JP4392084B2 - リード線封止構造及びそれを用いたガスセンサ - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、例えば各種ガスセンサを始めとして、セラミックヒータ、グロープラグ等のように、電気素子を備え、かつ高温下で使用される応用電子機器に適用されるリード線封止構造に関する。また、本発明は、例えば酸素センサ、ＨＣセンサ、ＮＯｘセンサ等のように、上記電気素子が、測定対象となるガス中の被検出成分を検出するための検出素子であり、かつ上記リード線封止構造を用いたガスセンサに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来より応用電子機器の一例として、例えば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が知られている。このような酸素センサでは、ジルコニア（ＺｒＯ２）等の固体電解質や金属酸化物半導体により構成された検出素子（電気素子）が用いられている。検出素子は開口部を有する金属製の外筒の内側に配置され、その出力は検出素子に接続されたリード線により外筒の外側に取り出される。また、リード線が引き出される外筒の開口部には、外筒内へ水等が浸入することを阻止するためにゴム製のグロメットがはめ込まれ、リード線はこのグロメットを貫いて外筒の外側に延出されている。リード線と外筒との間はグロメットの弾性力により封止されている。
【０００３】
ここで、上記酸素センサは作動温度が３００℃以上と高く、ヒータにより検出素子を強制加熱する構造が一般に採用されている。その結果、ヒータによる発熱にエンジンからの発熱も重なって外筒の温度が上昇し、外筒からの熱伝導を受けてグロメットもかなりの高温に晒される。そこで、一般にはグロメットをフッ素ゴム等の耐熱性ゴムで構成して、高温下でのリード線と外筒との間のシール性を確保することが行われている。その中でも高温下での上記シール性にさらに優れた封止構造として、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）樹脂製のグロメットにリード線を挿通し、その外側に筒状のゴムシール部材を配置して、外筒をそのゴムシール部材に向けて加締めることによりゴムシール部材を圧縮させた封止構造も採用されている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、グロメットの材質であるＰＴＦＥ樹脂の熱膨張率がかなり大きいことから、上記従来の封止構造においては、長時間高温下に晒されるとグロメットが膨張してそのグロメットと外筒との間で圧縮された状態にあるゴムシール部材に過度の圧縮力が働き、ゴムシール部材が損傷してしまう場合がある。また、圧縮された状態にあるゴムシール部材には強い加締め力が常に作用しており、高温下ではこの状態にグロメットからの膨張力も付加される。このことから、例えば内燃機関の運転の繰り返し等により加熱・冷却サイクル（以下、単に熱サイクルという）が繰返し付加されると、ゴムシール部材の弾性が劣化してゴムシール部材に永久変形歪が生じやすくなり、シール性の低下等につながる場合もある。
【０００５】
本発明の課題は、長時間高温下に晒されたり、あるいは熱サイクルが繰返し付加された場合でも、良好なシール性を長期にわたって維持することができる、リード線封止構造及びそれを用いたガスセンサを提供することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段及び作用・効果】
上記課題を解決するために、第一番目の発明に係るリード線封止構造（以下、単に封止構造ともいう）は、
内側にガスセンサ、セラミックヒータ又はグロープラグにおける電気素子を配置し、少なくとも一端に開口部を有する外筒と、
前記電気素子と導通され、前記開口部を通って前記外筒の外側に延出されるリード線と、
前記リード線が挿通されるリード線挿通孔を有するとともに、前記開口部内側に配置されて、前記リード線と前記外筒の開口部内壁との間を封止するグロメットとを備え、
前記リード線挿通孔の内面を含む前記グロメットの全体が多孔質金属からなる多孔質体で形成された多孔質体形成部からなり、該多孔質体形成部の内で前記リード線挿通孔の内面を構成する挿通孔封着面と前記リード線の外被との間が、封着樹脂層を熱融着させて接合させた状態で封着されるとともに、
前記挿通孔封着面の表面に露出している前記多孔質体の空隙に前記封着樹脂層が充填されて、前記多孔質体形成部と封着樹脂層とは密着しており、
前記外筒の開口部内壁と前記グロメットの外周面とは、該グロメットの周方向に沿って形成された全周溶接部により接合されていることを特徴とする。
【０００７】
上記第一番目の発明によれば、リード線が挿通されるグロメットにおけるリード線挿通孔の内、挿通孔封着面を含む部分が、多孔質体で形成された多孔質体形成部からなり、挿通孔封着面とリード線の外面との間が封着樹脂層により封着されている。つまり、多孔質体形成部と封着樹脂層との密着面において、多孔質体形成部の挿通孔封着面の表面に露出して形成される多孔質体の空隙（すなわち、挿通孔封着面の凹凸）に封着樹脂層が充填される。したがって、封着樹脂層は多孔質体形成部の挿通孔封着面に対して機械的にかみ合うことから、多孔質体形成部と封着樹脂層とは強く密着する。これにより、長時間高温下に晒されたり、あるいは熱サイクルが繰返し付加されたりするような、苛酷な使用環境下でも、上記封止構造はリード線の外面と外筒の開口部内壁との間に良好なシール性を長期にわたって維持することができる。なお、グロメット全体が多孔質金属等の多孔質体で形成される場合と、グロメットの一部（例えば挿通孔封着面を含む部分のみ）が多孔質体で形成される場合とがある。後者の場合、多孔質体形成部の挿通孔封着面がリード線挿通孔の内面のうち周方向において全周にわたって形成されていると、この挿通孔封着面がリード線の全周を囲むことになり、挿通孔封着面とリード線の外面との間が封着樹脂層により隙間なく封着される。したがって、多孔質体形成部の挿通孔封着面をリード線の全周を囲む形で配置することは、挿通孔封着面とリード線の外面との間のシール性を確実にする上で望ましい。
【０００８】
さらに本発明は、多孔質体形成部を形成する多孔質体を、多孔質金属とすることができる。多孔質金属を用いることにより、前述した苛酷な使用環境下でも空隙が崩壊したりせず、良好なシール性を長期に渡って安定的に維持することができる。また、多孔質金属のためグロメットに蓄積される熱を効果的に放熱することができ、外筒の過度の温度上昇を抑制できる。
【０００９】
なお、多孔質金属としては、焼結により製造されたステンレススチール、Ａｌ（アルミニウム）、Ａｌ合金、Ｃｕ（銅）、Ｃｕ合金等、又は硬質クロムメッキ等を使用することができる。また、長時間高温下に晒されたり、熱サイクルが繰返し付加されたりする使用環境を考慮すると、多孔質金属は、前述の封着樹脂に近い熱膨張率を有するものが望ましい。
【００１０】
また、多孔質体形成部を形成する多孔質金属に関して、焼結粉末の平均粒子径は、１００〜２５０μｍの範囲で調整するのがよい。このとき、多孔質体形成部における表面粗さについて、最大高さでみれば、４０〜１００μｍＲｙと表すことができ、算術平均粗さでみると、５〜１５μｍＲａと表すことができる。なお、最大高さＲｙ及び算術平均粗さＲａに関して、カットオフ値と評価長さとはいずれもＪＩＳ Ｂ０６０１（１９９４年制定）の標準値を採用する。ここで、最大高さが４０μｍＲｙ未満になると空隙が小さすぎるため、多孔質体形成部と封着樹脂層とが強く密着できない場合がある。他方、最大高さが１００μｍＲｙを超えると空隙が大きすぎるため、空隙に充填された封着樹脂層が剥離又は脱落する場合がある。
【００１１】
さらに本発明の封着樹脂層は、挿通孔封着面及びリード線の外面に対し熱溶着により接合された状態で封着されているとよい。すなわち、従来のように、ゴム製のグロメットを用いて外筒に加締め部を形成することにより封止する場合は、加締め圧力がリード線挿通孔の周囲に必ずしも均一に付加されるとは限らず、シール性に影響を生ずることもあった。しかし、封着樹脂層の熱溶着により封着させる構成とすれば、高いシール性を確実に得ることが可能となる。
【００１２】
上記封着樹脂層は、加熱によりある程度の流動性（例えば、溶融粘度にて１０３〜１０５ポアズ程度）を付加できるタイプのフッ素系樹脂を使用するのが、熱溶着によるシール効果を高める上で都合がよい。このようなフッ素系樹脂としては、例えば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（パーフルオロアルコキシアルカン；以下、ＰＦＡと略記する）樹脂を主体とするものを例示できる。これは、化１に示す一般構造式を有する。ただし、（−Ｏ−Ｒｆ）は（−Ｏ−ＣＦ３）、（−Ｏ−Ｃ２Ｆ５）等のアルキルエーテル基（パーフルオロアルコキシ基）である。
【００１３】
【化１】
【００１４】
また、これ以外では、
・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）
・ポリふっ化ビニリデン（ポリビニリデンフルオライド；ＰＶＤＦ）
・ポリふっ化ビニル（ポリビニルフルオライド；ＰＶＦ）
等の使用が可能である。
【００１５】
なお、本明細書において「主体」とは、最も重量含有率の高い成分を意味し、必ずしも「５０重量％以上を占める成分」を意味するものではない。
【００１６】
また、本発明のリード線が芯線を樹脂製の外被で覆った状態で複数設けられる場合は、グロメットには各リード線が個別に挿通される複数のリード線挿通孔を形成し、各リード線挿通孔に形成される前記挿通孔封着面と、これに対応するリード線の外被外面との間をそれぞれ封着樹脂層により封着することができる。すなわち、各リード線毎に個別にリード線挿通孔を設けて、各挿通孔封着面と、これに対応するリード線の外被外面との間をそれぞれ封着樹脂層で封着することにより、両者の間のシール性を一層確実なものとすることができる。
【００１７】
さらに、本発明のリード線挿通孔には座ぐり部を形成し、この座ぐり部の内面を前記挿通孔封着面に形成することができる。座ぐり部に対して封着樹脂層が充填形成されることになるので、リード線挿通孔に対する封着樹脂層の位置決めがスムーズかつ確実に行え、挿通孔封着面とリード線の外面との間のシール性を確実に形成することができる。
【００１８】
さらに本発明のグロメットの多孔質体形成部には、少なくとも表層部において樹脂含浸層を形成することができる。グロメットが、例えば多孔質金属すなわち焼結金属又は焼結金属合金等で形成される場合、その内部には多数の空隙を包含する。多孔質金属の焼結度合等によっては、グロメットの多孔質体形成部に分布する空隙がグロメットの後端面側から前端面側にかけて又は外周面側から前端面側にかけて一連の鎖状に連続して並び、外筒の外部と内部とを連通する形態で、気通路が多孔質体形成部に形成される場合がある。この気通路を通じて水等が浸入すると、電気素子が作動不良を起こしたり、作動不能になったりする恐れがある。多孔質体形成部の、少なくとも表層部において樹脂含浸層を形成することによって、この気通路を塞ぎ、水等の浸入を阻止することが可能になる。この場合、樹脂含浸層がグロメットの後端面（すなわち、外筒の開口部から露出している面）を含む形で形成すれば、又は樹脂含浸層がグロメットの外周面を含む形で形成すれば、グロメットの後端面上又は外周面上の空隙を確実に塞いで水等の浸入を効果的に阻止できる。
【００１９】
なお、樹脂含浸層を形成する含浸樹脂として、例えば熱可塑性ポリイミド（以下、ＴＰＩと略記する）樹脂を主体とするものを使用することができる。ＴＰＩ樹脂は、融点が３００℃を超える耐熱性樹脂で、成形加工性に優れている。
【００２０】
さらに本発明は、グロメットが、外筒の開口部内側に配置され、開口部内壁とグロメットの外周面とを接合する全周接合部を、グロメットの周方向に沿って形成することができる。グロメットの周方向（すなわち外筒の開口部の周方向）に沿って、例えばレーザー溶接、抵抗溶接、ろう接等により全周接合部を形成することによって、外筒の開口部内壁とグロメットの外周面との間の隙間を塞ぎ、この隙間からの水等の浸入を効果的に阻止できる。
【００２１】
一方、上記課題を解決するために、第二番目の発明に係るガスセンサは、上記電気素子が、測定対象となるガス中の被検出成分を検出するための検出素子であり、かつ上記第一番目の発明に係るリード線封止構造を用いたことを特徴とする。具体的には、該ガスセンサは、
内側に測定対象となるガス中の被検出成分を検出するための検出素子を配置し、少なくとも一端に開口部を有する外筒と、
前記検出素子と導通され、前記開口部を通って前記外筒の外側に延出されるリード線と、
前記リード線が挿通されるリード線挿通孔を有するとともに、前記開口部内側に配置されて、前記リード線と前記外筒の開口部内壁との間を封止するグロメットとを備え、
前記リード線挿通孔の内面を含む前記グロメットの全体が多孔質金属からなる多孔質体で形成された多孔質体形成部からなり、該多孔質体形成部の内で前記リード線挿通孔の内面を構成する挿通孔封着面と前記リード線の外被との間が、封着樹脂層を熱融着させて接合させた状態で封着されるとともに、
前記挿通孔封着面の表面に露出している前記多孔質体の空隙に前記封着樹脂層が充填されて、前記多孔質体形成部と封着樹脂層とは密着しており、
前記外筒の開口部内壁と前記グロメットの外周面とは、該グロメットの周方向に沿って形成された全周溶接部により接合されていることを特徴とする。
【００２２】
上記第二番目の発明によれば、例えばガスセンサが排気管等に設置される場合のように、長時間高温下に晒されたり、あるいは熱サイクルが繰返し付加されたりするような苛酷な使用環境下でも、ガスセンサはリード線の外面と外筒の開口部内壁との間のシール性を長期にわたって良好に維持することができる。上記のシール性が維持されていれば、ガスセンサへの水等の浸入が防止されるので、検出素子は作動不良や作動不能に陥ることなく機能する。したがって、検出素子からの電気的出力が安定した状態で得られるようになる。
【００２３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図面に示す実施例を参照して説明する。
図１には、この発明のリード線封止構造を用いて構成された応用電子機器の一実施例として、自動車等の内燃機関から排出される排気ガス中の酸素濃度を検出する酸素センサ１を示している。この酸素センサ１はλ型酸素センサと通称されるガスセンサの代表的なもので、検出素子２（電気素子）が、筒状の主体金具３の内側に設けられた軸状の挿通孔３１内にて固定された構造を有している。そして、主体金具３の外周面に形成された取付ねじ部３ａにより、検出素子２の先端側の検出部Ｄが排気管内に位置するように取り付けられ、排気管内を流れる高温の排気ガスに晒される。なお、主体金具３には、挿通孔３１の軸線方向においてその中間部に所定幅で、かつ外周面から突出する形態で六角断面形状の鍔部３ｄが形成されている。よって、この鍔部３ｄにレンチ等の工具を嵌合させ回転させると、酸素センサ１はガスケット３ｂを介して取付ねじ部３ａにより排気管内の所定位置に取り付けられる。
【００２４】
検出素子２は方形状断面を有する長尺状のもので、図２（ａ）に示すように、それぞれ横長板状に形成された酸素濃淡電池素子２０と、酸素濃淡電池素子２０を所定の活性化温度に加熱するセラミックヒータ２２とが積層されたものとして構成されている。酸素濃淡電池素子２０は、酸素イオン伝導性を有する固体電解質により構成された素子本体層２１を有する。そのような固体電解質としては、Ｙ２Ｏ３ないしＣａＯを固溶させたＺｒＯ２が代表的なものであるが、それ以外のアルカリ土類金属ないし希土類金属の酸化物とＺｒＯ２との固溶体を使用してもよい。また、ベースとなるＺｒＯ２にはＨｆＯ２が含有されていてもよい。
【００２５】
一方、セラミックヒータ（以下、単にヒータともいう）２２は、高融点金属あるいは導電性セラミックで構成された抵抗発熱体パターン２３をセラミック基体中に埋設した構成を有する。具体的には、ヒータ２２は、第一絶縁層２４と、抵抗発熱体パターン２３と、第一ヒータ本体層２８及び第二ヒータ本体層２９とを備えた多層構造となっている。このうち、第一絶縁層２４は、絶縁性セラミックとしてのアルミナを主体とするアルミナ系セラミックにより、ヒータ２２の板厚方向中間位置に形成されている。また、抵抗発熱体パターン２３は、第一絶縁層２４中に埋設される形でヒータ２２の板面方向に沿って形成されている。そして、第一ヒータ本体層２８及び第二ヒータ本体層２９は、第一絶縁層２４を厚さ方向両側から挟む形で形成されるとともに、それぞれジルコニアを主成分とする酸素イオン伝導性固体電解質で構成されている。
【００２６】
酸素濃淡電池素子２０には、その長手方向における一方の端部（主体金具３の先端より突出する部分）寄りにおいてその両面に、酸素分子解離能を有した多孔質電極２５，２６が形成されている。そして、それら電極２５，２６及びそれらの間に挟まれる固体電解質部分とが検出部Ｄを形成することとなる。なお、以下の記載において、検出素子２の軸方向（長手方向）における主体金具３から突出する側を「前方側（あるいは先端側）」、これと反対側を「後方側（あるいは後端側）」として説明を行う。
【００２７】
酸素濃淡電池素子２０において、多孔質電極２５，２６には、素子本体層２１の長手方向に沿って酸素センサ１の取付基端側（後端側）に向けて延びる電極リード部２５ａ，２６ａがそれぞれ一体に形成されている。このうち、ヒータ２２と対向しない側の電極２５からの電極リード部２５ａは、その末端が電極端子部７として使用される。一方、ヒータ２２に対向する側の電極２６の電極リード部２６ａは、図２（ｃ）に示すように、素子本体層２１を厚さ方向に横切るビア２６ｂにより反対側の素子面に形成された電極端子部７と接続されている。すなわち、酸素濃淡電池素子２０は、両多孔質電極２５，２６の電極端子部７が電極２５側の板面末端に並んで形成される形となっている。上記各電極２５，２６、電極端子部７及びビア２６ｂは、Ｐｔ又はＰｔ合金など、酸素分子解離反応の触媒活性を有した金属粉末のペーストを用いてスクリーン印刷等によりパターン形成し、これを焼成することにより得られるものである。
【００２８】
一方、ヒータ２２の抵抗発熱体パターン２３に通電するためのリード部２３ａ，２３ａも、図２（ｄ）に示すように、ヒータ２２の酸素濃淡電池素子２０と対向しない側の板面末端に形成された電極端子部７，７に、それぞれビア２３ｂを介して接続されている。
【００２９】
図２（ｂ）に示すように、ヒータ２２は、第一ヒータ本体層２８側において、アルミナ系セラミックにより構成される第二絶縁層２７を介して、酸素濃淡電池素子２０の多孔質電極２６側に接合されている。そして、その接合側の多孔質電極（基準電極）２６には、電極リード部２６ａ（これも多孔質である）の一端が接続されるとともに、反対側の多孔質電極（測定電極）２５との間には、多孔質電極２６側に酸素が汲み込まれる方向に微小なポンピング電流が印加される。ここで、電極リード部２６ａは接合された酸素濃淡電池素子２０とヒータ２２との間に挟まれる形で、セラミック素子２の内部に位置し、その末端面はセラミック素子２の取付基端側の端面に露出して、ガス放出口を形成している。そして、上記ポンピングされた酸素は電極リード部２６ａを経てガス放出口から大気中に放出される。これにより、多孔質電極２６内の酸素濃度は大気よりも若干高い値に保持され、酸素基準電極として機能することとなる。一方、反対側の多孔質電極２５は排気ガスと接触する測定電極となる。
【００３０】
このような検出素子２が、図１に示すように、主体金具３に形成された挿通孔３１に挿通されるとともに、挿通孔３１の内面と検出素子２の外面との間が、ガラス（例えば結晶化亜鉛シリカほう酸系ガラス）を主体に構成される封着材層３２により封着されている。そして、検出素子２は、上記封着材層３２等により、先端の検出部Ｄが、排気管に固定される主体金具３の先端より突出した状態で該主体金具３内に固定される。主体金具３の先端部３ｈ外周には、検出素子２の突出部分を覆う金属製の二重のプロテクトカバー６ａ、６ｂがレーザー溶接あるいは抵抗溶接（例えばスポット溶接）等によって固着されている。このカバー６ａ、６ｂは、キャップ状を呈するもので、その先端や周囲に、排気管内を流れる高温の排気ガスをカバー６ａ、６ｂ内に導く開口６ｃ、６ｄが形成されている。一方、主体金具３の後端部は外筒１８の先端部内側に挿入され、その重なり部において周方向に環状に形成された結合部としての溶接部（例えばレーザー溶接部）３５により互いに気密状態で接合されている。
【００３１】
検出素子２の各電極端子部７（４極を総称する）には、第一コネクタＡ、導線８（長手状金属薄板）、さらに第二コネクタ部１３を介して、リード線１４が電気的に接続されている。そして、都合４本のリード線１４は、外筒１８の後端側に形成された開口部１８ｃの内側に嵌め込まれるグロメット５１を貫通して外部に延び、それらの先端に図示しないコネクタプラグが連結されている。さらに各リード線１４のグロメット５１より外部に延びる部分には、これらを収束して保護する保護チューブ１７が被せられている。
【００３２】
図３に、リード線封止構造５０の一例を示す。図３の実施例では、封止構造５０は、グロメット５１、全周溶接部５２及び封着樹脂層５３等より構成される。グロメット５１は、リード線１４が挿通されるリード線挿通孔５１ａが軸方向に貫通して形成されるとともに、外筒１８の開口部１８ｃの内側に嵌入されて、リード線１４と外筒１８の開口部１８ｃ内壁との間を封止（シール）する。またグロメット５１は、多孔質金属で形成された多孔質体形成部５１ｂで全体が構成されている。具体的には、多孔質体形成部５１ｂ（グロメット５１）は、焼結により製造されたステンレススチール（例えばＳＵＳ３０４）からなる。それにより、酸素センサ１が長時間高温下に晒されたり、あるいは熱サイクルを繰返し付加された場合でも、多孔質体形成部５１ｂに形成される空隙ｋが崩壊したりせず、封止構造５０はリード線１４の外面と外筒１８の開口部１８ｃ内壁との間の良好なシール性を維持できる。
【００３３】
図３（ｂ）に示すように、リード線１４は都合４本あり、それぞれのリード線１４は、芯線１４ａの外側をポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）樹脂チューブ製の外被１４ｂで覆った形態である。グロメット５１には、各リード線１４が個別に挿通される４個のリード線挿通孔５１ａがそれぞれ軸方向に貫通し、かつリード線挿通孔５１ａの軸直交断面において、各リード線１４の中心が単一のピッチ円Ｐ上に等間隔で配置されている。そして、各リード線挿通孔５１ａの内面と、これに対応するリード線１４の外被１４ｂ外面との間は、ＰＦＡ樹脂を主体とする封着樹脂層５３により封着されている。ここで封着樹脂層５３は、熱溶着により各リード線挿通孔５１ａの内面及びリード線１４の外被１４ｂ外面に対して接合された状態で封着される。なお、グロメット５１の各リード線挿通孔５１ａには各々座ぐり部５１ａ’が形成されており、この座ぐり部５１ａ’に対して封着樹脂層５３が充填形成されている。
【００３４】
図３（ｃ）に表された多孔質体形成部５１ｂと封着樹脂層５３との密着面において、座ぐり部５１ａ’（リード線挿通孔５１ａ）の内面に形成される多孔質金属の空隙ｋ（すなわち、多孔質体形成部５１ｂの挿通孔封着面５１０の表面に露出して形成される多孔質金属の空隙ｋ）に封着樹脂層５３が充填されることになる。つまり、封着樹脂層５３は多孔質体形成部５１ｂの挿通孔封着面５１０に対して機械的にかみ合うことから、多孔質体形成部５１ｂと封着樹脂層５３とは強く密着する。そして、座ぐり部５１ａ’（リード線挿通孔５１ａ）の内面と、リード線１４の外被１４ｂ外面との間を封着する形で、封着樹脂層５３が熱溶着により接合され、良好なシール性を有する封止構造を実現している。
【００３５】
ここで、座ぐり部５１ａ’は、図３（ｃ）に示すようにグロメット５１の後端面を起点として軸線方向の長さの略半分まで設けられている。座ぐり部５１ａ’の前端部は前方側が縮径しており、封着樹脂層５３もこの縮径部に対応して、前方側に行くほどその厚みを減少させている。その結果、封着樹脂層５３の軸線方向の長さはグロメット５１のそれよりも短く形成されている。このように、リード線挿通孔５１ａの内面の一部、つまり座ぐり部５１ａ’の軸線方向長さに相当する内面部分が挿通孔封着面５１０を形成している。ただし、多孔質体形成部５１ｂの挿通孔封着面５１０はリード線挿通孔５１ａ（座ぐり部５１ａ’）の内面のうち周方向においては全周にわたって形成されており、挿通孔封着面５１０がリード線１４の全周を囲む形で配置されている。そして、この挿通孔封着面５１０とリード線１４の外被１４ｂ外面との間が封着樹脂層５３により隙間なく封着されることになる。したがって、多孔質体形成部５１ｂの挿通孔封着面５１０をリード線１４の全周を囲む形で配置すれば、挿通孔封着面５１０とリード線１４の外被１４ｂ外面との間のシール性が一層確実になる。勿論、挿通孔封着面５１０はリード線挿通孔５１ａの内面全体を占める場合もある（例えば図７（ｂ）参照）。なお、座ぐり部５１ａ’の上記形状は、グロメット５１を金型プレスにより所期の形状に成形・焼結するときに形成すればよい。
【００３６】
なお、多孔質体形成部５１ｂを形成するステンレススチール（例えばＳＵＳ３０４）の多孔性すなわち空隙の体積率は、２５〜４５％（望ましくは３０〜４０％）、焼結粉末の平均粒子径は、１００〜２５０μｍ（望ましくは１５０〜２００μｍ）の範囲で調整するのがよい。
【００３７】
多孔質金属の焼結度合によっては、グロメット５１の多孔質体形成部５１ｂに分布する空隙ｋがグロメット５１の後端面側から前端面側にかけて又は外周面側から前端面側にかけて一連の鎖状に連続して並び、外筒１８の外部と内部とを連通する形態で、気通路Ｋが多孔質体形成部５１ｂに形成される場合がある（図３（ｃ）参照）。このような場合には、グロメット５１の多孔質体形成部５１ｂの後端面、外周面及び前端面において、それぞれの表層部に樹脂含浸層５１ｂ’を形成（含浸）すれば、この樹脂含浸層５１ｂ’が気通路Ｋを塞ぎ、水等の浸入を阻止する。
【００３８】
グロメット５１が外筒１８の開口部１８ｃ内側に挿入され、グロメット５１（又は外筒１８の開口部１８ｃ）の周方向に沿って、例えばレーザー溶接や抵抗溶接等により全周溶接部５２（全周接合部）を形成し、開口部１８ｃ内壁とグロメット５１の外周面とを接合している。その結果、外筒１８の開口部１８ｃ内壁とグロメット５１の外周面との間の隙間Ｓが塞がれ、この隙間Ｓからの水等の浸入が阻止される。
【００３９】
このような封止構造５０は、例えば次のようにして形成することができる。 まず、図４（ａ）に示すように、金型Ｍの中央部に形成された加圧室に下部パンチＬＰを挿入し、グロメット５１を形成する多孔質金属材料として、ステンレススチールの焼結粉末Ｔを金型Ｍの加圧室に充填する。充填完了後金型Ｍの加圧室に上部パンチＵＰを上方から挿入する。このとき、台座Ｂに固定された４本のピンＦＰが焼結粉末Ｔの充填層に埋設され、この固定ピンＦＰは下部パンチＬＰ及び加圧室を経て上部パンチＵＰをも貫通している。各々の固定ピンＦＰは、リード線１４を挿通するためのリード線挿通孔５１ａと、封着樹脂層５３を形成するための座ぐり部５１ａ’とに対応する形状を有している。そして上部パンチＵＰを加圧すると、多孔質のグロメット成形体５１Ａが得られるので、下部パンチＬＰを上昇させてグロメット成形体５１Ａを抜き出す。なお、加圧成形後のグロメット成形体５１Ａを多孔質体とするため、グロメット成形体５１Ａの密度が４．５〜６．５ｇ／ｃｍ３となるように以下に述べる調整を行う。すなわち、焼結粉末Ｔの充填時に下部パンチＬＰを昇降させて粉末充填量を調整し、また加圧成形時に上部パンチＵＰのストローク量（グロメット成形体５１Ａの軸線方向寸法に該当する）を調整する。グロメット成形体５１Ａの密度が４．５ｇ／ｃｍ３未満であると、グロメット成形体５１Ａが充分に固まらずに粉末状態のままとなる場合がある。一方、密度が６．５ｇ／ｃｍ３を超えると、空隙ｋが充分に残存せず多孔質体が形成されない場合がある。
【００４０】
このようにして得られたグロメット成形体５１Ａは、窒素雰囲気中において、１１２０℃前後の温度で１時間程度焼成される。その結果、図４（ｂ）に示すように、４個のリード線挿通孔５１ａとその座ぐり部５１ａ’とを有し、全体が多孔質体形成部５１ｂで構成されるグロメット焼結体５１Ｂが得られる。
【００４１】
次いで、図５（ａ）に示すように、エマルジョン状態の熱可塑性ポリイミド（以下、ＴＰＩと略記する）樹脂を浸漬槽Ｔに貯留し、必要により溶媒で薄めて樹脂の含有量が２０〜４０重量％（例えば３０重量％）程度の含浸剤Ｅを調整する。浸漬槽Ｔの含浸剤Ｅに図４（ｂ）で作成したグロメット焼結体５１Ｂをどぶ漬けし、多孔質体形成部５１ｂの後端面、外周面及び前端面において、それぞれの表層部に分布する空隙ｋに含浸剤（ＴＰＩ樹脂エマルジョン）Ｅを充填する。
【００４２】
さらに、図５（ｂ）に示すように、常温で真空引きして含浸剤Ｅを多孔質体形成部５１ｂの表層部に含浸させ、２００〜４００℃（例えば３８０℃）で乾燥すると、多孔質体形成部５１ｂの表層部に樹脂含浸層５１ｂ’が形成される。その結果、空隙ｋが一連の鎖状に連続して並び、グロメット焼結体５１Ｂの両端面間又はいずれかの端面と外周面との間に形成されていた気通路Ｋが、空隙ｋへの含浸剤Ｅの充填によって塞がれる（図３（ｃ）参照）。
【００４３】
次に図６（ａ）に示すように、形成すべき封着樹脂層５３（図３）に対応するＰＦＡ樹脂チューブ５３’を用意する。そして、これらＰＦＡ樹脂チューブ５３’を各リード線１４に対し、外被１４ｂの外側に装着する。なお、本実施例では、ＰＦＡ樹脂チューブ５３’の孔内径は、リード線１４の挿通を容易として作業能率を向上させる観点から、リード線１４の外径よりも多少大きく設定されている。他方、ＰＦＡ樹脂チューブ５３’の孔内径をリード線１４の外径よりも少し小さく設定しておくこともできる。この場合は、ＰＦＡ樹脂チューブ５３’をリード線１４上の所定位置に対し、摩擦により容易に位置決めすることができる利点が生ずる。
【００４４】
さて、図５（ｂ）においてグロメット焼結体５１Ｂに埋設されていた４個の中子Ｎを、座ぐり部５１ａ’が形成された側から引き抜くと、グロメット焼結体５１Ｂには軸線方向に貫通する４個のリード線挿通孔５１ａ及び座ぐり部５１ａ’が現れる。そこで、図６（ｂ）に示すように、ＰＦＡ樹脂チューブ５３’を装着した各リード線１４を、それぞれグロメット焼結体５１Ｂのリード線挿通孔５１ａに挿入する。このとき、各ＰＦＡ樹脂チューブ５３’はリード線１４とともにリード線挿通孔５１ａの座ぐり部５１ａ’に入り込むとともに、座ぐり部５１ａ’の先端に形成された縮径部に当たって止められる。これによって、リード線１４がグロメット焼結体５１Ｂに対して位置決め装着される。なお、ＰＦＡ樹脂チューブ５３’の位置決めに際しては、リード線挿通孔５１ａの内径をリード線１４の外径よりも少し小さく設定しておくことが有利であるが、本実施例では前述の通り、リード線１４挿通の作業能率を確保するために、リード線挿通孔５１ａの内径をリード線１４の外径よりも多少大きく設定している。
【００４５】
図６（ｂ）の状態で、全体をＰＦＡ樹脂の軟化点以上に（例えば３６０℃で２０分間）加熱する。これにより図６（ｃ）に示すように、ＰＦＡ樹脂チューブ５３’は座ぐり部５１ａ’の内面すなわち挿通孔封着面５１０と、リード線１４の外被１４ｂの外面とにそれぞれ融着して封着樹脂層５３となり、グロメット５１が形成される。なお、封着樹脂層５３を形成する方法としては、ＰＦＡ樹脂チューブ５３’を用いて形成する方法以外に、次のような方法もある。すなわち、型成形又は加工成形されたリード線挿通孔５１ａ（座ぐり部５１ａ’）にＰＦＡ樹脂の粉末、溶液、エマルジョン等を充填し、上記と同様にＰＦＡ樹脂の軟化点以上に加熱する方法等も採用できる。
【００４６】
そして、図６（ｃ）に示すように、グロメット５１を外筒１８の後端側開口部１８ｃ内側に挿入し、グロメット５１の後端面と外筒１８の開口部１８ｃの後端縁とを位置合わせする。そして、その状態でグロメット５１（又は外筒１８の開口部１８ｃ）の周方向に沿って全周溶接部５２を形成し、開口部１８ｃ内壁とグロメット５１の外周面とを接合する。具体的には、レーザー光源Ｌから発射されるＹＡＧ（イットリウム、アルミニウム、ガーネット）レーザービームＬＢを外筒１８の開口部１８ｃの外周面に対して略水平方向に照射する。この照射位置において、グロメット５１の外周面と外筒１８の開口部１８ｃ内壁とが金属同士融着されるため、グロメット５１の外周面と外筒１８の開口部１８ｃ内壁との間に形成される隙間Ｓが塞がれる。以上のようにして封止構造５０が完成する。
【００４７】
次に、図１に戻り、検出素子２の軸線方向において、封着材層３２の少なくとも一方の側に隣接する形で（本実施例では封着材層３２の、検出部Ｄに近い端面側に隣接して）、多孔質無機物質で構成された緩衝層３８が形成されている。該緩衝層３８は、例えばタルク（滑石）等の無機物質粉末の圧粉成形体あるいは多孔質仮焼体として形成されており、封着材層３２から軸方向に突出するセラミック素子２を外側から包むように支持し、過度の曲げ応力や熱応力が検出素子２に加わるのを抑制する役割を果たす。
【００４８】
また、挿通孔３１の内面と外筒１８の内面との間には、封着材層３２の周囲を取り囲む空隙部３３が、主体金具３の一部を切り欠く形態で形成されている。上記空隙部３３は、主体金具３の挿通孔３１の周方向に形成された環状形態をなし、かつ主体金具３の肉厚方向中間部において挿通孔３１の形成方向に延びる溝部とされている（以下、溝部３３という）。なお、本実施例において溝部３３の底面３３ａは、検出素子２の軸線方向において封着材層３２の対応する端面よりも先端側に位置するものとされている。
【００４９】
この溝部（空隙部）３３は、センサ１に急激な温度変化等が加わった場合に断熱層の役割を果たし、その熱衝撃の影響が封着材層３２に及びにくくなる。また、溝部３３の外側壁部を形成する主体金具部分３ｇが、自身の変形により衝撃を吸収する緩衝部として作用しうるので、封着材層３２への影響を緩和することができる。溝部３３の底面３３ａは、検出素子２の軸線方向において、主体金具３の鍔部３ｄの後端縁３ｅよりも先端側に延びて形成されている。これにより溝部３３は、主体金具３の後端側の外筒１８が接合される肉薄部分３ｆの全長に渡るように形成されることとなる。この場合、溝部３３の底面３３ａは、検出素子２の軸線方向において溶接部３５よりも先端側に位置するものとなる。
【００５０】
以下、酸素センサ１の作動と封止構造５０の作用について説明する。
すなわち、酸素センサ１は、前述の通り主体金具３のねじ部３ａにおいて車両の排気管等に固定され、またコネクタプラグ（図示せず）を介して各リード線１４がコントローラに接続されて使用に供される。そして、その検出部Ｄが排気ガスに晒されると、酸素濃淡電池素子２０の多孔質電極２５（図２）が排気ガスと接触し、酸素濃淡電池素子２０には該排気ガス中の酸素濃度に応じた酸素濃淡電池起電力が生じる。この起電力が、電極リード部２５ａ及び２６ａを経て電極端子部７，７、さらにはリード線１４，１４を介してセンサ出力として取り出される。この種のλ型酸素センサは、排気ガス組成が理論空燃比となる近傍で濃淡電池起電力が急激に変化する特性を示すことから、空燃比検出用に広く使用されるものである。
【００５１】
ここで、酸素センサ１の、例えば自動車における取り付け位置は、エキゾーストマニホルドや車両の足周り部分に近い排気管等であり、かなりの高温となる。しかし、上記封止構造５０においては、グロメット５１の挿通孔封着面５１０を含む部分に形成される多孔質金属の空隙ｋに封着樹脂層５３が充填され、多孔質体形成部５１ｂと封着樹脂層５３とは強く密着している。これにより、長時間高温下に晒される使用環境下でも、上記封止構造５０はリード線の外面と外筒の開口部内壁との間に良好なシール性を長期にわたって維持することができる。
【００５２】
また、上記取り付け位置は、水しぶき等もかかりやすい。しかし、上記封止構造５０においては、グロメット５１の多孔質体形成部５１ｂの表層部に樹脂含浸層５１ｂ’が形成され、気通路Ｋを塞いでいる。さらに、グロメット５１（又は外筒１８の開口部１８ｃ）の周方向に沿って全周溶接部５２が形成され、グロメット５１の外周面と外筒１８の開口部１８ｃ内壁との間の隙間Ｓを塞いでいる。これらにより、水しぶき等のかかりやすい使用環境下でも、上記封止構造５０は良好な防水性能を長期にわたって維持することができる。
【００５３】
図７に、リード線封止構造の変形例を示す。図７（ａ）の封止構造６０では、図３（ａ）の全周溶接部５２に代えて、グロメット５１（又は外筒１８の開口部１８ｃ）の周方向に沿って全周ろう接部５４（全周接合部）が形成されている。具体的には、グロメット５１の軸方向の全長にわたり、その周方向に沿って全周ろう接部５４を形成し、グロメット５１の外周面と外筒１８の開口部１８ｃ内壁との間の隙間Ｓを塞いでいる。なお、図３（ａ）の実施例と共通する部分には同一符号を付して説明を省略する。
【００５４】
図７（ｂ）の封止構造７０では、グロメット５１には、多孔質体形成部５１ｂの外周面の周方向に沿って形成された全周ろう接層５１ｃを介して、非多孔質金属リング５１ｄが一体的に接合され、外筒１８の開口部１８ｃの内側に挿入されている。そして、グロメット５１（又は外筒１８の開口部１８ｃ）の周方向に沿って全周溶接部５２（全周接合部）が形成されている。具体的には、レーザー溶接等によって全周溶接部５２を形成し、グロメット５１（非多孔質金属リング５１ｄ）の外周面と外筒１８の開口部１８ｃ内壁との間の隙間Ｓを塞いでいる。なお、多孔質体形成部５１ｂの外周面と非多孔質金属リング５１ｄの内周面との間の隙間Ｓ’は、グロメット５１（多孔質体形成部５１ｂ）の軸方向の全長にわたり、その周方向に沿って形成された全周ろう接層５１ｃにより、塞がれている。
【００５５】
図７（ｂ）の封止構造７０では、さらに、グロメット５１の中央にやや大径のリード線挿通孔５１ａを形成し、ここに複数のリード線１４を一括して挿通するとともに、それら各リード線１４の各外面と、リード線挿通孔５１ａの内面（挿通孔封着面５１０を構成している）とを一体の封着樹脂層５３により封着する構成としている。なお、図３（ａ）の実施例と共通する部分には同一符号を付して説明を省略する。
【００５６】
なお、図７（ｂ）の封止構造７０において、レーザー溶接等による全周溶接部５２の形成によって、グロメット５１（非多孔質金属リング５１ｄ）の外周面と外筒１８の開口部１８ｃ内壁との間の隙間Ｓのみならず、多孔質体形成部５１ｂの外周面と非多孔質金属リング５１ｄの内周面との間の隙間Ｓ’をも塞がれる場合には、全周ろう接層５１ｃを設けなくても済む場合がある。また、図７（ｂ）の封止構造７０において、全周溶接部５２に代えて、図７（ａ）の実施例に記載された全周ろう接部５４をグロメット５１（非多孔質金属リング５１ｄ）の外周面と外筒１８の開口部１８ｃ内壁との間に形成してもよい。
【００５７】
なお、第二番目の発明は、酸素センサ以外にＨＣセンサ、ＮＯｘセンサ、ＣＯセンサ、ＣＯ２センサ等他のガスセンサにも適用できる。さらに、第一番目の発明が適用される応用電子機器としては、これらのガスセンサの他、セラミックヒータ、グロープラグ等が挙げられる。
【００５８】
また、多孔質体として、以上に述べた多孔質金属の他、多孔質セラミック等も使用できる。さらに、金属、セラミック等の表面にこれらを溶射することによって多孔質体を構成することもできる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明に係るリード線封止構造が適用される応用電子機器の一実施例である酸素センサの一例を示す縦断面図。
【図２】 図１における検出素子の構造を示す説明図。
【図３】 リード線封止構造の一例を示す縦断面図、横断面図及び要部拡大断面模式図。
【図４】 図３のリード線封止構造の組立工程の説明図。
【図５】 図４に続く説明図。
【図６】 図５に続く説明図。
【図７】 リード線封止構造の変形例を示す縦断面図。
【符号の説明】
１ 酸素センサ（ガスセンサ；応用電子機器）
２ 検出素子（電気素子）
２０ 酸素濃淡電池素子
２２ セラミックヒータ（ヒータ）
１４ リード線
１４ａ 芯線
１４ｂ 外被
１８ 外筒
１８ｃ 開口部
５０，６０，７０ リード線封止構造
５１ グロメット
５１ａ リード線挿通孔
５１ａ’ 座ぐり部
５１ｂ 多孔質体形成部
５１ｂ’ 樹脂含浸層
５１０ 挿通孔封着面
５２ 全周溶接部（全周接合部）
５３ 封着樹脂層
５４ 全周ろう接部（全周接合部）
【発明の属する技術分野】
本発明は、例えば各種ガスセンサを始めとして、セラミックヒータ、グロープラグ等のように、電気素子を備え、かつ高温下で使用される応用電子機器に適用されるリード線封止構造に関する。また、本発明は、例えば酸素センサ、ＨＣセンサ、ＮＯｘセンサ等のように、上記電気素子が、測定対象となるガス中の被検出成分を検出するための検出素子であり、かつ上記リード線封止構造を用いたガスセンサに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来より応用電子機器の一例として、例えば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が知られている。このような酸素センサでは、ジルコニア（ＺｒＯ２）等の固体電解質や金属酸化物半導体により構成された検出素子（電気素子）が用いられている。検出素子は開口部を有する金属製の外筒の内側に配置され、その出力は検出素子に接続されたリード線により外筒の外側に取り出される。また、リード線が引き出される外筒の開口部には、外筒内へ水等が浸入することを阻止するためにゴム製のグロメットがはめ込まれ、リード線はこのグロメットを貫いて外筒の外側に延出されている。リード線と外筒との間はグロメットの弾性力により封止されている。
【０００３】
ここで、上記酸素センサは作動温度が３００℃以上と高く、ヒータにより検出素子を強制加熱する構造が一般に採用されている。その結果、ヒータによる発熱にエンジンからの発熱も重なって外筒の温度が上昇し、外筒からの熱伝導を受けてグロメットもかなりの高温に晒される。そこで、一般にはグロメットをフッ素ゴム等の耐熱性ゴムで構成して、高温下でのリード線と外筒との間のシール性を確保することが行われている。その中でも高温下での上記シール性にさらに優れた封止構造として、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）樹脂製のグロメットにリード線を挿通し、その外側に筒状のゴムシール部材を配置して、外筒をそのゴムシール部材に向けて加締めることによりゴムシール部材を圧縮させた封止構造も採用されている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、グロメットの材質であるＰＴＦＥ樹脂の熱膨張率がかなり大きいことから、上記従来の封止構造においては、長時間高温下に晒されるとグロメットが膨張してそのグロメットと外筒との間で圧縮された状態にあるゴムシール部材に過度の圧縮力が働き、ゴムシール部材が損傷してしまう場合がある。また、圧縮された状態にあるゴムシール部材には強い加締め力が常に作用しており、高温下ではこの状態にグロメットからの膨張力も付加される。このことから、例えば内燃機関の運転の繰り返し等により加熱・冷却サイクル（以下、単に熱サイクルという）が繰返し付加されると、ゴムシール部材の弾性が劣化してゴムシール部材に永久変形歪が生じやすくなり、シール性の低下等につながる場合もある。
【０００５】
本発明の課題は、長時間高温下に晒されたり、あるいは熱サイクルが繰返し付加された場合でも、良好なシール性を長期にわたって維持することができる、リード線封止構造及びそれを用いたガスセンサを提供することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段及び作用・効果】
上記課題を解決するために、第一番目の発明に係るリード線封止構造（以下、単に封止構造ともいう）は、
内側にガスセンサ、セラミックヒータ又はグロープラグにおける電気素子を配置し、少なくとも一端に開口部を有する外筒と、
前記電気素子と導通され、前記開口部を通って前記外筒の外側に延出されるリード線と、
前記リード線が挿通されるリード線挿通孔を有するとともに、前記開口部内側に配置されて、前記リード線と前記外筒の開口部内壁との間を封止するグロメットとを備え、
前記リード線挿通孔の内面を含む前記グロメットの全体が多孔質金属からなる多孔質体で形成された多孔質体形成部からなり、該多孔質体形成部の内で前記リード線挿通孔の内面を構成する挿通孔封着面と前記リード線の外被との間が、封着樹脂層を熱融着させて接合させた状態で封着されるとともに、
前記挿通孔封着面の表面に露出している前記多孔質体の空隙に前記封着樹脂層が充填されて、前記多孔質体形成部と封着樹脂層とは密着しており、
前記外筒の開口部内壁と前記グロメットの外周面とは、該グロメットの周方向に沿って形成された全周溶接部により接合されていることを特徴とする。
【０００７】
上記第一番目の発明によれば、リード線が挿通されるグロメットにおけるリード線挿通孔の内、挿通孔封着面を含む部分が、多孔質体で形成された多孔質体形成部からなり、挿通孔封着面とリード線の外面との間が封着樹脂層により封着されている。つまり、多孔質体形成部と封着樹脂層との密着面において、多孔質体形成部の挿通孔封着面の表面に露出して形成される多孔質体の空隙（すなわち、挿通孔封着面の凹凸）に封着樹脂層が充填される。したがって、封着樹脂層は多孔質体形成部の挿通孔封着面に対して機械的にかみ合うことから、多孔質体形成部と封着樹脂層とは強く密着する。これにより、長時間高温下に晒されたり、あるいは熱サイクルが繰返し付加されたりするような、苛酷な使用環境下でも、上記封止構造はリード線の外面と外筒の開口部内壁との間に良好なシール性を長期にわたって維持することができる。なお、グロメット全体が多孔質金属等の多孔質体で形成される場合と、グロメットの一部（例えば挿通孔封着面を含む部分のみ）が多孔質体で形成される場合とがある。後者の場合、多孔質体形成部の挿通孔封着面がリード線挿通孔の内面のうち周方向において全周にわたって形成されていると、この挿通孔封着面がリード線の全周を囲むことになり、挿通孔封着面とリード線の外面との間が封着樹脂層により隙間なく封着される。したがって、多孔質体形成部の挿通孔封着面をリード線の全周を囲む形で配置することは、挿通孔封着面とリード線の外面との間のシール性を確実にする上で望ましい。
【０００８】
さらに本発明は、多孔質体形成部を形成する多孔質体を、多孔質金属とすることができる。多孔質金属を用いることにより、前述した苛酷な使用環境下でも空隙が崩壊したりせず、良好なシール性を長期に渡って安定的に維持することができる。また、多孔質金属のためグロメットに蓄積される熱を効果的に放熱することができ、外筒の過度の温度上昇を抑制できる。
【０００９】
なお、多孔質金属としては、焼結により製造されたステンレススチール、Ａｌ（アルミニウム）、Ａｌ合金、Ｃｕ（銅）、Ｃｕ合金等、又は硬質クロムメッキ等を使用することができる。また、長時間高温下に晒されたり、熱サイクルが繰返し付加されたりする使用環境を考慮すると、多孔質金属は、前述の封着樹脂に近い熱膨張率を有するものが望ましい。
【００１０】
また、多孔質体形成部を形成する多孔質金属に関して、焼結粉末の平均粒子径は、１００〜２５０μｍの範囲で調整するのがよい。このとき、多孔質体形成部における表面粗さについて、最大高さでみれば、４０〜１００μｍＲｙと表すことができ、算術平均粗さでみると、５〜１５μｍＲａと表すことができる。なお、最大高さＲｙ及び算術平均粗さＲａに関して、カットオフ値と評価長さとはいずれもＪＩＳ Ｂ０６０１（１９９４年制定）の標準値を採用する。ここで、最大高さが４０μｍＲｙ未満になると空隙が小さすぎるため、多孔質体形成部と封着樹脂層とが強く密着できない場合がある。他方、最大高さが１００μｍＲｙを超えると空隙が大きすぎるため、空隙に充填された封着樹脂層が剥離又は脱落する場合がある。
【００１１】
さらに本発明の封着樹脂層は、挿通孔封着面及びリード線の外面に対し熱溶着により接合された状態で封着されているとよい。すなわち、従来のように、ゴム製のグロメットを用いて外筒に加締め部を形成することにより封止する場合は、加締め圧力がリード線挿通孔の周囲に必ずしも均一に付加されるとは限らず、シール性に影響を生ずることもあった。しかし、封着樹脂層の熱溶着により封着させる構成とすれば、高いシール性を確実に得ることが可能となる。
【００１２】
上記封着樹脂層は、加熱によりある程度の流動性（例えば、溶融粘度にて１０３〜１０５ポアズ程度）を付加できるタイプのフッ素系樹脂を使用するのが、熱溶着によるシール効果を高める上で都合がよい。このようなフッ素系樹脂としては、例えば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（パーフルオロアルコキシアルカン；以下、ＰＦＡと略記する）樹脂を主体とするものを例示できる。これは、化１に示す一般構造式を有する。ただし、（−Ｏ−Ｒｆ）は（−Ｏ−ＣＦ３）、（−Ｏ−Ｃ２Ｆ５）等のアルキルエーテル基（パーフルオロアルコキシ基）である。
【００１３】
【化１】
また、これ以外では、
・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）
・ポリふっ化ビニリデン（ポリビニリデンフルオライド；ＰＶＤＦ）
・ポリふっ化ビニル（ポリビニルフルオライド；ＰＶＦ）
等の使用が可能である。
【００１５】
なお、本明細書において「主体」とは、最も重量含有率の高い成分を意味し、必ずしも「５０重量％以上を占める成分」を意味するものではない。
【００１６】
また、本発明のリード線が芯線を樹脂製の外被で覆った状態で複数設けられる場合は、グロメットには各リード線が個別に挿通される複数のリード線挿通孔を形成し、各リード線挿通孔に形成される前記挿通孔封着面と、これに対応するリード線の外被外面との間をそれぞれ封着樹脂層により封着することができる。すなわち、各リード線毎に個別にリード線挿通孔を設けて、各挿通孔封着面と、これに対応するリード線の外被外面との間をそれぞれ封着樹脂層で封着することにより、両者の間のシール性を一層確実なものとすることができる。
【００１７】
さらに、本発明のリード線挿通孔には座ぐり部を形成し、この座ぐり部の内面を前記挿通孔封着面に形成することができる。座ぐり部に対して封着樹脂層が充填形成されることになるので、リード線挿通孔に対する封着樹脂層の位置決めがスムーズかつ確実に行え、挿通孔封着面とリード線の外面との間のシール性を確実に形成することができる。
【００１８】
さらに本発明のグロメットの多孔質体形成部には、少なくとも表層部において樹脂含浸層を形成することができる。グロメットが、例えば多孔質金属すなわち焼結金属又は焼結金属合金等で形成される場合、その内部には多数の空隙を包含する。多孔質金属の焼結度合等によっては、グロメットの多孔質体形成部に分布する空隙がグロメットの後端面側から前端面側にかけて又は外周面側から前端面側にかけて一連の鎖状に連続して並び、外筒の外部と内部とを連通する形態で、気通路が多孔質体形成部に形成される場合がある。この気通路を通じて水等が浸入すると、電気素子が作動不良を起こしたり、作動不能になったりする恐れがある。多孔質体形成部の、少なくとも表層部において樹脂含浸層を形成することによって、この気通路を塞ぎ、水等の浸入を阻止することが可能になる。この場合、樹脂含浸層がグロメットの後端面（すなわち、外筒の開口部から露出している面）を含む形で形成すれば、又は樹脂含浸層がグロメットの外周面を含む形で形成すれば、グロメットの後端面上又は外周面上の空隙を確実に塞いで水等の浸入を効果的に阻止できる。
【００１９】
なお、樹脂含浸層を形成する含浸樹脂として、例えば熱可塑性ポリイミド（以下、ＴＰＩと略記する）樹脂を主体とするものを使用することができる。ＴＰＩ樹脂は、融点が３００℃を超える耐熱性樹脂で、成形加工性に優れている。
【００２０】
さらに本発明は、グロメットが、外筒の開口部内側に配置され、開口部内壁とグロメットの外周面とを接合する全周接合部を、グロメットの周方向に沿って形成することができる。グロメットの周方向（すなわち外筒の開口部の周方向）に沿って、例えばレーザー溶接、抵抗溶接、ろう接等により全周接合部を形成することによって、外筒の開口部内壁とグロメットの外周面との間の隙間を塞ぎ、この隙間からの水等の浸入を効果的に阻止できる。
【００２１】
一方、上記課題を解決するために、第二番目の発明に係るガスセンサは、上記電気素子が、測定対象となるガス中の被検出成分を検出するための検出素子であり、かつ上記第一番目の発明に係るリード線封止構造を用いたことを特徴とする。具体的には、該ガスセンサは、
内側に測定対象となるガス中の被検出成分を検出するための検出素子を配置し、少なくとも一端に開口部を有する外筒と、
前記検出素子と導通され、前記開口部を通って前記外筒の外側に延出されるリード線と、
前記リード線が挿通されるリード線挿通孔を有するとともに、前記開口部内側に配置されて、前記リード線と前記外筒の開口部内壁との間を封止するグロメットとを備え、
前記リード線挿通孔の内面を含む前記グロメットの全体が多孔質金属からなる多孔質体で形成された多孔質体形成部からなり、該多孔質体形成部の内で前記リード線挿通孔の内面を構成する挿通孔封着面と前記リード線の外被との間が、封着樹脂層を熱融着させて接合させた状態で封着されるとともに、
前記挿通孔封着面の表面に露出している前記多孔質体の空隙に前記封着樹脂層が充填されて、前記多孔質体形成部と封着樹脂層とは密着しており、
前記外筒の開口部内壁と前記グロメットの外周面とは、該グロメットの周方向に沿って形成された全周溶接部により接合されていることを特徴とする。
【００２２】
上記第二番目の発明によれば、例えばガスセンサが排気管等に設置される場合のように、長時間高温下に晒されたり、あるいは熱サイクルが繰返し付加されたりするような苛酷な使用環境下でも、ガスセンサはリード線の外面と外筒の開口部内壁との間のシール性を長期にわたって良好に維持することができる。上記のシール性が維持されていれば、ガスセンサへの水等の浸入が防止されるので、検出素子は作動不良や作動不能に陥ることなく機能する。したがって、検出素子からの電気的出力が安定した状態で得られるようになる。
【００２３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図面に示す実施例を参照して説明する。
図１には、この発明のリード線封止構造を用いて構成された応用電子機器の一実施例として、自動車等の内燃機関から排出される排気ガス中の酸素濃度を検出する酸素センサ１を示している。この酸素センサ１はλ型酸素センサと通称されるガスセンサの代表的なもので、検出素子２（電気素子）が、筒状の主体金具３の内側に設けられた軸状の挿通孔３１内にて固定された構造を有している。そして、主体金具３の外周面に形成された取付ねじ部３ａにより、検出素子２の先端側の検出部Ｄが排気管内に位置するように取り付けられ、排気管内を流れる高温の排気ガスに晒される。なお、主体金具３には、挿通孔３１の軸線方向においてその中間部に所定幅で、かつ外周面から突出する形態で六角断面形状の鍔部３ｄが形成されている。よって、この鍔部３ｄにレンチ等の工具を嵌合させ回転させると、酸素センサ１はガスケット３ｂを介して取付ねじ部３ａにより排気管内の所定位置に取り付けられる。
【００２４】
検出素子２は方形状断面を有する長尺状のもので、図２（ａ）に示すように、それぞれ横長板状に形成された酸素濃淡電池素子２０と、酸素濃淡電池素子２０を所定の活性化温度に加熱するセラミックヒータ２２とが積層されたものとして構成されている。酸素濃淡電池素子２０は、酸素イオン伝導性を有する固体電解質により構成された素子本体層２１を有する。そのような固体電解質としては、Ｙ２Ｏ３ないしＣａＯを固溶させたＺｒＯ２が代表的なものであるが、それ以外のアルカリ土類金属ないし希土類金属の酸化物とＺｒＯ２との固溶体を使用してもよい。また、ベースとなるＺｒＯ２にはＨｆＯ２が含有されていてもよい。
【００２５】
一方、セラミックヒータ（以下、単にヒータともいう）２２は、高融点金属あるいは導電性セラミックで構成された抵抗発熱体パターン２３をセラミック基体中に埋設した構成を有する。具体的には、ヒータ２２は、第一絶縁層２４と、抵抗発熱体パターン２３と、第一ヒータ本体層２８及び第二ヒータ本体層２９とを備えた多層構造となっている。このうち、第一絶縁層２４は、絶縁性セラミックとしてのアルミナを主体とするアルミナ系セラミックにより、ヒータ２２の板厚方向中間位置に形成されている。また、抵抗発熱体パターン２３は、第一絶縁層２４中に埋設される形でヒータ２２の板面方向に沿って形成されている。そして、第一ヒータ本体層２８及び第二ヒータ本体層２９は、第一絶縁層２４を厚さ方向両側から挟む形で形成されるとともに、それぞれジルコニアを主成分とする酸素イオン伝導性固体電解質で構成されている。
【００２６】
酸素濃淡電池素子２０には、その長手方向における一方の端部（主体金具３の先端より突出する部分）寄りにおいてその両面に、酸素分子解離能を有した多孔質電極２５，２６が形成されている。そして、それら電極２５，２６及びそれらの間に挟まれる固体電解質部分とが検出部Ｄを形成することとなる。なお、以下の記載において、検出素子２の軸方向（長手方向）における主体金具３から突出する側を「前方側（あるいは先端側）」、これと反対側を「後方側（あるいは後端側）」として説明を行う。
【００２７】
酸素濃淡電池素子２０において、多孔質電極２５，２６には、素子本体層２１の長手方向に沿って酸素センサ１の取付基端側（後端側）に向けて延びる電極リード部２５ａ，２６ａがそれぞれ一体に形成されている。このうち、ヒータ２２と対向しない側の電極２５からの電極リード部２５ａは、その末端が電極端子部７として使用される。一方、ヒータ２２に対向する側の電極２６の電極リード部２６ａは、図２（ｃ）に示すように、素子本体層２１を厚さ方向に横切るビア２６ｂにより反対側の素子面に形成された電極端子部７と接続されている。すなわち、酸素濃淡電池素子２０は、両多孔質電極２５，２６の電極端子部７が電極２５側の板面末端に並んで形成される形となっている。上記各電極２５，２６、電極端子部７及びビア２６ｂは、Ｐｔ又はＰｔ合金など、酸素分子解離反応の触媒活性を有した金属粉末のペーストを用いてスクリーン印刷等によりパターン形成し、これを焼成することにより得られるものである。
【００２８】
一方、ヒータ２２の抵抗発熱体パターン２３に通電するためのリード部２３ａ，２３ａも、図２（ｄ）に示すように、ヒータ２２の酸素濃淡電池素子２０と対向しない側の板面末端に形成された電極端子部７，７に、それぞれビア２３ｂを介して接続されている。
【００２９】
図２（ｂ）に示すように、ヒータ２２は、第一ヒータ本体層２８側において、アルミナ系セラミックにより構成される第二絶縁層２７を介して、酸素濃淡電池素子２０の多孔質電極２６側に接合されている。そして、その接合側の多孔質電極（基準電極）２６には、電極リード部２６ａ（これも多孔質である）の一端が接続されるとともに、反対側の多孔質電極（測定電極）２５との間には、多孔質電極２６側に酸素が汲み込まれる方向に微小なポンピング電流が印加される。ここで、電極リード部２６ａは接合された酸素濃淡電池素子２０とヒータ２２との間に挟まれる形で、セラミック素子２の内部に位置し、その末端面はセラミック素子２の取付基端側の端面に露出して、ガス放出口を形成している。そして、上記ポンピングされた酸素は電極リード部２６ａを経てガス放出口から大気中に放出される。これにより、多孔質電極２６内の酸素濃度は大気よりも若干高い値に保持され、酸素基準電極として機能することとなる。一方、反対側の多孔質電極２５は排気ガスと接触する測定電極となる。
【００３０】
このような検出素子２が、図１に示すように、主体金具３に形成された挿通孔３１に挿通されるとともに、挿通孔３１の内面と検出素子２の外面との間が、ガラス（例えば結晶化亜鉛シリカほう酸系ガラス）を主体に構成される封着材層３２により封着されている。そして、検出素子２は、上記封着材層３２等により、先端の検出部Ｄが、排気管に固定される主体金具３の先端より突出した状態で該主体金具３内に固定される。主体金具３の先端部３ｈ外周には、検出素子２の突出部分を覆う金属製の二重のプロテクトカバー６ａ、６ｂがレーザー溶接あるいは抵抗溶接（例えばスポット溶接）等によって固着されている。このカバー６ａ、６ｂは、キャップ状を呈するもので、その先端や周囲に、排気管内を流れる高温の排気ガスをカバー６ａ、６ｂ内に導く開口６ｃ、６ｄが形成されている。一方、主体金具３の後端部は外筒１８の先端部内側に挿入され、その重なり部において周方向に環状に形成された結合部としての溶接部（例えばレーザー溶接部）３５により互いに気密状態で接合されている。
【００３１】
検出素子２の各電極端子部７（４極を総称する）には、第一コネクタＡ、導線８（長手状金属薄板）、さらに第二コネクタ部１３を介して、リード線１４が電気的に接続されている。そして、都合４本のリード線１４は、外筒１８の後端側に形成された開口部１８ｃの内側に嵌め込まれるグロメット５１を貫通して外部に延び、それらの先端に図示しないコネクタプラグが連結されている。さらに各リード線１４のグロメット５１より外部に延びる部分には、これらを収束して保護する保護チューブ１７が被せられている。
【００３２】
図３に、リード線封止構造５０の一例を示す。図３の実施例では、封止構造５０は、グロメット５１、全周溶接部５２及び封着樹脂層５３等より構成される。グロメット５１は、リード線１４が挿通されるリード線挿通孔５１ａが軸方向に貫通して形成されるとともに、外筒１８の開口部１８ｃの内側に嵌入されて、リード線１４と外筒１８の開口部１８ｃ内壁との間を封止（シール）する。またグロメット５１は、多孔質金属で形成された多孔質体形成部５１ｂで全体が構成されている。具体的には、多孔質体形成部５１ｂ（グロメット５１）は、焼結により製造されたステンレススチール（例えばＳＵＳ３０４）からなる。それにより、酸素センサ１が長時間高温下に晒されたり、あるいは熱サイクルを繰返し付加された場合でも、多孔質体形成部５１ｂに形成される空隙ｋが崩壊したりせず、封止構造５０はリード線１４の外面と外筒１８の開口部１８ｃ内壁との間の良好なシール性を維持できる。
【００３３】
図３（ｂ）に示すように、リード線１４は都合４本あり、それぞれのリード線１４は、芯線１４ａの外側をポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）樹脂チューブ製の外被１４ｂで覆った形態である。グロメット５１には、各リード線１４が個別に挿通される４個のリード線挿通孔５１ａがそれぞれ軸方向に貫通し、かつリード線挿通孔５１ａの軸直交断面において、各リード線１４の中心が単一のピッチ円Ｐ上に等間隔で配置されている。そして、各リード線挿通孔５１ａの内面と、これに対応するリード線１４の外被１４ｂ外面との間は、ＰＦＡ樹脂を主体とする封着樹脂層５３により封着されている。ここで封着樹脂層５３は、熱溶着により各リード線挿通孔５１ａの内面及びリード線１４の外被１４ｂ外面に対して接合された状態で封着される。なお、グロメット５１の各リード線挿通孔５１ａには各々座ぐり部５１ａ’が形成されており、この座ぐり部５１ａ’に対して封着樹脂層５３が充填形成されている。
【００３４】
図３（ｃ）に表された多孔質体形成部５１ｂと封着樹脂層５３との密着面において、座ぐり部５１ａ’（リード線挿通孔５１ａ）の内面に形成される多孔質金属の空隙ｋ（すなわち、多孔質体形成部５１ｂの挿通孔封着面５１０の表面に露出して形成される多孔質金属の空隙ｋ）に封着樹脂層５３が充填されることになる。つまり、封着樹脂層５３は多孔質体形成部５１ｂの挿通孔封着面５１０に対して機械的にかみ合うことから、多孔質体形成部５１ｂと封着樹脂層５３とは強く密着する。そして、座ぐり部５１ａ’（リード線挿通孔５１ａ）の内面と、リード線１４の外被１４ｂ外面との間を封着する形で、封着樹脂層５３が熱溶着により接合され、良好なシール性を有する封止構造を実現している。
【００３５】
ここで、座ぐり部５１ａ’は、図３（ｃ）に示すようにグロメット５１の後端面を起点として軸線方向の長さの略半分まで設けられている。座ぐり部５１ａ’の前端部は前方側が縮径しており、封着樹脂層５３もこの縮径部に対応して、前方側に行くほどその厚みを減少させている。その結果、封着樹脂層５３の軸線方向の長さはグロメット５１のそれよりも短く形成されている。このように、リード線挿通孔５１ａの内面の一部、つまり座ぐり部５１ａ’の軸線方向長さに相当する内面部分が挿通孔封着面５１０を形成している。ただし、多孔質体形成部５１ｂの挿通孔封着面５１０はリード線挿通孔５１ａ（座ぐり部５１ａ’）の内面のうち周方向においては全周にわたって形成されており、挿通孔封着面５１０がリード線１４の全周を囲む形で配置されている。そして、この挿通孔封着面５１０とリード線１４の外被１４ｂ外面との間が封着樹脂層５３により隙間なく封着されることになる。したがって、多孔質体形成部５１ｂの挿通孔封着面５１０をリード線１４の全周を囲む形で配置すれば、挿通孔封着面５１０とリード線１４の外被１４ｂ外面との間のシール性が一層確実になる。勿論、挿通孔封着面５１０はリード線挿通孔５１ａの内面全体を占める場合もある（例えば図７（ｂ）参照）。なお、座ぐり部５１ａ’の上記形状は、グロメット５１を金型プレスにより所期の形状に成形・焼結するときに形成すればよい。
【００３６】
なお、多孔質体形成部５１ｂを形成するステンレススチール（例えばＳＵＳ３０４）の多孔性すなわち空隙の体積率は、２５〜４５％（望ましくは３０〜４０％）、焼結粉末の平均粒子径は、１００〜２５０μｍ（望ましくは１５０〜２００μｍ）の範囲で調整するのがよい。
【００３７】
多孔質金属の焼結度合によっては、グロメット５１の多孔質体形成部５１ｂに分布する空隙ｋがグロメット５１の後端面側から前端面側にかけて又は外周面側から前端面側にかけて一連の鎖状に連続して並び、外筒１８の外部と内部とを連通する形態で、気通路Ｋが多孔質体形成部５１ｂに形成される場合がある（図３（ｃ）参照）。このような場合には、グロメット５１の多孔質体形成部５１ｂの後端面、外周面及び前端面において、それぞれの表層部に樹脂含浸層５１ｂ’を形成（含浸）すれば、この樹脂含浸層５１ｂ’が気通路Ｋを塞ぎ、水等の浸入を阻止する。
【００３８】
グロメット５１が外筒１８の開口部１８ｃ内側に挿入され、グロメット５１（又は外筒１８の開口部１８ｃ）の周方向に沿って、例えばレーザー溶接や抵抗溶接等により全周溶接部５２（全周接合部）を形成し、開口部１８ｃ内壁とグロメット５１の外周面とを接合している。その結果、外筒１８の開口部１８ｃ内壁とグロメット５１の外周面との間の隙間Ｓが塞がれ、この隙間Ｓからの水等の浸入が阻止される。
【００３９】
このような封止構造５０は、例えば次のようにして形成することができる。 まず、図４（ａ）に示すように、金型Ｍの中央部に形成された加圧室に下部パンチＬＰを挿入し、グロメット５１を形成する多孔質金属材料として、ステンレススチールの焼結粉末Ｔを金型Ｍの加圧室に充填する。充填完了後金型Ｍの加圧室に上部パンチＵＰを上方から挿入する。このとき、台座Ｂに固定された４本のピンＦＰが焼結粉末Ｔの充填層に埋設され、この固定ピンＦＰは下部パンチＬＰ及び加圧室を経て上部パンチＵＰをも貫通している。各々の固定ピンＦＰは、リード線１４を挿通するためのリード線挿通孔５１ａと、封着樹脂層５３を形成するための座ぐり部５１ａ’とに対応する形状を有している。そして上部パンチＵＰを加圧すると、多孔質のグロメット成形体５１Ａが得られるので、下部パンチＬＰを上昇させてグロメット成形体５１Ａを抜き出す。なお、加圧成形後のグロメット成形体５１Ａを多孔質体とするため、グロメット成形体５１Ａの密度が４．５〜６．５ｇ／ｃｍ３となるように以下に述べる調整を行う。すなわち、焼結粉末Ｔの充填時に下部パンチＬＰを昇降させて粉末充填量を調整し、また加圧成形時に上部パンチＵＰのストローク量（グロメット成形体５１Ａの軸線方向寸法に該当する）を調整する。グロメット成形体５１Ａの密度が４．５ｇ／ｃｍ３未満であると、グロメット成形体５１Ａが充分に固まらずに粉末状態のままとなる場合がある。一方、密度が６．５ｇ／ｃｍ３を超えると、空隙ｋが充分に残存せず多孔質体が形成されない場合がある。
【００４０】
このようにして得られたグロメット成形体５１Ａは、窒素雰囲気中において、１１２０℃前後の温度で１時間程度焼成される。その結果、図４（ｂ）に示すように、４個のリード線挿通孔５１ａとその座ぐり部５１ａ’とを有し、全体が多孔質体形成部５１ｂで構成されるグロメット焼結体５１Ｂが得られる。
【００４１】
次いで、図５（ａ）に示すように、エマルジョン状態の熱可塑性ポリイミド（以下、ＴＰＩと略記する）樹脂を浸漬槽Ｔに貯留し、必要により溶媒で薄めて樹脂の含有量が２０〜４０重量％（例えば３０重量％）程度の含浸剤Ｅを調整する。浸漬槽Ｔの含浸剤Ｅに図４（ｂ）で作成したグロメット焼結体５１Ｂをどぶ漬けし、多孔質体形成部５１ｂの後端面、外周面及び前端面において、それぞれの表層部に分布する空隙ｋに含浸剤（ＴＰＩ樹脂エマルジョン）Ｅを充填する。
【００４２】
さらに、図５（ｂ）に示すように、常温で真空引きして含浸剤Ｅを多孔質体形成部５１ｂの表層部に含浸させ、２００〜４００℃（例えば３８０℃）で乾燥すると、多孔質体形成部５１ｂの表層部に樹脂含浸層５１ｂ’が形成される。その結果、空隙ｋが一連の鎖状に連続して並び、グロメット焼結体５１Ｂの両端面間又はいずれかの端面と外周面との間に形成されていた気通路Ｋが、空隙ｋへの含浸剤Ｅの充填によって塞がれる（図３（ｃ）参照）。
【００４３】
次に図６（ａ）に示すように、形成すべき封着樹脂層５３（図３）に対応するＰＦＡ樹脂チューブ５３’を用意する。そして、これらＰＦＡ樹脂チューブ５３’を各リード線１４に対し、外被１４ｂの外側に装着する。なお、本実施例では、ＰＦＡ樹脂チューブ５３’の孔内径は、リード線１４の挿通を容易として作業能率を向上させる観点から、リード線１４の外径よりも多少大きく設定されている。他方、ＰＦＡ樹脂チューブ５３’の孔内径をリード線１４の外径よりも少し小さく設定しておくこともできる。この場合は、ＰＦＡ樹脂チューブ５３’をリード線１４上の所定位置に対し、摩擦により容易に位置決めすることができる利点が生ずる。
【００４４】
さて、図５（ｂ）においてグロメット焼結体５１Ｂに埋設されていた４個の中子Ｎを、座ぐり部５１ａ’が形成された側から引き抜くと、グロメット焼結体５１Ｂには軸線方向に貫通する４個のリード線挿通孔５１ａ及び座ぐり部５１ａ’が現れる。そこで、図６（ｂ）に示すように、ＰＦＡ樹脂チューブ５３’を装着した各リード線１４を、それぞれグロメット焼結体５１Ｂのリード線挿通孔５１ａに挿入する。このとき、各ＰＦＡ樹脂チューブ５３’はリード線１４とともにリード線挿通孔５１ａの座ぐり部５１ａ’に入り込むとともに、座ぐり部５１ａ’の先端に形成された縮径部に当たって止められる。これによって、リード線１４がグロメット焼結体５１Ｂに対して位置決め装着される。なお、ＰＦＡ樹脂チューブ５３’の位置決めに際しては、リード線挿通孔５１ａの内径をリード線１４の外径よりも少し小さく設定しておくことが有利であるが、本実施例では前述の通り、リード線１４挿通の作業能率を確保するために、リード線挿通孔５１ａの内径をリード線１４の外径よりも多少大きく設定している。
【００４５】
図６（ｂ）の状態で、全体をＰＦＡ樹脂の軟化点以上に（例えば３６０℃で２０分間）加熱する。これにより図６（ｃ）に示すように、ＰＦＡ樹脂チューブ５３’は座ぐり部５１ａ’の内面すなわち挿通孔封着面５１０と、リード線１４の外被１４ｂの外面とにそれぞれ融着して封着樹脂層５３となり、グロメット５１が形成される。なお、封着樹脂層５３を形成する方法としては、ＰＦＡ樹脂チューブ５３’を用いて形成する方法以外に、次のような方法もある。すなわち、型成形又は加工成形されたリード線挿通孔５１ａ（座ぐり部５１ａ’）にＰＦＡ樹脂の粉末、溶液、エマルジョン等を充填し、上記と同様にＰＦＡ樹脂の軟化点以上に加熱する方法等も採用できる。
【００４６】
そして、図６（ｃ）に示すように、グロメット５１を外筒１８の後端側開口部１８ｃ内側に挿入し、グロメット５１の後端面と外筒１８の開口部１８ｃの後端縁とを位置合わせする。そして、その状態でグロメット５１（又は外筒１８の開口部１８ｃ）の周方向に沿って全周溶接部５２を形成し、開口部１８ｃ内壁とグロメット５１の外周面とを接合する。具体的には、レーザー光源Ｌから発射されるＹＡＧ（イットリウム、アルミニウム、ガーネット）レーザービームＬＢを外筒１８の開口部１８ｃの外周面に対して略水平方向に照射する。この照射位置において、グロメット５１の外周面と外筒１８の開口部１８ｃ内壁とが金属同士融着されるため、グロメット５１の外周面と外筒１８の開口部１８ｃ内壁との間に形成される隙間Ｓが塞がれる。以上のようにして封止構造５０が完成する。
【００４７】
次に、図１に戻り、検出素子２の軸線方向において、封着材層３２の少なくとも一方の側に隣接する形で（本実施例では封着材層３２の、検出部Ｄに近い端面側に隣接して）、多孔質無機物質で構成された緩衝層３８が形成されている。該緩衝層３８は、例えばタルク（滑石）等の無機物質粉末の圧粉成形体あるいは多孔質仮焼体として形成されており、封着材層３２から軸方向に突出するセラミック素子２を外側から包むように支持し、過度の曲げ応力や熱応力が検出素子２に加わるのを抑制する役割を果たす。
【００４８】
また、挿通孔３１の内面と外筒１８の内面との間には、封着材層３２の周囲を取り囲む空隙部３３が、主体金具３の一部を切り欠く形態で形成されている。上記空隙部３３は、主体金具３の挿通孔３１の周方向に形成された環状形態をなし、かつ主体金具３の肉厚方向中間部において挿通孔３１の形成方向に延びる溝部とされている（以下、溝部３３という）。なお、本実施例において溝部３３の底面３３ａは、検出素子２の軸線方向において封着材層３２の対応する端面よりも先端側に位置するものとされている。
【００４９】
この溝部（空隙部）３３は、センサ１に急激な温度変化等が加わった場合に断熱層の役割を果たし、その熱衝撃の影響が封着材層３２に及びにくくなる。また、溝部３３の外側壁部を形成する主体金具部分３ｇが、自身の変形により衝撃を吸収する緩衝部として作用しうるので、封着材層３２への影響を緩和することができる。溝部３３の底面３３ａは、検出素子２の軸線方向において、主体金具３の鍔部３ｄの後端縁３ｅよりも先端側に延びて形成されている。これにより溝部３３は、主体金具３の後端側の外筒１８が接合される肉薄部分３ｆの全長に渡るように形成されることとなる。この場合、溝部３３の底面３３ａは、検出素子２の軸線方向において溶接部３５よりも先端側に位置するものとなる。
【００５０】
以下、酸素センサ１の作動と封止構造５０の作用について説明する。
すなわち、酸素センサ１は、前述の通り主体金具３のねじ部３ａにおいて車両の排気管等に固定され、またコネクタプラグ（図示せず）を介して各リード線１４がコントローラに接続されて使用に供される。そして、その検出部Ｄが排気ガスに晒されると、酸素濃淡電池素子２０の多孔質電極２５（図２）が排気ガスと接触し、酸素濃淡電池素子２０には該排気ガス中の酸素濃度に応じた酸素濃淡電池起電力が生じる。この起電力が、電極リード部２５ａ及び２６ａを経て電極端子部７，７、さらにはリード線１４，１４を介してセンサ出力として取り出される。この種のλ型酸素センサは、排気ガス組成が理論空燃比となる近傍で濃淡電池起電力が急激に変化する特性を示すことから、空燃比検出用に広く使用されるものである。
【００５１】
ここで、酸素センサ１の、例えば自動車における取り付け位置は、エキゾーストマニホルドや車両の足周り部分に近い排気管等であり、かなりの高温となる。しかし、上記封止構造５０においては、グロメット５１の挿通孔封着面５１０を含む部分に形成される多孔質金属の空隙ｋに封着樹脂層５３が充填され、多孔質体形成部５１ｂと封着樹脂層５３とは強く密着している。これにより、長時間高温下に晒される使用環境下でも、上記封止構造５０はリード線の外面と外筒の開口部内壁との間に良好なシール性を長期にわたって維持することができる。
【００５２】
また、上記取り付け位置は、水しぶき等もかかりやすい。しかし、上記封止構造５０においては、グロメット５１の多孔質体形成部５１ｂの表層部に樹脂含浸層５１ｂ’が形成され、気通路Ｋを塞いでいる。さらに、グロメット５１（又は外筒１８の開口部１８ｃ）の周方向に沿って全周溶接部５２が形成され、グロメット５１の外周面と外筒１８の開口部１８ｃ内壁との間の隙間Ｓを塞いでいる。これらにより、水しぶき等のかかりやすい使用環境下でも、上記封止構造５０は良好な防水性能を長期にわたって維持することができる。
【００５３】
図７に、リード線封止構造の変形例を示す。図７（ａ）の封止構造６０では、図３（ａ）の全周溶接部５２に代えて、グロメット５１（又は外筒１８の開口部１８ｃ）の周方向に沿って全周ろう接部５４（全周接合部）が形成されている。具体的には、グロメット５１の軸方向の全長にわたり、その周方向に沿って全周ろう接部５４を形成し、グロメット５１の外周面と外筒１８の開口部１８ｃ内壁との間の隙間Ｓを塞いでいる。なお、図３（ａ）の実施例と共通する部分には同一符号を付して説明を省略する。
【００５４】
図７（ｂ）の封止構造７０では、グロメット５１には、多孔質体形成部５１ｂの外周面の周方向に沿って形成された全周ろう接層５１ｃを介して、非多孔質金属リング５１ｄが一体的に接合され、外筒１８の開口部１８ｃの内側に挿入されている。そして、グロメット５１（又は外筒１８の開口部１８ｃ）の周方向に沿って全周溶接部５２（全周接合部）が形成されている。具体的には、レーザー溶接等によって全周溶接部５２を形成し、グロメット５１（非多孔質金属リング５１ｄ）の外周面と外筒１８の開口部１８ｃ内壁との間の隙間Ｓを塞いでいる。なお、多孔質体形成部５１ｂの外周面と非多孔質金属リング５１ｄの内周面との間の隙間Ｓ’は、グロメット５１（多孔質体形成部５１ｂ）の軸方向の全長にわたり、その周方向に沿って形成された全周ろう接層５１ｃにより、塞がれている。
【００５５】
図７（ｂ）の封止構造７０では、さらに、グロメット５１の中央にやや大径のリード線挿通孔５１ａを形成し、ここに複数のリード線１４を一括して挿通するとともに、それら各リード線１４の各外面と、リード線挿通孔５１ａの内面（挿通孔封着面５１０を構成している）とを一体の封着樹脂層５３により封着する構成としている。なお、図３（ａ）の実施例と共通する部分には同一符号を付して説明を省略する。
【００５６】
なお、図７（ｂ）の封止構造７０において、レーザー溶接等による全周溶接部５２の形成によって、グロメット５１（非多孔質金属リング５１ｄ）の外周面と外筒１８の開口部１８ｃ内壁との間の隙間Ｓのみならず、多孔質体形成部５１ｂの外周面と非多孔質金属リング５１ｄの内周面との間の隙間Ｓ’をも塞がれる場合には、全周ろう接層５１ｃを設けなくても済む場合がある。また、図７（ｂ）の封止構造７０において、全周溶接部５２に代えて、図７（ａ）の実施例に記載された全周ろう接部５４をグロメット５１（非多孔質金属リング５１ｄ）の外周面と外筒１８の開口部１８ｃ内壁との間に形成してもよい。
【００５７】
なお、第二番目の発明は、酸素センサ以外にＨＣセンサ、ＮＯｘセンサ、ＣＯセンサ、ＣＯ２センサ等他のガスセンサにも適用できる。さらに、第一番目の発明が適用される応用電子機器としては、これらのガスセンサの他、セラミックヒータ、グロープラグ等が挙げられる。
【００５８】
また、多孔質体として、以上に述べた多孔質金属の他、多孔質セラミック等も使用できる。さらに、金属、セラミック等の表面にこれらを溶射することによって多孔質体を構成することもできる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明に係るリード線封止構造が適用される応用電子機器の一実施例である酸素センサの一例を示す縦断面図。
【図２】 図１における検出素子の構造を示す説明図。
【図３】 リード線封止構造の一例を示す縦断面図、横断面図及び要部拡大断面模式図。
【図４】 図３のリード線封止構造の組立工程の説明図。
【図５】 図４に続く説明図。
【図６】 図５に続く説明図。
【図７】 リード線封止構造の変形例を示す縦断面図。
【符号の説明】
１ 酸素センサ（ガスセンサ；応用電子機器）
２ 検出素子（電気素子）
２０ 酸素濃淡電池素子
２２ セラミックヒータ（ヒータ）
１４ リード線
１４ａ 芯線
１４ｂ 外被
１８ 外筒
１８ｃ 開口部
５０，６０，７０ リード線封止構造
５１ グロメット
５１ａ リード線挿通孔
５１ａ’ 座ぐり部
５１ｂ 多孔質体形成部
５１ｂ’ 樹脂含浸層
５１０ 挿通孔封着面
５２ 全周溶接部（全周接合部）
５３ 封着樹脂層
５４ 全周ろう接部（全周接合部）
Claims (7)
- 内側にガスセンサ、セラミックヒータ又はグロープラグにおける電気素子を配置し、少なくとも一端に開口部を有する外筒と、
前記電気素子と導通され、前記開口部を通って前記外筒の外側に延出されるリード線と、
前記リード線が挿通されるリード線挿通孔を有するとともに、前記開口部内側に配置されて、前記リード線と前記外筒の開口部内壁との間を封止するグロメットとを備え、
前記リード線挿通孔の内面を含む前記グロメットの全体が多孔質金属からなる多孔質体で形成された多孔質体形成部からなり、該多孔質体形成部の内で前記リード線挿通孔の内面を構成する挿通孔封着面と前記リード線の外被との間が、封着樹脂層を熱融着させて接合させた状態で封着されるとともに、
前記挿通孔封着面の表面に露出している前記多孔質体の空隙に前記封着樹脂層が充填されて、前記多孔質体形成部と封着樹脂層とは密着しており、
前記外筒の開口部内壁と前記グロメットの外周面とは、該グロメットの周方向に沿って形成された全周溶接部により接合されていることを特徴とするリード線封止構造。 - 前記封着樹脂層は、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樹脂を主体とするものである請求項１に記載のリード線封止構造。
- 前記リード線は芯線を樹脂製の外被にて覆った状態で複数設けられ、前記グロメットには各リード線が個別に挿通される複数の前記リード線挿通孔が形成されており、
各リード線挿通孔に形成される前記挿通孔封着面と、これに対応するリード線の外被外面との間がそれぞれ前記封着樹脂層により封着されている請求項１又は２に記載のリード線封止構造。 - 前記リード線挿通孔には座ぐり部が形成されており、該座ぐり部の内面が前記挿通孔封着面を形成する請求項１ないし３のいずれか１項に記載のリード線封止構造。
- 前記グロメットの前記多孔質体形成部には、少なくとも表層部において樹脂含浸層が形成されている請求項１ないし４のいずれか１項に記載のリード線封止構造。
- 前記樹脂含浸層は、熱可塑性ポリイミド樹脂を主体とするものである請求項５記載のリード線封止構造。
- 内側に測定対象となるガス中の被検出成分を検出するための検出素子を配置し、少なくとも一端に開口部を有する外筒と、
前記検出素子と導通され、前記開口部を通って前記外筒の外側に延出されるリード線と、
前記リード線が挿通されるリード線挿通孔を有するとともに、前記開口部内側に配置されて、前記リード線と前記外筒の開口部内壁との間を封止するグロメットとを備え、
前記リード線挿通孔の内面を含む前記グロメットの全体が多孔質金属からなる多孔質体で形成された多孔質体形成部からなり、該多孔質体形成部の内で前記リード線挿通孔の内面を構成する挿通孔封着面と前記リード線の外被との間が、封着樹脂層を熱融着させて接合させた状態で封着されるとともに、
前記挿通孔封着面の表面に露出している前記多孔質体の空隙に前記封着樹脂層が充填されて、前記多孔質体形成部と封着樹脂層とは密着しており、
前記外筒の開口部内壁と前記グロメットの外周面とは、該グロメットの周方向に沿って形成された全周溶接部により接合されていることを特徴とするガスセンサ。
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