JP2000509824A - 測定センサ及び測定センサを製造する方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 本発明は、測定センサ、特に燃焼機関の排ガス中における酸素含有量を測定するための測定センサ、及び測定センサを製造する方法に関する。測定センサは、金属製のケーシング（１０）の長手方向孔（１６）内に配置された、センサエレメント（１２）のための受容体を有しており、該受容体内にセンサエレメント（１２）がセンサエレメントシール装置を用いてガス密に受容されていて、該センサエレメントシール装置がガラス製シール部材を有している。受容体は、測定ガス側のセラミック成形体（２０）と接続側のセラミック成形体（２７）とを有しており、両セラミック成形体（２０，２７）は軸方向で相前後して位置するように配置されている。両セラミック成形体（２０，２７）の間には中空室（５５）が形成されていて、該中空室内においてガラス製シール部材（５７）が熱間プレスされている。

Description

【発明の詳細な説明】 測定センサ及び測定センサを製造する方法 背景技術 本発明は、請求項１の上位概念部に記載の測定センサに関する。米国特許第５ ４６７６３６号明細書に基づいて公知のこのような形式の測定センサでは、平面 的なつまり扁平なセンサエレメントが、排ガス側の下側のセラミック成形体の貫 通孔にシールエレメントを用いてガス密に固定されている。排ガス側のセラミッ ク成形体は、排ガスとは反対側の端面に凹設部を有しており、この凹設部は貫通 孔を取り囲んでいて、この凹設部にはガラス製シール部材が挿入されている。ガ ラス製シール部材には別のセラミック成形体が載着されており、このセラミック 成形体は金属ろう接結合を用いてケーシングと結合されている。ガラス製シール 部材はセンサエレメントを凹設部の内部において取り囲んでおり、この箇所にお いてセラミック成形体とセンサエレメントとの間におけるガス密な結合部を生ぜ しめている。 本発明の利点 請求項１の特徴部に記載の本発明による測定センサは、扁平なセンサエレメン トと両セラミック結合体との機械的に安定的でかつガス密な結合が可能であると いう利点を有している。これによって得られる、センサエレメントの気密なシー ル部は、振動に対して大きな強度を有しているので、自動車における測定センサ の使用中に、使用期間にわたって機械的に安定的な気密な、センサエレメントの 固定を達成することができる。本発明による方法は、センサエレメントのガス密 な固定部の合理的な製造を可能にする。 従属請求項に記載の手段によって、本発明によるセンサ装置及びセンサ装置を 製造する方法の別の有利な構成が可能である。センサエレメントとセラミック成 形体との間における特に機械的に安定的でかつガス密な結合は、ガラス製シール 部材がセンサエレメントを可能な限り大きな面積で覆っていて、しかしながら測 定センサの後での運転時に高い熱負荷を受ける前方領域に向かってあまり突出し ていない場合に、達成される。ガラス製シール部材の前で測定ガス側にパウダ状 の付加シール部材を配置することによって、溶融プロセスもしくは封着プロセス 時に、高い熱負荷を受けるセンサエレメントの前方領域にガラス流が侵入するこ とが阻止される。両方のセラミック成形体が互いに向かい合っている端面に、母 型とプランジャの形で形成されていて、これによって互いに作用し合うようにな っていると、製造プロセスのために有利である。このようになっていると、ガラ ス製シール部材及び場合によっては挿入されるパウダ状の付加シール部材を、セ ラミック成形体のジオメトリの利用下でプレスすることが可能になる。母型とプ ランジャとの間における間隙の形成には、ガラス製シール部材がプレス時にこの 間隙内に逃げることができるという利点がある。これによって、高いプレス力に よって作業を行うことが可能になる。同時に、セラミック成形体の両端面が互い に衝突することが回避される。付加的に、セラミック成形体の間のリング間隙に 別のガラス製シール部材もしくはリング状の金属シート又は金属プレートを挿入 することが可能であり、このようなシール部材もしくは金属シート又は金属プレ ートによって、両セラミック部分の形状結合的な（formschluessig）つまり形状 によって束縛された結合部が得られる。 図面 次に図面に示された３つの実施例に基づいて本発明を説明する。 第１図は、本発明による測定センサの断面図であり、 第２図は、シール部材を製造する装置と共に、塞がれていない状態における、 センサエレメントのためのセンサエレメントシール装置の第１実施例を示す図で あり、 第３図は、塞がれていない状態におけるセンサエレメントシール装置の第２実 施例を示す図であり、 第４図は、塞がれていない状態におけるセンサエレ メントシール装置の第３実施例を示す図である。 実施例 第１図に示された測定センサは、燃焼機関の排ガス中における酸素含有量を測 定するための電気化学式の測定センサである。測定センサは金属製のケーシング １０を有しており、このケーシング１０内には、測定ガス側の端部区分１３と接 続側の端部区分１４とを備えた薄片状のセンサエレメント１２が配置されている 。ケーシング１０は、図示されていない排ガス管への取付けのための固定手段と してねじ山を備えて形成されている。ケーシング１０内にはさらに、例えば第１ の肩部状のリング面１７と第２の肩部状のリング面１８とを備えた長手方向孔１ ６が配置されている。 長手方向孔１６には測定ガス側のセラミック成形体２０が配置されていて、こ のセラミック成形体２０は、測定ガス側の貫通孔２４と測定ガス側の端面２１及 び接続側の端面２２とを備えている。測定ガス側の端面２１は円錐形に延びるシ ール座２３を備えて形成されていて、このシール座２３は、第２の肩部状のリン グ面１８に載置された金属製のシールリング２５に載っている。測定ガス側のセ ラミック成形体２０の上には、接続側の貫通孔３０と測定ガス側の端面２８及び 接続側の端面２９とを備えた接続側のセラミック成形体２７が配置されている。 接続側のセラミック成形体２７の接続側の端面２９ には、機械的なプレロード（Vorspannung）下にある皿ばね３１が載置されてお り、この皿ばね３１は管状の保持キャップ３２を用いて、ケーシング１０から突 出している接続側のセラミック成形体２７を押圧し、この場合保持キャップ３２ は係止突起３４を用いて、ケーシング１０の外面に配置されたリング溝３３に係 合している。保持キャップ３２及び皿ばね３１を用いて両セラミック成形体２０ ，２７は、軸方向においてプレロードをかけられており、その結果測定ガス側の セラミック成形体２０は円錐形のシール座２３でシールリング２５を押圧する。 これによってケーシング１０とセラミック成形体２０との間には、ガス密なつま りガスを通さないシール座が形成される。 ケーシングから突出する測定ガス側の端部区分１３は、例えば、ガス流入流出 開口３８を備えた二重壁の保護管３７によって、間隔をおいて取り囲まれている 。接続側の端部区分１４においてセンサエレメント１２は、コネクタプラグ４１ を用いて接続ケーブル４２と接触接続されている接点（図示せず）を有している 。接続プラグ４１は例えば、緊締部材４３を用いてまとめられる２つのセラミッ ク部材から成っている。接続側のセラミック成形体２７から突出している、セン サエレメント１２の接続側の端部区分１４は、金属スリーブ４５によって取り囲 まれており、この金属スリーブ４５はケーシング１０とガス密に溶接されていて 、管状の開口４７を有しており、この開口４７には、接続ケーブル４２を貫通さ せるためのケーブル貫通孔４８が設けられている。 測定ガス側のセラミック成形体２０は接続側の端面２２に、測定ガス側の貫通 孔２４を取り囲むプランジャ形の付加部５１を有している。接続側のセラミック 成形体２７は、測定ガス側の端面２８に凹設部５２を有しており、この凹設部５ ２にはプランジャ形の付加部５１が半径方向間隙５３をおいて進入している。プ ランジャ形の付加部５１の端面と凹設部５３の底部との間には、中空室５５が形 成されており、この中空室５５はガラス製シール部材５７によって満たされてい る。また、プランジャ形の付加部５１を接続側のセラミック成形体２７に形成し て、凹設部５２を測定ガス側のセラミック成形体２０に形成することも可能であ る。 ガラス製シール部材５７は、セラミック成形体２０，２７におけるセンサエレ メント１２の気密なシールを実現する。プランジャ形の付加部５１と凹設部５２ との寸法は、測定ガス側のセラミック成形体２０と接続側のセラミック成形体２ ７との互いに向かい合うリング面の間にリング間隙５９が形成されるように、設 定されている。このリング間隙５９は、ガラス製のシール部材５７の封着ガラス （Einschmelzglas）がプレス時に半径方向間隙５３を介してリング間隙５９内に 逃げることができるようにするために、役立つ。 ガラス製シール部材５７としては、例えばＬｉ-Ａｌ-ケイ酸塩ガラス又はＬｉ -Ｂａ-Ａｌ-ケイ酸塩ガラスのような封着ガラスが適している。封着ガラスには 、溶融ガラス（Glasschmelze）の流動特性を改善することができる添加剤を加え ることができる。 添加剤としては、接合プロセス時におけるガラス製シール部材５７の可塑化を 目的として、銅、アルミニウム、鉄、真鍮、グラファイト、窒化ホウ素、ＭｏＳ₂ 又はこれらの物質の混合物のような粉状の物質を使用することができる。ガラ ス製シール部材５７のためのフラックスとしては、例えばＬｉ-炭酸塩、Ｌｉ-石 鹸、ホウ砂又はホウ酸を使用することができる。熱膨張を合わせるためには、Ａ ｌ-窒化物、Ｓｉ-窒化物、Ｚｒ-タングステン酸塩又はこれらの物質の混合物の ような補償充填剤を添加することが望ましい。また、ガラス製シール部材５７と セラミック成形体２０，２７のセラミックとの結合をさらに改善するためには、 ガラス製シール部材５７にＡｌ-リン酸塩又はＣｒ-リン酸塩のようなセラミック の結合剤を添加することができる。 ガラス製シール部材５７によってセンサエレメント１２を広い面積にわたって 湿らすために、図示の実施例では、測定ガス側の貫通孔２４の側面及びセラミッ ク成形体２０，２７の接続側の貫通孔３０の側面は、 中空室５５に向かってそれぞれ円錐形に延びる拡大部６１を備えて形成されてい る（第２図、第３図及び第４図）。 ガラス製シール部材５７を製造する各１つの装置によって塞がれていない状態 におけるセンサエレメントシール装置の３つの実施例が、第２図、第３図及び第 ４図に示されている。 装置は、受容部７１及びストッパ７２とを備えていて母型として働く保持体７ ０を有している。受容部７１内には、貫通孔２４，３０内にセンサエレメント１ ２を受容したセラミック成形体２０，２７が位置決めされている。センサエレメ ント１２の軸方向位置はこの場合ストッパ７２によって所定され、この場合セン サエレメント１２は測定ガス側の端部区分１３で、ストッパ７２に当接している 。まず初めに測定ガス側のセラミック成形体２０がセンサエレメント１２と共に 受容部７１に挿入される。プランジャ形の付加部５１の端面には、例えばガラス ピル又はガラスシートの形のガラス半製品６３が載せられ、この場合ガラス半製 品６３は開口を有していて、この開口によってガラス半製品６３はセンサエレメ ント１２に嵌められる。次いで接続側のセラミック成形体２７がガラス半製品６ ３に載せられ、この場合センサエレメント１２の接続側の端部区分１４は貫通孔 ３０を貫いて突出している。上に述べた配置状態において、接続側のセラミック 成形体２７にはプレスラム７４を用いて、例えば６００ｋｐのプレス力が加えら れる。しかしながら予め、ガラス半製品３２は、例えば保持体７０に設けられた 加熱装置を用いて、使用される封着ガラスもしくはガラスセラミックの軟化温度 よりも高い温度に加熱されている。プレス時に、流動性のガラス半製品６３は変 形し、この際に円錐形の拡大部６１及び半径方向間隙５３内に押し込まれる。半 径方向間隙５３を越えて流れる封着ガラスは、この際に端面側のリング間隙５９ 内に逃げることができる。 第２実施例は第３図に示されている。この実施例が第１図に示された実施例と 異なっている点は、リング間隙５９に別のリング状のガラス半製品６４が挿入さ れていることである。流動性の別のガラス半製品６４は、プレス時にガラス半製 品６３のように変形され、その結果リング間隙５９は付加的に別のガラスシール 部材によってシールされる。 センサエレメントシール装置の別の実施例は、第４図に示されている。この実 施例では測定ガス側においてガラス半製品６３の下に、予めプレスされた又は場 合によっては予め焼結された別の半製品６５が配置されている。この別の半製品 ６５のための材料としては、タルク、カオリン、クレー、ベントナイト、グラフ ァイト、窒化ホウ素及びこれに類した、良好に塑性変形可能な物質が、特に適し ている。ラム７４の作用時 に、流動性のガラス半製品６３がプレスされると、同時に半製品６５はそのパウ ダ成分に変形させられ、その結果パウダ状の付加シール部材が生ぜしめられる。 そしてこの場合パウダは、封着ガラスが流入する前に、円錐形の拡大部６１に成 形された測定ガス側の貫通孔２４の間隙に進入するので、その結果、セラミック 成形体２０の、熱によって高負荷される測定ガス側の端部に向かって、封着ガラ スが流れることは阻止される。 第３図及び第４図に示された装置は、第２図に示された装置に相当している。 第４図に示されたガラス製シール部材５７を製造する方法は、第２図の装置によ って実現される方法によって実施することができる。しかしながらまた、まず初 めに別の半製品６５をラムを用いてパウダに変形させ、センサエレメントと測定 ガス側の貫通孔との間の間隙に押し込み、次いでガラス半製品６３を第２図に示 された作業形式に基づいてプレスすることも可能である。さらにまた、第３図に 示された実施例におけるようにリング間隙５９に別のガラス半製品を配置して、 第４図に示したセンサエレメントシール装置の別の実施例も可能である。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 ヘルムート ヴァイル ドイツ連邦共和国 Ｄ―71701 シュヴィ ーバーディンゲン ペーター ファオ コ ブレンツ 34 (72)発明者 ハンス―マーティン ヴィーデンマン ドイツ連邦共和国 Ｄ―70195 シュツツ トガルト ブルックナーシュトラーセ 20

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 1. 測定センサ、特に燃焼機関の排ガス中における酸素含有量を測定するための 測定センサであって、金属製のケーシングの長手方向孔内に配置された、センサ エレメントのための受容体が設けられており、該受容体内にセンサエレメントが センサエレメントシール装置を用いてガス密に受容されていて、該センサエレメ ントシール装置がガラス製シール部材を有している形式のものにおいて、センサ エレメント（１２）のための受容体が、測定ガス側のセラミック成形体（２０） と接続側のセラミック成形体（２７）とを有しており、両セラミック成形体（２ ０，２７）の間に中空室（５５）が形成されていて、該中空室（５５）内におい てガラス製シール部材（５７）が熱間プレスされていることを特徴とする測定セ ンサ。 2. 測定ガス側のセラミック成形体（２０）と接続側のセラミック成形体（２７ ）とが、軸方向で相前後するように配置されており、一方のセラミック成形体（ ２０）がプランジャ形の付加部（５１）を有し、他方のセラミック成形体（２７ ）が凹設部（５２）を有しており、中空室（５５）が凹設部（５２）内に形成さ れている、請求項１記載の測定センサ。 3. プランジャ形の付加部（５１）が測定ガス側のセ ラミック成形体（２０）に形成され、凹設部（５２）が接続側のセラミック成形 体（２７）に形成されている、請求項２記載の測定センサ。 4. プランジャ形の付加部（５１）が凹設部において半径方向間隙（５３）によ って取り囲まれている、請求項２又は３記載の測定センサ。 5. ガラス製シール部材（５７）が、Ｌｉ-Ａｌ-ケイ酸塩ガラス又はＬｉ-Ｂａ- Ａｌ-ケイ酸塩ガラスを含有している、請求項１記載の測定センサ。 6. ガラス製シール部材（５７）がガラス成分の他に、可塑化剤、フラックス、 充填剤のような添加物質又はこれらの添加物質の混合物を含有している、請求項 １又は５記載の測定センサ。 7. 可塑化剤が、銅、アルミニウム、鉄、真鍮、グラファイト、窒化ホウ素、Ｍ ｏＳ₂又はこれらの物質の混合物のような物質である、請求項６記載の測定セン サ。 8. セラミック成形体（２０，２７）がセンサエレメント（１２）を受容するた めに、軸方向に延びる各１つの貫通孔（２４，３０）を有しており、セラミック 成形体（２０，２７）の貫通孔（２４，３０）の少なくとも１つが、中空室（５ ５）に向かって広がる拡大部（６１）を備えて形成されている、請求項１記載の 測定センサ。 9. 少なくとも測定ガス側のセラミック成形体（２０ ）に、センサエレメントシール装置がガラス製シール部材（５７）に加えて、少 なくとも１つのパウダ状のシールパックを有している、請求項１記載の測定セン サ。 10．パウダ状のシールパックが、強く熱負荷される側においてガラス製シール部 材（５７）に隣接して、中空室（５５）内に配置されている、請求項９記載の測 定センサ。 11．パウダ状のシールパックがセラミックから成っている、請求項１０記載の測 定センサ。 12．パウダ状のシールパックが、ステアタイト、グラファイト、窒化ホウ素、Ａ ｌ₂Ｏ₃、ＺｒＯ₂又はこれらの物質の混合物から成っている、請求項９から１１ までのいずれか１項記載の測定センサ。 13．請求項１から１２までのいずれか１項記載の測定センサを製造する方法であ って、２つのセラミック成形体の間にガラス半製品を挿入し、該ガラス半製品を 、少なくとも使用されるガラスもしくは使用されるガラスセラミックの軟化温度 に相当する温度で、熱間プレスしてガラス製シール部材を形成することを特徴と する、測定センサを製造する方法。 14．ガラス半製品（６３）をプレスするプレス力が４００〜７００キロポンドで ある、請求項１２記載の方法。 15．測定ガス側のセラミック成形体、センサエレメン ト、ガラス半製品、接続側のセラミック成形体及び場合によってはパウダ状のシ ールパックを、組み立てられた状態で母型に挿入し、ガラス半製品を母型におい て少なくとも軟化温度に加熱し、次いでラムを用いて接続側のセラミック成形体 にプレス力を加える、請求項１３又は１４記載の方法。