JP2021162409A - ガスセンサ、ガスセンサの素子封止体、筒状体、および、ガスセンサの組立方法 - Google Patents

Abstract

【課題】従来よりも低封止荷重で気密性能が確保されるガスセンサを提供する。
【解決手段】ガスセンサが、センサ素子と、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性の筒状体と、該貫通孔をなす筒状体の内面とセンサ素子との間に充填されてなり、センサ素子の第１の端部側と第２の端部側との間を封止する圧粉体と、を備え、貫通孔内面のうち、少なくとも該内面とセンサ素子との間に充填される圧粉体と接触する範囲が、凸部と凹部とが軸方向において交互にかつそれぞれが筒状体の内周方向に沿うように延在する縞状凹凸領域であり、凸部の軸方向における間隔が５０μｍ以上１５０μｍ以下であり、縞状凹凸領域の軸方向における最大高さＲｚ１と内周方向における最大高さＲｚ２とが、０．３μｍ≦Ｒｚ１≦１０μｍかつ、Ｒｚ１／Ｒｚ２≧２．０である、ようにした。
【選択図】図２

Description

本発明は、ガスセンサにおけるセンサ素子の固定および封止に関し、特にそれらに用いる筒状体の構成に関する。

従来より、自動車のエンジン等の内燃機関における燃焼ガスや排気ガス等の被測定ガス中の所定のガス成分の濃度を測定する装置として、ジルコニア（ＺｒＯ_２）等の酸素イオン伝導性固体電解質セラミックスを用いてセンサ素子を形成したガスセンサが公知である。

係るガスセンサにおいては、通常、セラミックス製の長尺板状のセンサ素子（検出素子）が、いずれも金属製であり溶接により一体化されてなるハウジングと内筒とからなる筒状体の内部（中空部）において、複数のセラミック製の碍子であるセラミックサポータと、これらセラミックサポータの間にそれぞれ充填されたタルク等のセラミックスの圧粉体とによって固定され、圧粉体によって素子両端部の間を気密封止されてなる構成を有する。このようなガスセンサを好適に組み立てることが出来る方法および装置が既に公知である（例えば、特許文献１参照）。

また、筒状体の内周面のうち、少なくとも圧粉体に接する部分の算術平均粗さＲａを０．５μｍ〜５μｍとすることで、センサ素子と筒状体の間における気密性能を向上させる態様も、すでに公知である（例えば、特許文献２参照）。

なお、特許文献２には、特許文献１に開示された（従来の）ガスセンサ（以下、従来品）よりも短尺化が図られたガスセンサ（以下、短尺化品）についても、同様の効果が得られるものとされている。

より具体的には、特許文献２に開示された短尺品においては、従来品からの短尺化を実現するために、２つの圧粉体の間に配置されていたセラミックサポータを１つ省略し、圧粉体が連続する一の範囲に配置されてなる。また、側方からかしめを行う態様に代えて、筒状体の上端部に設けた薄肉のかしめ部を屈曲させることで、筒状体内部においてセンサ素子その他を固定する態様も採用されている。係るかしめ部の軸方向の長さは内筒の軸方向の長さよりも短縮されている。

特開２０１６−１７３３６０号公報 特許第６３１７１４５号公報

特許文献２には、筒状体の内周面のうち少なくとも圧粉体に接する部分において０．５μｍ〜５μｍという算術平均粗さＲａを実現するための具体的態様として、鍛造にて作製された筒状体の内周面に、切削加工によって螺旋状の溝を形成するという態様が開示されている。ただし、螺旋状以外の形状の溝を形成することで、上述の算術平均粗さＲａを実現してもよい旨の言及もなされている。

一方で、特許文献２の実施例においては、気密性試験の対象とするガスセンサの二次組立品を得る工程において、圧粉体による封止を実現するための封止荷重を、８００ｋｇｆ〜２０００ｋｇｆの間で違えた場合の、算術平均粗さＲと封止荷重の違いが気密性能に与える影響が評価されているが、その結果からは、算術平均粗さＲによらず、封止荷重が大きいほど気密性能がよくなる傾向があることが、確認される。

しかしながら、圧粉体の圧縮時の封止荷重が大きいほど、センサ素子に過大な負荷がかかってしまい、破損が生じるリスクが高まる。係るリスクを回避する点からは、なるべく低い封止荷重にて、気密性能が確保されることが望ましい。

本発明は上記課題に鑑みてなされたものであり、従来よりも低封止荷重で封止がなされる場合においても、従来と同等あるいはそれ以上の気密性能を得ることが可能な、ガスセンサを提供することを、目的とする。

上記課題を解決するため、本発明の第１の態様は、ガスセンサが、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性の筒状体と、前記貫通孔をなす前記筒状体の内面と前記センサ素子との間に充填されてなり、前記センサ素子の第１の端部側と第２の端部側との間を封止する圧粉体と、を備え、前記筒状体の内面のうち少なくとも前記圧粉体と接触する範囲が、凸部と凹部とが前記軸方向において交互にかつそれぞれが前記筒状体の内周方向に沿うように延在する縞状凹凸領域であり、前記凸部の前記軸方向における間隔が５０μｍ以上１５０μｍ以下であり、前記縞状凹凸領域の前記軸方向における最大高さを第１最大高さＲｚ１とし、前記内周方向における最大高さを第２最大高さＲｚ２とするときに、０．３μｍ≦Ｒｚ１≦１０μｍであり、Ｒｚ１／Ｒｚ２≧２．０である、ことを特徴とする。

本発明の第２の態様は、第１の態様に係るガスセンサであって、前記圧粉体が、平均粒径が５０μｍ〜５５０μｍのセラミック粒子からなる、ことを特徴とする。

本発明の第３の態様は、第１または第２の態様に係るガスセンサであって、前記圧粉体が、前記筒状体の内部において、それぞれが前記センサ素子に環装されてなる第１のセラミックサポータと第２のセラミックサポータとの間に充填されてなる、ことを特徴とする。

本発明の第４の態様は、セラミックス製のセンサ素子を備えるガスセンサにおいて、前記センサ素子を固定しつつ前記センサ素子の第１の端部側と第２の端部側との間を封止する素子封止体であって、前記センサ素子と、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性の筒状体と、前記貫通孔をなす前記筒状体の内面と前記センサ素子との間に充填されてなり、前記センサ素子の前記第１の端部側と前記第２の端部側との間を封止する圧粉体と、を備え、前記筒状体の内面のうち少なくとも前記圧粉体と接触する範囲が、凸部と凹部とが前記軸方向において交互にかつそれぞれが前記筒状体の内周方向に沿うように延在する縞状凹凸領域であり、前記凸部の前記軸方向における間隔が５０μｍ以上１５０μｍ以下であり、前記縞状凹凸領域の前記軸方向における最大高さを第１最大高さＲｚ１とし、前記内周方向における最大高さを第２最大高さＲｚ２とするときに、０．３μｍ≦Ｒｚ１≦１０μｍであり、Ｒｚ１／Ｒｚ２≧２．０である、ことを特徴とする。

本発明の第５の態様は、第４の態様に係るガスセンサの素子封止体であって、前記圧粉体が、平均粒径が５０μｍ〜５５０μｍのセラミック粒子からなる、ことを特徴とする。

本発明の第６の態様は、第４または第５の態様に係るガスセンサの素子封止体であって、前記圧粉体が、前記筒状体の内部において、それぞれが前記センサ素子に環装されてなる第１のセラミックサポータと第２のセラミックサポータとの間に充填されてなる、ことを特徴とする。

本発明の第７の態様は、セラミックス製のセンサ素子を備えるガスセンサにおいて、セラミックス粒子の圧粉体による前記センサ素子の第１の端部側と第２の端部側との間の封止とに用いられる、円筒状の内空間を有する筒状体であって、前記筒状体の内面のうち、前記封止の際に前記圧粉体と接触する範囲が、凸部と凹部とが前記筒状体の軸方向において交互にかつそれぞれが前記筒状体の内周方向に沿うように延在する縞状凹凸領域であり、前記凸部の前記軸方向における間隔が５０μｍ以上１５０μｍ以下であり、前記縞状凹凸領域の前記軸方向における最大高さを第１最大高さＲｚ１とし、前記内周方向における最大高さを第２最大高さＲｚ２とするときに、０．３μｍ≦Ｒｚ１≦１０μｍであり、Ｒｚ１／Ｒｚ２≧２．０である、ことを特徴とする。

本発明の第８の態様は、セラミックス製のセンサ素子を備えるガスセンサの組立方法であって、２つのセラミックサポータとセラミックス粒子の成型体とを少なくとも含む複数の環装部品を、前記２つのセラミックサポータが両端に位置するように前記センサ素子に環装し、環装体を得る環装体準備工程と、最奥部が縮径された円筒状の内空間を有する主部と、前記主部の一方端部から前記主部の軸線方向に沿って延在する前記主部よりも薄肉の延在部と、を備える筒状体を、前記環装体に対し環装することにより、前記センサ素子を前記筒状体の軸中心位置において軸方向に貫通させつつ前記筒状体の内空間に前記複数の環装部品を収容する収容工程と、前記２つのセラミックサポータの一方を所定の押圧手段で押圧することにより、前記成型体を圧縮し、前記内空間において前記センサ素子の第１の端部側と第２の端部側との間を前記セラミックス粒子からなる圧粉体にて封止する封止工程と、前記筒状体の前記延在部を軸中心に向けて屈曲させることによりかしめ部を形成し、前記かしめ部にて前記複数の環装部品を押圧することにより前記複数の環装部品を前記内空間にて固定する屈曲工程と、を備え、前記筒状体の内面のうち少なくとも前記圧粉体と接触する範囲が、凸部と凹部とが前記軸方向において交互にかつそれぞれが前記筒状体の内周方向に沿うように延在する縞状凹凸領域とされてなり、前記凸部の前記軸方向における間隔が５０μｍ以上１５０μｍ以下であり、前記縞状凹凸領域の前記軸方向における最大高さを第１最大高さＲｚ１とし、前記内周方向における最大高さを第２最大高さＲｚ２とするときに、０．３μｍ≦Ｒｚ１≦１０μｍであり、Ｒｚ１／Ｒｚ２≧２．０である、ことを特徴とする。

本発明の第９の態様は、第８の態様に係るガスセンサの組立方法であって、前記封止工程においては、前記成型体の圧縮を一次圧縮と二次圧縮との二段階で行い、前記二次圧縮において前記押圧手段が前記２つのセラミックサポータの一方を押圧する際の圧力は７５ＭＰａ〜１１５ＭＰａである、ことを特徴とする。

本発明の第１０の態様は、請求項８または請求項９に記載のガスセンサの組立方法であって、前記セラミックス粒子の平均粒径が５０μｍ〜５５０μｍである、ことを特徴とする。

本発明の第１ないし第１０の態様によれば、ガスセンサにおけるセンサ素子の両端部の間の封止を、従来よりも低封止荷重で行う場合であっても、良好な気密性を確保することができる。また、封止に際してセンサ素子の位置あるいは姿勢がずれることや、センサ素子の破損のおそれが、低減される。

ガスセンサ１００の長手方向に沿った要部断面図である。 縞状領域ＳＴの様子を模式的に示す、筒状体３０の内面３０ａ近傍の部分拡大図である。 素子封止体１の組立途中の様子を示す、ｚ軸方向に沿った断面図である。 素子封止体１の組立途中の様子を示す、ｚ軸方向に沿った断面図である。 素子封止体１の組立途中の様子を示す、ｚ軸方向に沿った断面図である。 気密性試験において測定された各サンプルにおけるリーク量を示す図である。

＜ガスセンサの構成＞
図１は、本発明の実施の形態において組立の対象となるガスセンサ１００の（より詳細にはその本体部の）長手方向に沿った要部断面図である。本実施の形態において、ガスセンサ１００とは、その内部に備わるセンサ素子１０によって所定のガス成分（例えば、ＮＯｘ等）を検出するためのものである。なお、図１においては、鉛直方向をｚ軸方向として示しており、ガスセンサ１００の長手方向はｚ軸方向と一致している（以降の図においても同様）。

ガスセンサ１００は、主として、センサ素子１０と、その周囲に環装されてなる環装部品２０と、環装部品２０の周囲にさらに環装され、該環装部品２０を収容してなる筒状体３０とから構成される素子封止体（組立体）１が、保護カバー２と、固定ボルト３と、外筒４とによって被覆された構成を有する。換言すれば、素子封止体１においては、概略、センサ素子１０が筒状体３０の内部の軸中心位置において軸方向に貫通し、環装部品２０が、筒状体３０の内部においてセンサ素子１０に環装された構成を有する。

センサ素子１０は、ジルコニアなどの酸素イオン伝導性固体電解質セラミックスからなる素子体を主たる構成材料とする長尺の柱状あるいは薄板状の部材である。センサ素子１０は、筒状体３０の長手方向に沿った中心軸上に配置されてなる。以降、筒状体３０の長手方向と一致する中心軸の延在方向を軸線方向とも称する。図１および以降の図において、軸線方向はｚ軸方向と一致している。

センサ素子１０は、第１先端部１０ａの側にガス導入口や内部空所などを備えるとともに、素子体表面および内部に種々の電極や配線パターンを備えた構成を有する。センサ素子１０においては、内部空所に導入された被検ガスが内部空所内で還元ないしは分解されて酸素イオンが発生する。ガスセンサ１００においては、素子内部を流れる酸素イオンの量が被検ガス中における当該ガス成分の濃度に比例することに基づいて、係るガス成分の濃度が求められる。

センサ素子１０の表面の、第１先端部１０ａから長手方向における所定の範囲は、保護膜１１で被覆されてなる。保護膜１１は、内部空所や電極等が設けられてなるセンサ素子１０の第１先端部１０ａ近傍を被水などによる熱的な衝撃から保護するために設けられ、耐熱衝撃保護層とも称される。保護膜１１、例えばＡｌ_２Ｏ_３などからなる厚みが１０μｍ〜２０００μｍ程度の多孔質膜である。保護膜１１は、その目的に照らして、５０Ｎ程度までの力に耐え得るように形成されるのが好ましい。ただし、図１および以降の各図における保護膜１１の形成範囲はあくまで例示であって、実際の形成範囲は、センサ素子１０の具体的構造に応じて適宜に定められる。

保護カバー２は、センサ素子１０のうち、使用時に被検ガスに直接に接触する部分である第１先端部１０ａを保護する、略円筒状の外装部材である。保護カバー２は、筒状体３０の図面視下側（ｚ軸方向負側）の外周端部（後述する縮径部３１の外周）に、溶接固定されてなる。

図１に示す場合においては、保護カバー２は、外側カバー２ａと内側カバー２ｂとの２層構造となっている。外側カバー２ａと内側カバー２ｂは、それぞれ、気体が通過可能な複数の貫通孔Ｈ１およびＨ２と、Ｈ３およびＨ４が設けられてなる。なお、図１に示す貫通孔の種類、配置個数、配置位置、形状などあくまで例示であって、保護カバー２の内部への被測定ガスの流入態様を考慮して適宜に定められてよい。

固定ボルト３は、ガスセンサ１００を測定位置に固定する際に用いられる環状の部材である。固定ボルト３は、ねじ切りがされたボルト部３ａと、ボルト部３ａを螺合する際に保持される保持部３ｂとを備えている。ボルト部３ａは、ガスセンサ１００の取り付け位置に設けられたナットと螺合する。例えば、自動車の排気管に設けられたナット部にボルト部３ａが螺合されることで、ガスセンサ１００は、保護カバー２の側が排気管内に露出する態様にて該排気管に固定される。

外筒４は、その一方端部（図面視下端部）が筒状体３０の図面視上側（ｚ軸方向正側）の外周端部に溶接固定されてなる、円筒状部材である。外筒４の内部にはコネクタ５が配されている。また、外筒４の他方端部（図面視上端部）にはゴム製のグロメット６が環装されてなる。

コネクタ５には、センサ素子１０の第２先端部１０ｂに備わる複数の端子電極と接する複数の接点部材５１が備わっている。接点部材５１は、グロメット６に挿通されたリード線７と接続されてなる。リード線７は、ガスセンサ１００外部の図示しないコントローラや各種電源に接続されてなる。

なお、図１には、接点部材５１とリード線７とをそれぞれ２つずつのみ示しているが、これは例示である。

筒状体３０は、主体金具とも称される金属製の筒状部材である。筒状体３０の内部には、センサ素子１０と環装部品２０とが収容されてなる。換言すれば、筒状体３０は、センサ素子１０の周りに環装された環装部品２０の周囲に、さらに環装されてなる。

筒状体３０は、軸線方向に平行な円筒状の内面（内周面）３０ａによって円筒状の内空間（貫通孔）３０ｈ（図３参照）をなしている厚肉の主部３０Ｍと、図面視で軸線方向下端部（ｚ軸方向負側）に備わり、主部３０Ｍよりもさらに厚肉の縮径部３１と、図面視で軸線方向の上端に位置する主部３０Ｍの端面３０ｃからさらに上方に延在しつつ、軸中心へ向かう向きへと屈曲させられてなる薄肉のかしめ部３２と、周方向外側へと突出してなる係止部３３とを主として備える。

内空間３０ｈの軸線方向に垂直な断面における直径（主部３０Ｍの内径）は、８．８ｍｍ〜９．２ｍｍ程度とされる。

また、内面３０ａの所定範囲は、縞状領域ＳＴとされてなる。縞状領域ＳＴの詳細については後述する。

縮径部３１においては、内面３０ａに対し傾斜してなる断面視テーパー状のテーパー面３０ｂを経て内空間３０ｈが縮径されてなる。

かしめ部３２は、屈曲させられてなることで、内部に配置された環装部品２０を（直接的には第２セラミックサポータ２３を）図面視上方から押圧しつつ固定（拘束）してなる。なお、かしめ部３２は、後述するように、センサ素子１０および環装部品２０の乾燥後に屈曲させられてなる。

環装部品２０は、第１セラミックサポータ２１と、圧粉体２２と、第２セラミックサポータ２３とからなる。

第１セラミックサポータ２１および第２セラミックサポータ２３は、セラミックス製の碍子である。より詳細には、第１セラミックサポータ２１および第２セラミックサポータ２３の軸中心位置には、センサ素子１０の断面形状に応じた矩形状の貫通孔（図示省略）が設けられており、当該貫通孔にセンサ素子１０が挿通されることによって、第１セラミックサポータ２１および第２セラミックサポータ２３はセンサ素子１０に環装されてなる。なお、第１セラミックサポータ２１は、図面視下方において筒状体３０のテーパー面３０ｂに係止されてなる。

一方、圧粉体２２は、タルクなどのセラミックス粉末を成型してなり、かつ、第１セラミックサポータ２１および第２セラミックサポータ２３と同様、貫通孔にセンサ素子１０が挿通されることによって、センサ素子１０に環装されていた２つの成型体２２ａ、２２ｂ（図３参照）が、センサ素子１０の周囲に環装された状態で筒状体３０の内部に配置された後、さらに圧縮されて一体となったものである。より詳細には、圧粉体２２をなすセラミックス粒子は、第１セラミックサポータ２１と第２セラミックサポータ２３との間において、筒状体３０の縞状領域ＳＴに囲繞され、かつ、センサ素子１０が貫通する空間に、密に充填されてなる。

なお、２つの成型体２２ａ、２２ｂを用いることは必須ではなく、単一の成型体が用いられる態様であってもよい。あるいは、２つの成型体２２ａ、２２ｂの間に別個のセラミックサポータあるいは成型体が介在する態様であってもよい。

素子封止体１においては、概略、第１セラミックサポータ２１のテーパー面３０ｂによる係止と、第２セラミックサポータ２３の図面視上側からのかしめ部３２による押圧とによって、筒状体３０の内部におけるセンサ素子１０と環装部品２０との固定が、実現されてなる。加えて、圧粉体２２の圧縮充填により、センサ素子１０の第１先端部１０ａ側と、第２先端部１０ｂ側との間の気密封止が、実現されてなる。

＜筒状体内面の縞状領域＞
次に、筒状体３０の内面３０ａに設けられた縞状領域ＳＴについて、より詳細に説明する。図２は、縞状領域ＳＴの様子を模式的に示す、筒状体３０の内面３０ａ近傍の部分拡大図である。なお、図２においては、図１と同様に筒状体３０の軸線方向をｚ軸方向とするとともに、内面３０ａの内周方向（内面３０ａの該軸線方向に垂直な断面における円周に沿った方向）をｃ軸方向とし、径方向（内面３０ａの該軸線方向に垂直な断面における半径に沿った方向）をｒ軸方向としている。

本実施の形態に係るガスセンサ１００において、縞状領域ＳＴは、筒状体３０の内面３０ａのうち、少なくとも圧粉体２２と接触する範囲に設けられた、凸部Ｔと凹部Ｂとが筒状体３０の軸線方向において交互にかつそれぞれが筒状体３０の内周方向に沿うように延在する、凹凸領域である。なお、本実施の形態においては、筒状体３０の軸中心に垂直な面において外側から軸中心に向かう向きを凸の向きとし、その反対の向きを凹の向きとしている。

より詳細には、縞状領域ＳＴにおいては、凸部Ｔのなす稜線（山線）ＲＬと凹部Ｂのなす谷線ＶＬとが、筒状体３０の内周方向に沿うように延在する。なお、図２においては稜線ＲＬと谷線ＶＬとが角ばっているが、これは図示の簡単のためである。実際の縞状領域ＳＴにおいては、凸部Ｔおよび凹部Ｂがともに所定の曲率半径を有する曲面状をなしていてよい。

また、稜線ＲＬの（凸部Ｔの）軸線方向における間隔ｐは５０μｍ以上１５０μｍ以下である。係る値は、内面３０ａの軸線方向に垂直な断面における直径でもある上述した主部３０Ｍの内径に比して、十分に小さい。ただし、図２においては図示の都合上、凹凸を実際よりも誇張している。

加えて、縞状領域ＳＴを軸線方向に沿ってみたときの最大凹凸差、すなわち、任意の軸線方向断面における最大高さＲｚ（JIS B 0601）を、第１最大高さＲｚ１とし、内周方向に沿ってみたときの最大凹凸差、すなわち、任意の軸線方向に垂直な断面における最大高さＲｚ（同上）を、第２最大高さＲｚ２とするときに、縞状領域ＳＴは
０．３μｍ≦Ｒｚ１≦１０μｍ ・・・・・（１）；
Ｒｚ１／Ｒｚ２≧２．０・・・・・（２）；
なる式（１）および式（２）をみたすように形成される。

なお、最大高さＲｚは例えば、触針式の表面粗さ測定装置を用いて評価することができる。

本実施の形態に係るガスセンサ１００の素子封止体１においては、以上のような構成の縞状領域ＳＴが、筒状体３０の内面３０ａのうち、少なくとも圧粉体２２と接触する範囲に設けられてなる。これにより、該縞状領域ＳＴにおいては、圧粉体２２をなしているセラミックス粒子が筒状体３０の内周方向に沿うように延在する凹部Ｂに沿って密に充填され、内面３０ａとセラミック粒子との接触面積が十分に確保された状態が実現されてなる。別の見方をすれば、圧粉体２２に対し、筒状体３０の内周方向に沿うように延在する凸部Ｔがくさび状に入り込んでいるともいえる。また、凸部Ｔが軸線方向において間隔ｐにて繰り返し存在することで、筒状体３０と圧粉体２２との間における軸線方向に沿ったリークパスが、形成されにくくなっている。

その結果として、本実施の形態に係るガスセンサ１００の素子封止体１においては、圧粉体２２を充填する際の封止荷重を従来よりも低減した場合であっても、良好な気密性が確保されるようになっている。あるいはさらに、従来と同程度の封止荷重にて封止を行うことで、従来よりもさらに気密性の優れた素子封止体１を得ることも可能と考えられる。

このような作用効果を奏する筒状体３０の縞状領域ＳＴは、例えば、材料金属からの鍛造により筒状体３０の概略形状を得た後、主部３０Ｍの内面３０ａに対し切削や研磨などを行うことにより、得ることができる。

例えば、鍛造後の筒状体３０の内面３０ａにおいては通常、内周方向に沿って顕著な凹凸が生じやすい、換言すれば、軸線方向に沿った凸部と凹部とが形成されやすい傾向があるので、そのような場合には、係る凹凸が解消されるよう、内周方向に沿うような切削や研磨などを行うようにすることで、結果として、図２のような縞状領域ＳＴを得ることができる。

ところで、凸部Ｔと凹部Ｂとが筒状体３０の内周方向に沿うように延在するとは、稜線ＲＬと谷線ＶＬがともに、内面３０ａの内周方向と実質的に平行であればよいことの意である。ここで、実質的に平行であるとは、厳密な平行を意図しつつも縞状領域ＳＴの形成手法に照らして解消が必ずしも容易ではなく、かつ、上述した低封止荷重での気密性の確保という作用効果に照らして無視できる程度のわずかな傾斜は、許容されることを意味する。当然ながら、意図的に傾斜を与えるような場合は、実質的に平行とはいえない。

例えば、主部３０Ｍの内径が９ｍｍである場合において、稜線ＲＬの間隔ｐが４５μｍとされ、内面３０ａの軸中心を含む軸線方向断面の両端における軸線方向の位置が間隔ｐの２倍の９０μｍだけずれていたとしても、その場合の稜線ＲＬの傾斜角はarctan（０．０９／９）＝約０．５７°にすぎない。

実用上は、稜線ＲＬの傾斜角がおよそ２８°以下であれば、あるいは、主部３０Ｍの内径に対する間隔ｐの比が０．８３以下であれば、凸部Ｔと凹部Ｂとは筒状体３０の内周方向に沿うように延在するものとみなして差し支えない。

また、図１においては、主部３０Ｍにおける内面３０ａの一部範囲のみが縞状領域ＳＴとされているが、当該内面３０ａの全体が、縞状領域ＳＴとして加工される態様であってもよい。

＜素子封止体の組み立て＞
最後に、素子封止体１の組み立ての手順について概略を説明する。図３ないし図５は、係る素子封止体１の組立途中の様子を示す、ｚ軸方向に沿った断面図である。なお、図３ないし図５においては、保護カバー２の図示はあくまで概略的である。

まず、あらかじめ、図３（ａ）に示すような、センサ素子１０に第１セラミックサポータ２１と、２つの成型体２２ａ、２２ｂと、第２セラミックサポータ２３が順次に環装された環装体１ａを用意する。換言すれば、環装体１ａにおいては、第１セラミックサポータ２１と第２セラミックサポータ２３とが両端に位置するように、各部品の環装がなされている。

より具体的には、環装体１ａにおいては、第１セラミックサポータ２１、成型体２２ａ、２２ｂ、第２セラミックサポータ２３のそれぞれに設けられてなる、矩形状の図示しない貫通孔が、センサ素子１０と嵌め合わされることで、各部品がセンサ素子１０に環装されてなる。係る環装体１ａの形成には、公知の技術が適宜に適用される。好ましくは、第１先端部１０ａ側に設けられた保護膜１１が、環装される各部品の貫通孔と接触しない態様にて、環装がなされる。

そして、用意した環装体１ａを、矢印ＡＲ１にて示すように筒状体３０へと挿入することにより、環装体１ａに筒状体３０が環装される。ただし、図３（ａ）に示すように、かしめ部３２はこの時点では屈曲させられてはおらず、端面３０ｃから鉛直上方（ｚ軸正方向）に向けて延在する薄肉円筒状の延在部３２Ｚとなっている。係る場合において、延在部３２Ｚの内面は、筒状体３０において（あるいは主部３０Ｍにおいて）内空間３０ｈを形成している円筒状の内面３０ａと軸線方向において連続している。それゆえ、以降においては、この延在部３２Ｚの内面も含め、内面３０ａと称する。

また、環装体１ａへの環装に先立ち、筒状体３０にはあらかじめ、少なくとも図１と同様の範囲に、縞状領域ＳＴが形成されてなるものとする。

図３（ａ）においては、所定の筒状体支持手段１０１によって係止部３３が下方支持されることにより、延在部３２Ｚ側が上方となりかつ軸線方向を鉛直方向（ｚ軸方向）一致する態様にて固定されてなる筒状体３０に対し、環装体１ａが第１先端部１０ａを下方とする姿勢にて鉛直上方から挿入される場合を、例示している。係る挿入がなされることにより、図３（ｂ）に示すような、センサ素子１０が筒状体３０の軸中心位置において軸方向に貫通しつつ筒状体３０の内空間３０ｈに環装部品２０が収容された状態が実現される。係る場合においては、環装部品２０は内空間３０ｈの最奥部においてテーパー面３０ｂに係止される一方、センサ素子１０の第１先端部１０ａは縮径部３１を通じて筒状体３０の外部へと貫通している。第２先端部１０ｂはもともと、環装部品２０から突出している。

なお、図３（ａ）に示す態様に代わり、環装体１ａと筒状体３０とがともに上下反転された姿勢とされ、環装体１ａに対し鉛直上方から筒状体３０を乾燥する態様であってもよい。

図３（ｂ）に示すように、環装体１ａの挿入がなされた時点では、成型体２２ａ、２２ｂはそれぞれ別体に存在し、また、閉曲線Ｅ１にて示すように、第２セラミックサポータ２３は延在部３２Ｚから突出している。

筒状体３０に対する環装体１ａの挿入がなされると、次に、図４（ａ）に示すように、所定の押圧手段１０２が、環装体１ａにおいて最上位置にあり延在部３２Ｚから突出している第２セラミックサポータ２３の上端に当接させられ、さらに下降させられる。係る押圧手段１０２の下降により第２セラミックサポータ２３は所定の荷重ｆ１にて鉛直下方（ｚ軸負方向）に押圧される。係る荷重ｆ１による圧縮を仮圧縮（一次圧縮）と称する。

仮圧縮の結果、第２セラミックサポータ２３を介してその直下の２つの成型体２２ａ、２２ｂが圧縮され、図４（ｂ）に示すように、一の圧粉体２２となる。その際には、縞状領域ＳＴの凹部Ｂに対し圧粉体２２のセラミックス粒子が押し込まれる。さらには、閉曲線Ｅ２にて示すように、第２セラミックサポータ２３は押圧前に比して下降する。また、係る仮圧縮により、センサ素子１０はあらかじめ設定された所定の配置範囲に配置される。

荷重ｆ１は、圧力値にておよそ３．０ＭＰａ〜６．６ＭＰａなる範囲にて印加するのが好適である。例えば、上述のように筒状体３０の主部３０Ｍの直径が８．８ｍｍ〜９．２ｍｍ程度である場合であれば、荷重ｆ１は、およそ０．２ｋＮ〜０．４ｋＮなる範囲にて印加するのが好適である。

以上のような仮圧縮がなされると、図４（ｂ）に示すように、押圧手段１０２は再び第２セラミックサポータ２３の上端に当接させられ、さらに下降させられる。その際に押圧手段１０２が第２セラミックサポータ２３に対し作用させる荷重ｆ２は通常、仮圧縮における荷重ｆ１よりも大きな値とされる。係る荷重ｆ２による圧縮を本圧縮（二次圧縮）と称する。

図５（ａ）において閉曲線Ｅ３にて示すように、本圧縮後においては、第２セラミックサポータ２３の上端は筒状体３０の延在部３２Ｚの先端から所定の距離（以下、かしめ高さ）ｈだけ下方にまで下降している。

本圧縮により、一の圧粉体２２は第２セラミックサポータ２３を介してさらに圧縮される。これに伴い、縞状領域ＳＴの凹部Ｂに対する圧粉体２２のセラミックス粒子の充填も、十分になされる。これにより、センサ素子１０が完全に固定されるとともに、センサ素子１０の第１先端部１０ａ側と、第２先端部１０ｂ側との間が、気密に封止される。

なお、本圧縮によりセンサ素子１０は仮圧縮にて配置された位置から多少ずれ得るが、仮圧縮時のセンサ素子１０の配置位置を、本圧縮時の位置ずれを想定して設定することにより、本圧縮後のセンサ素子１０の固定位置は、あらかじめ設定された公差範囲内となる。

なお、荷重ｆ２は、圧力値にておよそ７５ＭＰａ〜１１５ＭＰａなる範囲にて印加するのが好適である。例えば、上述のように筒状体３０の主部３０Ｍの内径が８．８ｍｍ〜９．２ｍｍ程度である場合であれば、荷重ｆ２は、およそ５ｋＮ〜７ｋＮなる範囲にて印加するのが好適である。それゆえ、５ｋＮ（５００ｋｇｆ超）程度でも十分である。これは、同程度の内径を有するものの従来の（縞状領域ＳＴ）を有さない筒状体３０を用いて素子封止体１を作製する際の、本圧縮における封止荷重が８００ｋＮ〜２０００ｋＮ程度とされることを鑑みると、十分に小さい値といえる。

また、このような小さい封止荷重の採用は、本圧縮に際してセンサ素子１０に過度の力が作用して、軸中心位置からずれてしまうことや、さらには破損のリスクを低減するという点からも、好適である。

本圧縮がなされると、続いて、筒状体３０の延在部３２Ｚが軸中心方向へと屈曲させられるかしめ処理が行われて、かしめ部３２が形成される。

かしめ処理は、概略、延在部３２Ｚの上方に配置した金属製のかしめ治具（屈曲手段）１０３を下降させ、延在部３２Ｚに当接させることによって行われる。

かしめ処理が実行されると、図５（ｂ）に示すように、延在部３２Ｚが屈曲させられて、かしめ部３２が形成される。かしめ部３２は、第２セラミックサポータ２３と当接する態様にて設けられる。

係るかしめ処理がなされることで、筒状体３０の内部におけるセンサ素子１０と環装部品２０との固定が、実現される。これにより、素子封止体１が得られたことになる。

なお、かしめ処理によって延在部３２Ｚが屈曲される際に、延在部３２Ｚが第２セラミックサポータ２３と接触することに起因して、第２セラミックサポータ２３が破損することを防ぐべく、第２セラミックサポータ２３の上に金属製の環状の薄板であるワッシャーが配置されたうえで、かしめ処理が行われる態様であってもよい。

以上、説明したように、本実施の形態によれば、ガスセンサにおいてセンサ素子を固定するとともに該センサ素子の両端部の間における気密封止を実現する素子封止体において、センサ素子が貫通させられるともに、センサ素子の周囲に環装される環装部品が収容される筒状体において、少なくとも環装部品の１つである圧粉体と接触する範囲に、凸部と凹部とが軸線方向において交互にかつそれぞれが筒状体の内周方向に沿うように延在する凹凸領域である縞状領域を設けることで、従来よりも低封止荷重で、良好な気密性を確保することができる。これにより、封止に際してセンサ素子の位置あるいは姿勢がずれることや、センサ素子の破損のおそれが低減される。また、従来と同程度の封止荷重にて封止を行うことで、従来よりもさらに気密性に優れた素子封止体を得ることも、可能と考えられる。

４種類の素子封止体１（サンプルＮｏ．１〜Ｎｏ．４）を作製し、それぞれについて、気密性の評価を行った。なお、それぞれの素子封止体１の筒状体３０は、主部３０Ｍの内径が９ｍｍとなるように同一の条件にて鍛造した後、縞状領域ＳＴを形成する際の切削条件を適宜に違えることにより得た。また、本圧縮（二次圧縮）の際の封止荷重は４．９８ｋＮ（＝約５０８ｋｇｆ）とした。

それぞれのサンプルの第１最大高さＲｚ１と、第２最大高さＲｚ２と、比Ｒｚ１／Ｒｚ２とを表１に一覧にして示す。なお、最大高さの評価には触針式表面粗さ測定装置を用い、軸線方向の測定範囲は１３ｍｍとし、円周方向の測定範囲は２ｍｍとした。また、いずれの場合も、測定により得られる断面曲線から、波長が２．５μｍ未満と０．８ｍｍ超の周期成分を除外（カットオフ）したうえで、第１最大高さＲｚ１と、第２最大高さＲｚ２とを求めた。

表１に示すように、それぞれのサンプルにおいては、筒状体３０の縞状領域ＳＴにおける第２最大高さＲｚ２はほぼ同程度であったが、第１最大高さＲｚ１には相違があり、それゆえ、比Ｒｚ１／Ｒｚ２にも相違が生じていた。ただし、いずれのサンプルも、上述の式（１）および（２）は充足していた。

気密性の評価には、特許文献２に開示されている気密性試験と同一の評価手法を採用した。それゆえ、試験の詳細な説明は省略する。なお、特許文献２に開示されている条件と同一条件のもとで評価が行えるよう、必要な部品の追加組付け等は適宜に行っている。

気密性試験は、それぞれのサンプルについて５回ずつ行った。図６は、気密性試験において測定された各サンプルにおけるリーク量を示す図である。

図６からは、リーク量は比Ｒｚ１／Ｒｚ２の大きさによらず概ね０．２〜０．５ｃｃ／ｍｍ程度に収まっていることがわかる。これらの値を、８００ｋｇｆ〜２０００ｋｇｆなる範囲にて（本）封止荷重が違えられた複数の素子封止体を対象に行われた、特許文献２の実施例における気密性試験の結果と対比すると、サンプルＮｏ．１〜Ｎｏ．４におけるリーク量は、封止荷重が上記範囲で最大の２０００ｋｇｆであった特許文献２の素子封止体とほぼ同程度であり、これよりも封止荷重が小さい８００ｋｇｆ〜１４００ｋｇｆとされた特許文献２の素子封止体におけるリーク量よりも小さい傾向があることが、確認される。

サンプルＮｏ．１〜Ｎｏ．４を得る際の封止荷重がおよび５００ｋｇｆであることを鑑みると、本実施例の結果は、上述の実施の形態に係る素子封止体１の構成を採用することで、従来よりも封止荷重を小さくした場合であっても、従来品と同等程度の気密性が得られることを示している。

また、特許文献２に開示された実施例では、上記範囲において封止荷重の値が大きいほど、リーク量が小さくなる傾向がある。上述の実施の形態においても同様の傾向が得られるとするならば、図６に示す結果は、特許文献２の実施例と同程度の封止荷重にて封止を行った場合、よりリーク量が低減される可能性があることを示唆しているともいえる。すなわち、従来よりもさらに気密性の優れた素子封止体が得られる可能性を示唆しているともいえる。

１ 素子封止体
１ａ 環装体
２ 保護カバー
３ 固定ボルト
４ 外筒
５ コネクタ
６ グロメット
７ リード線
１０ センサ素子
１０ａ （センサ素子の）第１先端部
１０ｂ （センサ素子の）第２先端部
１１ 保護膜
２０ 環装部品
２１ 第１セラミックサポータ
２２ 圧粉体
２２ａ、２２ｂ 成型体
２３ 第２セラミックサポータ
３０ 筒状体
３０Ｍ （筒状体の）主部
３０ａ （筒状体の）内面
３１ （筒状体の）縮径部
３２ （筒状体の）かしめ部
３２Ｚ （筒状体の）延在部
３３ （筒状体の）係止部
５１ 接点部材
１００ ガスセンサ
１０１ 筒状体支持手段
１０２ 押圧手段
１０３ かしめ治具
Ｂ （縞状領域の）凹部
ＳＴ 縞状領域
Ｔ （縞状領域の）凸部
ＲＬ （縞状領域の凸部の）稜線
ＶＬ （縞状領域の凹部の）谷線

センサ素子１０の表面の、第１先端部１０ａから長手方向における所定の範囲は、保護膜１１で被覆されてなる。保護膜１１は、内部空所や電極等が設けられてなるセンサ素子１０の第１先端部１０ａ近傍を被水などによる熱的な衝撃から保護するために設けられ、耐熱衝撃保護層とも称される。保護膜１１は、例えばＡｌ_２Ｏ_３などからなる厚みが１０μｍ〜２０００μｍ程度の多孔質膜である。保護膜１１は、その目的に照らして、５０Ｎ程度までの力に耐え得るように形成されるのが好ましい。ただし、図１および以降の各図における保護膜１１の形成範囲はあくまで例示であって、実際の形成範囲は、センサ素子１０の具体的構造に応じて適宜に定められる。

かしめ部３２は、屈曲させられてなることで、内部に配置された環装部品２０を（直接的には第２セラミックサポータ２３を）図面視上方から押圧しつつ固定（拘束）してなる。なお、かしめ部３２は、後述するように、センサ素子１０および環装部品２０の環装後に屈曲させられてなる。

なお、図３（ａ）に示す態様に代わり、環装体１ａと筒状体３０とがともに上下反転された姿勢とされ、環装体１ａに対し鉛直上方から筒状体３０を環装する態様であってもよい。

なお、荷重ｆ２は、圧力値にておよそ７５ＭＰａ〜１１５ＭＰａなる範囲にて印加するのが好適である。例えば、上述のように筒状体３０の主部３０Ｍの内径が８．８ｍｍ〜９．２ｍｍ程度である場合であれば、荷重ｆ２は、およそ５ｋＮ〜７ｋＮなる範囲にて印加するのが好適である。それゆえ、５ｋＮ（５００ｋｇｆ超）程度でも十分である。これは、同程度の内径を有するものの縞状領域ＳＴを有さない（従来の）筒状体３０を用いて素子封止体１を作製する際の、本圧縮における封止荷重が８００ｋＮ〜２０００ｋＮ程度とされることを鑑みると、十分に小さい値といえる。

サンプルＮｏ．１〜Ｎｏ．４を得る際の封止荷重がおよそ５００ｋｇｆであることを鑑みると、本実施例の結果は、上述の実施の形態に係る素子封止体１の構成を採用することで、従来よりも封止荷重を小さくした場合であっても、従来品と同等程度の気密性が得られることを示している。

Claims (10)

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性の筒状体と、
   前記貫通孔をなす前記筒状体の内面と前記センサ素子との間に充填されてなり、前記センサ素子の第１の端部側と第２の端部側との間を封止する圧粉体と、
   を備え、
   前記筒状体の内面のうち少なくとも前記圧粉体と接触する範囲が、凸部と凹部とが前記軸方向において交互にかつそれぞれが前記筒状体の内周方向に沿うように延在する縞状凹凸領域であり、
   前記凸部の前記軸方向における間隔が５０μｍ以上１５０μｍ以下であり、
   前記縞状凹凸領域の前記軸方向における最大高さを第１最大高さＲｚ１とし、前記内周方向における最大高さを第２最大高さＲｚ２とするときに、
   ０．３μｍ≦Ｒｚ１≦１０μｍであり、
   Ｒｚ１／Ｒｚ２≧２．０である、
   ことを特徴とする、ガスセンサ。
2. 請求項１に記載のガスセンサであって、
   前記圧粉体が、平均粒径が５０μｍ〜５５０μｍのセラミック粒子からなる、
   ことを特徴とする、ガスセンサ。
3. 請求項１または請求項２に記載のガスセンサであって、
   前記圧粉体が、前記筒状体の内部において、それぞれが前記センサ素子に環装されてなる第１のセラミックサポータと第２のセラミックサポータとの間に充填されてなる、
   ことを特徴とする、ガスセンサ。
4. セラミックス製のセンサ素子を備えるガスセンサにおいて、前記センサ素子を固定しつつ前記センサ素子の第１の端部側と第２の端部側との間を封止する素子封止体であって、
   前記センサ素子と、
   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性の筒状体と、
   前記貫通孔をなす前記筒状体の内面と前記センサ素子との間に充填されてなり、前記センサ素子の前記第１の端部側と前記第２の端部側との間を封止する圧粉体と、
   を備え、
   前記筒状体の内面のうち少なくとも前記圧粉体と接触する範囲が、凸部と凹部とが前記軸方向において交互にかつそれぞれが前記筒状体の内周方向に沿うように延在する縞状凹凸領域であり、
   前記凸部の前記軸方向における間隔が５０μｍ以上１５０μｍ以下であり、
   前記縞状凹凸領域の前記軸方向における最大高さを第１最大高さＲｚ１とし、前記内周方向における最大高さを第２最大高さＲｚ２とするときに、
   ０．３μｍ≦Ｒｚ１≦１０μｍであり、
   Ｒｚ１／Ｒｚ２≧２．０である、
   ことを特徴とする、ガスセンサの素子封止体。
5. 請求項４に記載のガスセンサの素子封止体であって、
   前記圧粉体が、平均粒径が５０μｍ〜５５０μｍのセラミック粒子からなる、
   ことを特徴とする、ガスセンサの素子封止体。
6. 請求項４または請求項５に記載のガスセンサの素子封止体であって、
   前記圧粉体が、前記筒状体の内部において、それぞれが前記センサ素子に環装されてなる第１のセラミックサポータと第２のセラミックサポータとの間に充填されてなる、
   ことを特徴とする、ガスセンサの素子封止体。
7. セラミックス製のセンサ素子を備えるガスセンサにおいて、セラミックス粒子の圧粉体による前記センサ素子の第１の端部側と第２の端部側との間の封止とに用いられる、円筒状の内空間を有する筒状体であって、
   前記筒状体の内面のうち、前記封止の際に前記圧粉体と接触する範囲が、凸部と凹部とが前記筒状体の軸方向において交互にかつそれぞれが前記筒状体の内周方向に沿うように延在する縞状凹凸領域であり、
   前記凸部の前記軸方向における間隔が５０μｍ以上１５０μｍ以下であり、
   前記縞状凹凸領域の前記軸方向における最大高さを第１最大高さＲｚ１とし、前記内周方向における最大高さを第２最大高さＲｚ２とするときに、
   ０．３μｍ≦Ｒｚ１≦１０μｍであり、
   Ｒｚ１／Ｒｚ２≧２．０である、
   ことを特徴とする、筒状体。
8. セラミックス製のセンサ素子を備えるガスセンサの組立方法であって、
   ２つのセラミックサポータとセラミックス粒子の成型体とを少なくとも含む複数の環装部品を、前記２つのセラミックサポータが両端に位置するように前記センサ素子に環装し、環装体を得る環装体準備工程と、
   最奥部が縮径された円筒状の内空間を有する主部と、前記主部の一方端部から前記主部の軸線方向に沿って延在する前記主部よりも薄肉の延在部と、を備える筒状体を、前記環装体に対し環装することにより、前記センサ素子を前記筒状体の軸中心位置において軸方向に貫通させつつ前記筒状体の内空間に前記複数の環装部品を収容する収容工程と、
   前記２つのセラミックサポータの一方を所定の押圧手段で押圧することにより、前記成型体を圧縮し、前記内空間において前記センサ素子の第１の端部側と第２の端部側との間を前記セラミックス粒子からなる圧粉体にて封止する封止工程と、
   前記筒状体の前記延在部を軸中心に向けて屈曲させることによりかしめ部を形成し、前記かしめ部にて前記複数の環装部品を押圧することにより前記複数の環装部品を前記内空間にて固定する屈曲工程と、
   を備え、
   前記筒状体の内面のうち少なくとも前記圧粉体と接触する範囲が、凸部と凹部とが前記軸方向において交互にかつそれぞれが前記筒状体の内周方向に沿うように延在する縞状凹凸領域とされてなり、
   前記凸部の前記軸方向における間隔が５０μｍ以上１５０μｍ以下であり、
   前記縞状凹凸領域の前記軸方向における最大高さを第１最大高さＲｚ１とし、前記内周方向における最大高さを第２最大高さＲｚ２とするときに、
   ０．３μｍ≦Ｒｚ１≦１０μｍであり、
   Ｒｚ１／Ｒｚ２≧２．０である、
   ことを特徴とする、ガスセンサの組立方法。
9. 請求項８に記載のガスセンサの組立方法であって、
   前記封止工程においては、前記成型体の圧縮を一次圧縮と二次圧縮との二段階で行い、前記二次圧縮において前記押圧手段が前記２つのセラミックサポータの一方を押圧する際の圧力は７５ＭＰａ〜１１５ＭＰａである、
   ことを特徴とする、ガスセンサの組立方法。
10. 請求項８または請求項９に記載のガスセンサの組立方法であって、
    前記セラミックス粒子の平均粒径が５０μｍ〜５５０μｍである、
    ことを特徴とする、ガスセンサの組立方法。

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