JP4323970B2 - Gas sensor structure and method for manufacturing gas sensor structure - Google Patents
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Description
本発明は、ガスセンサー構成体及びガスセンサー構成体の製造方法に関する。 The present invention relates to a gas sensor structure and a method for manufacturing the gas sensor structure.
雰囲気中のガス濃度を測定するガスセンサーとして、半導体ガスセンサー及び固体電解質ガスセンサーがよく知られている。
半導体ガスセンサーは、半導体の表面に被検ガスが吸着すると導電率が変化することを利用して、ガスの検出を行うセンサーである。一般に、半導体の導電率は温度が高いほど大きいため、半導体ガスセンサーは高温で作動される。
Semiconductor gas sensors and solid electrolyte gas sensors are well known as gas sensors for measuring the gas concentration in the atmosphere.
The semiconductor gas sensor is a sensor that detects a gas by utilizing the fact that the conductivity changes when the test gas is adsorbed on the surface of the semiconductor. In general, the semiconductor gas sensor is operated at a high temperature because the conductivity of the semiconductor increases as the temperature increases.
固体電解質ガスセンサーの測定方式としては、起電力式と限界電流式が知られている。 起電力式の固体電解質ガスセンサーは、固体電解質基板の一方の面に設けた電極（基準極）を大気雰囲気に接触させ、他方の面に設けた電極（検知極）を被検ガス雰囲気中に接触させたときに両電極間に発生する起電力を測定するセンサーである。起電力の大きさが被検ガス濃度の対数に比例するので、被検ガス濃度を測定することができる。 As a measurement method of the solid electrolyte gas sensor, an electromotive force type and a limit current type are known. In the electromotive force type solid electrolyte gas sensor, the electrode (reference electrode) provided on one surface of the solid electrolyte substrate is brought into contact with the air atmosphere, and the electrode (detection electrode) provided on the other surface is placed in the test gas atmosphere. It is a sensor for measuring an electromotive force generated between both electrodes when being brought into contact. Since the magnitude of the electromotive force is proportional to the logarithm of the test gas concentration, the test gas concentration can be measured.
限界電流式の固体電解質ガスセンサーは、固体電解質基板の両面に設けた電極間に外部電圧を印加して被検ガスを電解し、その電流を検知する方式のセンサーである。検知極側にガス拡散律速孔付きカバーや多孔質セラミックスなどのガス拡散律速層を取り付ければ、被検ガスの拡散によって制限された限界電流が流れることになる。限界電流の大きさは被検ガスの分圧にほぼ比例するので、被検ガス濃度を測定することができる。
起電力式及び限界電流式の固体電解質ガスセンサーに使用される固体電解質材料は、常温では導電率が非常に小さい。従って、固体電解質ガスセンサーは、固体電解質材料を数百℃以上に加熱した状態で作動される。
以上のように、半導体ガスセンサーや固体電解質ガスセンサーは、センサー素子を加熱した状態で被検ガス濃度を測定するので、センサー素子をガラスファイバ又はセラミックスファイバ等の断熱材で包み込んだ構成を有することが多い。
The limiting current type solid electrolyte gas sensor is a sensor that detects an electric current by applying an external voltage between electrodes provided on both surfaces of a solid electrolyte substrate to electrolyze a test gas. If a gas diffusion rate limiting layer such as a gas diffusion rate limiting hole cover or porous ceramics is attached to the detection electrode side, a limit current limited by the diffusion of the test gas flows. Since the magnitude of the limit current is substantially proportional to the partial pressure of the test gas, the test gas concentration can be measured.
Solid electrolyte materials used for electromotive force type and limit current type solid electrolyte gas sensors have very low electrical conductivity at room temperature. Therefore, the solid electrolyte gas sensor is operated in a state where the solid electrolyte material is heated to several hundred degrees Celsius or higher.
As described above, the semiconductor gas sensor and the solid electrolyte gas sensor measure the test gas concentration in a state where the sensor element is heated, and therefore have a configuration in which the sensor element is wrapped with a heat insulating material such as glass fiber or ceramic fiber. There are many.
特開昭６２−１４５１６０号公報に、従来例の、酸素センサにおけるセラミックスファイバの充填方法が開示されている。図６に、従来例のセラミックスファイバの充填方法を用いて製造されたガスセンサー構成体１２の断面図を示す。図６において、１０１は円板状ステム、１０９及び１１０は円板状ステム１０１を貫通して挿設されるポスト、１０５は円板状ステム１０１から浮いた状態で支持される酸素センサー素子、１０６、１０７は酸素センサー素子１０５とポスト１０９、１１０とをつなぐリードワイヤ、１０２、１０３及び１０４はセラミックスファイバ製の断熱材、１０８は金属メッシュカバーである。
Japanese Laid-Open Patent Publication No. 62-145160 discloses a conventional method for filling ceramic fibers in an oxygen sensor. FIG. 6 shows a cross-sectional view of a gas sensor structure 12 manufactured using a conventional ceramic fiber filling method. In FIG. 6, 101 is a disk-shaped stem, 109 and 110 are posts inserted through the disk-
断熱材１０２、１０３及び１０４の分解斜視図を図７に示す。断熱材１０２は酸素センサー素子１０５の下面に当接し、ポスト１０９及び１１０が側面になる円柱状の形状を有する。断熱材１０３は、内側に酸素センサー素子１０５部分を嵌め込める大きさの開口部１１５を有する円筒体である。断熱材１０４は、金属メッシュカバー１０８の酸素センサー素子１０５より上の部分の空間を埋める形状を有する。
An exploded perspective view of the
ガスセンサー構成体１２は、次の方法で製造される。始めに、断熱材１０２をポスト１０９及び１１０の間に装着し、ガスセンサー素子１０５を断熱材１０２の上に置いてガスセンサー素子１０５のリードワイヤ１０６及び１０７をポスト１０９、１１０に接続する。次に、その周囲に断熱材１０３を嵌め込む。更に、断熱材１０４を装着し、金属メッシュカバー１０８を断熱材１０４の上にかぶせ、円板状ステム１０１に固定する。予め３個の断熱材１０２、１０３及び１０４を成型しておき、ガスセンサー素子１０５の周囲に装着するので、能率的に組み立て作業を行うことができる。
実際の製品においては、円筒形の断熱材１０３の寸法は、外径（直径）が１５ｍｍ程度、開口部１１５の直径が１０ｍｍ程度、高さが５ｍｍ程度である。一方、断熱材１０２、１０３及び１０４の材料である綿状のセラミックスファイバは、非常に柔らかく変形しやすい。従って、通常の作業者が円筒形の断熱材１０３を注意してつまみ上げても、断熱材１０３は変形してしまうことがあった。また、酸素センサー素子１０５部の周りに断熱材１０３を嵌め込む際に、作業時間がかかるうえ、断熱材１０３が変形してしまった。断熱材１０３が変形すると、所定の断熱効果が得られず、酸素センサー素子１０５の温度分布がばらついた。このため、ガス濃度測定値が真の値からずれたり、一定の濃度のガス流中で連続して計測したガス濃度測定値が経時変化したりした。
更に、従来例のセラミックスファイバの充填方法を、複数のガスセンサー素子を互いに間隔を保持して積層したガスセンサー構成体への断熱材の充填方法に拡張することは難しかった。ガスセンサー素子の数が多いほど、断熱材１０３及び１０２の高さを高くする必要があり、断熱材の加工及び組み立てが困難だった。
In an actual product, the cylindrical
Furthermore, it has been difficult to extend the conventional ceramic fiber filling method to a method of filling a heat insulating material into a gas sensor structure in which a plurality of gas sensor elements are stacked while maintaining a distance from each other. As the number of gas sensor elements increases, it is necessary to increase the height of the
本発明は上記従来の課題を解決するもので、製造時の断熱材装填工程の時間短縮が可能で、取り扱いが容易な断熱材を有する、ガスセンサー構成体及びその製造方法を提供することを目的とする。 The present invention solves the above-described conventional problems, and an object thereof is to provide a gas sensor structure having a heat insulating material that can reduce the time of a heat insulating material loading process at the time of manufacturing and is easy to handle, and a method for manufacturing the same. And
上記課題を解決するため本発明は以下の構成を有する。請求項１に記載の発明は、両面に突出するように貫通して挿設される複数の電極ピンを有する円板状ステムと、複数のリード線を有し、前記複数のリード線の一端が前記複数の電極ピンの一端にそれぞれ接続され前記円板状ステムから浮いた状態で支持されるガスセンサー素子と、前記ガスセンサー素子全体及び前記複数の電極ピンを覆うように配設される第１及び第２の断熱材と、前記断熱材を覆い前記円板状ステムに固定される金属メッシュカバーと、を有し、前記ガスセンサー素子は、前記円板状ステムに対向する下面と、当該下面に対向する上面と、側面とを有し、前記第１の断熱材は、前記複数の電極ピンをそれぞれ挿入せしめるように形成された複数の開孔を有し、前記ガスセンサー素子と前記円板状ステムとの間に配設され、前記第２の断熱材は、前記ガスセンサー素子と前記金属メッシュカバーとの間に配設されることを特徴とするガスセンサー構成体である。
従来は、ガスセンサー素子と円板状ステムとの間に装填される断熱材を、２つの断熱材から構成した。本発明のガスセンサー構成体は、ガスセンサー素子と円板状ステムとの間に装填される断熱材が一つだけであるため、ガスセンサー素子と円板状ステムとの間では、断熱材の合わせ目が無くなり保温・断熱性能が従来より高い。更に、本発明のガスセンサー構成体は、従来より効率良く短時間で製造できる。
In order to solve the above problems, the present invention has the following configuration. The invention according to
Conventionally, the heat insulating material loaded between the gas sensor element and the disc-shaped stem is composed of two heat insulating materials. In the gas sensor structure of the present invention, since only one heat insulating material is loaded between the gas sensor element and the disc-shaped stem, there is no heat insulating material between the gas sensor element and the disc-shaped stem. There is no seam, and heat insulation and heat insulation performance is higher than before. Furthermore, the gas sensor structure of the present invention can be manufactured more efficiently and in a shorter time than in the past.
第１の断熱材及び第２の断熱材の材料として使用されるセラミックスファイバーやガラスファイバーは、非常に柔らかく変形しやすい。従来は第１の断熱材を、円筒状の断熱材と円柱状の断熱材から構成していたので、円筒状の断熱材を取り付ける作業時間がかかるうえ、変形してしまうことが多かった。本発明のガスセンサー構成体の第１の断熱材は、従来例のガスセンサー構成体の大きな空洞を有する断熱材と比較して、変形しにくい。本発明のガスセンサー構成体は高い信頼性を実現する。本発明のガスセンサー構成体は円筒状の断熱材を有さないので、従来より効率良く短時間で製造できる。 Ceramic fibers and glass fibers used as materials for the first heat insulating material and the second heat insulating material are very soft and easily deformed. Conventionally, since the first heat insulating material is composed of a cylindrical heat insulating material and a columnar heat insulating material, it takes time to attach the cylindrical heat insulating material and often deforms. The 1st heat insulating material of the gas sensor structure of this invention is hard to deform | transform compared with the heat insulating material which has the big cavity of the gas sensor structural body of a prior art example. The gas sensor structure of the present invention achieves high reliability. Since the gas sensor structure of the present invention does not have a cylindrical heat insulating material, it can be manufactured more efficiently and in a shorter time than in the past.
請求項２に記載の発明は、円板状ステムを貫通する複数の電極ピンに、前記複数の電極ピンと略同じ位置に開孔を有する円柱状の第１の断熱材を挿入する工程と、前記複数の電極ピンに挿入された前記第１の断熱材の略中央部に、ヒータを有するセラミックス基板と固体電解質基板とを有するガスセンサー素子を配設する工程と、一端が前記ガスセンサー素子のアノード電極、カソード電極及び前記ヒータにつながるリード線の他端を、前記複数の電極ピンの一端にそれぞれ接続する工程と、前記ガスセンサー素子の他の面に、金属メッシュカバーの内面と略相似形の第２の断熱材を配設する第２の断熱材配設工程と、前記第２の断熱材配設工程に引き続き、前記金属メッシュカバーを前記第１及び前記第２の断熱材を覆うようにかぶせ、前記円板状ステムに固定する工程と、を有することを特徴とするガスセンサー構成体の製造方法である。
本発明のガスセンサー構成体の製造方法によれば、断熱材を２工程で装填するので、製造時間を短縮することができる。本発明のガスセンサー構成体の製造方法によれば、変形しにくい断熱材を用いて組み立てる故に、従来例より高い製品歩留まりを実現する。
The invention according to
According to the method for manufacturing a gas sensor structure of the present invention, since the heat insulating material is loaded in two steps, the manufacturing time can be shortened. According to the method for manufacturing the gas sensor structure of the present invention, since the heat sensor is not easily deformed, the product yield is higher than that of the conventional example.
請求項３に記載の発明は、両面に突出するように貫通して挿設される複数の電極ピンを有する円板状ステムと、互いに間隔を保持して前記円板状ステムから浮いた状態で積層配置され、それぞれが複数のリード線を有し前記複数のリード線の一端が前記複数の電極ピンの一端にそれぞれ接続される複数ｎ個（ｎは２以上の正整数）のガスセンサー素子と、前記複数ｎ個のガスセンサー素子全体及び前記複数の電極ピンを覆う複数ｎ個の第１の断熱材及び第２の断熱材と、前記断熱材を覆い前記円板状ステムに固定される金属メッシュカバーと、を有し、前記複数ｎ個のガスセンサー素子はそれぞれ、前記円板状ステム側の下面と、当該下面に対向する上面と、側面とを有し、前記複数ｎ個の第１の断熱材は、互いに隣接する前記ガスセンサー素子間及び前記複数ｎ個のガスセンサー素子のうち前記円板状ステムに最も近いガスセンサー素子と前記円板状ステムとの間にそれぞれ配設され、前記第２の断熱材は、前記複数のガスセンサー素子のうち前記円板状ステムから最も遠いガスセンサー素子と前記金属メッシュカバーとの間に配設され、前記複数ｎ個の第１の断熱材はそれぞれ、当該断熱材を貫通する複数の電極ピンをそれぞれ挿入せしめるように形成された複数の開孔を有することを特徴とするガスセンサー構成体である。
本発明のガスセンサー構成体は、円板状ステム上に複数のガスセンサー素子を、間隔を保持して積層配置したものである。ガスセンサー素子間及びガスセンサー素子と円板状ステムとの間に装填する断熱材を全て、一つずつにしたので、従来より効率良く短時間で製造できる。上下に複数のガスセンサー素子を保持する本発明のガスセンサー構成体は、底面積が小さく、狭い場所に取り付けることができる。
本発明のガスセンサー構成体の第１の断熱材は、従来例のガスセンサー構成体の大きな空洞を有する断熱材と比較して、変形しにくい。本発明のガスセンサー構成体は高い信頼性を実現する。ガスセンサー素子間及びガスセンサー素子と円板状ステムとの間に装填する第１の断熱材を全て、変形しにくい円柱の形状にすることにより、作業時間を短縮できる。
According to a third aspect of the present invention, there is provided a disc-like stem having a plurality of electrode pins that are inserted through and projecting on both sides, and is floated from the disc-like stem while maintaining a distance from each other. A plurality of n (n is a positive integer greater than or equal to 2) gas sensor elements, each having a plurality of lead wires, each having a plurality of lead wires, and one end of each of the plurality of lead wires connected to one end of each of the plurality of electrode pins; , A plurality of n first heat insulating materials and second heat insulating materials covering the plurality of n gas sensor elements and the plurality of electrode pins, and a metal covering the heat insulating materials and fixed to the disc-shaped stem. Each of the plurality of n gas sensor elements has a lower surface on the disk-like stem side, an upper surface facing the lower surface, and a side surface, and the plurality of n first gas sensor elements . the gas sensor of insulation, which are adjacent to each other And the second heat insulating material is disposed between the gas sensor element closest to the disk-shaped stem and the disk-shaped stem among the plurality of n gas sensor elements. Among the gas sensor elements, a gas sensor element that is farthest from the disc-shaped stem and the metal mesh cover is disposed, and each of the plurality of n first heat insulating materials passes through the heat insulating material. A gas sensor structure having a plurality of apertures formed so that electrode pins can be inserted thereinto .
The gas sensor structure of the present invention is obtained by laminating a plurality of gas sensor elements on a disc-like stem while maintaining an interval. Since all the heat insulating materials to be loaded between the gas sensor elements and between the gas sensor elements and the disc-shaped stem are made one by one, it can be manufactured more efficiently and in a shorter time than the conventional one. The gas sensor structure of the present invention that holds a plurality of gas sensor elements above and below has a small bottom area and can be attached to a narrow place.
The 1st heat insulating material of the gas sensor structure of this invention is hard to deform | transform compared with the heat insulating material which has the big cavity of the gas sensor structural body of a prior art example. The gas sensor structure of the present invention achieves high reliability. Working time can be shortened by making all the 1st heat insulating materials loaded between gas sensor elements and between a gas sensor element and a disk-shaped stem into the shape of a cylinder which cannot change easily.
請求項４に記載の発明は、前記複数の電極ピンがストレートな円柱又はストレートな角柱の形状を有し、前記複数の電極ピンの前記ガスセンサー素子が接続される側の端部の前記円板状ステムからの距離が、接続する前記ガスセンサー素子の前記円板状ステムからの距離と略同じであることを特徴とする、請求項３に記載のガスセンサー構成体である。
電極ピンの高さを接続するガスセンサー素子の高さに合わせているので、センサー素子間でのリード線の短絡を防げる。電極ピンが、ストレートな円柱又はストレートな角柱の形状であるため、断熱材を簡単に装填できる。
According to a fourth aspect of the present invention, the plurality of electrode pins have a shape of a straight cylinder or a straight prism, and the disk at the end of the plurality of electrode pins on the side to which the gas sensor element is connected The gas sensor structure according to
Since the height of the electrode pin is adjusted to the height of the gas sensor element to be connected, it is possible to prevent a short circuit of the lead wire between the sensor elements. Since the electrode pin has a shape of a straight cylinder or a straight prism, a heat insulating material can be easily loaded.
請求項５に記載の発明は、円板状ステムを貫通し、一端の前記円板状ステムからの距離が接続されるガスセンサー素子の前記円板状ステムからの距離とほぼ同じである複数の電極ピンに、少なくとも挿入される前記複数の電極ピンと略同じ位置に開孔を有する円柱状の断熱材を挿入する第１の断熱材挿入工程と、前記複数の電極ピンに挿入された前記断熱材の略中央部に、ヒータを有するセラミックス基板と固体電解質基板とを有する前記ガスセンサー素子を配設し、前記ガスセンサー素子のアノード電極、カソード電極及び前記ヒータにつながるリード線の他端を、前記円板状ステムからの距離がそのガスセンサー素子とほぼ同じである前記複数の電極ピンの一端に、それぞれ接続するガスセンサー素子配設工程と、前記第１の断熱材挿入工程と前記ガスセンサー素子配設工程とを、前記ガスセンサー素子の数と同じ回数だけ繰り返した後で、前記円板状ステムから最も遠い位置に配設された前記ガスセンサー素子の上面に、金属メッシュカバーの内面と略相似形の断熱材を配設する第２の断熱材配設工程と、前記第２の断熱材配設工程に引き続き、前記金属メッシュカバーを全ての前記断熱材を覆うようにかぶせ、前記円板状ステムに固定する工程と、を有することを特徴とするガスセンサー構成体の製造方法である。
本発明によれば、円板状ステム上に複数のガスセンサー素子を、間隔を保持して積層配置したガスセンサー構成体を、効率よく製造することができる。本発明のガスセンサー構成体の製造方法によれば、変形しにくい断熱材を用いて組み立てる故に、従来例より高い製品歩留まりを実現する。
According to the fifth aspect of the present invention, a plurality of gas sensor elements penetrating through the disk-shaped stem and connected to a distance from the disk-shaped stem at one end are substantially the same as the distance from the disk-shaped stem of the gas sensor element. A first heat insulating material insertion step of inserting a cylindrical heat insulating material having an opening at substantially the same position as the plurality of electrode pins inserted into the electrode pin, and the heat insulating material inserted into the plurality of electrode pins The gas sensor element having a ceramic substrate having a heater and a solid electrolyte substrate is disposed in a substantially central portion of the gas sensor element, and the other end of the lead wire connected to the anode electrode, the cathode electrode, and the heater of the gas sensor element, Gas sensor element disposing step connected to one end of each of the plurality of electrode pins whose distance from the disc-shaped stem is substantially the same as the gas sensor element, and insertion of the first heat insulating material And the gas sensor element disposing step is repeated the same number of times as the number of the gas sensor elements, and then a metal is formed on the upper surface of the gas sensor element disposed farthest from the disc-shaped stem. Following the second heat insulating material disposing step of disposing a heat insulating material substantially similar to the inner surface of the mesh cover and the second heat insulating material disposing step, the metal mesh cover is covered with all the heat insulating materials. And a step of fixing to the disc-shaped stem.
According to the present invention, it is possible to efficiently manufacture a gas sensor structure in which a plurality of gas sensor elements are stacked on a disc-shaped stem while maintaining a gap. According to the method for manufacturing the gas sensor structure of the present invention, since the heat sensor is not easily deformed, the product yield is higher than that of the conventional example.
本発明によれば、製造時の断熱材装填工程の時間短縮が可能で、取り扱いが容易な断熱材を有する、ガスセンサー構成体及びその製造方法を提供できる。 ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the time of the heat insulating material loading process at the time of manufacture can be shortened, and the gas sensor structure which has the heat insulating material which is easy to handle, and its manufacturing method can be provided.
以下本発明の実施をするための最良の形態を具体的に示した実施の形態について、図面とともに記載する。 DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS Embodiments that specifically show the best mode for carrying out the present invention will be described below with reference to the drawings.
《実施の形態１》
図１、図２及び図８を用いて、本発明の実施の形態１のガスセンサー構成体及びガスセンサー構成体の製造方法を説明する。
図１は、本発明の実施の形態１のガスセンサー構成体の断面図である。図１において、１０はガスセンサー構成体である。ガスセンサー構成体１０は、ガスセンサー素子２１、耐熱性絶縁材料より成る円板状ステム２６、電極ピン２４及び２５、リード線２２及び２３、断熱材３１（第１の断熱材）、断熱材３２（第２の断熱材）及び金属メッシュカバー２７を有する。なお、ガスセンサー構成体１０は、電極ピン２４及び２５の他に２本の電極ピン、リード線２２及び２３の他に２本のリード線を有するが、図１には示していない。４本の電極ピンの形状は、ストレートな円柱状である。
A gas sensor structure and a method for manufacturing the gas sensor structure according to the first embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS.
FIG. 1 is a cross-sectional view of a gas sensor structure according to
図８は、本発明の実施の形態１のガスセンサー構成体に組み込まれるガスセンサー素子の断面図である。実施の形態１においてガスセンサー素子２１は、限界電流式の炭化水素センサー（固体電解質ガスセンサー）である。ガスセンサー素子２１は、両面に白金の電極層（アノード電極膜８１２及びカソード電極膜８１１）を設けたプロトン伝導性を有する固体電解質基板８１０と、固体電解質基板８１０のアノード電極膜８１２側に設けられ雰囲気中から炭化水素ガスをその分圧に比例する量でアノード電極膜８１２に拡散移動させためのガス拡散律速孔８１４を有するガス拡散律速層８１６と、ガス流通孔８１５を有する接着剤層８１７と、固体電解質基板８１０、ガス拡散律速層８１６、接着剤層８１７から成る基板の両側に配設されるセラミックス基板８１３ａ、８１３ｂとを有する。更に、セラミックス基板８１３ａ、８１３ｂの外側には面状ヒータ８２０ａ、８２０ｂがそれぞれ取り付けられる。ガス拡散律速層８１６と接着剤層８１７とは、無機系の接着剤で形成され、Ｃの字状の形状を有する。面状ヒータ８２０ａ、８２０ｂで固体電解質基板８１０を加熱し、アノード電極膜８１２−カソード電極８１１間に一定の電圧を印加したときの限界電流値から、雰囲気中の炭化水素濃度を検知する。ガスセンサー素子２１は円形の形状を有する。ガスセンサー素子２１のアノード電極膜８１２、カソード電極膜８１１及び２つの面状ヒータ８２０ａ、８２０ｂにはそれぞれリード線（リード線２２及び２３を含む）が取り付けられる。面状ヒータ８２０ａ、８２０ｂに取り付けられるリード線は、並列接続される。なお、図１においてリード線は省略する。
FIG. 8 is a cross-sectional view of a gas sensor element incorporated in the gas sensor structure according to
円板状ステム２６は電極ピンと同数の４つの貫通孔（図示しない）を有する。それぞれの貫通孔に電極ピン２４、２５及びその他の２本の電極ピンが、円板状ステム２６を貫通して挿設される。リード線２２及び２３とその他の２本のリード線は、それぞれ電極ピン２４及び２５とその他の２本の電極ピンと接続される。ガスセンサー素子２１は、円板状ステム２６から浮いた状態で支持される。電極ピンの先端の高さは、ガスセンサー素子２１の上面の高さとほぼ同じである。
The disc-shaped
図２に、本発明の実施の形態１のガスセンサー構成体１０の断熱材３１及び３２の分解斜視図を示す。断熱材３１及び３２は、セラミックスファイバーよりなる綿状の材料から作られる。断熱材３１は、外径が円板状ステム２６とほぼ同じ円柱形の形状を有する。断熱材３１には、円板状ステム２６を貫通する４本の電極ピンと略同じ位置に開孔３５〜３８が形成されている。断熱材３１の一方の面は円板状ステム２６に接触し、他方の面から電極ピンのガスセンサー素子２１側の先端部がわずかに露出する。従って、ガスセンサー１０を組み立てた状態（図１）では、断熱材３１はガスセンサー素子２１の下面及び側面全体を覆うことができる。断熱材３１の開孔３５〜３８は、円板状ステム２６を貫通する４本の電極ピンと同じ位置に先端がとがった針状棒（直径は、電極ピンの直径とほぼ等しい）を板に埋め込んだ治具を作り、その治具の針状部を円柱状の断熱材に差し込んで形成した。断熱材３２は、金属メッシュカバー２７の内壁面と略相似形の形状を有する。
金属メッシュカバー２７は、断熱材３１及び３２を覆うように円板状ステム２６にカシメ固定される。
In FIG. 2, the disassembled perspective view of the
The
以上のように構成されるガスセンサー構成体１０の製造方法を説明する。
始めに、円板状ステム２６を貫通して４本の電極ピン（電極ピン２４及び２５を含む）を挿入したものを用意し、４本の電極ピンを、断熱材３１の開孔３５〜３８に挿入する。次に、断熱材３１の中央部にガスセンサー素子２１を載せ、４本のリード線（リード線２２及び２３を含む）を、４本の電極ピン（電極ピン２４及び２５を含む）の端部にそれぞれスポット溶接で接続する。次に、ガスセンサー素子２１の上面に断熱材３２を載せ、断熱材３２を覆うように金属メッシュカバー２７をかぶせる。最後に、金属メッシュカバー２７の下端部を前記円板状ステム２６にカシメ固定する。
A method for manufacturing the
First, an electrode in which four electrode pins (including electrode pins 24 and 25) are inserted through the disc-shaped
従来例のガスセンサー構成体１２（図６及び図７）においては、ガスセンサー素子１０５より下側に、２つの断熱材１０２及び１０３を装填した。実施の形態１のガスセンサー構成体１０では、ガスセンサー素子２１の下側に一つの円柱状の断熱材３１を装填するので、断熱材の合わせ目が無くなり保温・断熱性能が従来より高い。更に、変形しやすい円筒状の断熱材１０３を無くしたので、ガスセンサー構成体１０の製造工程において作業者の作業効率が上がり、しかも製品間の断熱性能のバラツキを少なくできる。実施の形態１のガスセンサー構成体の製造方法によれば、短時間で安価なガスセンサー構成体を製造できる。
In the conventional gas sensor assembly 12 (FIGS. 6 and 7), two
《実施の形態２》
図３、図４、図５及び図８を用いて、本発明の実施の形態２のガスセンサー構成体及びガスセンサー構成体の製造方法を説明する。図３において、１１はガスセンサー構成体である。ガスセンサー構成体１１は、２個のガスセンサー素子２１及び４１を有する。
図３は、本発明の実施の形態２のガスセンサー構成体１１の断面図である。図４は、ガスセンサー構成体１１の円板状ステム及び電極ピンの斜視図である。ガスセンサー構成体１１は、ガスセンサー素子２１及び４１、耐熱性絶縁材料より成る円板状ステム４０、電極ピン５１〜５４、電極ピン６１〜６４、リード線４８及び４９、断熱材４２、４３（第１の断熱材）、断熱材４５（第２の断熱材）及び金属メッシュカバー５０を有する。電極ピン５１〜５４、電極ピン６１〜６４の形状は、ストレートな円柱状である。なお、ガスセンサー構成体１１は、リード線４８及び４９の他に図示しない６本のリード線を有する。
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A gas sensor structure and a method for manufacturing the gas sensor structure according to
FIG. 3 is a cross-sectional view of the gas sensor structure 11 according to
図８は、実施の形態２のガスセンサー構成体に組み込まれるガスセンサー素子２１の断面図である。ガスセンサー素子２１は、実施の形態１のガスセンサー素子２１と同じであるので、説明を省略する。ガスセンサー素子４１は、限界電流式の酸素センサー（固体電解質ガスセンサー）である。ガスセンサー素子４１は、ガス拡散律速孔の大きさ以外はガスセンサー素子２１と同一の構成を有する。ガスセンサー素子４１は、円形の形状を有する。ガスセンサー素子２１及び４１のアノード電極、カソード電極及び２つの面状ヒータにはそれぞれリード線（リード線４８及び４９を含む）が取り付けられる。なお、図３においてガスセンサー素子２１及び４１の詳細な構成は省略する。
FIG. 8 is a cross-sectional view of the gas sensor element 21 incorporated in the gas sensor structure of the second embodiment. Since the gas sensor element 21 is the same as the gas sensor element 21 of
円板状ステム４０は電極ピンと同数の８つの貫通孔を有する（図４参照）。それぞれの貫通孔に電極ピン５１〜５４及び電極ピン６１〜６４が、円板状ステム２６を貫通して挿設される。電極ピン５１〜５４の、ガスセンサー素子２１側の端部の高さは同一である。ガスセンサー素子２１と電極ピン５１〜５４とは、４本のリード線（リード線４８及び４９を含む）で接続される。ガスセンサー素子２１は、円板状ステム４０から浮いた状態で支持される。電極ピン５１〜５４の先端の高さは、ガスセンサー素子２１の上面の高さとほぼ同じである。
電極ピン６１〜６４のガスセンサー素子４１側の端部の高さは同一であり、電極ピン５１〜５４のガスセンサー２１側の端部の高さより高い。ガスセンサー素子４１と電極ピン６１〜６４とは、４本のリード線で接続される。ガスセンサー素子４１は、ガスセンサー素子２１から浮いた状態で支持される。電極ピン６１〜６４の先端の高さは、ガスセンサー素子４１の上面の高さとほぼ同じである。
電極ピン５１〜５４と電極ピン６１〜６４の高さを、ガスセンサー素子２１、４１の高さに合わせて変えているので、ガスセンサー素子２１、４１間でのリード線の短絡が防げ、接続も容易に行える。
The disc-shaped
The height of the end portions of the electrode pins 61 to 64 on the gas sensor element 41 side is the same, and is higher than the height of the end portions of the electrode pins 51 to 54 on the gas sensor 21 side. The gas sensor element 41 and the electrode pins 61 to 64 are connected by four lead wires. The gas sensor element 41 is supported in a state of floating from the gas sensor element 21. The heights of the tips of the electrode pins 61 to 64 are substantially the same as the height of the upper surface of the gas sensor element 41.
Since the heights of the electrode pins 51 to 54 and the electrode pins 61 to 64 are changed in accordance with the heights of the gas sensor elements 21 and 41, a short circuit of the lead wire between the gas sensor elements 21 and 41 can be prevented and connected. Can also be done easily.
図５に、本発明の実施の形態２のガスセンサー構成体１１の断熱材４２、４３及び４５の分解斜視図を示す。断熱材４２、４３及び４５は、セラミックスファイバーよりなる綿状の材料から作られる。断熱材４２は、外径が円板状ステム４０とほぼ同じ円柱形の形状を有する。断熱材４２には、円板状ステム４０を貫通する電極ピン５１〜５４及び６１〜６４と略同じ位置に開孔７１〜７８が形成されている。断熱材４２の一方の面は円板状ステム４０に接触し、他方の面から電極ピン５１〜５４のガスセンサー素子２１側の先端部がわずかに露出する。従って、ガスセンサー１１を組み立てた状態では、断熱材４２はガスセンサー素子２１の下面及び側面全体を覆うことができる。
In FIG. 5, the disassembled perspective view of the heat insulating materials 42, 43, and 45 of the gas sensor structure 11 of
断熱材４３は、外径が円板状ステム４０とほぼ同じ円柱形の形状を有する。断熱材４２には、円板状ステム４０及び断熱材４２を貫通する電極ピン６１〜６４と略同じ位置に開孔８１〜８４が形成されている。断熱材４３の一方の面はガスセンサー素子２１に接触し、他方の面から電極ピン６１〜６４のガスセンサー素子４１側の先端部がわずかに露出する。従って、ガスセンサー１１を組み立てた状態では、断熱材４３はガスセンサー素子４１の下面及び側面全体を覆うことができる。
断熱材４２及び４３の開孔７１〜７８、開孔８１〜８４は、実施の形態１の断熱材３１の開孔３５〜３８と同じ方法で作られる。
断熱材４５は、金属メッシュカバー５０の内壁面と略相似形の形状を有する。
金属メッシュカバー５０は、断熱材４２、４３及び４５を覆うように円板状ステム４０にカシメ固定される。
The heat insulating material 43 has a cylindrical shape whose outer diameter is substantially the same as that of the disc-shaped
The openings 71 to 78 and the openings 81 to 84 of the heat insulating materials 42 and 43 are made by the same method as the
The heat insulating material 45 has a shape substantially similar to the inner wall surface of the
The
以上のように構成されるガスセンサー構成体１１の製造方法を説明する。
始めに、円板状ステム４０を貫通して８本の電極ピン５１〜５４、６１〜６４を挿入したものを用意し、８本の電極ピン５１〜５４、６１〜６４を、断熱材４２の開孔７１〜７８に挿入する。次に、断熱材４２の中央部にガスセンサー素子２１を載せ、４本のリード線（リード線４８及び４９を含む）を、電極ピン５１〜５４の端部にそれぞれスポット溶接で接続する。
次に、４本の電極ピン６１〜６４を断熱材４３の開孔８１〜８４に挿入する。断熱材４３の中央部にガスセンサー素子４１を載せ、４本のリード線を電極ピン６１〜６４の端部にそれぞれスポット溶接する。
次に、ガスセンサー素子４１の上面に断熱材４５を載せ、断熱材４２、４３及び４５を覆うように金属メッシュカバー５０をかぶせる。最後に、金属メッシュカバー５０の下端部を円板状ステム４０にカシメ固定する。
The manufacturing method of the gas sensor structure 11 comprised as mentioned above is demonstrated.
First, a structure in which eight electrode pins 51 to 54 and 61 to 64 are inserted through the disc-shaped
Next, the four electrode pins 61 to 64 are inserted into the openings 81 to 84 of the heat insulating material 43. The gas sensor element 41 is mounted on the central portion of the heat insulating material 43, and four lead wires are spot welded to the end portions of the electrode pins 61 to 64, respectively.
Next, the heat insulating material 45 is placed on the upper surface of the gas sensor element 41, and the
実施の形態２のガスセンサー構成体１１は、円筒状の断熱材（例えば、図７の断熱材１０３）を有しない。更に、ガスセンサー構成体１１は、断熱材４２、ガスセンサー素子２１、断熱材４３、ガスセンサー素子４１、断熱材４５の順番に円柱形の断熱材とガスセンサー素子とが積層された構造を有する。円柱形の断熱材４２、４３の厚みはガスセンサー素子の間隔又はガスセンサー素子と円板状ステム４０との間の間隔にのみ依存し、ガスセンサー素子の個数には依存しない。従って、２個のガスセンサー素子を有するガスセンサー構成体１１の製造工程において、作業者の作業効率が上がり、しかも製品間の断熱性能のバラツキを少なくできる。実施の形態２のガスセンサー構成体の製造方法によれば、短時間で安価なガスセンサー構成体を製造できる。
The gas sensor structure 11 of
ガスセンサー素子の数が３個以上であっても良い。ｎ個のガスセンサー素子を有するガスセンサー構成体は、円柱状の断熱材をｎ個、金属メッシュカバーの内壁面と略相似形の形状を有する断熱材を１個有する。
ガスセンサー素子２１、４１のヒータのリード線を共通にしても良い。これにより、電極ピンの数を減らすことができる。
断熱材４３を断熱材４２と同じ形状にしても良い。
The number of gas sensor elements may be three or more. The gas sensor structure having n gas sensor elements includes n cylindrical heat insulating materials and one heat insulating material having a shape substantially similar to the inner wall surface of the metal mesh cover.
The heater lead wires of the gas sensor elements 21 and 41 may be shared. Thereby, the number of electrode pins can be reduced.
The heat insulating material 43 may have the same shape as the heat insulating material 42.
実施の形態１及び実施の形態２において、断熱材３１、３２、４２、４３及び４５をセラミックスファイバーから作ったが、ガラスファイバーから作っても良い。断熱材の材料としては、セラミックスファイバー又はガラスファイバーよりなる綿状の材料が最適である。これらの断熱材を、金属メッシュカバー２７又は５０内部と円板状ステム２６又は４０の上面部で囲まれる空間の体積より若干大きめの体積にし、ガスセンサー構成体を組み立てた時に少し圧縮されるようにすることが好ましい。これにより、ガスセンサー素子に均一に断熱材が接触し、ガスセンサー素子を均一に加熱することができる。
実施の形態１及び実施の形態２において、電極ピンの形状はストレートな円柱状であったが、ストレートな角柱状の形状であっても良い。端部に笠状の接続部があるもの（例えば、図６の電極ピン１０９及び１１０）は、円柱状の断熱材３１、４２、４３が挿入しにくいので好ましくない。
実施の形態１及び実施の形態２において、ガスセンサー素子２１、４１の形状は円形であったが、多角形、楕円形などどのような形状であっても良い。円板状ステム２６、４０に代えて、多角形、楕円形など他の形状の板状のステムを使用しても良い。ガスセンサー素子は、図８の構成以外の構成であっても良い。
In the first and second embodiments, the
In
In the first and second embodiments, the gas sensor elements 21 and 41 have a circular shape, but may have any shape such as a polygon or an ellipse. Instead of the disk-shaped stems 26 and 40, plate-shaped stems having other shapes such as a polygon and an ellipse may be used. The gas sensor element may have a configuration other than the configuration of FIG.
実施の形態１及び実施の形態２において、ガスセンサー素子２１、４１は限界電流式の固体電解質ガスセンサーであったが、センサー素子を加熱してガス濃度を検知するガスセンサー素子であればよい。ガスセンサー素子は、例えば、起電力式の固体電解質ガスセンサー、半導体ガスセンサー又は白金等の触媒電極表面でおこる反応熱を検知する方式のガスセンサーであっても良い。 In the first and second embodiments, the gas sensor elements 21 and 41 are limit current type solid electrolyte gas sensors. However, any gas sensor elements that detect gas concentration by heating the sensor elements may be used. The gas sensor element may be, for example, an electromotive force type solid electrolyte gas sensor, a semiconductor gas sensor, or a gas sensor of a type that detects reaction heat generated on the surface of a catalyst electrode such as platinum.
本発明のガスセンサー構成体及びガスセンサー構成体の製造方法は、ガスセンサー素子を加熱してガス濃度を検知する、ガスセンサー構成体及びガスセンサー構成体の製造方法として有用である。 The gas sensor structure and the gas sensor structure manufacturing method of the present invention are useful as a gas sensor structure and a gas sensor structure manufacturing method for detecting a gas concentration by heating a gas sensor element.
１０、１１、１２ ガスセンサー構成体
２６、４０、１０１ 円板状ステム
２１、４１、１０５ ガスセンサー素子
２２、２３、４８、４９ リード線
２４、２５、５１、５２、５３、５４、６１、６２、６３、６４ 電極ピン
２７、５０、１０８ 金属メッシュカバー
３１、３２、４２、４３、４５、１０２、１０３、１０４ 断熱材
３５、３６、３７、３８、７１、７１、７３、７４、７５、７６、７７、７８、８１、８２、８３、８４ 開孔
１０６、１０７ リードワイヤ
１０９、１１０ ポスト
１１５ 開口部
８１０ 固体電解質基板
８１１ カソード電極膜
８１２ アノード電極膜
８１３ａ、８１３ｂ セラミックス基板
８１４ ガス拡散律速孔
８１５ ガス流通孔
８１６ ガス拡散律速層
８１７ 接着剤層
８２０ａ、８２０ｂ 面状ヒータ
10, 11, 12
Claims (5)
複数のリード線を有し、前記複数のリード線の一端が前記複数の電極ピンの一端にそれぞれ接続され前記円板状ステムから浮いた状態で支持されるガスセンサー素子と、
前記ガスセンサー素子全体及び前記複数の電極ピンを覆うように配設される第１及び第２の断熱材と、
前記断熱材を覆い前記円板状ステムに固定される金属メッシュカバーと、を有し、
前記ガスセンサー素子は、前記円板状ステムに対向する下面と、当該下面に対向する上面と、側面とを有し、
前記第１の断熱材は、前記複数の電極ピンをそれぞれ挿入せしめるように形成された複数の開孔を有し、前記ガスセンサー素子と前記円板状ステムとの間に配設され、
前記第２の断熱材は、前記ガスセンサー素子と前記金属メッシュカバーとの間に配設されることを特徴とするガスセンサー構成体。 A disc-shaped stem having a plurality of electrode pins inserted so as to protrude on both sides;
A gas sensor element having a plurality of lead wires, one end of each of the plurality of lead wires being connected to one end of each of the plurality of electrode pins and supported in a floating state from the disc-shaped stem;
First and second heat insulating materials arranged to cover the entire gas sensor element and the plurality of electrode pins;
A metal mesh cover that covers the heat insulating material and is fixed to the disc-shaped stem,
The gas sensor element has a lower surface facing the disc-shaped stem, an upper surface facing the lower surface, and a side surface,
The first heat insulating material has a plurality of openings formed so as to insert the plurality of electrode pins, respectively, and is disposed between the gas sensor element and the disc-shaped stem ,
The gas sensor component, wherein the second heat insulating material is disposed between the gas sensor element and the metal mesh cover .
前記複数の電極ピンに挿入された前記第１の断熱材の略中央部に、ヒータを有するセラミックス基板と固体電解質基板とを有するガスセンサー素子を配設する工程と、
一端が前記ガスセンサー素子のアノード電極、カソード電極及び前記ヒータにつながるリード線の他端を、前記複数の電極ピンの一端にそれぞれ接続する工程と、
前記ガスセンサー素子の他の面に、金属メッシュカバーの内面と略相似形の第２の断熱材を配設する第２の断熱材配設工程と、
前記第２の断熱材配設工程に引き続き、前記金属メッシュカバーを前記第１及び前記第２の断熱材を覆うようにかぶせ、前記円板状ステムに固定する工程と、
を有することを特徴とするガスセンサー構成体の製造方法。 Inserting a columnar first heat insulating material having openings at substantially the same position as the plurality of electrode pins into the plurality of electrode pins penetrating the disc-shaped stem;
Disposing a gas sensor element having a ceramic substrate having a heater and a solid electrolyte substrate at a substantially central portion of the first heat insulating material inserted into the plurality of electrode pins;
Connecting one end of the lead wire connected to the anode electrode, the cathode electrode, and the heater of the gas sensor element to one end of each of the plurality of electrode pins;
A second heat insulating material disposing step of disposing a second heat insulating material substantially similar to the inner surface of the metal mesh cover on the other surface of the gas sensor element;
Subsequent to the second heat insulating material disposing step, covering the metal mesh cover so as to cover the first and second heat insulating materials, and fixing to the disc-shaped stem;
A method for producing a gas sensor structure, comprising:
互いに間隔を保持して前記円板状ステムから浮いた状態で積層配置され、それぞれが複数のリード線を有し前記複数のリード線の一端が前記複数の電極ピンの一端にそれぞれ接続される複数ｎ個（ｎは２以上の正整数）のガスセンサー素子と、
前記複数ｎ個のガスセンサー素子全体及び前記複数の電極ピンを覆う複数ｎ個の第１の断熱材及び第２の断熱材と、
前記断熱材を覆い前記円板状ステムに固定される金属メッシュカバーと、を有し、
前記複数ｎ個のガスセンサー素子はそれぞれ、前記円板状ステム側の下面と、当該下面に対向する上面と、側面とを有し、
前記複数ｎ個の第１の断熱材は、互いに隣接する前記ガスセンサー素子間及び前記複数ｎ個のガスセンサー素子のうち前記円板状ステムに最も近いガスセンサー素子と前記円板状ステムとの間にそれぞれ配設され、
前記第２の断熱材は、前記複数のガスセンサー素子のうち前記円板状ステムから最も遠いガスセンサー素子と前記金属メッシュカバーとの間に配設され、
前記複数ｎ個の第１の断熱材はそれぞれ、当該断熱材を貫通する複数の電極ピンをそれぞれ挿入せしめるように形成された複数の開孔を有することを特徴とするガスセンサー構成体。 A disc-shaped stem having a plurality of electrode pins inserted so as to protrude on both sides;
Are stacked in a state of being floated from the disk-like stem holding apart from each other, a plurality of one end of the plurality of lead wires are connected to one end of said plurality of electrode pins each having a plurality of leads n (n is a positive integer greater than or equal to 2) gas sensor elements;
A plurality of n first heat insulating materials and a second heat insulating material covering the plurality of n gas sensor elements and the plurality of electrode pins;
A metal mesh cover that covers the heat insulating material and is fixed to the disc-shaped stem,
Each of the plurality of n gas sensor elements has a lower surface on the disc-shaped stem side, an upper surface facing the lower surface, and a side surface,
The plurality of n first heat insulating materials are provided between the gas sensor elements adjacent to each other and between the gas sensor elements closest to the disk-shaped stem among the plurality of n gas sensor elements and the disk-shaped stem. Each in between,
The second heat insulating material is disposed between the gas sensor element farthest from the disk-shaped stem among the gas sensor elements and the metal mesh cover,
Each of the plurality of n first heat insulating materials has a plurality of apertures formed so that a plurality of electrode pins penetrating the heat insulating materials can be inserted, respectively .
前記複数の電極ピンに挿入された前記断熱材の略中央部に、ヒータを有するセラミックス基板と固体電解質基板とを有する前記ガスセンサー素子を配設し、前記ガスセンサー素子のアノード電極、カソード電極及び前記ヒータにつながるリード線の他端を、前記円板状ステムからの距離がそのガスセンサー素子とほぼ同じである前記複数の電極ピンの一端に、それぞれ接続するガスセンサー素子配設工程と、
前記第１の断熱材挿入工程と前記ガスセンサー素子配設工程とを、前記ガスセンサー素子の数と同じ回数だけ繰り返した後で、前記円板状ステムから最も遠い位置に配設された前記ガスセンサー素子の上面に、金属メッシュカバーの内面と略相似形の断熱材を配設する第２の断熱材配設工程と、
前記第２の断熱材配設工程に引き続き、前記金属メッシュカバーを全ての前記断熱材を覆うようにかぶせ、前記円板状ステムに固定する工程と、
を有することを特徴とするガスセンサー構成体の製造方法。 The gas sensor element to which the distance from the disk-shaped stem is penetrated through the disk-shaped stem and connected to the distance from the disk-shaped stem at one end is at least inserted into a plurality of electrode pins. A first heat insulating material insertion step of inserting a cylindrical heat insulating material having openings at substantially the same positions as the plurality of electrode pins;
The gas sensor element having a ceramic substrate having a heater and a solid electrolyte substrate is disposed at a substantially central portion of the heat insulating material inserted into the plurality of electrode pins, and an anode electrode, a cathode electrode of the gas sensor element, and A gas sensor element disposing step of connecting the other end of the lead wire connected to the heater to one end of the plurality of electrode pins each having a distance from the disc-shaped stem that is substantially the same as the gas sensor element;
The gas disposed at a position farthest from the disc-shaped stem after the first heat insulating material insertion step and the gas sensor element disposing step are repeated the same number of times as the number of the gas sensor elements. A second heat insulating material disposing step of disposing a heat insulating material substantially similar to the inner surface of the metal mesh cover on the upper surface of the sensor element;
Subsequent to the second heat insulating material disposing step, covering the metal mesh cover so as to cover all the heat insulating materials, and fixing to the disc-shaped stem,
A method for producing a gas sensor structure, comprising:
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