JP2007292463A - ガスセンサの製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】ガスセンサ素子の折損を防ぐことができるガスセンサを提供すること。
【解決手段】ガスセンサ素子２と絶縁碍子３とハウジング４と密閉封止材５と緩衝封止材６とを有するガスセンサ１の製造方法。緩衝封止材６を配設するに当たっては、少なくともセラミック粉末とバインダとを含有してなるセラミックスラリーを素子挿通孔３０の先端側におけるガスセンサ素子２と絶縁碍子３との間に充填する充填工程と、セラミックスラリーを焼成することにより緩衝封止材６を形成する焼成工程とを行う。セラミックスラリー中におけるセラミック固形分の含有量は、セラミックスラリーの総重量に対して４７〜５３重量％であり、かつ、バインダの含有量は、セラミック固形分の重量に対して５〜１０重量％である。
【選択図】図１

Description

本発明は、自動車エンジン等の内燃機関の燃焼制御等に用いることができるガスセンサの製造方法に関する。

自動車エンジン等の内燃機関の排気系には、被測定ガス中の特定ガス濃度を検出することができるガスセンサが配設されている。
該ガスセンサは、被測定ガス中の特定ガス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。

また、上記ガスセンサ素子と上記絶縁碍子の基端側との間は、密閉封止材にて強固に封止固定してある。即ち、ガスセンサ素子と絶縁碍子との間は、大気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構成してある。

また、ガスセンサ素子と絶縁碍子との間には、ガスセンサ素子の挿通を容易にするために若干の隙間が設けられている。そのため、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の先端側が振り子のように振れて（以下、素子振れという）ガスセンサ素子が素子挿通孔の内側面に衝突する等の不具合が生じる場合がある。そこで、ガスセンサ素子と絶縁碍子との間の先端側は、緩衝封止材によって封止されている（例えば、特許文献１参照）。

これにより、ガスセンサ素子は、絶縁碍子の先端側と基端側との二点において支持されるため、素子挿通孔の先端側におけるガスセンサ素子の素子振れに起因するガスセンサ素子の軸方向に直交する方向の回転力（以下、モーメントという）を低減することができる。従って、素子振れによる振れの支点での応力集中や、上記素子挿通孔の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の折損を防止することができる。

しかしながら、上記従来の緩衝封止材においては、緩衝封止材自体の強度が充分とはいえず、素子振れを充分に抑制することが困難となる場合がある。即ち、ガスセンサに大きな衝撃が加わったときに緩衝封止材が破損してしまうおそれがある。そして、これにより、ガスセンサ素子が折損するおそれがあるという問題が生じていた。

特開２００２−８２０８８号公報

本発明は、かかる従来の問題点に鑑みてなされたもので、ガスセンサ素子の折損を防ぐことができるガスセンサの製造方法及びガスセンサを提供しようとするものである。

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、該絶縁碍子を内側に挿通保持するハウジングと、上記絶縁碍子の素子挿通孔の基端側において上記ガスセンサ素子と上記絶縁碍子との間に配設される密閉封止材と、上記絶縁碍子の素子挿通孔の先端側において上記ガスセンサ素子と上記絶縁碍子との間に配設された緩衝封止材とを有するガスセンサの製造方法であって、
上記緩衝封止材を配設するに当たっては、
少なくともセラミック粉末とバインダとを含有してなるセラミックスラリーを上記素子挿通孔の先端側における上記ガスセンサ素子と上記絶縁碍子との間に充填する充填工程と、
上記セラミックスラリーを焼成することにより上記緩衝封止材を形成する焼成工程とを行い、
上記セラミックスラリー中におけるセラミック固形分の含有量は、上記セラミックスラリーの総重量に対して４７〜５３重量％であり、かつ、上記バインダの含有量は、上記セラミック固形分の重量に対して５〜１０重量％であることを特徴とするガスセンサの製造方法にある（請求項１）。

次に、本発明の作用効果につき説明する。
上記セラミック固形分の含有量は、上記セラミックスラリーの総重量に対して４７〜５３重量％であり、かつ、上記バインダの含有量は、上記セラミック固形分の重量に対して５〜１０重量％である。そのため、充分な強度を有する緩衝封止材を得ることができる。

そして、上記充填工程と上記焼成工程とを行うことにより、上記セラミックスラリーからなる充分な強度を有する緩衝封止材を、ガスセンサ素子と絶縁碍子との間に配設することができる。そのため、上記充分な強度を有する緩衝封止材により、素子振れを充分に抑制することができる。
即ち、上記製造方法によれば、ガスセンサ素子の折損を防ぐことができるガスセンサを容易に製造することができる。

以上のごとく、本発明によれば、ガスセンサ素子の折損を防ぐことができるガスセンサの製造方法を提供することができる。

本発明（請求項１）において、上記セラミック固形分の含有量が４７〜５３重量％の範囲内にない場合、又は上記バインダの含有量が５〜１０重量％の範囲内にない場合は、充分な強度を有する緩衝封止材を得ることが困難となるおそれがある。
尚、本明細書においては、内燃機関の排気管内等に設置する側を先端側、その反対側を基端側として説明する。

また、上記セラミック粉末は、上記充填工程において、平均粒径１０〜３０μｍであることが好ましい（請求項２）。
この場合には、上記充填工程において、上記ガスセンサ素子と上記絶縁碍子との間に、充分な強度を有する緩衝封止材を、効果的に充填することができる。
一方、上記平均粒径が１０μｍ未満の場合には、セラミック粒子が高密度に充填されるため、粒子間の空隙が減少して衝撃吸収力が低下し、充分な強度を得ることが困難となるおそれがある。
また、上記平均粒径が３０μｍを超える場合には、一つ一つのセラミック粒子が大きいため、焼成時における粒子同士の接点が減少して粒子間の結合力が低下し、充分な強度を得ることが困難となるおそれがある。

また、上記緩衝封止材は、上記充填工程において、軸方向に直交する面における上記ガスセンサ素子の少なくとも四隅を封止固定するように充填されることが好ましい（請求項３）。
この場合には、素子振れに起因してガスセンサ素子に作用するモーメントを充分に低減することができると共に、外部からの衝撃や振動を充分に吸収することができる。

（実施例１）
本発明の実施例にかかるガスセンサ及びその製造方法につき、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を内側に挿通保持するハウジング４とを有する。

そして、図１、図２に示すごとく、絶縁碍子３の素子挿通孔３０の基端側においてガスセンサ素子２と絶縁碍子３との間には、密閉封止材５が配設されている。
また、絶縁碍子３の素子挿通孔３０の先端側において、ガスセンサ素子２と絶縁碍子３との間には、緩衝封止材６が配設されている。

該緩衝封止材６を配設するに当たっては、以下の充填工程と焼成工程とを行う。
即ち、充填工程においては、図１〜図４に示すごとく、少なくともセラミック粉末とバインダとを含有してなるセラミックスラリーを素子挿通孔３０の先端側におけるガスセンサ素子２と絶縁碍子３との間に充填する。
そして焼成工程において、上記セラミックスラリーを焼成することにより緩衝封止材６を形成する。

上記充填工程において用いるセラミックスラリー中におけるセラミック固形分の含有量は、セラミックスラリーの総重量に対して、４７〜５３重量％である。また、バインダの含有量は、セラミック固形分の重量に対して５〜１０重量％である。
上記セラミック粉末として、例えば、アルミナ粉末、ジルコニア粉末等がある。
また、上記バインダとして、例えば、アルミナゾル、硝酸アルミニウム等がある。
また、緩衝封止材６は、上記充填工程において、軸方向に直交する面におけるガスセンサ素子２の少なくとも四隅を封止固定するように充填される。本例においては、全周を封止固定するように充填されている。

次に、上記ガスセンサ１の製造方法につき詳細に説明する。
ガスセンサ素子２を作製するに当たっては、複数の所定のグリーンシートを積層加圧し、未焼積層体を得る。その後、該未焼積層体を焼成する。
また、絶縁碍子３は、例えば、アルミナ等からなるセラミックを焼成することによって作製することができる。

その後、ガスセンサ素子２を絶縁碍子３における素子挿通孔３０に挿通する。そして、素子挿通孔３０の基端側開口部３０２から絶縁碍子３とガスセンサ素子２との間の隙間に密閉封止材５を注入する。これにより、絶縁碍子３とガスセンサ素子２との間の基端側を強固に固定することができる。
上記密閉封止材５として、例えば、結晶化ガラス、無機充填材等を用いることができる。

次いで、緩衝封止材６を配設するに当たっては、上述のごとく、充填工程と焼成工程とを行う。
上記充填工程において、図１、図２に示すごとく、上記セラミックスラリーを、素子挿通孔３０の先端側におけるガスセンサ素子２と絶縁碍子３との間に充填する。即ち、絶縁碍子３における素子挿通孔３０の先端側開口部３０１から上記セラミックスラリーを注入する。また、該セラミックスラリーを、絶縁碍子３の先端側開口部３０１において軸方向に直交する面におけるガスセンサ素子２の全周にわたって封止固定するように充填する。更に、図１〜図４に示すごとく、絶縁碍子３の先端面３００よりも更に先端側に溢れ出すように注入する。

上記充填工程において、上記セラミックスラリーとして、例えば、セラミック粉末とバインダと水と添加剤とを混合したものを使用することができる。
また、セラミック粉末は、平均粒径１０〜３０μｍである。

次いで、焼成工程において、上記セラミックスラリーを焼成することにより緩衝封止材６を得る。このとき、上記ガスセンサ素子２及び上記絶縁碍子３ごと加熱してバインダや水分等を揮発させ、セラミック粉末を互いに固めて緩衝封止材６となす。
このように、絶縁碍子３の基端側に配された密閉封止材５と絶縁碍子３の先端側に配された緩衝封止材６とにより、ガスセンサ素子２を二点で固定することができる。

次いで、上記のごとく密閉封止材５と緩衝封止材６とによって一体化させた上記ガスセンサ素子２と絶縁碍子３とを、大気側雰囲気１００と被測定ガス側雰囲気１５０とを気密的に分離するパッキン１４に挿通しつつ、ハウジング４の内側に配設する。

本例のガスセンサ１においては、ハウジング４の基端側に、図１に示すごとく、カバーダスト１１とフィルタカバー１２とを有する大気側カバー１０が配設されている。フィルタカバー１２は、カバーダスト１１の基端側を外側から覆った状態で配設されている。

また、カバーダスト１１とフィルタカバー１２との間には、通気フィルタ１３が配設されている。また、カバーダスト１１とフィルタカバー１２とには、通気フィルタ１３に対向するように大気導入口１１０、１２０が設けられている。
そして、カバーダスト１１とフィルタカバー１２とに設けられた大気導入口１１０、１２０と通気フィルタ１３とを介して大気が導入され、大気側カバー１０内に大気側雰囲気１００が形成されている。

また、ハウジング４の先端側には、図１に示すごとく、外側カバー１５１と内側カバー１５２とからなる被測定ガス側カバー１５が配設されている。
そして、外側カバー１５１と内側カバー１５２とには、それぞれ被測定ガス導入口１５３が設けてあり、被測定ガス側カバー１５内において被測定ガス雰囲気１５０が形成されている。
そして、ハウジング４と絶縁碍子３との間に配設されたパッキン１４と、密閉封止材５とにより大気側雰囲気１００と被測定ガス側雰囲気１５０とが気密的に分離されている。

ハウジング４の先端側には、図１に示すごとく、内燃機関の排気管内に取り付けるための取付けネジ部４１が形成されている。そして、該取付けネジ部４１と排気管とを螺合することにより、ガスセンサ１は、排気管に設置される。これにより、内燃機関等の振動がハウジング４を介してガスセンサ素子２にも伝達する。

次に、本例の作用効果につき説明する。
セラミック固形分の含有量は、セラミックスラリーの総重量に対して４７〜５３重量％であり、かつ、バインダの含有量は、セラミック固形分の重量に対して５〜１０重量％である。そのため、充分な強度を有する緩衝封止材６を得ることができる。

そして、充填工程と焼成工程とを行うことにより、セラミックスラリーからなる充分な強度を有する緩衝封止材６を、ガスセンサ素子２と絶縁碍子３との間に配設することができる。そのため、充分な強度を有する緩衝封止材６により、素子振れを充分に抑制することができる。
即ち、上記製造方法によれば、ガスセンサ素子２の折損を防ぐことができるガスセンサ１を容易に製造することができる。

また、セラミック粉末は、充填工程において、平均粒径１０〜３０μｍである。これにより、充填工程において、ガスセンサ素子２と絶縁碍子３との間に、充分な強度を有する緩衝封止材６を、効果的に充填することができる。

また、緩衝封止材６は、図４に示すごとく、充填工程において、軸方向に直交する面におけるガスセンサ素子２の少なくとも四隅を封止固定するように充填される。これにより、素子振れに起因してガスセンサ素子２に作用するモーメントを充分に低減することができると共に、外部からの衝撃や振動を充分に吸収することができる。

以上のごとく、本例によれば、ガスセンサ素子の折損を防ぐことができるガスセンサを提供することができる。

（実験例１）
本例は、図５に示すごとく、セラミックスラリー中のバインダの含有量とセラミック固形分として含まれるセラミック粉末の平均粒径とを種々変更して作製した試料に衝撃試験を行った例である。
上記衝撃試験は、各試料の基端側を拘束して、ガスセンサ素子２の軸方向に直交する方向に種々の大きさの衝撃を加えることにより行った。
尚、本例において使用する符号は、図１において使用した符号に準ずる。

本例では、試料として、セラミックスラリー中のセラミック固形分の含有量を４５重量％で一定として、バインダの含有量とセラミック粉末の平均粒径とを、それぞれ以下のように種々変更させた緩衝封止材６を配したガスセンサを作製した。即ち、バインダの含有量を５〜１５重量％と種々変更させた。また、セラミック粉末の平均粒径を０〜５０μｍと種々変更させた。また、各試料について、１０個ずつサンプルを作製した。

そして、ガスセンサ素子２に損傷が生じたときの衝撃加速度の１０個のサンプルにおける平均値を算出した。図５は、該平均値をプロットしたものである。
尚、ガスセンサ素子２に損傷が生じたかどうかを判定するに当たっては、各サンプルに内蔵されたヒータに電流を流し、通電されているかどうかで判断することとした。

測定結果を図５に示す。同図からわかるように、セラミック粉末の平均粒径が１０〜３０μｍ、かつ、バインダの含有量が５〜１０重量％である試料については、４０００Ｇの衝撃加速度が加わってもガスセンサ素子２に損傷が生じない。これに対し、その他の組成により形成された緩衝封止材６を有する試料については、３０００Ｇ以下の衝撃加速度においても、ガスセンサ素子２に損傷が生じている。

以上により、緩衝封止材６の強度確保の観点から、バインダの含有量はセラミック固形分の重量に対して５〜１０重量％であること、及びセラミック粉末の平均粒径は１０〜３０μｍであることが重要であることがわかる。

（実験例２）
本例は、図６に示すごとく、セラミックスラリー中におけるセラミック固形分の含有量と、ガスセンサ素子２に損傷が生じたときの衝撃加速度との関係を調べた例である。
尚、本例において使用する符号は、図１において使用した符号に準ずる。

本例では、試料として、上記セラミック固形分の含有量を種々変更させた緩衝封止材６を有するガスセンサを作製した。また、各試料について、それぞれ１０個ずつサンプルを作製した。
その後、各サンプルに、上記実験例１と同様の方法により衝撃を加えた。そして、ガスセンサ素子２に損傷が生じたときの衝撃加速度の１０個のサンプルにおける平均値を算出した。図６は、該平均値をプロットしたものである。
尚、セラミックスラリー中のバインダの含有量は、セラミック固形分の重量に対して７．５重量％、セラミック粉末の平均粒径は２０μｍとした。
その他は、実験例１と同様である。

測定結果を図６に示す。同図からわかるように、上記セラミック固形分の含有量が４７〜５３重量％である場合には、４１００Ｇの衝撃加速度が加わっても、ガスセンサ素子２に損傷が生じない。これに対し、上記セラミック固形分の含有量が４７重量％未満の場合、又は５３重量％を超える場合には、これよりも低い衝撃加速度においてガスセンサ素子２に損傷が生じる。
以上により、緩衝封止材６の強度確保の観点から、セラミックスラリー中のセラミック固形分の含有量は、４７〜５３重量％であることが重要であることがわかる。

実施例１における、ガスセンサの断面説明図。 実施例１における、緩衝封止材の配設状態を示す断面説明図。 実施例１における、センサ素子を絶縁碍子に挿通した状態を示す側面図。 実施例１における、センサ素子を絶縁碍子に挿通した状態を示す下面図。 実験例１における、セラミック粉末の平均粒径とバインダ含有率と衝撃加速度との関係を示すプロット図。 実験例２における、セラミック固形分の含有量と衝撃加速度との関係を示すプロット図。

符号の説明

１ ガスセンサ
２ センサ素子
３ 絶縁碍子
３０ 素子挿通孔
４ ハウジング
５ 密閉封止材
６ 緩衝封止材

Claims (3)

1. 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、該絶縁碍子を内側に挿通保持するハウジングと、上記絶縁碍子の素子挿通孔の基端側において上記ガスセンサ素子と上記絶縁碍子との間に配設される密閉封止材と、上記絶縁碍子の素子挿通孔の先端側において上記ガスセンサ素子と上記絶縁碍子との間に配設された緩衝封止材とを有するガスセンサの製造方法であって、
   上記緩衝封止材を配設するに当たっては、
   少なくともセラミック粉末とバインダとを含有してなるセラミックスラリーを上記素子挿通孔の先端側における上記ガスセンサ素子と上記絶縁碍子との間に充填する充填工程と、
   上記セラミックスラリーを焼成することにより上記緩衝封止材を形成する焼成工程とを行い、
   上記セラミックスラリー中におけるセラミック固形分の含有量は、上記セラミックスラリーの総重量に対して４７〜５３重量％であり、かつ、上記バインダの含有量は、上記セラミック固形分の重量に対して５〜１０重量％であることを特徴とするガスセンサの製造方法。
2. 請求項１において、上記セラミック粉末は、上記充填工程において、平均粒径１０〜３０μｍであることを特徴とするガスセンサの製造方法。
3. 請求項１又は２において、上記緩衝封止材は、上記充填工程において、軸方向に直交する面における上記ガスセンサ素子の少なくとも四隅を封止固定するように充填されることを特徴とするガスセンサの製造方法。

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