JP2618678B2 - ガスセンサ - Google Patents

ガスセンサ

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JP2618678B2 JP63086282A JP8628288A JP2618678B2 JP 2618678 B2 JP2618678 B2 JP 2618678B2 JP 63086282 A JP63086282 A JP 63086282A JP 8628288 A JP8628288 A JP 8628288A JP 2618678 B2 JP2618678 B2 JP 2618678B2
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達哉 山田
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【発明の詳細な説明】 [産業上の利用分野] 本発明はガスセンサ,特に内燃機関からの排ガスを浄
化するために利用される空燃比センサに関する。
[従来技術及び課題] 空燃比センサとしては,金属ケースとセンサ素子とを
低温接着用ガラスによって封着(シール)してセンサ特
性を維持するのが一般的である。
しかし,この種の空燃比センサにあっては,シール部
の温度が450℃以上の高温になると,電気絶縁性が低下
し,センサ出力特性に支障をきたす。
本発明はかかる課題を解決すること,即ち450℃以上
の高温下においてもシール性及び電気絶縁性に優れ,正
確なセンサ出力特性を長期間安定に維持できるガスセン
サ,特に空燃比センサを開発することを目的とする。
[課題の解決手段] 本発明者はこうした見地に鑑み鋭意研究を重ねた結
果,本発明を完成するに至ったものであり,本発明は上
述の課題を下記手段によって解決する。
金属のハウジング内にセンサ素子が収容され,金属の
ハウジングとセンサ素子との間の少なくとも一部をガラ
スで封着してなるガスセンサにおいて, シールガラスがより先方に位置する第1ガラス及びよ
り後方に位置する第1ガラスより熱膨張係数が大きいシ
ール性を確保する第2ガラスからなり, 第1ガラスが1MΩ以上(450℃)の高絶縁性を有し,
第2ガラスが結晶化ガラスであり, 金属のハウジングと第2ガラスとの熱膨張係数差が2.
0×10-6/℃以内であり,かつ,第1ガラスと第2ガラス
との熱膨張係数差が1.0×10-6/℃以内である, ガスセンサ。
[好適な実施態様及び作用] こうした構成に基づき,シールガラス部において仮に
高温状態(例えば450℃)になった場合であっても,第
1ガラスが高絶縁性を維持し,しかも第2ガラスに係る
α差の特定によってシール性をも安定に維持できる。
本発明は,センサ素子が金属のハウジング(以下、単
にハウジングという)とは絶縁されているタイプのガス
センサを対象とする。センサ素子とハウジングとの高温
絶縁性を問題にするからである。又,使用時においてシ
ール部の温度が400℃以上,特に450℃以上の高温状態に
なるガスセンサに好ましく適用される。例えば,空燃比
センサが挙げられる。空燃比センサは,その素子が,低
温状態での検知特性を向上させるためにヒータを備えて
なるもの,又理論空燃比(A/F)以外のA/Fであっても利
用可能とするためにポンプ素子を備えてなるもの等,種
々のタイプのものであってよい。又,センサ素子が高温
高強度材料としてのセラミックス例えばアルミナによっ
て所定位置に保持されているとよい。ガラスシール部に
おける高温絶縁性が問題となる限りにおいて,素子形状
は板状,円管状又は袋状(試験管状)のいずれであって
もよい。ハウジングは素子が板状又は管状である場合,
内外二重構造になっているものを採用するとよい。
ハウジングとセンサ素子との間は,より先方に位置す
る第1ガラス及びより後方に位置する第2ガラスによっ
て封着されなければならない。シール性及び絶縁性を確
保し,センサ素子の検知特性を高精度かつ安定に維持す
るためである。ガラスシールは基本的には被測定ガスが
センサ先方から後方へ通過するのを規制するものであ
る。従って,その封着部位は,そのガス通過を規制し得
る限り,ハウジングとセンサ素子との間の少なくとも一
部であってよい。又センサ素子がポンプ素子又はヒータ
を付設してなるものにあっては,素子同士又は素子とヒ
ータとの間についても同様にガラスシールしてもよい。
又,素子等からの信号を出力するためのリードの存在部
位について封着させてもよい。第1,2ガラスはともに800
℃以下の温度で封着できるものが好ましい。又,被封着
物としてのハウジング及び素子等との濡れ性が良いもの
が好ましい。
第1ガラスはシール性とともに,高温下(例えば400
℃以上)においても高絶縁性を維持するものである。従
って,ガラスシール部のうち使用時において400℃以上
の高温状態となる部位についてこの第1ガラスを存在さ
せるとよい。後記測定方法による絶縁抵抗が450℃にて1
MΩ以上,好ましくは5MΩ以上であるとよい。又,体積
固有抵抗(450℃)としては107.3Ωcm以上,好ましくは
108.2Ωcm以上である。この種のガラスとしては,PbOを
主成分(60〜70wt%)とし,SiO215〜25wt%,B2O3約20wt
%からなるものに骨剤としてZrO2,Al2O3,スピネル,ジ
ルコン,ムライト,シリカ(結晶質)等の粉末を約10〜
20wt%添加混合したものを使用するとよい。基本ガラス
組成は,上記PbO−SiO2−B2O3系の他,SiO2−BaO−NaO−
K2O系,SiO2−ZnO−B2O3系,SiO2−BaO−CaO系,SiO2−B2O
3系等の組成のものであってもよい。非晶質ガラスが好
ましいが,結晶化ガラスであってもよい。気孔率は10%
以下にするとよい。但し,独立気孔状態であれば10%を
越えても差支えない。
第2ガラスは,高温下においてもシール性を確実に維
持するものである。熱膨張差は,センサ使用時の冷熱サ
イクルによってハウジング(金属)とシールガラスとの
間に歪みを発生させる。長期使用を考慮すると,シール
ガラス部の脆化,クラックの発生によるシール崩れを防
止する必要がある。従って,次の熱膨張差以内に材料を
選択組合せることが重要となる。即ち,ハウジングとの
熱膨張係数差の差(α差)が2.0×10-6/℃以内,好まし
くは1.5×10-6/℃以内のものにするとよい。又,第1ガ
ラスとのα差が1.0×10-6/℃以内,好ましくは0.5×10
-6/℃以内のものにするとよい。この種のガラスとして
も,前記第1ガラスと同様の組成のものが好ましく使用
される。上記α差になるように骨剤の種類,量を適宜調
節するとよい。シール性を確保するため,第2ガラスを
結晶化ガラスとし,金属材料とのα差が少ないものを用
いるとよい。第2ガラスの存在によって,仮に高温状態
において第1ガラスのシール性が劣化してもセンサ先方
から後方への排ガスの抜けを確実に防止できる。第2ガ
ラスは使用時において400℃以下の温度状態となるガラ
スシール部において使用するとよい。
400℃を越える高温状態になると,絶縁抵抗が低下
し,導通性及びセンサ出力特性に悪影響を及ぼすおそれ
があるからである。好ましくは350℃以下の温度部位に
使用するとよい。
[実施例] 以下,本発明の実施例を説明する。
第1,2図は空燃比センサAに本発明を適用した一実施
例を示した図である。各図において,空燃比センサA
は,大略,センサ素子1と,素子1からの信号を出力す
るリード2…と,素子1を収容するハウジング3と,ハ
ウジング3と素子1及びリード2とを離間させて保持す
る介装部材4とから構成されている。センサ素子1は板
状であって,ポンプ素子及びヒータを備えている。リー
ド2…は素子1後端に接続されて後方へ伸びハウジング
3外へ延設されている。ハウジング3は内外二重構造と
なっており,外筒としての取付金具5及び内筒6を有す
る。又,取付金具5の先方には保護キャップ7,後方には
後方筒体8が配設されている。
介装部材4は先方より,素子1を所定位置に保持する
セラミック保持体9,素子1後端部及びリード2…先端部
を包囲して絶縁するシールガラス10,及びより後方にお
いてリード2…を包囲して絶縁するシールゴム11からな
る。セラミック保持体9は先方部9a,中間部9b,後方部9c
で若干材質を異ならせ、熱膨張係数を内筒6に適合させ
ている。シールゴム11も先方部11a,後方部11bからな
る。
シールガラス10はより先方に位置する第1ガラス10a
及びより後方に位置する第2ガラス10bからなり,ここ
では軸方向距離で第1ガラス10aが13mm,第2ガラス10b
が7mmとなっている。
又,センサ素子の一例を第3図に示す。第3図は積層
印刷技術によって得られる板状のセンサ素子Aを一体化
前の状態において示した図である。尚,本例はポンプ素
子を備えた閉鎖室型の例である。積層印刷技術とは,セ
ンサ素子の各構成要素を所定のグリーンシートに積層し
て印刷し,この印刷グリーンシートを基材に被着して焼
成一体化する技術をいう。その詳細は例えば特開昭62−
150156を参照されたい。第3図において,下方より,基
材12,一側電極層13,第1の固体電解質層(グリーンシー
ト)14,他側電極層15,ガス律速層16,スペーサ17,一側電
極層18,第2の固体電解質層19,他側電極層20,電極保護
層21,絶縁層22が位置して各要素12〜22が積層され,焼
成一体化される。又,17aは測定ガス室,23,24は他側電極
を外部と接続するための端子,25は他側電極層15と端子2
3とを導通するための導通口,22aは保護層21の位置に対
応して形成された開口を示す。各要素の寸法は例えば次
の通りである。
(a)基材12:0.36×3.6×44mm (b)固体電解質層14,19:0.36×3.6×45mm (c)電極13,15,18,20:2.0×4.0mm (d)スペーサ17:60μm×3.6×44mm (e)測定ガス室17a:2.0×4.0mm 又,材料としては,固体電解質層14,19はZrO2−Y2O3
系,電極13,15,18,20は白金/16%セラミックからなる。
[試験例] 前記実施例の空燃比センサにおいて下記表の4種のガ
ラスA,B,C,Dを単独又は組合せてなるものをシールガラ
スとして使用し,シール性及び絶縁性について調べた。
尚,内筒としてはSUS403(α=10.0×10-6/℃),SUS430
(α=10.4×10-6/℃)の二種類のものを採用した。
(a)電気絶縁性 空燃比センサの先端部(Tip部)をブンゼンバーナで
加熱し,ガラスシール部の温度(℃)を450℃まで変化
させ,絶縁抵抗(MΩ)を調べ,絶縁性を評価する。そ
の絶縁抵抗の測定は,取付金具5とリード2との間に50
VMΩ計を接続し,セラミック絶縁体9とシールガラス10
との界面の温度をガラスシール温度(℃)とし,ヒータ
通電しない状態で行なった。
(b)シール性 空燃比センサをエンジン実車にて所定の位置に取付
け,ガラスシール部を400℃にて100hr耐久に供し,シー
ル性を評価する。即ち,シールゴム11の先方端面につい
て,シールガラス部10のガスリークに基づく熱分解(シ
リコンゴムの場合,ゴム架橋剤の発生,更にはシロキサ
ン結合の分解)による白色変化及びゴム硬化等をチェッ
クする。
尚,各評価項目(a)(b)についての結果を第4,5
図に夫々示す。
第4,5図から明らかな通り,本発明の規定範囲のも
の,即ち第1ガラス10aとしてガラスA又はガラスC,第
2ガラスとしてガラスBを使用してなる組合せのものの
みが絶縁性及びシール性について優れた結果を示す。即
ち,この組合せに係る実施例の空燃比センサは450℃の
高温下にあっても絶縁抵抗1MΩ以上であり,100hr耐久後
においても高いシール性を維持する。ガラスA,B,C,D単
独,又は上記実施例以外の組合せに係るものは,いずれ
についても絶縁性又はシール性のいずれかが実用上のレ
ベルを満足しない。例えば,高絶縁性ガラスであるガラ
スDを単独で使用した場合,シール性の点で次のような
問題を生ずると考えられる。即ち,この高絶縁性ガラス
と内筒とのα差は3.0×10-6/℃である。そのため空燃比
センサの使用時において,センサ先端部が排ガスに晒さ
れ,その排ガスが後方部のガラスシール部に達した場
合,金属ケースと高絶縁性ガラスとの上記熱膨張係数の
差によって高絶縁性ガラスにクラックを生じ,シール性
を低下させる。そして,このクラックを通じて排ガスが
より後方に位置するゴムシール部をカーボン化させ,導
通不良をきたし,センサ出力特性を劣化させる。
[効果] 以上の如く本発明によれば,450℃以上の高温下におい
てもシール性及び電気絶縁性に優れ,正確なセンサ出力
特性を長期間安定に維持できるので,ガスセンサ分野に
おいて極めて有用なものである。
【図面の簡単な説明】
第1図は本発明の一実施例に係る空燃比センサを示す正
面半断面図及び平面図, 第2図は第1図のII拡大図, 第3図は一実施例に係るセンサ素子の分解斜視図, 第4図は種々のガラスシールについて,ガラスシール部
温度と絶縁抵抗(MΩ)との関係を示すグラフ, 第5図は種々のガラスシールについて,ガラスシール部
温度を400℃に維持して耐久させたときのシール性を示
すグラフ, を夫々表わす。 1……センサ素子、3……ハウジング 10……シールガラス、10a……第1ガラス 10b……第2ガラス
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 山田 哲正 愛知県名古屋市瑞穂区高辻町14番18号 日本特殊陶業株式会社内 (56)参考文献 特開 昭62−80552(JP,A) 実開 昭59−131054(JP,U)

Claims (2)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】金属のハウジング内にセンサ素子が収容さ
    れ,金属のハウジングとセンサ素子との間の少なくとも
    一部をガラスで封着してなるガスセンサにおいて、 シールガラスがより先方に位置する第1ガラス及びより
    後方に位置する第1ガラスより熱膨張係数が大きいシー
    ル性を確保する第2ガラスからなり, 第1ガラスが1MΩ以上(450℃)の高絶縁性を有し, 第2ガラスが結晶化ガラスであり, 金属のハウジングと第2ガラスとの熱膨張係数差が2.0
    ×10-6/℃以内であり,かつ,第1ガラスと第2ガラス
    との熱膨張係数差が1.0×10-6/℃以内である, ガスセンサ。
  2. 【請求項2】第1ガラスと第2ガラスとの熱膨張係数差
    が0.4×10-6/℃以上である請求項1に記載のガスセン
    サ。
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