JP5179545B2 - ガスセンサ - Google Patents

Description

本発明は、特定ガスの濃度を検出するための検出素子を備えるガスセンサに関するものである。

自動車エンジンなどの内燃機関の排気通路に取り付けられ、排気ガス中の特定ガス（例えばＮＯｘ（窒素酸化物）や酸素）の濃度に応じて出力が変化する検出素子を備えたガスセンサが知られている。検出素子は、固体電解質体に一対の電極を設けたセルを少なくとも１つ以上有する構成をなし、特定ガスの濃度に応じてセルに流れる電流やセルに生じる起電力といった出力が変化する。この検出素子は、上記の特定ガスの濃度に応じて出力が変化する検出部を先端側に有し、胴部の径方向周囲が、ガスセンサを排気管に取り付けるための主体金具に取り囲まれ、主体金具内に設けられる滑石や窒化ホウ素、または、ガラス等のシール充填材により気密状に保持される。また、検出素子の後端側は主体金具よりも後方に突出され、主体金具の後端側に取り付けられる外筒によって取り囲まれる。外筒の後端側内部にはゴムからなる弾性部材が嵌め込まれ、外筒内は密閉される。

検出素子の後端部には、先端部に位置する検出部からの出力を取り出すための複数の出力取出部（例えば、検出素子の後端部の表面に形成される電極パッド）が設けられる。これら出力取出部（電極パッド）には、弾性部材を挿通して検出素子と外部回路とを電気的に接続する複数のリード線のそれぞれに設けられる導通部材（金属端子）が接続される。外筒内にはさらに、絶縁セラミックからなるセパレータが配置される。導通部材はセパレータの内部に収容され、互いに非接触の状態に維持される（例えば特許文献１参照）。また、このセパレータにより、導通部材と外筒との間の絶縁を確保している。

特開２００９−２１６３８８号公報

しかしながら、例えば密閉された外筒内の雰囲気に水分が含まれる場合、外界の温度や湿度の変化により外筒内に結露を生ずると、セパレータの表面に水滴が付着し、セパレータに水分が染み込む虞がある。水分の染み込みによってセパレータ自身の絶縁抵抗値が低下すると、検出素子と電気的に接続される導通部材間の絶縁（高い絶縁抵抗値）を確保することが難しくなり、検出素子から正常な出力が得られなくなる。なお、外筒内の雰囲気に水分が浸入するケースとしては、例えば、主体金具内のシール充填材の吸湿による影響が挙げられる。

本発明は、上記問題点を解決するためになされたものであり、外筒内に設けられるセパレータの絶縁性を安定して維持することで導通部材間の絶縁性を安定して確保し、検出素子から正常な出力が得られるガスセンサを提供することを目的とする。

本発明の実施態様によれば、軸線方向に延び、特定ガスの濃度を検出するための検出素子と、前記検出素子の径方向周囲を取り囲んで保持する主体金具と、前記主体金具の後端側に取り付けられ、前記検出素子の後端側を取り囲む外筒と、絶縁セラミックからなり、前記外筒内に配置され、自身の内部に、少なくとも、前記検出素子との電気的な接続を行う複数の導通部材を収容するセパレータと、を備え、少なくとも、前記セパレータの表面に、水密性を有するコーティング層が形成されているガスセンサが提供される。

絶縁セラミックからなるセパレータの表面に形成されるコーティング層が、水密性を有するので、外界の温度や湿度の変化により外筒内に結露を生じたとしても、セパレータ内に水分が染み込むのを防止することができる。ゆえに、セパレータの表面に水滴が付着することに起因してセパレータの絶縁抵抗値の低下を引き起こし、セパレータ内に収容される導通部材間の絶縁性が低下することを防止することができる。

本実施態様において、前記コーティング層は、撥水性を有してもよい。コーティング層が撥水性を有すれば、セパレータの表面に水滴が付着しても、表面張力によって広がることがないため、水膜が形成されるのを防止することができる。よって、セパレータの表面上で水膜が形成された場合に、水膜を媒介する漏れ電流（例えば、水膜を介して導通部材と外筒間にリークする漏れ電流）を生じてしまう虞がない。

本実施態様において、前記コーティング層は、ガラスからなるものであってもよい。ガラスからなるコーティング層を形成すれば、水密性と耐熱性を得られる。ガスセンサは高温のガスによる熱の影響を受ける場合があるため、耐熱性を有するコーティング層を形成することは、セパレータの絶縁性を長期間にわたって維持する観点から望ましい。また、コーティング層の耐久性も確保することができる。

本実施態様において、前記検出素子は、後端部に、前記導通部材との電気的な接続を行う電極パッドを有してもよい。また、前記セパレータは、さらに、前記検出素子の前記後端部を、内部に収容してもよく、前記導通部材と前記電極パッドとの電気的な接続は、前記セパレータ内で行われてもよい。セパレータの表面に水滴の付着があった場合、漏れ電流は、導通部材（検出素子）と外筒との間で生ずることが多い。導通部材と電極パッドとの電気的な接続がなされる部位（接点）をセパレータ内に収容することで、接点を露出から保護することができ、接点と外筒との間で漏れ電流が発生することを防止することができる。

ＮＯｘセンサ１の断面図である。 図１における二点鎖線Ａで囲んだ部分を拡大した図である。

以下、本発明を具体化したガスセンサの一実施の形態について、図面を参照して説明する。まず、一例としてのＮＯｘセンサ１の構造について、図１を参照して説明する。なお、図１ではＮＯｘセンサ１の軸線Ｏ方向（一点鎖線で示す。）を上下方向として図示し、内部に保持する検出素子１０の先端部１１側をＮＯｘセンサ１の先端側、後端部１２側をＮＯｘセンサ１の後端側として説明する。

図１に示すＮＯｘセンサ１は、自動車の排気管（図示外）に取り付けられ、内部に保持する検出素子１０の検出部１８が排気管内を流通する排気ガスに曝されて、その排気ガス中に含まれる特定ガスとしてＮＯｘの濃度を検出する。

検出素子１０は公知にあるような軸線Ｏ方向に延びる細幅の板形状をなし、ＮＯｘ濃度の検出を行うガス検出体１４と、そのガス検出体１４を早期活性化させるために加熱を行うヒータ体１５とが互いに積層され、略角柱状をなす積層体として一体化されたものである。なお、図１では、紙面左右方向を板厚方向、紙面表裏方向を板幅方向として示している。ガス検出体１４は、各々ジルコニアを主体とする固体電解質体上に一対の電極を形成した第１酸素ポンプセル、第２酸素ポンプセル等を有する構成をなし、その構成は特開２０１０−１２２１８７号公報にて公知であるため、詳述は省略する。そして、検出素子１０（ガス検出体１４）の先端側には、上記した第２酸素ポンプセル等が位置する検出部１８（言い換えれば、ＮＯｘの濃度を検出する部位）が位置する。また、検出素子１０の後端側の後端部１２には、ガス検出体１４やヒータ体１５との電気的な接続を図るための６つの電極パッド１６（図１ではそのうちの２つを図示している。）が形成されている。なお、本実施の形態では検出素子１０を本発明における「検出素子」として説明を行うが、厳密には、検出素子の構成としてヒータ体１５は必ずしも必要ではなく、ガス検出体１４が本発明の「検出素子」に相当する。

検出素子１０の胴部１３の中央よりやや先端側の位置には、有底筒状ながら底壁に開口２５を有する金属製の金属カップ２０が配置されている。検出素子１０は、開口２５を通じて金属カップ２０に挿通されており、開口２５から先端側に、検出部１８が形成された先端部１１が突出されている。金属カップ２０は主体金具５０内に検出素子１０を保持するための部材であり、底壁の縁部分には、底壁から外周壁にかけてテーパ状をなす先端周縁部２３が形成されている。金属カップ２０内には、アルミナ製のセラミックリング２１と、滑石粉末を圧縮して固めた滑石リング２２とが検出素子１０の周囲を取り巻きつつ軸線Ｏ方向に層状に配置され、収容されている。滑石リング２２は金属カップ２０内で押し潰されて細部に充填されており、これにより、検出素子１０が金属カップ２０内で位置決めされて、保持されている。

金属カップ２０と一体となった検出素子１０は、その周囲を、筒状の主体金具５０に取り囲まれて保持されている。主体金具５０はＮＯｘセンサ１を自動車の排気管（図示外）に取り付け固定するためのものであり、外周先端側に、排気管への取り付け用の雄ねじが形成された取付部５１が設けられている。この取付部５１よりも先端側には、後述するプロテクタ８が係合される先端係合部５６が形成されている。また、主体金具５０の外周中央には取り付け用の工具が係合する工具係合部５２が形成されている。工具係合部５２の後端側には、後述する外筒３０が係合される後端係合部５７が形成されており、さらにその後端側に、主体金具５０内に検出素子１０を加締め保持するための加締部５３が形成されている。そして工具係合部５２と取付部５１との間には、排気管に取り付けた際のガス抜けを防止する環状のガスケット５５が嵌挿されている。

次に、主体金具５０の内周には、取付部５１付近に段状の部位が設けられており、その段状の部位には、前述した検出素子１０を保持する金属カップ２０の先端周縁部２３が係止されている。そして主体金具５０の内周には、滑石リング２６が、自身に検出素子１０を挿通させた状態で、金属カップ２０の後端側から装填されている。さらにその滑石リング２６を後端側から押さえるように、筒状のスリーブ２７が、自身に検出素子１０を挿通させつつ主体金具５０内に嵌め込まれている。スリーブ２７は後端側外周に、段状に形成された肩部２８を有し、その肩部２８に、円環状のパッキン２９が配置されている。この状態で主体金具５０の加締部５３が内向きに加締められ、パッキン２９を介し、スリーブ２７の肩部２８を先端側に向けて押圧している。この加締めによって、スリーブ２７に押圧された滑石リング２６が主体金具５０内で押し潰されて、細部にわたって充填されている。そして、この滑石リング２６と、金属カップ２０内にあらかじめ装填された滑石リング２２とによって、金属カップ２０および検出素子１０が、主体金具５０内で位置決め保持される。

主体金具５０の先端係合部５６は筒状に形成されており、プロテクタ８が嵌められている。このプロテクタ８は、検出素子１０の先端部１１の外周を取り囲んで、検出素子１０を、被水や物理的な衝撃による折損等から保護している。プロテクタ８は、抵抗溶接やレーザ溶接によって先端係合部５６に固定されている。このプロテクタ８は、有底筒状の内側プロテクタ９０と、内側プロテクタ９０の外周面との間に空隙を有した状態でその径方向周囲を取り囲む筒状の外側プロテクタ８０とから構成される２重構造を有する。

内側プロテクタ９０には、周壁９２の後端側に複数の内側導入孔９５と、周壁９２の先端側に複数の水抜き孔９６と、底壁９３に排出口９７とが開口されている。そして開口端側（後端側）の基端部９１が先端係合部５６の外周に係合されている。また、外側プロテクタ８０には、周壁８２の先端側に、複数の外側導入孔８５が開口されている。そして、開口端側の基端部８１が内側プロテクタ９０の基端部９１の外周に係合されている。その状態で、基端部８１の外周にレーザ溶接が施されており、内側プロテクタ９０の基端部９１ごと主体金具５０の先端係合部５６に接合され、外側プロテクタ８０と内側プロテクタ９０とが主体金具５０に固定されている。さらに、外側プロテクタ８０と内側プロテクタ９０との間の空隙を閉じるように、外側プロテクタ８０の先端部８３が内側プロテクタ９０の周壁９２に向けて、内側に折り曲げられている。

一方、主体金具５０に保持される検出素子１０の後端部１２は、主体金具５０の後端（加締部５３）よりも後方に突出されており、その後端部１２に、絶縁性セラミックス（本実施形態では、アルミナ）からなる筒状のセパレータ６０が被せられている。セパレータ６０は、先端側セパレータ６１と後端側セパレータ６６とからなり、先端側セパレータ６１に設けられた径方向外側に突出する鍔部６２に対して、後端側セパレータ６６が係合されている。先端側セパレータ６１は、検出素子１０の後端部１２に形成された６つの電極パッド１６と、電極パッド１６のそれぞれと電気的に接続される６つの接続端子（金属端子）４４（図１ではそのうちの４つを図示している。）との接続部位（接点）を、内部に収容する。換言すると、接続端子４４と電極パッド１６との電気的な接続は、先端側セパレータ６１内で行われる。後端側セパレータ６６は、各接続端子４４とＮＯｘセンサ１の外部に引き出される６本のリード線４１との接続部位を内部に収容する。

そして、セパレータ６０が嵌められた検出素子１０の後端部１２の周囲を囲うように、金属製で筒状の外筒３０が配設されている。外筒３０は、先端側の開口端３１が、主体金具５０の後端係合部５７の外周に係合されている。その開口端３１は外周側から加締められ、さらに外周を一周してレーザ溶接が施されて、後端係合部５７に接合されており、これにより、外筒３０と主体金具５０とが一体となっている。

また、外筒３０と先端側セパレータ６１との間の間隙には、金属製で筒状の保持金具４２が配設されている。保持金具４２は、自身の後端を内側に折り曲げて構成した支持部４３を有する。保持金具４２の内部に挿通される先端側セパレータ６１の鍔部６２が支持部４３に係合されて、先端側セパレータ６１が保持金具４２に保持される。この状態で、保持金具４２が配置された部分の外筒３０の外周面が内向きに加締められることにより、先端側セパレータ６１を支持した保持金具４２が外筒３０に固定されている。

次に、外筒３０の後端側の開口には、フッ素系ゴム製の弾性部材４５が嵌め込まれ、外筒３０内が密閉されている。弾性部材４５は６つの挿通孔４６（図１ではそのうちの２つを図示している。）を有し、各挿通孔４６に、セパレータ６０から引き出された上記６本のリード線４１が挿通されている。この状態で弾性部材４５は、後端側セパレータ６６を先端側セパレータ６１に押圧しつつ、外筒３０の外周から加締められて、外筒３０の後端に固定されている。

本実施の形態のＮＯｘセンサ１は、セパレータ６０の表面上に、コーティングが施されている。具体的には、図２に示すように、セパレータ６０を構成する先端側セパレータ６１の表面全体と、後端側セパレータ６６の表面全体とに、それぞれ、コーティング層６４と、コーティング層６９とが形成されている。本実施の形態のコーティング層６４，６９は、その一例として、フッ素あるいはフッ素系化合物（例えばテフロン（登録商標）など）からなり、水密性（防水性）および撥水性を有する。

前述したように、先端側セパレータ６１および後端側セパレータ６６は、外筒３０内に配置される。例えば、外筒３０内の雰囲気に水分が含まれる場合、先端側セパレータ６１および後端側セパレータ６６の表面上で結露を生じて水滴が付着することがある。このような場合であっても、セパレータ６０の表面上に形成されたコーティング層６４，６９が水密性を有するため、水分が、先端側セパレータ６１および後端側セパレータ６６内に染み込むことがない。したがって、セパレータ６０の内部に水分が染み込んだ場合に、セパレータ６０自身の絶縁抵抗値が低下し、例えば接続端子４４同士の間での絶縁性を確保できなくなる虞がない。また、コーティング層６４，６９が撥水性を有するため、セパレータ６０の表面上に付着した水滴が表面張力による広がりを得て水膜を形成してしまうことがない。したがって、セパレータ６０の表面上で水膜が形成された場合に、例えば接続端子４４と保持金具４２を介し外筒３０の内面との間で、水膜を媒介する漏れ電流を生じてしまう虞がない。以上のことから、本実施の形態では、セパレータ６０の表面にコーティング層６４，６９を設けたことにより、セパレータ６０の絶縁性を長期間にわたって維持することができ、信頼性の高いＮＯｘセンサ１を提供することができる。

また、本実施の形態では、検出素子１０の後端部１２にセパレータ６０を被せる構成を有することで、接続端子４４と電極パッド１６との接続部位（接点）を、セパレータ６０内に収容している。このため、接点を露出から保護することができ、セパレータ６０の表面上で水膜が形成された場合でも、接点と外筒３０との間で漏れ電流が発生することを防止することができる。

なお、本発明は上記各実施の形態に限られず、各種の変形が可能である。本実施の形態では、セパレータ６０の表面上に形成するコーティング層６４，６９を、フッ素あるいはフッ素系化合物からなるものとした。これに限らず、コーティング層６４，６９として、例えばガラスからなるものを用いてもよい。ガラスからなるコーティング層を形成すれば、水密性と耐熱性を得られる。ＮＯｘセンサ１は排気管に取り付けられて使用され、高温の排気ガスにより熱の影響を受ける場合があるため、耐熱性を有するコーティング層を形成することは望ましい。また、コーティング層の耐久性も確保することができるので、セパレータの絶縁性を長期間にわたって維持することができる。

また、例えば図２に示すように、外筒３０の内面上にも、コーティング層３５を形成してもよい。コーティング層３５の成分として、フッ素またはフッ素化合物、あるいは、ガラスからなるものであるとよい。外筒３０の内面上にコーティング層３５を有すれば、セパレータ６０の表面上に付着した水滴が表面張力により広がり水膜を形成した場合でも、例えば接続端子４４と外筒３０との間での漏れ電流の発生を防止することができる。上記のように耐熱性を重視したガラスからなるコーティング層６４，６９を形成した場合において、外筒３０の内面上にもコーティング層３５を有することは、特に有効である。

また、外筒３０内の全体（外筒３０の内面だけでなく、接続端子４４、セパレータ６０、保持金具４２、検出素子１０など、外筒３０内に収容される部品等を含む）に、コーティング層を形成してもよい。例えば、外筒３０内に微量のフッ素化合物を入れた状態でＮＯｘセンサ１を作製し、フッ素化合物が気化するように熱処理等を行って、外筒３０内の全体にフッ素系コーティングが施されるようにするとよい。この場合、接続端子４４が検出素子１０の電極パッド１６に接触した状態でコーティングが施されるようにすれば、両者の接点にはコーティングが施されることがなく、電気的な接続が妨げられることがない。あるいは、あらかじめ接続端子４４や検出素子１０にコーティングを施すのであれば、接点となる部位にはマスキングを施した状態でコーティングを行い、コーティング層の形成後にマスキングを除去すればよい。

本実施の形態では、セパレータ６０が、先端側セパレータ６１と後端側セパレータ６６とから構成される２分割型のセパレータを例に挙げた。これに限らず、セパレータの構成としては先端側セパレータと後端側セパレータとが一体に成型された構成、または、検出素子の軸方向に沿った向きに２分割される構成であってもよい。

また、本実施の形態では、ガスセンサの一例としてＮＯｘ濃度の検出が可能なＮＯｘセンサ１を挙げた。これに限らず、例えば、酸素濃度を二値的に検出する（理論空燃比等の特定空燃比を境にして出力が急変する）タイプの酸素センサ、酸素濃度に応じて出力がリニアに変化する全領域空燃比センサ（リニア酸素センサ）、ＨＣセンサ等の各種のガスセンサに、本発明を適用してもよい。特に、検出素子の検出部を構成するセル（固体電解質体と一対の検出電極）を流れる電流が１ｍＡ以下であり、その電流に基づき特定ガスの濃度の検出を行うガスセンサに対し、本発明は有効である。また、検出素子は、板状の形態に限られず、筒状の形態であってもよい。

少なくともセパレータの表面にコーティング層を形成した本発明の効果を確認するため、以下の評価試験を行った。フッ素化合物からなるコーティング層を形成したセパレータを用いて作製したＮＯｘセンサのサンプル１と、セパレータにコーティングを施さずに作製したＮＯｘセンサのサンプル２とを、それぞれ１０本ずつ用意した。なお、サンプル１、サンプル２の作製時に、外筒内にスポイトで水滴を１滴ずつ垂らした状態で外筒と主体金具とを接合し、外筒内を密閉した。サンプル１とサンプル２とを、全体が水中に没するように浴槽（水槽）中に浸し、浴槽をホットプレートで加熱した。封入した水滴による結露を生じさせるため、３０分間の加熱（電源ＯＮ）と、９０分間の冷却（電源ＯＦＦ）とを１０回ずつ繰返して行い、水温を、４０℃〜１００℃の間で周期的に変動させた。試験後に、各サンプルの外面に着いた水滴を拭き取り、サンプル毎に、検出素子のヒータ電極側の電極パッドに接続される接続端子が取り付けられたリード線と、ガス検出体のＮＯｘ検出電極（ＮＯｘ濃度に応じて出力が変化するセルの電極）側の電極パッドに接続される接続端子が取り付けられたリード線との間の常温時絶縁抵抗値を測定した。このとき、電圧１００Ｖ印加時の絶縁抵抗値が２０ＭΩ以下で、セパレータの絶縁性を確保できなくなったサンプルの本数を確認したところ、サンプル１は０本だったのに対し、サンプル２は８本あった。さらに、上記のガス検出体のＮＯｘ検出電極側の電極パッドに接続される接続端子が接続されたリード線と外筒（センサボディアース）との間に１００Ｖの電圧を印加し、両者間を流れる漏れ電流の大きさを測定した。このとき、電流値が２μＡ以上の漏れ電流が生じたサンプルの本数を確認したところ、サンプル１は０本だったのに対し、サンプル２は８本あった。この試験の結果から、セパレータにフッ素コーティングを施せば、明らかに、セパレータの絶縁性を確保できるとともに、外筒内での漏れ電流の発生を防止できることが確認できた。

１ ＮＯｘセンサ
１０ 検出素子
１２ 後端部
１６ 電極パッド
３０ 外筒
４４ 接続端子
５０ 主体金具
６０ セパレータ
６１ 先端側セパレータ
６６ 後端側セパレータ
６４，６９ コーティング層

Claims (4)

1. 軸線方向に延び、特定ガスの濃度を検出するための検出素子と、
   前記検出素子の径方向周囲を取り囲んで保持する主体金具と、
   前記主体金具の後端側に取り付けられ、前記検出素子の後端側を取り囲む外筒と、
   絶縁セラミックからなり、前記外筒内に配置され、自身の内部に、少なくとも、前記検出素子との電気的な接続を行う複数の導通部材を収容するセパレータと、
   を備え、
   少なくとも、前記セパレータの表面に、水密性を有するコーティング層が形成されていることを特徴とするガスセンサ。
2. 前記コーティング層は、撥水性を有することを特徴とする請求項１に記載のガスセンサ。
3. 前記コーティング層は、ガラスからなることを特徴とする請求項１に記載のガスセンサ。
4. 前記検出素子は、後端部に、前記導通部材との電気的な接続を行う電極パッドを有し、
   前記セパレータは、さらに、前記検出素子の前記後端部を、内部に収容し、
   前記導通部材と前記電極パッドとの電気的な接続は、前記セパレータ内で行われることを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載のガスセンサ。

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