JP2014215262A - ガスセンサ - Google Patents

Abstract

【課題】ガスセンサの高温使用時の粉末充填部材によるシール性を向上させたガスセンサを提供する。
【解決手段】筒状の主体金具と、主体金具内に保持されるセンサ素子と、主体金具の内側面とセンサ素子の外表面との間に充填され、主体金具とセンサ素子の隙間をシールする粉末充填部材６と、を有するガスセンサにおいて、粉末充填部材６を一方向に圧縮可能な空間に充填して４８０ＭＰａの圧力で圧縮したときの一方向の高さをＨ１とし、圧力を解放したときの一方向の高さをＨ２としたとき、（Ｈ２−Ｈ１）／Ｈ１で表される反発率が０．１０以上である。
【選択図】図２

Description

本発明は、被検出ガスの濃度を検出するガスセンサに関する。

自動車等の排気ガス中の酸素濃度を検出するガスセンサとして、軸線方向に延びるセンサ素子を、筒状の主体金具の内側に挿通して保持するものが知られている。このガスセンサは、以下のようにして製造される。まず、主体金具の内側にセンサ素子を挿通すると共に、充填部材及び筒状のセラミックスリーブを主体金具の後端部の内側に配置する。主体金具の後端側には加締め部が設けられており、この加締め部を、径方向内側に曲げつつ先端側へ向かって加締め金型によって押圧して加締める。これにより、加締め部によって先端側に押圧された金属リング及びセラミックスリーブを介して粉末充填部材が先端側に圧縮され、主体金具とセンサ素子の隙間をシールするようになっている。
そして、粉末充填部材によるシール性を向上させるため、粉末充填部材に用いるタルクのＣ軸配向度を調整する技術（特許文献１）や、粉末充填部材に水ガラスを添加した技術（特許文献２）が開発されている。

特開２０１３−１５５０９号公報 特開２０００−３１４７１５号公報

ところで、ガスセンサが高温で使用されると、粉末充填部材を加締め部により圧縮している主体金具と粉末充填部材との熱膨張係数が異なるために、主体金具の方が粉末充填部材よりも大きく膨張し、粉末充填部材に負荷されていた圧力が低下する。このため、粉末充填部材と主体金具（又はセンサ素子）との間に隙間が生じ、粉末充填部材のシール性が低下するおそれがある。そして、粉末充填部材に用いるタルクのＣ軸配向度などの従来の規定では、上述のガスセンサの高温使用時のシール性を十分に確保できないことがある。
従って、本発明は、ガスセンサの高温使用時の粉末充填部材によるシール性を向上させたガスセンサの提供を目的とする。

上記課題を解決するため、本発明のガスセンサは、筒状の主体金具と、前記主体金具内に保持されるセンサ素子と、前記主体金具の内側面と前記センサ素子の外表面との間に充填され、前記主体金具と前記センサ素子の隙間をシールする粉末充填部材と、を有するガスセンサにおいて、前記粉末充填部材を一方向に圧縮可能な空間に充填して４８０ＭＰａの圧力で圧縮したときの前記一方向の高さをＨ１とし、前記圧力を解放したときの前記一方向の高さをＨ２としたとき、（Ｈ２−Ｈ１）／Ｈ１で表される反発率が０．１０以上であることを特徴とする。
ガスセンサが高温で使用されると、粉末充填部材を圧縮している主体金具と粉末充填部材との熱膨張係数が異なるために、主体金具の方が粉末充填部材よりも大きく膨張し、粉末充填部材に負荷されていた圧力が低下してシール性が低下するおそれがある。そこで、粉末充填部材の圧縮性を示す上記反発率が高いほど、粉末充填部材の熱膨張係数が金属（主体金具）の値に近付き、高温でもシール性が低下し難くなる。
又、粉末充填部材のＣ軸配向度等といった従来の指標では、高温でのシール性の良否を明確に判定することが困難であったが、上記反発率によって高温でのシール性が良好なガスセンサを確実に得ることができる。

前記粉末充填部材はタルクを主成分とするとよい。
このガスセンサによれば、上記反発率を示す粉末充填部材を安定して得ることができる。

この発明によれば、ガスセンサの高温使用時の粉末充填部材によるシール性を向上させることができる。

本発明の実施形態に係るガスセンサを軸線方向に沿う面で切断した断面図である。 粉末充填部材を一方向に圧縮して反発率を求める方法を示す図である。 種類１の粉末充填部材の粉末Ｘ線回折像を示す図である。 種類２の粉末充填部材の粉末Ｘ線回折像を示す図である。 種類３の粉末充填部材の粉末Ｘ線回折像を示す図である。 種類４の粉末充填部材の粉末Ｘ線回折像を示す図である。 高温でのシール性の評価方法を示す図である。

以下、本発明の実施形態について説明する。
図１は、本発明の実施形態に係るガスセンサ１００を、軸線Ｏ方向に沿う面で切断した断面構造を示す。この実施形態において、ガスセンサ１００は自動車の排気管内に挿入されて先端が排気ガス中に曝され、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る。センサ素子３は、酸素イオン伝導性の固体電解質体に一対の電極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公知の酸素センサ素子である。
なお、図１の下側をガスセンサ１００の先端側とし、図１の上側をガスセンサ１００の後端側とする。

ガスセンサ１００は、先端が閉じた略円筒状(中空軸状)のセンサ素子（この例では酸素センサ素子）３を、筒状の主体金具２０の内側に挿通して保持するよう組み付けられている。センサ素子３は、先端に向かってテーパ状に縮径する筒状の固体電解質体と、固体電解質体の内周面と外周面にそれぞれ形成された内側電極及び外側電極（図示せず）とからなる。又、センサ素子３の中空部には丸棒状のヒータ１５が挿入され、固体電解質体を活性化温度に昇温するようになっている。
主体金具２０の後端部には、センサ素子３の後端側に設けられたリード線や端子（後述）を保持し、センサ素子３の後端部を覆う筒状の外筒４０が接合されている。さらに、センサ素子３の後端側の外筒４０内側には、絶縁性で円筒状のセパレータ１２１が加締め固定されている。一方、センサ素子３先端の検出部はプロテクタ７で覆われている。そして、このようにして製造されたガスセンサ１００の主体金具２０の雄ねじ部２０ｄを排気管等のネジ孔に取付けることで、センサ素子３先端の検出部を排気管内に露出させて被検出ガス（排気ガス）を検知している。なお、主体金具２０の中央付近には、六角レンチ等を係合するための多角形の鍔部２０ｃが設けられ、鍔部２０ｃと雄ねじ部２０ｄとの間の段部には、排気管に取付けた際のガス抜けを防止するガスケット１４が嵌挿されている。

センサ素子３の中央側に鍔部３ａが設けられ、主体金具２０の先端寄りの内周面には内側に縮径する段部が設けられている。又、段部の後端向き面にワッシャ１２を介して筒状のセラミックホルダ５が配置されている。そして、センサ素子３が主体金具２０及びセラミックホルダ５の内側に挿通され、セラミックホルダ５に後端側からワッシャ１３を介してセンサ素子３の鍔部３ａが当接している。
さらに、鍔部３ａの後端側におけるセンサ素子３と主体金具２０との径方向の隙間に、筒状の滑石粉末６、及び筒状のセラミックスリーブ１０が配置されている。そして、セラミックスリーブ１０の後端側に金属リング３０を配し、主体金具２０後端部を内側に屈曲して加締め部２０ａを形成することにより、セラミックスリーブ１０が先端側に押し付けられる。これにより滑石粉末６を押し潰し、セラミックスリーブ１０及び滑石粉末６が加締め固定されるとともに、センサ素子３と主体金具２０の隙間がシールされている。
なお、滑石粉末６が特許請求の範囲の「粉末充填部材」に相当する。

センサ素子３の後端側に配置されたセパレータ１２１には、挿通孔（この例では４個）が設けられ、そのうち２個の挿通孔にそれぞれ内側端子金具７１、外側端子金具９１の板状基部７４、９４が挿入されて固定されている。各板状基部７４、９４の後端にはそれぞれコネクタ部７５、９５が形成され、コネクタ部７５、９５にそれぞれリード線４１、４１が加締め接続されている。又、セパレータ１２１の図示しない２個の挿通孔（ヒータリード孔）に、ヒータ１５から引き出されたヒータリード線４３（図１では１個のみ図示）が挿通されている。
セパレータ１２１の後端側の外筒４０内側には筒状のグロメット１３１が加締め固定され、グロメット１３１の４個の挿通孔からそれぞれ２個のリード線４１、及び２個のヒータリード線４３が外部に引き出されている。
なお、グロメット１３１の中心には貫通孔１３１ａが形成され、センサ素子３の内部空間に連通している。そして、グロメット１３１の貫通孔１３１ａに撥水性の通気フィルタ１４０が介装され、外部の水を通さずにセンサ素子３の内部空間に基準ガス（大気）を導入するようになっている。

一方、主体金具２０の先端側には筒状のプロテクタ７が外嵌され、主体金具２０から突出するセンサ素子３の先端側がプロテクタ７で覆われている。プロテクタ７は、複数の孔部（図示せず）を有する有底筒状で金属製（例えば、ステンレスなど）二重の外側プロテクタ７ｂおよび内側プロテクタ７ａを、溶接等によって取り付けて構成されている。

本発明においては、粉末充填部材を一方向に圧縮可能な空間（図２参照）に充填して４８０ＭＰａの圧力で圧縮したときの当該一方向の高さをＨ１とし、上記圧力を解放したときの一方向の高さをＨ２としたとき、（Ｈ２−Ｈ１）／Ｈ１で表される反発率が０．１０以上である。
ガスセンサ１００が高温で使用されると、粉末充填部材を圧縮している主体金具２０と粉末充填部材との熱膨張係数が異なるために、主体金具２０の方が粉末充填部材よりも大きく膨張し、粉末充填部材に負荷されていた圧力が低下してシール性が低下するおそれがある。そこで、本発明者が検討したところ、粉末充填部材の圧縮性を示す上記反発率が高いほど、粉末充填部材が熱膨張する力と、圧縮された状態から戻ろうとする力（反発力）との合力が、主体金具２０の熱膨張する力を上回るため、高温でもシール性が低下し難いことが判明した。
ここで、４８０ＭＰａの圧力は、一般的なガスセンサ１００において、主体金具２０の後端部を加締め固定する際の、粉末充填部材が圧縮された状態の圧力に近い。

次に、図２を参照して、粉末充填部材を一方向に圧縮して反発率を求める方法について説明する。
まず、中央開口２０２ｈを有する円筒状のシリンダ２０２と、シリンダ２０２の底部を閉塞するベース部２０４と、ピストン２０６とを有する加圧装置２００を用意する。そして、中央開口２０２ｈの上部から粉末充填部材（例えば滑石粉末）６を装入する（図２（ａ））。なお、中央開口２０２ｈ内の軸方向が特許請求の範囲の「一方向」に相当する。
次に、中央開口２０２ｈと同形の断面を有するピストン２０６を中央開口２０２ｈの上部に挿入し、ピストン２０６を軸方向に降ろして４８０ＭＰａの圧力で粉末充填部材６を圧縮する（図２（ｂ））。そして、圧縮時の中央開口２０２ｈ内の軸方向の粉末充填部材６の高さＨ１を測定する。次に、圧縮時の圧力を解放した後の粉末充填部材６の高さＨ２を測定する。そして、（Ｈ２−Ｈ１）／Ｈ１によって反発率を求める。
なお、粉末充填部材６は、ガスセンサ１００に配置されて主体金具２０によって圧縮されていたものを取り出して測定してもよく、圧縮された粉末充填部材６は圧力を解放することによって、初期の状態に戻る。又、測定は常温で行う。加圧装置２００及びピストン２０６としては、例えば工具鋼（ＳＫＤ１１等）を用いることができる。つまり、粉末充填部材６は、ガスセンサ１００に配置されて主体金具２０によって圧縮されて使用されていたものであっても、未圧縮のものであっても、粉末充填部材６が有する反発力には変化がなく、よって反発率にも変化がない。換言すると、使用済みのガスセンサ１００を解体して回収した粉末充填部材６は、上記測定を経ることで上記反発率を特定することが可能である。

上記反発率が０．１０未満であると、粉末充填部材６の熱膨張係数が金属（主体金具２０）の値よりも大幅に小さくなる。このため、粉末充填部材６と主体金具２０（又はセンサ素子３）との間に隙間が生じ、シール性が低下する。
一方、上記反発率は高いほどよいが、粉末充填部材６は一般に天然鉱石を粉砕して得られたタルク（含水珪酸マグネシウム［Ｍｇ_３Ｓｉ_４Ｏ_１０（ＯＨ）_２］）を主成分（５０質量％以上）とする滑石粉末からなり、不純物の含有率は１〜３０重量％である。例えば、マグネサイト等からなる不純物を約０．３〜５重量％含む広西タルクや、マグネサイト、ドロマイト等の不純物を約１〜３０重量％含む海城タルクが挙げられる。このような天然鉱石由来の滑石粉末自体は、反発率が０．１５を超えることは難しい。

また、粉末充填部材にタルク以外の成分を添加してもよい。この成分としては、水ガラス等が挙げられる。水ガラスは、粉末充填部材全体に対して２〜７質量％添加することで、反発率を高めることができる。
粉末充填部材６は、粉末材料を金型成形によりリング状に成形することができるが、粉末材料を成形せずに粉末状のまま、センサ素子３と主体金具２０との径方向の隙間に充填することもできる。
又、粉末充填部材６を構成する粉末材料のハンドリング性を向上させるため、粉末材料を造粒して所定の平均粒径としてもよい。なお、後述する実施例に示すように、粉末充填部材６の高温でのシール性の良否は、粉末材料の平均粒径や組成によらず、上記反発率によって判定できる。

本発明は上記実施形態に限定されず、本発明の思想と範囲に含まれる様々な変形及び均等物に及ぶことはいうまでもない。
本発明は、自動車や各種内燃機関の排ガス中や、ボイラ等の燃焼ガス中の酸素濃度を測定する全領域空燃比センサ等の酸素センサに適用することができるが、これらの用途に限られない。例えば、ＮＯ_ｘガス濃度検出用ガスセンサや、ＮＯ_X以外のガス（例えばＣＯ_XやＨ₂Ｏ、ＨＣなど）の濃度を測定するためのセンサ素子を有するガスセンサに対して適用することもできる。
又、筒型に限らず板状のセンサ素子に対して本発明を適用することもできる。

図７に示すガスセンサ１００ｘを製造した。ガスセンサ１００ｘは、図１のガスセンサ１００からヒータ１５を取り除くと共に、センサ素子３より後端側の構成部分（セパレータ１２１等）を取り付けず、外筒４０の代わりに模擬外筒４０ｘを取り付けたものである。模擬外筒４０ｘは後端側に窄まる漏斗状をなしている。主体金具２０は、ステンレス鋼（熱膨張係数：１１．５×１０^-6／℃）を用いて形成した。又、所望の粒度に調整した海城タルク粉末を準備した。このタルク粉末を金型成形によりリング状の粉末充填部材６に成形した。粉末充填部材６を構成するタルク粉末の平均粒径（レーザー回折式粒度計により測定）及び組成（蛍光Ｘ線にて定量）を表１に示す。又、粉末充填部材６の粉末Ｘ線回折像を図３〜６に示す。なお、図３〜６の縦軸はＸ線強度を示し、横軸は回折角（２θ）を示す。又、図３〜６の下欄に、タルクの粉末Ｘ線回折像を比較のために記した。表１の組成の「Igloss」は強熱減量（Ignition Loss）を示す。

粉末充填部材６につき、図２に示す加圧装置２００を用いて反発力を測定した。
又、得られたガスセンサ１００ｘにつき、以下に説明する加熱気密漏洩量測定の方法により、粉末充填部材６の主体金具２０及びセンサ素子３に対する高温でのシール性を評価した。具体的には、図７に示すように、取付用ベース３０１のネジ孔にガスセンサ１００ｘの主体金具２０の雄ねじ部２０ｄを取付け、取付用ベース３０１のネジ孔から後端側（図７の矢印方向）へ向かって６５０℃の空気Ａｉｒを圧力４．０ｋｇｆ/ｃｍ^２で吹付けた。そして、模擬外筒４０ｘの後端側に取り付けた図示しない流量計により、検出部側から粉末充填部材６を透過して漏れ出してくる気体の流量を１分間連続測定した。このとき、流量計に示された気体の流量、すなわち、漏れ出た気体のリーク量が１．０ｃｃ／ｍｉｎ以下であれば○、そうでなければ×として判定した。
得られた結果を表１に示す。

表１から明らかなように、４８０ＭＰａの圧力で粉末充填部材６を圧縮したときの反発力が０．１０以上である種類１〜３の場合、６５０℃でのシール性が良好となった。
一方、反発力が０．１０未満である種類４の場合、６５０℃でのシール性が低下した。

３ センサ素子
６ 粉末充填部材（滑石粉末）
２０ 主体金具
１００ ガスセンサ

Claims (2)

1. 筒状の主体金具と、前記主体金具内に保持されるセンサ素子と、前記主体金具の内側面と前記センサ素子の外表面との間に充填され、前記主体金具と前記センサ素子の隙間をシールする粉末充填部材と、を有するガスセンサにおいて、
   前記粉末充填部材を一方向に圧縮可能な空間に充填して４８０ＭＰａの圧力で圧縮したときの前記一方向の高さをＨ１とし、前記圧力を解放したときの前記一方向の高さをＨ２としたとき、（Ｈ２−Ｈ１）／Ｈ１で表される反発率が０．１０以上であることを特徴とするガスセンサ。
2. 前記粉末充填部材はタルクを主成分とする請求項１記載のガスセンサ。