JP3655454B2

JP3655454B2 - センサのリード線封止構造

Info

Publication number: JP3655454B2
Application number: JP36754897A
Authority: JP
Inventors: 敬中尾; 修一花井; 久治西尾
Original assignee: NGK Spark Plug Co Ltd
Current assignee: NGK Spark Plug Co Ltd
Priority date: 1997-12-26
Filing date: 1997-12-26
Publication date: 2005-06-02
Anticipated expiration: 2017-12-26
Also published as: JPH11190717A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、酸素センサ、ＨＣセンサあるいはＮＯｘセンサ等の各種センサに適用されるリード線封止構造に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、例えば自動車の排ガス中の酸素濃度を検出する酸素センサとして、ジルコニア等の固体電解質や金属酸化物半導体を検出素子として用いるものが知られている。検出素子は金属製の外筒の内側に配置され、その出力は素子に接続されたリード線により外筒の外側に取り出される。また、リード線が引き出される外筒の開口部には、外筒内へ水等が進入することを阻止するためにゴム製のグロメットがはめ込まれ、リード線はこのグロメットを貫いて外筒の外側に延出することにより、両者の間が封止される。
【０００３】
ここで、上記酸素センサは作動温度が３００℃以上と高く、ヒータにより検出素子を強制加熱する構造が一般に採用されている。その結果、ヒータによる発熱にエンジンからの発熱も重なって、酸素センサはかなりの高温度にさらされる。そこで、一般にはグロメットをフッ素ゴム等の耐熱性ゴムで構成して、高温での気密性を確保することが行われている。他方、より高温シール性に優れた方式として、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）樹脂製のグロメットにリード線を挿通し、その外側に筒状のゴムシール部材を配置して、外筒をそのシール部材に向けて加締めることにより封止する構造も採用されている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記従来の封止構造においては、グロメットの材質であるＰＴＦＥ樹脂の熱膨張率がかなり大きく、高温下ではその膨張したグロメットと外筒との間でゴムシール部材に過度の圧縮力が働き、ゴムシール部材が損傷してリーク等のトラブルにつながる場合がある。また、ゴムシール部材には強い加締め力が作用しており、加熱状態でこれにグロメットからの膨張力も付加されると、ゴムシール部材に永久変形が生じやすい状態となる。そして、このような熱サイクルが繰返し付加された場合は、上記永久変形が蓄積されてシールの緩み等につながる場合もある。
【０００５】
本発明の課題は、高温にさらされたり、あるいは熱サイクルが繰返し付加された場合でも、良好なシール状態を長期に渡って維持することができるセンサのリード線封止構造を提供することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段及び作用・効果】
上記課題を解決するための本発明のセンサのリード線封止構造（以下、単に封止構造ともいう）は、少なくとも一端に開口部が形成された金属製の外筒の内側に検出素子が配置され、その検出素子からの出力を取り出すリード線が、開口部から外側に延出するとともに、外筒の開口部が形成されている端部内側に、リード線と外筒内面との間を封止する封止部が形成されるとともに、その封止部が、フッ素系樹脂と該フッ素系樹脂よりも熱膨張率の小さい無機材料粒子との複合材料にて構成され、検出素子からの各リード線が挿通されるリード線挿通孔が軸方向に貫通して形成され、外筒の後端側の開口部に対しその内側に配置されるグロメットと、
そのグロメットと外筒内面との間に配置され、該グロメットよりも軟質の弾性材料で構成されるとともに、グロメットの外周面と外筒内面との間をシールする弾性シール部材とを備えていることを特徴とする。
【０００７】
上記本発明の封止構造によれば、リード線が挿通されるグロメットが、フッ素系樹脂と、そのフッ素系樹脂よりも熱膨張率の小さい無機材料粒子との複合材料にて構成されているので、フッ素樹脂単体でグロメットを構成した場合に比べて全体の平均的な膨張率を小さくすることができる。これにより、高温にさらされたり、あるいは熱サイクルが繰返し付加された場合でも、グロメットの外側に配置される弾性シール部材に対して過度な圧縮力が作用しなくなり、弾性シール部材に損傷や永久変形等が生じにくくなる。すなわち、苛酷な使用環境下でも良好なシール状態を長期に渡って維持することができるようになる。また、フッ素系樹脂に無機材料粒子を配合することにより、グロメットの耐熱性をさらに向上させることができる。
【０００８】
グロメットを構成するフッ素系樹脂は、ポリテトラフルオロエチレン（以下、ＰＴＦＥと略記する）樹脂を主体とするものとすることができる。ＰＴＦＥ樹脂はフッ素系樹脂のなかでもとりわけ耐熱性に優れ、化学的に安定であるので、本発明に好適に使用できる。
【０００９】
一方、無機材料粒子は、各種セラミック粒子（あるいは粉末）とすることができる。具体的には、炭化珪素粒子及びアルミナ粒子の少なくともいずれかを主体とするものとすることができる。これらのセラミック粒子は熱膨張率が特に小さく、グロメット全体の高温での膨張を抑制する効果に優れる。また、化学的にも極めて安定であり吸湿性も小さいので、例えばグロメット製造のためフッ素系樹脂と混合して加熱成形する際に分解や気泡発生を生じにくく、緻密で耐久性に優れたグロメットを構成できる。
【００１０】
なお、炭化珪素粒子を使用する場合には、複合材料中の炭化珪素粒子の配合比率は５〜２５重量％の範囲で調整するのがよい。炭化珪素粒子の配合比率が５重量％未満になると、所期の熱膨張防止効果が得られない場合がある。炭化珪素粒子の配合比率は、より望ましくは１０〜２０重量％の範囲で調整するのがよい。また、２５重量％を超えると成形性が悪化し、健全なグロメットを得られなくなる場合がある。同様に、アルミナ粒子を使用する場合には、その配合比率は５〜５０重量％、望ましくは１５〜２５重量％の範囲で調整するのがよい。
【００１１】
また、配合する無機材料粒子の平均粒径は１〜５μｍの範囲で調整するのがよい。平均粒径が１μｍ以下になると複合材料中に粒子を均一分散させることが困難となり、得られるグロメットに欠陥等を生じたりしてシール性が損なわれる場合がある。他方、平均粒径が５μｍを超えた場合も欠陥が生じやすくなり、同様にシール性の低下につながる場合がある。
【００１２】
次に、弾性シール部材はフッ素系ゴムにより構成することができる。これにより、封止部の高温でのシール性をさらに高めることができる。なお、フッ素系ゴムとしては、フッ化ビニリデン系ゴム（フッ化ビニリデンと、６フッ化プロピレン、５フッ化プロピレンあるいは３フッ化塩化エチレン等との共重合体を主成分とするもの）、四フッ化エチレン−プロピレンゴム、四フッ化エチレン−フルオロメチルビニルエーテルゴム、フォスファゼン系ゴム、フッ化アクリレート系ゴム、フッ化ポリエステル系ゴム等が使用できる。
【００１３】
外筒には、弾性シール部材に向けて加締めることにより加締め部を形成することができ、弾性シール部材はその加締め部において外筒とグロメットとの間で圧縮されることにより、両者の間をシールするものとすることができる。加締め部の形成により、弾性シール部材はより大きく弾性変形し、シール性をより良好なものとすることができる。また、このような加締めによる圧縮力が加わった状態でも、内側のグロメットが前述の複合材料で構成されて熱膨張が抑さえられているので、弾性シール部材の損傷等が生じにくい。
【００１４】
次に、本発明の封止構造においては、リード線を樹脂製の外被により覆い、その状態でグロメットのリード線挿通孔に挿通することができる。この場合、そのリード線挿通孔の内面とリード線の外被外面との間を、グロメットに含有されるフッ素系樹脂よりも軟化温度の低いフッ素系樹脂を主体に構成された封着樹脂層により封着することができる。このような構造とすることにより、リード線挿通孔におけるグロメットとリード線との間の気密性（すなわちシール性）を格段に高めることができる。
【００１５】
この場合、封着樹脂層は、リード線挿通孔の内面及びリード線の外被外面に対し熱溶着により接合することができる。すなわち、従来のように、ゴム製のグロメットを用いて外筒に加締め部を形成することによりシールする場合は、加締め圧力が各リード線挿通孔の周囲に必ずしも均一に付加されるとは限らず、気密性に影響を生ずることもあった。しかしながら、封着樹脂層の熱溶着によりシールする構成とすれば、そのような加締め圧力の不均一の影響はほとんど生じず、気密性の高いシール状態を確実に得ることが可能となる。
【００１６】
上記封着樹脂層は、加熱によりある程度の流動性（例えば、溶融粘度にて１０³〜１０⁵ポアズ程度）を付加できるタイプのフッ素系樹脂を使用するのが、熱溶着によるシール効果を高める上で都合がよい。このようなフッ素系樹脂としては、例えばテトラフルオロエチレン−パーフルオロアルキルビニルエーテル（以下、ＰＦＡと略記）樹脂を主体とするものを例示できる。これは、化１に示す一般構造式を有する。
【００１７】
【化１】

【００１８】
ただし、（−Ｏ−Ｒｆ）は（−Ｏ−ＣＦ₃）、（−Ｏ−Ｃ₂Ｆ₅）等のアルキルエーテル基（パーフルオロアルコキシ基）である。また、これ以外では、テトラフルオロエチレン−ヘキサフルオロプロピレン共重合体、ポリトリクロロトリフルオロエチレン、テトラフルオロエチレン−エチレン共重合体、クロロトリフルオロエチレン−エチレン共重合体、ポリビニリデンフルオライド、ポリビニルフルオライド等の使用が可能である。
【００１９】
また、外被に覆われたリード線が複数設けられる場合は、グロメットには、それらリード線が個別に挿通される複数のリード線挿通孔を形成することができ、封着樹脂層は、それら各リード線挿通孔の内面と、対応するリード線の外被外面との間をそれぞれ封着する形で形成することができる。すなわち、各リード線毎に個別にリード線挿通孔を設けて、両者の間をそれぞれ封着樹脂層で封着することにより、リード線とグロメットとの間の気密性を一層確実なものとすることができる。
【００２０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図面に示す実施例を参照して説明する。
図１には、この発明のリード線封止構造を用いて構成されたガスセンサの一実施例として、自動車等の排気ガス中の酸素濃度を検出する酸素センサ１を示している。この酸素センサ１は通称λセンサあるいはＯ₂センサと呼ばれるもので、長尺のセラミック素子２（検出素子）を備え、その先端側が排気管内を流れる高温の排気ガスに晒される。
【００２１】
セラミック素子２は方形状断面を有する長尺状のもので、図２（ａ）に示すように、それぞれ横長板状に形成された酸素濃淡電池素子２１と、該酸素濃淡電池素子２１を所定の活性化温度に加熱するヒータ２２とが積層されたものとして構成されている。酸素濃淡電池素子２１は、酸素イオン伝導性を有する固体電解質により構成されている。そのような固体電解質としては、Ｙ₂Ｏ₃ないしＣａＯを固溶させたＺｒＯ₂が代表的なものであるが、それ以外のアルカリ土類金属ないし希土類金属の酸化物とＺｒＯ₂との固溶体を使用してもよい。また、ベースとなるＺｒＯ₂にはＨｆＯ₂が含有されていてもよい。一方、ヒータ２２は、高融点金属あるいは導電性セラミックで構成された抵抗発熱体パターン２３をセラミック基体中に埋設した公知のセラミックヒータで構成されている。
【００２２】
酸素濃淡電池素子２１には、その長手方向における一方の端部（主体金具３の先端より突出する部分）寄りにおいてその両面に、酸素分子解離能を有した多孔質電極２５，２６が形成されており、それら電極２５，２６及びそれらの間に挟まれる固体電解質部分とが検出部Ｄを形成することとなる。
【００２３】
各多孔質電極２５，２６からは、該酸素濃淡電池素子２１の長手方向に沿って酸素センサ１の取付基端側に向けて延びる電極リード部２５ａ，２６ａがそれぞれ一体に形成されている。このうち、ヒータ２２と対向しない側の電極２５からの電極リード部２５ａは、その末端が電極端子部７として使用される。一方、ヒータ２２に対向する側の電極２６の電極リード部２６ａは、図２（ｃ）に示すように、酸素濃淡電池素子２１を厚さ方向に横切るビア２６ｂにより反対側の素子面に形成された電極端子部７と接続されている。すなわち、酸素濃淡電池素子２１は、両多孔質電極２５，２６の電極端子部７が電極２５側の板面末端に並んで形成される形となっている。上記各電極、電極端子部及びビアは、Ｐｔ又はＰｔ合金など、酸素分子解離反応の触媒活性を有した金属粉末のペーストを用いてスクリーン印刷等によりパターン形成し、これを焼成することにより得られるものである。
【００２４】
一方、ヒータ２２の抵抗発熱体パターン２３に通電するためのリード部２３ａ，２３ａも、図２（ｄ）に示すように、ヒータ２２の酸素濃淡電池素子２１と対向しない側の板面末端に形成された電極端子部７，７に、それぞれビア２３ｂを介して接続されている。
【００２５】
図２（ｂ）に示すように、酸素濃淡電池素子２１とヒータ２２とは、ＺｒＯ₂系セラミックあるいはＡｌ₂Ｏ₃系セラミック等のセラミック層２７を介して互いに接合される。そして、その接合側の多孔質電極２６には、電極リード部２６ａ（これも多孔質である）が接合されるとともに、反対側の多孔質電極２５との間には、多孔質電極２６側に酸素が汲み込まれる方向に微小なポンピング電流が印加され、そのポンピングされた酸素は電極リード部２６ａを経て大気中に放出される。これにより、多孔質電極２６内の酸素濃度は大気よりも若干高い値に保持され、酸素基準電極として機能することとなる。一方、反対側の多孔質電極２５は排気ガスと接触する検出側電極となる。
【００２６】
このようなセラミック素子２が、図１に示すように、主体金具３に形成された挿通孔３１に挿通されるとともに、挿通孔３１の内面とセラミック素子２の外面との間には両者の間を気密状態に封着するガラス等の封着材層３２が形成される。そして、セラミック素子２は、上記封着材層３２等により、先端の検出部Ｄが、排気管に固定される主体金具３の先端より突出した状態で該主体金具３内に固定される。主体金具３の先端外周には、セラミック素子２の突出部分を覆う金属製の二重のプロテクトカバー６ａ、６ｂがレーザー溶接あるいは抵抗溶接（例えばスポット溶接）等によって固着されている。このカバー６ａ、６ｂは、キャップ状を呈するもので、その先端や周囲に、排気管内を流れる高温の排気ガスをカバー６ａ、６ｂ内に導く開口６ｃ、６ｄが形成されている。
【００２７】
セラミック素子２の各電極端子部７（４極を総称する）には、導線部材としてそれぞれ裸の導線（長手状金属薄板）８が第一コネクタＡにより電気的に接続され、それらの導線８はさらに第二コネクタ部１３を介して、リード線１４に電気的に接続されている。本実施例ではリード線１４は都合４本あり、それぞれ芯線１４ａの外側をＰＴＦＥ樹脂チューブ製の外被１４ｂで覆ったものである。そして、これらリード線１４は外筒１８の末端開口部１８ｃの内側に嵌め込まれた封止部１５を貫通して外部に延び、それらの先端に図示しないコネクタプラグが連結されている。
【００２８】
封止部１５は、本発明のリード線封止構造（以下、単に封止構造という）１００の要部をなすものであり、フッ素系樹脂としてのＰＴＦＥ樹脂９１と、ＰＴＦＥ樹脂９１よりも熱膨張率の小さいセラミック粒子（無機材料粒子）９０との複合材料にて構成されたグロメット５１と、そのグロメット５１と外筒１８の内面との間に配置され、グロメット５１の外周面と外筒１８の内面との間をシールする例えばフッ素ゴム製の弾性シール部材５２とを有する。グロメット５１には、各リード線１４が個別に挿通されるれるリード線挿通孔５１ａが軸方向に貫通して形成されている。
【００２９】
グロメット５１を構成する上記複合材料中の無機材料粒子９０は、例えば炭化珪素粒子あるいはアルミナ粒子で構成される。このうち、炭化珪素粒子を使用する場合には、複合材料中の炭化珪素粒子の配合比率は５〜２５重量％（望ましくは１０〜２０重量％：例えば１５重量％）の範囲で調整される。また、アルミナ粒子を使用する場合には、その配合比率は５〜５０重量％（望ましくは１５〜２５重量％：例えば２０重量％）の範囲で調整される。また、無機材料粒子９０の平均粒径は１〜５μｍ（例えば１〜２μｍ程度）の範囲で調整される。
【００３０】
上記複合材料からなるグロメット５１は、例えばＰＴＦＥ樹脂粉末と無機材料粉末とを所定の比率で混合して複合粉末を作り、これを金型プレスにより所期のグロメット形状に成形した後、ＰＴＦＥ樹脂の軟化点以上で焼結する方法、あるいは金型中で加圧しながら加熱して、成形と焼結とを同時に行う方法により製造できる。
【００３１】
外筒１８には、この封止部１５に対応して周方向の環状の加締め部１８ａが、例えば外筒１８の軸方向において２ケ所に形成されている。弾性シール部材５２は、その加締め部１８ａにおいて外筒１８とグロメット５１との間で圧縮されることにより、両者の間をシールする。
【００３２】
次に、グロメット５１に形成された各リード線挿通孔５１ａの内面と、これらにそれぞれ挿通されるリード線１４の外被１４ｂの外面との間は、グロメット５１（の複合材料）に含有されるＰＴＦＥ樹脂よりも軟化温度の低いフッ素系樹脂、例えばＰＦＡ樹脂により構成された封着樹脂層５３により封着されている。この封着樹脂層５３は、リード線挿通孔５１ａの内面及び外被１４ｂの外面に対し熱溶着により接合された形となっている。このような構造とすることにより、リード線挿通孔５１ａにおけるグロメット５１とリード線１４との間の気密性（すなわちシール性）が格段に高めるられる。なお、リード線挿通孔５１ａは、外筒１８の開口部１８ｃに近い端部側が縮径しており、封着樹脂層５３もこの縮径部に対応して、開口部１８ｃ側に近づくほど徐々にその厚みを減少させている。
【００３３】
このような封止構造１００は、例えば次のようにして形成することができる。まず、図３（ａ）に示すように、形成すべき封着樹脂層５３（図１）に対応するＰＦＡ樹脂チューブ５３’を用意する。そして、これらＰＦＡ樹脂チューブ５３’を各リード線１４に対し、外被１４ｂの外側に装着する。なお、本実施例では、ＰＦＡ樹脂チューブ５３’の孔内径は、リード線１４の挿通を容易として作業能率を向上させる観点から、リード線１４の外径よりも多少大きく設定されている。他方、ＰＦＡ樹脂チューブ５３’の孔内径をリード線１４の外径よりも少し小さく設定しておくこともできる。この場合は、ＰＦＡ樹脂チューブ５３’をリード線１４上の所定位置に対し、摩擦により容易に位置決めすることができる利点が生ずる。
【００３４】
次に、図３（ｂ）に示すように、ＰＦＡ樹脂チューブ５３’を装着した各リード線１４を、それぞれグロメット５１のリード線挿通孔５１ａに挿入する。このとき、各ＰＦＡ樹脂チューブ５３’はリード線１４とともにリード線挿通孔５１ａに入り込むとともに、リード線挿通孔５１ａの先端に形成された縮径部に当たって止められる。これによって、グロメット５１がリード線１４に対して位置決め装着される。なお、ＰＦＡ樹脂チューブ５３’の位置決めに際しては、その孔内径をリード線１４の外径よりも少し小さく設定しておくことが有利であるが、本実施例では前述の通り、リード線１４挿通の作業能率を確保するために、上記孔内径をリード線１４の外径よりも多少大きく設定している。
【００３５】
この状態で、図４（ａ）に示すように、全体をＰＦＡ樹脂の軟化点以上（例えば３００〜３５０℃）に加熱する。これによりＰＦＡ樹脂チューブ５３’はリード線挿通孔５１ａの内面と、リード線１４の外被１４ｂの外面とにそれぞれ融着し、封着樹脂層５３となる。次いで、図４（ｂ）に示すように、筒状の弾性シール部材５２をグロメット５１の外側に装着する。ここで、グロメット５１の外周面の一方の端部側（すなわちリード線１４の基端側）に、例えば鍔状の突出部５１ｂを設けておけば、装着した弾性シール部材５２の抜けを防止でき、組み立てが容易となる。
【００３６】
そして、図４（ｃ）に示すように、弾性シール部材５２の外側から外筒１８を被せ、グロメット５１の端面と外筒１８の開口部１８ｃと位置合わせする。そして、その状態で外筒１８を、弾性シール部材５２の軸方向両端部にそれぞれ対応する位置において、弾性シール部材５２に向けて環状に加締めることにより、図１に示すように加締め部１８ａが形成され、封止構造１００が完成する。
【００３７】
次に、図１に戻り、セラミック素子２の軸線方向において、封着材層３２の少なくとも一方の側に隣接する形で（本実施例では封着材層３２の、検出部Ｄに近い端面側に隣接して）、多孔質無機物質で構成された緩衝層３８が形成されている。該緩衝層３８は、例えばタルク（滑石）等の無機物質粉末の圧粉成形体あるいは多孔質仮焼体として形成されており、封着材層３２から軸方向に突出するセラミック素子２を外側から包むように支持し、過度の曲げ応力や熱応力がセラミック素子２に加わるのを抑制する役割を果たす。
【００３８】
また、挿通孔３１の内面と外筒１８の内面との間には、封着材層３２の周囲を取り囲む空隙部３３が、主体金具３の一部を切り欠く形態で形成されている。上記空隙部３３は、主体金具３の挿通孔３１の周方向に形成された環状形態をなし、かつ主体金具３の肉厚方向中間部において挿通孔３１の形成方向に延びる溝部とされている（以下、溝部３３という）。なお、本実施例において溝部３３の底面は、セラミック素子２の軸線方向において封着材層３２の対応する端面よりも先端側に位置するものとされている。
【００３９】
この溝部（空隙部）３３は、センサ１に急激な温度変化等が加わった場合に断熱層の役割を果たし、その熱衝撃の影響が封着材層３２に及びにくくなる。また、溝部３３の外側壁部を形成する主体金具部分３ｇが、自身の変形により衝撃を吸収する緩衝部として作用しうるので、封着材層３２への影響を緩和することができる。
【００４０】
また、主体金具３の後端部は外筒１８の先端部内側に挿入され、その重なり部において周方向に環状に形成された結合部としての溶接部（例えばレーザー溶接部）３５により互いに気密状態で接合されている。
【００４１】
主体金具３はねじ部３ａにおいて、図示しない車両の排気管（取付部）にシール部材３ｂを介して取り付けられるが、その取り付け操作を行なうための六角断面形状の操作部３ｄが、挿通孔３１の軸線方向においてその中間部に所定幅で、かつ外周面から突出する形態で形成されている。そして、上記溝部３３の底面３３ａは、セラミック素子２の軸線方向において操作部３ｄの該溝部開口側の端縁３ｅよりも先端側に延びて形成されている。これにより溝部３３は、主体金具３の後端側（溝部３３の開口端面側）の、外筒１８が接合される肉薄部分３ｆの全長に渡るように形成されることとなる。この場合、溝部３３の底面３３ａは、セラミック素子２の軸線方向において溶接部３５よりも先端側に位置するものとなる。
【００４２】
以下、酸素センサ１の作動と封着構造１００の作用について説明する。
すなわち、酸素センサ１は、前述の通り主体金具３のねじ部３ａにおいて車両の排気管等に固定され、またコネクタプラグ（図示せず）を介して各リード線１４がコントローラに接続されて使用に供される。そして、その検出部Ｄが排気ガスに晒されると、酸素濃淡電池素子２１の多孔質電極２５（図２）が排気ガスと接触し、酸素濃淡電池素子２１には該排気ガス中の酸素濃度に応じた酸素濃淡電池起電力が生じる。この起電力が、電極リード部２５ａ及び２６ａを経て電極端子部７，７、さらにはリード線１４，１４を介してセンサ出力として取り出される。この種のλセンサ（あるいはＯ₂センサ）は、排気ガス組成が理論空燃比となる近傍で濃淡電池起電力が急激に変化する特性を示すことから、空燃比検出用に広く使用されるものである。
【００４３】
ここで、酸素センサ１の、例えば自動車における取り付け位置は、エキゾーストマニホルドや車両の足周り部分に近い排気管等であり、かなりの高温となるほか、水しぶき等もかかりやすい。そして、上記封止構造１００においては、リード線１４が挿通されるグロメット５１が、ＰＴＦＥ樹脂と炭化珪素あるいはアルミナ等のセラミック粒子との複合材料にて構成されている。ＰＴＦＥ樹脂は熱膨張率が大きく、例えばグロメット５１をＰＴＦＥ樹脂単体で構成すると、センサ１が高温となったときに熱膨張して弾性シール部材５２を外筒１８との間で過度に圧縮し、該シール部材５２を痛めるおそれがある。
【００４４】
しかしながら、ＰＴＦＥ樹脂よりも熱膨張率の小さいセラミック粒子を配合することで、グロメット５１全体の平均的な膨張率を小さくすることができる。これにより、封止構造１００の部分が高温にさらされたり、あるいは熱サイクルが繰返し付加された場合でも、グロメット５１の外側に配置される弾性シール部材５１に対して過度な圧縮力が作用しなくなり、苛酷な使用環境下でも良好なシール状態を長期に渡って維持することができるようになる。
【００４５】
なお、図５に示すように、グロメット５１の中央にやや大径のリード線挿通孔５１ａを形成し、ここに複数のリード線１４を一括して挿通するとともに、それら各リード線１４の各外面と、リード線挿通孔５１ａの内面とを一体の封着樹脂層５３により封着する構成としてもよい。
【００４６】
なお、以上の実施例ではガスセンサは、検出素子（セラミック素子）として酸素濃淡電池素子のみを用いるλセンサとして構成されていたが、これを他のタイプのガスセンサ素子として構成することも可能である。以下、いくつかの例を示す。まず、図６は全領域酸素センサ素子とした場合の概念図である。この場合、セラミック素子６０はそれぞれ酸素イオン伝導性固体電解質で構成される酸素ポンプ素子６１と酸素濃淡電池素子６２とが測定室６５を挟んで対向配置された構造を有し、排気ガスは多孔質セラミック等で構成された拡散孔６７を通って測定室６５に導入される。なお、６９は酸素ポンプ素子６１と酸素濃淡電池素子６２とを加熱するヒータである。そして、酸素濃淡電池素子６２は、素子内に埋設された電極６３を酸素基準電極として、測定室６５側の電極６４との間に生ずる濃淡電池起電力により、測定室６５内の酸素濃度を測定する。一方、酸素ポンプ素子６１には電極６６及び６８を介して図示しない外部電源により電圧が印加され、その電圧の向きと大きさにより定まる速度で、測定室６５に対し酸素を汲み込む又は汲み出すようになっている。そして、該酸素ポンプ素子６１の作動は、酸素濃淡電池素子６２が検知する測定室６５内の酸素濃度に基づいて図示しない制御部により、該測定室６５内の酸素濃度が一定に保持されるように制御され、このときの酸素ポンプ素子６１のポンプ電流に基づいて排気ガスの酸素濃度を検出する。
【００４７】
また、図７は、セラミック素子を２チャンバー方式のＮＯ_Xセンサ素子とした場合の例を示している。セラミック素子７０はＺｒＯ₂等の酸素イオン伝導性固体電解質で構成され、その内部には第一及び第二の測定室７１，７２が隔壁７１ａを挟んで形成されるとともに、上記隔壁７１ａには多孔質セラミック等で構成されてそれらを互いに連通させる第二拡散孔７３が形成されている。また、第一測定室７１は第一拡散孔７４により周囲雰囲気と連通している。そして、第一測定室７１に対しては電極７６及び７７を有する第一酸素ポンプ素子７５が、また、第二測定室７２に対しては電極７９及び８０を有する第二酸素ポンプ素子７８が、それぞれ壁部７１ａに関して反対側に位置している。また、隔壁７１ａには、第一測定室７１内の酸素濃度を検出する酸素濃淡電池素子８３（隔壁７１ａ内の酸素基準電極８１と、第一測定室７１に面する対向電極８２を有する）が形成されている。なお、８６は第一の酸素ポンプ素子７５、第二酸素ポンプ素子７８及び酸素濃淡電池素子８３を加熱するヒータである。
【００４８】
その作動であるが、まず第一測定室７１内に周囲雰囲気のガスが第一拡散孔７４を通って導入される。そして、その導入されたガスから酸素が第一酸素ポンプ素子７５により汲み出される。なお、測定室内の酸素濃度は酸素濃淡電池素子８３により検出され、その検出値に基づいて図示しない制御部により第一の酸素ポンプ素子７５は、第一測定室７１内のガス中の酸素濃度が、ＮＯ_Xの分解を起こさない程度の一定値となるように、その酸素汲み出しのための作動が制御される。このようにして酸素が減じたガスは第二測定室７２へ第二拡散孔７３を通って移動し、そこでガス中のＮＯ_Xと酸素とが完全に分解するように、第二酸素ポンプ素子７８により酸素が汲み出される。このときの第二酸素ポンプ素子７８のポンプ電流に基づいてガス中のＮＯ_Xの濃度を検出する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のリード線封着構造を採用した酸素センサの一例を示す縦断面図及びそのＡ−Ａ断面図。
【図２】その検出素子としてのセラミック素子の構造を示す説明図。
【図３】リード線封止構造の組立工程の説明図。
【図４】図３に続く説明図。
【図５】リード線封止構造の変形例を示す縦断面図。
【図６】セラミック素子が全領域酸素センサ素子で構成される例を示す断面模式図。
【図７】同じくＮＯ_Xセンサ素子で構成される例を示す断面模式図。
【符号の説明】
１酸素センサ（ガスセンサ）
２，６０，７０セラミック素子（検出素子）
３主体金具
１４リード線
１４ｂ外被
１５封止部
１８外筒
５１グロメット
５１ａリード線挿通孔
５２弾性シール部材
５３封着樹脂層
９０セラミック粒子（無機材料粒子）
９１ＰＴＦＥ樹脂（フッ素系樹脂）
１００リード線封止構造

Claims

少なくとも一端に開口部が形成された金属製の外筒の内側に検出素子が配置され、その検出素子からの出力を取り出すリード線が、前記開口部から外側に延出するとともに、前記外筒の前記開口部が形成されている端部内側に、前記リード線と前記外筒内面との間を封止する封止部が形成されるとともに、その封止部は、
フッ素系樹脂と該フッ素系樹脂よりも熱膨張率の小さい無機材料粒子との複合材料にて構成され、前記検出素子からの各リード線が挿通されるリード線挿通孔が軸方向に貫通して形成され、前記外筒の前記開口部に対しその内側に配置されるグロメットと、
そのグロメットと前記外筒内面との間に配置され、該グロメットよりも軟質の弾性材料で構成されるとともに、前記グロメットの外周面と前記外筒内面との間をシールする弾性シール部材とを備えていることを特徴とするセンサのリード線封止構造。
前記グロメットを構成するフッ素系樹脂は、ポリテトラフルオロエチレン樹脂を主体とするものであり、前記無機材料粒子は炭化珪素粒子及びアルミナ粒子の少なくともいずれかを主体とするものである請求項１記載のセンサのリード線封止構造。
前記弾性シール部材はフッ素系ゴムにより構成されている請求項１又は２に記載のセンサのリード線封止構造。
前記外筒には、前記弾性シール部材に向けて加締めることにより加締め部が形成されており、前記弾性シール部材はその加締め部において前記外筒と前記グロメットとの間で圧縮されることにより、両者の間をシールするものである請求項１ないし３のいずれかに記載のセンサのリード線封止構造。
前記リード線は樹脂製の外被により覆われた状態で前記グロメットの前記リード線挿通孔に挿通されており、そのリード線挿通孔の内面と前記外被の外面との間が、前記グロメットに含有されるフッ素系樹脂よりも軟化温度の低いフッ素系樹脂を主体に構成された封着樹脂層により封着されている請求項１ないし４のいずれかに記載のセンサのリード線封止構造。
前記封着樹脂層は、前記リード線挿通孔の内面及び前記リード線の外被外面に対し熱溶着により接合されている請求項５記載のセンサのリード線封止構造。
前記封着樹脂層は、テトラフルオロエチレン−パーフルオロアルキルビニルエーテル樹脂を主体とするものである請求項６記載のセンサのリード線封止構造。
前記外被に覆われた前記リード線が複数設けられ、前記グロメットには、それらリード線が個別に挿通される複数の前記リード線挿通孔が形成されており、
前記封着樹脂層は、それら各リード線挿通孔の内面と、対応するリード線の外被外面との間をそれぞれ封着する形で形成されている請求項７記載のセンサのリード線封止構造。