JP2002228623A

JP2002228623A - ガスセンサ

Info

Publication number: JP2002228623A
Application number: JP2001024008A
Authority: JP
Inventors: Tatsuya Yamada; 達哉山田; Yoshihiko Nakatsuka; 佳彦中塚; Shinichi Nakamura; 伸一中村
Original assignee: NGK Spark Plug Co Ltd
Current assignee: Niterra Co Ltd
Priority date: 2001-01-31
Filing date: 2001-01-31
Publication date: 2002-08-14

Abstract

(57)【要約】【課題】組み付け不良等生ずることなく、センサ素子
のクラック及び折損を防止できるガスセンサを提供す
る。【解決手段】センサ素子とヒータ素子とが張り合わせ
られた素子体１と、素子体が嵌挿される孔及び接着体１
４が収容される接着体収容部を備えるセラミックアダプ
タ１３と、接着体収容部に収容されてセラミックアダプ
タと素子体とを接着する接着体１４と、素子体に嵌挿さ
れたセラミックアダプタが内部に係止部１５１で係止さ
れて素子体を同軸的に保持するセラミックホルダ１５と
を備えるガスセンサＳにおいて、接着体による素子体と
セラミックアダプタとの接着強度が２０〜７００Ｎであ
るガスセンサ。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明はガスセンサに関す
る。更に詳しくは、製造時の組み付け不良及びセンサ素
子等の折損等を効果的に抑制できるガスセンサに関す
る。本発明のガスセンサの構造は、ジルコニア酸素セン
サ、厚膜型酸素センサ、全領域空燃比センサ、窒素酸化
物センサ、炭化水素ガスセンサ等あらゆるガスセンサに
おいて利用することができる。

【０００２】

【従来の技術】従来より、各種のガスの検知又は濃度測
定を行うことができるガスセンサが知られており、例え
ば、特開平１１−２５８２０３号公報等に開示されてい
る。これらのガスセンサとしては、例えば、図１に示す
ような、素子体にセラミックアダプタが嵌挿されて、セ
ラミックホルダ内に係止され、更に、このセラミックホ
ルダが主体金具内に取設された構造を呈するものが知ら
れている。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】本発明は、上記ガスセ
ンサの構造に鑑みてなされたものであり、ガスセンサの
製造時に組み付け不良及びセンサ素子等の折損を効果的
に抑制できるガスセンサを提供することを目的とする。

【０００４】

【課題を解決するための手段】本発明のガスセンサとし
ては、例えば、図１に示すような形態のものが挙げられ
る。即ち、内部にセンサ素子及びヒータ素子からなる素
子体１を保持して、この素子体を衝撃等から保護するセ
ラミックホルダ１５を備え、更に、内部にセラミックホ
ルダを係止して保持する主体金具２を備える。主体金具
は被測定ガスが流通する配管に取り付けるための螺子部
２１を備える。また、ガスセンサの被測定ガスに晒され
る側を前端側とすると、主体金具の前端側にはセンサ素
子の前端側に形成された検知部を保護しつつ、被測定ガ
スはこの検知部に到達し易いように設計されたプロテク
タ３１及び３２を備える。一方、主体金具の後端には、
セラミックホルダの外側を覆う内筒６を備える。更に、
内筒の後端にはセンサ素子からセンサ出力の取出しや、
センサ素子への通電を行うためのリード線、ヒータ素子
への通電を行うためのリード線等を備える外筒７を、内
筒に被せられた状態で備える。

【０００５】このようなガスセンサでは製造時に、素子
体をセラミックアダプタに挿入し、ガスセンサとして組
み立てた後のセンサ素子の検知部が適切な位置に配され
るようにセラミックアダプタと素子体との位置を調整
し、その位置でセラミックアダプタの接着体収容部に接
着体の未硬化物（以下、単に「接着体未硬化物」とい
う）を充填し、加熱して素子体とセラミックアダプタと
を接着・保持する。しかし、素子体とセラミックアダプ
タとの接着強度によっては、この適切な位置関係が維持
できない場合があったり、その後のセラミックホルダ内
に緩衝材及びガラスシール材を形成する工程において素
子体の折損を生じる場合があった。

【０００６】本発明者らは、この折損を抑制すべく検討
した結果、素子体とセラミックアダプタとの接着強度を
最適化することにより、ガスセンサ内におけるセンサ素
子の検知部を目的位置に正確に保持しつつ、素子体の折
損を効果的に抑制できることを見出し本発明を完成させ
た。

【０００７】本発明のガスセンサは、少なくともセンサ
素子を備える素子体と、該素子体が嵌挿される孔及び接
着体収容部を備えるセラミックアダプタと、該接着体収
容部において該セラミックアダプタと該素子体とを接着
する接着体と、該素子体に嵌挿された該セラミックアダ
プタが内部に係止されて該素子体を同軸的に保持するセ
ラミックホルダとを備えるガスセンサにおいて、上記接
着体による上記素子体と上記セラミックアダプタとの接
着力を、該セラミックアダプタを固定して該素子体を被
測定ガスに晒される側である前端側に後端から押圧して
移動させるに要する最低の荷重として評価した場合に、
該荷重は２０〜７００Ｎであることを特徴とする。

【０００８】上記「センサ素子」は特に限定されず、ジ
ルコニア板型酸素センサ用センサ素子、酸化物半導体型
酸素センサ用、全領域空燃比センサ用、窒素酸化物セン
サ用及び炭化水素センサ用等を用いることができる。こ
れらのセンサ素子は、通常、加熱されて使用されるため
ヒータ素子と張り合わせて使用したり、センサ素子の内
部に一体に形成された発熱抵抗体を備える。上記「素子
体」は、ガスセンサに発熱抵抗体を有さないセンサ素子
のみを備える場合はこのセンサ素子のみを表す。また、
上記のような加熱作用を有する素子や部分を有する場合
は、これらのセンサ素子とヒータ素子とを張り合わせた
ものや、センサ素子の一部に発熱抵抗体を備えて一体に
形成されたものを表す。

【０００９】上記「セラミックホルダ」は、後述するセ
ラミックアダプタに嵌挿された素子体の全体を覆い、内
部に素子体を同軸的に保持する。また、セラミックアダ
プタを内部で係止できるように前端側内部に係止部（図
１における１５１）を備える。通常、ガスセンサは冷熱
間サイクルに晒されるため、このセラミックホルダは高
い耐熱性及び機械的強度を有するアルミナ等の材料から
形成されることが好ましい。

【００１０】また、セラミックホルダ内には、保持する
素子体との間に滑石（好ましくはカオリン系滑石）、マ
グネシア、アルミナ及びジルコニア等の１種以上の粉末
を溶融させたホウケイ酸塩系ガラス等のガラスによりバ
インディングした材料からなる緩衝材が充填されること
が好ましい。これらの緩衝材は、高い耐熱性を有しなが
らも適度に柔軟性を有し、更に素子体を構成する材料に
応じて緻密度等を適宜選択できるため、冷熱間サイクル
により素子体に膨張・収縮による体積変化を生じた際に
素子体に生じるクラック及び折損を効果的に防止でき
る。この緩衝材は後端側に比べて前端側はより粗密であ
ることが好ましい。これにより更にクラック及び折損を
効果的に防止できる。

【００１１】また、セラミックホルダの後端側は、セン
サ素子の気密を確保するためにガラスシールされること
が好ましい。このガラスシールにおいては素子体の後端
側もガラスシールされていても、またガラスシールされ
ていなくてもよい。このガラスシールにより形成される
ガラスシール材としては、ホウケイ酸塩系ガラスを用い
ることができ、この様なガラスを溶融・固化させること
で得ることができる。

【００１２】上記「セラミックアダプタ」は、セラミッ
クホルダと同様な理由からアルミナ等の材料から形成さ
れることが好ましい。このセラミックアダプタは、素子
体を嵌挿できる上記「孔」（図２においては１３１）を
備え、またその外形は上記のセラミックホルダの内形に
合わせて、セラミックホルダ内に挿入し、係止できるよ
うに成形されている。

【００１３】また、セラミックアダプタは上記「接着体
収容部」（図２においては１３２）を備える。この接着
体収容部に収容された接着体は嵌挿された素子体とセラ
ミックアダプタとの両方に接してこれらを接着すること
ができる。この接着体収容部の形状は特に限定されない
が、例えば、図２に示すような、ガスセンサの被測定ガ
スに晒される側を前端側とした場合に、セラミックアダ
プタの後端側から接着体未硬化物を充填することができ
る形状であることで製造時の作業性が向上する。

【００１４】また、素子体長手方向の接着体収容部の深
さ（図２におけるＬ）は２．０〜３．５ｍｍ（より好ま
しくは２．５〜３．５ｍｍ、更に好ましくは２．７〜
３．３ｍｍ）とすることが好ましい。この接着体収容部
の深さが３．５ｍｍを超えると接着体未硬化物を接着体
収容部の前端まで完全に充填することが次第に困難とな
る傾向にあり、製造時の作業性が低下するため好ましく
ない。一方、この深さは２．０ｍｍ未満であってもよい
が、全周にわたって途切れのない接着体を形成すること
が困難となる傾向にある。

【００１５】上記「接着体」は特に限定されないが、セ
ラミック粉末、水硬化性化合物等を含有する接着体未硬
化物等を熱処理乾燥して硬化させたものを用いることが
できる。この接着体の接着力は接着体未硬化物に添加す
る粘度調整液等の量により調整することができる。ま
た、接着体は７００〜９００℃においても十分な耐熱性
を有することが好ましい。尚、この接着体は、素子体と
セラミックアダプタを接着してセンサ素子の検知部が適
切な位置に配置されるように保持する目的の他にも、素
子体とセラミックアダプタとの間を緩衝する目的、ま
た、セラミックホルダ内に充填される滑石粉末等の緩衝
材をセラミックホルダ内に保持する目的等を有する。

【００１６】この接着体による、素子体とセラミックア
ダプタとの接着力は、セラミックアダプタを固定して素
子体を前端側に後端から押圧して移動させるに要する最
低の荷重（以下、単に「最低荷重」という）として評価
した場合（既に完成品であるガスセンサでは、ガスセン
サを切断して素子体の接着体以外による保持を開放し、
素子体が接着体でのみセラミックアダプタに接着されて
いる状態として上記の測定に供するものとする）に、こ
の最低荷重は２０〜７００Ｎ（より好ましくは１００〜
７００Ｎ、更に好ましくは３００〜６００Ｎ）である。

【００１７】この最低荷重が２０Ｎ未満であると、素子
体をセラミックアダプタに接着した後の製造工程におい
て十分にその位置関係を保持することができない場合
や、セラミックホルダ内に緩衝材として粉末状物が充填
されたガスセンサにおいて、使用時にこの粉末をセラミ
ックホルダ内に保持できなくなる場合があるため好まし
くない。

【００１８】一方、最低荷重が７００Ｎを超えると（特
に１０００Ｎを超えると）、素子体をセラミックアダプ
タ内に嵌挿して接着した組立体をセラミックホルダ内に
挿入・係止した後、素子体とセラミックホルダとの間に
緩衝材やガラスシール材となる滑石及びガラス粉末を充
填し、加熱・溶融した後冷却する過程又は冷却後に素子
体にクラックを生じたり、素子体の折損を招くため好ま
しくない。更に、使用時においても過度に接着強度が大
きいために素子体の自由度が確保されず、熱による熱衝
撃や、熱による体積変化、落下等による衝撃により素子
体にクラックを生じたり、素子体が折損することがある
ため好ましくない。

【００１９】また、この接着体が素子体に接する面積は
１０〜３５ｍｍ²（更に好ましくは１５〜３０ｍｍ²、特
に好ましくは１５〜２５ｍｍ²）であることが好まし
い。この面積が１０ｍｍ²未満であると現在知られてい
る接着体により上記の接着強度を得ることは困難となる
傾向にある。一方、３５ｍｍ²を超えることは前述のよ
うに接着体収容部の深さを深くすることに繋がり、製造
時の作業性が低下する傾向にあるため好ましくない。

【００２０】更に、センサ素子の前端側の気密を確保す
るために前述のように、図３に示すようにガラスシール
材によりセラミックホルダ内で素子体の後端側が固定さ
れていても、図４に示すようにガラスシール材によって
の固定は無く、緩衝材のみにより保持されていてもよ
い。しかし、特に図３に示すような素子体の後端側がガ
ラスシール材により固定されている場合には、本発明の
ような接着強度で素子体とセラミックアダプタとが接着
されることで非常に効果的に素子体のクラック及び折損
を防止できる。

【００２１】

【発明の実施の形態】以下、実施例を用いて本発明を更
に詳しく説明する。［１］接着体未硬化物の調製アルミナ粉末を骨材と、硬化後にこの骨材及び接触面の
両方と接着力を発揮できる酸性水溶液とを混練して表１
に示す実験例１〜１１である接着体未硬化物を得た。

【００２２】

【表１】表１中における＊は本発明の範囲外であることを示す。

【００２３】［２］接着強度の測定及び組み付け不良の
検出センサ素子として、安定化ジルコニアから形成された薄
層等が積層されて一体に焼成して得られた全領域空燃比
センサ素子１１（長さ４５ｍｍ）を用いた。このセンサ
素子を活性化させるためのヒータ素子１２（長さ４５ｍ
ｍ）に保湿添加剤を加えていない実験例５の接着体未硬
化物を塗布し、センサ素子と張り合わせ、温度１００〜
６００℃まで接着体が発泡しない程度の昇温速度で加熱
して硬化させ素子体１を得た。

【００２４】一方、内径５．７ｍｍ、外形７．３ｍｍ、
高さ６ｍｍ、接着体収容部深さ３ｍｍであるアルミナ製
のセラミックアダプタ１３を用意し、このセラミックア
ダプタに上記の素子体を嵌挿し、接着体収容部１３１に
上記［１］で得られた実験例１〜１１の接着体未硬化物
（硬化後、接着体１４）を充填した。その後、常温から
６００℃まで接着体が発泡しない程度の昇温速度で加熱
して硬化させた。このような組立体を接着体未硬化物の
種類毎に各１００００個作製した。

【００２５】ここまでの組み付けにおいて、素子体とア
ダプタとの位置関係を目的箇所から±０．２ｍｍ以内の
範囲に保つことができなかった組立体を組み付け不良と
評価した。この組み付け不良を生じなかった組立体につ
いて引張り試験装置を用いて、得られた組立体のセラミ
ックアダプタを固定して素子体の後端に荷重を増加させ
ながら負荷し、センサ素子がセラミックアダプタから移
動し始めた時点の最低荷重として接着強度を測定した。
その結果を表１に併記する。

【００２６】［３］ガラスシールによる素子体の折損評
価上記において組み付け不良を生じなかった組立体におい
て、全領域空燃比センサ素子１１の後端から１ｃｍまで
の部分を覆うコの字型のアルミナ製の保護体１６をセン
サ素子と接触する面に実施例５の接着体未硬化物を塗布
して全領域空燃比センサ素子１１に外嵌した（ヒータ素
子１２は保護されていない）。一方、アルミナから形成
され、内部にセラミックアダプタ１３を挿入でき、前端
部においてセラミックアダプタ１３を係止できるように
内径が細径化された係止部１５１を備えるセラミックホ
ルダ１５を用意し、セラミックアダプタ１３が嵌挿さ
れ、保護体１６が外嵌された素子体をこのセラミックホ
ルダ１５に挿入し、同軸的に保持した。

【００２７】次いで、加熱・固化後に緩衝材１７となる
滑石とガラスとの混合粉末を調製してセラミックホルダ
と素子体との間を満たすように充填した。この際、緩衝
材１７となる粉末は保護体１６の後端から５ｍｍの位置
まで充填した。更に、ガラスシール材１８となるガラス
粉末をセラミックホルダの後端まで完全に充填した。ま
た、充填中は下部から連続的に振動を加えて高充填を図
った。次いで、加熱炉において８００℃で１時間加熱
し、粉末中のガラス成分を溶融させた。その後、加熱炉
から取り出し、放冷した。

【００２８】ここまでの組み付けを終えた後、センサ素
子取出線１９１及びヒータ素子取出線１９２を介して素
子の抵抗と静電容量とにより折損の有無を確認し、更
に、拡大鏡を用いて目視によっても折損の有無を確認し
た。その結果折損を生じていた数を表１に併記した。

【００２９】表１の結果より、接着体によるセンサ素子
とセラミックアダプタとの接着強度が２０〜７００Ｎで
あれば組み付け不良による歩留まりも１％以下と小さ
く、且つガラスシールによるセンサ素子に生じる折損数
の割合も０．０２％以内と非常に小さい。更に３００〜
６００Ｎであれば組み付け不良及び折損を全く生じない
ことが分かる。

【００３０】［４］ガスセンサの製造（全領域空燃比セ
ンサ）［３］において、ガラスシール材を形成するための加熱
・放冷を行った後、素子体を内部に備えるセラミックホ
ルダ１５を、プロテクタ３１及び３２が溶接された主体
金具２に挿入し、セラミックホルダ１５と主体金具２と
の隙間に滑石４を充填し、更にその後方から止め金具５
を嵌め込んだ。次いで、主体金具２と止め金具５との間
に内筒６の一端側を嵌め込み、主体金具２の端部を加締
めて内筒６を固定した。その後、素子体から導出された
取出線を、更に電気的にコネクタへと導通させるリード
線部品組立体７を、内筒６の後方から外筒７１を嵌着す
ることにより取り付けた。そして、内筒６と外筒７１と
の嵌着部を加締めて全領域空燃比センサＳを得た。

【００３１】

【発明の効果】本発明のガスセンサによると、長期にわ
たって安定してガスの検知及びガスの濃度を測定するこ
とができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明のガスセンサ（全領域空燃比センサ）の
断面図である。

【図２】（ａ）は本発明に関するセラミックアダプタの
平面図であり、（ｂ）は本発明に関するセラミックアダ
プタの断面図である。

【図３】本発明のガスセンサが備える一例のセラミック
ホルダ等の断面図である。

【図４】本発明のガスセンサが備える他例のセラミック
ホルダ等の断面図である。

【符号の説明】

Ｓ；ガスセンサ（全領域空燃比センサ）、１；素子体、
１１；センサ素子（全領域空燃比センサ素子）、１２；
ヒータ素子、１３；セラミックアダプタ、１３１；孔、
１３２；接着体収容部、１４；接着体、１５；セラミッ
クホルダ、１５１；係止部、１６；保護体、１７；緩衝
材、１８；ガラスシール材、１９１；センサ素子取出
線、１９２；ヒータ素子取出線、２；主体金具、２１；
螺子部、３１、３２；プロテクタ、４；滑石、５；止め
金具、６；内筒、７；リード線部品組立体、７１；外
筒。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者中村伸一名古屋市瑞穂区高辻町14番18号日本特殊陶業株式会社内Ｆターム(参考） 2G004 BB04 BC02 BD04 BF18 BF27 BG05 BJ03 BL08 BL18 BM04

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】少なくともセンサ素子を備える素子体
と、該素子体が嵌挿される孔及び接着体収容部を備える
セラミックアダプタと、該接着体収容部において該セラ
ミックアダプタと該素子体とを接着する接着体と、該素
子体に嵌挿された該セラミックアダプタが内部に係止さ
れて該素子体を同軸的に保持するセラミックホルダとを
備えるガスセンサにおいて、上記接着体による上記素子
体と上記セラミックアダプタとの接着力を、該セラミッ
クアダプタを固定して該素子体を被測定ガスに晒される
側である前端側に後端から押圧して移動させるに要する
最低の荷重として評価した場合に、該荷重は２０〜７０
０Ｎであることを特徴とするガスセンサ。
【請求項２】上記接着体が上記素子体と接する面積は
１０〜３５ｍｍ²である請求項１記載のガスセンサ。
【請求項３】上記素子体の後端側は上記セラミックホ
ルダ内においてガラスシール材により固定されている請
求項１又は２に記載のガスセンサ。