(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るガスセンサにおいて，
上記絶縁碍子の内側面と上記センサ素子の外側面との間は溶融固化されたガラス封止材にて封止されると共に，このガラス封止材における絶縁碍子内側面とセンサ素子外側面との接触界面は他の部分よりもガスセンサの基端側方向に突出した状態に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，上記接触界面において基端側方向に突出した箇所は，接触界面の全周の９８％以上であることを特徴とするガスセンサ。
【請求項３】
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，上記ハウジングの先端側には内部に被測定ガス側雰囲気が形成される被測定ガス側カバーを設けてあると共に，
上記絶縁碍子の内側面と上記センサ素子の外側面との間はガラス封止材にて封止されると共に，このガラス封止材における絶縁碍子内側面とセンサ素子外側面との接触界面は他の部分よりもガスセンサの基端側方向に突出した状態にあるガスセンサを製造するに当り，
外形を絶縁碍子の内側面に合わせ，またセンサ素子が挿通可能となる貫通穴を設けた筒状ガラスペレットを準備し，該ガラスペレットを上記絶縁碍子内に挿入し，ガラスペレット内の貫通穴にセンサ素子を配置した後，
ガラスペレットを溶融固化させることにより，絶縁碍子内にセンサ素子を封止固定することを特徴とするガスセンサの製造方法。
【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及びその製造方法に関する。
【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，センサ素子と絶縁碍子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】
【解決しようとする課題】
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。
【０００４】
従来はセンサ素子と絶縁碍子との間に多層的にタルク等の粉体材料及び封止ガラスを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。
例えば，特許２８００８８３号では，セラミック製のセンサ保持具内に交互に重なった複数の固相焼結されたガラス層，ステアタイト等で形成されたスペーサ層と，上記固相焼結されたガラス層，スペーサ層の各々をとりまき，これらの層から外側のハウジング等まで伸びるセラミック本体と，セラミック本体と各スペーサ層との間に形成された固相焼結された薄いガラス層と備えることにより対策している。
【０００５】
また，例えば，特許２８５５０９６号，特表平１１−５１３１１３号では第１セラミック絶縁体と第２セラミック絶縁体との間にガラス層を備えることと，使用温度範囲についてガラスの径方向（中心方向）に圧縮応力をかけることにより対策している。
【０００６】
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。
更に，ガラス層はガラス粉末材料を所望の位置に充填し，加熱溶融させて冷却して固化させることで形成されている。このため，高い密度のガラス封止材を得ることが難しく，ガラス封止材単独の封止固定ではガスセンサに必要な気密性を保つことが難しかった。
【０００７】
本発明は，かかる従来の問題点に鑑みてなされたもので，絶縁碍子とセンサ素子との間をガラスのみで封止可能な構成としたガスセンサ及びこのようなガスセンサの製造方法を提供しようとするものである。
【０００８】
【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るガスセンサにおいて，
上記絶縁碍子の内側面と上記センサ素子の外側面との間は溶融固化されたガラス封止材にて封止されると共に，このガラス封止材における絶縁碍子内側面とセンサ素子外側面との接触界面は他の部分よりもガスセンサの基端側方向に突出した状態にあることを特徴とするガスセンサにある。
【０００９】
本発明において最も注目すべきことは，絶縁碍子の内側面とセンサ素子の外側面との間はガラス封止材のみで封止され，このガラス封止材における絶縁碍子内側面とセンサ素子外側面との接触界面は他の部分よりもガスセンサの基端側方向に突出した状態に形成されたことである。
【００１０】
次に，本発明の作用につき説明する。
ガラス封止材における絶縁碍子内側面とセンサ素子外側面との接触界面は他の部分よりもガスセンサの基端側方向に突出した形状とすることで（具体的には後述する図２参照），ガラス封止材におけるセンサ素子と絶縁碍子との界面を強固に固定し，高い気密性を維持することができる。
このため，別部材，例えば粉体材料を用いたり，多段的に封止材料を充填する等の手間や管理項目の多い手法を利用せずとも，単独のガラス封止材のみでセンサ素子と絶縁碍子との間を確実に気密封止することができる。
【００１１】
以上，本発明によれば，絶縁碍子とセンサ素子との間をガラスのみで封止可能な構成としたガスセンサを提供することができる。
【００１２】
上記ガラス封止材としては，例えば，Ｂ2Ｏ3−ＺｎＯ−ＳｉＯ2−Ａｌ2Ｏ3−ＢａＯ−ＭｇＯという組成の物質を使用することができる。
これにより，センサ素子，絶縁碍子に対し，漏れ性が向上し，確実に気密封止をすることができる。
【００１３】
また，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】
次に，請求項２に記載の発明は，上記接触界面において基端側方向に突出した箇所は，接触界面全周の９８％以上であることが好ましい。
接触界面全周の９８％以上とは，絶縁碍子内側面及びセンサ素子外側面とガラス封止材との接触界面全周長さの９８％以上が突出した状態にあることを示している。
９８％以上が突出していることで，単独のガラス封止材のみでセンサ素子と絶縁碍子との間を確実に気密封止することができる。
仮に９８％未満であった場合は，気密もれが生じるおそれがある。
また，全周が突出している場合がもっとも好ましい。
【００１５】
次に，請求項３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，上記ハウジングの先端側には内部に被測定ガス側雰囲気が形成される被測定ガス側カバーを設けてあると共に，
上記絶縁碍子の内側面と上記センサ素子の外側面との間はガラス封止材にて封止されると共に，このガラス封止材における絶縁碍子内側面とセンサ素子外側面との接触界面は他の部分よりもガスセンサの基端側方向に突出した状態にあるガスセンサを製造するに当り，
外形を絶縁碍子の内側面に合わせ，またセンサ素子が挿通可能となる貫通穴を設けた筒状ガラスペレットを準備し，該ガラスペレットを上記絶縁碍子内に挿入し，ガラスペレット内の貫通穴にセンサ素子を配置した後，
ガラスペレットを溶融固化させることにより，絶縁碍子内にセンサ素子を封止固定することを特徴とするガスセンサの製造方法にある。
【００１６】
本発明にかかる製造方法では，所望の形状に予め成形したガラスペレットを絶縁碍子内に挿入し，ガラスペレット内の貫通穴にセンサ素子を配置した後，ガラスペレットを溶融固化させることで絶縁碍子に対しセンサ素子を封止固定する。これにより，粉末ガラス材料等を，直接に絶縁碍子内に充填してガラス封止材となす方法と比較して，より高密度にガラス材料を充填することができる。そのため，所望のシール長さ，シール体積を確保し易くなり，確実な封止を実現できる。
よって，センサ素子と絶縁碍子との界面を強固に固定し，高い気密性を維持することができると共に，単独のガラス封止材のみでセンサ素子と絶縁碍子との間を確実に気密封止することができる。
【００１７】
以上，本発明によれば，絶縁碍子とセンサ素子との間をガラスのみで封止可能な構成としたガスセンサの製造方法を提供することができる。
【００１８】
なお，ガラスペレットの形状は絶縁碍子の内側面とセンサ素子の外側面の形状に沿うような側面形状を持つよう構成することができ，また予めセンサ素子を挿通するための貫通穴を持つバルク体とすることができる。
また，複数のペレットを用いることもできる。
【００１９】
【発明の実施の形態】
実施形態例１
本発明の実施形態例１にかかるガスセンサにつき，図１〜図３を用いて説明する。
図１に示すごとく，本例のガスセンサ１は，筒状の絶縁碍子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。
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１２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を設けてある。
【００２０】
そして，図２に示すごとく，上記絶縁碍子２１の内側面２１０と上記センサ素子１５の外側面１５０との間は溶融固化されたガラス封止材２５にて封止されると共に，このガラス封止材２５における絶縁碍子２１の内側面２１０とセンサ素子１５の外側面１５０との接触界面２５０は他の部分よりもガスセンサ１の基端側方向に突出した状態にある。
【００２１】
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。
【００２２】
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。
【００２３】
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の外側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。
【００２４】
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が支承される（図２）。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。
【００２５】
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。
【００２６】
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。
【００２７】
図２に示すごとく，上記絶縁碍子２１にはセンサ素子１５が挿通されており，センサ素子１５と絶縁碍子２１との間はガラス封止材２５にて封止固定されている。ガラス封止材２５の基端側の表面はセンサ素子１５及び絶縁碍子２１とのそれぞれの接触界面２５０が盛り上がっている。
この接触界面２５０は環状である。ガラス封止材２５と絶縁碍子２１との接触界面２５０は円環状で，ガラス封止材２５とセンサ素子１５との接触界面は角環状である。本例では，円環状である接触界面２５０と角環状の接触界面２５０との全周が盛り上がっている。
また，上記ガラス封止材２５は，２１％（重量％）Ｂ2Ｏ3−３４．６％ＺｎＯ−１２．２％ＳｉＯ2−４．９％Ａｌ2Ｏ3−１４．２％ＢａＯ−１２．７％ＭｇＯという組成である。
【００２８】
また，本例にかかるガスセンサ１におけるセンサ素子１５と絶縁碍子２１の封止固定は次のように行われる。
図３に示すごとく，絶縁碍子２１とセンサ素子１５，外形を絶縁碍子２１の内側面２１０に合わせ，またセンサ素子１５が挿通可能となる貫通穴２６０を設けた筒状ガラスペレット２６を準備する。なお，このガラスペレット２６の基端側の表面２６９は平らである。
【００２９】
ガラスペレット２６に対しセンサ素子１５を挿入し，次いでガラスペレット２６を絶縁碍子２１に挿入する。なお，この順序は逆でもよい。
その後，三者を温度８００〜９５０℃に維持された加熱炉で３０分〜５時間加熱し，その後，自然冷却して溶融したガラスペレット２６を固化させる。
【００３０】
ガラスペレット２６が溶融した際に表面張力によって，センサ素子１５や絶縁碍子２１と接した接触界面２５０近傍が盛り上がるため，冷却によって，自然と図１，図２に記載したごとき，接触界面２５０が基端側に突出し，他の部分が略平らとなる形状が形成される。これにより，ガラス材料が隙間なく均一に充填され，シール性が向上する。
その後，一体化したセンサ素子１５−絶縁碍子２１のアセンブリを金属パッキン１１を介してハウジング１０に設置する等して，ガスセンサ１を構成する。
【００３１】
本例の作用効果について説明する。
本例では，図２に示すごとく，ガラス封止材２５の基端側の表面において，絶縁碍子２１の内側面２１０とセンサ素子１５の外側面１５０との接触界面２５０を他の部分よりもガスセンサ１の基端側方向に突出した形状とすることで，ガラス封止材２５におけるセンサ素子１５と絶縁碍子２１との界面を強固に固定し，高い気密性を維持することができる。
【００３２】
更に，本例に示した方法では，図３に示すごとく，所定の形状に構成したガラスペレット２６を絶縁碍子２１内に挿入し，ガラスペレット２６内の貫通穴２６０にセンサ素子１５を配置した後，ガラスペレット２６を溶融固化させることで絶縁碍子２１に対しセンサ素子１５を封止固定している。
これにより，粉末ガラス材料等を充填してガラス封止材となす従来方法と比較して，より高密度で緻密なガラス封止材２５による封止が実現できる。
【００３３】
このため，別部材，例えば粉体材料を用いたり，多段的に封止材料を充填する等の手間や管理項目の多い手法を利用せずとも，単独のガラス封止材のみでセンサ素子と絶縁碍子との間を確実に気密封止することができる。
【００３４】
以上，本例によれば，絶縁碍子とセンサ素子との間をガラスのみで封止可能な構成としたガスセンサ及びその製造方法を提供することができる。
【００３５】
その他，本発明にかかるガスセンサに対する採用に適したガラス封止材の組成を以下の表１〜表６に示した。なお，表中の組成（ｗｔ％）と記された欄の数値は全て酸化物換算での値である。
【００３６】
【表１】
0003800978.tif 000002
【００３７】
【表２】
0003800978.tif 000003
【００３８】
【表３】
0003800978.tif 000004
【００３９】
【表４】
0003800978.tif 000005
【００４０】
【表５】
0003800978.tif 000006
【００４１】
【表６】
0003800978.tif 000007
【００４２】
実施形態例２
本例は，絶縁碍子の内側面２１０とガラス封止材２５との接触界面２５０の盛り上がり量と気密もれ量との間の関係について測定を行った。
つまり，多くのガスセンサを準備して，各ガスセンサにおける絶縁碍子２１の内側面２１０とガラス封止材２５との接触界面２５０の状態が，図４（ａ）に示すごとく，盛り上がっているもの及び盛り下がっているものに分類する。
【００４３】
それぞれのガスセンサについて，次のように気密もれ量を測定した。
すなわち，各ガスセンサを図５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，両者を結ぶパイプに設けたバルブ７３とよりなる。
【００４４】
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。
【００４５】
仮に絶縁碍子２１とガラス封止材２５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（ｃｍ3）が分かる。ただしその他の箇所からの気密もれがないことを予め予備試験で確認しておく。
この結果を図４（ｂ）に記載した。
【００４６】
同図より，盛り上がり量が０となると気密もれが生じることが解る。
なお，盛り上がり量は走査型電子顕微鏡を用いて接触界面２５０を観察することで精密に測定することができる。本例も走査型電子顕微鏡を用いた観察から盛り上がり量及び盛り下がり量を測定した。
また，本例は絶縁碍子２１とガラス封止材２５との間の接触界面２５０についての測定であるが，センサ素子１５とガラス封止材２５との間の接触界面２５０について同じように気密もれ量を測定したところ，本例と同様の結果を得ることができた。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施形態例１における，ガスセンサの縦断面説明図。
【図２】実施形態例１における，ガスセンサの要部拡大説明図。
【図３】実施形態例１における，センサ素子，絶縁碍子，ガラスペレットの組み立て説明図。
【図４】実施形態例２における，（ａ）絶縁碍子の内側側面とガラス封止材との接触界面を示す拡大説明図及び（ｂ）絶縁碍子の内側側面とガラス封止材との接触界面の盛り上がり量と気密もれ量との間の関係を示す線図。
【図５】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。
【符号の説明】
１．．．ガスセンサ，
１０．．．ハウジング，
１２．．．大気側カバー，
１３．．．被測定ガス側カバー，
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，
２５．．．ガラス封止材，
２６．．．ガラスペレット，
【図１】
0003800978.tif 000008
【図２】
0003800978.tif 000009
【図３】
0003800978.tif 000010
【図４】
0003800978.tif 000011
【図５】
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