JP2021156743A - ガスセンサ - Google Patents

Abstract

【課題】固体電解質を用いるガスセンサにおいて、固体電解質に設けられた電極とリード線の接続が外れることを防ぎ、ガスセンサとしての信頼性を高めること。【解決手段】被測定ガス中の少なくとも１つの成分濃度を測定するためのガスセンサであって、先端が閉塞した細管状に形成されたイオン電導性の固体電解質からなるセンサ管２と、前記センサ管の先端側の外側に形成され、被測定ガスに接する測定電極と、前記センサ管の内側に形成され、基準ガスに接する基準電極４と、前記センサ管を封止ガラスを用いて支持固定するセンサホルダ８と、前記測定電極に接続し、前記封止ガラスで固定されながら前記センサホルダ内を通過する測定電極リード３１と、前記基準電極に接続し、前記センサホルダ内を経て折り返す状態で前記封止ガラスで固定された基準電極リード４１とを備えたガスセンサを提供する。【選択図】図４

Description

本発明は被測定ガス中の少なくとも１つの成分濃度を測定するガスセンサに関する。

自動車エンジン等の排気ガス中や、各種製造プロセスに用いられる容器内の、酸素等の特定ガス成分の濃度を測定するのに用いられるガスセンサとして、ジルコニア等の固体電解質を用いる方式がある。固体電解質を用いたガスセンサは、高温において特定ガスに対してイオン伝導性のある、所定形状の固体電解質体の両面に白金等の電極を設け、その一方の側の電極に特定ガスの濃度が一定の基準ガスを接触させるとともに、他方の側の電極には被測定ガスを接触させて、特定ガス濃度の差に基づく両電極間の起電力を測定することにより、ネルンストの理論式を用いて被測定ガス中の特定ガスの濃度を測定するものである。

特開昭５７−４０６４４号公報

固体電解質体の両面に設けた電極間の起電力を測定するのに際して、両電極と起電力（電圧）を測定する電圧計までの通電が必要であり、各電極はリード線で接続している。

各電極とリード線は導電ペーストを焼き付けて接合しており、電気的および機械的に接合しているものの、機械的強度は充分ではなく引っ張られて断線することがある。

本発明は、上記問題に鑑みてなされたものであり、固体電解質を用いるガスセンサにおいて、固体電解質に設けられた電極とリード線の接続が外れることを防ぎ、ガスセンサとしての信頼性を高めるものである。

上記課題を解決するために、請求項１に記載の発明は、
被測定ガス中の少なくとも１つの成分濃度を測定するためのガスセンサであって、
先端が閉塞した細管状に形成されたイオン電導性の固体電解質からなるセンサ管と、前記センサ管の先端側の外側に形成され、被測定ガスに接する測定電極と、前記センサ管の内側に形成され、基準ガスに接する基準電極と、前記センサ管を封止ガラスを用いて支持固定するセンサホルダと、前記測定電極に接続し、前記封止ガラスで固定されながら前記センサホルダ内を通過する測定電極リードと、前記基準電極に接続し、前記センサホルダ内を経て折り返す状態で前記封止ガラスで固定された基準電極リードとを備えたガスセンサである。

請求項２に記載の発明は、請求項１に記載のガスセンサであって、
前記成分濃度が酸素濃度であるガスセンサである。

本発明により、固体電解質式ガスセンサにおいて、固体電解質に設けられた電極とリード線の接続外れを防ぐことが出来、信頼性を高めることができる。

本発明の実施形態に係るガスセンサの概略構造を示すもので（ａ）外観図であり、（ｂ）内部の機械的構成を示す断面図である。 本発明の実施形態に係るガスセンサのセンサ管に設ける電極の構成について説明するもので（ａ）外観図であり、（ｂ）センサ管内部の状態を示す断面図である。 本発明の実施形態に係るガスセンサの電極とつながるリード線について説明するもので（ａ）一般的な接合状態を示す図であり、（ｂ）基準電極リードの外れ防止策について示す図である。 本発明の実施形態に係るガスセンサに関して説明するもので（ａ）樹脂塗布部の必要性を示す図であり、（ｂ）基準電極リードを折り返す形態を示す図である。

本発明の実施形態を図面を用いて説明する。図１は本発明の実施形態に係るガスセンサ１の概略構造を示す図であり、図１（ａ）はガスセンサ１を横から見た外観図、図１（ｂ）は断面図であり、内部の機械的構成を示すものである。なお、以下の実施形態の説明では濃度測定対象の特定ガス成分が酸素である例に限定するが、本実施形態と同様な構成の固体電解質を用いたガスセンサであれば特定ガス成分が酸素に限定されるものではなく、被測定ガス中の少なくとも１つの成分濃度を測定するガスセンサに本発明は適用可能である。

ガスセンサ１では、図１（ｂ）に示すように、センサ管２とヒータ５が、穴６０を有するセンサカバー６で覆われているとともに、センサホルダ８で保持された状態でハウジング７に固定されている。

センサ管２およびヒータ５は、センサホルダ８の貫通穴内のガラス封止部８０で、ガラスによって支持、固定されている。なお、ガラス封止部８０のガラスは、センサ管２およびヒータ５を配置した状態で、高温で溶融した後に冷却固化したものである。

センサ管２とヒータ５を保持したセンサホルダ８はガスケット８２を介してハウジング７に固定する。このため、被測定ガスが存在する密閉容器の外側にハウジング８を固定してセンサカバー６側を容器内に挿入した場合、センサホルダ８の右側では被測定ガスを遮断することが出来る。

以上、図１ではガスセンサ１の主な構造部について説明したが、図２から図３ではセンサ機能に関する部分について説明する。

まず、図２はセンサ管２に設けられた電極について説明するものであり、図２（ａ）は横から見た外観図であり、図２（ｂ）は断面図を示している。本実施形態において、センサ管２は、酸素イオン伝導性の電解質であるジルコニアセラミックスから成り、内径は０．７ｍｍで隔壁厚みが０．３ｍｍの中空円筒形状（外径は１．３ｍｍ）としている。

図２（ｂ）に示すように、センサ管２の左端はガラスの封止部２１で塞いでいるが、右端は開放されており、図２で被測定ガスと記した側の外側は被測定ガス雰囲気であり、基準ガスと記した側の外側と内側は基準ガス雰囲気である。このため、測定電極３は被測定ガスに接触し、基準電極４は基準ガスと接触している。なお、基準ガスとは酸素分圧が既知の気体であり、酸素濃度測定において通常は大気が用いられる。

測定電極３および基準電極４は、白金ペーストを塗布してから焼付ることで形成しているが、測定電極３と基準電極４でセンサ管２の内側にある部分は酸素を透過させるために多孔質として形成しているが、基準電極４でセンサ管２の外側部分は導電性確保の観点から緻密に形成しておくことが望ましい。なお焼付後の測定電極３および基準電極４の厚みは本実施形態では５０μｍとしているが、これに限定されるものではない。

図２のように測定電極３と基準電極４を形成した後は両電極間の起電力を測定することを目的にリード線を設ける必要がある。その例を示したのが図３（ａ）であり、測定電極３に測定電極リード３１を接続し、基準電極４に基準電極リード４１を接続している。測定電極３と測定電極リード３１の接続および基準電極４と基準電極リード４１の接続には緻密な白金ペーストを介在させて焼き付けることで電気的に優れた接続が確保できる。なお、測定電極リード３１および基準電極リード４１としては電極と同材質の白金線を用いるのが好ましく、強度、導電性、コスト等を考慮して直径は０．２ｍｍから０．４ｍｍの範囲が好適である。

緻密な白金ペーストを介在させた焼付により機械的にも確実に接合されるが、基準電極リード４１については必ずしも十分とは言えない。すなわち、測定電極リード３１については、基準ガス(大気)側に導く途中で、センサホルダ８内を通過するため、ガラス封止部８０で固定されるので、基準ガス側から測定電極リード３１を引っ張るようなことがあっても測定電極３との接合部への影響はないが、図３（ａ）の形態では基準電極リード４１を引っ張った力が基準電極４との接合部に加わり、接合が外れることもある。

このため、本実施形態では図３（ｂ）のように、基準電極４と接続した基準電極リード４１を測定電極３側に導いた後、ガラス封止部８０を貫通した後に（あるいはガラス封止部８０内で）折り返して基準ガス側に導く形態としている。このような形態にすることにより、基準ガス側から基準電極リード４１を引っ張るようなことがあっても基準電極４との接合部への影響を排除できる。

なお、図３（ｂ）を用いて説明した基準電極リード４１の折り返しの様子をセンサホルダ８部分で示した例が図４（ｂ）であり、基準電極リード４１がガラス封止部８０によって封止され固定している状態を示している。図４（ｂ）ではガラス封止部８０を貫通した後に基準電極リード４１を折り返しているが、これに限定されるものではなくガラス封止部８０内で折り返しても良い。

以上、本実施形態では、測定対象の特定ガスが酸素であるガスセンサを例に説明したが、固体電解質式のガスセンサで被測定ガス中の少なくとも１つの成分濃度を測定するものならば、特定ガスが酸素以外でもよい。すなわち、固体電解質がジルコニアでなくとも、本同様な構成要件を備えることにより、同様な効果が見込める。

１ ガスセンサ
２ センサ管
３ 測定電極
４ 基準電極
５ ヒータ
６ センサカバー
７ ハウジング
８ センサホルダ
２１ 先端封止部
３１ 測定電極リード
４１ 基準電極リード
６０ 穴
６１ 断熱材
８０ ガラス封止部

Claims (2)

1. 被測定ガス中の少なくとも１つの成分濃度を測定するためのガスセンサであって、
   先端が閉塞した細管状に形成されたイオン電導性の固体電解質からなるセンサ管と、
   前記センサ管の先端側の外側に形成され、被測定ガスに接する測定電極と、
   前記センサ管の内側に形成され、基準ガスに接する基準電極と、
   前記センサ管を封止ガラスを用いて支持固定するセンサホルダと、
   前記測定電極に接続し、前記封止ガラスで固定されながら前記センサホルダ内を通過する測定電極リードと、
   前記基準電極に接続し、前記センサホルダ内を経て折り返す状態で前記封止ガラスで固定された基準電極リードとを備えたガスセンサ。
2. 請求項１に記載のガスセンサであって、前記成分濃度が酸素濃度であるガスセンサ。

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