JPH09506977A - 電気化学センサおよびその製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 本発明は、センサ素子を有し、該センサ素子が金属製ケーシング内にシールされて挿入されおり、前記センサ素子とケーシングの間に少なくとも１つのシール部材が配置されている、ガスの酸素含量を測定するための、特に内燃機関の排気ガス中の酸素含量を測定するための電気化学センサに関する。該電気化学的センサは、シール部材（３０）が微粒子状もしくは粉末状材料からなり、その体積が無負荷状態ではセンサ素子（２２）とケーシング（１２）の間のシール間隙（７４）よりも大きいように構成されており、かつシール部材を大体積でセンサ素子（２２）およびケーシング（１２）のシール領域の間に挿入し、かつシール部材をセンサ素子（２２）とケーシング（１２）の接合の際に圧縮することにより製造される。

Description

【発明の詳細な説明】 電気化学センサおよびその製造方法 本発明は、ガスの酸素含量を測定するための、特に請求項１の上位概念に記載 の内燃機関の排気ガス中の酸素含量を測定するための電気化学センサおよびその 製造方法に関する。 従来の技術 冒頭に記載の形式の電気化学センサは公知である。これらのセンサは、例えば 、固体電解質が密閉された管として金属ケーシング内に密に固定されたセンサ素 子を形成するいわゆるフィンガー構造で構成されている。フィンガー型センサの 場合には、無電位形と電位結合形センサとで区別される。電位結合形センサの場 合には、センサ素子の外側の外側電極の導電体は導電性パッキンシングによって ケーシングと接触されている。無電位形センサの場合には、電極は直接制御装置 と接続されているので、ケーシングとの電気接触は行われない。センサ素子とケ ーシングとの間のシールは両者の場合も実現されねばならない。 ドイツ国特許出願公開第２５０４２０６号明細書から無電位形センサが公知で あり、この場合には固体のセンサ素子と金属ケーシングとの間の気密の電気絶縁 された結合を行う、酸化アルミニウムＡｌ₂Ｏ₃＞９０ ％を有する焼結コランダムからなる複数の電気絶縁セラミックパッキンリングが 使用される。このようなパッキンリングは極めて高価でありかつ３つのパッキン リングでの多重のシールのためにまた比較的危険率が高い。 さらに、米国特許第５,２２８,９７５号明細書から、センサ素子が付加的内管 に配置されておりかつこの内管がケーシングに対してパッキンリングおよび無機 シール材料によりシールされていることにより、センサ素子とケーシングとの間 のシールが達成されるセンサが公知である。該センサ素子のための貫通管はセラ ミックリングおよび同様に無機シール材料により付加的にシールされていてもよ い。 発明の効果 それに対して、請求項１に記載の特徴を有する本発明によるセンサは、簡単に センサ素子とケーシングの間のガスおよび熱安定性のシールが達成可能であると いう利点を提供する。シール部材が微粒子状ないしは粉末状の材料、有利には被 覆された黒鉛粒子からなり、その体積が無荷重状態でセンサ素子とケーシングの 間のシール間隙よりも大きいことにより、簡単に、このシール部材をセンサ素子 とケーシングの間の適当な位置に挿入することが可能であり、一方該シール部材 の最終的形成はケーシングをセンサ素子と接合する際に初めて生じる。接合中に 初めてシール部材が最終的 に形成されることにより、シール部材のケーシングもしくはセンサ素子のシール 面への最適な適合が行われる。このことにより、センサ素子および／またはケー シングの表面粗さもしくは表面起伏または場合により非丸み性の補償が可能にな る。該シール部材は接合過程でセンサ素子とケーシングの間の平面状のシールを 形成するので、確実なガスおよび温度密なシールが行われる。 さらに、本発明による方法によれば簡単に、センサをセンサ素子とケーシング の間のシールも含めて自動化された製造のために適当な方法で製造することが可 能である。シール部材が大体積でセンサ素子とケーシングのシール領域に挿入さ れ、かつシール部材がセンサ素子とケーシングの接合の際に圧縮されることによ り、極めて有利にいずれにせよ必要なケーシングとセンサ素子の接合工程をシー ル部材の形成のために利用することができる。既製の緻密なかつ機械的に安定な シール部材を使用しないので、センサ素子および／またはケーシングのシール領 域の許容差に著しく高い精度を設定する必要がない。それというのも、万一存在 する許容差偏差は接合中に初めて形成されるシール部材によって直ちに補償され るからである。 本発明の有利な実施態様によれば、シール部材をばら材料としてセンサ素子ま たはケーシングのシール領域の少なくとも一方に接合前に被覆する、この場合被 覆方法としては好ましくは周知のかつ実証された技術、例えばフレーム溶射、プ ラズマ溶射、ロール塗布または類似の技術を使用することができる。接合工程で 容易に変形することができる予備プレス成形したパッキンリングを使用すること もできる。従って、総じて簡単に製造され、確実にシールする方法が提供される 。特に有利には、センサ素子とケーシングの間の常に確実なシールにより後での センサのシール度試験がもはや不必要であるかまたはこの試験を著しく軽減する ことができる。さらにその上、接合の際に初めてシール部材が形成されることに より種々のセンサにおいて種々のシール部材の備蓄が不必要になるという利点が 提供される。そこで、本発明によるシール部材は、例えば均等に電位結合形また は無電位形センサに使用することができる。 本発明の別の有利な実施態様は、請求項２以降に記載の構成要件から明らかで ある。 図面 次に本発明を添付図面を参照して実施例で詳細に説明する。図中、 第１図は、電気化学的センサの断面図、 第２図は、電位結合形センサのシール領域の拡大図、および 第３図は、無電位形センサのシール領域の拡大図である。 実施例の説明 第１図には、断面図において全体的に１０で示されたセンサが示されている。 該センサ１０は金属製ケーシング１２を有し、該ケーシングはその外側に、図示 されてない測定ガス管に固定するために６面体かぎ１４およびねじ山１６を有す る。ケーシング１２はスリーブ状に形成されかつ貫通孔１８を有する。該貫通孔 １８は段状に形成されかつシール座２０を形成する。ケーシング１２の貫通孔１ ８内にセンサ素子２２が案内されている。該センサ素子２２は膨らんだ形のヘッ ド２４を有し、該ヘッドはリング状肩２６を形成する。センサ素子２２とケーシ ング１２の間に、一方ではシール座２０、他方ではリング状肩２６によって形成 されるシール領域２８が生じる。該シール領域２８内部のシール座２０とリング 状肩２６の間にシール部材３０が配置されている。シール領域２８の具体的構造 は第２図および第３図に示されている。 さらに、センサ１０の一般的構造を第１図につき説明する。第１図に示された センサ１０は無電位形に配置されたセンサ素子２２を有し、この場合原理的構造 は同様に電位結合形に配置されたセンサ素子２２にも当てはまる。無電位もしく は電位結合形に配置されたセンサ素子２２の間の相違は、第２図および第３図に つき説明するので、一般的構造は両者の実施変態に当てはまる。 該センサ素子２２は、この実施例では有利に特に内燃機関における排気ガス中 の酸素の酸素分圧を測定するために使用される自体公知の酸素ゾンデである。該 センサ素子２２は管状固体電解質３２を有し、該電解質の測定ガス側の末端区分 は底部３４によって閉鎖されている。固体電解質３２の測定ガスに曝される外側 面に、層状の通気性の測定電極３６が配置されている。該外画面の向かい側の、 固体電解質３２の内側面に基準ガス、例えば空気に曝される通気性かつ同様に層 状の基準電極３８が配置されている。測定電極３６は導体路４０を介して第１の 電極接点４２と接続されている。測定電極３６の上および部分的に導体路４０の 上に、多孔性の保護層４４が施されている。基準電極３８は第２の導体路４６を 介して第２の電極接点４８と接続されている。電極接点４２と４８はそれぞれ固 体電解質３２の解放端部から形成された端面５０上にある。導体路４０および４ ６は有利にはセルメット層として構成されかつセンサ素子２２と同時焼結されて いる。 測定ガス側でケーシング１２の貫通孔１８から突出したセンサ素子２２は間隔 をもって保護管５２により包囲されており、該保護管は測定ガスの出入りのため に開口５４を有する。該保護管５２は、ケーシング１２の測定ガス側の端部に保 持されている、例えば溝５６内に嵌合されている。センサ素子２２の内部５８に は、例えば棒状加熟素子６０が充填されている。加熱素子６０は、図示されてい ないリード線では熱電圧源に接続されかつ測定ガスから離れて錠止されている。 第１の電極接点４８の上に第１の接触部材６２および第２の電極接点４２の上 に第２の接触部材６４が位置する。これらの接触部材６２および６４は、それら が管状加熱素子６０に接触しかつ測定電極リード線６６および基準電極リード線 ６８と接触するように成形されている。リード線６６および６８は図示されてい ない接続ケーブルと接触されかつ外側に向かって測定または制御装置に導かれて いる。 さらに、ケーシング１２の貫通孔１８内に絶縁スリーブ７０が挿入されており 、該絶縁スリーブは有利にはセラミック材料からなる。図示されていない機械的 手段ににより、絶縁スリーブ７０は接触部材６２および６４に押圧され、それに より電極接点４２および４８に対する電気的接続が実現される。 絶縁スリーブ７０に貫通孔１８の長手方向（図面には矢印７２で示されている ）に作用する力を負荷することにより、センサ素子２２のリング状肩２６はケー シング１２のシール座２０に対して押圧される。この場合、シール座２０とリン グ状肩２６の間に配置されたシール部材３０は同様に押込み圧７２の負荷を受け かつこの場合さらに説明する形式でガス、水および燃料不透過性のシールを形成 する。 図２には、電位結合形に配置されたセンサ素子１４を有するセンサ１０のシー ル領域２８が示され、一方第３図には無電位形で配置されたセンサ素子１４を有 するシール領域２８が示されている。異なった構造にもかかわらず、第１図にお けると同じ部分を説明するために同じ参照番号が付されている。 第２図に示された実施例においては、リング状肩２６の領域内のセンサ素子２ ２が示されている。センサ素子２２に導体路４０が配置されており、該導体路は 測定電極３６を電極接点４２と接続する。ケーシング１２の領域内で、導体路１ ４は貫通孔１８の内壁に接触するので、導体路４０とケーシング１２の間に導電 性結合が生じる。ケーシング１２とセンサ素子２２の間の、シール座２０および リング状肩２６の領域の間にシール間隙７４が設けられており、該シール間隙は 貫通孔１８の方向に軸方向長さを有する。 この間隙７４には、シール部材３０が挿入されている。この場合には、シール 部材３０は、センサ素子２２が押込み力７２によってケーシング１２と接合され る前に、挿入される。この場合、シール部材３０は例えばニッケル被覆を備えた 黒鉛粒子の個々のばら材料７６からなる。これらは専ら図式的に示されている。 ばら材料７６は、センサ素子２２を挿入する前に例えばセンサ素子２２のリング 状肩２６の領域に、周知の方法、例えばフレーム溶射、プラズマ溶射、ロール塗 布、刷毛塗布または類似の技術により被覆されている。この場合、被覆されたば ら材料７６の層厚さはリング状間隙７４の後での軸方向の長さよりも大きい。 同時に押込み圧７２を負荷しながらケーシング１２内にセンサ素子２２を挿入 することにより、ばら材料７６はケーシング１２シール座２０に対して押圧され るので、ばら材料７６は圧縮もしくは緻密化される。 ばら材料７６のこの圧縮により、ニッケル被覆された黒鉛粒子７８は、ガス、蒸 気および／または液密並びに温度安定性であるような結合を形成する。特に、こ の結合は開口５４を経て保護官２に浸入する、燃料混合物を含有することもある 熱ガスに対して不透過性であるので、排気ガス側と排気ガスから離れた側との間 センサ素子２２の絶対的シールが行われる。 ばら材料７６の圧縮過程で、シール座２０もしくはリング状肩２６、場合によ りその上に配設された導体路４０の場合により存在する非平坦性は補償されるの で、微細粗さおよび／または起伏性も補償することができる。従って、圧縮され たばら材料７６から生じるシール部材３０は所定の輪郭に問題なく適合する。そ れというのも、あらゆる任意の輪郭に適合することにより、輪郭、この場合はシ ール座２０およびリング状肩２６の表面起伏はシール部材３０によりプレス過程 で型どられるからである。 もう１つの実施例によれば、ばら材料７６はセンサ 素子２２の挿入の前に既に予備プレス成形されていてもよい。このことは例えば ばら材料を施す際に行うことができるので、センサ素子２２への付着強度が改善 される。さらに、ばら材料７６の代わりに、押込み力により変形される予備プレ ス成形したパッキンリングを使用することも可能である。この場合、予備プレス 成形されたパッキンリングの軸方向の長さは、同様にリング状肩２６の後からの 軸方向の長さより大きい。 第３図には、無電位形で配置されたセンサ素子２２におけるシール領域２８が 示されており、この場合には個々の図示された部分は第１図に示されたセンサ１ ０に対応させるべきである。第２図と同じ部分には、同じ参照番号が付されてお り、再度説明しない。この場合には、シール部材３０のほかに、導体路４０とケ ーシング１２の間に絶縁層８０が設けられている。絶縁層８０は導体路４０の間 、ひいてはセンサ素子２２とケーシング１２の間の電気絶縁を保証するので、こ れは無電位形に配置されている。該絶縁層８０は、第１図に示されているように 、センサ素子２２の全長に亙って、該センサ素子をケーシングの内部に位置する ように、設けられていてもよい。しかしながら、第３図に示されているよに、絶 縁層８０はシール領域２８に亙るだけ延びていてもよい。絶縁層８０は、例えば プラズマ溶射されたマグネシウムスピネルまたは釉薬（これは同時焼結されてい てもよい）からなっていて もよい。絶縁層８０の材料は、特に、センサ素子２２とケーシング１２を接合す る際の押込み力に耐えかつシール部材３０へのばら材料の既に述べた圧縮を援助 するように選定されている。 総括すれば、場合により予備プレス成形されたおよび／または予備焼結された ばら材料７６簡単に施すことによりあらゆる任意のセンサ素子２２をケーシング １２内に無電位形でもまた電位結合形でも配置することができ、この際センサ素 子２２とケーシング１２の間の絶対的ガスおよび熱安定性のシールが行われるこ とは明らかである。従って、センサの特殊な構成のための相応して形成されたパ ッキンリングおよび類似のものの備蓄が不必要である。ばら材料７６を施すため の方法は、センサ素子２２の製造方法と相溶性であり、ひいては製造過程で直ち に組立てることができる。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 アントン ハンス ドイツ連邦共和国 71640 ルートヴィヒ スブルク ロートボイムレ シュトラーセ 21

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．センサ素子を有し、該センサ素子が金属製ケーシング内にシールされて挿 入されおり、前記センサ素子とケーシングの間に少なくとも１つのシール部材が 配置されている、ガスの酸素含量を測定するため、特に内燃機関の排気ガス中の 酸素濃度を測定するための電気化学的センサにおいて、シール部材（３０）が微 粒子状もしくは粉末状材料からなり、その体積が無負荷状態ではセンサ素子（２ ２）とケーシング（１２）の間のシール間隙（７４）よりも大きいことを特徴と する、電気化学的センサ。 ２．シール部材（３０）が被覆黒鉛粒子（７８）からなる、請求項１記載のセ ンサ。 ３．シール部材（３０）が被覆黒鉛流組成物（７８）のばら材料（７６）とし て挿入可能である、請求項１または２記載のセンサ。 ４．シール部材（３０）が予備プレス成形したばら材料（７６）として挿入可 能である、請求項１から３までのいずれか１項記載のセンサ。 ５．シール部材（３０）が予備焼結したばら材料（７６）として挿入可能であ る、請求項１から４までのいずれか１項記載のセンサ。 ６．黒鉛粒子（７８）が熱ガス腐食に対して抵抗性を有する被覆を有する、請 求項１から５までのいずれ か１項記載のセンサ。 ７．被覆がニッケル被覆またはニッケル合金被覆である、請求項１から６まで のいずれか１項記載のセンサ。 ８．シール部材（３０）が変形可能なプレス成形体、例えば予備プレス成形し たパッキンリングである、請求項１記載のセンサ。 ９．ケーシング内にシール状態で配置されたセンサ素子を有する、特に請求項 １記載の電気化学的センサを製造する方法において、シール部材を大体積でセン サ素子とケーシングのシール領域の間に挿入し、かつシール部材をセンサ素子と ケーシングの接合の際に圧縮することを特徴とする、電気化学的センサの製造方 法。 10．シール部材をばら材料としてセンサ素子またはケーシングのシール領域の 少なくとも一方に接合前に施す、請求項９記載の方法。 11．ばら材料をセンサ素子を製造するための製造に適合した方法で施す、請求 項９または１０記載の方法。 12．ばら材料をフレーム溶射、プラズマ溶射、ロール塗布、刷毛塗布または類 似した技術で施す、請求項９から１１までのいずれか１項記載の方法。 13．ばら材料をセンサ素子とケーシングの接合前に予備プレス成形する、請求 項９から１２までのいずれ か１項記載の方法。 14．ばら材料をセンサ素子とケーシングの接合前に予備焼結する、請求項９か ら１３までのいずれか１項記載の方法。