(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
特定のガスに対して導電性を示す固体電解セラミックからなる先端を閉じたセラミック管（１）と、このセラミック管（１）の内外周面に設けられた外周電極（２）及び内周電極（３）と、これら外周電極（２）及び内周電極（３）にそれぞれ接続されたリード線（１１）、（１２）とを有するセラミックガスセンサにおいて、前記セラミック管（１）の外周側を囲む外筒（１０）と、円形のセラミック継手（４）を介して前記外筒（１０）に気密に、且つ絶縁状態で接続され、先端部（６）が前記セラミック管（１）の外周面に気密にシールされたシール管（５）とを有し、セラミック管（１）の外周にシールされる前記シール管（５）の先端部（６）をセラミック管（１）の外周に線接触させ、このシール管（５）の先端部をセラミック管（１）の外周面にロー付けし、前記内周電極（３）をセラミック管（１）の先端側から基端側にわたって設け、この内周電極（３）に一方のリード線（１１）を前記シール管（５）の先端部（６）よりセラミック管（１）の基端側で接続し、他方のリード線（１２）は、シール管（５）及びセラミック継手（４）と別の絶縁碍子（１５）を介してセラミック管（１）の外周側に気密状態で引き出されると共に、同セラミック管（１）の外周電極（２）に接続されていることを特徴とするセラミックガスセンサ管。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、高温下において特定のガスに対してのみ導電性を示すセラミックからなるセラミック管の内外周に電極を設け、このセラミック管を加熱しながら前記内外周の電極で電位差を測定し、セラミック管の内外周側にある特定のガスの濃度差を検知するためのセラミックガスセンサ管に関する。
【０００２】
【従来の技術】
検知しようとする特定のガスのみに導電性を示す固体電解セラミックは、ガス濃度測定に利用されている。例えば、ジルコニアセラミックは、Ｏ2  ガスに対して導電性を示し、Ｉｎをドーピングしたカルシウムジルコネートは、Ｈ2 ガスに対して導電性を示す。これらの導電性セラミックは４００℃以上に加熱したときにそのガス導電性を示し始め、約５５０℃以上に加熱することによって輸率が１．０の導電性を示し、理論式に合う出力が計測できるようになる。
【０００３】
これらのセンサは、セラミック隔壁の両面にＰｔ等からなるポーラスな電極を形成し、セラミック隔壁の両面のガス濃度差により発生する電位差を、前記電極に取り付けたＰｔ等からなるリード線の間で測定する。従って、検知側の濃度を特定しようとすれば、片側のガス濃度が決まっていなければならない。ここで、既知のガス濃度を有する側の電極を一般に基準極と呼ぶ。
【０００４】
このようなセラミックガスセンサでは、セラミック隔壁の両面側にある検知ガスと基準ガスとが混じり合わないように、隔壁（箱体）で 隔離しなければならない。このセラミックの隔壁の機密性を確保するため、セラミックを一端が閉じた管状とし、このセラミック管の外周側を覆うシール部材の端部を、パッキンやロー付け等の手段で気密にシールする。
【０００５】
例えば、セラミック管とそれを取り囲む金属製のシール部材との間にパッキンを挿入し、金属製のシール管が熱膨張することにより生じるパッキンのガタツキをバネで押さえ付けて、常に気密性を確保する。或いは、セラミック管と同じ熱膨張係数を持つセラミック状の箱体をシール部材とし、その隙間をロー付けして密閉する。
【０００６】
しかしながら、前述のようなシール構造では、以下の理由から、シール部分の耐熱性はあまり高くはなく、数百（３００〜５００）℃が限界である。
例えば、パッキンを使用したシール構造では、パッキンとして石綿をバインダー（樹脂）で硬めた石綿系ガスケットや黒鉛シート、さらには金属Ｏリング（ステンレス鋼や高Ｎｉ合金等からなるメタル中空Ｏリング）が使用される。
【０００７】
ところが、石綿系ガスケットは、数百℃になるとバネ剛性がなくなってしまうので、結果的にシール部分の耐熱性は４００℃が限界である。
ステンレス鋼やＮｉ合金製の中空Ｏリングも、クリープ特性が現れる５５０℃以上になるとバネ剛性がなくなってへたりが生じ、熱サイクルによってガス漏れが発生する。
【０００８】
さらに、ロー付けによるシール手段の場合、セラミック管と同じ熱膨張を有するセラミックをシール部材として使用し、そのシール部材とセラミック管の間をロー付けしているが、ロー材がシール部材とセラミック管との隙間に入り込みやすく、また多少その隙間にロー材が入り込まないとロー材の湯留め機能がなくなって、ロー付けができない。ところが、このようなシール構造では、シール部材とセラミック管の間のロー材が熱膨張し、熱応力によってセラミック管を破損させてしまう。
【０００９】
この境目だけにロー付けするには、セラミック管の電極形成のためのメタライズの範囲を限定し、その境界付近にロー材をおいてロー付けする。そして、セラミック管とシール部材間との隙間にはロー材があまり入り込まないようにするため、溶けたロー材をはじくＢＮやＣａＯ を詰めておく等の対策をする。しかし、溶けたロー材がシール部材の端部に留まり、シール部材とセラミック管との間を気密に閉じるようにするためには、多少なりともロー材が隙間部に入り込まなければならず、さもなくば溶けたロー材が多少傾いた方向にずり落ちてしまう。以上の問題はシールの構造上の問題である。
【００１０】
さらに、固体電解セラミックは、先に述べた通り４００℃以上になると特定のガスに対して導電性を生じる。従ってセラミック管を、支持するシール部材が金属等の導体の場合、その一部を絶縁材を介して支持しないと、セラミック管の電極間出力にノイズが入りやすくなったり、リード線と金属製のシール部材との間に熱起電力が発生しやすくなったりする。このため、セラミック管を絶縁した状態でシールする必要があ。
【００１１】
本発明は、前記従来のガスセンサ管における前述の課題に鑑み、セラミック管を絶縁状態でシールすることができ、しかもセラミック管に熱応力を与えず、ヒートショックによるセラミック管の破損を防止することが可能なセラミックガスセンサ管を提供することを目的とする。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
本発明では、前記の目的を達成するため、セラミック管１の外周に気密にシールされるシール管５の先端部６をセラミック管１の外周に線接触させ、このシール管５の先端部６をセラミック管５の外周にロー付けしたものである。これにより、熱膨張によるシール管５の先端部６の変形をセラミック管１の外周空間部側に伸びるようにし、これにより、セラミック管１の熱応力の発生を抑え、その破損を確実に防止することができるようにしたものである。
【００１３】
すなわち、本発明によるセラミックガスセンサ管は、特定のガスに対して導電性を示す固体電解セラミックからなる先端を閉じたセラミック管１と、このセラミック管１の内外周面に設けられた外周電極２及び内周電極３と、これら外周電極２及び内周電極３にそれぞれ接続されたリード線１１、１２とを有する。さらに、セラミック管１の外周側を囲む外筒１０と、円形のセラミック継手４を介して前記外筒１０に気密に、且つ絶縁状態で接続され、先端部６が前記セラミック管１の外周面に気密にシールされたシール管５とを有し、前記セラミック管１の外周にシールされる前記シール管５の先端部６をセラミック管１の外周に線接触させ、このシール管５の先端部をセラミック管１の外周面にロー付けし、前記内周電極３をセラミック管１の先端側から基端側にわたって設け、この内周電極３に一方のリード線１１を前記シール管５の先端部６よりセラミック管１の基端側で接続する。
【００１４】
ここで、シール管５がセラミック管１及びセラミック継手４とほぼ同じ熱膨張係数を有する金属からなるのがよい。一方のリード線１２は、シール管５及びセラミック継手４と別の絶縁碍子１５を介してセラミック管１の外周側に気密状態で引き出されると共に、同セラミック管１の外周電極２に接続される。
【００１５】
このようなセラミックガスセンサ管では、熱膨張によるシール管５の先端部６の変形をセラミック管１の外周空間部側に伸びるようにし、これにより、セラミック管１の熱応力の発生を防止し、その破損を防止することができる。さらに、シール管５を、セラミック管１及びセラミック継手４とほぼ同じ熱膨張係数を有する金属で形成することにより、さらなる熱応力の低減が可能となり、セラミック管１のヒートショックによる破損を確実に防止することができるようになる。
【００１６】
【発明の実施の形態】
次に、図面を参照しながら、本発明の実施の形態について、具体的且つ詳細に説明する。
図１に本発明によるセラミックガスセンサ管の一実施形態を示す。図１に示すように、セラミック管１は、或る特定のガスに対して導電性を示すセラミックからなる。例えば、Ｏ2  ガスに対しては、ジルコニアセラミックが導電性を示し、Ｈ2 ガスに対しては、Ｉｎをドーピングしたカルシウムジルコネートが導電性を示すので、それらのガスを検知使用とするときは、それぞれ検知しようとするガスに対して導電性を示すセラミック材料を選択してセラミック管１を形成する。
【００１７】
このセラミック管１は、先端が閉じ、基端が開いた管状のもので、このセラミック管１の外周面と内周面には、それぞれポーラスなＰｔ膜からなる外周電極２と内周電極３とが形成されている。この内周電極３はセラミック管１の先端側から基端側にわたって設けられている。
このセラミック管１の基端側の外周部分は、シール管５に覆われている。このシール管５は、セラミック管１や後述するセラミック継手４と同等の熱膨張係数を有する、例えばコバルト合金やＮｉ−Ｆｅ合金からなっている。
【００１８】
このシール管５の先端は先細り状態となっており、その先端部６は、円筒状に伸びている。この円筒状に伸びたシール管５の先端部６の内径は、前記セラミック管１の外径よりごく僅かに大きい。
このシール管５の先端部６は、セラミック管１の外周に嵌め込まれ、その先端部がロー付けされ、ロー７でセラミック管１の外周に固定されている。このロー７としては、熱サイクルや高温下でのシール性を確保するために、Ａｕロー等を使用する。
【００１９】
セラミック管１の基端部には、ガラス管ないしはガラス繊維１３で被覆されたリード線１１が挿入され、このリード線１１の先端部がセラミック管１の内周電極３の端部、すなわち前記シール管５の先端部６よりセラミック管１の基端側の部分にロー付けされている。
さらに、前記のリード線１１の周囲にＡｌ２Ｏ３等からなる円筒形のセラミック継手４と金属管等からなる外筒１０が挿入され、前記シール管５の基端部がセラミック継手４を介して外筒１０に接続されている。セラミック継手４の両端外周側には段部が形成され、先端側の段部でシール管５の基端部がロー付けされ、ロー９で固定されている。また、セラミック継手４の基端側の段部で外筒１０の先端部がロー付けされ、ロー８で固定されている。
【００２０】
ガラス管ないしはガラス繊維１４で被覆されたリード線１２を外筒１０の外側に設けたガイドパイプ１６に通している。このリード線１２の先端側を、セラミックからなる絶縁碍子１５を貫通してセラミック管１の外側に引き出し、同セラミック管１の外周電極２にロー付している。リード線１２が絶縁碍子１５を貫通する部分はロー等で封止される。
【００２１】
このようなセラミックガスセンサ管では、セラミック管１を４００℃以上の温度に加熱しながら、その内周側を既知濃度の特定のガス雰囲気に維持する。この状態で、リード線１１、１２の間で測定されるセラミック管１の外周電極２と内周電極３との電位差により、セラミック管１の内外周側の特定ガスの濃度差を測定し、それにより、セラミック管１の外周側の特定ガスの濃度を測定する。
【００２２】
この場合において、前記のセラミックガスセンサ管では、セラミック管１やセラミック継手４と同等の熱膨張係数を有するシール管５が同セラミック管１の外周にロー付けされているので、温度の変動に伴う熱膨張の差によりセラミック管１に発生する熱応力をシール管５が吸収する。また、温度の変動に伴うセラミック管１とシール管５との熱膨張に多少差があっても、そのずれはセラミック管１の長手方向に及び、これをロー７が吸収する。このため、セラミック管１には熱応力が殆ど生じることがなく、ヒートショックによるセラミック管１の破損等を確実に防止することができる。
【００２６】
【発明の効果】
以上説明した通り、本発明によるセラミックガスセンサ管では、セラミック管１を加熱しながら、その外周電極２と内周電極３との間の電位差により同セラミック管１の外周側と内周側とのガス濃度の差を測定するに当たり、シール管５とセラミック１との熱膨張の差による熱応力が吸収されるので、ヒートショックによるセラミック管１の破損を確実に防止することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明によるセラミックガスセンサ管の実施形態を示すセラミック管１の部分の要部縦断側面図である。
【符号の説明】
１    セラミック管
２    セラミック管の外周電極
３    セラミック管の内周電極
４    セラミック継手
５    シール管
１０  外筒
１２  リード線
１３  リード線
１５  絶縁碍子
【図１】
0004274662.tif 000002