KR0167008B1 - 자동차 산소 센서용 씰링 링 - Google Patents

Abstract

본 발명은 센서의 밀폐 효율을 높이고, 부식에 의한 접지 특성에 열화를 방지하도록 금 또는 금 합금으로 코팅한 자동차의 산소 센서용 씰링 링을 제공한다.

본 발명의 씰링 링을 사용한 자동차용 산소 센서는 씰링 특성의 향상으로 대기의 혼입 또는 배기 가스의 누설에 의한 기전력의 오차를 줄여 신뢰성 있는 데이타를 얻을 수 있을 뿐만 아니라 산소 센서 소자의 소형화 및 경량화를 가능하게 한다.

Description

자동차 산소 센서용 씰링 링

제1도는 씰링 링(sealing ring)과 스프링에 의해 씰링된 자동차 산소 센서의 측면도이다.

제2도는 활석(talc)을 이용한 기밀 씰(air tight seal)에 의해 씰링된 자동차 산소 센서의 측면도이다.

제3도는 본 발명에 의한 금으로 도금된 씰링 링을 채택하여 조립된 자동차 산소 센서의 측면도이다.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

1 : 보호캡 2 : 소자

3 : 씰링 링 또는 접지 링 4 : 케이스 본체

5 : 전극 유도부 6 : 스프링

7 : 뒷 덮개 8 : 애자

9 : 전선 연결부 10 : 기밀 씰

11 : 전선

본 발명은 자동차 산소 센서용 씰링 링에 관한 것이다. 더욱 상세하게는 금 또는 금 합금으로 코팅된 씰링 링을 사용하여 접지와 씰링을 하게 됨으로써 배기 가스에 의한 부식을 방지할 수 있어 성능이 향상되고, 수명 연장은 물론 소형화가 가능한 자동차 산소 센서용 씰링 링에 관한 것이다.

일반적으로 지르코니아 타입 산소 센서를 조립함에 있어서, 소자 특성을 제외하고 조립 과정에 의해 결정되는 특성은 2가지가 있는데, 하나는 실링 특성이고, 다른 하나는 접지 특성이다. 따라서, 지르코니아 타입 산소 센서 소자만 있으면 어떻게 해서든지 피측정 가스, 즉 배기 가스와 기준 가스인 대기와 섞이지 않도록 접지가 유지되어 전극선과 접지 사이의 기전력만 측정할 수 있으면 자동차용 산소 센서로서의 기능이 완성되는 것이다.

현재 사용되고 있는 조립 방법은 2가지가 있는데, 하나는 미국 AC 로체스터사를 비롯한 수개사가 채택하고 있는 방식으로 씰링 링(sealing ring)을 사용하여 씰링과 접지를 동시에 해결하는 방법이고, 다른 하나는 일본의 NTK사를 포함한 수개사가 채택하고 있는 방식으로 씰링 링과 유사하게 생긴 컨택트 링(contact ring)을 사용하여 접지를 하고, 활석(滑石) 분말로 기밀 씰을 만들어 씰링을 해결하고 있는 방법이 있다.

이러한 방식에 대해 좀 더 상세히 설명하면, 우선, 첨부 도면 제1도 내지 제3도는 자동차용 산소 센서의 측면도를 나타낸 것으로, 산소 센서 보호캡(1), 산소 센서 소자(2), 씰링 링 또는 접지 링(3), 산소 센서 조립품의 케이스 본체(4), 산소 센서 양극의 전극 유도부(5), 스프링(6), 산소 센서 조립품의 뒷 덮개(7), 애자(8), 산소 센서 양극의 전선 연결부(9), 활석 분말을 이용한 기밀 씰(10)및 전선(11)으로 구성되어 있다.

씰링 방식은 첨부 도면 제1도에서 보는 바와 같이, 링(ring)모양의 씰을 대고 뒤에서 스프링 식으로 눌러서 씰링하는 방식이다. 이 경우 씰링 링(3)의 재질이 스테인레스 스틸이나 철의 합금과 같이 단단한 경우는 씰링이 잘 되질 않고, 구리(Cu)나 알루미늄(Al)등의 연한 금속의 경우는 높은 온도의 배기 가스에 의해 부식이 되어서 쉽게 씰링이 손상되거나 산화에 의해 형성된 피막 때문에 접지에 손상이 오게 된다.

따라서, 독일의 보쉬(Bosch)사의 경우, 부식이 잘 안되는 동 합금을 사용하였고, 미국의 AC 로체스터사의 경우는 지르코니아 소자의 크기를 크게 하고, 스테인레스 스틸 위에 동 도금을 하여 씰링되는 접촉면의 크기를 넓게 하여 씰링을 향상시킴과 동시에 접지 특성도 개선시키려고 시도하였으나, 사용 시간이 길어지게 되면 구리가 산화되어 접지 특성이 나빠지게 되는 단점이 있었다.

한편, 제2도에 따르면, 컨텍트 링을 사용하고, 활석 분말(10)을 이용하여 씰링하는 방법으로서, 기능상으로는 전혀 문제가 없으나, 센서소자의 구조가 복잡해져서 센서를 성형 소결 및 가공하는 공정이 더 복잡해지고, 센서가 길어지게 되어 그 만큼 원료의 소모가 증가되는 단점이 있을 뿐 아니라, 전체 조립시 부품의 갯수가 많아지게 되는 문제가 있다.

따라서, 바람직한 센서로는 부품 수는 적으면서도 모든 기능이 양호한 센서를 의미하며, 본 발명에서는 이러한 요구를 만족시키기 위하여 씰링 방식으로서 골드 씰링을 채택하게 된 것이다.

즉, 본 발명은 금 또는 금 합금으로 코팅된 씰링 링을 사용하여 접지와 씰링을 하게 됨으로써 배기 가스에 의한 부식을 방지할 수 있어 성능이 향상되고, 수명 연장은 물론 소형화가 가능한 자동차 산소 센서를 위한 씰링 링을 제공하는데 그 목적이 있다.

이하 본 발명을 상세히 설명하면 다음과 같다.

본 발명의 자동차 산소 센서용 씰링 링은 열팽창 계수가 예를 들어, 13×10^-6이상으로 스테인레스 스틸과 유사하거나 큰 금속 또는 합금 위에 1 내지 3개 층으로 전체적인 두께가 10 내지 100㎛되게 중간층을 도금하고, 최외곽 층을 금 또는 금이 40% 이상 함유된 합금으로 20㎛ 이하로 도금 처리하여서 만들어진다.

이와 같은 본 발명을 더욱 상세히 설명하면 다음과 같다.

본 발명의 금 또는 금 합금으로 도금 처리된 씰링 링이 적용되는 자동차용 지르코니아 산소 센서는 첨부 도면 제3도에 나타낸 바와 같으며, 산소 센서의 가장 핵심 부품인 지르코니아 소자(2)의 기전력 특성을 조립품에서 전혀 손상을 받지 않고, 그대로 발휘할 수 있도록 모든 부품이 기능을 제대로 해주어야 하는데, 이를 위해서 보호 캡(1)은 배기 가스에 산소 센서 소자가 직접적으로 노출되지 않으면서 빨리 배기 가스와 접촉시켜 주어야 하는 기능을 가지고 있다. 또한, 조립품용 금속 케이스 본체(4)는 지르코니아 소자(2)를 고정하고 엔진 배기부 벽에 계속하여 붙어 있을 수 있도록 하는 역할을 한다. 또, 씰링용 링(3)은 배기 가스와 기준 가스인 대기와의 접촉을 차단하여 서로 섞이지 않게 하고 센서의 음극을 접지해 주는 역활을 하고 있는데 배기 가스와 대기가 조금이라도 섞이게 되면 농도가 달라지므로 기전력 오차의 큰 원인이 되는데, 조금도 새지 않게 하는 것은 거의 불가능하고, 보통 자동차 제조업체의 검수 규격상 4kg/㎠의 압력에서 2cc/min 이하의 누출까지 허용하고 있는데 이를 맞추어 주는 것도 간단하지 않다.

일반적으로 씰링 링(3)을 사용하는 경우에는 소자 중 씰링 링과 접촉하는 부위의 직경이 12.5㎜ 이상이 되어야 제대로 씰링이 가능한 것으로 알려져 있고, 그 이하의 직경을 가지는 소자의 경우에는 씰링 링만 가지고는 씰링이 어렵고, 주로 활석 분말을 이용한 기밀 씰링을 이용하는 경우가 많게 된다. 그리고, 씰링 링은 씰링을 하는 것 뿐만 아니라 접지 역할도 함께하고 있는데, 씰링 특성을 좋게 하기 위해서는 구리 합금이나 알루미늄 합금 등의 탄력이 좋고, 항복점이 낮은 금속군을 이용해야 하나 이런 경우 표면 부식에 의해 접지 특성이 불량하게 될 가능성이 있으며, 심지어 부식에 의해 씰링링 구조물 자체가 파괴가 될 가능성이 있으므로 미국 AC 로체스터사와 같은 경우에는 스테인레스 스틸 모재 위에 구리 도금을 한 씰링링을 사용하여 씰링과 접지 역할을 하고 있는데 이 경우 씰링링 구조물 자체의 파괴는 방지할 수 있을지 모르나 부식에 의한 접지 특성의 열화를 막기는 어렵다.

따라서, 씰링 특성을 양호하게 하고 접지 특성을 개선하기 위하여 지르코니아 소자와 씰링 링과의 접촉면의 크기를 크게 하여야 하고 그러기 위해서는 지르코니아 소자의 씰링 링과 접촉 부위의 직경이 커질 수밖에는 없게 되는 것이다.

본 발명에서는 이러한 씰링 특성과 접지 특성을 동시에 개선하기 위해서 배기 가스나 대기가 닿아서 부식될 가능성이 있는 최외곽 표면을 쉽게 변형이 되고, 부식이 잘 되지 않는 금이나 금의 합금으로 도금 또는 코팅한 씰링 링을 사용하여 밀폐의 호율을 높이고, 부식에 의한 접지 특성의 열화를 방지하게 된다.

본 발명의 자동차 산소 센서용 씰링 링은 열팽창 계수가 예를 들어, 13×10^-6이상으로 스테인레스 스틸과 유사하거나 큰 금속 또는 합금 위에 1 내지 3개 층으로 전체적인 두께가 10 내지 100㎛되게 중간층을 도금하고, 최외곽 층을 금 또는 금이 40% 이상 함유된 합금으로 20㎛ 이하의 두께로 도금 처리하여서 만들어진다.

씰링 링의 재료로서 열팽창 계수가 스테인레스 스틸과 유사하거나 큰 금속 또는 합금을 사용하는 이유는 엔진 가동시 산소 센서의 온도가 상승하였을 때, 씰링 링의 상대적 부피 변화가 없거나 부피가 커지게 되어 씰링 특성에 영향을 미치지 않도록 하기 위한 것이다.

본 발명의 씰링 링에서 중간층을 도금하는 이유는 금이 단독으로 모재 위에 도포될 때에는 접착력에 문제가 생기는 경우가 많고, 금 단독으로 만 소성 변형층을 형성한다면 충분한 밀착을 위해서는 상당한 두께가 필요한데 그렇게 되면 경제적으로 불리하다. 따라서, 씰링 링의 모재 위에 형성하는 상당한 두께의 소성 변형층으로는 Cu 또는 Cu합금층으로 하는 것이 바람직하다.

금이 40% 이상 함유된 합금에서 금 이외의 나머지 금속은 금의 소프트(soft)한 특성과 내부식성을 해치지 않는 금속이면 무방하며, 예를들면, Zn, Ni, Cu, Ag, Pd 등의 합금이 있다.

본 발명에 따른 씰링 링은 표면 부식을 방지하여 접지 역할의 수명을 연장하고 낮은 항복 강도를 이용하여 씰링의 정도를 좋게 해줄 수 있어 접촉되어지는 산소 센서 소자의 직경을 12.5㎜ 이내로 소형화하고, 소자의 무게를 6.0g 이내로 경량화할 수 있다.

즉, 본 발명에 따른 금 또는 금의 합금으로 된 씰링 링을 사용하면, 조립시 쉽게 링 표면이 힘에 의해 변형되어 밀착 특성이 양호하여 지기 때문에 본체와 링과의 센서 소자의 접촉 면적을 줄여도 특성에 영향을 미치지 않으며, 따라서, 센서 소자의 크기와 본체의 크기가 같은 씰링 특성하에서도 소형화가 가능하여지기 때문에 전체적으로 조립품의 소형화 및 경량화 고기능화가 가능하게 된다.

이로써, 지르코니아 소자의 외경이 적어질 수 있어 재료비가 절감되며, 전체적으로 부품을 소형화하고 부품의 갯수를 줄일 수 있어 제조 원가를 절감할 수 있으며, 씰링 특성의 향상으로 대기의 혼입 또는 배기 가스의 누설에서 부터 기인하는 기전력의 오차를 줄여 신뢰성이 있는 기전력 데이타를 얻을 수 있으며, 특히 양호한 내부식성의 접지를 가지고 있어 시간이 흐름에 따라 접지 특성이 열화되지 않으므로 센서 수명을 연장시킬 수 있다.

본 발명의 씰링 링을 이용하게 되면 기존의 제품 보다 훨씬 경제적이고 품질이 양호한 자동차용 산소 센서 조립품을 만드는 것이 가능하다.

다음의 표에서 실시예는 본 발명에 따른 씰링 링을 사용한 산소 센서이고, 비교예 1, 2 및 3은 미국, 일본 및 독일사 제품의 산소 센서이며, 이들의 결과치는 전기적 특성치를 400℃에서의 측정한 값이다.

실시예를 보면 높은 온도를 취할 수 있어 센서 특성에 좋은 영향을 줄 수 있는 소자의 씰로 부터 팁(tip)까지의 거리가 비교예 들에 비해 훨씬 길어졌음에도 소자의 직경과 무게는 훨씬 감소되고 있으며, 400℃에서 기전력과 응답 특성에서 양호함을 보이고 있고 씰링 특성이 양호해지는 것이 보이며, 내구성이 특히 좋아지고 있음을 알 수 있다.

Claims (1)

1. 자동차 산소 센서용 씰링 링에 있어서, 열팽창 계수가 13×10^-6이상인 금속 위에 1 내지 3개 층으로 전체적인 두께가 10 내지 100㎛되게 중간층을 도금하고, 최외곽 층을 금 또는 금이 40% 이상으로 함유된 합금으로 20㎛ 이하로 도금 처리하여 제조된 것을 특징으로 하는 자동차 산소 센서용 씰링 링.