JP6899342B2 - 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、センサ素子と主体金具との間を滑石粉末でシールするセンサが広く用いられている。
又、センサ素子の後端側と主体金具との隙間にセラミック接着剤を充填する技術も開発されている（特許文献１参照）。

特表２００６−５１９３６０号公報（請求項６）

ところで、滑石粉末は水和物を含むため、高温下で滑石粉末の水和物から水分が脱離して粉末間に隙間が生じ、シール性を低下させるおそれがある。
又、特許文献１記載の技術を用いて、センサ素子と主体金具との間をセラミック接着剤でシールしようとすると、金属製の主体金具よりもセラミック接着剤の熱膨張率が小さいため、高温下でこの部分のセラミック接着剤にクラックが生じ、シール性がやはり低下する。
そこで、本発明は、センサ素子と主体金具との間の高温でのシール性を向上させ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、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、を備えたガスセンサであって、前記センサ素子と前記セラミックホルダとの間の第１の領域に設けられ、前記第１の領域を気密に封止する第１接着部と、前記セラミックホルダと前記主体金具との間の第２の領域に設けられ、前記第２の領域を気密に封止すると共に前記第１接着部よりも熱膨張率が高く、金属を含む第２接着部とを有することを特徴とする。

このガスセンサによれば、金属を含む第２接着部の熱膨張率が、第２の領域に介在する金属からなる主体金具の熱膨張率に近付き、高温下で主体金具の伸びに第２接着部が追随するので、高温下での第２の領域のシール性を向上させることができる。
一方、第１の領域に介在する第１接着部の熱膨張率を、金属を含む第２接着部の熱膨張率よりも小さくすることで、金属を含まない第１の領域の部材（センサ素子とセラミックホルダ）の熱膨張率に第１接着部の熱膨張率を近づけることができ、高温下での第１の領域のシール性も向上させることができる。

本発明のガスセンサにおいて、前記第１接着部は金属を含有しないとよい。
このガスセンサによれば、第１接着部の熱膨張率を、金属を含まない第１の領域の部材（センサ素子とセラミックホルダ）の熱膨張率により近づけることができる。

本発明のガスセンサにおいて、前記第１接着部及び前記第２接着部は、前記セラミックホルダの後端側に設けられていてもよい。
第１の領域及び第２の領域を形成するセラミックホルダの後端側は先端側よりも温度が低いため、各部材の熱膨張差が小さい。従って、第１接着部及び第２接着部がセラミックホルダの後端側に設けられていると、各部材の熱膨張差によるシール性の低下をより抑制してシール性をさらに向上させることができる。

本発明のガスセンサにおいて、前記セラミックホルダの先端向き面及び後端向き面の少なくとも一方に、該先端向き面又は該後端向き面より凹む凹部が形成され、該凹部に前記第１接着部及び前記第２接着部が設けられていてもよい。
このガスセンサによれば、凹部が接着部の溜まり（受け）となり、第１接着部及び第２接着部となる流動性の接着剤が他の部位に流れることを抑制し、所望の位置に確実に第１接着部及び第２接着部を設けてシール性を向上させることができる。

この発明によれば、ガスセンサのセンサ素子と主体金具との間の高温でのシール性を向上させることができる。

本発明の第１の実施形態に係るガスセンサの軸線方向に沿う断面図である。 図１の部分拡大図である。 本発明の第２の実施形態に係るガスセンサの軸線方向に沿う断面図である。 図３の部分拡大図である。

本発明の第１の実施形態に係るガスセンサについて、図１〜図２に基づいて詳細に説明する。ただし、本形態は、排気ガス中の酸素濃度を検出する全領域空燃比ガスセンサを具体化したものであり、したがって、まずこのガスセンサ１Ａの全体構成について概略説明し、その後、各部位と共にその構成についてさらに詳細に説明する。

図１において、ガスセンサ（全領域空燃比ガスセンサ）１は、センサ素子２１と、軸線Ｏ方向に貫通してセンサ素子２１を挿通させる貫通孔３２を有するセラミック製のホルダ（先端ホルダ）３０と、先端ホルダ３０の径方向周囲を取り囲む主体金具１１と、シール材４１と、軸線Ｏ方向に貫通してセンサ素子２１を挿通させる貫通孔４２を有するセラミックホルダ４３とを備えている。
センサ素子２１のうち、検知部２２が形成された先端寄り部位が、先端ホルダ３０より先端に突出している。このように貫通孔３２を通されたセンサ素子２１は、先端ホルダ３０の後端面側（図示上側）に配置されたシール材（本例では滑石）４１を、筒状のセラミックホルダ４３及びリングワッシャ４５を介して先後方向に圧縮することによって、主体金具１１の内側において先後方向に気密を保持して固定されている。なお、センサ素子２１の後端２９を含む後端２９寄り部位はセラミックホルダ４３及び主体金具１１より後方に突出しており、その後端２９寄り部位に形成された各電極端子２４に、シール材８５を通して外部に引き出された各リード線７１の先端に設けられた端子金具７５が圧接され、電気的に接続されている。また、この電極端子２４を含むセンサ素子２１の後端２９寄り部位は、保護筒８１でカバーされている。
さらに、センサ素子２１とセラミックホルダ４３との間、及びセラミックホルダ４３と主体金具１１との間に、それぞれ後述する第１接着部２０２及び第２接着部２０４を有している。

センサ素子２１は軸線Ｏ方向に延びると共に、測定対象に向けられる先端側（図示下側）に、検知用電極等（図示せず）からなり被検出ガス中の特定ガス成分を検出する検知部２２を備えた帯板状（板状）をなしている。センサ素子２１の横断面は、先後において一定の大きさの長方形（矩形）をなし（図２参照）、セラミック（固体電解質等）を主体として細長いものとして形成されている。このセンサ素子２１自体は、従来公知のものと同じものであり、固体電解質（部材）の先端寄り部位に検知部２２をなす一対の検知用電極が配置され、これに連なり後端寄り部位には、検知用出力取り出し用のリード線７１接続用の電極端子２４が露出形成されている。
また、本例では、センサ素子２１のうち、固体電解質（部材）に積層状に形成されたセラミック材の先端寄り部位内部にヒータ（図示せず）が設けられており、後端寄り部位には、このヒータへの電圧印加用のリード線７１接続用の電極端子２４が露出形成されている。なお、図示はしないが、これら電極端子２４は縦長矩形に形成され、例えばセンサ素子２１の後端２９寄り部位において、帯板の幅広面（両面）に３つ又は２つの電極端子が横に並んでいる。
なお、センサ素子２１の検知部２２に、アルミナ又はスピネル等からなる多孔質の保護層が被覆されていてもよい。

主体金具１１は、先後において同心異径の筒状をなし、先端側が小径で、後述するプロテクタ５１、６１を外嵌して固定するための円筒状の円環状部（以下、円筒部ともいう）１２を有し、その後方（図示上方）の外周面には、それより大径をなす、エンジンの排気管への固定用のネジ１３が設けられている。そして、その後方には、このネジ１３によってセンサ１をねじ込むための多角形部１４を備えている。
また、この多角形部１４の後方には、ガスセンサ１Ａの後方をカバーする保護筒（外筒）８１を外嵌して溶接する円筒部１５が連設され、その後方には外径がそれより小さく薄肉のカシメ用円筒部１６を備えている。なお、このカシメ用円筒部１６は、図１では、カシメ後のために内側に曲げられている。なお、多角形部１４の下面には、ねじ込み時におけるシール用のガスケット１９が取着されている。
一方、主体金具１１は、軸線Ｏ方向に貫通する内孔１８を有している。内孔１８の内周面は後端側から先端側に向かって径方向内側に先細るテーパ状の段部を有し、この段部が後端向き面１７を形成している。

主体金具１１の内側には、絶縁性セラミック（例えばアルミナ）からなり、概略短円筒状に形成された先端ホルダ３０が配置されている。先端ホルダ３０は、先端に向かって先細りのテーパ状に形成された先端向き面３０ａを有している。そして、先端向き面３０ａの外周寄りの部位が後端向き面１７に係止されつつ、先端ホルダ３０が後端側からシール材４１で押圧されることで主体金具１１内に先端ホルダ３０が位置決めされ、かつ隙間嵌めされている。
一方、貫通孔３２は、先端ホルダ３０の中心に設けられると共に、センサ素子２１が略隙間なく通るように、センサ素子２１の横断面とほぼ同一の寸法の矩形の開口とされている。
又、貫通孔３２の先端側には、後方に凹む凹部３５が形成されている。

センサ素子２１は、先端ホルダ３０の貫通孔３２に通され、センサ素子２１の先端を先端ホルダ３０及び主体金具１１の先端１２ａよりも先方に突出させている。
一方、センサ素子２１の先端部位には、本形態では、２層構造からなり、共にそれぞれ通気孔（穴）５６、６７を有する有底円筒状のプロテクタ（保護カバー）５１，６１が被せられている。このうち内側のプロテクタ５１の後端が、主体金具１１の円筒部１２に外嵌され、溶接されている。なお、通気孔５６はプロテクタ５１の後端側で周方向において例えば８箇所設けられている。
一方プロテクタ５１の先端側にも、周方向において例えば４箇所、排出穴５３が設けられている。また、外側のプロテクタ６１は、内側のプロテクタ５１に外嵌して、同時に円筒部１２に溶接されている。外側のプロテクタ６１の通気孔６７は、先端寄り部位に、周方向において例えば８箇所設けられており、また、プロテクタ６１先端の底部中央にも排出孔６９が設けられている。

又、図１に示すように、センサ素子２１の後端２９寄り部位に形成された各電極端子２４には、外部にシール材８５を通して引き出された各リード線７１の先端に設けられた各端子金具７５がそのバネ性により圧接され、電気的に接続されている。そして、この圧接部を含む各端子金具７５は、本例ガスセンサ１Ａでは、異径筒状をなす保護筒（金属筒）８１内に配置された絶縁材からなる端子金具保持部材９１内に設けられた各収容部内に、それぞれ対向配置で設けられている。
なお、端子金具保持部材９１は、保護筒（金属筒）８１内に固定された環状支持部材８０を介して径方向及び先端側への動きが規制されている。そして、この保護筒８１の先端部（大径筒部）８２を、主体金具１１の後端寄り部位の円筒部１５に外嵌して溶接することで、ガスセンサ１Ａの後方が気密状にカバーされている。なお、リード線７１は保護筒８１の後端部の小径筒部８３の内側に配置されたシール材（例えばゴム）８５を通されて外部に引き出されており、この小径筒部８３を縮径カシメしてこのシール材８５を圧縮することにより、この部位の気密が保持されている。

因みに、このシール材８５は端子金具保持部材９１の後端を先方に押す形で配置されており、これにより、この端子金具保持部材９１及びその内部に設けられた端子金具７５の取付け安定が図られている。なお、端子金具保持部材９１はその外周に形成されたフランジ９３を保護筒８１の内側に固定された環状支持部材８０の上に支持させられており、これにてシール材８５の圧縮力を受けている。

次に、図２を参照し、第１接着部２０２及び第２接着部２０４について説明する。図２は、図１の部分拡大図である。
図２に示すように、センサ素子２１の外面と、セラミックホルダ４３の貫通孔４２の内面との間の第１の領域Ｒ１に、第１接着部２０２が設けられている。又、セラミックホルダ４３の外面と、主体金具１１の内面との間の第２の領域Ｒ２に、第２接着部２０４が設けられている。第１接着部２０２及び第２接着部２０４は、それぞれ第１の領域Ｒ１及び第２の領域Ｒ２を気密に封止している。

ここで、セラミックホルダ４３の後端向き面４３ｅから、先端側に向かって凹む２つのリング状の凹部４３ｒ１、４３ｒ２がそれぞれ形成されている。具体的には、後端向き面４３ｅの径方向内側から第１の領域Ｒ１に繋がる部位が径方向内側に向かって斜めに窄まる面取り部となって凹部４３ｒ１を形成する。又、後端向き面４３ｅの径方向外側に向かい、リングワッシャ４５よりも径方向内側の部位が先端に下がる段部となって第２の領域Ｒ２に繋がり、凹部４３ｒ２を形成する。

そして、第１の実施形態では、凹部４３ｒ１に入り込むように、第１の領域Ｒ１のうち、セラミックホルダ４３の後端向き面４３ｅを含む部位の全周にわたって第１接着部２０２が設けられている。又、凹部４３ｒ２に入り込むように、第２の領域Ｒ２のうち、リングワッシャ４５よりも後端側の部位の全周にわたって第２接着部２０４が設けられている。
このように、気密に封止することができる限り、第１接着部２０２及び第２接着部２０４は、それぞれ第１の領域Ｒ１及び第２の領域Ｒ２の全部を完全に封止する必要はなく、第１の領域Ｒ１及びび第２の領域Ｒ２の軸線Ｏ方向の一部の部位を封止すればよい。
又、第１の領域Ｒ１及び第２の領域Ｒ２は、第１接着部２０２及び第２接着部２０４で封止されるか否かに関わらず、２部材の間が空いている部分（隙間）である。

ここで、第２接着部２０４は金属を含み、第１接着部２０２よりも熱膨張率が高くなっている。これにより、第２の領域Ｒ２に介在する第２接着部２０４の熱膨張率が、金属からなる主体金具１１の熱膨張率に近付き、高温下で主体金具１１の伸びに第２接着部２０４が追随するので、高温下での第２の領域Ｒ２のシール性を向上させることができる。
一方、第１の領域Ｒ１に介在する第１接着部２０２の熱膨張率を、金属を含む第２接着部２０４の熱膨張率よりも小さくすることで、金属を含まない第１の領域Ｒ１の部材（センサ素子２１とセラミックホルダ４３）の熱膨張率に第１接着部２０２の熱膨張率を近づけることができ、高温下での第１の領域Ｒ１のシール性も向上させることができる。
なお、「金属を含む」とは、金属の特性（常温で固体で、金属光沢、延性及び電気伝導性を有する）を有する材料を含むことをいう。

第１接着部２０２が金属を含有しない組成であると、第１接着部２０２の熱膨張率を、金属を含まない第１の領域Ｒ１の部材（センサ素子２１とセラミックホルダ４３）の熱膨張率により近づけることができるので好ましい。
又、第１の領域Ｒ１及び第２の領域Ｒ２を形成するセラミックホルダ４３の後端側は先端側よりも温度が低いため、各部材の熱膨張差が小さい。従って、第１接着部２０２及び第２接着部２０４がセラミックホルダ４３の後端側に設けられていると、各部材の熱膨張差によるシール性の低下をより抑制してシール性をさらに向上させることができる。

第１接着部２０２としては、例えばセラミック（アルミナ等）粉と有機バインダを含むセラミック接着材を焼結したものが挙げられる。焼結により、セラミック粉同士が結合し多孔質体となるが、独立気泡となるので気密性を有する。
第２接着部２０４としては、例えばセラミック（アルミナ等）粉、金属粉（ステンレス等）と有機バインダを含む含金属接着材を焼結したものが挙げられる。焼結により、セラミック粉及び金属粉同士が結合し多孔質体となるが、独立気泡となるので気密性を有する。又、第２接着部２０４としては、ロウ付けであってもよい。
なお、第２接着部２０４に含まれる金属は、主体金具１１と同一種であると好ましい。

第２接着部２０４が金属を含むか否か、及び第１接着部２０２が金属を含有しないか否かは、第２接着部２０４、及び第１接着部２０２の断面のＳＥＭ又はＥＤＳによる元素分析により判定することができる。

次に、本発明の第２の実施形態に係るガスセンサについて、図３〜図４に基づいて説明する。ただし、第２の実施形態に係るガスセンサ１Ｂは、先端ホルダ３及びシール材４１を省略し、主体金具１１０、セラミックホルダ１４３、及び第１接着部２１２及び第２接着部２１４の構成が異なること以外は、第１の実施形態に係るガスセンサ１Ａと同一であるので、ガスセンサ１Ａと同一部分の説明を省略する。

図３において、主体金具１１０は、主体金具１１を同一の外形をなすが、内孔の内周面に設けられた段部（後端向き面１１７）が軸線Ｏ方向の中央より後端側に位置する点が、主体金具１１と異なる。
セラミックホルダ１４３は、第１の実施形態の先端ホルダ３０に類似した形状をなし、さらに先端ホルダ３０の後端側にリング状の突出部１４３ｐを設けた構成になっている。具体的には、セラミックホルダ１４３は、概略短円筒状に形成されると共に、先端に向かって先細りのテーパ状に形成された先端向き面１４３ａを有している。
そして、先端向き面１４３ａの外周寄りの部位が後端向き面１１７に係止されつつ、主体金具１１０内にセラミックホルダ１４３が隙間嵌めされている。又、セラミックホルダ１４３は、軸線Ｏ方向に貫通してセンサ素子２１を挿通させる貫通孔１４２を中心に有する（図４）。又、貫通孔１４２２の先端側には、後方に凹む凹部１４５が形成されている。

そして、センサ素子２１は、セラミックホルダ１４３の貫通孔１４２に通され、センサ素子２１の先端をセラミックホルダ１４３及び主体金具１１０の先端よりも先方に突出させている。
一方、セラミックホルダ１４３の後端に向く底面１４３ｂから、後端側に向かってリング状の突出部１４３ｐが突出し、突出部１４３ｐの後端向き面１４３ｅから底面１４３ｂに向かって凹む２つのリング状の凹部１４３ｒ１、１４３ｒ２が形成されている（図４）。具体的には、突出部１４３ｐの内側に凹部１４３ｒ１が形成され、突出部１４３ｐの外側に凹部１４３ｒ２が形成されている。

そして、図４に示すように、センサ素子２１の外面と、セラミックホルダ１４３の貫通孔１４２の内面との間に第１の領域Ｒ１が形成され、セラミックホルダ４３の外面と、主体金具１１０の内面との間の第２の領域Ｒ２が形成されている。
さらに、第１の領域Ｒ１の後端側を閉塞するように、凹部１４３ｒ１の全体に第１接着部２１２が充填されている。同様に、第２の領域Ｒ２の後端側を閉塞するように、凹部１４３ｒ２の全体に第２接着部２１４が充填されている。これら第１接着部２１２及び第２接着部２１４は、それぞれ第１の領域Ｒ１及び第２の領域Ｒ２を気密に封止している。

第２の実施形態においても、金属を含む第２接着部２１４の熱膨張率が、金属からなる主体金具１１０の熱膨張率に近付くので、高温下での第２の領域Ｒ２のシール性を向上させることができる。又、第１接着部２１２の熱膨張率が第２接着部２１４の熱膨張率よりも小さいので、金属を含まない第１の領域Ｒ１の部材の熱膨張率に近付くので、高温下での第１の領域Ｒ１のシール性も向上させることができる。

なお、第２の実施形態において、セラミックホルダ１４３の後端向き面１４３ｅに、後端向き面１４３ｅより凹む凹部１４３ｒ１、１４３ｒ２が形成され、凹部１４３ｒ１、１４３ｒ２にそれぞれ第１接着部２１２及び第２接着部２１４が設けられている。これにより、凹部１４３ｒ１、１４３ｒ２が接着部の溜まり（受け）となり、第１接着部２１２及び第２接着部２１４となる流動性の接着剤が他の部位に流れることを抑制し、所望の位置に確実に第１接着部２１２及び第２接着部２１４を設けてシール性を向上させることができる。

なお、第２の実施形態の場合、シール材（本例では滑石）４１が不要であるので、主体金具１１０をカシメる必要がなく、主体金具１１０の後端側は内側に曲げられることなく、ストレート形状になっている。
又、第２の実施形態の場合、シール材（本例では滑石）４１を省略したので、高温下での滑石粉末の水和物からの水分脱離によるシール性低下が無く、高温下でのシール性が第１の実施形態よりもさらに向上する。

一方、シール材（本例では滑石）４１を用いる第１の実施形態の場合、センサ素子２１を主体金具１１に組み付ける際の素子ぶれを滑石が抑制し、組み付け精度や作業性が向上する利点がある。勿論、第１の実施形態においても、高温下での滑石粉末のシール性低下を第１接着部２０２及び第２接着部２０４が抑制し、従来よりシール性が向上することはいうまでもない。

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、上記実施形態では、セラミックホルダの後端側に第１接着部及び第２接着部を設けたが、セラミックホルダの先端側に第１接着部及び第２接着部を設けてもよい。又、第１接着部及び第２接着部の一方をセラミックホルダの後端側に設け、他方をセラミックホルダの先端側に設けてもよい。さらに、第１の領域及び第２の領域であれば、セラミックホルダの先端側と後端側に限らず、別の位置に第１接着部及び第２接着部を設けてもよい。

又、凹部はセラミックホルダの後端向き面に限らず、先端向き面に形成されていてもよい。
さらに、センサ素子は酸素センサの他、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。又、センサ素子は板状に限らず、筒状であってもよい。

１ ガスセンサ
１１、１１０ 主体金具
２１ センサ素子
２２ 検知部
４３、１４３ セラミックホルダ
１４３ｅ セラミックホルダの後端向き面
１４３ｒ１、１４３ｒ２ 凹部
２０２、２１２ 第１接着部
２０４、２１４ 第２接着部
Ｏ 軸線
Ｒ１ 第１の領域
Ｒ２ 第２の領域

Claims (4)

1. 軸線方向に延び、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、
   を備えたガスセンサであって、
   前記センサ素子と前記セラミックホルダとの間の第１の領域に設けられ、前記第１の領域を気密に封止する第１接着部と、
   前記セラミックホルダと前記主体金具との間の第２の領域に設けられ、前記第２の領域を気密に封止すると共に前記第１接着部よりも熱膨張率が高く、金属を含む第２接着部とを有することを特徴とするガスセンサ。
2. 前記第１接着部は金属を含有しない、請求項１に記載のガスセンサ。
3. 前記第１接着部及び前記第２接着部は、前記セラミックホルダの後端側に設けられていることを特徴とする請求項１又は２に記載のガスセンサ。
4. 前記セラミックホルダの先端向き面及び後端向き面の少なくとも一方に、該先端向き面又は該後端向き面より凹む凹部が形成され、該凹部に前記第１接着部及び前記第２接着部が設けられていることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載のガスセンサ。

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