JP2007101353A - Gas sensor - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、内燃機関の空燃比制御等に利用するガスセンサに関する。 The present invention relates to a gas sensor used for air-fuel ratio control of an internal combustion engine.
従来より、自動車エンジンの排気系には、空燃比制御等に利用するガスセンサ9が設置されている。該ガスセンサ9は、図6に示すごとく、素子挿通孔930を持った筒状の絶縁碍子93と、素子挿通孔930内に封止固定されたガスセンサ素子92と、絶縁碍子93が挿入配置された筒状のハウジング95とを有する。
Conventionally, a gas sensor 9 used for air-fuel ratio control or the like is installed in an exhaust system of an automobile engine. As shown in FIG. 6, the gas sensor 9 includes a
また、上記ガスセンサ9は、ガスセンサ素子92の外側面と素子挿通孔930における大径部931の内側面との間を、密閉封止材96にて強固に封止固定されている。即ち、ガスセンサ素子92と素子挿通孔930との間は、基準ガス側雰囲気と被測定ガス側雰囲気との境界であるため、両者間を気密封止して、両雰囲気が混合しないようにする必要がある。
Further, the gas sensor 9 is firmly sealed and fixed between the outer side surface of the
ところが、小径部932において絶縁碍子93とガスセンサ素子92との間には、ガスセンサ素子92の挿通を容易にするために、若干の隙間を設けてある。そのため、ガスセンサ素子92は、基端側においてのみ固定された状態となっていた。それ故、外部から大きな衝撃や振動を受けたときにガスセンサ素子92の先端側が振り子のように振れて(以下、素子振れという)素子挿通孔930の内側面に衝突する、或いは、応力が集中する等して、ガスセンサ素子92に折損がしばしば生じていた。
そこで、小径部932の内側面とガスセンサ素子92の外側面との間に緩衝封止材94にて封止されているガスセンサ9が提案されている(特許文献1参照)。
However, a slight gap is provided between the
Therefore, a gas sensor 9 is proposed that is sealed with a
上記ガスセンサ9によれば、ガスセンサ素子92は、少なくとも二点で支持されるため、素子挿通孔930の先端側におけるガスセンサ素子92の素子振れに起因するガスセンサ素子92の軸方向に直交する方向の回転力(モーメント)を低減することができる。また、外部から受けた衝撃や振動を緩衝封止材94によって吸収することができる。したがって、素子振れによる振れの支点での応力集中や、内側面に当って衝撃が加わることによるガスセンサ素子92の折損を防止することができる。
According to the gas sensor 9, since the
しかしながら、上記ガスセンサ9においては、緩衝封止材94と多孔質拡散抵抗層921とが接触して配置されている範囲dにおいて、緩衝封止材94の材料が、多孔質拡散抵抗層921に染み込んで気孔を塞いでしまうおそれがある。即ち、緩衝封止材94には、例えば、アルミナ粉末の他に、バインダとしてのアルミナゾル及び硝酸アルミニウムが混入している。これらのバインダが多孔質拡散抵抗層921と接すると、毛管現象により、多孔質拡散抵抗層921においてバインダの吸い上げが起こり、その後の加熱によるバインダ揮発時に、バインダが酸化アルミニウムとなって多孔質拡散抵抗層921の気孔を塞いでしまう。
However, in the gas sensor 9, the material of the
そして、多孔質拡散抵抗層921の気孔が塞がれることにより、多孔質拡散抵抗層921を通過して被測定ガス室へ供給される被測定ガスの量が減少してしまう。それ故、被測定ガス中の特定ガスの濃度に対するガスセンサ9の出力が低下、即ち、出力特性が変動してしまう。
その結果、所望の出力特性を有するガスセンサを得ることが困難となり、ひいては、ガスセンサ素子の検出精度が低下してしまうおそれがある。
Then, the pores of the porous
As a result, it is difficult to obtain a gas sensor having desired output characteristics, and as a result, the detection accuracy of the gas sensor element may be reduced.
本発明は、かかる従来の問題点に鑑みてなされたもので、出力特性の変動を防ぎ、検出精度に優れたガスセンサを提供するものである。 The present invention has been made in view of such conventional problems, and provides a gas sensor that prevents fluctuations in output characteristics and has excellent detection accuracy.
本発明は、被測定ガス中の特定ガスの濃度を検出するガスセンサ素子と、該ガスセンサ素子を素子挿通孔に貫通させて保持する絶縁碍子とを有するガスセンサであって、
上記ガスセンサ素子と上記絶縁碍子とは、上記素子挿通孔の基端側において密閉封止材によって封止固定してあり、
上記ガスセンサ素子は、上記絶縁碍子よりも先端側において、被測定ガス側電極と基準ガス側電極とを設けたセンシング部を形成してなり、
該センシング部には、上記被測定ガス側電極へ向かう被測定ガスを拡散させる多孔質拡散抵抗層が配設されており、
上記絶縁碍子の上記素子挿通孔と上記ガスセンサ素子との間の少なくとも先端部には、両者の隙間を埋める緩衝封止材が配設されており、
該緩衝封止材と上記多孔質拡散抵抗層とは、上記ガスセンサ素子の長手方向に離隔配置されていることを特徴とするガスセンサにある(請求項1)。
The present invention is a gas sensor having a gas sensor element that detects the concentration of a specific gas in a gas to be measured, and an insulator that holds the gas sensor element through the element insertion hole,
The gas sensor element and the insulator are sealed and fixed by a hermetic sealing material on the base end side of the element insertion hole,
The gas sensor element is formed on the tip side of the insulator, and forms a sensing portion provided with a measured gas side electrode and a reference gas side electrode,
The sensing unit is provided with a porous diffusion resistance layer for diffusing the measurement gas toward the measurement gas side electrode,
At least the tip between the element insertion hole of the insulator and the gas sensor element is provided with a buffer sealing material that fills the gap between the two,
The buffer sealing material and the porous diffusion resistance layer are located apart from each other in the longitudinal direction of the gas sensor element. (Claim 1)
次に、本発明の作用効果につき説明する。
上記緩衝封止材と上記多孔質拡散抵抗層とは、上記ガスセンサ素子の長手方向に離隔配置されている。それ故、上記緩衝封止材と上記多孔質拡散抵抗層とが接触することがないため、上記緩衝封止材が上記多孔質拡散抵抗層に染み込むことを防ぐことができる。そして、そのため、上記多孔質拡散抵抗層が目詰まりすることに起因して被測定ガスの供給量が減少するという不具合を回避することができる。即ち、上記ガスセンサ素子の出力特性の変動を防ぐことができ、検出精度に優れたガスセンサを得ることができる。
Next, the effects of the present invention will be described.
The buffer sealing material and the porous diffusion resistance layer are spaced apart from each other in the longitudinal direction of the gas sensor element. Therefore, since the buffer sealing material and the porous diffusion resistance layer do not come into contact with each other, the buffer sealing material can be prevented from soaking into the porous diffusion resistance layer. Therefore, it is possible to avoid the problem that the supply amount of the gas to be measured decreases due to clogging of the porous diffusion resistance layer. That is, fluctuations in output characteristics of the gas sensor element can be prevented, and a gas sensor with excellent detection accuracy can be obtained.
また、上記緩衝封止材が、上記絶縁碍子の素子挿通孔と上記ガスセンサ素子との間の少なくとも先端部に配設されているため、上記ガスセンサ素子を少なくとも上記絶縁碍子の基端側と先端側との二点で固定することができる。それ故、上記素子挿通孔の先端側における上記ガスセンサ素子の素子振れに起因する上記ガスセンサ素子の軸方向に直交する方向の回転力(モーメント)を低減することができる。また、外部から受けた衝撃や振動を上記緩衝封止材によって吸収することができる。その結果、上記ガスセンサ素子の折損を防ぐことができる。 In addition, since the buffer sealing material is disposed at least at the distal end portion between the element insertion hole of the insulator and the gas sensor element, the gas sensor element is at least at the base end side and the distal end side of the insulator. And can be fixed at two points. Therefore, it is possible to reduce the rotational force (moment) in the direction perpendicular to the axial direction of the gas sensor element due to the element deflection of the gas sensor element on the tip side of the element insertion hole. Further, the shock and vibration received from the outside can be absorbed by the buffer sealing material. As a result, breakage of the gas sensor element can be prevented.
以上のごとく、本発明によれば、出力特性の変動を防ぎ、検出精度に優れたガスセンサを提供することができる。 As described above, according to the present invention, it is possible to provide a gas sensor that prevents fluctuations in output characteristics and is excellent in detection accuracy.
本発明(請求項1)において、上記ガスセンサとしては、例えば、自動車エンジン等の各種車両用内燃機関の排気管に設置して、排気ガスフィードバックシステムに使用する空燃比センサ、排気ガス中の酸素濃度を測定する酸素センサ、また排気管に設置する三元触媒の劣化検知等に利用するNOx等の大気汚染物質濃度を調べるNOxセンサ等がある。 In the present invention (Claim 1), examples of the gas sensor include an air-fuel ratio sensor that is installed in an exhaust pipe of an internal combustion engine for various vehicles such as an automobile engine and used for an exhaust gas feedback system, and an oxygen concentration in the exhaust gas. There is an oxygen sensor for measuring NOx, and a NOx sensor for measuring the concentration of air pollutants such as NOx used for detecting deterioration of a three-way catalyst installed in an exhaust pipe.
また、上記緩衝封止材としては、例えば、アルミナ粉末の他に、バインダとしてのアルミナゾル及び硝酸アルミニウムを混入したものを用いることができる。
尚、本明細書においては、上記ガスセンサ素子がその軸方向において、内燃機関の排気管に曝される側を先端側、その反対側を基端側として説明する。
Moreover, as said buffer sealing material, what mixed alumina sol and aluminum nitrate as a binder other than an alumina powder can be used, for example.
In the present specification, in the axial direction of the gas sensor element, the side exposed to the exhaust pipe of the internal combustion engine will be described as the front end side, and the opposite side as the base end side.
上記ガスセンサ素子は、上記被測定ガス側電極と連続する電極リード部と上記緩衝封止材との間に緻密セラミックスを介設してなることが好ましい(請求項2)。
この場合には、上記緩衝封止材が比較的多孔度の高い上記電極リード部に接触することを防ぐことができる。そのため、該電極リード部を介して上記緩衝封止材が上記多孔質拡散抵抗層に染み込むことを防ぐことができる。
It is preferable that the gas sensor element has a dense ceramic interposed between an electrode lead portion continuous with the measured gas side electrode and the buffer sealing material.
In this case, the buffer sealing material can be prevented from contacting the electrode lead portion having a relatively high porosity. Therefore, the buffer sealing material can be prevented from penetrating into the porous diffusion resistance layer through the electrode lead portion.
上記多孔質拡散抵抗層は、25%以上の気孔率を有するものとすることができる(請求項3)。
この場合には、本発明の効果を充分に発揮することができる。即ち、ガスセンサ素子に25%以上の気孔率を有する多孔質拡散抵抗層を用いた場合において、仮に、緩衝封止材が多孔質拡散抵抗層に接触したときには、該多孔質拡散抵抗層への緩衝封止材の染み込みが量的に顕著となり、出力特性の変動が生じやすくなる。したがって、かかる気孔率の大きい多孔質拡散抵抗層を有するガスセンサにおいては、特に本発明の効果が発揮される。
The porous diffusion resistance layer may have a porosity of 25% or more.
In this case, the effect of the present invention can be sufficiently exerted. That is, when a porous diffusion resistance layer having a porosity of 25% or more is used for the gas sensor element, if the buffer sealing material is in contact with the porous diffusion resistance layer, the buffer to the porous diffusion resistance layer is assumed. The penetration of the sealing material becomes significant in quantity, and the output characteristics tend to fluctuate. Therefore, in the gas sensor having such a porous diffusion resistance layer having a large porosity, the effect of the present invention is particularly exerted.
これに対して、上記多孔質拡散抵抗層の気孔率が25%未満の場合には、上記多孔質拡散抵抗層への上記緩衝封止材の染み込みが比較的少ないため、上記緩衝封止材と上記多孔質拡散抵抗層との接触を防ぐことによる効果が比較的小さい。 On the other hand, when the porosity of the porous diffusion resistance layer is less than 25%, since the penetration of the buffer sealing material into the porous diffusion resistance layer is relatively small, the buffer sealing material and The effect of preventing contact with the porous diffusion resistance layer is relatively small.
上記多孔質拡散抵抗層は、1μm以上の平均気孔径を有するものとすることができる(請求項4)。
この場合にも、本発明の効果を充分に発揮することができる。即ち、多孔質拡散抵抗層の平均気孔径が1μm以上である場合には、緩衝封止材の染み込みが量的に顕著となるおそれがあるが、ガスセンサに本発明の構造を採用することにより、出力特性の変動を充分に抑制することができる。
The porous diffusion resistance layer may have an average pore diameter of 1 μm or more.
Also in this case, the effect of the present invention can be sufficiently exhibited. That is, when the average pore diameter of the porous diffusion resistance layer is 1 μm or more, the penetration of the buffer sealing material may become significant in quantity, but by adopting the structure of the present invention to the gas sensor, Variations in output characteristics can be sufficiently suppressed.
これに対して、上記多孔質拡散抵抗層の平均気孔径が1μm未満の場合には、上記多孔質拡散抵抗層への上記緩衝封止材の染み込みが比較的少ないため、上記緩衝封止材と上記多孔質拡散抵抗層との接触を防ぐことによる効果が比較的小さい。 On the other hand, when the average pore diameter of the porous diffusion resistance layer is less than 1 μm, since the penetration of the buffer sealing material into the porous diffusion resistance layer is relatively small, the buffer sealing material and The effect of preventing contact with the porous diffusion resistance layer is relatively small.
(実施例1)
本例の実施例にかかるガスセンサにつき、図1〜図4を用いて説明する。
本例のガスセンサ1は、図1に示すごとく、被測定ガス中の特定ガスの濃度を検出するガスセンサ素子2と、該ガスセンサ素子2を素子挿通孔30に貫通させて保持する絶縁碍子3と、該絶縁碍子3が挿入配置されるハウジング5とを有する。
Example 1
A gas sensor according to an embodiment of the present example will be described with reference to FIGS.
As shown in FIG. 1, the gas sensor 1 of this example includes a
また、図1、図4に示すごとく、ガスセンサ素子2と絶縁碍子3とは、素子挿通孔30の基端側において密閉封止材6によって封止固定してある。
また、ガスセンサ素子2は、絶縁碍子3よりも先端側において、被測定ガス側電極23と基準ガス側電極25とを設けたセンシング部200を形成してなる。そして、図2に示すごとく、該センシング部200には、被測定ガス側電極23へ向かう被測定ガスを拡散させる多孔質拡散抵抗層21が配設されている。
As shown in FIGS. 1 and 4, the
Further, the
また、図1、図4に示すごとく、絶縁碍子3の素子挿通孔30とガスセンサ素子2との間の先端部には、両者の隙間を埋める緩衝封止材4が配設されている。そして、緩衝封止材4と多孔質拡散抵抗層21とは、ガスセンサ素子2の長手方向に離隔配置されている(図1における符号D参照)。尚、離隔距離Dは、例えば、1mm以上とすることができる。また、本例では、ガスセンサ素子2の表面を研磨平滑化処理し、緩衝封止材4のガスセンサ素子2への表面浸透を防止している。
また、多孔質拡散抵抗層21は、25%以上の気孔率を有すると共に、1μm以上の平均気孔径を有する。
Further, as shown in FIGS. 1 and 4, a
The porous
本例のガスセンサ1は、自動車エンジン等の各種車両用内燃機関の排気管に設置して、排気ガス中の酸素濃度を測定する酸素センサである。
図2、図3に示すごとく、ジルコニアよりなる酸素イオン伝導性の固体電解質体24の表面には、開口部220を有すると共にアルミナよりなる緻密でガスを透過しない絶縁層22を設けてある。また、固体電解室体24と絶縁層22との間には、白金よりなる被測定ガス側電極23とこれに接続された電極リード部231と電極端子部232とを設けてある。
The gas sensor 1 of this example is an oxygen sensor that is installed in an exhaust pipe of an internal combustion engine for various vehicles such as an automobile engine and measures the oxygen concentration in the exhaust gas.
As shown in FIGS. 2 and 3, the surface of the oxygen ion conductive
また、図3に示すごとく、固体電解質体24には、被測定ガス室形成層29が積層される。被測定ガス室形成層29は電気的絶縁性を有し、緻密でガスを透過させないアルミナセラミックスよりなり、被測定ガス室210を構成する開口部290が設けてある。
また、被測定ガス室形成層29に対して、緻密でガスシール性のアルミナセラミックスよりなる遮蔽層20が積層される。
As shown in FIG. 3, a gas
A
そして、被測定ガス室形成層29及び遮蔽層20は、被測定ガス側電極23と連続する電極リード部231をも覆うように形成されている。これにより、電極リード部231と緩衝封止材4との間には、緻密セラミックスからなる遮蔽層20と被測定ガス室形成層29とが介設されることとなる。
The measured gas
また、多孔質拡散抵抗層21は、図1〜図4に示すごとく、被測定ガス室形成層29の一部に埋め込まれるように配設されている。即ち、ガスセンサ素子2の軸方向と直交する方向に端面211を露出すると共に、被測定ガス室形成層29の開口部290を挟み込むように開口部290の両側に配設されている。そして、上記短手方向に露出した端面211より、被測定ガスが多孔質拡散抵抗層21を通過して被測定ガス室210へと導入される。
Further, as shown in FIGS. 1 to 4, the porous
また、例えば、多孔質拡散抵抗層21は、焼成前の被測定ガス室形成層29のグリーンシートの一部に多孔質拡散抵抗層21の材料を充填し、両者を一緒に焼成することにより形成することができる。また、焼成後の被測定ガス室形成層29の一部に多孔質拡散抵抗層21の材料を充填した後、焼成することもできる。
Further, for example, the porous
また、図3に示すごとく、固体電解質体24における被測定ガス側電極23が配置された側とは反対側の面に、白金よりなる基準ガス側電極25とこれに接続されたリード部251、端子部252とが設けてある。また、端子部252は、導体が充填されたスルーホール240によって被測定ガス室210側に設けられた端子部253と導通している。
Further, as shown in FIG. 3, a reference
図2、図3に示すごとく、このような固体電解質体24に対し、電気的絶縁性を有し、かつ緻密でガスを透過させないアルミナセラミックスよりなる基準ガス室形成層26が積層される。この基準ガス室形成層26には基準ガス室260として機能する溝部261が設けてある。基準ガス室260には、例えば外気(空気)が基準ガスとして導入されるよう構成されている。
As shown in FIGS. 2 and 3, a reference gas
そして、図2、図3に示すごとく、基準ガス室形成層26にヒータ基板28が積層される。
このヒータ基板28には通電により発熱する発熱体27、該発熱体27に通電するためのリード部271が基準ガス室形成層26と対面するよう設けてあり、またこれら発熱体27やリード部271を設けた面とは反対側の面に端子部272が設けてある。
端子部272とリード部271との間は、導体を充填したスルーホール280により導通している。
Then, as shown in FIGS. 2 and 3, the
The
The
次に、本例の作用効果につき説明する。
緩衝封止材4と多孔質拡散抵抗層21とは、図1、図4に示すごとくガスセンサ素子2の長手方向に離隔配置されている。それ故、緩衝封止材4と多孔質拡散抵抗層21とが接触することがないため、緩衝封止材4が多孔質拡散抵抗層21に染み込むことを防ぐことができる。そして、そのため、多孔質拡散抵抗層21が目詰まりすることに起因して被測定ガスの供給量が減少するという不具合を回避することができる。即ち、ガスセンサ素子2の出力特性の変動を防ぐことができ、検出精度に優れたガスセンサ1を得ることができる。
Next, the function and effect of this example will be described.
The
また、図1、図4に示すごとく、緩衝封止材4が、絶縁碍子3の先端側に配設されているため、ガスセンサ素子2を、絶縁碍子3の基端側と先端側との二点で固定することができる。それ故、素子挿通孔30の先端側におけるガスセンサ素子2の素子振れに起因するガスセンサ素子2の軸方向に直交する方向の回転力(モーメント)を低減することができる。また、外部から受けた衝撃や振動を緩衝封止材4によって吸収することができる。その結果、ガスセンサ素子2の折損を防ぐことができる。
As shown in FIGS. 1 and 4, since the
また、図3に示すごとく、ガスセンサ素子2は、被測定ガス側電極23と連続する電極リード部231と、緩衝封止材4(図3には記載されていない)との間に緻密セラミックスからなる遮蔽層20と被測定ガス室形成層29とを介設してなるため、緩衝封止材4が、比較的多孔度の高い電極リード部231に接触することを防ぐことができる。そのため、該電極リード部231を介して緩衝封止材4が多孔質拡散抵抗層21に染み込むことを防ぐことができる。
Further, as shown in FIG. 3, the
また、本例のガスセンサ1における多孔質拡散抵抗層21は、25%以上の気孔率を有すると共に、1μm以上の平均気孔径を有するが、かかる場合には、ガスセンサ1に本発明における上述の構造を採用することにより、特に、本発明の作用効果を発揮することができる。
Further, the porous
以上のごとく、本例によれば、出力特性の変動を防ぎ、検出精度に優れたガスセンサを提供することができる。 As described above, according to this example, it is possible to provide a gas sensor that prevents fluctuations in output characteristics and is excellent in detection accuracy.
(実施例2)
本例は、図5に示すごとく、被測定ガス室形成層29における固体電解質体24が配設された側と反対側の面に、被測定ガス室形成層29の開口部290を覆う状態で多孔質拡散抵抗層21が積層されているガスセンサ1の例である。また、多孔質拡散抵抗層21には、被測定ガス室形成層29が配設された側と反対側の面に、多孔質拡散抵抗層21と略同等の軸方向長さ及び幅を有する遮蔽層20を積層してある。
また、本例においても、ガスセンサ1は、緩衝封止材4(図5には記載されていない)と多孔質拡散抵抗層21とを離隔配置した構成としてある。
その他、実施例1と同様の構成及び作用効果を有する。
(Example 2)
In this example, as shown in FIG. 5, the
Also in this example, the gas sensor 1 has a configuration in which the buffer sealing material 4 (not shown in FIG. 5) and the porous
In addition, the configuration and operational effects are the same as those of the first embodiment.
1 ガスセンサ
2 ガスセンサ素子
21 多孔質拡散抵抗層
23 被測定ガス側電極
24 基準ガス側電極
200 センシング部
3 絶縁碍子
30 素子挿通孔
4 緩衝封止材
6 密閉封止材
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1
Claims (4)
上記ガスセンサ素子と上記絶縁碍子とは、上記素子挿通孔の基端側において密閉封止材によって封止固定してあり、
上記ガスセンサ素子は、上記絶縁碍子よりも先端側において、被測定ガス側電極と基準ガス側電極とを設けたセンシング部を形成してなり、
該センシング部には、上記被測定ガス側電極へ向かう被測定ガスを拡散させる多孔質拡散抵抗層が配設されており、
上記絶縁碍子の上記素子挿通孔と上記ガスセンサ素子との間の少なくとも先端部には、両者の隙間を埋める緩衝封止材が配設されており、
該緩衝封止材と上記多孔質拡散抵抗層とは、上記ガスセンサ素子の長手方向に離隔配置されていることを特徴とするガスセンサ。 A gas sensor having a gas sensor element for detecting the concentration of a specific gas in a gas to be measured, and an insulator for holding the gas sensor element through the element insertion hole,
The gas sensor element and the insulator are sealed and fixed by a hermetic sealing material on the base end side of the element insertion hole,
The gas sensor element is formed on the tip side of the insulator, and forms a sensing portion provided with a measured gas side electrode and a reference gas side electrode,
The sensing unit is provided with a porous diffusion resistance layer for diffusing the measurement gas toward the measurement gas side electrode,
At least the tip between the element insertion hole of the insulator and the gas sensor element is provided with a buffer sealing material that fills the gap between the two,
The gas sensor, wherein the buffer sealing material and the porous diffusion resistance layer are spaced apart from each other in the longitudinal direction of the gas sensor element.
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