JP2000514927A - ガス測定検知器用のセンサ素子パッキン - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 本発明は、特に燃焼機関の排ガス中の酸素含有量を測定するための測定検知器を提案する。該測定検知器は、基準ガス室寄りのケーシング部分（３５）を有するケーシング（１０）内に配置されたセンサ素子（１２）と、基準ガス室（５３）を気密に測定ガス室（５２）から隔離するセンサ素子パッキン（１９）とを装備している。基準ガス室寄りの前記ケーシング部分（３５）の内部には、前記センサ素子（１２）の縦方向一区分を包囲するスリーブ（４０）が設けられており、該スリーブは、前記センサ素子パッキン（１９）用の収容部（４１）を形成している。

Description

【発明の詳細な説明】 ガス測定検知器用のセンサ素子パッキン 技術分野： 本発明は、請求項１に記載した形式の測定検知器に関する。 背景技術： セラミック成形部材内にプレーナ形センサ素子をセンサ素子パッキンによって ガス密に位置固定した形式の測定検知器が米国特許第５４６７６３６号明細書に 基づいて公知である。センサ素子パッキンはガラスパッキンであり、該ガラスパ ッキンは、排ガス側のセラミック成形部材に形成されていてセンサ素子を包囲す る凹設部内への溶封ガラスとして設けられており、これによって基準ガス室を測 定ガス室から仕切っている。 別の測定検知器が米国特許第４５９６１３２号明細書に基づいて公知であり、 この場合センサ素子は、金属ケーシングの基準ガス室側ケーシング部分内に直接 、センサ素子パッキンによって固定されている。センサ素子パッキンは、センサ 素子の基準ガス室側端部を、接点接続される接続ケーブルと一緒に封じ込める溶 封ガラスによって形成される。この場合センサ素子は基準雰囲気なしで働く。 発明の開示： 請求項１の特徴部に記載した構成手段を備えた本発明の測定検知器は、センサ 素子のガス密にしてベンジン耐性の確実なシールが得られるという利点を有して いる。この測定検知器は、組立技術の点から見て構造が単純であり、その点から 見て手頃なコストで製作することができる。基準ガス側で供用される構造空間は 、センサ素子パッキンを、高熱排ガスからできるだけ隔てて配置するために使用 される。これによってセンサ素子パッキンとセンサ素子の固体電解質との異なっ た熱膨張係数並びに、センサ素子の固体電解質とのセンサ素子パッキンの反応挙 動が影響を受けることが少ないので、高温度の場合でも温度が交番変換する場合 でも、全使用期間にわたって亀裂のない確実なセンサ素子パッキンが得られる。 請求項２以降に記載した手段によって、本発明の測定検知器を有利に構成かつ 改良することが可能である。特にガス密にしてベンジン耐性のセンサ素子パッキ ンは、ガラスパッキンによって得られ、その場合このガラスパッキンは溶封（封 着）ガラスとして収容部内へ挿入される。該ガラスパッキンへ向かって流れる熱 流をなお一層制限する手段は、セラミック成形部材とガラス溶封部との間に配置 された熱絶縁体によって得られ、該熱絶縁体は熱伝導不良の材料から成っている 。その場合、圧力作用を受けて粉末パッケージに変形 される前焼結の施されたステアタイトリングを挿入するのが特に合目的的である と判った。更に又、セラミック成形部材とセンサ素子と金属インナースリーブと ガラスパッキンとから成る予め組立てられた構成群の使用を可能にする有利な実 施形態は、セラミック成形部材とケーシングとの間に、前焼結の施された別のス テアタイトリングが挿入され、該ステアタイトリングが圧縮によって前記セラミ ック成形部材をケーシング内に位置決めする点にある。 予め組立てられた構成群による別の有利な実施形態は、ケーシング内にセンサ 素子を前位置決めすることによって得られる。その場合センサ素子は、センサ素 子パッキンの製作前に、２つのセラミック成形部材間に形成される粉末パッケー ジによって位置決めされる。この粉末パッケージは、溶封ガラスの製作時に発生 する熱伝導に対する絶縁体として作用すると同時に付加的な一次パッキンとして 作用する。従ってセンサ素子パッキンと粉末パッケージとから成るパッキンユニ ットは、二重に作用するパッキンを形成しており、この二重作用パッキンは付加 的に、測定検知器の連続使用に有利に作用する。またこの実施形態の利点は、次 いで製作されるセンサ素子パッキンに対して、いかなる組立力も作用しないこと である。 また溶封ガラス内に、センサ素子を包囲するセラミック成形部材が挿入され、 しかも該セラミック成形部 材が、センサ素子の固体電解質にほぼ合致する熱膨張係数を有しているようにす ることによって、センサ素子の固体電解質の熱膨張係数と溶封ガラスの熱膨張係 数との影響を更に減少させることが可能になる。 図面の簡単な説明： 図１は本発明による測定検知器の縦断面図である。 図２は第２実施例による本発明の測定検知器の部分縦断面図である。 図３は第３実施例によるセンサ素子パッキンの縦断面図である。 図４は第４実施例によるセンサ素子パッキンの縦断面図である。 実施例の説明： 次に図面に基づいて本発明の実施例を詳説する。 図１に示した測定検知器は、燃焼機関の排ガス中の酸素含有量を測定するため の電気化学的なガス測定検知器である。該測定検知器は金属製のケーシング１０ を有し、該ケーシング内には、測定ガス寄り終端区分１３と基準ガス室寄り終端 区分１４とを有する小板状のセンサ素子１２が配置されている。ケーシング１０ はねじ山を介して、図示を省いた排気管内に挿入される。また前記ケーシング１ ０内には、例えば肩形のリング面１７を有する縦方向孔１６が形成されている。 縦方向孔１６内には、前記センサ素子１２用の貫通路２１を有するセラミック 成形部材２０が配置されて いる。該セラミック成形部材２０は測定ガス寄り端面２２と基準ガス室寄り端面 ２３を有している。測定ガス寄り端面２２は例えば円錐形状に延びるリング面２ ４を有するように形成されており、該リング面２４は前記の肩形のリング面１７ に座着している。ケーシング１０から突出する測定ガス寄り終端区分１３は、測 定ガス室５２内に入り込んでおり、かつ例えば複数のガス出入オリフィス２８を 有する二重壁形の保護管２７によって間隔をおいて包囲されている。 センサ素子１２の基準ガス室寄り終端区分１４は、基準ガス室寄りケーシング 部分を成す金属アウタースリーブ３５によって包囲されており、この金属アウタ ースリーブは管状開口部３６を有し、該管状開口部内には、例えばポリテトラフ ルオロエチレン（ＰＴＦＥ）から成るケーブル通しブッシング３８が配置されて いる。該ケーブル通しブッシング３８は金属アウタースリーブ３５によってガス 密にかしめられている。ケーブル通しブッシング３８を通って接続ケーブル３２ がガイドされている。金属アウタースリーブ３５は、円環状の溶接シーム３９に よって金属製のケーシング１０とガス密に溶接されている。金属アウタースリー ブ３５の内部には基準ガス室５３が形成されている。該基準ガス室５３内には、 例えば空気がセンサ素子１２の図示を省いた基準電極用の基準雰囲気として、例 えばケーブル通しブッシング３８を介して導入される 。また基準ガス室寄り終端区分１４にセンサ素子１２は接点（図示せず）を有し 、該接点は接点プラグ３０によって接続ケーブル３２と接点接続されている。 金属インナースリーブ４０は、側壁４５と円筒壁４２とを有していて前記セン サ素子１２を囲む収容部４１を備えている。図１に示した実施例では該収容部４ １は、底部４４をもってポット状に形成されている。底部４４には、センサ素子 １２を通すための開口４６が穿設されている。本実施例では収容部４１は、金属 インナースリーブ４０の形状から内向きに陥没成形することによって構成されて いる。この構成手段によって、一体的な深絞り成形部分としての底部４４を有す る金属インナースリーブ４０を製造することが可能になる。金属インナースリー ブ４０は収容部４１の底部４４でもって、セラミック成形部材２０の基準ガス室 寄り端面２３に載設されており、かつ円筒壁４２において、別の円環状の溶接シ ーム４９によって金属製ケーシング１０とガス密に溶接されている。 収容部４１の内部には、基準ガス室５３と測定ガス室５２との気密な隔離を実 現するセンサ素子パッキン１９が設けられている。図１に図示した第１実施例で は該センサ素子パッキン１９はガラスパッキン５０から成っている。 ガラスパッキン５０としては、例えばＬｉ−Ａｌ−珪酸塩ガラス又はＬｉ−Ｂ ａ−Ａｌ−珪酸塩ガラスの ような溶封ガラスが適している。溶封ガラス又は封着ガラスには、ガラス溶融物 の流れ挙動を改善するための添加剤を混加することも可能である。添加剤として は、接合プロセス時におけるガラスパッキン５０の塑性化のために更に、銅、ア ルミニウム、鉄、真鍮、黒鉛、窒化硼素、二硫化モリブデン又は前記物質の混合 物のような粉末状物質を使用することも可能である。ガラスパッキン５０のため の融剤としては例えば炭酸リチウム、リチウム石鹸、硼砂又は硼酸が使用される 。熱膨張を適合させるためには、例えば窒化アルミニウム、窒化珪素、ジルコニ ウム−タングステン酸塩又はこれらの物質の混合物を添加するのが適している。 しかし又、ガラス封着に代えて、例えば金属鑞のような別の溶封物質を使用する ことも考えられる。センサ素子１２を通すための金属インナースリーブ４０の開 口４６はその場合ほぼ隙間無く形成されているのが有利であり、このようにすれ ば、溶封時にガラスパッキン５０のガラスが開口４６を通って滲透することはあ り得ない。 金属インナースリーブ４０の溶接は、セラミック成形部材２０のリング面２４ を肩形のリング面１７に圧着するように金属インナースリーブ４０に対して圧力 をかけて行なわれるのが有利である。しかし肩形のリング面１７とリング面２４ との間に必ずシール作用を生ぜしめねばならないという訳ではない。シール作用 は溶接シーム４９によって実現される。 本発明の測定検知器の第２実施例は図２に基づいて明らかである。本実施例で は金属インナースリーブ４０の収容部４１は底部なしに形成されているので、セ ラミック成形部材２０の基準ガス室寄り端面２３は収容部４１の内部域では露出 している。収容部４１内では、基準ガス室寄り端面２３上に、熱伝導不良の熱絶 縁体７２が配置されている。該熱絶縁体７２の上にガラスパッキン５０が位置し ている。熱絶縁体７２は例えば、約６５０℃で前焼結されたステアタイトリング によって製作される粉末パッケージであり、前記ステアタイトリングは、溶封ガ ラスを封入する前に、プレス力によって圧縮されるので、ステアタイトリングは 粉末に変形する。粉末パッケージはこの場合同時に、セラミック成形部材２０内 にセンサ素子１２を前位置決めするために役立てられる。 また図２に示した実施形態では金属インナースリーブ４０は、金属製のケーシ ング１０に形成されたカラー７５を抱き締めるように成形されている。その上に 金属アウタースリーブ３５が被せ嵌められているので、金属インナースリーブ４ ０と金属アウタースリーブ３５とは、ただ１つの溶接シーム７６によってケーシ ング１０にガス密に溶接することができる。この実施形態は、溶接操作中に金属 インナースリーブ４０に対して軸方向圧力をかける必要がない。それというのは セラミック成形部材２０は予め縦方向孔１６内に圧入されており、かつこれによ って位置決めされているからである。 熱絶縁体７２を粉末パッケージの形で使用することは、図１に示した実施例の 場合も可能である。 また図２に示した実施例では、縦方向孔１６は段づけ形成されて大孔６１、小 孔６２及び、前記の大孔６１と小孔６２との間に形成された扁平リング面６３か ら成っている。セラミック成形部材２０も同様に段状に形成されていて、第１円 筒体６５、第２円筒体６６及び前記の第１と第２の円筒体６５，６６間に形成さ れたリング状の加圧面６７を有している。第１円筒体６５の直径は大孔６１の直 径に、また第２円筒体６６の直径は小孔６２の直径に適合されており、しかも第 ２円筒体６６と小孔６２の内壁間には極めて微小なギャップ６８が存在している 。また縦方向孔１６内には、熱絶縁体７２の粉末パッケージと同様の方式で製造 できる粉末パッケージ７０が設けられており、このために必要なステアタイトリ ングが、前記セラミック成形部材２０のリング状の加圧面６７と金属製のケーシ ング１０の扁平リング面６３との間でプレスされる。 金属インナースリーブ４０を構成するための別の実施形態は、収容部４１が、 センサ素子１２の横断面に適合した横断面を有している点にある。その場合、セ ンサ素子１２と収容部４１の側壁４５との間に全周に わたってほぼ均等な僅かな距離差を生ぜしめる楕円形状は製作技術的に問題なく 形成することができる。これによってガラスパッキン５０の溶封ガラス内には、 ほぼ均等な応力分布が得られる。 センサ素子パッキンを構成するための別の実施例は図３に基づいて明らかであ る。該実施例の収容部４１では、図２示した実施例の場合のように、セラミック 成形部材２０の基準ガス室寄り端面２３上に熱絶縁体７２が配置されている。熱 絶縁体７２上には、センサ素子１２を通すための貫通路８１を有するセラミック 成形部材８０が載設されている。該セラミック成形部材８０はこの場合、収容部 ４１の側壁４５寄りに外側ギャップ８３を形成しかつ貫通路８１ではセンサ素子 １２寄りに内側ギャップ８４を形成するように設計されている。前記の外側ギャ ップ８３及び内側ギャップ８４内には、ガラスパッキン５０として溶封ガラス８ ６が挿入されており、従ってセラミック成形部材８０は収容部４１内に封着され ている。この配置・構成はセンサ素子パッキン１９を形成する。この実施形態に よって得られる利点は、セラミック成形部材８０のための材料（例えばＺｒＯ₂ ）の適当な選択によって、センサ素子１２に適合された、センサ素子パッキン１ ９の熱膨張挙動が得られることである。これによってセンサ素子１２とセラミッ ク成形部材８０との間並びに該セラミック成形部材８０と金属インナースリーブ ４ ０との間に、最適のシール作用を得るのに好ましいギャップ寸法を選択すること が可能になる。更にその場合、損傷を受け易いセンサ素子１２に適合した熱膨張 挙動を有するガラス材料を溶封ガラス８６のために選択することが可能である。 図４に示した別の実施例ではセンサ素子１２は、粉末パッケージ９０によって 金属製のケーシング１０内に固定的に位置決めされている。このためにケーシン グ１０の縦方向孔１６内には、測定ガス寄りセラミック成形部材９１と基準ガス 室寄りセラミック成形部材９２が配置されている。図１に示したただ１つのセラ ミック成形部材を備えた実施例の場合のように、基準ガス室寄りセラミック成形 部材９２の上には、金属インナースリーブ４０が被せ嵌められている。前記の両 セラミック成形部材９１，９２間には例えば前プレス成形かつ前焼結されたステ アタイトリングが挿入され、該ステアタイトリングは、基準ガス室寄りセラミッ ク成形部材９２に対して金属インナースリーブ４０をプレス力をかけることによ って粉末に変形され、従って粉末パッケージ７０が形成される。その変形時にス テアタイト粉末は、センサ素子１２及び縦方向孔１６に圧着する。これによって センサ素子１２はケーシング１０内で少なくとも前位置決めされる。粉末パッケ ージ９０はケーシング１０内で同時にセンサ素子１２のための一次パッキンを形 成している。 図４に示した実施例は、パッキンユニット８９を有するセンサ素子パッキン１ ９の別の実施形態を示している。本実施形態では、金属インナースリーブ４０の ポット形の収容部４１内に、基準ガス室寄りセラミック成形部材９２上に載設さ れている下部粉末パッキン９４、ガラスパッキン５０、上部粉末パッキン９５及 びセラミックスリーブ９６が上下に重なり合って配置されている。下部及び上部 の粉末パッキン９４，９５は、粉末パッケージ９０の製作の場合と同様に、例え ば前プレス成形かつ前焼結されたステアタイトリングとして挿入される。ガラス パッキン５０を製作するためには、熱変形可能なガラス前成形品が両ステアタイ トリング間に挿入される。ガラス前成形品を使用ガラス材料の軟化温度へ加熱す る場合に、セラミックスリーブ９６に対してプレス力がかけられる。それによっ て両ステアタイトリングは、粉末パッケージ９０の製造とほぼ同様に粉末パッキ ン９４，９５に変形される。これと同時に、熱変形可能なガラス前成形品がガラ スパッキン５０へとプレス成形される。 パッキンユニット８９のプレス成形は、粉末パッケージ９０によってセンサ素 子１２をケーシング１０内に位置決めした後に行なわれる。これによって金属イ ンナースリーブ４０と金属アウタースリーブ３５とを後で溶接する際に、組立力 がセンサ素子パッキン１９に対して作用することはない。しかしプレスラムとし て働くセラミックスリーブ９６を省くことも可能であり、この場合プレス力は上 部ステアタイトリングに対して直接作用する。 更に前記パッキンユニット８９は、ガラスパッキン５０の溶封時又はプレス成 形時に熱の減結合がセンサ素子１２のセンシブルな部分の方向に行なわれ、かつ 均一な圧力分布が付加的に生じるという利点を有している。これによってセンサ 素子１２がガラスパッキン５０の領域で過度に負荷を受けることはない。 本発明は前記の諸実施例に限定されるものではない。粉末パッケージ及び粉末 パッキンを単数又は複数のガラスパッキンと任意に組合せることが可能である。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (81)指定国 ＥＰ(ＡＴ，ＢＥ，ＣＨ，ＣＹ， ＤＥ，ＤＫ，ＥＳ，ＦＩ，ＦＲ，ＧＢ，ＧＲ，ＩＥ，Ｉ Ｔ，ＬＵ，ＭＣ，ＮＬ，ＰＴ，ＳＥ)，ＪＰ，ＫＲ，Ｕ Ｓ

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 1. 基準ガス室寄りのケーシング部分を有する金属製のケーシング内に配置され たセンサ素子と、基準ガス室を気密に測定ガス室から隔離するセンサ素子パッキ ンとを装備し、前記基準ガス室が前記基準ガス室寄りのケーシング部分によって ほぼ包囲されている形式の、特に燃焼機関の排ガス中の酸素含有量を測定するた めの測定検知器において、基準ガス室寄りのケーシング部分（３５）の内部に、 センサ素子（１２）の縦方向一区分を包囲するスリーブ（４０）が設けられてお り、該スリーブが、センサ素子パッキン（１９）用の収容部（４１）を形成して いることを特徴とする、測定検知器。 2. スリーブ（４０）が基準ガス室寄りのケーシング部分（３５）とガス密に接 合されている、請求項１記載の測定検知器。 3. ケーシング（１０）内に、基準ガス室（５３）の方へ向いた端面（２３）を 有するセラミック成形部材（２０，９２）が配置されており、前記端面（２３） が収容部（４１）の底部を形成するように該収容部（４１）が前記端面（２３） を包囲している、請求項１又は２記載の測定検知器。 4. ケーシング（１０）内に、基準ガス室（５３）の方へ向いた端面（２３）を 有するセラミック成形部 材（２０，９２）が配置されており、収容部（４１）が、センサ素子（１２）を 通すための切欠部（４６）をもった底部（４４）を有するようにポット形状に形 成されている、請求項１又は２記載の測定検知器。 ５． センサ素子パッキン（１９）が、少なくとも１つのガラスパッキン（５０ ）を含んでいる、請求項１から３までのいずれか１項記載の測定検知器。 ６． ガラスパッキン（５０）に加えて、測定ガス室寄りで前記ガラスパッキン （５０）の下位に配置されている少なくとも１つの熱絶縁体（７２，９４）が付 加的に設けられている、請求項５記載の測定検知器。 ７． 熱絶縁体（７２）が付加的な粉末パッキンを形成している、請求項６記載 の測定検知器。 ８． ガラスパッキン（５０）が少なくとも２つの粉末パッキン（９４，９５） 間に配置されている、請求項７記載の測定検知器。 ９． 基準ガス室寄りで外側の粉末パッキン（９５）の上にセラミック成形部材 （９６）が載設されている、請求項８記載の測定検知器。 10．粉末パッキン（７２，９４，９５）が、プレス成形されたセラミックリング として挿入されており、かつプレス力の作用を受けて粉末に変形可能である、請 求項７から９までのいずれか１項記載の測定検 知器。 11．ガラスパッキン（５０）内に、センサ素子（１２）を通すための貫通路（８ １）を有するセラミック成形部材（８０）が封着されている、請求項５記載の測 定検知器。 12．センサ素子（１２）がケーシング（１０）内で付加的な粉末パッケージ（９ ０）によって位置決めされている、請求項１記載の測定検知器。 13．粉末パッケージ（９０）が、第１のセラミック成形部材（９１）と第２のセ ラミック成形部材（９２）との間にプレスされた状態で配置されている、請求項 １２記載の測定検知器。 14．粉末パッケージ（９０）が、前プレス成形かつ前焼結されたステアタイトリ ングから製作可能であり、プレス作用を受けて前記ステアタイトリングが粉末に 変形するようにした、請求項１２又は１３記載の測定検知器。