JP2018063129A - Method for manufacturing solid electrolyte sensor and solid electrolyte sensor - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、固体電解質セラミックスをセンサ素子としてガス濃度を測定する固体電解質センサの製造方法、及び、該製造方法により製造される固体電解質センサに関するものである。 The present invention relates to a method for manufacturing a solid electrolyte sensor for measuring a gas concentration using a solid electrolyte ceramic as a sensor element, and a solid electrolyte sensor manufactured by the manufacturing method.
固体電解質セラミックス(イオン伝導性セラミックス)をセンサ素子として、気相中または液相中の水素ガス、酸素ガス、炭酸ガス、水蒸気などのガス濃度を測定する固体電解質センサが種々提案されており、本出願人も過去に複数の提案を行っている(例えば、特許文献1,2参照)。固体電解質センサは、同一イオンの濃度差により電位差が生じる濃淡電池の原理を使用したものであり、固体電解質を挟んだ二つの空間で測定対象のガスの濃度が異なる場合に、固体電解質に生じる起電力を測定する。一方の空間のガス濃度が既知であれば、ネルンストの式により、測定された起電力とセンサ素子の温度から、他方の空間におけるガス濃度を知ることができる。 Various solid electrolyte sensors that measure the gas concentration of hydrogen gas, oxygen gas, carbon dioxide gas, water vapor, etc. in the gas phase or in the liquid phase using solid electrolyte ceramics (ion conductive ceramics) as sensor elements have been proposed. The applicant has also made a plurality of proposals in the past (see, for example, Patent Documents 1 and 2). The solid electrolyte sensor uses the principle of a concentration cell that generates a potential difference due to the difference in concentration of the same ions. When the concentration of the gas to be measured is different in the two spaces between which the solid electrolyte is sandwiched, the solid electrolyte sensor Measure power. If the gas concentration in one space is known, the gas concentration in the other space can be known from the measured electromotive force and the temperature of the sensor element by the Nernst equation.
従って、固体電解質センサでは、固体電解質によって二つの空間が仕切られている必要がある。従来の固体電解質センサでは、筒状の支持部材(ホルダ)の一端にセンサ素子を固定し、ホルダとセンサ素子との全体を有底筒状とすることにより、二つの空間を仕切っている。 Therefore, in the solid electrolyte sensor, the two spaces need to be partitioned by the solid electrolyte. In a conventional solid electrolyte sensor, a sensor element is fixed to one end of a cylindrical support member (holder), and the whole of the holder and the sensor element has a bottomed cylindrical shape, thereby partitioning two spaces.
ところが、センサ素子とホルダとの間を完璧に密に封止することは、このとのほか難しく、ごく僅かな空隙が残存し易いのが実情である。センサ素子とホルダとの間にごく僅かでも空隙が存在すると、ガス濃度が既知である空間のガス(基準ガス)と測定環境のガスとが混合してしまい、正確な測定ができない。特に、測定環境における測定対象のガスの濃度が高い場合は、ガスの混合による測定結果への影響が大きい。また、測定対象のガスが水素の場合、分子のサイズが小さいため、空隙のサイズが極めて小さい場合であっても通過し易く、ガスの混合による測定結果への影響が大きい。 However, in addition to this, it is difficult to completely and tightly seal between the sensor element and the holder, and a very small gap tends to remain. If there is even a slight gap between the sensor element and the holder, the gas in the space (reference gas) whose gas concentration is known and the gas in the measurement environment are mixed, and accurate measurement cannot be performed. In particular, when the concentration of the measurement target gas in the measurement environment is high, the influence of the gas mixture on the measurement result is large. In addition, when the gas to be measured is hydrogen, the size of the molecule is small, so even if the size of the void is very small, it easily passes through, and the influence of the gas mixing on the measurement result is large.
そこで、本発明は、上記の実情に鑑み、固体電解質セラミックス製のセンサ素子を挟んだ二つの空間のガスの混合が抑止されている固体電解質センサの製造方法、及び、該製造方法により製造される固体電解質センサの提供を、課題とするものである。 Therefore, in view of the above circumstances, the present invention is manufactured by a method for manufacturing a solid electrolyte sensor in which mixing of gases in two spaces sandwiching a sensor element made of solid electrolyte ceramics is suppressed, and manufactured by the manufacturing method. An object is to provide a solid electrolyte sensor.
上記の課題を解決するため、本発明にかかる固体電解質センサの製造方法(以下、単に「製造方法」と称することがある)は、
「円筒状のホルダの一端と、固体電解質セラミックス製で有底円筒状のセンサ素子の円筒部とを、封止部材によって接続することにより、前記ホルダの一端が前記センサ素子で閉塞された有底筒状の内部空間と外部空間とが区画されている固体電解質センサを製造する方法であり、
該封止部材は、
相反する方向に突出した雄ネジ部を有し、二つの該雄ネジ部それぞれを軸方向に貫通している孔部が連通している継手本体と、
二つの前記雄ネジ部とそれぞれ螺合する雌ネジ孔を有する二つのナット部材と、
二つの前記雄ネジ部と螺合相手の前記ナット部材との間にそれぞれ介在している二つまたは二対の金属製の環状部材と、を備えるものであり、
一方の前記雄ネジ部の前記孔部に前記ホルダを挿入した状態で、その雄ネジ部と一方の前記雌ネジ孔を螺合させて前記ナット部材を締め込むことにより、一方の前記環状部材を塑性変形させて前記孔部の内周面と前記ホルダとの間を閉塞すると共に、
他方の前記雄ネジ部の前記孔部に前記センサ素子の円筒部を挿入した状態で、その雄ネジ部と他方の前記雌ネジ孔を螺合させて前記ナット部材を締め込むことにより、他方の前記環状部材を塑性変形させて前記孔部の内周面と前記センサ素子との間を閉塞する」ものである。
In order to solve the above problems, a method for manufacturing a solid electrolyte sensor according to the present invention (hereinafter, simply referred to as “manufacturing method”)
“A bottomed bottom in which one end of the holder is closed by the sensor element by connecting one end of the cylindrical holder and the cylindrical portion of the bottomed cylindrical sensor element made of solid electrolyte ceramics with a sealing member A method of manufacturing a solid electrolyte sensor in which a cylindrical internal space and an external space are partitioned,
The sealing member is
A joint main body having a male screw portion protruding in opposite directions, and a hole portion passing through each of the two male screw portions in the axial direction;
Two nut members having female screw holes respectively screwed into the two male screw portions;
Two or two pairs of metal annular members respectively interposed between the two male screw portions and the nut member of the screwing counterpart,
With the holder inserted into the hole of one of the male screw portions, the male screw portion and one of the female screw holes are screwed together and the nut member is tightened, so that one of the annular members is While plastically deforming and closing between the inner peripheral surface of the hole and the holder,
In the state where the cylindrical portion of the sensor element is inserted into the hole portion of the other male screw portion, the nut member is tightened by screwing the male screw portion and the other female screw hole. The annular member is plastically deformed to close the space between the inner peripheral surface of the hole and the sensor element.
本構成の製造方法では、センサ素子でホルダの一端を閉塞することにより、全体としての形状を有底筒状とする。その際、円筒状であるホルダと、有底円筒状であるセンサ素子の円筒部とを、封止部材で接続する。 In the manufacturing method of this structure, the one end of a holder is obstruct | occluded with a sensor element, and the shape as a whole is made into a bottomed cylindrical shape. At that time, the cylindrical holder and the cylindrical portion of the sensor element having a bottomed cylindrical shape are connected by a sealing member.
ここで、封止部材は、孔部が貫通している雄ネジ部、雄ネジ部と螺合する雌ネジ孔を有するナット部材、及び、雄ネジ部とナット部材との間に介在する環状部材、を一つの組として考えたときに、その二組が雄ネジ部の孔部で連通している管継手である。一方の雄ネジ部の孔部にホルダを挿入し、他方の雄ネジ部の孔部にセンサ素子の円筒部を挿入すれば、管継手を介してホルダとセンサ素子とが接続される。そして、それぞれの雄ネジ部に対して、ナット部材の雌ネジ孔を螺合させて締め込むと、両者間に介在している金属製の環状部材がナット部材に押されて雄ネジ部の孔部内に押し込まれ、塑性変形する。 Here, the sealing member includes a male screw portion through which the hole portion penetrates, a nut member having a female screw hole screwed with the male screw portion, and an annular member interposed between the male screw portion and the nut member. Are considered as one set, and the two sets are pipe joints communicating with each other through the hole portion of the male screw portion. If the holder is inserted into the hole of one male screw part and the cylindrical part of the sensor element is inserted into the hole of the other male screw part, the holder and the sensor element are connected via a pipe joint. Then, when the female screw hole of the nut member is screwed into each male screw part and tightened, the metal annular member interposed between them is pushed by the nut member and the hole of the male screw part It is pushed into the part and plastically deforms.
このように雄ネジ部とナット部材との間で金属製の環状部材を塑性変形させる管継手は、「食い込み式」継手と称されており、従前より、ガスや液体の配管用の継手として使用されている。金属製の環状部材が塑性変形して接続対象のパイプに食い込むことにより、継手とパイプとがシールされ、ひいてはパイプ同士が密にシールされた状態で接続される。そのため、このような「食い込み式」継手について、従来、当業者が常識として想定する接続対象のパイプは、金属製の環状部材の「食い込み」が許容される金属製のパイプまたは樹脂製のパイプであった。つまり、環状部材をパイプに「食い込ませるからこそ密閉できる」、というのが当業者の考えであった。 A pipe joint that plastically deforms a metal annular member between the male screw and the nut member in this way is called a "break-in" joint, and has been used as a joint for gas and liquid piping. Has been. When the metal annular member is plastically deformed and bites into the pipe to be connected, the joint and the pipe are sealed, and as a result, the pipes are connected in a tightly sealed state. Therefore, with regard to such a “bite-in” joint, the pipe to be connected that is conventionally assumed by those skilled in the art as a common sense is a metal pipe or a resin pipe that allows “bite-in” of a metal annular member. there were. That is, it was an idea of those skilled in the art that the annular member can be “sealed because it bites into the pipe”.
本製造方法は、このような当業者の常識に反し、金属製の環状部材が「食い込むことができない」セラミックス材料であるセンサ素子の接続に、「食い込み式」継手である封止部材を使用するものである。詳細は後述するように、金属製の環状部材は、セラミックス製のセンサ素子の円筒部に食い込むことはないが、センサ素子の円筒部の外周面に押し付けられて塑性変形し、センサ素子の円筒部の外周面に沿って広がり密着する。従って、本製造方法によれば、ホルダの一端がセンサ素子で閉塞された有底筒状の内部空間と外部空間とが密に区画されるため、センサ素子を挟んだ二つの空間のガスの混合を効果的に抑止することができる。 Contrary to the common knowledge of those skilled in the art, the present manufacturing method uses a sealing member that is a “bite-in” joint to connect a sensor element that is a ceramic material in which a metal annular member cannot “break into”. Is. As will be described in detail later, the metal annular member does not bite into the cylindrical portion of the ceramic sensor element, but is pressed against the outer peripheral surface of the cylindrical portion of the sensor element to be plastically deformed. It spreads along the outer peripheral surface of and adheres closely. Therefore, according to this manufacturing method, since the inner space of the bottomed cylindrical shape whose one end of the holder is closed with the sensor element and the outer space are densely divided, the gas mixture in the two spaces sandwiching the sensor element is performed. Can be effectively deterred.
なお、ホルダは、金属製であってもセラミックス製であってもよい。ホルダが金属製であれば、環状部材は塑性変形してホルダに食い込む。一方、ホルダがセラミックス製であれば、センサ素子の円筒部との関係と同様に、環状部材が塑性変形してホルダの外周面に沿って広がり密着する。 The holder may be made of metal or ceramic. If the holder is made of metal, the annular member is plastically deformed and bites into the holder. On the other hand, if the holder is made of ceramics, the annular member is plastically deformed and spreads along the outer peripheral surface of the holder, as in the relationship with the cylindrical portion of the sensor element.
次に、本発明にかかる固体電解質センサは、
「円筒状のホルダと、
固体電解質セラミックス製で有底円筒状のセンサ素子と、
前記ホルダの一端に前記センサ素子の円筒部を接続することにより、前記ホルダの一端が前記センサ素子で閉塞された有底筒状の内部空間を外部空間と区画している封止部材と、を具備し、
該封止部材は、
相反する方向に突出した雄ネジ部を有し、二つの該雄ネジ部それぞれを軸方向に貫通している孔部が連通している継手本体と、
二つの前記雄ネジ部とそれぞれ螺合する雌ネジ孔を有する二つのナット部材と、
二つの前記雄ネジ部と螺合相手の前記ナット部材との間にそれぞれ介在している二つまたは二対の金属製の環状部材と、を備えるものであり、
一方の前記環状部材は、一方の前記雄ネジ部の前記孔部に前記ホルダが挿入され、その雄ネジ部と一方の前記雌ネジ孔が螺合している状態で、前記孔部の内周面と前記ホルダとの間で塑性変形しており、
他方の前記環状部材は、他方の前記雄ネジ部の前記孔部に前記センサ素子の円筒部が挿入され、その雄ネジ部と他方の前記雌ネジ孔が螺合している状態で、前記孔部の内周面と前記センサ素子との間で塑性変形している」ものである。
Next, the solid electrolyte sensor according to the present invention is:
“Cylindrical holder,
A bottomed cylindrical sensor element made of solid electrolyte ceramics;
By connecting a cylindrical portion of the sensor element to one end of the holder, a sealing member that divides a bottomed cylindrical internal space in which one end of the holder is closed with the sensor element from an external space, Equipped,
The sealing member is
A joint main body having a male screw portion protruding in opposite directions, and a hole portion passing through each of the two male screw portions in the axial direction;
Two nut members having female screw holes respectively screwed into the two male screw portions;
Two or two pairs of metal annular members respectively interposed between the two male screw portions and the nut member of the screwing counterpart,
One of the annular members has an inner periphery of the hole portion in a state where the holder is inserted into the hole portion of the one male screw portion and the male screw portion and the one female screw hole are screwed together. Plastic deformation between the surface and the holder,
The other annular member has the cylindrical portion of the sensor element inserted into the hole portion of the other male screw portion, and the male screw portion and the other female screw hole are screwed together. It is plastically deformed between the inner peripheral surface of the part and the sensor element ".
これは、上記の製造方法により製造される固体電解質センサの構成である。二つまたは二対の環状部材のうち、一方の環状部材が雄ネジ部の孔部とホルダの表面との間で塑性変形して両者間の空隙を埋めていると共に、他方の環状部材が雄ネジ部の孔部とセンサ素子の円筒部の表面との間で塑性変形して両者間の空隙を埋めているため、ホルダの一端がセンサ素子で閉塞された有底筒状の内部空間と外部空間とが密に区画されており、センサ素子を挟んだ二つの空間のガスの混合が、効果的に抑制されている。 This is the configuration of the solid electrolyte sensor manufactured by the above manufacturing method. Of the two or two pairs of annular members, one annular member is plastically deformed between the hole of the male screw portion and the surface of the holder to fill the gap between them, and the other annular member is male. Since the plastic part is deformed between the hole of the screw part and the surface of the cylindrical part of the sensor element to fill the gap between the two, the inner space of the bottomed cylinder in which one end of the holder is closed with the sensor element and the outside The space is densely partitioned, and mixing of gases in the two spaces sandwiching the sensor element is effectively suppressed.
本発明にかかる固体電解質センサは、上記構成において、
「前記ホルダは、セラミックス製である」ものとすることができる。
The solid electrolyte sensor according to the present invention has the above-described configuration,
“The holder is made of ceramics”.
本構成は、「環状部材が食い込むことができないセラミックス材料」“同士”が、「食い込み式」継手である封止部材で接続されている点で、更に斬新な構成である。 This configuration is a further novel configuration in that “ceramic materials that the annular member cannot bite” “to each other” are connected by a sealing member that is a “break-in” joint.
本発明にかかる固体電解質センサは、上記構成において、
「前記封止部材は、前記環状部材として、対をなすフロントフェルールとバックフェルールの二対を備えるダブルフェルール型継手である」ものとすることができる。なお、以下では、フロントフェルール及びバックフェルールを、「フェルール」と総称することがある。
The solid electrolyte sensor according to the present invention has the above-described configuration,
“The sealing member is a double ferrule-type joint including two pairs of a front ferrule and a back ferrule as a pair as the annular member”. Hereinafter, the front ferrule and the back ferrule may be collectively referred to as “ferrule”.
雄ネジ部に対してナット部材の雌ネジ孔を螺進させ締め付ける方向を「前」、螺退させる方向を「後」と称すると、ダブルフェルール型継手では、雄ネジ部の後端側の内周面、フロントフェルールの外周面、フロントフェルールの後端側の内周面、及び、バックフェルールの外周面は、後端ほど拡径したテーパ面となっている。そのため、二つの雄ネジ部の孔部に、接続対象のパイプである円筒状のホルダ及びセンサ素子の円筒部をそれぞれ挿入した後、フロントフェルール及びバックフェルールを介してナット部材を雄ネジ部に対して締め付けると、バックフェルールがナット部材に押され、バックフェルールの前端がフロントフェルールの後端側のテーパ面より内方にもぐり込むように変形しつつ前進する。これにより、フロントフェルールは外方に押し広げられるように変形しつつ前進し、雄ネジ部の後端側のテーパ面より内方にもぐり込むように変形する。 The direction in which the female screw hole of the nut member is screwed and tightened with respect to the male screw portion is referred to as “front”, and the direction in which the nut is screwed back is referred to as “rear”. The peripheral surface, the outer peripheral surface of the front ferrule, the inner peripheral surface on the rear end side of the front ferrule, and the outer peripheral surface of the back ferrule are tapered surfaces whose diameter is increased toward the rear end. Therefore, after inserting the cylindrical holder that is the pipe to be connected and the cylindrical portion of the sensor element into the holes of the two male screw portions, the nut member is attached to the male screw portion via the front ferrule and the back ferrule. Then, the back ferrule is pushed by the nut member, and the front end of the back ferrule moves forward while being deformed so as to slip inward from the tapered surface on the rear end side of the front ferrule. Accordingly, the front ferrule moves forward while being deformed so as to be pushed outward, and is deformed so as to be inward from the tapered surface on the rear end side of the male screw portion.
雄ネジ部に対してナット部材が十分に締め付けられると、フロントフェルールの外周面が雄ネジ部の後端側の内周面(テーパ面)に押し付けられて密着すると共に、バックフェルールの外周面がフロントフェルールの内周面(テーパ面)に押し付けられて密着する。また、フロントフェルールの前端及びバックフェルールの前端が、それぞれ縮径するように塑性変形する。センサ素子側で塑性変形したフロントフェルールは、センサ素子の表面に密着し、センサ素子と雄ネジ部の孔部との間の空隙を埋める。ホルダが金属製であれば、ホルダ側で塑性変形したフロントフェルールは楔のようにホルダの表面に食い込み、ホルダがセラミックス製であれば、塑性変形したフロントフェルールはホルダの外周面に沿って広がり密着する。従って、ホルダ及びセンサ素子それぞれが継手本体に対して密に接続され、その結果、ホルダの一端がセンサ素子で閉塞された有底筒状の内部空間と外部空間とが密に区画されて、センサ素子を挟んだ二つの空間のガスの混合が抑制される。 When the nut member is sufficiently tightened against the male threaded portion, the outer peripheral surface of the front ferrule is pressed against and closely contacts the inner peripheral surface (tapered surface) on the rear end side of the male threaded portion, and the outer peripheral surface of the back ferrule is The inner surface (tapered surface) of the front ferrule is pressed against and closely contacts. Further, the front end of the front ferrule and the front end of the back ferrule are plastically deformed so as to reduce the diameter. The front ferrule plastically deformed on the sensor element side is in close contact with the surface of the sensor element and fills the gap between the sensor element and the hole of the male screw portion. If the holder is made of metal, the front ferrule plastically deformed on the holder side will bite into the surface of the holder like a wedge, and if the holder is made of ceramic, the plastically deformed front ferrule will spread along the outer peripheral surface of the holder and adhere closely To do. Accordingly, each of the holder and the sensor element is tightly connected to the joint body, and as a result, the bottomed cylindrical inner space in which one end of the holder is closed with the sensor element and the outer space are densely partitioned, Mixing of gas in the two spaces sandwiching the element is suppressed.
本構成では、環状部材がフロントフェルールとバックフェルールとの対からなり、バックフェルールがフロントフェルールを押し広げるように作用する。そのため、環状部材が一つの部材からなる場合に比べて、フロントフェルールが塑性変形しやすく、空隙を埋めやすい。 In this configuration, the annular member is composed of a pair of a front ferrule and a back ferrule, and the back ferrule acts so as to spread the front ferrule. Therefore, compared to the case where the annular member is made of one member, the front ferrule is easily plastically deformed and the gap is easily filled.
以上のように、本発明の効果として、固体電解質のセンサ素子を挟んだ二つの空間のガスの混合が抑止されている固体電解質センサの製造方法、及び、該製造方法により製造される固体電解質センサを、提供することができる。 As described above, as an effect of the present invention, a method of manufacturing a solid electrolyte sensor in which mixing of gases in two spaces sandwiching a sensor element of solid electrolyte is suppressed, and a solid electrolyte sensor manufactured by the manufacturing method Can be provided.
以下、本発明の具体的な実施形態の固体電解質センサ、及び、その製造方法について、図1乃至図7を用いて説明する。ここでは、気相中のガス濃度を測定する固体電解質センサに、本発明を適用した場合を例示する。 Hereinafter, a solid electrolyte sensor according to a specific embodiment of the present invention and a manufacturing method thereof will be described with reference to FIGS. Here, the case where this invention is applied to the solid electrolyte sensor which measures the gas concentration in a gaseous phase is illustrated.
まず、第一実施形態である固体電解質センサ1の構成について、図1乃至図3を用いて説明する。固体電解質センサ1は、円筒状のホルダ52と、固体電解質セラミックス製で有底円筒状のセンサ素子51と、ホルダ52の一端にセンサ素子51の円筒部51bを接続することにより、ホルダ52の一端がセンサ素子51で閉塞された有底筒状の内部空間を外部空間と区画している封止部材50とを具備している。封止部材50は、金属製のダブルフェルール型継手である。
First, the structure of the solid electrolyte sensor 1 which is 1st embodiment is demonstrated using FIG. 1 thru | or FIG. The solid electrolyte sensor 1 includes a
また、固体電解質センサ1は、図1(a)に示すように、有底筒状の外部空間側でセンサ素子51の表面に設けられている外側電極61と、有底筒状の内部空間側でセンサ素子51の表面に設けられている内側電極62とを具備している。更に、固体電解質センサ1は、円筒状でホルダ52より大径の保護管60を更に備えており、ホルダ52は保護管60の内部に挿入された状態で、固定材69によって保護管60の内周面に固定されている。また、ホルダ52の内部には、有底筒状の内部空間に基準ガスまたは測定ガスを導入するためのガス導入管70が挿入されている。
Further, as shown in FIG. 1A, the solid electrolyte sensor 1 includes an
より詳細に説明すると、封止部材50は、図2に示すように、二つの雄ネジ部11,12を有する継手本体10と、二つの雄ネジ部11,12とそれぞれ螺合する雌ネジ孔41n,42nを有する二つのナット部材41,42と、二つの雄ネジ部11,12と螺合相手のナット部材41,42との間にそれぞれ介在している二対の金属製の環状部材と、を備えるものである。二対の環状部材は、対をなすフロントフェルール21及びバックフェルール31と、対をなす他のフロントフェルール22及びバックフェルール32とからなる。
More specifically, as shown in FIG. 2, the sealing
具体的には、継手本体10は、ベース部10rから二つの雄ネジ部11,12が相反する方向に突出した形状である。二つの雄ネジ部11,12は、それぞれ外周面に雄ネジが形成された円筒状であり、それぞれを軸方向に貫通している孔部11h、12hは、ベース部10rを貫通している孔部10hで連通している。また、ベース部10rの外形は、レンチ等の工具と噛み合う形状に形成されている。ここでは、ベース部10rの外形が、六角レンチと噛み合う六角柱状である場合を図示している。
Specifically, the
二つの雄ネジ部11,12のうち、一方の雄ネジ部11の外径は、他の雄ネジ部12の外径より小さい。そして、二つのナット部材41,42のうち、一方のナット部材41は、一方の雄ネジ部11と螺合する内径の雌ネジ孔41nを有する螺合部41rと、雌ネジ孔41nより小径で、且つ雌ネジ孔41nと連通している小径孔41hを有する底壁部41gとを備えている。他方のナット部材42は、他方の雄ネジ部12と螺合する内径の雌ネジ孔42nを有する螺合部42rと、雌ネジ孔42nより小径で、且つ雌ネジ孔42nと連通している小径孔42hを有する底壁部42gとを備えている。螺合部41r、42rそれぞれの外形は、レンチ等の工具と噛み合う形状に形成されている。ここでは、螺合部41r、42rそれぞれの外形が、六角レンチと噛み合う六角柱状である場合を図示している。
Of the two
ナット部材41,42の雌ネジを、それぞれ雄ネジ部11,12に対して螺進させ締め付ける方向を「前」、螺退させる方向を「後」と称すると、雄ネジ部11,12それぞれの孔部11h、12hは、何れも前端側で全長の約半分の長さの部分が単一径であり、後端側は、後端に向かうほど拡径している。つまり、孔部11h、12hそれぞれの内周面は、後端側でテーパ面11s,12sとなっている。ナット部材41の小径孔41hは、雄ネジ部11の孔部11hにおける単一径の部分と同一径であり、この径はセンサ素子51の円筒部51bの外径より僅かに大きい。また、ナット部材42の小径孔42hは、雄ネジ部12の孔部12hにおける単一径の部分と同一径であり、この径はホルダ52の外径より僅かに大きい。
The direction in which the female screws of the
そして、ベース部10rの孔部10hは、雄ネジ部11側で孔部11hより小径であり、雄ネジ部12側で孔部12hより小径である。これにより、雄ネジ部11とベース部10rとの境界では、ベース部10rが孔部11hの縁より内部に向かって円環状に張り出しており、雄ネジ部12とベース部10rとの境界では、ベース部10rが孔部12hの縁より内部に向かって円環状に張り出している。
The
対をなすフロントフェルール21及びバックフェルール31は、共に本発明の環状部材に相当し、雄ネジ部11とナット部材41との間に介設される。フロントフェルール21は、後端の径が前端より大径の円錐形の外形を呈しているため、外周面はテーパ面21tである。フロントフェルール21の内周面は、後端側で、後端に向かって拡径しているテーパ面21sとなっている。フロントフェルール21のテーパ面21tの傾斜と、雄ネジ部11のテーパ面11sの傾斜とを、軸方向(孔部11h,10h,12hの中心軸)に対する角度で比較すると、テーパ面11sの方がテーパ面21tより傾斜角度が大きい。
The paired
一方、バックフェルール31は、後端の径が前端より大径の円錐形の外形を呈しているため、外周面はテーパ面31tである。このテーパ面31tの傾斜と、フロントフェルール21の内周のテーパ面21sの傾斜とを、軸方向に対する角度で比較すると、テーパ面21sの方がテーパ面31tより傾斜角度が大きい。バックフェルール31の後端では、円環状のフランジ部31fが外方に向かって張り出している。
On the other hand, the
対をなす他のフロントフェルール22及びバックフェルール32は、共に本発明の環状部材に相当し、雄ネジ部12とナット部材42との間に介設される。フロントフェルール22及びバックフェルール32それぞれの構成及び互いの関係、フロントフェルール22と雄ネジ部12との関係は、上記のフロントフェルール21及びバックフェルール31それぞれの構成及び互いの関係、フロントフェルール21と雄ネジ部11との関係と同様である。すなわち、フロントフェルール22は、後端の径が前端より大径の円錐形の外形を呈しているため、外周面はテーパ面22tである。フロントフェルール22の内周面は、後端側で、後端に向かって拡径しているテーパ面22sとなっている。フロントフェルール22のテーパ面22tの傾斜と、雄ネジ部12のテーパ面12sの傾斜とを、軸方向に対する角度で比較すると、テーパ面12sの方がテーパ面22tより傾斜角度が大きい。
The other
一方、バックフェルール32は、後端の径が前端より大径の円錐形の外形を呈しているため、外周面はテーパ面32tである。このテーパ面32tの傾斜と、フロントフェルール22の内周のテーパ面22sの傾斜とを、軸方向に対する角度で比較すると、テーパ面22sの方がテーパ面32tより傾斜角度が大きい。バックフェルール32の後端では、円環状のフランジ部32fが外方に向かって張り出している。
On the other hand, the
上記構成の固体電解質センサ1を製造するには、封止部材50の雄ネジ部11にセンサ素子51の円筒部51bを接続する一方で、封止部材50の雄ネジ部12にホルダ52を接続する。これにより、ホルダ52の一端が封止部材50を介してセンサ素子51で閉塞され、全体として有底筒状となる。
In order to manufacture the solid electrolyte sensor 1 having the above configuration, the
まず、ホルダ52と封止部材50との接続について説明する。ここでは、ダブルフェルール型継手である封止部材50とセラミックス製のセンサ素子51との接続を、フェルールが食い込むことができる材料が接続対象である従来の接続と対比するために、ホルダ52が金属製である場合を例示する。
First, the connection between the
ホルダ52の一端側をフロントフェルール22及びバックフェルール32に挿通した状態で、ホルダ52を雄ネジ部12の孔部12hに挿入する。雄ネジ部12とベース部10rとの境界では、ベース部10rが孔部12hの縁より内部に向かって円環状に張り出しているため、この張り出した部分にホルダ52の端部を突き当てるように挿入することができる。更に、螺合部42rを雄ネジ部12側に向けたナット部材の42の小径孔42hに、ホルダ52を挿通する。この状態で、ナット部材42の雌ネジ孔42nを雄ネジ部12と螺合させ、ナット部材42を雄ネジ部12に対して締め付けると、バックフェルール32がナット部材42の底壁部42gに押される。バックフェルール32は後端にフランジ部32fを有しているため、ナット部材42からの押圧力がバックフェルール32に伝わり易い。バックフェルール32の外周面はテーパ面32tであり、フロントフェルール22の内周面は後端側でテーパ面22sであるため、バックフェルール32の前端がフロントフェルール22のテーパ面22sより内方にもぐり込むように前進する。テーパ面22sの傾斜角度はテーパ面32tの傾斜角度より大きいため、バックフェルール32の前端がテーパ面22sより内方にもぐり込むように前進し易い。
The
これにより、バックフェルール32に押されたフロントフェルール22は、外方に押し広げられるように変形しつつ前進する。フロントフェルール22の外周面はテーパ面22tであり、雄ネジ部12の内周面は後端側でテーパ面12sであるため、フロントフェルール22の前端が雄ネジ部12のテーパ面12sより内方にもぐり込むように前進する。テーパ面12sの傾斜角度はテーパ面22tの傾斜角度より大きいため、フロントフェルール22の前端がテーパ面12sより内方にもぐり込むように前進し易い。
Thereby, the
雄ネジ部12に対してナット部材42を十分に締め付けると、外方に向かって押し広げられたフロントフェルール22の外周面(テーパ面22t)が雄ネジ部12の孔部12hの内周面(テーパ面12s)に押し付けられて密着する。また、バックフェルール32の外周面(テーパ面32t)がフロントフェルール22の内周面(テーパ面22s)に押し付けられて密着する。そして、雄ネジ部12のテーパ面12sより内方にもぐり込んだフロントフェルール22の前端、及び、フロントフェルール22のテーパ面22sより内方にもぐり込んだバックフェルール32の前端は、それぞれ縮径するように塑性変形して、金属製のホルダ52に楔のように食い込む。これにより、ホルダ52が継手本体10に対して密に接続される(図3(b)における上部参照)。なお、継手本体10のベース部10r及びナット部材42の螺合部42rそれぞれの外形は、工具と噛み合う形状であるため、レンチ等の工具を使用することにより、雄ネジ部12に対してナット部材42を十分に締め付けることができる。
When the
次に、セラミックス製のセンサ素子51の円筒部51bと封止部材50との接続について説明する。ナット部材41を雄ネジ部11に対して締め付けることにより、バックフェルール31がナット部材41の底壁部41gに押され、フロントフェルール21がバックフェルール31に押されて前進しつつ塑性変形する点は、上記と同様である。しかしながら、塑性変形したフロントフェルール21及びバックフェルール31が、セラミックス製であるセンサ素子51の円筒部51bに食い込むことはない点で、接続対象が金属製である上記の場合と相違している。
Next, the connection between the
すなわち、センサ素子51の円筒部51bの端部をフロントフェルール21及びバックフェルール31に挿通した状態で、円筒部51bを雄ネジ部11の孔部11hに挿入する。雄ネジ部11とベース部10rとの境界では、ベース部10rが孔部11hの縁より内部に向かって円環状に張り出しているため、この張り出した部分に円筒部51bの端部を突き当てるように挿入することができる。更に、螺合部41rを雄ネジ部11側に向けたナット部材の41の小径孔41hに、円筒部51bを挿通する。この状態で、ナット部材41を雄ネジ部11に対して締め付けると、バックフェルール31がナット部材41の底壁部41gに押される。バックフェルール31の外周面はテーパ面31tであり、フロントフェルール21の内周面は後端側でテーパ面21sであるため、バックフェルール31の前端がフロントフェルール21のテーパ面21sより内方にもぐり込むように前進する。テーパ面21sの傾斜角度はテーパ面31tの傾斜角度より大きいため、バックフェルール31の前端がテーパ面21sより内方にもぐり込むように前進し易い。
That is, the
これにより、バックフェルール31に押されたフロントフェルール21は、外方に押し広げられるように変形しつつ前進する。フロントフェルール21の外周面はテーパ面21tであり、雄ネジ部11の内周面は後端側でテーパ面11sであるため、フロントフェルール21の前端が雄ネジ部11のテーパ面11sより内方にもぐり込むように前進する。テーパ面11sの傾斜角度はテーパ面21tの傾斜角度より大きいため、フロントフェルール21の前端がテーパ面11sより内方にもぐり込むように前進し易い。
Thereby, the
雄ネジ部11に対してナット部材41を十分に締め付けると、外方に向かって押し広げられたフロントフェルール21の外周面(テーパ面21t)が雄ネジ部11の内周面(テーパ面11s)に押し付けられて密着する。また、バックフェルール31の外周面(テーパ面31t)がフロントフェルール21の内周面(テーパ面21s)に押し付けられて密着する。
When the
雄ネジ部11のテーパ面11sより内方にもぐり込んだフロントフェルール21の前端側は、セラミックス製であるセンサ素子51の円筒部51bに食い込むことはないため、バックフェルール31による押圧力によって塑性変形し、円筒部51bの外周面に沿って広がり密着する。フロントフェルール21のテーパ面21sより内方にもぐり込んだバックフェルール31の前端側も、センサ素子51の円筒部51bに食い込むことはないため、ナット部材41による押圧力によって塑性変形し、円筒部51bの外周面に沿って広がり密着する。これにより、雄ネジ部11の孔部11hの内周面とセンサ素子51の円筒部51bとの間の空隙が埋められ、センサ素子51が継手本体10に対して密に接続される(図3(b)における下部参照)。
Since the front end side of the
以上のように、本実施形態によれば、円筒状のホルダ52の一端が継手本体10に対して密に接続されると共に、センサ素子51の円筒部51bが継手本体10に対して密に接続されるため、ホルダ52の一端がセンサ素子51で閉塞された有底筒状の内部空間と外部空間とが密に区画される。これにより、センサ素子51を挟んだ二つの空間のガスの混合を効果的に抑止することができる。
As described above, according to the present embodiment, one end of the
実際に、本実施形態の固体電解質センサ1を使用し、測定ガスの水素濃度を変化させた場合の起電力の変化を測定した。起電力は、センサ素子51の使用に適した温度600℃において、ガス導入管70から基準ガスを導入して内側電極62と接触させると共に、外側電極61を測定ガスと接触させた状態で測定した。測定ガスは水素とアルゴンの混合ガスとし、時間の経過に伴い水素濃度を変化させた。
Actually, the solid electrolyte sensor 1 of this embodiment was used, and the change in electromotive force when the hydrogen concentration of the measurement gas was changed was measured. The electromotive force was measured at a temperature suitable for use of the
センサ素子を挟んだ二つの空間の区画が不十分な場合は、図4(b)に示すように、水素濃度を変化させると、起電力は迅速に応答して変化するものの、水素濃度は一定であるのに起電力が低下してしまう現象が観察された。これは、ホルダとセンサ素子によって形成された有底筒状の内部空間と外部空間との間で、基準ガスと測定ガスとが混合しているためと考えられた。 When the two spaces between the sensor elements are insufficient, as shown in FIG. 4 (b), when the hydrogen concentration is changed, the electromotive force changes rapidly in response, but the hydrogen concentration is constant. However, the phenomenon that the electromotive force decreases was observed. This was considered because the reference gas and the measurement gas were mixed between the inner space and the outer space of the bottomed cylindrical shape formed by the holder and the sensor element.
これに対し、本実施形態の固体電解質センサ1では、図4(a)に示すように、水素濃度を変化させると起電力は迅速に応答して変化し、水素濃度が一定の間は起電力も一定に保持されていた。このことから、基準ガスと混合ガスの混合はなく、ホルダ52とセンサ素子51によって形成された有底筒状の内部空間と外部空間とが、封止部材50よって気密に区画されていると考えられた。
On the other hand, in the solid electrolyte sensor 1 of the present embodiment, as shown in FIG. 4A, when the hydrogen concentration is changed, the electromotive force rapidly changes in response, and while the hydrogen concentration is constant, the electromotive force is changed. Was also held constant. From this, it is considered that the reference gas and the mixed gas are not mixed, and the bottomed cylindrical inner space and the outer space formed by the
次に、第二実施形態の固体電解質センサ2について、図6を用いて説明する。固体電解質センサ2が固体電解質センサ1と相違する点は、封止部材50における環状部材の形態である。具体的には、固体電解質センサ2では、雄ネジ部11,12と螺合相手のナット部材41,42との間に、それぞれ一つの環状部材31b,32bが介在している。環状部材31b,32bは、軸方向の両端が同一径で、軸方向の中間に向かって拡径しつつ外側に湾曲している形状である。
Next, the
環状部材31bの両端部の径は、雄ネジ部11の孔部11hの後端の径であるテーパ面11sの最大径rと等しく、環状部材32bの両端の径は、雄ネジ部12の孔部12hの後端の径であるテーパ面12sの最大径Rと等しい。そのため、外力が加えられない状態では、環状部材31b,32bはそれぞれ孔部11h,12hには挿入できない。従って、ナット部材41,42をそれぞれ雄ネジ部11,12に対して締め込むことにより、環状部材31b,32bそれぞれの端部は、塑性変形しつつ孔部11h,12hに押し込まれる。環状部材31b,32bの塑性変形により、上記と同様に、それぞれ孔部11hの内周面とセンサ素子51の円筒部51bとの間の空隙、及び、孔部12hの内周面とホルダ52との間の空隙が埋められ、ホルダ52とセンサ素子51によって形成された有底筒状の内部空間と外部空間とが、封止部材50よって気密に区画される。
The diameter of both ends of the
次に、第三実施形態の固体電解質センサ3について、図7を用いて説明する。固体電解質センサ3が固体電解質センサ1,2と相違する点は、封止部材50における環状部材の形態である。具体的には、固体電解質センサ3では、雄ネジ部11,12と螺合相手のナット部材41,42との間に介在している環状部材が、それぞれ一つである点では固体電解質センサ2と同様であるが、環状部材31c,32cの形状が固体電解質センサ2と相違している。固体電解質センサ3の環状部材31c,32cは、円筒によって形成された円環(中空リング)である。
Next, the solid electrolyte sensor 3 of the third embodiment will be described with reference to FIG. The solid electrolyte sensor 3 is different from the
環状部材31cにおいて円筒の中心を結んで形成される円の径は、雄ネジ部11の孔部11hの後端の径であるテーパ面11sの最大径rと等しく、環状部材32cにおいて円筒の中心を結んで形成される円の径は、雄ネジ部12の孔部12hの後端の径であるテーパ面12sの最大径Rと等しい。そのため、外力が加えられない状態では、環状部材31c,32cはそれぞれ孔部11h,12hには挿入できない。従って、ナット部材41,42をそれぞれ雄ネジ部11,12に対して締め込むことにより、環状部材31c,32cのそれぞれは、押し潰されるように塑性変形しつつ孔部11h,12hに押し込まれる。環状部材31c,32cの塑性変形により、上記と同様に、それぞれ孔部11hの内周面とセンサ素子51の円筒部51bとの間の空隙、及び、孔部12hの内周面とホルダ52との間の空隙が埋められ、ホルダ52とセンサ素子51によって形成された有底筒状の内部空間と外部空間とが、封止部材50よって気密に区画される。
The diameter of the circle formed by connecting the centers of the cylinders in the
以上、本発明について好適な実施形態を挙げて説明したが、本発明は上記の実施形態に限定されるものではなく、以下に示すように、本発明の要旨を逸脱しない範囲において、種々の改良及び設計の変更が可能である。 The present invention has been described with reference to the preferred embodiments. However, the present invention is not limited to the above-described embodiments, and various improvements can be made without departing from the scope of the present invention as described below. And design changes are possible.
例えば、上記の実施形態では、ホルダが金属製である場合を例示したが、アルミナ製などセラミックス製のホルダとすることができる。これにより、従前より「食い込み式」として当業者が扱ってきた管継手である封止部材が、環状部材が食い込むことがないセラミックス製のホルダと、環状部材が食い込むことがないセラミックス製のセンサ素子とを接続している、より斬新な構成となる。 For example, in the above embodiment, the case where the holder is made of metal is exemplified, but a holder made of ceramics such as alumina can be used. As a result, the sealing member, which is a pipe joint that has been handled by those skilled in the art as a “bite-in type”, is made of a ceramic holder in which the annular member does not bite, and a ceramic sensor element in which the annular member does not bite. And a more innovative configuration.
また、上記の実施形態では、継手本体10の有する二つの雄ネジ部11,12のサイズが異なる場合を例示したが、図5に示す固体電解質センサ1bのように、二つの雄ネジ部のサイズを同一とすることもできる。この場合、ナット部材41,42のサイズも同一となり、雄ネジ部11,12とナット部材41,42との間にそれぞれ介在する環状部材(図5では、フロントフェルール21とバックフェルール31の対、及び、フロントフェルール22とバックフェルール32の対)のサイズも同一となる。
In the above embodiment, the case where the sizes of the two
このような構成とすることにより、センサ素子51の円筒部51bの径をホルダ52の径と同一にすることができるため、ガス導入管70をセンサ素子の内部まで延ばし、その先端を内側電極62の近傍に位置させることができる。これにより、基準ガスまたは測定ガスと内側電極62との接触がより良好となり、ガス濃度をより正確に検出することができる。また、固体電解質センサ1に比べて、センサ素子51の外径が大きくなるため、センサ素子51を肉厚にすることが可能となる。これにより、センサ素子51の機械的強度が増すため、ナット部材41を雄ネジ部11に対して締め込む際に、環状部材によって外側から押し付けられる力に対するセラミックス製のセンサ素子51の耐性を高めることができる。
With this configuration, the diameter of the
1,1b,2,3 固体電解質センサ
10 継手本体
21,22 フロントフェルール(環状部材)
31,32 バックフェルール(環状部材)
31b,32b 環状部材
31c,32c 環状部材
41,42 ナット部材
50 封止部材
51 センサ素子
51b 円筒部
52 ホルダ
70 ガス導入管
1, 1b, 2, 3
31, 32 Back ferrule (annular member)
31b, 32b
Claims (4)
該封止部材は、
相反する方向に突出した雄ネジ部を有し、二つの該雄ネジ部それぞれを軸方向に貫通している孔部が連通している継手本体と、
二つの前記雄ネジ部とそれぞれ螺合する雌ネジ孔を有する二つのナット部材と、
二つの前記雄ネジ部と螺合相手の前記ナット部材との間にそれぞれ介在している二つまたは二対の金属製の環状部材と、を備えるものであり、
一方の前記雄ネジ部の前記孔部に前記ホルダを挿入した状態で、その雄ネジ部と一方の前記雌ネジ孔を螺合させて前記ナット部材を締め込むことにより、一方の前記環状部材を塑性変形させて前記孔部の内周面と前記ホルダとの間を閉塞すると共に、
他方の前記雄ネジ部の前記孔部に前記センサ素子の円筒部を挿入した状態で、その雄ネジ部と他方の前記雌ネジ孔を螺合させて前記ナット部材を締め込むことにより、他方の前記環状部材を塑性変形させて前記孔部の内周面と前記センサ素子との間を閉塞する
ことを特徴とする固体電解質センサの製造方法。 A bottomed cylinder in which one end of the holder is closed by the sensor element by connecting one end of the cylindrical holder and a cylindrical part of the bottomed cylindrical sensor element made of solid electrolyte ceramics by a sealing member. A solid electrolyte sensor in which a shaped internal space and an external space are partitioned,
The sealing member is
A joint main body having a male screw portion protruding in opposite directions, and a hole portion passing through each of the two male screw portions in the axial direction;
Two nut members having female screw holes respectively screwed into the two male screw portions;
Two or two pairs of metal annular members respectively interposed between the two male screw portions and the nut member of the screwing counterpart,
With the holder inserted into the hole of one of the male screw portions, the male screw portion and one of the female screw holes are screwed together and the nut member is tightened, so that one of the annular members is While plastically deforming and closing between the inner peripheral surface of the hole and the holder,
In the state where the cylindrical portion of the sensor element is inserted into the hole portion of the other male screw portion, the nut member is tightened by screwing the male screw portion and the other female screw hole. A method of manufacturing a solid electrolyte sensor, wherein the annular member is plastically deformed to close a space between an inner peripheral surface of the hole and the sensor element.
固体電解質セラミックス製で有底円筒状のセンサ素子と、
前記ホルダの一端に前記センサ素子の円筒部を接続することにより、前記ホルダの一端が前記センサ素子で閉塞された有底筒状の内部空間を外部空間と区画している封止部材と、を具備し、
該封止部材は、
相反する方向に突出した雄ネジ部を有し、二つの該雄ネジ部それぞれを軸方向に貫通している孔部が連通している継手本体と、
二つの前記雄ネジ部とそれぞれ螺合する雌ネジ孔を有する二つのナット部材と、
二つの前記雄ネジ部と螺合相手の前記ナット部材との間にそれぞれ介在している二つまたは二対の金属製の環状部材と、を備えるものであり、
一方の前記環状部材は、一方の前記雄ネジ部の前記孔部に前記ホルダが挿入され、その雄ネジ部と一方の前記雌ネジ孔が螺合している状態で、前記孔部の内周面と前記ホルダとの間で塑性変形しており、
他方の前記環状部材は、他方の前記雄ネジ部の前記孔部に前記センサ素子の円筒部が挿入され、その雄ネジ部と他方の前記雌ネジ孔が螺合している状態で、前記孔部の内周面と前記センサ素子との間で塑性変形している
ことを特徴とする固体電解質センサ。 A cylindrical holder;
A bottomed cylindrical sensor element made of solid electrolyte ceramics;
By connecting a cylindrical portion of the sensor element to one end of the holder, a sealing member that divides a bottomed cylindrical internal space in which one end of the holder is closed with the sensor element from an external space, Equipped,
The sealing member is
A joint main body having a male screw portion protruding in opposite directions, and a hole portion passing through each of the two male screw portions in the axial direction;
Two nut members having female screw holes respectively screwed into the two male screw portions;
Two or two pairs of metal annular members respectively interposed between the two male screw portions and the nut member of the screwing counterpart,
One of the annular members has an inner periphery of the hole portion in a state where the holder is inserted into the hole portion of the one male screw portion and the male screw portion and the one female screw hole are screwed together. Plastic deformation between the surface and the holder,
The other annular member has the cylindrical portion of the sensor element inserted into the hole portion of the other male screw portion, and the male screw portion and the other female screw hole are screwed together. A solid electrolyte sensor, wherein the sensor element is plastically deformed between an inner peripheral surface of the portion and the sensor element.
ことを特徴とする請求項2に記載の固体電解質センサ。 The solid electrolyte sensor according to claim 2, wherein the holder is made of ceramics.
ことを特徴とする請求項2または請求項3に記載の固体電解質センサ。 4. The solid electrolyte sensor according to claim 2, wherein the sealing member is a double ferrule-type joint including two pairs of a front ferrule and a back ferrule that form a pair as the annular member.
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