JP6602250B2 - ガスセンサ - Google Patents

Description

本発明は、被検出ガスの濃度を検出するセンサ素子を備えたガスセンサに関する。

自動車等の排気ガス中の酸素やＮＯｘの濃度を検出するガスセンサとして、固体電解質体を用いたセンサ素子を有するものが知られている。
この種のガスセンサとして、排気管に固定される筒状の主体金具（ハウジング）内に板状のセンサ素子を保持し、その一端を被測定ガスに晒す構成が知られている。そして、検出素子（センサ素子）を主体金具に安定して保持すると共に、排気ガスのガスセンサ内部への漏洩を防止するため、滑石粉末と結晶化ガラス層とを併用した構造のセンサが開発されている（特許文献１参照）。
このセンサは、アルミナ製の内筒の内側に検出素子を収容し、内筒と検出素子との隙間に滑石粉末を充填し、滑石粉末の後端側に結晶化ガラス層を充填して焼成することで、検出素子を内筒に気密に固定している。
一方、検出素子を固定した内筒を主体金具の内側に収容し、両者の隙間に滑石粉末を圧縮充填して内筒と主体金具の間をシールしている。

特開平３−１６７４６１号公報（第１図）

ところで、滑石粉末は水和物を含むため、その上に結晶化ガラス層を充填して焼成した際、加熱された滑石粉末の水和物から脱離した水分が気泡となって結晶化ガラス層に取り込まれ、結晶化ガラス層のシール性を低下させるおそれがある。
又、特許文献１記載のセンサでは、検出出力を外部に取り出すリード線を検出素子に接合し、その接合部も結晶化ガラス層の内部に埋設しているが、結晶化ガラス層の使用量が多くなってコストアップになると共に、検出素子の後端部に電極パッドを設けた構造に適用することが困難である。
一方、水分の発生を防止しようとして結晶化ガラス層の下側の滑石粉末を省略すると、焼成時に結晶化ガラス層が溶融して液状となるため、検出素子を内筒の内側にまっすぐ保持することが困難となり、検出素子が斜めに固定される可能性がある。この場合、検出素子の電極パッドと、検出素子の後端側のセパレータに配置された端子金具との電気的接続が不良となったり、検出素子の後端部が斜めにセパレータに挿入されて検出素子が破損するおそれがある。
そこで、本発明は、ガラス部材のシール性の低下を抑制して外部ガスのガスセンサ内部への漏洩を防止したガスセンサを提供することを目的とする。

上記課題を解決するため、本発明のガスセンサは、軸線方向に延びる板状をなし、先端側にガスを検知する検知部が形成されたセンサ素子と、当該センサ素子の前記検知部を露出させた状態で、前記センサ素子が挿通される筒状のセラミックホルダと、前記セラミックホルダの径方向周囲を取り囲みつつ、自身の内側に前記セラミックホルダを保持する筒状の主体金具と、前記セラミックホルダの外面と、前記主体金具の内面との間に充填されている第１の圧縮粉末体と、前記センサ素子の外面と、前記セラミックホルダの内面との間に充填され、水和物を含む第２の圧縮粉末体と、前記第２の圧縮粉末体の後端に接した状態で、前記センサ素子の外面と、前記セラミックホルダの内面との間をシールするガラス部材と、を備えたガスセンサであって、前記センサ素子の後端部が前記ガラス部材よりも後端側へ突出し、前記第１の圧縮粉末体の前記軸線方向の長さＬ１は、前記第２の圧縮粉末体の前記軸線方向の長さＬ２よりも長くなっている。

このガスセンサによれば、長さＬ１がＬ２よりも長いため、第２の圧縮粉末体の量が少なくなるので、第２の圧縮粉末体に接して配置されるガラス部材を焼成した際、加熱された第２の圧縮粉末体の成分（滑石粉末等）に含まれる水和物から脱離する水分の量も少なくなる。そのため、この水分が気泡となってガラス部材に取り込まれてガラス部材のシール性が低下することを抑制できる。また、第２の圧縮粉末体の量が少なくなっても、第２の圧縮粉末体よりもシール性に優れるガラス部材によってセンサ素子とセラミックホルダとの間を十分にシールするので、外部ガスのガスセンサ内部への漏洩を防止できる。
一方、ガラス部材は焼成時に溶融して液状となるため、このときにセンサ素子をセラミックホルダ内で保持（仮固定）する必要がある。そこで、保持に適度な量の第２の圧縮粉末体が充填されていることで、上述の水分量を低減しつつ、センサ素子をセラミックホルダ内で安定して保持できる。
また、長さＬ１はＬ２より長いので、セラミックホルダと主体金具との間に十分な量の第１の圧縮粉末体が充填され、セラミックホルダと主体金具の間を十分にシールし、セラミックホルダをしっかり固定することができる。
さらに、センサ素子の後端部がガラス部材よりも後端側へ突出しているので、センサ素子全体をガラス部材の内部に埋設した場合に比べ、ガラス部材の使用量を低減してコストダウンを図ることができる。また、ガラス部材の後端側へ露出したセンサ素子の後端部に電極パッドを設けることができるので、電極パッドを設けた構造のセンサ素子にも適用可能となる。

前記センサ素子の前記後端部に電極パッドが配置され、前記センサ素子よりも後端側に、前記電極パッドと電気的に接続する接続端子を有するセパレータが配置されていてもよい。
このガスセンサによれば、第２の圧縮粉末体によってセンサ素子をセラミックホルダ内で軸線方向にまっすぐ保持できるので、電極パッドと端子金具との電気的接続が不良となったり、検出素子の後端部が斜めにセパレータに挿入されて検出素子が破損することを抑制できる。
さらに、外部ガスのガスセンサ内部への漏洩が生じると、ガス中の水分が結露し、セパレータ内で隣接する端子金具同士が導通してしまうおそれがあるが、このような不具合を抑制できる。
又、本発明のガスセンサにおいて、前記ガラス部材の後端は空間と接していてもよい。
本発明のガスセンサにおいて、前記軸線方向に、前記第１の圧縮粉末体の内側に前記第２の圧縮粉末体が配置されていてもよい。

この発明によれば、ガラス部材のシール性の低下を抑制して外部ガスのガスセンサ内部への漏洩を防止することができる。

本発明の実施形態に係るガスセンサ（酸素センサ）の長手方向に沿う断面図である。 セラミックホルダの断面斜視図である。 圧縮前の第２の圧縮粉末体となる成形体３８を示す斜視図である。 セラミックホルダの別の実施形態を示す断面図である。

以下、本発明の実施形態について説明する。
図１は本発明の実施形態に係るガスセンサ（酸素センサ）１の長手方向（軸線Ｏ方向）に沿う断面図である。

図１に示すように、ガスセンサ１は、軸線Ｏ方向に延びる板状のセンサ素子（酸素センサ素子）１００、センサ素子１００が挿通される筒状のセラミックホルダ３５、セラミックホルダ３５の周囲を取り囲む主体金具３０、第１の圧縮粉末体３７、第２の圧縮粉末体３８、ガラス部材３９等を有している。センサ素子１００は軸線Ｏ方向に延びるように配置されている。

センサ素子１００は公知の酸素センサ素子であり、詳細な説明は行わないが、固体電解質体の表面に一対の電極を有する検知部を先端側に備え、検知部が被測定ガスに晒されることで、信号を出力する。この信号を図示しない外部回路に出力することで、被測定ガス中の酸素濃度を検知する。さらに、ガスセンサ素子１００の検知部は、耐被水性及び耐被毒性を有する多孔質保護層２０で覆われている。

主体金具３０は、ＳＵＳ４３０等のステンレス製のものであり、ガスセンサを排気管に取り付けるための雄ねじ部３１と、取り付け時に取り付け工具をあてがう六角部３２とを有している。また、主体金具３０には、径方向内側に向かって突出する段部３３が先端側に周方向にわたって設けられており、この段部３３はセンサ素子１００を内挿したセラミックホルダ３５を保持している。

図２に示すように、セラミックホルダ３５は、胴部３５ｃから外側段部３５ｂを介して先端部３５ａが拡径するキノコ状をなしている。セラミックホルダ３５の中心にはセンサ素子１００が挿通される軸孔３５ｈが貫通している。軸孔３５ｈは、先端側にセンサ素子１００の断面よりやや大きい矩形断面の細孔３５ｈ１を有し、後端側には細孔３５ｈ１の短辺側が拡径する略正方形断面の拡孔３５ｈ２を有しており、細孔３５ｈ１と拡孔３５ｈ２は内側段部３５ｄを介して繋がっている。
そして、外側段部３５ｂよりも後端側で、セラミックホルダ３５の外面と、主体金具３０の内面との間に、滑石からなる第１の圧縮粉末体３７と、金属リング３４とが先端側から順に配置されている。主体金具３０の後端部３０ｅは径方向内側に向かって折り曲げるように加締められ、後端部３０ｅは金属リング３４を介して第１の圧縮粉末体３７を先端側に押圧している。これにより、第１の圧縮粉末体３７は金属リング３４と外側段部３５ｂとの間で圧縮充填され、セラミックホルダ３５と主体金具３０との間のシール及び固定を行うようになっている。

一方、セラミックホルダ３５の軸孔３５ｈにセンサ素子１００が挿通されると、センサ素子１００の外面と細孔３５ｈ１の内面との間はほとんど隙間なく近接するが、センサ素子１００の外面と拡孔３５ｈ２の内面との間に隙間が形成されるようになっている。そして、この隙間には、滑石からなる第２の圧縮粉末体３８と、ガラス部材３９とが先端側から順に配置されている。第２の圧縮粉末体３８はセンサ素子１００とセラミックホルダ３５の間に圧縮充填され、センサ素子１００をセラミックホルダ３５の内部に保持している。
さらに、第２の圧縮粉末体３８の後端に接した状態で、センサ素子１００の外面と、セラミックホルダ３５の内面との間をガラス部材３９がシール（封止）している。ここで、本実施形態では、ガラス部材３９はセラミックホルダ３５の後端よりも先端側に設けられ、センサ素子１００の後端部１００ｅはガラス部材３９よりも後端側へ突出している。

また、主体金具３０の先端側外周には、主体金具３０の先端から突出するセンサ素子１００の先端部を覆うと共に、複数のガス取り入れ孔２４ａを有する金属製のプロテクタ２４が溶接によって取り付けられている。このプロテクタ２４は、二重構造をなしており、外側には一様な外径を有する有底円筒状の外側プロテクタ４１、内側には後端部４２ａの外径が先端部４２ｂの外径よりも大きく形成された有底円筒状の内側プロテクタ４２が配置されている。

一方、主体金具３０の後端側には、ＳＵＳ３０４製の外筒２５の先端部２５ａが挿入されている。この外筒２５は先端部２５ａを主体金具３０にレーザ溶接等により固定している。外筒２５の内部には、セパレータ５０が配置され、セパレータ５０と外筒２５の隙間に保持部材５１が介在している。この保持部材５１は、セパレータ５０の鍔部５０ａに係合し、外筒２５を加締めることにより外筒２５とセパレータ５０とにより固定されている。

また、セパレータ５０には、センサ素子１００のリード線１１〜１５を挿入するための挿通孔５０ｂが先端側から後端側にかけて貫設されている（なお、リード線１４、１５については図示せず）。挿通孔５０ｂ内には、リード線１１〜１５と、センサ素子１００の後端部１００ｅに配置された電極パッド１００ｐとを接続する５本の接続端子１６（図１では１本のみ）が収容されている。
さらに、セパレータ５０の後端側には、外筒２５の後端側の開口部２５ｂを閉塞するための略円柱状のゴムキャップ５２が配置されている。このゴムキャップ５２は、外筒２５の開口部２５ｂ内に装着された状態で、外筒２５の外周を径方向内側に向かって加締めることにより、外筒２５に固着されている。ゴムキャップ５２にも、リード線１１〜１５をそれぞれ挿入するための通孔５２ａが先端側から後端側にかけて貫設されている。

次に、本発明の特徴部分である、第１の圧縮粉末体３７、第２の圧縮粉末体３８、ガラス部材３９について説明する。
図１に示すように、第１の圧縮粉末体３７の軸線Ｏ方向の長さＬ１は、第２の圧縮粉末体３８の軸線Ｏ方向の長さＬ２よりも長くなっている。これにより、第２の圧縮粉末体３８の量が少なくなるので、第２の圧縮粉末体３８に接して配置されるガラス部材３９を焼成した際、加熱された第２の圧縮粉末体３８の成分（滑石粉末）に含まれる水和物から脱離する水分の量も少なくなる。そのため、この水分が気泡となってガラス部材３９に取り込まれてガラス部材３９のシール性が低下することを抑制できる。また、第２の圧縮粉末体３８の量が少なくなっても、第２の圧縮粉末体３８よりもシール性に優れるガラス部材３９によってセンサ素子１００とセラミックホルダ３５との間を十分にシールするので、外部ガスのガスセンサ１内部への漏洩を防止できる。
一方、ガラス部材３９は焼成時に溶融して液状となるため、このときにセンサ素子１００をセラミックホルダ３５内で保持（仮固定）する必要がある。そこで、シールには不十分であっても保持に適度な量の第２の圧縮粉末体３８が充填されていることで、上述の水分量を低減しつつ、センサ素子１００をセラミックホルダ３５内で安定して保持できる。特に、後述するように、センサ素子１００の電極パッド１００ｐと、セパレータ５０内の端子金具１６を電気的に接続する場合には、センサ素子１００がセラミックホルダ３５内で軸線Ｏ方向にまっすぐ保持されている必要があるので、第２の圧縮粉末体３８による保持が重要となる。

また、ガラス部材３９に接しない第１の圧縮粉末体３７の長さＬ１はＬ２より長いので、セラミックホルダ３５と主体金具３０との間に十分な量の第１の圧縮粉末体３７が充填され、セラミックホルダ３５と主体金具３０の間を十分にシールし、セラミックホルダ３５をしっかり固定することができる。
なお、セラミックホルダ３５と主体金具３０との隙間は、例えば円形断面とすることで、第１の圧縮粉末体３７を等方的に圧縮して上記隙間に確実に充填することができ、シールが確実になる。これに対し、センサ素子１００とセラミックホルダ３５との隙間はセンサ素子１００側が矩形断面となるため、第２の圧縮粉末体３８が等方的に圧縮され難く、シールが不十分となる。そこで、ガラス部材３９によりシール性を確保することで、板状のセンサ素子１００であってもシールが確実になる。

さらに、センサ素子１００の後端部１００ｅがガラス部材３９よりも後端側へ突出しているので、センサ素子１００全体をガラス部材３９の内部に埋設した場合に比べ、ガラス部材３９の使用量を低減してコストダウンを図ることができる。
また、ガラス部材３９の後端側へ露出したセンサ素子１００の後端部１００ｅに電極パッド１００ｐを設けることができるので、電極パッド１００ｐを設けた構造のセンサ素子１００にも適用可能となる。なお、電極パッド１００ｐに端子金具１６を電気的に接続する場合、外部ガスのガスセンサ１内部への漏洩が生じると、ガス中の水分が結露し、セパレータ５０内で隣接する端子金具１６同士が導通してしまうおそれがある。従って、このタイプの構造のガスセンサ１に本発明はさらに有効となる。

なお、長さＬ１、Ｌ２は、軸線Ｏ方向の先後にそれぞれ最も延びた位置の間の距離である。例えば、図１の第１の圧縮粉末体３７は先端部３５ａと外側段部３５ｂとを繋ぐ面取り部まで充填されているので、この面取り部の先端を長さＬ１の先端とする。又、図１の第１の圧縮粉末体３７の後端側は、金属リング３４に押圧されてハの字形になっているので、ハの字の最内側を長さＬ１の後端とする。
又、ガラス部材３９の組成としては、ＺｎＯ，Ｂ_２Ｏ_３，ＳｉＯ_２，ＭｇＯとすることが好ましい。ガラス部材３９は金属である主体金具３０と熱膨張率が大幅に異なるため、ガラス部材３９で主体金具３０を直接シールすることは困難である。そこで、主体金具３０とガラス部材３９との間にセラミックホルダ３５を介在させることで、ガラス部材３９とセラミックホルダ３５の間を確実にシールすることができる。このような観点からは、セラミックホルダ３５をアルミナとすることが好ましい。

次に、本実施形態のガスセンサ１の製造方法の一例について説明する。
まず、セラミックホルダ３５とセンサ素子１００の間に、圧縮前の第２の圧縮粉末体３８を充填し、センサ素子１００を第２の圧縮粉末体３８及びセラミックホルダ３５に挿通する。ここで、図３に示すように、圧縮前の第２の圧縮粉末体３８として、セラミックホルダ３５とセンサ素子１００の隙間に類似した断面形状に予め成形した成形体３８ｘを用いると、第２の圧縮粉末体３８を均等に圧縮し易くなり、シール性が向上するので好ましい。具体的には図３の例では、成形体３８ｘは拡孔３５ｈ２よりやや小径の略正方形断面の箱形状で、中心にセンサ素子１００を挿通するための矩形孔３８ｈが貫通している。
そして、第２の圧縮粉末体３８を後端側から押圧して十分に圧縮充填することで、センサ素子１００をセラミックホルダ３５内に保持（仮固定）する。次に、ガラス部材３９の粉末を、圧縮後の第２の圧縮粉末体３８の後端側に接するようにして、拡孔３５ｈ２内のセラミックホルダ３５とセンサ素子１００の間に充填する。

次に、全体を例えば８００℃で焼成し、ガラス部材３９を焼成して溶融固化させる。これにより、センサ素子１００がセラミックホルダ３５と一体となった第１素子ユニットが形成される。
さらに、主体金具３０内に第１素子ユニットを配置し、セラミックホルダ３５と主体金具３０との間に、圧縮前の第１の圧縮粉末体３７と、金属リング３４とを先端側から順に配置する。そして、主体金具３０の後端部３０ｅを径方向内側に向かって折り曲げて加締め、金属リング３４を介して第１の圧縮粉末体３７を十分に圧縮充填する。これにより、センサ素子１００がセラミックホルダ３５及び主体金具３０と一体となった第２素子ユニットが形成される。

その後、第２素子ユニットの後端側に、セパレータ５０及びゴムキャップ５２を組み付けた外筒２５を配置し、図１に示すように外筒２５の先端部２５ａを主体金具３０の後端側に挿入して溶接等により固定し、ガスセンサ１を作成する。

本発明は上記実施形態に限定されず、本発明の思想と範囲に含まれる様々な変形及び均等物に及ぶことはいうまでもない。
例えば、セラミックホルダの形状は上記実施形態に限定されず、図４に示すような形状とすることもできる。図４において、セラミックホルダ３５０は、図１のセラミックホルダ３５の拡孔３５ｃと同径の軸孔３５０ｈを有し、軸孔３５０ｈは軸線Ｏ方向にストレートに延び、先端部３５０ａが細孔３５ｈ１と同径に縮径している。そして、軸孔３５０ｈの内部に細孔３５ｈ１と同径の挿通孔を有するセラミックスリーブ３６０が挿入され、セラミックスリーブ３６０の先端向き面が先端部３５０ａの後端向き面に係止されている。センサ素子１００は軸孔３５０ｈ及びセラミックスリーブ３６０に挿通され、先端部３５０ａからセンサ素子１００の先端が突出している。
そして、センサ素子１００の外面と、セラミックホルダ３５０の内面との間には、セラミックスリーブ３６０の後端に接した状態で第２の圧縮粉末体３８とガラス部材３９とが先端側から順に配置されている。

又、上記実施形態では、ガラス部材３９はセラミックホルダ３５の後端よりも先端側に設けられたが、センサ素子１００の後端部１００ｅがガラス部材３９よりも後端側へ突出する限り、図４に示すように、ガラス部材３９がセラミックホルダ３５０よりも後端側まで設けられてもよい。

さらに、センサ素子は板状であればよく、酸素センサの他、全領域空燃比センサ、及びＮＯｘセンサ等を用いることができる。

１ ガスセンサ
１６ 接続端子
３０ 主体金具
３５ セラミックホルダ
３７ 第１の圧縮粉末体
３８ 第２の圧縮粉末体
３９ ガラス部材
５０ セパレータ
１００ センサ素子
１００ｅ センサ素子の後端部
１００ｐ 電極パッド
Ｏ 軸線
Ｌ１ 第１の圧縮粉末体の軸線方向の長さ
Ｌ２ 第２の圧縮粉末体の軸線方向の長さ

Claims (4)

1. 軸線方向に延びる板状をなし、先端側にガスを検知する検知部が形成されたセンサ素子と、
   当該センサ素子の前記検知部を露出させた状態で、前記センサ素子が挿通される筒状のセラミックホルダと、
   前記セラミックホルダの径方向周囲を取り囲みつつ、自身の内側に前記セラミックホルダを保持する筒状の主体金具と、
   前記セラミックホルダの外面と、前記主体金具の内面との間に充填されている第１の圧縮粉末体と、
   前記センサ素子の外面と、前記セラミックホルダの内面との間に充填され、水和物を含む第２の圧縮粉末体と、
   前記第２の圧縮粉末体の後端に接した状態で、前記センサ素子の外面と、前記セラミックホルダの内面との間をシールするガラス部材と、
   を備えたガスセンサであって、
   前記センサ素子の後端部が前記ガラス部材よりも後端側へ突出し、
   前記第１の圧縮粉末体の前記軸線方向の長さＬ１は、前記第２の圧縮粉末体の前記軸線方向の長さＬ２よりも長くなっているガスセンサ。
2. 前記センサ素子の前記後端部に電極パッドが配置され、
   前記センサ素子よりも後端側に、前記電極パッドと電気的に接続する接続端子を有するセパレータが配置されている請求項１に記載のガスセンサ。
3. 前記ガラス部材の後端は空間と接している請求項１又は２に記載のガスセンサ。
4. 前記軸線方向に、前記第１の圧縮粉末体の内側に前記第２の圧縮粉末体が配置されている請求項１〜３のいずれか一項に記載のガスセンサ。

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