JPH10505406A - 測定プローブ - Google Patents

測定プローブ

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JPH10505406A
JPH10505406A JP7518313A JP51831395A JPH10505406A JP H10505406 A JPH10505406 A JP H10505406A JP 7518313 A JP7518313 A JP 7518313A JP 51831395 A JP51831395 A JP 51831395A JP H10505406 A JPH10505406 A JP H10505406A
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エーデルベルト・ヘーフェレ
ヴァルター・ゼーカー
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ヘラッオイス エレクトロ・ナイト インターナショナル エヌ．ヴィー．
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Abstract

(57)【要約】 好ましくは金属製のハウジングと、一端にセンサ本体を備え、他端にはセンサに電気的に接続した電気ターミナルを備え、好ましくは実センサに接続された電気導電路を備えたセンサチップをハウジング内に設けた、ガス測定用の測定プローブにおいて、センサチップは測定用のガスを導入するためのハウジングの開口に面する側の端部付近にセンサ本体を備え、ターミナルはレーザービーム溶接により導電路に直接もしくは間接に機械的に接続されている。

Description

【発明の詳細な説明】 測定プローブ この発明は、請求の範囲１の前段記載の測定プローブに関する。 この種の測定プローブは、例えばラムダセンサとして多数の実施例が知られて いる。これらのプローブには全て以下の問題があり、第１にプローブには測定対 象のガスがセンサチップそれ自体に到達できるように開口を設けねばならず、第 ２に測定プローブを気密にして、好ましくはねじ込みにより、測定プローブを取 り付けた場所から測定したガスが漏れるのを防がねばならない。しかしながら特 に、センサチップを内燃エンジンの高温で脈動する排気中に取り付けることによ る機構的な側面と、電気配線の耐熱性とが問題を複雑にする。 従ってこの発明の目的は、機械的な負荷への耐久性と熱負荷への耐久性とに優 れ、しかも簡単な構造の測定プローブを提供することにある。 この種の測定プローブに対して、かつ請求の範囲１前段の測定プローブに対し て、この発明の特徴事項により、上記の目的が達成される。 この発明の開示に従い、測定プローブはハウジングに収容され、セラミック、 好ましくはアルミナを有する、センサチップは、センサチップに設けた接続路へ の直接もしくは間接のレーザー溶接により、電気的にも機械的にもハウジングに 接続される。 この発明の好ましい実施例並びに改良点は、請求の範囲中の従属項に示される 。 測定プローブ本体はこの発明の開示に従い、円筒状かつ金属状のハウジング内 に収容され、金属ジャケットチューブに囲まれた内部導体，以下簡単のためこれ らを金属ジャケットリードと呼ぶ，を用いて、ハウジング内への電気的接続がな され、この金属ジャケットリードは溶接あるいは半田付けにより、金属ハウジン グに直接あるいは間接に接続される。好ましくは、金属ジャケットリードは筒状 のハウジングの一端からその内部に挿入され、ハウジングはその部分に開口を有 する。金属ジャケットリード内の内部電気導体は、金属ジャケットチューブの内 部で、絶縁体例えばＭｇＯの中に埋設しても良い。金属ジャケットチューブは、 電気的な配線ワイヤに対して、ハウジングへの完全に気密な通路を提供する。こ の設計では、センサチップは直接あるいは間接に、金属ジャケットリードの多少 とも剛体としての性質を有する内部導体の一端に、完全に機械的に取り付けるこ とができる。内部導体の材料を適切に選択すれば、例えば銅及び／もしくはアル ミニウム及び／もしくは鉄及びもしくはニッケル及び／もしくはクロムを含有す る合金を用いれば、熱負荷に対して高い耐久性を得ることができる。 特に好ましい実施例では、電気接続にはクリップを用い、センサチップの表面 と底面の両方を横から挟み込むようにクリップを取り付け、クリップはセンサチ ップの平坦な長手方向側面を挟み付け、遊び無しで確実に接続路に固定される。 クリップはセンサチップの接続路にレーザー溶接され、接続路は好ましくはプラ チナ等の貴金属から成り、固着強化層によりセンサチップの基体に固定される。 固着強化層は好ましくは接続路と同じ貴金属を含み、これ以外にガラス及び／ま たはセラミック成分を含有する。クリップは挿入口へと延びる接続タブを有し、 このタブはＵ字状に曲げられて熱膨張を吸収し、かつ帯状である。内部導体の接 続ワイヤの１つは接続タブに、好ましくはレーザー溶接で接続される。Ｕ字状の 曲げのため、別のクリップをＵ字の２つの足の間の領域でセンサチップの他の接 続路に配線でき、この結果４つのクリップを容易に接続できる。 オープンシステム（図３）では、金属ジャケットリードから引き出した内部導 体の電気接続用ワイヤは例えば内燃エンジンからの高温の排ガスに直接曝され、 従って表面を改質したリード線を用いるか、固体の耐酸化材料を用いる必要があ る。しかしながら好ましくは、この発明ではハーフオープンシステム（図１，図 ２）を用い、センサチップを補足的に支える支持体が、電気接続ワイヤとセンサ チップのセンサ本体を実際に担持する部分との間に配置される。さらに支持体を 予備成型した金編体にしておくと、ガス中に存在する汚れ等の粒子を捕捉し、そ れらが挿入開口付近に到達するのを防止することができる。 この発明の他の実施例では、電気接続ワイヤは金属ジャケットリードからセン サチップ本体へと弧状に導かれ、そのため応力を吸収して熱膨張を吸収すること ができる。電気リードが長い場合、銅や銀等からなる導電性の高いコアを設けて も良い。接続ワイヤの取付では、例えば事前にしかも弧状に成型したこれらのワ イヤをセンサチップの接続路に直接取り付けても良いが、接続用のスリーブで取 り付けても良い。基体へ直接取り付ける場合には、常にレーザー溶接を用いる。 これ以外の接続では、例えば間接の非電気的な接続を含む接続では、他の接続方 法を用いても良い。接続スリーブは接続タブや電気接続ワイヤの端部上にあり、 同様に耐熱耐腐食性の材料からなる。２本の接続ワイヤの端部は酸化され易く、 後の溶接により確実にシールする。接続リードの開口端の腐食は、同様にワイヤ コアが保護スリーブで確実に覆われかつフィットされ、その結果気密になること で防止できる。従来技術では、センサチップ本体が常に電気配線に接続され、セ ンサ本体は常にハウジング内の気密部の近傍に配置されるので、気密にするため にかなりの費用が必要である。 さらにセンサチップの一面にメタライズを施すと、組立作業での操作性が増し 、支持体の小脚の１つ以上の小足をメタライズした部分に溶接でき、メタライズ した箇所に、好ましくは溶接により、測定プローブのハウジングの内部へ挿入し た金属ジャケットチューブと、リンクで接続できる。このように、組立作業の過 程でも、取り付けるべき各部分を、各々ある程度安定に保つことができる。さら にこれは、センサチップ本体への確実な支えとなる。熱膨張によりセンサチップ は接続相手以上の長さに膨張するが、センサチップの長手方向に対して直角に支 持体の小脚を配置すると、小脚が角度方向に多少変形することで熱膨張の影響を 補償できる。接続路でのセンサチップと支持体との熱膨張の不一致は、小脚が熱 応 力で変形することによって機構的に吸収される。 この場合の小脚は、センサチップの一端に取り付けられる。端部は１以上の小 脚で接続路に保持され、複数の小脚の端部には各々小足を設け、小脚はセンサチ ップ本体からほぼ直角に離れた後に再度ほぼ直角に曲げられて、測定プローブの 筒状ハウジングの長手方向に平行にされる。この結果Ｖ字状の曲げが生じ、曲げ 部の端部をハウジングの内側に永久的に溶接すると、第１にセンサチップ本体を 確実に取り付けることができ、第２にＶ字状のためセンサチップを損傷すること なく熱膨張に対応することができる。これらの取付材料には、いずれも好ましく は耐熱耐腐食性材料を用い、例えばセンサチップのハウジングと同じ材料を用い る。いずれの場合も、小脚の部分で取付部材は測定プローブの筒状金属ハウジン グの内側からある程度離しておく。これらのため、第１にセンサチップ本体に対 し、第２に測定プローブの金属ハウジングに対し、良好な機械的接続が得られる 。さらに同じ材料を用いた場合、熱膨張率を同一にすることができる。最後に、 小脚をセンサチップ本体の一面に配置するのみでなく、少なくとも部分的にチッ プの端部に係合させ、あるいはセンサチップの端部付近に設けた窪みに部分的に はめ合わせることにより、付加的に得られる凸のあるいは凹の係合が生じ、強固 な機械的結合が可能になる。 相互に結合すべき各部分は、実質上レーザー溶接で結合でき、このことは特に 有利である。 オープンシステムでもハーフオープンシステムでも、センサの応答時間はハウ ジング前方領域の周囲に設けた補助的な開口で調整できる。さらにオープンシス テムでは、センサチップ前方の保持体を用いて、センサ本体を機械的に保護でき る。袋ナットの相手側部材としてハウジングに設けたツバの位置を変えることに より、極めて簡単に測定プローブの組み込み深さを調整できる。 これらのことをまとめると、好適な実施例では、センサチップの電気的かつ機 械的な接続をクリップで行うことができ、クリップはセンサチップの接続路に平 坦に配置され、ここでレーザー溶接され、金属ジャケットリードの内部導体の接 続ワイヤは同様にクリップの接続タブに溶接され、この結果極めて簡単にかつ合 理的に問題を解決できる。 図面を参照して、この発明の実施例を詳細に説明する。 図１は測定プローブの第１の実施例での断面を模式的に示し， 図２は図２のII−II方向断面図で， 図３はこの発明の第２の実施例を示し， 図４はこの発明の第３の実施例の平面図で， 図５は図４の実施例の側面図であり， 図６は図５のVI−VI方向断面図で， 図７は図３のVII部の詳細を示し， 図８は図６のVIII部の詳細を模式的にかつ拡大して示す。 図１及び図２に測定プローブの第１の実施例を示し、図１の１０は全体として の測定プローブである。測定プローブは金属材料からなる円筒状のチューブ１１ で構成したハウジングを有し、ハウジングの測定対象ガスに面した側の端部に導 入口１２を備えた開口を設け、他端には金属ジャケットリードからなる電気リー ド１３を設ける。このリード１３には取付用のブッシュ１４を設け、最初にレー ザー溶接部１５により金属ジャケットリードの外周にブッシュを取り付け、次に チューブ１１の開口に溶接部１６で取り付ける。 中央部には袋ナット１７を設け、この袋ナットで測定プローブ全体を測定用の 開口にねじ込めるようにし、開口を被うツバ２７を内側に設け、ツバは同様に溶 接でチューブ１１に固定される。 筒の長手方向にはセンサチップ１８があり、そのセンサ本体１９をチップの筒 １１の先端付近の導入口１２に面した領域に配置する。センサ本体１９とセンサ チップ１８の接続端の間には、対応する形状に成型され、かつ予備成型された金 編体からなる支持体２０がチップ１８に押し込まれている。その結果、チューブ の長手方法に直角に、導入口１２側でも、センサチップは機械的に保持される。 その一方で、排気中に含まれる粒子等は、金属ジャケットリード１３の電気リー ドの付近まで進入することができない。 図３及び図７に示すように、第１及び第２の実施例では、センサチップ１８の センサ本体１９と反対側に支持体を設け、これを全体として２１で示す。支持体 は、実質的に筒１１の長手方向に平行である。複数の小脚２２が支持体から直角 に突き出し、小脚の端部には図７に示すように小足２３を設ける。センサチップ １８の一面、図７では下側に示した面、には２４で示すメタライズが施してあり 、２１で示した支持体の小脚２３が溶接してある。さらに支持体２１は、曲げ部 ２６の周囲で、筒状ジャケットの表面に合わせて曲げた取付部材２５に溶接もし くは半田付けされ、これらは同様に金属ジャケットリード１３の外筒に溶接され ている。 図３に示すように第２の実施例では、金編体２０の代わりに支持体２１にほぼ 対応する形状の支持体３０を先端部に設け、この支持体の端部には同様に複数の 小脚を設け、小脚は同様に支持体の長手方向を横切る向きに、好ましくはほぼ直 角に延び、小脚の端部には小足を設けてレーザー溶接によりセンサチップ１８の 下面のメタライズ２４に取り付ける。この支持体３０にはＶ字形の曲げ部３１を 設け、その先端３２を筒１１の端から内側に距離を置いて配置する。支持体３０ の外端３３は例えば溶接により筒１１の内側に固定する。筒１１とセンサチップ １８の全長との間での、長手方向の熱膨張率の差は、Ｖ字形の曲げ部３１で吸収 する。 センサ本体１９を備えたセンサチップ１８の電気接続では、例えば金属ジャケ ットリード１３の接続ワイヤ４０を直接センサチップに溶接する（図１），ある いは図３，図４〜図８に示すように、センサチップ１８に設けた接続タブ４１を 設けて１つずつ電気的に接続し、ここで好ましくは接続スリーブ４２を用いる。 いずれの場合も、接続ワイヤを予備成型し（例えば応力を吸収するように弧４３ 状に）、接続領域では平らな面接続が得られるように、基体の長手方向に沿って 成型しておく。 第３の極めて好ましい実施例では、図４〜図６（ハウジング省略）及び図８に 示すように、支持体２０を備えたハーフオープンシステムに対して、電気接続用 のクリップ５０を用い、クリップにより電気的な接続と機械的な支持とを行う。 クリップは帯状でＵ字状の曲げ部５４を備えた接続タブ４１を有し、平坦なセン サチップ１８の長手方向の一端に取り付けられ、クリップ５０の一対のフレキシ ブルアーム５５，５６がセンサチップの上面と底面を確実に保持するようにする 。 図示した実施例では、タブ４１の実際の接続部はＵ字状の曲げ部５４の両側に あり、この結果タブはセンサチップ１８の表面に取り付けられ、取付強度が増加 する。金属ジャケットリード１３の内部導体の接続ワイヤ４０は、好ましくはレ ーザー溶接により、接続タブ４１に取り付けられる。１つのクリップのＵ字状の 曲げ部５４の付近には、他のクリップの２つのアームが横方向にあり、このクリ ツプのＵ字状の曲げ部はセンサチップの反対側の面に配置してある。センサチッ プ１８の例えばＡ１2Ｏ3からなる基体５３には、スクリーン印刷で固着強化層５ ２を設け、この層の上には同様にスクリーン印刷で接続路５１として、プラチナ を含有する層を設ける。クリップ５０の一方のアーム５６はこの接続路上にあり 、 このアームは模式的に５７で示したように、接続路５１にレーザー溶接される。

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 １． 金属性のハウジングと、ハウジング内に収容されその一端付近にセンサ本 体(１９)を備えたセンサチップ(１８)と、一端においてセンサ本体(１９)に電気 的に接続された電気リードと、好ましくはセンサ本体(１９)に接続され、かつ電 気導電性の少なくとも１つの接続路(５１)とを備えたガス測定用の測定プローブ において、センサチップ(１８)は、測定すべきガスをハウジング内に導入するた めの導入口(１２)に面した側の端部付近にセンサ本体(１９)を備え、かつ前記の 電気リードは機械的にも、直接もしくは間接にレーザー溶接により接続路(５１) に結合されていることを特徴とする、測定プローブ(１０)。 ２． 前記の電気リードは鉱物により電気的に絶縁された少なくとも１つの内部 導体(４０)を有する金属ジャケットリード(１３)からなり、かつ金属ジャケット リード(１３)はハウジングの導入口の反対側の挿入口近傍に差し込まれて、溶接 もしくは半田付けによりハウジング(１１)に気密に接続され、さらに電気接続用 の内部導体(４０)は接続路(５１)に直接もしくは間接に接続され、その一端でセ ンサチップ(１８）に永久的に機械的に接続されていることを特徴とする、請求 の範囲１の測定プローブ。 ３． 内部導体(４０)を半田付けもしくは溶接したクリップ(５０)を設けて、該 クリップ(５０)をセンサチップ(１８)の接続路(５１)にレーザー溶接したことを 特徴とする請求の範囲１または２の測定プローブ。 ４． クリップ(５０)は電気導電性で、センサチップ(１８)の両面に上下に重な るようにはめ込まれて、センサチップ(１８)の接続路(５１)上に配置されて、こ の接続路付近でレーザー溶接されていることを特徴とする、請求の範囲１〜３の いずれかに記載の測定プローブ。 ５． クリップ(５０)は一対のフレキシブルなアーム(５５，５６)を備え、アー ムは接続路(５１)に少なくとも部分的に面上に平滑に接触し、かつこの平滑な接 触領域でリードにレーザー溶接されていることを特徴とする、請求の範囲１〜４ のいずれかに記載の測定プローブ。 ６． 各クリップ(５０)は、挿入開口に向かって延びかつＵ字状の曲げ部(５４) を備えた接続タブ(４１)を有し、この曲げ部に金属ジャケットリード(１３)の内 部導体(４０)の接続ワイヤが溶接されていることを特徴とする、請求の範囲１〜 ５のいずれかに記載の測定プローブ。 ７． 長尺状で平坦なセンサチップ(１８)に、挿入開口とセンサ本体(１９)との 間で、支持体(２０，３０)を設け、該支持体はセンサチップ(１８)の長手方向に 対してほぼ直角にセンサチップを支持することを特徴とする、請求の範囲１〜６ のいずれかに記載の測定プローブ。 ８． 支持体がセンサチップ(１８)に接するように配置した予備成型した金編体 (２０)からなることを特徴とする、請求の範囲７の測定プローブ。 ９． 金属ハウジングは円筒状のチューブ(１１)からなり、その一端にセンサ本 体(１９)へ測定すべき排気ガスを導くための導入口(１２)を設け、他端に金属ジ ャケットリード(１３)を挿入して、溶接もしくは半田付けするための挿入開口を 設けたことを特徴とする、請求の範囲１〜８のいずれかに記載の測定プローブ。 １０． 金属ブッシュ(１４)を金属ジャケットリード(１３)に接するように設け て半田付けもしくは溶接し、かつ該リードをブッシュによりチューブ(１１)に半 田付けもしくは溶接したことを特徴とする、請求の範囲９の測定プローブ。 １１． センサチップ(１８)には機械接続用のメタライズ(２４)からなる接続路 をその一面に設け、支持体２１の接続路に実質的に垂直に配置した少なくとも１ つの小脚(２２)を、小脚の小足(２３)により、メタライズ(２４)にレーザー溶接 したことを特徴とする、請求の範囲１〜１０のいずれかに記載の測定プローブ。 １２． 支持体はチューブ(１１)の長手方向に沿って延び、小脚(２２)はこれか ら曲がりかつ支持体(２１)に直角に延びることを特徴とする、請求の範囲１〜１ １のいずれかに記載の測定プローブ。 １３． 支持体(３０)はチューブ(１１)の方向に沿って延び、Ｖ字状の曲げ部( ３１)の外側で、その外端部においてチューブ(１１)の内側に固着されているこ とを特徴とする、請求の範囲９〜１２のいずれかに記載の測定プローブ。 １４． Ｖ字状の曲げ部(３１)はセンサ本体(１９)と導入口(１２)との間に配置 されていることを特徴とする請求の範囲１３の測定プローブ。 １５． 少なくとも１個の小脚(２２)が溶接によりセンサチップに接続され、リ ンク(２６)は取付部材(２５)により、金属ジャケットリード(１３)の金属ジャケ ットもしくはブッシュ(１４)に接続されていることを特徴とする、請求の範囲１ 〜１４のいずれかに記載の測定プローブ。 １６． 小脚(２２)がセンサチップ(１８)の端面付近で少なくとも部分的に、端 部(１８)の近傍に設けた窪みに係合もしくははめ合わされていることを特徴とす る、請求の範囲１〜１５のいずれかに記載の測定プローブ。 １７． 少なくとも１つの小脚(２２)が、センサチップ(１８)のメタライズ側の 面へ、２回ほぼ直角に曲げられていることを特徴とする、請求の範囲１〜１６の いずれかに記載の測定プローブ。 １８． 電気リードの金属ジャケットリード(１３)の内部導体(４０)の各電気接 続用ワイヤが、各々測定すべき排ガスに曝されるハウジングの内側で接続されて いることを特徴とする、請求の範囲１〜１７のいずれかに記載の測定プローブ。 １９． 内部導体４０の電気接続用ワイヤはセンサチップに直接レーザー溶接さ れ、かつワイヤは、センサチップ(１８)に対する長さ補償と応力吸収用の、予備 成型した弧(４３)を備えることを特徴とする、請求の範囲１８の測定プローブ。 ２０． 接続ワイヤ(４０)は接続路(４１)に接続スリーブ(４２)により接続され ることを特徴とする、請求の範囲１〜１９のいずれかに記載の測定プローブ。 ２１． 接続ワイヤ(４０)は接続のため弧状に予備成型されていることを特徴と する、請求の範囲１〜２０のいずれかに記載の測定プローブ。 ２２． 接続路(５１)は、センサチップ(１８)の基体(５３)に固着強化層(５２) で結合されていることを特徴とする、請求の範囲１〜２１のいずれかに記載の測 定プローブ。 ２３． 接続路(５１)をスクリーン印刷で形成したことを特徴とする、請求の範 囲２２に記載の測定プローブ。 ２４． 固着強化層(５２)をスクリーン印刷で設けたことを特徴とする、請求の 範囲２２に記載の測定プローブ。 ２５． 接続路(５１)はプラチナを含有することを特徴とする、請求の範囲２２ 〜２４のいずれかに記載の測定プローブ。 ２６．固着強化層(５２)はプラチナ以外に、ガラス及びセラミックからなる群の 少なくとも一員の物質を含有することを特徴とする、請求の範囲２２〜２４のい ずれかに記載の測定プローブ。
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