KR101525681B1 - 자동차용 산소센서 및 이의 제조방법 - Google Patents

자동차용 산소센서 및 이의 제조방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 자동차용 산소센서 및 이의 제조방법에 관한 것으로, 센서 하우징(11)에 내장된 센서소자(15)의 외주면에 장착되고 상기 센서소자(15)를 상기 센서하우징(11) 내에 고정하는 실링부재(17)를 포함하며, 상기 실링부재(17)는 글라스(glass)와 활석(talc)을 포함하는 원료를 압축 성형하여 형성한다.
본 발명은 센서소자의 외주면에 장착되는 실링부재에 의한 실링 효과가 극대화되므로 고온 다습한 환경에 방치했을 경우 발생되는 산소센서의 특성저하(CSD) 현상이 방지되는 이점이 있다.

Description

자동차용 산소센서 및 이의 제조방법{OXYGEN SENSOR FOR VEHICLE, AND MANUFACTURING METHOD OF THAT}
본 발명은 자동차용 산소센서 및 이의 제조방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 센서소자를 지지하고 보호하는 실링부재가 구비되는 자동차용 산소센서 및 이의 제조방법에 관한 것이다.
자동차의 배기가스를 저감하기 위한 전자제어시스템(ECU)의 피드백 장치로 산소센서가 이용된다.
산소센서는 산소분압을 감지하여 배기가스의 공연비를 판단하는 센서소자가 내장되며, 센서소자는 실링부재에 의해 지지되고 센서 하우징 및 보호튜브를 통해 배기가스에 의한 피독과 열 충격 등으로부터 보호된다.
실링부재는 센서소자의 지지 역할 외에도 기준공기(대기)와 배기가스와의 실링에 중요한 역할이다. 배기가스를 통해 유입되는 연료찌꺼기 등이 실링부재의 빈공간을 타고 유입되면 기준공기를 더럽히게 되어 정확한 산소분압의 감지가 어렵고 공연비 제어가 어렵게 된다.
또한, 고온 다습한 환경에서 케이블 내의 리드 와이어를 타고 유입되는 수분이 실링부재에 흡수되면 센서소자의 온도가 상승하면서 수분이 기준공기를 오염시키게 되므로 산소센서 특성저하(CSD,Characteristic Shift Down) 현상이 발생하게 된다.
국내 특허 공개 제10-2005-0048031호 '차량용 산소센서'(2005.05.24 공개)
본 발명의 목적은 고온 다습한 조건에서 산소센서가 방치되는 경우 발생되는 특성저하(CSD, Characteristic Shift Down) 현상이 방지되도록 실링 효과를 극대화할 수 있는 실링부재가 구비되는 자동차용 산소센서 및 이의 제조방법을 제공하는 것이다.
상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 특징에 따르면, 본 발명은 센서 하우징에 내장된 센서소자의 외주면에 장착되고 상기 센서소자를 상기 센서하우징 내에 고정하는 실링부재를 포함하며, 상기 실링부재는 글라스(glass)와 활석(talc)을 포함하는 원료를 압축 성형하여 형성한 것이다.
상기 원료 총 100 중량부에 대하여, 상기 글라스 10~30 중량부, 상기 활석 70~90 중량부를 포함한다.
상기 글라스는 보론나이트라이드(BN) 성분을 포함한다.
상기 실링부재는 상기 보론나이트라이드가 수분과 반응하여 고온에서 형성한 붕산염(borate)이 상기 활석의 빈공간을 메운 형태의 표면을 갖는다.
센서 하우징에 내장된 센서소자의 외주면에 장착되고 상기 센서소자를 상기 센서하우징 내에 고정하는 실링부재를 포함하며, 상기 실링부재는 글라스(glass)와 활석(talc)을 포함하는 원료를 가압축 성형하여 상기 센서소자의 외주면에 장착한 후, 상기 실링부재의 상부에 위치되게 상기 센서소자에 장착되는 절연부시를 눌러 압축 성형한다.
상기 원료 총 100 중량부에 대하여, 상기 글라스 10~30 중량부, 상기 활석 70~90 중량부를 포함한다.
상기 압축 성형 후 500~1000℃의 온도에서 소결한다.
본 발명은 센서소자의 외주면에 장착되는 실링부재가 글라스(glass)와 활석(talc)를 포함하는 원료를 압축 성형하여 형성하고, 소결시 글라스에 포함된 보론나이트라이드가 고온에서 수분과 반응하여 형성한 붕산염이 활석의 내부 기공을 채워 수분이 흡습되는 것을 방지하므로 실링부재의 실링 효과가 극대화된다.
따라서, 고온 다습한 환경에 방치했을 경우 발생되는 산소센서의 특성저하(CSD) 현상을 방지할 수 있는 효과가 있다.
도 1은 본 발명에 의한 자동차용 산소센서를 보인 단면도.
도 2는 본 발명에 의한 센서소자의 외주면에 장착된 실링부재를 보인 사시도.
도 3은 본 발명의 실링부재를 SEM으로 촬영한 사진.
이하, 본 발명의 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.
본 발명의 자동차용 산소센서는, 도 1에 도시된 바와 같이, 센서 하우징(11)에 내장된 센서소자(15)의 외주면에 장착되고 센서소자(15)를 센서 하우징(11) 내에 고정하는 실링부재(17)를 포함한다.
센서 하우징(11)은 양측으로 개구된 수용공간(13)을 구비하며 수용공간(13)에 길이방향으로 센서소자(15)가 배치된다.
센서소자(15)는 지르코니아(ZrO2) 소재를 막대 형상으로 성형하여 형성할 수 있다. 센서소자(15)는 일측이 배기가스와 접촉하는 접촉면(15a)을 형성하고 타측이 대기 중의 산소와 접하는 전극면(15b)을 형성한다.
접촉면(15a) 및 전극면(15b)은 백금으로 코팅하여 (-)전극 또는 (+)전극을 이룬다.
센서소자(15)의 접촉면(15a)은 센서 하우징(11)의 일측에 결합되는 보호튜브(19)에 의해 보호되며, 보호튜브(19)에는 배기가스가 센서소자(15)의 접촉면(15a)과 접촉될 수 있도록 유입구멍(19a)이 형성된다.
센서소자(15)의 전극면(15b)은 리드 와이어(21)를 통해 전자제어시스템(ECU)과 전기적으로 연결되며, 리드 와이어(21)는 센서 하우징(11)의 타측을 밀폐하는 그로밋부재(23)에 의해 지지된다.
센서소자(15)는 리드 와이어(21)를 통해 내부로 유입된 대기 중 산소농도와 유입구멍(19a)을 통해 내부로 유입된 배기가스 중의 산소농도 차이에 따라 전압을 발생한다. 센서소자(15)는 배기가스 중의 산소농도와 대기 중 산소농도 차이에 따라 배기가스 중의 산소농도가 높으면 낮은 전압을 발생하고, 배기가스 중의 산소농도가 낮으면 높은 전압을 발생한다.
센서소자(15)가 발생한 전압은 전자제어시스템(ECU)으로 전달되고 전자제어시스템은 이를 감안하여 엔진 공연비 제어에 대한 피드백을 수행한다.
센서소자(15)는 절연부시(25)와 실링부재(17)를 매개로 센서 하우징(11)의 수용공간(13)에 고정된다. 센서하우징(11)은 피독과 열충격 등으로부터 센서소자(15)를 보호하기 위한 것이다.
절연부시(25)는 세라믹 소재로 이루어진다. 예를 들어, 절연부시(25)는 동석(Steatite) 재질로 이루어질 수 있다.
절연부시(25)는 상부 절연부시(25a)와 하부 절연부시(25b)로 구성되며, 실링부재(17)의 상,하로 배치되게 센서소자(15)의 외주면에 장착된다. 상부 절연부시(25a)와 하부 절연부시(25b)는 절연체의 역할을 하며, 실링부재(17)와 함께 센서소자(15)를 센서 하우징(11) 내에 고정하는 역할을 한다.
실링부재(17)와 상, 하부 절연부시(25a,25b)는 유입구멍(19a)을 통해 유입된 배기가스가 센서소자(15)의 전극면(15b)이 위치한 공간으로 유입되는 것을 차단하도록 센서 하우징(11)의 수용공간(13)을 상, 하로 분리한다.
이 중 상, 하부 절연부시(25a,25b)의 사이에 위치되는 실링부재(17)의 역할이 가장 중요하다.
실링부재(17)는 배기가스를 통해 유입되는 연료찌꺼기, 수분 등이 상부 수용공간(13a)으로 유입되지 않도록 상부 수용공간(13a)과 하부 수용공간(13b)의 실링 효과를 높이는 역할을 한다.
도 2에 도시된 바와 같이, 실링부재(17)는 내면 형상이 센서소자(15)의 외면 형상에 대응되고, 외면 형상이 센서 하우징(11)의 내면 형상에 대응된다.
실링부재(17)는 실링 효과를 극대화하기 위해 글라스(glass)와 활석(talc)을 포함하는 원료를 압축 성형하여 형성한다. 실링부재(17)는 압축 성형 후 고온에서 소결한다. 글라스는 보론나이트라이드(BN) 성분을 포함한다.
실링부재(17)는 보론나이트라이드가 수분과 반응하여 고온에서 형성한 붕산염(borate) 성분이 활석의 빈공간을 메운 형태의 표면을 갖는다. 상기한 바와 같은 형태는 실링부재(17)를 통한 수분 흡수를 방지하여 실링 효과를 극대화하고 고온 다습한 환경 조건에 방치되었을 경우 발생할 수 있는 산소센서의 특성저하(Characteristic Shift Down) 현상을 방지한다.
실링부재(17)는 상기 원료 총 100 중량부에 대하여, 글라스 10~30 중량부, 활석 70~90 중량부를 포함한다.
활석은 센서소자(15)와 센서하우징(11)과의 절연효과 및 센서소자(15)의 배기가스와 접촉하는 접촉면(15a)과 기준공기가 있는 상부 수용공간(13a)과의 실링 역할을 위한 것이다.
활석은 화학적으로 매우 안정하며 전기에 대한 절연성이 있고 높은 용융점을 가지고 있으며 고무와 같은 탄성이 있다.
활석은 70 중량부 미만으로 포함되면 상대적인 글라스 성분의 증가로 실링부재(17)가 너무 단단해져 다른 부품과의 호환이 되지 않은 문제점이 있고, 90 중량부를 초과하면 내부 기공으로 인한 누설 및 흡습 작용으로 인해 센서소자의 성능에 악영향을 미치게 된다.
글라스는 활석만 사용했을 때 내부 기공으로 인한 센서소자의 성능저하를 방지하기 위해 추가된다. 글라스는 보론나이트라이드로만 이루어질 수 있다.
글라스는 10 중량부 미만으로 포함되면 그 효과가 미비하고 30 중량부를 초과하면 수축율이 높기 때문에 활석의 기공을 줄이는 것을 넘어 실링의 역할을 하기 어렵다.
한편, 실링부재(17)는 글라스(glass)와 활석(talc)을 포함하는 원료를 가압축 성형하여 센서소자의 외주면에 장착한 후, 실링부재의 상부에 위치되게 센서소자에 장착되는 절연부시를 눌러 압축 성형하는 방법을 제조된다.
이때, 원료는 성형이 용이하도록 분쇄하여 파우더 형태로 만든 것이 바람직하다.
압축 성형 후 소결(열처리)하게 되며, 소결온도는 500~1000℃이다. 보론나이트라이드는 수분과 반응하여 고온에서 붕산염이라는 글라스 성분을 형성하고, 이 글라스 성분이 활석의 빈공간을 채워 실링부재(17)에 수분이 흡수되는 것을 방지한다.
소결온도는 500℃ 미만이면 붕산염 생성이 미비하여 활석의 빈공간을 막는 효과가 미비하고, 녹지 않은 파우더의 가루 발생 위험이 있으며, 1000℃ 초과는 그 효과가 포화된다.
다른 방법으로 실링부재는 절연부시에 의해 눌러 압축 성형한 후, 자동차의 엔진 가동시 산소센서의 온도가 상승하였을 때 실링부재의 소결 수행이 수행되게 할 수도 있다.
이 과정에서 보론나이트라이드가 수분과 반응하여 고온에서 붕산염이라는 글라스 성분을 형성하여 활석의 빈공간을 채우고 수분이 흡수되는 것을 방지한다.
이하, 본 발명의 작용을 설명한다.
도 1에 A영역으로 표시된 바와 같이, 센서소자(15)의 외주면에 장착된 원통형의 부재가 실링부재(17)이며, 센서소자(15)의 외주면에 장착되고 실링부재(17)의 상, 하부로 위치되는 부재가 절연부시(25)이다.
센서소자(15)의 외주면에 장착되는 실링부재(17)는 글라스(glass)와 활석(talc)을 포함하는 원료를 가압축 성형한 상태이다.
가압축 성형한 상태의 실링부재(17)는 센서 하우징(11)의 수용공간(13)에 내장된 긴 막대 형상의 센서소자(15)의 외주면을 둘러싸게 장착된 다음, 센서소자(15)의 외주면에 추가로 장착되는 상부 절연부시(25a)와 하부 절연부시(25b)를 눌러 압축 성형하게 되고, 이 상태에서 소결을 실시하게 된다.
소결은 500~1000℃에서 수행한다.
압축 성형 후 소결된 실링부재(17)는 소결과정에서 붕산염 글라스가 형성되고, 붕산염 글라스가 활석의 빈공간을 막아 소결밀도가 높은 실링부재로 형성된다.
표 1은 글라스(glass)와 활석(talc)의 중량비에 따른 실링부재의 기계적 특성을 나타낸 것이다.
구분
 중량부 소결온도
(℃)		 기계적 특성
글라스(BN) 활석 기밀성 탄성
실험1 8 92 800 부족 탄성 있음
실험2 9 91 800 부족 탄성 있음
실험3 10 90 800 우수 탄성 있음
실험4 20 80 800 우수 탄성 있음
실험5 30 70 800 우수 탄성 있음
실험6 31 69 800 부족 탄성 없음
실험7 32 68 800 부족 탄성 없음
실험8 20 80 450 부족 탄성 있음
실험9 20 80 1000 우수 탄성 있음
실험10 20 80 1100 우수 탄성 있음
표 1에 의하면, 글라스가 설정치 보다 낮은 실험1, 실험2는 활석의 내부 기공으로 인해 기밀성이 부족하였고, 글라스가 설정치 보다 높은 실험6, 실험7은 글라스가 기밀성이 부족하였고 탄성이 없이 단단했다.
소결온도가 설정치 보다 낮은 실험8은 글라스의 미용융 부분으로 인해 기밀성인 낮았고, 소결온도가 설정치 보다 높은 실험10은 기밀성은 우수하나 그 효과가 포화되고 높은 온도로 인해 산소센서의 다른 부품에 영향을 미쳤다.
반면, 실험3 내지 실험5, 실험 9는 기밀성이 우수하고 탄성도 있어 다른 부품들과의 호환성이 우수하였다.
도 3에는 본 발명의 실링부재를 SEM으로 촬영한 사진이 도시되어 있다.
도 3에 도시된 바에 의하면, 하얀 부분으로 붕산염 글라스가 형성된 것이 확인된다.
그리고, 붕산염 글라스에 의해 실링부재의 표면에 빈공간이 없음이 확인된다. 실링부재의 표면에 빈공간이 없음은 산소센서를 고온다습한 조건에서 방치하였을 경우 발생하는 특성저하(CSD,Characteristic Shift Down) 현상을 방지할 수 있음을 의미한다.
본 발명의 권리범위는 위에서 설명된 실시예에 한정되지 않고 청구범위에 기재된 바에 의해 정의되며, 본 발명의 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 청구범위에 기재된 권리범위 내에서 다양한 변형과 개작을 할 수 있다는 것은 자명하다.
10: 산소센서 11: 센서 하우징
13: 수용공간 13a,13b: 상, 하부 수용공간
15: 센서소자 15a: 접촉면
15b: 전극면 17: 실링부재
19: 보호튜브 19a: 유입구멍
21: 리드 와이어 23: 그로밋부재
25: 절연부시 25a,25b: 상,하부 절연부시

Claims (7)

  1. 센서 하우징에 내장된 센서소자의 외주면에 장착되고 상기 센서소자를 상기 센서하우징 내에 고정하는 실링부재를 포함하며,
    상기 실링부재는 글라스(glass)와 활석(talc)을 포함하는 원료를 압축 성형한 후 500~1000℃의 온도에서 소결하여 형성되며,
    상기 원료 총 100 중량부에 대하여,
    상기 글라스 10~30 중량부,
    상기 활석 70~90 중량부를 포함하며,
    상기 글라스는 보론나이트라이드(BN) 성분을 포함하고,
    상기 실링부재는 상기 보론나이트라이드가 수분과 반응하여 고온에서 형성한 붕산염(borate)이 상기 활석의 빈공간을 메운 형태의 표면을 갖는 것을 특징으로 하는 자동차용 산소센서.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 센서 하우징에 내장된 센서소자의 외주면에 장착되고 상기 센서소자를 상기 센서하우징 내에 고정하는 실링부재를 포함하며,
    상기 실링부재는 글라스(glass)와 활석(talc)을 포함하는 원료를 가압축 성형하여 상기 센서소자의 외주면에 장착한 후, 상기 실링부재의 상부에 위치되게 상기 센서소자에 장착되는 절연부시를 눌러 압축 성형한 후 500~1000℃의 온도에서 소결하며,
    상기 원료 총 100 중량부에 대하여,
    상기 글라스 10~30 중량부,
    상기 활석 70~90 중량부를 포함하며,
    상기 글라스는 보론나이트라이드(BN) 성분을 포함하고,
    상기 실링부재는 상기 보론나이트라이드가 수분과 반응하여 고온에서 형성한 붕산염(borate)이 상기 활석의 빈공간을 메운 형태의 표면을 갖는 것을 특징으로 하는 자동차용 산소센서의 제조방법.
  6. 삭제
  7. 삭제
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Citations (3)

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