DE112019005360T5

DE112019005360T5 - Gassensor und herstellungsverfahren dafür

Info

Publication number: DE112019005360T5
Application number: DE112019005360.4T
Authority: DE
Inventors: Tetsuro Tanaka
Original assignee: Koa Corp
Current assignee: Koa Corp
Priority date: 2018-11-29
Filing date: 2019-11-27
Publication date: 2021-07-08
Also published as: WO2020111098A1; CN113167757A; JP7165035B2; JP2020085801A; US20220018804A1

Abstract

Es wird ein Sauerstoffsensor (1) bereitgestellt, bei dem eine ein äußeres Harzmaterial (15), das aus isolierendem Harz hergestellt ist, verwendende isolierende Beschichtung auf ein selbsterwärmendes Sauerstoffsensorelement (3), das aus einem in einem Gehäuse (2) aufgenommenen gesinterten Keramikkörper hergestellt ist, aufgebracht ist und bei dem wasserdichte Stoffe (5a und 5b) mit Luftdurchlässigkeit unter Verwendung von Harzklebstoffs (6a und 6b) dahingehend befestigt sind, Öffnungen, die Luftlöcher (8a und 8b) an Endteilen des Gehäuses verbinden, zu bedecken. Dies gestattet das Bereitstellen eines Gassensors (10) zur Verwendung sowohl in Luft als auch in Flüssigkeit mit Isoliereigenschaft, Wasserdichtigkeitseigenschaft und thermischer Sicherheit.

Description

TECHNISCHES GEBIET
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Gassensor, der zum Beispiel eine Sauerstoffkonzentration usw. in einer Messatmosphäre detektiert, und ein Herstellungsverfahren desselben.
STAND DER TECHNIK
Herkömmlicherweise hat es einen Bedarf an einer Sauerstoffkonzentrationsdetektion in verschiedenen Bereichen gegeben, wie zum Beispiel das Detektieren einer Sauerstoffkonzentration in Abgas von Brennkraftmaschinen usw., das Detektieren einer Sauerstoffkonzentration bei der Verbrennungsregelung in Kesseln und das Detektieren einer Sauerstoffkonzentration zur Verhinderung eines Sauerstoffmangels in Innenbereichen. Als Sauerstoffkonzentrationsdetektionsverfahren sind ein System vom Typ galvanische Zelle, ein Zirconoxid-Festelektrolytsystem, ein System vom Magnettyp, ein System vom Typ Halbleiterlaserspektroskopie mit variabler Wellenlänge usw. wohlbekannt.
Der Sauerstoffsensor vom Typ galvanische Zelle stellt, wie zum Beispiel in Patentschrift 1 beschrieben, die Sauerstoffkonzentration dadurch fest, dass eine aus einem Basismetall, wie zum Beispiel Zinn (Pb), hergestellte Anode und eine aus einem Edelmetall, wie zum Beispiel Gold (Au), hergestellte Kathode in einem mit einem Elektrolyt gefüllten Behälter platziert werden, sie durch Verwendung einer gasdurchlässigen Membran nach außen isoliert werden und elektrischer Strom gemessen wird, der aufgrund einer chemischen Reaktion, die dadurch verursacht wird, dass sich Sauerstoff in dem Elektrolyt auflöst, nachdem er die Membran durchströmt hat, proportional zur Sauerstoffkonzentration fließt.
Da der Sauerstoffsensor vom Typ galvanische Zelle klein und leicht ist, bei normaler Temperatur arbeitet und auch kostengünstig ist, wird er auf den verschiedensten Gebieten verwendet, wie zum Beispiel bei der Überprüfung auf Sauerstoffmangel im Laderaum eines Schiffs oder in einem Schacht, beim Detektieren einer Sauerstoffkonzentration in medizinischen Geräten, wie zum Beispiel Anästhesiegeräten, Geräten zur künstlichen Beatmung usw.
Andererseits werden als ein Sauerstoffsensor zum Detektieren einer Sauerstoffkonzentration durch Verwendung eines anderen Verfahrens als das oben beschriebene Erkennungsverfahren mit einem Elektrolyt usw. Strukturen, die als Erfassungselement einen Oxid-Supraleiter mit einem in einem Rohr vorgesehenen Seltenerdenelement, durch das ein zu messendes Gas fließt, um eine Sauerstoffkonzentration in dem Gas durch einen durch das Erfassungselement fließenden elektrischen Strom zu detektieren, in Patentdokumenten 2 und 3 offenbart.
Dokumente des Stands der Technik
Patentdokumente

Patentdokument 1: JP 2015-34819A
Patentdokument 2: JP 2007-85816A (Patentnr. 4714857)
Patentdokument 3: JP 2018-13403A

OFFENBARUNG DER ERFINDUNG
Durch die Erfindung zu lösende Probleme
Da ein Sauerstoffkonzentrationsmesser (Sauerstoffsensor) vom Typ galvanische Zelle seinen Detektionsteil weiter verkleinern kann als die oben beschriebenen anderen Typen von Sauerstoffkonzentrationsmessern, kann er als ein mobiler und tragbarer Sauerstoffsensor verwendet werden. Andererseits erfordert der Sauerstoffsensor vom Typ galvanische Zelle, obgleich er im Vergleich zu den anderen Typen relativ kostengünstig ist, einen regelmäßigen Austausch von verbrauchtem Elektrolyt und verunreinigter Membran aufgrund der Struktur, durch die Sauerstoff in dem Elektrolyt über die Membran aufgelöst wird, und somit kann toxisches Elektrolyt in die Umgebung lecken, wenn eine Anomalität vorliegt usw.
Der oben erwähnte durch einen Oxid-Supraleiter gebildete Sauerstoffsensor funktioniert als ein Sauerstoffsensor, indem eine konstante Spannung an beide Enden eines Erfassungselements angelegt wird, um einen Hotspot zu erzeugen, und ein Wert eines durch das Erfassungselement fließenden elektrischen Stroms und Änderungen gemäß der umliegenden Sauerstoffkonzentration gemessen werden. Dieser Sauerstoffsensor weist eine Struktur auf, die eine weitere Verkleinerung des Detektionsteils gestattet, und kann somit mobil und tragbar ausgeführt werden, kann aber nicht in Flüssigkeit (Wasser) betrieben werden.
Weiter ausgeführt ist der durch einen Oxid-Supraleiter gebildete Sauerstoffsensor so installiert, dass das Erfassungselement innerhalb eines wärmebeständigen Glasrohrs schwebt, um Umfangsausrüstung vor Hitze des eine hohe Temperatur aufweisenden Heißspots zu schützen, und ist durch leitende Drähte, die sich von Elektroden an beiden Enden des Erfassungselements erstrecken, physisch und elektrisch mit äußeren Metallelektroden (Kappenanschlüssen) verbunden, die an beiden Enden des Erfassungselements vorgesehen sind. Der durch einen Oxid-Supraleiter gebildete Sauerstoffsensor weist Luftlöcher auf, die in den Metallelektrodenteilen gebildet sind, damit zu messendes Gas mit dem Hotspot oder dem sauerstoffempfindlichen Abschnitt in Kontakt treten kann.
Der solch eine Struktur aufweisende Sauerstoffsensor ist insofern mit Problemen behaftet, als Flüssigkeit wie beispielsweise Regen leicht aus den Luftlöchern eintritt, und die Verwendung in einer Umgebung, die eine wasserdichte Konstruktion benötigt wie beispielsweise Verwendung im Außenbereich ist unmöglich, wodurch die Anwendung als ein Sauerstoffsensor eingeschränkt wird. Des Weiteren gibt es insofern ein Problem, als, da die äußeren Metallelektroden freiliegen, aufgrund von Leckage eines zwischen den äußeren Elektroden in einem leitenden Material oder Flüssigkeit wie beispielsweise Meerwasser, Beton oder eine Kulturlösung durch den Sauerstoffsensor fließenden elektrischen Stroms keine korrekte Sensorausgabe erhalten werden kann.
Angesichts dieser Probleme zielt die vorliegende Erfindung daraufhin ab, einen Gassensor, der eine Isoliereigenschaft und Wasserdichtigkeitseigenschaft aufweist, sowie ein Herstellungsverfahren dafür bereitzustellen.
Mittel zur Lösung des Problems
Ein Mittel zum Erreichen des obigen Ziels und Lösen der obigen Probleme beinhaltet die folgende Struktur. Das heißt, ein Gassensor der vorliegenden Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass er Folgendes aufweist: ein Gassensorelement, das in einem Luftlöcher aufweisenden Gehäuse aufgenommen ist; ein isolierendes Außenglied, das das Gehäuse abdichtet, während es Öffnungen aufweist, die mit den Luftlöchern in Verbindung stehen; ein Filterglied, das so angeordnet ist, dass es die gesamten Öffnungen bedeckt; und gepaarte Leitungsdrähte, die mit Endteilelektroden des Gassensorelements verbunden sind und aus dem Außenglied herausführen. Ein das Filterglied durchdringendes vorbestimmtes Gas wird durch das Gassensorelement detektiert.
Zum Beispiel ist er dadurch gekennzeichnet, dass das Filterelement ein durchlässiger Film ist, der verhindert, dass ein bestimmtes Gas es durchdringt. Zum Beispiel ist er dadurch gekennzeichnet, dass das Filterelement ein wasserdichter Film ist. Zum Beispiel ist er dadurch gekennzeichnet, dass das Gassensorelement ein selbsterwärmendes Sensorelement ist, das aus einem gesinterten Keramikkörper hergestellt ist. Zum Beispiel ist er dadurch gekennzeichnet, dass das Außenglied ein Urethanharzmaterial ist. Zum Beispiel ist er dadurch gekennzeichnet, dass das Filterglied unter Verwendung eines Urethanharzklebstoffs, der auf Umfangsränder der Öffnungen aufgebracht ist, befestigt ist. Zum Beispiel ist er dadurch gekennzeichnet, dass das Außenglied so gebildet ist, dass es mindestens an den Endteilen des Gehäuses vorgesehene Elektroden bedeckt. Zum Beispiel ist er dadurch gekennzeichnet, dass er ferner eine Struktur aufweist, bei der eine aus dem Urethanharzmaterial des Außenglieds hergestellte erste Schicht und eine aus dem Urethanharzklebstoff hergestellte zweite Schicht zwischen den Elektroden und dem Filterglied vorgesehen sind.
Des Weiteren ist die vorliegende Erfindung durch ein Herstellungsverfahren eines Gassensors gekennzeichnet, der ein Gassensorelement in einem Gehäuse mit Luftlöchern aufnimmt, wobei das Verfahren die Folgenden Schritte beinhaltet: Schließen der Luftlöcher unter Verwendung von Stopfengliedern; Abdichten des Gehäuses, das die geschlossenen Luftlöcher aufweist, mit einem isolierenden Außenglied; Entfernen der Stopfenglieder aus den Luftlöchern nach Aushärten des Außenglieds; und Befestigen von Filtergliedern dahingehend, die gesamten Öffnungen zu bedecken, die mit den in Teilen, bei denen die Stopfenglieder entfernt worden sind, gebildeten Luftlöchern in Verbindung stehen.
Zum Beispiel ist es dadurch gekennzeichnet, dass das Außenglied so gebildet wird, dass es mindestens an Endteilen des Gehäuses vorgesehene Elektroden bedeckt.
Ergebnisse der Erfindung
Gemäß der vorliegenden Erfindung können ein Gassensor zur Verwendung sowohl in Luft als auch in Flüssigkeit, der in leitenden Lösungen und leitenden Materialien betrieben werden kann, und ein Herstellungsverfahren dafür bereitgestellt werden.
Figurenliste

1 ist eine perspektivische Außenansicht eines Gassensors gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
2 ist ein Querschnitt des Gassensors von 1 entlang einer durch die Pfeile A-A' angezeigten Schnittlinie;
3 ist eine perspektivische Außenansicht eines den Gassensor konfigurierenden Sauerstoffsensors;
4 ist ein Flussdiagramm, das Herstellungsschritte eines Sauerstoffsensorelements in zeitlicher Reihenfolge zeigt;
5 ist ein Flussdiagramm, das die Herstellungsschritte des das Sauerstoffsensorelement verwendenden Sauerstoffsensors in zeitlicher Reihenfolge zeigt;
6 ist ein Flussdiagramm, das die Herstellungsschritte des Gassensors gemäß der Ausführungsform in zeitlicher Reihenfolge zeigt;
7A und 7B zeigen schematische Darstellungen zur Erläuterung der Herstellungsschritte des Gassensors;
8A und 8B zeigen schematische Darstellungen zur Erläuterung der Herstellungsschritte des Gassensors;
9 ist eine schematische Darstellung zur Erläuterung eines Gassensors gemäß dem modifizierten Beispiel 1;
10 ist eine perspektivische Außenansicht eines Gassensors gemäß dem modifizierten Beispiel 3 ;
11 ist eine perspektivische Außenansicht eines Gassensors gemäß dem modifizierten Beispiel 4; und
12 ist eine perspektivische Explosionsdarstellung eines Gassensors gemäß dem modifizierten Beispiel 5.

BESCHREIBUNG VON AUSFÜHRUNGSFORMEN
Es wird nunmehr eine Ausführungsform gemäß der vorliegenden Erfindung mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben. 1 ist eine perspektivische Außenansicht eines Gassensors gemäß der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, und 2 ist ein Querschnitt des Gassensors von 1 entlang einer durch die Pfeile A-A' angezeigten Schnittlinie. Es sei darauf hingewiesen, dass als Beispiel hier zwar ein Sauerstoffsensor als der Gassensor angeführt wird, aber auch ein Gassensor mit einem anderen Gas außer Sauerstoff als ein Detektionsziel verwendet werden kann.
Wie in 1 und 2 dargestellt ist, gewährleistet ein Gassensor 10 gemäß der Ausführungsform dadurch eine Wasserdichtigkeitseigenschaft usw., dass er eine Struktur aufweist, bei der ein Sauerstoffsensor 1 in seiner Gesamtheit mit einem aus einem wärmebeständigen Harz wie beispielsweise Polyurethan hergestellten äußeren Material 15 bedeckt (überzogen) ist und bei der in beiden Endteilen des Sauerstoffsensors 1 ausgebildete Luftlöcher 8a und 8b mit wasserdichten Stoffen 5a und 5b bedeckt sind, die Filterglieder sind, die als luftdurchlässige Filter und wasserdichtende Glieder wirken. Die wasserdichten Stoffe 5a und 5b sind zum Beispiel aus GORE-TEX® usw. hergestellte gasdurchlässige Filme.
Unter dem Gesichtspunkt, dass eine gute Haftung erhalten wird, wenn das äußere Material und der Klebstoff durch das gleiche Material gebildet werden, werden hier zum Beispiel Urethanharzklebstoffe 6a und 6b, die das gleiche Harz wie das äußere Material 15 sind, auf die Außenumfangsränder der Luftlöcher 8a und 8b aufgebracht, um die wasserdichten Stoffe 5a und 5b zum Bedecken der Luftlöcher 8a und 8b zu befestigen. Zum Beispiel können als ein Klebstoff mit hervorragender Wasserbeständigkeit Vinylchloridharzklebstoff, Epoxidharzklebstoff, Silikonharzklebstoff usw. verwendet werden.
3 ist eine perspektivische Außenansicht des Sauerstoffsensors 1. Der Sauerstoffsensor 1 weist eine Struktur auf, bei der ein Sauerstoffsensorelement 3 in einem beispielsweise aus wärmebeständigem Glas hergestellten zylindrischen Glasrohr 2 aufgenommen ist. Das Sauerstoffsensorelement 3 ist aus einem gesinterten Keramikkörper hergestellt, und sein zentraler Teil erzeugt Wärme mit einer hohen Temperatur von ungefähr 900°C bei Verbindung mit einer Energiequelle und dadurch Empfang eines elektrischen Stroms, wobei ein lokaler Wärmeerzeugungsteil (auch als Hotspot bezeichnet) ein Sauerstoffkonzentrationsdetektor sein wird.
Das heißt, das Sauerstoffsensorelement 3 ist ein selbsterwärmender Sensor, der keine Heizvorrichtung erfordert, wodurch die Erzeugung eines Hotspots bei Zufuhr von elektrischer Energie gestattet wird. Durch das Sauerstoffsensorelement 3 fließender elektrischer Strom ist von der Sauerstoffkonzentration in der Atmosphäre abhängig, wenn das Sensorelement platziert ist.
Aus Kupfer (Cu) usw. hergestellte leitende Metallkappen (auch als Mundstücke bezeichnet) 7a und 7b sind auf beiden Enden des Glasrohrs 2 angeordnet. Des Weiteren sind zum Beispiel aus Silberpaste (Ag-Paste) hergestellte Elektroden 3a und 3b an beiden Endteilen des Sauerstoffsensorelements 3 gebildet, und die Elektroden sind über Silberdrähte 4a und 4b mit den jeweiligen leitenden Kappen 7a und 7b elektrisch verbunden.
Das Sauerstoffsensorelement 3 ist so angeordnet, dass die Längsrichtung des Sauerstoffsensorelements 3 in der Achsrichtung des Glasrohrs 2 verläuft, um das Glasrohr 2 nicht zu berühren. Ferner weist es eine Struktur auf, bei der Luftlöcher 8a und 8b in jeweiligen Endflächen (Bodenflächen) der leitenden Kappen 7a und 7b gebildet sind und bei der das Sauerstoffsensorelement 3 in dem Glasrohr 2 leicht einem durch die Luftlöcher 8a und 8b fließenden Konzentrationsmessziel (Sauerstoff) ausgesetzt wird.
Darüber hinaus sind Energiekabel 9a und 9b, die das Sauerstoffsensorelement 3 mit elektrischer Energie versorgen und einen Strommesser zum Detektieren von Sauerstoffkonzentrationsmessergebnissen als elektrische Stromwerte anschließen, mit den jeweiligen leitenden Kappen 7a und 7b verlötet (durch Bezugszahlen 12a und 12b gezeigt). Dies gewährleistet mechanische und elektrische Verbindungen zwischen dem Sauerstoffsensor 1 und den Energiekabeln 9a und 9b.
Die Außenabmessungen (Größe) des Sauerstoffsensors 1 beinhalten zum Beispiel einen Glasrohrdurchmesser von 5 mm, eine Glasrohrlänge von 20 mm und einen Luftlochdurchmesser von 2,5 mm. Des Weiteren weist das Sauerstoffsensorelement 3 zum Beispiel eine Länge von 5 mm auf. Durch solche Abmessungen wird das Sauerstoffsensorelement über die Luftlöcher des Glasrohrs austauschbar. Der Durchmesser der Luftlöcher kann den oben angeführten Abmessungen entsprechen oder kleiner als diese sein, um übermäßigen Windzustrom zu dem Glasrohr zu reduzieren.
Als Nächstes wird ein Herstellungsverfahren des Gassensors gemäß der Ausführungsform beschrieben. Zunächst wird ein Herstellungsverfahren des den Gassensor bildenden Sauerstoffsensorelements beschrieben. 4 ist ein Flussdiagramm, das Herstellungsschritte eines Sauerstoffsensorelements in zeitlicher Reihenfolge zeigt.
Das Sauerstoffsensorelement 3 ist ein gesinterter Keramikkörper, der aus einem Oxid-Supraleiter hergestellt ist, welcher ein Seltenerdenelement wie beispielsweise LnBa₂Cu₃O_7-δ beinhaltet. In Schritt S1 von 4 werden Sauerstoffsensorelementrohmaterialien wie beispielsweise Y₂O₃, La₂O₃, BaCO₃, CaCO₃ und CuO unter Verwendung einer elektronischen analytischen Waage usw. gewogen und miteinander vermischt, um eine vorbestimmte Zusammensetzung herzustellen
Ln (Seltenerdenelement) der Sauerstoffsensorelementmaterialien ist Sc (Scandium), Y (Yttrium), La (Lanthan), Nd (Neodym), Sm (Samarium), Eu (Europium), Gd (Gadolinium), Dy (Dysprosium), Ho (Holmium), Er (Erbium), Tm (Thulium), Yb (Ytterbium), oder Lu (Lutetium) usw., und δ stellt einen Sauerstoffmangel (0-1) in der obigen Zusammensetzung LnBa₂Cu₃O_7-δ dar.
In Schritt S3 werden die in Schritt S1 gewogenen und miteinander vermischten Rohmaterialien des Sauerstoffsensorelements unter Verwendung einer Kugelmühle gemahlen. Ein Mahlen kann auch unter Verwendung einer Festphasenmethode oder einer Flüssigphasenmethode wie beispielsweise mit einer Perlmühle unter Verwendung von Mahlmedien als Perlen durchgeführt werden. Im anschließenden Schritt S5 wird das wie oben beschrieben gemahlene Material (Rohmaterialpulver) zum Beispiel für 5 Stunden in der Atmosphäre bei 900°C wärmebehandelt (Vorbrennen). Durch Vorbrennen werden Reaktivität und Korngröße eingestellt.
Als Nächstes wird dem vorgebrannten Gemisch in Schritt S7 eine wässrige Lösung oder dergleichen eines Bindeharzes (zum Beispiel Polyvinylalkohol (PVA)) zugesetzt, um ein granuliertes Pulver herzustellen, und dann wird das granulierte Pulver mit einem Pressdruck beaufschlagt und geformt. Hier wird zum Beispiel ein flächiges Glied (pressgeformter Körper) mit einer Dicke von 300 µm hergestellt. Es sei darauf hingewiesen, dass das Formen durch ein hydrostatisches Pressverfahren, Heißpressverfahren, Rakelverfahren, Druckverfahren oder Dünnschichtverfahren durchgeführt werden kann.
In Schritt S9 erfolgt ein Zerteilen. Das heißt, das geformte flächige Glied wird zu einer vorbestimmten Produktgröße und -form (z. B. 0,3 x 0,3 x 7 mm lineare Form) zugeschnitten. Es sei darauf hingewiesen, dass je kleiner die Größe und der Durchmesser des Sauerstoffsensorelements, desto höher die Einsparung an elektrischer Energie, und somit kann sich die Produktgröße von der oben genannten Größe unterscheiden.
In Schritt S11 wird das zerteilte Sauerstoffsensorelement für 10 Stunden in Atmosphärenluft bei zum Beispiel 920°C gebrannt. Obgleich die Brenntemperatur 900 bis 1000°C betragen kann, sei darauf hingewiesen, dass die Brenntemperatur gemäß der Zusammensetzung geändert werden kann, da eine optimale Temperatur in Abhängigkeit von der Zusammensetzung variiert. Darüber hinaus kann vor dem Brennen ein Entbinden durchgeführt werden.
In Schritt S13 werden beide Enden des sich ergebenden Sauerstoffsensorelements in Silber (Ag) eingetaucht und damit überzogen und für 10 Minuten bei 150°C getrocknet, wodurch Elektroden gebildet werden. In Schritt S15 wird ein Silberdraht (Ag-Draht) mit beispielsweise einem Durchmesser von 0,1 mm durch ein Verbindungsverfahren wie beispielsweise Drahtbonden an den in dem oben beschriebenen Schritt S13 gebildeten Elektroden befestigt und dann für 10 Minuten bei 150°C getrocknet. Es sei darauf hingewiesen, dass die Anschlusselektroden nach dem Trocknen bei einer vorbestimmten Temperatur gebrannt werden können.
Die Elektroden und das Drahtmaterial, die oben beschrieben werden, können aus einem anderen Material als Silber (Ag) bestehen wie beispielsweise eine Elektrode aus Gold (Au), Platin (Pt), Nickel (Ni), Zinn (Sn), Kupfer (Cu), Harz usw. Des Weiteren kann zum Bilden der Elektroden ein Druckverfahren oder ein Filmhaftungsverfahren wie beispielsweise Sputtern verwendet werden. Darüber hinaus können elektrische Kennwerte des durch die oben beschriebenen Schritte hergestellten Sauerstoffsensorelements zum Beispiel auch unter Verwendung eines Vierpolverfahrens als einen letzten Schritt in 4 bewertet werden.
5 ist ein Flussdiagramm, das die Herstellungsschritte des das unter Verwendung des in 4 gezeigten Verfahrens hergestellten Sauerstoffsensorelements verwendenden Sauerstoffsensors in zeitlicher Reihenfolge zeigt. In Schritt S21 von 5 wird das Sauerstoffsensorelement 3 über die Luftlöcher 8a und 8b der leitenden Kappen 7a und 7b, die beide Enden des Glasrohrs 2 bedecken (siehe 3), in das Glasrohr eingesetzt.
In Schritt S23 werden die sich von den Elektroden an beiden Endteilen des Sauerstoffsensorelements 3 erstreckenden Silberdrähte 4a und 4b durch Löten usw. mit den jeweiligen leitenden Kappen 7a und 7b verbunden. Dann werden in Schritt S25 die Energiekabel 9a und 9b durch Löten usw. mit den jeweiligen leitenden Kappen 7a und 7b verbunden. Dies gewährleistet elektrische Verbindungen zwischen den Silberdrähten 4a und 4b und den jeweiligen Energiekabeln 9a und 9b.
6 ist ein Flussdiagramm, das die Herstellungsschritte des Gassensors gemäß der Ausführungsform in zeitlicher Reihenfolge zeigt. 7A, 7B, 8A und 8B zeigen schematische Darstellungen zur Erläuterung der Herstellungsschritte des Gassensors. In Schritt S31 von 6 werden Stopfen 21a und 21b in die jeweiligen Luftlöcher 8a und 8b eingesetzt, wie in 7A dargestellt ist, so dass die Luftlöcher des Sauerstoffsensors bei später beschriebenem Aufbringen einer Harzbeschichtung nicht durch das Harz verschlossen werden.
In Schritt S33 wird der die verschlossenen Luftlöcher aufweisende Sauerstoffsensor 1 in seiner Gesamtheit in einem aus Metall oder Harz usw. hergestellten Formwerkzeug 25 aufgenommen, wie in 7B dargestellt ist. Dann wird in Schritt S35 ein isolierendes Harz 27 wie beispielsweise Polyurethan zum Beispiel unter Verwendung einer Harzdüse 40 oder dergleichen in das Formwerkzeug 25 gegossen, wodurch eine isolierende Beschichtung auf den Sauerstoffsensor 1 und die Energiekabel 9a und 9b aufgebracht wird.
Nach dem Aushärten des isolierenden Harzes 27 wird der Sauerstoffsensor 1 in Schritt S37 aus dem Formwerkzeug 25 genommen, und in dem nachfolgenden Schritt S39 werden die Stopfen 21a und 21b, die vor dem Aufbringen der isolierenden Beschichtung in die Luftlöcher 8a und 8b eingesetzt wurden, entfernt, wie in 8A dargestellt ist. Durch das Entfernen der Stopfen werden Öffnungen 29a und 29b, die mit den Luftlöchern 8a und 8b des Sauerstoffsensors 1, auf dem die isolierende Beschichtung aufgebracht wird, verbunden sind, in dem Gassensor 10 gebildet.
In Schritt S41 wird die gleiche Art von Urethanharzklebstoffen 6a und 6b wie das äußere Material 15 auf die Außenumfangsränder der Luftlöcher 29a und 29b aufgebracht, wie in 8B dargestellt ist. Dann werden in Schritt S43 die wasserdichten Stoffe 5a und 5b, die in einer vorbestimmten Größe ausgeschnittene luftdurchlässige Filterglieder sind, dahingehend befestigt, die Öffnungen 29a und 29b zu bedecken. In gestrichelten Kreisen von 8B befinden sich Querschnittsblockdiagramme eines X-Teils und eines Y-Teils des Gassensors 10, die in der Darstellung die wasserdichten Stoffe 5a und 5b zeigen, welche unter Verwendung der Harzklebstoffe 6a und 6b befestigt sind, um die jeweiligen Öffnungen 29a und 29b zu bedecken.
Es sei darauf hingewiesen, dass beim Aufbringen der isolierenden Beschichtung auf den Sauerstoffsensor 1 und die Energiekabel 9a und 9b ein Tauchverfahren ohne Verwendung eines Formwerkzeugs verwendet werden kann. Wenn jegliches Formwerkzeug unnötig ist, gestattet dies eine Vereinfachung der Herstellungsschritte und eine kostengünstige Beschichtung. Des Weiteren kann der Gassensor 10 eine Struktur aufweisen, bei der eine isolierende Beschichtung auf mindestens die leitenden Kappen 7a und 7b aufgebracht wird, ohne den Sauerstoffsensor 1 in seiner Gesamtheit zu beschichten, wodurch Glasteile freigelegt werden. Dies gewährleistet auch eine Wasserdichtigkeitseigenschaft.
Obgleich dies in den Zeichnungen weggelassen ist, kann der Gassensor 10 von 1 usw. alternativ auch eine Struktur aufweisen, bei der netzartige Glieder an den Außenseiten der wasserdichten Stoffe 5a und 5b befestigt sind, die als Filterglieder wirken, welche die jeweiligen Luftlöcher 8a und 8b und die jeweiligen Öffnungen 29a und 29b bedecken. Die netzartigen Glieder verhindern somit ein Eindringen von Staub usw., das in dem zu messenden Gas mitschwebt. Des Weiteren ist eine Struktur, bei der nur eine der Öffnungen des Gassensors 10 mit einem wasserdichten Stoff bedeckt ist, möglich.
Als Nächstes werden Prüfungsergebnisse einer Isoliereigenschaft usw. des Gassensors gemäß der Ausführungsform mit der oben beschriebenen Struktur beschrieben. Tabelle 1 führt die Ergebnisse eines Vergleichs einer Isoliereigenschaft usw. des Gassensors gemäß der Ausführungsform auf dem die isolierende Beschichtung aufgebracht ist, mit jenen des herkömmlichen Sensorelements ohne eine isolierende Beschichtung sowohl in der Luft als auch in Salzlösung an. Bei dem Gassensor der Ausführungsform ist gemäß Arbeitsbeispiel 1 unter Verwendung eines Formwerkzeugs eine Beschichtung aus Polyurethanharz aufgebracht, während gemäß Arbeitsbeispiel 2 die Beschichtung aus Polyurethanharz durch Tauchen aufgebracht ist.

[Tabelle 1]

	Elektrischer Widerstand		Isoliereigenschaft
	In Luft	In Salzlösung	Isoliereigenschaft
Arbeitsbeispiel 1	1GΩ oder darüber	1GΩ oder darüber	Gut
Arbeitsbeispiel 2	1GΩ oder darüber	1GΩ oder darüber	Gut
Herkömmliches Beispiel	1GΩ oder darüber	Mehrere kΩ	Schlecht

Hier ist das Sensorelement in einem geöffneten Zustand gesetzt, um die Isoliereigenschaft usw. zwischen äußeren Elektroden und der Lösung infolge der Beschichtungsstruktur zu bewerten. Als Ergebnis der Bewertung hat sich herausgestellt, dass, während der Hotspot eines Sensorelements gemäß einem herkömmlichen Beispiel eine Abnahme der Isoliereigenschaft in der Salzlösung zeigt, der Hotspot des Sensorelements gemäß Arbeitsbeispielen 1 und 2 zeigt, dass selbst in der Salzlösung eine ausreichende Isoliereigenschaft gewährleistet wird.
Das heißt, der Gassensor (Sauerstoffsensor der Hotspot-Art) gemäß der Ausführungsform, auf dem eine isolierende Beschichtung aufgebracht ist und in dem die Öffnungen mit wasserdichten Stoffen mit Luftdurchlässigkeit bedeckt sind, kann Sensoreigenschaften aufrechterhalten, ohne den Hotspot zu verlieren, selbst wenn er als ein Gassensor in einer Salzlösung betrieben wird. Der herkömmliche Sensor, auf dem keine isolierende Beschichtung aufgebracht ist, verliert hingegen seine Sensoreigenschaften, da eine Salzlösung in das das Sensorelement aufnehmende Gehäuse eindringt.
Wie oben beschrieben wurde, gestattet die Verwendung einer Struktur, bei der eine isolierende Beschichtung aus einem isolierenden Harz (äußeres Harzmaterial) auf den Sauerstoffsensor aufgebracht ist, der durch ein in einem Gehäuse aufgenommenes selbsterwärmendes Sauerstoffsensorelement gebildet wird und in dem die mit den Luftlöchern in dem Gehäuse verbundenen Öffnungen mit wasserdichten Stoffen mit Luftdurchlässigkeit bedeckt sind, dass der Gassensor zur Verwendung sowohl in Luft als auch in Flüssigkeit eine isolierende Eigenschaft, eine wasserdichte Eigenschaft und thermische Sicherheit aufweist.
Das heißt, bei der Struktur, bei der die auf den Endteilen des Sauerstoffsensors vorgesehenen Metallelektrodenkappen in der Gasmessumgebung nicht nach außen freiliegen, leckt der durch den Sauerstoffsensor fließende elektrische Strom nicht über die Elektrodenkappen in einem leitenden Material oder Flüssigkeit wie beispielsweise Wasser, Meerwasser, Beton oder eine Kulturlösung aus. Aus diesem Grunde ist die Detektion einer Gaskonzentration gemäß einer genauen Sensorausgabe sowohl in einer Luft- als auch Flüssigkeitsumgebung als die zu messende Atmosphäre möglich.
Da die wasserdichten Stoffe unter Verwendung eines dem äußeren Harzmaterial gleichenden Harzklebstoffs an dem äußeren Harzmaterial befestigt sind, kann des Weiteren eine stärkere Anbindung zwischen den wasserdichten Stoffen und dem äußeren Harzmaterial gewährleistet werden.
Ferner haben die wasserdichten Stoffe, die so angeklebt sind, dass sie die mit den Luftlöchern des Sauerstoffsensors verbundenen Öffnungen bedecken, eine Wasserdichtigkeitswirkung sowie eine Wirkung dahingehend, dass sie Wind nicht direkt gegen das in einem Glasrohr angeordnete Sauerstoffsensorelement blasen lassen. Infolgedessen kann der Sauerstoffsensor, der einen Heizteil des Sauerstoffsensorelements als einen Sauerstoffkonzentrationsdetektor aufweist, verhindern, dass das Sensorelement aufgrund des Winds Wärme verliert, und verhindern, dass die Sauerstoffdetektionsleistung beeinträchtigt wird, was zu einer genauen Messung der Sauerstoffkonzentration in der zu messenden Atmosphäre führt.
Der Gassensor der vorliegenden Erfindung ist nicht auf die oben beschriebene Ausführungsform beschränkt, und es sind verschiedene Modifikationen möglich. Als Nächstes werden modifizierte Beispiele der Ausführungsform beschrieben.
<Modifiziertes Beispiel 1>
Gemäß der oben beschriebenen Ausführungsform werden die Stopfen 21a und 21b in die jeweiligen Luftlöcher 8a und 8b des Sauerstoffsensors 1 eingesetzt, und nach dem Aushärten des in das Formwerkzeug 25 gegossenen isolierenden Harzes 27 werden die Stopfen entfernt, und die wasserdichten Stoffe 5a und 5b werden mit dem Harzklebstoff 6a und 6b dazu befestigt, die Öffnungen 29a und 29b, die mit den jeweiligen Luftlöchern 8a und 8b in Verbindung stehen, zu bedecken. Das Verfahren zum Befestigen der wasserdichten Stoffe 5a und 5b ist jedoch nicht darauf beschränkt.
Vor dem Aufbringen der isolierenden Beschichtung das Sauerstoffsensorelement 3 in dem Glasrohr 2 anordnen und die Silberdrähte 4a und 4b des Sauerstoffsensorelements 3 mit den jeweiligen leitenden Kappen 7a und 7b verbinden und gleichzeitig einen Sauerstoffsensor 31 vorbereiten, an dem die wasserdichten Stoffe 5a und 5b befestigt sind, um die Luftlöcher 8a und 8b zu bedecken. Dann den gesamten Sauerstoffsensor 31 in einem in 9 dargestellten Formwerkzeug 35 platzieren, wobei Vorsprünge 35a und 35b, die in Positionen vorgesehen sind, die den jeweiligen Luftlöchern 8a und 8b zugekehrt sind, die jeweiligen Außenseiten der wasserdichten Stoffe 5a und 5b berühren.
Dann wird das isolierende Harz 27 wie beispielsweise Polyurethan in das Formwerkzeug 35 gegossen, wodurch eine isolierende Beschichtung auf den Sauerstoffsensor 31 und die Energiekabel 9a und 9b aufgebracht wird. Infolgedessen können die wasserdichten Stoffe 5a und 5b an den jeweiligen Luftlöchern 8a und 8b des Sauerstoffsensors 31, auf dem die isolierende Beschichtung aufgebracht ist, unter Verwendung eines Teils des isolierenden Harzes 27 fixiert werden, um die Luftlöcher 8a und 8b zu bedecken, was zu einem Gassensor mit Wasserdichtigkeitseigenschaft usw. zur Verwendung sowohl in Luft als auch in Flüssigkeit führt. Selbst in diesem Fall kann eine Struktur, bei der nur eines der Luftlöcher des Sauerstoffsensors 1 mit einem wasserdichten Stoff bedeckt ist, verwendet werden.
<Modifiziertes Beispiel 2>
Anstelle der leitenden Kappen 7a und 7b aus Metall, die, wie oben beschrieben, an einem Aufnahmegehäuse (Glasrohr) des Sauerstoffsensorelements 3 angebracht sind, kann, obgleich in den Zeichnungen weggelassen, eine Struktur verwendet werden, bei der aus Harz hergestellte Kappen, die Luftlöcher aufweisen, an beiden Endteilen angeordnet sind und bei der von den Endteilen des Sauerstoffsensorelements führende Elektrodendrähte direkt mit den Energiekabeln verbunden sind. Da keine Metallelektroden (Kappen) vorhanden sind, kann eine Leckage elektrischen Stroms, der über die Kappen durch den Sauerstoffsensor nach außen fließt, unterbunden werden.
<Modifiziertes Beispiel 3>
Der Aufnahmeteil (Aufnahmegehäuse) des Sauerstoffsensorelements 3 des Sauerstoffsensors 1 ist nicht auf ein Glasrohr beschränkt und kann zum Beispiel ein zylindrisches Glied sein, das eine Isoliereigenschaft und eine Wärmebeständigkeitseigenschaft aufweist. Wie in 10 dargestellt ist, ist es insbesondere ein Gassensor mit einer Struktur, die in einem zylindrischen Glied 50 integriert ist, das eine Isoliereigenschaft und eine Wärmebeständigkeitseigenschaft aufweist, wobei ohne Bereitstellung von Kappen in beiden Endteilen Luftlöcher 58a und 58b ausgebildet sind. Dann werden wasserdichte Stoffe 55a und 55b mit Luftdurchlässigkeit dazu befestigt, die Luftlöcher 58a bzw. 58b zu bedecken.
Der Gassensor weist auf diese Weise eine kappenlose Struktur auf, und die Struktur mit Elektrodendrähten 54a und 54b, die von den Endteilen des Sauerstoffsensorelements 3 führen und direkt mit den Energiekabeln 9a und 9b verbunden sind, können eine Leckage eines elektrischen Stroms, der über die Elektroden (Kappen) durch das Sauerstoffsensorelement nach außen fließt, unterbinden. Da der Oxidsensor nicht mit einem isolierenden Harz (äußeres Harzmaterial) bedeckt werden muss, können Herstellungskosten reduziert werden.
<Modifiziertes Beispiel 4>
Ein in 11 dargestellter Gassensor ist ein Beispiel, das auch eine kappenlose Struktur aufweist. Jedoch weist der Sensor im Gegensatz zu dem modifizierten Beispiel 3 von 10 eine Struktur auf, bei der keine Luftlöcher in beiden Enden eines zylindrischen Glieds 60 mit der Isoliereigenschaft und der Wärmebeständigkeitseigenschaft ausgebildet sind. Das heißt, in der Nähe des zentralen Teils des Oxidsensorelements 3 und in dem zentralen Teil des zylindrischen Glieds 60 ist ein Luftloch 68 vorgesehen, und ein wasserdichter Stoff 65 mit Luftdurchlässigkeit ist dazu befestigt, das Luftloch 68 zu bedecken.
Selbst in dem in 11 dargestellten Beispiel sind Elektrodendrähte 64a und 64b, die von den Endteilen des Sauerstoffsensorelements 3 führen, direkt mit den jeweiligen Energiekabeln 9a und 9b verbunden, wodurch eine Leckage eines elektrischen Stroms, der über die Elektroden (Kappen) durch das Sauerstoffsensorelement nach außen fließt, unterbunden wird. Da der Oxidsensor des modifizierten Beispiels 4 ferner auch nicht mit einem isolierenden Harz (äußeres Harzmaterial) bedeckt werden muss, können Herstellungskosten reduziert werden.
<Modifiziertes Beispiel 5)
12 stellt einen Gassensor mit einer Struktur dar, die lösbare Kappen 76a und 76b mit der gleichen Isoliereigenschaft und Wärmebeständigkeitseigenschaft wie jene des zylindrischen Glieds 70 aufweist. Außengewindeglieder 81a und 81b mit einer vorbestimmten Steigung weisen Schraubengänge in beiden Endteilen des zylindrischen Glieds 70 auf. Des Weiteren weisen Innengewindeglieder 83a und 83b mit einer der Steigung der Außengewindeglieder 81a und 81b entsprechenden Steigung Schraubengänge in Innenwänden der Kappen 76a und 76b auf.
Ferner sind in jeweiligen Endflächen (Bodenteilen) der Kappen 76a und 76b Luftlöcher 78a und 78b ausgebildet, und wasserdichte Stoffe 75a und 75b mit Luftdurchlässigkeit sind dazu befestigt, die Luftlöcher 78a und 78b zu bedecken. Durch Drehen der Kappen 76a und 76b in Pfeilrichtungen von 12, während sie gleichzeitig an den Endteilen des zylindrischen Glieds 70 gepresst werden, werden die Kappen 76a und 76b in das zylindrische Glied 70 geschraubt. Infolge solch eines Einschraubens werden Isoliereigenschaft und Wärmebeständigkeitseigenschaft usw. bereitgestellt, wodurch ein Gassensor sowohl zur Verwendung in Luft als auch in Flüssigkeit mit durchlässigen wasserdichten Filmen an beiden Enden des zylindrischen Glieds 70 bereitgestellt wird.
Da der in 12 dargestellte Oxidsensor von den Endteilen des Sauerstoffsensorelements 3 führende Elektrodendrähte 74a und 74b aufweist, die direkt mit den jeweiligen Energiekabeln 9a und 9b verbunden sind, und die Kappen elektrisch isolierend sind, kann er eine Leckage eines elektrischen Stroms, der durch das Sauerstoffsensorelement über die Kappen nach außen fließt, unterbinden. Da der Oxidsensor nicht mit einem isolierenden Harz (äußeren Harzmaterial) bedeckt werden muss, können Herstellungskosten reduziert werden. Des Weiteren gestattet die Verwendung einer Struktur mit den Kappen 76a und 76b in einer lösbaren Schraubform den Austausch der gesamten Kappen, wenn die wasserdichten Stoffe 75a und 75b beeinträchtigt, verunreinigt usw. sind
Bezugszeichenliste

1, 31:: Sauerstoffsensor

2:: Glasrohr
3, 10, 11:: Sauerstoffsensorelement
3a, 3b:: Elektrode
4a, 4b, 54a, 54b, 64a, 64b:: Silberdraht
5a, 5b, 55a, 55b, 75a, 75b:: Wasserdichter Stoff
6a, 6b:: Harzklebstoff
7a, 7b:: Leitende Kappe (Mundstück)
8a, 8b, 58a, 58b, 78a,78b:: Luftloch
9a, 9b:: Energiekabel
10:: Gassensor
15: Äußeres: Material
21a, 21b:: Stopfen
25, 35:: Formwerkzeug
27:: Isolierendes Harz
29a, 29b:: Öffnung
35a, 35b:: Vorsprung
50, 60:: Zylindrisches Glied
76a, 76b:: Kappe
81a, 81b:: Außengewindeglied
83a, 83b:: Innengewindeglied

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

JP 2015034819 A [0005]
JP 2007085816 A [0005]
JP 2018013403 A [0005]

Claims

Gassensor, umfassend: ein Gassensorelement, das in einem Luftlöcher aufweisenden Gehäuse aufgenommen ist; ein isolierendes Außenglied, das das Gehäuse abdichtet, während es Öffnungen aufweist, die mit den Luftlöchern in Verbindung stehen; ein Filterglied, das so angeordnet ist, dass es die gesamten Öffnungen bedeckt; und gepaarte Leitungsdrähte, die mit Endteilelektroden des Gassensorelements verbunden sind und aus dem Außenglied herausführen; wobei ein das Filterglied durchdringendes vorbestimmtes Gas durch das Gassensorelement detektiert wird.
Gassensor nach Anspruch 1, wobei das Filterglied ein durchlässiger Film ist, der verhindert, dass ein bestimmtes Gas es durchdringt.
Gassensor nach Anspruch 1, wobei das Filterglied ein durchlässiger wasserdichter Film ist.
Gassensor nach Anspruch 1, wobei das Gassensorelement ein selbsterwärmendes Sensorelement ist, das aus einem gesinterten Keramikkörper hergestellt ist.
Gassensor nach Anspruch 1, wobei das Außenglied ein Urethanharzmaterial ist.
Gassensor nach Anspruch 5, wobei das Filterglied unter Verwendung eines Urethanharzklebstoffs, der auf Umfangsränder der Öffnungen aufgebracht ist, befestigt ist.
Gassensor nach Anspruch 1, wobei das Außenglied so gebildet ist, dass es mindestens an den Endteilen des Gehäuses vorgesehene Elektroden bedeckt.
Gassensor nach Anspruch 7, ferner umfassend eine Struktur, bei der eine aus dem Urethanharzmaterial hergestellte erste Schicht des Außenglieds und eine aus dem Urethanharzklebstoff hergestellte zweite Schicht zwischen den Elektroden und dem Filterglied vorgesehen sind.
Herstellungsverfahren eines Gassensors, der ein Gassensorelement in einem Gehäuse mit Luftlöchern aufnimmt, umfassend die folgenden Schritte: Schließen der Luftlöcher unter Verwendung von Stopfengliedern; Abdichten des Gehäuses, in dem die Luftlöcher geschlossen sind, mit einem isolierenden Außenglied; Entfernen der Stopfenglieder aus den Luftlöchern nach Aushärten des Außenglieds; und Befestigen von Filtergliedern dahingehend, die gesamten Öffnungen zu bedecken, die mit den in Teilen, bei denen die Stopfenglieder entfernt worden sind, gebildeten Luftlöchern in Verbindung stehen.
Herstellungsverfahren eines Gassensors nach Anspruch 9, wobei das Außenglied so gebildet wird, dass es mindestens an Endteilen des Gehäuses vorgesehene Elektroden bedeckt.