JP3735206B2

JP3735206B2 - ガスセンサ

Info

Publication number: JP3735206B2
Application number: JP35834198A
Authority: JP
Inventors: 恵一野田; 一夫田口; 久治西尾; 勝久藪田
Original assignee: NGK Spark Plug Co Ltd
Current assignee: NGK Spark Plug Co Ltd
Priority date: 1997-12-26
Filing date: 1998-12-17
Publication date: 2006-01-18
Anticipated expiration: 2018-12-17
Also published as: JPH11242013A; US6418777B1; EP0932039A3; EP0932039A2

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、酸素センサ、ＨＣセンサ、ＮＯＸセンサなど、測定対象となるガス中の被検出成分を検出するためのガスセンサに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、上述のようなガスセンサとして、外筒の内側に主体金具を配し、その外筒の内側に測定対象となるガス中の被検出成分を検出する検出素子を配置した構造を有するものが知られている。このような構造のガスセンサにおいては一般に、検出素子の外面と主体金具の内面との間、あるいは主体金具の内側において検出素子との間に配置される絶縁体の内面と検出素子の外面との間は、ガラス等の封着材層で封着される。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
例えば自動車用の酸素センサ等の場合、センサの取り付け位置は、エキゾーストマニホルドや車両の足周り部分に近い排気管などであることも多い。この場合、車からの飛石等がセンサに当たって機械的衝撃が加わったり、あるいは高温にさらされた状態で水しぶき等を受けることにより、強い熱衝撃が加わることもある。一方、センサ側においては検出素子の方が封着材層よりも熱膨張率が小さいため、ガラス封着工程での熱履歴（加熱／冷却）により内側の検出素子が径方向に圧縮力を受けて、封着材層に覆われている部分とそうでない部分との境界付近に応力が集中している。このような状態で例えば飛石等の機械的衝撃や水しぶきによる熱衝撃がセンサに加わると、それに起因する応力が、封着材層に覆われている部分とそうでない部分との境界（以下封着境界層という）付近に加わることで折れやすいという問題が有った。
【０００４】
本発明の課題は、センサに機械的衝撃及び熱衝撃が加わった場合に封着境界層に応力が集中しにくくすることにより、耐久性に優れたガスセンサを提供することにある。
【０００５】
【課題を解決するための手段及び作用・効果】
上述の課題を解決するために本発明のガスセンサは、外筒と、その外筒に接合される主体金具と、その主体金具の内側に配置され、測定対象となるガス中の被検出成分を検出する検出素子と、ガラスを主体に構成され、主体金具の内面と検出素子の外面との間、又は主体金具の内側において検出素子との間に配置される絶縁体の内面と検出素子の外面との間を封着する封着材層と、多孔質無機物質により構成され、検出素子の軸線方向において封着材層の少なくとも一方の端部側に配置される緩衝層とを有することを特徴とする。
【０００６】
上記本発明のガスセンサの構造により、検出素子に対し機械的あるいは熱的な衝撃力が作用した場合において、封着境界層に局所的な強い曲げ応力が加わることを抑制する。
【０００７】
緩衝層は、図１に示すように封着材層３２の両方の端部側に配置すれば、封着材層３２の各端において検出素子２への応力集中を緩和することができ、ひいては検出素子２の耐久性をさらに向上させることができる。この場合、緩衝層３３、３４は同一の材質で構成しても互いに異なる材質で構成してもいずれでもよい。
【０００８】
検出素子２は、図１に示すように先端部に検出部Ｄが形成された長尺形態をなし、その検出部Ｄを突出させる形で主体金具３に挿通している。この場合、緩衝層３３、３４の内、封着材層３２に対し該検出素子２の先端部に近い側の端に接するもの３４は、封着材層３２に含まれるガラスよりも耐熱性に優れた充填材粒子と、その充填材粒子の隙間の一部を埋めるとともに封着材層に含まれるガラスよりも耐熱性に優れ、かつ充填材粒子よりも軟化温度の低い結合粒子とを含むものとして構成できる。
【０００９】
すなわち、緩衝層３４は、封着材層３２よりも高温にさらされやすい。そのため、緩衝層３４に対しては、封着材層３２に含まれるガラスよりも耐熱性に優れた充填材粒子と、その充填材粒子よりは軟化温度が低いが上記ガラスよりは耐熱性に優れた結合粒子とからなる構造とすることで、耐熱性を付与する必要がある。この場合、充填材粒子としてはＡｌ２Ｏ３あるいはタルクを主体とするものが使用でき、耐熱性に優れていることからＡｌ２Ｏ３を主体成分とするものを特に好適に使用できる。また、結合粒子は、封着材層３２の形成温度（封着温度）において互いに溶着可能な粒子、例えば粘土粒子を好適に使用できる。
【００１０】
緩衝層３４は検出素子２の外面を均一に押圧する事で検出素子の封着境界層において応力の集中を防ぐ事を目的にしているが、緩衝層３４の製造工程において、緩衝層３４を、主体金具３あるいは絶縁体４に形成された空隙部３１に検出素子２を挿入しておき、さらにその空隙部３１に緩衝層３４の形成材料粉末（あるいは粉末成形体）を充填、加圧した後、これを所定の封着温度に加熱することで形成する場合、緩衝層３４は上部からの圧力によって充填性を高めるが、粉末の場合は流体のように圧力が均等に伝わらない為、検出素子２の外面に押圧力が均等に加わらないという問題があった。そこで、検出部Ｄを突出させる形で検出素子２を主体金具３に挿通するとともに、検出部Ｄの突出している側において封着材層３２に接するように緩衝層３４を配置する構成において、図１に示すように空隙部３１を検出素子２の軸線方向における先端側（以下先端側という）が後端側（以下後端側という）よりも径小となるように形成する様にする。こうする事により、上記形成材料粉末を空隙部３１に充填し粉末上部を加圧する際にその径小側で粉末の充填性を高めることができ、検出素子２の外面において緩衝層３４の押圧力をかなり均等化する事ができる。
【００１１】
なお、上記本発明のガスセンサ１においては、次のような構成も可能である。更に、図６の様に検出素子２を挿通する主体金具３の空隙部３１の内面と外筒の内面との間に、封着材層３２の周囲を取り囲む環状の溝部４３を、主体金具３の一部を切り欠く形態で形成する事が出来る。
【００１２】
上記構成とすることで、例えば加熱状態で水しぶきがかかるなどにより、センサ１が急激な温度変化等を受けた場合、該環状の溝部４３が断熱部の役割を果たし、また、小石等の異物の衝突などの機械的衝撃力がセンサに作用した場合には、環状の溝部３２の外側壁部を形成する外筒ないし主体金具部分が、それ自身の変形により機械的衝撃力を吸収する緩衝部として作用しうるので、封着材層３２へ伝わる熱衝撃や機械的衝撃力を緩和し、本発明の効果をより一層高めることができる。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を、図面に示す実施例を参照して説明する。
図１には、この発明のガスセンサの一実施例として、自動車等の排気ガス中の酸素濃度を検出する酸素センサ１を示している。この酸素センサ１は長尺のセラミック素子２（検出素子）を備え、その先端側が排気管内を流れる高温の排気ガスに晒される。
【００１４】
セラミック素子２は細長い板状に形成され、図２に示すように、それぞれ板状に形成された酸素濃淡電池素子２ａと、該酸素濃淡電池素子２ａを所定の活性化温度に加熱するヒータ２ｂとが積層されたものとして構成されている。酸素濃淡電池素子２ａは、酸素イオン伝導性を有する固体電解質体２１により構成されている。そのような固体電解質体２１としては、Ｙ２Ｏ３ないしＣａＯを固溶させたＺｒＯ２が代表的なものであるが、それ以外のアルカリ土類金属ないし希土類金属の酸化物とＺｒＯ２との固溶体を使用してもよい。一方、ヒータ２ｂは、高融点金属で構成された抵抗発熱体パターン２３をセラミック基体２２中に埋設したセラミックヒータで構成されている。
【００１５】
このようなセラミック素子２が、図１に示すように、主体金具３の内側に配置された絶縁体４の挿通孔３０に挿通された状態で絶縁体４内に固定される。絶縁体４には、挿通孔３０の後端に一端が連通して空隙部３１が形成されている。その空隙部３１は絶縁体４の後端面に開口するとともに軸断面が該挿通孔３０よりも大径になっている。そして、その空隙部３１の内面とセラミック素子２の外面との間は、ガラス（例えば亜鉛シリカホウ酸系結晶化ガラス、軟化温度６８４℃）を主体に構成される封着材層３２により封着されている。
【００１６】
また、空隙部３１内には封着材層３２の両端に緩衝層３３及び３４がそれぞれ形成されている。これら緩衝層３３，３４は、いずれも多孔質の無機物質により構成されている。このうち緩衝層３４は封着材層３２に含まれるガラスよりも耐熱性に優れた充填材粒子と、その充填材粒子の隙間の一部を埋めるとともに充填材粒子よりも軟化温度の低い結合粒子とを含んだものとして構成されている。一例としては充填材粒子はＡｌ２Ｏ３を主体とした酸化物粒子であり、また、結合粒子は粘土粒子である。
【００１７】
上記粘土粒子は、含水アルミノケイ酸塩を主体に構成されるものを使用でき、例えばアロフェン、イモゴライト、ヒシンゲライト、スメクタイト、カオリナイト、ハロイサイト、モンモリロナイト、イライト、バーミキュライト、ドロマイト等の粘土鉱物（あるいはそれらの合成物）の２種以上を主体とするものとして構成できる。また、酸化物系成分として、ＳｉＯ２及びＡｌ２Ｏ３、さらに必要に応じてＦｅ２Ｏ３、ＴｉＯ２、ＣａＯ、ＭｇＯ、Ｎａ２Ｏ及びＫ２Ｏ等の１種又は２種以上を主に含有するものを使用することができる。
例えば、本実施例では、充填材粒子としてのＡｌ２Ｏ３８４重量％及びＳｉＯ２１０重量％に対し、粘土粒子としての適量のカオリナイトとドロマイトとを主として配合したものが使用されている。
【００１８】
なお、絶縁体４の空隙部３１の先端側をテーパ面状に縮径し、縮径部３１ａを形成しており、緩衝層３４の先端側もこれに対応し、縮径部３４ａとなっている。
【００１９】
一方、緩衝層３３は、タルク粒子と、封着材層３２に含まれるガラスよりも軟化温度がやや低い結晶化ガラス（一例として亜鉛シリカホウ酸系結晶化ガラス、軟化温度６８０℃）により構成されている。
【００２０】
セラミック素子２と絶縁体４との上記封着構造は、例えば以下のようにして製造することができる。まず、緩衝層３４を形成するための形成材料粉末、本実施例では充填材粒子となるＡｌ２Ｏ３を主体成分とする粉末と、結合粒子となる粘土粉末との混合粉末をプレス成形等により予め成形することにより、図４（ａ）に示す粉末成形体５０を作製する。この粉末成形体５０は、中央部を軸方向に貫通する挿通孔５０ｂを有するとともに、その先端周面は、絶縁体４の空隙部３１の縮径部３１ａに対応するテーパ面５０ａとなっている。
【００２１】
次に、このような粉末成形体５０の挿通孔５０ｂに対しセラミック素子２を挿通し、そのセラミック素子２の先端側を絶縁体４の挿通孔３０に挿入するとともに、粉末成形体５０を絶縁体４の空隙部３１内に収容し、粉末成形体５０をセラミック素子２の軸方向に軽く圧する。このとき、図４（ｂ）に示すように、粉末成形体５０はテーパ面５０ａにおいて空隙部３１の縮径部３１ａに密着状態で押し付けられることから、粉末成形体５０の先端部は縮径部３１ａから径方向の反作用を受けて押され、セラミック素子２の外面を押圧する。次に、図４（ｃ）に示すように、ガラスを主体とする無機材料粉末を筒状に成形して粉末成形体５１を作り、これをその挿通孔５１ａにセラミック素子２を挿通するようにセラミック素子２の後方側から外装し、粉末成形体５０と隣接させ、絶縁体／検出素子の仮アセンブリ６０を得る。
【００２２】
この状態で、絶縁体／検出素子の仮アセンブリ６０を温度８５０℃に加熱することにより、粉末成形体５１は、そのガラスを主体とする無機材料粉末が互いに溶着して封着材層３２となり、セラミック素子２と絶縁体４との間を封着する。一方、粉末成形体５０は、Ａｌ２Ｏ３を主体成分とする粉末粒子を分散させた状態で粘土粉末粒子が互いに溶着し、図４（ｄ）に示す構造の緩衝層３４となる。
【００２３】
次に、図５（ａ）に示すように、空隙部３１の後端部において、セラミック素子２と絶縁体４との間に緩衝層３３の形成材料粉末５２（本実施例ではタルクと前述の亜鉛シリカホウ酸系結晶化ガラスとの混合粉末）を充填して軽くこれを圧した後、再び温度８００℃に加熱する。これにより、同図（ｂ）に示すように、形成材料粉末５２はその結晶化ガラス粉末が溶着することにより緩衝層３３になる。なお、形成材料粉末５２を空隙部３１に直接充填する代わりに、これをプレス成形等により予め成形体として空隙部３１内に配置するようにしてもよい。
【００２４】
次に、図１に示すように、絶縁体４と主体金具３との間には、タルクリング３６とかしめリング３７とがはめ込まれ、主体金具３の後端側外周部をかしめリング３７を押え込む事により、絶縁体４と主体金具３とがお互いに固定される。また、主体金具３の先端外周には、セラミック素子２の突出部分を覆う金属製の２重のプロテクトカバー６ａ，６ｂがレーザー溶接あるいは抵抗溶接（例えばスポット溶接）等によって固着されている。一方、主体金具３の後端部は外筒１８の先端部内側に挿入され、その重なり部において周方向に溶接（例えばレーザー溶接）されている。なお、レーザー溶接に代えて環状のかしめ部により形成してもよい。
【００２５】
酸素センサ１は、エキゾーストマニホルドや車両の足周り部分に近い排気管等に取り付けられることも多い。この場合、車軸からの飛石等がセンサに当たったり、あるいは高温にさらされた状態で水しぶき等を受けることにより、強い熱衝撃が加わることもある。そして、従来の酸素センサの構成では、図３（ａ）に示すように、絶縁体４の空隙部３１にはガラスを主体とする封着材層３２のみが形成される形となっているが、例えば飛石等からの衝撃や熱衝撃等によりセラミック素子２に曲げ応力が加わると、その軸線方向において封着材層３２に覆われている部分とそうでない部分との境界付近に応力が集中し、セラミック素子２が折れやすい。
【００２６】
しかしながら、上記本発明の酸素センサ１の構成によれば、図３（ｂ）に示すように、セラミック素子２の軸線方向において封着材層３２の両側に、多孔質無機物質で構成された緩衝層３３，３４が配置されていることから、セラミック素子２に対し機械的あるいは熱的な衝撃力が作用しても、上記境界付近に過度な応力が集中しにくくなり、セラミック素子２を折れにくくすることができる。この場合、緩衝層３３，３４は、封着材層３２に覆われていない部分を支持しているので、封着境界層に集中する応力を分散する事が出来る。
なお、機械的衝撃が弱い場合は、後端側の緩衝層３３は省略する事も出来る。
【００２７】
次に、図６（ａ）及び（ｂ）は、絶縁体４を設けない酸素センサ１の構成例を示している。同図では、封着材層３２及び緩衝層３４は、主体金具３の空隙部３１内において、その空隙部３１の内面とセラミック素子２の外面との間に設けられている。また、空隙部３１の内面と外筒１８の内面との間には、封着材層３２の周囲を取り囲む環状の溝部４３が、主体金具３の一部を切り欠く形態で形成されている。ここで、溝部４３の底面４３ａは、セラミック素子２の軸線方向において封着材層３２の先端面よりも先端側に位置するものとされている。
【００２８】
また、環状の溝部４３は、図７のように形成することも可能である。すなわち、主体金具３の後端部を外筒１８の端部内側に挿入し、環状の切欠部４３ｂを設け、外筒１８と切り欠き部４３ｂで溝部４３を形成する（なお、切欠部４３ｂの代わりに、周方向に所定の間隔で形成された溝状の凹部を形成してもよい）。なお、主体金具３と外筒１８とは、周方向に沿って形成される溶接部３５（あるいはかしめ部）によって接合される。この構成は、環状の溝部４３を形成すべき主体金具３の薄肉部３ｆの肉厚ｔが比較的小さい場合に有効である。
【００２９】
以上の実施例ではガスセンサは、検出素子（セラミック素子）として酸素濃淡電池素子のみを用いるλセンサとして構成されていたが、これを他のタイプのガスセンサ素子、例えば全領域酸素センサやＮＯｘセンサ素子として構成することも可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のガスセンサの一例たる酸素センサの縦断面図。
【図２】その検出素子としてのセラミック素子の構造を示す説明図。
【図３】緩衝層の作用説明図。
【図４】図１の酸素センサの製造工程の一例を示す説明図。
【図５】図４に続く説明図。
【図６】図１の酸素センサの変形例を示す縦断面図。
【図７】主体金具に形成する環状の溝部の変形例を示す縦断面図。
【符号の説明】
１酸素センサ（ガスセンサ）
２，６０，７０セラミック素子（検出素子）
３主体金具
４絶縁体
１８外筒
３０挿通孔
３１空隙部
３２封着材層
３３，３４緩衝層

Claims

外筒と、
その外筒に接合される主体金具と、
その主体金具の内側に配置され、測定対象となるガス中の被検出成分を検出する検出素子と、
ガラスを主体に構成され、前記主体金具の内面と前記検出素子の外面との間、又は前記主体金具の内側において前記検出素子との間に配置される絶縁体の内面と前記検出素子の外面との間を封着する封着材層と、
多孔質無機物質により構成され、前記検出素子の軸線方向において前記封着材層の少なくとも一方の端面に接して配置される緩衝層とを有し、
前記緩衝層が、前記検出素子の軸線方向において前記封着材層の少なくとも先端側の端面に接して配置されており、前記緩衝層が、前記封着材層に含まれるガラスよりも耐熱性に優れた充填材粒子及び前記封着材層に含まれるガラスよりも耐熱性に優れ、かつ前記充填材粒子よりも軟化温度の低い粘土粒子の混合体よりなる事を特徴とするガスセンサ。
前記充填材粒子はＡｌ_２Ｏ_３を主体とするものである請求項１記載のガスセンサ。
前記緩衝層の前記検出素子の軸線方向における先端側が後端側よりも径小に形成されている請求項１に記載のガスセンサ。
前記緩衝層は、前記検出素子の軸線方向において前記封着材層の両方の端面に接して配置されている請求項１記載のガスセンサ。