JP7445577B2 - ガスセンサ - Google Patents

Description

本発明は、センサ素子を備えたガスセンサに関する。

従来から、自動車等の内燃機関に用いるガスセンサにおいて、センサ素子を備えると共に、内部部材としてセラミック部材を有するものが知られている。
例えば、このセラミック部材として、センサ素子を保持するインシュレータであって、純度９０質量％以上のアルミナを用いる技術が開示されている（特許文献１）。
又、セラミック部材として、アルミナを主成分（５０ｗｔ％以上）とする技術が開示されている（特許文献２）。

特開２０１７－６７７３４号公報 特開２０１２－１５４７７４号公報

ところで、セラミック部材は金属に比べて脆く、高い荷重が掛かると破損する恐れがある。例えば、主体金具の内部に配置されてセンサ素子を保持又は位置決めするセラミックホルダは、後端側から押圧されて主体金具の内面に係止されるが、これによってセラミックホルダには高い荷重が掛かる。また、例えば、主体金具の内部に配置されてセンサ素子を保持又は位置決めするセラミックスリーブは、後端側から押圧されるが、これによってセラミックスリーブには高い荷重がかかる。
そこで、セラミック部材の強度を向上させることが要望される。アルミナ純度を９０質量％を超えて高くすると、曲げ強度は低下するが、ヤング率が高くなる傾向がある。そして、セラミックは圧縮応力に対しては強いが、局所的な引っ張り応力が生じると割れ易いことから、曲げ強度よりはヤング率を強度の指標とする方が適している。つまり、アルミナ純度を９０質量％を超えて高くすると、セラミック部材の強度が向上することが予想される。

本発明は、かかる現状に鑑みてなされたものであって、主体金具の内部に配置されたセラミック部材の強度を向上させて破損を抑制したガスセンサを提供することを目的とする。

上記課題を解決するため、本発明のガスセンサは、軸線方向に延び、先端側に検知部を有するセンサ素子と、前記軸線方向に貫通する貫通孔を有する主体金具と、前記貫通孔の内部に配置され、自身の内部に前記センサ素子が挿通されてなるセラミック部材と、を有し、前記セラミック部材のアルミナ純度が９０質量％を超え、前記セラミック部材は、それぞれ環状で素子挿通孔を有するセラミックホルダおよびセラミックスリーブであり、さらに、環状で素子挿通孔を有する粉末充填層を備え、前記セラミックホルダ、前記粉末充填層および前記セラミックスリーブは、先端側からこの順で前記主体金具の前記貫通孔に積層されて前記素子挿通孔の内側にセンサ素子を保持し、前記セラミックスリーブは前記セラミックホルダに向かって所定の押圧部材により押圧され、前記セラミックホルダは前記主体金具の内面に係止され、質量％で、前記セラミックホルダのアルミナ純度が、前記セラミックスリーブのアルミナ純度より高いことを特徴とする。

このガスセンサによれば、アルミナ純度を９０質量％を超えて高くすることで、セラミックのヤング率が高くなり、ひいてはセラミック部材の強度を向上させ、主体金具の内部に配置されたセラミック部材の破損を抑制することができる。

又、このガスセンサによれば、セラミックスリーブよりも高い荷重が掛かるセラミックホルダのアルミナ純度をセラミックスリーブのアルミナ純度より高くすることで、セラミック部材であるセラミックホルダの破損をさらに抑制することができる。

本発明のガスセンサにおいて、前記セラミックホルダのアルミナ純度が９４～９８質量％、前記セラミックスリーブのアルミナ純度が９０質量％を超え９４質量％未満であってもよい。
このガスセンサによれば、セラミック部材であるセラミックホルダの破損をより一層抑制することができる。又、セラミックスリーブのアルミナ純度を比較的低くすることで、セラミックホルダには及ばないものの破損を抑制できる高い強度を得つつ、さらに、セラミックスリーブの熱伝導率がセラミックホルダより小さくなり、セラミックスリーブよりも後端側に位置するセンサの構成部品に対する先端側からの伝熱が小さくなり、耐熱性が向上する。

本発明のガスセンサにおいて、前記センサ素子は板状であり、前記セラミックホルダ及び前記セラミックスリーブの前記素子挿通孔がそれぞれ角孔であってもよい。
このような角孔においては、４隅の角部に引張応力がより集中してセラミック部材が割れ易くなるので、強度を向上させた本発明がさらに有効となる。

この発明によれば、ガスセンサの構成部材であるセラミック部材の強度を向上させて破損を抑制することができる。

本発明の実施形態にかかるガスセンサの断面図である。 セラミックホルダの素子挿通孔を示す平面図である。 セラミック部材のアルミナ純度による各種特性の変化を示す模式図である。 本発明の実施形態にかかるガスセンサの変形例を示す断面図である。

本発明の実施形態について、図１～図３に基づいて詳細に説明する。図１は、本発明の実施形態にかかるガスセンサ１の断面図、図２はセラミックホルダの素子挿通孔を示す平面図、図３はセラミック部材のアルミナ純度による各種特性の変化を示す模式図である。

図１において、ガスセンサ（全領域空燃比ガスセンサ）１は、センサ素子２１と、軸線Ｏ方向に貫通してセンサ素子２１を挿通させる素子挿通孔３２を有するホルダ（セラミックホルダ）３０と、セラミックホルダ３０の径方向周囲を取り囲む主体金具１１と、を備えている。
センサ素子２１のうち、検知部２２が形成された先端寄り部位が、セラミックホルダ３０より先端に突出している。このように素子挿通孔３２を通されたセンサ素子２１は、セラミックホルダ３０の後端面側（図示上側）に配置される環状で素子挿通孔を有する粉末充填層（本例では滑石）４１を、絶縁材からなるセラミックスリーブ４３、リングワッシャ４５を介してカシメ用円筒部３６により先後方向に圧縮することによって、主体金具１１の内側において先後方向に気密を保持して固定されている。
なお、セラミックスリーブ４３にもセンサ素子２１を挿通させる素子挿通孔４４が形成されている。
セラミックホルダ３０、セラミックスリーブ４３がそれぞれ特許請求の範囲の「セラミック部材」に相当する。

なお、センサ素子２１の後端２１ｅを含む後端寄り部位はスリーブ４３及び主体金具１１より後方に突出しており、その後端寄り部位に形成された各電極パッド部１３～１７に、ゴム製のシール材８５を通して外部に引き出された各リード線７１の先端に設けられた端子金具７５が圧接され、電気的に接続されている。また、この電極パッド部１３～１７を含むセンサ素子２１の後端寄り部位は、外筒８１でカバーされている。以下、さらに詳細に説明する。

センサ素子２１は軸線Ｏ方向に延びると共に、測定対象に向けられる先端側（図示下側）に、被検出ガス中の特定ガス成分を検出する検知部２２を備えた帯板状（板状）をなしている。センサ素子２１の横断面は、先後において一定の大きさの長方形（矩形）をなし、セラミック（固体電解質等）を主体として細長いものとして形成されている。
このセンサ素子２１は、固体電解質（部材）の先端寄り部位に検知部２２が配置され、後端寄り部位には、電極パッド部１３～１７が露出形成されている。
さらに、センサ素子２１の検知部２２に、アルミナ又はスピネル等からなる多孔質の保護層２３が被覆されている。

主体金具１１は、先後において同心異径の筒状をなし、先端側が小径で、後述するプロテクタ５１、６１を外嵌して固定するための円筒状の円環状部（以下、円筒部ともいう）１２を有し、その後方（図示上方）の外周面には、それより大径をなす、エンジンの排気管への固定用のネジ３３が設けられている。そして、その後方には、このネジ３３によってセンサ１をねじ込むための多角形部１４を備えている。また、この多角形部１４の後方には、ガスセンサ１の後方をカバーする保護筒（外筒）８１を外嵌して溶接する円筒部１１ｅが連設され、その後方には外径がそれより小さく薄肉のカシメ用円筒部３６を備えている。なお、このカシメ用円筒部３６は、図１では、カシメ後のために内側に曲げられている。なお、多角形部１４の下面には、ねじ込み時におけるシール用のガスケット１９が取着されている。
一方、主体金具１１は、軸線Ｏ方向に貫通する貫通孔１８を有している。貫通孔１８の内周面は後端側から先端側に向かって径方向内側に先細るテーパ状の段部１１ｄを有している。

主体金具１１の内側には、絶縁性セラミック（例えばアルミナ）からなり、概略短円筒状に形成されたセラミックホルダ３０が配置されている。セラミックホルダ３０は、先端に向かって先細りのテーパ状に形成された先端向き面３０ａを有している。そして、先端向き面３０ａの外周寄りの部位が段部１１ｄに係止されつつ、セラミックホルダ３０が後端側から粉末充填層４１で押圧されることで主体金具１１内にセラミックホルダ３０が位置決めされ、かつ隙間嵌めされている。
一方、図２に示すように、素子挿通孔３２は、セラミックホルダ３０の中心に設けられると共に、センサ素子２１が略隙間なく通るように、センサ素子２１の横断面とほぼ同一の寸法の矩形の開口とされている。又、図示はしないが、素子挿通孔４４は素子挿通孔３２と同一形状、同一寸法とされている。

センサ素子２１は、セラミックホルダ３０の素子挿通孔３２に通され、センサ素子２１の先端をセラミックホルダ３０及び主体金具１１の先端１２ａよりも先方に突出させている。
一方、センサ素子２１の先端部位は、本形態では、２層構造からなり、共にそれぞれ通気孔（穴）５６、６７を有する有底円筒状のプロテクタ（保護カバー）５１，６１で覆われている。このうち内側のプロテクタ５１の後端が、主体金具１１の円筒部１２に外嵌され、溶接されている。なお、通気孔５６はプロテクタ５１の後端側で周方向において例えば８箇所設けられている。一方プロテクタ５１の先端側にも、周方向において例えば４箇所、排出穴５３が設けられている。
また、外側のプロテクタ６１は、内側のプロテクタ５１に外嵌して、同時に円筒部１２に溶接されている。外側のプロテクタ６１の通気孔６７は、先端寄り部位に、周方向において例えば８箇所設けられており、また、プロテクタ６１先端の底部中央にも排出孔６９が設けられている。

又、図１に示すように、センサ素子２１の後端寄り部位に形成された各電極パッド部１３～１７には、外部にシール材８５を通して引き出された各リード線７１の先端に設けられた各端子金具７５がそのバネ性により圧接され、電気的に接続されている。そして、この圧接部を含む各端子金具７５は、本例ガスセンサ１では、外筒８１内に配置された絶縁性のセパレータ９１内に設けられた各収容部内に、それぞれ対向配置で設けられている。なお、セパレータ９１は、外筒８１内にカシメ固定された保持部材８２を介して径方向及び先端側への動きが規制されている。そして、この外筒８１の先端部を、主体金具１１の後端寄り部位の円筒部１１ｅに外嵌して溶接することで、ガスセンサ１の後方が気密状にカバーされている。
なお、リード線７１は外筒８１の後端部の内側に配置されたシール材（例えばゴム）８５を通されて外部に引き出されており、外筒８１の小径筒部８３を縮径カシメしてこのシール材８５を圧縮することにより、この部位の気密が保持されている。

因みに、外筒８１の軸線Ｏ方向の中央よりやや後端側には、先端側が径大の段部８１ｄが形成され、この段部８１ｄの内面がセパレータ９１の後端を先方に押すように支持する。一方、セパレータ９１はその外周に形成されたフランジ９３を外筒８１の内側に固定された保持部材８２の上に支持させられており、段部８１ｄと保持部材８２とによってセパレータ９１が軸線Ｏ方向に保持されている。

次に、図３を参照し、本発明の特徴部分について説明する。
図３に示すように、セラミック部材のアルミナ純度を９０質量％を超えて高くすると、曲げ強度は低下するが、ヤング率が高くなる傾向がある。そして、セラミックは圧縮応力に対しては強いが、局所的な引っ張り応力が生じると割れ易いことから、曲げ強度よりはヤング率を強度の指標とする方が適している。つまり、アルミナ純度を９０質量％を超えて高くすると、セラミック部材の強度が向上する。
このようなことから、本発明では、セラミック部材（セラミックホルダ３０、セラミックスリーブ４３など）のアルミナ純度が９０質量％を超えることで強度を向上させ、セラミック部材の破損を抑制することができる。つまり、セラミック部材は主体金具１１の内部に配置されるため、金属製の主体金具１１と接して荷重を受け、又はリングワッシャ４５を介して荷重を受けて破損するおそれがある、この破損を抑制する。

特に、本実施形態では、セラミック部材がセラミックホルダ３０及びセラミックスリーブ４３であるが、セラミックスリーブ４３はセラミックホルダ３０に向かってカシメ用円筒部（押圧部材）３６により押圧されている。そして、セラミックホルダ３０の先端向き面３０ａは、主体金具１１の内面の段部１１ｄに係止され、先端向き面３０ａに高い荷重が掛かる。
そこで、セラミックスリーブ４３よりも高い荷重が掛かるセラミックホルダ３０のアルミナ純度をセラミックスリーブ４３のアルミナ純度より高くすることで、セラミック部材であるセラミックホルダ３０の破損をさらに抑制することができる。

なお、セラミック部材は、センサ素子２１を保持又は位置決めしていればよい。例えば本実施形態では、セラミックホルダ３０自身はセンサ素子２１を保持しておらず、位置決めしているだけであり、実
際に保持している部位は滑石４１となっている。

セラミックホルダ３０のアルミナ純度をセラミックスリーブ４３のアルミナ純度より高くする具体的な方法として、セラミックホルダ３０のアルミナ純度を９４～９８質量％、セラミックスリーブ４３のアルミナ純度を９０質量％を超え９４質量％未満にするとよい。
上述のように、セラミックホルダ３０のアルミナ純度をセラミックスリーブ４３のアルミナ純度より高くすることで、セラミックホルダ３０の破損をさらに抑制することができる。
又、セラミックスリーブ４３のアルミナ純度を低くすることで、図３に示すように線膨張係数と熱伝導率が小さくなる。熱伝導率が小さいと、端子金具７５やシール材８５等、セラミックスリーブ４３よりも後端側に位置するセンサの構成部品に対する先端側からの伝熱が小さくなり、耐熱性が向上するという利点がある。つまり、セラミックホルダ３０より後端側に位置するセラミックスリーブ４３のアルミナ純度を低くすることで、先端側からの被測定ガスの熱伝達を抑制できる。
なお、セラミックホルダ３０のアルミナ純度を９８質量％を超えて高くすることはコスト上困難で、かつ強度の向上効果が飽和する。

さらに、図２に示すように本実施形態では、セラミックホルダ３０及びセラミックスリーブ４３の素子挿通孔３２、４４がそれぞれ角孔である。このような角孔においては、４隅の角部に引張応力がより集中して割れ易くなるので、強度を向上させた本発明がさらに有効となる。

セラミック部材のアルミナ純度の測定方法としては、表面分析（電子線マイクロアナライザ（EPMA））や、元素・成分分析（蛍光X線（XRF））を用いることができる。

本発明のガスセンサは、本発明の要旨を逸脱しない限りにおいて、適宜にその構造、構成を設計変更して具体化できる。
例えば、センサ素子としては、酸素の濃度を測定するものに限定されず、窒素酸化物（ＮＯｘ）又は炭化水素（ＨＣ）等の濃度を測定するものを用いてもよい。

又、図４に示すように、セラミック部材としては、セラミックホルダやセラミックスリーブに限られず、センサ素子２１ｘ本体が挙げられる。
ここで、図４に示すガスセンサ１Ｂは、センサ素子２１ｘとしていわゆる筒型素子を用いること以外は、図１のガスセンサ１と大きく変わるところはないが、若干の形状や構造が違う部分を符号に「ｘ」を付してガスセンサ１と区別し、説明を適宜省略する。例えば、図４の符号１１ｘは、ガスセンサ１の「主体金具１１」に対応し、両主体金具１１、１１ｘはほぼ同様の構成、機能を有しているが、寸法や形状が若干異なることを意味する。
以下、ガスセンサ１Ｂがガスセンサ１と異なる部分を主に説明する。

センサ素子２１ｘは、排気ガス中の酸素濃度を検出する酸素センサになっていて、酸素イオン伝導性の固体電解質体からなる素子本体に一対の電極５，６を積層した酸素濃淡電池を構成し、酸素量に応じた検出値を出力する。
センサ素子２１ｘの素子本体は、先端が閉じた略円筒状(中空軸状)であり、中央側に鍔部２１ｐが設けられている。そして、素子本体の外面及び内面にそれぞれ外側電極５及び内側電極６が形成され、さらに、外側電極５を多孔質の保護層７が覆っている。

そして、センサ素子２１ｘを主体金具１１ｘの内側に挿通し、鍔部２１ｐの後端側におけるセンサ素子２１ｘと主体金具１１ｘとの径方向の隙間に、粉末充填層４１ｘ、セラミックスリーブ４３ｘを配置し、ガスセンサ１と同様、カシメ用円筒部３６ｘにより先後方向に圧縮する。これにより、主体金具１１ｘの段部１１ｄｘに、ワッシャ８及びプロテクタ６０ｘの後端部を介して鍔部２１ｐを押し当て、主体金具１１ｘの内側にセンサ素子２１ｘを固定する。
このとき、セラミックスリーブ４３ｘには高い荷重が掛かるので、セラミックスリーブ４３ｘをセラミック部材としてアルミナ純度を９０質量％を超えて高くすることで、強度を向上させ、セラミック部材の破損を抑制することができる。
なお、ガスセンサ１Ｂにおいては、外筒８１ｘの後端側に、保護外筒８６が外嵌され、外筒８１ｘと保護外筒８６との間に通気フィルタ８７が配置されている。

１、１Ｂ ガスセンサ
１１，１１ｘ 主体金具
１８ 貫通孔
２１，２１ｘ センサ素子
２２，２２ｘ 検知部
３０ セラミック部材（セラミックホルダ）
３２、４４ 素子挿通孔
３６，３６ｘ 押圧部材（カシメ用円筒部）
４１ 粉末充填層
４３、４３ｘ セラミック部材（セラミックスリーブ）
Ｏ 軸線

Claims (3)

1. 軸線方向に延び、先端側に検知部を有するセンサ素子と、
   前記軸線方向に貫通する貫通孔を有する主体金具と、
   前記貫通孔の内部に配置され、自身の内部に前記センサ素子が挿通されてなるセラミック部材と、を有し、
   前記セラミック部材のアルミナ純度が９０質量％を超え、
   前記セラミック部材は、それぞれ環状で素子挿通孔を有するセラミックホルダおよびセラミックスリーブであり、
   さらに、環状で素子挿通孔を有する粉末充填層を備え、
   前記セラミックホルダ、前記粉末充填層および前記セラミックスリーブは、先端側からこの順で前記主体金具の前記貫通孔に積層されて前記素子挿通孔の内側にセンサ素子を保持し、
   前記セラミックスリーブは前記セラミックホルダに向かって所定の押圧部材により押圧され、前記セラミックホルダは前記主体金具の内面に係止され、
   質量％で、前記セラミックホルダのアルミナ純度が、前記セラミックスリーブのアルミナ純度より高いことを特徴とするガスセンサ。
2. 前記セラミックホルダのアルミナ純度が９４～９８質量％、前記セラミックスリーブのアルミナ純度が９０質量％を超え９４質量％未満である請求項１記載のガスセンサ。
3. 前記センサ素子は板状であり、
   前記セラミックホルダ及び前記セラミックスリーブの前記素子挿通孔がそれぞれ角孔である請求項１又は２に記載のガスセンサ。

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