JP2006519360A - 測定センサ - Google Patents

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Abstract

測定ガス、特に内燃機関の排ガスの物理特性、特にガス成分の濃度または測定ガスの温度を特定するための測定センサが提供される。測定ガスに、ケーシング(11)が設けられており、ケーシング(11)から突出する測定ガス側の端部区分と、コンタクト面(13)を有する接続側の端部区分(121)とを備えた、ケーシング(11)に収容されたセンサ素子(12)が設けられており、少なくとも1つのコンタクト面(13)にコンタクトされた少なくとも1つの導体素子(18)が設けられている。電気的なコンタクトにおける比較的小さな接触抵抗ならびに機械的な負荷に対する分離を達成するために、コンタクト面(13)と導体素子(18)とが、溶接によって互いに結合されていて、かつ少なくとも溶接結合領域で、絶縁性のセラミック質量体(19)に埋め込まれている。

Description

本発明は、請求項1の上位概念に記載の測定ガス、特に内燃機関の排ガスの物理特性、特にガス成分の濃度または測定ガスの温度を特定するための測定センサに関する。
背景技術
公知のガス測定センサ(ドイツ連邦共和国特許出願公開第10132828号明細書)では、少なくとも1つのコンタクト面と少なくとも1つの導体素子との間のコンタクトは、コンタクトホルダによって形成され、コンタクトホルダは、ばねエレメントによって、少なくとも1つの導体素子をコンタクト面に押圧する。少なくとも1つの導体素子は、クランプ結合部を介して接続ラインに接続されており、接続ラインによって、センサ素子が電子装置に接続可能であり、これについてはドイツ連邦共和国特許出願公開第19542650号明細書に記載されている。
発明の利点
本発明による、請求項1の特徴部に記載の構成を備えた測定センサの利点によれば、溶接結合部は、最適な電気接触抵抗を保証し、かつ経済的な製造を実現する。絶縁性のセラミック質量体に埋め込むことによって、溶接結合部は機械的に分離され、これによって排ガスセンサとして車両の内燃機関に使用される際に生じるような振動負荷の影響を受けにくくなっている。これによって達成される、測定センサの、比較的大きな機械強さに基づいて、耐用寿命は著しく改善される。埋込は、圧入、または絶縁材料もしくは粉体充填物の流込によって達成される。
別の請求項に記載の構成によって、請求項1に記載した測定センサの有利な実施形態および改良形が実現される。
本発明の有利な実施形態によれば、セラミック質量体は、測定センサを形成する際に圧縮性の粉体充填物としてケーシングに供給されて、センサ素子とケーシング内壁との間の空間を充填する。粉体材料として、有利には酸化マグネシウム(MgO)が用いられる。圧入または流込のために、セラミック流込材料が有利である。選択的にセラミック接着剤、ステアタイトまたは酸化アルミニウム(Al)を用いることができる。
本発明の有利な実施形態では、溶接結合部が、抵抗溶接によって形成される。有利には白金または白金サーメットから成るコンタクト面との、有利にはニッケル(Ni)から製作される導体素子の溶接は、溶接レーザを用いて行うこともできる。
本発明の有利な実施形態によれば、ケーシングに、ケーシング横断面にわたって設けられたディスク受け部が取り付けられており、ディスク受け部を通って、少なくとも1つの導体路が案内されている。ケーシングに、センサ素子を溶接結合部の領域で包囲する貫通孔を備えた、ケーシング横断面を充填する閉鎖部材が圧入されており、ディスク受け部と閉鎖部材との間の中間室、ならびにセンサ素子と貫通孔の壁との間の中間室は、完全にセラミック流込材料および/またはセラミク接着剤で充填される。このような実施形態の利点によれば、測定センサの構造化に際して、セラミック流込材料もしくはセラミック接着剤の導入によって、溶接結合部の最適な絶縁性の包囲およびセンサ素子の最適なガス密の閉鎖が生じる。この場合セラミック流込材料またはセラミク接着剤の導入は容易である。なぜならば充填管片の位置に関する高い精度要求が課せられないからである。セラミック流込材料またはセラミック接着剤は、高い量的な許容誤差で導入することができる。なぜならば余剰の質量体は、閉鎖部材の差込に際して、閉鎖部材の貫通孔を介して、閉鎖部材とディスク受け部との間の中間室から押し出され、必要な場合閉鎖部材の自由端面で除去できるからである。セラミック流込材料またはセラミク接着剤の、貫通孔から流出する量に基づいて、シールに関する利点が得られる。セラミック流込材料もしくはセラミック接着剤が、溶接結合部を閉鎖部材に向かってシールし、かつ閉鎖部材とディスク受け部との間の中間室をケーシングに向かってシールするので、窒化ホウ素ディスクの介在する2つのステアタイトディスクから成る従来慣用のシールシステムは省略することができ、その結果測定センサの、軸方向でみて短い構造形式が達成される。そのようなシール配置構造は、たとえばセンサ素子の振動を低減するために、センサ素子を追加的に硬化するよう所望される場合に設けられている。
本発明の有利な実施形態では、センサ素子のための、閉鎖部材に設けられた貫通孔は、溶接結合部の領域において、センサ素子の横断面形状に適合された内法の横断面を有しており、この場合内法の横断面は、ディスク受け部に向いた側の端面から出発して、閉鎖部材の、ディスク受け部とは反対側の端面に向かって漸次減少している。貫通孔の先細形状によって、閉鎖部材の圧入によって行われる、セラミック流込材料および/またはセラミク接着剤の分配に際して、絞り効果が及ぼされ、この場合セラミック流込材料もしくはセラミク接着剤は、先ず半径方向で均等に分配され、次いで閉鎖部材が押し込まれるにつれ、貫通孔を通って次第に押し出される。
少なくとも1つのセンサ素子と結合された導体路の、ケーシングからのガス密な導出案内を形成するための測定センサの前組付は、次の方法ステップで行われる。
ディスク受け部を通って少なくとも1つの導体素子を案内し、ディスク受け部をケーシングに固定し、閉鎖部材をセンサ素子に被せ嵌め、センサ素子を端部でディスク受け部の袋穴に差し込み、ディスク受け部から突出する少なくとも1つの導体素子を、センサ素子におけるコンタクト面に溶接する。次いで規定量のセラミック流込材料および/またはセラミク接着剤をディスク受け部に向かって所与し、閉鎖部材をセンサ素子に沿ってディスク受け部に向かって移動し、それも閉鎖部材の端面とディスク受け部との間に、比較的小さな中間室しか残存しないように移動し、中間室の軸方向の深さを、閉鎖部材に設けられた所定のスペーサ部材によって規定する。閉鎖部材とディスク受け部との間の中間室で、セラミック流込材料もしくはセラミック接着剤は、ケーシングに対して閉鎖部材およびディスク受け部をシールする。ディスク受け部の袋穴は、配線のための貫通孔を有している。
実施例の説明
次に図面につき本発明の実施例を詳しく説明する。
図1に縦断面図で示した測定センサは、測定ガスの物理特性を特定するのに役立つ。物理特性とは、ガス成分の濃度または測定ガスの温度である。有利にはこのような測定センサは、車両の内燃機関において排ガスセンサとして使用され、排ガスセンサは、内燃機関の排ガス中の酸素濃度(ラムダセンサ)または排ガスの温度(温度センサ)を測定する。
測定センサは、ケーシング11を備えており、ケーシング11にセンサ素子12が収容されており、センサ素子12は、測定ガス側の端部区分で、ケーシング11から突出していて、測定ガスにさらされている。接続側の端部区分121で、センサ素子12は、それぞれ反対側の表面に、白金または白金サーメットから成る複数のコンタクト面13を備えており、コンタクト面13は、測定ガス側の端部区分に通じる電気的な導体路(図示していない)と結合されている。この実施例では2つのコンタクト面13を図示した。センサ素子12は、両方の端部区分の間に位置するシール構造体17を貫通案内されており、シール構造体17は、センサ素子12をケーシング11に沿って支持していて、かつ機械的に振動を減衰して、接続側の端部区分121を測定ガスに対してシールする。公知の形式では、シール構造体17は、たとえばステアタイトから成る2つのセラミック成形部分14,15から形成されており、セラミック成形部分14,15の間にたとえば窒化ホウ素から成るシールエレメント16が緊締されている。
電子制御装置にセンサ素子12を接続するために、各コンタクト面13に導体エレメント18がコンタクトされており、導体エレメント18は、電子制御装置に通じる接続ラインと接続された接続コネクタに向かって案内されており、これについてはたとえばドイツ連邦共和国特許第19523911号明細書に記載されている。導体エレメント18は、有利にはニッケル(Ni)から成っている。最小の接触抵抗を有する電気コンタクトを形成するために、導体エレメント18は、これに対応配置されたコンタクト面13に溶接されており、この場合溶接法として、抵抗溶接が有利であるが、レーザ溶接を用いることもできる。
ケーシング11にセンサ素子12を組み込む際に、センサ素子12は、溶接結合領域でセラミック質量体19に埋め込まれ、セラミック質量体19は、センサ素子12の接続側の端部区分121を包囲して、ケーシング11の内壁に支持されている。この実施例では、圧縮性で耐熱性の粉体充填物への埋め込みが行われ、粉体充填物は、センサ素子12の接続側の端部区分121とケーシング1の内壁との間の空間をシール構造体17に向かって完全に充填する。粉体として有利には酸化マグネシウム(MgO)が用いられる。セラミックの質量体19への埋め込みは、流込または圧入によって行うこともできる。この場合材料として、セラミック流込材料、セラミック接着剤またはステアタイトもしくは酸化アルミニウム(Al)が用いられる。
セラミック質量体19は、ケーシング端部に向かって、周囲でケーシング11の内壁に沿って支持された絶縁ディスク20によって覆われており、絶縁ディスク20を通って導体素子18が案内されている。絶縁ディスク20は、有利には酸化アルミニウムから成っている。ケーシング11は、端部側で絶縁ディスク20に沿って縁曲げされているので、絶縁ディスク20は軸方向で固定されている。シール構造体17の、測定ガス側の端部区分に向いた面に別の絶縁ディスク21が配置されており、別の絶縁ディスク21はセンサ素子12を包囲して、かつ周囲でケーシング11の内壁に接触している。
絶縁性のセラミック質量体19は、付加的にシール機能を有していて、かつセンサ素子12の接続側の端部区分121を排ガスに対してシールするので、セラミック質量体19として、前述の粉体充填物ではなく、前述のように圧入または流込材料が使用される場合、シール構造体17は、たとえばシール構造体17の構成要素15,16を省略して簡素化することができる。
別の実施例による、図2に断面図で示した測定センサは、ケーシング11を備えており、ケーシング11に、端部側で、管状の、有利には可撓性の接続部材23が差し込まれており、接続部材23内で、導体素子18が、接続部材23を閉鎖する接続コネクタに向かって案内されている。接続部材23に、該接続部材23の、ケーシング11に進入する管端部に対して軸方向間隔を有して、ディスク受け部24が挿入されており、ディスク受け部24を通って導体素子18が案内されている。導体素子18は、図1の実施例と同様に、溶接結合によって、電気的かつ機械的に、センサ素子12の接続側の端部区分121の、互いに反対側に位置する大きな面に設けられたコンタクト面13に固定されている。ディスク受け部24は、ケーシング内室に向かって開放する中央の袋穴25を備えており、袋穴25の内法の横断面は、センサ素子12の横断面に相当するので、センサ素子12の端部は、極めて小さなギャップ間隔で袋穴25に形状接続(formschluessig;形状による束縛)式に進入することができる。袋穴25は、貫通孔(図示していない)を備えており、貫通孔を通って、センサ素子12の接続側の端部区分121が周囲環境と接続されている。ケーシング11と接続部材23とは、溶接シーム22または周方向で延びるかしめによって相互結合されている。
ケーシング11には、ケーシング11の内法の横断面を充填する閉鎖部材26が挿入されており、閉鎖部材26は中央の貫通孔27を備えている。円筒形の閉鎖部材26は、それぞれ異なる直径を有する2つの円筒区分261,262を有している。閉鎖部材26は、比較的小さな直径を有する円筒区分262で、接続部材23の、ケーシング11に進入する管区分にギャップなしに差し込まれていて、かつ比較的大きな直径を有する円筒区分261で、ケーシング11の内壁に押し付けられている。ディスク受け部24に向いた側の端面で、閉鎖部材26は、2つのスペーサエレメント28を備えており、スペーサエレメント28は、ディスク受け部24に支持されているので、図2に示した閉鎖部材26の挿入状態で、ディスク受け部24と比較的小さな直径を有する円筒区分261との間に最小の中間室29が残存するよう保証されている。閉鎖部材26の図示の挿入状態では、貫通孔27は、コンタクト面13およびコンタクト面13に溶接された導体素子18の領域でセンサ素子12を包囲する。図3に示したように、貫通孔27の内法の横断面は、センサ素子12の形状に適合されていて、かつこの実施例では矩形である。ここでは貫通孔27は、閉鎖部材26の、ディスク受け部24に向いた側の端面から出発して、閉鎖部材26の、この端面とは反対側の端面に向かって先細に形成されている。
ケーシング11から導体素子18をガス密に案内する実施例を形成するための測定センサの組付について、以下の方法ステップが行われる。
ディスク受け部24の挿入された接続部材23と、ディスク受け部24を通って案内される導体素子18とが、完全に前組付される。センサ素子12が、ディスク受け部24の袋穴25に差し込まれ、ディスク受け部24から突出する導体素子18が、センサ素子12のコンタクト面13に溶接される。センサ素子12と接続部材23とがケーシング11に挿入され、ケーシング11と接続部材23とが互いに溶接される。この時点で規定量のセラミック流込材料31(選択的にセラミック接着剤31)が、ディスク受け部24に向かって保護管23に提供される。次いでセンサ素子12に被せ嵌められた閉鎖部材26が、比較的小さな直径を有する円筒区分262で、接続部材23の管端部に差し込まれる。差込圧力によって、先ず閉鎖部材26とディスク受け部24との間の中間室29においてセラミック流込材料31の半径方向の均等な分配が生じる。中間スペース29が最大限充填されると、次第にセラミック流込材料31は貫通孔27に向かって進入して、先細に形成された貫通孔27の絞り作用に基づいて、次第に増加する差込圧力で、最終的に閉鎖部材26の、ディスク受け部24とは反対側の端面で貫通孔27から押し出される。円筒区分261,262間に形成されたリング肩部263が、接続部材23の、リング状の端面に当接して、遅くともスペーサエレメント28がディスク受け部24に接触すると、直ちに接続部材23への閉鎖部材26の差込が終了される。ディスク受け部24に形成された袋穴25とセンサ素子12との間に残存するギャップにセラミック流込材料31が進入するのを防止するために、ディスク受け部24の、閉鎖部材26に向いた側の端面に、センサ素子12を密に包囲するシールエレメント32が敷設されている。シールエレメント32は、たとえばセンサ素子12の貫通領域でスリットの形成された、小さな丸いガラス繊維マットであってよい。セラミック流込材料31のコンシステンシーに基づいて、セラミック流込材料31の乾燥を回避する必要がある場合、閉鎖部材26は湿潤状態で組み付けられる。
測定センサの1実施例を概略的に示す縦断面図である。 測定センサの別の1実施例を概略的に示す縦断面図である。 図2に示した測定センサの閉鎖部材を示す斜視図である。
符号の説明
11 ケーシング、 12 センサ素子、 13 コンタクト面、 14,15 セラミック成形部、 16 シールエレメント、 17 シール構造体、 18 導体素子、 19 セラミック質量体、 20 絶縁ディスク、 21 絶縁ディスク、 22 溶接シーム、 23 接続部材、 24 ディスク受け部、 25 袋穴、 26 閉鎖部材、 27 貫通孔、 28 スペーサエレメント、 29 中間室、 32 シールエレメント、 121 端部区分、 261,262 円筒区分、 263 リング肩部

Claims (17)

  1. 測定ガス、特に内燃機関の排ガスの物理特性、特にガス成分の濃度または測定ガスの温度を特定するための測定センサであって、
    ケーシング(11)が設けられており、該ケーシング(11)に収容されたセンサ素子(12)が設けられており、該センサ素子(12)が、ケーシング(11)から突出する測定ガス側の端部区分で、測定ガスにさらされていて、かつ接続側の端部区分(121)で、少なくとも1つのコンタクト面(13)を備えており、少なくとも1つのコンタクト面(13)とコンタクトされた少なくとも1つの導体素子(18)が設けられている形式のものにおいて、
    コンタクト面(13)と導体素子(18)とが、溶接によって互いに結合されていて、かつ少なくとも溶接結合領域で、絶縁性のセラミック質量体(19)に埋め込まれていることを特徴とする、測定ガスの物理特性を特定するための測定センサ。
  2. コンタクト面(13)と導体素子(18)との間の溶接結合部が、抵抗溶接またはレーザ溶接によって形成されている、請求項1記載の測定センサ。
  3. 少なくとも1つのコンタクト面(13)が、白金または白金サーメットから成っている、請求項1または2記載の測定センサ。
  4. 少なくとも1つの導体素子(18)が、ニッケルから成っている、請求項1から3までのいずれか1項記載の測定センサ。
  5. 絶縁性のセラミック質量体(19)が、ケーシング(11)の内壁とセンサ素子(12)の接続側の端部区分(121)との間の空間を充填する圧縮性の粉体充填物であり、有利には粉体として、酸化マグネシウム(MgO)が用いられるようになっている、請求項1から4までのいずれか1項記載の測定センサ。
  6. 埋込部が、セラミック質量体の圧入によって形成されており、有利には絶縁性のセラミック質量体(19)として、セラミック流込材料、セラミック接着剤、ステアタイトまたは酸化アルミニウム(Al)が用いられるようになっている、請求項1から4までのいずれか1項記載の測定センサ。
  7. セラミック質量体(19)が、外側端面で、ケーシング(11)の内壁に沿って周囲で支持された閉鎖ディスク(20)によって覆われており、該閉鎖ディスク(20)を通って、少なくとも1つの導体素子(18)が案内されている、請求項1から6までのいずれか1項記載の測定センサ。
  8. ケーシング(11)が、閉鎖ディスク(20)に沿って縁曲げされている、請求項7記載の測定センサ。
  9. 絶縁性のセラミック質量体(19)が、内側の端面で、センサ素子(12)を包囲するシール構造体(17)によって制限されており、該シール構造体(17)が、ケーシング(11)の内壁に沿ってガス密に支持されている、請求項1から8までのいずれか1項記載の測定センサ。
  10. シール構造体(17)の、セラミック質量体(19)とは反対側に、別の絶縁ディスク(21)が配置されており、該別の絶縁ディスク(21)が、センサ素子(12)を包囲していて、かつケーシング(11)に支持されている、請求項9記載の測定センサ。
  11. ケーシング(11)にディスク受け部(24)が取り付けられており、該ディスク受け部(24)を通って、少なくとも1つの導体素子(18)が案内されており、
    ケーシング(11)に、センサ素子(12)をコンタクト面(13)と導体素子(18)との溶接結合領域で包囲する貫通孔(27)を備えた、少なくとも部分的に内法のケーシング横断面を充填する閉鎖部材(26)が圧入されており、
    ディスク受け部(24)と閉鎖部材(26)との間の中間室(29)、ならびにセンサ素子(12)と貫通孔(27)の壁部との間の中間室(30)に、セラミック流込材料(31)および/またはセラミック接着剤(31)が充填されている、請求項6記載の測定センサ。
  12. センサ素子(12)のための貫通孔(27)が、センサ素子(12)の横断面形状に適合された横断面を有していて、かつ閉鎖部材(26)の、ディスク受け部(24)とは反対側の端部に向かって先細に形成されている、請求項11記載の測定センサ。
  13. ディスク受け部(24)が、センサ素子(12)の端部を形状接続式に収容する袋穴(25)を有している、請求項11または12記載の測定センサ。
  14. 閉鎖部材(26)が、ディスク受け部(24)に向いた側の端面で、ディスク受け部(24)に閉鎖部材(26)を支持するための、軸方向で突出する少なくとも1つのスペーサエレメント(28)を備えている、請求項11から13までのいずれか1項記載の測定センサ。
  15. ケーシング(11)に、端面側で、ケーシング(11)と不動に結合された管状の接続部材(23)の管区分が進入しており、ディスク受け部(24)が、接続部材(23)の管区分に、管端部から間隔を有して挿入されており、閉鎖部材(26)が、少なくとも部分的に管端部に圧入されている、請求項11から14までのいずれか1項記載の測定センサ。
  16. ディスク受け部(24)の、閉鎖部材(26)に向いた側の端面に、センサ素子(12)を密に包囲するシールエレメント(32)、有利にはガラス繊維マットが設けられている、請求項11から15までのいずれか1項記載の測定センサ。
  17. 請求項1から15までのいずれか1項記載の測定ガスを前組付する方法において、
    導体素子(18)に溶接されたセンサ素子(12)の差し込まれた袋穴(25)有する、ケーシング(11)内で固定されたディスク受け部(24)に、規定量のセラミック流込材料(31)および/またはセラミック接着剤(31)を所与し、
    閉鎖部材(26)を、センサ素子(12)に沿ってケーシング(11)内でディスク受け部(24)に向かって移動し、それもディスク受け部(24)と閉鎖部材(26)との間に、セラミック流込材料(31)および/またはセラミック接着剤で充填される中間室(29)が残存する範囲で移動し、中間室(29)の軸方向の最小深さが、少なくとも1つのスペーサエレメント(28)によって特定されるようにすることを特徴とする、測定ガスを前組付する方法。
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