JP6201568B2 - ガスセンサ - Google Patents

Description

本発明は、被測定ガス中の特定ガス成分の濃度を検出するガスセンサに関し、特に、ガスセンサ素子とハウジングとの間の気密性の向上に資するものである。

従来、自動車エンジン等の内燃機関の燃焼排気流路に、燃焼排気中に含まれる酸素等の特定ガス成分の濃度を検知するガスセンサを配設して、検知された特定ガス成分の濃度によって空燃比制御や排気処理触媒の温度制御等を行っている。

このようなガスセンサとして、ジルコニア等の酸素イオン伝導性固体電解質の基体表面に被測定ガスに接する測定電極層と基準ガスとして導入された大気に接する基準電極層とを施した酸素濃度検出素子を具備し、被測定ガス中の酸素濃度と基準ガス中の酸素濃度との差によって両電極間に発生する電位差を検出して被測定ガス中の酸素濃度を測定する酸素センサや、燃焼排気中の特定ガス成分の濃度から内燃機関に導入される混合気の空燃比を検出する空燃比センサや、水素イオン導電性固体電解質体を用いて被測定ガス中のアンモニア濃度を検出するアンモニアセンサ等が広く用いられている。
また、このようなガスセンサでは、被測定ガスの漏れによる検出精度の低下を防止するためガスセンサ素子を保持するハウジングとの間の気密性の確保が必要とされている。

特許文献１には、先端部に検出部が形成された棒状ないし筒状形態をなし、測定対象となるガス中の被検出成分を検出する検出素子を備えた検出構造体と、その前記検出構造体の外側に配置される主体金具と、タルクを主体に構成され、前記主体金具の内面と前記検出構造体の外面との隙間に充填されてこれをシールするシール充填材層とを備え、前記シール充填材層が水ガラスを２〜７重量％の範囲で含有することを特徴とするガスセンサが開示されている。

特開２０００−３１４７１５号公報

しかし、特許文献１のように、シール充填層内に水ガラスを添加して気密性の向上を図ろうとした場合、粉末充填剤に水ガラスを添加したり、充填粉末の成形体を加熱して水分調整したりするための工数が増え、製造コストの増加を招くおそれがある。
また、含水率によって水ガラスのシール性が変化してしまうため、高温環境下で使用されるガスセンサにおいては、使用状況によって充填部の含水率が変化し、安定した気密性の確保が期待できなくなるおそれもある。

一方、自動車や自動二輪車の空燃比制御等に用いられる内燃機関の燃焼排気の特定ガス成分を検出するガスセンサにおいては、外部から受ける振動が大きい上に、冷熱サイクルに晒される過酷な環境で使用される。
このため、粉末充填部に篩分粒径ＤＳＶが２〜３０μｍの細かいタルク粒子を用いた場合には、粉末充填部からの脱粒により、気密性の低下を招くおそれがあり、これを防止するため、筒状絶縁体と粉末充填部との間に、金属製、あるいは、バーミキュライト、雲母、雲母成型品等からなるシールパッキンを設けることが必要となり、製造工数の増加及び材料コストの増加を招いていた。

そこで、本発明は、かかる実情に鑑み、充填粉末漏れ防止のためのシールパッキンを廃しても、粉末充填部からの脱粒が起こり難く、製造コストの削減を図りつつ、粉末充填部の気密性の低下が起こり難い、信頼性の高いガスセンサを提供することを目的とする。

本発明は、被測定ガス中の特定成分を検出するガスセンサであって、ガスセンサ素子（１）と、該ガスセンサ素子（１）を収容固定する筒状のハウジング（２）と、前記ガスセンサ素子（１）の外周面（１０）と、前記ハウジング（２）の内周面（２０）との間に、タルクを主成分とする粉末充填部（３０）と、該粉末充填部（３０）を押圧する筒状絶縁体（３１）とを含む封止手段（３）を設けて封止してなるガスセンサ（ＧＳ１、ＧＳ２、ＧＳ３）において、前記筒状絶縁体（３１）は、軸方向の一端面が前記粉末充填部（３０）に接しており、前記粉末充填部（３０）を構成する充填粉末粒子（３００）の篩分粒径Ｄ_ＳＶと、前記筒状絶縁体（３１）の内周面（３１０）と前記ガスセンサ素子（１）の外周面（１０）との素子側間隙ＧＰ１と、前記筒状絶縁体（３１）の外周面（３１１）と前記ハウジング（２）の内周面（２０）とのハウジング側間隙ＧＰ２との関係において、前記素子側間隙ＧＰ１、及び、前記ハウジング側ＧＰ２が、０．１ｍｍ以上であると共に前記充填粉末（３００）の篩分粒径Ｄ_ＳＶの２倍以下であり、かつ前記篩分粒径Ｄ_ＳＶが、２１０μｍ以上、７１０μｍ以下であることを特徴とする。

前記篩分粒径Ｄ_ＳＶと前記素子側間隙ＧＰ１、及び、前記ハウジング側間隙ＧＰ２との関係を最適化することで、前記粉末充填部（３０）と前記筒状絶縁体（３１）との間にシールパッキンを設けなくても、冷熱サイクル及び外部からの振動に晒されても、前記粉末充填部（３０）から、前記充填粉末粒子（３００）が脱粒することがなく、前記粉末充填部（３０）の内圧を一定の状態に維持し、気密性の低下を招くことがない。
また、充填粉末粒子（３００）の脱粒防止のために金属シールを設ける必要がないので、部品点数の削減と、組み付け工数の削減を図ることができる。

本発明に係るガスセンサの封止構造の概要を示す要部断面図。 本発明に係るガスセンサの封止方法について工程順をおって追って示すフローチャート 本発明に用いられるタルクの特徴的な性質であって、結晶構造を示す模式図 大粒径充填粉末に圧力が作用したときの変化を示す模式図 本発明の効果を説明すべく、粉末充填材一次成形体３０ＭＬＤを配置した状態を示す要部拡大図 図４Ａに続き、粉末充填材一次成形体３０ＭＬＤを圧縮して粉末充填部３０を形成した状態を示す要部拡大図 比較例１として、２〜３０μｍの充填粉末を使用した場合の問題点を示す要部拡大図 比較例２として、図５Ａにシール３４を付加した場合を示す要部拡大図 本発明の効果を示す特性図 本発明の第１の実施形態におけるガスセンサＧＳ１の全体概要を示す断面図 本発明の第２の実施形態におけるガスセンサＧＳ２の全体概要を示す断面図 本発明の第３の実施形態におけるガスセンサＧＳ３の要部を示す断面図

本発明は、被測定ガス中の特定成分を検出するガスセンサであって、ガスセンサ素子１と、ガスセンサ素子１を収容固定する筒状のハウジング２と、ガスセンサ素子１の外周面１０と、ハウジング２の内周面２０との間に、タルクを主成分とする粉末充填部３０と、粉末充填部３０を押圧する筒状絶縁体３１とを含む封止手段３によって封止してなるガスセンサに関するものである。
本発明のガスセンサは、特に用途を限定するものではなく、後述する、早期活性型ガスセンサＧＳ１、簡易型ガスセンサＧＳ２、積層型ガスセンサＧＳ３のいずれにも適用できるものである。

図１を参照して、本発明の要部である粉末充填部３０の構成及び構造について説明する。なお、図１に示した構成は、後述するいずれの実施形態においても共通するものである。また、以下の説明においては、本発明の理解を容易にするため、ガスセンサ素子１として、有低筒状に形成した固体電解質体の内側と外側とに一対の電極を形成したいわゆるコップ型のガスセンサを例として説明する。

センサ素子１の外周の一部には、外側に向かって径大となるように張り出した拡径部１１が形成されている。
拡径部１１の基端側には、ガスセンサ素子１の外周面１０を覆うよう筒状の粉末充填部３０が形成されている。
拡径部１１の先端側は、金属製のシールリング３３を介してハウジング２の内周面の一部を径小となるように縮径した係止部２１に当接している。

粉末充填部３０は、筒状に形成した筒状絶縁体３１によって押圧されている。
筒状絶縁体３１には、アルミナ等の公知のセラミックス材料が用いられている。
粉末充填部３０には、充填粉末粒子３００として、篩分粒径Ｄ_ＳＶが２１０μｍ以上、７１０μ以下のタルク粉末が用いられている。
粉末充填部３０を構成する充填粉末粒子３００の篩分粒径Ｄ_ＳＶと、筒状絶縁体３１の内周面３１０とガスセンサ素子１の外周面１０との素子側間隙ＧＰ１と、筒状絶縁体３１の外周面３１１とハウジング２の内周面２０とのハウジング側間隙ＧＰ２との関係において、素子側間隙ＧＰ１、及び、ハウジング側間隙ＧＰ２は、いずれも、充填粉末３００の篩分粒径Ｄ_ＳＶの２倍以下に形成されている。
素子側間隙ＧＰ１、ハウジング側間隙ＧＰ２は０．１ｍｍ以上に設定されている。

さらに、素子側間隙ＧＰ１、ハウジング側間隙ＧＰ２は、いずれも、０．１ｍｍ以上に形成されており、ハウジング２内への、ガスセンサ素子１及び粉末充填部３０の組み付けが容易となっている。
粉末充填部３０は、後述の製造方法によって形成され、充填粉末粒子３００を一軸加圧して、筒状に成形した充填粉末成形体３０ＭＬＤとし、さらに、ガスセンサ素子１とハウジング２との間に区画した空間内で筒状絶縁体３１を介して押圧して気密性を高くして前記粉末充填部３０としてある。

ハウジング２には、筒状絶縁体３１を軸方向に弾性的に押圧する包みかしめ部２２が設けてあり、ハウジング２の軸力を効率よく筒状絶縁体３１に伝達できるようになっており、包みかしめ部２２の先端側には、熱かしめにより形成された座屈部としてのシュルンプ部２３が設けてある。
シュルンプ部２３は、熱かしめにより軸方向に座屈しており、包みかしめ部２２を介して、筒状絶縁体３１を粉末充填部３０に押圧する方向の軸力を付与している。
粉末充填部３０に押圧する軸力は、粉末充填部３０内の全方向に向かって作用する反発力を形成し、ガスセンサ素子１の外周面１０、拡径部１１の基端側表面、ハウジング２の内周面２０、筒状絶縁体３１の底面と粉末充填部３０とを密着状態としている。

本発明の粉末充填部３０内では、粒径が大きく薄片状のタルク粒子３００が層状に配向し、気密性が維持されている。
また、筒状絶縁体３１と包みかしめ部２２との間に金属製のシールリング３２を介装するようにしても良い。
さらにガスセンサ素子１に設けた拡径部３３の先端側は、金属製のシールリング３３を介して、ハウジング２の内周の一部を縮径した素子係止部２１に係止されている。
ハウジング２には、炭素鋼、ステンレス、鉄、ニッケル、これらの合金等の公知の金属材料が使用環境に合わせて選択されて用いられている。

図２を参照して、本発明のガスセンサの要部である粉末充填部３０の製造方法について説明する。
粉末前処理工程Ｐ１では、充填粉末材として用いられるタルク粉末の前処理を行う。具体的には、篩分により所定の粒径範囲（２１０μｍ以上、７１０μｍ以下）に調整し、熱処理によって可燃性の不純物を除去する。
なお、例えば、１００μｍ以下の細かい粒径のタルク粉末を出発原料として、メチルセルロース等の有機バインダ、又は、第一リン酸アルミニウム等の無機バインダを添加し、所定の粒径範囲（２１０μｍ以上、７１０μｍ以下）に造粒したものを用いても良い。

粉末成形工程Ｐ２では、所定量のタルク粉末を金型内に充填し、所定の成形荷重（例えば、２３５Ｎ/ｍｍ^２以下）を負荷して筒状の充填粉末成形体３０ＭＬＤを形成する。
このとき、成形圧力を高くすれば、成形密度を高くすることができるが、タルク粒子の配向と劈開により、金型から取り出す際に亀裂を生じるおそれがある。
また、ハウジング２内に装着した後に再度圧縮するため、特に成形荷重を高くする必要はなく、所定量のタルクを正確にハウジング２内に組み付けできるように一定の形状を保持できれば良い。
タルク成型荷重をタルク成形体３０ＭＬＤを組付けし圧縮して粉末充填部３０を形成するときの荷重より小さくすることで、最終的に粉末充填部３０の充填密度を高くできる。

次いで、粉末成形体組付・圧縮工程Ｐ３では、ハウジング２内に、シールリング３３、ガスセンサ素子１、粉末成形体３０ＭＬＤを順に装着し、筒状絶縁体３１、又は、押圧治具を用いて粉末成形体３０ＭＬＤを圧縮し、粉末充填部３０を形成する。
このとき、充填粉末粒子３００として２１０μｍ以上の篩分粒径Ｄ_ＳＶを有する大きなタルク粒子を用いているため、塊状粒子の滑り、劈開によって、薄片状粒子の再配列が起こり、配向性の増加と空隙の減少により、粉末充填部３０の気孔率の低下・安定化を図ることができる。

さらに、この工程においては。所定の範囲の荷重（具体的には、例えば、２３５Ｎ／ｍｍ^２以上７０５Ｎ／ｍｍ^２以下）を負荷することで、十分な気孔率の低下を実現しつつ、ガスセンサ素子３０の割れの防止を図ることができる。

次いで、絶縁体・シールリング組付工程Ｐ４では、筒状絶縁体３１、シールリング３２の組付けを行う。
なお、当然のことながら、粉末成形体３０ＭＬＤの圧縮を筒状絶縁体３１を介して行った場合には、シールリング３２の組付のみを行う。
また、シールリング３２は、必須のものではなく、シールリング３２を省略し、次工程において、直接、包みかしめ部２２を筒状絶縁体３１の上面に当接させるようにすることもできる。

次いで、冷かしめ工程Ｐ５では、かしめ型Ｍ１、Ｍ２によって軸方向の圧力を負荷して冷間かしめを行い、ハウジング２の包み加締め部２２を筒状絶縁体３１側に倒れ込ませて、軸力を効率よく筒状絶縁体３１に伝達できる形状とする。
次いで、熱かしめ工程Ｐ６では、包み加締め部２２に荷重を負荷しつつ、ハウジング２に交流電流を流す等によりシュルンプ部２３を座屈・形成する。
シュルンプ部２３を形成することにより、冷熱サイクルに晒されても軸力が失われないようにすることができる。
なお、熱かしめ工程Ｐ６において、シュルンプ部２３を局所的に加熱するだけでなく、ハウジング２全体を加熱し、ハウジング２と粉末充填部３０との温度差を設けることで、軸力を高め、気密性の低下をさらに抑制することもできる。

ここで、図３Ａ、図３Ｂを参照して、本発明において、粉末充填材として用いられるタルクについて説明する。
タルクは、（Ｍｇ_３Ｓｉ_４Ｏ_１０（ＯＨ）_２）の組成を有する水酸化マグネシウムとケイ酸塩とからなる天然鉱物であり、不純物としてマグネサイト、ドロマイト等を含み、図３Ａに示すような単斜晶系・三斜晶系の結晶構造をしており、一定の方向にのみ完全劈開性を示す。
本発明に用いられる大粒径のタルク粒子３００は、図３Ｂに示すように、薄片状の粒子が複数層状に重なって凝集した塊状粒子となっており、一定方向の荷重が負荷されると、粒子の滑りや劈開を生じ、薄片状の粒子が一定の方向に配向することになる。

図４Ａ、図４Ｂを参照して本発明の効果について説明する。
図４Ａに示すように、充填材粉末成形体３０は、上述の如くある程度の気孔が残留する状態で形成されており、充填粉末粒子(タルク粒子)３００の方向もそろってはいない。
これを図４Ｂに示すように、ハウジング２内において、筒状絶縁体３１を介して押圧すると、タルク粒子３００が滑りながら再配列され、配向性が増し、粒子間の空隙が少なくなる。
このとき、ハウジング２の内周面２０に接するタルク粒子３００は、内周面との摩擦により軸方向に配向する傾向が強くなり、粉末充填部３０の中心部分では、軸に垂直な平面に平行となる方向に配向する傾向が強くなる。

また、筒状絶縁体３１の外周面とハウジング２の内周面２０との間には、所定のハウジング側間隙ＧＰ２が存在するため、ハウジング側間隙ＧＰ２に露出する位置にあるタルク粒子３００には、筒状絶縁体３１からの軸方向の押圧力が直接作用することはなく、筒状絶縁体３１の底面に接するタルク粒子３００を介して間接的に押圧されることになる。
その結果、図４Ｂ中点線で囲んだＡ部のように、筒状絶縁体３１に接するタルク粒子３００が隣り合うタルク粒子３００に覆い被さり、あるいは、複数のタルク粒子３００がハウジング側間隙ＧＰ２に並んだときに、ハウジング２の内周面２０に食い込むため、ハウジング側間隙ＧＰ２に露出する位置では、あたかもタルク粒子３００が蓋のような役割を果たし、ハウジング側間隙ＧＰ２内に脱粒するのを防いでいるものと推察される。

特に、本発明では、充填粉末粒子３００として、篩分粒径Ｄ_ＳＶが２１０〜７１０μｍの大粒径のタルク粒子が用いられており、さらに、ハウジング側間隙ＧＰ２が、篩分粒径Ｄ_ＳＶの２倍以下に設定されているので、必ず、筒状絶縁体３１の底面に接して直接的に押圧されるタルク粒子３００の一部がハウジング側間隙ＧＰ２に露出するタルク粒子３００に当接して、軸力を伝達することなる。
なお、素子側ＧＰ１においても、同様の原理により、粉末充填部３０から充填粉末粒子３００が脱粒することがなく、安定して気密性を維持できる。
また、予め、充填粉末成形体３０ＭＬＤを形成し、ハウジング２内に収容した後、再度、圧縮することで、粉末充填部３０を構成する充填粉末粒子３００（タルク粒子）が完全に配向することはなく、適度に配向方向がばらつくため、ガスセンサＧＳ１の軸方向と直交方向との熱膨張係数の差が極端に大きくなることもない。

ここで、図５Ａ、図５Ｂを参照して、本発明のガスセンサＧＳ１と同様の構成において、充填粉末３００ｚとして、篩分粒径Ｄ_ＳＶが２〜３０μｍの細かなタルク粉末を使用した場合の問題点について説明する。
比較例１として、図５Ａに示すガスセンサＧＳｚのように、充填粉末粒子３００ｚとして、平均粒径が１０μｍ程度で、篩分粒径Ｄ_ＳＶが２から３０μｍの範囲のタルク粉末を用いた場合には、それだけ、比表面積は大きくなり、粉末充填部３０ｚの内圧が分散され、各粒子を押さえる力は相対的に小さくなる。

さらに、図５Ａ中点線でおおったＢ部においては、筒状絶縁体３１からの押圧力が全く伝達されないか、隣り合う複数のタルク粒子３００ｚを介して伝達されても、それぞれのタルク粒子３００ｚが受ける押圧力が小さくなる。
ハウジング２の熱膨張により、筒状絶縁体３１ｚを介して粉末充填部３０ｚに伝達される軸力が弱まったときに、外部からの振動が加わると、充填粉末粒子３００ｚの脱粒が起こり易くなる。
粉末充填部３０ｚから充填粉末粒子３００ｚが脱粒して、封止部材収容部２０の内径と筒状絶縁体３１の外径とのハウジング側間隙ＧＰ２の漏れ出るおそれがある。

一旦、充填粉末粒子３００ｚの脱粒が起こると、粉末充填部３０ｚの内圧が低下し、さらなる充填粉末粒子３００ｚの脱粒を引き起こし、粉末充填部３０ｚの気密性が低下することになる。
このため、図５Ｂに示すガスセンサＧＳｙように、充填粉末粒子３００ｚの脱粒を抑制するために、筒状絶縁体３１と粉末充填部３０ｚの上面との間に、金属製、あるいは、バーミキュライト、雲母、雲母成型品等からなるシールパッキン３４を設けることが必要となり、製造工数の増加及び材料コストの増加を招いていた。

図６を参照して、充填粒子３００の篩分粒径ＤＳ_Ｖと押圧荷重（ｋＮ）と気孔率（％）との関係について行った試験結果について説明する。
本図に示すように、粒度の異なるタルク粒子を用い、筒状絶縁体３１を押圧する荷重を変化させて、気孔率を測定したところ、いずれの粒径においても、１０ｋＮ（２３５Ｎ／ｍｍ^２に相当）以上で、気孔率が安定化し、３０ｋＮ（７０５Ｎ／ｍｍ^２に相当）以上では、ガスセンサ素子１の割れを招くおそれがあり、篩分粒径Ｄ_ＳＶが２１０〜７１０μｍの時に気孔率を最も低くできることが判明した。

なお、篩分粒径Ｄ_ＳＶが２１０〜１０００μｍの場合も気孔率を低くすることができるが、成形体の状態とほとんど変化がないため、ハウジング２内に充填粉末成形体３０ＭＬＤを組み付けた後、筒状絶縁体３１を介して押圧しても、素子側間隙ＧＰ１、ハウジング側間隙ＧＰ２に充填粉末粒子３００が食い込まず、却って粉末充填部３０から、充填粉末粒子３００の脱粒を招くおそれがある。
また、充填粉末粒子３００の配向性が強すぎると、ガスセンサの軸方向と計方向との熱膨張係数の差が大きくなり、ハウジング２からの軸力が弱まるおそれがある。
そこで、篩分粒径Ｄ_ＳＶは、適度に配向性のバラツキを生じる２１０〜７１０μｍの範囲とするのが望ましいことが判明した。

ここで、表１を参照して、本発明の効果について説明する。
本発明者等は、タルク粒径ＤＳＶとタルク押部間隙（素子側間隙ＧＰ１、ハウジング側間隙ＧＰ２）とを変化させ、複数のガスセンサを作成し、２４万ｋｍ走行に相当する耐久試験を行い、耐久試験後の高温気密性について調査を行い、その結果を表1に示す。
耐久条件として、ハウジング２を４００℃に加熱した後水没させて冷熱ストレスを与え、これを４００回繰り返した。
また、高温気密性の評価は、５５０℃の高温環境下において、ハウジング２の先端側から空気を圧入し（空気圧０．４ＭＰａ）、その流量が１０ｃｃ／ｍｉｎ以下の場合には、気密性良好と判定し、丸印を付し、１０ｃｃ／ｍｉｎを超える場合には、気密性不良と判定し、×印を付した。
その結果、タルク押え部間隙（素子側間隙ＧＰ１，ハウジング側間隙ＧＰ２）が０．１ｍｍより狭い場合には、筒状絶縁体３１のハウジング２への組み付けが困難となり、０．１ｍｍ以上で、組み付けが容易となること、タルク押え部間隙（素子側間隙ＧＰ１，ハウジング側間隙ＧＰ２）がタルク篩分粒径Ｄ_ＳＶの２倍を超える場合には、高温気密性の悪化が認められ、タルク篩分粒径Ｄ_ＳＶの２倍以下である場合には、良好な高温気密性を維持できることが判明した。

図７Ａを参照して、本発明の第１の実施形態におけるガスセンサＧＳ１について説明する。
ガスセンサＧＳ１は、いわゆるコップ型のガスセンサで、ヒータ１８を内蔵して早期の活性化を図った早期活性化型のガスセンサである。
なお、本実施形態においては、コップ型センサの典型例である酸素センサを例に説明するが、本発明において、検出対象を限定するものではなく、酸素センサ、Ａ／Ｆセンサ、ＮＯｘセンサ、アンモニアセンサ、水素センサ等のいずれにも適用し得るものである。
ガスセンサＧＳ１は、被測定ガス流路６に設けられ、先端に設けた検出部１２が被測定ガスＧにさらされている。

ガスセンサ素子１は、酸素イオン電導性を有するジルコニア等の公知の固体電解質材料を用いて、有底筒状に形成した固体電解質体１２０の内側表面に基準電極１２１を設けて外側表面に測定電極１２２を設けて検出部１２を構成し、検出部１２の基端側に、径大となるように拡径した拡径部１１を設けてある。
固体電解質体の内側には基準ガスとして大気が導入され、基準電極１２２に接している。
基準電極１２２には、プラス端子金具１３１Ｓ＋を介してプラス信号線１４Ｓ＋が接続されている。

検出部１２の外側には被測定ガスＧに晒される測定電極１２２が形成されており、測定電極１２２は、固体電解質体の基端部１００において、マイナス端子金具１３１Ｓ−に接続され、さらに、マイナス端子金具１３１Ｓ−はマイナス信号線１４Ｓ−に接続されている。
プラス端子金具１３Ｓ＋は、一対の信号線１４Ｓの一方の中心線１４０Ｓと接続する圧着部１３０Ｓ＋と、外周側に向かって押圧力を発揮し固体電解質体の内周面に形成された基準電極１２２と弾性的に接続する１３１Ｓ＋と、中心側に向かって押圧力を発揮し、ヒータ１８を把持するヒータ把持部１３３とによって構成されている。
マイナス端子金具１３Ｓ―は、一対の信号線１４Ｓの他方の中心線１４０Ｓと接続する圧着部１３０Ｓ―と、中心に向かって押圧力を発揮し、固体電解質体の外周面に形成された測定基準電極１２３と弾性的に接続する接続部１３１Ｓ―とによって構成されている。ガスセンサ素子１の内側には、先端に通電により発熱する発熱体が内蔵されたヒータ１８が収容されている、

ヒータ１８はアルミナ等の絶縁体にＷやモリブデンシリサイト等の公知の発熱体が内蔵されている。
ヒータ１８の基端側には、内蔵された図略の発熱体に通電するための一対の通電電極１８１が設けられている。
一対の通電極１８１は、一対の通電端子金具１３Ｈを介して、一対の通電線１４Ｈに接続されている。

通電端子金具１３Ｈは、基端側で通電線１４Ｈの中心線１４０Ｈに接続する圧着部１３０Ｈと、先端側で、中心に向かう押圧力を発揮して、通電電極１８１に弾性的に当接して導通を図る接続部１３１Ｈとによって構成されている。

ハウジング２は、ステンレス、鉄、ニッケル、これらの合金、炭素鋼等、設置環境に応じて公知の金属材料が用いられて筒状に形成されており、内側にガスセンサ素子１を収容固定している。
ハウジング２の内周面２０と、ガスセンサ素子１の外周面１０との間に、本発明の要部である粉末充填部３０と筒状絶縁体３１とが配設されている。
ハウジング２の中腹において内周面の一部が、先端に向かって径小となるように縮径され、ガスセンサ素子１の拡径部１１を係止する係止部２１が形成されている。
ハウジング２の基端側には、包み加締め部２２、シュルンプ部２３が形成され、筒状絶縁体３１を先端側軸方向に向かって押圧する軸力を発生させている。

ハウジング２のボス部２４には、ハウジングの基端側を覆い、信号線及び通電線を引き出し固定する筒状のケーシン４０グが固定されている。
ハウジング２の先端側外周にはネジ部２５が形成され、被測定ガス流路６に螺結されている。
ハウジング２の基端側外周にはネジ部２５を締め付けるための六角部２６が形成されている。
ハウジング２の先端には、カバー体５０、５１を固定するための加締め部２７が形成されている。

本実施形態においては、封止手段３は、粉末充填部３０、筒状絶縁体３１、金属シールリング３２、３３によって構成されている。
ガスセンサ素子ＧＳ１と、ガスセンサ素子ＧＳ１を収容固定する筒状のハウジング２と、ガスセンサ素子ＧＳ１の外周面１０と、ハウジング２の内周面２０との間に、封止手段３が設けられている。

粉末充填部３０を構成する充填粉末粒子３００の篩分粒径Ｄ_ＳＶと、筒状絶縁体３１の内周面３１０とガスセンサ素子１の外周面１０との素子側間隙ＧＰ１と、筒状絶縁体３１の外周面３１１とハウジング２の内周面２０とのハウジング側間隙ＧＰ２との関係において、素子側間隙ＧＰ１、及び、ハウジング側ＧＰ２が、充填粉末３００の篩分粒径Ｄ_ＳＶの２倍以下に設定されている。

ガスセンサ素子１の先端側に設けた検出部１２は、カバー体５０、５１によって覆われている。
カバー体５０、５１は、ハウジング２の先端に設けた加締め部２７によってかしめ固定されている。
カバー体５０、５１には、被測定ガスＧをカバー体５０、５１の内側に導入し、外側に導出するための貫通孔が適宜穿設されている。
六角部２７の基端側には、ケーシング４を固定するためのボス部２４が形成されている。

ケーシング４はステンレス等の金属からなり、段付き筒状に形成された筒状部４０と、大気を導入する通気孔４１と、ケーシング２の基端側を封止する加締め部４２とインシュレータ１５を保持手段４３によって構成されている。
ケーシング４は、ハウジング２の基端側を覆いつつ、一対の信号線１４Ｓ＋，１４Ｓ、一対の信号端子金具１３Ｓ＋、１３Ｓ−、一対の通電線１４Ｈ、一対の通電端子金具１３Ｈを保持する。
一対の信号端子金具１３Ｓ＋、１３Ｓ−、一対の通電端子金具１４Ｈは、互いの電気的な絶縁を図るべく、アルミナ等の絶縁材料からなるインシュレータ１５内に収容されている。

インシュレータ１５は、保持手段４３によって弾性的に把持されている。
ケーシング４には、通気孔４１から大気は導入しつつ、水分の侵入は阻止する公知の撥水フィルタ１６が設けられている。
ケーシング４の基端側には、シリコーンゴム、フッ素ゴム等の耐熱弾性部材からなり、気密性を確保しつつ一対の信号線１４Ｓ＋／−、通電線１４Ｈを引き出す封止部材１７が設けられている。
なお、本発明において、ケーシング４の内側で、一対の信号線１４Ｓ（＋／−）、及び、一対の導通線１４Ｈを、どのようにセンサ素子１と接続するか、ケーシング４の内側に同のようにして基準ガスとしての大気を取り込むようにするか、インシュレータ１５の形状等については、適宜変更し得るものであり、実施例に限定するものではない。

図７Ｂを参照して、本発明の第２の実施形態におけるガスセンサＧＳ２について説明する。
なお、前期実施形態と同様の構成については、同じ符号を付し、相違する部分については、対応する符号にアルファベットの枝番を付して区別したので、共通する部分についての説明を省略し、本実施形態における特徴的な部分を中心に説明する。
ガスセンサＧＳ２は、ガスセンサＧＳ１からヒータを廃して、簡易な構成とした簡易型ガスセンサであり、自動二輪車等の内燃機関に用いられる。
本実施形態においても、図１に示したのと同様に、ガスセンサ素子１とハウジング２との間に粉末充填部３０と筒状絶縁体３１とを設けて、、押さえ部における間隙ＧＰ１、ＧＰ２を所定の範囲とすることで、気密性の確保が図られている。

前記実施形態においては、センサ素子１を早期に活性化するため、通電により発熱するヒータ部１４を具備するが、本実施形態においては、ガスセンサ素子１Ａの活性化は被測定ガスＧ自身の有する熱を利用して行い、活性化のためのヒータを設けていない。
さらに、前記実施形態においては、検出部１２の基準電極１２１は、プラス端子金具１３１Ｓ＋を介してプラス信号線１４Ｓ＋に接続され、測定電極１２２は、マイナス端子金具１３１Ｓ−を介してマイナス信号線１４Ｓ−に接続されているが、本実施形態においては、マイナス側信号配線１４Ｓ−を廃して検出部１２に設けた測定電極１２２は、金属シールリング３３、ハウジング２を介して被測定ガス流路６に接地され、基準電極１２１とプラス端子金具１３Ａを介して接続されたプラス信号線１４のみが引き出される簡易な構成となっている。
プラス端子金具１３Ａは、信号線１４の中心線１４０と接続する圧着部１３０Ａと、固体電解質体の内周面に形成された基準電極１２２と弾性的に接続する１３１Ａと固体電解質体の内周面の傾斜部に弾性的に当接して軸方向の振動を抑制する当接部１３２Ａとによって構成されている。
本実施形態においても、本実施形態においても、図１に示したのと同様に、ガスセンサ素子１Ａとハウジング２との間に粉末充填部３０と筒状絶縁体３１とを設けて、押さえ部における間隙ＧＰ１、ＧＰ２を所定の範囲とすることで、気密性の確保が図られている。

図７Ｃを参照して、本発明の第３の実施形態におけるガスセンサＧＳ３について説明する。
上記実施形態においては、いわゆるコップ型のガスセンサを示したが、本発明は、いわゆる積層型のガスセンサにも適用し得るものであり、本実施形態は、その一例である。

前記実施形態においては、ガスセンサ素子１、１Ａを構成する固体電解質体の一部を拡径した拡径部１１、１１Ａとハウジング２の内周面２０との間に粉末充填部３０、筒状絶縁体３１、シールリング３２、３３からなる封止手段３を介装してハウジング２の縮径部２１と、包み加締め部２２、シュルンプ部２３とによって挟持して、軸力を作用させたが、本実施形態におけるガスセンサＧＳ３では、図７Ｃに示すように、筒状のハウジング２、ハウジング２内に配置されたガスセンサ素子１Ｂ、及びハウジング２の内側面２０とセンサ素子１Ｂを構成する絶縁体の外側面１０Ｂとの間に、粉末充填部３０、筒状絶縁体３１、シールリング３２、３３からなる封止手段３を介装して、ハウジング２の包み加締め部２２，シュルンプ部２３、縮径部２１によって、センサ素子１Ｂの絶縁体の一部を拡径した拡径部１１Ｂを挟持して、軸力を作用させて気密性を保持している。

本実施形態における検出部１２は、いわゆる積層型のガスセンサ素子によって構成され、複数のセラミックシートを積層してな、平板棒状に形成されている。
また、検出部１２は、アルミナ等からなる筒状の絶縁体内に挿入され、ガラス等からなる封支部３５によって保持されている。

本実施形態においても、図１に示したのと同様に、ガスセンサ素子１Ｂとハウジング２との間に粉末充填部３０と筒状絶縁体３１とを設けて、押さえ部における間隙ＧＰ１、ＧＰ２を所定の範囲とすることで、気密性の確保が図られている。
なお、具体的なガスセンサ素子１Ｂの構成は特に限定するものではなく、検出部１２Ｂには、要求される検出機能に応じた検出セル、発熱部等が形成される。
また、本実施形態におけるガスセンサの検出対象はガス成分に限らず、ＰＭ、水分等を対象とすることもできる。

１ ガスセンサ素子
２ ハウジング
３ 封止手段
１０ 素子外周面
２０ ハウジング内周面
３０ 粉末充填部
３００ 充填粉末粒子（タルク粒子）
３１ 筒状絶縁体
３１０ 筒状絶縁体内周面
３１１ 筒状絶縁体外周面
ＧＳ１、ＧＳ２、ＧＳ３ ガスセンサ
Ｄ_ＳＶ 篩分粒径
ＧＰ１ 素子側間隙
ＧＰ２ ハウジング側間隙

Claims (4)

1. 被測定ガス中の特定成分を検出するガスセンサであって、ガスセンサ素子（１）と、該ガスセンサ素子（１）を収容固定する筒状のハウジング（２）と、前記ガスセンサ素子（１）の外周面（１０）と、前記ハウジング（２）の内周面（２０）との間に、タルクを主成分とする粉末充填部（３０）と、該粉末充填部（３０）を押圧する筒状絶縁体（３１）とを含む封止手段（３）を設けて封止してなるガスセンサ（ＧＳ１、ＧＳ２、ＧＳ３）において、
   前記筒状絶縁体（３１）は、軸方向の一端面が前記粉末充填部（３０）に接しており、
   前記粉末充填部（３０）を構成する充填粉末粒子（３００）の篩分粒径Ｄ_ＳＶと、
   前記筒状絶縁体（３１）の内周面（３１０）と前記ガスセンサ素子（１）の外周面（１０）との素子側間隙ＧＰ１と、
   前記筒状絶縁体（３１）の外周面（３１１）と前記ハウジング（２）の内周面（２０）とのハウジング側間隙ＧＰ２との関係において、
   前記素子側間隙ＧＰ１、及び、前記ハウジング側間隙ＧＰ２が、０．１ｍｍ以上であると共に前記充填粉末（３００）の篩分粒径Ｄ_ＳＶの２倍以下であり、かつ前記篩分粒径Ｄ_ＳＶが、２１０μｍ以上、７１０μｍ以下であることを特徴とするガスセンサ（ＧＳ１、ＧＳ２、ＧＳ３）
2. 前記充填粉末粒子（３００）を一軸加圧して、筒状に成形した充填粉末成形体（３０ＭＯＬＤ）とし、さらに、前記ガスセンサ素子（１）と前記ハウジング（２）との間に区画した空間内で前記筒状絶縁体（３１）を介して押圧して気密性を高くして前記粉末充填部（３０）とした請求項１に記載のガスセンサ（ＧＳ１、ＧＳ２、ＧＳ３）
3. 前記ハウジング（２）が、前記筒状絶縁体（３１）を軸方向に弾性的に押圧する包みかしめ部（２２）を具備する請求項１又は２に記載のガスセンサ（ＧＳ１、ＧＳ２、ＧＳ３）
4. 前記ハウジング（２）が、軸方向に座屈しており前記筒状絶縁体（３１）を軸方向に弾性的に押圧する座屈部（２３）を具備する請求項１又は２に記載のガスセンサ

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