JP2019074444A - ガスセンサ素子の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】ガスセンサ素子の破損を抑制して均一な厚みの多孔質保護層を確実に形成することができるガスセンサ素子の製造方法を提供する。【解決手段】軸線Ｏ方向に延び、自身の先端側に被測定ガス中の特定ガス成分を検出するための検出部１０を有する板状又は筒状のガスセンサ素子１００に対し、該検出部の周囲に多孔質保護層２０を形成するガスセンサ素子の製造方法において、検出部が露出するようにガスセンサ素子を保持具２１０に保持する保持工程と、保持具に保持されたガスセンサ素子を、ラバーモールド２０４のキャビティ内に挿入し、その際に保持具の少なくとも一部がラバーモールド内に収容され、保持具がラバーモールドに対して可動するように配置する挿入工程と、多孔質保護層の原料粉末２０ｘをキャビティ内に投入し、プレス成形して多孔質保護層を形成する多孔質保護層形成工程と、を有する。【選択図】図５

Description

本発明は、ガスセンサ素子の検出部の周囲に多孔質保護層を形成するガスセンサ素子の製造方法に関する。

自動車エンジン等の内燃機関の燃費向上や燃焼制御を行うガスセンサとして、被測定ガス（吸気ガスや排気ガス）中の酸素濃度を検出する酸素センサや空燃比センサが知られている。
このようなガスセンサとして、軸線方向に延び、自身の先端側に被測定ガス中の特定ガス成分を検出するための検出部を有する板状のガスセンサ素子を有するものが一般的に用いられている。又、検出部に排気ガス中の水滴が接触して熱衝撃が加わることを抑制するため、検出部の周囲に多孔質保護層が形成されている。

この多孔質保護層は、従来、多孔質保護層の材料を含むスラリーをスプレーするスプレー法、このスラリーに検出部を浸漬するディップ法等が用いられてきたが、多孔質保護層の膜厚にムラがある。
そこで、成形型内に検出部を収容してスラリーを注入することにより、膜厚を制御する技術が開発されている（特許文献１）。
一方、ゴム型の内部に原料粉末を投入し、マンドレルにて静水圧プレス成形する技術が知られている（特許文献２）。

特開２０１３−２１７７３３号公報（図２） 特開平６−１４２９００号公報

ところで、特許文献１の方法の場合、成形型内にスラリーを注入するために、スラリー中の液体成分（乾燥/焼成での揮発成分）の割合を多くする必要がある。このため、スラリーが乾燥したときに収縮によるひび割れができやすく、多孔質保護層の強度が弱くなるという問題がある。
そこで、本発明者らは、特許文献２の技術を適用し、断面図６に示すように、ゴム型５００の内部に予めガスセンサ素子１００を設置し、ガスセンサ素子１００の周囲のゴム型５００内のキャビティに多孔質保護層の粉末原料２０ｘを投入し、プレス成形することを試みた。
しかしながら、プレス圧Ｐ５００を加えた際、ゴム型５００が瞬間的に不均衡に変形してゴム型５００とガスセンサ素子１００の軸心がブレ、ガスセンサ素子の一方（図６の下面側）に負荷Ｆが掛かって素子が折損することが判明した。
そこで、本発明は、ガスセンサ素子の破損を抑制して均一な厚みの多孔質保護層を確実に形成することができるガスセンサ素子の製造方法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素子の製造方法は、軸線方向に延び、自身の先端側に被測定ガス中の特定ガス成分を検出するための検出部を有する板状又は筒状のガスセンサ素子に対し、該検出部の周囲に多孔質保護層を形成するガスセンサ素子の製造方法において、前記検出部が露出するように前記ガスセンサ素子を保持具に保持する保持工程と、前記保持具に保持された前記ガスセンサ素子を、ラバーモールドのキャビティ内に挿入し、その際に前記保持具の少なくとも一部が前記ラバーモールド内に収容され、前記保持具が前記ラバーモールドに対して可動するように配置する挿入工程と、前記多孔質保護層の原料粉末を前記キャビティ内に投入し、プレス成形して前記多孔質保護層を形成する多孔質保護層形成工程と、を有する。

このガスセンサ素子の製造方法によれば、ラバーモールドのキャビティ形状に追随させて多孔質保護層の原料粉末をプレス成形して圧縮するので、均一な厚みの多孔質保護層を低コストで形成することができる。
又、プレスの際、ラバーモールドが瞬間的に不均衡に変形するが、保持具がラバーモールドに対して可動するので、この変形に保持具が追随することができる。これにより、ラバーモールドと、保持具に保持されたガスセンサ素子の軸心とがブレることを抑制し、ガスセンサ素子の一方に負荷が掛かって破損することを抑制できる。

本発明のガスセンサ素子の製造方法において、前記保持具のうち、前記ラバーモールド内に収容される部位が、前記キャビティに向かって窄まる肩部をなし、該肩部が前記キャビティに連通する前記ラバーモールドの挿入孔に接してもよい。
このガスセンサ素子の製造方法によれば、プレスの際、肩部に接するラバーモールドからキャビティに向かってプレス圧が掛かり易く、キャビティ内の原料粉末をより圧縮することができる。

本発明のガスセンサ素子の製造方法において、前記プレス成形を、等方圧プレスで行ってもよい。
このガスセンサ素子の製造方法によれば、プレス圧が均等（等方的）にラバーモールドの内部に加わるので、原料粉末の圧縮ムラ等がなく、多孔質保護層の厚みや特性がより均一になる。

この発明によれば、ガスセンサ素子の破損を抑制して均一な厚みの多孔質保護層を確実に形成することができる。

本発明の実施形態に係るガスセンサ素子の製造方法によって製造されたガスセンサ素子の模式斜視図である。 図１のＡ−Ａ線に沿う図である。 本発明の実施形態に係るガスセンサ素子の製造方法に用いるプレス成形機の一例を示す上下方向に沿う断面図である。 図３のプレス成形機の水平方向に沿う断面図である。 ガスセンサ素子の製造方法を示す工程図である。 従来のゴム型を用いて多孔質保護層を形成する方法を示す断面図である。

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素子の製造方法によって製造されたガスセンサ素子１００の模式斜視図、図２は図１のＡ−Ａ線に沿う図である。
図１に示すように、ガスセンサ素子１００は軸線Ｏ方向に延びる板状に構成され、先端側に被測定ガス中の特定ガス成分を検出するための検出部１０を有し、検出部１０の周囲に多孔質保護層２０が形成されている。ガスセンサ素子１００等は、図示しない主体金具等によってガスセンサに組み付けられる。

又、図２に示すように、ガスセンサ素子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を備えている。
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とを備えており、被測定ガス中の酸素濃度から空燃比を検出する、いわゆる全領域空燃比センサを実現する。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。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。

そして、上記酸素ポンプセル１４０と酸素濃度検出セル１３０との間に測定室１０７ｃが形成され、それぞれ第２電極１０６及び第３電極１０８が測定室１０７ｃに臨んでいる。測定室１０７ｃは、素子の幅方向で外部と連通しており、該連通部分には、外部と測定室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抵抗部１１５が配置されている。
又、第４電極１１０の外面は多孔質の電極保護部１１３ａで覆われ、電極保護部１１３ａは素子の外面に露出している。これにより、第４電極１１０から電極保護部１１３ａ及び多孔質保護層２０を介して外部から酸素を汲み入れ又は外部へ汲み出すようになっている。

多孔質保護層２０は、検出素子部３００とヒータ部２００との積層体の外表面を覆って形成されている。すなわち、多孔質保護層２０は、ガスセンサ素子１００の先端側部位に設けられた検出部１０の全周を覆って設けられている。
なお、検出部１０とは、検出素子部３００が有する電極１０４〜１１０及び電極１０４〜１１０に挟まれた固体電解質体１０５、１０９、更には測定室１０７ｃを指す。よって、検出部１０の軸線Ｏ方向の最後端を越えて後端側まで多孔質保護層２０が覆われていれば良い。
また、多孔質保護層２０は検出部１０の全周を覆っていればよく、検出部１０が設けられる検出素子部３００を被覆すればよいが、上記実施形態のように検出素子部３００がヒータ部２００と積層体を形成している場合、多孔質保護層２０は検出素子部３００を含む積層体（ガスセンサ素子１００の先端側部位）を被覆することになる。
一方、ガスセンサ素子１００がヒータ部２００を備えていない場合、多孔質保護層２０は検出素子部３００（検出部１０）の全周を被覆すればよい。

次に、本発明の実施形態に係るガスセンサ素子の製造方法について説明する。
図３は、本発明の実施形態に係るガスセンサ素子の製造方法に用いるプレス成形機２０００の一例を示す上下方向に沿う断面図、図４はプレス成形機２０００の水平方向に沿う断面図、図５はガスセンサ素子の製造方法を示す工程図である。
図３に示すように、プレス成形機２０００は、ラバーモールド（ゴム型）２０４を備えた冷間等方圧プレス（ＣＩＰ）機であり、ラバーモールド２０４が水槽２０２内に設置され、水槽２０２内の等方圧(静水圧)Ｐ１によってプレス成形を行うようになっている。

図４に示すように、ラバーモールド２０４は、内孔をなす挿入孔２０４ｈが矩形断面の円筒状をなし、この挿入孔２０４ｈにガスセンサ素子１００の検出部１０を離間して配置し、挿入孔２０４ｈと検出部１０との間の空隙（キャビティ）に、多孔質保護層の原料粉末２０ｘを投入した後、ラバーモールド２０４に外側から静水圧Ｐ１を掛けることで、ラバーモールド２０４、ひいては原料粉末２０ｘが圧縮され、多孔質保護層２０の形状に固化して成形される。その後、ガスセンサ素子１００をラバーモールド２０４から取り出し、多孔質保護層２０を焼成する。

ここで、図３に示すように、ラバーモールド２０４の上面側開口には、上ゴム２０８ａを保持する上ピンホルダ２０８が挿入され、上ピンホルダ２０８の上方に油圧ピストン２０６が接する。そして、油圧ピストン２０６も油圧Ｐ３によって下方に下がって上ピンホルダ２０８を下方に押圧し、ラバーモールド２０４内の原料粉末２０ｘを圧縮するようになっている。
一方、下ピンホルダ２１０には軸方向に沿ってガスセンサ素子１００の断面よりやや大きい矩形断面の内孔２１０ｈが貫通しており、この内孔２１０ｈにガスセンサ素子１００を収容して保持しつつ、下ピンホルダ２１０の先端（上方）からガスセンサ素子１００の検出部１０が上方に突出する。又、下ピンホルダ２１０の先端とガスセンサ素子１００の隙間に環状のゴムシール２１０ａが介装されている。
下ピンホルダ２１０が特許請求の範囲の「保持具」に相当する。

そして、ラバーモールド２０４の下面側開口から下ピンホルダ２１０を挿入し、上ゴム２０８ａ及びゴムシール２１０ａにより、ラバーモールド２０４の上下面が液密にシールされる。
なお、キャビティは、ラバーモールド２０４の挿入孔２０４ｈと、検出部１０と、上ゴム２０８ａ及びゴムシール２１０ａで囲まれた空隙で構成される。

原料粉末２０ｘは、多孔質保護層２０の成分（例えば、アルミナ等のセラミック粉末）、及びＰＶＡ等のバインダーを含み、さらに必要に応じて焼失性の粒子、滑材（離型剤）、分散剤等の添加剤を含有することができる。

ここで、図３に示すように、下ピンホルダ２１０は、下面にフランジ部２１０ｆが形成され、フランジ部２１０ｆから上方に立ち上がり、さらに上方に向かって窄まる肩部２１０ｓを有し、さらに肩部２１０ｓから上方に立ち上がる形状をなしている。
そして、下ピンホルダ２１０のうち、肩部２１０ｓより上方の部位がラバーモールド２０４の挿入孔２０４ｈに挿入されている。又、フランジ部２１０ｆは基台３００上に載置され、水平（左右）方向に摺動可能になっている。これにより、下ピンホルダ２１０がラバーモールド２０４に対して可動する。

次に、図５を参照し、本発明の実施形態に係るガスセンサ素子の製造方法の各工程について説明する。
まず、検出部１０が露出するようにガスセンサ素子１００を下ピンホルダ２１０に保持する（図５（ａ）：保持工程）。そして、ガスセンサ素子１００を保持した下ピンホルダ２１０をラバーモールド２０４の下面側開口に挿入する（図５（ｂ）：挿入工程）。
挿入工程では、下ピンホルダ２１０の上方に突出した検出部１０がラバーモールド２０４のキャビティ内に配置されるようにガスセンサ素子１００（下ピンホルダ２１０）を挿入する。又、下ピンホルダ２１０の肩部２１０ｓより上方の部位をラバーモールド２０４の挿入孔２０４ｈに挿入し、下ピンホルダ２１０をラバーモールド２０４に対して可動させる。

次に、多孔質保護層の原料粉末２０ｘをキャビティ内（挿入孔２０４ｈと、検出部１０と、ゴムシール２１０ａで囲まれ、上方が開口した空隙）に投入する。さらに、ラバーモールド２０４の上面側開口に上ピンホルダ２０８を挿入し、上ピンホルダ２０８の上方に油圧ピストン２０６を配置する（図５（ｃ））。これにより、上記キャビティの上部開口を上ゴム２０８ａが閉塞し、キャビティが完成する。
そして、ラバーモールド２０４に外側から静水圧Ｐ１を掛けると共に、油圧ピストン２０６から油圧Ｐ３によって上ピンホルダ２０８を下方に押圧することで、キャビティ内の原料粉末２０ｘをプレス成形して多孔質保護層２０を形成する（図５（ｄ）：多孔質保護層形成工程）。
次に、ラバーモールド２０４から下ピンホルダ２１０及び上ピンホルダ２０８を取り出し、下ピンホルダ２１０からガスセンサ素子１００を取り出す（図５（ｅ））。

このように、本発明の実施形態に係るガスセンサ素子の製造方法によれば、ラバーモールド２０４のキャビティ形状に追随させて原料粉末２０ｘをプレス成形して圧縮するので、均一な厚みの多孔質保護層を低コストで形成することができる。
又、プレスの際、ラバーモールド２０４が瞬間的に不均衡に変形するが、図３及び図５（ｄ）に示すように下ピンホルダ２１０がラバーモールド２０４に対して可動するので、この変形に下ピンホルダ２１０が追随することができる。これにより、ラバーモールド２０４と、下ピンホルダ２１０に保持されたガスセンサ素子１００の軸心とがブレることを抑制し、ガスセンサ素子１００の一方に負荷が掛かって破損することを抑制できる。

さらに原料粉末２０ｘを圧縮して多孔質保護層２０を形成するので、スラリーにする必要がないため、多孔質保護層２０の強度も向上する。
さらに、プレス圧を変えることで、多孔質保護層２０の強度や気孔率を従来法よりも広範囲に変化させることができる。
なお、プレス成形にラバーモールド２０４を用いて等方圧プレスを行うと、図４に示すように、ラバーモールド２０４の外側からプレス圧となる静水圧Ｐ１が均等（等方的）に内部に加わるので、原料粉末２０ｘの圧縮ムラ等がなく、多孔質保護層２０の厚みや特性がより均一になるという利点がある。

なお、図３に示すように、本実施形態では、下ピンホルダ２１０の肩部２１０ｓを、キャビティに連通するラバーモールド２０４の挿入孔２０４ｈ（より詳しくは、挿入孔２０４ｈのうち下方に拡径するテーパ部２０４ｒ）に当接させている。
これにより、プレスの際、肩部２１０ｓに接するラバーモールド２０４のテーパ部２０４ｒからキャビティに向かって静水圧Ｐ１が掛かり易く、キャビティ内の原料粉末２０ｘをより圧縮することができる。

なお、本発明は上記各実施の形態に限られず、各種の変形が可能である。例えば、上記実施形態では、多孔質保護層は１層であったが、２層以上としてもよい。この場合、少なくとも最外層の多孔質保護層につき、本発明の実施形態に係るガスセンサ素子の製造方法を適用すればよいが、２層以上、又はすべての層の多孔質保護層につき、本発明の実施形態に係るガスセンサ素子の製造方法を適用しても勿論よい。多孔質保護層を２層以上とする場合、各層の材質、厚み、気孔度等は異なってもよい。
なお、多孔質保護層の１層当たりの厚みは限定されないが、例えば１００〜１０００μｍとすることができる。

また、本実施形態では全領域空燃比センサを例に説明したが、他の酸素センサ素子、ＮＯｘセンサ素子、ＨＣセンサ素子等にも同様に適用できる。

１０ 検出部
２０ 多孔質保護層
２０ｘ 多孔質保護層の原料粉末
１００ ガスセンサ素子
２０４ ラバーモールド
２０４ｈ ラバーモールドの挿入孔
２１０ 保持具（下ピンホルダ）
２１０ｓ 肩部
Ｏ 軸線

Claims (3)

1. 軸線方向に延び、自身の先端側に被測定ガス中の特定ガス成分を検出するための検出部を有する板状又は筒状のガスセンサ素子に対し、該検出部の周囲に多孔質保護層を形成するガスセンサ素子の製造方法において、
   前記検出部が露出するように前記ガスセンサ素子を保持具に保持する保持工程と、
   前記保持具に保持された前記ガスセンサ素子を、ラバーモールドのキャビティ内に挿入し、その際に前記保持具の少なくとも一部が前記ラバーモールド内に収容され、前記保持具が前記ラバーモールドに対して可動するように配置する挿入工程と、
   前記多孔質保護層の原料粉末を前記キャビティ内に投入し、プレス成形して前記多孔質保護層を形成する多孔質保護層形成工程と、
   を有するガスセンサ素子の製造方法。
2. 前記保持具のうち、前記ラバーモールド内に収容される部位が、前記キャビティに向かって窄まる肩部をなし、該肩部が前記キャビティに連通する前記ラバーモールドの挿入孔に接する請求項１記載のガスセンサ素子の製造方法。
3. 前記プレス成形を、等方圧プレスで行う請求項１又は２に記載のガスセンサ素子の製造方法。

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