JP2021156732A - Gas sensor - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は被測定ガス中の少なくとも1つの成分濃度を測定するガスセンサに関する。 The present invention relates to a gas sensor that measures the concentration of at least one component in a gas to be measured.
自動車エンジン等の排気ガス中や、各種製造プロセスに用いられる容器内の、酸素等の特定ガス成分の濃度を測定するのに用いられるガスセンサとして、ジルコニア等の固体電解質を用いる方式がある。固体電解質を用いたガスセンサは、高温において特定ガスに対してイオン伝導性のある、所定形状の固体電解質体の両面に白金等の電極を設け、その一方の側の電極に特定ガスの濃度が一定の基準ガスを接触させるとともに、他方の側の電極には被測定ガスを接触させて、特定ガス濃度の差に基づく両電極間の起電力を測定することにより、ネルンストの理論式を用いて被測定ガス中の特定ガスの濃度を測定するものである。 As a gas sensor used to measure the concentration of a specific gas component such as oxygen in the exhaust gas of an automobile engine or the like or in a container used in various manufacturing processes, there is a method using a solid electrolyte such as zirconia. A gas sensor using a solid electrolyte is provided with electrodes such as platinum on both sides of a solid electrolyte having a predetermined shape, which has ionic conductivity to a specific gas at a high temperature, and the concentration of the specific gas is constant on one of the electrodes. By contacting the reference gas of No. 1 and contacting the electrode to be measured with the electrode on the other side and measuring the electromotive force between the two electrodes based on the difference in the specific gas concentration, the electrode under test is used using Nerunst's theoretical formula. It measures the concentration of a specific gas in the measurement gas.
固体電解質を用いたガスセンサでは、イオン伝導性を発現させるために、所定形状の高温に安定的に加熱する必要がある。このため、所定形状としては熱容量を極力抑えるために細管形状として、片持ち形状とすることが多い(特許文献1)。 In a gas sensor using a solid electrolyte, it is necessary to stably heat it to a high temperature of a predetermined shape in order to exhibit ionic conductivity. Therefore, the predetermined shape is often a cantilever shape as a thin tube shape in order to suppress the heat capacity as much as possible (Patent Document 1).
このように固体電解質を細管形状の片持ち形状とすると、細管が保持される部分に応力が集中しやすくなる。このため、ガスセンサとして組み上げて行く過程での衝撃や、ガスセンサとして設置されている状態で周囲環境から受ける振動により破損することがあった。 When the solid electrolyte has a cantilever shape in the shape of a thin tube in this way, stress tends to be concentrated on the portion where the thin tube is held. For this reason, the gas sensor may be damaged due to an impact in the process of assembling the gas sensor or a vibration received from the surrounding environment while the gas sensor is installed.
本発明は、上記問題に鑑みてなされたものであり、細管形状の固体電解質を片持ち状態で保持してなるガスセンサにおいて、機械的衝撃に対する耐久性を改善するものである。 The present invention has been made in view of the above problems, and is intended to improve the durability against mechanical impact in a gas sensor in which a thin tube-shaped solid electrolyte is held in a cantilever state.
上記課題を解決するために、請求項1に記載の発明は、
被測定ガス中の少なくとも1つの成分濃度を測定するためのガスセンサであって、
先端が閉塞した細管状に形成されたイオン電導性の固体電解質からなるセンサ管と、前記センサ管の先端側の外側に形成され、被測定ガスに接する測定電極と、前記センサ管の内側に形成され、基準ガスに接する基準電極と、前記センサ管を封止ガラスを用いて支持固定するセンサホルダとを備え、
前記封止ガラスの測定電極側に樹脂を塗布することを特徴とするガスセンサである。
In order to solve the above problems, the invention according to
A gas sensor for measuring the concentration of at least one component in the gas to be measured.
A sensor tube made of an ion-conducting solid electrolyte formed in a thin tubular shape with a closed tip, a measurement electrode formed on the outside of the tip side of the sensor tube and in contact with the gas to be measured, and an inside of the sensor tube. A reference electrode that is in contact with the reference gas and a sensor holder that supports and fixes the sensor tube using a sealing glass are provided.
The gas sensor is characterized in that a resin is applied to the measurement electrode side of the sealing glass.
請求項2に記載の発明は、請求項1に記載のガスセンサであって、
前記樹脂としてエポキシ樹脂を用いるガスセンサである。
The invention according to
This is a gas sensor that uses an epoxy resin as the resin.
請求項3に記載の発明は、請求項1または請求項2に記載のガスセンサであって、
前記成分濃度が酸素濃度であるガスセンサである。
The invention according to
A gas sensor in which the component concentration is an oxygen concentration.
本発明によって、細管形状の固体電解質を片持ち状態で保持してなるガスセンサにおいて、機械的衝撃に対する耐久性が改善される。 According to the present invention, the durability against mechanical impact is improved in a gas sensor in which a thin tube-shaped solid electrolyte is held in a cantilever state.
本発明の実施形態を図面を用いて説明する。図1は本発明の実施形態に係るガスセンサ1の概略構造を示す図であり、図1(a)はガスセンサ1を横から見た外観図、図1(b)は断面図であり、内部の機械的構成を示すものである。なお、以下の実施形態の説明では濃度測定対象の特定ガス成分が酸素である例に限定するが、本実施形態と同様な構成の固体電解質を用いたガスセンサであれば特定ガス成分が酸素に限定されるものではなく、被測定ガス中の少なくとも1つの成分濃度を測定するガスセンサに本発明は適用可能である。
Embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. 1A and 1B are views showing a schematic structure of a
ガスセンサ1では、図1(b)に示すように、センサ管2とヒータ5が、穴60を有するセンサカバー6で覆われているとともに、センサホルダ8で保持された状態でハウジング7に固定されている。
In the
センサ管2およびヒータ5は、図2に示すように、センサホルダ8の貫通穴内のガラス封止部80で、ガラスによって支持、固定されている。なお、ガラス封止部80のガラスは、センサ管2およびヒータ5を配置した状態で、高温で溶融した後に冷却固化したものである。
As shown in FIG. 2, the
センサ管2とヒータ5を保持したセンサホルダ8はガスケット82を介してハウジング7に固定する。このため、被測定ガスが存在する密閉容器の外側にハウジング8を固定してセンサカバー6側を容器内に挿入した場合、センサホルダ8の右側では被測定ガスを遮断することが出来る。
The
ところで、濃度測定対象のガス成分が酸素である本実施形態のガスセンサは、酸素イオン伝導性を示す固体電解質の隔壁の両面に多孔質電極を設けて、両面の酸素分圧に応じて発生する起電力を測定して、一方の面側(反対面の酸素分圧は既知)の酸素分圧(濃度)を求めるものであるが、固体電解質の隔壁は400℃以上の高温でなければ酸素イオン伝導性を示さない。また、固体電解質の隔壁温度が高いほど起電力が増すため、通常は隔壁温度を700℃程度まで加熱するが、迅速に昇温して高温状態を維持できないと正確な酸素濃度を知ることができない。 By the way, in the gas sensor of the present embodiment in which the gas component to be measured for concentration is oxygen, porous electrodes are provided on both sides of a partition wall of a solid electrolyte exhibiting oxygen ion conductivity, and the gas sensor is generated according to the partial pressure of oxygen on both sides. The oxygen partial pressure (concentration) on one side (the oxygen partial pressure on the other side is known) is obtained by measuring the electric power, but the partition wall of the solid electrolyte conducts oxygen ions unless it has a high temperature of 400 ° C. or higher. Does not show sex. Further, since the electromotive force increases as the partition temperature of the solid electrolyte increases, the partition temperature is usually heated to about 700 ° C., but the accurate oxygen concentration cannot be known unless the temperature is raised rapidly and the high temperature state is maintained. ..
このため、センサ管2は、熱容量が小さくなるように小径円筒形状の細管になり、ヒータ5も細長い形状になる。具体的には、センサ管2において、内径が0.5mmから1mm程度で、隔壁厚みが0.3mmから1mm程度、管長さが30から100mm程度となる。このため、取り扱い時等に一部に応力が加わることがあり、固体電解質として比較的靭性を有する安定化ジルコニアを用いた場合でも応力が集中する箇所で破損することがあり、ヒータ5が破断することもある。
Therefore, the
このため、センサ管2とヒータ5をセンサホルダ8に保持するのに際して、図2(b)のようにガラスのみで封止した場合、保持端PSでセンサ管2やヒータ5が折れることがあった。
Therefore, when holding the
これに対して、図2(a)のようにガラス封止部80の(左側)保持端を覆うように樹脂を塗布して樹脂塗布部81を設けることにより、センサ管2およびヒータ5ともに折れにくくなることを見出だした。樹脂塗布部81によりセンサ管2およびヒータ5が折れにくくなるメカニズムの解明には至っていいないものの、エポキシ系接着剤を1mm厚で塗布したことにより、センサ管2の左端に振動を加えた場合の耐衝撃力が20倍に向上している。
On the other hand, as shown in FIG. 2A, by applying resin so as to cover the (left side) holding end of the
以上、図1、図2では、ガスセンサ1の主な構造部について説明したが、図3にはセンサ機能に関する部分を示す。
Although the main structural parts of the
図3はセンサ管2に設けられた電極について説明するものであり、図3(a)は横から見た外観図であり、図3(b)は断面図を示している。本実施形態において、センサ管2は、酸素イオン伝導性の電解質であるジルコニアセラミックスから成り、内径は0.7mmで隔壁厚みが0.3mmの中空円筒形状(外径は1.3mm)としている。
FIG. 3 describes an electrode provided on the
図3(b)に示すように、センサ管2の左端はガラスの封止部21で塞いでいるが、右端は開放されており、図3で被測定ガスと記した側の外側は被測定ガス雰囲気であり、基準ガスと記した側の外側と内側は基準ガス雰囲気である。このため、測定電極3は被測定ガスに接触し、基準電極4は基準ガスと接触している。なお、基準ガスとは酸素分圧が既知の気体であり、酸素濃度測定において通常は大気が用いられる。
As shown in FIG. 3B, the left end of the
測定電極3および基準電極4は、白金ペーストを塗布してから焼付ることで形成しているが、測定電極3と基準電極4でセンサ管2の内側にある部分は酸素を透過させるために多孔質として形成しているが、基準電極4でセンサ管2の外側部分は導電性確保の観点から緻密に形成しておくことが望ましい。なお焼付後の測定電極3および基準電極4の厚みは本実施形態では50μmとしているが、これに限定されるものではない。
The
ところで、センサ管2の先端側に測定電極3があるが、通常は測定電極3の表面に電極保護膜32を設ける。このため、ガラス封止部80から遠い側の重量が増している。このような形態であることから、ガラス封止部80の右端側でセンサ管2に加わる応力が図2に比して一層増すことは明確である。このことからも樹脂塗布部81の必要性は増している。
By the way, although the measuring
以上、本実施形態では、測定対象の特定ガスが酸素であるガスセンサを例に説明したが、固体電解質式のガスセンサで被測定ガス中の少なくとも1つの成分濃度を測定するものならば、特定ガスが酸素以外でもよい。すなわち、固体電解質がジルコニアでなくとも、本同様な構成要件を備えることにより、同様な効果が見込める。 In the present embodiment, the gas sensor in which the specific gas to be measured is oxygen has been described as an example. However, if the solid electrolyte type gas sensor measures the concentration of at least one component in the gas to be measured, the specific gas can be used. It may be other than oxygen. That is, even if the solid electrolyte is not zirconia, the same effect can be expected by having the same constituent requirements as this.
1 ガスセンサ
2 センサ管
3 測定電極
4 基準電極
5 ヒータ
6 センサカバー
7 ハウジング
8 センサホルダ
21 先端封止部
31 測定電極リード
60 穴
61 断熱材
80 ガラス封止部
81 樹脂塗布部
82 ガスケット
1
Claims (3)
先端が閉塞した細管状に形成されたイオン電導性の固体電解質からなるセンサ管と、
前記センサ管の先端側の外側に形成され、被測定ガスに接する測定電極と、
前記センサ管の内側に形成され、基準ガスに接する基準電極と、
前記センサ管を封止ガラスを用いて支持固定するセンサホルダとを備え、
前記封止ガラスの測定電極側に樹脂を塗布することを特徴とするガスセンサ。 A gas sensor for measuring the concentration of at least one component in the gas to be measured.
A sensor tube made of an ion-conducting solid electrolyte formed in a thin tubular shape with a closed tip,
A measurement electrode formed on the outside of the tip side of the sensor tube and in contact with the gas to be measured,
A reference electrode formed inside the sensor tube and in contact with the reference gas,
A sensor holder for supporting and fixing the sensor tube using sealing glass is provided.
A gas sensor characterized in that a resin is applied to the measurement electrode side of the sealing glass.
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