(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
筒状の絶縁碍子と該絶縁碍子内に封止固定されたセンサ素子と，上記絶縁碍子が挿入配置された筒状のハウジングとよりなり，
上記ハウジングの基端側には内部に大気側雰囲気が形成された大気側カバーが設けてあり，
上記ハウジングの内側面には，上記絶縁碍子の外周面に設けたテーパー部を金属パッキンを介して支承するよう構成された受け面が設けてあると共に，上記金属パッキンと上記絶縁碍子とは直接当接されており，
これら両者の当接によって，ガスセンサ基端側の大気側雰囲気とガスセンサ先端側の被測定ガス側雰囲気とが気密的に分離されるよう構成されているガスセンサにおいて，
上記テーパー部における上記金属パッキンと上記絶縁碍子との当接面の十点平均粗さは１０μｍ以下であることを特徴とするガスセンサ。
【請求項２】
請求項１において，上記当接面は表面研磨処理が施されてあることを特徴とするガスセンサ。
【請求項３】
請求項１において，上記当接面はメッキ処理が施されてあることを特徴とするガスセンサ。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれか一項において，上記絶縁碍子はアルミナ純度９０％以上のアルミナセラミックよりなることを特徴とするガスセンサ。
【請求項５】
筒状の絶縁碍子と該絶縁碍子内に封止固定されたセンサ素子と，上記絶縁碍子が挿入配置された筒状のハウジングとよりなり，
上記ハウジングの基端側には内部に大気側雰囲気が形成された大気側カバーが設けてあり，
上記ハウジングの内側面には，上記絶縁碍子の外周面に設けたテーパー部を金属パッキンを介して支承するよう構成された受け面が設けてあると共に，上記金属パッキンと上記絶縁碍子とは直接当接されており，
これら両者の当接によって，ガスセンサ基端側の大気側雰囲気とガスセンサ先端側の被測定ガス側雰囲気とが気密的に分離されるよう構成されているガスセンサにおいて，
上記絶縁碍子はアルミナ純度９０％以上のアルミナセラミックよりなることを特徴とするガスセンサ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【技術分野】
本発明は，内燃機関の排気系に設置して燃焼制御等に利用されるガスセンサに関する。
【０００２】
【従来技術】
センサ素子を絶縁碍子に挿通した後，該絶縁碍子をハウジングに挿入固定し，ハウジングの先端側に被測定ガス側カバーを，基端側に大気側カバーを設け，絶縁碍子とハウジングとの間が気密封止された構成を持つガスセンサが知られている。
この気密封止により，ガスセンサ内部を大気側雰囲気と被測定ガス側雰囲気とに分離することができる。
【０００３】
ところでセンサ素子は被測定ガスに接する被測定ガス側電極と基準ガスとなる大気と接する基準電極とを有し，両者間に生じるイオン電流や電位差を基に被測定ガス中のガス濃度を測定するよう構成されている。そのため，大気側雰囲気と被測定ガス側雰囲気との分離が不充分であると，正確なガス濃度の測定が難しくなる。
そのため，従来はセンサ素子とハウジングとの間にタルク等の粉体材料を密度高く充填することで両雰囲気の気密的な分離を実現していた。
【０００４】
【解決しようとする課題】
しかしながら，タルク等の粉体材料の充填による気密性確保は，粉体の充填圧力，充填量等の管理すべき内容が多く，コスト的にも不利である。
特表平８−５１１０９８号の従来技術には，低温度で焼結させたセラミックリングを挿入して，センサ素子とハウジングとの間を気密封止することが述べられている。しかしながら，組付け時に高圧力を加えても上記セラミックリング内の残留多孔性が維持されるため，大気側と被測定ガス側との気密的な分離が不充分となるおそれがある。
【０００５】
同じく，特表平８−５１１０９８号の従来技術には，多孔性を下げた金属シールリング（パッキン）をセラミックリング（グラファイトも含む）と併用して気密封止を実現する方法についても記載されている。
これはパッキンを２種類用いる方法であるため，製造工数の増大や製造コストの増大が生じやすく，あまり好ましくない。
【０００６】
本発明は，かかる従来の問題点に鑑みてなされたもので，ガスセンサ中の大気側雰囲気−被測定ガス側雰囲気が十分に分離されると共に製造容易でコストが安価なガスセンサを提供しようとするものである。
【０００７】
【課題の解決手段】
請求項１に記載の発明は，筒状の絶縁碍子と該絶縁碍子内に封止固定されたセンサ素子と，上記絶縁碍子が挿入配置された筒状のハウジングとよりなり，
上記ハウジングの基端側には内部に大気側雰囲気が形成された大気側カバーが設けてあり，
上記ハウジングの内側面には，上記絶縁碍子の外周面に設けたテーパー部を金属パッキンを介して支承するよう構成された受け面が設けてあると共に，上記金属パッキンと上記絶縁碍子とは直接当接されており，
これら両者の当接によって，ガスセンサ基端側の大気側雰囲気とガスセンサ先端側の被測定ガス側雰囲気とが気密的に分離されるよう構成されているガスセンサにおいて，
上記テーパー部における上記金属パッキンと上記絶縁碍子との当接面の十点平均粗さは１０μｍ以下であることを特徴とするガスセンサにある。
【０００８】
本発明において最も注目すべきことは，テーパー部における金属パッキンとの当接面の十点平均粗さを１０μｍ以下としたことである。
当接面の十点平均粗さが１０μｍを越えた場合，絶縁碍子をハウジングに対し組付ける際に気密性維持のため押圧力を加えるが，当接面の微細な凹凸を完全に金属パッキンが変形して埋めることが困難である。よって，当接面と金属パッキンとの間に迷路構造が形成され，この迷路構造を通じて，大気側雰囲気と被測定ガス側雰囲気との間で気体の流通が発生し，両者間に気密性が保持できなくなるおそれがある。
【０００９】
次に，本発明の作用につき説明する。
本発明にかかるガスセンサにおいて当接面の十点平均粗さは１０μｍ以下であり，非常に平らな状態にある。そのため，当接面と金属パッキンとの間に空洞や迷路構造等が生じることなく両者は強く密着することができる。
そのため，両者間を通じた気体の行き来を防止することができ，ガスセンサ基端側の大気側雰囲気とガスセンサ先端側の被測定ガス側雰囲気とを確実に気密的に分離することができる。
【００１０】
また，本発明にかかるガスセンサでは，ガスセンサ基端側の大気側雰囲気とガスセンサ先端側の被測定ガス側雰囲気とは金属パッキンで確保した構成となっており，タルク等の粉体材料の充填による気密性確保により構成されたガスセンサと比較して，製造時に管理すべき項目がすくなく，製造容易，製造コストが安価である。
【００１１】
更に，本発明にかかるガスセンサでは，金属パッキンのみで充分な気密性を大気側と被測定ガス側で確保することができるから，他の気密確保のためのシール材等を使用する必要がなく，コスト的にも安価な構成とすることができる。
【００１２】
以上，本発明によれば，ガスセンサ中の大気側雰囲気−被測定ガス側雰囲気が十分に分離されると共に製造容易でコストが安価なガスセンサを提供することができる。
【００１３】
本発明は，後述する図１に示すごとく，積層板状のセンサ素子を組付けたものの他，有底円筒状のコップ型固体電解質体よりなるセンサ素子を組付けたものに対し適用できる。
また，本発明にかかる構成は車両用内燃機関搭載用の酸素センサ，空燃比センサの他，特に積層型の場合はＮＯｘセンサ，ＣＯセンサ等に適用することができる。
【００１４】
また，本発明にかかる金属パッキンとしては，Ｔｉ，ニッケル，ステンレス等の耐腐食性に優れた材料を用いることが好ましい。特に，車両用内燃機関の排気系に取付けるガスセンサとして使用する場合，被測定ガスが金属を腐食させやすいため上記の材料が好ましい。
また，金属パッキンとしてステンレスにニッケル銅メッキを施したものや，純Ｎｉ，純Ｔｉよりなるものを用いることもできる。
【００１５】
次に，請求項２に記載の発明のように，上記当接面は表面研磨処理が施されてあることが好ましい。
これにより，特に硬度が高く変形し難い金属パッキンをもちいる際の気密性確保を容易に実現することができる。
【００１６】
次に，請求項３に記載の発明のように，上記当接面はメッキ処理が施されてあることが好ましい。
メッキ処理により表面の凹凸が埋められて，全体的に滑らかになる他，表面の硬度が低下するため，金属パッキンとの密着性を高くすることができる。よって一層確実に気密性を確保することができる。
なお，メッキ処理は，具体的には，ニッケル，銅または金で，当接面の表面処理を行なうことを指している。
【００１７】
次に，請求項４記載の発明のように，上記絶縁碍子はアルミナ純度９０％以上のアルミナセラミックよりなることが好ましい。
アルミナセラミックは純度が高ければ高い程表面が滑らかになる。９０％以上という非常に高純度のセラミックを使用することで，当接面を滑らかにすることができ，金属パッキンとの密着性を高くすることができる。
なお，アルミナ純度が９０％未満である場合は，当接面に凹凸が生じるため，金属パッキンとの密着性が低下するおそれがある。
【００１８】
また，アルミナ純度は９２％以上とすることがより好ましい。これにより，絶縁碍子の強度をより高めることができる。
さらに，アルミナ純度は９５％とすることがより好ましい。一層絶縁碍子の強度を高めることができる。
【００１９】
次に，請求項５記載の発明は，筒状の絶縁碍子と該絶縁碍子内に封止固定されたセンサ素子と，上記絶縁碍子が挿入配置された筒状のハウジングとよりなり，
上記ハウジングの基端側には内部に大気側雰囲気が形成された大気側カバーが設けてあり，
上記ハウジングの内側面には，上記絶縁碍子の外周面に設けたテーパー部を金属パッキンを介して支承するよう構成された受け面が設けてあると共に，上記金属パッキンと上記絶縁碍子とは直接当接されており，
これら両者の当接によって，ガスセンサ基端側の大気側雰囲気とガスセンサ先端側の被測定ガス側雰囲気とが気密的に分離されるよう構成されているガスセンサにおいて，
上記絶縁碍子はアルミナ純度９０％以上のアルミナセラミックよりなることを特徴とするガスセンサにある。
【００２０】
アルミナセラミックは純度が高ければ高い程表面が滑らかになる。９０％以上という非常に高純度のセラミックを使用することで，当接面を滑らかにすることができ，金属パッキンとの密着性を高くすることができ，当接面と金属パッキンとの間に空洞や迷路構造等が生じることなく両者は強く密着することができる。
そのため，両者間を通じた気体の行き来を防止することができ，ガスセンサ基端側の大気側雰囲気とガスセンサ先端側の被測定ガス側雰囲気とを確実に気密的に分離することができる。
【００２１】
また，本発明にかかるガスセンサでは，ガスセンサ基端側の大気側雰囲気とガスセンサ先端側の被測定ガス側雰囲気とは金属パッキンで確保した構成となっており，タルク等の粉体材料の充填による気密性確保により構成されたガスセンサと比較して，製造時に管理すべき項目がすくなく，製造容易，製造コストが安価である。
【００２２】
更に，本発明にかかるガスセンサでは，金属パッキンのみで充分な気密性を大気側と被測定ガス側で確保することができるから，他の気密確保のためのシール材等を使用する必要がなく，コスト的にも安価な構成とすることができる。
【００２３】
以上，本発明によれば，ガスセンサ中の大気側雰囲気−被測定ガス側雰囲気が十分に分離されると共に製造容易でコストが安価なガスセンサを提供することができる。
【００２４】
なお，アルミナ純度が９０％未満である場合は，当接面に凹凸が生じるため，金属パッキンとの密着性が低下するおそれがある。
また，アルミナ純度は９２％以上とすることがより好ましい。これにより，絶縁碍子の強度をより高めることができる。
さらに，アルミナ純度は９５％とすることがより好ましい。一層絶縁碍子の強度を高めることができる。
【００２５】
【発明の実施の形態】
実施形態例１
本発明の実施形態例にかかるガスセンサにつき，図１，図２を用いて説明する。
本例のガスセンサは，図１に示すごとく，筒状の被測定ガス側絶縁碍子２１と該絶縁碍子２１内に封止固定されたセンサ素子１５と上記絶縁碍子２１が挿入配置された筒状のハウジング１０とよりなる。
【００２６】
上記ハウジング１０の基端側には内部に大気側雰囲気１４２が形成された大気側カバーが設けてあり，上記ハウジング１０の先端側には内部に被測定ガス側雰囲気１４１が形成される被測定ガス側カバー１３が設けてある。
【００２７】
上記ハウジング１０の内側面には，上記絶縁碍子２１の外周面に設けたテーパー部２１１を金属パッキン１１を介して支承するよう構成された受け面１０１が設けてあると共に，上記金属パッキン１１と上記絶縁碍子とは直接当接されており，これら両者の当接によって，ガスセンサ基端側の大気側雰囲気１４２とガスセンサ先端側の被測定ガス側雰囲気１４１とが気密的に分離されるよう構成されている。
そして，上記テーパー部２１１における上記金属パッキン１１との当接面２１３の十点平均粗さは１０μｍ以下である。
【００２８】
以下，詳細に説明する。
本例にかかるガスセンサ１は自動車内燃機関の排気系に取付けて，内燃機関の空燃比制御に利用されるものである。
図１に示すごとく，ガスセンサ１において，ハウジング１０の先端側には外側カバー１３１，内側カバー１３２よりなる二重構造の被測定ガス側カバー１３が設けてある。両カバー１３１，１３２は被測定ガスが導入される被測定ガス導入穴１３０が設けてあり，ここから被測定ガスが導入されて，内側カバー１３２の内部に被測定ガス側雰囲気１４１が形成される。
【００２９】
また，ハウジング１０の基端側には大気側カバー１２が設けてある。大気側カバー１２の基端側の外周面には撥水フィルタ１２２を介して外側カバー１２１が設けてある。また，大気側カバー１２，外側カバー１２１は共に撥水フィルタ１２２と対面する位置に大気導入穴１２０が設けてある。
また，大気側カバー１２は基端側がより小径に，先端側がより大径に構成され，径の切り替わり部分に段部１２９が形成されている。
そして，ガスセンサ１の大気側カバー１２内には上記大気導入穴１２０と連通し，大気が導入されて大気側雰囲気１４２が形成される。
【００３０】
図１，図２に示すごとく，上記ハウジング１０は略筒状で，内側面には径方向内側に向かう二ヶ所の突出部１０１，１０２が設けてある。
基端側の突出部１０１における受け面１０３は絶縁碍子２１の外周面に設けられたテーパー部２１１を支承するよう構成されている。
なお，上記絶縁碍子２１は純度９８％のアルミナセラミックより構成されている。
【００３１】
上記受け面１０３においては，環状の金属パッキン１１を介してテーパー部２１１が支承され，上記金属パッキン１１が当接する当接面２１３の面粗度は十点平均粗さで２μｍである。また，上記金属パッキン１１は純度９９％のニッケル材料より構成されている。
そして，上記金属パッキン１１の配置された部分で，ガスセンサ１内の大気側雰囲気と被測定ガス側雰囲気が気密的に分離される。
【００３２】
上記絶縁碍子２１の基端側の端面には大気側絶縁碍子２２が配置され，該大気側絶縁碍子２２と大気側カバー１２の段部１２９との間には皿バネ２２０が設けてある。
大気側絶縁碍子２２の内部には４本のリード部１６が配置され，センサ素子１５と電気的導通が取れるように両者は接触している。
なお，センサ素子１５は積層型の酸素濃度測定用のヒータ内蔵素子で，センサ出力取出し用の電極を２つ，内蔵されたヒータ通電用の電極を２つ，合計４つの外部導出用の電極端子を有する（図示略）。
上記４本のリード部１６はこれらの電極端子とそれぞれ導通するよう接触している。
【００３３】
上記リード部１６の基端側は大気側絶縁碍子２２の外部において，コネクタ部１７を介してリード線１８と接続されている。リード線１８は大気側カバー１２の基端側に設けた弾性絶縁部材２３を通じてガスセンサ１外部へ通じている。
【００３４】
また，本例にかかるガスセンサ１の組み立ては次のように行われる。
予めリード線１８とセンサ素子１５の電極端子に導通するよう接触したリード部１６を配置した大気側絶縁碍子２２を皿バネ２２０と共に大気側カバー１２に挿入する。この時，大気側カバー１２の段部１２９を押圧しながら，ハウジング１０の側面を溶接により固定して組み立てられる。
【００３５】
組立時には上記金属パッキン１１が絶縁碍子２１の当接面２１３に押しつけられることにより，絶縁碍子２１の当接面２１３の形状に合わせて金属パッキン１１が変形して密着し，また，金属パッキン１１の形状に合わせてハウジング１０の受け面１０３が変形して密着し，気密性が確保されるのである。
【００３６】
本例の作用効果について説明する。
本例のガスセンサ１は，当接面２１３の十点平均粗さは１０μｍ以下であり，非常に平らな状態にある。そのため，当接面２１３と金属パッキン１１との間に空洞や迷路構造等が生じることなく両者は強く密着することができる。
そのため，両者間を通じた気体の行き来を防止することができ，ガスセンサ１の基端側の大気側雰囲気１４２とガスセンサ先端側の被測定ガス側雰囲気１４１とを確実に気密的に分離することができる。
【００３７】
また，本例では，ガスセンサ基端側の大気側雰囲気１４２とガスセンサ先端側の被測定ガス側雰囲気１４１との気密的な分離は，金属パッキン１１で確保した構成となっており，タルク等の粉体材料の充填による気密性確保により構成されたガスセンサと比較して，製造時に管理すべき項目がすくなく，製造容易，製造コストが安価である。
【００３８】
更に，本例では，金属パッキン１１のみで充分な気密性を大気側雰囲気１４２と被測定ガス側雰囲気１４１とで確保することができるから，他のシール材等を併用する必要がなく，コスト的にも安価な構成とすることができる。
【００３９】
以上，本例によれば，ガスセンサ中の大気側雰囲気−被測定ガス側雰囲気が十分に分離されると共に製造容易でコストが安価なガスセンサを提供することができる。
なお，本例の絶縁碍子２１を窒化珪素や窒化アルミニウムで構成しても，同様の効果を得ることができる。
【００４０】
実施形態例２
本例は，図３，図４に示すごとく，当接面の十点平均粗さとガスセンサにおける気密もれ量との関係について測定する。
図１及び図２にかかるガスセンサについて，当接面の十点平均粗さを変更し，変更した各ガスセンサを，図４に示す装置に組み込んで，大気側と被測定ガス側との気密漏れについて測定した。
この装置は，エア供給を制御するバルブ７１を設けた気密漏れ量測定器７２とガスセンサ取付治具７４とよりなり，両者を結ぶパイプに設けたバルブ７３とよりなる。
【００４１】
測定方法について説明すると，取付治具７４にガスセンサ１を取付けて，大気側と被測定ガス側とを気密的に分離する。この状態でバルブ７１，７３を開けてエアを取付治具７４内のエア溜まり７４０に供給する。なお，ガスセンサ１のハウジング１０と取付治具７４との間はゴムパッキン７４１でシールされている。
【００４２】
仮にハウジング１０と絶縁碍子２１との間のシールが不充分であれば，両者間からエアが同図の矢線に示すごとくリークするため，時間と共にエア溜まり７４０に圧力降下が生じる。従って，この装置を用いてエア溜まり７４０に所定量のエア（４気圧）を供給し，１０秒経過後にエア溜まり７４０の圧力を測定した。この値から気密漏れ量（ｃｃ）が分かる。なお，この測定は５回行なった。
なお，センサ素子１５と絶縁碍子２１との間はガラス封止材で封止されているため，こちら側からのリークは無視できる。
この結果を図３に記載した。
【００４３】
同図に示されるごとく，当接面の十点平均粗さが１０μｍ以下である場合は気密もれ量は小さいが，この値を越えると気密もれ量が大きくなり，大気側雰囲気と被測定ガス側雰囲気との分離が不十分となることが分かった。
【００４４】
実施形態例３
本例は，図５に示すごとく，当接面の十点平均粗さと絶縁碍子のアルミナ純度との関係について測定する。
つまり，アルミナ純度の異なる材料で絶縁碍子を制作し，当接面に相当する箇所の十点平均粗さを触針式表面粗度測定器を用いて測定した。
【００４５】
この時，基準長さ０．８ｍｍとしてＪＩＳＢ０６０１に基づいて測定し，また測定針として先端角９０℃×Ｒ２μｍであるものを使用した。
先端曲率Ｒ２μｍの触針を測定対象となる受け面に沿って駆動させ，表面の凹凸による触針の上下動を電気信号として検出し，断面曲線，メータの指針，コンピュータによる演算処理から表面粗度を検出した。
この時の測定点数は受け面からランダムな３箇所を選定し，各位置で得られた値を平均した。この測定を３回行なって，結果から得られた純度と表面粗度の関係を図５にかかる線図に記載した。
【００４６】
同図に示されるがごとく，アルミナの純度が高くなるにつれて急速に当接面が滑らかになることが分かる。
従って，アルミナ純度は９０％以上とすることが好ましいことが分かった。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施形態例１における，ガスセンサの断面説明図。
【図２】実施形態例１における，ガスセンサの要部説明図。
【図３】実施形態例２における，気密もれ量と十点平均粗さとの関係を示す線図。
【図４】実施形態例２における，気密もれ量の測定方法を示す説明図。
【図５】実施形態例３における，アルミナ純度と十点平均粗さとの関係を示す線図。
【符号の説明】
１．．．ガスセンサ，
１０．．．ハウジング，
１０３．．．受け面，
１１．．．金属パッキン，
１２．．．大気側カバー，
１４１．．．被測定ガス側雰囲気，
１４２．．．大気側雰囲気，
１５．．．センサ素子，
２１．．．絶縁碍子，
２１１．．．テーパー部，
２１３．．．当接面，
【図１】
0004682433.tif 000002
【図２】
0004682433.tif 000003
【図３】
0004682433.tif 000004
【図４】
0004682433.tif 000005
【図５】
0004682433.tif 000006