JP2015172524A

JP2015172524A - ガスセンサ

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Publication number: JP2015172524A
Application number: JP2014048456A
Authority: JP
Inventors: 野田　恵一; Keiichi Noda; 恵一野田; 大輔多比良; Daisuke Tahira; 伊藤　慎悟; Shingo Ito; 慎悟伊藤; 山田　裕一; Yuichi Yamada; 裕一山田; 淳雅岡田; Atsumasa Okada
Original assignee: NGK Spark Plug Co Ltd
Current assignee: Niterra Co Ltd
Priority date: 2014-03-12
Filing date: 2014-03-12
Publication date: 2015-10-01
Anticipated expiration: 2034-03-12
Also published as: JP6313075B2

Abstract

【課題】センサ素子の損傷を防止したガスセンサを提供する。
【解決手段】センサ素子１００と、センサ素子の検知部を露出する形態で、センサ素子の径方向周囲を取り囲む略筒状の主体金具と、主体金具の内側にて保持され、センサ素子が挿通される軸孔３５ａを有する内部部品３５と、圧縮充填された圧縮粉末体であって、主体金具の内側において、内部部品の先端向き面又は後端向き面に接して配置される圧縮粉末体と、を備えたガスセンサであって、センサ素子の外面と前記軸孔の内周面との最小距離ｄ２が０．１０ｍｍ以上である。
【選択図】図４

Description

本発明は、例えば燃焼器や内燃機関等の燃焼ガスや排気ガス中に含まれる特定ガスのガス濃度を検出するのに好適に用いられるガスセンサに関する。

従来、自動車などから発生する排気ガス中の特定ガス成分を検出するセンサ素子を備えたガスセンサが知られている。このようなガスセンサは、板体の長手方向の一端部に排気ガス中の特定ガスを検知する検知部が形成されたセンサ素子と、当該センサ素子の検知部を露出する形態で、前記センサ素子の径方向周囲を取り囲む略筒状の主体金具を備えている。このセンサ素子は、一対の電極で挟まれた固体電解質からなる層を少なくとも一層以上備えた長板状の素子として構成され、さらに、そのセンサ素子には、センサ素子を加熱して活性化する板状のヒータが積層されたものが一般的に知られている。そして、略筒状の主体金具に板体のセンサ素子を保持するために、主体金具の内側にて保持されるホルダ、圧縮粉末体、スリーブがセンサ素子の検知側（以後、先端側という。）から順に備えられている。

このうち、ホルダおよびスリーブは、一般にセラミックで形成され、外観が略円筒状を呈している。さらに、そのホルダおよびスリーブには、センサ素子の長手方向に直交する断面形状に沿った略長方形状の挿通孔が中心軸に沿って各々設けられている。よって、センサ素子はこれら各挿通孔に挿通して保持される。そして、主体金具の後端側がスリーブ側に加締められ、圧縮粉末体がスリーブ側からホルダ側に向かって加圧されることにより、主体金具の内側が密閉され、ガスセンサ内の気密性が保持される。

ところで、ホルダとセンサ素子の板面との間の隙間が大きくなると、排気ガスがその隙間に侵入しやすくなり、さらには、ホルダの挿通孔の隙間からガスセンサ内に排気ガスが侵入しやすくなり、ガスセンサ内の気密性が低下する。そこで、センサ素子の板面とホルダの軸孔の内周面とのセンサ素子の長手方向に垂直な短手方向の距離の総和を０．７ｍｍ以下とすることで、上記隙間を小さくし、センサ内の気密性を確保する技術が開発されている（特許文献１参照）。

特開２００６−９０８４２号公報

しかしながら、上記隙間を小さくし過ぎると、ホルダの挿通孔の内壁とセンサ素子の板面とが接触し、センサ素子が損傷するおそれがある。
そこで、本発明は、ホルダ等の内部部品とセンサ素子との隙間を最適にすることにより、センサ素子の損傷を防止したガスセンサの提供を目的とする。

上記課題を解決するため、本発明のガスセンサは、軸線方向に延び、板体の長手方向の一端部にガスを検知する検知部が形成されたセンサ素子と、当該センサ素子の前記検知部を露出する形態で、前記センサ素子の径方向周囲を取り囲む略筒状の主体金具と、前記主体金具の内側にて保持され、前記センサ素子が挿通される軸孔を有する内部部品と、圧縮充填された圧縮粉末体であって、前記主体金具の内側において、前記内部部品の先端向き面又は後端向き面に接して配置される圧縮粉末体と、を備えたガスセンサであって、前記センサ素子の外面と前記軸孔の内周面との最小距離が０．１０ｍｍ以上である。
このガスセンサによれば、最小距離を０．１０ｍｍ以上とすることで、内部部品とセンサ素子との隙間を最適にし、センサ素子を内部部品の軸孔に挿通する際に、センサ素子が軸孔に接触して損傷することや、ガスセンサ組み付け時の滑石（圧縮粉末体）充填によるセンサ素子の折れを防止することができる。少なくとも、センサ素子の厚み方向における内部部品とセンサ素子との最小距離を両側とも０．１０ｍｍ以上に設定することが、センサ素子の折れを防止するという観点から好ましい。
また、センサ素子、内部部品、滑石等が一体となった素子ユニットを形成する際の偏芯量を考慮すると、前記最小距離が０．１８ｍｍ以上であることがより好ましい。

前記内部部品は、前記圧縮粉末体の先端側に配置されたホルダ、又は前記圧縮粉末体の後端側に配置されたスリーブであってもよい。

この発明によれば、センサ素子の損傷を防止したガスセンサが得られる。

本発明の実施形態に係るガスセンサ（酸素センサ）の長手方向に沿う断面図である。センサ素子の模式分解斜視図である。図１の部分拡大断面図である。図３の位置Ｐで径方向に切断した断面図である。最小距離を変化させた場合の、センサ素子の折れの有無の実験結果を示す図である。

以下、本発明の実施形態について説明する。
図１は本発明の実施形態に係るガスセンサ（酸素センサ）１の長手方向（軸線Ｌ方向）に沿う断面図、図２はセンサ素子１００の模式分解斜視図、図３は図１の部分拡大断面図、図４は図３の位置Ｐで径方向に切断した断面図である。

図１に示すように、ガスセンサ１は、先端側にガスを検知する検知部１００ａが形成された板状のセンサ素子１００、検知部１００ａを先端側に露出させつつセンサ素子１００を内部に保持する略筒状の主体金具３０等を有している。センサ素子１００は軸線Ｌ方向に延びるように配置されている。なお、センサ素子１００の検知部１００ａを多孔質保護層２０が覆っている。

主体金具３０は、ＳＵＳ４３０製のものであり、ガスセンサを排気管に取り付けるための雄ねじ部３１と、取り付け時に取り付け工具をあてがう六角部３２とを有している。また、主体金具３０には、径方向内側に向かって突出する金具側段部３３が設けられており、この金具側段部３３はセンサ素子１００を保持するための金属ホルダ３４を支持している。そしてこの金属ホルダ３４の内側にはセラミック製のホルダ３５、滑石３６が先端側から順に配置されている。セラミック製のホルダ３５は略円筒状に形成されており、軸線に沿うように断面が略長方形の軸孔３５ａが設けられ、内部にセンサ素子１００を挿通している。
滑石３６は金属ホルダ３４内に配置される第１滑石３７と金属ホルダ３４の後端に渡って配置される第２滑石３８とからなる。金属ホルダ３４内で第１滑石３７が圧縮充填されることによって、センサ素子１００は金属ホルダ３４に対して固定される。また、主体金具３０内で第２滑石３８が圧縮充填されることによって、センサ素子１００の外面と主体金具３０の内面との間のシール性が確保される。
そして第２滑石３８の後端側には、アルミナ製のスリーブ３９が配置されている。このスリーブ３９は多段の円筒状に形成されており、軸線に沿うように断面が略長方形の軸孔３９ａが設けられ、内部にセンサ素子１００を挿通している。そして、主体金具３０の後端側の加締め部３０ａが内側に折り曲げられており、ステンレス製のリング部材４０を介してスリーブ３９が主体金具３０の先端側に押圧されている。
ホルダ３５、及びスリーブ３９が特許請求の範囲の「内部部品」に相当する。又、滑石３６（第１滑石３７、第２滑石３８）が特許請求の範囲の「圧縮粉末体」に相当する。なお、第１滑石３７はホルダ３５の後端向き面３５ｃに接し、第２滑石３８はスリーブ３９の先端向き面３９ｂに接している。

また、主体金具３０の先端側外周には、主体金具３０の先端から突出するセンサ素子１００の先端部を覆うと共に、複数のガス取り入れ孔２４ａを有する金属製のプロテクタ２４が溶接によって取り付けられている。このプロテクタ２４は、二重構造をなしており、外側には一様な外径を有する有底円筒状の外側プロテクタ４１、内側には後端部４２ａの外径が先端部４２ｂの外径よりも大きく形成された有底円筒状の内側プロテクタ４２が配置されている。

一方、主体金具３０の後端側には、ＳＵＳ４３０製の外筒２５の先端側が挿入されている。この外筒２５は先端側の拡径した先端部２５ａを主体金具３０にレーザ溶接等により固定している。外筒２５の後端側内部には、セパレータ５０が配置され、セパレータ５０と外筒２５の隙間に保持部材５１が介在している。この保持部材５１は、後述するセパレータ５０の突出部５０ａに係合し、外筒２５を加締めることにより外筒２５とセパレータ５０とにより固定されている。

また、セパレータ５０には、センサ素子１００に接続されるリード線１１〜１５を挿入するための通孔５０ｂが先端側から後端側にかけて貫設されている（なお、リード線１４、１５については図示せず）。通孔５０ｂ内には、リード線１１〜１５と、後述する検出素子部３００の検出素子側パッド１２１及びヒータ部２００のヒータ側パッド１２０とを接続する接続端子１６が収容されている。各リード線１１〜１５は、外部において、図示しないコネクタに接続されるようになっている。このコネクタを介してＥＣＵ等の外部機器と各リード線１１〜１５とは電気信号の入出力が行われることになる。また、各リード線１１〜１５は詳細に図示しないが、導線を樹脂からなる絶縁皮膜にて披覆した構造を有している。

さらに、セパレータ５０の後端側には、外筒２５の後端側の開口部２５ｂを閉塞するための略円柱状のゴムキャップ５２が配置されている。このゴムキャップ５２は、外筒２５の後端内に装着された状態で、外筒２５の外周を径方向内側に向かって加締めることにより、外筒２５に固着されている。ゴムキャップ５２にも、リード線１１〜１５をそれぞれ挿入するための通孔５２ａが先端側から後端側にかけて貫設されている。

次に、図２を参照してセンサ素子１００の詳細な構成について説明する。図２に示すように、センサ素子１００は、検出素子部３００及び検出素子部３００に積層されるヒータ部２００から構成されている。
検出素子部３００は、酸素濃度検出セル１３０と酸素ポンプセル１４０とを備える。酸素濃度検出セル１３０は、第１固体電解質体１０５と、その第１固体電解質１０５の両面に形成された第１電極１０４及び第２電極１０６とから形成されている。第１電極１０４は、第１電極部１０４ａと、第１電極部１０４ａから第１固体電解質体１０５の長手方向に沿って延びる第１リード部１０４ｂとから形成されている。第２電極１０６は、第２電極部１０６ａと、第２電極部１０６ａから第１固体電解質体１０５の長手方向に沿って延びる第２リード部１０６ｂとから形成されている。

そして、第１リード部１０４ｂの端末は、第１固体電解質体１０５に設けられる第１スルーホール１０５ａ、後述する絶縁層１０７に設けられる第２スルーホール１０７ａ、第２固体電解質体１０９に設けられる第４スルーホール１０９ａ及び保護層１１１に設けられる第６スルーホール１１１ａのそれぞれに形成される導体を介して検出素子側パッド１２１と電気的に接続する。一方、第２リード部１０６ｂの端末は、後述する絶縁層１０７に設けられる第３スルーホール１０７ｂ、第２固体電解質体１０９に設けられる第５スルーホール１０９ｂ及び保護層１１１に設けられる第７スルーホール１１１ｂのそれぞれに形成される導体を介して検出素子側パッド１２１と電気的に接続する。

一方、酸素ポンプセル１４０は、第２固体電解質体１０９と、その第２固体電解質体１０９の両面に形成された第３電極１０８、第４電極１１０とから形成されている。第３電極１０８は、第３電極部１０８ａと、この第３電極部１０８ａから第２固体電解質体１０９の長手方向に沿って延びる第３リード部１０８ｂとから形成されている。第４電極１１０は、第４電極部１１０ａと、この第４電極部１１０ａから第２固体電解質体１０９の長手方向に沿って延びる第４リード部１１０ｂとから形成されている。

そして、第３リード部１０８ｂの端末は、第２固体電解質体１０９に設けられる第５スルーホール１０９ｂ及び保護層１１１に設けられる第７スルーホール１１１ｂのそれぞれに形成される導体を介して検出素子側パッド１２１と電気的に接続する。一方、第４リード部１１０ｂの端末は、後述する保護層１１１に設けられる第８スルーホール１１１ｃに形成される導体を介して検出素子側パッド１２１と電気的に接続する。なお、第２リード部１０６ｂと第３リード部１０８ｂは同電位となっている。

これら第１固体電解質体１０５、第２固体電解質体１０９は、ジルコニア（ＺｒＯ_２）に安定化剤としてイットリア（Ｙ_２Ｏ_３）又はカルシア（ＣａＯ）を添加してなる部分安定化ジルコニア焼結体から構成されている。

発熱体１０２、第１電極１０４、第２電極１０６、第３電極１０８、第４電極１１０、ヒータ側パッド１２０及び検出素子側パッド１２１は、白金族元素で形成することができる。これらを形成する好適な白金族元素としては、Ｐｔ、Ｒｈ、Ｐｄ等を挙げることができ、これらはその一種を単独で使用することもできるし、又二種以上を併用することもできる。

もっとも、発熱体１０２、第１電極１０４、第２電極１０６、第３電極１０８、第４電極１１０、ヒータ側パッド１２０及び検出素子側パッド１２１は、耐熱性及び耐酸化性を考慮するとＰｔを主体にして形成することがより一層好ましい。さらに、発熱体１０２、第１電極１０４、第２電極１０６、第３電極１０８、第４電極１１０、ヒータ側パッド１２０及び検出素子側パッド１２１は、主体となる白金族元素の他にセラミック成分を含有することが好ましい。このセラミック成分は、固着という観点から、積層される側の主体となる材料（例えば、第１固体電解質体１０５、第２固体電解質体１０９の主体となる成分）と同様の成分であることが好ましい。

そして、上記酸素ポンプセル１４０と酸素濃度検出セル１３０との間に、絶縁層１０７が形成されている。絶縁層１０７は、絶縁部１１４と拡散律速部１１５とからなる。この絶縁層１０７の絶縁部１１４には、第２電極部１０６ａ及び第３電極部１０８ａに対応する位置に中空のガス検出室１０７ｃが形成されている。このガス検出室１０７ｃは、絶縁層１０７の幅方向で外部と連通しており、該連通部分には、外部とガス検出室１０７ｃとの間のガス拡散を所定の律速条件下で実現する拡散律速部１１５が配置されている。

絶縁部１１４は、絶縁性を有するセラミック焼結体であれば特に限定されなく、例えば、アルミナやムライト等の酸化物系セラミックを挙げることができる。

拡散律速部１１５は、アルミナからなる多孔質体である。この拡散律速部１１５によって検出ガスがガス検出室１０７ｃへ流入する際の律速が行われる。

また、第２固体電解質体１０９の表面には、第４電極１１０を挟み込むようにして、保護層１１１が形成されている。この保護層１１１は、第４電極部１１０ａを挟み込むようにして、第４電極部１１０ａを被毒から防御するための多孔質の電極保護部１１３ａと、第４リード部１１０ｂを挟み込むようにして、第２固体電解質体１０９を保護するための補強部１１２とからなる。なお、本実施の形態のセンサ素子１００は、酸素濃度検出セル１３０の電極間に生じる電圧（起電力）が所定の値（例えば、４５０ｍＶ）となるように、酸素ポンプセル１４０の電極間に流れる電流の方向及び大きさが調整され、酸素ポンプセル１４０に流れる電流に応じた被測定ガス中の酸素濃度をリニアに検出する酸素センサ素子に相当する。

ヒータ部２００は、アルミナを主体とする第１基体１０１及び第２基体１０３と、第１基体１０１と第２基体１０３とに挟まれ、白金を主体とする発熱体１０２を有している。発熱体１０２は、先端側に位置する発熱部１０２ａと、発熱部１０２ａから第１基体１０１の長手方向に沿って延びる一対のヒータリード部１０２ｂとを有している。そして、ヒータリード部１０２ｂの端末は、第１基体１０１に設けられるヒータ側スルーホール１０１ａに形成された導体を介してヒータ側パッド１２０と電気的に接続している。第１基体１０１及び第２基体１０３を積層したものが絶縁セラミック体にあたる。

次に、本発明の特徴部分について、図３、図４を参照して説明する。
図３は、図１のセンサ素子１００とホルダ３５の部分拡大断面図である。なお、この時の断面は、センサ素子１００の重心とホルダ３５の重心とが一致した状態を示している。センサ素子１００の一方の板面１００ｓ１と、ホルダ３５の軸孔３５ａの内周面３５ａ１との距離をｄ１とする。又、センサ素子１００の板面１００ｓ１と対向する板面１００ｓ２と、ホルダ３５の軸孔３５ａの内周面３５ａ２との距離をｄ２とする。
ここで、ホルダ３５の軸孔３５ａの先端側及び後端側の隅部３５ｄは、ホルダ３５の割れ等を防止するために面取りされており、軸孔３５ａの内周面とセンサ素子１００の板面との距離が隅部３５ｄで大きくなっている。このため、距離ｄ１、ｄ２を測定する場合は、隅部３５ｄを除く軸孔３５ａ（具体的には、軸線Ｌ方向に、ホルダ３５の先端側及び後端側の隅部３５ｄの間の位置Ｐ）での値とする。

図４は、図３の位置Ｐで径方向（軸線Ｌ方向に垂直な方向）に切断した断面図である。センサ素子１００の板面１００ｓ１、１００ｓ２と交差する２つの板面１００ｓ３、１００ｓ４についても、それぞれホルダ３５の軸孔３５ａの内周面との距離ｄ３、ｄ４を同様にして求める。換言すると、距離ｄ１、ｄ２、ｄ３、ｄ４は、センサ素子１００の外面と軸孔３５ａの内周面との片側のクリアランスである。
このようにして得られた距離ｄ１〜ｄ４のうち最も小さい値（図４の例では距離ｄ２）を、センサ素子１００の板面とホルダ３５の軸孔３５ａとの最小距離とし、この最小距離を０．１０ｍｍ以上に規定する。
最小距離を０．１０ｍｍ以上とすることで、センサ素子１００をホルダ３５の軸孔３５ａに挿通する際に、センサ素子１００が軸孔３５ａに接触して損傷することを防止することができる。

本発明は上記実施形態に限定されず、板状のあらゆるガスセンサ（センサ素子）に適用可能であり、本実施の形態の酸素センサ（酸素センサ素子）に限られず、本発明の思想と範囲に含まれる様々な変形及び均等物に及ぶことはいうまでもない。例えば、被測定ガス中のＮＯｘ濃度を検出するＮＯｘセンサ（ＮＯｘセンサ素子）や、ＨＣ濃度を検出するＨＣセンサ（ＨＣセンサ素子）等に本発明を適用してもよい。
又、スリーブ３９について、センサ素子１００の板面とスリーブ３９の軸孔３９ａとの最小距離を０．１０ｍｍ以上にしてもよい。この場合には、センサ素子１００と軸孔３９ａとの接触を防止することができる。
ホルダ３５とスリーブ３９の双方について、上記最小距離を０．１０ｍｍ以上としてもよい。
ホルダ３５とスリーブ３９の材質についても、上記したセラミック等の絶縁体の他、例えば金属としてもよい。また、金属ホルダ３４は省略してもよい。

ホルダ３５の軸孔３５ａの大きさを種々変更し、図１、図２に示すガスセンサ１を製造した。
まず、金属ホルダ３４の内側に、ホルダ３５、及び圧縮前の第１滑石３７を順に配置し、ホルダ３５の軸孔３５ａ及び第１滑石３７の中心軸孔にセンサ素子１００を挿通して、第１滑石３７を押圧した。これにより、センサ素子１００、金属ホルダ３４、セラミックホルダ３５、及び第１滑石３７が一体となった素子ユニットを形成した。この時、センサ素子１００の重心とセラミックホルダ３５の重心とが一致するように形成している。そして、形成された素子ユニットを、ガスセンサ素子１００の先端側から主体金具３０の内側に配置した。
次に、第１滑石３７の後端側の主体金具３０の内側にて、センサ素子１００に圧縮前の第２滑石３８、スリーブ３９及びリング部材４０を挿通した。そして、主体金具３０の後端側の加締め部３０ａを内側にかつ先端側へ向かって加締め、スリーブ３９を主体金具３０の先端側に押圧し、第１滑石３７及び第２滑石３８を圧縮充填した。

得られたガスセンサ１を解体し、センサ素子１００の折れの有無を目視で評価した。折れたサンプルはＮＧ品、折れていないサンプルはＯＫ品として評価した。

得られた結果を図５に示す。なお、図５では、各クリアランス（最小距離）ごとに１０本のサンプルにおける結果を示している。
図５から明らかなように、センサ素子１００の板面とホルダ３５の軸孔３５ａとの最小距離が０．１０ｍｍ未満の場合、センサ素子１００の折れが生じた。これは、主体金具３０の加締め部３０ａを加締めてスリーブ３９を主体金具３０の先端側に押圧した際に、圧縮された滑石の移動に伴ってセンサ素子１００に対し、径方向に応力がかかることで生じたものと考えられる。
一方。センサ素子１００の板面とホルダ３５の軸孔３５ａとの上記最小距離を０．１０ｍｍ以上とすると、滑石の移動に伴うセンサ素子１００の折れを防止できることがわかった。
なお、素子ユニットを形成する際に、センサ素子が少なからず偏芯して重心が一致しないことがあり、その偏芯量は最大で０．０８ｍｍであることが分かっている。
従って、上記偏芯量を考慮し、センサ素子１００の板面とホルダ３５の軸孔３５ａとの上記最小距離を０．１８ｍｍ以上と設定すると、センサ素子の折れを防止するという観点ではより好ましい。

１ガスセンサ
３０主体金具
３５内部部品（ホルダ）
３５ａホルダの軸孔
３５ａ１、３５ａ２軸孔の内周面
３５ｃホルダの後端向き面
３７圧縮粉末体（第１滑石）
３８圧縮粉末体（第２滑石）
３９内部部品（スリーブ）
３９ａスリーブの軸孔
３９ｂスリーブの先端向き面
１００センサ素子
１００ａ検知部
１００ｓ１〜１００ｓ４センサ素子の板面
Ｌ軸線
ｄ２最小距離

Claims

軸線方向に延び、板体の長手方向の一端部にガスを検知する検知部が形成されたセンサ素子と、
当該センサ素子の前記検知部を露出する形態で、前記センサ素子の径方向周囲を取り囲む略筒状の主体金具と、
前記主体金具の内側にて保持され、前記センサ素子が挿通される軸孔を有する内部部品と、
圧縮充填された圧縮粉末体であって、前記主体金具の内側において、前記内部部品の先端向き面又は後端向き面に接して配置される圧縮粉末体と、
を備えたガスセンサであって、
前記センサ素子の外面と前記軸孔の内周面との最小距離が０．１０ｍｍ以上であるガスセンサ。
前記最小距離が０．１８ｍｍ以上である請求項１に記載のガスセンサ。
前記内部部品は、前記圧縮粉末体の先端側に配置されたホルダ、又は前記圧縮粉末体の後端側に配置されたスリーブである請求項１又は２に記載のガスセンサ。