JP7356388B2 - gas sensor - Google Patents

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Description

本発明は被測定ガス中の少なくとも1つの成分濃度を測定するガスセンサに関する。 The present invention relates to a gas sensor that measures the concentration of at least one component in a gas to be measured.

自動車エンジン等の排気ガス中や、各種製造プロセスに用いられる容器内の、酸素等の特定ガス成分の濃度を測定するのに用いられるガスセンサとして、ジルコニア等の固体電解質を用いる方式がある。固体電解質を用いたガスセンサは、高温において特定ガスに対してイオン伝導性のある、所定形状の固体電解質体の両面に白金等の電極を設け、その一方の側の電極に特定ガスの濃度が一定の基準ガスを接触させるとともに、他方の側の電極には被測定ガスを接触させて、特定ガス濃度の差に基づく両電極間の起電力を測定することにより、ネルンストの理論式を用いて被測定ガス中の特定ガスの濃度を測定するものである。 BACKGROUND ART There is a method using a solid electrolyte such as zirconia as a gas sensor used to measure the concentration of a specific gas component such as oxygen in exhaust gas from an automobile engine or the like or in a container used in various manufacturing processes. A gas sensor using a solid electrolyte has electrodes such as platinum on both sides of a solid electrolyte body of a predetermined shape that is ionically conductive to a specific gas at high temperatures, and the concentration of the specific gas is maintained at a constant level on one side of the electrode. By contacting the reference gas on the other side and the gas to be measured on the other side, the electromotive force between the two electrodes is measured based on the difference in the specific gas concentration. It measures the concentration of a specific gas in the measurement gas.

特開昭57-40644号公報Japanese Patent Application Publication No. 57-40644

固体電解質体の両面に設けた電極間の起電力を測定するのに際して、両電極と起電力(電圧)を測定する電圧計までの通電が必要であり、各電極はリード線で接続している。 When measuring the electromotive force between the electrodes provided on both sides of the solid electrolyte body, it is necessary to supply electricity to both electrodes and the voltmeter that measures the electromotive force (voltage), and each electrode is connected with a lead wire. .

各電極とリード線は導電ペーストを焼き付けて接合しており、電気的および機械的に接合しているものの、機械的強度は充分ではなく引っ張られて断線することがある。 Each electrode and lead wire are bonded by baking a conductive paste, and although they are electrically and mechanically bonded, the mechanical strength is not sufficient and the wires may break due to tension.

本発明は、上記問題に鑑みてなされたものであり、固体電解質を用いるガスセンサにおいて、固体電解質に設けられた電極とリード線の接続が外れることを防ぎ、ガスセンサとしての信頼性を高めるものである。 The present invention has been made in view of the above-mentioned problems, and is intended to prevent the electrodes provided on the solid electrolyte from becoming disconnected from the lead wires in a gas sensor using a solid electrolyte, thereby increasing the reliability of the gas sensor. .

上記課題を解決するために、請求項1に記載の発明は、
被測定ガス中の少なくとも1つの成分濃度を測定するためのガスセンサであって、
先端が閉塞した細管状に形成されたイオン電導性の固体電解質からなるセンサ管と、前記センサ管の先端側の外側に形成され、被測定ガスに接する測定電極と、前記センサ管の内側に形成され、基準ガスに接する基準電極と、前記センサ管を封止ガラスを用いて支持固定するセンサホルダと、前記測定電極に接続し、前記封止ガラスで固定されながら前記センサホルダ内を通過する測定電極リードと、前記基準電極に接続し、前記センサホルダ内を経て折り返す状態で前記封止ガラスで固定された基準電極リードとを備えたガスセンサである。
In order to solve the above problem, the invention according to claim 1,
A gas sensor for measuring the concentration of at least one component in a gas to be measured,
a sensor tube made of an ion-conductive solid electrolyte formed in the shape of a capillary with a closed tip; a measurement electrode formed on the outside of the tip side of the sensor tube and in contact with the gas to be measured; and a measurement electrode formed on the inside of the sensor tube. a reference electrode in contact with a reference gas, a sensor holder supporting and fixing the sensor tube using a sealing glass, and a measurement electrode connected to the measurement electrode and passing through the sensor holder while being fixed by the sealing glass. The gas sensor includes an electrode lead and a reference electrode lead that is connected to the reference electrode and fixed with the sealing glass while being folded back through the sensor holder.

請求項2に記載の発明は、請求項1に記載のガスセンサであって、
前記成分濃度が酸素濃度であるガスセンサである。
The invention according to claim 2 is the gas sensor according to claim 1,
The gas sensor is a gas sensor in which the component concentration is an oxygen concentration.

本発明により、固体電解質式ガスセンサにおいて、固体電解質に設けられた電極とリード線の接続外れを防ぐことが出来、信頼性を高めることができる。 According to the present invention, in a solid electrolyte type gas sensor, it is possible to prevent disconnection between an electrode provided on a solid electrolyte and a lead wire, thereby improving reliability.

本発明の実施形態に係るガスセンサの概略構造を示すもので(a)外観図であり、(b)内部の機械的構成を示す断面図である。1A is an external view showing a schematic structure of a gas sensor according to an embodiment of the present invention, and FIG. 1B is a sectional view showing an internal mechanical structure. 本発明の実施形態に係るガスセンサのセンサ管に設ける電極の構成について説明するもので(a)外観図であり、(b)センサ管内部の状態を示す断面図である。2A and 2B are diagrams illustrating the structure of an electrode provided in a sensor tube of a gas sensor according to an embodiment of the present invention, and FIG. 本発明の実施形態に係るガスセンサの電極とつながるリード線について説明するもので(a)一般的な接合状態を示す図であり、(b)基準電極リードの外れ防止策について示す図である。2A and 2B are diagrams illustrating a lead wire connected to an electrode of a gas sensor according to an embodiment of the present invention; FIG. 本発明の実施形態に係るガスセンサに関して説明するもので(a)樹脂塗布部の必要性を示す図であり、(b)基準電極リードを折り返す形態を示す図である。The gas sensor according to the embodiment of the present invention is explained, and FIG. 3A is a diagram showing the necessity of a resin coating part, and FIG. 3B is a diagram showing a form in which the reference electrode lead is folded back.

本発明の実施形態を図面を用いて説明する。図1は本発明の実施形態に係るガスセンサ1の概略構造を示す図であり、図1(a)はガスセンサ1を横から見た外観図、図1(b)は断面図であり、内部の機械的構成を示すものである。なお、以下の実施形態の説明では濃度測定対象の特定ガス成分が酸素である例に限定するが、本実施形態と同様な構成の固体電解質を用いたガスセンサであれば特定ガス成分が酸素に限定されるものではなく、被測定ガス中の少なくとも1つの成分濃度を測定するガスセンサに本発明は適用可能である。 Embodiments of the present invention will be described using the drawings. FIG. 1 is a diagram showing a schematic structure of a gas sensor 1 according to an embodiment of the present invention. FIG. 1(a) is an external view of the gas sensor 1 seen from the side, and FIG. It shows the mechanical configuration. Note that the description of the embodiment below is limited to an example in which the specific gas component whose concentration is to be measured is oxygen, but if the gas sensor uses a solid electrolyte with the same configuration as this embodiment, the specific gas component is limited to oxygen. However, the present invention is applicable to a gas sensor that measures the concentration of at least one component in a gas to be measured.

ガスセンサ1では、図1(b)に示すように、センサ管2とヒータ5が、穴60を有するセンサカバー6で覆われているとともに、センサホルダ8で保持された状態でハウジング7に固定されている。 In the gas sensor 1, as shown in FIG. 1(b), the sensor tube 2 and the heater 5 are covered with a sensor cover 6 having a hole 60, and are fixed to the housing 7 while being held by a sensor holder 8. ing.

センサ管2およびヒータ5は、センサホルダ8の貫通穴内のガラス封止部80で、ガラスによって支持、固定されている。なお、ガラス封止部80のガラスは、センサ管2およびヒータ5を配置した状態で、高温で溶融した後に冷却固化したものである。 The sensor tube 2 and the heater 5 are supported and fixed by glass at a glass sealing part 80 in the through hole of the sensor holder 8. Note that the glass of the glass sealing part 80 is melted at a high temperature with the sensor tube 2 and heater 5 arranged, and then cooled and solidified.

センサ管2とヒータ5を保持したセンサホルダ8はガスケット82を介してハウジング7に固定する。このため、被測定ガスが存在する密閉容器の外側にハウジング8を固定してセンサカバー6側を容器内に挿入した場合、センサホルダ8の右側では被測定ガスを遮断することが出来る。 The sensor holder 8 holding the sensor tube 2 and the heater 5 is fixed to the housing 7 via a gasket 82. Therefore, when the housing 8 is fixed to the outside of a closed container where the gas to be measured exists and the sensor cover 6 side is inserted into the container, the gas to be measured can be blocked on the right side of the sensor holder 8.

以上、図1ではガスセンサ1の主な構造部について説明したが、図2から図3ではセンサ機能に関する部分について説明する。 While the main structural parts of the gas sensor 1 have been explained above in FIG. 1, the parts related to the sensor function will be explained in FIGS. 2 and 3.

まず、図2はセンサ管2に設けられた電極について説明するものであり、図2(a)は横から見た外観図であり、図2(b)は断面図を示している。本実施形態において、センサ管2は、酸素イオン伝導性の電解質であるジルコニアセラミックスから成り、内径は0.7mmで隔壁厚みが0.3mmの中空円筒形状(外径は1.3mm)としている。 First, FIG. 2 explains the electrodes provided in the sensor tube 2. FIG. 2(a) is an external view seen from the side, and FIG. 2(b) is a cross-sectional view. In this embodiment, the sensor tube 2 is made of zirconia ceramics, which is an oxygen ion conductive electrolyte, and has a hollow cylindrical shape (outer diameter is 1.3 mm) with an inner diameter of 0.7 mm and a partition wall thickness of 0.3 mm.

図2(b)に示すように、センサ管2の左端はガラスの封止部21で塞いでいるが、右端は開放されており、図2で被測定ガスと記した側の外側は被測定ガス雰囲気であり、基準ガスと記した側の外側と内側は基準ガス雰囲気である。このため、測定電極3は被測定ガスに接触し、基準電極4は基準ガスと接触している。なお、基準ガスとは酸素分圧が既知の気体であり、酸素濃度測定において通常は大気が用いられる。 As shown in FIG. 2(b), the left end of the sensor tube 2 is closed with a glass sealing part 21, but the right end is open, and the outside of the side marked as gas to be measured in FIG. It is a gas atmosphere, and the outside and inside of the side marked as reference gas is a reference gas atmosphere. Therefore, the measurement electrode 3 is in contact with the gas to be measured, and the reference electrode 4 is in contact with the reference gas. Note that the reference gas is a gas whose oxygen partial pressure is known, and the atmosphere is usually used in oxygen concentration measurement.

測定電極3および基準電極4は、白金ペーストを塗布してから焼付ることで形成しているが、測定電極3と基準電極4でセンサ管2の内側にある部分は酸素を透過させるために多孔質として形成しているが、基準電極4でセンサ管2の外側部分は導電性確保の観点から緻密に形成しておくことが望ましい。なお焼付後の測定電極3および基準電極4の厚みは本実施形態では50μmとしているが、これに限定されるものではない。 The measuring electrode 3 and the reference electrode 4 are formed by applying and baking platinum paste, but the portions of the measuring electrode 3 and the reference electrode 4 that are inside the sensor tube 2 are porous to allow oxygen to pass through. However, it is desirable that the outer part of the sensor tube 2 at the reference electrode 4 be formed densely from the viewpoint of ensuring conductivity. Note that the thickness of the measurement electrode 3 and the reference electrode 4 after baking is 50 μm in this embodiment, but is not limited to this.

図2のように測定電極3と基準電極4を形成した後は両電極間の起電力を測定することを目的にリード線を設ける必要がある。その例を示したのが図3(a)であり、測定電極3に測定電極リード31を接続し、基準電極4に基準電極リード41を接続している。測定電極3と測定電極リード31の接続および基準電極4と基準電極リード41の接続には緻密な白金ペーストを介在させて焼き付けることで電気的に優れた接続が確保できる。なお、測定電極リード31および基準電極リード41としては電極と同材質の白金線を用いるのが好ましく、強度、導電性、コスト等を考慮して直径は0.2mmから0.4mmの範囲が好適である。 After forming the measurement electrode 3 and the reference electrode 4 as shown in FIG. 2, it is necessary to provide a lead wire for the purpose of measuring the electromotive force between the two electrodes. An example of this is shown in FIG. 3A, in which a measurement electrode lead 31 is connected to the measurement electrode 3, and a reference electrode lead 41 is connected to the reference electrode 4. Excellent electrical connections can be ensured by baking a dense platinum paste between the measurement electrode 3 and the measurement electrode lead 31 and between the reference electrode 4 and the reference electrode lead 41. Note that it is preferable to use platinum wires made of the same material as the electrodes as the measurement electrode lead 31 and the reference electrode lead 41, and in consideration of strength, conductivity, cost, etc., the diameter is preferably in the range of 0.2 mm to 0.4 mm. It is.

緻密な白金ペーストを介在させた焼付により機械的にも確実に接合されるが、基準電極リード41については必ずしも十分とは言えない。すなわち、測定電極リード31については、基準ガス(大気)側に導く途中で、センサホルダ8内を通過するため、ガラス封止部80で固定されるので、基準ガス側から測定電極リード31を引っ張るようなことがあっても測定電極3との接合部への影響はないが、図3(a)の形態では基準電極リード41を引っ張った力が基準電極4との接合部に加わり、接合が外れることもある。 Baking with a dense platinum paste intervening ensures mechanical connection, but this is not necessarily sufficient for the reference electrode lead 41. That is, since the measurement electrode lead 31 passes through the sensor holder 8 on the way to the reference gas (atmosphere) side, it is fixed by the glass sealing part 80, so the measurement electrode lead 31 is pulled from the reference gas side. Even if such a situation occurs, it will not affect the joint with the measurement electrode 3, but in the form of FIG. It may come off.

このため、本実施形態では図3(b)のように、基準電極4と接続した基準電極リード41を測定電極3側に導いた後、ガラス封止部80を貫通した後に(あるいはガラス封止部80内で)折り返して基準ガス側に導く形態としている。このような形態にすることにより、基準ガス側から基準電極リード41を引っ張るようなことがあっても基準電極4との接合部への影響を排除できる。 Therefore, in this embodiment, as shown in FIG. 3(b), after the reference electrode lead 41 connected to the reference electrode 4 is led to the measuring electrode 3 side and after passing through the glass sealing part 80 (or after passing through the glass sealing part 80) 80) and is guided to the reference gas side. With this configuration, even if the reference electrode lead 41 is pulled from the reference gas side, the influence on the joint with the reference electrode 4 can be eliminated.

なお、図3(b)を用いて説明した基準電極リード41の折り返しの様子をセンサホルダ8部分で示した例が図4(b)であり、基準電極リード41がガラス封止部80によって封止され固定している状態を示している。図4(b)ではガラス封止部80を貫通した後に基準電極リード41を折り返しているが、これに限定されるものではなくガラス封止部80内で折り返しても良い。 Note that FIG. 4B shows an example of how the reference electrode lead 41 is folded back at the sensor holder 8, which was explained using FIG. It shows the state where it is stopped and fixed. In FIG. 4B, the reference electrode lead 41 is folded back after passing through the glass sealing part 80, but the reference electrode lead 41 is not limited to this, and may be folded back within the glass sealing part 80.

以上、本実施形態では、測定対象の特定ガスが酸素であるガスセンサを例に説明したが、固体電解質式のガスセンサで被測定ガス中の少なくとも1つの成分濃度を測定するものならば、特定ガスが酸素以外でもよい。すなわち、固体電解質がジルコニアでなくとも、本同様な構成要件を備えることにより、同様な効果が見込める。 As described above, in this embodiment, the gas sensor in which the specific gas to be measured is oxygen has been described as an example, but if the solid electrolyte type gas sensor measures the concentration of at least one component in the gas to be measured, the specific gas can be It may be other than oxygen. That is, even if the solid electrolyte is not zirconia, the same effects can be expected by providing the same structural requirements as the present invention.

1 ガスセンサ
2 センサ管
3 測定電極
4 基準電極
5 ヒータ
6 センサカバー
7 ハウジング
8 センサホルダ
21 先端封止部
31 測定電極リード
41 基準電極リード
60 穴
61 断熱材
80 ガラス封止部
1 Gas sensor 2 Sensor tube 3 Measuring electrode 4 Reference electrode 5 Heater 6 Sensor cover 7 Housing 8 Sensor holder 21 Tip sealing part 31 Measuring electrode lead 41 Reference electrode lead 60 Hole 61 Heat insulating material 80 Glass sealing part

Claims (2)

被測定ガス中の少なくとも1つの成分濃度を測定するためのガスセンサであって、
先端が閉塞した細管状に形成されたイオン電導性の固体電解質からなるセンサ管と、
前記センサ管の先端側の外側に形成され、被測定ガスに接する測定電極と、
前記センサ管の内側に形成され、基準ガスに接する基準電極と、
前記センサ管を封止ガラスを用いて支持固定するセンサホルダと、
前記測定電極に接続し、前記封止ガラスで固定されながら前記センサホルダ内を通過する測定電極リードと、
前記基準電極に接続し、前記センサホルダ内を経て折り返す状態で前記封止ガラスで固定された基準電極リードとを備えたガスセンサ。
A gas sensor for measuring the concentration of at least one component in a gas to be measured,
A sensor tube made of an ion-conductive solid electrolyte formed into a thin tube shape with a closed tip;
a measurement electrode formed on the outside of the tip side of the sensor tube and in contact with the gas to be measured;
a reference electrode formed inside the sensor tube and in contact with a reference gas;
a sensor holder that supports and fixes the sensor tube using sealing glass;
a measurement electrode lead connected to the measurement electrode and passing through the sensor holder while being fixed by the sealing glass;
A gas sensor comprising: a reference electrode lead connected to the reference electrode and fixed by the sealing glass in a folded state through the inside of the sensor holder.
請求項1に記載のガスセンサであって、前記成分濃度が酸素濃度であるガスセンサ。 The gas sensor according to claim 1, wherein the component concentration is oxygen concentration.
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