JP2001281209A

JP2001281209A - ガスセンサ

Info

Publication number: JP2001281209A
Application number: JP2001019574A
Authority: JP
Inventors: Yasushi Matsuo; 康司松尾; Satoshi Ishikawa; 聡石川
Original assignee: NGK Spark Plug Co Ltd
Current assignee: Niterra Co Ltd
Priority date: 2000-01-27
Filing date: 2001-01-29
Publication date: 2001-10-10
Anticipated expiration: 2021-01-29
Also published as: JP4476500B2

Abstract

(57)【要約】【課題】排気ガス中の検出ガスを検出する素子を、主
体金具に気密にシールして支持する為のシール用の充填
粉末を提供する。【解決手段】ガスセンサは、素子２が、主体金具１の
中空部１０１の中に配置される。素子２と主体金具１の
間の隙間は無機粉末４によって充填されることで素子２
と主体金具１との間の間隙は気密にシールされる。無機
粉末としては、示差熱分析によって７００℃以下で発熱
ピークを有さない材料を用いることで、６００℃以上の
高温の使用環境においても素子と主体金具の間の気密性
が劣化しない。無機粉末としては、ＳｉＯ_２とＭｇＯか
らなる滑石粉末を用いることが出来るが、示差熱分析で
７００℃以下において発熱ピークを有さない材料となる
ように、水ガラスなどのバインダを混入させない。成形
性を確保する為に、粉末としては原石を４００〜６００
μｍの粒径に粉砕したものを用いる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、内燃機関等から排
出される排気ガスなどの被測定ガス中の検出ガス濃度を
検出する為のガスセンサに関する。

【０００２】従来、被測定ガス中の検出ガス濃度を測定
するためのガスセンサとしては、例えば、筒状の素子を
有する酸素センサとして特開平９−１９６８８５や特開
平１１−２９５２６３に記載されたものが知られてお
り、また、特願平１１−２２８３２２号において出願人
が既に出願しているものがある。或いは、板状の素子を
有する酸素センサとしては特開平９−１２７０５０に記
載されたものが知られている。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】上記従来のガスセンサ
においては、検出ガスを検出する素子を被測定ガスが流
れる流路に配置する為の手段として、図１に示すように
貫通した内空間を有する主体金具の中空部に素子を配置
し、主体金具１と素子２の間の隙間に滑石やセラミック
等の無機粉末を充填し、素子と主体金具の間の気密性を
保持する様にしている。特に、高い気密性を必要とする
場合には、充填された無機粉末の上方の主体金具を加締
めることで、無機粉末を圧縮した状態で保持して、無機
粉末の気密性を高めている。上記の無機粉末で素子と主
体金具の間の空間を充填する場合の従来の製造方法を図
1に示す。最初に原料となる滑石としては、粒径５〜５
０μｍのものを用い、滑石１００重量部に対してと水ガ
ラス４重量部を混合し調合する。次にその混合粉末をシ
ート状に加圧成形する。次に成形体を粗く粉砕し粒径３
００〜８００μｍ程度の二次粒子に整粒する。整粒した
粉末を金型に流してから加圧しリング状に成形する。成
形したリングを素子と主体金具の間隙に挿入する。挿入
したリングを油圧プレスにて上方から押しつぶして素子
と主体金具の間隙に充填する。更に上からアルミナセラ
ミックスからなるスリーブを挿入し、主体金具の上部を
折り込んでスリーブを介して無機粉末を圧縮して気密性
を高める。上記工程において無機粉末に水ガラスを混合
するのは、無機粉末の圧縮性を向上させる為である。特
に出願人の先の出願である特願平１１−１２３１２２号
に記載されているように、水ガラス量を無機粉末１００
重量部に対して２〜７重量部とすると、リングに加工す
る際の可能性が良好になると同時に、ガスセンサに組付
ける際にも、圧縮した時に高い圧縮率で圧縮されるの
で、高い気密性のガスセンサが得られる。しかし、この
様に水ガラスを含んだ滑石を用いた場合には、６００℃
を超えるような環境下では良好な気密性が長時間維持で
きないことが出願人の調査により明らかとなった。即
ち、滑石中に水ガラスが含まれていると、６００℃以上
の温度において水ガラスが変質し、結果として滑石が粒
成長を起こしてしまうので、滑石特有の柔軟な粉末性状
が失われてしまうので、気密性が落ちてしまうのであ
る。

【０００４】本発明は、上記問題を解決するために為さ
れたものであり、その目的は、素子を主体金具内に配置
し、素子と主体金具の間を、無機粉末を用いて気密にシ
ールするタイプのガスセンサにおいて、６００℃以上の
高温環境下でも良好な気密性を維持できるガスセンサを
提供することに有る。

【０００５】

【課題を解決するための手段、および発明の効果】上記
目的を達成するため、発明者は無機粉末材料の性状に注
目し、無機粉末として示唆熱分析で７００℃までの温度
領域において発熱又は吸熱ピークが存在しない様なもの
を用いた。７００℃までの温度領域で示唆熱分析して発
熱又は吸熱ピークが存在しなければ、７００℃以下の温
度領域では、無機粉末が粒成長を起こさないので、６０
０℃以上の使用環境でも気密性を良好に維持できる。な
お、示唆熱分析によって得られるデータとして減量率を
用いた場合には、無機粉末の減量率が７００℃以下で
０．５％以下となるような無機粉末を用いても良い。こ
の場合、７００℃以下での減量率が０．５％以下である
無機粉末であれば、６００℃以上の使用環境下でも粒成
長を起こさないので、良好な気密性を保つことが出来
る。また、無機粉末として、７００℃×２４時間の熱処
理後に比表面積の変化率の絶対値（以下単に変化率とも
言う）が１９％以下のものを用いても良い。比表面積の
変化率が１９％以下ならば、６００℃以上の使用環境下
でも無機粉末の粒成長は少ないと考えることが出来る。
従って、ガスセンサの気密性は良好に保たれる。

【０００６】上記の無機粉末としては、センサ素子と主
体金具の間の絶縁を図るために絶縁性の粉末が望まし
い。特にＳｉＯ_２とＭｇＯの重量合計が、全重量に対し
て、９８ｗｔ％以上である様な滑石を用いると良好な気
密性を確保できる。また、ＳｉＯ_２とＡｌ_２Ｏ_３の重量
合計が、全重量に対して、９８ｗｔ％以上である無機粉
末を用いても良い。更にこれらの粉末を混合しても同様
に良好な気密性を確保できる。これらの無機粉末は安価
であり、圧縮性に優れているので、ガスセンサを気密に
シールするのに適している。上記の様な無機粉末を扱う
場合、ガスセンサに挿入する為にリング形状に成型した
り、粉末のまま素子と主体金具の間隙に注入したりする
為に、流動性が高く扱いやすい大きさの二次粒子に整粒
する必要がある。しかし、本質的に水ガラスを含まない
無機粉末の場合には、扱いやすい大きさの二次粒子に整
粒することは難しい。そこで、本発明では、前記の原料
となる無機粉末として、滑石等の原石を扱いやすい粒径
の粉末に砕き、直接それを用いてリングを成形したり、
素子と主体金具の間隙に注入したりすると良い。原石か
ら粉砕により直接リング形状に成形する粒子を作る場合
には、平均粒径として４００〜６００μｍとすると粒子
が流れ易く成形性が良いので、好ましい。そしてこの様
な無機粉末を主体金具と素子の間に充填するにおいて
は、主体金具を加締めることで無機粉末を圧縮状態にす
ることで、素子と主体金具の間の間隙を良好に充填する
ことが出来、気密にシールすることが出来る。

【０００７】

【発明の実施の形態】次に本発明の実施形態について一
例を挙げて説明する。図1に示すのは被測定ガス中の酸
素濃度を測定するガスセンサである。このガスセンサ
は、主体金具１は素子２を収納する内空間を有し、素子
２と主体金具１の間の間隙には下からホルダ３、無機粉
末４、スリーブ５、加締パッキン６の順に重なり、加締
パッキン６を主体金具で加締めることで、スリーブ４を
介して無機粉末３を圧縮する。加締め条件は加締め荷重
２５ＫＮで約１秒間加締める。

【０００８】無機粉末として、原料である原石を粉砕し
て粉末にしたのち、１００メッシュのふるいにかけ得ら
れたものに、ヒマシ油、水ガラス及びフェノール、水ガ
ラス及び水をそれぞれ表1に示す混合比率で混合し、従
来の方法と同様な方法で作った二次粒子（表１の比較例
２〜４）と、原石を粉砕して粉末状にしたのち、２６メ
ッシュのふるいと３６メッシュのふるいで分級して得ら
れた、平均粒径５００μｍの一次粒子（表1の実施例
１）の各種材料を用意し、示唆熱分析を行った。その結
果と７００℃で６００時間耐久した後の気密性試験の結
果を表１を示す。

【０００９】

【表１】

【００１０】なお、上記示唆熱分析は、各無機粉末試料
３０ｍｇに対して示差熱分析計ＴＧ８１０１Ｄ（リガク
株式会社製）を用いて行った。試験雰囲気は大気であ
り、昇温スピードは１０℃／ｍｉｎである。温度は室温
から１０００℃まで変化させ、その時の発熱量と減量率
を測定した。減量率は室温での試料重量を１として７０
０℃における重量減少分から計算した。気密性の試験は
以下のように行った。最初に上記各無機粉末を用いてガ
スセンサを組み立て、図２に示すような試験装置に装着
し、ガスセンサの主体金具の六角部１０２において温度
が６００℃になるようにヒータで加熱する。その状態で
素子先端側から約７００℃〜７２０℃に加熱した空気を
エアー加圧で０．６ＭＰａの正圧を加え、その状態で無
機粉末を挟んで反対側から漏洩するガス流量を測定す
る。続いて、ガスセンサを無機粉末の部分が７００℃に
なるように加熱した状態で６００時間耐久試験を行っ
た。その後再び図２の試験装置に装着し、耐久前と同じ
条件で漏洩するガス流量を測定し、耐久試験前後でガス
流量に変化が有るか否かを評価した。

【００１１】表１の結果から、示唆熱分析で７００℃以
下において発熱ピークを有さないものは耐久後において
も漏洩するガス量が殆ど変化せず、良好な気密性を維持
している。また、示唆熱分析で７００℃における減量率
が０．５％以下のものも、同様に良好な気密性を維持し
ている。また、表１の各無機粉末を粉末単体で大気雰囲
気中７００℃×２４時間の耐久試験を行った。そして、
耐久前後における比表面積の変化を測定した。結果を表
２に示す。

【００１２】

【表２】

【００１３】表１及び表２から、耐久前後で比表面積の
変化率が２０％以上のものは、気密性が劣化している。
従って、７００℃×２４時間の耐久試験前後において、
無機粉末の比表面積の変化率は１９％以下である事が望
ましい。

【００１４】ところで、上記海城滑石（共立窯業株式会
社製）は俗に滑石と呼ばれる中国海城地域にて算出され
る鉱物であり、主な成分はＳｉＯ_２とＭｇＯである。Ｓ
ｉＯ _２とＭｇＯの合計の重量が全重量の９８％以上を占
める。無機粉末としては他にもＳｉＯ_２とＡｌ_２Ｏ_３か
らなる無機粉末を用いても良い。これらの無機粉末は葉
片状或いは鱗状の形状の粒子からなり、圧縮した場合に
ばね性を生じる特性を有しているので、ガスセンサのシ
ールに利用すると有用である。また、これらの無機粉末
を混合して用いることも可能である。

【００１５】更に、上記試験で用いた無機粉末を金型で
リング状に成型したものを素子と主体金具の間隙に挿入
して図1のガスセンサを作成し、主体金具の六角部の温
度が７００度となる様な温度環境下の排気管に装着し、
約１０００時間の耐久試験を実施した。その結果を表３
に示す。

【００１６】

【表３】

【００１７】表３から解るように、本願の実施例１にお
いては１０００時間耐久後も素子と主体金具の間の気密
性は良好であった。一方、比較例の２〜３では素子と主
体金具の間の気密性は耐久前後で劣化していた。なお、
表３の気密性試験は、ガスセンサの六角部よりも前方を
６気圧の気密室に封着し、六角部を６５０℃に加熱し、
ガスセンサの六角部より後からリークする空気量を測定
して評価した。なお、下部センサの無機粉末を粉末状態
のまま素子と主体金具の間隙に注入しても同様な結果が
得られた。

【００１８】また、無機粉末として、原石を粉砕して得
られた粉末から各種の平均粒径のものを分級して用意
し、それぞれを用いてリング状に成型する試験と、粉末
のまま素子と主体金具の間隙に注入する試験を行なっ
た。結果を表４に示す。表４から解るように、無機粉末
の平均粒径が４００〜６００μｍの範囲にある場合は、
リングに成型する上で成形性が良く、また、粉末状態で
注入する場合も流動性が高いので、所定量の無機粉末を
注入することが出来るので、ガスセンサを製造する上で
望ましい。一方平均粒径が３００μｍよりも小さな場合
は、同じ量の粉末を用いても、成型されたリングや、ガ
スセンサに注入された充填寸法にばらつきが生じる。ま
た、平均粒径が６００μｍよりも大きな場合は、１つ１
つの粉末のばらつきが大きいので、注入量そのものを精
度良くコントロールすることが難しく、また、リングに
した場合はうまく粉末同士がくっつかないという問題が
生じる。

【００１９】

【表４】

【００２０】本発明は、上記の実施例に記載されたガス
センサの他にも適用が可能であり、例えば、図３に示す
ような、板型の素子のガスセンサにも用いることが出来
る。また、特開平９−１２７０４７に開示されている様
な板型素子のガスセンサの場合には、素子は一旦セラミ
ックホルダに収容された上で主体金具に収容されるの
で、気密を保持する為の無機粉末は素子と主体金具の間
隙の全てを充填せず、セラミックホルダと主体金具の間
の間隙に充填される。この様なガスセンサにおいても本
発明を適用する事で、高温においても良好な気密性を維
持することが出来る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施例のガスセンサ。

【図２】ガスセンサの気密性の試験治具。

【図３】本発明の異なる実施例のガスセンサ。

【符号の説明】

１、…主体金具２、…素子３、…無機粉末４、…スリーブ５、…加締パッキン６、…セラミックホルダ１０１、…内空間１０２、…六角部

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】被測定ガス中の検出ガス濃度を測定する為
の素子と前記素子を収容する上下方向に開放した内空間を有する
主体金具とを有し、前記主体金具と素子の間隙の少なくとも一部が無機粉末
で充填されているガスセンサであって、前記無機粉末を示差熱分析すると、７００℃までの温度
領域で発熱又は吸熱ピークが無い事を特徴とするガスセ
ンサ。
【請求項２】被測定ガス中の検出ガス濃度を測定する為
の素子と前記素子を収容する上下方向に開放した内空間を有する
主体金具とを有し、前記主体金具と素子の間隙の少なくとも一部が無機粉末
で充填されているガスセンサであって、前記無機粉末を
示唆熱分析すると、７００℃までの減量率が０．５％以
下である事を特徴とするガスセンサ。
【請求項３】被測定ガス中の検出ガス濃度を測定する為
の素子と前記素子を収容する上下方向に開放した内空間を有する
主体金具とを有し、前記主体金具と素子の間隙の少なくとも一部が無機粉末
で充填されているガスセンサであって、前記無機粉末は
７００℃×２４時間の熱処理後でも比表面積の変化率の
絶対値が１９％以下である事を特徴とするガスセンサ。
【請求項４】前記無機粉末は少なくともＳｉＯ_２とＭｇ
Ｏを含み、ＳｉＯ_２とＭｇＯの重量合計が、無機粉末の全重量に対
して、９８ｗｔ％以上である事を特徴とする請求項１乃
至３記載のガスセンサ。
【請求項５】前記無機粉末は少なくともＳｉＯ_２とＡｌ
_２Ｏ_３を含み、ＳｉＯ_２とＡｌ_２Ｏ_３の重量合計が、無機粉末の全重量
に対して、９８ｗｔ％以上である事を特徴とする請求項
１乃至３記載のガスセンサ。
【請求項６】前記無機粉末は少なくともＳｉＯ_２とＡｌ
_２Ｏ_３とＭｇＯを含みＳｉＯ_２とＡｌ_２Ｏ_３とＭｇＯの
重量合計が、無機粉末の全重量に対して、９８ｗｔ％以
上である事を特徴とする請求項１乃至３記載のガスセン
サ。
【請求項７】前記無機粉末は、一次粒子の形状が葉片状
或いは鱗状である事を特徴とする請求項１乃至６記載の
ガスセンサ。
【請求項８】原石を砕いて平均粒径４００〜６００μｍ
の粒径の無機粉末を製造し、前記無機粉末を用いて前記素子と主体金具の間隙の少な
くとも一部に充填することを特徴とするガスセンサの製
造方法。
【請求項９】前記無機粉末を用いて円環形状のリングを
成形し、前記リングを前記素子と前記主体金具の間隙の少なくと
も一部に挿入し、前記リングに圧力を加えて、圧縮状態で前記素子と主体
金具の間隙の少なくとも一部に充填することを特徴とす
る請求項９記載のガスセンサの製造方法。
【請求項１０】前記無機粉末を粉末状態で前記素子と前
記主体金具の間隙の少なくとも一部に流し込み、前記無機粉末に圧力を加えて、圧縮状態で前記素子と主
体金具の間隙の少なくとも一部に充填することを特徴と
する請求項７記載のガスセンサの製造方法。
【請求項１１】前記無機粉末は少なくともＳｉＯ_２とＭ
ｇＯを含み、ＳｉＯ_２とＭｇＯの重量合計が、無機粉末の全重量に対
して、９８ｗｔ％以上である事を特徴とする請求項８乃
至１０記載のガスセンサの製造方法。
【請求項１２】前記無機粉末は少なくともＳｉＯ_２とＡ
ｌ_２Ｏ_３を含み、ＳｉＯ_２とＡｌ_２Ｏ_３の重量合計が、無機粉末の全重量
に対して、９８ｗｔ％以上である事を特徴とする請求項
８乃至１０記載のガスセンサの製造方法。
【請求項１３】前記無機粉末は少なくともＳｉＯ_２とＡ
ｌ_２Ｏ_３とＭｇＯを含みＳｉＯ_２とＡｌ_２Ｏ_３とＭｇＯ
の重量合計が、無機粉末の全重量に対して、９８ｗｔ％
以上である事を特徴とする請求項８乃至１０記載のガス
センサの製造方法。
【請求項１４】前記無機粉末は、一次粒子の形状が葉片
状或いは鱗状である事を特徴とする請求項８乃至１３記
載のガスセンサの製造方法。