WO2016002942A1 - ガスセンサ素子組立体 - Google Patents

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WO2016002942A1
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insulator
sensor element
gas sensor
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Denso Corp
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    • G01N27/417—Systems using cells, i.e. more than one cell and probes with solid electrolytes
    • G01N27/419—Measuring voltages or currents with a combination of oxygen pumping cells and oxygen concentration cells

Definitions

  • the present disclosure includes a gas sensor element for detecting the concentration of a specific gas component in a gas to be measured, an insulator that accommodates and holds the gas sensor element, and a sealing glass that hermetically fixes the gas sensor element and the insulator.
  • the present invention relates to a gas sensor element assembly.
  • a gas sensor for detecting the concentration of a specific gas in a gas to be measured a gas sensor element having a detection portion on the tip side, a substantially cylindrical insulator that holds the sensor element inserted therein, and the insulator
  • a housing constituted by a housing in which is inserted and disposed and a cover body which is disposed on the front end side of the housing and protects the sensor element.
  • Laminated gas sensor elements are widely used which are formed by laminating element holding members and heater layers with built-in heating elements, etc., and having a rectangular cross section and a flat plate shape extending in the axial direction.
  • Patent Document 1 discloses a gas sensor element in which a flat sensor element extending in the axial direction is housed and fixed inside a substantially cylindrical insulator via a sealing glass, and is a boundary portion between the sealing glass and the sensor element. Discloses a gas sensor element which is made of an inorganic material and has a coating layer having a multi-particle structure so as to cover 80% or more of the surface of the sealing glass while covering the outer periphery of the sensor element, and a method for manufacturing the same.
  • annular groove-shaped glass filling space surrounding the outer periphery of the sensor element is provided on the base end side of the insulator, filled with sealing glass, heated and melted, and then cooled and solidified. And the insulator are hermetically fixed.
  • the inventor has studied the shape of the gas sensor element assembly.
  • the gas sensor element assembly 4z shown as Comparative Example 1 in FIG. 10 when a part of the outer peripheral surface on the base end side of the insulator 3z is cut out in a planar shape to form the rotation preventing portion 33, the thickness T 33 z of that portion is formed. However, it becomes thinner than the thickness (T 30 ) of the other part, the mechanical strength against the assembly load of the insulator 3z is lowered, and there is a possibility of causing a crack failure during the assembly.
  • the cavity for forming the anti-rotation portion 33 is narrow, the material filling property is lowered, and distortion due to local density reduction may be caused. is there.
  • the rotation preventing portion 33 is formed, and the inner peripheral surface of the glass-filled space 32y is parallel to the outer peripheral surface of the insulator 3y formed in a cross-sectional shape.
  • the thickness T 33 y at the position where the anti-rotation portion 33 of the insulator 3 y is formed is made equal to the thickness (T 30 ) of the other portion, thereby improving the mechanical strength. It is thought that you can.
  • the sealing glass 2 used for fixing the sensor element 1 is made of high melting point glass such as crystallized glass, aluminosilicate glass, or borosilicate glass in consideration of heat resistance.
  • high melting point glass such as crystallized glass, aluminosilicate glass, or borosilicate glass in consideration of heat resistance.
  • Such heat-resistant glass has a large surface tension that acts during melting, and the contact surface with the insulator tends to be rounded.
  • the surface of the sensor element 1 is provided with a terminal electrode for connection to the outside, a detection electrode exposed to the gas to be measured, etc., the electrode is configured when exposed to an excessively high temperature environment. There is a possibility that the life of the electrode may be reduced due to aggregation of the metal particles.
  • the heating temperature when melting the sealing glass is limited so that the electrode is not exposed to an excessively high temperature environment, and the fluidity of the sealing glass is also limited.
  • the glass filling space 32y is formed by providing the inner peripheral surface of the cross-sectional oval shape parallel to the outer peripheral surface of the insulator 3 formed in the cross-sectional oval shape, as shown in FIG.
  • a gap GP is formed between the inner peripheral surface of the glass filling space 32y drilled in the surface and the surface of the sealing glass 2y having an elliptical cross section due to surface tension, which may cause a decrease in airtightness.
  • the rotation preventing portion is not formed on the outer peripheral surface of the insulator 3x as in the gas sensor element assembly 4x shown as the comparative example 3 in FIG. 12, in order to further reduce the size of the gas sensor,
  • the outer peripheral surface of the base end side of the insulator 3x forming the glass-filled space 32x is thinned to the limit that can be formed as a peripheral wall surface, and the outer diameter ⁇ D3x of the insulator 3x is reduced, the load at the time of assembly is received. Since the cross-sectional area is small, the entire thin portion cannot withstand the assembling load, and there is a risk of causing a crack failure during assembling.
  • the present disclosure provides an insulator and a sealing glass while suppressing a decrease in mechanical strength of a cylindrical insulator that accommodates and fixes a flat sensor element that has a rectangular cross section and extends in the axial direction.
  • An object of the present invention is to provide a highly reliable gas sensor element assembly that improves the adhesion of the gas sensor.
  • a flat plate that is exposed to a gas to be measured and includes a detection unit (10) that detects a specific component in the gas to be measured and has a rectangular cross section and extends in the axial direction.
  • the cross-sectional shape of the glass filling space is an elliptical shape or a rounded polygonal shape with rounded corners.
  • the cross-sectional shape of the sealing glass Shape, or, characterized in that without a rounded polygonal shape with rounded corners.
  • the gap is formed between the inner peripheral surface of the glass filling space and the surface of the sealing glass while maintaining the strength at which the insulator does not crack against a predetermined load.
  • a highly reliable gas sensor element assembly in which the insulator and the gas sensor element are hermetically fixed can be realized.
  • FIG. 1 is a longitudinal sectional view of the gas sensor element assembly 4 of FIG. 1A.
  • FIG. 1B is a cross-sectional view taken along the line CC in FIG. 1B, showing details of the glass filling space 32 that is a main part of the present disclosure.
  • the principal part top view for demonstrating the test method performed for optimization of the cross-sectional shape of the glass filling space 32 The characteristic view which shows the effect in 1st Embodiment of this indication with a comparative example Cross-sectional view of glass-filled space 32a that is a main part of gas sensor element assembly 4a according to the second embodiment of the present disclosure
  • the principal part top view for demonstrating the test method performed for optimization of the cross-sectional shape of the glass filling space 32a The characteristic view which shows the effect in 2nd Embodiment of this indication with a comparative example Cross-sectional view of glass-filled space 32b that is a main part of gas sensor element assembly 4b according to the third embodiment of the present disclosure.
  • Cross-sectional view of a glass-filled space 32d that is a main part of a gas sensor element assembly 4d according to a fifth embodiment of the present disclosure Cross-sectional view of a glass-filled space 32z, which is a main part of a conventional gas sensor element assembly 4z, shown as Comparative Example 1
  • the longitudinal cross-sectional view which shows the whole gas sensor outline
  • the gas sensor element assembly 4 according to the first embodiment of the present disclosure will be described with reference to FIGS. 1A, 1B, and 1C.
  • Sensor element assembly 4 (hereinafter abbreviated as assembly 4) is used in a gas sensor that is provided in a combustion exhaust passage of a combustion engine and measures the concentration of a specific gas component in a gas to be measured.
  • an exhaust gas discharged from an internal combustion engine such as an automobile engine is used as a gas to be measured, and an oxygen sensor that detects an oxygen component concentration in the gas to be measured will be described as an example.
  • the element assembly 4 is not limited to an oxygen sensor, but can be applied to assembling various gas sensor elements such as an NH 3 sensor, a NOx sensor, an O 2 sensor, and a PM sensor according to a detection target in a gas to be measured. It is possible.
  • the direction parallel to the short side of the element 1 is the short direction
  • the element 1 A direction parallel to the long side is referred to as a longitudinal direction.
  • the assembly 4 includes the element 1, the insulator 3, and the sealing glass 2.
  • the element 1 includes a detection unit 10 that is exposed to a gas to be measured and detects a specific component in the gas to be measured, and is formed in a flat plate shape having a rectangular cross section and extending in the axial direction.
  • the insulator 3 is formed in a tubular shape using a known insulating material such as alumina.
  • a through hole 31 having a rectangular cross section and extending in the axial direction is provided inside the insulator 3.
  • the element 1 is accommodated and held in the through hole 31.
  • the insulator 3 is formed with a glass-filled space 32 in which a part of the proximal end portion is recessed and partitioned.
  • a sealing glass 2 in which a known heat-resistant glass is previously formed into a cylindrical shape is disposed.
  • the sealing glass 2 By melting and solidifying the sealing glass 2, the element 1 and the insulator 3 are fixed in an airtight manner to constitute an assembly 4.
  • the insulator 3 is formed with a rotation preventing portion 33 formed so that a part of the outer peripheral surface thereof is cut out in a flat shape.
  • the glass filling space 32 in the present embodiment has an elliptical cross-sectional shape.
  • the cross-sectional shape of the sealing glass 2 in the present embodiment is an elliptical shape.
  • the element 1 is a so-called laminated sensor element formed in a flat plate shape having a rectangular cross section and extending in the axial direction.
  • a detection unit 10 that is exposed to the gas to be measured is provided on the tip side of the element 1.
  • the detection unit 10 is opposed to a flat solid electrolyte layer (not shown) made of partially stabilized zirconia that exhibits conductivity with respect to specific ions with the solid electrolyte layer interposed therebetween, and is in contact with the gas to be measured.
  • An electrode (not shown) and a reference electrode (not shown) in contact with the reference gas are provided.
  • a heater (not shown) is provided that is embedded in an insulating layer (not shown) formed of an insulating material such as alumina in a flat plate shape and generates heat when energized.
  • the surface of the detection unit 10 is covered with a porous protective layer 11.
  • a reference gas chamber 12 for introducing the atmosphere as a reference gas is opened inside the detection unit 10.
  • a pair of energization terminals 14 are provided for connection with the power source.
  • a straight line extending vertically from the center point CP of the element 1 toward the short side of the element 1 is referred to as a long-side direction center line CL 1, and from the center point CP of the element 1 toward the long side of the element 1. the drawn vertically straight and short side direction center line CL 2.
  • a distance or the like indicates a distance or the like in a plan view of a cross section perpendicular to the axial direction, as shown in FIG. 1C, unless it is clear or otherwise defined. .
  • sealing glass 2 crystallized glass such as B 2 O 3 —ZnO—SiO 2 —Al 2 O 3 —BaO—MgO, refractory glass such as aluminosilicate glass and borosilicate glass is used.
  • the sealing glass 2 is formed in a cylindrical shape for easy assembly of a powdery sealing glass raw material, and is inserted into a glass filling space 32 provided in the insulator 3.
  • the sealing glass 2 is formed in an elliptical cross section, and a through hole for inserting the element 1 is provided at the center.
  • the element 1, the insulator 3, and the sealing glass 2 are temporarily assembled and heated to about 900 ° C. to crystallize the sealing glass 2, the element 1 is in the insulator 3 through the sealing glass 2. The airtight state is maintained.
  • elements of the device 1 the distance from the longitudinal end point P 11 to the glass longitudinally end point P 21 of the sealing glass 2 and the glass longitudinal thickness T 21
  • glass lateral direction of the sealing glass 2 from the element widthwise direction end point P 12 of element 1 when the distance to the end point P 22 and the glass short direction thickness T 22 the relationship T 20 ⁇ T 21 ⁇ T 22 holds.
  • the sealing glass 2 glass diagonal positions thickness T 20 is required to be a less than 1.0mm.
  • a straight line parallel to the side of the short side of the element 1 or an arc having a radius R 21 T 10 + T 20 with the center point CP of the element 1 as the center.
  • the distance L 21 from the center point CP of the element 1 to the short side edge of the sealing glass 2 can be appropriately changed within the range of T 11 + T 20 ⁇ L 21 ⁇ T 10 + T 20 .
  • the longitudinal side edges of the glass diagonal positions the end point P 20 of the sealing glass 2 to the glass widthwise direction end point P 22 is the long diameter a 2, a minor axis b 2 elliptical, the center of which is the virtual center point VCP It has become.
  • the virtual center point VCP in the present embodiment is perpendicular to a straight line that passes through the center point CP of the element 1 and intersects with the long side of the element 1 from the point where the diagonal extension of the element 1 and the outer peripheral edge of the sealing glass 2 intersect. It is an intersection with a straight line.
  • the distance W 22 from the center point CP of the element 1 to the long side edge of the sealing glass 2 can be appropriately changed within the range of T 12 + T 20 ⁇ W 22 ⁇ T 10 + T 20 ⁇ H 33 .
  • the insulator 3 is formed in a cylindrical shape using a known heat-resistant insulating material such as high-purity alumina.
  • the insulator 3 includes an insulator base 30, a sensor element insertion hole 31, a glass housing portion that forms a glass filling space 32 by an inner peripheral surface thereof, a rotation preventing portion 33, and an insulator enlarged diameter portion 34. Has been.
  • the sensor element insertion hole 31 is formed so as to penetrate the insulator base 30 and has a cross-sectional shape into which the element 1 having a predetermined clearance can be inserted with respect to the cross-sectional shape of the element 1.
  • the inner peripheral surface is curved in an elliptical shape in order to suppress the formation of a gap between the outer peripheral surface of the sealing glass 2. Moreover, in order to prevent the local mechanical strength fall, the inner peripheral surface of the sealing glass accommodation space 32 is formed so that the insulator base 30 may have a predetermined thickness.
  • Insulator diagonal positions thickness T 30 includes a extension line of the diagonal lines of the element 1, from the intersection of the outer periphery of the sealing glass 2 (glass diagonal position the end point P 20), the outer peripheral edge of the insulator base 30 This is the distance to the intersection (insulator diagonal position end point P 30 ).
  • the insulator longitudinal thickness T 31 is a distance from the glass longitudinal end point P 21 of the sealing glass 2 to the insulator longitudinal end point P 31 of the insulator 3.
  • the insulator detent portion thickness T 33 is the distance from the glass short-side end point P 22 of the sealing glass 2 to the end point (insulator detent position end point) P 33 of the detent portion 33 of the insulator 3.
  • the notch depth H 33 is the depth of the rotation stopper 33.
  • the insulator diameter-expanded portion 34 is formed in a bowl shape projecting so that a part of the insulator base portion 30 has a large diameter in the outer diameter direction, and is known as talc powder or the like when assembled to a gas sensor to be described later.
  • the housing is hermetically held via the sealing member.
  • the test and the result which were performed for the optimization of the cross-sectional shape of the glass filling space 32 in 1st Embodiment of this indication are demonstrated.
  • a compressive load was applied in the axial direction of the body 3, and the limit load at which cracking occurred was measured.
  • the crack was generated by the compressive load of 800 N or less.
  • the detent portion thickness T 33 in the case of the above 0.68 mm was found to be able to exhibit the strength that can counter the above target load 900 N. Further, when the rotation preventing portion thickness T 33 thicker than 1.5 mm, the mechanical strength can be greater than the target load, the glass cross section longitudinal thickness T 21 of the sealing glass 2 becomes thin, molded It has been found that the gap GP increases between the inner peripheral surface of the glass filling space 32 and the outer peripheral edge of the sealing glass 2 in addition to a decrease in the packing density at the time. From the above, it has been found that in the present embodiment, it is desirable to set the insulator detent thickness T 33 to 0.68 mm or more and 1.5 mm or less.
  • FIGS. 3, 4A, and 4B An assembly 4a according to the second embodiment of the present disclosure will be described with reference to FIGS. 3, 4A, and 4B.
  • the same components as those in the above embodiments are denoted by the same reference numerals, and the characteristic portions in the respective embodiments are denoted by alphabetical symbols as branch numbers. The description will be omitted, and the features of the respective embodiments will be mainly described.
  • the glass filling space 32a in the present embodiment is formed in a rounded octagonal shape with a rounded corner.
  • T 20 on the extension of the diagonal line of the element 1, T 20 ⁇ T 21 ⁇ between the glass diagonal position wall thickness T 20 , the glass longitudinal direction wall thickness T 21 , and the glass short-side wall thickness T 22. relation of T 22 is satisfied. Further, on the extension line of the diagonal line of the element 1, T 30 ⁇ T 31 ⁇ between the insulator diagonal position thickness T 30 , the insulator longitudinal direction thickness T 31 , and the insulator detent thickness T 33. relation of T 33 is satisfied.
  • the inner peripheral surface of the glass filling space 32a is parallel to the longitudinal plane of the element 1, and the inner peripheral surface on the side where the anti-rotation portion 33 is formed, and the lateral side surface of the element 1
  • the inclination angle ⁇ 2 a of the inclined side of the polygonal inner peripheral surface connecting the short side inner peripheral surface parallel to the angle is set to 45 °.
  • the insulator detent portion thickness T 33 a by changing to 0.5 mm ⁇ 1.75 mm, were investigated cracking load, as shown in FIG. 4B It was found that a strength of not less than a predetermined target load (900 N) can be exhibited at 0.62 mm or more.
  • the inclination angle ⁇ 2 b of the inclined side of the inner peripheral surface of the polygon is set to 30 °.
  • Table 1 shows the results of investigations on changes in cracking load in each example, as well as comparative examples. According to this indication, in any embodiment, it became clear that the intensity beyond a target crack load could be exhibited.
  • the anti-rotation portion thicknesses T 33 , T 33 a, and T 33 b are set to 0.68 mm or more. It has been found that highly durable assemblies 4, 4a and 4b can be formed which avoid local strength reduction and exceed the target load.
  • the example in which the inclination angles ⁇ 2 a and ⁇ 2 b are set to 45 ° and 30 ° when the cross-sectional shape of the sealing glasses 2a and 2b is a rounded octagon is shown.
  • the shape of the outer peripheral edge of the sealing glass 2a, 2b along the shape of the inner peripheral edge of the glass-filled spaces 32a, 32b is not limited to these.
  • Various rounded polygonal shapes such as a square shape and a rounded square shape may be used.
  • the glass cross-sectional direction thickness T 22 and the glass diagonal position thickness T 20 and the insulator diagonal position thickness T 30 on the extension of the diagonal line of the element 1 are the thinnest.
  • the rotation stopper wall thickness T 33 it is possible to exhibit a sufficient strength against a load operating in the axial direction of the insulator 3,
  • the sealing glass 2, 2a, 2b it becomes difficult to form a gap between the outer peripheral edge and airtightness can be secured.
  • a gas sensor element assembly 4c according to the fourth embodiment of the present disclosure will be described with reference to FIG.
  • the configuration in which the anti-rotation portion 33 is provided in the insulator 3 has been described.
  • the anti-rotation portion is not provided, and the outer diameter ⁇ D3c of the insulator 3c is
  • the inner peripheral surface constituting the glass filling space 32c is made as thin as possible in contact with the outer diameter.
  • the cross-sectional shape of the glass filling space 32c is the same elliptical shape as the gas sensor element assembly 1 in the first embodiment, so that the cross-sectional shape of the sealing glass 2c is an elliptical shape. It is formed.
  • the relationship of T 30 ⁇ T 31 ⁇ T 32 c is established. Furthermore, also in this embodiment, the relationship of T 20 ⁇ T 21 ⁇ T 22 is established.
  • the thinnest portion it is possible to make up for the insufficient strength at the diagonal position of the insulator and relatively increase the strength of the base end side of the insulator 3c.
  • the base end side of the insulator 3c insulator diagonal positions thickness T 30 of the thinnest portion of the peripheral wall portion forming a glass-filled space 32c in, for example, more than 0.65 mm, the thickest portion to become the insulator lateral direction thickness T 32 c is It was found that the effect of the present disclosure can be exhibited if the thickness is 0.83 mm or more.
  • no detent portion is provided, and the outer diameter ⁇ D3d of the insulator 3d is made as thin as possible.
  • the cross-sectional shape of the glass filling space 32d is a rounded polygonal shape with rounded corners, similar to the gas sensor element assemblies 4a and 4b in the second and third embodiments.
  • the cross-sectional shape of the sealing glass 2d is a rounded polygonal shape with rounded corners.
  • the thickness T 33 z of the portion forming the rotation stopper 33 is the thickness of the other portion (T 30) It has become. For this reason, the mechanical strength with respect to the assembly load of the insulator 3z is lowered, and there is a possibility of causing a crack defect during the assembly.
  • the cavity for forming the anti-rotation portion 33 is narrow, the material filling property is lowered, and distortion due to local density reduction may be caused. there were.
  • the rotation preventing portion 33 is formed, and the inner peripheral surface of the glass filling space 32y is formed in a cross-sectional oval shape in parallel with the outer peripheral surface of the insulator 3y formed in a cross-sectional oval shape.
  • the thickness T 33 y at the position where the anti-rotation portion 33 of the insulator 3 y is formed is formed to be equal to the thickness T 30 of other portions.
  • the outer peripheral surface is thinned to the limit that can be formed as a peripheral wall surface, and the outer diameter ⁇ D3x of the insulator 3x is reduced.
  • the wall thickness T 30 x on the base end side of the insulator 3 is extremely thin, the cavity formed in the mold used at the time of molding is narrow, the compactness is lowered, and the cross-sectional area that receives the load at the time of assembly Therefore, the entire thin-walled portion cannot withstand the assembly load, and there is a risk of causing a crack failure during assembly.
  • the gas sensor 8 includes an assembly 4, a housing 5, a cover body 6, and a gas sensor base end portion 7.
  • the housing 5 is made of a known metal material such as iron, nickel, alloys thereof, carbon steel, and stainless steel.
  • the housing 5 includes a housing base 50, an assembly housing portion 51, an assembly locking portion 52, a large-diameter cylindrical portion 53, a caulking portion 54, a cover caulking portion 55, and a screw portion 56. Has been.
  • An assembly housing portion 51 is formed inside the housing base 50, and an assembly locking portion 52 that changes in diameter so as to increase in diameter toward the proximal end side at the proximal end side of the assembly housing portion 51. Further, a large-diameter cylindrical portion 53 into which the insulator enlarged-diameter portion 34 can be inserted is formed on the proximal end side.
  • the front end side of the assembly 4 according to the present disclosure is accommodated.
  • the surface on the distal end side of the insulator expanded diameter portion 34 of the assembly 4 is in direct or indirect contact with the assembly locking portion 52. Further, a known powder filler 57 such as talc or a seal member is filled in a space defined by the insulator enlarged diameter portion 34, the caulking portion 54, and the large diameter cylindrical portion 53. A force is applied to press the insulator enlarged diameter portion 34 so as to be hermetically fixed.
  • a known powder filler 57 such as talc or a seal member is filled in a space defined by the insulator enlarged diameter portion 34, the caulking portion 54, and the large diameter cylindrical portion 53.
  • the screw portion 56 is screwed into the measurement gas flow path 81 through which the measurement gas 80 flows, and holds the detection unit 10 provided at the tip of the element 1 in the measurement gas 80.
  • the cover body 6 is provided in a bottomed cylindrical shape.
  • the cover base 60 is provided with an introduction hole 61 for introducing a gas to be measured inside.
  • the base end side of the cover body 6 is caulked and fixed by a cover body caulking portion 55 provided at the distal end of the housing 5.
  • this figure shows a cover body having a double cylinder structure, the present disclosure is not particularly limited and can be appropriately changed.
  • the gas sensor base end portion 7 includes a casing 70, an insulator 71, a pair of signal terminal fittings 72, a pair of energizing terminal fittings 73, a pair of signal wires 74, a pair of energizing wires 75, and a water repellent filter 76. And a grommet 78.
  • the casing 70 is formed in a cylindrical shape using a known metal material such as stainless steel.
  • the casing 70 covers the base end side of the housing 5 and accommodates an insulator 71, a pair of signal terminal fittings 72, a pair of energizing terminal fittings 73, a pair of signal wires 74, and a pair of energizing wires 75 inside.
  • the base end side is airtightly held through a grommet 78. Ventilation holes 761 and 762 are formed in the casing 70 to communicate the inside of the gas sensor 8 with the atmosphere via the water repellent filter 76.
  • the water-repellent filter 76 is made of a known water-repellent porous membrane that blocks liquid and allows gas to pass through, and prevents water droplets from entering when air is introduced as a reference gas.
  • a pair of signal electrodes 13 and a pair of heater electrodes 14 provided at the base end of the element 1 are formed.
  • the signal terminal fitting 72, the conduction terminal fitting 73, the pair of signal lines 74, and the conduction line 75 are externally provided. It is connected to a not-shown calculation unit and power supply control unit.
  • the signal terminal fitting 72 and the energizing terminal fitting 73 are made of a known conductive material such as stainless steel or copper, and the distal end side is formed in a spring shape, elastically contacts the signal terminal 13 and the energizing terminal 14, and on the proximal end side.
  • the signal line 74 and the energization line 75 are pressure-bonded to achieve electrical connection between the element 1 and the outside.
  • the insulator 71 is made of a known insulating material such as alumina, and maintains insulation between the signal terminal fitting 72, the energizing terminal fitting 73 and the casing 70.
  • the rotation prevention portion 33 provided on the insulator 3 of the assembly 4 and the insulator 71 are fitted to each other, the direction of the electrodes 13 and 14 provided on the element 1 and the pressing direction of the signal terminal fitting 72 and the energizing terminal fitting 73. And match.
  • the casing 70 is fitted and fixed so as to cover the outer periphery of the large-diameter cylindrical portion 53 of the housing 5.
  • the caulking portion 77 compresses the grommet 78 and hermetically seals the proximal end side of the casing 70.
  • the gas sensor element assembly of the present disclosure may be an oxygen sensor, an air-fuel ratio sensor, an ammonia sensor, a NOx sensor, a PM sensor, a humidity sensor, or the like that has a sensor element with a rectangular cross section and a flat plate shape extending in the axial direction.
  • it can be used for various sensors regardless of the fluid to be measured.

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Abstract

　断面矩形で軸方向に延びる平板状のセンサ素子を収容固定する筒状の絶縁体の外周面の一部を平面状に切り欠いた回り止め部を設けたり、ガラス外径を極限まで細くしたりしても、絶縁体の機械的強度の低下を抑制しつつ、絶縁体と封止ガラスとの密着性の向上を図った信頼性の高いガスセンサ素子組立体を提供する。回り止め部３３を具備する絶縁体３に設けた封止ガラス２を充填するためのガラス充填空間３２の内周面を断面楕円形状又は角を丸めた断面角丸多角形状に形成することで、封止ガラス２を断面楕円形状又は角を湾曲させた断面角丸多角形状とすると共に、ガスセンサ素子１の対角線の延長線上における封止ガラス２のガラス対角位置肉厚Ｔ２０が、封止ガラス２の他の部分の肉厚Ｔ２１、Ｔ２２よりも薄く、かつ、絶縁体３の対角位置肉厚Ｔ３０が、絶縁体３の他の部分Ｔ３１、Ｔ３３の肉厚よりも薄くなるように設定する。

Description

ガスセンサ素子組立体 関連出願の相互参照
　本出願は、２０１４年７月３日にされた日本出願番号２０１４－１３７３７０号に基づくもので、ここにその記載内容を援用する。
　本開示は被測定ガス中の特定ガス成分の濃度を検出するためのガスセンサ素子と、そのガスセンサ素子を収容保持する絶縁体と、ガスセンサ素子と絶縁体とを気密に固定する封止ガラスとを有するガスセンサ素子組立体に関する。
　従来、被測定ガス中の特定ガスの濃度を検出するためのガスセンサとして、先端側に検出部を有したガスセンサ素子と、該センサ素子を内側に挿入保持する略筒状の絶縁碍子と該絶縁碍子が挿入配設されたハウジングと、該ハウジングの先端側に配設され上記センサ素子を保護するカバー体とによって構成されたものが知られている。
　このようなガスセンサに用いられるガスセンサ素子として、ジルコニア等の特定のイオンに対して伝導性を有する固体電解質層と、少なくともその対向する表面に形成した一対の電極対と、アルミナ等の絶縁性材料を用いて形成された素子保持部材や発熱体を内蔵したヒータ層等を積層し、断面矩形で、軸方向に伸びる平板状に形成した積層型のガスセンサ素子が広く用いられている。
　特許文献１には、封止ガラスを介して略筒状の絶縁体の内側に軸方向に延びる平板状のセンサ素子を収納固定したガスセンサ素子であって、封止ガラスとセンサ素子との境界部において、センサ素子の外周を覆いつつ、封止ガラスの表面の８０％以上を覆うように無機材料からなり、多粒子構造を有するコーティング層を設けたガスセンサ素子とその製造方法が開示されている。
　従来のガスセンサ素子では、絶縁体の基端側にセンサ素子の外周を取り囲む環溝状のガラス充填空間を設けて、封止ガラスを充填し、加熱熔融した後、冷却固化させることで、センサ素子と絶縁体とを気密に固定している。
特開２０１０－２４３４２２号公報
　本発明者はガスセンサ素子組立体の形状について検討を行った。図１０に比較例１として示すガスセンサ素子組立体４ｚにおいて、絶縁体３ｚの基端側外周面の一部を平面状に切り欠いて回り止め部３３を形成すると、その部分の肉厚Ｔ３３ｚが他の部分の肉厚（Ｔ３０）よりも薄肉となり、絶縁体３ｚの組み付け荷重に対する機械的強度が低下し、組み付け時に割れ不良を発生させる虞がある。
　また、絶縁体３ｚを金型等を用いて成型する際に、回り止め部３３を形成するためのキャビティが狭く、材料の充填性が低下して、局所的な密度低下による歪みを招く虞もある。
　そこで、比較例２として図１１に示すように、回り止め部３３が形成され、断面小判型に形成された絶縁体３ｙの外周面と並行となるように、ガラス充填空間３２ｙの内周面を断面小判型に形成することで、絶縁体３ｙの回り止め部３３を形成位置の肉厚Ｔ３３ｙを他の部分の肉厚（Ｔ３０）と均等にして、機械的強度の向上を図ることができると考えられる。
　一方、センサ素子１の固定に用いられる封止ガラス２には、耐熱性を考慮して、結晶化ガラス、アルミノシリケートガラス、ホウ珪酸ガラス等の高融点ガラスが用いられている。このような、耐熱性ガラスは、熔融時に作用する表面張力が大きく、絶縁体との接触面が丸くなり易い傾向がある。
　さらに、センサ素子１の表面には、外部との接続を図るための端子電極や、被測定ガスに晒される検出電極などが設けられているため、過剰な高温環境に晒されると電極を構成する金属粒子の凝集による電極寿命の低下を招く虞がある。
　このため、電極が過剰な高温環境に晒されないよう、封止ガラスを熔融する際の加熱温度が制限され、封止ガラスの流動性も制限されている。
　このため、断面小判型に形成された絶縁体３の外周面と並行となるような断面小判型の内周面を設けてガラス充填空間３２ｙを形成すると、図１１に示すように、断面小判型に穿設されたガラス充填空間３２ｙの内周面と表面張力によって断面楕円状となった封止ガラス２ｙの表面との間に間隙ＧＰが形成され、気密性の低下を招く虞がある。
　さらに、図１２に比較例３として示すガスセンサ素子組立体４ｘように、絶縁体３ｘの外周面に回り止め部を形成していない構成において、ガスセンサの更なる小型化を図るべく、環溝状のガラス充填空間３２ｘを形成する絶縁体３ｘの基端側外周面が周壁面として形成可能な極限まで薄くして、絶縁体３ｘの外径φＤ３ｘを細くした場合には、組付け時の荷重を受ける断面積が小さくなるため、薄肉部全体が組み付け荷重に耐え切れなくなり、組み付け時に割れ不良を発生させる虞もある。
　そこで、かかる実情に鑑み、本開示は、断面矩形で軸方向に延びる平板状のセンサ素子を収容固定する筒状の絶縁体の機械的強度の低下を抑制しつつ、絶縁体と封止ガラスとの密着性の向上を図った信頼性の高いガスセンサ素子組立体を提供することを目的とする。
　本開示のガスセンサ素子組立体（４、４ａ～４ｄ）では、被測定ガスに晒され、被測定ガス中の特定成分を検出する検出部（１０）を具備し、断面矩形で軸方向に延びる平板状のガスセンサ素子（１）と、内側に断面矩形で軸方向に延びる貫通孔（３１）を具備し、該貫通孔に前記ガスセンサ素子を収容保持する筒状の絶縁体（３、３ａ～３ｄ）と、該絶縁体の一部を窪ませて区画したガラス充填空間（３２、３２ａ～３２ｄ）に配設した筒状の封止ガラス（２、２ａ～２ｄ）と、を有し、前記封止ガラスを熔融固化して前記ガスセンサ素子と前記絶縁体とを気密に固定したガスセンサ素子組立体において、前記ガラス充填空間の横断面形状を、楕円形状、又は、角を丸めた角丸多角形状とすることで、前記封止ガラスの横断面形状を、楕円形状、又は、角を丸めた角丸多角形状となしたことを特徴とする。
　本開示によれば、前記絶縁体が所定の荷重に対して割れを生じない強度を維持しつつ、前記ガラス充填空間の内周面と前記封止ガラスの表面との間に間隙を形成することなく、前記絶縁体と前記ガスセンサ素子とが気密に固定された信頼性の高いガスセンサ素子組立体が実現できる。
本開示の第１の実施形態におけるガスセンサ素子組立体４の全体概要を示す斜視図。 図１Ａのガスセンサ素子組立体４の縦断面図 本開示の要部であるガラス充填空間３２の詳細を示し、図１Ｂ中Ｃ－Ｃに沿った横断面図 ガラス充填空間３２の断面形状の最適化のために行った試験方法を説明するための要部平面図 比較例と共に本開示の第１の実施形態における効果を示す特性図 本開示の第２の実施形態におけるガスセンサ素子組立体４ａの要部であるガラス充填空間３２ａの横断面図 ガラス充填空間３２ａの断面形状の最適化のために行った試験方法を説明するための要部平面図 比較例と共に本開示の第２の実施形態における効果を示す特性図 本開示の第３の実施形態におけるガスセンサ素子組立体４ｂの要部であるガラス充填空間３２ｂの横断面図 ガラス充填空間３２ｂの断面形状の最適化のために行った試験方法を説明するための要部平面図 比較例と共に本開示の第３の実施形態における効果を示す特性図。 本開示の効果をまとめた特性図 本開示の第４の実施形態におけるガスセンサ素子組立体４ｃの要部であるガラス充填空間３２ｃの横断面図 本開示の第５の実施形態におけるガスセンサ素子組立体４ｄの要部であるガラス充填空間３２ｄの横断面図 比較例1として示す、従来のガスセンサ素子組立体４ｚの要部であるガラス充填空間３２ｚの横断面図 比較例２として示す、ガスセンサ素子組立体４ｙの要部であるガラス充填空間３２ｙの横断面図 比較例３として示す、ガスセンサ素子組立体４ｘの要部であるガラス充填空間３２ｘの横断面図 本開示のガスセンサ素子組立体を用いたガスセンサの全体概要を示す縦断面図。
　図１Ａ、図１Ｂ、図１Ｃを参照して本開示の第１の実施形態におけるガスセンサ素子組立体４について説明する。
　センサ素子組立体４（以下、組立体４と略す。）は、燃焼機関の燃焼排気流路に設けられ被測定ガス中の特定ガス成分の濃度を測定するガスセンサに用いられるものである。
　なお、以下の説明においては、自動車エンジン等の内燃機関から排出される燃焼排気を被測定ガスとし、被測定ガス中の酸素成分濃度を検出する酸素センサを例に説明するが、本開示のガスセンサ素子組立体４は、酸素センサに限定されるものではなく、被測定ガス中の検出対象に応じて、ＮＨ３センサ、ＮＯｘセンサ、Ｏ２センサ、ＰＭセンサ等の様々なガスセンサ素子の組み付けに適用し得るものである。
　なお、以下の説明において、断面矩形で軸方向に延びる平板状のガスセンサ素子１（以下、素子１と略す。）の横断面において、素子１の短辺に平行な方向を短手方向、素子１の長辺に平行な方向を長手方向と称する。
　組立体４は、素子１と絶縁体３と封止ガラス２とによって構成されている。
　素子１は、被測定ガスに晒され、被測定ガス中の特定成分を検出する検出部１０を具備し、断面矩形で軸方向に延びる平板状に形成されている。
　絶縁体３は、アルミナ等の公知の絶縁材料が用いられ、筒状に形成されている。
　絶縁体３の内側には、断面矩形で軸方向に延びる貫通孔３１を具備する。
　貫通孔３１には素子１が収容保持される。
　絶縁体３には、基端側端部の一部を窪ませて区画したガラス充填空間３２が形成されている。
　ガラス充填空間３２には、公知の耐熱性ガラスを予め筒状に形成した封止ガラス２が配設されている。
　封止ガラス２を熔融固化することで、素子１と絶縁体３とが気密に固定され、組立体４を構成している。
　絶縁体３には、その外周面の一部を平面状に切り欠くように形成した回り止め部３３が形成されている。
　本実施形態におけるガラス充填空間３２は、その横断面形状を、楕円形状としている。
　本実施形態における封止ガラス２の横断面形状は、楕円形状となっている。
　素子１は、断面矩形で軸方向に伸びる平板状に形成された、いわゆる積層型のセンサ素子である。
　素子１の先端側には、被測定ガス中に晒される検出部１０が設けられている。
　検出部１０には、特定のイオンに対して伝導性を示す部分安定化ジルコニアからなる平板状の固体電解質層（図示しない。）と、固体電解質層を挟んで対向し、被測定ガスに接する測定電極（図示しない。）と、基準ガスに接する基準電極（図示しない。）とが設けられている。
　また、検出部１０を加熱活性化すべく、アルミナ等の絶縁材料を平板状に形成した絶縁層（図示しない。）に埋設され、通電により発熱するヒータ（図示しない。）が設けられている。
　検出部１０の表面は、多孔質保護層１１によって覆われている。
　素子１の基端には、検出部１０の内側に基準ガスとして大気を導入する基準ガス室１２が開口している。
　素子１の基端側表面には、外部に設けた図略の演算部と基準電極層及び測定電極層との導通を図る一対の信号端子１３と、検出部１０に設けたヒータと外部に設けた電源との導通を図る一対の通電端子１４が設けられている。
　以下の説明において、素子１の中心点ＣＰから素子１の短辺に向かって垂直に下ろした直線を長辺方向中心線ＣＬ１とし、素子１の中心点ＣＰから素子１の長辺に向かって垂直に下ろした直線を短辺方向中心線ＣＬ２とする。また、距離等を定義している場合は、明らかな場合や他に定義がある場合を除き、図１Ｃに示すように、軸方向に垂直な断面を平面視した場合における距離等を指している。
　素子１は、断面矩形で中心点ＣＰから対角線に沿った素子１の頂点となる素子対角位置端点Ｐ１０までの距離を素子対角長さＴ１０とし、中心点ＣＰから素子長手方向端点Ｐ１１までの距離を素子長手方向長さＴ１１とし、中心点ＣＰから素子短手方向端点Ｐ１２までの距離を素子短手方向長さＴ１２としたとき、Ｔ１０ ２＝Ｔ１１ ２＋Ｔ１２ ２の関係にある。
　封止ガラス２には、Ｂ２Ｏ３－ＺｎＯ－ＳｉＯ２－Ａｌ２Ｏ３－ＢａＯ－ＭｇＯなどの結晶化ガラス、アルミノシリケートガラス、ホウ珪酸ガラス等の高融点ガラスが用いられている。
　封止ガラス２は、粉末状の封止ガラス原料を組付け容易にするために筒状に形成し、絶縁体３に設けたガラス充填空間３２内に挿入する。
　本実施形態においては、封止ガラス２は、断面楕円形状に形成され、中心に素子１を挿入するための貫通孔が設けられている。
　素子１と絶縁体３と封止ガラス２とを仮組みしたものを９００℃程度に加熱して、封止ガラス２を結晶析出処理すると、封止ガラス２を介して素子１が絶縁体３内に気密に保持された状態となる。
　より具体的には、素子１の対角線の延長線と封止ガラス２の端縁との交わるガラス対角位置端点Ｐ２０までの肉厚をガラス対角位置肉厚Ｔ２０とし、素子１の素子長手方向端点Ｐ１１から封止ガラス２のガラス長手方向端点Ｐ２１までの距離をガラス長手方向肉厚Ｔ２１とし、素子１の素子短手方向端点Ｐ１２から封止ガラス２のガラス短手方向端点Ｐ２２までの距離をガラス短手方向肉厚Ｔ２２としたとき、Ｔ２０≦Ｔ２１＜Ｔ２２の関係が成り立つ。
　なお、封止ガラス２を成形する都合から、ガラス対角位置肉厚Ｔ２０は、１．０ｍｍ以上とすることを要する。
　さらに、封止ガラス２のガラス対角位置端点Ｐ２０からガラス長手方向端点Ｐ２１までの短辺側端縁は、素子１の素子対角位置端点Ｐ１０を中心とする半径Ｒ２０＝Ｔ２０の円弧と素子１の短辺側側面に平行な直線とを結んだ曲線ないし、素子１の中心点ＣＰを中心とし、半径Ｒ２１＝Ｔ１０＋Ｔ２０の円弧によって形成されている。
　素子１の中心点ＣＰから封止ガラス２の短辺側端縁までの距離Ｌ２１は、Ｔ１１＋Ｔ２０≦Ｌ２１≦Ｔ１０＋Ｔ２０の範囲で適宜変更可能である。
　また、封止ガラス２のガラス対角位置端点Ｐ２０からガラス短手方向端点Ｐ２２までの長手方向側端縁は、仮想中心点ＶＣＰを中心とする長径ａ２、短径ｂ２の楕円状となっている。
　本実施例における仮想中心点ＶＣＰは、素子１の対角線の延長線と封止ガラス２の外周縁とが交わる点から素子１の中心点ＣＰを通り、素子１の長辺に直交する直線に垂直に下ろした直線との交点となっている。
　素子１の中心点ＣＰから封止ガラス２の長辺側端縁までの距離Ｗ２２は、Ｔ１２＋Ｔ２０＜Ｗ２２≦Ｔ１０＋Ｔ２０－Ｈ３３の範囲で適宜変更可能である。
　また、封止ガラス２の流動性の点から、１．２５ｍｍ≦Ｗ２２とすることが望ましいことが判明した。
　但し、仮想中心点ＶＣＰの位置はこれに限定するものではなく、後述する試験によって明らかとなった範囲で適宜変更可能である。
　絶縁体３は、高純度アルミナ等の公知の耐熱性絶縁材料を用いて筒状に形成されている。
　絶縁体３は、絶縁体基部３０と、センサ素子挿通孔３１と、その内周面によりガラス充填空間３２を形成するガラス収容部と、回り止め部３３と、絶縁体拡径部３４とによって構成されている。
　絶縁体基部３０は、外形φＤ３（＝２（Ｔ１０＋Ｔ２０＋Ｔ３０））の円柱状に形成されている。
　センサ素子挿通孔３１は、絶縁体基部３０を貫通するように穿設され、素子１の断面形状に対して、所定のクリアランスを設けた素子１を挿入可能な断面形状となっている。
　本実施形態におけるガラス充填空間３２は、封止ガラス２の外周面との間に間隙が形成されるのを抑制するため、内周面が楕円状に湾曲している。
　また、局所的な機械的強度の低下を防ぐため、絶縁体基部３０が所定の肉厚を有するように封止ガラス収容空間３２の内周面が形成されている。
　絶縁体対角位置肉厚Ｔ３０は、素子１の対角線の延長線と、封止ガラス２の外周縁との交点（ガラス対角位置端点Ｐ２０）から、絶縁体基部３０の外周縁との交点（絶縁体対角位置端点Ｐ３０）までの距離である。
　絶縁体長手方向肉厚Ｔ３１は、封止ガラス２のガラス長手方向端点Ｐ２１から絶縁体３の絶縁体長手方向端点Ｐ３１までの距離である。
　ガスセンサ素子１の中心ＣＰから素子１の長辺に向かって垂直に下ろした短辺方向中心線ＣＬ２と封止ガラス２の外周縁との交点（ガラス短手方向端点）Ｐ２２から、短辺方向中心線ＣＬ２と絶縁体３の外周縁との交点（絶縁体短手方向端点Ｐ３２）までの距離を絶縁体短手方向肉厚Ｔ３２としたとき、
　Ｔ３０≦Ｔ３１＜Ｔ３２の関係が成り立っている。
　絶縁体回り止め部肉厚Ｔ３３は、封止ガラス２のガラス短手方向端点Ｐ２２から絶縁体３の回り止め部３３の端点（絶縁体回り止め位置端点）Ｐ３３までの距離である。
　切欠深さＨ３３は、回り止め部３３の深さである。
　Ｔ３０≦Ｔ３１≦Ｔ３０＋Ｔ１０－Ｔ１１、
　Ｔ１０＋Ｔ３０－Ｈ３３－Ｔ１２＜Ｔ３３≦Ｔ１０＋Ｔ２０－Ｈ３３の関係が成り立つ。
　絶縁体拡径部３４は、絶縁体基部３０の一部を外径方向に向かった径大となるように張り出した鍔状に形成され、後述するガスセンサに組み付けされる際にタルク粉末等の公知の封止部材を介してハウジングによって気密に保持されるようになっている。
　図２Ａ、図２Ｂを参照して、本開示の第１の実施形態におけるガラス充填空間３２の断面形状の最適化のために行った試験とその結果について説明する。
　素子１として、断面方向の横幅４．０ｍｍ、板厚１．６ｍｍを用いた。
　即ち、前述のＴ１１＝２．０ｍｍ、Ｔ１２＝０．８ｍｍ、Ｔ１０≒２．１５ｍｍとなっている。
　絶縁体３の外形φＤ３を７．６０ｍｍとし、回り止め部深さＨ３３を０．２５ｍｍとし、ガラス対角位置肉厚Ｔ２０を１．０ｍｍ、絶縁体対角位置肉厚Ｔ３０を０．６５ｍｍとしたとき、回り止め部３３の端縁から封止ガラス２の端縁までの距離、即ち、回り止め部肉厚Ｔ３３を０．５ｍｍから１．７５ｍｍまで段階的に変化させ、絶縁体３の軸方向に圧縮荷重を負荷して、割れの発生した限界荷重を計測した。
　その結果、従来の比較例１では、８００Ｎ以下の圧縮荷重によって割れを生じた。
　本開示の第１の実施形態においては、回り止め部肉厚Ｔ３３を０．６８ｍｍ以上とした場合に、９００Ｎ以上の目標荷重に対抗できる強度を発揮できることが判明した。
　また、回り止め部肉厚Ｔ３３を１．５ｍｍよりも厚くすると、機械的強度は目標荷重を超えることができるが、封止ガラス２のガラス断面長手方向肉厚Ｔ２１が薄くなるため、成形時の充填密度が低下するのに加え、ガラス充填空間３２の内周面と封止ガラス２の外周縁との間に間隙ＧＰが大きくなることが判明した。
　以上のことから、本実施形態においては、絶縁体回り止め部肉厚Ｔ３３０．６８ｍｍ以上、１．５ｍｍ以下とするのが望ましいことが判明した。
　図３、図４Ａ、図４Ｂを参照して、本開示の第２の実施形態における組立体４ａについて説明する。
　なお、以下の実施形態においては、前記実施形態と同様の構成について同じ符号を付し、それぞれの実施形態における特徴的な部分に枝番としてアルファベットの記号を付したので、前記実施形態と同じ部分については説明を省略し、それぞれの実施形態における特徴を中心に説明する。
　本実施形態におけるガラス充填空間３２ａは、角部がＲ状に湾曲する断面角丸八角形状に形成されている。
　本実施形態では、素子１の対角線の延長線上において、ガラス対角位置肉厚Ｔ２０、ガラス長手方向肉厚Ｔ２１、ガラス短手方向肉厚Ｔ２２との間に、Ｔ２０≦Ｔ２１＜Ｔ２２の関係が成り立つ。
　また、素子１の対角線の延長線上において、絶縁体対角位置肉厚Ｔ３０、絶縁体長手方向肉厚Ｔ３１、絶縁体回り止め部肉厚Ｔ３３との間に、Ｔ３０≦Ｔ３１≦Ｔ３３の関係が成り立つ。
　また、八角形の各頂角は、半径Ｒ＝Ｔ２０で湾曲する丸角に形成されている。
　さらに、ガラス充填空間３２ａの内周面の内、素子１の長手方向平面に対して平行で、回り止め部３３が形成された側の回り止め側内周面と、素子１の短手方向側面に対して平行な短手側内周面との間を繋ぐ多角内周面傾斜辺の傾斜角度θ２ａは、４５°に設定してある。
　本実施形態においても、図４Ａに示すように、絶縁体回り止め部肉厚Ｔ３３ａを、０．５ｍｍ～１．７５ｍｍまで変化させて、割れ荷重を調査したところ、図４Ｂに示すように、０．６２ｍｍ以上で所定の目標荷重（９００Ｎ）以上の強度を発揮できることが判明した。
　図５、図６Ａ、図６Ｂを参照して、本開示の第３の実施形態における組立体４ｂについて説明する。
　本実施形態においては、多角内周面傾斜辺の傾斜角度θ２ｂを３０°に設定してある。
　本実施形態においては、図６Ａに示すように、絶縁体回り止め部肉厚Ｔ３３ｂを０．４５ｍｍ～１．７５ｍｍ迄変化させたとき、０．４５ｍｍ以上で、割れ荷重の向上を図ることができることが判明した。
　また、本実施形態においても、前記実施形態と同様、絶縁体回り止め部肉厚Ｔ３３ｂが１．５ｍｍを超えると、封止ガラス２ｂの充填性の低下や、流動性の低下により間隙ＧＰの形成が懸念される。
　表１は、比較例とともに、各実施例における割れ発生荷重の変化に対する調査結果を示す。
　本開示によれば、いずれの実施形態においても、目標割れ荷重以上の強度を発揮できることが判明した。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000001
　さらに、図７に示すように、本開示の効果をまとめると、いずれの実施形態においても、回り止め部肉厚Ｔ３３、Ｔ３３ａ、Ｔ３３ｂを、０．６８ｍｍ以上、とすることで、局所的な強度低下を回避し、目標荷重を超える、耐久性の高い組立体４、４ａ、４ｂを形成できることが判明した。
　なお、上記実施形態においては、封止ガラス２ａ、２ｂの横断面形状を角丸八角形とした場合において、傾斜角度θ２ａ、θ２ｂをそれぞれ４５°と３０°とした例を示したが、本開示においては、ガラス充填空間３２ａ、３２ｂの内周縁の形状に沿った封止ガラス２ａ、２ｂの外周縁の形状をこれらに限定するものではなく、角丸六角形や、角丸十二角形や、角丸二十四角形など様々な角丸多角形状としても良い。
　この場合においても、素子１の対角線の延長線上におけるガラス対角位置肉厚Ｔ２０及び絶縁体対角位置肉厚Ｔ３０が、最薄となるように、ガラス断面短手方向肉厚Ｔ２２及び回り止め部肉厚Ｔ３３を設定することで、絶縁体３の軸方向に作用する荷重に対して十分な強度を発揮することができる、
　また、ガラス充填空間３２の内周面を多角形に形成した場合、隣り合う二辺が交叉することで形成される角部に所定のＲを設けることで、封止ガラス２、２ａ、２ｂの外周縁との間に間隙が形成され難くなり、気密性を確保できる。
　図８を参照して、本開示の第４の実施形態におけるガスセンサ素子組立体４ｃについて説明する。
　前記実施形態においては、絶縁体３に回り止め部３３を設けた構成について説明したが、本実施形態における絶縁体３ｃにおいては、回り止め部を設けておらず、絶縁体３ｃの外径φＤ３ｃをガラス充填空間３２ｃを構成する内周面が外径に内接するほど極限まで細くしている。
　本実施形態においては、ガラス充填空間３２ｃの横断面形状を、第１の実施形態におけるガスセンサ素子組立体１と同様の楕円形状、とすることで、封止ガラス２ｃの横断面形状を楕円形状に形成してある。
　本実施形態においても、Ｔ３０≦Ｔ３１＜Ｔ３２ｃの関係が成り立っている。
　さらに、本実施形態においても、Ｔ２０≦Ｔ２１＜Ｔ２２の関係が成り立っている。
　本実施形態においては、ガラス充填空間３２の横断面形状を楕円状とすることで、絶縁体３ｃの絶縁体短手方向肉厚Ｔ３２ｃを厚肉に形成することで、最薄部となる絶縁体対角位置の強度不足を補い、絶縁体３ｃの基端側の強度を相対的に強くすることができる。
　本実施形態においては、前記実施形態と同程度の大きさの素子１（例えば、板厚２Ｔ１２＝１．６ｍｍ×横幅２Ｔ１１＝４．０ｍｍ）を使用した場合、絶縁体３ｃの基端側においてガラス充填空間３２ｃを形成する周壁部の最薄部となる絶縁体対角位置肉厚Ｔ３０が、例えば、０．６５ｍｍ以上、最厚部となる絶縁体短手方向肉厚Ｔ３２ｃが０．８３ｍｍ以上であれば、本開示の効果を発揮し得ることが判明した。
　図９を参照して、本開示の第５の実施形態における組立体４ｄについて説明する。
　本実施形態においても、第４の実施形態と同様、回り止め部を設けておらず、絶縁体３ｄの外径φＤ３ｄを極限まで細くしている。
　さらに、本実施形態においては、ガラス充填空間３２ｄの横断面形状を、第２、第３の実施形態におけるガスセンサ素子組立体４ａ、４ｂと同様、角を丸めた角丸多角形状とすることで、封止ガラス２ｄの横断面形状を、角を丸めた角丸多角形状としている。
　このような構成とすることで、第３の実施形態と同様の効果を発揮できる。
　図１０、図１１、図１２に、それぞれ、比較例１、比較例２、比較例３として示す、本開示の効果を発揮し得ない組立体４ｚ、４ｙ、４ｘについて説明する。
　比較例１では、ガラス充填空間３２ｚの内周面が円形に形成されており、回り止め部３３を形成した部分の肉厚Ｔ３３ｚが他の部分の肉厚（Ｔ３０）よりも薄肉となっている。このため、絶縁体３ｚの組み付け荷重に対する機械的強度が低下し、組み付け時に割れ不良を発生させる虞があった。
　また、絶縁体３ｚを金型等を用いて成型する際に、回り止め部３３を形成するためのキャビティが狭く、材料の充填性が低下して、局所的な密度低下による歪みを招く虞もあった。
　比較例２では、回り止め部３３が形成され、断面小判型に形成された絶縁体３ｙの外周面と並行となるようにガラス充填空間３２ｙの内周面を断面小判型に形成することで、絶縁体３ｙの回り止め部３３を形成位置の肉厚Ｔ３３ｙを他の部分の肉厚Ｔ３０と均等に形成してある。
　ガラス充填空間３２ｙの内周面と表面張力によって断面楕円状となった封止ガラス２ｙの表面との間に間隙ＧＰが形成され、気密性の低下を招く虞があった。
　比較例３では、絶縁体３ｘの外周面に回り止め部を形成していない構成において、ガスセンサの更なる小型化を図るべく、環溝状のガラス充填空間３２ｘを形成する絶縁体３ｘの基端側外周面が周壁面として形成可能な極限まで薄くして、絶縁体３ｘの外径φＤ３ｘを細くしている。
　絶縁体３の基端側における肉厚Ｔ３０ｘが極めて薄くなるので、成形時に用いられる金型に形成されるキャビティが狭く、緻密性が低下する上に、組付け時の荷重を受ける断面積が小さくなるため、薄肉部全体が組み付け荷重に耐え切れなくなり、組み付け時に割れ不良を発生させる虞がある。
　図１３を参照して、本開示の組立体４を含む、ガスセンサ８の概要について説明する。
　ガスセンサ８は、組立体４と、ハウジング５と、カバー体６と、ガスセンサ基端部７とによって構成されている。
　ハウジング５は、鉄、ニッケル、これらの合金、炭素鋼、ステンレス等の公知の金属材料が用いられている。
　ハウジング５は、ハウジング基体５０と、組立体収容部５１と、組立体係止部５２と、大径筒部５３と、加締め部５４と、カバー加締部５５と、ネジ部５６とによって構成されている。
　ハウジング基体５０の内側には、組立体収容部５１が形成され、組立体収容部５１の基端側には、基端側に向かって径大となるように径変する組立体係止部５２が設けられ、さらに基端側には、絶縁体拡径部３４が挿通可能な大径筒部５３が形成されている。
　組立体収容部５１内には、本開示に係る組立体４の先端側が収容されている。
　組立体４の絶縁体拡径部３４の先端側の面が、直接又は間接的に組立体係止部５２に当接している。
　さらに、絶縁体拡径部３４と加締め部５４と大径筒部５３とによって区画された空間内に、タルク等の公知の粉末充填剤５７やシール部材が充填され、加締め部５４によって軸力を作用させて絶縁体拡径部３４を押圧するようにして、気密に固定している。
　ネジ部５６は、被測定ガス８０の流れる被測定ガス流路８１に螺結され、素子１の先端に設けた検出部１０を被測定ガス８０内に保持している。
　カバー体６は、有底筒状に設けられている。カバー体基部６０には、内側に被測定ガスを導入するための導入孔６１が穿設されている。
　カバー体６の基端側はハウジング５の先端に設けたカバー体加締め部５５によって加締め固定されている。
　本図には、二重筒構造のカバー体を示してあるが、本開示においては、特に限定すべきものではなく、適宜変更し得るものである。
　ガスセンサ基端部７は、ケーシング７０と、絶縁体７１と、一対の信号端子金具７２と、一対の通電端子金具７３と、一対の信号線７４と、一対の通電線７５と、撥水フィルタ７６と、グロメット７８とによって構成されている。
　ケーシング７０は、ステンレス等の公知の金属材料を用いて筒状に形成されている。
　ケーシング７０は、ハウジング５の基端側を覆いつつ、内側に、絶縁体７１、一対の信号端子金具７２、一対の通電端子金具７３、一対の信号線７４、一対の通電線７５を収容すると共に、基端側をグロメット７８を介して気密に保持している。
　ケーシング７０には、通気孔７６１、７６２が穿設され、撥水フィルタ７６を介してガスセンサ８の内側と大気との連通を図っている。
　撥水フィルタ７６は、液体は遮断し、気体は透過する公知の撥水性多孔質膜からなり、基準ガスとして大気を導入する際の水滴の侵入を阻止している。
　素子１の基端に設けられた一対の信号電極１３と一対のヒータ電極１４が形成されており、信号端子金具７２、通電端子金具７３、一対の信号線７４、通電線７５を介して外部に設けた図略の演算部及び電源制御部に接続されている。
　信号端子金具７２、通電端子金具７３は、ステンレス、銅等の公知の導電性材料からなり、先端側がバネ状に形成され、信号端子１３、通電端子１４と弾性的に当接し、基端側に、信号線７４、通電線７５が圧着され、素子１と外部との導通を図っている。
　絶縁体７１は、アルミナ等の公知の絶縁材料によって形成され、信号端子金具７２、通電端子金具７３とケーシング７０との絶縁を保持している。
　また、組立体４の絶縁体３に設けられた回り止め部３３と絶縁体７１とが勘合して素子１に設けた電極１３、１４の向きと信号端子金具７２、通電端子金具７３の押圧方向とを一致させている。
　ケーシング７０は、ハウジング５の大径筒部５３の外周を覆うように嵌着され、固定されている。
　加締め部７７は、グロメット７８を圧縮してケーシング７０の基端側を気密に封止している。
　本開示のガスセンサ素子組立体は、酸素センサ、空燃比センサ、アンモニアセンサ、ＮＯｘセンサ、ＰＭセンサ、湿度センサ等、センサ素子が断面矩形で、軸方向に延びる平板状に形成されているものであれば、測定対象となる流体の如何にかかわらず、様々なセンサに利用できるものである。
１　ガスセンサ素子
１０　検出部
２　封止ガラス
３　絶縁体
３０　絶縁体基部
３１　センサ素子挿通孔
３２　ガラス充填空間
３３　回り止め部
４　ガスセンサ素子組立体
Ｔ２０　ガラス対角位置肉厚（最薄厚）
Ｔ２１　ガラス長手方向肉厚
Ｔ２２　ガラス短手方向肉厚
Ｔ３０　絶縁体対角位置肉厚（最薄厚）
Ｔ３１　絶縁体長手方向肉厚
Ｔ３２　絶縁体短手方向肉厚（最大厚）
Ｔ３３　絶縁体回り止め部肉厚
Ｈ３３　回り止め部切り欠き深さ
Ｌ２１　ガラス長手方向長さ
Ｗ２２　ガラス短手方向長さ
ａ２　充填空間長径
ｂ２　充填空間短径
φＤ３　絶縁保持部材外径
ＣＰ　中心点
ＶＣＰ　仮想中心点
ＣＬ１　長辺方向中心線
ＣＬ２　短辺方向中心線
Ｐ２０　ガラス対角位置端点
Ｐ２１　ガラス長手方向端点
Ｐ２２　ガラス短手方向端点
Ｐ３０　絶縁体対角位置端点
Ｐ３１　絶縁体長手方向端点
Ｐ３２　絶縁体短手方向端点
Ｐ３３　絶縁体回り止め位置端点

Claims (5)

  1. 　被測定ガスに晒され、被測定ガス中の特定成分を検出する検出部（１０）を具備し、断面矩形で軸方向に延びる平板状のガスセンサ素子（１）と、
    　内側に断面矩形で軸方向に延びる貫通孔（３１）を具備し、該貫通孔に前記ガスセンサ素子を収容保持する筒状の絶縁体（３）と、
    　該絶縁体の一部を窪ませて区画したガラス充填空間（３２）に配設した筒状の封止ガラス（２）と、を有し、
    　前記封止ガラスを熔融固化して前記ガスセンサ素子と前記絶縁体とを気密に固定したガスセンサ素子組立体において、
    　前記ガラス充填空間の横断面形状を、楕円形状、又は、角を丸めた角丸多角形状とすることで、
    　前記封止ガラスの横断面形状を、楕円形状、又は、角を丸めた角丸多角形状となしたことを特徴とするガスセンサ素子組立体（４、４ａ、４ｂ、４ｃ、４ｄ）。
  2. 　前記絶縁体が、その外周面の一部を平面状に切り欠くように形成した回り止め部（３３）を具備する請求項１に記載のガスセンサ素子組立体（４、４ａ、４ｂ）。
  3. 　前記ガスセンサ素子の対角線の延長線と、前記封止ガラスの外周縁との交点（ガラス対角位置端点Ｐ２０）から、前記絶縁体の外周縁との交点（絶縁体対角位置端点Ｐ３０）までの距離を絶縁体対角位置肉厚Ｔ３０とし、
    　前記ガスセンサ素子の中心点（ＣＰ）から前記ガスセンサ素子の短辺に向かって垂直に下ろした長辺方向中心線（ＣＬ１）と前記封止ガラスの外周縁との交点（ガラス長手方向端点Ｐ２１）から、前記長辺方向中心線と前記絶縁体の外周縁との交点（絶縁体長手方向端点Ｐ３１）までの距離を絶縁体長手方向肉厚Ｔ３１とし、
    　前記ガスセンサ素子の中心から前記封止ガラスの長辺に向かって垂直に下ろした短辺方向中心線（ＣＬ２）と前記封止ガラスの外周縁との交点（ガラス短手方向端点Ｐ２２）から、前記短辺方向中心線と前記絶縁体３の外周縁との交点（絶縁体短手方向端点Ｐ３２）までの距離を絶縁体短手方向肉厚Ｔ３２としたとき、
    　Ｔ３０≦Ｔ３１＜Ｔ３２の関係が成り立つ請求項１又は２に記載のガスセンサ素子組立体（４、４ａ、４ｂ、４ｃ）。
  4. 　前記ガスセンサ素子の対角線の延長線と、前記封止ガラスの外周縁との交点（ガラス対角位置端点Ｐ２０）から、前記絶縁体の外周縁との交点（絶縁体対角位置端点Ｐ３０）までの距離を絶縁体対角位置肉厚Ｔ３０とし、
    　前記ガスセンサ素子の中心（ＣＰ）から前記ガスセンサ素子の短辺に向かって垂直に下ろした長辺方向中心線（ＣＬ１）と前記封止ガラスの外周縁との交点（ガラス長手方向端点Ｐ２１）から、前記長辺方向中心線と前記絶縁体の外周縁との交点（絶縁体長手方向端点Ｐ３１）までの距離を絶縁体長手方向肉厚Ｔ３１とし、
    　前記ガスセンサ素子の中心から前記封止ガラスの長辺に向かって垂直に下ろした短辺方向中心線（ＣＬ２）と前記封止ガラスの外周縁との交点（ガラス短手方向端点Ｐ２２）から、前記短辺方向中心線と前記回り止め部の端縁との交点（絶縁体回り止め位置端点Ｐ３３）までの距離を絶縁体回り止め部肉厚Ｔ３３としたとき、
    　Ｔ３０≦Ｔ３１≦Ｔ３３の関係が成り立つ請求項２に記載のガスセンサ素子組立体（４、４ａ、４ｂ）。
  5. 　前記ガスセンサ素子の頂点（素子対角位置端点Ｐ１０）から、前記ガスセンサ素子の対角線の延長線と、前記封止ガラスの外周縁との交点（ガラス対角位置端点Ｐ２０）までの距離をガラス対角位置肉厚Ｔ２０とし、
    　前記ガスセンサ素子の中心（ＣＰ）から前記ガスセンサ素子の短辺に向かって垂直に下ろした長辺方向中心線（ＣＬ１）と前記ガスセンサ素子の短辺との交点（素子長手方向端点Ｐ１１）から前記長辺方向中心線と前記封止ガラスの外周縁との交点（ガラス長手方向端点Ｐ２１）までの距離をガラス長手方向肉厚Ｔ２１とし、
    　前記ガスセンサ素子の中心から前記ガスセンサ素子の長辺に向かって垂直に下ろした短辺方向中心線（ＣＬ２）と前記ガスセンサ素子の長辺との交点（素子短手方向端点Ｐ１２）から前記封止ガラスの外周縁との交点（ガラス短手方向端点Ｐ２２）までの距離をガラス短手方向肉厚Ｔ２２としたとき、
    　Ｔ２０≦Ｔ２１＜Ｔ２２の関係が成り立つ請求項１ないし４のいずれかに記載のガスセンサ素子組立体（４、４ａ、４ｂ、４ｃ、４ｄ）。
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