DE102014209404A1

DE102014209404A1 - Gassensor

Info

Publication number: DE102014209404A1
Application number: DE102014209404.6A
Authority: DE
Inventors: c/o NGK Spark Plug Co. Ltd. Kume Makoto; c/o NGK Spark Plug Co. Ltd. Inoue Nobuhiro; c/o NGK Spark Plug Co. Ltd. Tahira Daisuke; c/o NGK Spark Plug Co. Ltd. Ito Shingo; c/o NGK Spark Plug Co. Ltd. Yamada Yuichi
Original assignee: NGK Spark Plug Co Ltd
Current assignee: Niterra Co Ltd
Priority date: 2013-05-20
Filing date: 2014-05-19
Publication date: 2014-11-20
Anticipated expiration: 2034-05-20
Also published as: DE102014209404B4; DE102014209403B4; US20140338424A1; US9354142B2; CN104181218B; DE102014209403A1; CN104181218A; US20140339081A1; CN104181213A; US9581565B2

Abstract

Offenbart wird ein Gassensor, der eine Metallhülse, einen Halter, der in der Metallhülse angeordnet ist, und ein Sensorelement aufweist, das über ein axiales Einführloch des Halters eingeführt ist. Der Halter weist einen vertieften Abschnitt auf, der von einer vorderen Endfläche des Halters nach hinten vertieft ist. Das Sensorelement weist an seinem vorderen Endteil einen Erfassungsabschnitt auf, der mit einer porösen Schutzschicht so überzogen ist, dass sich ein hinteres Ende der porösen Schutzschicht im Inneren des vertieften Abschnitts des Halters befindet und an der hinteren Seite in Bezug auf die vordere Endfläche des Halters liegt und dabei ein Zwischenraum zwischen einer Innenumfangsfläche des vertieften Abschnitts und einer Außenumfangsfläche der porösen Schutzschicht belassen wird.

Description

Hintergrund der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Gassensor (wie beispielsweise einen Sauerstoffsensor, einen NO_x-Sensor, HC-Sensor usw.), mit dem die Konzentration einer bestimmten Gaskomponente in einem Gas erfasst wird, das gemessen wird.
Im Folgenden bezieht sich der Begriff ”vorn” auf eine Gaserfassungs-Seite in Bezug auf eine axiale Richtung eines Gassensors, und der Begriff ”hinten” bezieht sich auf eine der Vorderseite gegenüberliegende Seite.
Die japanische offengelegte Patentschrift Nr. 2012-189579 offenbart einen Gassensor (z. B. Sauerstoff-Gassensor), der ein längliches plattenförmiges oder stangenförmiges Sensorelement enthält, das an seinem vorderen Endteil einen Erfassungsabschnitt aufweist, der durch ein sauerstoffionenleitendes Festelektrolytmaterial und ein Paar Erfassungselektroden gebildet wird. Bei diesem Typ Gassensor wird das Sensorelement von einem Halter im Inneren einer zylindrischen Metallhülse (Metallgehäuse) in Position gehalten. Der Halter besteht aus einem isolierenden Material (beispielsweise einem keramischen Material, z. B. Aluminiumoxid) mit einem axialen Durchgangsloch, so dass das Sensorelement über das axiale Durchgangsloch des Halters eingeführt wird und dabei der vordere Endteil (Erfassungsabschnitt) des Sensorelementes von einem vorderen Ende des Halters zur Vorderseite hin vorsteht. Die Metallhülse ist mit einem Gewindeabschnitt versehen, so dass der Gassensor beispielsweise an einem Auspuffrohr eines Verbrennungsmotors angebracht wird, indem der Gewindeabschnitt in ein Anbringungsloch des Auspuffrohrs eingeschraubt wird. In einem Zustand, in dem der Gassensor an dem Auspuffrohr angebracht ist, befindet sich der Erfassungsabschnitt des Sensorelementes im Inneren des Auspuffrohrs, ist einem Abgas (einem Gas, das gemessen wird) ausgesetzt und erzeugt in Reaktion auf die Konzentration einer bestimmten Gaskomponente (z. B. Sauerstoff) in dem Abgas ein elektrisches Signal. Elektrodenanschlüsse sind an einem hinteren Endteil des Sensorelementes ausgebildet und mit einer ECU (Motorsteuereinheit als einer externen Vorrichtung) über Zuleitungen verbunden, so dass das elektrische Signal des Sensorelementes an die ECU zur Steuerung des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses usw. ausgegeben wird.
Um den vorderen Endteil des Sensorelementes abzudecken und den Erfassungsabschnitt vor Wasser zu schützen, das in dem Abgas enthalten ist, ist eine Schutzeinrichtung (Schutzabdeckung) mit einer Vielzahl von Lüftungslöchern an einem vorderen Ende der Metallhülse angebracht. Des Weiteren ist üblicherweise eine Schutzschicht aus porösem Material (z. B. Spinell oder Aluminiumoxid) an einem vorgegebenen Flächenbereich von dem vorderen Ende des Sensorelementes zum hinteren Teil hin ausgebildet, um zu verhindern, dass die Erfassungsfähigkeit des Sensorelementes aufgrund der Ablagerung eines in dem Abgas enthaltenen Fremdstoffs beeinträchtigt wird oder dass es aufgrund der Ablagerung von in dem Abgas enthaltenen Wasser beschädigt wird. Die Ausbildung einer derartigen porösen Schutzschicht ist besonders wirkungsvoll als eine Maßnahme gegen Beschädigung des Sensorelementes, die durch thermische Belastung aufgrund der Ablagerung von Wasser dann verursacht wird, wenn eine Heizeinrichtung an dem Sensorelement zum schnellen Erhitzen und Aktivieren des Festelektrolytmaterials vorhanden ist.
Dabei wird bei dem oben beschriebenen Sensorelement ein Edelmetallmaterial (z. B. Platin oder eine Legierung desselben) für verschiedene Leiter (leitende Schichten) wie beispielsweise Erfassungselektroden, Heizeinrichtungs-Speiseelektroden usw. eingesetzt. Die eingesetzte Menge des Edelmetallmaterials nimmt mit der axialen Länge des Sensorelementes zu, wodurch sich die Kosten erhöhen. Zur Kostenreduzierung ist es erforderlich, die axiale Länge des Sensorelementes zu verringern. In den letzten Jahren ist es erforderlich geworden, die axiale Länge bzw. Größe des Sensorelementes zu verringern, um nicht nur die eingesetzte Menge des Edelmetallmaterials zu verringern und die Kosten zu reduzieren, sondern auch, um den Stromverbrauch des Sensorelementes zu verringern und Energie zu sparen.
Um die Länge des Sensorelementes zu verringern, ist es vorstellbar, das Maß (die Länge) zu verringern, um das der hintere Endteil des Sensorelementes von dem Halter nach hinten vorsteht. Der hintere Endteil des Sensorelementes ist, wie oben erwähnt, eine Stelle, an der die Elektrodenanschlüsse zur elektrischen Verbindung mit vorderen Enden der Zuleitungen über Quetschkontakte ausgebildet sind. Es ist daher erforderlich, eine vorgegebene Länge des hinteren Endteils des Sensorelementes zu gewährleisten, um die Zuverlässigkeit der elektrischen Verbindung zu verbessern. Es ist des Weiteren angesichts der Tatsache, dass der Erfassungsabschnitt des Sensorelementes eine hohe Aktivierungstemperatur erreicht, notwendig, die Elektrodenanschlüsse getrennt (entfernt) von dem Erfassungsabschnitt zu positionieren, um zu vermeiden, dass die elektrische Verbindung durch Wärme von dem Erfassungsabschnitt beeinflusst wird. Daher gibt es eine Grenze für die Verringerung des Maßes (der Länge), um das der hintere Endteil des Sensorelementes vorsteht.
Zusammenfassung der Erfindung
Als Alternative dazu ist es vorstellbar, das Maß (die Länge) zu verringern, um das der vordere Endteil des Sensorelementes von dem vorderen Ende des Halters nach vorne vorsteht, um die Länge des Sensorelementes zu verringern. Jedoch ist es notwendig, dass das Gas, das gemessen wird, ungehindert an den Erfassungsabschnitt (Erfassungselektroden) gelangt, um das Erfassungsvermögen zu verbessern. Es ist daher hinsichtlich des Erfassungsvermögens nicht vorteilhaft, das Maß (die Länge) zu verringern, um das der vordere Endteil des Sensorelementes vorsteht. Des Weiteren ist der Querschnitt (Form und Abmessungen) des axialen Durchgangslochs des Halters so eingerichtet, dass das Sensorelement über das axiale Durchgangsloch des Halters nahezu ohne Zwischenraum eingeführt wird, um das Sensorelement mit einem Dichtungsmaterial stabil zu positionieren und zu halten. Da die poröse Schutzschicht in einer relativ großen Dicke von beispielsweise von 0,2 bis 0,3 mm an dem vorgegebenen Flächenbereich von dem vorderen Ende des Sensorelementes zum hinteren Teil hin ausgebildet ist, muss der hintere Endteil des Sensorelementes über das axiale Durchgangsloch des Halters von der vorderen Endseite her eingeführt werden. Es ist des Weiteren für den sicheren Schutz des Sensorelementes unvorteilhaft, den Bereich (axiale Länge) der Ausbildung der porösen Schutzschicht zu verkleinern. Daher ist es schwierig, das Maß (die Länge) zu verringern, um das der vordere Endteil des Sensorelementes vorsteht.
Die vorliegende Erfindung ist gemacht worden, um die oben erwähnten Probleme zu lösen. Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, einen Gassensor mit einer verbesserten Anbringungsstruktur zu schaffen, über die ein Sensorelement angebracht werden kann, um die axiale Länge des Sensorelementes zu verringern, ohne dass dies eine Verringerung der Vorsteh-Länge und Verschlechterung des Erfassungsvermögens bewirkt, und einen erforderlichen Bereich (axiale Länge) für die Ausbildung einer porösen Schutzschicht an einem vorderen Endteil des Sensorelementes zu gewährleisten.
Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Gassensor geschaffen, der eine zylindrische Metallhülse, die in einer axialen Richtung des Gassensors angeordnet ist, einen Halter, der in die Metallhülse eingesetzt und mit einem axialen Durchgangsloch versehen ist, und ein längliches plattenförmiges oder stangenförmiges Sensorelement umfasst, das über das axiale Durchgangsloch des Halters eingeführt ist, wobei ein vorderes Ende des Sensorelementes von einer vorderen Endfläche des Halters nach vorn vorsteht, das Sensorelement an einem vorderen Endteil desselben einen Erfassungsabschnitt aufweist, der mit einer porösen Schutzschicht überzogen ist, die poröse Schutzschicht an einem vorgegebenen Bereich von dem vorderen Ende des Sensorelementes zum hinteren Teil hin ausgebildet ist und ein hinteres Ende hat, das sich an einer vorderen Seite in Bezug auf ein vorderes Ende des axialen Durchgangslochs des Halters befindet, der Halter einen vertieften Abschnitt aufweist, der in einem Bereich ausgebildet ist, der, von der vorderen Endfläche des Halters aus gesehen, das axiale Durchgangsloch umschließt, der vertiefte Abschnitt von der vorderen Endfläche des Halters zum hinteren Teil hin vertieft ist, und das Sensorelement so durch den vertieften Abschnitt hindurchtritt, dass das hintere Ende der porösen Schutzschicht innerhalb des vertieften Abschnitts des Halters liegt, sich an einer hinteren Seite in Bezug auf das vordere Ende des Halters befindet, und dabei ein Zwischenraum zwischen einer Innenumfangsfläche des vertieften Abschnitts und einer Außenumfangsfläche der porösen Schutzschicht belassen wird.
Bei dem oben beschriebenen Gassensor wird das Sensorelement über den Halter so eingeführt, dass sich das hintere Ende der porösen Schutzschicht im Inneren des vertieften Abschnitts des Halters befindet. Dies ermöglicht, selbst wenn der Bereich (axiale Länge) der Ausbildung der porösen Schutzschicht des Sensorelementes der gleiche ist wie der herkömmlicher Sensorelemente, eine Verringerung der Länge, um die das vordere Ende des Sensorelementes von der vorderen Endfläche des Halters vorsteht. Die Gesamtlänge des Sensorelementes kann bei einer derartigen Verringerung der Vorsteh-Länge so verringert werden, dass nicht nur die eingesetzte Menge an Edelmetallmaterial (z. B. Platin), das in dem Sensorelement eingesetzt wird, sondern auch der Stromverbrauch des Sensorelementes verringert wird. Des Weiteren befindet sich der vordere Endteil des Sensorelementes, der von einer Bodenfläche des vertieften Abschnitts (d. h. dem vorderen Ende des axialen Durchgangslochs des Halters) vorsteht, in einem Zustand, in dem er, auch wenn er sich teilweise in dem vertieften Abschnitt befindet, einem Gas ausgesetzt sein kann, das gemessen wird. Die Länge dieses vorderen Endteils des Sensorelementes, um die er von der Bodenfläche des vertieften Abschnitts vorsteht, entspricht der Vorsteh-Länge vorderer Endteile herkömmlicher Sensorelemente. Der Grad, in dem der Erfassungsabschnitt des Sensorelementes dem Gas ausgesetzt ist, das gemessen wird, kann auf den selben Wert oder nahe an diejenigen herkömmlicher Sensorelemente gesteuert werden, um keine Beeinträchtigung des Erfassungsvermögens zu bewirken, indem die Bodenfläche (Querschnitt) des vertieften Abschnitts so groß wie möglich eingestellt wird und gewährleistet wird, dass die Länge, um die der vordere Endteil des Sensorelementes von der Bodenfläche des vertieften Abschnitts aus vorsteht, so groß ist wie die Vorsteh-Länge vorderer Endteile herkömmlicher Sensorelemente. Mit der oben beschriebenen verbesserten Anbringungsstruktur kann die Gesamtlänge des Sensorelementes verringert werden, ohne Beeinträchtigung der Erfassung zu bewirken, wobei gleichzeitig gewährleistet wird, dass der erforderliche Bereich (axiale Länge) zur Ausbildung der Schutzschicht an dem vorderen Endteil des Sensorelementes vorhanden ist.
Obwohl sich das hintere Ende der porösen Schutzschicht an dem vorderen Ende des axialen Durchgangslochs befinden kann, ist das hintere Ende der porösen Schutzschicht vorzugsweise von dem vorderen Ende des axialen Durchgangslochs entfernt angeordnet, um gegenseitige Störung oder Kollision der porösen Schutzschicht und des Halters beim Montieren des Gassensors durch Einführen des Sensorelementes in das axiale Durchgangsloch zu verhindern.
Vorzugsweise kann der Gassensor das Merkmal (A) aufweisen, das darin besteht, dass sowohl eine Außenumfangsfläche des Halters als auch die Innenumfangsfläche des vertieften Abschnitts, von der vorderen Endfläche des Halters aus gesehen, kreisförmig sind.
Der Querschnitt (Form und Abmessungen) des axialen Durchgangslochs des Halters ist, wie oben erwähnt, im Wesentlichen der gleiche wie der Querschnitt des Sensorelementes, so dass das Sensorelement über das axiale Durchgangsloch nahezu ohne Zwischenraum (oder mit geringfügigem Zwischenraum) zwischen ihnen eingeführt wird, um das Sensorelement stabil zu positionieren und zu halten. Wenn das Sensorelement länglich plattenförmig (rechteckig stabförmig) und im Querschnitt rechteckig ist, ist das axiale Durchgangsloch mit einer rechteckigen Öffnung versehen, die im Wesentlichen die gleichen Abmessungen hat wie das Sensorelement. Wenn das Sensorelement stangenförmig und im Querschnitt kreisförmig ist, ist das axiale Durchgangsloch mit einer kreisförmigen Öffnung versehen, die im Wesentlichen den gleichen Durchmesser hat wie das Sensorelement. Der Halter selbst hingegen besteht unter dem Aspekt elektrischer Isolierung und Wärmebeständigkeit im Allgemeinen aus einem keramischen Material. Der Halter (mit Ausnahme des axialen Durchgangslochs) hat beispielsweise eine säulenartige Außenform, so dass, von der vorderen Endfläche aus gesehen, die Außenumfangsfläche des Halters kreisförmig ist. Es ist daher, wenn das Merkmal (A) übernommen wird, möglich, Gleichmäßigkeit der Wanddicke zu gewährleisten und das keramische Material bei der Herstellung des Halters effektiv vor Sinterverformung (sintering distortion) oder Spannungskonzentration zu schützen.
Alternativ dazu ist es möglich, den vertieften Abschnitt so auszubilden, dass die Innenumfangsfläche des vertieften Abschnitts, von der vorderen Endfläche aus gesehen, polygon geformt ist. In diesem Fall ist die Innenumfangsfläche des vertieften Abschnitts vorzugsweise in einer polygonen Form ausgebildet, die so viele Seiten wie möglich hat und daher, unter dem Aspekt von Gleichförmigkeit der Wanddicke einem Kreis so nah wie möglich kommt.
Der Gassensor kann zusätzlich zu dem Merkmal (A) vorzugsweise auch das Merkmal (B) aufweisen, das darin besteht, dass der Gassensor des Weiteren eine mehrschichtige Schutzeinrichtung umfasst, die an der Metallhülse so angebracht ist, dass sie den vorderen Endteil des Sensorelementes umgibt, und dabei ein Zwischenraum zwischen der mehrschichtigen Schutzeinrichtung und dem vorderen Endteil des Sensorelementes belassen wird, wobei die mehrschichtige Schutzeinrichtung ein inneres Schutzelement, das sich an ihrer am weitesten innen liegenden Seite befindet, und ein äußeres Schutzelement enthält, das sich in Bezug auf das innere Schutzelement an der Außenseite befindet, das innere Schutzelement eine zylindrische Wand hat, in der Lüftungslöcher an einer Position der axialen Richtung ausgebildet sind, die der porösen Schutzschicht entspricht, das äußere Schutzelement eine zylindrische Wand hat, die so angeordnet ist, dass sie die Lüftungslöcher des inneren Schutzelementes abdeckt, und für den Gassensor die Bedingung D1 > D2 gilt, wobei D1 ein Innendurchmesser der zylindrischen Wand des inneren Schutzelementes an der Position ist, die in der axialen Richtung der porösen Schutzschicht entspricht, und D2 ein Innendurchmesser des vertieften Abschnitts ist.
Vorzugsweise werden, um die Länge des Sensorelementes zu verringern, die Tiefe des vertieften Abschnitts (d. h. die Tiefe, um die der vertiefte Abschnitt gegenüber der vorderen Endfläche des Halters vertieft bzw. eingelassen ist) vergrößert und das hintere Ende der porösen Schutzschicht so tief (rückwärtig) wie möglich in dem vertieften Abschnitt angeordnet. Des Weiteren ist die Schutzeinrichtung an der Metallhülse angebracht, um so den vorderen Endteil des Sensorelementes zu schützen. Seit einigen Jahren ist die Schutzeinrichtung mit einer mehrschichtigen Struktur (im Allgemeinen doppelschichtigen Struktur) versehen, um den Schutz zu verbessern. Unter dem Aspekt des Erfassungsvermögens strömt das gemessene Gas vorzugsweise ungehindert durch den gesamten Innenraum der Schutzeinrichtung, ohne dass es sich im Inneren der Schutzeinrichtung staut, und kommt mit dem vorstehenden vorderen Endteil (Erfassungsabschnitt) des Sensorelementes in Kontakt. In dem Fall, in dem die Innenumfangsfläche des vertieften Abschnitts und die Innenumfangsfläche der Schutzeinrichtung zylindrisch geformt sind, bedeutet die Abmessungs-Bedingung D1 (der Innendurchmesser der Schutzeinrichtung) < D2 (der Innendurchmesser des vertieften Abschnitts), dass der Raum im Inneren der Schutzeinrichtung zum Boden des vertieften Abschnitts hin (d. h. zum hinteren Teil hin) größer wird. Dies macht es wahrscheinlich, dass sich das Gas im tiefen Bodenbereich des vertieften Abschnitts sammelt, wodurch es zur Verschlechterung des Erfassungsvermögens kommen kann. Daher wird der Innendurchmesser D2 des vertieften Abschnitts vorzugsweise so groß wie möglich festgelegt, jedoch kleiner als der Innendurchmesser D1 der Schutzeinrichtung. Des Weiteren kann der Erfassungsabschnitt des Sensorelementes effektiv vor Wasser geschützt werden, wenn die Lüftungslöcher des inneren Schutzelementes, die an der der porösen Schutzschicht entsprechenden Position ausgebildet sind, mit dem äußeren Schutzelement abgedeckt sind. Durch Übernahme des Merkmals (B) ist es daher möglich, den Erfassungsabschnitt des Sensorelementes effektiv vor Wasser zu schützen, das in dem Gas enthalten ist, das gemessen wird, während gleichzeitig ungehindertes Einleiten des Gases, das gemessen wird, in den Erfassungsabschnitt des Sensorelementes zugelassen wird, und damit wirkungsvoll Beschädigung des Sensorelementes sowie Beeinträchtigung des Erfassungsvermögens des Sensorelementes verhindert wird.
Der Gassensor kann zusätzlich zu dem Merkmal (B) vorzugsweise das Merkmal (C) aufweisen, das darin besteht, dass die Metallhülse einen ringförmigen vorderen Endabschnitt, dessen Innendurchmesser kleiner ist als ein Außendurchmesser des Halters, sowie eine ringförmige Absatzfläche aufweist, die sich an einer hinteren Seite in Bezug auf eine Innenumfangsfläche des ringförmigen vorderen Endabschnitts befindet, dass der Halter in der Metallhülse durch Eingriff einer vorderen Endfläche des Halters an der ringförmigen Absatzfläche der Metallhülse in Position gehalten wird und für den Gassensor die Bedingung D3 > D2 gilt, wobei D3 der Innendurchmesser des ringförmigen vorderen Endabschnitts ist.
Durch die Übernahme des Merkmals (C) ist es möglich, die radiale Dicke des vertieften Abschnitts des Halters effektiv zu gewährleisten, um die Festigkeit zu verbessern.
Des Weiteren kann der Gassensor vorzugsweise das Merkmal (D) aufweisen, das darin besteht, dass das vordere Ende des Sensorelementes von einem vorderen Ende der Metallhülse nach vorn vorsteht, und für den Gassensor die Bedingung L5 > L3 gilt, wobei L5 eine Vorsteh-Länge ist, um die das vordere Ende des Sensorelementes von dem vorderen Ende der Metallhülse nach vorn vorsteht, und L3 eine Länge ist, um die das hintere Ende der porösen Schutzschicht an der hinteren Seite in Bezug auf die vordere Endfläche des Halters liegt.
Durch die Übernahme des Merkmals (D) ist es möglich, die Länge, um die das vordere Ende des Sensorelementes von dem vorderen Ende der Metallhülse nach vorn vorsteht, zum schnellen Ansprechen beim Erfassen von Gaskonzentration (Messung) effektiv zu vergrößern.
Die anderen Aufgaben und Merkmale der vorliegenden Erfindung werden auch aus der folgenden Beschreibung verständlich.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
1 ist eine Schnittansicht mit einem vergrößerten Teilabschnitt eines Gassensors gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
2 ist eine vergrößerte Schnittansicht eines wichtigen Teils des Gassensors in 1.
3 ist eine Schnittansicht des Gassensors in 1 entlang der Linie S1-S1 in 2.
4 ist eine Schnittansicht des Gassensors in 1 entlang der Linie S2-S2 in 2.
5 ist eine Halbschnittansicht des Zustandes, in dem ein Sensorelement über ein Durchgangsloch eines Halters in dem Gassensor in 1 eingeführt wird.
6 ist eine schematische Ansicht des Gassensors in 1, vom unteren Ende in 5 her gesehen.
7 ist eine Schnittansicht des Gassensors in 1 entlang der Linie S3-S3 in 5.
8 ist eine schematische Ansicht, die einen Schritt des Befestigens des Sensorelementes an einer Metallhülse bei der Herstellung des Gassensors in 1 zeigt.
9 ist eine schematische Ansicht, die einen abschließenden Montageschritt bei der Herstellung des Gassensors in 1 zeigt.
10 ist eine Schnittansicht, die 5 entspricht und eine Abwandlung des Halters bei dem Gassensor in 1 zeigt.
Beschreibung der Ausführungsformen
Die vorliegende Erfindung wird im Folgenden unter Bezugnahme auf 1 bis 10 beschrieben. Die folgende Ausführungsform bezieht sich insbesondere auf einen Breitband-Sauerstoffsensor, der an einem Auspuffrohr eines Verbrennungsmotors angebracht ist und zum Erfassen der Konzentration von Sauerstoff in einem Abgas (ein gemessenes Gas) eingerichtet ist, das durch das Auspuffrohr strömt, als einen Gassensor 1.
Im Folgenden wird zunächst der Gesamtaufbau des Gassensors 1 erläutert.
Der Gassensor 1 enthält, wie in 1 gezeigt, eine zylindrische Metallhülse (Metallgehäuse) 11, die in einer axialen Richtung des Gassensors 1 angeordnet ist, einen Halter 31, der in die Metallhülse 11 eingesetzt ist und mit einem axialen Durchgangsloch 38 versehen ist, sowie ein längliches plattenförmiges Sensorelement 21, das über das axiale Durchgangsloch 38 des Halters 31 eingeführt ist. Ein vorderes Ende 23 und seine Umgebung (als ”vorderer Endteil” bezeichnet) des Sensorelementes 21 steht von einer vorderen Endfläche (vorderes Ende) 32 des Halters 31 nach vorn vor. Ein Erfassungsabschnitt 22 ist an dem vorderen Endteil des Gassensors 1 ausgebildet. Ein Dichtungsmaterial 41 (wie beispielsweise Talkum), ein Druckring 43 (beispielsweise eine Buchse aus isolierendem Material) und eine Ringscheibe 45 sind in dieser Reihenfolge an einer hinteren Endfläche 39 des Halters 31 in der Metallhülse 11 angeordnet, so dass, wenn das Dichtungsmaterial 41 durch Druck von dem Druckring 43 und der Ringscheibe 45 axial zusammengedrückt wird, das Sensorelement 21 durch den Halter 31 über das Dichtungsmaterial 41, den Druckring 43 und die Ringscheibe 45 hermetisch in der Metallhülse 11 fixiert wird. Ein hinteres Ende 29 des Sensorelementes 21 und seine Umgebung (als ”hinterer Endteil” bezeichnet) stehen von dem Druckring 43 und von der Metallhülse 11 nach hinten vor. Elektrodenanschlüsse (nicht dargestellt) sind an dem hinteren Endteil des Sensorelementes 21 ausgebildet und über Quetschkontakte 75 jeweils elektrisch mit vorderen Enden von Zuleitungen 71 verbunden. Der Gassensor 1 enthält des Weiteren eine zweischichtige Schutzeinrichtung (als eine mehrschichtige Schutzeinrichtung, die weiter unten ausführlich erläutert wird), die an der Metallhülse 11 angebracht ist, um darin den vorderen Endteil des Sensorelementes 21 zu schützen, sowie eine Schutzröhre 81, die an der Metallhülse 11 angebracht ist, um darin den hinteren Endteil des Sensorelementes 21 (einschließlich der Elektrodenanschlüsse) zu schützen. Die Zuleitungen 71 werden von einem hinteren Ende der Schutzröhre 81 über ein Dichtungselement 85 nach außen geführt.
Im Folgenden werden die jeweiligen strukturellen Komponenten des Gassensors 1 ausführlicher erläutert.
Das Sensorelement 21 ist in einer länglichen Plattenform mit rechteckigem Querschnitt in der axialen Richtung ausgebildet. Der Erfassungsabschnitt 22 ist an dem vorderen Endteil des Sensorelementes 21 vorhanden und ist dem Gas, das gemessen wird, ausgesetzt, um die spezifische Gaskomponente in dem Gas zu erfassen, das gemessen wird. In der vorliegenden Ausführungsform besteht das Sensorelement 21 vorwiegend aus keramischem Material und Festelektrolyt und hat einen bekannten Aufbau. Das heißt, in dem Sensorelement 21 ist ein Festelektrolytmaterial (Element) auf ein keramisches Material (Substrat) geschichtet, und ein Paar Erfassungselektroden (nicht dargestellt) sind an einer Seite des vorderen Endes des Festelektrolytmaterials ausgebildet und bilden den Erfassungsabschnitt 22. Das Sensorelement 21 weist des Weiteren eine poröse Schutzschicht 25 auf, die aus einem porösen Material, beispielsweise Aluminiumoxid oder Spinell, an einem vorgegebenen Bereich L1 von dem vorderen Ende 23 zum hinteren Teil hin so ausgebildet ist, dass der Erfassungsabschnitt 22 mit der porösen Schutzschicht 25 abgedeckt ist. Dabei ist der Querschnitt des Bereiches L1 des Sensorelementes 21, an dem die poröse Schutzschicht 25 ausgebildet ist, um eine Dicke der porösen Schutzschicht 25 (z. B. 0,2 bis 0,3 mm) größer als der des restlichen Bereiches des Sensorelementes 21, der sich an der hinteren Seite in Bezug auf die poröse Schutzschicht 25 befindet (in den Zeichnungen ist die Dicke der porösen Schutzschicht 25 zur Veranschaulichung vergrößert). Des Weiteren hat der Querschnitt des Bereiches des Sensorelementes 21, der sich an der hinteren Seite in Bezug auf die poröse Schutzschicht 25 befindet, über seine gesamte Länge gleichmäßige rechteckige Form (siehe 3 und 4). Das Sensorelement 21 enthält des Weiteren eine Heizeinrichtung (nicht dargestellt), die in das keramische Material so eingebettet ist, dass ihre Position dem Erfassungsabschnitt 22 entspricht. Die Elektrodenanschlüsse sind an dem hinteren Endteil des Sensorelementes 21 ausgebildet und mit den jeweiligen Zuleitungen 71 zur Ausgabe von Signalen über den Erfassungsabschnitt 22 sowie zur Stromzufuhr zu der Heizeinrichtung verbunden. Die Elektrodenanschlüsse sind, obwohl in den Zeichnungen nicht dargestellt, im Allgemeinen länglich rechteckig geformt. Zwei oder drei Elektrodenanschlüsse sind nebeneinander an jeder von einander gegenüberliegenden Plattenflächen des hinteren Endteils des Sensorelementes 21 angeordnet.
Die Metallhülse 11 ist in einer zylindrischen Form mit unterschiedlichen Durchmessern in der axialen Richtung ausgebildet und enthält einen zylindrischen (ringförmigen) vorderen Endabschnitt 12, der mit kleinem Durchmesser ausgebildet ist und um den herum die zweischichtige Schutzeinrichtung mittels Schweißen befestigt wird. Ein Gewinde 13 mit größerem Außendurchmesser als der vordere Endabschnitt 12 ist an einer Außenumfangsfläche der Metallhülse 11 an einer hinteren Position in Bezug auf den vorderen Endabschnitt 12 vorhanden. Die Metallhülse 11 enthält des Weiteren einen polygonalen Abschnitt 14, der sich an der hinteren Seite in Bezug auf das Gewinde 13 befindet, und mit dem der Gassensor 1 an dem Auspuffrohr angebracht wird, indem das Gewinde 13 in das Anbringungsloch eingeschraubt wird, einen zylindrischen Abschnitt 15, der sich an der hinteren Seite in Bezug auf den polygonalen Abschnitt 14 befindet und um den herum die Schutzröhre 81 mittels Schweißen befestigt ist, sowie einen zylindrischen hinteren Endabschnitt 16, der sich an der hinteren Seite in Bezug auf den zylindrischen Abschnitt 15 befindet und dessen Außendurchmesser kleiner ist als der des zylindrischen Abschnitts 15, und dessen Dicke zum Bördeln bzw. Umschlagen geringer ist. In 1 ist der hintere Endabschnitt 16 der Metallhülse 11 mittels Bördeln radial nach innen gebogen. Des Weiteren weist die Metallhülse 11 eine Innenumfangsfläche 12b, die an ein vorderes Ende 12a des vorderen Endabschnitts 12 angrenzt, eine Innenumfangsfläche 18, die mit einem vergrößerten gleichmäßigen Innendurchmesser an einer hinteren Position in Bezug auf die Innenumfangsfläche 12b ausgebildet ist, sowie eine ringförmige, sich verjüngende Absatzfläche 17 auf, die sich zwischen den Innenumfangsflächen 12b und 18 befindet und deren Durchmesser sich nach vorn verringert. Ein Dichtungsring 19 ist auf eine vordere Fläche des polygonalen Abschnitts 14 aufgepasst und bildet, wenn der Gassensor 1 an dem Auspuffrohr angebracht wird, eine Dichtung zwischen dem Gassensor 1 und dem Auspuffrohr.
Der Halter 31 besteht aus einem isolierenden Material, z. B. Aluminiumoxid, in einer im Wesentlichen zylindrischen Form und ist in die Metallhülse 11 eingesetzt. Eine Außenumfangs-Kantenfläche 32b des Halters 32, die an die vordere Endfläche 32 angrenzt, verjüngt sich so, dass ihr Durchmesser nach vorn kleiner wird, so dass der Halter 31 durch Eingriff der Außenumfangs-Kantenfläche 32b des Halters 21 mit der ringförmigen Absatzfläche 17 der Metallhülse 11 in der Metallhülse 11 positioniert wird (siehe 2). Eine Außenumfangsfläche 34 des Halters 31 ist in Spielpassung in die Innenumfangsfläche 18 der Metallhülse 11 eingesetzt.
Das axiale Durchgangsloch 38 ist durch die Mitte des Halters 31 hindurch auf eine Achse G der Metallhülse 11 ausgerichtet ausgebildet und hat eine rechteckige Öffnung, die im Wesentlichen die gleichen Abmessungen hat wie der Querschnitt des Bereiches des Sensorelementes 21, der sich an der hinteren Seite in Bezug auf die poröse Schutzschicht 25 befindet, so dass der Bereich des Sensorelementes 21, der sich an der hinteren Seite in Bezug auf die poröse Schutzschicht 25 befindet, über das axiale Durchgangsloch 38 so eingeführt werden kann, dass nahezu kein Zwischenraum zwischen ihnen vorhanden ist.
Der Halter 31 weist des Weiteren einen vertieften Abschnitt 35 auf, der in einem Bereich der vorderen Endfläche 32 ausgebildet ist, der das axiale Durchgangsloch 38 umschließt, und der um eine vorgegebene Tiefe L1 von dem vorderen Ende 32 aus nach hinten vertieft ist. In der vorliegenden Ausführungsform ist der vertiefte Abschnitt 35, von der vorderen Endfläche 32 aus gesehen, kreisförmig und hat eine Innenumfangsfläche 36 koaxial zu der Außenumfangsfläche 34 des Halters 31 (siehe 5 bis 7). Ein Innendurchmesser D2 des vertieften Abschnitts 35 ist so festgelegt, dass der vordere Endteil des Sensorelementes 21 durch den vertieften Abschnitt 35 hindurchtritt und dabei ein Zwischenraum K zwischen der Innenumfangsfläche 36 des vertieften Abschnitts 35 und dem vorderen Endteil des Sensorelementes 21 (Schutzschicht 25) belassen wird (siehe 2, 5 und 6). Des Weiteren ist der Innendurchmesser D2 des vertieften Abschnitts 35 so festgelegt, dass er kleiner ist als ein Innendurchmesser D1 der zweischichtigen Schutzeinrichtung jedoch nahe daran liegt, und kleiner als ein Innendurchmesser D3 des vorderen Endabschnitts 12 der Metallhülse 11, der kleiner ist als ein Außendurchmesser des Halters 31 (siehe 1 bis 7). Eine Bodenfläche 37 des vertieften Abschnitts 35 (die einem vorderen Ende des axialen Durchgangslochs 38 entspricht) ist plan ausgebildet.
In der vorliegenden Ausführungsform wird das Sensorelement 21 über das axiale Durchgangsloch 38 des Halters 31 eingeführt, wobei das vordere Ende 23 des Sensorelementes 21 von der vorderen Endfläche 32 des Halters 31 und von dem vorderen Ende 12a der Metallhülse 11 nach vorn vorsteht, wie dies in 1 und 2 dargestellt ist. Das heißt, ein hinteres Ende 26 der porösen Schutzschicht 25 und seine Umgebung befinden sich im Inneren des vertieften Abschnitts 35, und das hintere Ende 26 der porösen Schutzschicht 25 liegt um eine entsprechende Länge L3 (siehe 2) an der hinteren Seite in Bezug auf das vordere Ende (vordere Endfläche 32) des Halters 31.
Bei diesem Aufbau kann die Vorsteh-Länge L4, um die das vordere Ende 23 des Sensorelementes 21 von dem vorderen Ende 32 des Halters 31 nach vorn vorsteht, selbst dann verringert werden (wie dies weiter unten ausführlich erläutert wird), wenn die axiale Länge L1 der porösen Schutzschicht 25 des Sensorelementes 21 die gleiche ist wie bei herkömmlichen Sensorelementen. Wenn die Vorsteh-Länge L4 um das Maß verringert wird, um das sich das hintere Ende 26 der porösen Schutzschicht 25 im Inneren des vertieften Abschnitts 35 befindet, kann die Gesamtlänge des Sensorelementes 21 verringert werden. Eine effektive Maßnahme zum Verringern der Länge des Sensorelementes 21 besteht darin, das hintere Ende 26 der porösen Schutzschicht 25 näher an der Bodenfläche 37 des vertieften Abschnitts 35 (d. h. dem vorderen Ende des axialen Durchgangslochs 38) zu positionieren. Das hintere Ende 26 der porösen Schutzschicht 25 kann sich so an der gleichen Position befinden wie die Bodenfläche 37 des vertieften Abschnitts 35 (d. h. es kann sich an dem vorderen Ende des axialen Durchgangslochs 38 befinden). Des Weiteren wird die Vorsteh-Länge L5, um die das vordere Ende 23 des Sensorelementes 21 von dem vorderen Ende 12a der Metallhülse 11 nach vorn vorsteht, vorzugsweise größer festgelegt als die Länge L3, um die das hintere Ende 26 der porösen Schutzschicht 25 an der hinteren Seite in Bezug auf die vordere Endfläche 32 des Halters 31 liegt, um schnelles Ansprechen zur Gaskonzentrationserfassung (Messung) zu erreichen.
Bei dem Gassensor 1 wird das Sensorelement 21 mit dem Halter 31 in der Metallhülse 11 über das Dichtungsmaterial 41, den Druckring 43 und die Ringscheibe 45 hermetisch fixiert, indem der hintere Endabschnitt 16 der Metallhülse 11 radial nach innen zur Vorderseite hin umgefalzt bzw. umgebogen wird und damit das Dichtungsmaterial 41 über den Druckring 43 und die Ringscheibe 45 axial zusammengedrückt wird, wie dies oben erwähnt ist.
Der vordere Endteil des Sensorelementes 21 ist, wie unter erneuter Bezugnahme auf 1 zu sehen ist, mit der zweischichtigen Schutzeinrichtung abgedeckt. Die zweischichtige Schutzeinrichtung enthält ein inneres Schutzelement (Schutzröhre) 51, das sich an einer inneren (am weitesten innen liegenden) Seite desselben befindet, und ein äußeres Schutzelement (Schutzröhre) 61, das sich in Bezug auf das innere Schutzelementes 51 außen befindet, wie dies in 1 und 2 dargestellt ist.
Das innere Schutzelement 51 hat die Form eines mit Boden versehenen Zylinders, dessen Durchmesser in drei Stufen von vorn nach hinten zunimmt. Ein zylindrischer hinterer Endabschnitt 55 mit großem Durchmesser des inneren Schutzelementes 51 ist um den vorderen Endabschnitt 12 der Metallhülse 11 (siehe 2) herum gepasst und daran angeschweißt. Ein zylindrischer Abschnitt 54 mit mittlerem Durchmesser des inneren Schutzelementes 51 weist eine zylindrische Wand 54a auf, die in axialer Richtung gleichmäßigen Durchmesser hat und deren Länge größer ist als die eines zylindrischen vorderen Endabschnitts 53 mit kleinem Durchmesser des inneren Schutzelementes 51. Eine Vielzahl in Umfangsrichtung beabstandeter Lüftungslöcher 56 (z. B. acht Lüftungslöcher) sind an einer Seite des hinteren Endes der zylindrischen Wand 54a an einer Position ausgebildet, die axial der porösen Schutzschicht 25 an dem vorderen Endteil des Sensorelementes 21 entspricht. Der Innendurchmesser D1 der zylindrischen Wand 54a des zylindrischen Abschnitts 54 mit mittlerem Durchmesser (d. h. der Innendurchmesser der zweischichtigen Schutzeinrichtung) ist genauso groß wie oder kleiner festgelegt als der Innendurchmesser D3 des vorderen Endabschnitts 12 der Metallhülse 11, ist jedoch größer festgelegt als der Innendurchmesser D2 des vertieften Abschnitts 35 des Halters 31, wie dies oben erwähnt ist. Auch in dem vorderen Endabschnitt 53 sind eine Vielzahl in Umfangsrichtung beabstandeter Lüftungslöcher 56 (beispielsweise vier Lüftungslöcher) ausgebildet.
Das äußere Schutzelement 61 hat die Form eines mit Boden versehenen Zylinders, dessen Durchmesser in zwei Stufen von vorn nach hinten zunimmt. Ein zylindrischer hinterer Abschnitt 65 mit großem Durchmesser des äußeren Schutzelementes 61 ist um den hinteren Endabschnitt 55 des inneren Schutzelementes 51 herum gepasst und an dem vorderen Endabschnitt 12 der Metallhülse 11 angeschweißt. Ein Innendurchmesser des hinteren Abschnitts 65 des äußeren Schutzelementes 61 ist so festgelegt, dass er genauso groß ist wie ein Außendurchmesser des hinteren Endabschnitts 55 des inneren Schutzelementes 51. Eine axiale Länge des hinteren Abschnitts 65 ist so festgelegt, dass eine Position des vorderen Endes des hinteren Abschnitts 65 axial einem vorderen Ende des zylindrischen Abschnitts 65 mit mittlerem Durchmesser und seiner Umgebung entspricht. Eine zylindrische Wand 65a des hinteren Abschnitts 65 ist so angeordnet, dass sie einen Teil der Lüftungslöcher 56 des inneren Schutzelementes 51 abdeckt, deren Position axial der porösen Schutzschicht 25 entspricht. Eine Vielzahl in Umfangsrichtung beabstandeter Lüftungslöcher 67 (z. B. acht Lüftungslöcher) sind an einer Seite des vorderen Endes des hinteren Abschnitts 55 ausgebildet. Ein Lüftungsloch 67 ist ebenfalls in der Mitte eines vorderen Endes des äußeren Schutzelementes 61 ausgebildet. Ein hinteres Ende eines zylindrischen vorderen Abschnitts 63 mit kleinem Durchmesser des äußeren Schutzelementes 61 ist um das vordere Ende des zylindrischen Abschnitts 54 mit mittlerem Durchmesser herum gepasst. Aufgrund dieser Anordnung strömt das Abgas von der stromauf liegenden Seite des Auspuffrohrs über die Lüftungslöcher 67 des äußeren Schutzelementes 61 und über die Lüftungslöcher 56 des inneren Schutzelementes 51 in den Innenraum der zweischichtigen Schutzeinrichtung, gelangt zu dem vorderen Endteil des Sensorelementes 21 und strömt dann über die Lüftungslöcher 56 des inneren Schutzelementes 51 sowie über die Lüftungslöcher 67 des äußeren Schutzelementes 61 zu der stromab liegenden Seite des Auspuffrohrs.
Die Quetschkontakte 75 sind, wie ebenfalls in 1 gezeigt, an den vorderen Enden der Zuleitungen 71 angebracht und werden durch ihre jeweilige Federwirkung an die Elektrodenanschlüsse 24 des Sensorelementes 21 gequetscht, um elektrische Verbindung zwischen den Elektrodenanschlüssen und den Zuleitungen 71 herzustellen. In der vorliegenden Ausführungsform ist ein Quetschkontakt-Halteelement 91 aus keramischem Material in die Schutzröhre 81 eingesetzt. Quetschkontakt-Aufnahmelöcher sind in dem Quetschkontakt-Halteelement 91 so ausgebildet, dass die Quetschkontakte 75 über die jeweiligen Quetschkontakt-Aufnahmelöcher in einander gegenüberliegender Anordnung gehalten werden. Des Weiteren ist ein ringförmiges Trageelement 80 in der Schutzröhre 81 so befestigt, dass radiale bzw. nach vorn gerichtete Bewegung des Quetschkontakt-Halteelementes 91 eingeschränkt wird.
Die Schutzröhre 81 besteht aus einem Metallmaterial in einer zylindrischen Form mit unterschiedlichen Durchmessern. Ein zylindrischer vorderer Endabschnitt 82 mit großem Durchmesser der Schutzröhre 81 ist um den zylindrischen Abschnitt 15 der Metallhülse 11 herum gepasst und daran angeschweißt, so dass der hintere Endteil des Gassensors 1 von der Schutzröhre 81 hermetisch abgedeckt wird.
Das Dichtungselement 85 besteht beispielsweise aus einem Gummimaterial und ist in einen zylindrischen hinteren Endabschnitt 83 mit kleinem Durchmesser der Schutzröhre 81 eingepasst. Zuleitungs-Einführlöcher sind in dem Dichtungselement 85 so ausgebildet, dass die Zuleitungen 71 über die jeweiligen Zuleitungs-Einführlöcher nach außen geführt werden. Das Dichtungselement 85 wird zusammengedrückt, indem der zylindrische hintere Endabschnitt 83 mit kleinem Durchmesser der Schutzröhre 81 radial nach innen umgebogen wird, so dass die hintere Endöffnung der äußeren Röhre 81 hermetisch verschlossen wird.
Dabei ist das Dichtungsmaterial 85 so angeordnet, dass ein hinteres Ende des Quetschkontakt-Halteelementes 91 zur stabilen Positionierung des Quetschkontakt-Halteelementes 91 und der Quetschkontakte 75 nach vorn gedrückt wird. Ein Flanschabschnitt 93 ist an einem Außenumfang des Quetschkontakt-Halteelementes 91 ausgebildet und wird von dem ringförmigen Trageelement 80 im Inneren der Schutzröhre 81 so getragen, dass das Quetschkontakt-Halteelement 91 eine Druckkraft von dem Dichtungsmaterial 85 aufnimmt.
Der Gassensor 1 der vorliegenden Ausführungsform ist, wie oben erwähnt, dadurch gekennzeichnet, dass der vertiefte Abschnitt 35 in dem Bereich der vorderen Endfläche 32 ausgebildet ist, der das axiale Durchgangsloch 38 umschließt, und er von der vorderen Endfläche 32 aus nach hinten vertieft ist, und dass das Sensorelement 21 durch den vertieften Abschnitt 35 so hindurchtritt, dass das hintere Ende 26 der porösen Schutzschicht 25 im Inneren des vertieften Abschnitts 35 liegt und sich an der Rückseite in Bezug auf die vordere Endfläche 32 des Halters 31 befindet und dabei ein Zwischenraum K zwischen der Innenumfangsfläche 36 des vertieften Abschnitts 35 und der Außenumfangsfläche der porösen Schutzschicht 25 aufrechterhalten wird (siehe 2, 5 und 6). Dadurch kann, selbst wenn die axiale Länge L1 der porösen Schutzschicht 25 des Sensorelementes 21 die gleiche ist wie die herkömmlicher Sensorelemente, die Vorsteh-Länge L4, um die das vordere Ende 23 des Sensorelementes 21 von der vorderen Endfläche 32 des Halters 31 vorsteht, um das Maß verringert werden, um das sich das hintere Ende 26 der porösen Schutzschicht 25 im Inneren des vertieften Abschnitts 35 befindet. Die Gesamtlänge des Sensorelementes 21 kann so mit einer derartigen Verringerung der Vorsteh-Länge verringert werden, um Kostenreduzierung und Energieeinsparung zu erzielen.
Des Weiteren befindet sich der vordere Endteil des Sensorelementes 21, der von der Bodenfläche 37 des vertieften Abschnitts 35 vorsteht (d. h. das vordere Ende des axialen Durchgangslochs 38) in einem Zustand, in dem es dem Abgas (Gas, das gemessen wird) ausgesetzt sein kann, auch wenn es sich teilweise im Inneren des vertieften Abschnitts 35 befindet. In der vorliegenden Ausführungsform entspricht die Länge dieses vorderen Endteils des Sensorelementes 21, der von der Bodenfläche des vertieften Abschnitts 35 vorsteht, der Länge, um die die vorderen Endteile herkömmlicher Sensorelemente vorstehen. Der Grad, in dem der Erfassungsabschnitt 22 des Sensorelementes 21 dem Abgas (Gas, das gemessen wird) ausgesetzt ist, kann so gesteuert werden, dass er den gleichen oder nahezu den gleichen Wert hat wie bei herkömmlichen Sensorelementen, um keine Beeinträchtigung des Erfassungsvermögens zu verursachen, indem die Bodenfläche 37 (Querschnitt) des vertieften Abschnitts 35 so groß wie möglich festgelegt wird und gewährleistet wird, dass die Länge des vorderen Endteils des Sensorelementes, der von der Bodenfläche des vertieften Abschnitts vorsteht, so groß ist wie die Länge, um die vordere Endteile herkömmlicher Sensorelemente vorstehen.
Mit der oben beschriebenen verbesserten Anbringungsstruktur ist es möglich, die Gesamtlänge des Sensorelementes 21 zu verringern, ohne dass die Erfassung beeinträchtigt wird, während gleichzeitig gewährleistet wird, dass der erforderliche Bereich zum Ausbilden der porösen Schutzschicht 25 an dem vorderen Endteil des Sensorelementes 21 vorhanden ist.
Des Weiteren sind das innere und das äußere Schutzelement 51 und 61 so an dem vorderen Endabschnitt 12 der Metallhülse 11 angebracht, dass die Lüftungslöcher 56, die in der zylindrischen Wand 54a des inneren Schutzelementes 51 an der Position ausgebildet sind, die axial der porösen Schutzschicht 25 entspricht, mit der zylindrischen Wand 65a des äußeren Schutzelementes 61 abgedeckt sind. Der Erfassungsabschnitt 22 des Sensorelementes 21 kann so wirkungsvoll vor Wasser geschützt werden, das in dem Abgas (Gas, das gemessen wird) enthalten ist. Da die Lüftungslöcher 56 in der zylindrischen Wand 54a des inneren Schutzelementes 51 an der Position ausgebildet sind, die axial der porösen Schutzschicht 25 entspricht, kann das Abgas (Gas, das gemessen wird), das im Inneren des äußeren Schutzelementes 61 strömt, über die Lüftungslöcher 56 des inneren Schutzelementes 51 ungehindert eingeleitet und mit dem Erfassungsabschnitt 25 in Kontakt gebracht werden. So können durch thermische Belastung aufgrund der Ablagerung von Wasser verursachte Beschädigung des Sensorelementes 21 sowie Beeinträchtigung des Erfassungsvermögens des Sensorelementes 21 effektiv verhindert werden.
Des Weiteren kann effektiv verhindert werden, dass sich das Abgas (Gas, das gemessen wird) in dem vertieften Abschnitt 35 im Inneren des inneren Schutzelementes 51 ansammelt, so dass es möglich ist, das Erfassungsvermögen des Sensorelementes 21 vorteilhaft zu verbessern, wenn die Abmessungsbedingung D1 > D2 gilt, wobei D1 der Innendurchmesser der zylindrischen Wand 54a des inneren Schutzelementes 51 an der Position ist, die der porösen Schutzschicht 25 entspricht, und D2 der Innendurchmesser der Innenumfangsfläche 36 des vertieften Abschnitts 35 ist.
Die Herstellung des Gassensors 1 mit dem oben beschriebenen Aufbau (einschließlich der Anbringung des Sensorelementes 21) wird im Folgenden erläutert.
Der hintere Endteil des Sensorelementes 21 wird, wie in 8 oben links gezeigt, über den Halter 31, das Dichtungsmaterial 41 und den Druckring 43 eingeführt. Die entstehende Teileinheit wird, wie unten links in 8 gezeigt, in die Metallhülse 11 eingeführt und darin eingesetzt. Die Ringscheibe 45 ist an einem hinteren Ende des Druckrings 43 im Inneren des Innenraums des hinteren Endabschnitts 16 der Metallhülse 11 angeordnet. In diesem Stadium steht das vordere Ende 23 des Sensorelementes 21 um ein entsprechendes Maß (Länge) vor.
Dann wird die Metallhülse 11 mit einer Vorrichtung 201, wie sie an der rechten Seite in 8 dargestellt ist, durch Kontakt einer nach vorn gewandten Fläche des polygonalen Abschnitts 14 der Metallhülse 11 mit einem Positionierabschnitt 205 der Vorrichtung 201 positioniert und in Position gehalten. Wenn der hintere Endabschnitt 16 der Metallhülse 11 mit einem Quetschwerkzeug 210 gebogen und zur Vorderseite hin radial nach innen gequetscht bzw. umgefalzt wird, werden das Dichtungsmaterial 41 und der Druckring 43 axial zusammengedrückt und damit der Halter 31, in den das Sensorelement 21 eingeführt ist, geschoben. So werden das Sensorelement 21, der Halter 31 usw. in der Metallhülse 11 fixiert, wobei das vordere Ende 23 des Sensorelementes 21 um die Länge L4 von der vorderen Endfläche 32 des Halters 31 vorsteht. Es ist anzumerken, dass das Dichtungsmaterial 41 und die isolierende Muffe 43, obwohl in den Zeichnungen nicht im Einzelnen gezeigt, jeweils ein längliches rechteckiges Loch haben, dessen Form dem Querschnitt des Sensorelementes 21 (in Richtung der Achse G gesehen) vor dem Zusammendrücken entspricht, wie dies bei dem Halter 31 der Fall ist.
Die wie oben beschrieben hergestellte Teilbaugruppeneinheit wird, wie in 9 gezeigt, zu einer Teilbaugruppeneinheit 101 der Vorderseite verarbeitet, indem die Schutzelemente 51 und 61 an die Metallhülse 11 angeschweißt werden und die Dichtung 19 auf die Metallhülse 11 aufgepasst wird, während eine Teilbaugruppeneinheit 102 der hinteren Seite hergestellt wird, indem die jeweiligen anderen strukturellen Komponenten des Sensors zusammengesetzt werden. Diese Teilbaugruppeneinheiten 101 und 102 werden zusammengesetzt, indem die Teilbaugruppeneinheiten 101 und 102 koaxial zueinander angeordnet werden und die Teilbaugruppeneinheit 101 in die Teilbaugruppeneinheit 102 eingepasst wird. Wenn der vorstehende hintere Endteil des Sensorelementes 21, an dem die Elektrodenanschlüsse 24 ausgebildet worden sind, zwischen den einander gegenüberliegenden Quetschkontakten 75 in dem Quetschkontakt-Halteelement 91 eingeführt wird, werden die Quetschkontakte 75 durch ihre jeweilige Federwirkung an die Elektrodenanschlüsse 24 gequetscht. Der zylindrische vordere Endabschnitt 82 mit großem Durchmesser der Schutzröhre 81 wird um den zylindrischen Abschnitt 15 der Metallhülse 11 herum gepasst. Der gesamte Umfang des Teils, in dem der vordere Endabschnitt 82 der Schutzröhre 81 und der zylindrische Abschnitt 15 der Metallhülse 11 einander überlappen, wird dann Laserschweißen unterzogen. Damit ist der Gassensor 1 in 1 fertiggestellt.
Der gesamte Inhalt der japanischen Patentanmeldungen Nr. 2013-106474 (eingereicht am 20. Mai 2013) sowie Nr. 2013-239722 (eingereicht am 20. November 2013) wird hiermit durch Verweis einbezogen.
Obwohl die vorliegende Erfindung unter Bezugnahme auf die oben aufgeführte spezielle Ausführungsform beschrieben worden ist, ist die vorliegende Erfindung nicht auf diese spezielle Ausführungsform beschränkt. Verschiedene Abwandlungen und Veränderungen können an der oben beschriebenen Ausführungsform vorgenommen werden, ohne vom Schutzumfang der vorliegenden Erfindung abzuweichen.
Beispielsweise sind in der oben beschriebenen Ausführungsform sowohl die Außenumfangsfläche 34 des Halters 31 als auch die Innenumfangsfläche 36 des vertieften Abschnitts 35, von der vorderen Endfläche 32 aus gesehen, kreisförmig. Dadurch ergibt sich gleichmäßige Wanddicke, und es wird, wenn der Halter 31 aus keramischem Material besteht, möglich, wirkungsvoll Sinterverformung oder Spannungskonzentration des keramischen Materials zu verhindern. Der vertiefte Abschnitt 35 kann als Alternative dazu so ausgebildet sein, dass die Innenumfangsfläche 36 des vertieften Abschnitts 35, wie in 10 gezeigt, von der vorderen Endfläche 32 aus gesehen, polygonal (rechteckig) geformt ist. In diesem Fall erhält der Halter 31 (vertiefter Abschnitt 35) vorteilhafterweise eine Form, bei der Gleichmäßigkeit der Wanddicke gewährleistet ist, um die Festigkeit zu verbessern und Verformung usw. zu verhindern.
Die Form des Sensorelementes 21 ist nicht auf die der oben beschriebenen Ausführungsform beschränkt. Obwohl das Sensorelement 21 in der oben beschriebenen Ausführungsform im Querschnitt rechteckig ist, kann das Sensorelement 21 als Alternative dazu in jeder beliebigen anderen Querschnittsform, wie beispielsweise quadratischem Querschnitt, ausgebildet sein. Des Weiteren kann das Sensorelement 21 als Alternative dazu in einer Stangenform ausgebildet sein.
In der oben beschriebenen Ausführungsform ist die vorliegende Erfindung als der Breitband-Sauerstoffsensor ausgeführt. Die vorliegende Erfindung ist jedoch nicht auf einen derartigen Sauerstoffsensor beschränkt und kann bei verschiedenen Typen von Gassensoren eingesetzt werden.
Der Schutzumfang der Erfindung wird durch die folgenden Patentansprüche definiert.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

JP 2012-189579 [0003]
JP 2013-106474 [0060]

Claims

Gassensor (1), der umfasst: eine zylindrische Metallhülse (11), die in einer axialen Richtung des Gassensors (1) angeordnet ist; einen Halter (31), der in die Metallhülse (11) eingesetzt und mit einem axialen Durchgangsloch (38) versehen ist; und ein längliches plattenförmiges oder stangenförmiges Sensorelement (21), das über das axiale Durchgangsloch (38) des Halters (31) eingeführt ist, wobei ein vorderes Ende des Sensorelementes (31) von einer vorderen Endfläche (32) des Halters (31) nach vorn vorsteht, das Sensorelement (21) an einem vorderen Endteil desselben einen Erfassungsabschnitt (22) aufweist, der mit einer porösen Schutzschicht (25) überzogen ist, die poröse Schutzschicht (25) an einem vorgegebenen Bereich (L1) von dem vorderen Ende des Sensorelementes (21) zum hinteren Teil hin ausgebildet ist und ein hinteres Ende (26) hat, das sich an einer vorderen Seite in Bezug auf ein vorderes Ende des axialen Durchgangslochs (38) des Halters (31) befindet, der Halter (31) einen vertieften Abschnitt (35) aufweist, der in einem Bereich ausgebildet ist, der, von der vorderen Endfläche (32) des Halters (31) aus gesehen, das axiale Durchgangsloch (38) umschließt; der vertiefte Abschnitt (35) von der vorderen Endfläche (32) des Halters (31) zum hinteren Teil hin vertieft ist; und das Sensorelement (21) so durch den vertieften Abschnitt (35) hindurchtritt, dass das hintere Ende (26) der porösen Schutzschicht (25) innerhalb des vertieften Abschnitts (35) des Halters (31) liegt, sich an einer hinteren Seite in Bezug auf die vordere Endfläche (32) des Halters (31) befindet und dabei ein Zwischenraum (K) zwischen einer Innenumfangsfläche (36) des vertieften Abschnitts (35) und einer Außenumfangsfläche der porösen Schutzschicht (25) belassen wird.
Gassensor (1) nach Anspruch 1, wobei sowohl eine Außenumfangsfläche (34) des Halters als auch die Innenumfangsfläche (36) des vertieften Abschnitts (35), von der vorderen Endfläche (32) des Halters (31) aus gesehen, kreisförmig sind.
Gassensor (1) nach Anspruch 2, der des Weiteren eine mehrschichtige Schutzeinrichtung (51, 61) umfasst, die an der Metallhülse (11) so angebracht ist, dass sie den vorderen Endteil des Sensorelementes (21) umgibt, und dabei ein Zwischenraum zwischen der mehrschichtigen Schutzeinrichtung (51, 61) und dem vorderen Endteil des Sensorelementes (21) belassen wird, wobei die mehrschichtige Schutzeinrichtung ein inneres Schutzelement (51), das sich an ihrer am weitesten innen liegenden Seite befindet, und ein äußeres Schutzelement (61) enthält, das sich in Bezug auf das innere Schutzelementes außen befindet, das innere Schutzelement (51) eine zylindrische Wand (54a) hat, in der Lüftungslöcher (56) an einer Position der axialen Richtung ausgebildet sind, die der porösen Schutzschicht (25) entspricht; das äußere Schutzelement (61) eine zylindrische Wand (65a) hat, die so angeordnet ist, dass sie die Lüftungslöcher (56) des inneren Schutzelementes (51) abdeckt; und für den Gassensor (1) die Bedingung D1 > D2 gilt, wobei D1 ein Innendurchmesser der zylindrischen Wand (54a) des inneren Schutzelementes (51) an der Position ist, die in der axialen Richtung der porösen Schutzschicht (25) entspricht, und D2 ein Innendurchmesser des vertieften Abschnitts (35) ist.
Gassensor (1) nach Anspruch 3, wobei die Metallhülse (11) einen ringförmigen vorderen Endabschnitt (12), dessen Innendurchmesser kleiner ist als ein Außendurchmesser des Halters (31), sowie eine ringförmige Absatzfläche (17) aufweist, die sich an einer hinteren Seite in Bezug auf eine Innenumfangsfläche (12b) des ringförmigen vorderen Endabschnitts (12) befindet; der Halter (31) in der Metallhülse (11) durch Eingriff der vorderen Endfläche (32) des Halters (31) an der ringförmigen Absatzfläche (17) der Metallhülse (11) in Position gehalten wird; und für den Gassensor (1) die Bedingung D3 > D2 gilt, wobei D3 der Innendurchmesser des ringförmigen vorderen Endabschnitts (12) ist.
Gassensor (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei das vordere Ende (23) des Sensorelementes von einem vorderen Ende (12a) der Metallhülse (11) nach vorn vorsteht; und für den Gassensor (1) die Bedingung L5 > L3 gilt, wobei L5 eine Vorsteh-Länge ist, um die das vordere Ende (23) des Sensorelementes (21) von dem vorderen Ende (12a) der Metallhülse (11) nach vorn vorsteht; und L3 eine Länge ist, um die das hintere Ende (26) der porösen Schutzschicht (25) an einer hinteren Seite in Bezug auf die vordere Endfläche (32) des Halters (31) liegt.