KR100576978B1

KR100576978B1 - 측정센서의 제조방법

Info

Publication number: KR100576978B1
Application number: KR1019980708480A
Authority: KR
Inventors: 칼-헤르만 프리이세; 하인쯔 가이어; 헬뮤트 베일; 한스-마틴 비덴만
Original assignee: 로베르트 보쉬 게엠베하
Priority date: 1997-02-25
Filing date: 1998-01-07
Publication date: 2006-09-22
Also published as: US20010045120A1; CN1252467C; WO1998038505A1; DE19707456A1; JP2000509824A; US6408680B2; EP0895594A1; CN1217790A; KR20000064982A

Abstract

본 발명은 센서, 특히 내연 기관의 배기 가스내의 산소 함량을 측정하기 위한 센서와 그 제조방법에 관한 것이다. 상기 센서는 금속 하우징(10)의 종방향 보어(16)내에 배치되어 센서 요소 시일에 의해 센서 요소(12)를 기밀 방식으로 수납하는 센서 요소(12)용 수납부를 구비하며, 상기 센서 요소 시일은 유리 시일(57)이다. 상기 수납부는 측정 가스측에 배치된 세라믹 성형품(20)과 연결부측에 배치된 세라믹 성형품(27)을 구비하며, 상기 부품들은 축방향으로 잇달아 배치되어 있다.유리 시일(57)은 상기 두 개의 세라믹 성형품(20,27) 사이에 형성된 중공실(55)로열간 프레스된다.

Description

측정 센서의 제조 방법

본 발명은 독립항의 전제부에 따른 측정 센서의 제조 방법에 관한 것이다.

이와 같은 센서는 US-PS 5 467 636에 공지되어 있으며, 여기서는 평평한 센서 요소가 배기 가스측, 하부 세라믹 성형품의 관통구내에 실링요소에 의해 기밀 방식으로 고정되어 있다. 상기 배기 가스측 세라믹 성형품은 배기 가스 반대편 단 부면에 홈을 갖는데, 상기 홈은 상기 관통구를 감싸며 상기 홈 내로 유리 시일이 도입되어 있다. 상기 유리 시일 위에는 또 하나의 세라믹 성형품이 배치되어 있는데, 이 성형품은 금속 납땜 결합에 의해 하우징과 결합되어 있다. 상기 유리 시일은 상기 홈 내부에서 센서 요소를 감싸고 있으며 세라믹 성형품과 거기에 놓인 센서 요소를 기밀 방식으로 결합한다.

도 1은 본 발명에 따른 센서의 단면도.

도 2는 시일 제조 장치를 구비한, 미장착 상태의 센서 요소 시일의 제 1 실시예를 도시한 도면.

도 3은 미장착 상태의 센서 요소 시일의 제 2 실시예를 도시한 도면.

도 4는 미장착 상태의 센서 요소 시일의 제 3 실시예를 도시한 도면.

본 발명의 효과

독립항의 특징을 포함하는 본 발명의 측정 센서의 제조 방법에 따라 제조된 센서는 두 개의 세라믹 성형품과 센서 요소가 기계적으로 안정하며 기밀 방식으로 결합될 수 있다는 장점을 갖는다. 이로 인해 얻어지는 센서 요소의 기밀 시일은 방진성(vibration-proof)을 가지므로, 센서를 차량에 사용할 때에도 상기 센서 요소는 사용되는 동안 기계적으로 안정되게 기밀 고정될 수 있다. 본 발명에 따른 측정 센서의 제조 방법은 상기 센서 요소의 기밀 고정부의 합리적 제조를 가능케 한다.

종속항에 설명된 조치들을 통하여 본 발명에 따른 측정 센서의 제조 방법의 개선이 가능하다. 센서 요소와 세라믹 성형품간의 결합은 유리 시일이 센서 요소의 가능한 한 넓은 면적을 덮고 있지만 상기 센서가 차후에 작동될 때 높은 열 부하를 받는 전방 영역으로 현저하게 튀어나오지 않도록 하면, 특히 기계적으로 매우 안정된 기밀 결합이 이루어진다. 상기 유리 시일 앞에서 측정 가스측에 분말형 추가 시일을 배치하면, 용융 공정 동안 용융된 유리가 높은 열 부하를 받는 센서 요소 전방 영역 안으로 흘러들어가는 것이 방지된다. 제조 공정에 있어 두 개의 세라믹 성형품들을 다이 및 스탬프의 상호 대향한 단부면에 구성함으로써, 상호 작용하게 하는 것이 바람직하다. 이로써 세라믹 성형품의 형상(geometry)을 이용해서 유리 시일 및 경우에 따라 사용되는 분말형 추가 시일이 압축될 수 있게 된다. 다 이와 스탬프 간에 갭을 만들면 상기 유리 시일이 압축 중에 상기 갭 내로 밀려질 수 있는 효과가 있다. 이를 통해 높은 압축력으로 가공할 수 있다. 동시에 이를 통해 상기 세라믹 성형품의 양측 단부면들이 서로 부딪치지 않게 된다. 또한 추가의 유리 시일을 세라믹 성형품들 사이의 링형 갭 안에 밀어넣을 수 있거나, 또는 링형 금속 박막 또는 판을 삽입하여 두 개의 세라믹 성형품을 포지티브(positive)하게 결합할 수 있다.

본 발명의 세 개의 실시예들은 도면에 도시되어 있으며, 아래의 설명을 통해 상세히 서술하기로 한다.

도 1에 도시된 센서는 내연 기관의 배기 가스내에 함유된 산소 함량을 측정하기 위한 전기 화학 센서이다. 상기 센서는 금속 하우징(10)을 구비하고 있으며 그 안에는 측정 가스측 말단부(13)와 연결부측 말단부(14)를 가진 판형 센서 요소(12)가 설치되어 있다. 상기 하우징(10)에는 도시되지 않은 배기 가스관 안에 내장하기 위한 고정 수단으로서 나사가 형성되어 있다. 상기 하우징(10) 내부에는 또한 예를 들어 제 1 숄더형의 링형 면(17)과 제 2 숄더형의 링형 면(18)을 구비한 종방향 보어(16)가 형성되어 있다.

상기 종방향 보어(16) 내에는 측정 가스측 관통구(24)와 아울러 측정 가스측단부면(21)과 연결부측의 단부면(22)을 가진 세라믹 성형품(20)이 측정 가스측에 설치되어 있다. 상기 측정 가스측 단부면(21)은 원추형으로 이어진 시일 시트(23)를 구비하고 있고, 상기 시트는 제 2 숄더형의 링형 면(18) 위에 놓인 금속 시일 링(25) 위에 탑재되어 있다. 상기 측정 가스측 세라믹 성형품(20) 위로는 연결부 측 관통구(30)와 측정 가스측 단부면(28)과 연결부측 단부면(29)을 가진 연결부측세라믹 성형품(27)이 설치되어 있다.

상기 연결부측 세라믹 성형품(27)의 연결부측 단부면(29) 위에는 기계적 예비 응력을 받는 디스크 스프링(disc spring;31)이 놓여 있다. 상기 스프링은 관 형태의 고정캡(32)에 의해서 하우징(10) 밖으로 나온 측정 가스측 세라믹 성형품(27) 상에 가압되는데, 이 때 상기 고정캡(32)은 록킹 노우즈(locking nose;34)에의해 상기 하우징(10)의 외측에 놓인 링형 홈(33) 안으로 맞물린다. 상기 고정캡(32)과 디스크 스프링(31)에 의해서 두 개의 세라믹 성형품(20,27)들이 축방향으로예비 응력을 받으므로, 상기 측정 가스측의 세라믹 성형품(20)의 원추형 시일 시트(23)가 시일 링(25) 상에 가압된다. 이로써 하우징(10)과 세라믹 성형품(20) 사이에는 기밀 시일 시트가 형성된다.

하우징 밖으로 돌출한 측정 가스측 말단부(13)는 예를 들어 가스 유입 개구및 가스 배출 개구(38)를 가진 이중벽 구조의 보호관(37)에 의해 이격되어 둘러싸여 있다. 상기 센서 요소(12)는 연결부측 말단부(14)에 상세히는 도시되어 있지 않은 접점들을 구비하고 있다. 상기 접점들은 연결 플러그(41)에 의해 연결 케이블과 접촉된다. 상기 연결 플러그(41)는 예를 들어 두 개의 세라믹부로 구성되어 있다. 상기 세라믹부는 고정부(43)에 의해 결합되어 있다. 연결부측 세라믹 성형 품(27) 밖으로 돌출한 센서 요소(12) 연결부측 말단부(14)는 금속 슬리브(45)로 둘러싸여 있다. 상기 금속 슬리브는 하우징(10)에 기밀 방식으로 용접되어 있으며 관형 개구(47)를 구비하고 있다. 상기 개구 안에는 연결 케이블(42)을 통과시키기 위한 케이블 관통구(48)가 있다.

상기 측정 가스측 세라믹 성형품(20)은 연결부측 단부면(22)에 측정 가스측관통구(24)를 둘러싸는 스탬프 형태의 돌출부(51)를 갖는다. 상기 연결부측 세라믹 성형품(27)은 측정 가스측 단부면(28)에 홈(52)을 갖는데, 이 홈 내부로 방사상갭(53)을 가진 상기 스탬프 형태의 돌출부(51)가 삽입된다. 상기 스탬프 형태의 돌출부(51) 단부면과 상기 홈(52) 바닥 사이에는 중공실(55)이 형성되어 있으며, 이 중공실은 유리 시일(57)로 채워져 있다. 상기 스탬프형 돌출부(51)를 연결부측세라믹 성형품(27)에 그리고 상기 홈(52)을 측정 가스측 세라믹 성형품(20)에 형성하는 것 역시 가능하다.

상기 유리 시일(57)은 세라믹 성형품(20,27) 내의 센서 요소(12)를 기밀 방식으로 밀봉한다. 상기 스탬프형 돌출부(51)와 홈(52)의 치수는 측정 가스측 세라믹 성형품(20)과 연결부측 세라믹 성형품(27)의 서로 대향한 링형 면들 사이에 링형 갭(59)이 형성되도록 설정된다. 상기 링형 갭(59)은 유리 시일(57)의 가융 유리(fusible glass)가 압축시에 방사상 갭(53)을 거쳐 상기 링형 갭(59) 안으로 들어가도록 하는 역할을 한다.

유리 시일(57)로는 가융 유리, 예를 들면 Li-Al-실리케이트 유리 또는 Li-Ba-Al-실리케이트 유리가 적합하다. 가융 유리에는 첨가 물질을 첨가할 수 있기 때문에 이 첨가물질을 통해서 용융된 유리의 유동 특성을 개선시킬 수도 있다.

첨가 물질로서는 결합 공정 동안 유리 시일(57)의 가소화를 위해 구리, 알루미늄, 철, 황동, 흑연, 질화붕소, MoS₂ 또는 상기 물질들의 혼합물들과 같은 분말 형태의 물질이 사용된다. 상기 유리 시일(57)용 융제로서는 예를 들어 Li-카보네이트, Li-비누, 붕사 또는 산화붕소들을 사용한다. 열 팽창을 조절하기 위해, 알루미늄-질화물, 규소-질화물, 지르코늄-텅스텐산염 또는 이들의 혼합물과 같은 보상 충전제(compensating filler) 등을 첨가하는 것이 좋다. 상기 유리 시일(57)과 세라믹 성형품(20,27)의 세라믹과의 결합은 상기 유리 시일(57)에 세라믹 결합제,예를 들어 알루미늄-인산염 또는 크롬-인산염을 첨가하면 더욱 향상된다.

센서 요소(12)의 넓은 면적에 상기 유리 시일(57)이 닿도록 하기 위해서 본발명의 실시예에서는 상기 세라믹 성형품(20,27)의 측정 가스측 관통구(24)와 연결 부측 관통구(30)의 단부면이 중공실(55) 쪽으로 원추형으로 커지는 확대부(61)를 갖는다(도 2, 도 3, 도 4 참조).

상기 센서 요소 시일의 세가지 실시예들이 미장착 상태로 각각 유리 시일(57)의 제조 장치와 함께 도 2, 도 3 및 도 4에 도시되어 있다.

상기 제조 장치는 수납부(71)와 스토퍼(72)를 구비한 다이로서 하나의 캐리어(70)를 구비한다. 상기 수납부(71) 내에는 관통구(24,30) 안에 수납된 센서 요소(12)를 구비한 세라믹 성형품(20,27)이 위치하고 있다. 상기 센서 요소(12)의 축방향 위치는 상기 스토퍼(72)에 의해 미리 주어지며 상기 센서 요소(12)의 측정 가스측 말단부(13)가 스토퍼(72) 위에 놓인다. 먼저, 상기 측정 가스측 세라믹 성 형품(20)은 센서 요소(12)와 함께 수납부(71) 안으로 삽입된다. 상기 스탬프형 돌출부(51)의 단부면 위로는 유리 블랭크(blank;63), 예를 들어 유리 펠릿(pellet) 또는 유리 박막 형태의 유리 블랭크가 놓이는데, 상기 유리 블랭크(63)는 개구를 구비하고 있다. 이 개구로 인해 유리 블랭크(63)가 센서 요소(12) 위로 이동하게된다. 그 다음에 상기 연결부측 세라믹 성형품(27)은 상기 유리 블랭크(63) 위에 올려져서 상기 센서 요소(12)의 연결부측 말단부(14)가 관통구(30)를 통해 돌출한다. 설명한 장치에서는 프레스 스탬프(press stamp;74)에 의해 연결부측 세라믹 성형품(27) 위로 예를 들면 6OOkgf의 압축력이 가해진다. 그러나 그 전에 유리 블랭크(32)는 예를 들면 캐리어(70)에 있는 가열 장치에 의해 사용된 가융 유리 또는 사용된 유리 세라믹의 연화 온도 이상의 온도로 가열되었다. 압축시에 유동성 유리 블랭크(63)는 변형되어 상기 원추형 확대부(61) 안으로 그리고 아울러 방사상 갭(53) 안으로 프레스된다. 상기 방사상 갭(53)을 거쳐 흐르는 가융 유리는 이 때 전방측의 링형 갭(59) 안으로 들어간다.

제 2 실시예는 도 3에 도시되어 있다. 이 실시예는 상기 링형 갭(59) 안에 또 하나의 링형 유리 블랭크(64)가 삽입된다는 점에서 도 1에 따른 실시예와 다르다. 유동성의 또 하나의 유리 블랭크(64)는 압축시에 상기 유리 블랭크(63)와 같이 변형되어 상기 링형 갭(59)이 부가적으로 다른 하나의 유리 시일로 밀폐된다.

센서 요소 시일의 또 하나의 실시예는 도 4에 도시된다. 도 4에서는 측정 가스측에 유리 블랭크(63) 하부에 예비 압축된 그리고 경우에 따라서는 예비 소결된 다른 하나의 블랭크(65)가 설치되어 있다. 상기 다른 하나의 블랭크(65)용 재료로는 기본적으로는 소성 변형력이 우수한 물질, 예를 들어 활석, 고령토, 진흙,벤토나이트, 흑연, 질화붕소 등과 같은 물질이 매우 적합하다. 유동성 유리 블랭크(63)를 압축하는 동안 상기 스탬프(74)가 작용하면, 상기 블랭크(65)가 동시에 그 분말 성분들로 변형된다. 이로써 분말형 추가 시일이 형성된다. 가융 유리가 원추형 확대부(61)로 형성된, 측정 가스측 관통구(24)의 갭 안으로 흘러들어가기 전에 상기 분말들이 상기 갭 안으로 침투함으로써, 상기 가융 유리가 높은 열 부하를 받는 세라믹 성형품(20)의 측정 가스측 말단부로 흐르는 것이 방지된다.

도 3 및 도 4에 도시된 장치들은 도 2에 도시된 장치에 상응한다. 도 4에 따른 상기 유리 시일(57) 제조 방법은 도 2의 장치에 의해 구현된 방법에 따라 실시 가능하다. 그러나 스탬프를 사용하여 다른 블랭크(65)를 분말로 변형시킨 후,센서 요소와 측정 가스측 관통구 사이에 형성된 갭 안으로 밀어넣고 이어서 상기 유리 블랭크(63)를 도 2에 따른 방식으로 압축하는 것 역시 고려해 볼 수 있다. 도 4에 따른 센서 요소 시일의 또 다른 실시예에서는 도 3에 따른 실시예에서와 같이 링형 갭(59) 내에 다른 하나의 용융된 유리 시일을 제공하는 것 역시 가능하다.

Claims

금속 하우징의 종방향 보어 내에 설치되어 있으며 센서 요소 시일에 의해 기밀 방식으로 센서 요소를 수납하고 있는 센서 요소용 수납부를 구비하며,

상기 센서 요소(12)용 수납부는 측정 가스측에 배치된 세라믹 성형품(20)과 연결부측에 배치된 세라믹 성형품(27)을 구비하는, 측정 센서의 제조 방법에 있어서,

상기 두 개의 세라믹 성형품(20, 27) 사이에 유리 블랭크가 삽입되고,

상기 유리 블랭크는 적어도 사용된 유리 또는 사용된 유리 세라믹의 연화 온도에 상응하는 온도로 열간 프레스되어 유리 시일(57)을 형성하는 것을 특징으로 하는 측정 센서의 제조 방법.
제 1 항에 있어서, 상기 유리 시일(57)은 Li-Al-실리케이트 유리 또는 Li-Ba-Al-실리케이트 유리를 포함하는 것을 특징으로 하는 측정 센서의 제조 방법.
제 1 항에 있어서, 상기 유리 시일(57)은 유리 성분 이외에도, 가소화제, 융제, 충전제와 같은 첨가 물질 또는 상기 첨가 물질들의 혼합물을 포함하는 것을 특징으로 하는 측정 센서의 제조 방법.
제 1 항에 있어서, 상기 가소화제는 구리, 알루미늄, 철, 황동, 흑연, 질화붕소, MoS₂ 와 같은 물질 또는 상기 물질들의 혼합물인 것을 특징으로 하는 측정 센서의 제조 방법.
제 1 항에 있어서, 상기 유리 블랭크(63)의 프레싱을 위한 압축력은 400 내지 7OOkgf인 것을 특징으로 하는 측정 센서의 제조 방법.
제 1 항에 있어서, 상기 측정 가스측 세라믹 성형품, 센서 요소, 유리 블랭크, 연결부측 세라믹 성형품 및 경우에 따라서는 분말형 시일 패킹은 결합 위치에서 하나의 다이 내에 삽입되며, 상기 유리 블랭크는 다이 내에서 적어도 연화 온도로 가열된 후, 스탬프를 사용하여 상기 압축력이 연결부측 세라믹 성형품 위로 가해지는 것을 특징으로 하는 측정 센서의 제조 방법.