JP7023159B2 - Manufacturing method of sensor element, gas sensor and gas sensor - Google Patents
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本発明は、例えば燃焼器や内燃機関等の燃焼ガスや排気ガス中に含まれる特定ガスのガス濃度を検出するのに好適に用いられるセンサ素子、ガスセンサ、及びガスセンサの製造方法に関する。 The present invention relates to a sensor element, a gas sensor, and a method for manufacturing a gas sensor, which are suitably used for detecting the gas concentration of a specific gas contained in a combustion gas such as a combustion engine or an internal combustion engine or an exhaust gas.
従来から、内燃機関の排気ガス中の特定成分(酸素等)の濃度を検出するためのセンサ素子を備えたガスセンサが用いられている。このセンサ素子は、固体電解質体と該固体電解質体に配置された一対の電極とを有する検知部を備え、被検出ガス中の酸素濃度に応じて両電極間に生じる起電力を検出している。
ところで、個々のセンサ素子ごとの個体差によりセンサ特性も若干変動する。このため、個々のセンサ素子ごとにセンサ特性を測定しておき、そのセンサ情報をガスセンサ本体(金属製の外筒)上にレーザマーキングする技術が開発されている(特許文献1参照)。そして、センサ素子を組み上げたガスセンサに制御装置(コントローラ)を接続する際に、このセンサ情報を読み取り、コントローラの校正(出力値補正やランク補正)を行っている。
Conventionally, a gas sensor provided with a sensor element for detecting the concentration of a specific component (oxygen or the like) in the exhaust gas of an internal combustion engine has been used. This sensor element includes a detection unit having a solid electrolyte body and a pair of electrodes arranged on the solid electrolyte body, and detects an electromotive force generated between both electrodes according to the oxygen concentration in the gas to be detected. ..
By the way, the sensor characteristics also slightly fluctuate due to individual differences for each sensor element. Therefore, a technique has been developed in which sensor characteristics are measured for each sensor element and the sensor information is laser-marked on a gas sensor main body (metal outer cylinder) (see Patent Document 1). Then, when the control device (controller) is connected to the gas sensor in which the sensor element is assembled, this sensor information is read and the controller is calibrated (output value correction and rank correction).
ところで、ガスセンサに組み付ける前のセンサ素子の段階でも、そのセンサ情報を管理したいという要望があり、この場合にはセンサ素子に直接レーザ等でマーキングする必要がある。
そこで、図4に示すように、センサ素子1000の表面をレーザ等で走査して削り、複数の刻線MLを設けてマーキング部200を形成する。ここで、刻線MLで素子の厚みが薄くなるので、レーザの走査方向(刻線MLの延びる方向)が幅方向に沿っていると、センサ素子1000の軸線O方向に撓むような応力が掛かった際に、刻線MLが切欠き(ノッチ)となって破断の起点となり、センサ素子1000が幅方向の線Bに沿って破断することが判明した。
そこで、本発明は、センサ素子の表面に複数の刻線から構成される表示部を設けた場合に、センサ素子の破損を抑制したセンサ素子、ガスセンサ及びガスセンサの製造方法の提供を目的とする。
By the way, there is a desire to manage the sensor information even at the stage of the sensor element before assembling to the gas sensor, and in this case, it is necessary to directly mark the sensor element with a laser or the like.
Therefore, as shown in FIG. 4, the surface of the
Therefore, an object of the present invention is to provide a method for manufacturing a sensor element, a gas sensor, and a gas sensor in which damage to the sensor element is suppressed when a display unit composed of a plurality of engraved lines is provided on the surface of the sensor element.
上記課題を解決するため、本発明のセンサ素子は、素子本体となる固体電解質体と、固体電解質体に配置された一対の電極とを有するセルを1又は複数有する検知部を先端側に備え、軸線方向に延びる長尺板状のセンサ素子であって、前記センサ素子の表面に、該センサ素子に関する情報を含む表示部が形成されており、前記表示部は、前記軸線方向に沿うと共に、互いに離間する複数の刻線から構成されてなることを特徴とする。 In order to solve the above problems, the sensor element of the present invention is provided with a detection unit having one or a plurality of cells having a solid electrolyte body as an element main body and a pair of electrodes arranged on the solid electrolyte body on the tip side. It is a long plate-shaped sensor element extending in the axial direction, and a display unit containing information about the sensor element is formed on the surface of the sensor element. It is characterized by being composed of a plurality of separated engraved lines.
このセンサ素子によれば、組み付け時等に、長尺板状のセンサ素子に軸線方向に撓むような応力が掛かっても、刻線の延びる方向が応力の掛かる方向に沿うので、刻線が切欠き(ノッチ)となって破断の起点となることが抑制され、センサ素子が破断することを抑制できる。なお、センサ素子は幅方向には短寸であるので、幅方向に撓む応力が掛かっても過大とならず、刻線が軸線方向に沿っていても破断に至り難い。 According to this sensor element, even if a stress such as bending in the axial direction is applied to the long plate-shaped sensor element at the time of assembly or the like, the extending direction of the engraved line follows the direction in which the stress is applied, so that the engraved line is cut. It is possible to suppress the occurrence of a notch and the starting point of breakage, and prevent the sensor element from breaking. Since the sensor element is short in the width direction, it does not become excessive even if a stress that bends in the width direction is applied, and even if the engraved line is along the axis direction, it is unlikely to break.
本発明のガスセンサは、前記センサ素子を主体金具の内側に組み付けてなる。
このガスセンサによれば、組み付け時にセンサ素子に応力が掛かったときにもセンサ素子の破損を抑制することができる。
The gas sensor of the present invention is formed by assembling the sensor element inside the main metal fitting.
According to this gas sensor, damage to the sensor element can be suppressed even when stress is applied to the sensor element during assembly.
本発明のガスセンサの製造方法は、素子本体となる固体電解質体と、固体電解質体に配置された一対の電極とを有するセルを1又は複数有する検知部を先端側に備え、軸線方向に延びる長尺板状のセンサ素子を備えたガスセンサの製造方法であって、前記センサ素子の表面に、前記軸線方向に沿う方向にレーザ光を走査させ、互いに離間する複数の刻線から構成された前記センサ素子に関する情報を含む表示部を形成するレーザ刻印工程と、前記センサ素子の前記表示部が筒状の主体金具の先端側又は後端側に突出するよう、前記センサ素子を前記主体金具の内側に組み付ける組付け工程と、を有することを特徴とする。
The method for manufacturing a gas sensor of the present invention is provided with a detection unit having one or a plurality of cells having a solid electrolyte body as an element main body and a pair of electrodes arranged on the solid electrolyte body on the tip side, and has a length extending in the axial direction. A method for manufacturing a gas sensor including a plate-shaped sensor element, wherein a laser beam is scanned on the surface of the sensor element in a direction along the axial direction, and the sensor is composed of a plurality of engraved lines separated from each other. The laser engraving step of forming a display unit containing information about the element, and the sensor element inside the main metal fitting so that the display unit of the sensor element protrudes toward the front end side or the rear end side of the tubular main metal fitting. It is characterized by having an assembly process for assembling.
このガスセンサの製造方法によれば、主体金具の先端側又は後端側にセンサ素子の表示部が突出するので、主体金具にセンサ素子を組み付けた状態で、この表示部を読み取って個々のセンサ素子のセンサ情報を管理することができる。 According to this gas sensor manufacturing method, the display unit of the sensor element protrudes to the front end side or the rear end side of the main metal fitting, so that the display unit is read with the sensor element attached to the main metal fitting to read each sensor element. Sensor information can be managed.
この発明によれば、センサ素子の表面に複数の刻線から構成される表示部を設けた場合に、センサ素子の破損を抑制することができる。 According to the present invention, when a display unit composed of a plurality of engraved lines is provided on the surface of the sensor element, damage to the sensor element can be suppressed.
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センサ素子100の外観図、図2はセンサ素子100を主体金具30に組み付ける態様を示す部分断面図、図3はセンサ素子100を備えたガスセンサ(酸素センサ)1の軸線O方向に沿う断面図、である。
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described.
FIG. 1 is an external view of the
図1に示すように、センサ素子100は、軸線O方向に延びる長尺板状をなし、素子本体となる固体電解質体と、固体電解質体に配置された一対の電極(図示せず)とを有するセルを1又は複数有する検知部100aを先端側に備え、電極パッド121を後端側の主面に備えている。なお、電極パッド121は合計5個設けられているが、図1ではそのうち2個が表示され、図示しない他の3個は図1の裏面に設けられている。
As shown in FIG. 1, the
センサ素子100の電極パッド121よりも先端側で軸線O方向中央より後端側の表面には、センサ素子100に関する情報を含む表示部40が形成されている。表示部40は、軸線O方向に沿って互いに離間する複数の刻線MLから構成されてなる。
表示部40としては、記号、文字列、数字、バーコード等が挙げられ、これらが刻線MLによって表現される。又、刻線MLの形成は、例えばレーザ刻印等が挙げられる。又、表示部40に含まれる情報は、個々のセンサ素子100に関する情報であればよく、例えば、個々のセンサ素子100ごとの起電力等のセンサの出力特性、センサの種類、出力特性に応じたランク値が挙げられる。
A
Examples of the
例えば、レーザ刻印の場合、レーザ光を所定の走査方向に走査してセンサ素子100の表面を削り、走査方向に延びる刻線MLを1本ずつ形成する。次に走査方向に直交する方向に離間した位置から、同様にレーザ光を走査方向に走査して順次複数の刻線MLを形成してゆく。
本実施形態では、各刻線MLの延びる方向(つまり、本例ではレーザの走査方向)が軸線O方向に沿うようにする。
これにより、組み付け時等に、長尺板状のセンサ素子100に軸線O方向に撓むような応力が掛かっても、刻線MLの延びる方向が応力の掛かる方向に沿うので、刻線MLが切欠き(ノッチ)となって破断の起点となることが抑制され、センサ素子100が破断することを抑制できる。なお、センサ素子100は幅方向には短寸であるので、幅方向に撓む応力が掛かっても過大とならず、刻線MLが軸線O方向に沿っていても破断に至り難い。
For example, in the case of laser engraving, the surface of the
In the present embodiment, the extending direction of each engraved line ML (that is, the scanning direction of the laser in this example) is set to be along the axis O direction.
As a result, even if stress such as bending in the axis O direction is applied to the long plate-
ここで、「刻線MLが軸線O方向に沿う」とは、図1に示すように刻線MLの延びる方向が軸線Oとなす角θが45度未満であることをいい、好ましくはθが30度未満である。レーザ刻印時のレーザ光の走査方向は必ずしも軸線O方向に完全に平行とは限らず、製造上の誤差や公差等があるからである。 Here, "the engraved line ML is along the axis O direction" means that the angle θ formed by the extending direction of the engraved line ML with the axis O is less than 45 degrees, preferably θ. It is less than 30 degrees. This is because the scanning direction of the laser beam at the time of laser engraving is not always completely parallel to the axis O direction, and there are manufacturing errors, tolerances, and the like.
次に、本発明の実施形態に係るガスセンサ1の製造方法について説明する。
まず、上記したように、センサ素子100の表面に、軸線O方向に沿う方向にレーザ光を走査させ、互いに離間する複数の刻線MLから構成された表示部40を形成する(レーザ刻印工程)。
次に、図2に示すように、センサ素子100の表示部40が筒状の主体金具30の後端側に突出するよう、センサ素子100を主体金具30の内側に組み付け、センサ中間品1xを製造する(組付け工程)。
そして、主体金具30の後端側に露出した表示部40をCCDカメラ500等で読み取ることで、センサ素子100のセンサ情報を管理することができる。又、センサ中間品1xを組み上げたガスセンサ1にコントローラを接続する際に、表示部4を読み取ったセンサ情報に基づいてコントローラの校正(出力値補正やランク補正)を行えばよい。
Next, a method for manufacturing the gas sensor 1 according to the embodiment of the present invention will be described.
First, as described above, the laser beam is scanned on the surface of the
Next, as shown in FIG. 2, the
Then, the sensor information of the
次に、図3を参照して、センサ中間品1xを組み上げたガスセンサ1の構成について説明する。
図3に示すように、ガスセンサ1は、センサ素子100、主体金具30、主体金具30の先端部に装着されるプロテクタ24等を有している。
Next, with reference to FIG. 3, the configuration of the gas sensor 1 in which the sensor
As shown in FIG. 3, the gas sensor 1 has a
主体金具30は、SUS430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金具側段部33が設けられており、この金具側段部33はセンサ素子100を保持するための金属ホルダ34を支持している。そしてこの金属ホルダ34の内側にはセラミックホルダ35、第1滑石37、第2滑石38が先端側から順に配置されている。
金属ホルダ34内で第1滑石37が圧縮充填されることによって、センサ素子100は金属ホルダ34に対して固定される。また、主体金具30内で第2滑石38が圧縮充填されることによって、センサ素子100の表面と主体金具30の内面との間のシール性が確保される。そして第2滑石38の後端側には、アルミナ製のスリーブ(絶縁ホルダ)39が配置されている。このスリーブ39は後端向き面が平坦な円筒状に形成されており、軸線Oに沿うように軸孔39aが設けられ、内部にセンサ素子100を挿通している。そして、主体金具30の後端側の加締め部30aが内側に折り曲げられており、ステンレス製のリング部材55を介してスリーブ39が主体金具30の先端側に押圧されている。
The
The
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、内側には外側プロテクタ41よりも小径で有底円筒状の内側プロテクタ42が配置されている。
Further, a
一方、主体金具30の後端側には、SUS430製の外筒25の先端側が挿入されている。この外筒25は先端側の拡径した先端部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の後端側内部には、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。
On the other hand, the tip end side of the
また、セパレータ50には、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、電極パッド121(図1参照)とを接続する接続端子16が収容されている。各リード線11~15は、外部において、図示しないコネクタに接続されるようになっている。このコネクタを介してECU等のコントローラ(外部機器)と各リード線11~15とは電気信号の入出力が行われることになる。また、各リード線11~15は詳細に図示しないが、導線を樹脂からなる絶縁皮膜にて披覆した構造を有している。
Further, the
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の後端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挿通孔52aが先端側から後端側にかけて貫設されている。
Further, on the rear end side of the
本発明は上記実施形態に限定されず、例えば、被測定ガス中のNOx濃度を検出するNOxセンサ(NOxセンサ素子)や、HC濃度を検出するHCセンサ(HCセンサ素子)等に本発明を適用してもよい。
表示部の形成方法は、レーザ刻印に限定されない。
又、組付け工程にて、センサ素子の表示部が主体金具の先端側に突出するように組み付けてもよい。この場合、表示部をセンサ素子の先端側に形成し、組付けたセンサ中間品の主体金具の先端側に突出した表示を読み取ってセンサ情報を管理すればよい。その後、センサ素子の先端側を覆うようにプロテクタを取付け、ガスセンサを製造することができる。
The present invention is not limited to the above embodiment, and the present invention is applied to, for example, a NOx sensor (NOx sensor element) for detecting the NOx concentration in the gas to be measured, an HC sensor (HC sensor element) for detecting the HC concentration, and the like. You may.
The method of forming the display unit is not limited to laser engraving.
Further, in the assembling step, the display portion of the sensor element may be assembled so as to protrude toward the tip end side of the main metal fitting. In this case, the display unit may be formed on the tip end side of the sensor element, and the sensor information may be managed by reading the display protruding toward the tip end side of the main metal fitting of the assembled sensor intermediate product. After that, a protector can be attached so as to cover the tip end side of the sensor element, and a gas sensor can be manufactured.
1 ガスセンサ
30 主体金具
40 表示部
100 センサ素子
O 軸線
ML 刻線
1
Claims (3)
前記センサ素子の表面に、該センサ素子に関する情報を含む表示部が形成されており、
前記表示部は、前記軸線方向に沿うと共に、互いに離間する複数の刻線から構成されてなることを特徴とするセンサ素子。 A long plate-shaped sensor element extending in the axial direction, provided with a detection unit having one or a plurality of cells having a solid electrolyte body as an element main body and a pair of electrodes arranged on the solid electrolyte body on the tip side. ,
A display unit containing information about the sensor element is formed on the surface of the sensor element.
The display unit is a sensor element characterized by being composed of a plurality of engraved lines along the axial direction and separated from each other.
前記センサ素子の表面に、前記軸線方向に沿う方向にレーザ光を走査させ、互いに離間する複数の刻線から構成された前記センサ素子に関する情報を含む表示部を形成するレーザ刻印工程と、
前記センサ素子の前記表示部が筒状の主体金具の先端側又は後端側に突出するよう、前記センサ素子を前記主体金具の内側に組み付ける組付け工程と、を有することを特徴とするガスセンサの製造方法。 A detection unit having one or a plurality of cells having a solid electrolyte body as an element main body and a pair of electrodes arranged in the solid electrolyte body is provided on the tip side, and a long plate-shaped sensor element extending in the axial direction is provided. It is a method of manufacturing a gas sensor.
A laser engraving step of scanning the surface of the sensor element with a laser beam in a direction along the axial direction to form a display unit containing information about the sensor element composed of a plurality of engraved lines separated from each other.
The gas sensor is characterized by having an assembling step of assembling the sensor element inside the main metal fitting so that the display portion of the sensor element protrudes toward the front end side or the rear end side of the cylindrical main metal fitting. Production method.
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