JP4366223B2 - ガスセンサ - Google Patents

Description

本発明は、筒状のガス検出素子を有するガスセンサに関する。

従来から、ガスセンサに利用されるガス検出素子として様々な素子形状を呈したものが提案されており、例えば酸素センサ素子には、筒状のものや、板状の基板を積層してなるものが存在する。このようにガス検出素子として様々な形状が存在する理由として、１つにはセンサ機能の向上を目的としていたり、また１つには生産性の向上を目的としていたりする。このようなガス検出素子の具体的な構成の一例としては、固体電解質からなるセラミック基体の表裏面に、触媒作用を有する白金をはじめとした貴金属層を電極として形成し、このセラミック基体の表裏面に形成した電極とセラミック基体により酸素濃淡電池部を形成したガス検出素子がある。このように形成された酸素センサ素子を主体金具、プロテクタ及びスリーブ等の部材と組み付け、酸素センサを構成している。

上記構成を備える酸素センサであって、酸素センサ素子の形状として先端が閉塞した有底筒状を呈するものは、筒状のセラミック基体の先端側の内側表面及び外側表面に貴金属層を形成し、それぞれが内側電極と外側電極を構成している。外側表面に形成した外側電極は被測定ガスに晒される必要があり、そのために被測定ガスが接触する接ガス部全体を覆うように貴金属層が形成されているものがある。しかし、この構造ために電極の材料として使用する貴金属の使用量は多く、高価なセンサとなる原因となっていた。そこで、このような実情に鑑み、貴金属の使用量を抑え、酸素センサ素子のコストを低減するために、電極の形成部位を制限した酸素センサが存在する（例えば、特許文献１参照。）。
特開昭６１−２１８９３３号公報

上記特許文献１に記載される酸素センサは、筒状を呈するガス検出素子の接ガス部の一部に、白金やパラジウム製の線状電極を１本、軸線と平行に設ける構造をとっている。この構成とすることで貴金属の使用量を抑制したガス検出素子を製造することができる。

しかしながら、この特許文献１に記載された構造では、次の新たな問題を生じてしまう。それは、排気ガスを検知する電極（外側電極）は筒状のガス検出素子の一部分に１本のみ形成されているので、排気ガスの流れる流路（例えば排気管）に取り付けた際に取り付け方向性の問題が生じてしまう。具体的には被測定ガスの流れ方向に対して外側電極が対向していない場合、極論を言えば、外側電極が下流方向を向く形で酸素センサが取り付けられた場合、排気ガスは素子の外側電極が形成されていない部分に当たった後、外側電極へたどり着くまでに素子の周囲を回り込んだ後に達するという経路をとる。そのため、排気ガスの雰囲気が、酸素が過剰な状態から希少な状態へ、または希少な状態から過剰な状態へと変化するように、ストイキ（理論空燃比）を挟んで急激に変わった場合に、この雰囲気の変化に十分追従することができず、応答性の遅いセンサとなってしまっていた。これは、酸素を検出する１本の外側電極が下流方向を向く形で取り付けられてしまったために、接ガス部の上流側では既に雰囲気が変化している（例えば酸素が過剰となっている）にもかかわらず、下流側の外側電極では雰囲気が変化していない（酸素が希少なままである）ために生じる問題である。さらに、ガス検出素子と主体金具との組み付けの方向性や排気管へのねじ込み具合により、取り付け方向による応答性のばらつきが生じてしまう問題も抱えていた。

本発明は、上記の問題点を解決するためになされたものであり、従来の接ガス部のすべてが外側電極としての貴金属層に覆われているセンサと略同等な応答性をもち、貴金属の使用量を抑え、且つセンサの取り付け方向によらず、センサごとに応答性のばらつきのないガスセンサを提供することを目的としている。

上記の目的を達成するために請求項１に記載した発明のガスセンサは、
固体電解質体からなり、軸方向先端側が閉塞した筒状を呈するガス検出素子であって、軸線方向先端側が閉塞した有底筒状の接ガス部と、前記接ガス部の後端側に隣接すると共に前記接ガス部より外径の大きい径方向に突出したフランジ部とを備えるガス検出素子と、
前記ガス検出素子の前記フランジ部の先端面を自身の内部に形成された棚部において直接又は他部材を介して支持する主体金具と、を備えるガスセンサであって、
前記ガス検出素子のうち、内側表面には内側電極が径方向の全体にわたって形成され、一方、前記接ガス部の外表面に形成されると共に、前記接ガス部の軸線方向の中間位置より先端側の先端側領域から、前記フランジ部の先端面より後端側の後端側領域まで延びる３本以上の線状電極が、径方向にわたって略等間隔に形成されていることを特徴としている。

また請求項２に記載した発明のガスセンサは、
前記接ガス部の中間位置における軸線直交断面を見たときに、前記ガス検出素子の表面を前記線状電極が１０％以上６０％以下を占めていることを特徴としている。

また請求項３に記載した発明のガスセンサは、
前記線状電極は前記主体金具の棚部に電気的に接続されるものであって、保護電極が前記フランジ部の先端面に位置する前記線状電極の少なくとも一部を覆うように形成され、前記ガス検出素子が前記主体金具の棚部に支持されていることを特徴としている。

請求項１に記載した発明のガスセンサは、筒状の素子の外側表面に３本以上の線状電極が外側電極として存在し、且つ径方向にわたって略等間隔に形成されているという構成であるので、径方向において１方向から見たときに、その方向を向く外側電極が存在する構成となっている。即ち、被測定ガスが流れる流路に取り付けた際に、ガスセンサの取り付けられた向きに応答性が依存しにくく、ガスセンサごとの応答性のばらつきを低減することができる。

また、このガスセンサは、接ガス部に形成された３本の外側電極が線状電極であるため、接ガス部の径方向全周にわたって貴金属層を形成したものに比較してコストを低減することができる。

そして、前記線状電極の形成される部位は、接ガス部の中間位置より先端側の領域からフランジ部の先端面より後端側の領域までの間に形成されているので、外側電極が線形状であっても、被測定ガスを測定するのに十分な量のガスが外側電極に接触できる構造となっている。

なお、上記の線状電極はそれぞれが略同一形状であることが望ましい。それぞれの線状電極が略同一形状であるので、３本の外側電極をそれぞれ別の製造装置を用いて形成する必要が無く、容易に形成することが可能となる。

請求項２に記載したように、線状電極は接ガス部のうちの中間位置において、ガス検出素子に対して１０％以上を占めている。１０％以上を占めることによって、ガス検出信号を十分なレベルで出力することができる。一方、占有率が大きすぎると、性能の向上に対してコストの低減効果が見合わないため、６０％以下に抑えると良い。

ところで、上記のようなガスセンサにおいて、外側電極と主体金具とをガス検出素子のフランジ部の先端面と主体金具の棚部において電気的に接続し、且つ機械的に支持する構造のものがある。具体的には、外側電極の形成されたフランジ部がパッキンを介して前記棚部に押圧される形で支持されているものがある。特にこの構造を持つガスセンサでは、その製造の組み付け工程の際に、外側電極が摩耗、剥離してしまい、電気的接続を確保できなくなる虞があった。

そこで請求項３に記載したように、線状電極を主体金具の棚部において電気的に接続させると共に支持させるためには、線状電極のうち、フランジ部の先端面に位置する部分を少なくとも一部を覆うように保護電極を設けるとよい。このように線状電極の電気的接続を主体金具の棚部でとるタイプのガスセンサは、電気的接続を十分に確保するために、製造する際には、線状電極の設けられたガス検出素子を主体金具又は他部材に押圧する工程を経ている。そのため、線状電極が摩耗したり、剥がれたりして、電気的接続が確保できなくなる虞がある。これを回避するために、保護電極を形成し、線状電極の主体金具若しくは他部材と接触する部分に保護電極を形成することによって、電気的接続をより確実なものとすることができる。

なお、前記保護電極は線状電極の剥離防止のために、より望ましくは線状電極とガス検出素子のセラミック基体との境界線を覆うように、さらに望ましくはフランジ部の先端面に位置する線状電極のすべてを覆うように形成するとよい。

以下、本発明のガスセンサについて図面を参照して説明する。なお、本実施形態では酸素センサを実施例としている。
図１は、本発明の第１の実施の形態の酸素センサ１００の全体を示す部分断面図である。酸素センサ１００は、概略、ガス検出素子１０、主体金具２０、プロテクタ３０、セラミックスリーブ４０、外部出力端子５０が組み合わされて構成されている。

主体金具２０はＳＵＳ４３０からなり、先端側（図下側）の内周には断面円形のストレート状の小径孔２１を備えており、その小径孔２１の後端側（図上側）には後端に向かって径大となるテーパー状の棚部２２が周設され、さらにその上端側には前記小径孔２１よりも径大の断面円形のストレート状の中径孔２３、後端に向かって径大となる段部２４、続いて主体金具２０の内孔１４のうち最も径大となる大径孔２５が形成されている。大径孔２５の最も後端側部位は径方向内向きにカシメによって曲げられ、酸素センサ１００を構成する各部材を一体に固定する役割を果たしている。

一方、主体金具２０の外周には、先端側に排気管へ螺着させるための雄ネジ部２６が形成されており、その後端側には、酸素センサ１００を固定する際に使用する取り付け工具と係り合う工具係合部２７が径方向外向きに突出した形で形成されている。工具係合部２７と雄ネジ部２６との間には主体金具２０とは別体としてなるワッシャＷが嵌められており、排気管等に取り付けられる際に工具係合部２７の先端面に押圧されて変形し、排気管からの気密漏れを防ぐと共に酸素センサ１００の抜け止めの作用を奏している。また、主体金具２０の最先端部位は雄ネジ部２６のネジ有効径に比較して径小となる径小部２９が形成されている。この径小部２９には、有底筒状のプロテクタ３０の後端側開口端が圧入され、その圧入部はレーザー溶接により固定されている。このプロテクタ３０には排気管に流れる排気ガスを取り込む通気口３１が形成されている。

ガス検出素子１０に関し、図２（ａ）に素子の部分断面図を示し説明をする。尚、図２（ｂ）は接ガス部１３の中間位置を示す破線Ｃにおける素子断面図である。ガス検出素子１０はジルコニアを含む固体電解質からなり、自身の先端側が閉塞した筒状を呈しており、軸線Ｏ方向の略中央部には径方向外向きに突出したフランジ部１１を備えて構成されている。フランジ部１１は自身の先端側に前述の主体金具２０の棚部２２に支持される先端側に向かって径小となって斜面状をなす先端面１２を形成しており、この先端面１２から先端側に接ガス部１３を構成している。

ガス検出素子１０の内側表面には触媒作用を有する多孔質状の貴金属層（例えば白金）が形成され、酸素濃淡電池における基準電極となる内側電極１５を構成している。一方、ガス検出素子１０の外側表面には測定電極となる外側電極１６が形成されている。この外側電極１６は図２（ａ）に示すように、軸線Ｏ方向に沿う直線状を呈しており、接ガス部１３の中間位置（破線Ｃで示す）より先端側の領域から前記フランジ部１１の先端面１２より後端側の領域へ架かるように形成されている。この外側電極１６は接ガス部１３の中間位置における軸線直交断面を見たときに、素子の１０％以上６０％以下（例えば本実施の形態では２０％）を占めるように形成するとよい。さらに、接ガス部１３の外表面には排気ガスから前記外側電極１６を保護するための多孔質状の保護層（図示しない）が形成されている。

本実施の形態では、金属製のリング状のシールパッキン６１がガス検出素子１０のフランジ部１１の先端面１２と主体金具２０の棚部２２との間に介在している。このシールパッキン６１により、ガス検出素子１０と主体金具２０との間からの気密漏れを防ぐと共に、ガス検出素子１０の外側表面に形成された外側電極１６と主体金具２０との電気的接続を図っている。そして、フランジ部１１の後端側には、主体金具２０の中径孔２３とガス検出素子１０のフランジ部１１との間隙を塞ぐ形で金属製の線パッキン６２が載置されている。この線パッキン６２、ガス検出素子１０の外表面及び主体金具２０の大径孔２５によって形成された空間には滑石粉末６３が充填される。さらに、この滑石粉末６３を押圧するようにでセラミックスリーブ４０の先端大径部４１が配置され、この先端大径部４１の後端側にカシメパッキン６４が載置される。そして、このセラミックスリーブ４０の後端部を軸線方向先端へ押圧すると共に、前述の主体金具２０の大径孔２５をなす最後端部が径方向内向きにカシメパッキン６４を覆い被せる形でカシメられる。その後、外部出力端子５０の内部接続部５１がガス検出素子１０の内孔１４に嵌挿され、内側電極１５との電気的接続が図られる。

このような酸素センサ１００は、次のようにして製造する。
まず、図１に示すように、主体金具２０とプロテクタ３０とを一体に構成する。一体にする方法は、前述のとおり、圧入やレーザー溶接を採ればよい。

図２に示すガス検出素子１０は、固体電解質粉末（イットリアを安定化剤として固溶させた部分安定化ジルコニア粉末等を主体とする原料粉末）を素子形状のゴム型に充填して成型し、公知の方法により焼成する。

焼成されたセラミック基体に、まず外側電極１６を形成する。外側電極１６は、形成すべき部位以外をマスキングゴムで覆った後に、白金の無電解メッキを施し形成される。なお、この外側電極１６はフランジ部１１の先端面１２より先端側の接ガス部１３の中間位置より先端側の領域から、前記フランジ部１１の先端面１２を後端側へ越えた領域に達するように形成している。その後、熱処理を施し、設けた外側電極１６を多孔質状にする。

次いで、接ガス部１３の全周を覆うように、スピネルからなる多孔質状の電極保護層（図示しない）をプラズマ溶射法により形成する。この電極保護層は、排気ガス中の未燃焼ガスの一成分として含まれる珪素、硫黄及びリン等によって外側電極１６が被毒されるのを防護するものである。

一方、内側電極１５は前記セラミック基体の内壁に白金の無電解メッキにより形成される。このようにしてセラミック基体の表裏面に電極を形成してガス検出素子１０としたのちに、エージング工程を経る。

上記のように形成したガス検出素子１０の組み付けは、図１に示した構成となるように、主体金具２０、シールパッキン６１、ガス検出素子１０、線パッキン６２を適宜組み付けた後、滑石粉末６３を充填し、セラミックスリーブ４０、カシメパッキン６４をセットした状態で、前述の通り、主体金具２０の最後端部をカシメる。その後、セラミックスリーブ４０の後端側より外部出力端子５０を挿通し、内部接続部５１が内側電極１５と接触するようにする。

なお、外部出力端子５０は、金属薄板を丸めて形成されており、自身の弾性力により、ガス検出素子１０の内側電極１５との接続を図っている。形成する際は、金属薄板に予め切れ目を入れておくことで、丸めた際に突出する突出部を形成し、セラミックスリーブ４０の後端フランジ部４２に係止する素子への過挿入防止ストッパー５２と挿入後の抜け落ち防止ストッパー５３を構成している。

このように構成された酸素センサ１００は排気管等に取り付けられ、図３に示すゴムキャップ８１付の接続用コード８０が接続される。ゴムキャップ８１がセラミックスリーブ４０の外周面に弾性的に嵌合（接触）し、外部出力端子５０より出力される酸素センサ１００の出力信号は、８２、８３及びリード線８４を介してＥＣＵ等へ入力される。

上述した本実施形態の酸素センサによれば、排気管に取り付けられた際に、排気管を流れる被測定ガスがガス検出素子１０に対してどのような方向に流れていたとしても、ガス検出素子１０の接ガス部１３の中間位置からフランジ部１１にかけて外側電極１６が３本、略等間隔に形成されているので、ガスセンサごとにおいて、応答性のばらつきを低減することができる。

なお、上記の実施形態では、外側電極１６の接地方法としてシールパッキン６１を介して主体金具２０に接地する方法としているが、図４に示すようにしてもよい。（同一の部位に関しては、同一の符号を付すこととする。）即ち、請求項３に記載した、外側電極１６がシールパッキン６１に接触する部分に保護電極７０を形成する方法である。この保護電極７０においては被測定ガスの検出を行う必要がないので、外側電極１６のように多孔質状に形成する必要がなく、例えば白金ペーストを塗布して形成すればよい。

上記保護電極７０を設けることにより、ガスセンサを組み付ける際に、外側電極１６とシールパッキン６１とが擦れあったとしても外側電極１６がすり切れたり剥離したりするような虞はなく、導通確実なガスセンサを構成することができる。なお、この保護電極７０は先端面１２に位置する外側電極１６に設ければ十分その機能を果たすが、図４に示すように外側電極１６を覆うように塗布することが一層望ましい。

以上、本発明の実施の形態について説明してきたが、本発明は上記の形態に限定されるものではなく、種々公知のガスセンサの構成を取り入れてもよい。例えば、本実施例においては図示していないが、ガス検出素子の内部にライトオフを早めるためにヒータを取り付けてもよい。また、ガス検出素子の主体金具への支持方法は、セラミック製のホルダを形成し、ガス検出素子１０のフランジ部１１の先端面１２と主体金具２０の棚部２２との間に介在させ、外側電極１６を素子後端部まで延設し、出力端子を嵌合させ、センサ外部へ測定信号を出力するリード線を直接接続する形態をとってもよい。

また形成する線状電極は３本に限られるものではなく、４本以上であってもよい。さらに、線状電極を形成する位置は、接ガス部の中間位置と、ガス検出素子の先端との中間位置（即ち、ガス検出素子先端から接ガス部全長の４分の１だけ後端側の位置）より先端側の領域から延びるような形態としてもよい。このほうがガスと接触する面からも好ましい。この線状電極をガス検出素子の先端部へ延設していき、線状電極のそれぞれがガス検出素子の最先端部連結していてもよい。一方、フランジ部の後端側で線状電極のそれぞれと電気的に接続される径方向線状電極を設けてもよいし、環状の金属部材を嵌挿し、導通を図るような他部材による導通を確保する構造としてもよい。

図１は、本発明の第１の実施の形態のガスセンサ１００の全体を表す部分断 面図である。である。 図２（ａ）は、本発明の第１の実施の形態を表す要部拡大図、（ｂ）は、ガ ス検出素子の中間位置による断面を表す図である。 図３は、本発明のガスセンサの使用形態を示す概略図である。 図４（ａ）は、本発明の第２の実施の形態を表す要部拡大図、（ｂ）は、ガ ス検出素子のフランジ部の拡大図である。

符号の説明

１０ ガス検出素子
１１ フランジ部
１２ 先端面
１３ 接ガス部
１５ 内側電極
１６ 外側電極
２０ 主体金具
３０ プロテクタ
４０ セラミックスリーブ
５０ 外部出力端子
７０ 保護電極
８０ 接続用コード
１００ ガスセンサ

Claims (3)

1. 固体電解質体からなり、軸方向先端側が閉塞した筒状を呈するガス検出素子であって、軸線方向先端側が閉塞した有底筒状の接ガス部と、前記接ガス部の後端側に隣接すると共に前記接ガス部より外径の大きい径方向に突出したフランジ部とを備えるガス検出素子と、
   前記ガス検出素子の前記フランジ部の先端面を自身の内部に形成された棚部において直接又は他部材を介して支持する主体金具と、
   を備えるガスセンサであって、
   前記ガス検出素子のうち、内側表面には内側電極が径方向の全体にわたって形成され、一方、前記接ガス部の外表面に形成されると共に、前記接ガス部の軸線方向の中間位置より先端側の先端側領域から、前記フランジ部の先端面より後端側の後端側領域まで延びる３本以上の線状電極が、径方向にわたって略等間隔に形成されていることを特徴とするガスセンサ。
2. 前記接ガス部の中間位置における軸線直交断面を見たときに、前記ガス検出素子の表面を前記線状電極が１０％以上６０％以下を占めていることを特徴とする請求項１記載のガスセンサ。
3. 前記線状電極は前記主体金具の棚部に電気的に接続されるものであって、
   保護電極が前記フランジ部の先端面に位置する前記線状電極の少なくとも一部を覆うように形成され、前記ガス検出素子が前記主体金具の棚部に支持されていることを特徴とする請求項１または請求項２に記載のガスセンサ。

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