JPH11258203A - ガスセンサ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 熱処理時のセンサ素子のクラックを防止して
歩留まりを向上させる。 【解決手段】 感ガス素子７０とヒータ７２とをセメン
ト７４にて接着した積層体７６の基端部７８には、感ガ
ス素子７０の底面７０ａから積層体７６の側面７６ａ、
７６ｂに至るセメントの隔離材８０ａ、８０ｂがコーテ
ィングされているので、滑石とガラスの混合粉末（混合
ガラス）が感ガス素子７０の稜線８２ａ、８２ｂ付近に
接触するのを防ぐことができる。これにより、第１固着
層１００、第２固着層１０２およびガラス層１０４を溶
融、固化させる際の冷却時に、混合ガラス特に第２固着
層１０２と感ガス素子７０との熱膨張差に起因する応力
が、感ガス素子７０の稜線８２ａ、８２ｂ付近に作用し
てクラックが生じるのを防止でき、歩留まりを向上させ
ることができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、ガスセンサの技術
分野に属し、詳しくは感ガス素子の基端部の保護技術に
関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、接触したガス中の特定の成分の濃
度に応じて電気的特性が変化する感ガス素子を有するガ
スセンサが知られている。いくつか例を挙げると、ガス
中の酸素の濃度を検出するための酸素センサ、窒素酸化
物（ＮＯＸ）の濃度を検出するためのＮＯＸセンサ、炭
化水素（ＨＣ）の濃度を検出するためのＨＣセンサ等が
ある。

【０００３】感ガス素子は検出対象に応じてさまざまな
ものが用いられているが、接触したガス中の特定の成分
の濃度に応じて起電力が変化するもの（起電力変化型）
や抵抗値が変化するもの（抵抗変化型）が広く使用され
ている。例えば酸素センサでは、起電力変化型としては
酸素イオン伝導性の固体電解質（一例としてジルコニ
ア）が用いられ、抵抗変化型としてはチタニア等の金属
酸化物が用いられている。また、これらの感ガス素子は
温度が低いと活性化しない性質があり、ガスセンサには
感ガス素子を活性化させるために加熱するヒータを備え
ているのが普通である。このヒータは、例えばアルミナ
等のセラミック製で、耐熱セメント等により感ガス素子
と積層されて用いられていた。

【０００４】そのようなガスセンサの構造について、内
燃機関の排気中の酸素残量を測定対象とする空燃比セン
サを例にして説明する。図５に示すように、空燃比セン
サ１０では、感ガス素子とヒータとを積層した積層体１
２からは、感ガス素子およびヒータに接続されている取
出線１４が取り出され、各取出線１４はそれぞれ１枚の
電極リード１６の一端部に溶接されている。また、電極
リード１６の他方の端部は接続端子１８を介してリード
線２０に接続されている。こうした構造により、リード
線２０を介して感ガス素子からの信号を外部に取り出す
ことができ、またヒータに電力を供給することができ
る。

【０００５】積層体１２は、取出線１４が引き出されて
いる基端部側をアルミナ製で筒状の絶縁体２２に収容さ
れ、先端部は絶縁体２２から露出されている。詳しく
は、絶縁体２２の先端部分では、積層体１２は絶縁体２
２に内挿されたアルミナ製の絶縁碍管２４に嵌挿され、
碍管接合セメント２６により絶縁碍管２４と接着されて
いる。さらに、絶縁体２２と積層体１２とは、滑石とガ
ラスの混合粉末（ガラス１２％程度）を溶融、固化した
第１充填材層２８および滑石とガラスの混合粉末（ガラ
ス５０％程度）を溶融、固化した第２充填材層３０を介
して固着されており、取出線１４と電極リード１６との
接続部分はガラス粉末（ガラス１００％）を溶融、固化
したガラス層３２によって封止されている。

【０００６】積層体１２の先端部は主体金具３４に保持
される有孔のプロテクタ３６ａ、３６ｂにて保護されて
いる。主体金具３４と絶縁体２２とは板パッキン３８お
よび滑石層４０を介在させて嵌合している。また絶縁体
２２には滑石層４０を封止するカシメリング４２が外嵌
され、カシメリング４２に嵌合する外筒４４が絶縁体２
２を内挿させている。さらに、外筒４４にはリング４６
が外嵌され、そのリング４６を覆うようにして主体金具
３４の端部３４ａがかしめられており、そのかしめによ
って主体金具３４と外筒４４が連結され、絶縁体２２が
主体金具３４に保持されている。また、主体金具３４に
は、空燃比センサ１０を検出位置に取付ける際のシール
材とされる金属ガスケット４７が外嵌されている。

【０００７】一方、外筒４４の他端には保護外筒４８が
かしめによって連結され、その保護外筒４８に内嵌され
ているゴムキャップ５０により、接続端子１８およびリ
ード線２０が保持されている。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】ところで、上述のよう
に絶縁体２２と積層体１２との間に、第１充填材層２
８、第２充填材層３０およびガラス層３２を形成する際
には、各層２８、３０、３２を形成するための粉末（滑
石とガラスの混合粉末、ガラス粉末）を絶縁体２２と積
層体１２との間に充填し、加熱によって溶融させ、それ
を冷却して固化させる方法が用いられている。その溶
融、固化により第１充填材層２８および第２充填材層３
０は、滑石とガラスの混合ガラスとなるが、第２充填材
層３０の熱膨張係数（ガラスの場合α＝５０×１０^-7／
℃で、第２充填材層３０はこれに近い）とセンサ素子と
して使用されるセラミック例えばジルコニア（ＺｒＯ
₂ ）の熱膨張係数（α＝８０〜９０×１０^-7／℃）の差
が大きいと、この熱処理に際してセンサ素子にクラック
が入ることがあった。なお、ヒータに用いられるアルミ
ナの熱膨張係数（α＝６０〜７０×１０^-7／℃）はガラ
スに近いためにクラックの発生は免れていた。

【０００９】本発明は、この熱処理に際してのセンサ素
子のクラックを防止して歩留まりを向上させることを目
的としている。

【００１０】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
の請求項１記載のガスセンサは、接触したガス中の特定
の成分の濃度に応じて電気的特性が変化する感ガス素子
と、該感ガス素子の先端部を露出させ該感ガス素子から
の電気信号を取り出すための取出線が引き出される基端
部側を収容する筒状の絶縁体と、前記感ガス素子と前記
絶縁体との間に充填された充填材と、前記感ガス素子の
先端部と測定対象のガスとの接触を可能に前記絶縁体と
共に前記感ガス素子を収容する外殻体とを備えるガスセ
ンサにおいて、前記感ガス素子の基端部の一部と前記充
填材との間に隔離材層を設たことを特徴とする。

【００１１】請求項２記載のガスセンサは、請求項１記
載のガスセンサにおいて、前記隔離材層は前記感ガス素
子の基端部の少なくとも１稜線を覆っていることを特徴
とする。請求項３記載のガスセンサは、請求項１または
２記載のガスセンサにおいて、前記隔離材層は、前記感
ガス素子の基端部に隔離材をコーティングして形成され
ていることを特徴とするガスセンサ。

【００１２】請求項４記載のガスセンサは、請求項１ま
たは２記載のガスセンサにおいて、前記隔離材層は、前
記感ガス素子の基端部に隔離材を接着して形成されてい
ることを特徴とする。

【００１３】

【発明の実施の形態】上記の請求項１記載のガスセンサ
は、感ガス素子の基端部の一部と充填材との間に隔離材
層を設けているので、隔離材が感ガス素子と充填材（例
えば滑石とガラスの混合ガラス）との接触を防ぐ。これ
により、充填材を溶融、固化させる際の冷却時に、充填
材（混合ガラス）と感ガス素子との熱膨張差に起因する
応力が、感ガス素子の一部例えば稜線付近に作用してク
ラックが生じるのを防止でき、歩留まりを向上させるこ
とができる。

【００１４】隔離材は、充填材の熱処理温度に耐えうる
無機質の材料であればよく、例えばセメント（耐熱接着
剤）、アルミナ、ムライト質、（他に具体的な材質があ
れば教えて下さい）等を使用できる。セメント等の粘性
を有する材料を使用する場合、請求項３に記載されるよ
うに、セメント等の隔離材を感ガス素子の基端部にコー
ティングして固化させて隔離材層を形成すればよい。

【００１５】アルミナ等の固体材料は、例えば粉体や粒
体を焼結等によって板状等に成形して、それを感ガス素
子の基端部に接着したり、筒状に成形して感ガス素子の
基端部を差し込む構造とできる。これら板状等の隔離材
は、請求項４記載のように、感ガス素子の基端部に隔離
材を接着して隔離材層を形成するとよい。なお、アルミ
ナ等を板状等に成形する場合、密な構造の焼結体として
も、微小孔を持つポーラス体としても、どちらでも構わ
ない。

【００１６】感ガス素子は板状とされることが多く、そ
の場合にはコーナ部分すなわち稜線付近にクラックが発
生しやすい。そこで、請求項２記載のガスセンサは、隔
離材層にて感ガス素子の基端部の少なくとも１稜線を覆
う構成としている。このようにすれば、クラックが発生
しやすい稜線付近が充填材に接触するのを防止でき、ク
ラックの発生を一層確実に防止できる。

【００１７】

【実施例】次に、本発明の実施例を図面を参照して説明
することにより発明の実施の形態をさらに具体的に説明
する。なお、ガスセンサの全体的な構成は従来例として
図５に示したものと同様であるので、以下の実施例では
本発明の要部となる部分についてのみ説明し、ガスセン
サの外殻体等の図示と説明は省略する。

【００１８】本実施例ではジルコニア（ＺｒＯ₂ 、α＝
８０〜９０×１０^-7／℃）製の感ガス素子７０と、この
感ガス素子７０を加熱するためにアルミナ（α＝６０〜
７０×１０^-7／℃）製のヒータ７２を用いている。図１
に示すように、感ガス素子７０とヒータ７２とをセメン
ト７４にて接着して積層体７６が形成されている。この
積層体７６の基端部７８においては、感ガス素子７０の
底面７０ａから積層体７６の側面７６ａ、７６ｂに至る
セメント（耐熱接着剤）の隔離材８０ａ、８０ｂがコー
ティングされており、これら隔離材８０ａ、８０ｂによ
り基端部７８の稜線８２ａ、８２ｂが被覆されている。
また、感ガス素子７０およびヒータ７２の基端部７８側
の端面からは、それぞれ取出線８４、８６が引き出され
て、電極リード８８、９０に接続されている。

【００１９】なお、電極リード８８、９０は、図４に示
されるように電極リード８８と電極リード９０とが交互
に並べられたフォーク状のリード母材９２の一部となっ
ていて、電極リード９０は、図４（ｂ）に示されるよう
に、跳ね上げるようにして折り曲げられている。取出線
８４、８６を電極リード８８、９０に溶接する際には、
電極リード８８、９０を上下方向から押さえて同一平面
上に位置させ、その状態で取出線８４、８６を溶接し、
押圧力を解除すると、電極リード９０がその弾性で跳ね
上がるように変位して、図１に示される状態になる。こ
のように電極リード９０が変形することにより取出線８
４、８６の短絡を防止できる。そして、電極リード８
８、９０は、図示しないリード線（図５参照）との接続
に先だって切断位置Ｃにおいて切断され、互いに分離さ
れる。

【００２０】積層体７６の基端部７８側はアルミナ製で
筒状の絶縁体９４に収容され、先端部９６は絶縁体９４
から露出されている。詳しくは、積層体７６は絶縁体９
４に内挿されたアルミナ製の絶縁碍管９８に嵌挿され、
碍管接合セメント９９により絶縁碍管９８と接着され、
絶縁体９４と積層体７６とは、滑石とガラスの混合粉末
（ガラス１２％）を溶融、固化した第１充填材層１００
および滑石とガラスの混合粉末（ガラス５０％）を溶
融、固化した第２充填材層１０２を介して固着されてお
り、取出線８４、８６と電極リード８８、９０との接続
部分はガラス粉末（ガラス１００％）を溶融、固化した
ガラス層１０４によって封止されている。なお、積層体
７６の基端部７８は、ほぼ第１充填材層１００内にある
が、一部は第２充填材層１０２内にある。

【００２１】このように、大部分が第１充填材層１００
内になり一部が第２充填材層１０２内になる積層体７６
の基端部７８において、隔離材８０ａ、８０ｂをコーテ
ィングして感ガス素子７０の稜線８２ａ、８２ｂを被覆
しているので、滑石とガラスの混合粉末を充填した際
に、混合粉末が感ガス素子７０の稜線８２ａ、８２ｂ付
近に接触するのを防ぐことができる。すなわち混合ガラ
スが稜線８２ａ、８２ｂ付近に接触するのを防ぐことが
できる。これにより、第１充填材層１００、第２充填材
層１０２およびガラス層１０４を溶融、固化させる際の
冷却時に、混合ガラス特に第２充填材層１０２と感ガス
素子７０との熱膨張差に起因する応力が、感ガス素子７
０の稜線８２ａ、８２ｂ付近に作用してクラックが生じ
るのを防止でき、歩留まりを向上させることができる。 （変形例１）この例は、板状の成形体を隔離材として用
いる例である。隔離材以外は実施例と同じであるので、
図１を援用して（図１と同じ品番を用いて）それらの図
示と説明は省略する。

【００２２】図２に示すように、この変形例では、アル
ミナの焼結体である隔離材１１０を積層体７６の基端部
７８にセメントを用いて接着している。隔離材１１０
は、図示するようにコの字状で、感ガス素子７０の底面
７０ａからヒータ７２の側面７６ａ、７６ｂの一部まで
を覆っている。なお、隔離材１１０の長さは実施例の隔
離材８０ａ、８０ｂとほぼ同じである。

【００２３】このように、積層体７６の基端部７８にお
いて、隔離材１１０を接着して感ガス素子７０の底面７
０ａ、稜線８２ａ、８２ｂおよび側面の一部を被覆して
いるので、滑石とガラスの混合粉末（混合ガラス）が感
ガス素子７０の底面７０ａや稜線８２ａ、８２ｂ付近に
接触するのを防ぐことができる。これにより、第１充填
材層１００、第２充填材層１０２およびガラス層１０４
を溶融、固化させる際の冷却時に、混合ガラス特に第２
充填材層１０２と感ガス素子７０との熱膨張差に起因す
る応力が、感ガス素子７０（特に稜線８２ａ、８２ｂ付
近）に作用してクラックが生じるのを防止でき、歩留ま
りを向上させることができる。

【００２４】なお、コの字状の隔離材１１０に代えて図
２（ｂ）に示されるような単板状の隔離材１１０ａを用
いてもよい。この場合、感ガス素子７０の稜線８２ａ、
８２ｂを完全に覆うわけではないが、底面７０ａは覆わ
れるので十分なクラック防止効果を期待できる。 （変形例２）この例は、筒状の成形体を隔離材として用
いる例である。隔離材以外は実施例と同じであるので、
図１を援用して（図１と同じ品番を用いて）それらの図
示と説明は省略する。

【００２５】図３に示すように、この変形例の隔離材１
２０は、外形が楕円状で積層体７６の外周に整合する
（わずかに大きい）長方形の内周形状を有する筒体であ
り、アルミナを焼結して作られている。なお、隔離材１
２０の内面には半円形の溝１２２が設けられており、こ
の溝１２２内に充填されたセメント（耐熱接着剤）１２
４により積層体７６に接着されている。なお、隔離材１
２０の長さは実施例の隔離材８０ａ、８０ｂとほぼ同じ
である。

【００２６】このように筒状の隔離材１２０を用いる
と、積層体７６の基端部７８全体を被覆することがで
き、基端部７８が滑石とガラスの混合粉末（混合ガラ
ス）に接触するのを完全に防ぐことができる。これによ
り、第１充填材層１００、第２充填材層１０２およびガ
ラス層１０４を溶融、固化させる際の冷却時に、混合ガ
ラス特に第２充填材層１０２と感ガス素子７０との熱膨
張差に起因する応力が、感ガス素子７０に作用してクラ
ックが生じるのを防止でき、歩留まりを向上させること
ができる。

【００２７】以上、実施例および変形例に従って、本発
明の実施の形態について説明したが、本発明はこれらの
例に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しな
い範囲でさまざまに実施できることは言うまでもない。
例えば、実施例ではセメントをコーティングして隔離材
層を形成しているが、これと同様の形状の成形体を接着
してもよい。また、変形例１、２では、隔離材として成
形体を使用しているが、セメント等をコーティングする
ことで変形例１、２と同様の形状の隔離材層を設けても
よい。

【００２８】

【発明の効果】請求項１記載のガスセンサは、充填材を
溶融、固化させる際の冷却時に、充填材（混合ガラス）
と感ガス素子との熱膨張差に起因する応力が、感ガス素
子の一部例えば稜線付近に作用してクラックが生じるの
を防止でき、歩留まりを向上させることができる。

【００２９】請求項２記載のガスセンサは、隔離材層に
て感ガス素子の基端部の少なくとも１稜線を覆う構成と
しているので、クラックが発生しやすい稜線付近が充填
材に接触するのを防止でき、クラックの発生を一層確実
に防止できる。請求項３記載のガスセンサは、粘性を有
する隔離材にて隔離材層を形成するのに適している。

【００３０】請求項４記載のガスセンサは、成形体の隔
離材を用いるのに適している。

【図面の簡単な説明】

【図１】 実施例のガスセンサの要部の説明図であり、
図１（ａ）は絶縁体の縦断面図、図１（ｂ）は積層体の
Ａ−Ａ線に沿った拡大端面図である。

【図２】 変形例１の説明図であり、図２（ａ）は図１
（ｂ）に対応する端面図、図２（ｂ）は単板状の隔離材
の説明図である。

【図３】 変形例２の隔離材を積層体に装着した状態
の、図１（ｂ）に対応する端面図である。

【図４】 実施例で使用しているリード母材の平面図で
ある。

【図５】 従来例のガスセンサの半断面図である。

【符号の説明】

１０…空燃比センサ（ガスセンサ） １２…積層体
１４…取出線 １６…電極リード １８…接続端子 ２０…リード
線 ２２…絶縁体 ２４…絶縁碍管 ２６…碍管接合セメント ２８…
第１充填材層 ３０…第２充填材層 ３２…ガラス層 ３４…主体
金具 ３４ａ…端部 ３６ａ、３６ｂ…プロテクタ ３８
…板パッキン ４０…滑石層 ４２…カシメリング ４４…外筒
４６…リング ４７…金属ガスケット ４８…保護外筒 ５０…ゴ
ムキャップ ７０…感ガス素子 ７０ａ…底面 ７２…ヒータ
７４…セメント ７６…積層体 ７６ａ、７６ｂ…側面 ７８…基端
部 ８０ａ、８０ｂ…隔離材 ８２ａ、８２ｂ…稜線
８４、８６…取出線 ８８、９０…電極リード ９２…リード母材 ９４
…絶縁体 ９６…先端部 ９８…絶縁碍管 ９９…碍管接合セ
メント １００…第１充填材層 １０２…第２充填材層（充填
材） １０４…ガラス層 １１０…隔離材 １１０ａ…隔
離材 １２０…隔離材 １２２…溝 １２４…セメント

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 接触したガス中の特定の成分の濃度に応
   じて電気的特性が変化する感ガス素子と、該感ガス素子
   の先端部を露出させ該感ガス素子からの電気信号を取り
   出すための取出線が引き出される基端部側を収容する筒
   状の絶縁体と、前記感ガス素子と前記絶縁体との間に充
   填された充填材と、前記感ガス素子の先端部と測定対象
   のガスとの接触を可能に前記絶縁体と共に前記感ガス素
   子を収容する外殻体とを備えるガスセンサにおいて、 前記感ガス素子の基端部の一部と前記充填材との間に隔
   離材層を設けたことを特徴とするガスセンサ。
2. 【請求項２】 請求項１記載のガスセンサにおいて、 前記隔離材層は前記感ガス素子の基端部の少なくとも１
   稜線を覆っていることを特徴とするガスセンサ。
3. 【請求項３】 請求項１または２記載のガスセンサにお
   いて、 前記隔離材層は、前記感ガス素子の基端部に隔離材をコ
   ーティングして形成されていることを特徴とするガスセ
   ンサ。
4. 【請求項４】 請求項１または２記載のガスセンサにお
   いて、 前記隔離材層は、前記感ガス素子の基端部に隔離材を接
   着して形成されていることを特徴とするガスセンサ。