JP7399770B2 - ガスセンサ - Google Patents

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。

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。

特開２０１６－１１０６号公報

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）。

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。

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。

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の端面に塗布された樹脂を有することを特徴とするガスセンサである。

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。

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。

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。

本発明の実施形態に係るガスセンサの概略構造を示すもので（ａ）外観図であり、（ｂ）内部の機械的構成を示す断面図である。 本発明の実施形態に係る樹脂塗布部の効果について説明するもので（ａ）樹脂塗布部の位置を示す図であり、（ｂ）樹脂塗布部がない例を示す図である。 本発明の実施形態に係るガスセンサのセンサ管に設ける電極の構成について説明するもので（ａ）外観図であり、（ｂ）センサ管内部の状態を示す断面図である。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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

Claims (3)

1. 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の端面に塗布された樹脂を有することを特徴とするガスセンサ。
2. 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。
3. 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。