JP6475145B2 - ガスセンサ - Google Patents

Description

本発明は、例えば内燃機関に用いられ、測定対象ガス（被測定ガス）中に含まれる特定ガスを検出することができるガスセンサに関する。

従来、自動車などの排ガス中の特定成分を検出するセンサとして、酸素センサ、ＮＯ_Ｘセンサ、ＨＣセンサ等のガスセンサが知られている。
この種のガスセンサとして代表的な酸素センサは、ジルコニア等のセラミックスからなる固体電解質体を有底筒状に形成し、その表面上に、固体電解質体を挟むように一対の電極（検出電極と基準電極）を形成した検出素子を備えている。

この酸素センサの使用時には、固体電解質体の外周面上に形成された検出電極は、排ガス中に晒され、内周面上に形成された基準電極は、基準となるガス（通常は大気）中に晒される。検出素子は、固体電解質体に隔てられた２つの雰囲気間、すなわち排ガスと基準ガスとの間における酸素分圧の差に応じて両電極間に生ずる起電力によって、排ガス中の酸素の検出を行う。

また、このような酸素センサでは、検出素子の外周面には環状の鍔部が設けられており、この検出素子が、セラミック製の筒状の支持部材と金属製の筒状のハウジングとを挿通するように同軸に配置されている。詳しくは、ハウジングの内周面に設けられた環状の段部に、筒状の支持部材が係止され、この支持部材の内周面に設けられた凸部に検出素子の鍔部が係止されている（例えば特許文献１参照）。

更に、支持部材の凸部と検出素子の鍔部との間には、検出素子をハウジング内に押し込むようにして固定する際に、その押圧力を緩和するためや、排ガスが酸素センサの先端側から後端側に漏出しないように（即ちガスシールのために）、バネ性を有する環状の金属パッキンが配置されている。

また、近年では、図８に例示するように、酸素センサに使用する部材を少なくする等の目的で、支持部材を省略して、検出素子（Ｐ１）を、直接、ハウジング（Ｐ２）で支持した酸素センサも開発されている。

このような構造の酸素センサでは、検出電極（Ｐ３）を排ガス中の被毒物質から保護するためや、鍔部（Ｐ４）に設けられた検出電極とハウジングとの間を電気的に絶縁するために、鍔部よりも先端側の外周面（Ｐ５）及び鍔部の先端向き面（Ｐ６）に、例えばアルミナ等の絶縁材料を溶射して形成した多孔質の絶縁層（Ｐ７）が、同じ厚みで形成されている。そして、この場合においても、絶縁層とハウジングの段部（Ｐ８）との間に、検出素子をハウジング内にて固定する際の押圧力を緩和する等の目的で、金属パッキン（Ｐ９）が配置される。

特開２０１３−１１７５２１号公報

しかしながら、上述のように絶縁層とハウジングの段部との間に金属パッキンを配置する場合には、不具合が生じることがある。
具体的には、本発明者等の研究よれば、例えばＳＵＳ４３０のようなステンレス鋼からなる金属パッキンを使用する場合には、下記のような問題があった。

酸素センサによって内燃機関の排ガス中の酸素濃度を検出する場合には、通常、酸素センサの先端側は例えば８００℃以上の高い温度に晒されるので、金属パッキン中から鉄（Ｆｅ）が絶縁層内に溶出することがある。つまり、高温の排ガスが多孔質の絶縁層内に滞留し、長期間にわたって金属パッキンに接触することによって、金属パッキンの鉄が絶縁層中に析出することがある。そのため、鉄の析出状態によっては、金属パッキン（従って金属製のハウジング）と検出電極との間でショートが発生し、センサ出力にノイズが乗ることがある。

このようにセンサ出力にノイズが乗ると、酸素センサの検出精度が低下してしまう。
そこで、本発明は、金属パッキンと検出素子との間の高い電気絶縁性を保つことができるガスセンサを提供することを目的とする。

（１）本発明の第１局面におけるガスセンサは、検出素子と金属パッキンと主体金具を備えている。
検出素子は、軸線方向の先端側が閉塞された筒状の構造を有し、径方向外側に突出する鍔部を有すると共に、鍔部より先端側の外周面及び鍔部の先端向き面に亘って外側電極が形成されている。また、検出素子は、鍔部より先端側の外周面及び鍔部の先端向き面を覆う電気絶縁性を有する絶縁層を有する。つまり、絶縁層は、少なくとも検出素子の先端向き面より先端側の範囲を覆うように形成されている。

なお、先端向き面とは、鍔部の表面のうち、先端側に向いている表面、即ち軸線方向の先端側から見た場合に見える表面である。
主体金具は、検出素子が貫挿された貫通孔を有する筒状の構造であり、貫通孔の内周面に径方向内側に突出する段部を有する。

金属パッキンは、検出素子の鍔部と主体金具の段部との間に配置された環状の金属パッキンであり、検出素子の鍔部と主体金具の段部との間に挟まれている。
そして、このガスセンサでは、金属パッキンは、鉄４５〜６０％、クロム２２〜３０％、かつニッケルを含有するステンレス鋼からなり、鍔部の先端向き面に設けられた絶縁層と主体金具とに接触している。なお、特に好ましくは、鉄は４８．３〜５３．３％、クロムは２４〜２６％の範囲である。

従って、例えば内燃機関の排ガス中等のように、ガスセンサが高い温度（例えば８００℃以上）で用いられた場合でも、金属パッキン中の鉄が絶縁層に溶出しにくい（即ち絶縁層中に鉄が析出しにくい）という効果がある。

つまり、このガスセンサでは、金属パッキン中には鉄の成分が少ないので、金属パッキン中の鉄が絶縁層中に析出しにくい。そのため、金属パッキン（従って主体金具）と検出素子（詳しくは外側電極）との間でショートが発生しにくく、よって、センサ出力にノイズが乗りにくいという効果がある。従って、このガスセンサにおいては、長期間に渡り高い測定精度を得ることができるという効果がある。

なお、本発明において、金属パッキンの組成を示す％とは、重量％のことである。
（２）本発明の第２局面におけるガスセンサでは、絶縁層の金属パッキンに対向する表面と軸線方向に対して垂直の平面とのなす角度（例えば第１角度θ１）が、主体金具の段部の金属パッキンに対向する表面と軸線方向に対して垂直な平面とのなす角度（例えば第２角度θ２）より大である。

上述のように、検出素子には、先端側の外周面から鍔部の先端向き面にかけて絶縁層が形成されているが、金属パッキンが曲がり易い場合には、前記図８に示すように、金属パッキンをガスセンサ内に固定する際に、金属パッキンが全面にわたって絶縁層に密着することがある。

その場合に、金属パッキンのうち、密着部分の径方向外側の端部に力が加わることとなる。すると、その一部がずり応力（例えば図８のＺ参照）となって、例えば径方向外側における絶縁層の先端部分にクラック等が生じやすい（例えば図８のＰ１０参照）。このようなクラックが発生すると、使用状況によっては徐々にクラックが大きくなる。その結果、絶縁層に剥離等が発生し、電気絶縁性が低下するおそれがある。

これに対して、第２局面のガスセンサでは、以下に詳述するように、前記クラックが生じにくいという効果がある。
このガスセンサで用いられる金属パッキンは、鉄６０％以下、クロム２２％以上のステンレス鋼からなるので、例えばクロムが２２％未満のステンレス鋼（例えばＳＵＳ３０４）と比べて硬く、曲がり難い（即ち曲げ強度が大きい）。

従って、検出素子の鍔部と主体金具の段部との間に金属パッキンを挟んで押圧して固定する際には、金属パッキンが曲がり難いので、後述する図４に例示するように、主として金属パッキンの径方向内側の端部が、絶縁層に当接する。すると、金属パッキンのうち、径方向内側の端部に力が加わることになる。また、金属パッキンの全表面にて絶縁層に接触する場合でも、径方向内側により大きな力（応力）が加わることとなる。

つまり、このガスセンサでは、従来より曲がり難い金属パッキンを使用するので、金属パッキンを軸線方向の両側から押圧した場合、即ち傾斜した主体金具の段部と絶縁層とで挟んで押圧した場合には、軸線方向から見て、金属パッキンは径方向外側よりも径方向内側に大きな力が加わることとなる。

そのため、径方向外側に力が加わる場合に比べて径方向内側に力が加わる場合には、ずり応力が小さくなり（絶縁層と金属パッキンとが接触する領域が径方向外側に比べて径方向内側の場合には増加するため）、鍔部の径方向外側にて絶縁層にクラックが生じ難いという効果がある。よって、ガスセンサの電気絶縁性が低下しにくく、耐久性が高いという顕著な効果がある。

（３）本発明の第３局面におけるガスセンサでは、軸線方向からみた場合の鍔部の範囲内において、径方向内側に位置する絶縁層の厚みが径方向外側に位置する絶縁層の厚みよりも大きい。

このガスセンサでは、径方向内側に位置する絶縁層の厚み（即ち絶縁層における軸線側の厚み）が径方向外側に位置する絶縁層の厚みよりも大きいので、絶縁層の軸線側に大きな力が加わっても、絶縁層が破損し難いという効果がある。

また、絶縁層の軸線側の厚みを絶縁層の径方向外側の厚みよりも大きくすることにより、前記第２局面のガスセンサのように、各角度（例えばθ１、θ２）の差を容易に設けることができる。

なお、本発明において、ガスセンサとは、測定対象ガス中に含まれる特定ガスを検出することができるセンサである。検出素子とは、特定ガスの量等の状態によって出力が変化する素子である。主体金具は、検出素子が貫通孔に挿通された状態で保持する筒状の金属製の部材である。金属パッキンは、金属パッキンに接する部材間をガスシールする（気密性を高める）金属製の部材である。

本発明のガスセンサによれば、金属パッキン（従って主体金具）と外側電極との間でショートが発生しにくいので、センサ出力にノイズが乗りにくい。従って、長期間に渡り高い測定精度を得ることができるという効果がある。

実施形態の酸素センサを軸線方向に沿って破断した状態を示す断面図である。 検出素子を軸線方向に沿って破断した状態を示す断面図である。 （ａ）は検出素子に検出電極を形成した状態を示す斜視図、（ｂ）は検出素子に絶縁層を形成した状態を示す斜視図である。 酸素センサの主体金具と検出素子との係合部分を拡大し、軸線方向に沿って破断した状態を示す断面図である。 （ａ）は金属パッキンの酸素センサへの組み付け前の状態を示す斜視図、（ｂ）は金属パッキンの酸素センサへの組み付け後の状態を示す正面図である。 検出素子に絶縁層を形成する方法を示す説明図（検出素子はその先端側軸線方向に破断して示してある）。 （ａ）は比較例No.２の金属パッキンの縦断面のＳＥＭ写真であり、（ｂ）は比較例No.２の金属パッキンの縦断面のＥＤＳによる元素マッピングを示す図である。 従来技術の酸素センサの主体金具と検出素子との係合部分を拡大し、軸線方向に沿って破断した状態を示す断面図である。

以下、本発明が適用されたガスセンサの実施形態について、図面を用いて説明する。
ここでは、ガスセンサとして、自動車等の内燃機関から排出される排ガス中の酸素濃度を検出する酸素センサを例に挙げて説明する。

［１．実施形態］
［１−１．酸素センサの全体構成］
まず、実施形態の酸素センサの全体の構成について、図１〜図３に基づいて説明する。

図１に示すように、実施形態の酸素センサ１は、自動車のエンジンの排気管（図示外）に対して、軸線Ｏ方向（酸素センサ１の長手方向：図１の上下方向）の下側が排気管内に突出するように取り付けられて使用される。なお、以下では、軸線Ｏ方向において、図１の下方を酸素センサ１の先端側とし、図１の上方を酸素センサ１の後端側として説明する。

酸素センサ１は、主として、細長で先端側が閉じられた筒状の検出素子３と、検出素子３の外周側を取り囲んで保持する主体金具５（即ち検出素子３が貫挿された貫通孔７を有する主体金具）５と、検出素子３の後端側を覆う外筒９と、検出素子の先端側を覆うプロテクタ１１等を有する。

以下、各構成について説明する。
図２に示すように、検出素子３は、ジルコニアを主成分とし、軸線Ｏ方向に延びる有底筒状に形成した固体電解質体１３を有する。

固体電解質体１３の軸線Ｏ方向における略中央の位置には、軸線Ｏ方向と垂直の径方向外側に向かって突出する環状（フランジ形状）の鍔部１５が設けられている。
この鍔部１５は、その断面（軸線Ｏ方向に沿って破断した断面）の形状が台形である。詳しくは、鍔部１５は、径方向の最も外側部分であり軸線Ｏ方向と平行な頂面１７と、頂面１７の先端側から固体電解質体１３に向かって所定角度で先端側に傾斜する先端向き面１９と、頂面１７の後端側から固体電解質体１３に向かって所定角度で後端側に傾斜する後端向き面２１とを有している。

固体電解質体１３の鍔部１５よりも先端側の先端部２３は、先端へ向けて徐々に縮径し、先端部分が球面状に閉じている。従って、検出素子３の内部には、中空部としての筒孔（即ち先端側が閉塞し後端側が開放された筒孔）２５が形成されている。

先端部２３の外表面（外周面）には、ＰｔまたはＰｔ合金からなる多孔質状の検出電極２７が形成されている。また、図３（ａ）に示すように、検出電極２７から後端側に、帯状にリード部２９が形成され、リード部２９の後端側には周方向に延びる周状部３１が形成されている。なお、リード部２９及び周状部３１は、例えばＰｔ又はＰｔ合金からなる導電性を有する部分である。検出電極２７、リード部２９、周状部３１を合わせて、特許請求の範囲における外側電極に相当する。

一方、図２に示すように、固体電解質体１３の筒孔２５の内表面（内周面）にも、ＰｔまたはＰｔ合金からなる多孔質状の基準電極（内側電極）３３が形成されている。
従って、検出電極２７と基準電極３３とは、先端部２３において固体電解質体１３を挟んで対向しており、この部分が検出素子３において、酸素濃度の検出を行う検出部３７として機能する。なお、酸素センサ１が排気管に取り付けられたとき、検出部３７の外周面は排気管内を流通する排ガス中に晒される。

また、検出電極２７の外周面は、後に詳述するように、マグネシアアルミナスピネル等からなる多孔質状の絶縁層（即ち電気絶縁性を有する絶縁層）３５に覆われている。
さらに、リード部２９と後述する金属パッキン６１との絶縁性を図るために、図３（ｂ）に示すように、絶縁層３５は、検出素子３の鍔部１５の一部、詳しくは鍔部１５の頂面１７及び先端向き面１９を覆っている。つまり、絶縁層３５によって、検出素子３の鍔部１５の頂面１７より先端側が、全面に渡って覆われている。

図１に戻り、検出素子３の後端部３９（詳しくは検出電極２７に接続された周状部３１：図３参照）は、後端部３９に外嵌めされた接続端子４１を介しリード線４３に接続されている。なお、リード線４３は、図示外の外部回路（例えば自動車の電子制御装置（ＥＣＵ））に、電気的な接続されている。

同様に、検出素子３の基準電極３３は、検出素子３の筒孔２５内に挿入された接続端子４５を介し、他のリード線４４に接続されている。
また、検出素子３の筒孔２５内には、固体電解質体１３を加熱して活性化させるための棒状のヒータ４７が挿入されている。このヒータ４７は、内部に発熱抵抗体（図示外）を有しており、発熱抵抗体は、一対の電極端子４９（図１では一方の電極端子４９のみを示す）を介して、外部回路と電気的な接続を行う一対のリード線５１（図１では一方のリード線５１のみを示す）に接続されている。

主体金具５は、その軸中心に軸線Ｏ方向に延びる貫通孔７を有する、例えばステンレス製（例えばＳＵＳ４３０）の筒状部材である。
貫通孔７は、先端側ほど小径で後端側ほど大径の孔であり、その内周面の軸線Ｏ方向における中央部分には、後に詳述するように、検出素子３を係止するために、径方向内側に環状に突出する段部５３が形成されている。

この主体金具５は、段部５３と、後端に設けた加締部５５との間に、滑石粉末からなる充填部材５７、アルミナ製のスリーブ５９を、ステンレス製の下側の金属パッキン６１及び上側の加締めパッキン６３を介して支持している。

そして、検出素子３の鍔部１５を、充填部材５７と金属パッキン６１との間に挟むことによって、貫通孔７内に検出素子３を保持するとともに、充填部材５７等によって、貫通孔７内の気密性を確保している。

また、主体金具５は、外周に、酸素センサ１を排気管に取り付けるためのねじ山が形成された雄ねじ部６５を有する。雄ねじ部６５の先端側には、プロテクタ１１を取り付ける先端取付部６７が形成されている。雄ねじ部６５の後端側には、排気管への取り付けの際に使用される工具が係合される工具係合部６９が設けられている。

工具係合部６９と雄ねじ部６５との間には、排気管の取付部を介したガス抜けを防止するための環状のガスケット７１が嵌挿されている。工具係合部６９の後端側には、外筒９を取り付ける後端取付部７３が形成され、後端取付部７３の後端側に、前記加締部５５が設けられている。

さらに、検出素子３の後端部３９は、主体金具５の後端の加締部５５から突出され、後端取付部７３に溶接された外筒９に覆われている。この外筒９は、軸線Ｏ方向に沿って延びる筒状のＳＵＳ３０４等のステンレス鋼からなる部材である。

検出素子３の後端部３９よりも後端側には、絶縁性セラミックスからなる筒状のセパレータ７５が配置されている。セパレータ７５は、検出素子３の接続端子４１、４５、ヒータ４７の電極端子４９が、互いに接触しないように、独立に内部に収容している。また、セパレータ７５の先端側と後端側との間で大気連通が可能となっている。

なお、外筒９は、セパレータ７５が配置された部分の外周が加締められており、セパレータ７５は、保持金具７７を介して外筒９内に保持されている。
セパレータ７５の後端側には、フッ素系ゴムからなるグロメット７９が配置されている。グロメット７９は、外筒９の後端側の開口に嵌められて、開口付近の外周が加締められることにより、外筒９に保持されている。

グロメット７９には、外筒９内に大気を導入するための連通孔８１が形成されている。連通孔８１内には、例えばＰＴＦＥ（ポリテトラフルオロエチレン）等のフッ素樹脂から形成された薄膜状のフィルタ部材８３およびその留め金具８５が挿入されており、水滴等の進入が防止されている。

一方、検出素子３の先端側の検出部３７は、主体金具５の先端取付部６７から突出しており、先端取付部６７に溶接されるプロテクタ１１に覆われている。プロテクタ１１は、排気管内に突き出される検出素子３の検出部３７を、排ガス中に含まれる水滴や異物等の衝突から保護する。このプロテクタ１１は開口部を有する一重構造から成る。

［１−２．検出素子と主体金具との係止構造］
次に、検出素子３と主体金具５とが係止する部分の構成（係止構造）について、図４、図５に基づいて説明する。なお、図４では検出素子３の先端側を上側としている。

図４に示すように、主体金具５の段部５３と検出素子３の鍔部１５（詳しくは絶縁層３５）との間に、金属パッキン６１が配置されている。
主体金具５の段部５３は、径方向内側に突出しているので、その後端側の表面、即ち金属パッキン６１に対向する表面（以下段部表面９１と記す）は図４の下方に向いている。

詳しくは、段部表面９１は、軸線Ｏ方向に垂直な平面（以下垂直面Ｈと記す）に対して所定角度（第２角度θ２）で、径方向内側が先端側に傾斜するように、テーパ形状（従って円錐形状）となっている。なお、軸線Ｏ方向から見た場合、段部５３は環状であり、後端側に向いた段部表面９１も環状である。

一方、検出素子３の鍔部１５は、径方向外側に突出しているので、先端向き面１９は、軸線Ｏ方向から見た場合、環状となっている。
この先端向き面１９は、垂直面Ｈに対して所定角度（第３角度θ３）で、径方向内側が先端側に傾斜するようにテーパ形状となっている。なお、本実施形態では、第３角度θ３は、第２角度θ２よりも大きい角度としている。

また、上述したように、鍔部１５の頂面１７及び先端向き面１９と、鍔部１５より先端側は、絶縁層３５により覆われている。つまり、先端向き面１９より先端側（先端向き面１９を含む）は、絶縁層３５により全体が覆われている。この絶縁層３５の厚みは、ほぼ均一であるが、鍔部１５の先端向き面１９を覆う部分ではその厚みが位置によって異なっている。

つまり、絶縁層３５の厚みは、先端向き面１９の表面において、径方向外側よりも径方向内側（軸線Ｏ側：図４の左側）の方が徐々に大きくなるように構成されている。
詳しくは、絶縁層３５の表面、即ち金属パッキン６１と対向する表面（以下絶縁層表面９３と記す）は、垂直面Ｈに対して所定角度（第１角度θ１）で、径方向内側が先端側に傾斜するようにテーパ形状となっている。

しかも、この絶縁層表面９３の第１角度θ１は、段部表面９１の第２角度θ２よりも大きく設定されている。なお、各角度θ１、θ２、θ３の関係は、第１角度θ１＞第３角度θ３＞第２角度θ２である（但し、θ１、θ２、θ３は９０°未満）。なお、この第１角度θ１＞第２角度θ２の角度の関係は、金属パッキン６１の全周で成立していることが望ましいが、全周において平均してその関係があればよい。

ここで、金属パッキン６１をその厚み方向に絶縁層３５に対して投影した場合、金属パッキン６１の径方向内側の端部に位置する絶縁層３５の厚みをｔ１、径方向外側の端部に位置する絶縁層３５の厚みをｔ２とすると、ｔ１＞ｔ２の関係がある。なお、このｔ１＞ｔ２の厚みの関係は、金属パッキン６１の全周で成立していることが望ましいが、平均してその関係があればよい。

前記金属パッキン６１は、主体金具５の段部５３と絶縁層３５との間に挟まれる前は、図５（ａ）に示すように、同じ厚みの円環状の平板（弾性を有する板パッキン）であり、主体金具５の段部５３と絶縁層３５との間に挟まれて軸線Ｏ方向に押圧されることによって、図５（ｂ）に示すように円錐形状に変形する。なお、図５（ｂ）の上方が先端側である。

この金属パッキン６１は、鉄６０％、クロム２２％のステンレス鋼（例えばＳＵＳ３１０Ｓ）からなる。なお、加締めパッキン６３は、例えばＳＵＳ４３０からなる。
そして、図４に示すように、前記金属パッキン６１の一方の表面（図４の上方の先端面９５）は、主体金具５の段部５３の段部表面９１に、全面に渡って接触している。

一方、金属パッキン６１の他方の表面（図４の下方の後端面９７）は、前記第１角度θ１と第２角度θ２との角度差に対応して、絶縁層表面９３のうちの一部に接触している。詳しくは、金属パッキン６１の後端面９７のうち、径方向内側部分が（軸線Ｏ方向から見た場合に）環状に絶縁層３５に接触している。

［１−３．酸素センサの製造方法］
次に、本実施形態の酸素センサ１の製造方法について、図６を用いて簡単に説明する。
本実施形態では、酸素センサ１の製造方法のうち、検出素子３の製造方法に特徴があるので、主として検出素子３の製造方法について説明する。

従来と同様に、固体電解質体１３の表面に検出電極２７及び基準電極３３を形成した後に、図６に示すように、プラズマ溶射によって、固体電解質体１３の鍔部１５より先端側（但し鍔部１５の頂面１７及び先端向き面１９を含む）を覆うように溶射層である絶縁層３５を形成する。

詳しくは、検出電極２７及び基準電極３３を備えた固体電解質体１３を、先端側が上方となるように配置する。また、周知のプラズマ溶射装置１０１（詳しくはトーチが形成される噴射部１０３）を、固体電解質体１３に向けて斜め下方となるように配置する。

そして、固体電解質体１３を軸線Ｏの周りに回転させながら、トーチに絶縁層３５の材料であるマグネシアアルミナスピネルの粉末を供給するとともに、噴射部１０３を上下方向に移動させて、溶射によって絶縁層３５を形成する。

この溶射をする際には、鍔部１５の先端向き面１９のうち根元側（即ち軸線Ｏ側）における絶縁層３５の厚みが径方向外側の厚みより大きくなるように、根元側を溶射している時間を径方向外側を溶射している時間よりも長くする。つまり、根本側と径方向外側とにおける溶射時間を比べた場合、径方向外側から根本側にゆくほど溶射時間を徐々に長くする。なお、どの程度長くするかは、実験により求めることができる。

このようにして、絶縁層３５を備えた検出素子３が作製される。
この検出素子３を用いて酸素センサ１を組み付ける工程は、基本的に従来と同様である。

つまり、通常の手順で、酸素センサ１の各構成要素を組み付ける。例えば、主体金具５に、プロテクタ１１を取り付け、更に、主体金具５に、金属パッキン６１、検出素子３、充填部材５７、スリーブ５９、加締めパッキン６３、外筒９等を配置する。

その後、主体金具５の後端を加締めて、主体金具５内の各構成要素を固定した後に、酸素センサ１の後端側の各種の構成を組み付けて、酸素センサ１を完成する。
なお、主体金具５を加締める際に、検出素子３が先端側に押圧され、その際に金属パッキン６１が円錐形状に変形する。

［１−４．効果］
（１）実施形態の酸素センサ１は、検出素子３と金属パッキン６１と主体金具５を備えている。この検出素子３は、鍔部１５、検出電極２７、基準電極３３を有するとともに、鍔部１５より先端側の外周面及び鍔部１５の先端向き面１９を覆う絶縁層３５を有する。主体金具５は、段部５３を有しており、金属パッキン６１は、検出素子３の鍔部１５と主体金具５の段部５３との間に挟まれている。

前記金属パッキン６１は、鉄６０％以下、クロム２２％以上のステンレス鋼からなり、鍔部１５の先端向き面１９に設けられた絶縁層３５と主体金具５とに接触しているので、例えば内燃機関等のように高い温度（例えば８００℃以上）で用いられた場合でも、金属パッキン６１中から溶出した鉄が絶縁層３５中に析出しにくい。

つまり、金属パッキン６１中には鉄の成分が少ないので、金属パッキン６１中から鉄が絶縁層３５中に析出しにくい。そのため、金属パッキン６１（従って主体金具５）と検出電極２７との間でショートが発生しにくく、よって、センサ出力にノイズが乗りにくいという効果がある。従って、酸素センサ１は、長期間に渡り高い測定精度を得ることができるという効果がある。

（２）また、この酸素センサ１は、絶縁層３５の先端向き面１９と垂直面Ｈとのなす第１角度θ１が、主体金具５の段部表面９１と垂直面Ｈとのなす第２角度θ２より大である。

また、金属パッキン６１は、鉄６０％以下、クロム２２％以上のステンレス鋼からなるので、硬く曲がり難い（即ち曲げ強度が大きい）。
従って、金属パッキン６１を主体金具５の段部５３と絶縁層３５の絶縁層表面９３とで挟んで押圧することにより、前記図４に示すように金属パッキン６１が変形した際には、上述した第１角度θ１と第２角度θ２との角度差により、軸線０方向から見て、金属パッキン６１の径方向内側が環状に絶縁層３５に接触し、その接触部分に力が加わることとなる。

そのため、ずり応力が小さくなり、鍔部１５の径方向外側において絶縁層３５にクラックが生じ難いという効果がある。よって、検出素子３における絶縁性が低下しにくく、耐久性が高いという顕著な効果がある。

（３）さらに、この酸素センサ１では、軸線方向からみた場合の鍔部１５の範囲内において、径方向内側に位置する絶縁層３５の厚みが径方向外側に位置する絶縁層３５の厚みよりも大きい。

従って、絶縁層３５の径方向内側に大きな力が加わっても、絶縁層３５が破損し難いという効果がある。
また、絶縁層３５の径方向内側の厚みを絶縁層３５の径方向外側の厚みよりも大きくすることにより、上述した第１、第２角度θ１、θ２の差を容易に設けることができる。

［１−５．特許請求の範囲との対応関係］
ここで、特許請求の範囲と本実施形態とにおける文言の対応関係について説明する。
本実施形態の、酸素センサ１、鍔部１５、先端向き面１９、検出素子３、貫通孔７、段部５３、主体金具５、金属パッキン６１、絶縁層３５が、それぞれ、特許請求の範囲の、酸素センサ、鍔部、先端向き面、検出素子、貫通孔、段部、主体金具、金属パッキン、絶縁層の一例に相当する。

［２．実験例］
次に、発明の効果を確認するために行った実験例について説明する。
ａ）この実験では、本発明例（試料No.１）及び比較例（試料No.２、３）の複数本の酸素センサを用いて耐久試験を行った。

本発明例の酸素センサとして、前記実施形態の構成の酸素センサ、即ちＳＵＳ３１０Ｓからなる金属パッキンを備えた酸素センサ（試料No.１）を作製した。
比較例として、前記実施形態と同様な構成の酸素センサであるが、金属パッキンの材料として、ＳＵＳ４３０を用いた酸素センサ（試料No.２）とＳＵＳ３０４を用いた酸素センサ（試料No.３）を作製した。

そして、エンジン実機にて、各酸素センサをエンジンの排気管に取り付け、最高排ガス温７５０〜９００℃での運転状態とアイドル状態（１００〜４００℃）とを繰り返した環境下での耐久試験を行った。

最高排ガス温の状態とアイドル状態とを繰り返す１サイクルは１時間であり、最高排ガス温の状態を約５０分、アイドル状態を約１０分とした。
なお、エンジンの条件は、排気量：４０００ｃｃ、気筒：６気筒、燃料：ガソリンである。また、最高排ガス温及びアイドル状態の温度の測定は、酸素センサ近傍に取り付けた温度センサにて測定した。

耐久試験を行った時間（耐久時間）は、５００時間、１０００時間、２０００時間とした。そして、耐久時間が経過した各試料の複数本の酸素センサについて、主体金具と検出素子の検出電極との間の絶縁性を調べた。

具体的には、直流電源下で５００Ｖを印加した条件で、主体金具と検出素子の検出電極間の絶縁抵抗を求め、その絶縁抵抗が絶縁抵抗閾値の５００ｋΩを下回ったものを、不良（×）とした。この結果を、下記表１に記す。なお、表１の各試料において、上段は「不良発生数／耐久本数」を示し、下段は「判定結果」、つまり、「良（○）、不良（×）」を示したものである。

この表１から明らかなように、本発明例の試料No.１では、５００時間、１０００時間、２０００時間の各耐久後でも、３６本中不良は０本であり、高い耐久性を備えていることが分かる。

それに対して、比較例の試料No.２は、５００時間の耐久後にて１２本中に４本、１０００時間の耐久後にて１２本中に１０本の不良があり、２０００時間の耐久後では１２本全てが不良であった。

また、比較例の試料No.３は、５００時間の耐久後では４本中１本、１０００時間の耐久後では４本中全てが不良であった。
ｂ）また、比較例の試料No.２の１０００時間の耐久後の金属パッキンを厚み方向に破断し、その破断面を観察した。

具体的には、その破断面を走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）で観察した。その結果、図７（ａ）に示すように、金属パッキン側より絶縁層中に金属パッキンの成分が浸透している箇所（同図の中央部分にて上側から下側に延出する部分）が見られた。

なお、図７の上層が金属パッキンであり、下層が固体電解質体の層（ジルコニア層）であり、中間が絶縁層である。
また、前記同じ破断面において、ＥＤＳ（エネルギー分散型Ｘ線分光分析）により、鉄（Ｆｅ）の元素マッピングを行った。その結果、図７（ｂ）に示すように、前記浸透部分に鉄（浸透部分等にてドットで示す箇所）が含まれていることが確認できた。

ここで、金属パッキンの材料であるＳＵＳ３１０Ｓ、ＳＵＳ３０４の組成（％）は、下記表２示す通りである。

つまり、本発明例の試料No.１で用いられるＳＵＳ３１０Ｓにおける鉄の組成の範囲は、本発明の範囲内の４８．３〜５３．３％であり、クロムの組成の範囲も、本発明の範囲内の２４〜２６％である。一方、比較例の試料No.３で用いられるＳＵＳ３０４における鉄の組成の範囲は、本発明の範囲外の６６．３〜７０．８％であり、クロムの組成の範囲も、本発明の範囲外の１８〜２０％である。

以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において、様々な態様にて実施することが可能である。

（１）例えば、絶縁層は、鍔部の表面全体を覆っていてもよい。或いは、絶縁層は、鍔部の頂面を覆わずに、先端向き面のみを覆っていてもよい。さらに、絶縁層は、頂面の先端側の一部と先端向き面を覆うようにしてもよい。

（２）また、金属パッキンの後端面が、絶縁層表面に、全面にわたって接触していてもよい。この場合も、従来の曲がり易い金属パッキンに比べて、径方向外側には大きな力がかかりにくい。

（３）さらに、第１角度θ１と第２角度θ２の角度については、金属パッキンに対向する絶縁層表面や段部表面において、それぞれ平均の角度を採用できる。
つまり、絶縁層表面や段部表面の傾斜は、各表面の全ての箇所においてそれぞれ同じ傾斜であることが望ましいが、部分的に傾斜が変化していてもよい。すなわち、絶縁層表面や段部表面の傾斜の角度は、軸線方向に沿った任意の断面において、全体として（即ち平均して）上述した角度の関係があればよい。

１…ガスセンサ、３…検出素子、５…主体金具、７…貫通孔、１５…鍔部、１９…先端向き面、２７…検出電極、３３…基準電極、３５…絶縁層、５３…段部、６１…金属パッキン、Ｏ…軸線、Ｈ…垂直面

Claims (3)

1. 軸線方向の先端側が閉塞された筒状の構造を有し、径方向外側に突出する鍔部を有すると共に、前記鍔部より先端側の外周面及び前記鍔部の先端側に面する先端向き面に亘って外側電極が形成された検出素子と、
   前記検出素子が貫挿された貫通孔を有する筒状の構造であり、前記貫通孔の内周面に径方向内側に突出する段部を有する主体金具と、
   前記検出素子の鍔部と前記主体金具の段部との間に配置された環状の金属パッキンと、
   を備える、ガスセンサであって、
   前記検出素子は、前記鍔部より先端側の外周面及び前記鍔部の先端向き面を覆う電気絶縁性を有する絶縁層を有しており、
   更に、前記金属パッキンは、鉄４５〜６０％、クロム２２〜３０％、かつニッケルを含有するステンレス鋼からなり、前記鍔部の先端向き面に設けられた前記絶縁層と前記主体金具とに接触していることを特徴とするガスセンサ。
2. 前記絶縁層の前記金属パッキンに対向する表面と前記軸線方向に対して垂直の平面とのなす角度が、前記主体金具の前記段部の前記金属パッキンに対向する表面と前記軸線方向に対して垂直な平面とのなす角度より大であることを特徴とする請求項１に記載のガスセンサ。
3. 前記軸線方向からみた場合の前記鍔部の範囲内において、径方向内側に位置する前記絶縁層の厚みが径方向外側に位置する前記絶縁層の厚みよりも大きいことを特徴とする請求項１又は２に記載のガスセンサ。