JPH11248673A

JPH11248673A - ガスセンサ

Info

Publication number: JPH11248673A
Application number: JP10064348A
Authority: JP
Inventors: Keiichi Noda; 恵一野田; Kazuo Taguchi; 一夫田口; Hisaharu Nishio; 久治西尾; Katsuhisa Yabuta; 勝久薮田
Original assignee: NGK Spark Plug Co Ltd
Current assignee: Niterra Co Ltd
Priority date: 1998-02-26
Filing date: 1998-02-26
Publication date: 1999-09-17
Anticipated expiration: 2018-02-26
Also published as: EP0939314A3; US6327891B1; DE69931676T2; EP0939314B1; EP0939314A2; JP3691242B2; DE69931676D1

Abstract

(57)【要約】【課題】封着材層に対する熱応力の影響が少なく、ひ
いては耐久性に優れたガスセンサを提供する。【解決手段】ガスセンサは、主体金具の内側に絶縁体
４が配置され、検出素子２がその絶縁体４の内側に配置
される。絶縁体４には検出素子２の周囲に空隙部３１が
形成されるとともに、ガラスを主体に構成された封着材
３２をその空隙部３１に充填することにより、絶縁体４
の内面と検出素子２の外面とが封止された構造を有す
る。そして、検出素子２の軸断面外形は長方形状とさ
れ、絶縁体４の空隙部３１の内面の軸断面輪郭形状は、
検出素子２の断面外形に倣うように形成される。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、酸素センサ、ＨＣ
センサ、ＮＯ_Xセンサなど、測定対象となるガス中の被
検出成分を検出するためのガスセンサに関する。

【０００２】

【従来の技術】従来より、上述のようなガスセンサとし
て、主体金具の内側に絶縁体を配置し、検出素子をその
絶縁体の内側に配置するとともに、絶縁体の内面と検出
素子の外面とをガラス等の封着材で封着した構造を有し
たものが知られている。上記封着材層は、検出素子の周
囲において絶縁体に空隙部を設け、その空隙部を充填す
る形で形成される。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】ところで、上記構造の
ガスセンサにおいては検出素子はセラミック積層素子と
して構成されることが多い。この場合、図１４に示すよ
うに、検出素子１０２の軸断面形状は一般には長方形状
のものとなることが多いが、絶縁体１０４の空隙部１３
１（すなわち封着材層１３２）の軸断面形状は、従来は
これを円形状に形成していた。この場合、長方形状断面
の検出素子１０２を円形断面の封着材層１３２で覆った
構造を有することから、封着材層１３２の厚さ分布は必
然的に、検出素子１０２の断面長辺に対応する位置で大
きく、短辺部分に対応する位置で小さい、不均一なもの
となる。例えば自動車用の酸素センサ等の場合、エキゾ
ーストマニホルドや車両の足周り部分に近い排気管な
ど、高温にさらされたり熱衝撃が加わりやすい場所に取
り付けられるのであるが、封着材層１３２の厚さが上述
のように不均一であると薄肉部分に熱応力が集中しやす
くなり、封着材層１３２の寿命を縮めてしまう問題を生
ずることがある。

【０００４】本発明の課題は、封着材層に対する熱応力
の影響が少なく、ひいては耐久性に優れたガスセンサを
提供することにある。

【０００５】

【課題を解決するための手段及び作用・効果】本発明の
ガスセンサの第一の構成は、主体金具の内側に絶縁体が
配置され、測定対象となるガス中の被検出成分を検出す
る検出素子がその絶縁体の内側に配置され、絶縁体には
検出素子の周囲に空隙部が形成されるとともに、ガラス
を主体に構成された封着材をその空隙部に充填すること
により、絶縁体の内面と検出素子の外面とが封止された
構造を有する。そして、上述の課題を解決するために、
その第一の構成は、検出素子の軸断面外形は正方形状、
長方形状又は楕円状とされる場合に、絶縁体の空隙部の
内面の軸断面輪郭形状を、検出素子の断面外形に倣うよ
うに形成したことを特徴とする。

【０００６】検出素子の軸断面が正方形状、長方形状又
は楕円状となる場合、絶縁体の空隙部内面の軸断面輪
郭、すなわち該空隙部に充填される封着材層の軸断面外
形を上記検出素子の軸断面外形に倣う形状とすること
で、検出素子の周囲には封着材層を均一な厚さで形成で
きる。これにより、例えば長方形断面の検出素子の周囲
に円形断面の封着材層を形成する従来のガスセンサのよ
うな、薄肉部への応力集中を回避でき、ひいては封着材
層の耐久性を向上させることができる。

【０００７】また、本発明のガスセンサの第二の構成
は、次のような特徴を有する（以下、図３（ａ）及び
（ｃ）参照）。すなわち、検出素子（２）の軸線と直交
する平面Ｑによる該検出素子２の軸断面外形が長方形状
とされ、その平面Ｑ上において、検出素子（２）の軸断
面外形の重心位置Ｇを通って該検出素子（２）の軸断面
外形の両短辺と直交する直線Ｌ1を引き、その直線Ｌ1と
空隙部（３１）の内面の軸断面輪郭との２つの交点をそ
れぞれＰ1，Ｐ2とし、同じく上記重心位置Ｇを通って該
検出素子（２）の軸断面外形の両長辺と直交する直線Ｌ
2を引き、その直線Ｌ2と空隙部（３１）の内面の軸断面
輪郭との２つの交点をそれぞれＰ3，Ｐ4として、距離Ｇ
Ｐ1及びＧＰ2のうち大きい方（ＧＰ1＝ＧＰ2の場合はそ
のいずれか）を半径として重心位置Ｇを中心とする円Ｃ
を描いた場合に、点Ｐ3及びＰ4がいずれも円Ｃの内側に
存在するように、空隙部（３１）の内面の軸断面輪郭形
状が定められる。

【０００８】検出素子が長方形状の軸断面形状を有する
場合、図１４に示すように絶縁体の空隙部内面の軸断面
輪郭、すなわち該空隙部に充填される封着材層の軸断面
外形を円状とすれば、検出素子断面の長辺に沿う領域に
おいて封着材層に厚肉部が生じ、短辺に沿って形成され
る薄肉部への応力集中を招く原因となっていた。そこ
で、上記本発明の第二の構成のように、円Ｃの内側に点
Ｐ3及びＰ4が存在するように、絶縁体の空隙部の内面の
軸断面輪郭形状（あるいは封着材層の軸断面外形形状）
を設定することで、封着材層は、その検出素子の軸断面
長辺に沿う領域の肉厚を減ずることができ、上記問題を
回避することが可能となる。

【０００９】検出素子の周囲に形成される封着材層の軸
断面厚さは、その平均値において０．２〜５ｍｍの範囲
で調整することが望ましい。封着材層の軸断面厚さが
０．２ｍｍ未満になると、検出素子と絶縁体との間の気
密性が損なわれる場合がある。また、自動車等に搭載さ
れるガスセンサは近年急速に小型化・軽量化が進んでお
り、限られたスペース内で厚さ５ｍｍ以上の封着材層厚
さを確保することは困難となってきている。また、封着
材層の軸断面厚さが５ｍｍを超えた場合、その熱収縮変
位の絶対値が大きくなることから、内側に配される検出
素子に付加される熱応力のレベルも高くなり、検出素子
の寿命が損なわれることもありうる。封着材層の軸断面
厚さは、より望ましくは０．３〜３ｍｍの範囲で調整す
ることが望ましい。

【００１０】また、検出素子の軸断面が長方形状である
場合、その短辺に沿う領域と長辺に沿う領域とで、封着
材層の軸断面厚さの最大値を概ね等しく設定することが
望ましい。具体的には、空隙部の内面の軸断面輪郭は、
重心位置を検出素子の断面の重心位置とほぼ一致させる
とともに、当該断面に倣う長方形状に形成するのがよ
い。この場合、該内面の軸断面輪郭の４つの角部には、
応力集中を緩和するためのアールあるいは面取りを施す
ことが望ましい。一方、空隙部の内面の軸断面輪郭は、
重心位置を検出素子の長方形状の軸断面の重心位置とほ
ぼ一致させるとともに、長軸方向が検出素子の軸断面の
長辺方向に沿う楕円形状に形成してもよい。

【００１１】なお、上記本発明のガスセンサにおいて
は、次のような構成も可能である。すなわち、ガスセン
サを、外筒と、その外筒の内側に配置された主体金具
と、その主体金具の内側に配置され、測定対象となるガ
ス中の被検出成分を検出する検出素子と、ガラスを主体
に構成され、主体金具の内面と検出素子の外面との間、
又は主体金具の内側において検出素子との間に配置され
る絶縁体の内面と検出素子の外面との間を封着する封着
材層と、多孔質無機物質により構成され、検出素子の軸
線方向において封着材層の少なくとも一方の端部側に配
置される緩衝層とを有するものとして構成する。

【００１２】上記本発明のガスセンサの構造において、
検出素子の軸線方向において封着材層の少なくとも一方
の端部側に、多孔質無機物質で構成された緩衝層が配置
されている。これにより、該検出素子の封着材層に覆わ
れている部分とそうでない部分との境界付近に過度な応
力が集中しにくくなり、検出素子の寿命を延ばすことが
できる。この場合、緩衝層は、次のような効果を有して
いるものと推測される。検出素子に対し機械的あるい
は熱的な衝撃力が作用した場合において、封着材層に覆
われていない部分を支持してこれが軸線と交差する向き
に変位すること、ひいては検出素子に局所的な強い曲げ
応力が加わることを抑制する。ガラス封着工程で加熱
／冷却を受けた場合に、封着材層を構成するガラス、検
出素子、主体金具あるいは絶縁体相互間の収縮差に起因
して検出素子に加わろうとする径方向の圧縮力あるいは
曲げ応力等を緩和する。

【００１３】なお、緩衝層は封着材層と接するように配
置してもよいし、封着材層との間に所定の隙間をもって
配置したり、あるいは他層を間に挟んで配置するように
してもよい。

【００１４】緩衝層は、検出素子の軸線方向において封
着材層の両方の端部側に配置すれば、封着材層の各端に
おいて検出素子への応力集中を緩和することができ、ひ
いては検出素子の耐久性をさらに向上させることができ
る。この場合、封着材層の両端に形成される緩衝層は、
同一の材質で構成しても互いに異なる材質で構成しても
いずれでもよい。

【００１５】検出素子は、先端部に検出部が形成された
長尺形態をなし、その検出部を突出させる形で主体金具
に挿通させる構成とすることができる。この場合、緩衝
層は、検出素子の軸線方向において封着材層に対し該検
出素子の先端部に近い側の端に接するものが、封着材層
に含まれるガラスよりも耐熱性に優れた充填材粒子と、
その充填材粒子の隙間の一部を埋めるとともに封着材層
に含まれるガラスよりも耐熱性に優れ、かつ充填材粒子
よりも軟化温度の低い結合粒子とを含むものとして構成
できる。

【００１６】すなわち、検出素子の先端部に近い側に位
置する緩衝層は、封着材層よりも高温にさらされやす
い。そこでこれを、封着材層に含まれるガラスよりも耐
熱性に優れた充填材粒子が、それよりは軟化温度が低い
が上記ガラスよりは耐熱性に優れた結合粒子により結合
・保持された構成とすることで、封着材層よりもさらに
厳しい環境におかれる該緩衝層に、応力緩和機能ととも
に十分な耐熱性能も付与することが可能となる。この場
合、充填材粒子としてはＡｌ₂Ｏ₃あるいはタルクを主体
とするものが使用でき、伝熱性と耐熱性との双方に優れ
ていることからＡｌ₂Ｏ₃を特に好適に使用できる。ま
た、結合粒子は、封着材層の形成温度（封着温度）にお
いて互いに溶着可能な粒子、例えば粘土粒子を好適に使
用できる。

【００１７】検出部を突出させる形で検出素子を主体金
具に挿通するとともに、検出部の突出している側におい
て封着材層に接するように緩衝層を配置する構成におい
ては、当該緩衝層は検出素子の軸線方向における先端側
が後端側よりも径小となるように形成することが好まし
い。すなわち、緩衝層は、主体金具あるいは絶縁体に形
成された空隙部に検出素子を挿入しておき、さらにその
空隙部に緩衝層の形成材料粉末（あるいは粉末成形体）
を充填した後、これを所定の封着温度に加熱することで
形成することができる。この場合、緩衝層の形状（換言
すれば、主体金具あるいは絶縁体の空隙部内面形状）を
上述のようなものとすることで、上記形成材料粉末を空
隙部に充填する際にその径小側で粉末の充填密度を高め
ることができ、ひいては検出素子と緩衝層との間のシー
ル性が向上する。

【００１８】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態を、図
面に示す実施例を参照して説明する。図１には、この発
明のガスセンサの一実施例として、自動車等の排気ガス
中の酸素濃度を検出する酸素センサ１を示している。こ
の酸素センサ１は通称λセンサあるいはＯ₂センサと呼
ばれるもので、セラミック素子２（検出素子）を備え、
その先端側が排気管内を流れる高温の排気ガスに晒され
る。

【００１９】セラミック素子２は方形状断面を有する細
長い板状に形成され、図２（ａ）に示すように、それぞ
れ横長板状に形成された酸素濃淡電池素子２１と、該酸
素濃淡電池素子２１を所定の活性化温度に加熱するヒー
タ２２とが積層されたものとして構成されている。酸素
濃淡電池素子２１は、酸素イオン伝導性を有する固体電
解質により構成されている。そのような固体電解質とし
ては、Ｙ₂Ｏ₃ないしＣａＯを固溶させたＺｒＯ₂が代表
的なものであるが、それ以外のアルカリ土類金属ないし
希土類金属の酸化物とＺｒＯ₂との固溶体を使用しても
よい。また、ベースとなるＺｒＯ₂にはＨｆＯ₂が含有さ
れていてもよい。一方、ヒータ２２は、高融点金属ある
いは導電性セラミックで構成された抵抗発熱体パターン
２３をセラミック基体中に埋設した公知のセラミックヒ
ータで構成されている。

【００２０】酸素濃淡電池素子２１には、その長手方向
における一方の端部（主体金具３の先端より突出する部
分）寄りにおいてその両面に、酸素分子解離能を有した
多孔質電極２５，２６が形成されており、それら電極２
５，２６及びそれらの間に挟まれる固体電解質部分とが
検出部Ｄを形成することとなる。

【００２１】各多孔質電極２５，２６からは、該酸素濃
淡電池素子２１の長手方向に沿って酸素センサ１の取付
基端側に向けて延びる電極リード部２５ａ，２６ａがそ
れぞれ一体に形成されている。このうち、ヒータ２２と
対向しない側の電極２５からの電極リード部２５ａは、
その末端が電極端子部７として使用される。一方、ヒー
タ２２に対向する側の電極２６の電極リード部２６ａ
は、図２（ｃ）に示すように、酸素濃淡電池素子２１を
厚さ方向に横切るビア２６ｂにより反対側の素子面に形
成された電極端子部７と接続されている。すなわち、酸
素濃淡電池素子２１は、両多孔質電極２５，２６の電極
端子部７が電極２５側の板面末端に並んで形成される形
となっている。上記各電極、電極端子部及びビアは、Ｐ
ｔ又はＰｔ合金など、酸素分子解離反応の触媒活性を有
した金属粉末のペーストを用いてスクリーン印刷等によ
りパターン形成し、これを焼成することにより得られる
ものである。

【００２２】一方、ヒータ２２の抵抗発熱体パターン２
３に通電するためのリード部２３ａ，２３ａも、図２
（ｄ）に示すように、ヒータ２２の酸素濃淡電池素子２
１と対向しない側の板面末端に形成された電極端子部
７，７に、それぞれビア２３ｂを介して接続されてい
る。

【００２３】図２（ｂ）に示すように、酸素濃淡電池素
子２１とヒータ２２とは、ＺｒＯ₂系セラミックあるい
はＡｌ₂Ｏ₃系セラミック等のセラミック層２７を介して
互いに接合される。そして、その接合側の多孔質電極２
６には、電極リード部２６ａ（これも多孔質である）が
接合されるとともに、反対側の多孔質電極２５との間に
は、多孔質電極２６側に酸素が汲み込まれる方向に微小
なポンピング電流が印加され、そのポンピングされた酸
素は電極リード部２６ａを経て大気中に放出される。こ
れにより、多孔質電極２６内の酸素濃度は大気よりも若
干高い値に保持され、酸素基準電極として機能すること
となる。一方、反対側の多孔質電極２５は排気ガスと接
触する検出側電極となる。

【００２４】このようなセラミック素子２が、図１に示
すように、主体金具３の内側に配置された絶縁体４の挿
通孔３０に挿通され、先端の検出部Ｄが、排気管に固定
される主体金具３の先端より突出した状態で絶縁体４内
に固定される。絶縁体４には、その軸線方向において挿
通孔３０の後端に一端が連通し、他端が絶縁体４の後端
面に開口するとともに軸断面が該挿通孔３０よりも大径
の空隙部３１が形成されている。そして、その空隙部３
１の内面とセラミック素子２の外面との間は、ガラス
（例えば結晶化亜鉛シリカホウ酸系ガラス、軟化温度６
６０℃）を主体に構成される封着材層３２により封着さ
れている。

【００２５】図３（ｂ）に示すように、セラミック素子
２の軸断面外形は略長方形状とされる。一方、絶縁体４
の空隙部３１の内面の軸断面輪郭形状、すなわち封着材
層３２の軸断面外形形状は、セラミック素子２の断面外
形に倣う長方形状とされ、４つの角部には、応力集中を
緩和するためのアール（あるいは面取り）が施されてい
る。なお、このアールないし面取りの大きさは０．３〜
３ｍｍの範囲で調整するのがよい。また、セラミック素
子２の軸断面外形の重心位置と、絶縁体４の空隙部３１
の内面の軸断面輪郭の重心位置とはほぼ一致している。

【００２６】上記封着材層３２あるいは空隙部３１の軸
断面形状は、見方を変えれば次のように表現することも
できる。すなわち、図３（ｃ）に示すように、セラミッ
ク素子２の軸線と直交する平面Ｑ（図３（ａ））上にお
いて、セラミック素子２の軸断面外形の重心位置Ｇを通
って該セラミック素子２の軸断面外形の両短辺と直交す
る直線Ｌ1を引き、その直線Ｌ1と空隙部３１の内面の軸
断面輪郭との２つの交点をそれぞれＰ1，Ｐ2とする。ま
た、同じく上記重心位置Ｇを通って該セラミック素子２
の軸断面外形の両長辺と直交する直線Ｌ2を引き、その
直線Ｌ2と空隙部３１の内面の軸断面輪郭との２つの交
点をそれぞれＰ3，Ｐ4とする。そして、空隙部３１の内
面の軸断面輪郭形状は、距離ＧＰ1及びＧＰ2のうち大き
い方（ＧＰ1＝ＧＰ2のときはそのいずれか）を半径とし
て重心位置Ｇを中心とする円Ｃを描いた場合に、点Ｐ3
及びＰ4がいずれも円Ｃの内側に存在するものとされて
いる。

【００２７】また、図３（ｂ）に示すように、セラミッ
ク素子２の周囲に形成される封着材層３２の軸断面厚さ
ｔは、０．２〜５ｍｍ、望ましくは０．３〜３ｍｍの範
囲で調整されている。また、セラミック素子２の軸断面
短辺に沿う領域と長辺に沿う領域とで、封着材層３２の
軸断面厚さｔは概ね等しく設定されている。

【００２８】次に、図１に示すように、絶縁体４と主体
金具３との間には、それらに軸線方向に隣接してタルク
リング３６とかしめリング３７とがはめ込まれ、主体金
具３の後端側外周部をかしめリング３７を介して絶縁体
４側にかしめることにより、絶縁体４と主体金具３とが
固定されている。また、主体金具３の先端外周には、セ
ラミック素子２の突出部分を覆う金属製の２重のプロテ
クトカバー６ａ，６ｂがレーザー溶接あるいは抵抗溶接
（例えばスポット溶接）等によって固着されている。こ
れらカバー６ａ，６ｂはキャップ状を呈するもので、そ
の先端や周囲に、排気管内を流れる高温の排気ガスをカ
バー６内に導く開口６ｃ，６ｄが形成されている。一
方、主体金具３の後端部は外筒１８の先端部内側に挿入
され、その重なり部において周方向に環状に形成された
結合部としての溶接部（例えばレーザー溶接部）３５に
より互いに気密状態で接合されている。なお、結合部は
溶接部３５に代えて環状のかしめ部としてもよいが、特
に高い防水性が望まれる用途に使用する場合は、レーザ
ー溶接等による溶接部の方が液密性に優れているのでよ
り望ましいといえる。

【００２９】一方、図２に示すセラミック素子２の各電
極端子部７（４極を総称する）には、図１に示すように
コネクタ部１３を介してリード線１４が電気的に接続さ
れている。都合４本のリード線１４は、外筒１８の末端
内側に嵌め込まれたグロメット１５を貫通して外部に延
び、それらの先端にコネクタプラグ１６が連結され、各
リード線１４の外部に延びる部分には、これらを収束し
て保護する保護チューブ１７が被せられている。

【００３０】以下、酸素センサ１の作動について説明す
る。図１に示すように、酸素センサ１は、主体金具３の
ねじ部３ａにおいて車両の排気管等に固定され、またコ
ネクタプラグ１６が図示しないコントローラに接続され
て使用に供される。そして、その検出部Ｄが排気ガスに
晒されると、酸素濃淡電池素子２１の多孔質電極２５
（図２）が排気ガスと接触し、酸素濃淡電池素子２１に
は該排気ガス中の酸素濃度に応じた酸素濃淡電池起電力
が生じる。この起電力が、電極リード部２５ａ及び２６
ａを経て電極端子部７，７、さらにはリード線１４，１
４を介してセンサ出力として取り出される。この種のλ
センサ（あるいはＯ₂センサ）は、排気ガス組成が理論
空燃比となる近傍で濃淡電池起電力が急激に変化する特
性を示すことから、空燃比検出用に広く使用されるもの
である。

【００３１】ここで、酸素センサ１は、エキゾーストマ
ニホルドや車両の足周り部分に近い排気管等に取り付け
られるので高温にさらされるとともに、水しぶき等がか
かったりすると急冷され、熱衝撃も加わりやすい。この
場合、図１４に示すように、絶縁体１０４の空隙部１３
１内面の軸断面輪郭が円状であると、検出素子１０２の
軸断面の短辺に沿って形成される封着材層１３２の薄肉
部に応力集中を起こしやすい。しかしながら、図３
（ｂ）に示す本発明の構成によれば、封着材層３２は、
セラミック素子２の軸断面長辺に沿う領域の肉厚を減ず
ることができ、上記問題を回避することができる。

【００３２】なお、図４に示すように、セラミック素子
２が正方形状の軸断面外形を有する場合には、空隙部３
１内面の軸断面輪郭（あるいは封着材層３２の軸断面外
形）をこれに倣う正方形状とすることができる。一方、
セラミック素子２が長方形状の軸断面外形を有する場
合、図５（ａ）に示すように、空隙部３１内面の軸断面
輪郭（あるいは封着材層３２の軸断面外形）は、重心位
置をセラミック素子２の長方形状の軸断面の重心位置と
ほぼ一致させるとともに、長軸方向がセラミック素子２
の軸断面の長辺方向に沿う楕円形状に形成してもよい。
さらに、図５（ｂ）に示すように、セラミック素子２が
楕円形状の軸断面外形を有する場合、空隙部３１内面の
軸断面輪郭（あるいは封着材層３２の軸断面外形）を同
様の楕円形状に形成することができる。

【００３３】次に、図６に示すように、セラミック素子
２の軸線方向において封着材層３２の両側には、セラミ
ック素子２の外面と空隙部３１の内面との間を埋めるよ
うに緩衝層３３及び３４をそれぞれ形成することができ
る。これら緩衝層３３，３４は、図７に示すように、い
ずれも多孔質無機物質により構成されており、具体的に
は封着材層３２に含まれるガラスよりも耐熱性に優れた
充填材粒子２０と、その充填材粒子２０の隙間の一部を
埋めるとともに充填材粒子２０よりも軟化温度の低い結
合粒子２１とを含んだものとして構成される。このう
ち、セラミック素子２の軸線方向において封着材層３２
に対し、該セラミック素子２の先端部に近い側の端に接
する緩衝層３４は、充填材粒子２０がＡｌ₂Ｏ₃粒子によ
り、また、結合粒子２１が封着材層３２に含まれるガラ
スよりも耐熱性に優れ、かつ充填材粒子２０よりも軟化
温度の低い粒子、例えば粘土粒子により構成されてい
る。粘土粒子は、含水アルミノケイ酸塩を主体に構成さ
れるものを使用でき、例えばアロフェン、イモゴライ
ト、ヒシンゲライト、スメクタイト、カオリナイト、ハ
ロイサイト、モンモリロナイト、イライト、バーミキュ
ライト等の粘土鉱物（あるいはそれらの合成物）の２種
以上を主体とするものとして構成できる。また、含有さ
れる酸化物系成分の観点においては、ＳｉＯ₂及びＡｌ₂
Ｏ₃を含有し、さらに必要に応じてＦｅ₂Ｏ₃、ＴｉＯ₂、
ＣａＯ、ＭｇＯ、Ｎａ₂Ｏ及びＫ₂Ｏ等の１種又は２種以
上を主に含有するものを使用することができる。

【００３４】なお、図６に示すように、セラミック素子
２の軸線方向において絶縁体４の空隙部３１の内面先端
側は、テーパ面状にこれを縮径して縮径部３１ａを形成
しており、緩衝層３４の先端外面もこれに対応する縮径
部３４ａとなっている。

【００３５】一方、セラミック素子２の軸線方向におい
て封着材層３２に対し、該セラミック素子２の先端部か
ら遠い側の端に接する緩衝層３３は、充填材粒子２０
（図７）がタルク粒子により、また、結合粒子２１（図
７）が封着材層３２に含まれるガラスよりも軟化温度が
やや高い粒子、例えば結晶化ガラス粒子（例えば結晶化
亜鉛シリカホウ酸系ガラス；軟化温度６８０℃）により
構成されている。

【００３６】セラミック素子２と絶縁体４との上記封着
構造は、例えば以下のようにして製造することができ
る。まず、緩衝層３４を形成するための形成材料粉末、
本実施例では充填材粒子２０となるＡｌ₂Ｏ₃粉末と、結
合粒子２１となる粘土粉末との混合粉末とをプレス成形
等により予め成形することにより、図９（ａ）に示す粉
末成形体５０を作製する。この粉末成形体５０は、中央
部を軸方向に貫通する挿通孔５０ｂを有する。

【００３７】次に、このような粉末成形体５０の挿通孔
５０ｂに対しセラミック素子２を挿通し、そのセラミッ
ク素子２の先端側を絶縁体４の挿通孔３０に挿入すると
ともに、粉末成形体５０を絶縁体４の空隙部３１内に収
容し、粉末成形体５０をセラミック素子２の軸方向に軽
く圧する。このとき、図９（ｂ）に示すように、粉末成
形体５０は空隙部３１の縮径部３１ａに押し付けられ、
該縮径部３１ａから径方向の反作用を受けて対応する形
状に変形しつつ押し固められる。次に、図９（ｃ）に示
すように、ガラスを主体とする無機材料粉末を筒状に成
形して粉末成形体５１を作り、これをその挿通孔５１ａ
においてセラミック素子２に対し後方側から外装し、粉
末成形体５０と隣接させる形で空隙部３１内に配置する
ことにより、絶縁体／検出素子アセンブリ６０を得る。
これにより、セラミック素子２と絶縁体４の挿通孔３０
との間のシール性を向上させることとなる。

【００３８】この状態で、絶縁体／検出素子アセンブリ
６０を温度８００〜１０００℃に加熱することにより、
粉末成形体５１は、そのガラスを主体とする無機材料粉
末が互いに溶着して封着材層３２となり、セラミック素
子２と絶縁体４との間を封着する。一方、粉末成形体５
０は、Ａｌ₂Ｏ₃粉末粒子を分散させた状態で粘土粉末粒
子が互いに溶着し、図９（ｄ）に示す構造の緩衝層３４
となる。

【００３９】次に、図１０（ａ）に示すように、空隙部
３１の後端部において、セラミック素子２と絶縁体４と
の間に緩衝層３３の形成材料粉末５２（本実施例ではタ
ルクと前述の結晶化ガラスとの混合粉末）を充填して軽
くこれを圧した後、再び温度７００〜１０００℃（望ま
しくは７００℃〜９００℃）に加熱する。これにより、
同図（ｂ）に示すように、形成材料粉末５２の充填層は
その結晶化ガラス粉末が互いに溶着して緩衝層３３が形
成される。なお、形成材料粉末５２を空隙部３１に直接
充填する代わりに、これをプレス成形等により予め成形
体として空隙部３１内に配置するようにしてもよい。

【００４０】酸素センサ１は、前述の通り、エキゾース
トマニホルドや車両の足周り部分に近い排気管等に取り
付けられることが多い。この場合、車軸からの飛石等が
センサに当たったり、あるいは高温にさらされた状態で
水しぶき等を受けることにより、強い機械的衝撃や熱衝
撃が加わることもある。ここで、従来の酸素センサの構
成では、図８（ａ）に示すように、絶縁体４の空隙部３
１にはガラスを主体とする封着材層３２のみが形成され
る形となっているが、例えば飛石等からの衝撃や熱衝撃
等によりセラミック素子２に曲げ応力が加わると、その
軸線方向において封着材層３２に覆われている部分とそ
うでない部分との境界付近に応力集中を生じやすく、セ
ラミック素子２の寿命を損ねることがある。

【００４１】しかしながら、上記構成によれば、図８
（ｂ）に示すように、セラミック素子２の軸線方向にお
いて封着材層３２の両側に、多孔質無機物質で構成され
た緩衝層３３，３４が配置されていることから、セラミ
ック素子２に対し機械的あるいは熱的な衝撃力が作用し
ても、上記境界付近に過度な応力が集中しにくくなり、
セラミック素子２の寿命を延ばすことができる。この場
合、緩衝層３３，３４は、封着材層３２に覆われていな
い部分を支持し、これが軸線と交差する向きに変位する
こと、ひいては強い曲げ応力が加わることを抑制する働
きをなすものと推測される。また、ガラス封着工程で加
熱／冷却を受けた場合に、封着材層３２を構成するガラ
ス、セラミック素子２、主体金具３あるいは絶縁体４等
の収縮差に起因してセラミック素子２に加わろうとする
径方向の圧縮力あるいは曲げ応力等を緩和する働きを有
しているとも考えられる。これにより、ガラス封着時に
おけるセラミック素子２の耐久性も向上し、ひいてはセ
ンサの製造歩留まりを高めることが可能となる。

【００４２】なお、セラミック素子２の先端部が高温の
排気管内等に配置される関係上、封着材層３２は、セラ
ミック素子２の軸線方向において前端側が特に熱の影響
を受けやすいが、後端側は熱源から遠いこともあって、
使用環境によっては熱の影響が比較的小さいこともあ
る。この場合、図１１（ａ）に示すように、絶縁体４の
後端側に位置する緩衝層３３は省略することが可能であ
る。

【００４３】また、緩衝層３４の前端側の縮径部３１ａ
は、図１１（ｂ）に示すように段付き面とすることも可
能である。

【００４４】なお、以上の実施例ではガスセンサは、検
出素子（セラミック素子）として酸素濃淡電池素子のみ
を用いるλセンサとして構成されていたが、これを他の
タイプのガスセンサ素子として構成することも可能であ
る。以下、いくつかの例を示す。まず、図１２は全領域
酸素センサ素子とした場合の概念図である。この場合、
セラミック素子６０はそれぞれ酸素イオン伝導性固体電
解質で構成される酸素ポンプ素子６１と酸素濃淡電池素
子６２とが測定室６５を挟んで対向配置された構造を有
し、排気ガスは多孔質セラミック等で構成された拡散孔
６７を通って測定室６５に導入される。なお、符号６９
は、酸素ポンプ素子６１と酸素濃淡電池素子６２とを加
熱するためのヒータである。そして、酸素濃淡電池素子
６２は、素子内に埋設された電極６３を酸素基準電極と
して、測定室６５側の電極６４との間に生ずる濃淡電池
起電力により、測定室６５内の酸素濃度を測定する。一
方、酸素ポンプ素子６１には電極６６及び６８を介して
図示しない外部電源により電圧が印加され、その電圧の
向きと大きさにより定まる速度で、測定室６５に対し酸
素を汲み込む又は汲み出すようになっている。そして、
該酸素ポンプ素子６１の作動は、酸素濃淡電池素子６２
が検知する測定室６５内の酸素濃度に基づいて図示しな
い制御部により、該測定室６５内の酸素濃度が一定に保
持されるように制御され、このときの酸素ポンプ素子６
１のポンプ電流に基づいて排気ガスの酸素濃度を検出す
る。

【００４５】また、図１３は、セラミック素子を２チャ
ンバー方式のＮＯ_Xセンサ素子とした場合の例を示して
いる。セラミック素子７０はＺｒＯ₂等の酸素イオン伝
導性固体電解質で構成され、その内部には第一及び第二
の測定室７１，７２が隔壁７１ａを挟んで形成されると
ともに、上記隔壁７１ａには多孔質セラミック等で構成
されてそれらを互いに連通させる第二拡散孔７３が形成
されている。また、第一測定室７１は第一拡散孔７４に
より周囲雰囲気と連通している。そして、第一測定室７
１に対しては電極７６及び７７を有する第一酸素ポンプ
素子７５が、また、第二測定室７２に対しては電極７９
及び８０を有する第二酸素ポンプ素子７８が、それぞれ
壁部７１ａに関して反対側に位置している。また、隔壁
７１ａには、第一測定室７１内の酸素濃度を検出する酸
素濃淡電池素子８３（隔壁７１ａ内の酸素基準電極８１
と、第一測定室７１に面する対向電極８２を有する）が
形成されている。なお、符号８６は、第一酸素ポンプ素
子７５、第二酸素ポンプ素子７８及び酸素濃淡電池素子
８３を加熱するためのヒータである。

【００４６】その作動であるが、まず第一測定室７１内
に周囲雰囲気のガスが第一拡散孔７４を通って導入され
る。そして、その導入されたガスから酸素が第一酸素ポ
ンプ素子７５により汲み出される。なお、測定室内の酸
素濃度は酸素濃淡電池素子８３により検出され、その検
出値に基づいて図示しない制御部により第一の酸素ポン
プ素子７５は、第一測定室７１内のガス中の酸素濃度
が、ＮＯ_Xの分解を起こさない程度の一定値となるよう
に、その酸素汲み出しのための作動が制御される。この
ようにして酸素が減じたガスは第二測定室７２へ第二拡
散孔７３を通って移動し、そこでガス中のＮＯ_Xと酸素
とが完全に分解するように、第二酸素ポンプ素子７８に
より酸素が汲み出される。このときの第二酸素ポンプ素
子７８のポンプ電流に基づいてガス中のＮＯ_Xの濃度を
検出する。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明のガスセンサの一例を示す酸素センサの
縦断面図。

【図２】その検出素子としてのセラミック素子の構造を
示す説明図。

【図３】図１の酸素センサの要部を示す縦断面図、その
Ａ−Ａ断面図、及びその要部拡大説明図。

【図４】図１の酸素センサの変形例を示す軸断面図。

【図５】図１の酸素センサのさらに別のいくつかの変形
例を示す軸断面図。

【図６】図１の酸素センサにおいて、封着材層に隣接し
て緩衝層を設けた変形例を示す軸断面図。

【図７】緩衝層の組織の一例を示す模式図。

【図８】緩衝層の作用説明図。

【図９】図６の酸素センサの製造工程の一例を示す説明
図。

【図１０】図９に続く説明図。

【図１１】図６の酸素センサおける緩衝層の形成形態の
いくつかの変形例を示す断面図。

【図１２】セラミック素子が全領域酸素センサ素子で構
成される例を示す断面模式図。

【図１３】同じくＮＯ_Xセンサ素子で構成される例を示
す断面模式図。

【図１４】従来のガスセンサの要部を示す縦断面図及び
軸断面図。

【符号の説明】

１酸素センサ（ガスセンサ）２，６０，７０セラミック素子（検出素子）３主体金具１８外筒３０挿通孔３１空隙部３２封着材層３３，３４緩衝層

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者薮田勝久愛知県名古屋市瑞穂区高辻町14番18号日本特殊陶業株式会社内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】主体金具の内側に絶縁体が配置され、測定対象となるガス中の被検出成分を検出する検出素子
がその絶縁体の内側に配置され、前記絶縁体には、前記検出素子の周囲に空隙部が形成さ
れ、ガラスを主体に構成された封着材をその空隙部に充
填することにより、前記絶縁体の内面と前記検出素子の
外面とが封止されるとともに、前記検出素子の軸断面外形が正方形状、長方形状又は楕
円状とされ、同じく前記絶縁体の前記空隙部の内面の軸
断面形状が、前記検出素子の前記軸断面外形に倣うよう
に形成されたことを特徴とするガスセンサ。
【請求項２】主体金具の内側に絶縁体が配置され、測定対象となるガス中の被検出成分を検出する検出素子
がその絶縁体の内側に配置され、前記絶縁体には、前記検出素子の周囲に空隙部が形成さ
れ、ガラスを主体に構成された封着材をその空隙部に充
填することにより、前記絶縁体の内面と前記検出素子の
外面とが封止されるとともに、前記検出素子の軸線と直交する平面Ｑによる該検出素子
の軸断面外形が長方形状とされ、前記平面Ｑ上において、前記検出素子の軸断面外形の重
心位置Ｇを通って該検出素子の軸断面外形の両短辺と直
交する直線Ｌ1を引き、その直線Ｌ1と前記空隙部の内面
輪郭との２つの交点をそれぞれＰ1，Ｐ2とし、同じく前
記重心位置Ｇを通って該検出素子の軸断面外形の両長辺
と直交する直線Ｌ2を引き、その直線Ｌ2と前記空隙部の
内面の軸断面輪郭との２つの交点をそれぞれＰ3，Ｐ4と
して、距離ＧＰ1及びＧＰ2のうち大きい方を半径として
前記重心位置Ｇを中心とする円Ｃを描いた場合に、前記
点Ｐ3及びＰ4がいずれも前記円Ｃの内側に存在するよう
に、前記空隙部の内面の軸断面輪郭形状が定められてい
ることを特徴とするガスセンサ。
【請求項３】前記空隙部の内面の軸断面輪郭は、重心
位置を前記検出素子の長方形状の軸断面の重心位置とほ
ぼ一致させるとともに、長軸方向が前記検出素子の軸断
面の長辺方向に沿う楕円形状に形成されている請求項２
記載のガスセンサ。
【請求項４】前記空隙部の内面の軸断面輪郭は、重心
位置を前記検出素子の長方形状の軸断面の重心位置とほ
ぼ一致させるとともに、当該断面に倣う長方形状に形成
されている請求項１又は２に記載のガスセンサ。