KR20030011662A - 가스 센서 - Google Patents

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KR20030011662A
KR20030011662A KR1020020044633A KR20020044633A KR20030011662A KR 20030011662 A KR20030011662 A KR 20030011662A KR 1020020044633 A KR1020020044633 A KR 1020020044633A KR 20020044633 A KR20020044633 A KR 20020044633A KR 20030011662 A KR20030011662 A KR 20030011662A
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gas sensor
powder filler
housing
sensor element
particles
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사토우모토아키
고바야시기요미
야마우치마사노부
후지이나미츠구
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가부시키가이샤 덴소
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Abstract

하우징(10)과 가스 센서 소자(2)와의 사이에 형성된 충전부(14)에 분말 충전재가 충전(充塡)되어서 상기 하우징(10)과 상기 가스 센서 소자(2)와의 사이의 간극(間隙)을 공기가 통하지 않게 밀봉한다. 상기 분말 충전재는, 상기 충전부(14) 내에 충전되기 전에 측정했을 때 직경이 80㎛ 으로부터 5,000㎛ 까지의 범위 내에 있는 입자를 포함한다. 80㎛ 내지 5,000 ㎛의 직경을 갖는 상기 입자의 중량 퍼센트는 상기 분말 충전재의 전체 중량에 대하여 80% 이상이다.

Description

가스 센서{GAS SENSOR}
본 발명은 내연기관의 배기 시스템에 설치되어서, 이 기관의 연소를 제어하는 가스 센서에 관한 것이다.
내연기관의 연소를 제어하는 데에 이용되는 종래의 가스 센서는 원통형 하우징, 이 하우징에 배치되는 가스 센서 소자, 상기 하우징의 가까운 쪽 단부(端部) (proximal end)에 구성되는 대기측 커버(cover), 및 상기 하우징의 말단부(distalend)에 구성되는 피측정 가스측 커버를 포함한다.
가스 센서 소자의 선단(즉, 말단부)은 피측정 가스측 커버 내에 수용되어서, 피측정 가스에 노출된다. 가스 센서 소자의 가까운 쪽 단부는 대기측 커버에 의해서 폐쇄되어 있다. 가스 센서 소자의 출력단자는 가스 센서의 가까운 쪽 단부측으로부터 연장되어 나온다.
가스 센서 소자와 하우징과의 사이의 환상(環狀)의 간극(間隙)에는, 밀봉 부재, 절연재, 패킹(packing) 등이 배치되어서, 간극을 공기가 통하지 않게 밀폐한다.
환언하면, 가스 센서 소자와 하우징과의 사이에 배치된 밀봉 부재는 대기측 커버 내의 대기측 분위기와 피측정 가스측 커버 내의 피측정 가스 분위기를 분리하는 칸막이로서의 기능을 한다. 피측정 가스 분위기로부터 대기측 분위기 내에 피측정 가스가 새어 들어오는 경우, 가스 농도의 측정 정밀도가 저하한다. 따라서, 가스 센서 소자와 하우징과의 사이에 높은 기밀성(氣密性)을 유지하는 것이 바람직하다.
그러나, 피측정 가스는 가솔린 또는 기타의 액체 성분을 함유할 수도 있다. 이러한 액체의 특성으로 인하여, 가솔린 또는 기타의 액체 성분은 밀봉 부재(더욱 상세하게는, 이러한 밀봉 부재에 존재하는 미세한 구멍 및 간극) 내에 원활하게 침투하는 능력을 가지고 있다. 따라서, 가솔린(액체 또는 가스 형태의)은 대기측 분위기에 새어 들어갈 수도 있다. 이러한 가솔린 또는 기타의 액체 성분의 누출도 가스 농도의 측정 정밀도를 저하시킨다.
상기의 문제를 감안하여, 본 발명은 피측정 가스에 함유된 가솔린 또는 기타의 액체 성분이 밀봉 부재를 통과하여 대기측 분위기 내에 침입하는 것을 방지하는 우수한 밀봉성을 갖는 가스 센서를 제공하는 것을 목적으로 한다.
도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 의한 가스 센서를 나타내는 종단면도.
도 2는 본 발명의 바람직한 실시예에 의한 가스 센서의 주요 부분을 나타내는 확대 입면도.
도 3A, 3B 및 3C는 가솔린 밀봉성을 시험하는 방법의 설명도.
도 4는 가솔린 밀봉성 시험에 있어서의 센서 출력과 모니터 시간과의 사이의 관계를 나타내는 타임 차트.
도 5는 성형된 분말 충전재의 비중과 입자 크기와의 사이의 관계를 나타내는 그래프.
도 6은 본 발명의 바람직한 실시예에 의한 가스 센서의, 충전부의 축선 방향 길이 L, 상기 충전부에서의 요철(凹凸) 표면층의 축선 방향 길이 M, 및 전극 보호층의 축선 방향 길이 N 사이의 치수 관계를 나타내는 도면.
도 7은 본 발명의 하나의 바람직한 실시예로서 치수적으로 M=N=0을 특징으로 하는 가스 센서를 나타내는 도면.
도 8은 본 발명의 하나의 바람직한 실시예로서 치수적으로 M=N=-1mm을 특징으로 하는 가스 센서를 나타내는 도면.
도 9는 본 발명의 하나의 바람직한 실시예로서 치수적으로 N=0을 특징으로하는 가스 센서를 나타내는 도면.
도 10은 본 발명의 하나의 바람직한 실시예로서 치수적으로 N=0이고 L=M을 특징으로 하는 가스 센서를 나타내는 도면.
도 11은 본 발명의 하나의 바람직한 실시예로서 요철 표면층을 구비하고 있지 않고 치수적으로 N=0을 특징으로 하는 가스 센서를 나타내는 도면.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
1 : 가스 센서 2 : 가스 센서 소자
10 : 하우징 11 : 피측정 가스측 커버(cover)
12 : 대기측 커버 13 : 금속 패킹(packing)
14 : 충전부(充塡部) 20 : 고체 전해질체
201 : 돌출부 203 : 요철 표면층
205 : 전극 보호층
연구 개발 결과, 본 발명자는 달성하고자 하는 목표를 찾아내었고, 본 발명은 이 목표를 달성하기 위해서 도출되었다.
더욱 상세하게는, 분말 충전재(充塡材)가 이후에 설명하는 특정 범위를 제외한 다량의 미세한 입자를 포함하는 경우에는, 분말 충전재에 가압력(加壓力)이 인가된 상태에서 분말 충전재가 충전부에 충전된 후에도 입자 사이의 간극에 비교적 다량의 공기가 존재할 가능성이 있다. 따라서, 분말 충전재의 비중은 그렇게 많이 증가될 수 없다.
한편, 분말 충전재가 이후에 설명하는 특정 범위를 제외한 다량의 굵은 입자를 포함하는 경우에는, 굵은 입자가 불충분하게 분쇄되어서 인가되는 가압력이 분말 충전재의 모든 입자에 균일하게 인가되지 않을 가능성이 있다. 따라서, 분말 충전재의 비중이, 부분적으로 증가될 수 없다. 이로 인하여 분말 충전재에 인가되는 가압력을 증가시킬 필요가 있다. 그러므로, 가스 센서 소자가 파괴될 수도 있다.
상기 및 기타의 관련 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은, 하우징, 이 하우징 내에 배치되는 가스 센서 소자, 및 하우징과 가스 센서 소자와의 사이에 형성된 충전부에 충전되어서 하우징과 가스 센서 소자와의 사이의 간극을 공기가 통하지않게 밀봉하는 분말 충전재를 포함하는 제1가스 센서를 제공한다. 제1가스 센서의 분말 충전재는, 충전부 내에 충전되기 전에 측정했을 때 직경이 80㎛ 내지 5,000㎛ 범위 내에 있고, 또한 80㎛ 내지 5,000㎛의 직경을 갖는 입자의 중량 퍼센트가 분말 충전재의 전체 중량에 대하여 80% 이상인 입자를 포함한다.
본 발명의 제1가스 센서는 하우징과 가스 센서 소자와의 사이에 형성된 충전부를 구비하고 있다. 충전부에는 크기가 상기 특정 범위 내에 있는 비교적 큰 입자를 포함하는 분말 충전재가 충전된다.
비교적 큰 직경의 입자를 주로 포함하는 분말 충전재는 그 내부에 잔류 공기를 그렇게 많이 포함하지 않는다. 이 분말 충전재의 비중은 충전부 내에 충전될 때 이 분말 충전재에 간단히 가압력을 인가함으로써 용이하게 증가시킬 수 있다. 따라서, 충전부 내에 충전된 후에, 분말 충전재는 고밀도 및 더욱 높은 비중을 가지며, 따라서 분말 충전재는 더욱 높은 밀봉성을 보장한다.
또한, 제1가스 센서의 분말 충전재는 극히 큰 입자를 포함하지 않는다. 따라서, 분말 충전재를 충전할 때 분말 충전재에 매우 큰 가압력을 인가할 필요가 없다.
통상적으로, 분말 충전재의 입자 사이의 간극의 체적은, 분말 충전재의 밀도 증가 및 비중 증가에 따라서 감소한다. 매우 치밀한 분말 충전재는 모세관 작용에 의한 액체 침입을 효과적으로 억제한다.
본 발명은, 하우징, 이 하우징 내에 배치되는 가스 센서 소자, 및 하우징과 가스 센서 소자와의 사이에 형성된 충전부에 충전되어서 하우징과 가스 센서 소자와의 사이의 간극을 공기가 통하지 않게 밀봉하는 분말 충전재를 포함하는 제2가스 센서를 제공한다. 제2가스 센서의 분말 충전재는, 분말 충전재가 충전부 내에 충전되기 전에 분급(分級) 처리하여 미세 입자를 제거한 입자를 포함한다.
제2가스 센서의 분말 충전재는, 극히 작은 직경을 갖는 미세한 입자를 분급해서 미리 제거한 것을 특징으로 한다.
통상적으로, 분말 충전재는, 분말 충전재를 충전부에 충전하는 과정에서 변형되거나 또는 분쇄되면서, 입자 사이의 간극을 제거한다. 분말 충전재가 비교적 큰 입자에 의해서 성형되면, 간극은 직선적 또는 순차적으로 배열되지 않아서, 분말 충전재를 통과하여 피측정 가스 분위기로부터 대기측 분위기로 연장되는 침입 통로를 형성한다. 이것은 피측정 가스에 함유된 가솔린 또는 기타의 액체가 대기측 분위기에 새어 들어가는 것을 방지하는 데에 효과적이다. 간극이 연속적으로 연결되어서 미로(迷路; labyrinth)를 형성하더라도, 통로의 전체 길이는 가솔린 또는 기타의 액체가 대기측 분위기에 새어 들어가는 것을 억제하기에 충분히 길다.
그러나, 분말 충전재가 극히 작은 직경을 갖는 미세한 입자를 포함하면, 미세 입자는 큰 입자의 접촉면을 따라서 분포된다. 이것이 입자 사이의 접촉 또는 접착을 저하시킬 수도 있고, 또한 가솔린 또는 기타의 액체가 분말 충전재에 용이하게 침투하게 하는 침입 통로를 형성할 수도 있다.
또한, 미세 입자가 국부적으로 농축될 가능성이 있다. 이 경우에, 미로를 부분적으로 파괴하는 바람직하지 않은 지름길을 형성하여 이 미로의 실제적인 길이를 감소시킨다. 그러므로 액체 침입을 방지하는 능력이 저하된다.
따라서, 제2가스 센서는, 분급 처리되어 바람직하지 않은 미세 입자를 제거한 입자를 포함하는 분말 충전재를 사용함에 따라서, 대기측 분위기에의 가솔린 또는 기타의 액체의 침입을 효과적으로 방지한다. 결과적으로, 본 발명의 제2가스 센서는 우수한 밀봉성을 보장한다.
본 발명은, 하우징, 이 하우징 내에 배치되는 가스 센서 소자, 및 하우징과 가스 센서 소자와의 사이에 형성된 충전부에 충전되어서 하우징과 가스 센서 소자와의 사이의 간극을 공기가 통하지 않게 밀봉하는 분말 충전재를 포함하는 제3가스 센서를 제공한다. 제3가스 센서의 분말 충전재는, 분말 충전재가 충전부 내에 충전되기 전에 분급 처리하여 굵은 입자를 제거한 입자를 포함한다.
제3가스 센서의 분말 충전재는, 극히 큰 직경을 갖는 굵은 입자를 분급해서 미리 제거한 것을 특징으로 한다.
분말 충전재는, 분말 충전재에 가압력이 인가된 상태에서 분말 충전재를 충전부에 충전하는 과정에서 변형되거나 또는 분쇄된다. 극히 굵은 입자는 그렇게 용이하게 분쇄되지 않는다. 충전부 내에 충전되는 모든 입자에 가압력이 균일하게 인가되지는 않는다. 이로 인하여 침입 통로가 될 수도 있는, 매우 작은 비중을 갖는 부분이 부분적으로 형성되어서 가솔린 또는 기타의 액체가 분말 충전재를 침투할 수 있게 된다.
또한, 분말 충전재가 극히 굵은 입자를 포함하면, 분말 충전재를 충전부에 충전하는 데에 큰 가압력이 필요하다. 이로 인하여 가스 센서 소자 또는 기타의 센서 부품이 손상된다.
상기로부터, 제3가스 센서는 우수한 밀봉성을 보장한다.
본 발명은, 하우징, 이 하우징 내에 배치되는 가스 센서 소자, 및 하우징과 가스 센서 소자와의 사이에 형성된 충전부에 충전되어서 하우징과 가스 센서 소자와의 사이의 간극을 공기가 통하지 않게 밀봉하는 분말 충전재를 포함하는 제4가스 센서를 제공한다. 제4가스 센서의 분말 충전재는, 충전 보조재를 포함한다.
본 발명의 제4가스 센서에 의하면, 분말 충전재에 충전 보조재가 첨가된다.
충전 보조재는 대체로 분말 충전재의 입자 사이 또는 입자의 접촉면 사이의 간극을 메꾸거나 또는 충전한다(즉, 제거한다). 이로 인하여 충전재의 밀도가 증가되고 또한 입자의 접착성이 향상되어서, 가스 센서의 밀봉성이 증대한다.
또한, 충전 보조재를 첨가함으로써 분말 충전재의 입자 사이의 간극을 실질적으로 제거하는 것은 모세관 작용에 의한 액체 침입을 억제하는 데에 효과적이다.
본 발명은, 하우징, 이 하우징 내에 배치되는 가스 센서 소자, 및 하우징과 가스 센서 소자와의 사이에 형성된 충전부에 충전되어서 하우징과 가스 센서 소자와의 사이의 간극을 공기가 통하지 않게 밀봉하는 분말 충전재를 포함하는 제5가스 센서를 제공한다. 가스 센서 소자의 표면에는, 요철(凹凸) 표면층과 전극 보호층 중 최소한 하나가 형성되어 있다. 또한, 요철 표면층과 전극 보호층 중 최소한 하나의 가까운 쪽 단부는 충전부의 가까운 쪽 단부에 동일하거나 또는 충전부의 가까운 쪽 단부에 대하여 가스 센서의 단말부측을 향하여 변위(offset)되어 있다.
본 발명의 제5가스 센서에 의하면, 가스 센서 소자의 표면에 요철 표면층 또는 전극 보호층이 형성되어 있다. 이 층은 가스 센서 소자의 표면에 거친 표면 구조를 형성한다. 분말 충전재가 충전부에 충전될 때 요철 표면을 따라서 또는 표면층 자체에 미로가 형성될 가능성이 있다. 미로를 제거하면, 모세관 작용에 의한 액체 침입을 효과적으로 억제할 수 없으므로 바람직하지 않다.
전극 보호층은 통상적으로 다공성(多孔性) 물질로써 형성되어서 검출하고자 하는 가스가 확산하여 센서 전극에 원활하게 도달할 수 있다. 다공성 층은 모세관 작용에 의한 액체 침입을 억제할 수 없다.
본 발명의 제5가스 센서에 의하면, 요철 표면층 또는 전극 보호층의 가까운 쪽 단부는 충전부의 가까운 쪽 단부에 동일하거나 또는 가스 센서의 단말부측을 향하여 변위되어 있다. 따라서, 충전부에 충전된 분말 충전재는 미로를 통하여 들어오는 액체의 침입을 효과적으로 차단할 수 있다.
본 발명은, 하우징, 이 하우징 내에 배치되는 가스 센서 소자, 및 하우징과 가스 센서 소자와의 사이에 형성된 충전부에 충전되어서 하우징과 가스 센서 소자와의 사이의 간극을 공기가 통하지 않게 밀봉하는 분말 충전재를 포함하는 제6가스 센서를 제공한다. 제6가스 센서의 분말 충전재는, 분말 충전재가 충전부 내에 충전되기 전에 분급 처리하여 미세한 입자와 굵은 입자 모두를 제거한 입자를 포함한다.
제6가스 센서에 의하면, 극히 미세한 입자 및 굵은 입자는 분말 충전재로부터 미리 제거된다. 따라서, 충전부에 충전될 때 분말 충전재에 가압력이 균등하게 인가된다. 분말 입자는 균등하게 분쇄되어서 입자 사이의 간극을 메꾸거나 충전한다.
또한, 분말 충전재에 미로가 형성되더라도, 이 미로의 전체 길이는 대기측 분위기로의 가솔린 또는 기타의 액체의 침입을 방지하기에 충분히 길다.
필요로 하는 가압력은 비교적 더 낮은 레벨로 감소될 수 있어서, 가스 센서 소자 또는 기타의 센서 부품은 손상되지 않는다.
따라서, 제6가스 센서는 우수한 밀봉성을 보장한다.
본 발명은, 하우징, 이 하우징 내에 배치되는 가스 센서 소자, 및 하우징과 가스 센서 소자와의 사이에 형성된 충전부에 충전되어서 하우징과 가스 센서 소자와의 사이의 간극을 공기가 통하지 않게 밀봉하는, 충전 보조재를 함유하는 분말 충전재를 포함하는 제7가스 센서를 제공한다. 제7가스 센서의 분말 충전재는, 충전부 내에 충전되기 전에 측정했을 때 직경이 80㎛ 내지 5,000㎛ 범위 내에 있고, 또한 80㎛ 내지 5,000㎛의 직경을 갖는 입자의 중량 퍼센트가 분말 충전재의 전체 중량에 대하여 80 중량% 이상인 입자를 포함한다.
본 발명은, 하우징, 이 하우징 내에 배치되는 가스 센서 소자, 및 하우징과 가스 센서 소자와의 사이에 형성된 충전부에 충전되어서 하우징과 가스 센서 소자와의 사이의 간극을 공기가 통하지 않게 밀봉하는 분말 충전재를 포함하는 제8가스 센서를 제공한다. 제8가스 센서의 분말 충전재는, 충전부 내에 충전되기 전에 측정했을 때 직경이 80㎛ 내지 5,000㎛ 범위 내에 있고, 또한 80㎛ 내지 5,000㎛의 직경을 갖는 입자의 중량 퍼센트가 분말 충전재의 전체 중량에 대하여 80% 이상인 입자를 포함한다. 가스 센서 소자의 표면에는, 요철 표면층과 전극 보호층 중 최소한 하나가 형성되어 있다. 또한, 요철 표면층과 전극 보호층 중 최소한 하나의 가까운쪽 단부는 충전부의 가까운 쪽 단부에 동일하거나 또는 충전부의 가까운 쪽 단부에 대하여 가스 센서의 단말부측을 향하여 변위되어 있다.
본 발명은, 하우징, 이 하우징 내에 배치되는 가스 센서 소자, 및 하우징과 가스 센서 소자와의 사이에 형성된 충전부에 충전되어서 하우징과 가스 센서 소자와의 사이의 간극을 공기가 통하지 않게 밀봉하는, 충전 보조재를 함유하는 분말 충전재를 포함하는 제9가스 센서를 제공한다. 가스 센서 소자의 표면에는, 요철 표면층과 전극 보호층 중 최소한 하나가 형성되어 있다. 또한, 요철 표면층과 전극 보호층 중 최소한 하나의 가까운 쪽 단부는 충전부의 가까운 쪽 단부에 동일하거나 또는 충전부의 가까운 쪽 단부에 대하여 가스 센서의 단말부측을 향하여 변위되어 있다.
본 발명은, 하우징, 이 하우징 내에 배치되는 가스 센서 소자, 및 하우징과 가스 센서 소자와의 사이에 형성된 충전부에 충전되어서 하우징과 가스 센서 소자와의 사이의 간극을 공기가 통하지 않게 밀봉하는, 충전 보조재를 함유하는 분말 충전재를 포함하는 제10가스 센서를 제공한다. 상기 분말 충전재는, 충전부 내에 충전되기 전에 측정했을 때 직경이 80㎛ 내지 5,000㎛ 범위 내에 있고, 또한 80㎛ 내지 5,000㎛의 직경을 갖는 입자의 중량 퍼센트가 분말 충전재의 전체 중량에 대하여 80% 이상인 입자를 포함한다. 가스 센서 소자의 표면에는, 요철 표면층과 전극 보호층 중 최소한 하나가 형성되어 있고, 또한 요철 표면층과 전극 보호층 중 최소한 하나의 가까운 쪽 단부는 충전부의 가까운 쪽 단부에 동일하거나 또는 충전부의 가까운 쪽 단부에 대하여 가스 센서의 단말부측을 향하여 변위되어 있다.
본 발명은, 하우징, 이 하우징 내에 배치되는 가스 센서 소자, 및 하우징과 가스 센서 소자와의 사이에 형성된 충전부에 충전되어서 하우징과 가스 센서 소자와의 사이의 간극을 공기가 통하지 않게 밀봉하는 분말 충전재를 포함하는 제11가스 센서를 제공한다. 상기 분말 충전재에는 충전 보조재가 첨가된다. 제11가스 센서의 분말 충전재는, 분말 충전재가 충전부 내에 충전되기 전에 분급 처리하여 미세한 입자와 굵은 입자 모두를 제거한 입자를 포함한다.
본 발명은, 하우징, 이 하우징 내에 배치되는 가스 센서 소자, 및 하우징과 가스 센서 소자와의 사이에 형성된 충전부에 충전되어서 하우징과 가스 센서 소자와의 사이의 간극을 공기가 통하지 않게 밀봉하는 분말 충전재를 포함하는 제12가스 센서를 제공한다. 상기 분말 충전재에는 충전 보조재가 첨가된다. 상기 분말 충전재는, 분말 충전재가 충전부 내에 충전되기 전에 분급 처리하여 미세한 입자와 굵은 입자 모두를 제거한 입자를 포함한다. 가스 센서 소자의 표면에는, 요철 표면층과 전극 보호층 중 최소한 하나가 형성되어 있고, 또한 요철 표면층과 전극 보호층 중 최소한 하나의 가까운 쪽 단부는 충전부의 가까운 쪽 단부에 동일하거나 또는 충전부의 가까운 쪽 단부에 대하여 가스 센서의 단말부측을 향하여 변위되어 있다.
본 발명은, 하우징, 이 하우징 내에 배치되는 가스 센서 소자, 및 하우징과 가스 센서 소자와의 사이에 형성된 충전부에 충전되어서 하우징과 가스 센서 소자와의 사이의 간극을 공기가 통하지 않게 밀봉하는 분말 충전재를 포함하는 제13가스 센서를 제공한다. 상기 제13가스 센서의 분말 충전재는, 분말 충전재가 충전부내에 충전되기 전에 분급 처리하여 미세한 입자와 굵은 입자 모두를 제거한 입자를 포함한다. 가스 센서 소자의 표면에는, 요철 표면층과 전극 보호층 중 최소한 하나가 형성되어 있다. 또한, 요철 표면층과 전극 보호층 중 최소한 하나의 가까운 쪽 단부는 충전부의 가까운 쪽 단부에 동일하거나 또는 충전부의 가까운 쪽 단부에 대하여 가스 센서의 단말부측을 향하여 변위되어 있다.
본 발명의 상기 제1가스 센서에 있어서, 80㎛ 내지 5,000㎛의 직경을 갖는 입자의 중량 퍼센트가 분말 충전재의 전체 중량에 대하여 80% 이하이면, 분말 충전재는, 다량의 더 적은 입자의 존재로 인하여, 그 내부에 다량의 잔류 공기를 포함한다. 따라서, 분말 충전재의 밀도를 높이기 어렵고, 매우 치밀한 충전재를 취득하기 어렵게 된다.
최적의 밀봉성을 취득하기 위해서는, 분말 충전재에 포함된 모든 입자가 80㎛ 내지 5,000㎛ 범위의 입경(粒徑)을 갖는 것이 바람직하다.
분말 충전재가 80㎛ 이하의 입경을 갖는 다량의 미세 입자를 포함하는 경우, 그 내부에 있는 다량의 공기로 인하여 분말 충전재의 비중은 그렇게 많이 증가하지 않는다. 이로 인하여 밀봉성이 저하된다.
분말 충전재에 가압력이 인가된 상태에서 분말 충전재를 충전부에 충전하는 과정에서, 분말 충전재는 부분적으로 변형되거나 또는 분쇄되어서 비교적 굵은 분말 입자 사이의 간극을 메꾸거나 또는 충전한다. 분말 충전재가 5,000㎛ 이상의 입경을 갖는 다량의 굵은 입자를 포함하는 경우, 분말 충전재를 충전부에 충전하는 데에 과도하게 큰 가압력이 필요하다. 즉, 입자를 강제적으로 분쇄하는 것은 큰 가압력을 필요로 한다. 이로 인하여 가스 센서 소자 또는 기타의 센서 부품이 손상되거나 파괴될 수도 있다.
제2 및 제3가스 센서에 사용되는 분말 충전재의 분말 입자의 분급 방법으로서, 본 발명은 건식 사분급(篩分級; sieving classification), 습식 사분급, 기류를 이용하는 중력식 건식 분급, 원심식(遠心式) 건식 분급, 회전식 건식 분급, 액체를 이용하는 침전식(沈澱式) 습식 분급, 기계식 습식 분급, 및 원심식 습식 분급을 이용할 수 있다.
본 발명의 가스 센서 소자는 고체 전해질체(electrolytic body), 및 이 고체 전해질체에 형성된 한 쌍의 전극을 포함한다.
하나의 전극은 피측정 가스 분위기에 노출되고, 다른 하나의 전극은 대기측(즉, 기준 가스) 분위기에 노출된다.
공간부에 충전된 분말 충전재는 가스 센서 내에 형성된 피측정 가스 분위기와 대기측 분위기를 각각 분리하는 부분에 배치된다.
예로서, 본 발명의 가스 센서 소자는 컵(cup) 형상의 고체 전해질체, 이 고체 전해질체의 외측면에 형성된 외측 전극, 및 이 고체 전해질체의 내측면에 구성된 내측 전극을 포함한다.
또 다른 방법으로는, 본 발명의 가스 센서 소자는, 그 표면에 전극이 형성된 고체 전해질판 및 절연판을 포함하는 다층 구조로 형성할 수도 있다.
분말 충전재에 추가하여, 유리 밀봉재 또는 어떠한 기타의 밀봉부재를 사용하여 하우징과 가스 센서 소자와의 사이의 기밀성을 확보하는 것이 바람직하다.
이러한 구성은 다층 가스 센서를 포함하는 어떠한 기타의 가스 센서에도 적용될 수 있는 것은 말할 필요도 없다.
예로서, 본 발명의 가스 센서 소자는 피측정 가스에 함유된 산소의 농도를 측정하는 데에 이용된다. 가스 센서를 자동차 엔진의 배기 가스 통로에 설치할 때에는, 본 발명의 가스 센서 소자는 공연비(空燃比), 또는 배기 가스에 함유된 NOx, CO, 또는 HC의 농도를 측정할 수 있는 소자이다.
본 발명의 제1가스 센서에 의하면, 분말 충전재는, 충전부 내에 충전되기 전에 측정했을 때 직경이 100㎛ 내지 1,000㎛ 범위 내에 있고, 또한 100㎛ 내지 1,000㎛의 직경을 갖는 입자의 중량 퍼센트가 분말 충전재의 전체 중량에 대하여 80% 이상인 입자를 포함하는 것이 바람직하다.
100㎛ 내지 1,000㎛의 직경을 갖는 입자를 80중량% 이상까지 사용함으로써, 분말 충전재의 비중을 높일 수 있다. 따라서, 신뢰성있는 밀봉성을 확보할 수 있다.
분말 충전재가 100㎛ 이하의 입경을 갖는 입자를 다량 포함하는 경우, 그 내부에 있는 다량의 공기로 인하여 분말 충전재의 비중은 그렇게 많이 증가하지 않는다. 이로 인하여 밀봉성이 저하된다.
또한, 분말 충전재가 1,000㎛ 이상의 입경을 갖는 입자를 다량 포함하는 경우, 입자의 충전 상태는 균일하게 되지 않는다. 충전부에 충전할 때 분말 충전재의 각각의 입자에 충분한 가압력을 인가하기가 어렵다. 이로 인하여 밀봉성이 저하된다.
또한, 더욱 우수한 밀봉성을 확보하기 위하여, 제1가스 센서의 분말 충전재는, 충전부 내에 충전되기 전에 측정했을 때 직경이 125㎛ 내지 710㎛ 범위 내에 있고, 또한 125㎛ 내지 710㎛의 직경을 갖는 입자의 중량 퍼센트가 분말 충전재의 전체 중량에 대하여 80% 이상인 입자를 포함하는 것이 바람직하다.
비교적 더 큰 분말 입자를 사용하면, 분말 충전재 내의 잔류 공기를 감소시키는 데에 효과적이다.
또한, 분말 충전재의 모든 입자에 가압력이 균일하게 인가된다. 따라서, 성형된 분말 충전재의 비중이 균일하게 증가한다. 이로 인하여 높은 밀봉성이 확보된다.
또한, 분말 충전재를 충전하는 데에 필요한 가압력이 비교적 낮다.
또한, 제2가스 센서의 분말 충전재는, 분급 처리된 후에, 80㎛ 이하의 직경을 갖는 미세 입자를 분말 충전재의 전체 중량에 대하여 10% 이하의 중량 퍼센트까지 포함하는 것이 바람직하다.
이러한 구성으로써, 극히 미세한 입자는 분급을 통하여 적절하게 제거되고, 분말 입자의 접착성을 향상시킬 수 있게 된다. 이로 인하여, 가솔린 또는 기타의 액체가 분말 충전재를 침투할 수 있게 하는 침입 통로가 될 수도 있는, 매우 작은 비중을 갖는 부분이 제거된다.
또한, 제2가스 센서의 분말 충전재는, 분급 처리된 후에, 100㎛ 이하의 직경을 갖는 미세 입자를 분말 충전재의 전체 중량에 대하여 10% 이하의 중량 퍼센트까지 포함하는 것이 바람직하다.
이러한 구성으로써, 극히 미세한 입자는 분급을 통하여 추가로 제거되고, 분말 입자의 접착성을 향상시킬 수 있게 된다. 이로 인하여, 가솔린 또는 기타의 액체가 분말 충전재를 침투할 수 있게 하는 침입 통로가 될 수도 있는, 매우 작은 비중을 갖는 부분이 확실하게 제거된다.
또한, 제2가스 센서의 분말 충전재는, 분급 처리된 후에, 125㎛ 이하의 직경을 갖는 미세 입자를 분말 충전재의 전체 중량에 대하여 10% 이하의 중량 퍼센트까지 포함하는 것이 바람직하다.
이러한 구성으로써, 극히 미세한 입자는 분급을 통하여 적절하게 추가로 제거되고, 분말 입자의 접착성을 향상시킬 수 있게 된다. 이로 인하여, 가솔린 또는 기타의 액체가 분말 충전재를 침투할 수 있게 하는 침입 통로가 될 수도 있는, 매우 작은 비중을 갖는 부분이 확실하게 제거된다.
또한, 제3가스 센서의 분말 충전재는, 분급 처리된 후에, 5,000㎛ 이상의 직경을 갖는 굵은 입자를 분말 충전재의 전체 중량에 대하여 10% 이하의 중량 퍼센트까지 포함하는 것이 바람직하다.
이러한 구성으로써, 충전부에 충전할 때 분말 충전재에 인가되는 가압력은 더 낮은 레벨로 감소될 수 있어서, 가스 센서 소자 또는 기타의 센서 부품에 아무런 손상도 주지 않는다. 또한, 특정의 입경을 갖는 입자는 적절하게 변형되거나 분쇄되어서 우수한 밀봉성을 갖는 분말 충전재를 형성한다. 이로 인하여, 가솔린 또는 기타의 액체가 분말 충전재를 침투할 수 있게 하는 침입 통로가 제거된다.
또한, 제3가스 센서의 분말 충전재는, 분급 처리된 후에, 1,000㎛ 이상의 직경을 갖는 굵은 입자를, 분말 충전재의 전체 중량에 대하여 10% 이하의 중량 퍼센트까지 포함하는 것이 바람직하다.
이러한 구성으로써, 거의 모든 굵은 입자를 제거할 수 있게 된다. 또한, 충전부에 충전할 때 분말 충전재에 인가되는 가압력은 더 낮은 레벨로 더욱 감소될 수 있어서, 가스 센서 소자 또는 기타의 센서 부품에 아무런 손상도 주지 않는다. 또한, 특정의 입경을 갖는 입자는 확실하게 적절히 변형되거나 분쇄되어서 우수한 밀봉성을 갖는 분말 충전재를 형성한다. 이로 인하여, 가솔린 또는 기타의 액체가 분말 충전재를 침투할 수 있게 하는 침입 통로가 확실하게 제거된다.
또한, 제3가스 센서의 분말 충전재는, 분급 처리된 후에, 710㎛ 이하의 직경을 갖는 굵은 입자를, 분말 충전재의 전체 중량에 대하여 10% 이하의 중량 퍼센트까지 포함하는 것이 바람직하다.
이러한 구성으로써, 거의 모든 상기 굵은 입자를 대체로 제거할 수 있게 된다. 또한, 충전부에 충전할 때 분말 충전재에 인가되는 가압력은 더 낮은 레벨로 더욱 감소될 수 있어서, 가스 센서 소자 또는 기타의 센서 부품에 아무런 손상도 주지 않는다. 또한, 특정의 입경을 갖는 입자는 확실하게 적절히 변형되거나 분쇄되어서 우수한 밀봉성을 갖는 분말 충전재를 형성한다. 이로 인하여, 가솔린 또는 기타의 액체가 분말 충전재를 침투할 수 있게 하는 침입 통로가 확실하게 제거된다.
본 발명의 제1 내지 제3가스 센서에 의하면, 충전부의 축선(軸線) 방향 길이는 1.5mm 내지 15mm 범위내에 있는 것이 바람직하다.
이러한 구성은, 가스 센서 소자와 분말 충전재의 사이의 계면(界面) 또는 하우징과 분말 충전재와의 사이의 계면을 통하여 진입하는 액체, 및 분말을 가로질러서 진입하는 액체의 침입을 방지할 수 있는 우수한 밀봉성을 갖는다.
충전부의 축선 방향 길이가 1.5mm 이하인 경우, 분말 충전재는 충분한 강도를 가질 수 없다. 가스 센서가 동작 온도 변화로 인하여 상당한 열 응력을 받을 때, 경화된 충전재에 균열이 발생할 수도 있는 가능성이 있다. 발생된 균열은 액체 침입을 일으킨다.
충전부의 축선 방향 길이가 15mm 이상인 경우, 분말 충전재가 충전부에 충전될 때, 분말 충전재와 가스 센서 소자와의 사이의 계면 및 분말 충전재와 하우징과의 사이의 계면에 큰 마찰력이 작용한다. 이로 인하여, 분말 충전재에 가압 부하를 균일하게 인가하는 것이 어렵다. 따라서, 비중이 국부적으로 균일하지 않고, 상대적으로 낮은 비중을 갖는 부분은 액체 침입을 방지하기 어려울 수도 있다.
충전부의 축선 방향 길이는 가스 센서 소자의 축선 방향으로 충전부의 말단측으로부터 충전부의 가까운 쪽 단부까지의 수직(즉, 축선 방향의) 거리로서 정의된다.
본 발명의 제1 내지 제3가스 센서에 의하면, 분말 충전재는 활석(滑石;talc) 또는 질화붕소 중 최소한 하나를 50중량% 이상 포함하는 것이 바람직하다.
상기의 분말 충전재를 사용함으로써, 분말 충전재를 충전부에 충전할 때 이 분말 충전재에 포함된 비늘 모양(scaly)의 입자가 층상(層狀) 구조를 형성하는 데에 유리하다. 비늘 모양의 입자를 포함하는 분말 충전재의 비중은 구상(球狀) 입자를 포함하는 분말 충전재의 비중에 비해서 더욱 높아진다. 이로 인하여 분말 충전재를 통과하여 연장되는 침투 통로가 제거됨에 따라서, 가솔린 또는 기타의 액체의 침입을 방지하는 데에 효과적이다.
또한, 상기 비늘 모양의 입자는 분말 충전재와 가스 센서 소자와의 사이의 간극 및 분말 충전재와 하우징과의 사이의 간극을 치밀하게 충전한다.
특히, 활석 분말은 비늘 모양의 입자를 포함하는 층상의 화합물이므로, 활석 분말에 가압력이 인가될 때, 활석 분말은 활석의 비늘 모양의 입자의 층상 구조가 파괴됨이 없이 층상 방향으로 벽개(劈開)되게 한다. 이 활석 분말은 충분히 부드러워서 벽개에 의한 간극을 메꾼다. 더욱 상세하게는, 활석의 비늘 모양의 입자는 분쇄되어서 충전부를 치밀하게 충전한다. 따라서 비중이 증가되어서 우수한 밀봉성이 확보된다.
활석 또는 질화붕소 중 최소한 하나의 함량이 50중량% 이하인 경우, 비늘 모양의 층상 구조는 충분히 형성되지 않는다. 이로 인하여 가솔린 또는 기타의 액체가 분말 충전재를 용이하게 침투할 수 있게 된다.
본 발명의 제4가스 센서에 의하면, 분말 충전재에 충전 보조재가 첨가된다. 이 경우에, 기타 물질을 첨가할 수 있다.
예로서, 소량의 알루미나 분말이 분말 충전재에 첨가된다. 알루미나 분말은 분말 충전재의 입자 사이의 간극을 메꾸거나 충전한다.
스피넬, 지르코니아, 티타니아 및 실리카를 첨가할 수도 있다.
본 발명의 제4가스 센서에 의하면, 충전 보조재는 실온(20℃)에서 액상(液狀)인 무기화합물의 수용액인 것이 바람직하다.
이러한 액상으로 인하여, 무기화합물의 수용액은 분말 충전재의 입자 사이의 간극을 원활하게 또한 효율적으로 메꾸거나 충전한다. 분말 충전재는 고밀도화되어서 우수한 밀봉성을 얻을 수 있다.
이 경우에, 제4가스 센서의 액체 충전 보조재는 제1인산알루미늄 수용액, 규산소다 수용액, 및 규산칼륨 수용액 중에서 선택된 최소한 하나를 포함하는 것이 바람직하다.
특히, 우수한 밀봉성을 취득하기 위해서는, 상기 액체 충전 보조재는 제1인산알루미늄 수용액을 포함하는 것이 바람직하다.
또한, 제4가스 센서의 액체 충전 보조재(실온 20℃에서 액상인)의 첨가량은 중량으로 100부의 분말 충전재에 대하여 중량으로 0.1부 내지 10부의 범위내에 있는 것이 바람직하다.
액체 충전 보조재의 첨가량이 중량으로 0.1부 이하인 경우, 분말 충전재의 입자 사이의 간극을 완전히 메꾸거나 충전하기가 어려워서, 분말 충전재의 밀도는 불만족스럽게 된다.
한편, 액체 충전 보조재의 첨가량이 중량으로 10부 이상인 경우, 다량의 액체가 존재하므로 분말 충전재의 비중을 필요로 하는 레벨까지 증가시키기 어렵게 된다. 이로 인하여 밀봉성이 저하된다.
또 다른 방법으로는, 제4가스 센서의 충전 보조재는 600℃ 이하의 온도에서 액화될 수 있는 고체 무기화합물인 것이 바람직하다.
이 고체 무기화합물이 충전부에 충전된 후에, 상기 고체 무기화합물은, 열 처리를 가함으로써 또는 가스 센서가 동작중에 상기 온도 레벨까지 가열될 때, 액화된다. 액화된 무기화합물은 분말 충전재의 입자 사이의 간극을 원활하게 또한 효율적으로 메꾸거나 충전한다. 따라서, 분말 충전재는 고밀도화되어서 우수한 밀봉성을 취득할 수 있다.
이 경우에, 제4가스 센서의 상기 고체 충전 보조재는 수산화바륨, 붕규산염 유리, 알루미노규산염 유리, 소다석회규산염 유리, 납규산염 유리, 저융점 붕산염 유리, 석회알루미노계 유리, 및 알루미늄산염 유리 중에서 선택된 최소한 하나를 포함하는 것이 바람직하다.
상기 그룹을 포함하는 물질은 비교적 낮은 온도에서 액화된다.
따라서, 분말 충전재에 비교적 낮은 온도의 열 처리를 가하여 고체 무기화합물을 액화시킨다. 가스 센서의, 하우징, 가스 센서 소자, 및 기타 부품에는 아무런 열적인 악영향이 부여되지 않는다.
또한, 제4가스 센서의 고체 충전 보조재의 첨가량은 중량으로 100부의 분말 충전재에 대하여 중량으로 0.5부 내지 30부의 범위내에 있는 것이 바람직하다.
고체 충전 보조재의 첨가량이 상기 범위내에 있을 때, 분말 충전재는 고밀도화될 수 있다.
고체 충전 보조재의 첨가량이 중량으로 0.5부 이하인 경우, 분말 충전재의 입자 사이의 간극을 완전히 메꾸거나 충전하기가 어렵고, 분말 충전재에 침입 통로가 형성된다. 따라서, 이렇게 형성된 침입 통로를 통하여 피측정 배기 가스에 함유된 가솔린 또는 기타의 액체가 분말 충전재내에 침투한다.
고체 충전 보조재의 첨가량이 중량으로 30부 이상인 경우, 첨가된 충전 보조재의 양이 초과하여 분말 충전재의 밀도는 오히려 악화된다.
본 발명의 제5가스 센서는, 가스 센서 소자의 표면에 요철 표면층과 전극 보호층 중 최소한 하나가 형성된다.
요철 표면층은 가스 센서 소자를 구성하는 고체 전해질체의 표면에 형성된다. 전극 보호층은 고체 전해질체의 표면에 형성된 전극을 피복한다.
요철 표면층을 형성함으로써, 전극과 전극 보호층 사이의 접착성을 강화하는 데에 효과적이다. 전극 보호층은 피측정 가스에 함유된 유독성 물질에 대하여 전극을 보호하는 기능을 갖는다.
전극 보호층은, 피측정 가스가 이 층을 통해서 침투하거나 또는 확산하여 전극에 도달할 수 있게 하는 다공성 재료로 제조한다.
가스 센서 소자에 상기 요철 표면층과 상기 전극 보호층 중 하나만을 형성할 수도 있다. 또한, 상기 가스 센서 소자에 상기 요철 표면층과 상기 전극 보호층 모두를 형성할 수도 있다.
본 발명의 제5가스 센서에 의하면, 요철 표면층과 전극 보호층 중 최소한 하나는 충전부의 가까운 쪽 단부에 대하여 가스 센서의 말단부측을 향하여 0.5mm 이상 변위되어 있는 것이 바람직하다.
이 조건을 만족함으로써, 충전부의 가까운 쪽 단부측에서의 침입 통로를 차단할 수 있게 된다. 따라서, 배기 가스내에 함유된 가솔린 또는 기타의 액체가 침입 통로를 통하여 분말 충전재를 통과하여 대기측 분위기로 누출되는 것을 확실하게 방지할 수 있다.
변위량이 0.5mm 이하이면, 밀봉성은 약간 저하한다.
변위량의 하한은 0mm이다.
또한, 제5가스 센서에서, 상기 요철 표면층과 상기 전극 보호층 중 최소한 하나에서의 가까운 쪽 단부가 충전부의 말단부에 동일하거나 또는 충전부의 가까운 쪽 단부에 대하여 가스 센서의 말단부측을 향하여 변위되어 있는 것이 바람직하다.
이 조건을 만족함으로써, 분말 충전재와 가스 센서 소자와의 사이의 계면으로부터의 침입 통로가 바람직하게 제거된다. 따라서, 분말 충전재의 밀봉성이 크게 향상될 수 있다.
이하, 첨부 도면을 참조로 하여 본 발명의 바람직한 실시예를 설명한다. 도면 전체에 걸쳐서 동일한 부분은 동일한 참조 번호로써 표시한다.
(제1실시예)
도 1 및 도 2는 본 발명의 제1실시예에 의한 가스 센서(1)를 나타낸다. 상기 가스 센서(1)는 하우징(10), 하우징(10)의 내부에 배치된 가스 센서 소자(2), 및 하우징(10)과 가스 센서 소자(2)와의 사이에 형성된 충전부(14)를 포함한다. 상기 충전부(14)는 하우징(10)과 가스 센서 소자(2)와의 사이의 환상의 간극을 공기가 통하지 않게 밀봉하는 분말 충전재로써 충전된다.
상기 분말 충전재는 충전부 내에 충전되기 전에 측정했을 때 직경(즉, 입경)이 80㎛ 내지 1,000㎛ 범위 내에 있는 입자를 포함한다. 또한 80㎛ 내지 1,000㎛의직경을 갖는 입자의 중량 퍼센트는 분말 충전재의 전체 중량에 대하여 80% 이상이다.
제1실시예에 의한 상기 가스 센서는 자동차 엔진의 배기 가스 통로에 설치되어서 엔진의 연소를 제어하는 공연비 센서이다.
도 1에 나타낸 하우징(10)은 금속제의 원통형 하우징이다. 하우징(10)의 내부에는 가스 센서 소자(2)가 삽입되어 있다. 하우징(10)의 말단부에는 피측정 가스측 커버(11)가 부착되어 있다. 하우징(10)의 가까운 쪽 단부에는 대기측 커버 (11)가 부착되어 있다. 도 1에서, 가스 센서(1)의 하측부를 말단부측이라고 하고 가스 센서(1)의 상측부를 가까운 쪽 단부측이라고 한다.
피측정 가스측 커버(11)는 함께 이층 구조를 형성하는 내측 커버(111)와 외측 커버(112)로 구성되어 있다. 내측 커버(111)와 외측 커버(112)의 각각에는 복수의 가스 도입 구멍(119)이 형성되어 있다. 피측정 가스는 가스 센서(1)의 외부로부터 가스 도입 구멍(119)을 통하여 피측정 가스측 커버(11) 내로 도입되어서 피측정 가스 분위기(110)를 형성한다.
대기측 커버(12)의 가까운 쪽 단부측에는 외측 커버(121)가 설치되어 있다. 외측 커버(121)와 대기측 커버(12)와의 사이에는 발수(撥水) 필터(122)가 배치되어 있다. 대기측 커버(12)와 외측 커버(121)의 각각에는 발수 필터(122)에 대향하는 부분에 복수의 공기 도입 구멍(129)이 형성되어 있고, 상기 공기 도입 구멍(129)을 통하여 대기측 커버(12) 내에 공기가 도입되어서 대기측 분위기(120)를 형성한다.
가스 센서 소자(2)는 컵 형상의 고체 전해질체(20)를 포함한다. 도면에는 도시되어 있지 않지만, 상기 고체 전해질체(20)의 외측면과 내측면에는 각각 한 쌍의 외측 전극 및 내측 전극이 형성되어 있고, 이 고체 전해질체(20) 내에는 대기측 챔버(200)가 형성되어 있다. 대기측 챔버(200)는 대기측 분위기(120)와 연통한다.
상기 고체 전해질체(20)는, 도 2에 나타내는 바와 같이, 요철 또는 불규칙적인 표면층(203)을 가지고 있다. 또한, 고체 전해질체(20)에 형성된 외측 전극(도면에 나타내지 않음)을 피복하도록 확산 저항층(도면에 나타내지 않음)과 전극 보호층(205)이 형성되어 있다.
가스 센서 소자(2)의 상기 고체 전해질체(20)는 그 외측면으로부터 반경 방향 외측으로 돌출하는 돌출부(201)를 포함하고 있다. 하우징(10)은 그 내측면으로부터 반경 방향 내측으로 돌출하는 수용부(101)를 구비하여, 고체 전해질체(20)의 상기 돌출부(201)를 하우징(10)의 수용부(101)로써 수용한다. 상기 돌출부(201)의 하측면과 수용부(101)와의 사이에는 금속 패킹(packing)(13)이 배치되어 있다. 환언하면, 상기 고체 전해질체(20)는 금속 패킹(13)을 거쳐서 하우징(10)의 수용부 (101) 위의 돌출부(201)의 하측면에 설치된다.
상기 고체 전해질체(20)의 돌출부(201)의 상측면과 하우징(10)의 내측면과의 사이에는 충전부(14)가 형성된다. 충전부(14)에는 충전 보조재를 포함하는 분말 충전재가 충전된다. 고체 전해질체(20)의 상기 외측면과 하우징(10)의 상기 내측면과의 사이의 환상의 간극에는 절연체(15)가 배치되고, 또한 상기 절연체(15)는 충전부(14)에 충전된 분말 충전재 위에 배치되어 있다.
절연체(15)의 상단에는 코킹(caulking)용 금속 링(ring)(161)이 배치되어서,하우징(10)의 가까운 쪽 단부(즉, 상측단)(102)를 코킹용 금속 링(161)을 따라서 반경 방향 내측으로 코킹한다. 따라서, 절연체(15)는 하우징(10)의 상측부까지 고착되어서 충전부(14)에 충전된 분말 충전재를 틀어막는다.
또한, 대기측 커버(12) 내에는 가스 센서 소자(2)의 단자(211)가 도출되고, 단자(211)는 금속 커넥터(212)를 통하여 리드선(213)에 접속된다. 리드선(213)은 가스 센서(1)의 외측으로 연장된다. 대기측 커버(12) 내의 중간 부분에는 대기측 절연체(221)가 배치되어 있고, 대기측 커버(12) 내의 가까운 쪽 단부측에는 탄성 절연부재(222)가 배치되어 있다. 상기 컵 형상의 고체 전해질체(20)의 대기측 챔버 (200) 안에는 히터(29)가 설치되어 있다.
상기의 분말 충전재는 활석 분말이다. 활석은 Mg3Si4O10(OH)2를 주로 포함하는 천연 재료인 점토(粘土) 광물의 일종이다. 본 실시예에서 사용하는 활석 분말은 80㎛ 내지 1,000㎛ 범위의 입경을 갖는 입자를 80중량% 이상까지 포함한다.
본 실시예의 충전부(14)는 이하의 방법으로 제조한다.
우선, 하우징(10)의 내부에 금속 패킹(13)과 가스 센서 소자(2)를 순차적으로 넣어서, 도면에 도시한 위치에 배치한다. 한편, 활석 분말 충전재를 미리 링 형상으로 성형한다.
이어서, 활석 분말 충전재를 센서 소자(2)와 하우징(10)과의 사이의 환상 간극에 넣는다.
후속해서, 활석 분말 충전재가 충전부(14) 내에서 경화될 때까지 가스 센서(1)의 가까운 쪽 단부측(즉, 상단측)으로 부터 축선 방향으로 활석 분말 충전재에 소정의 가압력을 인가한다.
이어서, 가스 센서(1)의 가까운 쪽 단부측으로 부터 절연체(15)와 코킹용 금속 링(161)을 경화된 분말 충전재 위에 놓은 다음, 하우징(10)의 가까운 쪽 단부(즉, 상단부)(102)를 코킹용 금속 링(161)을 따라서 반경 방향 내측으로 코킹한다.
링 형상의 활석 분말 충전재를 취득하기 위한 예비 성형 작업으로써는, 성형되는 충전재의 보형성(保形性)을 향상시키기 위하여, 활석 분말에 적절한 양의 물을 첨가하여 활석 분말을 링 형상의 금형에 넣는다. 이어서, 프레스기를 사용하여 금형을 통해서 활석 분말에 가압력을 인가하여 활석 분말을 링 형성의 분말 충전재로 성형한다.
필요하면, 예비 성형 작업을 완료한 후에 또는 성형된 분말 충전재를 하우징 (10) 내에 설치하기 전에 분말 충전재에 포함된 습기를 건조시키는 것이 바람직하다.
활성 분말 충전재의 하우징(10)내에의 설치에 대해서는, 예비 성형 직업을 생략하고 하우징(10)내에 활석 분말을 직접 공급할 수도 있다.
도 2에 나타내는 바와 같이, 가스 센서 소자(2)의 고체 전해질체(20)의 표면에는 요철 표면층(203)이 형성된다. 요철 표면층(203)은 고체 전해질체(20)의 말단부로부터 고체 전해질체(20)의 돌출부(201)까지 연장된다. 또한, 외측 전극(도면에 나타내지 않음)에 형성되어서 요철 표면층(203)을 피복한다.
충전부(14)의 축선 방향 길이 L과 요철 표면층(203)의 축선 방향 길이 M은이하의 방법으로 조절한다.
충전부(14)의 축선 방향 길이 L은 가스 센서 소자(2)의 축선 방향으로 충전부(14)의 말단측으로부터 충전부(14)의 가까운 쪽 단부까지의 수직(즉, 축선 방향의) 거리로서 정의된다.
또한, 요철 표면층(203)의 축선 방향 길이 M은 요철 표면층(203)의 가까운 쪽 단부(즉, 상단)로부터 충전부(14)의 말단부(즉, 하단)까지의 수직(즉, 축선 방향의) 거리로서 정의된다.
도 2에 나타낸 실시예에 의하면, L은 3.5mm이고, M은 2.5mm이다.
제1실시예에 의한 가스 센서는 이하의 기능과 효과를 갖는다.
본 실시예의 가스 센서(1)는 하우징(10)과 가스 센서 소자(2)와의 사이에 형성된 충전부(14)를 구비하고 있다. 상기 충전부(14)에는 크기가 상기의 특정 범위 내에 있는 비교적 큰 입자를 포함하는 분말 충전재가 충전된다.
입경이 큰 입자를 주로 포함하는 분말 충전재는 그 내부에 공기를 그렇게 많이 포함하지는 않는다. 분말 충전재의 비중은, 충전부(14)에 충전할 때 이 분말 충전재에 간단히 가압력을 인가함으로써 용이하게 증가된다. 따라서, 충전부(14)에 충전된 후에, 분말 충전재는 높은 밀도 및 더욱 높은 비중을 가지며, 이에 따라서 분말 충전재는 더욱 높은 밀봉성을 보장한다.
통상적으로, 분말 충전재의 입자 사이의 간극(체적)은 분말 충전재의 밀도의 증가 및 비중의 증가에 따라서 감소한다. 고밀도의 분말 충전재는 모세관 작용에 의한 액체 침입을 효과적으로 억제한다.
따라서, 액체 성분은 하우징(10)과 가스 센서 소자(2)와의 사이의 간극에 침투하거나 또는 간극을 통과할 수 없다. 그러므로, 본 실시예의 가스 센서는 우수한 기밀성을 갖는다.
본 실시예의 가스 센서는 자동차 엔진의 배기 가스 통로에 설치되어서 엔진의 연소를 제어한다. 엔진으로부터 배출된 피측정 가스는 가솔린을 함유한다. 본 실시예의 가스 센서는, 충전부(14)에 고밀도 분말 충전재가 충전되어 있으므로, 가솔린이 충전부(14)를 통하여 대기측 분위기(120)에 침투하는 것을 방지한다.
분말 충전재는 활석으로 제조한다. 활석 분말은 비늘 모양의 입자를 포함하는 층상 화합물이다. 활석 분말에 가압력이 인가될 때, 활석 분말은 활석의 비늘 모양의 입자의 층상 구조가 파괴됨이 없이 층상 방향으로 벽개되게 한다. 상기 활석 분말은 충분히 부드러워서 벽개에 의한 간극을 메꾼다. 더욱 상세하게는, 활석의 비늘 모양의 입자는 분쇄되어서 충전부를 치밀하게 충전한다. 따라서 비중이 증가되어서 우수한 밀봉성이 확보된다.
또한, 분말 충전재에 충전 보조재를 첨가하는 것이 바람직하다. 첨가된 충전 보조재는 분말 충전재의 입자 사이의 간극에 원활하게 침투하여 간극을 효율적으로 메꾸거나 충전한다. 따라서, 충전부(14)에서의 분말 충전재의 밀도는 바람직하게 증대한다.
예로서, 충전 보조재는 결정수를 함유하는 액체 화합물인 제1인산알루미늄이다. 분말 충전재에 가압력이 인가되면, 제1인산알루미늄은 분말 충전재의 입자 사이의 간극에 원활하게 침투하거나 또는 분말 충전재의 입자를 따라서 확산된다. 이렇게, 제1인산알루미늄은 분말 충전재의 입자 사이의 간극을 효율적으로 메꾸거나 충전한다. 따라서, 충전부(14)에서의 분말 충전재의 밀도를 증가시킬 수 있게 된다.
활석 분말과 충전 보조재의 혼합에 대해서, 혼합 작업은 이하의 방법으로 실행한다.
활석 분말과 충전 보조재의 각각을 칭량(稱量)한다. 충전 보조재를 활석 분말에 첨가하고, 또한 적정한 양의 물을 활석 분말에 첨가한다. 이어서, 활석 분말과 충전 보조재를 회전식 혼합기로써 활석 분말 입자가 분쇄되지 않도록 적절한 속도로 균일하게 혼합한다. 후속해서, 활석 분말을 상기와 같이 성형하여 링 형상의 충전재를 제조한다.
또 다른 방법으로는, 적정한 양의 물을 충전 보조재에 미리 첨가할 수도 있다. 이어서, 활석 분말을 회전식 혼합기로써 회전시키면서, 물이 첨가된 충전 보조재를 활석 분말에 살포한다. 이러한 방법으로, 물이 첨가된 충전 보조재와 활석 분말을 혼합함으로써, 활석 분말 입자가 분쇄됨이 없이 활석 분말과 충전 보조재의 혼합 작업을 신속하게 완료하는 데에 효과적이다.
상기 실시예에 의한 분말 충전재의 밀봉성의 측정은 이하의 방법으로 실행한다.
우선, 도 3A에 나타내는 바와 같이, 가스 센서(1)의 가까운 쪽 단부(1)를 하측으로 향하게 하여 똑바로 세운 다음, 피측정 가스측 커버의 외측면을 밀봉 테이프(41)로써 피복한다.
이어서, 도 3B에 나타내는 바와 같이, 적절한 주입기(42)를 이용하여 소량 (0.5cc)의 가솔린을 피측정 가스측 커버의 내부에 주입한다. 가솔린의 주입을 완료한 후에, 가스 센서(1)를 소정 시간 동안 방치한다. 이어서, 밀봉 테이프(41)를 제거하고, 도 3C에 나타내는 바와 같이, 잔류 가솔린을 피측정 가스측 커버 밖으로 방출한다.
이 상태에서, 13.5V의 전압을 가스 센서(1)의 히터에 2시간 동안 인가하여 가스 센서(1)의 출력의 변화를 모니터한다.
도 4는, 2시간의 모니터링 동안 가스 센서(1)의 출력의 측정치를 나타내는 타임 차트이다.
도 4로부터 알 수 있는 바와 같이, 센서 출력은 2시간 모니터링의 초기에는 고정적이다. 그러나, 2시간 모니터링의 약 1/3(≒40분) 경과후에 센서 출력은 갑자기 저하한다. 이어서, 센서 출력은 잠시 동안 비교적 낮은 레벨로 유지된다. 후속해서, 상당한 시간(즉, 2시간 모니터링의 약 2/3에 해당하는 시간) 경과후에, 센서 출력은 초기 레벨로 복귀한다.
도 4에서, 'x'는 센서 출력이 초기 레벨보다 'z'만큼 더 낮은 점을 나타내고, 'y'는 점 'x'가 측정된 시간을 나타낸다.
이하의 가스 센서 시료의 평가에서, ◎는 출력 저하가 0.05V 이하인 가스 센서 시료를 나타내고,은 출력 저하가 0.05V 내지 0.1V 범위인 가스 센서 시료를 나타내며, 또한 ×는 출력 저하가 0.1V 이상인 가스 센서 시료를 나타낸다.
작은 출력 저하를 나타내는 가스 센서 시료는 자체의 분말 충전재에서의 가솔린에 대한 우수한 밀봉성을 갖는 것으로 평가한다. 반대로, 큰 센서 출력 저하를 나타내는 가스 센서 시료는 자체의 분말 충전재에서의 가솔린에 대한 열등한 밀봉성을 갖는 것으로 평가한다.
상기 실시예에 의한 가스 센서의 성능을 평가하기 위하여, 시료 #1부터 시료 #25까지, 총 25개의 시료를 준비하였다.
표 1 및 표 2는 각각의 시료의 분말 충전재에 포함된 입자의 직경의 분포를 나타낸다. 어떤 분말 충전재에 첨부된 숫자 P1 내지 P12는 입경 분포의 타입을 나타낸다.
타입 P1과 P2는 입경이 너무 작은 반면에, 타입 P10은 입경이 너무 크다. 환언하면, 타입 P1, P2 및 P3은 분말 충전재가 80~5,000㎛의 입경을 갖는 입자를 80중량% 이상 포함하는 조건을 만족시키지 않는다.
타입 P11은 작은 입경부터 큰 입경까지 넓게 분산된 입경 분포를 갖는다. 타입 P11은 분말 충전재가 80~5,000㎛의 입경을 갖는 입자를 80중량% 이상 포함하는 조건을 만족시킨다.
가스 센서 시료 #18 내지 #25의 분말 충전재는 타입 P6으로서 분급되어 있다. 가스 센서 시료 #1 내지 #23의 분말 충전재는 활석으로 제조한다. 가스 센서 시료 #24 및 #25의 분말 충전재는 각각 활석과 알루미나의 혼합물로 제조한다.
표 2는 표 1에 나타낸 가스 센서 시료 #1 내지 #25의 측정 결과를 요약한 것이다.
표 1 및 표 2의 결과로부터, 가스 센서 시료 #1 및 #2는 작은 입경을 너무많이 갖는 타입 P1 및 P2로 분급되어 있다. 가스 센서 시료 #1 및 #2의 각각은 충전부에 배치된 분말 충전재에서의 가솔린 밀봉성이 열등하고, 따라서 센서 출력의 감소가 크다. 또한, 가스 센서 시료 #16은 큰 입경을 너무 많이 갖는 타입 P10으로 분급되어 있다. 가스 센서 시료 #16은 충전부에 배치된 분말 충전재에서의 가솔린 밀봉성이 열등하고, 따라서 센서 출력의 감소가 크다.
상기로부터, 분말 충전재가, 충전부 내에 충전되기 전에 측정했을 때, 크기(즉, 직경)가 80㎛ 내지 5,000㎛ 범위 내에 있고, 또한 80㎛~5,000㎛의 입경을 갖는 입자의 중량 퍼센트가 분말 충전재의 전체 중량에 대하여 80% 이상인 입자를 포함하는 경우, 가스 센서에 대하여 우수한 밀봉성을 확보할 수 있는 것이 확인되었다.
또한, 타입 P4 내지 P7(가스 센서 시료 #4부터 #13까지의)은, 분말 충전재가, 충전부 내에 충전되기 전에 측정했을 때, 크기(즉, 직경)가 100㎛ 내지 1,000㎛ 범위 내에 있고, 또한 100㎛~1,000㎛의 입경을 갖는 입자의 중량 퍼센트가 분말 충전재의 전체 중량에 대하여 80% 이상인 입자를 포함하는 것을 특징으로 한다. 타입 P4 내지 P7로서 분급된 가스 센서 시료는 자체의 분말 충전재에서의 가솔린 밀봉성이 우수한 것으로 평가되었다(표 2에서 ◎로 표시됨).
또한, 가스 센서 시료 #18 내지 #25는 타입 P6으로서 분급되어 있다. 가스 센서 시료 #18은 충전부의 축선 방향 길이가 짧다(1mm). 상기 가스 센서 시료 #18은, 평가는 나쁘지 않지만(), 비교적 큰 센서 출력 감소를 나타낸다.
가스 센서 시료 #19 내지 #22 모두는, 충전부의 축선 방향 길이가 서로 차이가 있지만, 우수한 가솔린 밀봉성을 나타낸다(◎).
가스 센서 시료 #23의 분말 충전재는 질화붕소로 제조한다. 가스 센서 시료 #23은 우수한 가솔린 밀봉성을 나타낸다(◎). 가스 센서 시료 #24 및 #25의 분말 충전재는 각각 활석과 알루미나의 혼합물로 제조한다. 가스 센서 시료 #25는 비교적 큰 센서 출력 감소를 나타낸다.
상기의 측정 결과로부터, 센서 출력은 충전부의 축선 방향 길이 및 분말 충전재의 재료에 의해서 어느 정도 영향을 받는 것을 알 수 있다.
표 1
시료 no. 입경(㎛)에 대한 입자의 분포(중량%) 평가 입경 분포 타입
~80 80~
100		 100~
125		 125~
250		 250~
710		 710~
810		 810~
1000		 1000~
5000		 5000~
1 100 0 0 0 0 0 0 0 0 × P1
2 24 13 11 29 23 0 0 0 0 × P2
3 15 11 11 30 33 0 0 0 0 P3
4 3 7 17 30 43 0 0 0 0 ◎ P4
5 0 3 8 29 43 6 11 0 0 ◎ P5
6 0 0 0 40 52 8 0 0 0 ◎
7 0 0 0 80 20 0 0 0 0 ◎
8 0 0 0 37 63 0 0 0 0 ◎ P6
9 0 0 0 20 80 0 0 0 0 ◎
10 0 0 0 0 100 0 0 0 0 ◎
11 0 0 0 0 87 13 0 0 0 ◎
12 0 0 0 0 73 9 18 0 0 ◎
13 0 0 0 23 42 5 10 20 0 ◎ P7
14 0 0 0 12 40 5 13 30 0 P8
15 0 0 0 0 0 3 5 72 20 P9
16 0 0 0 0 0 0 3 67 30 × P10
17 17 2 11 22 37 4 7 0 0 P11
18 0 0 0 37 63 0 0 0 0 P6
19 0 0 0 37 63 0 0 0 0 ◎ P6
20 0 0 0 37 63 0 0 0 0 ◎ P6
21 0 0 0 37 63 0 0 0 0 ◎ P6
22 0 0 0 37 63 0 0 0 0 ◎ P6
23 0 0 0 37 63 0 0 0 0 ◎
24 0 0 0 37 63 0 0 0 0
25 0 0 0 37 63 0 0 0 0 ×
표 2
시료 no. 충전부의 축선 방향 길이(mm) 분말 충전재 평가 입경 분포 타입
1 4 활석 × P1
2 4 활석 × P2
3 4 활석 P3
4 4 활석 ◎ P4
5 4 활석 ◎ P5
6 4 활석 ◎
7 4 활석 ◎
8 4 활석 ◎ P6
9 4 활석 ◎
10 4 활석 ◎
11 4 활석 ◎
12 4 활석 ◎
13 4 활석 ◎ P7
14 4 활석 P8
15 4 활석 P9
16 4 활석 × P10
17 4 활석 P11
18 1 활석 P6
19 1.5 활석 ◎ P6
20 10 활석 ◎ P6
21 15 활석 ◎ P6
22 20 활석 ◎ P6
23 4 질화붕소 ◎
24 4 활석 60중량%+
알루미나 40중량%
25 4 활석 50중량%+
알루미나 50중량%		 ×
이어서, 이하의 방법으로 몇 개의 가스 센서 시료를 평가함으로써 분말 충전재로부터 미세 입자의 제거 효과를 검사하였다.
가스 센서 시료 #99는 '80㎛ 이하'로부터 '5000㎛ 이상'까지의 범위의 입경의 다양한 입자를 포함하는 분말 충전재를 갖고 있으며, 어떠한 분급 처리도 실행하지 않았다.
가스 센서 시료 #100 내지 #103은, 각각의 시료 #100 내지 #103에 대하여 개구 크기가 40㎛, 80㎛, 100㎛ 및 125㎛에 설정된 건식 사분급(篩分級) 처리한 분말충전재를 가지고 있다. 사분급에 의해서 미세 입자는 각각의 분말 충전재로부터 제거되었다. 결과적으로, 가스 센서 시료 #100 내지 #103 모두는 중량%가 가스 센서 시료 #99의 중량% 이하인 미세 입자를 포함한다.
가스 센서 시료 #104는 원심식 기류 분급 처리하여 80㎛ 이하의 미세 입자를 제거한 분말 충전재를 가지고 있다.
또한, 가스 센서 시료 #105는 원심식 습식 분급 처리하여 80㎛ 이하의 미세 입자를 제거한 분말 충전재를 가지고 있다.
표 3은 각각의 시험용 가스 센서 시료 #99 내지 #105의 입자의 분포, 분급 방법, 평가 결과, 및 입경 분포의 타입을 나타낸다.
다량의 미세 입자의 존재로 인하여, 가스 센서 시료 #99는 가솔린 밀봉성이 열악하고 따라서 센서 출력 저하가 크다.
기타의 가스 센서 시료 #100 내지 #105는 비교적 양호한 가솔린 밀봉성을 가지고 있다(또는 ◎으로 평가됨). 이러한 사실로부터, 미세 입자를 제거하는 것은 우수한 가솔린 밀봉성을 갖는 분말 충전재를 취득하는 데에 효과적인 것을 알 수 있다.
#100과 기타의 시료 #101 내지 #105를 비교함으로써, 80㎛ 이하의 입경을 갖는 미세 입자를 제거하는 것은 가솔린 밀봉성을 강화하는 데에 매우 효과적인 것을 알 수 있다.
표 3
시료 no. 입경(㎛)에 대한 입자의 분포(중량%) 분급 방법 평가 입경 분포 타입
~80 80~
100		 100~
125		 125~
250		 250~
710		 710~
810		 810~
1000		 1000~
5000		 5000~
99 30 8 7 12 15 12 8 5 3 없음 × P12
100 12 10 14 18 19 11 9 4 3 건식 사분급
(개구 40㎛)
101 5 12 13 17 20 14 12 5 2 건식 사분급
(개구 80㎛)		 ◎
102 2 6 14 20 18 18 14 6 2 건식 사분급
(개구 100㎛)		 ◎
103 1 2 5 18 22 21 23 6 2 건식 사분급
(개구 125㎛)		 ◎ P13
104 0 1 2 22 25 24 19 5 2 원심식 기류 분급
(125㎛)		 ◎
105 0 2 5 25 29 18 13 6 2 원심식 습식 분급
(125㎛)		 ◎
이어서, 이하의 방법으로 몇 개의 가스 센서 시료를 평가함으로써 분말 충전재로부터 굵은 입자의 제거 효과를 검사하였다.
가스 센서 시료 #106은 '80㎛ 이하'로부터 '5000㎛ 이상'까지의 범위의 입경의 다양한 입자를 포함하는 분말 충전재를 갖고 있으며, 어떠한 분급 처리도 실행하지 않았다.
가스 센서 시료 #107 내지 #109는, 각각의 시료 #107 내지 #109에 대하여 개구 크기가 5,000㎛, 1000㎛ 및 710㎛에 설정된 건식 사분급 처리한 분말 충전재를 가지고 있다. 사분급에 의해서 굵은 입자는 각각의 분말 충전재로부터 제거되었다. 결과적으로, 가스 센서 시료 #107 내지 #109 모두는 중량%가 가스 센서 시료 #106의 중량% 이하인 굵은 입자를 포함한다.
가스 센서 시료 #110은 원심식 기류 분급 처리하여 810㎛ 이상의 굵은 입자를 제거한 분말 충전재를 가지고 있다.
또한, 가스 센서 시료 #111은 원심식 습식 분급 처리하여 1,000㎛ 이상의 굵은 입자를 제거한 분말 충전재를 가지고 있다.
표 4는 각각의 시험용 가스 센서 시료 #106 내지 #111의 입자의 분포, 분급 방법, 평가 결과, 및 입경 분포의 타입을 나타낸다.
다량의 굵은 입자의 존재로 인하여, 가스 센서 시료 #106은 가솔린 밀봉성이 열악하고 따라서 센서 출력 저하가 크다.
기타의 가스 센서 시료 #107 내지 #111은 비교적 양호한 가솔린 밀봉성을 가지고 있다(또는 ◎으로 평가됨). 이러한 사실로부터, 굵은 입자를 제거하는 것은 우수한 가솔린 밀봉성을 갖는 분말 충전재를 취득하는 데에 효과적인 것을 알 수 있다.
#107과 기타의 시료 #108 내지 #111을 비교함으로써, 5,000㎛ 이상의 입경을 갖는 굵은 입자를 제거하는 것은 가솔린 밀봉성을 강화하는 데에 매우 효과적인 것을 알 수 있다.
표 4
시료
no.		 입경(㎛)에 대한 입자의 분포(중량%) 분급 방법 평가 입경
분포
타입
~80 80~
100		 100~
125		 125~
250		 250~
710		 710~
810		 810~
1000		 1000~
5000		 5000~
106 1 3 5 10 11 12 13 15 30 없음 × P14
107 1 3 6 16 18 18 20 16 2 건식 사분급
(개구 5000㎛)
108 1 3 6 25 25 20 18 2 0 건식 사분급
(개구 1000㎛)		 ◎
109 1 3 7 40 48 1 0 0 0 건식 사분급
(개구 710㎛)		 ◎ P15
110 1 3 6 45 44 1 0 0 0 원심식 기류
분급
(710㎛)		 ◎
111 1 3 6 44 40 5 1 0 0 원심식 습식
분급
(125㎛)		 ◎
몇 가지 충전 보조재의 평가를 이하의 방법으로 실행하였다.
표 5에 나타낸 바와 같이, 이 성능 시험에 사용한 분말 충전재는 활석 분말이다. 가스 센서 시료 #26 내지 #32에 대한 충전 보조재는 제1인산알루미늄의 수용액이고, 가스 센서 시료 #33 내지 #37에 대한 충전 보조재는 규산소다의 수용액이다. 또한, 가스 센서 시료 #38 내지 #42에 대한 충전 보조재는 규산칼륨의 수용액이고, 가스 센서 시료 #43에 대한 충전 보조재는 제1인산알루미늄의 수용액과 규산소다의 수용액과의 혼합물이다. 가스 센서 시료 #44에 대한 충전 보조재는 제1인산알루미늄의 수용액과 규산칼륨의 수용액과의 혼합물이다. 모든 시험용 충전 보조재는 실온(20℃)에서 액상인 무기화합물의 수용액이다.
이 표에서, 각각의 충전 보조재의 첨가량은 중량으로 100부의 분말 충전재에 대한 중량부로 표시되어 있다.
표 5로부터 알 수 있는 바와 같이, 제1인산알루미늄 수용액을 사용하는 가스 센서 시료 #26 내지 #32 중에서, 가스 센서 시료 #27 내지 #31은, 각각 센서 출력감소가 작은 것을 나타내며, 우수한 것으로 평가되어 있다(◎). 가스 센서 시료 #26 및 #32 모두는, 평가는 나쁘지 않지만(), 센서 출력 감소가 비교적 큰 것을 나타낸다.
규산소다 수용액을 사용하는 가스 센서 시료 #33 내지 #37 중에서, 가스 센서 시료 #35 및 #36은, 각각 센서 출력 감소가 작은 것을 나타내며, 우수한 것으로 평가되어 있다(◎). 가스 센서 시료 #34는, 가스 센서 시료 #35 및 #36에 비하여 열등하지만 또한 우수한 특성을 나타낸다. 나머지 가스 센서 시료 #33 및 #37은 평가는 나쁘지 않지만(), 센서 출력 감소가 비교적 큰 것을 나타낸다.
규산칼륨 수용액을 사용하는 가스 센서 시료 #38 내지 #42 중에서, 가스 센서 시료 #40 및 #41은, 각각 센서 출력 감소가 작은 것을 나타내며, 우수한 것으로 평가되어 있다(◎). 가스 센서 시료 #39는, 가스 센서 시료 #40 및 #41에 비하여 열등하지만 또한 우수한 특성을 나타낸다. 나머지 가스 센서 시료 #38 및 #42는 평가는 나쁘지 않지만(), 센서 출력 감소가 비교적 큰 것을 나타낸다.
표 5에 나타낸 평가 결과로부터 알 수 있는 바와 같이, 제1인산알루미늄, 규산소다, 및 규산칼륨은, 분말 충전재가 우수한 가솔린 밀봉성을 갖게 할 수 있는 바람직한 충전 보조재이다. 분말 충전재에 가압력이 인가되는 경우 액체 충전 보조재는 입자의 간극에 원활하게 침투하여 고밀도 충전재를 취득할 수 있다.
또한, 표 5로부터, 충전 보조재의 바람직한 첨가제의 범위는 중량으로 0.1부 내지 10부의 범위내인 것이 명백하다.
가스 센서 시료 #43의 충전 보조재는 제1인산알루미늄 수용액과 규산소다 수용액을 중량부로서 1：1의 비율로 함유하고 있다. 가스 센서 시료 #44의 충전 보조재는 제1인산알루미늄 수용액과 규산칼륨 수용액을 중량부로서 1：1의 비율로 함유하고 있다. 가스 센서 시료 #43과 #44 모두는 우수한 특성을 나타낸다.
이와 같이, 분발 충전재용 충전 보조재로서 상이한 종류의 첨가제의 혼합물을 사용하는 것이 바람직하다.
표 5
시료 no. 충전 보조재 첨가량(중량부) 분말 충전재 평가
26 제1인산알루미늄 수용액 0.05


활석
27 0.1 ◎
28 1 ◎
29 2 ◎
30 5 ◎
31 10 ◎
32 15
33 규산소다 수용액 0.05
34 0.1
35 2 ◎
36 10 ◎
37 15
38 규산칼륨 수용액 0.05
39 0.1
40 2 ◎
41 10 ◎
42 15
43 제1인산알루미늄 수용액+
규산소다 수용액		 1+1 ◎
44 제1인산알루미늄 수용액+
규산칼륨 수용액		 1+1 ◎
유사하게, 기타 충전 보조재의 평가를 이하의 방법으로 실행하였다.
표 6에 나타낸 바와 같이, 이 성능 시험에 사용한 분말 충전재는 활석 분말이다. 가스 센서 시료 #45 내지 #49에 대한 충전 보조재는 수산화바륨이고, 가스 센서 시료 #50에 대한 충전 보조재는 붕규산염 유리이다. 가스 센서 시료 #51에 대한 충전 보조재는 알루미노규산염 유리이고, 가스 센서 시료 #52에 대한 충전 보조재는 소다석회규산염 유리이다. 또한, 가스 센서 시료 #53에 대한 충전 보조재는 납규산염 유리이고, 가스 센서 시료 #54에 대한 충전 보조재는 저융점 붕산염 유리이다. 가스 센서 시료 #55에 대한 충전 보조재는 석회알루미노계 유리이고, 가스 센서 시료 #56에 대한 충전 보조재는 알루미늄산염 유리이다. 모든 시험용 충전 보조재는 600℃ 이하의 온도에서 액화될 수 있는 고체 무기화합물이다.
이 표에서, 각각의 충전 보조재의 첨가량은 중량으로 100부의 분말 충전재에 대한 중량부로 표시되어 있다.
표 6으로부터 알 수 있는 바와 같이, 수산화바륨을 사용하는 가스 센서 시료 #45 내지 #49 중에서, 가스 센서 시료 #46 내지 #48은, 각각 센서 출력 감소가 작은 것을 나타내고 따라서 우수한 가솔린 밀봉성을 갖는 것으로서, 특히, 우수한 것으로 평가되어 있다(◎). 가스 센서 시료 #45 및 #49 모두는, 평가는 나쁘지 않지만(), 센서 출력 감소가 비교적 큰 것을 나타낸다. 환언하면, 충전 보조재를 너무 맣이 또는 너무 적게 첨가하는 것은 우수한 특성을 취득하는 데에 바람직하지 않다.
또한, 상이한 종류의 무기화합물을 사용하는 나머지 가스 센서 시료 #50 내지 #56은, 특히, 각각 센서 출력 감소가 작은 것을 나타내고 따라서 우수한 가솔린 밀봉성을 갖는 것으로서, 우수한 것으로 평가되어 있다(◎).
표 6
시료 no. 충전 보조재 첨가량(중량부) 평가
45 수산화바륨 Ba(OH)2ㆍ8H2O 0.3
46 0.5 ◎
47 10 ◎
48 30 ◎
49 40
50 붕규산염 유리 Na2O-Al2O3-B2O3-SiO2 5 ◎
51 알루미노규산염 유리 CaO-BaO-MgO-Al2O3-SiO2 5 ◎
52 소다석회규산염 유리 Na2O-CaO-Al2O3-SiO2 5 ◎
53 납규산염 유리 PbO-Na2O-SiO2 5 ◎
54 저융점 붕산염 유리 PbO(Bi2O3)-ZnO-B2O3 5 ◎
55 석회알루미노계 유리 CaO-Al2O3-ZnO-SiO2 5 ◎
56 알루미늄산염 유리 CaO-Al2O3-ZnO-B2O3-SiO2 5 ◎
도 5는 분말 재료에 가압력을 인가함으로써 성형된 시험용 분말 충전재의 비중의 분포를 나타낸다.
상기 표 1로부터 명백한 바와 같이, 타입 P1은 입경 분포가 매우 작은 직경에 주로 집중된 것을 나타낸다. 타입 P1의 분말 충전재는 기타의 것에 비교하여 비중이 더 작다. 따라서, 타입 P1의 분말 충전재가 충전부에 충전되는 경우 가스 센서는 열악한 가솔린 밀봉성을 갖는다. 반대로, 타입 P3, P6, 및 P7로 분급된 분말 충전재는 비중이 더 높다. 따라서, 타입 P3, P6, 또는 P7인 분말 충전재가 충전부에 충전되는 경우 가스 센서는 우수한 가솔린 밀봉성을 갖는다(표 1 및 2 참조).
도 6 내지 도 11은 충전부(14)의 축선 방향 길이와, 요철 표면층(203) 또는전극 보호층(206)과의 사이의 위치 관계를 설명하는 도면이다.
도 6 내지 도 11에 나타내는 바와 같이, 고체 전해질체(20)의 외측면에는 요철 표면층(203)이 형성되어 있다. 도면에는 나타내지 않았지만, 요철 표면층(203)을 피복하도록 외측 전극이 넓게 구성되어 있다. 도 11은 어떠한 요철 표면층도 없는 가스 센서를 나타낸다.
도 6 내지 도 11의 각각에서, 고체 전해질체(20)와 하우징(10)과의 사이에는 충전부(14)가 형성되어 있다. 길이 L은 말단부(즉, 하단)(141)로부터 가까운 쪽 단부(즉, 상단)(142)까지 축선 방향으로 연장되는 충전부(14)의 축선 방향 길이를 나타낸다.
길이 M은 충전부(14)에서의 요철 표면층(203)의 축선 방향 길이를 나타낸다. 상기 길이 M은 요철 표면층(203)의 가까운 쪽 단부(즉, 상단)로부터 충전부(14)의 말단부(즉, 하단)(141)까지의 수직(즉, 축선 방향의) 거리로서 정의된다.
마찬가지로, 길이 N은 충전부(14)에서의 전극 보호층(205)의 축선 방향 길이를 나타낸다. 상기 길이 N은 전극 보호층(205)의 가까운 쪽 단부(즉, 상단)로부터 충전부(14)의 말단부(즉, 하단)(141)까지의 수직(즉, 축선 방향의) 거리로서 정의된다.
도 6은 치수적으로 L＞M＞N인 것을 특징으로 하는 가스 센서를 나타낸다.
도 7은 치수적으로 M=N=0이고 L=4mm인 것을 특징으로 하는 가스 센서를 나타낸다. 요철 표면층(203)의 가까운 쪽 단부(즉, 상단)와 전극 보호층(205)의 가까운 쪽 단부(즉, 상단)는 충전부(14)의 말단부(즉, 하단)에 동일하다.
도 8은 치수적으로 M=N=-1mm이고 L=4mm인 것을 특징으로 하는 가스 센서를 나타낸다. 이 경우에, 요철 표면층(203)의 가까운 쪽 단부(즉, 상단)와 전극 보호층(205)의 가까운 쪽 단부(즉, 상단)는 충전부(14)의 말단부(즉, 하단)(141)보다 1mm 더 아래로 변위되어 있다. 도 8에 나타내는 바와 같이, 충전부(14)의 말단부 (141)는 높이 방향으로 원점(=0)이다. 가까운 쪽 단부측(즉, 상단)은 원점에 대하여 정(+)의 값으로써 표시되고, 말단부측(즉, 하단)은 원점에 대하여 부(-)의 값으로써 표시되어 있다.
도 9는 치수적으로 N=0mm, L=4mm 및 M=3.5mm인 것을 특징으로 하는 가스 센서를 나타낸다. 요철 표면층(203)의 가까운 쪽 단부(즉, 상단)는 충전부(14)의 가까운 쪽 단부(즉, 상단)(142)보다 0.5mm의 거리 P 만큼 더 아래로 변위되어 있다.
도 10은 치수적으로 N=0mm이고 L=M=4mm인 것을 특징으로 하는 가스 센서를 나타낸다. 요철 표면층(203)은 충전부(14)의 가까운 쪽 단부(즉, 상단)(142)까지 충분히 연장되어 있다.
도 11은 아무런 요철 표면층도 구비하고 있지 않고 치수적으로 L=4mm이고 N=0mm인 것을 특징으로 하는 가스 센서를 나타낸다. 전극 보호층(205)의 가까운 쪽 단부(즉, 상단)는 충전부(14)의 말단부(즉, 하단)(141)에 동일하다.
가스 센서 성능을 요철 표면층과 전극 보호층의 축선 방향 길이에 대하여 평가하였다.
표 7에 나타내는 바와 같이, 시험용 가스 센서 시료 #57 내지 #70 모두는, 요철 표면층과 전극 보호층의 치수에 있어서 차이가 있지만, 이들 시료 #57 내지#70은 4mm의 동일한 축선 방향 길이를 가지고 있다.
가스 센서 시료 #60, #64 및 #67은 성능이 나쁜 것으로 평가되었다.
가스 센서 시료 #60은 충전부의 가까운 쪽 단부(즉, 상단)로부터 상방으로 돌출하는 5mm의 요철 표면층을 구비하고 있다. 이 경우에, 자체의 표면 조도(粗度)로 인하여, 요철 표면층은, 액체(가솔린)가 분말 충전재를 통과하여 대기측 분위기로 진입할 수 있게 하는 침입 통로(미세한 구멍과 간극을 주로 포함하는)로서의 역할을 한다.
가스 센서 시료 #64는 충전부의 가까운 쪽 단부(즉, 상단)로부터 상방으로 돌출하는 5mm의 전극 보호층을 구비하고 있다. 이 경우에, 전극 보호층은 요철 표면층을 가지고 있다. 전극 보호층은, 액체(가솔린)가 분말 충전재를 통과하여 대기측 분위기로 진입할 수 있게 하는 침입 통로(미세한 구멍과 간극을 주로 포함하는)로서의 역할을 한다.
가스 센서 시료 #67은, 5mm의 요철 표면층과 5mm의 전극 보호층을 구비하고 있으며, 둘다 충전부의 가까운 쪽 단부(즉, 상단)로부터 상방으로 돌출하고 또한 이에 따라서 액체가 분말 충전재를 통과하여 대기측 분위기로 진입할 수 있게 하는 침입 통로(미세한 구멍과 간극을 주로 포함하는)로서의 역할을 한다.
표 7
시료 no. 충전부의 축선 방향 길이(mm) 요철 표면층의 축선 방향 길이(mm) 전극 보호층의 축선 방향 길이(mm) 평가
57





4		 0 0 ◎
58 3.5 0 ◎
59 4 0
60 5 0 ×
61 0 0 ◎
62 0 3.5 ◎
63 0 4
64 0 5 ×
65 3.5 3.5 ◎
66 4 4
67 5 5 ×
68 -1 0 ◎
69 0 -1 ◎
70 -1 -1 ◎
가스 센서 성능을 분말 충전재에 포함된 미세 입자 또는 굵은 입자의 유무에 대하여 평가하였다.
표 8 및 표 9에 나타내는 바와 같이, 가스 센서 시료 #113, #121, 및 #125는 입경이 '80㎛ 이하'로부터 '5000㎛ 이상'까지의 범위의 다양한 입자를 포함하는 분말 충전재를 갖고 있으며, 어떠한 분급 처리도 실행하지 않았다.
가스 센서 시료 #114 내지 #120은, 가스 센서 시료 #113의 분말 충전재로부터 건식 사분급 처리하여 미세 입자 및 굵은 입자를 제거한 분말 충전재를 갖고 있다. 가스 센서 시료 #114의 분말 충전재는, 개구 크기를 40㎛에 설정하여 미세 입자를 제거하고, 또한 5,000㎛에 설정하여 굵은 입자를 제거하도록 건식 사분급 처리된다. 가스 센서 시료 #115의 분말 충전재는, 개구 크기를 80㎛에 설정하여 미세입자를 제거하고, 또한 5,000㎛에 설정하여 굵은 입자를 제거하도록 건식 사분급 처리된다. 가스 센서 시료 #116의 분말 충전재는, 개구 크기를 80㎛에 설정하여 미세 입자를 제거하고, 또한 1,000㎛에 설정하여 굵은 입자를 제거하도록 건식 사분급 처리된다. 가스 센서 시료 #117의 분말 충전재는, 개구 크기를 80㎛에 설정하여 미세 입자를 제거하고, 또한 710㎛에 설정하여 굵은 입자를 제거하도록 건식 사분급 처리된다. 가스 센서 시료 #118의 분말 충전재는, 개구 크기를 100㎛에 설정하여 미세 입자를 제거하고, 또한 1,000㎛에 설정하여 굵은 입자를 제거하도록 건식 사분급 처리된다. 가스 센서 시료 #119의 분말 충전재는, 개구 크기를 125㎛에 설정하여 미세 입자를 제거하고, 또한 5,000㎛에 설정하여 굵은 입자를 제거하도록 건식 사분급 처리된다. 가스 센서 시료 #120의 분말 충전재는, 개구 크기를 125㎛에 설정하여 미세 입자를 제거하고, 또한 710㎛에 설정하여 굵은 입자를 제거하도록 건식 사분급 처리된다.
가스 센서 시료 #122 내지 #124는, 가스 센서 시료 #121의 분말 충전재로부터 건식 사분급 처리하여 미세 입자 및 굵은 입자를 제거한 분말 충전재를 갖고 있다. 가스 센서 시료 #122의 분말 충전재는, 개구 크기를 40㎛에 설정하여 미세 입자를 제거하고, 또한 5,000㎛에 설정하여 굵은 입자를 제거하도록 건식 사분급 처리된다. 가스 센서 시료 #123의 분말 충전재는, 개구 크기를 100㎛에 설정하여 미세 입자를 제거하고, 또한 1,000㎛에 설정하여 굵은 입자를 제거하도록 건식 사분급 처리된다. 또한, 가스 센서 시료 #124의 분말 충전재는, 개구 크기를 125㎛에 설정하여 미세 입자를 제거하고, 또한 710㎛에 설정하여 굵은 입자를 제거하도록건식 사분급 처리된다.
가스 센서 시료 #126 내지 #128은, 가스 센서 시료 #125의 분말 충전재로부터 건식 사분급 처리하여 미세 입자 및 굵은 입자를 제거한 분말 충전재를 갖고 있다. 가스 센서 시료 #126의 분말 충전재는, 개구 크기를 40㎛에 설정하여 미세 입자를 제거하고, 또한 5,000㎛에 설정하여 굵은 입자를 제거하도록 건식 사분급 처리된다. 가스 센서 시료 #127의 분말 충전재는, 개구 크기를 100㎛에 설정하여 미세 입자를 제거하고, 또한 1,000㎛에 설정하여 굵은 입자를 제거하도록 건식 사분급 처리된다. 또한, 가스 센서 시료 #128의 분말 충전재는, 개구 크기를 125㎛에 설정하여 미세 입자를 제거하고, 또한 710㎛에 설정하여 굵은 입자를 제거하도록 건식 사분급 처리된다.
가스 센서 시료 #129의 분말 충전재는 원심식 기류 분급 처리되어 80㎛ 이하의 미세한 입자 및 5,000㎛ 이상의 굵은 입자가 제거된다. 가스 센서 시료 #130의 분말 충전재는 원심식 습식 분급 처리되어 80㎛ 이하의 미세한 입자 및 5,000㎛ 이상의 굵은 입자가 제거된다.
다량의 미세 입자 및 굵은 입자의 존재로 인하여, 가스 센서 시료 #113, #121, 및 #125는 모두 가솔린 밀봉성이 열악하고 따라서 센서 출력 저하가 크다.
기타의 가스 센서 시료 #114~#120, #122~#124, 및 #126~#128은 비교적 양호한 가솔린 밀봉성을 가지고 있다(또는 ◎으로 평가됨). 이러한 사실로부터, 미세 입자 및 굵은 입자를 제거하는 것은 우수한 가솔린 밀봉성을 갖는 분말 충전재를 취득하는 데에 효과적인 것을 알 수 있다.
가스 센서 시료 #114, #122, 및 #126은 비교적 다량의 미세 입자 및 굵은 입자를 포함하고 있으므로, 이들 시료 #114, #122, 및 #126의 특성은 기타의 가스 센서 시료 #115~#120, #123 #124, #127, 및 #128에 비하여 열등하다.
표 8
시료 no. 입경에 대한 입자의 분포(중량%)
~80 80~100 100~125 125~250 250~710 710~810 810~1000 1000~5000 5000~
113 15 12 10 10 11 10 10 7 15
114 10 11 12 14 15 14 12 10 2
115 9 12 12 14 15 14 12 10 2
116 8 12 14 17 19 16 12 2 0
117 8 18 22 24 26 2 0 0 0
118 2 7 15 19 21 19 15 2 0
119 0 2 6 19 21 22 18 10 2
120 0 2 5 43 48 2 0 0 0
121 30 10 11 12 13 11 10 2 1
122 9 11 15 16 17 15 11 4 2
123 1 8 17 22 21 18 12 1 0
124 1 1 3 72 21 2 0 0 0
125 1 2 4 7 11 13 15 18 29
126 1 2 8 14 15 18 16 24 2
127 1 2 11 22 24 18 20 2 0
128 1 1 4 42 50 2 0 0 0
129 0 1 2 51 45 1 0 0 0
130 0 2 6 46 38 7 1 0 0
표 9
시료 no. 분급 방법 평가 입경 분포 타입
113 없음 × P16
114 건식 사분급 개구 40㎛ & 5000㎛
115 건식 사분급 개구 80㎛ & 5000㎛ ◎
116 건식 사분급 개구 80㎛ & 1000㎛ ◎
117 건식 사분급 개구 80㎛ & 710㎛ ◎
118 건식 사분급 개구 100㎛ & 1000㎛ ◎
119 건식 사분급 개구 125㎛ & 5000㎛ ◎
120 건식 사분급 개구 125㎛ & 710㎛ ◎ P17
121 없음 × P18
122 건식 사분급 개구 40㎛ & 5000㎛
123 건식 사분급 개구 100㎛ & 1000㎛ ◎
124 건식 사분급 개구 125㎛ & 710㎛ ◎ P19
125 없음 × P20
126 건식 사분급 개구 40㎛ & 5000㎛
127 건식 사분급 개구 100㎛ & 1000㎛ ◎
128 건식 사분급 개구 125㎛ & 710㎛ ◎ P21
129 원심식 기류 분급 125㎛ & 710㎛ ◎
130 원심식 습식 분급 125㎛ & 710㎛ ◎
가스 센서 성능을 분말 충전재에서의 입경 분포 타입 및 충전 보조재의 첨가량에 대하여 평가하였다.
표 10에 나타낸 바와 같이, 시험용 가스 센서 시료 #71~#77 및 #131~#136 모두는 입경 분포 타입 및 충전 보조재의 첨가량에 있어서 차이가 있지만, 이들 시료 #71~#77 및 #131~#136은 동일한 분말 충전재(활석)를 가지고 있으며 동일한 충전 보조재(제1인산알루미늄 수용액)를 사용한다.
가스 센서 시료 #72~#76 및 #132, #134 및 #136은 우수한 가솔린 밀봉성을 가지고 있는 것으로 평가되었다(◎).
가스 센서 시료 #71의 분말 충전재는, 평가는 나쁘지 않지만(), 다량의 미세 입자를 포함하고 있다(타입 P1). 반대로, 가스 센서 시료 #77의 분말 충전재는, 평가는 나쁘지 않지만(), 다량의 굵은 입자를 포함하고 있다(타입 P10). 가스 센서 시료 #71과 #77 모두는 가스 센서 시료 #72~#76보다 열등한 가솔린 밀봉성을 나타내었다.
가스 센서 시료 #131의 분말 충전재는, 평가는 나쁘지 않지만(), 다량의 미세 입자 및 굵은 입자를 포함하고 있다(타입 P16). 가스 센서 시료 #133의 분말 충전재는, 평가는 나쁘지 않지만(), 다량의 미세 입자를 포함하고 있다(타입 P18).
가스 센서 시료 #135의 분말 충전재는, 평가는 나쁘지 않지만(), 다량의 굵은 입자를 포함하고 있다(타입 P20). 표 10의 평가 결과로부터 명백한 바와 같이, 분말 충전재에 포함된 미세 입자 및 굵은 입자는 가스 센서의 가솔린 밀봉성을 현저하게 저하시킨다.
표 10
시료 no. 입경 분포 타입 충전부의 축선 방향 길이(mm) 분말 충전재 충전 보조재 첨가량(중량부) 평가
71 P1


4


활석


제1인산알루미늄 수용액		 0.05
72 P3 2 ◎
73 P6 0.1 ◎
74 P6 2 ◎
75 P6 10 ◎
76 P8 2 ◎
77 P10 0.05
131 P16 0.05
132 P17 2 ◎
133 P18 0.05
134 P19 2 ◎
135 P20 0.05
136 P21 2 ◎
가스 센서 성능을 분말 충전재에서의 입경 분포 타입, 및 요철 표면층과 전극 보호층의 축선 방향 길이에 대하여 평가하였다.
표 11에 나타낸 바와 같이, 시험용 가스 센서 시료 #78~#84 및 #137~#142 모두는 입경 분포 타입, 및 요철 표면층과 전극 보호층의 치수에 있어서 차이가 있지만, 이들 시료 #78~#84 및 #137~#142는 동일한 분말 충전재(활석)를 가지고 있다.
가스 센서 시료 #79~#83 및 #138, #140 및 #142는 우수한 가솔린 밀봉성을 가지고 있는 것으로 평가되었다(◎).
가스 센서 시료 #78의 가솔린 밀봉성은, 분말 충전재가 다량의 미세 입자를 포함하고 있으므로(타입 P1), 그렇게 우수하지는 않다. 가스 센서 시료 #84의 가솔린 밀봉성은, 분말 충전재가 다량의 굵은 입자를 포함하고 있으므로(타입 P10), 그렇게 우수하지는 않다. 가스 센서 시료 #137의 가솔린 밀봉성은, 분말 충전재가 다량의 미세 입자 및 굵은 입자를 포함하고 있으므로(타입 P16), 그렇게 우수하지는 않다. 가스 센서 시료 #139의 가솔린 밀봉성은, 분말 충전재가 다량의 굵은 입자를 포함하고 있으므로(타입 P18), 그렇게 우수하지는 않다. 또한, 가스 센서 시료 #141의 가솔린 밀봉성은, 분말 충전재가 다량의 굵은 입자를 포함하고 있으므로(타입 P20), 그렇게 우수하지는 않다.
가스 센서 시료 #78, #84, #137, #139, 및 #141 모두의, 요철 표면층과 전극 보호층의 축선 방향 길이는 충전부의 축선 방향 길이에 동일하다. 이러한 치수 관계는 가솔린 밀봉성에 역효과를 준다.
표 11
시료 no. 입경 분포
타입		 충전부의 축선 방향
길이(mm)		 분말 충전재 요철 표면층의 축선 방향 길이(mm) 전극 보호층의 축선 방향 길이(mm) 평가
78 P1

4

활석		 4 4
79 P3 0 0 ◎
80 P4 2 2 ◎
81 P6 0 0 ◎
82 P6 2 2 ◎
83 P8 2 2 ◎
84 P10 4 4
137 P16 4 4
138 P17 2 2 ◎
139 P18 4 4
140 P19 2 2 ◎
141 P20 4 4
142 P21 2 2 ◎
가스 센서 성능을 분말 충전재의 첨가량, 및 요철 표면층과 전극 보호층의 축선 방향 길이에 대하여 평가하였다.
표 12에 나타낸 바와 같이, 시험용 가스 센서 시료 #85~#91 모두는 분말 충전재의 첨가량, 및 요철 표면층과 전극 보호층의 치수에 있어서 차이가 있지만, 이들 시료 #85~#91은 동일한 분말 충전재(활석)를 가지고 있으며 또한 동일한 충전 보조재(제1인산알루미늄 수용액)를 사용한다.
가스 센서 시료 #86 내지 #90은 우수한 가솔린 밀봉성을 가지고 있는 것으로 평가되었다(◎).
가스 센서 시료 #85는, 충전 보조재의 첨가량이 적고 또한 요철 표면층과 전극 보호층의 축선 방향 길이가 충전부의 축선 방향 길이에 동일하므로, 가솔린 밀봉성에 있어서 가스 센서 시료 #86 내지 #90에 비하여 열등하다.
또한, 가스 센서 시료 #91은, 충전 보조재의 첨가량이 적고 또한 요철 표면층과 전극 보호층의 축선 방향 길이가 충전부의 축선 방향 길이에 동일하므로, 가솔린 밀봉성에 있어서 가스 센서 시료 #86 내지 #90에 비하여 열등하다.
표 12
시료 no. 충전부의 축선 방향 길이(mm) 분말 충전재 충전 보조재 첨가량
(중량부)		 요철
표면층의 축선 방향 길이(mm)		 전극 보호층의 축선
방향
길이(mm)		 평가
85

4

활석

제1인산알루미늄		 0.05 4 4
86 0.1 2 2 ◎
87 2 0 0 ◎
88 2 2 2 ◎
89 2 4 4 ◎
90 10 2 2 ◎
91 15 4 4
가스 센서 성능을 분말 충전재에서의 입경 분포 타입, 충전 보조재의 첨가량, 및 요철 표면층과 전극 보호층의 축선 방향 길이에 대하여 평가하였다.
표 13에 나타낸 바와 같이, 시험용 가스 센서 시료 #92~#98 모두는 입경 분포 타입, 충전 보조재의 첨가량, 및 요철 표면층과 전극 보호층의 치수에 있어서 차이가 있지만, 이들 시료 #92~#98은 동일한 분말 충전재(활석)를 가지고 있으며 또한 동일한 충전 보조재(제1인산알루미늄 수용액)를 사용한다.
가스 센서 시료 #93 내지 #97은 우수한 가솔린 밀봉성을 가지고 있는 것으로평가되었다(◎).
가스 센서 시료 #92는, 분말 충전재가 다량의 작은 입자를 포함하고(타입 P1), 충전 보조재의 첨가량이 적으며 또한 요철 표면층과 전극 보호층의 축선 방향 길이가 충전부의 축선 방향 길이에 동일하므로, 가솔린 밀봉성에 있어서 가스 센서 시료 #93 내지 #97에 비하여 열등하다.
또한, 가스 센서 시료 #98은, 분말 충전재가 다량의 굵은 입자를 포함하고(타입 P10), 충전 보조재의 첨가량이 적으며 또한 요철 표면층과 전극 보호층의 축선 방향 길이가 충전부의 축선 방향 길이에 동일하므로, 가솔린 밀봉성에 있어서 가스 센서 시료 #93 내지 #97에 비하여 열등하다.
표 13
시료 no. 입경 분포 타입 충전부의
축선
방향
길이(mm)		 분말
충전재		 충전
보조재		 첨가량
(중량부)		 요철
표면층의 축선
방향 길이(mm)		 전극 보호층
의 축선
방향
길이(mm)		 평가
92 P1

4

활석

제1인산알루미늄		 0.05 4 4
93 P3 2 2 2 ◎
94 P6 2 0 0 ◎
95 P6 2 2 2 ◎
96 P6 10 2 2 ◎
97 P8 2 2 2 ◎
98 P10 0.05 4 4
본 발명은 본 발명의 주요 특징의 개념으로부터 벗어남이 없이 여러가지 형태로 실시될 수도 있다. 따라서, 본 발명의 범위는 상기의 설명보다는 첨부된 청구범위에 의해서 한정되므로 기재된 본 실시예는 설명을 위한 것이며, 한정하고자 하는 것이 아니다. 그러므로, 청구범위내에 들어가는 모든 변경, 또는 이러한 범위에 동등한 것은 청구범위에 포함되는 것으로 한다.
본 발명에 의해서 피측정 가스에 함유된 가솔린 또는 기타의 액체 성분이 밀봉 부재를 통과하여 대기측 분위기 내에 침입하는 것을 방지하는 우수한 밀봉성을 갖는 가스 센서가 제공된다.

Claims (31)

  1. 하우징(10),
    상기 하우징 내에 배치되는 가스 센서 소자(2), 및
    상기 하우징과 상기 가스 센서 소자와의 사이에 형성된 충전부(14)에 충전되어서 상기 하우징과 상기 가스 센서 소자와의 사이의 간극을 공기가 통하지 않게 밀봉하는 분말 충전재를 포함하는 가스 센서에 있어서,
    상기 분말 충전재는, 상기 충전부 내에 충전되기 전에 측정했을 때 직경이 80㎛ 내지 5,000㎛ 범위 내에 있고, 또한
    80㎛ 내지 5,000㎛의 직경을 갖는 상기 입자의 중량 퍼센트가 상기 분말 충전재의 전체 중량에 대하여 80% 이상인 입자를 포함하는 것을 특징으로 하는 가스 센서.
  2. 제1항에 있어서, 상기 분말 충전재는, 상기 충전부 내에 충전되기 전에 측정했을 때 직경이 100㎛ 으로부터 1,000㎛ 까지의 범위 내에 있고, 또한 100㎛ 내지 1,000㎛의 직경을 갖는 상기 입자의 중량 퍼센트가 상기 분말 충전재의 전체 중량에 대하여 80% 이상인 입자를 포함하는 것을 특징으로 하는 가스 센서.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 분말 충전재는, 상기 충전부 내에 충전되기 전에 측정했을 때 직경이 125㎛ 으로부터 710㎛ 까지의 범위 내에 있고, 또한125㎛ 내지 710㎛의 직경을 갖는 상기 입자의 중량 퍼센트가 상기 분말 충전재의 전체 중량에 대하여 80% 이상인 입자를 포함하는 것을 특징으로 하는 가스 센서.
  4. 하우징(10),
    상기 하우징 내에 배치되는 가스 센서 소자(2), 및
    상기 하우징과 상기 가스 센서 소자와의 사이에 형성된 충전부(14)에 충전되어서 상기 하우징과 상기 가스 센서 소자와의 사이의 간극을 공기가 통하지 않게 밀봉하는 분말 충전재를 포함하는 가스 센서에 있어서,
    상기 분말 충전재는, 상기 분말 충전재가 상기 충전부 내에 충전되기 전에 분급 처리하여 미세 입자를 제거한 입자를 포함하는 것을 특징으로 하는 가스 센서.
  5. 제4항에 있어서, 상기 분말 충전재는, 분급 처리된 후에, 80㎛ 이하의 직경을 갖는 미세 입자를 상기 분말 충전재의 전체 중량에 대하여 10% 이하의 중량 퍼센트까지 포함하는 것을 특징으로 하는 가스 센서.
  6. 제4항 또는 제5항에 있어서, 상기 분말 충전재는, 분급 처리된 후에, 100㎛ 이하의 직경을 갖는 미세 입자를 상기 분말 충전재의 전체 중량에 대하여 10% 이하의 중량 퍼센트까지 포함하는 것을 특징으로 하는 가스 센서.
  7. 제4항 또는 제5항에 있어서, 상기 분말 충전재는, 분급 처리된 후에, 125㎛ 이하의 직경을 갖는 미세 입자를 상기 분말 충전재의 전체 중량에 대하여 10% 이하의 중량 퍼센트까지 포함하는 것을 특징으로 하는 가스 센서.
  8. 하우징(10),
    상기 하우징 내에 배치되는 가스 센서 소자(2), 및
    상기 하우징과 상기 가스 센서 소자와의 사이에 형성된 충전부(14)에 충전되어서 상기 하우징과 상기 가스 센서 소자와의 사이의 간극을 공기가 통하지 않게 밀봉하는 분말 충전재를 포함하는 가스 센서에 있어서,
    상기 분말 충전재는, 상기 분말 충전재가 상기 충전부 내에 충전되기 전에 분급 처리하여 굵은 입자를 제거한 입자를 포함하는 것을 특징으로 하는 가스 센서.
  9. 제8항에 있어서, 상기 분말 충전재는, 분급 처리된 후에, 5,000㎛ 이상의 직경을 갖는 굵은 입자를 상기 분말 충전재의 전체 중량에 대하여 10% 이하의 중량 퍼센트까지 포함하는 것을 특징으로 하는 가스 센서.
  10. 제8항 또는 제9항에 있어서, 상기 분말 충전재는, 분급 처리된 후에, 1,000㎛ 이상의 직경을 갖는 굵은 입자를, 상기 분말 충전재의 전체 중량에 대하여 10% 이하의 중량 퍼센트까지 포함하는 것을 특징으로 하는 가스 센서.
  11. 제8항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 분말 충전재는, 분급 처리된 후에, 710㎛ 이하의 직경을 갖는 굵은 입자를, 상기 분말 충전재의 전체 중량에 대하여 10% 이하의 중량 퍼센트까지 포함하는 것을 특징으로 하는 가스 센서.
  12. 제1항 내지 제11항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 충전부의 축선 방향 길이는 1.5mm 부터 15mm 까지의 범위내에 있는 것을 특징으로 하는 가스 센서.
  13. 제1항 내지 제12항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 분말 충전재는 활석(滑石) 또는 질화붕소 중 최소한 하나를 50중량% 이상 포함하는 것을 특징으로 하는 가스 센서.
  14. 하우징(10),
    상기 하우징 내에 배치되는 가스 센서 소자(2), 및
    상기 하우징과 상기 가스 센서 소자와의 사이에 형성된 충전부(14)에 충전되어서 상기 하우징과 상기 가스 센서 소자와의 사이의 간극을 공기가 통하지 않게 밀봉하는 분말 충전재를 포함하는 가스 센서에 있어서,
    상기 분말 충전재에 충전 보조재를 첨가하는 것을 특징으로 하는 가스 센서.
  15. 제14항에 있어서, 상기 충전 보조재는 실온(20℃)에서 액상(液狀)인 무기화합물의 수용액인 것을 특징으로 하는 가스 센서.
  16. 제15항에 있어서, 상기 무기화합물의 수용액은 제1인산알루미늄 수용액, 규산소다 수용액, 및 규산칼륨 수용액 중에서 선택된 최소한 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 가스 센서.
  17. 제15항 또는 제16항에 있어서, 상기 충전 보조재의 첨가량은 중량으로 100부의 상기 분말 충전재에 대하여 중량으로 0.1부로부터 10부까지의 범위내에 있는 것을 특징으로 하는 가스 센서.
  18. 제14항에 있어서, 상기 충전 보조재는 600℃ 이하의 온도에서 액화될 수 있는 고체 무기화합물인 것을 특징으로 하는 가스 센서.
  19. 제18항에 있어서, 상기 고체 무기화합물은 수산화바륨, 붕규산염 유리, 알루미노규산염 유리, 소다석회규산염 유리, 납규산염 유리, 저융점 붕산염 유리, 석회알루미노계 유리, 및 알루미늄산염 유리 중에서 선택된 최소한 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 가스 센서.
  20. 제18항 또는 제19항에 있어서, 상기 충전 보조재의 첨가량은 중량으로 100부의 상기 분말 충전재에 대하여 중량으로 0.5부로부터 30부까지의 범위내에 있는 것을 특징으로 하는 가스 센서.
  21. 하우징(10),
    상기 하우징 내에 배치되는 가스 센서 소자(2), 및
    상기 하우징과 상기 가스 센서 소자와의 사이에 형성된 충전부(14)에 충전되어서 상기 하우징과 상기 가스 센서 소자와의 사이의 간극을 공기가 통하지 않게 밀봉하는 분말 충전재를 포함하는 가스 센서에 있어서,
    상기 가스 센서 소자의 표면에는, 요철 표면층(203)과 전극 보호층 (205) 중 최소한 하나가 형성되어 있고, 또한
    요철 표면층과 전극 보호층 중 상기 최소한 하나의 가까운 쪽 단부는, 상기 충전부의 가까운 쪽 단부에 동일하거나 또는 상기 충전부의 상기 가까운 쪽 단부에 대하여 상기 가스 센서의 단말부측을 향하여 변위되어 있는 것을 특징으로 하는 가스 센서.
  22. 제21항에 있어서, 상기 요철 표면층과 상기 전극 보호층 중 상기 최소한 하나는 상기 충전부의 가까운 쪽 단부에 대하여 상기 가스 센서의 말단부측을 향하여 0.5mm 이상 변위되어 있는 것을 특징으로 하는 가스 센서.
  23. 제21항 또는 제22항에 있어서, 상기 요철 표면층과 상기 전극 보호층 중 상기 최소한 하나에서의 가까운 쪽 단부가 상기 충전부의 말단부에 동일하거나 또는상기 충전부의 상기 가까운 쪽 단부에 대하여 상기 가스 센서의 말단부측을 향하여 변위되어 있는 것을 특징으로 하는 가스 센서.
  24. 하우징(10),
    상기 하우징 내에 배치되는 가스 센서 소자(2), 및
    상기 하우징과 상기 가스 센서 소자와의 사이에 형성된 충전부(14)에 충전되어서 상기 하우징과 상기 가스 센서 소자와의 사이의 간극을 공기가 통하지 않게 밀봉하는 분말 충전재를 포함하는 가스 센서에 있어서,
    상기 분말 충전재는, 상기 분말 충전재가 상기 충전부 내에 충전되기 전에 분급 처리하여 미세한 입자와 굵은 입자 모두를 제거한 입자를 포함하는 것을 특징으로 하는 가스 센서.
  25. 하우징(10),
    상기 하우징 내에 배치되는 가스 센서 소자(2), 및
    상기 하우징과 상기 가스 센서 소자와의 사이에 형성된 충전부(14)에 충전되어서 상기 하우징과 상기 가스 센서 소자와의 사이의 간극을 공기가 통하지 않게 밀봉하는 분말 충전재를 포함하는 가스 센서에 있어서,
    상기 분말 충전재에 충전 보조재가 첨가되고,
    상기 분말 충전재는, 상기 충전부 내에 충전되기 전에 측정했을 때 직경이 80㎛ 으로부터 5,000㎛ 까지의 범위 내에 있고, 또한
    80㎛ 내지 5,000㎛의 직경을 갖는 상기 입자의 중량 퍼센트가 상기 분말 충전재의 전체 중량에 대하여 80% 이상인 입자를 포함하는 것을 특징으로 하는 가스 센서.
  26. 하우징(10),
    상기 하우징 내에 배치되는 가스 센서 소자(2), 및
    상기 하우징과 상기 가스 센서 소자와의 사이에 형성된 충전부(14)에 충전되어서 상기 하우징과 상기 가스 센서 소자와의 사이의 간극을 공기가 통하지 않게 밀봉하는 분말 충전재를 포함하는 가스 센서에 있어서,
    상기 분말 충전재는, 상기 충전부 내에 충전되기 전에 측정했을 때 직경이 80㎛ 으로부터 5,000㎛ 까지의 범위 내에 있고, 또한
    80㎛ 내지 5,000㎛의 직경을 갖는 상기 입자의 중량 퍼센트가 상기 분말 충전재의 전체 중량에 대하여 80% 이상인 입자를 포함하며,
    상기 가스 센서 소자의 표면에는, 요철 표면층(203)과 전극 보호층 (205) 중 최소한 하나가 형성되어 있고, 또한
    요철 표면층과 전극 보호층 중 상기 최소한 하나의 가까운 쪽 단부는 상기 충전부의 가까운 쪽 단부에 동일하거나 또는 상기 충전부의 상기 가까운 쪽 단부에 대하여 상기 가스 센서의 단말부측을 향하여 변위되어 있는 것을 특징으로 하는 가스 센서.
  27. 하우징(10),
    상기 하우징 내에 배치되는 가스 센서 소자(2), 및
    상기 하우징과 상기 가스 센서 소자와의 사이에 형성된 충전부(14)에 충전되어서 상기 하우징과 상기 가스 센서 소자와의 사이의 간극을 공기가 통하지 않게 밀봉하는 분말 충전재를 포함하는 가스 센서에 있어서,
    상기 분말 충전재에 충전 보조재가 첨가되고,
    상기 가스 센서 소자의 표면에는, 요철 표면층(203)과 전극 보호층 (205) 중 최소한 하나가 형성되어 있고, 또한
    요철 표면층과 전극 보호층 중 상기 최소한 하나의 가까운 쪽 단부는 상기 충전부의 가까운 쪽 단부에 동일하거나 또는 상기 충전부의 상기 가까운 쪽 단부에 대하여 상기 가스 센서의 단말부측을 향하여 변위되어 있는 것을 특징으로 하는 가스 센서.
  28. 하우징(10),
    상기 하우징 내에 배치되는 가스 센서 소자(2), 및
    상기 하우징과 상기 가스 센서 소자와의 사이에 형성된 충전부(14)에 충전되어서 상기 하우징과 상기 가스 센서 소자와의 사이의 간극을 공기가 통하지 않게 밀봉하는 분말 충전재를 포함하는 가스 센서에 있어서,
    상기 분말 충전재에 충전 보조재가 첨가되고,
    상기 분말 충전재는, 상기 충전부 내에 충전되기 전에 측정했을 때 직경이80㎛ 으로부터 5,000㎛ 까지의 범위 내에 있고, 또한
    80㎛ 내지 5,000㎛의 직경을 갖는 상기 입자의 중량 퍼센트가 상기 분말 충전재의 전체 중량에 대하여 80% 이상인 입자를 포함하며,
    상기 가스 센서 소자의 표면에는, 요철 표면층(203)과 전극 보호층 (205) 중 최소한 하나가 형성되어 있고, 또한
    요철 표면층과 전극 보호층 중 상기 최소한 하나의 가까운 쪽 단부는 상기 충전부의 가까운 쪽 단부에 동일하거나 또는 상기 충전부의 상기 가까운 쪽 단부에 대하여 상기 가스 센서의 단말부측을 향하여 변위되어 있는 것을 특징으로 하는 가스 센서.
  29. 하우징(10),
    상기 하우징 내에 배치되는 가스 센서 소자(2), 및
    상기 하우징과 상기 가스 센서 소자와의 사이에 형성된 충전부(14)에 충전되어서 상기 하우징과 상기 가스 센서 소자와의 사이의 간극을 공기가 통하지 않게 밀봉하는 분말 충전재를 포함하는 가스 센서에 있어서,
    상기 분말 충전재에 충전 보조재가 첨가되고, 또한
    상기 분말 충전재는, 상기 분말 충전재가 상기 충전부 내에 충전되기 전에 분급 처리하여 미세한 입자와 굵은 입자 모두를 제거한 입자를 포함하는 것을 특징으로 하는 가스 센서.
  30. 하우징(10),
    상기 하우징 내에 배치되는 가스 센서 소자(2), 및
    상기 하우징과 상기 가스 센서 소자와의 사이에 형성된 충전부(14)에 충전되어서 상기 하우징과 상기 가스 센서 소자와의 사이의 간극을 공기가 통하지 않게 밀봉하는 분말 충전재를 포함하는 가스 센서에 있어서,
    상기 분말 충전재에 충전 보조재가 첨가되고,
    상기 분말 충전재는, 상기 분말 충전재가 상기 충전부 내에 충전되기 전에 분급 처리하여 미세한 입자와 굵은 입자 모두를 제거한 입자를 포함하고,
    상기 가스 센서 소자의 표면에는, 요철 표면층(203)과 전극 보호층 (205) 중 최소한 하나가 형성되어 있고, 또한
    요철 표면층과 전극 보호층 중 상기 최소한 하나의 가까운 쪽 단부는 상기 충전부의 가까운 쪽 단부에 동일하거나 또는 상기 충전부의 상기 가까운 쪽 단부에 대하여 상기 가스 센서의 단말부측을 향하여 변위되어 있는 것을 특징으로 하는 가스 센서.
  31. 하우징(10),
    상기 하우징 내에 배치되는 가스 센서 소자(2), 및
    상기 하우징과 상기 가스 센서 소자와의 사이에 형성된 충전부(14)에 충전되어서 상기 하우징과 상기 가스 센서 소자와의 사이의 간극을 공기가 통하지 않게 밀봉하는 분말 충전재를 포함하는 가스 센서에 있어서,
    상기 분말 충전재는, 상기 분말 충전재가 상기 충전부 내에 충전되기 전에 분급 처리하여 미세한 입자와 굵은 입자 모두를 제거한 입자를 포함하고,
    상기 가스 센서 소자의 표면에는, 요철 표면층(203)과 전극 보호층 (205) 중 최소한 하나가 형성되어 있고, 또한
    요철 표면층과 전극 보호층 중 상기 최소한 하나의 가까운 쪽 단부는 상기 충전부의 가까운 쪽 단부에 동일하거나 또는 상기 충전부의 상기 가까운 쪽 단부에 대하여 상기 가스 센서의 단말부측을 향하여 변위되어 있는 것을 특징으로 하는 가스 센서.
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