JP4956404B2 - 排気ガスセンサ及びその製造方法 - Google Patents

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Description

本発明は排気ガスセンサに関する。
排気ガスセンサは、内燃エンジンで最適の混合比を維持するのを確実にするのを補助する。代表的には、排気ガスセンサは排気の酸素含有量を周囲空気の酸素含有量と比較するために自動車に搭載される。センサからのフィードバックが、エンジンに噴射される燃料の量を制御する。平型センサ及びシンブル型センサが二つの一般的な種類の排気ガスセンサである。平型センサは、平らなセラミックセンサエレメントを含む。シンブル型センサは、シンブル形状センサエレメントを含む。
本発明の目的は、排気ガスセンサ及びその製造方法を提供することである。
一実施例では、本発明は、排気ガスセンサの製造方法を提供する。この方法は、排気ガスセンサのサブアッセンブリの少なくとも一部を金型ジグに位置決めする工程と、サブアッセンブリの少なくとも一部にセラミック材料を被せ成形する工程と、被せ成形したサブアッセンブリを金型ジグから取り出す工程とを含む。
別の実施例では、本発明は、ハウジングと、このハウジングに部分的に受け入れられたセンサエレメントと、ハウジングに被せ成形してセンサエレメントの一部を封入するセラミック材料とを含む排気ガスセンサアッセンブリを提供する。
更に別の実施例では、本発明は、ハウジングと、センサエレメントと、ハウジング及びセンサエレメントに連結されたスリーブとを含む排気ガスセンサアッセンブリを提供する。スリーブは、その中に成形されたセラミック材料を含み、導電性エレメントが延びるボアを形成する。
本発明のこの他の特徴は、詳細な説明及び添付図面を考慮することにより明らかになるであろう。
本発明の実施例を詳細に説明する前に、本発明は、以下の説明に記載した、又は添付図面に示した構成要素の構造及び構成の詳細に限定されないということは理解されるべきである。本発明は、他の実施例が可能であり、様々な方法で実施できる。本明細書中で使用した言い回しや用語は、説明を目的としたものであって、限定であると考えられるべきではないということもまた理解されるべきである。「含む」、「備える」、又は「持つ」等の使用は、列挙した構成要素及びその等価物並びに追加の構成要素を包含しようとするものである。特段の記載がない限り、「取り付け」、「連結」、「支持」、及び「結合」等は、広い意味で使用され、直接的及び間接的な取り付け、連結、支持、及び結合を含む。更に、「連結」及び「結合」は、物理的な又は機械的な連結又は結合に限定されない。
図1は、本発明の排気ガスセンサ10を示す。センサ10は、センササブアッセンブリ14及び出口リード又はワイヤハーネスサブアッセンブリ18を含む。例示のセンササブアッセンブリ14即ち短いセンサアッセンブリは、全体に円筒形の金属製ハウジング22を含む。このハウジングは、自動車、又は自動車以外のオートバイ、スノーモービル、ATV、芝刈機、等の用途で使用する内燃エンジンの排気管(図示せず)又は他の構成要素のねじ山を備えた穴と螺合するように形成されている。
図2を参照すると、例示のセンササブアッセンブリ14は、セラミック材料26、センサエレメント30、スペーサ34、及び溶接リング38を更に含む。セラミック材料26は、センサエレメント30の中央部分を封入し、ハウジング22のボア42を部分的に充填するようにハウジング22に対して成形される。成形中、セラミック材料26は、ハウジング22及びセンサエレメント30の中央部分と結合する。例示の構造では、セラミック材料26は、フランスのサン−ゴバインクォーツS.A.S.から入手できるMICAVER(MICAVERは登録商標である)HTマイカ材料である。セラミック材料26は、スペーサ34に当接する。このスペーサは、例示の実施例では、ハウジング22に位置決めした焼結ステアタイトブッシュであり、高温(例えば700℃以上)の排気ガスと、セラミック材料26との間で熱障壁として作用する。例示の実施例では、スペーサ34により、セラミック材料26がハウジング22のボア42を完全には満たさないようにする。幾つかの低温の用途では、スペーサ34をなくし、セラミック材料26でボア42の大部分を満たしてもよい。セラミック材料26は、更に、溶接リング38に結合しており、溶接リング38をハウジング22から離して支持する。溶接リング38は、以下に更に詳細に説明するように、ワイヤハーネスサブアッセンブリ18用の連結領域を提供する。
例示の構造では、センサエレメント30は、平型センサである。平型センサの追加の特徴及び作動の議論について、1997年12月16日に出願された米国特許第6,164,120号を参照されたい。同特許に触れたことにより、この特許に開示された内容は本明細書中に含まれたものとする。センサエレメント30は、第1端46がセラミック材料26の一端から外に延びており、第2端50がセラミック材料26の反対端から外に延びている。例示の実施例では、第1端46即ちセンサエレメント30の排気側は、内保護チューブ54及び外保護チューブ58によって取り囲まれている。センサエレメント30の排気側46は、内燃エンジンが発生する排気ガスに対して露呈される。
センサエレメント30の第2端即ち基準側50は、ワイヤハーネスサブアッセンブリ18によって取り囲まれており、周囲からの基準空気に露呈されている。しかしながら、他の構造(図示せず)では、セラミック材料26でセンサエレメント30の基準側50を取り囲み、センサエレメント30を基準空気と連通できるように、空気チャンネルをセラミック材料26に型成形してもよいし形成(例えばドリル加工によって)してもよい。
例示の実施例では、四つの端子ピン即ち溶接ピン62が、例えば抵抗溶接又は鑞付けによってセンサエレメント30に電気的に接続されている。セラミック材料26は、各端子ピン62の一端がセラミック材料26から延びるように、端子ピン62を部分的に包囲している。端子ピン62は、ワイヤハーネスサブアッセンブリ18とセンサエレメント30との間の電気的接続を容易にする。他の実施例では、使用される端子ピン62はこれよりも少数であってもよいし多くてもよい。
ワイヤハーネスサブアッセンブリ18は、信号ワイヤ66、ヒーターワイヤ70、キャップ74、シールグロメット78、及びスリーブ82を含む。各ワイヤ66、70には溶接端子86が設けられており、抵抗溶接又は他の適当な方法でセンササブアッセンブリ14の対応する端子ピン62に電気的に接続される。例示のワイヤハーネスサブアッセンブリ18は、4本のワイヤ66、70、及び溶接端子86を有する。しかしながら、ワイヤハーネスサブアッセンブリ18は、これよりも少数の又は多くのワイヤ66、70を含むように変更し、溶接端子86をセンササブアッセンブリ14の端子ピン62の数と一致させてもよいということは当業者には容易に理解されよう。
シールグロメット78は、ワイヤ66、70を支持するため、一部がスリーブ82の第1端90内に位置決めされる。キャップ74がシールグロメット78を所定位置に固定し、クリンプ加工又は他の適当な固定作業(例えば、鑞付け、溶接、接着、等)によってスリーブ82の第1端90に連結する。ワイヤハーネスサブアッセンブリ18は、スリーブ82の第2端94のところで、センササブアッセンブリ14の溶接リング38にプレス嵌め及びレーザー溶接によって連結される。勿論、他の適当な固定作業を使用してもよい。
排気ガスセンサ10の製造は、図3に示すように、セラミック材料26を除くセンササブアッセンブリ14を金型ジグ102の金型キャビティ98内に位置決めすることによって行われる。液状の即ち流動性のあるセラミック材料を金型キャビティ98に注入(圧力下で強制的に)し、ハウジング22の一部に被せて成形し、ハウジング22のボア42を部分的に充填する。更に、注入したセラミック材料は、センサエレメント30の中央部分及び端子ピン62の部分上で成形され、これらを部分的に取り囲む。注入したセラミック材料は冷却されるに従って硬化し、これによってハウジング22に結合する。更に、硬化中、セラミック材料26は、センサエレメント30の中央部分及び端子ピン62の部分と結合し、これを取り囲み、センサエレメント30の中央部分及び端子ピン62の周囲に気密シールを形成する。溶接リング38は、注入したセラミック材料の冷却に従って、セラミック材料26が溶接リング38にも結合するように、ハウジング22から離して金型キャビティ98内に位置決めされる。セラミック材料26の硬化後、被せ成形したセンササブアッセンブリ14を金型キャビティ98から取り出す。ハウジング22、センサエレメント30、端子ピン62、及び溶接リング38にセラミック材料26が結合することにより、センササブアッセンブリ14を一体化し、単一の分離不能の部品にする。
図4は、ワイヤハーネスサブアッセンブリ18から分離した被せ成形したセンササブアッセンブリ14を示す。被せ成形したセンササブアッセンブリ14を金型ジグ102から取り出した後、内保護チューブ54及び外保護チューブ58を、ハウジング22に、センサエレメント30の排気側46と隣接して、クリンプ加工、溶接、又は他の適当な方法によって連結する。ワイヤハーネスサブアッセンブリ18の構成要素を、センササブアッセンブリ14とは別に組み立てた後、センササブアッセンブリ14に連結する。この連結は、最初に溶接端子86を端子ピン62に抵抗溶接した後、スリーブ82を溶接リング38にプレス嵌めし且つレーザー溶接することによって行われる。
例示の排気ガスセンサ10は、形成に必要とされる構成要素の総数を減少する。例えば、従来技術の排気ガスセンサは、基準側を排気側からシールするため、センサエレメントの中央部分の周囲に位置決めしたステアタイトパッキング及び窒化硼素パッキングを使用した。これらのパッキングは、燃料蒸気による汚染により、特性が下方にシフト(CSD)し易い。例示の排気ガスセンサ10では、ステアタイトパッキング及び窒化硼素パッキングの両方の代わりにセラミック材料26を使用する。セラミック材料26は、気密シールとして作用し、CSDが起こり難い。
更に、例示の排気ガスセンサ10は必要な製造プロセスの複雑さ及び大きさが減少する。必要な構成要素の数が減少するばかりでなく、現在使用されている排気ガスセンサと比較して、センサエレメントの長さもまた小さくなる。
例示の排気ガスセンサ10は、シールグロメット78及びワイヤ66、70等の熱の影響を受け易い構成要素に熱が過度に伝達しないように、更に、金属製構成要素(例えばハウジング22及びスリーブ82)間に断熱障壁を提供する。セラミック材料26は、センサエレメント30の排気側46から基準側50への熱伝達を阻止する高度に断熱性の障壁である。セラミック材料26は、金属−金属接触をなくし、熱伝達率を、ステアタイトブッシュ(約1.6W/mK)又はステンレス鋼(約14W/mK)と比較して低下する(約0.8W/mK)ことによって、排気ガスセンサ10の熱的作動特性を改善する。
更に、セラミック材料26は、端子ピン62を保持し且つ断熱し、高い引っ張り力及び振動に耐えるようにする。換言すると、例示の排気ガスセンサ10は、セラミック材料26を被せ成形することにより、これ以外ではセンサエレメント30と端子ピン62との間を分離してしまう引っ張り力及び振動でも、このような分離が起らないようにする。
図5は、本発明の排気ガスセンサ110の別の構成を示す。排気ガスセンサ110は、センササブアッセンブリ114と、ワイヤハーネスサブアッセンブリ118とを含む。センササブアッセンブリ114は、上述の実施例のハウジング22と同様に機能するハウジング122と、このハウジング122に直接的に連結された溶接リング即ちスリーブ126と、センサエレメント130と、導電性エレメント134と、ブッシュ138とを含む。
例示の構造では、センサエレメント130はカップ状セラミック部材であり、又はシンブル型センサである。シンブル型センサの追加の特徴及び作動については、2004年4月12日に出願された現在継続中の米国特許出願第2005/0224347A1号を参照されたい。同特許出願に触れたことにより、この特許出願に開示された内容は本明細書中に含まれたものとする。センサエレメント130は、開放端142と、閉鎖端146とを含む。センサエレメント130は、閉鎖端146がハウジング122の外に延びるように、一部がハウジング122のボア150内に位置決めされる。保護チューブ154がハウジング122に(例えばクリンプ加工によって)連結されており、センサエレメント130を保護するため、閉鎖端146を取り囲んでおり、排気ガスを、センサエレメント130の外面158と隣接して一時的に捕捉する。センサエレメント130の開放端142により、基準空気をセンサエレメント130の内面162と連通させることができる。導電性エレメント134は、開放端142と隣接してセンサエレメント130に電気的に接続される。例示の構造では、二つの導電性エレメント134が示してある。しかしながら、これよりも少数の又は多くの導電性エレメント134をセンサエレメント130に連結してもよいということは当業者には容易に理解されよう。
ブッシュ138は、その大部分が、溶接リング126及びハウジング122のボア150の内側に位置決めされる。ブッシュ138は導電性エレメント134を取り囲むことにより、これらの導電性エレメント134を断熱し且つ支持する。溶接リング126の内面170と隣接して位置決めされたディスクばね166がブッシュ138の肩部174と係合し、ブッシュ138をハウジング122に向かって押圧する。
ワイヤハーネスサブアッセンブリ118は、スリーブ即ちハーネスキャップ178と、セラミック材料182と、溶接端子186とを含む。スリーブ178は、上述の実施例のスリーブ82及び溶接リング38と同様の方法で、溶接リング126に連結される。フランスのサン−ゴバインクォーツS.A.S.から入手できるMICAVER(MICAVERは登録商標である)HTマイカ材料であるセラミック材料182は、スリーブ178の内面を部分的に充填し、ここに結合する。リードワイヤ186は、セラミック材料182のボア190を通って部分的に延び、抵抗溶接によって導電性エレメント134に電気的に接続される。ワイヤシール194(例えばデラウェア州ウィルミントンのデュポン高性能エラストマーL.L.C.社から入手できるヴィトン(ヴィトン(Viton)は登録商標である)シール)が、溶接端子186に接続されたリードワイヤ196を取り囲み、ワイヤハーネスサブアッセンブリ118の端部をシールする。
一実施例では、排気ガスセンサ110の製造は、図6に示すようにスリーブ178を金型ジグ198に位置決めすることによって行われる。金型ジグ198は、金型キャビティを形成してもよいししなくてもよい。金型ジグ198は、セラミック材料182内にボア190を形成するために位置決めされた二つのプラグ202を含む。しかしながら、プラグ202の数はこれよりも少数であっても多くてもよく、溶接端子186の数、及び従ってセンサ110の導電性エレメント134の数と一致するプラグが含まれるということは、当業者には容易に理解されよう。液状の即ち流動性のセラミック材料(図示せず)をスリーブ178に(例えば圧力下で強制的に)注入し、スリーブ178を部分的に充填する。注入したセラミック材料が冷却するに従って、セラミック材料182が硬化し、スリーブ178に結合する。セラミック材料182が硬化した後、スリーブ178を金型ジグ198から取り外す。別の構造では、セラミック材料182の硬化後にボア190を(例えばドリル加工によって)形成してもよい。
図7は、スリーブ178及び被せ成形したセラミック材料182を、センササブアッセンブリ114から分離した状態で示す。スリーブ178を金型ジグ198から取り外した後、シール194をセラミック材料182のボア190に挿入する。溶接端子186を導電性エレメント134及びリードワイヤ196に抵抗溶接によって接続した後、ボア190に滑り込ませる。次いで、組み立てたワイヤハーネスサブアッセンブリ118をセンササブアッセンブリ114に、スリーブ178を溶接リング126にプレス嵌めし且つレーザー溶接することによって取り付ける。
従来技術のワイヤハーネスサブアッセンブリは、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)製の構造的グロメット(図2に示すシールグロメット78と同様)をスリーブ内に位置決めし、リードワイヤ196を断熱し支持する必要がある。構造的グロメットは、ワイヤハーネスサブアッセンブリの分離可能な構成要素であり、及び従って、グロメットをスリーブに保持するのにキャップ又は他の固定構造を必要とする。更に、構造的グロメットと隣接してO−リングをスリーブ内に位置決めし、構造的グロメットとスリーブとの間に適正なシールを形成する。
例示の排気ガスセンサ110のセラミック材料182に代えて構造的グロメットを使用してもよく、これによって、比較的高い作動温度が可能になり、排気ガスからワイヤシール194への熱伝達量を効果的に低減できる。更に、セラミック材料182をスリーブ178に結合する。その結果、セラミック材料182をスリーブ178内に保持するのにキャップが不要になり、セラミック材料182とスリーブ178との間をシールするのにO−リングが不要になる。
セラミック材料182は、更に、例えばワイヤシール194等のワイヤハーネスサブアッセンブリ118の他のPTFE製の及びフルオロカーボンゴム製の構成要素が損傷する危険を小さくする。
排気ガスセンサ10、110及び夫々のセラミック材料26、182を、種類が異なるセンサエレメントを参照して論じたが、シンブル型センサ110のワイヤハーネスサブアッセンブリ118を、平型センサ10のワイヤハーネスサブアッセンブリ18の代わりに適合してもよいし形成してもよいということは当業者には容易に明らかになるであろう。即ち、例えば、図5に示すセラミック材料182を成形によりキャップ74に形成し、これを図2に示すシールグロメット78の代りに使用してもよい。更に、センサ10のセラミック材料26について説明したのと同じ方法で、センサ110のセンササブアッセンブリ114のブッシュ138の代りに、成形したセラミック材料を使用してもよい。
本発明の様々な特徴及び利点を特許請求の範囲に記載する。
図1は、本発明を具体化した排気ガスセンサの斜視図である。 図2は、図1に示す排気ガスセンサの、図1の2−2線に沿った断面図である。 図3は、金型ジグ内に位置決めした図1に示す排気ガスセンサのサブアッセンブリの断面図である。 図4は、図1に示す排気ガスセンサの構成要素の部分分解斜視図である。 図5は、本発明の排気ガスセンサを具体化した別の構造の断面図である。 図6は、金型ジグに位置決めした図5に示す排気ガスセンサの一部の斜視図である。 図7は、図5に示す排気ガスセンサの構成要素の部分分解斜視図である。
符号の説明
14 センササブアッセンブリ
18 ワイヤハーネスサブアッセンブリ
22 ハウジング
26 セラミック材料
30 センサエレメント
34 スペーサ
38 溶接リング
42 ボア
46 第1端
50 第2端
54 内保護チューブ
58 外保護チューブ
62 端子ピン
66 信号ワイヤ
70 ヒーターワイヤ
74 キャップ
78 シールグロメット
82 スリーブ
86 溶接端子

Claims (22)

  1. ハウジングと、センサエレメントと、溶接リングとを含むサブアッセンブリを備える排気ガスセンサの製造方法において、
    前記ハウジングの少なくとも一部と前記センサエレメントの少なくとも一部を金型ジグのキャビティに位置決めする工程と、
    前記溶接リングを、前記ハウジングから離して前記キャビティに位置決めする工程と、
    セラミック材料を前記ハウジングの少なくとも一部と前記センサエレメントの少なくとも一部に被せ成形し、前記セラミック材料を前記溶接リングに対して成形するように、前記セラミック材料を前記キャビティに注入する工程と、
    被せ成形した前記サブアッセンブリを前記金型ジグから取り出す工程とを含む、方法。
  2. 請求項1に記載の方法において、
    前記セラミック材料を前記キャビティに注入する工程は、前記センサエレメントを少なくとも部分的に封入する、方法。
  3. 請求項2に記載の方法において、
    前記サブアッセンブリは、前記センサエレメントに電気的に接続された端子ピンを含み、
    前記方法は、更に、ワイヤを前記端子ピンに接続する工程を含む、方法。
  4. 請求項3に記載の方法において、
    前記セラミック材料を前記キャビティに注入する工程は、前記端子ピン少なくとも部分的に封入する、方法。
  5. 請求項1に記載の方法において、
    前記セラミック材料を前記キャビティに注入する工程により、前記セラミック材料を前記ハウジングに結合する、方法。
  6. 請求項5に記載の方法において、
    前記ハウジングはボアを含み、
    前記セラミック材料を前記キャビティに注入する工程により、前記セラミック材料で前記ボアを少なくとも部分的に充填する、方法。
  7. 請求項に記載の方法において、更に、
    ワイヤハーネススリーブを前記溶接リングに結合する工程を含む、方法。
  8. 排気ガスセンサアッセンブリにおいて、
    ハウジングと、
    前記ハウジングに部分的に受け入れられたセンサエレメントと、
    前記ハウジングに対して成形され、前記センサエレメントの一部を封入するセラミック材料と、
    前記セラミック材料に対して成形され、前記ハウジングから離れて位置決めされる溶接リングとを含む、排気ガスセンサアッセンブリ。
  9. 請求項に記載の排気ガスセンサアッセンブリにおいて、
    前記セラミック材料は、センサエレメントの中央部分を封入し、前記センサエレメントの少なくとも一方の端部を封入されていないままにする、排気ガスセンサアッセンブリ。
  10. 請求項に記載の排気ガスセンサアッセンブリにおいて、
    前記セラミック材料は、前記ハウジングのボア内に少なくとも部分的に成形される、排気ガスセンサアッセンブリ。
  11. 請求項に記載の排気ガスセンサアッセンブリにおいて、更に、
    前記ハウジング内に位置決めされたスペーサを含み、前記セラミック材料は前記スペーサに当接する、排気ガスセンサアッセンブリ。
  12. 請求項に記載の排気ガスセンサアッセンブリにおいて、更に、
    ワイヤハーネスサブアッセンブリを含み、このワイヤハーネスサブアッセンブリは、ワイヤ及びスリーブを含む、排気ガスセンサアッセンブリ。
  13. 請求項12に記載の排気ガスセンサアッセンブリにおいて、
    前記ワイヤハーネスサブアッセンブリの前記スリーブが前記溶接リングに連結される、排気ガスセンサアッセンブリ。
  14. 請求項12に記載の排気ガスセンサアッセンブリにおいて、更に、
    第1端が前記センサエレメントに電気的に接続された端子ピンを含み、該端子ピンは、その第2端が前記セラミック材料から延び、前記ワイヤハーネスサブアッセンブリの前記ワイヤに接続されるように前記セラミック材料によって少なくとも部分的に封入されている、排気ガスセンサアッセンブリ。
  15. 請求項に記載の排気ガスセンサアッセンブリにおいて、
    前記センサエレメントは、平らなセンサエレメントである、排気ガスセンサアッセンブリ。
  16. 請求項に記載の排気ガスセンサアッセンブリにおいて、
    前記成形したセラミック材料はマイカ材料である、排気ガスセンサアッセンブリ。
  17. 請求項7に記載の方法において、
    前記ワイヤハーネススリーブを前記溶接リングに結合する工程は、前記ワイヤハーネススリーブを前記溶接リングに溶接する工程を含む、方法。
  18. 請求項7に記載の方法において、
    前記セラミック材料は、前記ハウジングと前記ワイヤハーネススリーブの間に断熱性の障壁を形成する、方法。
  19. 請求項18に記載の方法において、
    前記セラミック材料は、マイカ材料である、方法
  20. 請求項13に記載の排気ガスセンサアッセンブリにおいて、
    前記ワイヤハーネスサブアッセンブリの前記スリーブは、前記溶接リングに溶接される、排気ガスセンサアッセンブリ。
  21. 請求項13に記載の排気ガスセンサアッセンブリにおいて、
    前記セラミック材料は、前記ハウジングと前記ワイヤハーネスサブアッセンブリの前記スリーブの間に断熱性の障壁を形成する、排気ガスセンサアッセンブリ。
  22. 請求項21に記載の排気ガスセンサアッセンブリにおいて、
    前記セラミック材料は、マイカ材料である、排気ガスセンサアッセンブリ。
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