JP4788499B2 - ガスセンサ - Google Patents

Description

本発明は、被測定ガス中の特定ガス濃度を検出するガスセンサに関する。

従来より、自動車の内燃機関等の排気系には、排ガス中の酸素や窒素酸化物等の特定ガスの濃度を測定するガスセンサ９が配設されている。該ガスセンサ９として、図１５に示すごとく、被測定ガス中の特定ガス濃度を検出するための板棒状のセンサ素子９２を、素子側絶縁碍子９３に挿通保持させてなるものがある。素子側絶縁碍子９３は、ハウジング９４の内側に保持されている。
また、素子側絶縁碍子９３とセンサ素子９２との間はガラス封着材９５によって封止されている。このガラス封着材９５によって、センサ素子９２と素子側絶縁碍子９３との固定と、両者間の隙間の気密を図っている。

しかしながら、上記ガスセンサ９は、自動車等の内燃機関の排気系など、高温雰囲気と低温雰囲気との繰り返しとなるような過酷な環境において使用される。そのため、高温雰囲気下において、ガラス封着材９５が急激な熱膨張によりクラックを生じることがある。その結果、素子側絶縁碍子９３の先端側における被測定ガス（排気ガス）が、基端側における基準ガス（大気）雰囲気側に漏れ、ガスセンサ９の検出精度が低下してしまうという問題がある。

また、センサ素子９２は、素子側絶縁碍子９３に挿通保持されるため、軸方向に長い形状となる。そのため、センサ素子９２の体積が大きくなり、昇温速度の向上が困難であり、早期活性を図るには限界がある。
また、センサ素子９２は、素子側絶縁碍子９３の先端側に大きく突き出した状態で配設される。そのため、被測定ガスと共に飛来する水滴による被水の確率が高くなりやすく、素子割れの確率が高くなるという問題もある。
更に、素子側絶縁碍子９３から先端部を突き出した状態にて配設されるセンサ素子９２においては、被測定ガスの導入口が特定の方向に限られてしまい、センサ素子９２に対する被測定ガスの流通方向が検出値に影響を与えるおそれがある。

なお、特許文献２には、熱衝撃によるクラックの発生を防ぐガスセンサ素子の構造が開示されているが、これは、素子側絶縁碍子９３にセンサ素子９２を保持した構造のガスセンサ９において生じる問題を解決するものではない。

特開２００１−１８８０６０号公報 特開平１１−３３７５１７号公報

本発明は、かかる従来の問題点に鑑みてなされたもので、検出精度に優れると共に早期活性化を図ることが容易なガスセンサを提供しようとするものである。

本発明は、固体電解質体と該固体電解質体の一方の面に配設した基準ガス側電極と他方の面に配設した被測定ガス側電極とを有するセンサ素子と、該センサ素子を搭載する絶縁碍子と、該絶縁碍子を内側に保持するハウジングとを備えたガスセンサであって、
上記センサ素子は、チップ状に形成されていると共に上記絶縁碍子と一体化されており、
上記絶縁碍子は、上記センサ素子の基準ガス側電極を、上記絶縁碍子よりも基端側の大気側雰囲気に連通させるダクト部を形成してなり、
該ダクト部は、上記絶縁碍子を軸方向に貫くように形成されており、
上記ダクト部の内壁面には、上記基準ガス側電極及び上記被測定ガス側電極とそれぞれ接続された電極リード部が配設され、
また、上記センサ素子は、上記固体電解質体を貫通するスルーホールを形成してなり、該スルーホールを通じて上記被測定ガス側電極と上記電極リード部との電気的導通を図っていることを特徴とするガスセンサにある（請求項１）。

次に、本発明の作用効果につき説明する。
上記ガスセンサにおいては、上記センサ素子が絶縁碍子に対して一体化されている。即ち、ガラス等を介在させることなく、センサ素子が絶縁碍子に対して接合されている。そのため、センサ素子と絶縁碍子との間に、大きな熱膨張係数差が生じることがない。それ故、高温雰囲気と低温雰囲気との繰り返しの過酷な環境下においても、センサ素子と絶縁碍子との間にクラックが生じることもない。その結果、絶縁碍子の先端側の被測定ガス側雰囲気と基端側の基準ガス側雰囲気との間に漏れが生じることを防ぐことができ、検出精度に優れたガスセンサを得ることができる。

また、上記センサ素子は、チップ状に形成されているため、小型化を図ることができる。これにより、センサ素子を活性温度まで昇温する時間を短くすることができ、早期活性化を図ることができる。また、ガスセンサ全体の小型化も可能となる。
また、センサ素子をチップ状にすることにより、被測定ガスと共に飛来する水滴がセンサ素子の表面に付着する確率も低くなり、被水に起因する素子割れの発生も抑制することができる。

以上のごとく、本発明によれば、検出精度に優れると共に早期活性化を図ることが容易なガスセンサを提供することができる。

本発明（請求項１）において、上記ガスセンサとしては、例えば、自動車エンジン等の各種車両用内燃機関の排気管に設置して、排気ガスフィードバックシステムに使用する空燃比センサ、排気ガス中の酸素濃度を測定する酸素センサ、また排気管に設置する三元触媒の劣化検知等に利用するＮＯｘ等の大気汚染物質濃度を調べるＮＯｘセンサ等がある。
また、上記絶縁碍子は、例えば、アルミナ（Ａｌ₂Ｏ₃）等のセラミックからなり、上記固体電解質体は、例えばジルコニア（ＺｒＯ₂）等のセラミックからなる。そして、センサ素子と絶縁碍子とは、例えばアルミナ等のセラミック材料からなる接着剤により接合することができる。
なお、本明細書においては、ガスセンサについて、被測定ガスに曝される側を先端側、その反対側を基端側として説明する。

また、上記センサ素子は、上記絶縁碍子の先端面に接合してあることが好ましい（請求項２）。
この場合には、上記センサ素子における被測定ガス側電極に対して、被測定ガスを導きやすく、検出精度を充分に向上させることができる。

また、上記センサ素子は、上記被測定ガス側電極を覆うように形成した拡散抵抗層を有することが好ましい（請求項３）。
この場合には、被測定ガス側電極の表面に対して均一に被測定ガスを接触させることができると共に、被測定ガスの導入量を制御することができる。その結果、検出精度に優れたガスセンサを得ることができる。

また、上記センサ素子は、円形チップ状に形成されていることが好ましい（請求項４）。
この場合には、センサ素子の被測定ガス側電極に対する被測定ガスの導入方向の偏りを防ぎ、応答性を向上させることができる。

また、上記ダクト部は、上記絶縁碍子を軸方向に貫くように形成されている。
これにより、基準ガス側電極に連通する上記ダクト部を容易に形成することができる。

また、上記ダクト部の内壁面には、上記基準ガス側電極及び上記被測定ガス側電極とそれぞれ接続された電極リード部が配設されている。
これにより、上記電極リード部を容易に形成することができると共に、ガスセンサの小型化を図ることができる。

また、上記センサ素子は、上記固体電解質体を貫通するスルーホールを形成してなり、該スルーホールを通じて上記被測定ガス側電極と上記電極リード部との電気的導通を図っている。
これにより、被測定ガス側電極と電極リード部とを容易に接続することができると共に、センサ素子の一層の小型化を図ることができる。

また、上記センサ素子は、該センサ素子を加熱するためのヒータ部を有しており、上記ダクト部の内壁面には、上記ヒータ部と接続された一対のヒータリード部が配設されていることが好ましい（請求項５）。
この場合には、上記ヒータ部への通電を図るヒータリード部を容易に形成することができると共に、ガスセンサの小型化を図ることができる。

（実施例１）
本発明の実施例にかかるガスセンサにつき、図１〜図１２を用いて説明する。
本例のガスセンサ１は、図１に示すごとく、センサ素子２と、該センサ素子２を搭載する絶縁碍子３と、該絶縁碍子３を内側に保持するハウジング４とを備えている。センサ素子２は、図６、図７に示すごとく、固体電解質体２１と該固体電解質体２１の一方の面に配設した基準ガス側電極２２と他方の面に配設した被測定ガス側電極２３とを有する。そして、センサ素子２は、円形チップ状に形成されていると共に、図２、図３に示すごとく、絶縁碍子３と一体化されている。
また、図３、図４に示すごとく、絶縁碍子３は、センサ素子２の基準ガス側電極２２を、絶縁碍子３よりも基端側の大気側雰囲気に連通させるダクト部３１を形成してなる。

図２、図３に示すごとく、センサ素子２は、絶縁碍子３の先端面３２に接合してある。
ダクト部３１は、絶縁碍子３を軸方向に貫くように形成されている。そして、図２に示すごとく、ダクト部３１の内壁面３１１には、基準ガス側電極２２及び被測定ガス側電極２３とそれぞれ接続された電極リード部３３２、３３３が配設されている。ダクト部３１は、絶縁碍子３の軸方向に直交する断面形状が、絶縁碍子３の中心軸を中心とする円形状に形成されている。なお、ダクト部３１の形状は、必ずしもこれに限らず、例えば、断面四角形等の他の形状であってもよい。

また、図１１、図１２に示すごとく、断面略円形状のダクト部３１の基端側に断面略正方形状の開口凹部３１２を連続して設けてもよい。この場合、開口凹部３１２の内壁面にも上記電極リード部３３２、３３３、及び後述するヒータリード部３５が延設される。図１には、このタイプの絶縁碍子３を用いたガスセンサ１を示してある。

図６、図７に示すごとく、センサ素子２は、被測定ガス側電極２３を覆うように形成した拡散抵抗層２４を有する。
また、センサ素子２は、固体電解質体２１を貫通するスルーホール２１１を形成してなり、図２に示すごとく、該スルーホール２１１を通じて被測定ガス側電極２３と電極リード部３３３との電気的導通を図っている。
また、図６に示すごとく、センサ素子２は、該センサ素子２を加熱するためのヒータ部２５を設けてなる。ヒータ部２５は、センサ素子２の側面に約１８０°の範囲に形成されている。そして、ヒータ部２５の一対のヒータ端子２５１が、センサ素子２の基端面（絶縁碍子３との接合面）に形成されている。

また、図３、図４に示すごとく、絶縁碍子３のダクト部３１の内壁面３１１には、上記電極リード部３３２、３３３の他に、一対のヒータリード部３５が形成されている。該ヒータリード部３５は絶縁碍子３の先端面３２にも延設されている。そして、これら一対のヒータリード部３５は、絶縁碍子３の先端面３２において、それぞれ、一対のヒータ端子２５１と接触し、電気的導通を図っている。

図４に示すごとく、一対のヒータリード部３５は、ダクト部３１の内壁面３１１における互いに対向する位置に形成されている。また、一対の電極リード部３３２、３３３も、ダクト部３１の内壁面３１１における互いに対向する位置に形成されている。
図２、図３に示すごとく、センサ素子２の基準ガス側電極２２は、絶縁碍子３側に配されており、ダクト部３１の先端部に配置される。
また、拡散抵抗層２４は、センサ素子２における絶縁碍子３との接合面とは反対側に配される。

センサ素子２における固体電解質体２１はジルコニア（ＺｒＯ₂）を主成分としてなり、拡散抵抗層２４はアルミナ（Ａｌ₂Ｏ₃）を主成分としてなる。また、基準ガス側電極２２及び被測定ガス側電極２３、ヒータ部２５、電極リード部３３２、３３３、ヒータリード部３５は、いずれも白金（Ｐｔ）からなる。また、絶縁碍子３はアルミナを主成分としてなる。
また、センサ素子２と絶縁碍子３とは、アルミナ接着剤によって接合されている。

図１に示すごとく、ガスセンサ１は、ハウジング４の先端側に素子側カバー１１を固定してなる。素子側カバー１１には通気孔１１１が形成されており、該通気孔１１１を通して被測定ガスが素子側カバー１１の内側に導入されることにより、センサ素子２の周囲が被測定ガス雰囲気となる。

また、絶縁碍子３の基端側には、大気側絶縁碍子１２が配されており、その内側にバネ端子１３１に接続されたリード線１３２の一部が保持されている。バネ端子１３１は、４個配されており、絶縁碍子３のダクト部３１に挿入配置される。そして、４個の端子バネ１３１のうちの２個が、一対の電極リード部３３２、３３３に接触しており、他の２個が一対のヒータリード部３５に接触している。

また、ハウジング４の基端側には、大気側絶縁碍子１３を覆うように、大気側カバー１４が固定されている。そして、大気側カバー１４には大気導入口１４１が形成されている。該大気導入口１４１を通じて大気が導入されることにより、大気側カバー１４の内側が大気雰囲気となる。大気側カバー１４の内側の大気は、絶縁碍子３のダクト部３１内に導入され、センサ素子２の基準ガス側電極２２１に接触する。

また、絶縁碍子３に電極リード部３３２、３３３、ヒータリード部３５を形成するに当っては、図８に示すごとく、断面略十字状の棒状治具５１及び断面略Ｌ字状のコーナー治具５２を用いて、Ｐｔ活性剤３９を付着させる。棒状治具５１の最大外径は絶縁碍子３のダクト部３１の内径よりも若干小さい。また、コーナー治具５２は、絶縁碍子３の先端面３２と外側面３６とにそれぞれ対応する先端対応面５２１と外側対応面５２２とを有する。

そして、棒状治具５１における４つの凸状側面５１１にＰｔ活性剤３９を付着させた後、棒状治具５１を絶縁碍子３のダクト部３１に挿入する。これにより、ダクト部３１の内壁面３１１に、Ｐｔ活性剤３９を４条付着させる。また、コーナー治具５２の先端対応面５２１にＰｔ活性剤３９を付着させた後、コーナー治具５２における先端対応面５２１と外側対応面５２２とを絶縁碍子３の先端面３２と外側面３６とに当接させることにより、絶縁碍子３の先端面３２の所定位置にＰｔ活性剤３９を付着させる。
その後、無電解メッキ処理を行うことにより、Ｐｔ活性剤３９を付着させた部分にＰｔを析出させ、図２〜図５に示すごとく、電極リード部３３２、３３３、ヒータリード部３５を形成する。

また、絶縁碍子３の先端面３２にセンサ素子２を接合するに当たっては、図９に示すごとく、センサ素子２における基準ガス側電極２２を配置した面に、ペースト状のアルミナ接着剤１５を付着させる。ただしアルミナ接着剤１５は、基準ガス側電極２２及びヒータ端子２５１を覆わないように、また、基準ガス側電極２２及びヒータ端子２５１の厚み分の段差を埋めるように、固体電解質体２１の表面に付着させる。
次いで、図１０に示すごとく、絶縁碍子３の先端面３２にセンサ素子２を押し当てて接合する。その後、絶縁碍子３とセンサ素子２との接合体を焼成することにより、両者は一体化される。

なお、センサ素子２における基準ガス側電極２２、被測定ガス側電極２３、ヒータ部２５等は、例えば、Ｐｔペーストをスクリーン印刷することにより形成してもよいし、Ｐｔを無電解メッキすることにより形成してもよいし、Ｐｔをスパッタリングすることにより形成してもよい。
また、固体電解質体２１と拡散抵抗層２４とは、アルミナ等からなる接着剤によって接合してもよいし、熱圧着によって接合してもよい。

また、ガスセンサ１の組立て時においては、図１１に示すごとく、一体化された絶縁碍子３及びガスセンサ素子２に対して、予め組み立てられた大気側絶縁碍子１２と端子バネ１３１とリード線１２とのモジュールを組み付ける。その際、４本の端子バネ１３１を絶縁碍子３のダクト部３１に嵌入させると共に、それぞれ、電極リード部３３２、３３３、及びヒータリード部３５に押圧接触させる。
なお、４本の端子バネ１３１は、互いに短絡しないよう、大気側絶縁碍子１２の内側に配されたリード線１２との接続部分において、ブッシュ等によって固定されている。

次に、本例の作用効果につき説明する。
上記ガスセンサ１においては、上記センサ素子２が絶縁碍子３に対して一体化されている。即ち、ガラス等を介在させることなく、センサ素子２が絶縁碍子３に対して接合されている。そのため、センサ素子２と絶縁碍子３との間に、大きな熱膨張係数差が生じることがない。それ故、高温雰囲気と低温雰囲気との繰り返しの過酷な環境下においても、センサ素子２と絶縁碍子３との間にクラックが生じることもない。その結果、絶縁碍子３の先端側の被測定ガス側雰囲気と基端側の基準ガス側雰囲気との間に漏れが生じることを防ぐことができ、検出精度に優れたガスセンサ１を得ることができる。

また、上記センサ素子２は、チップ状に形成されているため、小型化を図ることができる。これにより、センサ素子２を活性温度まで昇温する時間を短くすることができ、早期活性化を図ることができる。また、ガスセンサ１全体の小型化も可能となる。
また、センサ素子２をチップ状にすることにより、被測定ガスと共に飛来する水滴がセンサ素子２の表面に付着する確率も低くなり、被水に起因する素子割れの発生も抑制することができる。

また、センサ素子２は、絶縁碍子３の先端面３２に接合してあるため、センサ素子２における被測定ガス側電極２３に対して、被測定ガスを導きやすく、検出精度を充分に向上させることができる。

また、センサ素子２は、被測定ガス側電極２３を覆うように形成した拡散抵抗層２４を有するため、被測定ガス側電極２３の表面に対して均一に被測定ガスを接触させることができると共に、被測定ガスの導入量を制御することができる。その結果、検出精度に優れたガスセンサ１を得ることができる。
また、センサ素子２は、円形チップ状に形成されているため、センサ素子２の被測定ガス側電極２３に対する被測定ガスの導入方向の偏りを防ぎ、応答性を向上させることができる。

また、ダクト部３１は、絶縁碍子３を軸方向に貫くように形成されているため、基準ガス側電極２２に連通するダクト部３１を容易に形成することができる。
また、電極リード部３３２、３３３は、ダクト部３１の内壁面３１１に配設されている。そのため、電極リード部３３２、３３３を容易に形成することができると共に、ガスセンサ１の小型化を図ることができる。

また、センサ素子２は、固体電解質体２１を貫通するスルーホール２１１を形成してなり、該スルーホール２１１を通じて被測定ガス側電極２３と電極リード部３３３との電気的導通を図っている。これにより、被測定ガス側電極２３と電極リード部３３３とを容易に接続することができると共に、センサ素子２の一層の小型化を図ることができる。

また、センサ素子２は、ヒータ部２５と接続された一対のヒータリード部３５を、ダクト部３１の内壁面３１１に配設してなる。これにより、ヒータ部２５への通電を図るヒータリード部３５を容易に形成することができると共に、ガスセンサ１の小型化を図ることができる。

以上のごとく、本例によれば、検出精度に優れると共に早期活性化を図ることが容易なガスセンサを提供することができる。

（実施例２）
本例は、図１３、図１４に示すごとく、ヒータ部２５を固体電解質体２１における絶縁碍子３側の面に形成した例である。
即ち、固体電解質体２１における基準ガス側電極２２を設けた面に、その外周部に沿って半円周状に、ヒータ部２５を設けている。
その他は、実施例１と同様である。
本例の場合にも、検出精度に優れると共に早期活性化を図ることが容易なガスセンサを提供することができる。

実施例１における、ガスセンサの縦断面説明図。 実施例１における、一体化された絶縁碍子とセンサ素子との断面図。 実施例１における、一体化された絶縁碍子とセンサ素子との他の断面図。 実施例１における、絶縁碍子の基端側から見た平面図、及び断面図。 実施例１における、絶縁碍子の先端側から見た平面図。 実施例１における、センサ素子の基端側から見た平面図、及びそのＡ−Ａ線矢視断面図。 図６のＢ−Ｂ線矢視断面図。 実施例１における、絶縁碍子にＰｔ活性剤を付着させる方法の説明図。 実施例１における、アルミナ接着剤を付着させたセンサ素子の基端側から見た平面図、及び断面図。 実施例１における、絶縁碍子にセンサ素子を接合する方法を示す断面説明図。 実施例１における、センサ素子と一体化された絶縁碍子に大気側絶縁碍子を組付ける方法を示す断面説明図。 実施例１における、端子バネを開口凹部の内壁面に接触配置した絶縁碍子の、軸方向に直交する断面説明図、及び軸方向に沿った断面説明図。 実施例２における、センサ素子の基端側から見た平面図、及びそのＣ−Ｃ線矢視断面図。 図１３のＤ−Ｄ線矢視断面図。 従来例における、ガスセンサの縦断面説明図。

符号の説明

１ ガスセンサ
２ センサ素子
２１ 固体電解質体
２２ 基準ガス側電極
２３ 被測定ガス側電極
２４ 拡散抵抗層
２５ ヒータ部
３ 絶縁碍子
３１ ダクト部
３２ 先端面
３３２、３３３ 電極リード部
３５ ヒータリード部
４ ハウジング

Claims (5)

1. 固体電解質体と該固体電解質体の一方の面に配設した基準ガス側電極と他方の面に配設した被測定ガス側電極とを有するセンサ素子と、該センサ素子を搭載する絶縁碍子と、該絶縁碍子を内側に保持するハウジングとを備えたガスセンサであって、
   上記センサ素子は、チップ状に形成されていると共に上記絶縁碍子と一体化されており、
   上記絶縁碍子は、上記センサ素子の基準ガス側電極を、上記絶縁碍子よりも基端側の大気側雰囲気に連通させるダクト部を形成してなり、
   該ダクト部は、上記絶縁碍子を軸方向に貫くように形成されており、
   上記ダクト部の内壁面には、上記基準ガス側電極及び上記被測定ガス側電極とそれぞれ接続された電極リード部が配設され、
   また、上記センサ素子は、上記固体電解質体を貫通するスルーホールを形成してなり、該スルーホールを通じて上記被測定ガス側電極と上記電極リード部との電気的導通を図っていることを特徴とするガスセンサ。
2. 請求項１において、上記センサ素子は、上記絶縁碍子の先端面に接合してあることを特徴とするガスセンサ。
3. 請求項１又は２において、上記センサ素子は、上記被測定ガス側電極を覆うように形成した拡散抵抗層を有することを特徴とするガスセンサ。
4. 請求項１〜３のいずれか一項において、上記センサ素子は、円形チップ状に形成されていることを特徴とするガスセンサ。
5. 請求項１〜４のいずれか一項において、上記センサ素子は、該センサ素子を加熱するためのヒータ部を有しており、上記ダクト部の内壁面には、上記ヒータ部と接続された一対のヒータリード部が配設されていることを特徴とするガスセンサ。

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