JP2006184214A - ガスセンサ及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】
常温及び高温領域において封止層における気密性及び絶縁性を確保することができるガスセンサを提供すること。
【解決手段】
バインダを含有しない封止層５２上に、第１パッキン１０を配置することにより、封止層５２の無機粉末の漏出を防止する。常温及び高温領域における絶縁性及び耐熱性を確保するため、好ましくは、封止層５２の無機粉末には滑石を用い、第１パッキン１０はマイカ板から形成する。マイカ板は、好ましくは、厚さ０．４ｍｍ以上の電熱用マイカ板を用いる。
【選択図】
図１

Description

本発明は、ガスセンサ、特に酸素センサ、に関する。詳細には、本発明は、内燃機関の排ガス中など高温環境下の使用に適したガスセンサに関する。

自動車エンジン等の内燃機関排ガス中の酸素濃度を検出するガスセンサとして、酸化ジルコニア等の酸素イオン伝導性固体電解質を検出素子とする酸素センサが知られている。このような酸素イオン伝導体の検出素子は、有底筒状で、その内面と外面にそれぞれ電極層を有している。内面の電極層は基準ガス（大気ガス）と接触し、外面の電極層は排気ガス等の被測定ガスと接触する。このような酸素センサにおいては、基準ガスと被測定ガスの酸素濃度差に対応して生じた両電極間の起電力の差（電位差）によって、酸素濃度を検出している。

酸素イオン伝導体の検出素子は、円筒状の主体金具（ハウジング）に内挿して使用される。この際、検出素子の内部が外気や排ガス中の水や油で汚染されると、正確なガスの検出が不可能になる。そこで、検出素子内側への排ガス等の侵入を防ぐため、及びセンサ内部の汚染や腐食を防ぐため、一般に、検出素子と主体金具との隙間には、滑石等の無機粉末を充填した封止層が形成されている。

封止層の無機粉末は、一般に数μｍ〜数百μｍの粒径と微細であるため、充填の際に加圧しても密度が上がりにくく、十分な気密性が確保できない場合があった。さらに、センサに加えられる衝撃、例えば自動車走行時の衝撃、等により、封止層として充填された無機粉末が、使用時に主体金具及び絶縁体との隙間から漏出してしまう。そして、無機粉末が漏出してしまうと、封止層には緩みが生じて、封止層の圧縮性及び気密性は保持することができないことがある。そこで、充填密度を改善するために、無機粉末にバインダとして水ガラスを添加した充填材料が発明されている。水ガラスを添加することにより、加工性及び圧縮性が改善され、気密性の高いガスセンサが得られている（特許文献１参照）。

特開２０００−３１４７１５号公報

しかしながら、特許文献１のガスセンサのように水ガラスのような吸湿性を有するバインダを使用すると、高温時において封止層の絶縁性が確保できずに、正確な濃度を検出することができない問題が生じることがある。また、例えば、酸素センサは、自動車の排ガス管に設置され、排ガス中の酸素濃度測定に使用されるが、この際、酸素センサは６００℃以上の高温に晒されることがある。このような温度においては、バインダ自身が変質してしまい、気密性が落ちてしまうこともある。

そこで、本発明は、封止層に含有するバインダの量をできる限り抑制しつつ、常温領域及び高温領域において封止層の気密性及び絶縁性を確保することができるガスセンサを提供することを課題とする。

本発明の第１視点によれば、本発明は、被測定ガスに先端側が晒される検出素子と、
検出素子の先端側を突出させて内挿する環状の主体金具と、を備えるガスセンサにおいて、検出素子と主体金具との隙間に配設され、無機粉末を含有し、かつバインダの含有量が０．１ｗｔ％以下である封止層と、検出素子と主体金具間の封止層の後端側に配設され、厚さが０．４ｍｍ以上の第１パッキンと、を備えるガスセンサを提供する（基本形態１）。

第１視点の好ましい形態によれば、第１パッキン及び封止層は、６５０℃以上の雰囲気下において、化学的及び物理的に実質的に変化せず、かつ検出素子と主体金具間のインピーダンスが５０ｋΩ以上となる材質を主体とする（形態２）。

第１視点の好ましい形態によれば、無機粉末は滑石を主体とする（形態３）。

第１視点の好ましい形態によれば、第１パッキンはマイカを主成分とする（形態４）。

第１視点の好ましい形態によれば、第１パッキンは電熱用マイカ板から形成されてなる（形態５）。

第１視点の好ましい形態によれば、第１パッキンは、検出素子と主体金具によって形成される、封止層の後端面の領域より大きいパッキンであり、圧入して配設されることにより封止層の後端面の領域を覆う（形態６）。

第１視点の好ましい形態によれば、第１パッキンは、検出素子と主体金具によって形成される、封止層の後端面の領域より小さいパッキンであり、押圧された状態で配設されることにより封止層の後端面の領域を覆う（形態７）。

本発明の第２視点によれば、本発明は、被測定ガスに先端側が晒される検出素子と、検出素子の先端側を突出させて内挿する環状の主体金具と、を有するガスセンサの製造方法において、検出素子と主体金具との隙間に、無機粉末を含有し、かつバインダの含有量が０．１ｗｔ％以下である封止粉末を充填する充填工程と、封止粉末の後端側に厚さ０．４ｍｍ以上の第１パッキンを嵌設する嵌設工程と、主体金具の後端側を内側に向かって加締める加締工程と、を含むガスセンサの製造方法を提供する（基本形態８）。

第２視点の好ましい形態によれば、第１パッキンは、検出素子と主体金具によって形成される、封止粉末の後端面の領域より大きいパッキンであり、嵌設工程は、第１パッキンを圧入する（形態９）。

第２視点の好ましい形態によれば、第１パッキンは、検出素子と主体金具によって形成される、封止粉末の後端面の領域より小さいパッキンであり、嵌設工程後、第１パッキンを押圧する（形態１０）。

第２視点の好ましい形態によれば、無機粉末として滑石を使用し、そして第１パッキンを電熱用マイカ板から作製する（形態１１）。

上記形態１によれば、バインダの含有量が０．１ｗｔ％以下である封止層とすることで、バインダの吸湿による絶縁劣化やバインダの変質を防止することができる。したがって、高温状況下においても、検出素子と主体金具間の絶縁性及び気密性を確保したガスセンサを提供することができる。さらに、形態１によれば、封止層上にパッキンを配置することにより、バインダを使用しなくても衝撃によって無機充填粉末が流出しない、すなわち封止層の気密性及び圧縮性を保持したガスセンサを提供することができる。つまり、本発明のガスセンサは、常温領域及び高温領域において気密性及び絶縁性を確保することができる。さらに、バインダを使用しないことにより、封止層のコスト削減を図ることもできる。

そして、第１パッキンの厚みを０．４ｍｍ以上とする。第１パッキンの厚みが０．４ｍｍ未満では、衝撃等によって無機充填粉末が流出することがある。一方、第１パッキンの厚みは、１．０ｍｍ以下が好ましい。パッキンの厚さの上限は耐気密性という点では特に制限されないが、厚くしすぎるとガスセンサの構成やコスト等に影響を及ぼすことがある。

上記形態２によれば、第１パッキン及び封止層は、６５０℃以上の雰囲気下において、化学的及び物理的に実質的に変化せず、かつ検出素子と主体金具間のインピーダンスが５０ｋΩ以上となる材質を主体とすることが好ましい。このような第１パッキン及び封止層とすることで、十分に常温領域及び高温領域において気密性及び絶縁性を確保することができる。なお、「化学的及び物理的に実質的に変化せず」ということは、６５０℃以上の雰囲気下に第１パッキンを入れたとしても、膨張、収縮、組成変形等が起こらないことを指す。

上記形態３によれば、無機粉末は滑石が好ましい。無機粉末として滑石を選択することは容易であり、コスト削減を図ることができる。

上記形態４によれば、第１パッキンはマイカを主成分とすることが好ましい。マイカは、第１パッキンが必要とする耐熱性及び高温絶縁性を有しており、第１パッキンに容易に適用できる。なお、具体的には、上記形態５に示すように、電熱用マイカ板から形成されてなることが好ましい。

上記形態６によれば、第１パッキンは、検出素子と主体金具によって形成される、封止層の後端面の領域より大きいパッキンであり、圧入して配設されることにより封止層の後端面の領域を覆うことが好ましい。このように第１パッキンを封止層の後端面の領域に対して大きくしつつ、圧入して配設することで、更に容易に封止層の気密性及び圧縮性を保持したガスセンサを得ることができる。なお、第１パッキンの大きさは、圧入した際にパッキンが縮径したとしても、パッキン自身が折れ曲がる等の変形が起こらない大きさであることが好ましい。

上記形態７によれば、第１パッキンは、検出素子と主体金具によって形成される、封止層の後端面の領域より小さいパッキンであり、押圧された状態で配設されるにより封止層の後端面の領域を覆うことが好ましい。このように第１パッキンを封止層の後端面の領域に対して小さくしつつ、押圧して配設することで、容易に第１パッキンを上記領域に嵌設しつつ、また封止層の気密性及び圧縮性を保持したガスセンサを得ることができる。なお、第１パッキンの大きさは、押圧した際にパッキンが変形して上記領域を覆いつつも、第１パッキンの厚みは０．４ｍｍ以上となっていれば好ましい。

上記形態８〜１１によれば、主として、上記形態１の構成を有するガスセンサを製造することができる。

以下に、本発明を適用した実施形態であるガスセンサを図面と共に説明する。本実施形態では、自動車の排気管（特に触媒の下流側等）に装着されて排気ガス中の酸素の濃度を検出するガスセンサ（酸素センサ）について説明する。図１は、本実施形態のガスセンサ１の全体構成を示す断面図である。

図１に示すように、ガスセンサ１は、先端部が閉じた有底筒状をなす検出素子２、検出素子２の有底孔２５に挿入されるセラミックヒータ３と、検出素子２を自身の内側にて保持する主体金具５を備える。なお、本実施形態において、図１に示す検出素子２の軸に沿う方向のうち、測定対象ガス（排気ガス）に晒される先端部に向かう側（閉じている側、図中の下側）を「先端側」とし、これと反対方向（図中上側）に向かう側を「後端側」として説明する。

この検出素子２は、イットリアを安定化剤として固溶させた部分安定化ジルコニアを主成分とする酸素イオン伝導性を有する固体電解質体２８と、その固体電解質体２８の有底孔２５の内面に、そのほぼ全面を覆うようにＰｔあるいはＰｔ合金により多孔質状に形成された内部電極層２７と、固体電解質体２８の外面に、内部電極層２７と同様に多孔質状に形成された外部電極層２６を有している。また、この検出素子２の軸線方向の略中間位置には、径方向外側に向かって突出する係合フランジ部９２が設けられている。また、セラミックヒータ３は、棒状に形成されると共に、内部に発熱抵抗体を有する発熱部４２を備えている。このセラミックヒータ３は、後述するヒータ用リード線１９ 、２２を介して通電されることにより発熱部４２が発熱することになり、検出素子２を活性化させるべく当該検出素子２を加熱する機能を果たす。

主体金具５は、ガスセンサ１を排気管の取付部に取り付けるためのネジ部６６と、排気管の取付部への取り付け時に取付工具をあてがう六角部９３を有している。また、主体金具５は、検出素子２を先端側から支持するアルミナ製の支持部材５１と、支持部材５１の後端側に充填される封止層５２と、封止層５２を後端側から先端側に向けて押圧するアルミナ製のスリーブ５３とを内部に収納可能に構成されている。

主体金具５には、先端側内周に径方向内側に向かって突出した金具側段部５４が設けられており、この金具側段部５４に第３パッキン５５を介して支持部材５１を係止させている。なお、検出素子２は、係合フランジ部９２が支持部材５１上に第２パッキン９４を介して支持されることにより、主体金具５に支持される。支持部材５１の後端側における主体金具５の内面と検出素子２の外面との間には、封止層５２が配設され、さらにこの封止層５２の後端側にスリーブ５３および環状リング１５が順次同軸状に内挿された状態で配置される。なお、封止層５２については、後述する。

また、主体金具５の後端側内側にはＳＵＳ３０４Ｌからなる内筒部材１４の先端側が挿入されている。この内筒部材１４は、先端側の拡径した開口端部（先端開口端部５９）を環状リング１５に当接させた状態で、主体金具５の金具側後端部６０を内側先端方向に加締めることで、主体金具５に固定されている。なお、ガスセンサ１においては、主体金具５の金具側後端部６０を加締めることを通じて、封止層５２がスリーブ５３を介して圧縮充填される構造になっており、これにより検出素子２が筒状の主体金具５の内側に気密状に保持されている。

内筒部材１４は、軸線方向における略中間位置に内筒段付き部８３が形成されており、内筒段付き部８３よりも先端側が内筒先端側胴部６１として形成され、内筒段付き部８３よりも後端側が内筒後端側胴部６２として形成される。内筒後端側胴部６２は、内筒先端側胴部６１よりも内径、外径がともに小さく形成され、その内径は後述するセパレータ７のセパレータ本体部８５の外径よりも若干大きく形成されている。また、内筒後端側胴部６２には、周方向に沿って所定の間隔で複数の大気導入孔６７が形成されている。

外筒部材１６は、ＳＵＳ３０４Ｌの板材を深絞り加工することにより筒状に成形されており、後端側に外部から内部に通じる開口を含む外筒後端側部６３、先端側に内筒部材１４に対して後端側から同軸状に連結される外筒先端側部６４、外筒後端側部６３と外筒先端側部６４とを繋ぐ外筒段部３５が形成される。なお、外筒後端側部６３には、弾性シール部材１１を気密状に固定するための加締め部８８が形成されている。

また、主体金具５の先端側外周には、検出素子２の主体金具５の先端から突出する先端部を覆うと共に、複数のガス取入れ孔を有する金属製の二重のプロテクタ８１、８２が溶接によって取り付けられている。

さらに、内筒部材１４の内筒後端側胴部６２の外側には、大気導入孔６７から水が侵入することを防止するための筒状のフィルタ６８が配置されている。なお、フィルタ６８は、例えばポリテトラフルオロエチレンの多孔質繊維構造体（商品名：ゴアテックス（ジャパンゴアテックス（株））のように、水を主体とする液体の透過は阻止する一方、空気などの気体の透過は許容する撥水性フィルタとして構成される。

外筒部材１６の外筒先端側部６４は、フィルタ６８が配置された内筒部材１４（詳細には内筒後端側胴部６２）を外側から覆う形状に形成されており、外筒先端側部６４のうち、フィルタ６８に対応する位置には周方向に沿って所定の間隔で複数の大気導入孔８４が形成されている。

なお、外筒部材１６と内筒部材１４とは、外筒部材１６の外筒先端側部６４のうちで大気導入孔８４よりも後端側の少なくとも一部を、フィルタ６８を介して径方向内側に加締めることで形成した第１加締め部５６と、大気導入孔８４よりも先端側の少なくとも一部を、同じくフィルタ６８を介して径方向内側に加締めることで形成した第２加締め部５７とによって固定されている。このとき、フィルタ６８は、外筒部材１６と内筒部材１４との間で気密状に保持されることになる。また、外筒部材１６の外筒先端側部６４は内筒先端側胴部６１に対し外側から重なりを生じるように配置されており、その重なり部の少なくとも一部が周方向の内側に向けて加締められることで、連結加締め部７５が形成されている。

これにより、基準ガスとしての大気は、大気導入孔８４、フィルタ６８および大気導入孔６７、内筒部材１４の内部に導入され、検出素子２の有底孔２５に導入される。一方、水滴はフィルタ６８を通過することができないため、内筒部材１４の内側への侵入が阻止される。

外筒部材１６の後端内側（外筒後端側部６３）に配置される弾性シール部材１１は、検出素子２に電気的に接続される２本の素子用リード線２０、２１と、セラミックヒータ３に電気的に接続される２本のヒータ用リード線１９、２２とを挿通するための４つのリード線挿通孔１７が、先端側から後端側にかけて貫通するように形成されている。

また、内筒部材１４の内筒後端側胴部６２に自身の先端側が挿入配置されるセパレータ７は、素子用リード線２０、２１と、ヒータ用リード線１９、２２とを挿通するためのセパレータリード線挿通孔７１が先端側から後端側にかけて貫通するように形成されている。また、セパレータ７には、先端面に開口する有底状の保持孔９５が軸線方向に形成されている。この保持孔９５内には、セラミックヒータ３の後端部が挿入され、セラミックヒータ３の後端面が保持孔９５の底面に当接することでセパレータ７に対するセラミックヒータ３の軸線方向の位置決めがなされる。

このセパレータ７は、内筒部材１４の後端内側に挿入されるセパレータ本体部８５を有するとともに、セパレータ本体部８５の後端部から周方向外側に延設されたセパレータフランジ部８６を有している。つまり、セパレータ７は、セパレータ本体部８５が内筒部材１４に挿入されるとともに、セパレータフランジ部８６が内筒部材１４の後端面にフッ素ゴムからなる環状シール部材４０を介して支持される状態で、外筒部材１６の内側に配置される。

また、素子用リード線２０、２１およびヒータ用リード線１９、２２は、セパレータ７のセパレータリード線挿通孔７１、弾性シール部材１１のリード線挿通孔１７を通じて、内筒部材１４および外筒部材１６の内部から外部に向かって引き出されている。なお、これら４本のリード線１９、２０、２１、２２は外部において、図示しないコネクタに接続される。そして、このコネクタを介してＥＣＵ等の外部機器と各リード線１９、２０、２１、２２とは電気信号の入出力が行われることになる。

また、各リード線１９、２０、２１、２２は、詳細は図示しないが、導線を樹脂からなる絶縁皮膜にて被覆した構造を有しており、導線の後端側がコネクタに設けられるコネクタ端子に接続される。そして、素子用リード線２０の導線の先端側は、検出素子２の外面に対して外嵌される端子金具４３の後端部と加締められ、素子用リード線２１の導線の先端側は、検出素子２の内面に対して圧入される端子金具４４の後端部と加締められる。これにより、素子用リード線２０は、検出素子２の外部電極層２６と電気的に接続され、素子用リード線２１は、内部電極層２７と電気的に接続される。他方、ヒータ用リード線１９、２２の導線の先端部は、セラミックヒータ３の発熱抵抗体と接合された一対のヒータ用端子金具と各々接続される。

そして、セパレータ７の後端側には、耐熱性に優れるフッ素ゴム等からなる弾性シール材１１が、外筒部材１６を加締め、加締め部８８を形成することにより、外筒部材１６に固定されている。この弾性シール部材１１は、本体部３１、本体部３１の先端側の側周面から径方向外側に向けて延びるシール部材鍔部３２を有している。そして、この本体部３１及びシール部材鍔部３２を軸線方向に貫くように４つのリード線挿通孔１７が形成されている。

次に、本発明の主要部である封止層５２及び第１パッキン１０について詳細に説明する。図２は、本発明における第１パッキンの正面図（上）と側面図（下）である。

封止層５２を形成する無機粉末（充填材）は、耐熱性及び絶縁性を有するものを使用する。詳細には、無機粉末は、６５０℃以上の高温領域において、耐熱性を有し、かつ検出素子と主体金具間のインピーダンスが５０ｋΩ以上を確保できる材質であることが望まれる。したがって、本発明においては、無機粉末の主体は、滑石であることが好ましい。滑石は、マグネシウムの含水ケイ酸塩鉱物であり、その主成分は、一般式Ｍｇ_３Ｓｉ_４Ｏ_１０（ＯＨ）_２又は３ＭｇＯ・４ＳｉＯ_２・Ｈ_２Ｏで表される。充填材には、他の鉱物からなる無機粉末、アルミナ等のセラミック粉末、セメント粉末、窒化硼素粉末等、又はこれらの無機粉末の組み合わせたものも使用することができる。

無機粉末は、バインダの含有量が０．１ｗｔ％以下であるものを使用する。バインダを使用すると、封止層の高温時の絶縁性、安定性及び気密性が得られない場合がある。好ましくは、バインダを含有しない無機粉末を使用する。

本発明のガスセンサにおいては、封止層５２の後端側（封止層５２とスリーブ５３との間）に、第１パッキン１０を配置する。本発明において使用する第１パッキン１０は、耐熱性を有し、高温絶縁性があり、吸水しにくく、加熱減量が少なく、そして圧縮されにくいものが好ましい。特に、耐熱性は、６５０℃以上の環境下においても物理的・化学的に変化しないことが望まれる。高温絶縁性は、６５０℃以上の環境下においても検出素子と主体金具間のインピーダンスが５０ｋΩ以上を確保されることが望まれる。

以上の条件より、第１パッキン１０の好ましい材質として、マイカが挙げられる。マイカ（雲母）とは、一般式（Ｋ，Ｎａ，Ｃａ）（Ｍｇ，Ｆｅ，Ｌｉ，Ａｌ）_２〜３（Ａｌ，Ｓｉ）_４Ｏ_１０（ＯＨ，Ｆ）_２で表されるケイ酸塩鉱物の一種である。マイカは、劈開性を有し、その結晶構造は層状となっている。電気絶縁用のマイカには、主に硬質マイカと軟質マイカの２種類があるが、本発明に使用されるマイカは、耐熱性の観点からは軟質マイカが好ましい。

マイカから形成される第１パッキン１０（以下、マイカパッキンという）は、マイカ板からガスセンサの大きさ及び形状に合わせて打ち抜いて形成する。一般に、マイカ板は、はがしマイカ又は集成マイカを接着剤、裏打材などで貼りあわせて形成される。マイカ板には、材料となるマイカの種類、接着剤の種類などから種々の形態のものがあり、例えば、形造用マイカ板、形抜用マイカ板、電熱用マイカ板、可撓性マイカ板などがある。本発明において使用するマイカ板としては、電気絶縁性の観点から、特に電熱用マイカ板が好ましい。本発明において使用するマイカ板に使用される接着剤は、耐熱性の観点から、ケイ素樹脂を主成分とするもの又は無機質のものが好ましい。各種マイカ板は市販されており、適宜目的とするマイカ板を購入してパッキンを作製する。

本発明における第１パッキン１０の好適な厚さは、０．４ｍｍ以上である。パッキンの厚さが０．４ｍｍ以下の場合では、ガスセンサに与えられる衝撃により、滑石が後端側に流出し、ゆるみが生じてしまう可能性が高くなってしまう。第１パッキン１０の厚さの上限は特に制限されないが、厚くしすぎるとガスセンサの構成等に影響を及ぼす可能性があるので、１．０ｍｍ以下とすることが好ましい。

第１パッキン１０は、図２に示すように、主体金具５の内径と検出素子２の外径に合わせて環状（ドーナツ形状）に作成される。すなわち、第１パッキン１０は、主体金具と検出素子とで形成される、封止層５２の後端面の領域の大きさ・形状に合わせて形成される。第１パッキン１０と主体金具５との間及び第１パッキン１０と検出素子２との間は、滑石の流出を防ぐため、第１パッキン１０がガスセンサに嵌め込まれた時に間隙が生じないようにする。したがって、好ましくは、第１パッキン１０の内環は検出素子２の外径（外環）と密着し、第１パッキン１０の外環は主体金具５の内径（内環）と密着するようにする。間隙が生じてしまう場合であっても、そのクリアランスは、好ましくは３００μｍ以下となるようにする。

次に、本発明のガスセンサの製造方法について説明する。なお、公知の部分については、省略又は簡略化し、本発明の第１パッキン１０の嵌設・固定について詳細に説明する。

まず、ジルコニアに、イットリアを添加して造粒した後、先端部が閉じた有底筒状に成形し、電気炉にて１４００〜１６００℃の温度で焼成し、図１に示すような固体電解質体２８を作製する。次いで、この固体電解質体２８の外周面に蒸着や化学メッキ等を用いて、白金よりなる外側電極層２６を設ける。一方、固体電解質体２８の内側面にも同様に、蒸着や化学メッキ等を用いて、内側電極層２７を設け、本発明の検出素子２を作製する。

ついで、主体金具５に検出素子２を保持させる。具体的には、先端側内周に径方向内側に向かって突出した金具側段部５４に第３パッキン５５を介して支持部材５１を挿入する。さらに、支持部材５１に検出素子２の係合フランジ部９２が第２パッキン９４を介して支持されるように挿入する。そして、支持部材５１の後端側における主体金具５の内面と検出素子２の外面との間に充填材を充填する。ついで、その後端側に第１パッキン１０を嵌設する。

このとき、第１パッキン１０を主体金具５及び検出素子２とクリアランスの無い密着させた形態にするために、主体金具５と検出素子２から形成される封止層５２の後端面の領域より、わずかに大きいパッキンを挿入する。ここで、大きいパッキンとは、第１パッキン１０の外環径が主体金具５の内径より大きく、また第１パッキン１０の内環径が検出素子２の外径より小さいものをいう。そして、主体金具５と検出素子２から形成される領域より大きい第１パッキン１０を使用する場合、第１パッキン１０は、主体金具５と検出素子２間に圧入して嵌合させる。元のパッキンの大きさは、嵌合する領域の面積よりも大きいため、圧入により第１パッキン１０は主体金具５及び検出素子２と密着して、間隙を生じなくさせることができる。なお、パッキンの大きさは、使用するパッキンの弾力性、圧縮性に応じて適宜決定しなければならない。その後、スリーブ５３および環状リング１５が順次同軸状に内挿された状態で配置され、主体金具５の金具側後端部６０を加締める。

さらに、主体金具５の先端側にプロテクタ８１、８２を溶接しつつ、後端側に内筒部材１４の先端側が連結されたセンサ下部中間体を準備する。なお、内筒部材１４の内筒後端側胴部６２の周りには、筒状のフィルタ６８をセットしておく。そして、センサ上部中間体のセパレータ７のセパレータ本体部８５を、センサ下部中間体の内筒部材１４の内筒後端側胴部６２内に位置させる。これにより、セラミックヒータ３とともに端子金具４４が検出素子２の有底孔２５に挿入され、内側電極層２７と導通する。また、端子金具４３が検出素子２の外面に外嵌され、外側電極層２６と導通する。

一方、予め端子金具４３、４４にそれぞれ素子用リード線２０、２１を接合し、セラミックヒータ３のヒータ用端子金具にヒータ用リード線１９、２２を接合しておく。そして、端子金具４４の内側にセラミックヒータ３を位置させた状態で、各リード線１９、２０、２１ 、２２をセパレータ７の各セパレータリード線挿通孔７１に挿通する。ついで、各リード線１９、２０、２１、２２を弾性シール部材１１のリード線挿通孔１７に挿通させた状態で、この弾性シール部材１１の先端面がセパレータ７の後端面に当接するまで移動させる。このようにして、センサ上部中間体を作製する。なお、セパレータ本体部８５の外周には、予め環状シール部材４０を装着させておく。

そして、外筒部材１６を自身の内側に各リード線１９、２０、２１、２２を通した状態で弾性シール部材１１の後端側から移動させ、内筒部材１４の内筒先端側胴部６２の外側に重なるまで移動させる。ついで、外筒段部３５を軸線方向先端側に向かって押圧しながら、外筒部材１６と内筒先端側胴部６２との重なり部を径方向内側に向かって加締め、連結加締め部７５を形成し、外筒部材１６と内筒部材１４とを固定する。なお、加締めは八方丸加締めにて行った。

ついで、外筒部材１６（外筒後端側部６３）のうちで弾性シール部材１１の側周面外側に位置する部位（具体的には外筒後端側部６３の後端部）を、加締め治具を用いて径方向内側に向かって加締めて加締め部８８を形成し、弾性シール部材１１を圧縮変形させる。これにより、弾性シール部材１１を外筒部材１６に対して気密状に固定させる。この加締めも八方丸加締めにて行った。そして、連結加締め部７５によって固定した外筒部材１６と内筒部材１４に対して、第１加締め部５６、第２加締め部５７を形成するようにして、ガスセンサ１を完成させる。

次に、本発明のガスセンサの製造方法の別の実施形態について説明する。なお、別の実施形態は、パッキン嵌設工程が異なるものであり、その他については、省略または簡略化する。

別の実施形態の製造方法では、第１パッキン１０は、主体金具５と検出素子２から形成される封止層５２の後端面の領域より、わずかに小さいパッキンを挿入する。ここで、小さいパッキンとは、第１パッキン１０の外環径が主体金具５の内径より小さく、また第１パッキン１０の内環径が検出素子２の外径より大きいものをいう。そして、小さいパッキンを使用する場合、第１パッキン１０を組み入れる際、及び第１パッキン１０上にスリーブ５３を組み入れる際に押し潰すように押圧し、かつ組み上げた際に第１パッキン１０に圧力がかかったままの状態にすることにより、第１パッキン１０を拡張させてわずかに生じていた間隙を埋めるようにする。小さめのパッキンを使用すると、第１パッキン１０の嵌め込みが容易になることに利点がある。

図１と同様の構成を有するガスセンサを作成し、耐衝撃試験を行った。ガスセンサには、それぞれ、酸化ジルコニアを主体とする酸素イオン伝導性固体電解質の検出素子、ステンレス鋼を主体とする主体金具、アルミナを主体とするスリーブ及び支持部材、及び金属パッキンからなる第２パッキン及び第３パッキンを使用した。封止層は、バインダを含有しない滑石を充填して形成した。第１パッキンには、マイカパッキンを使用した。マイカパッキンは、市販の電熱用マイカ板から打ち抜いて作製した。使用した電熱用マイカ板は、軟質集成マイカをケイ素樹脂接着剤で貼り合わせたものである。マイカパッキンの大きさは、図２の形態において、外径Ｒが１１．４ｍｍ、内径ｒが７．４ｍｍであった。本発明のガスセンサにおけるパッキンの効果及び必要なパッキンの厚さを確認するため、パッキンの厚さｔを、０．３ｍｍ、０．４ｍｍ、０．５ｍｍ、０．８ｍｍ、及び１．０ｍｍと変更して、それぞれのパッキンを有するガスセンサについて試験を行った。また、対照試験として、マイカパッキン（第１パッキンに相当するもの）を使用しないガスセンサについても試験を行った。

衝撃試験の条件は、衝程５ｍｍ、衝撃頻度４００回／分、稼動時間５分間と冷却時間１分間を１サイクルとして５サイクルを一試験とした。衝撃試験の間、ガスセンサ先端部分に装着させたプロテクタを１０００〜１１００℃に加熱した。上記条件の試験を４回行い、封止層からの滑石のこぼれの有無を確認した。

マイカパッキンを使用しないガスセンサにおいては、すべての試験において封止層の後端側から滑石が漏れ出てしまった。封止層の先端側からの漏出は、第２パッキン及び第３パッキンによって防止されていた。一方、マイカパッキンを配置したガスセンサにおいては、滑石の漏出回数は減少した。さらに、パッキンの厚さを０．４ｍｍ以上にすると、滑石の漏出は認められなかった。これより、厚み０．４ｍｍ以上のマイカパッキンを設けることは、封止層の無機粉末の流出を防止する非常に有効な手段であることが分かる。

本発明のガスセンサの一実施形態における全体構成を示す断面図である。 本発明に使用される第１パッキンの正面図と側面図である。

符号の説明

１ ガスセンサ
２ 検出素子
５ 主体金具
１０ 第１パッキン
５１ 支持部材
５２ 封止層
５３ スリーブ
５５ 第３パッキン
９４ 第２パッキン

Claims (11)

1. 被測定ガスに先端側が晒される検出素子と、
   前記検出素子の先端側を突出させて内挿する環状の主体金具と、を備えるガスセンサにおいて、
   前記検出素子と前記主体金具との隙間に配設され、無機粉末を含有し、かつバインダの含有量が０．１ｗｔ％以下である封止層と、
   前記検出素子と前記主体金具間の前記封止層の後端側に配設され、厚さが０．４ｍｍ以上の第１パッキンと、を備える、ことを特徴とするガスセンサ。
2. 前記第１パッキン及び前記封止層は、６５０℃以上の雰囲気下において、化学的及び物理的に実質的に変化せず、かつ前記検出素子と主体金具間のインピーダンスが５０ｋΩ以上となる材質を主体とする、ことを特徴とする請求項１記載のガスセンサ。
3. 前記無機粉末は滑石を主体とする、ことを特徴とする請求項１又は２記載のガスセンサ。
4. 前記第１パッキンはマイカを主成分とする、ことを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載のガスセンサ。
5. 前記第１パッキンは電熱用マイカ板から形成されてなる、ことを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載のガスセンサ。
6. 前記第１パッキンは、前記検出素子と前記主体金具によって形成される、前記封止層の後端面の領域より大きいパッキンであり、圧入して配設されることにより前記領域を覆う、ことを特徴とする請求項１〜５のいずれか一項に記載のガスセンサ。
7. 前記第１パッキンは、前記検出素子と前記主体金具によって形成される、前記封止層の後端面の領域より小さいパッキンであり、押圧された状態で配設されることにより前記領域を覆う、ことを特徴とする請求項１〜５のいずれか一項に記載のガスセンサ。
8. 被測定ガスに先端側が晒される検出素子と、
   前記検出素子の先端側を突出させて内挿する環状の主体金具と、を有するガスセンサの製造方法において、
   前記検出素子と前記主体金具との隙間に、無機粉末を含有し、かつバインダの含有量が０．１ｗｔ％以下である封止粉末を充填する充填工程と、
   封止粉末の後端側に厚さ０．４ｍｍ以上の第１パッキンを嵌設する嵌設工程と、
   前記主体金具の後端側を内側に向かって加締める加締工程と、を含むことを特徴とするガスセンサの製造方法。
9. 前記第１パッキンは、前記検出素子と前記主体金具によって形成される、前記封止粉末の後端面の領域より大きいパッキンであり、
   前記嵌設工程は、前記第１パッキンを圧入する、ことを特徴とする請求項８に記載のガスセンサの製造方法。
10. 前記第１パッキンは、前記検出素子と前記主体金具によって形成される、前記封止粉末の後端面の領域より小さいパッキンであり、
    前記嵌設工程後、前記第１パッキンを押圧する、ことを特徴とする請求項８に記載のガスセンサの製造方法。
11. 前記無機粉末として滑石を使用し、そして
    前記第１パッキンを電熱用マイカ板から作製する、ことを特徴とする請求項８〜１０のいずれか一項に記載のガスセンサの製造方法。

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