JP2004521311A - ガスセンサーのシール部及び該シール部を製造するための方法 - Google Patents
ガスセンサーのシール部及び該シール部を製造するための方法 Download PDFInfo
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Abstract
【解決手段】ガスセンサーのシール部(40)は、ボディ(122)と、フランジ(124)を有する上側部分と、少なくとも一つのチャンネル(130)と、を含む。フランジ(124)は、上側部分から突出する延長部(131)と、延長部(131)からボディ(122)に沿って延在する曲がり部(129)と、曲がり部(129)からボディ(122)に向かって延在する突起部(128)と、を有する。チャンネル(130)は、上側部分から下側表面(126)へとボディ(122)を通って延在する。センサー(10)内部でガスセンサーシール部(40)を使用するための方法も提供される。
【選択図】図2
【選択図】図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、ガスセンサーで使用するためのシール部に関する。
【0003】
【従来技術】
センサー、特に酸素センサーは、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
PO2 ref=参照ガスの酸素分圧
PO2=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アッセンブリを介して車両電気システムに電気的に接続される。センサー及び配線ハーネスアッセンブリの接合部では、シール部106は、電気ケーブルを取り囲んでおり、図1の従来技術で示されたように、センサーのリテイナー102内に設置される。従来のセンサーは、センサー100への水及び他の汚染物質の浸入を防止するため、一部品設計(シール部106)、或いは、2部品、即ちシール部106及びブート104のいずれかから構成することができる。2つの部品から構成されるシール部は、汚染を防止することにおいてより有効であるが、よりコスト高である。更には、センサーの作動中には、これらの従来型シール部に存在する、揮発性の炭化水素が、高温で蒸発する傾向にあり、シール部を上側シールドの壁から、又は、ケーブルから縮ませて汚染物質がセンサー内へ入ることを可能にしてしまう。
【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、流体、ガス及び他の環境汚染物質がセンサーに入ることを防止する、一部品シール部である。
【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、本発明のシール部、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】
シール部は、ボディと、フランジを有する上側部分と、該上側部分から下側表面へとボディを通って延在する少なくとも一つのチャンネルと、を含む。該フランジは、該上側部分から突出する延長部と、該延長部からボディに沿って延在する曲がり部と、該曲がり部からボディに向かって延在する突起部と、を有する。
【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(80)を含んでいる。ガスセンサーは、上側シールドの第1の部分内に配置されたボディ、及び、フランジを有するシール部を更に含んでいる。ここで、上側シールドのエッジは、フランジの少なくとも一部分とボディとの間に配置される。
【0012】
ガスセンサーを製造するための方法は、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し、サブアッセンブリ内に、検出要素の下側部分を配置し、上側シールド内に、同心にシール部のボディの少なくとも一部分を配置し、上側シールドのエッジに亘ってフランジを延長し、上側シールドをシール部の回りに圧着(crimping)する、各工程を含んでいる。
【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(例えば、エッジカードコネクター、雄型ターミナル及び雌型ターミナル、スプリングクリップ即ちアダプター等、並びに、前記した構成部品の少なくとも一つを含む組み合わせ)、及び、検出要素の上側部分を有する配線ハーネス(wiring harness)と、シェル、下側シールド、オプションの内側シールド、検出要素の下側部分、及び、オプションの高温マット材料、セラミック絶縁器又は類似の絶縁体及びタルクパック等を有するサブアッセンブリと、を含む。上側シールドの頂部分内に配置されているシール部は、水及び他の汚染物質の浸入からセンサーを保護する。このシール部は、一部品の多機能シール部であり、汚染物質から、検出要素に損傷を与え得る衝撃負荷又は振動からセンサーを保護して、ターミナル支持部を該当箇所に維持する。
【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、絶縁器90、92、タルクパック70、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】
下側シールド30は、検出要素80の第1の端部82がガスと接触してこれを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にしっかりと固定される。下側シールド30は、検出チャンバー31を画成し、下側シールド30内に配置されているものは、検出要素80を収容す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、複数の開口孔38、39を組み込んでいる。
【0018】
下側シールド30に隣接して、シェル50及び検出要素80の間に配置されているものは、下側絶縁器92の少なくとも一部分である。下側絶縁器92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、「センサー作動条件」、例えば、約1,000℃までの排気ガス温度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(woven mesh)及び非織り網(non−woven mesh)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。セラミックスは、ステアタイト、アルミナ等、又は、前記したセラミックス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。
【0019】
下側絶縁器92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。
【0020】
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、ガス漏れに対するシール部として機能するように張力源を提供している、ガスケット72である。用いることができる別のオプションの器具は、センサー要素80に隣接してシェル50内に配置することのできる、タルクパック70である。タルクパック70は、上側絶縁器90及び下側絶縁器92の間、又は、シェル肩部56及び絶縁器90、92の間に配置することができる。タルクパック70は、検出要素80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80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。
【0021】
シェル50及び上側シールド20内部に配置されているものは、接触パッド86、88を有する検出要素80とすることができる。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(例えば、電気化学的電池等)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。
【0022】
上側シールド20内に少なくとも部分的に配置されているのは、典型的に、シェル50内に延在する上側絶縁器90である。この上側絶縁器は、任意の従来設計又は後述される設計とすることができる。上側絶縁器90は、下側絶縁器92と同じか又は類似の型式の高温材料から構成することができ、センサー10を絶縁してこれを保護する。一実施形態では、上側絶縁器90は、検出要素10の挿入のため様々な幅を持つ通路93を備えた円柱機器とすることができ、オプションで、配線ハーネスアッセンブリ12のターミナル62、63を収容するため上側部分91の内部内で通路93から外側に延在する段落ち部即ち棚94を含む。ターミナル62,63は、それらが、上側絶縁器90に適合され、その上に載置され、又は、これにより支持されるように配置される。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、上側絶縁器90は、その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。この実施形態は、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いる(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)。
【0023】
検出要素80及び車両電気システムの間の電気的伝導を提供する、ターミナル62、63は、当該技術分野で知られている、スプリング設計を利用することによって、検出要素80を該当箇所に保持即ち維持する。ターミナル62,63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。
【0024】
ターミナル62,63は、車両電気システムから配線ハーネスアッセンブリ12に入るケーブル又はワイヤ64、65と接続される。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。これらのケーブルは、典型的に、例えばテフロン(登録商標)等の絶縁体内に包まれる。
【0025】
ターミナル62、63及び検出要素80を支持するために、ターミナル支持部60が設けられる。該ターミナル支持部60は、オプションで平坦側部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60の頂部に配置されているものは、ターミナル及び電気ケーブルを収容するためのチャンネル又は孔である。チャンネル内には、段落ち部即ちポケットが、ターミナルを受け入れるため形成されている。ターミナル支持部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、例えばステアタイト、アルミナ等の熱硬化性セラミック、並びに、特に、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。
【0026】
一部品の多機能性ファスナー即ちシール部40は、上側シールド20の上側端部22内に少なくとも部分的に配置され且つターミナル支持部60に隣接したボディを含むことができる。シール部40は、露頭する、リップ、即ちフランジ24、及び、オプションの隆起部、突起又は突出部140を有するように設計される。シール部40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、エンジンの作動と釣り合った温度に耐えることのできる材料を含むことができる。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。
【0027】
このシール部40は、センサー10内への水又は他の汚染物質の浸入を防止することにより検出要素80を保護する。図3を参照すると、シール部40は、上側部分120及び下側部分122を有する一部品ユニットである。上側部分120は、上側シールドを収容するためのフランジ124を有する。上側部分120内に配置されているのは、電気ケーブル(図示せず)を収容するためのチャンネル即ち孔130である。シール部40の底部126に配置されているのは、オプションの突起部140である。
【0028】
ここで、図4を参照すると、シール部チャンネル130は、上側部分120から下側部分122を通って延在し、シール部底部126を出る。フランジ124は、上側部分から外側へ、及び、シール部122に沿って延在して、曲がり部129を形成する。フランジ124の底部は、シール部40に向かって内側にテーパーを形成しており、突起即ち先端128が、(図2に示されるように)シール部40が内部に設置されたとき、上側シールド20と接触できるようにしている。
【0029】
シール部40及びフランジ124は、シールド上側部分22と相補的な形状及びサイズを有するのが好ましい。本質的には、シール部40は、一旦、圧着されると、シール部40及び上側シールド20の上側部分22の間、並びに、シール部40及びケーブル64、65の間に流体機密密封部を確立するべきである。この流体機密接続を更に確立し維持するために、フランジ124は、曲がり部129(及び/又は突起部)とシール部下側部分122との間の開口部が、曲がり部129とシール部下側部分122の間に配置されるべきシールド上側部分22の厚さより小さくなるように設計されるのが好ましい。その結果として、フランジ124の設計詳細は、フランジ124及びシールド上側部分22の間に所望の密封機能を得ることに基づいている。例えば、スナップ接続等の多数のフランジ設計を用いることができるが、好ましくは、フランジ124は、上側部分、例えば、シール部40からほぼ垂直に延在する上側シール上側部分120のところか又はその近傍に配置された延長部131を含む(例えば、シール部中心軸132から約135°程度までの角度を用いることができる。このとき、約30°乃至約90°の角度が好ましく、約75°乃至約90°の角度が更に好ましい)。延長部131から、曲がり部129が下側部分122に沿って延在し、シールド上側部分22を収容するための凹部127を形成する。曲がり部129が延長部131から延在するところの角度は、延長部131と平行の角度より小さい任意の角度とすることができ、約90°までの角度が好ましい。延長部131及び曲がり部129に対して選択された角度に応じて、突起部128が曲がり部129からシール部下側部分122に向かって延在することができ、好ましくは内部に収容されるシールド上側部分22の厚さ以内である開口幅を有する凹部127を形成する。この開口部は、フランジ124及びシールド上側部分22の間に流体機密シール部を形成するようにシールド上側部分22の厚さより小さいのが更に好ましい。この設計は、フランジ124が、上側シールド20との確実な適合を提供すると共に第2の密封ポイントを形成することを可能にする。センサーが作動中には、高温により、シール部がガス放出したり、さもなければ縮んだりし得る。この縮みは、フランジ124を上側シールド20に向かってより接近させ、これにより、より機密なシール部を形成する。その結果、作動中の縮小を補償するため2つの部品システム(例えば、シール部及びブート)を必要とする従来のシール部とは異なり、本発明のシール部は、作動中の縮小を自然に補償する。更に流体機密密封を確実にするため、フランジ124は、シールボディの回りに連続的且つ同心に配置されるのが好ましい。その代わりに、フランジの流体機密密封が必要とされない場合には、フランジ124を、シールボディの回りに緊密に配置することができる。
【0030】
ここで、図5を参照すると、一部品多機能シール部40の底面図の一実施形態が示されている。シール部40の底部126では、チャンネル130の他方の端部が存在する(なお、4つのチャンネルが示されているが、任意数を、ケーブル及び接続部の所望数に基づいて用いることができる。典型的には、約3乃至約8のケーブル(及びチャンネル)が用いられる)。底部126に配置されているのは、オプションの突起部140である。突起部140は、(図2に示されているように)ターミナル支持部と接触するように設計され、これにより、上側シールド20内の所望の位置にターミナル支持部60を保持し、振動又はセンサーに衝撃を与え得る衝撃負荷を減衰させる。突起部140は、スプリングと同様に作用し、シール部40及びターミナル支持部60の間の接触を最小にしつつ、振動を吸収し、これにより応力及び他の負荷を減少させることによりセンサー寿命を延ばす。突起部140は、任意の数量で用いることができ、好ましくは、衝撃及び振動に伴う応力の分布を等しくするため、互いから等間隔に隔てられる。これらの突起部140は、シール部40をターミナル支持部60からの対流的熱輸送から実質的に分離させるため、シール部40及びターミナル支持部60の間に十分な空気ギャップを形成するように設計されるのが好ましい。基本的には、ターミナル支持部60及びシール部40の間の最小物理接触に起因して、センサーの下側構成部品からシール部40への熱輸送は減少される。
【0031】
脱ガス収縮に起因して約−40℃乃至200℃の間の熱サイクルが500時間経過しないうちに漏れるか、さもなければ、第2の密封構成部品(例えば、ブート)を必要とする、従来のシール部とは異なり、本発明のシール部は、約750時間以上、ともすれば約1,000時間を超える時間にさえ亘って、同じ熱サイクルの後でも流体機密密封を維持する。更には、エンジンが約1,000℃で作動している、追加のテスト(例えば、センサーシール部が、約250℃の温度にさらされる)の下で、本発明のシール部は、約250時間にも亘って流体機密密封作用を維持した。これは、少なくとも約1,000時間は期待されると考えられる。
【0032】
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、本発明に従って設計されたガスセンサーの断面図である。
【図3】
図3は、一例としてのシール部の等角図である。
【図4】
図4は、図3のライン4−4に沿って取られた一例としてのシール部の断面図である。
【図5】
図5は、一例としてのシール部の等角底面図である。
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、ガスセンサーで使用するためのシール部に関する。
【0003】
【従来技術】
センサー、特に酸素センサーは、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
PO2 ref=参照ガスの酸素分圧
PO2=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アッセンブリを介して車両電気システムに電気的に接続される。センサー及び配線ハーネスアッセンブリの接合部では、シール部106は、電気ケーブルを取り囲んでおり、図1の従来技術で示されたように、センサーのリテイナー102内に設置される。従来のセンサーは、センサー100への水及び他の汚染物質の浸入を防止するため、一部品設計(シール部106)、或いは、2部品、即ちシール部106及びブート104のいずれかから構成することができる。2つの部品から構成されるシール部は、汚染を防止することにおいてより有効であるが、よりコスト高である。更には、センサーの作動中には、これらの従来型シール部に存在する、揮発性の炭化水素が、高温で蒸発する傾向にあり、シール部を上側シールドの壁から、又は、ケーブルから縮ませて汚染物質がセンサー内へ入ることを可能にしてしまう。
【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、流体、ガス及び他の環境汚染物質がセンサーに入ることを防止する、一部品シール部である。
【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、本発明のシール部、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】
シール部は、ボディと、フランジを有する上側部分と、該上側部分から下側表面へとボディを通って延在する少なくとも一つのチャンネルと、を含む。該フランジは、該上側部分から突出する延長部と、該延長部からボディに沿って延在する曲がり部と、該曲がり部からボディに向かって延在する突起部と、を有する。
【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(80)を含んでいる。ガスセンサーは、上側シールドの第1の部分内に配置されたボディ、及び、フランジを有するシール部を更に含んでいる。ここで、上側シールドのエッジは、フランジの少なくとも一部分とボディとの間に配置される。
【0012】
ガスセンサーを製造するための方法は、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し、サブアッセンブリ内に、検出要素の下側部分を配置し、上側シールド内に、同心にシール部のボディの少なくとも一部分を配置し、上側シールドのエッジに亘ってフランジを延長し、上側シールドをシール部の回りに圧着(crimping)する、各工程を含んでいる。
【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(例えば、エッジカードコネクター、雄型ターミナル及び雌型ターミナル、スプリングクリップ即ちアダプター等、並びに、前記した構成部品の少なくとも一つを含む組み合わせ)、及び、検出要素の上側部分を有する配線ハーネス(wiring harness)と、シェル、下側シールド、オプションの内側シールド、検出要素の下側部分、及び、オプションの高温マット材料、セラミック絶縁器又は類似の絶縁体及びタルクパック等を有するサブアッセンブリと、を含む。上側シールドの頂部分内に配置されているシール部は、水及び他の汚染物質の浸入からセンサーを保護する。このシール部は、一部品の多機能シール部であり、汚染物質から、検出要素に損傷を与え得る衝撃負荷又は振動からセンサーを保護して、ターミナル支持部を該当箇所に維持する。
【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、絶縁器90、92、タルクパック70、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】
下側シールド30は、検出要素80の第1の端部82がガスと接触してこれを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にしっかりと固定される。下側シールド30は、検出チャンバー31を画成し、下側シールド30内に配置されているものは、検出要素80を収容す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、複数の開口孔38、39を組み込んでいる。
【0018】
下側シールド30に隣接して、シェル50及び検出要素80の間に配置されているものは、下側絶縁器92の少なくとも一部分である。下側絶縁器92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、「センサー作動条件」、例えば、約1,000℃までの排気ガス温度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(woven mesh)及び非織り網(non−woven mesh)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。セラミックスは、ステアタイト、アルミナ等、又は、前記したセラミックス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。
【0019】
下側絶縁器92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。
【0020】
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、ガス漏れに対するシール部として機能するように張力源を提供している、ガスケット72である。用いることができる別のオプションの器具は、センサー要素80に隣接してシェル50内に配置することのできる、タルクパック70である。タルクパック70は、上側絶縁器90及び下側絶縁器92の間、又は、シェル肩部56及び絶縁器90、92の間に配置することができる。タルクパック70は、検出要素80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80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。
【0021】
シェル50及び上側シールド20内部に配置されているものは、接触パッド86、88を有する検出要素80とすることができる。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(例えば、電気化学的電池等)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。
【0022】
上側シールド20内に少なくとも部分的に配置されているのは、典型的に、シェル50内に延在する上側絶縁器90である。この上側絶縁器は、任意の従来設計又は後述される設計とすることができる。上側絶縁器90は、下側絶縁器92と同じか又は類似の型式の高温材料から構成することができ、センサー10を絶縁してこれを保護する。一実施形態では、上側絶縁器90は、検出要素10の挿入のため様々な幅を持つ通路93を備えた円柱機器とすることができ、オプションで、配線ハーネスアッセンブリ12のターミナル62、63を収容するため上側部分91の内部内で通路93から外側に延在する段落ち部即ち棚94を含む。ターミナル62,63は、それらが、上側絶縁器90に適合され、その上に載置され、又は、これにより支持されるように配置される。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、上側絶縁器90は、その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。この実施形態は、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いる(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)。
【0023】
検出要素80及び車両電気システムの間の電気的伝導を提供する、ターミナル62、63は、当該技術分野で知られている、スプリング設計を利用することによって、検出要素80を該当箇所に保持即ち維持する。ターミナル62,63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。
【0024】
ターミナル62,63は、車両電気システムから配線ハーネスアッセンブリ12に入るケーブル又はワイヤ64、65と接続される。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。これらのケーブルは、典型的に、例えばテフロン(登録商標)等の絶縁体内に包まれる。
【0025】
ターミナル62、63及び検出要素80を支持するために、ターミナル支持部60が設けられる。該ターミナル支持部60は、オプションで平坦側部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60の頂部に配置されているものは、ターミナル及び電気ケーブルを収容するためのチャンネル又は孔である。チャンネル内には、段落ち部即ちポケットが、ターミナルを受け入れるため形成されている。ターミナル支持部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、例えばステアタイト、アルミナ等の熱硬化性セラミック、並びに、特に、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。
【0026】
一部品の多機能性ファスナー即ちシール部40は、上側シールド20の上側端部22内に少なくとも部分的に配置され且つターミナル支持部60に隣接したボディを含むことができる。シール部40は、露頭する、リップ、即ちフランジ24、及び、オプションの隆起部、突起又は突出部140を有するように設計される。シール部40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、エンジンの作動と釣り合った温度に耐えることのできる材料を含むことができる。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。
【0027】
このシール部40は、センサー10内への水又は他の汚染物質の浸入を防止することにより検出要素80を保護する。図3を参照すると、シール部40は、上側部分120及び下側部分122を有する一部品ユニットである。上側部分120は、上側シールドを収容するためのフランジ124を有する。上側部分120内に配置されているのは、電気ケーブル(図示せず)を収容するためのチャンネル即ち孔130である。シール部40の底部126に配置されているのは、オプションの突起部140である。
【0028】
ここで、図4を参照すると、シール部チャンネル130は、上側部分120から下側部分122を通って延在し、シール部底部126を出る。フランジ124は、上側部分から外側へ、及び、シール部122に沿って延在して、曲がり部129を形成する。フランジ124の底部は、シール部40に向かって内側にテーパーを形成しており、突起即ち先端128が、(図2に示されるように)シール部40が内部に設置されたとき、上側シールド20と接触できるようにしている。
【0029】
シール部40及びフランジ124は、シールド上側部分22と相補的な形状及びサイズを有するのが好ましい。本質的には、シール部40は、一旦、圧着されると、シール部40及び上側シールド20の上側部分22の間、並びに、シール部40及びケーブル64、65の間に流体機密密封部を確立するべきである。この流体機密接続を更に確立し維持するために、フランジ124は、曲がり部129(及び/又は突起部)とシール部下側部分122との間の開口部が、曲がり部129とシール部下側部分122の間に配置されるべきシールド上側部分22の厚さより小さくなるように設計されるのが好ましい。その結果として、フランジ124の設計詳細は、フランジ124及びシールド上側部分22の間に所望の密封機能を得ることに基づいている。例えば、スナップ接続等の多数のフランジ設計を用いることができるが、好ましくは、フランジ124は、上側部分、例えば、シール部40からほぼ垂直に延在する上側シール上側部分120のところか又はその近傍に配置された延長部131を含む(例えば、シール部中心軸132から約135°程度までの角度を用いることができる。このとき、約30°乃至約90°の角度が好ましく、約75°乃至約90°の角度が更に好ましい)。延長部131から、曲がり部129が下側部分122に沿って延在し、シールド上側部分22を収容するための凹部127を形成する。曲がり部129が延長部131から延在するところの角度は、延長部131と平行の角度より小さい任意の角度とすることができ、約90°までの角度が好ましい。延長部131及び曲がり部129に対して選択された角度に応じて、突起部128が曲がり部129からシール部下側部分122に向かって延在することができ、好ましくは内部に収容されるシールド上側部分22の厚さ以内である開口幅を有する凹部127を形成する。この開口部は、フランジ124及びシールド上側部分22の間に流体機密シール部を形成するようにシールド上側部分22の厚さより小さいのが更に好ましい。この設計は、フランジ124が、上側シールド20との確実な適合を提供すると共に第2の密封ポイントを形成することを可能にする。センサーが作動中には、高温により、シール部がガス放出したり、さもなければ縮んだりし得る。この縮みは、フランジ124を上側シールド20に向かってより接近させ、これにより、より機密なシール部を形成する。その結果、作動中の縮小を補償するため2つの部品システム(例えば、シール部及びブート)を必要とする従来のシール部とは異なり、本発明のシール部は、作動中の縮小を自然に補償する。更に流体機密密封を確実にするため、フランジ124は、シールボディの回りに連続的且つ同心に配置されるのが好ましい。その代わりに、フランジの流体機密密封が必要とされない場合には、フランジ124を、シールボディの回りに緊密に配置することができる。
【0030】
ここで、図5を参照すると、一部品多機能シール部40の底面図の一実施形態が示されている。シール部40の底部126では、チャンネル130の他方の端部が存在する(なお、4つのチャンネルが示されているが、任意数を、ケーブル及び接続部の所望数に基づいて用いることができる。典型的には、約3乃至約8のケーブル(及びチャンネル)が用いられる)。底部126に配置されているのは、オプションの突起部140である。突起部140は、(図2に示されているように)ターミナル支持部と接触するように設計され、これにより、上側シールド20内の所望の位置にターミナル支持部60を保持し、振動又はセンサーに衝撃を与え得る衝撃負荷を減衰させる。突起部140は、スプリングと同様に作用し、シール部40及びターミナル支持部60の間の接触を最小にしつつ、振動を吸収し、これにより応力及び他の負荷を減少させることによりセンサー寿命を延ばす。突起部140は、任意の数量で用いることができ、好ましくは、衝撃及び振動に伴う応力の分布を等しくするため、互いから等間隔に隔てられる。これらの突起部140は、シール部40をターミナル支持部60からの対流的熱輸送から実質的に分離させるため、シール部40及びターミナル支持部60の間に十分な空気ギャップを形成するように設計されるのが好ましい。基本的には、ターミナル支持部60及びシール部40の間の最小物理接触に起因して、センサーの下側構成部品からシール部40への熱輸送は減少される。
【0031】
脱ガス収縮に起因して約−40℃乃至200℃の間の熱サイクルが500時間経過しないうちに漏れるか、さもなければ、第2の密封構成部品(例えば、ブート)を必要とする、従来のシール部とは異なり、本発明のシール部は、約750時間以上、ともすれば約1,000時間を超える時間にさえ亘って、同じ熱サイクルの後でも流体機密密封を維持する。更には、エンジンが約1,000℃で作動している、追加のテスト(例えば、センサーシール部が、約250℃の温度にさらされる)の下で、本発明のシール部は、約250時間にも亘って流体機密密封作用を維持した。これは、少なくとも約1,000時間は期待されると考えられる。
【0032】
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、本発明に従って設計されたガスセンサーの断面図である。
【図3】
図3は、一例としてのシール部の等角図である。
【図4】
図4は、図3のライン4−4に沿って取られた一例としてのシール部の断面図である。
【図5】
図5は、一例としてのシール部の等角底面図である。
Claims (21)
- ガスセンサー(10)であって、
サブアッセンブリ(14)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(20)を含む配線ハーネスアッセンブリ(12)内に配置された上側部分と、を有する検出要素(80)と、
前記上側シールド(20)の第1の部分(22)内に配置されたボディ(122)、及び、フランジ(124)を有するシール部(40)であって、前記上側シールド(20)のエッジが、前記フランジ(124)の少なくとも一部分と前記ボディ(122)との間に配置される、前記シール部と、
を含む、ガスセンサー。 - 前記サブアッセンブリ(14)は、
前記検出要素(80)の前記下側部分の回りに配置されたシェル(50)と、
上側絶縁器(90)であって、該上側絶縁器の少なくとも一部分が、前記検出要素(80)及び前記シェル(50)の間に配置される、前記上側絶縁器(90)と、
前記検出要素(80)の端部の回りに配置された下側シールド(30)であって、該下側シールド(30)は、前記シェル(50)と物理的に接触し、複数の開口孔(38)を有する、前記下側シールド(30)と、
を更に含む、請求項1に記載のガスセンサー(10)。 - 前記シール部(40)は、フルオロエラストマー、シリコン、ゴム、ペルフルオロエラストマー、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からなるグループから選択された材料を含んでいる、請求項1に記載のガスセンサー(10)。
- 前記フランジ(124)は、
前記エッジに亘って前記シール部(40)から突出する延長部(131)と、
前記延長部(131)から前記上側シールド(20)に沿って延在する、曲がり部(129)と、
前記曲がり部(129)から前記上側シールド(22)に向かって延在する突起部(128)と、
を更に含み、
前記突起部(128)及び前記シールボディ(122)の間の距離は、前記上側シールド(22)の厚さと略等しいか又は小さい、請求項1に記載のガスセンサー(10)。 - 前記突起部(128)及び前記上側シールド(22)の間に、更に流体機密シール部を更に含む、請求項4に記載のガスセンサー(10)。
- 前記シール部(40)は、
下側表面(126)と、
該下側表面(126)から前記サブアッセンブリ(14)に向かって突出する少なくとも一つの突起部(140)と、
を更に含む、請求項1に記載のガスセンサー(10)。 - ガスセンサー(10)を製造するための方法であって、
配線ハーネスの回りに配置された上側シールド(20)を含む配線ハーネスアッセンブリ(14)内に、検出要素(80)の上側部分を配置し、
前記サブアッセンブリ(14)内に、前記検出要素(80)の下側部分を配置し、
前記上側シールド(20)の第1の部分と同心にシール部のボディ(122)の少なくとも一部分を配置し、及び、前記シール部(40)のフランジ(124)の一部分を前記上側シールド(20)のエッジに亘って配置し、
前記上側シールド(20)を前記シール部(40)の回りに圧着する、各工程を含む、方法。 - 前記シール部(40)は、フルオロエラストマー、シリコン、ゴム、ペルフルオロエラストマー、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からなるグループから選択された材料を含んでいる、請求項7に記載の方法。
- 前記ボディ(120)と、前記フランジ(124)の突起部(128)との間に前記上側シールド(20)を配置する工程を更に含み、
前記フランジ(124)は、
前記エッジに亘って前記シール部(40)から突出する延長部(131)と、
前記延長部(131)から前記上側シールド(20)に沿って延在する、曲がり部(129)と、
前記曲がり部(129)から前記上側シールド(22)に向かって延在する前記突起部(128)と、
を更に含み、
前記突起部(128)及び前記シールボディ(122)の間の距離は、前記上側シールド(22)の厚さと略等しいか又は小さい、請求項7に記載の方法。 - 前記突起部(128)と、前記上側シールド(20)との間に流体機密シール部を形成する工程を更に含む、請求項9に記載の方法。
- 前記シール部(40)の下側表面(126)に、前記サブアッセンブリ(14)に向かって突出する、少なくとも一つの突起部(140)を形成する工程を更に含む、請求項7に記載の方法。
- シール部(40)であって、
ボディ(122)と、
フランジ(124)を有する上側部分であって、該フランジ(124)は、該上側部分から突出する延長部(131)と、該延長部(131)から前記ボディ(122)に沿って延在する曲がり部(129)と、該曲がり部(129)から前記ボディ(122)に向かって延在する突起部(128)と、を有する、前記上側部分と、
前記上側部分から下側表面(126)へと前記ボディ(122)を通って延在する少なくとも一つのチャンネル(130)と、
を含む、シール部(40)。 - 前記下側表面(126)から突出する少なくとも一つの突起部(140)を更に含む、請求項12に記載のシール部(40)。
- フルオロエラストマー、シリコン、ゴム、ペルフルオロエラストマー、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からなるグループから選択された材料を含んでいる、請求項12に記載のシール部(40)。
- ガスセンサー(10)であって、
サブアッセンブリ(14)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(20)を含む配線ハーネスアッセンブリ(12)内に配置された上側部分と、を有する検出要素(80)と、
前記上側シールド(20)の第1の部分内に配置されたボディ(122)、及び、フランジ(124)を有するシール部(40)であって、前記上側シールド(20)のエッジが、前記フランジ(124)の少なくとも一部分と前記ボディ(122)との間に配置される、前記シール部(40)と、
前記検出要素(80)の前記下側部分の回りに配置されたシェル(50)と、
上側絶縁器(90)であって、該上側絶縁器(90)の少なくとも一部分は前記検出要素(80)及び前記シェル(50)の間に配置される、前記上側絶縁器(90)と、
前記検出要素(80)の端部の回りに配置された下側シールド(30)であって、該下側シールド(30)は前記シェル(50)と物理的に接触し且つ複数の開口孔(38)を有する、前記下側シールド(30)と、
前記検出要素(80)と電気的に接続されている、少なくとも一つのターミナル(62、63)と、
前記ターミナル(62、63)と物理的に接触している、ターミナル支持部(60)と、
を含む、ガスセンサー(10)。 - 前記サブアッセンブリ(14)は、前記上側絶縁器(90)及び前記下側シールド(30)の間に、前記シェル(50)内部に配置されたタルクパック(70)を更に含む、請求項15に記載のガスセンサー(10)。
- 前記サブアッセンブリ(14)は、前記タルクパック(70)及び前記下側シールド(30)の間に、前記シェル(50)内部に配置された下側絶縁器(92)を更に含む、請求項16に記載のガスセンサー(10)。
- 前記シール部(40)は、フルオロエラストマー、シリコン、ゴム、ペルフルオロエラストマー、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からなるグループから選択された材料を含んでいる、請求項15に記載のガスセンサー(10)。
- 前記フランジ(124)は、
前記エッジに亘って前記シール部(40)から突出する延長部(131)と、
前記延長部(131)から前記上側シールド(20)に沿って延在する、曲がり部(129)と、
前記曲がり部(129)から前記上側シールド(22)に向かって延在する突起部(128)と、
を更に含み、
前記突起部(128)及び前記シールボディ(122)の間の距離は、前記上側シールド(22)の厚さと略等しいか又は小さい、請求項15に記載のガスセンサー(10)。 - 前記突起部(128)及び前記上側シールド(20)の間に、更に流体機密シール部を更に含む、請求項19に記載のガスセンサー(10)。
- 前記シール部(40)は、
下側表面(126)と、
該下側表面(126)から前記サブアッセンブリ(14)に向かって突出する少なくとも一つの突起部(140)と、
を更に含む、請求項15に記載のガスセンサー(10)。
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