JP7445577B2

JP7445577B2 - gas sensor

Info

Publication number: JP7445577B2
Application number: JP2020169533A
Authority: JP
Inventors: 崇史中島
Original assignee: NGK Spark Plug Co Ltd
Current assignee: Niterra Co Ltd
Priority date: 2020-10-07
Filing date: 2020-10-07
Publication date: 2024-03-07
Anticipated expiration: 2040-10-07
Also published as: JP2022061553A

Description

本発明は、センサ素子を備えたガスセンサに関する。 The present invention relates to a gas sensor equipped with a sensor element.

従来から、自動車等の内燃機関に用いるガスセンサにおいて、センサ素子を備えると共に、内部部材としてセラミック部材を有するものが知られている。
例えば、このセラミック部材として、センサ素子を保持するインシュレータであって、純度９０質量％以上のアルミナを用いる技術が開示されている（特許文献１）。
又、セラミック部材として、アルミナを主成分（５０ｗｔ％以上）とする技術が開示されている（特許文献２）。 BACKGROUND ART Conventionally, gas sensors used in internal combustion engines such as automobiles have been known to include a sensor element and a ceramic member as an internal member.
For example, a technique has been disclosed in which the ceramic member is an insulator that holds a sensor element and uses alumina with a purity of 90% by mass or more (Patent Document 1).
Furthermore, a technique using alumina as a main component (50 wt% or more) as a ceramic member is disclosed (Patent Document 2).

特開２０１７－６７７３４号公報JP2017-67734A 特開２０１２－１５４７７４号公報Japanese Patent Application Publication No. 2012-154774

ところで、セラミック部材は金属に比べて脆く、高い荷重が掛かると破損する恐れがある。例えば、主体金具の内部に配置されてセンサ素子を保持又は位置決めするセラミックホルダは、後端側から押圧されて主体金具の内面に係止されるが、これによってセラミックホルダには高い荷重が掛かる。また、例えば、主体金具の内部に配置されてセンサ素子を保持又は位置決めするセラミックスリーブは、後端側から押圧されるが、これによってセラミックスリーブには高い荷重がかかる。
そこで、セラミック部材の強度を向上させることが要望される。アルミナ純度を９０質量％を超えて高くすると、曲げ強度は低下するが、ヤング率が高くなる傾向がある。そして、セラミックは圧縮応力に対しては強いが、局所的な引っ張り応力が生じると割れ易いことから、曲げ強度よりはヤング率を強度の指標とする方が適している。つまり、アルミナ純度を９０質量％を超えて高くすると、セラミック部材の強度が向上することが予想される。 By the way, ceramic members are more brittle than metals and may break if a high load is applied to them. For example, a ceramic holder placed inside a metal shell to hold or position a sensor element is pressed from the rear end side and locked onto the inner surface of the metal shell, but this places a high load on the ceramic holder. Furthermore, for example, a ceramic sleeve that is disposed inside the metal shell and holds or positions the sensor element is pressed from the rear end side, which places a high load on the ceramic sleeve.
Therefore, it is desired to improve the strength of ceramic members. When the alumina purity is increased to more than 90% by mass, the bending strength decreases, but the Young's modulus tends to increase. Ceramics are strong against compressive stress, but are susceptible to cracking when localized tensile stress occurs, so Young's modulus is more suitable as an indicator of strength than bending strength. In other words, it is expected that increasing the alumina purity to more than 90% by mass will improve the strength of the ceramic member.

本発明は、かかる現状に鑑みてなされたものであって、主体金具の内部に配置されたセラミック部材の強度を向上させて破損を抑制したガスセンサを提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of the current situation, and an object of the present invention is to provide a gas sensor in which the strength of the ceramic member disposed inside the metal shell is improved and breakage is suppressed.

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、先端側に検知部を有するセンサ素子と、前記軸線方向に貫通する貫通孔を有する主体金具と、前記貫通孔の内部に配置され、自身の内部に前記センサ素子が挿通されてなるセラミック部材と、を有し、前記セラミック部材のアルミナ純度が９０質量％を超え、前記セラミック部材は、それぞれ環状で素子挿通孔を有するセラミックホルダおよびセラミックスリーブであり、さらに、環状で素子挿通孔を有する粉末充填層を備え、前記セラミックホルダ、前記粉末充填層および前記セラミックスリーブは、先端側からこの順で前記主体金具の前記貫通孔に積層されて前記素子挿通孔の内側にセンサ素子を保持し、前記セラミックスリーブは前記セラミックホルダに向かって所定の押圧部材により押圧され、前記セラミックホルダは前記主体金具の内面に係止され、質量％で、前記セラミックホルダのアルミナ純度が、前記セラミックスリーブのアルミナ純度より高いことを特徴とする。 In order to solve the above problems, the gas sensor of the present invention includes a sensor element that extends in the axial direction and has a detection portion on the tip side, a metal shell that has a through hole that penetrates in the axial direction, and a metal shell that is disposed inside the through hole. and a ceramic member having the sensor element inserted therein, wherein the ceramic member has an alumina purity of more than 90% by mass, and each of the ceramic members is annular and has an element insertion hole. and a ceramic sleeve, further comprising a powder-filled layer that is annular and has an element insertion hole, and the ceramic holder, the powder-filled layer, and the ceramic sleeve are laminated in the through-hole of the metal shell in this order from the tip side. the sensor element is held inside the element insertion hole, the ceramic sleeve is pressed toward the ceramic holder by a predetermined pressing member, the ceramic holder is locked to the inner surface of the metal shell, and the ceramic sleeve is held in mass %. , the alumina purity of the ceramic holder is higher than that of the ceramic sleeve .

このガスセンサによれば、アルミナ純度を９０質量％を超えて高くすることで、セラミックのヤング率が高くなり、ひいてはセラミック部材の強度を向上させ、主体金具の内部に配置されたセラミック部材の破損を抑制することができる。 According to this gas sensor, by increasing the alumina purity to more than 90% by mass, the Young's modulus of the ceramic increases, which in turn improves the strength of the ceramic member and prevents damage to the ceramic member placed inside the metal shell. Can be suppressed.

又、このガスセンサによれば、セラミックスリーブよりも高い荷重が掛かるセラミックホルダのアルミナ純度をセラミックスリーブのアルミナ純度より高くすることで、セラミック部材であるセラミックホルダの破損をさらに抑制することができる。
Further, according to this gas sensor, by making the alumina purity of the ceramic holder, which is subjected to a higher load than the ceramic sleeve, higher than the alumina purity of the ceramic sleeve, it is possible to further suppress damage to the ceramic holder, which is a ceramic member.

本発明のガスセンサにおいて、前記セラミックホルダのアルミナ純度が９４～９８質量％、前記セラミックスリーブのアルミナ純度が９０質量％を超え９４質量％未満であってもよい。
このガスセンサによれば、セラミック部材であるセラミックホルダの破損をより一層抑制することができる。又、セラミックスリーブのアルミナ純度を比較的低くすることで、セラミックホルダには及ばないものの破損を抑制できる高い強度を得つつ、さらに、セラミックスリーブの熱伝導率がセラミックホルダより小さくなり、セラミックスリーブよりも後端側に位置するセンサの構成部品に対する先端側からの伝熱が小さくなり、耐熱性が向上する。 In the gas sensor of the present invention, the ceramic holder may have an alumina purity of 94 to 98% by mass, and the ceramic sleeve may have an alumina purity of more than 90% by mass and less than 94% by mass.
According to this gas sensor, damage to the ceramic holder, which is a ceramic member, can be further suppressed. In addition, by making the alumina purity of the ceramic sleeve relatively low, it has a high strength that can suppress breakage, although it is not as strong as the ceramic holder, and the thermal conductivity of the ceramic sleeve is lower than that of the ceramic holder. Also, heat transfer from the tip side to the component parts of the sensor located on the rear end side is reduced, and heat resistance is improved.

本発明のガスセンサにおいて、前記センサ素子は板状であり、前記セラミックホルダ及び前記セラミックスリーブの前記素子挿通孔がそれぞれ角孔であってもよい。
このような角孔においては、４隅の角部に引張応力がより集中してセラミック部材が割れ易くなるので、強度を向上させた本発明がさらに有効となる。 In the gas sensor of the present invention, the sensor element may be plate-shaped, and each of the element insertion holes of the ceramic holder and the ceramic sleeve may be square holes.
In such a square hole, tensile stress is more concentrated at the four corners, making the ceramic member more likely to break, so the present invention with improved strength becomes even more effective.

この発明によれば、ガスセンサの構成部材であるセラミック部材の強度を向上させて破損を抑制することができる。 According to this invention, the strength of the ceramic member that is a component of the gas sensor can be improved and damage can be suppressed.

本発明の実施形態にかかるガスセンサの断面図である。FIG. 1 is a cross-sectional view of a gas sensor according to an embodiment of the present invention. セラミックホルダの素子挿通孔を示す平面図である。It is a top view which shows the element insertion hole of a ceramic holder. セラミック部材のアルミナ純度による各種特性の変化を示す模式図である。FIG. 3 is a schematic diagram showing changes in various characteristics depending on alumina purity of a ceramic member. 本発明の実施形態にかかるガスセンサの変形例を示す断面図である。It is a sectional view showing a modification of the gas sensor according to the embodiment of the present invention.

本発明の実施形態について、図１～図３に基づいて詳細に説明する。図１は、本発明の実施形態にかかるガスセンサ１の断面図、図２はセラミックホルダの素子挿通孔を示す平面図、図３はセラミック部材のアルミナ純度による各種特性の変化を示す模式図である。 Embodiments of the present invention will be described in detail based on FIGS. 1 to 3. FIG. 1 is a cross-sectional view of a gas sensor 1 according to an embodiment of the present invention, FIG. 2 is a plan view showing an element insertion hole of a ceramic holder, and FIG. 3 is a schematic diagram showing changes in various characteristics depending on the alumina purity of the ceramic member. .

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を挿通させる素子挿通孔３２を有するホルダ（セラミックホルダ）３０と、セラミックホルダ３０の径方向周囲を取り囲む主体金具１１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、セラミックホルダ３０より先端に突出している。このように素子挿通孔３２を通されたセンサ素子２１は、セラミックホルダ３０の後端面側（図示上側）に配置される環状で素子挿通孔を有する粉末充填層（本例では滑石）４１を、絶縁材からなるセラミックスリーブ４３、リングワッシャ４５を介してカシメ用円筒部３６により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、セラミックスリーブ４３にもセンサ素子２１を挿通させる素子挿通孔４４が形成されている。
セラミックホルダ３０、セラミックスリーブ４３がそれぞれ特許請求の範囲の「セラミック部材」に相当する。 In FIG. 1, a gas sensor (full range air-fuel ratio gas sensor) 1 includes a sensor element 21, a holder (ceramic holder) 30 having an element insertion hole 32 that penetrates in the direction of the axis O and allows the sensor element 21 to be inserted therethrough, and a ceramic holder 30. A metal shell 11 that surrounds a radial periphery of the metal shell 11 is provided.
A portion of the sensor element 21 near the tip where the detection portion 22 is formed protrudes from the ceramic holder 30 toward the tip. The sensor element 21 that has passed through the element insertion hole 32 in this manner is inserted into a powder-filled layer (talc in this example) 41 that is annular and has an element insertion hole and is arranged on the rear end surface side (upper side in the figure) of the ceramic holder 30. The ceramic sleeve 43 made of an insulating material and the ring washer 45 are compressed in the longitudinal direction by the caulking cylindrical portion 36, thereby being fixed in an airtight manner in the longitudinal direction inside the metal shell 11.
Note that the ceramic sleeve 43 is also formed with an element insertion hole 44 through which the sensor element 21 is inserted.
The ceramic holder 30 and the ceramic sleeve 43 each correspond to a "ceramic member" in the claims.

なお、センサ素子２１の後端２１ｅを含む後端寄り部位はスリーブ４３及び主体金具１１より後方に突出しており、その後端寄り部位に形成された各電極パッド部１３～１７に、ゴム製のシール材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、この電極パッド部１３～１７を含むセンサ素子２１の後端寄り部位は、外筒８１でカバーされている。以下、さらに詳細に説明する。 The rear end portion of the sensor element 21 including the rear end 21e protrudes rearward from the sleeve 43 and the metal shell 11, and a rubber seal is attached to each electrode pad portion 13 to 17 formed at the rear end portion. A terminal fitting 75 provided at the tip of each lead wire 71 drawn out through the material 85 is pressed and electrically connected. Further, a portion near the rear end of the sensor element 21 including the electrode pad portions 13 to 17 is covered with an outer cylinder 81. This will be explained in more detail below.

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、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、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は、固体電解質（部材）の先端寄り部位に検知部２２が配置され、後端寄り部位には、電極パッド部１３～１７が露出形成されている。
さらに、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２３が被覆されている。 The sensor element 21 extends in the direction of the axis O, and has a strip-like (plate-like) shape provided with a detection part 22 for detecting a specific gas component in the gas to be detected on the tip side facing the measurement target (lower side in the figure). I am doing it. The cross section of the sensor element 21 has a rectangular shape with a constant size from front to back, and is formed as an elongated object mainly made of ceramic (solid electrolyte, etc.).
In this sensor element 21, a detection section 22 is disposed near the tip of the solid electrolyte (member), and electrode pad sections 13 to 17 are exposed and formed near the rear end.
Furthermore, the detection portion 22 of the sensor element 21 is coated with a porous protective layer 23 made of alumina, spinel, or the like.

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３３が設けられている。そして、その後方には、このネジ３３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１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１１ｅ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３６を備えている。なお、このカシメ用円筒部３６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方向に貫通する貫通孔１８を有している。貫通孔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１１ｄを有している。 The metal shell 11 has a cylindrical shape with concentric different diameters at the front and back, and has a small diameter at the tip side, and has a cylindrical annular part (hereinafter also referred to as cylindrical part) for externally fitting and fixing protectors 51 and 61, which will be described later. 12, and a screw 33 with a larger diameter for fixing to the exhaust pipe of the engine is provided on the outer circumferential surface of the rear (upper side in the figure) thereof. A polygonal portion 14 into which the sensor 1 is screwed in is provided at the rear thereof. In addition, a cylindrical part 11e is connected to the rear of this polygonal part 14, into which a protective cylinder (outer cylinder) 81 that covers the rear of the gas sensor 1 is fitted and welded. A small and thin cylindrical portion 36 for caulking is provided. Note that this crimping cylindrical portion 36 is bent inward in FIG. 1 for the purpose of being crimped. Note that a gasket 19 for sealing during screwing is attached to the lower surface of the polygonal portion 14.
On the other hand, the metal shell 11 has a through hole 18 penetrating in the direction of the axis O. The inner peripheral surface of the through hole 18 has a tapered step portion 11d that tapers radially inward from the rear end side toward the front end side.

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セラミックホルダ３０が配置されている。セラミックホルダ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段部１１ｄに係止されつつ、セラミックホルダ３０が後端側から粉末充填層４１で押圧されることで主体金具１１内にセラミックホルダ３０が位置決めされ、かつ隙間嵌めされている。
一方、図２に示すように、素子挿通孔３２は、セラミックホルダ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、図示はしないが、素子挿通孔４４は素子挿通孔３２と同一形状、同一寸法とされている。 Inside the metal shell 11, a ceramic holder 30 made of insulating ceramic (for example, alumina) and formed into a generally short cylindrical shape is disposed. The ceramic holder 30 has a tip-facing surface 30a formed in a tapered shape toward the tip. Then, the ceramic holder 30 is positioned within the metal shell 11 by being pressed by the powder-filled layer 41 from the rear end side while the portion near the outer periphery of the tip facing surface 30a is locked by the step portion 11d. , and is a loose fit.
On the other hand, as shown in FIG. 2, the element insertion hole 32 is provided at the center of the ceramic holder 30, and has a rectangular shape with approximately the same dimensions as the cross section of the sensor element 21 so that the sensor element 21 passes through it almost without any gaps. It is said to be an opening. Although not shown, the element insertion hole 44 has the same shape and dimensions as the element insertion hole 32.

センサ素子２１は、セラミックホルダ３０の素子挿通孔３２に通され、センサ素子２１の先端をセラミックホルダ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で覆われている。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。 The sensor element 21 is passed through the element insertion hole 32 of the ceramic holder 30, and the tip of the sensor element 21 is made to protrude further than the ceramic holder 30 and the tip 12a of the metal shell 11.
On the other hand, in this embodiment, the tip of the sensor element 21 has a two-layer structure and is covered with bottomed cylindrical protectors (protective covers) 51 and 61 having ventilation holes (holes) 56 and 67, respectively. . The rear end of the inner protector 51 is fitted onto the cylindrical portion 12 of the metal shell 11 and welded. Note that the ventilation holes 56 are provided at eight locations in the circumferential direction on the rear end side of the protector 51, for example. On the other hand, on the distal end side of the protector 51, for example, four discharge holes 53 are provided in the circumferential direction.
Further, the outer protector 61 is fitted over the inner protector 51 and is welded to the cylindrical portion 12 at the same time. The vent holes 67 of the outer protector 61 are provided at, for example, eight locations in the circumferential direction near the tip, and a discharge hole 69 is also provided at the center of the bottom of the tip of the protector 61.

又、図１に示すように、センサ素子２１の後端寄り部位に形成された各電極パッド部１３～１７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１では、外筒８１内に配置された絶縁性のセパレータ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、セパレータ９１は、外筒８１内にカシメ固定された保持部材８２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、この外筒８１の先端部を、主体金具１１の後端寄り部位の円筒部１１ｅに外嵌して溶接することで、ガスセンサ１の後方が気密状にカバーされている。
なお、リード線７１は外筒８１の後端部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、外筒８１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。 Further, as shown in FIG. 1, each electrode pad portion 13 to 17 formed near the rear end of the sensor element 21 has a pad provided at the tip of each lead wire 71 drawn out through a sealing material 85 to the outside. The respective terminal fittings 75 are pressed together due to their spring properties and are electrically connected. In the gas sensor 1 of the present example, the terminal fittings 75 including the press-contact portions are provided in opposing positions in respective accommodating portions provided within the insulating separator 91 disposed within the outer cylinder 81. . Note that movement of the separator 91 in the radial direction and toward the tip side is restricted via a holding member 82 that is caulked and fixed within the outer cylinder 81. Then, by fitting and welding the tip of the outer cylinder 81 to the cylindrical portion 11e of the metal shell 11 near the rear end, the rear of the gas sensor 1 is covered in an airtight manner.
Note that the lead wire 71 is passed through a sealing material (for example, rubber) 85 disposed inside the rear end of the outer cylinder 81 and pulled out to the outside, and the small diameter cylindrical part 83 of the outer cylinder 81 is caulked to reduce the diameter. By compressing the lever sealing material 85, this area is kept airtight.

因みに、外筒８１の軸線Ｏ方向の中央よりやや後端側には、先端側が径大の段部８１ｄが形成され、この段部８１ｄの内面がセパレータ９１の後端を先方に押すように支持する。一方、セパレータ９１はその外周に形成されたフランジ９３を外筒８１の内側に固定された保持部材８２の上に支持させられており、段部８１ｄと保持部材８２とによってセパレータ９１が軸線Ｏ方向に保持されている。 Incidentally, a stepped portion 81d having a larger diameter on the tip side is formed at a slightly rear end side of the center of the outer cylinder 81 in the axis O direction, and the inner surface of this stepped portion 81d supports the rear end of the separator 91 so as to push it forward. do. On the other hand, the separator 91 has a flange 93 formed on its outer periphery supported on a holding member 82 fixed to the inside of the outer cylinder 81, and the separator 91 is held in the direction of the axis O by the stepped portion 81d and the holding member 82. is held in

次に、図３を参照し、本発明の特徴部分について説明する。
図３に示すように、セラミック部材のアルミナ純度を９０質量％を超えて高くすると、曲げ強度は低下するが、ヤング率が高くなる傾向がある。そして、セラミックは圧縮応力に対しては強いが、局所的な引っ張り応力が生じると割れ易いことから、曲げ強度よりはヤング率を強度の指標とする方が適している。つまり、アルミナ純度を９０質量％を超えて高くすると、セラミック部材の強度が向上する。
このようなことから、本発明では、セラミック部材（セラミックホルダ３０、セラミックスリーブ４３など）のアルミナ純度が９０質量％を超えることで強度を向上させ、セラミック部材の破損を抑制することができる。つまり、セラミック部材は主体金具１１の内部に配置されるため、金属製の主体金具１１と接して荷重を受け、又はリングワッシャ４５を介して荷重を受けて破損するおそれがある、この破損を抑制する。 Next, with reference to FIG. 3, the features of the present invention will be explained.
As shown in FIG. 3, when the alumina purity of the ceramic member is increased to more than 90% by mass, the bending strength decreases, but the Young's modulus tends to increase. Ceramics are strong against compressive stress, but are susceptible to cracking when localized tensile stress occurs, so Young's modulus is more suitable as an indicator of strength than bending strength. In other words, increasing the alumina purity to more than 90% by mass improves the strength of the ceramic member.
For this reason, in the present invention, the alumina purity of the ceramic member (ceramic holder 30, ceramic sleeve 43, etc.) exceeds 90% by mass, thereby improving the strength and suppressing damage to the ceramic member. In other words, since the ceramic member is disposed inside the metal shell 11, it is possible to prevent damage that may occur due to the load being applied to the metal shell 11 through contact with the metal shell 11, or due to the load being applied through the ring washer 45. do.

特に、本実施形態では、セラミック部材がセラミックホルダ３０及びセラミックスリーブ４３であるが、セラミックスリーブ４３はセラミックホルダ３０に向かってカシメ用円筒部（押圧部材）３６により押圧されている。そして、セラミックホルダ３０の先端向き面３０ａは、主体金具１１の内面の段部１１ｄに係止され、先端向き面３０ａに高い荷重が掛かる。
そこで、セラミックスリーブ４３よりも高い荷重が掛かるセラミックホルダ３０のアルミナ純度をセラミックスリーブ４３のアルミナ純度より高くすることで、セラミック部材であるセラミックホルダ３０の破損をさらに抑制することができる。 In particular, in this embodiment, the ceramic members are the ceramic holder 30 and the ceramic sleeve 43, and the ceramic sleeve 43 is pressed toward the ceramic holder 30 by the caulking cylindrical portion (pressing member) 36. The distal end facing surface 30a of the ceramic holder 30 is engaged with the stepped portion 11d on the inner surface of the metal shell 11, and a high load is applied to the distal end facing surface 30a.
Therefore, by setting the alumina purity of the ceramic holder 30, which is subjected to a higher load than the ceramic sleeve 43, to be higher than that of the ceramic sleeve 43, damage to the ceramic holder 30, which is a ceramic member, can be further suppressed.

なお、セラミック部材は、センサ素子２１を保持又は位置決めしていればよい。例えば本実施形態では、セラミックホルダ３０自身はセンサ素子２１を保持しておらず、位置決めしているだけであり、実
際に保持している部位は滑石４１となっている。 Note that the ceramic member only needs to hold or position the sensor element 21. For example, in this embodiment, the ceramic holder 30 itself does not hold the sensor element 21, but only positions it, and the part that actually holds it is the talc 41.

セラミックホルダ３０のアルミナ純度をセラミックスリーブ４３のアルミナ純度より高くする具体的な方法として、セラミックホルダ３０のアルミナ純度を９４～９８質量％、セラミックスリーブ４３のアルミナ純度を９０質量％を超え９４質量％未満にするとよい。
上述のように、セラミックホルダ３０のアルミナ純度をセラミックスリーブ４３のアルミナ純度より高くすることで、セラミックホルダ３０の破損をさらに抑制することができる。
又、セラミックスリーブ４３のアルミナ純度を低くすることで、図３に示すように線膨張係数と熱伝導率が小さくなる。熱伝導率が小さいと、端子金具７５やシール材８５等、セラミックスリーブ４３よりも後端側に位置するセンサの構成部品に対する先端側からの伝熱が小さくなり、耐熱性が向上するという利点がある。つまり、セラミックホルダ３０より後端側に位置するセラミックスリーブ４３のアルミナ純度を低くすることで、先端側からの被測定ガスの熱伝達を抑制できる。
なお、セラミックホルダ３０のアルミナ純度を９８質量％を超えて高くすることはコスト上困難で、かつ強度の向上効果が飽和する。 As a specific method of making the alumina purity of the ceramic holder 30 higher than that of the ceramic sleeve 43, the alumina purity of the ceramic holder 30 is set to 94 to 98% by mass, and the alumina purity of the ceramic sleeve 43 is set to exceed 90% by mass and 94% by mass. It is best to keep it below.
As described above, by making the alumina purity of the ceramic holder 30 higher than that of the ceramic sleeve 43, damage to the ceramic holder 30 can be further suppressed.
Furthermore, by lowering the alumina purity of the ceramic sleeve 43, the linear expansion coefficient and thermal conductivity become smaller as shown in FIG. When the thermal conductivity is low, there is an advantage that heat transfer from the tip side to components of the sensor located on the rear end side of the ceramic sleeve 43, such as the terminal fitting 75 and the sealing material 85, is reduced, and heat resistance is improved. be. That is, by lowering the alumina purity of the ceramic sleeve 43 located on the rear end side of the ceramic holder 30, heat transfer of the gas to be measured from the front end side can be suppressed.
Note that increasing the alumina purity of the ceramic holder 30 to more than 98% by mass is difficult in terms of cost, and the strength improvement effect is saturated.

さらに、図２に示すように本実施形態では、セラミックホルダ３０及びセラミックスリーブ４３の素子挿通孔３２、４４がそれぞれ角孔である。このような角孔においては、４隅の角部に引張応力がより集中して割れ易くなるので、強度を向上させた本発明がさらに有効となる。 Furthermore, as shown in FIG. 2, in this embodiment, the element insertion holes 32 and 44 of the ceramic holder 30 and the ceramic sleeve 43 are square holes, respectively. In such a square hole, the tensile stress is more concentrated at the four corners and the hole is more likely to break, so the present invention with improved strength becomes even more effective.

セラミック部材のアルミナ純度の測定方法としては、表面分析（電子線マイクロアナライザ（EPMA））や、元素・成分分析（蛍光X線（XRF））を用いることができる。 Surface analysis (electron beam microanalyzer (EPMA)) and element/component analysis (X-ray fluorescence (XRF)) can be used to measure the alumina purity of ceramic members.

本発明のガスセンサは、本発明の要旨を逸脱しない限りにおいて、適宜にその構造、構成を設計変更して具体化できる。
例えば、センサ素子としては、酸素の濃度を測定するものに限定されず、窒素酸化物（ＮＯｘ）又は炭化水素（ＨＣ）等の濃度を測定するものを用いてもよい。 The gas sensor of the present invention can be embodied by appropriately changing the design of its structure and configuration without departing from the gist of the present invention.
For example, the sensor element is not limited to one that measures the concentration of oxygen, but may also be one that measures the concentration of nitrogen oxides (NOx), hydrocarbons (HC), or the like.

又、図４に示すように、セラミック部材としては、セラミックホルダやセラミックスリーブに限られず、センサ素子２１ｘ本体が挙げられる。
ここで、図４に示すガスセンサ１Ｂは、センサ素子２１ｘとしていわゆる筒型素子を用いること以外は、図１のガスセンサ１と大きく変わるところはないが、若干の形状や構造が違う部分を符号に「ｘ」を付してガスセンサ１と区別し、説明を適宜省略する。例えば、図４の符号１１ｘは、ガスセンサ１の「主体金具１１」に対応し、両主体金具１１、１１ｘはほぼ同様の構成、機能を有しているが、寸法や形状が若干異なることを意味する。
以下、ガスセンサ１Ｂがガスセンサ１と異なる部分を主に説明する。 Further, as shown in FIG. 4, the ceramic member is not limited to a ceramic holder or a ceramic sleeve, but may include the main body of the sensor element 21x.
Here, the gas sensor 1B shown in FIG. 4 is not significantly different from the gas sensor 1 shown in FIG. 1 except that a so-called cylindrical element is used as the sensor element 21x. x" to distinguish it from the gas sensor 1, and the explanation will be omitted as appropriate. For example, the reference numeral 11x in FIG. 4 corresponds to the "metal shell 11" of the gas sensor 1, meaning that both the metal shells 11 and 11x have almost the same configuration and function, but are slightly different in size and shape. do.
Hereinafter, the differences between the gas sensor 1B and the gas sensor 1 will be mainly explained.

センサ素子２１ｘは、排気ガス中の酸素濃度を検出する酸素センサになっていて、酸素イオン伝導性の固体電解質体からなる素子本体に一対の電極５，６を積層した酸素濃淡電池を構成し、酸素量に応じた検出値を出力する。
センサ素子２１ｘの素子本体は、先端が閉じた略円筒状(中空軸状)であり、中央側に鍔部２１ｐが設けられている。そして、素子本体の外面及び内面にそれぞれ外側電極５及び内側電極６が形成され、さらに、外側電極５を多孔質の保護層７が覆っている。 The sensor element 21x is an oxygen sensor that detects the oxygen concentration in exhaust gas, and constitutes an oxygen concentration battery in which a pair of electrodes 5 and 6 are laminated on an element body made of an oxygen ion conductive solid electrolyte body, Outputs the detected value according to the amount of oxygen.
The element body of the sensor element 21x has a substantially cylindrical shape (hollow shaft shape) with a closed tip, and a flange portion 21p is provided at the center side. An outer electrode 5 and an inner electrode 6 are formed on the outer and inner surfaces of the element body, respectively, and the outer electrode 5 is further covered with a porous protective layer 7.

そして、センサ素子２１ｘを主体金具１１ｘの内側に挿通し、鍔部２１ｐの後端側におけるセンサ素子２１ｘと主体金具１１ｘとの径方向の隙間に、粉末充填層４１ｘ、セラミックスリーブ４３ｘを配置し、ガスセンサ１と同様、カシメ用円筒部３６ｘにより先後方向に圧縮する。これにより、主体金具１１ｘの段部１１ｄｘに、ワッシャ８及びプロテクタ６０ｘの後端部を介して鍔部２１ｐを押し当て、主体金具１１ｘの内側にセンサ素子２１ｘを固定する。
このとき、セラミックスリーブ４３ｘには高い荷重が掛かるので、セラミックスリーブ４３ｘをセラミック部材としてアルミナ純度を９０質量％を超えて高くすることで、強度を向上させ、セラミック部材の破損を抑制することができる。
なお、ガスセンサ１Ｂにおいては、外筒８１ｘの後端側に、保護外筒８６が外嵌され、外筒８１ｘと保護外筒８６との間に通気フィルタ８７が配置されている。 Then, the sensor element 21x is inserted inside the metal shell 11x, and the powder-filled layer 41x and the ceramic sleeve 43x are arranged in the radial gap between the sensor element 21x and the metal shell 11x on the rear end side of the flange 21p. Like the gas sensor 1, it is compressed in the front-rear direction by the caulking cylindrical portion 36x. As a result, the flange 21p is pressed against the stepped portion 11dx of the metal shell 11x via the washer 8 and the rear end of the protector 60x, and the sensor element 21x is fixed inside the metal shell 11x.
At this time, a high load is applied to the ceramic sleeve 43x, so by using the ceramic sleeve 43x as a ceramic member and increasing the alumina purity to more than 90% by mass, the strength can be improved and damage to the ceramic member can be suppressed. .
In the gas sensor 1B, a protective outer cylinder 86 is fitted onto the rear end side of the outer cylinder 81x, and a ventilation filter 87 is disposed between the outer cylinder 81x and the protective outer cylinder 86.

１、１Ｂガスセンサ
１１，１１ｘ主体金具
１８貫通孔
２１，２１ｘセンサ素子
２２，２２ｘ検知部
３０セラミック部材（セラミックホルダ）
３２、４４素子挿通孔
３６，３６ｘ押圧部材（カシメ用円筒部）
４１粉末充填層
４３、４３ｘセラミック部材（セラミックスリーブ）
Ｏ軸線 1, 1B Gas sensor 11, 11x Metal shell 18 Through hole 21, 21x Sensor element 22, 22x Detection section 30 Ceramic member (ceramic holder)
32, 44 Element insertion hole 36, 36x Pressing member (cylindrical part for caulking)
41 Powder-filled layer 43, 43x Ceramic member (ceramic sleeve)
O axis

Claims

a sensor element that extends in the axial direction and has a detection portion on the tip side;
a metal shell having a through hole penetrating in the axial direction;
a ceramic member disposed inside the through hole and into which the sensor element is inserted;
The alumina purity of the ceramic member exceeds 90% by mass ,
The ceramic members are a ceramic holder and a ceramic sleeve each having an annular element insertion hole,
Furthermore, it includes a powder-filled layer that is annular and has an element insertion hole,
The ceramic holder, the powder filling layer, and the ceramic sleeve are stacked in the through hole of the metal shell in this order from the tip side to hold the sensor element inside the element insertion hole,
The ceramic sleeve is pressed toward the ceramic holder by a predetermined pressing member, and the ceramic holder is locked to the inner surface of the metal shell,
A gas sensor characterized in that the alumina purity of the ceramic holder is higher than the alumina purity of the ceramic sleeve in terms of mass % .

The gas sensor according to claim 1, wherein the ceramic holder has an alumina purity of 94 to 98% by mass, and the ceramic sleeve has an alumina purity of more than 90% by mass and less than 94% by mass .

The sensor element is plate-shaped,
The gas sensor according to claim 1 or 2 , wherein each of the element insertion holes of the ceramic holder and the ceramic sleeve are square holes .