JP2015178988A - ガスセンサ - Google Patents

Abstract

【課題】筒状体とセンサ素子との間の気密性能をより向上させる。
【解決手段】ガスセンサ１０において、金属製の主体金具４２の内周面４２ｃとセンサ素子２０との間を圧粉体４５ａで封止するにあたり、内周面４２ｃの算術平均粗さＲａが０．１〜２μｍとなっている。また、ガスセンサ１０は、主体金具４２の貫通孔内に配置されると共に内部をセンサ素子２０が貫通し、圧粉体４５ａを軸方向の両側から挟んで押圧するサポーター４４ａ，４４ｂ、を備えている。そして、サポーター４４ａ，４４ｂの少なくとも一方の表面の算術平均粗さＲａが０．５μｍ以下となっている。
【選択図】図１

Description

本発明は、ガスセンサに関する。

従来、自動車の排気ガスなどの被測定ガスにおけるＮＯｘなどの所定のガスの濃度を検出するガスセンサが知られている。例えば、特許文献１には、所定のガスの濃度を検出するセンサ素子と、センサ素子が内部を貫通する筒状体と、センサ素子の先端に所定のガスを導入するガス導入口が形成されたカバーと、を備えたガスセンサが記載されている。

また、特許文献２には、凹部と凹部の底部に形成された貫通孔とを有するセラミックホルダ（筒状体）と、凹部及び貫通孔に挿入されたガスセンサ素子と、ガスセンサ素子と凹部との隙間に充填された封止材（熔融したガラス粉）が充填されたガスセンサが記載されている。このガスセンサでは、セラミックホルダの凹部の内周面の表面粗さを０．３μｍ以上とし、且つ凹部の底部の表面粗さを内周面の表面粗さよりも大きくすることで、凹部内面と封止材との接合不良を抑制して良好な気密状態を得ることができるとしている。また、セラミックホルダの凹部の内周面の表面粗さは２μｍ以上が好ましく、５μｍ以上がより好ましいことが記載されている。

国際公開２０１３／００５４９１号 特許第４３４５２６号公報

ここで、特許文献２のようにセンサ素子と筒状体との間を封止材などにより封止して気密性能を高めることは、ガスセンサの測定精度の向上に繋がるため、重要である。また、近年では、ガスセンサをより小型化する要望があるが、小型化すると封止材の軸方向長さが短くなり、気密性能が不十分になりやすい。また、封止材の封止圧力（封止荷重）を高めることで気密性能を高めることも可能であるが、圧力を高めすぎるとセンサ素子や筒状体が割れるなどの問題が生じる場合があった。

本発明はこのような課題を解決するためになされたものであり、筒状体とセンサ素子との間の気密性能をより向上させることを主目的とする。

本発明のガスセンサは、
センサ素子と、
前記センサ素子が内部を軸方向に貫通する貫通孔を有する金属製の筒状体と、
前記貫通孔内に配置され、該貫通孔の内周面と前記センサ素子との間に充填された圧粉体と、
を備え、
前記筒状体は、前記内周面のうち少なくとも前記圧粉体に接する部分の算術平均粗さＲａが０．５〜５μｍである、
ものである。

この本発明のガスセンサでは、金属製の筒状体の内周面とセンサ素子との間を圧粉体で封止するにあたり、内周面のうち少なくとも圧粉体に接する部分の算術平均粗さＲａが０．５〜５μｍとなっている。これにより、筒状体とセンサ素子との間の気密性能がより向上する。この理由は、筒状体の内周面の算術平均粗さＲａを０．５μｍ以上とすることで圧粉体と筒状体の接触面積が増え、圧粉体−筒状体間のガスリーク量が減少するためであると考えられる。また、筒状体の算術平均粗さＲａを５μｍ以下とすることで、内周面の凹凸が大きすぎる場合と比べて圧粉体を筒状体表面の谷の部分（凹部）に十分に充填することができ、圧粉体−筒状体間の隙間の発生による気密性の低下を抑制することが可能なためであると考えられる。

本発明のガスセンサは、前記圧粉体を前記軸方向の両側から挟んで押圧する第１部材及び第２部材、を備え、前記第１，第２部材の少なくとも一方は、前記圧粉体を押圧する押圧面の算術平均粗さＲａが０．５μｍ以下としてもよい。こうすることで、例えば算術平均粗さＲａが０．５μｍ超過の場合と比べて押圧面が滑らかであるため、押圧面に沿った方向、すなわち筒状体の径方向に圧粉体が広がりやすくなる。換言すると、圧粉体が押圧面に引っかかりにくくなる。そのため、第１，第２部材からの押圧力が圧粉体を介して効率よく筒状体の内周面やセンサ素子に作用し、気密性能がより向上する。

上述した第１，第２部材を備える態様の本発明のガスセンサにおいて、前記第１，第２部材は、前記貫通孔内に配置されると共に内部を前記センサ素子が貫通し、前記圧粉体を軸方向の両側から挟んで押圧する第１，第２サポーターとしてもよい。

この場合において、前記筒状体は、縮径部を有しており、前記第１，第２サポーターの一方は、前記軸方向で前記縮径部と前記圧粉体との間に配置されて該縮径部からの押圧力により前記圧粉体を押圧していてもよい。さらに、前記第１，第２サポーターの一方が前記縮径部と前記圧粉体との間に配置され、他方が前記筒状体の前記貫通孔内に形成された底面と前記圧粉体との間に配置されており、前記縮径部と前記底面との間に挟まれることで前記第１，第２サポーターが前記圧粉体を押圧していてもよい。

上述した第１，第２部材を備える態様の本発明のガスセンサにおいて、前記第１，第２部材の一方は、前記筒状体であり、前記筒状体は、前記内周面と、算術平均粗さＲａが０．５μｍ以下である前記押圧面と、を有していてもよい。この場合において、前記筒状体の前記押圧面は、該筒状体の前記貫通孔内に形成された底面としてもよい。

本発明のガスセンサにおいて、前記圧粉体を構成する粒子の平均粒径は１５０〜３００μｍとしてもよい。こうすることで、上述した内周面と圧粉体との隙間がより少なくなるため、筒状体とセンサ素子との間の気密性能がさらに向上する。

ガスセンサ１０の縦断面図。 一次組立品１４１の製造プロセスを模式的に示す断面図。 変形例のガスセンサ２１０の縦断面図。 変形例のガスセンサ３１０の縦断面図。 変形例のガスセンサ４１０の縦断面図。 試験器５００を用いた気密性試験の概略説明図。 実験例１〜２８における封止荷重とリーク量との関係を示すグラフ。 実験例１〜２８における算術平均粗さＲａとリーク量の関係を示すグラフ。

次に、本発明の実施形態について、図面を用いて説明する。図１は、本発明の一実施形態であるガスセンサ１０の縦断面図である。図１に示すように、ガスセンサ１０は、被測定ガスから所定のガス成分を測定するセンサ素子２０と、センサ素子２０の一方の端部を保護する保護カバー３０と、センサ素子２０と導通するコネクタ５０を含むセンサ組立体４０とを備えている。このガスセンサ１０は、例えば車両の排ガス管に取り付けられて被測定ガスとしての排気ガスに含まれるＮＯｘやＯ₂等のガス成分を測定するために用いられる。

センサ素子２０は、細長な長尺の板状体形状の素子であり、ジルコニア（ＺｒＯ₂）等の酸素イオン伝導性固体電解質層からなる例えば６枚のセラミックス基板を積層して形成されている。なお、センサ素子２０の保護カバー３０側の端部（図１の下端）を先端と表記し、コネクタ５０側の端部（図１の上端）を基端と表記する。このセンサ素子２０の基端表面及び裏面には、センサ素子２０に電圧を印加したり、センサ素子２０が検出するガス成分の濃度に応じて生じる起電力又は電流を取り出したりするための図示しない電極が形成されている。この電極は、センサ素子２０内部の電路を介してセンサ素子２０の先端内の電極と導通している（図示せず）。

保護カバー３０は、図１に示すように、センサ素子２０の先端の周囲を取り囲むように配置されている。この保護カバー３０は、センサ素子２０の先端を覆う内側保護カバー３１と、この内側保護カバー３１を覆う外側保護カバー３２とを備えている。内側保護カバー３１は、筒状に形成され、被測定ガスを流通させるための内側保護カバー孔３１ａ，３１ｂを備えている。外側保護カバー３２は、有底筒状に形成され、被測定ガスを流通させるための外側保護カバー孔３２ａ，３２ｂを側面に備えている。内側保護カバー３１，外側保護カバー３２は、例えばステンレス鋼などの金属製である。

センサ組立体４０は、センサ素子２０を封入固定する素子封止体４１と、素子封止体４１に取り付けられたナット４７，外筒４８と、センサ素子２０の基端に接続されたコネクタ５０と、を備えている。素子封止体４１は、センサ素子２０を固定すると共に、センサ素子の先端側である保護カバー３０内の空間と基端側である外筒４８内の空間との間を封止するものである。この素子封止体４１は、筒状の主体金具４２と、主体金具４２と同軸になるように端部で溶接固定された筒状の内筒４３と、主体金具４２及び内筒４３の内側の貫通孔内に封入されたサポーター４４ａ〜４４ｃ，圧粉体４５ａ，４５ｂ，メタルリング４６と、を備えている。

主体金具４２は、図中の上端である端部４２ａと、下端である肉厚部４２ｂと、内部を軸方向（図１の上下方向）に貫通する貫通孔と、貫通孔の内周面４２ｃと、を有する金属製の部材である。端部４２ａは内筒４３と溶接されている。肉厚部４２ｂは、基端側の面（図１の上面）である底面４２ｄを貫通孔内に有し、サポーター４４ａが図１の下側に飛び出さないようにこれを押さえている。内周面４２ｃには、図示しない螺旋状の溝が形成されており、この溝により算術平均粗さＲａが０．５〜５μｍとなっている。また、内周面４２ｃは、サポーター４４ａ，４４ｂ，圧粉体４５ａと接している。

内筒４３は、主体金具４２よりも厚さの薄い金属製の部材であり、主体金具４２と溶接される側の端部にフランジ部４３ａを有し、反対側の端部には先端にいくほど内径が大きくなる拡管部４３ｂを有している。また、内筒４３には、圧粉体４５ｂを内筒４３の中心軸方向に押圧するための縮径部４３ｃと、メタルリング４６を介してサポーター４４ａ〜４４ｃ，圧粉体４５ａ，４５ｂを図１の下方向に押圧するための縮径部４３ｄとが形成されている。内筒４３のうちフランジ部４３ａ，拡管部４３ｂ，縮径部４３ｃ，４３ｄ以外の部分の内径は、主体金具４２のうち肉厚部４２ｂ以外の内径（内周面４２ｃの内径）と略同一である。

サポーター４４ａ〜４４ｃは、例えばアルミナ、ステアタイト、ジルコニア、スピネルなどのセラミックスからなる部材である。圧粉体４５ａは、例えばタルクやアルミナ粉末、ボロンナイトライドなどのセラミックス粉末を成型したものである。サポーター４４ａ〜４４ｃの表面は、算術平均粗さＲａが０．５μｍ以下であることが好ましい。圧粉体を構成する粒子の平均粒径は１５０〜３００μｍであることが好ましい。圧粉体４５ａはサポーター４４ａ，４４ｂ間に充填され、サポーター４４ａ，４４ｂにより両側（上下）から挟まれて押圧されている。圧粉体４５ｂはサポーター４４ｂ，４４ｃ間に充填され、サポーター４４ｂ，４４ｃにより両側（上下）から挟まれて押圧されている。なお、サポーター４４ａ〜４４ｃ，圧粉体４５ａ，４５ｂは縮径部４３ｄ及びメタルリング４６と、主体金具４２の肉厚部４２ｂの底面４２ｄと、に挟まれて上下から押圧されている。また、センサ素子２０は主体金具４２，内筒４３の中心軸上に位置するとともにサポーター４４ａ〜４４ｃ，圧粉体４５ａ，４５ｂ内を貫通しており、これらによって固定されている。

ナット４７は、主体金具４２と同軸に固定されており、雄ネジ部４７ａにより例えば車両の排ガス管に取り付け可能になっている。外筒４８は、内筒４３，センサ素子２０，コネクタ５０の周囲を覆っており、コネクタ５０に接続されたリード線５５が外部に引き出されている。このリード線５５は、コネクタ５０を介してセンサ素子２０の各電極と導通している。外筒４８とリード線５５との隙間はゴム栓５７によって封止されている。

続いて、ガスセンサ１０の製造方法について説明する。まず、素子封止体４１とセンサ素子２０とからなる一次組立品１４１を製造する。図２は、一次組立品１４１の製造プロセスを模式的に示す断面図である。まず、主体金具４２及び内筒４３を用意する（図２（ａ））。主体金具４２及び内筒４３は、例えば鍛造により製造する。また、主体金具４２の内周面４２ｃは、例えば切削工具を主体金具４２の貫通孔内に挿入するなどにより螺旋状の溝を形成して算術平均粗さＲａが０．５〜５μｍとなるようにしておく。なお、肉厚部４２ｂの内周面や底面４２ｄには、必ずしもこのような溝を形成する必要はない。また、この時点では内筒４３にはフランジ部４３ａ及び拡管部４３ｂは形成されているが、縮径部４３ｃ，４３ｄは形成されていない。

次に、主体金具４２の端部４２ａと内筒４３のフランジ部４３ａとを、図示しない治具を用いて同軸となるように付き合わせて、主体金具４２と内筒４３との抵抗溶接を行って複合体１４２とする（図２（ｂ））。これにより、主体金具４２と内筒４３とが端部４２ａとフランジ部４３ａとの接触面で溶接される。次に、センサ素子２０をメタルリング４６，サポーター４４ｃ，圧粉体４５ｂ，サポーター４４ｂ，圧粉体４５ａ，サポーター４４ａ内にこの順序で貫通させて、これらを内筒４３の拡管部４３ｂ側から複合体１４２の内部に挿入する（図２（ｃ））。なお、メタルリング４６，サポーター４４ａ〜４４ｃ，圧粉体４５ａ，４５ｂには、センサ素子２０を貫通させるために予め中心軸に沿って孔が開けられた形状としておく。ここで、内筒４３は拡管部４３ｂにより端部が広がっているため、複合体１４２の内部への挿入がしやすくなっている。また、内周面４２ｃの算術平均粗さＲａが５μｍ以下であることで、サポーター４４ａ，４４ｂや圧粉体４５ａが内周面４２ｃと接触，干渉しにくいため、これらを内部に挿入しやすくなっている。また、この挿入は治具により内筒４３の外径を基準として内筒４３の中心軸とセンサ素子２０の中心軸とが一致するように行う。

次に、メタルリング４６と主体金具４２とを互いに近づける方向に押圧して圧粉体４５ａ，４５ｂを圧縮し、これにより主体金具４２内及び内筒４３内を封止する。そして、その状態で内筒４３のうちメタルリング４６よりも拡管部４３ｂ側を加締めて縮径部４３ｄを形成する（図２（ｄ））。これにより、縮径部４２及びメタルリング４６と主体金具４２の底面４２ｄとの間の押圧力が保たれる。また、このとき圧粉体４５ａは主体金具４２の内周面４２ｃと接しているが、内周面４２ｃの算術平均粗さＲａが０．５μｍ以上であることで、圧粉体４５ａの粒子と内周面４２ｃとの接触面積が増える。また、内周面４２ｃの算術平均粗さＲａが５μｍ以下であることで、圧粉体を内周面４２ｃの谷の部分（凹部）に十分に充填することができる。さらに、圧粉体４５ａはサポーター４４ａ，４４ｂに上下から挟まれて押圧されるが、サポーター４４ａ，４４ｂの表面の算術平均粗さＲａが０．５μｍ以下であることで、主体金具４２の径方向に圧粉体４５ａが広がりやすい。

続いて、内筒４３のうち圧粉体４５ｂの側面に位置する部分を加締めて縮径部４３ｃを形成する（図２（ｅ））。これにより、主体金具４２内及び内筒４３内の封止やセンサ素子２０の固定を確実にする。以上により、素子封止体４１とセンサ素子２０とからなる一次組立品１４１を得る。

一次組立品１４１を製造すると、主体金具４２に内側保護カバー３１及び外側保護カバー３２を溶接固定して保護カバー３０を形成し、ナット４７内に一次組立品１４１を挿入して主体金具４２にナット４７を取り付けて二次組立品とする。そして、ゴム栓５７内を通したリード線５５と、これに接続されたコネクタ５０とを用意して、コネクタ５０をセンサ素子２０の基端側に接続する。その後、外筒４８を主体金具４２に溶接固定して、図１のガスセンサ１０を得る。

ここで、本実施形態の構成要素と本発明の構成要素との対応関係を明らかにする。本実施形態のセンサ素子２０が本発明のセンサ素子に相当し、主体金具４２及び内筒４３が筒状体に相当し、内周面４２ｃが貫通孔の内周面に相当し、圧粉体４５ａが圧粉体に相当する。また、サポーター４４ａ，４４ｂが第１，第２部材に相当し、サポーター４４ａ，４４ｂが第１，第２サポーターに相当し、縮径部４３ｂ，４３ｃが縮径部に相当する。

以上説明した本実施形態のガスセンサ１０では、金属製の主体金具４２の内周面４２ｃとセンサ素子２０との間を圧粉体４５ａで封止するにあたり、内周面４２ｃの算術平均粗さＲａが０．５〜５μｍとなっている。これにより、主体金具４２とセンサ素子２０との間の気密性能がより向上する。この理由は、主体金具４２の内周面４２ｃの算術平均粗さＲａを０．５μｍ以上とすることで、圧粉体４５ａと主体金具４２との接触面積が増え、圧粉体４５ａ−主体金具４２（内周面４２ｃ）間のガスリーク量が減少するためであると考えられる。また、内周面４２ｃの算術平均粗さＲａを５μｍ以下とすることで、内周面４２ｃの凹凸が大きすぎる場合と比べて圧粉体４５ａを内周面４２ｃの谷の部分（凹部）に十分に充填することができ、圧粉体４５ａ−主体金具４２（内周面４２ｃ）間の隙間の発生による気密性の低下を抑制することが可能なためであると考えられる。

また、ガスセンサ１０は、主体金具４２の貫通孔内に配置されると共に内部をセンサ素子２０が貫通し、圧粉体４５ａを軸方向の両側から挟んで押圧するサポーター４４ａ，４４ｂ、を備えている。そして、サポーター４４ａ，４４ｂの少なくとも一方の表面の算術平均粗さＲａを０．５μｍ以下とすることで、例えば算術平均粗さＲａが０．５μｍ超過の場合と比べて押圧面が滑らかとなるため、押圧面に沿った方向、すなわち主体金具４２の径方向に圧粉体４５ａが広がりやすくなる。換言すると、圧粉体４５ａが押圧面に引っかかりにくくなる。そのため、サポーター４４ａ，４４ｂからの押圧力が圧粉体４５ａを介して効率よく主体金具４２の内周面４２ｃやセンサ素子２０に作用し、気密性能がより向上する。なお、圧粉体４５ｂは、サポーター４４ｂ，４４ｃに軸方向の両側から挟んで押圧されている。そのため、サポーター４４ｂ，４４ｃの少なくとも一方の表面の算術平均粗さＲａが０．５μｍ以下であれば、サポーター４４ｂ，４４ｃからの押圧力が圧粉体４５ｂを介して効率よく内筒４３の内周面やセンサ素子２０に作用し、気密性能がより向上する。

さらに、圧粉体４５ａを構成する粒子の平均粒径を１５０〜３００μｍとすることで、内周面４２ｃと圧粉体４５ａとの隙間がより少なくなるため、主体金具４２とセンサ素子２０との間の気密性能がさらに向上する。

なお、本発明は上述した実施形態に何ら限定されることはなく、本発明の技術的範囲に属する限り種々の態様で実施し得ることはいうまでもない。

例えば、上述した実施形態では、内筒４３は縮径部４３ｃを備えるものとしたが、これを省略してもよい。また、図１と比べて内筒４３の軸方向の寸法を短くしてもよい。図３は、この場合の変形例のガスセンサ２１０の縦断面図である。なお、図３では、ガスセンサ２１０のうち素子封止体２４１及びセンサ素子２０のみを示した。この素子封止体２４１は、図示するように内筒２４３の軸方向の長さが図１の内筒４３よりも短くなっている。また、内筒２４３には縮径部４３ｃ，４３ｄや拡管部４３ｂが形成されていない。代わりに、内筒２４３の基端（図３の上端）の開口端が湾曲して縮径部２４３ｂとなっている。そして、主体金具４２の底面４２ｄから縮径部２４３ｂまでの間に、サポーター４４ａ、圧粉体４５ａ、サポーター２４４ｂ、圧粉体２４５ｂ，サポーター４４ｃ，メタルリング４６がこの順に配置されている。サポーター２４４ｂ及び圧粉体２４５ｂは、それぞれ図１のサポーター４４ｂ及び圧粉体４５ｂと比べて、軸方向の長さが短くなっている。このガスセンサ２１０においても、上述した実施形態と同様の効果が得られる。例えば、内周面４２ｃの算術平均粗さＲａを０．５〜５μｍとすることで、主体金具４２とセンサ素子２０との間の気密性能がより向上する。なお、内筒４３の軸方向の長さを短くするなど素子封止体２４１の軸方向の長さを短くすると気密性能が低下しやすいが、内周面４２ｃの算術平均粗さＲａを０．５〜５μｍとして気密性能を向上させているため、その分だけ気密性能の低下を抑制することができる。すなわち、内周面４２ｃの算術平均粗さＲａが０．５〜５μｍの範囲にないガスセンサと比べて、軸方向の長さを短くしても同じ気密性能を有することができ、ガスセンサ２１０を小型化することができる。なお、図３のガスセンサ２１０は、内筒２４３の軸方向の長さが図１の内筒４３よりも短いものとしたが、主体金具４３の軸方向の長さを短くしてもよい。

なお、図３のガスセンサ２１０において、サポーター２４４ｂを備えないものとしてもよい。図４は、この場合の変形例のガスセンサ３１０の縦断面図である。このガスセンサ３１０の素子封止体３４１では、圧粉体３４５ａがサポーター４４ａとサポーター４４ｃとの間に挟まれて上下に押圧されている。このガスセンサ３１０においても、上述した実施形態と同様の効果が得られる。なお、図４では、図示するように主体金具４２と内筒２４３とが一体形成されているものとした。

上述した実施形態では、主体金具４２の内周面４２ｃ全体について算術平均粗さＲａが０．５〜５μｍとしたが、少なくとも圧粉体４５ａに接する部分の算術平均粗さＲａが０．５〜５μｍであればよい。

上述した実施形態において、内筒４３の内周面の算術平均粗さＲａを０．５〜５μｍとしてもよい。こうすれば、圧粉体４５ｂと内筒４３の内周面との隙間が少なくなり、内筒４３とセンサ素子２０との間の気密性能がより向上する。

上述した実施形態において、サポーター４４ａの表面のうち、少なくとも圧粉体４５ａを押圧する面（図１の上面）の算術平均粗さＲａが０．５μｍ以下であれば、上述した実施形態と同様に圧粉体４５ａが径方向に広がりやすくなる効果が得られる。サポーター４４ｂについても同様である。

上述した実施形態において、センサ素子２０の表面の算術平均粗さＲａを０．５〜５μｍとしてもよい。こうすれば、算術平均粗さＲａが０．５μｍ以上であることで圧粉体４５ａ，４５ｂとセンサ素子２０との接触面積が増え、算術平均粗さＲａが５μｍ以下であることで圧粉体４５ａ，４５ｂをセンサ素子２０表面の谷の部分（凹部）に十分に充填することができる。そのため、主体金具４２，内筒４３とセンサ素子２０との間の気密性能がより向上する。

上述した実施形態では、切削工具により内周面４２ｃに螺旋状の溝を形成するものとしたが、内周面４２ｃの算術平均粗さＲａを０．５〜５μｍとすればよく、他の加工方法を用いてもよい。例えば、螺旋状に限らず他の形状の溝を内周面４２ｃに形成してもよい。また、サンドブラストにより内周面４２ｃを荒らすことで、内周面４２ｃの算術平均粗さＲａを０．５〜５μｍとしてもよい。

上述した実施形態では、センサ素子２０は板状体形状の素子としたが、これに限られない。例えば、センサ素子が筒状であってもよい。センサ素子が筒状であるガスセンサは、例えば特開平８−２４０５５８号公報に記載されている。図５は、この場合の変形例のガスセンサ４１０の縦断面図である。なお、図５では、ガスセンサ４１０のうち素子封止体４４１及びセンサ素子４２０を示した。このガスセンサ４１０は、センサ素子４２０と、素子封止体４４１と、を備えている。センサ素子４２０は、長手方向の一旦（図５では上端）が開口した有底の略円筒状に形成されている。センサ素子４２０の中心の空間にはヒーター４２１が挿入されている。素子封止体４４１は、筒状の主体金具４４２と、主体金具４４２と同軸に形成された筒状の内筒４４３と、主体金具４４２及び内筒４４３の内側の貫通孔内に封入されたパッキン４４４ａ，サポーター４４４ｂ，パッキン４４４ｃ，圧粉体４４５ａと、を備えている。主体金具４４２は、貫通孔の内周面４４２ｃを有している。主体金具４４２は、貫通孔内に２つの底面４４２ｄ，４４２ｅが形成されている点以外は、図４の主体金具４２と同様の形状をしている。底面４４２ｄは、底面４４２ｅよりも主体金具４４２の外周に近い（センサ素子４２０の中心軸からの距離が遠い）位置に形成されており、圧粉体４４５ａと接触している。底面４４２ｅは、センサ素子４２０のうち図５における下側の部分よりも外径の大きい部分である拡径部４２０ａに接触している。底面４４２ｅは、拡径部４２０ａと接触することで、センサ素子４２０が図５の下側に飛び出さないようにこれを押さえている。内筒４４３は、図４の内筒２４３と同様の形状をしており、縮径部４４３ｂが端部（図５の上端）に形成されている。主体金具４４２と内筒４４３とは一体形成されている。パッキン４４４ａ，４４４ｃは、例えば樹脂などの弾性体からなる。サポーター４４４ｂは、図４のサポーター４４ａ，４４ｃと同様に、セラミックスからなる部材である。圧粉体４４５ａは、内周面４４２ｃ，底面４４２ｄ，センサ素子４２０の外周面，パッキン４４４ａの下面で囲まれた空間内に充填されている。圧粉体４４５ａ、パッキン４４４ａ、サポーター４４４ｂ，パッキン４４４ｃは、底面４４２ｄと縮径部４４３ｂとの間に軸方向の両側（図５の上下）から挟まれて、押圧されている。この押圧力により、圧粉体４４５ａは底面４４２ｄとパッキン４４４ａの下面とに挟まれて押圧されて、主体金具４４２内が封止されている。このガスセンサ４１０においても、上述した実施形態と同様の効果が得られる。例えば、内周面４４２ｃの算術平均粗さＲａを０．５〜５μｍとすることで、主体金具４４２とセンサ素子４２０との間の気密性能がより向上する。また、圧粉体４４５ａを押圧する押圧面である底面４４２ｄと、同じく押圧面であるパッキン４４４ａの下面と、の少なくとも一方の算術平均粗さＲａを０．５μｍ以下とすることで、気密性能がより向上する。

なお、図５の変形例のガスセンサ４１０では、上述したように主体金具４４２の底面４４２ｄが圧粉体４４５ａに直接接触して、底面４４２ｄが押圧面となっている。本実施形態のガスセンサ１０や図３，４に示したガスセンサ２１０，３１０においても、例えばサポーター４４ａを備えず主体金具４２の底面４２ｄが圧粉体４５ａ（図４では圧粉体３４５ａ）を押圧する押圧面となっていてもよい。この場合も、底面４２ｄの算術平均粗さＲａを０．５μｍ以下とすることで、図５のガスセンサ４１０と同様に気密性能がより向上する。また、図５のガスセンサ４１０において、本実施形態のガスセンサ１０や図３，４に示したガスセンサ２１０，３１０と同様に、主体金具４４２の底面４４２ｄと圧粉体４４５ａとの間にサポーター４４ａが配置されていてもよい。このように、圧粉体をセンサ素子の軸方向の両側から挟んで押圧する２つの部材（第１部材及び第２部材）はどのような部材でもよい。第１，第２部材の少なくとも一方が、圧粉体を押圧する押圧面の算術平均粗さＲａが０．５μｍ以下となっていれば、上述した実施形態と同様に、押圧面に沿った方向に圧粉体が広がりやすくなることで気密性能がより向上する効果が得られる。

上述した実施形態では、内周面４２ｃの算術平均粗さＲａが０．５〜５μｍであることで主体金具４２とセンサ素子２０との間の気密性能がより向上し、圧粉体４５ａを構成する粒子の平均粒径を１５０〜３００μｍとすることで気密性能がさらに向上することを説明した。これらのことから、比＝（圧粉体４５ａを構成する粒子の平均粒径）／（内周面４２ｃの算術平均粗さＲａ）が３０〜６００としてもよい。比がこの数値範囲にある場合も、本実施形態と同様に主体金具４２とセンサ素子２０との間の気密性能がより向上する。

［実験例１〜７］
ガスセンサの一部として、図４に示した素子封止体３４１及びセンサ素子２０からなる一次組立品に保護カバー３０及び雄ねじ部４７ａを有するナット４７を取り付けた二次組立品を、上述した製造方法と同様に作製し、実験例１〜７とした。実験例１〜７は、内周面４２ｃの算術平均粗さＲａが異なる以外は、同じ構成とした。具体的には、主体金具４２及び内筒２４３を材質がステンレスの鍛造製とした。主体金具４２の内周面４２ｃの内径を９ｍｍ、軸方向長さを２０．７ｍｍとした。肉厚部４２ｂの内径を５．９ｍｍ、軸方向長さを６．４ｍｍとした。また、内筒４３の軸方向長さを４．３ｍｍ、縮径部２４３ｂの内径を９ｍｍとした。サポーター４４ａ，４４ｃはいずれもアルミナからなるセラミックスの焼結体とし、サポーター４４ａの軸方向長さを７．６ｍｍ、サポーター４４ｃの軸方向長さを４．５ｍｍとした。また、サポーター４４ａ，４４ｃの表面の算術平均粗さＲａは、サポーター４４ａが０．４５μｍ、サポーター４４ｃが０．３μｍであった。圧粉体３４５ａは平均粒径２４４μｍのタルク粉末を成形したものとした。また、主体金具４２内で圧粉体３４５ａに上下から加わる封止荷重が８００ｋｇｆとなるように、タルク粉末の量（２．２ｇ）を調整した。実験例１〜７の内周面４２ｃの算術平均粗さＲａは、それぞれ０．０６μｍ，０．５０μｍ，０．７６μｍ，２．００μｍ，３．００μｍ，５．００μｍ，１０．００μｍとした。なお、実験例１では、内周面４２ｃに螺旋状の溝を形成する切削加工を行わなかった。

［実験例８〜２８］
圧粉体３４５ａの封止荷重を１０００ｋｇｆに変更した以外は実験例１〜７と同様の二次組立品を作製し、実験例８〜１４とした。圧粉体３４５ａの封止荷重を１４００ｋｇｆに変更した以外は実験例１〜７と同様の二次組立品を作製し、実験例１５〜２１とした。圧粉体３４５ａの封止荷重を２０００ｋｇｆに変更した以外は実験例１〜７と同様の二次組立品を作製し、実験例２２〜２８とした。なお、用いたタルク粉末の量はいずれも２．２ｇであった。

［評価試験］
実験例１〜２８の二次組立品について、圧粉体３４５ａによる主体金具４２，内筒４３とセンサ素子２０との気密性能を検査した。図６は、試験器５００を用いた気密性試験の概略説明図である。図示するように、試験器５００は、二次組立品の雄ねじ部４７ａを取り付け可能な雌ねじを有する取付治具５０２と、取付治具５０２の上下を覆う上カバー５０４，下カバー５０６と、下カバー５０６の開口と接続され軸方向が鉛直方向である管５０８と、を備えている。上カバー５０４，取付治具５０２，下カバー５０６の接続部はそれぞれＯリングで封止されている。この試験器５００の取付治具５０２の雌ねじ部に、雄ネジ部４７ａにシールテープを巻いた二次組立品を取り付け、トルクレンチ（４.５Ｎｍ）で固定した。これにより、上カバー５０４内と下カバー５０６内とが、二次組立品の内部（主体金具４２や内筒４３の内部）を介する以外は互いにガスが流通しない状態とした。そして、管５０８の内部に石鹸水からなる膜５１０を張った。この状態で、上カバー５０４の上部開口からエアーを供給して０．４ＭＰａＧの圧力を１分間かけ、膜５１０の上昇量（ｍｍ）をスケールで測定した。そして、この上昇量を、リーク量（ｃｃ／ｍｉｎ）に換算した。なお、上昇量１ｍｍが０．０１ｃｃ（＝０．０１ｃｍ³）のリーク量に相当する。リーク量が少ないほど、主体金具４２，内筒４３とセンサ素子２０との気密性が高いことを意味する。

実験例１〜２８について、圧粉体３４５ａの封止荷重（ｋｇｆ），内周面４２ｃの算術平均粗さＲａ（μｍ），測定したリーク量（ｃｃ／ｍｉｎ）を表１にまとめて示す。なお、表１のリーク量は、各実験例について３個のサンプルの測定の平均値を示した。また、図７は、実験例１〜２８における封止荷重とリーク量との関係を示すグラフである。図８は、実験例１〜２８における内周面４３ｃの算術平均粗さＲａとリーク量との関係を示すグラフである。

表１及び図７，図８から明らかなように、同じ封止荷重の実験例同士で比較すると、内周面４２ｃの算術平均粗さＲａが０．５〜５μｍの範囲内にある実験例の方が、範囲内にない実験例と比べてリーク量が少なかった。また、例えば図７から分かるように、封止荷重を少なくしていった場合に、内周面４２ｃの算術平均粗さＲａが０．５〜５μｍの範囲内にある実験例の方が、リーク量が増加しにくかった。すなわち、少ない封止荷重でもリーク量を少なくできていた。

なお、実験例１〜２８のうち、実験例２〜６，９〜１３，１６〜２０，２３〜２７が本発明の実施例に相当し、残りが比較例に相当する。

１０，２１０，３１０，４１０ ガスセンサ、２０，４２０ センサ素子、３０ 保護カバー、３１ 内側保護カバー、３１ａ，３１ｂ 内側保護カバー孔、３２ 外側保護カバー、３２ａ，３２ｂ 外側保護カバー孔、４０ センサ組立体、４１，２４１，３４１，４４１ 素子封止体、４２，４４２ 主体金具、４２ａ 端部、４２ｂ 肉厚部、４２ｃ，４４２ｃ 内周面、４２ｄ，４４２ｄ，４４２ｅ 底面、４３，２４３，４４３ 内筒、４３ａ フランジ部、４３ｂ 拡管部、４３ｃ，４３ｄ 縮径部、４４ａ〜４４ｃ，２４４ｂ，４４４ｂ サポーター、４５ａ，４５ｂ，２４５ｂ，３４５ａ，４４５ａ 圧粉体、４６ メタルリング、４７ ナット、４７ａ 雄ネジ部、４８ 外筒、５０ コネクタ、５５ リード線、５７ ゴム栓、１４１ 一次組立品、１４２ 複合体、２４３ｂ，４４３ｂ 縮径部、４２０ａ 拡径部、４２１ ヒーター、４４４ａ，４４４ｃ パッキン、５００ 試験器、５０２ 取付治具、５０４ 上カバー、５０６ 下カバー、５０８ 管、５１０ 膜。

Claims (6)

1. センサ素子と、
   前記センサ素子が内部を軸方向に貫通する貫通孔を有する金属製の筒状体と、
   前記貫通孔内に配置され、該貫通孔の内周面と前記センサ素子との間に充填された圧粉体と、
   を備え、
   前記筒状体は、前記内周面のうち少なくとも前記圧粉体に接する部分の算術平均粗さＲａが０．５〜５μｍである、
   ガスセンサ。
2. 請求項１に記載のガスセンサであって、
   前記圧粉体を前記軸方向の両側から挟んで押圧する第１部材及び第２部材、
   を備え、
   前記第１，第２部材の少なくとも一方は、前記圧粉体を押圧する押圧面の算術平均粗さＲａが０．５μｍ以下である、
   ガスセンサ。
3. 請求項２に記載のガスセンサであって、
   前記第１，第２部材は、前記貫通孔内に配置されると共に内部を前記センサ素子が貫通し、前記圧粉体を軸方向の両側から挟んで押圧する第１，第２サポーターである、
   ガスセンサ。
4. 前記筒状体は、縮径部を有しており、
   前記第１，第２サポーターの一方は、前記軸方向で前記縮径部と前記圧粉体との間に配置されて該縮径部からの押圧力により前記圧粉体を押圧している、
   請求項３に記載のガスセンサ。
5. 前記第１，第２部材の一方は、前記筒状体であり、
   前記筒状体は、前記内周面と、算術平均粗さＲａが０．５μｍ以下である前記押圧面と、を有している、
   請求項２に記載のガスセンサ。
6. 前記圧粉体を構成する粒子の平均粒径は１５０〜３００μｍである、
   請求項１〜５のいずれか１項に記載のガスセンサ。

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