JP3358633B2 - Sealing method of cell part of oxygen sensor - Google Patents

Sealing method of cell part of oxygen sensor

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JP3358633B2
JP3358633B2 JP12434493A JP12434493A JP3358633B2 JP 3358633 B2 JP3358633 B2 JP 3358633B2 JP 12434493 A JP12434493 A JP 12434493A JP 12434493 A JP12434493 A JP 12434493A JP 3358633 B2 JP3358633 B2 JP 3358633B2
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嘉彦 村上
昌幸 橋本
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Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【0001】[0001]

【産業上の利用分野】本発明は、酸素センサのセル部分
の封着方法に関し、更に詳細には、酸素センサのセル部
分の安定化ジルコニアと耐食性合金製の取付金具とを封
着するための封着方法に関する。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a method for sealing a cell portion of an oxygen sensor, and more particularly, to a method for sealing a stabilized zirconia in a cell portion of an oxygen sensor and a mounting bracket made of a corrosion resistant alloy. It relates to a sealing method.

【0002】[0002]

【従来の技術】現在、安定化剤としての、イットリア等
が所定量固溶した安定化ジルコニアを利用した酸素セン
サは、ボイラ、プロセルヒータ、不活性ガス発生器、セ
メント焼成キルン、石灰焼成キルン、ガラス熔解炉、加
熱炉、均熱炉、熱処置炉、還元雰囲気炉、高炉などで使
用され、腐食性ガス、高温、高湿度などの苛酷な環境下
で使用されている。そして、これらのための、酸素セン
サは、例えば、Y23を8モル%まで含有する安定化ジ
ルコニアのセル部分と耐食性合金製の取付金具、例え
ば、ハステロイ(登録商標)等のニッケル合金製フラン
ジとが無機系接着材で付着されている。
2. Description of the Related Art At present, an oxygen sensor using stabilized zirconia in which a predetermined amount of yttria or the like is dissolved as a stabilizer is known as a boiler, a process heater, an inert gas generator, a cement kiln, a lime kiln, It is used in glass melting furnaces, heating furnaces, soaking furnaces, heat treatment furnaces, reducing atmosphere furnaces, blast furnaces, etc., and is used under harsh environments such as corrosive gas, high temperature and high humidity. The oxygen sensor for these is, for example, a cell part of stabilized zirconia containing up to 8 mol% of Y 2 O 3 and a fitting made of a corrosion-resistant alloy, for example, a nickel alloy such as Hastelloy (registered trademark) . The flange is attached with an inorganic adhesive.

【0003】この安定化ジルコニアを利用した酸素セン
サは、セル隔壁の内外に存在する基準ガスと測定ガスと
の酸素濃度差により生じる起電力の差を利用して、酸素
濃度を測定するように構成されているために、セル部材
と取付金具との封着部の気密性の良否が酸素濃度の測定
精度に大きく影響する。
The oxygen sensor using the stabilized zirconia is configured to measure the oxygen concentration by utilizing the difference in electromotive force caused by the difference in oxygen concentration between the reference gas and the measurement gas existing inside and outside the cell partition. Therefore, the quality of the airtightness of the sealing portion between the cell member and the mounting bracket greatly affects the measurement accuracy of the oxygen concentration.

【0004】然し乍ら、無機系接着材を使用して封着し
ていた従来の酸素センサでは、封着部に気密不良が発生
し易く、歩留まりが悪いためにコストアップの原因とな
り易く、また、良好な製法の気密性も、リーク量が1×
10-2atm・cc/秒と非常に悪いために、酸素濃度の測定
精度、特に、ppmオーダの低濃度下、大気中の濃度2
1%付近及び100%付近の高濃度下における、酸素濃
度の測定精度が悪く、酸素濃度を精度良く測定すること
が困難になる。
However, in the conventional oxygen sensor which has been sealed using an inorganic adhesive, poor airtightness is apt to occur in the sealed portion, and the yield is poor, which tends to cause an increase in cost. The leaktightness is 1 ×
Since it is very poor at 10 -2 atm · cc / sec, the measurement accuracy of the oxygen concentration, especially the concentration in the atmosphere under a low concentration of ppm order 2
The measurement accuracy of the oxygen concentration under high concentrations of around 1% and around 100% is poor, and it becomes difficult to measure the oxygen concentration with high accuracy.

【0005】更に、気密性が悪いために、腐食性ガスの
雰囲気の下で使用すると、センサ内部に腐食性ガスが侵
入し、内部機器が腐食して故障の原因となり、酸素セン
サの耐久性が低下するという不都合があった。
[0005] Furthermore, because of poor airtightness, when used in an atmosphere of corrosive gas, corrosive gas enters the inside of the sensor, corrodes internal devices and causes failure, and the durability of the oxygen sensor decreases. There was an inconvenience of lowering.

【0006】[0006]

【発明が解決しようとする課題】従って、本発明は、前
記のような技術的事情を鑑みて成されたもので、気密性
と耐久性が向上し、低濃度下や高濃度下でも、酸素濃度
を精度良く測定でき、更に、故障の少ない耐久性に富む
酸素センサ及びその製法を提供することを目的とする。
SUMMARY OF THE INVENTION Accordingly, the present invention has been made in view of the above-mentioned technical circumstances, and has improved airtightness and durability. It is an object of the present invention to provide a highly durable oxygen sensor which can measure the concentration with high accuracy, has less troubles, and a method for manufacturing the same.

【0007】[0007]

【課題を解決するための手段】本発明は、酸素センサの
セル部分の安定化ジルコニア部材と耐食性合金製の取付
金具との間を封着するに際し、前記耐食性合金製の取付
金具のうちの少なくともその封着部を形成する表面に、
活性金属を含有するニッケル合金からなる被覆膜を形成
した後、前記の安定化ジルコニア部材と、前記被覆膜が
形成された耐食性合金製の取付金具との間に形成された
封着部に、アルミノ珪酸塩ガラスからなる封着材を充填
し、該封着材の軟化点以上の温度に加熱することによ
り、封着することを特徴とする酸素センサのセル部分の
封着方法を提供する。
According to the present invention, at the time of sealing between a stabilized zirconia member in a cell portion of an oxygen sensor and a fitting made of a corrosion-resistant alloy, at least one of the fittings made of a corrosion-resistant alloy is used. On the surface forming the sealing part,
After forming a coating film made of a nickel alloy containing an active metal, a sealing portion formed between the stabilized zirconia member and a mounting bracket made of a corrosion-resistant alloy having the coating film formed thereon is formed. A method for sealing a cell portion of an oxygen sensor, wherein a sealing material made of aluminosilicate glass is filled and heated to a temperature equal to or higher than the softening point of the sealing material. .

【0008】ここに、活性金属を含有するニッケル合金
からなる被覆膜の形成は、アルミノ珪酸塩ガラスの耐食
性合金への濡れ性を改善するためのものであり、濡れ性
を改善することにより、アルミノ珪酸塩ガラスにより両
者を良好に封着し得るものである。例えば、封着に先だ
って上記被覆膜を形成することにより、溶融アルミノ珪
酸塩ガラスとハステロイ(登録商標)の接触角を110
度から70度に減少せしめることができ(濡れ性の改
善)、封着部の気密性、耐久性が大幅に向上した封着が
可能となる。なお、本発明において、活性金属とは、T
i,Zr,Hf,Cr,Be,TiH2,ZrH2等の、酸素に
対して非常に活性な金属を含む化合物を呼称する。
Here, the formation of the coating film made of a nickel alloy containing an active metal is intended to improve the wettability of the aluminosilicate glass to the corrosion resistant alloy, and by improving the wettability, Both can be well sealed with an aluminosilicate glass. For example, by forming the coating film before sealing, the contact angle between the molten aluminosilicate glass and Hastelloy (registered trademark) is set to 110.
From 70 degrees to 70 degrees (improvement of wettability), and sealing with greatly improved airtightness and durability of the sealing portion can be performed. In the present invention, the active metal is defined as T
i, Zr, Hf, Cr, Be, etc. TiH 2, ZrH 2, referred to a compound containing a very active metal to oxygen.

【0009】また、上記被覆膜の形成手段としては、C
VD法、スパッタリング法、溶射法等の公知の手段を採
用することができるが、封着部分のような内面への部分
的な被覆という観点から、下記に示すように、請求項3
に記載の手段を採用することが好適である。また、前記
アルミノ珪酸塩ガラスによる封着のための熱処理時間は
15分以上であることが望ましく、熱処理雰囲気を不活
性ガス雰囲気、例えば窒素雰囲気とするのが好適であ
る。酸化雰囲気では、封着時に耐食性合金が酸化されて
しまい、真空雰囲気または還元性雰囲気では、封着材が
発泡して封着部が多孔質となるので、好適でない。
Further, as means for forming the coating film, C
Known means such as a VD method, a sputtering method, and a thermal spraying method can be adopted. From the viewpoint of partial coating on an inner surface such as a sealing portion, a third aspect is described below.
It is preferable to employ the means described in (1). The heat treatment time for sealing with the aluminosilicate glass is preferably 15 minutes or more, and the heat treatment atmosphere is preferably an inert gas atmosphere, for example, a nitrogen atmosphere. In an oxidizing atmosphere, the corrosion-resistant alloy is oxidized at the time of sealing, and in a vacuum atmosphere or a reducing atmosphere, the sealing material foams and the sealing portion becomes porous, which is not preferable.

【0010】更に、アルミノ珪酸塩ガラスによる封着の
ための熱処理温度は、封着材としてのアルミノ珪酸塩ガ
ラスの軟化点より、100〜150℃程度高い温度とす
ることが、アルミノ珪酸塩ガラスの粘度が適度となり、
封着性の点から好適である。更に、前記アルミノ珪酸塩
ガラスの軟化点は400℃以上であることが好適であ
る。その理由は、酸素センサのセル先端部分は酸素濃度
測定のために略750℃に加熱され、それに伴い封着部
の温度が略350℃程度まで上昇するからである。封着
材として使用するアルミノ珪酸塩ガラスの軟化点が40
0℃未満であると、セル部分が取付け金具から外れてし
まうおそれがある。以上のことより、気密性と耐久性が
向上し、低濃度下や高濃度下でも、酸素濃度を精度良く
測定でき、更に、故障の少ない耐久性に富む酸素センサ
の製造が可能になる。
[0010] Further, the heat treatment temperature for sealing with the aluminosilicate glass is preferably about 100 to 150 ° C higher than the softening point of the aluminosilicate glass as the sealing material. The viscosity becomes moderate,
It is suitable from the viewpoint of sealing properties. Further, the softening point of the aluminosilicate glass is preferably 400 ° C. or higher. The reason is that the tip of the cell of the oxygen sensor is heated to approximately 750 ° C. for measuring the oxygen concentration, and the temperature of the sealing portion rises to approximately 350 ° C. accordingly. The aluminosilicate glass used as a sealing material has a softening point of 40.
If the temperature is lower than 0 ° C., the cell portion may be detached from the mounting bracket. As described above, the airtightness and the durability are improved, the oxygen concentration can be measured accurately even at a low concentration or a high concentration, and a highly durable oxygen sensor with less failure can be manufactured.

【0011】そして、活性金属を含有するニッケル合金
からなる被覆膜は、活性金属のうち少なくとも1種を、
合計で、0.5〜30重量%含有することが好適であ
る。ここで、活性金属の含有量が、0.5重量%未満で
は、アルミノ珪酸塩ガラスとの濡れ性を改善する効果が
低下する傾向になり、一方、活性金属の含有量が30重
量%を超えると、得られる被覆膜が脆くなり、熱膨張率
が母材としての耐食性合金と比較して低くなり、亀裂が
生じたり、剥離したりするため、好適でない。
The coating film made of a nickel alloy containing an active metal includes at least one of the active metals,
It is preferable to contain 0.5 to 30% by weight in total. Here, when the content of the active metal is less than 0.5% by weight, the effect of improving the wettability with the aluminosilicate glass tends to decrease, while the content of the active metal exceeds 30% by weight. In addition, the obtained coating film becomes brittle, the coefficient of thermal expansion becomes lower than that of a corrosion-resistant alloy as a base material, and cracks occur or peel off, which is not preferable.

【0012】更に、活性金属を含有するニッケル合金か
らなる被覆膜は、活性金属のうち少なくとも1種を、合
計で、0.5〜30重量%含有し、リン(P)を20重
量%以下含有することが、好適である。即ち、活性金属
を含有するニッケル合金に、更に、リン(P)を、20
重量%以下添加するのは、活性金属を含有するニッケル
合金の融点を下げ、更に、溶融時の流動性を向上させて
被覆膜の形成を容易にするためであり、リン(P)の含
有量が、20重量%を超えると、得られる被覆膜が脆く
なり、剥離するので、好適でない。
Further, the coating film made of a nickel alloy containing an active metal contains at least one of the active metals in a total amount of 0.5 to 30% by weight, and contains phosphorus (P) in an amount of 20% by weight or less. It is preferable to contain. That is, phosphorus (P) is further added to a nickel alloy containing an active metal by 20%.
The addition of not more than% by weight is intended to lower the melting point of the nickel alloy containing the active metal, to improve the fluidity during melting and to facilitate the formation of the coating film, and to contain phosphorus (P). If the amount exceeds 20% by weight, the obtained coating film becomes brittle and peels off, which is not preferable.

【0013】被覆膜を形成する手段は、耐食性合金製の
取付金具の、少なくとも封着部を形成する表面に、活性
金属を含有するニッケル合金粉末又は少なくとも活性金
属とニッケルとを含有する混合粉末を、適宜の方法によ
り塗布し、非酸化性雰囲気の下で、前記の合金粉末又は
その混合粉末の融点以上の温度で熱処理することによ
る。この熱処理のための温度は、例えば、800〜10
00℃である。用いる非酸化雰囲気は、還元性雰囲気或
いは真空雰囲気を挙げることができるが、特に、10-4
トール以下の真空の雰囲気が好適である。真空雰囲気の
下での被覆膜の形成は、溶融した活性金属含有ニッケル
合金の流れが良くなり、封着部の気密性が向上される。
[0013] The means for forming the coating film includes a nickel alloy powder containing an active metal or a mixed powder containing at least an active metal and nickel on at least a surface of a fitting made of a corrosion resistant alloy on which a sealing portion is formed. Is applied by an appropriate method, and is heat-treated in a non-oxidizing atmosphere at a temperature equal to or higher than the melting point of the alloy powder or the mixed powder thereof. The temperature for this heat treatment is, for example, 800 to 10
00 ° C. Non-oxidizing atmosphere used, which can be mentioned a reducing atmosphere or a vacuum atmosphere, especially, 10-4
A vacuum atmosphere at or below Torr is preferred. The formation of the coating film under a vacuum atmosphere improves the flow of the molten active metal-containing nickel alloy and improves the airtightness of the sealing portion.

【0014】更に、アルミノ珪酸塩ガラスの組成につい
ては、シリカ40〜75重量%を含有し、アルミナ3〜
35重量%を含有し、更に、MgO、MnO、CaO、
SrO、PbO、BaO、ZnO、Li2O、Na2O、
2O、Rb2Oのうち少なくとも1種を合計で、5〜3
0重量%含有するものが好適である。ここで、アルミノ
珪酸塩ガラスのシリカ含有量が、40重量%未満では、
完全にガラス化し難く、一部結晶化すると、組成が不均
質になり易く、熱サイクルが負荷された場合、ガラス内
部の歪みによりクラックが発生し易く、耐久性が低下す
る傾向がある。一方、シリカ含有量が、75重量%を超
えると、熱膨張係数が低下し、高温下での封着後の冷却
時や酸素濃度の測定時にクラックが発生し易く、製品と
して、歩どまりが低下する傾向になる。
Further, the composition of the aluminosilicate glass contains 40 to 75% by weight of silica,
35% by weight, further containing MgO, MnO, CaO,
SrO, PbO, BaO, ZnO, Li 2 O, Na 2 O,
At least one of K 2 O and Rb 2 O in total of 5 to 3
Those containing 0% by weight are preferred. Here, when the silica content of the aluminosilicate glass is less than 40% by weight,
It is difficult to completely vitrify, and when partially crystallized, the composition tends to be non-homogeneous, and when a thermal cycle is applied, cracks are likely to occur due to distortion inside the glass, and the durability tends to decrease. On the other hand, if the silica content exceeds 75% by weight, the thermal expansion coefficient decreases, cracks are likely to occur at the time of cooling after sealing at a high temperature or at the time of measuring the oxygen concentration, and the yield is reduced as a product. Tend to.

【0015】また、アルミノ珪酸塩ガラスのアルミナ含
有量が、3重量%未満では、腐食性ガス等に対する化学
的耐久性が劣化し、一方、アルミナ含有量が35重量%
を超えると、熱膨張係数が低下し、高温下での封着後の
冷却時や、酸素濃度測定時にクラックが発生し易くな
り、製品としての歩留まりが低下する傾向にある。
If the alumina content of the aluminosilicate glass is less than 3% by weight, the chemical durability against corrosive gas and the like is deteriorated, while the alumina content is 35% by weight.
If it exceeds, the coefficient of thermal expansion decreases, cracks are likely to occur at the time of cooling after sealing at a high temperature or at the time of measuring the oxygen concentration, and the yield as a product tends to decrease.

【0016】更に、アルミノ珪酸塩ガラスによる封着に
必要な熱処理温度は、封着材としてのアルミノ珪酸塩ガ
ラスの軟化点より100〜150℃程度高い温度とする
ことが、アルミノ珪酸塩ガラスの粘度が適切になり、好
適である。また、アルミノ珪酸塩ガラス軟化点は、40
0℃以上が好適である。その理由は、酸素センサのセル
部分の先端部分が、酸素濃度測定のために、ほぼ700
℃に加熱され、それに伴い、封着部の温度が、ほぼ35
0℃程度まで上昇するからである。封着材として使用す
るアルミノ珪酸塩ガラスの軟化点が、400℃未満であ
ると、セル部分が取付金具から外れてしまう危険があ
る。
Furthermore, the heat treatment temperature required for sealing with the aluminosilicate glass should be about 100 to 150 ° C. higher than the softening point of the aluminosilicate glass as the sealing material, and the viscosity of the aluminosilicate glass should be higher. Is appropriate and suitable. The softening point of aluminosilicate glass is 40
0 ° C. or higher is preferred. The reason is that the tip of the cell portion of the oxygen sensor is almost 700 mm for oxygen concentration measurement.
° C, and the temperature of the sealing portion is increased to approximately 35 ° C.
This is because the temperature rises to about 0 ° C. If the softening point of the aluminosilicate glass used as the sealing material is lower than 400 ° C., there is a risk that the cell portion may come off from the mounting bracket.

【0017】また、アルミノ珪酸塩ガラスの熱膨張係数
を安定化ジルコニアの熱膨張係数(10×10-6/℃)
程度に合わせるためには、アルミノ珪酸塩ガラスに、M
gO、MnO、CaO、SrO、PbO、BaO、Zn
O、Li2O、Na2O、K2O、Rb2Oのうち少なくと
も1種を合計で、5〜30重量%添加することが、望ま
しく、5重量%未満でも30重量%を超えていても、熱
膨張係数が安定化ジルコニアのそれと整合し難くなり、
高温下での封着後の冷却時や酸素濃度測定時にクラック
が発生し易くなる傾向にある。
The thermal expansion coefficient of the aluminosilicate glass is stabilized by the thermal expansion coefficient of zirconia (10 × 10 −6 / ° C.).
To match the degree, the aluminosilicate glass must have M
gO, MnO, CaO, SrO, PbO, BaO, Zn
O, Li 2 O, Na 2 O, K 2 O, a total of at least one of Rb 2 O, may be added 5 to 30 wt%, preferably, it has greater than 30 wt% at less than 5 wt% Also, it becomes difficult to match the coefficient of thermal expansion with that of stabilized zirconia,
Cracks tend to easily occur during cooling after sealing at a high temperature or when measuring the oxygen concentration.

【0018】アルミノ珪酸塩ガラスの組成については、
シリカ40〜75重量%を含有し、アルミナ3〜35重
量%含有し、更に、MgO、MnO、CaO、SrO、
PbO、BaO、ZnO、Li2O、Na2O、K2O、
Rb2Oのうち少なくとも1種を合計で、5〜30重量
%含有したものに、更に、B23、P25のうち少なく
とも1種を合計で、15重量%以下含有するものが、好
適である。これは、腐食性ガス等に対する化学的耐久性
を増加させるために、添加するもので、添加量が15重
量%を超えると熱膨張係数が低下し、高温下での封着後
の冷却時や、酸素濃度測定時にクラックが発生し易く、
製品としての歩留まりが低下する傾向にある。
Regarding the composition of the aluminosilicate glass,
It contains 40 to 75% by weight of silica, 3 to 35% by weight of alumina, and further contains MgO, MnO, CaO, SrO,
PbO, BaO, ZnO, Li 2 O, Na 2 O, K 2 O,
In total at least one of rb 2 O, the one containing 5 to 30 wt%, further, a total of at least one of B 2 O 3, P 2 O 5, those containing 15 wt% or less Is preferred. This is added in order to increase the chemical durability against corrosive gas and the like. When the amount added exceeds 15% by weight, the coefficient of thermal expansion decreases, and during cooling after sealing at a high temperature, , Easy to crack when measuring oxygen concentration,
The yield as a product tends to decrease.

【0019】尚、取付金具を形成する耐食性合金の材質
としては、ハステロイ(登録商標)等のニッケルを含有
する合金が望ましい。
As a material of the corrosion resistant alloy forming the mounting bracket, an alloy containing nickel such as Hastelloy (registered trademark) is preferable.

【0020】[0020]

【作用】活性金属を含有するニッケル合金からなる被覆
膜の形成は、アルミノ珪酸塩ガラスの耐食性合金への濡
れ性を改善するものであり、酸素センサのセル部材の安
定化ジルコニアと耐食性合金製の取付金具とを、アルミ
ノ珪酸塩ガラスにより良好に封着することができ、更
に、封着部の気密性、耐久性の向上に寄与し、製品の歩
留まりも向上する。
[Function] The formation of a coating film made of a nickel alloy containing an active metal improves the wettability of the aluminosilicate glass to the corrosion-resistant alloy, and is made of a stabilized zirconia and a corrosion-resistant alloy of the cell member of the oxygen sensor. Can be better sealed with the aluminosilicate glass, and further contributes to the improvement in the airtightness and durability of the sealed portion, and also improves the product yield.

【0021】また、活性金属を含有するニッケル合金か
らなる被覆膜の組成を、前記のような範囲に特定するこ
とにより、アルミノ珪酸塩ガラスの耐食性合金への濡れ
性を更に改善し、より強固に、より気密に封着し得るも
のである。
Further, by specifying the composition of the coating film made of a nickel alloy containing an active metal within the above range, the wettability of the aluminosilicate glass to the corrosion-resistant alloy is further improved, and the solidification is further improved. In addition, it can be more airtightly sealed.

【0022】更に、活性金属を含有するニッケル合金か
らなる被覆膜の組成に、更に、リンを前記の範囲含有さ
せることにより、活性金属を含有するニッケル合金の融
点を下げ、溶融時の流動性を向上させて被覆膜の形成を
容易とし、アルミノ珪酸塩ガラスの耐食性合金への濡れ
性を大幅に改善し、より強固に、より気密に封着し得る
ものである。
Further, the melting point of the nickel alloy containing the active metal is lowered by adding phosphorus to the composition of the coating film made of the nickel alloy containing the active metal, whereby the fluidity during melting is reduced. To facilitate the formation of a coating film, greatly improve the wettability of the aluminosilicate glass to the corrosion-resistant alloy, and provide a stronger and more airtight seal.

【0023】更に、活性金属を含有するニッケル合金か
らなる被覆膜を用いることにより、封着部分のような内
面への部分的な被覆も容易となる。
Further, by using a coating film made of a nickel alloy containing an active metal, it is easy to partially coat the inner surface such as a sealing portion.

【0024】更に、酸素センサのセル先端部分は、酸素
濃度測定のために約750℃に加熱され、従って、酸素
センサのセル部材の安定化ジルコニアと耐食性合金製の
取付金具とを封着する封着部分もかなりの高温に晒され
るために、封着材としては、耐熱性、耐熱衝撃性にすぐ
れることが必要になる。また、安定化ジルコニアは、熱
膨張係数が、10×10-6/℃であるため、封着材も同
程度の熱膨張係数を有するものが望ましい。更に、酸素
センサを使用する環境は、腐食性ガス雰囲気である場合
が多く、封着材は耐食性にもすぐれることが必要であ
る。そのようにして、封着材としてのアルミノ珪酸塩ガ
ラスは、これらの諸条件を十分に満足しているものであ
る。
Further, the tip of the cell of the oxygen sensor is heated to about 750 ° C. for measuring the oxygen concentration. Therefore, the sealing for sealing the stabilized zirconia of the cell member of the oxygen sensor and the mounting bracket made of the corrosion resistant alloy is performed. Since the bonded part is also exposed to a considerably high temperature, the sealing material needs to have excellent heat resistance and thermal shock resistance. Further, since the stabilized zirconia has a coefficient of thermal expansion of 10 × 10 −6 / ° C., it is desirable that the sealing material has the same coefficient of thermal expansion. Further, the environment in which the oxygen sensor is used is often a corrosive gas atmosphere, and the sealing material needs to have excellent corrosion resistance. Thus, the aluminosilicate glass as the sealing material sufficiently satisfies these conditions.

【0025】更に、封着材としてのアルミノ珪酸塩ガラ
スの組成は、前記の範囲に特定することにより、腐食性
ガス等に対する化学的耐久性を増加させるものである。
Further, the composition of the aluminosilicate glass as the sealing material increases the chemical durability against corrosive gas and the like by specifying the above range.

【0026】前記のように、本発明の封着方法による
と、酸素センサは、気密性と耐久性が向上し、低濃度下
や高濃度下でも、酸素濃度を精度良く測定でき、更に、
故障の少ない耐久性に富む酸素センサを提供することが
できる。
As described above, according to the sealing method of the present invention, the oxygen sensor has improved airtightness and durability, and can accurately measure the oxygen concentration even at low or high concentrations.
It is possible to provide a highly durable oxygen sensor with few failures.

【0027】次に、本発明の酸素センサのセル部分の封
着方法を具体的に実施例により説明するが、本発明はそ
れらによって限定されるものではない。
Next, the method of sealing the cell portion of the oxygen sensor according to the present invention will be described in detail with reference to examples, but the present invention is not limited thereto.

【0028】[0028]

【実施例】純度が99.9%のニッケル粉末、活性金属
粉末及び必要に応じて赤リンを、表1,2の第1欄(被
覆膜の組成)に示す(No.1〜43)となるように調合
し、メノウ乳鉢により、スクリーン油と混合してスラリ
ーとした。このスラリーをニッケル合金(ハステロイ−
登録商標)製の取付金具の封着部分に、塗布し、真空乾
燥器で、120℃、30分間乾燥した後、真空雰囲気
[10‐4トール(torr)以下]で、800〜1000℃
の温度範囲で20分間熱処理することにより、活性金属
を含有するニッケル合金からなる被覆膜を形成した。
EXAMPLES Nickel powder having a purity of 99.9%, active metal powder and, if necessary, red phosphorus are shown in the first column of Tables 1 and 2 (composition of coating film) (Nos. 1 to 43). And mixed with screen oil in an agate mortar to form a slurry. This slurry is transferred to a nickel alloy (Hastelloy-
(Registered trademark) is applied to a sealing portion of a mounting bracket, dried at 120 ° C. for 30 minutes by a vacuum drier, and then 800 to 1000 ° C. in a vacuum atmosphere [10 −4 torr (torr) or less].
The coating was made of a nickel alloy containing an active metal by performing a heat treatment for 20 minutes in the above temperature range.

【0029】一方、封着材となるアルミノ珪酸塩ガラス
は、次のように製造した。即ち、純度99.9%の各試
薬粉末を表1、2の第2欄(封着材の組成)に示す組成
(No.1〜43)となるように調合し、遊星ミルを使
用して6時間粉砕し、混合した。この混合粉末を白金ル
ツボに入れ、酸化炉中で溶融させた後、水中に投下し
て、急冷させ、粉砕した後、300メッシュの篩で粒度
を揃え、本発明による封着材とした。
On the other hand, aluminosilicate glass as a sealing material was produced as follows. That is, each reagent powder having a purity of 99.9% was prepared so as to have the composition (No. 1 to 43) shown in the second column (composition of the sealing material) in Tables 1 and 2, and using a planetary mill. Crushed for 6 hours and mixed. This mixed powder was put in a platinum crucible, melted in an oxidation furnace, dropped into water, quenched, crushed, and then sized with a 300-mesh sieve to obtain a sealing material according to the present invention.

【0030】以上の封着材をメノウ乳鉢で、ポリビニル
ブチラール樹脂と混合して、スラリーとした。スラリー
を酸素センサのセル部材である安定化ジルコニアと、被
覆膜が形成されたニッケル合金(ハステロイ−登録商
標)製の取付金具との間に形成される封着部分に充填し
た後、真空乾燥器で、120℃、1時間乾燥した。その
後、酸化炉により、350℃で2時間保持し、ガラス中
で脱脂を行った。そして、窒素雰囲気中で、各封着材
(No.1〜43)のガラス軟化点より夫々100℃高い
温度で熱処理することにより、封着作業を行った。尚、
安定化ジルコニアは、従来通り、安定化剤としてのY 2
3 を、8モル%含有するものである。
The above sealing material was mixed with a polyvinyl butyral resin in an agate mortar to form a slurry. The slurry was prepared by using stabilized zirconia, which is a cell member of an oxygen sensor, and a nickel alloy (hastelloy-registered trademark) having a coating film formed thereon.
After filling in the sealing part formed between the mounting bracket made by the mark , and dried at 120 ° C. for 1 hour with a vacuum dryer. Then, it was kept at 350 ° C. for 2 hours in an oxidation furnace, and degreased in glass. Then, in a nitrogen atmosphere, each of the sealing materials (No. 1 to 43) was heat-treated at a temperature 100 ° C. higher than the glass softening point, thereby performing a sealing operation. still,
Stabilized zirconia is conventionally used as Y 2 as a stabilizer.
It contains 8 mol% of O 3 .

【0031】以上のように、表1、2に示す組成で調製
された被覆膜と封着材(No.1〜43)を各々用い
て、酸素センサ部品(セル部材)を製造し、封着部材の
クラックの有無を目視により、観察し、表1、2の第3
欄(評価結果)の第1番目にまとめた。そして、封着部
にクラックの存在が認められない酸素センサ部品に対し
て、ヘリウムリーク検出器(日電アネルバ製;ASM−
151T、検出限界;2×10-10トール)により気密
性を評価し、評価結果の欄の第2番目に示した。
As described above, an oxygen sensor component (cell member) was manufactured using each of the coating films prepared with the compositions shown in Tables 1 and 2 and the sealing materials (Nos. 1 to 43). The presence or absence of cracks in the wearing member was visually observed, and the third in Tables 1 and 2 was observed.
The results are summarized in the first column (evaluation results). A helium leak detector (manufactured by Nidec Anelva; ASM-
151T, detection limit; 2 × 10 −10 Torr), and the airtightness was evaluated.

【0032】また、気密性が良好である酸素センサ部品
に対して、耐久性試験として、炉内雰囲気を、10%の
SO2と5%のO2を含有する窒素ガス中で、昇温速度3
5℃/分で350℃まで昇温して、2時間保持した後、
冷却速度35℃/分で室温まで冷却して、1時間保持す
る熱サイクルを、100回繰り返した後、前記のような
気密試験を行ない、リークの有無を確認するという、評
価試験を行なった。この評価試験の結果を、評価結果の
欄の第3番目の耐久性に示す。
For an oxygen sensor part having good airtightness, as an endurance test, the atmosphere in the furnace was heated in a nitrogen gas containing 10% SO 2 and 5% O 2 at a heating rate. 3
After heating to 350 ° C. at 5 ° C./min and holding for 2 hours,
After repeating a heat cycle of cooling to room temperature at a cooling rate of 35 ° C./min and holding for 1 hour 100 times, an airtight test as described above was performed to check for the presence or absence of a leak. The results of this evaluation test are shown in the third durability section in the column of evaluation results.

【0033】各々の評価結果を、表1、2の第3欄(評
価結果)に示す。また、表1、2には、比較例(No.
44)として、従来の無機系接着材(スミセラムS−3
01;商品名)により封着したときの評価結果も併せて
示す。尚、評価結果の欄の数字は、良品数を分子にし、
評価個数を分母に示した。
The results of each evaluation are shown in the third column of Tables 1 and 2 (evaluation results). Tables 1 and 2 show comparative examples (No.
44) is a conventional inorganic adhesive (Sumiceram S-3)
01; trade name). The numbers in the evaluation result column are based on the number of non-defective products,
The number of evaluations is shown in the denominator.

【0034】[0034]

【表1】 [Table 1]

【0035】[0035]

【表2】 [Table 2]

【0036】以上の結果より、本発明の酸素センサ部品
(No.1〜43)は、検出限界2×10-10atm・cc/
秒によって、すべての気密性が、良好であることが確認
され、従来技術により封着した従来品(No.42、リ
ーク量;1×10-2atm・cc/秒)と比較して、気密性が、
10(マイナス8乗)以上改善された。
From the above results, the oxygen sensor parts (Nos. 1 to 43) of the present invention showed a detection limit of 2 × 10 −10 atm · cc /
By seconds, all airtightness was confirmed to be good. Compared with a conventional product sealed by the conventional technique (No. 42, leak amount: 1 × 10 −2 atm · cc / sec), airtightness was improved. Gender,
It improved by more than 10 (minus 8th power).

【0037】また、ヘリウムリーク検出器を用いて、検
出限界の範囲で気密性が確認された酸素センサ部品(N
o.1〜43)は、いずれも、酸素濃度1ppbまでの
低濃度領域、酸素濃度21%及び酸素濃度100%付近
の高濃度域での、酸素濃度を精度良く測定可能であるこ
とが確認された。
In addition, an oxygen sensor component (N) whose airtightness has been confirmed within the detection limit using a helium leak detector.
o. 1 to 43) confirmed that it was possible to accurately measure the oxygen concentration in the low concentration region up to the oxygen concentration of 1 ppb, and in the high concentration region near the oxygen concentration of 21% and the oxygen concentration of 100%.

【0038】尚、無機系接着材により封着した従来品
(No.44)では、封着部の気密性が不良であり、酸
素濃度0.1%以下、酸素濃度21%付近及び酸素濃度
100%付近の測定精度が悪く、正確な酸素濃度の測定
が困難であることが確認された。
In the conventional product (No. 44) sealed with an inorganic adhesive, the airtightness of the sealed portion was poor, and the oxygen concentration was 0.1% or less, the oxygen concentration was around 21%, and the oxygen concentration was 100%. %, The measurement accuracy was poor, and it was confirmed that accurate measurement of the oxygen concentration was difficult.

【0039】[0039]

【発明の効果】以上説明したように、本発明の酸素セン
サの封着方法により、次のような顕著な技術的効果が得
られた。第1に、活性金属を含有するニッケル合金被覆
膜の形成により、アルミノ珪酸塩ガラスの耐食性合金へ
の濡れ性が改善されて、封着部の気密性が大幅に向上
し、低濃度下や、高濃度下でも、酸素濃度を精度良く測
定することができる酸素センサが得られ、更に、歩留ま
りが高く、故障が少なく耐久性に富む酸素センサが得ら
れた。第2に、更に、本発明の酸素センサの付着方法に
よると、生産コストが下がり、酸素センサの市場が拡大
する。
As described above, the following remarkable technical effects have been obtained by the method of sealing an oxygen sensor according to the present invention. First, by forming a nickel alloy coating film containing an active metal, the wettability of the aluminosilicate glass to the corrosion-resistant alloy is improved, and the hermeticity of the sealing portion is greatly improved. In addition, an oxygen sensor capable of accurately measuring the oxygen concentration even under a high concentration was obtained, and an oxygen sensor having a high yield, few failures, and high durability was obtained. Second, according to the method for attaching an oxygen sensor of the present invention, the production cost is reduced and the market for the oxygen sensor is expanded.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

【図1】本発明による酸素センサのセル部分の断面を示
す断面図である。
FIG. 1 is a sectional view showing a section of a cell portion of an oxygen sensor according to the present invention.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1 安定化ジルコニア製セル 2 耐食性合金製の取付金具 3 付着材 4 付着部 5 被覆膜 DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Stabilized zirconia cell 2 Corrosion-resistant alloy mounting bracket 3 Adhesive material 4 Adhered part 5 Coating film

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 平6−148127(JP,A) 特開 平3−271173(JP,A) 特開 昭55−104979(JP,A) 特開 平2−80381(JP,A) 特開 昭61−236661(JP,A) 特開 昭63−45192(JP,A) 特開 平6−329480(JP,A) 特開 昭53−37094(JP,A) 特開 昭60−104251(JP,A) (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) G01N 27/409 G01N 27/41 G01N 27/419 ──────────────────────────────────────────────────続 き Continuation of the front page (56) References JP-A-6-148127 (JP, A) JP-A-3-271173 (JP, A) JP-A-55-104979 (JP, A) JP-A-2- 80381 (JP, A) JP-A-61-236661 (JP, A) JP-A-63-45192 (JP, A) JP-A-6-329480 (JP, A) JP-A-53-37094 (JP, A) JP-A-60-104251 (JP, A) (58) Fields investigated (Int. Cl. 7 , DB name) G01N 27/409 G01N 27/41 G01N 27/419

Claims (6)

(57)【特許請求の範囲】(57) [Claims] 【請求項1】 酸素センサのセル部分の安定化ジルコニ
ア部材と耐食性合金製の取付金具との間を封着するに際
し、前記耐食性合金製の取付金具のうちの少なくともそ
の封着部を形成する表面に、活性金属を含有するニッケ
ル合金からなる被覆膜を形成した後、 前記の安定化ジルコニア部材と、前記被覆膜が形成され
た耐食性合金製の取付金具との間に形成された封着部
に、アルミノ珪酸塩ガラスからなる封着材を充填し、該
封着材の軟化点以上の温度に加熱することにより、封着
することを特徴とする酸素センサのセル部分の封着方
法。
When sealing between a stabilized zirconia member in a cell portion of an oxygen sensor and a mounting bracket made of a corrosion-resistant alloy, at least a surface of the mounting bracket made of the corrosion-resistant alloy that forms a sealing portion thereof. After forming a coating film made of a nickel alloy containing an active metal, a sealing formed between the stabilized zirconia member and a mounting bracket made of a corrosion-resistant alloy having the coating film formed thereon. A method for sealing a cell portion of an oxygen sensor, comprising filling a sealing material made of aluminosilicate glass into a portion and heating the sealing material to a temperature equal to or higher than the softening point of the sealing material.
【請求項2】 前記活性金属を含有するニッケル合金か
らなる被覆膜は、活性金属のうち少なくとも1種を、合
計で、0.5〜30重量%含有することを特徴とする請
求項1に記載の酸素センサのセル部分の封着方法。
2. The coating film made of a nickel alloy containing an active metal contains at least one of the active metals in a total amount of 0.5 to 30% by weight. A method for sealing a cell part of the oxygen sensor according to the above.
【請求項3】 前記活性金属を含有するニッケル合金か
らなる被覆膜は、活性金属のうち少なくとも1種を、合
計で、0.5〜30重量%含有し、リン(P)を20重
量%以下含有することを特徴とする請求項1に記載の酸
素センサのセル部分の封着方法。
3. The coating film made of a nickel alloy containing an active metal contains at least one of the active metals in a total amount of 0.5 to 30% by weight and phosphorus (P) in a weight of 20% by weight. The method for sealing a cell part of an oxygen sensor according to claim 1, wherein:
【請求項4】 前記被覆膜を形成する手段は、耐食性合
金製の取付金具の、少なくとも封着部を形成する表面
に、活性金属を含有するニッケル合金粉末又は少なくと
も活性金属とニッケルとを含有する混合粉末を塗布し、
非酸化性雰囲気中、前記の合金粉末又は前記混合粉末の
融点以上の温度で熱処理することによることを特徴とす
る請求項1に記載の酸素センサのセル部分の封着方法。
4. The means for forming the coating film includes a nickel alloy powder containing an active metal or at least an active metal and nickel on at least a surface of a mounting bracket made of a corrosion resistant alloy on which a sealing portion is formed. Apply the mixed powder to
The method according to claim 1, wherein the heat treatment is performed in a non-oxidizing atmosphere at a temperature equal to or higher than the melting point of the alloy powder or the mixed powder.
【請求項5】 前記アルミノ珪酸塩ガラスは、シリカ4
0〜75重量%を含有し、アルミナを3〜35重量%含
有し、更に、MgO、MnO、CaO、SrO、Pb
O、BaO、ZnO、Li2O、Na2O、K2O、Rb2
Oのうち少なくとも1種を合計で、5〜30重量%含有
する請求項1に記載の酸素センサのセル部分の封着方
法。
5. The method according to claim 1, wherein the aluminosilicate glass is silica 4
0-75% by weight, alumina 3-35% by weight, and furthermore MgO, MnO, CaO, SrO, Pb
O, BaO, ZnO, Li 2 O, Na 2 O, K 2 O, Rb 2
The method for sealing a cell portion of an oxygen sensor according to claim 1, wherein at least one of O is contained in a total of 5 to 30% by weight.
【請求項6】 前記アルミノ珪酸塩ガラスは、シリカ4
0〜75重量%を含有し、アルミナを3〜35重量%含
有し、更に、MgO、MnO、CaO、SrO、Pb
O、BaO、ZnO、Li2O、Na2O、K2O、Rb2
Oのうち少なくとも1種を合計で、5〜30重量%含有
し、更に、B23、P25のうち少なくとも1種を合計
で、15重量%以下含有することを特徴とする請求項1
に記載の酸素センサのセル部分の封着方法。
6. The aluminosilicate glass comprises silica 4
0-75% by weight, alumina 3-35% by weight, and furthermore MgO, MnO, CaO, SrO, Pb
O, BaO, ZnO, Li 2 O, Na 2 O, K 2 O, Rb 2
In total at least one of O, containing 5 to 30 wt%, further claims a total of at least one of B 2 O 3, P 2 O 5, characterized in that it contains 15 wt% or less Item 1
3. The method for sealing a cell part of an oxygen sensor according to item 1.
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