JP2010243422A - Gas sensor and method of manufacturing the same - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、被測定ガス中の特定ガス成分の濃度を検出するためのガスセンサ及びその製造方法に関する。 The present invention relates to a gas sensor for detecting the concentration of a specific gas component in a gas to be measured and a method for manufacturing the same.
従来、被測定ガス中の特定ガスの濃度を検出するためのガスセンサとして、先端側に検出部を有したセンサ素子と、該センサ素子を内側に挿入保持する略筒状の絶縁碍子と該絶縁碍子が挿入配設されたハウジングと、該ハウジングの先端側に配設され上記センサ素子を保護するカバー体とによって構成されたものが知られている。
このようなガスセンサに用いられるセンサ素子として、ジルコニア等の特定のイオン電導性を有する固体電解質層と、その対向する表面に形成した一対の電極対と、アルミナ等の絶縁性材料を用いて形成された素子保持部材や発熱体を内蔵したヒータ層等を積層して軸方向に伸びる略板状に形成した積層型のセンサ素子が広く用いられている。
特許文献1には、上記絶縁碍子の内面側と上記センサ素子の外側面との間に上記絶縁碍子との熱膨張係数の差が特定の範囲となる封止ガラスを充填して封止固定したガスセンサが開示されている。
Conventionally, as a gas sensor for detecting the concentration of a specific gas in a gas to be measured, a sensor element having a detection portion on the tip side, a substantially cylindrical insulator that holds the sensor element inserted therein, and the insulator There is known a housing constituted by a housing in which is inserted and disposed and a cover body which is disposed on the front end side of the housing and protects the sensor element.
As a sensor element used in such a gas sensor, it is formed using a solid electrolyte layer having specific ion conductivity such as zirconia, a pair of electrodes formed on the opposing surface, and an insulating material such as alumina. A laminated sensor element formed by laminating an element holding member, a heater layer incorporating a heating element, and the like and extending in the axial direction is widely used.
In
ところが、特許文献1にあるように封止ガラスと絶縁碍子との熱膨張係数の差を小さくしても、完全に一致させることは困難で、封止ガラスとセンサ素子との境界部に残留応力が存在し、ガスセンサの組付工程や被測定ガス流路への装着の際に外部から強い衝撃等の力が加わったときにセンサ素子の破壊に至る虞がある。
However, as described in
そこで、かかる実情に鑑み、本発明はガスセンサにおいて外部からの衝撃等の力に対してセンサ素子が破損され難く信頼性の高いガスセンサとその製造方法の提供を目的とするものである。 Therefore, in view of such a situation, an object of the present invention is to provide a highly reliable gas sensor and a method for manufacturing the same, in which the sensor element is hardly damaged by a force such as an external impact in the gas sensor.
第1の発明では、軸方向に伸びる略板状に形成され、少なくとも先端側に被測定ガスに晒され被測定ガス中の特定ガス成分の濃度を検出する検出部と基端側に検出結果に応じた出力信号を取り出す出力部とを有するセンサ素子と、該センサ素子を内側に保持する略筒状の絶縁性保持部材と、該絶縁性保持部材を覆いつつ上記センサ素子の上記検出部を被測定ガス中に保持・固定するハウジングとを具備するガスセンサにおいて、上記センサ素子と上記絶縁性保持部材とを封止ガラスを介して封止固定すると共に、上記センサ素子と上記封止ガラスとの境界部において、少なくとも上記センサ素子の周囲を覆うように、耐熱性無機材料からなり多粒子集合体構造を有するコーティング層を形成する(請求項1)。 In the first aspect of the invention, it is formed in a substantially plate shape extending in the axial direction, is exposed to the gas to be measured at least on the tip side, and detects the concentration of the specific gas component in the gas to be measured and the detection result on the base side. A sensor element having an output unit for extracting a corresponding output signal, a substantially cylindrical insulating holding member for holding the sensor element on the inside, and covering the detection unit of the sensor element while covering the insulating holding member. In a gas sensor comprising a housing that is held and fixed in a measurement gas, the sensor element and the insulating holding member are sealed and fixed via a sealing glass, and a boundary between the sensor element and the sealing glass In the part, a coating layer made of a heat-resistant inorganic material and having a multi-particle aggregate structure is formed so as to cover at least the periphery of the sensor element.
第2の発明では、上記コーティング層は、上記封止ガラスの表面の80%以上を覆うように形成する(請求項2)。 In the second invention, the coating layer is formed so as to cover 80% or more of the surface of the sealing glass.
第3の発明では、上記コーティング層は、0.5mm以上の厚みに形成する(請求項3)。 In the third invention, the coating layer is formed to a thickness of 0.5 mm or more.
第4の発明では、上記無機材料は、主成分としてアルミナ、シリカ、ジルコニア、チタニアのいずれか1以上の金属酸化物を含み、該金属酸化物からなるコロイド粒子、又は、上記金属酸化物を生成可能な有機金属化合物からなるコロイド粒子を分散してペースト状となした無機コロイド分散材料を前駆体とし、100〜300℃の加熱温度によって上記コロイド粒子表面に存在する金属と水酸基との化合物が縮合して上記金属酸化物を形成しつつ硬化する無機接着剤であることを特徴とする(請求項4)。 In a fourth invention, the inorganic material contains at least one metal oxide of alumina, silica, zirconia, and titania as a main component, and generates colloidal particles made of the metal oxide or the metal oxide. An inorganic colloidal dispersion material in which colloidal particles composed of possible organometallic compounds are dispersed to form a paste is used as a precursor, and the metal and hydroxyl group compounds present on the surface of the colloidal particles are condensed at a heating temperature of 100 to 300 ° C. And an inorganic adhesive that cures while forming the metal oxide (claim 4).
第5の発明では、被測定ガス中の特定ガス成分の濃度を検出すべく、封止ガラスを介して略筒状の絶縁性保持部材内に軸方向に伸びる略板状のセンサ素子を収納固定したガスセンサの製造方法において、少なくとも、軸方向に伸びる略板状に形成され先端側に検出部を具備し基端側に該検出部の検出結果に応じた出力信号を取り出し可能な出力部を有するセンサ素子を形成するセンサ素子形成工程と、該センサ素子を収納保持する略筒状の絶縁性保持部材を形成する絶縁性保持部材形成工程と、上記センサ素子を上記絶縁性保持部材に挿入し、上記センサ素子と上記絶縁性保持部材との間に封止ガラスを充填し、これを溶融、冷却固化、又は、結晶析出処理して、封止ガラス層を介して上記センサ素子を上記絶縁性保持部材内に気密に保持する封止ガラス層形成工程と、上記封止ガラス層と上記センサ素子との境界部に少なくとも上記センサ素子の外周を覆うように無機材料からなるコロイド分散ペーストを塗布し、これを加熱、乾燥、硬化させてコーティング層を形成するコーティング層形成工程とを具備する(請求項5)。 In the fifth invention, in order to detect the concentration of a specific gas component in the gas to be measured, a substantially plate-like sensor element extending in the axial direction is housed and fixed in a substantially cylindrical insulating holding member via a sealing glass. In the method for manufacturing a gas sensor, at least, it has a substantially plate-like shape extending in the axial direction, has a detection unit on the distal end side, and has an output unit capable of taking out an output signal corresponding to the detection result of the detection unit on the proximal end side. A sensor element forming step for forming a sensor element, an insulating holding member forming step for forming a substantially cylindrical insulating holding member for storing and holding the sensor element, and the sensor element is inserted into the insulating holding member, Sealing glass is filled between the sensor element and the insulating holding member, and this is melted, cooled, solidified, or crystallized to hold the sensor element through the sealing glass layer. Keep airtight in the part A colloidal dispersion paste made of an inorganic material is applied to a boundary portion between the sealing glass layer forming step and the sealing glass layer and the sensor element so as to cover at least the outer periphery of the sensor element, and this is heated, dried and cured And a coating layer forming step of forming a coating layer.
第1の発明によれば、上記センサ素子と上記封止ガラスとの熱膨張係数の差によって上記センサ素子と上記封止ガラスとの境界部に残留応力が発生しても上記コーティング層が多粒子集合体構造であるため、粒子間の接触部の面積が小さく、上記コーティング層と上記センサ素子との境界部及び上記コーティング層と上記封止ガラスとの境界部に残留応力が作用しても、粒子間の接触部及びその周辺での寸法変形により、残留引張応力が軽減されものと推察される。
したがって、上記センサ素子と上記封止ガラスとの熱膨張係数の差によって上記センサ素子と上記封止ガラスとの境界部に残留応力が発生しても、その表面に残留応力が極めて小さい層が形成されることになる。
さらに、外部から曲げモーメントが作用したときには、曲げモーメントと残留引張応力との和がセンサ素子の破断応力に到達したときにセンサ素子の折損が起こる。
上記コーティング層が形成されていない従来のガスセンサの場合には、本来のセンサ素子の強度よりも残留引張応力の分だけ低い強度で折損が発生する。本発明によれば、上記コーティング層の表面の残留引張応力が極めて小さくなっているので、上記コーティング層と上記センサ素子の境界部においては、センサ素子本来の強度に近い強度が発揮され、外部からの衝撃に対してセンサ素子が破損され難く信頼性の高いガスセンサが実現できる。
また、本発明者等の鋭意試験により、上記コーティング層は多粒子集合体構造であるため、外部から上記センサ素子に曲げモーメントが作用したときに上記センサ素子と上記封止ガラスとの境界部に作用する応力は上記コーティング層により分散、軽減され、センサ素子の折損が起こり難くなることが判明した。なお、多粒子集合体構造とは、上記コーティング層を形成する各粒子が微小空間を有する状態で結合した構造をいう。
According to the first invention, even if residual stress occurs at the boundary between the sensor element and the sealing glass due to a difference in thermal expansion coefficient between the sensor element and the sealing glass, the coating layer is multi-particulate. Because of the aggregate structure, the area of the contact portion between the particles is small, even if residual stress acts on the boundary between the coating layer and the sensor element and the boundary between the coating layer and the sealing glass, It is inferred that the residual tensile stress is reduced by the dimensional deformation at the contact portion between the particles and the periphery thereof.
Therefore, even if a residual stress is generated at the boundary between the sensor element and the sealing glass due to a difference in thermal expansion coefficient between the sensor element and the sealing glass, a layer having a very small residual stress is formed on the surface. Will be.
Further, when a bending moment is applied from the outside, the sensor element breaks when the sum of the bending moment and the residual tensile stress reaches the breaking stress of the sensor element.
In the case of a conventional gas sensor in which the coating layer is not formed, breakage occurs at a strength lower than the strength of the original sensor element by the residual tensile stress. According to the present invention, since the residual tensile stress on the surface of the coating layer is extremely small, a strength close to the original strength of the sensor element is exhibited at the boundary between the coating layer and the sensor element. Therefore, it is possible to realize a highly reliable gas sensor in which the sensor element is not easily damaged by the impact of the above.
In addition, since the coating layer has a multi-particle aggregate structure according to the inventors' intensive studies, when a bending moment is applied to the sensor element from the outside, the coating layer is formed at the boundary between the sensor element and the sealing glass. It has been found that the acting stress is dispersed and reduced by the coating layer, and the sensor element is hardly broken. The multi-particle aggregate structure refers to a structure in which the particles forming the coating layer are combined in a state having a minute space.
本発明者らの鋭意試験により、第2の発明の範囲で上記コーティング層を形成すれば、センサ素子の折損が起こり難いガスセンサを実現できることが判明した。 As a result of diligent tests by the present inventors, it has been found that if the coating layer is formed within the scope of the second invention, a gas sensor in which the sensor element is hardly broken can be realized.
本発明者らの鋭意試験により、第3の発明の範囲で上記コーティング層の厚みを形成すれば、センサ素子の折損が起こり難いガスセンサを実現できることが判明した。 As a result of diligent tests by the present inventors, it has been found that if the thickness of the coating layer is formed within the scope of the third invention, a gas sensor in which the sensor element is hardly broken can be realized.
本発明者らの鋭意試験により、第4の発明によれば、上記コーティング層は上記センサ素子、上記封止ガラス及び上記絶縁性保持部材との熱膨張係数の差が小さく、また、100〜300℃の比較的低温で加熱したときに多粒子集合体構造で耐熱性が高く、強度の高いセラミック状となり、センサ素子の折損が起こり難いガスセンサを実現できることが判明した。 According to the fourth invention, the present inventors have conducted intensive tests, and the coating layer has a small difference in thermal expansion coefficient between the sensor element, the sealing glass, and the insulating holding member, and is 100 to 300. It has been found that when heated at a relatively low temperature of 0 ° C., a gas sensor can be realized in which a multi-particle aggregate structure has a high heat resistance and a high strength ceramic, and the sensor element is not easily broken.
第5の発明によれば、センサ素子の折損が起こり難く信頼性の高い上記第1から第2の発明のガスセンサを極めて容易に実現できる。 According to the fifth aspect of the present invention, the gas sensor according to the first and second aspects of the present invention can be realized very easily because the sensor element is unlikely to break.
本発明のガスセンサは、燃焼機関の燃焼排気流路に設けられ被測定ガス中の特定ガス成分の濃度を測定するガスセンサにおいて、センサ素子として軸方向に伸びる略平板状に形成され、先端側に検出部が設けられ基端側に検出結果に応じた出力信号を取り出す出力部が設けられた、いわゆる積層型のガスセンサ素子を用いたガスセンサに好適なものである。なお、本発明のガスセンサは、用いられるセンサ素子の検出対象となる特定ガス成分の種類を限定するものではなく、NH3センサ、NOxセンサ、O2センサ、PMセンサ等の様々なガスセンサに適用可能なものである。 The gas sensor of the present invention is a gas sensor provided in a combustion exhaust passage of a combustion engine for measuring the concentration of a specific gas component in a gas to be measured. The gas sensor is formed in a substantially flat plate shape extending in the axial direction as a sensor element, and is detected on the tip side. This is suitable for a gas sensor using a so-called laminated gas sensor element in which an output portion for providing an output signal corresponding to a detection result is provided on the base end side. The gas sensor of the present invention is not limited to the type of specific gas component to be detected by the sensor element used, and can be applied to various gas sensors such as NH 3 sensor, NOx sensor, O 2 sensor, PM sensor, and the like. It is a thing.
以下に、本発明の第1の実施形態におけるガスセンサ1について、自動車エンジン等の内燃機関から排出される燃焼排気流を被測定ガスとし、被測定ガス中の酸素成分濃度を検出する酸素センサを例に図1から図3を参照しながら説明する。なお、以下の説明において図の上方を基端側、下方を先端側と称す。
Hereinafter, with respect to the
図1(a)に示すように、ガスセンサ素子10は、軸方向に伸びる略平板状に形成され、先端側に検出部11が設けられ、基端側に出力部12が設けられている。また、本図(b)に示すように、酸素イオン電導性の固体電解質体100の基準ガスとして導入される大気に晒される側の表面には、基準電極層110が形成され、被測定ガスに晒される側の表面には測定電極120が形成されている。さらに、基準電極層110側に積層して基準ガス室130を区画する基準ガス室形成層151と固体電解質層100を加熱活性化するための発熱体140と発熱体140を絶縁封止する絶縁層150とが形成されている。
測定電極層120側に積層して所定の拡散抵抗を付与する拡散抵抗層160が形成されている。
さらに外部からの水滴の付着によりセンサ素子10の割れを抑制すべく検出部11の外周を覆うように多孔質保護層161が形成されている。
基準電極層110と測定電極層120とは、それぞれ図略の基準電極リード111、測定電極リード121を介してセンサ素子10の基端側表面に形成された基準電極端子112、測定電極端子122に接続されている。
発熱体140は一対のリード部141a、141bを介して基端側表面に形成された一対の通電端子142a、142bに接続されている。
As shown in FIG. 1A, the
A
Further, a porous
The
The
図2に示すように、センサ素子10は、高純度アルミナ等からなる略筒状に形成された絶縁性保持部材(以下、インシュレータと称す)20内に挿入され、封止ガラス30によってインシュレータ20内に固定されている。
さらに、封止ガラス30とセンサ素子10との境界において、本発明の要部である無機材料を用いたコーティング層31がセンサ素子10の外周を覆いつつ少なくとも封止ガラス30の表面の80%以上を覆っている。なお、本実施形態においてコーティング層31は封止ガラス30の表面を全て(100%)を覆い、厚みtは、0.5mm以上に形成されている。
本実施形態において、インシュレータ20は、中心にセンサ素子10を挿入する素子挿入孔210が形成され、基端側に封止ガラス30を充填するための封止ガラス充填部211が形成されている。
封止ガラス30としては、センサ素子10及びインシュレータ20との熱膨張係数の差が可能な限り小さいものが望ましいが、封止ガラスとして広く用いられている公知の材料を用いても本発明の効果は発揮される。
具体的には、特許文献1にあるようなB2O3−ZnO−SiO2−Al2O3−BaO−MgOなどの結晶化ガラスを用いるのが良い。
封止ガラス30は、粉末状の封止ガラス原料を組付け容易にするために略筒状に形成し、インシュレータ20の封止ガラス充填部211に挿入する。
センサ素子10とインシュレータ20と封止ガラス30とを仮組みしたものを900℃程度に加熱して、封止ガラス30を結晶析出処理すると、封止ガラス30を介してセンサ素子10をインシュレータ20内に気密に保持された状態となる。
As shown in FIG. 2, the
Further, at the boundary between the sealing
In the present embodiment, the
As the sealing
Specifically, a crystallized glass such as B 2 O 3 —ZnO—SiO 2 —Al 2 O 3 —BaO—MgO as described in
The sealing
When the
コーティング層31に用いられる材料として、市販品を使用する場合には、表1に示す材料が好適であることが本発明者等の鋭意試験により判明した。
例えば、朝日化学工業株式会社製、スミセラムS−208D、S−30B−21、S−18C、S−301、東亜合成株式会社製、アロンセラミックC、D、E等の無機接着剤が利用可能である。
これらの材料は一般的には高温環境下で用いられるセラミック、ガラス、金属等の接着が可能な耐熱性無機接着剤として用いられており、100〜300℃程度の比較的低温で硬化する。
硬化後には伝熱性に優れ、硬度の高いセラミック状となり、1000〜2000℃の高温に耐える多孔質膜となり、本発明の多粒子集合体構造のコーティング層31を容易に形成することができる。
なお、センサ素子10及びインシュレータ20並びに封止ガラス30の熱膨張係数に合わせて、使用する無機接着剤に含まれる耐熱性無機材料を適宜選択するのが望ましい。
また、本発明はこれらの市販品に限定するものではなく、硬化後にアルミナ、シリカ、ジルコニアのいずれか1種以上の金属酸化物粒子の集合体となる金属酸化物又は有機金属化合物がコロイド状態で分散されており、加熱によってコロイド粒子表面に存在するシラノール基(Si−OH)やアルミノール基(Al−OH)の脱水・縮合によってシラノール重合体(−O−Si−O−)、アルミノール重合体(−O−Al−O−)等の金属酸化物重合体が形成され硬化するものであれば適宜採用可能であると推察される。
As a material used for the
For example, inorganic adhesives such as Asahi Chemical Industry Co., Ltd., Sumiceram S-208D, S-30B-21, S-18C, S-301, Toa Gosei Co., Ltd., Aron Ceramic C, D, E, etc. can be used. is there.
These materials are generally used as heat-resistant inorganic adhesives capable of bonding ceramics, glass, metals and the like used in a high temperature environment, and are cured at a relatively low temperature of about 100 to 300 ° C.
After curing, it becomes a ceramic with excellent heat conductivity and high hardness, and becomes a porous film that can withstand high temperatures of 1000 to 2000 ° C., and the
In addition, it is desirable to select suitably the heat resistant inorganic material contained in the inorganic adhesive to be used according to the thermal expansion coefficient of the
Further, the present invention is not limited to these commercially available products, and the metal oxide or organometallic compound that becomes an aggregate of one or more metal oxide particles of alumina, silica, and zirconia after curing is in a colloidal state. Silanol polymer (—O—Si—O—), aluminol heavy by dehydration / condensation of silanol groups (Si—OH) and aluminol groups (Al—OH) present on the surface of colloidal particles that are dispersed by heating It is presumed that any metal oxide polymer such as a coalescence (—O—Al—O—) can be used as long as it is formed and cured.
図3に示すように、本発明の第1の実施形態におけるガスセンサ1は、封止ガラス30を介してインシュレータ20内に挿入固定されたセンサ素子10と、センサ素子10と封止ガラス30との境界部に形成されたコーティング層31と、インシュレータ20を保持し、センサ素子10の測定部11を被測定ガス流路80の内側に載置するハウジング40とハウジング40の先端側に設けられ、センサ素子10の測定部11を保護するカバー体70、71と、ハウジング40の基端側に設けられ、センサ素子10の出力部12に接続され、検出結果に応じた出力信号を取り出す一対の信号線114、124とセンサ素子10を加熱活性化する発熱体140に通電する一対の通電線144a、144bとを保護するケーシング50とによって構成されている。
As shown in FIG. 3, the
ハウジング40は、ステンレス等の金属製で略筒型に形成されており、基端側のボス部42にはケーシング50が嵌着され、先端部44には二重筒状のカバー体70、71が固定されている。
ハウジング40の中腹外周部にはネジ部43が形成され、図略の内燃機関の燃焼排気流路80にガスケットを介して螺結されることにより、センサ素子10の測定部11が被測定ガス流路80の内側に配設され、カバー体70、71で覆われた状態で固定されている。ハウジング40の外周には、ネジ部43を締め付けるための六角部45が形成されている。
The
A
インシュレータ20は、ハウジング40内に、粉末シール部材60、絶縁性パッキン部材61、絶縁性保持部材62、金属製封止部材63等を介して加締め部41が加締められて固定されている。
インシュレータ20には、センサ素子10が挿入され、封止ガラス30によってセンサ素子10が固定され、センサ素子10と封止ガラス30との境界部には、本発明の要部である耐熱性無機材料からなり、多粒子集合体構造のコーティング層31が形成されている。
The
The
カバー体70、71は、ステンレス等の耐熱性金属製で、略有底円筒状のアウタカバー70とインナカバー71とからなる二重筒構造をしている。
アウタカバー70とインナカバー71とにはそれぞれ被測定ガスを内部に導入しつつセンサ素子10の被水防止を図る開口701、702、711、712が形成され、基端側がハウジング40の先端部44に固定されている。
The
The
一対の信号線114、124と一対の通電線144a、144bとは、耐熱性ゴムなどの弾性部材からなる封止材64によってケーシング50の基端部に保持され、接続金具113、123、143a、143bを介してセンサ素子10の測定電極端子112、基準電極端子122、発熱体通電端子142a、142bにそれぞれ接続され、これらの導通を確実にすべく保護部材170によって覆われている。
The pair of signal lines 114 and 124 and the pair of
封止材64には、基準ガス導入口51が穿設され、基準ガス導入口51から撥水フィルタ52を介して導入された大気が、ガスセンサ素子10の基準ガス室130内に導入されている。
The sealing
図略の通電制御装置によって発熱体140に通電され、発熱体140によって、固体電解質層100が活性化されると、拡散抵抗層160を介して測定電極層120に接する被測定ガス中の酸素濃度と基準電極層110に接する基準ガス室130内に導入された大気中の酸素濃度との差によって両電極間に電位差が生じ、これを測定することによって、被測定ガス中の酸素濃度等の被測定ガス中の特定ガス成分の濃度を検出できる。
When the
図1から図3を参照して、本発明の第1の実施形態におけるガスセンサ1の製造方法の概要について簡単に説明する。
センサ素子形成工程では、被測定ガス中の特定ガス成分の濃度を検出すべく、封止ガラス30を介して略筒状の絶縁性保持部材としてのインシュレータ23内に軸方向に伸びる略板状のセンサ素子10を収納固定したガスセンサ1の製造方法において、ジルコニア等の固体電解質材料をドクターブレード法等の公知の製法により略板状の固体電解質層100を形成し、さらに基準電極層110、測定電極層120、基準ガス室130、ヒータ140、絶縁層150、151、拡散抵抗層160、保護層161等を公知の方法により形成し、図1に示すような軸方向に伸びる略板状に形成され先端側に検出部11を具備し基端側に検出部11の検出結果に応じた出力信号を取り出し可能な出力部12を有するセンサ素子10を形成する。
絶縁性保持部材形成工程では、センサ素子10を収納保持する略筒状の絶縁性保持部材として、アルミナ、チタニア等の耐熱性絶縁材料を用いて、CIP等の公知の製造方法により、図2、図3に示すような略筒状のインシュレータ20を形成する。
封止ガラス層形成工程では、センサ素子10をインシュレータ20に挿入し、センサ素子10とインシュレータ20との間に上述の封止ガラス材料を充填し、これを溶融、冷却固化、又は、結晶析出処理して、封止ガラス層30を介してセンサ素子10を上インシュレータ20内に気密に保持する。
本発明の要部であるコーティング層形成工程では、封止ガラス層30とセンサ素子10との境界部に少なくともセンサ素子10の外周を覆うように、主成分としてアルミナ、シリカ、ジルコニア、チタニアのいずれか1以上の金属酸化物を含み、該金属酸化物からなるコロイド粒子、又は、上記金属酸化物を生成可能な有機金属化合物からなるコロイド粒子を分散してペースト状となした無機コロイド分散材料を前駆体とし、100〜300℃の加熱温度によって上記コロイド粒子表面に存在する金属と水酸基との化合物が縮合して上記金属酸化物を形成しつつ硬化する無機接着剤として、表1に示すような無機接着剤を塗布し、これを加熱、乾燥、硬化させて多粒子集合体構造のコーティング層31を形成する。
以上の工程により、センサ素子10が封止ガラス30を介してインシュレータ20に封止固定され、本発明の要部であるコーティング層31がセンサ素子10の周囲を覆うように形成された状態となる、これを公知の方法により、略筒状に形成されたハウジング40に組付け、公知の方法により保持・固定し、カバー体70、一対の信号線114、124、一対の通電線144a、144b、ケーシング50等を組付けることにより、図3に示すような被測定ガス中の特定ガス成分の濃度を検出するガスセンサ1が完成する。
With reference to FIGS. 1 to 3, an outline of a manufacturing method of the
In the sensor element forming step, a substantially plate-like shape extending in the axial direction into the
In the insulating holding member forming step, as a substantially cylindrical insulating holding member for storing and holding the
In the sealing glass layer forming step, the
In the coating layer forming step, which is the main part of the present invention, any of alumina, silica, zirconia, and titania as a main component so as to cover at least the outer periphery of the
Through the above steps, the
以下に、図4から図8を参照して本発明の効果について説明する。
なお、図2に示した本発明の第1の実施形態におけるセンサ素子10をインシュレータ20内に封止ガラス30を介して固定しコーティング層31を形成したものを実施例1とする。
図4に示すように、コーティング層31の形成範囲、厚みを変化させて本発明の他の実施例2、3、4とし、コーティング層31を形成していない比較例1、2を用いて本発明の効果を確認するために試験を行った。
実施例2は、本図(a1)、(a2)に示すように、コーティング層31aが、厚みta(0.5〜0.8mm)で、封止ガラス30の表面を80%以上覆うような範囲で形成されている。
実施例3は、本図(b)に示すように、コーティング層31bが厚みtb(1.8〜2.2mm)で、封止ガラス30の表面全体を覆うように形成されている。
実施例4は、本図(c)に示すように、コーティング層31cが厚みtc(2.8〜3.2mm)で、封止ガラス30の表面全体を覆い、封止ガラス充填部211内の空隙を満たすように形成されている。
比較例1は、本図(d)に示すように、コーティング層31が形成されていない。
比較例2は、本図(e)に示すように、コーティング層31に代えて、封止ガラス30の上面にさらに封止ガラス30yを厚みty(2.8〜3.2mm)で充填し、封止ガラス充填部211内の空隙を満たすように形成されている。
The effects of the present invention will be described below with reference to FIGS.
An example in which the
As shown in FIG. 4, the formation range and thickness of the
In Example 2, as shown in the drawings (a 1 ) and (a 2 ), the
In Example 3, the
In Example 4, the
In Comparative Example 1, the
In Comparative Example 2, as shown in FIG. 4E, the upper surface of the sealing
図5に本発明の効果を調査するための試験方法を示す。
本図(a)に示すように、インシュレータ20を固定治具90で固定し、実施例1、2、3、4については、コーティング層31、31a、31b、31cの上端面から、比較例1、2については、封止ガラス30、30yの上端面から所定の距離A(5mmに固定)の位置で板厚方向に押圧荷重を増加させ、折損荷重P(kgf)を測定した。 実際の折損位置にはバラツキが生じるため、本図(b)に示すように、折損後に折損荷重Pと実際の折損長さBとから、折損時の曲げモーメントM(=P×B)を計算し、これを評価基準とした。
板厚1.4mm、素子幅3.5mmのセンサ素子10を内径6.5mmのインシュレータ20内に封止ガラス30を介して固定し、各実施例の条件について、8個ずつ測定を行い、その平均値を測定した。表2及び図6、図7に、本試験結果を示す。
FIG. 5 shows a test method for investigating the effect of the present invention.
As shown to this figure (a), the
A
図6(a)に示すように、コーティング層の端面でセンサ素子が折損するものと、本図(b)に示すように、封止ガラスの端面でセンサ素子が折損するものとが存在した。
表2に示すように、実施例1、実施例2では、封止ガラス30の端面で折損するものが見られたが、実施例3、実施例4では、全てがコーティング層31の端面で折損し、比較例1では、全て封止ガラス30の端面で折損し、比較例2では、全て封止ガラス30の上面に形成した封止ガラス30yの端面で折損した。
As shown in FIG. 6 (a), the sensor element was broken at the end face of the coating layer, and the sensor element was broken at the end face of the sealing glass as shown in FIG. 6 (b).
As shown in Table 2, in Example 1 and Example 2, what was broken at the end face of the sealing
また、表2及び図7に示すように、封止ガラス30の全面を覆うようにコーティング層31を形成した実施例1、3、4では、折損時の曲げモーメントMはコーティング層の厚みt、tb、tcに関わらず、平均51kgf・mm(47〜55kgf・mm)であった。
実施例2では、折損時の曲げモーメントMは、平均39kgf・mm(35〜41kgf・mm)であった。
比較例1では、折損時の曲げモーメントMは、平均29kgf・mm(24〜33kgf・mm)であった。
比較例2では、折損時の曲げモーメントMは、平均29kgf・mm(25〜32kgf・mm)であった。
Further, as shown in Table 2 and FIG. 7, in Examples 1, 3, and 4 in which the
In Example 2, the bending moment M at the time of breakage was an average of 39 kgf · mm (35 to 41 kgf · mm).
In Comparative Example 1, the bending moment M at breakage was an average of 29 kgf · mm (24 to 33 kgf · mm).
In Comparative Example 2, the bending moment M at breakage was an average of 29 kgf · mm (25 to 32 kgf · mm).
以上のことから、封止ガラス30とセンサ素子10との境界部においてセンサ素子10の外周を覆うようにコーティング層31を形成することによって、センサ素子の曲げ強度が向上し、外部からの衝撃に対して、折損され難いガスセンサの実現が可能となることが判明した。
また、コーティング層31は、封止ガラス30の表面の少なくとも80%以上を覆うように形成すれば効果が発揮され、全面を覆うように形成するのが望ましく、厚みは、0.5mm以上、より望ましくは0.8mm以上に形成すれば、本発明の効果が得られることが判明した。
From the above, by forming the
Further, the
次いで、表1に示した無機接着剤の種類の違いによる効果について使用する無機接着剤を変えて実施例1と同一の条件でコーティング層を形成し、折損時の曲げモーメントの測定を行った。その結果を表3に示す。
主成分の違いにより、センサ素子10との熱膨張係数に差があるため、効果に多少の違いが発生するが、コーティング層を形成することにより、実施例1、5、6、7、8いずれも比較例1、2より折損時の曲げモーメントが高くなっている。
Subsequently, the coating layer was formed on the same conditions as Example 1 by changing the inorganic adhesive used about the effect by the difference in the kind of inorganic adhesive shown in Table 1, and the bending moment at the time of breakage was measured. The results are shown in Table 3.
Due to the difference in the main component, there is a difference in the coefficient of thermal expansion from the
センサ素子10と封止ガラス30との境界部に作用する力に対しては、コーティング層31は、無機材料粒子310が集合した多粒子集合体によって構成されているので、粒子間の接触部の面積が小さく、図8に球状粒子の集合体のモデル図で示すように、荷重Pがセンサ素子10に加わり、コーティング層31の表面に曲げモーメントによる引張り力が作用(本図では引張り力の中心が斜線の粒子に作用した場合を示す。)したときに、コーティング層31の粒子間で力が分散されることにより(本図は例として、一部のみを示したものであるが、図中の接触部の矢印で表すように分散される。)、センサ素子10と封止ガラス30との境界部に作用する力が軽減され、センサ素子10の折損が起こり難くなるものと推察される。
センサ素子10とコーティング層31との境界部に曲げモーメントによる引張り力が作用する場合は、前述のように、粒子間の接触部及びその周辺での寸法変形により、残留引張応力が軽減され、センサ素子10の折損が起こり難くなるものと推察される。
なお、コーティング層31は、図8に示すように、多数の無機材料粒子310が結合したものであり、各無機材料粒子310の間には微小空間を備えて結合した状態の多粒子集合体構造をなすものである。
For the force acting on the boundary between the
When a tensile force due to a bending moment acts on the boundary between the
As shown in FIG. 8, the
図9、図10に、本発明の他の実施形態におけるガスセンサ1a、1bを示す。上記実施形態と同一の構成については同じ符号を付したので説明を省略し、相違点のみについて簡単に説明する。
図9に示すガスセンサ1aでは、接続金具113a、123a、143a、143bを弾性的に変形可能なバネ形状とすることにより、出力部12に弾性的に当接する構造とし、センサ素子10への外部からの衝撃が吸収される構造となっている。このような構造のガスセンサ1aに対して、本発明のコーティング層31を形成することにより、さらに衝撃に強いガスセンサが実現可能となる。
図10に示すガスセンサ1bでは、接続金具113a、123a、143a、143bを弾性的に変形可能なバネ形状とすることに加え、さらにこれらを絶縁保持するインシュレータ170bを、バネ部を備えたホルダ171によって弾性的にケーシング50b内に保持する構造とし、センサ素子10への外部からの衝撃が吸収され、さらに素子の折損が起こり難い構造となっている。
このような構造のガスセンサ1bに対して、本発明のコーティング層31を形成することにより、さらに衝撃に強いガスセンサが実現可能となる。
9 and 10
In the
In the gas sensor 1b shown in FIG. 10, in addition to making the
By forming the
1 ガスセンサ
10 センサ素子
11 検出部
12 出力部
100 固体電解質層
110 基準電極層
120 測定電極層
130 基準ガス室
140 発熱体
150、151 絶縁層
160 拡散抵抗層
161 保護層
112、122 出力端子
142a、142b 通電端子
113、123、143a、143b 接続金具
114、124 信号線
144a、144b 通電線
170 端子接合部材
20 絶縁性保持部材(インシュレータ)
21 インシュレータ基端部
210 素子挿入孔
211 封止ガラス充填部
22 インシュレータ係止部
23 インシュレータ先端部
30 封止ガラス
31 無機材料コーティング層
40 ハウジング
50 ケーシング
51 大気導入孔
60、61、62、63、64 封止部材
70、71 カバー体
701、702、711、712 被測定ガス導入孔
80 被測定ガス流路
90 試験用固定治具
DESCRIPTION OF
21 Insulator
Claims (5)
上記センサ素子と上記絶縁性保持部材とを封止ガラスを介して封止固定すると共に、
上記センサ素子と上記封止ガラスとの境界部において、少なくとも上記センサ素子の周囲を覆うように、耐熱性無機材料からなり多粒子集合体構造を有するコーティング層を形成したことを特徴とするガスセンサ。 Formed in a substantially plate shape extending in the axial direction, at least the tip side is exposed to the gas to be measured and detects the concentration of the specific gas component in the gas to be measured, and the output signal corresponding to the detection result is taken out from the base side A sensor element having an output part; a substantially cylindrical insulating holding member that holds the sensor element inside; and the detection part of the sensor element is held in the gas to be measured while covering the insulating holding member. In a gas sensor comprising a housing to be fixed,
While sealing and fixing the sensor element and the insulating holding member through a sealing glass,
A gas sensor comprising a coating layer made of a heat-resistant inorganic material and having a multi-particle aggregate structure so as to cover at least the periphery of the sensor element at the boundary between the sensor element and the sealing glass.
少なくとも、軸方向に伸びる略板状に形成され先端側に検出部を具備し基端側に該検出部の検出結果に応じた出力信号を取り出し可能な出力部を有するセンサ素子を形成するセンサ素子形成工程と、
該センサ素子を収納保持する略筒状の絶縁性保持部材を形成する絶縁性保持部材形成工程と、
上記センサ素子を上記絶縁性保持部材に挿入し、上記センサ素子と上記絶縁性保持部材との間に封止ガラスを充填し、これを溶融、冷却固化、又は、結晶析出処理して、封止ガラス層を介して上記センサ素子を上記絶縁性保持部材内に気密に保持する封止ガラス層形成工程と、
上記封止ガラス層と上記センサ素子との境界部に少なくとも上記センサ素子の外周を覆うように無機材料からなるコロイド分散ペーストを塗布し、これを加熱、乾燥、硬化させてコーティング層を形成するコーティング層形成工程とを具備することを特徴とするガスセンサの製造方法。 In a gas sensor manufacturing method in which a substantially plate-like sensor element extending in the axial direction is housed and fixed in a substantially cylindrical insulating holding member through a sealing glass so as to detect the concentration of a specific gas component in a gas to be measured. ,
At least a sensor element that is formed in a substantially plate shape extending in the axial direction, has a detection part on the distal end side, and has an output part on the base end side that can take out an output signal according to the detection result of the detection part. Forming process;
An insulating holding member forming step of forming a substantially cylindrical insulating holding member for storing and holding the sensor element;
The sensor element is inserted into the insulating holding member, and a sealing glass is filled between the sensor element and the insulating holding member, and this is melted, cooled, solidified, or crystallized, and sealed. A sealing glass layer forming step of hermetically holding the sensor element in the insulating holding member via a glass layer;
A coating in which a colloidal dispersion paste made of an inorganic material is applied to the boundary between the sealing glass layer and the sensor element so as to cover at least the outer periphery of the sensor element, and this is heated, dried and cured to form a coating layer A gas sensor manufacturing method comprising: a layer forming step.
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