and an outer cover 320. The inner cover 310 includes a first member 311 and a second member 315, and is configured to cover the periphery of the sensor element 100 and the tip end of the housing 200. The first member 311 extends longitudinally from the outer wall of the tip end of the housing 200, reduces in diameter in a direction perpendicular to the longitudinal direction after passing the tip of the housing 200, and then continues to extend longitudinally. The second member 315 is configured to cover the periphery of a portion of the tip end of the first member 311. The outer cover 320 is configured to cover the periphery of the inner cover 310. Openings are appropriately provided in the first member 311, second member 315, and outer cover 320 of the inner cover 310, thereby connecting the space at the tip portion 110 of the sensor element 100 with the space outside the protective cover 300. However, the configuration and shape of the protective cover 300 are not limited to this example. The configuration and shape of the protective cover 300 may be determined appropriately depending on the embodiment.

保護カバー300の材料には、例えば、ステンレス鋼(例えば、SUS)等の金属材料が用いられてよい。保護カバー300は、金属材料を適宜成形することで、製造されてよい。なお、この保護カバー300は、センサSの構成から省略されてもよい。 The protective cover 300 may be made of a metal material such as stainless steel (e.g., SUS). The protective cover 300 may be manufactured by appropriately shaping the metal material. Note that the protective cover 300 may be omitted from the configuration of the sensor S.

(寸法の一例)
センサ素子100、ハウジング200及び保護カバー300の寸法は、実施の形態に応じて適宜決定されてよい。一例として、ハウジング200の拡径部210の後端部212とセンサ素子100との間の第1距離(図1の左右方向の長さ/後端部212の内壁215とセンサ素子100の外壁との間の距離)は、1mm~4mmであってよい。また、ハウジング200の拡径部210の先端部211とセンサ素子100との間の第2距離(図1の左右方向の長さ/先端部211の内壁215とセンサ素子100の外壁との間の距離)は、第1距離より長く、2mm~6mmであってよい。
(Example of dimensions)
The dimensions of the sensor element 100, the housing 200, and the protective cover 300 may be determined appropriately depending on the embodiment. As an example, a first distance (length in the left-right direction in FIG. 1 / distance between an inner wall 215 of the rear end 212 and an outer wall of the sensor element 100) between the rear end 212 of the enlarged diameter portion 210 of the housing 200 and the sensor element 100 may be 1 mm to 4 mm. Furthermore, a second distance (length in the left-right direction in FIG. 1 / distance between an inner wall 215 of the front end 211 and an outer wall of the sensor element 100) between the front end 211 of the enlarged diameter portion 210 of the housing 200 and the sensor element 100 may be 2 mm to 6 mm, which is longer than the first distance.

(使用方法の一例)
センサSは、実施の形態に応じて適宜取り付けられてよい。一例として、センサ素子100としてガスセンサ素子を採用する場合、センサSは、車両のエンジンからの排気経路である配管410に取り付けられてよい。図1の例では、センサSは、外周面に雄ネジが設けられた金属製のナット400を更に備えている。ナット400は、ハウジング200の外周面に固定される。ハウジング200は、配管410に溶接され、かつ内周面に雌ネジが設けられた固定用部材412にナット400と共に挿入される。固定用部材412は配管410に固定される。そして、ナット400の雄ネジは固定用部材412の雌ネジに螺合される。これにより、センサSは、ハウジング200及び固定用部材412を介して配管410に固定される。
(Example of usage)
The sensor S may be attached as appropriate depending on the embodiment. As an example, when a gas sensor element is used as the sensor element 100, the sensor S may be attached to a pipe 410, which is an exhaust path from a vehicle engine. In the example of FIG. 1 , the sensor S further includes a metal nut 400 having a male thread on its outer circumferential surface. The nut 400 is fixed to the outer circumferential surface of the housing 200. The housing 200 is welded to the pipe 410 and is inserted, together with the nut 400, into a fixing member 412 having a female thread on its inner circumferential surface. The fixing member 412 is fixed to the pipe 410. The male thread of the nut 400 is then screwed into the female thread of the fixing member 412. In this way, the sensor S is fixed to the pipe 410 via the housing 200 and the fixing member 412.

一例では、ガスセンサ素子として構成されるセンサ素子100は、エンジンから排出される排気ガス(被測定ガス)に含まれるNOx、O2等の成分の濃度を測定してよい。図1の例では、センサSは、センサSの軸線が配管410内の排気ガスの流れに垂直な状態で、センサ素子100の先端部110が下方向を向くように配管410に固定されている。なお、配管410に対するセンサSの取付角度は、このような例に限定されなくてよい。センサSは、センサSの軸線が排気ガスの流れに任意の角度だけ傾いた状態で配管410に固定されてよい。センサSの取付角度は、例えば、センサ素子100の先端部110が鉛直下方向に対して0度~80度の角度を向くように構成されてよい。センサ素子100が配管410以外に取り付けられるケース、及びセンサ素子100がガスセンサ素子以外で構成されるケースでも同様の取付角度が採用されてよい。 In one example, the sensor element 100 configured as a gas sensor element may measure the concentrations of components such as NO x and O 2 contained in exhaust gas (measurement gas) emitted from an engine. In the example of FIG. 1 , the sensor S is fixed to the pipe 410 with the axis of the sensor S perpendicular to the flow of exhaust gas in the pipe 410 and the tip 110 of the sensor element 100 facing downward. The mounting angle of the sensor S with respect to the pipe 410 is not limited to this example. The sensor S may be fixed to the pipe 410 with the axis of the sensor S inclined at any angle with respect to the flow of exhaust gas. The mounting angle of the sensor S may be configured, for example, so that the tip 110 of the sensor element 100 faces an angle of 0 to 80 degrees with respect to the vertically downward direction. A similar mounting angle may be adopted in cases where the sensor element 100 is mounted other than on the pipe 410 or in cases where the sensor element 100 is configured as a non-gas sensor element.

(センサ素子の構成)
図2は、センサ素子100としてガスセンサ素子を採用する場合におけるセンサ素子100の構成の一例を概略的に示す断面模式図である。センサ素子100は、それぞれがジルコニア(ZrO2)等の酸素イオンの伝導性固体電解質層により構成される第1基板層1、第2基板層2、第3基板層3、第1固体電解質層4、スペーサ層5、及び第2固体電解質層6の6つの層が、図2の断面視で下側から順に積層された構造を有している。これら6つの層を形成する固体電解質は、緻密でかつ気密なものであってよい。なお、緻密でかつ気密とは、気孔率が5%以下であることを指す。センサ素子100は、例えば、各層に対応するセラミックスグリーンシートに、例えば、所定の加工、配線パターンの印刷等の工程を実行した後にそれらを積層し、更に、焼成して一体化させることで製造される。一例として、センサ素子100は、複数のセラミックス層の積層体である。
(Configuration of sensor element)
FIG. 2 is a cross-sectional view illustrating an example of the configuration of the sensor element 100 when a gas sensor element is used as the sensor element 100. The sensor element 100 has a structure in which six layers are stacked in order from bottom to top in the cross-sectional view of FIG. 2: a first substrate layer 1, a second substrate layer 2, a third substrate layer 3, a first solid electrolyte layer 4, a spacer layer 5, and a second solid electrolyte layer 6, each of which is composed of an oxygen ion conductive solid electrolyte layer such as zirconia (ZrO 2 ). The solid electrolyte forming these six layers may be dense and airtight. Note that "dense and airtight" refers to a porosity of 5% or less. The sensor element 100 is manufactured, for example, by stacking ceramic green sheets corresponding to each layer after performing processes such as predetermined processing and printing wiring patterns on them, and then sintering the stacked layers to integrate them. As an example, the sensor element 100 is a laminate of multiple ceramic layers.

センサ素子100の一先端部であって、第2固体電解質層6の下面及び第1固体電解質層4の上面の間には、ガス導入口10、第1拡散律速部11、緩衝空間12、第2拡散律速部13、第1内部空所20、第3拡散律速部30、及び第2内部空所40が、この順に連通する態様にて隣接形成されるように構成されている。 At one tip of the sensor element 100, between the lower surface of the second solid electrolyte layer 6 and the upper surface of the first solid electrolyte layer 4, the gas inlet 10, first diffusion-controlling section 11, buffer space 12, second diffusion-controlling section 13, first internal space 20, third diffusion-controlling section 30, and second internal space 40 are formed adjacent to each other and communicate with each other in this order.

ガス導入口10、緩衝空間12、第1内部空所20、及び第2内部空所40は、スペーサ層5をくり抜いた態様にて設けられた上部を第2固体電解質層6の下面で、下部を第1固体電解質層4の上面で、側部をスペーサ層5の側面で区画されるセンサ素子100内部の空間である。 The gas inlet 10, buffer space 12, first internal cavity 20, and second internal cavity 40 are spaces within the sensor element 100 that are defined by hollowing out the spacer layer 5, with the upper portion defined by the underside of the second solid electrolyte layer 6, the lower portion defined by the upper surface of the first solid electrolyte layer 4, and the sides defined by the side surfaces of the spacer layer 5.

第1拡散律速部11は、2本の横長の(図面に垂直な方向に開口が長辺方向を有する)スリットとして設けられる。また、第2拡散律速部13及び第3拡散律速部30それぞれは、図面に垂直な方向に延びる長さが第1内部空所20及び第2内部空所40それぞれよりも短い孔として設けられる。第2拡散律速部13及び第3拡散律速部30については、後述で詳細に説明する。なお、ガス導入口10から第2内部空所40に至る部位をガス流通部とも称する。 The first diffusion-controlling section 11 is formed as two horizontally elongated slits (with the opening's long side oriented perpendicular to the plane of the drawing). The second diffusion-controlling section 13 and the third diffusion-controlling section 30 are formed as holes whose lengths extending perpendicular to the plane of the drawing are shorter than those of the first internal space 20 and the second internal space 40, respectively. The second diffusion-controlling section 13 and the third diffusion-controlling section 30 will be described in detail below. The section extending from the gas inlet 10 to the second internal space 40 is also referred to as the gas flow section.

ガス流通部よりも先端側から遠い位置には、第3基板層3の上面及びスペーサ層5の下面の間であって、側部を第1固体電解質層4の側面で区画される位置に基準ガス導入空間43が設けられている。基準ガス導入空間43には、例えば、大気等の基準ガスが導入される。ただし、センサ素子100の構成は、このような例に限定されなくてよい。他の一例として、第1固体電解質層4は、センサ素子100の後端まで延びるように構成されてよく、基準ガス導入空間43は省略されてよい。この場合、大気導入層48が、センサ素子100の後端まで延びるように構成されてよい。 A reference gas introduction space 43 is provided at a position farther from the tip side than the gas flow section, between the upper surface of the third substrate layer 3 and the lower surface of the spacer layer 5, with the side portion defined by the side surface of the first solid electrolyte layer 4. A reference gas, such as the atmosphere, is introduced into the reference gas introduction space 43. However, the configuration of the sensor element 100 is not limited to this example. As another example, the first solid electrolyte layer 4 may be configured to extend to the rear end of the sensor element 100, and the reference gas introduction space 43 may be omitted. In this case, the atmosphere introduction layer 48 may be configured to extend to the rear end of the sensor element 100.

大気導入層48は、多孔質アルミナから成り、基準ガス導入空間43を介して基準ガスが導入されるように構成されている。加えて、大気導入層48は、基準電極42を被覆するように形成されている。 The air introduction layer 48 is made of porous alumina and is configured to allow the reference gas to be introduced through the reference gas introduction space 43. In addition, the air introduction layer 48 is formed to cover the reference electrode 42.

基準電極42は、第3基板層3の上面及び第1固体電解質層4の間に挟まれるように形成され、その周囲には、上記基準ガス導入空間43に接続する大気導入層48が設けられている。基準電極42は、第1内部空所20内及び第2内部空所40内の酸素濃度(酸素分圧)の測定に使用される。詳細は後述する。 The reference electrode 42 is formed so as to be sandwiched between the upper surface of the third substrate layer 3 and the first solid electrolyte layer 4, and is surrounded by an air introduction layer 48 that connects to the reference gas introduction space 43. The reference electrode 42 is used to measure the oxygen concentration (oxygen partial pressure) in the first internal space 20 and the second internal space 40. Details will be described later.

ガス導入口10は、ガス流通部において、外部空間に対して開口してなる部位である。センサ素子100は、当該ガス導入口10を通じて外部空間からセンサ素子100内に被測定ガスを取り込むように構成されている。 The gas inlet 10 is a portion of the gas flow section that opens to the external space. The sensor element 100 is configured to take in the gas to be measured from the external space through the gas inlet 10.

第1拡散律速部11は、ガス導入口10から取り込まれた被測定ガスに対して、所定の拡散抵抗を付与する部位である。 The first diffusion-controlling section 11 is a section that imparts a predetermined diffusion resistance to the measurement gas taken in through the gas inlet 10.

緩衝空間12は、第1拡散律速部11より導入された被測定ガスを第2拡散律速部13へと導くために設けられた空間である。 The buffer space 12 is a space provided to guide the measurement gas introduced from the first diffusion-controlling section 11 to the second diffusion-controlling section 13.

第2拡散律速部13は、緩衝空間12から第1内部空所20に導入される被測定ガスに対して、所定の拡散抵抗を付与する部位である。 The second diffusion rate-controlling section 13 is a section that provides a predetermined diffusion resistance to the measurement gas introduced from the buffer space 12 into the first internal space 20.

被測定ガスが、センサ素子100外部から第1内部空所20内まで導入されるにあたって、外部空間における被測定ガスの圧力変動(被測定ガスが自動車の排気ガスの場合であれば排気圧の脈動)によってガス導入口10からセンサ素子100内部に急激に取り込まれた被測定ガスは、直接第1内部空所20へ導入されるのではなく、第1拡散律速部11、緩衝空間12、第2拡散律速部13を通じて被測定ガスの濃度変動が打ち消された後、第1内部空所20へ導入されるようになっている。これにより、第1内部空間へ導入される被測定ガスの濃度変動はほとんど無視できる程度のものとなる。 When the measurement gas is introduced from outside the sensor element 100 into the first internal space 20, pressure fluctuations in the measurement gas in the external space (exhaust pressure pulsations, if the measurement gas is automobile exhaust gas) cause the measurement gas to be suddenly drawn into the sensor element 100 from the gas inlet 10. Instead of being introduced directly into the first internal space 20, the measurement gas passes through the first diffusion-controlling section 11, buffer space 12, and second diffusion-controlling section 13, where the concentration fluctuations are canceled out, before being introduced into the first internal space 20. This makes the concentration fluctuations of the measurement gas introduced into the first internal space almost negligible.

第1内部空所20は、第2拡散律速部13を通じて導入された被測定ガス中の酸素分圧を調整するための空間として設けられている。係る酸素分圧は、主ポンプセル21が作動することによって調整される。 The first internal space 20 is provided as a space for adjusting the oxygen partial pressure in the measurement gas introduced through the second diffusion-controlling section 13. This oxygen partial pressure is adjusted by the operation of the main pump cell 21.

主ポンプセル21は、第1内部空所20に面する第2固体電解質層6の下面のほぼ全面に設けられた天井電極部22aを有する内側ポンプ電極22と、第2固体電解質層6の上面の天井電極部22aと対応する領域に外部空間に露出する態様にて設けられた外側ポンプ電極23と、これらの電極に挟まれた第2固体電解質層6とによって構成されてなる電気化学的ポンプセルである。 The main pump cell 21 is an electrochemical pump cell comprising an inner pump electrode 22 having a ceiling electrode portion 22a provided on almost the entire lower surface of the second solid electrolyte layer 6 facing the first internal cavity 20, an outer pump electrode 23 provided on the upper surface of the second solid electrolyte layer 6 in a region corresponding to the ceiling electrode portion 22a and exposed to the external space, and the second solid electrolyte layer 6 sandwiched between these electrodes.

内側ポンプ電極22は、第1内部空所20を区画する上下の固体電解質層(第2固体電解質層6及び第1固体電解質層4)、及び側壁を与えるスペーサ層5にまたがって形成されている。具体的には、第1内部空所20の天井面を与える第2固体電解質層6の下面には天井電極部22aが形成され、また、底面を与える第1固体電解質層4の上面には底部電極部22bが形成される。そして、それら天井電極部22a及び底部電極部22bに接続するように、側部電極部(図示省略)が、第1内部空所20の両側壁部を構成するスペーサ層5の側壁面(内面)に形成されている。内側ポンプ電極22は、該側部電極部の配設部位においてトンネル形態の構造で配設されている。 The inner pump electrode 22 is formed across the upper and lower solid electrolyte layers (second solid electrolyte layer 6 and first solid electrolyte layer 4) that define the first internal space 20, and the spacer layer 5 that provides the sidewalls. Specifically, a ceiling electrode portion 22a is formed on the lower surface of the second solid electrolyte layer 6, which provides the ceiling surface of the first internal space 20, and a bottom electrode portion 22b is formed on the upper surface of the first solid electrolyte layer 4, which provides the bottom surface. Side electrode portions (not shown) are formed on the sidewall surfaces (inner surfaces) of the spacer layer 5 that form both sidewalls of the first internal space 20, connecting to the ceiling electrode portion 22a and bottom electrode portion 22b. The inner pump electrode 22 is arranged in a tunnel-like structure at the locations where the side electrode portions are located.

内側ポンプ電極22及び外側ポンプ電極23は、多孔質サーメット電極(例えば、Auを1%含むPt及びZrO2により構成されるサーメット電極)として形成される。なお、被測定ガスに接触する内側ポンプ電極22は、被測定ガス中の窒素酸化物(NOx)成分に対する還元能力を弱めた材料を用いて形成される。 The inner pump electrode 22 and the outer pump electrode 23 are formed as porous cermet electrodes (for example, cermet electrodes made of Pt containing 1% Au and ZrO2 ). The inner pump electrode 22, which comes into contact with the measurement gas, is made of a material with a weakened ability to reduce nitrogen oxide ( NOx ) components in the measurement gas.

センサ素子100は、主ポンプセル21において、内側ポンプ電極22及び外側ポンプ電極23の間に所望のポンプ電圧Vp0を印加して、内側ポンプ電極22及び外側ポンプ電極23の間に正方向又は負方向にポンプ電流Ip0を流すことにより、第1内部空所20内の酸素を外部空間に汲み出し、又は外部空間の酸素を第1内部空所20に汲み入れ可能に構成される。 The sensor element 100 is configured to pump oxygen from the first internal space 20 to the external space, or pump oxygen from the external space into the first internal space 20, by applying a desired pump voltage Vp0 between the inner pump electrode 22 and the outer pump electrode 23 in the main pump cell 21 and flowing a pump current Ip0 in either the positive or negative direction between the inner pump electrode 22 and the outer pump electrode 23.

また、第1内部空所20における雰囲気中の酸素濃度(酸素分圧)を検出するために、内側ポンプ電極22、第2固体電解質層6、スペーサ層5、第1固体電解質層4、第3基板層3、及び基準電極42により、主ポンプ制御用酸素分圧検出センサセル80(すなわち、電気化学的なセンサセル)が構成されている。 In addition, to detect the oxygen concentration (oxygen partial pressure) in the atmosphere in the first internal space 20, the inner pump electrode 22, second solid electrolyte layer 6, spacer layer 5, first solid electrolyte layer 4, third substrate layer 3, and reference electrode 42 constitute an oxygen partial pressure detection sensor cell 80 (i.e., an electrochemical sensor cell) for controlling the main pump.

センサ素子100は、主ポンプ制御用酸素分圧検出センサセル80における起電力V0を測定することで第1内部空所20内の酸素濃度(酸素分圧)を特定可能に構成される。更に、起電力V0が一定となるようにVp0をフィードバック制御することでポンプ電流Ip0が制御されている。これにより、第1内部空所20内の酸素濃度は所定の一定値に保つことができる。 The sensor element 100 is configured to be able to determine the oxygen concentration (oxygen partial pressure) within the first internal space 20 by measuring the electromotive force V0 in the oxygen partial pressure detection sensor cell 80 for controlling the main pump. Furthermore, the pump current Ip0 is controlled by feedback controlling Vp0 so that the electromotive force V0 remains constant. This allows the oxygen concentration within the first internal space 20 to be maintained at a predetermined constant value.

第3拡散律速部30は、第1内部空所20で主ポンプセル21の動作により酸素濃度(酸素分圧)が制御された被測定ガスに所定の拡散抵抗を付与して、該被測定ガスを第2内部空所40に導く部位である。 The third diffusion rate-controlling section 30 applies a predetermined diffusion resistance to the measurement gas, the oxygen concentration (oxygen partial pressure) of which has been controlled by the operation of the main pump cell 21 in the first internal space 20, and guides the measurement gas into the second internal space 40.

第2内部空所40は、第3拡散律速部30を通じて導入された被測定ガス中の窒素酸化物濃度の測定に係る処理を行うための空間として設けられている。NOx濃度は、主として、補助ポンプセル50により酸素濃度が調整された第2内部空所40において、測定用ポンプセル41の動作により測定される。 The second internal space 40 is provided as a space for performing processing related to the measurement of the nitrogen oxide concentration in the measurement gas introduced through the third diffusion-controlling part 30. The NOx concentration is mainly measured by the operation of the measuring pump cell 41 in the second internal space 40, where the oxygen concentration has been adjusted by the auxiliary pump cell 50.

第2内部空所40では、センサ素子100は、第1内部空所20において酸素濃度(酸素分圧)が予め調整された後、第3拡散律速部を通じて導入された被測定ガスに対して、補助ポンプセル50による酸素分圧の調整を更に行うように構成されている。これにより、第2内部空所40内の酸素濃度を高精度に一定に保つことができるため、係るセンサ素子100において、精度の高いNOx濃度の測定が可能となる。 In the second internal space 40, the sensor element 100 is configured so that, after the oxygen concentration (oxygen partial pressure) has been adjusted in advance in the first internal space 20, the oxygen partial pressure of the measurement gas introduced through the third diffusion-controlling part is further adjusted by the auxiliary pump cell 50. This makes it possible to keep the oxygen concentration in the second internal space 40 constant with high precision, thereby enabling the sensor element 100 to measure the NOx concentration with high precision.

補助ポンプセル50は、補助ポンプ電極51、外側ポンプ電極23(外側ポンプ電極23に限られるものではなく、センサ素子100の外側の適当な電極であれば足りる)、及び第2固体電解質層6により構成される補助的な電気化学的ポンプセルである。補助ポンプ電極51は、第2内部空所40に面する第2固体電解質層6の下面の略全体に設けられた天井電極部51aを有する。 The auxiliary pump cell 50 is an auxiliary electrochemical pump cell composed of an auxiliary pump electrode 51, an outer pump electrode 23 (not limited to the outer pump electrode 23, but any suitable electrode on the outside of the sensor element 100 will suffice), and a second solid electrolyte layer 6. The auxiliary pump electrode 51 has a ceiling electrode portion 51a provided over substantially the entire lower surface of the second solid electrolyte layer 6 facing the second internal cavity 40.

係る補助ポンプ電極51は、先の第1内部空所20内に設けられた内側ポンプ電極22と同様なトンネル形態の構造で、第2内部空所40内に配設されている。つまり、第2内部空所40の天井面を与える第2固体電解質層6に対して天井電極部51aが形成され、また、第2内部空所40の底面を与える第1固体電解質層4には、底部電極部51bが形成される。そして、それらの天井電極部51aと底部電極部51bとを連結する側部電極部(図示省略)が、第2内部空所40の側壁を与えるスペーサ層5の両壁面にそれぞれ形成される。これにより、補助ポンプ電極51は、トンネル形態の構造を有している。 The auxiliary pump electrode 51 is disposed in the second internal space 40 with a tunnel-shaped structure similar to the inner pump electrode 22 disposed in the first internal space 20. That is, a ceiling electrode portion 51a is formed on the second solid electrolyte layer 6, which provides the ceiling surface of the second internal space 40, and a bottom electrode portion 51b is formed on the first solid electrolyte layer 4, which provides the bottom surface of the second internal space 40. Side electrodes (not shown) connecting the ceiling electrode portion 51a and bottom electrode portion 51b are formed on both wall surfaces of the spacer layer 5, which provides the side walls of the second internal space 40. As a result, the auxiliary pump electrode 51 has a tunnel-shaped structure.

なお、補助ポンプ電極51も、内側ポンプ電極22と同様に、被測定ガス中の窒素酸化物成分に対する還元能力を弱めた材料を用いて形成される。 Like the inner pump electrode 22, the auxiliary pump electrode 51 is also made of a material with reduced reduction ability for nitrogen oxide components in the measured gas.

センサ素子100は、補助ポンプセル50において、補助ポンプ電極51及び外側ポンプ電極23の間に所望の電圧Vp1を印加することにより、第2内部空所40内の雰囲気中の酸素を外部空間に汲み出し、又は外部空間から第2内部空所40内に汲み入れ可能に構成される。 The sensor element 100 is configured so that oxygen in the atmosphere within the second internal space 40 can be pumped out to the external space or pumped into the second internal space 40 from the external space by applying a desired voltage Vp1 between the auxiliary pump electrode 51 and the outer pump electrode 23 in the auxiliary pump cell 50.

また、第2内部空所40内における雰囲気中の酸素分圧を制御するために、補助ポンプ電極51、基準電極42、第2固体電解質層6、スペーサ層5、第1固体電解質層4、及び第3基板層3により、補助ポンプ制御用酸素分圧検出センサセル81(すなわち、電気化学的なセンサセル)が構成されている。 In addition, to control the oxygen partial pressure in the atmosphere within the second internal space 40, the auxiliary pump electrode 51, reference electrode 42, second solid electrolyte layer 6, spacer layer 5, first solid electrolyte layer 4, and third substrate layer 3 constitute an auxiliary pump control oxygen partial pressure detection sensor cell 81 (i.e., an electrochemical sensor cell).

なお、この補助ポンプ制御用酸素分圧検出センサセル81にて検出される起電力V1に基づいて電圧制御される可変電源52にて、補助ポンプセル50がポンピングを行う。これにより、第2内部空所40内の雰囲気中の酸素分圧は、NOxの測定に実質的に影響がない低い分圧にまで制御されるようになっている。 The auxiliary pump cell 50 performs pumping using a variable power supply 52 whose voltage is controlled based on the electromotive force V1 detected by the auxiliary pump control oxygen partial pressure detection sensor cell 81. As a result, the oxygen partial pressure in the atmosphere within the second internal space 40 is controlled to a low partial pressure that does not substantially affect the measurement of NOx .

また、これと共に、そのポンプ電流Ip1が、主ポンプ制御用酸素分圧検出センサセル80の起電力の制御に用いられるようになっている。具体的には、ポンプ電流Ip1は、制御信号として主ポンプ制御用酸素分圧検出センサセル80に入力され、その起電力V0が制御されることにより、第3拡散律速部30から第2内部空所40内に導入される被測定ガス中の酸素分圧の勾配が常に一定となるように制御されている。NOxセンサとして使用する際は、主ポンプセル21と補助ポンプセル50との働きによって、第2内部空所40内での酸素濃度は約0.001ppm程度の一定の値に保たれる。 At the same time, the pump current Ip1 is used to control the electromotive force of the main pump control oxygen partial pressure detection sensor cell 80. Specifically, the pump current Ip1 is input as a control signal to the main pump control oxygen partial pressure detection sensor cell 80, and by controlling the electromotive force V0, the gradient of the oxygen partial pressure in the measurement gas introduced from the third diffusion rate-controlling part 30 into the second internal space 40 is controlled to be always constant. When used as a NO x sensor, the oxygen concentration in the second internal space 40 is maintained at a constant value of approximately 0.001 ppm by the action of the main pump cell 21 and the auxiliary pump cell 50.

測定用ポンプセル41は、第2内部空所40内において、被測定ガス中の窒素酸化物濃度の測定を行う。測定用ポンプセル41は、測定電極44、外側ポンプ電極23、第2固体電解質層6、スペーサ層5、及び第1固体電解質層4により構成される電気化学的ポンプセルである。測定電極44は、第2内部空所40に面する第1固体電解質層4の上面であって第3拡散律速部30から離間した位置に設けられる。 The measurement pump cell 41 measures the nitrogen oxide concentration in the measurement gas within the second internal space 40. The measurement pump cell 41 is an electrochemical pump cell composed of a measurement electrode 44, an outer pump electrode 23, a second solid electrolyte layer 6, a spacer layer 5, and a first solid electrolyte layer 4. The measurement electrode 44 is provided on the upper surface of the first solid electrolyte layer 4 facing the second internal space 40, at a position spaced apart from the third diffusion-controlling section 30.

測定電極44は、多孔質サーメット電極である。測定電極44は、第2内部空所40内の雰囲気中に存在するNOxを還元するNOx還元触媒としても機能する。更に、測定電極44は、第4拡散律速部45によって被覆されている。 The measuring electrode 44 is a porous cermet electrode. The measuring electrode 44 also functions as a NOx reduction catalyst that reduces NOx present in the atmosphere inside the second internal space 40. Furthermore, the measuring electrode 44 is covered with a fourth diffusion-controlling part 45.

第4拡散律速部45は、アルミナ(Al23)を主成分とする多孔体にて構成される膜である。第4拡散律速部45は、測定電極44に流入するNOxの量を制限する役割を担うと共に、測定電極44の保護膜としても作用する。 The fourth diffusion-controlling part 45 is a film made of a porous body mainly composed of alumina ( Al2O3 ). The fourth diffusion-controlling part 45 serves to limit the amount of NOx that flows into the measuring electrode 44 and also acts as a protective film for the measuring electrode 44.

センサ素子100は、測定用ポンプセル41において、測定電極44の周囲の雰囲気中における窒素酸化物の分解によって生じた酸素を汲み出して、その発生量をポンプ電流Ip2として検出可能に構成される。 The sensor element 100 is configured to pump out oxygen produced by the decomposition of nitrogen oxides in the atmosphere surrounding the measurement electrode 44 in the measurement pump cell 41, and detect the amount of oxygen produced as a pump current Ip2.

また、測定電極44の周囲の酸素分圧を検出するために、第2固体電解質層6、スペーサ層5、第1固体電解質層4、第3基板層3、測定電極44、及び基準電極42により、測定用ポンプ制御用酸素分圧検出センサセル82(すなわち、電気化学的なセンサセル)が構成されている。測定用ポンプ制御用酸素分圧検出センサセル82にて検出される電圧(起電力)V2に基づいて可変電源46が制御される。 In addition, to detect the oxygen partial pressure around the measurement electrode 44, the second solid electrolyte layer 6, spacer layer 5, first solid electrolyte layer 4, third substrate layer 3, measurement electrode 44, and reference electrode 42 constitute a measurement pump control oxygen partial pressure detection sensor cell 82 (i.e., an electrochemical sensor cell). The variable power supply 46 is controlled based on the voltage (electromotive force) V2 detected by the measurement pump control oxygen partial pressure detection sensor cell 82.

第2内部空所40内に導かれた被測定ガスは、酸素分圧が制御された状況下で第4拡散律速部45を通じて測定電極44に到達することとなる。測定電極44の周囲の被測定ガス中の窒素酸化物は還元されて(2NO→N2+O2)酸素を発生する。そして、この発生した酸素は測定用ポンプセル41によってポンピングされることとなるが、その際、測定用ポンプ制御用酸素分圧検出センサセル82にて検出される制御電圧V2が一定となるように可変電源の電圧Vp2が制御される。測定電極44の周囲において発生する酸素の量は、被測定ガス中の窒素酸化物の濃度に比例するものであるから、測定用ポンプセル41におけるポンプ電流Ip2を用いて被測定ガス中の窒素酸化物濃度が算出されることとなる。 The measurement gas introduced into the second internal space 40 reaches the measurement electrode 44 through the fourth diffusion-controlling part 45 under conditions where the oxygen partial pressure is controlled. Nitrogen oxides in the measurement gas around the measurement electrode 44 are reduced (2NO → N2 + O2 ) to generate oxygen. This generated oxygen is then pumped by the measurement pump cell 41, and the voltage Vp2 of the variable power supply is controlled so that the control voltage V2 detected by the measurement pump control oxygen partial pressure detection sensor cell 82 remains constant. Because the amount of oxygen generated around the measurement electrode 44 is proportional to the nitrogen oxide concentration in the measurement gas, the pump current Ip2 in the measurement pump cell 41 can be used to calculate the nitrogen oxide concentration in the measurement gas.

また、測定電極44、第1固体電解質層4、第3基板層3、及び基準電極42を組み合わせて、電気化学的センサセルとして酸素分圧検出手段を構成するようにすることで、測定電極44の周りの雰囲気中のNOx成分の還元によって発生した酸素の量と基準大気に含まれる酸素の量との差に応じた起電力を検出することができる。これにより、被測定ガス中の窒素酸化物成分の濃度を求めることも可能である。 Furthermore, by combining the measuring electrode 44, the first solid electrolyte layer 4, the third substrate layer 3, and the reference electrode 42 to form an electrochemical sensor cell that serves as an oxygen partial pressure detection means, it is possible to detect an electromotive force corresponding to the difference between the amount of oxygen generated by the reduction of NOx components in the atmosphere around the measuring electrode 44 and the amount of oxygen contained in the reference atmosphere. This makes it possible to determine the concentration of nitrogen oxide components in the measurement gas.

また、第2固体電解質層6、スペーサ層5、第1固体電解質層4、第3基板層3、外側ポンプ電極23、及び基準電極42から電気化学的なセンサセル83が構成されている。センサ素子100は、このセンサセル83によって得られる起電力Vrefによりセンサ外部の被測定ガス中の酸素分圧を検出可能に構成されている。 The second solid electrolyte layer 6, spacer layer 5, first solid electrolyte layer 4, third substrate layer 3, outer pump electrode 23, and reference electrode 42 form an electrochemical sensor cell 83. The sensor element 100 is configured to be able to detect the oxygen partial pressure in the measurement gas outside the sensor using the electromotive force Vref obtained by this sensor cell 83.

以上の構成を有するセンサ素子100において、主ポンプセル21及び補助ポンプセル50を作動させることにより、酸素分圧が常に一定の低い値(NOxの測定に実質的に影響がない値)に保たれた被測定ガスを測定用ポンプセル41に与えることができる。したがって、センサ素子100は、被測定ガス中の窒素酸化物の濃度に略比例して、NOxの還元によって発生する酸素が測定用ポンプセル41より汲み出されることで流れるポンプ電流Ip2に基づいて、被測定ガス中の窒素酸化物濃度を特定可能に構成されている。 In the sensor element 100 having the above configuration, by operating the main pump cell 21 and the auxiliary pump cell 50, it is possible to supply measurement gas whose oxygen partial pressure is always kept at a constant low value (a value that does not substantially affect the measurement of NO x ) to the measurement pump cell 41. Therefore, the sensor element 100 is configured to be able to determine the concentration of nitrogen oxides in the measurement gas based on the pump current Ip2 that flows when oxygen generated by the reduction of NO x is pumped out of the measurement pump cell 41, in proportion to the concentration of nitrogen oxides in the measurement gas.

更に、センサ素子100は、固体電解質の酸素イオン伝導性を高めるために、センサ素子100を加熱して保温する温度調整の役割を担うヒータ70を備えている。図2の例では、ヒータ70は、上記発熱部72及びリード部73に加えて、ヒータ電極71、ヒータ絶縁層74、及び圧力放散孔75を更に備えている。リード部73は、スルーホールにより構成されてよい。ヒータ70は、センサ素子100の厚み方向において、センサ素子100の上面よりもセンサ素子100の下面に近い位置に配置されている。なお、センサ素子100の上面は第2固体電解質層6の上面であり、センサ素子100の下面は第1基板層1の下面である。 Furthermore, the sensor element 100 is equipped with a heater 70 that adjusts the temperature by heating and keeping the sensor element 100 warm in order to increase the oxygen ion conductivity of the solid electrolyte. In the example of FIG. 2, the heater 70 further includes a heater electrode 71, a heater insulating layer 74, and a pressure release hole 75 in addition to the heat generating portion 72 and lead portion 73. The lead portion 73 may be configured as a through-hole. The heater 70 is disposed in a position closer to the bottom surface of the sensor element 100 than to the top surface of the sensor element 100 in the thickness direction of the sensor element 100. The top surface of the sensor element 100 is the top surface of the second solid electrolyte layer 6, and the bottom surface of the sensor element 100 is the bottom surface of the first substrate layer 1.

ヒータ電極71は、第1基板層1の下面に接する態様にて形成されてなる電極である。ヒータ電極71を外部電源と接続することにより、外部からヒータ70へ給電することができるようになっている。 The heater electrode 71 is an electrode formed in contact with the underside of the first substrate layer 1. By connecting the heater electrode 71 to an external power source, power can be supplied to the heater 70 from outside.

発熱部72は、第2基板層2及び第3基板層3に上下から挟まれた態様にて形成される電気抵抗体である。発熱部72は、リード部73を介してヒータ電極71と接続されており、該ヒータ電極71を通して外部より給電されることにより発熱し、センサ素子100を形成する固体電解質の加熱と保温を行う。 The heating element 72 is an electrical resistor sandwiched between the second substrate layer 2 and the third substrate layer 3. The heating element 72 is connected to the heater electrode 71 via the lead portion 73, and generates heat when power is supplied from the outside through the heater electrode 71, thereby heating and keeping warm the solid electrolyte that forms the sensor element 100.

また、発熱部72は、第1内部空所20から第2内部空所40の全域に渡って埋設されており、センサ素子100全体を上記固体電解質が活性化する温度に調整することが可能となっている。 The heat generating portion 72 is embedded throughout the entire area from the first internal space 20 to the second internal space 40, making it possible to adjust the temperature of the entire sensor element 100 to a temperature at which the solid electrolyte is activated.

ヒータ絶縁層74は、発熱部72の上下面に、アルミナ等の絶縁体によって形成されてなる絶縁層である。ヒータ絶縁層74は、第2基板層2及び発熱部72の間の電気的絶縁性、並びに第3基板層3及び発熱部72の間の電気的絶縁性を得る目的で形成されている。 The heater insulating layer 74 is an insulating layer made of an insulating material such as alumina and formed on the upper and lower surfaces of the heating portion 72. The heater insulating layer 74 is formed for the purpose of achieving electrical insulation between the second substrate layer 2 and the heating portion 72, and between the third substrate layer 3 and the heating portion 72.

圧力放散孔75は、第3基板層3を貫通し、基準ガス導入空間43に連通するように設けられてなる部位であり、ヒータ絶縁層74内の温度上昇に伴う内圧上昇を緩和する目的で形成されてなる。 The pressure relief hole 75 is a portion that penetrates the third substrate layer 3 and is provided to communicate with the reference gas introduction space 43. It is formed for the purpose of mitigating the increase in internal pressure that accompanies a rise in temperature within the heater insulating layer 74.

(特徴)
以上のとおり、本実施形態に係るセンサSによれば、ハウジング200が、センサ素子100のヒータ70の発熱部72近傍に拡径部210が設けられる。この拡径部210により、ハウジング200の内壁215は、センサSの先端側ほどセンサ素子100との間の距離が拡がっている(すなわち、センサ素子100から離れている)。加えて、拡径部210の後端部212が、ヒータ70の発熱部72の後端722よりもセンサSの後端側に配置される。これにより、ハウジング200の内壁215に水が流れ、拡径部210の後端部212から水が垂れ落ちたとしても、ヒータ70の発熱部72がこの後端部212よりもセンサSの先端側に配置されていることで、ハウジング200の内壁215(拡径部210の後端部212)から垂れ落ちた水がヒータ70の発熱部72にかかるのを抑制することができる。したがって、本実施形態に係るセンサSによれば、センサ素子100のヒータ70の発熱部72が被水する確率を低減することができる。
(Features)
As described above, in the sensor S according to this embodiment, the housing 200 is provided with the expanded diameter portion 210 near the heat generating portion 72 of the heater 70 of the sensor element 100. Due to this expanded diameter portion 210, the distance between the inner wall 215 of the housing 200 and the sensor element 100 increases toward the tip of the sensor S (i.e., the distance from the sensor element 100 increases). In addition, the rear end 212 of the expanded diameter portion 210 is located closer to the rear end of the sensor S than the rear end 722 of the heat generating portion 72 of the heater 70. As a result, even if water flows on the inner wall 215 of the housing 200 and drips from the rear end 212 of the expanded diameter portion 210, the heat generating portion 72 of the heater 70 is located closer to the tip of the sensor S than the rear end 212, so that the water dripping from the inner wall 215 of the housing 200 (the rear end 212 of the expanded diameter portion 210) can be prevented from splashing on the heat generating portion 72 of the heater 70. Therefore, the sensor S according to this embodiment can reduce the probability that the heat generating portion 72 of the heater 70 of the sensor element 100 will be exposed to water.

また、図1に示されるとおり、拡径部210の断面での形状は、テーパを有するように構成されてよい。テーパの角度220は、10度以上90度未満、20度以上90度未満、又は30度以上90度未満であってよい。これにより、後述する実施例に示されるとおり、センサ素子100の発熱部72が被水する確率を良好に低減することができる。本実施形態に係るセンサSによれば、保護カバー300により、ハウジング200及びセンサ素子100が被水する確率を低減することができる。更に、図2で例示されるガスセンサ素子をセンサ素子100として採用することで、ヒータ70の発熱部72が被水する確率の低減が図られたガスセンサを提供することができる。 Furthermore, as shown in FIG. 1, the cross-sectional shape of the expanded diameter portion 210 may be configured to have a taper. The taper angle 220 may be 10 degrees or more and less than 90 degrees, 20 degrees or more and less than 90 degrees, or 30 degrees or more and less than 90 degrees. This effectively reduces the probability of the heat generating portion 72 of the sensor element 100 becoming wet, as will be shown in the examples described below. In the sensor S according to this embodiment, the protective cover 300 reduces the probability of the housing 200 and sensor element 100 becoming wet. Furthermore, by adopting the gas sensor element illustrated in FIG. 2 as the sensor element 100, a gas sensor can be provided in which the heat generating portion 72 of the heater 70 becomes less likely to become wet.

[変形例]
以上、本発明の実施形態について説明したが、前述までの実施形態の説明は、あらゆる点において本発明の例示に過ぎない。上記実施形態には、種々の改良及び変形が行われてよい。上記実施形態の各構成要素に関して、適宜、構成要素の省略、置換及び追加が行われてもよい。また、上記実施形態の各構成要素の形状及び寸法は、実施の形態に応じて適宜変更されてよい。例えば、以下のような変更が可能である。なお、以下では、上記実施形態と同様の構成要素に関しては同様の符号を用い、上記実施形態と同様の点については、適宜説明を省略した。以下の変形例は適宜組み合わせ可能である。
[Modification]
Although the embodiments of the present invention have been described above, the above-described embodiments are merely illustrative of the present invention in every respect. Various improvements and modifications may be made to the above-described embodiments. Components of the above-described embodiments may be omitted, replaced, or added as appropriate. Furthermore, the shape and dimensions of each component of the above-described embodiments may be modified as appropriate depending on the embodiment. For example, the following modifications are possible. Note that, below, the same reference numerals are used for components similar to those of the above-described embodiment, and descriptions of similar points to those of the above-described embodiment are omitted as appropriate. The following modifications may be combined as appropriate.

(I)拡径部の形状
上記図1の例では、ハウジング200の拡径部210は、テーパを有するように構成されている。しかしながら、センサSの先端側ほど内壁215の径が拡がる形状は、このような例に限定されなくてよい。他の一例では、拡径部の断面での形状は、R状に構成されてよい。
(I) Shape of the Expanded Diameter Portion In the example of Fig. 1, the expanded diameter portion 210 of the housing 200 is configured to have a taper. However, the shape in which the diameter of the inner wall 215 expands toward the tip of the sensor S is not limited to this example. In another example, the cross-sectional shape of the expanded diameter portion may be configured to be R-shaped.

図3及び図4は、拡径部をR状に形成する本変形例に係るセンサ(SA、SB)の構成の一例を概略的に示す断面模式図である。また、図6~図8は、拡径部において内壁が複数の直線部分、直線部分および傾斜部分、または、複数の傾斜部分を備える本変形例に係るセンサ(SP、SQ、および、SR)の構成の一例を概略的に示す断面模式図である。図3、図4、図6~図8は、図1と同様に、長手方向の軸線に平行でかつ軸線に接する断面の構成を模式的に示す。図3に示されるセンサSAでは、ハウジング200Aの拡径部210Aは、Rの凸が内側を向くように形成されている。すなわち、軸線方向に沿って内壁215Aの径の拡がる量を比較した場合に、拡径部210Aの後端部212A側より先端部211A側の方が、内壁215Aの径の拡がる量が大きくなっている。R状の寸法は、任意に決定されてよい。一例として、この内壁215Aを円弧として捉えた場合に、図3の断面において、拡径部210Aにおける内壁215Aの曲率半径は1mm~4mmであってよい。一方、図4に示されるセンサSBでは、ハウジング200Bの拡径部210Bは、Rの凸が外側を向くように形成されている。すなわち、軸線方向に沿って内壁215Bの径の拡がる量を比較した場合に、拡径部210Bの先端部211B側より後端部212B側の方が、内壁215Bの径の拡がる量が大きくなっている。更に換言すると、図4の断面において、拡径部210Bは、円弧を切り取った形状を有している。この切り取る円弧の寸法は、任意に決定されてよい。一例として、図4の断面において、切り取る円弧の曲率半径は1mm~4mmであってよい。これらの点を除き、各センサ(SA、SB)の構成は、上記センサSと同様であってよい。本変形例に係るセンサ(SA、SB)によれば、拡径部(210A、210B)をR状に形成することで、センサ素子100の発熱部72が被水する確率を良好に低減することができる。 Figures 3 and 4 are cross-sectional schematic diagrams illustrating an example of the configuration of sensors (SA, SB) according to this modified example, in which the expanded diameter portion is formed in an R-shape. Figures 6 to 8 are cross-sectional schematic diagrams illustrating an example of the configuration of sensors (SP, SQ, and SR) according to this modified example, in which the inner wall of the expanded diameter portion has multiple straight segments, a straight segment and an inclined segment, or multiple inclined segments. Similar to Figure 1, Figures 3, 4, and 6 to 8 illustrate the configuration of a cross section parallel to and tangent to the longitudinal axis. In sensor SA shown in Figure 3, the expanded diameter portion 210A of housing 200A is formed so that the R-shaped convexity faces inward. In other words, when comparing the amount of expansion of the diameter of inner wall 215A along the axial direction, the amount of expansion of the diameter of inner wall 215A is greater at the front end 211A of expanded diameter portion 210A than at the rear end 212A of expanded diameter portion 210A. The dimensions of the R-shape may be determined arbitrarily. For example, if the inner wall 215A is considered to be an arc, the radius of curvature of the inner wall 215A at the expanded diameter portion 210A in the cross section of FIG. 3 may be 1 mm to 4 mm. On the other hand, in the sensor SB shown in FIG. 4, the expanded diameter portion 210B of the housing 200B is formed so that the convex portion of the R faces outward. That is, when comparing the amount of expansion of the diameter of the inner wall 215B along the axial direction, the amount of expansion of the diameter of the inner wall 215B is greater at the rear end 212B side of the expanded diameter portion 210B than at the front end 211B side. In other words, in the cross section of FIG. 4, the expanded diameter portion 210B has a shape in which an arc has been cut out. The dimensions of this cut-out arc may be determined arbitrarily. For example, the radius of curvature of the cut-out arc in the cross section of FIG. 4 may be 1 mm to 4 mm. Apart from these points, the configuration of each sensor (SA, SB) may be the same as that of the above-described sensor S. In the sensors (SA, SB) of this modified example, the expanded diameter sections (210A, 210B) are formed in an R-shape, which effectively reduces the probability that the heat generating section 72 of the sensor element 100 will become wet.

先端側ほど内壁の径が拡がる形状は、後端側から先端側にかけて、内壁の径が、段階状に、つまり、段階的に、拡がる形状であってもよい。例えば、内壁の径が一定である直線部分が、複数、内壁に形成されていてもよく、先端側の直線部分における内壁の径の方が、後端側の直線部分における内壁の径よりも広ければ(大きければ)よい。 The shape in which the diameter of the inner wall increases toward the tip may be a shape in which the diameter of the inner wall increases in stages, i.e., in stages, from the rear end to the tip. For example, the inner wall may be formed with multiple straight sections where the diameter of the inner wall is constant, as long as the diameter of the inner wall in the straight sections toward the tip is wider (larger) than the diameter of the inner wall in the straight sections toward the rear end.

図6に例示するセンサSPでは、ハウジング200Pの拡径部210Pは、内壁215Pの径が、後端部212P側から先端部211P側へと、段階状(つまり、段階的)に、拡がるように形成されている。具体的には、拡径部210Pにおいて内壁215Pは、各々において内壁215Pの径が一定である、直線部分2011と直線部分2013とを含む。すなわち、直線部分2011において内壁215Pの径は一定であり、また、直線部分2013において内壁215Pの径は一定である。直線部分2013は、直線部分2011よりも、拡径部210Pの後端部212P側に配置され、言い換えれば、直線部分2011は、直線部分2013よりも、拡径部210Pの先端部211P側に配置される。そして、後端部212P側に配置される直線部分2013における内壁215Pの径よりも、先端部211P側に配置される直線部分2011における内壁215Pの径の方が、広い(大きい)。つまり、軸線方向に沿って内壁215Pの径を比較した場合、直線部分2013より、直線部分2011の方が、内壁215Pの径が大きくなっている。したがって、軸線方向に沿って内壁215Pの径の拡がる量を比較した場合に、拡径部210Pの後端部212P側より先端部211P側の方が、内壁215Pの径の拡がる量が大きくなっている。 In the sensor SP illustrated in FIG. 6 , the expanded diameter portion 210P of the housing 200P is formed so that the diameter of the inner wall 215P expands in stages (i.e., in a stepwise manner) from the rear end 212P side to the front end 211P side. Specifically, in the expanded diameter portion 210P, the inner wall 215P includes a straight portion 2011 and a straight portion 2013, each of which has a constant diameter. That is, the diameter of the inner wall 215P is constant in the straight portion 2011, and the diameter of the inner wall 215P is constant in the straight portion 2013. The straight portion 2013 is positioned closer to the rear end 212P of the expanded diameter portion 210P than the straight portion 2011. In other words, the straight portion 2011 is positioned closer to the front end 211P of the expanded diameter portion 210P than the straight portion 2013. The diameter of inner wall 215P at straight portion 2011 located on the tip end 211P side is wider (larger) than the diameter of inner wall 215P at straight portion 2013 located on the rear end 212P side. In other words, when comparing the diameters of inner wall 215P along the axial direction, the diameter of inner wall 215P at straight portion 2011 is larger than that at straight portion 2013. Therefore, when comparing the amount by which the diameter of inner wall 215P expands along the axial direction, the amount by which the diameter of inner wall 215P expands is greater on the tip end 211P side of expanded diameter portion 210P than on the rear end 212P side.

なお、図6に示す例では、直線部分2011と直線部分2013とをつなぐ中間部分2012は、直線部分2011および直線部分2013の各々に直交している。より正確には、中間部分2012における内壁215Pは、直線部分2011における内壁215P、および、直線部分2013における内壁215Pの各々に、直交している。しかしながら、中間部分2012が、直線部分2011および直線部分2013の各々に直交することは必須ではない。例えば、中間部分2012は、先端部211P側ほど内壁215Pの径が拡がるように、直線部分2011および直線部分2013の各々に対して傾いていてもよい。具体的には、軸線に平行でかつ軸線に接する断面において、「先端部211P側ほど内壁215Pの径が拡がるように軸線方向に対して傾いた、直線または曲線」として示されるように、中間部分2012(中間部分2012における内壁215P)を構成してもよい。 6, intermediate portion 2012 connecting straight portion 2011 and straight portion 2013 is perpendicular to both straight portion 2011 and straight portion 2013. More precisely, inner wall 215P in intermediate portion 2012 is perpendicular to both inner wall 215P in straight portion 2011 and inner wall 215P in straight portion 2013. However, it is not necessary for intermediate portion 2012 to be perpendicular to both straight portion 2011 and straight portion 2013. For example, intermediate portion 2012 may be inclined with respect to both straight portion 2011 and straight portion 2013 so that the diameter of inner wall 215P widens toward tip portion 211P. Specifically, in a cross section parallel to and tangent to the axis, the intermediate portion 2012 (inner wall 215P in the intermediate portion 2012) may be configured as "a straight line or curve inclined relative to the axial direction so that the diameter of the inner wall 215P increases toward the tip end 211P."

図6においては、内壁の径が一定である直線部分が、複数、内壁に形成され、先端側の直線部分における内壁の径の方が、後端側の直線部分における内壁の径よりも広い(大きい)拡径部の例を示した。ただし、先端側ほど内壁の径が拡がる拡径部の形状として、「拡径部において内壁が、複数の直線部分を含む」例は一例であり、拡径部において内壁は、傾斜部分を含んでいてもよい。すなわち、拡径部において内壁は、先端側ほど内壁の径が拡がる傾斜部分を、言い換えれば、軸線に平行でかつ軸線に接する断面において、「先端側ほど内壁の径が拡がるように軸線方向に対して傾いた、直線または曲線」として示される傾斜部分を、含んでもよい。拡径部において内壁は、傾斜部分に加えてさらに、図6に例示したような直線部分を、すなわち、内壁の径が一定である直線部分を、含んでいてもよい。内壁は、1つ以上の直線部分と、1つ以上の傾斜部分とを含んでいてもよい。内壁は、直線部分および傾斜部分の少なくとも一方を、複数含んでいてもよい。内壁が直線部分と傾斜部分とを含む場合、直線部分を傾斜部分よりも後端側に配置してもよいし、直線部分を傾斜部分よりも先端側に配置してもよい。内壁が複数の傾斜部分を含む場合、複数の傾斜部分の各々の、軸線方向に対する傾きは、同じであってもよいし、互いに異なっていてもよい。 Figure 6 shows an example of an expanded diameter section in which the inner wall has multiple straight sections with a constant inner diameter, with the diameter of the inner wall at the straight sections toward the tip being wider (larger) than the diameter of the inner wall at the straight sections toward the rear end. However, as a shape of an expanded diameter section in which the inner wall diameter widens toward the tip, the example in which "the inner wall in the expanded diameter section includes multiple straight sections" is just one example, and the inner wall in the expanded diameter section may also include an inclined section. That is, the inner wall in the expanded diameter section may include an inclined section in which the inner wall diameter widens toward the tip. In other words, in a cross section parallel to and tangent to the axis, the inclined section may be represented as "a straight line or curve inclined with respect to the axial direction so that the inner wall diameter widens toward the tip." In addition to the inclined section, the inner wall in the expanded diameter section may also include a straight section as shown in Figure 6, i.e., a straight section in which the inner wall diameter is constant. The inner wall may include one or more straight sections and one or more inclined sections. The inner wall may include multiple straight portions and/or inclined portions. If the inner wall includes straight portions and inclined portions, the straight portions may be located closer to the rear end than the inclined portions, or closer to the front end than the inclined portions. If the inner wall includes multiple inclined portions, the inclination of each of the multiple inclined portions relative to the axial direction may be the same or different from each other.

図7に示されるセンサSQでは、ハウジング200Qの拡径部210Qにおいて内壁215Qは、先端部211Q側ほど内壁215Qの径が拡がる傾斜部分2022と、内壁215Qの径が一定である直線部分2021とを含む。傾斜部分2022は、直線部分2021よりも、拡径部210Qの後端部212Q側に配置され、言い換えれば、直線部分2021は、傾斜部分2022よりも、拡径部210Qの先端部211Q側に配置される。図7に示す例では、傾斜部分2022は、拡径部210Qの後端部212Qに接し、また、直線部分2021は、拡径部210Qの先端部211Qに接している。そして、傾斜部分2022において、内壁215Qの径は、先端部211Q側ほど拡がっている。したがって、軸線方向に沿って内壁215Qの径の拡がる量を比較した場合に、拡径部210Qの後端部212Q側より先端部211Q側の方が、内壁215Qの径の拡がる量が大きくなっている。 In the sensor SQ shown in FIG. 7, the inner wall 215Q in the expanded diameter portion 210Q of the housing 200Q includes an inclined portion 2022 where the diameter of the inner wall 215Q increases toward the tip 211Q, and a straight portion 2021 where the diameter of the inner wall 215Q is constant. The inclined portion 2022 is located closer to the rear end 212Q of the expanded diameter portion 210Q than the straight portion 2021. In other words, the straight portion 2021 is located closer to the tip 211Q of the expanded diameter portion 210Q than the inclined portion 2022. In the example shown in FIG. 7, the inclined portion 2022 is tangent to the rear end 212Q of the expanded diameter portion 210Q, and the straight portion 2021 is tangent to the tip 211Q of the expanded diameter portion 210Q. In the inclined portion 2022, the diameter of the inner wall 215Q increases toward the tip 211Q. Therefore, when comparing the amount of expansion of the diameter of the inner wall 215Q along the axial direction, the amount of expansion of the diameter of the inner wall 215Q is greater on the front end 211Q side than on the rear end 212Q side of the expanded diameter section 210Q.

なお、図7に示す例では、傾斜部分2022は、軸線に平行でかつ軸線に接する断面において、「先端部211Q側ほど内壁215Qの径が拡がるように軸線方向に対して傾いた直線」によって、示されている。しかしながら、傾斜部分2022は、軸線に平行でかつ軸線に接する断面において、「先端部211Q側ほど内壁215Qの径が拡がるように軸線方向に対して傾いた曲線」によって示されるような形状であってもよい。図7および図8における「傾斜部分」は、軸線に平行でかつ軸線に接する断面において、「先端側ほど内壁の径が拡がるように軸線方向に対して傾いた、直線または曲線」によって示されるものであればよい。 In the example shown in Figure 7, the inclined portion 2022 is represented in a cross section parallel to and tangent to the axis by a straight line inclined with respect to the axial direction so that the diameter of the inner wall 215Q increases toward the tip 211Q. However, the inclined portion 2022 may also have a shape represented in a cross section parallel to and tangent to the axis by a curve inclined with respect to the axial direction so that the diameter of the inner wall 215Q increases toward the tip 211Q. The "inclined portion" in Figures 7 and 8 may be represented in a cross section parallel to and tangent to the axis by a straight line or curve inclined with respect to the axial direction so that the diameter of the inner wall increases toward the tip.

また、図7に示す例では、傾斜部分2022は後端部212Q側に、直線部分2021は先端部211Q側に配置されているが、傾斜部分2022を先端部211Q側に、直線部分2021を後端部212Q側に配置してもよい。 In addition, in the example shown in Figure 7, the inclined portion 2022 is located on the rear end 212Q side and the straight portion 2021 is located on the front end 211Q side, but the inclined portion 2022 may be located on the front end 211Q side and the straight portion 2021 may be located on the rear end 212Q side.

さらに、傾斜部分2022が拡径部210Qの後端部212Qに接することは必須ではく、傾斜部分2022は拡径部210Qの後端部212Qに接していなくてもよいし、また、傾斜部分2022は拡径部210Qの先端部211Qに接していてもよい。同様に、直線部分2021が拡径部210Qの先端部211Qに接していることは必須ではなく、直線部分2021は拡径部210Qの先端部211Qに接していなくてもよいし、直線部分2021は拡径部210Qの後端部212Qに接していてもよい。 Furthermore, it is not essential that the inclined portion 2022 contact the rear end 212Q of the enlarged diameter portion 210Q; the inclined portion 2022 does not have to contact the rear end 212Q of the enlarged diameter portion 210Q, or the inclined portion 2022 may contact the front end 211Q of the enlarged diameter portion 210Q. Similarly, it is not essential that the straight portion 2021 contact the front end 211Q of the enlarged diameter portion 210Q; the straight portion 2021 does not have to contact the front end 211Q of the enlarged diameter portion 210Q, or the straight portion 2021 may contact the rear end 212Q of the enlarged diameter portion 210Q.

図7に例示するように、拡径部において内壁は、傾斜部分に加えて、直線部分(内壁の径が一定である)を1つ以上含んでいてもよい。内壁において、傾斜部分の先端側および後端側の少なくとも一方に、直線部分を配置してもよい。 As shown in Figure 7, the inner wall of the expanded diameter section may include one or more straight sections (with a constant diameter) in addition to the inclined section. The inner wall may also have a straight section located at least on either the leading end or trailing end of the inclined section.

図8に示されるセンサSRでは、ハウジング200Rの拡径部210Rにおいて内壁215Rは、先端部211R側ほど内壁215Rの径が拡がる傾斜部分を複数含み、具体的には、傾斜部分2031と傾斜部分2033とを含む。傾斜部分2031は、傾斜部分2033よりも、拡径部210Rの先端部211R側に配置され、言い換えれば、傾斜部分2033は、傾斜部分2031よりも、拡径部210Rの後端部212R側に配置される。図8に示す例では、傾斜部分2031は、拡径部210Rの先端部211Rに接し、また、傾斜部分2033は、拡径部210Rの後端部212Rに接している。そして、傾斜部分2031において、内壁215Rの径は、先端部211R側ほど拡がっている。また、傾斜部分2033において、内壁215Rの径は、先端部211R側ほど拡がっている。したがって、軸線方向に沿って内壁215Rの径の拡がる量を比較した場合に、拡径部210Rの後端部212R側より先端部211R側の方が、内壁215Rの径の拡がる量が大きくなっている。 In the sensor SR shown in FIG. 8, the inner wall 215R in the expanded diameter portion 210R of the housing 200R includes multiple inclined portions where the diameter of the inner wall 215R increases toward the tip end 211R, specifically, inclined portions 2031 and 2033. Inclined portion 2031 is positioned closer to the tip end 211R of the expanded diameter portion 210R than inclined portion 2033; in other words, inclined portion 2033 is positioned closer to the rear end 212R of the expanded diameter portion 210R than inclined portion 2031. In the example shown in FIG. 8, inclined portion 2031 contacts the tip end 211R of the expanded diameter portion 210R, and inclined portion 2033 contacts the rear end 212R of the expanded diameter portion 210R. Furthermore, inclined portion 2031, the diameter of the inner wall 215R increases toward the tip end 211R. Additionally, in the inclined portion 2033, the diameter of the inner wall 215R increases toward the tip 211R. Therefore, when comparing the amount of expansion of the diameter of the inner wall 215R along the axial direction, the amount of expansion of the diameter of the inner wall 215R is greater toward the tip 211R than toward the rear end 212R of the expanded diameter portion 210R.

なお、図8に示す例では、傾斜部分2031と傾斜部分2033とをつなぐ中間部分2032において、内壁215Rの径は一定である。すなわち、傾斜部分2031と傾斜部分2033との間には、「内壁の径が一定である直線部分」として構成された中間部分2032が配置されている。しかしながら、中間部分2032を直線部分として構成することは必須ではなく、中間部分2032は、「先端側ほど内壁の径が拡がる傾斜部分」として構成されてもよい。すなわち、中間部分2032において内壁215Rは、先端部211R側ほど内壁215Rの径が拡がっていてもよい。 In the example shown in FIG. 8, the diameter of inner wall 215R is constant in intermediate portion 2032 connecting inclined portion 2031 and inclined portion 2033. That is, intermediate portion 2032 configured as a "straight portion with a constant inner wall diameter" is disposed between inclined portion 2031 and inclined portion 2033. However, it is not necessary to configure intermediate portion 2032 as a straight portion, and intermediate portion 2032 may be configured as a "sloped portion with an inner wall diameter that widens toward the tip." That is, in intermediate portion 2032, the diameter of inner wall 215R may widen toward tip portion 211R.

また、図8に示す例では、傾斜部分2031の軸線方向に対する傾きと傾斜部分2033の軸線方向に対する傾きとは異なっている。ただし、傾斜部分2031の軸線方向に対する傾きと傾斜部分2033の軸線方向に対する傾きとは同じであってもよい。また、傾きが両者で異なる場合、どちらの傾きをより大きくするかは任意である。 In the example shown in Figure 8, the inclination of inclined portion 2031 relative to the axial direction is different from the inclination of inclined portion 2033 relative to the axial direction. However, the inclination of inclined portion 2031 relative to the axial direction and the inclination of inclined portion 2033 relative to the axial direction may be the same. Furthermore, if the inclinations are different, it is optional to determine which inclination is greater.

さらに、傾斜部分2031の軸線方向に対する傾きと傾斜部分2033の軸線方向に対する傾きとが異なる場合、中間部分2032を配置せずに、傾斜部分2031と傾斜部分2033とを直接つないでもよい。 Furthermore, if the inclination of inclined portion 2031 relative to the axial direction is different from the inclination of inclined portion 2033 relative to the axial direction, inclined portion 2031 and inclined portion 2033 may be directly connected without disposing intermediate portion 2032.

これまでに説明してきたように、先端側ほど内壁の径が拡がる拡径部の形状は、軸線に平行でかつ軸線に接する断面において、「先端側ほど内壁の径が拡がるように軸線方向に対して傾いた、1つの直線または1つの曲線」によって、示されるものでなくてもよい。拡径部において内壁は、複数の直線部分を含んでいてもよく、先端側に配置される直線部分における内壁の径の方が、後端側に配置される直線部分における内壁の径よりも広ければ(大きければ)よい(図6)。また、拡径部において内壁は、軸線に平行でかつ軸線に接する断面において、「先端側ほど内壁の径が拡がるように軸線方向に対して傾いた、直線または曲線」によって示される傾斜部分を1つ以上含んでいてもよい。拡径部において内壁が含む傾斜部分が1つである場合、傾斜部分の先端側および後端側の少なくとも一方に直線部分を配置してもよい(図7)。拡径部において内壁が傾斜部分を複数含む場合、複数の傾斜部分の間に直線部分を配置してもよいし(図8)、直線部分を配置せずに傾斜部分同士を直接接続してもよい。拡径部において内壁が傾斜部分を複数含む場合、複数の傾斜部分の各々の、軸線方向に対する傾き(角度)は異なっていてもよいし、同じであってもよい。ただし、直線部分を配置せずに2つの傾斜部分を直接接続する場合、それら2つの傾斜部分の、各々の軸線方向に対する傾き(角度)は、互いに異なっているものとする。 As explained above, the shape of the expanding diameter section, in which the diameter of the inner wall increases toward the tip, does not have to be represented by "a single straight line or a single curve inclined relative to the axial direction so that the diameter of the inner wall increases toward the tip" in a cross section parallel to and tangent to the axis. The inner wall in the expanding diameter section may include multiple straight line segments, as long as the diameter of the inner wall in the straight line segment located toward the tip is wider (larger) than the diameter of the inner wall in the straight line segment located toward the rear end (Figure 6). Furthermore, the inner wall in the expanding diameter section may include one or more inclined portions represented by "a straight line or a curve inclined relative to the axial direction so that the diameter of the inner wall increases toward the tip" in a cross section parallel to and tangent to the axis. If the inner wall in the expanding diameter section includes a single inclined portion, a straight line may be located at least on the tip or rear end of the inclined portion (Figure 7). If the inner wall of the expanded diameter section includes multiple inclined sections, straight sections may be arranged between the multiple inclined sections (Figure 8), or the inclined sections may be directly connected to each other without any straight sections. If the inner wall of the expanded diameter section includes multiple inclined sections, the inclination (angle) of each of the multiple inclined sections relative to the axial direction may be different or the same. However, if two inclined sections are directly connected without any straight sections, the inclination (angle) of each of the two inclined sections relative to the axial direction must be different from each other.

(II)センサ素子の構成
上記実施形態において、センサ素子100の各構成要素に関して、適宜、構成要素の省略、置換及び追加が行われてよい。他の一例として、センサ素子は、センサ素子の少なくとも一部分を被覆する多孔質保護層を有するように構成されてよい。
(II) Configuration of the Sensor Element In the above embodiment, components may be omitted, replaced, or added as appropriate for each component of the sensor element 100. As another example, the sensor element may be configured to have a porous protective layer that covers at least a portion of the sensor element.

図5は、本変形例に係るセンサ素子100Cの構成の一例を概略的に示す断面模式図である。センサ素子100Cは、多孔質保護層91を更に有している点を除き、上記センサ素子100と同様に構成されている。図5の例では、多孔質保護層91は、センサ素子100Cの上面(第2固体電解質層6の上面)の先端側の一部、先端面(図5の左側の面)、及び下面(第1基板層1の下面)の先端側の一部を被覆している。なお、センサ素子100Cの少なくとも一部分が多孔質保護層91により被覆されていれば、多孔質保護層91により被覆する範囲は、このような例に限定されなくてよく、実施の形態に応じて適宜決定されてよい。多孔質保護層91は、例えば、アルミナ多孔質体、ジルコニア多孔質体、スピネル多孔質体、コージェライト多孔質体、チタニア多孔質体、マグネシア多孔質体等の多孔質体により構成されてよい。本変形例によれば、多孔質保護層91により、センサ素子100Cに対する被水の影響を低減すると共に、センサ素子100Cの強度の向上を図ることができる。 FIG. 5 is a cross-sectional schematic diagram illustrating an example of the configuration of a sensor element 100C according to this modified example. The sensor element 100C is configured similarly to the sensor element 100 described above, except that it further includes a porous protective layer 91. In the example of FIG. 5, the porous protective layer 91 covers a portion of the tip end of the upper surface (upper surface of the second solid electrolyte layer 6) of the sensor element 100C, the tip end surface (the surface on the left side of FIG. 5), and a portion of the tip end of the lower surface (lower surface of the first substrate layer 1). As long as at least a portion of the sensor element 100C is covered by the porous protective layer 91, the area covered by the porous protective layer 91 is not limited to this example and may be determined appropriately depending on the embodiment. The porous protective layer 91 may be composed of a porous material such as porous alumina, porous zirconia, porous spinel, porous cordierite, porous titania, or porous magnesia. According to this modification, the porous protective layer 91 reduces the effects of water on the sensor element 100C and improves the strength of the sensor element 100C.

[実施例]
本発明の効果を検証するため、以下の実施例及び比較例に係るセンサを作製した。ただし、本発明は、以下の実施例に限定されるものではない。
[Example]
In order to verify the effects of the present invention, sensors according to the following examples and comparative examples were produced, although the present invention is not limited to the following examples.

センサの構成に上記図1に示される構成を採用し、センサ素子の構成に上記図2に示される構成を採用することで、第1実施例に係るセンサを作製した。第1実施例に係るセンサでは、上記実施形態のとおり、ヒータの発熱部の後端(最後端)が、拡径部の後端部(始点)よりもセンサの先端側に位置するようにハウジング内にセンサ素子を配置した。ハウジングにおける拡径部は、20度のテーパを有するように構成した。ハウジングの拡径部の後端部とセンサ素子との間の距離は2mmであった。ハウジングの拡径部の先端部とセンサ素子との間の距離は3mmであった。 The sensor of Example 1 was fabricated by adopting the configuration shown in Figure 1 above for the sensor configuration and the configuration shown in Figure 2 above for the sensor element configuration. In the sensor of Example 1, as in the above embodiment, the sensor element was positioned within the housing so that the rear end (rearmost end) of the heater's heat generating portion was located closer to the tip of the sensor than the rear end (starting point) of the enlarged diameter portion. The enlarged diameter portion of the housing was configured to have a 20-degree taper. The distance between the rear end of the enlarged diameter portion of the housing and the sensor element was 2 mm. The distance between the tip of the enlarged diameter portion of the housing and the sensor element was 3 mm.

第1実施例の拡径部のテーパの角度を30度に変更することで、第2実施例に係るセンサを作製した。第1実施例の拡径部のテーパの角度を40度に変更することで、第3実施例に係るセンサを作製した。第1実施例の拡径部のテーパの角度を60度に変更することで、第4実施例に係るセンサを作製した。第1実施例の拡径部のテーパの角度を10度に変更することで、第5実施例に係るセンサを作製した。第1実施例の拡径部の形状を図3に示されるR状に変更することで、第6実施例に係るセンサを作製した。第6実施例における拡径部の内壁の曲率半径は2mmであった。第1実施例の拡径部を省略し、内壁の径が一定の直線状の形状を有する部分に拡径部を置き換えることで、第1比較例に係るセンサを作製した。ヒータの発熱部の後端が拡径部の後端部(始点)よりもセンサの後端側に位置するように第1実施例におけるセンサ素子の配置を変更することで、第2比較例に係るセンサを作製した。第2実施例~第6実施例及び第1比較例~第2比較例それぞれのその他の条件は、第1実施例と同様である。 The sensor according to the second embodiment was fabricated by changing the taper angle of the expanded diameter portion of the first embodiment to 30 degrees. The sensor according to the third embodiment was fabricated by changing the taper angle of the expanded diameter portion of the first embodiment to 40 degrees. The sensor according to the fourth embodiment was fabricated by changing the taper angle of the expanded diameter portion of the first embodiment to 60 degrees. The sensor according to the fifth embodiment was fabricated by changing the taper angle of the expanded diameter portion of the first embodiment to 10 degrees. The sensor according to the sixth embodiment was fabricated by changing the shape of the expanded diameter portion of the first embodiment to the R-shape shown in Figure 3. The radius of curvature of the inner wall of the expanded diameter portion in the sixth embodiment was 2 mm. The sensor according to the first comparative example was fabricated by omitting the expanded diameter portion of the first embodiment and replacing it with a linear portion of the inner wall with a constant diameter. The sensor according to the second comparative example was fabricated by changing the position of the sensor element in the first embodiment so that the rear end of the heater's heat-generating portion was located closer to the rear end of the sensor than the rear end (starting point) of the expanded diameter portion. Other conditions for Examples 2 to 6 and Comparative Examples 1 to 2 are the same as those for Example 1.

第1実施例~第6実施例及び第1比較例~第2比較例に係るセンサの被水量の評価には、特開2019-185615号公報に記載された被水試験装置を使用した。この被水試験装置は、内部にガスの流路を有し、水平かつ直線状に配置された配管と、配管の上流に設けられた送風機(ブロアー)と、配管の下流側に設けられた圧力変動発生器と、送風機及び圧力変動発生器の間の配管の一部であり、各実施例及び比較例のセンサが取り付けられるチャンバと、を備えている。チャンバには、チャンバに振動を加える加振機が接続されている。この被水試験装置では、エンジンからの排気ガスを模したガスにより水分をセンサに向けて飛散させることができる。 The water exposure test device described in JP 2019-185615 A was used to evaluate the amount of water exposure for the sensors in Examples 1 to 6 and Comparative Examples 1 to 2. This water exposure test device includes a horizontal, linear pipe with an internal gas flow path, a blower installed upstream of the pipe, a pressure fluctuation generator installed downstream of the pipe, and a chamber, which is part of the pipe between the blower and the pressure fluctuation generator and in which the sensors of each Example and Comparative Example are attached. A vibrator that applies vibrations to the chamber is connected to the chamber. This water exposure test device can scatter water toward the sensor using gas simulating engine exhaust gas.

被水試験では、まず、被水試験装置のチャンバ内に、センサの中心軸が配管の軸に垂直かつ水平方向に対して10度傾いた状態でセンサを配置した。次に、送風機とチャンバとの間の配管内に所定量の水分を供給した。続いて、送風機を用いて配管内にガス(大気)を供給し、圧力変動発生器を用いてガスの圧力を変動させると共に、加振機によりチャンバに振動を加えた。これにより、配管内に供給した水分を、圧力変動するガスによって、チャンバ内に配置されたセンサに向けて飛散させた。この状態で、センサ素子に内蔵されたヒータを駆動して、センサ素子の温度がセ氏100度~200度の間の所定の目標値になるようにヒータのパワーを制御した。このときのヒータのパワーの制御値を、事前に導出したヒータのパワーと被水量との関係に当てはめて、各実施例及び比較例におけるセンサ素子の被水量を算出した。そして、被水量が10μL(マイクロリットル)以下を「A(優)」、10μL超過20μL以下を「B(良)」、20μL超過30μL以下を「C(可)」、30μL超過を「F(不可)」と設定して、各実施例及び比較例の被水量を評価した。以下の表1は、各実施例及び比較例の評価結果を示す。 In the water exposure test, the sensor was first placed in the chamber of the water exposure test device with its central axis perpendicular to the axis of the piping and tilted 10 degrees from the horizontal. A predetermined amount of moisture was then supplied to the piping between the blower and the chamber. Subsequently, gas (atmospheric air) was supplied to the piping using the blower, and the gas pressure was fluctuated using a pressure fluctuation generator, while the chamber was vibrated using a vibrator. As a result, the moisture supplied to the piping was dispersed toward the sensor placed in the chamber by the pressure-fluctuating gas. In this state, the heater built into the sensor element was driven, and the heater power was controlled so that the temperature of the sensor element reached a predetermined target value between 100 and 200 degrees Celsius. The heater power control value at this time was applied to the previously derived relationship between heater power and water exposure, and the amount of water exposure for the sensor element in each example and comparative example was calculated. The amount of water exposure for each example and comparative example was evaluated using the following criteria: "A (excellent)" for an amount of water exposure of 10 μL (microliters) or less, "B (good)" for more than 10 μL but not more than 20 μL, "C (passable)" for more than 20 μL but not more than 30 μL, and "F (unacceptable)" for more than 30 μL. Table 1 below shows the evaluation results for each example and comparative example.

表1に示されるとおり、第1比較例及び第2比較例では、センサ素子の被水量が30μLを超過したのに対して、全ての実施例では、センサ素子の被水量を30μL以下に抑えることができた。この結果から、本発明によれば、センサ素子、特に、発熱部の被水量を低減できることが分かった。また、第1実施例~第5実施例の評価結果から、拡径部の形状をテーパ状に形成した場合、テーパの角度を大きくすることで、センサ素子の被水量を有効的に低減できることが分かった。特に、テーパの角度を20度以上、30度以上、又は40度以上に設定することで、センサ素子の被水量を有効的に低減できることが分かった。更に、第6実施例の評価結果から、拡径部の形状をR状に形成することで、センサ素子の被水量を有効的に低減できることが分かった。 As shown in Table 1, in the first and second comparative examples, the amount of water exposure on the sensor element exceeded 30 μL, whereas in all examples, the amount of water exposure on the sensor element was kept to 30 μL or less. These results demonstrate that the present invention can reduce the amount of water exposure on the sensor element, particularly on the heat-generating portion. Furthermore, the evaluation results for Examples 1 to 5 also demonstrate that when the expanded diameter portion is tapered, increasing the taper angle can effectively reduce the amount of water exposure on the sensor element. In particular, setting the taper angle to 20 degrees or more, 30 degrees or more, or 40 degrees or more can effectively reduce the amount of water exposure on the sensor element. Furthermore, the evaluation results for Example 6 demonstrate that forming the expanded diameter portion into an R-shape can effectively reduce the amount of water exposure on the sensor element.

S…センサ、
100…センサ素子、110…先端部、120…後端部
70…ヒータ、72…発熱部、721…先端、722…後端、
73…リード部、
200…ハウジング、
210…拡径部、211…先端部、212…後端部、
215…内壁
S...sensor,
100: sensor element, 110: front end portion, 120: rear end portion, 70: heater, 72: heat generating portion, 721: front end portion, 722: rear end portion,
73...lead portion,
200...Housing,
210... Expanded diameter part, 211... Tip part, 212... Rear end part,
215...Inner wall

Claims (9)

ヒータを内蔵し、長手方向に延びるセンサ素子、及び
前記長手方向に沿って前記センサ素子の周りを囲むように構成されるハウジング、
を備えるセンサであって、
前記センサ素子は、先端部及び後端部を有し、
前記ヒータは、発熱部及びリード部を備え、
前記発熱部は、先端及び後端を有し、前記センサ素子の前記先端部側に配置され、
前記ハウジングは、前記長手方向の軸線に平行な断面において、前記センサの先端側ほど前記ハウジングの内壁の径が拡がるように構成される拡径部を備え、
前記拡径部は、先端部及び後端部を有し、
前記発熱部の後端は、前記拡径部の後端部よりも前記センサの先端側、かつ、前記拡径部の先端部よりも前記センサの後端側に配置され
前記発熱部の先端は、前記拡径部の先端部よりも前記センサの先端側に配置される
センサ。
a sensor element incorporating a heater and extending in a longitudinal direction; and a housing configured to surround the sensor element along the longitudinal direction.
A sensor comprising:
the sensor element has a leading end and a trailing end;
the heater includes a heat generating portion and a lead portion,
the heat generating portion has a front end and a rear end, and is disposed on the front end side of the sensor element;
the housing includes an expanding diameter portion configured such that the diameter of the inner wall of the housing expands toward the tip end of the sensor in a cross section parallel to the longitudinal axis,
the enlarged diameter portion has a leading end and a trailing end,
a rear end of the heat generating portion is disposed closer to the front end of the sensor than a rear end of the enlarged diameter portion , and closer to the rear end of the sensor than the front end of the enlarged diameter portion ;
a tip of the heat generating portion is disposed closer to the tip of the sensor than the tip of the enlarged diameter portion;
Sensor.
前記拡径部の前記断面での形状は、テーパを有するように構成される、
請求項1に記載のセンサ。
The cross-sectional shape of the expanded diameter portion is configured to have a taper.
The sensor of claim 1 .
前記テーパの角度は、10度以上90度未満である、
請求項2に記載のセンサ。
The taper angle is equal to or greater than 10 degrees and less than 90 degrees.
The sensor of claim 2 .
前記テーパの角度は、20度以上90度未満である、
請求項2に記載のセンサ。
The taper angle is equal to or greater than 20 degrees and less than 90 degrees.
The sensor of claim 2 .
前記テーパの角度は、30度以上90度未満である、
請求項2に記載のセンサ。
The taper angle is equal to or greater than 30 degrees and less than 90 degrees.
The sensor of claim 2 .
前記拡径部の前記断面での形状は、R状に構成される、
請求項1に記載のセンサ。
The cross-sectional shape of the expanded diameter portion is configured to be R-shaped.
The sensor of claim 1 .
前記長手方向に沿って、前記ハウジングの前記拡径部の少なくとも一部の周りを囲み、前記センサ素子の前記先端部を越えて延びるように構成される保護カバーを更に備える、
請求項1から6のいずれか1項に記載のセンサ。
a protective cover configured to surround at least a portion of the enlarged diameter portion of the housing along the longitudinal direction and extend beyond the tip of the sensor element;
The sensor according to any one of claims 1 to 6.
前記センサ素子は、前記センサ素子の少なくとも一部分を被覆する多孔質保護層を有している、
請求項1から7のいずれか1項に記載のセンサ。
the sensor element has a porous protective layer covering at least a portion of the sensor element;
A sensor according to any one of claims 1 to 7.
前記センサ素子は、ガスセンサ素子である、
請求項1から8のいずれか1項に記載のセンサ。
The sensor element is a gas sensor element.
A sensor according to any one of claims 1 to 8.
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