JP2006292759A - 排気ガスセンサの製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 排気ガスセンサを製造する方法を提供する。
【解決手段】 本方法は、開放端、閉鎖端、及び開放端と閉鎖端との間にチャンバを画成する内面を持つセンサエレメントを提供する工程を含む。本方法は、更に、ノズルをチャンバに挿入する工程、電極材料をノズルに供給する工程、及びノズルとセンサエレメントとの実質的な相対移動を伴うことなく、電極材料を微粒子化して、電極材料のミストを形成し、このミストがノズルのチップを実質的に取り囲み、センサエレメントの内面に付着し、内側電極を形成する工程を含む、方法。
【選択図】 図１

Description

本発明は排気ガスセンサに関する。

排気ガスセンサは、内燃エンジンが発生した排気流中の酸素、一酸化炭素、又は炭化水素の含有量を検出するため、自動車産業で周囲である。化学量論的又は「ネルンスト（Ｎｅｒｎｓｔ）」型酸素センサ（広範に使用されている種類の排気ガスセンサ）は、排気ガス中の酸素分圧と大気中の酸素との間の差を計測する。排気ガス中の酸素の量を決定することによって、酸素センサはエンジン制御ユニットが混合気を調節できるようにし、最適のエンジン性能を達成できるようにする。様々な原理に基づいて作動するこの他の種類の排気ガスセンサもまた周知であり、自動車産業で広範に使用されている。

電極材料を全体にカップ形状のセンサエレメントの内面に適用するための多くの従来技術の方法がある。これらの従来技術の方法の多くは、高価な電極材料を、センサエレメントの内側電極を形成するのに実際に必要とされるよりも多く使用する。電極材料を余分に使用することにより、排気ガスセンサの製造費用が追加される。更に、従来技術の適用方法には、センサエレメントと電極材料を適用する装置との間で相対的な並進及び回転を必要とするものもある。これらの方法は複雑であり、必要とされる並進運動及び回転運動を行うことができる機械及び部品を必要とする。更に、これらの技術を使用して電極材料の厚さ、大きさ、及び位置を制御することは困難である。

本発明は、排気ガスセンサの改良された製造方法を提供し、更に詳細には、電極材料をセンサエレメントの内面に適用し、内側電極即ち基準電極の少なくとも一部分を形成するための改良された製造方法を提供する。本発明の方法により、電極材料の過剰の量が適用されることが大幅に減少し、又は無くなり、センサエレメントと電極材料を適用する装置との間の相対的回転及び／又は並進運動に対する必要が無くなる。本発明の方法により、実質的に均等であり且つ良好に制御された電極材料挿入がセンサエレメントの内面に形成される。

一実施例では、本発明は、排気ガスセンサの製造方法を提供する。この方法は、開放端、閉鎖端、及び開放端と閉鎖端との間にチャンバを画成する内面を持つセンサエレメントを提供する工程を含む。この方法は、超音波スプレー装置を使用して電極材料を噴霧し、一層の電極材料をセンサエレメントの内面に付着する工程を更に含む。

別の実施例では、本発明は、排気ガスセンサの製造方法を提供する。この方法は、開放端、閉鎖端、及び開放端と閉鎖端との間にチャンバを画成する内面を持つセンサエレメントを提供する工程、ノズルをチャンバに挿入する工程、電極材料をノズルに供給する工程、及びノズルとセンサエレメントとの間の相対的回転を実質的に伴うことなく、電極材料を噴霧し、一層の電極材料をセンサエレメントの内面にノズルに亘って実質的に３６０°付着する工程を含む。

更に別の実施例では、本発明は、排気ガスセンサの製造方法を提供する。この方法は、開放端、閉鎖端、及び開放端と閉鎖端との間にチャンバを画成する内面を持つセンサエレメントを提供する工程、ノズルをチャンバに挿入する工程、電極材料をノズルに供給する工程、及びノズルとセンサエレメントとの間の相対的移動を実質的に伴うことなく、電極材料を噴霧し、電極材料のミストを形成し、このミストがノズルのチップを実質的に取り囲み、センサエレメントの内面に付着し、内側電極を形成する工程を含む。

本発明のこの他の特徴は、詳細な説明及び添付図面を考慮することによって明らかになるであろう。
本発明の任意の実施例を詳細に説明する前に、本発明は、以下の説明に記載してあり且つ及び添付図面に示した構成要素の構造及び構成の詳細に限定されないということは理解されるべきである。本発明は、他の実施例が可能であり、様々な方法で実施できる。更に、本明細書中で使用される語句及び用語は説明の目的であって、限定であると考えられるべきではない。本明細書中、「含む」、「からなる」、又は「持つ」及びこれらに類する用語は、以下に記載のもの及びその等価物並びに追加のものを含もうとするものである。何らかの特定又は限定は行われていないが、「取り付けられた」、「連結された」、「支持された」、及び「結合された」、及びこれらに類する用語は広い意味で使用され、直接的及び間接的な取り付け、連結、支持、及び結合の両方を含むということは理解されるべきである。「連結された」、及び「結合された」という用語は、物理的又は機械的連結又は結合に限定されない。

図１は、本発明による排気ガスセンサ１０を示す。センサ１０は、内燃エンジンを動力とする自動車又は他の車輛の排気管１２に取り付けた状態で示してある。例示のセンサ１０は、ケースが接地された非加熱式の単ワイヤセンサであるが、センサ１０を加熱式多ワイヤセンサに変更してもよいということは、当業者には理解されよう。以下に詳細に説明する内側電極適用方法及び結果的に適用された内側電極を除き、例示のセンサ１０の全体構造は、２００４年４月２２日に公開された米国特許公開第２００４／００７４２８４号に詳細に説明されている。同特許公開に触れたことにより、この特許公開に開示された内容は本明細書中に含まれたものとする。本発明は、以下に詳細に説明するように、カップ状即ち「指貫」型センサエレメントを含む他の排気ガスセンサ設計に適用できるということもまた理解されるべきである。本発明は、更に、実質的に均等であり且つ良好に制御された材料層を全体にチューブ状の基材の内面に適用した、この他の用途に適用できる。

センサ１０は、ハウジング１４、このハウジング１４に結合されたスリーブ１８、及びこのスリーブ１８からグロメット２６を通って出るリードワイヤ２２を含む。スリーブ１８内に絶縁ブッシュ３０が収容されており、このブッシュは、接点ピン３４を収容し且つ電気的に絶縁するボアを備えている。

接点１０は、更に、一般的に周知の種類のセラミック製のカップ状即ち指貫状センサエレメント３８を含む。このセンサエレメントは、安定化したＺｒＯ２、ＣａＯ−及び／又はＹ２Ｏ３で安定化したＺｒＯ２、Ｍｇ−尖晶石、及び苦土橄欖石等の材料から形成される。センサエレメント３８はハウジング１４内に保持され、図２及び図５に示すように、開放端４２、閉鎖端４６、外面５０、及び内面５４を含む。内面５４は、開放端４２と閉鎖端４６との間を延びるチャンバ５８を画成する。

図１及び図２でわかるように、プラチナ等の導電性で触媒活性の電極材料又は他の同様の導電性触媒活性材料（例えばＰｄ及びＲｈ）でできた外側電極即ち排気電極６２が外面５０に位置決めされる。排気電極６２のリード部分６６が外面５０に沿って、ハウジング１４のボア７０と電気的に接触されるべきセンサエレメント３８の開放端４２に向かって延びており、これによって排気電極６２をハウジング１４を通して接地する。排気電極６２は、当業者には理解されるように、排気ガス流（図１に矢印７４で示す）と連通する。

プラチナ等の導電性で触媒活性の電極材料又は他の同様の導電性触媒活性材料（例えばＰｄ及びＲｈ）でできた内側電極即ち基準電極７８がチャンバ５８内でセンサエレメント３８の内面５４に位置決めされている。基準電極７８のリード部分８２は、内面５４に沿ってセンサエレメント３８の開放端４２に向かって延びており、センサエレメント３８の開放端４２を画成する端面８６に沿ってチャンバ５８を出る（図２及び図５参照）。リード部分８２は、センサブッシュ３０に収容された接触ピン３４と電気的に接触する。当業者には理解されるように、基準電極７８はチャンバ５８内の基準空気と連通している。

センサ１０は、更に、排気ガス流７４内に延びるセンサエレメント３８の端部を実質的に取り囲み且つ保護するチューブ９０を含む。例示のチューブ９０は、ステンレス鋼又は他の耐熱性合金で形成されており、ハウジング１４に固定されている。チューブ９０は、センサエレメント３８と連通するために排気ガスを内部に入れることができるが、センサエレメント３８を排気ガス流７４中に含まれる屑粒子から保護する。

基準電極７８をセンサエレメント３８の内面５４に適用する方法を図３、図４、及び図５を参照して以下に説明する。図３は、基準電極７８の少なくとも一部をセンサエレメント３８の内面５４に適用するのに使用される超音波スプレー装置９４を示す。図示の超音波スプレー装置９４は、移動自在のキャリッジ１０２を支持するフレーム即ちスタンド９８を含む。図示のキャリッジ１０２は、垂直方向（図３に矢印１０６で示す）及び水平方向（図３の紙面内に入る方向及び紙面から出る方向）の両方向に並進できる。超音波ノズルアッセンブリ１１０がキャリッジ１０２に取り付けられており、ノズル即ちチップ１１２を含む。使用者は、入力装置１１４により、キャリッジ１０２の移動及びノズルアッセンブリ１１０の作動を制御できる。

ノズルアッセンブリ１１０は広帯域超音波発生器１１８に電気的に接続されている。任意の適当な超音波ノズルアッセンブリ及び超音波発生器を使用できるけれども、図示のノズルアッセンブリ１１０及び広帯域超音波発生器１１８は、ニューヨークのミルトンのソノ−テック社から、マイクロスプレーノズルを持つ型番８６００−６０１５のノズルアッセンブリとして、及び部品番号０６−０５１０８の広帯域（２０−１２０ｋＨｚ）超音波発生器として入手できる。電極材料は、スラリー又はペーストの形態で貯蔵用リザーバ１２２内に貯蔵され、ノズルアッセンブリ１１０に導管１２６を介して提供される。例示の実施例では、スラリー又はペーストは、液体媒体（水又は溶剤を基剤とした補助添加剤、例えば分散助剤、バインダーシステム、等）中に懸濁した、直径が約６０μｍ以下のセラミック粒子及び金属粒子を含む。図示の実施例では、固体のセラミック粒子及び金属粒子は、スラリー又はペーストの総重量の約３０％乃至約７０％を占め、残りが液体成分である。図示の実施例で使用されるスラリー又はペーストの粘度は、約１５ｍＰａｓ乃至約１０００ｍＰａｓである。

図３及び図４には、更に、一つ又はそれ以上のセンサエレメント３８を支持するためのジグ１３０が示してある。センサエレメント３８の支持及び保持に任意の適当なジグを使用できるということは、当業者には理解されるであろう。電極材料をセンサエレメント３８の内面５４に適用するため、ノズル１１２を、図４に示すように、センサエレメント３８のチャンバ５８に挿入する。電極材料がノズル１１２に提供されると、広帯域超音波発生器１１８がノズルアッセンブリ１１０を賦勢し、ノズル１１２を出た電極材料を噴霧して微細なミスト（図４で参照番号１２６が付してある）にし、これをセンサエレメント３８の内面５４に、ノズルの実質的に３６０°に亘って付着する。換言すると、噴霧した電極材料１２６の適用中、ミスト１２６は、ノズル１１２とセンサエレメント３８との間の相対的移動（例えば回転や並進）を実質的に全く必要とせずに、ノズル１１２から外方に全ての方向に移動し、センサエレメント３８の閉鎖端４６の内面５４全体を実質的にコーティングする。噴霧した電極材料のミスト１２６は、実質的に均等であり且つ良好に制御された電極材料層を内面５４に形成する。

内側電極７８の少なくとも一部に適用するのに超音波スプレー装置９４を使用することにより、高価な電極材料をセンサエレメント３８のチャンバ５８に付着させ過ぎることを実質的に減少する。２５個の試料について試験を行った結果、超音波スプレー装置９４を使用した電極材料ペーストの平均使用量は２３．７ｍｇであり、平均標準偏差は１．０２である。２５個の試料を試験することは、従来技術の「充填及び取り出し」プロセス及び「滴下及び吹き付け」プロセスでも行われている。従来技術の「充填及び取り出し」プロセスを使用した場合、実験毎に平均で３６．０ｍｇのペーストが使用され、標準偏差は８．０であった。従来技術の「滴下及び吹き付け」プロセスを使用した場合、実験毎に平均で６０．０ｍｇのペーストが使用され、標準偏差は１０．０であった。

本発明の方法について超音波スプレー装置９４を使用することにより、センサエレメント３８の閉鎖端４６と隣接して内側電極７８を適用するのに必要な高価な電極材料の量が大幅に減少する。更に、内側電極７８の大きさ及び位置を正確に定めることができ、電極材料の厚さを正確に制御できる。更に、付着した噴霧ミスト１２６により、電極の均質性が良好になり、超音波振動は、更に、ペースト又はスラリーを適用前に良好に分散した懸濁液の状態に維持する。更に、内側電極７８の適用に空気圧を必要としない。これにより、従来技術のプロセスで発生した、空気圧を使用することによる過剰のオーバースプレーと関連した問題点が無くなる。

更に、本発明の方法により、電極材料１２６の適用中にセンサエレメント３８とノズル１１２とを実質的に相対移動（例えば回転や並進）させる必要がなくなる。これは、電極材料１２６の噴霧ミストが、ノズル１１２の周囲に外方に３６０°に亘って拡がるためである。これは、ペーストをブラシで塗ったり、センサエレメントに対して回転及び／又は並進するノズルからペーストをスプレーすることによって内側電極をリング形態で適用する従来技術の方法とは対照的である。２５個の試料の試験は、従来技術の「リング電極」プロセスを使用して行われ、試験毎に平均で３５．４ｍｇのペーストが使用され、標準偏差は２．９０であった。従って、本発明の方法は、使用される電極材料の量が従来技術の「リング電極」プロセスよりも少なく、電極材料の適用中、機械的に複雑な、ノズル１１２とセンサエレメント３８との間の相対的な回転及び／又は並進に対する必要をなくす。

超音波技術以外の技術を使用する装置、及び上文中に論じた方法で付着して内側電極７８を形成できる電極材料１２６の噴霧ミストを発生できる装置を超音波スプレー装置９４に代えて使用してもよいということは理解されるべきである。これには、現在存在している技術並びにこれから開発される技術が含まれる。例えば、適用中に空気圧スプレーノズルとセンサエレメント３８との間の相対的な移動を必要としないか或いは少なくとも相対的な回転を必要としない、空気圧を使用して電極材料１２６の噴霧ミストを発生するスプレー装置を使用して内側電極７８を形成してもよい。別の例では、適用中に機械振動ノズルとセンサエレメント３８との間の相対的な回転を必要としない、機械振動ノズルを使用して電極材料１２６の噴霧ミストを発生してもよい。

超音波スプレー装置９４を使用して内側電極７８の部分を適用した後、チャンバ５８からノズル１１２を取り外す。次に、図５に示すようにセンサエレメント３８の内面５４に幾らかの電極材料を浸漬することによって、内側電極７８のリード部分８２を形成する。この手順は、センサエレメント３８がジグ１３０内に止まっているときに行うことができ、又は、図５に示すようにセンサエレメント３８をジグ１３０から取り外した後に行うことができる。上文中に論じたように、リード部分８２は、超音波スプレー装置９４によって適用された内側電極７８の残りの部分との電気的接続を提供する。

内側電極７８及びリード部分８２を適用した後、任意の適当な技術を使用して外側電極６２及びリード部分６６を外面５０に適用できる。次に、センサエレメント３８を約５００℃乃至約１５００℃で焼結し、電極材料をセンサエレメントのセラミック基材に結合し、これによって、サーメット型の内側電極７８及び外側電極６２を夫々形成する。結果的に得られた電極７８、６２は、大量の三相境界を有し、及び従って高度に活性であり、汚染に対して抵抗性がある。焼結したサーメット電極７８、６２の金属−セラミック酸化物重量比は、約１０：１乃至約３：２である。サーメット電極７８、６２の層厚は、約２μｍ乃至３μｍである。焼結後、センサエレメント３８は排気ガスセンサ１０にいつでも設置できる。

本発明の様々な特徴及び利点は、特許請求の範囲に記載されている。

本発明を具体化した排気ガスセンサの断面図である。 図１の排気ガスセンサのセンサエレメントの拡大断面図である。 図２のセンサエレメントに電極材料を適用するのに使用される超音波スプレー装置及び支持ジグの正面図である。 図３の４−４戦に沿った拡大断面図である。 センサエレメントの内面への導電性リードの適用を示す、センサエレメントの断面図である。

符号の説明

１０ 排気ガスセンサ
１２ 排気管
１４ ハウジング
１８ スリーブ
２２ リードワイヤ
２６ グロメット
３０ 絶縁ブッシュ
３４ 接点ピン
３８ センサエレメント
４２ 開放端
４６ 閉鎖端
５０ 外面
５４ 内面
５８ チャンバ
６２ 排気電極
６６ リード部分
７０ ボア
７４ 排気ガス流
７８ 基準電極
８２ リード部分
８６ 端面
９０ チューブ
９４ 超音波スプレー装置
９８ スタンド
１０２ キャリッジ
１１０ 超音波ノズルアッセンブリ
１１２ ノズル
１１４ 入力装置
１１８ 広帯域超音波発生器

Claims (25)

1. 排気ガスセンサの製造方法において、
   開放端、閉鎖端、及び前記開放端と前記閉鎖端との間にチャンバを画成する内面を持つセンサエレメントを提供する工程と、
   超音波スプレー装置を使用して電極材料を微粒子化し、電極材料の層を前記センサエレメントの前記内面に付着する工程とを含む、方法。
2. 請求項１に記載の方法において、前記超音波スプレー装置はノズルを有し、前記方法は前記ノズルを前記チャンバに挿入する工程を更に含む、方法。
3. 請求項２に記載の方法において、前記電極材料を前記ノズルにペースト状又はスラリー状にして供給する工程を更に含む、方法。
4. 請求項１に記載の方法において、前記電極材料層は、前記センサエレメントと前記超音波スプレー装置との実質的な相対回転を伴うことなく、前記センサエレメントの前記内面の略３６０°にわたって付着される、方法。
5. 請求項１に記載の方法において、付着された電極材料層が内側電極を形成し、前記方法 は、導電性リードを前記内面に形成し、前記内側電極と電気的に接触させ、前記センサエレメントの前記開放端に向かって延ばす工程を更に含む、方法。
6. 請求項５に記載の方法において、導電性リードを形成する工程は、電極材料をセンサエレメントの内面に沿って滴下し、前記内側電極と接触させる工程を含む、方法。
7. 請求項１に記載の方法において、前記センサエレメントを焼結する工程を更に含む、方法。
8. 請求項７に記載の方法において、前記センサエレメントを提供する工程は、セラミック材料製のセンサエレメントを提供する工程を含み、前記センサエレメント焼結工程は、前記電極材料を前記セラミックセンサエレメントに結合し、サーメット型内側電極を形成する工程を含む、方法。
9. 請求項１に記載の方法において、前記センサエレメントは外面を更に含み、前記方法は、外側電極を前記センサエレメントの前記外面に適用する工程を更に含む、方法。
10. 排気ガスセンサの製造方法において、
    開放端、閉鎖端、及び前記開放端と前記閉鎖端との間にチャンバを画成する内面を持つセンサエレメントを提供する工程と、
    ノズルを前記チャンバに挿入する工程と、
    電極材料を前記ノズルに供給する工程と、
    前記ノズルと前記センサエレメントとの実質的な相対回転を伴うことなく、電極材料を微粒子化し、電極材料の層を前記センサエレメントの前記内面に、ノズルの回りの略３６０°にわたって付着させる工程と
    を含む、方法。
11. 請求項１０に記載の方法において、前記ノズルは超音波スプレー装置の一部である、方法。
12. 請求項１０に記載の方法において、前記電極材料を前記ノズルに供給する工程は、電極材料をペースト状又はスラリー状にして前記ノズルに供給する工程を含む、方法。
13. 請求項１０に記載の方法において、前記電極材料を微粒子化することにより、前記ノズルのチップをほぼ取り囲む前記電極材料のミストを発生させる、方法。
14. 請求項１０に記載の方法において、前記付着された電極材料層は内側電極を形成し、前記方法は、前記内面に導電性リードを形成し、前記内側電極と電気的に接触し、前記センサエレメントの開放端に向かって延ばす工程を更に含む、方法。
15. 請求項１４に記載の方法において、前記導電性リードを形成する工程は、電極材料をセンサエレメントの内面に沿って滴下し、前記内側電極と接触させる工程を含む、方法。
16. 請求項１０に記載の方法において、前記センサエレメントを焼結する工程を更に含む、方法。
17. 請求項１６に記載の方法において、前記センサエレメントを提供する工程は、セラミック材料製のセンサエレメントを提供する工程を含み、前記センサエレメントを焼結する工程は、前記電極材料を前記セラミックセンサエレメントに結合し、サーメット型内側電極を形成する工程を含む、方法。
18. 排気ガスセンサの製造方法において、
    開放端、閉鎖端、及び前記開放端と前記閉鎖端との間にチャンバを画成する内面を持つセラミックセンサエレメントを提供する工程と、
    ノズルを前記チャンバに挿入する工程と、
    電極材料を前記ノズルに供給する工程と、
    前記ノズルと前記センサエレメントとの実質的な相対移動を伴うことなく、電極材料を微粒化して、前記ノズルの前記チップの回りをほぼ取り囲む前記電極材料のミストを形成し、前記ミストを、前記センサエレメントの前記内面に付着させて内側電極を形成する工程を含む、方法。
19. 請求項１８に記載の方法において、前記ノズルは超音波スプレー装置の一部である、方法。
20. 請求項１８に記載の方法において、前記電極材料を前記ノズルに供給する工程は、電極材料をペースト状又はスラリー状にして前記ノズルに供給する工程を含む、方法。
21. 請求項１８に記載の方法において、電極材料を微粒子化したミストを、センサエレメントの前記内面上に、前記ノズルの回りの略３６０°にわたって付着させる、方法。
22. 請求項１８に記載の方法において、前記付着された電極材料層は内側電極を形成し、前記方法は、前記内面に導電性リードを形成し、前記内側電極と電気的に接触し、前記センサアッセンブリの前記開放端に向かって延ばす工程を含む、方法。
23. 請求項２２に記載の方法において、導電性リードを形成する工程は、前記センサエレメントの前記内面に沿って電極材料を滴下し、前記内側電極と接触させる工程を含む、方法。
24. 請求項１８に記載の方法において、センサエレメントを焼結する工程を更に含む、方法。
25. 請求項２４に記載の方法において、前記センサエレメントは、セラミック材料製のセンサエレメントを提供する工程を含み、前記センサエレメントを焼結する工程は、前記電極材料を前記セラミックエレメントに結合し、サーメット型内側電極を形成する工程を含む、方法。

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