JP2003222606A

JP2003222606A - ガスセンサ

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Publication number: JP2003222606A
Application number: JP2002283916A
Authority: JP
Inventors: Koichi Yamada; 弘一山田; Takashi Kojima; 孝志児島
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 2001-11-20
Filing date: 2002-09-27
Publication date: 2003-08-08
Anticipated expiration: 2022-09-27
Also published as: US20030094368A1; US6913678B2; DE10253917A1; JP3861786B2; DE10253917B4

Abstract

(57)【要約】【課題】素子側絶縁碍子とハウジングとの間の気密シ
ールを金属パッキンのみで実現したガスセンサを提供す
ること。【解決手段】素子側絶縁碍子３と，環状の金属パッキ
ン１１を介して気密的に挿通される筒状のハウジング１
０とを有し，ハウジング１０の内側面は受け面１０３を
有し，素子側絶縁碍子３は，小径部と径大に構成された
大径部となり，小径部側面から径方向外側に延びるテー
パー面３３を有し，上記受け面１０３は，金属パッキン
１１を介して上記テーパー面３３を支承し，上記テーパ
ー面３３と上記金属パッキン１１とは，テーパー面３３
の外周端部において当接し，両者の当接形状は線接触で
ある。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【技術分野】本発明は，内燃機関の排気系等に設置し，
特定ガス濃度等を測定するガスセンサに関する。

【０００２】

【従来技術】自動車エンジンの排気系にガスセンサを設
置し，排気ガス中で酸素濃度やＮＯｘ濃度等を測定し
て，エンジンの燃焼制御に利用することがある。このガ
スセンサは，例えば，ガスセンサ素子と該ガスセンサ素
子を気密的に挿通する筒状の素子側絶縁碍子と，該素子
側絶縁碍子を環状の金属パッキンを介して気密的に挿通
する筒状のハウジング等より構成する。

【０００３】ハウジングの先端側はガスセンサ素子の先
端を覆うように被測定ガス側カバーを設ける。被測定ガ
ス側カバーの内部は被測定ガス側雰囲気である。ハウジ
ングの基端側に大気側カバーを設ける。大気側カバーの
内部は大気側雰囲気である。上記ガスセンサ素子と上記
素子側絶縁碍子，上記素子側絶縁碍子と上記ハウジング
は互いに気密的に当接する。

【０００４】ところでガスセンサ素子は被測定ガスに接
する被測定ガス側電極と基準ガスとなる大気と接する基
準電極とを有し，両者間に生じるイオン電流や電位差を
基に被測定ガス中の特定ガス濃度を測定する。よって，
ガスセンサ素子の被測定ガス側電極を被測定ガス側雰囲
気に，基準電極を大気側雰囲気に曝すが，大気側雰囲気
と被測定ガス側雰囲気との間の気密シール性が不充分で
あると正確な特定ガス濃度の測定が難しくなる。大気側
雰囲気と被測定ガス側雰囲気の境目となる個所はガスセ
ンサ内にいくつかあるが，その中のひとつが素子側絶縁
碍子とハウジングとの間にある。

【０００５】

【特許文献１】特開平８−１９３９７１号公報

【０００６】

【解決しようとする課題】ところで，従来，図１６に示
すごとく，素子側絶縁碍子３とハウジング１０との間の
気密性は，素子側絶縁碍子３のテーパー面３３と該テー
パー面３３を受けるハウジング１０の受け面１０３と両
者間に配置する環状の金属パッキン１１とが担ってい
た。金属パッキン１１は受け面１０３及びテーパー面３
３に対してほぼ全面当接し，金属パッキン１１の下面１
１２−受け面１０３間，金属パッキン１１の上面１１１
−テーパー面３３間は面接触の状態にあった。

【０００７】しかしながら，素子側絶縁碍子３のテーパ
ー面３３が金属パッキン１１に対して当接する当接面の
形状のばらつきが大きく，テーパー面３３と金属パッキ
ン１１との間で気密不良の生じることが多かった。その
ため，金属パッキン１１に粉末シール材等の別のシール
材を併用して，被測定ガス側雰囲気と大気側雰囲気との
気密分離を実現することが多かった。

【０００８】本発明は，かかる従来の問題点に鑑みてな
されたもので，素子側絶縁碍子とハウジングとの間の気
密シール性を金属パッキンのみで実現したガスセンサを
提供しようとするものである。

【０００９】

【課題の解決手段】第１の発明は，板状ガスセンサ素子
と該板状ガスセンサ素子が気密的に挿通される筒状の素
子側絶縁碍子と，該素子側絶縁碍子が環状の金属パッキ
ンを介して気密的に挿通される筒状のハウジングとを有
し，上記ハウジングの内側面は，金属パッキンを介して
上記素子側絶縁碍子を支承し，ガスセンサ軸方向と交差
する環状平面からなる受け面を有し，上記素子側絶縁碍
子は，小径部と該小径部より径大に構成された大径部と
なり，かつ上記素子側絶縁碍子の外側面は，ガスセンサ
軸方向に立ち上がる小径部側面と，該小径部側面から径
方向外側に延びるテーパー面と，該テーパー面から再び
ガスセンサ軸方向に立ち上がる大径部側面とを有し，上
記受け面は，金属パッキンを介して上記テーパー面を支
承し，上記テーパー面と上記金属パッキンとは，上記テ
ーパー面の外周端部において当接し，両者の当接形状は
線接触であることを特徴とするガスセンサにある（請求
項１）。

【００１０】第２の発明は，板状ガスセンサ素子と該板
状ガスセンサ素子が気密的に挿通される筒状の素子側絶
縁碍子と，該素子側絶縁碍子が環状の金属パッキンを介
して気密的に挿通される筒状のハウジングとを有し，上
記ハウジングの内側面は，金属パッキンを介して上記素
子側絶縁碍子を支承し，ガスセンサ軸方向と交差する環
状平面からなる受け面を有し，上記素子側絶縁碍子は，
小径部と該小径部より径大に構成された大径部となり，
かつ上記素子側絶縁碍子の外側面は，ガスセンサ軸方向
に立ち上がる小径部側面と，該小径部側面から径方向外
側に延びるテーパー面と，該テーパー面から再びガスセ
ンサ軸方向に立ち上がる大径部側面とを有し，上記受け
面は，金属パッキンを介して上記テーパー面を支承し，
上記テーパー面と上記金属パッキンとは，上記テーパー
面の内周端部において当接し，両者の当接形状は線接触
であることを特徴とするガスセンサにある（請求項
５）。

【００１１】第３の発明は，板状ガスセンサ素子と該板
状ガスセンサ素子が気密的に挿通される筒状の素子側絶
縁碍子と，該素子側絶縁碍子が環状の金属パッキンを介
して気密的に挿通される筒状のハウジングとを有し，上
記ハウジングの内側面は，金属パッキンを介して上記素
子側絶縁碍子を支承し，ガスセンサ軸方向と交差する環
状平面からなる受け面を有し，上記素子側絶縁碍子は，
小径部と該小径部より径大に構成された大径部となり，
かつ上記素子側絶縁碍子の外側面は，ガスセンサ軸方向
に立ち上がる小径部側面と，該小径部側面から径方向外
側に延びるテーパー面と，該テーパー面から再びガスセ
ンサ軸方向に立ち上がる大径部側面とを有し，上記受け
面は，金属パッキンを介して上記テーパー面を支承し，
上記テーパー面と上記金属パッキンとは，上記テーパー
面の外周端部において当接し，両者の当接形状は線接触
であり，上記テーパー面の開き角をα，上記受け面の開
き角をβとすると，α＞β及びα−βは０より大きく，
４０°以下であることを特徴とするガスセンサにある
（請求項８）。

【００１２】第１〜第３の発明にかかる作用効果につき
説明する。テーパー面の外周端部や内周端部は，テーパ
ー面の他の部分と比較して真円に近い形状である（後述
する図５，図１３参照）。そのため金属パッキンと外周
端部や内周端部とが当接する場合，両者間の接触状態は
気密シール性が高く，安定した線接触状態となる。

【００１３】以上，本発明によれば，素子側絶縁碍子と
ハウジングとの間の気密シールを金属パッキンのみで実
現したガスセンサを提供することができる。

【００１４】

【発明の実施の形態】第１〜第３の発明において，素子
側絶縁碍子は小径部と大径部とを備えた円筒形状で，セ
ラミック等よりなる。小径部と大径部との間は段状に構
成され，この段状となった部分にテーパー面がある（図
２等参照）。小径部からテーパー面へと切り替わるコー
ナー部を曲面に構成することができる。また，テーパー
面から大径部へと切り替わるコーナー部を面取りして斜
面状とすることもできる（図４等参照）。

【００１５】上記ガスセンサ軸方向は，略円筒形のガス
センサにおける中心軸と平行方向であり，上記テーパー
面は，上記ガスセンサの中心軸と垂直に交わる方向に広
がる環状平面として構成することができる。また，上記
テーパー面は，適当な角度で上記ガスセンサの中心軸と
交わる方向に広がる環状平面として構成することもでき
る。前者の場合，後述するテーパー面の開き角が１８０
°となる。

【００１６】また，第１〜第３の発明において，外周端
部はテーパー面から再びガスセンサ軸方向に立ち上がる
大径部側面との境界となるコーナー部である。このコー
ナー部が上述したように面取りされている場合は，より
内側の端部を指す。また，内周端部とは，小径部側面と
テーパー面との境界となるコーナー部で，このコーナー
部が上述したように曲面である場合は，曲面の終了す
る，より外周側を採用する。詳細は後述する実施形態例
１の図４等に記載した。

【００１７】また，上記金属パッキンは，中央にガスセ
ンサ素子を挿通する穴を設けた環状板で，断面形状はハ
字状等となる。金属パッキンの上面は素子側絶縁碍子の
テーパー面に，下面は受け面に当接する。上面と下面は
平行に構成することもできるが，非平行に構成すること
もある。

【００１８】また，上記ハウジングは金属製の円筒形状
で，内側面に素子側絶縁碍子を支持するための受け面を
有する。上記受け面は径方向内側に突出する段部等から
構成する。

【００１９】また，第１〜第３の発明において，板状ガ
スセンサ素子とは，被測定ガスに接する被測定ガス側電
極と基準ガスとなる大気と接する基準電極とを有し，両
者間に生じるイオン電流や電位差を基に被測定ガス中の
特定ガス濃度を測定する素子である。板状の固体電解質
体や絶縁板等を積層して構成され，ヒータを一体的に設
けることもある。また，この板状ガスセンサ素子は例え
ば被測定ガス中の酸素濃度，ＮＯｘ濃度，ＣＯ濃度，Ｈ
Ｃ濃度等を測定する。また，複数のガス濃度を測定する
こともできる。また，第１〜第３の発明にかかるガスセ
ンサは，車両の内燃機関の排気系に設置して内燃機関の
燃焼制御に使用することができる。

【００２０】また，第３の発明にかかる開き角について
は，該開き角を上述のように構成することで，素子側絶
縁碍子の外周端部が確実に金属パッキンに当接すること
となり，安定した線接触状態を維持して，高い気密性を
確保することができる。α−βが４０°を越えた場合
は，金属パッキンに素子側絶縁碍子が必要以上に食い込
み金属パッキンの破断が生じるおそれがある。

【００２１】また，第３の発明において，受け面の開き
角βは１４４〜１５７°であることが好ましい。開き角
βが１５７°より大きい場合は金属パッキンの変形を誘
発し，接触状態が面接触となって，気密シール性が低下
するおそれがある。１４４°未満である場合は，ハウジ
ング面に対する垂直分力が低下し，ハウジングに対して
金属パッキンを押し付ける力がかかりにくくなり，ロス
が大となるおそれがある。

【００２２】また，受け面と金属パッキンとの間の接触
面積が狭くなりやすく（特に金属パッキンの内周側に隙
間が発生する等して），気密シール可能な径方向の幅が
狭くなり，被測定ガスによる腐食で気密シール性が低下
しやすくなるおそれがある。また，金属パッキンの下面
に加わる圧力，つまり面圧が上昇し，金属パッキンにク
リープが発生するおそれがある。また，より好ましい角
度は１４５〜１５５°であり，更に好ましくは１４９〜
１５１°である。

【００２３】また，第１の発明において，上記テーパー
面と，上記受け面とは非平行であることが好ましい（請
求項２）。これにより，素子側絶縁碍子の外周端部が確
実に金属パッキンに当接することになり，安定した線接
触状態を確保して，高い気密シール性を得ることができ
る。

【００２４】また，上記テーパー面は外傾きに構成し，
上記テーパー面の開き角をα，上記受け面の開き角をβ
とすると，α＞β及びα−β＝５〜２０°であることが
好ましい（請求項３）。

【００２５】上記開き角は，後述する図３に示すごと
く，ガスセンサの中心軸を通る断面で，テーパー面をガ
スセンサ中心軸の方向へ延長した場合，一方の側からの
延長面とこれと反対側からの延長面とが形成する角度
で，ガスセンサの基端側に開いた部分を開き角とする。
受け面の開き角の定義も同様である。

【００２６】また，外傾きは，後述する図３及び図４に
示すように径方向外側から内側に向かって，ガスセンサ
先端側（図面下方がガスセンサの先端側となる）に傾斜
する。開き角を上述のように構成することで，安定した
線接触状態を得て，高い気密性を確保することができ
る。

【００２７】α−βが５°未満である際は，接触状態が
面接触に近くなり気密シール性が低下するおそれがあ
る。２０°を越えた場合は，金属パッキンに対する垂直
分力が低下して，ハウジングに対して金属パッキンを押
し付ける力がかかりにくくなり，気密シール性が低下す
るおそれがある。

【００２８】また，上記テーパー面は内傾きに構成し，
上記テーパー面の開き角をα，上記受け面の開き角をβ
とすると，α＞β及びα−βは０より大きく，４０°以
下であることが好ましい（請求項４）。開き角を上述の
ように構成することで，安定した線接触状態を得て，高
い気密性を確保することができる。また，α−βが４０
°を越えた場合は，金属パッキンに素子側絶縁碍子が必
要以上に食い込み金属パッキンの破断が生じるおそれが
ある。また，内傾きは，後述する図９に示すように径方
向内側から外側に向かって，ガスセンサ先端側（図面下
方がガスセンサの先端側となる）傾斜する状態を示す。

【００２９】また，上記受け面の開き角βは１４４〜１
５７°であることが好ましい。開き角βが１５７°より
大きい場合は金属パッキンの変形を誘発し，接触状態が
面接触となって，気密シール性が低下するおそれがあ
る。１４４°未満である場合は，ハウジング面に対する
垂直分力が低下し，ハウジングに対して金属パッキンを
押し付ける力がかかりにくくなり，ロスが大となるおそ
れがある。

【００３０】また，受け面と金属パッキンとの間の接触
面積が狭くなりやすく（特に金属パッキンの内周側に隙
間が発生する等して），気密シール可能な径方向の幅が
狭くなり，被測定ガスによる腐食で気密シール性が低下
しやすくなるおそれがある。また，金属パッキンの下面
に加わる圧力，つまり面圧が上昇し，金属パッキンにク
リープが発生するおそれがある。そしてより好ましい角
度は１４５〜１５５°で，更に好ましくは１４９〜１５
１°である。

【００３１】また，第２の発明において，上記テーパー
面と，上記受け面とは非平行であることが好ましい（請
求項６）。これにより，素子側絶縁碍子の内周端部が確
実に金属パッキンに当接することになり，安定した線接
触状態を確保して，高い気密性を得ることができる。

【００３２】また，上記テーパー面は内傾きに構成し，
上記テーパー面の開き角をα，上記受け面の開き角をβ
とすると，α＜β及びβ−αは５°より大きく，２０°
以下であることが好ましい（請求項７）。開き角を上述
のように構成することで，安定した線接触状態となり，
高い気密性を得ることができる。

【００３３】β−αが５°未満である際は，接触状態が
面接触に近くなり，気密シール性が低下するおそれがあ
る。２０°を越えた場合は，金属パッキンに対する垂直
分力が低下し，ハウジングに対して金属パッキンを押し
付ける力がかかりにくくなり，気密シール性が低下する
おそれがある。なお受け面の開き角の好ましい値は上述
と同様に１４４〜１５７°であり，より好ましい角度は
１４５〜１５５°，更に好ましくは１４９〜１５１°で
ある。

【００３４】次に，第１〜第３の発明において，上記線
接触において接触幅は１０〜１００μｍであることが好
ましい（請求項９）。これにより，安定した線接触状態
を得て，高い気密性を確保することができる。接触幅が
１０μｍ未満である場合は，テーパー面と金属パッキン
との間の安定接触が困難となり，１００μｍより広い場
合は，面接触の場合と同様，真円度の安定しない場所で
テーパー面と金属パッキンとの接触が生じ，気密シール
性が低下するおそれがある。

【００３５】次に，第１〜第３の発明で，上記テーパー
面と上記金属パッキンとの接触形状は環であり，環の９
８％以上が連続していることが好ましい（請求項１
０）。テーパー面と金属パッキンはテーパー面の全周，
金属パッキンの全周に渡って両者が当接していることが
もっとも望ましいが，少なくとも周方向に９８％以上当
接すれば実質的な気密シール性を得ることができる。９
８％未満である場合は，気密シール性が低下し，気密漏
れが生じるおそれがある。

【００３６】次に，上記金属パッキンのビッカース硬度
は５０〜２００Ｈｖであることが好ましい（請求項１
１）。これにより，金属パッキンが素子側絶縁碍子とハ
ウジングとの間で適度に変形して，高い気密シール性を
得ることができる。

【００３７】特に，ハウジングの受け面の表面に細かい
凹凸が存在する場合は，この凹凸を埋めるように変形す
ることができるため，金属パッキンとハウジング受け面
との間に生じる微小隙間を埋めて気密シール性の向上を
図ることができる。

【００３８】硬度が５０Ｈｖ未満である場合は，金属パ
ッキンが柔らかすぎ，テーパー面と金属パッキンとの間
の安定的な線接触が困難となるおそれがある。硬度が２
００Ｈｖより大きい場合，硬すぎるために金属パッキン
とハウジングとの間に生じる微小隙間を，金属パッキン
の変形によって埋めることが難しくなり，気密シール性
が低下するおそれがある。

【００３９】また，金属パッキンはチタン，ニッケル合
金，純ニッケル，ステンレス等の耐腐食性材料，ステン
レスに対しニッケルまたは銅のメッキを施したメッキ材
料より構成することができる。また，上記金属パッキン
は厚さ０．１ミリ以上とすることが好ましい。これによ
り安定的な線接触状態を確保して，高い気密性を確保す
ることができる。

【００４０】また，上記金属パッキンと当接する外周端
部または内周端部の形状は環であり，該外周端部または
内周端部の真円度＝｛（環の最大径−環の最小径）／
２｝は０．１以下であることが好ましい（請求項１
２）。これにより，金属パッキンと外周端部または内周
端部とが確実に安定して線接触することができるように
なり，金属パッキンと素子側絶縁碍子との間に高い気密
シール性を得ることができる。真円度が０．１より大き
い場合は，安定した線接触状態が確保できなくなるおそ
れがある。また，外周端部や内周端部が真円である場合
は，真円度は０となる。

【００４１】

【実施例】以下に，図面を用いて本発明の実施例につい
て説明する。（実施例１）本発明にかかるガスセンサについて，図１
〜図８を用いて説明する。本例のガスセンサ１は，図１
〜図４に示すごとく，板状ガスセンサ素子１５と該板状
ガスセンサ素子１５が気密的に挿通される筒状の素子側
絶縁碍子３と，該素子側絶縁碍子３が環状の金属パッキ
ン１１を介して気密的に挿通される筒状のハウジング１
０とを有する。上記ハウジング１０の内側面は，金属パ
ッキン１１を介して上記素子側絶縁碍子３を支承し，ガ
スセンサ軸方向と交差する環状平面からなる受け面１０
３を有する。

【００４２】上記素子側絶縁碍子３は，小径部３１と該
小径部３１より径大に構成された大径部３２となり，か
つ上記素子側絶縁碍子３の外側面は，ガスセンサ軸方向
に立ち上がる小径部側面３１０と，該小径部側面３１０
から径方向外側に延びるテーパー面３３と，該テーパー
面３３から再びガスセンサ軸方向に立ち上がる大径部側
面３２とを有する。

【００４３】なお，ガスセンサ軸方向とは，略筒型のガ
スセンサ１の中心軸と平行な方向で，図１〜図４では図
面の縦方向に相当する。また，先端側とはガスセンサで
被測定ガス側カバーのあるほうで図１〜図４では図面下
方，基端側はその反対で図面上方である。

【００４４】上記受け面１０３は，金属パッキン１１を
介して上記テーパー面３３を支承し，上記テーパー面３
３と上記金属パッキン１１とは，上記テーパー面３３の
外周端部３３１において当接し，両者の当接形状は線接
触である。

【００４５】以下，詳細に説明する。本例にかかるガス
センサ１は自動車エンジンの排気系に取付けて排気ガス
の酸素濃度から空燃比を検出し，エンジンの空燃比制御
に利用する。図１に示すごとく，ハウジング１０の先端
側は外側カバー１３１，内側カバー１３２よりなる二重
構造の被測定ガス側カバー１３がある。両カバー１３
１，１３２は被測定ガスを導入するための被測定ガス導
入穴１３０を有し，ここから被測定ガスを導入して，内
側カバー１３２の内部に被測定ガス側雰囲気１４１を形
成する。

【００４６】また，ハウジング１０の基端側は大気側カ
バー１２がある。大気側カバー１２の基端側の外周面に
撥水フィルタ１２２を介して外側カバー１２１を設け
る。大気側カバー１２，外側カバー１２１は共に撥水フ
ィルタ１２２と対面する位置に大気導入穴１２０を有す
る。

【００４７】また，大気側カバー１２の基端側はより小
径に，先端側はより大径であり，径の大きさが切り替わ
る部分に段部１２９がある。大気側カバー１２内は上記
大気導入穴１２０から大気を導入して大気側雰囲気１４
２となる。

【００４８】上記ハウジング１０は略筒状で，内側面に
は径方向内側に向かう二ヶ所の突出部１０１，１０２を
有する。基端側の突出部１０１での受け面１０３は素子
側絶縁碍子３のテーパー面３３を支承する。両者の間に
は環状の金属パッキン１１が介在し，該金属パッキン１
１は純度９９％のニッケル材料より構成する。そして，
受け面１０３，金属パッキン１１，テーパー面３３が当
接する部分で，ガスセンサ１内の大気側雰囲気１４２と
被測定ガス側雰囲気１４１とが気密的に分離される。

【００４９】上記素子側絶縁碍子３の基端側の端面には
大気側絶縁碍子２２が配置され，該大気側絶縁碍子２２
と大気側カバー１２の段部１２９との間には皿バネ２２
０がある。大気側絶縁碍子２２の内部には４本のリード
部１６が配置され，板状ガスセンサ素子１５と電気的導
通が取れるように両者は接触する。なお，板状ガスセン
サ素子１５は積層型の酸素濃度測定用のヒータ内蔵素子
で，センサ出力取出し用の電極を２つ，内蔵されたヒー
タ通電用の電極を２つ，合計４つの外部導出用の電極端
子を有する（図示略）。上記４本のリード部１６はこれ
らの電極端子とそれぞれ導通するよう接触する。

【００５０】上記リード部１６の基端側が大気側絶縁碍
子２２の外部において，コネクタ部１７を介してリード
線１８と接続する。リード線１８は大気側カバー１２の
基端側に設けた弾性絶縁部材２３を通じてガスセンサ１
外部へ通じる。

【００５１】図２（ａ）に示すごとく，本例の素子側絶
縁碍子３は円筒状のセラミックで，先端側は小径部３
１，基端側は小径部３１より径大の大径部３２である。
小径部３１と大径部３２との間に径方向外側に延びるテ
ーパー面３３があり，小径部側面３１０とテーパー面３
３との間のコーナー部３４は曲面状に，テーパー面３３
と大径部側面３２０との間のコーナー部３５は面取りさ
れて斜面状である。図３，図４に示すごとく，テーパー
面３３と受け面１０３とは非平行である。

【００５２】また，図３に示すごとく，上記テーパー面
３３と，上記受け面１０３とは非平行であり，テーパー
面３３は外傾きに構成し，上記テーパー面３３の開き角
をα，上記受け面１０３の開き角をβとすると，α＞β
及びα−β＝８°である。なお，開き角αはテーパー面
３３をガスセンサ中心軸の方向へ延長した場合，一方の
側からの延長面Ａとこれと反対側から延長した延長面Ｂ
とが形成する角度で，ガスセンサ１の基端側が開き角α
である。また，受け面１０３の開き角βも同様に延長面
Ｃと延長面Ｄとが形成する角度と定義する。

【００５３】金属パッキン１１の下面１１２は受け面１
０３と面接触する。また，金属パッキン１１の上面１１
１はテーパー面３３の外周端部３３１と線接触する。ま
た，図２（ｂ）に示すごとく，上記外周端部３３１はほ
ぼ真円である。真円度については後述する。

【００５４】また，上記素子側絶縁碍子３の内側面は板
状ガスセンサ素子１５が挿通され，素子側絶縁碍子３の
内側面との間はガラス材よりなるシール材２１９を充填
する。このシール材２１９のある部分でも大気側雰囲気
１４２と被測定ガス側雰囲気１４１とが気密的に分離さ
れる。

【００５５】本例にかかるガスセンサ１の組み立てにつ
いて説明する。素子側絶縁碍子３に板状ガスセンサ素子
１５を挿入し，シール材２１９でシールしながら両者を
固定する。次いで，素子側絶縁碍子３をハウジング１０
に挿入するが，このとき受け面１０３とテーパー面３３
との間に金属パッキン１１を配置する。また，予めリー
ド線１８と板状ガスセンサ素子１５の電極端子に導通す
るよう接触したリード部１６を配置した大気側絶縁碍子
２２を皿バネ２２０と共に大気側カバー１２に挿入す
る。

【００５６】そして，大気側カバー１２の段部１２９を
押圧しながら，大気側絶縁碍子２２の先端側を素子側絶
縁碍子３の基端側と当接させる。上記段部１２９に加わ
る押圧力は間接的に素子側絶縁碍子３からテーパー面３
３，金属パッキン１１，受け面１０３を押圧する。な
お，この三者に加わる押圧力は５．８９ｋＮである。そ
して，大気側カバー１２の先端側をハウジング１０の基
端側に差し込んで，両者の重なり合った部分を溶接す
る。その後，ハウジング１０の先端側に被測定ガス側カ
バー１３を溶接して組み立てる。

【００５７】組立時に上記金属パッキン１１を素子側絶
縁碍子３のテーパー面３３に押しつける。これでハウジ
ング１０の受け面１０３の形状に合わせて金属パッキン
１１が変形して密着し，両者は面接触状態となる。反対
にテーパー面３３と金属パッキン１１は外周端部３３１
において接するため，両者は線接触状態となる。

【００５８】次に，本例にかかる素子側絶縁碍子３の外
周端部３３１の真円度を測定した。まず，素子側絶縁碍
子３を２２個準備して，それぞれについて，マイクロメ
ーターで外周端部３３１（図２（ｂ）参照）の最大径と
最小径とを測定し，ここから真円度を算出し，図５に記
載した。また，同様にテーパー面３３の径方向の中央を
通る環の真円度を得て，図５に記載した。同図より知れ
るごとく，外周端部３３１の真円度のばらつきは小さ
く，テーパー面３３の中央の真円度のばらつきは大きか
った。

【００５９】次に，本例にかかるガスセンサ１の気密シ
ール性能を次の方法で測定した。測定しようとするガス
センサ１を図６に示す測定装置に組み込んで，大気側雰
囲気と被測定ガス側雰囲気との間に生じる気密漏れを測
定した。この測定装置はエア供給を制御するバルブ７１
を設けた気密漏れ量測定器７２とガスセンサ取付治具７
４と，両者を結ぶパイプに設けたバルブ７３とよりな
る。

【００６０】測定方法について詳細に説明する。取付治
具７４にガスセンサ１を取り付けて大気側雰囲気と被測
定ガス側雰囲気とを気密的に分離する。この状態でバル
ブ７１，７３を開放し，エアを取付治具７４内のエアの
溜まり７４０に供給する。ガスセンサ１のハウジング１
０と取付治具７４との間はゴムパッキンでシールする。

【００６１】仮に素子側絶縁碍子３と金属パッキン１１
との間のシールが不十分であれば，両者間からエアが同
図の矢線に示すごとくリークする。よって，時間の経過
と共にエア溜まり７４０に圧力降下が生じる。この測定
装置を用いてエア溜まり７４０に所定量のエア（４気
圧）を供給し，１０秒経過後にエア溜まり７４０の圧力
を測定した。この値から気密漏れ量（ｃｍ³）が分かっ
た。ただし，その他の個所からの気密漏れがないことを
予め予備試験で確認しておく。

【００６２】この測定でガスセンサ１として，受け面の
開き角βは１４５°，１４９°，１５２°，１５５°，
１５９°，１６４°のものを準備した。いずれもテーパ
ー面の開き角αは１６０°とした。また，各開き角につ
いてガスセンサ１は２０本づつ準備し，結果を図７に記
載した。同図に示すごとく，テーパー面の開き角αとの
差が５°を越えた場合に気密漏れ量が１０ｃｍ³／ｍｉ
ｎ以下となった。気密もれ量が１０ｃｍ³／ｍｉｎ以下
である場合は，ガスセンサの性能に殆ど影響がないこと
は予備試験で確認済みである。

【００６３】本例の作用効果について説明する。本例の
ガスセンサ１でテーパー面３３の外周端部３３１は，テ
ーパー面３３の他の部分と比較して真円に近い形状であ
る（図５参照）。そのため金属パッキン１１と外周端部
３３１とが当接する場合，両者間の接触状態は気密シー
ル性が高く，安定した線接触状態となる。

【００６４】また，テーパー面３３の開き角αは１６０
°，受け面１０３の開き角βは１５２°で，両者の差は
８°である。また，テーパー面３３は外傾きで，該テー
パー面３３と受け面１０３とは非平行である。よって，
安定した線接触状態となり，高い気密シール性を得るこ
とができる。

【００６５】以上，本例によれば，素子側絶縁碍子とハ
ウジングとの間の気密シール性を金属パッキンのみで実
現したガスセンサを得ることができる。

【００６６】なお，本例とは異なる構成として，図８の
ガスセンサ１９がある。このガスセンサ１９は，筒状の
ハウジング１０の内側面が段状に構成され，この段の一
箇所が金属パッキン１１を介して素子側絶縁碍子３のテ
ーパー面を支承する受け面となる。素子側絶縁碍子３も
筒状で，内部はリング１５１，１５２によって，ガスセ
ンサ素子１５が気密シールの状態で固定される。

【００６７】その他詳細は図１に示したガスセンサ１と
ほぼ同様の構造で，素子側絶縁碍子３のテーパー面の外
周端部で金属パッキン１１を線接触させることで上記と
同様の効果を得ることができる。

【００６８】（実施例２）本例のガスセンサは，実施例
１と同様の構成であるが，テーパー面３３が内傾きに構
成されている。図９，図１０に示すごとく，本例のテー
パー面３３は径方向内側から外側に向かって，ガスセン
サ先端側（図面下方がガスセンサの先端側となる）に傾
斜する。金属パッキン１１の上面１１１は，テーパー面
３３の外周端部３３１と線接触で当接する。また，テー
パー面３３の開き角αは２１０°で，受け面の開き角β
は１６０°である。その他詳細は実施例１と同様であ
り，同様の作用効果を有する。

【００６９】（実施例３）本例のガスセンサは，実施例
１と同様の構成であるが，テーパー面３３の内周端部で
金属パッキンが当接する。図１１，図１２に示すごと
く，本例のテーパー面３３は径方向外側から内側に向か
って，ガスセンサ先端側（図面下方がガスセンサの先端
側となる）に傾斜する。金属パッキン１１の上面１１１
はテーパー面３３の内周端部３３２と線接触の状態で当
接する。また，テーパー面３３の開き角αは１３０°
で，受け面の開き角βは１６０°となり，テーパー面３
３と受け面１０３とは非平行である。また，本例の素子
側絶縁碍子３の形状は実施例１のものと同じである。

【００７０】次に，本例にかかる素子側絶縁碍子３を２
２個準備し，実施例１と同様に内周端部３３２の環の最
大径と最小径とを測定し，ここから真円度を算出し，図
１３に記載した。また，同様にテーパー面３３の径方向
の中央を通る環の真円度を得て，図１３に記載した。

【００７１】同図より知れるごとく，内周端部３３２の
真円度のばらつきは小さく，テーパー面３３の中央の真
円度のばらつきは大きかった。よって，金属パッキン１
１とテーパー面３３の内周端部３３２は，テーパー面３
３の他の部分と比較して真円に近い形状であり，金属パ
ッキン１１と内周端部３３２とが当接する場合，両者間
の接触状態は気密シール性が高く，安定した線接触状態
となる。その他詳細は実施例１と同様であり，同様の作
用効果を有する。

【００７２】（実施例４）本例のガスセンサは，実施例
１と同様の構成で，テーパー面３３の外周端部で金属パ
ッキン１１が当接する。図１４，図１５に示すごとく，
本例のテーパー面３３は径方向外側から内側に向かっ
て，ガスセンサ先端側（図面下方がガスセンサの先端側
となる）に傾斜する。金属パッキン１１の上面１１１
は，テーパー面３３の外周端部３３１と線接触で当接す
る。また，テーパー面３３の開き角αは１６０°で，受
け面の開き角βは１６０°である。また，金属パッキン
１１は上面１１１と下面１１２とが非平行である。その
他詳細は実施例１と同様であり，同様の作用効果を有す
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】実施例１における，ガスセンサの断面説明図。

【図２】実施例１における，素子側絶縁碍子の断面説明
図。

【図３】実施例１における，テーパー面の開き角及び受
け面の開き角を示す説明図。

【図４】実施例１における，テーパー面，金属パッキ
ン，受け面の当接状態を示す説明図。

【図５】実施例１における，素子側絶縁碍子のテーパー
面の外周端部，中央の真円度を示す線図。

【図６】実施例１における，気密シール性を測定する装
置の説明図。

【図７】実施例１における，気密シール性の測定結果を
示す線図。

【図８】実施例１における，異なる構成のガスセンサの
断面説明図。

【図９】実施例２における，内傾きのテーパー面の開き
角及び受け面の開き角を示す説明図。

【図１０】実施例２における，内傾きテーパー面，金属
パッキン，受け面の当接状態を示す説明図。

【図１１】実施例３における，テーパー面の開き角及び
受け面の開き角を示す説明図。

【図１２】実施例３における，内周端部でテーパー面と
金属パッキンとが当接する，テーパー面，金属パッキ
ン，受け面の当接状態を示す説明図。

【図１３】実施例３における，素子側絶縁碍子のテーパ
ー面の内周端部，中央の真円度を示す線図。

【図１４】実施例４における，テーパー面の開き角及び
受け面の開き角を示す説明図。

【図１５】実施例４における，テーパー面，金属パッキ
ン，受け面の当接状態を示す説明図。

【図１６】従来における，テーパー面，金属パッキン，
受け面の当接状態を示す説明図。

【符号の説明】

１．．．ガスセンサ，１０．．．ハウジング，１０３．．．受け面，３．．．素子側絶縁碍子，３１．．．小径部，３２．．．大径部，３３．．．テーパー面，３１０．．．小径部側面，３２０．．．大径部側面，

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】板状ガスセンサ素子と該板状ガスセンサ
素子が気密的に挿通される筒状の素子側絶縁碍子と，該
素子側絶縁碍子が環状の金属パッキンを介して気密的に
挿通される筒状のハウジングとを有し，上記ハウジング
の内側面は，金属パッキンを介して上記素子側絶縁碍子
を支承し，ガスセンサ軸方向と交差する環状平面からな
る受け面を有し，上記素子側絶縁碍子は，小径部と該小
径部より径大に構成された大径部となり，かつ上記素子
側絶縁碍子の外側面は，ガスセンサ軸方向に立ち上がる
小径部側面と，該小径部側面から径方向外側に延びるテ
ーパー面と，該テーパー面から再びガスセンサ軸方向に
立ち上がる大径部側面とを有し，上記受け面は，金属パ
ッキンを介して上記テーパー面を支承し，上記テーパー
面と上記金属パッキンとは，上記テーパー面の外周端部
において当接し，両者の当接形状は線接触であることを
特徴とするガスセンサ。
【請求項２】請求項１において，上記テーパー面と，
上記受け面とは非平行であることを特徴とするガスセン
サ。
【請求項３】請求項１または２において，上記テーパ
ー面は外傾きに構成し，上記テーパー面の開き角をα，
上記受け面の開き角をβとすると，α＞β及びα−β＝
５〜２０°であることを特徴とするガスセンサ。
【請求項４】請求項１または２において，上記テーパ
ー面は内傾きに構成し，上記テーパー面の開き角をα，
上記受け面の開き角をβとすると，α＞β及びα−βは
０より大きく，４０°以下であることを特徴とするガス
センサ。
【請求項５】板状ガスセンサ素子と該板状ガスセンサ
素子が気密的に挿通される筒状の素子側絶縁碍子と，該
素子側絶縁碍子が環状の金属パッキンを介して気密的に
挿通される筒状のハウジングとを有し，上記ハウジング
の内側面は，金属パッキンを介して上記素子側絶縁碍子
を支承し，ガスセンサ軸方向と交差する環状平面からな
る受け面を有し，上記素子側絶縁碍子は，小径部と該小
径部より径大に構成された大径部となり，かつ上記素子
側絶縁碍子の外側面は，ガスセンサ軸方向に立ち上がる
小径部側面と，該小径部側面から径方向外側に延びるテ
ーパー面と，該テーパー面から再びガスセンサ軸方向に
立ち上がる大径部側面とを有し，上記受け面は，金属パ
ッキンを介して上記テーパー面を支承し，上記テーパー
面と上記金属パッキンとは，上記テーパー面の内周端部
において当接し，両者の当接形状は線接触であることを
特徴とするガスセンサ。
【請求項６】請求項５において，上記テーパー面と，
上記受け面とは非平行であることを特徴とするガスセン
サ。
【請求項７】請求項５または６において，上記テーパ
ー面は内傾きに構成し，上記テーパー面の開き角をα，
上記受け面の開き角をβとすると，α＜β及びβ−αは
５°より大きく，２０°以下であることを特徴とするガ
スセンサ。
【請求項８】板状ガスセンサ素子と該板状ガスセンサ
素子が気密的に挿通される筒状の素子側絶縁碍子と，該
素子側絶縁碍子が環状の金属パッキンを介して気密的に
挿通される筒状のハウジングとを有し，上記ハウジング
の内側面は，金属パッキンを介して上記素子側絶縁碍子
を支承し，ガスセンサ軸方向と交差する環状平面からな
る受け面を有し，上記素子側絶縁碍子は，小径部と該小
径部より径大に構成された大径部となり，かつ上記素子
側絶縁碍子の外側面は，ガスセンサ軸方向に立ち上がる
小径部側面と，該小径部側面から径方向外側に延びるテ
ーパー面と，該テーパー面から再びガスセンサ軸方向に
立ち上がる大径部側面とを有し，上記受け面は，金属パ
ッキンを介して上記テーパー面を支承し，上記テーパー
面と上記金属パッキンとは，上記テーパー面の外周端部
において当接し，両者の当接形状は線接触であり，上記
テーパー面の開き角をα，上記受け面の開き角をβとす
ると，α＞β及びα−βは０より大きく，４０°以下で
あることを特徴とするガスセンサ。
【請求項９】請求項１〜８のいずれか一項において，
上記線接触において接触幅は１０〜１００μｍであるこ
とを特徴とするガスセンサ。
【請求項１０】請求項１〜９のいずれか一項におい
て，上記テーパー面と上記金属パッキンとの接触形状は
環であり，環の９８％以上が連続していることを特徴と
するガスセンサ。
【請求項１１】請求項１〜１０のいずれか一項におい
て，上記金属パッキンのビッカース硬度は５０〜２００
Ｈｖであることを特徴とするガスセンサ。
【請求項１２】請求項１〜１１のいずれか一項におい
て，上記金属パッキンと当接する外周端部または内周端
部の形状は環であり，該外周端部または内周端部の真円
度＝｛（環の最大径−環の最小径）／２｝は０．１以下
であることを特徴とするガスセンサ。