JP2007101353A - ガスセンサ - Google Patents

Abstract

【課題】出力特性の変動を防ぎ、検出精度に優れたガスセンサを提供すること。
【解決手段】被測定ガス中の特定ガスの濃度を検出するガスセンサ素子２と、該ガスセンサ素子２を素子挿通孔３０に貫通させて保持する絶縁碍子３とを有するガスセンサ１。ガスセンサ素子２と絶縁碍子３とは、素子挿通孔３０の基端側において密閉封止材６によって封止固定してある。ガスセンサ素子２は、絶縁碍子３よりも先端側において、被測定ガス側電極と基準ガス側電極とを設けたセンシング部２００を形成してなる。該センシング部２００には、被測定ガス側電極へ向かう被測定ガスを拡散させる多孔質拡散抵抗層２１が配設されている。絶縁碍子３の素子挿通孔３０とガスセンサ素子２との間の少なくとも先端部には、両者の隙間を埋める緩衝封止材４が配設されている。緩衝封止材４と多孔質拡散抵抗層２１とは、ガスセンサ素子２の長手方向に離隔配置されている。
【選択図】図１

Description

本発明は、内燃機関の空燃比制御等に利用するガスセンサに関する。

従来より、自動車エンジンの排気系には、空燃比制御等に利用するガスセンサ９が設置されている。該ガスセンサ９は、図６に示すごとく、素子挿通孔９３０を持った筒状の絶縁碍子９３と、素子挿通孔９３０内に封止固定されたガスセンサ素子９２と、絶縁碍子９３が挿入配置された筒状のハウジング９５とを有する。

また、上記ガスセンサ９は、ガスセンサ素子９２の外側面と素子挿通孔９３０における大径部９３１の内側面との間を、密閉封止材９６にて強固に封止固定されている。即ち、ガスセンサ素子９２と素子挿通孔９３０との間は、基準ガス側雰囲気と被測定ガス側雰囲気との境界であるため、両者間を気密封止して、両雰囲気が混合しないようにする必要がある。

ところが、小径部９３２において絶縁碍子９３とガスセンサ素子９２との間には、ガスセンサ素子９２の挿通を容易にするために、若干の隙間を設けてある。そのため、ガスセンサ素子９２は、基端側においてのみ固定された状態となっていた。それ故、外部から大きな衝撃や振動を受けたときにガスセンサ素子９２の先端側が振り子のように振れて（以下、素子振れという）素子挿通孔９３０の内側面に衝突する、或いは、応力が集中する等して、ガスセンサ素子９２に折損がしばしば生じていた。
そこで、小径部９３２の内側面とガスセンサ素子９２の外側面との間に緩衝封止材９４にて封止されているガスセンサ９が提案されている（特許文献１参照）。

上記ガスセンサ９によれば、ガスセンサ素子９２は、少なくとも二点で支持されるため、素子挿通孔９３０の先端側におけるガスセンサ素子９２の素子振れに起因するガスセンサ素子９２の軸方向に直交する方向の回転力（モーメント）を低減することができる。また、外部から受けた衝撃や振動を緩衝封止材９４によって吸収することができる。したがって、素子振れによる振れの支点での応力集中や、内側面に当って衝撃が加わることによるガスセンサ素子９２の折損を防止することができる。

しかしながら、上記ガスセンサ９においては、緩衝封止材９４と多孔質拡散抵抗層９２１とが接触して配置されている範囲ｄにおいて、緩衝封止材９４の材料が、多孔質拡散抵抗層９２１に染み込んで気孔を塞いでしまうおそれがある。即ち、緩衝封止材９４には、例えば、アルミナ粉末の他に、バインダとしてのアルミナゾル及び硝酸アルミニウムが混入している。これらのバインダが多孔質拡散抵抗層９２１と接すると、毛管現象により、多孔質拡散抵抗層９２１においてバインダの吸い上げが起こり、その後の加熱によるバインダ揮発時に、バインダが酸化アルミニウムとなって多孔質拡散抵抗層９２１の気孔を塞いでしまう。

そして、多孔質拡散抵抗層９２１の気孔が塞がれることにより、多孔質拡散抵抗層９２１を通過して被測定ガス室へ供給される被測定ガスの量が減少してしまう。それ故、被測定ガス中の特定ガスの濃度に対するガスセンサ９の出力が低下、即ち、出力特性が変動してしまう。
その結果、所望の出力特性を有するガスセンサを得ることが困難となり、ひいては、ガスセンサ素子の検出精度が低下してしまうおそれがある。

特開２００２−８２０８８号公報

本発明は、かかる従来の問題点に鑑みてなされたもので、出力特性の変動を防ぎ、検出精度に優れたガスセンサを提供するものである。

本発明は、被測定ガス中の特定ガスの濃度を検出するガスセンサ素子と、該ガスセンサ素子を素子挿通孔に貫通させて保持する絶縁碍子とを有するガスセンサであって、
上記ガスセンサ素子と上記絶縁碍子とは、上記素子挿通孔の基端側において密閉封止材によって封止固定してあり、
上記ガスセンサ素子は、上記絶縁碍子よりも先端側において、被測定ガス側電極と基準ガス側電極とを設けたセンシング部を形成してなり、
該センシング部には、上記被測定ガス側電極へ向かう被測定ガスを拡散させる多孔質拡散抵抗層が配設されており、
上記絶縁碍子の上記素子挿通孔と上記ガスセンサ素子との間の少なくとも先端部には、両者の隙間を埋める緩衝封止材が配設されており、
該緩衝封止材と上記多孔質拡散抵抗層とは、上記ガスセンサ素子の長手方向に離隔配置されていることを特徴とするガスセンサにある（請求項１）。

次に、本発明の作用効果につき説明する。
上記緩衝封止材と上記多孔質拡散抵抗層とは、上記ガスセンサ素子の長手方向に離隔配置されている。それ故、上記緩衝封止材と上記多孔質拡散抵抗層とが接触することがないため、上記緩衝封止材が上記多孔質拡散抵抗層に染み込むことを防ぐことができる。そして、そのため、上記多孔質拡散抵抗層が目詰まりすることに起因して被測定ガスの供給量が減少するという不具合を回避することができる。即ち、上記ガスセンサ素子の出力特性の変動を防ぐことができ、検出精度に優れたガスセンサを得ることができる。

また、上記緩衝封止材が、上記絶縁碍子の素子挿通孔と上記ガスセンサ素子との間の少なくとも先端部に配設されているため、上記ガスセンサ素子を少なくとも上記絶縁碍子の基端側と先端側との二点で固定することができる。それ故、上記素子挿通孔の先端側における上記ガスセンサ素子の素子振れに起因する上記ガスセンサ素子の軸方向に直交する方向の回転力（モーメント）を低減することができる。また、外部から受けた衝撃や振動を上記緩衝封止材によって吸収することができる。その結果、上記ガスセンサ素子の折損を防ぐことができる。

以上のごとく、本発明によれば、出力特性の変動を防ぎ、検出精度に優れたガスセンサを提供することができる。

本発明（請求項１）において、上記ガスセンサとしては、例えば、自動車エンジン等の各種車両用内燃機関の排気管に設置して、排気ガスフィードバックシステムに使用する空燃比センサ、排気ガス中の酸素濃度を測定する酸素センサ、また排気管に設置する三元触媒の劣化検知等に利用するＮＯｘ等の大気汚染物質濃度を調べるＮＯｘセンサ等がある。

また、上記緩衝封止材としては、例えば、アルミナ粉末の他に、バインダとしてのアルミナゾル及び硝酸アルミニウムを混入したものを用いることができる。
尚、本明細書においては、上記ガスセンサ素子がその軸方向において、内燃機関の排気管に曝される側を先端側、その反対側を基端側として説明する。

上記ガスセンサ素子は、上記被測定ガス側電極と連続する電極リード部と上記緩衝封止材との間に緻密セラミックスを介設してなることが好ましい（請求項２）。
この場合には、上記緩衝封止材が比較的多孔度の高い上記電極リード部に接触することを防ぐことができる。そのため、該電極リード部を介して上記緩衝封止材が上記多孔質拡散抵抗層に染み込むことを防ぐことができる。

上記多孔質拡散抵抗層は、２５％以上の気孔率を有するものとすることができる（請求項３）。
この場合には、本発明の効果を充分に発揮することができる。即ち、ガスセンサ素子に２５％以上の気孔率を有する多孔質拡散抵抗層を用いた場合において、仮に、緩衝封止材が多孔質拡散抵抗層に接触したときには、該多孔質拡散抵抗層への緩衝封止材の染み込みが量的に顕著となり、出力特性の変動が生じやすくなる。したがって、かかる気孔率の大きい多孔質拡散抵抗層を有するガスセンサにおいては、特に本発明の効果が発揮される。

これに対して、上記多孔質拡散抵抗層の気孔率が２５％未満の場合には、上記多孔質拡散抵抗層への上記緩衝封止材の染み込みが比較的少ないため、上記緩衝封止材と上記多孔質拡散抵抗層との接触を防ぐことによる効果が比較的小さい。

上記多孔質拡散抵抗層は、１μｍ以上の平均気孔径を有するものとすることができる（請求項４）。
この場合にも、本発明の効果を充分に発揮することができる。即ち、多孔質拡散抵抗層の平均気孔径が１μｍ以上である場合には、緩衝封止材の染み込みが量的に顕著となるおそれがあるが、ガスセンサに本発明の構造を採用することにより、出力特性の変動を充分に抑制することができる。

これに対して、上記多孔質拡散抵抗層の平均気孔径が１μｍ未満の場合には、上記多孔質拡散抵抗層への上記緩衝封止材の染み込みが比較的少ないため、上記緩衝封止材と上記多孔質拡散抵抗層との接触を防ぐことによる効果が比較的小さい。

（実施例１）
本例の実施例にかかるガスセンサにつき、図１〜図４を用いて説明する。
本例のガスセンサ１は、図１に示すごとく、被測定ガス中の特定ガスの濃度を検出するガスセンサ素子２と、該ガスセンサ素子２を素子挿通孔３０に貫通させて保持する絶縁碍子３と、該絶縁碍子３が挿入配置されるハウジング５とを有する。

また、図１、図４に示すごとく、ガスセンサ素子２と絶縁碍子３とは、素子挿通孔３０の基端側において密閉封止材６によって封止固定してある。
また、ガスセンサ素子２は、絶縁碍子３よりも先端側において、被測定ガス側電極２３と基準ガス側電極２５とを設けたセンシング部２００を形成してなる。そして、図２に示すごとく、該センシング部２００には、被測定ガス側電極２３へ向かう被測定ガスを拡散させる多孔質拡散抵抗層２１が配設されている。

また、図１、図４に示すごとく、絶縁碍子３の素子挿通孔３０とガスセンサ素子２との間の先端部には、両者の隙間を埋める緩衝封止材４が配設されている。そして、緩衝封止材４と多孔質拡散抵抗層２１とは、ガスセンサ素子２の長手方向に離隔配置されている（図１における符号Ｄ参照）。尚、離隔距離Ｄは、例えば、１ｍｍ以上とすることができる。また、本例では、ガスセンサ素子２の表面を研磨平滑化処理し、緩衝封止材４のガスセンサ素子２への表面浸透を防止している。
また、多孔質拡散抵抗層２１は、２５％以上の気孔率を有すると共に、１μｍ以上の平均気孔径を有する。

本例のガスセンサ１は、自動車エンジン等の各種車両用内燃機関の排気管に設置して、排気ガス中の酸素濃度を測定する酸素センサである。
図２、図３に示すごとく、ジルコニアよりなる酸素イオン伝導性の固体電解質体２４の表面には、開口部２２０を有すると共にアルミナよりなる緻密でガスを透過しない絶縁層２２を設けてある。また、固体電解室体２４と絶縁層２２との間には、白金よりなる被測定ガス側電極２３とこれに接続された電極リード部２３１と電極端子部２３２とを設けてある。

また、図３に示すごとく、固体電解質体２４には、被測定ガス室形成層２９が積層される。被測定ガス室形成層２９は電気的絶縁性を有し、緻密でガスを透過させないアルミナセラミックスよりなり、被測定ガス室２１０を構成する開口部２９０が設けてある。
また、被測定ガス室形成層２９に対して、緻密でガスシール性のアルミナセラミックスよりなる遮蔽層２０が積層される。

そして、被測定ガス室形成層２９及び遮蔽層２０は、被測定ガス側電極２３と連続する電極リード部２３１をも覆うように形成されている。これにより、電極リード部２３１と緩衝封止材４との間には、緻密セラミックスからなる遮蔽層２０と被測定ガス室形成層２９とが介設されることとなる。

また、多孔質拡散抵抗層２１は、図１〜図４に示すごとく、被測定ガス室形成層２９の一部に埋め込まれるように配設されている。即ち、ガスセンサ素子２の軸方向と直交する方向に端面２１１を露出すると共に、被測定ガス室形成層２９の開口部２９０を挟み込むように開口部２９０の両側に配設されている。そして、上記短手方向に露出した端面２１１より、被測定ガスが多孔質拡散抵抗層２１を通過して被測定ガス室２１０へと導入される。

また、例えば、多孔質拡散抵抗層２１は、焼成前の被測定ガス室形成層２９のグリーンシートの一部に多孔質拡散抵抗層２１の材料を充填し、両者を一緒に焼成することにより形成することができる。また、焼成後の被測定ガス室形成層２９の一部に多孔質拡散抵抗層２１の材料を充填した後、焼成することもできる。

また、図３に示すごとく、固体電解質体２４における被測定ガス側電極２３が配置された側とは反対側の面に、白金よりなる基準ガス側電極２５とこれに接続されたリード部２５１、端子部２５２とが設けてある。また、端子部２５２は、導体が充填されたスルーホール２４０によって被測定ガス室２１０側に設けられた端子部２５３と導通している。

図２、図３に示すごとく、このような固体電解質体２４に対し、電気的絶縁性を有し、かつ緻密でガスを透過させないアルミナセラミックスよりなる基準ガス室形成層２６が積層される。この基準ガス室形成層２６には基準ガス室２６０として機能する溝部２６１が設けてある。基準ガス室２６０には、例えば外気（空気）が基準ガスとして導入されるよう構成されている。

そして、図２、図３に示すごとく、基準ガス室形成層２６にヒータ基板２８が積層される。
このヒータ基板２８には通電により発熱する発熱体２７、該発熱体２７に通電するためのリード部２７１が基準ガス室形成層２６と対面するよう設けてあり、またこれら発熱体２７やリード部２７１を設けた面とは反対側の面に端子部２７２が設けてある。
端子部２７２とリード部２７１との間は、導体を充填したスルーホール２８０により導通している。

次に、本例の作用効果につき説明する。
緩衝封止材４と多孔質拡散抵抗層２１とは、図１、図４に示すごとくガスセンサ素子２の長手方向に離隔配置されている。それ故、緩衝封止材４と多孔質拡散抵抗層２１とが接触することがないため、緩衝封止材４が多孔質拡散抵抗層２１に染み込むことを防ぐことができる。そして、そのため、多孔質拡散抵抗層２１が目詰まりすることに起因して被測定ガスの供給量が減少するという不具合を回避することができる。即ち、ガスセンサ素子２の出力特性の変動を防ぐことができ、検出精度に優れたガスセンサ１を得ることができる。

また、図１、図４に示すごとく、緩衝封止材４が、絶縁碍子３の先端側に配設されているため、ガスセンサ素子２を、絶縁碍子３の基端側と先端側との二点で固定することができる。それ故、素子挿通孔３０の先端側におけるガスセンサ素子２の素子振れに起因するガスセンサ素子２の軸方向に直交する方向の回転力（モーメント）を低減することができる。また、外部から受けた衝撃や振動を緩衝封止材４によって吸収することができる。その結果、ガスセンサ素子２の折損を防ぐことができる。

また、図３に示すごとく、ガスセンサ素子２は、被測定ガス側電極２３と連続する電極リード部２３１と、緩衝封止材４（図３には記載されていない）との間に緻密セラミックスからなる遮蔽層２０と被測定ガス室形成層２９とを介設してなるため、緩衝封止材４が、比較的多孔度の高い電極リード部２３１に接触することを防ぐことができる。そのため、該電極リード部２３１を介して緩衝封止材４が多孔質拡散抵抗層２１に染み込むことを防ぐことができる。

また、本例のガスセンサ１における多孔質拡散抵抗層２１は、２５％以上の気孔率を有すると共に、１μｍ以上の平均気孔径を有するが、かかる場合には、ガスセンサ１に本発明における上述の構造を採用することにより、特に、本発明の作用効果を発揮することができる。

以上のごとく、本例によれば、出力特性の変動を防ぎ、検出精度に優れたガスセンサを提供することができる。

（実施例２）
本例は、図５に示すごとく、被測定ガス室形成層２９における固体電解質体２４が配設された側と反対側の面に、被測定ガス室形成層２９の開口部２９０を覆う状態で多孔質拡散抵抗層２１が積層されているガスセンサ１の例である。また、多孔質拡散抵抗層２１には、被測定ガス室形成層２９が配設された側と反対側の面に、多孔質拡散抵抗層２１と略同等の軸方向長さ及び幅を有する遮蔽層２０を積層してある。
また、本例においても、ガスセンサ１は、緩衝封止材４（図５には記載されていない）と多孔質拡散抵抗層２１とを離隔配置した構成としてある。
その他、実施例１と同様の構成及び作用効果を有する。

実施例１における、ガスセンサの断面説明図。 実施例１における、図１のＡ−Ａ線断面に相当するガスセンサ素子の断面説明図。 実施例１における、ガスセンサ素子の斜視展開図。 実施例１における、ガスセンサ素子と絶縁碍子との組付け状態を示す断面説明図。 実施例２における、ガスセンサ素子の斜視展開図。 従来例における、ガスセンサの断面説明図。

符号の説明

１ ガスセンサ
２ ガスセンサ素子
２１ 多孔質拡散抵抗層
２３ 被測定ガス側電極
２４ 基準ガス側電極
２００ センシング部
３ 絶縁碍子
３０ 素子挿通孔
４ 緩衝封止材
６ 密閉封止材

Claims (4)

1. 被測定ガス中の特定ガスの濃度を検出するガスセンサ素子と、該ガスセンサ素子を素子挿通孔に貫通させて保持する絶縁碍子とを有するガスセンサであって、
   上記ガスセンサ素子と上記絶縁碍子とは、上記素子挿通孔の基端側において密閉封止材によって封止固定してあり、
   上記ガスセンサ素子は、上記絶縁碍子よりも先端側において、被測定ガス側電極と基準ガス側電極とを設けたセンシング部を形成してなり、
   該センシング部には、上記被測定ガス側電極へ向かう被測定ガスを拡散させる多孔質拡散抵抗層が配設されており、
   上記絶縁碍子の上記素子挿通孔と上記ガスセンサ素子との間の少なくとも先端部には、両者の隙間を埋める緩衝封止材が配設されており、
   該緩衝封止材と上記多孔質拡散抵抗層とは、上記ガスセンサ素子の長手方向に離隔配置されていることを特徴とするガスセンサ。
2. 請求項１において、上記ガスセンサ素子は、上記被測定ガス側電極と連続する電極リード部と上記緩衝封止材との間に緻密セラミックスを介設してなることを特徴とするガスセンサ。
3. 請求項１又は２において、上記多孔質拡散抵抗層は、２５％以上の気孔率を有することを特徴とするガスセンサ。
4. 請求項１〜３のいずれか一項において、上記多孔質拡散抵抗層は、１μｍ以上の平均気孔径を有することを特徴とするガスセンサ。

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