JP2004518942A

JP2004518942A - Gas sensor terminal assembly and method for manufacturing the same

Info

Publication number: JP2004518942A
Application number: JP2001536859A
Authority: JP
Inventors: デュース，リチャド・ダブリュー; マッコーリー，キャスリン・エム; クイセル，リチャード・シー
Original assignee: デルファイ・テクノロジーズ・インコーポレーテッド
Priority date: 1999-10-27
Filing date: 2000-10-26
Publication date: 2004-06-24
Also published as: EP1228363A2; KR20030022095A; WO2001034951A2; WO2001034951A3

Abstract

【解決手段】ターミナルコネクターアッセンブリは、ターミナル支持部（６０）と、該ターミナル支持部（６０）内に少なくとも部分的に配置されたターミナル（６２、６３）と、ターミナル（６２、６３）及びターミナル支持部（６０）とに隣接した段落ち部（９４）を備える通路（９３）を有する第１の絶縁器（９０）と、を含む。ガスセンサー（１０）及びガスセンサー（１０）を製造する方法も開示される。
【選択図】図２The terminal connector assembly includes a terminal support (60), a terminal (62, 63) at least partially disposed within the terminal support (60), a terminal (62, 63) and a terminal support. A first isolator (90) having a passage (93) with a step (94) adjacent to the section (60). A gas sensor (10) and a method of manufacturing the gas sensor (10) are also disclosed.
[Selection] Figure 2

Description

【０００１】
本出願は、１９９９年１０月２７日に出願された米国仮出願シリアル番号６０／１６１，８３９号の出願日の利益を請求する。それを参照することにより、その全ての内容が本願中に組み込まれる。
【０００２】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ガスセンサーに係り、より詳しくは、ガスセンサーのターミナルアッセンブリに関する。
【０００３】
【従来技術】
酸素センサーは、ガスの定量及び定性的分析を必要とする様々な用途で使用される。自動車の用途では、排気ガス中の酸素濃度と、エンジンに供給される燃料混合物の空気燃料比率との間の直接的関係は、酸素センサーが、最適燃焼状態の決定、燃料経済の最大化、及び、排気エミッションの管理のため、酸素濃度測定結果を提供することを可能にする。
【０００４】
従来の化学量論通りの酸素センサーは、イオン伝導固体電解質材料、多孔性保護外皮を備える、排気ガスにさらされる電解質の外側表面上の多孔性電極、及び、既知の酸素分圧にさらされるセンサーの内側表面上の電極を含む。自動車用途で典型的に使用されるセンサーは、白金電極を備えた、イットリウム安定化ジルコニアベースの電気化学ガルバニー電池を使用する。該センサーは、自動車エンジンの排気中に存在する酸素の相対量を検出するため、電位差測定モードで作動する。このガルバニー電池の両表面が異なる酸素分圧にさらされるとき、次のネルンスト方程式に従って、ジルコニア壁の両表面上の電極間で起電力が発生する。
【０００５】
【数１】

【０００６】
ここで、
Ｅ＝起電力
Ｒ＝普遍ガス定数
Ｆ＝ファラディー定数
Ｔ＝ガスの絶対温度
Ｐ_Ｏ２ ^ｒｅｆ＝参照ガスの酸素分圧
Ｐ_Ｏ２＝排気ガスの酸素分圧
燃料リッチ及び燃料リーンの排気条件の間の酸素分圧上の大きな差に起因して、起電力（ｅｍｆ）は、化学量論ポイントで鋭く変化し、これらのセンサーの特徴的な切り替え挙動を引き起こす。その結果、これらの電位差測定式の酸素センサーは、排気混合物の実際の空気燃料比率を定量化することなく、エンジンが燃料リッチ又は燃料リーンのいずれの状態で作動しているかを定性的に指し示す。
【０００７】
これらのセンサーは、センサーボディ及び配線ハーネスを通して車両電気システムに電気的に接続される。センサー内部に設けられたものは、排気ガスを検出するため使用される要素である。接触パッドが検出要素及び車両電気システムの間の電気的伝達を提供するように検出要素の外側に配置される。エッジカードコネクター即ちターミナルは、概して、接触パッドを介して検出要素と接触するため使用される。図１の従来技術に示されるように、典型的なセンサー１００は、センサー１００内で雄型ターミナル１０２及び雌型ターミナル１０３を含むアダプター１０４を保持するためのスプリングスリップ１０１を利用する。ガラス支持部１０５及びウェッジリング１０６は、上側絶縁器１０７及びガラスシール部１０８の間に配置される。保護シールド１０８は、配線ハーネスアッセンブリの下側部分を取り囲む。従来の設計では、ターミナルは、図１の従来技術に示されたように、検出要素の重量を支持し、センサー内で検出要素を位置決めする。これと同時に、配線ハーネスの内部構成部品からの重量もターミナルに移される。典型的には、検出要素及びターミナルは、配線ハーネス及び検出要素の重量を取り扱うことに関して、並びに、センサー内で検出要素の位置を維持することに関して問題を有する。壊れやすい要素は、ターミナルの重量がかけられた状態で、及び、製造、テスト、これらの従来センサーの作動の間にセンサー内で移動することにより壊れがちである。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
当該技術分野で必要とされているものは、検出要素への応力を最小にすると共に、センサー内で検出要素を支持し整列させるターミナルコネクターである。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上述した従来技術の不足部分は、本発明のターミナルコネクターアッセンブリ、ガスセンサー及び該ガスセンサーを製造するための方法によって、克服され、或いは、軽減される。
【００１０】
ターミナルコネクターアッセンブリは、ターミナル支持部、該ターミナル支持部内に少なくとも部分的に配置されたターミナル、及び、ターミナル及びターミナル支持部に隣接した段落ち部を備える通路を有する第１の絶縁器を含む。
【００１１】
ガスセンサーは、サブアッセンブリ内に配置された下側部分と、配線ハーネスの回りに配置された上側シールドを含む配線ハーネスアッセンブリ内に配置された上側部分と、を有する検出要素を含んでいる。ターミナル支持部は、配線ハーネス内部に配置されている。ターミナルの第１の部分は、ターミナル支持部内に配置され、且つ、検出要素と電気的に接続される。第１の絶縁器は、上側シールド内に少なくとも部分的に配置され、且つ、検出要素の上側部分の回りに配置されている。第１の絶縁器は、ターミナルの第２の部分を収容するための通路を有し、第１の絶縁器の少なくとも一部分は、ターミナル、第２の部分及び上側シールドの間に配置される。
【００１２】
ガスセンサーを製造する方法は、配線ハーネスの回りに配置された上側シールドを含む配線ハーネスアッセンブリ内に、検出要素の上側部分を配置する工程を含んでいる。サブアッセンブリ内に検出要素の下側部分を配置し、配線ハーネス内にターミナル支持部を配置する。また、ターミナル支持部内に、ターミナルの第１の部分を、検出要素と電気的に接続された状態で配置する。更に、第１の絶縁器を、上側シールド内に少なくとも部分的に配置し、且つ、検出要素の上側部分の回りに配置する。第１の絶縁器は、第１の絶縁器の少なくとも一部分が、ターミナル、第２の部分及び上側シールドの間に配置されるように、ターミナルの第２の部分を収容するための通路を有する。最後に、センサーをエンジン作動条件にさらす。
【００１３】
本発明の上述した及び他の、特徴及び利点は、以下の詳細な説明、図面及び請求の範囲から、当業者により認知され、理解されよう。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下、添付図面を参照して、一例としての装置及び方法を説明するが、これは例示を意味し、本発明をこれに限定するものではない。
【００１５】
センサーは、異なるガスの存在に関する排気物を監視するため自動車エンジンで使用される。センサーは、典型的には、上側シールド、シール部、電気構成部品、及び、検出要素の上側部分を有する配線ハーネス（ｗｉｒｉｎｇｈａｒｎｅｓｓ）と、シェル、下側シールド、内側シールド、高温材料、及び、検出要素の下側部分を有するサブアッセンブリと、を含む。センサー内の検出要素は、破損を防止するための位置に維持されるべき壊れやすい機器である。従来のセンサーは、配線ハーネスの重量が検出要素に分配されるように設計される。従来のセンサーとは対照的に、本明細書中のターミナル、ターミナル支持部、及び、第１の絶縁器は、センサー内における移動から検出要素を支持し、保護し、並びに、配線ハーネスの重量を支持する上で役立つ。
【００１６】
以下、図２を参照すると、配線ハーネスアッセンブリ１２及びサブアッセンブリ１４を有する、一例としての酸素センサー１０が示されている。配線ハーネスアッセンブリ１２は、概して、シール部４０と、上側シールド２０内で検出要素８０の上側部分８４に接続された電気構成部品と、を備える。サブアッセンブリ１４は、概して、検出要素８０の下側部分、下側シールド３０内の内側シールド３５、及び、シェル５０を備える。シールド２０、３０及び３５のための、及び、シェル５０のための一例としての材料は、例えば、高クロム及び／又は高ニッケルのステンレス鋼等のステンレス鋼、並びに、前記したステンレス鋼の少なくとも一つを含む混合物及び合金等であり、それらの全ての材料は、高温度耐性、高強度、及び、耐腐食性のために選択される。
【００１７】
ファスナー、即ち、上側シールド２０の上側端部材２２の一部分内に配置されたシール部４０は、エンジンの作動に相応する温度に耐えることのできる材料から構成することができる（センサーが約３００℃までの温度を経験する状態で例えば約１，０００℃までの温度）。典型的な材料は、フルオロエラストマー（ｆｌｕｏｒｏｅｌａｓｔｏｍｅｒ）、シリコン、ゴム、ペルフルオロエラストマー（ｐｅｒｆｌｕｏｒｏｅｌａｓｔｏｍｅｒ）、他の従来のシール材料、並びに、前記した材料の少なくとも一つを含む組み合わせ材料を含んでいる。シール部は、当該技術分野で知られている従来の鋳造技術により作ることができる。
【００１８】
他の可能なシール部は、アトーニー整理番号ＤＰ−３０１５００／ＤＰ−３０１２４４Ｂ（ＤＥＰ−０１３３Ｆ）の米国特許出願において開示されており、その内容は、該出願を参照することによりその全体が本明細書中に組み込まれる。この一部品の多機能シール部４０は、湿気に関して構造的に無欠であり、水又は他の汚染物質の浸入物がセンサー１０に入ることを防止することにより検出要素８０を保護する。シール部４０は、安全な適合性のため上側シールド２０の上側部分２２内へと適合するように設計することができる。シール部のオプションのフランジは、シール部４０及び上側シールド２０の間に追加の密封機能を提供する。一旦、上側シールド２０がフランジの下方にくると、当該技術分野で知られた圧着作業によりシール部４０を当該箇所に圧着することができる。これは、シール部４０を上側シールド２０の形状へと歪曲し即ち成形してセンサーに汚染物質が入ることを遮断する。更には、使用中即ち高温状態へさらされている間は、シール部４０のフランジは、上側シールド２０内へと縮み、かくして、汚染物質への露出に対してセンサー１０への追加の保護を提供する。
【００１９】
上述されたように、シール部４０は、任意の振動又は衝撃負荷に対する減衰装置として機能することができる。シール部４０の下側部分における底部のオプションの突起は、ターミナル支持部６０と接触し、センサー１０に衝撃を与える振動又は衝撃負荷を減衰するように設計される。シール部４０のみがこの突起部でターミナル支持部６０と物理的に接触しているので、空気ギャップが、それらの間に形成される。この空気ギャップは、シール部４０を分離し、下側センサー構成要素からシール部４０への対流熱輸送を最小にする。
【００２０】
センサー１０の電気的接続を提供するために、ターミナル支持部材６０は、シール部４０に隣接して配置される。ターミナル支持部材６０は、センサー作動条件の下で耐えることのできる材料から形成され得る。これらの材料は、電気的な絶縁性、熱耐性、及び、機械的支持を提供するため選択されるべきであり、熱可塑性材料、熱硬化性材料、例えばステアタイト、アルミナ等のセラミック、並びに、セラミック及びプラスチックがしばしば用いられた状態で前記したターミナル支持材料の少なくとも一つを含む組み合わせを含むことができる。
【００２１】
ターミナル支持部６０は、エッジカードコネクター（ｅｄｇｅｃａｒｄｃｏｎｎｅｃｔｏｒ）、ターミナルコネクター、又は、ケーブル即ちワイヤ６４、６５に接続されたターミナル６２、６３を、該当箇所に保持する。ケーブル６４、６５は、車両電気システムを配線ハーネス１２に接続する。これらのケーブル６４、６５は、一般に、銅、真鍮、ステンレス鋼、ニッケル等、並びに、前記した材料のうち少なくとも一つを含む組み合わせ及び合金、を始めとした当該技術分野で知られている材料から構成される。センサー動作条件下で実質的なばね力を提供する、材料及びターミナル設計が好ましい。
【００２２】
ターミナル６２、６３は、検出要素８０の接触パッド８６、８８と電気的に接触している。検出要素８０の部分は、上側シールド２０、シェル５０及び下側シールド３０内に配置される。検出要素８０は、既知の型式の平面状の即ち平坦プレート式検出要素とすることができる。下側シールド３０内に配置されている、該検出要素の第１の端部８２では、検出要素８０は、好ましくは、既知の型式のヒーターと共に、既知の態様で検出要素内に製作されている排気構成要素反応構造を備える。検出要素８０の第２の端部に、又は、その近傍に配置されているのは、当該技術分野で知られている従来材料から構成される、接触パッド８６、８８である。
【００２３】
ターミナル６２、６３は、接触パッド８６、８８に電気的に接続することに加えて、第１の絶縁器９０と物理的に接触するのが好ましい。この第１の絶縁器９０は、上側シールド２０及びシェル５０の両方の少なくとも一部分内に配置される。第１の絶縁器９０は、センサー１０のための絶縁を提供するため、高温材料（即ち、センサー動作条件に耐えることのできる材料）から構成される。電気的絶縁、熱耐性、及び、機械的支持のために選択された幾つかの可能な高温材料は、特に、セラミックス及び金属と、繊維（ランダム（ｒａｎｄｏｍ）、切断（ｃｈｏｐｐｅｄ）、連続（ｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓ）、織物（ｗｏｖｅｎ）等）、とりわけ、織り網（ｗｏｖｅｎｍｅｓｈ）及び非織り網（ｎｏｎ−ｗｏｖｅｎｍｅｓｈ）の形態で前記した材料のうち少なくとも一つから構成される組み合わせ、合金及び組成物と、を含んでいる。セラミックは、ステアタイト、アルミナ等、又は、前記したセラミックのうち少なくとも一つから構成される組み合わせを含むことができる。オプションで、第１の絶縁器９０は、棚９４を含んでいるセラミック内側部分と、シェル５０の少なくとも一部分を通して配置された金属メッシュ下側部分とを含むことができる。第１の絶縁器９０は、ターミナル６２、６３及び検出要素８０の挿入のため様々な幅の通路９３を備えた円柱機器でもよい。ターミナル６２、６３は、ターミナル６２、６３の重量が第１の絶縁器９０により支持される。
【００２４】
第１の絶縁器９０は、オプションで、第１の絶縁器９０の上側部分９１の内側で通路９３から外側に延在する、段落ち部即ち棚９４を含む。棚９４は、ターミナル６２，６３が、第１の絶縁器９０の頂部近傍の段落ち部即ち支持棚９４へと適合し、その上に載置して支持されるように、ターミナル６２、６３を収容するのに十分な距離に第１の絶縁器９０内に延在するのが好ましい。棚９４は、好ましくは、一方のターミナルの外側から他方のターミナルの外側までの距離とほぼ同様の幅を有する。第１の絶縁器９０は、検出要素８０を取り囲むと共に、センサー１０への支持を提供し該センサー内で検出要素８０を位置決める。ターミナル６２、６３、及び、ターミナル支持部６０の重量を支持することによって、第１の絶縁器９０は、重量及び力が、検出要素８０に損傷を与えることを防止する。第１の絶縁器９０を、圧着法（ｃｒｉｍｐｉｎｇｍｅｔｈｏｄ）又は当該技術分野で知られた他の方法によりセンサー１０に接続することができる。
【００２５】
第１の絶縁器９０の下側部分は、シェル５０内に配置される。シェル５０は、ボディ部分５２と、ねじ切り部分５４と、を有する。ボディ部分５２は、ねじ切り部分５４を、排気パイプ若しくは排気流れシステムの他の構成部品用のマウント、或いは、ガスセンサーが用いられ、かくして、センサーチャンバー３１を測定されるべきガスの流れ内に配置することができる任意箇所内に締め上げるためレンチ又は他のツールと適合するように形成されるのが好ましい。シェル５０は、圧着作業又は当該技術分野で知られた他のプロセスにより上側シールド２０に連結することができる。
【００２６】
オプションで、シェル５０の下側部分に配置されているのは、作動位置にセンサー１０を維持させ、センサー及びマニホルドをガス漏れから密封するように張力源を提供している、ガスケット７２である。センサー要素８０に隣接して、第１の絶縁器９０及び第２の絶縁器９２の間に配置することができる別のオプションの器具は、タルクパック（ｔａｌｃｐａｃｋ）７０又は他の構造部品即ち密封構成部品である。タルクパック７０は、第１の絶縁器９０及び第２の絶縁器９２の間に配置することができ、シェル肩部５６、及び、絶縁器９０、９２又はメッシュの間に配置することができる。タルクパック７０は、その回りにタルカムパウダーを固めることにより当該箇所に検出要素を保持する。その代わりに、タルクパック７０は、例えば、タルク、雲母、カオリン等の無機材料、並びに、前記した無機材料の少なくとも一つを含む組み合わせを、検出要素８０及び下側シールド３０の間に用いることにより得られる、漏れ耐性シール部として機能する。
【００２７】
第２の絶縁器９２は、シェル５０内部に且つタルクパック７０に隣接して配置することができる。第２の絶縁器９２は、第１の絶縁器９０と同じか或いは同様の高温材料から構成され、センサー１０を絶縁し、保護する。
【００２８】
第２の絶縁器９２に隣接して、検出要素３１を配置することができる。下側シールド３１は、検出要素８０の第１の端部８２が、ガスと接触して検出することを可能にするため検出チャンバー３１内に配置されるように、シェル５０にしっかりと連結されている。下側シールド３０は、検出チャンバー３１を画成しており、該下側シールド３０内に配置されているものは、検出要素８０を受け入れるための内側シールド３５である。下側シールド３０及び内側シールド３５は、検出チャンバー３１内への及び該チャンバーからのガスの通過を可能にして、これらのガスが検出要素８０の受容性第１の端部８２により検出されるようにするため、複数の開口３８、３９を組み込んでいる。
【００２９】
センサー１０を作動させるために、電気的接続部は、検出要素８０と、車両電気システムに接続される配線ハーネス１２の間に固定される必要がある。図３に示されるように、ターミナル６２、６３は、検出要素８０上に配置された接触パッド６８、６９と接続され、ターミナル６２、６３と検出要素８０とを電気的接続状態にする。ターミナル６２、６３は、当該技術分野で知られているように、スプリング設計を利用することにより、当該箇所に検出要素８０を保持し即ち維持することができる。各ターミナルの延長部品６６、６７は、検出要素の接点６８、６９に対して押圧され、スプリング様効果を生じさせる。これは、要素８０を、ターミナル６２、６３の間に張力が作用した状態に保ち、電気的接続を維持し、並びに、センサー１０内の要素８０の位置を保つ。図２に示されるように、ターミナル６２、６３は、２つの分離要素、即ちターミナル支持部６０及び第１の絶縁器９０により配線ハーネス１２内の当該箇所に保持される。ターミナル６２、６３は、振動及びターミナル支持部６０及び第１の絶縁器９０への衝撃負荷をやわらげ、分散させることを可能にし、かくして、検出要素を保護する。
【００３０】
ここで、図４を参照すると、６０で全体として示されたターミナル支持部即ち係止部が示されている。ターミナル支持部６０は、少なくとも一つの平坦側部１２０を備えた略円柱形状を有して示されているが、他の設計も、例えば、多角形柱等も可能である。ターミナル支持部材６０の頂部１２２に配置されているものは、ターミナル（図示せず）及び電気ケーブル（図示せず）を収容するためのチャンネル又は孔１３０である。ここで、図５を参照すると、少なくとも一つの平坦側部１２０を備えたターミナル支持部６０の底部１２４が示されている。図面は、ターミナル支持部６０を通って延在するチャンネル１３０の反対側（底部１２４）を示している。各チャンネル１３０内には、段落ち部即ちポケット１３２が、ターミナル（図示せず）を受け入れて支持するため形成される。
【００３１】
ここで、図６を参照すると、ターミナル支持部６０の断面が示されている。チャンネル１３０は、頂部１２０で開口し、ターミナル支持部６０の底部１２４を貫通する。チャンネル１３０内に配置されている段落ち部１３２は、ターミナル（図示せず）を収容するためのより大きい空間を形成する。ターミナル支持部６０は、ターミナル６２、６３を互いから分離し、該ターミナル６２、６３を検出要素８０の頂部における該当位置に保持する。その結果、ターミナル支持部は、所望数のワイヤ（図示せず）及びターミナルを収容するため十分な数のチャンネル１３０を有する誘電材料であるべきである。チャンネル１３０の特定の空間的配置及び配位は、ケーブル及びターミナルの所望数、及び、製造能力に基づいて選択される。
【００３２】
ターミナル支持部、第１の絶縁器及びターミナルの組み合わせの故に、検出要素は、ターミナルの重量、センサー内の運動、並びに、振動効果にさらされることから保護される。その結果として、センサー寿命が延びる。例えば、従来のセンサーが典型的に性能低下する一方で、本発明のセンサーは、振動テスト（２２Ｇの加速度の状態で、約９５０℃及び２００〜４００Ｈｚの振動状態で９０時間のテスト）に耐えることができる。多数の従来センサーが約１００時間で故障する別のテスト（例えば、センサー要素が壊れて及び／又はターミナルコネクターが動いて受容不可能な抵抗を形成する）では、本発明のセンサーは、エンジン動力計に搭載された場合に２，０００時間の耐性試験（車での走行距離、約２４１，４００ｋｍ（約１５０，０００マイル）に等価）に耐えられる。首尾よく通過される他のテストは、重量落下試験（１キログラム（ｋｇ）の重量が、様々な高さからシェル（一般にヘックス（ｈｅｘ）として知られている）上に落とされた）、及び、ボール落下試験（１００グラムのボールが、１ｍの高さからセンサー上に４つの異なる点に落下された）を含んでいる。重量落下試験に関しては、本発明のセンサーは、従来センサーの約３倍の高さからの落下（例えば、約４５ｃｍ対従来センサーの１５ｃｍ）に耐えることができる。更には、ボール落下試験に関しては、本センサーは、従来センサーが壊れたテストにパスした。本センサー設計の追加の利点は、ターミナルの支持システムが設置するのが容易でコスト削減効果があるということである。
【００３３】
好ましい実施形態が示され説明されたが、他の従来センサーにおいて本明細書中で教えられた構成を使用することを始めとして、様々な変形及び置換を、本発明の精神及び範囲から逸脱することなく、本発明に対してなすことができる。さらには、本装置及び方法は、例示としてのみに説明されたと理解するべきであり、本明細書中で開示された図示及び実施形態は、請求の範囲に制限を加えるものとして構成されたものではない。
【図面の簡単な説明】
【図１】
図１は、従来技術のガスセンサー設計の断面図である。
【図２】
図２は、ガスセンサー設計の一実施形態の断面図である。
【図３】
図３は、一例としてのターミナル、ケーブル、及び、検出要素の側面図である。
【図４】
図４は、一例としてのターミナル支持部の等角側面図である。
【図５】
図５は、一例としてのターミナル支持部の等角底面図である。
【図６】
図６は、図４のライン６−６に沿って取られた、一例としてのターミナル支持部の断面図である。[0001]
This application claims the benefit of the filing date of US Provisional Application Serial No. 60 / 161,839, filed October 27, 1999. By reference to that, the entire contents are incorporated herein.
[0002]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a gas sensor, and more particularly, to a gas sensor terminal assembly.
[0003]
[Prior art]
Oxygen sensors are used in a variety of applications that require quantitative and qualitative analysis of gases. In automotive applications, the direct relationship between the oxygen concentration in the exhaust gas and the air-fuel ratio of the fuel mixture supplied to the engine is such that the oxygen sensor determines optimal combustion conditions, maximizes fuel economy, and Enables the provision of oxygen concentration measurements for the management of exhaust emissions.
[0004]
Conventional stoichiometric oxygen sensors comprise an ion conducting solid electrolyte material, a porous electrode on the outer surface of the electrolyte exposed to the exhaust gas, comprising a porous protective shell, and a sensor exposed to a known oxygen partial pressure. Including an electrode on the inside surface. Sensors typically used in automotive applications use yttrium-stabilized zirconia-based electrochemical galvanic cells with platinum electrodes. The sensor operates in a potentiometric mode to detect the relative amount of oxygen present in the exhaust of an automobile engine. When both surfaces of the galvanic cell are exposed to different oxygen partial pressures, an electromotive force is generated between the electrodes on both surfaces of the zirconia wall according to the following Nernst equation:
[0005]
(Equation 1)

[0006]
here,
E = electromotive force R = universal gas constant F = Faraday constant T = absolute temperature of gas P _O2 ^ref = oxygen partial pressure of reference gas P _O2 = oxygen partial pressure of exhaust gas between fuel rich and fuel lean exhaust conditions Due to the large difference in oxygen partial pressure, the electromotive force (emf) changes sharply at the stoichiometric point, causing the characteristic switching behavior of these sensors. As a result, these potentiometric oxygen sensors qualitatively indicate whether the engine is operating in a fuel rich or fuel lean state without quantifying the actual air-fuel ratio of the exhaust mixture.
[0007]
These sensors are electrically connected to the vehicle electrical system through a sensor body and a wiring harness. What is provided inside the sensor is an element used for detecting exhaust gas. A contact pad is located outside the sensing element to provide electrical communication between the sensing element and the vehicle electrical system. Edge card connectors or terminals are generally used to contact the sensing elements via contact pads. As shown in the prior art of FIG. 1, a typical sensor 100 utilizes a spring slip 101 to hold an adapter 104 including a male terminal 102 and a female terminal 103 within the sensor 100. The glass support 105 and the wedge ring 106 are disposed between the upper insulator 107 and the glass seal 108. The protective shield 108 surrounds a lower portion of the wiring harness assembly. In a conventional design, the terminal supports the weight of the sensing element and positions the sensing element within the sensor, as shown in the prior art of FIG. At the same time, the weight from the internal components of the wiring harness is transferred to the terminal. Typically, sensing elements and terminals have problems with handling the weight of the wiring harness and sensing element, and with maintaining the location of the sensing element within the sensor. Fragile elements are prone to breaking under the weight of the terminal and by movement within the sensor during manufacturing, testing and operation of these conventional sensors.
[0008]
[Problems to be solved by the invention]
What is needed in the art is a terminal connector that minimizes stress on the sensing element and supports and aligns the sensing element within the sensor.
[0009]
[Means for Solving the Problems]
The shortcomings of the prior art described above are overcome or reduced by the terminal connector assembly, gas sensor and method for manufacturing the gas sensor of the present invention.
[0010]
The terminal connector assembly includes a first isolator having a passage having a terminal support, a terminal at least partially disposed within the terminal support, and a step adjacent the terminal and the terminal support.
[0011]
The gas sensor includes a sensing element having a lower portion disposed within the subassembly and an upper portion disposed within the wiring harness assembly including an upper shield disposed around the wiring harness. The terminal support is disposed inside the wiring harness. A first portion of the terminal is located in the terminal support and is electrically connected to the sensing element. A first isolator is at least partially disposed within the upper shield and disposed about an upper portion of the sensing element. The first isolator has a passage for receiving a second portion of the terminal, wherein at least a portion of the first isolator is located between the terminal, the second portion, and the upper shield.
[0012]
A method of manufacturing a gas sensor includes disposing an upper portion of a sensing element in a wiring harness assembly that includes an upper shield disposed around the wiring harness. The lower part of the detection element is arranged in the sub-assembly, and the terminal support is arranged in the wiring harness. Also, a first portion of the terminal is disposed in the terminal support while being electrically connected to the detection element. Further, a first isolator is at least partially disposed within the upper shield and disposed about an upper portion of the sensing element. The first isolator has a passageway for housing a second portion of the terminal such that at least a portion of the first isolator is located between the terminal, the second portion, and the upper shield. Finally, the sensor is exposed to engine operating conditions.
[0013]
The above and other features and advantages of the present invention will be appreciated and understood by those skilled in the art from the following detailed description, drawings, and claims.
[0014]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Hereinafter, an example apparatus and method will be described with reference to the accompanying drawings, but this is meant to be illustrative and not limit the invention.
[0015]
Sensors are used in automotive engines to monitor emissions for the presence of different gases. Sensors typically include a wiring harness having an upper shield, seals, electrical components, and an upper portion of a sensing element, a shell, a lower shield, an inner shield, a high temperature material, and a sensing element. A subassembly having a lower portion of the element. The sensing element in the sensor is a fragile device that must be maintained in a position to prevent breakage. Conventional sensors are designed so that the weight of the wiring harness is distributed to the sensing elements. In contrast to conventional sensors, the terminals, terminal supports, and first isolator herein support and protect the sensing element from movement within the sensor, as well as reduce the weight of the wiring harness. Help in supporting.
[0016]
Referring now to FIG. 2, an exemplary oxygen sensor 10 having a wiring harness assembly 12 and a subassembly 14 is shown. The wiring harness assembly 12 generally includes a seal 40 and electrical components connected to the upper portion 84 of the sensing element 80 within the upper shield 20. The subassembly 14 generally includes a lower portion of the sensing element 80, an inner shield 35 within the lower shield 30, and a shell 50. Exemplary materials for the shields 20, 30, and 35, and for the shell 50 are, for example, stainless steel, such as high chromium and / or high nickel stainless steel, and at least one of the stainless steels described above. And all such materials are selected for high temperature resistance, high strength, and corrosion resistance.
[0017]
The fastener or seal portion 40 disposed within a portion of the upper end member 22 of the upper shield 20 may be constructed of a material capable of withstanding temperatures corresponding to engine operation (for sensors up to about 300 ° C). (Eg, temperatures up to about 1,000 ° C.). Typical materials include fluoroelastomers, silicones, rubbers, perfluoroelastomers, other conventional sealing materials, and combination materials that include at least one of the foregoing materials. The seal can be made by conventional casting techniques known in the art.
[0018]
Other possible seals are disclosed in U.S. Patent Application No. DE-A-01133F, which is incorporated herein by reference in its entirety. Incorporated inside. This one-piece multi-function seal 40 is structurally sound with respect to moisture and protects the sensing element 80 by preventing water or other contaminant infiltrates from entering the sensor 10. The seal 40 can be designed to fit into the upper portion 22 of the upper shield 20 for safe fit. An optional flange on the seal provides an additional sealing function between the seal 40 and the upper shield 20. Once the upper shield 20 is below the flange, the seal 40 can be crimped to the location by crimping operations known in the art. This will distort or mold the seal 40 into the shape of the upper shield 20 to prevent contaminants from entering the sensor. Furthermore, during use, i.e., during exposure to high temperatures, the flange of seal 40 shrinks into upper shield 20, thus providing additional protection to sensor 10 against exposure to contaminants. I do.
[0019]
As described above, the seal portion 40 can function as a damping device against any vibration or impact load. Optional bottom protrusions in the lower portion of the seal 40 are designed to contact the terminal support 60 and dampen vibration or shock loads that impact the sensor 10. Since only the seal 40 is in physical contact with the terminal support 60 at this protrusion, an air gap is formed between them. This air gap separates the seal 40 and minimizes convective heat transport from the lower sensor component to the seal 40.
[0020]
A terminal support member 60 is disposed adjacent to the seal 40 to provide an electrical connection for the sensor 10. Terminal support member 60 may be formed from a material that can withstand under sensor operating conditions. These materials should be selected to provide electrical insulation, heat resistance, and mechanical support, and include thermoplastic materials, thermosetting materials such as steatite, ceramics such as alumina, and the like; It may include a combination comprising at least one of the terminal support materials described above, with ceramic and plastic often being used.
[0021]
The terminal support 60 holds an edge card connector, a terminal connector, or terminals 62, 63 connected to cables or wires 64, 65 at corresponding locations. Cables 64, 65 connect the vehicle electrical system to wiring harness 12. These cables 64, 65 are generally made from materials known in the art, including copper, brass, stainless steel, nickel, and the like, as well as combinations and alloys that include at least one of the materials described above. Be composed. Materials and terminal designs that provide substantial spring force under sensor operating conditions are preferred.
[0022]
Terminals 62, 63 are in electrical contact with contact pads 86, 88 of sensing element 80. The part of the detection element 80 is arranged in the upper shield 20, the shell 50 and the lower shield 30. Sensing element 80 may be a known type of planar or flat plate sensing element. At a first end 82 of the sensing element, located within the lower shield 30, the sensing element 80 is fabricated in the sensing element in a known manner, preferably with a heater of a known type. An exhaust component reaction structure is provided. Disposed at or near the second end of the sensing element 80 are contact pads 86, 88 comprised of conventional materials known in the art.
[0023]
The terminals 62, 63 preferably make physical contact with the first isolator 90, in addition to being electrically connected to the contact pads 86, 88. This first isolator 90 is located within at least a portion of both the upper shield 20 and the shell 50. First isolator 90 is constructed of a high temperature material (ie, a material that can withstand sensor operating conditions) to provide insulation for sensor 10. Some possible high-temperature materials selected for electrical insulation, heat resistance, and mechanical support include, among others, ceramics and metals, and fibers (random, chopped, continuous). , Woven fabrics, etc.), in particular, combinations, alloys and compositions comprising at least one of the aforementioned materials in the form of a woven mesh and a non-woven mesh. Contains. The ceramic may include steatite, alumina, or the like, or a combination composed of at least one of the aforementioned ceramics. Optionally, the first isolator 90 can include a ceramic inner portion including a shelf 94 and a metal mesh lower portion disposed through at least a portion of the shell 50. The first isolator 90 may be a cylindrical device with various width passages 93 for insertion of the terminals 62, 63 and the detection element 80. The terminals 62 and 63 have the weight of the terminals 62 and 63 supported by the first insulator 90.
[0024]
The first isolator 90 optionally includes a step or shelf 94 that extends outwardly from the passage 93 inside the upper portion 91 of the first isolator 90. Shelf 94 is configured so that terminals 62, 63 fit into and are supported on a step-down or support shelf 94 near the top of first isolator 90. Preferably, it extends into the first isolator 90 a distance sufficient to accommodate. Shelf 94 preferably has a width approximately the same as the distance from outside one terminal to outside the other terminal. A first isolator 90 surrounds the sensing element 80 and provides support for the sensor 10 to position the sensing element 80 within the sensor. By supporting the weight of the terminals 62, 63 and the terminal support 60, the first isolator 90 prevents weight and force from damaging the sensing element 80. The first isolator 90 can be connected to the sensor 10 by a crimping method or other methods known in the art.
[0025]
The lower part of the first isolator 90 is located in the shell 50. Shell 50 has a body portion 52 and a threaded portion 54. The body part 52 places the threaded part 54 in a mount for the exhaust pipe or other components of the exhaust flow system, or a gas sensor is used, thus placing the sensor chamber 31 in the gas flow to be measured. It is preferably formed to fit a wrench or other tool to tighten into any location that can be used. Shell 50 may be coupled to upper shield 20 by a crimping operation or other processes known in the art.
[0026]
Optionally located in the lower portion of shell 50 is a gasket 72 that maintains sensor 10 in an actuated position and provides a source of tension to seal the sensor and manifold from gas leaks. Another optional instrument that can be placed between the first and second isolators 90 and 92 adjacent to the sensor element 80 is a talc pack 70 or other structural component or seal. It is a component. The talc pack 70 can be located between the first insulator 90 and the second insulator 92, and can be located between the shell shoulder 56 and the insulators 90, 92 or mesh. The talc pack 70 holds the detection element at the corresponding location by hardening the talcum powder around the talc pack 70. Instead, for example, the talc pack 70 is formed by using an inorganic material such as talc, mica, and kaolin, and a combination including at least one of the above-described inorganic materials between the detection element 80 and the lower shield 30. It functions as the resulting leak-resistant seal.
[0027]
A second isolator 92 can be located inside the shell 50 and adjacent to the talc pack 70. The second insulator 92 is made of the same or similar high-temperature material as the first insulator 90, and insulates and protects the sensor 10.
[0028]
The detection element 31 can be arranged adjacent to the second insulator 92. The lower shield 31 is rigidly connected to the shell 50 so that the first end 82 of the detection element 80 is located within the detection chamber 31 to allow detection in contact with the gas. I have. The lower shield 30 defines a detection chamber 31 and disposed within the lower shield 30 is an inner shield 35 for receiving a detection element 80. Lower shield 30 and inner shield 35 allow passage of gases into and out of detection chamber 31 such that these gases are detected by receptive first end 82 of detection element 80. For this purpose, a plurality of openings 38 and 39 are incorporated.
[0029]
In order to activate the sensor 10, the electrical connection needs to be fixed between the sensing element 80 and the wiring harness 12 connected to the vehicle electrical system. As shown in FIG. 3, the terminals 62 and 63 are connected to contact pads 68 and 69 arranged on the detection element 80, and electrically connect the terminals 62 and 63 and the detection element 80. Terminals 62, 63 can retain or maintain sensing element 80 at that location by utilizing a spring design, as is known in the art. The extension 66, 67 of each terminal is pressed against the contacts 68, 69 of the sensing element, creating a spring-like effect. This keeps the element 80 in tension between the terminals 62, 63, maintains an electrical connection, and maintains the position of the element 80 within the sensor 10. As shown in FIG. 2, the terminals 62, 63 are held at that location in the wiring harness 12 by two separating elements: a terminal support 60 and a first insulator 90. The terminals 62, 63 allow the vibration and shock loads on the terminal support 60 and the first isolator 90 to be relieved and distributed, thus protecting the sensing element.
[0030]
Referring now to FIG. 4, there is shown a terminal support or lock, generally indicated at 60. Although the terminal support 60 is shown as having a generally cylindrical shape with at least one flat side 120, other designs are possible, such as polygonal columns and the like. Disposed at the top 122 of the terminal support member 60 are channels or holes 130 for receiving terminals (not shown) and electrical cables (not shown). Referring now to FIG. 5, the bottom 124 of the terminal support 60 with at least one flat side 120 is shown. The drawing shows the opposite side (bottom 124) of the channel 130 extending through the terminal support 60. Within each channel 130, a step or pocket 132 is formed to receive and support a terminal (not shown).
[0031]
Referring now to FIG. 6, a cross section of the terminal support 60 is shown. Channel 130 opens at top 120 and extends through bottom 124 of terminal support 60. The step 132 located in the channel 130 forms a larger space for accommodating a terminal (not shown). The terminal support 60 separates the terminals 62, 63 from each other and holds the terminals 62, 63 in position at the top of the detection element 80. As a result, the terminal support should be a dielectric material having a desired number of wires (not shown) and a sufficient number of channels 130 to accommodate the terminal. The particular spatial arrangement and arrangement of the channels 130 is selected based on the desired number of cables and terminals and manufacturing capabilities.
[0032]
Due to the combination of the terminal support, the first isolator and the terminal, the sensing element is protected from being exposed to the weight of the terminal, movement in the sensor and vibration effects. As a result, sensor life is extended. For example, while conventional sensors typically degrade, the sensors of the present invention survive vibration tests (90 hours test at about 950 ° C. and 200-400 Hz vibration with 22 G acceleration). Can be. In other tests where a number of conventional sensors fail in about 100 hours (e.g., sensor element breaks and / or terminal connectors move to form unacceptable resistance), the sensor of the present invention uses an engine dynamometer. 2,000 hours of durability testing (equivalent to approximately 241,400 km (approximately 150,000 miles) in a car). Other tests that have been successfully passed include the weight drop test (1 kilogram (kg) weight dropped from various heights on a shell (commonly known as a hex)), and Includes the ball drop test (100 grams of ball dropped from four feet on the sensor from a height of one meter). For the weight drop test, the sensor of the present invention can withstand a drop from about three times the height of a conventional sensor (eg, about 45 cm versus 15 cm of a conventional sensor). Furthermore, with respect to the ball drop test, the sensor passed a test in which the conventional sensor was broken. An additional advantage of this sensor design is that the terminal support system is easy to install and cost effective.
[0033]
While the preferred embodiments have been shown and described, various modifications and substitutions, including the use of the configurations taught herein in other conventional sensors, depart from the spirit and scope of the invention. Instead, it can be made to the present invention. Furthermore, it is to be understood that the present apparatus and methods have been described by way of example only, and the illustrations and embodiments disclosed herein are not to be construed as limiting the scope of the claims. Absent.
[Brief description of the drawings]
FIG.
FIG. 1 is a cross-sectional view of a prior art gas sensor design.
FIG. 2
FIG. 2 is a cross-sectional view of one embodiment of a gas sensor design.
FIG. 3
FIG. 3 is a side view of an example terminal, cable, and sensing element.
FIG. 4
FIG. 4 is an isometric side view of an example terminal support.
FIG. 5
FIG. 5 is an isometric bottom view of an example terminal support.
FIG. 6
FIG. 6 is a cross-sectional view of an exemplary terminal support taken along line 6-6 of FIG.

Claims

A gas sensor (10),
A lower portion (82) disposed within the subassembly (14) and an upper portion (84) disposed within the wiring harness assembly (12) including an upper shield (20) disposed around the wiring harness. A detection element (80) having:
A terminal support (60) disposed in the wiring harness;
A first portion of a terminal (62, 63) disposed in the terminal support (60) and electrically connected to the detection element (80);
A first isolator (90) at least partially disposed within said upper shield (20) and disposed about an upper portion (84) of said sensing element; Has a passageway (93) for accommodating a second portion of the terminal (62), and at least a portion of the first isolator (90) includes the passageway (93) in the terminal (62, 63); And the first isolator disposed between the first shield and the upper shield (20);
Including, gas sensors.

The first insulator (90) of claim 1, wherein the first insulator (90) is a material selected from the group consisting of ceramics, metals, combinations thereof, alloys, and compositions comprising at least one of the foregoing materials. The described gas sensor (10).

The gas sensor (10) according to claim 2, wherein the ceramic is selected from the group comprising stearite, alumina, and a combination comprising at least one of the aforementioned ceramics.

The first insulator (90) is selected from the group consisting of random fibers, cut fibers, continuous fibers, woven fibers, woven nets, non-woven nets, and combinations comprising at least one of the above forms. The gas sensor (10) according to claim 2, wherein the gas sensor (10) is in a configured configuration.

The terminal support (60) of claim 1, wherein the terminal support (60) is a material selected from the group consisting of thermoplastic materials, thermoset materials, ceramics, and combinations comprising at least one of the foregoing materials. Gas sensor (10).

The gas sensor (10) according to claim 5, wherein the ceramic is selected in particular from the group consisting of steatite, alumina and a combination comprising at least one of the aforementioned ceramic materials.

A method for manufacturing a gas sensor (10),
The upper part (84) of the detection element (80) is arranged in a wiring harness assembly (12) including an upper shield (20) arranged around the wiring harness, and the lower part (84) is arranged in a sub-assembly (14). 82), and
Disposing a terminal support (60) in the wiring harness;
A first portion of a terminal (62, 63) is disposed in the terminal support (60) while being electrically connected to the detection element (80);
A first isolator (90) is at least partially disposed within the upper shield (20) and disposed about an upper portion (84) of the sensing element, the first isolator comprising: A passageway for receiving a second portion of the terminal (62, 63), wherein at least a portion of the first isolator (90) includes the terminal (62, 63), the second portion and Disposed between the upper shield (20);
Exposing the sensor (10) to engine operating conditions.

The method of claim 7, wherein the first insulator (90) is a material selected from the group consisting of ceramics, metals, combinations thereof, alloys, and compositions comprising at least one of the foregoing materials. The described method.

9. The method of claim 8, wherein the ceramic is selected from the group comprising stearite, alumina, and a combination comprising at least one of the foregoing ceramics.

The first insulator (90) is selected from the group consisting of random fibers, cut fibers, continuous fibers, woven fibers, woven nets, non-woven nets, and combinations comprising at least one of the above forms. 9. The method of claim 8, wherein the method is in a configured form.

The terminal support (60) of claim 7, wherein the terminal support (60) is a material selected from the group consisting of thermoplastic materials, thermoset materials, ceramics, and combinations comprising at least one of the foregoing materials. Method.

The method of claim 11, wherein the ceramic is selected from the group consisting of steatite, alumina, and a combination comprising at least one of the aforementioned ceramic materials.

A gas sensor (10),
A lower portion (82) disposed within the subassembly (14) and an upper portion disposed within the wiring harness assembly (12) including an upper shield (20) disposed around the wiring harness. A detection element (80);
A one-piece seal (40), the seal having a body disposed on a first portion of the upper shield (20) and a flange, wherein an edge of the upper shield has at least a portion of the flange. And the one-part seal portion disposed between the body,
A shell (50) arranged around the lower part of the detection element (80);
A first isolator (90), wherein at least a portion of the first isolator (90) is disposed between the sensing element (80) and the shell (50). )When,
A lower shield (30) disposed around an end of the sensing element (80), in physical contact with the shell (50), and having a plurality of openings (38);
At least one terminal (62, 63) in electrical contact with said sensing element (80);
A terminal support (60) in physical contact with said terminals (62, 63);
Including, gas sensors.

The sub-assembly (14) further includes a talc pack (70) disposed within the shell (50) between the first isolator (90) and the lower shield (30). (10).

The sub-assembly (14) further comprises a second isolator (92) disposed within the shell (50) between the talc pack (70) and the lower shield (30). (10).

14. The method of claim 13, wherein the first insulator (90) is a material selected from the group consisting of ceramics, metals, combinations thereof, alloys, and compositions comprising at least one of the aforementioned materials. The described gas sensor (10).

17. The gas sensor (10) according to claim 16, wherein the ceramic is selected from the group comprising stearite, alumina, and a combination comprising at least one of the aforementioned ceramics.

The first insulator (90) is selected from the group consisting of random fibers, cut fibers, continuous fibers, woven fibers, woven nets, non-woven nets, and combinations comprising at least one of the above forms. The gas sensor (10) according to claim 16, wherein the gas sensor (10) is in a configured configuration.

14. The terminal support (60) of claim 13, wherein the terminal support (60) is a material selected from the group consisting of thermoplastic materials, thermoset materials, ceramics, and combinations comprising at least one of the foregoing materials. Gas sensor (10).

20. The gas sensor (10) according to claim 19, wherein the ceramic is in particular selected from the group consisting of steatite, alumina and a combination comprising at least one of the aforementioned ceramic materials.