JP2010019833A - ガスセンサ、酸素センサ及び空燃比制御システム - Google Patents

Abstract

【課題】本発明は、低圧縮荷重にて高密度な充填が可能となるシール部材、あるいは、シール部材
の保持力の低下又はシール部材の劣化を防止した酸素センサを主体としたガスセンサを、
及びそれを用いることによってエンジンの空燃比フィードバック制御を高精度にできる空
燃比制御システムを提供することにある。
【解決手段】ガス濃度検出素子と、前記ガス濃度検出素子を保持するホルダと、シール部材が圧縮充填
されたシール部で前記ガス濃度素子の測定部を前記ホルダにシールするガス濃度検出セン
サにおいて、前記シール部材は複数の種類の粒子形状からなる混合粉によって形成された
ことを特徴とする酸素等のガスセンサ。
【選択図】図４

Description

本発明は、例えば車両などに搭載された内燃機関の排気系に設置して排気ガス中の特定
成分を検出するガスセンサに関する。

一般に、自動車等の車両には排気管に例えば酸素センサを設け、該酸素センサを用い
て排気ガス内の酸素濃度を検出することによりエンジンの空燃比をフィードバック制御し
ている。

そして、このような酸素センサとして、酸素濃度を検出する検出素子と該検出素子を挿
入する挿入孔を設けたホルダにセラミック粉を圧縮充填して該検出素子と該ホルダの双方
間をシール、且つ位置決めしたものが知られている（例えば、特許文献１参照）。

特開２００５−２４１３４６号公報

しかしながら、上述した従来技術では酸素濃度検出素子表面に多孔質な膜が形成されて
おり、圧縮荷重を制限する必要があり、十分な検出素子とホルダ間の保持力が得にくい。

本発明は前述した事情によって鑑みてなされたものであり、本発明の目的は、低圧縮荷重にて高密度な充填が可能となるシール部材により、検出素子とホルダを強固に保持できる酸素センサを含むガスセンサを提供することにある。

本発明は上記の目的を達成するために、酸素濃度検出素子と、前記酸素濃度検出素子を保持するホルダと、シール部材が圧縮充填されたシール部で前記酸素濃度素子を前記ホルダにシールする酸素センサにおいて、前記シール部材は複数の種類の粒子形状からなる混合粉によって形成されたことを特徴とする酸素センサである。

本発明によれば、シール部材に複数の粒子形状からなる混合粉を用いることにより、低圧縮荷重で高密度なシール部材を得られる。

本発明の一実施形態を示し、酸素センサの全体断面図である。 本発明の一実施形態を示し、酸素センサの要部の拡大断面図である。 センサ部を示す図であって、（ａ）は、センサ部の側面図、（ｂ）は、図３（ａ）のＡ−Ａ断面図である。 球状アルミナ添加量と空孔率の関係を示したグラフである。 球状アルミナを配合した混合粉の加圧状態における構造図である。 薄片状タルク粒子と球状アルミナ粒子の粒度分布を示したグラフである。 球状アルミナの粒径と成形荷重の関係を示したグラフである。 球状粒子直径Ｄと薄片状タルク粒子長さＬの比（Ｄ／Ｌ）と空孔率の関係を示したグラフである。 球状アルミナ粒子を配合した混合粉の空孔率と通気量の関係を示したグラフである。 シール材の作製方法について示した図である。 成形圧力と空孔率の関係を示す図である。 空燃比制御システムの模式図である。

図１は、本発明の一実施形態にかかる酸素センサの縦断面図、図２は、本発明の一実施形態に係る酸素センサの要部の拡大断面図、図３は本発明の一実施形態に係る酸素センサのセンサ部を示す図であって、（ａ）は、センサ部の側面図、（ｂ）は、図３（ａ）のＡ−Ａ断面図である。

本実施形態にかかる酸素センサ（ガスセンサ）１は、図１に示すように、長尺円柱状のセンサ部３と、端子部７およびリード線４が組み付けられた筒状の絶縁碍子５とを備えている。

センサ部３の軸方向一方側（図１中下側）には、ガス検知部２が形成されている。また、センサ部３の軸方向他方側（図１中上側）の表面としての外周面３ｂには、電極部６が露出して設けられている。この電極部６は、ガス検知部２に電気的に接続されている。

絶縁碍子５の軸方向一方側の端面５ｃには、軸方向他方側に向けて凹む凹部５ｆが形成され、この凹部５ｆの内周面５ａに沿って、端子部７の鉤状に屈曲された部分が複数配置されて、これら複数の端子部７の間にセンサ部３の接続端部３ａが嵌合されるようになっている。

すなわち、センサ部３と絶縁碍子５とが組み付けられた状態では、端子部７の鉤状に屈曲された部分が、絶縁碍子５の凹部５ｆの内周面５ａと接続端部３ａの外周面３ｂとの間に形成される空間部Ｓに配置され、当該内周面５ａと外周面３ｂ上に露出した電極部６との間に挟持されるようになっている。
このとき、端子部７は、接触部Ｐ５で電極部６に接触している。

端子部７は、このように挟持されて生じる反発力によって電極部６に圧接され、当該電極部６と電気的に接続される。そしてこの端子部７は、軸方向他方側で、結合部１４を介してリード線４内の芯線４ａに電気的に接続されている。すなわち、ガス検知部２は、電極部６、端子部７、および結合部１４を介して、リード線４内の芯線４ａと電気的に接続されている。

そして、端子部７の一端部７ａは、リード線４の結合部１４から突出するリード板１４ａにスポット溶接されている。
また、固定部７ｂは、帯幅方向に拡幅して断面略Ｃ字状に丸めて形成されており、絶縁碍子５の取り付け穴１２に嵌挿されるようになっている。

また、センサ部３はホルダ部８の挿入孔８ａに嵌挿されている。このとき、センサ部３のガス検知部２はホルダ部８の一方側（図１中下側）に露出している。一方、センサ部３の接続端部３ａはホルダ部８の他方側（図１中上側）に露出しており、この接続端部３ａが絶縁碍子５の底面５ｇに対して軸方向に空隙部Ｓ１をあけて挿入されるようになっている。よって、センサ部３と絶縁碍子５との組み付け時、または組み付け後の例えば車両の振動等によってセンサ部３が移動した場合においても、絶縁碍子５の底面５ｇにセンサ部３が接触することが無い。

また、センサ部３と絶縁碍子５とが組み付けられた状態では、ホルダ部８と絶縁碍子５とが軸方向に相互に突き当てられ、ホルダ部８の軸方向他方側の端面８ｃと絶縁碍子５の軸方向一方側の端面５ｃとが相互に当接するようになっている。

さらに、本実施形態では、ホルダ部８の挿入孔８ａは、センサ部３をスムーズに嵌挿できるように、センサ部３の径よりも若干大径に形成されており、挿入孔８ａにセンサ部３を嵌挿した状態で、挿入孔８ａの内周とセンサ部３の外周との間に所定の隙間が形成されるようになっている。

ガス検知部２は、ホルダ部８に溶接（９ｇ）やスポット溶接、加締め等で固定された二重管９ａ，９ｂで構成された有底円筒状のプロテクタ９で覆われている。

プロテクタ９は、例えば金属材料、セラミックス材料等によって形成された内側プロテクタ９ａおよび外側プロテクタ９ｂを有している。このプロテクタ９は、ホルダ部８の先端側に配置され、その内周側に、ホルダ部８から突出するセンサ部３の突出端側が挿入されている。

外側プロテクタ９ｂの先端側９ｅは、内側プロテクタ９ａに向けて径方向内向きに縮径されており、この縮径部位に、内側プロテクタ９ａの外周側に隙間嵌めで嵌合される円形状の嵌合開口９ｆが設けられている。

このように、内側プロテクタ９ａおよび外側プロテクタ９ｂによってセンサ部３の突出端側を覆うことで、ガス検知部２を排気ガス中の異物等から保護することができる。

この内側プロテクタ９ａの一方側（図１中下側）の端部９ｄには、ガス流通用の流通孔９ｃが形成されている。検出ガスはその流通孔９ｃを経由してプロテクタ９内に進入して、ガス検知部２の周囲に到達する。

そして、ホルダ部８の軸方向他端側（図２中上側）には、挿入孔８ａを拡径させたシール材収納スペース１０が形成されている。そして、このシール材収納スペース１０に、耐熱性のシール部材１１ａを充填することでシール部１１が形成され、当該シール部１１によってセンサ部３と挿入孔８ａとの間の隙間の気密が保持されるようになっている。

そして、シール材収納スペース１０内に配置された押圧部材１９を加締め部８ｄによってセンサ部３の径方向内側へ向けて全周加締め等の手段を用いて曲げ加工することで、前記シール部材１１ａが加圧状態で充填され、センサ部３をホルダ部８に位置決めすることができ、そして、シール部１１は、ホルダ部８とセンサ部３との間の隙間等を塞ぎ、ホルダ部８内に外部の水分等が浸入するのを遮断するとともに、排気管内の排気ガス等がケーシング１３側に侵入するのを遮断する機能を有している。

また、シール材収納スペース１０の軸方向一端（図２中下側）には、軸方向一方側（図２中下側）に向けて荷重方向に徐々に小径となる傾斜面１０ａと、軸方向に垂直な底面１０ｂとが形成されており、この傾斜面１０ａの傾斜角度α は、この実施形態では約４５度に設定されている。そして、この傾斜面１０ａと底面１０ｂによってシール部材１１ａに対する加圧応力が、センサ部３側にも分散されることで、センサ部３とホルダ部８（挿入孔８ａ）間の気密保持、遮断機能が更に向上する。

ここで、シール部材１１ａは、複数の種類の粒子形状からなる混合粉によって構成され、例えば、未焼結の薄片状タルク粒子（平均粒子径：５〜２５μｍ）と球状アルミナ粒子（平均粒子径：１〜１０μｍ）の混合粉で構成されており、シール材収納スペース１０内に約１０ｋＮで加圧充填されている。

絶縁碍子５の凹部５ｆの底部５ｂには、端子部７の固定部７ｂを挿入する取り付け穴１２が周方向に等間隔をもって複数（本実施形態では４箇所）形成されている。このように複数の端子部７を周方向に等分配して配置することで、これら複数の端子部７の間に挟持されるセンサ部３を凹部５ｆの中心に配置しやすくしている。

絶縁碍子５の外周は略筒状のケーシング１３で覆われている。このケーシング１３の軸方向一端（図１中下端）側の開口部１３ａは、ホルダ部８の外周面に嵌着され、レーザー溶接等で一体に結合されて密閉されている（１３ｄ）。一方、ケーシング１３の他端（図１中上端）側は延長されて複数のリード線４の結合部１４を覆い、その端部はそれらリード線４を加締め部１３ｃによって気密状態で挿通するフッ素ゴム等の耐熱性のシールラバー１５を径方向内向きに縮径させることによって閉塞されている。

なお、絶縁碍子５と接続端部３ａとの間に設けた空間部Ｓは、シール部１１、シールラバー１５およびケーシング１３とホルダ部８との嵌着部分１３ｄによってほぼ気密性が保持されるが、リード線４の芯線４ａと被覆材４ｂとの微少な隙間のみを介して外部と連通し、ケーシング１３の内部に酸素濃度検出に用いる基準大気が導入されるようになっている。

また、上記構成の酸素センサ１は、ホルダ部８の一端部に形成したねじ部８ｂを排気管１８のねじ穴１８ａに螺入することで取り付けられ、この状態で、プロテクタ９で覆われたガス検知部２がその排気管１８内に突出する。なお、ホルダ部８と排気管１８の外周面との間はガスケット１６によってシールされる。

そして、排気管内を流通する排気ガスがプロテクタ９の流通孔９ｃから内部に流入すると、そのガス中の酸素濃度がガス検知部２によって電気信号として検知され、その電気信号の情報が２対のうちの１対の電極部６、端子部７、結合部１４、およびリード線４を介して外部に取り出される。なお、残りの１対の電極部６、端子部７、結合部１４、およびリード線４はガス検知部２内のヒータの加熱用として用いられる。

また、接続端部３ａと絶縁碍子５とを組み付けるにあたっては、それら接続端部３ａと絶縁碍子５とをセンサ部３の軸方向に相互に近接する方向に、絶縁碍子５の端面５ｃがホルダ部８の端面８ｃに突き当たる組付位置（図１）まで相対移動させる。このとき接続端部３ａは、凹部５ｆ内に挿入されるとともに、当該凹部５ｆの内周面５ａに沿って配置された複数（本実施形態ではセンサ部３の周方向に９０°おきに配置された四つ）の端子部７によって挟持されることになる。

なお、本実施形態では、センサ部３の接続端部３ａの先端にはその全周に亘って面取り３ｃが施されている。これにより、接続端部３ａの先端と端子部７との接触角度が浅くなって、当該先端あるいは端子部７の損傷が抑制される。

また、本実施形態では、図１に示すように、ケーシング１３と絶縁碍子５との間に、弾性部材として、断面Ｃ字状のＣリング１７を介在させている。Ｃリング１７は、本実施形態では、円環状に形成され、絶縁碍子５にその外周を取り囲むようにして嵌着される。また、Ｃリング１７の断面形状は、端部を切り欠かれた略Ｃ字状となっている。

このＣリング１７は、絶縁碍子５とケーシング１３との間に挟持されて弾性的または弾塑性的な反発力を生じさせ、絶縁碍子５をケーシング１３に対してホルダ部８側、すなわち軸方向一方側（図１中下側）に押し付ける力を生じさせている。これにより、絶縁碍子５はホルダ部８の端面８ｃに強固に固定されている。

また、このＣリング１７は、絶縁碍子５の外周とケーシング１３の内周との間に挟持されているため、絶縁碍子５の中心軸の直交方向（図１中上下方向）への振動を抑制することができる。排気管１８から伝達される振動のレベルが大きい場合、特に２輪車のような高周波の振動が生じる場合には、絶縁碍子５および端子部７の変位が増大し、端子部７がへたり易くなる虞があるが、本実施形態では、このＣリング１７によって、絶縁碍子５の振動を抑制するとともに端子部７による絶縁碍子５の振動抑制効果と協働して、より端子部７のへたりを抑制することができる。

また、本実施形態では、絶縁碍子５の外周の、軸方向一方側の端面５ｃと他方側の端面５ｄの間となる位置に、ホルダ部８の反対側（軸方向他方側、図１中上側）に向けて小径となる段差部５ｅを設けてある。そして、ケーシング１３にも、ホルダ部８の反対側に向けて小径となる段差部１３ｂを設け、段差部５ｅにＣリング１７を装着して、当該段差部５ｅと段差部１３ｂとによってＣリング１７を挟持するようにしてある。

酸素センサ１は、ホルダ部８の一端部に形成したねじ部８ｂを排気管１８のねじ穴１８ａに螺入することで取り付けられる。酸素センサが車両の排気管１８に搭載された場合、排気管１８から伝達される振動の振幅は排気管１８から離間するほど（すなわちリード線４側ほど）大きくなって、排気管１８に近付くほど（固定端ほど）小さくなる。本実施形態では、段差部５ｅを設けてＣリング１７を排気管１８側により近付けて配置することができる分、振幅がより小さい位置で振動の抑制を図ることができるため、振動抑制効果をより増大させることができ、Ｃリング１７もより小型化したものを使用することができる。

さらに、本実施形態では、Ｃリング１７を、複数の端子部７を取り囲むように、これら端子部７に対してセンサ部３の中心軸の径方向外側に配置している。

また、本実施形態では、段差部５ｅに、軸方向に対して傾斜する傾斜面（軸方向一方側へ向かうほど拡径されるテーパ面）を設け、この傾斜面にＣリング１７を装着してある。このため、Ｃリング１７によって、絶縁碍子５に軸方向ならびに径方向の双方に弾性力を作用させることができ、比較的簡素な構成によって絶縁碍子５のホルダ部８への押し付けと振動抑制との双方の効果を得ることができる。

次に、本発明の一実施形態にかかるセンサ部３の構成について図３を用いて説明する。

本実施形態にかかるセンサ部３は、基体部２８を有しており、この基体部２８は、図３に示すように、細長いロッド状に形成された心棒部となるヒータ部であるとともに、例えばアルミナ等のセラミックス材料により小径の中実ロッド状に形成された芯ロッドとしてのヒータコア２１と、ヒータパターン２２と、絶縁性のヒータ被覆層２３とを備えている。

ここで、ヒータパターン２２は、例えばアルミナを混合した白金等の発熱性導体材料からなり、ヒータコア２１の外周面に曲面印刷等の手段を用いて形成されている。また、ヒータパターン２２は、ヒータコア２１の先端側から基端側に向けて延びる一対のリード部（図示せず）を有しており、これらのリード部は、ヒータコア２１の基端側で各端子部７に接続されている。

このヒータパターン２２は、外部のヒータ電源（図示せず）から各リード部を介して給電されることにより、例えばヒータコア２１の温度が約７２０℃〜８００℃程度の温度となるように当該ヒータコア２１を発熱させるものである。

また、ヒータ被覆層２３は、ヒータパターン２２を径方向外側から保護するために、例えばアルミナ等のセラミックス材料を曲面印刷等の手段でヒータコア２１の外周側に厚膜印刷することにより形成されている。

また、図３に示すように、基体部２８の表面上には前述のヒータパターン２２とは別の位置（本実施形態においてはヒータパターン２２とは径方向の対向位置）に形成された緩和層２７を含んで順次積層された機能層３０および当該機能層３０の外面を全体的に覆う保護層３１等が曲面印刷等の手段を用いて積層化するように形成されている。また、前記機能層３０は前記ヒータパターン２２に対応する位置に形成されていても良い。

機能層３０は、図３に示すように、酸素イオン伝導性を有する固体電解質層２４と、この固体電解質層２４の基体部２８側に位置する内側電極層２５と、この内側電極層２５に対して固体電解質層２４の反対側に位置する外側電極層２６と、固体電解質層２４の基体部２８側に位置し、固体電解質層２４に向けて基準ガスである外気（大気）を導く緩和層２７とを含んでいる。

固体電解質層２４は、例えばジルコニアの粉体中に所定重量％のイットリアの粉体を混合させたペースト状物を印刷、焼成する事により形成されている。そして、この固体電解質層２４は、内側電極層２５と外側電極層２６との間で、周囲の酸素濃度差に応じた起電力を発生させ、その厚さ方向に酸素イオンを輸送するものである。すなわち、固体電解質層２４と一対の電極である内側電極層２５および外側電極層２６とで、酸素濃度を電気信号として取り出す酸素測定部２９が形成されている。また、図３に示すように、固体電解質層２４は、その一部がヒータコア２１や後述する緩和層２７に接するように形成されている。このように、緩和層２７は、少なくとも基体部２８と固体電解質層２４との界面に形成されるものである。

内側電極層２５および外側電極層２６は、それぞれ導電性を有し、かつ酸素が通過できる材料（例えば白金等）により形成されている。そして、内側電極層２５と外側電極層２６との間に生じた出力電圧を検出できるようになっている。

緩和層２７は、例えばアルミナの粉体（所定重量のジルコニアの粉体を混合してもよい）からなるペースト状物を曲面印刷等の手段を用いて基体部２８（本実施形態ではヒータコア２１）の表面の外周側に厚膜印刷することで図３に示すような円弧状に形成されている。

そして、緩和層２７は連続した空孔を有する多孔質構造に形成されており、センサ部３の周囲を流れる被測定ガスの一部を緩和層２７の内部に拡散させつつ、この被測定ガスを前述の内側電極層２５に向けて透過させる機能を有している。

なお、本実施形態では、緩和層２７は、絶縁性材料（例えばアルミナ）と固体電解質（例えばジルコニア）とのセラミック混合体により形成されており、当該緩和層２７は、固体電解質層２４の焼結時に固体電解質層２４とヒータコア２１との間に生じる応力差を緩和する機能も有している。

さらに、固体電解質層２４を除いた機能層３０の外面には、保護層３１が形成されており、この保護層３１の外面には、拡散層３２が保護層３１や固体電解質層２４を覆うように形成されており、この拡散層３２の外面には、スピネル製保護層３３が拡散層３２の外面を含めた領域を覆うように形成されている。

保護層３１は、測定対象ガス中の酸素が内面側に透過できない材料、例えば、アルミナ等のセラミック材料によって形成されている。そして、この保護層３１は、固体電解質層２４の一部外面および両電極層２５，２６の領域を除いて、例えば外側電極層２６が露出するように形成されている。

拡散層３２は、測定対象ガス中の有害ガス、ダスト等は内面側に通過できないが、測定対象ガス中の酸素は通過できる材質、例えば、アルミナと酸化マグネシウムの混合物の多孔質構造体によって形成されている。

スピネル製保護層３３は、測定対象ガス中の酸素を通過できる多孔質構造をしており、保護層３１より粗い多孔質体によって形成されている。

ここで、前述した従来技術では、酸素濃度を検出する検出素子ホルダにセラミック粉を用いて圧縮充填して該検出素子と該ホルダの双方間をシール、且つ位置決めする場合において、検出素子表面に形成される多孔質な膜に組織破壊等が生じない範囲において圧縮成形を行うため、圧縮荷重を制限する必要がある。この場合、一種のセラミック粉を使用する従来技術では十分な検出素子とホルダ間の保持力が得にくいという問題があった。

これに対して、本実施形態においてはシール部１１に充填されるシール部材１１ａとして複数の粒子形状からなる混合粉体を用いることにより、低圧縮荷重で高密度なシール部材を得られことで、検出素子表面に形成された多層膜を破壊することなく検出素子とホルダを強固に保持すること可能となる。

ここで、本発明の一実施形態にかかるシール部材１１ａの構成として、第一の粒子形状を薄片状タルク粒子、第二の粒状形状を球状アルミナ粒子の混合粉からなる構成の例を図４〜図１１に示す。

第４図に、横軸に球状アルミナ粉末添加量（vol%）,縦軸に空孔率(％)をとった本シール部材１１ａの成形性を示す。成形圧力は５ｋＮと１０ｋＮとし、圧縮成形の結果から成形圧力５ｋＮの条件では球状アルミナ粒子の配合量を多くすることにより空孔率が増大し、高密度な混合体を形成できなかった。しかしながら、成形圧力１０ｋＮの条件において球状アルミナ粒子の配合量３〜３０ｖｏｌ％の領域において大きな空孔率減少の効果が確認できた。上記より、薄片状タルク粒子に球状アルミナ粒子を配合した効果が確認された。

そこで本実施形態におけるシール部材１１ａの微細構造を調査した。微細構造の調査結果を第５図に示す。本実施形態におけるシール部材１１ａでは、薄片状タルク粒子間に球状アルミナ粒子が存在しており、そこで圧縮過程において薄片状タルク粒子を変形させることにより、空孔を大きく減少させていることが確認できた。この効果は球状アルミナ粒子を配合した０．５〜７５ｖｏｌ％（薄片状タルク粒子：９９．５〜２５ｖｏｌ％）の全領域で確認できたが、球状アルミナ粒子が４５ｖｏｌ％以上の場合、成形後の型離れ性が低下し、シール部材取だし過程において表面・側面の欠落及び割れが確認された。上記より、球状アルミナ粒子の配合量は４５ｖｏｌ％以下、好ましくは３０ｖｏｌ％以下が良い。

また、上記により空孔率を低減可能であることからシール部材１１ａの成形体密度も向上し、強固なセンサ部３の保持が可能となった。また前述した従来技術においては、シール部の圧縮充填において、検出素子とホルダ間の隙間からシール部材が流出する場合があったが、本実施形態における球状アルミナ粒子が当該隙間に入ることによりと同時に薄片状タルク粒子の流出を低減することができる。また、薄片状粒子間に球状粒子が入り込むことで、ガス等の気体の流通を封止できることで、シール部材１１ａのシール性を良好なものとすることができた。

次に、圧縮成形に用いた薄片状タルク粒子および球状アルミナ粒子の粒度分布測定結果代表例を第６図に示し、圧縮成形を行った薄片状タルク粒子の粒度分布はＤ50％：15.0μｍ、球状アルミナ粒子の粒度分布はＤ50％：1.7μｍ〜Ｄ50％：15.0μｍである。また、第７図に球状アルミナ粒子の平均粒子径をパラメータとして横軸に示す成形圧力(ｋＮ)と縦軸に示す空孔率(％)の関係を示す。図７に示す通り、成形圧力１０ｋＮの場合、粒子径が大きくなるに従い、空孔率が増大した。また、本実施形態においては第二の球状粒子として、球状アルミナ粒子単独の場合を例に示したが、薄片状タルク粒子に対して添加する球状粒子の配合量は、体積量（ｖｏｌ％）が薄片状タルク粒子に対して４５ｖｏｌ％以下であれば、例えば球状アルミナ粒子と球状ＳｉＯ２粒子の混合粉、または球状アルミナ粒子と球状ＳｉＯ２粒子、球状ＺｒＯ２粒子の混合粉を薄片状タルク粒子と混合させても良い。

第８図に成形圧力：１０ｋＮの場合のＤ／Ｌと空孔率（％）の関係を示す。Ｄ／Ｌは、薄片状タルク粒子の長さ方向Ｌに対して、球状粒子の直径をＤとした場合の比である。球状粒子径が大きくなるに従い空孔率が増大したが、Ｄ／Ｌ：０．７までの領域において、球状粒子配合無の場合よりも空孔率低減効果が確認できた。この結果は薄片状タルク粒子間に球状粒子が存在し、且つ球状粒子周囲を薄片状粒子長さＬで覆う事が可能な領域を示していると考えられる。また、球状粒子添加量は添加量を増大させた場合（図４）と同等の効果が得られた為、前記薄片状タルク粒子７０ｖｏｌ％以上に対して球状粒子が３０ｖｏｌ％以下の範囲であれば、球状アルミナ粒子、球状ＳｉＯ２粒子、球状ＺｒＯ２粒子のいずれの配合粉をシール部材２０としても用いても良い。

本実施形態のシール効果を確認する為、薄片状タルク粒子に対し、球状アルミナ粒子を
配合した混合粉のシール部材１１ａの通気量試験を行った。試験に用いたシール部材は圧縮成形後の厚みを一定とするため、粉末の重量調整を行い、厚さ：３ｍｍとした。試験結果を第９図に示す。球状アルミナ粒子配合なしの場合と比較して配合ありのシール部材
１１ａは空孔率の減少と共に通気量も大きく低減し、シール効果の改善を確認できた。また、通気量を低減させる為には空孔率低減が重要な要素であると共に空孔率：２０％以下とすることでシール性を良好なものとすることが確認できた。

また、本実施形態の酸素センサは６００度程度の高温環境にさらされることから、レー
ザ式熱膨張測定装置によりシール部材１１ａの熱膨張特性の測定を行った。熱膨張係数は検出素子が7.4×10-6/℃に対して、球状アルミナ粒子を添加なしのシール部材１１ａ（薄片状タルク粒子）は4.8×10-6/℃であるが、薄片状タルク粒子に対して、熱膨張係数の大きい球状アルミナ粒子を４５ｖｏｌ％以下で配合した場合、熱膨張係数が6.2×10-6/℃と大きくなり、高温環境化における熱膨張差を小さくし、シール部材１１ａの劣化を防げる効果を確認した。また、球状ＳｉＯ２粒子、球状ＺｒＯ２粒子の熱膨張係数は各々0.5×10-6/℃、7.8×10-6/℃であり、前記球状アルミナ粒子配合の場合と同様に、薄片状タルク粒子に対して体積量：４５ｖｏｌ％以下で配合しても良い。上記よりセンサ部３の材料と同等の熱膨張特性を有する球状粒子をタルクに配合することにより高温環境での使用時に、センサ部３とシール部材１１ａとの剥離を防止できるシール部材２０が作製可能である。

以下、上記酸素センサ１に使用したシール部材１１ａの作製方法について説明する。第図１０に示すように混合容器に薄片状タルク粒子を投入し、約１５分間乾式混合。次に前記薄片状タルク粒子に対して規定量の球状アルミナ粒子を配合し、約４５分間乾式にて混合して混合粉を作製した。

ここで使用した粒子はレーザー回折式粒度計による測定において、薄片状タルク粒子が平均粒子径(D50%):15μｍ、球状アルミナ粒子(D50%):1.7μｍであった。第１１図に前記薄片状タルク粒子と前記球状アルミナ粒子の成形性を確認するため、機械プレスにて圧縮成形した結果を示す。また、成形に用いた粉末は電子天秤にて測定を行い、０．５ｇとした。

上記はいわゆる乾式混合について説明した。混合・粒子の分散性を向上させる観点から
湿式(例えばエチルアルコール等を添加した後、混合し乾燥させて乾粉を得る)も適用可能である。

薄片状タルク粒子は成形圧力６０ｋＮ以下の加圧条件において空孔率が減少、７０ｋＮ以上では空孔率が増大した。本実施形態におけるタルク粒子は薄片形状粒子であることから７０ｋＮ以上の成形圧力では粒子同士が反発仕合い、圧縮圧力開放と同時に膨張したためと考えられる。球状アルミナ粒子は成形圧力６０ｋＮまで空孔率の減少が確認されたが変化は少なかった。また、圧縮成形後のシール部材取り出し過程において、６０ｋＮ以上では成形型への付着が増大し表面及び側面の欠落が確認され、シール部品の寸法精度が低下した。更にシール部材の厚みが３ｍｍ以下の場合、成形型への付着力が非常に強いため取り出し過程において多数の割れ、シール部材の厚みが１５ｍｍ以上の場合、前記粒子同士の反発に伴う割れ・剥離が層状に発生し、シール部材を乾式成形する事が不可能であった。上記より、薄片状タルク粒子を１０ｋＮ〜６０ｋＮの範囲において成形することで、気孔率：１３％のシール部材１２の成形が可能なことが確認できた。但し、薄片状タルク粒子１種において高密度なシール部材を得る為には高圧縮力を必要とする。

以上のように、本実施形態によれば、シール部材に薄片状粒子と球状粒子を用いること
により、低圧縮荷重で高密度なシール部材を得られ、検出素子表面に形成された多層膜を破壊することなく検出素子とホルダを強固に保持することが可能となる。

また、球状粒子の適用により検出素子とホルダの両者間に生じた所定の隙間からシール部材１１ａの流出を低減する効果および検出素子と同様の原料を適用することで高温環境下での酸素センサ使用時に材料の熱特性を整合させることができ、シール部材１１ａの劣化を防ぎ、高精度な酸素濃度検出が可能となる。

更に、シール部材の厚みは３ｍｍ以上〜１５ｍｍ以下であればハンドリング性の確保および圧縮成形における割れや剥離の発生が無く、且つ寸法精度確保が容易な事から、シール部材の厚みをさほど大きくすることなく小型化が可能で、高密度且つ強固な保持特性を有する酸素センサの実現が可能となる。

以上、本発明の酸素濃度検出素子を図示の実施形態に基づいて説明したが、本発明はこ
れに限定されるものではなく、各部の構成は同様の機能を有する任意の構成のものに置き
換えることが可能である。

また、上述した実施形態では、円柱形状のセンサ部３によって形成されているが、円柱形状以外の形状、例えば外面がフラットな形状であっても本発明は同様に適用することが可能である。

以上実施形態おいて薄片状タルク粒子として平均粒子径：５〜２５μｍと球状アルミナ
粒子：平均粒子径：１〜２０μｍを用いたが、本発明の効果が得られる範囲において粒子
径を変化させてもよい。

また、以上実施形態では、第一の粒状形状として薄片状タルク粒子を、第二の粒状形状
として球状アルミナ粒子の例を主として示した。第一の粒状形状としては薄片状に限らず、粒子の長さをＬ、第二の球状粒子の直径をＤとすると、その粒子の長さＬがＤ／Ｌ≦０．７を満足する片状粒子であればよい。

更に、以上実施形態において、シール部材１１ａとして薄片状タルクを使用した。これに対し、タルクに代表される薄片状粒子以外のもの、例えば、圧縮過程において層状構造の形成が可能な雲母などを使用しても良い。

また、以上実施形態では、第二の粒子形状として球状を例に示したが、それに限るものではない。

また、第一の粒状形状として薄片状のほか上記に記載の条件を満足する片状形状粒子を
複数混在させてもよく、また、第二の粒状形状として球状と角状のものを混在させてもよ
い。

最後に、以上の実施形態では、酸素センサを例にとって説明したが、同じようにセンサ
をシールするようなその他の気体をセンスするセンサにも適用可能である。

次に、図１２を用いて本発明のシール部材を使用した空燃比制御システムの実施形態を説明する。

空燃比制御システム１００は、内燃機関３２と、エアフローメータ３４及び排気管３０
の酸素量を検出する酸素センサ１の検出結果に基づいてインジェクタ３５を制御し、内燃
機関３２への燃料・空気の噴射量を制御するコンピュータであるＥＣＵ３３と、内燃機関３１の排気ガスを浄化する触媒３６からなる。

ここで、上記実施形態の酸素センサ１は、６００度程度の高温環境で使用でき、従来と
比較してシール部材は約２０％の通気量低減し、大幅にシール効果の改善ができることか
ら、それだけ空燃比制御を高精度にできる。

１・・酸素センサ、 ２・・ガス検知部、 ３・・センサ部、 ４・・リード線
５・・絶縁碍子、 ６・・電極部、 ７・・端子、 ８・・ホルダ部、
８ａ・・挿入孔、 ９・・プロテクタ、 １０・・シール材充填スペース、
１１・・シール部、 １１ａ・・シール部材、 １３・・ケーシング、
１５・・シールラバー、 ３２・・内燃機関、 ３３・・ECU(コンピュータ)、
３４・・エアフローメータ、 ３５・・インジェクタ、 ３６・・触媒、
１００・・空燃比制御システム。

Claims (11)

1. 酸素濃度検出素子と、前記酸素濃度検出素子を保持するホルダと、シール部材が圧縮充
   填されたシール部で前記酸素濃度素子を前記ホルダにシールする酸素センサにおいて、前記シール部材は複数の種類の粒子形状からなる混合粉によって形成されたことを特徴とする酸素センサ。
2. 前記混合粉は少なくとも２種類の粒子形状からなることを特徴とする請求項１に記載の
   酸素センサ
3. 前記２種類のうちその第一の種類は薄片状粒子形状であり、その第二の種類は球状粒子
   形状であることを特徴とする請求項２に記載の酸素センサ。
4. 前記球状粒子の含有量は薄片状粒子に対し、４５ｖｏｌ％以下に設定したことを特徴とする請求項３に記載の酸素センサ。
5. 前記薄片状粒子の長さＬ、球状粒子の直径をＤとしたとき、Ｄ／Ｌ≦０．７であること
   を特徴とする請求項３に記載の酸素センサ。
6. 前記第一の種類である薄片状粒子がタルクであり、前記第二の種類である球状粒子がア
   ルミナ(Ａｌ２Ｏ３)、ＳｉＯ２、ＺｒＯ２のうち少なくとも一つの粒子を含むこと特徴と
   する請求項３に記載の酸素センサ。
7. 前記薄片状タルク粒子の平均粒径を５〜２５μｍ、前記球状アルミナ粒子の平均粒径を
   ０．５〜１０μｍとしたことを特徴とした請求項６に記載の酸素センサ。
8. 前記２種類のうちその第二の種類は球状粒子形状であり、第一の種類は球状粒子形状に
   対し含有量が５５ｖｏｌ％以上である片状粒子形状であることを特徴とする請求項２に記
   載の酸素センサ。
9. ガス濃度検出素子と、前記ガス濃度検出素子を保持するホルダと、シール部材が圧縮充
   填されたシール部で前記ガス濃度素子の測定部を前記ホルダにシールするガス濃度検出セ
   ンサにおいて、前記シール部材は複数の種類の粒子形状からなる混合粉によって形成されたことを特徴とするガスセンサ。
10. 内燃機関，前記内燃機関の排気ガスに含まれる酸素濃度を検出する酸素センサおよび前
    記酸素センサからの出力に基づいて空燃比を制御するコンピュータを有する空燃比制御システムにおいて、前記酸素センサは、シール部材を圧縮充填してその測定部をシールするシール部を有し、前記シール部材は複数の種類の粒子形状からなる混合粉によって形成されたことを特徴とする空燃比制御システム。
11. 前記複数の種類の粒子形状のうちその第一の種類は薄片状粒子形状であり、その第二の種類は球状粒子形状であることを特徴とする請求項１０に記載の空燃比制御システム。

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