JP3983288B2 - ガスセンサのセンサ素子のためのシール - Google Patents

Description

従来の技術
本発明は請求項１の上位概念に記載のガスセンサのセンサ素子のためのシールに関する。この種のシールはドイツ連邦共和国特許出願公開第34 18 789号明細書から公知であり，この場合，センサ素子は２つのシール体とこれらのシール体の間に配置された変形可能な付加シールとによってケーシングの縦孔内に配置されている。両方のシール体はマグネシュウム−アルミニュウム−ケイ酸塩（ステアタイト）から成っている。付加シールのための材料としては予備圧縮された金属粉末又はグラファイトが使用される。
発明の利点
請求項１に記載の特徴を備えた本発明によるシールが有する利点とするところは，このシールが気密であるばかりでなく，液体特に燃料に対しても不浸透性であり，かつ付加的に高い耐熱性を有していることにある。
請求項２以下に記載の手段によれば，請求項１に記載のシールの構成を有利に限定することが可能となる。予備焼結された状態のステアタイトのシール体と，熱間プレスされた状態の窒化ホウ素のシール体とが，シールリングとして使用され，かつ組み付けの際に力の作用によって，シール体の材料がセンサ素子及びケーシングに当接してセンサ素子がケーシング内で気密に保持されるように，変形されるようにすると，シールの組み付け操作を良好に行うことができる。
図面
本発明の３つの実施例が図面に示されており，以下に詳しく説明する。ここに図１は第１実施例のシール配列のガスセンサの断面を示し，図２は第２実施例のシール配列のガスセンサを示し，図３は第３実施例のシール配列のガスセンサを示す。
実施例
図１，図２及び図３はガスセンサ１０，例えば電気化学的な酸素センサを示し，このセンサは，図示されていない測定ガス管内へ取り付けるための固定手段としてのねじ山１３を備えた金属のケーシング１２を有している。このケーシング１２は肩状の環状面１６を備えた縦孔１５を有している。肩状の環状面上には，例えば金属製のシールリング１８があり，その上に測定ガス側のセラミック成形部２１が当接している。測定ガス側のセラミック成形部２１は，縦孔１５の方向に貫通して延びている測定ガス側の切欠２２を備えている。
測定ガス側のセラミック成形部２１から間隔をおいて，縦孔１５内には更に，接続側のセラミック成形部２３が配置されている。接続側のセラミック成形部２３は，同様に縦孔１５の方向に貫通して延びていて中央に配置されている接続側の切欠２４を備えている。測定ガス側のセラミック成形部２１の測定ガス側の切欠２２と，接続側のセラミック成形部２３の接続側の切欠２４とは互いに一直線状に延びている。切欠２２，２４内には，測定ガス側の端部２８と接続側の端部２９とを備えた小板状の１つのセンサ素子２７が配置されている。
センサ素子２７の測定ガス側の端部２８はケーシング１２から突出していて，ケーシング１２に固定された保護管３１によって囲まれている。この保護管３１は，測定すべきガスのための流入・流出口３２を備えている。接続側の端部２９は，やはりケーシング１２から突出している接続接点３４を備えている。これらの接続接点３４は接続ケーブルを備えた図示されていない接点プラグに接続せしめられる。ケーシング１２から突出している接続側の端部２９は，この端部２９を周囲の影響から保護する図示されていないジャケットにより囲われている。
測定ガス側のセラミック成形部２１と接続側のセラミック成形部２３との間にはシール配列３５が設けられており，このシール配列は第１のシールエレメント３６，第２のシールエレメント３７及び第３のシールエレメント３８とから構成されている。第１のシールエレメント３６はステアタイトから成っていて，測定ガス側のセラミック成形部２１上に座着している。これに続いて，六方晶系の窒化ホウ素から成る第２のシールエレメント３７が配置されている。第２のシールエレメント３７の上方には，同様にステアタイトから成る第３のシールエレメント３８が配置されている。第３のシールエレメント３８上には接続側のセラミック成形部２３が圧着されている。接続側のセラミック成形部２３の圧着力は金属スリーブ４０により生ぜしめられる。この金属スリーブ４０は，例えば均一に分配された複数の内向きの押込成形部４１を備えており，これらの押込成形部はケーシング１２に形成された溝４２内に係合している。
第２実施例が図２に示されている。この実施例では，シール配列３５は第２のシールエレメント３７と第３のシールエレメント３８とだけから成っている。窒化ホウ素から成る第２のシールエレメント３７は測定ガス側のセラミック成形部２１に直接に当接している。
図３に示された第３実施例では，シール配列３５は第１のシールエレメント３６と第２のシールエレメント３７とから成っている。この場合，接続側のセラミック成形部２３は窒化ホウ素から成る第２のシールエレメント３７上に直接に当接している。
ステアタイトから成るシールエレメント３６，３８の体積が窒化ホウ素から成るシールエレメント３７の体積のほぼ２倍であると効果的であることが判明した。このため，図１に示された実施例ではシールエレメント３６，３７，３８のそれぞれの厚さはほぼ同じである。これに対して，図２及び図３に示された実施例では，第１のシールエレメント３６若しくは第３のシールエレメント３８が，窒化ホウ素から成る第２のシールエレメント３７に比してほぼ２倍の厚さに形成されている。
ステアタイトから成るシールエレメント３６，３８はケーシング１２の縦孔１５内へ組み込まれる前に，例えば５００℃の比較的低温で焼結されて，リングとして予備成形される。これに対して，六方晶系の窒化ホウ素から成る第２のシールエレメント３７はほぼ２０００℃で熱間プレスされる。このようにして形成されたリング状のシールエレメント３６，３７，３８はそれぞれの実施例に相応して，センサ素子２７を既に収容している縦孔１５内に挿入される。次いで，相応に形成されたシール配列３５の上方に接続側のセラミック成形部２３が配置される。しかる後に，接続側のセラミック成形部上に金属スリーブ４０が載着される。次いで，例えばプレス工具によって，接続側のセラミック成形部２３を介してシール配列３５のシールエレメント３６，３７，３８へ作用する力が金属スリーブ４０上に加えられる。その際，シールエレメント３６，３７，３８の予め加工されたリングは変形せしめられ，シールエレメント３６，３７，３８の材料がセンサ素子２７及びケーシング１２に圧着せしめられる。
シール作用は主として第２のシールエレメント３７の六方晶系の窒化ホウ素によって決定されることが分かった。窒化ホウ素はその結晶構造に基づき，極めて良好な気密性と燃料シール性を有している。
気密性及び燃料シール性を広い温度範囲にわたって得るためには，金属スリーブ４０を起点としてシールエレメント３６，３７，３８へ作用する力が常時シール配列３５に作用していることが重要である。ステアタイトの熱膨張係数（８．８×１０^-6・Ｋ^-1）が窒化ホウ素の熱膨張係数（ほぼ４．４×１０^-6・Ｋ^-1）に対比して大きいことに基づき，比較的高い温度でも，金属スリーブ４０を起点とする圧着力がシール配列３５へ作用せしめられる。
本発明に基づくシール配列３５の使用は，金属ケーシング内の偏平なセンサ素子のシールのために限定されるものではない。勿論，この種のシール配列３５はいわゆるフィンガ形センサのシールのためにも使用することができる。この使用例の場合には，シールエレメント３６，３７，３８のための予備製作されるリングを，ケーシングの縦孔の形態，すなわちケーシング及びフィンガ形のセンサ素子の支持面の形態に適合させて構成すればよい。

Claims (10)

1. 特に燃焼機関の排ガス内の酸素含有量を決定するためのガスセンサであって，センサ素子がケーシング内で少なくとも１つのシールエレメントによって気密に固定されている形式のものにおいて，少なくとも２つの互いに上下に位置するシールエレメント（３６，３７，３８）から成るシール配列（３５）が設けられており，その１つのシールエレメント（３７）が窒化ホウ素から成り，他のシールエレメント（３６，３８）がステアタイトから成ることを特徴とする，ガスセンサ。
2. 窒化ホウ素が六方晶系の結晶構造であることを特徴とする，請求項１記載のガスセンサ。
3. 変形可能なリングとしてのシールエレメント（３６，３７，３８）が使用されていて，ケーシング（１２）の縦孔（１５）内へプレスばめされており，圧縮時にシールエレメント（３６，３７，３８）の材料がセンサ素子（２７）とケーシング（１２）とに圧着されるように，リングが変形せしめられることを特徴とする，請求項１記載のガスセンサ。
4. ステアタイトから成るシールエレメント（３６，３８）の体積が，窒化ホウ素から成るシールエレメント（３７）の体積に比して大きいことを特徴とする，請求項１記載のガスセンサ。
5. ステアタイトから成るシールエレメント（３６，３８）の体積が，窒化ホウ素から成るシールエレメント（３７）の体積のほぼ２倍であることを特徴とする，請求項４記載のガスセンサ。
6. ケーシング（１２）内に互いに間隔をおいて，測定ガス側のセラミック成形部（２１）と接続側のセラミック成形部（２３）とが配置されており，これら両方のセラミック成形部（２１，２３）の間にシール配列が配置されていることを特徴とする，請求項１記載のガスセンサ。
7. ケーシング（１２）と結合された圧着部材（４０）が設けられており，この圧着部材は接続側のセラミック成形部（２３）を押圧していることを特徴とする，請求項６記載のガスセンサ。
8. 測定ガス側のセラミック成形部（２１）上にステアタイトから成るシールエレメント（３６）が当接しており，その上に窒化ホウ素から成るシールエレメント（３７）があり，その上にステアタイトから成る別のシールエレメント（３８）が当接しており，その上から接続側のセラミック成形部（２３）が押圧していることを特徴とする，請求項６記載のガスセンサ。
9. 測定ガス側のセラミック成形部（２１）上に窒化ホウ素から成るシールエレメント（３７）が当接しており，その上にステアタイトから成るシールエレメント（３８）があり，その上から接続側のセラミック成形部（２３）が押圧していることを特徴とする，請求項６記載のガスセンサ。
10. 測定ガス側のセラミック成形部（２１）上にステアタイトから成るシールエレメント（３６）が当接しており，その上に窒化ホウ素から成るシールエレメント（３７）があり，その上から接続側のセラミック成形部（２３）が押圧していることを特徴とする，請求項６記載のガスセンサ。

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