JP4190694B2 - ガスセンサ及びシール構造 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、排気ガス等の被測定ガスが流れる流路を形成する管に取り付けられ、被測定ガス中の所定のガス成分を検出するガスセンサ、及び高温下で使用されるこれらガスセンサ等に適用されるリード線のシール構造に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、混合ガス中から特定のガス成分又はその濃度を検出するガスセンサとして、ＨＣセンサやＮＯｘセンサ等種々のものが知られている。
この種のガスセンサでは、金属製の外筒の内側に検出素子を配置し、この検出素子の電極に接続されたリード線を、外筒の一端に設けられた開口部から外部に引き出すことにより、センサ出力を取り出していた。そして、外部から外筒内部への水分等の侵入を防止するために、外筒の開口部の内側にはゴム製のシール部材が弾性的に嵌入され、このシール部材に設けられた複数の挿通孔に上記リード線を気密に挿通して外筒の外側に延出させていた。さらに、このシール部材とリード線との密着性を確保すべく、外筒を開口部近傍で外方から加締めることにより、リード線をシール部材に弾性的に密着して固定する等の方法がとられていた。
【０００３】
ところで、このようなガスセンサは高温下で使用されることが多く、シール部材やリード線も外筒からの熱伝導等により高温に晒される。このため、シール部材やリード線の被覆材としては、一般に耐熱性が高いとされるフッ素含有樹脂材からなるものが使用されていた。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、このようなフッ素含有樹脂材からなるシール部材は熱膨張率が大きく、高温下において自身が熱膨張する。さらに、上述のように、シール部材には外方から加締め力が加わっている。このため、高温下においては当該シール部材に弾性域を超えた圧縮力が加わることがある。そのため、ガスセンサが長期にわたって使用され、加熱・冷却のサイクルを繰り返すと、熱劣化によりシール部材の弾性が損なわれる等の問題があった。そして、シール部材の熱劣化が進行すると、特にシール部材とリード線との間の密着性が低下して、これらの間に隙間ができ、そこから外気が一気にリークするといった問題が生じた。
【０００５】
また、被覆リード線の高温でのリーク性を向上させる手法として、実開平４−１３６５６０に記載されているように、被覆リード線を一端金属部材で加締めた上からゴムを被せシール部材の高温でのシール性を維持する技術が公開されている。しかし、この方法では被覆リード線と金属部材を気密性良く加締める事が難しいので、低温でのシール性はゴムを用いたものに比べて劣るという問題が有った。
【０００６】
本発明はこうした問題に鑑みてなされたものであり、長時間にわたり高温下に晒されることがあっても、そのシール性を保持することができるシール構造、及び該シール構造を適用したガスセンサを提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段及び発明の効果】
上記課題に鑑み、本発明のガスセンサでは、外筒の開口部を閉塞するシール部材に設けた挿通孔と被覆リード線の間にニッケルメッキ、クロムメッキ、金メッキ、或いは銀メッキからなる金属膜（以下、単に金属膜ともいう）を介在させる様にした。高温においてシール部材と被覆リード線の間の密着性が低下するのは、シール部材の弾性の低下によって、シール部材と被覆リード線の熱膨張の差をシール部材が弾性変形によって吸収できなくなったからである。これを防止するためには、シール部材を被覆リード線に接着するようにすれば良い。しかし、ガスセンサは非常に高温で使われるため、リード線やシール部材にはフッ素を含有した樹脂が使われる事が多く、それらを高温まで気密性良く接着する材料が見付からなかった。出願人は鋭意研究し、被覆リード線とシール部材を接合する際には、これらの間に金属膜を介在させることが有効である事が解った。
【０００８】
金属膜を介在させることで、シール部材と被覆リード線の間の接合が成される理由は不明だが、恐らく被覆リード線が金属と接合し、更にシール部材が金属と接合することで両者を接合しているものと推察される。つまり、金属表面は元来活性が高く、様々な物質と化学結合する能力を有しているが、それ自体で剛性を持つ様な厚みを有すると、接合部材との間で熱膨張率や剛性の違いによって剥離する様に作用する力が接着力を上回り接合しないが、マクロ的な熱膨張率や剛性といった物理的な特性が希薄である膜状態であれば、金属本来の化学的活性が優位となり、接合力を有するようになるものと推察される。
【０００９】
金属膜はシール部材及び被覆リード線と何らかの形で結合していれば良いと推察されるが、化学結合であれば、結合が強固で安定であるため好ましい。特に、高温でシール部材と金属膜を密着させれば、シール部材と金属が化学結合が生じるので、強固なシール性を確保することが出来る。同様に金属膜は被覆リード線とも化学結合していることが望ましい。
【００１０】
金属膜の形成領域は封着層の機能を発揮させるのに十分な範囲として、シール部材に設けた挿通孔の長さにほぼ等しい事が好ましい。また、リード線の周方向には途切れない程度に設けられる事が好ましい。
シール部材の材質としては、フッ素を含有している材質であるとフッ素が金属膜とシール部材の化学的結合を促進し、より好ましい成果が得られる。フッ素は高温に晒されるとシール部材に含まれる水素と反応してフッ酸（ＨＦ）を発生すると考えられる。フッ酸は化学的な活性が高く、金属膜と反応してシール部材やリード線の被覆材と結合しやすい化合物を形成するものと考えられる。リード線の被覆材にもフッ素が含有されていることが好ましい。
【００１１】
また、金属膜としてはニッケルを用いると、より良好な接合性が得られることが知見された。
金属膜の厚みは上記の推察から解るように、ある程度以上薄くする必要が有るが、出願人が試験したところでは、1μｍ以下であると良好な接合性が得られることが解った。
【００１２】
金属膜の形成方法はスパッタリングや蒸着、有機金属を塗布して化学的に付着させるなどの方法も考えられるが、コスト的に有利なのはメッキによる付着である。無電解メッキ法によれば、絶縁体であるリード線の被覆表面にも良好な薄膜を安価に形成できる。
【００１３】
なお、シール部材にゴムなどの弾性体を用いて、外筒を加締める事でシール部材を圧縮して保持する様にしておくと、リード線とシール部材は金属膜を介して圧縮応力がその表面にかかるので、金属膜とリード線及び金属膜とシール部材との間は極めて密着し更に良好な結合が得られる。
【００１４】
以上、高温環境下で使用されても、そのシール性を劣化させないシール構造を有する本発明のガスセンサについて説明したが、このようなシール構造は、ガスセンサに限られるものではない。即ち、このようなシール構造は、筐体に形成された開口部をシール部材で閉塞し、そのシール部材に設けた挿通孔を挿通して筐体の内外を電気的に連絡するリード線を設けた様なものであれば同様に適用する事が出来る。
【００１５】
その場合でも挿通孔の内壁と被覆リード線の被覆表面の間に設ける金属膜は、メッキによって形成するのが簡単でコスト的にメリットが有り、好ましい。
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明の好適な実施例を図面と共に説明する。本実施例は、本発明のガスセンサを酸素センサとして構成したものであり、図１は、当該酸素センサの全体構成を示す断面図である。
【００１７】
同図に示すように、酸素センサ１は、ＺｒＯ２を主成分とする固体電解質体により先端が閉じた中空軸状に形成された検出素子２、検出素子２内に配置された軸状のセラミックヒータ３、検出素子２を収容するケーシング１０等から構成されている。
【００１８】
ケーシング１０は、酸素センサ１を排気管等の取付部に固定すると共に、セラミックホルダ６，７及びセラミック粉末８を内部に収容し、検出素子２の閉じた先端部を排気管等の内部に突出させる主体金具９と、主体金具９の上部に延設され、上方から検出素子２の内面に大気を導入するための外筒１６とから構成されている。
【００１９】
外筒１６の上部開口近傍には、セラミックで筒状に形成された絶縁性のセパレータ１８が内挿されている。セパレータ１８は、その上端部に鍔部１８ａが設けられ、外筒１６が外方から加締められることにより、鍔部１８ａの下端面が外筒１６上部に係止される態様で外筒１６内に保持されている。
【００２０】
また、外筒１６の上端開口部は、耐熱性に優れるフッ素ゴムで形成された円柱形状のシール部材１７からなるシール構造によって気密にシールされ、このシール部材１７およびセパレータ１８を貫通するように、検出素子２の電極に夫々接続されるリード線２０，２１及びセラミックヒータ３に接続される図示しない一対のリード線（以下、これらを総称して「複数のリード線」ともいう）が配置されている。この複数のリード線は、その芯線が耐熱性に優れるフッ素含有樹脂からなる被覆材により被覆されて構成されている。
【００２１】
尚、これらシール部材１７及びリード線の被覆材を構成するフッ素含有樹脂としては、例えばポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）、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共重合体（ＰＦＡ）、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（ＦＥＰ）、ポリクロロ−トリフルオロエチレン（ＰＣＴＦＥ）、エチレン−テトラフルオロエチレン共重合体（ＥＴＦＥ）、クロロトリフルオロエチレン−エチレン共重合体（ＥＣＴＦＥ）、ポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）、ポリフッ化ビニル（ＰＶＦ）等を使用することができる。
【００２２】
以下、上記シール構造の詳細について説明する。
図２に図１のＡ部拡大図を示すように、外筒１６の開口端部４７内側に設けられたシール部材１７は、外部から酸素センサ１内部に気体を導入するための通気孔５８と、酸素センサ１内部から引き出すべき上記複数のリード線を夫々通過させる複数の挿通孔６０を備えている。
【００２３】
また、複数の挿通孔６０は、通気孔５８に平行に形成され、通気孔５８の周りにほぼ等間隔に配置されている。そして、この挿通孔６０に挿通される複数のリード線の各々の芯線を被覆する被覆材の外面には、挿通孔６０に挿入される部分（つまり、複数のリード線とシール部材１７との界面）に、ニッケルメッキ７１がそれぞれ形成されている。このニッケルメッキ７１は、リード線の被覆材の表面をエッチングし、これに無電解メッキを施すことにより形成される。
【００２４】
このように、被覆材の所定箇所にニッケルメッキ７１を形成したのは、後述するように、高温下においてシール部材１７が発生するフッ酸（ＨＦ）と、このニッケルメッキ７１中のニッケルとを化学反応させて封着層を形成することにより、シール部材１７とリード線との隙間のシール性を高めるためである。
【００２５】
尚、図２に示すように、複数のリード線の被覆材におけるニッケルメッキ７１の形成領域Ｂは、シール部材１７の高さ（つまり、挿通孔６０の長さ）Ｃよりも、長くても短くてもよいが、このニッケルメッキ７１が、シール部材１７とリード線との界面に位置するように形成され、さらに、高温下においてシール部材１７の挿通孔６０とリード線との隙間に形成される後述する封着層がリード線の周囲でとぎれない程度にとる必要がある。また、ニッケルメッキ７１の厚みが１μｍを超えると、ガスセンサ使用時におけるリード線の屈曲等により当該メッキが剥がれやすくなることが実験的に分かっているため、当該ニッケルメッキ７１は、その厚みが１μｍ以下に形成されていることが好ましい。
【００２６】
そして、シール部材１７は、このようにニッケルメッキ７１が施された複数のリード線が挿通孔６０に挿通され、撥水性フィルタ５０が通気孔５８に装着された状態で、外筒１６の開口端部４７の内側に配置され、外筒１６を介して径方向に加締められ、シール部材１７と各リード線との間のシール性がより確実なものとされる。
【００２７】
このように、本実施例の酸素センサ１では、共にフッ素含有樹脂からなるシール部材１７と複数のリード線との界面において、リード線側の表面に、高温下にてシール部材１７が発生するフッ酸により腐食されるニッケルメッキ７１が施されている。このため、ガスセンサが高温下に晒されると、このフッ酸のフッ素とニッケルメッキ７１のニッケルとの化合物であるフッ化ニッケルなる化合物が形成され、これがシール部材１７と複数のリード線との隙間に封着層を形成する。このため、酸素センサ１が加熱・冷却を繰り返し、それによりシール部材１７の弾性が劣化し、シール部材１７と複数のリード線との間に隙間が生じたとしても、この封着層がその隙間を埋めるように機能する。
【００２８】
すなわち、本実施例のシール構造によれば、シール部材１７と複数のリード線との間のシール性が、ガスセンサの製造当初においては、シール部材１７の弾性力と加締めによる押圧力により保持され、熱劣化によりシール部材１７の弾性が劣化してからは上記封着層により保持される。この結果、全体として、シール部材１７と複数のリード線との間の気密性を長期間にわたって維持することができる。
【００２９】
以上、本発明の実施例について説明したが、本発明の実施の形態は、上記実施例に何ら限定されることなく、本発明の技術的範囲に属する限り種々の形態をとり得ることはいうまでもない。
例えば、上記実施例では、封着層を形成するための金属メッキとしてニッケルメッキを採用したが、この他にもクロムメッキ、金メッキ、或いは銀メッキ等を採用することも可能である。
【００３０】
また、上記実施例では、金属メッキを複数のリード線側に形成したが、シール部材１７側（つまり、挿通孔６０）側に形成してもよいし、或いは、リード線側及びシール部材の双方に形成してもよい。
さらに、上記実施例では、大気導入型の酸素センサについて説明したが、チタニアセンサ等、酸素濃度が一定の基準ガスを必要としない酸素センサや、ジルコニアセンサであっても、電極間に電流を流すことによって、一方に電極側を一定の酸素濃度とし、これと被測定ガス中の酸素濃度との比に応じた検出信号を出力する基準酸素自己生成機能を有する酸素センサでも同様に適用できる。
【００３１】
そして、この種の酸素センサでは、大気を導入する必要がないので、より一層気密性が要求されるが、本発明によれば上述のようにシール性を高めることができるので、その要求に十分対応することができる。
また、上記実施例では、本発明のシール構造を、酸素センサに適用した例を示したが、このようなシール構造は酸素センサに限らず、その他のガスセンサ、或いは、内側の内部空間に電極を配置した外筒を備え、この電極に接続されたリード線を外筒の外側に引き出した構造体であって、高温環境下において使用されるものであれば同様に適用することができることはいうまでもない。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の実施例に係る酸素センサの全体構成を示す断面図である。
【図２】 実施例の酸素センサを構成するシール部材の構造を示す説明図である。
【符号の説明】
１・・・酸素センサ、 １６・・・外筒、 １７・・・シール部材、
２０，２１・・・リード線、 ５０・・・撥水性フィルタ、
５８・・・通気孔、 ６０・・・挿通孔、 ７１・・・ニッケルメッキ

Claims (9)

1. 検出素子と、
   前記検出素子に接続された被覆リード線と、
   前記検出素子及び前記被覆リード線の少なくとも一方を保護する外筒と、
   前記外筒の一端に形成された開口部を閉塞するフッ素含有樹脂からなるシール部材と、
   を有するガスセンサであって、
   前記被覆リード線は前記シール部材に形成された挿通孔を挿通しており、
   前記被覆リード線の周囲のほぼ全周に亘って前記挿通孔の内壁との間にニッケルメッキ、クロムメッキ、金メッキ、或いは銀メッキからなる金属膜が介在している事、
   を特徴とするガスセンサ。
2. 前記金属膜は、前記シール部材と化学結合している事、
   を特徴とする請求項１記載のガスセンサ。
3. 前記金属膜は、前記被覆リード線の被覆材と化学結合している事、
   を特徴とする請求項１又は請求項２に記載のガスセンサ。
4. 前記金属膜は、ニッケルメッキである事、
   を特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載のガスセンサ。
5. 前記金属膜は、厚みが１μｍ以下である事、
   を特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載のガスセンサ。
6. 前記金属膜は、前記挿通孔の内壁及び前記リード線の少なくとも一方の表面に形成されている事、
   を特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載のガスセンサ。
7. 前記シール部材は弾性を有し、
   前記外筒が前記開口部近傍で加締められる事によって少なくともそのシール部材が圧縮されている事、
   を特徴とする請求項１〜６のいずれかに記載のガスセンサ。
8. 筐体と、
   前記筐体に形成された開口部を閉塞するフッ素含有樹脂からなるシール部材と、
   前記シール部材に形成された挿通孔に気密に挿通し、前記筐体の内外に延びる被覆リード線とからなるシール構造であって、
   前記被覆リード線と前記挿通孔の内壁の間の少なくとも一部にはニッケルメッキ、クロムメッキ、金メッキ、或いは銀メッキからなる金属膜が介在している事、
   を特徴とするシール構造。
9. 前記金属膜は、前記挿通孔の内壁及び前記リード線の少なくとも一方の表面に形成されている事、
   を特徴とする請求項８記載のシール構造。

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