JP2002530645A - ガスセンサのセンサ素子に用いられるシール機構および該シール機構を製造するための方法 - Google Patents

ガスセンサのセンサ素子に用いられるシール機構および該シール機構を製造するための方法

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Abstract

(57)【要約】 特に内燃機関の排ガス中の酸素含量を測定するためのガスセンサのセンサ素子に用いられるシール機構が提案される。当該シール機構は、金属製のハウジング(12)に設けられた長手方向孔(15)内に位置固定されたシールエレメント(36)を有している。このシールエレメント(36)は、ステアタイトと少なくとも1種の低融点ガラスとから成る混合物を有している。当該シール機構を製造するためには、ステアタイト粉末とガラス粉末とから成る混合物から成る前製作されたシールリングを使用し、該シールリングを、前記長手方向孔(15)内でプレスし、この場合、前記シールリングを熱処理に施し、該熱処理でガラスを溶融させる。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】 背景技術 本発明は、請求項1の上位概念部に記載の形式の、ガスセンサのセンサ素子に
用いられるシール機構および請求項7の上位概念部に記載の、このようなシール
機構を製造するための方法から出発する。
【0002】 このような形式のシール機構は、ドイツ連邦共和国特許出願公開第41263
78号明細書に基づき公知である。この公知のシール機構はステアタイトから成
るシールエレメントを使用しており、このシールエレメントは焼結固定された2
つのセラミック成形部分の間にプレスされている。このシール機構はセンサ素子
の測定ガス側の区分をセンサ素子の接続端子側の区分から分離しており、この場
合、接続端子側の区分は基準ガス室内に突入しており、この基準ガス室は基準ガ
スで負荷される。このようなシール機構を製造するためには、まず、自動的な組
付けのために必要となる所要の強度を有する、予めプレス成形されたシールリン
グが長手方向孔内に挿入され、引き続き両セラミック成形部分の間にプレスされ
る。シールリングのプレス時に、このシールリングはステアタイト粉末に変えら
れ、次いで、この粉末は半径方向でシールエレメントとハウジングの内側孔とに
当て付けられ、こうしてセンサ素子をハウジング内でシールする。こうして形成
されたシール機構は、かなりの残留多孔度を有しており、この残留多孔度は高い
プレス力によっても著しく減少させることができない。これにより、ステアタイ
トシール機構は液状およびガス状のガソリンや水および水蒸気に対して、制限さ
れた程度にしか抵抗力を有しない。排ガス中に存在するガソリン蒸気がシール機
構内へ拡散して、シール機構の材料によって部分的に吸収される。ガスセンサが
加熱されると、炭化水素が高い蒸気圧によってシール機構から迅速に駆出される
。基準ガス室内に流入した成分は基準ガス室内で酸素と反応し、これにより基準
ガスの組成が変化し、ひいてはセンサ信号に不都合な影響が与えられてしまう。
【0003】 ガソリン蒸気に関するシール作用の改善は、ドイツ連邦共和国特許第1953
2090号明細書に基づき公知のシール装置により提供されている。この公知の
シール装置では、2つのステアタイトシールエレメントの間に窒化ホウ素から成
る別のシールエレメントがプレスされる。窒化ホウ素の蓄え能力はステアタイト
の蓄え能力よりも数倍だけ低い。しかし、このようなシール装置の申し分のない
シール機能を得るためには、予めプレス成形された窒化ホウ素シールリングとセ
ンサハウジングとの間ならびに窒化ホウ素シールリングとセンサ素子との間に、
できるだけ狭いギャップが存在することが必要となる。このことは、個々の構成
エレメントの寸法精度に対して高い要求を課す。
【0004】 シール機構のさらに別の構成は、ガラス溶封によってセンサ素子をセラミック
の保持体内に位置固定することにある(欧州特許出願公開第706046号明細
書)。しかし、このような解決手段の欠点は、凝固したガラス溶融体内でのセン
サ素子の十分に剛性的な位置固定である。加熱および冷却の際の温度特性に応じ
て、または外部からの熱衝撃負荷を受けて、ガラス溶融体には、不都合な応力状
態が生ぜしめられ、このような応力状態はガラス溶融体における亀裂を招き、そ
して高い引張応力でセンサ素子に作用する。
【0005】 本発明の課題は、ガス密でかつガソリン密であって、しかも廉価に大量生産に
組み込むことのできるような、センサ素子の、ほとんど応力を生ぜしめない位置
固定(kraftfrei.Fixierung)を提供することである。
【0006】 発明の利点 請求項1の特徴部に記載の特徴を有する本発明によるシール機構は、次のよう
な利点を有している。すなわち、本発明によるシール機構はガス密であると同時
に、液体、特に燃料に対して不透過性でもあり、そして付加的に高い耐熱性を有
している。本発明による方法は、シール機構の製造を廉価にガスセンサの大量生
産に組み込むことができるという利点を提供する。
【0007】 請求項2以下に記載の手段により、請求項1に記載のシール機構の有利な改良
が可能となる。所要の低い融点を有する適当なガラスは、酸化物、ホウ酸塩、リ
ン酸塩またはケイ酸塩の形の鉛、亜鉛、ビスマスまたはアルカリ土類金属または
これらの混合物を含有するようなガラスである。ステアタイト材料の含有率が少
なくとも70質量%であると、特に耐熱性でかつガス密・ガソリン密なシール機
構が得られる。ガラス粉末10〜20質量%と、ステアタイト粉末80〜90質
量%との混合比を用いると、最適な結果が得られた。
【0008】 以下に、本発明の実施例を図面につき詳しく説明する。
【0009】 実施例 図1には、ガスセンサ、たとえば電気化学式の酸素センサの一部が示されてい
る。このガスセンサはシール装置10を備えており、このシール装置10は金属
製のハウジング12内に挿入されていて、プレート状のセンサ素子27を位置固
定している。ハウジング12は肩部形の環状面16を備えた長手方向孔15を有
している。肩部形の環状面16には、たとえば金属製のシールリング18が載置
されており、このシールリング18には、測定ガス側のセラミック成形部分21
が載置されている。測定ガス側のセラミック成形部分21は長手方向孔15の方
向に沿って、一貫して延びる測定ガス側の貫通孔22を有している。ハウジング
12はさらに、排気管(図示しない)への取付けのための固定手段としてねじ山
13を有している。
【0010】 測定ガス側のセラミック成形部分21から間隔を置いて、長手方向孔15内に
はさらに、接続端子側のセラミック成形部分23が配置されている。接続端子側
のセラミック成形部分23は、やはり長手方向孔15の方向に沿って、中心に配
置された一貫して延びる接続端子側の貫通孔24を有している。測定ガス側のセ
ラミック成形部分21に設けられた測定ガス側の貫通孔22と、接続端子側のセ
ラミック成形部分23に設けられた接続端子側の貫通孔24とは、互いに整合し
て延びている。
【0011】 両貫通孔22,24内には、センサ素子27が配置されており、このセンサ素
子27は測定ガス側の端区分28と、接続端子側の端区分29とを備えている。
測定ガス側の端区分28はハウジング12から突出していて、保護管31によっ
て取り囲まれている。この保護管31はハウジング12に固定されている。保護
管31は、測定したいガスのための流入・流出開口32を有している。接続端子
側の端区分29では、センサ素子27が接続端子接点34を有しており、これら
の接続端子接点34も、やはりハウジング12から突出している。接続端子接点
34は、接続ケーブルを備えたコンタクトコネクタ(図示しない)と接触接続さ
れる。ハウジング12から突出した接続端子側の端区分29は、保護スリーブ(
図示しない)によって取り囲まれており、この保護スリーブは端区分29を周囲
の影響に対して保護していて、内部に基準ガス室を形成している。
【0012】 測定ガス側のセラミック成形部分21と、接続端子側のセラミック成形部分2
3との間には、シールエレメント36が配置されており、このシールエレメント
36は両セラミック成形部分21,23の間にプレスされている。取り付けられ
た状態でも、シールエレメント36はプレス圧下に保持されたままとなる。この
ために必要となる押圧力は、接続端子側のセラミック成形部分23を押圧する金
属スリーブ40によって付与される。この金属スリーブ40は、たとえば均一に
分配された形で内方に向けられた複数の爪41を有しており、これらの爪41は
ハウジング12に加工成形された切欠き42内に係合する。しかし、金属スリー
ブ40をハウジング12と溶接することも考えられる。
【0013】 シールエレメント36は主として、80〜90質量%の割合のステアタイトと
、10〜20質量%の割合のホウケイ酸ガラスとから成っている。シールエレメ
ント36を製造するためには、予めプレス成形されたシールリングが使用される
。このシールリングはステアタイト粉末と、微細なガラス粉末とから成る前記混
合物から製造される。このシールリングは、その塑性がプレス力の付与下に変形
を可能にするように予めプレス成形されている。このシールリングが長手方向孔
15内に挿入されて、測定ガス側のセラミック成形部分21に載着され、そして
接続端子側のセラミック成形部分23がこのシールリングに載着された後に、金
属スリーブ40を介して、シールリングをプレスするための所要のプレス力が加
えられる。こうして前製作された構成ユニットはその後に、約600℃で熱処理
に施される。この熱処理により、ガラス粉末はステアタイトマトリックス内で溶
融されて、部分的にステアタイトマトリックスの細孔内へ拡散する。これにより
、ガス状および液状の炭化水素に対する透過性が著しく減じられる。しかし、熱
処理をシールリングのプレスの間に行うことも考えられる。
【0014】 引き続き約600℃でさらに熱処理を行うことにより、プレスされたシールリ
ングを一層圧縮することができる。これにより、プレスされたシールリングに存
在する残留多孔度がもう一度減じられるので、ガソリンに対するシール作用は一
層向上する。この熱処理もしくは別の加熱過程は、ガスセンサの実際の使用時に
おいて、プレス力が加えられない場合でも行われる。
【0015】 図2には、シール装置10の別の実施例が示されている。この場合、第1実施
例に対して同一の構成エレメントは第1実施例の場合と同じ符号で示されている
。この実施例のガスセンサでは、シール装置10が、ドイツ連邦共和国特許第1
9532090号明細書に記載の構成によるサンドイッチ構造を有している。こ
の場合、シールエレメント36は2つの別のシールエレメントの間、つまり下側
のシールエレメント37と上側のシールエレメント38との間に配置されている
。真ん中のシールエレメント36は図1に示した第1実施例の場合と同様の組成
を有している。下側および上側の両シールエレメント37,38は、たとえばス
テアタイトから成っている。このようなシール装置10の製造は、図1に示した
第1実施例の場合と同様に行われ、この場合、両シールエレメント37,38は
同じく予めプレス成形されたステアタイトシールリングとして使用され、これら
のステアタイトシールリングはそれぞれ、シールエレメント36を形成するシー
ルリングと共に長手方向孔15内でプレスされる。
【0016】 図2に示したシール装置10の他に、別のサンドイッチ構造も考えられる。た
とえば、2つのシールエレメントから成るサンドイッチ配置が考えられ、この場
合、測定ガス側に配置されたシールエレメントがステアタイトから成っており、
シールエレメント36は接続端子側でこのシールエレメントの上に重なるように
配置されている。
【0017】 本発明によるシールエレメント36の使用は、金属製のハウジング内における
プレーナ型センサ素子のシールに限定されるものではない。このようなシールエ
レメントもしくはこのようなシール装置を、いわゆる「フィンガ形センサ(Fi
ngersonde)」のシールのためにも使用することが十分に考えられる。
このような使用事例では、単に予めプレス成形されたシールリングの構成を、長
手方向孔のジオメトリと、ハウジングの載設面のジオメトリと、フィンガ形のセ
ンサ素子のジオメトリとに適合させるだけでよい。
【図面の簡単な説明】
【図1】 本発明によるガスセンサのシール装置の横断面図である。
【図2】 サンドイッチ構造を有するシール装置の別の実施例を示す横断面図である。
【符号の説明】
10 シール装置、 12 ハウジング、 13 ねじ山、 15 長手方向
孔、 16 環状面、 18 シールリング、 21 セラミック成形部分、
22 貫通孔、 23 セラミック成形部分、 24 貫通孔、 27 センサ
素子、 28,29 端区分、 31 保護管、 32 流入・流出開口、 3
4 接続端子接点、 36 シールエレメント、 37,38 シールエレメン
ト、 40 金属スリーブ、 41 爪、 42 切欠き
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 ペーター デットリング ドイツ連邦共和国 ヴァイブリンゲン ビ ルデッカーシュトラーセ 3 Fターム(参考) 2G004 BB04 BH02 BM07

Claims (10)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 特に内燃機関の排ガス中の酸素含量を測定するためのガスセ
    ンサのセンサ素子に用いられるシール機構であって、金属製のハウジングに設け
    られた長手方向孔内にセンサ素子を位置固定するシール装置が設けられている形
    式のものにおいて、シール装置(10,11)が、ステアタイトと少なくとも1
    種の低融点ガラスとから成る混合物を有するシールエレメント(36)を有して
    いることを特徴とする、ガスセンサのセンサ素子に用いられるシール機構。
  2. 【請求項2】 低融点ガラスが5〜30質量%の含有率で、ステアタイトが
    70〜95質量%の含有率で、それぞれ使用されている、請求項1記載のシール
    機構。
  3. 【請求項3】 低融点ガラスが10〜20質量%の含有率で、ステアタイト
    が80〜90質量%の含有率で、それぞれ使用されている、請求項1または2記
    載のシール機構。
  4. 【請求項4】 低融点ガラスが、酸化物、ホウ酸塩、リン酸塩またはケイ酸
    塩の形の鉛、亜鉛、ビスマスまたはアルカリ土類金属またはこれらの混合物を含
    有している、請求項1記載のシール機構。
  5. 【請求項5】 シールエレメント(36)が、ハウジング(12)の長手方
    向孔(15)内で、測定ガス側のセラミック成形部分(21)と、接続端子側の
    セラミック成形部分(23)との間に配置されている、請求項1記載のシール機
    構。
  6. 【請求項6】 ハウジングに結合された押圧部材(40)が設けられており
    、該押圧部材(40)が、接続端子側のセラミック成形部分(23)を押圧して
    いる、請求項5記載のシール機構。
  7. 【請求項7】 請求項1から6までのいずれか1項記載のシール機構を製造
    するための方法において、ステアタイト粉末と、少なくとも1種の低融点ガラス
    粉末とから成る混合物から成る前製作されたシールリングを使用し、該前製作さ
    れたシールリングを、前記長手方向孔内でプレス力下に塑性変形させ、さらに前
    記シールリングを熱処理に施し、該熱処理でガラスを溶融させることを特徴とす
    る、シール機構を製造するための方法。
  8. 【請求項8】 熱処理をプレス力の付与の間またはプレス力の付与の後に行
    う、請求項7記載の方法。
  9. 【請求項9】 熱処理の温度が500〜700℃である、請求項8記載の方
    法。
  10. 【請求項10】 プレス後に、当該シール機構を500〜700℃の付加的
    な熱処理に施す、請求項8記載の方法。
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